JP6007605B2 - 半導体素子の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置を構成する半導体素子の駆動装置に係り、特に半導体素子の保護動作に必要な情報の通知機能を備えた半導体素子の駆動装置に関する。

近時、電力変換装置を構成する半導体素子の駆動装置として、半導体素子（ＩＧＢＴ等のパワートランジスタ）とその駆動回路と共に、前記半導体素子の過電流、過電圧、過熱等の異常に対する保護回路を１つの電子部品としてモジュール化した、いわゆるインテリジェント・パワーモジュール（ＩＰＭ）が注目されている。また上述した異常をそれぞれ検出する複数の検出回路に加えて、各検出回路にて検出した異常の種別に応じて、予め設定したパルス幅のアラーム信号を出力する通知回路を前記インテリジェント・パワーモジュールに組み込むことも提唱されている（例えば特許文献１を参照）。このようなアラーム信号の通知回路を備えることで、前記駆動装置を制御する制御装置側において前記アラーム信号のパルス幅を検出することで、半導体素子に生じた異常の種別を判別することができる。

しかしながら前記通知回路から、パルス幅の異なる複数のアラーム信号が同時期に出力された場合、その判別が困難になると言う問題を含んでいる。そこで本出願人は先に上記不具合を回避し、また一般的にはパルス信号列として出力される前記アラーム信号の判別を容易化するために、予め異常の種別毎に定めたパルス幅のアラーム信号を１パルス分だけ、或いは予め設定した時間間隔を経て１パルス分ずつ出力することを提唱した（特許文献２を参照）。

特開平８−７０５８０号公報 特願２０１１−１６８５１２

特許文献２で提唱した半導体素子の駆動装置によれば、パルス幅の異なる複数種のアラーム信号が同時期に出力されることがない。従って通知されたアラーム信号のパルス幅の検出（計測）が容易であり、検出したアラーム信号のパルス幅から異常の種別を正確に識別することができる。しかし半導体素子の異常検出時にその種別に応じたパルス幅のアラーム信号が１パルス分だけ、或いは予め設定した時間間隔を経て１パルス分ずつ出力されるだけなので、前記半導体素子の異常が解消されても、これを検出することができないと言う不具合がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、半導体素子に生じた異常要因に応じたパルス幅のアラーム信号を的確に通知する機能を備えると共に、前記半導体素子の異常要因が解消されたことを通知する機能を備えた半導体素子の駆動装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る半導体素子の駆動装置は、電力変換装置を構成する半導体素子を駆動する装置であり、
前記半導体素子の保護に必要な複数種の情報（異常の種別）をそれぞれ検出して異常検出信号を出力する複数の検出回路と、
これらの複数の検出回路のそれぞれに対応付けて定めた互いに異なるパルス幅の信号を生成するパルス信号発生器を備え、前記検出回路のいずれかが前記異常検出信号を出力したとき、前記半導体素子を保護する保護信号を出力すると共に、前記パルス信号発生器を起動して当該異常検出信号を出力した検出回路に対応付けられたパルス幅のパルス信号列からなるアラーム信号を出力するアラーム信号生成回路と、
このアラーム信号生成回路から前記アラーム信号が出力されたとき、当該アラーム信号を１パルス分、または予め設定した時間間隔を経て１パルス分ずつ出力する通知信号出力回路と、
前記半導体素子を保護する要因が解除されて前記アラーム信号生成回路からの前記アラーム信号の出力が終了したとき、前記各アラーム信号とは異なるパルス幅のアラーム解除信号を生成して出力するアラーム解除信号生成回路と
を具備したことを特徴としている。

具体的には前記半導体素子は、パルス幅制御された動作信号によりオン・オフ駆動される、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であって、前記保護信号は前記半導体素子への前記動作信号の出力を禁止して、該半導体素子の駆動を中止する役割を担う。

好ましくは前記アラーム信号生成回路は、前記検出回路のいずれかが前記異常検出信号を出力している期間に亘って前記保護信号を出力すると共に、前記異常検出信号を受けて前記アラーム信号の生成を開始し、前記異常検出信号が途絶えたときに前記アラーム信号を形成するパルス信号列における１パルス分のパルス信号が出力された時点で当該アラーム信号の生成を停止するように構成される。

また前記アラーム解除信号生成回路は、好ましくは前記アラーム信号生成回路からの前記保護信号の出力が停止すると共に、該アラーム信号生成回路からの前記アラーム信号の出力が停止したとき、前記半導体素子をオン・オフ駆動するパルス幅制御された動作信号を受けて起動されて前記アラーム解除信号を生成するワンショットマルチバイブレータ回路を備えて構成される。

更に前記通知信号出力回路は、好ましくは前記アラーム解除信号生成回路が出力する前記アラーム解除信号を受けてリセットされるフリップフロップ回路を備え、該フリップフロップ回路がリセットされているときに前記アラーム信号を出力すると共に、出力したアラーム信号により前記フリップフロップ回路をセットして前記アラーム信号の出力を禁止することで、前記アラーム信号を１パルス分だけ出力するように構成される。

また前記通知信号出力回路は、好ましくは該通知信号出力回路から出力されるアラーム信号を入力して予め設定した時間後に継続信号を出力する通知継続回路を備えると共に、前記アラーム解除信号生成回路が出力する前記アラーム解除信号または前記継続信号を受けてリセットされるフリップフロップ回路を備え、
前記フリップフロップ回路がリセットされているときに前記アラーム信号を出力すると共に、当該通知信号出力回路が出力したアラーム信号により前記フリップフロップ回路がセットされたときに前記アラーム信号の出力を禁止することで、前記アラーム信号を１パルス分だけ出力した後、予め設定した時間間隔を経て１パルス分ずつ出力するように構成される。

ちなみに前記通知信号出力回路が出力される前記アラーム信号、および前記アラーム解除信号生成回路が出力する前記アラーム解除信号は、オア回路を介して出力されて前記半導体素子を駆動する前記動作信号を生成する電力変換装置の制御部に通知されるものである。また前記複数の検出回路は、具体的には前記半導体素子の過熱温度を検出する温度検出回路、前記半導体素子の過電流を検出する電流検出回路、および当該装置に加えられる電源電圧の低下を検出する電圧検出回路を含む。

上記構成の半導体素子の駆動装置によれば、半導体素子に生じた異常要因に応じたパルス幅のアラーム信号が１パルス分、または予め設定した時間間隔を経て１パルス分ずつ出力されるので、通知されたアラーム信号のパルス幅の検出（計測）が容易であり、検出したアラーム信号のパルス幅から異常の種別（要因）を正確に識別することができる。しかも前記半導体素子の異常要因が解消されて前記アラーム信号の出力が終了したとき、前記各アラーム信号とは異なるパルス幅のアラーム解除信号が出力されるので、このアラーム解除信号から前記異常要因の解消を容易に検出することができる。

従って、例えば電力変換装置を構成する半導体素子を駆動する前記動作信号を生成する制御部側においては、前記半導体素子の異常要因を正確に把握して適切な保護対策を講じることが可能であり、その異常要因が解消されたときには、これを速やかに検出して正常状態への迅速な復帰が可能となる等の効果が奏せられる。

本発明が適用される電力変換装置の要部概略構成を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る半導体素子の駆動装置の要部概略構成図。 図２に示すアラーム信号生成回路が生成するアラーム信号を示す図。 図２に示す駆動装置の動作を説明する為の信号波形図。 本発明の第２の実施形態に係る半導体素子の駆動装置の概略構成図。 図５に示す駆動装置の動作を説明する為の信号波形図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明が適用される電力変換装置の要部概略構成を示すブロック図である。電力変換装置１は、直流電力を交流電力に変換するインバータ２を備えると共に、インバータ２を構成する複数（この例では６個）の半導体素子（ＩＧＢＴ；Insulated Gate Bipolar Transistor）１１〜１６を個別に駆動する複数（６個）の駆動装置（ドライバ回路）３Ｕ〜３Ｚを備える。尚、図中２１〜２６は、前記ＩＧＢＴ１１〜１６の各エミッタ・コレクタ間にそれぞれ逆並列に接続されたフリーホイール・ダイオードをそれぞれ示している。

インバータ２を構成する６個のＩＧＢＴ１１〜１６は、２個ずつ直列に接続されて直流電源（図示せず）の正極ラインＬｐと負極ラインＬｎとの間にそれぞれ介装されており、前記正極ラインＬｐと前記負極ラインＬｎとの間に供給される直流電力を３相交流電力に変換する役割を担う。このインバータ２により変換された３相交流電力は、電動モータ等の交流負荷４に供給される。

より詳しくは前記インバータ２を構成する６個のＩＧＢＴ１１〜１６の内、正極ラインＬｐに接続されたＩＧＢＴ１１,１３,１５は、３相交流のＵ相、Ｖ相およびＷ相をそれぞれ形成する上アームＵＡを構成し、また負極ラインＬｎに接続されたＩＧＢＴ１２,１４,１６は、３相交流のＸ相、Ｙ相およびＺ相をそれぞれ形成する下アームＵＢを構成している。そしてこれらのＩＧＢＴ１１〜１６は、互いに位相を異ならせてオン・オフ駆動されることで前記直流電力をスイッチングし、各ＩＧＢＴ１１〜１６間の直列接続点から３相交流電力を出力する。

ところで前記各ＩＧＢＴ１１〜１６は、例えば図２に示すように電流センサ１８および温度センサ１９と共にそれぞれ１つの半導体チップ１７に組み込まれて１チップ化されている。前記電流センサ１８は、ＩＧＢＴ１１のコレクタ・エミッタ間を流れる電流を検出する電流検出用ＩＧＢＴや電流検出抵抗からなり、また前記温度センサ１９はサーミスタや温度検出用ダイオードからなる。また前記電流センサ１８および温度センサ１９を備えて１チップ化されたＩＧＢＴ１１〜１６は、例えばその駆動装置３Ｕ〜３Ｚと共にそれぞれ１つのパッケージに収められて電子部品化され、前述したインテリジェント・パワーモジュール（ＩＰＭ）１ａとして実現される。

図２はインテリジェント・パワーモジュール１ａとして実現された前記ＩＧＢＴ１１とその駆動装置３Ｕとからなる半導体素子の駆動装置の概略構成を示している。尚、ここでは前記電力変換装置１を代表して、１つの電子部品（ＩＰＭ１ａ）として実現される前記Ｕ相のＩＧＢＴ１１とその駆動装置３Ｕの概略構成について説明するが、残りの各相Ｖ〜Ｚについても同様に構成されるので、その説明については省略する。

駆動装置３Ｕは、前記半導体素子のインバータ制御部（図示せず）から与えられる制御信号Ｓｍを入力して前記ＩＧＢＴ１１のゲートをオン・オフ制御するゲート制御回路３１を備える。前記制御信号Ｓｍは、前記インバータ制御部において前述したＵ相〜Ｚ相のそれぞれに応じた位相制御の下でパルス幅変調（ＰＷＭ）したパルス信号からなる。また前記ゲート制御回路３１には、後述するアラーム信号生成回路３５から保護信号Ｓｐが入力されており、該ゲート制御回路３１は前記保護信号Ｓｐがオフ［Ｌレベル］のとき、つまり保護信号Ｓｐが出力されていないとき、前記ＩＧＢＴ１１のゲートに前記制御信号Ｓｍを印加して該ＩＧＢＴ１１をオン・オフ駆動する。またゲート制御回路３１は前記保護信号Ｓｐがオン［Ｈレベル］のとき、前記制御信号Ｓｍの通過を阻止することで前記ＩＧＢＴ１１の駆動を禁止し、これによってＩＧＢＴ１１を異常から保護する。

また前記駆動装置３Ｕは、前記ＩＧＢＴ１１の保護機能を実現する電圧検出回路３２、電流検出回路３３、および温度検出回路３４を備える。電圧検出回路３２は、外部電源３８から供給される当該駆動装置３Ｕの駆動電圧Ｖｃと、予め設定した第１の閾値電圧Ｖth１とを比較する第１の比較器ＣＰ１を主体として構成される。そしてこの電圧検出回路３２（第１の比較器ＣＰ１）は、前記駆動電圧Ｖｃが第１の閾値電圧Ｖth１以下に低下したとき、これを駆動電圧Ｖｃの異常低下として検出して［Ｈレベル］の電圧異常検出信号Ｓvdを出力する。

また前記電流検出回路３３は、前記電流センサ１８にて検出された前記ＩＧＢＴ１１に流れる電流Ｉを示す電圧Ｖiと、予め設定した第２の閾値電圧Ｖth２とを比較する第２の比較器ＣＰ２を主体として構成される。そして電流検出回路３３（第２の比較器ＣＰ２）は、前記電圧Ｖiが第２の閾値電圧Ｖth２を超えるとき、これを過電流として検出して［Ｈレベル］の過電流異常検出信号Ｓocを出力する。

更に前記温度検出回路３４は、前記温度センサ１９にて検出された前記ＩＧＢＴ１１の温度Ｔ、具体的には前記温度センサ１９等と共に前記ＩＧＢＴ１１が形成された半導体チップ１７の温度Ｔを示す電圧Ｖtと、予め設定した第３の閾値電圧Ｖth３とを比較する第３の比較器ＣＰ３を主体として構成される。そしてこの温度検出回路３４（第３の比較器ＣＰ３）は、前記電圧Ｖiが第３の閾値電圧Ｖth３を超えるとき、これを過熱として検出して［Ｈレベル］の過熱異常検出信号Ｓohを出力する。尚、温度検出回路３４に設けられた電源３４ａは、前記温度センサ１９として用いられる温度検出用ダイオードに一定電流を供給して該温度検出用ダイオードを駆動する役割を担う。

そして前記ＩＧＢＴ１１に異常要因が生じていないとき、具体的には前記駆動電圧Ｖｃの異常低下、前記ＩＧＢＴ１１に流れる電流の過電流、および前記ＩＧＢＴ１１が形成された半導体チップ１７の温度の過熱がない場合には、前記電圧検出回路３２（第１の比較器ＣＰ１）、電流検出回路３３（第２の比較器ＣＰ２）、および温度検出回路３４（第３の比較器ＣＰ３）の各出力はそれぞれ［Ｌレベル］に保たれ、従って前記各異常検出信号Ｓvd,Ｓoc,Ｓohは出力されない。

さて前記アラーム信号生成回路３５は、前記電圧検出回路３２、電流検出回路３３、および温度検出回路３４からそれぞれ出力される異常検出信号Ｓvd,Ｓoc,Ｓohを入力し、前述した保護信号Ｓｐを生成して出力すると共に、前記各異常検出信号Ｓvd,Ｓoc,Ｓohに応じたアラーム信号ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳohを択一的に生成する。特にアラーム信号生成回路３５は、予め前記各検出回路３２,３３,３４のそれぞれに対応付けて設定した互いに異なるパルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohのパルス信号の１つを、パルス間隔Ｔaで生成するパルス信号発生器（図示せず）を備える。

そしてアラーム信号生成回路３５は、前記検出回路３２,３３,３４のいずれかから前記異常検出信号Ｓvd,Ｓoc,Ｓohが与えられたとき、前記パルス信号発生器を起動して当該異常検出信号Ｓvd,Ｓoc,Ｓohを出力した検出回路３２,３３,３４に対応付けられたパルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohのパルス信号列からなるアラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）を生成して出力する。尚、記パルス信号発生器は、前記異常検出信号Ｓvd,Ｓoc,Ｓohの入力がなくなったとき、前記パルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohのパルス信号の出力が完了した時点で前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）の生成動作を停止する。

ちなみに前記パルス信号発生器は、例えばコンデンサの充放電を利用した積分回路と、この積分回路の動作（コンデンサの充放電）を制御するヒステリシス型の比較器とを備えて構成される。ヒステリシス型の比較器は、前記コンデンサの充放電の上限電圧および下限電圧をそれぞれ規定する第１および第２の判定閾値Ｖ1,Ｖ2と前記積分回路の出力電圧とを比較し、その比較結果に応じて前記コンデンサの充放電を制御する。

特にパルス信号発生器は、前記異常検出信号Ｓvd,Ｓoc,Ｓohに応じて前記コンデンサの充電電流を選択設定して前記パルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohを規定する［Ｌレベル］の出力を前記ヒステリシス型の比較器から得ると共に、前記コンデンサに蓄積された電荷を一定電流で放電させて前記パルス間隔Ｔaを規定する［Ｈレベル］の出力を前記ヒステリシス型の比較器から得ることで前記パルス信号列を生成する。

具体的には前記アラーム信号生成回路３５のパルス信号発生器は、例えば電圧異常検出信号Ｓvdが与えられた場合には、前記ヒステリシス型の比較器の制御の下で前記コンデンサを基準電流Ｉcで充電した後、一定電流Ｉdで放電する動作を繰り返すことで、図３(ａ)に示すようにパルス幅Ｔvdのパルス信号［Ｌレベル］をパルス間隔Ｔaで連続して生成する。また前記パルス信号発生器は、前記過電流異常検出信号Ｓocが与えられた場合には、前記基準電流Ｉcの１／２の電流で前記コンデンサを充電した後、前記一定電流Ｉdで放電する動作を繰り返すことで、図３(ｂ)に示すように前記パルス幅Ｔvdの２倍のパルス幅Ｔoc（＝２Ｔvd）のパルス信号［Ｌレベル］を前記パルス間隔Ｔaで連続して生成する。

更に前記パルス信号発生器は、前記過熱異常検出信号Ｓohが与えられた場合には、前記基準電流Ｉcの１／４の電流で前記コンデンサを充電した後、前記一定電流Ｉdで放電する動作を繰り返すことで、図３(ｃ)に示すように前記パルス幅Ｔvdの４倍のパルス幅Ｔoh（＝４Ｔvd＝２Ｔoc）のパルス信号［Ｌレベル］を前記パルス間隔Ｔaで連続して生成する。尚、上述したパルス幅Ｔvd, Ｔoc,Ｔohについては、互いに明確に識別可能な時間差を有するものであれば良く、任意に設定可能である。

次に本装置における特徴的な機能について、図４(ａ)〜(ｋ)に示す当該駆動装置３Ｕの動作を表した信号波形図（タイミング図）を併用して説明する。

図２に示すように前記駆動装置３Ｕは、上述した構成に加えて、更に前記アラーム信号生成回路３５から前述したアラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）が択一的に出力されたとき、当該アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）を１パルス分だけ出力する通知信号出力回路３６を備える。更に前記駆動装置３Ｕは、前記アラーム信号生成回路３５からの前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）の出力が終了したとき、前記各アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）をそれぞれ形成するパルス信号とは異なるパルス幅Ｔsrのアラーム解除信号Ｓｒ［Ｌレベル］を生成して出力するアラーム解除信号生成回路３７を備える。

前記通知信号出力回路３６は、前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）を反転するインバータ回路３６ａ、常時はリセット状態に保たれるＲＳ型のフリップフロップ回路３６ｄ、このフリップフロップ回路３６ｄの反転出力端子ＱＢの出力であるＦＦ信号Ｓｆに従って前記インバータ回路３６ａの出力信号Ｓｉをゲート処理するナンド回路３６ｂ、およびこのナンド回路３６ｂの出力信号Ｓｎを反転して前記フリップフロップ回路３６ｄの反転セット端子ＳＢに加えるインバータ回路３６ｃを備える。

前記フリップフロップ回路３６ｄは、当該駆動装置３Ｕのイニシャライズ時にリセットされ、前記反転出力端子ＱＢから［Ｈレベル］のＦＦ信号Ｓｆを出力する。また前記フリップフロップ回路３６ｄは、セット状態にあるとき、後述するように前記アラーム解除信号生成回路３７から出力される［Ｌレベル］の前記アラーム解除信号Ｓｒを反転リセット端子ＳＲに入力してリセットされ、前記反転出力端子ＱＢから［Ｈレベル］のＦＦ信号Ｓｆを出力する〈タイミングｔ７〉。

そしてフリップフロップ回路３６ｄがリセット状態にあるとき、前記反転出力端子ＱＢから出力される［Ｈレベル］のＦＦ信号Ｓｆによって前記ナンド回路３６ｂがアクティブとなる。この状態において前記ＩＧＢＴ１１の異常が検出されて前記アラーム信号生成回路３５から前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）が、例えばアラーム信号ＰＳvdが出力されると〈タイミングｔ１〉、このアラーム信号ＰＳvdは前記インバータ回路３６ａから前記ナンド回路３６ｂを介して通知信号Ｓｎとして出力される。

するとこのナンド回路３６ｂから出力された前記通知信号Ｓｎが前記インバータ回路３６ｃを介して前記フリップフロップ回路３６ｄの反転セット端子ＳＢに加えられる。この結果、該フリップフロップ回路３６dがセットされて前記反転出力端子ＱＢの出力が反転して［Ｌレベル］となる〈タイミングｔ２〉。このフリップフロップ回路３６dのセットにより前記反転出力端子ＱＢの出力が反転し、前記ＦＦ信号Ｓｆの出力が停止する。

そして前記ＦＦ信号Ｓｆの出力停止に伴って前記ナンド回路３６ｂがインアクティブとなり、その後、前記アラーム信号生成回路３５から前記アラーム信号ＰＳvdを形成するパルス信号列が出力されても〈タイミングｔ３〉、前記ナンド回路３６ｂを介して出力されることがなくなる。この結果、前記アラーム信号ＰＳvdを形成するパルス信号列は前記ナンド回路３６ｂを介して最初の１パルス分だけが出力されることになるので、前記通知信号Ｓｎは前記アラーム信号ＰＳvdの最初の１パルス分だけとなる。この通知信号出力回路３６の前記アラーム信号ＰＳvdに対する制御動作は、前記アラーム信号ＰＳoc,ＰＳohに対しても同様に実行される。

一方、前記アラーム解除信号生成回路３７は、前記保護信号Ｓｐを反転するインバータ回路３７ａと、このインバータ回路３７ａを介して取り込んだ前記保護信号Ｓｐ、前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）および前記制御信号Ｓｍとの間で論理積処理する３入力アンド回路３７ｂと、この３入力アンド回路３７ｂの出力を受けて起動されるワンショットマルチバイブレータ回路３７ｃを備えて構成される。

前記３入力アンド回路３７ｂは、前記アラーム信号生成回路３５が出力する前記保護信号Ｓｐがオフ［Ｌレベル］であり、パルス信号列からなる前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）の出力が停止したとき、前記ＩＧＢＴ１１をオン・オフ駆動する前記制御信号Ｓｍを受けて、特に制御信号Ｓｍが［Ｈレベル］に反転したときに前記ワンショットマルチバイブレータ回路３７ｃを起動する役割を担う。そしてワンショットマルチバイブレータ回路３７ｃは、その起動によって前記アラーム信号ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳohの各パルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohとは異なるパルス幅Ｔsrのアラーム解除信号Ｓｒ［Ｌレベル］を生成して出力する。

即ち、アラーム解除信号生成回路３７のワンショットマルチバイブレータ回路３７ｃは、前記アラーム信号生成回路３５から［Ｈレベル］の保護信号Ｓｐが出力されて前記ＩＧＢＴ１１の駆動が禁止されている期間には起動されることはない。そして前記ＩＧＢＴ１１に対する異常要因が解消され、前記保護信号Ｓｐの出力が停止したことを条件として動作する〈タイミングｔ４〉。

しかし、前記保護信号Ｓｐの出力が停止した後、前記制御信号Ｓｍが［Ｈレベル］に反転しても〈タイミングｔ５〉、前記アラーム信号生成回路３５からの前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）の出力が継続している場合には、つまりアラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）を形成する［Ｌレベル］のパルス信号が出力されている間は前記ワンショットマルチバイブレータ回路３７ｃは起動されない。そして前記アラーム信号生成回路３が生成するパルス信号の出力が完了し、前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）の出力が停止した後〈タイミングｔ６〉、前記制御信号Ｓｍが［Ｈレベル］に反転すると〈タイミングｔ７〉、前記３入力アンド回路３７ｂの出力が［Ｈレベル］に反転する。するとこの３入力アンド回路３７ｂの出力を受けて前記ワンショットマルチバイブレータ回路３７ｃが起動され、前述したパルス幅Ｔsrの［Ｌレベル］のアラーム解除信号Ｓｒが出力される。

このようにして前記アラーム解除信号生成回路３７から出力されるアラーム解除信号Ｓｒは、前記通知信号出力回路３６から出力される、前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）の最初の１パルス分の通知信号Ｓｎと共に、オア回路３９を介して１つにまとめられて当該駆動装置３Ｕの制御部（図示せず）に通知される。従って制御部においては、駆動装置３Ｕから通知される信号Ｓｎ／Ｓｒを受け、［Ｌレベル］となっている期間のパルス幅を計測することで、前記通知信号Ｓｎ（アラーム信号ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳohを形成するパルス信号列の１パルス分）とアラーム解除信号Ｓｒとをそれぞれ識別して検出することが可能となる。

以上を統括すると図４(ａ)〜(ｊ)に前述した各信号の動作タイミングを示すように、前記制御部から与えられる図４(ａ)に示す制御信号Ｓｍに従ってＩＧＢＴ１１をオン・オフ駆動している状態において何等かの異常が発生し、例えばタイミングｔ１において図４(ｂ)に示すように電圧異常検出信号Ｓvdが出力されると、これによって前記アラーム信号生成回路３５から図４(ｄ)に示すようにアラーム信号ＰＳvdの出力が開始される。また同時に前記アラーム信号生成回路３５から図４(ｅ)に示すように保護信号Ｓｐが出力される。尚、図４(ｊ)は駆動装置３Ｕの動作タイミングを規定するクロック信号Ｃｐを示している

このとき前記フリップフロップ回路３６ｄはリセット状態にあるので、その出力である前記ＦＦ信号Ｓｆは、図４(ｇ)のタイミングｔ０に示すように［Ｈレベル］に保たれている。従って前記アラーム信号ＰＳvdのパルス信号は、前記インバータ回路３６ａからナンド回路３６ｂを介して図４(ｈ)に示すように通知信号Ｓｎとして出力される〈タイミングｔ１〉。尚、図４(ｆ)はインバータ回路３６ａを介して前記アラーム信号ＰＳvdを反転した信号Ｓｉを示している。

すると通知信号Ｓｎの出力に伴って図４(ｆ)に示すようにフリップフロップ回路３６ｄの出力であるＦＦ信号Ｓｆがタイミングｔ３で反転するので、その後の前記アラーム信号ＰＳvdのパルス信号の出力が禁止される。従って図４(ｈ)に示すように前記タイミングｔ３に至る前の前記アラーム信号ＰＳvdの１番目のパルス信号だけが通知信号Ｓｎとして出力され、その後のアラーム信号ＰＳvdのパルス信号の出力が禁止される。

しかる後、タイミングｔ４において前記ＩＧＢＴ１１における異常が解消し、図４(ｂ)に示すように前記異常検出信号Ｓvdが消失すると、これに伴って図４(ｅ)に示すように前記保護信号Ｓｐの出力が停止する。しかしこのタイミングｔ４においては、図４(ｄ)に示すように前記アラーム信号生成回路３５は、前記アラーム信号ＰＳvdを形成するパルス幅Ｔvdのパルス信号を出力している途中であり、またその後の前記制御信号Ｓｍが反転するタイミングｔ５においても前記パルス信号の出力が継続しているので、前記アラーム解除信号生成回路３７が起動されることはない。

そしてタイミングｔ６において前記パルス信号の出力が完了し、前記アラーム信号ＰＳvdの出力が停止すると、その後のタイミングｔ７において前記制御信号Ｓｍが反転したとき、図４(ｄ)に示すように既に前記アラーム信号ＰＳvdの出力が完了しており、また前述したように前記保護信号Ｓｐの出力も停止しているので、前記３入力アンド回路３７ｂの出力により前記アラーム解除信号生成回路３７が起動される。

即ち、前述したように前記保護信号Ｓｐの出力が停止し、且つ前記アラーム信号ＰＳvdの出力が完了した後、前記制御信号Ｓｍが反転するタイミングｔ７において、図４(ｃ)に示すように前記アラーム解除信号生成回路３７からアラーム解除信号Ｓｒが出力される。そしてこのアラーム解除信号Ｓｒの出力によって、図４(ｇ)に示すように前記フリップフロップ回路３６ｄが再びリセットされる。

従って前記ＩＧＢＴ１１の保護が必要な異常要因が発生したとき、前記駆動装置３Ｕから当該異常要因に応じたパルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohのパルス信号列からなるアラーム信号ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳohが１パルス分だけ出力される。そして前記異常要因が解消したとき、前記アラーム信号ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳohを形成する前記パルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohのパルス信号の出力が完了した時点で、前記パルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohとは異なるパルス幅Ｔsrのアラーム解除信号Ｓｒが出力されることになる。故に前記駆動装置３Ｕから通知される［Ｌレベル］の信号のパルス幅を検出（計測）することで、前記ＩＧＢＴ１１に発生した異常要因を正確に判定し、またその異常要因が解消されたことを速やかに検出することが可能となる。

ところで上述した実施形態においては、前記ＩＧＢＴ１１に何等かの異常要因が発生したとき、その異常要因に応じたパルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohのパルス信号列からなるアラーム信号ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳohを１パルス分だけ出力するように構成した。しかし上記異常要因に応じたパルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohのパルス信号列からなるアラーム信号ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳohを、予め設定した時間間隔Ｔｍを経て１パルス分ずつ出力するように構成することも可能である。

図５は本発明の第２の実施形態に係る前記ＩＧＢＴ１１とその駆動装置３Ｕの概略構成を示している。この実施形態に係るＩＧＢＴ１１とその駆動装置３Ｕもまた、先の実施形態と同様にインテリジェント・パワーモジュール１ｂとして実現される。尚、図２に示す装置構成と同一部分には同一符号を付し、重複する説明の繰り返しは省略する。

この図５に示す駆動装置３Ｕが特徴とするところは、先の実施形態に加えて通知継続回路４０を備え、前記通知信号出力回路３６のフリップフロップ回路３６ｄを、前記アラーム解除信号生成回路３７から出力されるアラーム解除信号Ｓｒ、または上記通知継続回路４０から出力する継続信号Ｓｒ２を用いてリセットするように構成した点にある。

この通知継続回路４０は、前記通知信号出力回路３６から出力される通知信号Ｓｎを受けて起動されるワンショットマルチバイブレータ回路４０ａと、前記アラーム信号生成回路３５から出力されるアラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）を反転するインバータ回路４０ｂと、該アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）を一定時間だけ遅延するオフ遅延回路４０ｃと、前記ワンショットマルチバイブレータ回路４０ａ、インバータ回路４０ｂおよびオフ遅延回路４０ｃの各出力を論理処理して継続信号Ｓｒ２を生成する３入力ナンド回路３９ｄを備えて構成される。

そしてこの通知継続回路４０から出力される前記継続信号Ｓｒ２は、オア回路４１を介して前記アラーム解除信号Ｓｒと論理処理されて前記フリップフロップ回路３６ｄの反転リセット端子ＲＢに印加されるようになっている。尚、前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）に対して並列に設けられた前記インバータ回路４０ｂおよびオフ遅延回路４０ｃ、該アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）に同期した微少幅のパルス信号を生成する役割を担う。

このように構成された駆動装置３Ｕによれば、図６(ａ)〜(ｌ)にその動作を表わした信号波形図（タイミング図）を示すように、前記通知信号出力回路３６から通知信号Ｓｎが出力されたとき〈タイミングｔ１１〉、これによって図６(ｇ)に示すように前記フリップフロップ回路３６dがセットされるので、前述した実施形態と同様に前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）が１パルス分だけ出力される。これと同時に前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）が前記通知継続回路４０のワンショットマルチバイブレータ回路４０ａに加えられるので、図６(ｉ)に示すように該ワンショットマルチバイブレータ回路４０ａが起動されてパルス幅Ｔｍの［Ｌレベル］の信号Ｓｏが生成される。

そして上記パルス幅Ｔｍの信号Ｓｏの出力期間が経過すると〈タイミングｔ１４〉、該信号Ｓｏの出力が終了し、前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）が生成された時点で、前記３入力ナンド回路４０ｄから出力される継続信号Ｓr２が、図６(ｊ)に示すように前記オフ遅延回路４０ｃとインバータ回路４０ｂとにより規定される短時間だけ瞬時的に［Ｌレベル］となる〈タイミングｔ１５〉。そしてこの継続信号Ｓr２によって前記フリップフロップ回路３６dが再びリセットされる。

この結果、タイミングｔ１６に示すように前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）の次のパルス信号が出力されると、該パルス信号が前記通知信号出力回路３６から通知信号Ｓｎとして出力される。つまり前記アラーム信号生成回路３５から出力されるパルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohのパルス信号列からなる前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）の１パルス分が通知信号Ｓｎとして出力された後〈タイミングｔ１１〉、前記パルス幅Ｔｍの時間が経過する毎に１パルス分ずつ通知信号Ｓｎとして出力される〈タイミングｔ１５,ｔ１８〉。

そして前記ＩＧＢＴ１１の異常要因が解消したとき〈タイミングｔ２０〉、前述した実施形態と同様にして前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）のパルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohとは異なるパルス幅Ｔsrのアラーム解除信号Ｓｒが出力される。換言すれば前記ＩＧＢＩ１１に何等かの異常が発生した場合には、前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）が所定時間Ｔｍ毎に１パルス分ずつ出力され、上記異常が解消したとき前記アラーム解除信号Ｓｒが出力されることになる。

従ってこの実施形態によれば、前記ＩＧＢＴ１１の異常要因の継続期間が長い場合であっても、前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）が前記ワンショットマルチバイブレータ回路４０ａによ規定される所定の経過時間毎に１パルス分ずつ出力される。これ故、上記異常要因が継続している途中の段階においても、定期的に１パルス分ずつ通知される前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）のパルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohから前記異常要因の種別を容易に識別することが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば各実施形態においては、駆動装置をインテリジェント・パワーモジュール１ａ,１ｂとして実現する場合を例に説明したが、半導体素子（ＩＧＢＴ）１１と別個に構築することも勿論可能である。また前述した検出回路の数とその構成については、ＩＧＢＴ１１に対する異常要因の種別に応じて定めれば良い。具体的にはＩＧＢＴ１１に加えられる直流電圧の異常を検出するようにしても良い。また前述したアラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）をそれぞれ形成する各パルス信号のパルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohについても、相互に明確に識別可能な時間幅として設定すれば十分である。

更には前述した各信号についても、例えば前記アラーム信号ＰＳj（ＰＳvd,ＰＳoc,ＰＳoh）をパルス幅Ｔvd,Ｔoc,Ｔohの［Ｈレベル］の信号列として生成する等、その論理を逆に設定することも勿論可能である。この場合、各信号の論理に合わせて通知信号出力回路３６やアラーム解除信号生成回路３７等を構築すれば良いことは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 電力変換装置
１ａ,１ｂ インテリジェント・パワーモジュール
２ インバータ
３Ｕ〜３Ｚ 駆動装置（ドライバ回路）
４ 交流負荷
１１〜１６ 半導体素子（ＩＧＢＴ）
１７ 半導体チップ
１８ 電流センサ
１９ 温度センサ
２１〜２６ フリーホイール・ダイオード
３１ ゲート制御回路
３２ 電圧検出回路
３３ 電流検出回路
３４ 電圧検出回路
３５ アラーム信号生成回路
３６ 通知信号出力回路
３７ アラーム解除信号生成回路
３８ 外部電源
３９ オア回路
４０ 通知継続回路
４１ オア回路

Claims (8)

1. 電力変換装置を構成する半導体素子を駆動する装置であって、
   前記半導体素子の保護に必要な複数種の情報をそれぞれ検出して異常検出信号を出力する複数の検出回路と、
   これらの複数の検出回路のそれぞれに対応付けて定めた互いに異なるパルス幅の信号を生成するパルス信号発生器を備え、前記検出回路のいずれかが前記異常検出信号を出力したとき、前記半導体素子を保護する保護信号を出力すると共に、前記パルス信号発生器を起動して当該異常検出信号を出力した検出回路に対応付けられたパルス幅のパルス信号列からなるアラーム信号を出力するアラーム信号生成回路と、
   このアラーム信号生成回路から前記アラーム信号が出力されたとき、当該アラーム信号を１パルス分、または予め設定した時間間隔を経て１パルス分ずつ出力する通知信号出力回路と、
   前記半導体素子を保護する要因が解除されて前記アラーム信号生成回路からの前記アラーム信号の出力が終了したとき、前記各アラーム信号とは異なるパルス幅のアラーム解除信号を生成して出力するアラーム解除信号生成回路と
   を具備したことを特徴とする半導体素子の駆動装置。
2. 前記半導体素子は、パルス幅制御された動作信号によりオン・オフ駆動されるものであって、前記保護信号は前記半導体素子への前記動作信号の出力を禁止する役割を担うものである請求項１に記載の半導体素子の駆動装置。
3. 前記アラーム信号生成回路は、前記検出回路のいずれかが前記異常検出信号を出力している期間に亘って前記保護信号を出力すると共に、前記異常検出信号を受けて前記アラーム信号の生成を開始し、前記異常検出信号が途絶えたときに前記アラーム信号を形成するパルス信号列における１パルス分のパルス信号が出力された時点で当該アラーム信号の生成を停止するものである請求項１に記載の半導体素子の駆動装置。
4. 前記アラーム解除信号生成回路は、前記保護信号の出力が停止すると共に前記アラーム信号の出力が停止したとき、前記半導体素子をオン・オフ駆動するパルス幅制御された動作信号を受けて起動されて前記アラーム解除信号を生成するワンショットマルチバイブレータ回路を備えたものである請求項１に記載の半導体素子の駆動装置。
5. 前記通知信号出力回路は、前記アラーム解除信号生成回路が出力する前記アラーム解除信号を受けてリセットされるフリップフロップ回路を備え、該フリップフロップ回路がリセットされているときに前記アラーム信号を出力すると共に、出力したアラーム信号により前記フリップフロップ回路をセットして前記アラーム信号の出力を禁止することで、前記アラーム信号を１パルス分だけ出力するものである請求項１に記載の半導体素子の駆動装置。
6. 前記通知信号出力回路は、該通知信号出力回路から出力されるアラーム信号を入力して予め設定した時間後に継続信号を出力する通知継続回路を備えると共に、前記アラーム解除信号生成回路が出力する前記アラーム解除信号または前記継続信号を受けてリセットされるフリップフロップ回路を備え、
   前記フリップフロップ回路がリセットされているときに前記アラーム信号を出力すると共に、当該通知信号出力回路が出力したアラーム信号により前記フリップフロップ回路がセットされたときに前記アラーム信号の出力を禁止することで、前記アラーム信号を１パルス分だけ出力した後、予め設定した時間間隔を経て１パルス分ずつ出力するものである請求項１に記載の半導体素子の駆動装置。
7. 前記通知信号出力回路が出力する前記アラーム信号、および前記アラーム解除信号生成回路が出力する前記アラーム解除信号は、オア回路を介して出力されて前記半導体素子を駆動する動作信号を生成する電力変換装置の制御部に通知されるものである請求項１に記載の半導体素子の駆動装置。
   
   
8. 前記複数の検出回路は、前記半導体素子の過熱温度を検出する温度検出回路、前記半導体素子の過電流を検出する電流検出回路、および当該装置に加えられる電源電圧の低下を検出する電圧検出回路を含む請求項１に記載の半導体素子の駆動装置。

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