JP6638628B2 - ゲート駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ゲート駆動装置に関する。

ゲート駆動型の半導体素子として、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のゲートを駆動するゲート駆動装置では、複数個の半導体パワー素子を並列に接続した構成として負荷に給電する構成を採用することがある。これは、大電流を流す場合に、並列に接続することで半導体パワー素子のオン抵抗を下げてオン抵抗損失を低減することができるからである。

しかしながら、半導体パワー素子を複数個並列に接続して駆動することは、スイッチング損失が個数に比例して増大することとなり、特にコレクタ電圧が高い状態でスイッチングする際に大きい損失となる。このため、大電流を流すために並列接続する半導体パワー素子を増設することが却って損失を増大することとなる不具合がある。

特開２０１２−２４９５０９号公報 特開２００５−６４１２号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、高電圧が印加される状態で、大電流を流すために複数の半導体素子を並列接続する構成で、極力損失を低減しながら駆動制御することができるようにしたゲート駆動装置を提供することにある。

請求項１に記載のゲート駆動装置は、並列接続されたゲート駆動型の複数の半導体素子を駆動するゲート駆動装置であって、前記複数の半導体素子は、始動用の半導体素子と、最終駆動用の半導体素子を含んだ少なくとも１個の次段駆動用の半導体素子とが設けられ、前記複数の半導体素子のうち、前記最終駆動用の半導体素子を除いた残りの半導体素子のそれぞれの電流を検出する電流検出回路と、前記始動用の半導体素子に対してゲート駆動を定電流で行うための定電流回路と、前記定電流回路を無効化して前記次段駆動用および最終駆動用の半導体素子に対してゲート駆動を定電圧で行う切り替えスイッチと、前記複数の半導体素子を駆動制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、外部からオン動作の駆動信号が与えられると、始動制御として、前記始動用の半導体素子に前記定電流回路により定電流でゲート信号を与えてオンさせ、次段駆動制御として、オンさせた前記半導体素子に設けられた前記電流検出回路により検出される電流が設定された閾値電流に達すると、前記切り替えスイッチを動作状態として、オフ状態の前記次段駆動用の半導体素子に定電圧でゲート信号を与えてオンさせ、以後、オフ状態の前記次段駆動用の半導体素子が存在する場合には、前記次段駆動制御を繰り返し実行するように構成され、前記閾値電流は、前記複数の半導体素子のうち前記次段駆動用の半導体素子をオンさせて電流を流したときに、オン状態のすべての前記半導体素子により発生するオン抵抗損失およびスイッチング損失の和が前記次段駆動制御の実施前よりも少なくなるように設定される。

上記構成を採用することにより、制御回路により、外部からオン動作の駆動信号が与えられると、始動制御として、始動用の半導体素子に定電流回路により定電流でゲート信号を与えてオンさせ、この後次段駆動制御として、オンさせた半導体素子に設けられた電流検出回路により検出される電流が設定された閾値電流に達すると、切り替えスイッチを動作状態として、オフ状態の次段駆動用の半導体素子に定電圧でゲート信号を与えてオンさせる。以後、オフ状態の次段駆動用の半導体素子が存在する場合には、制御回路により、次段駆動制御を繰り返し実行する。

この場合、閾値電流の設定を、複数の半導体素子のうち次段駆動用の半導体素子をオンさせて電流を流したときに、オン状態のすべての半導体素子により発生するオン抵抗損失およびスイッチング損失の和が最も少なくなるようにしている。一般に、ゲート駆動型の半導体装置は、オン抵抗損失とスイッチング損失とがトレードオフの関係にあるので、閾値電流を上記のように設定することで、半導体素子の駆動個数を適正化することで、合算損失を最小とすることができる。

第１実施形態を示す概略的な電気的構成図 具体的な電気的構成図 駆動制御動作の流れ図 タイムチャート（その１） タイムチャート（その２） 第２実施形態を示す概略的な電気的構成図 駆動制御動作の流れ図 タイムチャート（その１） タイムチャート（その２） タイムチャート（その３） ＩＧＢＴの駆動個数と損失との関係を示す図 第３実施形態を示す駆動制御動作の流れ図 タイムチャート（その１） タイムチャート（その２） 第４実施形態を示すタイムチャート 第５実施形態を示す駆動制御動作の流れ図 タイムチャート

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１は電気的構成の基本構成を示している。この実施形態では、ゲート制御型の複数の半導体素子として、２個のＩＧＢＴ１および２を使用する例を示している。ＩＧＢＴ１は、コレクタＣ１、エミッタＥ１、ゲートＧ１に加えて、電流をモニタするためのセンスエミッタＳＥ１を有する。同じくＩＧＢＴ２は、コレクタＣ２、エミッタＥ２、ゲートＧ２に加えて、電流をモニタするためのセンスエミッタＳＥ２を有する。

ＩＧＢＴ１および２は図示しない負荷への給電経路に設けられ、各コレクタＣ１、Ｃ２を共通に接続されるとともに、エミッタＥ１、Ｅ２を共通に接続された並列駆動方式の構成である。２個のＩＧＢＴ１および２へのゲート駆動電圧ＶＧ１、ＶＧ２は、直流電源ＶＤから、定電流回路３および切り替えスイッチ４の並列回路を介して供給するように構成されている。

ＩＧＢＴ１のゲートＧ１は、定電流回路３からゲート電流遮断スイッチ５を介してゲート駆動電圧ＶＧ１が与えられる。また、ＩＧＢＴ１のゲートＧ１は、ゲートオフスイッチ６を介してグランドに接続される。ＩＧＢＴ２のゲートＧ２は、定電流回路３からゲート電流遮断スイッチ７を介してゲート駆動電圧ＶＧ２が与えられる。また、ＩＧＢＴ２のゲートＧ２は、ゲートオフスイッチ８を介してグランドに接続される。

制御回路９は、ゲート駆動回路などが含まれた論理回路から構成されるもので、外部からの駆動信号ＳＡに応じてＩＧＢＴ１および２に対するゲート駆動信号ＳＡ１、ＳＡ２を与える。電流検出回路１０および１１は、それぞれＩＧＢＴ１および２のセンスエミッタＳＥ１、ＳＥ２からコレクタ・エミッタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２に対応した信号が入力され、電流検出信号Ｓ１、Ｓ２を制御回路９に出力する。制御回路９は、電流検出信号Ｓ１、Ｓ２に応じて、後述するようにして切り替えスイッチ４、電流遮断スイッチ５、７およびゲートオフスイッチ６、８のオンオフ制御を行う。

図２は上記構成の各部の具体的構成を示している。
ＩＧＢＴ１のセンスエミッタＳＥ１は、電流検出抵抗１ａを介してエミッタＥ１に接続され、ＩＧＢＴ１の電流Ｉｃ１の検出信号として電流検出抵抗１ａの端子電圧Ｖｓｅ１を出力するように設けられる。ＩＧＢＴ２のセンスエミッタＳＥ２は、電流検出抵抗２ａを介してエミッタＥ２に接続され、ＩＧＢＴ２の電流Ｉｃ２の検出信号として電流検出抵抗２ａの端子電圧Ｖｓｅ２を出力するように設けられる。

定電流回路３は、カレントミラー回路を構成するｐｎｐ型トランジスタ３ａ、３ｂと、定電流を引くためのトランジスタ３ｃ、抵抗３ｄ、３ｅ、トランジスタ３ｆおよび参照電源３ｇから構成されている。定電流回路３は、参照電源３ｇにより設定される参照電圧Ｖｒｅｆｃによりトランジスタ３ａに所定電流を流すもので、電源ＶＤからトランジスタ３ｂを介してＩＧＢＴ１および２のゲートに定電流Ｉｓを供給する。

定電流回路３のトランジスタ３ｂに並列に接続される切り替えスイッチ４は、定電流回路３のトランジスタ３ｂのエミッタ・コレクタ間を短絡させ、電源ＶＤを直接ＩＧＢＴ１および２のゲートに印加させる。切り替えスイッチ４は、ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ４ａと、ゲートに接続されるバッファ回路４ｂを備えている。バッファ回路４ｂは、制御回路９から切り替え信号ＳＸが与えられる。

電流遮断スイッチ５は、ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ５ａ、入力抵抗５ｂを直列に接続したもので、ＭＯＳＦＥＴ５ａのゲートはバッファ回路５ｃが接続され、制御回路９からゲート駆動信号ＳＡ１が与えられる。同じく、電源遮断スイッチ７は、ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ７ａ、入力抵抗７ｂを直列に接続したもので、ＭＯＳＦＥＴ７ａのゲートはバッファ回路７ｃが接続され、制御回路９からゲート駆動信号ＳＡ２が与えられる。

ゲートオフスイッチ６は、ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６ａ、入力抵抗６ｂを直列に接続したもので、ＭＯＳＦＥＴ６ａのゲートはバッファ回路６ｃが接続され、制御回路９からゲート駆動信号ＳＡ１が与えられる。同じくゲートオフスイッチ８は、ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ８ａ、入力抵抗８ｂを直列に接続したもので、ＭＯＳＦＥＴ８ａのゲートはバッファ回路８ｃが接続され、制御回路９からゲート駆動信号ＳＡ２が与えられる。

電流検出回路１０は、コンパレータ１０ａ、参照電源１０ｂおよびフィルタ１０ｃを備えている。コンパレータ１０ａの非反転入力端子にＩＧＢＴ１のセンスエミッタＳＥ１に現れる電流検出信号Ｖｓｅ１が入力され、反転入力端子には閾値電流値Ｉｔｈ１を設定する参照電源１０ｂにより参照電圧Ｖｒｅｆ１が入力される。コンパレータ１０ａは、ＩＧＢＴ１の電流検出信号Ｖｓｅ１と参照電圧Ｖｒｅｆ１とを比較して参照電圧Ｖｒｅｆ１以上のときにハイレベルの検出信号Ｓ１を出力し、フィルタ１０ｃを介して制御回路９に入力する。フィルタ１０ｃは、ハイレベルの検出信号Ｓ１が一定時間継続すると制御回路に検出信号Ｓ１を出力する。

電流検出回路１１は、コンパレータ１１ａ、参照電源１１ｂおよびフィルタ１１ｃを備えている。コンパレータ１１ａの非反転入力端子にＩＧＢＴ２のセンスエミッタＳＥ２に現れる電流検出信号Ｖｓｅ２が入力され、反転入力端子には閾値電流値Ｉｔｈ１を設定する参照電源１１ｂにより参照電圧Ｖｒｅｆ２が入力される。コンパレータ１１ａは、ＩＧＢＴ２の電流検出信号Ｖｓｅ２と参照電圧Ｖｒｅｆ２とを比較して参照電圧Ｖｒｅｆ２以上のときにハイレベルの検出信号Ｓ２を出力し、フィルタ１１ｃを介して制御回路９に入力する。フィルタ１１ｃは、ハイレベルの検出信号Ｓ２が一定時間継続すると制御回路に検出信号Ｓ２を出力する。

次に、上記構成の作用について、図３から図５も参照して説明する。
図３は、制御回路９のロジック機能によるＩＧＢＴ１および２のゲート駆動制御動作の流れを示している。スタンバイ状態では、制御回路９は、切り替えスイッチ４に対してオフ状態を保持するハイレベルの信号ＳＸを出力しており、これにより、電源ＶＤは、定電流回路３で生成される定電流Ｉｓを流すことでゲート駆動電圧ＶＧ１あるいはＶＧ２を供給する状態である。

また、ＩＧＢＴ１および２を駆動していない状態では、制御回路９は、ＩＧＢＴ１および２に対して、ハイレベルのゲート駆動信号ＳＡ１およびＳＡ２を出力している。これにより、電流遮断スイッチ５および７の各ＭＯＳＦＥＴ５ａおよび７ａはオフ状態に保持され、ゲートオフスイッチ６および８のＭＯＳＦＥＴ６ａおよび８ａはオン状態に保持されている。ＩＧＢＴ１のゲートＧ１はＭＯＳＦＥＴ６ａを介してグランドに接続され、ＩＧＢＴ２のゲートＧ２はＭＯＳＦＥＴ８ａを介してグランドに接続され、それぞれオフ状態が保持されている。

そして、制御回路９は、外部から駆動信号ＳＡが与えられると、ステップＡ１として、始動用の半導体素子であるＩＧＢＴ１を定電流で駆動させるためのローレベルのゲート駆動信号ＳＡ１を出力する。ゲート駆動信号ＳＡ１により、ゲートオフスイッチ６のＭＯＳＦＥＴ６ａはオフされ、さらに電流遮断スイッチ５のＭＯＳＦＥＴ５ａはオン駆動される。ＩＧＢＴ１は、ゲートＧ１に電源ＶＤから定電流回路３を介してゲート電流Ｉｓが流れ、ゲート駆動電圧ＶＧ１が供給される。これにより、ＩＧＢＴ１は、ｄＶ／ｄｔを比較的緩やかな状態でゲート電圧ＶＧ１が印加されるので、スイッチング損失のばらつきを低減した状態で駆動をすることができる。

この後、ＩＧＢＴ１のゲート電圧が安定すると、次に、制御回路９では、ステップＡ２で、切り替えスイッチ４のバッファ回路４ｂにローレベルの切り替え信号ＳＸを出力する。これにより、ＭＯＳＦＥＴ４ａがオンされるので、定電流回路３による定電流供給状態が停止され、電源ＶＤを直接供給する定電圧供給状態に切り替わる。

このとき、ＩＧＢＴ１の電流Ｉｃ１は、電流検出回路１０により検出されている。電流検出回路１０では、ＩＧＢＴ１の電流値Ｉｃ１に相当する検出電圧Ｖｓｅ１が入力され、閾値電流Ｉｔｈ１を設定する参照電圧Ｖｒｅｆ１以上になると、電流検出回路１０は、検出信号Ｓ１を制御回路９に出力する。検出電圧Ｖｓｅ１のレベルが上昇してコンパレータ１０ａからハイレベルの信号が一定時間以上継続すると、フィルタ１０ｃから検出信号Ｓ１が出力される。

電流検出回路１０によるＩＧＢＴ１の電流値Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１未満の状態であるときには、制御回路９は、ステップＡ３でＹＥＳとして、ＩＧＢＴ１単独のオン状態を継続する。また、電流値Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１以上になって検出信号Ｓ１が出力されると、制御回路９は、ステップＡ４に進み、ＩＧＢＴ２を定電圧駆動する。制御回路９は、ＩＧＢＴ１に加えてＩＧＢＴ２にもゲート駆動信号ＳＡ２を出力する。

ゲート駆動信号ＳＡ２により、ゲートオフスイッチ８のＭＯＳＦＥＴ８ａはオフされ、さらに電流遮断スイッチ７のＭＯＳＦＥＴ７ａはオン駆動される。ＩＧＢＴ２は、ゲートＧ２に電源ＶＤから切り替えスイッチ４のＭＯＳＦＥＴ４ａを介してゲート電圧が印加される。このとき、ＩＧＢＴ２は、既にＩＧＢＴ１がオンしていることでドレイン・ソース間にかかる電圧が低い状態であるから、定電圧駆動をすることで損失を削減することができる。
また、これにより、２個のＩＧＢＴ１および２を駆動することで、全体としてオン抵抗を低下させた状態で全体の電流を流すことができ、オン抵抗損失の低減を図ることができる。

上記した動作において、電流検出回路１０の閾値電流Ｉｔｈ１の値は、これ以上ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１が増えると、ＩＧＢＴ１のオン抵抗による損失が増大することとなり、ＩＧＢＴ２も駆動することでスイッチング損失が増大してもオン抵抗による損失を低減することで、全体として損失を低減できるレベルに設定されている。

これによって、初期駆動時はスイッチング損失のばらつきを低減するために、ＩＧＢＴ１を定電流Ｉｓで駆動し、ＩＧＢＴ１の電流Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１以上になると、次段駆動用の半導体素子であるＩＧＢＴ２を定電圧ＶＤで駆動することで、ｄＶ／ｄｔを上げて損失を削減したオン動作を行うことができる。

次に、上記の動作について、図４および図５を参照して説明する。図４は、図示しない負荷に流れる電流が大きく、２個のＩＧＢＴ１および２を、共にオン動作させる場合のタイムチャートを示す。また、図５は、負荷に流れる電流が少なく、ＩＧＢＴ１だけをオン動作させる場合のタイムチャートを示している。

図４（ａ）に示すように、時刻ｔａ１でハイレベルの駆動信号ＳＡが入力されると、制御回路９は、図４（ｃ）に示すように、ＩＧＢＴ１をオンさせるためにローレベルのゲート駆動信号ＳＡ１を出力する。これにより、ゲートオフスイッチ６はオフされ、電流遮断スイッチ５はオンされ、ＩＧＢＴ１のゲートＧ１に定電流回路３から定電流Ｉｓによってゲート駆動電圧ＶＧ１が与えられる。

ＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇ１は、図４（ｂ）に実線で示すように、ゲートＧ１に一定電流Ｉｓを供給することで一定の傾斜をもって上昇し、図４（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１が徐々に増加していく。ＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇ１が所定レベル以上になった後に、制御回路９は、切り替えスイッチ４をオン状態に切り替えて定電流回路３を無効化して定電圧供給状態に切り替える。

この後、図４（ｅ）に示すように、時刻ｔａ２でＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１に達すると、制御回路９は、図４（ｄ）に示すように、ＩＧＢＴ２をオンさせるためにローレベルのゲート駆動信号ＳＡ２を出力する。これにより、ゲートオフスイッチ８はオフされ、電流遮断スイッチ７はオンされ、ＩＧＢＴ２のゲートＧ２に電源ＶＤから定電圧でゲート駆動電圧ＶＧ２が与えられる。

ＩＧＢＴ２のゲート電圧Ｖｇ２は、図４（ｂ）に破線で示すように、ゲートＧ２に定電圧が印加されることでＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇ１よりも急峻な傾きで上昇し、図４（ｆ）に示すように、ＩＧＢＴ２のコレクタ電流Ｉｃ２が増加していく。このとき、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１は、図４（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ２のコレクタ電流Ｉｃ２が増加することで分担する電流が低下するので閾値電流Ｉｔｈ１以下になる。これによって、２個のＩＧＢＴ１および２によって負荷への給電が行われる状態となる。

この後、図４（ｆ）に示すように、時刻ｔａ３でＩＧＢＴ２のコレクタ電流Ｉｃ２の上昇が止まり、一定電流になると、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１も一定電流になり、全体として負荷に流れる電流が一定になった状態となる。これにより、ＩＧＢＴ２をオンさせるときのスイッチング損失が増えるものの、２個のＩＧＢＴ１および２によるオン抵抗による損失の和がそれ以上に低下するので、全体としての損失を低減することができる。

また、図４（ａ）に示すように、時刻ｔａ４になって外部からオフ動作のローレベルの駆動信号ＳＡが制御回路９に入力されると、制御回路９は、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、ハイレベルのゲート駆動信号ＳＡ１およびＳＡ２を出力する。これにより、電流遮断スイッチ５および７はオフされ、ゲートオフスイッチ６および８がオンされ、ＩＧＢＴ１および２のゲート電圧Ｖｇ１およびＶｇ２は低下し、コレクタ電流Ｉｃ１およびＩｃ２も低下してオフ状態に移行する。

次に、負荷に流れる電流が少なく、ＩＧＢＴ１だけをオン動作させる場合には、図５（ａ）に示すような動作が行われる。すなわち、時刻ｔｂ１でハイレベルの駆動信号ＳＡが入力されると、制御回路９は、図５（ｃ）に示すように、ＩＧＢＴ１をオンさせるためにローレベルのゲート駆動信号ＳＡ１を出力する。これにより、前述同様にして、ＩＧＢＴ１のゲートＧ１に定電流回路３から定電流Ｉｓによってゲート駆動電圧ＶＧ１が与えられる。

ＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇ１は、図５（ｂ）に実線で示すように、ゲートＧ１に一定電流Ｉｓを供給することで一定の傾斜をもって上昇し、図５（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１が徐々に増加していく。ＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇ１が所定レベル以上になった後に、制御回路９は、切り替えスイッチ４をオン状態に切り替えて定電流回路３を無効化する。

この後、時刻ｔｂ２でＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１に達する前に一定電流レベルになると、ＩＧＢＴ２はオン動作されず、制御回路９によりＩＧＢＴ１の単独オン状態が保持される。したがって、この状態では、制御回路９は、図５（ｄ）に示すように、ゲート駆動信号ＳＡ２はハイレベルが保持され、図５（ｆ）に示すように、ＩＧＢＴ２のコレクタ電流Ｉｃ２はゼロの状態のままである。

この状態でのＩＧＢＴ１のオン動作による損失は、スイッチング損失およびオン抵抗損失の合計となるが、負荷に流れる電流つまりＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１のレベルでは、ＩＧＢＴ２もオンさせた場合に比べて低減することができる。

この後、図５（ａ）に示すように、時刻ｔｂ３になって外部からオフ動作のローレベルの駆動信号ＳＡが制御回路９に入力されると、制御回路９は、図５（ｃ）に示すように、ハイレベルのゲート駆動信号ＳＡ１を出力する。これにより、電流遮断スイッチ５はオフされ、ゲートオフスイッチ６がオンされ、ＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇ１は低下して、コレクタ電流Ｉｃ１も低下してオフ状態に移行する。

次に、制御回路９によるローテーション動作について説明する。本実施形態では、ＩＧＢＴ２にも電流検出回路１１が設ける構成としている。上記したＩＧＢＴ１および２の駆動制御では用いていないが、駆動信号ＳＡが与えられる毎に、最初に駆動するＩＧＢＴをＩＧＢＴ１および２で入れ替えて行うようにするものである。

したがって、次回外部から駆動信号ＳＡが入力されると、制御回路９は、最初にＩＧＢＴ２を定電流Ｉｓでゲート駆動電圧ＶＧ２を印加するように駆動制御する。そして、ＩＧＢＴ２のコレクタ電流Ｉｃ２が閾値電流Ｉｔｈ１に達すると、制御回路９は、電流検出回路１１から入力される電流検出信号Ｓ２に応じて、ＩＧＢＴ１をオン動作させるようにゲート駆動信号ＳＡ１を出力して駆動制御する。

なお、上記のようなローテーション制御は、駆動信号ＳＡが入力される毎にＩＧＢＴ１および２を入れ替えて駆動するようにしても良いし、複数回の駆動信号ＳＡの入力毎にカウンタなどによって切り替えるように設定することもできる。また、駆動信号ＳＡの入力回数ではなく、他の方式によってローテーション制御を行うことも可能である。

このように制御回路９によりＩＧＢＴ１および２をローテーション制御することで、ＩＧＢＴ１および２を平均化させた使用状態とすることができ、これによってＩＧＢＴ１および２の寿命を平均化させることができる。

このような本実施形態によれば、制御回路９により、ＩＧＢＴ１を定電流Ｉｓで駆動し、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１が電流閾値Ｉｔｈ１に達したときに、ＩＧＢＴ２を定電圧ＶＤで駆動するようにしたので、ＩＧＢＴ１だけを駆動した場合や、ＩＧＢＴ１および２を同時に駆動した場合に比べて、スイッチング損失とオン抵抗損失の合算値を低減することができる。

また、２個のＩＧＢＴ１および２の駆動個数を、負荷に流れる電流に応じて変化させることで、スイッチング損失およびオン抵抗損失の和が小さくなる条件で駆動することができる。換言すれば、閾値電流Ｉｔｈ１をそのようなレベルに設定することで、上記した条件を設定して駆動制御することができる。

なお、上記実施形態では、ＩＧＢＴ１および２を制御回路９によりローテーション制御することを前提として、ＩＧＢＴ２のコレクタ電流Ｉｃ２を検出する電流検出回路１１を設ける構成としたが、ＩＧＢＴ１を始動用として専用に用いる場合には、ＩＧＢＴ１に対する電流検出回路１０を設け、電流検出回路１１は設けない構成とすることができる。

また、制御回路９による切り替えスイッチ４への駆動信号ＳＸの出力タイミングは、ＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇ１が所定レベルに達した時点としたが、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１に達してＩＧＢＴ２をオン動作させるときに、これに先立って実施するようにすることもできる。

（第２実施形態）
図６から図１１は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、複数の半導体素子として３個のＩＧＢＴ２１〜２３を並列接続した構成に適用するゲート駆動装置の例を示している。

図６は概略的な電気的構成を示すもので、ＩＧＢＴ２１〜２３は、それぞれコレクタＣ１〜Ｃ３、エミッタＥ１〜Ｅ３、ゲートＧ１〜Ｇ３を備え、さらに電流をモニタするためのセンスエミッタＳＥ１〜ＳＥ３を有する。

ＩＧＢＴ２１〜および２３は図示しない負荷への給電経路に設けられ、各コレクタＣ１〜Ｃ３を共通に接続されるとともに、エミッタＥ１〜Ｅ３を共通に接続された並列駆動方式の構成である。３個のＩＧＢＴ２１〜２３へのゲート駆動電圧ＶＧ１〜ＶＧ３は、直流電源ＶＤから、定電流回路２４および切り替えスイッチ２５の並列回路を介して供給するように構成されている。

ＩＧＢＴ２１のゲートＧ１は、定電流回路２４からゲート電流遮断スイッチ２６を介してゲート駆動電圧ＶＧ１が与えられる。また、ＩＧＢＴ２１のゲートＧ１は、ゲートオフスイッチ２７を介してグランドに接続される。ＩＧＢＴ２２のゲートＧ２は、定電流回路２４からゲート電流遮断スイッチ２８を介してゲート駆動電圧ＶＧ２が与えられる。また、ＩＧＢＴ２２のゲートＧ２は、ゲートオフスイッチ２９を介してグランドに接続される。ＩＧＢＴ２３のゲートＧ３は、定電流回路２４からゲート電流遮断スイッチ３０を介してゲート駆動電圧ＶＧ３が与えられる。また、ＩＧＢＴ２３のゲートＧ３は、ゲートオフスイッチ３１を介してグランドに接続される。

制御回路３２は、ゲート駆動回路などが含まれた論理回路から構成されるもので、外部からの駆動信号ＳＡに応じてＩＧＢＴ２１〜２３に対するゲート駆動信号ＳＡ１〜ＳＡ３を与える。電流検出回路３３〜３５は、それぞれＩＧＢＴ２１〜２３のセンスエミッタＳＥ１〜ＳＥ３からコレクタ・エミッタ電流Ｉｃ１〜Ｉｃ３に対応した信号が入力され、電流検出信号Ｓ１〜Ｓ３を制御回路３２に出力する。制御回路３２は、電流検出信号Ｓ１〜Ｓ３に応じて、後述するようにして切り替えスイッチ２５、電流遮断スイッチ２６、２８、３０およびゲートオフスイッチ２７、２９、３０のオンオフ制御を行う。

なお、上記構成の具体的な回路構成については、説明を省略するが、図２に示した第１実施形態とほぼ同等の回路構成が３個のＩＧＢＴ２１〜２３に対応して設けられている。また、この実施形態では、電流検出回路３３〜３５は、それぞれが閾値電流Ｉｔｈ１およびＩｔｈ２の２つの閾値電流でコレクタ電流Ｉｃ１〜Ｉｃ３のレベルを判定している。電流検出信号Ｓ１〜Ｓ３は、それぞれの検出レベルに応じた信号が出力される。

次に、上記構成の作用について、図７から図１１も参照して説明する。
図７は、制御回路３２のロジック機能によるＩＧＢＴ２１〜２３のゲート駆動制御動作の流れを示している。スタンバイ状態では、制御回路３２は、切り替えスイッチ２５に対してオフ状態を保持するローレベルの信号ＳＸを出力しており、これにより、電源ＶＤは、定電流回路２４で生成される定電流Ｉｓを流すことでゲート駆動電圧ＶＧ１〜ＶＧ３を供給する状態である。

ＩＧＢＴ２１〜２３を駆動していない状態では、制御回路３２は、ＩＧＢＴ２１〜２３に対して、ハイレベルのゲート駆動信号ＳＡ１〜ＳＡ３を出力している。これにより、電流遮断スイッチ２６、２８、３０はオフ状態に保持され、ゲートオフスイッチ２７、２９、３１はオン状態に保持されている。ＩＧＢＴ２１〜２３の各ゲートＧ１〜Ｇ３はゲートオフスイッチ２７、２９、３１を介してグランドに接続され、それぞれオフ状態が保持されている。

そして、制御回路３２は、外部からハイレベルの駆動信号ＳＡが与えられると、第１実施形態と同様にして、ステップＡ１として、始動用の半導体素子であるＩＧＢＴ２１を定電流で駆動させる。この後、ＩＧＢＴ２１のゲート電圧が安定すると、次に、制御回路３２では、ステップＡ２で、切り替えスイッチ２５にローレベルの切り替え信号ＳＸを出力して定電流回路２４による定電流供給状態を停止し、電源ＶＤを直接供給する定電圧供給状態に切り替える。

電流検出回路３３は、ＩＧＢＴ２１の電流値Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１以上になることを検出すると、検出信号Ｓ１を制御回路３２に出力する。ＩＧＢＴ２１の電流値Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１未満の状態であるときには、制御回路３２は、ステップＡ３でＹＥＳとして、ＩＧＢＴ２１単独のオン状態を継続する。また、電流値Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１以上になって電流検出回路３３から閾値電流Ｉｔｈ１以上に達した検出信号Ｓ１が出力されると、制御回路３２は、ステップＡ４に進み、ＩＧＢＴ２２を定電圧駆動する。

このとき、ＩＧＢＴ２２は、既にＩＧＢＴ２１がオンしていることでドレイン・ソース間にかかる電圧が低い状態であるから、定電圧駆動をすることで損失を削減することができる。また、これにより、２個のＩＧＢＴ２１および２２を駆動することで、全体としてオン抵抗を低下させた状態で全体の電流を流すことができ、オン抵抗損失の低減を図ることができる。

この状態で、電流検出回路３４は、ＩＧＢＴ２２の電流値Ｉｃ２が閾値電流Ｉｔｈ２以上になることを検出すると、検出信号Ｓ２を制御回路３２に出力する。ＩＧＢＴ２２の電流値Ｉｃ２が閾値電流Ｉｔｈ２に達していない状態であるときには、制御回路３２は、ステップＡ５でＹＥＳとして、ＩＧＢＴ２１および２２のオン状態を継続する。また、電流値Ｉｃ２が閾値電流Ｉｔｈ２以上になって電流検出回路３４から閾値電流Ｉｔｈ２以上に達した検出信号Ｓ２が出力されると、制御回路３２は、ステップＡ６に進み、さらにＩＧＢＴ２３を定電圧駆動する。

このとき、ＩＧＢＴ２３は、既にＩＧＢＴ２１、２２がオンしていることでドレイン・ソース間にかかる電圧が低い状態であるから、定電圧駆動をすることで損失を削減することができる。また、これにより、３個のＩＧＢＴ２１〜２３を駆動することで、全体としてオン抵抗を低下させた状態で全体の電流を流すことができ、オン抵抗損失の低減を図ることができる。

上記した動作において、電流検出回路３３の閾値電流Ｉｔｈ１の値は、これ以上ＩＧＢＴ２１のコレクタ電流Ｉｃ１が増えると、ＩＧＢＴ２１のオン抵抗による損失が増大することとなり、ＩＧＢＴ２２も駆動することでスイッチング損失が増大してもオン抵抗による損失を低減することで、全体として損失を低減できるレベルに設定されている。

また、電流検出回路３４の閾値電流Ｉｔｈ２の値は、これ以上ＩＧＢＴ２２のコレクタ電流Ｉｃ２が増えると、ＩＧＢＴ２１および２２のオン抵抗による損失が増大することとなり、ＩＧＢＴ２３も駆動することでスイッチング損失が増大してもオン抵抗による損失を低減することで、全体として損失を低減できるレベルに設定されている。

これによって、初期駆動時はスイッチング損失のばらつきを低減するために、ＩＧＢＴ２１を定電流で駆動し、ＩＧＢＴ２１の電流Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１以上になると、次段駆動用の半導体素子であるＩＧＢＴ２２を定電圧で駆動することで、ｄＶ／ｄｔを上げて損失を削減したオン動作を行うことができる。さらに、ＩＧＢＴ２２の電流Ｉｃ２が閾値電流Ｉｔｈ２以上になると、次段駆動用で最終駆動用の半導体素子であるＩＧＢＴ２３を定電圧で駆動することで、ｄＶ／ｄｔを上げて損失を削減したオン動作を行うことができる。

次に、上記の動作について、図８〜図１０を参照して説明する。
図８は、負荷に流れる電流が大きく、３個のＩＧＢＴ２１〜２３を、共にオン動作させる場合のタイムチャートを示す。また、図９は、負荷に流れる電流が中程度で、ＩＧＢＴ２１および２２をオン動作させる場合のタイムチャートを示している。図１０は、負荷に流れる電流が小さく、ＩＧＢＴ２１だけをオン動作させる場合のタイムチャートを示している。

図８（ａ）に示すように、時刻ｔａ１でハイレベルの駆動信号ＳＡが入力されると、制御回路３２は、図８（ｃ）に示すように、ＩＧＢＴ２１をオンさせるためにローレベルのゲート駆動信号ＳＡ１を出力する。これにより、ゲートオフスイッチ２７はオフされ、電流遮断スイッチ２６はオンされ、ＩＧＢＴ２１のゲートＧ１に定電流回路２４から定電流Ｉｓによってゲート駆動電圧ＶＧ１が与えられる。

ＩＧＢＴ２１のゲート電圧Ｖｇ１は、図８（ｂ）に実線で示すように、ゲートＧ１に一定電流Ｉｓを供給することで一定の傾斜をもって上昇し、図８（ｆ）に示すように、ＩＧＢＴ２１のコレクタ電流Ｉｃ１が徐々に増加していく。ＩＧＢＴ２１のゲート電圧Ｖｇ１が所定レベル以上になった後に、制御回路３２は、切り替えスイッチ２５をオン状態に切り替えて定電流回路２４を無効化する。

この後、時刻ｔａ２でＩＧＢＴ２１のコレクタ電流Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１に達すると、制御回路３２は、図８（ｄ）に示すように、ＩＧＢＴ２２をオンさせるためにローレベルのゲート駆動信号ＳＡ２を出力する。これにより、ゲートオフスイッチ２９はオフされ、電流遮断スイッチ２８はオンされ、ＩＧＢＴ２２のゲートＧ２に電源ＶＤから定電圧でゲート駆動電圧ＶＧ２が与えられる。

ＩＧＢＴ２２のゲート電圧Ｖｇ２は、図８（ｂ）に破線で示すように、ゲートＧ２に定電圧が印加されることでＩＧＢＴ２１のゲート電圧Ｖｇ１よりも急峻な傾きで上昇し、図８（ｇ）に示すように、ＩＧＢＴ２２のコレクタ電流Ｉｃ２が増加していく。このとき、ＩＧＢＴ２１のコレクタ電流Ｉｃ１は、ＩＧＢＴ２２のコレクタ電流Ｉｃ２が増加することで分担する電流が低下するので閾値電流Ｉｔｈ１以下になる。これによって、２個のＩＧＢＴ２１および２２によって負荷への給電が行われる状態となる。

この後、時刻ｔａ３でＩＧＢＴ２２のコレクタ電流Ｉｃ２が閾値電流Ｉｔｈ２に達すると、制御回路３２は、図８（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ２３をオンさせるためにローレベルのゲート駆動信号ＳＡ３を出力する。これにより、ゲートオフスイッチ３１はオフされ、電流遮断スイッチ３０はオンされ、ＩＧＢＴ２３のゲートＧ３に電源ＶＤから定電圧でゲート駆動電圧ＶＧ３が与えられる。

ＩＧＢＴ２３のゲート電圧Ｖｇ３は、図８（ｂ）に点線で示すように、ゲートＧ３に定電圧が印加されることでＩＧＢＴ２２のゲート電圧Ｖｇ２と同様にして急峻な傾きで上昇し、図８（ｈ）に示すように、ＩＧＢＴ２３のコレクタ電流Ｉｃ３が増加していく。このとき、ＩＧＢＴ２１および２２のコレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２は、ＩＧＢＴ２３のコレクタ電流Ｉｃ３が増加することで分担する電流が低下し、コレクタ電流Ｉｃ２は閾値電流Ｉｔｈ２以下になる。これによって、３個のＩＧＢＴ２１〜２３によって負荷への給電が行われる状態となる。

この後、時刻ｔａ４でＩＧＢＴ２３のコレクタ電流Ｉｃ３の上昇が止まり、一定電流になると、ＩＧＢＴ２１および２２のコレクタ電流Ｉｃ１およびＩｃ２も一定電流になり、全体として負荷に流れる電流が一定になった状態となる。これにより、ＩＧＢＴ２２および２３をオンさせるときのスイッチング損失が増えるものの、３個のＩＧＢＴ２１〜２３によるオン抵抗による損失の和がそれ以上に低下するので、全体としての損失を低減することができる。

また、図８（ａ）に示すように、時刻ｔａ５になって外部からオフ動作のローレベルの駆動信号ＳＡが制御回路３２に入力されると、制御回路３２は、図８（ｃ）〜（ｅ）に示すように、ハイレベルのゲート駆動信号ＳＡ１〜ＳＡ３を出力する。これにより、電流遮断スイッチ２６、２８、３０はオフされ、ゲートオフスイッチ２７、２９、３１がオンされ、ＩＧＢＴ２１〜２３のゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ３は低下し、コレクタ電流Ｉｃ１〜Ｉｃ３も低下してオフ状態に移行する。

次に、負荷に流れる電流が中程度で、ＩＧＢＴ２１および２２をオン動作させる場合には、図９に示すような動作が行われる。この動作については、第１実施形態で説明した図４に示した場合の動作と同等であるので、説明を省略する。同様に、負荷に流れる電流が少なく、ＩＧＢＴ２１のみオン動作させる場合には、図１０に示すような動作が行われる。この動作についても、第１実施形態で説明した図５に示した場合の動作と同等であるので、説明を省略する。

次に、上記の動作と損失の発生との関係について、図１１を参照して説明する。この実施形態では、３個のＩＧＢＴ２１〜２３を負荷電流の大きさに応じてオン動作を制御する構成としている。この場合において、オン動作させるＩＧＢＴ２１〜２３の個数と、その時に発生するスイッチング損失およびオン抵抗損失、合算損失の関係を示している。

スイッチング損失については、ＩＧＢＴ１個あたりの損失は定電流駆動がやや少なく、定電流駆動後の定電圧駆動では発生する損失はほぼ同じとなっている。したがって、図中黒四角と点線で示しているように、オン動作させるＩＧＢＴの個数にほぼ比例して増加する傾向を示している。

一方、オン抵抗損失については、負荷電流の電流レベルに応じて異なるものであり、負荷電流が「大」、「中」、「小」の場合に対応して示している。上記した３個のＩＧＢＴ２１〜２３をオン動作させる場合を負荷電流「大」とし黒四角と実線で示している。２個のＩＧＢＴ２１、２２をオン動作させる場合を負荷電流「中」として黒四角と破線で示している。ＩＧＢＴ２１だけをオン動作させる場合を負荷電流「小」として黒四角と一点鎖線で示している。オン抵抗損失は、いずれの負荷電流レベルにおいても、ＩＧＢＴのオン動作の個数が多いほど低下する傾向にある。

ＩＧＢＴ２１〜２３をオン動作させる場合の全体の損失は、スイッチング損失とオン抵抗損失を合算したものである。合算損失は図中に負荷電流の電流レベル「大」、「中」、「小」に応じて、太実線、太破線、太一点鎖線と黒三角で示している。したがって、合算損失が最も小さくなるときのＩＧＢＴの駆動個数が適切な駆動制御状態であると言える。

この結果、負荷電流が「大」では、白抜き三角に「３」を記載した３個のＩＧＢＴ２１〜２３をオン動作させたときの合算損失が最も小さい。負荷電流が「中」では、白抜き三角に「２」を記載した２個のＩＧＢＴ２１、２２をオン動作させたときの合算損失が最も小さい。負荷電流が「小」では、白抜き三角に「１」を記載した１個のＩＧＢＴ２１をオン動作させたときの合算損失が最も小さい。

換言すれば、上記のように負荷電流のレベルによってＩＧＢＴ２１〜２３の駆動個数を切り替えるように、閾値電流Ｉｔｈ１、Ｉｔｈ２を設定することで、負荷電流のレベルによって発生する合算損失を最も低減することができるのである。

なお、上記構成においても、それぞれのＩＧＢＴ２１〜２３に対応して電流検出回路３３〜３５を設けているので、第１実施形態と同様にして、制御回路３２によるＩＧＢＴ２１〜２３のローテーション動作により駆動制御することができる。

また、制御回路３２によるローテーション制御は、駆動信号ＳＡが入力される毎にＩＧＢＴ２１〜２３を適宜入れ替えて駆動するようにしても良いし、複数回の駆動信号ＳＡの入力毎にカウンタなどによって切り替えるように設定することもできる。また、駆動信号ＳＡの入力回数ではなく、他の方式によってローテーション制御を行うことも可能である。

このように制御回路３２によりＩＧＢＴ２１〜２３をローテーション制御することで、ＩＧＢＴ２１〜２３を平均化させた使用状態とすることができ、これによってＩＧＢＴ２１〜２３の寿命を平均化させることができる。

したがって、このような第２実施形態によっても、３個のＩＧＢＴ２１〜２３を設けた場合においても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記実施形態においても、ＩＧＢＴ２１〜２３を制御回路３２によりローテーション制御することを前提として、ＩＧＢＴ２３のコレクタ電流Ｉｃ３を検出する電流検出回路３５を設ける構成としたが、電流検出回路３５を設けない構成として、２個のＩＧＢＴ２１および２２をローテーション動作させることもできる。

（第３実施形態）
図１２から図１４は第３実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、上記した第１実施形態と同様の構成において、ＩＧＢＴ１および２を共にオン動作させている状態で、オフ動作させる場合の制御について示している。なお、この実施形態では、オフ動作を主体とした制御を示すため、オン動作については、２個のＩＧＢＴ１および２を同時にオンさせる場合を示しているが、勿論、第１実施形態のようにオン動作についての制御を実施することができるものである。

図１２は、制御回路９によるオン動作中のＩＧＢＴ１および２をオフ駆動させるときの制御動作の流れを示している。この実施形態では、外部から与えられる駆動信号ＳＡによるオン期間Ｔｏｎがある程度の範囲に入るように設定されている場合において、先にオフさせるＩＧＢＴ２のオフ時間ｔｏｆｆが予め設定されている。

制御回路９は、外部からオン動作のハイレベルの駆動信号ＳＡが入力されると、その時点からの経過時間のカウントを開始している。制御回路９は、２個のＩＧＢＴ１および２をオン動作させたときには、図１２に示す動作を行う。すなわち、制御回路９は、まず、ステップＢ１として、経過時間がオフ時間ｔｏｆｆを経過するのを待ちながら、ステップＢで、駆動信号ＳＡがオフ動作を示すローレベルに変化したか否かを判断する。

ここでは、通常の場合には、先にオフ時間ｔｏｆｆが経過するので、制御回路９は、ステップＢ３として、ＩＧＢＴ２を先にオフさせるようにハイレベルのゲート駆動信号ＳＡ２を出力する。これにより、ＩＧＢＴ１がオンを保持した状態でＩＧＢＴ２はオフする。制御回路９は、この後、ステップＢ４で、外部からローレベルの駆動信号ＳＡが入力されるのを待って、ステップＢ５になると、ＩＧＢＴ１をオフさせて動作を終了する。

一方、制御回路９は、オフ時間ｔｏｆｆが経過する前に外部からローレベルの駆動信号ＳＡが入力されると、ステップＢ２でＹＥＳとなって、この後、ステップＢ６で、２個のＩＧＢＴ１および２を共にオフさせる。

次に、上記のオフ動作について、図１３および図１４を参照して説明する。図１３は、２個のＩＧＢＴ１、２をオン動作させた後、ローレベルの駆動信号ＳＡが入力される前にオフ期間ｔｏｆｆが経過する場合のタイムチャートを示している。図１４は、２個のＩＧＢＴ１、２をオン動作させた後、オフ期間ｔｏｆｆが経過する前にローレベルの駆動信号ＳＡが入力された場合のタイムチャートを示している。

まず、図１３の動作では、図１３（ａ）に示すように、時刻ｔｘ１でハイレベルの駆動信号ＳＡが入力されると、制御回路９は、図１３（ｃ）、（ｄ）に示すように、ＩＧＢＴ１および２をオンさせるためにローレベルのゲート駆動信号ＳＡ１、ＳＡ２を出力する。これにより、ゲートオフスイッチ６、８はオフされ、電流遮断スイッチ５、７はオンされ、ＩＧＢＴ１、２のゲートＧ１、Ｇ２に定電流回路３から定電流Ｉｓによってゲート駆動電圧ＶＧ１、ＶＧ２が与えられる。

ＩＧＢＴ１、２のゲート電圧Ｖｇ１、Ｖｇ２は、図１３（ｂ）に実線および破線で示すように、ゲートＧ１およびＧ２に一定電流Ｉｓを供給することで一定の傾斜をもって上昇し、図１３（ｅ）、（ｆ）に示すように、ＩＧＢＴ１、２のコレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２が徐々に増加してオン状態となる。この後、制御回路９は、切り替えスイッチ４をオン状態に切り替えて定電流回路３を無効化する。

この後、ＩＧＢＴ１および２のオン動作中に、時刻ｔｘ２でオフ期間ｔｏｆｆの経過になると、制御回路９は、図１３（ｄ）に示すように、ハイレベルのゲート駆動信号ＳＡ２を出力してＩＧＢＴ２をオフさせる。ＩＧＢＴ２のゲート電圧Ｖｇ２は、図１３（ｂ）に示すようにゼロに低下し、コレクタ電流Ｉｃ２も図１３（ｆ）に示すようにゼロに低下する。このとき、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１は、図１３（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ２に流れていたコレクタ電流Ｉｃ２の分が加算されて増大する。

この後、時刻ｔｘｎで、図１３（ａ）に示すように、外部からローレベルの駆動信号ＳＡが入力されると、制御回路９は、図１３（ｃ）に示すように、ハイレベルのゲート駆動信号ＳＡ１を出力してＩＧＢＴ１をオフさせる。ＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇ１は、図１３（ｂ）に示すように徐々に低下し、コレクタ電流Ｉｃ１も図１３（ｅ）に示すように低下してゼロになる。

この結果、オン動作中の２個のＩＧＢＴ１および２に対して、先にタイマ時間ｔｏｆｆが経過した時点でＩＧＢＴ２をオフさせてからＩＧＢＴ１をオフさせるので、２個のＩＧＢＴ１、２を同時にオフ動作さる場合に比べて、オフ駆動時のテール電流に起因した発熱等のスイッチングオフ損失を低減させることができる。

次に、上記の動作では、ローレベルの駆動信号ＳＡが外部から入力するまでの期間Ｔｏｆｆが経過する前に、オフ期間ｔｏｆｆが経過するように設定しているので、ＩＧＢＴ２を先にオフ動作させることができるものである。しかし、期間Ｔｏｆｆが経過する前にオフ動作を指示するローレベルの駆動信号ＳＡが入力される場合を想定して、図１４に示す動作を実施する。

すなわち、図１４において、２個のＩＧＢＴ１、２がオン状態で、図１４（ａ）に示すように、オフ期間ｔｏｆｆが経過する時刻ｔｘ２になる前の時刻ｔｘｎに、ローレベルの駆動信号ＳＡが外部から入力すると、制御回路９は、図１４（ｃ）、（ｄ）に示すようにハイレベルのゲート駆動信号ＳＡ１、ＳＡ２を出力する。これにより、２個のＩＧＢＴ１、２は、図１４（ｂ）に示すように、共にゲート電圧Ｖｇ１、Ｖｇ２がゼロに低下し、図１４（ｅ）、（ｆ）に示すように、コレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２がゼロになってオフする。

このような第３実施形態によれば、制御回路９により、オフ時間ｔｏｆｆの経過時点でＩＧＢＴ２を先にオフさせた後に、駆動信号ＳＡのタイミングでＩＧＢＴ１をオフ動作させることで、オフ駆動時のテール電流に起因した発熱等のスイッチングオフ損失を低減させることができる。

なお、上記実施形態では、２個のＩＧＢＴ１、２の場合であるが、ＩＧＢＴが３個の第２実施形態や４個以上並列に設けられる構成においても適用することができる。この場合において、最後にオフ動作させるＩＧＢＴを１個残して残りのＩＧＢＴを同時にオフ動作させることができる。

（第４実施形態）
図１５は第４実施形態を示すもので、第３実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、制御回路９に対して与えるゲート駆動信号を、最終的にオフ動作させる駆動信号ＳＡａに対して、これに先立ってオフ動作させる駆動信号ＳＡｂを与える構成としている。

制御回路９は、前述同様にして２個のＩＧＢＴ１、２を時刻ｔｙ１でオン動作させると、この後、図１５（ｂ）に示すように、時刻ｔｙ２で外部からローレベルの駆動信号ＳＡｂが入力される。これにより、制御回路９は、図１５（ｅ）に示すように、ハイレベルのゲート駆動信号ＳＡ２を出力してＩＧＢＴ２をオフ動作させる。ＩＧＢＴ２のゲート電圧Ｖｇ２は、図１５（ｃ）に示すようにゼロまで低下し、コレクタ電流Ｉｃ２も図１３（ｇ）に示すようにゼロまで低下する。このとき、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１は、図１ｆ（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ２に流れていたコレクタ電流Ｉｃ２の分が加算されて増大する。

この後、時刻ｔｙ３で、図１５（ａ）に示すように、外部からローレベルの駆動信号ＳＡａが入力されると、制御回路９は、図１ｄ（ｃ）に示すように、ハイレベルのゲート駆動信号ＳＡ１を出力してＩＧＢＴ１をオフさせる。ＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇ１は、図１５（ｂ）に示すように徐々に低下し、コレクタ電流Ｉｃ１も図１５（ｅ）に示すように低下してゼロになる。

この結果、オン動作中の２個のＩＧＢＴ１および２に対して、異なるタイミングで入力される駆動信号ＳＡａ、ＳＡｂによって、ＩＧＢＴ２をオフさせてからＩＧＢＴ１をオフさせるので、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、この実施形態においても、第３実施形態と同様に、ＩＧＢＴが３個の第２実施形態や４個以上並列に設けられる構成においても適用することができる。

（第５実施形態）
図１６および図１７は第５実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。電気的構成については、第１実施形態で示した図１、図２と同様の構成である。この実施形態では、複数個のＩＧＢＴ１、２を共に駆動している状態あるいは、一方を駆動している状態において、コレクタ電流Ｉｃ１が変動する場合の動作を示すものである。なお、この実施形態では、オフ動作を主体とした制御を示すため、オン動作については、２個のＩＧＢＴ１および２を同時にオンさせる場合を示しているが、勿論、第１実施形態のようにオン動作についての制御を実施することができるものである。

図１６は、制御回路９によるオン動作中のＩＧＢＴ１および２について、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１を検出しながら、ＩＧＢＴ２のオフ動作の制御をしたり、あるいはＩＧＢＴ２のオフさせた後にオン動作させる場合の制御動作の流れを示している。

制御回路９は、外部からオン動作のハイレベルの駆動信号ＳＡが入力されて、ＩＧＢＴ１、２を駆動した後に、図１６に示すゲート駆動制御の動作を開始する。制御回路９は、まず、ステップＣ１として、現在ＩＧＢＴ２をオン動作させているか否かを判断し、最初の段階では、ＩＧＢＴ１、２がオン動作されているので、ＹＥＳとしてステップＣ２に進む。

制御回路９は、ステップＣ２で、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１のレベルが単独のオン動作が可能なレベルであるか否かを判定レベルとしてオフレベルの閾値電流Ｉｔｈ１ｘにより判断する。オフレベルの閾値電流Ｉｔｈ１ｘは前述の閾値電流Ｉｔｈ１に対して例えば１／２以下程度に設定されている。したがって、ここでＹＥＳになった場合には、制御回路９は、ステップＣ３でＩＧＢＴ２をオフさせる。これにより、２個のＩＧＢＴ１、２で分担していたコレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２を合算したコレクタ電流がＩＧＢＴ１に流れるが、このときのコレクタ電流Ｉｃ１は閾値電流Ｉｔｈ１を超えないレベルになる。

また、制御回路９は、ステップＣ２でＮＯの場合、つまりＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１がオフレベルの閾値電流Ｉｔｈ１ｘを下回っていない場合には、ＩＧＢＴ２をオン状態に保持する。以下、２個のＩＧＢＴ１、２を駆動している状態では、制御回路９は、上記したステップを繰り返し実行する。

次に、ＩＧＢＴ１を単独で駆動する状態では、制御回路９は、ステップＣ１でＮＯとなってステップＣ４に進み、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１が閾値電流Ｉｔｈ１を下回るか否かを判断する。前述の状態からコレクタ電流Ｉｃ１が増加していなければ、制御回路９はステップＣ４でＹＥＳと判断し、何もしない状態となる。

一方、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１が増加して閾値電流Ｉｔｈ１以上になっている場合には、制御回路９は、ステップＣ４でＮＯと判断してステップＣ５に進み、ＩＧＢＴ２を前述同様にして定電圧駆動する。この後、制御回路９は、ＩＧＢＴ１、２に対して外部からの信号ＳＡとしてオフ信号が与えられるまでの間、上記のゲート駆動制御を繰り返し実施する。

次に、上記のゲート駆動制御の一例について、図１７を参照して説明する。図１７は、２個のＩＧＢＴ１、２を同時にオン動作させた後、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１の変化に応じてゲート駆動制御をする場合のタイムチャートである。

図１７（ａ）に示すように、時刻ｔｓ１でハイレベルの駆動信号ＳＡが入力されると、制御回路９は、図１７（ｃ）、（ｄ）に示すように、ＩＧＢＴ１および２をオンさせるためにローレベルのゲート駆動信号ＳＡ１、ＳＡ２を出力する。これにより、ゲートオフスイッチ６、８はオフされ、電流遮断スイッチ５、７はオンされ、ＩＧＢＴ１、２のゲートＧ１、Ｇ２に定電流回路３から定電流Ｉｓによってゲート駆動電圧ＶＧ１、ＶＧ２が与えられる。

ＩＧＢＴ１、２のゲート電圧Ｖｇ１、Ｖｇ２は、図１７（ｂ）に実線および破線で示すように、ゲートＧ１およびＧ２に一定電流Ｉｓを供給することで一定の傾斜をもって上昇し、図１７（ｅ）、（ｆ）に示すように、ＩＧＢＴ１、２のコレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２が徐々に増加してオン状態となる。この後、制御回路９は、切り替えスイッチ４をオン状態に切り替えて定電流回路３を無効化する。

この後、ＩＧＢＴ１および２のオン動作中に、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１のレベルがオフレベルの閾値電流Ｉｔｈ１ｘ以上にならない場合に、制御回路９は、時刻ｔｘ２でＩＧＢＴ２をオフさせる。これにより、２個のＩＧＢＴ１、２で分担していたコレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２を合算したコレクタ電流がＩＧＢＴ１に流れる状態となる。

この後、ＩＧＢＴ１に流れるコレクタ電流Ｉｃ１が徐々に増加し、時刻ｔｓ３で閾値電流Ｉｔｈ１以上になると、制御回路９はＩＧＢＴ２を定電圧駆動する。これにより、ＩＧＢＴ１に流れていたコレクタ電流Ｉｃ１の一部がＩＧＢＴ２のコレクタ電流Ｉｃ２として流れるようになり、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃ１は、閾値電流Ｉｔｈ１よりも小さくなる。

このようなゲート駆動制御が制御回路９により繰り返し実行され、負荷に流れる電流が変化することに対応して、ＩＧＢＴ１および２が閾値電流Ｉｔｈ１を超えることがないように駆動制御されるようになる。

このような第５実施形態によれば、制御回路９により、２個のＩＧＢＴ１、２のオン動作中にＩＧＢＴ２をオフ動作させたり、１個のＩＧＢＴ１のオン動作中にＩＧＢＴ２を定電圧でオン動作させることで、ＩＧＢＴ１、２の動作中においても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、上記実施形態では、２個のＩＧＢＴ１、２の場合であるが、ＩＧＢＴが３個の第２実施形態や４個以上並列に設けられる構成においても適用することができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。

複数の半導体素子として、４個以上のＩＧＢＴを設けることもできる。
また、ゲート駆動型の半導体素子は、ＩＧＢＴ以外に、ＭＯＳＦＥＴなどのゲート駆動型のものを設けることもできる。

電流検出回路１０、１１、３３〜３５は、閾値電流を基準として比較するコンパレータにより電流レベルを判断する構成としたが、電流値をＡ／Ｄ変換回路などにより読み取って、制御回路９あるいは３２内で電流レベルを判定するようにしても良い。
ＩＧＢＴのオンオフ制御について、制御回路９、３２により、論理回路を用いたハード的な処理により実施しているが、プログラムを用いたソフトウェアで制御することもできる。

図面中、１、２、２１、２２、２３はＩＧＢＴ（半導体素子）、３、２４は定電流回路、４、２５は切り替えスイッチ、５、７、２６、２８、３０は電流遮断スイッチ、６、８、２７、２９、３１はオフスイッチ、９、３２は制御回路、１０、１１、３３、３４、３５は電流検出回路である。

Claims (6)

1. 並列接続されたゲート駆動型の複数の半導体素子（１、２、２１、２２、２３）を駆動するゲート駆動装置であって、
   前記複数の半導体素子は、始動用の半導体素子（１、２１）と、最終駆動用の半導体素子（２、２３）を含んだ少なくとも１個の次段駆動用の半導体素子（２、２２、２３）とが設けられ、
   前記複数の半導体素子のうち、前記最終駆動用の半導体素子を除いた残りの半導体素子のそれぞれの電流を検出する電流検出回路（１０、３３、３４）と、
   前記始動用の半導体素子に対してゲート駆動を定電流で行うための定電流回路（３、２４）と、
   前記定電流回路を無効化して前記次段駆動用および最終駆動用の半導体素子に対してゲート駆動を定電圧で行う切り替えスイッチ（４、２５）と、
   前記複数の半導体素子を駆動制御する制御回路（９、３２）とを備え、
   前記制御回路は、
   外部からオン動作の駆動信号が与えられると、
   始動制御として、前記始動用の半導体素子に前記定電流回路により定電流でゲート信号を与えてオンさせ、
   次段駆動制御として、オンさせた前記半導体素子に設けられた前記電流検出回路により検出される電流が設定された閾値電流に達すると、前記切り替えスイッチを動作状態として、オフ状態の前記次段駆動用の半導体素子に定電圧でゲート信号を与えてオンさせ、
   以後、オフ状態の前記次段駆動用の半導体素子が存在する場合には、前記次段駆動制御を繰り返し実行するように構成され、
   前記閾値電流は、前記複数の半導体素子のうち前記次段駆動用の半導体素子をオンさせて電流を流したときに、オン状態のすべての前記半導体素子により発生するオン抵抗損失およびスイッチング損失の和が前記次段駆動制御の実施前よりも少なくなるように設定されるゲート駆動装置。
2. 前記複数の半導体素子（２１、２２、２３）は、前記次段駆動用の半導体素子（２２、２３）が複数設けられる構成では、
   前記制御回路（３２）は、前記複数の半導体素子のうち、前記最終駆動用の半導体素子（２３）を除いた次段駆動用の半導体素子（２２）および前記始動用の半導体素子（２１）をオン動作させる順序を変更可能に構成される請求項１に記載のゲート駆動装置。
3. 前記電流検出回路（３３、３４、３５）は、前記複数の半導体素子（２１、２２、２３）のすべてに設けられ、
   前記制御回路（３２）は、前記複数の半導体素子をオン動作させる順序を、変更可能に構成される請求項１に記載のゲート駆動装置。
4. 前記制御回路（９、３２）は、
   前記複数の半導体素子（１、２、２１、２２、２３）のうち、複数のものをオン動作させている状態では、
   前記オン動作させている複数の半導体素子を異なるタイミングでオフ動作させる請求項１から３のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
5. 前記制御回路（９、３２）は、
   前記複数の半導体素子（１、２、２１、２２、２３）のうち、複数のものをオン動作させている状態では、
   前記オン動作させている複数の半導体素子のうち、前記電流検出回路が検出する電流値が予め設定された閾値電流を下回るときにいずれかの半導体素子をオフ動作させる請求項１から４のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
6. 前記制御回路（９、３２）は、
   前記複数の半導体素子（１、２、２１、２２、２３）のうち、いずれかのものをオン動作させている状態では、
   前記複数の半導体素子のうちのオフ状態のものに対して、前記次段駆動制御を実施する請求項１から５のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。

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