JP6791087B2 - スイッチの駆動回路 - Google Patents

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Description

本発明は、ボディダイオードを有する上，下アームスイッチを駆動するスイッチの駆動回路に関する。
この種の駆動回路としては、互いに直列接続された上，下アームスイッチを駆動するものが知られている。上，下アームスイッチは、例えばＭＯＳＦＥＴであり、第１端子、第２端子及び制御端子を有している。上，下アームスイッチは、第２端子に対する制御端子の電位差が閾値電圧以上になることにより、第１端子と第２端子との間の電流の流通を許容するオン状態とされる。一方、上，下アームスイッチは、上記電位差が閾値電圧未満になることにより、第１端子から第２端子へと向かう方向の電流の流通を阻止するオフ状態とされる。駆動回路は、デッドタイムを挟みつつ、上，下アームスイッチを交互にオン状態とする。
上，下アームスイッチは、第１端子及び制御端子の間と、第２端子及び制御端子の間とのそれぞれに形成された帰還容量を有している。例えば、下アームスイッチがオフ状態とされている場合において、上アームスイッチがオン状態に切り替えられると、下アームスイッチの制御端子に帰還容量を介して電荷が供給され得る。この場合、第２端子に対する制御端子の電位差が閾値電圧以上になり、下アームスイッチをオフ状態に維持したいにもかかわらず、下アームスイッチが誤ってオン状態に切り替えられしまう現象が生じ得る。以下、この現象をセルフターンオンと称すこととする。
セルフターンオンの発生を抑制するための技術として、特許文献１には、上アームスイッチのオン状態への切り替え直前のタイミングから、次回のデッドタイムが終了するまでの期間に渡って、下アームスイッチの第２端子に対する制御端子の電位差を０未満の負電圧に保持する技術が開示されている。これにより、下アームスイッチのセルフターンオンの発生を抑制している。
国際公開第２０１６／１４３０２３号
第２端子に対する制御端子の電位差が負電圧に保持される場合、上記電位差が０以上であってかつ閾値電圧未満に保持される場合と比較して、スイッチの劣化が進行する懸念がある。このため、スイッチの劣化の進行を抑制する上では、負電圧に保持される期間を短縮することが望ましい。
本発明は、スイッチの劣化の進行を抑制できるスイッチの駆動回路を提供することを主たる目的とする。
本発明は、ボディダイオードを有する上アームスイッチ及び下アームスイッチを駆動するスイッチの駆動回路である。前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチのそれぞれは、第１端子、第２端子及び制御端子を有し、前記上アームスイッチの前記第２端子は、前記下アームスイッチの前記第１端子に接続される。前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチのそれぞれは、前記第２端子に対する前記制御端子の電位差が閾値電圧以上になることにより前記第１端子と前記第２端子との間の電流の流通を許容するオン状態とされ、前記第２端子に対する前記制御端子の電位差が前記閾値電圧未満になることにより前記第１端子から前記第２端子へと向かう方向の電流の流通を阻止するオフ状態とされる。本発明は、通電制御されることにより、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチそれぞれの前記制御端子の印加電圧を調整する電圧調整部と、デッドタイムを挟みつつ前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチを交互にオン状態とするように、前記電圧調整部を通電制御する制御部と、を備える。前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチそれぞれが有する前記ボディダイオードのうち、前記デッドタイムにおいて還流電流が流れるダイオードを対象ダイオードとし、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチのうち、前記対象ダイオードを有するスイッチを対象スイッチとし、残りのスイッチを対向アームスイッチとし、０以上であってかつ前記閾値電圧未満の電圧をオフ電圧とし、０未満の電圧を負電圧とする場合において、前記制御部は、前記対象スイッチがオフ状態に切り替えられた直後の前記デッドタイムのうち該デッドタイムの開始タイミング以降のタイミングから、前記対向アームスイッチがオン状態とされる期間の途中までの期間に渡って、前記対象スイッチの前記第２端子に対する前記制御端子の電位差を前記負電圧に維持し、その後、次回の前記デッドタイムが終了するまで前記対象スイッチの前記第２端子に対する前記制御端子の電位差を前記オフ電圧に維持するように、前記電圧調整部を通電制御する。
本発明では、対象ダイオード、対象スイッチ、対向アームスイッチ、オフ電圧及び負電圧が上記のように定義されている。ここで、対象スイッチがオフ状態に切り替えられた直後のデッドタイムのうち該デッドタイムの開始タイミング以降のタイミングから、対向アームスイッチがオン状態とされる期間の途中までの期間を規定期間とする。この場合、対向アームスイッチがオン状態に切り替えられるときにおいて、対象スイッチのセルフターンオンの発生を抑制するためには、上記規定期間に渡って、対象スイッチの第２端子に対する制御端子の電位差が負電圧に維持されていればよい。
そこで、本発明の制御部は、対象スイッチがオフ状態に切り替えられた直後のデッドタイムのうち該デッドタイムの開始タイミング以降のタイミングから、対向アームスイッチがオン状態とされる期間の途中までの期間に渡って、対象スイッチの第２端子に対する制御端子の電位差を負電圧に維持するように、電圧調整部を通電制御する。これにより、対象スイッチのセルフターンオンの発生を抑制する。
さらに、制御部は、次回のデッドタイムが終了するまで対象スイッチの第２端子に対する制御端子の電位差をオフ電圧に維持するように、電圧調整部を通電制御する。これにより、上記特許文献１に記載の構成と比較して、負電圧に維持される期間を短縮でき、スイッチの劣化の進行を抑制することができる。
第１実施形態に係る回転電機の制御システムの全体構成を示す図。 上，下アーム駆動回路の構成を示す図。 上，下アームスイッチの特性を示す図。 上，下アームスイッチのゲート電圧の推移を示すタイムチャート。 相電流が正の場合における電流流通態様を示す図。 相電流が負の場合における電流流通態様を示す図。 上アームスイッチの駆動処理の手順を示すフローチャート。 下アームスイッチの駆動処理の手順を示すフローチャート。 第２実施形態に係る相電流が正の場合における上，下アームスイッチのゲート電圧の推移を示すタイムチャート。 相電流が負の場合における上，下アームスイッチのゲート電圧の推移を示すタイムチャート。 上アームスイッチの駆動処理の手順を示すフローチャート。 下アームスイッチの駆動処理の手順を示すフローチャート。 第３実施形態に係る上，下アーム駆動回路の構成を示す図。 上アームスイッチの駆動処理の手順を示すフローチャート。 下アームスイッチの駆動処理の手順を示すフローチャート。
＜第１実施形態＞
以下、本発明に係るスイッチの駆動回路を具体化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、制御システムは、回転電機１０と、電力変換器としてのインバータ２０と、回転電機１０を制御対象とする制御装置３０とを備えている。本実施形態において、回転電機１０は、星形結線された３相の巻線１１を備えている。回転電機１０は、例えば、同期機である。
回転電機１０は、インバータ２０を介して、直流電源２１に接続されている。直流電源２１は、例えば２次電池である。なお、直流電源２１及びインバータ２０の間には、平滑コンデンサ２２が設けられている。
インバータ２０は、上アームスイッチＳＷＨと下アームスイッチＳＷＬとの直列接続体を３相分備えている。本実施形態では、各スイッチＳＷＨ，ＳＷＬとして、ユニポーラ素子であってかつＳｉＣ又はＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体であるＮチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。上アームスイッチＳＷＨには、ボディダイオードとしての上アームダイオードＤＨが内蔵され、下アームスイッチＳＷＬには、ボディダイオードとしての下アームダイオードＤＬが内蔵されている。本実施形態の各スイッチＳＷＨ，ＳＷＬにおいて、ドレインが第１端子に相当し、ソースが第２端子に相当し、ゲートが制御端子に相当する。
各相において、上アームスイッチＳＷＨのソースと下アームスイッチＳＷＬのドレインとの接続点には、回転電機１０の巻線１１の第１端が接続されている。各相の巻線１１の第２端は、中性点で接続されている。なお、本実施形態において、巻線１１が誘導性負荷に相当する。
制御システムは、相電流検出部２３を備えている。相電流検出部２３は、回転電機１０に流れる各相電流のうち、少なくとも２相分の電流を検出する。
制御装置３０は、回転電機１０の制御量をその指令値に制御すべく、インバータ２０を制御する。制御量は、例えばトルクである。制御装置３０は、デッドタイムを挟みつつ上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬを交互にオンすべく、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬに対応する上，下アーム駆動信号ＳｇＨ，ＳｇＬを、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬに対して個別に設けられた上，下アーム駆動回路ＤｒＣＨ，ＤｒＣＬに出力する。駆動信号は、スイッチのオン状態への切り替えを指示するオン指令と、オフ状態への切り替えを指示するオフ指令とのいずれかをとる。
続いて、図２を用いて、各駆動回路ＤｒＣＨ，ＤｒＣＬについて説明する。
まず、上アーム駆動回路ＤｒＣＨについて説明する。上アーム駆動回路ＤｒＣＨは、上アーム充電スイッチ４１、上アーム第１スイッチ４２、上アーム第２スイッチ４３、上アーム第１抵抗体４４、上アーム第２抵抗体４５、上アーム制御部４６、上アーム定電圧電源４７及び上アーム負電源４８を備えている。上アーム定電圧電源４７には、図示しない充電用抵抗体と、上アーム充電スイッチ４１とを介して、上アーム駆動回路ＤｒＣＨの第１上アーム端子ＴＨ１が接続されている。第１上アーム端子ＴＨ１には、上アームスイッチＳＷＨのゲートが接続されている。
第１上アーム端子ＴＨ１には、上アーム第１抵抗体４４及び上アーム第１スイッチ４２を介して、上アーム駆動回路ＤｒＣＨの第２上アーム端子ＴＨ２が接続されている。第２上アーム端子ＴＨ２には、上アームスイッチＳＷＨのソースが接続されている。第２上アーム端子ＴＨ２には、上アーム負電源４８の正極端子が接続されている。第１上アーム端子ＴＨ１には、上アーム第２抵抗体４５及び上アーム第２スイッチ４３を介して、上アーム負電源４８の負極端子が接続されている。
上アームスイッチＳＷＨは、自身に流れるドレイン電流と相関を有する微少電流を出力する上アームセンス端子ＳｔＨを備えている。上アームセンス端子ＳｔＨには、上アームセンス抵抗体４９の第１端が接続され、上アームセンス抵抗体４９の第２端には、第２上アーム端子ＴＨ２及び上アームスイッチＳＷＨのソースが接続されている。上アームセンス端子ＳｔＨから出力された微少電流によって上アームセンス抵抗体４９に電圧降下が生じる。本実施形態では、上アームスイッチＳＷＨのソース電位に対する上アームセンス抵抗体４９の第１端側の電位を上アームセンス電圧ＶｓＨと称すこととする。上アームセンス抵抗体４９の第１端には、上アーム駆動回路ＤｒＣＨの第３上アーム端子ＴＨ３が接続されている。上アーム制御部４６は、第３上アーム端子ＴＨ３を介して上アームセンス電圧ＶｓＨを取得する。なお、本実施形態では、上アームスイッチＳＷＨのソース電位を０とし、上アームセンス抵抗体４９の第１端側の電位がソース電位よりも高い場合の上アームセンス電圧ＶｓＨが正と定義されている。また、本実施形態において、上アーム充電スイッチ４１、上アーム第１，第２スイッチ４２，４３、上アーム第１，第２抵抗体４４，４５、上アーム定電圧電源４７及び上アーム負電源４８が上アーム電圧調整部に相当する。
上アーム制御部４６は、上アーム駆動回路ＤｒＣＨの第４上アーム端子ＴＨ４を介して、制御装置３０から出力された上アーム駆動信号ＳｇＨを取得する。上アーム制御部４６は、取得した上アーム駆動信号ＳｇＨがオン指令であると判定した場合、充電処理により、上アームスイッチＳＷＨをオン状態に切り替える。充電処理は、上アーム充電スイッチ４１をオン状態にして、かつ、上アーム第１スイッチ４２及び上アーム第２スイッチ４３をオフ状態にする処理である。充電処理によれば、上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧ＶｇｓＨが閾値電圧Ｖｔｈ以上となる。その結果、上アームスイッチＳＷＨがオフ状態からオン状態に切り替えられる。閾値電圧Ｖｔｈは、スイッチをオン状態及びオフ状態のうち一方の状態から他方の状態に切り替える電圧である。上アーム制御部４６は、上アーム駆動信号ＳｇＨがオフ指令であると判定した場合、放電処理により、上アームスイッチＳＷＨをオフ状態に切り替える。放電処理は、上アーム充電スイッチ４１をオフ状態にするとともに、上アーム第１，第２スイッチ４２，４３のうち一方をオン状態にし、他方をオフ状態にする処理である。放電処理によれば、上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧ＶｇｓＨが閾値電圧Ｖｔｈ未満となる。その結果、上アームスイッチＳＷＨがオン状態からオフ状態に切り替えられる。
続いて、下アーム駆動回路ＤｒＣＬについて説明する。下アーム駆動回路ＤｒＣＬは、下アーム充電スイッチ５１、下アーム第１スイッチ５２、下アーム第２スイッチ５３、下アーム第１抵抗体５４、下アーム第２抵抗体５５、下アーム制御部５６、下アーム定電圧電源５７及び下アーム負電源５８を備えている。また、下アーム駆動回路ＤｒＣＬは、第１〜第４下アーム端子ＴＬ１〜ＴＬ４を備えている。本実施形態において、下アーム駆動回路ＤｒＣＬの構成は、上アーム駆動回路ＤｒＣＨの構成と基本的には同様である。このため、下アーム駆動回路ＤｒＣＬの詳細な説明を省略する。ちなみに、本実施形態において、下アーム充電スイッチ５１、下アーム第１，第２スイッチ５２，５３、下アーム第１，第２抵抗体５４，５５、下アーム定電圧電源５７及び下アーム負電源５８が下アーム電圧調整部に相当する。
下アームスイッチＳＷＬは、自身に流れるドレイン電流と相関を有する微少電流を出力する下アームセンス端子ＳｔＬを備えている。下アームセンス端子ＳｔＬには、下アームセンス抵抗体５９の第１端が接続され、下アームセンス抵抗体５９の第２端には、第２下アーム端子ＴＬ２及び下アームスイッチＳＷＬのソースが接続されている。本実施形態では、下アームスイッチＳＷＬのソース電位に対する下アームセンス抵抗体５９の第１端側の電位を下アームセンス電圧ＶｓＬと称すこととする。下アームセンス抵抗体５９の第１端には、第３下アーム端子ＴＬ３が接続されている。下アーム制御部５６は、第３下アーム端子ＴＬ３を介して下アームセンス電圧ＶｓＬを取得する。
続いて、図３を用いて、本実施形態の上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの特性について説明する。なお、以下の説明において、スイッチのゲート及びソース間電圧Ｖｇｓは、ソース電位よりもゲート電位の方が高い場合が正と定義されている。また、ドレイン電流Ｉｄｓは、ドレイン側からソース側へと流れる場合が正と定義されている。
ゲート及びソース間電圧Ｖｇｓが０よりも高い場合、ドレイン側からソース側、及びソース側からドレイン側の双方にドレイン電流Ｉｄｓの流通が許可される。この場合、ソース側からドレイン側に向かってスイッチのボディダイオードにも電流の流通が可能とされる。一方、ゲート及びソース間電圧Ｖｇｓが０未満の場合、ドレイン電流Ｉｄｓは負方向にのみ流れる。つまり、ゲート及びソース間電圧Ｖｇｓが０未満の場合、ソース側からドレイン側に向かってボディダイオードにのみ電流が流れる。ゲート及びソース間電圧Ｖｇｓが０未満の場合、ゲート及びソース間Ｖｇｓの絶対値が高いほど、あるドレイン電流Ｉｄｓが流れる場合に生じるドレイン及びソース間電圧Ｖｄｓが高くなる。つまり、ゲート及びソース間電圧Ｖｇｓが０未満の場合、ゲート及びソース間Ｖｇｓの絶対値が高いほど、あるドレイン電流Ｉｄｓが流れる場合にボディダイオードで発生する導通損失が大きくなる。
続いて、スイッチが誤ってオン状態に切り替えられしまうセルフターンオンについて説明する。上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬは、ドレイン及びゲートの間と、ソース及びゲートの間とのそれぞれに形成された帰還容量を有している。帰還容量が存在することにより、例えば、下アームスイッチＳＷＬをオフ状態に維持したいにもかかわらず、下アームスイッチＳＷＬのセルフターンオンが発生し得る。そこで、本実施形態では、ゲート電圧を０未満の負電圧に維持する処理が実行される。以下、図４〜図６を用いて、この処理について説明する。
図４（ａ）は上アーム駆動信号ＳｇＨの推移を示し、図４（ｂ）は下アーム駆動信号ＳｇＬの推移を示す。図４（ｃ）は上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧ＶｇｓＨの推移を示し、図４（ｄ）は下アームスイッチＳＷＬのゲート電圧ＶｇｓＬの推移を示す。
図４において、Ｖｐは、上アーム充電スイッチ４１がオン状態とされ、上アーム第１，第２スイッチ４２，４３がオフ状態とされる場合のゲート電圧であるオン電圧を示す。本実施形態において、オン電圧Ｖｐは、閾値電圧Ｖｔｈよりも高い電圧（例えば２０Ｖ）である。Ｖｃは、上アーム充電スイッチ４１及び上アーム第２スイッチ４３がオフ状態とされ、上アーム第１スイッチ４２がオン状態とされる場合のゲート電圧であるオフ電圧を示す。オフ電圧Ｖｃは、閾値電圧Ｖｔｈ未満の電圧であり、本実施形態では０Ｖである。Ｖｎは、上アーム充電スイッチ４１及び上アーム第１スイッチ４２がオフ状態とされ、上アーム第２スイッチ４３がオン状態とされる場合のゲート電圧である負電圧を示す。負電圧Ｖｎは、０未満の電圧（例えば−５Ｖ）である。
図４及び図５を用いて、相電流の流通方向が正方向の場合について説明する。本実施形態において、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの接続点から巻線１１へと向かう方向に流れる相電流が正方向と定義されている。本実施形態において、相電流の流通方向が正方向の場合、下アームダイオードＤＬが対象ダイオードに相当し、下アームスイッチＳＷＬが対象スイッチに相当し、上アームスイッチＳＷＨが対向アームスイッチに相当する。
第１期間Ｐ１においては、図５（ａ）に示すように、上アームスイッチＳＷＨがオン状態とされ、下アームスイッチＳＷＬがオフ状態とされる。その結果、上アームスイッチＳＷＨのドレイン側からソースを介して巻線１１へと電流が流れる。
時刻ｔ１〜ｔ２で示す第２期間Ｐ２は、デッドタイムＤＴである。本実施形態において、デッドタイムＤＴは、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの双方がオフ状態とされる期間である。このため、第２期間Ｐ２においては、図５（ｂ）に示すように、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの双方がオフ状態とされる。この場合、下アームダイオードＤＬを介して巻線１１へと還流電流が流れる。第２期間Ｐ２において、下アームスイッチＳＷＬのゲート電圧ＶｇｓＬがオフ電圧Ｖｃ（０Ｖ）とされているため、ゲート電圧ＶｇｓＬが負電圧Ｖｎとされる場合と比較して、デッドタイムＤＴにおいて下アームダイオードＤＬに還流電流が流れることによる導通損失を低減できる。
時刻ｔ２〜ｔ４で示す第３期間Ｐ３においては、図５（ｃ）に示すように、上アームスイッチＳＷＨがオフ状態とされ、下アームスイッチＳＷＬがオン状態とされる。その結果、下アームスイッチＳＷＬのソース側からドレインを介して巻線１１へと還流電流が流れる。
時刻ｔ４〜ｔ５で示す第４期間Ｐ４は、デッドタイムＤＴである。第４期間Ｐ４においては、図５（ｄ）に示すように、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの双方がオフ状態とされる。その結果、下アームダイオードＤＬを介して巻線１１へと還流電流が流れる。第４期間Ｐ４の開始タイミングｔ４から、第４期間Ｐ４の終了タイミングｔ５よりも後のタイミングｔ６までの期間に渡って、下アームスイッチＳＷＬのゲート電圧ＶｇｓＬが負電圧Ｖｎに維持される。このため、時刻ｔ５において上アームスイッチＳＷＨがオン状態に切り替えられることに伴って下アームスイッチＳＷＬにセルフターンオンが発生することを抑制できる。さらに、タイミングｔ６から次回のデッドタイムが終了するまでの期間に渡って、下アームスイッチＳＷＬのゲート電圧ＶｇｓＬを、負電圧Ｖｎではなくオフ電圧Ｖｃに維持できる。その結果、負電圧Ｖｎに維持される期間を短縮でき、下アームスイッチＳＷＬの劣化の進行を抑制することができる。
図４及び図６を用いて、相電流の流通方向が負方向の場合について説明する。本実施形態において、相電流の流通方向が負方向の場合、上アームダイオードＤＨが対象ダイオードに相当し、上アームスイッチＳＷＨが対象スイッチに相当し、下アームスイッチＳＷＬが対向アームスイッチに相当する。
第３期間Ｐ３においては、図６（ａ）に示すように、上アームスイッチＳＷＨがオン状態とされ、下アームスイッチＳＷＬがオフ状態とされる。その結果、巻線１１から、上アームスイッチＳＷＨのドレインを介してソース側へと電流が流れる。
続く第４期間Ｐ４は、デッドタイムＤＴであり、第４期間Ｐ４においては、図６（ｂ）に示すように、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの双方がオフ状態とされる。その結果、巻線１１から上アームダイオードＤＨを介して還流電流が流れる。第４期間Ｐ４において、上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧ＶｇｓＨがオフ電圧Ｖｃ（０Ｖ）とされているため、デッドタイムＤＴにおいて上アームダイオードＤＨに還流電流が流れることによる導通損失を低減できる。
第１期間Ｐ１においては、図６（ｃ）に示すように、上アームスイッチＳＷＨがオン状態とされ、下アームスイッチＳＷＬがオフ状態とされる。その結果、巻線１１から上アームスイッチＳＷＨのソースを介してドレイン側へと還流電流が流れる。
第２期間Ｐ２は、デッドタイムＤＴであり、第２期間Ｐ２においては、図６（ｄ）に示すように、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの双方がオフ状態とされる。その結果、巻線１１から上アームダイオードＤＨを介して還流電流が流れる。第２期間Ｐ２の開始タイミングｔ１から、第２期間Ｐ２の終了タイミングｔ２よりも後のタイミングｔ３までの期間に渡って、上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧ＶｇｓＨが負電圧Ｖｎとされる。このため、時刻ｔ２において下アームスイッチＳＷＬがオン状態に切り替えられることに伴って上アームスイッチＳＷＨのセルフターンオンが発生することを抑制できる。さらに、タイミングｔ３から次回のデッドタイムが終了するまでの期間に渡って、上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧ＶｇｓＨを、負電圧Ｖｎではなくオフ電圧に維持できる。その結果、負電圧Ｖｎに維持される期間を短縮でき、上アームスイッチＳＷＨの劣化の進行を抑制することができる。
図７に、上アーム制御部４６により実行される上アームスイッチＳＷＨの駆動処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。
ステップＳ１０では、上アーム保持フラグＦａＨが１であるか否かを判定する。上アーム保持フラグＦａＨは、１によってゲート電圧ＶｇｓＨが負電圧Ｖｎに保持されていることを示し、０によってゲート電圧ＶｇｓＨが負電圧Ｖｎに保持されていないことを示す。本実施形態において、上アーム保持フラグＦａＨの初期値は０にされている。
ステップＳ１１では、取得した上アーム駆動信号ＳｇＨに基づいて、現在の処理周期において上アーム駆動信号ＳｇＨがオン指令からオフ指令に切り替えられたか否かを判定する。
ステップＳ１１において肯定判定した場合には、ステップＳ１２に進み、上アーム駆動信号ＳｇＨがオン指令であるか否かを判定する。ステップＳ１２において肯定判定した場合には、ステップＳ１３に進み、上アーム充電スイッチ４１をオン状態とし、上アーム第１，第２スイッチ４２，４３をオフ状態とする。これにより、ゲート電圧ＶｇｓＨがオン電圧Ｖｐとされる。
ステップＳ１１において上アーム駆動信号ＳｇＨがオン指令からオフ指令に切り替えられたと判定した場合には、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、ゲート電圧ＶｇｓＨをオフ電圧Ｖｃ（０Ｖ）に切り替えるタイミングであるか否かを判定する。オフ電圧Ｖｃに切り替えるタイミングは、下アームスイッチＳＷＬがオン状態に切り替えられた後のタイミングであって、上アームスイッチＳＷＨのセルフターンオンが発生しないタイミングである。ステップＳ１４では、例えば、ステップＳ１１において肯定判定されてからの経過時間を上アーム駆動回路ＤｒＣＨの備えるタイマ等の計時部によりカウントし、カウントした経過時間が第１所定時間に到達したと判定した場合、ステップＳ１４において肯定判定すればよい。
ステップＳ１４において否定判定した場合には、ステップＳ１５に進み、上アーム充電スイッチ４１及び上アーム第１スイッチ４２をオフ状態とし、上アーム第２スイッチ４３をオン状態とする。これにより、ゲート電圧ＶｇｓＨが負電圧Ｖｎとされる。また、上アーム保持フラグＦａＨを１にする。
ステップＳ１４において肯定判定した場合には、ステップＳ１６に進み、上アーム保持フラグＦａＨを０にする。そして、ステップＳ１７に進み、上アーム第２スイッチ４３をオフ状態に切り替え、上アーム第１スイッチ４２をオン状態に切り替える。これにより、ゲート電圧ＶｇｓＨがオフ電圧Ｖｃ（０Ｖ）とされる。なお、ステップＳ１２において上アーム駆動信号ＳｇＨがオフ指令であると判定した場合にも、ステップＳ１７に進む。
図８に、下アーム制御部５６により実行される下アームスイッチＳＷＬの駆動処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。
ステップＳ３０では、下アーム保持フラグＦａＬが１であるか否かを判定する。下アーム保持フラグＦａＬは、１によってゲート電圧ＶｇｓＬが負電圧Ｖｎに保持されていることを示し、０によってゲート電圧ＶｇｓＬが負電圧Ｖｎに保持されていないことを示す。本実施形態において、下アーム保持フラグＦａＬの初期値は０にされている。
ステップＳ３１では、取得した下アーム駆動信号ＳｇＬに基づいて、現在の処理周期において下アーム駆動信号ＳｇＬがオン指令からオフ指令に切り替えられたか否かを判定する。
ステップＳ３１において肯定判定した場合には、ステップＳ３２に進み、下アーム駆動信号ＳｇＬがオン指令であるか否かを判定する。ステップＳ３２において肯定判定した場合には、ステップＳ３３に進み、下アーム充電スイッチ５１をオン状態とし、下アーム第１，第２スイッチ５２，５３をオフ状態とする。これにより、ゲート電圧ＶｇｓＬがオン電圧Ｖｐとされる。
ステップＳ３１において肯定判定した場合には、ステップＳ３４に進み、ゲート電圧ＶｇｓＬをオフ電圧Ｖｃ（０Ｖ）に切り替えるタイミングであるか否かを判定する。オフ電圧Ｖｃに切り替えるタイミングは、上アームスイッチＳＷＨがオン状態に切り替えられた後のタイミングであって、下アームスイッチＳＷＬのセルフターンオンが発生しないタイミングである。ステップＳ３４では、例えば、ステップＳ３１において肯定判定されてからの経過時間を下アーム駆動回路ＤｒＣＬの備えるタイマ等の計時部によりカウントし、カウントした経過時間が第２所定時間に到達したと判定した場合、ステップＳ３４において肯定判定すればよい。なお、第２所定時間は、先のステップＳ１４の第１所定時間と同じ時間であってもよいし、異なる時間であってもよい。
ステップＳ３４において否定判定した場合には、ステップＳ３５に進み、下アーム充電スイッチ５１及び下アーム第１スイッチ５２をオフ状態とし、下アーム第２スイッチ５３をオン状態とする。これにより、ゲート電圧ＶｇｓＬが負電圧Ｖｎとされる。また、下アーム保持フラグＦａＬを１にする。
ステップＳ３４において肯定判定した場合には、ステップＳ３６に進み、下アーム保持フラグＦａＬを０にする。そして、ステップＳ３７に進み、下アーム第２スイッチ５３をオフ状態に切り替え、下アーム第１スイッチ５２をオン状態に切り替える。これにより、ゲート電圧ＶｇｓＬがオフ電圧Ｖｃ（０Ｖ）とされる。なお、ステップＳ３２において否定判定した場合にも、ステップＳ３７に進む。
以上詳述した本実施形態によれば、インバータ２０を構成する上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬのセルフターンオンの発生を抑制しつつ、負電圧Ｖｎの維持期間を短縮することができる。これにより、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの劣化の進行を抑制することができる。
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、相電流の流通方向が正の場合、図９に示すように、デッドタイムＤＴと、下アームスイッチＳＷＬがオン状態とされる期間とのそれぞれにおいて、上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧ＶｇｓＨがオフ電圧Ｖｃとされる。つまり、相電流の流通方向が正の場合、上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧ＶｇｓＨが負電圧Ｖｎとされない。一方、相電流の流通方向が負の場合、図１０に示すように、デッドタイムＤＴと、上アームスイッチＳＷＨがオン状態とされる期間とのそれぞれにおいて、下アームスイッチＳＷＬのゲート電圧ＶｇｓＬがオフ電圧Ｖｃとされる。つまり、相電流の流通方向が負の場合、下アームスイッチＳＷＬのゲート電圧ＶｇｓＬが負電圧Ｖｎとされない。以上説明した構成は、相電流の流通方向によってセルフターンオンが発生し得る状況が変化することに鑑みたものであり、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの劣化の進行をいっそう抑制するためのものである。なお、図９，図１０は、先の図４に対応している。
図１１に、上アーム制御部４６により実行される上アームスイッチＳＷＨの駆動処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。なお、図１１において、先の図７に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。
ステップＳ２０では、後述するステップＳ２３で取得した上アームセンス電圧ＶｓＨが負の値であるか否かを判定する。ステップＳ２３で取得した上アームセンス電圧ＶｓＨは、上アーム駆動信号ＳｇＨがオン指令とされる期間において直近で取得した上アームセンス電圧ＶｓＨである。
ステップＳ２０において負の値であると判定した場合には、ステップＳ２１に進み、上アーム判定フラグＦｂＨを０にする。上アーム判定フラグＦｂＨは、０によって相電流の流通方向が負方向であることを示し、１によって流通方向が正方向であることを示す。本実施形態において、上アーム判定フラグＦｂＨの初期値は０にされている。
ステップＳ２０において上アームセンス電圧ＶｓＨが０以上であると判定した場合には、ステップＳ２２に進み、上アーム判定フラグＦｂＨを１にする。ステップＳ２１又はＳ２２の処理の完了後、ステップＳ１０に進む。
ステップＳ１１において否定判定し、ステップＳ１２において肯定判定した場合には、ステップＳ２３に進む。ステップＳ２３では、上アームセンス電圧ＶｓＨを取得する。
ステップＳ１１において肯定判定した場合には、ステップＳ２４に進み、上アーム判定フラグＦｂＨが０であるか否かを判定する。上アーム判定フラグＦｂＨが０であると判定した場合には、ステップＳ１４に進む。一方、上アーム判定フラグＦｂＨが１であると判定した場合には、ステップＳ１７に進む。このため、上アーム駆動信号ＳｇＨがオフ指令とされる場合においてゲート電圧ＶｇｓＨが負電圧Ｖｎとされない。
図１２に、下アーム制御部５６により実行される下アームスイッチＳＷＬの駆動処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。なお、図１２において、先の図８に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。
ステップＳ４０では、後述するステップＳ４３で取得した下アームセンス電圧ＶｓＬが負の値であるか否かを判定する。
ステップＳ４０において負の値であると判定した場合には、ステップＳ４１に進み、下アーム判定フラグＦｂＬを０にする。下アーム判定フラグＦｂＬは、０によって相電流の流通方向が負方向であることを示し、１によって流通方向が正方向であることを示す。本実施形態において、下アーム判定フラグＦｂＬの初期値は０にされている。
ステップＳ４０において肯定判定した場合には、ステップＳ４２に進み、下アーム判定フラグＦｂＬを１にする。ステップＳ４１又はＳ４２の処理の完了後、ステップＳ３０に進む。
ステップＳ３１において否定判定し、ステップＳ３２において肯定判定した場合には、ステップＳ４３に進む。ステップＳ４３では、下アームセンス電圧ＶｓＬを取得する。
ステップＳ３１において肯定判定した場合には、ステップＳ４４に進み、下アーム判定フラグＦｂＬが０であるか否かを判定する。下アーム判定フラグＦｂＬが１であると判定した場合には、ステップＳ３４に進む。一方、下アーム判定フラグＦｂＬが０であると判定した場合には、ステップＳ３７に進む。このため、下アーム駆動信号ＳｇＬがオフ指令とされる場合においてゲート電圧ＶｇｓＬが負電圧Ｖｎとされない。
以上説明した本実施形態によれば、負電圧Ｖｎの維持期間をより短縮でき、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの劣化の進行をいっそう抑制することができる。
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態について、第２実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、センス電圧に代えて、相電流検出部２３の検出値に基づいて、相電流の流通方向を判別する。相電流検出部２３の検出値は、制御装置３０を介して各駆動回路ＤｒＣＨ，ＤｒＣＬに入力される。詳しくは、図１３に示すように、上アーム制御部４６には、第４上アーム端子ＴＨ４を介して、自身に対応する相の相電流情報が入力される。図１３において、先の図２に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。下アーム制御部５６には、第４下アーム端子ＴＬ１を介して、自身に対応する相の相電流情報が入力される。なお、図１３には、第４上，下アーム端子ＴＨ４，ＴＬ４を介して相電流情報が入力される構成を示したがこれに限らず、第４上，下アーム端子ＴＨ４，ＴＬ４とは別の端子を介して相電流情報が入力される構成であってもよい。
図１４に、上アーム制御部４６により実行される上アームスイッチＳＷＨの駆動処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。なお、図１４において、先の図１１に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。
ステップＳ２５では、後述するステップＳ２６で取得した相電流に基づいて、相電流の流通方向が負方向であるか否かを判定する。ステップＳ２６で取得した相電流は、上アーム駆動信号ＳｇＨがオン指令とされる期間において直近で取得した相電流である。
ステップＳ２５において負方向であると判定した場合には、ステップＳ２１に進む。一方、ステップＳ２５において正方向であると判定した場合には、ステップＳ２２に進む。なお、ステップＳ１２において肯定判定した場合には、ステップＳ２６に進み、相電流を取得する。
図１５に、下アーム制御部５６により実行される下アームスイッチＳＷＬの駆動処理の手順を示す。この処理は、例えば所定の処理周期毎に繰り返し実行される。なお、図１５において、先の図１２に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。
ステップＳ４５では、後述するステップＳ４６で取得した相電流に基づいて、相電流の流通方向が負方向であるか否かを判定する。
ステップＳ４５において負方向であると判定した場合には、ステップＳ４１に進む。一方、ステップＳ４５において正方向であると判定した場合には、ステップＳ４２に進む。なお、ステップＳ３２において肯定判定した場合には、ステップＳ４６に進み、相電流を取得する。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・第３実施形態において、センス電圧を検出する構成は、各駆動回路ＤｒＣＨ，ＤｒＣＬに必須ではない。
・第１実施形態の図４において、相電流の流通方向が正方向の場合には、第４期間Ｐ４の開始タイミングｔ４ではなく、この開始タイミングｔ４よりも後のタイミングであって、かつ、第４期間Ｐ４の終了タイミングｔ５よりも前のタイミングから、下アームスイッチＳＷＬのゲート電圧ＶｇｓＬを負電圧Ｖｎに維持し始めてもよい。また、相電流の流通方向が負方向の場合には、第２期間Ｐ２の開始タイミングｔ１ではなく、この開始タイミングｔ１よりも後のタイミングであって、かつ、第２期間Ｐ２の終了タイミングｔ２よりも前のタイミングから、上アームスイッチＳＷＨのゲート電圧ＶｇｓＨを負電圧Ｖｎに維持し始めてもよい。
・オフ電圧Ｖｃは、０Ｖに限らず、０Ｖよりも高くてかつ閾値電圧Ｖｔｈ未満の電圧であってもよい。
・同じ相の上アーム駆動回路ＤｒＣＨと下アーム駆動回路ＤｒＣＬとが相互に情報をやり取り可能に構成されていてもよい。この場合、例えば、上アーム制御部４６は、図７のステップＳ１４において、下アーム駆動回路ＤｒＣＬから取得した下アーム駆動信号ＳｇＬに基づいて、切り替えタイミングであるか否かを判定してもよい。また、例えば、下アーム制御部５６は、図８のステップＳ３４において、上アーム駆動回路ＤｒＣＨから取得した上アーム駆動信号ＳｇＨに基づいて、切り替えタイミングであるか否かを判定してもよい。
・上記各実施形態では、上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬそれぞれに対応して上，下アーム駆動回路ＤｒＣＨ，ＤｒＣＬが個別に設けられていたがこれに限らない。上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬに対して共通の駆動回路が設けられていてもよい。
・インバータを構成するスイッチとしては、ＭＯＳＦＥＴに限らない。
・インバータ２０の各アームを構成するスイッチは、１つのスイッチに限らず、複数のスイッチの並列接続体であってもよい。
ＳＷＨ，ＳＷＬ…上，下アームスイッチ、ＤＨ，ＤＬ…上，下アームダイオード、ＤｒＣＨ，ＤｒＣＬ…上，下アーム駆動回路、４６，４７…上，下アーム制御部。

Claims (3)

  1. ボディダイオード（ＤＨ，ＤＬ）を有する上アームスイッチ（ＳＷＨ）及び下アームスイッチ（ＳＷＬ）を駆動するスイッチの駆動回路（ＤｒＣＨ，ＤｒＣＬ）において、
    前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチのそれぞれは、第１端子、第２端子及び制御端子を有し、前記上アームスイッチの前記第２端子は、前記下アームスイッチの前記第１端子に接続され、
    前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチのそれぞれは、前記第２端子に対する前記制御端子の電位差が閾値電圧以上になることにより前記第１端子と前記第２端子との間の電流の流通を許容するオン状態とされ、前記第２端子に対する前記制御端子の電位差が前記閾値電圧未満になることにより前記第１端子から前記第２端子へと向かう方向の電流の流通を阻止するオフ状態とされ、
    前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの接続点には、誘導性負荷（１１）が接続され、
    通電制御されることにより、前記上アームスイッチの前記制御端子の印加電圧を調整する上アーム電圧調整部（４１〜４５，４７，４８）と、
    通電制御されることにより、前記下アームスイッチの前記制御端子の印加電圧を調整する下アーム電圧調整部（５１〜５５，５７、５８）と、
    デッドタイムを挟みつつ前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチを交互にオン状態とするように、前記上アーム電圧調整部及び前記下アーム電圧調整部を通電制御する制御部（４６，５６）と、を備え、
    前記制御部は、
    前記上アーム電圧調整部を通電制御する上アーム駆動部（４６）と、
    前記下アーム電圧調整部を通電制御する下アーム駆動部（５６）と、を有し、
    前記上アーム駆動部は、電流流通方向が前記誘導性負荷から前記接続点へと向かう方向であると判定した場合、前記上アームスイッチがオフ状態に切り替えられた直後の前記デッドタイムのうち該デッドタイムの開始タイミング以降のタイミングから、前記下アームスイッチがオン状態とされる期間の途中までの期間に渡って、前記上アームスイッチの前記第２端子に対する前記制御端子の電位差を、０未満の電圧である負電圧に維持し、その後、次回の前記デッドタイムが終了するまで前記上アームスイッチの前記第２端子に対する前記制御端子の電位差を、０以上であってかつ前記閾値電圧未満の電圧であるオフ電圧に維持するように、前記上アーム電圧調整部を通電制御し、電流流通方向が前記接続点から前記誘導性負荷へと向かう方向であると判定した場合、前記デッドタイムと前記下アームスイッチがオン状態とされる期間とのそれぞれにおいて、前記上アームスイッチの前記第２端子に対する前記制御端子の電位差を前記オフ電圧に維持するように、前記上アーム電圧調整部を通電制御し、
    前記下アーム駆動部は、電流流通方向が前記接続点から前記誘導性負荷へと向かう方向であると判定した場合、前記下アームスイッチがオフ状態に切り替えられた直後の前記デッドタイムのうち該デッドタイムの開始タイミング以降のタイミングから、前記上アームスイッチがオン状態とされる期間の途中までの期間に渡って、前記下アームスイッチの前記第２端子に対する前記制御端子の電位差を前記負電圧に維持し、その後、次回の前記デッドタイムが終了するまで前記下アームスイッチの前記第２端子に対する前記制御端子の電位差を前記オフ電圧に維持するように、前記下アーム電圧調整部を通電制御し、電流流通方向が前記誘導性負荷から前記接続点へと向かう方向であると判定した場合、前記デッドタイムと前記上アームスイッチがオン状態とされる期間とのそれぞれにおいて、前記下アームスイッチの前記第２端子に対する前記制御端子の電位差を前記オフ電圧に維持するように、前記下アーム電圧調整部を通電制御するスイッチの駆動回路。
  2. 前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチのそれぞれは、前記第１端子及び前記第２端子の間を流れる電流と相関を有する微小電流を出力するセンス端子（ＳｔＨ，ＳｔＬ）を有し、
    前記上アーム駆動部は、前記上アームスイッチの前記センス端子から出力される微小電流に基づいて、電流流通方向が、前記誘導性負荷から前記接続点へと向かう方向又は前記接続点から前記誘導性負荷へと向かう方向のいずれであるかを判定し、
    前記下アーム駆動部は、前記下アームスイッチの前記センス端子から出力される微小電流に基づいて、電流流通方向が、前記誘導性負荷から前記接続点へと向かう方向又は前記接続点から前記誘導性負荷へと向かう方向のいずれであるかを判定する請求項１に記載のスイッチの駆動回路。
  3. 前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの接続点と、前記誘導性負荷との間を流れる電流を検出する電流検出部（２３）を備えるシステムに適用されるスイッチの駆動回路において、
    前記上アーム駆動部は、前記電流検出部の検出値に基づいて、電流流通方向が、前記誘導性負荷から前記接続点へと向かう方向又は前記接続点から前記誘導性負荷へと向かう方向のいずれであるかを判定し、
    前記下アーム駆動部は、前記電流検出部の検出値に基づいて、電流流通方向が、前記誘導性負荷から前記接続点へと向かう方向又は前記接続点から前記誘導性負荷へと向かう方向のいずれであるかを判定する請求項１に記載のスイッチの駆動回路。
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