JP6849148B2 - 半導体駆動装置および電力変換装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体駆動装置の基本構成を示すブロック図である。実施の形態1に係る半導体駆動装置1は、直流電源の正極端子TPと負極端子TNとの間に直列に接続された一対の半導体スイッチング素子(以下、スイッチング素子と略記する。)M1,M2をパルス幅変調によりそれぞれ駆動する。本例において、スイッチング素子M1,M2はそれぞれパワーMOSFETである。スイッチング素子M1,M2の各々には寄生ダイオードが設けられる。半導体駆動装置1は、スイッチング素子M1のドレイン端子DrainHとソース端子SourceHとの間の電圧およびスイッチング素子M2のドレイン端子DrainLとソース端子SourceLとの間の電圧に基づいて、アーム短絡を検出する機能を備える。アーム短絡は、スイッチング素子M1およびM2が同時にオンすることによって正極端子TPと負極端子TNとの間で生じる短絡である。
本発明の実施の形態2について、実施の形態1と異なる点を説明する。図8は、実施の形態2に係る半導体駆動装置1の状態信号生成部21H、ゲート駆動部22H、オンオフ判定部23Hおよび異常検出部24Hの具体的な構成例を示す概略的な回路図である。図8のゲート駆動部22H、オンオフ判定部23Hおよび異常検出部24Hは、図2のゲート駆動部22H、オンオフ判定部23H、および異常検出部24Hと同じ構成を有する。
本発明の実施の形態3について、実施の形態1と異なる点を説明する。図12は、実施の形態3に係る半導体駆動装置1の基本構成を示すブロック図である。図12の例では、スイッチング素子M1,M2に加えて、スイッチング素子M1s,M2sが設けられる。本例において、スイッチング素子M1s,M2sは、それぞれMOSFETである。スイッチング素子M1sは、スイッチング素子M1とドレイン端子およびゲート端子を共有し、スイッチング素子M2sは、スイッチング素子M2とドレイン端子およびゲート端子を供給する。本例では、スイッチング素子M1s,M2sによってスイッチング素子M1、M2の異常として過電流が検出される。
本発明の実施の形態4について、実施の形態1と異なる点を説明する。図14は、実施の形態4に係る半導体駆動装置1の基本構成を示すブロック図である。図14の例では、スイッチング素子M1、M2の寄生インダクタンスに基づいてスイッチング素子M1,M2の異常として過電流が検出される。図14においては、スイッチング素子M1の寄生インダクタンスを有するインダクタL1およびスイッチング素子M2の寄生インダクタンスを有するインダクタL2が模式的に示される。
本発明の実施の形態5に係る電力変換装置について説明する。図16は、実施の形態5に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図16の電力変換装置100は、インバータ装置73および上記実施の形態1〜4のいずれかに係る半導体駆動装置1を備える。インバータ装置73は、電力変換部の例であり、スイッチング素子M3〜M8および出力コンデンサ82を有する。インバータ装置73は、いわゆる3相インバータである。インバータ装置73は、電力変換部の例であり、直流電源70の直流電力を3相交流電力に変換し、変換された交流電力を交流負荷であるモータ74に供給する。本例において、スイッチング素子M3〜M8は、パワーMOSFET である。半導体駆動装置1は、スイッチング素子M3〜M8を駆動する。
本発明の実施の形態6に係る電力変換装置について説明する。図17は、実施の形態6に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図17の電力変換装置150は、昇圧コンバータ71および上記実施の形態1〜4のいずれかに係る半導体駆動装置1を備える。昇圧コンバータ71は、電圧変換部の例であり、スイッチング素子M11,M12、入力コンデンサ80、出力コンデンサ82および昇圧リアクトル81を備える。本例において、スイッチング素子M11,M12は、パワーMOSFET である。
本発明の実施の形態7に係る電力変換装置について説明する。図20は、実施の形態7に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図20の電力変換装置200は、昇圧型インバータシステムであり、図16のインバータ装置73および図17の昇圧コンバータ71を備える。直流電源70の直流電圧が昇圧コンバータ71により昇圧され、昇圧された直流電圧がインバータ装置73により交流に変換され、変換された交流電力がモータ74に供給されることによってモータ74が駆動される。本実施の形態に係る電力変換装置200は、例えば電動自動車に適用される。
上記実施の形態では、半導体スイッチング素子としてMOSFETが用いられるが、半導体スイッチング素子はこれに限定されない。例えば、MOSFETに代えて、IGBサイリスタまたはGTO(Gate Turn-off thyristor)が半導体スイッチング素子として用いられてもよい。
10 制御部
11 オン指令生成部
12H、12L デッドタイム生成部
20H、20L 絶縁通信部
21H、21L 状態信号生成部
22H、22L ゲート駆動部
23H、23L オンオフ判定部
24H、24L 異常検出部
M1〜M8 スイッチング素子
CLK1 パルス信号発生源
MM1 信号幅伸長回路
FF1 信号保持回路
LP1〜LP4 ローパスフィルタ
CN1,CN2 カウンタ回路
Claims (16)
- 直列に接続された複数の半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動するための複数のオンオフ指令信号を生成する制御部と、
前記複数の半導体スイッチング素子のうち一の半導体スイッチング素子のオンオフ状態を検出するとともに検出されたオンオフ状態を表すオンオフ判定信号を出力するオンオフ判定部と、
前記一の半導体スイッチング素子の異常の有無を検出するとともに検出された異常の有無を表す異常検出信号を出力する異常検出部と、
前記オンオフ判定部から出力された前記オンオフ判定信号および前記異常検出部から出力された前記異常検出信号に基づいて状態信号を出力する状態信号生成部と、
前記制御部と前記一のスイッチング素子との間の絶縁を確保しつつ前記制御部により生成された前記一の半導体スイッチング素子を駆動するための一のオンオフ指令信号を伝送するとともに前記状態信号生成部と前記制御部との間の絶縁を確保しつつ前記状態信号生成部から出力される状態信号を伝送する絶縁通信部と、を備え、
前記制御部は、前記絶縁通信部により伝送される状態信号に基づいて、前記複数の半導体スイッチング素子のうち他の半導体スイッチング素子を駆動するための他のオンオフ指令信号を生成する、半導体駆動装置。 - 前記制御部は、前記状態信号に基づいて、前記一の半導体スイッチング素子がオンしている場合に前記他の半導体スイッチング素子がオンしないように前記他のオンオフ指令信号を生成する、請求項1に記載の半導体駆動装置。
- 前記異常検出部から前記一の半導体スイッチング素子に異常がないことを表す異常検出信号が出力されている期間には、前記状態信号は、前記一の半導体スイッチング素子のオンオフ状態を表し、前記異常検出部から前記一の半導体スイッチング素子に異常があることを表す異常検出信号が出力されている期間には、前記状態信号は、前記一の半導体スイッチング素子に異常があることを表す、請求項1または2に記載の半導体駆動装置。
- 前記状態信号は、前記一の半導体スイッチング素子のオンオフを信号レベルで表し、前記一の半導体スイッチング素子に異常があることを連続パルスで表す、請求項3に記載の半導体駆動装置。
- 前記制御部は、パルス幅変調によって前記複数のオンオフ指令信号を生成し、
前記状態信号の前記連続パルスの周期は、前記パルス幅変調のキャリア周期よりも短い、請求項4に記載の半導体駆動装置。 - 前記制御部は、予め定められた周期毎に前記状態信号のパルス数をカウントし、カウントされたパルス数がしきい値に達した場合、前記複数の半導体スイッチング素子がオフされるように前記複数のオンオフ指令信号を生成する、請求項4または5に記載の半導体駆動装置。
- 前記異常検出部は、前記一の半導体スイッチング素子の異常が検出された場合、異常を表す異常検出信号を時間軸方向に伸長して出力する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体駆動装置。
- 前記オンオフ判定部は、複数のオンオフ判定部のうちの一のオンオフ判定部であり、
前記異常検出部は、複数の異常検出部のうちの一の異常検出部であり、
前記状態信号生成部は、複数の状態信号生成部のうちの一の状態信号生成部であり、
前記絶縁通信部は、複数の絶縁通信部のうちの一の絶縁通信部であり、
前記複数のオンオフ判定部のうちの他のオンオフ判定部は、前記他の半導体スイッチング素子のオンオフ状態を検出するとともに検出されたオンオフ状態を表すオンオフ判定信号を出力し、
前記複数の異常検出部のうちの他の異常検出部は、前記他の半導体スイッチング素子の異常の有無を検出するとともに検出された異常の有無を表す異常検出信号を出力し、
前記複数の状態信号生成部のうちの他の状態信号生成部は、前記他のオンオフ判定部から出力された前記オンオフ判定信号および前記他の異常検出部から出力された前記異常検出信号に基づいて状態信号を出力し、
前記複数の絶縁通信部のうちの他の絶縁通信部は、前記制御部および前記他のスイッチング素子の間の絶縁を確保しつつ前記制御部により生成された前記他のオンオフ指令信号を伝送するとともに前記他の状態信号生成部および前記制御部の間の絶縁を確保しつつ前記他の状態信号生成部から出力される状態信号を伝送し、
前記制御部は、前記他の絶縁通信部により伝送される状態信号に基づいて、前記一のオンオフ指令信号を生成する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体駆動装置。 - 前記制御部により生成された前記他のオンオフ指令信号および前記他の異常検出部から出力された前記異常検出信号に基づいて前記他の半導体スイッチング素子を駆動する駆動部をさらに備え、
前記制御部は、前記一および他の状態信号生成部から出力される状態信号に基づいて、前記他の半導体スイッチング素子がオンしている状態で前記一の半導体スイッチング素子がオンした場合に前記他の半導体スイッチング素子をオフさせるための前記他のオンオフ指令信号を生成し、
前記駆動部は、前記他の異常検出部から前記他の半導体スイッチング素子に異常があることを表す異常検出信号が出力された場合に、前記他の半導体スイッチング素子を第1の速度でオフさせ、前記他の半導体スイッチング素子をオフさせるための前記他のオンオフ指令信号に基づいて、前記第1の速度よりも高い第2の速度で前記他の半導体スイッチング素子をオフさせ、
前記他のオンオフ判定部は、前記他の半導体スイッチング素子がオフされてから第1の時間が経過した後に前記他の半導体スイッチング素子がオフされたことを表すオンオフ判定信号を出力し、前記他の半導体スイッチング素子がオンされてから前記第1の時間よりも長い第2の時間が経過した後に前記他の半導体スイッチング素子がオンされたことを表すオンオフ判定信号を出力する、請求項8に記載の半導体駆動装置。 - 前記制御部は、パルス幅変調に基づいて前記オンオフ指令信号を生成し、
前記状態信号の前記連続パルスに含まれる各パルスの時間幅は、前記パルス幅変調のキャリア周期よりも長い、請求項4に記載の半導体駆動装置。 - 前記制御部は、前記キャリア周期よりも長い時定数を有するローパスフィルタを通過した前記状態信号に基づいて前記異常の有無を判定する、請求項10に記載の半導体駆動装置。
- 前記状態信号生成部は、前記異常検出部から前記一の半導体スイッチング素子に異常がないことを表す異常検出信号が出力されている期間には、前記オンオフ判定信号を前記状態信号として出力し、前記異常検出部から前記一の半導体スイッチング素子に異常があることを表す異常検出信号が出力されている期間には、前記絶縁通信部により伝送された前記一のオンオフ指令信号の反転信号を前記状態信号として出力する、請求項1または2に記載の半導体駆動装置。
- 前記制御部は、指令信号に基づいて前記複数のオンオフ指令信号を生成し、
前記制御部は、前記状態信号および前記指令信号の差異に基づいて、前記異常の有無を判定する、請求項12に記載の半導体駆動装置。 - 複数の半導体スイッチング素子を含み、直流と交流との間で電力変換を行う電力変換部と、
前記複数の半導体スイッチング素子を駆動する請求項1〜13のいずれか1項に記載の半導体駆動装置とを備える、電力変換装置。 - 複数の半導体スイッチング素子を含み、直流電圧の昇圧および降圧の少なくとも一方を行う電圧変換部と、
前記複数の半導体スイッチング素子を駆動する請求項1〜13のいずれか1項に記載の半導体駆動装置とを備える、電力変換装置。 - 複数の第1の半導体スイッチング素子を有し、直流電圧の昇圧および降圧の少なくとも一方を行う電圧変換部と、
複数の第2の半導体スイッチング素子を有し、前記電圧変換部により出力される電力を交流電力に変換する電力変換部と、
前記複数の第1および第2の半導体スイッチング素子を駆動する請求項1〜13のいずれか1項に記載の半導体駆動装置とを備える、電力変換装置。
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