JPH0250518A - 静電誘導形自己消弧素子の駆動回路及び静電誘導形自己消弧素子を有するインバータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自己消弧素子の駆動回路に係り、特に素子に過
大な電流が流れた時に安全に遮断するに好適な駆動方法
に関する。

〔従来の技術〕

電源装置の小形化や低騒音化のニーズにより、高速スイ
ッチング動作が可能な静電誘導形自己消弧素子（ＭＯＳ
−ＦＥＴやＩＧＢＴ等）が用いられ始めている。これら
の素子、例えばＩＧＢＴを例にすると第５図に示すよう
にゲート電圧とコレクタ電圧によって、流れるコレクタ
電流が決定される。

この様な素子をインバータ等の主スィッチに使用して高
速で動作させようとすると、次の様な問題が生じてくる
。

インバータ等の電源装置ではアーム短絡や負荷短絡が生
じると、電源電圧がオン動作中の素子に印加される。そ
の結果、例えば第５図に示すような関係により、過大な
短絡電流が流れる。ＩＧＢＴの場合は、特開昭６１−１
８５０６４号公報に記載のように、コレクタ電流が過大
になりすぎるとゲート電圧による制御が出来ないという
ラッチアップ現象による素子破壊もあるが、むしろ過大
な電流を高速で遮断するために、遮断時の回路インダク
タンスのエネルギによる跳ね上り電圧が大きく、それが
素子の耐圧を越えて破壊する場合が多く見られる。

このため静電誘導形の自己消弧素子ではゲート電圧を制
御する提案がなされている（特開昭６１−１４７７３６
号公報、特開昭６１−１８５０６４号公報、特開昭６２
−２７７０６３号公報、米国特許第４，５８１．５４０
号、米国特許第４，７２１，８６９号）。これらは過大
になった電流を減流して遮断するものであり、通電期間
中に過電流を検出し減流して遮断できる範囲においては
好適な方法である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、高速のスイッチング動作を行うインバー
タ装置等では、これらの素子の通電期間が狭いため、過
電流を検出しても減流中に通電期間が終了し、結局過大
な電流を遮断して素子が破壊するという問題がある。

この問題は、過電流を検出しそれを制御側に転送して通
電期間を広げることで解決できそうにも思われるが、検
出から制御まで遅れ時間があるため、容易に解決できな
い問題である。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもの
で゛、過電流を検出した時は必ず減流してから遮断する
という、過電流保護機能付の駆動回路を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成する本発明静電誘導形自己消弧素子の駆
動回路の特徴とするところは、定電圧電源と、 コレクタ、エミッタ、及びゲートを有する静電誘導形自
己消弧素子と、 入力されたオン・オフ指令信号の大きさに応じて上記定
電圧電源から発生した電圧を上記静電誘導形自己消弧素
子のゲートに印加するゲート電圧入力回路と、 上記静電誘導形自己消弧素子のコレクタ電圧が所定の値
以上のとき、上記ゲート電圧を低下させ、上記ゲート電
圧が所定の値に低下するまで、上記静電誘導形自己消弧
素子がオンし続ける電圧を上記静電誘導形自己消弧素子
のゲートに印加する手段と を具備することにある。

更に、上記目的を達成する本発明静電誘導形自己消弧素
子を有するインバータ装置の特徴とするところは、 第１．第２及び第３の定電圧電源と、 負荷と。

コレクタ、エミッタ、及びゲートを有し、コレクタ・エ
ミッタ電流路が第３の定電圧電源の一方の端子と他方の
端子との間に直列に接続され、該接続点に負荷が接続さ
れる第１及び第２の静電誘導形自己消弧素子と。

入力されたオン・オフ指令信号の大きさに応じて上記第
１の定電圧電源から発生した電圧を上記第１の静電誘導
形自己消弧素子のゲートに印加する第１のゲート電圧入
力回路と、 入力されたオン・オフ指令信号の大きさに応じて上記第
２の定電圧電源から発生した電圧を上記第２の静電誘導
形自己消弧素子のゲートに印加する第２のゲート電圧入
力回路と、 上記第１の静電誘導形自己消弧素子のコレクタ電圧が所
定の値以上のとき、上記第１の静電誘導形自己消弧素子
のゲート電圧を低下させ、上記ゲート電圧が所定の値に
低下するまで、オフ指令信号の大きさに応じて上記第１
の定電圧電源から発生した電圧を上記第１の静電誘導形
自己消弧素子のゲートに印加せずに、上記第１の静電誘
導形自己消弧素子がオンし続ける電圧を上記第１の静電
誘導形自己消弧素子のゲートに印加する手段と上記第２
の静電誘導形自己消弧素子のコレクタ電圧が所定の値以
上のとき、上記第２の静電誘導形自己消弧素子のゲート
電圧を低下させ、上記ゲート電圧が所定の値に低下する
まで、オフ指令信号の大きさに応じて上記第２の定電圧
電源から発生した電圧を上記第２の静電誘導形自己消弧
素子のゲートに印加せずに、上記第２の静電誘導形自己
消弧素子がオンし続ける電圧を上記第２の静電誘導形自
己消弧素子のゲートに印加する手段とを具備することに
ある。

具体的には、制御信号により所定のゲート電圧を供給す
る駆動回路に、前記ゲート電圧を供給中に静電誘導形自
己消弧素子のオン電圧が所定の電圧以上の時、検出信号
を出力する過電流検出回路と、前記ゲート電圧を所定の
時定数をもって低下するゲート電圧調整回路と、前記ゲ
ート電圧の立ち上りにおいては、ターンオンの遅れ期間
にオン電圧が高いことを過電流と見なさない検出遅れ回
路で構成し、さらにこのゲート電圧調整回路が制御信号
に優先して所定の時間動作するためのオン保持回路を設
けた。

〔作用〕

上記構成において、通常の素子のターンオン遅れ動作は
、検出遅れ回路によりマスクされ過電流検出回路は動作
しない、そして負荷等の異常により過電流が流れそれを
検出した時は、ゲート電圧調整回路が動作し、制御側に
過電流信号を出力すると共に、ゲート電圧を所定の時定
数で低下して過電流を減流する。そして制御側からの停
止（オフ指令）信号によりゲート電圧の印加を停止する
が、この場合ゲート電圧を所定の時定数で低下中の所定
の期間は、制御側から停止信号が入ってきてもゲート電
圧の印加は停止せず、過電流を充分に減流してから遮断
するようになっている。

したがって、停止（オフ指令）信号の直前に過電流を検
出した場合でも、過電流を直接遮断することなく、素子
破壊を防止することが出来る。

〔実施例〕

以下図面を参照しながら、本発明を実施例に基づいて詳
細に説明する。

第１図は本発明の一実施例で、静電誘導形自己消弧素子
ＩＧＢＴに適用した例である。ゲート用電源１，２の電
圧は、コンブリメンタルに接続されたＮＰＮトランジス
タ７、ＰＮＰトランジスタ８および抵抗９を介してＩＧ
ＢＴＩＯのゲートに印加され、トランジスタ７．８のベ
ース共通点はＮＰＮ　トランジスタ５のコレクタに接続
されている。そしてトランジスタ５のベースはホトトラ
ンジスタ３のコレクタに接続されており、トランジスタ
３のベースにオン又はオフのオン・オフ指令信号を与え
ることによってＩＧＢＴＩＯのオン。

オフ状態を制御する駆動回路を構成している。

また、ＩＧＢＴＩＯのゲートとコレクタは抵抗１１とダ
イオード１２を介して接続され、抵抗１１とダイオード
１２の接続点はツェナーダイオード１４を介してトラン
ジスタ１５のベースに接続しており、ＩＧＢＴＩＯにゲ
ート電圧印加中のコレクタ電圧のレベルを検出する等測
的な過電流検出回路を構成する。

次に、トランジスタ１５のコレクタは、ホトカプラ１６
、抵抗１７、ダイオード１８を介してトランジスタ７．
８のベースに接続され、抵抗１７とダイオード１８の接
続点にはコンデンサ１９が接続されている。これにより
過電流検知信号を制御側に転送すると共に、ゲート電圧
調整回路を構成している。

そしてトランジスタ１５のエミッタには抵抗２０とコン
デンサ２１が接続され、コンデンサ２１の一方はトラン
ジスタ２３のベースに接続しており、トランジスタ２３
のコレクタをトランジスタ３のコレクタに接続してオン
保持回路を構成している。

次に、この回路の動作を第７図のタイムチャートを交え
ながら説明する。

まず、トランジスタ３が制御側からの信号により時刻ｔ
ｏでオンすると、トランジスタ５はベース電流が止まる
のでオフする。その結果抵抗６を介してトランジスタ７
にベース電流が流れ、ＮＰＮトランジスタ７がオン状態
となり、抵抗９を介してＩＧＢＴＩＯのゲートに電流を
供給する。そしてＩＧＢＴＩＯはゲート−エミッタ間の
容量が所定の値まで充電された後オン状態となる。

なお通常のオン期間にゲート電流の一部を抵抗１１、ダ
イオード１２を介してＩＧＢＴＩＯのコレクタにも流し
ている。これはＩＧＢＴＩＯのコレクタ電流が過電流と
なってコレクタ電圧が高くなった時に、その電流をトラ
ンジスタ１５のベースに流して、トランジスタ１５をオ
ンするためのものである。ターンオン初期においては、
ＩＧＢＴＩＯのターンオン遅れ（ｔｌ）によりコレクタ
電圧が高く、過電流の時と同じ状態が現われるが、コン
デンサ１３により検出遅れを作り、過電流検出回路が動
作しないようにしている。

過電流検知は、この抵抗１１とコンデンサ１３及びツェ
ナーダイオード１４で決まる検査遅れ時間以降もＩＧＢ
ＴＩＯのコレクタ電圧が所定の電圧以上の場合にのみ行
なわれる。それが前述のトランジスタ１５のオン状態（
ｔ３）である。

トランジスタ１５がオン（ｔ３）すると、コンデンサ１
９の充電々荷が抵抗１７．２２およびホトカプラ１６を
介して放電を開始する。そして、トランジスタ７のベー
ス電圧は最終的には抵抗６と抵抗１７および抵抗２２と
の比率で決る値まで低下する。ただし、ツェナーダイオ
ード１４の検出レベル以下には下がらない。

以上の様にしてＩＧＢＴＩＯのゲート電圧をＣＲの時定
数をもたせて下げることにより、過電流を徐々に減流さ
せて制御側からの停止（オフ）指令信号を待つ訳である
が、本実施例の特徴はその停止信号より先、すなわちゲ
ート電圧が低下中に制御側から停止信号（ｔ４）を受け
ても、ゲート電圧が所定の値に低下するまで（ｔ５）は
オン状態を保持する回路を設けていることである。

これを実現しているのが抵抗２２．２４、コンデンサ２
１、トランジスタ２３で構成するオン保持回路である。

過電流検知回路のトランジスタ１５がオン（ｔ３）する
と、最初はコンデンサ２１を介してトランジスタ２３に
ベース電流が流れ、オン保持回路が動作する。そして時
間と共にコンデンサ２１に電荷が充電され、かつコンデ
ンサ１９の放電が進んでトランジスタ１５のコレクタ電
流が小さくなると、トランジスタ２３のベースに電流が
小さくなるとトランジスタ２３のコレクタ電圧が上昇し
てオン保持回路が停止（ｔδ）する。

このようにして過電流検知回路が動作した当初の所定の
時間のみトランジスタ２３にベース電流を流してオンす
ることにより、たとえこの期間に制御側からオフ信号が
きてトランジスタ３がオフ（ｔ　ａ）　したとしても、
ＩＧＢＴＩＯのゲート電圧が所定の値に下がるまではオ
ン状態が保持される。

以上のように本発明では、過電流を検知後は制御信号よ
りゲート電圧を所定の値まで低下させることを優先させ
ているので、過大となった電流は常にゆっくりと小さく
してから遮断できる。このため過電流遮断のようなオフ
時跳ね上り電圧の発生を防止でき、素子破壊を防止でき
るものである。

第２図は本発明の第２の実施例を示す回路図である。第
１図と同一機能のものには同一符号を記しである。第１
図とはＩＧＢＴＩＯのコレクタに接続する過電流の、検
出方法が異なる。第１図の実施例では、過電流と判定す
るレベルより、絞り込むゲート電圧の値を小さくできな
かった。この実施例では検出回路とゲート電圧の絞り込
み回路が別々になっているので、検出レベルと絞り込み
の最終のゲート電圧を個別に選定することが出来る特徴
がある。

第３図は本発明の第３の実施例を示す回路図である。第
２図とはトランジスタ２７のコレクタとＩＧＢＴＩＯの
ゲート間にダイオード２９およびゲートとゲート電源の
正極間にダイオード３０が挿入されていることである。

前者はオフ時の逆バイアス期間に抵抗９を介さないで逆
バイアスができ、安定した逆バイアスが得られる２ので
逆バイアス電圧を下げることを可能にする特徴がある。

その結果、駆動回路の低損失化が計られる。

後者は、オン期間のゲート電圧の最大値をゲート電源電
圧にクランプするものである０本発明者の実験によれば
、ＩＧＢＴＩＯがオン状態にあって、インバータのアー
ム短絡や負荷短絡時のように過電流が流れる状態におい
ては、コレクタ電流の過大な増大と共にコレクタ電圧も
上昇する。コレクタ電圧が上昇するとコレクタとゲート
間の容量を介して、ゲート電圧がゲート電源用電圧以上
に主電源側から充電される。このためコレクタ電流が再
び増大するという問題があり、これを防止したものであ
る。

第４図は本発明の第４の実施例を示す回路図である。第
３図とは過電流検知信号を、制御側へ転送するためのホ
トカプラ１６の位置が異なる。このようにすると、ゲー
ト電圧が印加されかつコレクタ電圧が低くなっている期
間、すなわち通電幅を制御側で把握することが出来るの
で、制御性能を向上することが出来る。

本発明の第１〜第４の実施例の過電流保護回路において
、過電流検知用のダイオード１２はＩＧＢＴｌｏのコレ
クタに接続されている。高圧部分がゲート回路に近づく
ことは、ノイズの関係で不利である。

第６図は、ＩＧＢＴの断面を模式的に示した図である。

ＩＧＢＴの中はセルと称している小容量のＩＧＢＴが多
数電極で並列接続されている。図示したように１セルの
カソード電極を分離して、ＩＧＢＴの内部に過電流検知
用のダイオード１２を設けたものである。

このようにＩＧＢＴ自身に過電流検知用の端子を設ける
ことによって、ゲート回路に近づく高圧部分が減るので
、ゲート回路のノイズに対する信頼性を向上することが
出来る。

第８図に３相電圧形インバータ装置の回路図を示す、３
相インバータは、直列接続された２個のＩＧＢＴスイッ
チ（Ｓ１＋Ｓ４．Ｓ２＋Ｓ５゜Ｓ３＋Ｓ８）及びダイオ
ードＤｚ＊　Ｄｉ　Ｄａ、Ｄ４１Ｄｓ＊　Ｄａで構成さ
れる１アームが、３組直流電源１に並列接続され、各ア
ームのスイッチ接続点に負荷である誘導電導機ＩＭを接
続する構成となっているａ　ＩＧＢＴＳｔ＊　Ｓｔ、Ｓ
ｌｌ、Ｓ４．Ｓ５．Ｓ８は、本発明の第１〜第４の実施
例で示した過電流保護回路を夫々有するものであるが、
第８図には、その保護回路は省略しである。

〔発明の効果〕

以上のように本発明では、過電流を検知後は制御側の停
止信号よりもゲート電圧を所定の値に下げることを優先
するので、過電流は常に減流して遮断され、素子破壊を
防止することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す回路図、第２図、
第３図、第４図は本発明の第２．第３゜第４の実施例を
示す回路図、第５図はＩＧＢＴの特性図、第６図は本発
明の第１から第４の実施例におけるＩＧＢＴの断面図、
第７図は第１＠の動作を示すタイムチャート、第８図は
、本発明の実施例となるインバータ装置の一構成例を示
す図である。 １．２・・・直流電源、３，５，７，８，１５，２３゜
２７・・トランジスタ、４，６，９，１１，１７゜２０
．２２．２４，２５，２６．２８・・・抵抗、１０・・
・ＩＧＢＴ、１２，１８，２９，３０・・・ダイオード
、１３，１９．２１・・・コンデンサ、１４・・・ツェ
ナーダイオード、１６・・・ホトカプラ。 ｔｏｔ ｔｚ　ｔ３ｉ、ｔｐ　ｔｓ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、定電圧電源と、 コレクタ、エミッタ、及びゲートを有する静電誘導形自
   己消弧素子と、 入力されたオン・オフ指令信号の大きさに応じて上記定
   電圧電源から発生した電圧を上記静電誘導形自己消弧素
   子のゲートに印加するゲート電圧入力回路と、 上記静電誘導形自己消弧素子のコレクタ電圧が所定の値
   以上のとき、上記ゲート電圧を低下させ、上記ゲート電
   圧が所定の値に低下するまで、上記静電誘導形自己消弧
   素子がオンし続ける電圧を上記静電誘導形自己消弧素子
   のゲートに印加する手段と を具備すること静電誘導形自己消弧素子の駆動回路。 ２、定電圧電源と、 コレクタ、エミッタ、及びゲートを有する静電誘導形自
   己消弧素子と、 入力されたオン・オフ指令信号の大きさに応じて上記定
   電圧電源から発生した電圧を上記静電誘導形自己消弧素
   子のゲートに印加するゲート電圧入力回路と、 上記静電誘導形自己消弧素子のコレクタ電圧が所定の値
   以上のとき、上記ゲート電圧を低下させ、上記ゲート電
   圧が所定の値に低下するまで、オフ指令信号の大きさに
   応じて上記定電圧電源から発生した電圧を上記静電誘導
   形自己消弧素子のゲートに印加せずに、上記静電誘導形
   自己消弧素子がオンし続ける電圧を上記静電誘導形自己
   消弧素子のゲートに印加する手段とを具備すること静電
   誘導形自己消弧素子の駆動回路。 ３、定電圧電源と、 コレクタ、エミッタ、及びゲートを有する静電誘導形自
   己消弧素子と、 入力されたオン・オフ指令信号の大きさに応じて上記定
   電圧電源から発生した電圧を上記静電誘導形自己消弧素
   子のゲートに印加するゲート電圧入力回路と、 上記静電誘導形自己消弧素子のコレクタ電圧が所定の値
   以上のとき、上記ゲート電圧を低下させ、上記ゲート電
   圧が所定の値に低下するまで、上記静電誘導形自己消弧
   素子のオン状態を保持させる回路と を具備すること静電誘導形自己消弧素子の駆動回路。 ４、オンオフ指令信号に応じて静電誘導形自己消弧素子
   のゲートにゲート電圧を供給するものにおいて、前記自
   己消弧素子のコレクタ電圧が所定値以上の時、ゲート電
   圧を低下する手段を備え、ゲート電圧が所定の値に低下
   するまではオンオフ指令信号によつてオフできないよう
   にしたことを特徴とする静電誘導形自己消弧素子の駆動
   回路。 ５、上記ゲート電圧を供給する駆動スイッチを、オンオ
   フ指令信号と過電流検出による信号の両者で駆動するよ
   うにしたことを特徴とする請求項１から請求項４の何れ
   かに記載された静電誘導形自己消弧素子の駆動回路。 ６、ゲート電圧が前記自己消弧素子のコレクタ側から所
   定のゲート電圧以上に充電されないようにしたことを特
   徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載された静
   電誘導形自己消弧素子の駆動回路。 ７、ゲート電圧をゲート回路の電源にダイオードを用い
   てクランプしたことを特徴とする請求項１から請求項４
   の何れかに記載された静電誘導形自己消弧素子の駆動回
   路。 ８、自己消弧素子の中の１部のエミッタを分割して、コ
   レクタ電圧検出用としたことを特徴とする、コレクタ電
   圧検出端子付静電誘導形自己消弧素子。 ９、ゲート電圧が所定の値に低下するまでオン信号の幅
   を広げたことを特徴とする請求項１から請求項４の何れ
   かに記載された静電誘導形自己消弧素子の駆動回路。 １０、ゲート用電源と自己消弧素子のゲート端子間に、
   ゲート端子電圧がゲート用電源電圧より大きくなつたと
   きバイパスする手段を設けたことを特徴とする静電誘導
   形自己消弧素子の駆動回路。 １１、前記自己消弧素子のゲート端子とコレクタ端子と
   の間に抵抗とダイオードを直列接続し、その接続点の電
   位を比較信号に利用することを特徴とした請求項１から
   請求項４の何れかに記載された静電誘導形自己消弧素子
   の駆動回路。 １２、前記自己消弧素子のゲート端子に供給するゲート
   電圧発生回路とは別に比較信号発生回路有し、比較信号
   と前記自己消弧素子のコレクタ端子との間に抵抗とダイ
   オードを直列接続し、その接続点の電位を比較信号に利
   用したことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか
   に記載された静電誘導形自己消弧素子の駆動回路。 １３、前記比較信号発生回路と前記自己消弧素子のゲー
   ト端子がダイオードを介して接続されていることを特徴
   とする請求項１２に記載の静電誘導形自己消弧素子の駆
   動回路。 １４、第１、第２及び第３の定電圧電源と、負荷と、 コレクタ、エミッタ、及びゲートを有し、コレクタ・エ
   ミッタ電流路が第３の定電圧電源の一方の端子と他方の
   端子との間に直列に接続され、該接続点に負荷が接続さ
   れる第１及び第２の静電誘導形自己消弧素子と、 入力されたオン・オフ指令信号の大きさに応じて上記第
   １の定電圧電源から発生した電圧を上記第１の静電誘導
   形自己消弧素子のゲートに印加する第１のゲート電圧入
   力回路と、 入力されたオン・オフ指令信号の大きさに応じて上記第
   ２の定電圧電源から発生した電圧を上記第２の静電誘導
   形自己消弧素子のゲートに印加する第２のゲート電圧入
   力回路と、 上記第１の静電誘導形自己消弧素子のコレクタ電圧が所
   定の値以上のとき、上記第１の静電誘導形自己消弧素子
   のゲート電圧を低下させ、上記ゲート電圧が所定の値に
   低下するまで、オフ指令信号の大きさに応じて上記第１
   の定電圧電源から発生した電圧を上記第１の静電誘導形
   自己消弧素子のゲートに印加せずに、上記第１の静電誘
   導形自己消弧素子のゲートに印加する手段と 上記第２の静電誘導形自己消弧素子のコレクタ電圧が所
   定の値以上のとき、上記第２の静電誘導形自己消弧素子
   のゲート電圧を低下させ、上記ゲート電圧が所定の値に
   低下するまで、オフ指令信号の大きさに応じて上記第２
   の定電圧電源から発生した電圧を上記第２の静電誘導形
   自己消弧素子のゲートに印加せずに、上記第２の静電誘
   導形自己消弧素子がオンし続ける電圧を上記第２の静電
   誘導形自己消弧素子のゲートに印加する手段と を具備する静電誘導形自己消弧素子を有するインバータ
   装置。