JPH08298786A - Igbt用ゲート駆動装置 - Google Patents

Igbt用ゲート駆動装置

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JPH08298786A
JPH08298786A JP7124409A JP12440995A JPH08298786A JP H08298786 A JPH08298786 A JP H08298786A JP 7124409 A JP7124409 A JP 7124409A JP 12440995 A JP12440995 A JP 12440995A JP H08298786 A JPH08298786 A JP H08298786A
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igbt
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Hiroyuki Ozawa
寛之 小澤
Satoru Horie
堀江  哲
Takeshi Ando
安藤  武
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 IGBTのオン・オフ状態を常時監視してア
ーム短絡を防止すると共に、重故障を未然に防ぐに好適
なIGBT用ゲート駆動装置を提供することにある。 【構成】 電力変換回路の主回路のスイッチング素子と
して同一アームに直列接続されるIGBT58、59を
オン・オフ制御するゲート駆動装置において、ゲートパ
ルスを発生するパルス発生手段53と、IGBTを駆動
すると共にIGBTのオン・オフを示すフィードバック
信号を発するゲート駆動手段51、52を有し、同一ア
ームの一方のIGBTのゲートパルス64、65とフィ
ードバック信号61、62が共にオフであるとき、同一
アームの他のIGBTのゲートパルスのブロックを解除
すること、また、同一アームの一方のIGBTのゲート
パルスとフィードバック信号が共にまたはいずれか一方
がオンであるとき、同一アームの他のIGBTのゲート
パルスをブロックすることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、絶縁ゲート・バイポー
ラ・トランジスタ(IGBT)のゲート駆動装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、大容量の電力変換装置の半導体ス
イッチング素子は、電流駆動型の素子であるGTO(ゲ
ート・ターンオフ・サイリスタ)が主流であったが、近
年、電圧駆動型の素子であるIGBTの大容量化が進
み、その適用範囲が拡大されつつある。電力駆動型のス
イッチング素子のゲート電流は、ターンオン、ターンオ
フ時に流れるのみであり、その駆動制御は小電力で簡単
にできるため、電力容量が小さな回路ですみ、装置が小
形になるという特徴がある。このため、近年の小形・軽
量化のニーズにマッチし、よく用いられるようになって
きている。ところで、電力変換装置の半導体スイッチン
グ素子の故障の検知法としては、特開昭61−2931
79号公報に「GTOサイリスタインバータの保護装
置」としてあるように、GTOのA−K間電圧によっ
て、素子のオン・オフを判別し、素子の事故時には、電
力変換装置の同一のアームに直列に接続されている他の
GTOのゲートを点弧しないようにブロックすることに
よって、アーム短絡事故を防止する技術が報告されてい
る。一方、IGBTの故障の検知法としては、特開平4
−248373号公報に「電圧型インバータ装置」とし
てあるように、IGBTの故障には、ゲート−エミッタ
間が短絡され、そのため、ゲート駆動装置の出力が過負
荷になり、IGBTのゲート抵抗の電圧降下が増加す
る。この電圧降下の増加を検出してIGBTの故障を検
知し、ゲート駆動装置の出力を遮断する技術が報告され
ている。しかし、この公報の「電圧型インバータ装置」
には、GTOのゲート駆動装置のようなアーム短絡事故
を防止する機能までは備えていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、IGB
Tのゲート駆動回路は、事故時にゲート駆動装置の出力
を遮断することが可能であっても、GTOのゲート駆動
装置のように同一アームの他の素子のゲートをブロック
し、アーム短絡を防止する機能までは備えていない。ま
た、上記のIGBTのゲート駆動回路は、IGBTが故
障し、ゲート抵抗にゲート−エミッタ間の短絡電流が流
れて事故を検出するものであり、平常時のIGBTがオ
ンまたはオフであることを検出することが不可能であ
る。そのため、従来のIGBTのゲート駆動回路では、
アーム短絡を防止すること、IGBTの事故の兆候を検
知して重故障を未然に防ぐことが不可能であった。
【0004】本発明の目的は、IGBTのオン・オフ状
態を常時監視してアーム短絡を防止すると共に、重故障
を未然に防ぐに好適なIGBT用ゲート駆動装置を提供
することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的は、電力変換回
路の主回路のスイッチング素子として同一アームに直列
接続されるIGBTをオン・オフ制御するゲート駆動装
置において、ゲートパルスを発生するパルス発生手段
と、IGBTを駆動すると共にIGBTのオン・オフを
示すフィードバック信号を発するゲート駆動手段を有
し、同一アームの一方のIGBTのゲートパルスとフィ
ードバック信号が共にオフであるとき、同一アームの他
のIGBTのゲートパルスのブロックを解除すること、
また、同一アームの一方のIGBTのゲートパルスとフ
ィードバック信号が共にまたはいずれか一方がオンであ
るとき、同一アームの他のIGBTのゲートパルスをブ
ロックすることによって、達成される。
【0006】
【作用】本発明は、IGBTがオンまたはオフであるこ
とを常時監視し、同一アームの一方のIGBTがオンし
ているとき、同一アームの他のIGBTにはオンのゲー
ト電圧が与えられないようにブロックすることによっ
て、アーム短絡を防止することが可能になる。また、ゲ
ートパルス発生回路からのゲートパルスとIGBTのオ
ン・オフの検出結果とを常時監視しているので、これは
IGBTの事故の兆候を検知していることになり、重故
障を未然に防ぐことができる。
【0007】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図1は、本発明の一実施例を示すIGBT用ゲート
駆動装置である。図1において、電力変換回路の主回路
の素子として、上アームIGBT58と下アームIGB
T59が直列に接続され、両アームの両端は電源に接続
され、上アームIGBT58と下アームIGBT59の
接続点に負荷が接続される。IGBT58とIGBT5
9のゲートとエミッタ間には、それぞれ上アームゲート
駆動回路51、下アームゲート駆動回路52が接続され
る。一方、ゲートパルス発生回路53は、ゲートパルス
を発する機能を有し、ゲートパルスをブロックするAN
Dゲート54、55を介して上アームゲート駆動回路5
1、下アームゲート駆動回路52に接続される。また、
ゲートパルス発生回路53と上アームゲート駆動回路5
1、下アームゲート駆動回路52はそれぞれ極性を反転
して入力するANDゲート56、57に接続され、AN
Dゲート56、57はそれぞれANDゲート55、54
に接続される。
【0008】本実施例の動作を説明する。上アームIG
BT58と下アームIGBT59の正常動作時には、ゲ
ートパルス発生回路53からゲートパルス信号64とし
てオンパルス”H”、ゲートパルス信号65としてオフ
パルス”L”が発せられると、ANDゲート54の入力
端にはオンパルス”H”とANDゲート57から出力さ
れるパルス”H”が印加され、ANDゲート54による
ブロックを解除し、ゲート駆動回路入力60を”H”と
して上アームゲート駆動回路51が作動し、上アームI
GBT58のゲートに正電位の電圧が印加され、上アー
ムIGBT58をターンオンする。負荷には上アームI
GBT58を通して電源から電力が供給される。上アー
ムゲート駆動回路51は、上アームIGBT58のゲー
ト電圧を検出し、ゲート駆動回路出力(フィードバック
信号)61を”H”としてANDゲート56に出力す
る。ANDゲート56には、ゲートパルス信号64とし
てのオンパルス”H”とゲート駆動回路出力61の”
H”がそれぞれ極性を反転して印加され、パルス”L”
をANDゲート55の一方の入力端に印加し、他方の入
力端にゲートパルス信号65のとしてオフパルス”L”
が印加され、ANDゲート55から下アームゲート駆動
回路52にゲート駆動回路入力63”L”が出力され、
下アームIGBT59のゲートに負電位の電圧が印加さ
れ、下アームIGBT59をターンオフする。続いて、
ゲートパルス発生回路53からゲートパルス信号64と
してオフパルス”L”、ゲートパルス信号65としてオ
ンパルス”H”が発せられると、ANDゲート55の入
力端にはオンパルス”H”とANDゲート56から出力
されるパルス”H”が印加され、ANDゲート55によ
るブロックを解除し、ゲート駆動回路入力63を”H”
として下アームゲート駆動回路52が作動し、下アーム
IGBT59のゲートに正電位の電圧が印加され、下ア
ームIGBT59をターンオンする。負荷には下アーム
IGBT59を通して電源から電力が供給される。下ア
ームゲート駆動回路52は、下アームIGBT59のゲ
ート電圧を検出し、ゲート駆動回路出力(フィードバッ
ク信号)62を”H”としてANDゲート57に出力す
る。ANDゲート57には、ゲートパルス信号65とし
てのオンパルス”H”とゲート駆動回路出力62の”
H”がそれぞれ極性を反転して印加され、パルス”L”
をANDゲート54の一方の入力端に印加し、他方の入
力端にゲートパルス信号64のとしてオフパルス”L”
が印加され、ANDゲート54から上アームゲート駆動
回路51にゲート駆動回路入力60”L”が出力され、
上アームIGBT58のゲートに負電位の電圧が印加さ
れ、上アームIGBT58をターンオフする。
【0009】いま、上アームIGBT58がターンオ
ン、下アームIGBT59がターンオフの状態に維持さ
れいる正常動作時において、下アームIGBT59に短
絡故障が発生すると、下アームゲート駆動回路52は、
下アームIGBT59のゲート電圧を検出し、ゲート駆
動回路出力(フィードバック信号)62を”H”として
ANDゲート57に出力する。ANDゲート57は、ゲ
ートパルス信号65としてのオフパルス”L”とゲート
駆動回路出力62の”H”がそれぞれ極性を反転して印
加され、パルス”L”をANDゲート54の一方の入力
端に印加し、ゲートパルス信号64のオンパルス”H”
をブロックする。このため、ANDゲート54から上ア
ームゲート駆動回路51にゲート駆動回路入力60の”
L”が出力され、上アームIGBT58のゲートに負電
位の電圧が印加され、上アームIGBT58をターンオ
フする。これによりアーム短絡が防止される。上アーム
IGBT58がターンオフ、下アームIGBT59がタ
ーンオンの状態に維持されいる正常動作時において、上
アームIGBT58に短絡故障が発生しても同様に動作
し、アーム短絡が防止される。このように、本実施例で
は、ゲートパルス発生回路53からのゲートパルス信号
64(65)がオフであることと、IGBT58(5
9)の状態を監視しているゲート駆動回路51(52)
からのフィードバック信号61(62)がオフである2
つの条件を満足したときに、対となるIGBTのゲート
電圧のインターロックが解除され、一方、ゲートパルス
発生回路53からのゲートパルス信号64(65)がオ
フであるにも拘らず、IGBT58(59)の状態を監
視しているゲート駆動回路51(52)からのフィード
バック信号61(62)がオンであるとき、対となるI
GBTのゲート電圧をブロックする構成とすることによ
り、IGBT58、59間のインターロックの機能を備
えることになり、アーム短絡を防止することができる。
【0010】図2に、本実施例のゲート駆動回路の詳細
例1を示す。ここで、上アームゲート駆動回路51と下
アームゲート駆動回路52は構成が同一であるので、上
アームゲート駆動回路51をゲート駆動回路として説明
する。図2において、1はIGBT58のオン電圧を供
給する正電源、2はオフ時の逆バイアス電圧を供給する
負電源、11はゲートパルス64(60)を入力するフ
ォトカプトラランジスタ、12は次段トランジスタ、1
3、14は最終段トランジスタ、15はコンパレータ、
16はフィードバック信号61を出力するフォトカプラ
トランジスタ、21、22、24、25コレクタ抵抗、
23はエミッタ抵抗、25ゲート抵抗、26、27は分
圧抵抗である。
【0011】IGBTをオンする時は、ゲートパルス6
4(60)を入力する。フォトカプラトランジスタ11
がオンし、次段のトランジスタ12がオフし、最終段の
トランジスタ13、14のベース電圧が正電位となるた
め、npnトランジスタ13がオンし、主回路のIGB
T58にはコレクタ抵抗24、npnトランジスタ1
3、ゲート抵抗26を通してゲート電流が流れ、IGB
T58のゲート電圧は正電位となり、IGBT58はオ
ンする。一方、IGBTをオフする時は、ゲートパルス
64(60)をオフする。フォトカプラトランジスタ1
1がオフし、次段のトランジスタ12がオンし、最終段
のトランジスタ13、14のベース電圧が負電位となる
ため、pnpトランジスタ14がオンし、主回路のIG
BT58からゲート抵抗26、pnpトランジスタ1
4、コレクタ抵抗25を通してゲート電流が引き抜か
れ、IGBT58はオフする。IGBTのゲート−エミ
ッタ電圧は、コンパレータ15によって監視される。I
GBT58のオン・オフを判定するにあたって、IGB
Tのゲート電圧は、ゲート抵抗26のIGBT側から取
り込まれ、分圧抵抗27、28によって得られる基準電
圧とコンパレータ15において比較される。IGBT5
8にオン電圧が与えられていて、ゲート電圧がコンパレ
ータ15の基準電圧よりも高いと、コンパレータ15
は”L”を出力し、フォトカプラトランジスタ16の出
力をオフし、外部のプルアップ抵抗(図示せず)により
フィードバック信号61は”H”を出力する。IGBT
58に逆バイアス電圧が与えられていて、ゲート電圧が
コンパレータ15の基準電圧よりも低いと、コンパレー
タ15は”H”を出力し、フィードバック信号61は”
L”を出力する。
【0012】この時、分圧抵抗26、27で得られるコ
ンパレータ15の基準電圧は、IGBT58のしきい値
電圧よりも低く設定する。この理由を図3のタイムチャ
ートにより説明する。時間t1において、上アームゲー
ト駆動回路のゲート電圧103がオフからオンになる
と、上アームIGBT58のゲート−エミッタ間電圧1
02が上昇し、t3でしきい値電圧106を超えて、上
アームIGBT58のコレクタ−エミッタ間電圧101
が減少し、上アームIGBT58はターンオン状態とな
る。さらに、t4で上アームゲート駆動回路のゲート電
圧103がオンからオフになると、上アームIGBT5
8のゲート−エミッタ間電圧102が減少し、t5にお
いてゲート−エミッタ間電圧102がしきい値106を
下回ったときに、コレクタ−エミッタ間電圧101が増
加し、上アームIGBT58が電圧を阻止し始める。そ
して、t6においてゲート−エミッタ間電圧102がコ
ンパレータ基準電圧107を下回ったときに、上アーム
フィードバック信号104がオフ判定を出力する。この
4からt6の期間は、上アームIGBT58のオン時に
ゲート−エミッタ間に蓄積している電荷がケート抵抗2
6、最終段トランジスタ14、コレクタ抵抗25の経路
で引き抜かれている期間である。上アームIGBT58
はt6においてコレクタ−エミッタ間に電圧を持ち始め
るので、上アームIGBT58のオン期間は、ゲート電
圧103がオンかつ上記の引き抜き期間t4〜t6とな
る。このように、コンパレータ15の基準電圧をIGB
Tのしきい値電圧よりも低く設定することにより、上ア
ームIGBT58のターンオフ時にIGBTが実際に電
圧を阻止してからオフ判定を出力することができる。下
アームIGBT59のゲート電圧のインターロックを解
除する条件は、上アームゲート電圧103がオフ、かつ
上アームフィードバック104の出力がオフであるか
ら、下アームIGBT59のゲート電圧のインターロッ
クが解除されるときは、t6であり、その後は上アーム
IGBT58が電圧を阻止しているので、アーム短絡を
防止することができる。ところで、t6において、上ア
ームIGBT58に短絡故障が発生すると、上アームI
GBT58のコレクタ−エミッタ間電圧101は2点鎖
線で示すように0Vになり、ゲート−エミッタ間電圧1
02が2点鎖線で示すようにしきい値電圧106を維持
するので、上アームフィードバック104の出力は2点
鎖線で示すようにオンを継続し、下アームIGBT59
のゲート電圧は2点鎖線で示すようにインターロックさ
れ、これにより、下アームIGBT59が電圧を阻止
し、アーム短絡を防止することができる。また、t
6後、下アームIGBT59がターンオンし、上アーム
IGBT58がターンオフしている状態において、上ア
ームIGBT58に短絡故障が発生しても、同様に下ア
ームIGBT59のゲート電圧はインターロックされ、
これにより、下アームIGBT59が電圧を阻止し、ア
ーム短絡を防止することができる。以上詳述したよう
に、本実施例では、IGBTがオンまたはオフであるこ
とを常時監視し、同一アームの一方のIGBTがオンし
ているとき、同一アームの他のIGBTにはオンのゲー
ト電圧が与えられないようにブロックすることによっ
て、アーム短絡を防止することが可能になると共に、ゲ
ートパルス発生回路からのゲートパルスとIGBTのオ
ン・オフの検出結果とを常時監視しているので、これは
IGBTの事故の兆候を検知していることになり、同一
アームの一方のIGBTのゲートパルスとフィードバッ
ク信号が共にオフであるとき、同一アームの他のIGB
Tのゲートパルスのブロックを解除し、また、同一アー
ムの一方のIGBTのゲートパルスとフィードバック信
号が共にまたはいずれか一方がオンであるとき、同一ア
ームの他のIGBTのゲートパルスをブロックし、重故
障を未然に防ぐことができる。
【0013】図4は、本実施例のゲート駆動回路の他の
詳細例2を示す。本詳細例2が図2の詳細例1と異なる
ところは、オン・オフを判定する電圧を最終段トランジ
スタ13、14のエミッタ電圧とする点であり、その他
は同様である。図5は、本実施例のゲート駆動回路の他
の詳細例3を示す。本詳細例3が図2の詳細例1と異な
るところは、オン・オフを判定する電圧を最終段トラン
ジスタ13、14のベース電圧とする点であり、その他
は同様である。図4、図5いずれの例においても、オン
・オフを判定する電圧の動きはIGBTのゲート電圧と
同様の動きなので、図2の例と同様の機能を発揮するこ
とになる。
【0014】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電力変換装置において同一アームに直列に接続されてい
るIGBTのゲート電圧を互いにインターロックする機
能を備えることにより、IGBTのオン・オフ状態を常
時監視することが可能になり、アーム短絡を防止し、重
故障を未然に防ぎ、より安全性、信頼性の高いIGBT
用ゲート駆動装置を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すIGBT用ゲート駆動
装置
【図2】本発明のゲート駆動回路の詳細例1
【図3】図2の回路の動作の説明図
【図4】本発明のゲート駆動回路の詳細例2
【図5】本発明のゲート駆動回路の詳細例3
【符号の説明】
1、2 正負駆動電源 11、16 フォトカプラトランジスタ 12、13、14 トランジスタ 15 コンパレータ 21、22、23、24、25、26、27、28 抵
抗 51、52 ゲート駆動回路 53 ゲートパルス発生回路 54、55、56、57 ANDゲート 58、59 主回路IGBT 60、63 ゲート駆動回路入力 61、62 ゲート駆動回路出力(フィードバック信
号) 64、65 ゲートパルス 101 コレクタ−エミッタ間電圧波形 102 ゲート−エミッタ間電圧波形 103 ゲート電圧信号 104 フィードバック信号 105 ゲート電圧イターロック信号 106 IGBTのしきい値電圧 107 コンパレータの基準電圧

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電力変換回路の主回路のスイッチング素
    子として同一アームに直列接続されるIGBTをオン・
    オフ制御するゲート駆動装置において、ゲートパルスを
    発生するパルス発生手段と、IGBTを駆動すると共に
    IGBTのオン・オフを示すフィードバック信号を発す
    るゲート駆動手段を有し、同一アームの一方のIGBT
    のゲートパルスとフィードバック信号が共にオフである
    とき、同一アームの他のIGBTのゲートパルスのブロ
    ックを解除することを特徴とするIGBT用ゲート駆動
    装置。
  2. 【請求項2】 電力変換回路の主回路のスイッチング素
    子として同一アームに直列接続されるIGBTをオン・
    オフ制御するゲート駆動装置において、ゲートパルスを
    発生するパルス発生手段と、IGBTを駆動すると共に
    IGBTのオン・オフを示すフィードバック信号を発す
    るゲート駆動手段を有し、同一アームの一方のIGBT
    のゲートパルスとフィードバック信号が共にまたはいず
    れか一方がオンであるとき、同一アームの他のIGBT
    のゲートパルスをブロックすることを特徴とするIGB
    T用ゲート駆動装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2において、パル
    ス発生手段とゲート駆動手段の間に、同一アームの一方
    のIGBTのゲートパルスと他のIGBTのゲートパル
    スを互いにインターロックする論理手段を設けることを
    特徴とするIGBT用ゲート駆動装置。
  4. 【請求項4】 請求項1、請求項2または請求項3にお
    いて、ゲート駆動手段は、エミッタおよびベースが互い
    に接続されたnpnトランジスタおよびpnpトランジ
    スタと、前記エミッタとIGBTのゲートを接続するゲ
    ート抵抗と、IGBTのゲート−エミッタ電圧を監視す
    る手段を有し、前記ゲート−エミッタ電圧がIGBTの
    しきい値電圧よりも低いとき、IGBTがオフ状態であ
    ると判定することを特徴とするIGBT用ゲート駆動装
    置。
  5. 【請求項5】 請求項4において、IGBTのゲート−
    エミッタ電圧を監視する手段は、IGBTのゲート−エ
    ミッタ電圧と基準電圧を比較し、前記ゲート−エミッタ
    電圧が基準電圧より高いとき、フィードバック信号を発
    生することを特徴とするIGBT用ゲート駆動装置。
  6. 【請求項6】 請求項4において、IGBTのゲート−
    エミッタ電圧を監視する手段は、互いに接続されたnp
    nトランジスタおよびpnpトランジスタのエミッタと
    IGBTのエミッタ間の電圧を監視することを特徴とす
    るIGBT用ゲート駆動装置。
  7. 【請求項7】 請求項4において、IGBTのゲート−
    エミッタ電圧を監視する手段は、互いに接続されたnp
    nトランジスタおよびpnpトランジスタのベースとI
    GBTのエミッタ間の電圧を監視することを特徴とする
    IGBT用ゲート駆動装置。
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