JPWO2020017169A1 - 駆動回路内蔵型パワーモジュール - Google Patents

Abstract

スイッチング素子がその定格電流値を超えて流れることにより生じるターンオフ時におけるゲート電圧の寄生振動を抑制した駆動回路内蔵型パワーモジュールを提供する。ハーフブリッジ回路の下アーム部を構成するスイッチング素子（１２，１３，１４）に流れる電流を電流検出回路（１５）で監視し、スイッチング素子（１２，１３，１４）の電流が定格電流値より高くなると、通常グランド配線（２５）を介してパワー側グランド端子に接続されるＣＯＭ１からダンピング抵抗（２７）を含むグランド配線（２６）を介してパワー側グランド端子に接続されるＣＯＭ２に切り替える。これにより、下アーム駆動回路（１１）の駆動インピーダンスを高くし、スイッチング素子（１２，１３，１４）のターンオフ時のゲート電圧の寄生振動が抑制される。

Description

本発明は、駆動回路内蔵型パワーモジュールに関し、特にモータ駆動用インバータやＤＣ−ＤＣコンバータ用などの電力変換用半導体スイッチング素子とそのスイッチング素子を駆動する駆動回路とを内蔵した駆動回路内蔵型パワーモジュールに関する。

モータ駆動用インバータでは、２つのスイッチング素子を直列接続したハーフブリッジ回路と、スイッチング素子をオン・オフ駆動する駆動回路とを複数組備えたパワーモジュールが使用されている。

図５は三相モータ駆動用インバータに用いられるパワーモジュールの構成例を示す回路図、図６は下アームのスイッチング素子がターンオフしたときのスイッチング波形を示す図であって、（Ａ）は正常動作時、（Ｂ）は異常動作時の場合を示している。

図５に示すパワーモジュール１００は、三相モータ２００に交流電力を供給する電力変換装置である。そのため、このパワーモジュール１００は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のための３つのハーフブリッジ回路を有している。Ｕ相のハーフブリッジ回路は、スイッチング素子１０１，１０２で構成され、Ｖ相のハーフブリッジ回路は、スイッチング素子１０３，１０４で構成され、Ｗ相のハーフブリッジ回路は、スイッチング素子１０５，１０６で構成されている。ここでは、スイッチング素子１０１−１０６として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とそのコレクタ・エミッタ端子に逆並列に接続されたフリーホイーリングダイオードとが用いられている。なお、スイッチング素子１０１−１０６としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いてもよい。

Ｕ相のハーフブリッジ回路にてその上アーム部を構成するスイッチング素子１０１のコレクタ端子は、パワーモジュール１００のＰ端子に接続され、そのＰ端子は、直流電源の正極端子ＶＤＣ（＋）に接続される。スイッチング素子１０１のエミッタ端子は、Ｕ相のハーフブリッジ回路にてその下アーム部を構成するスイッチング素子１０２のコレクタ端子とパワーモジュール１００のＵ端子とに接続され、そのＵ端子は、三相モータ２００のＵ相端子に接続されている。

Ｖ相のハーフブリッジ回路の上アーム部を構成するスイッチング素子１０３のコレクタ端子は、パワーモジュール１００のＰ端子に接続されている。スイッチング素子１０３のエミッタ端子は、Ｕ相のハーフブリッジ回路の下アーム部を構成するスイッチング素子１０４のコレクタ端子とパワーモジュール１００のＶ端子とに接続され、そのＶ端子は、三相モータ２００のＶ相端子に接続されている。

Ｗ相のハーフブリッジ回路の上アーム部を構成するスイッチング素子１０５のコレクタ端子は、パワーモジュール１００のＰ端子に接続されている。スイッチング素子１０５のエミッタ端子は、Ｗ相のハーフブリッジ回路の下アーム部を構成するスイッチング素子１０６のコレクタ端子とパワーモジュール１００のＷ端子とに接続され、そのＷ端子は、三相モータ２００のＷ相端子に接続されている。

Ｕ相の上アーム部を構成するスイッチング素子１０１のゲート端子は、上アーム駆動回路１１１のＯＵＴ端子に接続され、スイッチング素子１０１のエミッタ端子は、上アーム駆動回路１１１のＶＳ端子に接続されている。

Ｖ相の上アーム部を構成するスイッチング素子１０３のゲート端子は、上アーム駆動回路１１２のＯＵＴ端子に接続され、スイッチング素子１０３のエミッタ端子は、上アーム駆動回路１１２のＶＳ端子に接続されている。

Ｗ相の上アーム部を構成するスイッチング素子１０５のゲート端子は、上アーム駆動回路１１３のＯＵＴ端子に接続され、スイッチング素子１０５のエミッタ端子は、上アーム駆動回路１１３のＶＳ端子に接続されている。

Ｕ相の下アーム部を構成するスイッチング素子１０２のゲート端子は、下アーム駆動回路１１４のＵＯＵＴ端子に接続され、スイッチング素子１０２のエミッタ端子は、パワーモジュール１００のＮＵ端子に接続されている。

Ｖ相の下アーム部を構成するスイッチング素子１０４のゲート端子は、下アーム駆動回路１１４のＶＯＵＴ端子に接続され、スイッチング素子１０４のエミッタ端子は、パワーモジュール１００のＮＶ端子に接続されている。

Ｗ相の下アーム部を構成するスイッチング素子１０６のゲート端子は、下アーム駆動回路１１４のＷＯＵＴ端子に接続され、スイッチング素子１０６のエミッタ端子は、パワーモジュール１００のＮＷ端子に接続されている。

パワーモジュール１００のＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子は、外部で１つにまとめられて、電流検出用のシャント抵抗１２１の一方の端子に接続され、シャント抵抗１２１の他方の端子は、直流電源の負極端子ＶＤＣ（−）に接続される。シャント抵抗１２１の一方の端子は、また、抵抗１２２の一方の端子に接続され、抵抗１２２の他方の端子は、コンデンサ１２３の一方の端子と、ダイオード１２４のカソード端子と、パワーモジュール１００のＩＳ端子とに接続されている。コンデンサ１２３の他方の端子は、パワーモジュール１００を搭載するプリント基板のグランドに接続され、ダイオード１２４のアノード端子は、プリント基板のグランドに接続されている。パワーモジュール１００のＩＳ端子は、下アーム駆動回路１１４のＩＳ端子に接続されている。

シャント抵抗１２１の他方の端子は、また、プリント基板のグランド配線１２５を介してパワーモジュール１００のＣＯＭ端子に接続され、このＣＯＭ端子は、プリント基板のグランドに接続されている。パワーモジュール１００内では、ＣＯＭ端子は、上アーム駆動回路１１１，１１２，１１３のＧＮＤ端子と下アーム駆動回路１１４のＧＮＤ端子とに接続されている。

パワーモジュール１００は、また、上位制御装置から制御信号を受けるＩＮ（ＨＵ）端子、ＩＮ（ＨＶ）端子、ＩＮ（ＨＷ）端子、ＩＮ（ＬＵ）端子、ＩＮ（ＬＶ）端子およびＩＮ（ＬＷ）端子を有している。ＩＮ（ＨＵ）端子は、上アーム駆動回路１１１のＩＮ端子に接続され、ＩＮ（ＨＶ）端子は、上アーム駆動回路１１２のＩＮ端子に接続され、ＩＮ（ＨＷ）端子は、上アーム駆動回路１１３のＩＮ端子に接続されている。ＩＮ（ＬＵ）端子、ＩＮ（ＬＶ）端子およびＩＮ（ＬＷ）端子は、下アーム駆動回路１１４のＵＩＮ端子、ＶＩＮ端子およびＷＩＮ端子にそれぞれ接続されている。

このパワーモジュール１００によれば、ＩＮ（ＨＵ）端子、ＩＮ（ＨＶ）端子またはＩＮ（ＨＷ）端子に入力される制御信号によって上アーム駆動回路１１１，１１２，１１３がスイッチング素子１０１，１０３，１０５をオン・オフ駆動する。同様に、ＩＮ（ＬＵ）端子、ＩＮ（ＬＶ）端子またはＩＮ（ＬＷ）端子に制御信号が入力されると、下アーム駆動回路１１４がスイッチング素子１０２，１０４，１０６をオン・オフ駆動する。

ここで、下アーム駆動回路１１４によってスイッチング素子１０２，１０４，１０６の１つがターンオンされると、スイッチング素子１０２，１０４，１０６を流れる電流は、シャント抵抗１２１を介して直流電源の負極端子ＶＤＣ（−）に流れる。このとき、スイッチング素子１０２，１０４，１０６を流れる電流は、シャント抵抗１２１にて電圧信号に変換され、下アーム駆動回路１１４にフィードバックされる。下アーム駆動回路１１４は、ＩＳ端子にフィードバックされた電圧信号を監視してスイッチング素子１０２，１０４，１０６の過電流検出および短絡検出を行っている。

このように、このパワーモジュール１００では、シャント抵抗１２１を用いて下アームのスイッチング素子１０２，１０４，１０６の過電流検出および短絡検出を行っている。このため、下アームのスイッチング素子１０２，１０４，１０６のグランド側端子であるＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子と上アーム駆動回路１１１，１１２，１１３および下アーム駆動回路１１４のグランド側端子であるＣＯＭ端子とは、内部ではなく外部で結線されている。この結線は、プリント基板にてパワーモジュール１００の回りに引き回し形成されたグランド配線１２５で行われる。このため、下アーム駆動回路１１４の駆動インピーダンスは、スイッチング素子１０２，１０４，１０６のゲート・エミッタ間インピーダンス、シャント抵抗１２１、グランド配線１２５およびＣＯＭ端子と下アーム駆動回路１１４のＧＮＤ端子との間の内部配線のインピーダンスからなる。

ここで、グランド配線１２５は、下アーム駆動回路１１４の内部配線に比べて距離が長く、多くの抵抗成分、容量成分および誘導成分を含んでいることから、その分、下アーム駆動回路１１４の駆動インピーダンスが高くなる。このグランド配線１２５による影響は、スイッチング素子１０２，１０４，１０６のスイッチング周波数が高くなるほど大きくなる。また、スイッチング素子１０２，１０４，１０６に流れる電流が大きくなるほど、グランド配線１２５の影響によりゲート電圧（ゲート・エミッタ間電圧）の寄生振動が発生し易くなる傾向がある。次に、寄生振動が発生しない正常動作の場合および寄生振動が発生した異常動作の場合について、図６（Ａ）および（Ｂ）に示すスイッチング波形を用いて説明する。

図６（Ａ）および（Ｂ）では、スイッチング素子１０２，１０４，１０６のゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅを破線で示し、コレクタ電流Ｉｃを細線で示し、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅを太線で示している。

スイッチング素子１０２，１０４，１０６がターンオンしてグランド配線１２５の影響が少ない定格電流値以下の電流が流れているとき、図６（Ａ）に示したように、ゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅ、コレクタ電流Ｉｃおよびコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅは、それぞれ大きな変化はない。スイッチング素子１０２，１０４，１０６をターンオフしようとしてゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅが立ち下がると、そのタイミングで、コレクタ電流Ｉｃが低下し、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅが上昇して、それぞれ安定する。

一方、スイッチング素子１０２，１０４，１０６のターンオン時に定格電流値を超える電流が流れる状態を繰り返していて、あるターンオフのタイミングで、図６（Ｂ）に示したようなゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅの寄生振動が突然発生することがある。このような寄生振動が発生すると、オフすべき期間の間に、スイッチング素子１０２，１０４，１０６が誤ってターンオンする状態が発生し、短時間のうちに破壊に至ることがある。なお、ターンオン時に定格電流値を超えた電流が流れている場合でも、図６（Ｂ）に示した寄生振動が発生する１周期前のスイッチングでは、図６（Ａ）に示したスイッチング波形を示す。

このようなゲート電圧の寄生振動の発生に対して、寄生振動を抑制するようにした技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この特許文献１では、駆動回路のソース出力端子およびシンク出力端子とスイッチング素子のゲート端子との間に抵抗値周波数依存素子をそれぞれ備え、スイッチング素子の立上り動作および立下り動作を個別に最適化することで寄生振動を抑制している。

特開２０１６−１９７８２１号公報

しかしながら、特許文献１による寄生振動の抑制では各スイッチング素子に２つずつの抵抗値周波数依存素子を必要とし、しかも抵抗値周波数依存素子は、それ自体、サイズが大きいため、パワーモジュール自体が大型化してしまうという問題点がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、大型化することがなくスイッチング素子がその定格電流値を超えて流れることにより生じるターンオフ時におけるゲート電圧の寄生振動を抑制した駆動回路内蔵型パワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明では、上記の課題を解決するために、上アーム部を構成する第１のスイッチング素子および下アーム部を構成する第２のスイッチング素子を有するハーフブリッジ回路と、第１のスイッチング素子を駆動する上アーム駆動回路および第２のスイッチング素子を駆動する下アーム駆動回路とを有する駆動回路内蔵型パワーモジュールが提供される。この駆動回路内蔵型パワーモジュールは、第２のスイッチング素子のグランド側にあるパワー側グランド端子と、パワー側グランド端子に通常グランド配線を介して接続される第１の駆動回路側グランド端子と、パワー側グランド端子にダンピング抵抗を含むグランド配線を介して接続される第２の駆動回路側グランド端子と、第２のスイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、電流検出回路が検出した電流値に応じて下アーム駆動回路のグランド端子を第１の駆動回路側グランド端子または第２の駆動回路側グランド端子に接続するよう切り替える制御グランド切替回路と、を備えている。

上記構成の駆動回路内蔵型パワーモジュールは、スイッチング素子がその定格電流値を超えて流れているときにスイッチング素子の駆動インピーダンスを高くして流れる電流値を抑えるようにしたのでターンオフ時の寄生振動を抑制できるという利点がある。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は、本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

第１の実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールの一部を示す回路図である。 スイッチング素子のコレクタ電流に対するターンオフ時のスイッチング損失の変化を示す図である。 スイッチング素子のターンオフ時のスイッチング波形を示す図であって、（Ａ）はダンピング抵抗なし、（Ｂ）はダンピング抵抗ありの場合を示している。 第２の実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールの一部を示す回路図である。 三相モータ駆動用インバータに用いられるパワーモジュールの構成例を示す回路図である。 下アームのスイッチング素子がターンオフしたときのスイッチング波形を示す図であって、（Ａ）は正常動作時、（Ｂ）は異常動作時の場合を示している。

以下、本発明の実施の形態について、三相モータ駆動用のインテリジェントパワーモジュールに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一の符号で示される部分は、同一の構成要素を示している。また、各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を部分的に組み合わせて実施することができる。

図１は第１の実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールの一部を示す回路図、図２はスイッチング素子のコレクタ電流に対するターンオフ時のスイッチング損失の変化を示す図、図３はスイッチング素子のターンオフ時のスイッチング波形を示す図であって、（Ａ）はダンピング抵抗なし、（Ｂ）はダンピング抵抗ありの場合を示している。

図１に示すインテリジェントパワーモジュール１０は、下アーム駆動回路１１と、Ｕ相の下アーム部を構成するスイッチング素子１２と、Ｖ相の下アーム部を構成するスイッチング素子１３と、Ｗ相の下アーム部を構成するスイッチング素子１４とを有している。インテリジェントパワーモジュール１０は、また、電流検出回路１５および制御グランド切替回路１６を有している。なお、スイッチング素子１２，１３，１４は、ＩＧＢＴであり、それぞれコレクタ・エミッタ端子にフリーホイーリングダイオード１２ａ，１３ａ，１４ａが逆並列に接続されている。スイッチング素子１２，１３，１４は、また、それぞれコレクタ電流に比例した電流を間接的に検出する電流センス素子を備えている。図１では、スイッチング素子１２，１３，１４は、メインのＩＧＢＴ素子と電流センス素子とを一つのＩＧＢＴシンボルで示し、エミッタ端子だけ、メインのＩＧＢＴ素子のエミッタ端子と電流センス素子のセンスエミッタ端子とに分けて示している。

下アーム駆動回路１１は、ＵＩＮ端子、ＶＩＮ端子およびＷＩＮ端子と、ＵＯＵＴ端子、ＶＯＵＴ端子およびＷＯＵＴ端子と、ＧＮＤ端子とを有している。ＵＩＮ端子、ＶＩＮ端子およびＷＩＮ端子は、下アーム部のスイッチング素子１２，１３，１４を制御する信号の入力端子であり、ＵＯＵＴ端子、ＶＯＵＴ端子およびＷＯＵＴ端子は、スイッチング素子１２，１３，１４のゲート端子に接続される出力端子である。

スイッチング素子１２，１３，１４のコレクタ端子は、インテリジェントパワーモジュール１０のＵ端子、Ｖ端子およびＷ端子に接続されている。スイッチング素子１２，１３，１４のエミッタ端子は、インテリジェントパワーモジュール１０のパワー側グランド端子であるＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子に接続されている。スイッチング素子１２，１３，１４のセンスエミッタ端子は、電流検出回路１５に接続されている。

電流検出回路１５は、電流検出抵抗１７，１８，１９と、比較器２０，２１，２２と、論理和回路２３とを有している。電流検出抵抗１７，１８，１９の一方の端子は、スイッチング素子１２，１３，１４のセンスエミッタ端子と比較器２０，２１，２２の非反転入力端子とに接続され、電流検出抵抗１７，１８，１９の他方の端子は、インテリジェントパワーモジュール１０のグランドに接続されている。比較器２０，２１，２２の反転入力端子は、基準電圧を出力する基準電圧源２４の正極端子に接続され、基準電圧源２４の負極端子は、インテリジェントパワーモジュール１０のグランドに接続されている。比較器２０，２１，２２の出力端子は、論理和回路２３の入力端子に接続され、論理和回路２３の出力端子は、制御グランド切替回路１６の制御端子に接続されている。

制御グランド切替回路１６は、下アーム駆動回路１１のＧＮＤ端子に接続された可動接点と、２つの固定接点と、制御端子とを有している。制御グランド切替回路１６の可動接点は、下アーム駆動回路１１のＧＮＤ端子に接続されている。２つの固定接点の一方は、インテリジェントパワーモジュール１０のＣＯＭ１端子（第１の駆動回路側グランド端子）に接続され、２つの固定接点の他方は、インテリジェントパワーモジュール１０のＣＯＭ２端子（第２の駆動回路側グランド端子）に接続されている。なお、この制御グランド切替回路１６は、好ましくは、半導体スイッチング素子によって構成される。

インテリジェントパワーモジュール１０のパワー側グランド端子であるＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子は、直流電源の負極端子ＶＤＣ（−）に接続されている。インテリジェントパワーモジュール１０のパワー側グランド端子は、また、インテリジェントパワーモジュール１０を搭載するプリント基板に形成された通常グランド配線２５によってＣＯＭ１端子に接続されている。ＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子は、また、ダンピング抵抗２７を含むグランド配線２６によってＣＯＭ２端子に接続されている。ダンピング抵抗２７は、寄生振動を抑制するのに使用されるもので、チップフェライトビーズまたはビーズコアのような抵抗値周波数依存素子とすることができる。

なお、図１のインテリジェントパワーモジュール１０では、ハーフブリッジ回路の下アーム部に関連する構成要素のみを示したが、実際には、図５に示したように、ハーフブリッジ回路の上アーム部に関連する上アーム駆動回路およびスイッチング素子も備えている。

ここで、電流検出回路１５では、電流検出抵抗１７，１８，１９にスイッチング素子１２，１３，１４のセンスエミッタ端子から出力された電流を供給することによって、コレクタ電流が電圧に換算された形で検出される。基準電圧源２４の基準電圧は、スイッチング素子１２，１３，１４の定格電流値に相当する値を有している。したがって、比較器２０，２１，２２は、電流検出抵抗１７，１８，１９が検出した電圧と基準電圧とを比較し、スイッチング素子１２，１３，１４のコレクタ電流の値が定格電流値以下である場合、グランドレベル（Ｌレベル）の信号を出力する。スイッチング素子１２，１３，１４のコレクタ電流の値が定格電流値を超えると、比較器２０，２１，２２は、その電源電圧のレベル（Ｈレベル）の信号を出力する。比較器２０，２１，２２がＬレベルの信号を出力すると、論理和回路２３は、Ｌレベルの信号を出力し、比較器２０，２１，２２のいずれかがＨレベルの信号を出力すると、論理和回路２３は、Ｈレベルの信号を出力する。

制御グランド切替回路１６は、電流検出回路１５からＬレベルの信号を制御信号として入力していると、下アーム駆動回路１１のＧＮＤ端子（グランド端子）とインテリジェントパワーモジュール１０のＣＯＭ１端子とを接続するよう作用する。これにより、インテリジェントパワーモジュール１０は、下アーム駆動回路側グランド端子であるＣＯＭ１端子は、通常グランド配線２５によってパワー側グランド端子（ＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子）に接続される。このとき、通常グランド配線２５は、低インピーダンスであるので、下アーム駆動回路１１の駆動インピーダンスも低く、スイッチング損失（ターンオフ損失）を低く抑えることができる。

電流検出回路１５の比較器２０，２１，２２のいずれかがスイッチング素子１２，１３，１４の定格電流値より高くなったことを検出すると、制御グランド切替回路１６には、電流検出回路１５からＨレベルの信号が制御信号として入力される。このとき、制御グランド切替回路１６は、下アーム駆動回路１１のＧＮＤ端子（グランド端子）とインテリジェントパワーモジュール１０のＣＯＭ２端子とを接続するよう作用する。これにより、インテリジェントパワーモジュール１０のＣＯＭ２端子は、ダンピング抵抗２７を含むグランド配線２６によってパワー側グランド端子（ＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子）に接続される。ＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子とＣＯＭ２端子との間には、ダンピング抵抗２７が介挿されるので、その分、下アーム駆動回路１１の駆動インピーダンスが高くなる。これにより、スイッチング素子１２，１３，１４のスイッチング損失（ターンオフ損失）が増えることにはなるが、スイッチング素子１２，１３，１４のターンオフ時のゲート電圧の寄生振動は、低減される。

この制御グランド切替回路１６がグランド配線を切り替えるときのスイッチング損失の変化を図２に示す。この図２において、横軸は、スイッチング素子１２，１３，１４のコレクタ電流を示し、縦軸は、ターンオフ時のスイッチング損失を示している。図２において、曲線３０は、ＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子とＣＯＭ１端子とを通常グランド配線２５だけで接続したときのコレクタ電流Ｉｃの変化に対するスイッチング損失の変化を示しており、全電流域で損失が小さくなっている。一方、曲線３１は、ＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子とＣＯＭ２端子とをダンピング抵抗２７を含むグランド配線２６で接続したときのコレクタ電流Ｉｃの変化に対するスイッチング損失の変化を示しており、全電流域で損失が大きくなっている。本発明では、定格電流値を検出して通常グランド配線２５またはダンピング抵抗２７を含むグランド配線２６への切り替えを行うようにしたことで、スイッチング損失を曲線３２のように変化させることができる。すなわち、コレクタ電流Ｉｃがゲート電圧の寄生振動を発生させない定格電流値以下のときは、ダンピング抵抗２７が存在しないので、スイッチング損失を小さくすることができる。コレクタ電流Ｉｃの値が定格電流値より高いときは、ダンピング抵抗２７によりスイッチング損失を大きくすることで、寄生振動の発生を抑制することができる。

このように、スイッチング素子１２，１３，１４の電流値に応じてグランド配線のインピーダンスを切り替えることで、ゲート電圧の寄生振動を抑制しながらスイッチング損失を最適化することができる。

制御グランド切替回路１６がグランド配線を切り替えたときのスイッチング素子１２，１３，１４のスイッチング波形を図３（Ａ）および（Ｂ）に示す。図３（Ａ）は、パワー側グランド端子と下アーム駆動回路側グランド端子との接続をダンピング抵抗２７なしの通常グランド配線２５だけで接続した場合を示している。図３（Ｂ）は、パワー側グランド端子と下アーム駆動回路側グランド端子との接続をダンピング抵抗２７を含むグランド配線２６で接続した場合を示している。図３（Ａ）および（Ｂ）では、スイッチング素子１２，１３，１４のゲート電圧であるゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅを破線で示し、コレクタ電流Ｉｃを細線で示し、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅを太線で示している。

コレクタ電流Ｉｃが定格電流値以下のときは、図３（Ａ）に示したように、寄生振動が発生することはない。コレクタ電流Ｉｃの値が定格電流値より高いときは、ダンピング抵抗２７により下アーム駆動回路１１の駆動インピーダンスが上がるため、図３（Ｂ）に示したように、ターンオフ時のゲート電圧の値が抑えられ、寄生振動の発生が抑制されている。

なお、この実施の形態では、電流検出回路１５および制御グランド切替回路１６は、下アーム駆動回路１１の外に設けたが、電流検出回路１５および制御グランド切替回路１６のいずれかまたは両方の機能を下アーム駆動回路１１に組み込むようにしてもよい。

また、この実施の形態では、スイッチング素子１２，１３，１４の電流検出にシャント抵抗を用いていないが、電流検出回路１５がスイッチング素子１２，１３，１４の電流検出を行っているので、その検出信号を利用することができる。すなわち、下アーム駆動回路１１は、電流検出回路１５が検出した検出信号を監視することによって、過電流保護および負荷短絡保護を行うことができる。シャント抵抗を不要にしたことで、下アーム駆動回路１１は、駆動インピーダンスをさらに低下させてスイッチング損失をさらに小さくすることができる。

図４は第２の実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュールの一部を示す回路図である。この図４において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。また、この図４では、図示を簡単にするため、Ｕ相に関する回路のみを示している。

第２の実施の形態に係るインテリジェントパワーモジュール１０ａは、下アーム駆動回路１１のグランド配線だけでなく、上アーム駆動回路の対応する配線に対しても、電流値に応じた駆動インピーダンスの切り替えを行うようにしている。

このインテリジェントパワーモジュール１０ａにおいて、下アーム部の制御構成は、Ｕ相に関する回路のみを示していることを除いて図１に示した構成と同じであるので、ここでは、下アーム駆動回路１１の詳細な説明については省略する。また、上アーム部の制御構成は、Ｕ相に関する回路のみを示し、Ｖ相およびＷ相に関する回路は、図示のＵ相に関する回路と同じであるので、省略している。

このインテリジェントパワーモジュール１０ａは、Ｕ相用の上アーム駆動回路４１と、Ｕ相のハーフブリッジ回路の上アーム部を構成するスイッチング素子４２と、電流検出回路４３と、制御グランド切替回路４４と、ダンピング抵抗４５とを備えている。なお、スイッチング素子４２のコレクタ・エミッタ端子には、フリーホイーリングダイオード４２ａが逆並列に接続されている。スイッチング素子４２は、Ｕ相の下アーム部を構成するスイッチング素子１２と同様に、電流センス素子を備えている。

上アーム駆動回路４１は、ＯＵＴ端子およびＶＳ端子を有し、ＯＵＴ端子は、スイッチング素子４２のゲート端子に接続され、ＶＳ端子は、Ｕ相の上アーム基準電位を規定する端子であり、制御グランド切替回路４４に接続されている。

スイッチング素子４２のコレクタ端子は、インテリジェントパワーモジュール１０ａのＰ端子に接続され、スイッチング素子４２のエミッタ端子は、インテリジェントパワーモジュール１０ａのＵ端子に接続されている。スイッチング素子４２のセンスエミッタ端子は、電流検出回路４３に接続されている。

スイッチング素子４２のエミッタ端子とインテリジェントパワーモジュール１０ａのＵ端子との出力接続点は、上アーム基準電位配線４６を介して制御グランド切替回路４４に接続されている。スイッチング素子４２のエミッタ端子とインテリジェントパワーモジュール１０ａのＵ端子との接続点は、また、ダンピング抵抗４５を介して制御グランド切替回路４４に接続されている。なお、電流検出回路４３は、下アーム用の電流検出回路１５と同様、電流検出抵抗、比較器および基準電圧源を備えている。ただし、電流検出回路４３は、スイッチング素子４２のみの電流値を検出するので、下アーム用の電流検出回路１５が備える他の相のための電流検出抵抗および比較器と論理和回路とは備えていない。

このインテリジェントパワーモジュール１０ａによれば、スイッチング素子４２の電流値を電流検出回路４３が監視し、スイッチング素子４２の電流値がスイッチング素子４２の定格電流値以下であると、電流検出回路４３は、Ｌレベルの信号を出力する。これにより、制御グランド切替回路４４は、上アーム駆動回路４１のＶＳ端子を上アーム基準電位配線４６に接続する。スイッチング素子４２の電流値がスイッチング素子４２の定格電流値より高くなると、電流検出回路４３は、Ｈレベルの信号を出力し、制御グランド切替回路４４は、上アーム駆動回路４１のＶＳ端子をダンピング抵抗４５に接続する。これにより、上アーム駆動回路４１は、その駆動インピーダンスが高くなり、スイッチング素子４２は、ターンオフ時のゲート電圧の寄生振動の発生が抑制される。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

１０，１０ａ インテリジェントパワーモジュール
１１ 下アーム駆動回路
１２，１３，１４ スイッチング素子
１２ａ，１３ａ，１４ａ フリーホイーリングダイオード
１５ 電流検出回路
１６ 制御グランド切替回路
１７，１８，１９ 電流検出抵抗
２０，２１，２２ 比較器
２３ 論理和回路
２４ 基準電圧源
２５ 通常グランド配線
２６ グランド配線
２７ ダンピング抵抗
４１ 上アーム駆動回路
４２ スイッチング素子
４２ａ フリーホイーリングダイオード
４３ 電流検出回路
４４ 制御グランド切替回路
４５ ダンピング抵抗
４６ 上アーム基準電位配線

Ｖ相のハーフブリッジ回路の上アーム部を構成するスイッチング素子１０３のコレクタ端子は、パワーモジュール１００のＰ端子に接続されている。スイッチング素子１０３のエミッタ端子は、Ｖ相のハーフブリッジ回路の下アーム部を構成するスイッチング素子１０４のコレクタ端子とパワーモジュール１００のＶ端子とに接続され、そのＶ端子は、三相モータ２００のＶ相端子に接続されている。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、大型化することがなくスイッチング素子にその定格電流値を超える電流が流れることにより生じるターンオフ時におけるゲート電圧の寄生振動を抑制した駆動回路内蔵型パワーモジュールを提供することを目的とする。

上記構成の駆動回路内蔵型パワーモジュールは、スイッチング素子にその定格電流値を超える電流が流れているときにスイッチング素子の駆動インピーダンスを高くして流れる電流値を抑えるようにしたのでターンオフ時の寄生振動を抑制できるという利点がある。

制御グランド切替回路１６は、電流検出回路１５からＬレベルの信号を制御信号として入力していると、下アーム駆動回路１１のＧＮＤ端子（グランド端子）とインテリジェントパワーモジュール１０のＣＯＭ１端子とを接続するよう作用する。これにより、インテリジェントパワーモジュール１０の、下アーム駆動回路側グランド端子であるＣＯＭ１端子は、通常グランド配線２５によってパワー側グランド端子（ＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子）に接続される。このとき、通常グランド配線２５は、低インピーダンスであるので、下アーム駆動回路１１の駆動インピーダンスも低く、スイッチング損失（ターンオフ損失）を低く抑えることができる。

電流検出回路１５の比較器２０，２１，２２のいずれかがスイッチング素子１２，１３，１４のコレクタ電流の値がスイッチング素子１２，１３，１４の定格電流値より高くなったことを検出すると、制御グランド切替回路１６には、電流検出回路１５からＨレベルの信号が制御信号として入力される。このとき、制御グランド切替回路１６は、下アーム駆動回路１１のＧＮＤ端子（グランド端子）とインテリジェントパワーモジュール１０のＣＯＭ２端子とを接続するよう作用する。これにより、インテリジェントパワーモジュール１０のＣＯＭ２端子は、ダンピング抵抗２７を含むグランド配線２６によってパワー側グランド端子（ＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子）に接続される。ＮＵ端子、ＮＶ端子およびＮＷ端子とＣＯＭ２端子との間には、ダンピング抵抗２７が介挿されるので、その分、下アーム駆動回路１１の駆動インピーダンスが高くなる。これにより、スイッチング素子１２，１３，１４のスイッチング損失（ターンオフ損失）が増えることにはなるが、スイッチング素子１２，１３，１４のターンオフ時のゲート電圧の寄生振動は、低減される。

制御グランド切替回路１６がグランド配線を切り替えたときのスイッチング素子１２，１３，１４のスイッチング波形を図３（Ａ）および（Ｂ）に示す。図３（Ａ）は、パワー側グランド端子と下アーム駆動回路側グランド端子とをダンピング抵抗２７なしの通常グランド配線２５だけで接続した場合を示している。図３（Ｂ）は、パワー側グランド端子と下アーム駆動回路側グランド端子とをダンピング抵抗２７を含むグランド配線２６で接続した場合を示している。図３（Ａ）および（Ｂ）では、スイッチング素子１２，１３，１４のゲート電圧であるゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅを破線で示し、コレクタ電流Ｉｃを細線で示し、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅを太線で示している。

スイッチング素子４２のエミッタ端子とインテリジェントパワーモジュール１０ａのＵ端子との接続点は、上アーム基準電位配線４６を介して制御グランド切替回路４４に接続されている。スイッチング素子４２のエミッタ端子とインテリジェントパワーモジュール１０ａのＵ端子との接続点は、また、ダンピング抵抗４５を介して制御グランド切替回路４４に接続されている。なお、電流検出回路４３は、下アーム用の電流検出回路１５と同様、電流検出抵抗、比較器および基準電圧源を備えている。ただし、電流検出回路４３は、スイッチング素子４２のみの電流値を検出するので、下アーム用の電流検出回路１５が備える他の相のための電流検出抵抗および比較器と論理和回路とは備えていない。

Claims (6)

1. 上アーム部を構成する第１のスイッチング素子および下アーム部を構成する第２のスイッチング素子を有するハーフブリッジ回路と、前記第１のスイッチング素子を駆動する上アーム駆動回路および前記第２のスイッチング素子を駆動する下アーム駆動回路とを有する駆動回路内蔵型パワーモジュールにおいて、
   前記第２のスイッチング素子のグランド側にあるパワー側グランド端子と、
   前記パワー側グランド端子に通常グランド配線を介して接続される第１の駆動回路側グランド端子と、
   前記パワー側グランド端子にダンピング抵抗を含むグランド配線を介して接続される第２の駆動回路側グランド端子と、
   前記第２のスイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路が検出した電流値に応じて前記下アーム駆動回路のグランド端子を前記第１の駆動回路側グランド端子または前記第２の駆動回路側グランド端子に接続するよう切り替える制御グランド切替回路と、
   を備えている、駆動回路内蔵型パワーモジュール。
2. 前記電流検出回路は、前記第２のスイッチング素子が内蔵する電流センス素子によって出力された電流を電圧信号に変換する電流検出抵抗と、前記第２のスイッチング素子の定格電流値に相当する基準電圧を出力する基準電圧源と、前記電圧信号と前記基準電圧とを比較して前記制御グランド切替回路の切り替えを制御する切替制御信号を出力する比較器とを有する、請求項１記載の駆動回路内蔵型パワーモジュール。
3. 前記制御グランド切替回路は、前記電流検出回路から前記基準電圧以下の前記電圧信号を示す前記切替制御信号を受けたとき、前記下アーム駆動回路のグランド端子を前記第１の駆動回路側グランド端子に接続し、前記電流検出回路から前記基準電圧より高い前記電圧信号を示す前記切替制御信号を受けたとき、前記下アーム駆動回路のグランド端子を前記第２の駆動回路側グランド端子に接続する、請求項２記載の駆動回路内蔵型パワーモジュール。
4. 前記第２のスイッチング素子は、ＩＧＢＴおよびフリーホイーリングダイオードまたはＭＯＳＦＥＴである、請求項１記載の駆動回路内蔵型パワーモジュール。
5. 前記第１のスイッチング素子に流れる電流を検出する上アーム用電流検出回路と、前記上アーム駆動回路の上アーム基準電位端子と第１の端子と第２の端子とを有し、前記上アーム用電流検出回路が検出した電流値に応じて前記上アーム基準電位端子を前記第１の端子または前記第２の端子に接続するよう切り替える上アーム用制御グランド切替回路と、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との出力接続点と前記上アーム用制御グランド切替回路の前記第１の端子とを接続する上アーム基準電位配線と、前記出力接続点と前記上アーム用制御グランド切替回路の前記第２の端子との間に接続された上アーム用ダンピング抵抗と、をさらに有する、請求項１記載の駆動回路内蔵型パワーモジュール。
6. 前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子は、ＩＧＢＴおよびフリーホイーリングダイオードまたはＭＯＳＦＥＴである、請求項５記載の駆動回路内蔵型パワーモジュール。

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