ゲート駆動装置
【課題】動作条件が変化しても、損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できるゲート駆動装置を得ることを目的としている。
【解決手段】定電流駆動回路１１Ｃと、定電圧駆動回路１１Ｖと、スイッチング素子２の動作条件をパラメータとして、定電流駆動回路１１Ｃおよび定電圧駆動回路１１Ｖのそれぞれでスイッチング素子２を駆動させたときの、スイッチング損失および放射ノイズの一方または両方についての情報を保持する回路特性情報保持部１５と、スイッチング素子２の動作条件を検出する動作条件検出部１４と、検出した動作条件と、保持する回路特性情報に基づき、定電流駆動回路１１Ｃと定電圧駆動回路１１Ｖのうちのいずれか一方をスイッチング素子２の駆動回路として切替える駆動回路切替部１２、１３とを備えるように構成した。
【解決手段】定電流駆動回路１１Ｃと、定電圧駆動回路１１Ｖと、スイッチング素子２の動作条件をパラメータとして、定電流駆動回路１１Ｃおよび定電圧駆動回路１１Ｖのそれぞれでスイッチング素子２を駆動させたときの、スイッチング損失および放射ノイズの一方または両方についての情報を保持する回路特性情報保持部１５と、スイッチング素子２の動作条件を検出する動作条件検出部１４と、検出した動作条件と、保持する回路特性情報に基づき、定電流駆動回路１１Ｃと定電圧駆動回路１１Ｖのうちのいずれか一方をスイッチング素子２の駆動回路として切替える駆動回路切替部１２、１３とを備えるように構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング素子を駆動制御するゲート駆動装置に関するもので、とくに電圧駆動型スイッチング素子を駆動するゲート駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のゲート駆動装置では、電圧駆動型スイッチング素子のゲート端子へ定電圧パルスを出力したり、定電流パルスを出力したりすることにより、スイッチング動作を制御している。このようなパルス状の信号駆動によるスイッチング動作では、原理的に放射ノイズとスイッチング損失発生が伴う。そこで、放射ノイズとスイッチング損失を低減するために、電圧駆動型スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のゲート電圧、コレクタ電圧を検出し、その検出値に基づいて定電圧駆動におけるゲート駆動電圧を数段階に可変するゲート駆動装置（例えば、特許文献１、２参照。）や、２つの定電流駆動回路を用い、ターンオン動作の初期状態ではひとつの駆動回路だけでＩＧＢＴを駆動し、ゲート電圧が所定値以上の値となった場合、もう一つの定電流駆動回路も動作させて駆動電流を変化させる駆動回路（例えば、特許文献３参照。）などが提案されている。
【０００３】
さらに、定電圧駆動回路と定電流駆動回路を備え、ターンオン動作において、ゲート電圧が閾値に達するまでは定電流駆動回路を用い、閾値を超えると定電圧駆動回路に駆動回路を切替えるゲート駆動装置（例えば、特許文献４参照。）も提案されている。
【０００４】
定電圧駆動回路では、ゲート抵抗値を変更することによりスイッチング速度が変わり、ゲート抵抗を小さくするとスイッチング速度が速くなるため、スイッチング損失は小さくなるが、逆に、スイッチング素子から放射される放射ノイズ強度は大きくなる。また、定電流駆動回路では、ゲート電流値を変更することによりスイッチング速度が変わり、ゲート電流を大きくするとスイッチング速度が速くなるため、スイッチング損失は小さくなるが、逆に、スイッチング素子から放射されるノイズ強度は大きくなる。このようにスイッチング損失と放射ノイズ強度は、駆動回路方式によらずトレードオフの関係にあり、上記各特許文献では、特性の異なる回路を動作条件に応じて切り替えることで、スイッチング損失あるいは放射ノイズを許容範囲内に収めるようにしているのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−９２６６３号公報（段落００２３〜００２５、図２、３）
【特許文献２】特開平９−４６２０１号公報（段落００４４〜００４５、００６１〜００６３、図３、４）
【特許文献３】特開２００８−２９０５９号公報（段落００１１〜００２１、図１，２）
【特許文献４】特開２００９−９５１６６号公報（段落００１６〜００４７、図１，２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、損失と放射ノイズがトレードオフの関係にあるとはいえ、そのトレードオフの関係は常に一定ではなく、動作条件によって変化する。そして、本発明者らは、とくに、定電流駆動回路と定電圧駆動回路のように駆動方式が異なる回路を備えた場合、ある条件では一方の回路がノイズあるいは損失特性が有利であっても、運転条件によっては、他方の回路の方が有利になる逆転現象があることを見出した。つまり、上記のようにある閾値を超えたか否かで切り替える回路を固定した場合、条件によっては逆に放射ノイズあるいは損失を増大させる可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、動作条件が変化しても、損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できるゲート駆動装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のゲート駆動装置は、スイッチング素子を駆動制御するために、ゲート駆動信号を出力する複数の駆動回路を切替えて使用するゲート駆動装置であって、前記ゲート駆動信号として、定電流パルス信号を出力する定電流駆動回路と、前記ゲート駆動信号として、定電圧パルス信号を出力する定電圧駆動回路と、前記スイッチング素子の動作条件のうち予め選定した動作条件をパラメータとして、前記定電流駆動回路および前記定電圧駆動回路のそれぞれで前記スイッチング素子を駆動させたときの、スイッチング損失および放射ノイズの一方または両方についての情報である回路特性情報を保持する回路特性情報保持部と、前記スイッチング素子の動作条件を検出する動作条件検出部と、前記動作条件検出部が検出した動作条件と、前記回路特性情報保持部が保持する回路特性情報に基づき、前記定電流駆動回路と前記定電圧駆動回路のうちのいずれか一方を前記スイッチング素子の駆動回路として切替える駆動回路切替部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のゲート駆動装置によれば、動作条件をパラメータとした特性情報と検出した動作条件にもとづいて、駆動方式の異なる駆動回路の中から適した駆動回路に切り替えるようにしたので、どのような動作条件でも、損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電圧駆動型スイッチング素子用のゲート駆動装置の構成を説明するための回路ブロック図である。
【図２】本発明者が見出し、本発明に至る契機となった、定電圧駆動回路と定電流駆動回路のそれぞれのスイッチング損失と放射ノイズ強度の相関関係の例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる電圧駆動型スイッチング素子用のゲート駆動装置の構成を説明するための回路ブロック図である。
【図４】電圧駆動型スイッチング素子を定電圧駆動回路で制御した場合の、ターンオン動作におけるコレクタ電流、コレクタ電圧およびゲート電圧の波形を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかる電圧駆動型スイッチング素子のゲート駆動装置の構成を説明するための回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１と図２は、本発明の実施の形態１にかかる電圧駆動型スイッチング素子用のゲート駆動装置を説明するためのもので、図１はゲート駆動装置の構成を説明するための回路ブロック図、図２は定電圧駆動回路と定電流駆動回路のそれぞれのスイッチング損失と放射ノイズ強度の相関関係の例を示す図である。
【００１２】
本発明の実施の形態１にかかる電圧駆動型スイッチング素子のゲート駆動装置について、電圧駆動型スイッチング素子としてＩＧＢＴを例に図１を用いて説明する。ゲート駆動装置１は、電圧駆動型スイッチング素子であるＩＧＢＴ２のゲートにパルス信号を出力することで、ＩＧＢＴ２のスイッチング動作を制御する回路である。図において、ゲート駆動装置１は、ゲート駆動信号として定電圧パルス信号を出力する定電圧駆動回路１１Ｖとゲート駆動信号として定電流パルス信号を出力する定電流駆動回路１１Ｃとで構成される駆動回路群１１と、駆動回路群１１内の２つの回路１１Ｖ、１１Ｃのうち、いずれか一方の回路からの信号をＩＧＢＴ２のゲートに出力するように駆動回路を切替える駆動出力切替部１２と、駆動出力切替部１２の切替動作を制御することで駆動動作を制御する駆動回路選択部１３とを備えている。なお、図中、ＩＧＢＴ２およびＩＧＢＴ２のスイッチング動作対象を含む電力変換器の主回路３（端子（丸印）外側の破線部分）の詳細については、記載を省略している。なお、ここではスイッチング素子としてＩＧＢＴを例とした場合について説明するが、スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の場合でも、本発明を適用できる。
【００１３】
駆動回路選択部１３には、ＩＧＢＴ２の動作条件を検出し、検出した動作条件を駆動回路選択部１３に出力する動作条件検出部１４と、駆動回路群１１内の２つの回路１１Ｖ、１１Ｃの駆動回路特性である動作条件ごとのスイッチング損失および放射ノイズレベルのデータを保持する回路特性情報保持部１５とが接続されている。そして、動作条件検出部１４は、電圧駆動型スイッチング素子２の動作条件を検出する回路であり、動作条件としては、素子温度、コレクタ電流（スイッチング素子２がＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン電流に対応）や主回路３の電圧等があるが、本実施の形態１では、このうち、ＩＧＢＴ２のコレクタ電流を検出し、検出したコレクタ電流の情報（動作条件情報）を駆動回路選択部１３に出力する。
【００１４】
駆動回路選択部１３は、動作条件検出部１４から入力されたコレクタ電流情報に基づき、回路特性情報保持部１５が保持する駆動回路特性情報のうち、検出したコレクタ電流に相当する駆動回路特性を回路特性情報保持部１５から取得する。そして、駆動回路選択部１３は、取得した駆動回路特性に基づき、２つの回路１１Ｖ、１１Ｃのうち、いずれの駆動回路の出力がＩＧＢＴ２を駆動制御するのに適しているかを判定し、適していると判定（選択）した駆動回路によりＩＧＢＴ２を制御するよう、駆動出力切替部１２の切替動作を制御する。つまり、駆動出力切替部１２と駆動回路選択部１３とで、駆動回路を切替えるための駆動回路切替部として機能する。
【００１５】
ここで、本発明者が見出し、本発明にいたる契機となった駆動方式の異なる駆動回路によるスイッチング損失と放射ノイズレベルとの相関関係について説明する。
背景技術でも述べたように、定電圧駆動回路において、ゲート抵抗を小さくするとスイッチング速度が速くなるためスイッチング損失は小さくなるが、その一方で、スイッチング素子から放射されるノイズ強度は大きくなる。逆に、ゲート抵抗を大きくするとスイッチング速度が遅くなるためスイッチング損失は大きくなるが、その一方で、スイッチング素子から放射されるノイズ強度は小さくなる。このように、スイッチング損失と放射ノイズ強度とはトレードオフの関係にある。同様に、定電流駆動回路においてもスイッチング損失と放射ノイズ強度とはトレードオフの関係にある。
【００１６】
定電圧駆動回路１１Ｖと定電流駆動回路１１Ｃそれぞれのスイッチング損失と放射ノイズの相関関係は、例えば図２に示すようなものとなる。図２は、ある特定の電圧駆動型スイッチング素子（パワー半導体素子）に対し、ある特定の動作条件（温度、電流、主回路３の電圧（電源電圧））における放射ノイズ強度（ノイズレベル：縦軸）のスイッチング損失（Ｅｌｏｓｓ：横軸）依存性を、定電圧駆動回路１１Ｖと定電流駆動回路１１Ｃのそれぞれに対して評価した結果を示したものである。図において、横軸にはさらに下側に２つの目盛を追加しており、追加分のうち上側は定電圧駆動における、放射ノイズレベルとスイッチング損失とに対応するゲート抵抗値Ｒｇ［Ω］を、下側は定電流駆動における、放射ノイズレベルとスイッチング損失とに対応するゲート電流の逆数値１／Ｉｇ［Ａ−１]を示している。
【００１７】
図２に示した例では、定電圧駆動回路１１Ｖと定電流駆動回路１１Ｃの放射ノイズ強度のスイッチング損失依存性が、Ｅｌｏｓｓ＝１００μＪ付近における交点ＣＰで交差している。Ｅｌｏｓｓ＜１００μＪでは同一スイッチング損失となる駆動回路定数を比較した場合、定電圧駆動回路での放射ノイズ強度の方が定電流回路での放射ノイズ強度より小さく、逆にＥｌｏｓｓ＞１００μＪでは定電流駆動回路での放射ノイズ強度の方が定電圧駆動回路での放射ノイズ強度より小さいことを表している。
【００１８】
ここで、スイッチング損失は、スイッチング素子の動作条件、即ち、スイッチング素子温度、主回路３の電圧、コレクタ電流またはドレイン電流を規定することにより、定電圧駆動回路においてはゲート抵抗、定電流駆動回路においてはゲート電流と一対一で対応する。定電圧駆動回路１１Ｖではゲート抵抗Ｒｇを大きくすることによりスイッチング損失が増加し、定電流駆動回路ではゲート電流Ｉｇを小さくすることによりスイッチング損失が増加する。このことから、図２に示すように横軸に定電圧駆動回路のゲート抵抗Ｒｇ、定電流駆動回路のゲート電流の逆数１／Ｉｇを同時に表現することができる。
【００１９】
このとき、例えば、同じ駆動方式の回路を複数使用して図２のように相関関係を表した場合、それぞれの駆動回路を使って所定のスイッチング素子を駆動した場合のスイッチング損失および放射ノイズレベルは、ひとつの相関関係の線上に載る。そのため、それぞれの駆動回路間のスイッチング損失および放射ノイズレベルの大小関係は、動作条件が変化しても変わることはない。そのため、所定の閾値を用いて回路を入れ替えることにより、スイッチング損失あるいは放射ノイズレベルを所望の方向へ変更することができた。
【００２０】
しかし、本発明者が定電流駆動方式と定電圧駆動方式という異なる駆動方式の相関関係を検討したところ、２つの相関関係を示す線の上下関係が逆転する位置（例えば図２における交点ＣＰ）が動作条件によって変化し、場合によっては交点を境とする上限関係が逆転することもあることがわかった。つまり、単に特定の動作条件に対して定めた閾値に対する大小関係だけでは最適な駆動回路に切り替えることができないことがわかった。
【００２１】
そこで、本発明の実施の形態１にかかるゲート駆動装置１では、駆動方式の異なる２つの駆動回路１１Ｖ、１１Ｃのコレクタ電流をパラメータとした駆動回路特性を保持する回路特性情報保持部１５を有し、駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの切替を制御する駆動回路選択部１３が、検出した動作条件に相当する駆動回路特性に基づき、２つの駆動回路１１Ｖ、１１Ｃのうち、いずれの駆動回路の出力がＩＧＢＴ２を駆動制御するのに適しているかを選定し、選定した駆動回路によりＩＧＢＴ２を制御するよう、駆動出力切替部１２の切替動作を制御することとした。
【００２２】
ここで、２つの駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの仕様設定と、駆動動作制御における駆動回路の選定について説明する。
スイッチング素子を用いて構成される電力変換器には、サイズ、あるいは、冷却性能に応じてスイッチング素子のスイッチング損失に関して許容レベルが存在するため、定電圧駆動回路１１Ｖではゲート抵抗値Ｒｇ、定電流駆動回路１１Ｃではゲート電流値の逆数１／Ｉｇに対して上限値が存在する。また、ＣＩＳＰＲ( Comite International Special des Perturbations Radioelectriques( International Special Committee on Radio Interference ))の規格により放射ノイズレベルにも許容レベルが存在するため、定電圧駆動回路１１Ｖではゲート抵抗値Ｒｇ、定電流駆動回路１１Ｃではゲート電流値の逆数１／Ｉｇに対して下限値が存在する。
【００２３】
したがって、定電圧駆動回路１１Ｖのゲート抵抗値Ｒｇ、定電流駆動回路のゲート電流値の逆数１／Ｉｇは、所定範囲の中に収める必要があり、図２のような相関関係の中では左右および上限方向の両端を除いた領域の中で設定することになる。例えば、本実施の形態１においては、定電圧駆動回路１１Ｖのゲート抵抗値ＲｇをＳＲ、定電流駆動回路１１Ｃのゲート電流値の逆数１／ＩｇをＳＩに定めている。このとき、図２の相関関係を示す動作条件では、スイッチング損失Ｅｌｏｓｓについては、同程度（８０μＪ）ではあるが、放射ノイズレベルについては、定電圧駆動回路１１Ｖの方が有利（低放射ノイズ）になっている。
【００２４】
つまり、本実施の形態１においては、駆動回路１１Ｖと１１Ｃとで、スイッチング損失が同程度となる仕様にし、放射ノイズレベルの大小関係が動作条件で変化することに着目し、回路特性として動作条件と放射ノイズレベルの関係を保持し、どのような動作条件でも放射ノイズレベルが低くなる駆動回路を選定するようにした。
【００２５】
表１に、仕様を決定した駆動回路１１Ｖと１１Ｃについて、動作条件としてコレクタ電流が異なる場合に、それぞれ回路特性情報保持部１５から駆動回路選択部１３に出力される駆動回路特性を示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】
表１に示すように、コレクタ電流が３０Ａのとき（図２の相関に相当）も１０Ａのときも両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃのスイッチング損失は同程度の値であった。一方、放射ノイズレベルについて見ると、コレクタ電流が３０Ａのときは、定電圧駆動回路１１Ｖで駆動した場合の方が、定電流駆動回路１１Ｃで駆動した場合よりも放射ノイズレベルが低い。しかし、コレクタ電流が１０Ａのときは、逆に定電流駆動回路１１Ｃで駆動した場合の方が、定電圧駆動回路１１Ｖで駆動した場合よりも放射ノイズレベルが低くなっており、両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの放射ノイズレベルについての特性は逆転している。
【００２８】
そのため、動作条件として検出したコレクタ電流が３０Ａのときは、駆動回路選択部１３は、入力された駆動回路特性に基づき、放射ノイズレベルが低い定電圧駆動回路１１Ｖの方が適していると判定し、選定した定電圧駆動回路１１ＶによりＩＧＢＴ２を制御するよう、駆動出力切替部１２の切替動作を制御する。一方、コレクタ電流が１０Ａのときは、放射ノイズレベルが低い定電流駆動回路１１Ｃの方が適していると判定し、選定した定電流駆動回路１１ＣによりＩＧＢＴ２を制御するよう、駆動出力切替部１２の切替動作を制御する。
【００２９】
なお、回路特性情報保持部１５が保持する両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃのそれぞれでスイッチング素子２を駆動させたときの特性としては、例示したコレクタ電流（またはドレイン電流）の他に、スイッチング素子２の素子温度、および主回路３の電圧などをパラメータとしたものが適している。さらに、これら３つのパラメータの組み合わせに対する両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの特性を保持することで、より多様な動作条件に適した駆動回路に切り替えることが可能となる。
【００３０】
また、主回路３の電圧が一定あるいは一定とみなせる場合、素子温度およびコレクタ電流（またはドレイン電流）のいずれか一方、好ましくは組み合わせをパラメータとしてスイッチング損失と放射ノイズの関係のデータベースを保持するようにしてもよい。このようにして、回路特性情報保持部１５が動作条件（温度、電流、主回路３の電圧）に応じた両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの特性（スイッチング損失と放射ノイズ）を保持することにより、駆動回路選択部１３は、動作条件検出部１４が検出した動作条件情報に基づいてその動作条件に対応した両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの特性に応じて最適な駆動回路を選定できるようになる。
【００３１】
ここで、回路特性情報保持部１５が保持するデータベースが動作条件に対して離散的であり、動作条件検出部１４から入力された動作条件に一致する動作条件がない場合、駆動回路選択部１３は、入力された動作条件（温度、電流、主回路３の電圧）近傍の特性を例えば線形補間や近似式などの手法を用いて内挿（または外挿）した特性を用いて、その動作条件に適した駆動回路を選定するようにしてもよい。
【００３２】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかるゲート駆動装置１によれば、スイッチング素子である電圧駆動型スイッチング素子２（ＩＧＢＴ）を駆動制御するために、ゲート駆動信号を出力する複数の駆動回路を切替えて使用するゲート駆動装置１であって、ゲート駆動信号として、定電流パルス信号を出力する定電流駆動回路１１Ｃと、ゲート駆動信号として、定電圧パルス信号を出力する定電圧駆動回路１１Ｖと、スイッチング素子２の動作条件（素子温度、コレクタ電流、主回路３の電圧）のうち予め選定した動作条件をパラメータとして、定電流駆動回路１１Ｃおよび定電圧駆動回路１１Ｖのそれぞれでスイッチング素子２を駆動させたときの、スイッチング損失および放射ノイズの一方または両方についての情報である回路特性情報を保持する回路特性情報保持部１５と、スイッチング素子２の動作条件を検出する動作条件検出部１４と、動作条件検出部１４が検出した動作条件と、回路特性情報保持部１５が保持する回路特性情報に基づき、定電流駆動回路１１Ｃと定電圧駆動回路１１Ｖのうちのいずれか一方をスイッチング素子２の駆動回路として切替える駆動回路切替部（駆動出力切替部１２、駆動回路選択部１３）とを備えるように構成したので、動作条件が変化しても、損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できる。
【００３３】
とくに、回路特性情報保持部１５が予め保持し、動作条件検出部１４が検出する予め選定した動作条件として、スイッチング素子２の温度、スイッチング素子２のコレクタ電流（またはドレイン電流）、および当該スイッチング素子２を用いて構成される（電力変換装置の）主回路３の電圧のうちの少なくともいずれか、またはそれらの組み合わせにすれば、定電圧駆動回路１１Ｖと定電流駆動回路１１Ｃの放射ノイズあるいはスイッチング損失特性が逆転する動作条件を網羅できるので、動作条件が変化しても所望の損失特性およびノイズ特性でスイッチング制御を実現できる。
【００３４】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２にかかるゲート駆動装置は、実施の形態１にかかるゲート駆動装置に対し、ターンオン動作時にコレクタ電圧の変化量が所定値に達する時点までの期間と、その時点以降の期間とによって、駆動回路の切り替えを判断する基準を変更するようにしたものである。その他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。図３と図４は、本実施の形態２にかかるゲート駆動装置の構成および動作を説明するためのもので、図３は駆動装置の構成を説明するための回路ブロック図、図４はスイッチング素子２を定電圧駆動回路１１Ｖで制御した場合の、ターンオン動作におけるコレクタ電流、コレクタ電圧およびゲート電圧の波形を示す図である。
【００３５】
本実施の形態２にかかるゲート駆動装置１は、実施の形態１で説明した図１と比較して、図３に示すように、スイッチング素子２のコレクタ電圧Ｖｃｅを検出するコレクタ電圧検出部１６をさらに備え、駆動回路選択部１３は、ターンオン動作において、コレクタ電圧Ｖｃｅの変化量が所定値に達する時点ｔ２までの期間と、時点ｔ２以降の期間とによって、駆動回路の切り替えを判断する基準を変更するようにしたものである。
【００３６】
本実施の形態２にかかるゲート駆動装置１において、上記のような構成を採用した理由について図４を用いて説明する。
図４は、電圧駆動型スイッチング素子２の駆動出力として、定電圧駆動回路１１Ｖからの定電圧パルス信号を用いてターンオン動作したときの信号波形を示したものである。図中、横軸は共通の時間軸で、縦軸は上段からそれぞれコレクタ電流Ｉｃ、コレクタ電圧Ｖｃｅおよびゲート電圧Ｖｇｅを示す。ここでは、電圧駆動型スイッチング素子としてＩＧＢＴ２を用いた場合を例に説明する。ＩＧＢＴ２のゲート・エミッタ端子間に印加するゲート電圧Ｖｇｅが上昇して閾値Ｖｔｈを超える（時点ｔ１）と、ＩＧＢＴ２はターンオンしコレクタ電流Ｉｃが流れ始める。このとき、ＩＧＢＴ２のコレクタ電圧Ｖｃｅは、主回路３の（配線の）寄生インダクタンスＬとＩＧＢＴ２を流れるコレクタ電流Ｉｃの時間変化率（ｄＩＣ／ｄｔ）との積Ｌ×（ｄＩＣ／ｄｔ）分だけ主回路３の電圧ＶＳ（電源電圧）から電圧降下する。その後、ゲート電圧Ｖｇｅがミラー期間と呼ばれる電圧が一定となる期間を経て所定の電圧まで上昇し、コレクタ電圧Ｖｃｅは０Ｖまで低下していき、コレクタ電流Ｉｃは所定の値となる。
【００３７】
放射ノイズはターンオン動作時におけるコレクタ電圧Ｖｃｅの急激な減少に伴って発生することが知られている。放射ノイズとスイッチング損失はトレードオフの関係にあることから、放射ノイズを抑制するためにスイッチング速度を遅くするとスイッチング損失が大きくなり、冷却器のサイズ、即ち、電力変換器のサイズが大きくなってしまう。電力変換器は、一般に主回路３の寄生インダクタンスが小さくなるように設計することから、ターンオン動作におけるＬ×（ｄＩＣ／ｄｔ）によるコレクタ電圧Ｖｃｅの電圧降下は小さい。そのため、ターンオン動作においてコレクタ電圧Ｖｃｅが急激に減少するのは、Ｌ×（ｄＩＣ／ｄｔ）による電圧降下の直後である。
【００３８】
そこで、コレクタ電圧Ｖｃｅを検出し、ターンオン動作時においてコレクタ電圧Ｖｃｅが主回路３の電圧ＶＳ−Ｌ×（ｄＩＣ／ｄｔ）となる時点、つまりターンオンした時点ｔ１からのコレクタ電圧Ｖｃｅの変化量がＬ×（ｄＩＣ／ｄｔ）に達する時点ｔ２までの期間は放射ノイズが小さくなる駆動回路を優先的に適用し、時点ｔ２以降ではスイッチング損失が小さくなる駆動回路を優先的に適用する。このように、ターンオン動作におけるコレクタ電圧に基づいて、駆動回路を切り替える判断基準を変更することにより、電圧駆動型スイッチング素子２を低スイッチング損失かつ低放射ノイズで駆動することができる。
【００３９】
また、スイッチング損失と放射ノイズの相関関係は動作条件で異なるため、一回一回のスイッチング動作時における素子温度やコレクタ電流（またはドレイン電流）値に応じた回路特性情報に基づき、スイッチング損失あるいは放射ノイズの小さな駆動回路を選択して切り替えることにより、低スイッチング損失と低ノイズを実現することができる。
【００４０】
以上のように、本実施の形態２にかかるゲート駆動装置１によれば、電圧駆動型スイッチング素子であるＩＧＢＴ２のコレクタ電圧Ｖｃｅを検出するコレクタ電圧検出部１６を備え、駆動回路切替部を構成する駆動回路選択部１３は、ターンオン動作におけるスイッチング素子であるＩＧＢＴ２のコレクタ電圧Ｖｃｅの変化量が、所定値に達する時点ｔ２までの期間は、放射ノイズが小さくなる駆動回路を選択し、時点ｔ２以降はスイッチング損失が低くなる駆動回路を選択するように構成したので、ターンオン動作時の特性に応じて、最適な駆動回路を選択することにより、動作条件が変化しても、よりスイッチング損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できる。
【００４１】
とくに、所定値として、主回路３の寄生インダクタンスＬとコレクタ電流Ｉｃの時間変化率（ｄＩＣ／ｄｔ）の積に相当する値にしたので、動作条件が変化しても、よりスイッチング損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できる。
【００４２】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３にかかるゲート駆動装置は、実施の形態２にかかるゲート駆動装置に対し、ターンオン動作時にゲート電圧が一定値を保つ期間に入る時点までの期間と、その時点以降の期間とによって、駆動回路の切り替えを判断する基準を変更するようにしたものである。その他の構成および動作については実施の形態２と同様であるので説明を省略する。図５は、本実施の形態３にかかるゲート駆動装置の構成および動作を説明するための回路ブロック図である。なお、本実施の形態３においても、実施の形態２の動作の説明に用いた図４を使用する。
【００４３】
本実施の形態３にかかるゲート駆動装置１は、実施の形態２で説明した図３と比較して、図５に示すように、コレクタ電圧検出部１６の代わりに、スイッチング素子２のゲート電圧を検出するゲート電圧検出部１７を備え、駆動回路選択部１３は、ターンオン動作時にゲート電圧Ｖｇｅが所定条件に達する時点ｔ３までの期間と、時点ｔ３以降の期間とによって、駆動回路の切り替えを判断する基準を変更するようにしたものである。
【００４４】
本実施の形態３にかかるゲート駆動装置１において、上記のような構成を採用した理由について図４を用いて説明する。
図４に示したように、ＩＧＢＴ２のゲート・エミッタ端子間に印加するゲート電圧Ｖｇｅが上昇して閾値Ｖｔｈを超えると、ＩＧＢＴ２はターンオンしコレクタ電流Ｉｃが流れ始める。その後、ゲート電圧Ｖｇｅがミラー期間と呼ばれる電圧が一定となる期間を経て所定の電圧まで上昇し、コレクタ電圧Ｖｃｅは０Ｖまで低下していき、コレクタ電流Ｉｃは所定の値となる。
【００４５】
ターンオン動作時におけるコレクタ電圧Ｖｃｅの急激な減少に伴って放射ノイズが発生することから、ゲート電圧Ｖｇｅを検出し、ゲート電圧Ｖｇｅが所定の条件に達する時点ｔ３までの期間は放射ノイズが小さくなる駆動回路を優先的に適用し、その後、スイッチング損失が小さくなる駆動回路を優先的に適用する。このように、ターンオン動作において、ゲート電圧Ｖｇｅが所定の条件に達するまでの時点ｔ３を境に駆動回路の選定基準を変化させることで、電圧駆動型スイッチング素子２を低スイッチング損失かつ低放射ノイズで駆動制御することができる。所定の条件としては、例えば、ミラー期間と呼ばれるゲート電圧Ｖｇｅが所定期間一定値となるミラー電圧Ｖｍを示すことを確認できた状態とすることが考えられる。
【００４６】
また、スイッチング損失と放射ノイズの相関関係は動作条件で異なるため、一回一回のスイッチング動作時における素子温度やコレクタ電流（またはドレイン電流）値に応じた回路特性情報に基づき、スイッチング損失あるいは放射ノイズの小さな駆動回路を選択して切り替えることにより、低スイッチング損失と低ノイズを実現することができる。
【００４７】
以上のように、本実施の形態３にかかる本実施の形態２にかかるゲート駆動装置１によれば、電圧駆動型スイッチング素子であるＩＧＢＴ２のゲート電圧Ｖｇｅを検出するゲート電圧検出部１７を備え、駆動回路切替部を構成する駆動回路選択部１３は、ターンオン動作において、ゲート電圧Ｖｇｅが所定条件に達する時点ｔ３までの期間は、放射ノイズが小さくなる駆動回路を選択し、時点ｔ３以降はスイッチング損失が低くなる駆動回路を選択するように構成したので、ターンオン動作時の特性に応じて、最適な駆動回路を選択することにより、動作条件が変化しても、より損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できる。
【００４８】
とくに、所定条件として、ゲート電圧Ｖｇｅが所定期間一定値Ｖｍを示すこととしたので、ターンオン動作時の特性に応じて、最適な駆動回路を選択することにより、動作条件が変化しても、より損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できる。
【００４９】
なお、本実施の形態３においても、スイッチング素子としてＩＧＢＴを適用した例に説明したが、ＭＯＳＦＥＴを適用してもよい。ＭＯＳＦＥＴを適用する場合、ＩＧＢＴにおけるコレクタ電流、コレクタ電圧は、それぞれドレイン電流、ドレイン電圧に対応する。
【符号の説明】
【００５０】
１ ゲート駆動装置、 ２ スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、 ３ 主回路、
１１ 駆動回路群（１１Ｖ：定電圧駆動回路、１１Ｃ：定電流駆動回路）、 １２ 駆動出力切替部（駆動回路切替部）、 １３ 駆動回路選択部（駆動回路切替部）、 １４ 動作条件検出部、 １５ 回路特性情報保持部、 １６ コレクタ電圧検出部、 １７ ゲート電圧検出部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング素子を駆動制御するゲート駆動装置に関するもので、とくに電圧駆動型スイッチング素子を駆動するゲート駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のゲート駆動装置では、電圧駆動型スイッチング素子のゲート端子へ定電圧パルスを出力したり、定電流パルスを出力したりすることにより、スイッチング動作を制御している。このようなパルス状の信号駆動によるスイッチング動作では、原理的に放射ノイズとスイッチング損失発生が伴う。そこで、放射ノイズとスイッチング損失を低減するために、電圧駆動型スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のゲート電圧、コレクタ電圧を検出し、その検出値に基づいて定電圧駆動におけるゲート駆動電圧を数段階に可変するゲート駆動装置（例えば、特許文献１、２参照。）や、２つの定電流駆動回路を用い、ターンオン動作の初期状態ではひとつの駆動回路だけでＩＧＢＴを駆動し、ゲート電圧が所定値以上の値となった場合、もう一つの定電流駆動回路も動作させて駆動電流を変化させる駆動回路（例えば、特許文献３参照。）などが提案されている。
【０００３】
さらに、定電圧駆動回路と定電流駆動回路を備え、ターンオン動作において、ゲート電圧が閾値に達するまでは定電流駆動回路を用い、閾値を超えると定電圧駆動回路に駆動回路を切替えるゲート駆動装置（例えば、特許文献４参照。）も提案されている。
【０００４】
定電圧駆動回路では、ゲート抵抗値を変更することによりスイッチング速度が変わり、ゲート抵抗を小さくするとスイッチング速度が速くなるため、スイッチング損失は小さくなるが、逆に、スイッチング素子から放射される放射ノイズ強度は大きくなる。また、定電流駆動回路では、ゲート電流値を変更することによりスイッチング速度が変わり、ゲート電流を大きくするとスイッチング速度が速くなるため、スイッチング損失は小さくなるが、逆に、スイッチング素子から放射されるノイズ強度は大きくなる。このようにスイッチング損失と放射ノイズ強度は、駆動回路方式によらずトレードオフの関係にあり、上記各特許文献では、特性の異なる回路を動作条件に応じて切り替えることで、スイッチング損失あるいは放射ノイズを許容範囲内に収めるようにしているのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−９２６６３号公報（段落００２３〜００２５、図２、３）
【特許文献２】特開平９−４６２０１号公報（段落００４４〜００４５、００６１〜００６３、図３、４）
【特許文献３】特開２００８−２９０５９号公報（段落００１１〜００２１、図１，２）
【特許文献４】特開２００９−９５１６６号公報（段落００１６〜００４７、図１，２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、損失と放射ノイズがトレードオフの関係にあるとはいえ、そのトレードオフの関係は常に一定ではなく、動作条件によって変化する。そして、本発明者らは、とくに、定電流駆動回路と定電圧駆動回路のように駆動方式が異なる回路を備えた場合、ある条件では一方の回路がノイズあるいは損失特性が有利であっても、運転条件によっては、他方の回路の方が有利になる逆転現象があることを見出した。つまり、上記のようにある閾値を超えたか否かで切り替える回路を固定した場合、条件によっては逆に放射ノイズあるいは損失を増大させる可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、動作条件が変化しても、損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できるゲート駆動装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のゲート駆動装置は、スイッチング素子を駆動制御するために、ゲート駆動信号を出力する複数の駆動回路を切替えて使用するゲート駆動装置であって、前記ゲート駆動信号として、定電流パルス信号を出力する定電流駆動回路と、前記ゲート駆動信号として、定電圧パルス信号を出力する定電圧駆動回路と、前記スイッチング素子の動作条件のうち予め選定した動作条件をパラメータとして、前記定電流駆動回路および前記定電圧駆動回路のそれぞれで前記スイッチング素子を駆動させたときの、スイッチング損失および放射ノイズの一方または両方についての情報である回路特性情報を保持する回路特性情報保持部と、前記スイッチング素子の動作条件を検出する動作条件検出部と、前記動作条件検出部が検出した動作条件と、前記回路特性情報保持部が保持する回路特性情報に基づき、前記定電流駆動回路と前記定電圧駆動回路のうちのいずれか一方を前記スイッチング素子の駆動回路として切替える駆動回路切替部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のゲート駆動装置によれば、動作条件をパラメータとした特性情報と検出した動作条件にもとづいて、駆動方式の異なる駆動回路の中から適した駆動回路に切り替えるようにしたので、どのような動作条件でも、損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電圧駆動型スイッチング素子用のゲート駆動装置の構成を説明するための回路ブロック図である。
【図２】本発明者が見出し、本発明に至る契機となった、定電圧駆動回路と定電流駆動回路のそれぞれのスイッチング損失と放射ノイズ強度の相関関係の例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる電圧駆動型スイッチング素子用のゲート駆動装置の構成を説明するための回路ブロック図である。
【図４】電圧駆動型スイッチング素子を定電圧駆動回路で制御した場合の、ターンオン動作におけるコレクタ電流、コレクタ電圧およびゲート電圧の波形を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかる電圧駆動型スイッチング素子のゲート駆動装置の構成を説明するための回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１と図２は、本発明の実施の形態１にかかる電圧駆動型スイッチング素子用のゲート駆動装置を説明するためのもので、図１はゲート駆動装置の構成を説明するための回路ブロック図、図２は定電圧駆動回路と定電流駆動回路のそれぞれのスイッチング損失と放射ノイズ強度の相関関係の例を示す図である。
【００１２】
本発明の実施の形態１にかかる電圧駆動型スイッチング素子のゲート駆動装置について、電圧駆動型スイッチング素子としてＩＧＢＴを例に図１を用いて説明する。ゲート駆動装置１は、電圧駆動型スイッチング素子であるＩＧＢＴ２のゲートにパルス信号を出力することで、ＩＧＢＴ２のスイッチング動作を制御する回路である。図において、ゲート駆動装置１は、ゲート駆動信号として定電圧パルス信号を出力する定電圧駆動回路１１Ｖとゲート駆動信号として定電流パルス信号を出力する定電流駆動回路１１Ｃとで構成される駆動回路群１１と、駆動回路群１１内の２つの回路１１Ｖ、１１Ｃのうち、いずれか一方の回路からの信号をＩＧＢＴ２のゲートに出力するように駆動回路を切替える駆動出力切替部１２と、駆動出力切替部１２の切替動作を制御することで駆動動作を制御する駆動回路選択部１３とを備えている。なお、図中、ＩＧＢＴ２およびＩＧＢＴ２のスイッチング動作対象を含む電力変換器の主回路３（端子（丸印）外側の破線部分）の詳細については、記載を省略している。なお、ここではスイッチング素子としてＩＧＢＴを例とした場合について説明するが、スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の場合でも、本発明を適用できる。
【００１３】
駆動回路選択部１３には、ＩＧＢＴ２の動作条件を検出し、検出した動作条件を駆動回路選択部１３に出力する動作条件検出部１４と、駆動回路群１１内の２つの回路１１Ｖ、１１Ｃの駆動回路特性である動作条件ごとのスイッチング損失および放射ノイズレベルのデータを保持する回路特性情報保持部１５とが接続されている。そして、動作条件検出部１４は、電圧駆動型スイッチング素子２の動作条件を検出する回路であり、動作条件としては、素子温度、コレクタ電流（スイッチング素子２がＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン電流に対応）や主回路３の電圧等があるが、本実施の形態１では、このうち、ＩＧＢＴ２のコレクタ電流を検出し、検出したコレクタ電流の情報（動作条件情報）を駆動回路選択部１３に出力する。
【００１４】
駆動回路選択部１３は、動作条件検出部１４から入力されたコレクタ電流情報に基づき、回路特性情報保持部１５が保持する駆動回路特性情報のうち、検出したコレクタ電流に相当する駆動回路特性を回路特性情報保持部１５から取得する。そして、駆動回路選択部１３は、取得した駆動回路特性に基づき、２つの回路１１Ｖ、１１Ｃのうち、いずれの駆動回路の出力がＩＧＢＴ２を駆動制御するのに適しているかを判定し、適していると判定（選択）した駆動回路によりＩＧＢＴ２を制御するよう、駆動出力切替部１２の切替動作を制御する。つまり、駆動出力切替部１２と駆動回路選択部１３とで、駆動回路を切替えるための駆動回路切替部として機能する。
【００１５】
ここで、本発明者が見出し、本発明にいたる契機となった駆動方式の異なる駆動回路によるスイッチング損失と放射ノイズレベルとの相関関係について説明する。
背景技術でも述べたように、定電圧駆動回路において、ゲート抵抗を小さくするとスイッチング速度が速くなるためスイッチング損失は小さくなるが、その一方で、スイッチング素子から放射されるノイズ強度は大きくなる。逆に、ゲート抵抗を大きくするとスイッチング速度が遅くなるためスイッチング損失は大きくなるが、その一方で、スイッチング素子から放射されるノイズ強度は小さくなる。このように、スイッチング損失と放射ノイズ強度とはトレードオフの関係にある。同様に、定電流駆動回路においてもスイッチング損失と放射ノイズ強度とはトレードオフの関係にある。
【００１６】
定電圧駆動回路１１Ｖと定電流駆動回路１１Ｃそれぞれのスイッチング損失と放射ノイズの相関関係は、例えば図２に示すようなものとなる。図２は、ある特定の電圧駆動型スイッチング素子（パワー半導体素子）に対し、ある特定の動作条件（温度、電流、主回路３の電圧（電源電圧））における放射ノイズ強度（ノイズレベル：縦軸）のスイッチング損失（Ｅｌｏｓｓ：横軸）依存性を、定電圧駆動回路１１Ｖと定電流駆動回路１１Ｃのそれぞれに対して評価した結果を示したものである。図において、横軸にはさらに下側に２つの目盛を追加しており、追加分のうち上側は定電圧駆動における、放射ノイズレベルとスイッチング損失とに対応するゲート抵抗値Ｒｇ［Ω］を、下側は定電流駆動における、放射ノイズレベルとスイッチング損失とに対応するゲート電流の逆数値１／Ｉｇ［Ａ−１]を示している。
【００１７】
図２に示した例では、定電圧駆動回路１１Ｖと定電流駆動回路１１Ｃの放射ノイズ強度のスイッチング損失依存性が、Ｅｌｏｓｓ＝１００μＪ付近における交点ＣＰで交差している。Ｅｌｏｓｓ＜１００μＪでは同一スイッチング損失となる駆動回路定数を比較した場合、定電圧駆動回路での放射ノイズ強度の方が定電流回路での放射ノイズ強度より小さく、逆にＥｌｏｓｓ＞１００μＪでは定電流駆動回路での放射ノイズ強度の方が定電圧駆動回路での放射ノイズ強度より小さいことを表している。
【００１８】
ここで、スイッチング損失は、スイッチング素子の動作条件、即ち、スイッチング素子温度、主回路３の電圧、コレクタ電流またはドレイン電流を規定することにより、定電圧駆動回路においてはゲート抵抗、定電流駆動回路においてはゲート電流と一対一で対応する。定電圧駆動回路１１Ｖではゲート抵抗Ｒｇを大きくすることによりスイッチング損失が増加し、定電流駆動回路ではゲート電流Ｉｇを小さくすることによりスイッチング損失が増加する。このことから、図２に示すように横軸に定電圧駆動回路のゲート抵抗Ｒｇ、定電流駆動回路のゲート電流の逆数１／Ｉｇを同時に表現することができる。
【００１９】
このとき、例えば、同じ駆動方式の回路を複数使用して図２のように相関関係を表した場合、それぞれの駆動回路を使って所定のスイッチング素子を駆動した場合のスイッチング損失および放射ノイズレベルは、ひとつの相関関係の線上に載る。そのため、それぞれの駆動回路間のスイッチング損失および放射ノイズレベルの大小関係は、動作条件が変化しても変わることはない。そのため、所定の閾値を用いて回路を入れ替えることにより、スイッチング損失あるいは放射ノイズレベルを所望の方向へ変更することができた。
【００２０】
しかし、本発明者が定電流駆動方式と定電圧駆動方式という異なる駆動方式の相関関係を検討したところ、２つの相関関係を示す線の上下関係が逆転する位置（例えば図２における交点ＣＰ）が動作条件によって変化し、場合によっては交点を境とする上限関係が逆転することもあることがわかった。つまり、単に特定の動作条件に対して定めた閾値に対する大小関係だけでは最適な駆動回路に切り替えることができないことがわかった。
【００２１】
そこで、本発明の実施の形態１にかかるゲート駆動装置１では、駆動方式の異なる２つの駆動回路１１Ｖ、１１Ｃのコレクタ電流をパラメータとした駆動回路特性を保持する回路特性情報保持部１５を有し、駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの切替を制御する駆動回路選択部１３が、検出した動作条件に相当する駆動回路特性に基づき、２つの駆動回路１１Ｖ、１１Ｃのうち、いずれの駆動回路の出力がＩＧＢＴ２を駆動制御するのに適しているかを選定し、選定した駆動回路によりＩＧＢＴ２を制御するよう、駆動出力切替部１２の切替動作を制御することとした。
【００２２】
ここで、２つの駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの仕様設定と、駆動動作制御における駆動回路の選定について説明する。
スイッチング素子を用いて構成される電力変換器には、サイズ、あるいは、冷却性能に応じてスイッチング素子のスイッチング損失に関して許容レベルが存在するため、定電圧駆動回路１１Ｖではゲート抵抗値Ｒｇ、定電流駆動回路１１Ｃではゲート電流値の逆数１／Ｉｇに対して上限値が存在する。また、ＣＩＳＰＲ( Comite International Special des Perturbations Radioelectriques( International Special Committee on Radio Interference ))の規格により放射ノイズレベルにも許容レベルが存在するため、定電圧駆動回路１１Ｖではゲート抵抗値Ｒｇ、定電流駆動回路１１Ｃではゲート電流値の逆数１／Ｉｇに対して下限値が存在する。
【００２３】
したがって、定電圧駆動回路１１Ｖのゲート抵抗値Ｒｇ、定電流駆動回路のゲート電流値の逆数１／Ｉｇは、所定範囲の中に収める必要があり、図２のような相関関係の中では左右および上限方向の両端を除いた領域の中で設定することになる。例えば、本実施の形態１においては、定電圧駆動回路１１Ｖのゲート抵抗値ＲｇをＳＲ、定電流駆動回路１１Ｃのゲート電流値の逆数１／ＩｇをＳＩに定めている。このとき、図２の相関関係を示す動作条件では、スイッチング損失Ｅｌｏｓｓについては、同程度（８０μＪ）ではあるが、放射ノイズレベルについては、定電圧駆動回路１１Ｖの方が有利（低放射ノイズ）になっている。
【００２４】
つまり、本実施の形態１においては、駆動回路１１Ｖと１１Ｃとで、スイッチング損失が同程度となる仕様にし、放射ノイズレベルの大小関係が動作条件で変化することに着目し、回路特性として動作条件と放射ノイズレベルの関係を保持し、どのような動作条件でも放射ノイズレベルが低くなる駆動回路を選定するようにした。
【００２５】
表１に、仕様を決定した駆動回路１１Ｖと１１Ｃについて、動作条件としてコレクタ電流が異なる場合に、それぞれ回路特性情報保持部１５から駆動回路選択部１３に出力される駆動回路特性を示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】
表１に示すように、コレクタ電流が３０Ａのとき（図２の相関に相当）も１０Ａのときも両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃのスイッチング損失は同程度の値であった。一方、放射ノイズレベルについて見ると、コレクタ電流が３０Ａのときは、定電圧駆動回路１１Ｖで駆動した場合の方が、定電流駆動回路１１Ｃで駆動した場合よりも放射ノイズレベルが低い。しかし、コレクタ電流が１０Ａのときは、逆に定電流駆動回路１１Ｃで駆動した場合の方が、定電圧駆動回路１１Ｖで駆動した場合よりも放射ノイズレベルが低くなっており、両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの放射ノイズレベルについての特性は逆転している。
【００２８】
そのため、動作条件として検出したコレクタ電流が３０Ａのときは、駆動回路選択部１３は、入力された駆動回路特性に基づき、放射ノイズレベルが低い定電圧駆動回路１１Ｖの方が適していると判定し、選定した定電圧駆動回路１１ＶによりＩＧＢＴ２を制御するよう、駆動出力切替部１２の切替動作を制御する。一方、コレクタ電流が１０Ａのときは、放射ノイズレベルが低い定電流駆動回路１１Ｃの方が適していると判定し、選定した定電流駆動回路１１ＣによりＩＧＢＴ２を制御するよう、駆動出力切替部１２の切替動作を制御する。
【００２９】
なお、回路特性情報保持部１５が保持する両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃのそれぞれでスイッチング素子２を駆動させたときの特性としては、例示したコレクタ電流（またはドレイン電流）の他に、スイッチング素子２の素子温度、および主回路３の電圧などをパラメータとしたものが適している。さらに、これら３つのパラメータの組み合わせに対する両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの特性を保持することで、より多様な動作条件に適した駆動回路に切り替えることが可能となる。
【００３０】
また、主回路３の電圧が一定あるいは一定とみなせる場合、素子温度およびコレクタ電流（またはドレイン電流）のいずれか一方、好ましくは組み合わせをパラメータとしてスイッチング損失と放射ノイズの関係のデータベースを保持するようにしてもよい。このようにして、回路特性情報保持部１５が動作条件（温度、電流、主回路３の電圧）に応じた両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの特性（スイッチング損失と放射ノイズ）を保持することにより、駆動回路選択部１３は、動作条件検出部１４が検出した動作条件情報に基づいてその動作条件に対応した両駆動回路１１Ｖ、１１Ｃの特性に応じて最適な駆動回路を選定できるようになる。
【００３１】
ここで、回路特性情報保持部１５が保持するデータベースが動作条件に対して離散的であり、動作条件検出部１４から入力された動作条件に一致する動作条件がない場合、駆動回路選択部１３は、入力された動作条件（温度、電流、主回路３の電圧）近傍の特性を例えば線形補間や近似式などの手法を用いて内挿（または外挿）した特性を用いて、その動作条件に適した駆動回路を選定するようにしてもよい。
【００３２】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかるゲート駆動装置１によれば、スイッチング素子である電圧駆動型スイッチング素子２（ＩＧＢＴ）を駆動制御するために、ゲート駆動信号を出力する複数の駆動回路を切替えて使用するゲート駆動装置１であって、ゲート駆動信号として、定電流パルス信号を出力する定電流駆動回路１１Ｃと、ゲート駆動信号として、定電圧パルス信号を出力する定電圧駆動回路１１Ｖと、スイッチング素子２の動作条件（素子温度、コレクタ電流、主回路３の電圧）のうち予め選定した動作条件をパラメータとして、定電流駆動回路１１Ｃおよび定電圧駆動回路１１Ｖのそれぞれでスイッチング素子２を駆動させたときの、スイッチング損失および放射ノイズの一方または両方についての情報である回路特性情報を保持する回路特性情報保持部１５と、スイッチング素子２の動作条件を検出する動作条件検出部１４と、動作条件検出部１４が検出した動作条件と、回路特性情報保持部１５が保持する回路特性情報に基づき、定電流駆動回路１１Ｃと定電圧駆動回路１１Ｖのうちのいずれか一方をスイッチング素子２の駆動回路として切替える駆動回路切替部（駆動出力切替部１２、駆動回路選択部１３）とを備えるように構成したので、動作条件が変化しても、損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できる。
【００３３】
とくに、回路特性情報保持部１５が予め保持し、動作条件検出部１４が検出する予め選定した動作条件として、スイッチング素子２の温度、スイッチング素子２のコレクタ電流（またはドレイン電流）、および当該スイッチング素子２を用いて構成される（電力変換装置の）主回路３の電圧のうちの少なくともいずれか、またはそれらの組み合わせにすれば、定電圧駆動回路１１Ｖと定電流駆動回路１１Ｃの放射ノイズあるいはスイッチング損失特性が逆転する動作条件を網羅できるので、動作条件が変化しても所望の損失特性およびノイズ特性でスイッチング制御を実現できる。
【００３４】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２にかかるゲート駆動装置は、実施の形態１にかかるゲート駆動装置に対し、ターンオン動作時にコレクタ電圧の変化量が所定値に達する時点までの期間と、その時点以降の期間とによって、駆動回路の切り替えを判断する基準を変更するようにしたものである。その他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。図３と図４は、本実施の形態２にかかるゲート駆動装置の構成および動作を説明するためのもので、図３は駆動装置の構成を説明するための回路ブロック図、図４はスイッチング素子２を定電圧駆動回路１１Ｖで制御した場合の、ターンオン動作におけるコレクタ電流、コレクタ電圧およびゲート電圧の波形を示す図である。
【００３５】
本実施の形態２にかかるゲート駆動装置１は、実施の形態１で説明した図１と比較して、図３に示すように、スイッチング素子２のコレクタ電圧Ｖｃｅを検出するコレクタ電圧検出部１６をさらに備え、駆動回路選択部１３は、ターンオン動作において、コレクタ電圧Ｖｃｅの変化量が所定値に達する時点ｔ２までの期間と、時点ｔ２以降の期間とによって、駆動回路の切り替えを判断する基準を変更するようにしたものである。
【００３６】
本実施の形態２にかかるゲート駆動装置１において、上記のような構成を採用した理由について図４を用いて説明する。
図４は、電圧駆動型スイッチング素子２の駆動出力として、定電圧駆動回路１１Ｖからの定電圧パルス信号を用いてターンオン動作したときの信号波形を示したものである。図中、横軸は共通の時間軸で、縦軸は上段からそれぞれコレクタ電流Ｉｃ、コレクタ電圧Ｖｃｅおよびゲート電圧Ｖｇｅを示す。ここでは、電圧駆動型スイッチング素子としてＩＧＢＴ２を用いた場合を例に説明する。ＩＧＢＴ２のゲート・エミッタ端子間に印加するゲート電圧Ｖｇｅが上昇して閾値Ｖｔｈを超える（時点ｔ１）と、ＩＧＢＴ２はターンオンしコレクタ電流Ｉｃが流れ始める。このとき、ＩＧＢＴ２のコレクタ電圧Ｖｃｅは、主回路３の（配線の）寄生インダクタンスＬとＩＧＢＴ２を流れるコレクタ電流Ｉｃの時間変化率（ｄＩＣ／ｄｔ）との積Ｌ×（ｄＩＣ／ｄｔ）分だけ主回路３の電圧ＶＳ（電源電圧）から電圧降下する。その後、ゲート電圧Ｖｇｅがミラー期間と呼ばれる電圧が一定となる期間を経て所定の電圧まで上昇し、コレクタ電圧Ｖｃｅは０Ｖまで低下していき、コレクタ電流Ｉｃは所定の値となる。
【００３７】
放射ノイズはターンオン動作時におけるコレクタ電圧Ｖｃｅの急激な減少に伴って発生することが知られている。放射ノイズとスイッチング損失はトレードオフの関係にあることから、放射ノイズを抑制するためにスイッチング速度を遅くするとスイッチング損失が大きくなり、冷却器のサイズ、即ち、電力変換器のサイズが大きくなってしまう。電力変換器は、一般に主回路３の寄生インダクタンスが小さくなるように設計することから、ターンオン動作におけるＬ×（ｄＩＣ／ｄｔ）によるコレクタ電圧Ｖｃｅの電圧降下は小さい。そのため、ターンオン動作においてコレクタ電圧Ｖｃｅが急激に減少するのは、Ｌ×（ｄＩＣ／ｄｔ）による電圧降下の直後である。
【００３８】
そこで、コレクタ電圧Ｖｃｅを検出し、ターンオン動作時においてコレクタ電圧Ｖｃｅが主回路３の電圧ＶＳ−Ｌ×（ｄＩＣ／ｄｔ）となる時点、つまりターンオンした時点ｔ１からのコレクタ電圧Ｖｃｅの変化量がＬ×（ｄＩＣ／ｄｔ）に達する時点ｔ２までの期間は放射ノイズが小さくなる駆動回路を優先的に適用し、時点ｔ２以降ではスイッチング損失が小さくなる駆動回路を優先的に適用する。このように、ターンオン動作におけるコレクタ電圧に基づいて、駆動回路を切り替える判断基準を変更することにより、電圧駆動型スイッチング素子２を低スイッチング損失かつ低放射ノイズで駆動することができる。
【００３９】
また、スイッチング損失と放射ノイズの相関関係は動作条件で異なるため、一回一回のスイッチング動作時における素子温度やコレクタ電流（またはドレイン電流）値に応じた回路特性情報に基づき、スイッチング損失あるいは放射ノイズの小さな駆動回路を選択して切り替えることにより、低スイッチング損失と低ノイズを実現することができる。
【００４０】
以上のように、本実施の形態２にかかるゲート駆動装置１によれば、電圧駆動型スイッチング素子であるＩＧＢＴ２のコレクタ電圧Ｖｃｅを検出するコレクタ電圧検出部１６を備え、駆動回路切替部を構成する駆動回路選択部１３は、ターンオン動作におけるスイッチング素子であるＩＧＢＴ２のコレクタ電圧Ｖｃｅの変化量が、所定値に達する時点ｔ２までの期間は、放射ノイズが小さくなる駆動回路を選択し、時点ｔ２以降はスイッチング損失が低くなる駆動回路を選択するように構成したので、ターンオン動作時の特性に応じて、最適な駆動回路を選択することにより、動作条件が変化しても、よりスイッチング損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できる。
【００４１】
とくに、所定値として、主回路３の寄生インダクタンスＬとコレクタ電流Ｉｃの時間変化率（ｄＩＣ／ｄｔ）の積に相当する値にしたので、動作条件が変化しても、よりスイッチング損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できる。
【００４２】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３にかかるゲート駆動装置は、実施の形態２にかかるゲート駆動装置に対し、ターンオン動作時にゲート電圧が一定値を保つ期間に入る時点までの期間と、その時点以降の期間とによって、駆動回路の切り替えを判断する基準を変更するようにしたものである。その他の構成および動作については実施の形態２と同様であるので説明を省略する。図５は、本実施の形態３にかかるゲート駆動装置の構成および動作を説明するための回路ブロック図である。なお、本実施の形態３においても、実施の形態２の動作の説明に用いた図４を使用する。
【００４３】
本実施の形態３にかかるゲート駆動装置１は、実施の形態２で説明した図３と比較して、図５に示すように、コレクタ電圧検出部１６の代わりに、スイッチング素子２のゲート電圧を検出するゲート電圧検出部１７を備え、駆動回路選択部１３は、ターンオン動作時にゲート電圧Ｖｇｅが所定条件に達する時点ｔ３までの期間と、時点ｔ３以降の期間とによって、駆動回路の切り替えを判断する基準を変更するようにしたものである。
【００４４】
本実施の形態３にかかるゲート駆動装置１において、上記のような構成を採用した理由について図４を用いて説明する。
図４に示したように、ＩＧＢＴ２のゲート・エミッタ端子間に印加するゲート電圧Ｖｇｅが上昇して閾値Ｖｔｈを超えると、ＩＧＢＴ２はターンオンしコレクタ電流Ｉｃが流れ始める。その後、ゲート電圧Ｖｇｅがミラー期間と呼ばれる電圧が一定となる期間を経て所定の電圧まで上昇し、コレクタ電圧Ｖｃｅは０Ｖまで低下していき、コレクタ電流Ｉｃは所定の値となる。
【００４５】
ターンオン動作時におけるコレクタ電圧Ｖｃｅの急激な減少に伴って放射ノイズが発生することから、ゲート電圧Ｖｇｅを検出し、ゲート電圧Ｖｇｅが所定の条件に達する時点ｔ３までの期間は放射ノイズが小さくなる駆動回路を優先的に適用し、その後、スイッチング損失が小さくなる駆動回路を優先的に適用する。このように、ターンオン動作において、ゲート電圧Ｖｇｅが所定の条件に達するまでの時点ｔ３を境に駆動回路の選定基準を変化させることで、電圧駆動型スイッチング素子２を低スイッチング損失かつ低放射ノイズで駆動制御することができる。所定の条件としては、例えば、ミラー期間と呼ばれるゲート電圧Ｖｇｅが所定期間一定値となるミラー電圧Ｖｍを示すことを確認できた状態とすることが考えられる。
【００４６】
また、スイッチング損失と放射ノイズの相関関係は動作条件で異なるため、一回一回のスイッチング動作時における素子温度やコレクタ電流（またはドレイン電流）値に応じた回路特性情報に基づき、スイッチング損失あるいは放射ノイズの小さな駆動回路を選択して切り替えることにより、低スイッチング損失と低ノイズを実現することができる。
【００４７】
以上のように、本実施の形態３にかかる本実施の形態２にかかるゲート駆動装置１によれば、電圧駆動型スイッチング素子であるＩＧＢＴ２のゲート電圧Ｖｇｅを検出するゲート電圧検出部１７を備え、駆動回路切替部を構成する駆動回路選択部１３は、ターンオン動作において、ゲート電圧Ｖｇｅが所定条件に達する時点ｔ３までの期間は、放射ノイズが小さくなる駆動回路を選択し、時点ｔ３以降はスイッチング損失が低くなる駆動回路を選択するように構成したので、ターンオン動作時の特性に応じて、最適な駆動回路を選択することにより、動作条件が変化しても、より損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できる。
【００４８】
とくに、所定条件として、ゲート電圧Ｖｇｅが所定期間一定値Ｖｍを示すこととしたので、ターンオン動作時の特性に応じて、最適な駆動回路を選択することにより、動作条件が変化しても、より損失およびノイズ特性に優れたスイッチング制御を実現できる。
【００４９】
なお、本実施の形態３においても、スイッチング素子としてＩＧＢＴを適用した例に説明したが、ＭＯＳＦＥＴを適用してもよい。ＭＯＳＦＥＴを適用する場合、ＩＧＢＴにおけるコレクタ電流、コレクタ電圧は、それぞれドレイン電流、ドレイン電圧に対応する。
【符号の説明】
【００５０】
１ ゲート駆動装置、 ２ スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、 ３ 主回路、
１１ 駆動回路群（１１Ｖ：定電圧駆動回路、１１Ｃ：定電流駆動回路）、 １２ 駆動出力切替部（駆動回路切替部）、 １３ 駆動回路選択部（駆動回路切替部）、 １４ 動作条件検出部、 １５ 回路特性情報保持部、 １６ コレクタ電圧検出部、 １７ ゲート電圧検出部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を駆動制御するために、ゲート駆動信号を出力する複数の駆動回路を切替えて使用するゲート駆動装置であって、
前記ゲート駆動信号として、定電流パルス信号を出力する定電流駆動回路と、
前記ゲート駆動信号として、定電圧パルス信号を出力する定電圧駆動回路と、
前記スイッチング素子の動作条件のうち予め選定した動作条件をパラメータとして、前記定電流駆動回路および前記定電圧駆動回路のそれぞれで前記スイッチング素子を駆動させたときの、スイッチング損失および放射ノイズの一方または両方についての情報である回路特性情報を保持する回路特性情報保持部と、
前記スイッチング素子の動作条件を検出する動作条件検出部と、
前記動作条件検出部が検出した動作条件と、前記回路特性情報保持部が保持する回路特性情報に基づき、前記定電流駆動回路と前記定電圧駆動回路のうちのいずれか一方を前記スイッチング素子の駆動回路として切替える駆動回路切替部と、
を備えたことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項２】
前記選定した動作条件は、前記スイッチング素子の温度、前記スイッチング素子のコレクタまたはドレイン電流、および当該スイッチング素子を用いて構成する主回路の電圧のうちの少なくともいずれか、またはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載のゲート駆動装置。
【請求項３】
前記スイッチング素子のコレクタ電圧を検出するコレクタ電圧検出部を備え、
前記駆動回路切替部は、ターンオン動作における前記コレクタ電圧の変化量が所定の値に達する時点までの期間は、放射ノイズが小さくなる駆動回路に切替え、前記時点以降はスイッチング損失が低くなる駆動回路に切替えることを特徴とする請求項１または２に記載のゲート駆動装置。
【請求項４】
前記所定の値は、当該スイッチング素子を用いて構成する主回路の寄生インダクタンスと前記スイッチング素子のコレクタ電流の時間変化率の積に相当する値、であることを特徴とする請求項３に記載のゲート駆動装置。
【請求項５】
前記スイッチング素子のゲート電圧を検出するゲート電圧検出部を備え、
前記駆動回路切替部は、ターンオン動作において、前記ゲート電圧が所定の条件に達する時点までの期間は、放射ノイズが小さくなる駆動回路に切替え、前記時点以降はスイッチング損失が低くなる駆動回路に切替えることを特徴とする請求項１または２に記載のゲート駆動装置。
【請求項６】
前記所定の条件は、前記ゲート電圧が所定期間一定値を示すこと、であることを特徴とする請求項５に記載のゲート駆動装置。
【請求項１】
スイッチング素子を駆動制御するために、ゲート駆動信号を出力する複数の駆動回路を切替えて使用するゲート駆動装置であって、
前記ゲート駆動信号として、定電流パルス信号を出力する定電流駆動回路と、
前記ゲート駆動信号として、定電圧パルス信号を出力する定電圧駆動回路と、
前記スイッチング素子の動作条件のうち予め選定した動作条件をパラメータとして、前記定電流駆動回路および前記定電圧駆動回路のそれぞれで前記スイッチング素子を駆動させたときの、スイッチング損失および放射ノイズの一方または両方についての情報である回路特性情報を保持する回路特性情報保持部と、
前記スイッチング素子の動作条件を検出する動作条件検出部と、
前記動作条件検出部が検出した動作条件と、前記回路特性情報保持部が保持する回路特性情報に基づき、前記定電流駆動回路と前記定電圧駆動回路のうちのいずれか一方を前記スイッチング素子の駆動回路として切替える駆動回路切替部と、
を備えたことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項２】
前記選定した動作条件は、前記スイッチング素子の温度、前記スイッチング素子のコレクタまたはドレイン電流、および当該スイッチング素子を用いて構成する主回路の電圧のうちの少なくともいずれか、またはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載のゲート駆動装置。
【請求項３】
前記スイッチング素子のコレクタ電圧を検出するコレクタ電圧検出部を備え、
前記駆動回路切替部は、ターンオン動作における前記コレクタ電圧の変化量が所定の値に達する時点までの期間は、放射ノイズが小さくなる駆動回路に切替え、前記時点以降はスイッチング損失が低くなる駆動回路に切替えることを特徴とする請求項１または２に記載のゲート駆動装置。
【請求項４】
前記所定の値は、当該スイッチング素子を用いて構成する主回路の寄生インダクタンスと前記スイッチング素子のコレクタ電流の時間変化率の積に相当する値、であることを特徴とする請求項３に記載のゲート駆動装置。
【請求項５】
前記スイッチング素子のゲート電圧を検出するゲート電圧検出部を備え、
前記駆動回路切替部は、ターンオン動作において、前記ゲート電圧が所定の条件に達する時点までの期間は、放射ノイズが小さくなる駆動回路に切替え、前記時点以降はスイッチング損失が低くなる駆動回路に切替えることを特徴とする請求項１または２に記載のゲート駆動装置。
【請求項６】
前記所定の条件は、前記ゲート電圧が所定期間一定値を示すこと、であることを特徴とする請求項５に記載のゲート駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−３８８４３（Ｐ２０１３−３８８４３Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７０７９６（Ｐ２０１１−１７０７９６）
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]