ゲート駆動装置
【課題】 電力変換装置または電力変換装置の負荷側で、短絡事故などが発生したとき、これを検知して、ＩＧＢＴに過大な電流が流れるのを阻止してＩＧＢＴの破壊を防止する。
【解決手段】 パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が低下しないとき、短絡検出回路９によって、これを検知させて、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせ、また各ＩＧＢＴの飽和電流特性のバラツキなどに起因して、ＩＧＢＴ３の飽和電流値が小さくなって、ＩＧＢＴ３の分担電圧が増大したとき、過電圧検出回路８によって、これを検知させて、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧を増加させる。
【解決手段】 パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が低下しないとき、短絡検出回路９によって、これを検知させて、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせ、また各ＩＧＢＴの飽和電流特性のバラツキなどに起因して、ＩＧＢＴ３の飽和電流値が小さくなって、ＩＧＢＴ３の分担電圧が増大したとき、過電圧検出回路８によって、これを検知させて、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧を増加させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用スイッチング素子を駆動するゲート駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量化、高速化が可能なＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）など、ＭＯＳゲート型の電力用スイッチング素子が開発され、これらＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴを使用した電力変換装置も広く使用されるようになってきた。
【０００３】
このようなＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴは、オン・オフ状態を自己継続しないノンラッチ型の電力スイッチング素子であり、サイリスタなど、ラッチング型の電力スイッチング素子に比べて、高いゲート制御特性、例えば電力スイッチング素子のコレクタ、エミッタ間に電圧が印加されている状態で、電力スイッチング素子のゲートにパルス電圧を印加したとき、電力スイッチング素子をオンさせ、ゲートに印加していたパルス電圧を解除するだけで、電力スイッチング素子をオフすることができるという高いゲート制御特性を持っている。
【０００４】
さらに、このようなＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴは、電力スイッチング素子をターンオン、ターンオフする際のスイッチング過渡期において、ゲート電圧などを制御することにより、電力スイッチング素子から出力される電流の傾き、電圧の傾き、サージ電圧、サージ電流などを抑制することができる。
【０００５】
この際、多くの応用回路では、スイッチング過渡期にある電力スイッチング素子などの出力電圧、出力電流をゲートにフィードバックして、電力スイッチング素子を制御する、いわゆるアクティブゲート駆動技術を用いて、電力スイッチング素子などを制御している。
【０００６】
その中でも、多数の電力スイッチング素子を直列接続することによって、高い電圧の電力変換を行う電力変換装置では、アクティブゲート制御技術だけで、各電力スイッチング素子をターンオフさせたときに生じるオフタイミングのずれを最少化させて、各電力スイッチング素子の電圧分担を均一化することができることから、従来の電力変換装置に比べ、主電流を並列に分流させて、電圧分担を均一化する回路、例えばスナバ回路などを省略することができ、その分だけ、製造コストを低減することができるという利点がある。
【０００７】
図５はこのようなアクティブゲート駆動技術を用いたゲート駆動装置のうち、特許文献１で開示された多直列電力変換装置で使用されるゲート駆動装置の回路図である。
【０００８】
この図に示すゲート駆動装置１００ａ〜１００ｄは各々、コレクタ、エミッタに対し、還流ダイオード１０１ａ〜１０１ｄが並列に接続され、直列に接続された各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄのうち、制御対象となっているＩＧＢＴのエミッタ電位を基準電位（接地電位）にした電源電圧を出力する電圧源１０３と、電圧源１０３から出力される電源電圧、接地電圧を用いて指定された条件でパルスを生成するパルス発生器１０４と、直列接続された高圧側分圧抵抗１０５、低圧側分圧抵抗１０６によって構成され、制御対象となっているＩＧＢＴのコレクタ、エミッタ間電圧を分圧し、分圧電圧を出力する分圧器１０７と、パルス発生器１０４から出力される電圧の値、分圧器１０７から出力される分圧電圧を比較し、この比較結果に基づき、制御対象となっているＩＧＢＴのゲート電圧を制御して、過大な電圧分担を防止しつつ、パルス発生器１０４からパルスが出力される毎に、制御対象となっているＩＧＢＴのゲート電圧を上昇させ、これをオンする比較器１０８とを備えている。
【０００９】
そして、各ゲート駆動装置１００ａ〜１００ｄ毎に、指定された条件で、パルス発生器１０４からパルスを出力させつつ、比較器１０８によって、制御対象となっている各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄをオン／オフさせ、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄによって構成されるアーム（多直列電力変換装置のアーム）、このアームと対になっているアーム（図示は省略する）で、高い電圧の周波数変換、電圧変換などを行わせる。
【００１０】
また、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄの飽和電流特性などがバラついて、アームを構成する各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄのいずれか、例えばＩＧＢＴ１０２ａの飽和電流値が小さいとすると、このＩＧＢＴ１０２ａの分担電圧が増大し、所定の電圧値を超えると、このＩＧＢＴ１０２ａを制御しているゲート駆動装置１００ａに設けられた分圧回路１０７から出力される分圧電圧が大きくなって、比較器１０８が分圧電圧に対応したゲート電圧を出力し、ＩＧＢＴ１０２ａの飽和電流値を増大させる。
【００１１】
これにより、ＩＧＢＴ１０２ａが分担している電圧が下げられ、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄの分担する電圧が一定電圧値を上回らないようにする。
【特許文献１】特開２００３−６９４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、このような従来のゲート駆動装置１００ａ〜１００ｄでは、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄによって構成されるアーム、あるいはこのアームと対になっているアームなどにおいて、短絡事故などが発生し、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄの印加電圧が上昇すると、分圧回路１０７、比較回路１０８によって、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄの飽和電流値が通常値の数倍から数十倍まで、高められ、１０マイクロ秒以内に、これら各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄが破壊されてしまうという問題があった。
【００１３】
このため、このような多数のＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄを使用する多直列電力変換装置では、短絡事故が発生したとき、１０マイクロ秒以内にこれを検出して、遮断動作を行い、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄを保護することができるゲート駆動装置の開発が強く望まれていた。
【００１４】
本発明は上記の事情に鑑み、電力スイッチング素子の印加電圧に応じて、前記電力スイッチング素子の飽和電流値を制御して、電力スイッチング素子に過大な電圧が印加されるのを防止しつつ、短絡事故などが発生したとき、電力スイッチング素子のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、電力スイッチング素子に過大な電流が流れないようにし、電力スイッチング素子が破壊されるのを防止することができるゲート駆動装置を提供することを主目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために本発明は、電力用スイッチング素子のゲート電圧を制御することにより当該電力用スイッチング素子を駆動制御するゲート駆動装置において、前記電力用スイッチング素子のゲートにパルスが印加された際に前記電力用スイッチング素子の印加電圧が低下しないとき、短絡事故が発生したと判定して、ゲート電圧クランプ指示信号を生成する短絡検出回路と、前記電力用スイッチング素子に予め設定されている電圧値を超える電圧が印加されているとき、前記電力用スイッチング素子が過電圧状態であると判定して、飽和電流増加指示信号を生成する過電圧検出回路と、前記短絡検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、前記電力用スイッチング素子のコレクタ電流を規定電流値以内に保持させ、また前記過電圧検出回路から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲート電圧を上昇させて、前記電力用スイッチング素子の印加電圧を低下させるゲート電圧クランプ回路とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電力スイッチング素子の印加電圧に応じて、前記電力スイッチング素子の飽和電流値を制御して、電力スイッチング素子に過大な電圧が印加されるのを防止しつつ、短絡事故などが発生したとき、電力スイッチング素子のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、電力スイッチング素子に過大な電流が流れないようにし、電力スイッチング素子が破壊されるのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
〈第１の実施形態〉
図１は本発明によるゲート駆動装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【００１８】
この図に示すゲート駆動装置１ａは、コレクタ、エミッタに対して電力変換装置のアームを構成する他のＩＧＢＴと直列に接続され、還流ダイオード２が並列に接続されたＩＧＢＴ３のエミッタ電位を基準電位（接地電位）にした正側電源電圧を出力する正側ゲート駆動電圧源４と、ＩＧＢＴ３のエミッタ電位を基準電位（接地電位）にした負側電源電圧を出力する負側ゲート駆動電圧源５と、正側ゲート駆動電圧源４から出力される正側電源電圧、負側ゲート駆動電圧源５から出力される負側電源電圧を用いて指定された条件でパルスを生成するパルス発生回路６と、パルス発生回路６から出力されるパルスをＩＧＢＴ３のゲートに導くゲート抵抗７と、ＩＧＢＴ３のコレクタ、エミッタ間電圧（分担電圧）が予め設定されている所定電圧値を超えているとき、これを検出して、ＩＧＢＴ３の分担電圧と所定電圧値との差分に比例した大きさの飽和電流増加指示信号を出力する過電圧検出回路８と、ＩＧＢＴ３のコレクタ、エミッタ間電圧を取り込み、パルス発生回路６からパルスが出力されている状態で、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が所定レベルまで低下しないとき、短絡事故が発生したと判定して、ゲート電圧クランプ指示信号を出力する短絡検出回路９と、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧を上昇させて、ＩＧＢＴ３の飽和電流値を増大させ、また短絡検出回路９からゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧を指定されたクランプ電圧値、例えばＩＧＢＴ３の定格コレクタ電流値と同じ電流値、または２倍程度の電流値に抑えるのに必要な電圧値以内に保持するゲート電圧クランプ回路１０とを備えている。
【００１９】
上記構成のゲート駆動装置１ａでは、パルス発生回路６から出力されるパルスに基づき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧が上昇、下降させられて、これがオン／オフ制御される。これにより、ＩＧＢＴ３と、このＩＧＢＴ３と直列に接続された他のＩＧＢＴとによって構成されるアーム、このアームと対になっているアーム（図示は省略する）によって、高い電圧の周波数変換、電圧変換などが行われる。
【００２０】
また、ＩＧＢＴ３の飽和電流特性と、ＩＧＢＴ３と直列に接続された他のＩＧＢＴの飽和電流特性とがバラついて、他のＩＧＢＴの飽和電流値よりＩＧＢＴ３の飽和電流値が小さいとすると、ＩＧＢＴ３の電圧が上昇し、ＩＧＢＴ３の分担電圧が所定電圧値を超えると、過電圧検出回路８によって、これが検知されて、所定電圧値とＩＧＢＴ３の分担電圧との差分に比例した大きさの飽和電流増加指示信号が出力される。
【００２１】
これにより、ゲート電圧クランプ回路１０によって、ＩＧＢＴ３のゲート電圧が増加されて、ＩＧＢＴ３の飽和電流値が増加され、他の各ＩＧＢＴの分担電圧と同じ電圧値までＩＧＢＴ３の分担電圧が低下させられる。
【００２２】
また、ＩＧＢＴ３、他の各ＩＧＢＴによって構成されるアーム、あるいはこのアームと対になっているアームなどにおいて、短絡事故などが発生し、パルス発生回路６からパルスが出力されても、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が所定レベルまで低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定されて、ゲート電圧クランプ指示信号が出力される。
【００２３】
これにより、ゲート電圧クランプ回路１０によって、ＩＧＢＴ３のゲート電圧が予め設定されたクランプ電圧値以内にクランプされて、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流値が定格コレクタ電流値と同じ電流値、または２倍程度の電流値まで下げられ、ＩＧＢＴ３の破壊が防止される。
【００２４】
このように、この第１の実施形態では、パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定させて、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせ、またアームを構成する各ＩＧＢＴの飽和電流特性のバラツキなどに起因して、他のＩＧＢＴの飽和電流値よりＩＧＢＴ３の飽和電流値が小さいとすると、ＩＧＢＴ３の電圧が上昇し、ＩＧＢＴ３の分担電圧が増大し、所定電圧値を超えたとき、過電圧検出回路８によって、これを検知させて、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧を増加させるようにしているので、ＩＧＢＴ３とともに、電力変換装置のアームを構成する各ＩＧＢＴの印加電圧に応じて、ＩＧＢＴ３の飽和電流値を制御させて、ＩＧＢＴ３に過大な電圧が印加されるのを防止しつつ、短絡事故などが発生したとき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、ＩＧＢＴ３に過大な電流が流れないようにし、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止することができる。
【００２５】
また、この第１の実施形態では、パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定させて、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせ、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲以内に保持するようにしているので、短絡事故などが発生して、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流が増加したとき、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を規定範囲内に保持させて、短絡事故に起因するＩＧＢＴ３の破壊を未然に防止することができる。
【００２６】
〈第２の実施形態〉
図２は本発明によるゲート駆動装置の第２の実施形態を示すブロック図である。なお、この図において、図１の各部と対応する部分には、同じ符号が付してある。
【００２７】
この図に示すゲート駆動装置１ｂが図１に示すゲート駆動装置１ａと異なる点は、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、ＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入して、等価抵抗を減少させる可変電流源１１を設け、ＩＧＢＴ３にサージ電圧などが印加されて、過電圧検出回路８から大きな値の飽和電流増加指示信号が出力されたとき、可変電流源１１からＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させて、ＩＧＢＴ３の等価抵抗を減少させ、サージ電圧などに起因するＩＧＢＴ３の破壊を防止するようにしたことである。
【００２８】
このように、この第２の実施形態では、ＩＧＢＴ３にサージ電圧などが印加されて、過電圧検出回路８から大きな値の飽和電流増加指示信号が出力されたとき、可変電流源１１からＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させて、ＩＧＢＴ３の等価抵抗を減少させ、ＩＧＢＴ３の印加電圧を低減するようにしているので、ＩＧＢＴ３にサージ電圧などが印加されたとき、ＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させて、飽和電流値を上昇させ、ＩＧＢＴ３に耐電圧以上の電圧がかからないようにすることができるとともに、短絡事故などが発生したとき、短絡検出回路９によって、ＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプ電圧値以内にクランプさせて、ＩＧＢＴ３に過大な電流が流れないようにし、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止することができる。
【００２９】
また、この第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定させ、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせて、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲内に保持するようにしているので、短絡事故などが発生して、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流が増加したとき、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流値を規定範囲内に保持させて、短絡事故に起因するＩＧＢＴ３の破壊を未然に防止することができる。
【００３０】
〈第３の実施形態〉
図３は本発明によるゲート駆動装置の第３の実施形態を示すブロック図である。なお、この図において、図１の各部と対応する部分には、同じ符号が付してある。
【００３１】
この図に示すゲート駆動装置１ｃが図１に示すゲート駆動装置１ａと異なる点は、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、ＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入して、等価抵抗を減少させるとともに、ゲート電圧クランプ回路１０に電流を供給して、クランプ電圧を上昇させる可変電流源１２を設け、ＩＧＢＴ３にサージ電圧などが印加されて、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、可変電流源１２からゲート電圧クランプ回路１０に電流を供給させて、ＩＧＢＴ３のゲート電圧（クランプ電圧）を上昇させつつ、可変電流源１２からＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させて、ＩＧＢＴ３の等価抵抗を減少させ、サージ電圧などに起因するＩＧＢＴ３の破壊を防止するようにしたこことである。
【００３２】
ゲート電圧クランプ回路１０は、図４の回路図に示す如くソースが接地ライン１３に接続され、ゲートが短絡検出回路９の出力端子に接続されるクランプオン／オフ用の電界効果トランジスタ１４と、アノードが電界効果トランジスタ１４のドレインに接続されるクランプ電圧生成用のツェナーダイオード１５と、一端がツェナーダイオード１５のカソードに接続され、他端が可変電流源１２の出力端子に接続されるクランプ電圧上昇用の抵抗１６と、ベースが抵抗１６の他端に接続され、コレクタが接地ライン１３に接続され、エミッタがＩＧＢＴ３のゲートに接続されるクランプ用のトランジスタ１７とを備えている。
【００３３】
そして、ＩＧＢＴ３、他の各ＩＧＢＴによって構成されるアーム、あるいはこのアームと対になっているアームなどにおいて、短絡事故などが発生し、パルス発生回路７からパルスが出力されても、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が所定レベルまで低下しなくなり、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定され、ゲート電圧クランプ指示信号が出力される。
【００３４】
これにより、電界効果トランジスタ１４がオン状態になり、ＩＧＢＴ３のゲート→トランジスタ１７→抵抗１６→ツェナーダイオード１５→電界効果トランジスタ１４→接地ライン１３なる経路で、ＩＧＢＴ３のベースから接地ラインに電流が流されて、ＩＧＢＴ３のベース電圧がクランプ電圧値まで下げられるとともに、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流が定格コレクタ電流値と同じ電流値、または２倍程度の電流値まで、下げられて、ＩＧＢＴ３の破壊が防止される。
【００３５】
この状態で、サージ電圧などによって、ＩＧＢＴ３が過電圧状態になり、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されると、可変電流源１２によって、これが検知され、可変電流源１２→抵抗１６→ツェナーダイオード１５→電界効果トランジスタ１４→接地ライン１３なる経路で、抵抗１６に電流が供給されて、抵抗１６の両端間電圧が高められ、トランジスタ１７のベース電圧、エミッタ電圧が上昇させられるとともに、可変電流源１２→ＩＧＢＴ３のゲートなる経路で、ＩＧＢＴ３のゲートに供給されて、ゲート電圧が高められる。
【００３６】
これにより、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流が一時的に増加させられて、コレクタ電圧が下げられ、サージ電圧などに起因するＩＧＢＴ３の破壊が防止される。
【００３７】
このように、この第３の実施形態では、短絡検出回路９によって、短絡事故の発生が検知されて、ゲート電圧クランプ回路１０がＩＧＢＴ３のゲートをクランプ電圧値以下に保持させている状態で、ＩＧＢＴ３にサージ電圧などが印加されて、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されたとき、可変電流源１２からＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させて、ＩＧＢＴ３の等価抵抗を減少させつつ、可変電流源１２からゲート電圧クランプ回路１０に電流を供給させて、ＩＧＢＴ３のゲート電圧を上昇させるようにしているので、短絡事故などが発生したとき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプ電圧値以下にクランプさせて、ＩＧＢＴ３に過大な電流が流れないようにし、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止しつつ、ＩＧＢＴ３にサージ電圧が印加されたとき、ＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させつつ、ゲート電圧クランプ回路１０のクランプ電圧を上昇させて、ＩＧＢＴ３のゲート電圧を上昇させ、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止することができる。
【００３８】
また、この第３の実施形態では、ＩＧＢＴ３にサージ電圧が印加されたとき、可変電流源１２から電流を出力させて、可変電流源１２→抵抗１６→ツェナーダイオード１５→電界効果トランジスタ１４→接地ライン１３なる経路で、抵抗１６に電流を流して、抵抗１６の両端間に生じる電圧を増大させ、トランジスタ１７のベース電圧を上昇させるようにしているので、抵抗１６など、安価なデバイス、簡単な回路を使用させて、製造コストを低く抑えつつ、短絡事故などが発生し、ＩＧＢＴ３のゲート電圧がクランプされている状態で、ＩＧＢＴ３にサージ電圧が印加されたとき、クランプ電圧を一時的に上昇させて、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を一時的に上昇させ、ＩＧＢＴ３の破壊を防止することができる。
【００３９】
また、この第３の実施形態においても、第１、第２の実施形態と同様に、パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定させ、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせて、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流値を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲内に保持するようにしているので、短絡事故などが発生して、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流が増加したとき、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流値を規定範囲内に保持させて、短絡事故に起因するＩＧＢＴ３の破壊を未然に防止することができる。
【００４０】
〈他の実施形態〉
上述した第１〜第３の実施形態では、短絡検出回路９からゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、ゲート電圧クランプ回路１０によって、ＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせて、ＩＧＢＴ６に過大な短絡電流が流れないようにし、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止するようにしているが、短絡検出回路９からゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、パルス発生回路６のパルス発生動作を停止させて、ＩＧＢＴ３のゲートに対するパルス供給を遮断するようにしても良い。
【００４１】
これにより、短絡事故などが発生したとき、ＩＧＢＴ３をオフ状態に保持させて、ＩＧＢＴ３にコレクタ電流が流れるのを防止し、短絡事故に起因するＩＧＢＴ３の破壊を未然に防止することができる。
【００４２】
また、上述した第１〜第３の実施形態では、短絡検出回路９からゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、ゲート電圧クランプ回路１０によって、ＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせて、ＩＧＢＴ３に過大な短絡電流が流れないようにして、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止するようにしているが、短絡検出回路９からゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、短絡検知信号を生成する信号伝送回路を設け、この信号伝送回路から出力される短絡検知信号を電力変換装置の主制御回路などに伝送させて、主制御回路の制御の下に、パルス発生回路６の動作を停止するようにしても良い。
【００４３】
これにより、短絡事故などが発生したとき、電力変換装置の主制御回路に短絡事故の発生を知らせて、電力変換装置を構成する各ＩＧＢＴに対するパルス供給などを同時に停止させて、各ＩＧＢＴのいずれかに負荷が集中するのを防止し、各ＩＧＢＴの破壊を防止することができる。
【００４４】
また、上述した第１〜第３の実施形態では、ゲート駆動装置１ａ〜１ｃによって、ＩＧＢＴ３を制御するようにしているが、ＭＯＳＦＥＴなど、他のノンラッチ型電力スイッチング素子を制御するようにしても良い。
【００４５】
また、上述した第１〜第３の実施形態では、パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が所定レベルまで低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定させ、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせて、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲（メーカ側の遮断動作保証範囲で、電力変換装置の出力電流値より大きな電流値）内に収めるようにしている。
【００４６】
このようにしても、実際のＩＧＢＴ３では、通常運転時に、定格コレクタ電流値を下回るコレクタ電流となることが多く、またＩＧＢＴ３が短絡状態になったときにも、負荷となっている電動機や、電力系統が持つ大きなインダクタンス成分のために、電力変換装置の出力電流がほぼ一定の電流値になることから、短絡事故が発生したとき、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲内にしておけば、電力変換装置の最大出力電流値より、ＩＧＢＴ３に流れる電流を大きくすることができる。
【００４７】
しかしながら、ＩＧＢＴ３に取りつけられた放熱器などの性能が高いときには、放熱性能に余裕がある分だけ、メーカ側の遮断動作保証範囲を超えるようにして、短絡事故時の電流容量を増大させ、短絡事故に対する耐性を高めるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明によるゲート駆動装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明によるゲート駆動装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図３】本発明によるゲート駆動装置の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図４】図３に示すゲート電圧クランプ回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図５】従来から知られているゲート駆動装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ａ，１ｂ，１ｃ：ゲート駆動装置
２：還流ダイオード
３：ＩＧＢＴ
４：正側ゲート駆動電圧源
５：負側ゲート駆動電圧源
６：パルス発生回路
７：ゲート抵抗
８：過電圧検出回路
９：短絡検出回路
１０：ゲート電圧クランプ回路
１１，１２：可変電流源
１３：接地ライン
１４：電界効果トランジスタ
１５：ツェナーダイオード
１６：抵抗
１７：トランジスタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用スイッチング素子を駆動するゲート駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量化、高速化が可能なＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）など、ＭＯＳゲート型の電力用スイッチング素子が開発され、これらＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴを使用した電力変換装置も広く使用されるようになってきた。
【０００３】
このようなＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴは、オン・オフ状態を自己継続しないノンラッチ型の電力スイッチング素子であり、サイリスタなど、ラッチング型の電力スイッチング素子に比べて、高いゲート制御特性、例えば電力スイッチング素子のコレクタ、エミッタ間に電圧が印加されている状態で、電力スイッチング素子のゲートにパルス電圧を印加したとき、電力スイッチング素子をオンさせ、ゲートに印加していたパルス電圧を解除するだけで、電力スイッチング素子をオフすることができるという高いゲート制御特性を持っている。
【０００４】
さらに、このようなＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴは、電力スイッチング素子をターンオン、ターンオフする際のスイッチング過渡期において、ゲート電圧などを制御することにより、電力スイッチング素子から出力される電流の傾き、電圧の傾き、サージ電圧、サージ電流などを抑制することができる。
【０００５】
この際、多くの応用回路では、スイッチング過渡期にある電力スイッチング素子などの出力電圧、出力電流をゲートにフィードバックして、電力スイッチング素子を制御する、いわゆるアクティブゲート駆動技術を用いて、電力スイッチング素子などを制御している。
【０００６】
その中でも、多数の電力スイッチング素子を直列接続することによって、高い電圧の電力変換を行う電力変換装置では、アクティブゲート制御技術だけで、各電力スイッチング素子をターンオフさせたときに生じるオフタイミングのずれを最少化させて、各電力スイッチング素子の電圧分担を均一化することができることから、従来の電力変換装置に比べ、主電流を並列に分流させて、電圧分担を均一化する回路、例えばスナバ回路などを省略することができ、その分だけ、製造コストを低減することができるという利点がある。
【０００７】
図５はこのようなアクティブゲート駆動技術を用いたゲート駆動装置のうち、特許文献１で開示された多直列電力変換装置で使用されるゲート駆動装置の回路図である。
【０００８】
この図に示すゲート駆動装置１００ａ〜１００ｄは各々、コレクタ、エミッタに対し、還流ダイオード１０１ａ〜１０１ｄが並列に接続され、直列に接続された各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄのうち、制御対象となっているＩＧＢＴのエミッタ電位を基準電位（接地電位）にした電源電圧を出力する電圧源１０３と、電圧源１０３から出力される電源電圧、接地電圧を用いて指定された条件でパルスを生成するパルス発生器１０４と、直列接続された高圧側分圧抵抗１０５、低圧側分圧抵抗１０６によって構成され、制御対象となっているＩＧＢＴのコレクタ、エミッタ間電圧を分圧し、分圧電圧を出力する分圧器１０７と、パルス発生器１０４から出力される電圧の値、分圧器１０７から出力される分圧電圧を比較し、この比較結果に基づき、制御対象となっているＩＧＢＴのゲート電圧を制御して、過大な電圧分担を防止しつつ、パルス発生器１０４からパルスが出力される毎に、制御対象となっているＩＧＢＴのゲート電圧を上昇させ、これをオンする比較器１０８とを備えている。
【０００９】
そして、各ゲート駆動装置１００ａ〜１００ｄ毎に、指定された条件で、パルス発生器１０４からパルスを出力させつつ、比較器１０８によって、制御対象となっている各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄをオン／オフさせ、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄによって構成されるアーム（多直列電力変換装置のアーム）、このアームと対になっているアーム（図示は省略する）で、高い電圧の周波数変換、電圧変換などを行わせる。
【００１０】
また、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄの飽和電流特性などがバラついて、アームを構成する各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄのいずれか、例えばＩＧＢＴ１０２ａの飽和電流値が小さいとすると、このＩＧＢＴ１０２ａの分担電圧が増大し、所定の電圧値を超えると、このＩＧＢＴ１０２ａを制御しているゲート駆動装置１００ａに設けられた分圧回路１０７から出力される分圧電圧が大きくなって、比較器１０８が分圧電圧に対応したゲート電圧を出力し、ＩＧＢＴ１０２ａの飽和電流値を増大させる。
【００１１】
これにより、ＩＧＢＴ１０２ａが分担している電圧が下げられ、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄの分担する電圧が一定電圧値を上回らないようにする。
【特許文献１】特開２００３−６９４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、このような従来のゲート駆動装置１００ａ〜１００ｄでは、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄによって構成されるアーム、あるいはこのアームと対になっているアームなどにおいて、短絡事故などが発生し、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄの印加電圧が上昇すると、分圧回路１０７、比較回路１０８によって、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄの飽和電流値が通常値の数倍から数十倍まで、高められ、１０マイクロ秒以内に、これら各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄが破壊されてしまうという問題があった。
【００１３】
このため、このような多数のＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄを使用する多直列電力変換装置では、短絡事故が発生したとき、１０マイクロ秒以内にこれを検出して、遮断動作を行い、各ＩＧＢＴ１０２ａ〜１０２ｄを保護することができるゲート駆動装置の開発が強く望まれていた。
【００１４】
本発明は上記の事情に鑑み、電力スイッチング素子の印加電圧に応じて、前記電力スイッチング素子の飽和電流値を制御して、電力スイッチング素子に過大な電圧が印加されるのを防止しつつ、短絡事故などが発生したとき、電力スイッチング素子のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、電力スイッチング素子に過大な電流が流れないようにし、電力スイッチング素子が破壊されるのを防止することができるゲート駆動装置を提供することを主目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために本発明は、電力用スイッチング素子のゲート電圧を制御することにより当該電力用スイッチング素子を駆動制御するゲート駆動装置において、前記電力用スイッチング素子のゲートにパルスが印加された際に前記電力用スイッチング素子の印加電圧が低下しないとき、短絡事故が発生したと判定して、ゲート電圧クランプ指示信号を生成する短絡検出回路と、前記電力用スイッチング素子に予め設定されている電圧値を超える電圧が印加されているとき、前記電力用スイッチング素子が過電圧状態であると判定して、飽和電流増加指示信号を生成する過電圧検出回路と、前記短絡検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、前記電力用スイッチング素子のコレクタ電流を規定電流値以内に保持させ、また前記過電圧検出回路から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲート電圧を上昇させて、前記電力用スイッチング素子の印加電圧を低下させるゲート電圧クランプ回路とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電力スイッチング素子の印加電圧に応じて、前記電力スイッチング素子の飽和電流値を制御して、電力スイッチング素子に過大な電圧が印加されるのを防止しつつ、短絡事故などが発生したとき、電力スイッチング素子のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、電力スイッチング素子に過大な電流が流れないようにし、電力スイッチング素子が破壊されるのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
〈第１の実施形態〉
図１は本発明によるゲート駆動装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【００１８】
この図に示すゲート駆動装置１ａは、コレクタ、エミッタに対して電力変換装置のアームを構成する他のＩＧＢＴと直列に接続され、還流ダイオード２が並列に接続されたＩＧＢＴ３のエミッタ電位を基準電位（接地電位）にした正側電源電圧を出力する正側ゲート駆動電圧源４と、ＩＧＢＴ３のエミッタ電位を基準電位（接地電位）にした負側電源電圧を出力する負側ゲート駆動電圧源５と、正側ゲート駆動電圧源４から出力される正側電源電圧、負側ゲート駆動電圧源５から出力される負側電源電圧を用いて指定された条件でパルスを生成するパルス発生回路６と、パルス発生回路６から出力されるパルスをＩＧＢＴ３のゲートに導くゲート抵抗７と、ＩＧＢＴ３のコレクタ、エミッタ間電圧（分担電圧）が予め設定されている所定電圧値を超えているとき、これを検出して、ＩＧＢＴ３の分担電圧と所定電圧値との差分に比例した大きさの飽和電流増加指示信号を出力する過電圧検出回路８と、ＩＧＢＴ３のコレクタ、エミッタ間電圧を取り込み、パルス発生回路６からパルスが出力されている状態で、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が所定レベルまで低下しないとき、短絡事故が発生したと判定して、ゲート電圧クランプ指示信号を出力する短絡検出回路９と、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧を上昇させて、ＩＧＢＴ３の飽和電流値を増大させ、また短絡検出回路９からゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧を指定されたクランプ電圧値、例えばＩＧＢＴ３の定格コレクタ電流値と同じ電流値、または２倍程度の電流値に抑えるのに必要な電圧値以内に保持するゲート電圧クランプ回路１０とを備えている。
【００１９】
上記構成のゲート駆動装置１ａでは、パルス発生回路６から出力されるパルスに基づき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧が上昇、下降させられて、これがオン／オフ制御される。これにより、ＩＧＢＴ３と、このＩＧＢＴ３と直列に接続された他のＩＧＢＴとによって構成されるアーム、このアームと対になっているアーム（図示は省略する）によって、高い電圧の周波数変換、電圧変換などが行われる。
【００２０】
また、ＩＧＢＴ３の飽和電流特性と、ＩＧＢＴ３と直列に接続された他のＩＧＢＴの飽和電流特性とがバラついて、他のＩＧＢＴの飽和電流値よりＩＧＢＴ３の飽和電流値が小さいとすると、ＩＧＢＴ３の電圧が上昇し、ＩＧＢＴ３の分担電圧が所定電圧値を超えると、過電圧検出回路８によって、これが検知されて、所定電圧値とＩＧＢＴ３の分担電圧との差分に比例した大きさの飽和電流増加指示信号が出力される。
【００２１】
これにより、ゲート電圧クランプ回路１０によって、ＩＧＢＴ３のゲート電圧が増加されて、ＩＧＢＴ３の飽和電流値が増加され、他の各ＩＧＢＴの分担電圧と同じ電圧値までＩＧＢＴ３の分担電圧が低下させられる。
【００２２】
また、ＩＧＢＴ３、他の各ＩＧＢＴによって構成されるアーム、あるいはこのアームと対になっているアームなどにおいて、短絡事故などが発生し、パルス発生回路６からパルスが出力されても、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が所定レベルまで低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定されて、ゲート電圧クランプ指示信号が出力される。
【００２３】
これにより、ゲート電圧クランプ回路１０によって、ＩＧＢＴ３のゲート電圧が予め設定されたクランプ電圧値以内にクランプされて、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流値が定格コレクタ電流値と同じ電流値、または２倍程度の電流値まで下げられ、ＩＧＢＴ３の破壊が防止される。
【００２４】
このように、この第１の実施形態では、パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定させて、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせ、またアームを構成する各ＩＧＢＴの飽和電流特性のバラツキなどに起因して、他のＩＧＢＴの飽和電流値よりＩＧＢＴ３の飽和電流値が小さいとすると、ＩＧＢＴ３の電圧が上昇し、ＩＧＢＴ３の分担電圧が増大し、所定電圧値を超えたとき、過電圧検出回路８によって、これを検知させて、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧を増加させるようにしているので、ＩＧＢＴ３とともに、電力変換装置のアームを構成する各ＩＧＢＴの印加電圧に応じて、ＩＧＢＴ３の飽和電流値を制御させて、ＩＧＢＴ３に過大な電圧が印加されるのを防止しつつ、短絡事故などが発生したとき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、ＩＧＢＴ３に過大な電流が流れないようにし、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止することができる。
【００２５】
また、この第１の実施形態では、パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定させて、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせ、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲以内に保持するようにしているので、短絡事故などが発生して、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流が増加したとき、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を規定範囲内に保持させて、短絡事故に起因するＩＧＢＴ３の破壊を未然に防止することができる。
【００２６】
〈第２の実施形態〉
図２は本発明によるゲート駆動装置の第２の実施形態を示すブロック図である。なお、この図において、図１の各部と対応する部分には、同じ符号が付してある。
【００２７】
この図に示すゲート駆動装置１ｂが図１に示すゲート駆動装置１ａと異なる点は、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、ＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入して、等価抵抗を減少させる可変電流源１１を設け、ＩＧＢＴ３にサージ電圧などが印加されて、過電圧検出回路８から大きな値の飽和電流増加指示信号が出力されたとき、可変電流源１１からＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させて、ＩＧＢＴ３の等価抵抗を減少させ、サージ電圧などに起因するＩＧＢＴ３の破壊を防止するようにしたことである。
【００２８】
このように、この第２の実施形態では、ＩＧＢＴ３にサージ電圧などが印加されて、過電圧検出回路８から大きな値の飽和電流増加指示信号が出力されたとき、可変電流源１１からＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させて、ＩＧＢＴ３の等価抵抗を減少させ、ＩＧＢＴ３の印加電圧を低減するようにしているので、ＩＧＢＴ３にサージ電圧などが印加されたとき、ＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させて、飽和電流値を上昇させ、ＩＧＢＴ３に耐電圧以上の電圧がかからないようにすることができるとともに、短絡事故などが発生したとき、短絡検出回路９によって、ＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプ電圧値以内にクランプさせて、ＩＧＢＴ３に過大な電流が流れないようにし、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止することができる。
【００２９】
また、この第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定させ、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせて、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲内に保持するようにしているので、短絡事故などが発生して、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流が増加したとき、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流値を規定範囲内に保持させて、短絡事故に起因するＩＧＢＴ３の破壊を未然に防止することができる。
【００３０】
〈第３の実施形態〉
図３は本発明によるゲート駆動装置の第３の実施形態を示すブロック図である。なお、この図において、図１の各部と対応する部分には、同じ符号が付してある。
【００３１】
この図に示すゲート駆動装置１ｃが図１に示すゲート駆動装置１ａと異なる点は、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、ＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入して、等価抵抗を減少させるとともに、ゲート電圧クランプ回路１０に電流を供給して、クランプ電圧を上昇させる可変電流源１２を設け、ＩＧＢＴ３にサージ電圧などが印加されて、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、可変電流源１２からゲート電圧クランプ回路１０に電流を供給させて、ＩＧＢＴ３のゲート電圧（クランプ電圧）を上昇させつつ、可変電流源１２からＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させて、ＩＧＢＴ３の等価抵抗を減少させ、サージ電圧などに起因するＩＧＢＴ３の破壊を防止するようにしたこことである。
【００３２】
ゲート電圧クランプ回路１０は、図４の回路図に示す如くソースが接地ライン１３に接続され、ゲートが短絡検出回路９の出力端子に接続されるクランプオン／オフ用の電界効果トランジスタ１４と、アノードが電界効果トランジスタ１４のドレインに接続されるクランプ電圧生成用のツェナーダイオード１５と、一端がツェナーダイオード１５のカソードに接続され、他端が可変電流源１２の出力端子に接続されるクランプ電圧上昇用の抵抗１６と、ベースが抵抗１６の他端に接続され、コレクタが接地ライン１３に接続され、エミッタがＩＧＢＴ３のゲートに接続されるクランプ用のトランジスタ１７とを備えている。
【００３３】
そして、ＩＧＢＴ３、他の各ＩＧＢＴによって構成されるアーム、あるいはこのアームと対になっているアームなどにおいて、短絡事故などが発生し、パルス発生回路７からパルスが出力されても、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が所定レベルまで低下しなくなり、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定され、ゲート電圧クランプ指示信号が出力される。
【００３４】
これにより、電界効果トランジスタ１４がオン状態になり、ＩＧＢＴ３のゲート→トランジスタ１７→抵抗１６→ツェナーダイオード１５→電界効果トランジスタ１４→接地ライン１３なる経路で、ＩＧＢＴ３のベースから接地ラインに電流が流されて、ＩＧＢＴ３のベース電圧がクランプ電圧値まで下げられるとともに、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流が定格コレクタ電流値と同じ電流値、または２倍程度の電流値まで、下げられて、ＩＧＢＴ３の破壊が防止される。
【００３５】
この状態で、サージ電圧などによって、ＩＧＢＴ３が過電圧状態になり、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されると、可変電流源１２によって、これが検知され、可変電流源１２→抵抗１６→ツェナーダイオード１５→電界効果トランジスタ１４→接地ライン１３なる経路で、抵抗１６に電流が供給されて、抵抗１６の両端間電圧が高められ、トランジスタ１７のベース電圧、エミッタ電圧が上昇させられるとともに、可変電流源１２→ＩＧＢＴ３のゲートなる経路で、ＩＧＢＴ３のゲートに供給されて、ゲート電圧が高められる。
【００３６】
これにより、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流が一時的に増加させられて、コレクタ電圧が下げられ、サージ電圧などに起因するＩＧＢＴ３の破壊が防止される。
【００３７】
このように、この第３の実施形態では、短絡検出回路９によって、短絡事故の発生が検知されて、ゲート電圧クランプ回路１０がＩＧＢＴ３のゲートをクランプ電圧値以下に保持させている状態で、ＩＧＢＴ３にサージ電圧などが印加されて、過電圧検出回路８から飽和電流増加指示信号が出力されたとき、可変電流源１２からＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させて、ＩＧＢＴ３の等価抵抗を減少させつつ、可変電流源１２からゲート電圧クランプ回路１０に電流を供給させて、ＩＧＢＴ３のゲート電圧を上昇させるようにしているので、短絡事故などが発生したとき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプ電圧値以下にクランプさせて、ＩＧＢＴ３に過大な電流が流れないようにし、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止しつつ、ＩＧＢＴ３にサージ電圧が印加されたとき、ＩＧＢＴ３のゲートに電流を注入させつつ、ゲート電圧クランプ回路１０のクランプ電圧を上昇させて、ＩＧＢＴ３のゲート電圧を上昇させ、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止することができる。
【００３８】
また、この第３の実施形態では、ＩＧＢＴ３にサージ電圧が印加されたとき、可変電流源１２から電流を出力させて、可変電流源１２→抵抗１６→ツェナーダイオード１５→電界効果トランジスタ１４→接地ライン１３なる経路で、抵抗１６に電流を流して、抵抗１６の両端間に生じる電圧を増大させ、トランジスタ１７のベース電圧を上昇させるようにしているので、抵抗１６など、安価なデバイス、簡単な回路を使用させて、製造コストを低く抑えつつ、短絡事故などが発生し、ＩＧＢＴ３のゲート電圧がクランプされている状態で、ＩＧＢＴ３にサージ電圧が印加されたとき、クランプ電圧を一時的に上昇させて、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を一時的に上昇させ、ＩＧＢＴ３の破壊を防止することができる。
【００３９】
また、この第３の実施形態においても、第１、第２の実施形態と同様に、パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定させ、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせて、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流値を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲内に保持するようにしているので、短絡事故などが発生して、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流が増加したとき、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流値を規定範囲内に保持させて、短絡事故に起因するＩＧＢＴ３の破壊を未然に防止することができる。
【００４０】
〈他の実施形態〉
上述した第１〜第３の実施形態では、短絡検出回路９からゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、ゲート電圧クランプ回路１０によって、ＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせて、ＩＧＢＴ６に過大な短絡電流が流れないようにし、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止するようにしているが、短絡検出回路９からゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、パルス発生回路６のパルス発生動作を停止させて、ＩＧＢＴ３のゲートに対するパルス供給を遮断するようにしても良い。
【００４１】
これにより、短絡事故などが発生したとき、ＩＧＢＴ３をオフ状態に保持させて、ＩＧＢＴ３にコレクタ電流が流れるのを防止し、短絡事故に起因するＩＧＢＴ３の破壊を未然に防止することができる。
【００４２】
また、上述した第１〜第３の実施形態では、短絡検出回路９からゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、ゲート電圧クランプ回路１０によって、ＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせて、ＩＧＢＴ３に過大な短絡電流が流れないようにして、ＩＧＢＴ３が破壊されるのを防止するようにしているが、短絡検出回路９からゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、短絡検知信号を生成する信号伝送回路を設け、この信号伝送回路から出力される短絡検知信号を電力変換装置の主制御回路などに伝送させて、主制御回路の制御の下に、パルス発生回路６の動作を停止するようにしても良い。
【００４３】
これにより、短絡事故などが発生したとき、電力変換装置の主制御回路に短絡事故の発生を知らせて、電力変換装置を構成する各ＩＧＢＴに対するパルス供給などを同時に停止させて、各ＩＧＢＴのいずれかに負荷が集中するのを防止し、各ＩＧＢＴの破壊を防止することができる。
【００４４】
また、上述した第１〜第３の実施形態では、ゲート駆動装置１ａ〜１ｃによって、ＩＧＢＴ３を制御するようにしているが、ＭＯＳＦＥＴなど、他のノンラッチ型電力スイッチング素子を制御するようにしても良い。
【００４５】
また、上述した第１〜第３の実施形態では、パルス発生回路６からパルスが出力されているにもかかわらず、ＩＧＢＴ３に印加されている電圧が所定レベルまで低下しないとき、ＩＧＢＴ３の電圧を監視している短絡検出回路９によって、短絡事故が発生したと判定させ、ゲート電圧クランプ回路１０にＩＧＢＴ３のゲート電圧をクランプさせて、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲（メーカ側の遮断動作保証範囲で、電力変換装置の出力電流値より大きな電流値）内に収めるようにしている。
【００４６】
このようにしても、実際のＩＧＢＴ３では、通常運転時に、定格コレクタ電流値を下回るコレクタ電流となることが多く、またＩＧＢＴ３が短絡状態になったときにも、負荷となっている電動機や、電力系統が持つ大きなインダクタンス成分のために、電力変換装置の出力電流がほぼ一定の電流値になることから、短絡事故が発生したとき、ＩＧＢＴ３のコレクタ電流を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲内にしておけば、電力変換装置の最大出力電流値より、ＩＧＢＴ３に流れる電流を大きくすることができる。
【００４７】
しかしながら、ＩＧＢＴ３に取りつけられた放熱器などの性能が高いときには、放熱性能に余裕がある分だけ、メーカ側の遮断動作保証範囲を超えるようにして、短絡事故時の電流容量を増大させ、短絡事故に対する耐性を高めるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明によるゲート駆動装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明によるゲート駆動装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図３】本発明によるゲート駆動装置の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図４】図３に示すゲート電圧クランプ回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図５】従来から知られているゲート駆動装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ａ，１ｂ，１ｃ：ゲート駆動装置
２：還流ダイオード
３：ＩＧＢＴ
４：正側ゲート駆動電圧源
５：負側ゲート駆動電圧源
６：パルス発生回路
７：ゲート抵抗
８：過電圧検出回路
９：短絡検出回路
１０：ゲート電圧クランプ回路
１１，１２：可変電流源
１３：接地ライン
１４：電界効果トランジスタ
１５：ツェナーダイオード
１６：抵抗
１７：トランジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用スイッチング素子のゲート電圧を制御することにより当該電力用スイッチング素子を駆動制御するゲート駆動装置において、
前記電力用スイッチング素子のゲートにパルスが印加された際に前記電力用スイッチング素子の印加電圧が低下しないとき、短絡事故が発生したと判定して、ゲート電圧クランプ指示信号を生成する短絡検出回路と、
前記電力用スイッチング素子に予め設定されている電圧値を超える電圧が印加されているとき、前記電力用スイッチング素子が過電圧状態であると判定して、飽和電流増加指示信号を生成する過電圧検出回路と、
前記短絡検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、前記電力用スイッチング素子のコレクタ電流を規定電流値以内に保持させ、また前記過電圧検出回路から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲート電圧を上昇させて、前記電力用スイッチング素子の印加電圧を低下させるゲート電圧クランプ回路と、
を備えたことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載のゲート駆動装置において、
前記過電圧検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲートに電流を注入して等価抵抗を減少させる可変電流源を設けた、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項３】
請求項１に記載のゲート駆動装置において、
前記過電圧検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲートに電流を注入して、等価抵抗を減少させるとともに、前記ゲート電圧クランプ回路に電流を供給して、前記クランプ電圧を上昇させる可変電流源を設けた、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項４】
請求項３に記載のゲート駆動装置において、
前記ゲート電圧クランプ回路は、前記短絡検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されている状態で、前記可変電流源から電流が出力されているとき、クランプ電圧を一時的に上昇させ、前記電力用スイッチング素子のコレクタ電流を一時的に増加させる、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のゲート駆動装置において、
前記ゲート電圧クランプ回路は、前記短絡検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、前記電力用スイッチング素子のコレクタ電流値を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲内に保持する、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のゲート駆動装置において、
前記ゲート電圧クランプ回路は、前記短絡検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲートに対するパルス入力を遮断する、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のゲート駆動装置において、
前記短絡検出回路によって、短絡事故が発生したと判定されたとき、短絡検知信号を生成して、外部機器に伝送する信号伝送回路、
を備えたことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のゲート駆動装置において、
前記電力スイッチング素子は、他の電力スイッチング素子と直列接続されて、電力変換装置のアームを構成する、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項１】
電力用スイッチング素子のゲート電圧を制御することにより当該電力用スイッチング素子を駆動制御するゲート駆動装置において、
前記電力用スイッチング素子のゲートにパルスが印加された際に前記電力用スイッチング素子の印加電圧が低下しないとき、短絡事故が発生したと判定して、ゲート電圧クランプ指示信号を生成する短絡検出回路と、
前記電力用スイッチング素子に予め設定されている電圧値を超える電圧が印加されているとき、前記電力用スイッチング素子が過電圧状態であると判定して、飽和電流増加指示信号を生成する過電圧検出回路と、
前記短絡検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、前記電力用スイッチング素子のコレクタ電流を規定電流値以内に保持させ、また前記過電圧検出回路から飽和電流増加指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲート電圧を上昇させて、前記電力用スイッチング素子の印加電圧を低下させるゲート電圧クランプ回路と、
を備えたことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載のゲート駆動装置において、
前記過電圧検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲートに電流を注入して等価抵抗を減少させる可変電流源を設けた、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項３】
請求項１に記載のゲート駆動装置において、
前記過電圧検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲートに電流を注入して、等価抵抗を減少させるとともに、前記ゲート電圧クランプ回路に電流を供給して、前記クランプ電圧を上昇させる可変電流源を設けた、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項４】
請求項３に記載のゲート駆動装置において、
前記ゲート電圧クランプ回路は、前記短絡検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されている状態で、前記可変電流源から電流が出力されているとき、クランプ電圧を一時的に上昇させ、前記電力用スイッチング素子のコレクタ電流を一時的に増加させる、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のゲート駆動装置において、
前記ゲート電圧クランプ回路は、前記短絡検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲート電圧をクランプ電圧値以内に保持させて、前記電力用スイッチング素子のコレクタ電流値を定格コレクタ電流値の１倍乃至２倍の範囲内に保持する、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のゲート駆動装置において、
前記ゲート電圧クランプ回路は、前記短絡検出回路から前記ゲート電圧クランプ指示信号が出力されているとき、前記電力用スイッチング素子のゲートに対するパルス入力を遮断する、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のゲート駆動装置において、
前記短絡検出回路によって、短絡事故が発生したと判定されたとき、短絡検知信号を生成して、外部機器に伝送する信号伝送回路、
を備えたことを特徴とするゲート駆動装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のゲート駆動装置において、
前記電力スイッチング素子は、他の電力スイッチング素子と直列接続されて、電力変換装置のアームを構成する、
ことを特徴とするゲート駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−７４９３７（Ｐ２００６−７４９３７Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５７０４３（Ｐ２００４−２５７０４３）
【出願日】平成１６年９月３日（２００４．９．３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月３日（２００４．９．３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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