ドライブ回路
【課題】連続通弧により半導体スイッチが故障に至るような誤動作を回避するドライブ回路を提供する。
【解決手段】外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチ２０を駆動させるドライブ回路１０ｂであって、駆動信号に基づいて半導体スイッチ２０の駆動制御を行うゲートドライバ１６と、ゲートドライバ１６による制御の状態にかかわらず、駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて半導体スイッチ２０のスイッチング周期の終了時までの所定期間に強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる強制オフ回路１８とを備える。
【解決手段】外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチ２０を駆動させるドライブ回路１０ｂであって、駆動信号に基づいて半導体スイッチ２０の駆動制御を行うゲートドライバ１６と、ゲートドライバ１６による制御の状態にかかわらず、駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて半導体スイッチ２０のスイッチング周期の終了時までの所定期間に強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる強制オフ回路１８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置や電力系の駆動回路等に使用される半導体スイッチのドライブ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチは、電力変換装置や電力系の駆動回路等における主スイッチング素子として利用されている。特にＩＧＢＴは、大電流制御に適しており、産業用等に広く使用されている。ドライブ回路は、この種の半導体スイッチの制御端子に接続され、当該制御端子に電圧を印加してオン／オフ制御を行い、半導体スイッチを駆動させる。
【０００３】
図５は、従来のドライブ回路１０ａの構成を示すブロック図である。ドライブ回路１０ａは、図５に示すように、絶縁回路１２、プリドライバ１４、及びゲートドライバ１６により構成され、半導体スイッチ２０を駆動させる。
【０００４】
絶縁回路１２は、例えばフォトカプラであり、外部の低電圧系の回路と高電圧系のドライブ回路１０ａとの間を絶縁状態とするとともに信号の伝送を行う。これにより、絶縁回路１２は、高い安全性を確保するとともにノイズ等の影響を抑えることができる。具体的には、絶縁回路１２は、外部のＣＰＵ等により入力されたパルス信号である駆動信号に応じて所定電圧の信号をプリドライバ１４に対して出力する。
【０００５】
プリドライバ１４は、絶縁回路１２により出力された信号を適切な振幅に変換し、ゲートドライバ１６を制御するための信号を出力する。また、ゲートドライバ１６は、プリドライバ１４により出力された信号に基づいて半導体スイッチ２０の制御端子（ゲート）に電圧を印加し、半導体スイッチ２０をオン／オフ制御して駆動させる。
【０００６】
図６は、従来のドライブ回路１０ａにより半導体スイッチ２０を駆動させた場合の各部の波形図である。なお、半導体スイッチ２０は、ＩＧＢＴであるとする。所定のデューティ比を有するパルス状の駆動信号は、スイッチング周期に基づいて外部からドライブ回路１０ａ内の絶縁回路１２に入力される。図６に示すように、駆動信号は、プリドライバ１４及びゲートドライバ１６を介して半導体スイッチ２０のゲートに印加されるまでの間に、そのタイミング及びパルス幅においてわずかに遅れを生ずる。
【０００７】
最初に、時刻ｔ０において立ち上がりを有する駆動信号は、半導体スイッチ２０をターンオンさせる。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間に半導体スイッチ２０のゲートに印加されたゲート電圧は、寄生容量（入力容量）を充電した後に、半導体スイッチ２０をオンさせる。しかしながら、時刻ｔ１からｔ２までの間において、半導体スイッチ２０の寄生容量（帰還容量）に蓄積された電荷が放電されドレイン電圧が下降するとともにドレイン電流が上昇し、ゲート電圧はしきい値近傍でクランプする。
【０００８】
この間に、半導体スイッチ２０は、ドレイン電圧とドレイン電流を乗じた値の電力損失を発生させる。この現象は、時刻ｔ７からｔ８までの間においても同様である。この時刻ｔ１からｔ２まで（あるいは時刻ｔ７からｔ８まで）の間の時間遅れをゲートＯＮディレイと呼ぶこととする。なお、駆動信号の立ち上がり時刻から考えると、半導体スイッチ２０がオンするまでに時刻ｔ０からｔ２までの間のディレイ（遅れ）があると言える。
【０００９】
一方、駆動信号が立ち下がることにより半導体スイッチ２０がターンオフされる。ターンオフ時において、ゲートドライバ１６は、半導体スイッチ２０のゲート電圧を低下させ、入力容量に蓄積された電荷を放電させて半導体スイッチ２０をオフさせようとするが、これによりコレクタ（ドレイン）電圧を上昇させることになるため帰還容量を充電する必要があり、ゲート電圧がクランプする。この時刻ｔ３からｔ４まで（あるいは時刻ｔ９からｔ１０まで）の間の時間遅れをゲートＯＦＦディレイと呼ぶこととする。
【００１０】
その後、時刻ｔ４からｔ５まで（あるいは時刻ｔ１０からｔ１１まで）の間において、ドレイン電圧が上昇するとともにドレイン電流が下降し、半導体スイッチ２０は、ドレイン電圧とドレイン電流を乗じた値の電力損失を発生させる。
【００１１】
特許文献１には、駆動対象の電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオン時に生ずるノイズを抑制しながら、ターンオンの遅れや損失を低減し得るとともに、負荷短絡状態でのターンオン時の保護が容易なドライブ回路が記載されている。このドライブ回路は、駆動対象の半導体スイッチング素子のターンオン時にその制御端子を充電するために用いるＭＯＳＦＥＴのゲート・ドレイン間にコンデンサを挿入するようにしたので、主パワー素子のターンオン時、制御端子充電用のＭＯＳＦＥＴのドレイン電圧が変化する場合に発生するミラー効果が大きくなり、主パワー素子の制御端子の電圧上昇（下降）速度が大きい領域で、制御端子充電用ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の低下速度が遅く（速く）なり、主パワー素子の制御端子の電圧変化速度、すなわち主パワー素子の電流のｄｉ／ｄｔ及びコレクタ・エミッタ間電圧の下降初期のｄＶ／ｄｔを小さく、且つ電流のピークを抑えてノイズを抑制することができる。また、このドライブ回路は、オン信号の入力時点から主パワー素子に電流が流れ始めるまでの期間、主パワー素子の制御端子を急速に充電する手段を別に設けたので、ターンオンが遅れることを防ぐことができる。
【００１２】
また、特許文献２には、半導体スイッチ用の駆動電源を不要とし、信頼性が高く、応答速度が速く、スイッチング特性に合わせた適切な駆動制御が可能といった半導体スイッチ回路が記載されている。この半導体スイッチ回路は、電圧昇圧手段としてのＦＥＴにおける周波数の変更やオンオフデューティ比を変更することにより、ゲート電圧の立ち上がり速度を変更することができ、スイッチング速度変更可能な構成が実現している。すなわち、この半導体スイッチ回路は、電圧昇圧回路における動作を制御することにより、ゲートに対する電荷の充電を高速化し、スイッチング速度の制御を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００１−９４４０６号公報
【特許文献２】特開２００６−５０７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
半導体スイッチ２０は、駆動信号のパルスによるＰＷＭ制御で駆動するので、大きな負荷電流を必要とする場合には、駆動信号のパルス幅を長くし、半導体スイッチ２０のデューティ比に占めるオン時間の割合を大きくする必要がある。しかしながら、ノイズ等の影響でドライブ回路１０ａが受けた駆動信号に誤りがある場合やドライブ回路１０ａを構成するプリドライバ１４とゲートドライバ１６における信号の遅れが大きい場合には、半導体スイッチ２９は、駆動信号に応じた動作を行うことが困難となり、最悪の場合には連続通弧となって壊れるモードに陥る場合も考えられる。
【００１５】
図７は、従来のドライブ回路１０ａによりオン時間を長くして半導体スイッチ２０を駆動させた場合の各部の波形図である。この場合において、駆動信号は、プリドライバ１４及びゲートドライバ１６を介して半導体スイッチ２０のゲートに印加されるまでの間に、そのタイミング及びパルス幅において図６の場合と同様に遅れを生ずる。図７に示すように駆動信号が立ち下がるターンオフ時において、ゲートドライバ入力電圧は、時刻ｔ３において立ち下がり始める。しかしながら、半導体スイッチゲート電圧は、ゲートＯＦＦディレイにより時刻ｔ５まで立ち下がらない。
【００１６】
一方、駆動信号電圧は、スイッチング周期に基づいて時刻ｔ５以前の時刻ｔ４において再び立ち上がる。したがって、ターンオフ時にゲート電圧が完全に下がらないうちに半導体スイッチ２０のゲートに対して再び電圧がかけられることとなり、時刻ｔ５からｔ６までのドレイン電圧及びドレイン電流は変動する。その結果、その間における電力損失は、図７に示すように通常のスイッチング損失に比して大きなものとなってしまう。このような現象は、電力効率の低下を招くばかりでなく、半導体スイッチ２０の発熱を促し、半導体スイッチ２０自体を破損させる恐れがある。
【００１７】
特に、ゲートＯＦＦディレイは、温度の変動等に基づいて延びる場合があるため、このような連続通弧の状態を発生させやすい。さらに、ドライブ回路１０ａの異常時には半導体スイッチ２０ばかりでなくその半導体スイッチ２０を使用することにより電力の供給を受ける機材さえも故障する恐れがある。
【００１８】
特許文献１あるいは特許文献２に記されているような従来技術のドライブ回路は、半導体スイッチの制御端子に対する充放電速度を上げることにより、制御回路から受け取った駆動信号に対するディレイを最小限に抑え、スイッチング速度を上げるとともに上述した故障モードを防ぐものであるが、ディレイを完全に無くすことは困難であり、デューティ比やスイッチング周期に応じて上述した故障モードは依然として存在する。
【００１９】
以上述べたように、従来のドライブ回路は、駆動信号に対する半導体スイッチ動作までの遅れ時間、あるいはドライブ能力の低下等の原因により、半導体スイッチを誤動作させ、あるいは半導体スイッチ自体を故障させる可能性がある。特に半導体スイッチをブリッジ型で使用する大電力の電源装置においては、半導体スイッチの故障は重大事故へとつながる危険性があるため、安全性の確保の点からも当該故障を回避することは非常に重要な事項である。
【００２０】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、連続通弧により半導体スイッチが故障に至るような誤動作を回避するドライブ回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係るドライブ回路は、上記課題を解決するために、第１の発明は、外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチを駆動させるドライブ回路であって、前記駆動信号に基づいて前記半導体スイッチの駆動制御を行うゲートドライバと、前記ゲートドライバによる制御の状態にかかわらず、前記駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて前記半導体スイッチのスイッチング周期の終了時までの所定期間に強制的に前記半導体スイッチをオフさせる強制遮断部とを備えることを特徴とする。
【００２２】
第２の発明は、外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチを駆動させるドライブ回路であって、前記駆動信号に基づいて前記半導体スイッチの駆動制御を行うゲートドライバと、前記駆動信号に同期することにより前記半導体スイッチのスイッチング周期における終期に前記半導体スイッチをオフさせるための強制オフ信号を生成する内部発振器と、前記ゲートドライバによる制御の状態にかかわらず、前記内部発振器により生成された強制オフ信号に基づいて、所定期間だけ強制的に前記半導体スイッチをオフさせる強制遮断部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、連続通弧により半導体スイッチが故障に至るような誤動作を回避するドライブ回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例１の形態のドライブ回路の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１の形態のドライブ回路により半導体スイッチを駆動させた場合の各部の波形図である。
【図３】本発明の実施例２の形態のドライブ回路の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例３の形態のドライブ回路の構成を示すブロック図である。
【図５】従来のドライブ回路の構成を示すブロック図である。
【図６】従来のドライブ回路により半導体スイッチを駆動させた場合の各部の波形図である。
【図７】従来のドライブ回路によりオン時間を長くして半導体スイッチを駆動させた場合の各部の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明のドライブ回路の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本発明の実施例１のドライブ回路１０ｂの構成を示すブロック図である。図１を参照して、ドライブ回路１０ｂの構成を説明する。本実施例のドライブ回路１０ｂは、図１に示すように、絶縁回路１２、プリドライバ１４、ゲートドライバ１６、及び強制オフ回路１８により構成され、外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチ２０を駆動させる。図５で説明した従来のドライブ回路１０ａと異なる点は、強制オフ回路１８を新たに備えている点である。
【００２７】
絶縁回路１２及びプリドライバ１４は、図５で説明したものと同一であり、重複した説明を省略する。ただし、プリドライバ１４は、絶縁回路１２により入力された信号に基づいてゲートドライバ１６を制御するために生成した信号をゲートドライバ１６のみならず強制オフ回路１８に対しても出力する。また、ドライブ回路１０ｂは、絶縁回路１２の代わりに駆動信号を受けるための差動回路を備えていてもよい。
【００２８】
ゲートドライバ１６は、絶縁回路１２及びプリドライバ１４を介して伝達された駆動信号に基づいて半導体スイッチ２０の駆動制御を行う。具体的には、ゲートドライバ１６は、プリドライバ１４により出力された信号に基づいて半導体スイッチ２０の制御端子（ゲート）に電圧を印加し、半導体スイッチ２０をオン／オフ制御して駆動させる。
【００２９】
強制オフ回路１８は、本発明の強制遮断部に対応し、ゲートドライバ１６による半導体スイッチ２０に対する制御の状態にかかわらず、駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて、半導体スイッチ２０のスイッチング周期の終了時までの所定期間に強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。
【００３０】
具体的には、強制オフ回路１８は、例えば内部にタイマを有しており、駆動信号の立ち上がりを検出してから一定期間経過後に、スイッチング周期の終了時までの所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。ただし、本実施例において、強制オフ回路１８は、外部の駆動信号を直接監視することができないため、絶縁回路１２及びプリドライバ１４を介して間接的に外部の駆動信号を監視し、プリドライバ１４により出力された信号の立ち上がりを検出してから一定期間経過後に、スイッチング周期の終了時までの所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。
【００３１】
ここで、ドライブ回路１０ｂは、半導体スイッチ２０の連続通弧を回避するために、確実にオフ期間を確保する必要がある。したがって、強制オフ回路１８による強制オフの「所定期間」は、半導体スイッチ２０のゲート電圧が低下して半導体スイッチ２０が確実にオフするのに必要とする時間よりも長いものに設定される必要がある。ただし、当該「所定期間」は、あまり長い場合には必然的にデューティ比が小さくなり、大きな負過電流を流すことが困難となってしまうため、半導体スイッチ２０をオフするのに要する時間は確保した上で極力短く設定する必要がある。強制オフ回路１８は、当該「所定期間」が予め設定されており、「所定時間」が経過したときに次のスイッチング周期が始まるように強制オフの開始時刻を調節する。
【００３２】
本実施例におけるドライブ回路１０ｂは、強制オフ回路１８を備えることにより、繰り返し動作するタイミングで駆動信号により生成される半導体スイッチ２０に対するゲート駆動電圧を所定のパルス幅に制限することができる。すなわち、従来のドライブ回路が駆動信号の遅れを短くして連続通弧等の問題解決を図っていたのに対し、本発明のドライブ回路１０ｂは、ゲートドライバ１６に対して優先動作を行う強制オフ回路１８を備えることにより、駆動信号以上のパルス幅で半導体スイッチ２０が動作しないように制限をかけるという点に特徴がある。
【００３３】
なお、強制オフ回路１８は、例えば半導体スイッチ２０の制御端子を強制的に負の電位に短絡して半導体スイッチ２０をオフさせるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を有することにより実現される。また、強制オフ回路１８は、ＦＥＴの代わりにバイポーラ・トランジスタを備えることもできるが、ＦＥＴの方が高速動作が可能という利点がある。
【００３４】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図２は、本実施例のドライブ回路１０ｂにより半導体スイッチ２０を駆動させた場合の各部の波形図である。所定のデューティ比を有するパルス状の駆動信号は、スイッチング周期に基づいて外部のマイコン等からドライブ回路１０ｂ内の絶縁回路１２に入力される。図２に示すように、駆動信号は、プリドライバ１４及びゲートドライバ１６を介して半導体スイッチ２０のゲートに印加されるまでの間に、そのタイミング及びパルス幅においてわずかに遅れを生ずる。
【００３５】
最初に、時刻ｔ０において立ち上がりを有する駆動信号は、半導体スイッチ２０をターンオンさせる。時刻ｔ１からｔ２までの間に半導体スイッチ２０において生ずるゲートＯＮディレイは、図６で説明した現象と同様であり、重複した説明を省略する。
【００３６】
強制オフ回路１８は、プリドライバ１４により出力された信号（ゲートドライバ入力電圧）の立ち上がりを検出するとともに、当該立ち上がりから一定期間経過後の時刻ｔ３に半導体スイッチ２０に対して強制オフを開始する。図２に示すように、駆動信号は時刻ｔ３においてオン状態であり、それに伴いプリドライバ入力信号及びゲートドライバ入力電圧もオン（ハイ）である。したがって、ゲートドライバ１６は、時刻ｔ３において半導体スイッチ２０をオンさせるように制御している。ところが、強制オフ回路１８は、ゲートドライバ１６の制御に優先して半導体スイッチ２０をオフさせるため、半導体スイッチゲート電圧は時刻ｔ３から下がり始め、時刻ｔ４において完全に半導体スイッチ２０をオフさせる。
【００３７】
強制オフ回路１８は、時刻ｔ３からスイッチング周期の終了時である時刻ｔ５までの「所定期間」、半導体スイッチ２０のオフ制御を継続し、時刻ｔ５において半導体スイッチ２０に対するオフ制御動作を停止する。時刻ｔ３から時刻ｔ５までの「所定期間」は、上述したように半導体スイッチ２０が確実にオフするのに必要とする時間等に基づいて予め強制オフ回路１８に設定されている。
【００３８】
時刻ｔ５は、スイッチング周期の終わりの時刻であるとともに、次のスイッチング周期の始まりの時刻でもある。強制オフ回路１８は、予めスイッチング周期やプリドライバ１４を経た駆動信号の遅れ等の情報を有しており、プリドライバ１４により出力された信号（ゲートドライバ入力電圧）の立ち上がりを検出した際に、スイッチング周期の終わりの時刻ｔ５を算出するとともに、そこから「所定期間」だけ逆算した時刻ｔ３を算出し、時刻ｔ３に強制オフ動作を開始する。
【００３９】
その際に、時刻ｔ３からｔ４までの間において、ドレイン電圧が上昇するとともにドレイン電流が下降し、半導体スイッチ２０は、ドレイン電圧とドレイン電流を乗じた値の電力損失（スイッチング損失）を発生させる。しかしながら、この損失は、図７で説明した従来のドライブ回路１０ａが半導体スイッチ２０を連続通弧させた場合の損失（図７の時刻ｔ５からｔ６までの電力損失）に比して、格段に小さなものであり、連続通弧に起因する半導体スイッチ２０の破損等を防止することができる。
【００４０】
一方、デューティ比におけるオン期間の割合が短い場合には、駆動信号が立ち下がることにより、強制オフ回路１８がオフ動作を開始する前にゲートドライバ１６が半導体スイッチ２０をターンオフさせる。すなわち、半導体スイッチ２０は、ゲートドライバ１６と強制オフ回路１８とのいずれかがオフ制御を行うことによりターンオフされる。
【００４１】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係るドライブ回路１０ｂによれば、駆動信号に対する半導体スイッチ動作までの遅れ時間やドライブ能力の低下等の原因に起因する連続通弧により半導体スイッチ２０が故障に至るような誤動作を回避することができる。すなわち、本発明のドライブ回路１０ｂは、半導体スイッチ２０のゲートを短絡して半導体スイッチ２０を強制的にオフさせる期間を確保するための強制オフ回路１８を備えることにより、図７で説明したような半導体スイッチ２０の連続通弧の状態を回避することができ、その結果として発熱による半導体スイッチ２０の破損や半導体スイッチ２０が適用される電源変換装置等の機材の故障を防止することができる。
【００４２】
また、本発明のドライブ回路１０ｂは、半導体スイッチ２０の連続通弧の状態を回避することにより、電力損失を抑えることができる。
【００４３】
なお、強制オフ回路１８は、上述したように駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて強制オフの開始時刻を決定するが、駆動信号の立ち上がりのタイミングから強制オフの開始時刻までの時間や強制オフの期間は、ユーザが例えば半導体スイッチ２０を適用する機材に合わせて任意に強制オフ回路１８に設定することができる。
【００４４】
また、本発明のドライブ回路１０ｂは、従来技術のように半導体スイッチの制御端子に対する充放電速度を上げることによりディレイを抑えるものではないため、ゲートＯＦＦディレイの長短にかかわらず確実に半導体スイッチ２０のオフ期間を確保し、連続通弧を回避することができるという点に特徴がある。
【実施例２】
【００４５】
図３は、本発明の実施例２のドライブ回路１０ｃの構成を示すブロック図である。実施例１のドライブ回路１０ｂと異なる点は、絶縁回路１３及びオア回路１５を新たに備えている点である。その他の構成は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００４６】
絶縁回路１３は、絶縁回路１２と同様に例えばフォトカプラであり、外部の低電圧系の回路と高電圧系のドライブ回路１０ｃとの間を絶縁状態とするとともに信号の伝送を行う。これにより、絶縁回路１３は、高い安全性を確保するとともにノイズ等の影響を抑えることができる。具体的には、絶縁回路１３は、外部のＣＰＵ等により入力された強制オフ信号に応じて所定電圧の信号をオア回路１５に対して出力する。
【００４７】
絶縁回路１２及びプリドライバ１４は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。ただし、プリドライバ１４は、絶縁回路１２により入力された信号に基づいてゲートドライバ１６を制御するために生成した信号をゲートドライバ１６のみならずオア回路１５に対しても出力する。
【００４８】
オア回路１５は、プリドライバ１４と絶縁回路１３とのいずれにより出力された電圧がハイ（信号がオン）である場合に、当該電圧を強制オフ回路１８に対して出力する。ただし、強制オフ回路１８は、オア回路１５により出力された電圧（信号）がプリドライバ１４と絶縁回路１３とのいずれにより出力されたものであるのか区別することができるものとする。
【００４９】
強制オフ回路１８は、実施例１と同様に、ゲートドライバ１６による半導体スイッチ２０に対する制御の状態にかかわらず、駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて、半導体スイッチ２０のスイッチング周期の終了時までの所定期間に強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。
【００５０】
また、本実施例の強制オフ回路１８は、外部からの強制オフ信号を絶縁回路１３及びオア回路１５を介して受信した場合に、ゲートドライバ１６による制御の状態及び駆動信号の立ち上がりのタイミングにかかわらず、所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。すなわち、強制オフ回路１８は、オア回路１５によりプリドライバ１４と絶縁回路１３とのいずれかの信号が出力された場合に、当該信号に基づいて所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。
【００５１】
具体的には、強制オフ回路１８は、駆動信号の立ち上がりを検出した場合には一定期間経過後にスイッチング周期の終了時までの所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせ、強制オフ信号の立ち上がりを検出した場合には即座に半導体スイッチ２０をオフさせる。ここで、強制オフ回路１８は、強制オフ信号に基づいて半導体スイッチ２０をオフさせた場合には、強制オフ信号が立ち下がるまで（ローレベルになるまで）半導体スイッチ２０のオフ制御を継続する。
【００５２】
なお、強制オフ信号は、外部のマイコン等により半導体スイッチ２０のスイッチング周期における終期に所定期間だけ出力される（ハイになる）ように設定されている。
【００５３】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。基本的に実施例１と同様であり、各部の波形も図２と同様である。強制オフ回路１８は、図２に示すように、プリドライバ１４により出力された信号（ゲートドライバ入力電圧）の立ち上がりをオア回路１５を介して検出するとともに、当該立ち上がりから一定期間経過後の時刻ｔ３に半導体スイッチ２０に対して強制オフを開始する。ただし、強制オフ回路１８は、外部からの強制オフ信号を絶縁回路１３及びオア回路１５を介して受信した場合には、ゲートドライバ１６による制御の状態及び駆動信号の立ち上がりのタイミングにかかわらず、所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。ここで言う「所定期間」とは、強制オフ信号がオン（ハイレベル）である期間を指すものとする。
【００５４】
すなわち、強制オフ回路１８は、駆動信号あるいは強制オフ信号に基づいて、ゲートドライバ１６の制御に優先して半導体スイッチ２０を適切なタイミングでオフさせる。
【００５５】
その後、強制オフ回路１８は、所定期間、半導体スイッチ２０のオフ制御を継続し、図２に示す時刻ｔ５において半導体スイッチ２０に対するオフ制御動作を停止する。強制オフ回路１８が半導体スイッチ２０に対するオフ制御を継続する「所定期間」は、駆動信号に基づいてオフ制御した場合には予め強制オフ回路１８に設定された時間であり、強制オフ信号に基づいてオフ制御した場合には強制オフ信号がオン（ハイレベル）である期間である。
【００５６】
一方、デューティ比におけるオン期間の割合が短い場合には、駆動信号が立ち下がることにより、強制オフ回路１８がオフ動作を開始する前にゲートドライバ１６が半導体スイッチ２０をターンオフさせる。すなわち、半導体スイッチ２０は、ゲートドライバ１６と強制オフ回路１８とのいずれかがオフ制御を行うことによりターンオフされる。
【００５７】
その他の作用は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００５８】
上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係るドライブ回路１０ｃによれば、実施例１の効果に加え、ドライブ能力の低下等により駆動信号波形に誤りがある場合等においても、強制オフ回路１８が強制オフ信号に基づいて半導体スイッチ２０を強制的にオフするので、連続通弧により半導体スイッチ２０あるいは半導体スイッチ２０を適用する機材等が故障に至るような誤動作を回避することができる。
【実施例３】
【００５９】
図４は、本発明の実施例３のドライブ回路１０ｄの構成を示すブロック図である。実施例１のドライブ回路１０ｂと異なる点は、内部発振器１７を新たに備えている点である。その他の構成は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００６０】
内部発振器１７は、絶縁回路１２を介して受信した駆動信号に同期することにより半導体スイッチ２０のスイッチング周期における終期に半導体スイッチ２０をオフさせるための強制オフ信号を生成する。すなわち、内部発振器１７は、駆動信号に同期した自走周波数に基づいて、スイッチング周期の終期においてハイレベルとなる強制オフ信号を生成する。
【００６１】
強制オフ回路１８は、ゲートドライバ１６による半導体スイッチ２０に対する制御の状態にかかわらず、内部発振器１７により生成された強制オフ信号に基づいて、所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。基本的に実施例１と同様であり、各部の波形も図２と同様である。内部発振器１７は、絶縁回路１２を介して受信した駆動信号に同期することにより半導体スイッチ２０のスイッチング周期における終期に半導体スイッチ２０をオフさせるための強制オフ信号を生成する。強制オフ回路１８は、図２に示すように、内部発振器１７により生成された強制オフ信号に基づいて時刻ｔ３に半導体スイッチ２０に対して強制オフを開始し、所定期間オフ制御を継続する。ここで言う「所定期間」とは、強制オフ信号がオン（ハイレベル）である期間を指すものとする。すなわち、強制オフ回路１８は、内部発振器１７により生成された強制オフ信号に基づいて、ゲートドライバ１６の制御に優先して半導体スイッチ２０を適切なタイミングでオフさせる。
【００６２】
その後、強制オフ回路１８は、図２に示す時刻ｔ５において半導体スイッチ２０に対するオフ制御動作を停止する。
【００６３】
一方、デューティ比におけるオン期間の割合が短い場合には、駆動信号が立ち下がることにより、強制オフ回路１８がオフ動作を開始する前にゲートドライバ１６が半導体スイッチ２０をターンオフさせる。すなわち、半導体スイッチ２０は、ゲートドライバ１６と強制オフ回路１８とのいずれかがオフ制御を行うことによりターンオフされる。
【００６４】
その他の作用は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００６５】
上述のとおり、本発明の実施例３の形態に係るドライブ回路１０ｄによれば、実施例１の効果に加え、強制オフ回路１８は、強制オフ回路１８自体が駆動信号に基づいて強制オフのタイミングを決める必要が無く、内部発振器１７により生成された強制オフ信号のタイミングに基づいて半導体スイッチ２０に対するオフ制御を行うことができる。これにより、連続通弧に起因する半導体スイッチ２０あるいは半導体スイッチ２０を適用する機材等が故障に至るような誤動作を回避することができる。
【００６６】
また、本実施例のドライブ回路１０ｄは、自己のドライブ回路１０ｄ内部で強制オフ信号を生成するので、実施例２のドライブ回路１０ｃのように外部のマイコン等が強制オフ信号を生成する必要が無く、さらに絶縁回路１３を必要としない点において利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係るドライブ回路は、電力変換装置や電力系の駆動回路等に使用される半導体スイッチの駆動制御を行うドライブ回路に利用可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ ドライブ回路
１２ 絶縁回路
１３ 絶縁回路
１４ プリドライバ
１５ オア回路
１６ ゲートドライバ
１７ 内部発振器
１８ 強制オフ回路
２０ 半導体スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置や電力系の駆動回路等に使用される半導体スイッチのドライブ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチは、電力変換装置や電力系の駆動回路等における主スイッチング素子として利用されている。特にＩＧＢＴは、大電流制御に適しており、産業用等に広く使用されている。ドライブ回路は、この種の半導体スイッチの制御端子に接続され、当該制御端子に電圧を印加してオン／オフ制御を行い、半導体スイッチを駆動させる。
【０００３】
図５は、従来のドライブ回路１０ａの構成を示すブロック図である。ドライブ回路１０ａは、図５に示すように、絶縁回路１２、プリドライバ１４、及びゲートドライバ１６により構成され、半導体スイッチ２０を駆動させる。
【０００４】
絶縁回路１２は、例えばフォトカプラであり、外部の低電圧系の回路と高電圧系のドライブ回路１０ａとの間を絶縁状態とするとともに信号の伝送を行う。これにより、絶縁回路１２は、高い安全性を確保するとともにノイズ等の影響を抑えることができる。具体的には、絶縁回路１２は、外部のＣＰＵ等により入力されたパルス信号である駆動信号に応じて所定電圧の信号をプリドライバ１４に対して出力する。
【０００５】
プリドライバ１４は、絶縁回路１２により出力された信号を適切な振幅に変換し、ゲートドライバ１６を制御するための信号を出力する。また、ゲートドライバ１６は、プリドライバ１４により出力された信号に基づいて半導体スイッチ２０の制御端子（ゲート）に電圧を印加し、半導体スイッチ２０をオン／オフ制御して駆動させる。
【０００６】
図６は、従来のドライブ回路１０ａにより半導体スイッチ２０を駆動させた場合の各部の波形図である。なお、半導体スイッチ２０は、ＩＧＢＴであるとする。所定のデューティ比を有するパルス状の駆動信号は、スイッチング周期に基づいて外部からドライブ回路１０ａ内の絶縁回路１２に入力される。図６に示すように、駆動信号は、プリドライバ１４及びゲートドライバ１６を介して半導体スイッチ２０のゲートに印加されるまでの間に、そのタイミング及びパルス幅においてわずかに遅れを生ずる。
【０００７】
最初に、時刻ｔ０において立ち上がりを有する駆動信号は、半導体スイッチ２０をターンオンさせる。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間に半導体スイッチ２０のゲートに印加されたゲート電圧は、寄生容量（入力容量）を充電した後に、半導体スイッチ２０をオンさせる。しかしながら、時刻ｔ１からｔ２までの間において、半導体スイッチ２０の寄生容量（帰還容量）に蓄積された電荷が放電されドレイン電圧が下降するとともにドレイン電流が上昇し、ゲート電圧はしきい値近傍でクランプする。
【０００８】
この間に、半導体スイッチ２０は、ドレイン電圧とドレイン電流を乗じた値の電力損失を発生させる。この現象は、時刻ｔ７からｔ８までの間においても同様である。この時刻ｔ１からｔ２まで（あるいは時刻ｔ７からｔ８まで）の間の時間遅れをゲートＯＮディレイと呼ぶこととする。なお、駆動信号の立ち上がり時刻から考えると、半導体スイッチ２０がオンするまでに時刻ｔ０からｔ２までの間のディレイ（遅れ）があると言える。
【０００９】
一方、駆動信号が立ち下がることにより半導体スイッチ２０がターンオフされる。ターンオフ時において、ゲートドライバ１６は、半導体スイッチ２０のゲート電圧を低下させ、入力容量に蓄積された電荷を放電させて半導体スイッチ２０をオフさせようとするが、これによりコレクタ（ドレイン）電圧を上昇させることになるため帰還容量を充電する必要があり、ゲート電圧がクランプする。この時刻ｔ３からｔ４まで（あるいは時刻ｔ９からｔ１０まで）の間の時間遅れをゲートＯＦＦディレイと呼ぶこととする。
【００１０】
その後、時刻ｔ４からｔ５まで（あるいは時刻ｔ１０からｔ１１まで）の間において、ドレイン電圧が上昇するとともにドレイン電流が下降し、半導体スイッチ２０は、ドレイン電圧とドレイン電流を乗じた値の電力損失を発生させる。
【００１１】
特許文献１には、駆動対象の電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオン時に生ずるノイズを抑制しながら、ターンオンの遅れや損失を低減し得るとともに、負荷短絡状態でのターンオン時の保護が容易なドライブ回路が記載されている。このドライブ回路は、駆動対象の半導体スイッチング素子のターンオン時にその制御端子を充電するために用いるＭＯＳＦＥＴのゲート・ドレイン間にコンデンサを挿入するようにしたので、主パワー素子のターンオン時、制御端子充電用のＭＯＳＦＥＴのドレイン電圧が変化する場合に発生するミラー効果が大きくなり、主パワー素子の制御端子の電圧上昇（下降）速度が大きい領域で、制御端子充電用ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の低下速度が遅く（速く）なり、主パワー素子の制御端子の電圧変化速度、すなわち主パワー素子の電流のｄｉ／ｄｔ及びコレクタ・エミッタ間電圧の下降初期のｄＶ／ｄｔを小さく、且つ電流のピークを抑えてノイズを抑制することができる。また、このドライブ回路は、オン信号の入力時点から主パワー素子に電流が流れ始めるまでの期間、主パワー素子の制御端子を急速に充電する手段を別に設けたので、ターンオンが遅れることを防ぐことができる。
【００１２】
また、特許文献２には、半導体スイッチ用の駆動電源を不要とし、信頼性が高く、応答速度が速く、スイッチング特性に合わせた適切な駆動制御が可能といった半導体スイッチ回路が記載されている。この半導体スイッチ回路は、電圧昇圧手段としてのＦＥＴにおける周波数の変更やオンオフデューティ比を変更することにより、ゲート電圧の立ち上がり速度を変更することができ、スイッチング速度変更可能な構成が実現している。すなわち、この半導体スイッチ回路は、電圧昇圧回路における動作を制御することにより、ゲートに対する電荷の充電を高速化し、スイッチング速度の制御を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００１−９４４０６号公報
【特許文献２】特開２００６−５０７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
半導体スイッチ２０は、駆動信号のパルスによるＰＷＭ制御で駆動するので、大きな負荷電流を必要とする場合には、駆動信号のパルス幅を長くし、半導体スイッチ２０のデューティ比に占めるオン時間の割合を大きくする必要がある。しかしながら、ノイズ等の影響でドライブ回路１０ａが受けた駆動信号に誤りがある場合やドライブ回路１０ａを構成するプリドライバ１４とゲートドライバ１６における信号の遅れが大きい場合には、半導体スイッチ２９は、駆動信号に応じた動作を行うことが困難となり、最悪の場合には連続通弧となって壊れるモードに陥る場合も考えられる。
【００１５】
図７は、従来のドライブ回路１０ａによりオン時間を長くして半導体スイッチ２０を駆動させた場合の各部の波形図である。この場合において、駆動信号は、プリドライバ１４及びゲートドライバ１６を介して半導体スイッチ２０のゲートに印加されるまでの間に、そのタイミング及びパルス幅において図６の場合と同様に遅れを生ずる。図７に示すように駆動信号が立ち下がるターンオフ時において、ゲートドライバ入力電圧は、時刻ｔ３において立ち下がり始める。しかしながら、半導体スイッチゲート電圧は、ゲートＯＦＦディレイにより時刻ｔ５まで立ち下がらない。
【００１６】
一方、駆動信号電圧は、スイッチング周期に基づいて時刻ｔ５以前の時刻ｔ４において再び立ち上がる。したがって、ターンオフ時にゲート電圧が完全に下がらないうちに半導体スイッチ２０のゲートに対して再び電圧がかけられることとなり、時刻ｔ５からｔ６までのドレイン電圧及びドレイン電流は変動する。その結果、その間における電力損失は、図７に示すように通常のスイッチング損失に比して大きなものとなってしまう。このような現象は、電力効率の低下を招くばかりでなく、半導体スイッチ２０の発熱を促し、半導体スイッチ２０自体を破損させる恐れがある。
【００１７】
特に、ゲートＯＦＦディレイは、温度の変動等に基づいて延びる場合があるため、このような連続通弧の状態を発生させやすい。さらに、ドライブ回路１０ａの異常時には半導体スイッチ２０ばかりでなくその半導体スイッチ２０を使用することにより電力の供給を受ける機材さえも故障する恐れがある。
【００１８】
特許文献１あるいは特許文献２に記されているような従来技術のドライブ回路は、半導体スイッチの制御端子に対する充放電速度を上げることにより、制御回路から受け取った駆動信号に対するディレイを最小限に抑え、スイッチング速度を上げるとともに上述した故障モードを防ぐものであるが、ディレイを完全に無くすことは困難であり、デューティ比やスイッチング周期に応じて上述した故障モードは依然として存在する。
【００１９】
以上述べたように、従来のドライブ回路は、駆動信号に対する半導体スイッチ動作までの遅れ時間、あるいはドライブ能力の低下等の原因により、半導体スイッチを誤動作させ、あるいは半導体スイッチ自体を故障させる可能性がある。特に半導体スイッチをブリッジ型で使用する大電力の電源装置においては、半導体スイッチの故障は重大事故へとつながる危険性があるため、安全性の確保の点からも当該故障を回避することは非常に重要な事項である。
【００２０】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、連続通弧により半導体スイッチが故障に至るような誤動作を回避するドライブ回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係るドライブ回路は、上記課題を解決するために、第１の発明は、外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチを駆動させるドライブ回路であって、前記駆動信号に基づいて前記半導体スイッチの駆動制御を行うゲートドライバと、前記ゲートドライバによる制御の状態にかかわらず、前記駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて前記半導体スイッチのスイッチング周期の終了時までの所定期間に強制的に前記半導体スイッチをオフさせる強制遮断部とを備えることを特徴とする。
【００２２】
第２の発明は、外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチを駆動させるドライブ回路であって、前記駆動信号に基づいて前記半導体スイッチの駆動制御を行うゲートドライバと、前記駆動信号に同期することにより前記半導体スイッチのスイッチング周期における終期に前記半導体スイッチをオフさせるための強制オフ信号を生成する内部発振器と、前記ゲートドライバによる制御の状態にかかわらず、前記内部発振器により生成された強制オフ信号に基づいて、所定期間だけ強制的に前記半導体スイッチをオフさせる強制遮断部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、連続通弧により半導体スイッチが故障に至るような誤動作を回避するドライブ回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例１の形態のドライブ回路の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１の形態のドライブ回路により半導体スイッチを駆動させた場合の各部の波形図である。
【図３】本発明の実施例２の形態のドライブ回路の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例３の形態のドライブ回路の構成を示すブロック図である。
【図５】従来のドライブ回路の構成を示すブロック図である。
【図６】従来のドライブ回路により半導体スイッチを駆動させた場合の各部の波形図である。
【図７】従来のドライブ回路によりオン時間を長くして半導体スイッチを駆動させた場合の各部の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明のドライブ回路の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本発明の実施例１のドライブ回路１０ｂの構成を示すブロック図である。図１を参照して、ドライブ回路１０ｂの構成を説明する。本実施例のドライブ回路１０ｂは、図１に示すように、絶縁回路１２、プリドライバ１４、ゲートドライバ１６、及び強制オフ回路１８により構成され、外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチ２０を駆動させる。図５で説明した従来のドライブ回路１０ａと異なる点は、強制オフ回路１８を新たに備えている点である。
【００２７】
絶縁回路１２及びプリドライバ１４は、図５で説明したものと同一であり、重複した説明を省略する。ただし、プリドライバ１４は、絶縁回路１２により入力された信号に基づいてゲートドライバ１６を制御するために生成した信号をゲートドライバ１６のみならず強制オフ回路１８に対しても出力する。また、ドライブ回路１０ｂは、絶縁回路１２の代わりに駆動信号を受けるための差動回路を備えていてもよい。
【００２８】
ゲートドライバ１６は、絶縁回路１２及びプリドライバ１４を介して伝達された駆動信号に基づいて半導体スイッチ２０の駆動制御を行う。具体的には、ゲートドライバ１６は、プリドライバ１４により出力された信号に基づいて半導体スイッチ２０の制御端子（ゲート）に電圧を印加し、半導体スイッチ２０をオン／オフ制御して駆動させる。
【００２９】
強制オフ回路１８は、本発明の強制遮断部に対応し、ゲートドライバ１６による半導体スイッチ２０に対する制御の状態にかかわらず、駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて、半導体スイッチ２０のスイッチング周期の終了時までの所定期間に強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。
【００３０】
具体的には、強制オフ回路１８は、例えば内部にタイマを有しており、駆動信号の立ち上がりを検出してから一定期間経過後に、スイッチング周期の終了時までの所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。ただし、本実施例において、強制オフ回路１８は、外部の駆動信号を直接監視することができないため、絶縁回路１２及びプリドライバ１４を介して間接的に外部の駆動信号を監視し、プリドライバ１４により出力された信号の立ち上がりを検出してから一定期間経過後に、スイッチング周期の終了時までの所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。
【００３１】
ここで、ドライブ回路１０ｂは、半導体スイッチ２０の連続通弧を回避するために、確実にオフ期間を確保する必要がある。したがって、強制オフ回路１８による強制オフの「所定期間」は、半導体スイッチ２０のゲート電圧が低下して半導体スイッチ２０が確実にオフするのに必要とする時間よりも長いものに設定される必要がある。ただし、当該「所定期間」は、あまり長い場合には必然的にデューティ比が小さくなり、大きな負過電流を流すことが困難となってしまうため、半導体スイッチ２０をオフするのに要する時間は確保した上で極力短く設定する必要がある。強制オフ回路１８は、当該「所定期間」が予め設定されており、「所定時間」が経過したときに次のスイッチング周期が始まるように強制オフの開始時刻を調節する。
【００３２】
本実施例におけるドライブ回路１０ｂは、強制オフ回路１８を備えることにより、繰り返し動作するタイミングで駆動信号により生成される半導体スイッチ２０に対するゲート駆動電圧を所定のパルス幅に制限することができる。すなわち、従来のドライブ回路が駆動信号の遅れを短くして連続通弧等の問題解決を図っていたのに対し、本発明のドライブ回路１０ｂは、ゲートドライバ１６に対して優先動作を行う強制オフ回路１８を備えることにより、駆動信号以上のパルス幅で半導体スイッチ２０が動作しないように制限をかけるという点に特徴がある。
【００３３】
なお、強制オフ回路１８は、例えば半導体スイッチ２０の制御端子を強制的に負の電位に短絡して半導体スイッチ２０をオフさせるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を有することにより実現される。また、強制オフ回路１８は、ＦＥＴの代わりにバイポーラ・トランジスタを備えることもできるが、ＦＥＴの方が高速動作が可能という利点がある。
【００３４】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図２は、本実施例のドライブ回路１０ｂにより半導体スイッチ２０を駆動させた場合の各部の波形図である。所定のデューティ比を有するパルス状の駆動信号は、スイッチング周期に基づいて外部のマイコン等からドライブ回路１０ｂ内の絶縁回路１２に入力される。図２に示すように、駆動信号は、プリドライバ１４及びゲートドライバ１６を介して半導体スイッチ２０のゲートに印加されるまでの間に、そのタイミング及びパルス幅においてわずかに遅れを生ずる。
【００３５】
最初に、時刻ｔ０において立ち上がりを有する駆動信号は、半導体スイッチ２０をターンオンさせる。時刻ｔ１からｔ２までの間に半導体スイッチ２０において生ずるゲートＯＮディレイは、図６で説明した現象と同様であり、重複した説明を省略する。
【００３６】
強制オフ回路１８は、プリドライバ１４により出力された信号（ゲートドライバ入力電圧）の立ち上がりを検出するとともに、当該立ち上がりから一定期間経過後の時刻ｔ３に半導体スイッチ２０に対して強制オフを開始する。図２に示すように、駆動信号は時刻ｔ３においてオン状態であり、それに伴いプリドライバ入力信号及びゲートドライバ入力電圧もオン（ハイ）である。したがって、ゲートドライバ１６は、時刻ｔ３において半導体スイッチ２０をオンさせるように制御している。ところが、強制オフ回路１８は、ゲートドライバ１６の制御に優先して半導体スイッチ２０をオフさせるため、半導体スイッチゲート電圧は時刻ｔ３から下がり始め、時刻ｔ４において完全に半導体スイッチ２０をオフさせる。
【００３７】
強制オフ回路１８は、時刻ｔ３からスイッチング周期の終了時である時刻ｔ５までの「所定期間」、半導体スイッチ２０のオフ制御を継続し、時刻ｔ５において半導体スイッチ２０に対するオフ制御動作を停止する。時刻ｔ３から時刻ｔ５までの「所定期間」は、上述したように半導体スイッチ２０が確実にオフするのに必要とする時間等に基づいて予め強制オフ回路１８に設定されている。
【００３８】
時刻ｔ５は、スイッチング周期の終わりの時刻であるとともに、次のスイッチング周期の始まりの時刻でもある。強制オフ回路１８は、予めスイッチング周期やプリドライバ１４を経た駆動信号の遅れ等の情報を有しており、プリドライバ１４により出力された信号（ゲートドライバ入力電圧）の立ち上がりを検出した際に、スイッチング周期の終わりの時刻ｔ５を算出するとともに、そこから「所定期間」だけ逆算した時刻ｔ３を算出し、時刻ｔ３に強制オフ動作を開始する。
【００３９】
その際に、時刻ｔ３からｔ４までの間において、ドレイン電圧が上昇するとともにドレイン電流が下降し、半導体スイッチ２０は、ドレイン電圧とドレイン電流を乗じた値の電力損失（スイッチング損失）を発生させる。しかしながら、この損失は、図７で説明した従来のドライブ回路１０ａが半導体スイッチ２０を連続通弧させた場合の損失（図７の時刻ｔ５からｔ６までの電力損失）に比して、格段に小さなものであり、連続通弧に起因する半導体スイッチ２０の破損等を防止することができる。
【００４０】
一方、デューティ比におけるオン期間の割合が短い場合には、駆動信号が立ち下がることにより、強制オフ回路１８がオフ動作を開始する前にゲートドライバ１６が半導体スイッチ２０をターンオフさせる。すなわち、半導体スイッチ２０は、ゲートドライバ１６と強制オフ回路１８とのいずれかがオフ制御を行うことによりターンオフされる。
【００４１】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係るドライブ回路１０ｂによれば、駆動信号に対する半導体スイッチ動作までの遅れ時間やドライブ能力の低下等の原因に起因する連続通弧により半導体スイッチ２０が故障に至るような誤動作を回避することができる。すなわち、本発明のドライブ回路１０ｂは、半導体スイッチ２０のゲートを短絡して半導体スイッチ２０を強制的にオフさせる期間を確保するための強制オフ回路１８を備えることにより、図７で説明したような半導体スイッチ２０の連続通弧の状態を回避することができ、その結果として発熱による半導体スイッチ２０の破損や半導体スイッチ２０が適用される電源変換装置等の機材の故障を防止することができる。
【００４２】
また、本発明のドライブ回路１０ｂは、半導体スイッチ２０の連続通弧の状態を回避することにより、電力損失を抑えることができる。
【００４３】
なお、強制オフ回路１８は、上述したように駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて強制オフの開始時刻を決定するが、駆動信号の立ち上がりのタイミングから強制オフの開始時刻までの時間や強制オフの期間は、ユーザが例えば半導体スイッチ２０を適用する機材に合わせて任意に強制オフ回路１８に設定することができる。
【００４４】
また、本発明のドライブ回路１０ｂは、従来技術のように半導体スイッチの制御端子に対する充放電速度を上げることによりディレイを抑えるものではないため、ゲートＯＦＦディレイの長短にかかわらず確実に半導体スイッチ２０のオフ期間を確保し、連続通弧を回避することができるという点に特徴がある。
【実施例２】
【００４５】
図３は、本発明の実施例２のドライブ回路１０ｃの構成を示すブロック図である。実施例１のドライブ回路１０ｂと異なる点は、絶縁回路１３及びオア回路１５を新たに備えている点である。その他の構成は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００４６】
絶縁回路１３は、絶縁回路１２と同様に例えばフォトカプラであり、外部の低電圧系の回路と高電圧系のドライブ回路１０ｃとの間を絶縁状態とするとともに信号の伝送を行う。これにより、絶縁回路１３は、高い安全性を確保するとともにノイズ等の影響を抑えることができる。具体的には、絶縁回路１３は、外部のＣＰＵ等により入力された強制オフ信号に応じて所定電圧の信号をオア回路１５に対して出力する。
【００４７】
絶縁回路１２及びプリドライバ１４は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。ただし、プリドライバ１４は、絶縁回路１２により入力された信号に基づいてゲートドライバ１６を制御するために生成した信号をゲートドライバ１６のみならずオア回路１５に対しても出力する。
【００４８】
オア回路１５は、プリドライバ１４と絶縁回路１３とのいずれにより出力された電圧がハイ（信号がオン）である場合に、当該電圧を強制オフ回路１８に対して出力する。ただし、強制オフ回路１８は、オア回路１５により出力された電圧（信号）がプリドライバ１４と絶縁回路１３とのいずれにより出力されたものであるのか区別することができるものとする。
【００４９】
強制オフ回路１８は、実施例１と同様に、ゲートドライバ１６による半導体スイッチ２０に対する制御の状態にかかわらず、駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて、半導体スイッチ２０のスイッチング周期の終了時までの所定期間に強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。
【００５０】
また、本実施例の強制オフ回路１８は、外部からの強制オフ信号を絶縁回路１３及びオア回路１５を介して受信した場合に、ゲートドライバ１６による制御の状態及び駆動信号の立ち上がりのタイミングにかかわらず、所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。すなわち、強制オフ回路１８は、オア回路１５によりプリドライバ１４と絶縁回路１３とのいずれかの信号が出力された場合に、当該信号に基づいて所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。
【００５１】
具体的には、強制オフ回路１８は、駆動信号の立ち上がりを検出した場合には一定期間経過後にスイッチング周期の終了時までの所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせ、強制オフ信号の立ち上がりを検出した場合には即座に半導体スイッチ２０をオフさせる。ここで、強制オフ回路１８は、強制オフ信号に基づいて半導体スイッチ２０をオフさせた場合には、強制オフ信号が立ち下がるまで（ローレベルになるまで）半導体スイッチ２０のオフ制御を継続する。
【００５２】
なお、強制オフ信号は、外部のマイコン等により半導体スイッチ２０のスイッチング周期における終期に所定期間だけ出力される（ハイになる）ように設定されている。
【００５３】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。基本的に実施例１と同様であり、各部の波形も図２と同様である。強制オフ回路１８は、図２に示すように、プリドライバ１４により出力された信号（ゲートドライバ入力電圧）の立ち上がりをオア回路１５を介して検出するとともに、当該立ち上がりから一定期間経過後の時刻ｔ３に半導体スイッチ２０に対して強制オフを開始する。ただし、強制オフ回路１８は、外部からの強制オフ信号を絶縁回路１３及びオア回路１５を介して受信した場合には、ゲートドライバ１６による制御の状態及び駆動信号の立ち上がりのタイミングにかかわらず、所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。ここで言う「所定期間」とは、強制オフ信号がオン（ハイレベル）である期間を指すものとする。
【００５４】
すなわち、強制オフ回路１８は、駆動信号あるいは強制オフ信号に基づいて、ゲートドライバ１６の制御に優先して半導体スイッチ２０を適切なタイミングでオフさせる。
【００５５】
その後、強制オフ回路１８は、所定期間、半導体スイッチ２０のオフ制御を継続し、図２に示す時刻ｔ５において半導体スイッチ２０に対するオフ制御動作を停止する。強制オフ回路１８が半導体スイッチ２０に対するオフ制御を継続する「所定期間」は、駆動信号に基づいてオフ制御した場合には予め強制オフ回路１８に設定された時間であり、強制オフ信号に基づいてオフ制御した場合には強制オフ信号がオン（ハイレベル）である期間である。
【００５６】
一方、デューティ比におけるオン期間の割合が短い場合には、駆動信号が立ち下がることにより、強制オフ回路１８がオフ動作を開始する前にゲートドライバ１６が半導体スイッチ２０をターンオフさせる。すなわち、半導体スイッチ２０は、ゲートドライバ１６と強制オフ回路１８とのいずれかがオフ制御を行うことによりターンオフされる。
【００５７】
その他の作用は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００５８】
上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係るドライブ回路１０ｃによれば、実施例１の効果に加え、ドライブ能力の低下等により駆動信号波形に誤りがある場合等においても、強制オフ回路１８が強制オフ信号に基づいて半導体スイッチ２０を強制的にオフするので、連続通弧により半導体スイッチ２０あるいは半導体スイッチ２０を適用する機材等が故障に至るような誤動作を回避することができる。
【実施例３】
【００５９】
図４は、本発明の実施例３のドライブ回路１０ｄの構成を示すブロック図である。実施例１のドライブ回路１０ｂと異なる点は、内部発振器１７を新たに備えている点である。その他の構成は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００６０】
内部発振器１７は、絶縁回路１２を介して受信した駆動信号に同期することにより半導体スイッチ２０のスイッチング周期における終期に半導体スイッチ２０をオフさせるための強制オフ信号を生成する。すなわち、内部発振器１７は、駆動信号に同期した自走周波数に基づいて、スイッチング周期の終期においてハイレベルとなる強制オフ信号を生成する。
【００６１】
強制オフ回路１８は、ゲートドライバ１６による半導体スイッチ２０に対する制御の状態にかかわらず、内部発振器１７により生成された強制オフ信号に基づいて、所定期間だけ強制的に半導体スイッチ２０をオフさせる。
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。基本的に実施例１と同様であり、各部の波形も図２と同様である。内部発振器１７は、絶縁回路１２を介して受信した駆動信号に同期することにより半導体スイッチ２０のスイッチング周期における終期に半導体スイッチ２０をオフさせるための強制オフ信号を生成する。強制オフ回路１８は、図２に示すように、内部発振器１７により生成された強制オフ信号に基づいて時刻ｔ３に半導体スイッチ２０に対して強制オフを開始し、所定期間オフ制御を継続する。ここで言う「所定期間」とは、強制オフ信号がオン（ハイレベル）である期間を指すものとする。すなわち、強制オフ回路１８は、内部発振器１７により生成された強制オフ信号に基づいて、ゲートドライバ１６の制御に優先して半導体スイッチ２０を適切なタイミングでオフさせる。
【００６２】
その後、強制オフ回路１８は、図２に示す時刻ｔ５において半導体スイッチ２０に対するオフ制御動作を停止する。
【００６３】
一方、デューティ比におけるオン期間の割合が短い場合には、駆動信号が立ち下がることにより、強制オフ回路１８がオフ動作を開始する前にゲートドライバ１６が半導体スイッチ２０をターンオフさせる。すなわち、半導体スイッチ２０は、ゲートドライバ１６と強制オフ回路１８とのいずれかがオフ制御を行うことによりターンオフされる。
【００６４】
その他の作用は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００６５】
上述のとおり、本発明の実施例３の形態に係るドライブ回路１０ｄによれば、実施例１の効果に加え、強制オフ回路１８は、強制オフ回路１８自体が駆動信号に基づいて強制オフのタイミングを決める必要が無く、内部発振器１７により生成された強制オフ信号のタイミングに基づいて半導体スイッチ２０に対するオフ制御を行うことができる。これにより、連続通弧に起因する半導体スイッチ２０あるいは半導体スイッチ２０を適用する機材等が故障に至るような誤動作を回避することができる。
【００６６】
また、本実施例のドライブ回路１０ｄは、自己のドライブ回路１０ｄ内部で強制オフ信号を生成するので、実施例２のドライブ回路１０ｃのように外部のマイコン等が強制オフ信号を生成する必要が無く、さらに絶縁回路１３を必要としない点において利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係るドライブ回路は、電力変換装置や電力系の駆動回路等に使用される半導体スイッチの駆動制御を行うドライブ回路に利用可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ ドライブ回路
１２ 絶縁回路
１３ 絶縁回路
１４ プリドライバ
１５ オア回路
１６ ゲートドライバ
１７ 内部発振器
１８ 強制オフ回路
２０ 半導体スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチを駆動させるドライブ回路であって、
前記駆動信号に基づいて前記半導体スイッチの駆動制御を行うゲートドライバと、
前記ゲートドライバによる制御の状態にかかわらず、前記駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて前記半導体スイッチのスイッチング周期の終了時までの所定期間に強制的に前記半導体スイッチをオフさせる強制遮断部と、
を備えることを特徴とするドライブ回路。
【請求項２】
前記強制遮断部は、外部からの強制オフ信号を受信した場合に、前記ゲートドライバによる制御の状態及び前記駆動信号の立ち上がりのタイミングにかかわらず、所定期間だけ強制的に前記半導体スイッチをオフさせることを特徴とする請求項１記載のドライブ回路。
【請求項３】
外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチを駆動させるドライブ回路であって、
前記駆動信号に基づいて前記半導体スイッチの駆動制御を行うゲートドライバと、
前記駆動信号に同期することにより前記半導体スイッチのスイッチング周期における終期に前記半導体スイッチをオフさせるための強制オフ信号を生成する内部発振器と、
前記ゲートドライバによる制御の状態にかかわらず、前記内部発振器により生成された強制オフ信号に基づいて、所定期間だけ強制的に前記半導体スイッチをオフさせる強制遮断部と、
を備えることを特徴とするドライブ回路。
【請求項４】
前記強制遮断部は、前記半導体スイッチの制御端子を強制的に負の電位に短絡するＦＥＴを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のドライブ回路。
【請求項１】
外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチを駆動させるドライブ回路であって、
前記駆動信号に基づいて前記半導体スイッチの駆動制御を行うゲートドライバと、
前記ゲートドライバによる制御の状態にかかわらず、前記駆動信号の立ち上がりのタイミングに基づいて前記半導体スイッチのスイッチング周期の終了時までの所定期間に強制的に前記半導体スイッチをオフさせる強制遮断部と、
を備えることを特徴とするドライブ回路。
【請求項２】
前記強制遮断部は、外部からの強制オフ信号を受信した場合に、前記ゲートドライバによる制御の状態及び前記駆動信号の立ち上がりのタイミングにかかわらず、所定期間だけ強制的に前記半導体スイッチをオフさせることを特徴とする請求項１記載のドライブ回路。
【請求項３】
外部から入力された駆動信号に基づいて半導体スイッチを駆動させるドライブ回路であって、
前記駆動信号に基づいて前記半導体スイッチの駆動制御を行うゲートドライバと、
前記駆動信号に同期することにより前記半導体スイッチのスイッチング周期における終期に前記半導体スイッチをオフさせるための強制オフ信号を生成する内部発振器と、
前記ゲートドライバによる制御の状態にかかわらず、前記内部発振器により生成された強制オフ信号に基づいて、所定期間だけ強制的に前記半導体スイッチをオフさせる強制遮断部と、
を備えることを特徴とするドライブ回路。
【請求項４】
前記強制遮断部は、前記半導体スイッチの制御端子を強制的に負の電位に短絡するＦＥＴを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のドライブ回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２４５７４５（Ｐ２０１０−２４５７４５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９１０２７（Ｐ２００９−９１０２７）
【出願日】平成２１年４月３日（２００９．４．３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月３日（２００９．４．３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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