半導体電力変換装置
【課題】スイッチング素子のオンオフ切り替え時において、スイッチング素子のゲートに供給されるゲート電圧の変化を監視し、最適なタイミングで段階的にゲート電圧を切り替えることによって、スイッチング素子のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージを発生させない半導体電力変換装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体電力変換装置は、スイッチング素子をオンオフさせる半導体電力変換装置であって、スイッチング素子に供給されるゲート電圧の変化を検出するゲート電圧変化検出手段と、入力される駆動信号に基づいて、スイッチング素子のゲートにゲート駆動電圧を出力するゲート駆動手段とを備え、ゲート駆動手段は、ゲート電圧変化検出手段によってゲート電圧の変化が検出されたタイミングで、ゲート駆動電圧を制御することを特徴とする。
【解決手段】本発明の半導体電力変換装置は、スイッチング素子をオンオフさせる半導体電力変換装置であって、スイッチング素子に供給されるゲート電圧の変化を検出するゲート電圧変化検出手段と、入力される駆動信号に基づいて、スイッチング素子のゲートにゲート駆動電圧を出力するゲート駆動手段とを備え、ゲート駆動手段は、ゲート電圧変化検出手段によってゲート電圧の変化が検出されたタイミングで、ゲート駆動電圧を制御することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体電力変換装置に関し、より特定的には、スイッチング素子のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージの発生を抑制する半導体電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電圧駆動型のスイッチング素子として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。ＩＧＢＴは、環境分野の電力制御機器、ハイブリッド車および電気自動車のパワーコントロールユニットに組み込まれているインバータ回路等に用いられ、スイッチング損失の低減、および高速動作等、更なる性能向上が求められている。
【０００３】
そこで、スイッチング損失およびスイッチング時間の増加を抑制する従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路が、特許文献１に開示されている。図１１は、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０を示す図である。図１１において、ゲート駆動回路１０は、スイッチング素子としてＩＧＢＴ１１と、コンパレータ１２と、遅延回路１３と、ワンショット回路１４とを備え、スイッチング素子のオンオフ切り替え時におけるゲート電圧を制御している。具体的には、ＩＧＢＴ１１をオフからオンに切り替える際、コンパレータ１２は、ＩＧＢＴ１１のゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅを監視する。そして、ゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅが所定の閾値に達すれば、遅延回路１３に設定された所定の遅延時間経過後、一定期間、ワンショット回路１４は、ゲート駆動条件制御信号を出力する。
【０００４】
図１２は、スイッチング素子をオフからオンに切り替える際のゲート電圧Ｖｇｅ、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃを示す図である。図１２に示すように、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、ＩＧＢＴ１１をオフからオンに切り替える際、ＩＧＢＴ１１のゲートに、ＩＧＢＴ１１をオンさせるためのゲート電圧Ｖｇｅを急激に供給するのではなく、遅延回路１３に設定された所定の遅延時間経過後に、ＩＧＢＴ１１をオンさせるためのゲート電圧Ｖｇｅを供給している。
【０００５】
上述したように、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、ＩＧＢＴ１１をオフからオンに切り替えるための経路を２つ設けており、段階的にゲート電圧Ｖｇｅを切り替えることによって、緩やかにＩＧＢＴ１１をオフからオンに切り替えている。これにより、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０は、スイッチング損失の低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−８３３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え動作を段階的に行うことによって、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え時におけるスイッチング損失の低減および電圧・電流サージの発生の抑制を図っているものの、段階的にゲート電圧Ｖｇｅを切り替える際のタイミングは、遅延回路１３に設定された所定の遅延時間に依存する。このため、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え時に、図１２に示すように、電圧・電流サージが発生してしまう場合がある。
【０００８】
具体的には、例えば、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え時に、電圧・電流サージが発生しないように、予め最適な遅延時間を遅延回路１３に設定したとしても、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０を動作させる周囲の温度変動などの影響があるため、実際にゲート電圧Ｖｇｅを切り替えているタイミングは、最適なタイミングであるとは言えない。
【０００９】
また、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、ＩＧＢＴ１１のオンオフを切り替えるための経路が２つ設けられており、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え時に、電圧・電流サージが発生しないように、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え動作速度を調整するための抵抗などの素子がそれぞれの経路に配置されている。従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、それぞれの経路に配置される素子を調整しているものの、これらの素子には個体バラツキがある。
【００１０】
このように、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、周囲の温度変動などの環境、およびそれぞれの経路に配置される素子の個体バラツキを考慮して、予め最適な遅延時間を遅延回路１３に設定し、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージの発生を完全に抑制することは困難である。
【００１１】
それ故に、本発明の目的は、スイッチング素子のオンオフ切り替え時において、スイッチング素子のゲートに供給されるゲート電圧の変化を監視し、最適なタイミングで段階的にゲート電圧を切り替えることによって、スイッチング素子のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージを発生させない半導体電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の半導体電力変換装置は、スイッチング素子をオンオフさせる半導体電力変換装置であって、スイッチング素子に供給されるゲート電圧の変化を検出するゲート電圧変化検出手段と、入力される駆動信号に基づいて、スイッチング素子のゲートにゲート駆動電圧を出力するゲート駆動手段とを備え、ゲート駆動手段は、ゲート電圧変化検出手段によってゲート電圧の変化が検出されたタイミングで、ゲート駆動電圧を制御することを特徴とする。
かかる構成により、スイッチング素子のオンオフ切り替え時において、周囲の温度変動などの環境、および当該半導体電力変換装置に組み込まれた素子の個体バラツキの影響に関わらず、スイッチング素子のゲートに供給されるゲート電圧の変化を検出した最適なタイミングで、段階的にゲート電圧を切り替えることができる。これにより、スイッチング素子のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージの発生を完全に抑制することができる。
【００１３】
さらに、好ましいゲート駆動手段は、負入力端子にゲート電圧が帰還するオペアンプと、オペアンプの正入力端子に入力される目標ゲート電圧を設定する目標ゲート電圧設定手段とを備える。
かかる構成により、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路のように、オンオフ経路を複数設ける必要がなく、ゲート駆動回路から出力されるゲート駆動電圧を可変制御することができるため、回路の縮小化となる。
【００１４】
また、好ましい目標ゲート電圧は、スイッチング素子をオンさせるオン期間は、スイッチング素子をオンさせる第１のゲート駆動電圧であり、スイッチング素子をオフさせるオフ期間は、スイッチング素子をオフさせる第２のゲート駆動電圧であり、オン期間のうち、オン期間開始からゲート電圧が第１のゲート駆動電圧に変化することがゲート電圧変化検出手段によって検出されるまでのオフオン切り替え過渡期間は、第２のゲート駆動電圧以上かつ第１のゲート駆動電圧以下であって予め設定された第１の目標ゲート電圧であり、オフ期間のうち、オフ期間開始からゲート電圧が第２のゲート駆動電圧に変化することがゲート電圧変化検出手段によって検出されるまでのオンオフ切り替え過渡期間は、第２のゲート駆動電圧以上かつ第１のゲート駆動電圧以下であって予め設定された第２の目標ゲート電圧であることを特徴とする。
かかる構成により、オン期間、オフ期間、オフオン切り替え過渡期間、およびオンオフ切り替え過渡期間における最適な目標ゲート電圧を予め設定しているため、段階的に最適なゲート電圧に切り替えることができる。
【００１５】
さらに、好ましい目標ゲート電圧設定手段は、オフオン切り替え過渡期間のうち、オン期間開始から予め設定された時間経過後に、目標ゲート電圧を第１の目標ゲート電圧から下げ、オンオフ切り替え過渡期間のうち、オフ期間開始から予め設定された時間経過後に、目標ゲート電圧を第２の目標ゲート電圧から上げることを特徴とする。
かかる構成により、スイッチング素子のオンオフ切り替え時におけるスイッチング速度を確保しつつ、かつ電圧・電流サージの発生をより確実に抑制することができる。
【００１６】
また、好ましいゲート電圧変化検出手段は、スイッチング素子に供給されるゲート電圧の微分値を監視することを特徴とする。
かかる構成により、従来の半導体電力変換装置における遅延回路およびコンパレータを備える必要がなく、スイッチング素子に供給されるゲート電圧の変化を適切に検出することができる。
【００１７】
また、上記目的を達成するために、上述した本発明の半導体電力変換装置の各構成が行うそれぞれの処理は、一連の処理手順を与える半導体電力変換方法として捉えることができる。この方法は、一連の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムの形式で提供される。このプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録された形態で、コンピュータに導入されてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
上述のように、本発明の半導体電力変換装置によれば、スイッチング素子のオンオフ切り替え時において、スイッチング素子のゲートに供給されるゲート電圧の変化を監視するため、周囲の温度変動などの環境、および当該半導体電力変換装置に組み込まれた素子の個体バラツキの影響に関わらず、最適なタイミングで段階的にゲート電圧を切り替えることができる。これにより、本発明の半導体電力変換装置では、スイッチング素子のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージの発生を完全に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００を示す図
【図２】駆動信号、目標ゲート電圧Ｖｍ、ゲート駆動電圧Ｖｇ１、ゲート電圧Ｖｇ、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの様子を示すタイミングチャート
【図３】ＩＧＢＴ１１０がオンからオフに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子を示す図
【図４】図２に示したＡ１部分の拡大図
【図５】ＩＧＢＴ１１０がオフからオンに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子を示す図
【図６】図２に示したＡ２部分の拡大図
【図７】目標電圧をＶｍｓに設定した場合（点線で示す）と、目標電圧をＶｍｓよりＶｓｓに近い値であるＶｍｓ’に設定した場合（実線で示す）とにおけるゲート電圧Ｖｇと、コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃとの変化の様子を示す図
【図８】変形例における駆動信号、目標ゲート電圧Ｖｍ、ゲート駆動電圧Ｖｇ１、ゲート電圧Ｖｇ、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの様子を示すタイミングチャート
【図９】図８に示したＢ１部分の拡大図
【図１０】図８に示したＢ２部分の拡大図
【図１１】従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０を示す図
【図１２】スイッチング素子をオフからオンに切り替える際のゲート電圧Ｖｇｅ、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃを示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
＜構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００を示す図である。図１において、半導体電力変換装置１００は、ＩＧＢＴ１１０と、抵抗１２０と、ゲート駆動回路１３０と、ゲート電圧変化検出部１４０とを備える。さらに、ゲート駆動回路１３０は、目標ゲート電圧設定部１３１と、オペアンプ１３２とから構成されており、オペアンプ１３２は、ゲート電圧フィードバック回路１３３によって、負帰還回路を形成している。
【００２１】
スイッチング素子であるＩＧＢＴ１１０のオンオフ制御を示す駆動信号（オン／オフ）がゲート駆動回路１３０に入力される。ゲート駆動回路１３０における目標ゲート電圧設定部１３１は、入力された駆動信号（オン／オフ）に基づいて、目標ゲート電圧Ｖｍを設定し、オペアンプ１３２の正入力端子に出力する。
【００２２】
オペアンプ１３２は、ゲート駆動電圧Ｖｇ１を出力する。当該ゲート駆動電圧Ｖｇ１は、抵抗１２０を介して、ＩＧＢＴ１１０のゲートにゲート電圧Ｖｇとして供給される。また、ゲート電圧Ｖｇは、ゲート電圧フィードバック回路１３３を介して、オペアンプ１３２の負入力端子に帰還される。
【００２３】
ゲート電圧変化検出部１４０は、ＩＧＢＴ１１０のゲートに供給されるゲート電圧Ｖｇを監視し、当該ゲート電圧Ｖｇの変化を検出し、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を目標ゲート電圧設定部１３１に通知する。例えば、ゲート電圧変化検出部１４０は、ゲート電圧Ｖｇの微分値を監視することによって、当該ゲート電圧Ｖｇの変化を検出すればよい。
【００２４】
そして、目標ゲート電圧設定部１３１が、ゲート電圧変化検出部１４０から通知されたゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２に応じて目標ゲート電圧Ｖｍを設定することによって、オペアンプ１３２から出力されるゲート駆動電圧Ｖｇ１が制御されている。
【００２５】
図２は、駆動信号、目標ゲート電圧Ｖｍ、ゲート駆動電圧Ｖｇ１、ゲート電圧Ｖｇ、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの様子を示すタイミングチャートである。なお、Ｖｄｄは、ゲート駆動回路１３０が出力する最大電圧であって、ＩＧＢＴ１１０をオンさせるためのゲート電圧であり、Ｖｓｓは、ゲート駆動回路１３０が出力する最小電圧であって、ＩＧＢＴ１１０をオフさせるためのゲート電圧である。また、Ｖｍｓは、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際に、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧であって、Ｖｓｓ以上かつＶｄｄ以下であり、Ｖｍｄは、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際に、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧であって、Ｖｓｓ以上かつＶｄｄ以下である。
【００２６】
＜オンオフ切り替え動作＞
図３は、ＩＧＢＴ１１０がオンからオフに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子を示す図である。図２および図３を参照しながら、ＩＧＢＴ１１０がオンからオフに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子について、詳しく説明する。
【００２７】
先ず、時刻Ｔ１において、駆動信号（オン）から駆動信号（オフ）になっており、ここで、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替えるための動作が開始される。
【００２８】
ステップＳ１１０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、駆動信号（オフ）を受信する。
【００２９】
ステップＳ１２０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、受信した駆動信号（オフ）に基づいて、目標ゲート電圧ＶｍをＶｄｄからＶｍｓに設定する。
【００３０】
ここで、オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｍｓが入力される。オペアンプ１３２の負入力端子には、ゲート電圧フィードバック回路１３３を介して、ゲート電圧Ｖｇが負帰還されている。時刻Ｔ１の直前では、ゲート電圧Ｖｇは、ＩＧＢＴ１１０をオンさせるためのゲート電圧であるＶｄｄ（≧Ｖｍｓ）であるため、時刻Ｔ１において、ゲート駆動電圧Ｖｇ１は、ゲート駆動回路１３０が出力する最小電圧であるＶｓｓとなる（Ｃ１１０）。
【００３１】
ゲート駆動電圧Ｖｇ１がＶｄｄからＶｓｓに降下するため、ゲート電圧ＶｇはＶｄｄから降下を開始し（Ｃ１２０）、同時に、コレクタ電圧Ｖｃｅは上昇を開始し、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは降下を開始する（Ｃ１３０）。
【００３２】
オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｍｓが入力されており、オペアンプ１３２の負入力端子には、ゲート電圧フィードバック回路１３３を介して、ゲート電圧Ｖｇが負帰還されているため、ミラー領域で動作し、次第に、ゲート駆動電圧Ｖｇ１およびゲート電圧Ｖｇは、Ｖｍｓで定常状態となる（Ｃ１１１、Ｃ１２１）。
【００３３】
一方、コレクタ電圧Ｖｃｅは上昇し続け、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは降下し続け、その後、時刻Ｔ２において、コレクタ電圧Ｖｃｅは上昇を完了し、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは降下を完了する（Ｃ１３１）。
【００３４】
コレクタ電圧Ｖｃｅの上昇が完了し、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの降下が完了することによって、ミラー領域を抜けて、ゲート電圧Ｖｇは、Ｖｍｓの定常状態から降下を開始する（Ｃ１２２）。
【００３５】
ここで、ステップＳ１３０において、ゲート電圧変化検出部１４０は、ゲート電圧Ｖｇの変化を検出し、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を目標ゲート電圧設定部１３１に通知する。
【００３６】
次に、ステップＳ１４０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、ゲート電圧変化検出部１４０から通知されたゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２に基づいて、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓからＶｓｓに設定する。
【００３７】
ここで、オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｓｓが入力されるため、オペアンプ１３２から出力されるゲート駆動電圧Ｖｇ１は、ＶｍｓからＶｓｓとなり（Ｃ１１２）、Ｖｍｓの定常状態から降下を開始しているゲート電圧ＶｇもＶｓｓとなる（Ｃ１２３）。
【００３８】
このように、時刻Ｔ１において、駆動信号（オフ）が入力されることによって、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替えるための動作が開始され、時刻Ｔ２において、ゲート電圧ＶｇがＶｓｓまで降下することによって、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替えるための動作が終了する。
【００３９】
さらに、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際の目標ゲート電圧設定部１３１の動作について、詳しく説明する。図４は、図２に示したＡ１部分の拡大図である。図４において、目標ゲート電圧設定部１３１に駆動信号（オン）が入力されている期間をオン期間Ｔｏｎ、駆動信号（オフ）が入力されている期間をオフ期間Ｔｏｆｆとしている。さらに、オフ期間Ｔｏｆｆのうち、目標ゲート電圧設定部１３１に駆動信号（オフ）が入力されてからゲート電圧ＶｇがＶｓｓとなるまでの期間をオンオフ切り替え過渡期間Ｔｏｆｆ−ｃとしている。換言すれば、オンオフ切り替え過渡期間Ｔｏｆｆ−ｃは、図２に示した時刻Ｔ１からＴ２までの期間である。
【００４０】
オン期間Ｔｏｎでは、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍにＶｄｄを設定している。
【００４１】
駆動信号（オフ）が入力されたタイミングで、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｄｄからＶｍｓに設定する（時刻Ｔ１）。ここで、Ｖｍｓは、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際に、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧として、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。
【００４２】
このように、駆動信号（オフ）が入力されたタイミングで、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｄｄからＶｓｓではなく、先ず、Ｖｍｓに設定することによって、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際に（時刻Ｔ１）、電圧・電流サージが発生しない。
【００４３】
そして、オンオフ切り替え過渡期間Ｔｏｆｆ−ｃでは、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓに維持する（時刻Ｔ１〜Ｔ２）。
【００４４】
次に、時刻Ｔ２において、ゲート電圧変化検出部１４０がゲート電圧Ｖｇの変化を検出し、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を目標ゲート電圧設定部１３１に通知する。目標ゲート電圧設定部１３１は、当該ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を受信したタイミングで、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓからＶｓｓに設定する。
【００４５】
このように、目標ゲート電圧設定部１３１は、予め設定された所定の遅延時間ではなく、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を受信したタイミングで、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓからＶｓｓに設定しているため、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際に（時刻Ｔ２）、電圧・電流サージが発生しない。より詳細には、周囲の温度変動などの環境、および半導体電力変換装置１００に組み込まれた素子の個体バラツキの影響に関わらず、ゲート電圧変化検出部１４０がゲート電圧Ｖｇの変化を監視することによって、目標ゲート電圧設定部１３１が目標ゲート電圧Ｖｍを切り替えるタイミングを制御している。これにより、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際に（時刻Ｔ２）、電圧・電流サージが発生しない。
【００４６】
＜オフオン切り替え動作＞
図５は、ＩＧＢＴ１１０がオフからオンに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子を示す図である。図２および図５を参照しながら、ＩＧＢＴ１１０がオフからオンに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子について、詳しく説明する。
【００４７】
先ず、時刻Ｔ３において、駆動信号（オフ）から駆動信号（オン）になっており、ここで、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替えるための動作が開始される。
【００４８】
ステップＳ２１０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、駆動信号（オン）を受信する。
【００４９】
ステップＳ２２０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、受信した駆動信号（オン）に基づいて、目標ゲート電圧ＶｍをＶｓｓからＶｍｄに設定する。
【００５０】
ここで、オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｍｄが入力される。オペアンプ１３２の負入力端子には、ゲート電圧フィードバック回路１３３を介して、ゲート電圧Ｖｇが負帰還されている。時刻Ｔ３の直前では、ゲート電圧Ｖｇは、ＩＧＢＴ１１０をオフさせるためのゲート電圧であるＶｓｓ（≦Ｖｍｄ）であるため、時刻Ｔ３において、ゲート駆動電圧Ｖｇ１は、ゲート駆動回路１３０が出力する最大電圧であるＶｄｄとなる（Ｃ２１０）。
【００５１】
ゲート駆動電圧Ｖｇ１がＶｓｓからＶｄｄに上昇するため、ゲート電圧ＶｇはＶｓｓから上昇を開始し（Ｃ２２０）、同時に、コレクタ電圧Ｖｃｅは降下を開始し、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは上昇を開始する（Ｃ２３０）。
【００５２】
オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｍｄが入力されており、オペアンプ１３２の負入力端子には、ゲート電圧フィードバック回路１３３を介して、ゲート電圧Ｖｇが負帰還されているため、ミラー領域で動作し、次第に、ゲート駆動電圧Ｖｇ１およびゲート電圧Ｖｇは、Ｖｍｄで定常状態となる（Ｃ２１１、Ｃ２２１）。
【００５３】
一方、コレクタ電圧Ｖｃｅは降下し続け、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは上昇し続け、その後、時刻Ｔ４において、コレクタ電圧Ｖｃｅは降下を完了し、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは上昇を完了する（Ｃ２３１）。
【００５４】
コレクタ電圧Ｖｃｅの降下が完了し、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの上昇が完了することによって、ミラー領域を抜けて、ゲート電圧Ｖｇは、Ｖｍｄの定常状態から上昇を開始する（Ｃ２２２）。
【００５５】
ここで、ステップＳ２３０において、ゲート電圧変化検出部１４０は、ゲート電圧Ｖｇの変化を検出し、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を目標ゲート電圧設定部１３１に通知する。
【００５６】
次に、ステップＳ２４０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、ゲート電圧変化検出部１４０から通知されたゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２に基づいて、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄからＶｄｄに設定する。
【００５７】
ここで、オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｄｄが入力されるため、オペアンプ１３２から出力されるゲート駆動電圧Ｖｇ１は、ＶｍｄからＶｄｄとなり（Ｃ２１２）、Ｖｍｄの定常状態から上昇を開始しているゲート電圧ＶｇもＶｄｄとなる（Ｃ２２３）。
【００５８】
このように、時刻Ｔ３において、駆動信号（オン）が入力されることによって、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替えるための動作が開始され、時刻Ｔ４において、ゲート電圧ＶｇがＶｄｄまで上昇することによって、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替えるための動作が終了する。
【００５９】
さらに、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際の目標ゲート電圧設定部１３１の動作について、詳しく説明する。図６は、図２に示したＡ２部分の拡大図である。図６において、目標ゲート電圧設定部１３１に駆動信号（オフ）が入力されている期間をオフ期間Ｔｏｆｆ、駆動信号（オン）が入力されている期間をオン期間Ｔｏｎとしている。さらに、オン期間Ｔｏｎのうち、目標ゲート電圧設定部１３１に駆動信号（オン）が入力されてからゲート電圧ＶｇがＶｄｄとなるまでの期間をオフオン切り替え過渡期間Ｔｏｎ−ｃとしている。換言すれば、オフオン切り替え過渡期間Ｔｏｎ−ｃは、図２に示した時刻Ｔ３からＴ４までの期間である。
【００６０】
オフ期間Ｔｏｆｆでは、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍにＶｓｓを設定している。
【００６１】
駆動信号（オン）が入力されたタイミングで、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｓｓからＶｍｄに設定する（時刻Ｔ３）。ここで、Ｖｍｄは、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際に、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧として、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。
【００６２】
このように、駆動信号（オン）が入力されたタイミングで、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｓｓからＶｄｄではなく、先ず、Ｖｍｄに設定することによって、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際に（時刻Ｔ３）、電圧・電流サージが発生しない。
【００６３】
そして、オフオン切り替え過渡期間Ｔｏｎ−ｃでは、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄに維持する（時刻Ｔ３〜Ｔ４）。
【００６４】
次に、時刻Ｔ４において、ゲート電圧変化検出部１４０がゲート電圧Ｖｇの変化を検出し、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を目標ゲート電圧設定部１３１に通知する。目標ゲート電圧設定部１３１は、当該ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を受信したタイミングで、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄからＶｄｄに設定する。
【００６５】
このように、目標ゲート電圧設定部１３１は、予め設定された所定の遅延時間ではなく、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を受信したタイミングで、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄからＶｄｄに設定しているため、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際に（時刻Ｔ４）、電圧・電流サージが発生しない。より詳細には、周囲の温度変動などの環境、および半導体電力変換装置１００に組み込まれた素子の個体バラツキの影響に関わらず、ゲート電圧変化検出部１４０がゲート電圧Ｖｇの変化を監視することによって、目標ゲート電圧設定部１３１が目標ゲート電圧Ｖｍを切り替えるタイミングを制御している。これにより、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際に（時刻Ｔ４）、電圧・電流サージが発生しない。
【００６６】
以上のように、本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００によれば、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替え時において、ＩＧＢＴ１１０のゲートに供給されるゲート電圧Ｖｇの変化を監視するため、周囲の温度変動などの環境、および当該半導体電力変換装置１００に組み込まれた抵抗１２０などの個体バラツキの影響に関わらず、最適なタイミングで段階的にゲート電圧Ｖｇを切り替えることができる。これにより、本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００では、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージの発生を完全に抑制することができる。
【００６７】
なお、本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００では、ゲート駆動回路１３０から出力されるゲート駆動電圧Ｖｇ１を可変制御できるため、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路に比べて、ＩＧＢＴのオンオフを切り替えるための経路を複数設ける必要がない。これにより、回路を構成する素子を削減することができ、コストダウン、および回路の縮小化を実現することができる。
【００６８】
また、オペアンプ１３２が負帰還回路を構成し、ゲート電圧Ｖｇを制御しているため、フィードバック制御中は、ノイズや温度変動などの外的影響を受けず、安定した動作を実現することができる。
【００６９】
さらに、本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００では、ゲート電圧変化検出部１４０によって、ＩＧＢＴ１１０に供給されるゲート電圧Ｖｇの微分値を監視するため、従来の半導体電力変換装置における遅延回路およびコンパレータを備える必要がない。
【００７０】
また、本実施形態では、ＶｍｓおよびＶｍｄは、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧として、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されているものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、ＶｍｓおよびＶｍｄは、別途、記憶部などに記憶されており、目標ゲート電圧設定部１３１が当該記憶部から取得する構成であっても構わない。さらには、ＶｍｓおよびＶｍｄは、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧として最適な値となるように、例えば、コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃに応じて、動的に調整できる構成であっても構わない。
【００７１】
さらに、Ｖｍｓの値が小さい程、コレクタ電圧Ｖｃｅが上昇する変化量およびＩＧＢＴ電流Ｉｃが降下する変化量は大きくなる。図７は、目標電圧をＶｍｓに設定した場合（点線で示す）と、目標電圧をＶｍｓよりＶｓｓに近い値であるＶｍｓ’に設定した場合（実線で示す）とにおけるゲート電圧Ｖｇと、コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃとの変化の様子を示す図である。目標電圧をＶｍｓ’に設定すると、ゲート電圧Ｖｇは、ＶｄｄからＶｍｓ’まで降下する。これに伴い、コレクタ電圧Ｖｃｅが上昇する変化量およびＩＧＢＴ電流Ｉｃが降下する変化量は、目標電圧をＶｍｓに設定した場合よりＶｍｓ’に設定した場合の方が大きくなって、その結果、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替え速度が速くなる。同様に、Ｖｍｄの値が大きい程、コレクタ電圧Ｖｃｅが降下する変化量およびＩＧＢＴ電流Ｉｃが上昇する変化量が大きくなって、ＩＧＢＴ１１０のオフオン切り替え速度が速くなる。
【００７２】
次に、本発明の一実施形態の変形例について説明する。本変形例に係る半導体電力変換装置の構成は、図１に示した本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００と同様である。
【００７３】
図８は、本変形例における駆動信号、目標ゲート電圧Ｖｍ、ゲート駆動電圧Ｖｇ１、ゲート電圧Ｖｇ、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの様子を示すタイミングチャートである。図８において、時刻Ｔ１とＴ２との間の時刻Ｔ５、および時刻Ｔ３とＴ４との間の時刻Ｔ６以外は、本発明の一実施形態で説明した図２と同様である。以下、本変形例では、本発明の一実施形態と異なる点について、詳しく説明する。
【００７４】
＜オンオフ切り替え動作 変形例＞
図９は、図８に示したＢ１部分の拡大図である。図９において、オン期間Ｔｏｎ、オフ期間Ｔｏｆｆ、およびオンオフ切り替え過渡期間Ｔｏｆｆ−ｃについて、目標ゲート電圧設定部１３１の基本的な動作は、図４で示した本発明の一実施形態と同様である。
【００７５】
図４に示した本発明の一実施形態では、オンオフ切り替え過渡期間Ｔｏｆｆ−ｃにおいて、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓに維持していたが、図９に示した本変形例では、目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ５）において、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓから徐々に上昇している。
【００７６】
オンオフ切り替え過度期間Ｔｏｆｆ−ｃのうち、時刻Ｔ１〜Ｔ５の期間では、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓに一定に維持し、時刻Ｔ５〜Ｔ２の期間では、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓから徐々に上昇する。これにより、時刻Ｔ１〜Ｔ５の期間では、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替えを一定の速度で行い、時刻Ｔ５〜Ｔ２の期間では、コレクタ電圧Ｖｃｅが上昇する変化量およびＩＧＢＴ電流Ｉｃが降下する変化量を小さくすることによって、時刻Ｔ２における電圧・電流サージの発生を確実に抑制している。
【００７７】
なお、目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ５）は、駆動信号（オフ）が入力されてからの所定時間として、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。また、目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ５）から、目標ゲート電圧設定部１３１が徐々に上昇させる目標ゲート電圧Ｖｍ（上昇量および上昇速度）についても、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。
【００７８】
＜オフオン切り替え動作 変形例＞
図１０は、図８に示したＢ２部分の拡大図である。図１０において、オフ期間Ｔｏｆｆ、オン期間Ｔｏｎ、およびオフオン切り替え過渡期間Ｔｏｎ−ｃについて、目標ゲート電圧設定部１３１の基本的な動作は、図６で示した本発明の一実施形態と同様である。
【００７９】
図６に示した本発明の一実施形態では、オフオン切り替え過渡期間Ｔｏｎ−ｃにおいて、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄに維持していたが、図１０に示した本変形例では、目標電圧降下タイミング（時刻Ｔ６）において、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄから徐々に降下している。
【００８０】
オフオン切り替え過度期間Ｔｏｎ−ｃのうち、時刻Ｔ３〜Ｔ６の期間では、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄに一定に維持し、時刻Ｔ６〜Ｔ４の期間では、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄから徐々に降下する。これにより、時刻Ｔ２〜Ｔ６の期間では、ＩＧＢＴ１１０のオフオン切り替えを一定の速度で行い、時刻Ｔ６〜Ｔ４の期間では、コレクタ電圧Ｖｃｅが降下する変化量およびＩＧＢＴ電流Ｉｃが上昇する変化量を小さくすることによって、時刻Ｔ４における電圧・電流サージの発生を確実に抑制している。
【００８１】
なお、目標電圧下降タイミング（時刻Ｔ６）は、駆動信号（オン）が入力されてからの所定時間として、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。また、目標電圧降下タイミング（時刻Ｔ６）から、目標ゲート電圧設定部１３１が徐々に降下させる目標ゲート電圧Ｖｍ（降下量および降下速度）についても、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。
【００８２】
以上のように、本発明の一実施形態の変形例によれば、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替え時におけるスイッチング速度を確保しつつ、かつ電圧・電流サージの発生をより確実に抑制することができる。
【００８３】
なお、本変形例では、目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ５）および目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ６）を決定する所定時間は、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されているものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ５）および目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ６）を決定する所定時間は、別途、記憶部などに記憶されており、目標ゲート電圧設定部１３１が当該記憶部から取得する構成であっても構わない。さらには、当該所定時間は、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替え時におけるスイッチング速度、および電圧・電流サージを発生させない最適な値となるように、例えば、コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃに応じて、動的に調整できる構成であっても構わない。
【００８４】
同様に、本変形例では、目標ゲート電圧設定部１３１が徐々に上昇させる目標ゲート電圧Ｖｍ（上昇量および上昇速度）および徐々に降下させる目標ゲート電圧Ｖｍ（降下量および降下速度）は、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されているものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、目標ゲート電圧設定部１３１が徐々に上昇させる目標ゲート電圧Ｖｍ（上昇量および上昇速度）および徐々に降下させる目標ゲート電圧Ｖｍ（降下量および降下速度）は、別途、記憶部などに記憶されており、目標ゲート電圧設定部１３１が当該記憶部から取得する構成であっても構わない。さらには、当該上昇量および上昇速度、および降下量および降下速度は、電圧・電流サージを発生させない最適な値となるように、例えば、コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃに応じて、動的に調整できる構成であっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、インバータ回路等に組み込まれている電圧駆動型のスイッチング素子をオンオフさせる半導体電力変換装置等に有用である。
【符号の説明】
【００８６】
１０ ゲート駆動回路
１２ コンパレータ
１３ 遅延回路
１４ ワンショット回路
１００ 半導体電力変換装置
１１、１１０ ＩＧＢＴ
１２０ 抵抗
１３０ ゲート駆動回路
１４０ ゲート電圧変化検出部
１３１ 目標ゲート電圧設定部
１３２ オペアンプ
１３３ ゲート電圧フィードバック回路
Ｓ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１４０、Ｓ２１０、Ｓ２２０、Ｓ２３０、Ｓ２４０ 半導体電力変換装置１００が実行する各ステップ
Ｃ１１０、Ｃ１１１、Ｃ１１２、Ｃ２１０、Ｃ２１１、Ｃ２１２ ゲート駆動電圧Ｖｇ１の遷移
Ｃ１２０、Ｃ１２１、Ｃ１２２、Ｃ１２３、Ｃ２２０、Ｃ２２１、Ｃ２２２、Ｃ２２３ ゲート電圧Ｖｇの遷移
Ｃ１３０、Ｃ１３１、Ｃ２３０、Ｃ２３１ コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃの遷移
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体電力変換装置に関し、より特定的には、スイッチング素子のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージの発生を抑制する半導体電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電圧駆動型のスイッチング素子として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。ＩＧＢＴは、環境分野の電力制御機器、ハイブリッド車および電気自動車のパワーコントロールユニットに組み込まれているインバータ回路等に用いられ、スイッチング損失の低減、および高速動作等、更なる性能向上が求められている。
【０００３】
そこで、スイッチング損失およびスイッチング時間の増加を抑制する従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路が、特許文献１に開示されている。図１１は、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０を示す図である。図１１において、ゲート駆動回路１０は、スイッチング素子としてＩＧＢＴ１１と、コンパレータ１２と、遅延回路１３と、ワンショット回路１４とを備え、スイッチング素子のオンオフ切り替え時におけるゲート電圧を制御している。具体的には、ＩＧＢＴ１１をオフからオンに切り替える際、コンパレータ１２は、ＩＧＢＴ１１のゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅを監視する。そして、ゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅが所定の閾値に達すれば、遅延回路１３に設定された所定の遅延時間経過後、一定期間、ワンショット回路１４は、ゲート駆動条件制御信号を出力する。
【０００４】
図１２は、スイッチング素子をオフからオンに切り替える際のゲート電圧Ｖｇｅ、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃを示す図である。図１２に示すように、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、ＩＧＢＴ１１をオフからオンに切り替える際、ＩＧＢＴ１１のゲートに、ＩＧＢＴ１１をオンさせるためのゲート電圧Ｖｇｅを急激に供給するのではなく、遅延回路１３に設定された所定の遅延時間経過後に、ＩＧＢＴ１１をオンさせるためのゲート電圧Ｖｇｅを供給している。
【０００５】
上述したように、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、ＩＧＢＴ１１をオフからオンに切り替えるための経路を２つ設けており、段階的にゲート電圧Ｖｇｅを切り替えることによって、緩やかにＩＧＢＴ１１をオフからオンに切り替えている。これにより、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０は、スイッチング損失の低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−８３３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え動作を段階的に行うことによって、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え時におけるスイッチング損失の低減および電圧・電流サージの発生の抑制を図っているものの、段階的にゲート電圧Ｖｇｅを切り替える際のタイミングは、遅延回路１３に設定された所定の遅延時間に依存する。このため、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え時に、図１２に示すように、電圧・電流サージが発生してしまう場合がある。
【０００８】
具体的には、例えば、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え時に、電圧・電流サージが発生しないように、予め最適な遅延時間を遅延回路１３に設定したとしても、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０を動作させる周囲の温度変動などの影響があるため、実際にゲート電圧Ｖｇｅを切り替えているタイミングは、最適なタイミングであるとは言えない。
【０００９】
また、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、ＩＧＢＴ１１のオンオフを切り替えるための経路が２つ設けられており、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え時に、電圧・電流サージが発生しないように、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え動作速度を調整するための抵抗などの素子がそれぞれの経路に配置されている。従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、それぞれの経路に配置される素子を調整しているものの、これらの素子には個体バラツキがある。
【００１０】
このように、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０では、周囲の温度変動などの環境、およびそれぞれの経路に配置される素子の個体バラツキを考慮して、予め最適な遅延時間を遅延回路１３に設定し、ＩＧＢＴ１１のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージの発生を完全に抑制することは困難である。
【００１１】
それ故に、本発明の目的は、スイッチング素子のオンオフ切り替え時において、スイッチング素子のゲートに供給されるゲート電圧の変化を監視し、最適なタイミングで段階的にゲート電圧を切り替えることによって、スイッチング素子のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージを発生させない半導体電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の半導体電力変換装置は、スイッチング素子をオンオフさせる半導体電力変換装置であって、スイッチング素子に供給されるゲート電圧の変化を検出するゲート電圧変化検出手段と、入力される駆動信号に基づいて、スイッチング素子のゲートにゲート駆動電圧を出力するゲート駆動手段とを備え、ゲート駆動手段は、ゲート電圧変化検出手段によってゲート電圧の変化が検出されたタイミングで、ゲート駆動電圧を制御することを特徴とする。
かかる構成により、スイッチング素子のオンオフ切り替え時において、周囲の温度変動などの環境、および当該半導体電力変換装置に組み込まれた素子の個体バラツキの影響に関わらず、スイッチング素子のゲートに供給されるゲート電圧の変化を検出した最適なタイミングで、段階的にゲート電圧を切り替えることができる。これにより、スイッチング素子のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージの発生を完全に抑制することができる。
【００１３】
さらに、好ましいゲート駆動手段は、負入力端子にゲート電圧が帰還するオペアンプと、オペアンプの正入力端子に入力される目標ゲート電圧を設定する目標ゲート電圧設定手段とを備える。
かかる構成により、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路のように、オンオフ経路を複数設ける必要がなく、ゲート駆動回路から出力されるゲート駆動電圧を可変制御することができるため、回路の縮小化となる。
【００１４】
また、好ましい目標ゲート電圧は、スイッチング素子をオンさせるオン期間は、スイッチング素子をオンさせる第１のゲート駆動電圧であり、スイッチング素子をオフさせるオフ期間は、スイッチング素子をオフさせる第２のゲート駆動電圧であり、オン期間のうち、オン期間開始からゲート電圧が第１のゲート駆動電圧に変化することがゲート電圧変化検出手段によって検出されるまでのオフオン切り替え過渡期間は、第２のゲート駆動電圧以上かつ第１のゲート駆動電圧以下であって予め設定された第１の目標ゲート電圧であり、オフ期間のうち、オフ期間開始からゲート電圧が第２のゲート駆動電圧に変化することがゲート電圧変化検出手段によって検出されるまでのオンオフ切り替え過渡期間は、第２のゲート駆動電圧以上かつ第１のゲート駆動電圧以下であって予め設定された第２の目標ゲート電圧であることを特徴とする。
かかる構成により、オン期間、オフ期間、オフオン切り替え過渡期間、およびオンオフ切り替え過渡期間における最適な目標ゲート電圧を予め設定しているため、段階的に最適なゲート電圧に切り替えることができる。
【００１５】
さらに、好ましい目標ゲート電圧設定手段は、オフオン切り替え過渡期間のうち、オン期間開始から予め設定された時間経過後に、目標ゲート電圧を第１の目標ゲート電圧から下げ、オンオフ切り替え過渡期間のうち、オフ期間開始から予め設定された時間経過後に、目標ゲート電圧を第２の目標ゲート電圧から上げることを特徴とする。
かかる構成により、スイッチング素子のオンオフ切り替え時におけるスイッチング速度を確保しつつ、かつ電圧・電流サージの発生をより確実に抑制することができる。
【００１６】
また、好ましいゲート電圧変化検出手段は、スイッチング素子に供給されるゲート電圧の微分値を監視することを特徴とする。
かかる構成により、従来の半導体電力変換装置における遅延回路およびコンパレータを備える必要がなく、スイッチング素子に供給されるゲート電圧の変化を適切に検出することができる。
【００１７】
また、上記目的を達成するために、上述した本発明の半導体電力変換装置の各構成が行うそれぞれの処理は、一連の処理手順を与える半導体電力変換方法として捉えることができる。この方法は、一連の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムの形式で提供される。このプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録された形態で、コンピュータに導入されてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
上述のように、本発明の半導体電力変換装置によれば、スイッチング素子のオンオフ切り替え時において、スイッチング素子のゲートに供給されるゲート電圧の変化を監視するため、周囲の温度変動などの環境、および当該半導体電力変換装置に組み込まれた素子の個体バラツキの影響に関わらず、最適なタイミングで段階的にゲート電圧を切り替えることができる。これにより、本発明の半導体電力変換装置では、スイッチング素子のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージの発生を完全に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００を示す図
【図２】駆動信号、目標ゲート電圧Ｖｍ、ゲート駆動電圧Ｖｇ１、ゲート電圧Ｖｇ、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの様子を示すタイミングチャート
【図３】ＩＧＢＴ１１０がオンからオフに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子を示す図
【図４】図２に示したＡ１部分の拡大図
【図５】ＩＧＢＴ１１０がオフからオンに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子を示す図
【図６】図２に示したＡ２部分の拡大図
【図７】目標電圧をＶｍｓに設定した場合（点線で示す）と、目標電圧をＶｍｓよりＶｓｓに近い値であるＶｍｓ’に設定した場合（実線で示す）とにおけるゲート電圧Ｖｇと、コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃとの変化の様子を示す図
【図８】変形例における駆動信号、目標ゲート電圧Ｖｍ、ゲート駆動電圧Ｖｇ１、ゲート電圧Ｖｇ、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの様子を示すタイミングチャート
【図９】図８に示したＢ１部分の拡大図
【図１０】図８に示したＢ２部分の拡大図
【図１１】従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路１０を示す図
【図１２】スイッチング素子をオフからオンに切り替える際のゲート電圧Ｖｇｅ、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃを示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
＜構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００を示す図である。図１において、半導体電力変換装置１００は、ＩＧＢＴ１１０と、抵抗１２０と、ゲート駆動回路１３０と、ゲート電圧変化検出部１４０とを備える。さらに、ゲート駆動回路１３０は、目標ゲート電圧設定部１３１と、オペアンプ１３２とから構成されており、オペアンプ１３２は、ゲート電圧フィードバック回路１３３によって、負帰還回路を形成している。
【００２１】
スイッチング素子であるＩＧＢＴ１１０のオンオフ制御を示す駆動信号（オン／オフ）がゲート駆動回路１３０に入力される。ゲート駆動回路１３０における目標ゲート電圧設定部１３１は、入力された駆動信号（オン／オフ）に基づいて、目標ゲート電圧Ｖｍを設定し、オペアンプ１３２の正入力端子に出力する。
【００２２】
オペアンプ１３２は、ゲート駆動電圧Ｖｇ１を出力する。当該ゲート駆動電圧Ｖｇ１は、抵抗１２０を介して、ＩＧＢＴ１１０のゲートにゲート電圧Ｖｇとして供給される。また、ゲート電圧Ｖｇは、ゲート電圧フィードバック回路１３３を介して、オペアンプ１３２の負入力端子に帰還される。
【００２３】
ゲート電圧変化検出部１４０は、ＩＧＢＴ１１０のゲートに供給されるゲート電圧Ｖｇを監視し、当該ゲート電圧Ｖｇの変化を検出し、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を目標ゲート電圧設定部１３１に通知する。例えば、ゲート電圧変化検出部１４０は、ゲート電圧Ｖｇの微分値を監視することによって、当該ゲート電圧Ｖｇの変化を検出すればよい。
【００２４】
そして、目標ゲート電圧設定部１３１が、ゲート電圧変化検出部１４０から通知されたゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２に応じて目標ゲート電圧Ｖｍを設定することによって、オペアンプ１３２から出力されるゲート駆動電圧Ｖｇ１が制御されている。
【００２５】
図２は、駆動信号、目標ゲート電圧Ｖｍ、ゲート駆動電圧Ｖｇ１、ゲート電圧Ｖｇ、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの様子を示すタイミングチャートである。なお、Ｖｄｄは、ゲート駆動回路１３０が出力する最大電圧であって、ＩＧＢＴ１１０をオンさせるためのゲート電圧であり、Ｖｓｓは、ゲート駆動回路１３０が出力する最小電圧であって、ＩＧＢＴ１１０をオフさせるためのゲート電圧である。また、Ｖｍｓは、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際に、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧であって、Ｖｓｓ以上かつＶｄｄ以下であり、Ｖｍｄは、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際に、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧であって、Ｖｓｓ以上かつＶｄｄ以下である。
【００２６】
＜オンオフ切り替え動作＞
図３は、ＩＧＢＴ１１０がオンからオフに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子を示す図である。図２および図３を参照しながら、ＩＧＢＴ１１０がオンからオフに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子について、詳しく説明する。
【００２７】
先ず、時刻Ｔ１において、駆動信号（オン）から駆動信号（オフ）になっており、ここで、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替えるための動作が開始される。
【００２８】
ステップＳ１１０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、駆動信号（オフ）を受信する。
【００２９】
ステップＳ１２０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、受信した駆動信号（オフ）に基づいて、目標ゲート電圧ＶｍをＶｄｄからＶｍｓに設定する。
【００３０】
ここで、オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｍｓが入力される。オペアンプ１３２の負入力端子には、ゲート電圧フィードバック回路１３３を介して、ゲート電圧Ｖｇが負帰還されている。時刻Ｔ１の直前では、ゲート電圧Ｖｇは、ＩＧＢＴ１１０をオンさせるためのゲート電圧であるＶｄｄ（≧Ｖｍｓ）であるため、時刻Ｔ１において、ゲート駆動電圧Ｖｇ１は、ゲート駆動回路１３０が出力する最小電圧であるＶｓｓとなる（Ｃ１１０）。
【００３１】
ゲート駆動電圧Ｖｇ１がＶｄｄからＶｓｓに降下するため、ゲート電圧ＶｇはＶｄｄから降下を開始し（Ｃ１２０）、同時に、コレクタ電圧Ｖｃｅは上昇を開始し、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは降下を開始する（Ｃ１３０）。
【００３２】
オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｍｓが入力されており、オペアンプ１３２の負入力端子には、ゲート電圧フィードバック回路１３３を介して、ゲート電圧Ｖｇが負帰還されているため、ミラー領域で動作し、次第に、ゲート駆動電圧Ｖｇ１およびゲート電圧Ｖｇは、Ｖｍｓで定常状態となる（Ｃ１１１、Ｃ１２１）。
【００３３】
一方、コレクタ電圧Ｖｃｅは上昇し続け、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは降下し続け、その後、時刻Ｔ２において、コレクタ電圧Ｖｃｅは上昇を完了し、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは降下を完了する（Ｃ１３１）。
【００３４】
コレクタ電圧Ｖｃｅの上昇が完了し、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの降下が完了することによって、ミラー領域を抜けて、ゲート電圧Ｖｇは、Ｖｍｓの定常状態から降下を開始する（Ｃ１２２）。
【００３５】
ここで、ステップＳ１３０において、ゲート電圧変化検出部１４０は、ゲート電圧Ｖｇの変化を検出し、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を目標ゲート電圧設定部１３１に通知する。
【００３６】
次に、ステップＳ１４０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、ゲート電圧変化検出部１４０から通知されたゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２に基づいて、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓからＶｓｓに設定する。
【００３７】
ここで、オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｓｓが入力されるため、オペアンプ１３２から出力されるゲート駆動電圧Ｖｇ１は、ＶｍｓからＶｓｓとなり（Ｃ１１２）、Ｖｍｓの定常状態から降下を開始しているゲート電圧ＶｇもＶｓｓとなる（Ｃ１２３）。
【００３８】
このように、時刻Ｔ１において、駆動信号（オフ）が入力されることによって、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替えるための動作が開始され、時刻Ｔ２において、ゲート電圧ＶｇがＶｓｓまで降下することによって、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替えるための動作が終了する。
【００３９】
さらに、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際の目標ゲート電圧設定部１３１の動作について、詳しく説明する。図４は、図２に示したＡ１部分の拡大図である。図４において、目標ゲート電圧設定部１３１に駆動信号（オン）が入力されている期間をオン期間Ｔｏｎ、駆動信号（オフ）が入力されている期間をオフ期間Ｔｏｆｆとしている。さらに、オフ期間Ｔｏｆｆのうち、目標ゲート電圧設定部１３１に駆動信号（オフ）が入力されてからゲート電圧ＶｇがＶｓｓとなるまでの期間をオンオフ切り替え過渡期間Ｔｏｆｆ−ｃとしている。換言すれば、オンオフ切り替え過渡期間Ｔｏｆｆ−ｃは、図２に示した時刻Ｔ１からＴ２までの期間である。
【００４０】
オン期間Ｔｏｎでは、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍにＶｄｄを設定している。
【００４１】
駆動信号（オフ）が入力されたタイミングで、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｄｄからＶｍｓに設定する（時刻Ｔ１）。ここで、Ｖｍｓは、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際に、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧として、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。
【００４２】
このように、駆動信号（オフ）が入力されたタイミングで、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｄｄからＶｓｓではなく、先ず、Ｖｍｓに設定することによって、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際に（時刻Ｔ１）、電圧・電流サージが発生しない。
【００４３】
そして、オンオフ切り替え過渡期間Ｔｏｆｆ−ｃでは、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓに維持する（時刻Ｔ１〜Ｔ２）。
【００４４】
次に、時刻Ｔ２において、ゲート電圧変化検出部１４０がゲート電圧Ｖｇの変化を検出し、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を目標ゲート電圧設定部１３１に通知する。目標ゲート電圧設定部１３１は、当該ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を受信したタイミングで、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓからＶｓｓに設定する。
【００４５】
このように、目標ゲート電圧設定部１３１は、予め設定された所定の遅延時間ではなく、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を受信したタイミングで、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓからＶｓｓに設定しているため、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際に（時刻Ｔ２）、電圧・電流サージが発生しない。より詳細には、周囲の温度変動などの環境、および半導体電力変換装置１００に組み込まれた素子の個体バラツキの影響に関わらず、ゲート電圧変化検出部１４０がゲート電圧Ｖｇの変化を監視することによって、目標ゲート電圧設定部１３１が目標ゲート電圧Ｖｍを切り替えるタイミングを制御している。これにより、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオンからオフに切り替える際に（時刻Ｔ２）、電圧・電流サージが発生しない。
【００４６】
＜オフオン切り替え動作＞
図５は、ＩＧＢＴ１１０がオフからオンに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子を示す図である。図２および図５を参照しながら、ＩＧＢＴ１１０がオフからオンに切り替わる際の半導体電力変換装置１００の動作および各電圧・電流（信号）の様子について、詳しく説明する。
【００４７】
先ず、時刻Ｔ３において、駆動信号（オフ）から駆動信号（オン）になっており、ここで、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替えるための動作が開始される。
【００４８】
ステップＳ２１０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、駆動信号（オン）を受信する。
【００４９】
ステップＳ２２０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、受信した駆動信号（オン）に基づいて、目標ゲート電圧ＶｍをＶｓｓからＶｍｄに設定する。
【００５０】
ここで、オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｍｄが入力される。オペアンプ１３２の負入力端子には、ゲート電圧フィードバック回路１３３を介して、ゲート電圧Ｖｇが負帰還されている。時刻Ｔ３の直前では、ゲート電圧Ｖｇは、ＩＧＢＴ１１０をオフさせるためのゲート電圧であるＶｓｓ（≦Ｖｍｄ）であるため、時刻Ｔ３において、ゲート駆動電圧Ｖｇ１は、ゲート駆動回路１３０が出力する最大電圧であるＶｄｄとなる（Ｃ２１０）。
【００５１】
ゲート駆動電圧Ｖｇ１がＶｓｓからＶｄｄに上昇するため、ゲート電圧ＶｇはＶｓｓから上昇を開始し（Ｃ２２０）、同時に、コレクタ電圧Ｖｃｅは降下を開始し、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは上昇を開始する（Ｃ２３０）。
【００５２】
オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｍｄが入力されており、オペアンプ１３２の負入力端子には、ゲート電圧フィードバック回路１３３を介して、ゲート電圧Ｖｇが負帰還されているため、ミラー領域で動作し、次第に、ゲート駆動電圧Ｖｇ１およびゲート電圧Ｖｇは、Ｖｍｄで定常状態となる（Ｃ２１１、Ｃ２２１）。
【００５３】
一方、コレクタ電圧Ｖｃｅは降下し続け、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは上昇し続け、その後、時刻Ｔ４において、コレクタ電圧Ｖｃｅは降下を完了し、ＩＧＢＴ電流Ｉｃは上昇を完了する（Ｃ２３１）。
【００５４】
コレクタ電圧Ｖｃｅの降下が完了し、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの上昇が完了することによって、ミラー領域を抜けて、ゲート電圧Ｖｇは、Ｖｍｄの定常状態から上昇を開始する（Ｃ２２２）。
【００５５】
ここで、ステップＳ２３０において、ゲート電圧変化検出部１４０は、ゲート電圧Ｖｇの変化を検出し、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を目標ゲート電圧設定部１３１に通知する。
【００５６】
次に、ステップＳ２４０において、目標ゲート電圧設定部１３１は、ゲート電圧変化検出部１４０から通知されたゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２に基づいて、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄからＶｄｄに設定する。
【００５７】
ここで、オペアンプ１３２の正入力端子には、目標ゲート電圧設定部１３１によって設定されたＶｄｄが入力されるため、オペアンプ１３２から出力されるゲート駆動電圧Ｖｇ１は、ＶｍｄからＶｄｄとなり（Ｃ２１２）、Ｖｍｄの定常状態から上昇を開始しているゲート電圧ＶｇもＶｄｄとなる（Ｃ２２３）。
【００５８】
このように、時刻Ｔ３において、駆動信号（オン）が入力されることによって、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替えるための動作が開始され、時刻Ｔ４において、ゲート電圧ＶｇがＶｄｄまで上昇することによって、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替えるための動作が終了する。
【００５９】
さらに、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際の目標ゲート電圧設定部１３１の動作について、詳しく説明する。図６は、図２に示したＡ２部分の拡大図である。図６において、目標ゲート電圧設定部１３１に駆動信号（オフ）が入力されている期間をオフ期間Ｔｏｆｆ、駆動信号（オン）が入力されている期間をオン期間Ｔｏｎとしている。さらに、オン期間Ｔｏｎのうち、目標ゲート電圧設定部１３１に駆動信号（オン）が入力されてからゲート電圧ＶｇがＶｄｄとなるまでの期間をオフオン切り替え過渡期間Ｔｏｎ−ｃとしている。換言すれば、オフオン切り替え過渡期間Ｔｏｎ−ｃは、図２に示した時刻Ｔ３からＴ４までの期間である。
【００６０】
オフ期間Ｔｏｆｆでは、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍにＶｓｓを設定している。
【００６１】
駆動信号（オン）が入力されたタイミングで、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｓｓからＶｍｄに設定する（時刻Ｔ３）。ここで、Ｖｍｄは、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際に、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧として、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。
【００６２】
このように、駆動信号（オン）が入力されたタイミングで、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｓｓからＶｄｄではなく、先ず、Ｖｍｄに設定することによって、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際に（時刻Ｔ３）、電圧・電流サージが発生しない。
【００６３】
そして、オフオン切り替え過渡期間Ｔｏｎ−ｃでは、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄに維持する（時刻Ｔ３〜Ｔ４）。
【００６４】
次に、時刻Ｔ４において、ゲート電圧変化検出部１４０がゲート電圧Ｖｇの変化を検出し、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を目標ゲート電圧設定部１３１に通知する。目標ゲート電圧設定部１３１は、当該ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を受信したタイミングで、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄからＶｄｄに設定する。
【００６５】
このように、目標ゲート電圧設定部１３１は、予め設定された所定の遅延時間ではなく、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２を受信したタイミングで、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄからＶｄｄに設定しているため、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際に（時刻Ｔ４）、電圧・電流サージが発生しない。より詳細には、周囲の温度変動などの環境、および半導体電力変換装置１００に組み込まれた素子の個体バラツキの影響に関わらず、ゲート電圧変化検出部１４０がゲート電圧Ｖｇの変化を監視することによって、目標ゲート電圧設定部１３１が目標ゲート電圧Ｖｍを切り替えるタイミングを制御している。これにより、図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０をオフからオンに切り替える際に（時刻Ｔ４）、電圧・電流サージが発生しない。
【００６６】
以上のように、本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００によれば、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替え時において、ＩＧＢＴ１１０のゲートに供給されるゲート電圧Ｖｇの変化を監視するため、周囲の温度変動などの環境、および当該半導体電力変換装置１００に組み込まれた抵抗１２０などの個体バラツキの影響に関わらず、最適なタイミングで段階的にゲート電圧Ｖｇを切り替えることができる。これにより、本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００では、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替え時における電圧・電流サージの発生を完全に抑制することができる。
【００６７】
なお、本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００では、ゲート駆動回路１３０から出力されるゲート駆動電圧Ｖｇ１を可変制御できるため、従来の半導体電力変換装置におけるゲート駆動回路に比べて、ＩＧＢＴのオンオフを切り替えるための経路を複数設ける必要がない。これにより、回路を構成する素子を削減することができ、コストダウン、および回路の縮小化を実現することができる。
【００６８】
また、オペアンプ１３２が負帰還回路を構成し、ゲート電圧Ｖｇを制御しているため、フィードバック制御中は、ノイズや温度変動などの外的影響を受けず、安定した動作を実現することができる。
【００６９】
さらに、本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００では、ゲート電圧変化検出部１４０によって、ＩＧＢＴ１１０に供給されるゲート電圧Ｖｇの微分値を監視するため、従来の半導体電力変換装置における遅延回路およびコンパレータを備える必要がない。
【００７０】
また、本実施形態では、ＶｍｓおよびＶｍｄは、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧として、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されているものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、ＶｍｓおよびＶｍｄは、別途、記憶部などに記憶されており、目標ゲート電圧設定部１３１が当該記憶部から取得する構成であっても構わない。さらには、ＶｍｓおよびＶｍｄは、電圧・電流サージを発生させない目標ゲート電圧として最適な値となるように、例えば、コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃに応じて、動的に調整できる構成であっても構わない。
【００７１】
さらに、Ｖｍｓの値が小さい程、コレクタ電圧Ｖｃｅが上昇する変化量およびＩＧＢＴ電流Ｉｃが降下する変化量は大きくなる。図７は、目標電圧をＶｍｓに設定した場合（点線で示す）と、目標電圧をＶｍｓよりＶｓｓに近い値であるＶｍｓ’に設定した場合（実線で示す）とにおけるゲート電圧Ｖｇと、コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃとの変化の様子を示す図である。目標電圧をＶｍｓ’に設定すると、ゲート電圧Ｖｇは、ＶｄｄからＶｍｓ’まで降下する。これに伴い、コレクタ電圧Ｖｃｅが上昇する変化量およびＩＧＢＴ電流Ｉｃが降下する変化量は、目標電圧をＶｍｓに設定した場合よりＶｍｓ’に設定した場合の方が大きくなって、その結果、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替え速度が速くなる。同様に、Ｖｍｄの値が大きい程、コレクタ電圧Ｖｃｅが降下する変化量およびＩＧＢＴ電流Ｉｃが上昇する変化量が大きくなって、ＩＧＢＴ１１０のオフオン切り替え速度が速くなる。
【００７２】
次に、本発明の一実施形態の変形例について説明する。本変形例に係る半導体電力変換装置の構成は、図１に示した本発明の一実施形態に係る半導体電力変換装置１００と同様である。
【００７３】
図８は、本変形例における駆動信号、目標ゲート電圧Ｖｍ、ゲート駆動電圧Ｖｇ１、ゲート電圧Ｖｇ、ゲート電圧変化検出結果Ｖｇ２、コレクタ電圧Ｖｃｅ、およびＩＧＢＴ電流Ｉｃの様子を示すタイミングチャートである。図８において、時刻Ｔ１とＴ２との間の時刻Ｔ５、および時刻Ｔ３とＴ４との間の時刻Ｔ６以外は、本発明の一実施形態で説明した図２と同様である。以下、本変形例では、本発明の一実施形態と異なる点について、詳しく説明する。
【００７４】
＜オンオフ切り替え動作 変形例＞
図９は、図８に示したＢ１部分の拡大図である。図９において、オン期間Ｔｏｎ、オフ期間Ｔｏｆｆ、およびオンオフ切り替え過渡期間Ｔｏｆｆ−ｃについて、目標ゲート電圧設定部１３１の基本的な動作は、図４で示した本発明の一実施形態と同様である。
【００７５】
図４に示した本発明の一実施形態では、オンオフ切り替え過渡期間Ｔｏｆｆ−ｃにおいて、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓに維持していたが、図９に示した本変形例では、目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ５）において、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓから徐々に上昇している。
【００７６】
オンオフ切り替え過度期間Ｔｏｆｆ−ｃのうち、時刻Ｔ１〜Ｔ５の期間では、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓに一定に維持し、時刻Ｔ５〜Ｔ２の期間では、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｓから徐々に上昇する。これにより、時刻Ｔ１〜Ｔ５の期間では、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替えを一定の速度で行い、時刻Ｔ５〜Ｔ２の期間では、コレクタ電圧Ｖｃｅが上昇する変化量およびＩＧＢＴ電流Ｉｃが降下する変化量を小さくすることによって、時刻Ｔ２における電圧・電流サージの発生を確実に抑制している。
【００７７】
なお、目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ５）は、駆動信号（オフ）が入力されてからの所定時間として、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。また、目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ５）から、目標ゲート電圧設定部１３１が徐々に上昇させる目標ゲート電圧Ｖｍ（上昇量および上昇速度）についても、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。
【００７８】
＜オフオン切り替え動作 変形例＞
図１０は、図８に示したＢ２部分の拡大図である。図１０において、オフ期間Ｔｏｆｆ、オン期間Ｔｏｎ、およびオフオン切り替え過渡期間Ｔｏｎ−ｃについて、目標ゲート電圧設定部１３１の基本的な動作は、図６で示した本発明の一実施形態と同様である。
【００７９】
図６に示した本発明の一実施形態では、オフオン切り替え過渡期間Ｔｏｎ−ｃにおいて、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄに維持していたが、図１０に示した本変形例では、目標電圧降下タイミング（時刻Ｔ６）において、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄから徐々に降下している。
【００８０】
オフオン切り替え過度期間Ｔｏｎ−ｃのうち、時刻Ｔ３〜Ｔ６の期間では、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄに一定に維持し、時刻Ｔ６〜Ｔ４の期間では、目標ゲート電圧設定部１３１は、目標ゲート電圧ＶｍをＶｍｄから徐々に降下する。これにより、時刻Ｔ２〜Ｔ６の期間では、ＩＧＢＴ１１０のオフオン切り替えを一定の速度で行い、時刻Ｔ６〜Ｔ４の期間では、コレクタ電圧Ｖｃｅが降下する変化量およびＩＧＢＴ電流Ｉｃが上昇する変化量を小さくすることによって、時刻Ｔ４における電圧・電流サージの発生を確実に抑制している。
【００８１】
なお、目標電圧下降タイミング（時刻Ｔ６）は、駆動信号（オン）が入力されてからの所定時間として、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。また、目標電圧降下タイミング（時刻Ｔ６）から、目標ゲート電圧設定部１３１が徐々に降下させる目標ゲート電圧Ｖｍ（降下量および降下速度）についても、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されている。
【００８２】
以上のように、本発明の一実施形態の変形例によれば、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替え時におけるスイッチング速度を確保しつつ、かつ電圧・電流サージの発生をより確実に抑制することができる。
【００８３】
なお、本変形例では、目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ５）および目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ６）を決定する所定時間は、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されているものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ５）および目標電圧上昇タイミング（時刻Ｔ６）を決定する所定時間は、別途、記憶部などに記憶されており、目標ゲート電圧設定部１３１が当該記憶部から取得する構成であっても構わない。さらには、当該所定時間は、ＩＧＢＴ１１０のオンオフ切り替え時におけるスイッチング速度、および電圧・電流サージを発生させない最適な値となるように、例えば、コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃに応じて、動的に調整できる構成であっても構わない。
【００８４】
同様に、本変形例では、目標ゲート電圧設定部１３１が徐々に上昇させる目標ゲート電圧Ｖｍ（上昇量および上昇速度）および徐々に降下させる目標ゲート電圧Ｖｍ（降下量および降下速度）は、目標ゲート電圧設定部１３１に予め格納されているものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、目標ゲート電圧設定部１３１が徐々に上昇させる目標ゲート電圧Ｖｍ（上昇量および上昇速度）および徐々に降下させる目標ゲート電圧Ｖｍ（降下量および降下速度）は、別途、記憶部などに記憶されており、目標ゲート電圧設定部１３１が当該記憶部から取得する構成であっても構わない。さらには、当該上昇量および上昇速度、および降下量および降下速度は、電圧・電流サージを発生させない最適な値となるように、例えば、コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃに応じて、動的に調整できる構成であっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、インバータ回路等に組み込まれている電圧駆動型のスイッチング素子をオンオフさせる半導体電力変換装置等に有用である。
【符号の説明】
【００８６】
１０ ゲート駆動回路
１２ コンパレータ
１３ 遅延回路
１４ ワンショット回路
１００ 半導体電力変換装置
１１、１１０ ＩＧＢＴ
１２０ 抵抗
１３０ ゲート駆動回路
１４０ ゲート電圧変化検出部
１３１ 目標ゲート電圧設定部
１３２ オペアンプ
１３３ ゲート電圧フィードバック回路
Ｓ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１４０、Ｓ２１０、Ｓ２２０、Ｓ２３０、Ｓ２４０ 半導体電力変換装置１００が実行する各ステップ
Ｃ１１０、Ｃ１１１、Ｃ１１２、Ｃ２１０、Ｃ２１１、Ｃ２１２ ゲート駆動電圧Ｖｇ１の遷移
Ｃ１２０、Ｃ１２１、Ｃ１２２、Ｃ１２３、Ｃ２２０、Ｃ２２１、Ｃ２２２、Ｃ２２３ ゲート電圧Ｖｇの遷移
Ｃ１３０、Ｃ１３１、Ｃ２３０、Ｃ２３１ コレクタ電圧ＶｃｅおよびＩＧＢＴ電流Ｉｃの遷移
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子をオンオフさせる半導体電力変換装置であって、
前記スイッチング素子に供給されるゲート電圧の変化を検出するゲート電圧変化検出手段と、
入力される駆動信号に基づいて、前記スイッチング素子のゲートにゲート駆動電圧を出力するゲート駆動手段とを備え、
前記ゲート駆動手段は、前記ゲート電圧変化検出手段によって前記ゲート電圧の変化が検出されたタイミングで、前記ゲート駆動電圧を制御することを特徴とする、半導体電力変換装置。
【請求項２】
前記ゲート駆動手段は、
負入力端子に前記ゲート電圧が帰還するオペアンプと、
前記オペアンプの正入力端子に入力される目標ゲート電圧を設定する目標ゲート電圧設定手段とを備える、請求項１に記載の半導体電力変換装置。
【請求項３】
前記目標ゲート電圧は、
前記スイッチング素子をオンさせるオン期間は、前記スイッチング素子をオンさせる第１のゲート駆動電圧であり、
前記スイッチング素子をオフさせるオフ期間は、前記スイッチング素子をオフさせる第２のゲート駆動電圧であり、
前記オン期間のうち、前記オン期間開始から前記ゲート電圧が前記第１のゲート駆動電圧に変化することが前記ゲート電圧変化検出手段によって検出されるまでのオフオン切り替え過渡期間は、前記第２のゲート駆動電圧以上かつ前記第１のゲート駆動電圧以下であって予め設定された第１の目標ゲート電圧であり、
前記オフ期間のうち、前記オフ期間開始から前記ゲート電圧が前記第２のゲート駆動電圧に変化することが前記ゲート電圧変化検出手段によって検出されるまでのオンオフ切り替え過渡期間は、前記第２のゲート駆動電圧以上かつ前記第１のゲート駆動電圧以下であって予め設定された第２の目標ゲート電圧であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体電力変換装置。
【請求項４】
前記目標ゲート電圧設定手段は、
前記オフオン切り替え過渡期間のうち、前記オン期間開始から予め設定された時間経過後に、前記目標ゲート電圧を前記第１の目標ゲート電圧から下げ、
前記オンオフ切り替え過渡期間のうち、前記オフ期間開始から予め設定された時間経過後に、前記目標ゲート電圧を前記第２の目標ゲート電圧から上げることを特徴とする、請求項３に記載の半導体電力変換装置。
【請求項５】
前記ゲート電圧変化検出手段は、前記スイッチング素子に供給されるゲート電圧の微分値を監視することを特徴とする、請求項１に記載の半導体電力変換装置。
【請求項１】
スイッチング素子をオンオフさせる半導体電力変換装置であって、
前記スイッチング素子に供給されるゲート電圧の変化を検出するゲート電圧変化検出手段と、
入力される駆動信号に基づいて、前記スイッチング素子のゲートにゲート駆動電圧を出力するゲート駆動手段とを備え、
前記ゲート駆動手段は、前記ゲート電圧変化検出手段によって前記ゲート電圧の変化が検出されたタイミングで、前記ゲート駆動電圧を制御することを特徴とする、半導体電力変換装置。
【請求項２】
前記ゲート駆動手段は、
負入力端子に前記ゲート電圧が帰還するオペアンプと、
前記オペアンプの正入力端子に入力される目標ゲート電圧を設定する目標ゲート電圧設定手段とを備える、請求項１に記載の半導体電力変換装置。
【請求項３】
前記目標ゲート電圧は、
前記スイッチング素子をオンさせるオン期間は、前記スイッチング素子をオンさせる第１のゲート駆動電圧であり、
前記スイッチング素子をオフさせるオフ期間は、前記スイッチング素子をオフさせる第２のゲート駆動電圧であり、
前記オン期間のうち、前記オン期間開始から前記ゲート電圧が前記第１のゲート駆動電圧に変化することが前記ゲート電圧変化検出手段によって検出されるまでのオフオン切り替え過渡期間は、前記第２のゲート駆動電圧以上かつ前記第１のゲート駆動電圧以下であって予め設定された第１の目標ゲート電圧であり、
前記オフ期間のうち、前記オフ期間開始から前記ゲート電圧が前記第２のゲート駆動電圧に変化することが前記ゲート電圧変化検出手段によって検出されるまでのオンオフ切り替え過渡期間は、前記第２のゲート駆動電圧以上かつ前記第１のゲート駆動電圧以下であって予め設定された第２の目標ゲート電圧であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体電力変換装置。
【請求項４】
前記目標ゲート電圧設定手段は、
前記オフオン切り替え過渡期間のうち、前記オン期間開始から予め設定された時間経過後に、前記目標ゲート電圧を前記第１の目標ゲート電圧から下げ、
前記オンオフ切り替え過渡期間のうち、前記オフ期間開始から予め設定された時間経過後に、前記目標ゲート電圧を前記第２の目標ゲート電圧から上げることを特徴とする、請求項３に記載の半導体電力変換装置。
【請求項５】
前記ゲート電圧変化検出手段は、前記スイッチング素子に供給されるゲート電圧の微分値を監視することを特徴とする、請求項１に記載の半導体電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２０００３７（Ｐ２０１１−２０００３７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６４８１１（Ｐ２０１０−６４８１１）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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