電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法及び装置
【課題】 装置を複雑化させず、ＩＧＢＴ等の電圧駆動型半導体スイッチング素子の損失を低減する。
【解決手段】 ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓを、電圧指令装置（マイコン）２３４からの指令により制御可能とし、素子の温度情報、インバータの直流側電圧Ｖｐ情報等に応じて変化させ、ＩＧＢＴ２１１のゲート電圧Ｖｇを調整する。例えば、素子の冷却水の温度が低く、熱的に余裕がある場合には、ゲート電圧を低く設定しノイズを低減する。他方、インバータ２１の直流側電圧Ｖｐが高い場合には、ゲート電圧Ｖｇを高くして、ＩＧＢＴのスイッチング損失を低減する。
【解決手段】 ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓを、電圧指令装置（マイコン）２３４からの指令により制御可能とし、素子の温度情報、インバータの直流側電圧Ｖｐ情報等に応じて変化させ、ＩＧＢＴ２１１のゲート電圧Ｖｇを調整する。例えば、素子の冷却水の温度が低く、熱的に余裕がある場合には、ゲート電圧を低く設定しノイズを低減する。他方、インバータ２１の直流側電圧Ｖｐが高い場合には、ゲート電圧Ｖｇを高くして、ＩＧＢＴのスイッチング損失を低減する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置等に用いられる電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータやコンバータ等の電力変換装置には、ＩＧＢＴに代表される電圧駆動型のパワー半導体スイッチング素子が採用される。このスイッチング素子は、ゲート駆動回路で生成された駆動電圧によってオン／オフ制御される。
【０００３】
一般的に、半導体スイッチング素子のターンオン／オフの際のスイッチング速度を高くすると、スイッチング損失が低減され、その通電電流を大きくすることができる反面、スイッチングノイズが大きくなるという問題がある。
【０００４】
特許文献１は、ＩＧＢＴ等の電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオフ損失を低減するゲート駆動回路を開示している。ここでは、電力変換装置の直流側電圧が基準値以下のとき、ＩＧＢＴのゲート抵抗の並列数を増やして抵抗値を下げるように切替えることによって、ＩＧＢＴのターンオフ損失を低減している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１２５３６３号公報（全体）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の方法では、電力変換装置の主回路の各アームにゲート抵抗可変構造を用意する必要があり、装置を複雑化させる問題があった。
【０００７】
また、半導体スイッチング素子のターンオフ時のみのスイッチング損失を低減するだけに止まっている。
【０００８】
本発明の目的は、構造を複雑化させずに、電圧駆動型半導体スイッチング素子の損失を低減できる駆動装置を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、構造を複雑化させず、電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオン時及び／又は導通中の損失を低減できる駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一般的に、電圧駆動型半導体スイッチング素子をオン／オフ制御するためのゲート電圧として、標準的な駆動電圧が設定されている。しかし、この電圧値によっても、電圧駆動型半導体スイッチング素子における損失は変化する。すなわち、ターンオン用ゲート電圧が高い場合には、スイッチング速度が高くなり、ターンオン時のスイッチング損失は小さくなる。また、導通中のゲート電圧が高い場合には、半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧が低くなり、導通中の損失が低下する。反対に、ターンオン用ゲート電圧が低い場合には、スイッチング速度が低くなり、ターンオン時のスイッチング損失は大きくなる。また、導通中のゲート電圧が低い場合には、半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧が高くなり、導通中の損失が増大する。
【００１１】
本発明は、この特性を利用して、電圧駆動型半導体スイッチング素子をターンオンさせるゲート電圧の大きさを、状況に応じて調整することを主特徴とする。
【００１２】
本発明の望ましい実施態様においては、電圧駆動型半導体スイッチング素子を含む電力変換装置と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路を備え、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子をターンオンさせるゲート電圧の大きさを、前記電力変換装置の状況に応じて調整することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の望ましい実施態様においては、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート電圧に対する電圧指令を出力し、この電圧指令に応じて前記ゲート駆動回路の出力電圧を調整することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の望ましい実施態様においては、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート駆動回路の電源の電圧に対する電圧指令を出力するゲート電源電圧指令手段と、この電圧指令に応じて前記ゲート駆動回路の電源の電圧を調整するゲート電源電圧調整手段を備える。
【００１５】
本発明の望ましい実施態様においては、前記電圧の調整における電圧指令の大きさを、前記電力変換装置に印加される直流電圧の大きさ、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子の温度情報、又は前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を冷却する冷却水の温度情報に基いて決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の望ましい実施態様によれば、主回路装置を複雑化することなく、電圧駆動型半導体スイッチング素子の損失を低減することができる。
【００１７】
また、本発明の望ましい実施態様によれば、構造を複雑化することなく、電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオン時及び／又は導通中の損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置を適用したモータ駆動用インバータ装置の構成図である。バッテリ１の直流電圧を、インバータ装置２によって可変電圧・可変周波数の３相交流電圧に変換し、交流モータ３に供給する。インバータ装置２は、インバータ主回路２１と、電圧平滑用キャパシタ２２、並びにインバータ制御装置２３とからなる。インバータ主回路２１は、ＩＧＢＴ（電圧駆動型半導体スイッチング素子）２１１を３相ブリッジ結線して構成され、各ＩＧＢＴ２１１は、逆並列ダイオード２１２を備えている。これにより、直流側端子Ｐ，Ｎ間の直流電圧を、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗ間に可変電圧・可変周波数の３相交流電圧に変換している。
【００２０】
このインバータ主回路２１は、インバータ制御装置２３からの指令に応じて、ＩＧＢＴ２１１がスイッチング制御され、バッテリ１の直流電圧源から、３相交流電圧を生成し、モータ３を駆動するための電流を通電する。
【００２１】
ここで、インバータ制御装置２３は、ＩＧＢＴ２１１にゲート電圧を与え、これらをオン／オフ駆動するゲート駆動回路２３１を備えている。この部分の詳細については、図２を参照して後述する。この実施例においては、ゲート駆動回路２３１の出力電圧を調整するために、電圧調整可能なゲート電源回路２３２を設けている。そしてその出力電圧は、ゲート電源電圧制御回路２３３によって制御される。このゲート電源電圧制御回路２３３には、電圧指令装置（マイコン）２３４から電圧指令が与えられる。この電圧指令装置（マイコン）２３４は、インバータ主回路２１の直流電圧を検出する電圧検出器２３５及びＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力を入力し、前記電圧指令を決定する。
【００２２】
全体を制御するためのコントローラに設けられた電圧指令装置（マイコン）２３４は、直流電圧検出器２３５や、冷却水温度又はＩＧＢＴ２１１のチップ温度等の温度検出器２３６等の情報から、電力変換装置としての動作状況を把握し、電圧指令を作成する。例えば、インバータ主回路２１の直流側端子Ｐ，Ｎ間すなわち電圧平滑用キャパシタ２２の電圧を電圧検出器２３５で検出し、この直流電圧が高い場合には、スイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減することが望ましい。したがって、電圧指令装置（マイコン）２３４から、高い電圧指令をゲート電源電圧制御回路２３３に与える。これにより、電圧調整可能なゲート電源回路２３２の出力であるゲート電源電圧が高くなる。この結果、ゲート駆動回路２３１からＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧が高くなる。
【００２３】
このようにして、直流側Ｐ，Ｎ間電圧が高い場合には、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減することができる。
【００２４】
また、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力が低く、ＩＧＢＴ２１１の熱的損失に余裕がある場合には、ゲート電圧を高くして、素子のスイッチングノイズを低減することが望ましい。したがって、電圧指令装置（マイコン）２３４から、通常より低い電圧指令をゲート電源電圧制御回路２３３に与える。これにより、電圧調整可能なゲート電源回路２３２の出力であるゲート電源電圧が低くなる。この結果、ゲート駆動回路２３１からＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧が低くなる。
【００２５】
このようにして、直流側Ｐ，Ｎ間電圧が高くなく、スイッチング素子に熱的余裕がある場合には、ＩＧＢＴ２１１に高いゲート電圧を印加し、スイッチングノイズを低減することができる。
【００２６】
このように、インバータ装置２の状況に応じて、臨機応変に、電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ２１１のゲート電圧を調整することができる。
【００２７】
図２は、電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴの駆動原理を説明する駆動回路構成図である。図では、図１におけるインバータ主回路２１のＷ相Ｐ側の１アームのＩＧＢＴ２１１と逆並列ダイオード２１２のみを抜き出し、このＩＧＢＴ２１１に対するゲート駆動回路２３１からのゲート電圧の与え方を説明するものである。ＩＧＢＴ２１１は、そのゲートＧとエミッタＥ間のゲート電圧によって、コレクタＣとエミッタＥ間をオン／オフ制御できる。２１３は、ゲートＧとエミッタＥ間の浮遊容量を示している。
【００２８】
ゲート駆動回路２３１は、制御用ＩＣ２３１１からのオン／オフ指令によって相補的にオン／オフするターンオン用のＮＰＮバッファトランジスタ２３１２とターンオフ用のＰＮＰバッファトランジスタ２３１３と、ゲート抵抗２３１４を備えている。ＩＧＢＴ２１１をターンオンさせる場合は、制御用ＩＣ２３１１から、正の電圧を出力し、ターンオン用のＮＰＮトランジスタ９をオンさせ、ターンオフ用のＰＮＰトランジスタ２３１３をオフさせる。これによって、充電電流Iｏｎにより浮遊容量２１３を充電して、ＩＧＢＴ２１１のゲートＧとエミッタＥ間に正の電圧を印加する。一方、ＩＧＢＴ２１１をターンオフさせるときは、制御用ＩＣ２３１１から、ゼロ電圧を出力し、逆に、ターンオフ用のＰＮＰトランジスタ１０をオンさせ、ターンオン用のＮＰＮトランジスタ９をオフさせる。これにより、放電電流Iｏｆｆにより浮遊容量２１３の電荷を放電させて、ＩＧＢＴ２１１のゲートＧとエミッタＥ間電圧をゼロ［Ｖ］とする。
【００２９】
このとき、前述したように、ターンオン用のゲートＧとエミッタＥ間のゲート電圧Ｖｇが高いと、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失は小さくなり、スイッチングノイズは大きくなる。また、逆に、ゲート電圧Ｖｇが低いと、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失は大きくなるが、スイッチングノイズは小さくなる。
【００３０】
このゲート電圧Ｖｇの大きさは、ゲート電源回路２３２（図１）から与えられるゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓによって調整することができる。
【００３１】
図３は、本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の回路構成図である。この図では、３相インバータ主回路２１のＷ相アームのＩＧＢＴのみに対するインバータ制御装置２３の一部を示しており、他の２相分は省略している。図３において、インバータ主回路２１の構成素子であるＩＧＢＴ２１１は、インバータ制御装置２３によってオン／オフ制御される。インバータ制御装置２３は、図１で説明したように、ゲート駆動回路２３１、ゲート電源回路２３２、ゲート電源電圧制御回路２３３、並びに電圧指令装置（マイコン）２３４を備えている。電圧指令装置（マイコン）２３４は、インバータ主回路２１の直流電圧を検出する電圧検出器２３５の出力Ｖｐと、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力Ｔｓを入力し、電圧指令を決定する。その決定の基本的内容は、図１で説明したように、直流電圧Ｖｐが高い場合には、スイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減する。一方、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力Ｔｓが低く、ＩＧＢＴ２１１の熱的損失に余裕がある場合には、ゲート電圧を高くして、素子のスイッチングノイズを低減することである。しかし、そのほかの判断要素を加味して、電力変換装置あるいは交流モータ制御装置としての動作状況に応じて、損失やノイズを考慮しつつ、制御することができる。
【００３２】
各アーム用のドライバＩＣ２３１１の各電源電圧Ｖｇｓは、フライバック型のゲート電源回路２３２により、同じ電圧になるように制御されている。その電源電圧値Ｖｇｓは、全体を制御するコントローラの電圧指令装置（マイコン）２３４からの電源電圧指令に応じて、ゲート電源電圧制御回路２３３内の電源制御ＩＣが制御する構成としている。
【００３３】
ゲート電源電圧制御回路２３３は、上記のようにして得られた電圧指令と電圧帰還値とが一致するように電源制御用ＩＣによって電圧制御系（ＡＶＲ）を構成している。ゲート電源電圧制御回路２３３は、前記電圧指令に応じた電圧を、フライバック型のゲート電源回路２３２を介して、その後段のゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓとして供給する。
【００３４】
ゲート駆動回路２３１は、図２を参照して詳細に説明した通りであり、出力するゲート電圧Ｖｇの大きさは、ゲート電源回路２３２から与えられる電源電圧Ｖｇｓによって調整することができる。すなわち、電圧指令装置（マイコン）２３４にプログラムされたアルゴリズムに従って、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓが変化するので、ＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧Ｖｇを変化させることができる。
【００３５】
なお、ドライバＩＣ２３１１は、ＩＧＢＴ２１１の短絡保護機能をも備えている。
【００３６】
図４は、本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の動作を説明する電圧、電流及び損失等の波形図である。時点ｔ１において、ＩＧＢＴ２１１に対するオン／オフ指令がオンになると、ゲート電圧Ｖｇがゼロから所定値まで立上がる。このとき、インバータ主回路２１の直流側電圧Ｖｐが高い場合には、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓが高いため、ゲート電圧Ｖｇ１も時点ｔ２までに素早く、かつ、高い電圧まで立上がる。したがって、ＩＧＢＴ２１１のコレクタ電流Ｉｃ１も素早く立上がり、コレクタ電圧Ｖｃ１は素早く、かつ、より小さい値まで低下する。したがって、ＩＧＢＴ２１１のターンオン時のスイッチング損失Ｌ１は短い時間（ｔ１〜ｔ２）内で小さく抑えられる。しかも、その後の導通中のゲート電圧Ｖｇ１を、図示するように、そのまま高く保持されておれば、導通中の損失Ｌ１も小さく抑制することができる。
【００３７】
一方、インバータ主回路２１の構成素子であるＩＧＢＴ２１１の冷却水温が低く、熱的に余裕がある場合には、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓを低く指令する。このため、ゲート電圧Ｖｇ３は、時点ｔ４までにゆっくり、かつ、低く抑制された電圧まで立上がる。したがって、ＩＧＢＴ２１１のコレクタ電流Ｉｃ３もゆっくり立上がり、コレクタ電圧Ｖｃ３はゆっくり、かつ、より大きな値までしか低下しない。したがって、ＩＧＢＴ２１１のターンオン時のノイズを小さく抑制することができる。但し、スイッチング損失Ｌ３は、比較的長い時間（ｔ１〜ｔ４）に大きく発生する。しかも、その後の導通中のゲート電圧Ｖｇ３を、図示するように、そのまま低く保持した場合には、導通中の損失Ｌ３も大きくなる。したがって、ノイズを小さく抑制したい場合でも、導通中のゲート電圧は十分に大きく保つことが望ましい。
【００３８】
図４におけるゲート電圧Ｖｇ２、コレクタ電流Ｉｃ２、コレクタ電圧Ｖｃ２及び素子損失Ｌ２は、前述した２例の中間の値を示す標準値である。
【００３９】
この実施例によれば、インバータやコンバータ等の電力変換装置の状況に応じて、臨機応変に電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート電圧を調整することができる。したがって、例えば、冷却水温が低く、熱的に余裕がある場合などには、ノイズを低減するため、ゲート電圧を低く設定し、他方、電力変換装置の直流側電圧が高い場合などには、ゲート電圧を高くして、スイッチング損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置を適用した交流モータ駆動用インバータ装置の構成図。
【図２】電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴの駆動原理を説明する駆動回路構成図。
【図３】本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の回路構成図。
【図４】本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の動作を説明する電圧、電流及び損失の波形図。
【符号の説明】
【００４１】
１…バッテリ（直流電源）、２…インバータ装置、３…交流モータ、２１…インバータ主回路、２１１…電圧駆動型半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、２２…電圧平滑用キャパシタ、２３…インバータ制御装置、２３１…ゲート駆動回路、２３２…ゲート電源回路、２３３…ゲート電源電圧制御回路、２３４…電圧指令装置（マイコン）、２３５…電圧検出器、２３６…温度検出器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置等に用いられる電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータやコンバータ等の電力変換装置には、ＩＧＢＴに代表される電圧駆動型のパワー半導体スイッチング素子が採用される。このスイッチング素子は、ゲート駆動回路で生成された駆動電圧によってオン／オフ制御される。
【０００３】
一般的に、半導体スイッチング素子のターンオン／オフの際のスイッチング速度を高くすると、スイッチング損失が低減され、その通電電流を大きくすることができる反面、スイッチングノイズが大きくなるという問題がある。
【０００４】
特許文献１は、ＩＧＢＴ等の電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオフ損失を低減するゲート駆動回路を開示している。ここでは、電力変換装置の直流側電圧が基準値以下のとき、ＩＧＢＴのゲート抵抗の並列数を増やして抵抗値を下げるように切替えることによって、ＩＧＢＴのターンオフ損失を低減している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１２５３６３号公報（全体）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の方法では、電力変換装置の主回路の各アームにゲート抵抗可変構造を用意する必要があり、装置を複雑化させる問題があった。
【０００７】
また、半導体スイッチング素子のターンオフ時のみのスイッチング損失を低減するだけに止まっている。
【０００８】
本発明の目的は、構造を複雑化させずに、電圧駆動型半導体スイッチング素子の損失を低減できる駆動装置を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、構造を複雑化させず、電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオン時及び／又は導通中の損失を低減できる駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一般的に、電圧駆動型半導体スイッチング素子をオン／オフ制御するためのゲート電圧として、標準的な駆動電圧が設定されている。しかし、この電圧値によっても、電圧駆動型半導体スイッチング素子における損失は変化する。すなわち、ターンオン用ゲート電圧が高い場合には、スイッチング速度が高くなり、ターンオン時のスイッチング損失は小さくなる。また、導通中のゲート電圧が高い場合には、半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧が低くなり、導通中の損失が低下する。反対に、ターンオン用ゲート電圧が低い場合には、スイッチング速度が低くなり、ターンオン時のスイッチング損失は大きくなる。また、導通中のゲート電圧が低い場合には、半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧が高くなり、導通中の損失が増大する。
【００１１】
本発明は、この特性を利用して、電圧駆動型半導体スイッチング素子をターンオンさせるゲート電圧の大きさを、状況に応じて調整することを主特徴とする。
【００１２】
本発明の望ましい実施態様においては、電圧駆動型半導体スイッチング素子を含む電力変換装置と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路を備え、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子をターンオンさせるゲート電圧の大きさを、前記電力変換装置の状況に応じて調整することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の望ましい実施態様においては、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート電圧に対する電圧指令を出力し、この電圧指令に応じて前記ゲート駆動回路の出力電圧を調整することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の望ましい実施態様においては、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート駆動回路の電源の電圧に対する電圧指令を出力するゲート電源電圧指令手段と、この電圧指令に応じて前記ゲート駆動回路の電源の電圧を調整するゲート電源電圧調整手段を備える。
【００１５】
本発明の望ましい実施態様においては、前記電圧の調整における電圧指令の大きさを、前記電力変換装置に印加される直流電圧の大きさ、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子の温度情報、又は前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を冷却する冷却水の温度情報に基いて決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の望ましい実施態様によれば、主回路装置を複雑化することなく、電圧駆動型半導体スイッチング素子の損失を低減することができる。
【００１７】
また、本発明の望ましい実施態様によれば、構造を複雑化することなく、電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオン時及び／又は導通中の損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置を適用したモータ駆動用インバータ装置の構成図である。バッテリ１の直流電圧を、インバータ装置２によって可変電圧・可変周波数の３相交流電圧に変換し、交流モータ３に供給する。インバータ装置２は、インバータ主回路２１と、電圧平滑用キャパシタ２２、並びにインバータ制御装置２３とからなる。インバータ主回路２１は、ＩＧＢＴ（電圧駆動型半導体スイッチング素子）２１１を３相ブリッジ結線して構成され、各ＩＧＢＴ２１１は、逆並列ダイオード２１２を備えている。これにより、直流側端子Ｐ，Ｎ間の直流電圧を、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗ間に可変電圧・可変周波数の３相交流電圧に変換している。
【００２０】
このインバータ主回路２１は、インバータ制御装置２３からの指令に応じて、ＩＧＢＴ２１１がスイッチング制御され、バッテリ１の直流電圧源から、３相交流電圧を生成し、モータ３を駆動するための電流を通電する。
【００２１】
ここで、インバータ制御装置２３は、ＩＧＢＴ２１１にゲート電圧を与え、これらをオン／オフ駆動するゲート駆動回路２３１を備えている。この部分の詳細については、図２を参照して後述する。この実施例においては、ゲート駆動回路２３１の出力電圧を調整するために、電圧調整可能なゲート電源回路２３２を設けている。そしてその出力電圧は、ゲート電源電圧制御回路２３３によって制御される。このゲート電源電圧制御回路２３３には、電圧指令装置（マイコン）２３４から電圧指令が与えられる。この電圧指令装置（マイコン）２３４は、インバータ主回路２１の直流電圧を検出する電圧検出器２３５及びＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力を入力し、前記電圧指令を決定する。
【００２２】
全体を制御するためのコントローラに設けられた電圧指令装置（マイコン）２３４は、直流電圧検出器２３５や、冷却水温度又はＩＧＢＴ２１１のチップ温度等の温度検出器２３６等の情報から、電力変換装置としての動作状況を把握し、電圧指令を作成する。例えば、インバータ主回路２１の直流側端子Ｐ，Ｎ間すなわち電圧平滑用キャパシタ２２の電圧を電圧検出器２３５で検出し、この直流電圧が高い場合には、スイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減することが望ましい。したがって、電圧指令装置（マイコン）２３４から、高い電圧指令をゲート電源電圧制御回路２３３に与える。これにより、電圧調整可能なゲート電源回路２３２の出力であるゲート電源電圧が高くなる。この結果、ゲート駆動回路２３１からＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧が高くなる。
【００２３】
このようにして、直流側Ｐ，Ｎ間電圧が高い場合には、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減することができる。
【００２４】
また、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力が低く、ＩＧＢＴ２１１の熱的損失に余裕がある場合には、ゲート電圧を高くして、素子のスイッチングノイズを低減することが望ましい。したがって、電圧指令装置（マイコン）２３４から、通常より低い電圧指令をゲート電源電圧制御回路２３３に与える。これにより、電圧調整可能なゲート電源回路２３２の出力であるゲート電源電圧が低くなる。この結果、ゲート駆動回路２３１からＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧が低くなる。
【００２５】
このようにして、直流側Ｐ，Ｎ間電圧が高くなく、スイッチング素子に熱的余裕がある場合には、ＩＧＢＴ２１１に高いゲート電圧を印加し、スイッチングノイズを低減することができる。
【００２６】
このように、インバータ装置２の状況に応じて、臨機応変に、電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ２１１のゲート電圧を調整することができる。
【００２７】
図２は、電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴの駆動原理を説明する駆動回路構成図である。図では、図１におけるインバータ主回路２１のＷ相Ｐ側の１アームのＩＧＢＴ２１１と逆並列ダイオード２１２のみを抜き出し、このＩＧＢＴ２１１に対するゲート駆動回路２３１からのゲート電圧の与え方を説明するものである。ＩＧＢＴ２１１は、そのゲートＧとエミッタＥ間のゲート電圧によって、コレクタＣとエミッタＥ間をオン／オフ制御できる。２１３は、ゲートＧとエミッタＥ間の浮遊容量を示している。
【００２８】
ゲート駆動回路２３１は、制御用ＩＣ２３１１からのオン／オフ指令によって相補的にオン／オフするターンオン用のＮＰＮバッファトランジスタ２３１２とターンオフ用のＰＮＰバッファトランジスタ２３１３と、ゲート抵抗２３１４を備えている。ＩＧＢＴ２１１をターンオンさせる場合は、制御用ＩＣ２３１１から、正の電圧を出力し、ターンオン用のＮＰＮトランジスタ９をオンさせ、ターンオフ用のＰＮＰトランジスタ２３１３をオフさせる。これによって、充電電流Iｏｎにより浮遊容量２１３を充電して、ＩＧＢＴ２１１のゲートＧとエミッタＥ間に正の電圧を印加する。一方、ＩＧＢＴ２１１をターンオフさせるときは、制御用ＩＣ２３１１から、ゼロ電圧を出力し、逆に、ターンオフ用のＰＮＰトランジスタ１０をオンさせ、ターンオン用のＮＰＮトランジスタ９をオフさせる。これにより、放電電流Iｏｆｆにより浮遊容量２１３の電荷を放電させて、ＩＧＢＴ２１１のゲートＧとエミッタＥ間電圧をゼロ［Ｖ］とする。
【００２９】
このとき、前述したように、ターンオン用のゲートＧとエミッタＥ間のゲート電圧Ｖｇが高いと、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失は小さくなり、スイッチングノイズは大きくなる。また、逆に、ゲート電圧Ｖｇが低いと、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失は大きくなるが、スイッチングノイズは小さくなる。
【００３０】
このゲート電圧Ｖｇの大きさは、ゲート電源回路２３２（図１）から与えられるゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓによって調整することができる。
【００３１】
図３は、本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の回路構成図である。この図では、３相インバータ主回路２１のＷ相アームのＩＧＢＴのみに対するインバータ制御装置２３の一部を示しており、他の２相分は省略している。図３において、インバータ主回路２１の構成素子であるＩＧＢＴ２１１は、インバータ制御装置２３によってオン／オフ制御される。インバータ制御装置２３は、図１で説明したように、ゲート駆動回路２３１、ゲート電源回路２３２、ゲート電源電圧制御回路２３３、並びに電圧指令装置（マイコン）２３４を備えている。電圧指令装置（マイコン）２３４は、インバータ主回路２１の直流電圧を検出する電圧検出器２３５の出力Ｖｐと、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力Ｔｓを入力し、電圧指令を決定する。その決定の基本的内容は、図１で説明したように、直流電圧Ｖｐが高い場合には、スイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減する。一方、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力Ｔｓが低く、ＩＧＢＴ２１１の熱的損失に余裕がある場合には、ゲート電圧を高くして、素子のスイッチングノイズを低減することである。しかし、そのほかの判断要素を加味して、電力変換装置あるいは交流モータ制御装置としての動作状況に応じて、損失やノイズを考慮しつつ、制御することができる。
【００３２】
各アーム用のドライバＩＣ２３１１の各電源電圧Ｖｇｓは、フライバック型のゲート電源回路２３２により、同じ電圧になるように制御されている。その電源電圧値Ｖｇｓは、全体を制御するコントローラの電圧指令装置（マイコン）２３４からの電源電圧指令に応じて、ゲート電源電圧制御回路２３３内の電源制御ＩＣが制御する構成としている。
【００３３】
ゲート電源電圧制御回路２３３は、上記のようにして得られた電圧指令と電圧帰還値とが一致するように電源制御用ＩＣによって電圧制御系（ＡＶＲ）を構成している。ゲート電源電圧制御回路２３３は、前記電圧指令に応じた電圧を、フライバック型のゲート電源回路２３２を介して、その後段のゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓとして供給する。
【００３４】
ゲート駆動回路２３１は、図２を参照して詳細に説明した通りであり、出力するゲート電圧Ｖｇの大きさは、ゲート電源回路２３２から与えられる電源電圧Ｖｇｓによって調整することができる。すなわち、電圧指令装置（マイコン）２３４にプログラムされたアルゴリズムに従って、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓが変化するので、ＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧Ｖｇを変化させることができる。
【００３５】
なお、ドライバＩＣ２３１１は、ＩＧＢＴ２１１の短絡保護機能をも備えている。
【００３６】
図４は、本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の動作を説明する電圧、電流及び損失等の波形図である。時点ｔ１において、ＩＧＢＴ２１１に対するオン／オフ指令がオンになると、ゲート電圧Ｖｇがゼロから所定値まで立上がる。このとき、インバータ主回路２１の直流側電圧Ｖｐが高い場合には、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓが高いため、ゲート電圧Ｖｇ１も時点ｔ２までに素早く、かつ、高い電圧まで立上がる。したがって、ＩＧＢＴ２１１のコレクタ電流Ｉｃ１も素早く立上がり、コレクタ電圧Ｖｃ１は素早く、かつ、より小さい値まで低下する。したがって、ＩＧＢＴ２１１のターンオン時のスイッチング損失Ｌ１は短い時間（ｔ１〜ｔ２）内で小さく抑えられる。しかも、その後の導通中のゲート電圧Ｖｇ１を、図示するように、そのまま高く保持されておれば、導通中の損失Ｌ１も小さく抑制することができる。
【００３７】
一方、インバータ主回路２１の構成素子であるＩＧＢＴ２１１の冷却水温が低く、熱的に余裕がある場合には、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓを低く指令する。このため、ゲート電圧Ｖｇ３は、時点ｔ４までにゆっくり、かつ、低く抑制された電圧まで立上がる。したがって、ＩＧＢＴ２１１のコレクタ電流Ｉｃ３もゆっくり立上がり、コレクタ電圧Ｖｃ３はゆっくり、かつ、より大きな値までしか低下しない。したがって、ＩＧＢＴ２１１のターンオン時のノイズを小さく抑制することができる。但し、スイッチング損失Ｌ３は、比較的長い時間（ｔ１〜ｔ４）に大きく発生する。しかも、その後の導通中のゲート電圧Ｖｇ３を、図示するように、そのまま低く保持した場合には、導通中の損失Ｌ３も大きくなる。したがって、ノイズを小さく抑制したい場合でも、導通中のゲート電圧は十分に大きく保つことが望ましい。
【００３８】
図４におけるゲート電圧Ｖｇ２、コレクタ電流Ｉｃ２、コレクタ電圧Ｖｃ２及び素子損失Ｌ２は、前述した２例の中間の値を示す標準値である。
【００３９】
この実施例によれば、インバータやコンバータ等の電力変換装置の状況に応じて、臨機応変に電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート電圧を調整することができる。したがって、例えば、冷却水温が低く、熱的に余裕がある場合などには、ノイズを低減するため、ゲート電圧を低く設定し、他方、電力変換装置の直流側電圧が高い場合などには、ゲート電圧を高くして、スイッチング損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置を適用した交流モータ駆動用インバータ装置の構成図。
【図２】電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴの駆動原理を説明する駆動回路構成図。
【図３】本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の回路構成図。
【図４】本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の動作を説明する電圧、電流及び損失の波形図。
【符号の説明】
【００４１】
１…バッテリ（直流電源）、２…インバータ装置、３…交流モータ、２１…インバータ主回路、２１１…電圧駆動型半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、２２…電圧平滑用キャパシタ、２３…インバータ制御装置、２３１…ゲート駆動回路、２３２…ゲート電源回路、２３３…ゲート電源電圧制御回路、２３４…電圧指令装置（マイコン）、２３５…電圧検出器、２３６…温度検出器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧駆動型半導体スイッチング素子を含む電力変換装置と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路を備えた電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法において、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子をターンオンさせるゲート電圧の大きさを、前記電力変換装置の状況に応じて調整することを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法。
【請求項２】
電圧駆動型半導体スイッチング素子を含む電力変換装置と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路を備えた電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法において、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート電圧に対する電圧指令を出力するゲート電圧指令ステップと、この電圧指令に応じて前記ゲート駆動回路の出力電圧を調整するゲート電圧調整ステップを備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記電力変換装置に印加される直流電圧の大きさに基いて、前記電圧の調整における電圧指令の大きさを決定するステップを備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法。
【請求項４】
請求項１又は２において、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子又はこの半導体スイッチング素子を冷却する冷却水の温度情報に基いて、前記電圧の調整における電圧指令の大きさを決定するステップを備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法。
【請求項５】
電圧駆動型半導体スイッチング素子を含む電力変換装置と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路を備えた電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置において、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート電圧に対する電圧指令を出力するゲート電圧指令手段と、この電圧指令に応じて前記ゲート駆動回路の出力電圧を調整するゲート電圧調整手段を備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置。
【請求項６】
電圧駆動型半導体スイッチング素子を含む電力変換装置と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路を備えた電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置において、前記ゲート駆動回路に電源を供給するとともにこのゲート電源電圧を調整可能なゲート電源回路と、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート電源電圧に対する電圧指令を出力するゲート電源電圧指令手段を備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置。
【請求項７】
請求項５又は６において、前記電力変換装置に印加される直流電圧の大きさに基いて、前記電圧の調整における電圧指令の大きさを決定する手段を備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置。
【請求項８】
請求項５又は６において、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子又はこの半導体スイッチング素子を冷却する冷却水の温度情報に基いて、前記電圧の調整における電圧指令の大きさを決定する手段を備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置。
【請求項１】
電圧駆動型半導体スイッチング素子を含む電力変換装置と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路を備えた電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法において、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子をターンオンさせるゲート電圧の大きさを、前記電力変換装置の状況に応じて調整することを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法。
【請求項２】
電圧駆動型半導体スイッチング素子を含む電力変換装置と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路を備えた電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法において、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート電圧に対する電圧指令を出力するゲート電圧指令ステップと、この電圧指令に応じて前記ゲート駆動回路の出力電圧を調整するゲート電圧調整ステップを備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記電力変換装置に印加される直流電圧の大きさに基いて、前記電圧の調整における電圧指令の大きさを決定するステップを備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法。
【請求項４】
請求項１又は２において、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子又はこの半導体スイッチング素子を冷却する冷却水の温度情報に基いて、前記電圧の調整における電圧指令の大きさを決定するステップを備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法。
【請求項５】
電圧駆動型半導体スイッチング素子を含む電力変換装置と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路を備えた電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置において、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート電圧に対する電圧指令を出力するゲート電圧指令手段と、この電圧指令に応じて前記ゲート駆動回路の出力電圧を調整するゲート電圧調整手段を備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置。
【請求項６】
電圧駆動型半導体スイッチング素子を含む電力変換装置と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路を備えた電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置において、前記ゲート駆動回路に電源を供給するとともにこのゲート電源電圧を調整可能なゲート電源回路と、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート電源電圧に対する電圧指令を出力するゲート電源電圧指令手段を備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置。
【請求項７】
請求項５又は６において、前記電力変換装置に印加される直流電圧の大きさに基いて、前記電圧の調整における電圧指令の大きさを決定する手段を備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置。
【請求項８】
請求項５又は６において、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子又はこの半導体スイッチング素子を冷却する冷却水の温度情報に基いて、前記電圧の調整における電圧指令の大きさを決定する手段を備えたことを特徴とする電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−８９３２５（Ｐ２００７−８９３２５Ａ）
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２７５８１５（Ｐ２００５−２７５８１５）
【出願日】平成１７年９月２２日（２００５．９．２２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２２日（２００５．９．２２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]