JP2020036530A - スイッチング素子の駆動制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単且つ安価な構成で過電流を迅速に検出してスイッチング素子の寿命低下を抑制することができるスイッチング素子の駆動制御装置を提供する。【解決手段】IGBT1はセンス素子を備えセンス端子SEにインピーダンス回路2が接続される。インピーダンス回路2は、センス素子の電流を検出する抵抗などが設けられる。制御回路3は、駆動回路4によりゲート電圧Vgを印加してスイッチング素子1を駆動する。ゲート電圧Vgはミラー期間に入ると電圧が一定状態となり、ミラー期間終了後に上昇する。電流検出回路5は、ゲート電圧Vgに応じた複数のしきい値電圧で、センス電圧Vseを判定する。判定回路6は、ミラー期間中でもゲート電圧Vgに応じてしきい値電圧を切り替えでセンス電圧Vseを判定するので、迅速に異状状態を判定して保護することができる。【選択図】図1
Description
本発明は、スイッチング素子の駆動制御装置に関する。
パワー系の半導体スイッチング素子においては、自身に流れる電流をモニタするためのセンス素子を備えたものがある。このようなスイッチング素子は、センス素子に接続したセンス抵抗の電圧からスイッチング素子に流れる電流値を推定している。これにより、スイッチング素子の過電流や短絡発生時に保護動作を行うことができ、スイッチング素子の電流容量を低減して素子サイズを小さくできる。
また、負荷として接続したモータの制御やスイッチング損失あるいは導通損の低減を行うため、スイッチング素子のゲート駆動制御にフィードバックすることができ、これによって電流センサの削減や、損失低減による効率向上などの効果が期待できる。
しかしながら、従来、このようなスイッチング素子の電流検出回路の構成においては、電流検出時に、センス抵抗やセンス素子の容量特性などによってセンス比がずれてしまうため、正確な電流が検出できなくなることがある。
例えば、特許文献1のものでは、電流検出を正確に行うために、外部回路により補正を行うように構成している。しかし、この構成では、外部回路が必要な上に過渡的な変化への制御の追随が困難となる不具合がある。
また、特許文献2のものでは、センス出力結果とゲート電圧の差分から、正常動作であるか過電流や短絡などの異常動作であるかを判断する構成としている。しかし、この構成では、ゲート電圧が正常動作時でも負荷状況によって変化する上、異常動作時も都度ゲート電圧波形が異なるため、異常動作の判定をすることが難しくなる不具合がある。
そして、特許文献3のものでは、センス出力から容量変化分をキャンセルして電流検出保護を行う構成としている。しかし、容量変化分をキャンセルするためのキャパシタの設定が難しいことに加えて、追加部品が多くなるため、実用上は採用が難しい点が残る。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、簡単且つ安価な構成で過電流を迅速に検出してスイッチング素子の寿命低下を抑制することができるスイッチング素子の駆動制御装置を提供することにある。
請求項1に記載のスイッチング素子の駆動制御装置は、センス素子を備えたスイッチング素子(1)を駆動するものであって、前記スイッチング素子にゲート駆動信号を与える駆動回路(40)と、前記スイッチング素子のオン時に前記センス素子の過渡特性を吸収する過渡特性吸収回路(20c)と、前記センス素子の出力から前記スイッチング素子の過電流もしくは短絡状態を判定するする判定回路(70a)とを備え、前記過渡特性吸収回路は、前記センス素子に接続されるセンス電圧の過渡変動を吸収する容量(22)であり、前記判定回路は、前記容量の端子電圧に基づいて前記スイッチング素子の過電流もしくは短絡状態を検出するように設けられている。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図5を参照して説明する。
この第1実施形態では、スイッチング素子であるIGBT1の過電流・短絡などの状態を迅速に検出して保護動作が行えるようにするため、第1方式として、ゲート電圧をモニタする方式のものについて説明する。図1は、第1方式の基本構成を示している。
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図5を参照して説明する。
この第1実施形態では、スイッチング素子であるIGBT1の過電流・短絡などの状態を迅速に検出して保護動作が行えるようにするため、第1方式として、ゲート電圧をモニタする方式のものについて説明する。図1は、第1方式の基本構成を示している。
図1において、IGBT1は、メイン素子とセンス素子とを一体に備えたもので、メイン素子とセンス素子とはコレクタCおよびゲートGを共通に接続されている。メイン素子のエミッタEに対して、センス素子はセンスエミッタSEとしてメイン素子に流れる電流に比例した電流を検出するように設けられている。また、IGBT1にはコレクタC−エミッタE間にダイオード1aが接続されている。このダイオード1aは、IGBT1に内蔵されるものでも良いし、外付けで受けるものでも良い。
IGBT1は、コレクタC−エミッタE間が、図示しない負荷とグランドとの間に接続されている。センスエミッタSEは、電流検出用のインピーダンス回路2を介してグランドに接続されている。インピーダンス回路2は、第1〜第4インピーダンス2a〜2dを有し、センスエミッタSEとグランド端子との間に第1および第2インピーダンス2a、2bの直列回路が接続され、第2インピーダンス2bに並列に第3インピーダンス2cが接続され、第1インピーダンス2aに並列に第4インピーダンス2dが接続されている。
IGBT1のセンス素子の電流は、第2インピーダンス2bの端子電圧により検出する。第1〜第4インピーダンス2a〜2dは、電流検出用の抵抗や過渡変動の特性を吸収するコンデンサあるいは、スイッチなどから選択されたものにより構成される。また、第1〜第4インピーダンス2a〜2dは、インピーダンス値としてZa、Zb、Zc、Zdとして設定されている。
制御回路3は、IGBT1のゲートGにゲート信号を与える駆動回路4、IGBT1の電流を検出する電流検出回路5、過電流あるいは短絡状態を判定する判定回路6などを備えている。駆動回路4は、外部から与えられる駆動信号に基いてIGBT1の駆動に適したゲート電圧を与える。電流検出回路5は、インピーダンス回路2の第2インピーダンス2bの端子電圧を取り込んで、センス素子の電流値を検出し、これによってIGBT1のメイン素子の電流を検出する。
判定回路6は、電流検出回路4により検出されたIGBT1の電流が過電流あるいは短絡のレベルである場合に、これを異常状態と判定して駆動回路4による動作を停止させる。この場合、判定回路6は、IGBT1のゲート電圧Vgを取り込んでいて、ゲート電圧Vgの値に応じて判定レベルを変化させるように構成されている。判定回路6は、この実施形態においては、過渡特性吸収回路として機能する。
ゲート駆動型の半導体スイッチング素子においては、オンさせるためにゲートに駆動信号を印加したときに、一般にミラー期間が存在しており、この期間中はゲート電圧が上昇しない。これは、ミラー容量を充電するための時間に相当しており、このミラー期間が経過するまでゲート電圧を所定電圧まで上昇させることができない。
IGBT1に定格電流を流したときに、ミラー期間中に印加されているゲート電圧Vgと、ミラー期間経過後に印加されているゲート電圧Vgとの間に起因して、図5の上段に示すように、コレクタ−エミッタ間電圧VceがA点、B点で示したように変化する。このときセンスエミッタSEに現れる電圧Vseは、ミラー期間中に高くなり、ミラー期間が経過すると低くなる。
これに伴い、センス電圧Vseは、図5の下段に示すように、Vceに対して図中ゲート電圧Vgが10Vでは2V程度、ゲート電圧Vgが15Vになると1.3V程度になる。これは、図4にタイムチャートでも示すように、ミラー期間中でゲート電圧Vgが10V程度に留まるときにはセンス電圧Vseが2V付近になり、この後ミラー期間が終了するとセンス電圧Vseが1.3V程度に低下する。
この実施形態では、このようにミラー期間中に検出されるセンス電圧Vseが、ミラー期間が経過した後のセンス電圧Vseよりも高い場合でも、その条件に合わせて過電流状態あるいは短絡状態などの異常状態であるか否かを検出するものである。このため、例えば、ミラー期間中のゲート電圧Vgが10Vで、ミラー期間後が15Vである場合には、切り替え電圧Vg1を12Vなどに設定しておく。
図3に示すように、判定回路6では、IGBT1の動作状態がミラー期間中で、ゲート電圧VgがVg1(=12V)未満の場合には、センス電圧Vseから過電流あるいは短絡状態を判定するしきい値電圧Vth2として設定している。また、ミラー期間が経過してIGBT1の動作状態が通常状態で、ゲート電圧Vgが切り替え電圧Vg1(=12V)以下の場合には、センス電圧Vseから過電流あるいは短絡状態を判定するしきい値電圧Vth1として、しきい値電圧Vth2よりも低い電圧を設定している。
図3では、センス電圧Vseが、ゲート電圧Vgの値に応じて、図中斜線領域となる値を取る場合に、過電流・短絡の異常状態であることを判定するものである。これにより、IGBT1の動作状態がゲートのミラー期間である過渡状態にある場合でも、しきい値電圧Vth2によりセンス電圧Vseによる判定をすることができるようになる。
図2は、上記した図1の回路について、具体的な回路で実施した場合の一例を示す回路図で、以下、この構成について説明する。インピーダンス回路20は、センスエミッタSEとグランドとの間に接続される電流検出抵抗21がセンス抵抗として設けられる。図1で示したインピーダンス回路2に対応付けると、第2インピーダンス2bに相当し、インピーダンスZbが抵抗値となる。また、図1で示したインピーダンス部2における第1インピーダンス2aはインピーダンスZaが抵抗値ゼロに相当する状態つまり短絡状態とされる。第3インピーダンス2cはインピーダンスZcが抵抗値無限大に相当する状態つまり開放状態とされる。また、第1インピーダンス2aが短絡状態であるから、第4インピーダンス2dは無効化されるので、インピーダンスZdはいずれの値でも良い。
制御回路30は、駆動回路40を備えると共に、電流検出回路50および判定回路60を備えている。駆動回路40は、外部から受ける制御信号をIGBT1のゲートにゲート電圧Vgとして印加するドライバ回路41と判定回路60から停止信号を受けて駆動停止するためのAND回路42により構成される。制御信号はAND回路42の入出力端子を介してドライバ回路41に入力される。AND回路42は、3つの入力端子を備え、残りの2つの入力端子には判定回路60から停止信号が入力される。ドライバ回路41から出力されるゲート電圧Vgは、判定回路60にも入力される。
電流検出回路50は、電流検出抵抗21の端子間に現れるセンス電圧Vseのレベルを検出する第1コンパレータ51および第2コンパレータ52を備える。第1コンパレータ51は、センス電圧Vseのレベルを参照電源53で設定されるしきい値電圧Vth1と比較して大きい場合にハイレベルの検出信号を出力する。しきい値電圧Vth1は、ミラー期間が経過した後において、センス電圧Vseにより検出されるコレクタ電流Icが過電流状態あるいは短絡状態にあることを検出する。
第2コンパレータ52は、センス電圧Vseのレベルを参照電源54で設定されるしきい値電圧Vth2と比較して大きい場合にハイレベルの検出信号を出力する。しきい値電圧Vth2は、しきい値電圧Vth1よりも大きい電圧に設定され、ミラー期間中にセンス電圧Vseにより検出されるコレクタ電流Icが過電流状態あるいは短絡状態にあることを検出する。しきい値電圧Vth1、Vth2は、図3に示した関係で設定されている。
判定回路60において、第3コンパレータ61は、ゲート電圧Vgのレベルを判定するもので、参照電源62から判定レベルとなる切り替え電圧Vg1が与えられる。第3コンパレータ61は、ゲート電圧Vgが切り替え電圧Vg1を超えた状態ではハイレベルの信号を出力する。NAND回路63は、2つの入力端子に第1コンパレータ51および第3コンパレータ61の出力端子が接続され、出力端子はアンド回路42の入力端子に接続されている。NAND回路64は、一方の入力端子に第2コンパレータ51の出力端子が接続され、他方の入力端子にインバータ回路65を介して第3コンパレータ61の出力端子が接続されている。NAND回路64の出力端子は、AND回路42の入力端子に接続されている。
上記構成によれば、外部から制御信号が与えられ、駆動回路40からIGBT1のゲートGにゲート電圧Vgが印加されるとIGBT1はオン動作する。このとき、IGBT1は、ゲート電圧Vgが上昇して、ミラー期間に入ると所定レベルよりも低いゲート電圧のままとなり、ミラー期間が経過すると所定レベルまで上昇する。
第1コンパレータ51は、IGBT1の動作に伴うセンス電圧Vseがしきい値電圧Vth1を超えるか否かを判断している。第2コンパレータ52は、センス電圧Vseがしきい値電圧Vth2を超えるか否かを判断している。判定回路60においては、ゲート電圧Vgが低いときすなわちIGBT1の動作においてミラー期間中は第3コンパレータ61がローレベルの信号を出力するので、インバータ回路65を介してNAND回路64にハイレベルの信号が入力される。
したがって、ミラー期間中は、センス電圧Vseが高く設定されているしきい値電圧Vth2を超えるときに過電流あるいは短絡状態が発生していることとなってNAND回路64はローレベルの信号をAND回路42に入力する。これにより、駆動回路40は、IGBT1のゲートGへのゲート電圧Vgの印加を停止する。
一方、IGBT1がミラー期間を脱してゲート電圧Vgが切り替え電圧Vg1を超えると、判定回路60においては、第3コンパレータ61がハイレベルの信号を出力するので、NAND回路63にハイレベルの信号が入力される。したがって、ミラー期間経過後は、センス電圧Vseが通常のしきい値電圧Vth1を超えるときに過電流あるいは短絡状態が発生していることとなってNAND回路63はローレベルの信号をAND回路42に入力する。これにより、駆動回路40は、IGBT1のゲートGへのゲート電圧Vgの印加を停止する。
また、上記の場合以外には2つのNAND回路63、64はいずれかの入力がローレベルあるいは2つの入力がローレベルであることから、共にハイレベルの信号を出力しており、駆動回路40のAND回路42は、制御信号のレベルに応じてゲート電圧Vgが生成される。
この結果、IGBT1のオン動作時に、ゲート電圧Vgがミラー期間中で低い電圧レベルに留まる場合でも、過電流あるいは短絡の異常状態が発生していることを迅速に検出することができ、これによって駆動回路40を停止させる保護動作を行わせることができる。この結果、IGBT1の異常時に過電流が流れ続ける時間を極力短い時間に制限することができるので、電流容量を大きいものにすることなく確実に保護動作を行わせることができるようになる。
(第2実施形態)
図6は第2実施形態を示すもので、以下、第1実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、IGBT1のゲート電圧Vgを検出する構成として、図6に示すように、抵抗66および67の分圧回路を用いた判定回路60aを設けている。ゲートGとグランドとの間に抵抗66、67の直列回路を接続し、その共通接続点を判別回路60aの第3コンパレータ61に入力する構成としている。
図6は第2実施形態を示すもので、以下、第1実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、IGBT1のゲート電圧Vgを検出する構成として、図6に示すように、抵抗66および67の分圧回路を用いた判定回路60aを設けている。ゲートGとグランドとの間に抵抗66、67の直列回路を接続し、その共通接続点を判別回路60aの第3コンパレータ61に入力する構成としている。
ゲート電圧Vgは抵抗66、67で分圧され、ゲート電圧Vgに比例する電圧Vgaとして第3コンパレータ61に入力される。これに応じて、参照電源62は、切り替えのための電圧Vg1に代えてVg2を設定している。
したがって、このような第2実施形態によっても、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、抵抗66、67によりゲート電圧Vgを分圧しているので、IGBT1を駆動するゲート電圧Vgが高い場合でも、判定回路60aにおいては、低電圧に対応した第3コンパレータ61を用いることができる。
(第3実施形態)
図7は第3実施形態を示すもので、第1実施形態と異なるところは、ゲート電圧Vgの領域を、Vg1、Vg2により3つに区分し、3つの各領域において、センス電圧Vseのしきい値電圧Vth1、Vth2、Vth3を設定するところである。
図7は第3実施形態を示すもので、第1実施形態と異なるところは、ゲート電圧Vgの領域を、Vg1、Vg2により3つに区分し、3つの各領域において、センス電圧Vseのしきい値電圧Vth1、Vth2、Vth3を設定するところである。
図7に示しているように、ゲート電圧Vgに対する標準的なセンス電圧Vseの関係を考慮して、さらに細かくしきい値電圧を設定することで、異常の検出精度を高めるようにしている。この場合、センス電圧Vseの値が過電流・短絡異常となる条件は、ゲート電圧Vgの値に応じて、次式(a)〜(c)となる。図7中、斜線で示す領域に該当する場合の条件である。判定回路60においては、ゲート電圧Vgに応じて3つのコンパレータを設けて切り替えるように構成することができる。
Vg≧Vg1のとき、Vse>Vth3 …(a)
Vg1≧Vg≧Vg2のとき、Vse>Vth2 …(b)
Vg2≧Vgのとき、Vse>Vth1 …(c)
Vg≧Vg1のとき、Vse>Vth3 …(a)
Vg1≧Vg≧Vg2のとき、Vse>Vth2 …(b)
Vg2≧Vgのとき、Vse>Vth1 …(c)
このような第3実施形態によっても第1実施形態と同様の作用効果を得ることができると共に、さらにきめ細かくセンス電圧Vseにより過電流・短絡異常の検出を行うことができるようになる。
なお、ゲート電圧Vgに応じて、さらに領域を細かく区分してそれぞれにしきい値電圧を設定する構成とすることもできる。
なお、ゲート電圧Vgに応じて、さらに領域を細かく区分してそれぞれにしきい値電圧を設定する構成とすることもできる。
(第4実施形態)
図8および図9は第4実施形態を示すもので、第3実施形態と異なるところは、ゲート電圧Vgに応じてセンス電圧Vseのしきい値電圧を連続的に変化させるように設定するところである。
図8および図9は第4実施形態を示すもので、第3実施形態と異なるところは、ゲート電圧Vgに応じてセンス電圧Vseのしきい値電圧を連続的に変化させるように設定するところである。
図8に示しているように、ゲート電圧Vgに対する標準的なセンス電圧Vseの関係を考慮して、ゲート電圧Vgの変化に伴いセンス電圧Vseが変化する部分の傾斜に合わせて傾斜線Lgを設定し、しきい値電圧Vthをゲート電圧Vgに応じて傾斜線Lgにそって連続的に変化させるように設定している。
例えば、ゲート電圧Vgに対してセンス電圧Vseが平坦な部分、Vg<Vg1やVg2≧Vg2では、しきい値電圧をVth2あるいはVth1として一定とし、ゲート電圧VgがVg1とVg2との間では、傾斜線Lgにそってしきい値電圧Vthを変化させることができる。図8中、斜線で示す領域に該当する場合が過電流あるいは短絡の異状状態となるセンス電圧Vseの領域である。
このような第4実施形態によっても第3実施形態と同様の作用効果を得ることができると共に、さらにきめ細かくセンス電圧Vseにより過電流・短絡異常の検出を行うことができるようになる。
なお、上記した実施形態の構成について、図9ではゲート電圧Vgの変化に伴いセンス電圧Vseが変化する部分の傾斜に合わせてしきい値電圧Vthを連続的に変化させる構成を示している。
制御回路30aは、駆動回路40を備えると共に、電流検出回路および判定回路を兼ね備えた過電流検出回路70を備えている。過電流検出回路70において、第4コンパレータ71は、非反転入力端子にセンス電圧Vseが入力され、反転入力端子にはゲート電圧Vgを分圧した電圧Vgxが入力される。抵抗72および73の直列回路の端子間にゲート電圧Vgを印加するように構成され、共通接続点に現れる分圧電圧Vgxがゲート電圧Vgに比例する電圧となる。
コンパレータ71は、出力端子がインバータ回路74を介して駆動回路40のAND回路42の入力端子に接続されている。センス電圧Vseが分圧電圧Vgxを超えると、第4コンパレータ71は、ハイレベルの検出信号を出力する。これはIGBT1が過電流あるいは短絡状態となっている場合で、図8中斜線領域で示す部分に対応している。駆動回路40は、インバータ回路74を介してAND回路42にローレベルの信号が入力されるので、IGBT1のゲート電圧Vgを停止してオフ状態に移行させる保護動作を行う。
なお、この図9には示していないが、ゲート電圧Vg1以下のしきい値電圧Vth2、ゲート電圧Vg2を超えるときのしきい値電圧Vth1を設定する回路を付加することで、図8に示す条件によりIGBT1の過電流・短絡状態を迅速かつ正確に判定することができるようになる。
また、ゲート電圧Vgに応じたしきい値電圧の設定は、直線的に設定する方式以外に、適宜ゲート電圧Vgの変化に追随して変更設定することもできる。
また、ゲート電圧Vgに応じたしきい値電圧の設定は、直線的に設定する方式以外に、適宜ゲート電圧Vgの変化に追随して変更設定することもできる。
(第5実施形態)
図10〜図13は第5実施形態を示すもので、以下、第1実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は、IGBT1の過電流・短絡状態を迅速に検出して保護動作が行える第2方式として、ゲート電圧をモニタしない方式のものについて説明する。図10は、第2方式の基本構成を示している。なお、図10の基本構成は、後述する第3方式、第4方式の基本構成にも対応している。
図10〜図13は第5実施形態を示すもので、以下、第1実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は、IGBT1の過電流・短絡状態を迅速に検出して保護動作が行える第2方式として、ゲート電圧をモニタしない方式のものについて説明する。図10は、第2方式の基本構成を示している。なお、図10の基本構成は、後述する第3方式、第4方式の基本構成にも対応している。
図10において、制御回路3は、判定回路6に代えて判定回路6aを備えている。判定回路6aにはゲート電圧Vgは入力されない構成である。また、インピーダンス回路2は、過渡特性吸収回路としても機能する構成とされる。過渡特性吸収回路の機能は、例えば第3インピーダンス2cとしてコンデンサを用いることで達成している。また、第1インピーダンス2aは短絡状態、第2インピーダンス2bは電流検出用の抵抗を用いたり、抵抗値無限大とした構成などを用いている。また、第1インピーダンス2aが短絡状態であるから、第4インピーダンス2dは無効化されるのでインピーダンスZdはいずれの値でも良い。
図11は、第2方式の具体的な回路構成の一例である。インピーダンス回路20aは、センスエミッタSEとグランドとの間に接続される電流検出抵抗(センス抵抗)21およびコンデンサ22として設けられる。図10で示したインピーダンス回路2に対応付けると、電流検出抵抗21は第2インピーダンス2bに相当し、インピーダンスZbが抵抗値となる。コンデンサ22は第3インピーダンス2cに相当し、インピーダンスZcが容量値となる。また、図10で示したインピーダンス部2における第1インピーダンス2aは、インピーダンスZaが抵抗値ゼロに相当する状態つまり短絡状態とされる。
制御回路30bは、駆動回路40を備えると共に、電流検出回路および判定回路を兼ね備えた過電流検出回路70aを備えている。過電流検出回路70aにおいて、第4コンパレータ71は、非反転入力端子にセンス電圧Vseが入力され、反転入力端子にはセンス電圧Vseのレベルを参照電源75で設定されるしきい値電圧Vthと比較して大きい場合にハイレベルの検出信号を出力する。しきい値電圧Vthは、センス電圧Vseにより検出されるコレクタ電流Icが過電流状態あるいは短絡状態にあることを検出するように設定されている。
コンパレータ71は、出力端子がインバータ回路74を介して駆動回路40のAND回路42の入力端子に接続されている。センス電圧Vseがしきい値電圧Vthを超えると、第4コンパレータ71は、ハイレベルの検出信号を出力する。これはIGBT1が過電流あるいは短絡状態となっている場合である。駆動回路40は、インバータ回路74を介してAND回路42にローレベルの信号が入力されるので、IGBT1のゲート電圧Vgを停止してオフ状態に移行させる保護動作を行う。
次に、上記構成の作用について図12、図13も参照して説明する。図12および図13は、通常(正常)状態と短絡時のIGBT1にゲート電圧Vgを印加してからの素子電流Ic、センス電圧Vseの時間変化のシミュレーション結果を示している。また、比較のために、センス電圧Vseは、従来相当の構成および前述した第1実施形態〜第4実施形態における波形についても示している。
上記構成において、外部から制御信号が与えられ、駆動回路40からIGBT1のゲートGにゲート電圧Vgが印加されるとIGBT1はオン動作する。このとき、IGBT1においては、図12に示すように、ゲート電圧Vgが上昇して、ミラー期間に入ると所定レベルよりも低いゲート電圧のままとなり、ミラー期間が経過すると所定レベルまで上昇する。
また、素子電流Icはゲート電圧Vgの立ち上がり時に過渡的にオーバーシュートしてから一定レベルに落ち着く。センス電圧Vseは、従来構成のものでは、図12中に示すように、ゲート電圧Vgの立ち上がり時に小さいピークが現れ、この後、ミラー期間中は高い電圧となり、ミラー期間が経過すると少し低下して一定レベルになる。
これに対して、この実施形態では、センス電圧Vseは、図示のように、ピーク値を呈したり、ミラー期間での高い電圧となることがなく、過渡変動が吸収された状態で徐々に上昇していく。これは、インピーダンス回路20aのコンデンサ22により過渡変動分が吸収されて、センス電圧Vseはコンデンサ22の充電に伴う端子電圧として得られるからである。
一方、IGBT1が短絡している状態では、図13に示すように、素子電流Icが所定レベルを超えて大幅に増大する。また、ゲート電圧Vgもミラー期間を経ることなく上昇する。この場合には、センス電圧Vseは、従来方式においても本実施形態の方式においてもミラー期間を経ることなく上昇していくので類似した波形となる。
このようにセンス電圧Vseが変化するのに対して、従来方式では、ゲート電圧Vgが印加されてから過渡変動が終了するミラー期間が経過した後に検出動作を行うことになるため、図示のものでは例えば数マイクロ秒を要する。これに対して、本実施形態の方式では、通常時においても短絡時においても過渡変動成分がないので、短期間で検出動作を行うことができる。図示のものでは、例えば従来方式に比べて1/10程度に短縮できる。
この結果、正常動作時でIGBT1のオン動作時に、ゲート電圧Vgがミラー期間中で低い電圧レベルに留まる場合でも、過電流あるいは短絡の異常状態が発生しているか否かを迅速に判定することができ、これによって駆動回路40を停止させる保護動作を行わせることができる。IGBT1の異常時に過電流が流れ続ける時間を極力短い時間に制限することができるので、電流容量を大きいものにすることなく確実に保護動作を行わせることができるようになる。
なお、コンデンサ22は、IGBT1のオン時に充電されるが、ゲート電圧Vgの印加がなくなってオフすると充電が停止され、蓄積された電荷は電流検出抵抗21を介して放電するので、時間が経てば端子電圧はゼロになる。
(第6実施形態)
図14および図15は第6実施形態を示すもので、以下、第5実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は、図10で示した基本構成による第3方式の具体的な構成に対応したものである。図14に示すように、インピーダンス回路20bは、第1インピーダンスがセンス抵抗としての抵抗23、第2インピーダンスがコンデンサ22、第3インピーダンスが放電スイッチとしてのスイッチ24により構成され、第4インピーダンスが開放状態に設定されている。
図14および図15は第6実施形態を示すもので、以下、第5実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は、図10で示した基本構成による第3方式の具体的な構成に対応したものである。図14に示すように、インピーダンス回路20bは、第1インピーダンスがセンス抵抗としての抵抗23、第2インピーダンスがコンデンサ22、第3インピーダンスが放電スイッチとしてのスイッチ24により構成され、第4インピーダンスが開放状態に設定されている。
制御回路30cは、スイッチ24を制御するスイッチ制御回路80を備えている。スイッチ制御回路80は、外部から入力される制御信号により、スイッチ24をオンオフ制御する。この場合、スイッチ制御回路80は、IGBT1をオンさせる制御信号が入力されるとスイッチ24をオフ状態に制御し、IGBT1をオフさせる制御信号が入力されるとスイッチ24をオン状態に制御する。なお、インピーダンス回路20bにおいては、制御信号が与えられるまでの期間中は、スイッチ24がオン状態とされているので、コンデンサ22の電荷は放電されており、端子間電圧はゼロになっている。
上記構成によれば、第5実施形態と同様に、外部から制御信号が与えられ、駆動回路40からIGBT1のゲートGにゲート電圧Vgが印加されるとIGBT1はオン動作する。また、制御信号により、スイッチ24はスイッチ制御回路80からオフ動作の信号が与えられるので開放状態となる。IGBT1においては、図15に示すように、ゲート電圧Vgが上昇して、ミラー期間に入ると所定レベルよりも低いゲート電圧のままとなり、ミラー期間が経過すると所定レベルまで上昇する。
素子電流Icはゲート電圧Vgの立ち上がり時に過渡的にオーバーシュートしてから一定レベルに落ち着く。ここで、センス端子SEでは、図12、図13で示した従来相当のセンス電圧Vseと同等の電圧が現れている。そして、この実施形態におけるセンス電圧Vseは、第5実施形態と同様に、ピーク値を呈したり、ミラー期間での高い電圧となることがなく、過渡変動が吸収された状態で徐々に上昇していく。これは、インピーダンス回路20bのコンデンサ22により過渡変動分が吸収されて、センス電圧Vseはコンデンサ22の充電に伴う端子電圧として得られるからである。
一方、IGBT1が短絡している状態では、前述した図13に示すように、素子電流Icが所定レベルを超えて大幅に増大する。また、ゲート電圧Vgもミラー期間を経ることなく上昇する。この場合には、センス電圧Vseは、従来方式においても本実施形態の方式においてもミラー期間を経ることなく上昇していくので類似した波形となる。
したがって、第5実施形態と同様にして、本実施形態の方式においても、通常時においても短絡時においても過渡変動成分を低減させることができ、短期間で検出動作を行うことができる。この結果、第5実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、この実施形態では、IGBT1のオフ時に、スイッチ制御回路80によりスイッチ24をオンさせてコンデンサ22の電荷を瞬時に放電することができるので、応答性の向上を図ることができる。
(第7実施形態)
図16〜図18は、第7実施形態を示すもので、以下、第5実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は、図10で示した基本構成による第4方式の具体的な構成に対応したものである。図16に示すように、第5実施形態の構成において、インピーダンス回路20cではコンデンサ22を単独で設け、電流検出抵抗21を設けない構成としている。
図16〜図18は、第7実施形態を示すもので、以下、第5実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は、図10で示した基本構成による第4方式の具体的な構成に対応したものである。図16に示すように、第5実施形態の構成において、インピーダンス回路20cではコンデンサ22を単独で設け、電流検出抵抗21を設けない構成としている。
本実施形態においては、インピーダンス回路20cとして、センス端子SEにコンデンサ22を接続した構成としているので、センス電圧Vseは、センス素子のセンス電流を検出するのではなく、コンデンサ22の端子電圧を検出する構成である。
このような構成によれば、センス電圧Vseは、センス電流つまりIGBT1のコレクタ電流に応じた電圧すなわちオン電圧として現れるので、センス電圧Vseの大きさにより電流レベルを検出することができる。オン電圧Vonは、オン抵抗Ronと電流Icとの積により決まる値であるから、オン抵抗Ronを予め測定しておくことで電流Icに相当するレベルを検出することができるのである。
したがって、図17に示すように、制御信号が与えられて駆動回路40によりIGBT1のゲートGにゲート電圧Vgを印加した時点から、センス電圧Vseが正常時の電流レベルに相当する値に変化していけば正常動作状態であることを判定できる。
また、図18に示すように、センス電圧Vseが正常時の電流レベルを判定するしきい値Vthを超える場合には、過電流あるいは短絡状態であることで過大な電流が流れていることを判定することができる。コンパレータ71は、センス電圧Vseのレベルにより過電流あるいは短絡状態により過大な電流が流れていることを検出すると、ハイレベルの検出信号を出力する。これにより、駆動回路40のAND回路42aは、NOT回路74を介してローレベルの信号が入力されるので、IGBT1へのゲート電圧Vgの印加を停止してオフさせ、保護動作を行うことができる。
このような第7実施形態によれば、IGBT1のオン動作時に、ゲート電圧Vgが一定レベルに留まるミラー期間がある場合でも、オン電圧Vonに対応するセンス電圧Vseのレベルを見ることで迅速に過電流あるいは短絡の異常状態が発生していることを検出することができ、これによって駆動回路40を停止させる保護動作を行わせることができる。
なお、この実施形態では、上記した電流レベルを判定する原理に基づいて、IGBT1が正常状態にある場合に、オン期間中のセンス電圧VseによってIGBT1の電流Icを検出することもできる。
(第8実施形態)
図19〜図22は第8実施形態を示すもので、この実施形態は、第6実施形態あるいは第7実施形態における電流検出機能の精度を向上させるための回路構成である。IGBT1の電流Icの検出は、過電流・短絡の検出動作に加えて、正常時における電流の検出も可能であるから、その検出を精度よく行えるようにしたものである。
図19〜図22は第8実施形態を示すもので、この実施形態は、第6実施形態あるいは第7実施形態における電流検出機能の精度を向上させるための回路構成である。IGBT1の電流Icの検出は、過電流・短絡の検出動作に加えて、正常時における電流の検出も可能であるから、その検出を精度よく行えるようにしたものである。
図19において、制御回路30bには、電流検出回路90が設けられている。電流検出回路90は、センス電圧Vseが入力されるように設けられる。電流検出回路90は、オートゲイン回路91、A/D変換回路92およびフィルタ93を備えている。オートゲイン回路91は、センス電圧Vseのレベルに応じてゲインを自動的に調整することで、広い検出範囲において、大電流レンジから小電流レンジに切り替わると分解能が高くなる。
図20はオートゲイン回路91の具体回路構成の一例である。ゲインアンプ91aおよび判定用アンプ91bを備えている。ゲインアンプ91aは、スイッチトキャパシタ回路からなるもので、アンプ94による入力電圧Vin1の2倍の増幅結果が−Vref〜+Vrefの範囲に収まっている場合に、もう一度増幅動作を行うものである。これにより、入力電圧Vinの大きさがA/D変換において適切な範囲になるように増幅される。
判定用アンプ91bは、正側判定用アンプ95および負側判定用アンプ96を備えている。正側判定用アンプ95および負側判定用アンプ96は、参照電圧Vrefとの差分を演算して出力する。A/D変換回路92を介してデジタル信号に変換した信号を、フィルタ93を介して出力する。これにより、電流値に相当するデジタル化したセンサデータが得られる。
このようにして得られるデジタルデータは、図21に示すように、素子電流Icの値に対して正負のそれぞれでリニアなセンサデータとして得ることができる。なお、図22にはオートゲイン回路91により増幅した際にデジタルデータとして発生する誤差率を示している。素子電流Icが小さい領域では8倍、中間領域では4倍、大きい領域では2倍に増幅した場合の誤差率となっている。広い範囲に渡って誤差率を平坦化した特性とすることができている。
これにより、広い電流範囲において素子電流Icをデジタルデータとして取り込むことができるようになる。
なお、この実施形態の構成は、第1〜第5実施形態あるいは後述する第10、第11実施形態の構成においても付加的に設けることができ、例えば制御回路3、30、30a、30b、30c、30d、30eなどに設けることでIGBT1のオン状態での電流を検出し、モータ等の負荷制御にも応用することができる。
なお、この実施形態の構成は、第1〜第5実施形態あるいは後述する第10、第11実施形態の構成においても付加的に設けることができ、例えば制御回路3、30、30a、30b、30c、30d、30eなどに設けることでIGBT1のオン状態での電流を検出し、モータ等の負荷制御にも応用することができる。
(第9実施形態)
図23〜図27は第9実施形態を示すもので、スイッチング素子として適用するIGBT1の適用例を示している。上記した第1実施形態〜第6実施形態においては、スイッチング素子としてのIGBT1は、メイン素子に付随するセンサ素子としてセンスエミッタSEを分岐させたシンボルで示していた。このIGBT1は、例えば図23あるいは図26のように示すことができる。
図23〜図27は第9実施形態を示すもので、スイッチング素子として適用するIGBT1の適用例を示している。上記した第1実施形態〜第6実施形態においては、スイッチング素子としてのIGBT1は、メイン素子に付随するセンサ素子としてセンスエミッタSEを分岐させたシンボルで示していた。このIGBT1は、例えば図23あるいは図26のように示すことができる。
例えば、図23に示すものでは、メイン素子1にダイオード1aを接続しており、センス素子10にはダイオードは接続されていない構成である。また、図26に示すものでは、メイン素子1にダイオード1aを接続しており、センス素子10にもダイオード10aを接続している構成である。
これら図23、図26に示すものでは、メイン素子1とセンス素子10とで、コレクタCおよびゲートGを共通に接続し、メイン素子1のエミッタEに対して、センス素子10のエミッタをセンスエミッタSEとしている。
これに対して、第7実施形態で示したものでは、図16に示したように、センス電流を見るのではなくセンス素子のオン電圧Vonを検出する構成であるから、センス素子10として電流を流す構成を有する必要がない。したがって、センス素子10の部分に、ダイオードなどのpn接合の逆方向特性を利用した容量素子を設ける構成とすることができる。
例えば、図23に示すセンス素子10にダイオードが接続されていない構成では、図24に示すように、センス素子10に代えてダイオード11を設ける構成としている。これは、例えばセンス素子10の内部においてゲートをエミッタあるいはコレクタにショートさせるパターンを付加したり、センス素子10をダイオード構造に変更することで実施できる。
また、図23に示すセンス素子10にダイオードが接続されていない構成では、図25に示すように、センス素子10のゲートGをエミッタEとショートするように接続した構成とすることで同様の構成とすることができる。この場合、図23に示すセンス素子10にダイオードが接続されていない構成では、ゲートGをコレクタCにショートさせる構成とすることでも同様の効果を得ることができる。
次に、図26に示すセンス素子10にダイオード10aが接続されている構成では、図27に示すように、センス素子10のゲートGとセンスエミッタSEとの間を短絡させた配線を施すことで、センス素子10およびダイオード10aを共にダイオードとして機能させる構成とすることができる。この場合、図26に示すセンス素子10にダイオードが接続されている構成では、ゲートをコレクタにショートさせる構成とすることで同様の効果を得ることができる。
したがって、図16に示した構成のIGBT1として、図24、図25、図27に示すものを用いることができる。このように、センス素子10をダイオードとして設けるので、IGBT1がオンしている状態で、センス電圧Vseを検出することで、オン電圧に相当する電圧を検出することができる。また、これによって、素子電流Icを検出することができる。
(第10実施形態)
図28〜図31は第10実施形態を示すもので、以下、第6実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は、図28に示すように、図10で示した基本構成による第3方式について、センス電圧Vseをセンス電圧Vse2とし、IGBT1のセンスエミッタSEの電圧をセンス電圧Vse1として検出する構成である。すなわち、抵抗23の端子電圧がセンス電圧Vse1とされ、コンデンサ22の端子電圧がセンス電圧Vse2とされる。
図28〜図31は第10実施形態を示すもので、以下、第6実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は、図28に示すように、図10で示した基本構成による第3方式について、センス電圧Vseをセンス電圧Vse2とし、IGBT1のセンスエミッタSEの電圧をセンス電圧Vse1として検出する構成である。すなわち、抵抗23の端子電圧がセンス電圧Vse1とされ、コンデンサ22の端子電圧がセンス電圧Vse2とされる。
具体的には、図29に示すように、制御回路30dは、駆動回路40a、電流検出回路50a、判定回路60bおよびスイッチ制御回路80を備えている。駆動回路40aにおいては、通常駆動回路43、クランプ回路44およびソフト遮断回路45が並列に設けられ、IGBT1のゲートGにゲート電圧Vgを与えたり、遮断したりするように構成されている。駆動回路40aは、電圧印加用の電源VBとICグランドとの間に接続されている。
通常駆動回路43は、第6実施形態におけるドライバ回路41と同様のもので、外部から受ける制御信号を受け、IGBT1のゲートにゲート電圧Vgとして印加する。クランプ回路44は、クランプ信号が与えられると、ゲート電圧Vgを所定電圧にクランプする回路である。また、ソフト遮断回路45は、ソフト遮断信号が与えられると、IGBT1のゲート電圧Vgを通常駆動回路43よりも遅い速度で低下させることで、IGBT1のコレクタ・エミッタ間のサージ電圧の発生を抑制してコレクタ電流Icをソフト遮断させる。
駆動回路40aは、後述するように、通常状態では通常駆動回路43が駆動されるように構成されており、IGBT1に過電流が流れて、クランプ信号が与えられると、通常駆動回路43がオフされ、代わりにクランプ回路44が動作される。過電流が流れる状態が継続してクランプ信号が解除されない状態でソフト遮断信号が入力されると、クランプ回路44がオフされ、代わりにソフト遮断回路45が動作される。なお、クランプ回路44が動作している状態でソフト遮断信号が入力される前にクランプ信号が解除されると、クランプ回路44は動作が停止され、再び通常駆動回路43が動作される状態に戻ることもできる。
電流検出回路50aは、第5コンパレータ55および第6コンパレータ56を備えると共に、参照電源57および58を備えている。電流検出回路50aにおいて、第5コンパレータ55は、非反転入力端子にセンス電圧Vse1が入力され、反転入力端子には参照電源57によりしきい値電圧VthAが入力される。第5コンパレータ55は、センス電圧Vse1がしきい値電圧VthAを超えるとクランプ信号を出力する。
第6コンパレータ56は、非反転入力端子にセンス電圧Vse2が入力され、反転入力端子には参照電源58によりしきい値電圧VthBが入力される。第6コンパレータ56は、センス電圧Vse2がしきい値電圧VthBを超えると、過電流を検出したとしてソフト遮断信号をソフト遮断回路45の入力端子に与える。
判定回路60bは、AND回路68、69およびインバータ回路65a、65bを備える。AND回路68は3つの入力端子を備え、その一つに外部から受ける制御信号が入力される。AND回路68の他の入力端子には、第5コンパレータ55からインバータ回路65aを介してクランプ信号が入力されると共に、第6コンパレータ56からインバータ回路65bを介してソフト遮断信号が入力される。AND回路68の出力端子は駆動回路40aの通常駆動回路43の入力端子に接続される。
AND回路69は3つの入力端子を備え、その一つに外部から受ける制御信号が入力される。AND回路69の他の入力端子には、第5コンパレータ55からクランプ信号が入力されると共に、第6コンパレータ56からインバータ回路65bを介してローレベルに反転した信号が入力される。AND回路69の出力端子はクランプ回路44の入力端子に接続される。
上記構成において、参照電源57のしきい値電圧VthAは、IGBT1のコレクタ電流Icが通常時ではセンス電圧Vse1が達することがなく、コレクタ電流Icが過電流になるとセンス電圧Vse1が超えるように設定されたレベルである。また、参照電源58のしきい値電圧VthBは、IGBT1のコレクタ電流Icが通常時ではセンス電圧Vse2が達することがなく、コレクタ電流Icが過電流になるとセンス電圧Vse2が超えるように設定されたレベルである。
次に、図30および図31も参照して上記構成の動作について説明する。図30および図31は、通常(正常)状態と短絡時におけるIGBT1に、ゲート電圧Vgを印加してからの素子電流Ic、センス電圧Vse1およびVse2の時間変化のシミュレーション結果を示している。
上記構成において、外部から制御信号が与えられ、判定回路60bのAND回路68から駆動回路40aの通常駆動回路43にハイレベルの駆動信号が与えられると、通常駆動回路43からIGBT1のゲートGにゲート電圧Vgが印加される。これにより、IGBT1はオン動作する。なお、IGBT1がオン動作を開始(電流の立ち上がり)するよりも前に、スイッチ24はオフ状態に制御される。なお、スイッチ24がオフ状態に制御される前に、スイッチ24はスイッチ制御回路80によりオン状態とされ、コンデンサ22の電荷は放電された状態となっている。
これにより、IGBT1においては、図30に示すように、ゲート電圧Vgが上昇して、ミラー期間に入ると所定レベルよりも低いゲート電圧のままとなり、ミラー期間が経過すると所定レベルまで上昇する。また、素子電流Icはゲート電圧Vgの立ち上がり時に過渡的にリカバリ電流が発生してから一定レベルに落ち着く。
センス電圧Vse1は、ゲート電圧Vgの立ち上がり時に小さいピークが現れ、この後、ミラー期間中は高い電圧となり、ミラー期間が経過すると少し低下してしきい値電圧VthAよりも低い一定レベルになる。センス電圧Vse2は、過渡変動が吸収された状態で徐々に上昇していく。これは、インピーダンス回路20bのコンデンサ22により過渡変動分が吸収されて、センス電圧Vse2はコンデンサ22の充電に伴う端子電圧として得られるからである。このとき、センス電圧Vse2も、しきい値電圧VthBよりも低い電圧である。
これに対して、IGBT1が短絡している状態では、図31に示すように、素子電流Icが所定レベルを超えて大幅に増大する。また、ゲート電圧Vgもミラー期間を経ることなく上昇する。この場合には、センスエミッタの電圧であるセンス電圧Vse1は、ミラー期間を経ることなく上昇していく。また、センス電圧Vse2は、コンデンサ22の充電に伴って徐々に上昇していく。
図31に細線の一点鎖線で示しているように、センス電圧Vse1は、時刻txで先にしきい値電圧VthAに達する。これにより、電流検出回路50aにおいては、第5コンパレータ55の出力はハイレベルとなり、AND回路69を介してクランプ回路44にクランプ信号を出力すると共に、インバータ回路65bを介してローレベルに反転した信号を、AND回路68を介して通常駆動回路43に出力する。これにより、通常駆動回路43はIGBT1へのゲート電圧Vgを停止し、クランプ回路44は、IGBT1のゲート電圧Vgが所定電圧となるようにクランプ状態とする。
図31に太線の二点鎖線で示しているように、ゲート電圧Vgは時刻tx以降においてフラットな状態が保持される。クランプしない場合には、ゲート電圧Vgが時刻tx以降においても、さらに図31中細線の二点鎖線で示しているように上昇していく。そして、ゲート電圧Vgがクランプされることで、図31中太線の破線で示しているように、IGBT1のコレクタ電流Icもゲート電圧Vgに追従してクランプされた状態となる。なお、ゲート電圧Vgがクランプされない場合には、IGBT1のコレクタ電流Icは、図31中細線の破線で示しているようにさらに上昇していくので、この電流増加分を流さない状態で保持することができる。
この後、IGBT1の過電流が継続すると、図31中実線で示したように、センス電圧Vse2は、時刻tyでしきい値電圧VthBに達する。これにより、電流検出回路50aにおいては、第6コンパレータ56の出力は過電流検出のハイレベルとなり、ソフト遮断回路45にハイレベルのソフト遮断信号を入力する。また、インバータ回路65bを介してローレベルに反転した信号をAND回路68および69に入力する。
これにより、通常駆動回路43はIGBT1へのゲート電圧Vgを停止した状態が保持され、クランプ回路44は、IGBT1へのクランプされたゲート電圧Vgの印加を停止する。そして、ソフト遮断回路45は、ソフト駆動信号に応じてIGBT1のゲート電圧Vgをゆっくり低下させてオフ状態に移行させる。これによってIGBT1はオフされ、過電流が流れる状態は解消される。
なお、上述の場合に、一旦しきい値電圧VthAでセンス電圧Vse1を判定してゲート電圧Vgをクランプするのは、IGBT1に流れるコレクタ電流Icが一時的に過電流状態となる場合を想定しているからである。すなわち、IGBT1の過電流が一時的であって、センス電圧Vse2がしきい値電圧VthBに達する前に、通常状態に戻る場合には、第5コンパレータ71aによる過電流検出状態は解消され、IGBT1は通常状態の駆動制御に戻ることができる。
このような第10実施形態によれば、IGBT1に過電流が流れ始めてセンス電圧Vse1がしきい値VthAを超える場合に、IGBT1のゲート電圧Vgをクランプして過電流が増加するのを抑制するようにした。これにより、IGBT1に過電流が流れ続けるのを抑制することができる。
そして、IGBT1に過電流が流れ続ける場合には、ソフト遮断回路45によりゲート電圧Vgを徐々に低下させるので、オフ時にサージ電圧の発生を抑制した状態でオフ状態に移行させることができる。
また、IGBT1に過電流が流れ続けてセンス電圧Vse2がしきい値VthBを超える場合に、IGBT1をオフさせるようにした。これにより、IGBT1に過電流が流れ続けて破壊するのを抑制することができる。さらに、IGBT1の過電流が一時的である場合には、IGBT1をオフさせることなく通電状態を継続させることができる。
なお、上記実施形態では、駆動回路40aにソフト遮断回路45を設ける構成の場合を示したが、ソフト遮断回路を省略した構成とすることもできる。
なお、上記実施形態では、駆動回路40aにソフト遮断回路45を設ける構成の場合を示したが、ソフト遮断回路を省略した構成とすることもできる。
(第11実施形態)
図32および図33は第11実施形態を示すもので、以下、第10実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態においては、第10実施形態において、センス電圧Vse1およびVse2を検出してIGBT1のゲート駆動制御をしていたのに対して、センス電圧Vse1のみによりIGBT1のゲート駆動制御をする構成としている。
図32および図33は第11実施形態を示すもので、以下、第10実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態においては、第10実施形態において、センス電圧Vse1およびVse2を検出してIGBT1のゲート駆動制御をしていたのに対して、センス電圧Vse1のみによりIGBT1のゲート駆動制御をする構成としている。
図32において、制御回路30eは、駆動回路40、過電流検出回路70bおよびスイッチ制御回路80を備えている。過電流検出回路70bは、図28に示した電流検出回路5および判定回路6aを兼ね備えたものである。駆動回路40は、ドライバ回路41およびAND回路42aからなり、クランプ回路は備えない構成である。
過電流検出回路70bにおいて、第5コンパレータ71aは、非反転入力端子にセンス電圧Vse1が入力され、反転入力端子には参照電源75aによりしきい値電圧VthAが入力される。第5コンパレータ71aは、センス電圧Vse1がしきい値電圧VthAを超えるとインバータ回路74cを介して駆動回路40のAND回路42aに過電流の検出信号を出力する。
次に、図33も参照して上記構成の動作について説明する。図33は、短絡時のIGBT1に、ゲート電圧Vgを印加してからの素子電流Ic、センス電圧Vse1およびVse2の時間変化のシミュレーション結果を示している。
前述同様にして外部から制御信号が与えられ、駆動回路40aからIGBT1のゲートGにゲート電圧Vgが印加されるとIGBT1はオン動作する。通常状態においては、第10実施形態で示した図30に示したように素子電流Ic、ゲート電圧Vg、センス電圧Vse1、Vse2が変化する。
そして、IGBT1が短絡している状態では、図33に示すように、素子電流Icが所定レベルを超えて大幅に増大し、ゲート電圧Vgもミラー期間を経ることなく上昇する。また、センス電圧Vse1は、ミラー期間を経ることなく上昇し、センス電圧Vse2は、コンデンサ22の充電に伴って徐々に上昇していく。
図33に細線の一点鎖線で示しているように、センス電圧Vse1は、時刻txで先にしきい値電圧VthAに達すると、過電流検出回路70bにおいては、第5コンパレータ71aの出力はハイレベルの過電流の検出信号を出力する。これにより、駆動回路40のAND回路42aには、インバータ回路74cを介してローレベルの信号が入力され、駆動回路40はIGBT1をオフさせる。これによってIGBT1はオフ状態となって、過電流が流れる状態は解消される。
つまり、この実施形態では、第10実施形態でセンス電圧Vse1がしきい値電圧VthAに達したときに、一旦ゲート電圧Vgをクランプさせたのに対して、この時点でIGBT1をオフさせるように制御するものである。
したがって、このような第11実施形態によれば、IGBT1に過電流が流れ始めてセンス電圧Vse1がしきい値VthAを超える場合に、IGBT1をオフさせるようにした。これにより、IGBT1に過電流が流れ続けて破壊するのを抑制することができる。
なお、第10実施形態および第11実施形態は、IGBT1の耐量や制御回路30d、30eの検出精度や、あるいはノイズ環境などの条件に応じて適宜有用なものを選択して使用することができる。
(第12実施形態)
図34〜図36は、第12実施形態を示すもので、以下、第6実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、インピーダンス部20dの構成において、センス抵抗としての抵抗23のインピーダンスZaの抵抗値が比較的大きく設定されている場合に有効に機能するものである。抵抗23の抵抗値が大きいことで、IGBT1のスイッチングオフ時に、センスエミッタの電位が変動しやすくなる構成である。
図34〜図36は、第12実施形態を示すもので、以下、第6実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、インピーダンス部20dの構成において、センス抵抗としての抵抗23のインピーダンスZaの抵抗値が比較的大きく設定されている場合に有効に機能するものである。抵抗23の抵抗値が大きいことで、IGBT1のスイッチングオフ時に、センスエミッタの電位が変動しやすくなる構成である。
すなわち、図34において、インピーダンス部20dでは、コンデンサ22の両端子間に接続するスイッチ24に代えて、放電スイッチとして、抵抗23とコンデンサ22の直列回路の両端子間に接続するスイッチ25を設けている。スイッチ25は、抵抗23を介した状態でコンデンサ22の放電経路を形成している。また、スイッチ25は、センスエミッタの容量成分による電荷の放電にも機能する。外部から制御信号が与えられていない状態では、スイッチ制御回路80によりスイッチ25はオン状態に保持されている。これにより、コンデンサ22は、抵抗23を通じて電荷が放電された状態となっている。
ここで、センス電圧Vse2は、コンデンサ22の端子電圧として過電流検出回路70aのコンパレータ71の非反転入力端子に入力される。また、センス電圧Vse1は、センスエミッタSEの端子電圧であり、制御回路30cには入力されないが、後述する作用説明で比較のために用いている。
上記構成によれば、外部から制御信号が与えられると、駆動回路40は、IGBT1のゲートGにゲート電圧Vgを印加してIGBT1をオン動作させる。このとき、スイッチ25は、スイッチ制御回路80からオフ動作の信号が与えられるので開放状態となる。IGBT1においては、通常状態においては、図35に示すように、ゲート電圧Vgが上昇して、ミラー期間を経て所定レベルまで上昇する。
IGBT1の素子電流Icは、前述同様にしてゲート電圧Vgの立ち上がり時に過渡的にオーバーシュートしてから一定レベルに落ち着く。ここで、センス端子SEでは、センス電圧Vse1が、ミラー期間中高い電圧に保持された後、所定レベルに下がって落ち着く。また、センス電圧Vse2は、ミラー期間での高い電圧となることがなく、過渡変動が吸収された状態で徐々に上昇していく。これは、インピーダンス回路20dのコンデンサ22により過渡変動分が吸収されて、センス電圧Vse2はコンデンサ22の充電に伴う端子電圧として得られるからである。
この後、図35に示すように、外部から制御信号が時刻tzでオフ動作に対応する状態に変化すると、駆動回路40はIGBT1のゲートに与えていたゲート電圧Vgをローレベルにする。これにより、IGBT1はオフされ、素子電流Icおよびゲート電圧Vgが低下していく。また、時刻tzで、スイッチ制御回路80によりスイッチ25がオンされるので、コンデンサ22および抵抗23の直列回路が短絡状態になる。スイッチ25のオン時点で、センス電圧Vse1はグランドレベルに変化する。また、スイッチ25のオンにより、コンデンサ22の電荷が抵抗23を介して徐々に放電することで、センス電圧Vse2は徐々に低下していく。
図36は、本実施形態と比較のために示すもので、第6実施形態の構成と同様に、スイッチ24をコンデンサ22の両端子間を短絡するように設けている構成の場合の波形である。この構成では、外部から制御信号が時刻tzでオフ動作に対応する状態に変化すると、スイッチ24によりコンデンサ22が短絡されたときに、センスエミッタSEのセンス電圧Vse1が、図示のように急上昇してしまうことがある。これは、センスエミッタの容量成分による電荷が抵抗23を介して放電されることで、一時的にセンス電圧Vse1が急上昇するからである。そして、この傾向は抵抗23の抵抗値が大きいと顕著になり、これにより、上昇する電圧が高くなる場合には、IGBT1に誤動作が起こったり、あるいは素子破壊などに至ったりする恐れがある。
この点、本実施形態においては、スイッチ25により、抵抗23を介してコンデンサ22の電荷を放電するので、センス電圧Vse1は急激な変動を来すことなく、IGBT1の誤動作や素子破壊を回避することができる。なお、一方、IGBT1が短絡している場合の動作については、第6実施形態と同様である。
したがって、このような第12実施形態によれば、第6実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、次のような効果が得られる。この実施形態のように、コンデンサ22と抵抗23による時定数のレベルを保持した状態でコンデンサ22の容量を小さく設定する場合には抵抗23の抵抗値が大きく設定することとなる。このような構成とした場合でも、抵抗23を介してコンデンサ22の電荷をスイッチ25で放電する構成とすることで、オフ時のIGBT1の誤動作や素子破壊を回避することができる。
なお、上記構成において用いたインピーダンス部20dの構成を、センス電圧Vse1、Vse2を用いるように、第10実施形態あるいは第11実施形態に適用することもできる。
(第13実施形態)
図37は、第13実施形態を示すもので、以下、第12実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、インピーダンス部20eの構成において、放電スイッチとして2個のスイッチ24、25を設ける構成としている。
図37は、第13実施形態を示すもので、以下、第12実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、インピーダンス部20eの構成において、放電スイッチとして2個のスイッチ24、25を設ける構成としている。
すなわち、図37において、インピーダンス部20eでは、スイッチ24をコンデンサ22の両端子間に接続し、スイッチ25を抵抗23とコンデンサ22の直列回路の両端子間に接続している。スイッチ24および25は、スイッチ制御回路80から同じ駆動信号が与えられる構成であり、外部から制御信号が与えられていない状態では、スイッチ制御回路80によりオン状態に保持され、制御信号が与えられるとオフ状態に移行する。これにより、コンデンサ22は、抵抗23を通じて電荷が放電された状態となっている。
前述同様にして、外部から制御信号が与えられると、駆動回路40は、IGBT1のゲートGにゲート電圧Vgを印加してIGBT1をオン動作させる。このとき、スイッチ24および25は、スイッチ制御回路80からオフ動作の信号が与えられるので開放状態となる。IGBT1においては、通常状態においては、図35に示したように、ゲート電圧Vgが上昇して、ミラー期間を経て所定レベルまで上昇する。
そして、外部から制御信号が時刻tzでオフ動作に対応する状態に変化すると、駆動回路40はIGBT1のゲートに与えていたゲート電圧Vgをローレベルにする。これにより、IGBT1はオフされ、素子電流Icおよびゲート電圧Vgが低下していく。また、時刻tzで、スイッチ制御回路80によりスイッチ24、25が共にオンされるので、コンデンサ22および抵抗23の直列回路が短絡状態になる。これにより、スイッチ24、25のオン時点で、センス電圧Vse1はグランドレベルに変化し、センス電圧Vse2もコンデンサ22の電荷が瞬時に放電されることでグランドレベルに変化する。
この結果、例えば抵抗23の抵抗値が大きい場合で、第12実施形態のようにコンデンサ22の電荷を抵抗23介してスイッチ25で放電する構成では、センス電圧Vse2の低下に時間を要するときに、本実施形態のようにスイッチ24を設けることで迅速に低下させることができる。これにより、IGBT1のオフ期間の制約を少なくして駆動制御することができる。
このような第13実施形態によれば、第12実施形態の作用効果に加えて、IGBT1のオフ時にセンス電圧Vse1およびVse2を共に迅速にグランドレベルに低下させることで、センス電圧Vse2を迅速に低下させることができる。
なお、上記構成において用いたインピーダンス部20eの構成を、センス電圧Vse1、Vse2を用いるように、第10実施形態あるいは第11実施形態に適用することもできる。
(第14実施形態)
図38は、第14実施形態を示すもので、以下、第6実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、第6実施形態におけるインピーダンス部20bと同等の構成であるが、抵抗23aの抵抗値を小さく設定し、コンデンサ22の容量が大きく設定されている。この場合、コンデンサ22の容量は、過渡電流を吸収することができる程度に設定されることが好ましい。抵抗23aは、抵抗値をゼロにすることもできる。この場合には、第7実施形態で示した図16の構成と類似するが、スイッチ24を備えているところが異なる。
図38は、第14実施形態を示すもので、以下、第6実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、第6実施形態におけるインピーダンス部20bと同等の構成であるが、抵抗23aの抵抗値を小さく設定し、コンデンサ22の容量が大きく設定されている。この場合、コンデンサ22の容量は、過渡電流を吸収することができる程度に設定されることが好ましい。抵抗23aは、抵抗値をゼロにすることもできる。この場合には、第7実施形態で示した図16の構成と類似するが、スイッチ24を備えているところが異なる。
この構成においては、抵抗23aは小さい抵抗値であるから、抵抗23aに電流が流れたときに、センス電圧Vse1とVse2の電位差が少なく、ほぼ同じレベルとなる。このため、この実施形態では、センス電圧Vse1を用いることをやめて、センス電圧Vse2を過電流判定用の信号として制御回路30cに取り込む構成としている。コンデンサ22は、IGBT1のオフ時にはスイッチ24がオンされることで電荷が放電された状態となっており、センス電圧Vse2はゼロレベルとなっている。
上記構成において、IGBT1がオン駆動されると、スイッチ24がオフとなり、センス電圧Vse2は、ピーク値を呈したり、あるいはミラー期間での高い電圧になったりすることがなく、過渡変動が吸収された状態で徐々に上昇していく。これは、コンデンサ22により過渡変動分が吸収されて、センス電圧Vse2はコンデンサ22の充電に伴う端子電圧として得られるからである。
前述同様に、しきい値電圧Vthを過電流レベルの電圧に設定しておくことで、通常動作時にはセンス電圧Vse2がしきい値電圧Vthを超えることがない。そして、IGBT1に過電流が流れる状態では、センス電圧Vse2も、しきい値電圧Vthを超えて上昇することで過電流状態を検出することができる。
したがって、このような第14実施形態においても、第6実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、この実施形態では、スイッチ24をオフ状態に保持しておくことで、第7実施形態と同じ動作を行わせることもできる。
なお、この実施形態では、スイッチ24をオフ状態に保持しておくことで、第7実施形態と同じ動作を行わせることもできる。
(第15実施形態)
図39〜図41は、第15実施形態を示すもので、以下、第14実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、第14実施形態で抵抗23aを設けていたのに対して、これを抵抗値ゼロすなわち短絡状態の構成としている。また、この実施形態では、コンデンサ22に代えて、合成容量が同じ容量となるように直列に接続した2個のコンデンサ22a、22bを設けている。スイッチ24は、そのまま2個のコンデンサ22a、22bの電荷を放電するように設けている。
図39〜図41は、第15実施形態を示すもので、以下、第14実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、第14実施形態で抵抗23aを設けていたのに対して、これを抵抗値ゼロすなわち短絡状態の構成としている。また、この実施形態では、コンデンサ22に代えて、合成容量が同じ容量となるように直列に接続した2個のコンデンサ22a、22bを設けている。スイッチ24は、そのまま2個のコンデンサ22a、22bの電荷を放電するように設けている。
この構成では、第14実施形態と同様にして作用効果を得ることができ、さらに、コンデンサ22a、22bの直列回路を構成することで、電圧を分圧して制御回路30cに取り込む構成となっている。これにより、過電流検出回路70a側に低電圧で入力して判定処理を行うことができる。
図40は通常(正常)状態、図41は短絡時において、IGBT1に、ゲート電圧Vgを印加してからの素子電流Ic、センス電圧Vse1およびVse2の時間変化のシミュレーション結果を示している。
上記構成において、外部から制御信号が与えられ、駆動回路40aからIGBT1のゲートGにゲート電圧Vgが印加されるとIGBT1はオン動作する。このとき、IGBT1においては、図40に示すように、ゲート電圧Vgおよび素子電流Icは、前述同様にして推移し、所定レベルに落ち着く。
このとき、センス電圧Vse1およびVse2は、コンデンサ22a、22bにより過渡変動分が吸収されることで、過渡変動が吸収された状態で徐々に上昇していく。この場合、センス電圧Vse1は、コンデンサ22aおよび22bの端子電圧の合成電圧となり、センス電圧Vse2は、コンデ3ンサ22bの端子電圧として得られる。また、コンデンサ22aと22bの各端子電圧は、容量に反比例した分担電圧となっているので、低い電圧として過電流検出回路70aに取り込むことができる。
そして、IGBT1に過電流が流れる場合には、図41に実線で示しているように、センス電圧Vse2は、比較的低い電圧として過電流を検出できる電圧レベルで得ることができる。センス電圧Vse2がしきい値電圧Vthを超えるときには、コンパレータ71により過電流状態が検出され、IGBT1をオフさせる。
したがって、このような第15実施形態によれば、第14実施形態と同様の効果が得られると共に、直列に接続したコンデンサ22a、22bによりセンス電圧Vse2を低電圧で取り込むことができるので、過電流検出回路70aの構成を低電圧対応の回路構成とすることができる。
(第16実施形態)
図42から図45は第16実施形態を示すものである。この実施形態では、上記した各実施形態において用いていた駆動回路40のドライバ回路41の具体例、あるいは駆動回路40aの通常駆動回路43、クランプ回路44、ソフト遮断回路45の具体例について示している。
図42から図45は第16実施形態を示すものである。この実施形態では、上記した各実施形態において用いていた駆動回路40のドライバ回路41の具体例、あるいは駆動回路40aの通常駆動回路43、クランプ回路44、ソフト遮断回路45の具体例について示している。
図42は、第10実施形態を除いた第1〜第15実施形態における駆動回路40のドライバ回路41の具体回路の一例を示すものである。ドライバ回路41は、Pチャンネル型のMOSFET41a、Nチャンネル型のMOSFET41bを直列に接続した構成で、ゲート駆動用の電源VBとICグランドとの間に接続されている。MOSFET41aおよび41bの共通接続点がIGBT1のゲートGに接続される。なお、各MOSFET41a、41bには寄生ダイオード41c、41dが存在する。
上記構成において、IGBT1を駆動する場合には、MOSFET41aをオン、MOSFET41bをオフの状態にすることで、IGBT1のゲートGに電源VBからゲート電圧Vgを印加する。
IGBT1をオフさせる場合には、MOSFET41aをオフ、MOSFET41bをオンの状態にすることでIGBT1のゲートGの電位をグランドレベルに低下させる。
次に、図43において、図42で示したドライバ回路41にソフト遮断回路45を付加して構成した駆動回路40bを示している。IGBT1に過電流が流れて強制的に遮断する場合に、駆動回路41のMOSFET41a、41bを共にオフ状態にさせた後に、ソフト遮断回路45を動作させるようにしたものである。
次に、図43において、図42で示したドライバ回路41にソフト遮断回路45を付加して構成した駆動回路40bを示している。IGBT1に過電流が流れて強制的に遮断する場合に、駆動回路41のMOSFET41a、41bを共にオフ状態にさせた後に、ソフト遮断回路45を動作させるようにしたものである。
ソフト遮断回路45は、IGBT1のゲートGとグランドとの間に、Nチャンネル型のMOSFET45aを抵抗45bを介して接続したものである。なお、MOSFET45aには寄生ダイオード45cが存在する。
前述したように、IGBT1の過電流状態が継続して強制的にオフさせる場合に、ソフト遮断回路45が駆動される。この場合には、ドライバ回路41のMOSFET41aおよび41bを共にオフ状態にした後、ソフト遮断回路45のMOSFET45aをオンさせる。これにより、IGBT1のゲートGは抵抗45bを介してグランドに接続されるので、ゲートGから電荷が徐々に放電されることでゲート電圧Vgがゆっくり低下し、IGBT1がオフ状態に移行する。これにより、IGBT1をソフト遮断をすることができる。
次に、図44において、第10実施形態で示した駆動回路40aの具体的回路について説明する。通常駆動回路43は、ドライバ回路41と同様に、Pチャンネル型のMOSFET43a、Nチャンネル型のMOSFET43bを直列に接続した構成で、電源VBとICグランドとの間に接続されている。MOSFET43aおよび43bの共通接続点がIGBT1のゲートGに接続される。なお、各MOSFET43a、43bには寄生ダイオード43c、43dが存在する。
クランプ回路44は、Pチャンネル型のMOSFET44a、Nチャンネル型のMOSFET44bを、それぞれ抵抗44c、44dを介在させた状態で直列に接続した構成で、電源VBとICグランドとの間に接続されている。抵抗44cおよび抵抗44dの共通接続点がIGBT1のゲートGに接続される。なお、各MOSFET44a、44bには寄生ダイオード44e、44fが存在する。また、MOSFET44aはインバータ44gを介して駆動され、MOSFET44bはバッファ44hを介してクランプ信号に基づいた駆動信号により駆動される。
ソフト遮断回路45は、IGBT1のゲートGとグランドとの間に、Nチャンネル型のMOSFET45aを抵抗45bを介して接続したものである。なお、MOSFET45aには寄生ダイオード45cが存在する。
この構成では、通常駆動回路43を動作させる場合には、図42の構成の場合と同じである。そして、IGBT1のゲートGにゲート電圧Vgを印加してオン動作させている状態で、過電流が流れてクランプ信号が入力された場合には、通常駆動回路43のMOSFET43a、43bを共にオフ状態にし、クランプ回路44を駆動する。
クランプ回路44では、クランプ信号に基づいた信号がインバータ回路44gおよびバッファ回路44hに入力される。これにより、MOSFET44aおよび44bが共にオン状態となる。これにより、IGBT1のゲートGは、抵抗44cと44dの直列回路にかかる電圧VBを分圧したクランプ電圧がかかるようになる。クランプ電圧は、IGBT1に過電流が流れるのを抑制できるようにしたゲート電圧Vgを印加するように抵抗44cおよび44dの抵抗比を設定し、クランプ電圧に移行する速度および駆動ICの許容消費電流により抵抗値を適時調整する。
この後、IGBT1の過電流状態が継続して強制的にオフさせる場合には、ソフト遮断回路45が駆動される。この場合には、通常駆動回路43をオフ状態に保持すると共に、クランプ回路44のMOSFET44a、44bを共にオフ状態にし、ソフト遮断回路45のMOSFET45aをオンさせる。これにより、IGBT1のゲートGは抵抗45bを介してグランドに接続されるので、ゲートGから電荷が徐々に放電されることでゲート電圧Vgがゆっくり低下し、IGBT1がオフ状態に移行する。これにより、IGBT1をソフト遮断することができる。
また、図45は、図43で示した駆動回路40aの構成で、ソフト遮断回路45を設けない構成とした駆動回路40cを示したものである。この構成では、ソフト遮断回路45の機能をクランプ回路44により兼用している。
この構成では、IGBT1の過電流状態が継続して強制的にオフさせる場合には、クランプ回路44のMOSFET44aをオフさせ、MOSFET44bをオンさせる。これにより、IGBT1のゲートGは抵抗44dを介してグランドに接続されるので、ゲートGから電荷が徐々に放電されることでゲート電圧Vgがゆっくり低下し、IGBT1がオフ状態に移行する。これにより、IGBT1をソフト遮断をすることができる。
このような第16実施形態によれば、ドライバ回路41にソフト遮断回路45を付加することで、過電流が流れている状態のIGBT1のオフ動作においてゲート電圧Vgを徐々に低下させることでサージ電圧の発生を抑制してIGBT1の保護を図ることができる。
また、クランプ回路44を、MOSFET44a、44bを共にオンさせて抵抗44cおよび44dの分圧回路を形成することでIGBT1のゲートGに所定電圧を印加する構成としたので、簡単な構成で実現できる。
さらに、クランプ回路44によりソフト遮断回路45の構成を兼用する動作を行わせることで、簡単な構成でソフト遮断回路の機能を実現させることができる。
さらに、クランプ回路44によりソフト遮断回路45の構成を兼用する動作を行わせることで、簡単な構成でソフト遮断回路の機能を実現させることができる。
上記実施形態において、クランプ回路44は、抵抗44cおよび44dによる分圧回路によりIGBT1のゲートGに所定電圧を印加するようにしたが、これに限らず、例えば定電流回路により実現することも可能である。
(他の実施形態)
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
IGBT1は、メイン素子にセンス素子を内蔵したもの以外に、メイン素子単体のものを用い、これに外付けでセンス素子を設けることができる。
スイッチング素子は、IGBT1を用いた場合で示したが、他の素子でも良い。例えばMOSFETやRC−IGBTなどの場合、内蔵されているダイオードを、図21で示したダイオード1a、10a、11として適用することもできる。
スイッチング素子は、IGBT1を用いた場合で示したが、他の素子でも良い。例えばMOSFETやRC−IGBTなどの場合、内蔵されているダイオードを、図21で示したダイオード1a、10a、11として適用することもできる。
図面中、1はIGBT(スイッチング素子)、1a、11はダイオード、10はセンス素子、2、20、20a〜20eはインピーダンス回路、3、30、30a〜30eは制御回路、4、40、40aは駆動回路、5、50、50aは電流検出回路、6、6a、60、60a、60bは判定回路、21は電流検出抵抗(センス抵抗)、22、22a、22bはコンデンサ、23、23aは抵抗(センス抵抗)、24、25はスイッチ(放電スイッチ)、41はドライバ回路、42、42aはAND回路、43は通常駆動回路、44はクランプ回路、45はソフト遮断回路、51は第1コンパレータ、52は第2コンパレータ、61は第3コンパレータ、55は第5コンパレータ、56は第6コンパレータ、63、64はNAND回路、70、70a、70bは過電流検出回路、80はスイッチ制御回路、90は電流検出回路、91はオートゲイン回路である。
Claims (11)
- センス素子を備えたスイッチング素子(1)を駆動する駆動制御装置であって、
前記スイッチング素子にゲート駆動信号を与える駆動回路(40)と、
前記スイッチング素子のオン時に前記センス素子の過渡特性を吸収する過渡特性吸収回路(20c)と、
前記センス素子の出力から前記スイッチング素子の過電流もしくは短絡状態を判定するする判定回路(70a)とを備え、
前記過渡特性吸収回路は、前記センス素子に接続されるセンス電圧の過渡変動を吸収する容量(22)であり、
前記判定回路は、前記容量の端子電圧に基づいて前記スイッチング素子の過電流もしくは短絡状態を検出するように設けられているスイッチング素子の駆動制御装置。 - センス素子を備えたスイッチング素子(1)を駆動する駆動制御装置であって、
前記スイッチング素子にゲート駆動信号を与える駆動回路(4、40、40a)と、
前記スイッチング素子のオン時に前記センス素子の過渡特性を吸収する過渡特性吸収回路(20b、20d、20e、20f)と、
前記センス素子の出力から前記スイッチング素子の過電流もしくは短絡状態を判定するする判定回路(6a、60b、70a、70b)とを備え、
前記過渡特性吸収回路は、前記センス素子に直列接続されたセンス抵抗(23、23a)およびセンス電圧の過渡変動を吸収する容量(22)と、前記容量に充電された電荷を放電させるための放電スイッチ(24、25)とを備え、
前記判定回路は、前記センス素子のセンス電圧をしきい値電圧と比較することで前記スイッチング素子の過電流もしくは短絡状態を検出するように設けられているスイッチング素子の駆動制御装置。 - 前記判定回路(70a)は、前記センス素子のセンス電圧からオン電圧を検出し、そのオン電圧とオン抵抗から素子電流を算出して前記スイッチング素子の過電流もしくは短絡状態を検出するように設けられている請求項2に記載のスイッチング素子の駆動制御装置。
- 前記スイッチング素子のオン状態で得られる前記センス電圧から、前記スイッチング素子のオン電圧を検出し、そのオン電圧とオン抵抗から素子電流を検出する電流検出回路(5、50)を備えている請求項1から3のいずれか一項に記載のスイッチング素子の駆動制御装置。
- 前記スイッチング素子(1)は、センス素子が前記メイン素子に並列で逆方向に接続されたダイオード(10a、11)として設けられる請求項1または3に記載のスイッチング素子の駆動制御装置。
- 前記センス素子のセンス電圧として、前記センス抵抗(23)の端子電圧を第1センス電圧(Vse1)、前記容量(22)の端子電圧を第2センス電圧(Vse2)として検出し、前記第1センス電圧を第1しきい値電圧(VthA)と比較することで前記スイッチング素子の過電流もしくは短絡状態を検出する電流検出回路(50a)を備え、
前記判定回路(60b)は、前記電流検出回路(50a)の検出信号に基づいて前記スイッチング素子のゲート電圧をクランプし、前記第2センス電圧を第2しきい値電圧(VthB)と比較することで前記スイッチング素子の過電流もしくは短絡状態を検出するように設けられている請求項2に記載のスイッチング素子の駆動制御装置。 - 前記過電流検出回路(70b)は、前記センス素子のセンス電圧として、前記抵抗(23)の端子電圧(Vse1)を検出し、前記センス電圧をしきい値電圧(VthA)と比較することで前記スイッチング素子の過電流もしくは短絡状態を検出する請求項2に記載のスイッチング素子の駆動制御装置。
- 前記過渡特性吸収回路(20d)は、前記容量に充電された電荷を放電する前記放電スイッチ(25)が、前記センス抵抗(23)を介して放電させるように設けられる請求項2に記載のスイッチング素子の駆動制御装置。
- 前記過渡特性吸収回路(20e)は、前記容量の端子間に接続される放電スイッチ(24)と、前記容量および前記センス抵抗の直列回路の端子間に接続される放電スイッチ(25)とを備えた請求項2に記載のスイッチング素子の駆動制御装置。
- 前記過渡特性吸収回路(20b)は、前記容量(22)の電荷を放電させる放電スイッチ(24)を備える請求項1に記載のスイッチング素子の駆動制御装置。
- 前記容量は、直列接続された複数個の容量(22a、22b)からなり、
前記過電流検出回路(70a)は、前記複数個の容量で分圧された端子電圧に基づいて前記スイッチング素子の過電流もしくは短絡状態を検出するように設けられている請求項10に記載のスイッチング素子の駆動制御装置。
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