JP2017175780A

JP2017175780A - 保護回路

Info

Publication number: JP2017175780A
Application number: JP2016059055A
Authority: JP
Inventors: 雄太平城; Yuta Hirashiro
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-23
Also published as: JP6711059B2

Abstract

【課題】ＩＧＢＴを過電流から保護する。【解決手段】ＩＧＢＴを過電流から保護する保護回路であって、前記ＩＧＢＴのゲートを充放電する制御回路と、前記ゲートが充電されているときに前記ＩＧＢＴのゲート電圧の上昇率を検出するゲート電圧上昇率検出回路と、前記ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出回路を有している。前記電流が第１基準値を超えたタイミングの後の一定期間内に前記上昇率が第２基準値を超えたときに、前記制御回路が前記ゲートを放電する。【選択図】図２

Description

本明細書では、ＩＧＢＴを過電流から保護する保護回路を開示する。

オン状態のＩＧＢＴによって高電位配線と低電位配線が短絡され、ＩＧＢＴに対して負荷を介さずに電圧が印加される場合がある。この場合、ＩＧＢＴに過電流が流れる。特許文献１に、ＩＧＢＴを過電流から保護する保護回路が開示されている。この回路は、ＩＧＢＴのセンス端子の電位を検出する。センス端子の電位は、ＩＧＢＴに流れる電流に応じて変化する。したがって、センス端子の電位を検出することは、ＩＧＢＴに流れる電流を検出することに等しい。この保護回路は、センス端子の電位（すなわち、ＩＧＢＴに流れる電流）が基準値を超えたときに、ＩＧＢＴをオフさせる。これによって、ＩＧＢＴを過電流から保護する。

また、特許文献１の保護回路では、ゲート電圧の立ち上がり時に、保護動作を無効化するマスク期間が設けられている。すなわち、保護回路は、マスク期間内にセンス端子の電位が基準値を超えたとしても、ＩＧＢＴをオフさせない。ゲート電圧の立ち上がり時においてはＩＧＢＴの動作が不安定であるので、このようにマスク期間を設けることで、保護回路の誤作動を防止する。

特開２００４−３１２９２４号公報

上述したように、ゲート電圧の立ち上がり時においてはＩＧＢＴの動作が不安定である。より具体的には、ゲート電圧の立ち上がり時の電流が流れ始めるタイミングにおいて、ＩＧＢＴに瞬間的に大電流（以下、サージ電流という）が流れる場合がある。サージ電流は短時間で減衰するため、サージ電流のＩＧＢＴに対する負荷は小さい。サージ電流は、ＩＧＢＴの通常動作において生じるので、サージ電流が流れたときに保護回路がＩＧＢＴをオフさせると、ＩＧＢＴの動作に支障が生じる。つまり、サージ電流が流れたときには、ＩＧＢＴをオン状態に維持する必要がある。他方、上述した過電流は、サージ電流よりも長い時間継続して流れる。過電流のＩＧＢＴに対する負荷は大きい。過電流が流れたときにはＩＧＢＴをオフさせる必要がある。つまり、保護回路は、サージ電流が流れた場合にはＩＧＢＴをオフさせず、過電流が流れたときにＩＧＢＴをオフさせる必要がある。

上述したように、特許文献１の保護回路では、ゲート電圧の立ち上がり時のマスク期間において、保護動作を無効化する。このため、サージ電流が流れた場合でも、保護回路はＩＧＢＴをオフさせない。しかしながら、特許文献１の保護回路では、マスク期間内に過電流が流れても、保護動作を行わない。この場合、保護回路は、マスク期間が終了したタイミングでＩＧＢＴをオフさせる。過電流が流れ始めてからＩＧＢＴをオフさせるまでの期間が長いので、ＩＧＢＴに多大な負荷がかかる。特許文献１の保護回路では、ＩＧＢＴを過電流から十分に保護することができない。

本明細書が開示する保護回路は、ＩＧＢＴを過電流から保護する。この保護回路は、前記ＩＧＢＴのゲートを充放電する制御回路と、前記ゲートが充電されているときに前記ＩＧＢＴのゲート電圧の上昇率を検出するゲート電圧上昇率検出回路と、前記ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出回路を有している。前記電流が第１基準値を超えたタイミングの後の一定期間内に前記上昇率が第２基準値を超えている場合に、前記制御回路が前記ゲートを放電する。

制御装置がゲートを充電すると、ゲートとエミッタの間の容量が充電されてゲート電圧が上昇する。ゲート電圧が所定値に達すると、ＩＧＢＴに電流が流れ始める。通常動作においては、ＩＧＢＴに電流が流れ始めると、コレクタ−エミッタ間電圧が低下する。すると、ゲートに供給される電荷によって、コレクタ−ゲート間の容量が充電されるようになる。コレクタ−ゲート間の容量が充電されている間は、ゲート−エミッタ間の容量が充電されなくなるので、ゲート電圧が上昇しなくなる。すなわち、ゲート電圧が一定の値で推移する期間が生じる。以下では、この期間をミラー期間といい、ミラー期間中のゲート電圧をミラー電圧という。コレクタ−ゲート間の容量が十分に充電されると、ゲート−エミッタ間の容量が再度充電されるようになり、ゲート電圧が設定値まで上昇する。すなわち、ミラー期間が終了する。このようにゲート電圧が上昇することで、ＩＧＢＴがオンする。以上に説明したように、通常動作においては、ゲートを充電するときに、ゲート電圧が一定に維持されるミラー期間が生じる。

また、通常動作において、ＩＧＢＴに電流が流れ始めると、ＩＧＢＴに流れる電流が急速に増加する。このため、ミラー期間の初期において、ＩＧＢＴに流れる電流が第１基準値を超える。また、通常動作において、ＩＧＢＴに電流が流れ始めると、ＩＧＢＴにサージ電流が流れる場合がある。サージ電流が流れる場合も、ＩＧＢＴに流れる電流が急速に増加する。この場合にも、ミラー期間の初期において、ＩＧＢＴに流れる電流が第１基準値を超える。サージ電流は、ミラー期間の初期に発生し、ミラー期間の間に減衰する。つまり、ミラー期間の間に、ＩＧＢＴに流れる電流が、瞬間的に大電流まで上昇し、その後短時間で所定の電流まで低下する。制御装置は、ＩＧＢＴに流れる電流が第１基準値を超えると、そのタイミング（以下、基準タイミングという）の後の一定期間内に、ゲート電圧の上昇率が第２基準値を超えるか否かを判定する。上記のように基準タイミングはミラー期間の初期のタイミングであるので、基準タイミングからしばらくの間はミラー期間が継続し、ゲート電圧が一定に保たれる。つまり、通常動作においては、基準タイミングからしばらくの間は、ゲート電圧の上昇率が極めて小さい。したがって、制御装置は、基準タイミングの後の一定期間内に、ゲート電圧の上昇率が第２基準値を超えなかったと判定する。このため、通常動作時は、制御装置はゲートを放電しない。すなわち、通常動作においてサージ電流が発生した場合でも、制御装置はゲートを放電しない。したがって、ＩＧＢＴが通常にオンする。

他方、ＩＧＢＴに対して負荷を介さずに電圧が印加されている状態では、ゲートが充電されてＩＧＢＴに電流が流れ始めても、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧が低下しない。ＩＧＢＴに負荷が接続されていないためである。このため、この場合には、ミラー期間が存在せず、ゲートが充電されるのに従ってゲート電圧が連続的に上昇する。また、ＩＧＢＴに流れる電流は、ゲート電圧の上昇に伴って増加する。つまり、この場合には、ゲート電圧とＩＧＢＴに流れる電流が共に連続的に上昇する。ＩＧＢＴに流れる電流が第１基準値を超えると、そのタイミング（すなわち、基準タイミング）以降もゲート電圧が上昇する。制御装置は、基準タイミングの後の一定期間内にゲート電圧の上昇率が第２基準値を超えるか否かを判定する。上述したように、基準タイミング以降もゲート電圧が上昇を継続するので、制御装置はゲート電圧の上昇率が第２基準値を超えていると判定する。したがって、この場合には、制御装置は、ゲートを放電する。このため、ＩＧＢＴがオフする。このため、ＩＧＢＴに過電流が流れることが抑制される。これによって、ＩＧＢＴに過大な負荷が加わることが防止される。

以上に説明したように、この保護回路によれば、サージ電流が流れる場合にＩＧＢＴをオフさせず、過電流が流れる場合にＩＧＢＴをオフさせることができる。また、この保護回路によれば、過電流によってＩＧＢＴに流れる電流が第１基準値を超えると短時間でＩＧＢＴをオフさせることができる。したがて、ＩＧＢＴを過電流から好適に保護することができる。

インバータ回路１０の回路図。ゲート制御回路２６の回路図。通常動作時の各値の変化を示すグラフ。短絡時の各値の変化を示すグラフ。

図１に示すインバータ回路１０は、高電位配線１６と低電位配線１８を有している。高電位配線１６と低電位配線１８の間には、図示しない直流電源によって直流電圧が印加される。高電位配線１６が低電位配線１８に対して高電位となるように直流電圧が印加される。インバータ回路１０は、上記の直流電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧をモータ１４に供給する。

高電位配線１６と低電位配線１８の間に、３つのスイッチング回路２０ａ〜２０ｃが接続されている。スイッチング回路２０ａ〜２０ｃのそれぞれは、高電位配線１６と低電位配線１８の間に直列に接続された２つのＩＧＢＴ２２を有している。以下では、高電位配線１６側に配置されているＩＧＢＴ２２をＩＧＢＴ２２ａといい、低電位配線１８側に配置されているＩＧＢＴ２２をＩＧＢＴ２２ｂという。つまり、ＩＧＢＴ２２ａが上アームのＩＧＢＴであり、ＩＧＢＴ２２ｂが下アームのＩＧＢＴである。ＩＧＢＴ２２ａのコレクタが高電位配線１６に接続されており、ＩＧＢＴ２２ａのエミッタがＩＧＢＴ２２ｂのコレクタに接続されており、ＩＧＢＴ２２ｂのエミッタが低電位配線１８に接続されている。

スイッチング回路２０ａ〜２０ｃのそれぞれは、２つのｐｎダイオード２４を有している。一方のｐｎダイオード２４は、ＩＧＢＴ２２ａに対して並列に接続されている。他方のｐｎダイオード２４は、ＩＧＢＴ２２ｂに対して並列に接続されている。以下では、ＩＧＢＴ２２ａに対して並列に接続されているｐｎダイオード２４を、ｐｎダイオード２４ａという。また、ＩＧＢＴ２２ｂに対して並列に接続されているｐｎダイオード２４を、ｐｎダイオード２４ｂという。ｐｎダイオード２４ａのカソードがＩＧＢＴ２２ａのコレクタに接続されており、ｐｎダイオード２４ａのアノードがＩＧＢＴ２２ａのエミッタに接続されている。つまり、ｐｎダイオード２４ａは、カソードが高電位配線１６側を向く向きで接続されている。ｐｎダイオード２４ｂのカソードがＩＧＢＴ２２ｂのコレクタに接続されており、ｐｎダイオード２４ｂのアノードがＩＧＢＴ２２ｂのエミッタに接続されている。つまり、ｐｎダイオード２４ｂは、カソードが高電位配線１６側を向く向きで接続されている。

インバータ回路１０は、３つの中間配線１９（すなわち、１９ａ〜１９ｃ）を有している。スイッチング回路２０ａ〜２０ｃのそれぞれにおいて、ＩＧＢＴ２２ａとＩＧＢＴ２２ｂの間の配線に、対応する１つの中間配線１９が接続されている。各中間配線１９は、ＩＧＢＴ２２ａのエミッタ、ＩＧＢＴ２２ｂのコレクタ、ｐｎダイオード２４ａのアノード及びｐｎダイオード２４ｂのカソードに接続されている。各中間配線１９は、モータ１４に接続されている。

インバータ回路１０は、ゲート制御回路２６を有している。ＩＧＢＴ２２毎に、１つのゲート制御回路２６が設けられている。各ゲート制御回路２６は、対応するＩＧＢＴ２２のゲートに接続されている。各ゲート制御回路２６は、ＩＧＢＴ２２のゲート電圧Ｖｇｅを制御する。これによって、ＩＧＢＴ２２がスイッチングする。その結果、高電位配線１６と低電位配線１８の間に印加されている直流電圧が三相交流電圧に変換され、変換された三相交流電圧が３つの中間配線１９の間に出力される。三相交流電圧は、３つの中間配線１９を介してモータ１４に供給される。

次に、ゲート制御回路２６の構造を説明する。なお、各ゲート制御回路２６の構造は互いに等しい。したがって、ここでは、１つのゲート制御回路２６について説明する。

ゲート制御回路２６は、図２に示す構成を備えている。図２に示すように、ＩＧＢＴ２２は、コレクタ２３ａと、エミッタ２３ｂと、ゲート２３ｄを備えている。なお、図２においては、ＩＧＢＴ２２のエミッタ２３ｂの電位をグランドとして示している。したがって、上アームのＩＧＢＴ２２ａに対するゲート制御回路２６の場合は、図２のグランドは中間配線１９の電位である。また、下アームのＩＧＢＴ２２ｂに対するゲート制御回路２６の場合は、図２のグランドは低電位配線１８の電位である。ＩＧＢＴ２２は、センスエミッタ２３ｃをさらに有している。なお、図１では、センスエミッタ２３ｃの図示が省略されている。センスエミッタ２３ｃは、エミッタ２３ｂよりも小さい電流Ｉｓｅが流れる端子である。ＩＧＢＴ２２がオンすると、コレクタ２３ａからエミッタ２３ｂに電流Ｉｅが流れると同時に、コレクタ２３ａからセンスエミッタ２３ｃに電流Ｉｓｅが流れる。電流Ｉｓｅは、電流Ｉｅよりもはるかに小さい。また、電流Ｉｓｅと電流Ｉｅの比率は略一定である。また、ＩＧＢＴ２２のコレクタ電流Ｉｃは、電流Ｉｅと電流Ｉｓｅを加算した値となる。したがって、電流Ｉｓｅとコレクタ電流Ｉｃの比率は略一定である。すなわち、電流Ｉｓｅはコレクタ電流Ｉｃに略比例する。したがって、センスエミッタ２３ｃに流れる電流Ｉｓｅを検出することで、コレクタ電流Ｉｃを検出することができる。

図２に示すように、ゲート制御回路２６は、抵抗Ｒ１〜Ｒ３と、制御ＩＣ６０を有している。抵抗Ｒ１は、センスエミッタ２３ｃとエミッタ２３ｂの間に接続されている。抵抗Ｒ２の一端は、ゲート２３ｄに接続されている。抵抗Ｒ２の他端は、制御ＩＣ６０に接続されている。抵抗Ｒ３の一端は、センスエミッタ２３ｃに接続されている。抵抗Ｒ３の他端は、制御ＩＣ６０に接続されている。

制御ＩＣ６０は、制御回路５０、微分回路５２、フィルタ回路５４、コンパレータ３１、ＡＮＤ回路４２、コンパレータ３２及び期間設定回路５６を有している。

制御回路５０は、抵抗Ｒ２を介してゲート２３ｄに接続されている。図示していないが、制御回路５０には、ＩＧＢＴ２２のオン・オフを指令する信号（いわゆる、ＰＷＭ信号）が入力される。制御回路５０は、ＰＷＭ信号に従って、ゲート２３ｄを充放電する。これによって、ゲート電圧Ｖｇｅ（すなわち、ゲート２３ｄのエミッタ２３ｂに対する電位）が制御される。また、制御回路５０は、ＡＮＤ回路４２に接続されている。制御回路５０は、ＡＮＤ回路４２から所定の信号を受信すると、ＰＷＭ信号にかかわらずゲート２３ｄを放電する。つまり、ゲート制御回路２６は、ＩＧＢＴ２２の保護回路としても機能する。

微分回路５２は、入力端子５２ａと出力端子５２ｂを有している。入力端子５２ａは、ゲート２３ｄに接続されている。出力端子５２ｂは、フィルタ回路５４に接続されている。微分回路５２は、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ４を有している。コンデンサＣ１の一方の電極は、入力端子５２ａに接続されている。コンデンサＣ１の他方の電極は、出力端子５２ｂに接続されている。抵抗Ｒ４の一方の電極は、出力端子５２ｂに接続されている。抵抗Ｒ４の他方の電極は、グランド（すなわち、エミッタ２３ｂ）に接続されている。微分回路５２の入力端子５２ａには、ＩＧＢＴ２２のゲート電圧Ｖｇｅが印加される。入力端子５２ａに印加されるゲート電圧Ｖｇｅの微分値（すなわち、ゲート電圧Ｖｇｅの変化率ｄＶｇｅ／ｄｔ）に略比例する電圧Ｖ１が、出力端子５２ｂに印加される。

フィルタ回路５４は、入力端子５４ａと出力端子５４ｂを有している。入力端子５４ａは、微分回路５２の出力端子５２ｂに接続されている。出力端子５４ｂは、コンパレータ３１に接続されている。フィルタ回路５４は、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ２を有している。抵抗Ｒ５の一方の電極は、入力端子５４ａに接続されている。抵抗Ｒ５の他方の電極は、出力端子５４ｂに接続されている。コンデンサＣ２の一方の電極は、出力端子５４ｂに接続されている。コンデンサＣ２の他方の電極は、グランド（すなわち、エミッタ２３ｂ）に接続されている。入力端子５４ａには、上述した電圧Ｖ１が印加される。フィルタ回路５４は、電圧Ｖ１から高周波ノイズを除去した電圧Ｖ２を出力端子５４ｂに印加する。すなわち、電圧Ｖ２は、ゲート電圧Ｖｇｅの変化率ｄＶｇｅ／ｄｔに略比例する。

コンパレータ３１は、非反転入力端子と、反転入力端子と、出力端子を有している。非反転入力端子は、フィルタ回路５４の出力端子５４ｂに接続されている。非反転入力端子には、上述した電圧Ｖ２が印加される。反転入力端子には、固定電圧Ｖｔｈ２が印加されている。出力端子は、ＡＮＤ回路４２に接続されている。コンパレータ３１は、電圧Ｖ２と電圧Ｖｔｈ２に応じて、信号ＣＭＰ１をコンパレータ３１の出力端子に印加する。電圧Ｖ２が電圧Ｖｔｈ２よりも高い場合に信号ＣＭＰ１が高電位となり、電圧Ｖ２が電圧Ｖｔｈ２以下の場合に信号ＣＭＰ１が低電位となる。上述したように、電圧Ｖ２は、ゲート電圧Ｖｇｅの変化率ｄＶｇｅ／ｄｔに比例する。したがって、コンパレータ３１の動作は、変化率ｄＶｇｅ／ｄｔが基準値Ｘ（電圧Ｖｔｈ２に相当する固定値）よりも高いか否かを判定しているに等しい。変化率ｄＶｇｅ／ｄｔが基準値Ｘよりも大きい場合に信号ＣＭＰ１が高電位となり、変化率ｄＶｇｅ／ｄｔが基準値Ｘ以下の場合に信号ＣＭＰ１が低電位となる。

コンパレータ３２は、非反転入力端子と、反転入力端子と、出力端子を有している。非反転入力端子は、抵抗Ｒ３を介してセンスエミッタ２３ｃに接続されている。非反転入力端子には、センスエミッタ２３ｃの電圧Ｖｓｅが印加される。反転入力端子には、固定電圧Ｖｔｈ１が印加されている。出力端子は、期間設定回路５６に接続されている。コンパレータ３２は、電圧Ｖｓｅと電圧Ｖｔｈ１に応じて、出力端子の電圧を制御する。電圧Ｖｓｅが電圧Ｖｔｈ１以下の場合には、コンパレータ３２は、出力端子をその内部にてグランドに接続する。電圧Ｖｓｅが電圧Ｖｔｈ１よりも高い場合には、コンパレータ３２は、出力端子をグランドから遮断する。上述したように、ＩＧＢＴ２２がオンすると、コレクタ２３ａからセンスエミッタ２３ｃに電流Ｉｓｅが流れる。センスエミッタ２３ｃに流れる電流Ｉｓｅは、抵抗Ｒ１を介してグランドへ流れる。このため、センスエミッタ２３ｃの電圧Ｖｓｅ（すなわち、抵抗Ｒ１の両端間に生じる電位差）は、電流Ｉｓｅに比例する。また、上述したように、電流ＩｓｅはＩＧＢＴ２２のコレクタ電流Ｉｃに比例する。したがって、コンパレータ３２の動作は、コレクタ電流Ｉｃが基準値Ｉｔｈ（電圧Ｖｔｈ１に相当する固定値）よりも高いか否かを判定しているに等しい。コレクタ電流Ｉｃが基準値Ｉｔｈよりも高い場合に、コンパレータ３２の出力端子がグランドから遮断され、コレクタ電流Ｉｃが基準値Ｉｔｈ以下の場合に、コンパレータ３２の出力端子がグランドに接続される。

期間設定回路５６は、入力端子５６ａと出力端子５６ｂを有している。入力端子５６ａは、コンパレータ３２の出力端子に接続されている。出力端子５６ｂは、ＡＮＤ回路４２に接続されている。期間設定回路５６は、定電圧配線３６、抵抗Ｒ６、コンデンサＣ３、コンパレータ３３、コンパレータ３４、及び、ＡＮＤ回路４１を有している。

定電圧配線３６には、固定電圧Ｖｈが印加されている。抵抗Ｒ６は、定電圧配線３６と入力端子５６ａの間に接続されている。コンデンサＣ３は、入力端子５６ａとグランド（すなわち、エミッタ２３ｂ）の間に接続されている。コンパレータ３２がその出力端子（すなわち、期間設定回路５６の入力端子５６ａ）をグランドに接続していると、入力端子５６ａの電圧がグランド電圧となる。コンパレータ３２が入力端子５６ａをグランドから遮断すると、定電圧配線３６から抵抗Ｒ６を介してコンデンサＣ３に電流が流れる。これによって、コンデンサＣ３が充電され、入力端子５６ａの電圧ＣＭＰ２が徐々に上昇する。この場合、入力端子５６ａの電圧ＣＭＰ２は、定電圧配線３６と同じ電圧Ｖｈまで上昇する。その後、コンパレータ３２が入力端子５６ａをグランドに接続すると、コンデンサＣ３からグランドに電流が流れる。これによって、コンデンサＣ３が放電され、入力端子５６ａの電圧ＣＭＰ２が徐々に低下する。この場合、入力端子５６ａの電圧ＣＭＰ２はグランド電圧まで低下する。このように、入力端子５６ａの電圧ＣＭＰ２は、コンパレータ３２によって制御される。

コンパレータ３３は、非反転入力端子と、反転入力端子と、出力端子を有している。非反転入力端子は、入力端子５６ａに接続されている。非反転入力端子には、電圧ＣＭＰ２が印加される。非反転入力端子には、固定電圧Ｖｔｈ３が印加されている。電圧Ｖｔｈ３は、電圧Ｖｈよりも低い。出力端子は、ＡＮＤ回路４１に接続されている。コンパレータ３３は、電圧ＣＭＰ２と電圧Ｖｔｈ３に応じて、信号ＣＭＰ３をコンパレータ３３の出力端子に印加する。電圧ＣＭＰ２が電圧Ｖｔｈ３よりも高い場合に信号ＣＭＰ３が高電位となり、電圧ＣＭＰ２が電圧Ｖｔｈ３以下の場合に信号ＣＭＰ３が低電位となる。

コンパレータ３４は、非反転入力端子と、反転入力端子と、出力端子を有している。非反転入力端子には、固定電圧Ｖｔｈ４が印加されている。電圧Ｖｔｈ４は、電圧Ｖｔｈ３よりも高く、電圧Ｖｈよりも低い。反転入力端子は、入力端子５６ａに接続されている。反転入力端子には、電圧ＣＭＰ２が印加される。出力端子は、ＡＮＤ回路４１に接続されている。コンパレータ３４は、電圧ＣＭＰ２と電圧Ｖｔｈ４に応じて、信号ＣＭＰ４をコンパレータ３３の出力端子に印加する。電圧ＣＭＰ２が電圧Ｖｔｈ４よりも高い場合に信号ＣＭＰ４が低電位となり、電圧ＣＭＰ２が電圧Ｖｔｈ４以下の場合に信号ＣＭＰ４が高電位となる。

ＡＮＤ回路４１は、第１入力端子と、第２入力端子と、出力端子を有している。第１入力端子は、コンパレータ３３の出力端子に接続されている。第１入力端子には、信号ＣＭＰ３が印加される。第２入力端子は、コンパレータ３４の出力端子に接続されている。第２入力端子には、信号ＣＭＰ４が印加される。出力端子は、期間設定回路５６の出力端子５６ｂに接続されている。ＡＮＤ回路４１は、信号ＣＭＰ３と信号ＣＭＰ４応じて、信号ＡＮＤ１を出力端子５６ｂに印加する。信号ＣＭＰ３と信号ＣＭＰ４が共に高電位の場合に信号ＡＮＤ１が高電位となり、その他の場合に信号ＡＮＤ１が低電位となる。

ＡＮＤ回路４２は、第１入力端子と、第２入力端子と、出力端子を有している。第１入力端子は、コンパレータ３１の出力端子に接続されている。第１入力端子には、信号ＣＭＰ１が印加される。第２入力端子は、期間設定回路５６の出力端子５６ｂに接続されている。第２入力端子には、信号ＡＮＤ１が印加される。ＡＮＤ回路４２の出力端子は、制御回路５０に接続されている。ＡＮＤ回路４２は、信号ＣＭＰ１と信号ＡＮＤ１に応じて、信号ＡＮＤ２を出力端子に印加する。信号ＣＭＰ１と信号ＡＮＤ１が共に高電位の場合に信号ＡＮＤ２が高電位となり、その他の場合に信号ＡＮＤ２が低電位となる。制御回路５０は、信号ＡＮＤ２が高電位となった場合に、ＰＷＭ信号にかかわらずＩＧＢＴ２２のゲート２３ｄを放電させて、ＩＧＢＴ２２を強制的にオフさせる。なお、ＡＮＤ回路４２は、一定の周期で信号ＡＮＤ２を切り換えるか否かの判定を繰り返し実行する。制御回路５０は、複数の判定周期分（例えば、３周期分）の期間に亘って信号ＡＮＤ２が高電位であることを検出した場合に、ＩＧＢＴ２２を強制的にオフさせる。これによって、信号ＡＮＤ２にノイズが重畳した場合における誤動作を防止する。

次に、ゲート制御回路２６の動作について説明する。図３は、通常時（過電流が流れないとき）のＩＧＢＴ２２をオンさせる動作を示している。なお、通常時の動作は、図１に示すように直列に接続されている２つのＩＧＢＴ２２の両方がオフしている状態から、一方のＩＧＢＴ２２をオンさせる動作である。このように、一方のＩＧＢＴ２２をオンさせると、他方のＩＧＢＴ２２に並列に接続されているｐｎダイオード２４がリカバリ電流を生じさせる場合がある。例えば、上アームのＩＧＢＴ２２ａをオンさせる場合には、下アームのｐｎダイオード２４ｂがリカバリ電流を生じさせる場合がある。この場合、リカバリ電流が上アームのＩＧＢＴ２２ａに流れる。また、下アームのＩＧＢＴ２２ｂをオンさせる場合には、上アームのｐｎダイオード２４ａがリカバリ電流を生じさせる場合がある。この場合、リカバリ電流が下アームのＩＧＢＴ２２ｂに流れる。このため、ＩＧＢＴ２２をオンさせるのと略同時に高電流（以下、サージ電流という場合がある）がＩＧＢＴ２２に流れる。ＩＧＢＴ２２に流れるサージ電流は、短時間で減衰する。以下、図３を用いて、サージ電流が流れる場合のゲート制御回路２６の動作について説明する。

図３において、タイミングｔ１よりも前の期間においては、制御回路５０がＩＧＢＴ２２のゲート２３ｄをグランドに接続している。このため、ゲート電圧Ｖｇｅが略０Ｖとなっており、ＩＧＢＴ２２がオフしている（すなわち、コレクタ電流Ｉｃが略０Ａとなっている）。したがって、コンパレータ３２は電圧Ｖｓｅ（すなわち、コレクタ電流Ｉｃ）が電圧Ｖｔｈ１（すなわち、基準値Ｉｔｈ）よりも低いと判定する。このため、コンパレータ３２によって電圧ＣＭＰ２が略０Ｖに制御される。電圧ＣＭＰ２が略０Ｖであるので、コンパレータ３３は電圧ＣＭＰ２が電圧Ｖｔｈ３よりも低いと判定する。したがって、信号ＣＭＰ３が低電位となる。また、電圧ＣＭＰ２が略０Ｖであるので、コンパレータ３４は電圧ＣＭＰ２が電圧Ｖｔｈ４よりも低いと判定する。したがって、信号ＣＭＰ４が高電位となる。信号ＣＭＰ３が低電位なので、信号ＡＮＤ１も低電位となる。信号ＡＮＤ１が低電位なので、信号ＡＮＤ２も低電位となる。

タイミングｔ１において、ＰＷＭ信号に基づいて、制御回路５０がゲート２３ｄの充電を開始する。すなわち、制御回路５０からゲート２３ｄに電流（すなわち、電荷）が供給され、ゲート２３ｄが徐々に充電される。ここでは、ゲート２３ｄとエミッタ２３ｂの間の容量が充電される。このため、タイミングｔ１の直後（タイミングｔ１とタイミングｔ２の間の期間）に、ゲート電圧Ｖｇｅが徐々に上昇する。ゲート電圧Ｖｇｅが上昇しているので、この期間ではゲート電圧Ｖｇｅの変化率（上昇率）ｄＶｇｅ／ｄｔが大きくなる。上述した基準値Ｘ（変化率ｄＶｇｅ／ｄｔに対する基準値）は、正常にＩＧＢＴ２２がオンするときのゲート電圧の上昇率よりも低い値に設定されている。したがって、この期間では、コンパレータ３１が、電圧Ｖ２（すなわち、上昇率ｄＶｇｅ／ｄｔ）が電圧Ｖｔｈ２（すなわち、基準値Ｘ）よりも高いと判定する。このため、タイミングｔ１の直後に、信号ＣＭＰ１が高電位となる。タイミングｔ１の直後の期間では、まだ、ＩＧＢＴ２２にコレクタ電流Ｉｃ及び電流Ｉｓｅは流れない。したがって、信号ＣＭＰ２、ＣＭＰ３、ＣＭＰ４、ＡＮＤ１及びＡＮＤ２はタイミングｔ１において変化しない。

タイミングｔ２において、ゲート電圧Ｖｇｅがミラー電圧Ｖｍに達する。すると、ＩＧＢＴ２２にコレクタ電流Ｉｃが流れ始める。ｐｎダイオード２４のリカバリ電流の影響によって、タイミングｔ２の直後にＩＧＢＴ２２にサージ電流が流れる。このため、タイミングｔ２の直後に、コレクタ電流Ｉｃが急激に増加する。また、コレクタ電流Ｉｃが流れ始めると、ＩＧＢＴ２２のコレクタ２３ａとエミッタ２３ｂの間の電圧Ｖｃｅが徐々に小さくなる。すると、コレクタ２３ａとゲート２３ｄの間の容量が充電されるようになり、ゲート２３ｄとエミッタ２３ｂの間の容量が充電されなくなる。このため、タイミングｔ２以降に、ゲート電圧Ｖｇｅがミラー電圧Ｖｍで略一定に維持される。タイミングｔ２からタイミングｔ６までの期間Ｔｍはミラー期間である。ミラー期間Ｔｍの間は、ゲート電圧Ｖｇｅがミラー電圧Ｖｍに維持される。また、ミラー期間Ｔｍの間は、ゲート電圧Ｖｇｅの上昇率ｄＶｇｅ／ｄｔが、略ゼロであり、基準値Ｘよりも小さい。したがって、ミラー期間Ｔｍの間は、信号ＣＭＰ１が低電位となる。

上述したように、タイミングｔ２の直後にコレクタ電流Ｉｃが急増する。タイミングｔ２の後のタイミングｔ３において、コレクタ電流Ｉｃが基準値Ｉｔｈを超える。すると、コンパレータ３２が、電圧Ｖｓｅ（すなわち、コレクタ電流Ｉｃ）が電圧Ｖｔｈ１（すなわち、基準値Ｉｔｈ）より高いと判定する。このため、コンパレータ３２は、その出力端子（すなわち、期間設定回路５６の入力端子５６ａ）をグランドから遮断する。このため、定電圧配線３６から抵抗Ｒ６を介してコンデンサＣ３に電流が流れる。このため、タイミングｔ３以降に、電圧ＣＭＰ２が徐々に上昇する。電圧ＣＭＰ２は、ミラー期間Ｔｍの間に徐々に上昇する。

タイミングｔ４において、電圧ＣＭＰ２が電圧Ｖｔｈ３を超える。すると、コンパレータ３３が、信号ＣＭＰ３を低電位から高電位に切り換える。すると、信号ＣＭＰ３と信号ＣＭＰ４が共に高電位となるので、ＡＮＤ回路４１が信号ＡＮＤ１を低電位から高電位に切り換える。タイミングｔ４はミラー期間Ｔｍ内のタイミングであるので、タイミングｔ４においては信号ＣＭＰ１が低電位となっている。このため、信号ＡＮＤ１が高電位となっても、ＡＮＤ回路４２は信号ＡＮＤ２を低電位に維持する。

コレクタ電流Ｉｃは、ミラー期間Ｔｍ内でピーク値Ｉｐに達し、その後、急速に低下する。コレクタ電流Ｉｃは、安定値まで低下し、その後は、緩やかに上昇する。

電圧ＣＭＰ２は、ミラー期間Ｔｍ内のタイミングｔ５において、電圧Ｖｔｈ４を超える。すると、コンパレータ３４が、信号ＣＭＰ４を高電位から低電位に切り換える。すると、ＡＮＤ回路４１が信号ＡＮＤ１を高電位から低電位に切り換える。

その後のタイミングｔ６において、コレクタ２３ａとゲート２３ｄの間の容量の充電が完了し、再度、ゲート２３ｄとエミッタ２３ｂの間の容量が充電されるようになる。このため、タイミングｔ６においてミラー期間Ｔｍが終了し、タイミングｔ６以降にゲート電圧Ｖｇｅが上昇する。このため、ゲート電圧Ｖｇｅの上昇率ｄＶｇｅ／ｄｔが高くなり、コンパレータ３１が信号ＣＭＰ１を低電位から高電位に切り換える。信号ＣＭＰ１が高電位となっても、タイミングｔ６においては、信号ＡＮＤ１が低電位であるので、信号ＡＮＤ２が低電位に維持される。

その後のタイミングｔ７においてゲート電圧Ｖｇｅが目標電圧まで達すると、タイミングｔ７以降は制御回路５０がゲート電圧Ｖｇｅを目標電圧に維持する。したがって、タイミングｔ７において、コンパレータ３１は信号ＣＭＰ１を高電位から低電位に切り換える。

以上に説明したように、このゲート制御回路２６では、タイミングｔ２でコレクタ電流Ｉｃが流れ始めると、その後の期間Ｔ１（タイミングｔ４からタイミングｔ５までの期間）において、期間設定回路５６が信号ＡＮＤ１を高電位に維持する。このため、期間Ｔ１において信号ＣＭＰ１が高電位となれば（すなわち、ゲート電圧Ｖｇｅの上昇率ｄＶｇｅ／ｄｔが基準値Ｘよりも高くなれば）、信号ＡＮＤ２が高電位となり、ＩＧＢＴ２２が強制的にオフされる。しかしながら、期間Ｔ１は、ミラー期間Ｔｍ内に設定されている。つまり、通常動作時において、期間Ｔ１がミラー期間Ｔｍ内に含まれるように、電圧Ｖｈ、抵抗Ｒ６の抵抗値、コンデンサＣ３の容量、電圧Ｖｔｈ３及び電圧Ｖｔｈ４が設定されている。このため、通常動作においては、期間Ｔ１の間に信号ＣＭＰ１が高電位となることはない。したがって、図３のように、通常動作においては、信号ＡＮＤ２が低電位に維持され、ＩＧＢＴ２２が強制的にオフされることはない。ゲート制御回路２６は、ＩＧＢＴ２２にサージ電流が流れても、ＩＧＢＴ２２をオフさせない。したがって、ＩＧＢＴ２２の誤動作を防止することができる。

次に、短絡時（過電流時）のゲート制御回路２６の動作について説明する。図１において、直列に接続された２つのＩＧＢＴ２２のうちの一方がオンしている状態において、他方のＩＧＢＴ２２をオンさせると、高電位配線１６と低電位配線１８の間が短絡する。何等かの誤作動等によって、このような短絡が発生する場合がある。短絡が生じると、直列に接続された２つのＩＧＢＴ２２に過電流が流れる。短絡による過電流は、サージ電流とは異なり、自然に減衰することがない。短絡による過電流は、ＩＧＢＴ２２がオンしている間に増加し、ＩＧＢＴ２２に高い負荷がかかる。したがって、短絡が生じた場合には、ＩＧＢＴ２２をできる限り速くオフさせる必要がある。以下、図４を用いて、短絡時のゲート制御回路２６の動作について説明する。

図４のタイミングｔ２までの動作は、図３の動作と等しい。タイミングｔ２でゲート電圧Ｖｇｅがミラー電圧Ｖｍに達すると、コレクタ電流Ｉｃが流れ始める。これにより、高電位配線１６と低電位配線１８の間が短絡する。このため、タイミングｔ２以降にコレクタ電流Ｉｃが急激に上昇する。また、短絡状態においては、高電位配線１６と低電位配線１８の間の電圧が、モータ１４に印加されず、２つのＩＧＢＴ２２に印加される。したがって、コレクタ電流Ｉｃが増加しても、ＩＧＢＴ２２のコレクタ２３ａとエミッタ２３ｂの間の電圧Ｖｃｅが低下しない。このため、ゲート電圧Ｖｇｅがミラー電圧Ｖｍに達したタイミングｔ２以降も、ゲート電圧Ｖｇｅが継続して上昇する。すなわち、短絡時には、ミラー期間が存在しない。このため、タイミングｔ２以降も、信号ＣＭＰ１が高電位に維持される。

その後のタイミングｔ８において、コレクタ電流Ｉｃが基準値Ｉｔｈを超える。このため、コンパレータ３２が、その出力端子（すなわち、期間設定回路５６の入力端子５６ａ）をグランドから遮断する。このため、定電圧配線３６から抵抗Ｒ６を介してコンデンサＣ３に電流が流れる。このため、タイミングｔ８以降に、電圧ＣＭＰ２が徐々に上昇する。

タイミングｔ９において、電圧ＣＭＰ２が電圧Ｖｔｈ３を超える。すると、コンパレータ３３が、信号ＣＭＰ３を低電位から高電位に切り換える。すると、信号ＣＭＰ３と信号ＣＭＰ４が共に高電位となるので、ＡＮＤ回路４１が信号ＡＮＤ１を低電位から高電位に切り換える。すると、信号ＣＭＰ１と信号ＡＮＤ１が共に高電位となるので、ＡＮＤ回路４２が信号ＡＮＤ２を低電位から高電位に切り換える。したがって、制御回路５０が、信号ＡＮＤ２が高電位であることを検出する。上述したように、制御回路５０は、ノイズによる誤動作防止のために、複数の判定周期にわたって信号ＡＮＤ２が高電位になっている場合に、ＩＧＢＴ２２を強制的にオフする。したがって、タイミングｔ９から複数の判定周期が経過したタイミングｔ１０で、制御回路５０が、ＩＧＢＴ２２のゲート２３ｄをグランドに接続し、ゲート２３ｄを放電させる。このため、タイミングｔ１０以降に、ゲート電圧Ｖｇｅが低下し、それに伴ってコレクタ電流Ｉｃが低下する。これによって、ＩＧＢＴ２２が過電流から保護される。

以上に説明したように、このゲート制御回路２６では、短絡時において、コレクタ電流Ｉｃが流れ始めたタイミングｔ２から短時間で、ゲート２３ｄの放電を開始することができる。このため、短絡時に流れる過電流を抑制することができる。従来技術のように、通常時のオン動作に必要な期間（すなわち、図３のタイミングｔ１からタイミングｔ７までの期間）が経過するのを待機していると、短絡時に、待機時間の間にコレクタ電流Ｉｃが極めて大きい値まで増加し、ＩＧＢＴに高い負荷が加わる。実施例のゲート制御回路２６では、短絡時に、通常時のオン動作に必要な期間の経過を待つことなくゲート２３ｄを放電するので、コレクタ電流Ｉｃの増加を抑制することができる。特に、実施例のゲート制御回路２６では、通常時のミラー期間Ｔｍの最後のタイミングｔ６よりも早いタイミングで、短絡時にゲート２３ｄの放電を開始することができる。したがって、短絡時にコレクタ電流Ｉｃの増加をより抑制することができる。したがって、実施例のゲート制御回路２６によれば、ＩＧＢＴ２２を過電流から好適に保護することができる。

実施例の構成要素と請求項の構成要素との関係について説明する。実施例の制御回路５０は、請求項の制御回路の一例である。実施例の微分回路５２、フィルタ回路５４及びコンパレータ３１は、請求項のゲート電圧上昇率検出回路の一例である。実施例の抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及びコンパレータ３２は、請求項の電流検出回路の一例である。実施例の期間Ｔ１は、請求項の一定期間の一例である。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０：インバータ回路
１４：モータ
１６：高電位配線
１８：低電位配線
１９：中間配線
２２：ＩＧＢＴ
２３ａ：コレクタ
２３ｂ：エミッタ
２３ｃ：センスエミッタ
２３ｄ：ゲート
２４：ｐｎダイオード
２６：ゲート制御回路
３１−３４：コンパレータ
３６：定電圧配線
４１−４２：ＡＮＤ回路
５０：制御回路
５２：微分回路
５４：フィルタ回路
５６：期間設定回路

Claims

ＩＧＢＴを過電流から保護する保護回路であって、
前記ＩＧＢＴのゲートを充放電する制御回路と、
前記ゲートが充電されているときに前記ＩＧＢＴのゲート電圧の上昇率を検出するゲート電圧上昇率検出回路と、
前記ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出回路、
を有し、
前記電流が第１基準値を超えたタイミングの後の一定期間内に前記上昇率が第２基準値を超えている場合に、前記制御回路が前記ゲートを放電する、
保護回路。