JP5115829B2 - スイッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子と、負荷短絡時にスイッチング素子に流れる電流を制限する電流制限回路とを備えたスイッチング装置に関する。

従来、スイッチング素子と、負荷短絡時にスイッチング素子に流れる電流を制限する電流制限回路とを備えたスイッチング装置として、例えば特許文献１に開示されている半導体装置がある。

この半導体装置は、インテリジェントパワーモジュールと、駆動装置とを備えている。インテリジェントパワーモジュールは、ＩＧＢＴと、電流検出部と、過電流制限回路とを有している。駆動装置は、過電流保護回路と、駆動回路とを有している。

過電流制限回路は、電流検出部の出力電圧が所定の動作電圧を超えると、ゲート電圧を所定電圧に低下させ、ＩＧＢＴに流れる電流を制限する。過電流保護回路は、電流検出部の出力電圧が所定の動作電圧を超えると、所定時間経過後にＩＧＢＴをオフする。ここで、過電流制限回路の動作電圧は、過電流保護回路の動作電圧より高く設定されている。

ＩＧＢＴに接続された負荷が短絡すると、ＩＧＢＴのオン時に過大な短絡電流が急激に流れる。過電流制限回路は、電流検出部の出力電圧が動作電圧を超えると、ＩＧＢＴに流れる電流を制限する。過電流保護回路は、電流検出部の出力電圧が動作電圧を超えると、所定時間経過後にＩＧＢＴをオフする。つまり、ＩＧＢＴに流れる電流を制限した上で、その後ＩＧＢＴをオフする。これにより、負荷短絡時においてＩＧＢＴを保護することができる。

特許第３１２５６２２号

前述したように、電流検出部の出力電圧が過電流制限回路の動作電圧を超えると、過電流制限回路は、ＩＧＢＴに流れる電流を制限する。ＩＧＢＴに流れる電流が制限されると、電流検出部の出力電圧が低下する。そして、電流検出部の出力電圧が過電流制限回路の動作電圧以下になると、過電流制限回路は、ＩＧＢＴに流れる電流の制限を解除する。電流の制限が解除されると、ＩＧＢＴに流れる電流が増加し、電流検出部の出力電圧も上昇する。そして、電圧検出部の出力電圧が過電流制限回路の動作電圧を超えると、過電流制限回路は、ＩＧＢＴに流れる電流を再度制限する。このように、過電流保護回路がＩＧＢＴをオフするまでの間、過電流制限回路によって、ＩＧＢＴに流れる電流の制限と制限解除が繰り返される可能性がある。このような状態が発生すると、ＩＧＢＴの損失が増加する。そして、その損失がエネルギー耐量を超えると、過電流保護できず、ＩＧＢＴが破損してしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、負荷短絡時の保護動作において、スイッチング素子に流れる電流の制限と制限解除の繰り返しを抑え、確実に短絡保護できるスイッチング装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するためには、短絡を検出した場合はＩＧＢＴに流れる電流を確実に一定値に保持し、短絡検出が解除されないようにする必要がある。

すなわち、請求項１に記載のスイッチング装置は、スイッチング素子と、スイッチング素子に流れる電流が比較基準である短絡検出閾値を超えると、スイッチング素子に流れる電流を制限する電流制限手段と、スイッチング素子に流れる電流が、短絡検出閾値より小さい比較基準である過電流検出閾値を超える、過電流状態が所定時間継続すると、スイッチング素子をオフする過電流保護手段と、を備えたスイッチング装置において、電流制限手段は、スイッチング素子に流れる電流が短絡検出閾値を超えた後、比較基準である短絡検出閾値から過電流検出閾値に変更し、過電流検出閾値以下になるまで、スイッチング素子に流れる電流を制限することを特徴とする。

この構成によれば、スイッチング素子に流れる電流が短絡検出閾値を超えた後に短絡検出閾値以下になっても、短絡検出閾値より小さい過電流検出閾値以下にならなければ、電流の制限が解除されない。そのため、電流の制限と制限解除の繰り返しを抑え、確実に短絡保護できる。従って、エネルギー耐量を超えることによるスイッチング素子の破損を抑えることができる。

請求項２に記載のスイッチング装置は、電流制限手段は、スイッチング素子に流れる電流を、過電流検出閾値より大きく、かつ、短絡検出閾値より小さい所定値に制限することを特徴とする。この構成によれば、電流の制限が解除されることなく、確実に継続される。そのため、短絡電流によるスイッチング素子の破損を抑えることができる。

請求項３に記載のスイッチング装置は、電流制限手段は、スイッチング素子の制御電圧を固定してスイッチング素子に流れる電流を制限することを特徴とする。この構成によれば、スイッチング素子に流れる電流を確実に制限することができる。

請求項４に記載のスイッチング装置は、車両に搭載され、電力を変換する電力変換装置に用いられることを特徴とする。この構成によれば、車両に搭載される電力変換装置において、上下アーム短絡時の保護動作において、スイッチング素子に流れる電流の制限と制限解除の繰り返しを抑えることができる。そのため、エネルギー耐量を超えることによるスイッチング素子の破損を抑えることができる。

本実施形態におけるスイッチング装置の回路図である。 負荷短絡時におけるＩＧＢＴのコレクタ電流波形及びゲート電圧波形である。 過電流時におけるＩＧＢＴのコレクタ電流波形である。 本実施形態を適用したインバータ装置の回路図である。

次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。まず、図１を参照してスイッチング装置の構成について説明する。ここで、図１は、本実施形態におけるスイッチング装置の回路図である。

図１に示すスイッチング装置１は、外部から入力される駆動信号に基づいてスイッチング素子をオン、オフすることで、負荷Ｌ１に流れる電流を制御する装置である。スイッチング装置１は、ＩＧＢＴ１０（スイッチング素子）と、電流検出回路１１と、短絡電流制限回路１２（電流制限手段）と、過電流保護回路１３（過電流保護手段）と、駆動回路１４とを備えている。

ＩＧＢＴ１０は、オン、オフして負荷Ｌ１に流れる電流を制御する素子である。また、負荷短絡時には、負荷Ｌ１に流れる電流を制限する素子でもある。ＩＧＢＴ１０は、コレクタ電流に比例し、コレクタ電流より小さい電流が流れる電流センス端子を備えている。ＩＧＢＴ１０のコレクタは、一端が駆動電源に接続された負荷Ｌ１の他端に接続されている。エミッタは接地されている。また、ゲートは、ゲート抵抗１００を介して駆動回路１４に接続されている。さらに、電流センス端子は、電流検出回路１１に接続されている。

電流検出回路１１は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流を検出するための回路である。具体的には、コレクタ電流に応じた電圧を出力する回路である。電流検出回路１１は、電流センス抵抗１１０によって構成されている。電流センス抵抗１１０の一端はＩＧＢＴ１０の電流センス端子に接続され、他端は接地されている。電流センス抵抗１１０の一端は、短絡電流制限回路１２と過電流保護回路１３に接続されている。

短絡電流制限回路１２は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流に基づいて負荷短絡を検出し、負荷短絡時に、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流を制限する回路である。短絡電流制限回路１２は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が短絡検出閾値を超えたとき、負荷短絡と判断し、コレクタ電流が短絡検出閾値を超えてから、短絡検出閾値より小さい電流制限解除閾値以下になるまで、コレクタ電流を、電流制限解除閾値より大きく、かつ、短絡検出閾値より小さい所定値に制限する。短絡電流制限回路１２は、短絡検出閾値生成回路１２０と、電流制限解除閾値生成回路１２１と、閾値切替え回路１２２と、コンパレータ１２３と、クランプ回路１２４とを備えている。

短絡検出閾値生成回路１２０は、短絡検出閾値を生成する回路である。具体的には、短絡検出閾値を電圧として出力する回路である。ここで、短絡検出閾値は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流に基づいて負荷Ｌ１の短絡を判断するための閾値である。短絡検出閾値生成回路１２０は、直列接続された抵抗１２０ａ、１２０ｂによって構成されている。抵抗１２０ａの一端は回路電源に接続され、抵抗１２０ｂの一端は接地されている。抵抗１２０ａ、１２０ｂの直列接続点は、閾値切替え回路１２２に接続されている。抵抗１２０ａ、１２０ｂによって分圧された回路電源の電圧が短絡検出閾値として出力される。

電流制限解除閾値生成回路１２１は、電流制限解除閾値を生成する回路である。具体的には、電流制限解除閾値を電圧として出力する回路である。ここで、電流制限解除閾値は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流に基づいてコレクタ電流の電流制限が行われた後に電流制限の解除を判断するための閾値である。電流制限解除閾値は、短絡検出閾値より小さい値に設定されている。電流制限解除閾値生成回路１２１は、後述する過電流検出閾値生成回路１３０を兼用して構成されている。

閾値切替え回路１２２は、コンパレータ１２３の出力に基づいて、コンパレータ１２３に対する短絡検出閾値生成回路１２０と電流制限解除閾値生成回路１２１の接続を切替える回路である。つまり、コンパレータ１２３の出力に基づいて、コンパレータ１２３の比較基準となる短絡検出閾値と電流制限解除閾値を切替える回路である。閾値切替え回路１２２は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が短絡検出閾値を超えるまでは、短絡検出閾値生成回路１２０をコンパレータ１２３に接続し、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が短絡検出閾値を超えると、電流制限解除閾値生成回路１２１をコンパレータ１２３に接続する。閾値切替え回路１２２は、スイッチ１２２ａ、１２２ｂによって構成されている。スイッチ１２２ａは、ａ接点のスイッチである。スイッチ１２２ｂは、ｂ接点のスイッチである。スイッチ１２２ａの一端は抵抗１２０ａ、１２０ｂの直列接続点に、他端はコンパレータ１２３にそれぞれ接続されている。また、スイッチ１２２ｂの一端は電流制限解除閾値生成回路１２１に、他端はコンパレータ１２３にそれぞれ接続されている。さらに、スイッチ１２２ａ、１２２ｂの制御端子は、コンパレータ１２３に接続されている。

コンパレータ１２３は、電流検出回路１１の出力電圧を、短絡検出閾値生成回路１２０及び電流制限解除閾値生成回路１２１の出力電圧と比較する素子である。つまり、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流を短絡検出閾値及び電流制限解除閾値と比較する素子である。コンパレータ１２３は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が短絡検出閾値を超えるまでは、電流検出回路１１の出力電圧を短絡検出閾値生成回路１２０の出力電圧と比較し、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が短絡検出閾値を超えると、電流検出回路１１の出力電圧を電流制限解除閾値生成回路１２１の出力電圧と比較する。コンパレータ１２３の非反転入力端子は、電流センス抵抗１１０の一端に接続されている。反転入力端子は、スイッチ１２２ａ、１２２ｂの他端に接続されている。出力端子は、スイッチ１２２ａ、１２２ｂの制御端子とクランプ回路１２４に接続されている。

クランプ回路１２４は、コンパレータ１２３の出力に基づいて、ＩＧＢＴ１０のゲート電圧（制御電圧）を所定のクランプ電圧に固定する回路である。ここで、クランプ電圧は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が、電流制限解除閾値より大きく、かつ、短絡検出閾値より小さくなる電圧に設定されている。クランプ回路１２４の入力端子は、コンパレータ１２３の出力端子に接続されている。また、出力端子は、ゲート抵抗１００の他端に接続されている。

過電流保護回路１３は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流に基づいて過電流を検出し、ＩＧＢＴ１０をオフする回路である。過電流保護回路１３は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が短絡検出閾値より小さい過電流検出閾値を超える状態が所定時間継続すると過電流であると判断し、ＩＧＢＴ１０をオフする。過電流保護回路１３は、過電流検出閾値生成回路１３０と、コンパレータ１３１と、遅延回路１３２と、フェール出力回路１３３とを備えている。

過電流検出閾値生成回路１３０は、過電流検出閾値を生成する回路である。また、前述したように、電流制限解除閾値生成回路１２１として、電流制限解除閾値を生成する回路でもある。具体的には、過電流検出閾値を電圧として出力する回路である。ここで、過電流検出閾値は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流に基づいて過電流を判断するための閾値である。過電流検出閾値は、短絡検出閾値より小さい値に設定されている。過電流検出閾値生成回路１３０は、直列接続された抵抗１３０ａ、１３０ｂによって構成されている。抵抗１３０ａの一端は回路電源に接続され、抵抗１３０ｂの一端は接地されている。抵抗１３０ａ、１３０ｂの直列接続点は、コンパレータ１３１とスイッチ１２２ｂの一端に接続されている。抵抗１３０ａ、１３０ｂによって分圧された回路電源の電圧が過電流検出閾値として出力される。

コンパレータ１３１は、電流検出回路１１の出力電圧を、過電流検出閾値生成回路１３０の出力電圧と比較する素子である。つまり、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流を、過電流検出閾値と比較する素子である。コンパレータ１３１の非反転入力端子は、電流センス抵抗１１０の一端に接続されている。反転入力端子は、抵抗１３０ａ、１３０ｂの直列接続点に接続されている。出力端子は、遅延回路１３２に接続されている。

遅延回路１３２は、コンパレータ１３１の出力に基づいて過電流状態を判断する回路である。遅延回路１３２は、コレクタ１３１の出力のハイレベル状態が所定時間継続すると、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が過電流状態であると判断し、駆動回路１４に対して停止信号を、フェール出力回路１３３に対して報知信号を出力する。遅延回路１３２の入力端子は、コンパレータ１３０の出力端子に接続されている。また、出力端子は、フェール出力回路１３３と駆動回路１４にそれぞれ接続されている。

フェール出力回路１３３は、遅延回路１３２の出力する報知信号に基づいて過電流状態であることを外部に報知する回路である。フェール出力回路１３３の入力端子は、遅延回路１３２の出力端子に接続されている。

駆動回路１４は、外部からの駆動信号に基づいてＩＧＢＴ１０を駆動する回路である。また、遅延回路１３２の出力する停止信号に基づいてＩＧＢＴ１０の駆動を停止させる回路でもある。駆動回路１４の入力端子は、遅延回路１３２の出力端子に接続されている。また、出力端子は、ゲート抵抗１００を介してＩＧＢＴ１０のゲートに接続されている。

次に、図１〜図３を参照してスイッチング装置の動作について説明する。ここで、図２は、負荷短絡時におけるＩＧＢＴのコレクタ電流波形及びゲート電圧波形である。図３は、過電流時におけるＩＧＢＴのコレクタ電流波形である。

図１において、ＩＧＢＴ１０のコレクタに接続された負荷Ｌ１が短絡すると、ＩＧＢＴ１０のオン時に過大に短絡電流が急激に流れる。電流検出回路１１の出力電圧が過電流検出閾値生成回路１３０の出力電圧を超えると、コンパレータ１３１の出力は、ローレベルからハイレベルに変化する。つまり、図２に示すように、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が過電流検出閾値を超えると（ｔ１）、図１に示すコンパレータ１３１の出力が、ローレベルからハイレベルに変化する。

その後、電流検出回路１１の出力電圧が短絡検出閾値生成回路１２０の出力電圧を超えると、コンパレータ１２３の出力が、ローレベルからハイレベルに変化する。つまり、図２に示すように、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が短絡検出閾値を超えると（ｔ２）、図１に示すコンパレータ１２３の出力が、ローレベルからハイレベルに変化する。コンパレータ１２３の出力がハイレベルになると、クランプ回路１２４は、ＩＧＢＴ１０のゲート電圧を所定のクランプ電圧に固定する。その結果、図２に示すように、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が、電流制限解除閾値より大きく、かつ、短絡検出閾値より小さい所定値に制限されることにより、短絡検出が解除されることなく、確実にＩＧＢＴ１０が保護される。

また、図１において、コンパレータ１２３の出力がハイレベルになると、閾値切替え回路１２２は、短絡検出閾値生成回路１２０をコンパレータ１２３から切断し、電流制限解除閾値生成回路１２１をコンパレータ１２３に接続する。つまり、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流の比較基準を、短絡検出閾値から、短絡検出閾値より小さい電流制限解除閾値に変更する。具体的には、過電流検出閾値に変更する。前述したように、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流は、電流制限解除閾値より大きく、かつ、短絡検出閾値より小さい所定値に制限されている。しかも、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流の比較基準は、短絡検出閾値より小さい電流制限解除閾値に変更されている。そのため、コンパレータ１２３の出力が、ハイレベルからローレベルに変化することはない。従って、図２に示すように、クランプ回路１２４によってＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が継続して制限され、従来のように、コレクタ電流の制限と制限解除が繰り返されることはない。

その後、図１において、遅延回路１３２は、コンパレータ１３１の出力のハイレベル状態が所定時間継続すると、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が過電流であると判断し、駆動回路１４に対して停止信号を、フェール出力回路１３３に対して報知信号を出力する。遅延回路１３２が停止信号を出力すると、図２に示すように、駆動回路１４は、ＩＧＢＴ１０の駆動を停止する（ｔ３）。また、遅延回路１３２が報知信号を出力すると、フェール出力回路１３３は、外部に過電流状態を報知する。

一方、図１において、ＩＧＢＴ１０のオン時に過電流が流れると、短絡電流ほど急激ではないが、コレクタ電流が増加する。電流検出回路１１の出力電圧が過電流検出閾値生成回路１３０の出力電圧を超えると、コンパレータ１３１の出力は、ローレベルからハイレベルに変化する。つまり、図３に示すように、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が過電流検出閾値を超えると（ｔ４）、図１に示すコンパレータ１３１の出力がローレベルからハイレベルに変化する。

その後、図１において、遅延回路１３２は、コンパレータ１３１の出力のハイレベル状態が所定時間継続すると、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が過電流状態であると判断し、駆動回路１４に対して停止信号を、フェール出力回路１３３に対して報知信号を出力する。遅延回路１３２が停止信号を出力すると、図３に示すように、駆動回路１４は、ＩＧＢＴ１０の駆動を停止する（ｔ５）。また、遅延回路１３２が報知信号を出力すると、フェール出力回路１３３は、外部に過電流状態を報知する。

なお、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が短絡検出閾値を超える前にＩＧＢＴ１０の駆動が停止するため、負荷短絡時のようにコレクタ電流が制限されることはない。

次に、効果について説明する。本実施形態によれば、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が短絡検出閾値を超えた後に短絡検出閾値以下になっても、短絡検出閾値より小さい電流制限解除閾値以下にならなければ、コレクタ電流の制限が解除されない。そのため、コレクタ電流の制限と制限解除の繰り返しを抑えることができる。従って、エネルギー耐量を超えることによるＩＧＢＴ１０の破損を抑えることができる。

また、本実施形態によれば、過電流検出閾値を電流制限解除閾値として兼用している。そのため、別途、電流制限解除閾値を設ける必要がない。従って、構成を簡素化することができる。

さらに、本実施形態によれば、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流は、電流制限解除閾値より大きく、かつ、短絡検出閾値より小さい所定値に制限される。そのため、コレクタ電流の制限が解除されることなく確実に継続される。従って、短絡電流によるＩＧＢＴ１０の破損を抑えることができる。

加えて、本実施形態によれば、電流を制限する際、クランプ回路１２４によってゲート電圧を所定のクランプ電圧に固定する。クランプ電圧は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流が、電流制限解除閾値より大きく、かつ、短絡検出閾値より小さくなる電圧に設定されている。そのため、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電流を、電流制限解除閾値より大きく、かつ、短絡検出閾値より小さい電流に確実に制限することができる。

なお、本実施形態では、ＩＧＢＴ１０によって、負荷Ｌ１に流れる電流を制御するスイッチング装置の例を挙げているが、回路構成としては、これに限られるものではない。図４に示すように、車両に搭載され、バッテリＢの直流電力を交流電力に変換して交流モータＭに供給するインバータ装置２（電力変換装置）にも適用することができる。インバータ装置２は、ＩＧＢＴ２０〜２４を備えている。ＩＧＢＴ２０、２３、ＩＧＢＴ２１、２４及びＩＧＢＴ２２、２５は、それぞれ直列接続されている。直列接続されたＩＧＢＴ２０、２３、ＩＧＢＴ２１、２４及びＩＧＢＴ２２、２５は、並列接続されている。具体的には、ＩＧＢＴ２３〜２５に対するスイッチング回路に適用することができる。これにより、ＩＧＢＴ２０〜２２（負荷）の短絡時の保護動作において、ＩＧＢＴ２３〜２５に流れるコレクタ電流の制限と制限解除の繰り返しを抑えることができる。

１・・・スイッチング装置、１０・・・ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、１００・・・ゲート抵抗、１１・・・電流検出回路、１１０・・・電流センス抵抗、１２・・・短絡電流制限回路（電流制限手段）、１２０・・・短絡検出閾値生成回路、１２０ａ、１２０ｂ・・・抵抗、１２１・・・電流制限解除閾値生成回路、１２２・・・閾値切替え回路、１２２ａ、１２２ｂ・・・スイッチ、１２３・・・コンパレータ、１２４・・・クランプ回路、１３・・・過電流保護回路（過電流保護手段）、１３０・・・過電流検出閾値生成回路、１３０ａ、１３０ｂ・・・抵抗、１３１・・・コンパレータ、１３２・・・遅延回路、１３３・・・フェール出力回路、１４・・・駆動回路、Ｌ１・・・負荷、２・・・インバータ装置、２０〜２５・・・ＩＧＢＴ、Ｂ・・・バッテリ、Ｍ・・・交流モータ

Claims (4)

1. スイッチング素子と、
   前記スイッチング素子に流れる電流が比較基準である短絡検出閾値を超えると、前記スイッチング素子に流れる電流を制限する電流制限手段と、
   前記スイッチング素子に流れる電流が、前記短絡検出閾値より小さい比較基準である過電流検出閾値を超える、過電流状態が所定時間継続すると、前記スイッチング素子をオフする過電流保護手段と、
   を備えたスイッチング装置において、
   前記電流制限手段は、前記スイッチング素子に流れる電流が前記短絡検出閾値を超えた後、比較基準を前記短絡検出閾値から前記過電流検出閾値に変更し、前記過電流検出閾値以下になるまで、前記スイッチング素子に流れる電流を制限することを特徴とするスイッチング装置。
2. 前記電流制限手段は、前記スイッチング素子に流れる電流を、前記過電流検出閾値より大きく、かつ、前記短絡検出閾値より小さい所定値に制限することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング装置。
3. 前記電流制限手段は、前記スイッチング素子の制御電圧を固定して前記スイッチング素子に流れる電流を制限することを特徴とする請求項２に記載のスイッチング装置。
4. 車両に搭載され、電力を変換する電力変換装置に用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスイッチング装置。

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