JPH0479759A - 電圧駆動形半導体素子の駆動回路 - Google Patents

電圧駆動形半導体素子の駆動回路

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JPH0479759A
JPH0479759A JP2191058A JP19105890A JPH0479759A JP H0479759 A JPH0479759 A JP H0479759A JP 2191058 A JP2191058 A JP 2191058A JP 19105890 A JP19105890 A JP 19105890A JP H0479759 A JPH0479759 A JP H0479759A
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広志 三木
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清明 笹川
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
この発明はIGBT、MOSFETなどの電圧駆動形半
導体素子の駆動回路に関し、特にインバータなどの電力
変換装置において短絡事故などによって生じる過電流か
らこれらの素子を保護する過電流保護機能を持つ駆動回
路に関する。 なお以下各図において同一の符号は同一もしくは相当部
分を示す。
【従来の技術】
以下電圧駆動形半導体素子としてI GBTを例にとり
説明を行う。 第8図はこの種の過電流保護回路の基本動作の説明図で
、同図(A)は電力変換装置における短絡事故時の模擬
回路を示し、同図(B)はこの時のTGBT素子の電圧
、電流波形を示す。 同図(A)においてEdは直流電源(電圧)、QlはI
GBT、fは配線インダクタンス 1はIGBTQIに
対するゲート駆動回路である。また同図(B)において
VCEはIGBTQIのコレクタ・エミッタ間電圧、I
CはQlの主回路端子(つまりコレクタ、エミッタ)間
を流れるコレクタ電流、VGEは同しくQlのゲート・
エミッタ間電圧(つまりゲート駆動回路1の出力電圧)
である。 図示のように短絡期間(即ち第8図(B)の時点to−
t1間)中はIC;BTQIにほぼ直流回路電圧Edが
印加された状態で短絡電流Tcが流れる。この短絡電流
1cば素子Q1の直流定格電流の4〜5倍(高耐圧の素
子では10倍程度)にも達する。従って、短絡期間中に
素子Q1に印加される瞬時電力は極めて大きく、短絡発
生後、短時間(10μsec程度)でゲートをオフする
ことにより、過電流を遮断する必要がある。このため、
過電流保護機能をゲート駆動回路に内蔵していた。 第7図は過電流保護機能を持つ従来のゲート駆動回路の
構成例を示す。同図においてQlは主スイツチング素子
のIGBT、PH1は図外の制御回路からの駆動信号V
lll+を絶縁するためのフォトカプラ、Vl及び■2
はそれぞれオンゲート電圧印加用電圧源とオフゲート電
圧印加用電圧源である。 次にこの第7図の通常の動作を説明する。駆動信号VD
RによってフォトカプラPH1がオンするとトランジス
タTlがオフし、この結果、トランジスタT2がオン、
同T3がオフとなって、IGBTQIのゲート・エミッ
タ間にはゲート抵抗R,を介してオンゲート電圧■1が
印加される。 この際、トランジスタTllはオフとなることがら、抵
抗R11,ツェナダイオードZDIを介し、トランジス
タT4にベース電流が流れようとするが、コンデンサC
Iを設けることによってトランジスタT4が動作するタ
イミングを遅らせている。■G B T Qlのゲート
・エミッタ間に前記のようにオン電圧が与えられるとQ
lはオンし、Qlのコレクタ・エミッタ間電圧はオン電
圧(VCE(。1とする)まで低下し、同時にコンデン
サCIの正側端子(つまりツェナダイオードZDIのカ
ソード端子)はダイオードD1を介してIGBTQIの
オン時のコレクタ電位側に引き落される。第7図ではこ
のとき、 Vzo+ +VB!+r4) >V2 +VcE+on
+ +Vpu+u但し、Vzn+  :ツェナダイオー
ドZDIのツェナ電圧、 VIE(T41 : l・ランジスタT4のVBE、V
F(DI)  :ダイオードDIの順方向電圧、となる
ように部品を選定しておくことによりIG B T Q
lのオン状態ではトランジスタT4をオフに保っている
。 次に、駆動信号■。の消滅によってフォトカプラPH1
がオフになると、トランジスタT1がオンし、これによ
りトランジスタT2がオフ、同T3がオンとなってIG
BTQIのゲート・エミッタ間にはゲート抵抗R0を介
してオフゲート電圧■2か印加されQlはオフとなる。 このときトランジスタTllのオンによりコンデンサC
Iの電荷を放電して次のターンオン動作に備えている。 さてIGBTQIのオン期間中に短絡事故が発生した場
合にはQlのコレクタ・エミッタ間電圧の増大に伴い、 V2DI   +VIIE(丁4)<V2  +Vcc
 (on++Vzn1)となり、トランジスタT4が導
通し、I GBTQlのゲート・エミッタ間にオフゲー
ト電圧V2を印加してQlをオフし過電流を遮断する。 この際、IGBTQI のゲート・エミッタ間電圧VG
Eは第8図(B)の時点L1以鋒の実線波形のように、
通常のターンオフ動作時とは異なり、コンデンサC2の
電圧に依存して時間の経過とともに徐々に低下する。こ
の結果、コレクタ電流ICの減少速度も小さくなり、電
流遮断時の■。Eの跳ね上がり電圧■CEPを抑制でき
る。なお第811F (B)中の破線は通常のオフゲー
ト電圧■2を印加して過電流を遮断した場合の動作波形
を示す。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら第7図のゲート駆動回路における過電流保
護には以下のような問題があった。 ■、ターンオン確認タイマ(コンデンサC1による遅れ
)があるため、第8図(B)に示したように過電流が流
れた場合にもこのタイマコンデンサC1がチャージアッ
プするまでの間(時点1−t、までの期間)、IGBT
QIのゲート電圧VIは低下しない。1.=1.以鋒、
ゲート電圧VGEが低下し遮断動作に入る。 一方、前記ターンオン確認タイマの時間は次のような条
件を満たす必要がある。即ち第9図はインバータ回路に
おけるIGETのターンオン動作の説明図であり、同図
(A)はインバータの主回路の構成例を、同図(B)は
IGBTのターンオン時の動作波形をそれぞれ示す。な
お同図(A)においてCOは直流電源Edを構成する平
滑コンデンサ、Ql(Q11〜Q16)は3相ブリツジ
インバータを構成するIGBT、DO(DOI〜D06
)はそれぞれ各IGBTQII〜Q16と並列接続され
たフリーホイリングダイオードである。 この第9図(B)に示すようにIGBTQIのターンオ
ン時、そのコレクタ・エミッタ間電圧■、は直列アーム
のフリーホイリングダイオードDOの逆回復に伴い急激
に低下し、最終的に飽和電圧となる。この際、図示のよ
うに電圧の降下の割合が低電圧になるほど緩やかになる
ため、時点tll〜t12までのターンオン時間は比較
的長くなる。従って前述のターンオン確認タイマ時間も
比較的長くしておく必要がある。従って従来のゲート駆
動回路では、過電流保護動作時、必要以上にI GBT
素子にストレスが加わっていた。 ■、また第9図(A)に示したI GBTインバータの
構成において短絡事故時の過電流保護動作時にもう1つ
問題がある。第10図はこの問題を説明するだめの図で
、同図(A)はIGBTQIの制御回路側の基本的な構
成と各動作信号との関係を示し、同図(B)は制御回路
からゲート駆動回路に与えられる駆動信号VD、lのパ
ルス幅が広い場合のI GBTの動作波形を、同[11
(C)は同じく駆動信号■DRのパルス幅が狭い場合の
動作波形をそれぞれ示す。 即ち、第10図(A)のPWM制御回路2からゲート駆
動回路1に与えられる駆動信号VDI+のパル“ス幅お
よび短絡事故発生のタイミングによって、ゲート電圧■
。、をゆっくり降下させる、いわゆるソフト遮断が機能
しないことがある。ここで第10図(B)のように駆動
信号VD11のパルス幅が広(、短絡発生後、過電流を
遮断しきるまで(T、1期間)、信号が無くならない場
合にはソフト遮断が機能し、I GBT素子Q1を安全
にオフさせることがでる。 これに対し同図(C)のように、T、I期間中に駆動信
号■□が無くなった場合には、ゲート電圧V0、が通常
のターンオフと同様に急激に変化し、ソフト遮断が機能
しない。このように、 1)駆動信号VDI+のパルス幅が狭い場合、ii)素
子短絡直後に素子にオフ信号が入力された場合、 にはソフト遮断が機能せず、IGBT素子Q素子室1に
ターンオフでないことがあった。 そこで本発明はこの問題を解消できる電圧駆動形半導体
素子の駆動回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために第1発明の回路は、「少な
くとも制御回路からの駆動信号(VDRなど)によって
オン、オフされるフォトカプラ(PH1など)と、ベー
スが互に接続された1対の出力トランジスタ(T2.T
3など)とを備え、前記フォトカプラの出力信号を用い
て、(トランジスタT1などと)前記出力トランジスタ
を介し電圧駆動形半導体素子(IGBTなど)の制御端
子(ゲートなど)と第1の主端子(エミッタなど)との
間にオン、オフの制御電圧(ゲート1圧VLV2など)
を与え、前記電圧駆動形半導体素子の前記第1の主端子
と第2の主端子(コレクタなと)との間をそれぞれオン
、オフさせる電圧駆動形半導体素子の駆動回路において
、 抵抗とツェナダイオードとの直列接続から成り、一端が
前記第2の主端子に接続され、かつ前記第1および第2
の主端子間の電圧が所定(ti(vthlなど)以上と
なったとき通流する直列回路(抵抗R5,R6、ツェナ
ダイオードZDIなど)と、前記電圧駆動形半導体素子
をオンすべき前記フォトカプラの出力信号の出力後、(
トランジスタT11.抵抗R11,コンデンサ01など
を介し)所定時間を経て該出力信号および前記直列回路
の通流電流の両者の存在を検出する検出手段(駆動信号
有無判別用トランジスタT5.端子電圧検出用トランジ
スタT4など)と、 一端が前記出力トランジスタのベースにダイオード(D
2など)を介して結合され、前記検出手段の検出の間、
時間の経過と共に自身の電圧を徐々に降下させ、この電
圧降下と共に前記電圧駆動形半導体素子をオフ側に導び
く可変電圧源(コンデンサ02など)とを備えたJもの
とし、また第2発明の回路は、前記第1発明の「電圧駆
動形半導体素子の駆動回路において、さらに前記電圧駆
動形半導体素子の制御端子と前記可変電圧源とを結合し
、該半導体素子の過電圧時の変位電流を導通させる極性
に設けられた変位電流バイパス用ダイオード(D4など
)を備えた」ものとし、 また第3発明の回路は、前記第1発明のr電圧駆動形半
導体素子の駆動回路において、さらに前記可変電圧源の
電圧降下によってオン状態に導びかれ、前記電圧駆動形
半導体素子の前記制御端子と第1の主端子との間を該半
導体素子の過電圧時の変位電流をバイパスし得るように
短絡する変位電流バイパス用トランジスタ(T6など)
を備えたjものとし、 また第4発明の回路は、前記第1ないし第3発明のr電
圧駆動形半導体素子の駆動回路において、さらに前記検
出手段の検出に基づいて以後、前記フォトカプラの出力
信号を、前記電圧駆動形半導体素子をオンすべき信号に
固定する手段(フォトカブラ出力固定用トランジスタT
7など)を備えたjものとし、 また第5発明の回路は、前記第1ないし第3発明の「電
圧動形半導体素子の駆動回路において、さらに前記検出
手段の検出に基づいて以後、所定期間のみ、前記フォト
カプラの出力信号を、前記電圧駆動形半導体素子をオン
すべき信号に固定する手段(フォトカプラ出力、固定用
トランジスタT7.コンデンサC3,抵抗R8,ダイオ
ードD5など)を備えた」ものとする。
【作 用】
電圧駆動形半導体素子の出力端子(IGBTの場合はコ
レクタ)に抵抗とツェナダイオードとの直列回路の一端
を接続し、この直列回路を流れる電流の有無によって素
子に過大な順電圧降下が生しているか否かを判別し、タ
ーンオン確認タイマ時間経過後における駆動信号VDR
の存在情報と合わせて過電流を検知する構成とする。ま
た、過電流検知回路に流れる電流を検出し、駆動信号V
DHの変化を受付けないようにする。 従って前記ツェナダイオードの電圧はゲート駆動回路の
電源電圧に無関係に決められることから、検出レベルを
高く設定でき、過電流検知に要する時間(ターンオン確
認タイマ時間)を短くでき、短絡期間中に素子が消費す
るエネルギを低減できる。 また、過電流検知回路の動作時には駆動信号■DRの変
化を受付けないようにしたことから、駆動信号VDII
のパルス幅や短絡事故の発生タイミングによらず、I 
GBT素子を過電流から安全に保護できる。
【実施例】
第1図は第1発明の実施例を示す回路図で、第7図に対
応するものである。通常のスイッチング時の動作は従来
例の第7図と同様にフォトカブラPH1の信号を受けた
トランジスタT1と、これにつながるトランジスタT2
.T3によって行われる。 第7図との違いは、IGBTQIの端子電圧(コレクタ
・エミッタ電圧)検出用のトランジスタT4と、図外の
制御回路からの駆動信号■。Rの有無の判別用トランジ
スタT5とを別々に設け、これらトランジスタT4.T
5を直列に接続してコンデンサC2の電荷を抵抗R2を
介して放電するように可変電圧源100を構成している
点である。 さらに、IGBTQIの端子電圧の検出は抵抗R5、R
6とツェナダイオードZDIを直列に接続したものを素
子Q1の出力端子(コレクタ端子)に接続し、抵抗R5
を流れる電流でトランジスタT4を導通させる構成とし
ている。これにより、素子Q1の端子電圧の検出レベル
を高くでき、ターンオン確認タイマ時間を短くすること
ができる。 例えば、第9図(B)のターンオン波形で従来の検出レ
ベル■いの場合には、1>1.□の時点で■り 。、≦Vthとなることからターンオン確認タイル時間
はt+z以上でなければならない。他方、本第1発明で
は、ゲート駆動回路の電源電圧に関わらず検出レベルを
任意に設定できる。仮に第9図(B)のように検出レベ
ルを■い1とすると、ターンオン確認タイマ時間はtl
+よりやや大きければ良いことになる。 このような素子Q1のターンオンの過程では直列アーム
のフリーホイリングダイオードが逆回復するまでは直流
短絡状態であり、短絡事故が生じた場合の電流の挙動も
1 = 1 、、までは通常のターンオン時と同様であ
る。従って、t′、tl、で過電流を検知し、保護動作
に入れば、ターンオン時でも過電流を抑制して安全に素
子Q1を遮断することができる。 第1図の回路の過電流保護動作は以下のようになる。フ
ォトカプラPH1はオンしており、トランジスタTLT
IIがオフ、T2がオン、T3がオフで、素子Q1のゲ
ート・エミッタ間にはゲート抵抗R,を介してオンゲー
ト電圧■1が印加されている。ここでトランジスタTl
lがオフのため、駆動信号有無判別用のトランジスタT
5には抵抗R11からベース電流が流れようとするが、
IGBTQIのコレクタ・エミッタ間電圧VCEが低い
ため、抵抗R5には電流が流れず、端子電圧検出用トラ
ンジスタT4はオフ状態となっている。従って、トラン
ジスタT5にもベース電流は流れず、可変電圧源100
となるコンデンサC2の放電は生じない。 この状態で過電流が生じると、IGBT素子Q1のコレ
クタ・エミッタ間電圧VCEが増大する。 このため、抵抗R6−ツェナダイオードZD1ダイオー
ドD3−抵抗R5−オフゲート電圧電源V2を介して電
流が流れ、トランジスタT4が導通する。二〇T4の導
通に伴いトランジスタT5も導通し、コンデンサC2の
放電が始まる。この結果、従来の第7図と同様にIGB
TQIのゲート・エミッタ間電圧■、は時間の経過と共
に徐々に低下し、過電流を安全に遮断することができる
。 この場合、前述のようにターンオン確認タイマ時間を短
くすることができるので短絡期間中における素子Q1の
消費エネルギを低減でき、素子保護の信転性を高められ
る。 第2図は第2発明の実施例を示すもので、第1図の構成
に加え、さらに可変電圧100を構成するコンデンサC
2とIGBTQIのゲートGを変位電流バイパス用のダ
イオードD4で接続している。 このことにより、素子Q1のコレクタ・エミッタ間電圧
■。Eの上昇に伴い素子Q1の接合容量(図示していな
い)を介して流れ込む電流による素子Q1のゲート電圧
VGEの上昇(従ってゲート抵抗RGによる電圧降下の
増大)を防止し、素子Q1のターンオフを早める効果が
ある。 第3図は第3発明の実施例を示すもので、第1図の構成
に加え、さらに可変電圧源100を構成するコンデンサ
C2の電圧の下降によってオンする変位電流バイパス用
のPNP l−ランジスタT6を設けている。これによ
り過電流保護動作時、このT6によってIGBT素子Q
1のゲート・エミッタ回路を短絡し、前記変位電流によ
る素子Q1のゲート電圧■。、の上昇を抑制する。 第4図は第4発明の実施例を示すもので、第1図のコン
デンサC2の放電経路に抵抗R7を挿入し、これに流れ
る電流で過電流保護動作を検知してフォトカプラ出力固
定用のトランジスタT7を動作させ、フォトカプラPH
1の出力を短絡して駆動信号vn++によらず保護回路
が機能する構成としている。 第5図は第5発明の実施例を示すもので、第4図で示し
たトランジスタT7のコレクタ回路に直列にコンデンサ
C3を追加して、過電流保護動作を検知後、一定期間だ
け駆動信号VDRを受付けないようにしたもので、保護
回路が動作する度に電源リセットを行わなくてよいとい
う特長がある。 また、トランジスタT7と並列に設けられたダイオード
D5と抵抗R8との直列回路は、フォトカプラPH1が
オンした際にコンデンサC3に蓄積されていた電荷を放
電するための回路である。 第6図は第4図の別の実施例でありフォトカプラPH2
の発光ダイオードPDをコンデンサC2の放電経路に挿
入し、このフォトカプラPH2の出力トランジスタPT
でフォトカブラPH1の出力を短絡して、駆動信号VD
Rによらず保護回路が機能する構成としている。
【発明の効果】
本発明によれば、抵抗とツェナダイオードとを直列に接
続しで、その一端を電圧駆動形半導体素子の出力端子(
コレクタ)に接続し、この直列回路を流れる電流と制御
回路からゲート駆動回路に与えられる駆動信号の有無と
から過電流の発生を検知する構成としたため、必要最小
限の時間で前記素子の短絡を検知できるようになり、短
絡期間中に前記素子が消費するエネルギを低減できる。 また、過電流保護動作を検知後、駆動信号を受付けない
ように構成したので、駆動信号のパルス幅や短絡発生の
タイミングによらず安全に前記素子を保護できる。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第5図はそれぞれ第1ないし第5発明の実
施例としての回路図、 第6図は第4発明における第4図と異なる実施例を示す
回路図、 第7図は第1図ないし第6図に対応する従来の回路図、 第8図は過電流保護回路の基本動作の説明図、第9図は
インバータの主回路構成とIGBTターンオン時の動作
波形を示す図、 第1O図はI GBTインバータにおける短絡事故時の
過電流保護動作の説明図である。 Ql:IGBT、VDR:駆動信号、P HL P H
2:フォトカブラ、T1〜T7.’ru: トランジス
タ(T2.T3  :出力トランジスタ、T4 :端子
電圧検出用トランジスタ、T54駆動信号有無判別用ト
ランジスタ、T6 :変位電流バイパス用トランジスタ
、T7 :フォトカプラ出力固定用トランジスタ)、Z
Dl :ツエナダイオード、D2〜D5:ダイオード(
D4 :変位電流バイパス用ダイオード)、R1−R3
,R5−R8,R11:抵抗、RG:ゲート抵抗、01
〜C3:コンデンサ、100:可変電圧源、■1 :オ
ンゲート電圧(源)、■2:オフゲート電圧(源)。 (A) (B) 浄9図 ↑ t=Q 六 オ 図 (B) (C) 第10図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)少なくとも制御回路からの駆動信号によってオン、
    オフされるフォトカプラと、ベースが互に接続された1
    対の出力トランジスタとを備え、前記フォトカプラの出
    力信号を用いて、前記出力トランジスタを介し電圧駆動
    形半導体素子の制御端子と第1の主端子との間にオン、
    オフの制御電圧を与え、前記電圧駆動形半導体素子の前
    記第1の主端子と第2の主端子との間をそれぞれオン、
    オフさせる電圧駆動形半導体素子の駆動回路において、
    抵抗とツェナダイオードとの直列接続から成り、一端が
    前記第2の主端子に接続され、かつ前記第1および第2
    の主端子間の電圧が所定値以上となったとき通流する直
    列回路と、前記電圧駆動形半導体素子をオンすべき前記
    フォトカプラの出力信号の出力後、所定時間を経て該出
    力信号および前記直列回路の通流電流の両者の存在を検
    出する検出手段と、 一端が前記出力トランジスタのベースにダイオードを介
    して結合され、前記検出手段の検出の間、時間の経過と
    共に自身の電圧を徐々に降下させ、この電圧降下と共に
    前記電圧駆動形半導体素子をオフ側に導く可変電圧源と
    を備えたことを特徴とする電圧駆動形半導体素子の駆動
    回路。 2)特許請求の範囲第1項に記載の電圧駆動形半導体素
    子の駆動回路において、さらに前記電圧駆動形半導体素
    子の制御端子と前記可変電圧源とを結合し、該半導体素
    子の過電圧時の変位電流を導通させる極性に設けられた
    変位電流バイパス用ダイオードを備えたことを特徴とす
    る電圧駆動形半導体素子の駆動回路。 3)特許請求の範囲第1項に記載の電圧駆動形半導体素
    子の駆動回路において、さらに前記可変電圧源の電圧降
    下によってオン状態に導びかれ、前記電圧駆動形半導体
    素子の前記制御端子と第1の主端子との間を該半導体素
    子の過電圧時の変位電流をバイパスし得るように短絡す
    る変位電流バイパス用トランジスタを備えたことを特徴
    とする電圧駆動形半導体素子の駆動回路。 4)特許請求の範囲第1項ないし第3項に記載の電圧駆
    動形半導体素子の駆動回路において、さらに前記検出手
    段の検出に基づいて以後、前記フォトカプラの出力信号
    を、前記電圧駆動形半導体素子をオンすべき信号に固定
    する手段を備えたことを特徴とする電圧駆動形半導体素
    子の駆動回路。 5)特許請求の範囲第1項ないし第3項に記載の電圧駆
    動形半導体素子の駆動回路において、さらに前記検出手
    段の検出に基づいて以後、所定期間のみ、前記フォトカ
    プラの出力信号を、前記電圧駆動形半導体素子をオンす
    べき信号に固定する手段を備えたことを特徴とする電圧
    駆動形半導体素子の駆動回路。
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