JPH0590928A - スイツチング素子のゲート制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、スイッチング素子のゲート遮断時
に発生するサージ電圧を低く抑えることできて、スイッ
チング素子の破損防止に寄与できるようにしている。 【構成】 最初は第１の補助スイッチング素子３３をオ
ンさせ、第２の補助スイッチング素子３４のオフしてゲ
ート電圧を非飽和領域動作用電圧に設定し、電流検出手
段による検出結果を異常判定基準値と比較し、その検出
結果が異常判定基準値以下であるときには、第１の補助
スイッチング素子３３をオフしてゲート電圧を飽和領域
動作用電圧に設定し、前記検出結果が異常判定基準値を
上回ったときには飽和領域動作用電圧の設定を禁止する
ようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＭＯＳＦＥＴ等の電圧
制御形のスイッチング素子の保護を図るように改良した
スイッチング素子のゲート制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＭＯＳＦＥＴ等の電圧制御形
のスイッチング素子においては、例えば電動機駆動のた
めのインバータに使用されているものがある。これを図
５に示している。整流回路１および平滑コンデンサ２に
よって交流電力を整流平滑して直流化する。その直流出
力はインバータ３に与えられ、インバータ３は直流電圧
を交流電圧に変換して電動機４を駆動する。

【０００３】インバータ３はＭＯＳＦＥＴ等の電圧制御
形のスイッチング素子５Ｕ，５Ｖ，５Ｗおよび５Ｘ，５
Ｗ，５Ｚをブリッジ接続して構成されている。インバー
タ３には過電流検出器６が設けられている。上記各スイ
ッチング素子は駆動回路７により駆動制御されるように
なっており、この駆動回路７は制御回路８により制御さ
れる。

【０００４】今、図６において、スイッチング素子の一
つ（便宜上符号「５」を付している）分の駆動回路につ
いて述べる。ゲートドライブ電源９の負側は、スイッチ
ング素子５のソース側に直列接続されたダイオード１０
のカソードに接続されている。また上記電源９の正側は
抵抗１１を介してスイッチング素子５のゲートに接続さ
れている。

【０００５】スイッチング素子５のゲートとダイオード
１０のカソードとの間にＮＰＮトランジスタから成る補
助スイッチング素子１２が接続され、補助スイッチング
素子１２がオフしたときにスイッチング素子５がオンと
なり、補助スイッチング素子１２がオンすると、スイッ
チング素子５のゲート・ソース間にダイオード１０の順
方向ドロップ分が逆バイアスされ、スイッチング素子５
はオフするようになっている。上記補助スイッチング素
子１２のオン・オフは制御回路８からの信号により、フ
ォトカプラ１３をオン・オフ制御することで行なわれ
る。

【０００６】インバータ３の各スイッチング素子が適宜
オン・オフされることで電動機４が駆動されるが、この
場合に、スイッチング素子５Ｕが破損してドレイン・ソ
ース間が短絡していたとすると、スイッチング素子５Ｘ
がオンしたとき、前記平滑コンデンサ２より過大な短絡
電流が前記スイッチング素子５Ｕ短絡部からスイッチン
グ素子５Ｘに流れる。この過電流は過電流検出器６によ
り検出され、その過電流検出器６からの検出信号が制御
回路８に与えられ、制御回路８は各スイッチング素子の
ゲート信号を遮断する。

【０００７】この時、スイッチング素子５Ｘのドレイン
・ソース間に大きなサージ電圧が発生し、スイッチング
素子５Ｘが破損する。この対策として、サージ電圧抑制
のために、スナバダイオード、スナバコンデンサ、スナ
バコンデンサ放電抵抗から成るスナバ回路を接続してい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】通常のインバータ運転
時のスイッチング素子オフ時に発生するサージ電圧に比
して、上述した短絡電流の遮断時に発生するサージ電圧
は非常に大きい。従って、スイッチング素子保護の点か
ら、スナバ回路を大形化しなければならず、不経済であ
った。またインバータ主回路構成が複雑になる不具合も
あった。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、スイッチング素子のゲート遮断時に
発生するサージ電圧を低く抑えることできて、スイッチ
ング素子の破損防止に寄与できるスイッチング素子のゲ
ート制御装置を提供するところにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のスイッチング素
子のゲート制御装置は、ＭＯＳＦＥＴ等の電圧制御形の
スイッチング素子の動作を制御するものにおいて、前記
スイッチング素子の通電電流を検出する電流検出手段
と、ゲート電圧を切り替えるゲート電圧切り替え手段
と、最初のゲート電圧を非飽和領域動作用電圧に設定し
て前記電流検出手段による検出結果を異常判定基準値と
比較する比較手段と、前記検出結果が異常判定基準値以
下であるときにはゲート電圧を飽和領域動作用電圧に設
定し前記検出結果が異常判定基準値を上回ったときには
飽和領域動作用電圧の設定を禁止するゲート電圧制御手
段とを含んで構成される。

【００１１】

【作用】ゲート電圧を最初非飽和領域動作用電圧に設定
して、スイッチング素子を駆動すれば、ドレイン・ソー
ス間電流は、ゲート電圧を飽和領域動作用電圧に設定し
た場合に比して、小さくなる。この場合、スイッチング
素子に短絡電流のような過電流が流れていたとしても、
その電流は、ゲート電圧を飽和領域動作用電圧に設定し
ていた場合よりも小さい。このようなスイッチング素子
の通電電流は電流検出手段にて検出され、この検出結果
は基準値と比較される。

【００１２】検出結果が異常判定基準値以下であるとき
には、過電流が流れていないと判定でき、この場合、ゲ
ート電圧を飽和領域動作用電圧に設定する。この後スイ
ッチング素子のゲートを遮断したときに大きなサージ電
圧が発生することはない。また、前記検出結果が異常判
定基準値を上回ったときには、過電流が流れていると判
定でき、この場合、飽和領域動作用電圧の設定を禁止す
る。従って、通電電流は、過電流であるにしても非飽和
動作領域に応じた通電電流がベースとなっているからさ
ほど大きくない。従ってこの後スイッチング素子のゲー
トが遮断されても、大きなサージ電圧が発生することは
ない。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき図１ないし図
４を参照しながら説明する。図２にはインバータの主回
路構成を示している。インバータ２１には、整流回路２
２および平滑コンデンサ２３により直流電圧が与えられ
る。インバータ２１は直流電圧を交流電圧に変換して電
動機２４を駆動する。

【００１４】インバータ２１はＭＯＳＦＥＴ等の電圧制
御形のスイッチング素子２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗおよび
２５Ｘ，２５Ｗ，２５Ｚをブリッジ接続して構成されて
いる。インバータ主回路２１には電流検出手段としての
電流検出器２６が設けられている。上記各スイッチング
素子はゲート駆動回路２７により駆動制御されるように
なっており、このゲート駆動回路２７は制御回路２８に
より制御される。

【００１５】図１には、スイッチング素子２５Ｕ，２５
Ｖ，２５Ｗ、２５Ｘ，２５Ｗ，２５Ｚのうちの一つ（こ
れを便宜上スイッチング素子２５と称する）分のゲート
駆動回路を示している。ゲートドライブ電源２９の負側
は、スイッチング素子２５のソース側に直列接続された
ダイオード３０のカソードに接続されている。また上記
電源２９の正側はゲート抵抗３１を介してスイッチング
素子２５のゲートに接続されている。

【００１６】上記スイッチング素子２５のゲートとダイ
オード３０のカソードとの間には分圧抵抗３２とＮＰＮ
トランジスタから成る第１の補助スイッチング素子３３
とが直列に接続され、この分圧抵抗３２と補助スイッチ
ング素子３３との直列回路に第２の補助スイッチング素
子３４が接続されている。上記ゲート抵抗３１と、分圧
抵抗３２と、補助スイッチング素子３３，３４とで、ゲ
ート電圧切り替え手段としての切替回路３５が構成され
ている。上記補助スイッチング素子３４のオン・オフは
制御回路２８からの信号により、フォトカプラ３６をオ
ン・オフ制御することで行なわれる。

【００１７】なお、図３にはパワーＭＯＳＦＥＴの出力
特性を示している。この図は、パワーＭＯＳＦＥＴのゲ
ート電圧（Ｖ_GS）をパラメーターにしてドレイン・ソー
ス間電圧Ｖ_DSとドレイン電流Ｉ_D との関係をあらわして
いる。即ち、ゲート電圧Ｖ_GSの変化に対応してドレイン
電流Ｉ_D も変化するので、この特性を利用してゲート電
圧を最初低く印加し、この時のパワーＭＯＳＦＥＴの通
電電流換言すればドレイン電流Ｉ_D は低く、たとえ、過
電流発生状況であってもゲート遮断時のサージ電圧は低
く抑えられる。

【００１８】上記制御回路２８は、例えばマイクロコン
ピュータを有して構成されており、比較手段およびゲー
ト電圧制御手段として機能するものである。以下、その
機能を含めて、作用を説明する。

【００１９】制御回路２８は、運転開始入力によりフォ
トカプラ３６にオフ指令信号を与えると共に第１の補助
スイッチング素子３３にオン指令信号を与える。これに
てフォトカプラ３６はオフし、これによって補助スイッ
チング素子３４がオフする。これにて、スイッチング素
子２５のゲートにはゲート抵抗３１と分圧抵抗３２とで
決定される分圧電圧がゲート電圧に設定されて与えられ
る。この分圧電圧は非飽和動作領域用電圧に設定されて
いる。この結果、スイッチング素子２５は非飽和動作領
域で動作する。

【００２０】このとき、スイッチング素子２５の通電電
流は主回路電流をもって電流検出器２６によって検出さ
れており、その検出結果は制御回路２８に与えられる。
制御回路２８はその検出結果を異常判定基準値と比較す
る。この基準値は、この非飽和領域での通電電流が正常
が過電流かを判定できるような値に予め設定されてい
る。

【００２１】制御回路２８は、前記検出結果が異常判定
基準値以下であるときには、即ち、過電流発生状況でな
いことが判定されたときには、第１の補助スイッチング
素子３３をオフし、スイッチング素子２５のゲート電圧
を上昇させて飽和領域動作用電圧に設定する。これによ
りスイッチング素子２５は飽和領域で動作する。

【００２２】このような過電流の発生がない状況で、こ
の後、第２の補助スイッチング素子２５がオンされてス
イッチング素子２５のゲートが遮断されても、大きなサ
ージ電圧が発生することはない。

【００２３】一方、最初にスイッチング素子２５を非飽
和領域で動作させたときに、制御回路２８において、前
記電流検出結果が異常判定基準値を上回っているときに
は、即ち、過電流発生状況であることが判定されたとき
には、第１の補助スイッチング素子３３はオンしたまま
とする。換言すれば、ゲート電圧を飽和領域用電圧に設
定することはしない。なお、この時の通電電流は、過電
流であるにしても非飽和動作領域に応じた通電電流がベ
ースとなっているからさほど大きくない。

【００２４】従って、第２の補助スイッチング素子３４
をオフしてスイッチング素子２５のゲートを遮断したと
き、スイッチング素子２５の通電電流はさほど大きくな
いので、大きなサージ電圧が発生することはない。

【００２５】図４には回路の各部波形を示している。同
図から理解されるように、ゲート電圧Ｖ_GSを非飽和領域
動作用電圧とした場合に、過電流が発生していたとして
も、通電電流（ドレイン電流Ｉ_D ）はさほど高くならな
い。従って、第１の補助スイッチング素子３４をオフし
てゲートを遮断してもサージ電圧（符号Ｖ_E で示す）は
大きくならない。

【００２６】なお、上記実施例では、本発明をインバー
タに用いるスイッチング素子について適用したが、他の
スイッチング素子全般に広く適用できるものであり、要
旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できるもので
ある。

【００２７】

【発明の効果】本発明は以上の説明から明らかなよう
に、最初のゲート電圧を非飽和領域動作用電圧に設定し
て電流検出手段による検出結果を異常判定基準値と比較
し、前記検出結果が異常判定基準値以下であるときには
ゲート電圧を飽和領域動作用電圧に設定し前記検出結果
が異常判定基準値を上回ったときには飽和領域動作用電
圧の設定を禁止する構成としたから、スイッチング素子
のゲート遮断時に発生するサージ電圧を低く抑えること
できて、スイッチング素子の破損防止に寄与でき、また
スナバ回路の小形化にも寄与できる、という優れた効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すゲート駆動回路の電気
回路図

【図２】インバータ装置を示す電気回路図

【図３】パワーＭＯＳＦＥＴの出力特性を示す図

【図４】各部の動作状況を示す図

【図５】従来例を示すインバータ装置を示す電気回路図

【図６】駆動回路の電気回路図

【符号の説明】

２１はインバータ、２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗ，２５Ｘ，
２５Ｗ，２５Ｚはスイッチング素子、２６は電流検出器
（電流検出手段）、２７はゲート駆動回路、２８は制御
回路（比較手段、ゲート電圧制御手段）、３１はゲート
抵抗、３２は分圧抵抗、３３は第１の補助スイッチング
素子、３４は第２の補助スイッチング素子、３５は切替
回路（ゲート電圧切り替え手段）を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＭＯＳＦＥＴ等の電圧制御形のスイッチ
   ング素子の動作を制御するものにおいて、前記スイッチ
   ング素子の通電電流を検出する電流検出手段と、ゲート
   電圧を切り替えるゲート電圧切り替え手段と、最初のゲ
   ート電圧を非飽和領域動作用電圧に設定して前記電流検
   出手段による検出結果を異常判定基準値と比較する比較
   手段と、前記検出結果が異常判定基準値以下であるとき
   にはゲート電圧を飽和領域動作用電圧に設定し前記検出
   結果が異常判定基準値を上回ったときには飽和領域動作
   用電圧の設定を禁止するゲート電圧制御手段とを具備し
   て成るスイッチング素子のゲート制御装置。