JPH09246932A - 絶縁ゲ−ト形バイポ−ラトランジスタの駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】直流短絡による過電流が生じた際に直列接続さ
れるＩＧＢＴを過電流検出状態として過電流保護するＩ
ＧＢＴの駆動回路を提供するものである。 【解決手段】直列接続されるＩＧＢＴに各々配設される
過電流保護機能を有するＩＧＢＴの駆動回路において、
ＩＧＢＴの駆動回路の相互に過電流検出信号を送受する
信号送受回路を設けて成るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電動機駆動
を行うインバータ装置等の電力変換機器に用いられるス
イッチング素子である絶縁絶縁ゲ−ト形バイポ−ラトラ
ンジスタのゲート駆動を行う絶縁ゲ−ト形バイポ−ラト
ランジスタの駆動回路に、関するものである。

【０００２】

【従来の技術】絶縁絶縁ゲ−ト形バイポ−ラトランジス
タ（Insulated Gate BipolarTransistor、以下ＩＧＢＴ
と称する）は、電圧駆動形電力用半導体素子として低ド
ライブパワ−，高速動作，大容量の利点をもち、近年、
電力変換機器のスイッチング素子の主流となっている。

【０００３】図４はＩＧＢＴのゲート駆動を行う駆動回
路の例を示し、１はＩＧＢＴ、２はゲ−ト駆動回路、３
はゲ−ト抵抗である。ＩＧＢＴにおいて、Ｃはコレク
タ，Ｅはエミッタ，Ｇはゲ−トである。ここに、ゲ−ト
駆動回路２は直流電源21，22と駆動器23とコンプリメン
タリ接続されたトランジスタ24，25とよりなる。また、
ゲ−ト抵抗３は充電電流を制限するために設けられるも
のである。すなわち、ゲ−ト駆動回路２は制御入力信号
Ｓｉ（HighロジックでＩＧＢＴ１オン）を受けて駆動器
23が動作する。ＩＧＢＴ１をオンするときにはトランジ
スタ24をオンして、ＩＧＢＴ１のゲ−トＧをエミッタＥ
に対し正電位となるよう直流電源22によって充電する。
ＩＧＢＴ１のオフの際にはトランジスタ25をオンさせ、
ゲ−トＧをエミッタＥに対し負電位となるよう直流電源
21により充電する。これらの充電時間は一般に数 100ns
という高速で行われ、ＩＧＢＴのターンオン，ターンオ
フ動作は約１μｓ程度で完了する。原理的には、ＩＧＢ
Ｔのオフの際にはＧＥ間電圧を放電することで良いが、
オフ時の誤動作防止のため、ゲ−ト電位を負にすること
が行われる。

【０００４】図５は過電流状態検出機能を有する駆動回
路の例を示し、４はゲ−ト駆動回路である。ここに、ゲ
−ト駆動回路４は直流電源41，42と駆動器43とトランジ
スタ44，45と過電流状態検知回路46とインタ−フェイス
回路 471とゲ−トしゃ断回路 472 とよりなる。すなわ
ちゲ−ト駆動回路４は、図４に示されるゲ−ト駆動回路
２に、遅延回路461とアンド回路 462よりなる過電流状
態検知回路46，インタ−フェイス回路471およびゲ−ト
しゃ断回路 472 が加えられてなる。これを、各部波形
を示す図６を用いて説明する。図６においては、（ａ）
は制御入力信号Ｓｉ、（ｂ）はＩＧＢＴ１の電流、
（ｃ）はＩＧＢＴ１のＣＥ間電圧、（ｄ）はアンド回路
462出力、（ｅ）はゲ−ト駆動回路４出力である。な
お、過電流状態検知回路46における過電流状態検出は、
ＩＧＢＴ１に電流が流れた際にＣＥ間に飽和電圧が生
じ、過電流が流れることによってその飽和電圧が大きく
なることを、利用して行われる。

【０００５】さて、図５および図６において、制御入力
信号Ｓｉがオン（ａ）となっているとき、何らかの理由
でＩＧＢＴ１に過電流が流れると、ＩＧＢＴ１のＣＥ間
電圧が上昇してくる（ｃ）。この電圧はアンド回路 462
の入力となり、ここで時刻Ｔ1 にてアンド回路 462入力
のしきい値を越えると、アンド回路 462出力が出される
（ｄ）。そのアンド回路 462出力が過電流状態検出信号
となる。そして、インタ−フェイス回路 471はその過電
流状態検出信号を得て、制御入力信号Ｓｉを無効とし、
ゲートしゃ断回路 472 を動作させる。すると、ゲート
しゃ断回路 472 によって決定する緩やかなオフ信号が
駆動器43に与えられ、トランジスタ44，45のベース電圧
を緩やかに低下させる。その結果、ゲート駆動回路４出
力は緩やかに下降する波形（ｅ）となる。

【０００６】ここで、ＩＧＢＴのＧＥ間電圧に対するＣ
Ｅ電流の特性、いわゆる電流伝達特性を示すと、図７の
如くである。すなわち、ＩＧＢＴに流れる電流は、ＧＥ
間電圧によって一義的に決定されることがわかる。した
がって、ＩＧＢＴ１に流れていた過電流は図６（ｅ）に
示すように、緩やかにＧＥ間電圧を減衰させることによ
って、電流を緩やかにしゃ断する（ソフトしゃ断と称す
る）動作が可能となる。また、遅延回路 461は、通常の
オン動作時に過電流検出が誤動作しないよう設けられる
ものである。通常動作においては、制御回路からのオン
信号入力に対してゲート駆動回路やＩＧＢＴの動作遅れ
によって、オン信号が入力されているにもかかわらず、
ＩＧＢＴのＣＥ間電圧が低下しない期間を生じる。これ
は動作上やむを得ないことであるが、結果的に、前述の
過電流状態と同条件となる。この状態を過電流と判断す
るのは誤りであるから、これを避けるために、オン信号
入力の立ち上がりに対して、数μｓ程度の遅れをもたせ
るものである。

【０００７】つぎに、ＩＧＢＴおよびその過電流状態検
出機能を有する駆動回路を、インバータ装置に適用した
場合について、図８を用いて説明する。図８において、
５は直流電源、６は配線インダクタンス、７ab，７cdは
素子直列回路、８ａ〜８ｄはゲ−ト駆動回路、９は負荷
回路である。ここに、素子直列回路７abはＩＧＢＴ７
ａ，ＩＧＢＴ７ｂより直列体をなし、素子直列回路７cd
はＩＧＢＴ７ｃ，ＩＧＢＴ７ｄより直列体をなし、これ
らの素子直列回路７ab，７cdからインバ−タ部を構成し
ている。また、ＩＧＢＴ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに図５
に示した如きゲ−ト駆動回路８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが
それぞれ接続されている。すなわち、インバ−タ装置は
直流電源５，配線インダクタンス６，前述のインバ−タ
部および負荷回路９の接続構成をなし、また、ゲ−ト駆
動回路８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが図示せぬ制御回路によ
り制御される。通常動作においては、インバ−タ部はＩ
ＧＢＴのＧＥ間をゲ−ト駆動回路により高速に正負に充
電することによってＩＧＢＴをオンオフし、負荷回路９
に交流を供給することが行われる。

【０００８】さらに、直流短絡が発生した場合の過電流
状態およびその保護方法は、つぎの如くである。例えば
ＩＧＢＴ７ａがオンしているとき、制御入力信号の誤入
力により、ＩＧＢＴ７ｂのゲ−ト駆動回路８ｂにオン信
号が入力されると、ＩＧＢＴ７ｂ→直流電源５→配線イ
ンダクタンス６→ＩＧＢＴ７ａ→ＩＧＢＴ７ｂの経路で
短絡電流が流れる。これは、配線インダクタンス６とい
う極めて小さいインピーダンスを介して直流電圧を短絡
するので、電流が短時間に極めて大きくなる。この過電
流を流し続けていると素子内部の損失が大きくなり、最
終的には、素子の破壊を招くので電流をしゃ断する必要
が生じる。

【０００９】ここで、仮に通常動作の高速しゃ断（ハー
ドしゃ断と称する）を行った場合、短絡電流の経路には
配線インダクタンスが存在するので、電流がしゃ断され
ることによって、配線インダクタンスに蓄積されたエネ
ルギーによる過電圧がＩＧＢＴに印加されることにな
る。この過電圧は配線インダクタンスに流れる電流の
（ｄｉ／ｄｔ）により決定されるので、電流が大きく、
電流しゃ断動作が速いほど大きくなる。ＩＧＢＴの場
合、この直流短絡による過電流が素子定格電流の１０倍
にも及び、ＩＧＢＴが高速であるが故に、ハードしゃ断
動作で直流短絡による過電流をしゃ断すると、過電圧が
素子耐圧を越えて素子を破壊に至らしめる結果となる。
これに対し、過電流検出回路を具備した駆動回路におい
ては、過電流状態を検知し、その電流をしゃ断する際に
はソフトしゃ断動作が行われて電流が緩やかにしゃ断さ
れる。無論、配線インダクタンスに流れている過電流も
緩慢にしゃ断されるので、ＩＧＢＴに印加される過電圧
を抑制することができ、素子破壊に至ること無く過電流
保護動作を行うことが可能となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、駆動回路の
制御入力信号の誤入力は、一般に上位の制御回路のノイ
ズ等による誤動作で発生することが多く、その場合、時
間的には非常に短いμｓオ−ダ−のものとなる。ここ
で、直流短絡を起こす制御入力信号の誤入力幅が時間的
に短いと、つぎのような問題を生じる。これを、図９に
図８の各部波形を示して説明する。図９においては、
（ａ）はゲート駆動回路８ａの制御入力信号、（ｂ）は
ゲート駆動回路８ｂの制御入力信号、（ｃ）はＩＧＢＴ
７ａのＧＥ間電圧、（ｄ）はＩＧＢＴ７ｂのＧＥ間電
圧、（ｅ）はＩＧＢＴ７ａ，ＩＧＢＴ７ｂの電流であ
る。ここで、定常的にオンしていたＩＧＢＴ７ａのゲー
ト駆動回路８ａは遅延回路が機能しないので、先に過電
流状態検出回路が動作（時刻Ｔ1 ）してソフトしゃ断動
作になる。しかし、誤入力によるオン信号が入ったゲー
ト駆動回路８ｂは、内部の遅延回路の働きによって、過
電流状態を検出するのが僅かに遅れる。この過電流状態
を検出できない期間に、誤入力によるオン信号が消滅し
オフ状態になると（時刻Ｔ2 ）、ゲート駆動回路８ｂは
直ちにしゃ断状態に入り、ソフトしゃ断でなくハードし
ゃ断動作となる。このとき、ソフトしゃ断動作に入った
ＩＧＢＴ７ａにより電流が減少しきっていない場合、ハ
ードしゃ断動作となったＩＧＢＴ７ｂが過大な電流を高
速にしゃ断することとなり、配線インダクタンスによる
ＩＧＢＴのＣＥ間電圧が過大となって、ＩＧＢＴを破壊
に至らしめる。

【００１１】しかして本発明の目的とするところは、直
流短絡による過電流が生じた際に直列接続されるＩＧＢ
Ｔを速やかに過電流検出状態として過電流保護動作を行
い得るＩＧＢＴの駆動回路を、提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上述したような
点に鑑みなされたものであって、つぎの如くに構成した
ものである。すなわち、第１に、直列接続されるＩＧＢ
ＴのＧＥ間に各々配設されてゲート駆動を行う過電流状
態検出機能を有するＩＧＢＴの駆動回路において、ＩＧ
ＢＴの駆動回路の相互に過電流検出信号を送受する信号
送受回路を設けて成るものである。第２に、ＩＧＢＴの
コレクタ電圧を検出してその過電流状態を得るようにし
たものである。

【００１３】かかかる解決手段により、制御回路の誤動
作により直流短絡による過電流を生じた際には、直列接
続されたＩＧＢＴを速やかに過電流検出状態としかつソ
フトしゃ断動作を行い得るものとなって、その誤動作に
よる制御回路のオン信号が時間的に短い場合であって
も、確実に過電流保護動作を行うことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の技術思想の理解を
容易にするため図５に類して示したものであって、４’
はゲ−ト駆動回路である。ゲ−ト駆動回路４’は直流電
源41’，42’と駆動器43’とトランジスタ44’，45’と
過電流状態検知回路46’とインタ−フェイス回路 471’
とゲ−トしゃ断回路 472 ’とオア回路48’と過電流信
号送受回路49’とより、接続構成されている。ここで、
過電流状態検知回路46’は遅延回路 461’およびアンド
回路 462’よりなり、過電流信号送受回路49’は信号入
力回路 491’および信号出力回路 492’よりなる。

【００１５】すなわちゲ−ト駆動回路４’は、図５に示
されるゲ−ト駆動回路４に対して、過電流状態検知回路
46’等が加えられてなることは勿論、オア回路48’にさ
らに対素子のゲート駆動回路との信号送受を行う信号入
力回路 491’および信号出力回路 492を具備してなるも
のである。さらには、かかる接続構成において、過電流
状態検知回路46’によるアンド回路462’出力を一方の
入力とし、過電流信号送受回路49’による信号入力回路
491’出力を他方の入力とするオア回路48’を介し、イ
ンタ−フェイス回路471’とゲ−トしゃ断回路 472 ’
を効用し得るものである。

【００１６】

【実施例】図８および図９に類して示した図２および図
３を参照して、説明する。図２は本発明によるＩＧＢＴ
直列体の駆動回路の一例を示し、１ａ，１ｂはＩＧＢ
Ｔ、３ａ，３ｂはゲ−ト抵抗、４ａ’，４ｂ’はゲ−ト
駆動回路である。すなわち、素子直列回路構成のＩＧＢ
Ｔ１ａ，１ｂのＧＥ間にそれぞれゲ−ト駆動回路４
ａ’，４ｂ’が配設されてなる。また、ゲ−ト駆動回路
４ａ’，４ｂ’においては、過電流信号送受回路49
ａ’，49ｂ’が接続されてなる。

【００１７】図３は図２の各部動作を示すものであっ
て、これを図９と対比すると、図３（ａ）は図９（ａ）
と同様にゲ−ト駆動回路４ａ’の制御入力信号を、図３
（ｂ）は図９（ｂ）と同様にゲ−ト駆動回路４ｂ’の制
御入力信号を、図３（ｃ）は図９（ｃ）と同様にＩＧＢ
Ｔ１ａ’のＧＥ間電圧を、図３（ｄ）はゲ−ト駆動回路
４ａ’における過電流信号送受回路49ａ’の信号出力回
路 492ａ’出力を、図３（ｅ）は図９（ｄ）と同様にＩ
ＧＢＴ１ｂ’のＧＥ間電圧を、図３（ｆ）は図９（ｅ）
と同様にＩＧＢＴ１ａ’，ＩＧＢＴ１ｂ’のＧＥ間電圧
を、示している。

【００１８】かかる図２および図３を、さらに説明す
る。さて、ＩＧＢＴ１ｂ’のオン（時刻Ｔ1 ）により、
直流短絡発生後ＩＧＢＴ１ａ’のゲ−ト駆動回路４ａ’
は、過電流状態を検知し（時刻Ｔ12）、さらにはソフト
しゃ断動作（ｃ）を行う。このときゲ−ト駆動回路４
ａ’は、過電流状態検知回路46ａ’のアンド回路462
ａ’出力を過電流信号送受回路49ａ’の信号出力回路 4
92ａ’を介して、ＩＧＢＴ１ｂ’のゲ−ト駆動回路４
ｂ’に伝送する（ｄ）。この信号を、ゲ−ト駆動回路４
ｂ’は過電流信号送受回路49ｂ’の信号入力回路 491
ｂ’により受け、さらに、オア回路48ｂ’に与える。こ
のオア回路48ｂ’出力により、ゲ−ト駆動回路４ｂ’
は、直ちにソフトしゃ断動作を開始させる（ｅ）。無
論、一旦ソフトしゃ断状態に入れば、インタ−フェイス
回路 471ｂ’の動作により、直後に制御入力回路がオフ
になったとしても（時刻Ｔ2 ）、ゲ−ト駆動回路４ｂ’
は認知せずソフトしゃ断動作を継続して大電流をハード
しゃ断することはない。かようにして、直列接続された
ＩＧＢＴのターンオンして過電流を流し始めた側の素子
を、高速にソフトしゃ断状態に動作を引き込むことがで
きる。また、ゲ−ト駆動回路４ａ’，４ｂ’各々に過電
流信号送受回路49ａ’，49ｂ’が配されてなり、制御入
力信号の誤入力がゲ−ト駆動回路４ａ’になされた場合
にも、同じ動作が得られることは明かである。

【００１９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ノ
イズ等の誤動作により駆動回路に入力されたオン信号が
極めて短時間であっても、直流短絡による過電流を生じ
た際に、直列接続されたＩＧＢＴを速やかに過電流検出
状態としてソフトしゃ断動作させ確実な過電流保護動作
を行い、外乱に強い駆動回路を実現してひいては電力変
換機器の信頼性が向上された格別な装置を、提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の技術思想の理解を容易にするた
め示した回路図である。

【図２】図２は本発明の一実施例を示す回路図である。

【図３】図３は図２の各部動作を示す波形図である。

【図４】図４は従来例を示す回路図である。

【図５】図５は他の従来例を示す回路図である。

【図６】図６は図５の各部動作を示す波形図である。

【図７】図７はＩＧＢＴの電流伝達特性を示す特性図で
ある。

【図８】図８はインバ−タ装置に適用した場合の従来例
を示す回路図である。

【図９】図９は図８の各部動作を示す波形図である。

【符号の説明】

１ 絶縁ゲ−ト形バイポ−ラトランジスタ（ＩＧ
ＢＴ） ２ ゲ−ト駆動回路 21 直流電源 23 駆動器 24 トランジスタ ３ ゲ−ト抵抗 ４ ゲ−ト駆動回路 ４’ ゲ−ト駆動回路 41’ 直流電源 43’ 駆動器 44’ トランジスタ 46’ 過電流状態検知回路 461’ 遅延回路 462’ アンド回路 471’ インタ−フェイス回路 472’ ゲ−トしゃ断回路 48’ オア回路 49’ 過電流信号送受回路 491’ 信号入力回路 492’ 信号出力回路 ４ａ’ ゲ−ト駆動回路 ５ 直流電源 ６ 配線インダクタンス ７ab 素子直列回路 ７ａ 絶縁ゲ−ト形バイポ−ラトランジスタ（ＩＧ
ＢＴ） ８ａ ゲ−ト駆動回路 ９ 負荷回路 Ｓｉ 制御入力信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｍ 1/096 Ｈ０２Ｍ 1/096 3/00 3/00 Ｓ 7/537 9181−5Ｈ 7/537 Ｅ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直列接続される絶縁ゲ−ト形バイポ−ラ
   トランジスタのゲートエミッタ間に各々配設されてゲー
   ト駆動を行う過電流状態検出機能を有する絶縁ゲ−ト形
   バイポ−ラトランジスタの駆動回路において、前記絶縁
   ゲ−ト形ゲ−ト形バイポ−ラトランジスタの駆動回路の
   相互に過電流検出信号を送受する信号送受回路を設けて
   成る絶縁ゲ−ト形バイポ−ラトランジスタの駆動回路。