(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023009624
(43)【公開日】2023-01-20
(54)【発明の名称】ゲート駆動回路および電力変換装置
(51)【国際特許分類】
H02M 1/08 20060101AFI20230113BHJP
H03K 17/08 20060101ALI20230113BHJP
【ＦＩ】
H02M1/08 A
H03K17/08 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021113061
(22)【出願日】2021-07-07
(71)【出願人】
【識別番号】598076591
【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100075672
【弁理士】
【氏名又は名称】峰 隆司
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100162570
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 早苗
(72)【発明者】
【氏名】瀧本 和靖
(72)【発明者】
【氏名】葛巻 淳彦
(72)【発明者】
【氏名】松下 晃久
(72)【発明者】
【氏名】餅川 宏
【テーマコード（参考）】
5H740
5J055
【Ｆターム（参考）】
5H740BA12
5H740BB09
5H740BC01
5H740BC02
5H740JA01
5H740JB01
5H740KK01
5H740MM01
5J055AX25
5J055AX32
5J055BX16
5J055DX12
(57)【要約】
【課題】 スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減する。
【解決手段】 実施形態によるゲート駆動回路は、スイッチングデバイス１の第１端子と第２端子との間の端子間電圧を検出する電圧検出部７と、電圧検出部７から取得した端子間電圧の検出値を所定時間遅延させて出力する遅延部８と、スイッチングデバイス１をオフするときに、スイッチングデバイス１の制御端子に制御信号を印加する第１オフ用駆動部５および第２オフ用駆動部６と、を備え、第１オフ用駆動部５は、第２オフ用駆動部６よりも高速でスイッチングデバイス１をオフすることができ、遅延部８から出力された遅延後の電圧検出値が所定の閾値を超えたときに動作を停止する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スイッチングデバイスの第１端子と第２端子との間の端子間電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部から取得した前記端子間電圧の検出値を所定時間遅延させて出力する遅延部と、
前記スイッチングデバイスをオフするときに、前記スイッチングデバイスの制御端子に制御信号を印加する第１オフ用駆動部および第２オフ用駆動部と、を備え、
前記第１オフ用駆動部は、前記第２オフ用駆動部よりも高速で前記スイッチングデバイスをオフすることができ、前記遅延部から出力された遅延後の電圧検出値が所定の閾値を超えたときに動作を停止する、ゲート駆動回路。
前記電圧検出部から取得した前記端子間電圧の検出値を所定時間遅延させて出力する遅延部と、
前記スイッチングデバイスをオフするときに、前記スイッチングデバイスの制御端子に制御信号を印加する第１オフ用駆動部および第２オフ用駆動部と、を備え、
前記第１オフ用駆動部は、前記第２オフ用駆動部よりも高速で前記スイッチングデバイスをオフすることができ、前記遅延部から出力された遅延後の電圧検出値が所定の閾値を超えたときに動作を停止する、ゲート駆動回路。
【請求項2】
前記遅延部における遅延時間は、前記スイッチングデバイスのオフ完了時の前記端子間電圧の値を、前記スイッチングデバイスがオフされるときの前記端子間電圧の変化率の最大値で割った値よりも小さい、請求項１記載のゲート駆動回路。
【請求項3】
前記遅延部は、前記スイッチングデバイスの遮断電流を取得し、取得した遮断電流の値に応じて遅延させる時間を調整する、請求項１記載のゲート駆動回路。
【請求項4】
前記端子間電圧を検出する第２電圧検出部と、
前記第２電圧検出部で検出された前記端子間電圧の検出値と、前記スイッチングデバイスの動作を制御する上位制御信号の値とに基づいて、前記スイッチングデバイスの短絡を判定し、前記スイッチングデバイスが短絡していると判定したときに前記第１オフ用駆動部および前記第２オフ用駆動部を停止するとともに強制遮断信号を出力する判定部と、
前記強制遮断信号を受信したときに、前記スイッチングデバイスを遮断する短絡保護用遮断動作部と、を更に備えた請求項１記載のゲート駆動回路。
前記第２電圧検出部で検出された前記端子間電圧の検出値と、前記スイッチングデバイスの動作を制御する上位制御信号の値とに基づいて、前記スイッチングデバイスの短絡を判定し、前記スイッチングデバイスが短絡していると判定したときに前記第１オフ用駆動部および前記第２オフ用駆動部を停止するとともに強制遮断信号を出力する判定部と、
前記強制遮断信号を受信したときに、前記スイッチングデバイスを遮断する短絡保護用遮断動作部と、を更に備えた請求項１記載のゲート駆動回路。
【請求項5】
前記電圧検出部で検出された前記端子間電圧の検出値と、前記スイッチングデバイスの動作を制御する上位制御信号の値とに基づいて、前記スイッチングデバイスの短絡を判定し、前記スイッチングデバイスが短絡していると判定したときに前記第１オフ用駆動部を停止するとともに、前記第２オフ用駆動部に強制遮断信号を出力する判定部を更に備え、
前記第２オフ用駆動部は、前記強制遮断信号を受信したときに前記スイッチングデバイスを遮断する、請求項１記載のゲート駆動回路。
前記第２オフ用駆動部は、前記強制遮断信号を受信したときに前記スイッチングデバイスを遮断する、請求項１記載のゲート駆動回路。
【請求項6】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のゲート駆動回路と、
前記ゲート駆動回路から出力される制御信号により動作を制御される前記スイッチングデバイスと、を備えた電力変換装置。
前記ゲート駆動回路から出力される制御信号により動作を制御される前記スイッチングデバイスと、を備えた電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、ゲート駆動回路および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電力変換装置には、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)やＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)などの電力用スイッチングデバイスが搭載されており、電力用スイッチングデバイスがスイッチング動作を行うことにより、所望の電力変換を行っている。
【0003】
電力用スイッチングデバイスがターンオフする時には、サージ電圧が発生したり、ターンオフ損失が発生したりする。例えば電力用スイッチングデバイスにて発生したサージ電圧が、電力用スイッチングデバイスの耐電圧値を超過すると、電力用スイッチングデバイスが破壊され、電力変換装置の故障の原因となる。一方で、ターンオフ損失が増大すると、電力用スイッチングデバイスの温度が上昇する。その結果、電力用スイッチングデバイスの温度が温度許容値を超過すると、電力用スイッチングデバイスが破壊され、電力変換装置の故障の原因となる。
【0004】
一般的に、電力用スイッチングデバイスにおけるサージ電圧とターンオフ損失とはトレードオフの関係がある。例えば、電力用スイッチングデバイスのターンオフの速度を緩めると、サージ電圧は低減し、ターンオフ損失は増大する。
【0005】
従来、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）などの新材料を適用した電力用スイッチングデバイスを用いることで、電力用スイッチングデバイスのスイッチングスピードを高速化することにより、電力用スイッチングデバイスのターンオフ損失を低減することが提案されている。また、電力用スイッチングデバイスの駆動方法を工夫することにより、ターンオフ損失を低減することも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2017-34770号公報
【特許文献2】特開2015-29378号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
例えばＳｉＣなどの新材料を用いた電力用スイッチングデバイスを搭載した電力変換装置では、各部品の遅延などを考慮すると、ゲート駆動速度の切替が電力用スイッチングデバイスの切替動作に間に合わず、サージ電圧を抑制できない恐れがあった。
【0008】
本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
実施形態によるゲート駆動回路は、スイッチングデバイスの第１端子と第２端子との間の端子間電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部から取得した前記端子間電圧の検出値を所定時間遅延させて出力する遅延部と、前記スイッチングデバイスをオフするときに、前記スイッチングデバイスの制御端子に制御信号を印加する第１オフ用駆動部および第２オフ用駆動部と、を備え、前記第１オフ用駆動部は、前記第２オフ用駆動部よりも高速で前記スイッチングデバイスをオフすることができ、前記遅延部から出力された遅延後の電圧検出値が所定の閾値を超えたときに動作を停止する。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、実施形態のゲート駆動回路および電力変換装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、複数のスイッチングデバイス１と、駆動回路２００と、を備えている。電力変換装置は、例えば、図示しない直流電源（又は直流負荷）と、交流負荷（又は交流電源）ＡＣＬとの間に接続されている。
図１は、第１実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、複数のスイッチングデバイス１と、駆動回路２００と、を備えている。電力変換装置は、例えば、図示しない直流電源（又は直流負荷）と、交流負荷（又は交流電源）ＡＣＬとの間に接続されている。
【0012】
電力変換装置は、例えば、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のレグを備えた三相交流電力変換装置である。各相レグは、高電位側の直流主回路と低電位側の直流主回路との間に接続されている。各相レグは上アームと下アームとを含み、上アームと下アームとの間（交流端）において交流負荷（又は交流電源）ＡＣＬと電気的に接続されている。
【0013】
上アームと下アームとの各々は、スイッチングデバイス１を備える。スイッチングデバイス１は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの電力用スイッチングデバイスであって、駆動回路２００から供給される制御信号により動作を制御される。
駆動回路２００は、上位制御装置から供給されたゲート信号（上位制御信号）、および、複数のスイッチングデバイス１から取得した情報に基づいて、スイッチングデバイス１の動作を制御する。
駆動回路２００は、上位制御装置から供給されたゲート信号（上位制御信号）、および、複数のスイッチングデバイス１から取得した情報に基づいて、スイッチングデバイス１の動作を制御する。
【0014】
図２は、第１実施形態のゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
駆動回路２００は、複数のスイッチングデバイス１の動作を制御する複数のゲート駆動回路２を備えている。図２では、一つのスイッチングデバイス１を制御する一つのゲート駆動回路２の一構成例を概略的に示している。
駆動回路２００は、複数のスイッチングデバイス１の動作を制御する複数のゲート駆動回路２を備えている。図２では、一つのスイッチングデバイス１を制御する一つのゲート駆動回路２の一構成例を概略的に示している。
【0015】
スイッチングデバイス１は例えばＭＯＳＦＥＴである。スイッチングデバイス１は、ゲート端子（制御端子）と、ソース端子（第１端子）と、ドレイン端子（第２端子）と、を備える。上アームのスイッチングデバイス１のソース端子は交流端と電気的に接続され、ドレイン端子は高電位側の直流主回路と電気的に接続されている。下アームのスイッチングデバイス１のソース端子は低電位側の直流主回路と電気的に接続され、ドレイン端子は交流端と電気的に接続されている。スイッチングデバイス１のゲート端子は、ゲート駆動回路２の出力端と電気的に接続されている。スイッチングデバイス１は、ゲート端子に印加されるゲート電圧により、ソース端子とドレイン端子との間が電気的に接続された状態（オン状態）と遮断された状態（オフ状態）とに切り替えられる。
【0016】
なお、スイッチングデバイス１は、他の電力用スイッチングデバイスであってもよい。スイッチングデバイス１として例えばＩＧＢＴを適用する場合には、スイッチングデバイス１は、ゲート端子（制御端子）と、エミッタ端子（第１端子）と、コレクタ（第２端子）とを備え、ゲート端子に印加されるゲート電圧（制御信号）により、エミッタ端子とコレクタ端子との間の電気的接続状態（オン又はオフ）が制御される。
【0017】
ゲート駆動回路２は、オン用駆動部４と、オフ用高速駆動部（第１オフ用駆動部）５と、オフ用低速駆動部（第２オフ用駆動部）６と、電圧検出部７と、遅延部８と、を備えている。
オン用駆動部４は、スイッチングデバイス１のゲート端子に電気的に接続されたオン用抵抗器（図示せず）を備える。オン用駆動部４には、上位制御装置からゲート信号が入力される。オン用駆動部４は、例えばゲート信号がオンである期間に動作するよう構成され、オン用抵抗器を介してスイッチングデバイス１をオンする制御信号（ゲート電圧）をゲート端子に印加する。
オン用駆動部４は、スイッチングデバイス１のゲート端子に電気的に接続されたオン用抵抗器（図示せず）を備える。オン用駆動部４には、上位制御装置からゲート信号が入力される。オン用駆動部４は、例えばゲート信号がオンである期間に動作するよう構成され、オン用抵抗器を介してスイッチングデバイス１をオンする制御信号（ゲート電圧）をゲート端子に印加する。
【0018】
電圧検出部７は、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧（端子間電圧）Ｖｄｓの値を検出し、検出した値を遅延部８へ供給する。なお、電圧検出部７は、ドレインソース間電圧Ｖｄｓに相当する値を出力してもよい。
【0019】
遅延部８は、電圧検出部７から供給された電圧値（若しくは電圧相当値）を、所定時間遅延させてオフ用高速駆動部５へ供給する、遅延部８は、抵抗器１２とコンデンサ１３とによる遅延回路を備え、コンデンサ１３の静電容量Ｃｄと抵抗器１２の抵抗値Ｒｄとの積に応じた時定数分だけ入力値を遅延させることができる。したがって、静電容量Ｃｄと抵抗値Ｒｄとの値を選択することにより、入力値を遅延させる時間を調整することができる。本実施形態では、遅延部８から出力される遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値は、オフ用高速駆動部５の動作状態（動作又は停止）を切り替えるための信号である。
【0020】
オフ用高速駆動部５は、スイッチングデバイス１のゲート端子に電気的に接続された第１オフ用抵抗器（図示せず）を含む。オフ用高速駆動部５には、上位制御装置からゲート信号が入力され、遅延部８から出力された遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値が入力される。オフ用高速駆動部５は、例えばゲート信号がオフである期間に、第１オフ用抵抗器を介してスイッチングデバイス１をオフする制御信号（ゲート電圧）をゲート端子に印加するように構成されている。
【0021】
オフ用高速駆動部５は、遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値が所定の閾値以上となったとき（例えば遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓが立ち上がったとき）に、制御信号をゲート端子に印加する動作を停止するように構成されている。
【0022】
換言すると、オフ用高速駆動部５は、ゲート信号がオフとなってから遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓが立ち上がるまでの期間において、第１オフ用抵抗器を介してスイッチングデバイス１をオフする制御信号をゲート端子に印加する。
【0023】
オフ用低速駆動部６は、スイッチングデバイス１のゲート端子に電気的に接続された第２オフ用抵抗器（図示せず）を含む。オフ用低速駆動部６は、上位制御装置からゲート信号が入力される。オフ用低速駆動部６は、例えばゲート信号がオフである期間に、第２オフ用抵抗器を介してスイッチングデバイス１をオフする制御信号をゲート端子に印加する。なお、第２オフ用抵抗器の抵抗値は、第１オフ用抵抗器の抵抗値よりも大きい。
【0024】
図３は、図２に示すオフ用低速駆動部とオフ用高速駆動部とにおける抵抗値とサージ電圧との関係を概略的に示す図である。
オフ用低速駆動部６の第２オフ用抵抗器の抵抗値は、例えば、オフ用低速駆動部６が、スイッチングデバイス１に生じるピークサージ電圧を許容値未満とできる速度でターンオフ実現するように設定される。オフ用高速駆動部５の第１オフ用抵抗器の抵抗値は、例えば、オフ用高速駆動部５が、オフ用低速駆動部６よりも高速でスイッチングデバイス１をターンオフすることができるように設定されている。
オフ用低速駆動部６の第２オフ用抵抗器の抵抗値は、例えば、オフ用低速駆動部６が、スイッチングデバイス１に生じるピークサージ電圧を許容値未満とできる速度でターンオフ実現するように設定される。オフ用高速駆動部５の第１オフ用抵抗器の抵抗値は、例えば、オフ用高速駆動部５が、オフ用低速駆動部６よりも高速でスイッチングデバイス１をターンオフすることができるように設定されている。
【0025】
このことにより、オフ用低速駆動部６は、スイッチングデバイス１におけるピークサージ電圧を許容値未満に抑えるように動作することが可能となり、オフ用高速駆動部５は、スイッチングデバイス１におけるターンオフ損失を低減するように動作することが可能となる。
【0026】
次に、上記ゲート駆動回路２の動作の一例について説明する。
図４は、第１実施形態において、スイッチングデバイスをターンオフする際のゲート駆動回路の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
ここでは、ゲート駆動回路２に入力されるゲート信号と、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓおよびゲートソース間電圧Ｖｇｓと、ドレイン電流Ｉｄと、電圧検出部７の出力真理値と、遅延部８の出力真理値と、オフ用高速駆動部５の動作状態（動作又は停止）と、オフ用低速駆動部６の動作状態（動作又は停止）との一例を、タイミングチャートで示している。
図４は、第１実施形態において、スイッチングデバイスをターンオフする際のゲート駆動回路の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
ここでは、ゲート駆動回路２に入力されるゲート信号と、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓおよびゲートソース間電圧Ｖｇｓと、ドレイン電流Ｉｄと、電圧検出部７の出力真理値と、遅延部８の出力真理値と、オフ用高速駆動部５の動作状態（動作又は停止）と、オフ用低速駆動部６の動作状態（動作又は停止）との一例を、タイミングチャートで示している。
【0027】
電圧検出部７の出力真理値は、例えば、電圧検出部７の検出値が所定の閾値未満のときに０となり、所定の閾値以上となるときに１となる値である。本実施形態では、スイッチングデバイス１がオンしているときのドレインソース間電圧Ｖｄｓの値を所定の閾値とし、ドレインソース間電圧Ｖｄｓが立ち上がるタイミングで出力真理値が１となるものとする。
【0028】
遅延部８の出力真理値は、遅延部８の出力値が所定の閾値以下のときに０となり、所定の閾値を超えたときに１となる。本実施形態では、スイッチングデバイス１がオンしているときのドレインソース間電圧Ｖｄｓの値を所定の閾値とし、遅延後のドレインソース電圧Ｖｄｓが立ち上がるタイミングで出力真理値が１となるものとする。
【0029】
ゲート信号がオンからオフとなると、オフ用高速駆動部５およびオフ用低速駆動部６が動作状態となり、スイッチングデバイス１のゲートソース間電圧Ｖｇｓが低下し始める。スイッチングデバイス１のゲートソース間電圧Ｖｇｓが所定値まで低下すると、ドレインソース間電圧Ｖｄｓが立ち上がり、ドレイン電流Ｉｄが低下し始める。
ドレインソース間電圧Ｖｄｓが立ち上がるタイミングで、電圧検出部７の出力真理値が０から１に変化し、電圧検出部７から所定の閾値を超えた電圧値が遅延部８に入力される。
ドレインソース間電圧Ｖｄｓが立ち上がるタイミングで、電圧検出部７の出力真理値が０から１に変化し、電圧検出部７から所定の閾値を超えた電圧値が遅延部８に入力される。
【0030】
遅延部８は、電圧検出部７から入力された値を所定時間遅延させて出力する。したがって、遅延部８の出力真理値は、電圧検出部７の出力真理値が立ち上がるタイミングより所定時間遅れて０から１に変化している。
【0031】
遅延部８の出力真理値が１になるタイミングで、遅延部８の出力値が所定の閾値以上となり、オフ用高速駆動部５が動作状態から停止状態となる。すなわち、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓが所定の閾値を超えてから所定の遅延時間が経過したタイミングまでは、オフ用高速駆動部５とオフ用低速駆動部６とによりスイッチングデバイス１のターンオフ動作が制御される。スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓが所定の閾値を超えてから所定の遅延時間が経過したタイミング以降は、オフ用低速駆動部６のみによりスイッチングデバイス１のターンオフ動作が制御される。
【0032】
以上に説明の動作により、スイッチングデバイス１は、ターンオフの初期段階では、オフ用高速駆動部５とオフ用低速駆動部６とにより高速にターンオフするため、ターンオフ損失を低減することができる。一方、オフ用高速駆動部５が停止状態となった後は、オフ用低速駆動部６のみでスイッチングデバイス１をターンオフするため、スイッチングデバイス１におけるサージ電圧を抑制することができる。
【0033】
本実施形態のゲート駆動回路では、ドレインソース間電圧Ｖｄｓの立ち上がりを検出し、立ち上がりが検出されたタイミングを起点として所定時間後にオフ用高速駆動部５を停止状態にさせている。このことにより、例えばＳｉＣなどの材料を用いたスイッチングデバイス１がターンオフする際に、高速動作を行っている途中で遅滞なくオフ用高速駆動部５を停止させ、低速動作に移行することができる。
【0034】
一方で、オフ用高速駆動部５を停止するタイミングが早すぎると、スイッチングデバイス１をターンオフする期間において低速駆動期間が長引くこととなり、ターンオフ損失が増大する可能性がある。遅延部８における遅延時間を適切な時間に設定し、オフ用高速駆動部５を停止させることで、スイッチングデバイス１のターンオフ損失を抑制しつつ、サージ電圧を抑制することを実現できる。
【0035】
次に、遅延部８における遅延時間の設定法の一例について説明する。ここでは、電力変換装置の動作条件として、直流電圧（直流主回路間の電圧）がＶｃｃ［Ｖ］、電圧変化率の最大値がｄＶｄｔＭａｘ［Ｖ／ｓ］であるとする。
【0036】
一般的なスイッチングデバイスのターンオフ動作において、ドレインソース間電圧Ｖｄｓが直流電圧値（スイッチングデバイスのオフ完了時の電圧値）に達すると、ドレイン電流Ｉｄが大幅に低下しはじめる。サージ電圧の大きさは、このときのドレイン電流Ｉｄの変化率に応じた値となる。よって、サージ電圧を確実に抑制するためには、ドレインソース間電圧Ｖｄｓが直流電圧Ｖｃｃに達する前に、オフ用高速駆動部５を停止状態にすることが好ましい。上記において、ドレインソース間電圧Ｖｄｓが直流電圧Ｖｃｃに達する時間Ｔｖｃｃは、下記（１）式により算出することができる。
Ｔｖｃｃ＝Ｖｃｃ／ｄＶｄｔＭａｘ （１）
Ｔｖｃｃ＝Ｖｃｃ／ｄＶｄｔＭａｘ （１）
【0037】
さらに実際の電力変換装置においては、電圧検出部７、遅延部８、オフ用高速駆動部５を構成する各部品に固有の遅れが存在する。したがって、電力変換装置を構成する各部品の遅れの総量（各部品の遅れ時間の総和）Ｔｄｅｖｉｃｅを考慮すると、遅延部８の遅延時間Ｔｄが下記（２）式を満たすように設定することにより、ドレインソース間電圧Ｖｄｓが直流電圧Ｖｃｃに達する前にオフ用高速駆動部５を停止状態にすることができ、サージ電圧を抑制可能となる。
Ｔｄ＜Ｔｖｃｃ－Ｔｄｅｖｉｃｅ＝Ｖｃｃ／ｄＶｄｔＭａｘ－Ｔｄｅｖｉｃｅ （２）
Ｔｄ＜Ｔｖｃｃ－Ｔｄｅｖｉｃｅ＝Ｖｃｃ／ｄＶｄｔＭａｘ－Ｔｄｅｖｉｃｅ （２）
【0038】
また、上記関係を満たす範囲において、遅延部８における遅延量を調整することで、スイッチングデバイス１におけるサージ電圧の抑制とターンオフ損失抑制とのバランスを調整することができる。
【0039】
以上のように、本実施形態のゲート駆動回路および電力変換装置では、スイッチングデバイスのターンオフ開始時はゲート駆動速度を高くする（低ゲート抵抗値にて駆動する）ことで低損失化をはかり、一方で、スイッチングデバイスの電圧の立ち上がり始めを検出した上で、調整された遅延を持たせた上でゲート速度を低くする（高ゲート抵抗値にて駆動する）ことができる。これにより、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を確実に低減することができる。
【0040】
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することができる。
【0041】
次に、第２実施形態のゲート駆動回路および電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図５は、第２実施形態のゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態のゲート駆動回路２および電力変換装置は、電力変換装置の運転状態を検出する種々の検出器（図示せず）を備える点と、遅延部８の構成とが上述の第１実施形態と異なっている。
図５は、第２実施形態のゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態のゲート駆動回路２および電力変換装置は、電力変換装置の運転状態を検出する種々の検出器（図示せず）を備える点と、遅延部８の構成とが上述の第１実施形態と異なっている。
【0042】
本実施形態では、遅延部８は、検出器で検出された電力変換装置の運転状態の値（例えば、電流検出値、直流電圧検出値、温度検出値など）が入力される。遅延部８は、電力変換装置の運転状態に応じて、入力信号に対する出力信号の遅延時間を調整するように構成されている。
【0043】
図６は、電力変換装置の運転状態によるスイッチングデバイスの特性の変化の一例を説明するための図である。図６では、遮断電流（ターンオフ動作開始時のドレイン電流Ｉｄ）が相対的に大きいときのドレインソース間電圧Ｖｄｓとドレイン電流Ｉｄとを破線で示し、遮断電流が相対的に小さいときのドレインソース間電圧Ｖｄｓとドレイン電流Ｉｄとを実線で示している。
【0044】
ここでは、スイッチングデバイス１の遮断電流が大きくなるほど、電圧変化速度が大きくなる。したがって、遮断電流が大きくなると、スイッチングデバイス１をターンオフする際に、ドレインソース間電圧Ｖｄｓが立ち上がってから直流電圧Ｖｃｃに達するまでの時間が短くなる。このため、遅延部８は、遮断電流の値（ターンオフ動作開始時のドレイン電流Ｉｄの電流検出値）が大きいほど、遅延時間を短くするように構成され得る。
【0045】
図７は、電力変換装置の運転状態によるスイッチングデバイスの特性の変化の他の例を説明するための図である。図７では、電力変換装置の直流電圧Ｖｃｃが相対的に大きいときのドレインソース間電圧Ｖｄｓとドレイン電流Ｉｄとを破線で示し、電力変換装置の直流電圧Ｖｃｃが相対的に小さいときのドレインソース間電圧Ｖｄｓとドレイン電流Ｉｄとを実線で示している。
【0046】
ここでは、直流電圧Ｖｃｃが大きいほど、ドレインソース間電圧Ｖｄｓが直流電圧Ｖｃｃに達するまでの時間が長くなっている。このため、遅延部８は、直流電圧Ｖｃｃが大きいほど、遅延時間を長くするように構成され得る。
【0047】
図８は、電力変換装置の運転状態によるスイッチングデバイスの特性の変化の他の例を説明するための図である。図８では、スイッチングデバイス１の温度が相対的に大きいときのドレインソース間電圧Ｖｄｓとドレイン電流Ｉｄとを破線で示し、スイッチングデバイス１の温度が相対的に小さいときのドレインソース間電圧Ｖｄｓとドレイン電流Ｉｄとを実線で示している。
【0048】
ここでは、スイッチングデバイス１の温度が大きいほど、ドレインソース間電圧Ｖｄｓが直流電圧Ｖｃｃに達するまでの時間が長くなっている。このため、遅延部８は、スイッチングデバイス１の温度検出値が大きいほど、遅延時間を長くするように構成され得る。
【0049】
遅延部８には、電力変換装置の運転状態を示す値（遮断電流の値、直流電圧Ｖｃｃの値、スイッチングデバイス１の温度値）の少なくとも一つについて、例えば複数の遅延時間と、複数の遅延時間を切り替えるしきい値と、が予め記録されていてもよい。遅延部８は、ターンオフ動作を開始する前に電力変換装置の運転状態として遮断電流、直流電圧Ｖｃｃ、および、スイッチングデバイス１の温度の検出値の少なくとも一つを取得し、検出値がしきい値以上か否かにより遅延時間を切り替えることができる。
なお、遅延部８は、電力変換装置の運転状態を示す値が所定のしきい値以上か否かに応じて、現在の遅延時間に所定時間を加算又は減算して、遅延時間を調整してもよい。
なお、遅延部８は、電力変換装置の運転状態を示す値が所定のしきい値以上か否かに応じて、現在の遅延時間に所定時間を加算又は減算して、遅延時間を調整してもよい。
【0050】
上記のように、本実施形態によれば、遅延部８は、電力変換装置の運転状態に応じて、電力変換装置の運転状態に応じて、ターンオフ損失の低減とサージ電圧の抑制を両立するために最良な遅延時間を設定することができる。このことにより、本実施形態のゲート駆動回路によれば、スイッチングデバイス１のターンオフ動作時に、電力変換装置の運転状態に応じて、オフ用高速駆動部５の動作を停止するタイミングが調整され、各運転状態においてターンオフ損失の低減とサージ電圧の抑制との両立を実現することができる。
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することができる。
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することができる。
【0051】
次に、第３実施形態のゲート駆動回路および電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態および第２実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図９は、第３実施形態のゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態のゲート駆動回路２は、オフ用高速駆動部５に代えて、第１オフ用高速駆動部５Ａと第２オフ用高速駆動部５Ｂとを備え、遅延部８が第１オフ用高速駆動部５Ａと第２オフ用高速駆動部５Ｂとのそれぞれに対して、動作状態（動作又は停止）を切り替えるための信号を出力している点において、上述の第１実施形態および第２実施形態のゲート駆動回路と相違している。
図９は、第３実施形態のゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態のゲート駆動回路２は、オフ用高速駆動部５に代えて、第１オフ用高速駆動部５Ａと第２オフ用高速駆動部５Ｂとを備え、遅延部８が第１オフ用高速駆動部５Ａと第２オフ用高速駆動部５Ｂとのそれぞれに対して、動作状態（動作又は停止）を切り替えるための信号を出力している点において、上述の第１実施形態および第２実施形態のゲート駆動回路と相違している。
【0052】
遅延部８は、電力変換装置の運転状態を取得し、電力変換装置の運転状態に応じて第１オフ用高速駆動部５Ａと第２オフ用高速駆動部５Ｂとの動作状態を切り替える信号を出力する。なお、以下の説明において、遅延部８から第１オフ用高速駆動部５Ａに入力される信号の真理値を第１出力真理値とし、遅延部８から第２オフ用高速駆動部５Ｂに入力される信号の真理値を第２出力真理値とする。遅延部８から第１オフ用高速駆動部５Ａと第２オフ用高速駆動部５Ｂとに入力される信号は２値の信号に限定されるものではなく、信号の値が所定のしきい値以下のときの真理値が０であり、所定のしきい値を超えたときに真理値が１となる。
【0053】
遅延部８は、例えば、ドレイン電流Ｉｄの検出値が電流しきい値未満であって、かつ、遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値が所定のしきい値以下であるときに、第１オフ用高速駆動部５Ａを動作状態（第１出力真理値＝０）とし、ドレイン電流Ｉｄの検出値が電流しきい値以上であるとき、および、遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値が所定のしきい値を超えているときに、第１オフ用高速駆動部５Ａを停止状態（第１出力真理値＝１）とする。
【0054】
遅延部８は、例えば、ドレイン電流Ｉｄの検出値が電流しきい値以上であって、かつ、遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値が所定のしきい値以下であるときに、第２オフ用高速駆動部を動作状態（第２出力真理値＝０）とし、ドレイン電流Ｉｄの検出値が電流しきい値未満であるとき、および、遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値が所定のしきい値を超えているときに、第２オフ用高速駆動部５Ｂを停止状態（第２出力真理値＝１）とする。
【0055】
遅延部８は、電力変換装置の運転状態を示す値（例えば遮断電流（ターンオフ動作開始時のドレイン電流Ｉｄ）の値、直流電圧Ｖｃｃの値、スイッチングデバイス１の温度値）を取得し、取得した値に応じて、第１オフ用高速駆動部５Ａへの信号の遅延時間と、第２オフ用高速駆動部５Ｂへの信号の遅延時間とのそれぞれを調整することができる。
【0056】
第１オフ用高速駆動部５Ａと第２オフ用高速駆動部５Ｂとは、スイッチングデバイス１をターンオフする際の速度（ゲート抵抗値）が異なっている。
第１オフ用高速駆動部５Ａは、スイッチングデバイス１のゲート端子に電気的に接続された第３オフ用抵抗器（図示せず）を含む。第１オフ用高速駆動部５Ａには、上位制御装置からゲート信号が入力され、遅延部８から出力された動作状態（動作又は停止）を切り替えるための信号が入力される。
第１オフ用高速駆動部５Ａは、スイッチングデバイス１のゲート端子に電気的に接続された第３オフ用抵抗器（図示せず）を含む。第１オフ用高速駆動部５Ａには、上位制御装置からゲート信号が入力され、遅延部８から出力された動作状態（動作又は停止）を切り替えるための信号が入力される。
【0057】
第１オフ用高速駆動部５Ａは、遅延部８から入力される信号の第１出力真理値が１とき（例えばドレイン電流Ｉｄの検出値が電流しきい値未満であるあり、かつ、遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓが所定のしきい値を超えているとき）に、第３オフ用抵抗器を介してスイッチングデバイス１をオフする制御信号（ゲート電圧）をゲート端子に印加する動作を停止するように構成されている。
【0058】
また、第１オフ用高速駆動部５Ａは、遅延部８から入力される信号の第１出力真理値が０であるとき（例えばドレイン電流Ｉｄの検出値が電流しきい値以上である期間、および、遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓが所定のしきい値以下であるとき）に、第３オフ用抵抗器を介してスイッチングデバイス１をオフする制御信号（ゲート電圧）をゲート端子に印加する動作を行うように構成されている。
【0059】
第２オフ用高速駆動部５Ｂは、スイッチングデバイス１のゲート端子に電気的に接続された第４オフ用抵抗器（図示せず）を含む。第２オフ用高速駆動部５Ｂには、上位制御装置からゲート信号が入力され、遅延部８から動作状態（動作又は停止）を切り替えるための信号が入力される。
【0060】
第２オフ用高速駆動部５Ｂは、遅延部８から入力される信号の第２出力真理値が１であるとき（例えばドレイン電流Ｉｄの検出値が電流しきい値以上であり、かつ、遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓが所定のしきい値を超えたとき）に、第４オフ用抵抗器を介してスイッチングデバイス１をオフする制御信号（ゲート電圧）をゲート端子に印加する動作を停止するように構成されている。
【0061】
また、第２オフ用高速駆動部５Ｂは、遅延部８から入力される信号の第２出力真理値が０であるとき（例えばドレイン電流Ｉｄの検出値が電流しきい値未満である期間、および、遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓが所定のしきい値以下であるとき）に、第４オフ用抵抗器を介してスイッチングデバイス１をオフする制御信号（ゲート電圧）をゲート端子に印加する動作を行うように構成されている。
【0062】
図１０は、第３実施形態において、遅延部が第１オフ用高速駆動部と第２オフ用高速駆動部との動作状態を切り替える動作の一例を説明するための図である。
本実施形態では、第３オフ用抵抗器の抵抗値は、第４オフ用抵抗器の抵抗値よりも小さく。第１オフ用高速駆動部５Ａは第２オフ用高速駆動部５Ｂよりも高速でスイッチングデバイス１をターンオフすることができる。
本実施形態では、第３オフ用抵抗器の抵抗値は、第４オフ用抵抗器の抵抗値よりも小さく。第１オフ用高速駆動部５Ａは第２オフ用高速駆動部５Ｂよりも高速でスイッチングデバイス１をターンオフすることができる。
【0063】
スイッチングデバイス１がターンオフする際のドレインソース間電圧Ｖｄｓの電圧変化率と損失とはトレードオフの関係となる。第１オフ用高速駆動部５Ａによりスイッチングデバイス１をターンオフしたときのドレインソース間電圧Ｖｄｓの電圧変化率は、第２オフ用高速駆動部５Ｂによりスイッチングデバイス１をターンオフしたときのドレインソース間電圧Ｖｄｓの電圧変化率よりも大きくなる。一方で、第１オフ用高速駆動部５Ａによりスイッチングデバイス１をターンオフするときに生じる損失は、第２オフ用高速駆動部５Ｂによりスイッチングデバイス１をターンオフするときに生じる損失よりも小さくなる。
【0064】
本実施形態のゲート駆動回路２は、例えば、第１オフ用高速駆動部５Ａによりスイッチングデバイス１をターンオフするときにドレインソース間電圧Ｖｄｓの電圧変化率が許容値に達する検出電流（ドレイン電流Ｉｄ）値を、遮断電流の電流しきい値とし、遅延部８から供給される信号により、遮断電流の値が電流しきい値未満のときに第１オフ用高速駆動部５Ａが動作し、検出電流値が電流しきい値以上のときに第２オフ用高速駆動部５Ｂが動作するように制御される。
【0065】
上記のように、ターンオフする速度が異なる第１オフ用高速駆動部５Ａと第２オフ用高速駆動部５Ｂとを、遮断電流の値に応じて切り替えて動作させることにより、スイッチングデバイス１をターンオフするときのサージ電圧を抑制するとともに、ターンオフ時に発生する損失を低減することができる。
【0066】
図１１は、第３実施形態において、スイッチングデバイスをターンオフする際のゲート駆動回路の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
ここでは、ゲート駆動回路２に入力されるゲート信号と、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓおよびゲートソース間電圧Ｖｇｓと、ドレイン電流Ｉｄと、電圧検出部７の出力真理値と、遅延部８から出力される信号の第１出力真理値および第２出力真理値と、第１オフ用高速駆動部５Ａの動作状態（動作又は停止）と、第２オフ用高速駆動部５Ｂの動作状態（動作又は停止）と、オフ用低速駆動部６の動作状態（動作又は停止）との一例を、タイミングチャートで示している。
ここでは、ゲート駆動回路２に入力されるゲート信号と、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓおよびゲートソース間電圧Ｖｇｓと、ドレイン電流Ｉｄと、電圧検出部７の出力真理値と、遅延部８から出力される信号の第１出力真理値および第２出力真理値と、第１オフ用高速駆動部５Ａの動作状態（動作又は停止）と、第２オフ用高速駆動部５Ｂの動作状態（動作又は停止）と、オフ用低速駆動部６の動作状態（動作又は停止）との一例を、タイミングチャートで示している。
【0067】
この例では、ゲート信号がオフとなったタイミングにおいて、遮断電流が電流しきい値以上であり、遅延部８から第１オフ用高速駆動部５Ａに供給される信号の第１出力真理値は１であって第１オフ用高速駆動部５Ａは停止している。したがって、この例では、第１オフ用高速駆動部５Ａは、スイッチングデバイス１のターンオフ動作行わない。
例えば、上記のように、ゲート信号がオフとなったタイミングにおいて、電流しきい値と遮断電流を比較することでスイッチングデバイス１をターンオフする駆動部を決定し、この上記比較結果はその後ホールドされ、スイッチングデバイス１のターンオフが完了される。
例えば、上記のように、ゲート信号がオフとなったタイミングにおいて、電流しきい値と遮断電流を比較することでスイッチングデバイス１をターンオフする駆動部を決定し、この上記比較結果はその後ホールドされ、スイッチングデバイス１のターンオフが完了される。
【0068】
また、ゲート信号がオフとなったタイミングにおいて、遮断電流が電流しきい値以上であり、かつ、ドレインソース間電圧Ｖｄｓがオン時の電圧値（所定のしきい値以下）であり、第２オフ用高速駆動部５Ｂに供給される信号の第２出力真理値は０であり、第２オフ用高速駆動部５Ｂが動作状態となる。その後、第２オフ用高速駆動部５Ｂおよびオフ用低速駆動部６から供給される制御信号によりドレインソース間電圧Ｖｄｓが立ち上がると、その所定時間（遅延時間）後に第２出力真理値が１となり、第２オフ用高速駆動部５Ｂが停止される。
その後は、オフ用低速駆動部６から供給される制御信号により、スイッチングデバイス１のターンオフが完了する。
その後は、オフ用低速駆動部６から供給される制御信号により、スイッチングデバイス１のターンオフが完了する。
【0069】
上記のように、遮断電流の値に応じて、スイッチングデバイス１をターンオフする速度が異なる駆動部の動作を切り替えることにより、ターンオフ損失の低減とサージ電圧の抑制を両立することができる。
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することができる。
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することができる。
【0070】
なお本実施形態では、２つのオフ用高速駆動部を備えたゲート駆動回路２について説明したが、ゲート駆動回路２は３以上のオフ用高速駆動部を備えていてもよい。その場合には、スイッチングデバイス１の遮断電流について複数の電流しきい値を設定し、３つ以上のオフ用高速駆動部の動作状態を切り替えることにより、上述のゲート駆動回路２と同様の効果を得ることができる。
【0071】
次に、第４実施形態のゲート駆動回路および電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態、乃至、第３実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【0072】
図１２は、第４実施形態のゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態のゲート駆動回路２は、オフ用低速駆動部６に代えて、第１オフ用低速駆動部６Ａ、第２オフ用低速駆動部６Ｂ、および、切替部１７を備える点において、上述の第２実施形態と異なっている。
本実施形態のゲート駆動回路２は、オフ用低速駆動部６に代えて、第１オフ用低速駆動部６Ａ、第２オフ用低速駆動部６Ｂ、および、切替部１７を備える点において、上述の第２実施形態と異なっている。
【0073】
第１オフ用低速駆動部６Ａは、切替部１７から、ゲート信号と、動作状態（動作又は停止）を切り替える信号とを受信する。第１オフ用低速駆動部６Ａは、切替部１７からの信号の値に応じて、スイッチングデバイス１をターンオフする動作を実行又は停止する。
第１オフ用低速駆動部６Ａは、スイッチングデバイス１のゲート端子に接続した第５オフ用抵抗器（図示せず）を含み、第５オフ用抵抗器を介してスイッチングデバイス１のゲート端子に制御信号を印加する。
第１オフ用低速駆動部６Ａは、スイッチングデバイス１のゲート端子に接続した第５オフ用抵抗器（図示せず）を含み、第５オフ用抵抗器を介してスイッチングデバイス１のゲート端子に制御信号を印加する。
【0074】
第２オフ用低速駆動部６Ｂは、切替部１７から、ゲート信号と、動作状態（動作又は停止）を切り替える信号とを受信する。第２オフ用低速駆動部６Ｂは、切替部１７からの信号の値に応じて、スイッチングデバイス１をターンオフする動作を実行又は停止する。
第２オフ用低速駆動部６Ｂは、スイッチングデバイス１のゲート端子に接続した第６オフ用抵抗器（図示せず）を含み、第６オフ用抵抗器を介してスイッチングデバイス１のゲート端子に制御信号を印加する。
第２オフ用低速駆動部６Ｂは、スイッチングデバイス１のゲート端子に接続した第６オフ用抵抗器（図示せず）を含み、第６オフ用抵抗器を介してスイッチングデバイス１のゲート端子に制御信号を印加する。
【0075】
第１オフ用低速駆動部６Ａと第２オフ用低速駆動部６Ｂとは、スイッチングデバイス１をターンオフする速度が異なっている。本実施形態では、第１オフ用低速駆動部６Ａは、第２オフ用低速駆動部６Ｂよりも高速でスイッチングデバイス１をターンオフすることができる。換言すると、第１オフ用低速駆動部６Ａの第５オフ用抵抗器の抵抗値（ゲート抵抗値）は、第２オフ用低速駆動部６Ｂの第６オフ用抵抗器の抵抗値（ゲート抵抗値）よりも小さい。
切替部１７は、電力変換装置の運転状態に応じて、第１オフ用低速駆動部６Ａと第２オフ用低速駆動部６Ｂとに対して動作状態を切り替える信号を出力する。
切替部１７は、電力変換装置の運転状態に応じて、第１オフ用低速駆動部６Ａと第２オフ用低速駆動部６Ｂとに対して動作状態を切り替える信号を出力する。
【0076】
図１３は、第４実施形態において、切替部が第１オフ用低速駆動部と第２オフ用低速駆動部との動作状態を切り替える動作の一例を説明するための図である。
スイッチングデバイス１がターンオフする際に生じるピークサージ電圧と損失とはトレードオフの関係となる。第１オフ用低速駆動部６Ａによりスイッチングデバイス１をターンオフしたときのピークサージ電圧は、第２オフ用低速駆動部６Ｂによりスイッチングデバイス１をターンオフしたときのピークサージ電圧よりも大きくなる。一方で、第１オフ用低速駆動部６Ａによりスイッチングデバイス１をターンオフするときに生じる損失は、第２オフ用低速駆動部６Ｂによりスイッチングデバイス１をターンオフするときに生じる損失よりも小さくなる。
スイッチングデバイス１がターンオフする際に生じるピークサージ電圧と損失とはトレードオフの関係となる。第１オフ用低速駆動部６Ａによりスイッチングデバイス１をターンオフしたときのピークサージ電圧は、第２オフ用低速駆動部６Ｂによりスイッチングデバイス１をターンオフしたときのピークサージ電圧よりも大きくなる。一方で、第１オフ用低速駆動部６Ａによりスイッチングデバイス１をターンオフするときに生じる損失は、第２オフ用低速駆動部６Ｂによりスイッチングデバイス１をターンオフするときに生じる損失よりも小さくなる。
【0077】
本実施形態のゲート駆動回路２は、例えば、第１オフ用低速駆動部６Ａによりスイッチングデバイス１をターンオフするときに生じるピークサージ電圧が許容値に達する検出電流（ドレイン電流Ｉｄ）値を、遮断電流の電流しきい値として、切替部１７から供給される信号により、遮断電流の値が電流しきい値未満のときに第１オフ用低速駆動部６Ａが動作し、検出電流値が電流しきい値以上のときに第２オフ用低速駆動部６Ｂが動作するように制御される。
【0078】
上記のように、ターンオフする速度が異なる第１オフ用低速駆動部６Ａと第２オフ用低速駆動部６Ｂとを、遮断電流の値に応じて切り替えて動作させることにより、スイッチングデバイス１をターンオフするときのサージ電圧を抑制するとともに、ターンオフ時に発生する損失を低減することができる。
【0079】
図１４は、第４実施形態において、スイッチングデバイスをターンオフする際のゲート駆動回路の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
ここでは、ゲート駆動回路２に入力されるゲート信号と、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓおよびゲートソース間電圧Ｖｇｓと、ドレイン電流Ｉｄと、電圧検出部７の出力真理値と、遅延部８から出力される信号の出力真理値と、オフ用高速駆動部５の動作状態（動作又は停止）と、切替部１７の出力値状態と、第１オフ用低速駆動部６Ａの動作状態（動作又は停止）と、第２オフ用低速駆動部６Ａの動作状態（動作又は停止）と、の一例を、タイミングチャートで示している。
ここでは、ゲート駆動回路２に入力されるゲート信号と、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓおよびゲートソース間電圧Ｖｇｓと、ドレイン電流Ｉｄと、電圧検出部７の出力真理値と、遅延部８から出力される信号の出力真理値と、オフ用高速駆動部５の動作状態（動作又は停止）と、切替部１７の出力値状態と、第１オフ用低速駆動部６Ａの動作状態（動作又は停止）と、第２オフ用低速駆動部６Ａの動作状態（動作又は停止）と、の一例を、タイミングチャートで示している。
【0080】
この例では、ゲート信号がオフとなったタイミングにおいて、遮断電流が電流しきい値以上であり、切替部１７の出力値は第１オフ用低速駆動部６Ａを停止し、第２オフ用低速駆動部６Ｂを動作させる値となっている。したがって、この例では、第１オフ用低速駆動部６Ａは、スイッチングデバイス１のターンオフ動作行わない。
例えば、上記のように、ゲート信号がオフとなったタイミングにおいて、電流しきい値と遮断電流を比較することでスイッチングデバイス１をターンオフする駆動部を決定し、この上記比較結果はその後ホールドされ、スイッチングデバイス１のターンオフが完了される。
遅延部８の出力信号によりオフ用高速駆動部５が停止した後は、第２オフ用低速駆動部６Ｂから供給される制御信号により、スイッチングデバイス１のターンオフが完了する。
例えば、上記のように、ゲート信号がオフとなったタイミングにおいて、電流しきい値と遮断電流を比較することでスイッチングデバイス１をターンオフする駆動部を決定し、この上記比較結果はその後ホールドされ、スイッチングデバイス１のターンオフが完了される。
遅延部８の出力信号によりオフ用高速駆動部５が停止した後は、第２オフ用低速駆動部６Ｂから供給される制御信号により、スイッチングデバイス１のターンオフが完了する。
【0081】
上記のように、遮断電流の値に応じて、スイッチングデバイス１をターンオフする速度が異なる駆動部の動作を切り替えることにより、ターンオフ損失の低減とサージ電圧の抑制を両立することができる。
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することができる。
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することができる。
【0082】
なお本実施形態では、２つのオフ用低速駆動部を備えたゲート駆動回路２について説明したが、ゲート駆動回路２は３以上のオフ用低速駆動部を備えていてもよい。その場合には、スイッチングデバイス１の遮断電流について複数の電流しきい値を設定し、３つ以上のオフ用低速駆動部の動作状態を切り替えることにより、上述のゲート駆動回路２と同様の効果を得ることができる。
【0083】
次に第５実施形態のゲート駆動回路および電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態、乃至、第４実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図１５は、第５実施形態のゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態のゲート駆動回路２は、短絡保護用電圧検出部（第２電圧検出部）１４と、短絡保護判定部（判定部）１５と、短絡保護用遮断動作部１６とを備える点において、上述の第１実施形態と異なっている。
図１５は、第５実施形態のゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態のゲート駆動回路２は、短絡保護用電圧検出部（第２電圧検出部）１４と、短絡保護判定部（判定部）１５と、短絡保護用遮断動作部１６とを備える点において、上述の第１実施形態と異なっている。
【0084】
短絡保護用電圧検出部１４は、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値を検出し、検出値を短絡保護判定部１５へ出力する。
短絡保護判定部１５は、ゲート信号と、短絡保護用電圧検出部１４で検出されたドレインソース間電圧Ｖｄｓの値に基づいて、スイッチングデバイス１の短絡を判定する。短絡保護判定部１５は、例えば、ゲート信号がオンレベルであるにあるにも関わらず、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓが低下しない場合、スイッチングデバイス１の短絡であると判定する。短絡保護判定部１５は、スイッチングデバイス１が短絡していると判定したときに、オフ用高速駆動部５、オフ用低速駆動部６、および、オン用駆動部４を停止し、短絡保護用遮断動作部１６によりスイッチングデバイス１を強制的に遮断させる。
短絡保護判定部１５は、ゲート信号と、短絡保護用電圧検出部１４で検出されたドレインソース間電圧Ｖｄｓの値に基づいて、スイッチングデバイス１の短絡を判定する。短絡保護判定部１５は、例えば、ゲート信号がオンレベルであるにあるにも関わらず、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓが低下しない場合、スイッチングデバイス１の短絡であると判定する。短絡保護判定部１５は、スイッチングデバイス１が短絡していると判定したときに、オフ用高速駆動部５、オフ用低速駆動部６、および、オン用駆動部４を停止し、短絡保護用遮断動作部１６によりスイッチングデバイス１を強制的に遮断させる。
【0085】
短絡保護用遮断動作部１６は、短絡保護判定部１５からの遮断信号により、スイッチングデバイス１の短絡経路を遮断する。本実施形態では、短絡保護用遮断動作部１６は、遮断信号を受信したときに、スイッチングデバイス１をオフする電圧をゲート端子に印加する。
【0086】
図１６は、第５実施形態において、スイッチングデバイスをターンオンする際のゲート駆動回路の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
ゲート信号がオフからオンとなると、オン用駆動部４が動作状態となり、オン用駆動部４からスイッチングデバイス１のゲート端子に制御信号（ゲート電圧）が印加される。
短絡保護用電圧検出部１４は、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値を検出し、短絡保護判定部１５に検出値を供給する。
ゲート信号がオフからオンとなると、オン用駆動部４が動作状態となり、オン用駆動部４からスイッチングデバイス１のゲート端子に制御信号（ゲート電圧）が印加される。
短絡保護用電圧検出部１４は、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値を検出し、短絡保護判定部１５に検出値を供給する。
【0087】
短絡保護判定部１５は、短絡保護用電圧検出部１４から供給されたドレインソース間電圧Ｖｄｓの値と、ゲート信号の値とにより、スイッチングデバイス１の短絡を判定する。図１６に示す例では、ゲート信号がオンとなるものの、ドレインソース間電圧Ｖｄｓが、スイッチングデバイス１のオン時の通常の値まで低下していない。この様な場合、短絡保護判定部１５は、例えば、ゲート信号がオンとなってから所定時間後に、ドレインソース間電圧が所定のしきい値を超えている場合に、スイッチングデバイス１が短絡していると判定する。
【0088】
短絡保護判定部１５は、スイッチングデバイス１が短絡していると判定したときに、オフ用高速駆動部５、オフ用低速駆動部６、および、オン用駆動部４の動作を停止させて、短絡保護用遮断動作部１６に強制遮断信号を出力する。
短絡保護用遮断動作部１６は、短絡保護判定部１５から強制遮断信号を受信すると、スイッチングデバイス１をオフさせる。短絡保護用遮断動作部１６は、オフ用低速駆動部６よりも低速でスイッチングデバイス１をオフすることができる。
短絡保護用遮断動作部１６は、短絡保護判定部１５から強制遮断信号を受信すると、スイッチングデバイス１をオフさせる。短絡保護用遮断動作部１６は、オフ用低速駆動部６よりも低速でスイッチングデバイス１をオフすることができる。
【0089】
なお、スイッチングデバイス１の短絡保護遮断時には、短絡時の大電流を遮断する動作となるため、サージ電圧抑制のためには低速で遮断する必要がある。そのため、本実施形態のゲート駆動回路２では、短絡遮断時に、オフ用高速駆動部５およびオフ用低速駆動部６を停止状態にしておき、短絡保護用遮断動作部１６のみで遮断動作をおこなうことで、短絡保護遮断時のサージ電圧を抑制することが可能となる。
【0090】
上記の様に、本実施形態のゲート駆動回路２および電力変換装置によれば、スイッチングデバイス１が短絡して短絡保護遮断を行う際にもサージ電圧を抑制することができる。
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することができる。
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することができる。
【0091】
次に、第６実施形態のゲート駆動回路および電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態、乃至、第５実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図１７は、第６実施形態のゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態のゲート駆動回路２は、短絡保護判定部１５を備える点において、上述の第１実施形態と異なっている。
図１７は、第６実施形態のゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態のゲート駆動回路２は、短絡保護判定部１５を備える点において、上述の第１実施形態と異なっている。
【0092】
電圧検出部７は、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値を検出し、検出値を遅延部８および短絡保護判定部１５へ出力する。すなわち、本実施形態のゲート駆動回路２では、電圧検出部７は、上述の第５実施形態における短絡保護用電圧検出部１４の機能も含む。
【0093】
短絡保護判定部１５は、ゲート信号と、電圧検出部７で検出されたドレインソース間電圧Ｖｄｓの値に基づいて、スイッチングデバイス１の短絡を判定する。短絡保護判定部１５は、例えば、ゲート信号がオンレベルであるにあるにも関わらず、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓが低下しない場合、スイッチングデバイス１の短絡であると判定する。短絡保護判定部１５は、スイッチングデバイス１が短絡していると判定したときに、オフ用高速駆動部５およびオン用駆動部４を停止し、オフ用低速駆動部６によりスイッチングデバイス１を強制的に遮断させる。
【0094】
すなわち、本実施形態のゲート駆動回路２では、スイッチングデバイス１が短絡していると判定されたときに、オフ用低速駆動部６が上述の第５実施形態における短絡保護用遮断動作部１６として機能する。
図１８は、第６実施形態において、スイッチングデバイスをターンオンする際のゲート駆動回路の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
図１８は、第６実施形態において、スイッチングデバイスをターンオンする際のゲート駆動回路の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【0095】
ゲート信号がオフからオンとなると、オン用駆動部４が動作状態となり、オン用駆動部４からスイッチングデバイス１のゲート端子に制御信号（ゲート電圧）が印加される。
電圧検出部７は、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値を検出し、短絡保護判定部１５に検出値を供給する。
電圧検出部７は、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値を検出し、短絡保護判定部１５に検出値を供給する。
【0096】
短絡保護判定部１５は、電圧検出部７から供給されたドレインソース間電圧Ｖｄｓの値と、ゲート信号の値とにより、スイッチングデバイス１の短絡を判定する。図１７に示す例では、ゲート信号がオンとなり、ドレインソース間電圧Ｖｄｓが一旦低下しているものの、その後またドレインソース間電圧Ｖｄｓが上昇して直流電圧となっている。この様な場合、短絡保護判定部１５は、例えば、ゲート信号がオンとなってから所定時間後に、ドレインソース間電圧が所定のしきい値を超えている場合に、スイッチングデバイス１が短絡していると判定する。
【0097】
短絡保護判定部１５は、スイッチングデバイス１が短絡していると判定したときに、オフ用高速駆動部５およびオン用駆動部４の動作を停止させて、オフ用低速駆動部６に強制遮断信号を出力する。
【0098】
オフ用低速駆動部６は、短絡保護判定部１５から強制遮断信号を受信すると、スイッチングデバイス１をオフさせる。このとき、オフ用低速駆動部６は、正常にスイッチングデバイス１をオフするときよりも低速で、スイッチングデバイス１をオフするように構成されてもよい。
【0099】
本実施形態のゲート駆動回路２では、オフ用低速駆動部６に短絡保護用遮断動作部１６としての機能をもたせ、短絡遮断時に、オフ用低速駆動部６で強制遮断動作をおこなうことで、短絡保護用遮断動作部１６を省略しながらも、短絡保護遮断時のサージ電圧を抑制することが可能となる。また、電圧検出部７に短絡保護用電圧検出部としての機能を持たせることにより、短絡保護用電圧検出部を省略することができる。したがって、本実施形態のゲート駆動回路２によれば、第５実施形態のゲート駆動回路よりも部品点数を削減することで、コストを低減することができる。
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することができる。
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングデバイスにおけるサージ電圧を抑制するとともに、スイッチング損失を低減するゲート駆動回路および電力変換装置を提供することができる。
【0100】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0101】
１…スイッチングデバイス、２…ゲート駆動回路、４…オン用駆動部、５…オフ用高速駆動部、５Ａ…オフ用高速駆動部、５Ｂ…オフ用高速駆動部、６…オフ用低速駆動部、６Ａ…オフ用低速駆動部、６Ｂ…オフ用低速駆動部、７…電圧検出部、８…遅延部、１２…抵抗器、１３…コンデンサ、１４…短絡保護用電圧検出部、１５…短絡保護判定部、１６…短絡保護用遮断動作部、１７…切替部、２００…駆動回路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【手続補正書】
【提出日】2022-07-11
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スイッチングデバイスの第１端子と第２端子との間の第１電圧を検出し、検出された前記第１電圧に基づく電圧情報を出力する第１電圧検出部と、
前記電圧検出部から取得した前記電圧情報を所定時間遅延させて出力する遅延部と、
前記スイッチングデバイスをオフするために、前記スイッチングデバイスの制御端子に制御信号を印加する第１オフ用駆動部と、
前記スイッチングデバイスをオフするために、前記スイッチングデバイスの前記制御端子に制御信号を印加する第２オフ用駆動部と、を備え、
前記第１オフ用駆動部は、前記第２オフ用駆動部よりも高速で前記スイッチングデバイスをオフすることができ、前記電圧情報が前記第１電圧が所定の閾値を超えたことを示すときに、前記スイッチングデバイスをオフするための動作を停止する、ゲート駆動回路。
前記電圧検出部から取得した前記電圧情報を所定時間遅延させて出力する遅延部と、
前記スイッチングデバイスをオフするために、前記スイッチングデバイスの制御端子に制御信号を印加する第１オフ用駆動部と、
前記スイッチングデバイスをオフするために、前記スイッチングデバイスの前記制御端子に制御信号を印加する第２オフ用駆動部と、を備え、
前記第１オフ用駆動部は、前記第２オフ用駆動部よりも高速で前記スイッチングデバイスをオフすることができ、前記電圧情報が前記第１電圧が所定の閾値を超えたことを示すときに、前記スイッチングデバイスをオフするための動作を停止する、ゲート駆動回路。
【請求項2】
前記遅延部における遅延時間は、前記スイッチングデバイスのオフ完了時の前記第１電圧の値を、前記スイッチングデバイスがオフされるときの前記第１電圧の変化率の最大値で割った値よりも小さい、請求項１記載のゲート駆動回路。
【請求項3】
前記遅延部は、前記スイッチングデバイスの遮断電流を取得し、取得した前記遮断電流の値に応じて遅延させる時間を調整する、請求項１記載のゲート駆動回路。
【請求項4】
前記スイッチングデバイスの前記第１端子と前記第２端子との間の前記第２電圧を検出する第２電圧検出部と、
前記第２電圧検出部で検出された前記第２電圧と、前記スイッチングデバイスの動作を制御する上位制御信号の値とに基づいて、前記スイッチングデバイスの短絡を判定し、前記スイッチングデバイスが短絡していると判定したときに前記第１オフ用駆動部および前記第２オフ用駆動部を停止するとともに強制遮断信号を出力する判定部と、
前記強制遮断信号を受信したときに、前記スイッチングデバイスを遮断する短絡保護用遮断動作部と、を更に備えた請求項１記載のゲート駆動回路。
前記第２電圧検出部で検出された前記第２電圧と、前記スイッチングデバイスの動作を制御する上位制御信号の値とに基づいて、前記スイッチングデバイスの短絡を判定し、前記スイッチングデバイスが短絡していると判定したときに前記第１オフ用駆動部および前記第２オフ用駆動部を停止するとともに強制遮断信号を出力する判定部と、
前記強制遮断信号を受信したときに、前記スイッチングデバイスを遮断する短絡保護用遮断動作部と、を更に備えた請求項１記載のゲート駆動回路。
【請求項5】
前記第１電圧検出部で検出された前記第１電圧と、前記スイッチングデバイスの動作を制御する上位制御信号の値とに基づいて、前記スイッチングデバイスの短絡を判定し、前記スイッチングデバイスが短絡していると判定したときに前記第１オフ用駆動部を停止するとともに、前記第２オフ用駆動部に強制遮断信号を出力する判定部を更に備え、
前記第２オフ用駆動部は、前記強制遮断信号を受信したときに前記スイッチングデバイスを遮断する、請求項１記載のゲート駆動回路。
前記第２オフ用駆動部は、前記強制遮断信号を受信したときに前記スイッチングデバイスを遮断する、請求項１記載のゲート駆動回路。
【請求項6】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のゲート駆動回路と、
前記ゲート駆動回路から出力される制御信号により動作を制御される前記スイッチングデバイスと、を備えた電力変換装置。
前記ゲート駆動回路から出力される制御信号により動作を制御される前記スイッチングデバイスと、を備えた電力変換装置。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0009】
実施形態によるゲート駆動回路は、スイッチングデバイスの第１端子と第２端子との間の第１電圧を検出し、検出された前記第１電圧に基づく電圧情報を出力する第１電圧検出部と、前記電圧検出部から取得した前記電圧情報を所定時間遅延させて出力する遅延部と、前記スイッチングデバイスをオフするために、前記スイッチングデバイスの制御端子に制御信号を印加する第１オフ用駆動部と、前記スイッチングデバイスをオフするために、前記スイッチングデバイスの前記制御端子に制御信号を印加する第２オフ用駆動部と、を備え、前記第１オフ用駆動部は、前記第２オフ用駆動部よりも高速で前記スイッチングデバイスをオフすることができ、前記電圧情報が前記第１電圧が所定の閾値を超えたことを示すときに、前記スイッチングデバイスをオフするための動作を停止する。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0018】
電圧検出部７は、スイッチングデバイス１のドレインソース間電圧（端子間電圧）Ｖｄｓの値を検出し、検出した値を遅延部８へ供給する。なお、電圧検出部７は、ドレインソース間電圧Ｖｄｓに相当する値を出力してもよい。さらに、電圧検出器７は、ドレインソース間電圧Ｖｄｓの値を所定の閾値と比較し、比較の結果、ドレインソース間電圧Ｖｄｓの検出値の供給の代わりに、遅延部８に真理値（電圧情報）を供給することができる。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0019】
遅延部８は、電圧検出部７から供給された電圧値（若しくは電圧相当値）を、所定時間遅延させてオフ用高速駆動部５へ供給する、遅延部８は、抵抗器１２とコンデンサ１３とによる遅延回路を備え、コンデンサ１３の静電容量Ｃｄと抵抗器１２の抵抗値Ｒｄとの積に応じた時定数分だけ入力値を遅延させることができる。したがって、静電容量Ｃｄと抵抗値Ｒｄとの値を選択することにより、入力値を遅延させる時間を調整することができる。本実施形態では、遅延部８から出力される遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値は、オフ用高速駆動部５の動作状態（動作又は停止）を切り替えるための信号である。一方、電圧検出器７から真理値が供給される場合、遅延部８は、所定時間だけ遅延させた真理値をオフ用高速駆動部５に供給する。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0021】
オフ用高速駆動部５は、遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓの値が所定の閾値以上となったとき（例えば遅延後のドレインソース間電圧Ｖｄｓが立ち上がったとき）に、制御信号をゲート端子に印加する動作を停止するように構成されている。一方、遅延部８からオフ用高速駆動部５に真理値が供給された場合、供給された真理値に基づいて、オフ用高速駆動部５は、ゲート端子への制御信号の供給を停止する。
【手続補正6】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図11】
