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公開番号2020078213
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200521
出願番号2018211683
出願日20181109
発明の名称スイッチング素子制御回路
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人特許業務法人快友国際特許事務所
主分類H02M 1/08 20060101AFI20200424BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】 スイッチング素子を過電流からより適切に保護する。
【解決手段】 スイッチング素子制御回路は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続されている負荷と、前記スイッチング素子と前記負荷の直接回路に入力電圧を印加する電源と、前記負荷の短絡を検出する短絡検出回路と、前記短絡検出回路が前記負荷の短絡を検出したときに前記スイッチング素子のゲートに負電位を印可する短絡時ゲート駆動回路を有する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
スイッチング素子制御回路であって、
スイッチング素子と、
前記スイッチング素子に接続されている負荷と、
前記スイッチング素子と前記負荷の直接回路に入力電圧を印加する電源と、
前記負荷の短絡を検出する短絡検出回路と、
前記短絡検出回路が前記負荷の短絡を検出したときに、前記スイッチング素子のゲートに負電位を印可する短絡時ゲート駆動回路、
を有するスイッチング素子制御回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本明細書に開示の技術は、スイッチング素子制御回路に関する。
続きを表示(約 7,700 文字)【0002】
特許文献1には、スイッチング素子制御回路が開示されている。このスイッチング素子制御回路は、スイッチング素子と、スイッチング素子のゲート電位を制御するゲート制御回路を有している。ゲート制御装置は、スイッチング素子をターンオフするときに、スイッチング素子の主電極間の電圧が所定値以上に上昇するよりも前に、スイッチング素子のゲート電位を閾値以下に低下させる。これによって、スイッチング素子の信頼性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2006−340390号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
スイッチング素子に接続されている負荷が短絡し、スイッチング素子に過電流が流れる場合がある。この場合には、スイッチング素子を素早くターンオフさせ、スイッチング素子を過電流から保護する必要がある。しかしながら、過電流時にスイッチング素子を素早くターンオフさせると、高いサージ電圧が発生する。高いサージ電圧によりスイッチング素子の内部で局所的なアバランシェ降伏が発生すると、スイッチング素子の信頼性が低下する。本明細書では、スイッチング素子を過電流からより適切に保護することが可能な技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本明細書が開示するスイッチング素子制御回路は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続されている負荷と、前記スイッチング素子と前記負荷の直接回路に入力電圧を印加する電源と、前記負荷の短絡を検出する短絡検出回路と、前記短絡検出回路が前記負荷の短絡を検出したときに前記スイッチング素子のゲートに負電位を印可する短絡時ゲート駆動回路を有する。
【0006】
なお、負電位は、電源の負極の電位よりも低い電位を意味する。
【0007】
このスイッチング素子制御回路では、スイッチング素子がオン状態で負荷が短絡すると、スイッチング素子に過電流が流れる。すると、短絡検出回路が、負荷の短絡を検出する。すると、短絡時ゲート駆動回路が、スイッチング素子のゲートに負電位を印加して、スイッチング素子をターンオフさせる。過電流が流れている状態でスイッチング素子をターンオフさせるので、スイッチング素子に高いサージ電圧が印加される。このようにスイッチング素子に高いサージ電圧が印加されると、スイッチング素子の内部(すなわち、半導体基板の内部)でアバランシェ降伏が生じる。しかしながら、ゲート電位が負電位まで引き下げられると、半導体基板の全体でアバランシェ降伏が比較的均一に発生し、アバランシェ電流が半導体基板内で分散する。このため、スイッチング素子に加わるストレスが抑制され、スイッチング素子の信頼性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【0008】
スイッチング素子制御回路の回路図。
ミラー電圧を説明するグラフ。
変形例の短絡検出回路の回路図。
インバータ回路の回路図。
【発明を実施するための形態】
【0009】
図1に示すスイッチング素子制御回路10は、IGBT(insulated gate bipolar transistor)12a、12bを有している。IGBT12aとIGBT12bは、並列に接続されている。すなわち、IGBT12aのコレクタがIGBT12bのコレクタに接続されており、IGBT12aのソースがIGBT12bのソースに接続されている。スイッチング素子制御回路10は、IGBT12a、12bをスイッチングさせる。スイッチング素子制御回路10は、L負荷14、ダイオード16、電源18、平滑化コンデンサ20、及び、ゲート制御回路30a、30bを有している。
【0010】
L負荷14は、モータやリアクトル等の高インダクタンスを有する負荷である。L負荷14の一端は、IGBT12a、12bのコレクタに接続されている。L負荷14の他端は、電源18の正極に接続されている。
【0011】
ダイオード16のアノードは、IGBT12a、12bのコレクタに接続されている。ダイオード16のカソードは、電源18の正極に接続されている。すなわち、ダイオード16は、L負荷14に対して並列に接続されている。
【0012】
電源18の負極は、IGBT12a、12bのエミッタに接続されている。電源18は、IGBT12a、12bとL負荷14の直列回路に対して入力電圧V1(直流電圧)を印加する。
【0013】
平滑化コンデンサ20は、電源18に対して並列に接続されている。平滑化コンデンサ20の両端間の電圧は、電源18が印加する入力電圧V1と等しい。
【0014】
ゲート制御回路30aは、IGBT12aのゲートGaに接続されている。ゲート制御回路30aは、ゲートGaの電位Vgを制御する。ゲート制御回路30bは、IGBT12bのゲートGbに接続されている。ゲート制御回路30bは、IGBT12bのゲートGbの電位を制御する。ゲート制御回路30aとゲート制御回路30bの構成は等しい。したがって、以下では、ゲート制御回路30aについて主に説明し、ゲート制御回路30bについての説明を簡略化する。ゲート制御回路30aは、短絡検出回路22、通常時ゲート駆動回路24、短絡時ゲート駆動回路26、ゲート抵抗28、及び、ゲート抵抗29を有している。
【0015】
通常時ゲート駆動回路24は、ゲート抵抗28を介してIGBT12aのゲートGaに接続されている。また、通常時ゲート駆動回路24は、ゲートオン電位Vonとゲートオフ電位Voffに接続されている。ゲートオフ電位Voffは電源18の負極の電位と等しく、ゲートオン電位Vonはゲートオフ電位Voffよりも高い。通常時ゲート駆動回路24は、ゲートオン電位Vonがゲート抵抗28を介してゲートGaに印加される状態と、ゲートオフ電位Voffがゲート抵抗28を介してゲートGaに印加される状態とを切り換える。これによって、通常時ゲート駆動回路24は、ゲートGaの電位Vgを、ゲートオン電位Vonとゲートオフ電位Voffの間で変化させる。通常時(スイッチング素子制御回路10に異常が生じていないとき)は、通常時ゲート駆動回路24によってゲートGaの電位Vgが制御される。IGBT12aのゲート閾値は、ゲートオン電位Vonよりも低く、ゲートオフ電位Voffよりも高い。したがって、ゲートGaにゲートオン電位Vonが印加されるとIGBT12aがオンし、ゲートGaにゲートオフ電位Voffが印加されるとIGBT12aがオフする。このように、通常時は、通常時ゲート駆動回路24によってIGBT12aが制御される。同様に、IGBT12bは、通常時は、ゲート制御回路30bが有する通常時ゲート駆動回路(図示省略)によって制御される。
【0016】
通常時は、IGBT12a、12bが共にオンし、IGBT12a、12bが共にオフするように、IGBT12a、12bが制御される。IGBT12a、12bがオンすると、電源18の正極から、L負荷14とIGBT12a、12bを介して、電源18の負極へ電流が流れる。この状態では、L負荷14に流れる電流が徐々に増加する。IGBT12a、12bがオフすると、L負荷14が電流を流し続ける方向に起電力を生じさせる。このため、L負荷14とダイオード16により構成される閉ループに電流が流れる。この状態では、L負荷14に流れる電流が徐々に減少する。IGBT12a、12bは繰り返しオン‐オフする。これによって、L負荷14に流れる電流の大きさが制御される。また、回路の誤動作等によってL負荷14が短絡する場合がある。L負荷14が短絡している状態でIGBT12a、12bがオンすると、電源18の入力電圧V1がIGBT12a、12bに直接印加され、IGBT12a、12bに過電流が流れる。
【0017】
短絡検出回路22は、ゲートGaに接続されている。短絡検出回路22は、ゲートGaの電位Vgに基づいて、L負荷14が短絡しているか否かを判定する。短絡検出回路22は、L負荷14が短絡しているか否かを示す信号を、短絡時ゲート駆動回路26に送信する。以下に、図2を用いて、L負荷14の短絡の判定方法について説明する。図2は、通常時ゲート駆動回路24がIGBT12aをオンさせるときのゲートGaの電位Vgの変化を示している。図2の縦軸は電位Vgを示しており、図2の横軸はゲートGaに蓄えられる電荷(ゲート電荷)を示している。また、図2の実線のグラフAは通常時のグラフを示しており、図2の破線のグラフBはL負荷14が短絡しているときのグラフを示している。図2に示すように、通常時ゲート駆動回路24は、電位Vgをゲートオフ電位Voffからゲートオン電位Vonまで上昇させることで、IGBT12aをオンさせる。
【0018】
グラフAに示すように、通常時は、ゲートオフ電位Voffからゲートオン電位Vonまで上昇する途中で、ゲート電荷が増加しても電位Vgがミラー電位Vmrから上昇しない領域が存在する。他方、L負荷14が短絡している状態では、IGBT12aがオンすると同時に、IGBT12aに過電流が流れる。この場合、グラフBに示すように、電位Vgがミラー電位Vmrで一定となる領域が存在せず、電位Vgがゲートオフ電位Voffからゲートオン電位Vonまで直線的に変化する。
【0019】
短絡検出回路22は、IGBT12aがオンするときに、ゲートGaの電位Vgがミラー電位Vmrで一定となる領域を有するか否かによって、L負荷14が短絡しているか否かを判定する。
【0020】
短絡時ゲート駆動回路26は、ゲート抵抗29を介してIGBT12aのゲートGaに接続されている。ゲート抵抗29の電気抵抗は、ゲート抵抗28の電気抵抗よりも低い。また、短絡時ゲート駆動回路26は、負電位Vnegに接続されている。負電位Vnegは、電源18の負極の電位よりも低い電位である。通常時は、短絡時ゲート駆動回路26は、負電位VnegをゲートGaに印加しない。短絡時ゲート駆動回路26は、短絡検出回路22からL負荷14の短絡を示す信号を受信すると、ゲート抵抗29を介して負電位VnegをゲートGaに印加する。これによって、IGBT12aをオフさせて、IGBT12aを過電流から保護する。
【0021】
次に、スイッチング素子制御回路10の動作について、詳細に説明する。上述したように、通常時は、通常時ゲート駆動回路24がIGBT12aを繰り返しオン‐オフさせ、ゲート制御回路30bの通常時ゲート駆動回路がIGBT12bを繰り返しオン‐オフさせる。スイッチング素子制御回路10の動作中にL負荷14が短絡すると、IGBT12a、12bに電源18の入力電圧V1が直接印加される。このため、IGBT12a、12bに過電流が流れる。製造ばらつき等によってIGBT12a、12bの特性に差があると、過電流が一方のIGBTに偏って流れるので、そのIGBTにより高いストレスが加わる。このため、ゲート制御回路30a、30bは、過電流が流れると、IGBT12a、12bをオフさせる。
【0022】
IGBT12aに過電流が流れると、短絡検出回路22が過電流(すなわち、L負荷14の短絡)を検出する。すると、短絡時ゲート駆動回路26が、ゲート抵抗29を介してゲートGaを負電位Vnegに接続する。すると、ゲート抵抗29を介してゲートGaが放電され、ゲートGaの電位が負電位Vnegまで低下する。ゲート抵抗29の電気抵抗が小さいので、ゲートGaの電位が負電位Vnegまで急速に低下する。このため、IGBT12aが高速でオフし、IGBT12aが過電流から保護される。IGBT12aが高速でオフすると、IGBT12aのコレクタ−エミッタ間電流が急速に減少する。すると、スイッチング素子制御回路10が有する寄生インダクタンスの影響によって、IGBT12aに高いサージ電圧が印加される。すなわち、IGBT12aに、電源18の入力電圧V1に加えて高いサージ電圧が印加される。すると、IGBT12aの半導体基板の内部でアバランシェ降伏が生じる。このとき、ゲートGaの電位Vgが負電位Vnegに制御されているので、半導体基板の内部で比較的均一にアバランシェ降伏が生じる。このため、半導体基板の内部でアバランシェ電流が分散して流れる。その結果、IGBT12aに対するストレスが軽減される。
【0023】
同様に、IGBT12bに過電流が流れると、ゲート制御回路30bは、ゲート制御回路30aと同様にして、IGBT12bをオフさせる。したがって、IGBT12bが過電流から保護される。
【0024】
以上に説明したように、L負荷14が短絡してIGBT12a、12bに過電流が流れると、ゲート制御回路30a、30bは、IGBT12a、12bのゲートに負電位を印可することで、過電流を停止させる。また、IGBT12a、12bのゲートに負電位を印可することで、IGBT12a、12bの半導体基板内で比較的均一にアバランシェ降伏を生じさせて、IGBT12a、12bへのストレスを軽減することができる。したがって、L負荷14の短絡時に、IGBT12a、12bを適切に保護することができる。
【0025】
なお、IGBTの半導体基板内でアバランシェ降伏が発生すると、高電界により発生したホットキャリアがゲート絶縁膜に注入されて、ゲート絶縁膜の劣化やゲート閾値の上昇等が引き起こされる場合がある。しかしながら、スイッチング素子制御回路10では、負荷14の短絡時にアバランシェ降伏が生じるので、アバランシェ降伏が生じる頻度が少ない。したがって、ホットキャリアの問題が顕在化することを防止できる。
【0026】
なお、短絡検出回路22は、図3のように構成されていてもよい。図3では、IGBT12aが、メインエミッタMEとセンスエミッタSEを有している。メインエミッタMEは通常のエミッタ端子であり、センスエミッタSEはメインエミッタMEに流れる電流IMEに略比例するとともに電流IMEよりも小さい電流ISEが流れるエミッタ端子である。メインエミッタMEはグランド(電源18の負極)に直接接続されており、センスエミッタSEは抵抗50を介してグランドに接続されている。短絡検出回路22は、センスエミッタSEに接続されている。IGBT12aがオンすると、メインエミッタMEからグランドへ電流IMEが流れる。同時に、センスエミッタSEから抵抗50を介してグランドへ電流ISEが流れる。したがって、センスエミッタSEの電位VSEは電流ISEに比例した電位となる。上述したように、電流ISEは電流IMEに略比例するので、電位VSEは電流IMEに略比例する。短絡検出回路22は、電位VSEを検出することで、電流IMEを検出する。短絡検出回路22は、電流IMEが所定値を超えたときは、L負荷14が短絡してIGBT12aに過電流が流れていると判定する。このように、図3の構成でも、短絡検出回路22がL負荷14の短絡を検出することができる。
【0027】
なお、図1の実施形態では、通常時に使用されるゲート抵抗28よりも電気抵抗が小さいゲート抵抗29を介して短絡時ゲート駆動回路26がゲートGaに接続されていた。しかしながら、短絡時ゲート駆動回路26がゲート抵抗28を介してゲートGaに接続されていてもよい。但し、短絡時に使用するゲート抵抗を通常時に使用するゲート抵抗よりも小さくすることで、短絡時により早くIGBTをオフさせることができ、IGBTをより適切に過電流から保護することができる。
【0028】
また、図1の実施形態では、IGBT12aとIGBT12bが並列に接続されていたが、1つのIGBTによってスイッチングする回路において、短絡時にIGBTのゲートに負電位を印加してもよい。
【0029】
図4は、実施形態の技術をインバータ回路100に適用した例を示している。インバータ回路100は、6個のIGBT12p〜12uを有している。各IGBT12に対して、ダイオード16が逆並列に接続されている。インバータ回路100は、各IGBT12をスイッチングさせることで、電源18が供給する入力電圧V1を三相交流電圧に変換し、三相交流電圧をL負荷14に供給する。インバータ回路100では、上アームのIGBT12と下アームのIGBT12が同時にオンすると、L負荷14が短絡する。例えば、IGBT12pとIGBT12sが同時にオンすると、IGBT12pとIGBT12sを介して電源18の正極と負極が短絡する。この場合、IGBT12p、12sに過電流が流れるので、IGBT12p、12sのゲートに負電位が印加され、IGBT12p、12sが保護される。
【0030】
なお、上述した実施形態では、スイッチング素子としてIGBTを用いたが、スイッチング素子としてMOSFET等を用いてもよい。
【0031】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【0032】
10:スイッチング素子制御回路
14:L負荷
16:ダイオード
18:電源
20:平滑化コンデンサ
22:入力電圧検出部
24:制御部
26:ゲート駆動回路
30:ゲート制御回路

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