JP4437685B2

JP4437685B2 - 電力変換器におけるゲート駆動回路

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Publication number: JP4437685B2
Application number: JP2004086328A
Authority: JP
Inventors: 朗子田渕; 聖東
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: JP2005278274A

Description

この発明は、電力変換器を構成するＩＧＢＴなどの電圧駆動形半導体スイッチング素子のゲート駆動回路に関し、特にノイズ及び損失を低減するためゲート駆動条件を切り換えることのできるものに関するものである。

従来のＩＧＢＴ等、電圧駆動形スイッチングデバイスのゲート駆動回路では、コレクタ電流の時間微分相当値を検出する検出手段と、ゲート・エミッタ間容量を変更する操作手段とを設け、スイッチングデバイスのターンオン時に、前記検出手段の出力が所定値以上になったときは、前記操作手段によりゲート・エミッタ間容量を一定時間だけ大きくする、あるいはゲート抵抗値を一定時間だけ大きくしてコレクタ電流の微分値を低下させていた。これにより、ＩＧＢＴのターンオン時に回路の配線インダクタンスに発生するサージ電圧を抑制してスナバ回路を不要にし、低ノイズ化を図っていた（例えば、特許文献１参照）。

特許第３１３２６４８号公報

従来の電圧駆動形スイッチングデバイスのゲート駆動回路は、以上のように構成されているので、ターンオン時にコレクタ電流の微分値（ｄｉ／ｄｔ）が所定値以上になったことを検出し、操作回路にてゲート駆動条件を切り換えてコレクタ電流の微分値を低下させ、ＥＭＩ（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）ノイズを低減していた。しかしながら、コレクタ電流の微分値（ｄｉ／ｄｔ）が所定値以上になったことを検出してから操作回路にてゲート駆動条件を切り換え操作するため、検出段階での遅れ時間および操作段階での遅れ時間によりゲート駆動条件が実際に切り換え完了するのが遅れ、ＥＭＩノイズを充分低減できないことがあった。また、スイッチングに要する時間は短く、特に電流が小さい場合はコレクタ電流の上昇時間はより短くなるため適切なタイミングで安定してゲート駆動条件を切り換えることが困難であった。

さらに、従来のゲート駆動回路では、操作回路にてゲート駆動条件を一定時間だけ切り換えるものであるため、コレクタ電流が最大値となる時点で元のゲート駆動条件に戻らずそれ以降のコレクタ・エミッタ間電圧の立ち下がりにおいて、ゲート・エミッタ間容量が大きい、あるいはゲート抵抗値が大きい駆動条件のままとなる場合があり、スイッチング損失が増大するという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、電圧駆動形半導体スイッチング素子のターンオン時に、スイッチング損失を不要に増大させることなくＥＭＩノイズを低減できるようにゲート駆動条件を切り換えることのできるゲート駆動回路を得ることを目的とするものである。

この発明に係る電力変換器におけるゲート駆動回路は、電力変換器を構成する電圧駆動形半導体スイッチング素子のゲート駆動回路であって、上記スイッチング素子のターンオン時に、ゲート駆動条件を所定時間だけ切り換える操作手段を備え、上記操作手段は、上記スイッチング素子のゲートに直列接続されたゲート抵抗値を小さく切り換える第１の手段、上記スイッチング素子のゲートを充電するためのゲート電源電圧を大きく切り換える第２の手段、上記スイッチング素子のゲート・エミッタ間に接続されたコンデンサの容量を小さく切り換える第３の手段のいずれかを用い、上記スイッチング素子のコレクタ電流の立ち上がり後の該コレクタ電流の時間微分値が最大となる時点から最初にゼロクロスする時点の間に切り換え動作し、上記スイッチング素子のターンオン動作完了後に切り換え解除するものである。

この発明に係る電力変換器におけるゲート駆動回路によると、上記スイッチング素子のターンオンを開始する際に、ＥＭＩノイズを充分低減できるゲート駆動条件にしておけば、ターンオン時のＥＭＩノイズが確実に低減でき、また、操作手段によりゲート駆動条件を所定時間だけ切り換えてスイッチング損失も低減できる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による電力変換器におけるゲート駆動回路を説明する。図１はこの発明の実施の形態１による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図であり、図２はこのゲート駆動回路を用いたときのＩＧＢＴのターンオン時における各出力波形図である。
図に示すように、電圧駆動形半導体スイッチング素子として電流センス端子を備えた絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ１（以下、ＩＧＢＴ１と称す）に逆並列にダイオード２が接続され、抵抗３は上記ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉ_Ｃに相当する信号を検出する。
ゲート駆動信号発生部７にＩＧＢＴ１をオンするためのゲートオン指令ＳＡが入力されると、ゲート駆動信号がＩＧＢＴ１のゲート端子（Ｇ）に入力され、図２に示すように、時刻ｔＡにて、ＩＧＢＴ１のコレクタ端子（Ｃ）及びエミッタ端子（Ｅ）の間の電圧Ｖ_ＣＥが立ち下がり、同時にＩＧＢＴ１を流れるコレクタ電流Ｉ_Ｃは立ち上がる。
複数の半導体素子でインバータ回路等を構成する場合では、図示しないダイオードが上記ＩＧＢＴ１と直列に接続されるため、該ダイオードが逆回復動作（リカバリ動作）を伴いＩ_Ｃはピークを持つ波形となる。

検出されたコレクタ電流Ｉ_Ｃから、コレクタ電流の微分値検出手段としての微分回路４は時間微分値（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）を出力し、ゼロクロス検出手段としてのゼロクロスコンパレータ５は微分回路４の出力を入力として、コレクタ電流の時間微分値のゼロクロスを検出してワンショットマルチバイブレータ６への動作信号を出力する。図２に示すように、Ｉ_Ｃが立ち上がる時刻ｔＡにてＩ_Ｃの微分値（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）は正の信号として検出され、その後ダイオードのリカバリ動作に伴い、時刻ｔＢにてＩ_Ｃは立ち下がる。このとき（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）はゼロクロスしてゼロクロスコンパレータ５が動作し、ワンショットマルチバイブレータ６は動作信号の入力により操作信号（手段）となるゲート条件切換信号ＳＢを所定の時間（時刻ｔＤまで）発生し、その間、ゲート端子に接続される可変ゲート抵抗８の抵抗値が小さくなるように切り換える。

この実施の形態１では、コレクタ電流の時間微分値のゼロクロスを検出するタイミング（時刻ｔＢ）で、ゲート抵抗を小さくしてゲート駆動条件を所定の時間だけ鋭くする。このため、時刻ｔＢ以降のＶ_ＣＥが立ち下がる期間でのスイッチング損失（Ｖ_ＣＥ×Ｉ_Ｃ）の増加を抑制できる。ここで、ゲート抵抗の定常値は、ターンオン時のＥＭＩノイズが低減できる十分な高さとし、可変ゲート抵抗８の抵抗値が該定常値に予め設定された状態でターンオンが開始されるものとする。このため、スイッチング損失を増加させることなく確実にＥＭＩノイズを低減できる。

このため、図示しない冷却手段の簡略化が図れると共に、ＥＭＩノイズを低減するためのフィルタを簡略化、あるいは省略することができ、ＩＧＢＴを含む電力変換装置を低コストで実現できるという効果がある。
また、ゲート駆動条件の切換は、コレクタ電流の時間微分値のゼロクロス検出に基づいているため、ゼロ点以外の値で検出する場合に比して検出が容易で確実である。
なお、図２に示すＥＭＩノイズは、時刻ｔＢ以降のものを示しているが、それ以前のコレクタ電流の上昇期間にゲート抵抗を高く設定していることで低減されるものである。

上記実施の形態では、ゲート駆動条件の切り換えに可変ゲート抵抗８を用いたが、図３にゲート抵抗を変える具体的な構成の例を示す。ゲートオン信号ＳＡによりゲート電源６４からスイッチ６３を介してＩＧＢＴ１のゲートＧを充電する。またゲート条件切換信号ＳＢを受けてスイッチ６２をオンオフすることで、第２のゲート抵抗６１が切り離された定常状態から、所定時間、第１のゲート抵抗６０と第２のゲート抵抗６１とが並列に接続された状態とし、ゲートＧを充電するゲート駆動条件を所定時間だけ鋭くする。

また、ゲート駆動条件の切り換えは、図４に示すようにゲート電源電圧の切り換えによるものでも良く、同様の効果を有する。
図４に示すように、第１のゲート電源７１は第２のゲート電源７２よりも小さい電圧値に設定されてダイオード７０が接続されている。ゲートオン信号ＳＡにより第１のゲート電源７１あるいは第２のゲート電源７２からスイッチ７４を介してＩＧＢＴ１のゲートＧを充電する。またゲート条件切換信号ＳＢを受けてスイッチ７３がオンオフすることにより、第１のゲート電源７１あるいは第２のゲート電源７２のいずれかの電圧が選択される。この場合、第１のゲート電源７１が選択された定常状態から、所定時間、ゲート電源電圧の大きな第２のゲート電源７２を選択して、ゲートＧを充電するゲート駆動条件を所定時間だけ鋭くする。

さらに、ゲート駆動条件の切り換えは、図５に示すようにゲート（Ｇ）エミッタ（Ｅ）間にコンデンサ８０を並列に接続するか切り離すことによっても良く、同様の効果を有する。
図５に示すように、ゲートオン信号ＳＡによりゲート電源６４からスイッチ６３を介してＩＧＢＴ１のゲートＧを充電する。またゲート条件切換信号ＳＢを受けてスイッチ８１をオンオフすることで、ゲート・エミッタ間にコンデンサ８０が並列に接続された定常状態から、所定時間、コンデンサ８０の切り離しを行い、ゲートＧを充電するゲート駆動条件を所定時間だけ鋭くする。このようにゲート・エミッタ間の容量を所定時間小さくすることによってもゲート駆動条件を所定時間だけ鋭くすることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による電力変換器におけるゲート駆動回路を説明する。図６はこの発明の実施の形態２による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。
図６に示すように、電流センス端子を持たないＩＧＢＴ１ａを用い、コレクタ電流の微分値検出手段としてサーチコイル９を用いる。なお、２および５〜８については図１で示した上記実施の形態１の場合と同様である。
サーチコイル９は、ＩＧＢＴ１ａのエミッタ端子あるいはコレクタ端子に接続されてコレクタ電流Ｉ_Ｃが流れる配線の近傍に配設され、非接触でコレクタ電流Ｉ_Ｃの微分波形を検出する。このように、サーチコイル９によりコレクタ電流の時間微分値（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）を出力することができる。

この後、上記実施の形態１と同様に、ゼロクロスコンパレータ５はサーチコイル９の出力を入力として、コレクタ電流の時間微分値のゼロクロスを検出してワンショットマルチバイブレータ６への動作信号を出力し、ワンショットマルチバイブレータ６はゲート条件切換信号ＳＢを所定の時間（時刻ｔＤまで）発生し、その間、ゲート端子に接続される可変ゲート抵抗８の抵抗値が小さくなるように切り換える。

この実施の形態２においても、コレクタ電流の時間微分値のゼロクロスを検出するタイミング（時刻ｔＢ）で、ゲート抵抗を小さくしてゲート駆動条件を所定の時間だけ鋭くする。このため、時刻ｔＢ以降のＶ_ＣＥが立ち下がる期間でのスイッチング損失（Ｖ_ＣＥ×Ｉ_Ｃ）の増加を抑制できる。また、ゲート抵抗の定常値は、ターンオン時のＥＭＩノイズが低減できる十分な高さで予め設定され、可変ゲート抵抗８の抵抗値が該定常値に設定された状態でターンオンが開始されるため、上記実施の形態１と同様にスイッチング損失を増加させることなく確実にＥＭＩノイズを低減できる。また、ゲート駆動条件の切換は、コレクタ電流の時間微分値のゼロクロス検出に基づいているため、ゼロ点以外の値で検出する場合に比して検出が容易で確実である。

またサーチコイル９によりコレクタ電流の微分波形を得るため、微分波形を得るための時間遅れがなく、時間遅れのないゼロクロス検出ができ、信頼性の高い検出が行えると共に、検出回路の簡略化が図れる。
また電流センス端子を持たないＩＧＢＴ１ａについても広く適用できるという効果がある。
さらに、上記実施の形態１と同様に、ゲート駆動条件の切り換えは、図４に示すようにゲート電源電圧の切り換えによるものでも、また、図５に示すようにゲート・エミッタ間の容量を切り換えるものであっても良く、同様の効果が得られる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３による電力変換器におけるゲート駆動回路を説明する。図７はこの発明の実施の形態２による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。
図７に示すように、ダイオード２２、２４が逆並列接続されたＩＧＢＴ２１、２３をハーフブリッジ回路に適用したものである。ダイオード２２もしくは２４がリカバリ動作を行う場合は、コレクタ電流に相当する電流がハーフブリッジ回路のＰ側直流母線２７、Ｎ側直流母線３２を必ず流れるため、サーチコイル２８、３３をＰ側直流母線２７、Ｎ側流母線３２の近傍に配設する。ゼロクロスコンパレータ２６、３１、ワンショットマルチバイブレータ２５、３０、ゲート可変抵抗２９、３４は、上記実施の形態１、２のゼロクロスコンパレータ５、ワンショットマルチバイブレータ６、ゲート可変抵抗８と同様であり、同様に動作する。

この実施の形態では、上記実施の形態２と同様の効果が得られると共に、サーチコイル２８、３３をＰ側直流母線２７、Ｎ側流母線３２の近傍に配設することにより、サーチコイル２８、３３をＩＧＢＴ２１、２３直近の空間余裕のない位置に設置する必要がなく、容易に設置できる。また、１つのサーチコイルで複数のＩＧＢＴの電流検出も可能になり、部品点数を低減できる効果もある。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４による電力変換器におけるゲート駆動回路を説明する。図８はこの発明の実施の形態４による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図であり、図９はこのゲート駆動回路を用いたＩＧＢＴ１のターンオン時における各出力波形図である。
上記実施の形態１では、ゼロクロスコンパレータ５はコレクタ電流の時間微分値（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）のゼロクロスを検出してワンショットマルチバイブレータ６への動作信号を出力したが、この実施の形態では、レベルコンパレータ１０を配設し、微分回路４からのコレクタ電流の時間微分値（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）のレベルが所定値ｘを超えるとレベルコンパレータ１０はワンショットマルチバイブレータ１１への動作信号を出力する。ワンショットマルチバイブレータ１１は動作信号の入力によりゲート条件切換信号ＳＢを所定の時間発生し、その間、ゲート端子に接続される可変ゲート抵抗８の抵抗値が小さくなるように切り換える。

図９に示すように、Ｉ_Ｃが立ち上がる時刻ｔＡにてＩ_Ｃの微分値（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）は正の信号として検出され、その後ダイオードのリカバリ動作に伴い、時刻ｔＢにてＩ_Ｃは立ち下がる。レベルコンパレータ１０は、時刻ｔＢ以前の時刻ｔＥにて、時間微分値（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）のレベルが所定値ｘを超えることを検出し、ワンショットマルチバイブレータ１１への動作信号を出力する。
図に示すように、時刻ｔＥにて時間微分値（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）のレベルが所定値ｘを超えてからワンショットマルチバイブレータ６によりゲート条件切換信号ＳＢが発生されるまでと、さらに可変ゲート抵抗８の抵抗値が実際に切り換えられるまでと、それぞれ時間遅れが発生し、これにより時刻ｔＥからＴの時間遅れを有して可変ゲート抵抗８の抵抗値の切り換えが完了する。

ところで、ゲート抵抗値の切り換え等ゲート駆動条件の切り換え動作は、望ましくはリカバリ動作の終了する時刻ｔＢにて完了し、これにより時刻ｔＢ以降での不要なスイッチング損失を低減する。さらに、時刻ｔＢ、あるいは時刻ｔＢ以前で（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）が最大値となる時点から時刻ｔＢまでの間にゲート駆動条件を切り換えると、時刻ｔＢ以降に切り換えた場合より発生するＥＭＩノイズの大きさが小さくなるものである。
この実施の形態では、上述したように、ゲート駆動条件の切り換えタイミングの基となる検出を、時刻ｔＢ以前の時刻ｔＥにて時間微分値（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）のレベルが所定値ｘを超えることで行っているため、所定値ｘを適した値に設定することで、上述した時間遅れのある場合でも、時刻ｔＢまでにゲート駆動条件の切り換えを完了させることができる。このため、時刻ｔＢ以降での不要なスイッチング損失を低減させると共に、ＥＭＩノイズを低減することができる。
なおこの実施の形態では所定値ｘを超えることを検出することを述べたが一旦上昇した（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）が減少して所定値ｘ未満となることを検出しても良く、同様の効果が得られる。

なお、この実施の形態においても、上記実施の形態２で用いたサーチコイル９を用いてコレクタ電流の時間微分値を検出しても良く、同様の効果が得られる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５による電力変換器におけるゲート駆動回路を説明する。図１０はこの発明の実施の形態５による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図であり、図１１はこのゲート駆動回路を用いたＩＧＢＴ１ａのターンオン時における各出力波形図である。
上記実施の形態２では、サーチコイル９によりコレクタ電流の時間微分値（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）を出力し、この（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）のゼロクロスをゼロクロスコンパレータ５で検出してワンショットマルチバイブレータ６へ動作信号を出力したが、この実施の形態では、２階微分値検出手段としての第１のサーチコイル４０と第２のサーチコイル４２とにより、コレクタ電流の時間２階微分相当値を検出する。

図１０に示すように、第１の微分値検出手段である第１のサーチコイル４０を、ＩＧＢＴ１ａのエミッタ端子あるいはコレクタ端子に接続されてコレクタ電流が流れる配線の近傍に配設し、この第１のサーチコイル４０は抵抗４１を接続して終端し、抵抗４１の近傍に第２の微分値検出手段である第２のサーチコイル４２を配設する。第１のサーチコイル４０の出力はコレクタ電流の時間微分値（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）であり、第２のサーチコイル４２の出力は、第１のサーチコイル４０の出力時間微分値、即ち、コレクタ電流の２階時間微分値（ｄ^２Ｉ_Ｃ／ｄｔ^２）となる。
この後、ゼロクロス検出手段としてのゼロクロスコンパレータ５ａは第２のサーチコイル４２の出力を入力として、コレクタ電流の２階時間微分値のゼロクロスを検出してワンショットマルチバイブレータ６への動作信号を出力し、ワンショットマルチバイブレータ６はゲート条件切換信号ＳＢを所定の時間発生し、その間、ゲート端子に接続される可変ゲート抵抗８の抵抗値が小さくなるように切り換える。

図１１に示すように、第２のサーチコイル４２の出力である（ｄ^２Ｉ_Ｃ／ｄｔ^２）は、時刻ｔＦにおいて（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）が極大値となるときゼロクロスするため、時刻ｔＢの（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）のゼロクロス時点よりも早くゼロクロス点を迎える。このため、ゲート駆動条件の切り換え完了までに多少時間遅れのある場合でも、時刻ｔＢ以降での不要なスイッチング損失を低減させると共に、ＥＭＩノイズを低減することができる。なお、図１１では時間遅れのない場合を示している。
また、コレクタ電流の２階時間微分値がゼロクロスするタイミングである時刻ｔＦから時刻ｔＢまでの時間は、電流の大きさによって大きく変化しないため、安定した切り換え動作が得られる。また、ゼロクロス検出を用いているため検出が容易で確実である。
また２個のサーチコイル４０、４２によりコレクタ電流の２階時間微分値を得るため、コレクタ電流の２階時間微分値を検出するための時間遅れがなく、時間遅れのないゼロクロス検出ができ、信頼性の高い検出が行えると共に、検出回路の簡略化が図れる。

実施の形態６．
次に、この発明の実施の形態６による電力変換器におけるゲート駆動回路を説明する。図１２はこの発明の実施の形態６による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図であり、図１３はこのゲート駆動回路を用いたＩＧＢＴのターンオン時における各出力波形図である。
図１２に示すように、ダイオード２２、２４が逆並列接続されたＩＧＢＴ２１、２３をハーフブリッジ回路に適用したものである。ＩＧＢＴ２１がターンオンするとき負荷電流ＩＡが矢印方向に流れていれば、ＩＧＢＴ２３に逆並列接続されたダイオード２４がリカバリ動作する。ダイオード２４に直列に配置された抵抗５１はダイオード２４に流れる電流Ｉ_Ｆに相当する信号を検出する。ゼロクロス検出手段としてのゼロクロスコンパレータ５ｂは電流Ｉ_Ｆに相当する信号のゼロクロスを検出してワンショットマルチバイブレータ６への動作信号を出力し、ワンショットマルチバイブレータ６はゲート条件切換信号ＳＢを所定の時間発生し、その間、ゲート端子に接続される可変ゲート抵抗８の抵抗値が小さくなるように切り換える。

図１３に示すように、ＩＧＢＴ２１がターンオンするとき、ＩＧＢＴ２３に逆並列接続されたダイオード２４を流れる電流Ｉ_Ｆは、リカバリ動作することにより、コレクタ電流Ｉ_Ｃが極大値となる時刻ｔＢよりも早い時刻ｔＧにてゼロクロス点を迎える。このため、ゲート駆動条件の切り換えを完了までに多少時間遅れのある場合でも、時刻ｔＢ以降での不要なスイッチング損失を低減させると共に、ＥＭＩノイズを低減することができる。なお、図１３では時間遅れのない場合を示している。

また、ダイオード２４を流れる電流Ｉ_Ｆがゼロクロスするタイミングである時刻ｔＧから時刻ｔＢまでの時間は、負荷電流ＩＡの大きさが変化しても大きく変化しないため、安定した切り換え動作が得られる。また、ゼロクロス検出を用いているため検出が容易で確実である。
また図１２では省略したが、ＩＧＢＴ２１側に逆並列接続されたダイオード２２に直列に抵抗を配置することで、他方のＩＧＢＴ２３がターンオンする場合に対応した検出手段を設置できる。

実施の形態７．
次に、この発明の実施の形態７による電力変換器におけるゲート駆動回路を説明する。図１４はこの発明の実施の形態７による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図であり、図１５はこのゲート駆動回路を用いたＩＧＢＴのターンオン時における各出力波形図である。
上記実施の形態６では、ダイオード２４に流れる電流Ｉ_Ｆのゼロクロスを検出したが、この実施の形態では、レベルコンパレータ１０ａを配設して、ダイオード２４に流れる電流Ｉ_Ｆのレベルが低下し所定値ｙ未満になるときを検出し、ワンショットマルチバイブレータ１１へ動作信号を出力する。ワンショットマルチバイブレータ１１は動作信号の入力によりゲート条件切換信号ＳＢを所定の時間発生し、その間、ゲート端子に接続される可変ゲート抵抗８の抵抗値が小さくなるように切り換える。

図１５に示すように、ＩＧＢＴ２１がターンオンするとき、ＩＧＢＴ２３に逆並列接続されたダイオード２４を流れる電流Ｉ_Ｆは、リカバリ動作することにより、コレクタ電流Ｉ_Ｃが極大値となる時刻ｔＢよりも早い時刻ｔＧにてゼロクロス点を迎えるが、このゼロクロス時点よりも早い時刻ｔＨにて所定値ｙ未満になる。このため、時刻ｔＨを検出することでゲート駆動条件の切り換え完了までの時間遅れが大きくなっても、時刻ｔＢ、あるいは時刻ｔＢ以前で（ｄＩ_Ｃ／ｄｔ）が最大値となる時点から時刻ｔＢまでの間にゲート駆動条件を切り換えることができ、時刻ｔＢ以降での不要なスイッチング損失を低減させると共に、ＥＭＩノイズを低減することができる。なお、図１５では時間遅れのない場合を示している。

さらに所定値ｙが負荷電流ＩＡ未満であれば、時刻ｔＨから時刻ｔＢまでの時間は、負荷電流ＩＡの大きさが変化しても大きく変化しないため、安定した切り換え動作が得られる。所定値ｙが負荷電流ＩＡ以上であればゲート抵抗は切り替わらず大きいままであるが、このときＥＭＩノイズは低減でき、負荷電流ＩＡが十分小さいためスイッチング損失も小さく問題ない。

この発明の実施の形態１による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態１によるターンオン時における各出力波形図である。この発明の実施の形態１の別例による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態１の別例による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態１の別例による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態２による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態３による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態４による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態４によるターンオン時における各出力波形図である。この発明の実施の形態５による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態５によるターンオン時における各出力波形図である。この発明の実施の形態６による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態６によるターンオン時における各出力波形図である。この発明の実施の形態７による電力変換器におけるゲート駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態７によるターンオン時における各出力波形図である。

符号の説明

１，１ａ電圧駆動形半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴ、２ダイオード、
３抵抗、４微分値検出手段としての微分回路、
５，５ａ，５ｂゼロクロス検出手段としてのゼロクロスコンパレータ、
６ワンショットマルチバイブレータ、７ゲート駆動信号発生部、
８可変ゲート抵抗、９微分値検出手段としてのサーチコイル、
１０，１０ａレベルコンパレータ、１１ワンショットマルチバイブレータ、
２１，２３電圧駆動形半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴ、
２２，２４ダイオード、
２６，３１ゼロクロス検出手段としてのゼロクロスコンパレータ、
２７，３２直流母線、２８，３３微分値検出手段としてのサーチコイル、
２９，３４可変ゲート抵抗、
４０第１の微分値検出手段としての第１のサーチコイル、
４２第２の微分値検出手段としての第２のサーチコイル、５１抵抗、
６０第１のゲート抵抗、６１第２のゲート抵抗、６２スイッチ、
７１第１のゲート電源、７２第２のゲート電源、７３スイッチ、
８０コンデンサ、８１スイッチ、ＳＡゲートオン信号、
ＳＢゲート条件切換信号。

Claims

電圧駆動形半導体スイッチング素子にて構成される電力変換器のゲート駆動回路であって、
上記スイッチング素子のターンオン時に、ゲート駆動条件を所定時間だけ切り換える操作手段を備え、
上記操作手段は、上記スイッチング素子のゲートに直列接続されたゲート抵抗値を小さく切り換える第１の手段、上記スイッチング素子のゲートを充電するためのゲート電源電圧を大きく切り換える第２の手段、上記スイッチング素子のゲート・エミッタ間に接続されたコンデンサの容量を小さく切り換える第３の手段のいずれかを用い、上記スイッチング素子のコレクタ電流の立ち上がり後の該コレクタ電流の時間微分値が最大となる時点から最初にゼロクロスする時点の間に切り換え動作し、上記スイッチング素子のターンオン動作完了後に切り換え解除することを特徴とする電力変換器におけるゲート駆動回路。
上記スイッチング素子のコレクタ電流の時間微分相当値を検出する微分値検出手段を備え、上記スイッチング素子のターンオン時に、上記微分値検出手段の出力が所定値を超えるタイミング、あるいは一旦上昇した該出力が減少して所定値未満になるタイミングを検出して、上記操作手段を切り換え動作させることを特徴とする請求項１記載の電力変換器におけるゲート駆動回路。
上記微分値検出手段は、上記コレクタ電流が流れる配線近傍に配設され非接触で上記コレクタ電流の時間微分相当値を検出するものであることを特徴とする請求項２記載の電力変換器におけるゲート駆動回路。
上記微分値検出手段は、上記電力変換器の直流母線に流れるコレクタ電流に相当する電流から、その時間微分相当値を検出するものであることを特徴とする請求項２に記載の電力変換器におけるゲート駆動回路。
上記スイッチング素子のコレクタ電流の時間２階微分相当値を検出する２階微分値検出手段と、該２階微分値検出手段による２階微分値がゼロクロスすることを検出するゼロクロス検出手段とを備え、上記スイッチング素子のターンオン時に、上記ゼロクロス検出手段により上記２階微分値の最初のゼロクロスを検出して、上記操作手段を切り換え動作させることを特徴とする請求項１記載の電力変換器におけるゲート駆動回路。
上記２階微分値検出手段を、上記コレクタ電流が流れる配線近傍に配設され非接触で上記コレクタ電流の時間微分相当値を検出する第１の微分値検出手段と、該第１の微分値検出手段の出力電流が流れる配線近傍に配設され非接触で該出力電流の時間微分相当値を検出する第２の微分値検出手段とで構成し、該第２の微分値検出手段の出力を上記コレクタ電流の時間２階微分相当値とすることを特徴とする請求項５記載の電力変換器におけるゲート駆動回路。
上記スイッチング素子と互いに逆極性で直列接続され該スイッチング素子のターンオンに伴い逆回復を起こすダイオードの電流を検出する手段と、検出された該ダイオードの電流がゼロクロスすることを検出するゼロクロス検出手段とを備え、上記スイッチング素子のターンオン時に、上記ゼロクロス検出手段により上記ダイオードの電流における最初のゼロクロスを検出して、上記操作手段を切り換え動作させることを特徴とする請求項１記載の電力変換器におけるゲート駆動回路。
上記スイッチング素子と互いに逆極性で直列接続され該スイッチング素子のターンオンに伴い逆回復を起こすダイオードの電流を検出する手段を備え、上記スイッチング素子のターンオン時に、上記検出手段による上記ダイオードの電流が所定値未満となるタイミングを検出して、上記操作手段を切り換え動作させることを特徴とする請求項１記載の電力変換器におけるゲート駆動回路。