JP4770064B2 - IPM circuit - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータなどに用いられるインテリジェントパワーモジュール(IPM)回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3にこの種のIPMを用いたインバータ主回路図を示す。
同図において、1は直流電源(なお、交流入力の場合は整流器+電解コンデンサの構成となる)、2はIPMである。このIPM2はここでは、IGBT等のパワー半導体素子3とこれに逆並列接続されたダイオード4との組が6回路分設けられ、各素子3にはそのゲートを駆動するためのゲート駆動回路5および素子3を過電流や過熱から保護するための保護回路6がそれぞれ設けられる(図3ではその1個分だけが示されている)。なお、ゲート駆動回路5は外部からの信号L1によって素子3をオン,オフさせるとともに、保護回路6を介して素子3に過電流が流れたり過熱した場合に故障信号L2を出力する。
【0003】
図4にゲート駆動部の具体例を示す。これは、保護回路の図示を省略したIPMとも言える。
S1はオン用のゲート抵抗を兼ねたMOSFET(金属酸化膜型電界効果トランジスタ)で、このMOSFETがオンすることでIGBT素子3がオンする。また、S2はオフ用のゲート抵抗を兼ねたMOSFETで、このMOSFETがオンすることで素子3がオフする。D1は信号L1の立ち上がりを遅延させる遅延回路、D2自体は立ち上がり遅延回路であるが、インバータゲートI2が前段に設けられていることから、信号L1の立ち下がりを遅延させる回路で、遅延回路D1,D2はS1,S2を同時オンさせないこと、およびノイズによる誤動作を防止するために設けられる。なお、7はゲート駆動回路用電源である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
通常、IPMのゲート駆動回路や保護回路はIC(集積回路)で構成される。上記の遅延回路D1,D2等をICで構成する場合、一般的には設計値に対し数10%の個体差ばらつきが発生する。また、IPMの入力からスイッチ素子を駆動する最終段のスイッチ素子(S1,S2)までの間には図示のバッファ回路B1の他にさまざまな回路が接続されているため、これらの回路による遅延時間ばらつきも存在する。そこで、IPMを並列接続し信号L1を並列入力して動作させる場合、各種回路の遅延時間ばらつきによって、並列接続されたスイッチ素子のスイッチング時間差は大きくなり、その結果、スイッチング時の電流アンバランスが発生し、過電流検出レベル以下で過電流検出をしたり、スイッチング損失責務の増加やアンバランスにより、特定素子に熱集中現象が起きたりする。
【0005】
並接されるIPMのゲート端子間を短絡すれば上記問題は解決するが、並接されるゲート駆動回路間でゲート駆動用スイッチ素子の上下アーム短絡現象が発生し、ゲート駆動回路の消費電力が大きくなるという問題が発生する。
したがって、この発明の課題は、スイッチング時のアンバランスをなくすことで、誤検出動作や特定素子への熱集中現象を防止し、IPM内ICの消費電力を低減することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、パワーモジュールおよびこれを駆動するための駆動回路を少なくとも備えたIPM(インテリジェントパワーモジュール)を並列接続してなるIPM回路において、
並列接続されるパワーモジュールのゲート同士を短絡線により短絡するとともに、前記駆動回路を、パワーモジュールのゲート電位または前記短絡線に流れる電流を検出する検出手段と、検出値を設定値と比較する比較手段と、その比較結果と前記パワーモジュールへの指令信号との論理積演算を行なう論理演算手段と、この論理積演算手段からの出力にもとづき前記パワーモジュールをそれぞれオン,オフさせるスイッチ素子とから構成し、前記スイッチ素子のオン,オフ状態を並列接続されたIPM回路間で互いに同じ状態にすることを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の原理を説明する回路図である。
これは、並列接続されるIGBTのゲート端子間を短絡線8によって短絡する構成としたものである。IGBTのゲート端子間を短絡線8で短絡する代わりに抵抗を介したり、抵抗とコンデンサとの直列回路を介して短絡することができるのは勿論である。
【0008】
図2はこの発明の実施の形態を示す回路図である。
図1のA回路側とB回路側においてゲート駆動回路内の信号伝送時間にばらつきがあると、最終段スイッチ素子(S1A,S2A,S1B,S2B)のスイッチング時刻にばらつきが発生する。例えば、IGBTがターンオフする際にA回路側の伝送時間の方が短い場合、スイッチ素子S2AとS1Bが同時にオンする期間(伝送時間差分)が発生し、この間、電源7からS1B,短絡線8,S2Aを介して上下アーム短絡電流が流れ、消費電力の増加を招く。
【0009】
図2は上記のような不都合を解消すべく、図1の回路のA回路側にアンドゲートA1A〜A4A、オアゲートO1A,O2A、セットリセットフリップフロップF1A,F2Aおよびコンパレータ91A,92A等を付加して構成したものである。なお、B回路側も上記と同様に構成される。
コンパレータ91Aは、ゲート電位VGを基準電圧V1Aと比較する。この基準電圧V1AはS1AとS2B、またはS1BとS2Aが同時オンしている場合のゲート電位VGを基準にして決定する(例えば、S1AとS2B、またはS1BとS2Aが同時オンしている場合のゲート電位VGが7.5Vの場合は、7.5V以下に設定する)。アンドゲートA1Aは、コンパレータ91Aの出力および信号L1がロー(L)で、S1Aがオン指令となっているときにアクティブとなり、F1Aをセットする。この状態は、B回路側のオフ指令の伝送時間が短く、信号L1のオフ指令に対してS2BとS1Aがオンする上下アーム短絡現象を検出している状態と言える。この状態をF1Aのセットにより検出した後は、アンドゲートA2A,O2Aによって強制的にS1Aをオフ,S2AをオンすることによりB回路側のS1B,S2Bと同一のスイッチング状態にし、短絡線8を介する上下アーム短絡現象をなくすようにしている。
【0010】
同様に、アンドゲートA3Aはコンパレータ92Aの出力がハイ(H)、信号L1がHかつS2Aの指令がオン指令となっている場合にアクティブとなり、フリップフロップF2A,オアゲートO1A,アンドゲートA4Aは、B回路側のオン指令の伝送時間が短く、信号L1のオン指令に対してS1BとS2Aがオンしている状態を検出し、検出後に強制的にS1Aをオン,S2Aをオフさせる。
また、A回路側の信号伝送時間が短い場合はB回路側が動作するが、その動作は上記と同様なので説明は省略する。
なお、IPM内ゲート駆動回路の最終段スイッチ素子の上下アーム短絡現象の検出方法として、上記ではIGBTのゲート電圧から検出するようにしたが、短絡線8に流れる電流をシャント抵抗等で直接検出し、検出値が所定値以上のとき短絡発生として検出することも可能である。
【0011】
【発明の効果】
この発明によれば、IPMの並列化によって並列駆動されるIGBTは、ゲート端子間の短絡により同電位駆動となるので、スイッチング波形はほぼ同じものになる。その結果、スイッチング時のアンバランスによる損失増加や不必要な過電流検出,過熱検出現象を無くすことができるだけでなく、ゲート駆動回路内の上下アーム短絡現象がなくなるので、IGBT駆動用ICの消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の原理を説明するための構成図である。
【図2】 この発明の実施の形態を示す構成図である。
【図3】 IPMを用いたインバータの従来例を示す構成図である。
【図4】 図3のゲート駆動回路例を示す回路図である。
【符号の説明】
1…直流電源、2…IPM(インテリジェントパワーモジュール)回路、3…IGBT、4…ダイオード、5…ゲート駆動回路、6…保護回路、7…ゲート駆動回路用電源、8…短絡線、91A,92A,91B,92B…コンパレータ、B1,B1A,B1B…バッファ回路、I1,I2,I1A,I2A,I1B,I2B…インバータゲート、D1A,D2A,D1B,D2B…遅延回路、S1A,S2A,S1B,S2B…最終段スイッチ素子、A1A〜A4A…アンドゲート、O1A,O2A,O1B,O2B…オアゲート。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an intelligent power module (IPM) circuit used for an inverter or the like.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 shows an inverter main circuit diagram using this type of IPM.
In the figure,
[0003]
FIG. 4 shows a specific example of the gate driver. This can be said to be an IPM in which the protection circuit is not shown.
S1 is a MOSFET (metal oxide film type field effect transistor) that also serves as an on-gate resistance. When this MOSFET is turned on, the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Normally, the gate drive circuit and protection circuit of the IPM are configured by an IC (integrated circuit). When the delay circuits D1, D2 and the like are configured by an IC, generally an individual difference variation of several tens of percent occurs with respect to a design value. In addition to the buffer circuit B1 shown in the figure, various circuits are connected between the input of the IPM and the last stage switch elements (S1, S2) for driving the switch elements. There are also variations. Therefore, when the IPM is connected in parallel and operated by inputting the signal L1 in parallel, the switching time difference between the switch elements connected in parallel increases due to delay time variations of various circuits, resulting in current imbalance during switching. However, overcurrent detection is performed at an overcurrent detection level or below, and a thermal concentration phenomenon occurs in a specific element due to an increase or imbalance in switching loss responsibilities.
[0005]
The above problem can be solved by short-circuiting the gate terminals of the IPMs that are juxtaposed, but the upper and lower arms of the gate drive switch element are short-circuited between the gate drive circuits that are juxtaposed, and the power consumption of the gate drive circuit is reduced The problem of becoming larger occurs.
Accordingly, an object of the present invention is to prevent an erroneous detection operation and a heat concentration phenomenon to a specific element by eliminating imbalance at the time of switching, and to reduce power consumption of the IC in the IPM.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such problems, in the invention of
Comparison between the gates of the power modules connected in parallel with each other by a short-circuit line and the drive circuit for detecting the gate potential of the power module or the current flowing through the short-circuit line and comparing the detection value with a set value Means, logical operation means for performing a logical product operation of the comparison result and a command signal to the power module, and switching elements for turning on and off the power module based on an output from the logical product operation means , respectively. The on / off states of the switch elements are the same between the IPM circuits connected in parallel.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating the principle of the present invention.
In this configuration, the gate terminals of the IGBTs connected in parallel are short-circuited by the short-
[0008]
Figure 2 is a circuit diagram showing a form of implementation of the present invention.
If there is a variation in the signal transmission time in the gate drive circuit between the A circuit side and the B circuit side in FIG. 1, the switching time of the final stage switch elements (S1A, S2A, S1B, S2B) will vary. For example, if the transmission time on the A circuit side is shorter when the IGBT is turned off, a period (transmission time difference) in which the switch elements S2A and S1B are simultaneously turned on is generated. During this period, the
[0009]
FIG. 2 adds AND gates A1A to A4A, OR gates O1A and O2A, set-reset flip-flops F1A and F2A, comparators 91A and 92A, etc., to the A circuit side of the circuit of FIG. It is composed. The B circuit side is configured in the same manner as described above.
The comparator 91A compares the gate potential VG with the reference voltage V1A. This reference voltage V1A is determined based on the gate potential VG when S1A and S2B or S1B and S2A are simultaneously turned on (for example, the gate when S1A and S2B or S1B and S2A are simultaneously turned on). When the potential VG is 7.5V, it is set to 7.5V or less). The AND gate A1A becomes active when the output of the comparator 91A and the signal L1 are low (L) and S1A is an on command, and sets F1A. This state can be said to be a state in which the transmission time of the OFF command on the B circuit side is short and the upper and lower arm short-circuit phenomenon in which S2B and S1A are turned ON in response to the OFF command of the signal L1 is detected. After this state is detected by the setting of F1A, the S1A is forcibly turned off by the AND gates A2A and O2A, and the S2A is turned on to make the switching state the same as the S1B and S2B on the B circuit side. The upper and lower arm short circuit phenomenon is eliminated.
[0010]
Similarly, the AND gate A3A becomes active when the output of the comparator 92A is high (H), the signal L1 is H, and the command of S2A is an on command, and the flip-flop F2A, the OR gate O1A, and the AND gate A4A The on-command transmission time on the circuit side is short, and the state in which S1B and S2A are on with respect to the on-command of the signal L1 is detected. After the detection, S1A is forcibly turned on and S2A is turned off.
In addition, when the signal transmission time on the A circuit side is short, the B circuit side operates.
In addition, as a detection method of the upper and lower arm short circuit phenomenon of the final stage switch element of the gate drive circuit in the IPM, the detection is made from the gate voltage of the IGBT in the above. It is also possible to detect that a short circuit has occurred when the detected value is equal to or greater than a predetermined value.
[0011]
【The invention's effect】
According to this invention, IGBT being driven in parallel by the parallel of IPM, since the same potential driven by short-circuit between the gate terminals, the switching waveform is almost the same. As a result, the loss increases and unnecessary overcurrent detection by the imbalance at the time of switching, not only can eliminate the overheat detection phenomena, since the upper and lower arm short circuit phenomenon in the gate drive circuit is eliminated, consumption of IGBT drive IC Electric power can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram for explaining the principle of the present invention;
2 is a block diagram showing a form of implementation of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a conventional example of an inverter using an IPM.
4 is a circuit diagram showing an example of the gate drive circuit of FIG. 3;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (1)
並列接続されるパワーモジュールのゲート同士を短絡線により短絡するとともに、前記駆動回路を、パワーモジュールのゲート電位または前記短絡線に流れる電流を検出する検出手段と、検出値を設定値と比較する比較手段と、その比較結果と前記パワーモジュールへの指令信号との論理積演算を行なう論理演算手段と、この論理積演算手段からの出力にもとづき前記パワーモジュールをそれぞれオン,オフさせるスイッチ素子とから構成し、前記スイッチ素子のオン,オフ状態を並列接続されたIPM回路間で互いに同じ状態にすることを特徴とするIPM回路。In an IPM circuit formed by connecting in parallel an IPM (intelligent power module) having at least a power module and a drive circuit for driving the power module,
Comparison between the gates of the power modules connected in parallel with each other by a short-circuit line and the drive circuit for detecting the gate potential of the power module or the current flowing through the short-circuit line and comparing the detection value with a set value Means, logical operation means for performing a logical product operation of the comparison result and a command signal to the power module, and switching elements for turning on and off the power module based on an output from the logical product operation means , respectively. An IPM circuit characterized in that the on / off states of the switch elements are made to be the same between the IPM circuits connected in parallel.
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