JP2018198505A - Gate driving device - Google Patents
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Abstract
【課題】オフ動作の制御において、半導体装置を破壊させることなく且つ損失を低減した状態でオフさせることができるようにしたゲート駆動装置を提供する。【解決手段】IGBT1、2は並列に接続され、ゲート駆動装置3からゲート電圧が与えられる。ゲート駆動装置3は、ゲート遮断回路4、5、ゲートオフ回路6、7、通常ゲートオフ回路8、駆動制御部9および検出回路10を備える。ゲートオフ回路6、7は、それぞれIGBT1、2をオフさせるための高速ゲートオフ経路、ゲートオフ固定経路を形成する。IGBT1、2が共にオン状態で、IGBT2をオフさせる際には、ゲート遮断回路5をオフさせた後、ゲートオフ回路7を動作させる。IGBT2は高速ゲートオフ経路でオフされた後ゲートオフ固定経路でオフ保持される。IGBT1、2を同時にオフさせる場合には、通常ゲートオフ回路8でゆっくりオフさせる。【選択図】図1To provide a gate drive device capable of turning off a semiconductor device without destruction and with reduced loss in control of an off operation. An IGBT is connected in parallel, and a gate voltage is supplied from a gate driving device. The gate drive device 3 includes gate cutoff circuits 4, 5, gate-off circuits 6, 7, a normal gate-off circuit 8, a drive control unit 9, and a detection circuit 10. The gate-off circuits 6 and 7 form a high-speed gate-off path and a gate-off fixed path for turning off the IGBTs 1 and 2, respectively. When turning off the IGBT 2 with both the IGBTs 1 and 2 turned on, the gate cutoff circuit 5 is turned off, and then the gate off circuit 7 is operated. After the IGBT 2 is turned off in the high-speed gate-off path, it is kept off in the gate-off fixed path. When the IGBTs 1 and 2 are turned off at the same time, the gates are normally turned off slowly by the gate-off circuit 8. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、ゲート制御型の半導体素子をオフ制御するゲート駆動装置に関する。 The present invention relates to a gate driving device for controlling off of a gate control type semiconductor element.
ゲート駆動型の半導体素子として、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のゲートを駆動するゲート駆動装置では、複数個の半導体パワー素子を並列に接続した構成として負荷に給電する構成を採用することがある。これは、大電流を流す場合に、並列に接続することで半導体パワー素子のオン抵抗を下げてオン抵抗損失を低減することができるからである。 As a gate drive type semiconductor element, for example, in a gate drive device for driving a gate such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a structure in which a plurality of semiconductor power elements are connected in parallel is used to supply power to a load. is there. This is because the on-resistance loss can be reduced by lowering the on-resistance of the semiconductor power device by connecting in parallel when a large current flows.
しかしながら、半導体パワー素子を複数個並列に接続して駆動することは、スイッチング損失が個数に比例して増大することとなり、特にコレクタ電圧が高い状態でスイッチングする際に大きい損失となる。このため、大電流を流すために並列接続する半導体パワー素子を増設することが却って損失を増大することとなる不具合がある。 However, when a plurality of semiconductor power devices are connected in parallel and driven, the switching loss increases in proportion to the number of the semiconductor power devices, and particularly when switching is performed with a high collector voltage. For this reason, there is a problem that increasing the number of semiconductor power elements connected in parallel to cause a large current to flow increases the loss.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、ゲート駆動型の半導体装置を複数個並列で使用する構成では、オフ動作の制御において、半導体装置を破壊させることなく且つ損失を低減した状態でオフさせることができるようにしたゲート駆動装置を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and the object of the present invention is to prevent loss of the semiconductor device without destroying the semiconductor device in the control of the off operation in a configuration in which a plurality of gate-driven semiconductor devices are used in parallel. Another object of the present invention is to provide a gate drive device that can be turned off in a reduced state.
請求項1に記載のゲート駆動装置は、並列接続されたゲート駆動型の複数の半導体素子をオンオフ駆動制御するものであって、前記複数の半導体素子に流れる電流に基づいて、オン動作に伴うスイッチング損失およびオン損失が少なくなる条件で前記複数の半導体素子のうちのオン状態を保持するものを設定するゲート駆動装置において、前記複数の半導体素子を全てオフさせる通常ゲートオフ回路と、前記複数の半導体素子のうちオン状態のものが存在する状態で一部のものをオフさせる高速ゲートオフ回路とを備え、前記通常ゲートオフ回路は、前記複数の半導体素子のオフ時に発生するサージ電流が破壊耐量以下となるようにゲート電圧を低速で変化することでオフさせるように構成され、前記高速ゲートオフ回路は、前記複数の半導体素子のうちの一部のものを、前記通常ゲートオフ回路よりもゲート電圧を高速で変化することでオフさせるように構成されている。 The gate driving device according to claim 1 controls on / off driving of a plurality of gate-driven semiconductor elements connected in parallel, and is switched according to an on-operation based on currents flowing through the plurality of semiconductor elements. In a gate driving device for setting one that maintains an ON state among the plurality of semiconductor elements under a condition that loss and ON loss are reduced, a normal gate-off circuit that turns off all of the plurality of semiconductor elements, and the plurality of semiconductor elements A high-speed gate-off circuit that turns off some of the semiconductor devices in an on-state, and the normal gate-off circuit is configured so that a surge current generated when the plurality of semiconductor elements are turned off is less than a breakdown tolerance. The high-speed gate-off circuit is configured to be turned off by changing the gate voltage at a low speed. Those portions of the device, is configured to turn off by changing the gate voltage at a speed higher than the normal gate-off circuit.
上記構成を採用することにより、オン動作においては、複数の半導体素子に流れる電流に基づいて、オン動作に伴うスイッチング損失およびオン損失が少なくなる条件で複数の半導体素子のうちのオン状態を保持するものを設定し、他のものをオフ動作させる。そして、オフ動作においては、複数の半導体素子を同時にオフさせる場合には、通常ゲートオフ回路により通常ゲートオフ経路を形成してオフさせる。また、複数の半導体素子のうちオン状態のものが存在する状態で一部のものをオフさせる場合には、高速ゲートオフ回路により高速ゲートオフ経路を形成して対象となるものをオフさせる。 By adopting the above configuration, in the on operation, the on state of the plurality of semiconductor elements is maintained on the condition that the switching loss and the on loss due to the on operation are reduced based on the current flowing through the plurality of semiconductor elements. Set things and turn off others. In the off operation, when a plurality of semiconductor elements are simultaneously turned off, a normal gate off circuit is formed by a normal gate off circuit to turn off the semiconductor elements. In addition, when turning off some of the plurality of semiconductor elements in a state where an on-state exists, a high-speed gate-off circuit is formed by a high-speed gate-off circuit to turn off the target one.
これにより、複数の半導体素子を全てオフさせる場合に通常ゲートオフ回路を用いてオフ動作させると、ゲート電圧を低速で変化することで、オフ時に発生するサージ電流が破壊耐量以下となるようにすることができる。また、複数の半導体素子のうちオン状態のものが存在する状態で一部のものをオフさせる場合に高速ゲートオフ回路を用いてオフさせると、オン状態のものが存在していることで、オフ時に発生するサージ電流が小さいので高速でオフさせることができる。 As a result, when all of the semiconductor elements are turned off, when the off operation is normally performed using the gate-off circuit, the gate voltage is changed at a low speed so that the surge current generated at the time of turning off is equal to or lower than the breakdown tolerance. Can do. Also, when turning off some of the plurality of semiconductor elements using a high-speed gate-off circuit when some of them are turned on, there is an on-state. Since the generated surge current is small, it can be turned off at high speed.
以下、本発明の一実施形態について、図1〜図5を参照して説明する。
この実施形態では、図1に示すように、ゲート制御型の複数の半導体素子として、2個のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor :絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)1およびIGBT2を使用している。IGBT1は、コレクタC1、エミッタE1、ゲートG1に加えて、電流をモニタするためのセンスエミッタSE1を有する。同じくIGBT2は、コレクタC2、エミッタE2、ゲートG2に加えて、素子電流をモニタするためのセンスエミッタSE2を有する。IGBT1およびIGBT2は図示しない負荷への給電経路に設けられ、各コレクタC1、C2を共通に接続されると共に、エミッタE1、E2を共通に接続された並列駆動方式の構成である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In this embodiment, as shown in FIG. 1, two IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) 1 and
2個のIGBT1およびIGBT2は、外部から与えられるゲート切換信号SGに基づいて、ゲート駆動装置3によりオンオフの駆動制御が行われる。ゲート駆動装置3は、第1ゲート遮断回路4、第2ゲート遮断回路5、第1ゲートオフ回路6、第2ゲートオフ回路7、通常ゲートオフ回路8、駆動制御部9および検出回路10を備えている。
The two
第1ゲート遮断回路4は、Pチャンネル型のMOSFET4aを備え、MOSFET4aのソースが直流電源VDに接続され、ドレインが抵抗4bを介して端子Aに接続される。MOSFET4aのゲートはドライバ4cを介して駆動制御部9から駆動信号が与えられる。端子AはIGBT1のゲートに接続され、ゲート駆動電圧VG1を出力する。
The first gate cutoff circuit 4 includes a P-channel type MOSFET 4a, the source of the MOSFET 4a is connected to the DC power supply VD, and the drain is connected to the terminal A through the
第2ゲート遮断回路5は、Pチャンネル型のMOSFET5aを備え、MOSFET5aのソースが直流電源VDに接続され、ドレインが抵抗5bを介して端子Bに接続される。MOSFET5aのゲートはドライバ5cを介して駆動制御部9から駆動信号が与えられる。端子BはIGBT2のゲートに接続され、ゲート駆動電圧VG2を出力する。
The second gate cutoff circuit 5 includes a P-
第1ゲートオフ回路6は、オフMOSFETとしてNチャンネル型のMOSFET6aを備え、MOSFET6aのドレインが端子Aに接続され、ソースはグランドに接続される。MOSFET6aのゲートはドライバ6bを介して駆動制御部9から駆動信号が与えられる。第1ゲートオフ回路6は、IGBT1に対するゲートオフ固定回路および高速ゲートオフ回路を兼ね備えた構成で、MOSFET6aは共用する構成である。
The first gate-off circuit 6 includes an N-
MOSFET6aおよびドライバ6bにより第1ゲートオフ固定経路が形成される。また、MOSFET6aのゲートは第1高速オフ部6cを介して駆動制御部9から駆動信号が与えられる。第1高速オフ部6cは、ドライバ6dからゲート抵抗6eを介してMOSFET6aのゲートに駆動信号を与える。MOSFET6aおよび第1高速オフ部6cにより第1高速ゲートオフ経路が形成される。
A first gate-off fixed path is formed by the
第2ゲートオフ回路7は、オフMOSFETとしてNチャンネル型のMOSFET7aを備え、MOSFET7aのドレインが端子Bに接続され、ソースはグランドに接続される。第2ゲートオフ回路7は、IGBT2に対するゲートオフ固定回路および高速ゲートオフ回路を兼ね備えたもので、MOSFET7aは共用する構成である。
The second gate off circuit 7 includes an N-
MOSFET7aのゲートはドライバ7bを介して駆動制御部9から駆動信号が与えられる。MOSFET7aおよびドライバ7bにより第2ゲートオフ固定回路が構成される。また、MOSFET7aのゲートは第2高速オフ部7cを介して駆動制御部9から駆動信号が与えられる。第2高速オフ部7cは、ドライバ7dからゲート抵抗7eを介してMOSFET7aのゲートに駆動信号を与える。MOSFET7aおよび第2高速オフ部7cにより第2高速ゲートオフ回路が構成される。
The gate of the
通常ゲートオフ経路を形成する通常ゲートオフ回路8は、Nチャンネル型のMOSFET8aを備え、MOSFET8aのドレインは抵抗8bを介して端子Cに接続され、ソースはグランドに接続される。MOSFET8aのゲートはドライバ8cを介して駆動制御部9から駆動信号が与えられる。端子Cには、IGBT1およびIGBT2の各ゲートが逆流阻止部11を介して接続されている。逆流阻止部11は、2個の逆流阻止用のダイオード11a、11bを備えており、IGBT1およびIGBT2のゲート間の電流の逆流を阻止している。
The normal gate-off
駆動制御部9は、外部から与えられるゲート切換信号SGおよび検出回路10からの検出信号に基づいてIGBT1およびIGBT2の駆動制御をする。駆動制御部9は、内部に設けられる制御回路により後述するようにして第1ゲート遮断回路4、第2ゲート遮断回路5、第1ゲートオフ回路6、第2ゲートオフ回路7および通常ゲートオフ回路8に制御信号を与えてIGBT1およびIGBT2の駆動制御をする。
The drive control unit 9 controls the driving of the
検出回路10は、IGBT1およびIGBT2のゲート電圧VG1、VG2が入力される。また、検出回路10は、IGBT1およびIGBT2の各センスエミッタの電圧Vse1、Vse2が入力される。検出回路10は、これらの信号をデジタル信号に変換して駆動制御部9に出力する。センス電圧Vse1、Vse2は、IGBT1、IGBT2の素子電流Ic1、Ic2に対応する電圧信号となる。 The detection circuit 10 receives the gate voltages VG1 and VG2 of the IGBT1 and IGBT2. The detection circuit 10 receives the voltages Vse1 and Vse2 of the sense emitters of the IGBT1 and IGBT2. The detection circuit 10 converts these signals into digital signals and outputs them to the drive control unit 9. The sense voltages Vse1 and Vse2 are voltage signals corresponding to the device currents Ic1 and Ic2 of the IGBT1 and IGBT2.
次に、上記構成の作用について、図2〜図4も参照して説明する。
この実施形態では、IGBT1およびIGBT2を駆動制御する際に、駆動制御部9により、外部から与えられるゲート切換信号SGがハイレベルすなわちオン動作指示になったときに、2つのIGBT1およびIGBT2を同時にオンさせる。
Next, the operation of the above configuration will be described with reference to FIGS.
In this embodiment, when driving and controlling the
この後、IGBT1およびIGBT2に流れる素子電流Ic1およびIc2が、いずれも下限値Ithdと上限値Ithuとの間にある場合には、駆動制御部9は、そのまま2個のIGBT1およびIGBT2を駆動させた状態する。 Thereafter, when the device currents Ic1 and Ic2 flowing in the IGBT1 and the IGBT2 are both between the lower limit value Ithd and the upper limit value Ithu, the drive control unit 9 drives the two IGBT1 and IGBT2 as they are. State.
また、オン状態のIGBT1およびIGBT2に流れる素子電流Ic1、Ic2のレベルが下限値Ithdよりも小さい場合には、駆動制御部9は、一方をオフさせることでスイッチング損失やオン抵抗損失などの損失が最も少なくなるように制御する。このとき、例えばIGBT2をオフさせると、IGBT2に流れていた素子電流Ic2の分がIGBT1の素子電流Ic1に加算されて増大するが、この素子電流Ic1は上限値Ithu以下の範囲に入るように設定されている。
Further, when the level of the device currents Ic1 and Ic2 flowing through the
このように、IGBT1およびIGBT2を駆動制御する場合に、動作中の一つのIGBT1あるいはIGBT2の素子電流Ic1(Ic2)が上限値Ithuと下限値Ithdの間にある場合にはそのままオン状態に保持される。そして、2個のIGBT1およびIGBT2が共にオン動作している状態で、IGBT1あるいはIGBT2の素子電流Ic1(Ic2)が下限値Ithdよりも小さい場合には、いずれか一方をオフさせる。また、2個のIGBT1およびIGBT2のうち一方をオン動作させている状態で、その素子電流Ic1(Ic2)が上限値Ithuを超える場合にはオフ状態のものもオン動作させる。
As described above, when the IGBT1 and IGBT2 are driven and controlled, when the element current Ic1 (Ic2) of one
上述の場合、一方をオフさせる動作では、常にIGBT2をオフさせるようにすると、IGBT1の寿命低下を招く。そこで、駆動制御部9は、一方をオフさせる場合には、寿命が平均化するように、例えばIGBT1およびIGBT2を交互にオフさせるように制御する。
In the case described above, in the operation of turning off one of the IGBTs, if the
次に、上記の動作について、図2の流れ図を参照して説明する。まず、IGBT1およびIGBT2をオン駆動させる場合について説明する。駆動制御部9は、ステップA1で外部からオン動作指示を示すハイレベルのゲート切換信号SGが入力されると、ステップA2に進み、IGBT1およびIGBT2をオン駆動させる。この場合、駆動制御部9は、第1ゲート遮断回路3および第2ゲート遮断回路4に対して、Pチャンネル型のMOSFET3aおよび4aをオンさせるように、ローレベルの駆動信号を出力する。
Next, the above operation will be described with reference to the flowchart of FIG. First, a case where the IGBT1 and the IGBT2 are turned on will be described. When a high-level gate switching signal SG indicating an on operation instruction is input from the outside in step A1, the drive control unit 9 proceeds to step A2 and drives IGBT1 and IGBT2 on. In this case, the drive controller 9 outputs a low-level drive signal to the first
これにより、IGBT1およびIGBT2は、それぞれゲートにゲート電圧VG1およびVG2が与えられ、オン動作するようになり、それぞれに素子電流Ic1、Ic2が流れるようになる。このとき、各IGBT1およびIGBT2のセンスエミッタSEにもセンス電流が流れるので、素子電流Ic1およびIc2に対応するセンス電圧Vse1およびVse2が発生する。 As a result, the gate voltages VG1 and VG2 are applied to the gates of the IGBT1 and IGBT2, respectively, so that they are turned on, and the device currents Ic1 and Ic2 flow respectively. At this time, a sense current also flows through the sense emitters SE of the IGBT1 and IGBT2, so that sense voltages Vse1 and Vse2 corresponding to the element currents Ic1 and Ic2 are generated.
駆動制御部9は、ステップA3に進み、検出回路10から入力されるIGBT1およびIGBT2のコレクタ電流Ic1およびIc2のうち、保持状態の対象とするIGBT1の素子電流Ic1レベルが下限値Ithdを下回っているか否かを判断する。駆動制御部9は、ここで、IGBT1の素子電流Ic1が下限値Ithd以上である場合には、NOとなって、そのままIGBT1およびIGBT2のオン状態を保持する。
The drive control unit 9 proceeds to step A3, and among the collector currents Ic1 and Ic2 of the IGBT1 and IGBT2 input from the detection circuit 10, is the element current Ic1 level of the IGBT1 that is the target of the holding state being lower than the lower limit value Ithd? Judge whether or not. Here, when the element current Ic1 of the
一方、IGBT1の素子電流Ic1が下限値Ithdを下回っている場合には、駆動制御部9は、ステップA3でYESとなって、ステップA4に進み、第2ゲートオフ回路7により第2高速ゲートオフ経路を形成してIGBT2をオフ動作させる。この場合、駆動制御部9は、まず、第2ゲート遮断回路5をオフさせてIGBT2のゲート電圧VG2を遮断する。続いて、駆動制御部9は、第2ゲートオフ回路7の第2高速オフ部7cを駆動してMOSFET7aをオンさせる。
On the other hand, when the device current Ic1 of the
このとき、MOSFET7aは、ドライバ7dから抵抗7eを介してゲートに駆動信号が与えられる。これにより、MOSFET7aは、ゲート電圧の急激な変化による破壊を回避しながら、高速でオン動作させることができ、IGBT2を迅速にオフさせることができる。
At this time, the
この後、駆動制御部9は、ステップA5で、オフ動作させたIGBT2のゲート電圧Vg2をモニタし、しきい値電圧Vthよりも低下したかどうかを判定する。駆動制御部9は、ステップA5でYESになると、ステップA6に移行し、第2ゲートオフ回路7を駆動してゲートオフ固定経路を形成し、IGBT2をオフ固定状態に制御する。
Thereafter, in step A5, the drive control unit 9 monitors the gate voltage Vg2 of the
ここでは、駆動制御部9は、第2ゲートオフ回路7のドライバ7bにオン駆動信号を出力してMOSFET7aのゲート電圧を確実にハイ状態となるように保持させ、オフ状態を固定させる。
Here, the drive control unit 9 outputs an on drive signal to the
以上のようにして、駆動制御部9は、2個のIGBT1およびIGBT2を同時にオン駆動させた後、素子電流Ic1のレベルつまり負荷電流のレベルに応じて、2個のオン状態を保持するか、IGBT2をオフさせてIGBT1だけをオン状態に保持するかを制御している。
As described above, the drive control unit 9 holds the two ON states in accordance with the level of the element current Ic1, that is, the level of the load current, after simultaneously driving the two
なお、上記の制御のうち、駆動制御部9により、2個のIGBT1およびIGBT2を共にオン保持する状態が継続していても、オン駆動中に負荷電流が減少するなどした場合には、上記したステップA3からA6の動作を実行することができる。また、2個のIGBT1およびIGBT2のうち、ステップA3で、IGBT1のオン状態を保持するものとしたが、次に動作させるときには、ステップA3では、IGBT2のオン状態を保持するものとして設定する。これはIGBT1およびIGBT2の寿命を平均化するためである。
In the above control, when the load current is reduced during the on-drive, even if the drive control unit 9 continues to keep both the two
次に、図3を参照して、外部からのゲート切換信号SGがオフ状態に変化した場合の動作について説明する。
オフ時の処理においては、図3に示すように、駆動制御部9は、外部からオフ動作のゲート切換信号SGが与えられると、ステップB1でYESとなってステップB2に進む。駆動制御部9は、通常ゲートオフ回路8のドライバ8cにオフ駆動の信号を出力してMOSFET8aをオンさせる。これにより、IGBT1およびIGBT2は、ゲートがダイオード11a、11b、抵抗8bおよびMOSFET8aを介してグランドに引かれ、オフ状態に移行する。
Next, with reference to FIG. 3, the operation when the external gate switching signal SG changes to the off state will be described.
In the off process, as shown in FIG. 3, when the gate control signal SG for the off operation is given from the outside, the drive controller 9 becomes YES in Step B1 and proceeds to Step B2. The drive control unit 9 outputs an off drive signal to the
ゲート電圧Vg1およびVg2が低下してしきい値Vthを下回ると、駆動制御部9は、ステップB3でYESとなってステップB4に移行し、第1ゲートオフ回路6および第2ゲートオフ回路7を駆動してオフ固定経路を形成し、IGBT1およびIGBT2をオフ固定動作させる。この場合、IGBT1およびIGBT2がいずれもオン状態にあるか、一方のみオン状態にあるかを問わず、上記の制御動作は実施される。 When the gate voltages Vg1 and Vg2 decrease and fall below the threshold value Vth, the drive control unit 9 becomes YES in Step B3, proceeds to Step B4, and drives the first gate-off circuit 6 and the second gate-off circuit 7. Thus, an off-fixed path is formed, and IGBT1 and IGBT2 are operated to be fixed off. In this case, the above-described control operation is performed regardless of whether both IGBT1 and IGBT2 are in the on state or only one is in the on state.
図4は、上記したオフ時処理をする場合に、一方のみオン状態にある場合に時刻t2でオフ動作のゲート切換信号SGが入力された場合の動作のタイムチャートである。この場合には、これに先立って時刻t0で、駆動制御部9により例えばIGBT2をオフさせている。
FIG. 4 is a time chart of the operation when the off-state gate switching signal SG is input at time t2 when only one of them is in the on-state when performing the above-described off-time processing. In this case, prior to this, for example, the
IGBT2のオフ動作では、駆動制御部9により、第2ゲート遮断回路5をオフ動作させてMOSFET5aをオフさせてゲート電圧VG2を遮断する。続いて、駆動制御部9により、第2ゲートオフ回路7の第2高速オフ部7cを駆動させ、ゲート抵抗7eを介してMOSFET7aをオン動作させる。これにより、図4(d)に示すように、第2ゲートオフ回路7により第2高速ゲートオフ経路が形成される。
In the off operation of the
この状態では、IGBT1はオン動作中であるから、IGBT2のオフ動作では、サージ電流の発生を少なくすることができるので、高速でオフ動作させることができる。そして、図4(b)に示すように、時刻t1でIGBT2のゲート電圧Vg2がしきい値電圧Vthまで低下すると、駆動制御部9は、ドライバ7bに駆動信号を出力してMOSFET7aをオン状態に保持し、図4(f)に示すように第2ゲートオフ回路7により第2ゲートオフ固定経路を形成してIGBT2をオフ固定する。
In this state, since the
上記のように動作しているので、図4(i)に示すように、IGBT2はオフ状態に保持され、図4(h)に示すように、IGBT1がオン状態に保持されている。この後、図4(a)に示すように、時刻t2でオフ動作指示のローレベルのゲート切換信号SGが与えられると、駆動制御部9は、通常ゲートオフ回路8を駆動させてIGBT1をオフさせる。このとき、通常ゲートオフ回路8のMOSFET8aは、図4(g)に示すように、抵抗8bおよび逆阻止ダイオード11aを介してIGBT1のゲートに通常ゲートオフ経路を形成する。
Since it operates as described above, the
これにより、IGBT1は、図4(b)に示すように、ゲート電圧Vg1がゆっくり低下し、図4(h)に示すように、素子電流Ic1もゲート電圧Vg1の低下に従ってゆっくり減少する。この後、図4(b)に示すように、時刻t3でIGBT1のゲート電圧Vg1がしきい値電圧Vthを下回ると、図4(e)に示すように、第1ゲートオフ回路6によりMOSFET6aがオン動作されて第1ゲートオフ固定経路が形成され、IGBT1がオフ状態に固定される。また、図4(c)に示すように、時刻t3で同時に第1高速オフ部6cも駆動される。
Thereby, as shown in FIG. 4B, the gate voltage Vg1 slowly decreases in the
なお、上記の動作の場合に、2個のIGBT1およびIGBT2をオン動作させている状態で、IGBT1をオフ動作させる場合には、駆動制御部9により、第1ゲート遮断回路4をオフ動作させ、続いて、第1ゲートオフ回路6の第1高速オフ部6cを駆動させて、第1高速ゲートオフ経路を形成し、サージ電流の発生を少なくして高速でIGBT1をオフ動作させることができる。そして、IGBT1のゲート電圧Vg1がしきい値電圧Vthに達すると、駆動制御部9は、ドライバ6bに駆動信号を出力して第1ゲートオフ回路6により第1ゲートオフ固定経路を形成してIGBT1をオフ固定する。
In the case of the above operation, when the
また、この後、オフ動作指示のローレベルのゲート切換信号SGが与えられてIGBT2をオフさせる動作は、駆動制御部9により、前述同様にして通常ゲートオフ回路8を動作させることでIGBT2は、ゲート電圧Vg2がゆっくり低下されて、素子電流Ic2もゆっくり減少してオフされる。この後、IGBT2のゲート電圧Vg2がしきい値電圧Vthを下回ると、第2ゲートオフ回路7により第2ゲートオフ固定経路が形成され、IGBT2がオフ状態に固定される。
Thereafter, the operation of turning off the
また、図5は、前述のオフ時処理をする場合に、2個のIGBT1およびIGBT2が共にオンしている状態からオフ動作のゲート切換信号SGが与えられた場合の動作のタイムチャートである。
FIG. 5 is a time chart of the operation when the gate switching signal SG of the off operation is given from the state where both of the two
この場合には、図5(a)に示すように、時刻t0でオフ動作のゲート切換信号SGが入力されると、駆動制御部9は、通常ゲートオフ回路8を駆動して図5(g)に示すように通常ゲートオフ経路を形成する。これにより、IGBT1およびIGBT2は、共にオフ状態に移行する。このとき、IGBT1およびIGBT2は、図5(a)に示すようにゲート電圧Vg1、Vg2がゆっくり低下し、また、図5(h)、(i)に示すように素子電流Ic1、Ic2もゆっくり減少する。この後、図5(b)に示すように、時刻t1でIGBT1およびIGBT2のゲート電圧Vg1およびVg2がしきい値電圧Vthを下回ると、図5(e)、(f)に示すように、第1ゲートオフ回路6および第2ゲートオフ回路7によりゲートオフ固定経路が形成され、IGBT1およびIGBT2がオフ状態に固定される。なお、図5(c)、(d)に示すように、時刻t1で同時に第1および第2高速オフ部6cおよび7cも駆動される。
In this case, as shown in FIG. 5 (a), when a gate switching signal SG for OFF operation is input at time t0, the drive control unit 9 drives the normal gate-
このような本実施形態によれば、2個のIGBT1およびIGBT2を並列接続して駆動制御する構成で、第1および第2ゲートオフ回路6および7を設けると共に通常ゲートオフ回路8を設け、駆動制御部9によりオフ動作制御をする構成とした。
According to the present embodiment as described above, the first and second gate-off circuits 6 and 7 are provided and the normal gate-
これにより、2個のIGBT1およびIGBT2が共にオン状態で一方をオフさせる動作では、第1および第2ゲートオフ回路6および7のいずれかを用いて、高速ゲートオフ経路を形成して迅速にオフさせた後、オフ固定経路を形成してオフ状態を保持することで迅速にオフ動作させることができる。
As a result, in the operation of turning off one of the two
また、ゲート切換信号SGがオフ動作指示の場合には、2個のIGBT1およびIGBT2のうちオン動作中のものを通常ゲートオフ回路8により通常ゲートオフ経路を形成してオフ動作させるようにした。これにより、サージ電流の発生による素子破壊を防止しながら確実にオフ動作させることができる。
When the gate switching signal SG is an off operation instruction, the normal gate off
また、第1ゲートオフ回路6(第2ゲートオフ回路7)の構成を、オフMOSFETとしてのNチャンネル型のMOSFET6a(7a)を、高速オフ部6c(7c)とドライバ6b(7b)とで共通に駆動する構成としたので、個別にオフMOSFETを設ける構成に対して素子数を少なくした構成で達成することができ、省スペース化を図ることができる。
Further, the configuration of the first gate-off circuit 6 (second gate-off circuit 7) is such that an N-
(他の実施形態)
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
(Other embodiments)
In addition, this invention is not limited only to embodiment mentioned above, In the range which does not deviate from the summary, it is applicable to various embodiment, For example, it can deform | transform or expand as follows.
上記実施形態では、半導体素子として2個のIGBT1およびIGBT2を設ける例を示したが、3個以上のIGBTを設ける構成にも適用することができる。
また、IGBTを3個以上設けている場合に、オン動作時に全てを同時にオン動作させた後、素子電流の値が下限値以下であるときに、オン状態を保持する素子に対して、残りのものを全てオフ対象とするのではなく、一部のものをオフ対象として設定することができる。すなわち、図2に示すステップA4では、「高速オフ回路で一部のIGBTをオフ」とすることができる。
In the above embodiment, an example in which two
Further, when three or more IGBTs are provided, after all of the IGBTs are turned on at the same time during the on operation, when the device current value is equal to or lower than the lower limit value, the remaining elements are kept in the on state. It is possible to set not all items as targets to be turned off but some items as targets to be turned off. That is, in step A4 shown in FIG. 2, “a part of the IGBTs can be turned off by the high-speed off circuit”.
上記実施形態では、オン動作のゲート切換信号により2個のIGBT1およびIGBT2を同時にオン動作させる例を示したが、1個ずつ順にオン動作させる方式を採用しても良い。この場合には、例えばIGBT1をオン動作させたときの電流が上限値を超えるときにIGBT2をオン動作させるように制御する。
In the above-described embodiment, an example in which two
また、素子電流の値が下限値以下であるときに、一方のIGBT1をオン状態に保持し、他方のIGBT2をオフさせる例を示したが、オフ対象となるIGBTを変更設定することができる。この場合、オフ対象となる毎に交互に変更設定しても良いし、例えば使用時間を計時しておいて一定以上の差が発生したときに使用時間が平均的になるように変更設定することもできる。 Moreover, although the example which hold | maintains one IGBT1 in an ON state and turns off other IGBT2 when the value of element current is below a lower limit has been shown, the IGBT to be turned off can be changed and set. In this case, it may be changed and set alternately every time it is turned off. For example, the usage time may be timed and changed so that the usage time becomes average when a certain difference or more occurs. You can also.
上記実施形態では、第1ゲートオフ回路6、第2ゲートオフ回路7では、MOSFET6a、7aに直接ドライバ6b、7bから信号を与える構成によりゲートオフ固定経路を形成したが、ゲート抵抗6e、7eよりも低抵抗のゲート抵抗あるいは低インピーダンスのインピーダンス素子を介在させる構成とすることもできる。
In the above embodiment, in the first gate-off circuit 6 and the second gate-off circuit 7, the gate-off fixed path is formed by the configuration in which signals are directly supplied to the
ゲート駆動形の半導体素子として、IGBTを用いる例を示したが、これに限らず、MOSFETなどの半導体素子にも適用することができる。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
An example in which an IGBT is used as the gate drive type semiconductor element has been described, but the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to a semiconductor element such as a MOSFET.
Although the present disclosure has been described with reference to the embodiments, it is understood that the present disclosure is not limited to the embodiments and structures. The present disclosure includes various modifications and modifications within the equivalent range. In addition, various combinations and forms, as well as other combinations and forms including only one element, more or less, are within the scope and spirit of the present disclosure.
図面中、1、2はIGBT(半導体素子)、3はゲート駆動装置、4は第1ゲート遮断回路、5は第2ゲート遮断回路、6は第1ゲートオフ回路(高速ゲートオフ回路、ゲートオフ固定回路)、6aはNチャンネル型のMOSFET(オフMOSFET)、6cは第1高速オフ部、6eはゲート抵抗、7は第2ゲートオフ回路(高速ゲートオフ回路、ゲートオフ固定回路)、7aはNチャンネル型のMOSFET(オフMOSFET)、7cは第2高速オフ部、7eはゲート抵抗、8は通常ゲートオフ回路、9は駆動制御部(制御装置)、10は検出回路、11は逆流防止回路である。 In the drawing, 1 and 2 are IGBTs (semiconductor elements), 3 is a gate drive device, 4 is a first gate cutoff circuit, 5 is a second gate cutoff circuit, and 6 is a first gate-off circuit (high-speed gate-off circuit, gate-off fixing circuit). , 6a is an N channel type MOSFET (off MOSFET), 6c is a first high speed off section, 6e is a gate resistance, 7 is a second gate off circuit (high speed gate off circuit, gate off fixing circuit), and 7a is an N channel type MOSFET ( Off MOSFET), 7c is a second high speed off section, 7e is a gate resistance, 8 is a normal gate off circuit, 9 is a drive control section (control device), 10 is a detection circuit, and 11 is a backflow prevention circuit.
Claims (5)
前記複数の半導体素子を全てオフさせる通常ゲートオフ回路(8)と、
前記複数の半導体素子のうちオン状態のものが存在する状態で一部のものをオフさせる高速ゲートオフ回路(6a、6c、7a、7c)とを備え、
前記通常ゲートオフ回路は、前記複数の半導体素子のオフ時に発生するサージ電流が破壊耐量以下となるようにゲート電圧を低速で変化することでオフさせるように構成され、
前記高速ゲートオフ回路は、前記複数の半導体素子のうちの一部のものを、前記通常ゲートオフ経路よりもゲート電圧を高速で変化することでオフさせるように構成されたゲート駆動装置。 On-off drive control of a plurality of gate-driven semiconductor elements (1, 2) connected in parallel is performed, and based on the current flowing through the plurality of semiconductor elements, switching loss and on-loss associated with on-operation are small. In a gate drive device that sets a semiconductor device that keeps an on state among the plurality of semiconductor elements under the following conditions:
A normal gate-off circuit (8) for turning off all of the plurality of semiconductor elements;
A high-speed gate-off circuit (6a, 6c, 7a, 7c) for turning off some of the plurality of semiconductor elements in a state where there is an on-state,
The normal gate-off circuit is configured to be turned off by changing the gate voltage at a low speed so that a surge current generated when the plurality of semiconductor elements are turned off is equal to or lower than a breakdown tolerance.
The high-speed gate-off circuit is a gate drive device configured to turn off some of the plurality of semiconductor elements by changing a gate voltage at a higher speed than the normal gate-off path.
前記高速ゲートオフ回路を用いて前記複数の半導体素子の一部のオフさせる場合に、オフさせる対象の前記半導体素子を変更設定する制御装置(9)、
を備えた請求項1に記載のゲート駆動装置。 The high-speed gate-off circuit (6a, 6c, 7a, 7c) is provided in a part of the plurality of semiconductor elements to be turned off,
A control device (9) for changing and setting the semiconductor element to be turned off when part of the plurality of semiconductor elements is turned off using the high-speed gate-off circuit;
The gate drive apparatus of Claim 1 provided with.
前記検出部がオフ対象の前記半導体素子のゲート電圧がしきい値電圧よりも低下したことを検出されると、オフ対象の前記半導体素子のゲート電圧をオフレベルに固定するゲートオフ固定回路(6a、6b、7a、7b)と、
を備えた請求項1または2に記載のゲート駆動装置。 A detection unit (10) for detecting whether or not a gate voltage of the semiconductor element to be turned off by the high-speed gate-off circuit is lower than a threshold voltage;
When the detection unit detects that the gate voltage of the semiconductor element to be turned off is lower than a threshold voltage, a gate-off fixing circuit (6a, 6b, 7a, 7b)
The gate drive device of Claim 1 or 2 provided with these.
前記半導体素子のゲート電圧をオフレベルに変化させるときの電流を流すオフMOSFET(6a、7a)と、
前記オフMOSFETの電流定格の範囲内で電流を流すために、前記オフMOSFETのゲートに接続されたゲート抵抗(6e、7e)と、
を備えた請求項1から3のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。 The high-speed gate-off circuit (6a, 6c, 7a, 7c)
Off MOSFETs (6a, 7a) for passing a current when the gate voltage of the semiconductor element is changed to an off level;
A gate resistor (6e, 7e) connected to the gate of the off MOSFET in order to pass a current within the range of the current rating of the off MOSFET;
The gate drive device according to claim 1, further comprising:
前記半導体素子のゲート電圧をオフレベルに変化させるときの電流を流すオフMOSFET(6a、7a)と、
前記オフMOSFETの電流定格の範囲内で電流を流すために、前記オフMOSFETのゲートに接続されたゲート抵抗(6e、7e)とを備え、
前記ゲートオフ固定回路(6a、6b、7a、7b)は、
前記高速ゲートオフ回路の前記オフMOSFET(6a、7a)を共用した構成とし、
前記オフMOSFET(6a、7a)のゲートを前記ゲート抵抗(6e、7e)よりも抵抗値が小さい低抵抗ゲート抵抗もしくは抵抗を介さずに駆動する経路として、
設けられる請求項1から3のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。 The high-speed gate-off circuit (6a, 6c, 7a, 7c)
Off MOSFETs (6a, 7a) for passing a current when the gate voltage of the semiconductor element is changed to an off level;
A gate resistor (6e, 7e) connected to the gate of the off-MOSFET in order to pass a current within the range of the current rating of the off-MOSFET,
The gate-off fixing circuit (6a, 6b, 7a, 7b)
The off-MOSFET (6a, 7a) of the high-speed gate-off circuit is shared,
As a path for driving the gate of the off-MOSFET (6a, 7a) without passing through a low-resistance gate resistance or resistance having a resistance value smaller than that of the gate resistance (6e, 7e),
The gate drive apparatus as described in any one of Claim 1 to 3 provided.
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