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JP3132648B2 - 電力変換器におけるゲート駆動回路 - Google Patents

電力変換器におけるゲート駆動回路

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JP3132648B2
JP3132648B2 JP09032224A JP3222497A JP3132648B2 JP 3132648 B2 JP3132648 B2 JP 3132648B2 JP 09032224 A JP09032224 A JP 09032224A JP 3222497 A JP3222497 A JP 3222497A JP 3132648 B2 JP3132648 B2 JP 3132648B2
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gate
circuit
igbt
voltage
drive circuit
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聡毅 滝沢
学 武井
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16Modifications for eliminating interference voltages or currents
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    • H03KPULSE TECHNIQUE
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    • H03K17/165Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches by feedback from the output circuit to the control circuit
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  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、FETやIGB
T(絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ)等の電圧駆
動形スイッチングデバイスのゲート駆動回路の改良に関
する。
【0002】
【従来の技術】図16に電圧駆動形スイッチングデバイ
スとしてIGBTを用いた例を、また、図17に電力変
換器としてのインバータ主回路例を示す。図16の符号
1はメインデバイスとしてのIGBT、36はIGBT
のターンオン時において、ゲート・エミッタ間に電圧を
印加するための正側のゲート駆動回路電源、同様に37
はIGBTのターンオフ時にゲート・エミッタ間に電圧
を印加するための負側のゲート駆動回路電源、38はイ
ンバータの制御回路で、ここでIGBTのオン,オフの
スイッチング指令が作成される。39は弱電部から強電
部にIGBTのオン,オフ指令を伝達するフォトカプラ
(PC)等の絶縁器、40はIGBTオン用のゲート抵
抗、41はIGBTオフ用のゲート抵抗、42,43は
各ゲート抵抗をIGBTのゲートに接続させるためのス
イッチ用のトランジスタ、44はトランジスタ42,4
3を駆動するためのアンプである。絶縁器39を介する
信号により、IGBTのゲート・エミッタ間に電源3
6,37からの正,負の電圧を印加し、IGBTをオ
ン,オフするようにしている。
【0003】図17において、符号45は交流を直流に
変換するダイオード整流器、46は直流中間コンデン
サ、47は直流から交流に変換するIGBTとダイオー
ド(FWDとも略記する)からなるインバータ、49は
直流中間コンデンサ46とインバータ47との間に存在
するインダクタンス48によって発生するスパイク電圧
から、インバータのデバイスを保護するスナバ回路であ
る。
【0004】ところで、スイッチング特性に影響を及ぼ
すIGBTまたはゲート駆動回路における条件として、 ゲート抵抗Rg ゲート駆動回路電源電圧Vg ゲート電流(IGBTのゲートに流出入する電流)Ig ゲート駆動回路側からIGBT側を見たゲート・エミッ
タ間の容量CGE ゲート駆動回路側からIGBT側を見たゲート・コレク
タ間の容量CGC などがある。
【0005】IGBTまたはゲート駆動回路の各条件が
大きくなった場合の、IGBTのスイッチング特性の変
化の方向を表1に示す。なお、上記各条件が小さくなっ
た場合は、IGBTのスイッチング特性は表1とは反対
方向の変化となる。
【表1】
【0006】一方、IGBT等の電圧駆動形スイッチン
グデバイスからなるインバータは、直流中間コンデンサ
とインバータ間に存在する配線インダクタンスにより、
IGBTのスイッチングの際、IGBTやFWD等のデ
バイスには下記(1)式に示すような高電圧が印加され
る。 VCE=Ed+L・di/dt …(1) VCE :デバイスへの印加電圧 Ed :直流中間コンデンサ電圧 L :配線インダクタンス di/dt:スイッチング時の電流変化率 そのため、IGBTやFWD等を用いてインバータ装置
を構成するときは、上記(1)式に耐えうる電圧定格を
持つデバイスを使用するか、スナバ回路を付加する必要
がある。さらに、スイッチング時のdv/dtやdi/
dtが大きいと、装置から高レベルのノイズが発生する
という問題も指摘されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図18にターンオフ時
の、また、図19にターンオン時の電流,電圧の概略波
形を示す。これらの図から、ターンオフ時においては、
IGBTのターンオフ電流のdi/dtの大きさが、
(1)式により直接的にIGBTに印加するスパイク電
圧の大きさに影響を及ぼす。また、ターンオン時におい
ては、IGBTのターンオン電流のdi/dtの大きさ
が、IGBTに流れるスパイク電流(=対向アームのF
WDに流れる逆回復電流)の大きさに影響を及ぼし、さ
らにそれが対向アームのFWDの逆回復リカバリー時の
di/dtの大きさに影響を及ぼす。すなわち、IGB
Tのターンオン時のdi/dtが大きいと、対向アーム
のFWDの逆回復リカバリー時のdi/dtが大きくな
り、結局、FWDには急峻なdv/dtが印加され、さ
らに(1)式により印加されるスパイク電圧も大きくな
る。したがって、この発明の課題はスナバ回路を不要と
し、低ノイズ化を図ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】 このような課題を解決
すべく、請求項1の発明では、IGBTを含む電圧駆動形ス
イッチングデバイスのゲート駆動回路に、コレクタ電流
の時間微分相等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
ミッタ間容量を瞬時に大きくすることを特徴としてい
る。
【0009】 請求項2の発明では、IGBTを含む電圧駆
動形スイッチングデバイスのゲート駆動回路に、コレク
タ電流の時間微分相等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ことを特
徴としている。
【0010】 請求項3の発明では、IGBTを含む電圧駆
動形スイッチングデバイスのゲート駆動回路に、コレク
タ電流の時間微分相等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フ時に、前記検出手段の出力
が所定値以上なったときは、前記操作手段によりゲー
ト・エミッタ間容量を瞬時に大きくすることを特徴とし
ている。
【0011】 また、請求項4の発明では、IGBTを含む
電圧駆動形スイッチングデバイスのゲート駆動回路に、
コレクタ電流の時間微分相等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フ時に、前記検出手段
の出力が所定値以上なったときは、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こ
とを特徴としている。
【0012】
【発明の実施の形態】この発明は、スイッチング時にお
ける物理量を検出する検出回路と、ゲート条件を変更す
る操作手段とを設け、検出回路からの出力が所定値以上
または以下になったとき、操作手段からの出力にもとづ
きゲート条件を2通りに制御するもので、この発明にお
いて検出する物理量と、操作するゲート条件と、制御方
法との関係を表2に示す。
【表2】
【0013】以下、検出回路の具体例について説明す
る。 (1)図1はこの発明に用いる検出回路の或る実施の形
態を示す回路図で、ターンオン時のコレクタ電流ic
di/dt検出回路を示す。1はメインIGBTおよび
FWD、2はIGBTモジュール内に内蔵しているIG
BT電流検出用のセンス抵抗である。そして、センス抵
抗2の両端の電圧、すなわちIGBTの電流値相当を微
分回路3に入力すると、その出力がdi/dt相当とな
る。この値とdi/dtの指令値(di/dt)* とを
コンパレータ4により比較し、その比較結果をゲート条
件変更のための制御信号とする。なお、コンパレータと
しては、例えばFETのしきい値電圧を利用するもの等
を含むものとし、以下同様とする。図2に図1の変形例
を示す。これはコレクタ電流ic の微分相当量を、イン
ダクタンスLa(積極的に挿入されたもの、または配線
のインダクタンス分を利用)の両端電圧から検出する例
である。
【0014】 (2)ターンオフ時のコレクタ電流ic
di/dtは、ターンオン時のそれと極性が異なるのみ
であることから、図1または図2の回路はターンオフ時
のコレクタ電流ic のdi/dt検出回路として、同様
に用いることができる。このとき、di/dtの指令値
(di/dt)* の極性が反転しているので、コンパレ
ータ4としてはこれと微分回路3の出力とを比較するも
のとなる。
【0015】 (3)図3は検出回路の他の実施の形態を
示す回路図で、ターンオン時のコレクタ電流ic の検出
回路を示す。1はメインIGBTおよびFWD、2はI
GBTモジュール内に内蔵しているIGBT電流検出用
のセンス抵抗である。そして、センス抵抗2の両端の電
圧、すなわちIGBTの電流値相当と電流指令値(ic
* )とをコンパレータ4にて比較し、その比較結果をゲ
ート条件の制御信号とする。
【0016】 (4)図4は検出回路のさらに他の実施の
形態を示す回路図で、ターンオン時のコレクタ・エミッ
タ間電圧VCEのdv/dt検出回路を示す。1はメイン
IGBTおよびFWD、5はメインIGBTのコレクタ
・エミッタ間電圧VCEの検出部(抵抗分圧回路などから
構成する)である。そして、検出部5からの出力VCE
微分回路3に入力すれば、その出力からはdv/dt相
当を得ることができるので、これをコンパレータ4にて
指令値(dv/dt)* と比較し、その比較結果をゲー
ト条件の制御信号とする。 (5)ターンオフ時のコレクタ・エミッタ間電圧VCE
dv/dtは、ターンオン時のそれと極性が異なるのみ
であることから、図4の回路はターンオフ時のdv/d
t検出回路として、同様に用いることができる。このと
き、dv/dtの指令値(dv/dt)* の極性が反転
しているので、コンパレータ4としてはこれと微分回路
3の出力とを比較するものとなる。
【0017】 (6)図5は検出回路の別の実施の形態を
示す回路図で、ターンオン時のコレクタ・エミッタ間電
圧VCEの検出回路を示す。1はメインIGBTおよびF
WD、5はメインIGBTのコレクタ・エミッタ間電圧
CEの検出部(抵抗分圧回路などから構成する)であ
る。そして、検出部5からの出力VCEを、コンパレータ
4にてその指令値VCE * と比較し、その比較結果をゲー
ト条件の制御信号とする。
【0018】 次に、ゲート条件を変更する操作回路につ
いて説明する。 (イ)図6は操作回路の或る実施の形態を示す回路図
で、ゲート抵抗値を変化させる例である。スイッチ回路
6,7(IGBTのターンオン時には6を、また、ター
ンオフ時には7を動作させる)を図1〜図5の出力であ
るゲート条件制御信号によってオン,オフさせること
で、ゲート抵抗値Rgを変化させる。図6では、スイッ
チ回路6,7がオンの状態が通常の状態で、ゲート抵抗
値RgとしてはR1とR2(R3とR4)の並列抵抗値
となる。そして、IGBTのスイッチング時に、検出す
る物理量が設定値以上となって図1〜図5のコンパレー
タが動作したときスイッチ回路6または7がオフし、ゲ
ート抵抗値はR2(R4)となり、増加することにな
る。このとき、IGBTのスイッチング特性、例えばd
i/dtは、スイッチ回路6,7がオンしている時に比
べて低くなるように動作する。
【0019】 (ロ)図7は操作回路の他の実施の形態を
示す回路図で、ゲート回路の電源電圧値を変化させる例
である。スイッチ回路8,9(IGBTのターンオン時
には8を、また、ターンオフ時には9を動作させる)を
図1〜図5の出力であるゲート条件制御信号によってオ
ン,オフさせることで、ゲート電源電圧値を変化させ
る。図7では、スイッチ回路8,9がオンの状態が通常
の状態であり、ゲート電源電圧値はVg1(Vg3)で
ある。このとき、ダイオードD1,D2は、Vg1>V
g3(Vg2>Vg4)であることから、接続されてい
る。IGBTのスイッチング時に、検出する物理量が設
定値以上となって図1〜図5のコンパレータが動作した
とき、スイッチ回路8または9がオフし、ゲート電源電
圧値はVg2(Vg4)と減少することになる。このと
き、IGBTのスイッチング特性、例えばdi/dt
は、スイッチ回路8,9がオンしている時に比べて低く
なるように動作する。
【0020】 (ハ)図8は操作回路の別の実施の形態を
示す回路図で、ゲート電流値を変化させる例である。ス
イッチ回路10,11(IGBTのターンオン時には1
0を、また、ターンオフ時には11を動作させる)を図
1〜図5の出力であるゲート条件制御信号によってオ
ン,オフさせることで、ゲート電流値を変化させる。図
8(a)では、スイッチ回路10,11がオンの状態が
通常の状態であり、ゲート電流値としてはIg1+Ig
2(Ig3+Ig4)である。IGBTのスイッチング
時に、検出する物理量が設定値以上となって図1〜図5
のコンパレータが動作したとき、スイッチ回路10また
は11がオフし、ゲート電流はIg2(Ig4)とな
る。このとき、IGBTのスイッチング特性、例えばd
i/dtは、スイッチ回路8,9がオンしている時に比
べて低くなるように動作する。ただし、実際は電流源回
路と直列のスイッチ回路10,11をオフさせることは
できないので、図8(b)に示すように定電流源回路自
体にスイッチSWを入れて電流値を小さくする(図8
(b)では、SWオフで電流値を小)。
【0021】 (ニ)図9は操作回路のさらに他の実施の
形態を示す回路図で、ゲート・エミッタ間容量を変化さ
せる例である。図9(a)はスイッチ回路12を図1〜
図5の出力であるゲート条件制御信号によってオン(ま
たはオフ)させることで、コンデンサ13をIGBTの
ゲート・エミッタ間に接続し、強制的にゲートの電位を
変化させる。同様に、図9(b)はスイッチ回路15を
図1〜図5の出力であるゲート条件制御信号によってオ
ン(またはオフ)させることで、コンデンサ16をIG
BTのゲート・エミッタ間に接続し、強制的にゲートの
電位を変化させる。これらの場合、スイッチ回路12
(15)がオフしている状態が通常の状態であるが、I
GBTがオフしているときは制御回路14によりコンデ
ンサ電圧を0Vまたはその近傍とし、また、オンしてい
るときは同様に制御回路17により或る所定の電圧(ゲ
ートのしきい値電圧付近またはそれ以上)まで、充電し
ておくこととする。
【0022】 そして、 ・ターンオン時 検出する物理量が設定値以上となり、図1〜図5のコン
パレータが動作したとき、スイッチ回路12をオンさせ
ることで、その瞬間図9(a)のVgの電位はコンデン
サ13により低下することとなる。 ・ターンオフ時 検出する物理量が設定値以上となり、図1〜図5のコン
パレータが動作したとき、スイッチ回路15をオンさせ
ることで、その瞬間図9(b)のVgの電位はコンデン
サ16により上昇することとなる。このとき、IGBT
のスイッチング特性、例えばdi/dtは、スイッチ回
路12(15)がオフしているときに比べて低くなるよ
うに動作する。
【0023】 (ホ)図10は操作回路の別の実施の形態
を示す回路図で、ゲート・コレクタ間容量を変化させる
例である。図10(a)はスイッチ回路18を図1〜図
5の出力であるゲート条件制御信号によってオン(また
はオフ)させることで、コンデンサ19をIGBTのゲ
ート・コレクタ間に接続し、強制的にゲートの電位を変
化させる。同様に、図10(b)はスイッチ回路21を
図1〜図5の出力であるゲート条件制御信号によってオ
ン(またはオフ)させることで、コンデンサ22をIG
BTのゲート・コレクタ間に接続し、強制的にゲートの
電位を変化させる。これらの場合、スイッチ回路18
(21)がオフしている状態が通常の状態であるが、I
GBTがオフしているときは制御回路20によりコンデ
ンサ電圧を0Vまたはその近傍とし、また、オンしてい
るときは同様に制御回路23により或る所定の電圧(ゲ
ートのしきい値電圧付近またはそれ以上)まで、充電し
ておくこととする。
【0024】 そして、 ・ターンオン時 検出する物理量が設定値以上となり、図1〜図5のコン
パレータが動作したとき、スイッチ回路18をオンさせ
ることで、その瞬間図10(a)のVgの電位はコンデ
ンサ19により低下することとなる。 ・ターンオフ時 検出する物理量が設定値以上となり、図1〜図5のコン
パレータが動作したとき、スイッチ回路21をオンさせ
ることで、その瞬間図10(b)のVgの電位はコンデ
ンサ22により上昇することとなる。このとき、IGB
Tのスイッチング特性、例えばdi/dtは、スイッチ
回路18(21)がオフしているときに比べて低くなる
ように動作する。
【0025】 次に、制御方法について説明する。 (a)図11に瞬時値制御を実施する例を示す。この回
路の場合、コンパレータの動作に従ってゲート条件制御
信号を動作させる(図1〜図5はこの例を示すものであ
る)。これにより、IGBTは検出する物理量がしきい
値を越える度にゲート条件が変更され、駆動されること
になる。追従性が良いが振動が発生し易い。 (b)図12に一定時間動作させる例(ワンショット回
路)を示す。同図の符号24は単安定マルチバイブレー
タ回路で、コンパレータの立ち上がりまたは立ち下がり
で、或る設定された一定時間だけワンショットパルスが
出力される。これにより、IGBTは検出する物理量が
しきい値を越えた瞬間から或る一定時間だけ、ゲート条
件が変更され、駆動されることになる。追従性では劣る
が安定である。
【0026】 以上では、操作手段からの出力にもとづき
ゲート条件を2通り、つまりディジタル的に制御するも
のであったが、その制御をアナログ的に行なうことも可
能である。図13にかかる場合の例を示す。これは、メ
インのIGBTおよびFWD1に対し、検出回路31お
よび調整回路32を設けたものである。
【0027】 まず、検出回路の例を図14に示す。図1
4(a)において、31Aは微分回路、31Bは増幅器
であり、IGBTモジュール内に内蔵されているIGB
T電流センス用の抵抗2の両端の電圧、すなわちIGB
Tの電流値相当を微分回路31Aに入力することによ
り、その出力からIGBTのコレクタ電流の時間微分相
当値を得るものである。なお、増幅器31Bはゲート駆
動部とのレベル合わせを行なうもので、その出力信号が
検出信号DTとなる。また、図14(b)は上記のよう
な微分回路を用いず、IGBT1と直列に接続されてい
るインダクタンス(積極的に接続したインダクタまたは
配線のインダクタンス分を利用する)Laの両端の電圧
から、コレクタ電流の時間微分相当値を直接得るもので
ある。
【0028】 図14のようにして得られた検出信号DT
は調整回路32に入力されるが、この調整回路32に
は、検出信号DTの大きさに応じてIGBT1のゲート
・エミッタ間に印加する電圧の調整を行なう回路が内蔵
されている。調整回路の具体例を図15に示す。ここで
は、FET33,抵抗34およびダイオード35の直列
回路を、ゲート駆動部の正側電源の正極とIGBT1の
ゲート端子間に接続して構成される。こうすれば、FE
T33が可変抵抗として作用することになり、検出信号
DTの大きさに応じて、IGBT1のゲート・エミッタ
間に印加する電圧の調整が行なわれることになる。な
お、抵抗34は必ずしも設ける必要はない。
【0029】
【発明の効果】この発明によれば、IGBTのターンオ
ン時には、FWDに印加されるdv/dtおよびスパイ
ク電圧が低減され、また、ターンオフ時にはIGBTに
印加されるスパイク電圧が低減されることとなり、その
結果、インバータなどの装置を構成する場合、従来に比
べて定格の小さいデバイスの使用が可能で、スナバ回路
が不要となり、装置の小型化,低コスト化さらには低ノ
イズ化が可能となるなどの利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明で用いる検出回路の或る実施の形態を
示す回路図である。
【図2】図1の変形例を示す回路図である。
【図3】検出回路の他の実施の形態を示す回路図であ
る。
【図4】検出回路のさらに他の実施の形態を示す回路図
である。
【図5】検出回路の別の実施の形態を示す回路図であ
る。
【図6】ゲート条件操作回路の或る実施の形態を示す回
路図である。
【図7】ゲート条件操作回路の他の実施の形態を示す回
路図である。
【図8】ゲート条件操作回路のさらに他の実施の形態を
示す回路図である。
【図9】ゲート条件操作回路の別の実施の形態を示す回
路図である。
【図10】ゲート条件操作回路のさらに別の実施の形態
を示す回路図である。
【図11】瞬時値制御回路の1例を示す回路図である。
【図12】ワンショット制御回路の1例を示す回路図で
ある。
【図13】この発明の別の実施の形態を示す構成図であ
る。
【図14】図13で用いられる検出回路の具体例を示す
構成図である。
【図15】図13で用いられる調整回路の具体例を示す
構成図である。
【図16】ゲート駆動回路の従来例を示す構成図であ
る。
【図17】インバータ装置の従来例を示す構成図であ
る。
【図18】IGBT素子のターンオフ時の動作説明図で
ある。
【図19】IGBT素子のターンオン時の動作説明図で
ある。
【符号の説明】
1…メインIGBTおよびFWD、2…センス抵抗、
3,31A…微分回路、4…コンパレータ、5…VCE
検出部、6,7,8,9,10,11,12,15,1
8,21…スイッチ回路、13,16,19,22…コ
ンデンサ、14,17,20,23…制御回路、D1,
D2,35…ダイオード、24…単安定マルチバイブレ
ータ回路、31…検出回路、32…調整回路、31B…
増幅器、33…FET、34…抵抗、36,37…電
源、La…インダクタンス、DT…検出信号。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−276073(JP,A) 特開 平4−79758(JP,A) 特開 平10−32976(JP,A) 特開 平5−218836(JP,A) 実開 平6−24393(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 1/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 IGBTを含む電圧駆動形スイッチングデバ
    イスのゲート駆動回路に、コレクタ電流の時間微分相等
    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・エミッタ間容量を瞬時に大きくすることを特
    徴とするゲート駆動回路。
  2. 【請求項2】 IGBTを含む電圧駆動形スイッチングデバ
    イスのゲート駆動回路に、コレクタ電流の時間微分相等
    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こ
    とを特徴とするゲート駆動回路。
  3. 【請求項3】 IGBTを含む電圧駆動形スイッチングデバ
    イスのゲート駆動回路に、コレクタ電流の時間微分相等
    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フ時に、前記検出手段
    の出力が所定値以上なったときは、前記操作手段によ
    りゲート・エミッタ間容量を瞬時に大きくすることを特
    徴とするゲート駆動回路。
  4. 【請求項4】 IGBTを含む電圧駆動形スイッチングデバ
    イスのゲート駆動回路に、コレクタ電流の時間微分相等
    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フ時に、前記検出手段
    の出力が所定値以上なったときは、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こ
    とを特徴とするゲート駆動回路。
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