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JP3941309B2 - Gate drive circuit for voltage-driven switching element - Google Patents

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JP3941309B2
JP3941309B2 JP34420999A JP34420999A JP3941309B2 JP 3941309 B2 JP3941309 B2 JP 3941309B2 JP 34420999 A JP34420999 A JP 34420999A JP 34420999 A JP34420999 A JP 34420999A JP 3941309 B2 JP3941309 B2 JP 3941309B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、FETやIGBT等の電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
図9に、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いた電圧形インバータの一般的な回路構成を示す。上下直列の3つのアームを構成するIGBTを交互にオン,オフさせることにより、直流電源Eから負荷のモータに交流電力を供給するものである。同図においてLsは主回路配線の浮遊インダクタンスであるが、近年インバータの実装技術が進歩し、従来1μH近くにあったLsを150nH以下に小さくすることが可能になってきている。その結果、浮遊インダクタンスLsに蓄積されるエネルギが小さくなるので、スイッチング時の跳ね上がり電圧を抑制するためのスナバ回路(例えば図10)が不要となり、主回路のシンプル化が実現できるようになってきている。
【0003】
しかしながら、主回路配線の遊遊インダクタンスLsはターンオン時のdi/dtの抑制,スナバ回路(例えば図10)はターンオフ時のdv/dtの抑制の役割も果たしていたので、主回路のシンプル化によりIGBTのスイッチング時に高di/dt,高dv/dtが発生するという新たな問題が発生するようになってきている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
インバータ回路のスイッチング動作の高di/dt化,高dv/dt化は、周辺装置の誤動作の要因となるばかりでなく、負荷のモータにも悪影響を及ぼす。例えば、車両用のインバータでは負荷のモータがインバータから離れたところに設置される場合が多い。モータ配線の中にはインダクタンスLs′のほか、図9に破線で示すように浮遊容量Cs′が含まれている。このためインバータのdv/dtが大きくなるにしたがって、負荷のモータのインピーダンスが大きく見えるようになるので、Ls′とCs′による共振が発生する。このためモータにはインバータの出力電圧の2倍に近い電圧が印加されるようになり、モータの絶縁破壊等の故障原因となる場合がある。このようなことからIGBTのスイッチング時のdi/dt,dv/dtの抑制が重要な課題となっている。
【0005】
電圧駆動形スイッチング素子であるIGBTのターンオン,ターンオフのスイッチング速度はそのゲート駆動方法、例えばゲート抵抗を大きくして、IGBTのゲート容量の充電時定数を長くすることにより抑制できることが知られている。しかしこの方法だけではスイッチング時間が長くなること、IGBTでの損失が大きくなり過ぎること等からIGBTのスイッチングのタイミングに応じて、ゲート駆動回路のゲート抵抗を切換える改良が提案されている(特開平1−183214号,特開平3−93457号,特開平6−291631号,特開平8−322240号,特開平10− 150764号等)。しかしながら、ゲート抵抗を切換える方法でdi/dt,dv/dtの可変範囲を広くしようとすると、抵抗とそれを切換えるためのスイッチが沢山必要となり、その切換えの制御も複雑化してくる。
【0006】
本発明の課題は、IGBT等の電圧駆動形スイッチング素子のスイッチング時間または損失の増加を抑えながら、スイッチング時のdi/dt,dv/dtを抑制することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、電圧駆動形スイッチング素子のターンオン時においては、電圧駆動形スイッチング素子のスイッチング動作を制御する信号を増幅する駆動手段と、電圧駆動形スイッチング素子の動作状態(主電圧又は主電流又はゲート電圧)を検出する手段と、駆動手段のターンオン時の出力電力を時間経過に伴って徐々に降下させる電力下降手段と、降下させた出力電力を徐々に上昇させる電力上昇手段とを設けたものである。
【0008】
また本発明においては、電圧駆動形スイッチング素子のターンオフ時においては、電圧駆動形スイッチング素子のスイッチング動作を制御する信号を増幅する駆動手段と、電圧駆動形スイッチング素子の動作状態(主電圧又は主電流又はゲート電圧)を検出する手段と、駆動手段のターンオフ時の出力電力を時間経過に伴って徐々に上昇させる電力上昇手段と、出力電力を徐々に降下させる電力降下手段を設け、電圧駆動形スイッチング素子の動作状態の検出値に応じて電力下降手段から電力上昇手段への切換えを行うことにより、電圧駆動形スイッチング素子のターンオフ時のdi/dt,dv/dtの抑制量を可変できるようにしている。
【0009】
また本発明では、電圧駆動形スイッチング素子のスイッチング動作を制御する信号を増幅する駆動手段と、電圧駆動形スイッチング素子の動作状態(主電圧又は主電流又はゲート電圧)を検出する手段と、駆動手段のターンオン又はターンオフ時の出力電力を時間経過に伴って徐々に降下又は上昇させる手段と、電圧駆動形スイッチング素子の温度を検出する検出手段と、温度検出量を電圧に変換する手段とを設け、電圧駆動形スイッチング素子の動作状態(主電圧又は主電流又はゲート電圧)の検出値と電圧駆動形スイッチング素子の温度検出量に応じて、駆動手段の電力下降手段から電力上昇手段、又は電力上昇手段から電力降下手段への切換えのタイミングを変えることにより、電圧駆動形スイッチング素子のターンオン又はターンオフ時のdi/dt,dv/dtの抑制量を可変できるようにしている。
【0010】
さらに本発明では、電力上昇手段及び電力下降手段を、抵抗とコンデンサ及びスイッチング素子の並列又は直並列という簡単な構成で実現している。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施例を示すIGBTのゲート駆動回路101の機能構成図である。ゲート駆動回路101が接続されているIGBTモジュール102は、例えば図9に示すような電力変換器を構成する1素子である。IGBTのオン,オフを制御する信号を増幅する駆動手段107の出力がIGBTのゲートとエミッタ間に接続され、その出力電力を過渡的に可変する電力上昇手段105と電力下降手段106が駆動手段107と直列に接続されている。電力下降手段から電力上昇手段への切換えは、IGBTの動作状態(コレクタ電圧又はコレクタ電流又はゲート電圧)によって行うが、この場合は基準電圧設定手段108によって設定されたゲート電圧の基準電圧を超えるところで行っている。以下、IGBTの動作波形を用いながら本ゲート駆動回路101の動作を具体的に説明する。図において103は比較回路、104はゲート電圧検出器である。
【0012】
図2はIGBTのターンオン、図3はターンオフの動作波形例を示すものである。図2(A),図3(A)は本発明による電力上昇手段,電力下降手段を用いた場合、図2(B),図3(B)が単にゲート抵抗を大きくしてdi/dt,dv/dtを抑制した従来例である。制御装置からの信号により、駆動手段の出力電圧が負から正、または正から負に転じることによりIGBTのスイッチング動作が行われるが、ここではターンオン動作の図2(A)を中心に説明する。また、図中にはゲート駆動手段の出力能力という名称の波形を示しているが、これは以下の理由からである。
【0013】
図8(A)〜(D)に、IGBTのゲート駆動回路101と動作波形例を示す。R1はオン用のゲート電流の制限抵抗、R2はオフ用のゲート電流の制限抵抗である。ターンオン時はQ1がオン,Q2がオフ状態で、E1がR1,Q1を介してIGBTのゲートとエミッタ間に印加される。ターンオフ時はQ1がオフ,Q2がオン状態で、E2がR2,Q2を介してIGBTのゲートとエミッタ間に印加される。電圧形駆動素子のゲート駆動手段の負荷は、図8(A)に破線で示すようにコレクタ帰還容量Cgc,ゲート容量Cgeを有する容量負荷である。このため、IGBTのゲートとエミッタを接続した状態で本発明のゲート駆動手段を説明すると、表現方法で混乱しやすいと思われるところがある。例えば、図8 (C)はオン用のゲート抵抗R1が一定の場合、図8(D)はゲート抵抗R1を時間的に可変した場合である。両者のゲート電流Ioutとゲート電圧Voutからは、ゲート駆動手段の条件がどのように変わっているかが分かりづらい。例えば、ゲート駆動手段の出力電力が一定のところであってもゲート電流Ioutが連続的に減少している期間がある。これは、ゲート駆動手段に容量負荷が接続されているためである。そこで、図8(B)に示すように負荷抵抗Rを接続し、負荷抵抗Rに加わる電圧をゲート駆動手段の出力電力(出力能力)と表現することにする。この場合の負荷抵抗Rの電圧は、オン用の抵抗R1又はオフ用の抵抗R2との比率で決まる。従って負荷抵抗Rの値は限定されないが、R1又はR2と同等の値を選ぶことにより、ゲート駆動手段の能力変化がより分かりやすいものとなる。
【0014】
図2(B)の従来例の場合は、正の一定電圧が出力されているのに対して、図2(A)の本発明の場合は、一旦正の電圧が出力された後出力電圧が時間と共に徐々に降下し、再び上昇している点が異なっている。IGBTのターンオン時のdi/dtは、ゲート電圧の上昇速度に依存することが知られており、図2(B)の場合はゲート抵抗を大きくしてゲート電圧の上昇速度を遅くした場合に相当している。この場合、コレクタ電流の上昇が抑えられる反面、ターンオン時間(T1)が長く、ターンオン後のAの部分のコレクタ電圧の下がりが遅くなるため、IGBTのスイッチング損失が大きくなるという欠点がある。本発明の図2(A)の場合は、ターンオンの最初に正の大きな電圧を出力し、時間と共に徐々に電圧を降下させ、T2後再び時間と共に電圧を上昇させ、T3後に最初の電圧に戻している。最初の大きな出力電圧はIGBTのゲート電圧の上昇速度を速め、ターンオン時間(T1)の短縮の役割を果たしている。IGBTのゲート電圧がしきい値になる頃には、出力電圧が低下し、図2(B)の場合と同様にdi/dtが抑制される。さらに、IGBTのゲート電圧がしきい値を超えた後、再び出力電圧を大きくすることによりゲート電圧の上昇を速め、図2(A)のAの部分のコレクタ電圧の下がりを速くして、スイッチング損失の低減を図っている。
【0015】
以上のように本発明の第1の特徴は、ターンオンの最初は正の大きな電圧を出力して時間と共に徐々に電圧を低下させること、IGBTの動作状態(この場合はゲート電圧)に応じて再び電圧を上昇させることにより、スイッチング時間の短縮とターンオン損失の低減をはかりながら、IGBTのスイッチング速度のソフト化を実現している点にあるが、従来技術に対して次のような特徴を有している。
【0016】
IGBTのスイッチング速度をソフト化した場合のターンオン,ターンオフ時間の短縮,スイッチング損失の低減方法として、ゲート抵抗を切換える方法(特開平1−183214号,特開平3−93457号,特開平6−291631号等)が提案されている。ゲート抵抗を切換えた場合の駆動手段の出力電圧は図2(A),図3(A)に破線で示すようになり、本発明と一部同様な効果が得られるところもあるが、以下の理由により制御のしやすさや効果,構成に大きな差異が生じることになる。IGBTのスイッチング速度のソフト化は、本質的にはスイッチング損失の増加を招くので、不要なスイッチング速度のソフト化はできるだけ避けたい。特開平6−291631号,特開平8−322240号,特開平10−150764号等に記載のように、IGBTのdi/dt,dv/dtの通電時の電源電圧や温度等によっても変わるが、ゲート抵抗を切換える方法で制御するdi/dt,dv/dtを変えようとすると、多くのゲート抵抗とその切換え装置が必要となる。また、ゲート抵抗を切換える方法では、IGBTのdi/dt,dv/dtを抑制した後、本発明の電圧上昇期間T3(図2(A),図3(A)参照)の期間に小さなゲート抵抗に切換えることになるが、そのタイミングが早いとdi/dt,dv/dtが途中から急に大きくなり、タイミングが遅すぎるとスイッチング損失が大きくなるので、ゲート抵抗の切換えのタイミングの難しさがある。
【0017】
本発明では、ターンオンの最初に正の大きな電圧を出力し、時間と共に変化する電力下降手段と電力上昇手段を設けている。電圧を徐々に下降させる電力下降手段は、ゲート抵抗を切換える方法に例えると、ゲート抵抗を連続的に大きな抵抗に切換えていることに相当している。また、電力下降手段の動作期間T2の後に再び時間とともに電圧を上昇させる電力上昇手段は、ゲート抵抗を連続的に小さな抵抗に切換えていることに相当している。すなわち、電力下降手段の動作期間T2を短く、電力上昇手段の動作期間T3を長くすることはゲート抵抗を小さくすることに相当し、動作期間T2を長く、電力上昇手段の動作期間T3を短くすることはゲート抵抗を大きくすることに相当する。このように等価的にゲート抵抗を連続的に可変する機能を持たせることにより、電力下降手段から電力上昇手段へ切換えるタイミングの制御により、急激なdi/dt,dv/dtの変化を抑制できる。
【0018】
例えば、今回我々が実験に用いた3.3kV−1200A のIGBTの場合は、主回路のインダクタンス約100nHで電源電圧2kVからターンオンさせると、ゲート駆動手段の出力からIGBTの主電流が流れ始めるまでのターンオン遅れ時間Tdが約1.5μs 、主電流の立ち上がりdi/dtが約6000A/μsであった。この場合、主電流1200Aに立ち上がるまでの動作期間Tは
T=定格電流(1200A)/抑制di/dt(6000A/μs)
=0.2μs
である(T1=約1.7μs )。このような場合、電力上昇手段の上昇期間T3を0.2μs より大きくしておくと、電力下降手段の下降期間T2=Td+T=1.5μs+0.2μsから、T2=Td+T−T3の範囲でdi/dtの抑制が可能であることが分かる。ただし、T3=Td+TはT2=0となり、電力下降手段が動作しないことになるので、除かれる。実際にはゲート駆動手段の出力からIGBTの主電流が流れ始めるまでのターンオン遅れ時間Tdに対して主電流の立ち上がり時間Tが短いのでT2>T3の関係で抑制するのが有効である。以上のように、本発明は連続的に下降する上記の電力下降手段と連続的に上昇する上記の電力上昇手段を組み合わせて下降から上昇への動作点T2を変えることによりdi/dtを変えることを可能としている。このことはまた、切り換え動作点T2のわずかなずれによってはdi/dtの抑制量が急激に変化しない効果も有することを意味している。
【0019】
以上のように本発明の最大の特徴は、前記電力下降手段と前記電力上昇手段で等価的にゲート抵抗を連続可変しているように機能させていることであるが、例えば電力下降手段の部分(T2)を従来のゲート抵抗を切換える方法にして、本発明の電力上昇手段(T3)を組み合わせた場合においても、両者間の切換えのタイミング(期間T2に対応)が僅かにずれてもdi/dt,dv/dtが急激に変化しないというメリットが得られる。また、電力上昇手段の動作点を変えることによりdi/dt,dv/dtの制御が可能なので、通電条件(電源電圧,コレクタ電流,温度等)が変わった場合等のdi/dt,dv/dtの制御に活用できるという特徴がある。
【0020】
以上、本発明の実施の形態をIGBTのターンオン動作に代表して説明してきたが、図3(A)に示されるようにターンオフ動作についてもターンオン動作と同様に制御することができる。電圧駆動形素子の場合はそのゲートしきい値を境にしてオン,オフ動作が行われ、ゲート電圧が正の方向で制御されるが、負の方向で制御されるかの違いである。ターンオフ動作の詳細説明は省略するが、ターンオン動作で説明しなかった本発明のもう一つの特徴をターンオフ動作で説明する。
【0021】
図3(A)は本発明の実施例、図3(B)は従来のゲート抵抗を大きくして
dv/dtを抑制した時のIGBTの動作波形例である。両者のコレクタ電圧波形を比較してみると、図3(A)の本発明の実施例では電圧が上昇する傾きがほぼ一定であるのに対して、図3(B)の場合は最初の傾きが緩やかで徐々に急峻になっていることが分かる。これは図8(A)に破線で接続しているIGBT内部の帰還容量Cgcの影響である。帰還容量Cgcを介する電流は、ターンオフ時はコレクタ電圧の上昇と共にゲートからエミッタ側に流れてゲート電流の一部を打ち消すのでターンオフ動作を遅らせるように働く。また、ターンオン時はコレクタ電圧の下降と共にゲート電流の一部をコレクタ側に流してターンオンを遅らせるように働く。帰還容量Cgcは、コレクタ電圧が低いときに大きく、高くなるに従って2桁以上も小さくなることが知られている。IGBTを大きなゲート電流で動作させているときには帰還容量を介す電流の割合が小さいが、dv/dtを抑制するためにゲート電流を小さくした場合には帰還容量を介する電流の割合が大きくなる。このため図3(B)の場合はコレクタ電圧の低いところでの電圧上昇が緩やかになっている。
【0022】
一方本発明の図3(A)の場合は、これまで述べてきたように前記電力下降手段により駆動能力を連続的に可変しており、コレクタ電圧の低いところでは高いところより大きなゲート電流が供給されるので、コレクタ電圧の上昇がほぼ均等化される。
【0023】
図4は、本発明の他の実施例の形態を示すIGBTのゲート駆動回路の機能構成図である。図1とは温度を検出するセンサ402が追加されている点、センサの出力を電圧変換手段401により電圧変換して基準電圧の制御に用いている点が異なっている。前述したようにIGBTモジュール102のIGBTのスイッチング時のdi/dt,dv/dtは通電時の電源電圧,電流及び温度等によって変わる。例えばIGBTの動作温度によっては、ターンオフ時のdv/dtが図11のように変わる。温度に大きく依存しているので、温度の低いところでゲート条件を設定すると、温度の高いところではdv/dtが必要以上に抑制され、ターンオン損失の増加を招くことになる。
【0024】
本実施例では、温度センサの出力で基準電圧を制御することにより、電力降下手段106の動作期間T5から電力上昇手段105の動作期間T6への切換えのタイミングを変えている。すなわち、温度が低いときは電力降下手段の動作期間T5を長くし、温度が高くなるにしたがってその動作期間T5を短くしている。動作温度が高くなった時のターンオフ損失の低減を、ターンオフ時のdv/dtを均等化することにより実現している。なお、ここではdi/dt,dv/dtの温度依存性を利用した例の実施例を示したが、di/dt,dv/dtが依存する物理量(例えば電源電圧,コレクタ電流)であれば同様の手法で制御が可能である。
【0025】
図5は、本発明の他の実施例を示すIGBTのゲート駆動回路101の実施例である。IGBTを含む電圧駆動形スイッチング素子のスイッチング動作を制御する信号を増幅するコンプリメンタル接続されたQ1,Q2とゲート抵抗R1,R2が直列に接続され、さらに2組の電圧上昇,下降手段501,502がそれに直列に接続されている。電力上昇,下降手段501,502はそれぞれコンデンサ(C1,C2)と抵抗(R3,R4)及びスイッチ(Q3,Q4)の並列接続で構成されている。スイッチ(Q3,Q4)のゲートはゲート電圧検出手段503の比較器1及び2の出力に接続されており、比較器1及び2の動作は、それぞれ基準電圧設定手段108−1,108−2からの基準電圧とゲート電圧の比較によって制御されるようになっている。ターンオン動作は次のように行われる。Q1,Q3がオフ状態,Q2,Q4がオン状態において、Q1,Q3がオフ状態,Q1がオン状態に変わると、電源E1−(C1,R3)−R1−Q1− IGBTのゲート−エミッタの経路でゲート電流が流れる。このときゲート電流はC1とR3に並列に流れるが、最初はIGBTのゲート容量がほぼ電源E2に逆充電されているので、電源E1と電源E2及びR1で決まる大きなゲート電流がC1に流れる。やがてコンデンサC1の充電さが進み電源E1とR1,R3で決まる電流に絞られ、本発明の電力降下手段の役割を果たす。
【0026】
次に、ゲート電圧が上昇し、比較器1の基準電圧を超えるとQ3がオンする。Q3がオンするとゲート電流の経路は、電源E1−Q3−R1−Q1−IGBTのゲート−エミッタに変わるので、ゲート電流を増大してゲート電圧を急上昇させるように働く。しかし、Q3がオンする直前のC1は図5に示す極性に充電されており、Q3がオンした直後はC1に蓄積されていた電荷の放電が行われる。この場合の放電はC1の容量とQ3のオン抵抗の時定数によって行われ、コンデンサC1の放電にともなって本発明の電力上昇手段の役割を果たす。ターンオフ時はターンオン時と反対であり説明は省略するが、Q4,R4,C2がターンオフ時の電力下降及び上昇手段の役割を果たし、本発明を簡単な回路構成で実現している。
【0027】
なお、コンデンサC1,C2はスイッチング時間(T1,T4)の短縮の目的もかねている。ターンオン前はIGBTのゲート容量CgeはマイナスE2に充電されているので、これをIGBTのゲートしきい値電圧Vthまで充電する電荷は、
Qon=Cge×(E2+Vth) …(1)
であり、ターンオフ時はE1からゲートしきい値電圧Vthまでの放電電荷は
Qoff=Cge×(E1−Vth) …(2)
である。オン時の電力下降期間(T2),オフ時の電力下降期間(T5)にはC1,C2に蓄積される電荷がこのQon,Qoffの電荷とほとんど同等になるようにすると、スイッチング時間は大幅に短縮される。しかし、ゲート電圧の下降又は上昇がゆるやかになり、IGBTのスイッチング時のdi/dt,dv/dtの抑制範囲が狭くなる。前述(1),(2)式に示すように、Qon,Qoff自体がゲート回路の電圧によって変わるが、我々が実験に用いたIGBTの標準的と思われるゲート回路条件(E1=15V,E2=10V)では、C1,C2の容量をIGBTのゲート容量Cgeの1〜5倍程度にすると、スイッチング時間短縮とdi/dt,dv/dt抑制の両者に大きな効果が得られている。
【0028】
図6は、本発明の実施の形態を示すIGBTのゲート駆動回路の他の実施例である。図5の電力上昇,下降手段501,502と図6の電力上昇,下降手段501,502の違いは、スイッチ(Q3,Q4)と直列に抵抗(R5,R6)を設けている点である。スイッチ(Q3,Q4)のオン抵抗は、そのベース入力によって可変することも可能であるが、この場合は抵抗(R5,R6)を追加してC1の放電時定数を大きくして電力上昇期間(T3)を変えた例である。
【0029】
図13は、本発明の実施例の形態を示すIGBTのゲート回路の他の実施例である。図6との違いは、R3,C1に直列にR51が、R4とC2に直列にR61が設けられている点である。スイッチ(Q3,Q4)がオンした状態でのゲート抵抗は両者ともオン用がR1+R5、オフ用がR2+R6である。R5,R6を大きくする時はその分R1,R2を小さくするが、図6の場合はR1,R2を小さくすると、R3とC1及びR4とC2に流れる電流が連鎖的に変わるので回路設計が複雑となる。図13の実施例では、R5及びR6と等価な抵抗(R51,R61)をR3,C1及びR4,C2に直列に接続して、R3とC1及びR4とC2に流れる電流が変わらないようにしている。
【0030】
図12は、本発明の実施の形態を示すIGBTのゲート駆動回路の他の実施例である。図6の電力上昇手段及び電力下降手段との違いは、スイッチ(Q3,Q4)のベース電流の変化を利用している点である。スイッチQ1がターンオンすると、電源電圧E1がR3−R1−IGBTのゲートの経路で印加される。するとR3に印加される電圧により、Q3のエミッタからベース、さらにはC3−R5の経路でQ3のベース電流ib1が流れQ3がオンする。しかしQ3がオンするとQ3に印加されていた電圧が低下してベース電流ib1が流れなくなるので、結局はC3の充電電流とQ3のhfeで決まる電流が流れて、電力下降手段の役割を果たす。次にR7を介してベース電流が流れQ3がオンすると、C3を電源としてib2が流れるので、その間はR1に流れる電流が低減し電力上昇手段の役割を果たす。この場合の電力下降期間T2及び電力上昇期間T3はC3,R5によって変えられることは明白である。また、図5で示したようにQ3に並列にコンデンサC1を設けることを併用することも可能である。
【0031】
図7は、本発明の実施例を示すIGBTのゲート駆動回路の他の実施例の機能構成図である。図1の実施例では電力上昇手段105及び電力下降手段106が駆動手段107と直列に接続されているが、この実施例では電力上昇、下降手段501,502が駆動手段107に並列に接続する。電力上昇、下降手段501,502で駆動手段からの出力をバイパスすることにより、出力電力の下降及び上昇を実現している。動作は図1の場合と同様であり、説明は省略する。
【0032】
以上、本発明はIGBTやFET等の電圧駆動形スイッチング素子のスイッチング時のdi/dt,dv/dtの抑制という観点から説明してきたが、本発明のゲート駆動回路は電力変換器の負荷短絡やアーム短絡などで発生する過電流からの保護にも有効である。すなわちセンサの出力で基準電圧を制御する機能を持たせており、温度センサと過電流センサを並列にして、基準電圧の増加減を制御することが容易にできるからである。例えば、ターンオン時に過電流を検知した場合は、比較器の基準電圧を上昇させ、ゲート電圧の下降手段から上昇手段への切換えをさせないようにして、電力変換器の負荷短絡やアーム短絡などで発生する過電流をそれ以上大きくさせないようにすることへの応用が可能である。
【0033】
【発明の効果】
以上の説明から分かるように、本発明は電圧駆動形スイッチングデバイスを用いたインバータの回路動作の高di/dt化,高dv/dt化からくる、周辺装置の誤動作の要因ばかりでなく、負荷のモータの絶縁破壊等の問題を解消することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す電圧駆動素子のゲート駆動回路の機能構成図である。
【図2】本発明の実施例の動作を説明するためのターンオン動作波形である。
【図3】本発明の実施例の動作を説明するためのターンオフ動作波形である。
【図4】本発明の他の実施例を示す電圧駆動素子のゲート駆動回路の機能構成図である。
【図5】図1の実施例の具体的回路構成図である。
【図6】図5の具体的回路の変形例である。
【図7】本発明の他の実施例を示す電圧駆動素子のゲート駆動回路の機能構成図である。
【図8】電圧駆動素子のゲート駆動回路の出力能力を説明するための回路及び動作波形である。
【図9】本発明対象であるIGBTを用いた電圧形インバータの一般的な回路図である。
【図10】跳ね上がり電圧を抑制するスナバ回路例である。
【図11】IGBTのdv/dtの温度依存。
【図12】図5の実施例の変形例である。
【図13】図6に示す具体的回路の変形例である。
【符号の説明】
101…ゲート駆動回路、102…IGBTモジュール、103…比較回路、104…ゲート電圧検出、105…電力上昇手段、106…電力下降手段、107…駆動手段、108…基準電圧設定手段。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gate drive circuit for a voltage-driven switching element such as an FET or an IGBT.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9 shows a general circuit configuration of a voltage source inverter using an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). The alternating current power is supplied from the direct current power source E to the motor of the load by alternately turning on and off the IGBTs constituting the upper and lower series three arms. In the figure, Ls is the stray inductance of the main circuit wiring. However, in recent years, the inverter mounting technology has advanced, and it has become possible to reduce Ls, which has been close to 1 μH, to 150 nH or less. As a result, energy stored in the floating inductance Ls is reduced, so that a snubber circuit (for example, FIG. 10) for suppressing the jumping voltage at the time of switching becomes unnecessary, and the simplification of the main circuit can be realized. Yes.
[0003]
However, the idle inductance Ls of the main circuit wiring also played a role of suppressing di / dt at the time of turn-on, and the snubber circuit (for example, FIG. 10) also played a role of suppressing dv / dt at the time of turn-off. There is a new problem that high di / dt and high dv / dt occur at the time of switching.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Higher di / dt and higher dv / dt in the switching operation of the inverter circuit not only cause a malfunction of the peripheral device but also adversely affect the load motor. For example, in a vehicle inverter, a load motor is often installed at a location away from the inverter. In addition to the inductance Ls ′, the motor wiring includes a stray capacitance Cs ′ as indicated by a broken line in FIG. For this reason, as the dv / dt of the inverter increases, the impedance of the motor of the load becomes larger, and resonance due to Ls ′ and Cs ′ occurs. For this reason, a voltage close to twice the output voltage of the inverter is applied to the motor, which may cause failure such as motor breakdown. For this reason, suppression of di / dt and dv / dt during IGBT switching is an important issue.
[0005]
It is known that the switching speed of turn-on and turn-off of an IGBT, which is a voltage-driven switching element, can be suppressed by increasing the gate drive method, for example, increasing the gate resistance and increasing the charging time constant of the gate capacitance of the IGBT. However, an improvement in switching the gate resistance of the gate drive circuit in accordance with the switching timing of the IGBT has been proposed because the switching time becomes long only by this method and the loss in the IGBT becomes too large (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 1). -183214, JP-A-3-93457, JP-A-6-291631, JP-A-8-322240, JP-A-10-150764, etc.). However, if the di / dt and dv / dt variable ranges are to be widened by switching the gate resistance, a large number of resistors and switches for switching the resistors are required, and the switching control becomes complicated.
[0006]
An object of the present invention is to suppress di / dt and dv / dt during switching while suppressing an increase in switching time or loss of a voltage-driven switching element such as an IGBT.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, when the voltage-driven switching element is turned on, the driving means for amplifying a signal for controlling the switching operation of the voltage-driven switching element, and the operation state (main voltage or main current or means for detecting a gate voltage), which provided a power decrease means for gradually lowering with the output power during turn-on of the drive means over time, gradually and power increase means for increasing the output power is lowered It is.
[0008]
In the present invention, when the voltage-driven switching element is turned off, the driving means for amplifying a signal for controlling the switching operation of the voltage-driven switching element and the operating state (main voltage or main current) of the voltage-driven switching element. (Or gate voltage) detecting means, power increasing means for gradually increasing the output power when the driving means is turned off, and power decreasing means for gradually decreasing the output power are provided, and voltage driven switching By switching from the power lowering means to the power increasing means according to the detected value of the operating state of the element, the amount of suppression of di / dt and dv / dt at the time of turn-off of the voltage driven switching element can be varied. Yes.
[0009]
Further, according to the present invention, driving means for amplifying a signal for controlling the switching operation of the voltage driven switching element, means for detecting an operating state (main voltage or main current or gate voltage) of the voltage driven switching element, and driving means There are provided means for gradually decreasing or increasing the output power at the time of turn-on or turn-off with time, detection means for detecting the temperature of the voltage-driven switching element, and means for converting the temperature detection amount into voltage, Depending on the detected value of the operating state (main voltage or main current or gate voltage) of the voltage-driven switching element and the temperature detection amount of the voltage-driven switching element, the power increasing means or the power increasing means of the driving means By changing the timing of switching from the power drop means to the power drop means, the voltage-driven switching element is turned on or off. When di / dt, is to be able to vary the suppression amount of dv / dt.
[0010]
Furthermore, in the present invention, the power increasing means and the power decreasing means are realized by a simple configuration of a resistor, a capacitor, and a switching element in parallel or in series.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a functional configuration diagram of an IGBT gate drive circuit 101 showing an embodiment of the present invention. The IGBT module 102 to which the gate drive circuit 101 is connected is one element that constitutes a power converter as shown in FIG. 9, for example. The output of the driving means 107 that amplifies the signal for controlling on / off of the IGBT is connected between the gate and the emitter of the IGBT, and the power raising means 105 and the power lowering means 106 that change the output power transiently are the driving means 107. Connected in series. Switching from the power lowering means to the power increasing means is performed according to the operation state of the IGBT (collector voltage or collector current or gate voltage). In this case, the gate voltage exceeds the reference voltage set by the reference voltage setting means 108. Is going. Hereinafter, the operation of the gate drive circuit 101 will be specifically described with reference to the operation waveform of the IGBT. In the figure, 103 is a comparison circuit, and 104 is a gate voltage detector.
[0012]
FIG. 2 shows an example of an operation waveform of IGBT turn-on, and FIG. 3 shows an example of operation waveform of turn-off. 2A and 3A show the case where the power increasing means and the power decreasing means according to the present invention are used, FIGS. 2B and 3B simply increase the gate resistance to di / dt, It is the prior art example which suppressed dv / dt. The switching operation of the IGBT is performed when the output voltage of the driving means changes from negative to positive or from positive to negative according to a signal from the control device. Here, the turn-on operation will be mainly described with reference to FIG. Further, in the drawing, a waveform named output capability of the gate driving means is shown for the following reason.
[0013]
8A to 8D show an IGBT gate drive circuit 101 and operation waveform examples. R1 is an ON gate current limiting resistor, and R2 is an OFF gate current limiting resistor. At turn-on, Q1 is on and Q2 is off, and E1 is applied between the gate and emitter of the IGBT via R1 and Q1. At turn-off, Q1 is off, Q2 is on, and E2 is applied between the gate and emitter of the IGBT via R2 and Q2. The load of the gate driving means of the voltage source driving element is a capacitive load having a collector feedback capacitance C gc and a gate capacitance C ge as shown by a broken line in FIG. For this reason, when the gate driving means of the present invention is described in a state where the gate and the emitter of the IGBT are connected, there are places where the expression method tends to be confused. For example, FIG. 8C shows the case where the ON gate resistance R1 is constant, and FIG. 8D shows the case where the gate resistance R1 is varied over time. It is difficult to understand how the conditions of the gate driving means are changed from the gate current Iout and the gate voltage Vout. For example, there is a period in which the gate current lout continuously decreases even when the output power of the gate driving means is constant. This is because a capacitive load is connected to the gate driving means. Therefore, a load resistor R is connected as shown in FIG. 8B, and the voltage applied to the load resistor R is expressed as output power (output capability) of the gate driving means. In this case, the voltage of the load resistor R is determined by the ratio with the on-resistance R1 or the off-resistance R2. Therefore, the value of the load resistance R is not limited, but by selecting a value equivalent to R1 or R2, the change in the capability of the gate driving means can be easily understood.
[0014]
In the case of the conventional example of FIG. 2 (B), a positive constant voltage is output, whereas in the case of the present invention of FIG. 2 (A), after the positive voltage is output once, the output voltage is The difference is that it gradually descends over time and rises again. It is known that di / dt at the turn-on time of the IGBT depends on the rising speed of the gate voltage, and in the case of FIG. 2B, it corresponds to the case where the rising speed of the gate voltage is slowed by increasing the gate resistance. is doing. In this case, an increase in the collector current can be suppressed, but the turn-on time (T1) is long, and the decrease in the collector voltage in the portion A after the turn-on is delayed. In the case of FIG. 2A of the present invention, a large positive voltage is output at the beginning of turn-on, the voltage is gradually decreased with time, the voltage is increased again with time after T2, and returned to the initial voltage after T3. ing. The first large output voltage accelerates the rising speed of the gate voltage of the IGBT and plays a role of shortening the turn-on time (T1). When the IGBT gate voltage reaches the threshold value, the output voltage decreases, and di / dt is suppressed as in the case of FIG. Furthermore, after the gate voltage of the IGBT exceeds the threshold value, the output voltage is increased again to speed up the rise of the gate voltage, and the fall of the collector voltage at the portion A in FIG. The loss is reduced.
[0015]
As described above, the first feature of the present invention is that a large positive voltage is output at the beginning of turn-on and the voltage is gradually decreased with time, and again according to the operation state of the IGBT (in this case, the gate voltage). By increasing the voltage, the switching speed of the IGBT is reduced while the switching time is shortened and the turn-on loss is reduced. However, it has the following characteristics compared to the conventional technology. ing.
[0016]
As a method for reducing the turn-on and turn-off time and switching loss when the IGBT switching speed is softened, a method of switching the gate resistance (JP-A-1-183214, JP-A-3-93457, JP-A-6-291631) Etc.) has been proposed. The output voltage of the driving means when the gate resistance is switched is as shown by broken lines in FIGS. 2A and 3A, and some of the same effects as the present invention can be obtained. Depending on the reason, there will be a large difference in controllability, effect and configuration. Since softening of the switching speed of the IGBT inherently increases switching loss, it is desirable to avoid unnecessary softening of the switching speed. As described in JP-A-6-291631, JP-A-8-322240, JP-A-10-150764, etc., it varies depending on the power supply voltage and temperature at the time of energization of IGBT di / dt, dv / dt, etc. If di / dt and dv / dt controlled by the method of switching the gate resistance are to be changed, a large number of gate resistances and switching devices are required. Further, in the method of switching the gate resistance, after suppressing the di / dt and dv / dt of the IGBT, the gate resistance is reduced during the voltage rise period T3 (see FIGS. 2A and 3A) of the present invention. However, if the timing is early, di / dt and dv / dt suddenly increase from the middle, and if the timing is too late, the switching loss increases, which makes it difficult to switch the gate resistance. .
[0017]
In the present invention, there is provided a power lowering means and a power increasing means for outputting a large positive voltage at the beginning of turn-on and changing with time. The power lowering means for gradually decreasing the voltage is equivalent to switching the gate resistance to a large resistance continuously when compared to a method of switching the gate resistance. The power increasing means for increasing the voltage again with time after the operation period T2 of the power decreasing means corresponds to switching the gate resistance to a small resistance continuously. That is, shortening the operation period T2 of the power lowering means and lengthening the operation period T3 of the power increasing means correspond to reducing the gate resistance, lengthening the operation period T2 and shortening the operation period T3 of the power increasing means. This is equivalent to increasing the gate resistance. By providing the function of continuously changing the gate resistance equivalently in this way, it is possible to suppress a rapid change in di / dt and dv / dt by controlling the timing of switching from the power lowering means to the power increasing means.
[0018]
For example, in the case of the 3.3 kV-1200 A IGBT that we used in this experiment, when the main circuit inductance is about 100 nH and the power supply voltage is turned on from 2 kV, the IGBT main current starts to flow from the output of the gate drive means. The turn-on delay time Td was about 1.5 μs, and the main current rise di / dt was about 6000 A / μs. In this case, the operation period T until the main current rises to 1200 A is T = rated current (1200 A) / suppression di / dt (6000 A / μs).
= 0.2μs
(T1 = about 1.7 μs). In such a case, if the rising period T3 of the power increasing means is set to be longer than 0.2 μs, di / in the range of T2 = Td + T−T3 from the falling period T2 = Td + T = 1.5 μs + 0.2 μs of the power decreasing means. It can be seen that dt can be suppressed. However, T3 = Td + T is excluded because T2 = 0 and the power lowering means does not operate. Actually, since the rise time T of the main current is shorter than the turn-on delay time Td from the output of the gate driving means until the main current of the IGBT starts to flow, it is effective to suppress it in the relationship of T2> T3. As described above, the present invention changes di / dt by changing the operating point T2 from descending to ascending by combining the continuously descending power lowering means and the continuously increasing power increasing means. Is possible. This also means that the amount of suppression of di / dt does not change abruptly due to a slight shift of the switching operation point T2.
[0019]
As described above, the most significant feature of the present invention is that the power lowering means and the power increasing means are equivalently functioning so that the gate resistance is continuously variable. Even when (T2) is used as a conventional method for switching the gate resistance and the power increasing means (T3) of the present invention is combined, even if the switching timing between the two (corresponding to the period T2) is slightly shifted, di / There is an advantage that dt and dv / dt do not change abruptly. Further, since di / dt and dv / dt can be controlled by changing the operating point of the power increasing means, di / dt and dv / dt when the energization conditions (power supply voltage, collector current, temperature, etc.) are changed. It can be used to control
[0020]
As described above, the embodiment of the present invention has been described by taking the IGBT turn-on operation as a representative. However, as shown in FIG. 3A, the turn-off operation can be controlled similarly to the turn-on operation. In the case of a voltage-driven element, the ON / OFF operation is performed with the gate threshold as a boundary, and the gate voltage is controlled in the positive direction, but the difference is whether it is controlled in the negative direction. Although a detailed description of the turn-off operation is omitted, another feature of the present invention not described in the turn-on operation will be described in the turn-off operation.
[0021]
FIG. 3A is an example of the present invention, and FIG. 3B is an example of an operation waveform of the IGBT when the conventional gate resistance is increased to suppress dv / dt. Comparing the two collector voltage waveforms, in the embodiment of the present invention of FIG. 3 (A), the slope in which the voltage rises is almost constant, whereas in FIG. It can be seen that is slow and gradually steep. This is due to the influence of the feedback capacitance C gc inside the IGBT connected by a broken line in FIG. The current through the feedback capacitor C gc flows from the gate to the emitter side with the rise of the collector voltage at the time of turn-off and cancels a part of the gate current, so that the turn-off operation is delayed. At the turn-on time, a part of the gate current is caused to flow to the collector side as the collector voltage is lowered to delay the turn-on. It is known that the feedback capacitance C gc is large when the collector voltage is low and decreases by two orders of magnitude or more as it increases. When the IGBT is operated with a large gate current, the ratio of the current through the feedback capacitor is small. However, when the gate current is reduced to suppress dv / dt, the ratio of the current through the feedback capacitor is increased. For this reason, in the case of FIG. 3B, the voltage rise at a low collector voltage is moderate.
[0022]
On the other hand, in the case of FIG. 3A of the present invention, as described above, the driving ability is continuously varied by the power lowering means, and a higher gate current is supplied at a lower collector voltage than at a higher one. Therefore, the collector voltage rise is almost equalized.
[0023]
FIG. 4 is a functional configuration diagram of an IGBT gate driving circuit showing another embodiment of the present invention. The difference from FIG. 1 is that a sensor 402 for detecting temperature is added and that the output of the sensor is converted into voltage by the voltage conversion means 401 and used for control of the reference voltage. As described above, di / dt and dv / dt at the time of switching of the IGBT of the IGBT module 102 vary depending on the power supply voltage, current, temperature, and the like at the time of energization. For example, depending on the operating temperature of the IGBT, dv / dt at turn-off changes as shown in FIG. Since it greatly depends on the temperature, if the gate condition is set at a low temperature, dv / dt is suppressed more than necessary at a high temperature, leading to an increase in turn-on loss.
[0024]
In this embodiment, the timing of switching from the operation period T5 of the power drop means 106 to the operation period T6 of the power rise means 105 is changed by controlling the reference voltage with the output of the temperature sensor. That is, when the temperature is low, the operation period T5 of the power dropping means is lengthened, and the operation period T5 is shortened as the temperature increases. Reduction of turn-off loss when the operating temperature becomes high is realized by equalizing dv / dt at turn-off. Although an example of an example using the temperature dependence of di / dt and dv / dt is shown here, the same applies if the physical quantity (for example, power supply voltage, collector current) depends on di / dt and dv / dt. Control by this method is possible.
[0025]
FIG. 5 is an embodiment of an IGBT gate driving circuit 101 showing another embodiment of the present invention. Complementary-connected Q1 and Q2 for amplifying a signal for controlling the switching operation of the voltage-driven switching element including the IGBT and gate resistors R1 and R2 are connected in series, and two sets of voltage raising / lowering means 501 and 502 are further connected. Are connected in series to it. The power increasing / decreasing means 501 and 502 are constituted by capacitors (C1, C2), resistors (R3, R4) and switches (Q3, Q4) connected in parallel. The gates of the switches (Q3, Q4) are connected to the outputs of the comparators 1 and 2 of the gate voltage detecting means 503, and the operations of the comparators 1 and 2 are respectively performed from the reference voltage setting means 108-1 and 108-2. It is controlled by comparing the reference voltage and the gate voltage. The turn-on operation is performed as follows. When Q1 and Q3 are turned off, Q2 and Q4 are turned on, Q1 and Q3 are turned off, and Q1 is turned on, the gate-emitter path of the power supply E1- (C1, R3) -R1-Q1-IGBT The gate current flows. At this time, the gate current flows in parallel with C1 and R3, but since the gate capacity of the IGBT is initially reversely charged to the power supply E2, a large gate current determined by the power supply E1 and the power supplies E2 and R1 flows to C1. Eventually, the charging of the capacitor C1 progresses and the current is determined by the power sources E1, R1, R3, and plays the role of the power drop means of the present invention.
[0026]
Next, when the gate voltage rises and exceeds the reference voltage of the comparator 1, Q3 is turned on. When Q3 is turned on, the path of the gate current is changed to the gate-emitter of the power supply E1-Q3-R1-Q1-IGBT, so that the gate current is increased and the gate voltage is rapidly increased. However, C1 immediately before Q3 is turned on is charged with the polarity shown in FIG. 5, and immediately after Q3 is turned on, the charge accumulated in C1 is discharged. The discharge in this case is performed by the time constant of the capacitance of C1 and the on-resistance of Q3, and plays the role of the power increasing means of the present invention along with the discharge of the capacitor C1. Although the turn-off is opposite to the turn-on and the description is omitted, Q4, R4, and C2 serve as power lowering and raising means at the turn-off, and the present invention is realized with a simple circuit configuration.
[0027]
The capacitors C1 and C2 also serve to shorten the switching time (T1, T4). Since the IGBT gate capacitance Cge is charged to minus E2 before the turn-on, the charge for charging this to the gate threshold voltage Vth of the IGBT is
Qon = C ge × (E2 + Vth) ... (1)
, And the time of turning off the discharge charge from E1 to the gate threshold voltage Vth is Qoff = C ge × (E1- Vth) ... (2)
It is. If the charge accumulated in C1 and C2 is made almost equal to the charges of Qon and Qoff during the power fall period (T2) at the on time and the power fall period (T5) at the off time, the switching time is greatly increased. Shortened. However, the fall or rise of the gate voltage becomes gradual, and the suppression range of di / dt and dv / dt at the time of IGBT switching becomes narrow. As shown in the above equations (1) and (2), Qon and Qoff themselves vary depending on the voltage of the gate circuit, but the gate circuit conditions (E1 = 15V, E2 = 10V), if the capacitances of C1 and C2 are set to about 1 to 5 times the gate capacitance Cge of the IGBT, a great effect is obtained in both the switching time reduction and the di / dt and dv / dt suppression.
[0028]
FIG. 6 shows another example of the gate drive circuit of the IGBT showing the embodiment of the present invention. The difference between the power raising / lowering means 501 and 502 in FIG. 5 and the power raising / lowering means 501 and 502 in FIG. 6 is that resistors (R5 and R6) are provided in series with the switches (Q3 and Q4). The on-resistance of the switches (Q3, Q4) can be varied depending on the base input. In this case, the resistance (R5, R6) is added to increase the discharge time constant of C1, thereby increasing the power rise period ( This is an example in which T3) is changed.
[0029]
FIG. 13 shows another embodiment of the gate circuit of the IGBT showing the embodiment of the present invention. The difference from FIG. 6 is that R51 is provided in series with R3 and C1, and R61 is provided in series with R4 and C2. In the state where the switches (Q3, Q4) are turned on, both gate resistances are R1 + R5 for on and R2 + R6 for off. When R5 and R6 are increased, R1 and R2 are decreased accordingly, but in the case of FIG. 6, if R1 and R2 are decreased, the currents flowing through R3 and C1 and R4 and C2 change in a chain, and the circuit design is complicated. It becomes. In the embodiment of FIG. 13, resistors (R51, R61) equivalent to R5 and R6 are connected in series with R3, C1, R4, and C2 so that the currents flowing through R3 and C1, and R4 and C2 do not change. Yes.
[0030]
FIG. 12 shows another example of the gate drive circuit of the IGBT showing the embodiment of the present invention. The difference between the power increasing means and the power decreasing means in FIG. 6 is that a change in the base current of the switches (Q3, Q4) is used. When the switch Q1 is turned on, the power supply voltage E1 is applied through the path of the gate of R3-R1-IGBT. Then, by the voltage applied to R3, the base current ib1 of Q3 flows in the path from the emitter of Q3 to the base and further C3-R5, and Q3 is turned on. However, when Q3 is turned on, the voltage applied to Q3 is reduced and the base current ib1 does not flow. Eventually, a current determined by the charging current of C3 and the hfe of Q3 flows, and serves as a power lowering means. Next, when a base current flows through R7 and Q3 is turned on, ib2 flows using C3 as a power source. During this time, the current flowing through R1 is reduced and serves as a power increasing means. It is obvious that the power drop period T2 and the power rise period T3 in this case can be changed by C3 and R5. Further, as shown in FIG. 5, it is possible to use a capacitor C1 in parallel with Q3.
[0031]
FIG. 7 is a functional configuration diagram of another embodiment of the gate drive circuit of the IGBT showing the embodiment of the present invention. In the embodiment of FIG. 1, the power raising means 105 and the power lowering means 106 are connected in series with the driving means 107, but in this embodiment, the power raising and lowering means 501 and 502 are connected to the driving means 107 in parallel. By lowering the output from the driving means by the power increase / decrease means 501, 502, the output power is decreased and increased. The operation is the same as in the case of FIG.
[0032]
As described above, the present invention has been described from the viewpoint of suppressing di / dt and dv / dt at the time of switching of a voltage-driven switching element such as an IGBT or an FET. It is also effective in protecting against overcurrent that occurs when an arm short circuit occurs. That is, it has a function of controlling the reference voltage by the output of the sensor, and it is easy to control the increase and decrease of the reference voltage by arranging the temperature sensor and the overcurrent sensor in parallel. For example, if an overcurrent is detected at turn-on, the reference voltage of the comparator is raised, and the switching from the gate voltage lowering means to the raising means is prevented, and this occurs due to a load short circuit or arm short circuit of the power converter. The present invention can be applied to prevent the overcurrent from being further increased.
[0033]
【The invention's effect】
As can be seen from the above description, the present invention is not only due to the high di / dt and high dv / dt of the circuit operation of the inverter using the voltage-driven switching device, but also the cause of the malfunction of the peripheral device. There is an effect that problems such as motor insulation breakdown can be solved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a functional configuration diagram of a gate drive circuit of a voltage drive element showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a turn-on operation waveform for explaining the operation of the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a turn-off operation waveform for explaining the operation of the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a functional configuration diagram of a gate drive circuit of a voltage drive element showing another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a specific circuit configuration diagram of the embodiment of FIG. 1;
6 is a modification of the specific circuit of FIG.
FIG. 7 is a functional configuration diagram of a gate drive circuit of a voltage drive element showing another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a circuit and operation waveforms for explaining the output capability of the gate drive circuit of the voltage drive element.
FIG. 9 is a general circuit diagram of a voltage source inverter using an IGBT which is the subject of the present invention.
FIG. 10 is an example of a snubber circuit that suppresses a jumping voltage.
FIG. 11 shows temperature dependence of dv / dt of IGBT.
12 is a modification of the embodiment of FIG.
13 is a modification of the specific circuit shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Gate drive circuit, 102 ... IGBT module, 103 ... Comparison circuit, 104 ... Gate voltage detection, 105 ... Power increase means, 106 ... Power decrease means, 107 ... Drive means, 108 ... Reference voltage setting means

Claims (7)

電圧駆動形スイッチング素子のスイッチング動作を制御する信号を増幅する駆動手段と、
前記電圧駆動形スイッチング素子のコレクタ電圧,コレクタ電流又はゲート電圧を検出する動作状態検出手段と、
ターンオン時の前記駆動手段の出力端子と接地との間に抵抗を接続した際の前記駆動手段の出力端子の電圧を時間経過に伴って連続的に降下させる電力下降手段と、
前記降下させた電圧を時間経過に伴って連続的に上昇させる電力上昇手段とを備え
ターンオン時に前記駆動手段の出力端子は正の電圧を出力し、その後、時間と共に連続的に電圧を低下させ、前記動作状態検出手段が検出する前記電圧駆動形スイッチング素子の電圧,コレクタ電流又はゲート電圧が所定の値に達したら、時間経過に伴って連続的に前記駆動手段の出力端子の電圧を上昇させることを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。
Driving means for amplifying a signal for controlling the switching operation of the voltage-driven switching element;
An operating state detecting means for detecting a collector voltage, a collector current or a gate voltage of the voltage-driven switching element;
A power lowering means for continuously dropping the voltage of the output terminal of the driving means when a resistor is connected between the output terminal of the driving means and the ground at the time of turn-on with time;
And a power increase means for increasing continuously with a voltage obtained by the drop time,
At the time of turn-on, the output terminal of the driving means outputs a positive voltage, and then the voltage is continuously reduced with time, and the voltage of the voltage-driven switching element, the collector current or the gate voltage detected by the operating state detecting means When the voltage reaches a predetermined value, the voltage of the output terminal of the driving means is continuously increased as time elapses .
請求項1において、
前記電力下降手段の電力下降動作時間が前記電力上昇手段の電力上昇動作時間より長いことを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。
In claim 1,
A gate drive circuit for a voltage-driven switching element, wherein a power drop operation time of the power drop means is longer than a power rise operation time of the power rise means.
請求項1から請求項2のいずれか1項において、
前記電圧駆動形スイッチング素子の温度を検出する手段と、
前記検出量を電圧に変換する手段とを有し、
前記駆動手段の出力電力を時間経過に伴って降下させる電力下降手段から、前記電力上昇手段切換えを、前記温度検出量に応じて行うことを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。
In any one of Claim 1 to Claim 2 ,
Means for detecting the temperature of the voltage-driven switching element;
Means for converting the detected amount into a voltage;
A gate drive circuit for a voltage-driven switching element, wherein the power raising means is switched according to the temperature detection amount from a power lowering means for lowering the output power of the driving means with time.
請求項1から請求項3のいずれか1項において、
前記駆動手段の出力電力を時間経過に伴って降下,上昇させる電力下降手段,前記電力上昇手段の何れか又は両者が、コンデンサとスイッチングデバイスの並列によって構成されていることを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。
In any one of Claims 1-3 ,
Either or both of the power lowering means for lowering and raising the output power of the driving means over time, the power raising means, or both are constituted by a capacitor and a switching device in parallel. Switching element gate drive circuit.
請求項1から請求項4のいずれか1項において、
前記駆動手段の出力電力を時間経過に伴って降下,上昇させる電力下降手段,前記電力上昇手段の何れか又は両者が、抵抗とコンデンサ、及びスイッチングデバイスの並列又は直並列によって構成されていることを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。
In any one of Claims 1-4 ,
Either or both of the power lowering means for lowering and raising the output power of the driving means over time and the power increasing means are configured by a resistor or a capacitor and a switching device in parallel or in series. A gate drive circuit for a voltage-driven switching element.
請求項又は請求項において、
前記電力下降手段又は前記電力上昇手段に用いるコンデンサ容量が、電圧駆動形スイッチング素子のゲート容量の1〜5倍であることを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。
In claim 4 or claim 5 ,
A gate driving circuit for a voltage-driven switching element, wherein a capacitor capacity used for the power lowering means or the power increasing means is 1 to 5 times the gate capacity of the voltage-driven switching element.
請求項1に記載されるゲート駆動回路により駆動される電圧駆動形スイッチング素子を複数個用いて構成されることを特徴とするインバータ。An inverter comprising a plurality of voltage-driven switching elements driven by the gate drive circuit according to claim 1 .
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2242179A1 (en) 2009-04-17 2010-10-20 Hitachi, Ltd. Drive circuit of semiconductor device
DE112009004262T5 (en) 2008-12-26 2012-03-08 Advantest Corporation switching device
JP5405492B2 (en) * 2008-12-26 2014-02-05 株式会社アドバンテスト Switch device and test device
KR101794455B1 (en) * 2016-08-09 2017-11-07 공주대학교 산학협력단 Gate driveing circuit for the semiconductor switch in the DC power distribution
US10469067B2 (en) 2016-11-09 2019-11-05 Fuji Electric Co., Ltd. Gate driving circuit and switching power supply device
US10771050B2 (en) 2018-05-09 2020-09-08 Fuji Electric Co., Ltd. Gate driving circuit and switching power supply apparatus

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2851056B1 (en) * 2003-02-10 2005-04-08 Alstom METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING ELECTRONIC POWER COMPONENT, AND INFORMATION RECORDING MEDIUM HAVING INSTRUCTIONS FOR PERFORMING THE METHOD
JP4323266B2 (en) * 2003-09-09 2009-09-02 三菱電機株式会社 Semiconductor drive circuit
JP4531500B2 (en) * 2004-01-06 2010-08-25 三菱電機株式会社 Semiconductor device and semiconductor device module
JP4621070B2 (en) * 2005-05-16 2011-01-26 三菱電機株式会社 Driving device and power semiconductor device
JP4321491B2 (en) * 2005-05-17 2009-08-26 トヨタ自動車株式会社 Voltage-driven semiconductor device driving apparatus
JP2007228447A (en) 2006-02-27 2007-09-06 Hitachi Ltd Gate drive circuit for switching element
JP4853100B2 (en) * 2006-05-10 2012-01-11 トヨタ自動車株式会社 Insulated gate semiconductor device driving apparatus and method thereof
JP5186095B2 (en) * 2006-10-02 2013-04-17 株式会社日立製作所 Gate drive circuit
JP5070992B2 (en) * 2007-08-23 2012-11-14 株式会社デンソー Power switching element driving apparatus and power conversion system
FR2927738B1 (en) * 2008-02-19 2013-01-04 Alstom Transport Sa DEVICE AND CIRCUIT FOR CONTROLLING ELECTRONIC POWER COMPONENT, STEERING METHOD AND RELATED IGNITION.
JP5056955B2 (en) * 2010-07-30 2012-10-24 トヨタ自動車株式会社 Driving device for driving voltage-driven element
JP5938852B2 (en) * 2011-05-25 2016-06-22 富士電機株式会社 Gate drive circuit of voltage controlled switching element
JP5527353B2 (en) * 2012-05-09 2014-06-18 三菱電機株式会社 Gate drive circuit
JP2014079086A (en) * 2012-10-10 2014-05-01 Fuji Electric Co Ltd Circuit for driving voltage-driven semiconductor element
JP6127575B2 (en) * 2013-02-21 2017-05-17 日産自動車株式会社 Semiconductor device, power conversion device and drive system
KR101706901B1 (en) 2013-06-24 2017-02-14 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 Drive circuit for power semiconductor element
JP6349855B2 (en) * 2014-03-27 2018-07-04 株式会社デンソー Drive device
US10511301B2 (en) 2016-06-24 2019-12-17 Hitachi, Ltd. Gate drive circuit, power conversion apparatus, and railway vehicle
JP6288220B2 (en) * 2016-11-24 2018-03-07 富士電機株式会社 Driving circuit for voltage-driven semiconductor element
CN110572891B (en) * 2018-06-06 2021-12-17 佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司 Electromagnetic heating system and driving circuit thereof
JP7240835B2 (en) * 2018-08-09 2023-03-16 日産自動車株式会社 switching circuit
CN112468124B (en) * 2020-11-06 2022-02-01 珠海格力电器股份有限公司 IGBT driving device and IGBT
CN117378145A (en) * 2021-06-04 2024-01-09 舍弗勒技术股份两合公司 Gate voltage control method and device of IGBT power module

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01183214A (en) * 1988-01-16 1989-07-21 Toyota Autom Loom Works Ltd Off gate circuit of power switching element
JP2760590B2 (en) * 1989-09-04 1998-06-04 株式会社東芝 Drive circuit for voltage-driven elements
JP3141613B2 (en) * 1993-03-31 2001-03-05 株式会社日立製作所 Method and circuit for driving voltage-driven element
JP3379562B2 (en) * 1994-12-20 2003-02-24 株式会社デンソー Inverter device
JPH08322240A (en) * 1995-05-24 1996-12-03 Fuji Electric Co Ltd Gate control method for self-extinguishing semiconductor device
JP3052792B2 (en) * 1995-07-07 2000-06-19 株式会社デンソー Inverter device
JP3132648B2 (en) * 1996-09-20 2001-02-05 富士電機株式会社 Gate drive circuit in power converter
JPH10108477A (en) * 1996-09-30 1998-04-24 Mitsutoyo Corp Inverter circuit
JP3067687B2 (en) * 1997-05-08 2000-07-17 富士電機株式会社 IGBT drive circuit

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112009004262T5 (en) 2008-12-26 2012-03-08 Advantest Corporation switching device
JP5405492B2 (en) * 2008-12-26 2014-02-05 株式会社アドバンテスト Switch device and test device
US8947112B2 (en) 2008-12-26 2015-02-03 Advantest Corporation Switching apparatus and test apparatus
DE112009004262B4 (en) * 2008-12-26 2015-07-30 Advantest Corporation switching device
US9136834B2 (en) 2008-12-26 2015-09-15 Advantest Corporation Switching apparatus
EP2242179A1 (en) 2009-04-17 2010-10-20 Hitachi, Ltd. Drive circuit of semiconductor device
JP2010252568A (en) * 2009-04-17 2010-11-04 Hitachi Ltd Semiconductor device drive circuit
KR101794455B1 (en) * 2016-08-09 2017-11-07 공주대학교 산학협력단 Gate driveing circuit for the semiconductor switch in the DC power distribution
US10469067B2 (en) 2016-11-09 2019-11-05 Fuji Electric Co., Ltd. Gate driving circuit and switching power supply device
US10771050B2 (en) 2018-05-09 2020-09-08 Fuji Electric Co., Ltd. Gate driving circuit and switching power supply apparatus

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