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JP7356340B2 - gate drive circuit - Google Patents

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JP7356340B2 JP2019234486A JP2019234486A JP7356340B2 JP 7356340 B2 JP7356340 B2 JP 7356340B2 JP 2019234486 A JP2019234486 A JP 2019234486A JP 2019234486 A JP2019234486 A JP 2019234486A JP 7356340 B2 JP7356340 B2 JP 7356340B2
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Description

本発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)モジュール等の電力半導体スイッチを駆動するためのゲート駆動回路に関する。特に、IGBTのコレクタ-エミッタ耐圧の保護に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit for driving a power semiconductor switch such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) module. In particular, it relates to protection of collector-emitter withstand voltage of IGBT.

<背景>
本発明は、IGBTに代表される大電力半導体スイッチの駆動技術に関するものである。IGBT等の半導体スイッチは数100~数1000Aの大電流、数100~1000V以上の高電圧をスイッチングするため、IGBT等半導体スイッチが破壊してしまうと、その影響は大きく、半導体スイッチの周囲にまで及ぶ。すなわち、IGBTそのものだけでなくその周辺の制御回路も破壊され、システム回路全体の故障を引き起こす恐れがある。
そこで、これらIGBT等の半導体スイッチを破壊から保護するため、いろいろな保護手段が採用されてきた。半導体は、電流、電圧、電力、温度に対して最大定格が決められており、これらの最大定格値を一瞬でも超えると、その半導体スイッチが破損する可能性がある。
本発明は、IGBT等の半導体スイッチの最大定格の内、コレクタ-エミッタ間電圧を最大定格値以内で使用するための技術に関するものである。
<Background>
The present invention relates to a technology for driving a high-power semiconductor switch typified by an IGBT. Semiconductor switches such as IGBTs switch large currents of several 100s to several 1000s of amperes and high voltages of several 100s to 1000V or more, so if a semiconductor switch such as an IGBT is destroyed, the impact will be large and will even affect the surroundings of the semiconductor switch. Extends. That is, not only the IGBT itself but also the control circuit around it may be destroyed, leading to a risk of failure of the entire system circuit.
Therefore, various protection measures have been adopted to protect semiconductor switches such as IGBTs from destruction. Semiconductors have maximum ratings for current, voltage, power, and temperature, and if these maximum ratings are exceeded even momentarily, the semiconductor switch may be damaged.
The present invention relates to a technique for using a semiconductor switch such as an IGBT with a collector-emitter voltage within the maximum rating value.

<従来の保護手段>
IGBT等の半導体スイッチがON/OFFを繰り返している場合において、IGBTが飽和状態のとき、そのコレクタ端子に流れる電流は、IGBTのコレクタ端子に接続した配線や負荷のインダクタンス成分に電磁エネルギーを蓄積する。その後、IGBTがターンオフすると、蓄積された電磁エネルギーはサージ電圧としてIGBTのコレクタ-エミッタ間に発生する。このサージ電圧Eは、配線や負荷のインダクタンス成分をLとし、コレクタ端子に流れる電流をI(t)としたとき、下記の式(1A)で表される。
<Conventional protection measures>
When a semiconductor switch such as an IGBT is repeatedly turned on and off, when the IGBT is in a saturated state, the current flowing to its collector terminal accumulates electromagnetic energy in the inductance component of the wiring and load connected to the IGBT's collector terminal. . Thereafter, when the IGBT is turned off, the accumulated electromagnetic energy is generated as a surge voltage between the collector and emitter of the IGBT. This surge voltage E S is expressed by the following equation (1A), where L is the inductance component of the wiring and load, and I(t) is the current flowing through the collector terminal.

Figure 0007356340000001

サージ電圧Eは、インダクタンス成分の値が大きいほど、また、電流の変化率が大きいほど高い電圧となる。このサージ電圧Eの電圧が、IGBTの最大定格を超えると、IGBTを破壊する。そこで、サージ電圧Eを最大定格未満に抑え込むために、サージ電圧Eが最大定格を超える前に、サージ電圧Eを低減する措置を講じる必要がある。
Figure 0007356340000001

The surge voltage ES increases as the value of the inductance component increases and as the rate of change of the current increases. If this surge voltage ES exceeds the maximum rating of the IGBT, the IGBT will be destroyed. Therefore, in order to suppress the surge voltage E S to less than the maximum rating, it is necessary to take measures to reduce the surge voltage E S before the surge voltage E S exceeds the maximum rating.

従来から、このサージ電圧Eを低減する方法として、図6に示すようなスナバ回路が使用されている。図示されていない駆動回路が出力する制御信号は、IGBT10のゲート端子に供給され、IGBT10のON/OFF状態が制御される。IGBT10のコレクタ端子と、高電圧電力系との間に負荷12が接続され、IGBT10のON/OFF状態によって、負荷12に供給される電力が制御される。スナバ回路14は、コンデンサCと抵抗Rとの並列回路と、ダイオードDとを直列に接続して構成されている(図6参照)。このスナバ回路14は、高電圧電力系と、IGBT10のコレクタ端子との間に接続されている。
図6に示すスナバ回路14は、サージ電圧Eの一部をダイオードDを介してコンデンサCに蓄えて、抵抗Rにより熱に変換して消費し、サージ電圧Eを低減する一般的な回路である。
Conventionally, a snubber circuit as shown in FIG. 6 has been used as a method for reducing this surge voltage ES . A control signal output by a drive circuit (not shown) is supplied to the gate terminal of the IGBT 10, and the ON/OFF state of the IGBT 10 is controlled. A load 12 is connected between the collector terminal of the IGBT 10 and a high voltage power system, and power supplied to the load 12 is controlled by the ON/OFF state of the IGBT 10. The snubber circuit 14 is configured by connecting a parallel circuit of a capacitor CS and a resistor R S , and a diode D S in series (see FIG. 6). This snubber circuit 14 is connected between the high voltage power system and the collector terminal of the IGBT 10.
The snubber circuit 14 shown in FIG . 6 stores a part of the surge voltage E S in a capacitor C S via a diode D S , converts it into heat using a resistor R S , and consumes it to reduce the surge voltage E S. It is a typical circuit.

さらに最近では、アクティブクランプ方式と呼ばれる方法が採用される場合がある。この方法の原理図が図7に示されている。図7においても、図6と同様に、IGBT10のコレクタ端子と高電圧電力系との間に負荷12が設けられている。そして、IGBT10のコレクタ端子とゲート端子との間にアクティブクランプ回路16が接続されている。アクティブクランプ回路16は、ダイオードD1と、定電圧ダイオードDと、制限抵抗Rとの直列回路である。なお、定電圧ダイオードDは、複数個の定電圧ダイオードを直列に接続した構成であってもよい(図7参照)。
この方法は、IGBT10のコレクタ-エミッタ間電圧が定電圧ダイオードDのツェナー電圧を超えたとき、定電圧ダイオードDが導通して、その導通電流が制限抵抗Rを通じてIGBT10のゲート端子に流入させる方法である。これによって、IGBT10のターンオフ動作を緩和する効果が得られる。
ターンオフ動作が緩和されると、コレクタ電流の減少率が低下して、上記式(1)に従って、サージ電圧Eが低下方向に向かう。また、定電圧ダイオードDが導通することでコレクタ-エミッタ間電圧がクランプされて、定電圧ダイオードDのツェナー電圧以上にならない。これらの効果を合わせることで、IGBT10のコレクタ-エミッタ間電圧を最大定格以内で使用することができるものである。
More recently, a method called an active clamp method is sometimes adopted. A diagram of the principle of this method is shown in FIG. Also in FIG. 7, similarly to FIG. 6, a load 12 is provided between the collector terminal of the IGBT 10 and the high voltage power system. An active clamp circuit 16 is connected between the collector terminal and gate terminal of the IGBT 10. The active clamp circuit 16 is a series circuit including a diode D1, a constant voltage diode DZ , and a limiting resistor RZ . Note that the constant voltage diode DZ may have a configuration in which a plurality of constant voltage diodes are connected in series (see FIG. 7).
In this method, when the voltage between the collector and emitter of the IGBT10 exceeds the Zener voltage of the constant voltage diode DZ , the constant voltage diode DZ becomes conductive, and the conduction current flows into the gate terminal of the IGBT10 through the limiting resistor RZ . This is the way to do it. This provides the effect of easing the turn-off operation of the IGBT 10.
When the turn-off operation is relaxed, the rate of decrease of the collector current decreases, and the surge voltage ES tends to decrease according to the above equation (1). Furthermore, when the constant voltage diode DZ becomes conductive, the collector-emitter voltage is clamped and does not exceed the Zener voltage of the constant voltage diode DZ . By combining these effects, the collector-emitter voltage of the IGBT 10 can be used within the maximum rating.

先行特許技術
例えば、後述する特許文献1(特許第4230190号公報)には、従来のアクティブクランプ回路が開示されている。特に複数の定電圧素子を直列に接続して保護回路を構成する場合に、いずれかの定電圧素子に短絡故障が発生したことを検出する技術が開示されている。
Prior Patent Technology For example, a conventional active clamp circuit is disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 4230190), which will be described later. In particular, when a plurality of constant voltage elements are connected in series to form a protection circuit, a technique has been disclosed for detecting that a short-circuit failure has occurred in any of the constant voltage elements.

特許第4230190号公報Patent No. 4230190

しかし、上述した従来の方式では、以下の問題がある。
図6のスナバ回路を使用する方法では、発生するサージ電圧Eのエネルギーはそのままで減少することはなく、スナバ回路内で(つまり抵抗Rで)消費されるので、スナバ回路の抵抗Rの発熱が問題となる可能性がある。また、スナバ回路のダイードDにはIGBTのON/OFFに伴い急峻な電流が流れる。そのため、ダイオードDがノイズの発生源にもなる可能性がある。
However, the conventional method described above has the following problems.
In the method using the snubber circuit shown in Fig. 6, the energy of the generated surge voltage E S does not decrease as it is, but is consumed within the snubber circuit (that is, in the resistor R S ), so heat generation may be a problem. Furthermore, a steep current flows through the diode DS of the snubber circuit as the IGBT turns ON/OFF. Therefore, the diode DS may also become a source of noise.

また、図7に示すアクティブクランプ方式では、スナバ回路と同様の原因により、定電圧ダイオードDにおける発熱が問題となる可能性がある。 Furthermore, in the active clamp method shown in FIG. 7, heat generation in the constant voltage diode DZ may pose a problem due to the same cause as in the snubber circuit.

また、定電圧ダイオードDは内部の抵抗成分により過大な電流が流れるとその分クランプレベルを外れてしまう可能性がある。その対策のために、ツェナー電圧を低く設定することが考えられるが、ツェナー電圧を低く設定するとIGBTに印加できる電圧が下がってしまうという問題がある。そのため、要求される回路の仕様を満足させるためにIGBTの耐圧を上昇させなければならない等の設計上の問題がある。 Further, if an excessive current flows through the constant voltage diode DZ due to an internal resistance component, there is a possibility that the voltage regulator diode DZ will deviate from the clamp level. As a countermeasure against this, it is possible to set the Zener voltage low, but there is a problem in that setting the Zener voltage low lowers the voltage that can be applied to the IGBT. Therefore, there are design problems such as the need to increase the withstand voltage of the IGBT in order to satisfy the required circuit specifications.

本発明は、このような発熱問題及びノイズの発生という課題に鑑みなされたもので、その目的は、IGBTのコレクタ-エミッタ間の保護することができる、アクティブクランプ回路を備えたゲート駆動回路であって、定電圧ダイオードの発熱がより抑制され、また、よりノイズの発生も小さい、IGBTのゲート駆動回路を提供することである。 The present invention was made in view of the problems of heat generation and noise generation, and its purpose is to provide a gate drive circuit equipped with an active clamp circuit that can protect between the collector and emitter of an IGBT. Therefore, it is an object of the present invention to provide a gate drive circuit for an IGBT in which heat generation of a constant voltage diode is further suppressed and generation of noise is also reduced.

(1)本発明は、上記課題を解決するために、電力半導体素子を駆動するゲート駆動回路であって、前記電力半導体素子がターンオフする際、前記電力半導体素子のコレクタ-エミッタ間電圧が所定の電圧に到達した場合、前記電力半導体素子のコレクタ-エミッタ間電圧を前記所定の電圧でクランプするとともに、前記電力半導体素子のゲート端子に所定の電流を供給するアクティブクランプ回路、を備え、前記アクティブクランプ回路は、前記電力半導体素子のコレクタ端子に一方端が接続される定電圧ダイオードと、前記定電圧ダイオードの他方端と、マイナス電源との間に接続されたインピーダンス回路と、前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点に接続し、前記電力半導体素子の前記ゲート端子に接続される出力端子と、一方端が前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点に接続し、他方端がマイナス電源に接続し、前記電力半導体素子がターンオフする際、外部からの開閉信号に基づき、前記前記電力半導体素子のゲート端子から電荷を引き抜くための第1スイッチと第1抵抗との直列回路からなる第1引き抜き回路と、一方端が前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点に接続し、他方端がマイナス電源に接続し、前記電力半導体素子がターンオフする際、前記開閉信号に基づき、前記電力半導体素子のゲート端子から電荷を引き抜くための第2スイッチと第2抵抗との直列回路からなる第2引き抜き回路と、前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点の電圧に基づき、前記電力半導体素子のコレクタ電圧の変化率を求め、前記変化率が所定の閾値を超えた場合に、スイッチ開信号を出力する検出回路と、を有し、前記第2スイッチは、前記スイッチ開信号を受信すると、導通状態から非導通状態となることによって、前記電力半導体素子のゲート電荷を引き抜くための抵抗値を上げて、前記電力半導体素子のターンオフを緩和しつつゲート電荷を引き抜くことを特徴とするゲート駆動回路である。 (1) In order to solve the above problems, the present invention provides a gate drive circuit for driving a power semiconductor element, wherein when the power semiconductor element is turned off, the collector-emitter voltage of the power semiconductor element is maintained at a predetermined level. an active clamp circuit that clamps the collector-emitter voltage of the power semiconductor element at the predetermined voltage when the voltage reaches the predetermined voltage, and supplies a predetermined current to the gate terminal of the power semiconductor element; The circuit includes a voltage regulator diode having one end connected to a collector terminal of the power semiconductor element, an impedance circuit connected between the other end of the voltage regulator diode and a negative power supply, and a voltage regulator diode and the voltage regulator diode. An output terminal connected to the connection point with the impedance circuit and connected to the gate terminal of the power semiconductor element, one end connected to the connection point between the voltage regulator diode and the impedance circuit, and the other end connected to the negative power supply. a first switch and a first resistor connected in series for extracting charge from the gate terminal of the power semiconductor element based on an external open/close signal when the power semiconductor element is turned off; A pullout circuit, one end of which is connected to a connection point between the constant voltage diode and the impedance circuit, and the other end of which is connected to a negative power supply, and when the power semiconductor element is turned off, the power semiconductor element is A second extraction circuit consisting of a series circuit of a second switch and a second resistor for extracting charge from the gate terminal of the element, and a voltage at a connection point between the constant voltage diode and the impedance circuit, the power semiconductor element a detection circuit that calculates a rate of change in the collector voltage of and outputs a switch open signal when the rate of change exceeds a predetermined threshold, and when the second switch receives the switch open signal, A gate drive circuit characterized in that by changing from a conductive state to a non-conductive state, a resistance value for extracting the gate charge of the power semiconductor element is increased, thereby extracting the gate charge while alleviating turn-off of the power semiconductor element. It is.

(2)また、本発明は、(1)記載のゲート駆動回路であって、前記アクティブクランプ回路は、前記電力半導体スイッチング素子をターンオフするときに発生するサージ電圧が、前記電力半導体スイッチング素子IGBTのコレクタ-エミッタ間電圧の最大定格電圧に又はその近傍電圧となったとき、その電圧でコレクタ-エミッタ間電圧をクランプし、また同時に自信のゲートに電流を供給することでサージ電圧を低減し、電圧破壊を防止するアクティブクランプ回路であることを特徴とするゲート駆動回路である。 (2) The present invention also provides the gate drive circuit according to (1), in which the active clamp circuit is arranged so that a surge voltage generated when turning off the power semiconductor switching element is applied to the power semiconductor switching element IGBT. When the collector-emitter voltage reaches or is close to the maximum rated voltage, the collector-emitter voltage is clamped at that voltage, and at the same time, a current is supplied to the self-gating gate to reduce the surge voltage. This gate drive circuit is characterized by being an active clamp circuit that prevents destruction.

(3)また、本発明は、(1)又は(2)記載のゲート駆動回路であって、前記定電圧ダイオードは、前記定電圧ダイオードに寄生する並列容量を有し、前記インピーダンス回路は、少なくとも抵抗とコンデンサの並列回路を含むことを特徴とするゲート駆動回路である。 (3) The present invention also provides the gate drive circuit according to (1) or (2), in which the constant voltage diode has a parallel capacitance parasitic to the constant voltage diode, and the impedance circuit includes at least This is a gate drive circuit characterized by including a parallel circuit of a resistor and a capacitor.

(4)また、本発明は、(1)から(3)のいずれか1項に記載のゲート駆動回路であって、第2引き抜き回路から、第n引き抜き回路までのn-1種類の第n引き抜き回路と、第2検出回路から、第n検出回路までのn-1種類の第n検出回路と、を備え、前記nは3以上の自然数であり、前記第n引き抜き回路は、前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点に接続し、前記電力半導体素子がターンオフする際、前記開閉信号に基づき、前記電力半導体素子のゲート端子から電荷を引き抜くための第nスイッチと第n抵抗との直列回路からなり、前記第n検出回路は、前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点の電圧に基づき、前記電力半導体素子のコレクタ電圧の変化率を求め、前記変化率が所定の第nの閾値を超えた場合に、第nのスイッチ開信号を出力し、
前記第nスイッチは、前記第nのスイッチ開信号を受信すると、導通状態から非導通状態となることによって、前記電力半導体素子のゲート電荷を引き抜くための抵抗値を上げて、前記電力半導体素子のターンオフを緩和しつつゲート電荷を引き抜くことを特徴とするゲート駆動回路である。
(4) The present invention also provides a gate drive circuit according to any one of (1) to (3), in which there are n-1 types of n-th gate drive circuits from a second extraction circuit to an n-th extraction circuit. an extraction circuit, and n-1 types of n-th detection circuits from a second detection circuit to an n-th detection circuit, where n is a natural number of 3 or more, and the n-th extraction circuit is configured to an nth switch and an nth resistor connected to a connection point between the diode and the impedance circuit, and for extracting charge from the gate terminal of the power semiconductor element based on the opening/closing signal when the power semiconductor element is turned off; The n-th detection circuit is composed of a series circuit, and the n-th detection circuit determines a rate of change in the collector voltage of the power semiconductor element based on the voltage at the connection point between the constant voltage diode and the impedance circuit, and the n-th detection circuit calculates a rate of change in the collector voltage of the power semiconductor element, and determines whether the rate of change is a predetermined n-th detection circuit. When the threshold value of is exceeded, an n-th switch open signal is output,
When the n-th switch receives the n-th switch open signal, the n-th switch changes from a conductive state to a non-conductive state, thereby increasing the resistance value for extracting the gate charge of the power semiconductor element, and increasing the resistance value for extracting the gate charge of the power semiconductor element. This is a gate drive circuit characterized by extracting gate charge while alleviating turn-off.

本発明によれば、IGBTを駆動するゲート駆動回路であって、発熱も少なく、また、ノイズも小さい、ゲート駆動回路を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a gate drive circuit for driving an IGBT that generates less heat and generates less noise.

本実施形態1におけるゲート駆動回路の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a gate drive circuit in the first embodiment. 定電圧ダイオードZD1と、抵抗R4と、インピーダンス回路Z1とからなる回路部分を近似した等価回路である。This is an equivalent circuit that approximates a circuit portion consisting of a constant voltage diode ZD1, a resistor R4, and an impedance circuit Z1. 本実施形態2におけるゲート駆動回路の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a gate drive circuit in Embodiment 2. FIG. 具体的な実施例におけるゲート駆動回路の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a gate drive circuit in a specific example. 具体的な実施例について実験した実験データを示すグラフである。2 is a graph showing experimental data obtained through experiments on specific examples. 従来のスナバ回路の回路図の一例である。1 is an example of a circuit diagram of a conventional snubber circuit. 従来のアクティブクランプ回路図の一例である。1 is an example of a conventional active clamp circuit diagram.

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づき説明する。
1.実施形態1
図1には、本実施形態にかかるゲート駆動回路100の特徴的な構成を示す回路図が示されている。本実施形態にかかるゲート駆動回路100は、予測型アクティブクランプ回路102を備えることを特徴とする。ゲート駆動回路100には、その他、ゲートを駆動するためのドライバ半導体素子や電源回路等が含まれてよいが、それらの構成は従来と同様であるので図1では省略して図示されていない。
負荷ZL104は、IGBT106が駆動する負荷で、電力ラインと、IGBT106のコレクタ端子との間に設けられている。IGBT106は、ゲート駆動回路100の駆動対象であるIGBT106であり、そのゲート端子には、ゲート駆動回路100からの制御信号が供給されている。なお、負荷ZL104及び(駆動対象である)IGBT106は、ゲート駆動回路100の構成には含まれない。
ここで、IGBTは、請求の範囲の電力半導体素子の好適な一例に相当する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described based on the drawings.
1. Embodiment 1
FIG. 1 shows a circuit diagram showing a characteristic configuration of a gate drive circuit 100 according to this embodiment. The gate drive circuit 100 according to this embodiment is characterized by including a predictive active clamp circuit 102. The gate drive circuit 100 may also include a driver semiconductor element for driving the gate, a power supply circuit, and the like, but these components are not shown in FIG. 1 because they are the same as conventional ones.
The load ZL104 is a load driven by the IGBT 106, and is provided between the power line and the collector terminal of the IGBT 106. The IGBT 106 is an IGBT 106 to be driven by the gate drive circuit 100, and a control signal from the gate drive circuit 100 is supplied to its gate terminal. Note that the load ZL104 and the IGBT 106 (to be driven) are not included in the configuration of the gate drive circuit 100.
Here, the IGBT corresponds to a preferred example of the power semiconductor device in the claims.

図1に示すように、本実施形態において特徴的な構成は、予測型アクティブクランプ回路102である。この予測型アクティブクランプ回路は、従来のアクティブクランプ回路に、コレクタ-エミッタ間の上昇率に応じてゲート引き抜き回路のSWをOPENにする回路を追加したことを特徴とする。このアクティブクランプ回路102の出力端子102aから制御信号がIGBT106のゲート端子に供給される。また、アクティブクランプ回路102の検出端子102bとIGBT106のコレクタ端子とが接続されている。 As shown in FIG. 1, the characteristic configuration of this embodiment is a predictive active clamp circuit 102. This predictive active clamp circuit is characterized by adding a circuit to the conventional active clamp circuit to open the SW of the gate pullout circuit according to the rate of increase between the collector and the emitter. A control signal is supplied from the output terminal 102a of the active clamp circuit 102 to the gate terminal of the IGBT 106. Further, the detection terminal 102b of the active clamp circuit 102 and the collector terminal of the IGBT 106 are connected.

検出端子102bには、電流の逆流を防止するダイオードD1のアノード端子が接続され、ダイオードD1のカソード端子は、定電圧ダイオードZD1のカソード端子に接続されている。定電圧ダイオードZD1のアノード端子は、抵抗R4を介して、インピーダンス回路Z1が接続されている(図1参照)。また、インピーダンス回路Z1の他方端は、マイナス電源Veeに接続されている。
なお、定電圧ダイオードZD1は、定電圧特性を示す理想定電圧ダイオードVと、その両端子間に存在する並列容量Cによって、図1に示すような等価回路で表すことができる。
ここで、予測型アクティブクランプ回路102は、請求の範囲のアクティブクランプ回路の好適な一例に相当する。また、定電圧ダイオードZD1は、請求の範囲の定電圧ダイオードの好適な一例に相当する。定電圧ダイオードZD1の上記並列容量Cには、請求の範囲の並列容量の好適な一例に相当する。本実施形態では、部品コストや実装面積を考慮して寄生する並列容量Cを用いたが、定電圧ダイオードVと並列に別途コンデンサを接続してもよい。後述する図4の並列容量Cにおいても同様である。この場合のコンデンサも、請求の範囲の並列容量の好適な一例に相当する。
また、インピーダンス回路Z1は、請求の範囲のインピーダンス回路の好適な一例に相当する。出力端子102a(及び後述する202a、302a)は、請求の範囲の出力端子の好適な一例に相当する。
The detection terminal 102b is connected to an anode terminal of a diode D1 that prevents current from flowing backward, and a cathode terminal of the diode D1 is connected to a cathode terminal of a constant voltage diode ZD1. The anode terminal of the constant voltage diode ZD1 is connected to an impedance circuit Z1 via a resistor R4 (see FIG. 1). Further, the other end of the impedance circuit Z1 is connected to a negative power supply Vee.
Note that the constant voltage diode ZD1 can be represented by an equivalent circuit as shown in FIG. 1 using an ideal constant voltage diode VZ exhibiting constant voltage characteristics and a parallel capacitance CZ existing between both terminals thereof.
Here, the predictive active clamp circuit 102 corresponds to a preferred example of the active clamp circuit in the claims. Further, the constant voltage diode ZD1 corresponds to a preferred example of the constant voltage diode in the claims. The parallel capacitance CZ of the constant voltage diode ZD1 corresponds to a preferred example of the parallel capacitance in the claims. In this embodiment, a parasitic parallel capacitance CZ is used in consideration of component cost and mounting area, but a separate capacitor may be connected in parallel with the constant voltage diode VZ . The same applies to the parallel capacitance CZ in FIG. 4, which will be described later. The capacitor in this case also corresponds to a preferred example of the parallel capacitance in the claims.
Further, the impedance circuit Z1 corresponds to a preferred example of the impedance circuit in the claims. The output terminal 102a (and 202a and 302a described later) corresponds to a preferred example of an output terminal in the claims.

スイッチSW1及びスイッチSW2は、IGBT106のゲート電荷を引き抜くためのスイッチである。
スイッチSW1と、抵抗R1との直列回路が、IGBT106のゲート端子と、マイナス電源Veeとの間に接続されている。スイッチSW1が閉(ON)にされると抵抗R1がマイナス電源Veeに接続されてIGBT106のゲート電荷を放電する。
このスイッチSW1と抵抗R1との直列回路は、請求の範囲の第1引き抜き回路の好適な一例に相当する。スイッチSW1は、請求の範囲の第1スイッチの好適な一例に相当する。抵抗R1は、請求の範囲の第1抵抗の好適な一例に相当する。
同様に、スイッチSW2と、抵抗R2との直列回路が、IGBT106のゲート端子と、マイナス電源Veeとの間に接続されている。スイッチSW2が閉(ON)すると抵抗R2がマイナス電源Veeに接続されてIGBT106のゲート電荷を放電する。
このスイッチSW2と抵抗R2との直列回路は、請求の範囲の第2引き抜き回路の好適な一例に相当する。スイッチSW2は、請求の範囲の第2スイッチの好適な一例に相当する。抵抗R2は、請求の範囲の第2抵抗の好適な一例に相当する。
The switch SW1 and the switch SW2 are switches for extracting the gate charge of the IGBT 106.
A series circuit of switch SW1 and resistor R1 is connected between the gate terminal of IGBT 106 and negative power supply Vee. When the switch SW1 is closed (ON), the resistor R1 is connected to the negative power supply Vee to discharge the gate charge of the IGBT 106.
This series circuit of the switch SW1 and the resistor R1 corresponds to a preferred example of the first extraction circuit in the claims. The switch SW1 corresponds to a preferred example of the first switch in the claims. The resistor R1 corresponds to a preferred example of the first resistor in the claims.
Similarly, a series circuit of switch SW2 and resistor R2 is connected between the gate terminal of IGBT 106 and negative power supply Vee. When the switch SW2 is closed (ON), the resistor R2 is connected to the negative power supply Vee, and the gate charge of the IGBT 106 is discharged.
This series circuit of switch SW2 and resistor R2 corresponds to a preferred example of the second extraction circuit in the claims. The switch SW2 corresponds to a preferred example of the second switch in the claims. The resistor R2 corresponds to a preferred example of the second resistor in the claims.

スイッチSW1、スイッチSW2の開閉は、原則として、図示されていない所定の制御回路からの信号である開閉信号により行われる。IGBT106をターンオフするときは、当該制御回路から閉(ON)の開閉信号がスイッチSW1及びスイッチSW2に送信され、両スイッチが閉(ON)となる。なお、本文では、開閉信号は、lowのとき「開」を表し、highのとき「閉」を表すものとするが、利用するスイッチ素子の極性(Pチャネル、Nチャネル)によっては逆であってもよい。
また、図1において、インピーダンス回路Z2は、IGBT106のゲートの終端インピーダンス回路である。
抵抗R4とインピーダンス回路Z1との接続点には、ダイオードD2のアノード端子が接続されている。そして、ダイオードD2のカソード端子は、出力端子102に接続している。つまり、抵抗R1の、スイッチSW1とは反対側の端子は、ダイオードD2のアノード端子に接続している。同様に、抵抗R2の、スイッチSW2とは反対側の端子も、ダイオードD2のアノード端子に接続している(図1参照)。このダイオードD2も、ダイオードD1と同様に、電流の逆流を防止するダイオードである。
In principle, the switches SW1 and SW2 are opened and closed using open/close signals that are signals from a predetermined control circuit (not shown). When turning off the IGBT 106, a close (ON) opening/closing signal is sent from the control circuit to the switch SW1 and the switch SW2, and both switches are closed (ON). In this text, the open/close signal indicates "open" when it is low and "closed" when it is high, but it may be reversed depending on the polarity of the switch element used (P channel, N channel). Good too.
Moreover, in FIG. 1, impedance circuit Z2 is a termination impedance circuit of the gate of IGBT106.
The anode terminal of the diode D2 is connected to the connection point between the resistor R4 and the impedance circuit Z1. The cathode terminal of the diode D2 is connected to the output terminal 102. That is, the terminal of the resistor R1 on the opposite side of the switch SW1 is connected to the anode terminal of the diode D2. Similarly, the terminal of the resistor R2 on the opposite side of the switch SW2 is also connected to the anode terminal of the diode D2 (see FIG. 1). This diode D2 is also a diode that prevents reverse flow of current, similar to the diode D1.

検出回路DET2は、インピーダンス回路Z1に発生する電圧(端子間電圧)を監視する検出回路である。検出回路DET2は、あらかじめ設定した閾値(正の所定値)より、インピーダンス回路Z1の端子間電圧が高い場合、制御回路からの開閉信号に関わらず、スイッチSW2を開(OFF)するように、SW2開信号をスイッチSW2に供給する。スイッチSW2は、スイッチSW2を開くことを指示するSW2開信号を受信した場合、制御回路からの開閉信号の値にかかわらず、スイッチを開(OFF:非導通状態)にする。
定電圧ダイオードZD1のアノード端子と、インピーダンス回路Z1との間に接続されている抵抗R4は、制限抵抗であり、IGBT106のコレクタ電圧が上昇して、定電圧ダイオードZD1が導通した時にIGBT106のゲート端子に流入する電流を制限するものである。
ここで、検出回路DET2は、請求の範囲の検出回路の好適な一例に相当する。SW2開信号は、請求の範囲のスイッチ開信号の好適な一例に相当する。
The detection circuit DET2 is a detection circuit that monitors the voltage (voltage between terminals) generated in the impedance circuit Z1. The detection circuit DET2 opens the switch SW2 so that when the voltage between the terminals of the impedance circuit Z1 is higher than a preset threshold value (positive predetermined value), the switch SW2 is opened (OFF) regardless of the opening/closing signal from the control circuit. An open signal is supplied to switch SW2. When the switch SW2 receives the SW2 open signal instructing to open the switch SW2, the switch SW2 opens the switch (OFF: non-conducting state) regardless of the value of the open/close signal from the control circuit.
The resistor R4 connected between the anode terminal of the constant voltage diode ZD1 and the impedance circuit Z1 is a limiting resistor, and when the collector voltage of the IGBT 106 increases and the constant voltage diode ZD1 becomes conductive, the gate terminal of the IGBT 106 This limits the current flowing into the circuit.
Here, the detection circuit DET2 corresponds to a preferred example of the detection circuit in the claims. The SW2 open signal corresponds to a preferred example of the switch open signal in the claims.

IGBT106をターンオフするために、制御回路から開閉信号がスイッチSW1及びスイッチSW2に送信されて、両スイッチが閉(ON)すると、IGBT106のゲート電荷は、抵抗R1と抵抗R2の合成抵抗値(R1R2/(R1+R2))を通じて引き抜かれる。この合成抵抗値の式において、R1、R2は、それぞれ抵抗R1の抵抗値、抵抗R2の抵抗値を表すものとする。
このようにして、IGBT106のゲート電荷が引き抜かれると、IGBT106はターンオフしようとする。その結果、IGBT106のコレクタ電流は急激に減少して、IGBT106のコレクタ電圧は、後述する式(3)に従って上昇を開始する。IGBT106の負荷ZLが一定の値であれば、IGBT106のコレクタ電圧の上昇率は、コレクタ電流の減少率に大略比例すると考えられる。
In order to turn off the IGBT 106, an open/close signal is sent from the control circuit to the switch SW1 and the switch SW2, and when both switches are closed (ON), the gate charge of the IGBT 106 becomes the combined resistance value of the resistor R1 and the resistor R2 (R1R2/ (R1+R2)). In this formula for the combined resistance value, R1 and R2 represent the resistance value of the resistor R1 and the resistance value of the resistor R2, respectively.
In this way, when the gate charge of the IGBT 106 is extracted, the IGBT 106 attempts to turn off. As a result, the collector current of the IGBT 106 rapidly decreases, and the collector voltage of the IGBT 106 starts to rise according to equation (3) described below. If the load ZL of the IGBT 106 is a constant value, the rate of increase in the collector voltage of the IGBT 106 is considered to be approximately proportional to the rate of decrease in the collector current.

インピーダンス回路Z1は、IGBT106のコレクタ電圧の上昇率を計測するためのインピーダンスを提供する。このインピーダンス回路Z1を、例えば抵抗RとコンデンサCの並列回路と仮定する。さらに上昇率を計測するメカニズムを図2のように簡略化して等価することができる。図2は、図1の予測型アクティブクランプ回路102の中の定電圧ダイオードZD1と、抵抗R4と、インピーダンス回路Z1とからなる回路部分を近似した等価回路が示されている。
図2に示すように、定電圧ダイオードZD1は、非道通状態では図2に示すように、コンデンサCで近似することができる。また、抵抗R4が十分小さい値である場合は、これを省略することができる。また、インピーダンス回路Z1は、上述したように、抵抗RとコンデンサCとの並列回路で近似することができる。
Impedance circuit Z1 provides impedance for measuring the rate of increase in the collector voltage of IGBT 106. Assume that this impedance circuit Z1 is, for example, a parallel circuit of a resistor R d and a capacitor C d . Furthermore, the mechanism for measuring the rate of increase can be simplified and equivalent as shown in FIG. FIG. 2 shows an equivalent circuit that approximates a circuit portion consisting of a constant voltage diode ZD1, a resistor R4, and an impedance circuit Z1 in the predictive active clamp circuit 102 of FIG.
As shown in FIG. 2, the constant voltage diode ZD1 can be approximated by a capacitor CZ in a non-conducting state, as shown in FIG. Furthermore, if the resistor R4 has a sufficiently small value, it can be omitted. Further, as described above, the impedance circuit Z1 can be approximated by a parallel circuit of a resistor R d and a capacitor C d .

このような近似を行った結果、図2に示す回路のインピーダンス回路Z1の端末間電圧は、図2中V、すなわちインピーダンス回路Z1と定電圧ダイオードZD1との接続点で表すことができる。検出回路DET2は、このVとマイナス電源Veeとから、端子間電圧を検出することができる。このような近似の結果、IGBT106のコレクタ電圧VCE(t)の上昇率

Figure 0007356340000002

と、インピーダンス回路Z1の端子間電圧Vとの関係は、次の式(2)で表される。
Figure 0007356340000003

ここで、tは時間を表す。さて、t≪R(C+C)の場合は、Vはほぼ「0」と等しくなり、検出回路DET2は動作しない。検出回路DET2の閾値は正の電圧値であるので、ほぼ0Vの電圧は閾値を超えないからである。すなわち、R(C+C)の値を調整することにより、パルス幅の短いノイズを除去できることを意味する。つまり、t≫R(C+C)の時間帯においては、端子間電圧Vは、下記の式(3A)で表され、インピーダンス回路Z1の端子間電圧Vは、コレクタ電圧VCE(t)の上昇率に比例する値となる。
Figure 0007356340000004

インピーダンス回路Z1の端子間電圧Vの値が高いことは、IGBT106のコレクタ電流の減少率が大きいことを意味する。すなわち、IGBT106のゲート電荷の引き抜き量が大きすぎることを意味する。 As a result of such approximation, the terminal-to-terminal voltage of the impedance circuit Z1 of the circuit shown in FIG. 2 can be expressed by V 1 in FIG. 2, that is, the connection point between the impedance circuit Z1 and the constant voltage diode ZD1. The detection circuit DET2 can detect the inter-terminal voltage from this V1 and the negative power supply Vee. As a result of this approximation, the rate of increase in the collector voltage V CE (t) of the IGBT 106 is
Figure 0007356340000002

The relationship between the voltage V1 between the terminals of the impedance circuit Z1 and the voltage V1 between the terminals of the impedance circuit Z1 is expressed by the following equation (2).
Figure 0007356340000003

Here, t represents time. Now, in the case of t<<R d (C Z +C d ), V 1 becomes approximately equal to "0" and the detection circuit DET2 does not operate. This is because the threshold of the detection circuit DET2 is a positive voltage value, so a voltage of approximately 0V does not exceed the threshold. That is, it means that noise with a short pulse width can be removed by adjusting the value of R d (C Z +C d ). In other words, in the time period t≫R d (C Z +C d ), the inter-terminal voltage V 1 is expressed by the following formula (3A), and the inter-terminal voltage V 1 of the impedance circuit Z1 is the collector voltage V CE The value is proportional to the rate of increase in (t).
Figure 0007356340000004

A high value of the inter-terminal voltage V1 of the impedance circuit Z1 means that the rate of decrease in the collector current of the IGBT 106 is large. That is, it means that the amount of gate charge extracted from the IGBT 106 is too large.

コレクタ電流の減少率が大き過ぎて、その結果コレクタ電圧VCE(t)の電圧上昇率が高く、最終的にIGBT106の最大定格値を超えると予測できる端子間電圧Vの値を
予め求めておくことができる。本実施形態1において特徴的なことは、この予測値を、端子間電圧Vの限界値として検出回路DET2の閾値にあらかじめ設定しておくことである。
このように閾値を検出回路DET2に設定しておけば、限界値に達した時、検出回路DET2が動作して(端子間電圧Vが閾値を超えたことを検出して)、SW開信号を出力する。スイッチSW2は、そのSW開信号を受信して、開(OFF)となり、IGBT106のゲート電荷の引き抜き抵抗の値を(R1R2/(R1+R2))からR1にすることができる。つまり、引き抜き抵抗の値を高くすることができる。
Find in advance the value of the terminal voltage V 1 that can be predicted to result in an excessively large rate of decrease in the collector current, resulting in a high rate of voltage increase in the collector voltage V CE (t), which will eventually exceed the maximum rating of the IGBT 106. You can leave it there. A feature of the first embodiment is that this predicted value is set in advance as the threshold value of the detection circuit DET2 as the limit value of the inter-terminal voltage V1 .
If the threshold value is set in the detection circuit DET2 in this way, when the threshold value is reached, the detection circuit DET2 operates (detects that the terminal voltage V1 exceeds the threshold value), and the SW open signal is activated. Output. The switch SW2 receives the SW open signal, becomes open (OFF), and the value of the gate charge extraction resistance of the IGBT 106 can be changed from (R1R2/(R1+R2)) to R1. In other words, the value of the pull-out resistance can be increased.

このような動作によって、ゲート電荷引き抜き用の抵抗値の合成抵抗値が増大し、IGBT106のゲート電荷引き抜き量が減少して、上記式(3A)に従ってサージ電圧が低減する。
なお、図1に示す例では、抵抗R1と抵抗R1とが等価的にみて並列接続されるが、直列接続するように構成してもよい。この場合、直列に接続された抵抗R1、R2の抵抗直列回路の一方端を出力端子102aに接続し、他方端とVeeとの間にスイッチSW1を接続し、抵抗R1とR2の接続点と、Veeと、の間にスイッチSW2を接続し、スイッチの切り替えによって合成抵抗値を調整できるように構成してもよい。
このようにインピーダンス回路Z1の端子間電圧Vの限界値を適正に選定することで、サージ電圧により定電圧ダイオードZD1が導通することなく、IGBT106を保護できる。仮に、定電圧ダイオードZD1が導通したとしても定電圧ダイオードZD1の導通電流値や時間幅を少なくすることができるので定電圧ダイオードZD1の発熱を抑えることができる。さらに、IGBT106のコレクタ電圧VCE(t)の急峻な上昇やIGBT106のコレクタ電流の急峻な減少を事前に緩和できることから、それらに伴うノイズの低減にも効果を発揮する。
This operation increases the combined resistance value of the resistance values for gate charge extraction, reduces the amount of gate charge extraction from the IGBT 106, and reduces the surge voltage according to the above equation (3A).
In the example shown in FIG. 1, the resistor R1 and the resistor R1 are equivalently connected in parallel, but they may be configured to be connected in series. In this case, one end of a resistor series circuit of resistors R1 and R2 connected in series is connected to the output terminal 102a, a switch SW1 is connected between the other end and Vee, and the connection point of the resistors R1 and R2 is connected to the output terminal 102a. A switch SW2 may be connected between the switch SW2 and the switch SW2 so that the combined resistance value can be adjusted by switching the switch.
By appropriately selecting the limit value of the voltage V 1 between the terminals of the impedance circuit Z1 in this way, the IGBT 106 can be protected without the constant voltage diode ZD1 becoming conductive due to a surge voltage. Even if the constant voltage diode ZD1 becomes conductive, the conduction current value and time width of the constant voltage diode ZD1 can be reduced, so that heat generation of the constant voltage diode ZD1 can be suppressed. Furthermore, since a steep rise in the collector voltage V CE (t) of the IGBT 106 and a steep decrease in the collector current of the IGBT 106 can be alleviated in advance, it is also effective in reducing the noise accompanying them.

2.実施形態2
実施形態2では、検出回路DETを2個設けた例を説明する。
上記実施形態1では、検出回路DET2を設けて、ゲート電荷引き抜き用の抵抗値を変化させる例を説明した。この検出回路DETは、閾値を異ならせた複数の検出回路DETを設ければより精密な制御が可能となると考えられる。
そこで、本実施形態2では、上記実施形態1で説明した図1の検出回路DET2に加えて、検出回路DET3を設けた回路例を説明する。図3には、このように検出回路DET2、検出回路DET3を備えた回路が示されている。
この図3に示した回路例は、具体的には、実施形態1において説明した図1の回路に、検出回路DET3と、スイッチSW3と、抵抗R3と、が加えられた構成であり、その他の構成は図1と全く同様である。
2. Embodiment 2
In the second embodiment, an example in which two detection circuits DET are provided will be described.
In the first embodiment, an example has been described in which the detection circuit DET2 is provided and the resistance value for extracting the gate charge is changed. It is considered that this detection circuit DET can be controlled more precisely by providing a plurality of detection circuits DET with different threshold values.
Therefore, in the second embodiment, a circuit example will be described in which a detection circuit DET3 is provided in addition to the detection circuit DET2 of FIG. 1 described in the first embodiment. FIG. 3 shows a circuit including the detection circuit DET2 and the detection circuit DET3 in this manner.
Specifically, the circuit example shown in FIG. 3 has a configuration in which a detection circuit DET3, a switch SW3, and a resistor R3 are added to the circuit shown in FIG. 1 described in the first embodiment, and other components are added. The configuration is exactly the same as in FIG.

スイッチSW3は、スイッチSW1、2と同様に、IGBT106のゲート電荷を引き抜くためスイッチであり、スイッチSW1等と同様に、図示されていない制御回路からの開閉信号に基づき、開閉動作を実行するスイッチである。
スイッチSW3と、抵抗R3との直列回路が、IGBT106のゲート端子と、マイナス電源Veeとの間に接続されている。スイッチSW3が閉(ON)にされると抵抗R3がマイナス電源Veeに接続されてIGBT106のゲート電荷を放電する。この動作そのものは、これまで説明したスイッチSW1、2と同様である。
抵抗R3は、ゲート電荷を放電するための抵抗であり、抵抗R1、R2と同様の趣旨の抵抗である。
スイッチSW3と、抵抗R3との直列回路は、請求の範囲の第n引き抜き回路の好適な一例に相当する(n=3の場合)。スイッチSW3は、請求の範囲の第nスイッチ(n=3の場合)の好適な一例に相当する。抵抗R3は、請求の範囲の第n抵抗(n=3の場合)の好適な一例に相当する
The switch SW3, like the switches SW1 and SW2, is a switch for drawing out the gate charge of the IGBT 106. Similarly to the switch SW1, etc., the switch SW3 is a switch that performs opening/closing operations based on an opening/closing signal from a control circuit (not shown). be.
A series circuit of switch SW3 and resistor R3 is connected between the gate terminal of IGBT 106 and negative power supply Vee. When the switch SW3 is closed (ON), the resistor R3 is connected to the negative power supply Vee and discharges the gate charge of the IGBT 106. This operation itself is similar to the switches SW1 and SW2 described above.
The resistor R3 is a resistor for discharging gate charges, and has the same meaning as the resistors R1 and R2.
The series circuit of switch SW3 and resistor R3 corresponds to a preferred example of the n-th extraction circuit in the claims (in the case of n=3). The switch SW3 corresponds to a preferred example of the n-th switch (in the case of n=3) in the claims. The resistor R3 corresponds to a preferable example of the n-th resistor (in the case of n=3) in the claims.

検出回路DET3は、検出回路DET2と同様の回路であり、後述するように閾値の値のみが異なる回路である。
この検出回路DET3も、上記インピーダンス回路Z1の端子間電圧V1を検出して、予め設定されている閾値を超える場合は、SW開信号を出力する。スイッチSW3は、スイッチSW3を開状態とする指示であるSW3開信号を受信すると、開状態となり、抵抗R3をマイナス電源Veeから切り離す。このように検出回路DET3は、閾値が異なることを除き、検出回路DET2と同様の回路である。
この検出回路DET3は、請求の範囲の第n検出回路の好適な一例に相当する(n=3の場合)。SW3開信号は、請求の範囲の第nのスイッチ開信号の好適な一例に相当する。
The detection circuit DET3 is a circuit similar to the detection circuit DET2, and differs only in the threshold value as described later.
This detection circuit DET3 also detects the inter-terminal voltage V1 of the impedance circuit Z1, and outputs a SW open signal if it exceeds a preset threshold. When the switch SW3 receives the SW3 open signal, which is an instruction to open the switch SW3, the switch SW3 becomes open and disconnects the resistor R3 from the negative power supply Vee. In this way, the detection circuit DET3 is the same circuit as the detection circuit DET2 except that the threshold value is different.
This detection circuit DET3 corresponds to a preferred example of the n-th detection circuit in the claims (in the case of n=3). The SW3 open signal corresponds to a preferred example of the n-th switch open signal in the claims.

実施形態1と同様に、IGBT106をターンオフするために、制御回路から開閉信号がスイッチSW1及びスイッチSW2に加えてスイッチSW3にも送信されて、全スイッチが閉じる。スイッチSW3も、ON状態(閉じる)に移行する。
この状態では、IGBT106のゲート電荷が、抵抗R1と抵抗R2と抵抗R3の合成抵抗値(1/((1/R1)+(1/R2)+(1/R3)))を通じて引き抜かれる。この合成抵抗値の式において、R1、R2、R3は、それぞれ抵抗R1の抵抗値、抵抗R2の抵抗値、抵抗R3の抵抗値、を表すものとする。
Similar to the first embodiment, in order to turn off the IGBT 106, the control circuit sends an open/close signal to the switch SW3 in addition to the switches SW1 and SW2, thereby closing all the switches. The switch SW3 also transitions to the ON state (closed).
In this state, the gate charge of the IGBT 106 is extracted through the combined resistance value (1/((1/R1)+(1/R2)+(1/R3))) of the resistor R1, the resistor R2, and the resistor R3. In this formula for the combined resistance value, R1, R2, and R3 represent the resistance value of the resistor R1, the resistance value of the resistor R2, and the resistance value of the resistor R3, respectively.

このようにして、IGBT106のゲート電荷が引き抜かれると、IGBT106はターンオフを開始し、IGBT106のコレクタ電流は急激に減少していく。その結果は上述したようにIGBT106のコレクタ電圧は、上記式(3A)に従って上昇を開始する。IGBT106の負荷ZL104が一定の値であれば、IGBT106のコレクタ電圧の上昇率は、コレクタ電流の減少率に大略比例すると考えられる。 In this way, when the gate charge of the IGBT 106 is extracted, the IGBT 106 starts to turn off, and the collector current of the IGBT 106 rapidly decreases. As a result, as described above, the collector voltage of the IGBT 106 starts to rise according to the above equation (3A). If the load ZL104 of the IGBT 106 is a constant value, the rate of increase in the collector voltage of the IGBT 106 is considered to be approximately proportional to the rate of decrease in the collector current.

また、既に説明したように、インピーダンス回路Z1の端子間電圧Vは、コレクタ電圧VCE(t)の上昇率に比例する値となる。したがって、コレクタ電流の減少率が大き過ぎて、その結果コレクタ電圧VCE(t)の電圧上昇率が高く、最終的にIGBT106の最大定格値を超えると予測できる端子間電圧Vの値を予め求めておくことができる。
このとき、最大定格値を超えてしまうことを防止するために、予測した端子間電圧Vの値より小さい閾値を検出回路DET2に設定しておくことが好ましい。
一方、コレクタ電圧VCE(t)の電圧上昇率が高い場合は、より一層ゲート電荷引き抜き用抵抗の値を大きくする必要がある可能性もある。
Moreover, as already explained, the voltage V 1 between the terminals of the impedance circuit Z1 has a value proportional to the rate of increase of the collector voltage V CE (t). Therefore, the value of the inter-terminal voltage V 1 that can be predicted to exceed the maximum rated value of the IGBT 106 is determined in advance if the rate of decrease in the collector current is too large, resulting in a high rate of voltage increase in the collector voltage V CE (t). You can ask for it.
At this time, in order to prevent the maximum rated value from being exceeded, it is preferable to set a threshold value smaller than the predicted value of the inter-terminal voltage V1 in the detection circuit DET2.
On the other hand, if the voltage increase rate of the collector voltage V CE (t) is high, it may be necessary to further increase the value of the gate charge extraction resistor.

そこで、検出回路DET3の閾値として予測した端子間電圧Vの値より大きい電圧を設定しておけば、検出回路DET2による抵抗R2の切り離しだけでは、十分にゲート電荷引き抜き用の抵抗の値を大きくできない場合でも、より一層、抵抗値を大きくすることができる。
本実施形態2では、このように、検出回路DET2には少し小さい閾値を設定し、早めに抵抗R2を切り離して、ゲート電荷引き抜き用の抵抗の値を早めに大きくしている。
さらに、検出回路DET3には、少し大きい閾値を設定し、コレクタ電圧VCE(t)の電圧上昇率が非常に高い場合は、抵抗R2に加えて抵抗R3も切り離している。その結果、ゲート電荷引き抜き用の抵抗はR1だけとなり、より一層ゲート電荷引き抜き用抵抗の値を大きくすることができる。
なお、図3に示す例では、抵抗R1と、R2と、R3とが等価的にみて並列接続されるが、それらを直列接続するように構成してもよい。この場合、直列に接続された抵抗R1、R2、R3の抵抗直列回路の一方端を出力端子202aに接続し、他方端とVeeとの間にスイッチSW1を接続し、抵抗R1とR2の接続点と、Veeと、の間にスイッチSW2を接続し、抵抗R2とR3の接続点と、Veeとの間にスイッチSW3を接続し、スイッチの切り替えによって合成抵抗値を調整できるように構成してもよい。
Therefore, if a voltage larger than the predicted inter-terminal voltage V1 is set as the threshold of the detection circuit DET3, it is sufficient to increase the value of the gate charge extraction resistor by simply disconnecting the resistor R2 using the detection circuit DET2. Even if this is not possible, the resistance value can be further increased.
In the second embodiment, as described above, a slightly smaller threshold value is set for the detection circuit DET2, the resistor R2 is disconnected early, and the value of the resistor for drawing out the gate charge is increased early.
Furthermore, a slightly larger threshold value is set for the detection circuit DET3, and when the voltage increase rate of the collector voltage V CE (t) is extremely high, the resistor R3 is also disconnected in addition to the resistor R2. As a result, only R1 is used as the resistor for extracting gate charges, and the value of the resistor for extracting gate charges can be further increased.
In the example shown in FIG. 3, the resistors R1, R2, and R3 are equivalently connected in parallel, but they may be connected in series. In this case, one end of a resistor series circuit of resistors R1, R2, and R3 connected in series is connected to the output terminal 202a, a switch SW1 is connected between the other end and Vee, and the connection point of the resistors R1 and R2 is connected to the output terminal 202a. It is also possible to configure a configuration in which a switch SW2 is connected between and Vee, and a switch SW3 is connected between the connection point of resistors R2 and R3 and Vee, so that the combined resistance value can be adjusted by switching the switches. good.

本実施形態2で説明する図3のゲート駆動回路200の予測型アクティブクランプ回路202は、このように2種の検出回路を備えているため、実施形態1の図1の回路に比べてより精密な制御を実行することができる。 Since the predictive active clamp circuit 202 of the gate drive circuit 200 in FIG. 3 described in the second embodiment includes two types of detection circuits in this way, it is more precise than the circuit in FIG. 1 of the first embodiment. control can be executed.

3.具体的な実施例
図4には、具体的な予測型アクティブクランプ回路302を含むゲート駆動回路300の回路図が示されている。実際のゲート駆動回路300は、図4の予測型アクティブクランプ回路302以外にも、電源回路や、ドライバ素子等、種々の回路が含まれている。
図1、図3と同様に、アクティブクランプ回路302は、実線で囲まれた部分であり、その出力端子302aには、駆動対象であるIGBT106のゲート端子が接続されている。また、負荷104は、図1、図3と同様に、IGBT106と電力ラインとの間に接続され、IGBT106によって電力供給が制御されている。アクティブクランプ回路302は、検出端子302bが設けられており、この検出端子302bは、IGBT106のコレクタ端子に接続する。
3. Illustrative Embodiment FIG. 4 shows a circuit diagram of a gate drive circuit 300 including an illustrative predictive active clamp circuit 302. Referring to FIG. The actual gate drive circuit 300 includes various circuits such as a power supply circuit and a driver element in addition to the predictive active clamp circuit 302 of FIG. 4.
Similar to FIGS. 1 and 3, the active clamp circuit 302 is a part surrounded by a solid line, and its output terminal 302a is connected to the gate terminal of the IGBT 106 to be driven. Further, the load 104 is connected between the IGBT 106 and the power line, and the power supply is controlled by the IGBT 106, as in FIGS. 1 and 3. The active clamp circuit 302 is provided with a detection terminal 302b, and this detection terminal 302b is connected to the collector terminal of the IGBT 106.

図4中、Veeは、これまで説明したとおり、ゲート駆動回路300のマイナス電源であり、Vdcはプラス電源である。
アクティブクランプ回路300には、3種類の入力端子IN1、IN2、IN3が設けられている。
入力端子IN1(及びIN2、IN3)には、外部の制御回路から開閉信号が入力される。入力端子IN1(及びIN2、IN3)に入力する開閉信号がlowの場合、トランジスタQ4がON作動して、IGBT106はON作動する。そして、入力端子IN2、IN3(及びIN1)に入力する開閉信号がhighの場合、トランジスタQ2、Q3がON作動して、IGBT106がOFF作動する。
In FIG. 4, Vee is the negative power supply of the gate drive circuit 300, and Vdc is the positive power supply, as described above.
The active clamp circuit 300 is provided with three types of input terminals IN1, IN2, and IN3.
A switching signal is input to the input terminal IN1 (and IN2, IN3) from an external control circuit. When the open/close signal input to the input terminal IN1 (and IN2, IN3) is low, the transistor Q4 is turned on and the IGBT 106 is turned on. When the open/close signals input to the input terminals IN2 and IN3 (and IN1) are high, the transistors Q2 and Q3 are turned on and the IGBT 106 is turned off.

本実施例においては、IN1と、IN2及びIN3に加えられる開閉信号を同相の信号としているが、利用するスイッチ素子の極性によっては、IN2、IN3に加えられる開閉信号の極性を、IN1に加えられる開閉信号とは逆にしてもよい。 In this embodiment, the switching signals applied to IN1, IN2, and IN3 are in-phase signals, but depending on the polarity of the switch element used, the polarity of the switching signal applied to IN2, IN3 can be changed to IN1. The opening/closing signal may be reversed.

入力端子IN1(及びIN2、IN3)に入力する開閉信号がlowとなるとトランジスタQ4がON作動して、Vdcより抵抗R7を経由して、出力端子302aに接続するIGBT106のゲート端子に電流を供給する。この結果、IGBT106はON作動する。
トランジスタQ4は、ゲート駆動回路300のハイサイドスイッチであるが、上述した図1、図3では省略して図示されていない。
When the open/close signal input to the input terminal IN1 (and IN2, IN3) becomes low, the transistor Q4 turns on and supplies current from Vdc to the gate terminal of the IGBT 106 connected to the output terminal 302a via the resistor R7. . As a result, the IGBT 106 is turned ON.
The transistor Q4 is a high-side switch of the gate drive circuit 300, but is omitted and not shown in FIGS. 1 and 3 described above.

他方、入力端子IN2、IN3(及びIN1)に入力する制御信号がhighになると、トランジスタQ4がOFF作動すると共に、トランジスタQ2及びQ3がON作動して、抵抗R5及び抵抗R6を通してIGBT106のゲート電荷を引き抜く。その結果、IGBT106は、OFF作動する。 On the other hand, when the control signals input to input terminals IN2 and IN3 (and IN1) become high, transistor Q4 turns OFF and transistors Q2 and Q3 turn ON, draining the gate charge of IGBT 106 through resistor R5 and resistor R6. Pull it out. As a result, the IGBT 106 is turned off.

なお、トランジスタQ2は、図1(図3)におけるスイッチSW2に相当し、トランジスタQ3は、図1(図3)におけるスイッチSW1に相当する。また、図4の抵抗R4は、図1の電流検出用インピーダンス回路Z1に相当する。そして、図4のZD1~ZD6 は、図1の定電圧ダイオードZD1に相当するダイオードである。また、図4のCは、図1の並列容量Cに相当する。 Note that the transistor Q2 corresponds to the switch SW2 in FIG. 1 (FIG. 3), and the transistor Q3 corresponds to the switch SW1 in FIG. 1 (FIG. 3). Further, the resistor R4 in FIG. 4 corresponds to the current detection impedance circuit Z1 in FIG. 1. Further, ZD1 to ZD6 in FIG. 4 are diodes corresponding to the constant voltage diode ZD1 in FIG. Further, CZ in FIG. 4 corresponds to the parallel capacitance CZ in FIG.

また、図4のトランジスタQ1は、図1の検出回路DET2に相当し、その閾値電圧は、トランジスタQ1のゲート-ソース間のスレッシュホールド電圧VQ1THが該当する。トランジスタQ1がON作動すると、トランジスタQ2は、入力端子IN3に入力する制御信号の信号状態にかかわらず、OFF作動する。
すなわち、抵抗R4の端子間の電圧がスレッシュホールド電圧VQ1THに達すると、トランジスタQ1がON作動する。トランジスタQ1がON作動すると、次に、トランジスタQ2はOFF作動する。つまり、スイッチSW2に相当するスイッチがOFF(非道通)になる。したがって、IGBT106のゲート電荷を引き抜く回路が、抵抗R6とトランジスタQ3との直列回路だけになるので、電荷の引き抜きが穏やかになり、IGBT106のコレクタ端子に発生するサージ電圧を小さくすることができる。
Further, the transistor Q1 in FIG. 4 corresponds to the detection circuit DET2 in FIG. 1, and its threshold voltage corresponds to the threshold voltage VQ1TH between the gate and source of the transistor Q1. When the transistor Q1 turns on, the transistor Q2 turns off regardless of the signal state of the control signal input to the input terminal IN3.
That is, when the voltage between the terminals of the resistor R4 reaches the threshold voltage VQ1TH , the transistor Q1 is turned on. When transistor Q1 turns on, transistor Q2 turns off. In other words, the switch corresponding to switch SW2 is turned OFF (non-conducting). Therefore, the only circuit that extracts the gate charge of the IGBT 106 is the series circuit of the resistor R6 and the transistor Q3, so that the charge is extracted more gently and the surge voltage generated at the collector terminal of the IGBT 106 can be reduced.

抵抗R3は、本実施形態における新規な効果と、従来のアクティブクランプ回路方式の効果と、の影響の相対的比率を調整するための抵抗である。従来のアクティブクランプ回路方式とは、定電圧ダイオードZD1の電流をIGBT106のゲート端子へ直接流入させる方式である。 The resistor R3 is a resistor for adjusting the relative ratio of the effects of the novel effect of this embodiment and the effect of the conventional active clamp circuit system. The conventional active clamp circuit system is a system in which the current of the constant voltage diode ZD1 directly flows into the gate terminal of the IGBT 106.

ここで、本実施形態における新規な効果とは、
・ゲート電荷引き抜き用の抵抗値の合成抵抗値が増大し、IGBT106のゲート電荷引き抜き量が減少して、式(3A)に従ってサージ電圧が低減する。
・定電圧ダイオードZD1の発熱を抑えることができる。
・コレクタ電流の急峻な減少を緩和できるので、それに伴うノイズの低減を図ることができる。
等を意味する。
また、従来のアクティブクランプ回路方式の効果とは、
・サージ電圧の低減
である。抵抗R3の値を大きくすれば、コレクタ電圧VCE(t)の検出感度が下がるので、相対的に、従来のアクティブクランプ回路方式の効果の方が大きくなる。逆に、抵抗R3の値を小さくすれば、コレクタ電圧VCE(t)の検出感度が上がるので、本実施形態における特徴的な効果(新規な効果)が従来の効果より相対的により大きく得られる。
Here, the novel effects of this embodiment are as follows:
- The combined resistance value of the resistance values for gate charge extraction increases, the amount of gate charge extraction from the IGBT 106 decreases, and the surge voltage is reduced according to equation (3A).
- Heat generation of the constant voltage diode ZD1 can be suppressed.
- Since the steep decrease in collector current can be alleviated, the accompanying noise can be reduced.
etc.
In addition, the effects of the conventional active clamp circuit method are as follows.
・Reduction of surge voltage. If the value of the resistor R3 is increased, the detection sensitivity of the collector voltage V CE (t) decreases, so the effect of the conventional active clamp circuit system becomes relatively greater. Conversely, if the value of the resistor R3 is reduced, the detection sensitivity of the collector voltage V CE (t) increases, so that the characteristic effect (new effect) of this embodiment can be obtained relatively larger than the conventional effect. .

ダイオードD3は、トランジスタQ1のゲート電荷の引き抜き用ダイオードである。
IGBT106のコレクタ電圧VCE(t)の上昇率は下記式(3B)であらわされる。

Figure 0007356340000005

したがって、図4の本実施例のパラメータで表現すると、下記式(4)のように表される。
Figure 0007356340000006

ここで、Rは、以下の式(5)で表される。
= R1 + R3 + R4 (5) The diode D3 is a diode for extracting the gate charge of the transistor Q1.
The rate of increase in the collector voltage V CE (t) of the IGBT 106 is expressed by the following equation (3B).
Figure 0007356340000005

Therefore, when expressed using the parameters of this embodiment shown in FIG. 4, it is expressed as shown in the following equation (4).
Figure 0007356340000006

Here, R t is represented by the following formula (5).
Rt = R1 + R3 + R4 (5)

次に、図4の回路動作波形を図5に示す。図5のグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は種々の信号を表している。
開閉信号は、これまで説明したとおり、外部の制御回路から出力される信号であり、スイッチSW1、スイッチSW2を開閉させる信号である。開閉信号は、図4の入力端子IN2、IN3、及びIN1に供給される。
SW1は、スイッチSW1の開閉状況を示す信号であり、lowであれば開状態(非導通)状態を表し、highが導通状態を表す。SW2も同様に、スイッチSW1の開閉状況を示す信号であり、lowであれば開状態(非導通)状態を表し、highが導通状態を表す。
Vgeは、IGBT106のゲート電圧を表す。また、VCEは、IGBT106のコレクタ電圧VCE(t)を表す。また、Icは、IGBT106のコレクタ電流を表す。
Next, FIG. 5 shows the circuit operation waveforms of FIG. 4. In the graph of FIG. 5, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents various signals.
As explained above, the opening/closing signal is a signal output from an external control circuit, and is a signal for opening/closing the switch SW1 and the switch SW2. The opening/closing signals are supplied to input terminals IN2, IN3, and IN1 in FIG.
SW1 is a signal indicating the open/closed state of the switch SW1; low indicates an open state (non-conducting), and high indicates a conducting state. Similarly, SW2 is a signal indicating the open/closed state of the switch SW1, and a low signal indicates an open state (non-conducting state), and a high signal indicates a conductive state.
Vge represents the gate voltage of the IGBT 106. Further, V CE represents the collector voltage V CE (t) of the IGBT 106. Moreover, Ic represents the collector current of the IGBT 106.

このグラフは、開閉信号がlowからhighに変化する際の動作を示している。このとき、IGBT106は、ON状態から、OFF状態に移行し、スイッチSW1及びスイッチSW2は、基本的には、開状態(非道通状態)から閉(導通状態)に移行する。 This graph shows the operation when the opening/closing signal changes from low to high. At this time, the IGBT 106 transitions from the ON state to the OFF state, and the switch SW1 and the switch SW2 basically transition from the open state (non-conducting state) to the closed state (conducting state).

まず、開閉信号がlowからhighに変更されると、トランジスタQ4がOFF作動して非導通状態に移行する。それとともに、スイッチSW1及びSW2はON動作し、ゲート電荷を引き抜き始める。これによって、IGBT106はON状態からOFF状態への移行を開始する。
スイッチSW1及びSW2がゲート電荷を引き抜くので、IGBTは非導通状態に移行を始める。その結果、コレクタ電圧VCEは上昇を開始する。図5のグラフでは、この上昇の傾きを「傾き1」と表している。
本実施例では、傾き1を観測することによって、ノイズや発熱が生じると予測されるタイミングで、トランジスタQ1(図1の検出回路DET2に相当)がON動作する。
これまで説明してきたように、この傾き1が大きければ、トランジスタQ1がON動作するタイミングは早くなり、傾き1が小さければ、トランジスタQ1がON動作するタイミングは遅くなる。
First, when the opening/closing signal changes from low to high, transistor Q4 turns off and enters a non-conducting state. At the same time, the switches SW1 and SW2 are turned ON and start drawing out the gate charge. As a result, the IGBT 106 starts transitioning from the ON state to the OFF state.
As the switches SW1 and SW2 draw out the gate charge, the IGBT begins to transition to a non-conductive state. As a result, the collector voltage VCE starts to rise. In the graph of FIG. 5, the slope of this rise is expressed as "slope 1."
In this embodiment, by observing the slope 1, the transistor Q1 (corresponding to the detection circuit DET2 in FIG. 1) is turned on at a timing when it is predicted that noise or heat generation will occur.
As explained above, if the slope 1 is large, the timing at which the transistor Q1 is turned on becomes early, and when the slope 1 is small, the timing at which the transistor Q1 is turned on is delayed.

トランジスタQ1(検出回路DET2)がON動作すると、スイッチSW2が「開」状態(非導通状態)となり(図5参照)、その分、ゲート電圧Vgeが上昇する。そして、スイッチSW2が「開」状態となった結果、ゲート電荷の引き抜きが低速となり、コレクタ電圧VCEの上昇速度が遅くなる。その結果、コレクタ電圧VCEの上昇の傾きは「傾き2」となる(図5参照)。
その後、ゲート電荷が引き抜かれると、IGBT106がOFF動作になり、非導通状態に向かう。その際、コレクタ電圧VCEは、クランプ回路である定電圧ダイオードZD1によってクランプされているので、サージ電圧等を抑制することができる。図5中、ZZD1導通期間として示される期間は、定電圧ダイオードZD1が導通してサージ電圧等が抑制されている期間である。この期間は、定電圧ダイオードZD1が導通しているのでそれによって、出力端子102aの制御信号が、定電圧ダイオードZD1の導通により上昇する。これによってサージ電圧等が抑制される。
When the transistor Q1 (detection circuit DET2) turns on, the switch SW2 becomes "open" (non-conductive) (see FIG. 5), and the gate voltage Vge rises accordingly. Then, as a result of the switch SW2 being in the "open" state, the gate charge is drawn out at a low speed, and the rate at which the collector voltage VCE rises is slowed down. As a result, the slope of the increase in collector voltage V CE becomes "slope 2" (see FIG. 5).
Thereafter, when the gate charge is extracted, the IGBT 106 becomes OFF and becomes non-conductive. At this time, since the collector voltage V CE is clamped by the constant voltage diode ZD1, which is a clamp circuit, surge voltage and the like can be suppressed. In FIG. 5, the period indicated as the ZZD1 conduction period is a period in which the constant voltage diode ZD1 is conductive and surge voltage and the like are suppressed. During this period, the constant voltage diode ZD1 is conductive, so that the control signal at the output terminal 102a increases due to the conduction of the constant voltage diode ZD1. This suppresses surge voltage and the like.

その後、IGBT106のコレクタ電圧VCEが定電圧ダイオードZD1のツェナー電圧以下になると、定電圧ダイオードZD1が非導通状態に移行する。
定電圧ダイオードZD1が非道通状態となると、検出回路DET2が閾値を越える電圧を検出しなくなるので、スイッチSW2も閉状態(導通状態)に復帰する。
以上のような動作を実行する。これによって、図4の回路によれば、IGBT106のコレクタ電圧VCE(t)の急峻な上昇やIGBT106のコレクタ電流の急峻な減少を緩和することができる。また、定電圧ダイオードZD1の導通時間を短くなるので定電圧ダイオードZD1の発熱を抑制することができる。また、それらに伴うノイズの低減を図ることができる。
Thereafter, when the collector voltage V CE of the IGBT 106 becomes lower than the Zener voltage of the constant voltage diode ZD1, the constant voltage diode ZD1 transitions to a non-conductive state.
When the constant voltage diode ZD1 becomes non-conductive, the detection circuit DET2 no longer detects a voltage exceeding the threshold value, and the switch SW2 also returns to the closed state (conductive state).
Execute the operations described above. As a result, according to the circuit of FIG. 4, it is possible to alleviate a steep rise in the collector voltage V CE (t) of the IGBT 106 and a steep decrease in the collector current of the IGBT 106. Further, since the conduction time of the constant voltage diode ZD1 is shortened, heat generation of the constant voltage diode ZD1 can be suppressed. Further, it is possible to reduce the noise associated with them.

4.効果その他
以上説明したように、本実施形態におけるゲート駆動回路は、アクティブクランプ回路を利用しながら、コレクタ電圧の急峻な変化を観測することにより、サージ電圧の発生を予測して、ゲート電荷を引き抜くための抵抗値を変化させている(抵抗値を上げている)ので、サージ電圧の抑制を図れると共に、アクティブクランプ回路中の定電圧ダイオードの発熱を抑制することができる。また、IGBTのコレクタ電圧の急峻な上昇、コレクタ電流の急峻な減少も緩和することができる。それらの結果、ノイズの低減を図ることができる。
4. Effects and Others As explained above, the gate drive circuit in this embodiment predicts the occurrence of a surge voltage by observing a steep change in the collector voltage while using an active clamp circuit, and extracts the gate charge. Since the resistance value is changed (the resistance value is increased), surge voltage can be suppressed, and heat generation of the constant voltage diode in the active clamp circuit can be suppressed. Moreover, a steep rise in the collector voltage and a steep decrease in the collector current of the IGBT can be alleviated. As a result, noise can be reduced.

実施形態1では、1個の検出回路DET2を用い、実施形態2では、2個の検出回路DET1、DET2を用いているが、3個以上設けてもよい。 In the first embodiment, one detection circuit DET2 is used, and in the second embodiment, two detection circuits DET1 and DET2 are used, but three or more detection circuits may be provided.

また、以上説明した実施形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は本実施形態の態様に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、駆動対象である電力半導体スイッチとしてIGBTを主として説明したが、他の電力半導体スイッチ(例えばMOSFET)を駆動するゲート駆動回路でも適用することができる。また、上で説明した実施形態、実施例では、その回路図には、主としてNチャネルMOSFET、PチャネルMOSFETを用いているが、PチャネルMOSFETのかわりにNチャネルMOSFETを用いて回路構成してもよいし、その逆でもよい。また、他の種類の素子を用いてもよい。例えば、バイポーラトランジスタを用いて回路構成してもよい。 Further, the embodiment described above is an example of means for realizing the present invention, and should be modified or changed as appropriate depending on the configuration of the device to which the present invention is applied and various conditions. It is not limited to this aspect. For example, in the embodiments described above, the IGBT was mainly described as the power semiconductor switch to be driven, but the invention can also be applied to a gate drive circuit that drives other power semiconductor switches (for example, MOSFET). Furthermore, in the embodiments and examples described above, the circuit diagrams mainly use N-channel MOSFETs and P-channel MOSFETs, but the circuits may also be constructed using N-channel MOSFETs instead of P-channel MOSFETs. That's fine, or vice versa. Also, other types of elements may be used. For example, the circuit may be configured using bipolar transistors.

10、106 IGBT
12、ZL104 負荷
14 スナバ回路
16 アクティブクランプ回路
100、200 ゲート駆動回路
102、202、302 予測型アクティブクランプ回路
102a、202a、302a 出力端子
102b、202b、302b 検出端子
コンデンサ
コンデンサ
並列容量
ダイオード
定電圧ダイオード
DET2、DET3 検出回路
R1、R2、R3 抵抗
抵抗
抵抗
制限抵抗
SW1、SW2、SW3 スイッチ
理想定電圧ダイオード
Z1、Z2 インピーダンス回路
ZD1 定電圧ダイオード
10, 106 IGBT
12, ZL104 Load 14 Snubber circuit 16 Active clamp circuit 100, 200 Gate drive circuit 102, 202, 302 Predictive active clamp circuit 102a, 202a, 302a Output terminal 102b, 202b, 302b Detection terminal C d capacitor C S capacitor C z parallel Capacitance D S diode D Z constant voltage diode DET2, DET3 Detection circuit R1, R2, R3 Resistance R d resistance R S resistance R Z limiting resistance SW1, SW2, SW3 Switch V Z ideal constant voltage diode Z1, Z2 Impedance circuit ZD1 Constant voltage diode

Claims (4)

電力半導体素子を駆動するゲート駆動回路であって、
前記電力半導体素子がターンオフする際、前記電力半導体素子のコレクタ-エミッタ間電圧が所定の電圧に到達した場合、前記電力半導体素子のコレクタ-エミッタ間電圧を前記所定の電圧でクランプするとともに、前記電力半導体素子のゲート端子に所定の電流を供給するアクティブクランプ回路、
を備え、前記アクティブクランプ回路は、
前記電力半導体素子のコレクタ端子に一方端が接続される定電圧ダイオードと、
前記定電圧ダイオードの他方端と、マイナス電源との間に接続されたインピーダンス回路と、
前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点に接続し、前記電力半導体素子の前記ゲート端子に接続される出力端子と、
一方端が前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点に接続し、他方端がマイナス電源に接続し、前記電力半導体素子がターンオフする際、外部からの開閉信号に基づき、前記前記電力半導体素子のゲート端子から電荷を引き抜くための第1スイッチと第1抵抗との直列回路からなる第1引き抜き回路と、
一方端が前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点に接続し、他方端がマイナス電源に接続し、前記電力半導体素子がターンオフする際、前記開閉信号に基づき、前記電力半導体素子のゲート端子から電荷を引き抜くための第2スイッチと第2抵抗との直列回路からなる第2引き抜き回路と、
前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点の電圧に基づき、前記電力半導体素子のターンオフする際におけるコレクタ電圧の時間による上昇率を求め、前記上昇率が所定の閾値を超えた場合に、スイッチ開信号を出力する検出回路と、
を有し、
前記インピーダンス回路は、抵抗RdとコンデンサCdの並列回路であり、この抵抗Rdの抵抗値をRdと表し、コンデンサCdの容量をCdと表し、前記定電圧ダイオードをコンデンサCzで近似し、このコンデンサCzの容量をCzと表し、
前記電力半導体素子のコレクタ電圧VCE(t)の上昇率は、tを時間とすれば、
Figure 0007356340000007
で表され、前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点の電圧V1は、
Figure 0007356340000008
で表され、
前記第2スイッチは、前記スイッチ開信号を受信すると、導通状態から非導通状態となることによって、前記電力半導体素子のゲート電荷を引き抜くための抵抗値を前記第1抵抗と前記第2抵抗の並列値から、前記第1抵抗の値に上げることによって、前記ゲート電荷の前記マイナス電源への引き抜きを低下させて、前記電力半導体素子のターンオフを緩和しつつゲート電荷を引き抜くことを特徴とするゲート駆動回路。
A gate drive circuit that drives a power semiconductor element,
When the power semiconductor element turns off, if the collector-emitter voltage of the power semiconductor element reaches a predetermined voltage, the collector-emitter voltage of the power semiconductor element is clamped at the predetermined voltage, and the power an active clamp circuit that supplies a predetermined current to the gate terminal of a semiconductor element;
The active clamp circuit comprises:
a constant voltage diode having one end connected to the collector terminal of the power semiconductor element;
an impedance circuit connected between the other end of the voltage regulator diode and a negative power supply;
an output terminal connected to a connection point between the constant voltage diode and the impedance circuit and connected to the gate terminal of the power semiconductor element;
One end is connected to a connection point between the constant voltage diode and the impedance circuit, and the other end is connected to a negative power supply, and when the power semiconductor element is turned off, the power semiconductor element is turned off based on an external switching signal. a first extraction circuit consisting of a series circuit of a first switch and a first resistor for extracting charge from the gate terminal;
One end is connected to the connection point between the constant voltage diode and the impedance circuit, and the other end is connected to the negative power supply, and when the power semiconductor element is turned off, the gate terminal of the power semiconductor element is connected based on the opening/closing signal. a second extraction circuit consisting of a series circuit of a second switch and a second resistor for extracting charge from;
Based on the voltage at the connection point between the constant voltage diode and the impedance circuit, the rate of increase in the collector voltage over time when the power semiconductor element is turned off is determined, and when the rate of increase exceeds a predetermined threshold, the switch is activated. a detection circuit that outputs an open signal;
has
The impedance circuit is a parallel circuit of a resistor Rd and a capacitor Cd, the resistance value of the resistor Rd is expressed as Rd, the capacitance of the capacitor Cd is expressed as Cd, the constant voltage diode is approximated by a capacitor Cz, and this capacitor Cz The capacity of is expressed as Cz,
The rate of increase in the collector voltage VCE(t) of the power semiconductor element is expressed as follows, where t is time:
Figure 0007356340000007
The voltage V1 at the connection point between the constant voltage diode and the impedance circuit is expressed as
Figure 0007356340000008
It is expressed as
When the second switch receives the switch open signal, the second switch changes from a conductive state to a non-conductive state, thereby setting a resistance value for extracting the gate charge of the power semiconductor element in parallel with the first resistor and the second resistor. The gate drive is characterized in that by increasing the value from the value of the first resistor to the value of the first resistor, the extraction of the gate charge to the negative power supply is reduced, and the gate charge is extracted while alleviating turn-off of the power semiconductor element. circuit.
請求項1記載のゲート駆動回路であって、
前記アクティブクランプ回路は、
前記電力半導体素子をターンオフするときに発生するサージ電圧が、前記電力半導体素子のコレクタ-エミッタ間電圧の最大定格電圧に又はその近傍電圧となったとき、その電圧でコレクタ-エミッタ間電圧をクランプし、また同時に前記電力半導体素子のゲートに電流を供給することでサージ電圧を低減し、電圧破壊を防止するアクティブクランプ回路であることを特徴とするゲート駆動回路。
The gate drive circuit according to claim 1,
The active clamp circuit is
When the surge voltage generated when turning off the power semiconductor element reaches or near the maximum rated voltage of the collector-emitter voltage of the power semiconductor element, the collector-emitter voltage is clamped at that voltage. , and at the same time, the gate drive circuit is an active clamp circuit that reduces surge voltage and prevents voltage breakdown by supplying current to the gate of the power semiconductor element.
請求項1記載のゲート駆動回路であって、
前記定電圧ダイオードは、前記定電圧ダイオードに寄生する並列容量を有し、
前記インピーダンス回路は、少なくとも抵抗とコンデンサの並列回路を含むことを特徴とするゲート駆動回路。
The gate drive circuit according to claim 1,
The constant voltage diode has a parallel capacitance parasitic to the constant voltage diode,
A gate drive circuit, wherein the impedance circuit includes at least a parallel circuit of a resistor and a capacitor.
請求項1から3のいずれか1項に記載のゲート駆動回路であって、
第2引き抜き回路から、第n引き抜き回路までのn-1種類の第n引き抜き回路と、
第2検出回路から、第n検出回路までのn-1種類の第n検出回路と、
を備え、前記nは3以上の自然数であり、
前記第n引き抜き回路は、前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点に接続し、前記電力半導体素子がターンオフする際、前記開閉信号に基づき、前記電力半導体素子のゲート端子から電荷を引き抜くための第nスイッチと第n抵抗との直列回路からなり、
前記第n検出回路は、前記定電圧ダイオードと前記インピーダンス回路との接続点の電圧に基づき、前記電力半導体素子のターンオフする際におけるコレクタ電圧の時間による上昇率を求め、前記上昇率が所定の第nの閾値を超えた場合に、第nのスイッチ開信号を出力し、
前記第nスイッチは、前記第nのスイッチ開信号を受信すると、導通状態から非導通状態となることによって、前記電力半導体素子のゲート電荷を引き抜くための抵抗値を上げて、前記電力半導体素子のターンオフを緩和しつつゲート電荷を引き抜くことを特徴とするゲート駆動回路。
The gate drive circuit according to any one of claims 1 to 3,
n-1 types of n-th extraction circuits from the second extraction circuit to the n-th extraction circuit;
n-1 types of n-th detection circuits from the second detection circuit to the n-th detection circuit;
, where n is a natural number of 3 or more,
The n-th extraction circuit is connected to a connection point between the constant voltage diode and the impedance circuit, and is configured to extract charge from the gate terminal of the power semiconductor element based on the open/close signal when the power semiconductor element is turned off. It consists of a series circuit of an n-th switch and an n-th resistor,
The n-th detection circuit determines a rate of increase in collector voltage over time when the power semiconductor element is turned off based on the voltage at a connection point between the constant voltage diode and the impedance circuit, and determines whether the rate of increase is a predetermined rate of increase over time . If the nth threshold is exceeded, output an nth switch open signal;
When the n-th switch receives the n-th switch open signal, the n-th switch changes from a conductive state to a non-conductive state, thereby increasing the resistance value for extracting the gate charge of the power semiconductor element, and increasing the resistance value for extracting the gate charge of the power semiconductor element. A gate drive circuit characterized by extracting gate charge while alleviating turn-off.
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