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JP7548116B2 - Gate drive circuit and method for controlling the gate drive circuit - Google Patents

Gate drive circuit and method for controlling the gate drive circuit Download PDF

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JP7548116B2 JP2021076990A JP2021076990A JP7548116B2 JP 7548116 B2 JP7548116 B2 JP 7548116B2 JP 2021076990 A JP2021076990 A JP 2021076990A JP 2021076990 A JP2021076990 A JP 2021076990A JP 7548116 B2 JP7548116 B2 JP 7548116B2
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Description

本発明は、直列接続された半導体デバイスを駆動するためのゲート駆動回路に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit for driving series-connected semiconductor devices.

特許文献1に記載のあるようなパルス電源は高耐圧化するために複数の半導体デバイスを直列に接続している。図16に特許文献1の回路構成図(左:ゲートアンプ回路、右:全体構成図)を示す。図16に示すように、特許文献1では高圧側である半導体素子と低圧側である制御回路とを絶縁するために光ファイバーを使用し、ゲートアンプを駆動することにより半導体デバイスを駆動している。 A pulse power supply such as that described in Patent Document 1 connects multiple semiconductor devices in series to achieve high voltage resistance. Figure 16 shows the circuit configuration diagram of Patent Document 1 (left: gate amplifier circuit, right: overall configuration diagram). As shown in Figure 16, Patent Document 1 uses optical fiber to insulate the semiconductor element on the high voltage side from the control circuit on the low voltage side, and drives the semiconductor device by driving the gate amplifier.

特開平03-237811号公報Japanese Patent Application Publication No. 03-237811

この場合、ゲートオフ時に負電圧を印加できないためSiC-MOSFETのようにゲート電圧の閾値が低い場合には誤点弧の危険性があり短絡回路の発生や、電圧分担の不均一が生じ、装置が破損に至る危険性がある。 In this case, since a negative voltage cannot be applied when the gate is off, there is a risk of false firing when the gate voltage threshold is low, as in the case of SiC MOSFETs, which can cause short circuits and uneven voltage distribution, which can lead to damage to the device.

また、当該のゲートアンプは駆動対象の半導体デバイスと並列に接続する必要があるため、ゲートアンプを構成するトランジスタ(特許文献1では符号33)などの素子は駆動対象の半導体素子と同等の耐圧を有する必要があり、高コストかつ大型化してしまうという問題がある。 In addition, since the gate amplifier must be connected in parallel with the semiconductor device to be driven, the elements that make up the gate amplifier, such as the transistor (reference number 33 in Patent Document 1), must have the same withstand voltage as the semiconductor device to be driven, resulting in problems of high cost and large size.

以上示したようなことから、ゲート駆動回路において、高圧回路と低圧回路の絶縁を維持しつつ、負バイアスを印加することができ、かつ、安価で小型化を実現することが課題となる。 Given the above, the challenge is to apply a negative bias to a gate drive circuit while maintaining insulation between the high-voltage circuit and the low-voltage circuit, and to achieve a low-cost and compact design.

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、n個直列接続された半導体デバイスのゲート駆動回路であって、ゲート信号及び電力を伝送する伝送部と、前記伝送部に一次巻線が接続された第1トランスを有するトランス部と、n個の前記半導体デバイスをそれぞれ制御する1段目駆動回路~n段目駆動回路を有する駆動回路部と、を備え、前記1段目駆動回路~n段目駆動回路はそれぞれ、前記第1トランスの二次巻線,三次巻線と駆動対象の前記半導体デバイスとの間に複数のスイッチデバイスと第1,第2電源キャパシタとを有し、駆動対象の前記半導体デバイスのゲート指令がhighの時は前記複数のスイッチデバイスを制御して駆動対象の前記半導体デバイスに前記第1電源キャパシタを並列接続し、駆動対象の前記半導体デバイスのゲート指令がlowの時は前記複数のスイッチデバイスを制御して駆動対象の前記半導体デバイスに前記第2電源キャパシタを逆並列接続することを特徴とする。 The present invention was devised in view of the above-mentioned problems of the related art, and one aspect of the present invention is a gate drive circuit for n semiconductor devices connected in series, comprising a transmission section for transmitting gate signals and power, a transformer section having a first transformer with a primary winding connected to the transmission section, and a drive circuit section having a first stage drive circuit to an nth stage drive circuit for controlling the n semiconductor devices, respectively, and each of the first stage drive circuit to the nth stage drive circuit has a plurality of switch devices and first and second power supply capacitors between the secondary winding and tertiary winding of the first transformer and the semiconductor device to be driven, and when the gate command of the semiconductor device to be driven is high, the plurality of switch devices are controlled to connect the first power supply capacitor in parallel to the semiconductor device to be driven, and when the gate command of the semiconductor device to be driven is low, the plurality of switch devices are controlled to connect the second power supply capacitor in inverse parallel to the semiconductor device to be driven.

また、その一態様として、前記伝送部は、入力コンデンサと、前記入力コンデンサに接続された第1フルブリッジ回路と、前記第1フルブリッジ回路と前記第1トランスの一次巻線との間に接続された第1直流カット用コンデンサと、を有する伝送回路を備え、前記1段目駆動回路~n段目駆動回路は、それぞれ、前記第1トランスの二次巻線の一端にアノードが接続された第1ダイオードと、前記第1トランスの二次巻線の他端にアノードが接続された第2ダイオードと、前記第1ダイオードのカソードと前記第2ダイオードのカソードにアノードが接続された第3ダイオードと、前記第3ダイオードのカソードと前記第1トランスの三次巻線の中点との間に直列接続された第1,第2電源キャパシタと、前記第1トランスの三次巻線の一端にアノードが接続された第4ダイオードと、前記第1トランスの三次巻線の他端にアノードが接続された第5ダイオードと、前記第4ダイオードのカソードと前記第5ダイオードのカソードにアノードが接続され、カソードが前記第1,第2電源キャパシタの接続点に接続された第6ダイオードと、前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に一端が接続され、前記第1トランスの三次巻線の中点に他端が接続された第1抵抗と、第1端子が前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に接続され、第2端子が前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点に接続され、第3端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続された第1スイッチデバイスと、第1端子が前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に接続され、第2端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第2スイッチデバイスと、第2端子が前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第3スイッチデバイスと、第1端子が前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に接続され、第2端子が前記第6ダイオードのカソードに接続され、第3端子が前記第3スイッチデバイスの第1端子に接続された第4スイッチデバイスと、第1端子が前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に接続され、第2端子が前記第3スイッチデバイスの第1端子に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第5スイッチデバイスと、を備え、駆動対象の前記半導体デバイスの第3端子は前記第1,第2電源キャパシタの接続点と前記第1トランスの二次巻線の中点に接続されたことを特徴とする。 In one embodiment, the transmission unit includes a transmission circuit having an input capacitor, a first full-bridge circuit connected to the input capacitor, and a first DC blocking capacitor connected between the first full-bridge circuit and the primary winding of the first transformer, and the first-stage drive circuit to the n-th-stage drive circuit each include a first diode having an anode connected to one end of the secondary winding of the first transformer, a second diode having an anode connected to the other end of the secondary winding of the first transformer, a third diode having an anode connected to the cathode of the first diode and the cathode of the second diode, and a third diode having an anode connected to the cathode of the third diode. a first terminal of said resistor connected to said cathode of said fourth diode and a midpoint of said tertiary winding of said first transformer; a fifth diode having an anode connected to one end of said tertiary winding of said first transformer; a sixth diode having an anode connected to the cathode of said fourth diode and the cathode of said fifth diode and a cathode connected to a junction of said first and second power supply capacitors; a first resistor having one end connected to the junction of said fourth, fifth and sixth diodes and the other end connected to the midpoint of said tertiary winding of said first transformer; a first switch device connected to the junction point of the first, second and third diodes, having a second terminal connected to the junction point of the third diode and the first power supply capacitor, and having a third terminal connected to a first terminal of the semiconductor device to be driven; a second switch device having a first terminal connected to the junction point of the first, second and third diodes, having a second terminal connected to the first terminal of the semiconductor device to be driven, and a third terminal connected to a midpoint of a tertiary winding of the first transformer; and a third switch device having a second terminal connected to the junction point of the first, second and third diodes, and having a third terminal connected to the midpoint of the tertiary winding of the first transformer. a fourth switch device having a first terminal connected to the junction of the fourth, fifth, and sixth diodes, a second terminal connected to the cathode of the sixth diode, and a third terminal connected to the first terminal of the third switch device; and a fifth switch device having a first terminal connected to the junction of the fourth, fifth, and sixth diodes, a second terminal connected to the first terminal of the third switch device, and a third terminal connected to the midpoint of the tertiary winding of the first transformer, and the third terminal of the semiconductor device to be driven is connected to the junction of the first and second power supply capacitors and the midpoint of the secondary winding of the first transformer.

また、他の態様として、前記トランス部は、前記第1トランスと第2トランスとを備え、前記伝送部は、入力コンデンサと、前記入力コンデンサに接続された第1フルブリッジ回路と、前記第1フルブリッジ回路と前記第1トランスの一次巻線との間に接続された第1直流カット用コンデンサと、を有するON側伝送回路と、前記入力コンデンサに接続された第2フルブリッジ回路と、前記第2フルブリッジ回路と前記第2トランスの一次巻線との間に接続された第2直流カット用コンデンサと、を有するOFF側伝送回路と、を備え、前記駆動回路部は、前記1段目駆動回路~n段目駆動回路と、1段目OFF側駆動回路~n段目OFF側駆動回路と、を備え、前記1段目駆動回路~n段目駆動回路はそれぞれ、前記第1トランスの二次巻線の一端にアノードが接続された第1ダイオードと、前記第1トランスの二次巻線の他端にアノードが接続された第2ダイオードと、前記第1ダイオードのカソードと前記第2ダイオードのカソードにアノードが接続された第3ダイオードと、前記第3ダイオードのカソードと前記第1トランスの三次巻線の中点との間に直列接続された第1,第2電源キャパシタと、前記第1トランスの三次巻線の一端にアノードが接続された第4ダイオードと、前記第1トランスの三次巻線の他端にアノードが接続された第5ダイオードと、前記第4ダイオードのカソードと前記第5ダイオードのカソードにアノードが接続され、カソードが前記第1,第2電源キャパシタの接続点に接続された第6ダイオードと、前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に一端が接続され、前記第1トランスの三次巻線の中点に他端が接続された第1抵抗と、前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に一端が接続された第2抵抗と、第1端子が前記第2抵抗の他端に接続され、第2端子が前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点に接続され、第3端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続された第1スイッチデバイスと、第1端子が前記第2抵抗の他端に接続され、第2端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第2スイッチデバイスと、第2端子が前記第2抵抗の他端に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第3スイッチデバイスと、アノードが前記第3スイッチデバイスの第1端子に接続され、カソードが前記第6ダイオードのカソードに接続された第7ダイオードと、第1端子が前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第5スイッチデバイスと、を備え、駆動対象の前記半導体デバイスの第3端子は前記第1,第2電源キャパシタの接続点と前記第1トランスの二次巻線の中点に接続され、前記1段目OFF側駆動回路~n段目OFF側駆動回路はそれぞれ、前記第2トランスの二次巻線の一端にアノードが接続され、前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点にカソードが接続された第8ダイオードと、前記第2トランスの二次巻線の他端にアノードが接続され、前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点にカソードが接続された第9ダイオードと、前記第2トランスの三次巻線の一端にアノードが接続され、前記第3スイッチデバイスの第1端子にカソードが接続された第10ダイオードと、前記第2トランスの三次巻線の他端にアノードが接続され、前記第3スイッチデバイスの第1端子にカソードが接続された第11ダイオードと、を備え、前記第2トランスの二次巻線の中点が前記第1トランスの二次巻線の中点に接続され、前記第2トランスの三次巻線の中点が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続されたことを特徴とする。 In another aspect, the transformer unit includes the first transformer and the second transformer, the transmission unit includes an ON-side transmission circuit having an input capacitor, a first full bridge circuit connected to the input capacitor, and a first DC blocking capacitor connected between the first full bridge circuit and the primary winding of the first transformer, and an OFF-side transmission circuit having a second full bridge circuit connected to the input capacitor and a second DC blocking capacitor connected between the second full bridge circuit and the primary winding of the second transformer, and the drive circuit unit includes the first stage drive circuit to the nth stage drive circuit and the first stage OFF-side drive circuit to the nth stage OFF-side drive circuit, and the first stage drive circuit to the nth stage drive circuit each include a first diode having an anode connected to one end of the secondary winding of the first transformer, a second diode having an anode connected to the other end of the secondary winding of the first transformer, and the a third diode having an anode connected to the cathode of the first diode and the cathode of the second diode, first and second power supply capacitors connected in series between the cathode of the third diode and a midpoint of the tertiary winding of the first transformer, a fourth diode having an anode connected to one end of the tertiary winding of the first transformer, a fifth diode having an anode connected to the other end of the tertiary winding of the first transformer, a sixth diode having an anode connected to the cathode of the fourth diode and the cathode of the fifth diode and a cathode connected to a junction point of the first and second power supply capacitors, a first resistor having one end connected to the junction point of the fourth, fifth and sixth diodes and the other end connected to the midpoint of the tertiary winding of the first transformer, a second resistor having one end connected to the junction point of the first, second and third diodes, and a first terminal connected to the other end of the second resistor and a second terminal connected to the junction point of the third diode and the first power supply capacitor. a first switch device connected to the other end of the second resistor, a second terminal connected to the first terminal of the semiconductor device to be driven, and a third terminal connected to a midpoint of a tertiary winding of the first transformer; a third switch device having a second terminal connected to the other end of the second resistor and a third terminal connected to the midpoint of the tertiary winding of the first transformer; a seventh diode having an anode connected to the first terminal of the third switch device and a cathode connected to the cathode of the sixth diode; and a fifth switch device having a first terminal connected to a junction point of the fourth, fifth, and sixth diodes and a third terminal connected to the midpoint of the tertiary winding of the first transformer, Each of the first stage OFF side drive circuit to the nth stage OFF side drive circuit includes an eighth diode having an anode connected to one end of the secondary winding of the second transformer and a cathode connected to the connection point between the third diode and the first power supply capacitor, a ninth diode having an anode connected to the other end of the secondary winding of the second transformer and a cathode connected to the connection point between the third diode and the first power supply capacitor, a tenth diode having an anode connected to one end of the tertiary winding of the second transformer and a cathode connected to the first terminal of the third switch device, and an eleventh diode having an anode connected to the other end of the tertiary winding of the second transformer and a cathode connected to the first terminal of the third switch device, and characterized in that the midpoint of the secondary winding of the second transformer is connected to the midpoint of the secondary winding of the first transformer, and the midpoint of the tertiary winding of the second transformer is connected to the midpoint of the tertiary winding of the first transformer.

また、その一態様として、前記第5スイッチデバイスの第2端子と前記第3スイッチデバイスの第1端子との間に第3抵抗が接続されたことを特徴とする。 In one embodiment, a third resistor is connected between the second terminal of the fifth switch device and the first terminal of the third switch device.

また、その一態様として、前記第1スイッチデバイスと前記第1電源キャパシタとの間に第1電圧調整機構を設け、前記第2スイッチデバイスと前記第2電源キャパシタとの間に第2電圧調整機構を設けたことを特徴とする。 In one aspect, a first voltage adjustment mechanism is provided between the first switch device and the first power supply capacitor, and a second voltage adjustment mechanism is provided between the second switch device and the second power supply capacitor.

また、その一態様として、前記第1,第2電圧調整機構は、第2端子が前記第1電源キャパシタまたは前記第2電源キャパシタに接続され、第3端子が前記第1スイッチデバイスまたは前記第2スイッチデバイスに接続された半導体素子と、前記第1,第2電源キャパシタの接続点に一端が接続された基準電圧と、前記基準電圧の一端に接続された第6抵抗と、前記第6抵抗の他端と、前記第1スイッチデバイスまたは前記第2スイッチデバイスとの間に接続された第7抵抗と、前記基準電圧の他端と前記第6,第7抵抗の接続点を入力端子とし、出力端子が前記半導体素子の第1端子に接続された増幅回路と、を備えたことを特徴とする。 In one aspect, the first and second voltage adjustment mechanisms include a semiconductor element having a second terminal connected to the first power supply capacitor or the second power supply capacitor and a third terminal connected to the first switch device or the second switch device, a reference voltage having one end connected to the connection point between the first and second power supply capacitors, a sixth resistor connected to one end of the reference voltage, a seventh resistor connected between the other end of the sixth resistor and the first switch device or the second switch device, and an amplifier circuit having an input terminal that is the connection point between the other end of the reference voltage and the sixth and seventh resistors and an output terminal connected to the first terminal of the semiconductor element.

また、その一態様として、第1,第2フルブリッジ回路は、前記入力コンデンサの両端間に直列接続された第1,第2半導体スイッチと、前記入力コンデンサの両端間に直列接続された第3,第4半導体スイッチと、を備え、前記第3,第4半導体スイッチの接続点は前記第1直流カット用コンデンサまたは第2直流カット用コンデンサを介して前記第1トランスの一次巻線の一端または第2トランスの一次巻線の一端に接続され、前記第1,第2半導体スイッチの接続点は前記第1トランスの一次巻線の他端または前記第2トランスの一次巻線の他端に接続され、制御回路は、前記第1,第2直流カット用コンデンサの電圧が正の場合は前記第1,第4半導体スイッチをONとし、前記第2,第3半導体スイッチをOFFとし、前記第1,第2直流カット用コンデンサの電圧が負の場合は前記第1,第4半導体スイッチをOFFとし、前記第2,第3半導体スイッチをONとすることを特徴とする。 In one aspect, the first and second full bridge circuits include first and second semiconductor switches connected in series across the input capacitor, and third and fourth semiconductor switches connected in series across the input capacitor, and the connection point of the third and fourth semiconductor switches is connected to one end of the primary winding of the first transformer or one end of the primary winding of the second transformer via the first DC cut capacitor or the second DC cut capacitor, and the connection point of the first and second semiconductor switches is connected to the other end of the primary winding of the first transformer or the other end of the primary winding of the second transformer, and the control circuit turns the first and fourth semiconductor switches ON and turns the second and third semiconductor switches OFF when the voltages of the first and second DC cut capacitors are positive, and turns the first and fourth semiconductor switches OFF and the second and third semiconductor switches ON when the voltages of the first and second DC cut capacitors are negative.

また、その一態様として、前記第1,第2直流カット用コンデンサの電圧は、ローパスフィルタ処理または移動平均処理した値であることを特徴とする。 In one aspect, the voltages of the first and second DC blocking capacitors are low-pass filtered or moving average processed values.

また、その一態様として、前記第1,第2直流カット用コンデンサの電圧のサンプリングのタイミングはキャリアの頂点のタイミングとし、前記第1~第4半導体スイッチのスイッチングのタイミングは前記キャリアの0クロスのタイミングとすることを特徴とする。 In one aspect, the timing for sampling the voltages of the first and second DC blocking capacitors is set to the timing of the peak of the carrier, and the timing for switching the first to fourth semiconductor switches is set to the timing of the zero crossing of the carrier.

また、他の態様として、第1,第2フルブリッジ回路は、前記入力コンデンサの両端間に直列接続された第1,第2半導体スイッチと、前記入力コンデンサの両端間に直列接続された第3,第4半導体スイッチと、を備え、前記第3,第4半導体スイッチの接続点は前記第1直流カット用コンデンサまたは第2直流カット用コンデンサを介して前記第1トランスの一次巻線の一端または第2トランスの一次巻線の一端に接続され、前記第1,第2半導体スイッチの接続点は前記第1トランスの一次巻線の他端または前記第2トランスの一次巻線の他端に接続され、制御回路は、入力される電圧により発信周波数を制御する電圧制御型発信器と、前記ゲート指令のオフ時における前記電圧制御型発信器の出力の位相情報をサンプルホールドし、サンプル位相情報として出力するサンプルホールド回路と、前記サンプル位相情報がπ以上2π未満の場合は2πを位相指令値として出力し、前記サンプル位相情報が0以上π未満の場合は0を前記位相指令値として出力する位相判定部と、前記位相指令値と前記サンプル位相情報に基づいてPI制御を行い、PI制御の結果である電圧を前記電圧制御型発信器に出力するPI制御器と、を備え、前記電圧制御型発信器の出力が正の場合は前記第1,第4半導体スイッチをONとし、前記第2,第3半導体スイッチをOFFとし、前記電圧制御型発信器の出力が負の場合は前記第1,第4半導体スイッチをOFFとし、前記第2,第3半導体スイッチをONとすることを特徴とする。 In another embodiment, the first and second full bridge circuits include first and second semiconductor switches connected in series between both ends of the input capacitor, and third and fourth semiconductor switches connected in series between both ends of the input capacitor, and a connection point between the third and fourth semiconductor switches is connected to one end of the primary winding of the first transformer or one end of the primary winding of the second transformer via the first DC blocking capacitor or the second DC blocking capacitor, and the connection point between the first and second semiconductor switches is connected to the other end of the primary winding of the first transformer or the other end of the primary winding of the second transformer, and the control circuit includes a voltage-controlled oscillator that controls an oscillation frequency by an input voltage, and a phase of the output of the voltage-controlled oscillator when the gate command is off. The device is equipped with a sample-and-hold circuit that samples and holds information and outputs it as sample phase information, a phase determination unit that outputs 2π as a phase command value when the sample phase information is π or more and less than 2π, and outputs 0 as the phase command value when the sample phase information is 0 or more and less than π, and a PI controller that performs PI control based on the phase command value and the sample phase information and outputs a voltage that is the result of the PI control to the voltage-controlled oscillator, and is characterized in that when the output of the voltage-controlled oscillator is positive, the first and fourth semiconductor switches are turned ON and the second and third semiconductor switches are turned OFF, and when the output of the voltage-controlled oscillator is negative, the first and fourth semiconductor switches are turned OFF and the second and third semiconductor switches are turned ON.

また、その一態様として、前記制御回路は、前記第1直流カット用コンデンサまたは前記第2直流カット用コンデンサの電圧指令値と電圧検出値との差分に基づいてPI制御を行うコンデンサ電圧フィードバック部を備え、前記PI制御器は、前記位相指令値と前記コンデンサ電圧フィードバック部の出力を加算した値から前記サンプル位相情報を減算した値に基づいてPI制御を行うことを特徴とする。 In one aspect, the control circuit includes a capacitor voltage feedback unit that performs PI control based on the difference between the voltage command value and the voltage detection value of the first DC blocking capacitor or the second DC blocking capacitor, and the PI controller performs PI control based on a value obtained by subtracting the sample phase information from a value obtained by adding the phase command value and the output of the capacitor voltage feedback unit.

また、他の態様として、前記制御回路は、前記第1直流カット用コンデンサまたは前記第2直流カット用コンデンサの電流指令値と電流検出値との差分に基づいてPI制御を行うコンデンサ電流フィードバック部を備え、前記PI制御器は、前記位相指令値と前記コンデンサ電流フィードバック部の出力を加算した値から前記サンプル位相情報を減算した値に基づいてPI制御を行うことを特徴とする。 In another aspect, the control circuit includes a capacitor current feedback unit that performs PI control based on the difference between the current command value and the current detection value of the first DC cutting capacitor or the second DC cutting capacitor, and the PI controller performs PI control based on a value obtained by subtracting the sample phase information from a value obtained by adding the phase command value and the output of the capacitor current feedback unit.

また、その一態様として、前記電圧制御型発信器は、入力端子に一端が接続された第8抵抗と、入力端子に一端が接続された第9抵抗と、前記第8抵抗の他端に一方の入力端子が接続され、前記第9抵抗の他端に他方の入力端子が接続された第1コンパレータと、前記第1コンパレータの一方の入力端子と出力端子との間に接続されたコンデンサと、前記第1コンパレータの一方の入力端子に一端が接続された第10抵抗と、前記第10抵抗の他端に第2端子が接続され、第3端子が接地された半導体スイッチと、前記第1コンパレータの他方の入力端子と前記半導体スイッチの第3端子との間に接続された第11抵抗と、前記第1コンパレータの出力に一方の入力端子が接続された第2コンパレータと、前記第2コンパレータの他方の入力端子に一端が接続され、他端が接地された第12抵抗と、前記第2コンパレータの出力端子と他方の入力端子との間に接続された第13抵抗と、前記半導体デバイスの第1端子と前記第2コンパレータの出力端子との間に接続された第14抵抗と、前記第2コンパレータの出力に応じてduty比を補正するduty比補正部と、を備えたことを特徴とする。 In one embodiment, the voltage-controlled oscillator includes an eighth resistor having one end connected to the input terminal, a ninth resistor having one end connected to the input terminal, a first comparator having one input terminal connected to the other end of the eighth resistor and the other input terminal connected to the other end of the ninth resistor, a capacitor connected between one input terminal and an output terminal of the first comparator, a tenth resistor having one end connected to one input terminal of the first comparator, a semiconductor switch having a second terminal connected to the other end of the tenth resistor and a third terminal grounded, and a second input terminal of the first comparator. The semiconductor device is characterized by comprising an 11th resistor connected between the terminal and the third terminal of the semiconductor switch, a second comparator having one input terminal connected to the output of the first comparator, a 12th resistor having one end connected to the other input terminal of the second comparator and the other end grounded, a 13th resistor connected between the output terminal of the second comparator and the other input terminal, a 14th resistor connected between the first terminal of the semiconductor device and the output terminal of the second comparator, and a duty ratio correction unit that corrects the duty ratio according to the output of the second comparator.

本発明によれば、ゲート駆動回路において、高圧回路と低圧回路の絶縁を維持しつつ、負バイアスを印加することができ、かつ、安価で小型化を実現することが可能となる。 The present invention makes it possible to apply a negative bias to a gate drive circuit while maintaining insulation between the high-voltage circuit and the low-voltage circuit, and to achieve a low-cost and compact design.

実施形態1におけるゲート駆動回路を示す回路構成図。FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of a gate drive circuit according to the first embodiment. 実施形態1の動作例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an operation example of the first embodiment. 実施形態2におけるゲート駆動回路を示す回路構成図。FIG. 11 is a circuit diagram showing a gate drive circuit according to a second embodiment. 実施形態2の動作例を示す図。FIG. 11 is a diagram showing an operation example of the second embodiment. 実施形態3におけるゲート駆動回路を示す回路構成図。FIG. 11 is a circuit diagram showing a gate drive circuit according to a third embodiment. レギュレータの構成例を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a regulator. 直流カット用コンデンサ電圧Vcの動作への影響を示す図。FIG. 13 is a diagram showing the influence of a DC blocking capacitor voltage Vc on the operation. 実施形態4における制御回路のブロック図。FIG. 13 is a block diagram of a control circuit according to a fourth embodiment. 実施形態5における制御回路のブロック図。FIG. 13 is a block diagram of a control circuit according to a fifth embodiment. 実施形態6における制御回路のブロック図。FIG. 13 is a block diagram of a control circuit according to a sixth embodiment. 実施形態7における制御回路のブロック図。FIG. 23 is a block diagram of a control circuit according to a seventh embodiment. VCOの構成例を示す図。FIG. 2 shows an example of the configuration of a VCO. VCOの特性例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an example of characteristics of a VCO. 実施形態8における制御回路のブロック図。FIG. 23 is a block diagram of a control circuit according to an eighth embodiment. 実施形態9における制御回路のブロック図。FIG. 13 is a block diagram of a control circuit according to a ninth embodiment. 特許文献1の回路構成図。FIG. 1 is a circuit configuration diagram of Patent Document 1.

以下、本願発明におけるゲート駆動回路の実施形態1~実施形態9を図1~図15に基づいて詳述する。 Below, embodiments 1 to 9 of the gate drive circuit of the present invention will be described in detail with reference to Figures 1 to 15.

[実施形態1]
図1に本実施形態1におけるゲート駆動回路の回路構成例を示す。図1はn個の駆動対象の半導体デバイス1~nが直列に接続された構成を表しており、nは任意の自然数(1,2,3…n)とする。ゲート駆動回路は、ゲート信号及び電力を伝送する伝送部と、第1トランスTr1を有するトランス部と、n個の半導体デバイスをそれぞれ制御する1段目駆動回路11~n段目駆動回路1nを有する駆動回路部と、を備える。1段目駆動回路11~n段目駆動回路1nの構成は同様のものである。
[Embodiment 1]
Fig. 1 shows an example of the circuit configuration of the gate drive circuit in the first embodiment. Fig. 1 shows a configuration in which n semiconductor devices 1 to n to be driven are connected in series, where n is any natural number (1, 2, 3, ... n). The gate drive circuit includes a transmission section that transmits gate signals and power, a transformer section having a first transformer Tr1, and a drive circuit section having a first stage drive circuit 11 to nth stage drive circuit 1n that respectively control the n semiconductor devices. The first stage drive circuit 11 to nth stage drive circuit 1n have the same configuration.

本実施形態1の伝送部は伝送回路10を備える。伝送回路10は、入力コンデンサVinの両端間に第1,第2半導体スイッチS1,S2が直列接続される。また、入力コンデンサVinの両端間には第3,第4半導体スイッチS3,S4が直列接続される。第1~第4半導体スイッチS1~S4を第1フルブリッジ回路とする。第3,第4半導体スイッチS3,S4の接続点には第1直流カット用コンデンサC1の一端が接続され、第1直流カット用コンデンサC1の他端には第1トランスTr1の一次巻線の一端が接続される。第1,第2半導体スイッチS1,S2の接続点は第1トランスTr1の一次巻線の他端に接続される。駆動対象の半導体デバイス1~nのゲート指令に基づいて、第1~第4半導体スイッチS1~S4のスイッチングパターンを生成する。 The transmission section of the first embodiment includes a transmission circuit 10. In the transmission circuit 10, first and second semiconductor switches S1 and S2 are connected in series across the input capacitor Vin. Third and fourth semiconductor switches S3 and S4 are connected in series across the input capacitor Vin. The first to fourth semiconductor switches S1 to S4 form a first full bridge circuit. One end of the first DC blocking capacitor C1 is connected to the connection point of the third and fourth semiconductor switches S3 and S4, and one end of the primary winding of the first transformer Tr1 is connected to the other end of the first DC blocking capacitor C1. The connection point of the first and second semiconductor switches S1 and S2 is connected to the other end of the primary winding of the first transformer Tr1. A switching pattern of the first to fourth semiconductor switches S1 to S4 is generated based on the gate command of the semiconductor devices 1 to n to be driven.

1段目駆動回路11は、第1トランスTr1の二次巻線の一端に第1ダイオードD1のアノードが接続される。第1トランスTr1の二次巻線の他端に第2ダイオードD2のアノードが接続される。第1ダイオードD1のカソードと第2ダイオードD2のカソードに第3ダイオードD3のアノードが接続される。第3ダイオードD3のカソードと第1トランスTr1の三次巻線の中点との間に第1,第2電源キャパシタC11,C21が直列接続される。 In the first stage drive circuit 11, the anode of the first diode D1 is connected to one end of the secondary winding of the first transformer Tr1. The anode of the second diode D2 is connected to the other end of the secondary winding of the first transformer Tr1. The anode of the third diode D3 is connected to the cathode of the first diode D1 and the cathode of the second diode D2. The first and second power supply capacitors C11 and C21 are connected in series between the cathode of the third diode D3 and the midpoint of the tertiary winding of the first transformer Tr1.

第1トランスTr1の三次巻線の一端に第4ダイオードD4のアノードが接続される。第1トランスTr1の三次巻線の他端に第5ダイオードD5のアノードが接続される。第4ダイオードD4のカソードと第5ダイオードD5のカソードは第6ダイオードD6のアノードが接続される。第6ダイオードD6のカソードは第1,第2電源キャパシタC11,C21の接続点に接続される。第1抵抗R1は、第4,第5,第6ダイオードD4,D5,D6の接続点に一端が接続され、第1トランスTrの三次巻線の中点に他端が接続される。 The anode of the fourth diode D4 is connected to one end of the tertiary winding of the first transformer Tr1. The anode of the fifth diode D5 is connected to the other end of the tertiary winding of the first transformer Tr1. The cathode of the fourth diode D4 and the cathode of the fifth diode D5 are connected to the anode of the sixth diode D6. The cathode of the sixth diode D6 is connected to the connection point of the first and second power supply capacitors C11 and C21. The first resistor R1 has one end connected to the connection point of the fourth, fifth, and sixth diodes D4, D5, and D6, and the other end connected to the midpoint of the tertiary winding of the first transformer Tr.

第1スイッチデバイスFET1は、第1端子(ゲート端子)が第1,第2,第3ダイオードD1,D2,D3の接続点に接続され、第2端子(ドレイン端子)が第3ダイオードD3と第1電源キャパシタC11の接続点に接続され、第3端子(ソース端子)が駆動対象の半導体デバイス1の第1端子(ゲート端子)に接続される。 The first switch device FET1 has a first terminal (gate terminal) connected to the connection point of the first, second, and third diodes D1, D2, and D3, a second terminal (drain terminal) connected to the connection point of the third diode D3 and the first power supply capacitor C11, and a third terminal (source terminal) connected to the first terminal (gate terminal) of the semiconductor device 1 to be driven.

第2スイッチデバイスFET2は、第1端子(ゲート端子)が第1,第2,第3ダイオードD1,D2,D3の接続点に接続され、第2端子(ドレイン端子)が駆動対象の半導体デバイス1の第1端子(ゲート端子)に接続され、第3端子(ソース端子)が第1トランスTrの三次巻線の中点に接続される。 The second switch device FET2 has a first terminal (gate terminal) connected to the connection point of the first, second, and third diodes D1, D2, and D3, a second terminal (drain terminal) connected to the first terminal (gate terminal) of the semiconductor device 1 to be driven, and a third terminal (source terminal) connected to the midpoint of the tertiary winding of the first transformer Tr.

第3スイッチデバイスFET3は、第2端子(ドレイン端子)が第1,第2,第3ダイオードD1,D2,D3の接続点に接続され、第3端子(ソース端子)が第1トランスTrの三次巻線の中点に接続される。 The third switch device FET3 has a second terminal (drain terminal) connected to the connection point of the first, second, and third diodes D1, D2, and D3, and a third terminal (source terminal) connected to the midpoint of the tertiary winding of the first transformer Tr.

第4スイッチデバイスFET4は、第1端子(ゲート端子)が第4,第5,第6ダイオードD4,D5,D6の接続点に接続され、第2端子(ドレイン端子)が第6ダイオードD6のカソードに接続され、第3端子(ソース端子)が第3スイッチデバイスFET3の第1端子(ゲート端子)に接続される。 The fourth switch device FET4 has a first terminal (gate terminal) connected to the connection point of the fourth, fifth, and sixth diodes D4, D5, and D6, a second terminal (drain terminal) connected to the cathode of the sixth diode D6, and a third terminal (source terminal) connected to the first terminal (gate terminal) of the third switch device FET3.

第5スイッチデバイスFET5は、第1端子(ゲート端子)が第4,第5,第6ダイオードD4,D5,D6の接続点に接続され、第2端子(ドレイン端子)が第3スイッチデバイスFET3の第1端子(ゲート端子)に接続され、第3端子(ソース端子)が第1トランスTrの三次巻線の中点に接続される。駆動対象の半導体デバイスの第3端子(ソース端子)は第1,第2電源キャパシタC11,C21と第1トランスTr1の二次巻線の中点に接続される。 The fifth switch device FET5 has a first terminal (gate terminal) connected to the connection point of the fourth, fifth, and sixth diodes D4, D5, and D6, a second terminal (drain terminal) connected to the first terminal (gate terminal) of the third switch device FET3, and a third terminal (source terminal) connected to the midpoint of the tertiary winding of the first transformer Tr. The third terminal (source terminal) of the semiconductor device to be driven is connected to the midpoint of the first and second power supply capacitors C11 and C21 and the secondary winding of the first transformer Tr1.

2段目駆動回路12~n段目駆動回路1nも1段目駆動回路11と同様である。 The second stage drive circuit 12 to the nth stage drive circuit 1n are similar to the first stage drive circuit 11.

伝送回路10では1段目駆動回路11からn段目駆動回路1nにゲート指令及び電力を伝送し、1段目駆動回路11の電源キャパシタC11,C21からn段目駆動回路1nの電源キャパシタC1n,C2nを充電すると同時に駆動対象の半導体デバイス1~nの導通状態を制御する。 The transmission circuit 10 transmits gate commands and power from the first stage drive circuit 11 to the nth stage drive circuit 1n, and charges the power supply capacitors C1n and C2n of the nth stage drive circuit 1n from the power supply capacitors C11 and C21 of the first stage drive circuit 11, while at the same time controlling the conduction state of the semiconductor devices 1 to n to be driven.

第1電源キャパシタC11~C1n及び第2電源キャパシタC21~C2nの充電電圧は第1トランスTrの一次巻線と二次巻線及び三次巻線の巻数比を変えることで任意の値に設定することが可能である。また、第1トランスTrを用いることで高圧側と低圧側を電気的に絶縁することが可能である。 The charging voltage of the first power supply capacitors C11 to C1n and the second power supply capacitors C21 to C2n can be set to any value by changing the turn ratio of the primary winding, secondary winding, and tertiary winding of the first transformer Tr. In addition, by using the first transformer Tr, it is possible to electrically insulate the high voltage side from the low voltage side.

また、一般的に、ゲートに対して印加する電圧はドレイン-ソース間の耐圧の数10分の1の電圧である。第1電源キャパシタC11~C1n,第2電源キャパシタC21~C2nに印加される電圧はゲートに印加する電圧によって設定することから、構成する第1~第5スイッチデバイスFET1~FET5の耐圧もそれに伴い低く設定できるため特許文献1と比較して低コスト化、小型化を実現できる。 In addition, the voltage applied to the gate is generally a few tenths of the withstand voltage between the drain and source. Since the voltages applied to the first power supply capacitors C11 to C1n and the second power supply capacitors C21 to C2n are set by the voltage applied to the gate, the withstand voltages of the first to fifth switch devices FET1 to FET5 that constitute them can be set accordingly low, which allows for lower costs and smaller size compared to Patent Document 1.

1段目~n段目駆動回路11~1nは伝送回路10が動作している間、駆動対象の半導体デバイス1~nを導通させるように動作し、伝送回路10の動作が停止したときに駆動対象の半導体デバイス1~nをオフさせるように動作する。動作チャートを図2に示す。以降では駆動対象の半導体デバイス1のON,OFF動作に焦点を当て説明する。 The first to nth stage drive circuits 11 to 1n operate to energize the semiconductor devices 1 to n to be driven while the transmission circuit 10 is operating, and operate to turn off the semiconductor devices 1 to n to be driven when the operation of the transmission circuit 10 stops. An operation chart is shown in Figure 2. The following explanation focuses on the ON/OFF operation of the semiconductor device 1 to be driven.

駆動対象の半導体デバイス1のゲート指令がhighになると伝送回路10が動作を開始し、1段目駆動回路11に電力を伝送する。すると、第1スイッチデバイスFET1および第5スイッチデバイスFET5が導通し、駆動対象の半導体デバイス1には第1電源キャパシタC11が並列に接続され、駆動対象の半導体デバイス1が導通する。 When the gate command of the semiconductor device 1 to be driven becomes high, the transmission circuit 10 starts operating and transmits power to the first stage drive circuit 11. Then, the first switch device FET1 and the fifth switch device FET5 become conductive, the first power supply capacitor C11 is connected in parallel to the semiconductor device 1 to be driven, and the semiconductor device 1 to be driven becomes conductive.

駆動対象の半導体デバイス1のゲート指令がlowになると伝送回路10が動作を停止し、1段目駆動回路11への電力伝送を停止する。すると、第2,第3,第4スイッチデバイスFET2,FET3,FET4が導通し、駆動対象の半導体デバイス1には第2電源キャパシタC21が逆並列に接続され、第2電源キャパシタC21の充電電圧と等しい電圧がマイナス電圧として印加されるため、駆動対象の半導体素デバイス1がオフする。2段目~n段目駆動回路12~1nも同様な動作をするため駆動対象の半導体デバイス2~nのON,OFFを制御することが可能となる。 When the gate command for the semiconductor device 1 to be driven goes low, the transmission circuit 10 stops operating and stops transmitting power to the first stage drive circuit 11. Then, the second, third and fourth switch devices FET2, FET3 and FET4 become conductive, the second power supply capacitor C21 is connected in inverse parallel to the semiconductor device 1 to be driven, and a voltage equal to the charging voltage of the second power supply capacitor C21 is applied as a negative voltage, turning off the semiconductor device 1 to be driven. The second to nth stage drive circuits 12 to 1n also operate in a similar manner, making it possible to control the ON and OFF of the semiconductor devices 2 to n to be driven.

したがって、高圧回路と低圧回路の絶縁を維持しつつ、バイポーラ出力が可能で、負バイアスを印加することができ、かつ、安価で小型なゲート駆動回路を実現できる。 This allows for bipolar output while maintaining insulation between the high-voltage and low-voltage circuits, and allows for the application of a negative bias, while also realizing an inexpensive, compact gate drive circuit.

[実施形態2]
図3に本実施形態2におけるゲート駆動回路の回路構成例を示す。図3はn個の駆動対象の半導体デバイス1~nが直列に接続された構成を表しており、nは任意の自然数(1,2,3,…,n)とする。
[Embodiment 2]
Fig. 3 shows an example of the circuit configuration of the gate drive circuit in the present embodiment 2. Fig. 3 shows a configuration in which n semiconductor devices 1 to n to be driven are connected in series, where n is an arbitrary natural number (1, 2, 3, ..., n).

図3中のA1,B1,C1,D1,…,An,Bn,Cn,Dnはそれぞれ配線の接続先を表し、A1はA1,B1はB1にというようにそれぞれ対応した番号に接続される。 In Figure 3, A1, B1, C1, D1, ..., An, Bn, Cn, and Dn each represent the destination of the wiring, and A1 is connected to A1, B1 is connected to B1, and so on.

本実施形態2のトランス部は、第1トランスTr1と第2トランスTr2とを備える。伝送回路部は、ON側伝送回路10aとOFF側伝送回路10bと、を備える。駆動回路部は、1段目ON側駆動回路(1段目駆動回路)11a~n段目ON側駆動回路(n段目駆動回路)1naと、1段目OFF側駆動回路11b~n段目OFF側駆動回路1nbと、を備える。 The transformer section of the second embodiment includes a first transformer Tr1 and a second transformer Tr2. The transmission circuit section includes an ON-side transmission circuit 10a and an OFF-side transmission circuit 10b. The drive circuit section includes a first-stage ON-side drive circuit (first-stage drive circuit) 11a to an n-th stage ON-side drive circuit (n-th stage drive circuit) 1na, and a first-stage OFF-side drive circuit 11b to an n-th stage OFF-side drive circuit 1nb.

1段目ON側駆動回路11aと2段目~n段目ON側駆動回路12a~1naの構成は同様のものであり、1段目OFF側駆動回路11bと2段目~n段目OFF側駆動回路12b~1nbの構成は同様のものである。本実施形態2は、駆動対象の半導体デバイス1~nのオン指令とオフ指令をそれぞれ別々に送信する点に特徴がある。これにより構成する素子の特性に依存することなく駆動対象の半導体デバイス1~nのオンとオフを制御できるため実施形態1よりも高速に動作することが可能となる。 The first stage ON side drive circuit 11a and the second stage to nth stage ON side drive circuits 12a to 1na have the same configuration, and the first stage OFF side drive circuit 11b and the second stage to nth stage OFF side drive circuits 12b to 1nb have the same configuration. The second embodiment is characterized in that it transmits ON and OFF commands separately for the semiconductor devices 1 to n to be driven. This makes it possible to control the ON and OFF of the semiconductor devices 1 to n to be driven without relying on the characteristics of the constituent elements, making it possible to operate faster than the first embodiment.

図3に示すように、ON側伝送回路10aは、実施形態1の伝送回路10と同様である。駆動対象の半導体デバイス1~nのゲートON指令に基づいて第1~第4半導体スイッチS1~S4のスイッチングパターンを生成する。 As shown in FIG. 3, the ON-side transmission circuit 10a is similar to the transmission circuit 10 of the first embodiment. It generates switching patterns for the first to fourth semiconductor switches S1 to S4 based on the gate ON command of the semiconductor devices 1 to n to be driven.

OFF側伝送回路10bは、入力コンデンサVinの両端間に、第1,第2半導体スイッチS1c、S2cが直列接続される。また、入力コンデンサVinの両端間に第3,第4半導体スイッチS3c、S4cが直列接続される。第3,第4半導体スイッチS3c,S4cの接続点には第2直流カット用コンデンサC2の一端が接続される。第2直流カット用コンデンサC2の他端には第2トランスTr2の一次巻線の一端が接続される。第1,第2半導体スイッチS1c,S2cの接続点は、第2トランスTr2の一次巻線の他端に接続される。 In the OFF-side transmission circuit 10b, the first and second semiconductor switches S1c and S2c are connected in series across the input capacitor Vin. In addition, the third and fourth semiconductor switches S3c and S4c are connected in series across the input capacitor Vin. One end of the second DC blocking capacitor C2 is connected to the connection point of the third and fourth semiconductor switches S3c and S4c. One end of the primary winding of the second transformer Tr2 is connected to the other end of the second DC blocking capacitor C2. The connection point of the first and second semiconductor switches S1c and S2c is connected to the other end of the primary winding of the second transformer Tr2.

駆動対象の半導体デバイス1~nのゲートOFF指令に基づいて第1~第4半導体スイッチS1c~S4cのスイッチングパターンを生成する。 The switching patterns of the first to fourth semiconductor switches S1c to S4c are generated based on the gate OFF command of the semiconductor devices 1 to n to be driven.

次に、1段目ON側駆動回路11aについて、実施形態1の1段目駆動回路11との相違点のみ説明する。第1,第2,第3ダイオードD1,D2,D3の接続点と第1,第2スイッチデバイスFET1,FET2の第1端子(ゲート端子)との間には、第2抵抗R2が接続される。また、第4スイッチデバイスFET4の代わりに、第7ダイオードD7を設ける。第7ダイオードD7のアノードは、第3スイッチデバイスFET3の第1端子(ゲート端子)に接続され、第7ダイオードD7のカソードは第6ダイオードD6のカソードに接続される。また、第3スイッチデバイスFET3の第1端子(ゲート端子)と第5スイッチデバイスFET5の第2端子(ドレイン端子)との間には第3抵抗R3が接続される。なお、第3抵抗R3は省略してもよい。第3抵抗R3を省略した場合はショート回路として動作する。 Next, the first stage ON side drive circuit 11a will be described with respect to only the differences from the first stage drive circuit 11 of the first embodiment. A second resistor R2 is connected between the connection point of the first, second, and third diodes D1, D2, and D3 and the first terminals (gate terminals) of the first and second switch devices FET1 and FET2. A seventh diode D7 is provided instead of the fourth switch device FET4. The anode of the seventh diode D7 is connected to the first terminal (gate terminal) of the third switch device FET3, and the cathode of the seventh diode D7 is connected to the cathode of the sixth diode D6. A third resistor R3 is connected between the first terminal (gate terminal) of the third switch device FET3 and the second terminal (drain terminal) of the fifth switch device FET5. The third resistor R3 may be omitted. When the third resistor R3 is omitted, the circuit operates as a short circuit.

1段目OFF駆動回路11bは、第2トランスTr2の二次巻線の一端に第8ダイオードD8のアノードが接続される。第2トランスTr2の二次巻線の他端に第9ダイオードD9のアノードが接続される。第8ダイオードD8のカソードと第9ダイオードD9のカソードは接続され、その接続点はD1となる。D1は第3ダイオードD3と第1電源キャパシタC11の接続点に接続される。また、第2トランスTr2の二次巻線の中点はC1となる。C1は、第1トランスTr1の二次巻線の中点に接続される。 In the first stage OFF drive circuit 11b, the anode of the eighth diode D8 is connected to one end of the secondary winding of the second transformer Tr2. The anode of the ninth diode D9 is connected to the other end of the secondary winding of the second transformer Tr2. The cathode of the eighth diode D8 and the cathode of the ninth diode D9 are connected, and the connection point is D1. D1 is connected to the connection point of the third diode D3 and the first power supply capacitor C11. In addition, the midpoint of the secondary winding of the second transformer Tr2 is C1. C1 is connected to the midpoint of the secondary winding of the first transformer Tr1.

第2トランスTr2の三次巻線の一端に第10ダイオードD10のアノードが接続される。第2トランスTr2の三次巻線の他端に第11ダイオードD11のアノードが接続される。第10ダイオードD10のカソードと第11ダイオードD11のカソードは接続され、その接続点はA1となる。A1は、第3スイッチデバイスFET3の第1端子(ゲート端子)に接続される。また、第2トランスTr2の三次巻線の中点はB1となる。B1は、第1トランスTr1の三次巻線の中点に接続される。 The anode of the tenth diode D10 is connected to one end of the tertiary winding of the second transformer Tr2. The anode of the eleventh diode D11 is connected to the other end of the tertiary winding of the second transformer Tr2. The cathode of the tenth diode D10 and the cathode of the eleventh diode D11 are connected, and the connection point is A1. A1 is connected to the first terminal (gate terminal) of the third switch device FET3. In addition, the midpoint of the tertiary winding of the second transformer Tr2 is B1. B1 is connected to the midpoint of the tertiary winding of the first transformer Tr1.

ON側伝送回路10aでは、1段目ON側駆動回路11aからn段目ON側駆動回路1naにゲートON指令及び電力を伝送し、1段目ON側駆動回路11aの第1電源キャパシタC11,第2電源キャパシタC21からn段目ON側駆動回路1naの第1電源キャパシタC1n,第2電源キャパシタC2nを充電すると同時に駆動対象の半導体デバイス1~nを導通状態に制御する。 The ON-side transmission circuit 10a transmits a gate ON command and power from the first-stage ON-side drive circuit 11a to the n-th stage ON-side drive circuit 1na, and charges the first power supply capacitor C1n and second power supply capacitor C2n of the n-th stage ON-side drive circuit 1na from the first power supply capacitor C11 and second power supply capacitor C21 of the first-stage ON-side drive circuit 11a, while simultaneously controlling the semiconductor devices 1 to n to be driven to a conductive state.

OFF側伝送回路10bでは1段目OFF側駆動回路11bからn段目OFF側駆動回路1nbにゲートOFF指令及び電力を伝送し、1段目ON側駆動回路11aの第1電源キャパシタC11,第2電源キャパシタC21からn段目ON側駆動回路1naの第1電源キャパシタC1n,第2電源キャパシタC2nを充電すると同時に駆動対象の半導体デバイス1~nを非導通状態に制御する。 The OFF-side transmission circuit 10b transmits a gate OFF command and power from the first-stage OFF-side drive circuit 11b to the n-th stage OFF-side drive circuit 1nb, and charges the first power supply capacitor C1n and second power supply capacitor C2n of the n-th stage ON-side drive circuit 1na from the first power supply capacitor C11 and second power supply capacitor C21 of the first-stage ON-side drive circuit 11a, while simultaneously controlling the semiconductor devices 1 to n to be driven to a non-conductive state.

第1電源キャパシタC11から第1電源キャパシタC1n及び第2電源キャパシタC21から第2電源キャパシタC2nの充電電圧は第1,第2トランスTr1,Tr2の一次巻線と二次巻線及び三次巻線の巻数比を変えることで任意の値に設定することが可能である。また、第1,第2トランスTr1,Tr2を用いることで高圧側と低圧側を電気的に絶縁することが可能である。 The charging voltages of the first power supply capacitor C11 to the first power supply capacitor C1n and the second power supply capacitor C21 to the second power supply capacitor C2n can be set to any value by changing the turn ratio of the primary winding, secondary winding, and tertiary winding of the first and second transformers Tr1 and Tr2. In addition, the high-voltage side and the low-voltage side can be electrically insulated by using the first and second transformers Tr1 and Tr2.

また、一般的に、ゲートに対して印加する電圧はドレイン-ソース間の耐圧の数10分の1の電圧である。第1電源キャパシタC11~C1n,第2電源キャパシタC21~C2nに印加される電圧はゲートに印加する電圧によって設定することから、構成する第1~第3,第5スイッチデバイスFET1~FET3,FET5の耐圧もそれに伴い低く設定できるため特許文献1と比較して低コスト化、小型化を実現できる。 In addition, the voltage applied to the gate is generally a few tenths of the withstand voltage between the drain and source. Since the voltage applied to the first power supply capacitors C11 to C1n and the second power supply capacitors C21 to C2n is set by the voltage applied to the gate, the withstand voltages of the first to third and fifth switch devices FET1 to FET3 and FET5 that constitute them can be set low accordingly, which allows for lower costs and smaller size compared to Patent Document 1.

1段目~n段目ON側駆動回路11a~1naはON側伝送回路10aが動作し、OFF側伝送回路10bが停止している間、駆動対象の半導体デバイス1~nを導通させるように動作する。 The first to nth stage ON-side drive circuits 11a to 1na operate to energize the semiconductor devices 1 to n to be driven while the ON-side transmission circuit 10a is operating and the OFF-side transmission circuit 10b is stopped.

一方で、1段目~n段目OFF側駆動回路11b~1nbはON側伝送回路10aの動作が停止し、OFF側伝送回路10bが動作している間に駆動対象の半導体デバイス1~nをオフさせるように動作する。 On the other hand, the first to nth stage OFF-side drive circuits 11b to 1nb operate to turn off the semiconductor devices 1 to n to be driven while the ON-side transmission circuit 10a stops operating and the OFF-side transmission circuit 10b is operating.

動作チャートを図4に示す。以降では駆動対象の半導体デバイス1のON,OFF動作に焦点を当て説明する。駆動対象の半導体デバイス1のゲート指令がhighになるとON側伝送回路10aが動作を開始し、1段目ON側駆動回路11aに電力を伝送する。すると、第1スイッチデバイスFET1および第5スイッチデバイスFET5が導通し、駆動対象の半導体デバイス1には第1電源キャパシタC11が並列に接続され、駆動対象の半導体デバイス1が導通する。 The operation chart is shown in Figure 4. The following explanation focuses on the ON/OFF operation of the semiconductor device 1 to be driven. When the gate command of the semiconductor device 1 to be driven goes high, the ON-side transmission circuit 10a starts operating and transmits power to the first-stage ON-side drive circuit 11a. Then, the first switch device FET1 and the fifth switch device FET5 become conductive, the first power supply capacitor C11 is connected in parallel to the semiconductor device 1 to be driven, and the semiconductor device 1 to be driven becomes conductive.

駆動対象の半導体デバイス1のゲート指令がlowになるとON側伝送回路10aが動作を停止し、OFF側伝送回路10bが動作を開始する。すると、第2,第3スイッチデバイスFET2,FET3が導通し、駆動対象の半導体デバイス1には第2電源キャパシタC21が逆並列に接続され第2電源キャパシタC21の充電電圧と等しい電圧がマイナス電圧として印加されるため、駆動対象の半導体デバイス1がオフする。2段目~n段目も同様な動作をするため駆動対象の半導体デバイス2~nのON,OFFを制御することが可能となる。 When the gate command for the semiconductor device 1 to be driven goes low, the ON-side transmission circuit 10a stops operating and the OFF-side transmission circuit 10b starts operating. Then, the second and third switch devices FET2 and FET3 become conductive, and the second power supply capacitor C21 is connected in inverse parallel to the semiconductor device 1 to be driven, and a voltage equal to the charging voltage of the second power supply capacitor C21 is applied as a negative voltage, turning off the semiconductor device 1 to be driven. The second to nth stages also operate in a similar manner, making it possible to control the ON and OFF of the semiconductor devices 2 to n to be driven.

したがって、高圧回路と低圧回路の絶縁を維持しつつ、バイポーラ出力が可能で、負バイアスを印加することができ、かつ、安価で小型なゲート駆動回路を実現できる。 This allows for bipolar output while maintaining insulation between the high-voltage and low-voltage circuits, and allows for the application of a negative bias, while also realizing an inexpensive, compact gate drive circuit.

[実施形態3]
図5に本実施形態3におけるゲート駆動回路の回路構成例を示す。本実施形態3では、第1,第2電源キャパシタC11,C21と第1,第2スイッチデバイスFET1,FET2の間に電圧調整機構(以下、レギュレータと称する)31,32を設けている点に特徴がある。
[Embodiment 3]
5 shows an example of the circuit configuration of the gate drive circuit in the present embodiment 3. The present embodiment 3 is characterized in that voltage adjustment mechanisms (hereinafter referred to as regulators) 31, 32 are provided between the first and second power supply capacitors C11, C21 and the first and second switch devices FET1, FET2.

図5に示すように、第1電源キャパシタC11に対して並列に第3電源キャパシタC31が接続されている。第1電源キャパシタC11と第1スイッチデバイスFET1の第2端子(ドレイン端子)との間には第1レギュレータ31が接続されている。第2電源キャパシタC21に対して並列に第4電源キャパシタC41が接続されている。第2電源キャパシタC21と第2スイッチデバイスFET2の第3端子(ソース端子)との間には第2レギュレータ32が接続されている。 As shown in FIG. 5, a third power supply capacitor C31 is connected in parallel to the first power supply capacitor C11. A first regulator 31 is connected between the first power supply capacitor C11 and the second terminal (drain terminal) of the first switch device FET1. A fourth power supply capacitor C41 is connected in parallel to the second power supply capacitor C21. A second regulator 32 is connected between the second power supply capacitor C21 and the third terminal (source terminal) of the second switch device FET2.

本実施形態3では実施形態2の第3抵抗R3は削除している。第10,第11,第7ダイオードD10,D11,D7の接続点と第3スイッチデバイスFET3の第1端子(ゲート端子),第5スイッチデバイスFET5の第2端子(ドレイン端子)との間には第4抵抗R4が接続されている。第4,第5,第6ダイオードD4,D5,D6,第1抵抗R1の接続点と第5スイッチデバイスFET5の第1端子(ゲート端子)との間には第5抵抗R5が接続されている。 In this third embodiment, the third resistor R3 of the second embodiment is omitted. A fourth resistor R4 is connected between the connection point of the tenth, eleventh, and seventh diodes D10, D11, and D7 and the first terminal (gate terminal) of the third switch device FET3 and the second terminal (drain terminal) of the fifth switch device FET5. A fifth resistor R5 is connected between the connection point of the fourth, fifth, and sixth diodes D4, D5, D6, and the first resistor R1 and the first terminal (gate terminal) of the fifth switch device FET5.

第1レギュレータ31の端子1は第1電源キャパシタC11に接続される。第1レギュレータ31の端子2は第1,第2電源キャパシタC11,C21の接続点に接続される。第1レギュレータ31の端子3は第1スイッチデバイスFET1の第2端子(ドレイン端子)に接続される。第2レギュレータ32の端子1は第2電源キャパシタC21に接続される。第2レギュレータ32の端子2は第1,第2電源キャパシタC11,C21の接続点に接続される。第2レギュレータ32の端子3は第2スイッチデバイスFET2の第3端子(ソース端子)に接続される。 The terminal 1 of the first regulator 31 is connected to the first power supply capacitor C11. The terminal 2 of the first regulator 31 is connected to the connection point of the first and second power supply capacitors C11 and C21. The terminal 3 of the first regulator 31 is connected to the second terminal (drain terminal) of the first switch device FET1. The terminal 1 of the second regulator 32 is connected to the second power supply capacitor C21. The terminal 2 of the second regulator 32 is connected to the connection point of the first and second power supply capacitors C11 and C21. The terminal 3 of the second regulator 32 is connected to the third terminal (source terminal) of the second switch device FET2.

図6に第1,第2レギュレータ31,32の構成例を示す。第1,第2レギュレータ31,32は、半導体素子41と、基準電圧42と、増幅回路43と、第6抵抗R6と、第7抵抗R7と、を備える。 Figure 6 shows an example of the configuration of the first and second regulators 31 and 32. The first and second regulators 31 and 32 each include a semiconductor element 41, a reference voltage 42, an amplifier circuit 43, a sixth resistor R6, and a seventh resistor R7.

半導体素子41は、第2端子(ドレイン端子)が第1電源キャパシタC11または第2電源キャパシタC21に接続され、第3端子(ソース端子)が第1スイッチデバイスFET1または第2スイッチデバイスFET2に接続される。 The second terminal (drain terminal) of the semiconductor element 41 is connected to the first power supply capacitor C11 or the second power supply capacitor C21, and the third terminal (source terminal) is connected to the first switch device FET1 or the second switch device FET2.

基準電圧42は、第1,第2電源キャパシタC11,C21の接続点に一端が接続される。第6抵抗R6は、基準電圧42の一端に接続される。第7抵抗R7は、第6抵抗R6の他端と、第1スイッチデバイスFET1または第2スイッチデバイスFET2との間に接続される。 One end of the reference voltage 42 is connected to the connection point of the first and second power supply capacitors C11 and C21. The sixth resistor R6 is connected to one end of the reference voltage 42. The seventh resistor R7 is connected between the other end of the sixth resistor R6 and the first switch device FET1 or the second switch device FET2.

増幅回路43は、基準電圧42の他端と第6,第7抵抗R6,R7の接続点を入力端子とし、出力端子を半導体素子41の第1端子(ゲート端子)に接続する。 The amplifier circuit 43 has an input terminal connected to the other end of the reference voltage 42 and the connection point between the sixth and seventh resistors R6 and R7, and an output terminal connected to the first terminal (gate terminal) of the semiconductor element 41.

図6の例は三端子リニアレギュレータであり代わりにスイッチングレギュレータなどを使用してもよい。第1レギュレータ31により正バイアス側の電圧を制御し、第2レギュレータ32により負バイアス側の電圧を制御する。これにより素子の特性や配線インピーダンスによる電圧降下などに依存することなく安定した電圧を駆動対象の半導体デバイス1~nに供給することができる。 The example in Figure 6 is a three-terminal linear regulator, but a switching regulator or the like may be used instead. The positive bias voltage is controlled by the first regulator 31, and the negative bias voltage is controlled by the second regulator 32. This makes it possible to supply a stable voltage to the semiconductor devices 1 to n to be driven, without depending on the characteristics of the element or voltage drops due to wiring impedance.

ゲート-ソース間に印加される電圧を安定化することでゲート-ソース間電圧の低下に伴う損失増加等を防ぐことが可能となる。そのほかの動作は実施形態2と同様であり、n段に拡張することも可能である。 By stabilizing the voltage applied between the gate and source, it is possible to prevent an increase in loss due to a decrease in the gate-source voltage. Other operations are the same as in embodiment 2, and it is also possible to expand to n stages.

[実施形態4]
実施形態1の伝送回路10では第1フルブリッジ回路を駆動することで駆動対象の半導体デバイス1~nのゲートに伝送する電力と半導体デバイスのゲート信号を送信している。第1トランスTr1の直流偏磁を防ぐ目的で第1フルブリッジ回路の出力と第1トランスTr1の間に第1直流カット用コンデンサC1を接続しているが第1フルブリッジ回路のデッドタイムや半導体スイッチの電圧降下のばらつきによって直流電圧が第1直流カット用コンデンサC1に充電される。
[Embodiment 4]
In the transmission circuit 10 of the first embodiment, the first full bridge circuit is driven to transmit power to be transmitted to the gates of the semiconductor devices 1 to n to be driven and gate signals of the semiconductor devices. In order to prevent DC bias magnetism in the first transformer Tr1, a first DC blocking capacitor C1 is connected between the output of the first full bridge circuit and the first transformer Tr1, but a DC voltage is charged in the first DC blocking capacitor C1 due to the dead time of the first full bridge circuit and variations in voltage drop of the semiconductor switches.

図7に示すように第1トランスTr1に印加される電圧は第1フルブリッジ回路が出力する電圧から第1直流カット用コンデンサC1の電圧Vcを引いたものが印加される。第1直流カット用コンデンサC1に充電された電圧Vcが大きいと第1トランスTr1に十分な電圧が印加されず、第1トランスTr1の2次側に電圧が十分に出力されないため、第1,第5スイッチデバイスFET1,FET5のターンオンが遅れゲート電圧の立ち上がり速度の低下を引き起こしてしまう。 As shown in FIG. 7, the voltage applied to the first transformer Tr1 is the voltage output by the first full bridge circuit minus the voltage Vc of the first DC blocking capacitor C1. If the voltage Vc charged in the first DC blocking capacitor C1 is large, a sufficient voltage is not applied to the first transformer Tr1, and a sufficient voltage is not output to the secondary side of the first transformer Tr1, which delays the turn-on of the first and fifth switch devices FET1 and FET5, causing a decrease in the rise speed of the gate voltage.

本実施形態4では、第1フルブリッジ回路のスイッチングパターンを工夫することで第1直流カット用コンデンサC1に充電される電圧を制御することにより運転状態によらず高速動作が可能なゲート駆動回路を説明する。 In this fourth embodiment, we will explain a gate drive circuit that can operate at high speed regardless of the operating state by controlling the voltage charged to the first DC blocking capacitor C1 through the devised switching pattern of the first full bridge circuit.

図8に本実施形態4における制御回路の構成例を示す。直流カット用コンデンサ電圧Vcを検出する。比較器33aは、直流カット用コンデンサ電圧Vcが0よりも大きいか否か(直流カット用コンデンサ電圧Vcが正か否か)を判定する。指令生成部34aは、直流カット用コンデンサ電圧Vcが正であれば、第1,第4半導体スイッチS1,S4をONとし、第2,第3半導体スイッチS2,S3をOFFとする指令を生成する。 Figure 8 shows an example of the configuration of the control circuit in this embodiment 4. The DC blocking capacitor voltage Vc is detected. The comparator 33a judges whether the DC blocking capacitor voltage Vc is greater than 0 (whether the DC blocking capacitor voltage Vc is positive or not). If the DC blocking capacitor voltage Vc is positive, the command generator 34a generates a command to turn the first and fourth semiconductor switches S1 and S4 ON and turn the second and third semiconductor switches S2 and S3 OFF.

比較器33bは、直流カット用コンデンサ電圧Vcが0よりも小さいか否か(直流カット用コンデンサ電圧Vcが負か否か)を判定する。指令生成部34bは、直流カット用コンデンサ電圧Vcが負であれば、第2,第3半導体スイッチS2,S3をONとし、第1,第4半導体スイッチS1,S4をOFFとする指令を生成する。 The comparator 33b determines whether the DC blocking capacitor voltage Vc is less than 0 (whether the DC blocking capacitor voltage Vc is negative). If the DC blocking capacitor voltage Vc is negative, the command generator 34b generates a command to turn the second and third semiconductor switches S2 and S3 ON and turn the first and fourth semiconductor switches S1 and S4 OFF.

ゲート回路35は、指令生成部34a,34bで生成した指令通りに、ゲート信号を半導体スイッチS1~S4に出力する。 The gate circuit 35 outputs gate signals to the semiconductor switches S1 to S4 according to the commands generated by the command generators 34a and 34b.

本実施形態4は、直流カット用コンデンサ電圧Vcを検出し、電圧の極性に基づいてフルブリッジ回路のゲート信号を選択する点に特徴がある。 The feature of this embodiment 4 is that it detects the DC blocking capacitor voltage Vc and selects the gate signal of the full bridge circuit based on the polarity of the voltage.

直流カット用コンデンサ電圧Vcの値が正の場合、第1,第4半導体スイッチS1,S4をオンさせ、第2,第3半導体スイッチS2,S3をオフさせる。直流カット用コンデンサ電圧Vcの値が負の場合、第1,第4半導体スイッチS1,S4をオフさせ、第2,第3半導体スイッチS2,S3をオンさせる。これにより常に直流カット用コンデンサ電圧Vcを0に保つことが可能となる。 When the value of the DC blocking capacitor voltage Vc is positive, the first and fourth semiconductor switches S1 and S4 are turned on and the second and third semiconductor switches S2 and S3 are turned off. When the value of the DC blocking capacitor voltage Vc is negative, the first and fourth semiconductor switches S1 and S4 are turned off and the second and third semiconductor switches S2 and S3 are turned on. This makes it possible to always keep the DC blocking capacitor voltage Vc at 0.

なお、実施形態1に本実施形態4を適用した構成について説明したが、実施形態2,3のON側伝送回路10a,OFF側伝送回路10bに本実施形態4を適用することも可能である。 Note that, although the configuration in which the present embodiment 4 is applied to the first embodiment has been described, the present embodiment 4 can also be applied to the ON-side transmission circuit 10a and the OFF-side transmission circuit 10b in the second and third embodiments.

したがって、デッドタイムや半導体スイッチのばらつきによる影響を受けずにトランスに必要な電圧を印加することができるため駆動対象の半導体デバイスのターンオン速度を向上することが可能となる。よって、高速動作が可能なゲート駆動回路を実現できる。 As a result, the required voltage can be applied to the transformer without being affected by dead time or semiconductor switch variations, making it possible to improve the turn-on speed of the semiconductor device being driven. This makes it possible to realize a gate drive circuit capable of high-speed operation.

[実施形態5]
図9に本実施形態5における制御回路の構成例を示す。本実施形態5は、図9に示すように、実施形態4に対して、平均処理部36を追加している。
[Embodiment 5]
9 shows an example of the configuration of a control circuit in the fifth embodiment. As shown in FIG. 9, the fifth embodiment adds an averaging processor 36 to the fourth embodiment.

本実施形態5は、直流カット用コンデンサ電圧Vcを検出し、平均処理部36により直流カット用コンデンサ電圧Vcをローパスフィルタでフィルタ処理し、または、移動平均処理することにより平均値を算出し、その処理後の電圧の極性に基づいてフルブリッジ回路のゲート信号を選択する点に特徴がある。 The fifth embodiment is characterized in that the DC blocking capacitor voltage Vc is detected, and the average processing unit 36 filters the DC blocking capacitor voltage Vc using a low-pass filter or performs moving average processing to calculate the average value, and selects the gate signal of the full bridge circuit based on the polarity of the voltage after the processing.

実施形態4に平均処理部36の処理を加えることによりノイズなどによる判定の誤りを防ぐことができる。その他の動作は実施形態4と同様であり直流カット用コンデンサ電圧Vcの値が正の場合、第1,第4半導体スイッチS1,S4をオンさせ、第2,第3半導体スイッチS2,S3をオフさせる。直流カット用コンデンサ電圧Vcの値が負の場合、第1,第4半導体スイッチS1,S4をオフさせ、第2,第3半導体スイッチS2,S3をオンさせる。これにより常に直流カット用コンデンサ電圧Vcを0に保つことが可能となる。 By adding the processing of the average processing unit 36 to the fourth embodiment, it is possible to prevent erroneous judgments due to noise, etc. The other operations are the same as those of the fourth embodiment, and when the value of the DC blocking capacitor voltage Vc is positive, the first and fourth semiconductor switches S1 and S4 are turned on and the second and third semiconductor switches S2 and S3 are turned off. When the value of the DC blocking capacitor voltage Vc is negative, the first and fourth semiconductor switches S1 and S4 are turned off and the second and third semiconductor switches S2 and S3 are turned on. This makes it possible to always keep the DC blocking capacitor voltage Vc at 0.

したがって、デッドタイムや素子のばらつきによる影響を受けずにパルストランスに必要な電圧を印加することができるため駆動対象の半導体デバイスのターンオン速度を向上することが可能となる。 As a result, the necessary voltage can be applied to the pulse transformer without being affected by dead time or element variations, making it possible to improve the turn-on speed of the semiconductor device being driven.

[実施形態6]
図10に本実施形態6における制御回路の構成例を示す。本実施形態6は、実施形態4に頂点検出回路37と、第1ホールド回路38と、比較器39と、第2ホールド回路40と、を追加している。
[Embodiment 6]
10 shows an example of the configuration of a control circuit in the sixth embodiment. In the sixth embodiment, a peak detection circuit 37, a first hold circuit 38, a comparator 39, and a second hold circuit 40 are added to the fourth embodiment.

図10中の頂点検出回路37はキャリアの頂点を検出する役割を持ち、キャリアの頂点を検出すると信号を出力する。第1ホールド回路38は頂点検出回路37の出力に応じて出力値の更新を行う。 The peak detection circuit 37 in FIG. 10 has the role of detecting the peak of the carrier, and outputs a signal when it detects the peak of the carrier. The first hold circuit 38 updates the output value according to the output of the peak detection circuit 37.

比較器39にはキャリアとその中心点(0)が入力されキャリアが0より低い場合はhigh,0より高い場合はlowが出力される。第2ホールド回路40は比較器39の出力の立下りエッジもしくは立ち上がりエッジにて出力値の更新を行う。 The carrier and its center point (0) are input to the comparator 39, and if the carrier is lower than 0, it outputs high, and if it is higher than 0, it outputs low. The second hold circuit 40 updates the output value at the falling edge or rising edge of the output of the comparator 39.

したがって、直流カット用コンデンサ電圧Vcの値はキャリアの頂点でサンプリングされ、第1~第4半導体スイッチS1~S4のスイッチングのタイミングはキャリアの0クロスとなる。 Therefore, the value of the DC blocking capacitor voltage Vc is sampled at the peak of the carrier, and the switching timing of the first to fourth semiconductor switches S1 to S4 is the zero crossing of the carrier.

上述の回路を設けることで、直流カット用コンデンサ電圧Vcのサンプリングのタイミングと第1~第4半導体スイッチS1~S4のスイッチングのタイミングが確実にずれるため、スイッチングによるノイズなどによる判定の誤りを防ぐことができる。 By providing the circuit described above, the timing of sampling the DC blocking capacitor voltage Vc and the timing of switching the first to fourth semiconductor switches S1 to S4 are reliably shifted, preventing erroneous judgments due to noise caused by switching.

そのほかの動作は実施形態4と同様であり直流カット用コンデンサ電圧Vcの値が正の場合、第1,第4半導体スイッチS1,S4をオンさせ、第2,第3半導体スイッチS2,S3をオフさせる。直流カット用コンデンサ電圧Vcの値が負の場合、第1,第4半導体スイッチS1,S4をオフさせ、第2,第3半導体スイッチS2,S3をオンさせる。 Other operations are the same as in embodiment 4. When the value of the DC blocking capacitor voltage Vc is positive, the first and fourth semiconductor switches S1 and S4 are turned on and the second and third semiconductor switches S2 and S3 are turned off. When the value of the DC blocking capacitor voltage Vc is negative, the first and fourth semiconductor switches S1 and S4 are turned off and the second and third semiconductor switches S2 and S3 are turned on.

これにより常に直流カット用コンデンサ電圧Vcを0に保つことが可能となる。したがって、デッドタイムや半導体素子のばらつきによる影響を受けずにトランスに必要な電圧を印加することができるため駆動対象の半導体デバイスのターンオン速度を向上することが可能となる。 This makes it possible to always keep the DC blocking capacitor voltage Vc at zero. Therefore, the necessary voltage can be applied to the transformer without being affected by dead time or semiconductor element variations, making it possible to improve the turn-on speed of the semiconductor device being driven.

また、実施形態4に実施形態6を適用した構成を説明したが、実施形態5に実施形態6を適用してもよい。 Although the configuration in which embodiment 6 is applied to embodiment 4 has been described, embodiment 6 may also be applied to embodiment 5.

[実施形態7]
図1では第1フルブリッジ回路を駆動することで駆動対象の半導体デバイスのゲートに伝送する電力とゲート信号を送信している。第1トランスTr1の直流偏磁を防ぐ目的で第1フルブリッジ回路と第1トランスTr1の間に第1直流カット用コンデンサC1を接続している。実施形態4~6では直流カット用コンデンサ電圧Vcの時間平均が運転状態によらず0となるように電圧をフィードバックし第1フルブリッジ回路のスイッチングパターンを制御することで第1トランスTr1に印加される電圧を確保し、ゲート駆動回路の安定動作を実現している。
[Embodiment 7]
In Fig. 1, the first full bridge circuit is driven to transmit power and a gate signal to the gate of the semiconductor device to be driven. A first DC blocking capacitor C1 is connected between the first full bridge circuit and the first transformer Tr1 in order to prevent DC bias magnetism of the first transformer Tr1. In the fourth to sixth embodiments, the voltage is fed back so that the time average of the DC blocking capacitor voltage Vc becomes zero regardless of the operating state, and the switching pattern of the first full bridge circuit is controlled to ensure the voltage applied to the first transformer Tr1, thereby realizing stable operation of the gate drive circuit.

しかし、上記手法の場合、直流カット用コンデンサ電圧Vcの変化速度が第1トランスTr1の励磁インダクタンスの大きさに依存してしまう。そのため、第1トランスTr1の励磁インダクタンスが大きい場合、流れる電流が小さくなり直流カット用コンデンサ電圧Vcの変化速度が遅くなってしまう。 However, in the above method, the rate of change of the DC blocking capacitor voltage Vc depends on the magnitude of the excitation inductance of the first transformer Tr1. Therefore, if the excitation inductance of the first transformer Tr1 is large, the current flowing becomes small and the rate of change of the DC blocking capacitor voltage Vc becomes slow.

スイッチングパターンは直流カット用コンデンサ電圧Vcの極性が切り替わる場合に切り替わるため、結果として、スイッチング周波数が低くなってしまう。スイッチング周波数が低くなると、励磁電流が大きくなり第1トランスTr1の残留磁束が高くなるため、出力電圧が保持される時間も長くなってしまう。これは、ゲート駆動回路が短いパルス幅を再現できなくなる(つまり、ゲート駆動回路が高速動作できなくなる)という問題につながる。 The switching pattern changes when the polarity of the DC blocking capacitor voltage Vc changes, resulting in a lower switching frequency. When the switching frequency is lowered, the excitation current increases and the residual magnetic flux of the first transformer Tr1 increases, so the time that the output voltage is held becomes longer. This leads to the problem that the gate drive circuit cannot reproduce short pulse widths (i.e., the gate drive circuit cannot operate at high speed).

本実施形態7では、回路パラメータの影響を受けずにスイッチング周波数を高くしてトランスの残留磁束を低く制御することにより、ゲート駆動回路の高速動作を実現する。 In this embodiment 7, the switching frequency is increased and the residual magnetic flux of the transformer is controlled to be low without being affected by the circuit parameters, thereby achieving high-speed operation of the gate drive circuit.

本実施形態7における制御回路の構成図を図11に示す。電圧制御型発信器(以下、VCOと称する)44は、入力される電圧により発振周波数を制御する。エッジ検出部45は、ゲート指令のオフタイミングのエッジを検出する。サンプルホールド回路46は、ゲート指令がオフのタイミングでのVCO44の出力の位相情報θをサンプルしサンプル位相情報θとして出力する。 The configuration diagram of the control circuit in this embodiment 7 is shown in FIG. 11. The voltage-controlled oscillator (hereinafter referred to as VCO) 44 controls the oscillation frequency by the input voltage. The edge detection unit 45 detects the edge of the off timing of the gate command. The sample-and-hold circuit 46 samples the phase information θ of the output of the VCO 44 when the gate command is off, and outputs it as sampled phase information θ.

位相判定部47は、サンプルホールド回路46から出力されたサンプル位相情報θがπ≦θ<2πであれば2πを出力し、0≦θ<πであれば0を出力する。位相判定部47の出力を位相指令値とする。減算器48は、位相指令値とサンプル位相情報θとの差分を演算する。PI制御部49は、位相指令値とサンプル位相情報に基づいてPI制御を行う。具体的には、減算器48で演算した差分に基づいてPI制御を行い、その結果である電圧をVCO44に出力する。VCO44の出力は、比較器33a,33b、サンプルホールド回路46に出力される。比較器33a,33b以降は実施形態4と同様である。 The phase determination unit 47 outputs 2π if the sample phase information θ output from the sample hold circuit 46 is π≦θ<2π, and outputs 0 if 0≦θ<π. The output of the phase determination unit 47 is the phase command value. The subtractor 48 calculates the difference between the phase command value and the sample phase information θ. The PI control unit 49 performs PI control based on the phase command value and the sample phase information. Specifically, it performs PI control based on the difference calculated by the subtractor 48, and outputs the resulting voltage to the VCO 44. The output of the VCO 44 is output to the comparators 33a and 33b and the sample hold circuit 46. The comparators 33a and 33b and subsequent steps are the same as in the fourth embodiment.

本実施形態7では、VCO44が出力する周波数の位相情報θを駆動対象の半導体デバイスのゲート指令のオフタイミングでサンプルしフィードバックすることで位相情報θが2πもしくは0になるようにVCO44の出力周波数を制御する。これによりVCO44の出力周波数はVCO44に入力する電圧により決定されるため励磁インダクタンスなどの回路パラメータによる影響を受けることなくスイッチング周波数を決定でき、さらに第1トランスTr1の残留磁束を低下させ高速動作を実現する。 In the seventh embodiment, the phase information θ of the frequency output by the VCO 44 is sampled and fed back at the off timing of the gate command of the semiconductor device to be driven, thereby controlling the output frequency of the VCO 44 so that the phase information θ becomes 2π or 0. As a result, the output frequency of the VCO 44 is determined by the voltage input to the VCO 44, so the switching frequency can be determined without being affected by circuit parameters such as the excitation inductance, and further, the residual magnetic flux of the first transformer Tr1 is reduced to achieve high-speed operation.

VCO44の代表的な構成例を図12に示す。図12に示すように、入力端子Inputには、第8抵抗R8の一端が接続される。また、入力端子Inputには、第9抵抗R9の一端が接続される。第8抵抗R8の他端は第1コンパレータ50の一方の入力端子に接続される。第9抵抗R9の他端は第1コンパレータ50の他方の入力端子に接続される。第1コンパレータ50の一方の入力端子と出力端子との間にはコンデンサ51が接続される。 A typical configuration example of the VCO 44 is shown in FIG. 12. As shown in FIG. 12, one end of an eighth resistor R8 is connected to the input terminal Input. In addition, one end of a ninth resistor R9 is connected to the input terminal Input. The other end of the eighth resistor R8 is connected to one input terminal of the first comparator 50. The other end of the ninth resistor R9 is connected to the other input terminal of the first comparator 50. A capacitor 51 is connected between one input terminal and the output terminal of the first comparator 50.

また、第1コンパレータ50の一方の入力端子には、第10抵抗R10の一端が接続される。第10抵抗R10の他端には、半導体スイッチ52の第2端子(ドレイン端子)が接続される。半導体スイッチ52の第3端子(ソース端子)は接地される。また、第1コンパレータ50の他方の入力端子と半導体スイッチ52の第3端子(ソース端子)との間には第11抵抗R11が接続される。 One end of a tenth resistor R10 is connected to one input terminal of the first comparator 50. The other end of the tenth resistor R10 is connected to the second terminal (drain terminal) of the semiconductor switch 52. The third terminal (source terminal) of the semiconductor switch 52 is grounded. An eleventh resistor R11 is connected between the other input terminal of the first comparator 50 and the third terminal (source terminal) of the semiconductor switch 52.

第1コンパレータ50の出力端子は、第2コンパレータ53の一方の入力端子に接続される。第2コンパレータ53の他方の入力端子には、第12抵抗R12の一端が接続される。第12抵抗R12の他端は接地される。第2コンパレータ53の他方の入力端子と第2コンパレータ53の出力端子との間には第13抵抗R13が接続される。また、半導体スイッチ52の第1端子(ゲート端子)と第2コンパレータ53の出力端子との間には第14抵抗R14が接続される。第2コンパレータ53の出力はduty比補正部54に入力される。duty比補正部54は第2コンパレータ53の出力に応じてduty比を補正する。duty比補正部54の出力がVCO44の出力となる。 The output terminal of the first comparator 50 is connected to one input terminal of the second comparator 53. One end of the twelfth resistor R12 is connected to the other input terminal of the second comparator 53. The other end of the twelfth resistor R12 is grounded. A thirteenth resistor R13 is connected between the other input terminal of the second comparator 53 and the output terminal of the second comparator 53. A fourteenth resistor R14 is connected between the first terminal (gate terminal) of the semiconductor switch 52 and the output terminal of the second comparator 53. The output of the second comparator 53 is input to the duty ratio correction unit 54. The duty ratio correction unit 54 corrects the duty ratio according to the output of the second comparator 53. The output of the duty ratio correction unit 54 becomes the output of the VCO 44.

図12は、あくまでVCO44の代表例であり、同様の機能を有するものであれば代用可能である。また、本実施形態7にて想定するVCO44の特性例を図13に示す。図13に示すように、VCO44の入力電圧が上昇するに従い、周波数fが上昇する。なお、VCO44の出力はduty50%の方形波が出力されるものとする。 Figure 12 is merely a representative example of the VCO 44, and any other device having similar functions can be used instead. Figure 13 shows an example of the characteristics of the VCO 44 assumed in this embodiment 7. As shown in Figure 13, as the input voltage to the VCO 44 increases, the frequency f increases. Note that the output of the VCO 44 is a square wave with a duty of 50%.

位相判定部47はサンプル位相情報θの大きさに基づいて位相指令値を生成する。サンプル位相情報θがπ未満の場合は位相指令値として0を出力し、サンプル位相情報θがπ以上の場合は位相指令値として2πを出力する。位相指令値(位相判定部47の出力)とサンプル位相情報θ(位相検出値)の差分をPI制御器49に入力し、その出力をVCO44に入力する。VCO44は入力に基づいた周波数を出力することでゲート指令のオフのタイミング時に位相情報θが0もしくは2πになるように制御することができる。 The phase determination unit 47 generates a phase command value based on the magnitude of the sampled phase information θ. If the sampled phase information θ is less than π, it outputs 0 as the phase command value, and if the sampled phase information θ is equal to or greater than π, it outputs 2π as the phase command value. The difference between the phase command value (output of the phase determination unit 47) and the sampled phase information θ (phase detection value) is input to the PI controller 49, whose output is input to the VCO 44. The VCO 44 can control the phase information θ to be 0 or 2π at the timing when the gate command is turned off by outputting a frequency based on the input.

これによりスイッチング周波数を駆動対象の半導体デバイスのゲートパルス幅に合わせて調整できるため、ゲート指令がオフになるタイミングで直流カット用コンデンサ電圧Vc=0になるように制御できることから第1トランスTr1の残留磁束をほぼゼロに抑えることができ、ゲート駆動回路の高速動作を実現することができる。 This allows the switching frequency to be adjusted to match the gate pulse width of the semiconductor device being driven, and the DC blocking capacitor voltage Vc can be controlled to be 0 when the gate command is turned off, so the residual magnetic flux of the first transformer Tr1 can be suppressed to almost zero, achieving high-speed operation of the gate drive circuit.

以上示したように、本実施形態7によれば、ゲート駆動回路の駆動周波数をゲート指令に追従して制御することにより、回路の定数などの影響を受けることなく高耐圧かつ高速動作が可能なゲート駆動回路を実現できる。 As described above, according to the seventh embodiment, by controlling the driving frequency of the gate driving circuit in accordance with the gate command, it is possible to realize a gate driving circuit that can withstand high voltages and operate at high speeds without being affected by circuit constants, etc.

なお、本実施形態7は、実施形態1のゲート駆動回路に適用した例で説明したが、実施形態2、3のゲート駆動回路にも適用可能である。 Note that although the seventh embodiment has been described as being applied to the gate drive circuit of the first embodiment, it can also be applied to the gate drive circuits of the second and third embodiments.

[実施形態8]
本実施形態8による制御回路の構成図を図14に示す。実施形態7と同様にVCO44が出力する周波数の位相情報θを駆動対象の半導体デバイスのゲート指令のオフタイミングでサンプルしフィードバックすることで位相情報θが2πもしくは0になるようにVCO44の出力周波数を制御する。これにより、第1トランスTr1(第2トランスTr2)の残留磁束を低下させ高速動作を実現する。
[Embodiment 8]
14 shows a configuration diagram of a control circuit according to the eighth embodiment. As in the seventh embodiment, the phase information θ of the frequency output by the VCO 44 is sampled at the off timing of the gate command of the semiconductor device to be driven and fed back, thereby controlling the output frequency of the VCO 44 so that the phase information θ becomes 2π or 0. This reduces the residual magnetic flux of the first transformer Tr1 (second transformer Tr2) and achieves high-speed operation.

本実施形態8は、実施形態7の構成にコンデンサ電圧フィードバック部55を加えた点に特徴がある。コンデンサ電圧フィードバック部55は、減算部56において、第1直流カット用コンデンサ(OFF側伝送回路10bの場合は第2直流カット用コンデンサC2)の電圧指令値と電圧検出値との差分を算出する。PI制御器57は、その差分に基づいてPI制御を行う。減算器48は、位相指令値とPI制御器57の出力とを加算した値からサンプル位相情報θを減算する。それ他の構成は実施形態7と同様である。 The eighth embodiment is characterized by the addition of a capacitor voltage feedback unit 55 to the configuration of the seventh embodiment. The capacitor voltage feedback unit 55 calculates the difference between the voltage command value of the first DC cutting capacitor (the second DC cutting capacitor C2 in the case of the OFF-side transmission circuit 10b) and the voltage detection value in a subtraction unit 56. The PI controller 57 performs PI control based on this difference. The subtractor 48 subtracts the sample phase information θ from the value obtained by adding the phase command value and the output of the PI controller 57. The other configurations are the same as those of the seventh embodiment.

コンデンサ電圧フィードバック部55は電圧指令値に0を入力することにより直流カット用コンデンサ電圧vcが0になるようにVCO44の入力電圧を補正する。これにより第1,第2フルブリッジ回路の半導体スイッチの短絡を防ぐためのデッドタイムや第1,第2フルブリッジ回路の半導体スイッチのばらつきにより発生する直流成分を補正して直流成分が0になるように周波数を制御できる。なお、電圧値や位相などの異なる物理量同士の演算に関しては演算に際して単位変換が行われ整合が取れるものとする。 The capacitor voltage feedback unit 55 corrects the input voltage of the VCO 44 so that the DC blocking capacitor voltage vc becomes 0 by inputting 0 as the voltage command value. This makes it possible to correct the dead time for preventing short circuits in the semiconductor switches of the first and second full bridge circuits and the DC components generated due to variations in the semiconductor switches of the first and second full bridge circuits, and to control the frequency so that the DC components become 0. Note that when calculating different physical quantities such as voltage values and phases, unit conversion is performed during the calculation to ensure consistency.

これによりデッドタイムや半導体スイッチのばらつきの影響を受けずにスイッチング周波数を駆動対象の半導体デバイスのゲートパルス幅に合わせて調整できるため、ゲート駆動回路の高速動作を実現することができる。 This allows the switching frequency to be adjusted to match the gate pulse width of the semiconductor device being driven without being affected by dead time or semiconductor switch variations, enabling high-speed operation of the gate drive circuit.

なお、本実施形態8は、実施形態1のゲート駆動回路に適用した例について説明したが、実施形態2、3のゲート駆動回路にも適用可能である。 Note that, although the eighth embodiment has been described as an example applied to the gate drive circuit of the first embodiment, it can also be applied to the gate drive circuits of the second and third embodiments.

[実施形態9]
本実施形態9による制御回路の構成図を図15に示す。実施形態7と同様にVCO44が出力する周波数の位相情報θを駆動対象の半導体デバイスのゲート指令のオフタイミングでサンプルしフィードバックすることで位相情報θが2πもしくは0になるようにVCO44の出力周波数を制御する。これにより第1トランスTr1(第2トランスTr2)の残留磁束を低下させ高速動作を実現する。
[Embodiment 9]
15 shows a configuration diagram of a control circuit according to the ninth embodiment. As in the seventh embodiment, the phase information θ of the frequency output by the VCO 44 is sampled at the off timing of the gate command of the semiconductor device to be driven and fed back, thereby controlling the output frequency of the VCO 44 so that the phase information θ becomes 2π or 0. This reduces the residual magnetic flux of the first transformer Tr1 (second transformer Tr2) and achieves high-speed operation.

本実施形態9は、実施形態7の構成にコンデンサ電流フィードバック部58を加えた点に特徴がある。コンデンサ電流フィードバック部58は、減算部59において、第1直流カット用コンデンサC1(OFF側伝送回路10bの場合は第2直流カット用コンデンサC2)の電流指令値と電流検出値icとの差分を算出する。PI制御器57は、その差分に基づいてPI制御を行う。減算器48は、位相指令値とPI制御器57の出力とを加算した値からサンプル位相情報θを減算する。それ他の構成は実施形態7と同様である。 The feature of the ninth embodiment is that a capacitor current feedback unit 58 is added to the configuration of the seventh embodiment. The capacitor current feedback unit 58 calculates the difference between the current command value of the first DC cutting capacitor C1 (the second DC cutting capacitor C2 in the case of the OFF-side transmission circuit 10b) and the current detection value ic in a subtraction unit 59. The PI controller 57 performs PI control based on this difference. The subtractor 48 subtracts the sample phase information θ from the value obtained by adding the phase command value and the output of the PI controller 57. The other configurations are the same as those of the seventh embodiment.

コンデンサ電流フィードバック部58は電流指令値に0を入力することにより第1直流カット用コンデンサC1の電流が0になるようにVCO44の入力電圧を補正する。これにより第1,第2フルブリッジ回路の半導体スイッチの短絡を防ぐためのデッドタイムや第1,第2フルブリッジ回路の半導体スイッチのばらつきにより発生する直流成分を補正して直流成分が0になるように周波数を制御できる。 The capacitor current feedback unit 58 corrects the input voltage of the VCO 44 so that the current of the first DC blocking capacitor C1 becomes zero by inputting 0 as the current command value. This makes it possible to correct the dead time for preventing short circuits in the semiconductor switches of the first and second full bridge circuits and the DC components generated due to variations in the semiconductor switches of the first and second full bridge circuits, and to control the frequency so that the DC components become zero.

また、実施形態8の場合、スイッチング時のサージ電圧を検出してしまう可能性があるが電流を検出することでその影響を緩和することが可能である。なお、電流値や位相などの異なる物理量同士の演算に関しては演算に際して単位変換が行われ整合が取れるものとする。 In the case of embodiment 8, there is a possibility that a surge voltage may be detected during switching, but the effect of this can be mitigated by detecting the current. Note that when calculating different physical quantities such as current values and phases, unit conversion is performed during the calculation to ensure consistency.

これによりデッドタイムや半導体スイッチのばらつきの影響を受けずにスイッチング周波数を駆動対象の半導体デバイスのゲートパルス幅に合わせて調整できるため、ゲート駆動回路の高速動作を実現することができる。 This allows the switching frequency to be adjusted to match the gate pulse width of the semiconductor device being driven without being affected by dead time or semiconductor switch variations, enabling high-speed operation of the gate drive circuit.

なお、本実施形態9は、実施形態1のゲート駆動回路に適用した例について説明したが、実施形態2、3のゲート駆動回路にも適用可能である。 Note that, although the present embodiment 9 has been described as an example applied to the gate drive circuit of embodiment 1, it can also be applied to the gate drive circuits of embodiments 2 and 3.

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。 Although the present invention has been described in detail above only with respect to the specific examples, it will be clear to those skilled in the art that various modifications and alterations are possible within the scope of the technical concept of the present invention, and it goes without saying that such modifications and alterations fall within the scope of the claims.

1…駆動対象の半導体デバイス
10,10a,10b…伝送回路,ON側伝送回路,OFF側伝送回路
11~1n…1段目駆動回路~n段目駆動回路
11a~1na…1段目~n段目ON側駆動回路(1段目~n段目駆動回路)
11b~1nb…1段目~n段目OFF側駆動回路
Tr1,Tr2…第1トランス,第2トランス
D1~D7…第1~第7ダイオード
FET1~FET5…第1~第5スイッチデバイス
C11,C21…第1電源キャパシタ,第2電源キャパシタ
S1~S4…第1~第4半導体スイッチ
C1,C2…第1,第2直流カット用コンデンサ
Vin…入力コンデンサ
31,32…レギュレータ(電圧調整機構)
33a,33b,39…比較器
34a,34b…指令生成部
35…ゲート回路
36…平均処理部
37…頂点検出回路
38,40…第1,第2ホールド回路
44…電圧制御型発信器
45…エッジ検出部
46…サンプルホールド回路
47…位相判定部
48…減算器
49…PI制御部
50…第1コンパレータ
51…コンデンサ
52…半導体スイッチ
53…第2コンパレータ
54…duty比補正部
55…コンデンサ電圧フィードバック部
56…減算部
57…PI制御器
58…コンデンサ電流フィードバック部
59…減算器
1...semiconductor device to be driven 10, 10a, 10b...transmission circuit, ON-side transmission circuit, OFF-side transmission circuit 11 to 1n...1st stage drive circuit to nth stage drive circuit 11a to 1na...1st stage to nth stage ON-side drive circuit (1st stage to nth stage drive circuit)
11b to 1nb... 1st to nth stage OFF side drive circuits Tr1, Tr2... 1st transformer, 2nd transformer D1 to D7... 1st to 7th diodes FET1 to FET5... 1st to 5th switch devices C11, C21... 1st power supply capacitor, 2nd power supply capacitor S1 to S4... 1st to 4th semiconductor switches C1, C2... 1st and 2nd DC blocking capacitors Vin... Input capacitor 31, 32... Regulator (voltage adjustment mechanism)
33a, 33b, 39... Comparators 34a, 34b... Command generation unit 35... Gate circuit 36... Averaging processing unit 37... Peak detection circuit 38, 40... First and second hold circuits 44... Voltage controlled oscillator 45... Edge detection unit 46... Sample and hold circuit 47... Phase determination unit 48... Subtractor 49... PI control unit 50... First comparator 51... Capacitor 52... Semiconductor switch 53... Second comparator 54... Duty ratio correction unit 55... Capacitor voltage feedback unit 56... Subtractor 57... PI controller 58... Capacitor current feedback unit 59... Subtractor

Claims (14)

n個直列接続された半導体デバイスのゲート駆動回路であって、
ゲート信号及び電力を伝送する伝送部と、
前記伝送部に一次巻線が接続された第1トランスを有するトランス部と、
n個の前記半導体デバイスをそれぞれ制御する1段目駆動回路~n段目駆動回路を有する駆動回路部と、を備え、
前記1段目駆動回路~n段目駆動回路はそれぞれ、前記第1トランスの二次巻線,三次巻線と駆動対象の前記半導体デバイスとの間に複数のスイッチデバイスと第1,第2電源キャパシタとを有し、駆動対象の前記半導体デバイスのゲート指令がhighの時は前記複数のスイッチデバイスを制御して駆動対象の前記半導体デバイスに前記第1電源キャパシタを並列接続し、駆動対象の前記半導体デバイスのゲート指令がlowの時は前記複数のスイッチデバイスを制御して駆動対象の前記半導体デバイスに前記第2電源キャパシタを逆並列接続し、
前記伝送部は、入力コンデンサと、前記入力コンデンサに接続された第1フルブリッジ回路と、前記第1フルブリッジ回路と前記第1トランスの一次巻線との間に接続された第1直流カット用コンデンサと、を有する伝送回路を備え、
前記1段目駆動回路~n段目駆動回路は、それぞれ、
前記第1トランスの二次巻線の一端にアノードが接続された第1ダイオードと、
前記第1トランスの二次巻線の他端にアノードが接続された第2ダイオードと、
前記第1ダイオードのカソードと前記第2ダイオードのカソードにアノードが接続された第3ダイオードと、
前記第3ダイオードのカソードと前記第1トランスの三次巻線の中点との間に直列接続された第1,第2電源キャパシタと、
前記第1トランスの三次巻線の一端にアノードが接続された第4ダイオードと、
前記第1トランスの三次巻線の他端にアノードが接続された第5ダイオードと、
前記第4ダイオードのカソードと前記第5ダイオードのカソードにアノードが接続され、カソードが前記第1,第2電源キャパシタの接続点に接続された第6ダイオードと、
前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に一端が接続され、前記第1トランスの三次巻線の中点に他端が接続された第1抵抗と、
第1端子が前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に接続され、第2端子が前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点に接続され、第3端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続された第1スイッチデバイスと、
第1端子が前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に接続され、第2端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第2スイッチデバイスと、
第2端子が前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第3スイッチデバイスと、
第1端子が前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に接続され、第2端子が前記第6ダイオードのカソードに接続され、第3端子が前記第3スイッチデバイスの第1端子に接続された第4スイッチデバイスと、
第1端子が前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に接続され、第2端子が前記第3スイッチデバイスの第1端子に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第5スイッチデバイスと、
を備え、駆動対象の前記半導体デバイスの第3端子は前記第1,第2電源キャパシタの接続点と前記第1トランスの二次巻線の中点に接続されたことを特徴とするゲート駆動回路。
A gate drive circuit for n series-connected semiconductor devices, comprising:
a transmission unit that transmits a gate signal and power;
a transformer unit including a first transformer having a primary winding connected to the transmission unit;
a drive circuit unit having a first stage drive circuit to an nth stage drive circuit that respectively control the n semiconductor devices;
Each of the first stage drive circuit to the nth stage drive circuit has a plurality of switch devices and first and second power supply capacitors between a secondary winding and a tertiary winding of the first transformer and the semiconductor device to be driven, and when a gate command for the semiconductor device to be driven is high, the plurality of switch devices are controlled to connect the first power supply capacitor in parallel to the semiconductor device to be driven, and when a gate command for the semiconductor device to be driven is low, the plurality of switch devices are controlled to connect the second power supply capacitor in inverse parallel to the semiconductor device to be driven ,
the transmission unit includes a transmission circuit having an input capacitor, a first full-bridge circuit connected to the input capacitor, and a first DC blocking capacitor connected between the first full-bridge circuit and a primary winding of the first transformer,
The first stage drive circuit to the nth stage drive circuit each include
a first diode having an anode connected to one end of a secondary winding of the first transformer;
a second diode having an anode connected to the other end of the secondary winding of the first transformer;
a third diode having an anode connected to the cathode of the first diode and the cathode of the second diode;
first and second power supply capacitors connected in series between the cathode of the third diode and a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a fourth diode having an anode connected to one end of the tertiary winding of the first transformer;
a fifth diode having an anode connected to the other end of the tertiary winding of the first transformer;
a sixth diode having an anode connected to the cathode of the fourth diode and the cathode of the fifth diode and a cathode connected to the connection point of the first and second power supply capacitors;
a first resistor having one end connected to a connection point of the fourth, fifth, and sixth diodes and the other end connected to a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a first switch device having a first terminal connected to a junction point between the first, second and third diodes, a second terminal connected to a junction point between the third diode and the first power supply capacitor, and a third terminal connected to a first terminal of the semiconductor device to be driven;
a second switch device having a first terminal connected to a connection point of the first, second, and third diodes, a second terminal connected to a first terminal of the semiconductor device to be driven, and a third terminal connected to a midpoint of a tertiary winding of the first transformer;
a third switch device having a second terminal connected to a junction of the first, second and third diodes and a third terminal connected to a midpoint of a tertiary winding of the first transformer;
a fourth switch device having a first terminal connected to the junction of the fourth, fifth and sixth diodes, a second terminal connected to the cathode of the sixth diode, and a third terminal connected to the first terminal of the third switch device;
a fifth switch device having a first terminal connected to a junction point of the fourth, fifth and sixth diodes, a second terminal connected to a first terminal of the third switch device, and a third terminal connected to a midpoint of a tertiary winding of the first transformer;
a third terminal of the semiconductor device to be driven is connected to a connection point of the first and second power supply capacitors and a midpoint of a secondary winding of the first transformer.
n個直列接続された半導体デバイスのゲート駆動回路であって、
ゲート信号及び電力を伝送する伝送部と、
前記伝送部に一次巻線が接続された第1トランスを有するトランス部と、
n個の前記半導体デバイスをそれぞれ制御する1段目駆動回路~n段目駆動回路を有する駆動回路部と、を備え、
前記1段目駆動回路~n段目駆動回路はそれぞれ、前記第1トランスの二次巻線,三次巻線と駆動対象の前記半導体デバイスとの間に複数のスイッチデバイスと第1,第2電源キャパシタとを有し、駆動対象の前記半導体デバイスのゲート指令がhighの時は前記複数のスイッチデバイスを制御して駆動対象の前記半導体デバイスに前記第1電源キャパシタを並列接続し、駆動対象の前記半導体デバイスのゲート指令がlowの時は前記複数のスイッチデバイスを制御して駆動対象の前記半導体デバイスに前記第2電源キャパシタを逆並列接続し、
前記トランス部は、前記第1トランスと第2トランスとを備え、
前記伝送部は、
入力コンデンサと、前記入力コンデンサに接続された第1フルブリッジ回路と、前記第1フルブリッジ回路と前記第1トランスの一次巻線との間に接続された第1直流カット用コンデンサと、を有するON側伝送回路と、
前記入力コンデンサに接続された第2フルブリッジ回路と、前記第2フルブリッジ回路と前記第2トランスの一次巻線との間に接続された第2直流カット用コンデンサと、を有するOFF側伝送回路と、を備え、
前記駆動回路部は、前記1段目駆動回路~n段目駆動回路と、1段目OFF側駆動回路~n段目OFF側駆動回路と、を備え、
前記1段目駆動回路~n段目駆動回路はそれぞれ、
前記第1トランスの二次巻線の一端にアノードが接続された第1ダイオードと、
前記第1トランスの二次巻線の他端にアノードが接続された第2ダイオードと、
前記第1ダイオードのカソードと前記第2ダイオードのカソードにアノードが接続された第3ダイオードと、
前記第3ダイオードのカソードと前記第1トランスの三次巻線の中点との間に直列接続された第1,第2電源キャパシタと、
前記第1トランスの三次巻線の一端にアノードが接続された第4ダイオードと、
前記第1トランスの三次巻線の他端にアノードが接続された第5ダイオードと、
前記第4ダイオードのカソードと前記第5ダイオードのカソードにアノードが接続され、カソードが前記第1,第2電源キャパシタの接続点に接続された第6ダイオードと、
前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に一端が接続され、前記第1トランスの三次巻線の中点に他端が接続された第1抵抗と、
前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に一端が接続された第2抵抗と、
第1端子が前記第2抵抗の他端に接続され、第2端子が前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点に接続され、第3端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続された第1スイッチデバイスと、
第1端子が前記第2抵抗の他端に接続され、第2端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第2スイッチデバイスと、
第2端子が前記第2抵抗の他端に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第3スイッチデバイスと、
アノードが前記第3スイッチデバイスの第1端子に接続され、カソードが前記第6ダイオードのカソードに接続された第7ダイオードと、
第1端子が前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第5スイッチデバイスと、
を備え、駆動対象の前記半導体デバイスの第3端子は前記第1,第2電源キャパシタの接続点と前記第1トランスの二次巻線の中点に接続され、
前記1段目OFF側駆動回路~n段目OFF側駆動回路はそれぞれ、
前記第2トランスの二次巻線の一端にアノードが接続され、前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点にカソードが接続された第8ダイオードと、
前記第2トランスの二次巻線の他端にアノードが接続され、前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点にカソードが接続された第9ダイオードと、
前記第2トランスの三次巻線の一端にアノードが接続され、前記第3スイッチデバイスの第1端子にカソードが接続された第10ダイオードと、
前記第2トランスの三次巻線の他端にアノードが接続され、前記第3スイッチデバイスの第1端子にカソードが接続された第11ダイオードと、を備え、
前記第2トランスの二次巻線の中点が前記第1トランスの二次巻線の中点に接続され、前記第2トランスの三次巻線の中点が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続されたことを特徴とするゲート駆動回路。
A gate drive circuit for n series-connected semiconductor devices, comprising:
a transmission unit that transmits a gate signal and power;
a transformer unit including a first transformer having a primary winding connected to the transmission unit;
a drive circuit unit having a first stage drive circuit to an nth stage drive circuit that respectively control the n semiconductor devices;
Each of the first stage drive circuit to the nth stage drive circuit has a plurality of switch devices and first and second power supply capacitors between a secondary winding and a tertiary winding of the first transformer and the semiconductor device to be driven, and when a gate command for the semiconductor device to be driven is high, the plurality of switch devices are controlled to connect the first power supply capacitor in parallel to the semiconductor device to be driven, and when a gate command for the semiconductor device to be driven is low, the plurality of switch devices are controlled to connect the second power supply capacitor in inverse parallel to the semiconductor device to be driven ,
the transformer unit includes the first transformer and a second transformer,
The transmission unit is
an ON-side transmission circuit including an input capacitor, a first full-bridge circuit connected to the input capacitor, and a first DC blocking capacitor connected between the first full-bridge circuit and a primary winding of the first transformer;
an OFF-side transmission circuit including a second full-bridge circuit connected to the input capacitor, and a second DC blocking capacitor connected between the second full-bridge circuit and a primary winding of the second transformer;
the drive circuit section includes the first stage drive circuit to the nth stage drive circuit and a first stage OFF-side drive circuit to an nth stage OFF-side drive circuit,
The first stage drive circuit to the nth stage drive circuit each include
a first diode having an anode connected to one end of a secondary winding of the first transformer;
a second diode having an anode connected to the other end of the secondary winding of the first transformer;
a third diode having an anode connected to the cathode of the first diode and the cathode of the second diode;
first and second power supply capacitors connected in series between the cathode of the third diode and a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a fourth diode having an anode connected to one end of the tertiary winding of the first transformer;
a fifth diode having an anode connected to the other end of the tertiary winding of the first transformer;
a sixth diode having an anode connected to the cathode of the fourth diode and the cathode of the fifth diode and a cathode connected to the connection point of the first and second power supply capacitors;
a first resistor having one end connected to a connection point of the fourth, fifth, and sixth diodes and the other end connected to a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a second resistor having one end connected to a connection point of the first, second, and third diodes;
a first switch device having a first terminal connected to the other end of the second resistor, a second terminal connected to a connection point between the third diode and the first power supply capacitor, and a third terminal connected to a first terminal of the semiconductor device to be driven;
a second switch device having a first terminal connected to the other end of the second resistor, a second terminal connected to a first terminal of the semiconductor device to be driven, and a third terminal connected to a midpoint of a tertiary winding of the first transformer;
a third switch device having a second terminal connected to the other end of the second resistor and a third terminal connected to a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a seventh diode having an anode connected to the first terminal of the third switch device and a cathode connected to the cathode of the sixth diode;
a fifth switch device having a first terminal connected to a junction point of the fourth, fifth, and sixth diodes and a third terminal connected to a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a third terminal of the semiconductor device to be driven is connected to a connection point of the first and second power supply capacitors and a midpoint of a secondary winding of the first transformer;
The first stage OFF-side driving circuit to the nth stage OFF-side driving circuit each include
an eighth diode having an anode connected to one end of the secondary winding of the second transformer and a cathode connected to a connection point between the third diode and the first power supply capacitor;
a ninth diode having an anode connected to the other end of the secondary winding of the second transformer and a cathode connected to a connection point between the third diode and the first power supply capacitor;
a tenth diode having an anode connected to one end of the tertiary winding of the second transformer and a cathode connected to the first terminal of the third switch device;
an eleventh diode having an anode connected to the other end of the tertiary winding of the second transformer and a cathode connected to the first terminal of the third switch device;
a midpoint of a secondary winding of the second transformer is connected to a midpoint of a secondary winding of the first transformer, and a midpoint of a tertiary winding of the second transformer is connected to a midpoint of a tertiary winding of the first transformer.
前記第5スイッチデバイスの第2端子と前記第3スイッチデバイスの第1端子との間に第3抵抗が接続されたことを特徴とする請求項2記載のゲート駆動回路。 3. The gate drive circuit of claim 2, further comprising a third resistor connected between the second terminal of the fifth switch device and the first terminal of the third switch device. 前記第1スイッチデバイスと前記第1電源キャパシタとの間に第1電圧調整機構を設け、
前記第2スイッチデバイスと前記第2電源キャパシタとの間に第2電圧調整機構を設けたことを特徴とする請求項1~3のうち何れかに記載のゲート駆動回路。
a first voltage regulation mechanism between the first switch device and the first source capacitor;
4. The gate drive circuit according to claim 1, further comprising a second voltage adjustment mechanism provided between the second switch device and the second power supply capacitor.
前記第1,第2電圧調整機構は、
第2端子が前記第1電源キャパシタまたは前記第2電源キャパシタに接続され、第3端子が前記第1スイッチデバイスまたは前記第2スイッチデバイスに接続された半導体素子と、
前記第1,第2電源キャパシタの接続点に一端が接続された基準電圧と、
前記基準電圧の一端に接続された第6抵抗と、
前記第6抵抗の他端と、前記第1スイッチデバイスまたは前記第2スイッチデバイスとの間に接続された第7抵抗と、
前記基準電圧の他端と前記第6,第7抵抗の接続点を入力端子とし、出力端子が前記半導体素子の第1端子に接続された増幅回路と、
を備えたことを特徴とする請求項4記載のゲート駆動回路。
The first and second voltage adjustment mechanisms include
a semiconductor device having a second terminal connected to the first power supply capacitor or the second power supply capacitor and a third terminal connected to the first switch device or the second switch device;
a reference voltage having one end connected to the junction of the first and second power supply capacitors;
A sixth resistor connected to one end of the reference voltage;
a seventh resistor connected between the other end of the sixth resistor and the first switch device or the second switch device;
an amplifier circuit having an input terminal connected to the other end of the reference voltage and the connection point between the sixth and seventh resistors and an output terminal connected to the first terminal of the semiconductor element;
5. The gate drive circuit according to claim 4, further comprising:
第1,第2フルブリッジ回路は、前記入力コンデンサの両端間に直列接続された第1,第2半導体スイッチと、前記入力コンデンサの両端間に直列接続された第3,第4半導体スイッチと、を備え、前記第3,第4半導体スイッチの接続点は前記第1直流カット用コンデンサまたは第2直流カット用コンデンサを介して前記第1トランスの一次巻線の一端または第2トランスの一次巻線の一端に接続され、前記第1,第2半導体スイッチの接続点は前記第1トランスの一次巻線の他端または前記第2トランスの一次巻線の他端に接続され、
制御回路は、
前記第1,第2直流カット用コンデンサの電圧が正の場合は前記第1,第4半導体スイッチをONとし、前記第2,第3半導体スイッチをOFFとし、
前記第1,第2直流カット用コンデンサの電圧が負の場合は前記第1,第4半導体スイッチをOFFとし、前記第2,第3半導体スイッチをONとすることを特徴とする請求項1~5のうち何れかに記載のゲート駆動回路。
the first and second full bridge circuits include first and second semiconductor switches connected in series across the input capacitor, and third and fourth semiconductor switches connected in series across the input capacitor, a connection point of the third and fourth semiconductor switches is connected to one end of a primary winding of the first transformer or one end of a primary winding of the second transformer via the first DC blocking capacitor or the second DC blocking capacitor, and a connection point of the first and second semiconductor switches is connected to the other end of the primary winding of the first transformer or the other end of the primary winding of the second transformer,
The control circuit includes:
When the voltages of the first and second DC blocking capacitors are positive, the first and fourth semiconductor switches are turned ON and the second and third semiconductor switches are turned OFF;
A gate drive circuit as described in any one of claims 1 to 5, characterized in that when the voltages of the first and second DC blocking capacitors are negative, the first and fourth semiconductor switches are turned OFF and the second and third semiconductor switches are turned ON.
前記第1,第2直流カット用コンデンサの電圧は、ローパスフィルタ処理または移動平均処理した値であることを特徴とする請求項6記載のゲート駆動回路。 7. The gate drive circuit according to claim 6 , wherein the voltages of the first and second DC blocking capacitors are values that have been subjected to low-pass filtering or moving average processing. 前記第1,第2直流カット用コンデンサの電圧のサンプリングのタイミングはキャリアの頂点のタイミングとし、
前記第1~第4半導体スイッチのスイッチングのタイミングは前記キャリアの0クロスのタイミングとすることを特徴とする請求項6または7記載のゲート駆動回路。
The timing of sampling the voltages of the first and second DC blocking capacitors is the timing of the peak of a carrier.
8. The gate drive circuit according to claim 6 , wherein the switching timing of the first to fourth semiconductor switches is set to the zero cross timing of the carrier.
第1,第2フルブリッジ回路は、前記入力コンデンサの両端間に直列接続された第1,第2半導体スイッチと、前記入力コンデンサの両端間に直列接続された第3,第4半導体スイッチと、を備え、前記第3,第4半導体スイッチの接続点は前記第1直流カット用コンデンサまたは第2直流カット用コンデンサを介して前記第1トランスの一次巻線の一端または第2トランスの一次巻線の一端に接続され、前記第1,第2半導体スイッチの接続点は前記第1トランスの一次巻線の他端または前記第2トランスの一次巻線の他端に接続され、
制御回路は、
入力される電圧により発信周波数を制御する電圧制御型発信器と、
前記ゲート指令のオフ時における前記電圧制御型発信器の出力の位相情報をサンプルホールドし、サンプル位相情報として出力するサンプルホールド回路と、
前記サンプル位相情報がπ以上2π未満の場合は2πを位相指令値として出力し、前記サンプル位相情報が0以上π未満の場合は0を前記位相指令値として出力する位相判定部と、
前記位相指令値と前記サンプル位相情報に基づいてPI制御を行い、PI制御の結果である電圧を前記電圧制御型発信器に出力するPI制御器と、
を備え、
前記電圧制御型発信器の出力が正の場合は前記第1,第4半導体スイッチをONとし、前記第2,第3半導体スイッチをOFFとし、
前記電圧制御型発信器の出力が負の場合は前記第1,第4半導体スイッチをOFFとし、前記第2,第3半導体スイッチをONとすることを特徴とする請求項1~5のうち何れかに記載のゲート駆動回路。
the first and second full bridge circuits include first and second semiconductor switches connected in series across the input capacitor, and third and fourth semiconductor switches connected in series across the input capacitor, a connection point of the third and fourth semiconductor switches is connected to one end of a primary winding of the first transformer or one end of a primary winding of the second transformer via the first DC blocking capacitor or the second DC blocking capacitor, and a connection point of the first and second semiconductor switches is connected to the other end of the primary winding of the first transformer or the other end of the primary winding of the second transformer,
The control circuit includes:
a voltage controlled oscillator that controls an oscillation frequency according to an input voltage;
a sample-and-hold circuit that samples and holds phase information of the output of the voltage-controlled oscillator when the gate command is off, and outputs the sampled phase information;
a phase determination unit that outputs 2π as a phase command value when the sample phase information is equal to or greater than π and less than 2π, and outputs 0 as the phase command value when the sample phase information is equal to or greater than 0 and less than π;
a PI controller that performs PI control based on the phase command value and the sampled phase information and outputs a voltage resulting from the PI control to the voltage controlled oscillator;
Equipped with
When the output of the voltage controlled oscillator is positive, the first and fourth semiconductor switches are turned ON and the second and third semiconductor switches are turned OFF;
A gate drive circuit as described in any one of claims 1 to 5, characterized in that when the output of the voltage-controlled oscillator is negative, the first and fourth semiconductor switches are turned OFF and the second and third semiconductor switches are turned ON.
前記制御回路は、
前記第1直流カット用コンデンサまたは前記第2直流カット用コンデンサの電圧指令値と電圧検出値との差分に基づいてPI制御を行うコンデンサ電圧フィードバック部を備え、
前記PI制御器は、前記位相指令値と前記コンデンサ電圧フィードバック部の出力を加算した値から前記サンプル位相情報を減算した値に基づいてPI制御を行うことを特徴とする請求項9記載のゲート駆動回路。
The control circuit includes:
a capacitor voltage feedback unit that performs PI control based on a difference between a voltage command value and a voltage detection value of the first DC blocking capacitor or the second DC blocking capacitor,
10. The gate drive circuit according to claim 9, wherein the PI controller performs PI control based on a value obtained by subtracting the sample phase information from a value obtained by adding the phase command value and the output of the capacitor voltage feedback unit.
前記制御回路は、
前記第1直流カット用コンデンサまたは前記第2直流カット用コンデンサの電流指令値と電流検出値との差分に基づいてPI制御を行うコンデンサ電流フィードバック部を備え、
前記PI制御器は、前記位相指令値と前記コンデンサ電流フィードバック部の出力を加算した値から前記サンプル位相情報を減算した値に基づいてPI制御を行うことを特徴とする請求項9記載のゲート駆動回路。
The control circuit includes:
a capacitor current feedback unit that performs PI control based on a difference between a current command value and a current detection value of the first DC blocking capacitor or the second DC blocking capacitor,
10. The gate drive circuit according to claim 9, wherein the PI controller performs PI control based on a value obtained by subtracting the sample phase information from a value obtained by adding the phase command value and the output of the capacitor current feedback unit.
前記電圧制御型発信器は、
入力端子に一端が接続された第8抵抗と、
入力端子に一端が接続された第9抵抗と、
前記第8抵抗の他端に一方の入力端子が接続され、前記第9抵抗の他端に他方の入力端子が接続された第1コンパレータと、
前記第1コンパレータの一方の入力端子と出力端子との間に接続されたコンデンサと、
前記第1コンパレータの一方の入力端子に一端が接続された第10抵抗と、
前記第10抵抗の他端に第2端子が接続され、第3端子が接地された半導体スイッチと、
前記第1コンパレータの他方の入力端子と前記半導体スイッチの第3端子との間に接続された第11抵抗と、
前記第1コンパレータの出力に一方の入力端子が接続された第2コンパレータと、
前記第2コンパレータの他方の入力端子に一端が接続され、他端が接地された第12抵抗と、
前記第2コンパレータの出力端子と他方の入力端子との間に接続された第13抵抗と、
前記半導体デバイスの第1端子と前記第2コンパレータの出力端子との間に接続された第14抵抗と、
前記第2コンパレータの出力に応じてduty比を補正するduty比補正部と、を備えたことを特徴とする請求項10~11のうち何れかに記載のゲート駆動回路。
The voltage controlled oscillator comprises:
an eighth resistor having one end connected to the input terminal;
a ninth resistor having one end connected to the input terminal;
a first comparator having one input terminal connected to the other end of the eighth resistor and having the other input terminal connected to the other end of the ninth resistor;
a capacitor connected between one input terminal and an output terminal of the first comparator;
a tenth resistor having one end connected to one input terminal of the first comparator;
a semiconductor switch having a second terminal connected to the other end of the tenth resistor and a third terminal grounded;
an eleventh resistor connected between the other input terminal of the first comparator and a third terminal of the semiconductor switch;
a second comparator having one input terminal connected to the output of the first comparator;
a twelfth resistor, one end of which is connected to the other input terminal of the second comparator and the other end of which is grounded;
a thirteenth resistor connected between the output terminal and the other input terminal of the second comparator;
a fourteenth resistor connected between the first terminal of the semiconductor device and the output terminal of the second comparator;
12. The gate drive circuit according to claim 10, further comprising: a duty ratio correction section that corrects a duty ratio in accordance with an output of the second comparator.
ゲート信号及び電力を伝送する伝送部と、前記伝送部に一次巻線が接続された第1トランスを有するトランス部と、n個の半導体デバイスをそれぞれ制御する1段目駆動回路~n段目駆動回路を有する駆動回路部と、を備え、前記1段目駆動回路~n段目駆動回路はそれぞれ、前記第1トランスの二次巻線,三次巻線と駆動対象の前記半導体デバイスとの間に複数のスイッチデバイスと第1,第2電源キャパシタとを備え、
前記伝送部は、入力コンデンサと、前記入力コンデンサに接続された第1フルブリッジ回路と、前記第1フルブリッジ回路と前記第1トランスの一次巻線との間に接続された第1直流カット用コンデンサと、を有する伝送回路を備え、
前記1段目駆動回路~n段目駆動回路は、それぞれ、
前記第1トランスの二次巻線の一端にアノードが接続された第1ダイオードと、
前記第1トランスの二次巻線の他端にアノードが接続された第2ダイオードと、
前記第1ダイオードのカソードと前記第2ダイオードのカソードにアノードが接続された第3ダイオードと、
前記第3ダイオードのカソードと前記第1トランスの三次巻線の中点との間に直列接続された第1,第2電源キャパシタと、
前記第1トランスの三次巻線の一端にアノードが接続された第4ダイオードと、
前記第1トランスの三次巻線の他端にアノードが接続された第5ダイオードと、
前記第4ダイオードのカソードと前記第5ダイオードのカソードにアノードが接続され、カソードが前記第1,第2電源キャパシタの接続点に接続された第6ダイオードと、
前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に一端が接続され、前記第1トランスの三次巻線の中点に他端が接続された第1抵抗と、
第1端子が前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に接続され、第2端子が前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点に接続され、第3端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続された第1スイッチデバイスと、
第1端子が前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に接続され、第2端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第2スイッチデバイスと、
第2端子が前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第3スイッチデバイスと、
第1端子が前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に接続され、第2端子が前記第6ダイオードのカソードに接続され、第3端子が前記第3スイッチデバイスの第1端子に接続された第4スイッチデバイスと、
第1端子が前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に接続され、第2端子が前記第3スイッチデバイスの第1端子に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第5スイッチデバイスと、
を備え、駆動対象の前記半導体デバイスの第3端子は前記第1,第2電源キャパシタの接続点と前記第1トランスの二次巻線の中点に接続されたゲート駆動回路の制御方法であって、
前記1段目駆動回路~n段目駆動回路はそれぞれ、駆動対象の前記半導体デバイスのゲート指令がhighの時は前記複数のスイッチデバイスを制御して駆動対象の前記半導体デバイスに前記第1電源キャパシタを並列接続し、駆動対象の前記半導体デバイスのゲート指令がlowの時は前記複数のスイッチデバイスを制御して駆動対象の前記半導体デバイスに前記第2電源キャパシタを逆並列接続することを特徴とするゲート駆動回路の制御方法。
a transmission section that transmits a gate signal and power, a transformer section having a first transformer with a primary winding connected to the transmission section, and a drive circuit section having first stage drive circuit to nth stage drive circuit that control n semiconductor devices, respectively, wherein the first stage drive circuit to nth stage drive circuit each include a plurality of switch devices and first and second power supply capacitors between a secondary winding and a tertiary winding of the first transformer and the semiconductor device to be driven,
the transmission unit includes a transmission circuit having an input capacitor, a first full-bridge circuit connected to the input capacitor, and a first DC blocking capacitor connected between the first full-bridge circuit and a primary winding of the first transformer,
The first stage drive circuit to the nth stage drive circuit each include
a first diode having an anode connected to one end of a secondary winding of the first transformer;
a second diode having an anode connected to the other end of the secondary winding of the first transformer;
a third diode having an anode connected to the cathode of the first diode and the cathode of the second diode;
first and second power supply capacitors connected in series between the cathode of the third diode and a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a fourth diode having an anode connected to one end of the tertiary winding of the first transformer;
a fifth diode having an anode connected to the other end of the tertiary winding of the first transformer;
a sixth diode having an anode connected to the cathode of the fourth diode and the cathode of the fifth diode and a cathode connected to the connection point of the first and second power supply capacitors;
a first resistor having one end connected to a connection point of the fourth, fifth, and sixth diodes and the other end connected to a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a first switch device having a first terminal connected to a junction point between the first, second and third diodes, a second terminal connected to a junction point between the third diode and the first power supply capacitor, and a third terminal connected to a first terminal of the semiconductor device to be driven;
a second switch device having a first terminal connected to a connection point of the first, second, and third diodes, a second terminal connected to a first terminal of the semiconductor device to be driven, and a third terminal connected to a midpoint of a tertiary winding of the first transformer;
a third switch device having a second terminal connected to a junction of the first, second and third diodes and a third terminal connected to a midpoint of a tertiary winding of the first transformer;
a fourth switch device having a first terminal connected to the junction of the fourth, fifth and sixth diodes, a second terminal connected to the cathode of the sixth diode, and a third terminal connected to the first terminal of the third switch device;
a fifth switch device having a first terminal connected to a junction point of the fourth, fifth and sixth diodes, a second terminal connected to a first terminal of the third switch device, and a third terminal connected to a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a third terminal of the semiconductor device to be driven is connected to a connection point of the first and second power supply capacitors and a midpoint of a secondary winding of the first transformer ,
a first stage drive circuit that controls the first to n-th stage drive circuits to connect the first power supply capacitor in parallel to the semiconductor device to be driven when a gate command for the semiconductor device to be driven is high, and to connect the second power supply capacitor in inverse parallel to the semiconductor device to be driven when a gate command for the semiconductor device to be driven is low.
ゲート信号及び電力を伝送する伝送部と、前記伝送部に一次巻線が接続された第1トランスを有するトランス部と、n個の半導体デバイスをそれぞれ制御する1段目駆動回路~n段目駆動回路を有する駆動回路部と、を備え、前記1段目駆動回路~n段目駆動回路はそれぞれ、前記第1トランスの二次巻線,三次巻線と駆動対象の前記半導体デバイスとの間に複数のスイッチデバイスと第1,第2電源キャパシタとを備え、
前記トランス部は、前記第1トランスと第2トランスとを備え、
前記伝送部は、
入力コンデンサと、前記入力コンデンサに接続された第1フルブリッジ回路と、前記第1フルブリッジ回路と前記第1トランスの一次巻線との間に接続された第1直流カット用コンデンサと、を有するON側伝送回路と、
前記入力コンデンサに接続された第2フルブリッジ回路と、前記第2フルブリッジ回路と前記第2トランスの一次巻線との間に接続された第2直流カット用コンデンサと、を有するOFF側伝送回路と、を備え、
前記駆動回路部は、前記1段目駆動回路~n段目駆動回路と、1段目OFF側駆動回路~n段目OFF側駆動回路と、を備え、
前記1段目駆動回路~n段目駆動回路はそれぞれ、
前記第1トランスの二次巻線の一端にアノードが接続された第1ダイオードと、
前記第1トランスの二次巻線の他端にアノードが接続された第2ダイオードと、
前記第1ダイオードのカソードと前記第2ダイオードのカソードにアノードが接続された第3ダイオードと、
前記第3ダイオードのカソードと前記第1トランスの三次巻線の中点との間に直列接続された第1,第2電源キャパシタと、
前記第1トランスの三次巻線の一端にアノードが接続された第4ダイオードと、
前記第1トランスの三次巻線の他端にアノードが接続された第5ダイオードと、
前記第4ダイオードのカソードと前記第5ダイオードのカソードにアノードが接続され、カソードが前記第1,第2電源キャパシタの接続点に接続された第6ダイオードと、
前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に一端が接続され、前記第1トランスの三次巻線の中点に他端が接続された第1抵抗と、
前記第1,第2,第3ダイオードの接続点に一端が接続された第2抵抗と、
第1端子が前記第2抵抗の他端に接続され、第2端子が前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点に接続され、第3端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続された第1スイッチデバイスと、
第1端子が前記第2抵抗の他端に接続され、第2端子が駆動対象の前記半導体デバイスの第1端子に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第2スイッチデバイスと、
第2端子が前記第2抵抗の他端に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第3スイッチデバイスと、
アノードが前記第3スイッチデバイスの第1端子に接続され、カソードが前記第6ダイオードのカソードに接続された第7ダイオードと、
第1端子が前記第4,第5,第6ダイオードの接続点に接続され、第3端子が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続された第5スイッチデバイスと、
を備え、駆動対象の前記半導体デバイスの第3端子は前記第1,第2電源キャパシタの接続点と前記第1トランスの二次巻線の中点に接続され、
前記1段目OFF側駆動回路~n段目OFF側駆動回路はそれぞれ、
前記第2トランスの二次巻線の一端にアノードが接続され、前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点にカソードが接続された第8ダイオードと、
前記第2トランスの二次巻線の他端にアノードが接続され、前記第3ダイオードと前記第1電源キャパシタの接続点にカソードが接続された第9ダイオードと、
前記第2トランスの三次巻線の一端にアノードが接続され、前記第3スイッチデバイスの第1端子にカソードが接続された第10ダイオードと、
前記第2トランスの三次巻線の他端にアノードが接続され、前記第3スイッチデバイスの第1端子にカソードが接続された第11ダイオードと、を備え、
前記第2トランスの二次巻線の中点が前記第1トランスの二次巻線の中点に接続され、前記第2トランスの三次巻線の中点が前記第1トランスの三次巻線の中点に接続されたゲート駆動回路の制御方法であって、
前記1段目駆動回路~n段目駆動回路はそれぞれ、駆動対象の前記半導体デバイスのゲート指令がhighの時は前記複数のスイッチデバイスを制御して駆動対象の前記半導体デバイスに前記第1電源キャパシタを並列接続し、駆動対象の前記半導体デバイスのゲート指令がlowの時は前記複数のスイッチデバイスを制御して駆動対象の前記半導体デバイスに前記第2電源キャパシタを逆並列接続することを特徴とするゲート駆動回路の制御方法。
a transmission section that transmits a gate signal and power, a transformer section having a first transformer with a primary winding connected to the transmission section, and a drive circuit section having first stage drive circuit to nth stage drive circuit that control n semiconductor devices, respectively, wherein the first stage drive circuit to nth stage drive circuit each include a plurality of switch devices and first and second power supply capacitors between a secondary winding and a tertiary winding of the first transformer and the semiconductor device to be driven,
the transformer unit includes the first transformer and a second transformer,
The transmission unit is
an ON-side transmission circuit including an input capacitor, a first full-bridge circuit connected to the input capacitor, and a first DC blocking capacitor connected between the first full-bridge circuit and a primary winding of the first transformer;
an OFF-side transmission circuit including a second full-bridge circuit connected to the input capacitor, and a second DC blocking capacitor connected between the second full-bridge circuit and a primary winding of the second transformer;
the drive circuit section includes the first stage drive circuit to the nth stage drive circuit and a first stage OFF-side drive circuit to an nth stage OFF-side drive circuit,
The first stage drive circuit to the nth stage drive circuit each include
a first diode having an anode connected to one end of a secondary winding of the first transformer;
a second diode having an anode connected to the other end of the secondary winding of the first transformer;
a third diode having an anode connected to the cathode of the first diode and the cathode of the second diode;
first and second power supply capacitors connected in series between the cathode of the third diode and a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a fourth diode having an anode connected to one end of the tertiary winding of the first transformer;
a fifth diode having an anode connected to the other end of the tertiary winding of the first transformer;
a sixth diode having an anode connected to the cathode of the fourth diode and the cathode of the fifth diode and a cathode connected to the connection point of the first and second power supply capacitors;
a first resistor having one end connected to a connection point of the fourth, fifth, and sixth diodes and the other end connected to a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a second resistor having one end connected to a connection point of the first, second, and third diodes;
a first switch device having a first terminal connected to the other end of the second resistor, a second terminal connected to a connection point between the third diode and the first power supply capacitor, and a third terminal connected to a first terminal of the semiconductor device to be driven;
a second switch device having a first terminal connected to the other end of the second resistor, a second terminal connected to a first terminal of the semiconductor device to be driven, and a third terminal connected to a midpoint of a tertiary winding of the first transformer;
a third switch device having a second terminal connected to the other end of the second resistor and a third terminal connected to a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a seventh diode having an anode connected to the first terminal of the third switch device and a cathode connected to the cathode of the sixth diode;
a fifth switch device having a first terminal connected to a junction point of the fourth, fifth, and sixth diodes and a third terminal connected to a midpoint of the tertiary winding of the first transformer;
a third terminal of the semiconductor device to be driven is connected to a connection point of the first and second power supply capacitors and a midpoint of a secondary winding of the first transformer;
The first stage OFF-side driving circuit to the nth stage OFF-side driving circuit each include
an eighth diode having an anode connected to one end of the secondary winding of the second transformer and a cathode connected to a connection point between the third diode and the first power supply capacitor;
a ninth diode having an anode connected to the other end of the secondary winding of the second transformer and a cathode connected to a connection point between the third diode and the first power supply capacitor;
a tenth diode having an anode connected to one end of the tertiary winding of the second transformer and a cathode connected to the first terminal of the third switch device;
an eleventh diode having an anode connected to the other end of the tertiary winding of the second transformer and a cathode connected to the first terminal of the third switch device;
A method for controlling a gate drive circuit, in which a midpoint of a secondary winding of the second transformer is connected to a midpoint of a secondary winding of the first transformer, and a midpoint of a tertiary winding of the second transformer is connected to a midpoint of a tertiary winding of the first transformer ,
a first stage drive circuit that controls a first power supply capacitor in parallel to the semiconductor device to be driven when a gate command for the semiconductor device to be driven is high, and a second stage drive circuit that controls a first stage drive circuit that controls a second stage drive circuit that connects the first power supply capacitor in parallel to the semiconductor device to be driven when a gate command for the semiconductor device to be driven is low.
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