DE102007004557A1

DE102007004557A1 - Gate-Treiberschaltung

Info

Publication number: DE102007004557A1
Application number: DE102007004557A
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Tai
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: JP4874665B2; CN100514805C; US7804353B2; DE102007004557B4; US20070187217A1; CN101022243A; JP2007221863A

Abstract

Die vorliegende Erfindung enthält folgendes: Eine Hauptspannungs-Erfassungseinheit zum Erfassen einer zwischen Hauptelektroden eines elektrischen Stromversorgungsschaltelements angelegten Spannung; eine Steuer-Stromquelle zum Injizieren eines Stroms in eine Gate-Elektrode des elektrischen Stromversorgungsschaltelements gemäß der durch die Hauptspannungs-Erfassungseinheit erfassten Spannung; eine Hauptstrom-Erfassungseinheit zum Erfassen eines Hauptstroms, der zwischen den Hauptelektroden des elektrischen Stromversorgungsschaltelements fließt; und eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Stroms der Steuer-Energiequelle gemäß dem durch die Hauptstrom-Erfassungseinheit erfassten Hauptstrom.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gate-Treiberschaltung zum Antreiben eines elektrischen Stromversorgungsschaltelements.
Elektrische Energiewandler, auf welche ein elektrisches Stromversorgungsschaltelement angewendet wird, haben ihren Anwendungsbereich mit einer Entwicklung des Schaltelements dahingehend, dass es ein größeres Volumen und eine höhere Geschwindigkeit hat, ständig erweitert. In letzter Zeit haben unter solchen elektrischen Stromversorgungsschaltelementen insbesondere IGBT und MOSFET, die Schaltelemente vom MOS-Gatetyp sind, ihren Anwendungsbereich erweitert.
Der IGBT und der MOSFET sind Schaltelemente vom nicht einrastenden Typ, welche ihre Ein/Aus-Zustände nicht beibehalten. Ein Hauptvorteil dieser Schaltelemente vom nicht einrastenden Typ besteht darin, dass eine hohe Steuerbarkeit durch einen Gate-Antrieb im Vergleich mit einem Schaltelement vom einrastenden Typ, wie beispielsweise einem Thyristor, möglich ist. Mit diesen Schaltelementen vom nicht einrastenden Typ können selbst während eines Schaltübergangs zwischen einem Einschalten und einem Ausschalten eine Stoßspannung und ein Stoßstrom durch eine Gate-Steuerung unterdrückt werden, und ein Gradient eines Stroms oder einer Spannung während des Schaltübergangs kann frei gesteuert werden.
Anwendungsbeispiele, bei welchen Charakteristiken eines solchen Schaltelements vom nicht einrastenden Typ verwendet werden, enthalten einen mehrfach seriellen Hochspannungswandler mit einer aktiven Gate-Treibertechnologie. Der mehrfach serielle Hochspannungswandler erreicht einen Hochspannungswandler, der für einen Hochspannungseinsatz verwendet werden kann, wie beispielsweise für ein elektrisches Stromversorgungssystem, indem eine Anzahl von Elementen, die eine beschränkte Druckfestigkeit haben, in mehrfach seriellen Verbindungen verbunden werden. Beim mehrfach seriellen Wandler gibt es ein derartiges Problem, dass eine große Streuung einer gemeinsamen Nutzung einer Spannung durch einen geringfügigen Unterschied einer Schaltzeitgabe unter der Anzahl von seriell verbundenen bzw. in Reihe geschalteten Elementen verursacht wird. Die aktive Gate-Treibertechnologie ist eine Gegenmaßnahme gegen dieses Problem.

1 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer herkömmlichen Gate-Treiberschaltung. Diese Gate-Treiberschaltung ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-86940 offenbart. Eine Gate-Elektrode, die ein Steuer-Eingangsanschluss eines Schaltelements 9 ist, ist über einen Gate-Widerstand 3 mit einem Spannungsverstärker 5 verbunden und ist auch mit einem Ausgang einer Steuer-Stromquelle 6 verbunden. Ein Eingang der Steuer-Stromquelle 6 ist mit einem Ausgang eines Spannungsverstärkers 2 verbunden. Eine Kollektor-Emitter-Spannung des Schaltelements 9, die durch Widerstände 4a und 4b zum Teilen einer Spannung geteilt ist, wird an den Eingang des Spannungsverstärkers 2 angelegt. In einem normalen Betriebszustand führt das Schaltelement 9 Ein/Aus-Operationen gemäß einem über den Spannungsverstärker 5 angelegten Gate-Signal aus. Jedoch erhöht sich in einem Fall, in welchem eine Stoßspannung zu der Zeit verursacht wird, zu welcher das Schaltelement 9 ausgeschaltet wird, ein Ausgangsstrom der Steuer-Stromquelle 6. Eine Gatespannung des Schaltelements 9 steigt aufgrund eines Stroms an, der von der Steuer-Stromquelle 6 in einen Gate-Anschluss des Schaltelements 9 fließt. Damit erhöht sich ein Kollektorstrom des Schaltelements 9. Als Ergebnis wird eine Kollektor-Spannung des Schaltelements 9 kleiner. Mit einer solchen Operation wird die Stoßspannung des Schaltelements 9 unterdrückt.

Die in 1 gezeigte Gate-Treiberschaltung unterdrückt eine Erzeugung der Stoßspannung durch eine Rückkopplung über eine Hauptspannung V_ce des Schaltelements in der Gate-Treiberschaltung. Ein solches Verfahren erfordert keinerlei Hauptschaltungselement, außer für ein Schaltelement. Somit gibt es einen derartigen Vorteil, dass eine Schaltungskonfiguration einfach ist. Jedoch gibt es deshalb, weil das Schaltelement alle Verluste gemeinsam nutzen muss, ein derartiges Problem, dass sich ein Elementverlust erhöht.

Durch Bezugnahme auf die 2 und 3 wird dieses Problem nachfolgend detailliert beschrieben werden.

In 2 beginnt ein Kollektorstrom I_c während einer Periode T1 geringfügig abzufallen. Eine Kollektorspannung steigt proportional zu einem zeitlichen Ableitungswert des Kollektorstroms an. Demgemäß steigt die Kollektorspannung während der Periode T1 schnell an. Wenn die Kollektorspannung V_ce einen bestimmten konstanten Wert erreicht, beginnt eine aktive Gate-Treiberschaltung zum Unterdrücken einer Spitzen-Stoßspannung die Operationen und wird die Kollektorspannung gesteuert, um auf einen konstanten Wert unterdrückt zu werden. Diese Periode ist als Periode T2 definiert. Da die Kollektorspannung konstant ist, ist auch ein zeitlicher Ableitungswert des Kollektorstroms ein konstanter Wert. Als Ergebnis wird der Kollektorstrom linear kleiner. Wenn der Kollektorstrom im Wesentlichen Null ist, ist die Periode T2 beendet. Während einer Periode T3 ist der Kollektorstrom im Wesentlichen Null und konvergiert die Kollektorspannung schnell zu einer Energieversorgungsspannung V_dc.

Andererseits zeigt die 3 Wellenformen des Kollektorstroms und einer Kollektor-Emitter-Spannung in einem Fall, in welchem kein aktives Gate verwendet wird. In diesem Fall ist die Periode T2 in 2 nicht vorhanden. Während der Periode T1 steigt die Kollektor-Emitter-Spannung V_ce proportional zum zeitlichen Ableitungswert des Kollektorstroms I_c an, wenn der Kollektorstrom I_c kleiner wird. Danach erreicht die Kollektor-Emitter-Spannung V_ce eine Spitze und fällt schnell ab, wenn der Kollektorstrom I_c im Wesentlichen Null erreicht, wobei die Kollektor-Emitter-Spannung V_ce ein Wert ist, der im Wesentlichen gleich demjenigen der Energieversorgungsspannung V_dc ist. Zu dieser Zeit wird die Periode T1 beendet, um zu einer Periode T3 weiterzugehen.

In einem Fall, in welchem der aktive Gate-Antrieb nicht verwendet wird, sind ein Schaltungselement und eine Steuerschaltung zum Unterdrücken der Kollektor-Emitter-Spannung V_ce nicht vorhanden. Demgemäß übersteigt in einem Fall, in welchem eine Induktanz einer Hauptschaltung groß ist, die Kollektor-Emitter-Spannung während der Periode T1 in 3 einen akzeptierbaren maximalen Wert und wird das Schaltelement zerstört. Eine Aufgabe zum Anwenden des aktiven Gate-Antriebs besteht darin, mit einer Steuerung zum Unterdrücken der Spitzenspannung zu verhindern, dass das Schaltelement zerstört wird.

In einem Fall, in welchem eine Spitzen-Stoßspannung durch die aktive Gate-Treibertechnologie unterdrückt wird, wird ein exzessiver Verlust während der Periode eines Unterdrückens der Stoßspannung zu der Zeit erzeugt, zu welcher das Schaltelement ausgeschaltet wird. Die Periode T2 in 2 entspricht der obigen Periode. Während der Periode T2 arbeitet die aktive Gateschaltung so, dass die Kollektorspannung auf einen konstanten Wert geklemmt werden kann. Die Kollektorspannung zu der Zeit, zu welcher das Schaltelement ausgeschaltet wird, ist proportional zu dI_c/dt, was ein zeitlicher Ableitungswert des Kollektorstroms I_c ist. Demgemäß ist dI_c/dt während der Periode T2, das heißt ein Gradient des Kollektorstroms I_c, auf einem konstanten Wert. Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung während dieser Periode T2 als V_cep1, eine Gleichstrom-Energieversorgungsspannung als V_dc und eine Komponenten einer parasitären Induktanz der Hauptschaltung als L_s definiert ist, wird die folgende Beziehung gebildet.

Somit wird, wenn angenommen wird, dass ein Elementverlust während der Periode T2 als E₂, eine zeitliche Weite der Periode T2 als t₂, ein maximaler Wert des Kollektorstroms als I_cp1 definiert ist und ein Endstrom ausreichend klein ist, die folgende Beziehung gebildet.

Das bedeutet, dass der Elementverlust während der Periode T2 proportional zum Quadrat des maximalen Werts I_cp1 des Kollektorstroms ist. Zusätzlich erhöht sich der Elementverlust drastisch, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung V_cep1 der ausgeschalteten Periode näher zu der Energieversorgungsspannung V_dc ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen einer Gate-Treiberschaltung zum Unterdrücken einer Erhöhung eines Elementverlusts während eines Ausführens einer Stoßspannungsunterdrückung mit einer aktiven Gate-Treibertechnologie.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einer Gate-Treiberschaltung zum Antreiben einer Gate-Elektrode eines elektrischen Stromversorgungsschaltelements. Die Gate-Treiberschaltung enthält eine Hauptspannungs-Erfassungseinheit zum Erfassen einer zwischen Hauptelektroden des elektrischen Stromversorgungsschaltelements angelegten Spannung; eine Steuer-Stromquelle zum Injizieren eines Stroms in die Gate-Elektrode in Abhängigkeit von der durch die Hauptspannungs-Erfassungseinheit erfassten Spannung; eine Hauptstrom-Erfassungseinheit zum Erfassen eines Hauptstroms, der zwischen den Hauptelektroden des elektrischen Stromversorgungsschaltelements fließt; und eine Einstelleinheit zum Einstellen des Stroms der Steuer-Stromquelle in Abhängigkeit von dem durch die Hauptstrom-Erfassungseinheit erfassten Hauptstrom.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einer Gate-Treiberschaltung zum Antreiben einer Gate-Elektrode eines elektrischen Stromversorgungsschaltelements. Die Gate-Treiberschaltung enthält eine Hauptspannungs-Erfassungseinheit zum Erfassen einer zwischen Hauptelektroden des elektrischen Stromversorgungsschaltelements angelegten Spannung; eine Steuer-Stromquelle zum Injizieren eines Stroms in die Gate-Elektrode in Abhängigkeit von der durch die Hauptspannungs-Erfassungseinheit erfassten Spannung; eine Gatespannungs-Erfassungseinheit zum Erfassen einer Spannung der Gate-Elektrode des elektrischen Stromversorgungsschaltelements; und eine Einstelleinheit zum Einstellen des Stroms der Steuer-Stromquelle in Abhängigkeit von der durch die Gatespannungs-Erfassungseinheit erfassten Spannung der Gate-Elektrode.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einer Gate-Treiberschaltung zum Antreiben einer Gate-Elektrode eines elektrischen Stromversorgungsschaltelements. Die Gate-Treiberschaltung enthält eine Hauptspannungs-Erfassungseinheit zum Erfassen einer zwischen Hauptelektroden des elektrischen Stromversorgungsschaltelements angelegten Spannung; eine Steuer-Stromquelle zum Injizieren eines Stroms in die Gate-Elektrode gemäß der durch die Hauptspannungs-Erfassungseinheit erfassten Spannung; einen Gate-Widerstand, der an die Gate-Elektrode des elektrischen Stromversorgungsschaltelements angeschlossen ist; eine Gatestrom-Erfassungseinheit zum Erfassen eines Gatestroms, der durch den Gate-Widerstand fließt; und eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Stroms der Steuer-Stromquelle in Abhängigkeit von dem durch die Gatestrom-Erfassungseinheit erfassten Gatestrom.

Gemäß dem ersten, dem zweiten und dem dritten Aspekt der Erfindung kann durch Anwenden der aktiven Gate-Treibertechnologie nicht nur eine an das Schaltelement angelegte Stoßspannung unterdrückt werden, sondern stellt auch eine Einstelleinheit einen Strom der Steuer-Stromquelle in Abhängigkeit vom Hauptstrom ein, der zwischen den Hauptelektroden des Schaltelements fließt. Dadurch kann ein Unterdrückungswert der Stoßspannung in Abhängigkeit vom eingestellten Strom variiert werden. Somit kann eine Erhöhung eines Schaltelementverlusts trotz des Anwendens der aktiven Gate-Treibertechnologie unterdrückt werden.

Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen.
1 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer herkömmlichen Gate-Treiberschaltung.
2 ist eine Kurve zum Beschreiben eines Elementverlusts bei der herkömmlichen Gate-Treiberschaltung.
3 ist eine Kurve zum Beschreiben des Elementverlusts in einem Fall, in welchem ein aktiver Gate-Antrieb bei der herkömmlichen Gate-Treiberschaltung nicht angewendet wird.
4 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer Gate-Treiberschaltung eines ersten Ausführungsbeispiels.
5 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer Gate-Treiberschaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels.
6 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer Gate-Treiberschaltung eines dritten Ausführungsbeispiels.
7 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer Gate-Treiberschaltung eines vierten Ausführungsbeispiels.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele von Gate-Treiberschaltungen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben werden.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
4 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer Gate-Treiberschaltung eines ersten Ausführungsbeispiels. Eine Gate-Treiberschaltung 11a treibt ein Schaltelement 9 an. Die Gate-Treiberschaltung 11a hat zusätzlich zu der Konfiguration der 1 einen Spannungsverstärker 13, einen Addierer 12 und einen Stromdetektor 14.
Der Stromdetektor 14 entspricht einer Hauptstrom-Erfassungseinheit der vorliegenden Erfindung, und ein Ende davon ist an einen Emitter des Schaltelements 9 angeschlossen. Der Stromdetektor 14 erfasst einen Kollektorstrom, der durch das Schaltelement 9 fließt, und gibt eine Spannung, die proportional zum erfassten Strom ist, zum Spannungsverstärker 13 aus. Der Spannungsverstärker 13 verstärkt die vom Stromdetektor 14 ausgegebene Spannung und gibt die resultierende Spannung zu einem invertierenden Eingangsanschluss des Addierers 12 aus.
Widerstände 4a und 4b zum Teilen einer Spannung sind zwischen einem Kollektor des Schaltelements 9 und dem anderen Ende des Stromdetektors 14 zueinander in Reihe geschaltet. Die in Reihe geschalteten Widerstände 4a und 4b entsprechen einer Hauptspannungs-Erfassungseinheit der vorliegenden Erfindung und eine Kollektor-Emitter-Spannung V_ce des Schaltelements 9 wird mit den Widerständen 4a und 4b geteilt und wird zu einem nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Addierers 12 ausgegeben.
Der Addierer 12 entspricht einer Einstelleinheit der vorliegenden Erfindung und subtrahiert eine Spannung vom Spannungsverstärker 13 von einer durch die Widerstände 4a und 4b geteilten Spannung V_ce und gibt eine erhaltene Differenzspannung zu einem Spannungsverstärker 2 aus. Der Spannungsverstärker 2 verstärkt die Differenzspannung vom Addierer 12 und gibt die resultierende Spannung zu einer Steuer-Stromquelle 6 aus. Die Steuer-Stromquelle 6 stellt einen Stromwert in Abhängigkeit von der durch den Spannungsverstärker 2 verstärkten Differenzspannung ein und legt einen Strom an einen Gate-Anschluss des Schaltelements 9 an.
Als Nächstes werden Operationen des ersten Ausführungsbeispiels, das konfiguriert ist, wie es oben beschrieben ist, beschrieben werden. Eine Ausgangsspannung des Stromdetektors 14 ist proportional zu einem Kollektorstrom des Schaltelements 9. Aus diesem Grund ist die Ausgangsspannung des Spannungsverstärkers 13 um so höher, je größer der Kollektorstrom des Schaltelements 9 ist. Demgemäß ist durch die Operationen des Addierers 12 eine Ausgabe des Spannungsverstärkers 2 für dieselbe Ausgabe des Teildrucks um so kleiner, je größer der Kollektorstrom des Schaltelements 9 ist. Gegensätzlich dazu muss dafür, dass die Steuer-Stromquelle 6 einen konstanten Strom in das Gate des Schaltelements 9 strömen lässt, eine Kollektor-Emitter-Spannung um so größer sein, je größer der Kollektorstrom ist.
Das bedeutet, dass ein Klemmpegel der Kollektorspannung um so höher ist, je größer der Kollektorstrom ist, wobei der Klemmpegel durch die aktive Gate-Treiberschaltung bestimmt wird.
Demgemäß wird beim ersten Ausführungsbeispiel in einem Fall, in welchem der Kollektorstrom einen hohen Wert zeigt, wie beispielsweise I_cp2 in 6, eine Schaltungskonfiguration angenommen, bei welcher eine Kollektorspannung auch einen hohen Wert, wie beispielsweise V_cep2, zeigt. Aus der Formel (2) ist es angezeigt, dass ein Elementverlust aufgrund einer größeren Differenz zwischen V_cep2 und V_dc unterdrückt wird.
In einem Fall der herkömmlichen Technologie bleibt in 2 der Spitzenwert der Kollektorspannung V_cep1 selbst dann, wenn der Kollektorstrom zu der Zeit, zu welcher das Schaltelement ausgeschaltet wird, I_cp1 oder I_cp2 ist. Demgemäß erhöht sich der Verlust in einem Fall, in welchem sich der Kollektorstrom erhöht. Bei der vorliegenden Erfindung erhöht sich der Spitzenwert der Kollektorspannung von V_cep1 auf V_cep2, wenn sich der Kollektorstrom erhöht. Somit wird eine Erhöhung des Elementverlusts unterdrückt.
Auf diese Weise kann gemäß der Gate-Treiberschaltung des ersten Ausführungsbeispiels, während die aktive Gate-Treiberschaltung mit einer Funktion zum Unterdrücken einer Stoßspannung versehen ist, gleichzeitig die Erhöhung des Elementverlusts unterdrückt werden, da der Klemmpegel der Kollektorspannung um so mehr ansteigt, je größer der Kollektorstrom ist.
(Zweite Ausführungsform)
5 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer Gate-Treiberschaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels. Mit der Konfiguration des ersten Ausführungsbeispiels wird der Kollektorstrom des Schaltelements 9 durch den Stromdetektor 14 direkt erfasst. Jedoch gibt es einen Fall, in welchem ein Stromdetektor oft teuer ist und in welchem seine Dimension groß ist. Bei der Konfiguration der Gate-Treiberschaltung des in 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels wird ein Kollektorstrom durch eine Gatespannung des Schaltelements 9 anstelle des Stromdetektors 14 indirekt erfasst.
Eine Gate-Elektrode des Schaltelements 9 entspricht einer Gatespannungs-Erfassungseinheit der vorliegenden Erfindung und ist an einen Eingang eines Spannungsverstärkers 13 angeschlossen. Der Spannungsverstärker 13 verstärkt eine Gatespannung des Schaltelements 9 und gibt die resultierende Spannung zu einem invertierenden Eingangsanschluss eines Addierers 12 aus.
Als Nächstes werden Operationen des zweiten Ausführungsbeispiels, das konfiguriert ist, wie es oben beschrieben ist, beschrieben werden. Die Gatespannung des Schaltelements 9 ist bei der Übergangsperiode, in welcher das Schaltelement ausgeschaltet wird, proportional größer zu einem Kollektorstrom. Präziser werden Werte eines Kollektorstroms mit einer quadratischen Kurve ausgedrückt, die über einer Linie gezeichnet ist, die Werte der Gatespannung ausdrückt. Somit ist in 5 während der Übergangsperiode, in welcher das Element ausgeschaltet wird, eine Eingangs/Ausgangs-Spannung des Spannungsverstärkers 13 innerhalb der Gate-Treiberschaltung 11b um so höher, je größer der Kollektorstrom ist. Demgemäß ist eine Ausgangsspannung des Addierers 12 selbst dann kleiner, wenn eine Ausgabe eines Spannungsteilers, der durch Widerstände 4a und 4b gebildet ist, gleich ist. Das bedeutet, dass eine Eingangsspannung einer Steuer-Stromquelle 6 für dieselbe Kollektor-Emitter-Spannung um so niedriger ist, je größer der Kollektorstrom ist. Dies stellt die Tatsache dar, dass ein Klemmpegel der Kollektorspannung um so höher ist, je größer der Kollektorstrom ist, wobei der Klemmpegel durch eine aktive Gate-Treiberschaltung bestimmt wird.
Wie es oben beschrieben ist, kann gemäß der Gate-Treiberschaltung des zweiten Ausführungsbeispiels, während die aktive Gate-Treiberschaltung mit einer Funktion zum Unterdrücken einer Stoßspannung versehen ist, gleichzeitig eine Erhöhung des Elementverlusts unterdrückt werden, ohne einen teuren Stromdetektor zu verwenden, da ein Klemmpegel der Kollektorspannung um so mehr ansteigt, je größer der Kollektorstrom ist.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Die Gate-Treiberschaltung des zweiten Ausführungsbeispiels erfasst den Kollektorstrom des Schaltelements 9 indirekt mit einer Gatespannung. Jedoch nimmt eine Gatespannung bei einer Anzahl von großen elektrischen Stromversorgungselementen einen Wert in einem relativ breiteren Bereich von +15 V bis –15 V an. Aus diesem Grund gibt es einen Fall, in welchem eine etwas kompliziertere elektronische Schaltung nötig ist, um eine Gatespannung zu erfassen. Gegensätzlich dazu wird bei einer Gate-Treiberschaltung eines in 6 gezeigten dritten Ausführungsbeispiels eine Gatespannung nicht direkt verwendet. Statt dessen wird ein Kollektorstrom basierend auf einem Strom indirekt erfasst, der durch einen Gate-Widerstand fließt.
Ein Stromdetektor 15 entspricht einer Gatestrom-Erfassungseinheit der vorliegenden Erfindung und ein Ende davon ist über einen Gate-Widerstand 3 an einen Gate-Anschluss eines Schaltelements 9 angeschlossen. Das andere Ende des Stromdetektors 15 ist an einen Ausgangsanschluss eines Spannungsverstärkers 5 angeschlossen. Damit gibt der Stromdetektor 15 eine Spannung, die proportional zum erfassten Stromwert des Gatestroms ist, zu einem Spannungsverstärker 13 aus. Der Spannungsverstärker 13 verstärkt die vom Stromdetektor 15 ausgegebene Spannung und gibt die resultierende Spannung zu einem invertierenden Eingangsanschluss eines Addierers 12 aus.
Als Nächstes werden Operationen des dritten Ausführungsbeispiels, das konfiguriert ist, wie es oben beschrieben ist, beschrieben werden. In einem Prozess eines Veranlassens, dass das Schaltelement 9 ausgeschaltet wird, veranlasst ein größerer Strom, der durch den Gate-Widerstand 3 fließt, dass eine Spannung eines invertierenden Eingangs des Addierers 12 höher ist und eine Eingangsspannung einer Steuer-Stromquelle 6 niedriger ist. Zu der Zeit, zu welcher das Schaltelement 9 ausgeschaltet wird, ist eine Ausgangsspannung des Spannungsverstärkers 5 ein minimaler Wert, der negativ ist. Aus diesem Grund ist der Strom, der durch den Gate-Widerstand 3 fließt, um so größer, je höher die Gatespannung des Schaltelements 9 ist. Demgemäß ist die Gatespannung um so höher und ist auch der Strom, der durch den Gate-Widerstand 3 fließt, um so größer, je größer der Kollektorstrom des Schaltelements 9 ist. Als Ergebnis ist ein Ausgangsstrom der Steuer-Stromquelle 6 kleiner. Das bedeutet, dass ein Klemmpegel der Kollektorspannung um so höher ist, je größer der Kollektorstrom ist, wobei der Klemmpegel durch eine aktive Gate-Treiberschaltung bestimmt wird.
Wie es oben beschrieben ist, kann gemäß der Gate-Treiberschaltung des dritten Ausführungsbeispiels, während die aktive Gate-Treiberschaltung mit einer Funktion zum Unterdrücken einer Stoßspannung versehen ist, gleichzeitig eine Erhöhung des Elementverlusts unterdrückt werden, ohne die Gatespannungs-Erfassungsschaltung zu verwenden, da der Klemmpegel um so höher ist, je größer der Kollektorstrom ist.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
7 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer Gate-Treiberschaltung eines vierten Ausführungsbeispiels. Bei den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen wird eine Spannung basierend auf dem erfassten Kollektorstrom des Schaltelements 9 zum Addierer 12 eingegeben. Jedoch besteht eine Aufgabe einer Rückkopplung des Kollektorstroms im Einstellen eines Betriebspegels des aktiven Gates gemäß einer Größe des Kollektorstroms zu der Zeit genau bevor das Schaltelement 9 ausgeschaltet wird. Somit wird der Betrieb des aktiven Gates durch Einstellen seines Betriebspegels nicht durch einen Kollektorstromwert während der Übergangsperiode mehr stabilisiert, bei welcher das Schaltelement 9 ausgeschaltet wird, sondern durch einen Kollektorstromwert genau bevor das Schaltelement 9 ausgeschaltet wird.
Dafür wird bei einer Gate-Treiberschaltung 11d des in 7 gezeigten vierten Ausführungsbeispiels ein Verfolgungs/Halte-Verstärker 16 verwendet. Der Verfolgungs/Halte-Verstärker 16 entspricht einer Ausgabe-Verfolgungs/Halte-Einheit der vorliegenden Erfindung und ist über einen Gate-Widerstand 3 an eine Gate-Elektrode des Schaltelements 9 angeschlossen. Der Verfolgungs/Halte-Verstärker 16 überwacht Ein/Aus-Signale des Schaltelements 9. Ein Stromdetektor 14 gibt eine Spannung, die proportional zum erfassten Kollektorstrom ist, zu einem Eingangsanschluss des Verfolgungs/Halte-Verstärkers 16 aus. Der Verfolgungs/Halte-Verstärker 16 verfolgt oder hält die ausgegebene Spannung des Stromdetektors 14 gemäß den Ein/Aus-Signalen des Schaltelements 9 und gibt die Spannung zu einem invertierenden Eingangsanschluss des Addierers 12 aus.
Als Nächstes werden Operationen des vierten Ausführungsbeispiels, das konfiguriert ist, wie es oben beschrieben ist, beschrieben werden. Während ein Ein-Signal an das Schaltelement 9 angelegt ist, arbeitet der Verfolgungs/Halte-Verstärker 16 in einem Verfolgungsmode gemäß einer Ausgangsspannung des Spannungsverstärkers 5 und gibt ein Signal, das proportional zur Ausgangsspannung des Stromdetektors 14 ist, zum Addierer 12 ein. Wenn das Aus-Signal an das Schaltelement 9 angelegt ist, wird der Mode des Verfolgungs/Halte-Verstärkers 16 zu einem Haltemode umgeschaltet und hält der Verfolgungs/Halte-Verstärker 16 einen Signalpegel proportional zur Ausgangsspannung des Stromdetektors 14 zu der Zeit, zu welcher das Aus-Signal angelegt ist. Darauf folgend gibt der Verfolgungs/Halte-Verstärker 16 den Signalpegel zum Addierer 12 ein. Auf diese Weise steigt der Klemmpegel der Kollektorspannung um so mehr an, je größer der Kollektorstrom des Schaltelements 9 ist. Demgemäß kann eine Erhöhung des Verlusts unterdrückt werden.
Wie es oben beschrieben ist, hält gemäß der Gate-Treiberschaltung des vierten Ausführungsbeispiels selbst dann, wenn das Schaltelement 9 in einer derartigen Übergangsperiode ist, dass es ausgeschaltet wird, der Verfolgungs/Halte-Verstärker 16 eine Spannung, die zu der Zeit, genau bevor das Schaltelement 9 ausgeschaltet wird, gemäß der Größe des Hauptstroms ist. Somit kann ein Betriebspegel des aktiven Gates gemäß der gehaltenen Spannung eingestellt werden. Demgemäß kann die Operation bzw. der Betrieb des aktiven Gates stabiler ausgeführt werden.
Bei den ersten bis vierten Ausführungsbeispielen wird beispielsweise ein IGBT als Schaltelement verwendet. Zusätzlich ist ein Schaltelement nicht auf einen IGBT beschränkt. Irgendein Schaltelement vom nicht einrastenden Typ (beispielsweise ein MOSFET oder ähnliches), das durch eine Spannung gesteuert wird, kann auf die vorliegende Erfindung angewendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann für einen Gate-Antrieb eines elektrischen Stromversorgungsschaltelements verwendet werden, das bei einer Energiewandlerschaltung verwendet wird.

Claims

Gate-Treiberschaltung (11a) zum Antreiben einer Gate-Elektrode eines elektrischen Stromversorgungsschaltelements (9), welche Schaltung folgendes aufweist: eine Hauptspannungs-Erfassungseinheit (4a, 4b) zum Erfassen einer zwischen Hauptelektroden des elektrischen Stromversorgungsschaltelements (9) angelegten Spannung; eine Steuer-Stromquelle (6) zum Injizieren eines Stroms in die Gate-Elektrode gemäß der durch die Hauptspannungs-Erfassungseinheit (4a, 4b) erfassten Spannung; eine Hauptstrom-Erfassungseinheit (14) zum Erfassen eines Hauptstroms, der zwischen den Hauptelektroden des elektrischen Stromversorgungsschaltelements fließt; und eine Einstelleinheit (12) zum Einstellen des Stroms der Steuer-Stromquelle (6) gemäß dem durch die Hauptstrom-Erfassungseinheit (14) erfassten Hauptstrom.
Gate-Treiberschaltung (11a) nach Anspruch 1, wobei die Einstelleinheit eine Operationseinheit (12) zum Ausgeben einer durch Subtrahieren einer Spannung, die proportional zu dem durch die Hauptstrom-Erfassungseinheit (14) erfassten Hauptstrom ist, von der durch die Hauptspannungs-Erfassungseinheit (4a, 4b) erfassten Spannung erhaltenen Differenzspannung zur Steuer-Stromquelle (6) enthält.
Gate-Treiberschaltung (11d) nach Anspruch 2, wobei die Einstelleinheit (12) eine Ausgabe-Verfolgungs/Halte-Einheit (16) zum Verfolgen oder Halten einer Ausgabe der Hauptstrom-Erfassungseinheit (14) in Abhängigkeit davon, ob das elektrische Stromversorgungsschaltelement (9) ein- oder ausgeschaltet ist, und zum Ausgeben der Ausgabe zu einem invertierenden Eingangsanschluss der Operationseinheit (12) enthält.
Gate-Treiberschaltung (11b) zum Antreiben einer Gate-Elektrode eines elektrischen Stromversorgungsschaltelements (9), welche Schaltung folgendes aufweist: eine Hauptspannungs-Erfassungseinheit (4a, 4b) zum Erfassen einer zwischen Hauptelektroden des elektrischen Stromversorgungsschaltelements (9) angelegten Spannung; eine Steuer-Stromquelle (6) zum Injizieren eines Stroms in die Gate-Elektrode gemäß der durch die Hauptspannungs-Erfassungseinheit (4a, 4b) erfassten Spannung; eine Gatespannungs-Erfassungseinheit zum Erfassen einer Spannung der Gate-Elektrode des elektrischen Stromversorgungsschaltelements (9); und eine Einstelleinheit (12) zum Einstellen des Stroms der Steuer-Stromquelle (6) gemäß der durch die Gatespannungs-Erfassungseinheit erfassten Spannung der Gate-Elektrode.
Gate-Treiberschaltung (11b) nach Anspruch 4, wobei die Einstelleinheit eine Operationseinheit (12) zum Ausgeben einer durch Subtrahieren der durch die Gatespannungs-Erfassungseinheit erfassten Spannung von der durch die Hauptspannungs-Erfassungseinheit (4a, 4b) erfassten Spannung erhaltenen Differenzspannung zur Steuer-Stromquelle (6) enthält.
Gate-Treiberschaltung (11c) zum Antreiben einer Gate-Elektrode eines elektrischen Stromversorgungsschaltelements (9), welche Schaltung folgendes aufweist: eine Hauptspannungs-Erfassungseinheit (4a, 4b) zum Erfassen einer zwischen Hauptelektroden des elektrischen Stromversorgungsschaltelements (9) angelegten Spannung; eine Steuer-Stromquelle (6) zum Induzieren eines Stroms in die Gate-Elektrode gemäß der durch die Hauptspannungs-Erfassungseinheit (4a, 4b) erfassten Spannung; einen Gate-Widerstand (3), der an die Gate-Elektrode des elektrischen Stromversorgungsschaltelements (9) angeschlossen ist; eine Gatestrom-Erfassungseinheit (15) zum Erfassen eines Gatestroms, der durch den Gate-Widerstand (3) fließt; und eine Einstelleinheit (12) zum Einstellen eines Stroms der Steuer-Stromquelle (6) gemäß dem durch die Gatestrom-Erfassungseinheit (15) erfassten Gatestrom.
Gate-Treiberschaltung (11c) nach Anspruch 6, wobei die Einstelleinheit eine Operationseinheit (12) zum Ausgeben einer durch Subtrahieren einer Spannung, die proportional zu dem durch die Gatestrom-Erfassungseinheit (15) erfassten Gatestrom ist, von der durch die Hauptspannungs-Erfassungseinheit (4a, 4b) erfassten Spannung erhaltenen Differenzspannung zur Steuer-Stromquelle (6) enthält.