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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gate-Ansteuerschaltung für
ein Leistungshalbleiter-Modul.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Seit
kurzem finden Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) als Wide-Gap-Halbleiterelemente
Beachtung. Diese Materialien haben eine hohe Durchbruchspannungsfestigkeit,
welche zehnmal so hoch wie diejenige von Si ist, und eine Driftschicht zum
Sicherstellen der Durchbruchspannung kann bis auf fast ein Zehntel
dünner werden, wodurch es ermöglicht wird, die
Spannung zu verringern, wenn eine Leistungsvorrichtung eingeschaltet
wird. Dadurch können sogar in einem Bereich mit hoher Durchbruchspannung,
welcher bezüglich Si nur die Verwendung von bipolaren Elementen
erlaubt, bezüglich aus SiC und dergleichen hergestellten
Wide-Gap-Halbleiterelementen unipolare Elemente verwendet werden.
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Bei
einem Leistungshalbleiter-Modul, das für eine Wechselrichterschaltung
verwendet wird, ist eine Freilaufdiode parallel mit einem Schaltbauelement
verbunden. In einem konventionellen Leistungshalbleiter-Modul wird
eine Si-PiN-Diode als Freilaufdiode verwendet. Die Si-PiN-Diode
ist ein Halbleiterelement vom bipolaren Typ, das derart aufgebaut
ist, dass der Spannungsabfall aufgrund einer Leitfähigkeitsmodulation
verringert wird, wenn ein großer in Vor wärtsrichtung
vorgespannter Strom angelegt wird. Jedoch hat die PiN-Diode die
Charakteristika, dass während des Vorgangs vom Zustand
der Vorwärtsvorspannung zum Zustand der Sperrvorspannung
ein Träger, der aufgrund der Leitfähigkeitsmodulation
auf der PiN-Diode verbleibt, in einen Sperrverzögerungsstrom
umgewandelt wird. Bei einer Si-PiN-Diode ist der Sperrverzögerungsstrom groß,
weil die Lebensdauer des verbleibenden Trägers lang ist.
Aus diesem Grund bestehen insofern Probleme, als der Sperrverzögerungsstrom
den Einschaltverlust und den Sperrverzögerungsverlust (Err) erhöht,
welcher zur Zeit der Sperrverzögerung der Diode auf dem
Element erzeugt wird.
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Dagegen
ist eine Schottky-Barrierendiode (SBD) ein Halbleiterelement vom
unipolaren Typ, welches fast keine Träger aufgrund der
Leitfähigkeitsmodulation erzeugt. Dementsprechend ist es, wenn
eine Schottky-Barrierendiode für eine Wechselrichterschaltung
verwendet wird, möglich, den Einschaltverlust und den Sperrverzögerungsverlust
klein zu halten, weil der Sperrverzögerungsstrom sehr klein
ist. Da konventionelles Si eine niedrige Durchbruchfeldstärke
aufweist, wird, wenn eine SBD mit hoher Durchbruchspannung hergestellt
wird, ein hoher Widerstand erzeugt, wenn Elektrizität angelegt wird.
Aus diesem Grund ist die Durchbruchspannung einer Si-SBD auf ungefähr
200 V begrenzt. Weil jedoch SiC eine hohe Durchbruchfeldstärke
hat, die zehnmal so hoch wie diejenige von Si ist, wird die praktische
Anwendung einer SBD mit hoher Durchbruchspannung möglich,
und es ist weithin bekannt, dass der Einschaltverlust (Eon) und
der Sperrverzögerungsverlust (Err), der zur Zeit der Sperrverzögerung
der Diode auf dem Element erzeugt wird, verringert werden können.
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Außerdem
wird im Hauptstromkreis eines Wechselrichters eines Leistungsmoduls,
welches eine konventionelle Si-PiN-Diode ver wendet, eine Kommutierungsstoßspannung
(ΔVp = L × Sperrverzögerung di/dt) gemäß dem
Produkt der Stromänderung (Sperrverzögerung di/dt)
bei der Dämpfung des Sperrverzögerungsstroms einer
PiN-Diode und der Hauptstromkreisinduktivität L hinzugefügt.
Wenn die Summe (E + ΔVp) der Leistungszufuhrspannung (E) und
der Stoßspannung (ΔVp) eine Durchbruchspannung
des Leistungshalbleiter-Schaltelements überschreitet, besteht
die Möglichkeit, dass das Leistungshalbleiter-Element beschädigt
wird. Aus diesem Grund sind verschiedene Arten von Technologien
zur Verringerung der Induktivität des Hauptstromkreises vorgeschlagen
worden.
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Außerdem
ist es bei einer Gate-Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiters
gut bekannt, dass der Gate-Widerstand groß gemacht wird,
um die Stromänderung (di/dt) bei der Dämpfung
des Sperrverzögerungsstroms der PiN-Diode zu vermindern.
Nicht-Patent-Literatur: "The
element marginal loss analysis method for high power density power
converter by the Si-MOSFET/SiC-SBD pair", Quellenangabe durch das
Institute of Electrical Engineers of Japan, 27. Oktober 2005, Electronic
device and semiconductor power converter joint study group EDD-05-46
(SPC-05-71).
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE
PROBLEME
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Wie
oben angegeben, hat eine aus SiC hergestellte Schottky-Barrierendiode
(SiC-SBD) einen sehr kleinen Sperrverzögerungsstrom, deshalb
sind der Einschaltverlust und der Sperrverzögerungsverlust
im Wesentlichen klein. Außerdem ist es, falls die Sperrverzögerung
di/dt klein gemacht werden kann, möglich, den Gate-Wider stand
eines Leistungshalbleiter-Schaltelements weiter zu verringern und
die Schaltgeschwindigkeit (Einschaltgeschwindigkeit) des Leistungsschaltelements
zu erhöhen; infolgedessen kann der Leistungsverlust weiter
verringert werden.
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Jedoch
nimmt, weil eine SiC-SBD in einem gewissem Maß eine Sperrschichtkapazität
aufweist, wenn die Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschaltelements
erhöht wird, die Sperrverzögerung di/dt zu, wodurch
die Stoßspannung (Überschwingspannung) erhöht
wird. Aus diesem Grund bestehen insofern Probleme, als der Schaltverlust
des Leistungshalbleiter-Elements ansteigt und das Überschwingrauschen ebenfalls
zunimmt. Das heißt, es ist sehr schwierig, gleichzeitig
sowohl den Schaltleistungsverlust als auch das Rauschen durch Verwendung
einer SiC-SBD zu verringern.
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Angesichts
der Gegebenheiten stellt die vorliegende Erfindung eine Gate-Ansteuerschaltung
bereit, die es ermöglicht, gleichzeitig sowohl den Schaltverlust
des Leistungshalbleiter-Elements als auch das Rauschen zu verringern.
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MITTEL ZUR LÖSUNG
DES PROBLEMS
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Zur
Lösung des obigen Problems ist eine Gate-Ansteuerschaltung
für ein Leistungshalbleiter-Schaltelement vom Spannungs-Ansteuertyp
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Gate-Ansteuerschaltung zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiter-Schaltelements, mit dem eine Freilaufdiode
mit kleinem Sperrverzögerungsstrom, wie etwa eine aus SiC
oder GaN hergestellte Wide-Gap-Halbleiter-Schottky-Barrierendiode,
oder eine Wide-Gap-Halbleiter-PiN-Diode verbunden ist; und die Gate-Ansteuerschaltung
erfasst einen Gate-Spannungswert und einen Kollektor-Spannungswert
oder einen Drain-Spannungswert des Leistungs halbleiter-Schaltelements
und ändert den Gate-Ansteuerwiderstand oder -Ansteuerstrom auf
der Grundlage des erfassten Werts. Die Änderung des Gate-Ansteuerwiderstands
oder des -Ansteuerstroms wird beispielsweise in zwei Schritten (Widerstandswert
klein zu groß) oder in drei Schritten (Widerstandswert
klein zu groß zu klein) gesteuert, indem das PMOS-Schaltelement
eingeschaltet und ausgeschaltet wird.
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Das
heißt, eine Gate-Ansteuerschaltung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist eine Gate-Ansteuerschaltung zum Ansteuern eines Leistungshalbleiter-Schaltelements,
mit dem eine Wide-Gap-Halbleiter-Schottky-Barrierendiode oder eine
Wide-Gap-Halbleiter-Freilaufdiode verbunden ist, und die Gate-Ansteuerschaltung
umfasst eine Element-Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen
eines Spannungswerts des Leistungshalbleiter-Schaltelements und
eine Ansteuer-Steuerungseinrichtung zum Ändern des Gate-Ansteuerwiderstands
oder -Ansteuerstroms auf der Grundlage des durch die Element-Spannungserfassungseinrichtung
erfassten Spannungswerts. In einer spezifischen Ausführungsform
erfasst die Element-Spannungserfassungseinrichtung, ob der Gate-Spannungswert
des Leistungshalbleiter-Schaltelements zu einem vorgegebenen Spannungswert
geworden ist oder nicht, und die Ansteuer-Steuerungseinrichtung ändert
den Gate-Ansteuerwiderstand oder -Ansteuerstrom auf der Grundlage
des erfassten Gate-Spannungswerts. Überdies ist der erfasste
vorgegebene Gate-Spannungswert gleich der oder kleiner als die Schwellwertspannung
(nachstehend einfach als "Schwellwert" bezeichnet) zum Einschalten
des Leistungshalbleiter-Schaltelements.
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Außerdem
erfasst die Element-Spannungserfassungseinrichtung, ob ein Kollektor-Spannungswert
oder ein Drain-Spannungswert des Leistungshalbleiter-Schaltelements
zu einem vorgegebenen Span nungswert geworden ist oder nicht, und
die Ansteuer-Steuerungseinrichtung kann den Gate-Ansteuerwiderstand
oder -Ansteuerstrom auf der Grundlage des erfassten Kollektor-Spannungswerts oder
des Drain-Spannungswerts ändern. In diesem Fall ist der
erfasste Kollektor-Spannungswert oder der Drain-Spannungswert gleich
der oder kleiner als die Ansteuerspannung der Gate-Ansteuerschaltung.
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Außerdem
ist eine Gate-Ansteuerschaltung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Gate-Ansteuerschaltung zum
Ansteuern eines Leistungshalbleiter-Schaltelements, mit dem eine
Wide-Gap-Halbleiter-Schottky-Barrierendiode oder eine Wide-Gap-Halbleiter-Freilaufdiode
verbunden ist, und die Gate-Ansteuerschaltung umfasst eine Gate-Spannungserfassungseinrichtung
zum Erfassen eines Gate-Spannungswerts des Leistungshalbleiter-Schaltelements, eine
Einmalimpuls-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines einmaligen
Impulses auf der Grundlage des durch die Element-Spannungserfassungseinrichtung
erfassten Gate-Spannungswerts und eine Ansteuer-Steuerungseinrichtung
zum Ändern des Gate-Ansteuerwiderstandswerts von einem
ersten Widerstandswert in einen zweiten Widerstandswert, der größer
als der erste Widerstandwert ist, während der Zeitspanne
der Erzeugung des einmaligen Impulses und zum Zurückbringen
des Gate-Ansteuerwiderstandswerts auf den ersten Widerstandswert, nachdem
der Zeitraum des einmaligen Impulses beendet ist. Hierbei ändert
die Ansteuer-Steuerungseinrichtung den Gate-Ansteuerwiderstandswert durch
Einschalten des PMOS-Schaltelements nur während der Zeitspanne
der Erzeugung des einmaligen Impulses. Überdies beträgt
die Zeitspanne der Erzeugung des einmaligen Impulses zwischen 100 ns
und 2000 ns.
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Außerdem
ist eine Gate-Ansteuerschaltung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Gate- Ansteuerschaltung zum
Ansteuern eines Leistungshalbleiter-Schaltelements, mit dem eine
Wide-Gap-Halbleiter-Schottky-Barrierendiode oder eine Wide-Gap-Halbleiter-Freilaufdiode
verbunden ist, und die Gate-Ansteuerschaltung umfasst einen Beschleunigungskondensator
zum Aufladen mit hoher Geschwindigkeit, wenn die Gate-Ansteuerschaltung
eingeschaltet wird, eine Gate-Spannungserfassungseinrichtung zum
Erfassen eines Gate-Spannungswerts des Leistungshalbleiter-Schaltelements
und eine Schalteinrichtung, die in Ansprechung auf einen durch die Gate-Spannungserfassungseinrichtung
erfassten Gate-Spannungswert ein- und ausschaltet, wobei ein Gate-Ansteuerwiderstandswert
des Leistungshalbleiter-Schaltelements während der Zeitspanne
des Aufladens des Beschleunigungskondensators zu einem ersten Widerstandswert
wird und, nachdem der Beschleunigungskondensator aufgeladen worden
ist, der Gate-Ansteuerwiderstandswert zu einem zweiten Widerstandswert
wird, der größer als der erste Widerstandswert
ist, und, wenn die Gate-Spannungserfassungseinrichtung einen Gate-Spannungswert
erfasst, der gleich dem oder kleiner als der Schwellwert ist, die
Schalteinrichtung einschaltet und der Gate-Ansteuerwiderstandswert
wieder zu dem ersten Widerstandswert wird.
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Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die nachstehend
beschriebene beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung und
anhand der beigefügten Zeichnungen klar beschrieben.
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WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Gemäß den
bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
kann der Schaltverlust des Leistungshalbleiter-Elements verringert
werden, während das Rauschen ebenfalls reduziert wird.
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Das
heißt, es ist möglich, gleichzeitig sowohl den
Schaltleistungsverlust als auch das Rauschen zu verringern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
die Spannungs- und Stromwellenform in dem Fall, in dem eine Si-PiN-Diode
und eine SiC-SBD verwendet werden.
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2 zeigt
die Konfiguration einer Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiter-Elements
gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
die Spannungs- und Stromwellenform der unteren und oberen IGBTs
in dem Fall, in dem eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
angewendet wird.
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4 zeigt
die Konfiguration einer Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiter-Elements
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
die Spannungs- und Stromwellenform der unteren und oberen IGBTs
in dem Fall, in dem eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
angewendet wird.
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6 zeigt
die detaillierte Konfiguration einer Gate-Spannungserfassungsschaltung 52 und
einer Einmalimpuls-Erzeugungsschaltung 53 in der Ansteuerschaltung
eines Leistungshalbleiter-Elements gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt
die Betätigungswellenform einer Einmalimpuls-Schaltung.
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8 zeigt
die Konfiguration einer Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiter-Elements
gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
die Spannungs- und Stromwellenform der unteren und oberen IGBTs
in dem Fall, in dem eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
angewendet wird.
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10 zeigt
die Konfiguration einer Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiter-Elements
gemäß einer vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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11 ist
eine Vergleichszeichnung, in welcher der Einschaltverlust jeder
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit demjenigen
der konventionellen Technologie verglichen wird.
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12 ist
eine Vergleichszeichnung, in welcher der Sperrverzögerungsverlust
der Diode jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
mit demjenigen der konventionellen Technologie verglichen wird.
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13 zeigt
den Ausgleichsvergleich zwischen der Verzögerungsspannung
und dem Einschaltverlust, wenn jede Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung angewendet wird.
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14 zeigt
den Ausgleichsvergleich zwischen der Verzögerungsspannung
und dem Sperrverzögerungsverlust, wenn jede Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung angewendet wird.
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BESTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Kurz
gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung eine Gate-Ansteuerschaltung
für ein Leistungshalbleitermodul, in dem eine Freilaufdiode
mit kleinem Sperrverzögerungsstrom, wie etwa eine Wide-Gap-Halbleiter-Schottky-Barrierendiode
aus SiC oder GaN oder eine Wide-Gap-Halbleiter-PiN-Diode, parallel
mit einem Leistungshalbleiter-Schaltelement verbunden ist.
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<Voraussetzung>
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Zum
besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird vor
der Beschreibung jeder Ausführungsform eine allgemeine
Gate-Ansteuerschaltung erläutert.
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1 zeigt
die Spannungs- und Stromwellenform eines unteren IGBT 31 und
eines oberen IGBT 33, die in Reihe geschaltet sind, in
einem Fall, in dem eine konventionelle Si-PiN-Diode verwendet wird,
und in einem anderen Fall, in dem eine SiC-SBD verwendet wird. In
dem Fall, in dem eine konventionelle Si-PiN-Diode verwendet wird,
entsteht aufgrund eines Trägers, der auf der oberen Si-PiN-Diode
verbleibt, ein Sperrverzögerungsstrom. Der Sperrverzögerungsstrom
verzögert den Spannungsabfall des IGBT 31, was
den Einschaltverlust (Eon) erhöht. Des Weiteren, wie in
der Vce-Wellenform des IGBT 33 gezeigt ist, steigt die
durch die gestrichelte Linie angegebene Stoßspannung an,
die auf dem Element erzeugt wird, wenn die obere Si-PiN-Diode verzögert
gesperrt wird. Wenn die Stoßspannung die Durchbruchspannung
des Leistungshalbleiter-Schaltelements überschreitet, besteht
die Möglichkeit, dass das Leistungshalbleiterelement beschädigt
wird.
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Wie
in dem Absatz über den Stand der Technik spezifiziert,
sind der Einschaltleistungsverlust und der Sperrverzögerungsverlust
im Wesentlichen klein, da eine SiC-SBD einen sehr kleinen Sperrverzögerungsstrom
hat. Wenn die Sperrverzögerung di/dt klein gemacht werden
kann, ist es außerdem möglich, den Gate-Widerstand
eines Leistungshalbleiter-Schaltelements weiter zu reduzieren und
die Schaltgeschwindigkeit (Einschaltgeschwindigkeit) des Leistungsschaltelements
zu erhöhen; infolgedessen kann der Schaltverlust weiter
gesenkt werden. Da jedoch eine SiC-SBD in einem gewissen Maß eine
Sperrschichtkapazität aufweist, nimmt, wenn die Schaltgeschwindigkeit
des Leistungsschaltelements erhöht wird, auch die Sperrverzögerung di/dt
zu, wodurch die Stoßspannung (Überschwingspannung)
ansteigt, und es bestehen insofern Probleme, als auch das Überschwingrauschen
zunimmt.
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Jede
bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung löst
die Probleme mit gewöhnlichen Gate-Ansteuerschaltungen.
Nachstehend wird jede Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
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<Erste
Ausführungsform>
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2 zeigt
die Konfiguration einer Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiterelements
gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Die erste Ausführungsform betrifft
eine Ansteuerschaltung, die den Gate-Widerstand in zwei Stufen ändert.
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Die
Hauptstromkreis eines Wechselrichters, die sich in der Zeichnung
rechts befindet, umfasst den unteren Si-IGBT 31 und die
untere SiC-SBD 32, den oberen Si-IGBT 33 und die
obere SiC-SBD 34 und außerdem eine Hauptstromkreis-Leistungszufuhr 66.
Die Si-IGBTs 31 und 33 der Hauptstromkreis sind
mit einer unterseitigen Ansteuer-/Schutzschaltung 56 und
einer oberseitigen Ansteuer-/Schutzschaltung 57 verbunden,
die jene Si-IGBTs ansteuern. In 2 ist die
detaillierte Konfiguration der unterseitigen Ansteuer-/Schutzschaltung 56 durch
die gestrichelte Linie eingekreist gezeigt und die oberseitige Ansteuer-/Schutzschaltung 57 weist
die gleiche Konfiguration auf; daher wird auf dieses Detail verzichtet.
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Die
Ansteuer-/Schutzschaltung 56 der vorliegenden Ausführungsform
umfasst neu eine Gate-Spannungserfassungsschaltung 52 und
einen Gate-Widerstand-Schalt-PMOS 46 zusätzlich
zu den Gate-Widerständen 41, 42, 43,
einen npn-Transistor 44 und einen pnp-Transistor 45,
die Komponenten einer konventionellen Gate-Ansteuerschaltung sind. Der
pnp-Transistor 44 und der npn-Transistor 45 können
durch einen PMOS und einen NMOS ersetzt werden. Die Gate-Ansteuerschaltung
der vorliegenden Ausführungsform steuert durch Schalten
des Gate-Widerstands in dem Fall, in dem eine Freilaufdiode mit
kleinem Sperrverzögerungsstrom, wie etwa eine SiC-SBD,
verwendet wird.
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Als
Nächstes wird unter Bezugnahme auf 3 die Betätigung
der Ansteuer-/Schutzschaltung 56 gemäß einer
ersten Ausführungsform beschrieben. 3 zeigt
die Spannungs- und Stromwellenform des unteren IGBT 31 und
des oberen IGBT 33, die sich im Lauf der Zeit ändert.
Die Gate-Spannungserfassungsschaltung 52 zum Erfassen der Gate-Spannung
des IGBT 31 erfasst die Gate-Spannung auf einem kleineren
Wert als die Schwellwertspannung des IGBT 31 und sendet
ein Signal, um den PMOS 46, der gerade eingeschaltet ist,
auszuschalten. Da der PMOS 46 anfänglich im EIN-Zustand
ist, fließt Strom durch den PMOS 46 hindurch, ohne
durch den Widerstand 42 zu fließen, und der IGBT 31 arbeitet
durch einen Gate-Widerstand 41. Zu der Zeit, zu der die
Gate-Spannung die Schwelle überstiegen hat, wird der PMOS 46 ausgeschaltet, Strom
fließt durch den Widerstand 42 und der IGBT 31 arbeitet
nach Maßgabe der Summe aus dem Gate-Widerstand 41 und
dem Gate-Widerstand 42. Daher kann die anfängliche
Einschalt-Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt) erhöht
werden, während es möglich ist, die Stromänderungsgeschwin digkeit in
der Mitte gemäßigt zu steuern, da der Gate-Widerstand
in der Mitte erhöht ist. Da eine SiC-SBD in einem gewissen
Maß eine Sperrschichtkapazität aufweist, ist es
außerdem möglich, eine Stoßspannung (Überschwingspannung)
durch gemäßigtes Steuern der Sperrverzögerung
di/dt zu verringern. Weiterhin ist es leicht, die Gate-Spannung
durch Verwendung einer Schaltung zu erfassen, die einen Komparator als
Gate-Spannungserfassungsschaltung 52 verwendet.
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Des
Weiteren ist es möglich, die Betätigungsverzögerungszeit
aufzuholen und ein Schaltelement mit entsprechender Zeiteinteilung
anzusteuern, indem ein erfasster Gate-Spannungswert der Gate-Spannungserfassungsschaltung 52 auf
einen Wert gesetzt wird, der niedriger als die Schwellwertspannung
des Schaltelements (IGBT) ist.
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Somit
ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform
möglich, den Einschaltverlust des Elements und den Sperrverzögerungsverlust
der Diode durch Erhöhen der anfänglichen Schaltgeschwindigkeit
zu verringern, und es ist auch möglich, Rauschen aufgrund
einer Überschwingung oder dergleichen durch gemäßigtes
Steuern der Stromänderungsgeschwindigkeit in der Mitte
der Betätigung zu steuern.
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<Zweite
Ausführungsform>
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4 ist
ein Blockdiagramm einer Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiterelements
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. In der Zeichnung wird das gleiche Symbol für
die gleiche Komponente wie diejenige der ersten Ausführungsform
verwendet. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform
und der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform
besteht darin, dass diese Ausführungsform mit einer Einmalimpuls-Erzeugungsschal tung 53 ausgestattet
ist, die die Ausgabe einer Gate-Spannungserfassungsschaltung so eingibt,
dass sie den Gate-Widerstand in drei Stufen ändert.
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Als
Nächstes wird unter Bezugnahme auf 5 die Betätigung
einer Ansteuer-/Schutzschaltung 56 gemäß einer
zweiten Ausführungsform beschrieben. 5 zeigt
die Spannungs- und Stromwellenform des unteren IGBT 31 und
des oberen IGBT 33, die sich im Lauf der Zeit verändert.
In der Ansteuer-/Schutzschaltung 56 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform wird eine Einmalimpuls-Erzeugungsschaltung 53 hinzugefügt
und eine Steuerung wird ausgeführt (Widerstand: klein zu
groß zu klein), so dass der Gate-Widerstand eine konstante
Zeitspanne lang erhöht ist. Da es möglich ist,
den Kollektorstrom des IGBT 31 durch schließliches
Verringern des Gate-Widerstands rasch zu senken, ist es möglich,
den Einschaltverlust des Schaltelements weiter zu reduzieren. Des
Weiteren wird die Zeitspanne des einmaligen Impulses nach Maßgabe
der Sperrschichtkapazität des Elements (IGBT) und der Charakteristika
des Elements bestimmt, und es ist erwünscht, dass die Zeitspanne
zwischen 100 ns und 2000 ns beträgt. Durch Ändern
der Zeitspanne des einmaligen Impulses ist es möglich,
verschiedene Maßstäbe von Elementen (IGBT) zu
bewältigen.
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6 zeigt
die detaillierte Konfiguration einer Gate-Erfassungsschaltung 52 und
einer Einmalimpulsschaltung 53 in der Ansteuerschaltung
des Leistungshalbleiterelements gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Gate-Erfassungsschaltung 52 der
Ansteuerschaltung umfasst einen Komparator 81 und eine
Referenzspannung 82 für den Gate-Spannungsvergleich.
Die Einmalimpuls-Schaltung 53 umfasst einen Wechselrichter 83,
eine NOR-Schaltung 84, einen Widerstand 85 für
die Zeitkonstantenerzeugung und einen Kondensator 86.
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7 zeigt
die Betätigungswellenform der in 6 gezeigten
Einmalimpuls-Schaltung 53. Durch den Überschuss
der Gate-Spannung Vg gegenüber der Referenzspannung 82 für
den Gate-Spannungsvergleich ist es möglich, das Gate des
PMOS für die Spanne der Zeitkonstante abzuschalten, die
durch das Produkt aus dem Widerstand von 85 und der Kapazität
von 86 für die Zeitkonstantenerzeugung bestimmt wird, wodurch
der Gate-Widerstand während jener Zeitkonstantenspanne
erhöht wird.
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Somit
ist es durch Steuern der Größe des Gate-Widerstands
möglich, das Rauschen zu verringern, das durch Überschwingen
oder dergleichen verursacht wird, während der Einschaltverlust
des Elements und der Sperrverzögerungsverlust der Diode
reduziert wird.
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<Dritte
Ausführungsform>
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8 zeigt
die Konfiguration einer Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiterelements
gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Das gleiche Symbol wird für die
gleiche Komponente wie diejenige der ersten Ausführungsform verwendet.
Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der
in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform besteht
darin, dass ein Beschleunigungskondensator 47 zu dieser
Ausführungsform hinzugefügt wird, anstatt eine
Einmalimpuls-Erzeugungsschaltung 53 vorzusehen. Die Ansteuerschaltung
gemäß einer dritten Ausführungsform ändert den
Gate-Widerstand auf dieselbe Weise wie die zweite Ausführungsform
in drei Stufen.
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Als
Nächstes wird unter Bezugnahme auf 9 die Betätigung
einer Ansteuer-/Schutzschaltung 56 gemäß einer
dritten Ausführungsform beschrieben. 9 zeigt
die Spannungs- und Stromwel lenform des unteren IGBT 31 und
des oberen IGBT, die sich im Lauf der Zeit verändert. Zu
einer Schaltung der vorliegenden Ausführungsform wird ein
Beschleunigungskondensator 47 hinzugefügt, um den
Gate-Ladestrom zu erhöhen, wenn die Leistung anfänglich
eingeschaltet wird. Das heißt, wenn die Leistung anfänglich
eingeschaltet wird, wird der PMOS 46 ausgeschaltet und
Strom fließt durch den Beschleunigungskondensator 47,
anstatt durch den Widerstand 42 zu fließen. Zu
jener Zeit arbeitet der IGBT 31 nach Maßgabe des
Widerstands 41. Wenn das Hochgeschwindigkeitsaufladen des
Beschleunigungskondensators 47 beendet worden ist, fließt Strom
durch den Widerstand 42; dementsprechend arbeitet zu diesem
Zeitpunkt der IGBT 31 nach Maßgabe der Summe aus
dem Widerstand 41 und dem Widerstand 42. Weiterhin
kann, wenn die Gate-Spannungserfassungsschaltung 52 eine
Spannung erfasst, die gleich der oder kleiner als die Schwellwertspannung
des IGBT ist, durch schließliches Reduzieren des Gate-Widerstands
(Widerstand 41 + 42 zu Widerstand 41)
der Kollektorstrom des IGBT 31 schnell reduziert werden;
infolgedessen ist es möglich, den Einschaltverlust des
Schaltelements weiter zu verringern.
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Somit
ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform
möglich, das Rauschen zu verringern, das durch Überschwingen
oder dergleichen verursacht wird, während der Einschaltverlust
des Elements und der Sperrverzögerungsverlust der Diode
reduziert werden.
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<Vierte
Ausführungsform>
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10 zeigt
die Konfiguration einer Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiterelements
gemäß einer vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Das gleiche Symbol wird für die
gleiche Komponente wie diejenige der ersten Ausführungsform
verwendet. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform
und der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform
besteht darin, dass anstelle einer Gate-Spannungserfassungsschaltung 52 eine
Kollektor-Spannungserfassungsschaltung 74 vorgesehen ist.
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Die
Kollektor-Spannungserfassungsschaltung 74 umfasst eine
Diode 71 von hoher Durchbruchspannung, eine mit der Leistungszufuhr
verbundene Diode 72 und einen Widerstand 73 zur
Erfassung der Kollektor-Spannung. Dieselbe Wirkung wie diejenige
einer ersten Ausführungsform kann erhalten werden, indem
der Gate-Widerstand durch Erfassen der Kollektor-Spannung anstelle
des Erfassens der Gate-Spannung geändert wird.
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Weiterhin
ist es zur Verhinderung einer falschen Betätigung durch
Erfassen sowohl der Gate-Spannung als auch der Kollektor-Spannung, wodurch
der Gate-Widerstand gesteuert wird, möglich, das Rauschen
zuverlässig zu verringern, das durch Überschwingen
oder dergleichen verursacht wird, während der Einschaltverlust
des Elements und der Sperrverzögerungsverlust der Diode
reduziert werden.
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<Vergleich
der technologischen Wirkungen zwischen der vorliegenden Erfindung
und der konventionellen Technik>
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11 zeigt
den Vergleich des Einschaltleistungsverlusts zwischen der konventionellen
Technologie und jeder Ausführungsform und 12 zeigt den
Vergleich des Sperrverzögerungsverlusts der Diode zwischen
der konventionellen Technologie und jeder Ausführungsform.
Wenn eine SiC-SBD verwendet wird, ist es möglich, den Einschaltleistungsverlust (Eon)
auf fast die Hälfte und den Verzögerungsverlust
(Err) einer Diode auf fast ein Fünftel zu reduzieren, da
die SiC-SBD einen kleineren Sperrverzögerungsstrom als
denjenigen einer Si-PiN-Diode aufweist, die denselben Gate-Widerstandswert
besitzt. Dies zeigt, dass die Verwendung der Schaltung gemäß der
vorliegenden Ausführungsform es ermöglicht, das Überschwingen
zu verringern, wodurch der Gate-Widerstand auf die Hälfte
von demjenigen der konventionellen Technologie gesenkt wird.
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Weiterhin
zeigt 13 die Beziehung zwischen der
Stoßspannung (Überschwingspannung) und dem Einschaltverlust
(Eon) in jeder Ausführungsform und 14 zeigt
die Beziehung zwischen der Stoßspannung (Überschwingspannung)
und dem Sperrverzögerungsverlust (Err) in jeder Ausführungsform.
Wie in 13 gezeigt, kann, verglichen
mit einem Fall, in dem ein konventioneller festgesetzter Rg verwendet
wird, in dem Fall, in dem der Gate-Widerstand von zwei oder mehr
Stufen verwendet wird, wie in der vorliegenden Ausführungsform
gezeigt, der Ausgleich zwischen der Stoßspannung (Überschwingspannung)
und dem Einschaltleistungsverlust (Eon) verbessert werden. In derselben
Weise kann, wie in 14 gezeigt ist, im Vergleich
zu einem Fall, in dem ein konventioneller festgesetzter Rg verwendet
wird, in dem Fall, in dem der Gate-Widerstand von zwei oder mehr
Stufen verwendet wird, wie in der vorliegenden Ausführungsform
gezeigt, der Ausgleich zwischen der Stoßspannung (Überschwingspannung)
und dem Sperrverzögerungsverlust (Err) verbessert werden.
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In
jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können,
obwohl ein Si-IGBT als Schaltelement beschrieben ist, ein MOSFET
im Fall von Si und ein MOSFET, ein Sperrschicht-FET und ein bipolarer Transistor
im Fall von SiC als Schaltelement eingesetzt werden. Des Weiteren
können, obwohl als parallel geschaltete Diode eine SiC-SBD
beschrieben ist, dieselben Wirkungen durch Anwenden einer Diode,
wie etwa einer Wide-Gap-Halbleiter-SBD aus GaN, Diamant oder dergleichen,
einer PiN-Diode und einer MPS (gemischten Schott ky-Barrieren)-Strukturdiode,
die SBD und PiN-Diode kombiniert, erhalten werden.
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<Schlussfolgerung>
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gate-Ansteuerschaltung zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiter-Schaltelements, mit dem eine Wide-Gap-Halbleiter-Schottky-Barrierendiode
oder eine Wide-Gap-Halbleiter-Freilaufdiode verbunden ist. In der
Gate-Ansteuerschaltung wird ein Spannungswert des Leistungshalbleiter-Schaltelements erfasst
(überwacht) und der Gate-Ansteuerwiderstand oder -Ansteuerstrom
wird auf der Grundlage des erfassten Spannungswerts geändert.
Dementsprechend ist es durch Erhöhen der Schaltgeschwindigkeit
der Anfangsstufe, wodurch der Einschaltverlust des Elements und
der Sperrverzögerungsverlust der Diode verringert werden,
und durch moderates Steuern der Stromänderungsgeschwindigkeit
in der Mitte möglich, das durch Überschwingen
oder dergleichen verursachte Rauschen zu reduzieren.
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Die
Spannung des zu überwachenden Leistungshalbleiter-Schaltelements
kann die Gate-Spannung, Kollektor-Spannung oder Drain-Spannung sein.
Des Weiteren wird, obwohl der Begriff „Kollektor-Spannung"
für einen IGBT verwendet wird, der Begriff „Drain-Spannung"
für einen MOSFET verwendet; vorliegend werden sowohl die „Kollektor-Spannung"
als auch die „Drain-Spannung" in derselben Bedeutung verwendet.
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Weiterhin
ist es, indem der vorgegebene Gate-Spannungswert gleich der oder
kleiner als die Schwellwertspannung des Leistungshalbleiter-Schaltelements
(beispielsweise IGBT) gehalten wird, möglich, die Betätigungsverzögerungszeit
entsprechend zu absorbieren, wodurch die Steuerung der Betätigung
der Gate-Ansteuerschaltung ermöglicht wird.
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Des
Weiteren ist es möglich, den Gate-Widerstand so zusteuern,
dass sich der Gate-Widerstand in zwei Stufen von einem ersten Widerstandswert
zu einem zweiten Widerstandswert ändert, der größer
als der erste Widerstandswert ist; und weiterhin ist es auch möglich,
den Gate-Widerstand so zu steuern, dass sich der Gate-Widerstand
in drei Stufen von einem ersten Widerstandwert zu einem zweiten
Widerstandswert ändert, der größer als
der erste Widerstandswert ist, und dann zu dem ersten Widerstandswert
zurückkehrt, nachdem eine vorgegebene Zeitspanne vergangen
ist. Jedoch kann das dreistufige Steuerverfahren einen IGBT präziser
ansteuern und ist bezüglich der Senkung des Schaltverlusts
des Leistungshalbleiter-Schaltelements und der Verringerung des
Rauschens wirksamer.
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Eine
Gate-Ansteuerschaltung gemäß der vorstehend angegebenen
zweiten Ausführungsform erfasst einen Gate-Spannungswert
des Leistungshalbleiter-Schaltelements und erzeugt einen einmaligen
Impuls auf der Grundlage des erfassten Gate-Spannungswerts. Der
Wert des Gate-Ansteuerwiderstands wird während der Zeitspanne
der Erzeugung des einmaligen Impulses von einem ersten Widerstandswert
in einen zweiten Widerstandswert geändert, der größer
als der erste Widerstands wert ist, und kehrt dann zu dem ersten
Widerstandswert zurück, nachdem die Zeitspanne des einmaligen
Impulses beendet ist, wodurch der Gate-Widerstand in drei Stufen,
wie vorstehend angegeben, gesteuert wird. Dadurch kann eine einfache
Konfiguration erreicht werden, die den Schaltverlust des Leistungshalbleiter-Schaltelements
verringern kann, während sie das Rauschen reduziert. Des
Weiteren ist es durch Einstellen der Zeitspanne der Erzeugung des
einmaligen Impulses auf zwischen 100 ns und 2000 ns möglich,
verschiedene Maßstäbe (Spannungsstromkapazität)
von Leistungshalbleiter-Schaltelementen zu bewältigen.
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Des
Weiteren umfasst eine Gate-Ansteuerschaltung gemäß der
vorstehend angegebenen dritten Ausführungsform einen Beschleunigungskondensator
zum Laden mit hoher Geschwindigkeit, wenn die Gate-Ansteuerschaltung
eingeschaltet wird, eine Gate-Spannungserfassungsschaltung zum Erfassen
eines Gate-Spannungswerts des Leistungshalbleiter-Schaltelements
und eine Schalteinrichtung (PMOS), die in Ansprechung auf den durch die
Gate-Spannungserfassungsschaltung erfassten Gate-Spannungswert ein-
und ausschaltet. Der Gate-Ansteuerwiderstandswert des Leistungshalbleiter-Schaltelements
(IGBT) wird ein erster Widerstandswert während der Zeitspanne
des Aufladens des Beschleunigungskondensators, und nachdem das Aufladen
des Beschleunigungskondensators beendet worden ist, ändert
sich der Wert in einen zweiten Widerstandswert, der größer
als der erste Widerstandswert ist, dann, wenn die Gate-Spannungserfassungsschaltung
einen Gate-Spannungswert erfasst, der gleich der oder kleiner als
die vorgegebene Schwellwertspannung des IGBT ist, wird der PMOS eingeschaltet
und der Wert ändert sich wieder in den ersten Widerstandswert.
Da ein Beschleunigungskondensator einfach hinzugefügt wird,
ermöglicht es die einfache Konfiguration, den Schaltleistungsverlust
des Leistungshalbleiter-Schaltelements zu reduzieren und das Rauschen
zu verringern.
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Wie
vorstehend spezifiziert, ist die vorliegende Erfindung beschrieben
worden; jedoch ist nicht beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung
auf die vorstehend angegebenen Ausführungsformen beschränkt
sein soll, und es ist klar, dass verschiedene Änderungen,
Hinzufügungen und Ersetzungen vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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ZUSAMMENFASSUNG
-
Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verringerung von durch Überschwingen
oder dergleichen verursachtem Rauschen, während der Einschaltleistungsverlust
des Elements und der Sperrverzögerungsverlust der Diode
in einem Schaltkreis eines Leistungshalbleiterelements (31, 33),
mit dem eine SiC-Diode (32, 34) mit kleinem Verzögerungsstrom
parallel verbunden ist, reduziert wird.
-
Ein
Mittel zur Lösung des Problems ist das Erfassen (52)
der Gate-Spannung und/oder Kollektor-Spannung des Leistungshalbleiter-Schaltelements
und das Ändern der Gate-Ansteuerspannung in mehreren Stufen
auf der Grundlage des erfassten Werts.
-
- 31,
33
- Si-IGBT
- 32,
34
- SiC-SBD
- 41–43
- Gate-Widerstand
- 44
- npn-Transistor
- 45
- pnp-Transistor
- 46
- Gate-Widerstand-Schalt-PMOS
- 51
- Ansteuer-/Logikschaltung
- 52
- Gate-Spannungserfassungsschaltung
- 53
- Einmalimpuls-Erzeugungsschaltung
- 56
- unterseitige
Ansteuer-/Schutzschaltung
- 57
- oberseitige
Ansteuer-/Schutzschaltung
- 66
- Hauptstromkreis-Leistungszufuhr
- 67
- Hauptstromkreis-Induktivität
- 71
- Diode
mit hoher Durchbruchspannung
- 72
- Diode
- 73
- Widerstand
- 74
- Kollektor-Spannungserfassungsschaltung
- 81
- Komparator
- 82
- Referenzspannung
für Gate-Spannungsvergleich
- 83
- Wechselrichter
- 84
- NOR-Schaltung
- 85
- Widerstand
- 86
- Kondensator
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - "The element
marginal loss analysis method for high power density power converter
by the Si-MOSFET/SiC-SBD pair", Quellenangabe durch das Institute
of Electrical Engineers of Japan, 27. Oktober 2005, Electronic device
and semiconductor power converter joint study group EDD-05-46 (SPC-05-71) [0006]