DE68928573T2 - Treiberschaltung für eine spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung - Google Patents

Treiberschaltung für eine spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung

Info

Publication number
DE68928573T2
DE68928573T2 DE68928573T DE68928573T DE68928573T2 DE 68928573 T2 DE68928573 T2 DE 68928573T2 DE 68928573 T DE68928573 T DE 68928573T DE 68928573 T DE68928573 T DE 68928573T DE 68928573 T2 DE68928573 T2 DE 68928573T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
voltage
transistor
igbt
circuit
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE68928573T
Other languages
English (en)
Other versions
DE68928573D1 (de
Inventor
Hiroshi Miki
Tadashi Miyasaka
Hideki Ninomiya
Kiyoaki Sasagwa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP10056989A external-priority patent/JPH02280659A/ja
Priority claimed from JP17949789A external-priority patent/JPH02179262A/ja
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Publication of DE68928573D1 publication Critical patent/DE68928573D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE68928573T2 publication Critical patent/DE68928573T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0828Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in composite switches
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0812Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
    • H03K17/08128Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit in composite switches
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/567Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/60Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors
    • H03K17/615Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors in a Darlington configuration
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/06Modifications for ensuring a fully conducting state
    • H03K2017/066Maximizing the OFF-resistance instead of minimizing the ON-resistance

Landscapes

  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung zur Verwendung mit spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtungen, wie IGBTs (bipolare Transistoren mit isoliertem Gate) und Leistungs-MOSFETs. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine gemeinsame Ausgangsschaltung und zum Ansteuern ungleicher, schaltender Halbleitervorrichtungen (Leistungsvorrichtungen), die unterschiedliche Treibereingangscharakteristika haben, die jeweils aus IGBTs und MOSFETs zusammengesetzt sind.
  • Leistungsvorrichtungen werden gewöhnlich mit unterschiedlichen Schaltungen gesteuert, die einen Aufbau haben, der an die den individuellen Vorrichtungen innewohnenden Treibereingangscharakteristika angepaßt sind.
  • Die Fig. 1(A) und 1(B) zeigen die Treibereingangscharakteristika von zwei ungleichen Leistungsvorriohtungen; Fig. 1(A) zeigt beispielhafte Signalverläufe der Basis-Emitterspannung VBE eines Bipolartransistors und den entsprechenden Basisstrom IB, und Fig. 1(B) zeigt beispielhafte Signalverläufe der Gate-Emitterspannung VGE eines IGBT und den entsprechenden Gatestrom IG. Fig. 2 zeigt eine Schaltung zum Ansteuern des Bipolartransistors, und Fig. 3 zeigt eine Schaltung zum Ansteuern des IGBT.
  • Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung enthält einen Bipolartransistor QB als anzusteuemde Leistungsvorrichtung, eine Vorwärtssteuerungs-Gleichstromquelle VCC, eine Rückwärtssteuerungsgleichstromquelle VEE, einen Vorwärtssteuerungsausgangsstufentransistor QF und einen Rückwärtssteuerungsausgangsstufentransistor QR.
  • Wenn ein "Hoch"(H")-Steuersignal VD zugeführt wird, dann wird es durch eine NICHT-Schaltung N1 invertiert und schaltet es einen Optokoppler PC1 ein, während es einen anderen Fotokoppler PC2 ausschaltet. Als Folge davon wird ein Basisstrom dem Vorwärtssteuerungsausgangsstufentransistor QF über den Pfad zugeführt, der aus der Gleichstromquelle VCC, dem Fototransistor PD1 im Optokoppler PC1, der Basis-Emitterstrecke des Ausgangsstufentransistors QF, der Basis-Emitter-Strecke des Bipolartransistors QB und der Gleichstromversorgungsquelle VCC besteht, und der Ausgangsstufentransistor QF wird auf diese Weise eingeschaltet, während der andere Ausgangsstufentransistor QR für die Rückwärtssteuerung ausgeschaltet wird. Ein Basisstrom IB1 wird daher als Vorwärtssteuerstrom dem Bipolartransistor QB über den Pfad zugeführt, der aus der Gleichstromquelle VCC, den Vorwärtsbasisstrombegrenzungswiderstand RF, der Kollektor-Emitter-Strecke des Ausgangsstufentransistors QF, der Basis-Emitter-Strecke des Bipolartransistors QF und der Gleichstromquelle VCC besteht, und der Bipolartransistor QB wird auf diese Weise eingeschaltet.
  • Wenn das Steuersignal VD sich auf "niedrigem" ("L") Pegel befindet, schaltet der Optokoppier PC1 aus und der Optokoppler PC2 schaltet ein. Als Folge davon wird der Vorwärtsausgangsstufentransistor QF ausgeschaltet, und ein Basisstrom wird dem Rückwärtssteuerausgangsstufentransistor QR über den Pfad zugeführt, der aus der Gleichstromquelle VEE, der Emitter-Basis-Strecke des Bipolartransistors QB, der Emitter-Basis-Strecke des Ausgangsstufentransistors QR, dem Fototransistor PT2 im Optokoppler PC2 und der Gleichstromquelle VEE besteht, und der Ausgangsstufentransistor QR schaltet ein. Daher wird ein Basisstrom IB2 als Rückwärtssteuerstrom dem Bipolartransistor QB über den Pfad zugeführt, der aus der Gleichstromquelle VEE, der Emitter-Basis-Strecke des Bipolartransistors QB, der Emitter- Kollektor-Strecke des Ausgangsstufentransistors QR, dem Rückwärtsbasisstrombegrenzungswiderstand RR und der Gleichstromquelle VEE besteht, und der Bipolartransistor QB wird auf diese Weise ausgeschaltet.
  • Wenn in der in Fig. 3 gezeigten Schaltung ein "H"-Steuersignal VD zugeführt wird, schaltet der Optokoppler PCO ein, während der Hilfstransistor Q10 ausschaltet. Als Folge davon schaltet der Ausgangsstufentransistor QR aus und ein Basisstrom wird dem Vorwärtsausgangsstufentransistor QF über den Pfad zugeführt, der aus der Gleichstromquelle VCC, dem Widerstand R2, der Basis-Emitter-Strecke des Ausgangsstufentransistors QF, der Basis-Emitter-Strecke des IGBT QI und der Gleichstromquelle VCC besteht, wodurch bewirkt wird, daß der Vorwärtsausgangsstufentransistor QF einschaltet. Daher wird eine Vorwärtssteuerspannung von der Gleichstromquelle VCC zwischen Gate und Emitter des IGBT QI über den Widerstand RF angelegt, um den IGBT QI einzuschalten.
  • Wenn sich das Treibersignal VD auf einem "L"-Pegel befindet, schaltet der Optokoppler PCO aus, während der Hilfstransistor Q10 einschaltet. Als Folge schaltet der Vorwärtsausgangsstufentransistor QF aus und ein Basisstrom wird dem Rückwärtsausgangsstufentransistor OR über den Pfad zugeführt, der aus der Gleichstromquelle VE, der Emitter-Gate-Strecke des IGBT QI, der Emitter-Basis- Strecke des Ausgangsstufentransistors QR, dem Hilfstransistor Q10 und der Gleichstromquelle VEE besteht, und der Rückwärtsausgangsstufentransistor QR schaltet ein. Daher wird eine Rückwärtssteuerspannung von der Gleichstromquelle VEE zwischen Gate und Emitter des IGBT QI über den Widerstand RR gelegt, um den IGBT QI auszuschalten.
  • Es wird noch einmal auf Fig. 1 Bezug genommen. Ein Bipolartransistor ist eine stromgesteuerte Vorrichtung, wie in Fig. 1(A) gezeigt, und um ihn leitfähig zu halten, muß ein Basisstrom einer Größe zugeführt werden, der ausreichend ist, den Kollektorstrom zu kompensieren. Wenn die leitfähige Vorrichtung ausgeschaltet wird, dann wird der Basis ein Rückwärtsvorstrom zugeführt, der größer ist, als der Vorwärtsbasisvorstrom, um die Zeit abzukürzen, die erforderlich ist, die Vorrichtung auszuschalten. Der Vorwärtsbasisvorstrom könnte theoretisch vermindert werden, in dem man mehrere Bipolartransistoren QB in Darlington-Schaltung anordnet, wie in Fig. 4 gezeigt (wo drei Bipolartransistoren verschaltet sind). In der Praxis ist es jedoch schwierig, dieses zu erreichen, da die Größe des Rückwärtsbasisvorstroms die Nennwerte des Bipolartransistors Q3 in der Endstufe der Darlington-Schaltung (siehe Fig. 4) beachten muß. Der Basisstrom von Bipolartransistoren wird daher typischerweise die durch IB in Fig. 1(A) gezeigte Verlaufsform haben (wenn sie in dreistufiger Darlington-Schaltung angeordnet sind). Im Anschluß an t = t&sub1; stellt der Transistor Q3 in der Endstufe der Darlington-Schaltung (Fig. 4) die Basis-Emitter- Verbindung wieder her, und der Rückwärtsbasisvorstrom fließt dann durch den Widerstand RBE (Fig. 4), der parallel zwischen Basis und Emitter von Q3 geschaltet ist. Der Wert dieses Basisstroms ist extrem klein (z.B. 50 mA). Um sicherzustellen, daß die Transistoren über die Zeitdauer im Anschluß an t&sub1; ausgeschaltet bleiben, wird vorteilhafterweise eine Rückwärtsvorspannung von etwa ein Volt zwischen Basis und Emitter des Endstufentransistors Q3 gelegt.
  • Im Gegensatz zum Bipolartransistor ist ein IGBT eine spannungsgesteuerte Vorrichtung, wie in Fig. 1(B) gezeigt, und um ihn mit einer geeigneten niedrigen Spannung einzuschalten, ist es günstig, die Gatespannung soweit wie möglich innerhalb des zulässigen Bereiches zu steigern. Um den IGBT auszuschalten, wird eine negative Spannung zwischen Gate und Emitter gelegt, und die Ladung in der Eingangskapazität wird abgebaut. Die Steuerspannung des IGBT nimmt daher typischerweise die durch VGE in Fig. 1(B) angegebene Verlaufsform an. Da das Gate des IGBT, gesehen von der Treiberschaltung, äquivalent einer kapazitiven Last ist, hat der Gatestrom IG, der durch die Lade- und Entladezyklen der Eingangskapazität über einen Gateserienwiderstand erzeugt wird, den in Fig. 1(B) gezeigten Verlauf. Die Absolutwerte der positiven und negativen Spitzen des Gatestroms IG sind gleich, und die Dauer ihres Stromflusses, die in Form der Zeitkonstante betrachtet werden kann, die durch die Größe des Gateserienwiderstandes und die Eingangskapazität bestimmt ist, ist ein µs kurz oder kürzer. Wenn der IGBT bei Schaltfrequenzen unter 20 kHz benutzt werden soll, kann die Wärmeerzeugung der Ausgangsstufentransistoren QF und QR in der Treiberschaltung sicherlich für praktische Zwecke vernachlässigt werden.
  • Wie aus den Fig. 2 und 3 klar ist, unterscheiden sich die grundlegenden Zusammenstellungen von Ausgangsstufentransistoren QF und QR in der Treiberschaltung nicht sehr zwischen der gesteuerten Leistungsvorrichtung QB (Bipolartransistor) und QI (IGBT) mit der Ausnahme der Konfiguration der Ausgangsstufentransistoren QF und QR (jenachdem, ob sie in Darlington-Schaltung verbunden sind oder einzeln verwendet werden) und der Größe des sich ergebenden Leistungsverlustes. Man vergleiche beispielsweise den Fall der Ansteuerung eines Bipolartransistors QB der 50-A-Klasse (besteht aus drei Transistoren in Darlington-Schaltung) mit dem Fall der Ansteuerung des IGBT QI. Typische Stromverläufe, wie sie zum Ansteuern von QB und Qi verwendet werden, sind in Fig. 5 gezeigt. Wenn eine gemeinsame Ausgangsschaltung für die Ansteuerung beider Vorrichtungsarten verwendet werden soll, wird ein maximaler Kollektorstrom des Vorwärtssteuerstromzuführtransistors (QF in den Fig. 2 und 3) durch die Ansteuerbedingung des IGBT bestimmt (0,8A im betrachteten Fall), und der Energieverlust, der in diesem Zuführtransistor QF auftritt, wird durch den Ausgangsstrom zum Ansteuern des Bipolartransistors QB bestimmt (50 mA im betrachteten Fall) sowie durch die Sättigungsspannung des Transistors QF in jener Ausgangsstufe. Andererseits wird ein maximaler Kollektorstrom des Transistors zum Abziehen des Rückstroms aus der angesteuerten Leistungsvorrichtung (QR in den Fig. 2 und 3) durch die maximale Größe des Rückwärtsvorstroms des Bipolartransistors bestimmt (-1A im betrachteten Fall), und der Energieverlust, der in diesem Abziehtransistor QR auftritt, ist durch den Rück-Vor-(Basis-)Strom bestimmt, der den Strom beinhaltet, der durch den Widerstand RBE fließt, der parallel zu Basis und Emitter von Q3 geschaltet ist (siehe Fig. 4) während der Rückvorspannung des Bipolartransistors QB und die Sättigungsspannung des Abziehtransistors für den Fall, wo dieser kleine Strom als sein eigener Kollektorstrom fließen kann.
  • Es sei hier angemerkt, daß die Sättigungsspannung des Abziehtransistors QR, die erscheint, wenn ihm ein kleiner Kollektorstrom zugeführt wird, durch die Spannungsgröße der Versorgungsspannungsquelle VEE zum Zuführen eines Rückvorstroms zum Bipolartransistor beschränkt ist. Diese Rückvorspannung ist in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4(A) ist eine Schaltung für den Fall, wo der Bipolartransistor QB als Leistungsvorrichtung, die aus drei in Darlington-Schaltung verbundenen Transistoren besteht, rückwärts mit einem Rückstromabziehtransistor QRI als ein Rückwärtssteuertransistor, der aus zwei in Darlington-Schaltung verbundenen Transistoren besteht, vorgespannt wird, und Fig. 4(B) ist die Äquivalentschaltung von Fig. 4(A).
  • Damit eine Rückspannung VEE von etwa einem Volt zwischen Basis und Emitter des Transistors Q3 in der Endstufe des Bipolartransistors QB in der Darlington- Schaltung angelegt wird, nachdem er die Basis-Emitter-Verbindung wieder hergestellt hat, muß das folgende Verhältnis erfüllt sein:
  • VBE = VCE + VF(SUD1) + VF(SUD2) - VEE -1(V) .... (1)
  • wobei VCE die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 28 an der Ausgangsstufe des Abziehtransistors QR1 ist; VF(SUD1) der Vorwärtsspannungsabfall in der Diode SUD1 ist, die antiparallel zwischen Basis und Emitter des Transistors Q1 im Bipolartransistor QB geschaltet ist; und VF(SUD2) der Vorwärtsspannungsabfall in der Diode SUD2 ist, die antiparallel zwischen Basis und Emitter des Transistors Q2 im Bipolartransistor QB geschaltet ist. Wie man aus der Gleichung (1) sehen kann, muß der notwendige Wert von VEE höher sein, je höher die Sättigungsspannung VCE des Abtriebtransistors QR1 in der Treiberschaltung ist. Je höher die Sättigungsspannung VCE ist, umso größer ist außerdem der Energieverlust, der in dieser Betriebsart auftreten soll.
  • Wie bereits erwähnt, werden Leistungsvorrichtungen gewöhnlich mit unterschiedlichen Schaltungen angesteuert, je nach den Eingangscharakteristika der anzusteuernden speziellen Vorrichtung. Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, eine einzige gemeinsame Treiberschaltung anzugeben für den Zweck, eine IC-Packung zu realisieren, die in der Lage ist, verschiedene Arten von Leistungsvorrichtungen zu treiben und zu steuern. Die Treiberschaltungen für Leistungsvorrichtungen sollten ziemlich große Ströme beherrschen, so daß eines der Probleme, dem beim Einbau von Treiberschaltungen in eine einzige IC-Packung Rechnung zu tragen ist, der Energieverlust ist, der in der Packung auftritt. Wie bereits erwähnt, muß, um eine einzige Treiberschaltung zu erstellen, die sowohl mit Bipolartransistoren als auch einem IGBT verwendet werden kann, das Schaltkreisverhalten die folgenden Bedingungen erfüllen: Transistoren in der Ausgangsstufe der Treiberschaltung können mit einem Strom versorgt werden, der einen hohen Spitzenwert innerhalb einer kurzen Zeitperiode hat, wobei der gleiche Basisstrom fließt; und ein kleiner Strom kann für eine längere Zeitdauer zugeführt werden ohne viel Hitze zu erzeugen. Mit anderen Worten, die Transistoren in der Ausgangsstufe müssen eine niedrige Sättigungsspannung innerhalb des Bereiches kleiner Treiberausgangsströme haben. Um die erste Bedingung zu erfüllen, müssen die Treibertransistoren in der Ausgangsstufe in Darlington-Schaltung verbunden sein, jedoch hat die Darlington-Schaltung eine gesteigerte Gesamtsättigungsspannung, was zu einem größeren Energieverlust führt.
  • Als nächstes werden konventionelle Treiberschaltungen für spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise IGBT, beschrieben.
  • Eine Äquivalenzschaltung eines solchen IGBT ist in Fig. 6 gezeigt und enthält einen N-Kanal-MOSFET 101, einen NPN-Transistor 102, einen PNP-Transistor 103 und einen Widerstand 104 zum Kurzschließen von Basis und Emitter des Transistors 102. Diese Komponenten bilden zusammen einen IGBT 100 mit einem Gate G einem Kollektor C und einem Emitter E. Die Transistoren 102 und 103 bilden auch zusammen eine Parasitär-Thyristorschaltung.
  • Fig. 7 zeigt eine konventionelle Schaltung zum Ansteuern des IGBT 100, bestehend aus einem signalisolierenden Optokoppler 201, der mit einer Steuerschaltung, wie beispielsweise einer PWM-Schaltung (nicht dargestellt) verbunden ist, einem M- Kanal-MOSFET 202, einem NPN-Transistor 203, einem PNP-Transistor 204, einener Vorwärtsvorspannungsquelle 205, einer Rückwärtsvorspannungsquelle 206 und Widerständen 207, 208 und 209.
  • Unter Verwendung dieser Treiberschaltung wird der IGBT 100 durch die folgende Prozedur eingeschaltet. Wenn der Optokoppler 201 auf seiner Primärseite erregt wird, schaltet er ein, was zur Folge hat, daß FET 202 ausschaltet. Wenn FET 202 ausschaltet, schaltet Transistor 204 aus, was zur Folge hat, daß Transistor 203 einschaltet. Wenn Transistor 203 einschaltet, legt die Vorwärtsvorspannungsquelle 205 eine Spannung zwischen Gate und Emitter von IGBT 100 über den Widerstand 209, wodurch IGBT 100 eingeschaltet wird.
  • IGBT 100 wird ausgeschaltet, indem der oben beschriebene Vorgang umgekehrt wird. Wenn der zur Primärseite des Optokopplers 201 fließende Strom ausgeschaltet wird, schaltet er aus, was zur Folge hat, daß FET 202 einschaltet. Als Folge davon schaltet Transistor 203 aus, und Transistor 204 schaltet ein, wodurch die Rückvorspannungsquelle 206 eine Spannung zwischen Gate und Emitter von IGBT 100 über den Widerstand 9 legt, wodurch IGBT 100 ausgeschaltet wird. Neben der Begrenzung des Gatestroms von IGBT 100 stellt der Widerstand 209 sicher, daß der interne Parasitär-Thyristor nicht einschaltet (ein Phänomen, das "Verriegelung" genannt wird, wenn IGBT 100 ausgeschaltet wird, damit das Gate seine Steuerfähigkeit für das Ausschalten des Stroms verliert.
  • Fig. 8 zeigt eine weitere Schaltung zum Ansteuern des IGBT 100. Diese Schaltung enthält eine Konstantspannungsdiode 210, einen Widerstand 211 und einen NPN- Transistor 212, wobei die anderen Komponenten die gleichen sind, wie in Fig. 7.
  • Die in Fig. 8 gezeigte Treiberschaltung arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie die in Fig. 7 gezeigte Schaltung, und der Transistor 212 hat die gleiche Funktion, wie der FET 202 in Fig. 7.
  • Die IGBTs der oben beschriebenen Art werden hauptsächlich als Schalter zum Einschalten und Ausschalten des Stromes verwendet, der zu einer induktiven Last fließt, wie beispielsweise einem Vvvfspannungswandler (Wandler, der mit variabler Spannung und variabler Frequenz arbeitet). Der grundlegende Betrieb des IGBT, der als ein Schalter verwendet wird, ist im wesentlichen derselbe, wie der Betrieb eines Zerhackers in der Wandlerschaltung, die in Fig. 9 gezeigt ist und IGBTs 100a und 100b, eine Gleichspannungsquelle 301 (Spannung Ed), Freilaufdioden 302 und 304, eine Verdahtungsinduktivität 303 und eine Last 305 enthält, wobei eine Dämpfungsschaltung weggelassen ist.
  • Wenn IGBT 100a im oberen Zweig in Fig. 9 als Folge des Betriebs der Treiberschaltung in der oben betriebenen Art ausschaltet, fließt Laststrom IL weiterhin durch die Freilaufdiode 304 in den unteren Zweig. Wenn IGBT 100a einschaltet, wobei IL weiterhin durch 304 fließt, wird ein Kurzschluß, bestehend aus der Gleichspannungsquelle 301, IGBT 100a und Freilaufdiode 304 gebildet, um einen kurzgeschlossenen Zustand zu erzeugen, bis die Freilaufdiode 304 ausschaltet. Hochgeschwindigkeitsdioden werden daher normalerweise als Freilaufdioden 304 und 302 verwendet.
  • Wenn IGBT 100a einschaltet, nehmen sein Kollektorstrom Ic und der Laststrom IL allmählich zu, wie in Fig. 10 gezeigt. Wenn man eine sehr kurze Zeitdauer einschließlich t&sub0; betracht, wenn IGBT 100a einschaltet, nimmt der Strom ID, der durch die Freilaufdiode 304 fließt, abrupt bis gerade vor t&sub0; ab und steigt anschliessend abrupt wieder an, wie in Fig. 10 gezeigt. Die Profile des Stromes ID und der Spannung VD, die sich über der Freilaufdiode 304 entwickelt, sind deutlicher in Fig. 11 gezeigt. Der abnehmende ID wird zum Zeitpunkt t&sub1; Null, und anschließend steigt er in negativer Richtung, bis er t&sub2; eine Spitze erreicht (entsprechend t&sub0; in Fig. 10), und wird dann zum Zeitpunkt t&sub3; wieder Null. Die Zeitdauer t&sub1; über t&sub2; bis t&sub3; wird gewöhnlich als eine "Rückerholungszeit" bezeichnet. Diese Rückerholungszeit ist sehr kurz und liegt gewöhnlich innerhalb einer Mikrosekunde.
  • Bei bekannten Halbleitervorrichtungen, die eine Schaltzeit haben, die länger ist als die Rückerholungszeit, sind die abrupten Änderungen der Spannung und des Stroms, die innerhalb der Rückerholungszeit auftreten, durch die Schaltzeit unterdrückt worden. Die Schaltzeit von spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise einem IGBT, sind aber annähernd gleich der Rückerholungszeit von Dioden, so daß die Spannungs- und Stromänderungen, die innerhalb der Rückerholungszeit auftreten, nicht unterdrückt werden, sondern einfach weiter zunehmen.
  • Im Zeitraum zwischen t&sub2; und t&sub3; nimmt der Rückstrom (Rückerholungsstrom) so abrupt ab, daß die Stromänderungsrate (dl/dt) zunimmt. Je schneller der Betrieb der Dioden ist, umso kürzer ist die Zeitdauer zwischen t&sub2; und t&sub3;, und umso größer ist daher der Wert von dl/dt. Als Folge wird eine Spannung gleicher Polarität wie die der Verworrungsgleichspannung Ed, ΔV = ls dl/dt (ls ist der lnduktivitätswert der Verdrahtungsinduktivität 303), die durch dl/dt und die Verdrahtungsinduktivität 303 erzeugt wird, auf Id überlagert, und die Spannung VD über der Freulaufdiode 304 wird sehr hoch, wie durch VP in Fig. 11 angedeutet ist. Der Wert VD kann manchmal die Durchbruchspannung der betreffenden Vorrichtung überschreiten, und der IGBT 100b, der parallel zur Freilaufdiode 304 geschaltet ist, kann zerstört werden oder fehlerhaft einschalten.
  • Im Anschluß an den Zeitpunkt t&sub2; steigt Spannung VD abrupt in sehr kurzer Zeit an, und die Spannungsänderungsrate (dV/dt) wird ebenfalls sehr groß, beispielsweise größer als 10 x 10³ V/µs, was enen fehlerhaften Betrieb des Optokopplers 201 in der Treiberschaltung hervorruft, die in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, oder der Steuerschaltung der Eingangsseite des Optokopplers. Wenn man zur Beherrschung dieses Problems einen Optokoppier verwendet, der auf die Spannungsänderung (dV/dt) weniger empfindlich ist und der in der Lage ist, eine sehr schnelle Signalübertragung auszuführen, wird die Treiberschaltung für den IGBT teuer, was zu einer Steigerung der Herstellungskosten führt.
  • Als nächstes wird eine herkömmliche Treiberschaltung beschrieben, die dazu geeignet ist, spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtungen vor Überströmen zu schützen, die fließen können, wenn Erdungsfehler oder andere Kurzschlüsse bei Spannungswandlergeräten, wie beispielsweise einem Wechselrichter auftreten.
  • Während verschiedene Überstromfehler zufällig während des Betriebes eines Spannungswandlergerätes, wie etwa einem Wechselrichter, auftreten, können Lastkurzschlüsse und Erdungsfehler zur Zerstörung der spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtungen führen, die im Gerät verwendet werden. Bei einem IGBT der als Beispiel für spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtungen herangezogen wird, zeigt Fig. 12 eine Äquivalenzschaltung für einen Kurzschlußfall, der in einem Spannungswandlergerät auftritt, und Fig. 13 zeigt die Spannungs- und Stromverläufe, die von der spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung erzeugt werden, die in dem Gerät verwendet werden.
  • Während der Kurzschlußdauer fließt ein Kurzschlußstrom, wobei im wesentlichen eine Gleichspannung an dem IGBT 2 (siehe Fig. 12) anliegt. Die übrigen Bestandteile der Schaltung von Fig. 12 sind eine Gleichspannungsquelle 1 und eine Verdrahtungsinduktivität 3.
  • Der Kurzschlußstrom kann bis 5- oder 6-fach (oder sogar 10-fach bei hochspannungsfesten Vorrichtungen) so hoch sein, wie der Nenngleichstrom. Somit wird der Vorrichtung während diesem Vorfall eine extrem große, plötzlich auftretende Energie zugeführt, und es ist notwendig, den Überstrom durch Abschalten des Gates innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitdauer (etwa 10 µs) zu unterbrechen, nachdem der Kurzschluß erfaßt worden ist.
  • Eine bekannte Treiberschaltung, die dazu geeignet ist, spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtungen vor Überströmen zu schützen, ist in Fig. 14 dargestellt. Die Schaltung enthält einen IGBT 4 als Hauptschalterelement, einen signalisolierenden Optokoppier 5, eine EIN-Gatespannungsquelle 6 und eine AUS-Gatespannungsquelle 7. Die zwei Spannungsquelle 6 und 7 sind mit einem Paar Transistoren 9 und 10 verbunden, die in komplementärer Weise mit dem Optokoppler 5 in Abhängigkeit von einem Signal arbeiten, das über den Transistor 8 zugeführt wird. Die Emitter dieser Transistoren 9 und 10 an der Ausgangsstufe sind mit der Basis von IGBT 4 über den Widerstand 11 verbunden, und die Verbindung zwischen den Spannungsquellen 6 und 7 ist mit dem Emitter von IGBT 4 verbunden, um eine Treibersektion zu bilden.
  • Ein Transistor 14, eine Zenerdiode 13, eine Diode 15 und ein Widerstand 17 bilden eine Überstromerfassungsschaltung, die die Spannung am Kollektoranschluß von IGBT 4 überwacht und ein bestimmtes Signal erzeugt, wenn die Spannung einen vorbestimmten Pegel überschreitet.
  • Eine Verzögerungsschaltung ist aus einem Kondensator 16 stromaufwärts des Überstromerfassungskreises ausgebildet.
  • Der normale Betrieb der in Fig. 14 gezeigten Schaltung ist wie folgt. Wenn der Optokoppler 5 einschaltet, schaltet der Transistor 8 aus, infolgedessen der Transistor 9 einschaltet, während der Transistor 10 ausschaltet, um eine EIN- Gatespannung V&sub1; zwischen Gate und Emitter von IGBT 4 über den Widerstand 11 zu legen.
  • Wenn der Transistor 8 ausgeschaltet ist, fließt ein Basisstrom zum Transistor 14 über den Widerstand 12 und die Zenerdiode 13, der Zeitpunkt seiner Aktivierung wird jedoch durch das Vorhandensein eines Widerstandes 17 verzögert. Wenn die EIN-Gatespannung zwischen Gate und Emitter von IGBT 4 gelegt wird, schaltet Letzterer ein, und seine Kollektoremitterspannung fällt auf den Pegel der EIN- Spannung ab (nachfolgend mit VC(EIN) abgekürzt). Somit kann der Transistor 14 durch Auswahl der Bauteile, die die folgenden Voraussetzungen erfüllen, im Ausschaltzustand gehalten werden, während der IGBT 4 eingeschaltet ist:
  • VZDI + VBE > V&sub2; + VCE(EIN) + VF
  • wobei VZDI : der Schwellenwert der Zenerdiode 13
  • VBE : die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 14;
  • und VF : die Vorwärtsspannung der Diode 15 ist.
  • Wenn der Optokoppler 5 abschaltet, schaltet der Transistor 8 ein, woraufhin der Transistor 9 abschaltet und der Transistor 10 einschaltet, um eine AUS-Gatespannung zwischen Gate und Emitter des IGBT 4 über den Widerstand 11 zu legen, wodurch der IGBT 4 ausgeschaltet wird. Wenn der Transistor 8 einschaltet, entlädt sich der Kondensator 16, so daß der IGBT 4 in einem nachfolgenden Schritt wirksam eingeschaltet werden kann.
  • Wenn ein Kurzschluß auftritt, während IGBT 4 eingeschaltet ist, erhöht sich dessen Kollektor-Emitter-Spannung, bis die folgende Beziehung erreicht ist:
  • VZDI + VBE > V&sub2; + VCE(EIN) + VF
  • Als Folge davon leitet der Transistor 14, und eine AUS-Gatespannung wird zwischen Gate und Emitter des IGBT 4 gelegt, wodurch dieser ausgeschaltet wird, um den fließenden Überstrom zu unterbrechen.
  • Wenn die bekannte Treiberschaltung nach Fig. 14 die betreffende spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung vor einem Überstrom schützt, wird eine AUS-Gatespannung an das Gate von IGBT 4 gleichzeitig mit dem Leitendwerden des Transistors 14 angelegt, und somit tritt eine große Verminderung des Stroms (-di/dt) auf, wenn der Überstrom unterbrochen wird. Dieses schließt die mögliche Gefahr einer übermäßigen Spannung (d.h. die Summe aus der Spannung, die in der Verdrahtungsinduktivität (£s dildt induziert wird, und der Gleichspannung), die auf den IGBT 4 wirkt, mit ein.
  • Weiterhin verursacht die Verzögerungsschaltung, die aus dem Kondensator 14 besteht, eine Zeitverzögerung bei der Erfassung des Überstroms, und es wird eine übermäßig große Energiemenge von der Vorrichtung innerhalb des Zeitraums zwischen dem Auftreten des Kurzschlusses bis zur Unterbrechung des Überstroms verbraucht.
  • Ein weiteres Problem tritt mit dem IGBT 4 auf, der eine statische Kapazität zwischen Kollektor C, Emitter E und Gate G hat, wie in Fig. 16 gezeigt ist.
  • Wie durch die Äquivalenzschaltung in Fig. 17 gezeigt, lädt und entlädt sich die Eigenkapazität Cies beim Schaltvorgang. Weiterhin hängen die Eigenschaften der Halbleitervorrichtung, wenn sie sich in einem EIN-Zustand befindet, von der Größe der Spannung ab, mit der die Eingangskapazität geladen wird, so daß eine Aufladung mit einem vorbestimmten Spannungswert notwendig ist, um konstante Eigenschaften der Vorrichtung aufrechtzuerhalten.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist die Last in der Gaatetreiberschaltung kapazitiv, und dieses führt zu der Möglichkeit, daß die Ausgangsspannung einen vorbestimmten Wert der Gatespannung wegen der speziellen Eigenschaften der Transistoren 9 und 10 an der Ausgangsstufe nicht erreicht. Wenn die Gatespannung niedrig ist, erhöht sich die EIN-Spannung des IGBT 4 und kann möglicherweise einen erhöhten Energieverlust verursachen.
  • Weiterhin sind Impulsströme, die für Transistoren zulässig sind, nicht sehr hoch und nur etwa doppelt so groß, wie der Nenngleichstrom. Somit ist die Leistungsklasse des IGBT, der gesteuert werden kann, durch die Nennwerte der Transistoren der Ausgangsstufe begrenzt. Ein Transistor, der in der Lage ist, alle IGBT-Klassen anzusteuern, ist voluminös und steigert zwangsläufig die Größe der Treiberschaltung.
  • Sollte ein Kurzschluß auftreten, wenn der IGBT 4 leitet, vergrößert sich der fließende Strom, und gleichzeitig erhöht sich ebenfalls merklich die Spannung (VCE) der Vorrichtung, wodurch eine sehr starke Spannungsänderung dVCE/dt erzeugt wird, wie in Fig. 18 gezeigt. Wie Fig. 19 zeigt, hat der IGBT 4 eine Sperrschichtkapazität CCG zwischen Koliektor C und Gate (G), und wenn dVCE/dt an IGBT 4 angelegt wird, erzeugt CCG einen Verschiebestrom i (= CCG VCG/dt). Dieser resultierende Verschiebestrom fließt zwischen Gate und Emitter von IGBT 4, wie in Fig. 19 gezeigt.
  • Im Betrieb der bekannten Treiberschaltung, die die interessierende Halbleitervorrichtung gegenüber Strom schützen soll, wird die Ladung zwischen dem Gate und dem Emitter des IGBT 4 mit Hilfe des Widerstandes 11 (Gatewiderstand) und des Transistors 10 abgebaut. Da der Widerstand 11 die Impedanz der Treiberschaltung, wie sie vom IGBT 4 gesehen wird, erhöht, fließt der Verschiebestrom i nicht in den Transistor 10 vom Widerstand 11, sondern vielmehr direkt in den Zwischenraum zwischen Gate und Emitter von IGBT 4.
  • Dieser Ladevorgang verhindert, daß sich die Gate-Emitterspannung des IGBT 4 synchron mit der Spannung aufbaut, die sich stromaufwärts des Widerstandes 11 entwickelt (d.h. die Spannung auf der Treiberschaltungsseite). Als Folge ergibt sich keine Spannungsverminderung, und der Kurzschlußstrom nimmt nicht länger ab. Wenn der Verschiebestrom in dieser Situation verschwindet, nimmt die Gate- Emitterspannung von IGBT 4 merklich ab, was eine abrupte Abnahme des Kurzschlußstroms und daher eine entsprechende Steigerung seiner Änderungsgeschwindigkeit (di/dt) zur Folge hat. Wenn dieses auftritt, wird es unmöglich, die Spannung (ls di/dt) zu unterdrücken, die in der Verdrahtungsimpedanz in der Hauptschaltung induziert wird, und eine übermäßige Spannung, die größer ist als jene, der die Vorrichtung widerstehen kann, entwickelt sich und kann möglicherweise die Vorrichtung zerstören. Der nicht abnehmende Kurzschlußstrom wirft weiterhin das Problem eines gesteigerten Energieverbrauchs durch die Vorrichtung auf. Diese Probleme werden noch bedeutender, wenn die Kapazität (Nennspannung und Nennstrom) der Vorrichtung zunimmt, weil CCG und daher der Verschiebestrom größer werden.
  • Ein weiteres Problem mit dem IGBT 4 besteht darin, daß es bei der Vorrichtung weniger als einige µs dauert, daß die Vorrichtung aus einem Zustand ausgeschaltet wird, wo ein starker Strom fließt. Dieses verursacht eine extrem große Stromänderung (dildt), wenn die Vorrichtung ausschaltet und eine Verdrahtungsinduktivität (L) vorhanden ist, und eine höhere Spannung, als ihr die Vorrichtung widerstehend kann, könnte zwischen Kollektor und Emitter von IGBT 4 (oder zwischen Drain und Source des MOSFET) erscheinen.
  • Übersicht über die Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Treiberschaltungen zu überwinden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Gatetreiberschaltung, die eine spannungsgeteuerte Halbleitervorrichtung enthält und weiterhin eine Freilaufdiode aufweist, die in Serie mit und in entgegengesetzter Richtung zur Ausgangsseite der spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung geschaltet ist, weiterhin eine Konstantspannungsschaltung, die dem Gate der Halbleitervorrichtung eine Spannung zuführt, die höher ist als die Schwellenspannung der Halbleitervorrichtung, jedoch niedriger ist als die Spannung, die in einem Gleichförmigkeitszustand zugeführt wird, und einen Zeitgeber, der bewirkt, daß die Konstantspannungsschaltung für wenigstens die Rückerholungszeit der Diode arbeitet, wenn die Halbleitervorrichtung eingeschaltet ist.
  • Wenn die spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung eingeschaltet werden soll, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine relativ niedrige Konstantspannung zwischen Gate und Emitter der Halbleitervorrichtung durch die Konstantspannungsschaltung für eine gegebene Zeitdauer gelegt, die von dem Zeitgeber bestimmt wird (d.h. eine Zeit, die länger ist als die Rückerholungszeit der Freilaufdiode, die an der Ausgangsseite mit der Halbleitervorrichtung verbunden ist). Als Folge davon wird der Ausgangsstrom der Halbleitervorrichtung auf einem kleinen Wert unterdrückt, und die Änderungsgeschwindigkeit des Rückerholungsstroms, der durch die Diode fließt, die in Serie mit der Ausgangsseite geschaltet ist, wird klein genug, um die Entwicklung einer Überspannung über der Diode zu verhindern, und die resultierende Spannungsänderung ist so klein, daß es für die Halbleitervorrichtung nicht mehr möglich ist, irrtümlich einzuschalten oder zerstört zu werden oder daß die Treiberschaltung fehlerhaft arbeitet.
  • Nach Verstreichen der gewissen Zeitdauer, die von dem Zeitgeber bestimmt ist, hört die Zuführung niedriger Spannung zum Gate der Halbleitervorrichtung mittels der Konstantspannungsschaltung auf, und ein normaler Spannungswert entwickelt sich zwischen Gate und Emitter der Vorrichtung, wodurch es ermöglicht wird, daß ein geeignet großer Ausgangsstrom von der Halbleitervorrichtung erzeugt wird. Da die Diode bereits ihre Sperrfähigkeit wiedergewonnen hat, fließt kein störender Strom in diese Diode.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1(A) und 1(B) zeigen Zeitdiagramme zur Erläuterung der Treibereingangseigenschaften eines Bipolartansistors und eines IGBT;
  • Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Zusammenstellung einer Schaltung zum Ansteuern eines Bipolartransistors zeigt;
  • Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Zusammenstellung einer Schaltung zum Ansteuern eines IGBT zeigt;
  • Fig. 4(A) und 4(B) sind eine Darstellung der Rückvorspannung eines Bipolartransistors;
  • Fig. 5 zeigt Zeitdiag ramme für Treiberströme, die Leistungsvorrichtungen zugeführt sind;
  • Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine Äquivalenzschaltung des IGBT zeigt;
  • Fig. 7 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Gatetreiberschaltung zeigt;
  • Fig. 8 ist ein Diagramm, das eine weitere beispielhafte Gatetreiberschaltung zeigt;
  • Fig. 9 ist ein Schaltbild eines Wechselrichters, der ein IGBT verwendet;
  • Fig. 10 ist ein Zeitdiagramm, das die Signalverläufe zeigt, die von verschiedenen Betriebskomponenten der in Fig. 9 gezeigten Schaltung erzeugt werden;
  • Fig. 11 ist ein Diagramm, das den Strom- und Spannungsverlauf zeigt, der von einer Diode in der in Fig. 9 gezeigten Schaltung erzeugt wird;
  • Fig. 12 ist eine Äquivalenzschaltung für ein Kurzschlußereignis, das in einem Leistungswandlergerät auftritt, das eine spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung verwendet;
  • Fig. 13 ist ein Zeitdiagramm, das die Spannungs- und Stromverläufe zeigt, die von der Halbleitervorrichtung erzeugt werden;
  • Fig. 14 ist ein Schaltbild einer bekannten Treiberschaltung;
  • Fig. 15 ist eine grafische Darstellung eines Kurzschlußstroms gegenüber der Gate-Emitterspannung der Halbleitervorrichtung;
  • Fig. 16 ist ein kapazititves Äquivalenzschaltbild des IGBT;
  • Fig. 17 ist ein äquivalentes Schaltbild für den Schaltvorgang;
  • Fig. 18 ist eine grafische Darstellung des Spannungsverlaufs, der erzeugt wird, wenn ein Kurzschluß auftritt;
  • Fig. 19 ist ein Diagramm, das den Zustand einer kurzgeschlossenen Halbleitervorrichtung zeigt;
  • Fig. 20 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 21 ist ein Zeitdiagramm, das die Signalverläufe zeigt, die von verschiedenen Betriebskomponenten der in Fig. 20 gezeigten Schaltung erzeugt werden, und
  • Fig. 22 ist eine grafische Darstellung der Ausgangscharakteristika eines IGBT.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 20 bis 22 erläutert.
  • Fig. 20 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Schaltung zum Ansteuern eines IGBT als einer spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung ist. Wie in Fig. 6 bis 8 enthält die Schaltung einen IGBT 100, einen Optokoppler 201, einen N-Kanal-MOSFET 202, einen NPN-Transistor 203, einen PNP-Transistor 204, eine Vorwärtsvorspannungsquelle 205, eine Rückvorspannungsquelle 206 und Widerstände 207 bis 209.
  • Die Treiberschaltung in Fig. 20 enthält weiterhin eine Schaltung, die den Transistor 203 der Ausgangsstufe als Konstantspannungsquelle betreibt, und einen Zeitgeber, der es ermöglicht, daß diese Schaltung über eine vorbestimmte Zeitdauer arbeitet. Genauer gesagt, die Schaltung zum Betreiben des Transistors 203 als eine Konstantspannungsquelle besteht aus einem NPN-Transistor 504, dessen Basis mit der Basis des Transistors 204 der Ausgangsstufe verbunden ist und dessen Emitter mit der Basis des Transistors 203 verbunden ist, eine Konstantspannungsdiode 503, deren Anode mit dem Kollektors des NPN-Transistors 504 verbunden ist und deren Kathode mit der positiven Elektrode der Vorwärtsvorspannungsquelle 205 verbunden ist, und den bereits erwähnten Widerstand 208. Der Zeitgeber besteht aus dem Widerstand 501, der zwischen die positive Elektrode der Vorwärtsvorspannungsquelle 205 und das Drain des N-Kanal MOSFET 507 geschaltet ist, der nachfolgend zu beschreiben ist, einen NPN-Transistor 502, dessen Kollektor und Basis mit den entgegengesetzten Enden des Widerstandes 501 verbunden sind und dessen Emitter mit dem Emitter des Transistors 504 verbunden ist, einen FET 507, dessen Drain mit einem Ende des Widerstandes 501 verbunden ist und dessen Source mit der negativen Elektrode der Rückvorspannungsquelle 206 verbunden ist, einen Widerstand 506, der zwischen das Gate des FET 507 und das Gate des FET 202 geschaltet ist, und eine Diode 505, die parallel zum Widerstand 506 geschaltet ist, wobei deren Kathode zum Gate des FET 507 gerichtet ist.
  • In der in Fig. 20 gezeigten Schaltung arbeitet der Transistor 502 derart, daß wenn er einschaltet, er die Serienschaltung aus der Konstantspannungsdiode 503 und dem Transistor 504 kurzschließt, während der Zeitgeber derart arbeitet, daß der FET 202 zu einer leicht anderen Zeit ausschaltet, als der FET 507 ausschaltet wegen des Widerstandes 506 und der Gateeingangskapazität und dem Gateschwellenwert des FET 507. Die Diode 505 dient dazu, beiden FETS 202 und 507 zu ermöglichen, gleichzeitig einzuschalten.
  • Der Betrieb der in Fig. 20 gezeigten Schaltung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 21 erläutert. Wenn eine zugehörige Steuerschaltung (nicht dargestellt) aktiviert wird, um einen Strom zur Primärseite des Optokopplers 201 fließen zu lassen, um ihn dadurch zum Zeitpunkt T&sub1; einzuschalten, wird FET 202 zunächst zum Zeitpunkt T&sub2; ausgeschaltet. Wenn FET 202 ausschaltet, fließt ein Strom zur Basis des Transistors 504 über die Vorwärtsvorspannquelle 205 und den Widerstand 208, woraufhin Transistor 504 einschaltet, damit sich die Spannung VZD der Konstantspannungsdiode 503 zwischen Kollektor und Basis des Transistors 203 entwickeln kann. Diese Spannung erlaubt es dem Transistor 203, als Konstantspannungsquelle zu wirken, und seine Kollektor-Emitter-Spannung VCE =
  • VCE = VBE + VZD + VCE = VZD = V&sub1; .... (3)
  • wobei VBE die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 203 ist und VCE, die Kollektor- Emitter-Spannung des Transistors 504 ist. Aus der Gleichung (3) wird die Gate- Emitterspannung VGE von IGBT 100 ausgedrückt durch:
  • VGE = Vcc - V&sub1; Vcc = VZD .... (2)
  • worin Vcc die Spannung ist, die von der Vorwärtsvorspannquelle 205 zugeführt wird. Mit anderen Worten, VGE ist um VZD kleiner Vcc.
  • Wenn FET 507 ausgeschaltet wird, schaltet der Transistor 502 ein, und die Schaltung aus der Konstantspannungsdiode 503, die in Serie mit dem Transistor 504 geschaltet ist, wird kurzgeschlossen. Solange die Spannung VZD (V&sub1;) erzeugt wird, bleibt daher FET 507 eingeschaltet, wie in Fig. 21 gezeigt. Nachdem Optokoppler 201 einschaltet, wird die Gate-Source-Spannung VGS von FET 507 über den Widerstand 506 entladen, bis die Größe von VGS kleiner wird als der Schwellenwertpegel zum Zeitpunkt T&sub3;, wenn FET 507 ausschaltet. Mit anderen Worten, FET 507 schaltet eine gewisse Zeit nach FET 202 aus wegen der schon beschriebenen Wirkung des Zeitgebers. Wenn FET 507 ausschaltet, fließt ein Basisstrom in den Transistor 502, um diesen einzuschalten. Als Folge davon wird die Schaltung, die aus der Konstantspannungsdiode 503, die in Serie mit dem Transistor 504 geschaltet ist, kurzgeschlossen, und V&sub1; wird nahezu gleich Null. Somit ist der Wert VGE gleich der Vorwärtsvorspannung Vcc von der Spannungsquelle 205.
  • Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Gate-Emitterspannung VGE von IGBT 100 auf einer konstanten Spannung Vcc -V&sub1; gehalten, die niedriger ist als die Versorgungsspannung Vcc während der Zeitdauer T vom Zeitpunkt T&sub2; bis T&sub3;, die durch den Zeitgeber vorbestimmt ist. Es sei auch angemerkt, daß die Zeitdauer T so eingestellt sein muß, daß sie länger ist als die Rückerholungszeit einer Freilaufdiode (nicht dargestellt), die in Serie und in umgekehrter Richtung zum IGBT 100 an die Ausgangsseite angeschlossen ist. Man muß nicht sagen, daß die Spannung Vcc -V&sub1; höher ist als der Schwellenwertpegel des IGBT 100.
  • Wie oben beschrieben, wird die Gate-Emitterspannung VGE von IGBT auf einem vergleichsweise niedrigen Pegel gehalten, wenn er eingeschaltet ist, und dieses ermöglicht es, den Kollektorstrom IC des IGBT auf einen niedrigen Pegel zu drücken, wie durch die IGBT-Ausgangscharakteristikkurve in Fig. 22 gezeigt ist. Der Rückerholungsstrom durch die Freilaufdiode, die in Serie zum IGBT 100 geschaltet ist, kann daher unterdrückt werden, um die Änderungsgeschwindigkeit dl/dt des Stromes zu reduzieren mit der sich ergebenden Verminderung sowohl der Spannung VD über die Freilaufdiode als auch der Änderungsgeschwindigkeit der Spannung dV/dt.
  • Wie aus Fig. 22 klar ist, nimmt außerdem die Spannung, bei der IGBT 100 eingeschaltet wird, mit abnehmender Spannung VGE zu. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird VGE jedoch nur für die Dauer T der Zeit niedrig gehalten, während der IGBT 100 eingeschaltet ist, und im Gleichförmigkeitszustand im Anschluß an das Verstreichen dieser Zeitdauer T kann die Spannung zum Einschalten des IGBT 100 auf einen geeigneten niedrigen Pegel herabgesetzt werden.
  • Während die vorangehende Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf eine Schaltung zum Ansteuern eines IGBT gerichtet ist, versteht sich doch, daß das Konzept der vorliegenden Erfindung auch bei anderen spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise Leistungs-MOSFETs anwendbar ist.
  • Als Ergebnis ist der Ausgangsstrom von der Halbleitervorrichtung ausreichend unterdrückt, um den Rückerholungsstrom, der durch die Freilaufdiode fließt, herabzusetzen, wodurch das Auftreten von Überspannung verhindert ist und die Spannungsänderungsgeschwindigkeit herabgesetzt ist. Dieses verhindert nicht nur eine Zerstörung der Halbleitervorrichtung, sondern auch einen fehlerhaften Betrieb der Treiberschaltung und der zugehörigen Steuerschaltung, wodurch zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit der Vorrichtung beigetragen wird.
  • Außerdem kann die Gate-Treiberschaltung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, ohne daß wesentliche Änderungen in der Gestaltung bekannter Schaltungen erforderlich sind, es müssen lediglich einige wenige Elemenge hinzugefügt werden. Sie bietet daher den Vorteil, bei niedrigen Kosten herstellbar zu sein.

Claims (1)

1. Gatetreiberschaltung mit einer spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung (100) und weiterhin enthaltend:
eine Freilaufdiode, die in Reihe mit und entgegengesetzt gepolt zur Ausgangsseite der spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung (100) geschaltet ist;
eine Konstantspannungsschaltung (203, 205, 208, 503, 504), die beim Einschalten der Halbleitervorrichtung (100) das Gate derselben mit einer Spannung versorgt, die höher ist als eine Schwellenspannung der Halbleitervorrichtung (100), jedoch niedriger ist als die Spannung, die dem Gate im Gleichförmigkeitszustand zugeführt ist; und
einen Zeitgeber (201, 501, 502, 505, 506, 507), der bewirkt, daß die Konstantspannungsschaltung arbeitet, wenn die Halbleitervorrichtung (100) eingeschaltet ist, für wenigstens die Rückerholungszeit der Diode.
DE68928573T 1988-11-16 1989-11-16 Treiberschaltung für eine spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung Expired - Fee Related DE68928573T2 (de)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP28923188 1988-11-16
JP32435988 1988-12-22
JP6882189 1989-03-20
JP10056989A JPH02280659A (ja) 1989-04-20 1989-04-20 スイッチング用半導体装置の駆動出力回路
JP17949789A JPH02179262A (ja) 1988-09-16 1989-07-12 電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路
JP18177189 1989-07-14
JP22264289 1989-08-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE68928573D1 DE68928573D1 (de) 1998-03-05
DE68928573T2 true DE68928573T2 (de) 1998-05-14

Family

ID=27565133

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE68928161T Expired - Fee Related DE68928161T2 (de) 1988-11-16 1989-11-16 Treiberschaltung zur Verwendung bei einer spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung
DE68928573T Expired - Fee Related DE68928573T2 (de) 1988-11-16 1989-11-16 Treiberschaltung für eine spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE68928161T Expired - Fee Related DE68928161T2 (de) 1988-11-16 1989-11-16 Treiberschaltung zur Verwendung bei einer spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung

Country Status (3)

Country Link
US (1) US4949213A (de)
EP (1) EP0369448B1 (de)
DE (2) DE68928161T2 (de)

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0354435B1 (de) * 1988-08-12 1995-12-20 Hitachi, Ltd. Treiberschaltung für Transistor mit isoliertem Gate; und deren Verwendung in einem Schalterkreis, einer Stromschalteinrichtung, und einem Induktionsmotorsystem
FR2663175A1 (fr) * 1990-06-12 1991-12-13 Merlin Gerin Commutateur statique.
JP2669117B2 (ja) * 1990-07-19 1997-10-27 富士電機株式会社 電圧駆動形半導体素子の駆動回路
JPH0479758A (ja) * 1990-07-19 1992-03-13 Fuji Electric Co Ltd 電流センスigbtの駆動回路
US5134323A (en) * 1990-08-03 1992-07-28 Congdon James E Three terminal noninverting transistor switch
JP2674355B2 (ja) * 1991-05-15 1997-11-12 三菱電機株式会社 パワー素子の過電流保護装置
JP3049938B2 (ja) * 1992-05-08 2000-06-05 富士電機株式会社 Igbtのゲート駆動方法
FR2728117B1 (fr) * 1994-12-09 1997-01-10 Alsthom Cge Alcatel Circuit de commande pour interrupteur electronique et interrupteur en faisant application
CA2172890C (en) * 1995-06-06 2005-02-22 Harold R. Schnetzka Switch driver circuit
JPH1051285A (ja) * 1996-05-28 1998-02-20 Mitsubishi Electric Corp 電圧制御型トランジスタの駆動回路
KR100554112B1 (ko) * 1997-05-30 2006-02-20 미크론 테크놀로지,인코포레이티드 256 메가 다이내믹 랜덤 액세스 메모리
JP3409994B2 (ja) * 1997-06-20 2003-05-26 株式会社東芝 自己消弧形素子駆動回路
JP3932841B2 (ja) 2001-08-29 2007-06-20 株式会社日立製作所 半導体電力変換装置
JP2007028278A (ja) * 2005-07-19 2007-02-01 Denso Corp 駆動回路
DE102005045099B4 (de) * 2005-09-21 2011-05-05 Infineon Technologies Ag Entsättigungsschaltung mit einem IGBT
US7741881B2 (en) * 2007-03-30 2010-06-22 Intel Corporation MOSFET gate interface
JP2008306618A (ja) * 2007-06-11 2008-12-18 Nissan Motor Co Ltd 電圧駆動型素子を駆動するための駆動回路
WO2009017704A1 (en) * 2007-07-27 2009-02-05 International Rectifier Corporation Dc brushed motor drive with circuit to reduce di/dt and emi
US7570101B1 (en) * 2008-02-27 2009-08-04 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Advanced insulated gate bipolar transistor gate drive
TWI424550B (zh) 2010-12-30 2014-01-21 Ind Tech Res Inst 功率元件封裝結構
CN102324833B (zh) * 2011-06-10 2014-01-08 无锡友达电子有限公司 低压工艺设计的电动车驱动器的专用集成电路
JP5510478B2 (ja) 2012-03-02 2014-06-04 株式会社デンソー スイッチング素子の駆動回路
JP5500192B2 (ja) * 2012-03-16 2014-05-21 株式会社デンソー スイッチング素子の駆動回路
US8760218B2 (en) 2012-05-07 2014-06-24 General Electric Company System and method for operating an electric power converter
CN105842599B (zh) * 2015-01-12 2018-11-16 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种用于稳压二极管的建模方法和模型电路
JP6671003B2 (ja) * 2016-03-16 2020-03-25 パナソニックIpマネジメント株式会社 電力変換回路
CN105652134A (zh) * 2016-03-24 2016-06-08 安徽理工大学 一种新型电压突变发生器
US10826484B2 (en) 2016-07-06 2020-11-03 Delta Electronics, Inc. Waveform conversion circuit for gate driver
US10348286B2 (en) 2016-07-06 2019-07-09 Delta Electronics, Inc. Waveform conversion circuit for gate driver
CN106452399B (zh) * 2016-07-25 2024-06-18 中国船舶集团有限公司第七一六研究所 一种应用于全控型电力电子器件的驱动保护电路
JP7281679B2 (ja) * 2018-06-05 2023-05-26 パナソニックIpマネジメント株式会社 入出力回路
CN109004921A (zh) * 2018-07-02 2018-12-14 蔡旺兵 一种开关量元件免屏蔽抗干扰输出电路
FR3089369B1 (fr) * 2018-12-03 2021-07-09 Alstom Transp Tech Procédé de pilotage d’un composant à grille isolée et circuit de pilotage correspondant
CN117083803A (zh) * 2021-03-22 2023-11-17 日产自动车株式会社 驱动电路

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57124909A (en) * 1981-01-27 1982-08-04 Toshiba Corp Output transistor protection circuit
US4408245A (en) * 1981-12-28 1983-10-04 Rca Corporation Protection and anti-floating network for insulated-gate field-effect circuitry
DE3230236A1 (de) * 1982-08-13 1984-02-23 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Darlingtonschaltung
EP0107137B1 (de) * 1982-10-12 1986-10-01 Nissan Motor Co., Ltd. Halbleiterschalter mit Überstromschutz
JPH0681037B2 (ja) * 1984-08-29 1994-10-12 富士通株式会社 保護回路付ttl回路
DE3689445T2 (de) * 1985-02-08 1994-07-14 Toshiba Kawasaki Kk Schutzschaltung für einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate.
CN1004184B (zh) * 1985-05-15 1989-05-10 东芝株式会社 导电率调制型mos场效应管的过电流保护电路

Also Published As

Publication number Publication date
US4949213A (en) 1990-08-14
EP0369448B1 (de) 1997-07-09
DE68928161T2 (de) 1997-10-30
DE68928573D1 (de) 1998-03-05
EP0369448A3 (de) 1991-09-11
EP0369448A2 (de) 1990-05-23
DE68928161D1 (de) 1997-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE68928573T2 (de) Treiberschaltung für eine spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung
DE68925163T2 (de) Treiberschaltung für Transistor mit isoliertem Gate; und deren Verwendung in einem Schalterkreis, einer Stromschalteinrichtung, und einem Induktionsmotorsystem
DE3689445T2 (de) Schutzschaltung für einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate.
DE112007000857B4 (de) Drei Treiberschaltungen für Halbleiterelemente mit Kurzschlusserfassung
DE102005022309B4 (de) Halbleitervorrichtung
DE3126525C2 (de) "Spannungsgesteuerter Halbleiterschalter und damit versehene Spannungswandlerschaltung"
EP0108283B1 (de) Elektronischer Schalter
DE112013006487B4 (de) Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente und Halbleitervorrichtigung
DE69011189T2 (de) Treiber für Hochvolt-Halbbrücken-Schaltkreise.
DE102016224706B4 (de) Gate-Antriebsschaltung für Halbleiterschaltgeräte
DE60015052T2 (de) Halbleiter-Leistungswandlungsvorrichtung
DE19838389C1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines abschaltbaren Stromrichterventils mit der Reihenschaltzahl Zwei oder größer
DE10020981B4 (de) Motor-Steuergerät mit Fehlerschutzschaltung
EP1520331B1 (de) Verfahren und schaltungsanordnung zum begrenzen einer überspannung
DE10334832A1 (de) Steuerkreis zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements
DE19525237A1 (de) Pegelschieberschaltung
DE4320021A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Kurzschluß-Sicherung von Leistungstransistor-Anordnungen
DE10351033A1 (de) Hochspannungs-Halbbrücken-Gate-Treiber
DE3838962C2 (de)
DE102011086129A1 (de) Detektion des Leitungszustandes eines RC-IGBT
DE69533383T2 (de) Treiberschaltung für ein Leistungsbauelement
DE2614607B2 (de) Steuereinrichtung für ein Thyristor-Stromrichterventil
DE4342082C2 (de) Steuerschaltung zum Erzeugen von Schaltsignalen für Leistungstranistoren
DE2607463A1 (de) Ueberlastungsschutzschaltung
DE3420003A1 (de) Anordnung zum verhindern uebermaessiger verlustleistung in einer leistungsschalthalbleitervorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee