JP2000333442A - 安定化ゲートドライバ - Google Patents

安定化ゲートドライバ

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JP2000333442A JP2000112743A JP2000112743A JP2000333442A JP 2000333442 A JP2000333442 A JP 2000333442A JP 2000112743 A JP2000112743 A JP 2000112743A JP 2000112743 A JP2000112743 A JP 2000112743A JP 2000333442 A JP2000333442 A JP 2000333442A
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pole
voltage input
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ミエッティネン エルッキ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力用半導体の制御電圧を安定に発生するゲ
ートドライバを提供する。 【解決手段】 本安定化ゲートドライバでは、電流源変
圧器(T)の2次側にダイオード(D)を経由して、ツェナー
ダイオード(Z)と抵抗器(R)とが直列に接続されている。
さらにツェナーダイオードと抵抗器の直列接続と並列に
第1の半導体スイッチ(T1)と第2半導体スイッチ(T2)の
直列接続が接続されていて、その後段に更に並列に第1
のキャパシタ(C1)と第2のキャパシタ(C2)の直列接続が
接続されている。第1と第2のキャパシタはゲートドラ
イバユニット(GD)の正の補助電圧入力(Va+)と負の補助
電圧入力(Va-)に安定化電圧を供給する。ゲートドライ
バユニットは電力用半導体(IGBT)に所望の範囲の点弧電
圧を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は1次コイルと2次コ
イルとを含む電流源変圧器と、正の補助電圧入力と負の
補助電圧入力を含むゲートドライバユニットとを含む安
定化ゲートドライバに関するものである。
【0002】
【従来の技術】電力用半導体部品、たとえばIGBトラン
ジスタを制御するとき、制御電圧をある値の範囲内に保
つことが重要である。典型的に、IGBトランジスタを点
弧するのに使われる電圧は+13ボルトよりも低くなけれ
ばならない。もし電力用半導体を制御するのに使う電圧
が低すぎると、電力用半導体は完全には飽和せず、その
ために電力用半導体内に余分な導電損失が起きる。他
方、もしゲート電圧が+15ボルトを越えると、短絡電流
が非常に大きくなって、安全に速く遮断することができ
なくなる可能性がある。
【0003】外乱許容度を考慮すると、オフするとき、
IGBTのゲートはエミッタより負の電位になっていなけれ
ばならない。こうすることにより、電位変動のせいで電
力用半導体が誤って点弧するのを防ぐことができる。IG
BTをオフするのに適する範囲は約-5ボルトから-15ボル
トである。電力用半導体の機能を損なうことなく変動可
能なターンオフ電圧の範囲は、点弧電圧の範囲よりも広
い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】これまでは、2次コイ
ルが中間出力を有する電流源変圧器を用いて電力用半導
体の制御電圧を発生させていた。この方法により両極性
対称の電圧が得られるが、電力用半導体を制御するのに
必要な条件をすべて満たしているわけではない。電流源
変圧器に供給される電圧は安定化されてないので、電圧
がしばしば大きく変動し過ぎることがあり、このことは
特に正の側で不都合である。更に、このことにより中間
出力を有する電流源変圧器が不必要な程度に複雑にな
り、これが問題の解決コストに直接影響する。本発明の
目的は前述の欠点を除去する安定化ゲートドライバを供
給して、信頼できるやり方で電力用半導体の制御を可能
ならしめることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的は本発明による
ゲートドライバにより達成される。本ゲートドライバは
アノードが該電流源変圧器の2次コイルの正極に接続さ
れているダイオードと、カノードが該ダイオードのカソ
ードに接続されているツェナーダイオードと、一方の極
が該ツェナーダイオードのアソードに接続され、他方の
極が該電流源変圧器の2次コイルに接続されている抵抗
器と、制御電極が該ツェナーダイオードと該抵抗器との
間の点に接続され、コレクタが該ツェナーダイオードの
カソードに接続されている第1の半導体スイッチと、制
御電極が該ツェナーダイオードと該抵抗器との間の点に
接続され、コレクタが該電流源変圧器の2次コイルの負
極に接続され、エミッタが該第1の半導体スイッチのエ
ミッタに接続されている第2の半導体スイッチと、第1
の極が該第1の半導体スイッチのコレクタに接続され、
第2の極が該第2の半導体スイッチのエミッタに接続さ
れていて、第1の極がゲートドライバユニットの正の補
助電圧入力に接続されている正の電圧入力を形成してい
る第1のキャパシタと、第1の極が該第2の半導体スイ
ッチのエミッタに接続され、第2の極が該第2の半導体
スイッチのコレクタに接続されていて、第2の極が該ゲ
ートドライバユニットの負の補助電圧入力に接続されて
いる負の電圧入力を形成している第2のキャパシタとを
も含み、両キャパシタの間の点が正の補助電圧入力と負
の補助電圧入力との間のゼロ電位を形成していることを
特徴とする。
【0006】本発明は、ゲートドライバユニットに供給
される補助電圧を安定化することことによって、ゲート
ドライバが確実に機能するように作ることができるとい
う考えに基づいており、ゲートドライバユニットは両極
性の電圧を発生することができて、正の電圧出力は所望
の範囲内に保たれ、電力用半導体を確実に点弧してそれ
を導通状態に保つことができる。正の電圧は電流バッフ
ァと結合した簡単な電圧分割接続を用いて安定化され
る。本発明によるゲートドライバの利点は、電流源変圧
器の出力電圧の変化に拘わらず、正の補助電圧出力が常
に所望の範囲内に保たれることである。電流源変圧器の
出力電圧の変化は本発明によるゲートドライバの負の電
源の大きさに影響するにすぎない。そのため、より広い
範囲の変動が許されるのである。
【0007】
【発明の実施の形態】次に図面を参照して好ましい実施
例により本発明をもっと詳細に説明する。図1によれ
ば、安定化電圧が本発明の安定化ゲートドライバ内のゲ
ートドライバユニットGDに加えられる。ゲートドライバ
ユニットの出力は制御される電力用半導体IGBTのゲート
Gに接続されている。ゲートドライバユニットとゲート
ドライバの目的は、エミッタに関して正のターンオン電
圧と負のターンオフ電圧とを、制御される部品のゲート
に対して発生することである。ゲートドライバユニット
GDと制御される電力用半導体とが適切に機能するように
制御するために、ゲートドライバユニットの正と負の補
助電圧入力Va+とVa-に供給される正と負の補助電圧は、
ある範囲内になければならない。典型的な場合、ゲート
ドライバの電流源変圧器Tは電圧源から供給を受け、そ
の出力は高周波の矩形波から成る。この矩形波の電圧は
±10%も変動することがある。さらに、電流源変圧器と
そのコントローラ内でいろいろな大きさの電圧損失が生
じる。これらの要因のため、もし安定化しなければ、ゲ
ートドライバにより供給される正のベース電圧は+12〜+
18ボルトの間を変動しうる。
【0008】図1に示すように、本発明による安定化ゲ
ートドライバに含まれる電流源変圧器Tは、その2次コ
イルの正極がダイオードDのアノードに接続されてい
る。電流源変圧器の1次コイルは図示されているように
その入力に矩形波の電圧を受ける。ダイオードDの目的
は1次コイルのパルス状電圧を整流して、ダイオードの
順方向にのみ電流を通すことである。
【0009】本発明によれば、ツェナーダイオードZの
カソードはダイオードDのカソードに接続され、抵抗器R
がツェナーダイオードのアノードに接続されている。抵
抗器の一方の極は電流源変圧器の2次コイルの負の極に
接続されている。周知のように、ツェナーダイオードは
その部品に加わる電圧が所定の値よりも低いとき、カソ
ードからアノードに電流が流れるのを阻止する部品であ
る。電圧がこの値を越えると、電流は制限を受けずに部
品内を流れることができる。この性質のおかげで、ツェ
ナーダイオードは電圧の大きさを制限するのに使うこと
ができる。
【0010】本発明によれば、図1に示すように、直列
接続の2個の半導体スイッチT1、T2が直列接続のダイオ
ードDと抵抗器Rとに並列に接続されている。図1に示し
た実施例において、半導体スイッチはNPNトランジスタ
とPNPトランジスタである。半導体スイッチT1のコレク
タはツェナーダイオードZのカソードに接続され、制御
電極BはツェナーダイオードZと抵抗器Rとの間の点に接
続されている。第2の半導体スイッチT2の制御電極Bは
第1の半導体スイッチの制御電極と同じ点に接続されて
いる。更に、第2の半導体のエミッタは第1の半導体ス
イッチのエミッタに接続され、コレクタは電流源変圧器
の2次コイルの負の極に接続されている。
【0011】本発明による接続はまた、図1に示すよう
に直列接続された第1と第2のキャパシタC1、C2を含
む。この直列接続が半導体スイッチの直列接続と並列に
接続されており、キャパシタC1の第1の極が第1の半導
体スイッチT1のコレクタに接続され、第2の極が同じの
半導体スイッチのエミッタに接続されている。第2のキ
ャパシタC2は第2の半導体スイッチT2のコレクタとエミ
ッタとの間に接続されている。キャパシタC1の極のうち
第1の半導体スイッチT1のコレクタに接続されている方
の極は、本発明によるゲートドライバの正の電圧供給源
V+を形成している。負の電圧供給源はキャパシタC2の極
のうち第2の半導体スイッチのコレクタに接続されてい
る方の極により作られていて、電流源変圧器Tの2次コ
イルの負の極にもなっている。キャパシタC1、C2の間の
点は本発明によるゲートドライバの正と負の電圧供給源
の間のゼロ電位Comを提供している。
【0012】本発明のゲートドライバでは、電流源変圧
器Tから得られた2次電圧を整流することによって電圧
が安定化され、点弧電圧とターンオフ電圧との所望の
差、典型的に24ボルトにほぼ等しい値が供給される。こ
の電圧は正の部分と負の部分とに分割されることにより
両極性を持ち、正の部分は安定化されて約+15ボルトに
制限され、負の部分は残りの電圧、すなわち-9ボルトに
なる。
【0013】本発明の好ましい実施例によれば、電流バ
ッファとしてNPNトランジスタT1とPNPトランジスタT2か
ら成る相補対を使うことにより、電圧はツェナーダイオ
ードZと抵抗器Rとから得られる基準電圧の値に従って分
割される。このバッファ電圧はゲートドライバのゼロ電
位Comに現れ、図1によれば、ゼロ電位は電力用半導体I
GBTのエミッタに接続されている。本発明によれば、ゲ
ートドライバの正と負の電源V+、V-はそれぞれゲートド
ライバユニットGDの補助電圧入力Va+、Va-に接続されて
いる。こうしてゲートドライバユニットGDは、電力用半
導体のエミッタに対して+15ボルトまたは約-9ボルトの
電圧を、制御すべき電力用半導体IGBTのゲートGに供給
する。電源電圧の許容範囲があるから、負の部分の電圧
は-9〜-12ボルトの間で変動するかもしれないが、この
変動は装置の機能に影響しない。本発明によるゲートド
ライバに含まれるゲートドライバユニットGDは、たとえ
ばヒューレット・パッカード社製の光学的に分離された
ゲートドライバユニットHCNW3120である。ゲートドライ
バに接続されている電力用半導体もゲートドライバユニ
ットも、ゲートドライバユニットの制御入力オン/オフ
を用いて制御される。
【0014】図1からわかるように、正の電圧源の電圧
V+が+15ボルトを越えると、ツェナーダイオードZからト
ランジスタT1のベースへと電流が流れて、トランジスタ
の電流増幅によりベース電流より大きいコレクタ電流が
流れるようになる。このコレクタ電流が流れることによ
り、電圧が今までより上昇するのが防止される。実際、
接続の静力学はツェナーダイオードZの動的抵抗にだけ
依存し、この電圧では約20オームである。もしトランジ
スタT1の電流増幅率が100ならば、本発明によるドライ
バの出力抵抗は約0.2オームになろう。この出力抵抗の
値は100アンペアのIGBTで使うには十分小さい値であ
る。
【0015】本発明の好ましい実施例によれば、電流源
変圧器Tの2次コイルは逆位相を有する2つのコイルを
含む。もし本発明によるゲートドライバがたとえば周波
数変換器と一緒に使うのであれば、2次コイルのうちの
一方が周波数変圧器内において出力位相の上側電力スイ
ッチの制御回路に給電して、他方が下側電力スイッチの
制御回路に給電する。変圧器の半波整流により起きる直
流成分を防ぐために、2次コイルはお互いに逆位相にな
るように接続される。この配置を使うとき、変圧器を経
由して下側スイッチの制御回路により受け取られる電力
量は、上側スイッチの制御回路により受け取られる電力
量と平均して同じである。コイルは交互に逆位相で電力
を受信するので、半波整流は問題を起こさない。
【0016】本発明の概念はいろいろなやり方で実現で
きることは当業者に明らかであろう。このことは本発明
とその実施例とは上述の例に限定されず、請求の範囲に
記載された範囲内で変えることができることを意味す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるゲートドライバの回路図。
【符号の説明】
T 電流源変圧器 D ダイオード Z ツェナーダイオード R 抵抗器 GD ゲートドライバユニット

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1次コイルと2次コイルとを含む電流源
    変圧器(T)と、 正の補助電圧入力(Va+)と負の補助電圧入力(Va-)とを含
    むゲートドライバユニット(GD)と、を含む安定化ゲート
    ドライバであって、 アノードが該電流源変圧器(T)の2次コイルの正極に接
    続されているダイオード(D)と、 カノードが該ダイオード(D)のカソードに接続されてい
    るツェナーダイオード(Z)と、 一方の極が該ツェナーダイオード(Z)のアソードに接続
    され、他方の極が該電流源変圧器(T)の2次コイルの負
    の極に接続されている抵抗器(R)と、 制御電極(B)が該ツェナーダイオードと該抵抗器との間
    の点に接続され、コレクタが該ツェナーダイオードのカ
    ソードに接続されている第1の半導体スイッチ(T1)と、 制御電極(B)が該ツェナーダイオードと該抵抗器との間
    の点に接続され、コレクタが該電流源変圧器(T)の2次
    コイルの負極に接続され、エミッタが該第1の半導体ス
    イッチ(T1)のエミッタに接続されている、第2の半導体
    スイッチ(T2)と、 第1の極が該第1の半導体スイッチ(T1)のコレクタに接
    続され、第2の極が該第2の半導体スイッチ(T1)のエミ
    ッタに接続されていて、第1の極が該ゲートドライバユ
    ニット(GD)の正の補助電圧入力(Va+)に接続されている
    正の電圧入力(V+)を形成している第1のキャパシタ(C1)
    と、 第1の極が該第2の半導体スイッチ(T2)のエミッタに接
    続され、第2の極が該第2の半導体スイッチ(T2)のコレ
    クタに接続されていて、第2の極が該ゲートドライバユ
    ニット(GD)の負の補助電圧入力(Va-)に接続されている
    負の電圧入力(V-)を形成している第2のキャパシタ(C2)
    とを含み、 両キャパシタ(C1、C2)の間の点が正の補助電圧入力(V+)
    と負の補助電圧入力(V-)との間のゼロ電位(Com)を形成
    していることを特徴とする、安定化ゲートドライバ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の安定化ゲートドライバに
    おいて、前記第1の半導体スイッチ(T1)はNPNトランジ
    スタであって、前記第2の半導体スイッチ(T2)はPNPト
    ランジスタであることを特徴とする、安定化ゲートドラ
    イバ。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の安定化ゲートド
    ライバにおいて、前記電流源変圧器(T)は逆位相を有す
    る2次コイルを含むことを特徴とする、安定化ゲートド
    ライバ。
JP2000112743A 1999-03-10 2000-03-09 安定化ゲートドライバ Pending JP2000333442A (ja)

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