JP2003061335A - ゲートノイズ抑制回路 - Google Patents

ゲートノイズ抑制回路

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JP2003061335A JP2001241510A JP2001241510A JP2003061335A JP 2003061335 A JP2003061335 A JP 2003061335A JP 2001241510 A JP2001241510 A JP 2001241510A JP 2001241510 A JP2001241510 A JP 2001241510A JP 2003061335 A JP2003061335 A JP 2003061335A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スイッチングが遅くならず、スイッチング損
失を増大させないゲートノイズ抑制回路を提供する。 【解決手段】 ゲートノイズ抑制回路4において、絶縁
ゲート型半導体素子3のオン時、N型MOSFET M
1がオン状態となりノイズ抑制の為のコンデンサC1が
動作し、オフ時、P型MOSFET M2がオン状態と
なりノイズ抑制の為のコンデンサC2が動作する。ま
た、絶縁ゲート型半導体素子3がターンオン・ターンオ
フのスイッチングを行っている時は、MOSFET M
1,M2がオフ状態でノイズ抑制のためのコンデンサC
1,C2は動作しない。これにより、スイッチングが遅
くならず、スイッチング損失を増大させない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、IGBT等の絶縁
ゲート型半導体素子を駆動する回路において、絶縁ゲー
ト型半導体素子がスイッチングを行ったときに、ゲート
配線のインダクタンスやゲート・エミッタ間の入力容量
によりゲートに発生するゲートノイズを抑制するための
ゲートノイズ抑制回路に関する。
【0002】
【従来の技術】MOS型ゲート構造を有する絶縁ゲート
型半導体素子、例えばMOS−FET,IGBT,IE
GT(Injection Enhanced Gat
e Transistor)は、電圧駆動型であり、ゲ
ート容量のキャパシタンスを充電・放電する電流がオン
オフ切り替え時に瞬間流れるが、定常時は、ゲート電流
は流れない。従って、ゲートパワーは,非常に小さくで
きること、またMOS構造特有の高速動作が可能である
ことから、近年ではこの種の電圧駆動型の半導体素子の
開発が進められ、高圧大電流(例えば4.5kV−1k
A級)の絶縁ゲート型半導体素子が開発されて電力変換
装置へ応用され始めている。
【0003】絶縁ゲート型半導体素子は、高電圧、大電
流化に伴いコレクタ・エミッタ間、コレクタ・ゲート
間、ゲート・エミッタ間のそれぞれのキャパシタンスが
大きくなってくる。
【0004】図7は、従来の絶縁ゲート型半導体素子を
駆動する回路のゲート周りを示す図である。絶縁ゲート
型半導体素子3のゲート(制御極)Gは、ゲート抵抗2
を介してゲート駆動回路1に接続される。
【0005】図9は、絶縁ゲート型半導体素子を使用し
てインバータ回路を構成した時の1相分の回路である。
図10は、図7で示すゲート回路により図9に示すPW
Mインバータを動作させた時の上下アーム(U,V)の
ゲート電圧波形(Vge)と、絶縁ゲート型半導体素子
の電圧(Vce)と電流(Ic)とを示したものであ
る。
【0006】ターンオン・ターンオフ時には、ゲート・
エミッタ間のキャパシタンスの容量特性によりミラー電
圧時間が現れる。特にターンオン時には高耐圧素子ほど
ミラー電圧時間が長くなる傾向がある。これは、特にゲ
ート・エミッタ間のキャパシタンス容量は、コレクタ・
エミッタ間電圧に依存するためで、ターンオンによりコ
レクタ・エミッタ電圧が低下してくるとゲート・エミッ
タ間キャパシタンス容量が増加することにある。
【0007】PWMインバータでは負荷電流をより正弦
波にするため、そのスイッチング周波数を高くすること
が望まれるが、上記ミラー時間により最小オン時間やデ
ッドタイムの制約がでるため上限周波数が制限されてし
まうことになる。ミラー時間短縮のためにはゲート抵抗
を小さくすればよいが、絶縁ゲート型半導体素子のスイ
ッチング特性も早くなりターンオン時には急峻な電流の
立ち上がり(di/dt)、ターンオフ時には急峻な電
圧の立ち上がり(dV/dt)により素子を破損する場
合がある。
【0008】図10に示すように、ターンオン・ターン
オフ時には,図9の上下アーム(U,V)のゲート信号
は、デッドタイムT0を設け上下短絡を防止している。
しかしながら、反対アームの絶縁ゲート型半導体素子を
ターンオンすると、各端子間のキャパシタンスの分担に
より、特に電流の急変(di/dt)や電圧の急変(d
V/dt)によりゲート・エミッタ間の電圧が正方向に
持ち上がるという現象(図10のA部)が確認されてい
る。これを防止するために、図8のように、ノイズ抑制
コンデンサC5をゲート・エミッタ間に設けることが有
効であるが、コンデンサC5を設けると絶縁ゲート型半
導体素子3のスイッチング時間が遅くなるため、スイッ
チング損失が増加する問題が発生する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】高電圧・大電流の絶縁
ゲート型半導体素子を使用したインバータ回路におい
て、スイッチング時間を遅くさせずに、対アームの絶縁
ゲート型半導体素子のターンオンによるdV/dtによ
りゲート・エミッタ間の電圧が正方向に持ち上がる現象
を解決することが望まれる。
【0010】本発明は,上記問題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、絶縁ゲート型半導体
素子の高周波動作を活かすことができ、例えばインバー
タ等の電力変換装置を安定に駆動する信頼性の高いゲー
ト駆動を行なうための、スイッチングが遅くならず、ス
イッチング損失を増大させないゲートノイズ抑制回路を
提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の発明は、絶縁ゲート型半導体素子を
駆動する回路におけるゲートノイズ抑制回路であって、
ゲートが正電圧時のノイズ抑制の為のコンデンサとN型
MOSFETとを直列接続したものと、ゲートが負電圧
時のノイズ抑制の為のコンデンサとP型MOSFETと
を直列接続したものとをMOSFETのソース側が絶縁
ゲート型半導体素子のエミッタに接続されるようにゲー
ト・エミッタ間に接続し、各々のMOSFETの制御の
ために絶縁ゲート型半導体素子のゲート・エミッタ間を
抵抗分圧した中点に各々のMOSFETのゲートを接続
したことを特徴とする。
【0012】即ち、請求項1記載の発明は、ゲートが正
電圧時に発生するノイズを抑制させるためのコンデンサ
とN型MOSFETとを直列接続したものをゲート・エ
ミッタ間に接続する。このN型MOSFETについて
は、絶縁ゲート型半導体素子のゲート・エミッタ間を抵
抗分圧した中点にN型MOSFETのゲートを接続して
いる。この分圧抵抗の値で、N型MOSFETの動作を
絶縁ゲート型半導体素子のミラー電圧より高い電圧で動
作するようにする。それにより、絶縁ゲート型半導体素
子のゲート電圧が正電圧時には、ミラー時間内にノイズ
抑制用のコンデンサが含まれない。
【0013】また、ゲートが負電圧時に発生するノイズ
を抑制させるためのコンデンサとP型MOSFETを直
列接続したものをゲート・エミッタ間に接続する。この
P型MOSFETについては、絶縁ゲート型半導体素子
のゲート・エミッタ間を抵抗分圧した中点にP型MOS
FETのゲートを接続している。この分圧抵抗の値で、
P型MOSFETの動作を絶縁ゲート型半導体素子のミ
ラー電圧より低い電圧で動作するようにする。それによ
り、絶縁ゲート型半導体素子のゲート電圧が負電圧時に
は、ミラー時間内にノイズ抑制用のコンデンサが含まれ
ない。
【0014】このように、ゲート電圧がミラー電圧付近
でノイズ抑制用のコンデンサが動作しないように構成し
たものである。従って、絶縁ゲート型半導体素子のスイ
ッチングが遅くならず、スイッチング損失を増大させる
ことがない。
【0015】次に、請求項2の発明は、絶縁ゲート型半
導体素子を駆動する回路におけるゲートノイズ抑制回路
であって、ノイズ抑制の為のコンデンサとそのコンデン
サに比べて容量の小さいコンデンサとを直列に接続した
ものを絶縁ゲート型半導体素子のゲート・エミッタ間に
接続し、容量の小さいコンデンサにN型MOSFETと
P型MOSFETとをソース端子が絶縁ゲート型半導体
素子のエミッタに接続されるように並列に接続し、各々
のMOSFETの制御のために絶縁ゲート型半導体素子
のゲート・エミッタ間を抵抗分圧した中点に各々のMO
SFETのゲートを接続したことを特徴とする。
【0016】即ち、請求項2記載の発明は、このような
接続として、各々のMOSFETの制御電圧を、ゲート
電圧がミラー電圧付近では両MOSFET共に動作しな
いような電圧とし、絶縁ゲート型半導体素子のゲート・
エミッタ間のキャパシタンス容量が小さくなる構成にし
たものである。従って、絶縁ゲート型半導体素子のスイ
ッチングが遅くならず、スイッチング損失を増大させる
ことがない。
【0017】
【発明の実態の形態】以下、本発明の実施形態を図によ
り詳細に説明する。
【0018】(第1の実施形態)図1に、本発明の第1の
実施形態に係るゲートノイズ抑制回路を適用したインバ
ータ装置の回路構成を示す。
【0019】図1に示すように、本実施形態は、絶縁ゲ
ート型半導体素子3のゲートGに、ゲート抵抗2を介し
てゲート駆動回路1が接続されたインバータ装置におい
て、絶縁ゲート型半導体素子3のゲートGとエミッタE
との間にゲートノイズ抑制回路4を接続して構成されて
いる。ゲートノイズ抑制回路4は、ゲートGが正電圧時
のノイズ抑制の為のコンデンサC1とN型MOSFET
M1とを直列接続したものと、ゲートGが負電圧時の
ノイズ抑制の為のコンデンサC2とP型MOSFET
M2を直列接続したものを、MOSFETのソース側が
絶縁ゲート型半導体素子3のエミッタEに接続されるよ
うにゲート・エミッタ間に接続し、N型MOSFET
M1の制御のために絶縁ゲート型半導体素子3のゲート
・エミッタ間に抵抗R1と抵抗R2とを直列接続した中
点にN型MOSFET M1のゲートを接続し、P型M
OSFET M2の制御のために絶縁ゲート型半導体素
子3のゲート・エミッタ間に抵抗R3と抵抗R4とを直
列接続した中点にP型MOSFET M2のゲートを接
続した構成になっている。
【0020】本実施形態の動作について図2および図3
により説明する。図2は、本実施形態の動作を示すタイ
ムチャートであり、図3(a),(b),(c)はそれ
ぞれ図2の(a)区間,(b)区間,(c)区間のゲー
トノイズ抑制回路4の動作状態を説明するための図であ
る。
【0021】例えば、絶縁ゲート型半導体素子3のゲー
トGの制御電圧が±15V,ミラー電圧が5Vであった
時に、N型MOSFET M1の動作電圧を絶縁ゲート
型半導体素子3のゲート・エミッタ間電圧が例えば10
Vの時に動作するように抵抗R1と抵抗R2を設定すれ
ば、絶縁ゲート型半導体素子3のターンオンスイッチン
グが終わるまでノイズ抑制の為のコンデンサC1が動作
しない為スイッチングが遅くならず、絶縁ゲート型半導
体素子3のオン時にゲートノイズが抑制され、誤オフが
抑制できる。この絶縁ゲート型半導体素子3のオン時、
即ち図2の(c)区間に相当する場合のゲートノイズ抑
制回路4の動作状態を図3(c)に示す。図3(c)に
示すように、絶縁ゲート型半導体素子3のオン時、N型
MOSFET M1がオン状態となりノイズ抑制の為の
コンデンサC1が動作している。
【0022】また、P型MOSFET M2の動作電圧
を絶縁ゲート型半導体素子3のゲート・エミッタ間電圧
が例えば−10Vの時に動作するように抵抗R3と抵抗
R4を設定すれば、絶縁ゲート型半導体素子3のターン
オフスイッチングが終わるまでノイズ抑制の為のコンデ
ンサC2が動作しない為スイッチングが遅くならず、絶
縁ゲート型半導体素子3のオフ時にゲートノイズが抑制
され、誤オンを抑制できる。この絶縁ゲート型半導体素
子3のオフ時、即ち図2の(a)区間に相当する場合の
ゲートノイズ抑制回路4の動作状態を図3(a)に示
す。図3(a)に示すように、絶縁ゲート型半導体素子
3のオフ時、P型MOSFET M2がオン状態となり
ノイズ抑制の為のコンデンサC2が動作している。
【0023】また、ターンオン・ターンオフのスイッチ
ングを行っている図2の(b)区間では、図3(b)に
示すように、ノイズ抑制のためのコンデンサC1とC2
は、オフ状態のMOSFET M1,M2により動作し
ない為スイッチングが遅くなることが無い。
【0024】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、スイッチングが遅くならず、スイッチング損失を増
大させることがない。
【0025】(第2の実施形態)図4に、本発明の第2
の実施形態に係るゲートノイズ抑制回路を適用したイン
バータ装置の回路構成を示す。
【0026】図4に示すように、本実施形態は、絶縁ゲ
ート型半導体素子3のゲートGに、ゲート抵抗2を介し
てゲート駆動回路1が接続されたインバータ装置におい
て、絶縁ゲート型半導体素子3のゲートGとエミッタE
との間にゲートノイズ抑制回路4を接続して構成されて
いる。ゲートノイズ抑制回路4は、ノイズ抑制の為のコ
ンデンサC3とコンデンサC3に比べて容量が小さいコ
ンデンサC4とを直列に接続したものを、絶縁ゲート型
半導体素子3のゲート・エミッタ間に並列に接続し、そ
のコンデンサC4にN型MOSFET M3とP型MO
SFET M4とをソースが絶縁ゲート型半導体素子3
のエミッタEに接続するように並列に接続する。そし
て、N型MOSFET M3の制御のために絶縁ゲート
型半導体素子3のゲート・エミッタ間に抵抗R5と抵抗
R6とを直列接続した中点にN型MOSFET M3の
ゲートを接続し、P型MOSFET M4の制御のため
に絶縁ゲート型半導体素子3のゲート・エミッタ間に抵
抗R7と抵抗R8とを直列接続した中点にP型MOSF
ET M4のゲートを接続した構成になっている。
【0027】本実施形態の動作について図5および図6
により説明する。図5は、本実施形態の動作を示すタイ
ムチャートであり、図6(a),(b),(c)はそれ
ぞれ図5の(a)区間,(b)区間,(c)区間のゲー
トノイズ抑制回路4の動作状態を説明するための図であ
る。
【0028】例えば、絶縁ゲート型半導体素子3のゲー
トGの制御電圧が±15V,ミラー電圧が5Vであった
時に、N型MOSFET M3の動作電圧を絶縁ゲート
型半導体素子3のゲート・エミッタ間電圧が例えば10
Vの時に動作するように抵抗R5と抵抗R6を設定すれ
ば、絶縁ゲート型半導体素子3のターンオンスイッチン
グが終わるまでノイズ抑制の為のコンデンサC3とコン
デンサC4が直列に接続されるため、キャパシタンスが
小さくなりスイッチングが遅くならず、絶縁ゲート型半
導体素子3のオン時にゲートノイズが抑制され、誤オフ
が抑制できる。この絶縁ゲート型半導体素子3のオン
時、即ち図5の(c)区間に相当する場合のゲートノイ
ズ抑制回路4の動作状態を図6(c)に示す。図6
(c)に示すように、絶縁ゲート型半導体素子3がオン
時、N型MOSFET M3がオン状態となりノイズ抑
制の為のコンデンサC3が動作している。
【0029】また、P型MOSFET M4の動作電圧
を絶縁ゲート型半導体素子3のゲート・エミッタ間電圧
が例えば−10Vの時に動作するように抵抗R7と抵抗
R8を設定すれば、絶縁ゲート型半導体素子3のターン
オフスイッチングが終わるまでノイズ抑制の為のコンデ
ンサC3とコンデンサC4が直列に接続されるため、キ
ャパシタンスが小さくなりスイッチングが遅くならず、
絶縁ゲート型半導体素子3のオフ時にゲートノイズが抑
制されるために、誤オンを抑制できる。この絶縁ゲート
型半導体素子3のオフ時、即ち図5の(a)区間に相当
する場合のゲートノイズ抑制回路4の動作状態を図6
(a)に示す。図6(a)に示すように、絶縁ゲート型
半導体素子3のオフ時、P型MOSFET M4がオン
状態となりノイズ抑制の為のコンデンサC3が動作して
いる。
【0030】また、ターンオン・ターンオフのスイッチ
ングを行っている(b)区間では、図6(b)に示すよ
うに、ノイズ抑制のためのコンデンサC3とコンデンサ
C4が直列に接続され、キャパシタンス容量の小さいC
4に近い値になる為スイッチングが遅くなることが無
い。この時のキャパシタンス容量C4は、絶縁ゲート型
半導体素子3のゲート・エミッタ間容量(Cge=入力
容量)と同等程度以下にする必要がある。
【0031】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、スイッチングが遅くならず、スイッチング損失を増
大させることがない。
【0032】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、絶
縁ゲート型半導体素子を駆動する回路、例えばPWMイ
ンバータ等の電力変換装置において、対アームが動作し
た時のdV/dt等のゲートノイズによるゲートの誤動
作などを抑制でき、かつスイッチングが遅くならず、ス
イッチング損失を増大させないゲートノイズ抑制回路を
提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態に係るゲートノイズ
抑制回路を適用したインバータ装置の構成を示す回路
図。
【図2】 本発明の第1の実施形態の動作を示すタイム
チャート。
【図3】 本発明の第1の実施形態におけるゲートノイ
ズ抑制回路の動作状態を説明するための図。
【図4】 本発明の第2の実施形態に係るゲートノイズ
抑制回路を適用したインバータ装置の構成を示す回路
図。
【図5】 本発明の第2の実施形態の動作を示すタイム
チャート。
【図6】 本発明の第2の実施形態におけるゲートノイ
ズ抑制回路の動作状態を説明するための図。
【図7】 従来の絶縁ゲート型半導体素子を駆動する回
路のゲート周りを示す回路図。
【図8】 従来の絶縁ゲート型半導体素子を駆動する回
路のノイズ抑制コンデンサを含むゲート周りを示す回路
図。
【図9】 従来の一般的なインバータ回路の1相分の構
成を示す回路図。
【図10】 図7に示した回路で図9に示したインバー
タ回路を駆動した時の動作を示すタイムチャート。
【符号の説明】
1…ゲート駆動回路 2…ゲート抵抗 3…絶縁ゲート型半導体 4…ダイオード C1〜C4…コンデンサ C5…ゲートノイズ抑制コンデンサ R1〜R8…抵抗 M1,M3…N型MOSFET M2,M4…P型MOSFET

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁ゲート型半導体素子を駆動する回路に
    おけるゲートノイズ抑制回路であって、ゲートが正電圧
    時のノイズ抑制の為のコンデンサとN型MOSFETと
    を直列接続したものと、ゲートが負電圧時のノイズ抑制
    の為のコンデンサとP型MOSFETとを直列接続した
    ものとを前記MOSFETのソース側が前記絶縁ゲート
    型半導体素子のエミッタに接続されるようにゲート・エ
    ミッタ間に接続し、各々のMOSFETの制御のために
    前記絶縁ゲート型半導体素子のゲート・エミッタ間を抵
    抗分圧した中点に各々のMOSFETのゲートを接続し
    たことを特徴とするゲートノイズ抑制回路。
  2. 【請求項2】絶縁ゲート型半導体素子を駆動する回路に
    おけるゲートノイズ抑制回路であって、ノイズ抑制の為
    のコンデンサとそのコンデンサに比べて容量の小さいコ
    ンデンサとを直列に接続したものを前記絶縁ゲート型半
    導体素子のゲート・エミッタ間に接続し、前記容量の小
    さいコンデンサにN型MOSFETとP型MOSFET
    とをソース端子が前記絶縁ゲート型半導体素子のエミッ
    タに接続されるように並列に接続し、各々のMOSFE
    Tの制御のために前記絶縁ゲート型半導体素子のゲート
    ・エミッタ間を抵抗分圧した中点に各々のMOSFET
    のゲートを接続したことを特徴とするゲートノイズ抑制
    回路。
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