JP2003125574A - 絶縁ゲートトランジスタの駆動回路および電力変換装置と電力用半導体モジュール - Google Patents

絶縁ゲートトランジスタの駆動回路および電力変換装置と電力用半導体モジュール

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JP2003125574A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】駆動電流を大幅に増加させることなく、電流増
加率(dIc/dt)とVceテールを独立に制御して
低損失なターンオンを実現するゲート駆動回路を提供す
る。 【解決手段】ゲート駆動回路の最終段のトランジスタT
R1とIGBTの間に、直列に複数の抵抗Rg(ex
t)、Rg(int)を配置し、その間にキャパシタン
スC(ext)をIGBTのゲート−エミッタ間に並列
接続となるように設置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、IGBT(絶縁
ゲートバイポーラトランジスタ)等の電圧駆動型の絶縁
ゲートトランジスタ(以下IGBTと称す)のゲート駆
動回路と、該絶縁ゲートトランジスタが用いられる電力
変換装置と、その電力変換装置に用いられる電力用半導
体モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】図7はIGBTを用いた電力変換装置の
従来例の回路構成図である。この種の電力変換装置は、
上アーム素子としてのIGBT1と下アーム素子として
のIGBT2が直列接続されてト−テムポール型を構成
し、このIGBT1に逆並列接続されたフリーホイリン
グダイオードFWD1と、IGBT2に逆並列接続され
たフリーホイリングダイオードFWD2を備えている。
そして、この上下アーム素子が直流電圧電源EdとGN
Dとの間に接続され、直流電圧電源Edと上下アーム素
子の中間接続点との間に誘導性負荷であるリアクトルL
が接続される。ゲート駆動回路GDU1、GDU2は、
IGBT1、IGBT2に各駆動信号を供給するための
駆動回路である。なお、Lmは主回路の配線インダクタ
ンスを示す。
【0003】そして、ゲート駆動回路GDU1、GDU
2は、例えば図8に示すように、IGBTをオン、オフ
させるための相補接続のトランジスタTR1、TR2、
ゲートオン抵抗Rg(on)、ゲートオフ抵抗Rg(o
ff)およびインターフェイス回路IFなどから構成さ
れる。図8は、従来例のゲート駆動回路の回路構成図で
ある。
【0004】この図7の電力変換装置の下アーム素子で
あるIGBT2の動作波形図が図9である。図9におい
て、(a)はゲート入力信号であり、(b)はコレクタ
電流であり、(C)はコレクタ−エミッタ間電圧であ
る。IGBT2がオン状態のとき(t0〜t1およびt
2〜t3)は、Ed−Lm−L−IGBT2−Edの経
路で電流が流れる。t1で、IGBT2がターンオフす
ると、IGBT2のコレクタ−エミッタ間電圧(以下V
ceと称す)が図示のように上昇する。このVceが直
流電圧電源(以下Edと称す)の電圧に達し、FWD1
がオンすることによって、負荷電流はFWD1に転流
し、コレクタ電流Icは減少する。その後t2で、再び
IGBT2がターンオンし、コレクタ電流Icが増加す
ると、負荷電流の一部がIGBT2に流れ、FWD1は
逆回復するためFWD1のアノード−カソード間電圧V
akは上昇する。IGBT2のコレクタ−エミッタ間電
圧Vceは、Vce=(Ed−Vak)であるため、V
akの増加に従いIGBT2のVceは減少し、ターン
オンは完了する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図10に上記回路構成
における、IGBT2の典型的なターンオン波形を示
す。IGBT2の電流増加率(以下dIc/dtと称
す)は、主にIGBT2のゲート入力容量と、ゲート駆
動回路GDU2のゲートオン抵抗Rg(on)により調
整することができる。この時、あまりに大きなdIc/
dtとすると、ターンオン時の電流および電圧振動を招
き、放射ノイズの増加をもたらしてしまう [参考文献
1:"Analysis on the Low Current Turn-on Behavior
of IGBT Module",S.Momotaら, Proc. of ISPSD ( Inter
national Symposium on Power Semiconductor Devices
and Ics), pp.359-362,2000参照]。
【0006】この放射ノイズの増加は、各国が設けてい
る機器からの放射ノイズ規制(例えばEMC規制)に触
れるだけでなく、装置の不安定現象をもたらす結果[参
考文献2:特開平3−93457号公報参照]にもな
る。これに対して、逆に小さなdIc/dtは、ターン
オン損失の増大となり、機器の消費電力を増大させるば
かりでなく、装置の発熱をもたらすこととなる。従来
は、IGBTのターンオン時に生じる前記課題を解決す
るために、意識的にdIc/dtを緩やかにする方法が
とられていたが(参考文献2)、現在は例えば、フィー
ルドストップIGBT ("The Field Stop IGBT (FS-IGB
T)-A New PowerDevice Concept with a Great Improvem
ent Potential", T.Laskaら, Proc.inISPSD2000, pp.35
5-358, 2000参照)に代表されるように、IGBTのター
ンオフ損失が大幅に改善された結果、ターンオン損失の
影響の方がターンオフ損失と比較して大きくなってきて
いる。従って、ターンオン損失を犠牲にする低いdIc
/dtは望ましくない。
【0007】図8に示すような簡単なゲート駆動回路を
用いた電力変換装置のスイッチング動作の回路設計にお
いては、IGBTのゲート入力容量はIGBTの構造で
決定されるため、ゲートオン抵抗Rg(on)のみが、
調整可能なパラメータである。これに対して、回路応用
上の選択の幅を広げるために、例えば、"An Active Con
trol Gate Drive Circiuit for IGBTs to Realize Low-
noise and Snubberless System", S.Igarashiら, in Pr
oc.1997 ISPSD, pp.69-72, 1997のような駆動回路方式
も提案されているが、装置が複雑かつ高価になるという
課題がある。
【0008】IGBTのターンオン損失は、図10に示
すように2つの領域に区別できる。すなわち、ゲート駆
動回路にオンパルスが入力されてから、IGBTのコレ
クタ電流Icが最大値を迎えるまでの期間(Eon1領
域)と、コレクタ電流が最大値に達した以降の損失(E
on2領域)である。図8に示した従来の駆動方式で
は、こられ2つの損失を独立に制御することができな
い。例えばEon2は、図11に示すようにRg(o
n)を小さくすることで低減することが可能ではある
が、同時にdIc/dtも大きくなるため、前述したよ
うな装置の不安定性やノイズ放射が増大してしまう。
【0009】前記Eon2の損失は、図10に示したよ
うに、ターンオン時においては、コレクタ電圧Vce
が、直流電源電圧からIGBTのオン電圧(オン状態に
おけるコレクタ−エミッタ間電圧)まで変化(下降)す
るが、この電圧変化が途中から緩やかになる現象(以後
Vceテールと称す)が生じることにより発生してい
る。
【0010】次に、Vceテールが生じる原因を説明す
る。図12に示すように、Vceの変化に伴い、IGB
Tのゲート−コレクタ間容量Cgcは充電される。この
時の充電電流の経路は2つある。すなわち、ゲートオン
抵抗Rg(on)を介してGDUから供給される電流
と、ゲート−エミッタ間容量Cgeから供給される電流
である。この時、例えば1200V/150A IGBTチップにおい
ては、Cgeは約10nFであり、Rg(on)は8Ω
を用いるのが典型である。IGBTのターンオンは数1
00nsecの短いプロセスであるので、仮に周波数を
10MHzとして、それぞれのインピーダンスを計算す
ると、Z(Cge)=1/2π√(fC)=1/(2π
×√(10×106×10×10-9))= 0.5Ωであ
る。すなわちこの場合は、Cgcの充電電流の94%は
Cgeの放電により供給される。
【0011】Cgeの放電にともない、IGBTのゲー
ト−エミッタ間電圧Vgeは減少する。VgeがIGB
Tのしきい値(Vth)近辺まで減少すると、十分なコ
レクタ電流が供給できなくなる為、IGBTのVceは
増加する。すなわち、Vgeが負荷電流を供給するに十
分な値になるように、IGBTのVceの低下率(dV
ce/dt)が抑制される方向にIGBT内部でフィー
ドバックがかかる。
【0012】前記、Rg(on)を小さくすることで、
Eon2を低減できるのは、前記Z(Cge)に対する
Rg(on)の比率を小さくすることで、Cgcの充電
電流としてRg(on)を介して供給される電流成分を
増やすことにより、Vgeの低下を防ぐことができるか
らである。別の方法として、Cgeを増大させることに
より、Cgeの電流供給能力そのものを増やすという方
法も容易に考えられる。さらに参考文献1によれば、I
GBTのゲート−エミッタ間にキャパシタンスを挿入す
ることにより、放射ノイズレベルが低減できることがわ
かっている。しかしながら、参考文献1の図13にある
ように、前記キャパシタンスを付加することにより、タ
ーンオン損失は増大している。この文献にはVce波形
が提示されていないが、これはキャパシタンスを付加す
ることによりdIc/dtが減少し、Eon1が増大し
たためと予想される。
【0013】図13は、図8の回路に加えてIGBTの
ゲート−エミッタ間にキャパシタンス(Cgea)を挿
入し、dIc/dtが一定になるようにCgeaとRg
(on)を調整した時の、Cgeaとターンオン損失
(Eon=Eon1+Eon2)の関係を示している。
ここで、dIc/dtは一定であるので、すべての条件
でほぼ同じ値である。すなわちEonの差は、Eon2
の差である。この図より、Cgea、Rg(on)を用
いてもEon2の低減は可能であることがわかる。例え
ば、Cgea=24nF、Rga=2.5Ωの条件で、
ほぼEonは半減している。しかしながら、Cgeaを
追加しない場合(すなわち従来の駆動方式)と比較し
て、Rg(on)が8Ω→2.5Ω、Cge=10nF
→10+24=34nFと、ゲート駆動回路から見た、
抵抗成分で0.31倍、容量成分で3.4倍となってい
る。単純計算しても、3.4/0.31=10.2倍の
駆動電流が必要となるので現実的でない。
【0014】上記のように、IGBTを低損失かつ安定
したターンオンを実現するためには、dIc/dtを適
切な範囲で小さく保ちつつかつ、Vceテールをできる
だけ高速に低減させることにより、前記Eon2をでき
る限り減らすことが重要である。すなわち、この発明の
課題は、dIc/dtとVceテールを独立に制御で
き、かつ駆動電流の大幅な増加を必要としない、IGB
Tの駆動方式を安価で提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本願は、絶縁ゲートトランジスタを駆動するため
の駆動回路において、駆動回路の最終段半導体素子の出
力点と絶縁ゲートトランジスタのゲートとの間を直列接
続された複数の抵抗を介して接続し、それぞれの抵抗の
接続点の少なくとも1つに少なくとも1つのキャパシタ
ンスの一端を接続し、前記駆動回路の接地点と絶縁ゲー
トトランジスタのエミッタとを接続している配線中の任
意の場所に前記キャパシタンスの他端が接続されている
こととする。
【0016】これにより前記Cgeの放電によるVge
の減少を補う電荷を抵抗を介して設置されたキャパシタ
ンスより供給することにより、前記Vceテールを低減
でき、IGBTの高速かつ低損失ターンオンが実現でき
る。また、前記直列接続された抵抗の総和(Ω)と、前
記絶縁ゲートトランジスタのゲート入力容量(F)との
積の平方根が、1.5×10-4以上6.2×10-4以下
で、かつ、前記キャパシタンス(F)を前記ゲート入力
容量(F)で除算した値が、0.3以上8以下であるこ
ととする。
【0017】これにより放射ノイズを低減しつつ、損失
の低減が図れる。これらの絶縁ゲートトランジスタが誘
導性負荷を駆動するためのブリッジ回路の半導体素子で
あることがよい。また、ブリッジ回路である場合に、絶
縁ゲートトランジスタにフリーホイリングダイオードが
逆並列に接続されていることとする。
【0018】更に、抵抗とキャパシタンスの少なくとも
1組が、前記絶縁ゲートトランジスタと同一の半導体基
板内又は半導体基板上に形成されているか、抵抗とキャ
パシタンスの少なくとも1組と、前記絶縁ゲートトラン
ジスタが1つのパッケージに収納されていることとする
か、抵抗とキャパシタンスと絶縁ゲートトランジスタが
駆動回路と共に1つのパッケージに収納されていること
とする電力用半導体モジュールとするとよい。。
【0019】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施例であるゲ
ート駆動回路の1アーム分を示した回路図である。Hブ
リッジであればこの1アームが4つ設けられ、その接続
点間に負荷が接続される。また、3相のインバータであ
れば、1アームを上下に接続したものを3つ設ける。図
1において、ゲート駆動回路の最終段のトランジスタT
R1とIGBTの間に、直列に複数の抵抗Rg(ex
t)、Rg(int)を配置し、その間にキャパシタン
スC(ext)をIGBTのゲート−エミッタ間に並列
接続となるように設置する。
【0020】ここで、図1の回路構成において、Rg
(ext)、Rg(int)、C(ext)の値はそれ
ぞれ重要な意味を持つ。ターンオン過程の前半(コレク
タ電流がピークに達するまでの期間)においては、ゲー
ト駆動回路の出力電流は、Rg(ext)を介して、C
(ext)と、さらにRg(int)を介してIGBT
のCgeを充電する。この時、Cgeの充電された電荷
量はIGBTのVgeに対応する。すなわち、Rg(t
otal)(Rg(ext)+Rg(int)の和)は
IGBTのdIc/dtと、一対一に対応する。
【0021】一方で、ターンオン後半(コレクタ電流が
ピークに達した以後)では、前述したように、IGBT
のCgcが充電されることにより、Cgeの放電による
Vgeの低下が起こる。この時、C(ext)に充電さ
れている電荷をRg(int)を介して供給することに
より、Vgeの低下を小さく抑え、前記Vceテールを
抑制することができる。この時、「Rg(int)を介
して供給する」ということが重要である。Vgeが低下
し、Rg(int)の両端に電位差が生じた場合にのみ
C(ext)から電荷を効率よく供給することにより、
C(ext)の容量を小さくできる。
【0022】C(ext)は効果が得られる範囲で、可
能な限り小さくすることが必要である。前記ターンオン
前半においては、IGBTのCgeの充電とともに、C
(ext)の充電も同時に行われる。C(ext)が大
きい程、Rg(ext)が小さい程、この充電電流も大
きくなる、すなわちより大きな電流駆動能力が駆動回路
に求められるからである。
【0023】以上のように、Rg(ext)、Rg(i
nt)、C(ext)は、ターンオン損失低減およびd
Ic/dtを適切な値に保つ、ドライブ能力などの視点
から、IGBTのCgeに対応してそれぞれ適当な値に
調整することが重要である。一般的なIGBTの駆動に
用いられる前記Rg(total)は、IGBTのCg
eに対して、次の関係がある。 1.5×10-4<τ=√(Rg(total)×Ci
n)<6.2×10-4 上記τの値が、1.5×10-4以下ではdIc/dtが
大きくなりすぎることにより、前記放射ノイズ等の問題
を引き起こす。逆に、6.2×10-4以上になるとdI
c/dtが緩やかになることによる損失増加が著しくな
る。いずれの場合にしても、実用的ではなくなる。すな
わち、適用するIGBTに対して、Rg(total)
が上記範囲内になるように、Rg(ext)とRg(i
nt)の値を設定しなければならない。
【0024】本発明では、電圧駆動型半導体素子をスイ
ッチング素子とする電力変換装置において、前記電圧駆
動型半導体素子をターンオンさせる場合、前記Eon
1、Eon2を独立に制御することで、前記高いdIc
/dtの場合に発生する幾つかの問題を回避しつつ、さ
らに駆動電流を大幅に増加させることなく、前記Eon
2のみを低減することにより、前記電圧駆動型半導体素
子の低損失スイッチングを可能としている。
【0025】さらに、C(ext)の値も同様に適切な
範囲がある。図2は、dIc/dtが一定になるよう
に、Rg(ext)を調節した時のC(ext)とター
ンオン損失との関係である。この時、IGBTのCge
は約16nFであった。この図より、C(ext)>5
nFで30%以上のターンオン損失低減が得られてい
る。「30%」の理由は、一般的にこの製品が適用され
る分野においては、新世代として認知される損失低減の
基準が30%であるため、それ以下の損失低減では新世
代の製品としての意味をなさないためである。すなわ
ち、C(ext)/Cge>5/16であればターンオ
ン損失低減に有効であることがわかる。図2からも明ら
かなように、これより大きな値となるC(ext)が5
nF以上では、ターンオン損失はほぼ一定値になってい
ることがわかる。つまりC(ext)の値は、上記関係
を満たせば前記Vceテールの低減に関しては特に上限
がないことがわかる。
【0026】しかしながら、ゲート駆動回路に要求され
る電流は、ほぼ(Cge+C(ext))の平方根に比
例する。上記Cge=16nFの場合、C(ext)>
128nFになると、駆動電流は従来と比較して3倍に
なり、一般的な許容範囲を越える。以上のことから、C
(ext)/Cgeの関係は、0.3<C(ext)/
Cge<8であることが望ましい。
【0027】図3および図4は、この発明の実施の形態
を示す構成図と測定された波形である。IGBTはトレ
ンチゲート型IGBTであり、定格1200V/150
Aのものを室温で測定した。このIGBTは、Rg(i
nt)として、チップ内に5Ωの抵抗を備えており、測
定の結果Cgeは16nFであった。C(ext)とし
て、IGBTのゲート−エミッタ間に15nF、耐圧1
00Vのフィルムキャパシタを接続した。またRg(e
xt)として、1.5Ωの抵抗を使用している。
【0028】図5は、この発明の実施の形態を示す構成
の幾つかの例である。半導体チップ内またはチップ上に
Rg(int)およびC(ext)、又は、Rg(in
t)を設けることは技術的に可能であるので、そのよう
なIGBTチップを適用し、内蔵されていない構成部品
のみを、IGBTモジュール内部または外部に取り付け
たのが、(a)と(b)である。さらに(c)のように
IPM(インテリジェントパワーモジュール)などに見
られるように、IGBTチップと駆動用ICが一体化さ
れたパワーモジュールの場合は、モジュール内部の制御
基板上、またはIC内部に本発明の構成を設置すること
も可能である。
【0029】これら構成部品の一部をIGBTチップま
たはモジュール内部に組み入れることにより、寄生イン
ダクタンス等の影響を少なくでき、装置の安定動作が期
待できる。さらに、図6のように、例えば大容量化等の
ために並列接続された複数のIGBTチップ又はモジュ
ールに対して、1つの構成部品を用いて駆動することも
可能である。この場合は、並列接続された各IGBTチ
ップの均一動作を高めるため、Rg(int)は、分割
してそれぞれのチップに対して設けた方が望ましい。
【0030】
【発明の効果】絶縁ゲートトランジスタをスイッチング
素子とする電力変換装置において、前記絶縁ゲートトラ
ンジスタをターンオンさせる場合、ターンオン時のコレ
クタ電流の立ち上げりと、コレクタ電流の立ち下がりを
独立に制御できるように、駆動回路とゲートとの間に複
数の抵抗とキャパシタンスを設けることで、絶縁ゲート
トランジスタの低損失スイッチングを容易に実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例であるゲート駆動回路の1アー
ム分を示した回路図
【図2】C(ext)とターンオン損失との関係を示す
特性図
【図3】具体的な実施例の回路構成図
【図4】図3の回路におけるコレクタ電流とコレクタ−
エミッタ間電圧の波形図
【図5】本発明の実施の形態を示す構造図
【図6】異なる実施例の回路構成図
【図7】従来例のIGBTを用いた電力変換装置の回路
構成図
【図8】従来例のゲート駆動回路の回路構成図
【図9】従来例のIGBT2の動作波形図
【図10】従来例のIGBTのコレクタ電流とコレクタ
−エミッタ間電圧のターンオン時の波形図
【図11】Rg(on)の規格値に対するターンオン損
失比の関係を示す特性図
【図12】IGBTの動作を説明するための回路図
【図13】キャパシタンスとターンオン損失比との関係
を示す特性図
【符号の説明】
TR1 トランジスタ Rg(ext)、Rg(int) 抵抗 C(ext) キャパシタンス FWD フリーホイリングダイオード IGBT 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ GDU ゲート駆動回路

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁ゲートトランジスタを駆動するための
    駆動回路において、駆動回路の最終段半導体素子の出力
    点と絶縁ゲートトランジスタのゲートとの間を直列接続
    された複数の抵抗を介して接続し、それぞれの抵抗の接
    続点の少なくとも1つに少なくとも1つのキャパシタン
    スの一端を接続し、前記駆動回路の接地点と絶縁ゲート
    トランジスタのエミッタとを接続している配線中の任意
    の場所に前記キャパシタンスの他端が接続されているこ
    とを特徴とする絶縁ゲートトランジスタの駆動回路。
  2. 【請求項2】前記直列接続された抵抗の総和(Ω)と、
    前記絶縁ゲートトランジスタのゲート入力容量(F)と
    の積の平方根が、1.5×10-4以上6.2×10-4
    下で、かつ、前記キャパシタンス(F)を前記ゲート入
    力容量(F)で除算した値が、0.3以上8以下である
    ことを特徴とする請求項1記載の絶縁ゲートトランジス
    タの駆動回路。
  3. 【請求項3】請求項1または請求項2に記載の絶縁ゲー
    トトランジスタが誘導性負荷を駆動するためのブリッジ
    回路の半導体素子であることを特徴とする電力変換装
    置。
  4. 【請求項4】請求項3に記載の絶縁ゲートトランジスタ
    はフリーホイリングダイオードが逆並列に接続されてい
    ることを特徴とする電力変換装置。
  5. 【請求項5】請求項1または請求項2に記載の抵抗とキ
    ャパシタンスの少なくとも1組が、前記絶縁ゲートトラ
    ンジスタと同一の半導体基板内又は半導体基板上に形成
    されていることを特徴とする電力用半導体モジュール。
  6. 【請求項6】請求項1または請求項2に記載の抵抗とキ
    ャパシタンスの少なくとも1組と、前記絶縁ゲートトラ
    ンジスタが1つのパッケージに収納されていることを特
    徴とする電力用半導体モジュール。
  7. 【請求項7】請求項1または請求項2に記載の抵抗とキ
    ャパシタンスと絶縁ゲートトランジスタが駆動回路と共
    に1つのパッケージに収納されていることを特徴とする
    電力用半導体モジュール。
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