JP2004072635A - Gate drive circuit of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力される駆動信号に従って半導体素子をオンオフさせる半導体素子のゲート駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子のゲート駆動回路において、半導体素子がターンオフ時に発生するサージ電圧を抑制するために、半導体素子のコレクタ電圧を検出する電圧検出手段を設け、コレクタ・エミッタ間の電圧が所定値に達した時点から、遅延回路が働いて所定時間後に、ゲート端子とグラウンドに接続されゲート電荷を放電する放電用抵抗の抵抗値を変更させ、抵抗値の増加により放電速度を緩める制御が行われている。抵抗値を変更するタイミングとしては、早いと、スイッチング損失の増大を招く問題があるから、コレクタ電流を遮断し始める直前になるようにしている。
【0003】
この抵抗値の変更タイミングが部品特性のばらつきによりずれることを防止するため、特開2001−314075号公報においては、ゲート・エミッタ間の電圧が所定値に達したことを検出する検出回路を設け、この検出回路の出力と、遅延回路の出力との論理積を演算し、論理積の演算結果に従って、抵抗値の変更を行うようにしている。
【0004】
すなわち、遅延回路の遅延時間が設定値通りの場合は、従来同様、設定したタイミングで、放電用抵抗の抵抗値を変更させ、コレクタ電流が遮断し始める直前で放電速度を緩める制御を行う。遅延回路の遅延時間が設定値より短い場合には、論理積の演算結果によって、ゲート・エミッタ間の電圧が所定値に達した時点で、放電用抵抗の抵抗値を変更するようにし、抵抗値の変更タイミングが早まるのを防止し、スイッチング損失の増加を防ぐようにしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、部品特性のばらつきに対する上記の対策においては、以下の問題を有している。すなわち半導体素子の特性を問わず、ゲート・エミッタ間の電圧が所定値に達したときに、論理積演算を行うようにしているから、半導体素子製造時のばらつきに起因し、ゲート電荷量やしきい値のばらつきなど半導体素子の特性が異なる場合、最適なタイミングで、放電用抵抗の抵抗値を変更することができず、サージ電圧の抑制を確実に行うことができない可能性があった。
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、半導体素子の特性が異なっても、所望のタイミングで、放電用抵抗の抵抗値を変更させ、スイッチング損失の増加を防止しながら、サージ電圧の発生を確実に抑制可能な半導体素子のゲート駆動回路を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、半導体素子のゲート端子と接続され、半導体素子のターンオフ時にゲート電荷を放電する放電用抵抗の抵抗値を変更可能とし、半導体素子のゲート電圧を検出するゲート電圧検出手段を設け、半導体素子がターンオフ開始時点から所定時間経過後のゲート電圧検出手段が検出した電圧に基づいて、放電用抵抗の抵抗値を変更する制御を行うタイミングを設定する。半導体素子のターンオフ開始時点において、放電用抵抗は、所定の抵抗値で半導体素子のゲート電荷を放電させ、設定したタイミングにおいては抵抗制御手段の制御によって、放電用抵抗の抵抗値が増大され、ゲート電荷を放電する放電速度を緩めるようした。
【0007】
【発明の効果】
ターンオフ開始時から所定時間経過時点でのゲート電圧を検出し、その電圧に基づいて放電用抵抗の抵抗値を変更するタイミングを設定するようにしたので、半導体素子特性のばらつきによって、ゲート電荷やゲート電圧のしきい値が変動しても、コレクタ電流が遮断を開始する直前の最適な時期において放電用抵抗の抵抗値を変更することが可能となる。このため、半導体素子特性が異なっても、サージ電圧を管理することができ、サージ電圧による部品の破壊等を防ぐことができるとともに、スイッチング損失の増加も防止できる効果が得られる。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に、発明の実施の形態を実施例により説明する。
図1は、半導体素子のゲート駆動回路を示す図である。
半導体素子として用いたIGBT素子Q1のコレクタ端子Cが負荷101を介して電源VBに、IGBT素子Q1のエミッタ端子Eがグラウンド(GND)にそれぞれ接続されている。IGBT素子Q1のゲート端子Gが抵抗R8とNPNトランジスタQ6を介して、ゲート電源VCCに接続されて、トランジスタQ6によってIGBT素子Q1に対しゲート電荷を充電可能になっている。
【0009】
またIGBT素子Q1のゲート端子Gは、抵抗R1とPNPトランジスタQ2およびPch−MOSFETQ5を介してGNDに接続される一方、抵抗R2とPNPトランジスタQ3を介してもGNDに接続されている。抵抗R1は、第1の放電用抵抗として、PNPトランジスタQ2とPch−MOSFETQ5の制御によって、IGDT素子Q1に対してゲート電荷を放電できるようになっている。抵抗R2は、第2の放電用抵抗として、PNPトランジスタQ3の制御によってゲート電荷を放電できるようになっている。
また抵抗R1の抵抗値は抵抗R2の抵抗値よりも小さい。
【0010】
トランジスタQ2、Q3のベース端子は、それぞれ抵抗R7、R6を介して制御回路104の出力ヘ接続され、トランジスタQ2およびQ3は制御回路104が出力する駆動信号VinがLレベルの時にオンする構成となっている。トランジスタQ6のベース端子は、抵抗R9を介して制御回路104の出力に接続され、トランジスタQ6は、制御回路104の出力する駆動信号VinがHレベルの時にオンする構成になっている。したがって、制御回路104の駆動信号Vinによって、IGBT素子Q1がオンオフし、負荷101を駆動することができる。
【0011】
IGBT素子Q1のゲート端子とGNDの間には、直列接続された抵抗R3及び抵抗R4からなる分圧回路が接続され、両抵抗の接続端にオペアンプ105のプラス入力端子が接続されている。オペアンプ105のマイナス入力端子が出力端子に直接に接続され、IGBT素子Q1のゲート電圧Vgeを分圧して、インピーダンスを変換して検出する構成になっている。ここで抵抗R3およびR4は、抵抗R1とR2とR8に比べて、十分に大きな抵抗値になっており、IGBT素子Q1のゲート端子から抵抗R3、R4を流れる電流は、十分に小さくなるように構成されている。
【0012】
オペアンプ105の出力端子は、抵抗とコンデンサからなるCR積分回路103の入カ端に接続される。CR積分回路103の出力端は、Pch−MOSFETQ5のゲートに接続されている。オペアンプ105の出力端子は、また抵抗R5とNch−MOSFETQ4を介してGNDへ接続されている。MOSFETQ4のゲート端子は、制御回路104の出力端子に接続されているディレイ(遅延)回路102の出力に接続されている。
【0013】
次に、上記回路の動作について説明する。
図2は、IGBT素子Q1が完全にオンしている状態から、ターンオフさせる場合の動作を示すタイムチャートである。
Vinは制御回路104の出力、VgeはIGBT素子Q1のゲート電圧、Vdlyはディレイ回路102の出力、VGはオペアンプ105の出力、VGtはCR積分回路103の出力、IcはIGBT素子Q1を流れるコレクタ電流、VceはIGBT素子Q1に発生するコレクタ電圧、Ig1は抵抗R1を流れるゲート電流、Ig2は抵抗R2を流れるゲート電流を示している。
図中各波形の(a)あるいは(b)は、IGBT素子Q1の製造ばらつきや温度特性による特性差が生じた際の波形を示している。
【0014】
制御回路104の出力VinがHレベルからLレベルに切り替わる時刻t1において、トランジスタQ2及びQ3はオン状態となり、このときPch−MOSFETQ5はオンであるため、IGBT素子Q1のゲートからGNDへ向かってゲート電流Ig1及びIg2が発生する。これにより、IGBT素子Q1のゲート電荷が放電され、IGBT素子Q1のゲート電圧Vgeは降下していく。このとき、抵抗R1≪R2の関係より、Ig1≫Ig2となっている。また時刻t1において、制御回路104出力信号Vinを入力とするディレイ回路102は起動され、所定時間経過後の時間t2にディレイ信号Vdlyを出力する。
【0015】
ディレイ信号Vdlyによって、MOSFETQ4がオフとなる時刻t2において、オペアンプ105の出力電圧VGは、IGBT素子Q1のゲート電圧を抵抗R3およびR4で分圧した電圧レベルとなり、オペアンプ105の出力電圧VGを入力とするCR積分回路103は、所定のCR時定数により、入力される電圧VGのレベルに比例し時間に従って電圧が変化する信号を出力する。この信号が、時刻t2からMOSFETQ5の動作しきい値に達するまでの時間は、IGBT素子Q1の特性に応じて入力される電圧VGのレベル(a)または(b)に依存して変化することになる。
【0016】
CR積分回路103の出力電圧VGtがMOSFETQ5のしきい値に達し、MOSFETQ5がオンからオフ動作へ移行する時刻t3においては、トランジスタQ2がオフとなり、ゲート電流Ig1の流れる経路が遮断され、IGBT素子Q1のゲート電荷の放電電流はIg2のみとなる。これによって、放電速度が緩やかになるため、IGBT素子Q1のコレクタ電流Icが遮断する際のdi/dtを緩和でき、IGBT素子Q1の特性差に影響されず、IGBT素子Q1のコレクタ電圧Vceに発生するサージ電圧Vs(a)、Vs(b)を抑制することが可能になる。
【0017】
このように、IGBT素子Q1の特性差が生じた場合でも、(a)または(b)において、所定時間t2におけるVge電圧レベルに応じて、ゲート電流Ig1経路が遮断されるまでの時間を可変とすることによって、必ずIGBT素子Q1のコレクタ電流Icが遮断する直前に小さく調整され、放電用抵抗の切り替えを行なうタイミングを最適化させることができる。特性ばらつきにあまり影響を受けることなくdi/dtを緩和でき、IGBT素子Q1コレクタ電圧Vceに発生するサージ電圧Vsを抑制する効果を安定して得ることが可能となる。また、放電用抵抗の切り替えを行なうタイミングを最適化させることによってスイッチング損失も最小にとどめることが可能である。
【0018】
図3は、比較のため、CR積分回路を設けず、オペアンプ105が検出したVge電圧を直接にMOSFETQ5に印加した場合の波形を示す図である。
(a)’では、半導体素子の特性(a)’に応じて、放電用抵抗R1、R2に対して定数調整を行い、サージ電圧をVs(a)’に抑えた場合のIc及びVce波形を示している。
このように、放電用抵抗を小さいものから大きいものへ切り替えるタイミングtg(a)’およびtg(b)’を、ゲート電圧の所定の判定レベルで決定していたため、特性(b)’の場合は、コレクタ電流の遮断開始を時間tg(b)’において行なうことになる。しかしIGBT素子にばらつきがあるVge(b)’では、時間tg(b)’において既にコレクタ電流の遮断の途中であり、di/dtはほぼ小さい放電用抵抗のみによって決定している。よって、その後di/dtは緩和されることがなく、サージ電圧Vs(b)’はVs(a)’より大きくなってしまう。
【0019】
実施例は、以上のように構成され、放電用抵抗の抵抗値を変更するタイミングをIGBT素子Q1のゲート・エミッタ電圧に応じて調整するようにしたため、IGBT素子Q1の特性がばらついても、コレクタ電流が遮断し始める直前で、ゲート電荷の放電電流を小さく調整でき、サージ電圧を効果的に抑制することができるとともに、スイッチング損失が増大するのを防止できる。
本実施例では、抵抗R1、抵抗R2は、放電用抵抗を構成している。
オペアンプ105、抵抗R3、R4は、オペアンプ回路およびゲート電圧検出手段を構成している。
CR積分回路103は、変更タイミング設定手段を構成している。
MOSFETQ5は、抵抗制御手段を構成している。
ディレイ回路102は、遅延手段を構成している。
なお、本実施例では、半導体素子としてIGBT素子を用いたが、そのほかの半導体素子を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す構成図である。
【図2】本発明の実施例の動作を示すタイムチャートである。
【図3】比較のためのタイムチャートである。
【符号の説明】
101 負荷
102 ディレイ回路
103 CR積分回路
104 制御回路
105 オペアンプ
Q1 IGBT素子
Q4 MOSFET(第2のトランジスタ)
Q5 MOSFET(第1のトランジスタ)
R1 抵抗(第1の放電用抵抗)
R2 抵抗(第2の放電用抵抗)
R8 抵抗[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gate drive circuit for a semiconductor element that turns on and off a semiconductor element according to an input drive signal.
[0002]
[Prior art]
In a gate drive circuit of a semiconductor device, a voltage detecting means for detecting a collector voltage of the semiconductor device is provided in order to suppress a surge voltage generated when the semiconductor device is turned off, and when a voltage between the collector and the emitter reaches a predetermined value. Therefore, after a predetermined time from the operation of the delay circuit, the resistance value of the discharge resistor connected to the gate terminal and the ground and discharging the gate charge is changed, and the discharge speed is reduced by increasing the resistance value. If the resistance value is changed early, there is a problem that the switching loss increases, so that it is set immediately before the start of the cutoff of the collector current.
[0003]
In order to prevent the change timing of the resistance value from being shifted due to the variation in component characteristics, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-314075 discloses a detection circuit for detecting that the voltage between the gate and the emitter has reached a predetermined value. The logical product of the output of the detection circuit and the output of the delay circuit is calculated, and the resistance value is changed according to the result of the logical product calculation.
[0004]
That is, when the delay time of the delay circuit is equal to the set value, the resistance of the discharge resistor is changed at the set timing as in the related art, and control is performed to slow the discharge speed just before the collector current starts to be cut off. If the delay time of the delay circuit is shorter than the set value, the resistance value of the discharge resistor is changed when the voltage between the gate and the emitter reaches a predetermined value according to the result of the logical product operation. Is prevented from being advanced, and an increase in switching loss is prevented.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described countermeasures against variations in component characteristics have the following problems. That is, regardless of the characteristics of the semiconductor device, when the voltage between the gate and the emitter reaches a predetermined value, an AND operation is performed. If the characteristics of the semiconductor element are different, such as a variation in threshold value, the resistance value of the discharge resistor cannot be changed at an optimal timing, and there is a possibility that the surge voltage cannot be reliably suppressed.
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and even when the characteristics of semiconductor elements are different, it is possible to change the resistance value of the discharge resistor at a desired timing and prevent the occurrence of surge voltage while preventing an increase in switching loss. It is an object of the present invention to provide a gate drive circuit for a semiconductor element that can be reliably suppressed.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, the present invention provides a gate voltage detecting means that is connected to a gate terminal of a semiconductor element and that can change a resistance value of a discharge resistor that discharges a gate charge when the semiconductor element is turned off, and that detects a gate voltage of the semiconductor element. The timing for performing control to change the resistance value of the discharge resistor is set based on the voltage detected by the gate voltage detection means after a predetermined time has elapsed from the start of turn-off of the semiconductor element. At the start of the turn-off of the semiconductor element, the discharge resistor discharges the gate charge of the semiconductor element at a predetermined resistance value, and at a set timing, the resistance value of the discharge resistor is increased by the control of the resistance control means. The discharging speed for discharging the electric charges is reduced.
[0007]
【The invention's effect】
The gate voltage at a predetermined time after the start of turn-off is detected, and the timing for changing the resistance value of the discharge resistor is set based on the detected voltage. Even if the threshold value of the voltage fluctuates, it is possible to change the resistance value of the discharge resistor at an optimum time immediately before the start of the cutoff of the collector current. For this reason, even if the semiconductor element characteristics are different, the surge voltage can be controlled, and the destruction of components due to the surge voltage can be prevented, and the effect of preventing an increase in switching loss can be obtained.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the invention will be described with reference to examples.
FIG. 1 is a diagram showing a gate drive circuit of a semiconductor device.
The collector terminal C of the IGBT element Q1 used as a semiconductor element is connected to the power supply VB via the
[0009]
The gate terminal G of the IGBT element Q1 is connected to GND via a resistor R1, a PNP transistor Q2 and a Pch-MOSFET Q5, and is also connected to GND via a resistor R2 and a PNP transistor Q3. The resistor R1 can discharge a gate charge to the IGDT element Q1 by controlling the PNP transistor Q2 and the Pch-MOSFET Q5 as a first discharging resistor. The resistor R2 serves as a second discharging resistor so that the gate charge can be discharged by controlling the PNP transistor Q3.
The resistance value of the resistor R1 is smaller than the resistance value of the resistor R2.
[0010]
The base terminals of transistors Q2 and Q3 are connected to the output of
[0011]
Between the gate terminal of the IGBT element Q1 and GND, a voltage dividing circuit including a resistor R3 and a resistor R4 connected in series is connected, and a positive input terminal of the
[0012]
An output terminal of the
[0013]
Next, the operation of the above circuit will be described.
FIG. 2 is a time chart showing an operation when the IGBT element Q1 is turned off from a completely on state.
Vin is the output of the
In the figure, each waveform (a) or (b) shows a waveform when a characteristic difference occurs due to manufacturing variations or temperature characteristics of the IGBT element Q1.
[0014]
At time t1 when the output Vin of the
[0015]
At time t2 when the MOSFET Q4 is turned off due to the delay signal Vdly, the output voltage VG of the
[0016]
At time t3 when the output voltage VGt of the
[0017]
As described above, even when the characteristic difference of the IGBT element Q1 occurs, in (a) or (b), the time until the gate current Ig1 path is cut off can be varied according to the Vge voltage level at the predetermined time t2. By doing so, the collector current Ic of the IGBT element Q1 is always adjusted to be small immediately before the interruption, and the timing for switching the discharge resistor can be optimized. Di / dt can be alleviated without being greatly affected by characteristic variations, and an effect of suppressing a surge voltage Vs generated in the IGBT element Q1 collector voltage Vce can be stably obtained. Further, by optimizing the timing of switching the discharge resistor, the switching loss can be minimized.
[0018]
FIG. 3 is a diagram showing a waveform when a Vge voltage detected by the
In (a) ′, constants are adjusted for the discharge resistors R1 and R2 according to the characteristic (a) ′ of the semiconductor element, and the Ic and Vce waveforms when the surge voltage is suppressed to Vs (a) ′. Is shown.
As described above, the timings tg (a) ′ and tg (b) ′ at which the discharge resistance is switched from low to high are determined at the predetermined determination level of the gate voltage. , The collector current is cut off at time tg (b) ′. However, at Vge (b) ′ where the IGBT elements vary, the collector current is already being cut off at time tg (b) ′, and di / dt is determined only by a substantially small discharge resistance. Therefore, after that, di / dt is not reduced, and the surge voltage Vs (b) ′ becomes larger than Vs (a) ′.
[0019]
In the embodiment, the timing of changing the resistance value of the discharge resistor is adjusted according to the gate-emitter voltage of the IGBT element Q1, so that even if the characteristics of the IGBT element Q1 vary, Immediately before the current starts to be cut off, the discharge current of the gate charge can be adjusted to be small, the surge voltage can be effectively suppressed, and the switching loss can be prevented from increasing.
In this embodiment, the resistors R1 and R2 constitute a discharge resistor.
The
The
MOSFET Q5 constitutes resistance control means.
The
In this embodiment, an IGBT element is used as a semiconductor element, but another semiconductor element can be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a time chart showing the operation of the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a time chart for comparison.
[Explanation of symbols]
101
Q5 MOSFET (first transistor)
R1 resistance (first discharge resistance)
R2 resistance (second discharge resistance)
R8 resistance
Claims (4)
前記半導体素子のゲート端子と接続され、前記半導体素子のターンオフ時にゲート電荷を放電する放電用抵抗と、
前記半導体素子のゲート電圧を検出するゲート電圧検出手段と、
前記半導体素子がターンオフ開始時点から所定時間経過後の前記電圧検出手段が検出したゲート電圧に基づいて、前記放電用抵抗の抵抗値を変更する制御を行うタイミングを設定する変更タイミング設定手段と、
前記半導体素子のターンオフ開始時点において、前記放電抵抗は、所定の抵抗値で、前記半導体素子のゲート電荷を放電するとともに、前記変更タイミング設定手段が設定したタイミングでは、前記放電抵抗の抵抗値を増大させるように抵抗値を変更する抵抗制御手段とを有することを特徴とする半導体素子のゲート駆動回路。In a gate drive circuit of a semiconductor element for turning on and off a semiconductor element based on an input drive signal,
A discharge resistor connected to a gate terminal of the semiconductor element and discharging a gate charge when the semiconductor element is turned off;
Gate voltage detecting means for detecting a gate voltage of the semiconductor element,
Change timing setting means for setting a timing for performing control for changing a resistance value of the discharge resistor based on a gate voltage detected by the voltage detection means after a predetermined time has elapsed from the start of turn-off of the semiconductor element;
At the start of turn-off of the semiconductor element, the discharge resistor discharges the gate charge of the semiconductor element at a predetermined resistance value, and increases the resistance value of the discharge resistance at the timing set by the change timing setting means. And a resistance control means for changing a resistance value so as to cause the resistance to change.
前記半導体素子のゲート端子に第1の放電用抵抗と第2の放電用抵抗とを接続し、前記第1の放電用抵抗には、ゲートに印加される電圧がゲートしきい値に達したときオフする第1のトランジスタが接続されるとともに、第1の放電用抵抗と第2の放電用抵抗は、前記半導体素子のターンオフ時にグラウンドに接続され、ゲート電荷を放電するようになっており、
前記半導体素子のゲート端子にはゲート電圧を分圧して検出するオペアンプ回路を設け、
該オペアンプ回路の出力をCR積分回路を介して前記第1のトランジスタのゲート端子に接続するとともに、前記オペアンプ回路の出力とグラウンドには、抵抗と第2のトランジスタが接続され、
前記第2のトランジスタのゲート端子にはディレイ回路を介して、前記半導体素子を駆動するための駆動信号が出力され、
前記駆動信号のレベルが変化し、前記半導体素子がターンオフし初めてから前記ディレイ回路で設定した所定時間経過後に、前記第2のトランジスタがオフになり、これを受けて前記オペアンプ回路は、ゲート電圧を検出し前記CR積分回路に出力し、前記CR積分回路の時定数に基づき前記CR積分回路の出力電圧が、前記第1のトランジスタのゲートしきい値に達した時点で、前記第1のトランジスタがオフすることによって、前記第1の放電用抵抗によるゲート電荷の放電を停止することを特徴とする半導体素子のゲート駆動回路。In a gate drive circuit of a semiconductor element for turning on and off a semiconductor element based on an input drive signal,
A first discharge resistor and a second discharge resistor are connected to a gate terminal of the semiconductor element, and a voltage applied to a gate of the first discharge resistor reaches a gate threshold. A first transistor to be turned off is connected, and the first discharge resistor and the second discharge resistor are connected to ground when the semiconductor element is turned off, so as to discharge a gate charge.
An operational amplifier circuit for dividing and detecting a gate voltage is provided at a gate terminal of the semiconductor element,
An output of the operational amplifier circuit is connected to a gate terminal of the first transistor via a CR integration circuit, and a resistor and a second transistor are connected to an output of the operational amplifier circuit and ground,
A drive signal for driving the semiconductor element is output to a gate terminal of the second transistor via a delay circuit,
The second transistor is turned off after a predetermined time set by the delay circuit from the first time the level of the drive signal changes and the semiconductor element is turned off, and in response thereto, the operational amplifier circuit changes the gate voltage. The first transistor is detected and output to the CR integration circuit. When the output voltage of the CR integration circuit reaches the gate threshold value of the first transistor based on the time constant of the CR integration circuit, the first transistor is activated. A gate drive circuit for a semiconductor element, wherein the gate discharge is stopped by turning off the first discharge resistor.
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