JP2004282806A - Drive circuit of voltage drive element - Google Patents

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JP2004282806A
JP2004282806A JP2003067051A JP2003067051A JP2004282806A JP 2004282806 A JP2004282806 A JP 2004282806A JP 2003067051 A JP2003067051 A JP 2003067051A JP 2003067051 A JP2003067051 A JP 2003067051A JP 2004282806 A JP2004282806 A JP 2004282806A
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switching element
terminal
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resistance
voltage
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Kazuyuki Azuma
和幸 東
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a drive circuit of a voltage drive element in which a switching speed is improved. <P>SOLUTION: An IGBT 10 is driven by alternately turning on and off a P-channel type MOSFET 20 and an N-channel type MOSFET 30. When the MOSFET 20 and the MOSFT 30 are turned on simultaneously when the IGBT 10 is turned on, a voltage drop occurs at a current limiting resistor 31 via feedthrough current I. Since a MOSFET 40 is turned on by this voltage, gate current Ig is generated at the IGBT 10 via the MOSFET 40 from a gate power source Vcc. Accordingly, a switching time for turning on can be shortened by increasing the gate current by setting the resistance value of a gate resistor 33 to a small value. The switching speed is improved as compared with the case of routing a current limiting resistor 31 which cannot reduce the resistance value to limit the feedthrough current. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧駆動素子の駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】特開2002−333476号公報
電圧駆動素子の駆動回路として例えば特開2002−333476号公報開示のプッシュプル回路が知られている。
プッシュプル回路は、電圧駆動素子の作動電源と接地間に2つのスイッチング素子を直列に接続するとともに、2つのスイッチング素子の接続中点を電圧駆動素子のゲート端子に接続するようになっており、作動電源側のスイッチング素子をオンする一方、接地側のスイッチング素子をオフすることで電圧駆動素子のゲート端子の電圧を上昇させて電圧駆動素子をオンする。また、作動電源側のスイッチング素子をオフする一方、接地側のスイッチング素子をオンすることで電圧駆動素子のゲート端子の電圧を低下させて電圧駆動素子をオフするよう電圧駆動素子の駆動を行う。
【0003】
このような方式の駆動回路においては、作動電源側のスイッチング素子と接地側のスイッチング素子が、しきい値電圧の違いから同時にオンした場合にスイッチング素子に過大な電流が流れ、スイッチング素子の寿命に影響を与える恐れがあるため、通常、作動電源側のスイッチング素子と接地側のスイッチング素子が同時にオンしないように、ターンオンするスイッチング素子が、他方のスイッチング素子が確実にターンオフした後にターンするように、2つのスイッチング素子の両方をオフするオフ時間を設けていた。しかしながらこのような制御では、作動電源側のスイッチング素子と接地側のスイッチング素子の両方を同時にオフする期間が存在し、電圧駆動素子を高速にスイッチングさせることができない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
これを解決するために、両方のスイッチング素子がオフするオフ期間を設ける代わりに、例えば作動電源と作動電源側のスイッチング素子との間や、接地側のスイッチング素子と接地間に抵抗素子を直列に接続し、作動電源側のスイッチング素子と接地側のスイッチング素子が同時オンするときの貫通電流を低減することが考えられる。しかしこの場合、例えば単に作動電源と作動電源側のスイッチング素子との間に抵抗素子を設けたとき、抵抗素子は作動電源から電圧駆動素子のゲート端子へ流れる電流を制限し、電圧駆動素子を高速にオフからオンに動作させることができないという問題があった。
【0005】
また、接地側のスイッチング素子と接地間に直列に接続された抵抗素子を設けた場合には、電圧駆動素子のゲート端子から接地方向へ流れる電流が減少するから、電圧駆動素子を高速にオンからオフに動作させることができない問題があった。
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、作動電源側のスイッチング素子と接地側のスイッチング素子が同時にオンするときの貫通電流を減少させながら、電圧駆動素子を高速にオンオフ動作させることのできる電圧駆動素子の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】
本発明は、第1の電源と接地間に第1の抵抗素子を介して第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子とを直列に接続するとともに、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続中点を電圧駆動素子のゲート端子に接続した電圧駆動素子の駆動回路において、一方の端子を第2の電源に接続するとともに、他方の端子を電圧駆動素子のゲート端子に接続し、第1のスイッチング素子の第1の抵抗素子側端子の電圧に基づいてスイッチ動作を行う第3のスイッチング素子を設けるようにした。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、第1の抵抗素子は第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子が同時にオンするときの貫通電流を制限するとともに、貫通電流によって第1の抵抗素子に生じた電圧降下で、第3のスイッチング素子がオンする。第3のスイッチング素子がオンすると、第3のスイッチング素子を介して第2の電源から電圧駆動素子のゲート端子に電流が流れるから、第1の抵抗素子を介さず、大電流で電圧駆動素子のゲートにゲート電荷を充電することができる。
【0008】
そして、貫通電流がなくなると、第3のスイッチング素子がオフとなりこのとき、第1の抵抗素子を介して電圧駆動素子のゲート端子に電流が流れるから、ゲート電荷の充電速度が緩やかになり、この結果、スイッチング時間ならびに損失を低減させることができるとともに、例えば電圧駆動素子の負荷にフリーホイールダイオードを接続した場合、このフリーホイールダイオードに流れるリカバリ電流を緩和することができる。
【0009】
【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、電圧駆動素子の1つであるパワー半導体素子IGBTを用いた負荷の駆動回路を示す図である。
電源VBとIGBT10のコレクタ端子Cの間に負荷50が接続され、IGBT10のエミッタ端子Eが接地される。IGBT10のゲート端子Gには駆動信号が入力され、駆動信号に従ってIGBT10がオンオフして負荷50が駆動される。負荷50の両端にはフリーホイルダイオード60が接続され、負荷50に蓄積したエネルギーを回生するように構成されている。
【0010】
IGBT10の駆動回路として、ゲート駆動電源Vccと接地の間に、電流制限抵抗31を介してプッシュプル回路100が接続される。プッシュプル回路100は、Pチャンネル型MOSFET20とNチャンネル型MOSFET30で構成され、Pチャンネル型MOSFET20のソース端子Sが、電流制限抵抗31を介してゲート電源Vccに接続され、ドレイン端子DはNチャンネル型MOSFET30のドレイン端子Dと接続される。Nチャンネル型MOSFET30のソース端子Sが接地されている。
【0011】
Pチャンネル型MOSFET20とNチャンネル型MOSFET30のゲート端子Gがそれぞれ入力端子Tに接続される。Pチャンネル型MOSFET20のドレイン端子DとNチャンネル型MOSFET30のドレイン端子Dとの接続中点bは、直列に接続したゲート抵抗32とゲート抵抗33を介してIGBT10のゲート端子Gに接続される。プッシュプル回路100で入力された駆動パルスを反転増幅して駆動信号をIGBT10のゲート端子Gに出力する。ゲート抵抗33の抵抗値はゲート抵抗32の抵抗値よりも小さく設定されている。
【0012】
本実施例では、IGBT10をターンオンする過程において、ゲートヘの電荷充電時間を短縮するように、第3のスイッチング素子としてPチャンネル型MOSFET40を設ける。Pチャンネル型MOSFET40のソース端子Sはゲート電源Vccと接続され、ドレイン端子Dが、ゲート抵抗32とゲート抵抗33との接続点aに接続される。ゲート端子GはPチャンネル型MOSFET20と電流制限抵抗31との間に接続される。これによってPチャンネル型MOSFET40は、電流制限抵抗31両端に発生する電圧によって動作し、電流制限抵抗31を介さずにIGBT10のゲート端子Gにゲート電流Igを流すことができる。
【0013】
図2はIGBTがターンオンする際の回路各部の動作を示すタイムチャートである。
(1)は、プッシュプル回路100の入力端子に印加される駆動パルスである。図示のようにPチャンネル型MOSFET20がオフからオンとなるオンしきい値(閾値)L20は、Nチャンネル型MOSFET30がオンからオフとなるオフしきい値L30よりも大きくなっている。
ターンオンする際には、駆動パルスの電位がHiレベルからしきい値L20以下となった時刻t1では、(2)で示すようにPチャンネル型MOSFET20はオンとなるが、Nチャンネル型MOSFET30がオフとなるのは、(3)で示すように駆動パルスの電位がしきい値L30以下となる時刻t2である。したがって、時刻t1と時刻t2の間では両MOSFETは同時にオンして、貫通電流Iが発生する。
【0014】
(4)は、貫通電流Iを示す。時刻t1で、Pチャンネル型MOSFET20がオンすることによって、ゲート電源Vccからグラウンドへ向かって貫通電流Iが発生する。しかし貫通電流Iの電流値は電流制限抵抗31で制限されるから、Pチャンネル型MOSFET20およびNチャンネル型MOSFET30はその影響を受けることはない。
【0015】
貫通電流Iの最大値Imaxは、ゲート電源Vccの電圧値Vと電流制限抵抗31の抵抗値R1で以下の式によって決定される。
Imax=V/R1
なお、電流制限抵抗31がない場合は、貫通電流Iが一点鎖線で示すように時刻t2でNチャンネル型MOSFET30がオフになるまで上昇する。このとき、過度の電流上昇によって、Pチャンネル型MOSFET20およびNチャンネル型MOSFET30は熱破壊される恐れがある。
【0016】
貫通電流Iによって電流制限抵抗31の両端に発生する電圧は、Pチャンネル型MOSFET40のゲートに入力されるから、貫通電流Iの発生と同時に(5)で示すようにPチャンネル型MOSFET40はオフ状態からオン状態に変わる。この結果、ゲート電源VccからPチャンネル型MOSFET40、ゲート抵抗33を介してIGBT10のゲート端子Gにゲート電流Igが流れる。
【0017】
つまり、貫通電流Iが発生すると同時にIGBT10へのゲート電荷充電をPチャンネル型MOSFET40によって行なうことが可能となっているため、IGBT10のゲート電荷の充電に遅延を生じることなく、IGBT10を高速にターンオンすることができる。
(6)は、ゲート電流Igを示す。ゲート電流Igの最大値Igmaxは、ゲート抵抗33から以下の式によって決定される。
Igmax=V/R3
但し、R3はゲート抵抗33の抵抗値である。
【0018】
したがって、ゲート抵抗33の抵抗値R3を低く設定することによって、IGBTへのゲート電荷の充電を高速に行い、(7)で示すようにIGBT10のゲート電圧VGEを急速に上昇させることができる。この結果IGBT10のターンオン時間が短くなりスイッチング速度が向上する。
なお、Pチャンネル型MOSFET40のオン期間中、ゲート電源VccからグラウンドへNチャンネル型MOSFET30介して流れる電流は、ゲート抵抗32によって制限されるため、IGBT10のゲート充電動作に影響を与えることはない。
【0019】
その後、時刻t2で駆動パルスの電位がNチャンネル型MOSFET30のしきい値L20となると、Nチャンネル型MOSFET30がオフし、貫通電流Iが遮断されることによって、電流値がしきい値L40に相当する電流以下になるとPチャンネル型MOSFET40はオフする。
【0020】
時刻t2以降、Pチャンネル型MOSFET40がオフしてからは、電流制限抵抗31、Pチャンネル型MOSFET20、ゲート抵抗32、ゲート抵抗33を経由してゲート電流Igが流れる。このときのゲート電流Igsは、以下の式で演算することができる。
Igs=V/(R1+R2+R3)
但し、R1は電流制限抵抗31の抵抗値、R2はゲート抵抗32の抵抗値、R3はゲート抵抗33の抵抗値である。
【0021】
ゲート電流Igsは、Igmaxより小さくなっているから、時刻t2を境にゲート電荷の充電速度が低下し、ゲート電圧VGEの上昇率が緩慢になりIGBTのスイッチング速度が緩和される。そして、駆動パルスがLoとなると、ゲート電流IgがゼロになってIGBT10のターンオンが完了する。
【0022】
本実施例は以上のように構成され、Pチャンネル型MOSFET40を設けることによって、ターンオン開始直後は、大電流のゲート電流Igを流しIGBT10のゲートに急速にゲート電荷を充電することができるとともに、貫通電流が遮断されると同時に、ゲート電流Igが低減されゲート電荷の充電を緩めるから、IGBT10をターンオンするスイッチング時間を短縮ならびにゲート電荷の充電損失を低減できるとともに、フリーホイールダイオード60を流れるリカバリ電流を緩和する効果が得られる。
なお、第3のスイッチング素子としてのPチャンネル型MOSFET40のソース端子Sはゲート電源Vccに接続されたが、別の第2の電源を設けてIGBT10に対してゲート電流を発生させることも可能であるが、この場合、MOSFET40のソース端子に接続された第2の電源の電圧をゲート電源Vccの電圧と略同一に制御する必要があるため、本実施例のように同一の電源とすることが望ましい。
【0023】
本実施例では、第3のスイッチング素子として、Pチャンネル型MOSFET40を用いたが、その代わりにPNP型トランジスタを用いてもよい。PNP型トランジスタの場合は、図3に示すように、Nチャンネル型MOSFET40のドレイン端子D、ソース端子S、ゲート端子GをそれぞれPNP型トランジスタ40’のコレクタC、エミッタE、ベースBに置き換えて接続すればよい。
【0024】
次に、第2の実施例について説明する。
図4は、パワー半導体素子IGBTを用いた駆動回路の別の例である。
第1の実施例では、IGBT10をターンオン過程においてゲートヘの電荷充電時間を短縮するものを示したが、本実施例では、ターンオフ過程においてゲートヘの電荷放電時間の短縮を説明する。
第1の実施例においては、電流制限抵抗31がゲート電源Vcc側に接続されたが、本実施例ではその代わりに、グラウンドとNチャンネル型MOSFET30との間に電流制限抵抗31aを接続するようになっている。
【0025】
第3のスイッチング素子としてNチャンネル型MOSFET40aを用い、ソース端子Sが接地され、ドレイン端子Dがゲート抵抗32とゲート抵抗33との接続点aに接続される。ゲート端子Gは電流制限抵抗31aとNチャンネル型MOSFET30との間に接続される。
このように接続することによって、第1の実施例と同様に、電流制限抵抗31a上の電圧降下によって、Nチャンネル型MOSFET40aをオンすることができる。
なお、IGBT10および負荷50などの接続は第1の実施例と同様である。
【0026】
図5は、IGBTがターンオフする際の回路各部の動作を示すタイムチャートである。
(1)は、プッシュプル回路100に入力される駆動パルスである。駆動パルスがLoレベルからHiレベルに変化する過程において、図示のようにPチャンネル型MOSFET20がオンからオフとなるオフしきい値L20は、Nチャンネル型MOSFET30がオフからオンとなるオンしきい値L30より大きいため、(3)で示すようにNチャンネル型MOSFET30のみが時刻t1でオンする。一方、Pチャンネル型MOSFET20は、(2)で示すように駆動パルスの電位がしきい値L20以上になる時刻t2でオフするから、時刻t1と時刻t2の間で両MOSFETは同時にオンし、貫通電流Iが流れる。
【0027】
これらは前述の第1の実施例と同様の動きであり、貫通電流Iは電流制限抵抗31aで制限されると同時に、電流制限抵抗31aの両端に発生する電圧は、(5)で示すようにNチャンネル型MOSFET40aをオンさせるからNチャンネル型MOSFET40aを経由してゲート電流Igが発生する。このときのゲート電流Igは、ゲート電荷の放電電流である。
【0028】
このように、貫通電流Iが発生すると同時にNチャンネル型MOSFET40によってIGBT10からのゲート電荷放電を行なうことが可能なため、遅延を生じることがなく、ゲート電荷を放電することができる。
(6)は、ゲート電流Igを示す。
このときのゲート電流の最大値Igmaxは、第1の実施例と同様にゲート抵抗33から以下の式によって決定される。
Igmax=V/R3
【0029】
またNチャンネル型MOSFET40aがオンしている期間は、ゲート抵抗33を選択することによって比較的大きなゲート電流Igを発生させることができるから、IGBT10からのゲート放電が急速に行われ、(7)で示すようにIGBT10のゲート電圧VGEを急速に下降させることができ、ターンオフするスイッチング時間が短縮する。
なお、Nチャンネル型MOSFET40aのオン期間、ゲート電源VccからグランドへPチャンネル型MOSFET20を介して流れる電流は、ゲート抵抗32によって制限されるため、IGBT10のゲート電荷の放電動作には影響を与えることはない。
【0030】
その後、Pチャンネル型MOSFET20がオフするしきい値となる時間t2において、貫通電流Iが遮断されることによってNチャンネル型MOSFET40aのゲート電圧が下降する。
時間t2以降、Nチャンネル型MOSFET40aがオフすると、ゲート電流Igは、ゲート抵抗33、ゲート抵抗32およびNチャンネル型MOSFET30を介してグラウンドに流れるから、ゲート電荷の放電速度が小さくゲート電圧VGEの下降が緩やかになってIGBT10のスイッチング速度が緩和される。
このときのゲート電流Igsは、第1の実施例と同様に、ゲート抵抗32から算出することができる。
【0031】
本実施例は以上のように構成され、Nチャンネル型MOSFET40aを設けることによって、ターンオン時にも、開始直後は急速にゲート電荷を放電し、貫通電流がなくなると同時にゲート電荷の放電を緩めることができるから、ターンオフするスイッチング時間ならびにゲート電荷の放電損失を低減できるとともに、負荷50に生じるサージ電圧を緩和できる効果が得られる。
【0032】
本実施例では、第3のスイッチング素子として、Nチャンネル型MOSFET40aを用いたが、その代わりにNPN型トランジスタを用いてもよい。NPN型トランジスタの場合は、図6に示すようにNチャンネル型MOSFET40aのドレイン端子D、ソース端子S、ゲート端子GをそれぞれNPN型トランジスタ40a’のコレクタC、エミッタE、ベースBに置き換えて接続すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例を示す図である。
【図2】IGBTがターンオンする際の回路各部の動作を示すタイムチャートである。
【図3】変形例を示す図である。
【図4】第2の実施例を示す図である。
【図5】IGBTがターンオフする際の回路各部の動作を示すタイムチャートである。
【図6】変形例を示す図である。
【符号の説明】
10 IGBT
20 Pチャンネル型MOSFET
30 Nチャンネル型MOSFET
31、31a 電流制限抵抗
32、33 ゲート抵抗
40 Pチャンネル型MOSFET
40a Nチャンネル型MOSFET
40’ PNP型トランジスタ
40a’ NPN型トランジスタ
50 IGBT
60 フリーホイールダイオード
100 プッシュプル回路
Vcc ゲート電源(第1の電源)
Vb 電源
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a driving circuit for a voltage driving element.
[0002]
[Prior art]
For example, a push-pull circuit disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-333476 is known as a driving circuit of a voltage driving element.
The push-pull circuit connects the two switching elements in series between the operating power supply of the voltage driving element and the ground, and connects the connection midpoint of the two switching elements to the gate terminal of the voltage driving element. By turning on the switching element on the operation power supply side and turning off the switching element on the ground side, the voltage at the gate terminal of the voltage driving element is raised to turn on the voltage driving element. In addition, while the switching element on the operating power supply side is turned off, the switching element on the ground side is turned on, thereby lowering the voltage of the gate terminal of the voltage driving element to drive the voltage driving element so as to turn off the voltage driving element.
[0003]
In a drive circuit of this type, when the switching element on the operating power supply side and the switching element on the ground side are simultaneously turned on due to a difference in threshold voltage, an excessive current flows through the switching element, and the life of the switching element is reduced. In general, the switching element on the operating power supply side and the switching element on the ground side are not turned on at the same time, so that the switching element that is turned on is turned after the other switching element is surely turned off, so that there is a possibility of affecting the switching element. An off time for turning off both of the two switching elements is provided. However, in such control, there is a period during which both the switching element on the operating power supply side and the switching element on the ground side are simultaneously turned off, and the voltage driving element cannot be switched at high speed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In order to solve this, instead of providing an off period in which both switching elements are turned off, for example, a resistance element is connected in series between an operation power supply and a switching element on the operation power supply side, or between a switching element on the ground side and ground. It is conceivable to reduce the through current when the switching element on the operating power supply side and the switching element on the ground side are simultaneously turned on by connecting. However, in this case, for example, when a resistance element is simply provided between the operation power supply and the switching element on the operation power supply side, the resistance element restricts the current flowing from the operation power supply to the gate terminal of the voltage drive element, and the voltage drive element is operated at high speed. There was a problem that it was not possible to operate from off to on.
[0005]
In addition, when a resistance element connected in series between the switching element on the ground side and the ground is provided, the current flowing from the gate terminal of the voltage driving element to the ground decreases, so that the voltage driving element is quickly turned on. There was a problem that could not be turned off.
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and has been made in view of the above circumstances. A voltage capable of rapidly turning on and off a voltage driving element while reducing a through current when a switching element on an operating power supply side and a switching element on a ground side are simultaneously turned on. It is an object of the present invention to provide a drive circuit for a drive element.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a first switching element and a second switching element are connected in series between a first power supply and a ground via a first resistance element, and the first switching element and the second switching element are connected. In the drive circuit of the voltage drive element, the connection midpoint of which is connected to the gate terminal of the voltage drive element, one terminal is connected to the second power supply, and the other terminal is connected to the gate terminal of the voltage drive element; A third switching element that performs a switching operation based on the voltage of the first resistor element side terminal of the first switching element is provided.
[0007]
【The invention's effect】
According to the present invention, the first resistance element limits the through current when the first switching element and the second switching element are simultaneously turned on, and the first resistance element uses a voltage drop generated in the first resistance element by the through current. , The third switching element is turned on. When the third switching element is turned on, a current flows from the second power supply to the gate terminal of the voltage driving element via the third switching element. Therefore, a large current flows through the voltage driving element without passing through the first resistance element. The gate can be charged with a gate charge.
[0008]
Then, when the through current disappears, the third switching element is turned off, and at this time, a current flows to the gate terminal of the voltage driving element via the first resistance element, so that the charging speed of the gate charge becomes slow. As a result, the switching time and the loss can be reduced, and for example, when a freewheel diode is connected to the load of the voltage driving element, the recovery current flowing through the freewheel diode can be reduced.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the invention will be described with reference to examples.
FIG. 1 is a diagram illustrating a drive circuit of a load using a power semiconductor element IGBT, which is one of voltage drive elements.
The load 50 is connected between the power supply VB and the collector terminal C of the IGBT 10, and the emitter terminal E of the IGBT 10 is grounded. A drive signal is input to the gate terminal G of the IGBT 10, and the IGBT 10 is turned on / off according to the drive signal, and the load 50 is driven. A free wheel diode 60 is connected to both ends of the load 50, and is configured to regenerate energy stored in the load 50.
[0010]
As a drive circuit of the IGBT 10, a push-pull circuit 100 is connected between a gate drive power supply Vcc and the ground via a current limiting resistor 31. The push-pull circuit 100 includes a P-channel MOSFET 20 and an N-channel MOSFET 30. A source terminal S of the P-channel MOSFET 20 is connected to a gate power supply Vcc via a current limiting resistor 31, and a drain terminal D is an N-channel MOSFET. Connected to drain terminal D of MOSFET 30. The source terminal S of the N-channel MOSFET 30 is grounded.
[0011]
Gate terminals G of the P-channel MOSFET 20 and the N-channel MOSFET 30 are connected to the input terminal T, respectively. A connection point b between the drain terminal D of the P-channel MOSFET 20 and the drain terminal D of the N-channel MOSFET 30 is connected to the gate terminal G of the IGBT 10 via a gate resistor 32 and a gate resistor 33 connected in series. The drive pulse input by the push-pull circuit 100 is inverted and amplified, and a drive signal is output to the gate terminal G of the IGBT 10. The resistance value of the gate resistor 33 is set smaller than the resistance value of the gate resistor 32.
[0012]
In this embodiment, in the process of turning on the IGBT 10, a P-channel MOSFET 40 is provided as a third switching element so as to shorten the charge time of the gate. The source terminal S of the P-channel MOSFET 40 is connected to the gate power supply Vcc, and the drain terminal D is connected to a connection point a between the gate resistors 32 and 33. Gate terminal G is connected between P-channel MOSFET 20 and current limiting resistor 31. As a result, the P-channel MOSFET 40 operates by the voltage generated across the current limiting resistor 31, and allows the gate current Ig to flow to the gate terminal G of the IGBT 10 without passing through the current limiting resistor 31.
[0013]
FIG. 2 is a time chart showing the operation of each part of the circuit when the IGBT is turned on.
(1) is a drive pulse applied to the input terminal of the push-pull circuit 100. As shown in the figure, an on-threshold (threshold) L20 at which the P-channel MOSFET 20 turns from off to on is larger than an off-threshold L30 at which the N-channel MOSFET 30 turns from on to off.
At the time of turning on, at time t1 when the potential of the drive pulse becomes lower than the threshold L20 from the Hi level, the P-channel MOSFET 20 is turned on as shown in (2), but the N-channel MOSFET 30 is turned off. This occurs at time t2 when the potential of the drive pulse becomes equal to or lower than the threshold L30 as shown in (3). Therefore, between time t1 and time t2, both MOSFETs are simultaneously turned on, and a through current I is generated.
[0014]
(4) shows the through current I. At time t1, when the P-channel MOSFET 20 is turned on, a through current I is generated from the gate power supply Vcc to the ground. However, since the current value of the through current I is limited by the current limiting resistor 31, the P-channel MOSFET 20 and the N-channel MOSFET 30 are not affected by the current.
[0015]
The maximum value Imax of the through current I is determined by the following equation using the voltage value V of the gate power supply Vcc and the resistance value R1 of the current limiting resistor 31.
Imax = V / R1
When the current limiting resistor 31 is not provided, the through current I rises until the N-channel MOSFET 30 is turned off at time t2 as indicated by a dashed line. At this time, the P-channel MOSFET 20 and the N-channel MOSFET 30 may be thermally damaged due to an excessive current rise.
[0016]
Since the voltage generated at both ends of the current limiting resistor 31 by the through current I is input to the gate of the P-channel MOSFET 40, the P-channel MOSFET 40 is turned off at the same time when the through current I is generated as shown in (5). Turns on. As a result, a gate current Ig flows from the gate power supply Vcc to the gate terminal G of the IGBT 10 via the P-channel MOSFET 40 and the gate resistor 33.
[0017]
That is, the gate charge of the IGBT 10 can be charged by the P-channel MOSFET 40 at the same time when the through current I is generated, so that the IGBT 10 is turned on at high speed without delay in charging the gate charge of the IGBT 10. be able to.
(6) shows the gate current Ig. The maximum value Igmax of the gate current Ig is determined from the gate resistance 33 by the following equation.
Igmax = V / R3
Here, R3 is the resistance value of the gate resistor 33.
[0018]
Therefore, by setting the resistance value R3 of the gate resistor 33 low, the IGBT can be charged with the gate charge at high speed, and the gate voltage VGE of the IGBT 10 can be rapidly increased as shown in (7). As a result, the turn-on time of the IGBT 10 is shortened, and the switching speed is improved.
During the ON period of the P-channel MOSFET 40, the current flowing from the gate power supply Vcc to the ground via the N-channel MOSFET 30 is limited by the gate resistor 32, and thus does not affect the gate charging operation of the IGBT 10.
[0019]
Thereafter, when the potential of the driving pulse reaches the threshold value L20 of the N-channel MOSFET 30 at time t2, the N-channel MOSFET 30 is turned off and the through current I is cut off, so that the current value corresponds to the threshold value L40. When the current falls below the current, the P-channel MOSFET 40 is turned off.
[0020]
After the time t2, after the P-channel MOSFET 40 is turned off, the gate current Ig flows through the current limiting resistor 31, the P-channel MOSFET 20, the gate resistor 32, and the gate resistor 33. The gate current Igs at this time can be calculated by the following equation.
Igs = V / (R1 + R2 + R3)
Here, R1 is the resistance value of the current limiting resistor 31, R2 is the resistance value of the gate resistor 32, and R3 is the resistance value of the gate resistor 33.
[0021]
Since the gate current Igs is smaller than Igmax, the charging speed of the gate charge decreases at time t2, the rate of increase of the gate voltage VGE becomes slow, and the switching speed of the IGBT is moderated. When the drive pulse becomes Lo, the gate current Ig becomes zero, and the turn-on of the IGBT 10 is completed.
[0022]
The present embodiment is configured as described above, and by providing the P-channel MOSFET 40, a gate current Ig of a large current can flow immediately after the start of turn-on to quickly charge the gate of the IGBT 10 with a gate charge. At the same time as the current is cut off, the gate current Ig is reduced and the charge of the gate charge is reduced, so that the switching time for turning on the IGBT 10 can be reduced, the charge loss of the gate charge can be reduced, and the recovery current flowing through the freewheel diode 60 can be reduced. The effect of relaxing is obtained.
Although the source terminal S of the P-channel MOSFET 40 as the third switching element is connected to the gate power supply Vcc, it is also possible to provide another second power supply to generate a gate current for the IGBT 10. However, in this case, it is necessary to control the voltage of the second power supply connected to the source terminal of the MOSFET 40 to be substantially the same as the voltage of the gate power supply Vcc. Therefore, it is desirable to use the same power supply as in this embodiment. .
[0023]
In this embodiment, the P-channel MOSFET 40 is used as the third switching element, but a PNP transistor may be used instead. In the case of a PNP transistor, as shown in FIG. 3, the drain terminal D, the source terminal S, and the gate terminal G of the N-channel MOSFET 40 are connected to the collector C, the emitter E, and the base B of the PNP transistor 40 ', respectively. do it.
[0024]
Next, a second embodiment will be described.
FIG. 4 is another example of a drive circuit using the power semiconductor element IGBT.
In the first embodiment, the charge charging time to the gate is reduced in the turn-on process of the IGBT 10, but in the present embodiment, the reduction of the charge discharge time to the gate in the turn-off process will be described.
In the first embodiment, the current limiting resistor 31 is connected to the gate power supply Vcc side. However, in this embodiment, a current limiting resistor 31a is connected between the ground and the N-channel MOSFET 30 instead. Has become.
[0025]
An N-channel MOSFET 40a is used as a third switching element, the source terminal S is grounded, and the drain terminal D is connected to a connection point a between the gate resistor 32 and the gate resistor 33. The gate terminal G is connected between the current limiting resistor 31a and the N-channel MOSFET 30.
With this connection, the N-channel MOSFET 40a can be turned on by a voltage drop on the current limiting resistor 31a, as in the first embodiment.
The connections of the IGBT 10, the load 50, and the like are the same as in the first embodiment.
[0026]
FIG. 5 is a time chart showing the operation of each section of the circuit when the IGBT is turned off.
(1) is a drive pulse input to the push-pull circuit 100. In the process in which the drive pulse changes from the Lo level to the Hi level, the off threshold L20 at which the P-channel MOSFET 20 turns from on to off as shown is the on threshold L30 at which the N-channel MOSFET 30 turns from off to on. Therefore, only the N-channel MOSFET 30 is turned on at time t1 as shown in (3). On the other hand, the P-channel MOSFET 20 is turned off at time t2 when the potential of the driving pulse becomes equal to or higher than the threshold L20 as shown in (2), so that both MOSFETs are simultaneously turned on between time t1 and time t2, The current I flows.
[0027]
These operations are the same as those in the first embodiment. The through current I is limited by the current limiting resistor 31a, and the voltage generated at both ends of the current limiting resistor 31a is as shown in (5). Since the N-channel MOSFET 40a is turned on, a gate current Ig is generated via the N-channel MOSFET 40a. The gate current Ig at this time is a discharge current of the gate charge.
[0028]
As described above, since the gate charge can be discharged from the IGBT 10 by the N-channel MOSFET 40 at the same time when the through current I occurs, the gate charge can be discharged without delay.
(6) shows the gate current Ig.
At this time, the maximum value Igmax of the gate current is determined by the following equation from the gate resistance 33 as in the first embodiment.
Igmax = V / R3
[0029]
Also, while the N-channel MOSFET 40a is on, a relatively large gate current Ig can be generated by selecting the gate resistor 33, so that the gate discharge from the IGBT 10 is rapidly performed, and (7) As shown, the gate voltage VGE of the IGBT 10 can be rapidly decreased, and the switching time for turning off is shortened.
During the ON period of the N-channel MOSFET 40a, the current flowing from the gate power supply Vcc to the ground via the P-channel MOSFET 20 is limited by the gate resistor 32, so that the IGBT 10 does not affect the discharging operation of the gate charge. Absent.
[0030]
Thereafter, at time t2 when the P-channel MOSFET 20 turns off, the through current I is cut off, and the gate voltage of the N-channel MOSFET 40a decreases.
After the time t2, when the N-channel MOSFET 40a is turned off, the gate current Ig flows to the ground via the gate resistor 33, the gate resistor 32 and the N-channel MOSFET 30, so that the discharge speed of the gate charge is small and the gate voltage VGE falls. The switching speed of the IGBT 10 is reduced, and the switching speed of the IGBT 10 is reduced.
The gate current Igs at this time can be calculated from the gate resistance 32 as in the first embodiment.
[0031]
The present embodiment is configured as described above, and by providing the N-channel MOSFET 40a, even at the time of turn-on, the gate charge can be rapidly discharged immediately after the start, and the discharge of the gate charge can be slowed at the same time when the through current disappears. Accordingly, the switching time for turning off and the discharge loss of the gate charge can be reduced, and the surge voltage generated in the load 50 can be reduced.
[0032]
In this embodiment, the N-channel MOSFET 40a is used as the third switching element, but an NPN transistor may be used instead. In the case of an NPN transistor, as shown in FIG. 6, the drain terminal D, the source terminal S, and the gate terminal G of the N-channel MOSFET 40a are replaced by the collector C, the emitter E, and the base B of the NPN transistor 40a ', respectively. Just fine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment.
FIG. 2 is a time chart showing the operation of each section of the circuit when the IGBT is turned on.
FIG. 3 is a diagram showing a modification.
FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment.
FIG. 5 is a time chart showing the operation of each section of the circuit when the IGBT is turned off.
FIG. 6 is a diagram showing a modification.
[Explanation of symbols]
10 IGBT
20 P-channel MOSFET
30 N-channel MOSFET
31, 31a Current limiting resistors 32, 33 Gate resistor 40 P-channel MOSFET
40a N-channel type MOSFET
40 'PNP transistor 40a' NPN transistor 50 IGBT
60 Freewheel diode 100 Push-pull circuit Vcc Gate power supply (first power supply)
Vb power supply

Claims (9)

第1の電源に接続された第1のスイッチング素子と、
一方の端子が前記第1のスイッチング素子に接続されるとともに、他方の端子が接地された第2のスイッチング素子とを備え、
前記第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続中点が電圧駆動素子のゲート端子に接続された電圧駆動素子の駆動回路において、
前記第1の電源と第1のスイッチング素子の間に接続された第1の抵抗素子と、一方の端子を前記第1の電源の電圧と等しい電圧の第2の電源に接続するとともに、他方の端子を前記電圧駆動素子のゲート端子および前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との接続中点に接続し、前記第1のスイッチング素子の前記第1の抵抗素子側端子の電圧に基づいてスイッチ動作を行う第3のスイッチング素子とを設けたこと特徴とする電圧駆動素子の駆動回路。
A first switching element connected to a first power supply;
A second switching element having one terminal connected to the first switching element and the other terminal grounded,
In a drive circuit for a voltage driving element, a connection midpoint between the first switching element and the second switching element is connected to a gate terminal of the voltage driving element.
A first resistance element connected between the first power supply and the first switching element, and one terminal connected to a second power supply having a voltage equal to the voltage of the first power supply, and A terminal is connected to a gate terminal of the voltage driving element and a connection midpoint between the first switching element and the second switching element, and a voltage of the first resistance element side terminal of the first switching element is connected to the terminal. And a third switching element for performing a switching operation based on the driving circuit.
前記第2の電源は前記第1の電源と同一の電源であることを特徴とする請求項1記載の電圧駆動素子の駆動回路。2. The driving circuit according to claim 1, wherein the second power supply is the same power supply as the first power supply. 前記第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続中点と前記電圧駆動素子のゲート端子の間に、直列に接続した第2の抵抗素子と第3の抵抗素子を接続し、前記第3のスイッチング素子の他方の端子を前記第2の抵抗素子と前記第3の抵抗素子との接続点に接続し、前記電圧駆動素子側の前記第3の抵抗素子の抵抗値は、前記第2の抵抗素子の抵抗値より低く設定されたことを特徴とする請求項1または2記載の電圧駆動素子の駆動回路。A second resistance element and a third resistance element connected in series between a connection midpoint between the first switching element and the second switching element and a gate terminal of the voltage driving element; The other terminal of the third switching element is connected to a connection point between the second resistance element and the third resistance element, and the resistance value of the third resistance element on the voltage driving element side is the second resistance element. 3. The driving circuit for a voltage driving element according to claim 1, wherein the resistance is set lower than the resistance value of the resistance element. 前記第3のスイッチング素子は、エミッタ端子が前記第2の電源に接続され、コレクタ端子が前記第2の抵抗素子と前記第3の抵抗素子との接続点に接続され、ベース端子が前記第1のスイッチング素子と前記第1の抵抗素子との間に接続されたPNPトランジスタであることを特徴とする請求項3に記載の電圧駆動素子の駆動回路。The third switching element has an emitter terminal connected to the second power supply, a collector terminal connected to a connection point between the second resistance element and the third resistance element, and a base terminal connected to the first power supply. 4. The driving circuit according to claim 3, wherein the driving circuit is a PNP transistor connected between the switching element and the first resistance element. 前記第3のスイッチング素子は、ソース端子が前記第2の電源に接続され、ドレイン端子が前記第2の抵抗素子と前記第3の抵抗素子との接続点に接続され、ゲート端子が前記第1のスイッチング素子と前記第1の抵抗素子側との間に接続されたPチャンネル型MOSFETであることを特徴とする請求項3に記載の電圧駆動素子の駆動回路。The third switching element has a source terminal connected to the second power supply, a drain terminal connected to a connection point between the second resistance element and the third resistance element, and a gate terminal connected to the first power supply. 4. The driving circuit for a voltage driving element according to claim 3, wherein the driving circuit is a P-channel MOSFET connected between the switching element and the first resistance element side. 電源に接続された第1のスイッチング素子と、一方の端子が前記第1のスイッチング素子に接続されるとともに、他方の端子が接地された第2のスイッチング素子とを備え、
前記第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続中点が電圧駆動素子のゲート端子に接続された電圧駆動素子の駆動回路において、
前記第2のスイッチング素子と接地間に接続された第1の抵抗素子と、
一方の端子を前記電圧駆動素子のゲート端子および前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との接続中点に接続し、他方の端子を接地し、前記第2のスイッチング素子の第1の抵抗素子側端子の電圧に基づいてスイッチ動作を行う第3のスイッチング素子とを設けたことを特徴とする電圧駆動素子の駆動回路。
A first switching element connected to a power supply, and a second switching element having one terminal connected to the first switching element and the other terminal grounded;
In a drive circuit for a voltage driving element, a connection midpoint between the first switching element and the second switching element is connected to a gate terminal of the voltage driving element.
A first resistance element connected between the second switching element and ground;
One terminal is connected to the gate terminal of the voltage driving element and the midpoint of connection between the first switching element and the second switching element, the other terminal is grounded, and the first terminal of the second switching element is And a third switching element for performing a switching operation based on the voltage of the resistor element side terminal.
前記第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続中点と前記電圧駆動素子のゲート端子の間に、直列に接続した第2の抵抗素子と第3の抵抗素子を接続し、前記第3のスイッチング素子の一方の端子を前記第2の抵抗素子と前記第3の抵抗素子との接続点に接続し、前記電圧駆動素子側の前記第3の抵抗素子の抵抗値は、前記第2の抵抗素子の抵抗値より低く設定されたことを特徴とする請求項6記載の電圧駆動素子の駆動回路。A second resistance element and a third resistance element connected in series between a connection midpoint between the first switching element and the second switching element and a gate terminal of the voltage driving element; And one terminal of the third switching element is connected to a connection point between the second resistance element and the third resistance element, and the resistance value of the third resistance element on the voltage driving element side is the second resistance element. 7. The driving circuit for a voltage driving element according to claim 6, wherein the resistance value is set lower than the resistance value of the resistance element. 前記第3のスイッチング素子は、コレクタ端子が前記第2の抵抗素子と前記第3の抵抗素子との接続点に接続され、エミッタ端子が接地され、ベース端子が前記第2のスイッチング素子と前記第1の抵抗素子との間に接続されたNPNトランジスタであることを特徴とする請求項7記載の電圧駆動素子の駆動回路。The third switching element has a collector terminal connected to a connection point between the second resistance element and the third resistance element, an emitter terminal grounded, and a base terminal connected to the second switching element and the third switching element. 8. The driving circuit for a voltage driving element according to claim 7, wherein the driving circuit is an NPN transistor connected between the first resistance element and the first resistance element. 前記第3のスイッチング素子は、ドレイン端子が前記第2の抵抗素子と前記第3の抵抗素子との接続点に接続され、ソース端子が接地され、ゲート端子が前記第2のスイッチング素子と前記第1の抵抗素子との間に接続されたNチャンネル型MOSFETであることを特徴とする請求項7記載の電圧駆動素子の駆動回路。The third switching element has a drain terminal connected to a connection point between the second resistance element and the third resistance element, a source terminal grounded, and a gate terminal connected to the second switching element and the third switching element. 8. The driving circuit for a voltage driving element according to claim 7, wherein the driving circuit is an N-channel MOSFET connected between the first resistance element and the first resistance element.
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