JP2006222593A - Apparatus and method of driving voltage drive type semiconductor element - Google Patents

Apparatus and method of driving voltage drive type semiconductor element Download PDF

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JP2006222593A JP2005032484A JP2005032484A JP2006222593A JP 2006222593 A JP2006222593 A JP 2006222593A JP 2005032484 A JP2005032484 A JP 2005032484A JP 2005032484 A JP2005032484 A JP 2005032484A JP 2006222593 A JP2006222593 A JP 2006222593A
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英俊 森下
Hideo Yamawaki
秀夫 山脇
Masaru Suzuki
優 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that it is difficult to set a time delay by the influence of the characteristic variation of a voltage drive type semiconductor device or a temperature characteristic since the switching of a drive is carried out by a plurality of drive circuits in the driving device of a conventional voltage drive type semiconductor element. <P>SOLUTION: A driving device 10 of a voltage drive type semiconductor device of such an insulated gate bipolar transistor, as IGBT 1 detects the modulus dVge/dt of the time variation of the gate voltage Vge of this IGBT 1 at the time of turning on of the IGBT 1, and performs the drive control of the IGBT1 based on the detected modules dVge/dt of the time variation. At the time of the above turning on, a first zone S1 where the modulus dVge/dt of the time variation of the gate voltage Vge becomes one or more threshold values Vth 1 and a second zone S2 where the modulus dVge/dt of the time variation of the gate voltage Vge becomes less than one threshold Vth 1 exists continued to the first zone S1. It is controlled so that the gate resistance value r in the second zone S2 may get lower values than the gate resistance value r in the first zone S1. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ターンオン時に発生するサージ電圧を低減しつつ、ターンオン損失の減少を図ることができる、電圧駆動型半導体素子の駆動装置および方法に関する。   The present invention relates to a voltage-driven semiconductor element driving apparatus and method capable of reducing a turn-on loss while reducing a surge voltage generated at turn-on.

IGBT(Insulated gate bipolar transistor)やMOSGTO(Metal oxide gate turn−off thyristor)等は、絶縁ゲートに加える電圧で電流を制御できる、いわゆる電圧駆動型半導体素子であり、電流駆動型のバイポーラトランジスタやGTOよりも駆動電力が小さいため、電源やインバータ等に広く用いられている。
このような電圧駆動型半導体素子におけるターンオン時には、ゲート抵抗の値が小さければコレクタ電流の時間変化率が大きくなって、大きなサージ電圧が発生することとなる一方、ゲート抵抗の値が大きければコレクタ電流の時間変化率が小さくなり、ターンオン損失が増大することとなっていた。
An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a MOSGTO (Metal Oxide Gate Turn-Off Thyristor), and the like are so-called voltage-driven semiconductor elements that can control a current by a voltage applied to an insulated gate. Since the driving power is small, it is widely used for power supplies, inverters and the like.
At the time of turn-on in such a voltage-driven semiconductor element, if the gate resistance value is small, the collector current has a large rate of change over time, and a large surge voltage is generated. On the other hand, if the gate resistance value is large, the collector current is large. The rate of time change of the time becomes small, and the turn-on loss increases.

このような問題を解決するために、例えば特許文献1に記載されるように、ターンオンの開始時にはゲート抵抗の値を高く設定して、コレクタ電流の時間変化率を小さくすることによりサージ電圧を低減し、ターンオン開始から一定時間経過後にゲート抵抗を低い抵抗値に切り換えて、ターンオン損失を低減するような、駆動制御が行われている。
この駆動制御においては、電圧駆動型半導体素子の駆動回路を複数用意して、一方の駆動回路と電圧駆動型半導体素子とを高い抵抗値のゲート抵抗を介して接続するとともに、他方の駆動回路と電圧駆動型半導体素子とを低い抵抗値のゲート抵抗を介して接続し、一方の駆動回路による駆動と他方の駆動回路による駆動とを、遅延回路を用いて切り換えるように構成して、ゲート抵抗の値を切り換えるようにしていた。
また、一方の駆動回路による駆動と他方の駆動回路による駆動との切り換えは、コレクタ−エミッタ間の電圧Vceや、ゲート電圧Vgeや、コレクタ電流Iceの検出回路を設けて、検出したこれらの値に基づいて行う方法等もある。
特開平9−46201号公報
In order to solve such a problem, for example, as described in Patent Document 1, the surge voltage is reduced by setting the gate resistance value high at the start of turn-on and reducing the time change rate of the collector current. Then, drive control is performed to reduce the turn-on loss by switching the gate resistance to a low resistance value after a lapse of a certain time from the start of turn-on.
In this drive control, a plurality of drive circuits for voltage-driven semiconductor elements are prepared, and one drive circuit and the voltage-driven semiconductor element are connected via a high resistance gate resistor, A voltage-driven semiconductor element is connected via a gate resistor having a low resistance value, and the drive by one drive circuit and the drive by the other drive circuit are switched using a delay circuit, The value was switched.
In addition, switching between driving by one driving circuit and driving by the other driving circuit is performed by providing a detection circuit for the collector-emitter voltage Vce, the gate voltage Vge, and the collector current Ice, and detecting these values. There are also methods based on this.
JP-A-9-46201

しかし、前述の特許文献1に記載された技術のように、複数の駆動回路による駆動の切り換えを、遅延回路を用いて行った場合、電圧駆動型半導体素子の特性ばらつきや温度特性の影響を受けて、該遅延回路にて設定される遅延時間もばらつくため、該遅延時間の設定が困難となる。
また、コレクタ−エミッタ間の電圧Vceを検出するための検出回路においては、該検出回路に含まれるツェナーダイオードに高い耐圧特性が求められるため、複数のツェナーダイオードを直列接続する必要があって回路規模が大きくなってしまう。さらに、コレクタ−エミッタ間の電圧Vceには、他相の電圧性スイッチングノイズが乗るため、コレクタ−エミッタ間の電圧Vceを誤検出してしまう恐れがある。
また、ゲート電圧Vgeを検出対象とした場合、電圧駆動型半導体素子のゲート閾値電圧(コレクタ電流Iceが流れ始めるゲート電圧)が温度特性を有していて、その温度特性が素子毎に異なるため、ゲート電圧Vgeの検出回路における駆動切換の閾値の設定が困難となる。
However, as in the technique described in Patent Document 1 described above, when switching of driving by a plurality of driving circuits is performed using a delay circuit, it is affected by variations in characteristics of voltage-driven semiconductor elements and temperature characteristics. Therefore, since the delay time set by the delay circuit varies, it is difficult to set the delay time.
Further, in the detection circuit for detecting the collector-emitter voltage Vce, a high withstand voltage characteristic is required for the Zener diode included in the detection circuit, so that it is necessary to connect a plurality of Zener diodes in series, and the circuit scale Will become bigger. Furthermore, since the voltage Vce between the collector and the emitter is accompanied by voltage switching noise of another phase, there is a possibility that the voltage Vce between the collector and the emitter is erroneously detected.
In addition, when the gate voltage Vge is a detection target, the gate threshold voltage of the voltage-driven semiconductor element (the gate voltage at which the collector current Ice starts flowing) has temperature characteristics, and the temperature characteristics are different for each element. It becomes difficult to set the drive switching threshold in the gate voltage Vge detection circuit.

また、コレクタ電流Iceを検出対象とした場合は、コレクタ電流Iceを検出するためのセンス用素子を電圧駆動型半導体素子と並列に設ける必要があるが、電圧駆動型半導体素子およびセンス用素子に電流が流れるタイミングが、過渡的にずれてしまうため、ターンオン時やターンオフ時におけるコレクタ電流Iceの検出精度が悪くなってしまう。さらに、複数の電圧駆動型半導体素子を並列接続した回路では、ターンオン時やターンオフ時に、コレクタ電流Iceが、該複数の電圧駆動型半導体素子に均等に流れない場合があるため、電圧駆動型半導体素子の特性によっては、ゲート抵抗値の切り換えタイミングがずれてしまうという問題がある。
また、特許文献1に記載の技術では、切り換えが行われるゲート抵抗と同じ数だけのゲート駆動回路が必要となって、回路規模が大きくなるとともに、それぞれのゲート駆動回路に対して電流駆動能力が必要となるため、装置の小型化が困難となる。
When the collector current Ice is to be detected, it is necessary to provide a sensing element for detecting the collector current Ice in parallel with the voltage-driven semiconductor element. However, a current is supplied to the voltage-driven semiconductor element and the sensing element. As a result, the detection accuracy of the collector current Ice at turn-on or turn-off deteriorates. Further, in a circuit in which a plurality of voltage-driven semiconductor elements are connected in parallel, the collector current Ice may not flow evenly through the plurality of voltage-driven semiconductor elements at turn-on or turn-off. Depending on the characteristics, there is a problem that the switching timing of the gate resistance value is shifted.
Further, the technique described in Patent Document 1 requires as many gate drive circuits as the number of gate resistors to be switched, which increases the circuit scale and provides a current drive capability for each gate drive circuit. This makes it difficult to reduce the size of the apparatus.

上記課題を解決する電圧駆動型半導体素子の駆動装置および方法は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項1記載のごとく、電圧駆動型半導体素子の駆動装置であって、電圧駆動型半導体素子のターンオン時に、該電圧駆動型半導体素子のゲート電圧の時間変化率を検出し、検出したゲート電圧の時間変化率に基づいて電圧駆動型半導体素子の駆動制御を行う。
これにより、遅延回路を用いて駆動制御を行った場合のように、電圧駆動型半導体素子の特性ばらつきや温度特性の影響を受けることがなく、高精度な駆動制御を行うことができ、制御条件の設定を容易に行うことができる。
A voltage-driven semiconductor device driving apparatus and method for solving the above-described problems have the following characteristics.
That is, the voltage-driven semiconductor element driving device according to claim 1, wherein when the voltage-driven semiconductor element is turned on, the time change rate of the gate voltage of the voltage-driven semiconductor element is detected, and the detected gate is detected. The drive control of the voltage-driven semiconductor element is performed based on the time change rate of the voltage.
As a result, unlike the case where drive control is performed using a delay circuit, high-precision drive control can be performed without being affected by variations in characteristics and temperature characteristics of voltage-driven semiconductor elements. Can be easily set.

また、請求項2記載のごとく、前記ターンオン時には、ゲート電圧の時間変化率が一定値以上となる第1の区間と、該第1の区間に続く、ゲート電圧の時間変化率が一定値未満となる第2の区間とが存在し、第2の区間におけるゲート抵抗値が、第1の区間におけるゲート抵抗値よりも低い値となるように制御する。
これにより、遅延回路を用いてゲート抵抗値を切り換えた場合のように、電圧駆動型半導体素子の特性ばらつきや温度特性の影響を受けることがなく、高精度な制御を行うことができ、ゲート抵抗値の切り換えタイミングの設定を容易に行うことができる。
さらに、高精度での制御が可能となることで、第2の区間の時間が短くなっても正確なスイッチング制御を行うことができ、高速制御が可能となる。
また、駆動装置を低い耐圧特性の素子を用いて構成できるため回路規模を小さくすることができるとともに、他相のスイッチングノイズの影響を受け難いので、誤検出の発生を抑えることができる。
According to a second aspect of the present invention, at the time of turn-on, the first period in which the time change rate of the gate voltage is a certain value or more, and the time change rate of the gate voltage following the first period is less than a certain value. And the gate resistance value in the second section is controlled to be lower than the gate resistance value in the first section.
As a result, unlike the case where the gate resistance value is switched using a delay circuit, high-precision control can be performed without being affected by variations in characteristics of the voltage-driven semiconductor element and temperature characteristics. It is possible to easily set the value switching timing.
Furthermore, since high-precision control is possible, accurate switching control can be performed even when the time of the second section is shortened, and high-speed control is possible.
In addition, since the drive device can be configured by using an element having a low withstand voltage characteristic, the circuit scale can be reduced, and it is difficult to be affected by the switching noise of other phases, so that the occurrence of erroneous detection can be suppressed.

また、請求項3記載のごとく、前記電圧駆動型半導体素子の駆動装置は、第1のゲート抵抗、および第1のゲート抵抗と並列に設けられる第2のゲート抵抗と、第1のゲート抵抗に接続された第1のスイッチング素子、および第2のゲート抵抗に接続された第2のスイッチング素子とを備え、前記第1の区間には第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の何れか一方をオンして、前記第2の区間には第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の両方をオンする。
これにより、ゲート抵抗毎にゲート駆動回路を設けた場合に比べて駆動回路等を小型化することができる。
According to a third aspect of the present invention, the voltage-driven semiconductor element driving device includes a first gate resistor, a second gate resistor provided in parallel with the first gate resistor, and a first gate resistor. A first switching element connected to the second switching element and a second switching element connected to a second gate resistor, wherein the first section includes one of the first switching element and the second switching element. Is turned on, and both the first switching element and the second switching element are turned on in the second section.
Thereby, a drive circuit etc. can be reduced in size compared with the case where a gate drive circuit is provided for every gate resistance.

また、請求項4記載のごとく、電圧駆動型半導体素子のターンオン時に、該電圧駆動型半導体素子のゲート電圧の時間変化率を検出し、ターンオン時におけるゲート電圧の時間変化率が一定値以上となる第1の区間のゲート抵抗値よりも、該第1の区間に続く、ゲート電圧の時間変化率が一定値未満となる第2の区間のゲート抵抗値を、低く制御する。
これにより、遅延回路を用いてゲート抵抗値を切り換えた場合のように、電圧駆動型半導体素子の特性ばらつきや温度特性の影響を受けることがなく、高精度な制御を行うことができ、ゲート抵抗値の切り換えタイミングの設定を容易に行うことができる。
さらに、高精度での制御が可能となることで、第2の区間の時間が短くなっても正確なスイッチング制御を行うことができ、高速制御が可能となる。
また、駆動装置を低い耐圧特性の素子を用いて構成できるため回路規模を小さくすることができるとともに、他相のスイッチングノイズの影響を受け難いので、誤検出の発生を抑えることができる。
According to a fourth aspect of the present invention, the time change rate of the gate voltage of the voltage-driven semiconductor element is detected when the voltage-driven semiconductor element is turned on, and the time change rate of the gate voltage at the turn-on becomes a certain value or more. The gate resistance value in the second section where the time change rate of the gate voltage following the first section is less than a certain value is controlled to be lower than the gate resistance value in the first section.
As a result, unlike the case where the gate resistance value is switched using a delay circuit, high-precision control can be performed without being affected by variations in characteristics of the voltage-driven semiconductor element and temperature characteristics. It is possible to easily set the value switching timing.
Furthermore, since high-precision control is possible, accurate switching control can be performed even when the time of the second section is shortened, and high-speed control is possible.
In addition, since the drive device can be configured by using an element having a low withstand voltage characteristic, the circuit scale can be reduced, and it is difficult to be affected by the switching noise of other phases, so that the occurrence of erroneous detection can be suppressed.

本発明によれば、電圧駆動型半導体素子の高精度な駆動制御を行うことができ、制御条件の設定を容易に行うことができるとともに、高速制御を行うことが可能となる。
また、駆動装置の回路規模を小さくすることができるとともに、誤検出の発生を抑えることができる。
According to the present invention, high-precision drive control of a voltage-driven semiconductor element can be performed, control conditions can be easily set, and high-speed control can be performed.
In addition, the circuit scale of the driving device can be reduced and the occurrence of erroneous detection can be suppressed.

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。   Next, modes for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

まず、本発明にかかる電圧駆動型半導体素子の駆動装置の概略構成について説明する。
図1に示すように、電圧駆動型半導体素子であるIGBT1の駆動装置10は、IGBT1のターンオン用のスイッチング素子Q1・Q3と、IGBT1のターンオフ用のスイッチング素子Q2と、IGBT1のゲート電圧Vgeの時間変化率dVge/dtを検出するゲート電圧変化率検出回路2と、ゲート電圧Vgeの時間変化率dVge/dtの値と予め設定される閾値Vth1とを比較する比較回路3と、前記ターンオン用のスイッチング素子Q1・Q3およびターンオフ用のスイッチング素子Q2のオン・オフ制御を行う制御回路4と、IGBT1の駆動用電源6と、IGBT1のゲート抵抗R1・R2・R3とを備えている。
また、IGBT1にはダイオードDが並列接続されている。
First, a schematic configuration of a voltage-driven semiconductor element driving device according to the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the drive device 10 of the IGBT 1 that is a voltage-driven semiconductor element includes a switching element Q 1 and Q 3 for turning on the IGBT 1, a switching element Q 2 for turning off the IGBT 1, and a gate voltage Vge of the IGBT 1. A gate voltage change rate detection circuit 2 for detecting a change rate dVge / dt, a comparison circuit 3 for comparing a time change rate dVge / dt of the gate voltage Vge with a preset threshold value Vth1, and the turn-on switching A control circuit 4 that performs on / off control of the elements Q1 and Q3 and the switching element Q2 for turn-off, a driving power source 6 for the IGBT 1, and gate resistances R1, R2, and R3 of the IGBT 1 are provided.
A diode D is connected in parallel to the IGBT 1.

ゲート抵抗R1とゲート抵抗R3、およびゲート抵抗R2とゲート抵抗R3とは、それぞれ直列接続され、該ゲート抵抗R1とゲート抵抗R2とは並列接続されており、スイッチング素子Q3はゲート抵抗R1およびゲート抵抗R3を介してIGBT1に接続され、スイッチング素子Q1・Q2はゲート抵抗R2およびゲート抵抗R3を介してIGBT1に接続されている。   The gate resistor R1 and the gate resistor R3, and the gate resistor R2 and the gate resistor R3 are connected in series, the gate resistor R1 and the gate resistor R2 are connected in parallel, and the switching element Q3 includes the gate resistor R1 and the gate resistor. The switching elements Q1 and Q2 are connected to the IGBT 1 through the gate resistance R2 and the gate resistance R3.

また、制御回路4は、ターンオン時およびターンオフ時に、それぞれスイッチング素子Q1およびスイッチング素子Q2をオン・オフ制御するとともに、ターンオン時に比較回路3からの出力に応じて前記スイッチング素子Q3のオン・オフ制御を行う。
制御回路4におけるスイッチング素子Q3のオン・オフ制御は、比較回路3に入力されたゲート電圧Vgeの時間変化率dVge/dtが閾値Vth1よりも大きいか否かに基づいて行われる。つまり、比較回路3から、時間変化率dVge/dtが閾値Vth1よりも大きい旨の比較結果が出力されるとスイッチング素子Q3をオフして、時間変化率dVge/dtが閾値Vth1以下である旨の比較結果が出力されるとスイッチング素子Q3をオンする制御を行う。
The control circuit 4 controls the switching elements Q1 and Q2 to be turned on and off at turn-on and turn-off, respectively, and controls the switching element Q3 from being turned on and off according to the output from the comparison circuit 3 at the time of turn-on. Do.
The on / off control of the switching element Q3 in the control circuit 4 is performed based on whether or not the time change rate dVge / dt of the gate voltage Vge input to the comparison circuit 3 is larger than the threshold value Vth1. That is, when a comparison result indicating that the time change rate dVge / dt is larger than the threshold value Vth1 is output from the comparison circuit 3, the switching element Q3 is turned off, and the time change rate dVge / dt is less than the threshold value Vth1. When the comparison result is output, the switching element Q3 is turned on.

前記ゲート電圧変化率検出回路2は、例えば、抵抗とコンデンサを用いたCR微分回路にて構成されている。また、ゲート電圧変化率検出回路2は、図2に示すように、オペアンプを用いて微分回路にて構成することも可能である。
そして、例えば、このように構成される駆動装置10とIGBT1との組を6組備えて、3相モータ駆動用のインバータが構成される。
The gate voltage change rate detection circuit 2 is composed of, for example, a CR differentiation circuit using a resistor and a capacitor. Further, as shown in FIG. 2, the gate voltage change rate detection circuit 2 can be configured by a differentiation circuit using an operational amplifier.
For example, six sets of the drive device 10 and the IGBT 1 configured as described above are provided, and an inverter for driving a three-phase motor is configured.

次に、駆動装置10のターンオン時における動作を、図3に示すタイミングチャートを用いて説明する。
ターンオン開始時(時刻t1)には、まず制御回路4に対して外部からIGBTターンオン信号が入力され、該制御回路4によりスイッチング素子Q1がオンされる。
Next, the operation when the driving device 10 is turned on will be described with reference to the timing chart shown in FIG.
At the start of turn-on (time t1), an IGBT turn-on signal is first input to the control circuit 4 from the outside, and the switching element Q1 is turned on by the control circuit 4.

スイッチング素子Q1がオンされると、IGBT1のゲート抵抗値rが、ゲート抵抗R2の抵抗値r2とゲート抵抗R3の抵抗値r3とを加えた値となった状態で、該IGBT1が充電される。
つまり、ターンオン開始時におけるゲート抵抗値rは、「r=r2+r3」となっている。
When the switching element Q1 is turned on, the IGBT 1 is charged in a state where the gate resistance value r of the IGBT 1 is a value obtained by adding the resistance value r2 of the gate resistance R2 and the resistance value r3 of the gate resistance R3.
That is, the gate resistance value r at the start of turn-on is “r = r2 + r3”.

IGBT1の充電が開始されると、ゲート電圧Vgeが上昇して、ゲート電圧変化率検出回路2により検出されるゲート電圧Vgeの時間変化率dVge/dtが閾値Vth1を超えるため、スイッチング素子Q3は制御回路4によりオフされる。   When charging of the IGBT 1 is started, the gate voltage Vge increases, and the time change rate dVge / dt of the gate voltage Vge detected by the gate voltage change rate detection circuit 2 exceeds the threshold value Vth1, so that the switching element Q3 is controlled. It is turned off by the circuit 4.

一方、ターンオン開始時からゲート電圧Vgeが上昇するが、IGBT1のコレクタ電流Iceはゲート電圧Vgeが予め設定された閾値Vth2に達するまでの時刻t2までは流れず、ゲート電圧Vgeが閾値Vth2を超えると流れ始める。
コレクタ電流Iceは流れ始めから上昇していき、やがて時刻t3となると定常値に落ち着く。
On the other hand, the gate voltage Vge rises from the start of turn-on, but the collector current Ice of the IGBT 1 does not flow until time t2 until the gate voltage Vge reaches the preset threshold value Vth2, and when the gate voltage Vge exceeds the threshold value Vth2 Start flowing.
The collector current Ice rises from the beginning of flow, and eventually settles to a steady value at time t3.

この、ターンオン開始の時刻t1からコレクタ電流Iceが定常値となる時刻t3までの間を第1区間S1と称する。
この第1区間S1では、スイッチング素子Q3はオフされ、スイッチング素子Q1のみがオン状態となっている。
This period from the turn-on start time t1 to the time t3 when the collector current Ice becomes a steady value is referred to as a first section S1.
In the first section S1, the switching element Q3 is turned off, and only the switching element Q1 is on.

第1区間S1において、上昇過程にあるコレクタ電流Iceの時間変化率dIce/dtが大きくなると、IGBT1と並列接続されるダイオードDにリカバリーサージ電圧が発生してしまう。リカバリーサージ電圧が発生すると、ダイオードDやIGBT1が破壊されたり、このサージ電圧に起因して生じたノイズにより誤動作が引き起こされたりする恐れがある。   In the first section S1, when the time change rate dIce / dt of the collector current Ice in the rising process is increased, a recovery surge voltage is generated in the diode D connected in parallel with the IGBT 1. When the recovery surge voltage is generated, the diode D and the IGBT 1 may be destroyed, or malfunction may be caused by noise generated due to the surge voltage.

従って、本制御装置10においては、ゲート抵抗R2とゲート抵抗R3とを直列接続してゲート抵抗値rをr2+r3と大きな値とすることで、上昇時におけるコレクタ電流Iceの時間変化率dIce/dtを低減し、リカバリーサージ電圧の発生を抑制するようにしている。   Accordingly, in the present control device 10, the gate resistance R2 and the gate resistance R3 are connected in series, and the gate resistance value r is set to a large value of r2 + r3, so that the time change rate dIce / dt of the collector current Ice at the time of rise is obtained. This reduces the generation of recovery surge voltage.

コレクタ電流Iceが定常値となる時刻t3以降は、コレクタ電圧Vceの時間変化率が減少し始める。
このとき、IGBT1のコレクタ・ゲート間容量Ccgに充電がなされるため、ゲート電圧Vgeが一定値となり、ゲート電圧Vgeの時間変化率dVge/dtが0となって閾値Vth1以下の値となる。
After time t3 when the collector current Ice becomes a steady value, the time change rate of the collector voltage Vce starts to decrease.
At this time, since the collector-gate capacitance Ccg of the IGBT 1 is charged, the gate voltage Vge becomes a constant value, the time change rate dVge / dt of the gate voltage Vge becomes 0, and becomes a value equal to or less than the threshold value Vth1.

時刻t3以降に、ゲート電圧Vgeの時間変化率dVge/dtが閾値Vth1以下の値となると、スイッチング素子Q3が制御回路4によりオンされ、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q3とが共にオンされた状態となる。
この状態ではゲート抵抗値rは、「r=1/((1/r1)+(1/r2))+r3」となっている。なお、ここでr1はゲート抵抗R1の抵抗値である。
After time t3, when the time rate of change dVge / dt of the gate voltage Vge becomes a value equal to or lower than the threshold value Vth1, the switching element Q3 is turned on by the control circuit 4, and the switching element Q1 and the switching element Q3 are both turned on. Become.
In this state, the gate resistance value r is “r = 1 / ((1 / r1) + (1 / r2)) + r3”. Here, r1 is the resistance value of the gate resistor R1.

時刻t3以降、コレクタ電圧Vceが低下して飽和電圧に達すると、再度ゲート電圧Vgeが上昇し始めるが、このコレクタ電圧Vceが飽和電圧に達してゲート電圧Vgeが上昇し始める時刻が時刻t4であり、時刻t3から時刻t4までの間を第2区間S2と称する。
この第2区間S2では、ゲート抵抗値rはr=1/((1/r1)+(1/r2))+r3となっており、前述の第1区間におけるゲート抵抗値r=r2+r3よりも小さな値となっている。
After the time t3, when the collector voltage Vce decreases and reaches the saturation voltage, the gate voltage Vge starts to rise again. However, the time when the collector voltage Vce reaches the saturation voltage and the gate voltage Vge starts to rise is time t4. A period from time t3 to time t4 is referred to as a second section S2.
In the second section S2, the gate resistance value r is r = 1 / ((1 / r1) + (1 / r2)) + r3, which is smaller than the gate resistance value r = r2 + r3 in the first section. It is a value.

このように、第2区間S2では、第1区間S1よりも低いゲート抵抗値rにてターンオンするようにしているので、第1区間S1と同じゲート抵抗値rでターンオンさせた場合に比べて、第2区間S2の時間を短くすることができ、その結果ターンオン損失を低減することが可能となっている。   As described above, in the second section S2, the turn-on is performed with a gate resistance value r lower than that in the first section S1, so that the second section S2 is turned on with the same gate resistance value r as that in the first section S1. The time of the second section S2 can be shortened, and as a result, turn-on loss can be reduced.

次に、コレクタ電圧Vceが飽和電圧に達した後(時刻t4以降)は、ゲート電圧Vgeが再度上昇を開始する。ゲート電圧Vgeは、該ゲート電圧Vgeが駆動用電源6の電圧に達する時刻t5まで上昇し、ゲート電圧Vgeが駆動用電源6の電圧に達した後は一定となる。   Next, after the collector voltage Vce reaches the saturation voltage (after time t4), the gate voltage Vge starts increasing again. The gate voltage Vge rises until time t5 when the gate voltage Vge reaches the voltage of the driving power supply 6, and becomes constant after the gate voltage Vge reaches the voltage of the driving power supply 6.

なお、時刻t4以降、ゲート電圧Vgeが上昇している間は、ゲート電圧Vgeの時間変化率dVge/dtが閾値Vth1を超えるためスイッチング素子Q3はオフされ、ゲート電圧Vgeが駆動用電源6の電圧に達して一定となる時刻t5以降は、ゲート電圧Vgeの時間変化率dVge/dtが閾値Vth1以下となるためスイッチング素子Q3はオンされる。また、この時刻t4以降(時刻t5以降も含む)を第3区間S3と称する。   After time t4, while the gate voltage Vge is rising, the time change rate dVge / dt of the gate voltage Vge exceeds the threshold value Vth1, so the switching element Q3 is turned off, and the gate voltage Vge is the voltage of the driving power supply 6 After time t5 when reaching and becomes constant, the time change rate dVge / dt of the gate voltage Vge becomes equal to or lower than the threshold value Vth1, so that the switching element Q3 is turned on. In addition, the time after t4 (including time t5 and after) is referred to as a third section S3.

この第3区間S3では、コレクタ電流Iceおよびコレクタ電圧Vceが共に定常値を示す定常状態となっているため、ゲート抵抗値rの大小、つまりスイッチング素子Q3のオン・オフはリカバリーサージ電圧やターンオン損失の大きさには関係しない。
従って、スイッチング素子Q3をオン制御するかオフ制御するかは問わない。
In the third section S3, since both the collector current Ice and the collector voltage Vce are in a steady state showing steady values, the gate resistance value r, that is, the on / off state of the switching element Q3 depends on the recovery surge voltage and turn-on loss. It does not relate to the size of.
Therefore, it does not matter whether the switching element Q3 is on-controlled or off-controlled.

ここで、ターンオン時におけるゲート抵抗値rを、第1区間S1および第2区間S2を通じてr=r2+r3に設定して、ゲート抵抗値を一定とした場合の、ゲート電圧Vge、コレクタ電流Ice、コレクタ電圧Vce、およびターンオン損失Pの波形を図4に示す。   Here, when the gate resistance value r at turn-on is set to r = r2 + r3 through the first section S1 and the second section S2, and the gate resistance value is constant, the gate voltage Vge, the collector current Ice, the collector voltage Waveforms of Vce and turn-on loss P are shown in FIG.

また、ターンオン時におけるゲート抵抗値rを、第1区間S1ではr=r2+r3に設定し、第2区間S2では第1区間S1での値よりも小さなr=1/((1/r1)+(1/r2))+r3に設定して、ゲート抵抗値を切り換えた場合の、ゲート電圧Vge、コレクタ電流Ice、コレクタ電圧Vce、およびターンオン損失Pの波形を図5に示す。   Further, the gate resistance value r at the time of turn-on is set to r = r2 + r3 in the first section S1, and in the second section S2, r = 1 / ((1 / r1) + () smaller than the value in the first section S1. FIG. 5 shows waveforms of the gate voltage Vge, the collector current Ice, the collector voltage Vce, and the turn-on loss P when the gate resistance value is switched by setting 1 / r2)) + r3.

図4、図5によると、ゲート抵抗値一定の場合とゲート抵抗値切り換えの場合とでは、リカバリーサージ電圧を示すコレクタ電流Iceのピーク値Ipの大きさは同等である。
一方、図5に示すゲート抵抗値切り換えの場合の第2区間S2の時間tbは、図4に示すゲート抵抗値一定の場合の第2区間S2の時間taよりも短くなっており、ターンオン損失Pが減少していることが分かる。
According to FIG. 4 and FIG. 5, the magnitude of the peak value Ip of the collector current Ice indicating the recovery surge voltage is the same when the gate resistance value is constant and when the gate resistance value is switched.
On the other hand, the time tb of the second section S2 when the gate resistance value is switched as shown in FIG. 5 is shorter than the time ta of the second section S2 when the gate resistance value is constant as shown in FIG. It can be seen that is decreasing.

以上のように、本駆動装置10においては、第2区間S2でのゲート抵抗値S2が、第1区間S1でのゲート抵抗値S1よりも小さくなるように、該第1区間S1と第2区間S2とでゲート抵抗値rを切り換えている。
この場合、ゲート抵抗値rの切り換えは、ゲート電圧変化率検出回路2により検出されたゲート電圧Vgeの時間変化率dVge/dtに基づいて行っているので、遅延回路を用いて切り換えを行った場合のように、IGBT1の特性ばらつきや温度特性の影響を受けることがなく、高精度な制御を行うことができ、ゲート抵抗値rの切り換えタイミングの設定を容易に行うことができる。
As described above, in the present driving device 10, the first section S1 and the second section are set so that the gate resistance value S2 in the second section S2 is smaller than the gate resistance value S1 in the first section S1. The gate resistance value r is switched between S2 and S2.
In this case, since the switching of the gate resistance value r is performed based on the time rate of change dVge / dt of the gate voltage Vge detected by the gate voltage change rate detection circuit 2, the switching is performed using a delay circuit. As described above, it is possible to perform highly accurate control without being affected by variations in the characteristics of the IGBT 1 and temperature characteristics, and it is possible to easily set the switching timing of the gate resistance value r.

つまり、IGBT1毎の特性ばらつきや温度特性の影響によりゲート電圧Vgeの絶対値がばらついたとしても、該ゲート電圧Vgeを微分して得られる時間変化率dVge/dtは略一定となることから、閾値Vth1の設定が容易となる。
さらに、高精度での制御が可能となることで、第2区間S2の時間tbが短くなっても正確なスイッチング制御を行うことができ、高速制御が可能となる。
That is, even if the absolute value of the gate voltage Vge varies due to the characteristic variation for each IGBT 1 or the influence of the temperature characteristic, the time change rate dVge / dt obtained by differentiating the gate voltage Vge is substantially constant. Setting of Vth1 becomes easy.
Furthermore, since control with high accuracy is possible, accurate switching control can be performed even when the time tb of the second section S2 is shortened, and high-speed control is possible.

また、ゲート電圧変化率検出回路2および比較回路3は、ゲート電圧Vgeを微分して比較する回路であり、通常ゲート電圧Vgeは−15V〜15Vまたは0V〜15Vの範囲の値をとることから、ゲート電圧変化率検出回路2および比較回路3も低い耐圧特性(例えば35V以下)の素子を用いて構成することができ、回路規模を小さくすることができる。
さらに、IGBT1のゲート・エミッタ間容量は、およそ0.001μF〜0.1μF程度の巨大なコンデンサとなっており、ゲート電圧Vgeはこの容量性負荷に発生する電圧であるため、他相のスイッチングノイズの影響を受け難い。従って、ゲート電圧変化率検出回路2では誤検出の発生が抑えられる。
The gate voltage change rate detection circuit 2 and the comparison circuit 3 are circuits for differentiating and comparing the gate voltage Vge, and the normal gate voltage Vge usually takes a value in the range of −15V to 15V or 0V to 15V. The gate voltage change rate detection circuit 2 and the comparison circuit 3 can also be configured using elements having low breakdown voltage characteristics (for example, 35 V or less), and the circuit scale can be reduced.
Further, the gate-emitter capacitance of the IGBT 1 is a huge capacitor of about 0.001 μF to 0.1 μF, and the gate voltage Vge is a voltage generated in this capacitive load. It is hard to be influenced by. Therefore, the gate voltage change rate detection circuit 2 can suppress the occurrence of erroneous detection.

また、ターンオン時における第2区間S2ではゲート電圧Vgeは平坦となるが、このときのゲート電圧Vgeは、温度特性やIGBT1毎のばらつきを有しているため、ゲート電圧Vgeを検出対象とした場合、には閾値の設定が困難となる。
しかし、ゲート電圧Vgeの時間変化率dVge/dtは温度特性やIGBT1毎のばらつきの影響は殆ど受けないため、閾値Vth1の設定が容易となる。
In addition, the gate voltage Vge is flat in the second section S2 at the time of turn-on, but the gate voltage Vge at this time has variations in temperature characteristics and each IGBT1, and therefore the detection target is the gate voltage Vge. It is difficult to set a threshold value for.
However, since the time change rate dVge / dt of the gate voltage Vge is hardly affected by variations in temperature characteristics and for each IGBT1, it is easy to set the threshold value Vth1.

また、ゲート抵抗値rの切り換えを時間変化率dVge/dtに基づいて行った場合は、コレクタ電流Iceを検出対象とした場合のように、センス用素子を設ける必要がなく検出精度が悪化することもない。
さらに、図6に示すように、複数のIGBT1およびIGBT1’を並列接続した回路においても、切り換えタイミングがずれることもない(図6においては、ダイオードDを省略している)。
Further, when the gate resistance value r is switched based on the time rate of change dVge / dt, it is not necessary to provide a sensing element as in the case where the collector current Ice is a detection target, and the detection accuracy is deteriorated. Nor.
Furthermore, as shown in FIG. 6, even in a circuit in which a plurality of IGBTs 1 and IGBTs 1 ′ are connected in parallel, the switching timing does not deviate (in FIG. 6, the diode D is omitted).

また、ゲート抵抗値rの切り換えは、スイッチング素子Q1を常時オン状態にしつつ、スイッチング素子Q3をオン・オフ切り換えすることによって行っているので、ゲート抵抗毎にゲート駆動回路を設けた場合に比べて駆動回路を小型化することができる。
また、ターンオン時のゲート電圧Vgeの時間変化率dVge/dtは基本的に正の値を示すため、その信号を扱うゲート電圧変化率検出回路2を単電源で構成することができ、電源回路の簡素化、小型化を実現することができる。
Further, since the switching of the gate resistance value r is performed by switching the switching element Q3 on and off while the switching element Q1 is always on, as compared with the case where a gate driving circuit is provided for each gate resistance. The drive circuit can be reduced in size.
Further, since the time change rate dVge / dt of the gate voltage Vge at the turn-on basically shows a positive value, the gate voltage change rate detection circuit 2 for handling the signal can be configured with a single power source. Simplification and miniaturization can be realized.

また、本駆動装置10では、ターンオン時の初期である第1区間S1ではゲート抵抗値rを高く設定してゆっくりとスイッチングを行い、その次の第2区間S2ではゲート抵抗値rを低く設定して速くスイッチングを行う、といったように2段階のスイッチングを行っているが、3段階に分けてスイッチングを行うことも可能である。   Further, in the present driving device 10, the gate resistance value r is set high in the first section S1, which is the initial stage of turn-on, and switching is performed slowly, and the gate resistance value r is set low in the second section S2 that follows. However, it is possible to perform switching in three stages.

つまり、前記第1区間S1を、時刻t1〜時刻t2までの区間と時刻t2〜時刻t3までの区間とに分割し、時刻t1〜時刻t2の区間ではゲート抵抗値rを低く設定して(スイッチング素子Q3をオンして)速くスイッチングし、時刻t2〜時刻t3の区間ではゲート抵抗値rを高く設定して(スイッチング素子Q3をオフして)遅くスイッチングする。第2区間S2は2分割の場合と同様にスイッチング素子Q3をオンして、速いスイッチングを行う。
これにより、ターンオン時間を短くしながらリカバリーサージ電圧を抑制することができる。
That is, the first section S1 is divided into a section from time t1 to time t2 and a section from time t2 to time t3, and the gate resistance value r is set low in the section from time t1 to time t2 (switching). Switching is performed fast (by turning on the element Q3), and switching is performed slowly by setting the gate resistance value r high (turning off the switching element Q3) in the period from time t2 to time t3. In the second section S2, the switching element Q3 is turned on in the same way as in the case of two divisions, and fast switching is performed.
Thereby, the recovery surge voltage can be suppressed while shortening the turn-on time.

但し、このような3段階に分割したスイッチングを行った場合は、2つの区間に分割される第1区間S1において、ゲート電圧変化率検出回路2、比較回路3、および制御回路4の応答時間や、スイッチング素子Q3のスイッチング時間の影響により、スイッチング素子Q3のオン状態からオフ状態への切り換えタイミングが遅れて、コレクタ電流Iceが変化し始めているときに速くスイッチングしてしまい、リカバリーサージ電圧が増加してしまうといった恐れがある。   However, when the switching divided into three stages is performed, the response time of the gate voltage change rate detection circuit 2, the comparison circuit 3, and the control circuit 4 in the first section S1 divided into two sections Due to the influence of the switching time of the switching element Q3, the switching timing of the switching element Q3 from the on state to the off state is delayed, and when the collector current Ice starts to change, switching is performed quickly, and the recovery surge voltage increases. There is a risk of ending up.

これに対し、2段階に分割してスイッチングを行った場合は、第1区間S1のスイッチング素子Q3がオフされた状態から第2区間S2のオンされた状態への切り換えタイミングが遅れたとしても、リカバリーサージ電圧は増加することがなく、駆動装置10は安定方向へ制御されることとなる。   On the other hand, when switching is performed in two stages, even if the switching timing from the state in which the switching element Q3 in the first section S1 is turned off to the state in which the second section S2 is turned on is delayed, The recovery surge voltage does not increase, and the drive device 10 is controlled in a stable direction.

本発明にかかるIGBTの駆動装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the drive device of IGBT concerning this invention. ゲート電圧変化率検出回路2の別実施例を示す回路図である。6 is a circuit diagram showing another embodiment of the gate voltage change rate detection circuit 2. FIG. ターンオン時のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart at the time of turn-on. ターンオン時におけるゲート抵抗値を、第1区間および第2区間を通じて一定に設定した場合の、ゲート電圧、コレクタ電流、コレクタ電圧、およびターンオン損失の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of a gate voltage, a collector current, a collector voltage, and a turn-on loss at the time of setting the gate resistance value at the time of turn-on constant throughout a 1st area and a 2nd area. ターンオン時におけるゲート抵抗値を、第1区間よりも第2区間の方が小さくなるように切り換えた場合の、ゲート電圧、コレクタ電流、コレクタ電圧、およびターンオン損失の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of a gate voltage, collector current, collector voltage, and a turn-on loss at the time of switching the gate resistance value at the time of turn-on so that the 2nd area may become smaller than a 1st area. 複数のIGBTを並列接続した場合の駆動装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the drive device at the time of connecting several IGBT in parallel.

符号の説明Explanation of symbols

1 IGBT
2 ゲート電圧変化率検出回路
3 比較回路
4 制御回路
R1・R2・R3 ゲート抵抗
Q1・Q2・Q3 スイッチング素子
dVge/dt (ゲート電圧の)時間変化率
Ice コレクタ電流
Vge ゲート電圧
Vce コレクタ電圧
P ターンオン損失
1 IGBT
2 Gate voltage change rate detection circuit 3 Comparison circuit 4 Control circuit R1, R2, R3 Gate resistance Q1, Q2, Q3 Switching element dVge / dt Time change rate (of gate voltage) Ice collector current Vge Gate voltage Vce Collector voltage P Turn-on loss

Claims (4)

電圧駆動型半導体素子の駆動装置であって、
電圧駆動型半導体素子のターンオン時に、該電圧駆動型半導体素子のゲート電圧の時間変化率を検出し、検出したゲート電圧の時間変化率に基づいて電圧駆動型半導体素子の駆動制御を行うことを特徴とする電圧駆動型半導体素子の駆動装置。
A driving device for a voltage-driven semiconductor element,
When the voltage-driven semiconductor element is turned on, a time change rate of the gate voltage of the voltage-driven semiconductor element is detected, and drive control of the voltage-driven semiconductor element is performed based on the detected time change rate of the gate voltage. A drive device for a voltage-driven semiconductor element.
前記ターンオン時には、ゲート電圧の時間変化率が一定値以上となる第1の区間と、該第1の区間に続く、ゲート電圧の時間変化率が一定値未満となる第2の区間とが存在し、
第2の区間におけるゲート抵抗値が、第1の区間におけるゲート抵抗値よりも低い値となるように制御することを特徴とする請求項1に記載の電圧駆動型半導体素子の駆動装置。
At the time of turn-on, there is a first interval in which the time change rate of the gate voltage is equal to or greater than a certain value, and a second interval following the first interval in which the time change rate of the gate voltage is less than a certain value. ,
2. The voltage-driven semiconductor element driving device according to claim 1, wherein the gate resistance value in the second section is controlled to be lower than the gate resistance value in the first section.
前記電圧駆動型半導体素子の駆動装置は、
第1のゲート抵抗、および第1のゲート抵抗と並列に設けられる第2のゲート抵抗と、
第1のゲート抵抗に接続された第1のスイッチング素子、および第2のゲート抵抗に接続された第2のスイッチング素子とを備え、
前記第1の区間には第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の何れか一方をオンして、前記第2の区間には第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の両方をオンすることを特徴する請求項1または請求項2に記載の電圧駆動型半導体素子の駆動装置。
The voltage-driven semiconductor element driving device comprises:
A first gate resistor and a second gate resistor provided in parallel with the first gate resistor;
A first switching element connected to the first gate resistance, and a second switching element connected to the second gate resistance,
Either the first switching element or the second switching element is turned on in the first section, and both the first switching element and the second switching element are turned on in the second section. 3. The voltage driving type semiconductor device driving apparatus according to claim 1, wherein the driving device is a voltage driving type semiconductor device.
電圧駆動型半導体素子のターンオン時に、該電圧駆動型半導体素子のゲート電圧の時間変化率を検出し、
ターンオン時におけるゲート電圧の時間変化率が一定値以上となる第1の区間のゲート抵抗値よりも、該第1の区間に続く、ゲート電圧の時間変化率が一定値未満となる第2の区間のゲート抵抗値を、低く制御することを特徴とする電圧駆動型半導体素子の駆動方法。

When the voltage driven semiconductor element is turned on, the time change rate of the gate voltage of the voltage driven semiconductor element is detected,
A second interval in which the time change rate of the gate voltage is less than a constant value, following the first interval, rather than the gate resistance value in the first interval in which the change rate of the gate voltage at the turn-on time is a certain value or more. A method for driving a voltage-driven semiconductor element, characterized in that the gate resistance value is controlled to be low.

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