JP2012100432A - Gate drive device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gate drive device capable of preventing malfunction of a gate drive circuit, which is caused by noises, at a low cost, with the gate drive circuit being integrated at high density, and reducing possibility of short circuit destruction of a semiconductor switching element which is caused when a noise is superposed on a normal control signal.SOLUTION: A gate drive circuit 6 and a gate drive circuit 9 for driving a module 2 for U-phase, a gate drive circuit 7 and a gate driving circuit 10 for driving a module 3 for V-phase, and a gate drive circuit 8 and a gate drive circuit 11 for driving a module 4 for W-shape are arranged not to approach each other in closest manner. By this configuration, it is prevented that the noise generated from a control circuit for upper and lower arms in the same phase are superposed on each other for malfunction, otherwise, semiconductor elements constituting the upper and lower arms in the same phase come to be ON to cause short-circuit destruction.

Description

この発明は、半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動装置に関するものであり、特に半導体スイッチング素子を高信頼にスイッチングできるゲート駆動回路の配置に関するものである。   The present invention relates to a gate driving device for driving a semiconductor switching element, and more particularly to an arrangement of a gate driving circuit capable of switching a semiconductor switching element with high reliability.

近年、機器の小型化の要求は強くなってきており、機器に搭載される回路基板用の設置スペースも減少している。これにより回路は高密度に集積される。
例えば、電力変換器であるインバータには半導体スイッチング素子が用いられているが、素子は複数で一つのパッケージ(モジュール)になっていることが多い。
一つのモジュールに2素子(上アームと下アーム)が封入されている場合、これらの素子を駆動するそれぞれの回路は、互いに絶縁を確保しながらも近接して配置される場合が多く、上下アーム用の回路をセットにしてモジュールの数だけ並べられている。これによりモジュールと駆動回路をセットにして集積しやすくなり、機器全体の小型化につなげることも可能となる(例えば特許文献1参照)。
In recent years, there has been a strong demand for downsizing of devices, and the installation space for circuit boards mounted on the devices has also been reduced. As a result, the circuits are integrated with high density.
For example, a semiconductor switching element is used for an inverter that is a power converter, but a plurality of elements are often provided in one package (module).
When two elements (upper arm and lower arm) are encapsulated in one module, the circuits that drive these elements are often arranged close to each other while ensuring mutual insulation. As many as the number of modules are arranged. As a result, it becomes easy to integrate the module and the drive circuit as a set, and it is possible to reduce the size of the entire device (see, for example, Patent Document 1).

特開2006−81309号公報(第17頁、図3)Japanese Patent Laying-Open No. 2006-81309 (page 17, FIG. 3)

インバータなどの電力変換器においては、変換器を構成する半導体スイッチング素子の高速(高周波)スイッチング化が進められている。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のみならず、特にMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を半導体スイッチング素子に用いることでその傾向は顕著となっている。
In power converters such as inverters, high-speed (high-frequency) switching of semiconductor switching elements constituting the converter is being promoted.
The tendency becomes remarkable by using not only IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) but also MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) for semiconductor switching elements.

その中でもSiC−MOSFET(Silicon Carbide−MOSFET)は大電力領域での高速(高周波)スイッチングが可能で、実用化が進められている。
一般に、回路が動作すると回路からは動作に伴う電磁ノイズが発生する。このノイズは回路を介して伝搬される伝導ノイズや空間を介して伝搬される放射(輻射)ノイズといった形態で、発生源から周辺に伝搬される。
Among these, SiC-MOSFETs (Silicon Carbide-MOSFETs) are capable of high-speed (high-frequency) switching in a large power region and are being put into practical use.
Generally, when a circuit is operated, electromagnetic noise accompanying the operation is generated from the circuit. This noise is propagated from the source to the periphery in the form of conduction noise propagated through the circuit and radiation (radiation) noise propagated through the space.

ノイズの発生は回路の動作が高速(高周波)であるほど顕著となり易い。また、他の回路や機器類は、ノイズの発生源から近距離にあるほどノイズの影響を大きく受け易い。
小型化された電力変換器は、内部回路が密集し、これらの回路を高速(高周波)で動作させる代表的なアプリケーションの一つであるといえる。
Noise generation tends to become more noticeable as the circuit operates at higher speed (high frequency). Other circuits and devices are more susceptible to noise as they are closer to the noise source.
The miniaturized power converter is one of typical applications in which internal circuits are densely packed and these circuits are operated at high speed (high frequency).

上述のような特性から、電力変換器の複数の回路で発生したノイズが近傍の他の回路へ互いに伝搬し合うことで誤動作したり、正常な制御信号にノイズが重畳されることによって半導体スイッチの誤オンが発生し、その結果として半導体スイッチング素子の短絡破壊に至るというような問題があった。   Due to the above characteristics, the noise generated in a plurality of circuits of the power converter propagates to other circuits in the vicinity and malfunctions, or the noise is superimposed on the normal control signal. There has been a problem that erroneous ON occurs, resulting in short circuit breakdown of the semiconductor switching element.

特に半導体スイッチング素子にSiC−MOSFETを用いた場合、その素子特性から従来のSi−MOSFETと比較してノイズで誤オンする可能性が更に高くなってしまう問題があった。
また、ノイズを低減するにはフィルタやシールドといった追加構成が必要で、対策にはコスト増加を伴うという問題があった。
In particular, when a SiC-MOSFET is used as a semiconductor switching element, there is a problem that the possibility of erroneous turn-on due to noise is further increased because of its element characteristics as compared with a conventional Si-MOSFET.
Further, in order to reduce noise, an additional configuration such as a filter or a shield is necessary, and there is a problem that the countermeasure is accompanied by an increase in cost.

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、高密度なゲート駆動回路の集積をしながらも低コストで、ノイズによるゲート駆動回路の誤動作を防止し、あるいは、正常な制御信号にノイズが重畳されることで半導体スイッチング素子が短絡破壊される確率を低下させることができるゲート駆動装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve such a problem, and prevents malfunction of the gate drive circuit due to noise at a low cost while integrating a high-density gate drive circuit, or is normal. It is an object of the present invention to obtain a gate drive device that can reduce the probability that a semiconductor switching element will be short-circuited and destroyed by superimposing noise on a control signal.

この発明に係るゲート駆動装置は、複数の半導体スイッチング素子を駆動する複数のゲート駆動回路を基板上に有するゲート駆動装置であって、複数のゲート駆動回路のうちの任意のゲート駆動回路と、当該ゲート駆動回路に最も近接する他のゲート駆動回路は、互いに制御する相を異にすることを特徴とするものである。   A gate drive device according to the present invention is a gate drive device having a plurality of gate drive circuits for driving a plurality of semiconductor switching elements on a substrate, and an arbitrary gate drive circuit among the plurality of gate drive circuits, Another gate drive circuit closest to the gate drive circuit is characterized in that the phases to be controlled are different from each other.

この発明に係るゲート駆動装置は、任意のゲート駆動回路と、当該ゲート駆動回路に最も近接する他のゲート駆動回路が、互いに制御する相を異にすることを特徴とするものなので、同一相の上下アームを制御するゲート駆動回路同士を隣接させない様に配置することで、ゲート駆動装置の大型化とコストの増加を伴わずに、ノイズによる半導体スイッチング素子の誤動作を防止し、素子が短絡破壊に至る確率を低下させることができる。   The gate driving device according to the present invention is characterized in that an arbitrary gate driving circuit and another gate driving circuit closest to the gate driving circuit are controlled in different phases. Arranging the gate drive circuits that control the upper and lower arms so as not to be adjacent to each other prevents the malfunction of the semiconductor switching element due to noise without increasing the size and cost of the gate drive device, resulting in short circuit breakdown Can be reduced.

本発明の実施の形態1に係るゲート駆動装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the gate drive device concerning Embodiment 1 of the present invention. 図1における制御信号の例を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the example of the control signal in FIG. 図2における制御信号の配置を入れ替えて示した模式図である。It is the schematic diagram which replaced and showed arrangement | positioning of the control signal in FIG. 本発明の実施の形態2に係るゲート駆動装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the gate drive device concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係るゲート駆動装置の変形例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the modification of the gate drive device which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に係るゲート駆動装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the gate drive device concerning Embodiment 3 of this invention. 従来のゲート駆動装置の回路の例を示した概略構成図である。It is the schematic block diagram which showed the example of the circuit of the conventional gate drive device. 従来のゲート駆動装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional gate drive device. 図8の各ゲート駆動回路における制御信号の例を示した模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of a control signal in each gate drive circuit of FIG. 8.

実施の形態1.
本実施の形態に係るゲート駆動装置の発明の説明に先立ち、一般的な従来のゲート駆動回路の配置と、ゲート駆動回路から発生するノイズの影響について説明する。
図7は、一般的な三相インバータ回路の例を示している。ここでは半導体スイッチング素子としてIGBTを用い、制御端子(UP,UN,VP,VN,WP,WN)には制御回路で生成されたPWM(Pulse Width Modulation)制御信号が入力されている。
Embodiment 1 FIG.
Prior to the description of the invention of the gate driving device according to the present embodiment, the arrangement of a general conventional gate driving circuit and the influence of noise generated from the gate driving circuit will be described.
FIG. 7 shows an example of a general three-phase inverter circuit. Here, an IGBT is used as the semiconductor switching element, and a PWM (Pulse Width Modulation) control signal generated by the control circuit is input to the control terminals (UP, UN, VP, VN, WP, WN).

図8は、IGBTが封入された3つのモジュール2〜モジュール4と、基板5上に配設されたゲート駆動回路6〜ゲート駆動回路11で構成されるゲート駆動装置1の概略構成図である。モジュール2〜4にはIGBTが2素子ずつ封入され一相分の上下アームを構成し、ゲート駆動回路6〜11はIGBT毎に構成されている。
ここではモジュール2がU相用、モジュール3がV相用、モジュール4がW相用(以下同様)として説明する。
ゲート駆動回路6〜ゲート駆動回路11はモジュールごとに上下アーム用がセットで配置されている。ここで、ゲート駆動回路6は、モジュール2のハイサイド用ゲート駆動回路であり、ゲート駆動回路9はモジュール2のローサイド用ゲート駆動回路である。
また、ゲート駆動回路7は、モジュール3のハイサイド用ゲート駆動回路であり、ゲート駆動回路10はモジュール3のローサイド用ゲート駆動回路である。同様にゲート駆動回路8は、モジュール4のハイサイド用ゲート駆動回路であり、ゲート駆動回路11はモジュール4のローサイド用ゲート駆動回路である。(以下の説明において同様とする。)
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a gate driving apparatus 1 including three modules 2 to 4 in which IGBTs are sealed and a gate driving circuit 6 to a gate driving circuit 11 disposed on a substrate 5. Two modules of IGBT are enclosed in modules 2 to 4 to form upper and lower arms for one phase, and gate drive circuits 6 to 11 are configured for each IGBT.
Here, the module 2 is for U phase, the module 3 is for V phase, and the module 4 is for W phase (the same applies hereinafter).
The gate drive circuit 6 to the gate drive circuit 11 are arranged as a set for the upper and lower arms for each module. Here, the gate drive circuit 6 is a high-side gate drive circuit for the module 2, and the gate drive circuit 9 is a low-side gate drive circuit for the module 2.
The gate drive circuit 7 is a high-side gate drive circuit for the module 3, and the gate drive circuit 10 is a low-side gate drive circuit for the module 3. Similarly, the gate drive circuit 8 is a high-side gate drive circuit for the module 4, and the gate drive circuit 11 is a low-side gate drive circuit for the module 4. (The same shall apply in the following description.)

一般に、制御回路で発生するノイズは、制御回路を流れる電流や印加されている電圧の変化量が大きい場合に発生し易い。これは制御信号がローからハイ、ハイからローに切り替わるタイミングに相当する。すなわち、このタイミングでノイズが発生し制御信号にもこのノイズが重畳されることとなる。
また、ノイズは、ノイズ源に近い程大きく重畳される。
図9は、IGBTの制御端子に伝達される制御信号を模式的に示しており、ハードスイッチングになりやすい制御信号の立ち上がり時に着目した図である。
近接して配置されている同相の制御回路の制御信号には、信号の変化時に発生するノイズが互いに出ている。
In general, noise generated in the control circuit is likely to occur when the amount of change in the current flowing through the control circuit or the applied voltage is large. This corresponds to the timing at which the control signal switches from low to high and from high to low. That is, noise is generated at this timing, and this noise is also superimposed on the control signal.
In addition, the noise is superposed as it gets closer to the noise source.
FIG. 9 schematically shows a control signal transmitted to the control terminal of the IGBT, and is a diagram focused on when the control signal is likely to be hard-switched.
The control signals of the in-phase control circuits arranged close to each other generate noise generated when the signal changes.

U相を例に説明する。制御端子UP(U相ハイサイド)の制御信号変化により制御端子UNの制御信号に重畳したノイズがIGBTの閾値電圧を超過すると、本来はオフ状態である下アームのIGBTは誤動作してオンとなってしまう(図9楕円で示す部分)。このとき上アームのIGBTはオンになっているため、上下アームともオン状態となって短絡し、両IGBTは破壊に至る。制御端子UNの信号変化時についても同様であり、V相とW相においても同様となる。   The U phase will be described as an example. When the noise superimposed on the control signal of the control terminal UN exceeds the IGBT threshold voltage due to the control signal change of the control terminal UP (U-phase high side), the IGBT of the lower arm, which is originally in the off state, malfunctions and is turned on. (Part shown by an ellipse in FIG. 9). At this time, since the IGBT of the upper arm is on, both the upper and lower arms are turned on and short-circuited, and both IGBTs are destroyed. The same applies to the signal change of the control terminal UN, and the same applies to the V phase and the W phase.

このように、従来の一般的なゲート駆動回路の配置では制御信号が変化するたびに同相の制御信号にノイズが重畳されてアーム短絡する可能性が生じてしまうため、物理的に制御回路を離すなどの対策を採用していた。
そこで、実装面積を増大させること無しにノイズの重畳からアーム短絡へ至る確率を低下させるゲート駆動装置が求められていたのである。
As described above, in the conventional arrangement of the general gate drive circuit, every time the control signal changes, noise may be superimposed on the control signal in the same phase and the arm may be short-circuited. Therefore, the control circuit is physically separated. The measures such as were adopted.
Therefore, there has been a need for a gate drive device that reduces the probability of noise short-circuiting to arm short-circuiting without increasing the mounting area.

図1は、この発明の実施の形態1に係るゲート駆動装置を示す概略構成図である。図1において、ゲート駆動装置101は、モジュール2〜モジュール4を駆動する基板5上に設けられたゲート駆動回路6〜ゲート駆動回路11を備える。各モジュールには2個の半導体スイッチング素子を内蔵して一相の上下アームを構成する。
ここで、U相用のモジュール2を駆動するのはゲート駆動回路6とゲート駆動回路9、V相用のモジュール3を駆動するのはゲート駆動回路7とゲート駆動回路10、W相用のモジュール4を駆動するのはゲート駆動回路8とゲート駆動回路11である。つまり、U相ハイサイドのゲート駆動回路6の最も近傍にはW相ローサイドのゲート駆動回路11が、V相ハイサイドのゲート駆動回路7の最も近傍にはU相ローサイドのゲート駆動回路9が、W相ハイサイドのゲート駆動回路8の最も近傍にはV相ローサイドのゲート駆動回路10が位置している。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a gate driving apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the gate drive device 101 includes a gate drive circuit 6 to a gate drive circuit 11 provided on a substrate 5 that drives the modules 2 to 4. Each module incorporates two semiconductor switching elements to form a one-phase upper and lower arm.
Here, the U-phase module 2 is driven by the gate drive circuit 6 and the gate drive circuit 9, and the V-phase module 3 is driven by the gate drive circuit 7 and the gate drive circuit 10, and the W-phase module. 4 is driven by the gate drive circuit 8 and the gate drive circuit 11. That is, the W-phase low-side gate drive circuit 11 is closest to the U-phase high-side gate drive circuit 6, and the U-phase low-side gate drive circuit 9 is closest to the V-phase high-side gate drive circuit 7. The V-phase low-side gate drive circuit 10 is located closest to the W-phase high-side gate drive circuit 8.

このようなゲート駆動回路の構成の下に、図7に示した一般的な三相インバータ回路をPWM制御で駆動する場合、図2に示すように、各半導体素子に対する制御信号には、最も近傍に配置されたゲート駆動回路からのノイズが大きく重畳され易い。
図2に示す各制御信号の波形を相ごとに並べ替えたものが図3である。
When the general three-phase inverter circuit shown in FIG. 7 is driven by PWM control under such a gate drive circuit configuration, the control signal for each semiconductor element is closest to the control signal as shown in FIG. The noise from the gate driving circuit arranged in the circuit is greatly superimposed.
FIG. 3 shows the waveforms of the control signals shown in FIG. 2 rearranged for each phase.

図3から、以下の状況が読み取れる。(なお以下においてU、V、Wは「相」を、P、Nは「ハイサイド」、「ローサイド」を表す)
時刻t1において、UPの制御信号にはWNの制御信号立ち上がりによるノイズが重畳されており、UNの状態によっては上下アーム短絡の可能性がある。
時刻t2において、WNの制御信号にはUPの制御信号立ち上がりによるノイズが重畳されているが、同相の上アームWPはオフであり上下アーム短絡はしない。
時刻t3において、WPの制御信号にはVNの制御信号立ち上がりによるノイズが重畳されており、WNの状態によっては上下アーム短絡の可能性がある。
時刻t4において、VNの制御信号にはWPの制御信号立ち上がりによるノイズが重畳されているが、同相の上アームVPはオフであり上下アーム短絡はしない。
時刻t5において、VPの制御信号にはUNの制御信号立ち上がりによるノイズが重畳されており、VNの状態によっては上下アーム短絡の可能性がある。
時刻t6において、UNの制御信号にはVPの制御信号立ち上がりによるノイズが重畳されているが、同相の上アームUPはオフであり上下アーム短絡はしない。
これにより同相のハイサイドとローサイドが同時にオンしてアーム短絡する確率を、図9に示す従来のゲート駆動装置における制御信号波形の場合と比較して半減させる効果がある。
The following situation can be read from FIG. (In the following, U, V, and W represent “phase”, and P and N represent “high side” and “low side”)
At time t1, noise due to the rise of the control signal of WN is superimposed on the control signal of UP, and there is a possibility that the upper and lower arms are short-circuited depending on the state of UN.
At time t2, noise due to the rise of the UP control signal is superimposed on the WN control signal, but the upper arm WP of the same phase is off and the upper and lower arms are not short-circuited.
At time t3, noise due to the rise of the VN control signal is superimposed on the WP control signal, and there is a possibility that the upper and lower arms are short-circuited depending on the state of WN.
At time t4, noise due to the rise of the WP control signal is superimposed on the VN control signal, but the upper arm VP of the same phase is off and the upper and lower arms are not short-circuited.
At time t5, noise due to the rise of the UN control signal is superimposed on the VP control signal, and there is a possibility that the upper and lower arms are short-circuited depending on the state of VN.
At time t6, noise due to the rise of the VP control signal is superimposed on the UN control signal, but the upper arm UP of the same phase is off and the upper and lower arms are not short-circuited.
This has the effect of halving the probability that the in-phase high side and low side are simultaneously turned on and the arm is short-circuited as compared with the case of the control signal waveform in the conventional gate driving device shown in FIG.

このように、同相のハイサイドとローサイドのゲート駆動回路が最も近傍に位置しない様に基板上に配置することで、部品の追加や基板寸法の拡張を伴わずに、ノイズに起因して半導体スイッチング素子が破壊される確率を低下させる機能を備えたゲート駆動装置を得ることができる。   In this way, by arranging on the board so that the in-phase high-side and low-side gate drive circuits are not located closest to each other, it is possible to perform semiconductor switching due to noise without adding parts or expanding board dimensions. A gate driving device having a function of reducing the probability of element destruction can be obtained.

実施の形態2.
以下この発明の実施の形態2に係るゲート駆動装置を、実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
機器を小型化する場合、内蔵する基板の小型化が要求される。このとき、基板上の部品の実装密度を向上させる、あるいは、部品を小型化するといった手段とともに部品を基板両面に実装する方法が有効である。ここで、ゲート駆動回路を基板両面に実装する構成を本発明の実施の形態2とする。
図4は、実施の形態2に係るゲート駆動装置の概略構成図である。なお、図4では、図1と同じものは同じ符号で示しており、ここではその説明を省略するとともに、図1との相違点のみを説明する。
図4における図1との相違点は、複数のゲート駆動回路を基板両面に分散実装したことにある。
Embodiment 2. FIG.
Hereinafter, a gate driving apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described focusing on differences from the first embodiment.
When a device is downsized, it is necessary to reduce the size of a built-in substrate. At this time, it is effective to mount the components on both sides of the substrate together with means for improving the mounting density of the components on the substrate or reducing the size of the components. Here, a configuration in which the gate drive circuit is mounted on both sides of the substrate is referred to as a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the gate driving apparatus according to the second embodiment. In FIG. 4, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted here, and only differences from FIG. 1 are described.
4 is different from FIG. 1 in that a plurality of gate driving circuits are distributedly mounted on both surfaces of the substrate.

このような基板を挟んだ構成においても、各ゲート駆動回路相互間の距離を勘案して、実施の形態1と同様に各ゲート駆動回路を配置する。
本実施の形態2におけるゲート駆動装置102は、ハイサイドとローサイドのゲート駆動回路が最も近傍に位置しないように実装することで実施の形態1と同様の効果があるのに加えて、ゲート駆動回路を基板表裏両面に実装することで基板の表面積を縮小でき、ゲート駆動装置全体を小型化し、低コスト化することができるという効果がある。
Even in such a configuration with the substrate sandwiched therebetween, the gate drive circuits are arranged in the same manner as in the first embodiment in consideration of the distance between the gate drive circuits.
The gate driving device 102 according to the second embodiment has the same effect as that of the first embodiment by being mounted so that the high-side and low-side gate driving circuits are not located closest to each other. Is mounted on both the front and back surfaces of the substrate, the surface area of the substrate can be reduced, and the entire gate driving device can be reduced in size and cost.

このように、同相のハイサイドとローサイドのゲート駆動回路が最も近傍に位置しない様に基板両面に配置することで、ノイズに起因して半導体スイッチング素子が破壊される確率を低下させるとともに、機器を小型化する機能を備えたゲート駆動装置を得ることができる。   In this way, by arranging on both sides of the substrate so that the in-phase high-side and low-side gate drive circuits are not located closest to each other, the probability that the semiconductor switching element will be destroyed due to noise is reduced, and the device is A gate driving device having a function of downsizing can be obtained.

なお、上記実施の形態2においてゲート駆動回路を、回路が制御する素子単位で基板両面のいずれかに実装したが、図5に示すように一つのゲート駆動回路7を7a、7bに分割して基板の両面に実装配置しても実施の形態1と同様の効果を得られる。   In the second embodiment, the gate drive circuit is mounted on either side of the substrate in element units controlled by the circuit. However, as shown in FIG. 5, one gate drive circuit 7 is divided into 7a and 7b. Even if they are mounted on both sides of the substrate, the same effects as in the first embodiment can be obtained.

実施の形態3.
以下この発明の実施の3に係るゲート駆動装置を、実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
ハイサイドとローサイドのゲート駆動回路はそれぞれ基準電位が異なるため、互いに絶縁する必要がある。従って、上述の実施の形態1や実施の形態2では、各ゲート駆動回路は一定以上の間隔を空けて配置していた。
また、回路間の絶縁耐圧は回路間の基板沿面距離で決まるのであるが、一般に基板沿面の絶縁耐圧は空気の絶縁耐圧と比較して小さい。つまり、空気絶縁を用いれば回路を更に高密度に配置でき、小型化が可能となる。
そこで、ゲート駆動回路を実装する基板を分割した構成を実施の形態3とする。
Embodiment 3 FIG.
Hereinafter, a gate driving device according to a third embodiment of the present invention will be described focusing on differences from the first embodiment.
Since the high-side and low-side gate drive circuits have different reference potentials, they must be insulated from each other. Therefore, in the first embodiment and the second embodiment described above, the gate driving circuits are arranged with a certain interval.
In addition, the withstand voltage between the circuits is determined by the creepage distance between the substrates between the circuits, but in general, the withstand voltage along the substrate creepage is smaller than that of air. That is, if air insulation is used, the circuit can be arranged at a higher density, and the size can be reduced.
Therefore, a configuration in which the substrate on which the gate driving circuit is mounted is divided into a third embodiment.

図6は、実施の形態3に係るゲート駆動装置の概略構成図である。図6では、図1と同じものは同じ符号で示しており、ここではその説明を省略するとともに、図1との相違点のみを説明する。
図6における図1との相違点は、ゲート駆動回路を実装する基板を分割したことにある。図6に示すようにゲート駆動装置104は、分割した3枚の基板15〜基板17の表裏に1つずつ実装した6つのゲート駆動回路を有する。
このような構成において、各基板を挟んで対するゲート駆動回路同士が最も近傍に位置することから、実施の形態1で述べたルール、すなわち、同相のハイサイドとローサイドのゲート駆動回路が最も近傍に位置しないように実装配置する。
これにより、ゲート駆動装置104は、実施の形態1と同様の効果があるのに加えて、ゲート駆動回路を分割して基板両面に実装することで絶縁距離を短縮して基板の面積を縮小でき、ゲート駆動装置の小型化と低コスト化を可能とする効果がある。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the gate driving apparatus according to the third embodiment. In FIG. 6, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted here, and only differences from FIG. 1 are described.
6 differs from FIG. 1 in that the substrate on which the gate drive circuit is mounted is divided. As shown in FIG. 6, the gate driving device 104 has six gate driving circuits mounted on the front and back of the three divided substrates 15 to 17 one by one.
In such a configuration, the gate drive circuits facing each other with each substrate interposed therebetween are positioned closest to each other. Therefore, the rules described in the first embodiment, that is, the in-phase high side and low side gate drive circuits are closest to each other. Mount so that it is not located.
As a result, the gate drive device 104 has the same effect as that of the first embodiment, and can also reduce the insulation distance and reduce the substrate area by dividing the gate drive circuit and mounting it on both sides of the substrate. The gate driving device can be reduced in size and cost.

また、ノイズに起因して半導体スイッチング素子が破壊される確率を低下させるとともに、機器を小型化する機能を備えたゲート駆動装置を得ることができる。
なお、実施の形態3において、空気の高い絶縁耐圧を利用して、回路間にスリットを設けることで基板を分割すること無く基板沿面距離を長くし、ゲート駆動回路間の距離をその分短縮して装置の小型化をすることも可能であることは言うまでもない。
また、ゲート駆動回路を実施の形態1のように、全ての駆動回路を基板片面に実装しても良い。
In addition, it is possible to obtain a gate driving device having a function of reducing the size of the device while reducing the probability that the semiconductor switching element is destroyed due to noise.
In Embodiment 3, by using the high dielectric strength of air, slits are provided between the circuits to increase the creepage distance on the substrate without dividing the substrate, and to reduce the distance between the gate drive circuits accordingly. Needless to say, it is possible to downsize the apparatus.
In addition, the gate drive circuit may be mounted on one side of the substrate as in the first embodiment.

上記実施の形態1から実施の形態3において、説明を簡単にするためノイズ源をゲート駆動回路とし、その回路同士の距離からゲート駆動回路の配置を定めているが、ノイズ源が明確に示される場合においてはゲート駆動回路の配置を定める基準はそのノイズ源からの距離であることは言うまでもない。
また、各相を構成するモジュールは一つのパッケージになっていても良く、その形状などを限定するものではない。また、回路例として2レベル三相インバータを示したが、3レベルなどのマルチレベル、単相や6相などの多相、チョッパ回路などの電力変換器にも本発明が適用可能であることは言うまでもない。
In the first to third embodiments, the noise source is a gate drive circuit for simplifying the description, and the arrangement of the gate drive circuit is determined from the distance between the circuits, but the noise source is clearly shown. In some cases, it goes without saying that the reference for determining the arrangement of the gate drive circuit is the distance from the noise source.
Moreover, the module which comprises each phase may be one package, The shape etc. are not limited. In addition, a two-level three-phase inverter is shown as a circuit example. However, the present invention can be applied to a power converter such as a multi-level such as a three-level, a multi-phase such as a single-phase or a six-phase, and a chopper circuit. Needless to say.

なお、半導体スイッチング素子は従来の珪素によって形成されたものでも良いし、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成しても良い。ワイドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。
特に半導体スイッチング素子にSiC−MOSFETを用いた場合、その素子特性から従来のSi−MOSFETと比較してノイズで誤オンする可能性が更に高くなってしまう可能性があるが、本発明の駆動回路を適用することによって、正常な制御信号にノイズが重畳されることで、半導体スイッチング素子が短絡破壊される確率を低下させることができる。
The semiconductor switching element may be formed of conventional silicon or may be formed of a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon. Examples of the wide gap semiconductor include silicon carbide, a gallium nitride-based material, and diamond.
In particular, when a SiC-MOSFET is used as a semiconductor switching element, there is a possibility that the possibility of erroneous turn-on due to noise is further increased compared to a conventional Si-MOSFET due to its element characteristics. By applying the above, it is possible to reduce the probability that the semiconductor switching element is short-circuited and destroyed by superimposing noise on a normal control signal.

このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体スイッチング素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、半導体スイッチング素子の小型化が可能であり、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの一層の小型化が可能となる。   A semiconductor switching element formed of such a wide band gap semiconductor has a high voltage resistance and a high allowable current density, so that the semiconductor switching element can be miniaturized, and a semiconductor module incorporating these elements can be further reduced. Can be reduced in size.

また、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。   In addition, since the heat resistance is high, it is possible to reduce the size of the heat dissipating fins of the heat sink and the air cooling of the water cooling portion, thereby further reducing the size of the semiconductor module.

更に電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、半導体モジュールの高効率化が可能になる。   Furthermore, since the power loss is low, the switching element can be highly efficient, and the semiconductor module can be highly efficient.

101,102,104 ゲート駆動装置、2,3,4 モジュール、
5,15,16,17 基板、
6,7,7a,7b,8,9,10,11 ゲート駆動回路。
101, 102, 104 gate drive unit, 2, 3, 4 module,
5, 15, 16, 17 substrate,
6, 7, 7a, 7b, 8, 9, 10, 11 Gate drive circuit.

Claims (8)

複数の半導体スイッチング素子を駆動する複数のゲート駆動回路を基板上に有するゲート駆動装置であって、前記複数のゲート駆動回路のうちの任意のゲート駆動回路と、当該ゲート駆動回路に最も近接する他のゲート駆動回路は、互いに制御する相を異にするゲート駆動装置。 A gate driving device having a plurality of gate driving circuits for driving a plurality of semiconductor switching elements on a substrate, the gate driving circuit being the closest to the gate driving circuit among the plurality of gate driving circuits The gate drive circuit of this is a gate drive device in which the phases to be controlled are different. 前記複数のゲート駆動回路は基板の片面に実装されている請求項1に記載のゲート駆動装置。 The gate driving device according to claim 1, wherein the plurality of gate driving circuits are mounted on one side of the substrate. 前記複数のゲート駆動回路は基板の両面に実装されている請求項1に記載のゲート駆動装置。 The gate driving device according to claim 1, wherein the plurality of gate driving circuits are mounted on both surfaces of the substrate. 前記基板は、実装するゲート駆動回路の間にスリットを設けている請求項2又は請求項3に記載のゲート駆動装置。 The gate driving device according to claim 2, wherein the substrate is provided with a slit between gate driving circuits to be mounted. 前記基板は、複数に分割されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のゲート駆動装置。 The gate driving apparatus according to claim 1, wherein the substrate is divided into a plurality of parts. 前記ゲート駆動回路は、前記半導体スイッチング素子毎に構成される請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のゲート駆動装置。 The gate drive device according to claim 1, wherein the gate drive circuit is configured for each of the semiconductor switching elements. 前記半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のゲート駆動装置。 The gate driving device according to claim 1, wherein the semiconductor switching element is formed of a wide band gap semiconductor. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素又は窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである請求項7に記載のゲート駆動装置。 The gate driving device according to claim 7, wherein the wide band gap semiconductor is silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond.
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