JP2012157168A

JP2012157168A - ゲート駆動回路

Info

Publication number: JP2012157168A
Application number: JP2011014320A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Fujimoto; 和樹藤本; Hideji Nomura; 英児野村
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-08-16

Abstract

【課題】スイッチングにおけるターンオン、ターンオフ時間を制御し、常にスイッチング時間が最少となるスイッチング素子ゲート駆動回路の創出を目的とする。
【解決手段】ゲート駆動回路のゲート抵抗に相当する部分をバイポーラトランジスタ等の能動素子とし、その能動領域を使ってゲート電流を制御する。能動素子の駆動回路の制御装置はスイッチング時間に関するデータを持ち、常にスイッチング時間が最少となる、すなわちスイッチング損失が最少となる状態に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に用いられるスイッチング素子の駆動回路に関するものである。

従来の技術では、モータなどの負荷を駆動する電力変換装置に用いられる電圧駆動型スイッチング素子であるＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴの駆動回路には次のようなものが用いられる。

たとえば図２に示すようなスイッチング素子のドライブ回路にゲート抵抗Ｒｇが接続され、スイッチング素子のゲート駆動回路へ接続されている。このゲート抵抗Ｒｇは、スイッチング素子の使用条件により決定される。

特開平５−２３５７２２号公報特開２００８−９２６６３号公報

Ｒｇは素子の使用条件で最も厳しい点(過電圧、ノイズ等)で決定されるため、常に最少スイッチング損失でスイッチング素子を動作させることができない。

この課題に対し、特許文献１では負荷電流を計測し、かつ切り替え式のゲート抵抗を用いることでターンオン時間、ターンオフ時間を短くし、かつ過電圧を抑えることを提案している。

特許文献２では負荷電流を計測し、かつゲート駆動回路の駆動電圧を可変することでゲート駆動電圧、電流を制御し、ターンオン時間、ターンオフ時間を短くし、かつ過電圧を抑えることを提案している。

請求項１の発明によれば、スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路において、ゲート電圧、ゲート電流とドレイン電流、ターンオン時間、ターンオフ時間の関係のデータを制御回路が持ち、その特性に従ってターンオン時間、ターンオフ時間の和が最短であり、スイッチング損失最少となる値にゲート抵抗の値を制御することを特徴とするゲート駆動回路。

請求項２の発明によれば、請求項１のゲート駆動回路において、スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路において、コレクタ-エミッタ間又はドレインソース間等の電流を検知する装置を持ち、その電流により適切なゲート電圧、ゲート電流を選択するテーブルを制御回路が持ち、検知した電流に基づきゲート電圧とゲート電流を可変させることを特徴とするゲート駆動回路。

請求項３の発明によれば、請求項1のゲート駆動回路において、ゲート電圧およびゲート電流を可変させる装置がバイポーラトランジスタ等の能動素子であり、バイポーラトランジスタの能動領域を使ってゲート電圧と電流を制御することを特徴とするゲート駆動回路。

請求項４の発明によれば、請求項１のゲート駆動回路において、ゲート電圧およびゲート電流を可変させる装置がトランジスタ等のスイッチング素子であり、スイッチングによりゲート電圧、ゲート電流を制御することを特徴とするゲート駆動回路。

本発明のゲート駆動回路は、常に最少スイッチング損失でスイッチング素子が動作可能である。また、従来技術におけるゲート抵抗に相当する回路が無接点かつ無段階で制御可能であることが特徴である。

本発明におけるゲート駆動回路の一例である。従来技術におけるゲート駆動回路の一例である。実施例２における本発明のゲート駆動回路の一例である。実施例３における本発明のゲート駆動回路の一例である。

本発明の好適な実施態様を以下の実施例を用いて説明する。

図１を用いて本発明の実施例１を説明する

コントローラからのオンオフ指令をゲート駆動回路ＣＰＵ６が受信しオン信号をオン状態制御回路７に、オフ信号をオフ状態制御回路９に指令する。各制御回路はオン状態、オフ状態をコントロールするターンオン制御能動素子８、ターンオフ制御能動素子１０にそれぞれ指令を送りスイッチング素子１のゲートに電圧を印加する。なお、この時ターンオン制御能動素子８はターンオフも可能だが主にターンオンを行うもの、ターンオフ制御能動素子１０は同様にターンオンも可能だが主にターンオフを行うものである。スイッチング素子１はスイッチング動作を行い、主回路（主回路負荷４、主回路電源３）を制御する。この時にスイッチング素子を流れる主回路電流を主回路電流検知装置５が検知し、検知信号をゲート駆動回路ＣＰＵ６にフィードバックを行う。ゲート駆動回路ＣＰＵ６はターンオン制御能動素子８、ターンオフ制御能動素子１０の出力特性及びスイッチング特性とスイッチング素子１のスイッチング特性のデータを持っており、スイッチング素子１のターンオン時間とターンオフ時間の和、すなわちスイッチング時間が常に最短となるような命令を各制御回路７、９に行う。ターンオン制御能動素子８、ターンオフ制御能動素子１０は制御回路からの指令を受け、スイッチング素子のゲートに流れる電流と電圧を制御する。この動作により常にスイッチング素子１のスイッチング時間が最少となるようにゲート電圧、電流が制御される。

スイッチング時間最小値Ｔｓｗｍｉｎが次の式となるゲート電圧、電流でターンオン時間、ターンオフ時間を制御する。この時のスイッチング時間Ｔｓｗｍｉｎは次の式で決定される。

Ｔｓｗｍｉｎ＝Ｔｏｎｍｉｎ＋Ｔｏｆｆｍｉｎ (式１)

ただし、Ｔｏｎｍｉｎはあるスイッチング素子を流れる主回路電流においてターンオン時間Ｔｏｎが最少となる時間を指す。また、Ｔｏｆｆｍｉｎはスイッチング素子を流れる主回路電流においてターンオフ時間Ｔｏｆｆが最少となる時間を指す。

図３を用いて本発明の実施例２を説明する。

コントローラからのオンオフ指令をゲート駆動回路ＣＰＵ６が受信しオンオフ指令をオンオフ制御回路１３に指令する。オンオフ制御回路１３はオンオフ制御能動素子１４を駆動し、オンオフ制御能動素子１４は、スイッチング素子１のゲート端子へ流れ込む電圧、電流を制御する。スイッチング時間の計算方法は実施例１と同じである。

図４を用いて本発明の実施例３を説明する。

コントローラからのオンオフ指令をゲート駆動回路ＣＰＵ６が受信しオン信号をオン状態制御回路７に、オフ信号をオフ状態制御回路９に指令する。各制御回路はＰＷＭ変調を行い、オン状態、オフ状態をコントロールするターンオン制御能動素子８、ターンオフ制御能動素子１０をスイッチングする。ターンオン制御能動素子８、ターンオフ制御能動素子１０から出力されたパルスは平滑リアクトル１１、平滑コンデンサ１２により平滑され、スイッチング素子１のゲートに入力される。

スイッチング時間の計算方法は実施例１と同じである。

本発明は電力用スイッチング半導体素子を用いた電力変換回路に有効である。また、スイッチング素子のスイッチング損失が減少するため、冷却構造を小さくできる可能性がある。

１スイッチング素子
２ゲート駆動回路
３主回路電源
４主回路負荷
５主回路電流検知装置
６ゲート駆動回路ＣＰＵ
７オン状態制御回路
８ターンオン制御能動素子
９オフ状態制御回路
１０ターンオフ制御能動素子
１１平滑リアクトル
１２平滑コンデンサ
１３オンオフ制御回路
１４オンオフ制御能動素子

Claims

スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路において、ゲート電圧、ゲート電流とドレイン電流、ターンオン時間、ターンオフ時間の関係のデータを制御回路が持ち、その特性に従ってターンオン時間、ターンオフ時間の和が最短であり、スイッチング損失最少となる値にゲート抵抗の値を制御することを特徴とするゲート駆動回路。
請求項１のゲート駆動回路において、スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路において、コレクタ-エミッタ間又はドレインソース間等の電流を検知する装置を持ち、その電流により適切なゲート電圧、ゲート電流を選択するテーブルを制御回路が持ち、検知した電流に基づきゲート電圧とゲート電流を可変させることを特徴とするゲート駆動回路。
請求項1のゲート駆動回路において、ゲート電圧およびゲート電流を可変させる装置がバイポーラトランジスタ等の能動素子であり、バイポーラトランジスタの能動領域を使ってゲート電圧と電流を制御することを特徴とするゲート駆動回路。
請求項１のゲート駆動回路において、ゲート電圧およびゲート電流を可変させる装置がトランジスタ等のスイッチング素子であり、スイッチングによりゲート電圧、ゲート電流を制御することを特徴とするゲート駆動回路。