JP2014171354A - 半導体スイッチング素子のゲート駆動回路 - Google Patents

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拓也 酒井
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Abstract

【課題】ゲート駆動回路の電源電圧が低下した場合にも半導体スイッチング素子のターンオン時の損失の増加を防止できる半導体スイッチング素子のゲート駆動回路を得る。
【解決手段】オン信号として信号入力端子11と端子12間が短絡されると、接続点5は駆動電源の電圧Vccが抵抗33,34にて分圧された電圧となり、オペアンプ6にて半導体素子7がオンされ半導体スイッチング素子1にゲート電流が供給されオンする。同時に電圧Vccを抵抗33,34にて分圧検出し、オペアンプ3にて基準値Vsとの差ΔVを増幅し接続点5の電圧を制御する。電圧Vccが低下すれば、接続点5の電圧が引き下げられ抵抗32の両端電圧が増加し、オペアンプ6は抵抗31の両端電圧が抵抗32の両端電圧と等しくなるように半導体素子7の抵抗を減少させて電圧Vccの低下によるゲート電流の減少に起因するターンオン時間及びターンオン時の電力損失の増加を防止する。
【選択図】図1

Description

この発明は、半導体スイッチング素子のゲート駆動回路に関する。
半導体スイッチング素子を用いて例えば直流を交流に変換するインバータ装置において、半導体スイッチング素子としてのIGBTを駆動するための駆動用電源を必要とする。このようなインバータ装置として、次のようなものがある。上アームを構成する3つのIGBTと、それぞれのゲートに接続されゲート駆動電圧を出力する3つの上アーム駆動回路と、下アームを構成する3つのIGBTと、それぞれのゲートに接続されゲート駆動電圧を出力する3つの下アーム駆動回路とを有する。下アーム駆動回路は共通に1つの下アーム制御電源を備えており、上アーム駆動回路はそれぞれチャージポンプ方式の3つの上アーム制御電源を備えている。この上アーム制御電源は、それぞれチャージポンプ用のコンデンサ、及び下アーム制御電源の正側端子とコンデンサの各正極端子との間に接続されたチャージポンプ用のダイオードから構成されている。そして、チャージポンプ用のコンデンサは、それぞれ下アーム制御電源から充電される(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−157459(段落番号0004〜0007及び図16)
従来の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路は以上のように構成され、上アームを構成する3つのIGBTは、下アーム制御電源から充電されるチャージポンプ用のコンデンサにより駆動される。チャージポンプ用のコンデンサの電圧が低下してしまうと通常時よりもIGBTのスイッチング時間が長くなり半導体スイッチング素子のターンオン時の損失が大きくなってしまう。これを解決するためにチャージポンプ用のコンデンサを充電するための充電期間を設けたり、チャージポンプ用のコンデンサの充電電圧を検出し充電動作時間を確保したり、スイッチングの通電率に制限を設けるなどの対策がなされている。しかし、これらの対策が功を奏さずチャージポンプ用のコンデンサの電圧が低下してしまった場合は、損失が増えてしまう。
この発明は、前記のような問題点を解消して、ゲート駆動回路の電源電圧が低下した場合にも半導体スイッチング素子のターンオン時の損失の増加を防止できる半導体スイッチング素子のゲート駆動回路を得ることを目的とする。
この発明に係る半導体スイッチング素子のゲート駆動回路においては、
電圧検出回路とゲートオン制御回路とを備えた半導体スイッチング素子のゲート駆動回路であって、
前記電圧検出回路は、前記半導体スイッチング素子を駆動する電源の電圧を検出するものであり、
前記ゲートオン制御回路は、前記電圧に基づき前記電源から前記半導体スイッチング素子のゲートに供給する電流を制御することにより前記電圧が低下したときに前記半導体スイッチング素子がオンするときの時間が所定値を下回らないようにするものである。
この発明にかかる半導体スイッチング素子のゲート駆動回路は、以上のように構成されているので、駆動回路の電源電圧が低下した場合にも半導体スイッチング素子のターンオン時の損失の増加を防止できる半導体スイッチング素子の駆動回路を得ることができる。
この発明の実施の形態1である半導体スイッチング素子のゲート駆動回路の構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態2である半導体スイッチング素子のゲート駆動回路の構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態3である半導体スイッチング素子のゲート駆動回路の構成を示す構成図である。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1である半導体スイッチング素子のゲート駆動回路を示す回路図である。ゲート駆動回路の電源の電圧が低下した場合、ゲート電流の低下によりゲートを充電・放電する時間が長くなるため、スイッチング時の損失が増加してしまう。この問題を解消するためゲート電圧を検出しゲート駆動回路の出力インピーダンスを変化させることにより、ゲート電圧が低下しても損失の増加を防止する。この実施の形態では半導体スイッチング素子1が珪素で形成された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)である場合を例にとり説明するが、MOSゲート構造の電界効果形トランジスタ(MOSFET)等の他の電圧駆動形半導体スイッチング素子であってもよい。
図1において、半導体スイッチング素子1は、主電流が流れる一対の主端子であるエミッタ及びコレクタ(以下、主端子と呼ぶ場合もある)を有し、主端子間が開閉され、主端子間にダイオードが逆並列接続されている。端子12は、半導体スイッチング素子1のエミッタに接続されており、端子2と端子12との間に、図示しない電源から半導体スイッチング素子1の制御電源としてエミッタ側の端子12を基準として制御電源の電圧Vccが印加される。なお、以後の説明において各部の電圧は特に断らない限り当該部とこの端子12との間の電圧を単に電圧と呼ぶことにする。
端子2,12間には電圧検出回路としての抵抗33と抵抗34との直列回路が接続され、端子2に印加される制御電源の電圧Vccを分圧して検出する。定電流回路4は、抵抗31、抵抗32、演算増幅器としてのオペアンプ6、半導体素子7にて構成されている。半導体素子7のドレインは、抵抗31を介して端子2に接続され、ソースは接続点14を介して半導体スイッチング素子1のゲートに接続されている。抵抗31と半導体素子7のドレインとの接続点はオペアンプ6の一方の入力端子に接続されている。抵抗32は、一端が端子2に接続され、他端はオペアンプ6の他方の入力端子に接続されるとともに、接続点5及び抵抗39を介して端子12に接続されている。また、オペアンプ6の出力端子は半導体素子7のゲートに接続されている。
半導体スイッチング素子1のゲートは抵抗37を介して、半導体素子8のドレインに接続され、半導体素子8のソースは端子12に接続されている。半導体素子8のゲートは抵抗40を介して信号入力端子11に接続されている。分圧用の抵抗33,34の分圧点はオペアンプ3の一方の入力端子に接続されている。オペアンプ3の他方の入力端子は抵抗36を介して端子12に接続されている。オペアンプ3の出力端子は抵抗38を介して接続点5に接続されている。また、抵抗35がオペアンプ3の他方の入力端子とオペアンプ3の出力端子との間に接続されている。接続点5は抵抗39を介して端子12に接続され、抵抗32と抵抗39との直列回路により端子2と端子12との間の制御電源の電圧Vccを分圧する。
信号入力端子11は、ダイオード9を介して接続点5に接続されている。ダイオード9は、アノード側が信号入力端子11側に、カソード側が接続点5側になるようにして接続されている。半導体スイッチング素子1の駆動回路は、以上のように構成されている。なお、オペアンプ3、定電流回路4がこの発明におけるゲートオン制御回路であり、オペアンプ3、オペアンプ6、半導体素子7、抵抗31,32がこの発明における電流制御回路である。
また抵抗31と半導体素子7との直列回路がこの発明における抵抗と半導体素子との直列回路である。
次に動作を説明する。この実施の形態では半導体スイッチング素子1のターンオン時に信号入力端子11と端子12すなわち半導体スイッチング素子1のエミッタとの間にオン信号としてロー信号が入力され、すなわち信号入力端子11と半導体スイッチング素子1のエミッタとが短絡され、半導体スイッチング素子1のターンオフ時は信号入力端子11と端子12間に制御電源の電圧Vccとほぼ同じ電圧が入力され、半導体スイッチング素子1は開閉動作をする。そして、以後の動作は、半導体スイッチング素子1の駆動電源を兼ねる制御電源の電圧Vccが半導体スイッチング素子1の駆動時の負荷条件などで変動してしまう場合を想定して説明する。制御電源の電圧Vccを抵抗33、34にて分圧してオペアンプ3の一方の入力端子に入力する。オペアンプ3は、入力された電圧と抵抗36によって決まる基準値Vsとの差ΔVをオペアンプ3と抵抗35、抵抗36にて増幅し、定電流回路4の接続点5の電圧を制御する。制御電源の電圧Vccが小さくなるとオペアンプ3が接続点5の電圧を小さく調整することにより、抵抗32の両端電圧(端子2と接続点5との間の電圧)が大きくなる。
抵抗32の両端電圧が大きくなる(接続点5の電圧が下がる)と、オペアンプ6により抵抗31の両端電圧が抵抗32の大きくなった両端電圧と等しくなるように半導体素子7のオン抵抗が調整され、半導体スイッチング素子1のゲート電流が大きくなるように制御される。すなわち制御電源の電圧Vccが小さくなったことを抵抗33,抵抗34で検出し、その大きさに応じて半導体素子7のオン抵抗が小さく調整され、半導体スイッチング素子1のスイッチング時間(ターンオン時間)が長くならないように制御されることとなる。スイッチング時間が長くならないので、半導体スイッチング素子1のターンオン時に発生する損失を抑えることができる。
一方、制御電源の電圧Vccが大きい場合は、接続点5の電圧がオペアンプ3により大きくされるため、抵抗32の両端電圧が小さくなり、オペアンプ6により半導体素子7のオン抵抗を大きくし抵抗31を流れる電流が小さくなるように制御される。これにより、制御電源の電圧Vccが高い場合の、半導体素子7の電流を抑制し、ゲート電流の増加を防止する。従って、半導体スイッチング素子1のターンオン時間が短くなるのが防止され、半導体スイッチング素子1のスイッチング時の電流変化に伴い発生するノイズや半導体スイッチング素子1のダイオードのリカバリ電流などが抑制される。このように制御電源の電圧Vccの大きさに応じて半導体スイッチング素子1に供給するゲート電流の大きさを制御することにより、スイッチング時の負荷電流の変化率を調整することによりターンオン損失を適切な値に制御し、動作の安定化を図ることができる。そして、少なくとも駆動電源を兼ねる制御電源の電圧Vccが低下しても半導体スイッチング素子1のターンオン時間が所定値を下回らないようにして半導体スイッチング素子1のターンオン時の損失の増加を防止する。このように、抵抗31の両端電圧を検出し、オペアンプ6により半導体素子7を制御して抵抗32の両端電圧が抵抗31の両端電圧と等しくなるようにするが、ゲート電流の検出手段として抵抗32の電圧降下を利用しているので、簡易な手段で高速に検出できる。
半導体スイッチング素子1のターンオフ時の動作は、信号入力端子11に制御電源の電圧Vccとほぼ同じ電圧(厳密に同じである必要はない)が入力されると、接続点5の電圧はダイオード9を通して瞬時に電圧Vccまで上昇する。すると抵抗32の両端電圧が0Vとなるため、オペアンプ6により抵抗31に流れる電流が0にされるとともに、半導体素子8のゲートに信号入力端子11から抵抗40を介して電圧Vccが印加され、半導体素子8がオンするため、半導体スイッチング素子1のゲート電荷が放電され、半導体スイッチング素子1がオフする。なお、半導体スイッチング素子1のターンオフ時の半導体スイッチング素子1のゲート電流を制御する半導体素子8においてもターンオン時と同様に制御電源の電圧Vccの大きさに応じて半導体素子8のオン抵抗を調整して半導体スイッチング素子1のゲートから流出する電流すなわち半導体スイッチング素子1のゲート電荷を放電する速度を制御するゲートオフ制御回路を設けてもよい。
実施の形態2.
図2は、実施の形態2である半導体スイッチング素子のゲート駆動回路の構成を示す構成図である。図2において、図1の実施の形態1と異なる点は、制御電源の電圧Vccが所定値を下回ったとき、半導体スイッチング素子1のゲート電流を予め設定された値にステップ状に変化させるとともに、ターンオフ時に半導体スイッチング素子1のゲート電流から流出する電流の大きさを制御する点である。図2において、半導体スイッチング素子1のゲートは半導体素子8及び抵抗42を介して電圧の基準となる端子12に接続されている。信号入力端子11と端子12との間に、抵抗46と抵抗47とが接続点15を介して直列に接続された直列回路が接続されている。端子2と端子12の間に電圧検出用の抵抗41とツェナーダイオード17との直列回路が接続され、ツェナーダイオード17にて設定された基準値Vszを、コンパレータ21及びオペアンプ22の各一方の入力端子に与える。なお、抵抗41は、点線で囲まれた定電流回路4の中に図示の都合上図示されているが、定電流回路4の構成要素ではない。
コンパレータ21の他方の入力端子には、制御電源の電圧Vccが抵抗33と抵抗34にて分圧されて入力される。コンパレータ21の出力端子は抵抗48を介して接続点5に接続されている。オペアンプ22の他方の入力端子16と出力端子との間に調整用の抵抗44が接続されている。オペアンプ22の他方の入力端子16には、制御電源の電圧Vccが抵抗33と抵抗34にて分圧され抵抗45を介して入力される。オペアンプ22の出力端子は抵抗43を介して接続点15と接続されている。接続点15とオペアンプ23の一方の入力端子とが接続されている。オペアンプ23の他方の入力端子は、半導体素子8のソースに接続されている。その他の構成については、図1に示した実施の形態1と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。なお、コンパレータ21、定電流回路4がこの発明におけるゲートオン制御回路であり、オペアンプ22、オペアンプ23、半導体素子8がこの発明におけるゲートオフ制御回路である。
次に動作を説明する。この実施の形態において、外部信号として信号入力端子11と端子12との間にオン信号としてロー信号が入力された場合すなわち外部回路によって信号入力端子11と端子12との間が短絡された場合、半導体素子7のゲートに抵抗32と抵抗39にて分圧された電圧がオペアンプ6に入力され、半導体素子7がオンする。また、接続点15の電圧が0になるので、半導体素子8はオフする。これにより、半導体スイッチング素子1がターンオンする。コンパレータ21により電圧調整されていない場合、接続点5の電圧は抵抗32と抵抗39の分圧により定まる電圧V51になっており、オペアンプ6は抵抗32における電圧降下と抵抗31による電圧降下が一致するように半導体素子7を制御し半導体スイッチング素子1のゲート電流を制御する。コンパレータ21は抵抗33,34により検出された電圧Vccとツェナーダイオード17により設定された基準値Vszとを比較し、検出された電圧Vccが基準値を下回るとコンパレータ21はオンし、接続点5の電圧が抵抗32と抵抗48と抵抗39とにより決まる電圧V52になる。この電圧V52は、抵抗32と抵抗39との分圧により定まる電圧V51と比べ小さい値となるので、抵抗32の両端電圧が大きくなる。そして、オペアンプ6により抵抗31の両端電圧が抵抗32の両端電圧と等しくなるように制御され、出力電流であるゲート電流が大きくなる。
一方、ターンオフの際は外部信号(オフ信号)として信号入力端子11と端子12との間に制御電源の電圧Vccとほぼ同じくらいの電圧が入力される。このとき接続点5の電圧はVccと同じ電圧となりオペアンプ6は半導体素子7をオフさせ、端子2から半導体スイッチング素子1へのゲート電流の供給を停止する。オペアンプ22はツェナーダイオード17によって設定される基準値Vszと、オペアンプ22の他方の入力端子16の電圧(抵抗33と抵抗34とにより検出されたVcc)とが一致するようにその出力電圧を調整する。すなわち制御電源の電圧Vccが小さくなると入力端子16の電圧を上げるので、オペアンプ22の出力電圧が低下するのが防止され、半導体素子8のオン抵抗が増加しないようにして、ゲートから流出する電流が減少しないようにされる。制御電源の電圧Vccが大きくなる場合、オペアンプ22は基準値Vszと抵抗33及び抵抗34により検出された電圧Vccの大きさとを比較し、入力端子16に入力される電圧を下げるので、オペアンプ22の出力電圧の上昇は防止される。これにより半導体素子8のオン抵抗が小さくなるのが防止され、半導体スイッチング素子1のターンオフ時のゲート抵抗は大きくなりゲートから流出する電流が大きくならないようにされる。
このようにこの実施の形態では検出された電圧Vcc大きさに応じて、半導体スイッチング素子1のターンオン時には電圧Vccが所定値を下回ったときステップ状にゲート電流を増加させて半導体スイッチング素子1のターンオン時間が長くならないようにし。半導体スイッチング素子1のターンオフ時には実施の形態1のターンオン時と同じようにVccの大きさに応じてゲート抵抗の大きさを制御し、制御電源の電圧Vccが変動してもターンオフ速度が変化しないようにする。これにより半導体スイッチング素子1のターンオン損失の増加を防止するとともに、ターンオフ時間の変動を防止しターンオフにともなう電磁ノイズを抑制できる。
実施の形態3.
図3は、実施の形態3である半導体スイッチング素子のゲート駆動回路の構成を示す回路図である。この実施の形態においては、半導体スイッチング素子1のターンオフ時のゲート電流を調整する。図3において、定電流回路24は、抵抗31とオペアンプ25により構成されている。半導体素子7のドレインは抵抗31を介して端子2に接続されている。オペアンプ25の入力端子は信号入力端子11に接続され、出力端子は半導体素子7のゲートに接続されている。抵抗33,34にて分圧された制御電源の電圧Vccは、抵抗49を介してオペアンプ28の一方の入力端子に入力される。オペアンプ28の他方の入力端子は、抵抗52を介して端子12に接続されている。抵抗51がオペアンプ28の他方の入力端子と出力端子との間に接続され、オペアンプ28の出力端子は抵抗53を介して接続点15に接続されている。その他の構成については、図2に示した実施の形態2と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。
次に動作を説明する。信号入力端子11と端子12との間にオン信号としてロー信号が入力された場合すなわち外部回路によって信号入力端子11と端子12とが短絡された場合、制御電源の電圧Vccの大小にかかわらずオペアンプ25により抵抗31の電圧降下が所定値になるように調整され、半導体スイッチング素子1のゲートに供給する電流が一定に制御され、ターンオン時間が一定になる。
一方、ターンオフの際はオフ信号として信号入力端子11と端子12との間に制御電源の電圧Vccとほぼ同じくらいの電圧が入力される。まず、オペアンプ25が半導体素子7をオフさせ、端子2から半導体スイッチング素子1へのゲート電流の供給を停止する。オペアンプ28は抵抗52によって設定された基準値Vsと、抵抗33と抵抗34とにより検出されたVccとの差ΔVを増幅してオペアンプ23に供給する。これを受けてオペアンプ23が半導体素子8に印加する電圧を制御する。すなわち、制御電源の電圧Vccが低下した際は半導体スイッチング素子1のゲートから流出する電流が減少しないように、オペアンプ28にてオペアンプ23に入力される電圧を高く修正する。これによりオペアンプ23が半導体素子8のゲート電圧を高くすることにより半導体素子8のオン抵抗が低くなる。一方、制御電源の電圧Vccが高くなった場合は、オペアンプ23は半導体素子8のゲート電圧を制御しオン抵抗を高くし、半導体スイッチング素子1のゲートから流出する電流が増加しないようにする。これにより、制御電源の電圧Vccが変動しても半導体スイッチング素子1のゲートから流出する電流が変化しないように制御できる。
なお、この実施の形態において、オペアンプ23をコンパレータに置き換えることもできる。また、以上の実施の形態では、オペアンプ等を用いてアナログ制御を行うものを示したが、その機能をデジタル制御にて行うようにしてもよい。
なお、前記各実施の形態では、半導体スイッチング素子1が珪素によって形成されたものを示したが、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よい。ワイドバン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。
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1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1の小型化が可能であり、これら小型化された半導体スイッチング素子1を用いることにより、これを組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。このとき、本発明により半導体スイッチング素子1のターンオン時の損失の増加を防止することにより、一層損失が適切に設定することができる。また、オペアンプを構成する半導体部品にワイドバンドギャップ半導体を使用することで、応答性を向上させることができる。
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。
さらに電力損失が低いため、半導体スイッチング素子の高効率化が可能であり、ひいてはモジュール化した場合半導体モジュールの高効率化が可能になる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、上述した各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略することが可能である。
1 半導体スイッチング素子、3 オペアンプ、4 定電流回路、5 接続点、
6 オペアンプ、7,8 半導体素子、21 コンパレータ、22,23 オペアンプ、24 定電流回路、25,28 オペアンプ、31,32 抵抗、33,34 抵抗。

Claims (6)

  1. 電圧検出回路とゲートオン制御回路とを備えた半導体スイッチング素子のゲート駆動回路であって、
    前記電圧検出回路は、前記半導体スイッチング素子を駆動する電源の電圧を検出するものであり、前記ゲートオン制御回路は、前記電圧に基づき前記電源から前記半導体スイッチング素子のゲートに供給する電流を制御することにより前記電圧が低下したときに前記半導体スイッチング素子がオンするときの時間が所定値を下回らないようにするものである
    半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。
  2. 前記ゲートオン制御回路は、抵抗と半導体素子とが直列に接続された直列回路と電流制御回路とを有し、
    前記電源から前記直列回路を介して前記半導体スイッチング素子の前記ゲートに前記電流が供給されるものであり、
    前記電流制御回路は、前記電圧と前記抵抗の電圧降下とに基づき前記半導体素子のオン抵抗を変化させることにより前記ゲートに供給する電流を制御するものである
    請求項1に記載の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。
  3. 前記ゲートオン制御回路は、前記電圧が変化しても前記半導体スイッチング素子がオンするときの損失が増加しないように前記ゲートに供給する電流を制御するものである
    請求項1または請求項2に記載の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。
  4. ゲートオフ制御回路を有するものであり、
    前記ゲートオフ制御回路は、前記電圧に基づいて前記ゲートの容量に蓄積された電荷を放電させる速度を制御するものである
    請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。
  5. 前記半導体スイッチング素子は、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されているものである
    請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。
  6. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである
    請求項5に記載の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。
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