JP2014230410A - Gate control device of semiconductor element for electric power - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁ゲートを有する電力用半導体素子のゲート制御装置に関する。 The present invention relates to a gate control device for a power semiconductor element having an insulated gate.
高電圧絶縁ゲート型半導体素子として、IGBTやIEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)が広く用いられている。IGBTおよびIEGTは絶縁ゲートを有する大電力の制御が可能な電力用半導体素子であり、電気自動車やハイブリッド自動車、産業用機器、電鉄用モータドライブなどに広く用いられている。 As high-voltage insulated gate semiconductor elements, IGBTs and IEGTs (Injection Enhanced Gate Transistors) are widely used. IGBTs and IEGTs are power semiconductor elements having an insulated gate and capable of controlling high power, and are widely used in electric vehicles, hybrid vehicles, industrial equipment, electric motor drive, and the like.
これら電力用半導体素子の一般的なゲート制御装置の場合、例えばPチャンネルのMOSFETおよびNチャンネルMOSFETの組合せによりゲートの電圧を上下させる構成が採用されており、各MOSFETのゲート端子への信号は、光ファイバーなどを介して与えられる1つのゲート制御信号を受信し、レベルシフタなどを介して得るのが普通である。この様な従来のゲート制御装置においては、ターンオンおよびターンオフするIGBT/IEGTと同一スイッチングレグの反対極性のIGBT/IEGTに逆並列に接続された還流ダイオード(以下、単に「相対するダイオード」と呼称する)のリバースリカバリの間、ゲート電流は固定された抵抗値をもつゲート抵抗により制御されていた。このため、ゲート電極の電荷量はその間、木目細かい制御が出来ない。すなわち過渡的に変化するゲート電圧VGEは、正ゲート電源電圧VGGあるいは負ゲート電源電圧−VGGとの間の電位差とゲート抵抗によってオームの法則によって定まる電流値以外の電流をゲート電極に流入、排出することが出来ないため、特に電力用半導体の過渡的動作を木目細かく制御することは出来なかった。 In the case of a general gate control device for these power semiconductor elements, for example, a configuration is adopted in which the gate voltage is raised or lowered by a combination of a P-channel MOSFET and an N-channel MOSFET, and the signal to the gate terminal of each MOSFET is: It is usual to receive one gate control signal given through an optical fiber or the like and obtain it through a level shifter or the like. In such a conventional gate control device, a free-wheeling diode (hereinafter simply referred to as “opposing diode”) connected in reverse parallel to the IGBT / IEGT having the same switching leg as the IGBT / IEGT that is turned on and off. ) During reverse recovery, the gate current was controlled by a gate resistance having a fixed resistance value. For this reason, the charge amount of the gate electrode cannot be finely controlled during that time. That is, the transiently changing gate voltage VGE flows into and out of the gate electrode a current other than the current value determined by Ohm's law by the potential difference between the positive gate power supply voltage VGG or the negative gate power supply voltage -VGG and the gate resistance. In particular, the transient operation of power semiconductors could not be finely controlled.
この様な問題に対して、従来からいくつかの提案が為されている。例えば、ゲート駆動回路を2対持ち、一方の駆動タイミングを所定の遅延時間だけ遅らせることにより、誤動作の防止と、スイッチング時の高dV/dt、高dI/dtの問題の両方の解決を図ろうとする提案がある(例えば特許文献1参照)。 Several proposals have been made for such problems. For example, by having two pairs of gate drive circuits and delaying the drive timing of one by a predetermined delay time, it is intended to prevent both malfunctions and solve both high dV / dt and high dI / dt problems during switching. (For example, refer to Patent Document 1).
また、ゲート駆動用の補助回路を持ち、スイッチング時のコレクタ電圧やゲート電圧の特徴点を捉えて、補助回路を動作させることによってゲート抵抗の値を等価的に小さくする提案も為されている(例えば特許文献2参照)。 In addition, a proposal has been made to have an auxiliary circuit for driving the gate, and to capture the characteristic points of the collector voltage and the gate voltage at the time of switching and to operate the auxiliary circuit to reduce the gate resistance value equivalently ( For example, see Patent Document 2).
上記先行技術を考慮しても、次のような理由から課題が残る。一般に、ターンオン時のコレクタ電流のピーク(すなわち相対するダイオードのリバースリカバリ電流のピーク)を抑えるためにはゲート電流を少なくする必要があるが、逆にコレクタ電圧のテールを短くして損失を低減するためには、ゲート電流を多くする必要がある。しかしながらその両者の要求が両立しない。このため従来の提案では、IGBT/IEGTと相対するダイオード双方の総合損失を低減させるような効果は必ずしも無く、また補助回路などの駆動タイミングによっては相対するダイオードに過剰な電流が流れ、ダイオードの破壊を招く恐れがある。例えば、特許文献1に示された手法では、遅延時間が固定であるため、運転条件によってはIGBTに相対するダイオードのリバースリカバリ時のピーク電流の増加によってダイオードの破壊を招く恐れがある。また、特許文献2に示された手法では、上記特徴点以外では補助回路を駆動することが出来ない。従って運転条件によってはIGBT/IEGTのターンオン損失と相対するダイオードのリバースリカバリ損失を合わせた総合損失が大きくなり、最適なゲート駆動を実現することが困難となる。
Even in consideration of the above prior art, problems remain for the following reasons. Generally, it is necessary to reduce the gate current to suppress the peak of the collector current at the turn-on (that is, the peak of the reverse recovery current of the opposite diode), but conversely, the collector voltage tail is shortened to reduce the loss. For this purpose, it is necessary to increase the gate current. However, both requirements are incompatible. For this reason, in the conventional proposal, there is not necessarily an effect of reducing the total loss of both the IGBT / IEGT and the opposing diode, and depending on the driving timing of the auxiliary circuit or the like, an excessive current flows to the opposing diode, and the diode is destroyed. There is a risk of inviting. For example, in the method disclosed in
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、運転条件に依らずにターンオン時のIGBT/IEGTと相対するダイオード双方の総合損失を低減し、且つピーク電流を抑制可能な電力用半導体素子のゲート制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a power semiconductor device capable of reducing the total loss of both diodes opposed to IGBT / IEGT at the time of turn-on and suppressing the peak current without depending on the operating conditions. An object is to provide a gate control device.
上記目的を達成するために、本発明の電力用半導体素子のゲート制御装置は、インバータを構成する複数の電力用半導体素子用のPWM信号を発生するPWM制御手段と、前記電力用半導体素子の各々のゲートを駆動する複数のゲート駆動手段とから成るゲート制御装置であって、前記PWM制御手段は、前記PWM信号と、前記インバータの出力電流値または出力電流指令値に応じた遅延時間信号を前記ゲート駆動手段に供給し、前記各々のゲート駆動手段は、前記PWM信号を入力とし、前記電力用半導体素子にゲート電圧を供給する第1の駆動手段と、前記電力用半導体素子のコレクタ電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段で検出された瞬時電流が所定の電流しきい値となったときトリガ信号を出力する比較手段と、前記PWM信号がターンオン信号であるとき、前記トリガ信号から前記遅延時間分遅らせて連続信号を出力する遅延手段と、前記遅延手段の出力を入力とし、前記電力用半導体素子にゲート電圧を供給する第2の駆動手段と、複数の抵抗、または複数の抵抗及びダイオードから成り、前記第1の駆動手段の出力と前記第2の駆動手段の出力を結合する結合手段とを具備したことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a gate control device for a power semiconductor element according to the present invention includes a PWM control means for generating PWM signals for a plurality of power semiconductor elements constituting an inverter, and each of the power semiconductor elements. A gate control device comprising a plurality of gate driving means for driving the gate of the PWM control means, wherein the PWM control means outputs the PWM signal and a delay time signal corresponding to an output current value or an output current command value of the inverter. Supplying to the gate driving means, each of the gate driving means receives the PWM signal, and detects the collector current of the power semiconductor element and the first driving means for supplying the gate voltage to the power semiconductor element. Current detecting means for performing, a comparing means for outputting a trigger signal when the instantaneous current detected by the current detecting means reaches a predetermined current threshold value, When the WM signal is a turn-on signal, a delay means for outputting a continuous signal delayed from the trigger signal by the delay time, and a second voltage for supplying a gate voltage to the power semiconductor element by using the output of the delay means as inputs. The driving means comprises a plurality of resistors or a plurality of resistors and diodes, and coupling means for coupling the output of the first driving means and the output of the second driving means.
この発明によれば、運転条件に依らずにターンオン時のIGBT/IEGTと相対するダイオード双方の総合損失を低減し、且つピーク電流を抑制可能な電力用半導体素子のゲート制御装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a gate control device for a power semiconductor element capable of reducing the total loss of both diodes facing the IGBT / IEGT at the time of turn-on and suppressing the peak current regardless of the operating conditions. It becomes possible.
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施例に係る電力用半導体素子のゲート制御装置の回路構成図である。図1の信号系の図示においては、レベルシフタや接地側の配線等を省略している。図1に示すゲート制御装置は、PWM制御回路40とゲート駆動装置10Nとから構成され、電力用半導体素子1Nのゲートをオンオフ駆動する。PWM制御回路40は、その詳細を後述するように、インバータをPWM制御するためのPWM信号1を発生してゲート駆動装置10Nに供給する共に、インバータの出力電流値に応じた遅延時間tdelay設定信号を発生させ、ゲート駆動装置10Nに供給する。ここで、PWM制御回路40は、インバータ全体の制御を行う主制御部の一部または全部を含んでいると考えて良い。また、上記インバータ出力電流値は、実際に検出される電流であっても電流の指令値であっても良い。
FIG. 1 is a circuit diagram of a gate control device for a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention. In the illustration of the signal system in FIG. 1, the level shifter, the ground side wiring, and the like are omitted. The gate control device shown in FIG. 1 includes a
ゲート駆動装置10Nでは、PWM信号1を、オンオフ判別手段11を介してMOSFETドライバ12A及び12Bに与える。そしてMOSFETドライバ12A、12Bの各々の出力は夫々PチャンネルMOSFET13A、NチャンネルMOSFET13Bのゲートに接続され各々の電力用半導体素子をドライブする。PチャンネルMOSFET13AとNチャンネルMOSFET13Bは直列接続され、PチャンネルMOSFET13Aのコレクタは正ゲート電源に、NチャンネルMOSFET13Bのエミッタは負ゲート電源に夫々接続されている。そしてPチャンネルMOSFET13AとNチャンネルMOSFET13Bの接続点から、結合回路14内のゲート抵抗Rg1を介して駆動対象電力用半導体素子であるIEGT1Nのゲートを駆動する。
In the
IEGT1Nのコレクタ電流は電流検出手段15によって検出され、その出力は比較手段16に与えられる。本実施例では、電流の検出はロゴスキーコイルや電流トランスを用い、場合によってはノイズフィルタを介して比較手段16に信号を送る。尚、図1ではエミッタ側の電流を検出しているが、エミッタ電流とコレクタ電流は基本的に同一であるので両者を含めてコレクタ電流と総称する。比較手段16はオペレーショナルアンプを用いた回路で構成しており、ここで検出された瞬時電流が所定のしきい値以上かどうかを判定し、所定のしきい値以上であれば遅延手段17にトリガ信号を与える。遅延手段17は、このトリガ信号と前述したオンオフ判定手段11からのオンオフ判定信号および、遅延時間tdelay設定信号を受け、PWM信号1がオンゲート信号(ターンオン信号)であるときにはトリガ信号から所定のtdelay1時間遅らしたタイミングでMOSFETドライバ18に連続信号を与える。MOSFETドライバ18の出力はPチャンネルMOSFET19のゲートに接続されているので、この出力でPチャンネルMOSFET19をドライブする。PチャンネルMOSFET19のコレクタは正ゲート電源に、エミッタは結合回路14内のゲート抵抗Rg2を介して駆動対象素子であるIEGT1Nのゲートに接続されている。
The collector current of IEGT1N is detected by the current detection means 15, and the output is given to the comparison means 16. In this embodiment, a current is detected using a Rogowski coil or a current transformer, and in some cases, a signal is sent to the comparison means 16 via a noise filter. In FIG. 1, the current on the emitter side is detected. Since the emitter current and the collector current are basically the same, they are collectively referred to as the collector current. The comparison means 16 is constituted by a circuit using an operational amplifier, and determines whether or not the detected instantaneous current is greater than or equal to a predetermined threshold value. Give a signal. The
以下に、図2に示すゲート制御装置の動作タイミングチャート及び図3に示す遅延手段の一例を示す内部構成図を参照して上記動作の詳細を説明する。図2において、図2(a)はPWM制御回路40における各信号のタイミングチャート、図2(b)はゲート駆動装置10Nにおける各信号のタイミングチャート、そして図2(c)はIEGT1Nのコレクタ電圧とコレクタ電流の波形を示す。また、図2のタイミングチャートの前半部分は、時刻t=t01においてIEGT1Nのコレクタ電流の指令値が所定のIc0の場合、後半部分は時刻t=t02においてIEGT1Nのコレクタ電流の指令値が所定のIc0よりΔIc増加した場合のタイミングチャートを示している。前半部分と後半部分の動作は基本的に同一であるので、以下前半部分についての動作を説明する。
Details of the operation will be described below with reference to an operation timing chart of the gate control device shown in FIG. 2 and an internal configuration diagram showing an example of the delay means shown in FIG. 2A is a timing chart of each signal in the
図2(a)におけるPWM信号0は基準となるPWM信号であり、t=t01で立上り、図1のIEGT1Nをw1のパルス幅だけオンさせる指令信号である。そしてPWM信号0に対し、wait時間だけ遅らせたPWM信号1をゲート駆動装置10Nに送信する。また、後述する演算によってPWM制御回路40で設定された遅延時間tdelay設定信号を、図示するようにt=t01のタイミングでゲート駆動装置10Nに送信する。ここで、wait時間は上記の遅れ時間tdelay1に若干の余裕時間を加算することによってPWM制御回路40で設定する。
The
PWM制御回路40から送信されたPWM信号1は伝送遅れ時間flt1だけ遅れてゲート駆動装置10Nに到達し、図2(b)に示すようにMOSFET13Aの駆動信号となる。また、同様に遅延時間tdelay設定信号も伝送遅れ時間flt1だけ遅れてゲート駆動装置10Nに到達し遅延時間tdelayの設定信号として図3の遅延手段17の積分器171に与えられる。そして積分器171はtdelay設定信号の立上りと同時に積分を開始し、tdelay1時間積分を行ったあと積分停止しホールドする。ホールドされた電圧値は比較器173の−側端子にref1として与えられる。また、図1における比較手段16の出力であるトリガ信号は、遅延手段17の積分器172にIEGTオン検知信号として与えられ、積分器172はIEGT1Nのオン指令期間中、すなわちMOSFET13Aのオン期間中積分を行う。積分器172の出力は積分器172が飽和するまで積分を行う。そして積分器172の出力は比較器173の+側端子に入力され、この値がref1電圧に到達すると、比較器172はHiレベルを出力し、これをAND回路174の一方の入力端子に与える。積分器171と積分器172が同一の積分特性であれば、トリガ信号が与えられてから積分器172の出力がref1電圧に到達するまでの時間はtdelay1時間となる。AND回路174の他方の入力端子にはオンオフ判別手段11の判別信号が与えられているので、AND回路174の出力は、図2のMOSFET19の駆動信号のようになる。すなわちIEGT1Nのオンを検知して、遅延時間tdelay1遅れて立上り、1段目のMOSFET13Aの駆動信号がオフするのと同時にオフする2段目の駆動信号を得ることができる。尚、図2(b)の最下段にIEGT1Nのゲート電圧の推移を示す。
The
図4は駆動対象となるIEGTが適用される変換回路の一例を示したものである。この例では直流電源5と並列に2組のスイッチングレグ31、32を接続することによって単相インバータを構成している。スイッチングレグ31はIEGT1PとIEGT1Nを直列接続した構成となっている。IEGT1PとIEGT1Nには夫々還流のためのダイオード3P、3Nが逆並列に接続されている。同様にスイッチングレグ32はIEGT2PとIEGT2Nを直列接続した構成となっており、IEGT2PとIEGT2Nには夫々還流のためのダイオード4P、4Nが逆並列に接続されている。そして両スイッチングレグの中点間に負荷6が接続されている。
FIG. 4 shows an example of a conversion circuit to which IEGT to be driven is applied. In this example, a single-phase inverter is configured by connecting two sets of switching legs 31 and 32 in parallel with the
IEGT1P、1N、2P、2Nは夫々ゲート駆動装置10P、10N、20P、20Nによって駆動されている。これらのゲート駆動装置はGDMと略記してあり、PWM制御装置40の図示は省略している。ここで図1はゲート駆動装置10Nを示したものであるので、駆動対象はIEGT1N、そして相対するダイオードはダイオード3Pとなる。
IEGTs 1P, 1N, 2P, and 2N are driven by
図5は本発明の一実施例に係る電力用半導体素子のゲート駆動装置の動作説明図であり、ターンオン時のコレクタ電圧とコレクタ電流の波形を示したものである。ここでVc0は直流電源5の電圧、Ic0はインバータ出力電流の指令値の大きさを示す。なお、VcはIEGT1Nのコレクタ−エミッタ間電圧であり、IEGT1Nがスイッチングしていない期間(スイッチングの過渡期間を除く)はVc=Vc0と考えてよい。また、同様にIcはインバータの出力電流であるが、IEGT1Nがスイッチングしていない期間(スイッチングの過渡期間を除く)はIc=Ic0になるように制御されていると考えてよい。図1に示すゲート駆動装置10Nにターンオンの信号(すなわちPWM信号1のオン信号)が入力されると、MOSFETドライバ12Aを介してPチャンネルMOSFET13Aがオン状態になりゲート抵抗Rg1を介してIEGT1NのMOSゲートの充電を開始する。そして時間Δt0後にゲート電圧がゲートしきい値電圧に達すると、IEGT1Nの導通が始まる。その後、コレクタ電流はほぼ一定のdIc/dtで立ち上がる。すなわち、IEGT1N、相対するダイオード3P、及び直流電源5で構成される回路の寄生インダクタンスLと、コレクタ電圧(Vc0=L・dIc/dt)からIEGTに掛かっている電圧を差し引いた値から定まるdi/dtにより、一定のdIc/dtでコレクタ電流が上昇する。この時のdIc/dtはコレクタ電圧にほぼ比例している。
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the gate driving device for a power semiconductor device according to one embodiment of the present invention, and shows the waveforms of the collector voltage and the collector current at turn-on. Here, Vc0 indicates the voltage of the
この一定のdi/dtでのコレクタ電流の上昇は、電流指令値Ic0を超えてピークまで続く。これは、ダイオード3Pの内部に蓄積された電荷を排出するために、ダイオード3Pの導通方向とは逆向きのリカバリ電流が一時的に流れる必要があるからである。このとき、電流指令値Ic0に対するコレクタ電流のピーク値の比率をαであらわすと、シリコンのPN接合ダイオードでは1.5ないし2.5であり、シリコンカーバイト(SiC)の場合は1.0ないし1.2となる。SiCがシリコンダイオードよりαの値が小さくなるのは、SiCは材料の特性上、PN接合ではなくショットキーバリアを使用することになるためである。すなわち、ショットキーバリアダイオードはユニポーラ素子であり、主接合容量の放電による電荷が逆方向に流れるが、ショットキーバリアダイオードにはバイポーラ素子であるシリコンPN接合ダイオードにおける蓄積キャリアが原理的に存在しないためである。 This increase in collector current at a constant di / dt continues beyond the current command value Ic0 to the peak. This is because in order to discharge the charge accumulated in the diode 3P, a recovery current in the direction opposite to the conduction direction of the diode 3P needs to flow temporarily. At this time, if the ratio of the peak value of the collector current to the current command value Ic0 is expressed by α, it is 1.5 to 2.5 for a silicon PN junction diode, and 1.0 to 2.5 for silicon carbide (SiC). 1.2. The reason why SiC has a smaller value of α than that of a silicon diode is that SiC uses a Schottky barrier instead of a PN junction because of material characteristics. In other words, the Schottky barrier diode is a unipolar element, and the charge due to the discharge of the main junction capacitance flows in the reverse direction, but the Schottky barrier diode does not exist in principle in the accumulated carriers in the silicon PN junction diode that is a bipolar element. It is.
図5においてコレクタ電流の立ち上がりからピーク値までの時間をΔt1とすると、
Δt1=Ic0・α/(dIc/dt)・・・(1)
となる。今、比較手段16における電流検出のしきい値をIcthとすると、(1)式から、電流立ち上がり検出(検出遅延やノイズ除去の時間を除く)からピーク電流となるまでの時間は、
tdelay=(Ic0・α−Icth)/(dIc/dt)・・・(2)
となる。後述するように、2段目のゲート駆動手段であるPチャンネルMOSFET19をターンオンさせるタイミングは、1段目のゲート駆動手段によるコレクタ電流がピークに到達するタイミング近傍が好ましい。従って本実施例では、コレクタ電流の立上り検出からトリガ出力までの時間遅れを無視すると、PチャンネルMOSFET19をターンオンさせるまでの遅延時間tdelayは基本的に上記の(2)式で与えられる。ただし回路上に無視できない時間遅れがある場合は、その時間遅れを差し引いて遅延時間を決定する必要がある。
In FIG. 5, if the time from the rise of the collector current to the peak value is Δt1,
Δt1 = Ic0 · α / (dIc / dt) (1)
It becomes. Assuming that the current detection threshold in the comparison means 16 is Icth, the time from the current rising detection (excluding detection delay and noise removal time) to the peak current is calculated from the equation (1) as follows.
tdelay = (Ic0 · α−Icth) / (dIc / dt) (2)
It becomes. As will be described later, the timing for turning on the P-
以上の説明により、刻々と変わる電流指令値に対し式(2)の演算を行うことよりPWM制御回路40はゲート駆動装置10Nに対し遅延時間tdelay1を与えることが可能となることがわかる。
From the above description, it can be understood that the
次にコレクタ電圧Vcが一定(つまり図2の直流電源5の電圧Vc0が一定)のとき、電流指令値Ic0を変化させたときのターンオン時のコレクタ電圧とコレクタ電流の波形を図6に示す。図示するように、電流指令値Ic0が増大するとコレクタ電流Icがピークに到達する時刻はT1、T2、T3と次第に遅くなることが分かる。ここで、(2)式における電流指令値Ic0はIEGT1Nが属するスイッチングレグ31の出力電流すなわち負荷6に流れる電流であるため、電流指令値Ic0を用いる代わりに出力電流の検出値すなわちインバータ出力電流Icを用いることができることは前述した通りである。尚、ここで用いるインバータ出力電流Icは瞬時値ではなく電流の大きさである。
Next, when the collector voltage Vc is constant (that is, the voltage Vc0 of the
図7には電流指令値Ic0が一定のときコレクタ電圧Vc0を変化させたときのターンオン時のコレクタ電圧とコレクタ電流の波形を示す。図示するように、コレクタ電圧Vcが低くなると(つまり図4の直流電源5の電圧Vc0が低下すると)コレクタ電流Icがピークに到達する時刻はやはりT1、T2、T3と次第に遅くなることは、Vc0=L・dIc/dtであることから分かる。従って、コレクタ電圧を変化させるような運転条件がある場合にはこれを考慮する必要がある。通常電圧型インバータ装置は直流電圧を制御側にフィードバックし、一定に制御するようにしているので直流フィードバック値を利用することで演算が可能となる。
FIG. 7 shows the waveforms of the collector voltage and collector current at turn-on when the collector voltage Vc0 is changed when the current command value Ic0 is constant. As shown in the figure, when the collector voltage Vc decreases (that is, when the voltage Vc0 of the
図8は以上の動作をシミュレーションで検討したものである。シミュレーション条件は、直流電圧Vc0=2250V、チップあたりのコレクタ電流Ic=30A、ゲート抵抗Rg1=100Ω、Rg2=2Ωである。図8(a)は、PチャンネルMOSFET19をターンオンさせる遅延時間を、コレクタ電流の波形の模式図(遅延時間が図の第2ゲートなしの場合の波形)上で示したもの、図8(b)は遅延時間に対するIEGT1Nと相対するダイオード3Pの各々の損失、およびこれらの損失の和をターンオン損失としてグラフに示したものである。図8(a)にプロットした番号が図8(b)に示す番号に対応している。
FIG. 8 shows the above operation studied by simulation. The simulation conditions are a DC voltage Vc0 = 2250V, a collector current Ic per chip = 30 A, a gate resistance Rg1 = 100Ω, and Rg2 = 2Ω. FIG. 8A shows the delay time for turning on the P-
図8(b)より、2段目のゲート駆動手段であるPチャンネルMOSFET19にオン信号を入れるタイミングが早いほどIEGTのターンオン損失が減り、ダイオードのリバースリカバリ損失が増えることが分かる。また、損失の和は、タイミングが早いほど減少するが、遅延時間が1.75us程度になるとほぼ横ばいとなっていることが分かる。
From FIG. 8 (b), it is understood that the turn-on loss of the IEGT decreases and the reverse recovery loss of the diode increases as the timing at which the ON signal is input to the P-
図9は、遅延時間が1.85us、1.90us更に1.95usの場合のコレクタ電流波形を示している。PチャンネルMOSFET19をターンオンさせるタイミングが、コレクタ電流のピークより前の場合(1.85us)はコレクタ電流のピークが増加し、同時にダイオードのリバースリカバリの電流が増加するので、破壊や電流集中などの不都合な現象を招く恐れがある。このため、コレクタ電流のピークより後にPチャンネルMOSFET19をターンオンさせることが望ましい。
FIG. 9 shows a collector current waveform when the delay time is 1.85 us, 1.90 us, and further 1.95 us. When the timing for turning on the P-
尚、ゲート抵抗Rg1に対してゲート抵抗Rg2は同じかRg1より小さくすることによって、コレクタ電圧の低下を早めることが出来、結果としてIEGTの損失をより低減することが可能となる。 Note that by making the gate resistance Rg2 equal to or smaller than the Rg1 with respect to the gate resistance Rg1, the collector voltage can be quickly lowered, and as a result, the IEGT loss can be further reduced.
図10は、PチャンネルMOSFET19をターンオンさせるタイミング(遅延時間)に対するIEGTのターンオン損失、コレクタ電流のピーク値との関係を示した実験結果である。この場合の条件は、直流電圧Vc0=1000V、チップあたりのコレクタ電流Ic0=30A、ゲート抵抗Rg1=100Ω、Rg2=30Ωである。この結果によれば、2段目のゲート駆動手段のタイミングを後ろにずらすとコレクタ電流のピーク値が急激に低下するが、その直後がタイミングの最適点であることが分かる。この時点より前ではIEGTの損失はさらに低下するが、コレクタ電流のピークが増加しており、破壊などの恐れがあり、また更に後ろにずらすとコレクタ電流のピーク値は減少するがターンオン損失が増加してしまうので、PチャンネルMOSFET19をターンオンさせるタイミングとしては望ましくない。
FIG. 10 is an experimental result showing the relationship between the turn-on loss of IEGT and the peak value of the collector current with respect to the timing (delay time) at which the P-
以上本発明の実施例を説明したが、この実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. The novel embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
例えば、図1において遅延時間tdelay設定信号はPWM制御回路40側で設定し、ゲート駆動装置10Nに送信すると説明したが、これをゲート駆動装置10N側で設定するようにしても良い。この場合、各々のゲート駆動装置にインバータの出力電流値または出力電流指令値を与える必要がある。また、tdelay設定信号をゲート駆動装置10N側で設定する場合には、インバータの出力電流値または出力電流指令値に代えて、IEGTのターンオンと同時に生じる、相対するダイオードのリバースリカバリの直前の当該ダイオードの電流を検出しても同一の効果を得ることができる。
For example, although it has been described in FIG. 1 that the delay time tdelay setting signal is set on the
また、図4における駆動対象となるIEGTが適用される回路構成を単相インバータで示したが、これは3相以上の多相であっても良く、また2レベル以上の多レベルインバータであっても良い。多レベルインバータの場合の相対するダイオードは、IEGTのターンオン時にリバースリカバリ電流が流れるダイオードとすれば良い。 In addition, although the circuit configuration to which the IEGT to be driven in FIG. 4 is applied is shown as a single-phase inverter, this may be a multi-phase of three or more phases, or a multi-level inverter of two or more levels. Also good. The opposing diode in the case of a multilevel inverter may be a diode through which a reverse recovery current flows when IEGT is turned on.
更に、図1における結合回路は抵抗のみで示したが、例えばターンオン時のゲート抵抗とターンオフ時のゲート抵抗を変えるような用途においては、複数の抵抗とダイオードを組合せる構成としても良い。 Further, although the coupling circuit in FIG. 1 is shown only with a resistor, for example, in applications where the gate resistance at turn-on and the gate resistance at turn-off are changed, a configuration in which a plurality of resistors and diodes are combined may be used.
1P、1N、2P、2N IEGT
3P、3N、4P、4N ダイオード
5 直流電源
10P、10N、20P、20N ゲート駆動装置
11 オンオフ判別手段
12A、12B MOSFETドライバ
13A PチャンネルMOSFET
13B NチャンネルMOSFET
14 結合回路
15 電流検出手段
16 比較手段
17 遅延手段
18 MOSFETドライバ
19 PチャンネルMOSFET
31、32 スイッチングレグ
40 PWM制御回路
171、172 積分器
173 比較器
174 AND回路
1P, 1N, 2P, 2N IEGT
3P, 3N, 4P,
13B N-channel MOSFET
14
31, 32
Claims (8)
前記PWM制御手段は、
前記PWM信号と、前記インバータの出力電流値または出力電流指令値に応じた遅延時間信号を前記ゲート駆動手段に供給し、
前記各々のゲート駆動手段は、
前記PWM信号を入力とし、前記電力用半導体素子にゲート電圧を供給する第1の駆動手段と、
前記電力用半導体素子のコレクタ電流を検出する電流検出手段と、
この電流検出手段で検出された瞬時電流が所定の電流しきい値となったときトリガ信号を出力する比較手段と、
前記PWM信号がターンオン信号であるとき、前記トリガ信号から前記遅延時間分遅らせて連続信号を出力する遅延手段と、
前記遅延手段の出力を入力とし、前記電力用半導体素子にゲート電圧を供給する第2の駆動手段と、
複数の抵抗、または複数の抵抗及びダイオードから成り、前記第1の駆動手段の出力と前記第2の駆動手段の出力を結合する結合手段と
を具備したことを特徴とする電力用半導体素子のゲート駆動装置。 A gate control device comprising PWM control means for generating PWM signals for a plurality of power semiconductor elements constituting an inverter, and a plurality of gate drive means for driving each gate of the power semiconductor elements,
The PWM control means includes
Supplying the PWM signal and a delay time signal corresponding to the output current value or output current command value of the inverter to the gate driving means;
Each of the gate driving means includes
First driving means for receiving the PWM signal and supplying a gate voltage to the power semiconductor element;
Current detecting means for detecting a collector current of the power semiconductor element;
Comparison means for outputting a trigger signal when the instantaneous current detected by the current detection means reaches a predetermined current threshold;
When the PWM signal is a turn-on signal, delay means for outputting a continuous signal delayed from the trigger signal by the delay time;
Second driving means for taking the output of the delay means as an input and supplying a gate voltage to the power semiconductor element;
A gate of a power semiconductor device comprising a plurality of resistors, or a coupling means comprising a plurality of resistors and a diode and coupling the output of the first driving means and the output of the second driving means Drive device.
前記各々のゲート駆動手段は、
前記PWM信号を入力とし、前記電力用半導体素子にゲート電圧を供給する第1の駆動手段と、
前記電力用半導体素子のコレクタ電流を検出する電流検出手段と、
この電流検出手段で検出された瞬時電流が所定の電流しきい値となったときトリガ信号を出力する比較手段と、
前記PWM信号がターンオン信号であるとき、前記トリガ信号を前記インバータの出力電流値または出力電流指令値に応じた遅延時間分遅らせて連続信号を出力する遅延手段と、
前記遅延手段の出力を入力とし、前記電力用半導体素子にゲート電圧を供給する第2の駆動手段と、
複数の抵抗、または複数の抵抗及びダイオードから成り、前記第1の駆動手段の出力と前記第2の駆動手段の出力を結合する結合手段と
を具備したことを特徴とする電力用半導体素子のゲート駆動装置。 A gate control device comprising PWM control means for generating PWM signals for a plurality of power semiconductor elements constituting an inverter, and a plurality of gate drive means for driving each gate of the power semiconductor elements,
Each of the gate driving means includes
First driving means for receiving the PWM signal and supplying a gate voltage to the power semiconductor element;
Current detecting means for detecting a collector current of the power semiconductor element;
Comparison means for outputting a trigger signal when the instantaneous current detected by the current detection means reaches a predetermined current threshold;
Delay means for delaying the trigger signal by a delay time corresponding to the output current value or output current command value of the inverter and outputting a continuous signal when the PWM signal is a turn-on signal;
Second driving means for taking the output of the delay means as an input and supplying a gate voltage to the power semiconductor element;
A gate of a power semiconductor device comprising a plurality of resistors, or a coupling means comprising a plurality of resistors and a diode and coupling the output of the first driving means and the output of the second driving means Drive device.
前記各々のゲート駆動手段は、
前記PWM信号を入力とし、前記電力用半導体素子にゲート電圧を供給する第1の駆動手段と、
前記電力用半導体素子のコレクタ電流を検出する電流検出手段と、
この電流検出手段で検出された瞬時電流が所定の電流しきい値となったときトリガ信号を出力する比較手段と、
前記PWM信号がターンオン信号であるとき、前記トリガ信号を、前記電力用半導体素子がターンオンする直前の前記電力用半導体素子と相対するダイオードの電流値に応じた遅延時間分遅らせて連続信号を出力する遅延手段と、
前記遅延手段の出力を入力とし、前記電力用半導体素子にゲート電圧を供給する第2の駆動手段と、
複数の抵抗、または複数の抵抗及びダイオードから成り、前記第1の駆動手段の出力と前記第2の駆動手段の出力を結合する結合手段と
を具備したことを特徴とする電力用半導体素子のゲート駆動装置。 A gate control device comprising PWM control means for generating PWM signals for a plurality of power semiconductor elements constituting an inverter, and a plurality of gate drive means for driving each gate of the power semiconductor elements,
Each of the gate driving means includes
First driving means for receiving the PWM signal and supplying a gate voltage to the power semiconductor element;
Current detecting means for detecting a collector current of the power semiconductor element;
Comparison means for outputting a trigger signal when the instantaneous current detected by the current detection means reaches a predetermined current threshold;
When the PWM signal is a turn-on signal, the trigger signal is delayed by a delay time corresponding to the current value of the diode facing the power semiconductor element immediately before the power semiconductor element is turned on, and a continuous signal is output. Delay means;
Second driving means for taking the output of the delay means as an input and supplying a gate voltage to the power semiconductor element;
A gate of a power semiconductor device comprising a plurality of resistors, or a coupling means comprising a plurality of resistors and a diode and coupling the output of the first driving means and the output of the second driving means Drive device.
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