JP2015023774A - Gate drive circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧駆動型半導体素子を駆動するゲート駆動回路に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit for driving a voltage-driven semiconductor element.
インバータやコンバータに用いられるハーフブリッジ回路の直列接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチ(両者ともに電圧駆動型半導体素子)は、ゲート駆動回路により駆動制御される。電圧駆動型半導体素子としては、MOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)やIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などがある。 A high-side switch and a low-side switch (both voltage-driven semiconductor elements) connected in series in a half-bridge circuit used in an inverter or a converter are driven and controlled by a gate drive circuit. Examples of voltage-driven semiconductor elements include MOSFETs (MOS field effect transistors) and IGBTs (insulated gate bipolar transistors).
例えばIGBTで構成されたハーフブリッジ回路のハイサイドスイッチがターンオンするときに、ローサイドスイッチに高dV/dtが発生する。かかる高dV/dtによる電流が、ローサイドスイッチのコレクタ・ゲート間の寄生ミラー容量CCGを介してゲート抵抗に流れ、ゲート抵抗による電圧が発生する。この電圧が、IGBTのゲートしきい値電圧を超えると、ローサイドスイッチが誤点弧(セルフターンオン)し、電源短絡を引き起こす。この誤点弧は、ローサイドスイッチがターンオンするときハイサイドスイッチにも見られる。なお、IGBT以外のN型のMOSFETやP型のMOSFET等の場合も同様に誤点弧が生じ得る。 For example, when the high-side switch of a half bridge circuit composed of IGBTs is turned on, high dV / dt is generated in the low-side switch. Current due to such a high dV / dt is the flow in the gate resistance via the parasitic Miller capacitance C CG between the low-side switch collector gate voltage due to the gate resistance occurs. When this voltage exceeds the gate threshold voltage of the IGBT, the low-side switch is falsely fired (self-turned on), causing a power supply short circuit. This false firing is also seen in the high side switch when the low side switch is turned on. In the case of N-type MOSFETs other than IGBTs, P-type MOSFETs, and the like, false firing may occur in the same manner.
そこで、特許文献1のゲート駆動回路は、ローサイドスイッチを構成するMOSFETのゲート端子から電荷を引き抜くための別のスイッチング素子を備える。ハイサイドスイッチがターンオンするときに、スイッチング素子をオン動作させて、ローサイドスイッチのMOSFETのゲート端子から電荷を引き抜くことで、MOSFETの誤点弧を抑制している。
In view of this, the gate drive circuit disclosed in
また、特許文献2のゲート駆動回路は、例えばIGBTのゲート・エミッタ間に負電圧を印加する負電源供給回路を備え、IGBTのゲート電源を2電源(正負電源)供給とする。IGBTのオフ時にゲート端子に負電源供給することにより、オフ状態のIGBTのコレクタ電圧の急激な上昇により生じるゲート電圧上昇による誤点弧を抑制している。
The gate drive circuit of
しかしながら、特許文献1のゲート駆動回路では、スイッチング素子の電荷引き抜き能力を低くすることで、MOSFETのドレイン・ソース電圧の立ち上がり速度を抑えており、スイッチング動作を高速化することができない。
However, in the gate drive circuit disclosed in
また、ワイドギャップ半導体(SiC(シリコン・カーバイド)やGaN(ガリウムナイトライド)など)を用いたパワー用スイッチング素子は、スイッチング損失を低減するために、ゲートしきい値電圧を低くしているものがある。このようなゲートしきい値電圧の低い素子を特許文献1のゲート駆動回路によりゲート駆動制御すると、誤点弧が生じることがある。
In addition, power switching elements using wide gap semiconductors (SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), etc.) have a low gate threshold voltage in order to reduce switching loss. is there. When such an element having a low gate threshold voltage is gate-driven by the gate driving circuit disclosed in
また特許文献2のゲート駆動回路では、IGBTのオフ時にゲート端子に負電源を供給し、オフ電圧を下げることで、ゲートしきい値電圧までのマージンを取ることができる。しかし、ワイドギャップ半導体を用いた高速スイッチング動作が可能なパワー用スイッチング素子は、スイッチング動作を高速化するに連れてdV/dtも大きくなり、ゲート抵抗による電圧降下が大きくなる。その結果、この電圧が、マージン分を超えて、ゲートしきい値電圧を超えることとなり、誤点弧が生じる。
In the gate drive circuit disclosed in
このように、スイッチング動作の高速化と誤点弧とはトレードオフの関係にある。つまり、スイッチング素子の高周波動作のためにはスイッチング動作の高速化が必要であるが、スイッチング動作を高速化すると高dV/dtが生じて、誤点弧が生じる。 Thus, there is a trade-off relationship between speeding up the switching operation and false firing. That is, the switching operation needs to be speeded up for high-frequency operation of the switching element. However, when the switching operation is speeded up, high dV / dt is generated, and erroneous firing occurs.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、誤点弧を防止でき且つスイッチング動作の高速化を実現できるゲート駆動回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a gate drive circuit that can prevent false ignition and realize high-speed switching operation.
上記目的を達成するため、本発明に係るゲート駆動回路は、
電圧駆動型半導体素子を駆動するゲート駆動回路であって、
前記電圧駆動型半導体素子のゲート端子に正電圧と負電圧とを選択的に印加する電圧供給部と、
前記電圧供給部の出力端と前記電圧駆動型半導体素子のゲート端子との間に接続されたゲート抵抗と、
接続制御信号がスイッチを閉とする動作レベルになると、前記ゲート抵抗を迂回する導通路を導通状態にする接続用スイッチと、
前記電圧駆動型半導体素子のゲート端子に負電圧が印加されている場合におけるゲート電圧を監視し、このゲート電圧が、該電圧駆動型半導体素子のゲートしきい値電圧よりも低い設定電圧を超えると、前記接続制御信号を前記動作レベルに変更する監視手段と、
を備える。
In order to achieve the above object, a gate driving circuit according to the present invention includes:
A gate driving circuit for driving a voltage-driven semiconductor element,
A voltage supply unit that selectively applies a positive voltage and a negative voltage to the gate terminal of the voltage-driven semiconductor element;
A gate resistor connected between an output terminal of the voltage supply unit and a gate terminal of the voltage-driven semiconductor element;
When the connection control signal is at an operation level for closing the switch, a connection switch that turns on the conduction path that bypasses the gate resistance;
When a negative voltage is applied to the gate terminal of the voltage-driven semiconductor element, the gate voltage is monitored, and when the gate voltage exceeds a set voltage lower than the gate threshold voltage of the voltage-driven semiconductor element Monitoring means for changing the connection control signal to the operation level;
Is provided.
本発明によれば、誤点弧を防止でき且つスイッチング動作の高速化を実現できるゲート駆動回路を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the gate drive circuit which can prevent false ignition and can implement | achieve high-speed switching operation can be provided.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係るゲート駆動回路1は、図1に示すように、ハーフブリッジ回路2の直列接続されたハイサイドスイッチHSとローサイドスイッチLSをそれぞれ駆動するものである。ハイサイド用のゲート駆動回路1とローサイド用のゲート駆動回路1とは同一の回路構成であるため、ここではローサイドスイッチLSのゲート駆動回路1の回路構成について以下に説明する。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the
なお、ハイサイドスイッチHSとローサイドスイッチLSは、N型のMOSFET(NチャンネルのMOSFET)である。MOSFETは、並列に接続された内蔵(環流)ダイオードFWDを有している。以下、ハイサイドスイッチHSを構成するN型のMOSFETをハイサイドスイッチHSと呼び、ローサイドスイッチLSを構成するN型のMOSFETをローサイドスイッチLSと呼ぶ。 The high-side switch HS and the low-side switch LS are N-type MOSFETs (N-channel MOSFETs). The MOSFET has a built-in (circular) diode FWD connected in parallel. Hereinafter, the N-type MOSFET constituting the high-side switch HS is referred to as a high-side switch HS, and the N-type MOSFET constituting the low-side switch LS is referred to as a low-side switch LS.
ハイサイドスイッチHSのゲート端子Gにゲート駆動回路1が接続され、ドレイン端子Dには直流正電圧(DC(+))が印加されている。また、ローサイドスイッチLSのゲート端子Gにゲート駆動回路1が接続され、ソース端子Sに直流負電圧(DC(−))が印加されている。ハイサイドスイッチHSのソース端子SとローサイドスイッチLSのドレイン端子Dとが接続され、その接続点P2から出力される。
The
ローサイド側のゲート駆動回路1は、ローサイドスイッチLSのゲート端子Gにこれをオンオフするドライブ用正負電圧を選択的に印加する電圧供給部3と、ローサイドスイッチLSのゲート端子Gに接続されたゲート抵抗Rgと、ゲート電圧VGを監視する監視回路5と、ゲート抵抗Rgに並列接続された接続用スイッチSW1を備える。
The low-side
電圧供給部3は、直列接続された正電源VAと負電源VBと、プッシュプル回路4とを備え、ゲート抵抗Rgを介してローサイドスイッチLSのゲート端子Gに正電圧V1(例えば+18V)と負電圧V2(例えば−6V)を選択的に印加するものである。
The
プッシュプル回路4は、NPN型のトランジスタTr1とPNP型のトランジスタTr2とが正負対称に接続されて構成され、両トランジスタTr1,Tr2のベース端子B同士を接続した入力部4Aと、両トランジスタTr1,Tr2のエミッタ端子同士を接続した出力端4Bとを有する。 The push-pull circuit 4 is configured by connecting an NPN transistor Tr1 and a PNP transistor Tr2 in positive and negative symmetry, and an input unit 4A in which base terminals B of both transistors Tr1 and Tr2 are connected to each other, and both transistors Tr1, An output terminal 4B connecting the emitter terminals of Tr2.
正電源VAは、プッシュプル回路4のNPN型のトランジスタTr1のコレクタ端子Cに正電圧V1を印加する。負電源VBは、プッシュプル回路4のPNP型のトランジスタTr2に負電圧V2を印加する。正電源VAの負側端子と負電源VBの正側端子とを接続したその接続点P1を零電位V0に設定している。
The positive power source V A applies a
ゲート抵抗Rgは、電圧供給部3の出力端4BとローサイドスイッチLSのゲート端子Gとの間に接続されている。
The gate resistor Rg is connected between the output terminal 4B of the
プッシュプル回路4の入力部4Aへのスイッチング制御信号がハイレベルになると、NPN型のトランジスタTr1がオン、PNP型のトランジスタTr2がオフとなり、ゲート抵抗Rgを介してローサイドスイッチLSのゲート端子Gに正電圧V1が印加され、ローサイドスイッチLSがオンとなる。また、スイッチング制御信号がローレベルになると、NPN型のトランジスタTr1がオフ、PNP型のトランジスタTr2がオンとなり、ゲート抵抗Rgを介してローサイドスイッチLSのゲート端子Gに負電圧V2が印加され、ローサイドスイッチLSがオフとなる。 When the switching control signal to the input section 4A of the push-pull circuit 4 becomes high level, the NPN transistor Tr1 is turned on and the PNP transistor Tr2 is turned off, and is connected to the gate terminal G of the low-side switch LS via the gate resistor Rg. A positive voltage V1 is applied, and the low-side switch LS is turned on. When the switching control signal becomes low level, the NPN transistor Tr1 is turned off and the PNP transistor Tr2 is turned on, and the negative voltage V2 is applied to the gate terminal G of the low side switch LS via the gate resistance Rg. The switch LS is turned off.
接続用スイッチSW1は、N型MOSFETである。接続用スイッチSW1のドレイン端子Dがゲート抵抗RgのローサイドスイッチLS側に接続され、ソース端子Sが逆流防止ダイオードBPDのアノード端子に接続され、ゲート端子Gが監視回路5に接続されている。なお、接続用スイッチSW1としてのMOSFETは、並列に接続された環流ダイオードFWDを有している。 The connection switch SW1 is an N-type MOSFET. The drain terminal D of the connection switch SW1 is connected to the low-side switch LS side of the gate resistance Rg, the source terminal S is connected to the anode terminal of the backflow prevention diode BPD, and the gate terminal G is connected to the monitoring circuit 5. Note that the MOSFET as the connection switch SW1 has a freewheeling diode FWD connected in parallel.
また、逆流防止ダイオードBPDは、そのカソード端子がゲート抵抗Rgのプッシュプル回路4側に接続され、アノード端子が接続用スイッチSW1のソース端子S側に接続されている。接続用スイッチSW1と逆流防止ダイオードBPDとを直列に接続したものがゲート抵抗Rgに並列接続されている。 The backflow prevention diode BPD has a cathode terminal connected to the push-pull circuit 4 side of the gate resistance Rg and an anode terminal connected to the source terminal S side of the connection switch SW1. A connection switch SW1 and a backflow prevention diode BPD connected in series are connected in parallel to the gate resistor Rg.
接続用スイッチSW1は、そのゲート端子Gに監視回路5からの接続制御信号(スイッチを開閉するためのゲート電圧信号VSW1)が入力されている。接続用スイッチSW1への接続制御信号がハイレベルになると、接続用スイッチSW1がオンとなり(そのドレイン・ソース間が導通し)、逆流防止ダイオードBPDを介してローサイドスイッチLSのゲート端子Gとプッシュプル回路4のトランジスタTr2のエミッタ端子Eとが導通状態となる。接続用スイッチSW1への接続制御信号がローレベルになると、接続用スイッチSW1がオフになる(そのドレイン・ソース間が非導通となる)。 The connection switch SW1 receives a connection control signal (gate voltage signal VSW1 for opening and closing the switch) from the monitoring circuit 5 at its gate terminal G. When the connection control signal to the connection switch SW1 becomes high level, the connection switch SW1 is turned on (the drain and the source become conductive), and the push-pull is connected to the gate terminal G of the low-side switch LS via the backflow prevention diode BPD. The emitter terminal E of the transistor Tr2 of the circuit 4 becomes conductive. When the connection control signal to the connection switch SW1 becomes a low level, the connection switch SW1 is turned off (the drain and the source are not conductive).
監視回路5は、ローサイドスイッチLSのゲート電圧VGと基準電圧としての設定電圧VSとを比較する比較器6(コンパレータ)と、比較器6の非反転入力端子に負電圧のゲート電圧VGを入力するための抵抗R1と、設定電圧VSを設定するための抵抗R2とを備えている。
The monitoring circuit 5 compares the gate voltage VG of the low-side switch LS with the set voltage VS as a reference voltage, and inputs a negative gate voltage VG to the non-inverting input terminal of the
監視回路5は、ローサイドスイッチLSがオフの場合(例えば、ローサイドスイッチLSを構成するMOSFETのゲート端子Gに負電圧が印加されている場合)におけるゲート電圧VGを監視する。この監視回路5は、電圧供給部3から印加されている負レベルのゲート電圧VG(ここでは−6Vとする)が、ローサイドスイッチLSのしきい値電圧Vth(例えば+2V)よりも低い設定電圧VS(例えば−4V)を超えると、接続用スイッチSW1への接続制御信号(ゲート電圧信号)をハイレベルとするように回路構成されている。
The monitoring circuit 5 monitors the gate voltage VG when the low-side switch LS is off (for example, when a negative voltage is applied to the gate terminal G of the MOSFET constituting the low-side switch LS). In the monitoring circuit 5, the negative level gate voltage VG (here, −6V) applied from the
監視回路5は、ゲート電圧VG<設定電圧VSであれば、接続用スイッチSW1のゲート端子Gへの接続制御信号をローレベルとし、接続用スイッチSW1がオフであり、図1に破線矢印で示すようにゲート抵抗Rgに電流Ig1が流れる。また、ゲート電圧VG≧設定電圧VSであれば、接続制御信号をハイレベルとし、接続用スイッチSW1がオンとなり、図1に実線矢印で示すように接続用スイッチSW1に電流Ig2が流れる。 If the gate voltage VG <the set voltage VS, the monitoring circuit 5 sets the connection control signal to the gate terminal G of the connection switch SW1 to the low level, the connection switch SW1 is off, and is indicated by a broken line arrow in FIG. Thus, the current Ig1 flows through the gate resistance Rg. If the gate voltage VG ≧ the set voltage VS, the connection control signal is set to the high level, the connection switch SW1 is turned on, and the current Ig2 flows through the connection switch SW1 as indicated by the solid line arrow in FIG.
監視回路5は、ゲート電圧VGが設定電圧VSに到達した時点から予め設定された所定時間(例えば、数ナノ秒〜数十ナノ秒)が経過するまでの間、接続用スイッチSW1への接続制御信号をハイレベルとし、その期間中、接続用スイッチSW1をオンさせている。比較器6の出力端に例えばワンショット回路を設けることにより、前記所定時間ハイレベルとなる接続制御信号とすることが可能である。
The monitoring circuit 5 controls connection to the connection switch SW1 until a predetermined time (for example, several nanoseconds to several tens of nanoseconds) elapses after the gate voltage VG reaches the set voltage VS. The signal is set to the high level, and the connection switch SW1 is turned on during the period. By providing, for example, a one-shot circuit at the output terminal of the
ここで、ローサイドスイッチLSのゲート駆動回路1の動作について図2を用いて説明する。
Here, the operation of the
なお、図2に示す時刻t1の直前では、ローサイドスイッチLSがオン状態であり、ハイサイドスイッチHSがオフ状態であるとする。詳しくは、時刻t1の直前では、プッシュプル回路4の入力部4A(図1参照)へのスイッチング制御信号がハイレベルであり、ローサイドスイッチLSのゲート駆動回路1におけるプッシュプル回路4のNPN型のトランジスタTr1がオン(図2(a)参照)、プッシュプル回路4のPNP型のトランジスタTr2がオフであり(図2(b)参照)、ゲート抵抗Rgに正電圧V1が印加され、ローサイドスイッチLSのゲート電圧VGがハイレベルとなる(図2(d)参照)。逆に、ハイサイドスイッチHSのゲート電圧VGはローレベルとなっている(図2(c)参照)。
It is assumed that the low side switch LS is in the on state and the high side switch HS is in the off state immediately before time t1 shown in FIG. Specifically, immediately before time t1, the switching control signal to the input unit 4A (see FIG. 1) of the push-pull circuit 4 is at a high level, and the NPN type of the push-pull circuit 4 in the
時刻t1では、プッシュプル回路4の入力部4A(図1参照)へのスイッチング制御信号がローレベルとなることにより、図2(a)(b)に示すようにプッシュプル回路4のNPN型のトランジスタTr1がオフとなり、プッシュプル回路4のPNP型のトランジスタTr2がオンとなり、図2(d)に示すようにローサイドスイッチLSのゲート電圧VGが低下し始める。そして、時刻t2において、ローサイドスイッチLSのゲート電圧VGがローレベルとなり、図2(f)に示すようにローサイドスイッチLSの通過電流(ドレイン・ソース間に流れる電流)が零となる。ローサイドスイッチLSがオフ状態となる。 At time t1, the switching control signal to the input unit 4A (see FIG. 1) of the push-pull circuit 4 becomes low level, so that the NPN type of the push-pull circuit 4 is shown in FIGS. The transistor Tr1 is turned off, the PNP transistor Tr2 of the push-pull circuit 4 is turned on, and the gate voltage VG of the low-side switch LS starts to decrease as shown in FIG. At time t2, the gate voltage VG of the low-side switch LS becomes low level, and the passing current (current flowing between the drain and source) of the low-side switch LS becomes zero as shown in FIG. The low side switch LS is turned off.
そして、時刻t3において、ハイサイドスイッチHSのゲート駆動回路1におけるプッシュプル回路4の入力部4Aへのスイッチング制御信号をローレベルからハイレベルに変化させている。これにより、ハイサイドスイッチHSのオン開始までには、時刻t2〜t3のデッドタイムDTが確保されている(図2(d)参照)。このデッドタイムDTは、ハイサイドスイッチHSとローサイドスイッチLSの両方が直流短絡することを防止するための待機期間(直流短絡防止用の待機期間)である。
At time t3, the switching control signal to the input part 4A of the push-pull circuit 4 in the
続いて、ハイサイドスイッチHSのゲート駆動回路1は、そのプッシュプル回路4の入力部4Aへのスイッチング制御信号を時刻t3においてハイレベルに変化させる。これにより、時刻t4においてハイサイドスイッチHSのゲート電圧VGがしきい値電圧Vthを超えてハイサイドスイッチHSがターンオンする(図2(c)参照)。この時、オフ状態のローサイドスイッチLSの両端電圧(VDS)が急速に上昇すると、ゲート・ドレイン間のミラー容量CDGおよびゲート抵抗Rgを介して、図1に破線矢印で示す電流Ig1が流れ、ゲート抵抗Rgによる電圧降下VRgが大きくなり、ローサイドスイッチLSのゲート電圧VGが図2(d)に破線で示すように上昇する。
Subsequently, the
監視回路5は、ゲート電圧VGを監視し、あらかじめ設定された設定電圧VSを超えると、図2(e)に示すように接続用スイッチSW1への接続制御信号(ゲート電圧信号VSW1)をハイレベルとし、この接続用スイッチSW1をオン動作させ、接続用スイッチSW1を介して図1に実線矢印で示す電流Ig2を流す。接続用スイッチSW1のオン抵抗分RSW(例えば数ミリオーム)はRg(例えば数オーム)に対して十分に小さいので、ゲート抵抗Rgによる電圧発生分を抑制でき、ゲート電圧VGの上昇を抑制できる。 The monitoring circuit 5 monitors the gate voltage VG, and when it exceeds a preset voltage VS, a connection control signal (gate voltage signal VSW1) to the connection switch SW1 is set to a high level as shown in FIG. The connection switch SW1 is turned on, and the current Ig2 indicated by the solid line arrow in FIG. 1 flows through the connection switch SW1. Since the on-resistance R SW (for example, several milliohms) of the connection switch SW1 is sufficiently small relative to Rg (for example, several ohms), the voltage generation due to the gate resistance Rg can be suppressed, and the rise of the gate voltage VG can be suppressed.
その結果、しきい値電圧Vthを超えることなく、ローサイドスイッチLSの誤点弧を防止することができ、ハイサイド及びローサイドスイッチLSの導通による直流短絡を防止できる。時刻t4〜t6の期間において、図2(f)に示すようにローサイドスイッチLSの通過電流は実線で示すように零のままであり、直流短絡が防止されている。 As a result, it is possible to prevent erroneous firing of the low side switch LS without exceeding the threshold voltage Vth, and it is possible to prevent a DC short circuit due to conduction of the high side and low side switch LS. In the period from time t4 to t6, as shown in FIG. 2 (f), the passing current of the low-side switch LS remains zero as shown by the solid line, and a DC short circuit is prevented.
なお、接続用スイッチSW1を設けない場合には、ローサイドスイッチLSのゲート電圧VGが図2(d)に破線で示すようにしきい値電圧Vthを超えてしまい、ローサイドスイッチLSが誤点弧し、ローサイドスイッチLSに図2(f)に破線で示す過電流Ish(直流短絡電流)が流れることになる。 If the connection switch SW1 is not provided, the gate voltage VG of the low-side switch LS exceeds the threshold voltage Vth as shown by the broken line in FIG. 2D, and the low-side switch LS is erroneously fired. An overcurrent Ish (DC short-circuit current) indicated by a broken line in FIG. 2F flows through the low-side switch LS.
そして、ハイサイドスイッチHSのゲート駆動回路1におけるプッシュプル回路4の入力部4Aへのスイッチング制御信号がローレベルとなることにより、ハイサイドスイッチHSがターンオフする。そして、デッドタイムDTの経過後に、ローサイドスイッチLSのゲート駆動回路1におけるプッシュプル回路4の入力部4Aへのスイッチング制御信号がハイレベルとなることにより、ローサイドスイッチLSがターンオンする。そして、前記した時刻t1でローサイドスイッチLSがターンオフするとの一連のサイクルを繰り返す。
Then, when the switching control signal to the input part 4A of the push-pull circuit 4 in the
ここで、本実施形態1のゲート駆動回路1において、図1に示すゲート抵抗Rgを3.3Ω(オーム)とし、敢えて接続用スイッチSW1がオンさせない不動作モードに設定することで、図3(a)に示すように、セルフターンオンの危険性を示す実験結果が得られている。
Here, in the
図3(a)では、ゲート抵抗Rgが3.3Ω(オーム)であり、ハーフブリッジ回路2の高電圧動作において、ハイサイドスイッチHSがターンオン動作した時のローサイドスイッチLS(ターンオフ状態)のゲート電圧VGが持ち上がっている。つまり、負電圧(例えば、−6V(ボルト))に印加されたゲート電圧VGに、電圧持ち上がりΔVg(=6.5V)が生じており、しきい値電圧Vth(例えば+2V)に対して1.5Vの差しかなく、セルフターンオンの危険性がある。
In FIG. 3A, the gate resistance Rg is 3.3Ω (ohms), and the gate voltage of the low-side switch LS (turn-off state) when the high-side switch HS is turned on in the high-voltage operation of the
そこで、ゲート抵抗Rgを大きくすることで、高dV/dtによるゲート電圧VGの電圧持ち上がりの抑制を図る場合について、図3(b)を用いて説明する。具体的には、ゲート抵抗Rgを3.3Ωよりも大きい9Ωに変更した。この場合には、図3(b)に示すように、ローサイドスイッチLS(ターンオフ状態)のゲート電圧VGの電圧持ち上がりΔVg(=5V)が抑えられている。つまり、負電圧(例えば、−6V(ボルト))に印加されたゲート電圧VGに、電圧持ち上がりΔVg(=5V)が生じるに止めており、しきい値電圧Vth(例えば+2V)に対して3Vの差とし、セルフターンオンの危険性を3.3Ωの場合に比べて減らしている。しかしながら、ハイサイドスイッチHSのドレイン・ソース間電圧の立ち下がり勾配が緩やかになってしまい、スイッチング損失が大きくなり、高速スイッチングすることができないことがわかる。 Therefore, a case where the gate resistance Rg is increased to suppress the increase in the gate voltage VG due to high dV / dt will be described with reference to FIG. Specifically, the gate resistance Rg is changed to 9Ω, which is larger than 3.3Ω. In this case, as shown in FIG. 3B, the voltage increase ΔVg (= 5 V) of the gate voltage VG of the low-side switch LS (turn-off state) is suppressed. In other words, the gate voltage VG applied to a negative voltage (for example, −6 V (volt)) is stopped from causing a voltage increase ΔVg (= 5 V), which is 3 V with respect to the threshold voltage Vth (for example, +2 V). As a difference, the risk of self-turn-on is reduced compared to the case of 3.3Ω. However, it can be seen that the falling slope of the drain-source voltage of the high-side switch HS becomes gentle, the switching loss increases, and high-speed switching cannot be performed.
このように、スイッチング動作の高速化と誤点弧とはトレードオフの関係にある。つまり、スイッチング素子の高周波動作のためにはスイッチング動作の高速化が必要であるが、スイッチング動作を高速化すると高dV/dtが生じて、誤点弧が生じる。 Thus, there is a trade-off relationship between speeding up the switching operation and false firing. That is, the switching operation needs to be speeded up for high-frequency operation of the switching element. However, when the switching operation is speeded up, high dV / dt is generated, and erroneous firing occurs.
これに対して、本実施形態1のゲート駆動回路1を、前記の不動作モードを解除し、本来の動作モードにした場合(つまり、監視回路5がゲート電圧VGを監視し、このゲート電圧VGが設定電圧VSを超えると、接続用スイッチSW1をオンさせる場合)には、図4に示すようにゲート抵抗Rgが小さい場合においても、セルフターンオンを防止でき、高速スイッチングを実現することができるデータが得られた。以下に説明する。
On the other hand, when the
図1に示すゲート抵抗Rgを低い値(例えば3.3Ω)としても、図4(a)に示すように、ローサイドスイッチLS(ターンオフ状態)のゲート電圧VGが設定電圧VS(=−4V)を超えることが監視回路5で検出されると、接続用スイッチSW1がオンしこの接続用スイッチSW1に電流が流れるので、電圧持ち上がりΔVg(=2V)が抑えられている。つまり、負電圧(例えば、−6V(ボルト))に印加されたゲート電圧VGに、電圧持ち上がりΔVg(=2V)が生じるに止めており、しきい値電圧Vth(例えば+2V)に対して6Vの差とし、ローサイドスイッチLSのセルフターンオンを防止できる。また、ハイサイドスイッチHSのドレイン・ソース間電圧の勾配が急峻であり、スイッチング損失を15%低減(例えば0.6mJから0.51mJに減らした)でき、オフ時が130nsec(ナノ秒)であり、オン時が100nsec(ナノ秒)であるという高速スイッチングが可能である。なお図4でのハイサイドスイッチHSのドレイン・ソース間電圧は、上側が零電位で下側が正電位として図示した波形である点に留意されたい。 Even when the gate resistance Rg shown in FIG. 1 is set to a low value (for example, 3.3Ω), as shown in FIG. 4A, the gate voltage VG of the low-side switch LS (turn-off state) is equal to the set voltage VS (= −4V). When the monitoring circuit 5 detects that the voltage exceeds the limit, the connection switch SW1 is turned on and a current flows through the connection switch SW1, so that the voltage increase ΔVg (= 2V) is suppressed. In other words, the gate voltage VG applied to a negative voltage (for example, −6V (volt)) is stopped from causing a voltage increase ΔVg (= 2V), which is 6V with respect to the threshold voltage Vth (for example, + 2V). As a difference, self-turn-on of the low-side switch LS can be prevented. In addition, the slope of the drain-source voltage of the high-side switch HS is steep, the switching loss can be reduced by 15% (for example, reduced from 0.6 mJ to 0.51 mJ), and the off time is 130 nsec (nanoseconds). , High-speed switching is possible in which the ON time is 100 nsec (nanoseconds). It should be noted that the drain-source voltage of the high-side switch HS in FIG. 4 has a waveform illustrated with the upper side being zero potential and the lower side being positive potential.
続いて、ゲート抵抗Rgをさらに低い値(例えば2.5Ω)にした場合について、以下に説明する。図4(b)に示すように、ゲート抵抗Rgをさらに低い値(例えば2.5Ω)としても、ローサイドスイッチLS(ターンオフ状態)のゲート電圧VGが設定電圧VS(=−4V)を超えることが監視回路5で検出されると、接続用スイッチSW1がオンしこの接続用スイッチSW1に電流が流れるので、電圧持ち上がりΔVg(=2V)が抑えることができ、ローサイドスイッチLSのセルフターンオンを防止できる。また、ハイサイドスイッチHSのドレイン・ソース間電圧の勾配がさらに急峻であり、スイッチング損失を60%低減(例えば0.6mJから0.24mJに減らした)でき、オフ時が120nsec(ナノ秒)であり、オン時が90nsec(ナノ秒)であるという高速スイッチングが可能である。 Next, the case where the gate resistance Rg is set to a lower value (for example, 2.5Ω) will be described below. As shown in FIG. 4B, the gate voltage VG of the low-side switch LS (turn-off state) may exceed the set voltage VS (= −4 V) even when the gate resistance Rg is set to a lower value (for example, 2.5Ω). When detected by the monitoring circuit 5, the connection switch SW1 is turned on and a current flows through the connection switch SW1, so that the voltage increase ΔVg (= 2V) can be suppressed, and the low-side switch LS can be prevented from self-turning on. Moreover, the slope of the drain-source voltage of the high-side switch HS is further steep, so that the switching loss can be reduced by 60% (for example, reduced from 0.6 mJ to 0.24 mJ), and the off time is 120 nsec (nanoseconds). In addition, high-speed switching is possible in which the ON time is 90 nsec (nanoseconds).
なお、ゲート抵抗Rgをさらに低い値とした場合においても、ローサイドスイッチLSのセルフターンオンを防止でき、且つ、さらなる高速スイッチングも可能となり、高効率(低損失化)につなげられることとなる。 Even when the gate resistance Rg is set to a lower value, self-turn-on of the low-side switch LS can be prevented, and further high-speed switching can be performed, leading to high efficiency (low loss).
また、本実施形態1のゲート駆動回路1は、図5に示すように、例えば太陽光発電システム10のインバータ駆動用として適用することができる。
Moreover, the
太陽光発電システム10は、図5に示すように、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池PVと、太陽電池PVが出力する直流電力を交流電力に変換出力するパワーコンディショナー20とを備え、負荷側のAC系統50に交流電力を供給するものである。
As shown in FIG. 5, the solar
パワーコンディショナー20は、太陽電池PVからの電圧を所定電圧に変換するコンバータ30と、コンバータ30内のスイッチング素子を制御するコンバータ用ゲート駆動回路31と、コンバータ30を例えばMPPT制御するようにコンバータ用ゲート駆動回路31を制御するコンバータ制御回路32とを備える。このMPPT制御は、太陽電池PVの出力を常に最大化するように最大出力点を自動で追従する制御である。太陽電池PVからパワーコンディショナー20への入力電流は入力電流検出回路33により検出され、コンバータ制御回路32に入力される。また、太陽電池PVからパワーコンディショナー20への入力電圧は入力電圧検出回路34により検出され、コンバータ制御回路32に入力される。
The
また、パワーコンディショナー20は、コンバータ30からの直流電力を交流電力に変換するインバータ40と、インバータ40内のスイッチング素子を制御するインバータ用ゲート駆動回路41と、インバータ40を制御(例えば、Vdc(直流電圧)制御、出力電力制御)するようにインバータ用ゲート駆動回路41を制御するインバータ制御回路42とを備える。
The
コンバータ30からインバータ40への入力電圧は入力電圧検出回路43により検出され、インバータ制御回路42に入力される。インバータ40の出力電流と出力電圧は、出力電流検出回路44と出力電圧検出回路45によりそれぞれ検出され、インバータ制御回路42にそれぞれ入力される。
The input voltage from the
インバータ用ゲート駆動回路41に、本実施形態1のゲート駆動回路1を適用することで、インバータ40内のスイッチング素子を高速スイッチング動作させることができ、高効率(低損失)のインバータ40を実現できる。
By applying the
以上説明したように、本発明の実施の形態1に係るゲート駆動回路1によれば、監視回路5は、ローサイドスイッチLSのゲート端子Gに負電圧V2が印加されている場合におけるゲート電圧VGを監視し、このゲート電圧VGがローサイドスイッチLSのしきい値電圧Vthよりも低い設定電圧VSを超えると、ゲート抵抗Rgに並列接続された接続用スイッチSW1のゲート端子Gへの接続制御信号をハイレベルにする。接続用スイッチSW1は、接続制御信号がハイレベルになるとゲート抵抗Rgをバイパスする導通路を形成する。これにより、ローサイドスイッチLSのゲート電圧VGがしきい値電圧Vthを超えることがなく、誤点弧を防止できる。
As described above, according to the
例えばワイドギャップ半導体を用いた高速スイッチング可能で且つ低損失のパワー用スイッチング素子の場合に、スイッチング動作を高速化させるために急激なdV/dtにより発生するゲート電圧VGの急激な上昇に対しても、2電源供給可能な電圧供給部3がオフ時に負電源供給することで、しきい値電圧Vthまでのマージンをとることができるとともに、ゲート電圧VGが設定電圧VSを超えることを検知すると接続用スイッチSW1により、ゲート端子Gを負電源VBに低インピーダンスで接続する回路を構成できることから、確実にゲート電圧VGの上昇を抑制できる。よって、誤点弧を防止でき且つスイッチング動作の高速化を実現できるゲート駆動回路を提供することができる。
For example, in the case of a power switching element capable of high-speed switching using a wide gap semiconductor and having a low loss, the gate voltage VG generated by a rapid dV / dt in order to increase the switching operation speed When the
また、接続用スイッチSW1と電圧供給部3との間に、電圧供給部3からの電流が接続用スイッチSW1に流れることを阻止する逆流防止ダイオードBPDを備えているので、ローサイドスイッチLSのオン電流が接続用スイッチSW1の環流ダイオードFWDを通じてゲート端子G側に流れることを防止できる。
Further, since the backflow prevention diode BPD for preventing the current from the
監視回路5は、ゲート電圧VGが設定電圧VSに到達した時点から予め設定された所定時間(例えば、数ナノ秒〜数十ナノ秒)が経過するまでの間、接続用スイッチSW1への接続制御信号(図2(e)に示すゲート電圧信号VSW1)をハイレベルとし、その期間中、接続用スイッチSW1をオンしている。これにより、ゲート端子Gのサージ電圧のリップル等によって接続用スイッチSW1がチャタリングすることを防止でき、接続用スイッチSW1が誤動作することを防止できる。 The monitoring circuit 5 controls connection to the connection switch SW1 until a predetermined time (for example, several nanoseconds to several tens of nanoseconds) elapses after the gate voltage VG reaches the set voltage VS. The signal (gate voltage signal VSW1 shown in FIG. 2E) is set to the high level, and the connection switch SW1 is turned on during this period. Thereby, it is possible to prevent the connection switch SW1 from chattering due to a surge voltage ripple or the like of the gate terminal G, and it is possible to prevent the connection switch SW1 from malfunctioning.
(実施の形態2)
続いて、本発明の実施の形態2に係るゲート駆動回路1について説明する。なお、以下の説明において、実施の形態1と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。
(Embodiment 2)
Next, the
前述の実施の形態1では、図1に示すように、単一のゲート抵抗Rgとする構成であるが、これに限定されるものではない。実施の形態2では、図6に示すように、ターンオン用のゲート抵抗Rgonと、ターンオフ用のゲート抵抗Rgoffとを備える。 In the first embodiment described above, a single gate resistance Rg is used as shown in FIG. 1, but the present invention is not limited to this. In the second embodiment, as shown in FIG. 6, a turn-on gate resistance Rgon and a turn-off gate resistance Rgoff are provided.
図6に示すゲート駆動回路1は、ローサイドスイッチLSのオン動作とオフ動作とで異なったゲート抵抗Rgとするために、ターンオン用のゲート抵抗Rgonとターンオフ用のゲート抵抗Rgoffとを備えている。例えば、ターンオンを早くし、ターンオフを遅くしたり、あるいはその逆としたりすることができ、ターンオン期間とターンオフ期間とを異ならせることが可能である。
The
詳しくは、電圧供給部3の出力端4BとローサイドスイッチLSのゲート端子Gとの間には、ローサイドスイッチLSのオフ時の負電源供給ラインであるオフ用ラインL1と、ローサイドスイッチLSのオン時の正電源供給ラインであるオン用ラインL2とが並列形成されている。
Specifically, between the output terminal 4B of the
オフ用ラインL1は、ゲート抵抗としてのターンオフ用のゲート抵抗Rgoffと、カソードを電圧供給部3の出力端4Bに向けてこのターンオフ用のゲート抵抗Rgoffに直列接続された第1ダイオードD1とを備える。
The off-line L1 includes a turn-off gate resistor Rgoff as a gate resistor, and a first diode D1 connected in series to the turn-off gate resistor Rgoff with the cathode facing the output terminal 4B of the
オン用ラインL2は、ターンオン用のゲート抵抗Rgonと、アノードを電圧供給部3の出力端4Bに向けてこのターンオン用のゲート抵抗Rgonに直列接続された第2ダイオードD2とを備える。
The turn-on line L2 includes a turn-on gate resistor Rgon and a second diode D2 connected in series to the turn-on gate resistor Rgon with the anode directed to the output terminal 4B of the
接続用スイッチSW1は、ターンオフ用のゲート抵抗Rgoffに並列接続されている。 The connection switch SW1 is connected in parallel to the turn-off gate resistor Rgoff.
ローサイドスイッチLSのオン時には、電圧供給部3からの正電源がターンオン用のゲート抵抗Rgonを介してローサイドスイッチLSのゲート端子Gに供給される。また、ローサイドスイッチLSのオフ時には、電圧供給部3からの負電源がターンオフ用のゲート抵抗Rgoffを介してローサイドスイッチLSのゲート端子Gに供給される。
When the low-side switch LS is on, the positive power supply from the
この実施形態2のゲート駆動回路1においても、監視回路5は、ローサイドスイッチLSのゲート端子Gに電圧供給部3からの負電源が供給されている場合において、ゲート電圧VG≧設定電圧VSを検出すると、接続用スイッチSW1への接続制御信号をハイレベルとし、接続用スイッチSW1をオン動作させ、ゲート抵抗Rgoffをバイパスする導通路を形成する(低インピーダンス回路を構成する)。
Also in the
つまり、ターンオフ用のゲート抵抗Rgoffを介する電流の流れ(破線矢印で示す電流の流れ)を、接続用スイッチSW1を介する電流の流れ(実線で示す電流の流れ)に変更でき、ターンオフ用のゲート抵抗Rgoffによる電圧発生分を抑制し、ゲート電圧VGの上昇を抑制でき、ローサイドスイッチLSの誤点弧を防止する。 That is, the current flow through the turn-off gate resistor Rgoff (the current flow indicated by the dashed arrow) can be changed to the current flow through the connection switch SW1 (the current flow indicated by the solid line), and the turn-off gate resistance The amount of voltage generated by Rgoff can be suppressed, the rise of the gate voltage VG can be suppressed, and erroneous firing of the low side switch LS can be prevented.
以上説明したように、本発明の実施の形態2に係るゲート駆動回路1によれば、ローサイドスイッチLSのオン時には、電圧供給部3からの正電源がターンオン用のゲート抵抗Rgonを介してローサイドスイッチLSのゲート端子Gに供給される。また、ローサイドスイッチLSのオフ時には、電圧供給部3からの負電源がターンオフ用のゲート抵抗Rgoffを介してローサイドスイッチLSのゲート端子Gに供給され、このときのゲート電圧VGが設定値を超えると、ターンオフ用のゲート抵抗Rgoffに並列接続された接続用スイッチSW1がオン動作し、低インピーダンス回路を構成する。
As described above, according to the
したがって、ローサイドスイッチLSのターンオンとターンオフとでそのスイッチング速度が異なるゲート駆動回路においても、オフ状態のローサイドスイッチLSが誤点弧することなくスイッチング動作の高速化を実現できるゲート駆動回路を提供することができる。 Accordingly, it is possible to provide a gate drive circuit capable of realizing a high-speed switching operation without erroneous firing of the low-side switch LS in the off state even in a gate drive circuit having different switching speeds depending on whether the low-side switch LS is turned on or off. Can do.
(実施の形態3)
続いて、本発明の実施の形態3に係るゲート駆動回路1について説明する。なお、以下の説明において、実施の形態1と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。
(Embodiment 3)
Next, the
前述の実施の形態1では、図1に示すように、ローサイドスイッチLSのオフ状態の場合において、このローサイドスイッチLSのゲート電圧VGを監視し、このゲート電圧VGが設定電圧VSを超えると、接続用スイッチSW1をオンする構成であるが、これに限定されるものではない。 In the first embodiment, as shown in FIG. 1, when the low-side switch LS is in the OFF state, the gate voltage VG of the low-side switch LS is monitored, and if the gate voltage VG exceeds the set voltage VS, the connection is established. However, the present invention is not limited to this.
実施の形態3では、図7に示すように、ローサイドスイッチLSの監視回路5は、ハイサイドスイッチHSのゲート電圧VGを監視し、ハイサイドスイッチHSのゲート電圧VGが判定電圧としてのしきい値電圧Vthを超えると、オフ状態のローサイドスイッチLSにおける接続用スイッチSW1をオンする構成である。 In the third embodiment, as shown in FIG. 7, the monitoring circuit 5 of the low-side switch LS monitors the gate voltage VG of the high-side switch HS, and the gate voltage VG of the high-side switch HS is a threshold value as a determination voltage. When the voltage Vth is exceeded, the connection switch SW1 in the low-side switch LS in the off state is turned on.
つまり、図8に示すように、ハイサイドスイッチHSがターンオンするタイミング(時刻t4)で、オフ状態のローサイドスイッチLSに高dV/dtが発生することから、ハイサイドスイッチHSのゲート電圧VGがしきい値を超えることを契機として(時刻t4)、ローサイドスイッチLS側の接続用スイッチSW1をオンさせるものである。 That is, as shown in FIG. 8, at the timing when the high-side switch HS is turned on (time t4), a high dV / dt is generated in the low-side switch LS in the off state, so that the gate voltage VG of the high-side switch HS is reduced. When the threshold value is exceeded (time t4), the connection switch SW1 on the low-side switch LS side is turned on.
以上説明したように、本発明の実施の形態3に係るゲート駆動回路1によれば、ローサイドスイッチLSの監視回路5は、ハイサイドスイッチHSのゲート電圧VGを監視し、ハイサイドスイッチHSのゲート電圧VGがしきい値電圧Vth(判定電圧)を超える(つまり、ハイサイドスイッチHSがオンする)と、ローサイドスイッチLSの接続用スイッチSW1への接続制御信号をハイレベルにするので、ローサイドスイッチLSのゲート端子Gを接続用スイッチSW1により負電源VB側に低インピーダンスで接続することができ、ローサイドスイッチLSのゲート電圧VGの上昇を前記の実施の形態1よりも小さくすることができる。よって、誤点弧することなくスイッチング動作の高速化を実現できるゲート駆動回路を提供することができる。
As described above, according to the
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
なお、前述した各実施の形態では、図1に示すように、電流Ig2を、接続用スイッチSW1を通じてプッシュプル回路4のPNP型のトランジスタTr2に流しているが、図9に示すように、接続用スイッチSW1の一端(ドレイン端子D)がゲート抵抗RgのローサイドスイッチLSのゲート端子G側の端子に接続され、接続用スイッチSW1の他端(ソース端子S)が基準電位点の端子(零電位V0の端子)に接続され、接続用スイッチSW1を介して零電位V0に流してもよい。また、基準電位点の端子としては、負電圧の端子(負電圧V2やそれ以外の負電圧の端子)としてもよい。 In each of the embodiments described above, as shown in FIG. 1, the current Ig2 flows through the PNP transistor Tr2 of the push-pull circuit 4 through the connection switch SW1, but as shown in FIG. One end (drain terminal D) of the switch SW1 is connected to a terminal on the gate terminal G side of the low-side switch LS of the gate resistor Rg, and the other end (source terminal S) of the connection switch SW1 is a terminal at the reference potential point (zero potential) Terminal V0) and may flow to zero potential V0 via the connection switch SW1. The terminal of the reference potential point may be a negative voltage terminal (negative voltage V2 or other negative voltage terminal).
また、ローサイドスイッチLSのオフ状態において、このローサイドスイッチLSのゲート端子Gを負電圧に固定するようにしてもよい。 Further, when the low-side switch LS is in an off state, the gate terminal G of the low-side switch LS may be fixed to a negative voltage.
なお、前述した各実施の形態では、ローサイドスイッチLSのゲート駆動回路1を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではなく、ハイサイドスイッチHSのゲート駆動回路1としてもよい。ハイサイドスイッチHSに適用した場合には、ハイサイドスイッチHSの誤点弧を防止でき且つスイッチング動作の高速化を実現できる。
In each of the above-described embodiments, the
ここでハイサイドスイッチの誤点弧について説明する。ローサイドスイッチがターンオンするときにもハイサイドスイッチにも誤点弧が生じる。詳しくは、ローサイドスイッチがターンオンすると、オフ状態のハイサイドスイッチの環流ダイオードを通じて高dV/dtが発生する。かかる高dV/dtによる電流が、ハイサイドスイッチの寄生ミラー容量CCGを介してゲート抵抗に流れ、ゲート抵抗による電圧が発生する。この電圧がしきい値電圧を超えると、ハイサイドスイッチも誤点弧(セルフターンオン)することとなり、電源短絡を引き起こす。 Here, the false ignition of the high side switch will be described. When the low side switch is turned on, the high side switch is erroneously ignited. Specifically, when the low-side switch is turned on, high dV / dt is generated through the free-wheeling diode of the off-side high-side switch. Current due to such a high dV / dt is the flow in the gate resistance via the parasitic Miller capacitance C CG of the high-side switch, the voltage due to the gate resistance occurs. If this voltage exceeds the threshold voltage, the high-side switch will also falsely fire (self-turn on), causing a power supply short circuit.
詳しくは、監視回路5は、ハイサイドスイッチHSのゲート端子Gに負電圧V2が印加されている場合におけるゲート電圧VGを監視し、このゲート電圧VGがハイサイドスイッチHSのしきい値電圧Vthよりも低い設定電圧VSを超えると、ゲート抵抗Rgに並列接続された接続用スイッチSW1への接続制御信号をハイレベルにする。接続用スイッチSW1は、接続制御信号がハイレベルになるとゲート端子Gと電圧供給部3の負電源VB側とを低インピーダンスで接続する。この場合には、ハイサイドスイッチHSがオフ状態であるときにローサイドスイッチLSがターンオンすることに起因してハイサイドスイッチHSが誤点弧することを防止できる。
Specifically, the monitoring circuit 5 monitors the gate voltage VG when the negative voltage V2 is applied to the gate terminal G of the high side switch HS, and the gate voltage VG is higher than the threshold voltage Vth of the high side switch HS. If the set voltage VS is too low, the connection control signal to the connection switch SW1 connected in parallel to the gate resistor Rg is set to the high level. Connection switch SW1, the connection control signal for connecting the negative power supply V B side of the gate terminal G and the
なお、前述した各実施の形態では、電圧供給部3は、ローサイドスイッチLSのゲート端子Gにこれをオンオフするドライブ用正負電圧を選択的に切り換えているが、この選択的に切り換える態様としては、交互に切り換えてもよいし、デッドタイム後に切り換えてもよい。
In each of the above-described embodiments, the
なお、前述した各実施の形態では、接続用スイッチSW1は、MOSFETとしているが、これに限られるのではなく、アナログスイッチ、IGBT、接合型FET、バイポーラトランジスタ等としてもよい。例えば、接続用スイッチSW1として、メカニカルなアナログスイッチを採用した場合には、逆流防止ダイオードBPDが不要である。 In each of the embodiments described above, the connection switch SW1 is a MOSFET, but is not limited thereto, and may be an analog switch, IGBT, junction FET, bipolar transistor, or the like. For example, when a mechanical analog switch is employed as the connection switch SW1, the backflow prevention diode BPD is not necessary.
なお、前述した各実施の形態では、ハイサイドスイッチHSとローサイドスイッチLSは、n型のMOSFETとしているが、これに限られるのではなく、p型のMOSFET、IGBT(n型、p型いずれも可能)、接合型FET(n型、p型いずれも可能)、バイポーラトランジスタ(n型、p型いずれも可能)等としてもよい。 In each of the embodiments described above, the high-side switch HS and the low-side switch LS are n-type MOSFETs. However, the present invention is not limited to this, and p-type MOSFETs and IGBTs (both n-type and p-type are used). Possible), junction FET (both n-type and p-type are possible), bipolar transistor (both n-type and p-type are possible), and the like.
なお、前述した各実施の形態のゲート駆動回路1として、例えば太陽光発電システム10におけるパワーコンディショナー20のインバータ用ゲート駆動回路41に適用可能であることを説明しているが、これに限られるのではなく、コンバータ30を駆動するゲート駆動回路や、3相ブリッジインバータを駆動するゲート駆動回路等の各種のゲート駆動回路に適用することができる。
In addition, although it has been described that the
なお、前述した各実施の形態では、監視回路5は、ゲート電圧VGが設定電圧VSに到達した時点から予め設定された所定時間(例えば、数ナノ秒〜数十ナノ秒)が経過するまでの間、接続用スイッチSW1への接続制御信号をハイレベルとし、その期間中、接続用スイッチSW1をオンしているが、これに限られない。例えば、監視回路5は、ゲート電圧VGの設定電圧VSよりも低い第1下限電圧に低下するまでの間、接続用スイッチSW1への接続制御信号のハイレベルを維持するようにしてもよい。この第1下限電圧としては、例えばヒステリシス(誤作動防止用の電圧領域)設定によって、設定電圧VSよりも低い下限電圧が挙げられる。 In each of the above-described embodiments, the monitoring circuit 5 waits until a predetermined time (for example, several nanoseconds to several tens of nanoseconds) elapses from when the gate voltage VG reaches the set voltage VS. During this period, the connection control signal to the connection switch SW1 is set to the high level and the connection switch SW1 is turned on during this period, but this is not restrictive. For example, the monitoring circuit 5 may maintain the high level of the connection control signal to the connection switch SW1 until the monitoring circuit 5 decreases to the first lower limit voltage lower than the set voltage VS of the gate voltage VG. As the first lower limit voltage, for example, a lower limit voltage lower than the set voltage VS is set by setting a hysteresis (voltage range for preventing malfunction).
また、ハイサイドスイッチHSのしきい値電圧Vthである判定電圧よりも低い第2下限電圧に低下するまでの間、ローサイドスイッチLSの接続用スイッチSW1への接続制御信号をハイレベルにしてもよい。この第2下限電圧としては、例えばヒステリシス(誤作動防止用の電圧領域)設定によって、設定電圧VSよりも低い下限電圧が挙げられる。 Further, the connection control signal to the connection switch SW1 of the low side switch LS may be set to the high level until the voltage falls to the second lower limit voltage lower than the determination voltage that is the threshold voltage Vth of the high side switch HS. . As the second lower limit voltage, for example, a lower limit voltage lower than the set voltage VS is set by setting a hysteresis (voltage region for preventing malfunction).
これらの場合にも、ゲート端子Gのサージ電圧のリップル等によって接続用スイッチSW1がチャタリングすることを防止でき、接続用スイッチSW1が誤動作することを防止できる。 Also in these cases, the connection switch SW1 can be prevented from chattering due to the surge voltage ripple of the gate terminal G, and the connection switch SW1 can be prevented from malfunctioning.
1 ゲート駆動回路
2 ハーフブリッジ回路
3 電圧供給部
4B 出力端
5 監視回路(監視手段)
BPD 逆流防止ダイオード(逆流防止素子)
D1 第1ダイオード
D2 第2ダイオード
FWD 環流ダイオード
HS ハイサイドスイッチ(電圧駆動型半導体素子、第2素子)
LS ローサイドスイッチ(電圧駆動型半導体素子、第1素子)
L1 オフ用ライン
L2 オン用ライン
Rg ゲート抵抗
Rgoff ターンオフ用のゲート抵抗(ゲートオフ抵抗)
Rgon ターンオン用のゲート抵抗(ゲートオン抵抗)
SW1 接続用スイッチ(スイッチング素子)
DESCRIPTION OF
BPD Backflow prevention diode (Backflow prevention element)
D1 1st diode D2 2nd diode FWD Freewheeling diode HS High side switch (voltage drive type semiconductor element, 2nd element)
LS Low-side switch (voltage-driven semiconductor element, first element)
L1 OFF line L2 ON line Rg Gate resistance Rgoff Turn-off gate resistance (gate-off resistance)
Rgon Turn-on gate resistance (gate-on resistance)
SW1 connection switch (switching element)
Claims (7)
前記電圧駆動型半導体素子のゲート端子に正電圧と負電圧とを選択的に印加する電圧供給部と、
前記電圧供給部の出力端と前記電圧駆動型半導体素子のゲート端子との間に接続されたゲート抵抗と、
接続制御信号がスイッチを閉とする動作レベルになると、前記ゲート抵抗を迂回する導通路を導通状態にする接続用スイッチと、
前記電圧駆動型半導体素子のゲート端子に負電圧が印加されている場合におけるゲート電圧を監視し、このゲート電圧が、該電圧駆動型半導体素子のゲートしきい値電圧よりも低い設定電圧を超えると、前記接続制御信号を前記動作レベルに変更する監視手段と、
を備えることを特徴とするゲート駆動回路。 A gate driving circuit for driving a voltage-driven semiconductor element,
A voltage supply unit that selectively applies a positive voltage and a negative voltage to the gate terminal of the voltage-driven semiconductor element;
A gate resistor connected between an output terminal of the voltage supply unit and a gate terminal of the voltage-driven semiconductor element;
When the connection control signal is at an operation level for closing the switch, a connection switch that turns on the conduction path that bypasses the gate resistance;
When a negative voltage is applied to the gate terminal of the voltage-driven semiconductor element, the gate voltage is monitored, and when the gate voltage exceeds a set voltage lower than the gate threshold voltage of the voltage-driven semiconductor element Monitoring means for changing the connection control signal to the operation level;
A gate drive circuit comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載のゲート駆動回路。 The connection switch is connected in parallel to the gate resistor, and when the connection control signal reaches the operation level, a conduction path that bypasses the gate resistor is turned on.
The gate drive circuit according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1に記載のゲート駆動回路。 One end of the connection switch is connected to the terminal of the gate resistor on the gate terminal side of the voltage-driven semiconductor element, the other end is connected to a terminal of a reference potential point, and the connection control signal is at the operation level. A conduction path different from the gate resistance is made conductive;
The gate drive circuit according to claim 1, wherein:
前記オフ用ラインは、前記ゲート抵抗としてのゲートオフ抵抗と、カソードを前記電圧供給部の出力端に向けてこのゲートオフ抵抗に直列接続された第1ダイオードとを有し、
前記オン用ラインは、ゲートオン抵抗と、アノードが前記電圧供給部に向けてこのゲートオン抵抗に直列接続された第2ダイオードとを有し、
前記接続用スイッチは前記ゲートオフ抵抗に並列接続されている、
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のゲート駆動回路。 Between the output terminal of the voltage supply unit and the gate terminal of the voltage-driven semiconductor element, an off line and an on line are formed in parallel,
The off-line has a gate-off resistance as the gate resistance, and a first diode connected in series with the gate-off resistance with the cathode facing the output terminal of the voltage supply unit,
The on-line has a gate-on resistance and a second diode having an anode connected in series to the gate-on resistance toward the voltage supply unit,
The connection switch is connected in parallel to the gate-off resistor;
The gate drive circuit according to claim 1, wherein the gate drive circuit is a gate drive circuit.
前記監視手段は、前記第1素子のゲート電圧が前記設定電圧を超えるか否かを監視することに代えて、前記第2素子のゲート電圧を監視し、前記第2素子のゲート電圧がしきい値電圧である判定電圧を超えると、前記第1素子の前記接続用スイッチへの前記接続制御信号を前記動作レベルに変更する、
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載のゲート駆動回路。 A second element as another voltage-driven semiconductor element connected in series with the first element as the voltage-driven semiconductor element;
Instead of monitoring whether the gate voltage of the first element exceeds the set voltage, the monitoring means monitors the gate voltage of the second element, and the gate voltage of the second element is a threshold. When a determination voltage that is a value voltage is exceeded, the connection control signal to the connection switch of the first element is changed to the operation level.
The gate drive circuit according to claim 1, wherein the gate drive circuit is provided.
前記スイッチング素子と前記電圧供給部の出力端との間に、前記電圧供給部からの電流が前記スイッチング素子に流れることを阻止する逆流防止素子を備える、
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載のゲート駆動回路。 The connection switch is a switching element,
Between the switching element and the output terminal of the voltage supply unit, a backflow prevention element that prevents a current from the voltage supply unit from flowing to the switching element is provided.
The gate drive circuit according to claim 1, wherein the gate drive circuit is provided.
ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載のゲート駆動回路。 The monitoring means operates the operation of the connection control signal to the connection switch until a predetermined time set in advance elapses or until the first lower limit voltage lower than the set voltage is lowered. Keep the level,
The gate drive circuit according to claim 1, wherein the gate drive circuit is provided.
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