JP2015211568A - Gate drive circuit - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電力用半導体素子を駆動するゲート駆動回路に関するものである。 The present invention relates to a gate drive circuit for driving a power semiconductor element.
電力用半導体素子(例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor))をスイッチングすると、スイッチング損失、高周波ノイズが発生する。これらを低減するために定電流回路を用いてゲート電圧を緩やかに変化させる方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 When a power semiconductor element (for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)) is switched, switching loss and high-frequency noise are generated. In order to reduce these, a method of gradually changing the gate voltage using a constant current circuit has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記特許文献1に開示された技術においては、定電流回路は負帰還をかけることによって電流を一定値に制御しているため、定電流回路が安定して動作出来るゲート電流には下限値があり、その下限値以下にゲート電流を設定した場合にはゲート電流が断続する動作となる。よって、断続動作で使用する場合は断続しない場合より損失が増大し、断続動作にさせない場合は、高速スイッチングが可能な半導体素子が必要となり回路コストが増大し、回路定数の調整も難しいという課題がある。 However, in the technique disclosed in Patent Document 1, since the constant current circuit controls the current to a constant value by applying negative feedback, a lower limit is set for the gate current at which the constant current circuit can operate stably. When the gate current is set below the lower limit value, the gate current is intermittently operated. Therefore, when used in intermittent operation, the loss increases compared to when it is not intermittent, and when it is not in intermittent operation, a semiconductor element capable of high-speed switching is required, which increases circuit cost and makes it difficult to adjust circuit constants. is there.
この発明は、上記のような課題を解消するために成されたものであって、電力用半導体素子のゲート電圧を緩やかに変化させて高周波ノイズを低減するために、スイッチング速度の下限が無いゲート駆動回路を簡易な構成で実現することを目的とするものである。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. In order to reduce high-frequency noise by gently changing the gate voltage of a power semiconductor element, the gate has no lower limit of switching speed. The object is to realize a drive circuit with a simple configuration.
この発明によるゲート駆動回路は、電力用半導体素子を駆動するゲート駆動回路において、上記電力用半導体素子のゲートに一端が接続されると共に、他端が上記電力用半導体素子のゲート電流を得る電圧源に接続され、上記電力用半導体素子のゲートに並列接続される負荷を駆動する定電流ゲート駆動回路を備え、
上記定電流ゲート駆動回路は、上記電力用半導体素子のゲート容量を一定電流で充電すると共に、上記負荷の駆動電流の値を上記定電流ゲート駆動回路の電流が断続する下限の電流値より大きな値にするものである。
A gate drive circuit according to the present invention is a gate drive circuit for driving a power semiconductor element, wherein one end of the gate drive circuit is connected to the gate of the power semiconductor element and the other end obtains a gate current of the power semiconductor element. A constant current gate drive circuit for driving a load connected in parallel to the gate of the power semiconductor element,
The constant current gate drive circuit charges the gate capacitance of the power semiconductor element with a constant current, and the drive current value of the load is larger than a lower limit current value at which the current of the constant current gate drive circuit is intermittent. It is to make.
この発明によると、電力用半導体素子のゲート電圧を緩やかに変化させて高周波ノイズを低減するために、スイッチング速度の下限が無いゲート駆動回路を簡易な構成で実現できる。 According to the present invention, since the gate voltage of the power semiconductor element is gently changed to reduce high frequency noise, a gate drive circuit having no lower limit of the switching speed can be realized with a simple configuration.
以下、この発明によるゲート駆動回路の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。 Preferred embodiments of a gate driving circuit according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるゲート駆動回路の構成を示す図である。
実施の形態1によるゲート駆動回路は、図1に示すように、Si半導体から成る電力用半導体素子であるIGBT1のゲートに接続され、IGBT1のターンオン時にゲート電流を制限してIGBT1を駆動する定電流ゲート駆動回路2と、定電流ゲート駆動回路2にオン指令信号(オン指令電圧)3を出力する電圧源としての電力用半導体素子制御回路4と、定電流ゲート駆動回路2に並列に接続され、IGBT1のターンオフ時にゲート電荷を放電する放電回路5と、負荷としてのコンデンサ6を有して構成されている。
Embodiment 1 FIG.
1 is a diagram showing a configuration of a gate drive circuit according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the gate drive circuit according to the first embodiment is connected to the gate of IGBT1, which is a power semiconductor element made of Si semiconductor, and controls IGBT1 by limiting the gate current when IGBT1 is turned on. The
定電流ゲート駆動回路2は、図示のように、抵抗20,21と、PNPバイポーラトランジスタで構成されるトランジスタ22a,23と、トランジスタ22aのコレクタに直列接続されるダイオード24を備えて構成される。ダイオード24のカソードは、定電流ゲート駆動回路2の出力端になり、IGBT1のゲートとコンデンサ6に接続される。定電流ゲート駆動回路2は、駆動回路出力電流7を所定の上限値に制限する機能を有する。
As shown in the figure, the constant current
つぎに、実施の形態1によるゲート駆動回路の動作について説明する。
IGBT1をターンオンするとき、定電流ゲート駆動回路2には、電力用半導体素子制御回路4からのオン指令信号3が入力される。オン指令信号3が定電流ゲート駆動回路2に入力されると、トランジスタ22aは導通状態となり、抵抗20を介してエミッタ電流が流れ、抵抗21を介してベース電流が流れる。また、ダイオード24を介してコレクタ電流が流れ、このコレクタ電流が駆動回路出力電流7となってコンデンサ6に流れるとともに、IGBT1に対するゲート電流8となってIGBT1のゲート容量を充電する。
Next, the operation of the gate drive circuit according to the first embodiment will be described.
When the IGBT 1 is turned on, the constant current
トランジスタ22aのエミッタ電流が増加すると抵抗20での電圧降下が増大し、この電圧降下はトランジスタ23のベース−エミッタ間を順バイアスするため、トランジスタ23が導通状態になる。トランジスタ23が導通すると、トランジスタ22aに流れていた電流(エミッタ電流)は、トランジスタ23の方に流れるようになり、抵抗20での電圧降下が小さくなる。一方、抵抗20での電圧降下が小さくなるとトランジスタ23のベース−エミッタ間のバイアス電圧が小さくなり、トランジスタ23は導通状態から遮断状態に移行する。
When the emitter current of the
このような負帰還動作によって、理想的にはトランジスタ22aのエミッタには、トランジスタ23のベース−エミッタ間(PN接合部)における順方向電圧降下(例えば、0.6V)を抵抗20の抵抗値で除した値の一定電流が流れる。なお、トランジスタの性質上、コレクタ電流はエミッタ電流にほぼ等しくなるため、駆動回路出力電流7も定電流となる。このようにして、定電流ゲート駆動回路2は、電力用半導体素子であるIGBT1を定電流駆動する。
By such a negative feedback operation, the forward voltage drop (for example, 0.6 V) between the base and emitter of the transistor 23 (PN junction) is ideally applied to the emitter of the
ここで、コンデンサ6が無い場合、即ち、駆動回路出力電流7とゲート電流8が等しい場合を考える。定電流ゲート駆動回路2の動作の過渡時は回路の寄生要素やトランジスタの動作遅延によって駆動回路出力電流7が振動する。駆動回路出力電流7を小さく設定していた場合、過渡時の振動によってゲート電流8が断続する動作になる場合がある。そのため、断続せず安定して動作できるゲート電流8を流すためにコンデンサ6を用いる。これにより、駆動回路出力電流7が安定動作できるだけの電流分をコンデンサ6に流し、駆動回路出力電流7を安定させつつ、IGBT1には所望のゲート電流8を供給できる。
Here, a case where there is no
以上説明したように、実施の形態1によるゲート駆動回路に依れば、電力用半導体素子であるIGBT1を駆動する際に、定電流ゲート駆動回路2の負荷としてコンデンサ6を接続し、IGBT1とコンデンサ6に定電流ゲート駆動回路2が電流を流す構成としたので、定電流ゲート駆動回路2が安定動作できる電流の下限値以下でIGBT1を駆動することができる。
As described above, according to the gate drive circuit of the first embodiment, when driving the IGBT 1 that is the power semiconductor element, the
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2によるゲート駆動回路について説明する。図2は、実施の形態2によるゲート駆動回路の構成図である。
実施の形態2によるゲート駆動回路は、図2に示すように、トランジスタ22bをPNPバイポーラトランジスタのダーリントン接続により構成している。また、スイッチ9が負荷であるコンデンサ6と直列に接続されており、スイッチ9の解放、短絡状態を制御する制御手段として電力用半導体素子制御回路4を用いている。なお、スイッチ9の制御手段は、電力用半導体素子制御回路4を用いることに限定されず、他の手段であってもよい。その他の構成は図1に示した実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
Next explained is a gate drive circuit according to the second embodiment of the invention. FIG. 2 is a configuration diagram of a gate drive circuit according to the second embodiment.
In the gate drive circuit according to the second embodiment, as shown in FIG. 2, the
実施の形態1では、トランジスタ22aをPNPバイポーラトランジスタ1つだけで構成しているが、図2に示すようにダーリントン接続して構成しても、負荷であるコンデンサ6を用いることによる効果は同じである。また、スイッチングによる高周波ノイズが問題とならない場合には電力用半導体素子制御回路4を制御することによりスイッチ9を開放し、コンデンサ6を切り離せば、IGBT1を高速にスイッチングさせることが可能になる。これにより、スイッチング損失を最小化しつつ実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
In the first embodiment, the
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3によるゲート駆動回路について説明する。図3は、実施の形態3によるゲート駆動回路の構成図である。
実施の形態3は、図3に示すように、第2のIGBT30のゲート電源31内のコンデンサ32を定電流ゲート駆動回路2の負荷としている。図3において、符号33は抵抗を示し、符号34は抵抗33に直列接続されたダイオードを示している。また、符号35は第2のIGBT30を駆動する第2のゲート駆動回路を示している。なお、その他の構成については、図1に示した実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
Next explained is a gate drive circuit according to the third embodiment of the invention. FIG. 3 is a configuration diagram of a gate drive circuit according to the third embodiment.
In the third embodiment, as shown in FIG. 3, a
上記のように、抵抗33とダイオード34の直列接続体をIGBT1のゲートと第2のIGBT30のゲート電源31との間に接続することにより、IGBT1のゲートの充電電荷を第2のIGBT30のゲートの充電に転用でき、ゲート駆動に要する電力を節約できる。また、ゲート電源31は絶縁型の電源が必要となるが、上記構成により非絶縁型のゲート電源31にでき、絶縁型の電源で必要とするトランスを用いないので、絶縁型に比べて回路が小規模で簡易となり、コストも抑えることができる。
As described above, by connecting the series connection body of the
実施の形態1では、IGBT1のターンオン時にコンデンサ6に充電されたエネルギーは、IGBT1のターンオフ時にゲート駆動回路によって放電され、損失となっていた。しかし、実施の形態3では第2のIGBT30のゲート電源31を負荷とするため、コンデンサ32の充電エネルギーを第2のIGBT30のゲート駆動に利用することができる。これにより、ゲート駆動回路の損失を抑制しつつ実施の形態1と同様の効果が得られる。
In the first embodiment, the energy charged in the
なお、上記各実施の形態において、Si半導体から成る電力用半導体素子のゲート駆動回路を示したが、電力用半導体素子は、Si半導体よりもバンドギャップが広い非Si半導体材料から成るものでもよい。非Si半導体材料である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。 In each of the above embodiments, the gate driving circuit of the power semiconductor element made of Si semiconductor is shown. However, the power semiconductor element may be made of a non-Si semiconductor material having a wider band gap than that of the Si semiconductor. Examples of the wide band gap semiconductor that is a non-Si semiconductor material include silicon carbide, a gallium nitride-based material, and diamond.
ワイドバンドギャップ半導体から成る電力用半導体素子は、Si半導体ではユニポーラ動作が困難な高電圧領域で使用可能であり、スイッチング時に発生するスイッチング損失を大きく低減でき、電力損失の大きな低減が可能になる。また、電力損失が小さく、耐熱性も高いため、冷却部を備えてパワーモジュールを構成した場合、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。 A power semiconductor element made of a wide band gap semiconductor can be used in a high voltage region where a unipolar operation is difficult with a Si semiconductor, can greatly reduce the switching loss generated during switching, and can greatly reduce the power loss. In addition, since power loss is small and heat resistance is high, when a power module is configured with a cooling unit, the heat sink fins can be downsized and the water cooling unit can be air-cooled. Miniaturization is possible.
また、ワイドバンドギャップ半導体から成る電力用半導体素子は、高周波スイッチング動作に適しており、高周波化の要求が大きいインバータやDC/DCコンバータに適用すると、スイッチング周波数の高周波化によって、インバータやDC/DCコンバータに接続されるリアクトルやコンデンサなどを小型化することもできる。スイッチング周波数を高周波化させる場合、従来のIGBTを使用した装置よりノイズレベルが高くなるため、スイッチング速度と損失(=冷却部の規模)のトレードオフを考慮して設計する必要がある。よって、上記各実施の形態のゲート駆動回路は、ワイドバンドギャップ半導体から成る電力用半導体素子を用いる場合にも有効に作用する。 In addition, power semiconductor elements made of wide band gap semiconductors are suitable for high-frequency switching operations, and when applied to inverters and DC / DC converters that have a high demand for high-frequency operation, the switching frequency is increased to increase the frequency of inverters and DC / DC. Reactors and capacitors connected to the converter can be downsized. When the switching frequency is increased, the noise level becomes higher than that of a device using a conventional IGBT, and therefore, it is necessary to design in consideration of a trade-off between switching speed and loss (= cooling unit size). Therefore, the gate drive circuit of each of the embodiments described above works effectively even when a power semiconductor element made of a wide band gap semiconductor is used.
以上、この発明の実施の形態1から3について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、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、変形、省略することが可能である。 As described above, the first to third embodiments of the present invention have been described. However, within the scope of the present invention, the embodiments can be freely combined, or each embodiment can be appropriately modified or omitted. Is possible.
1 IGBT、2 定電流ゲート駆動回路、3 オン指令信号、4 電力用半導体素子制御回路、5 放電回路、6,32 コンデンサ、7 駆動回路出力電流、8 ゲート電流、20,21,33 抵抗、22a,20b,23 トランジスタ、24,34 ダイオード、30 第2のIGBT、31 ゲート電源、35 第2のゲート駆動回路。 1 IGBT, 2 constant current gate drive circuit, 3 ON command signal, 4 power semiconductor element control circuit, 5 discharge circuit, 6,32 capacitor, 7 drive circuit output current, 8 gate current, 20, 21, 33 resistance, 22a , 20b, 23 Transistor, 24, 34 Diode, 30 Second IGBT, 31 Gate power supply, 35 Second gate drive circuit.
この発明によるゲート駆動回路は、第1の電力用半導体素子と、上記第1の電力用半導体素子のゲートに一端が接続されると共に、他端が上記第1の電力用半導体素子のゲート電流を得る電圧源に接続され、上記第1の電力用半導体素子のゲートに並列接続される負荷を駆動する定電流ゲート駆動回路と、上記第1の電力用半導体素子に直列接続され、上記負荷をゲート駆動回路の電源とする第2の電力用半導体素子と、を備え、
上記定電流ゲート駆動回路は、上記第1の電力用半導体素子のゲート容量を一定電流で充電すると共に、上記負荷の駆動電流の値を上記定電流ゲート駆動回路の電流が断続する下限の電流値より大きな値にするものである。
The gate drive circuit according to the present invention, a first power semiconductor element, one end to the gate of the first power semiconductor element is connected, the other end of the gate current of the semiconductor device for the first power get connected to a voltage source, the first constant current gate drive circuit for driving the parallel connected load to the gate of the power semiconductor element, connected in series to said first power semiconductor device, the gate of the load A second power semiconductor element serving as a power source for the drive circuit ,
The constant current gate drive circuit charges the gate capacitance of the first power semiconductor element with a constant current, and the drive current value of the load is a lower limit current value at which the current of the constant current gate drive circuit is intermittent It will be a larger value.
Claims (8)
上記電力用半導体素子のゲートに一端が接続されると共に、他端が上記電力用半導体素子のゲート電流を得る電圧源に接続され、上記電力用半導体素子のゲートに並列接続される負荷を駆動する定電流ゲート駆動回路を備え、
上記定電流ゲート駆動回路は、上記電力用半導体素子のゲート容量を一定電流で充電すると共に、上記負荷の駆動電流の値を上記定電流ゲート駆動回路の電流が断続する下限の電流値より大きな値にすることを特徴とするゲート駆動回路。 In a gate drive circuit for driving a power semiconductor element,
One end is connected to the gate of the power semiconductor element, and the other end is connected to a voltage source for obtaining a gate current of the power semiconductor element, and drives a load connected in parallel to the gate of the power semiconductor element. It has a constant current gate drive circuit,
The constant current gate drive circuit charges the gate capacitance of the power semiconductor element with a constant current, and the drive current value of the load is larger than a lower limit current value at which the current of the constant current gate drive circuit is intermittent. A gate drive circuit characterized by the above.
上記電圧源がエミッタに接続された第1のPNPバイポーラトランジスタと、
上記第1のPNPバイポーラトランジスタのエミッタとベースとの間に接続された第1の抵抗と、
上記第1のPNPバイポーラトランジスタの上記ベースと上記第1の抵抗との接続点がエミッタに、上記第1のPNPバイポーラトランジスタのコレクタがベースにそれぞれ接続される第2のPNPバイポーラトランジスタと、
カソードが上記電力用半導体素子のゲートに接続され、アノードが上記第2のPNPバイポーラトランジスタのコレクタに接続されるダイオードと、
一端が上記第1のPNPバイポーラトランジスタの上記コレクタと上記第2のPNPバイポーラトランジスタのベースとの接続点に接続され、他端が上記電圧源の基準電位に接続される第2の抵抗と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載のゲート駆動回路。 The constant current gate drive circuit is
A first PNP bipolar transistor having the voltage source connected to the emitter;
A first resistor connected between the emitter and base of the first PNP bipolar transistor;
A second PNP bipolar transistor in which a connection point between the base of the first PNP bipolar transistor and the first resistor is connected to an emitter, and a collector of the first PNP bipolar transistor is connected to a base;
A diode having a cathode connected to the gate of the power semiconductor element and an anode connected to a collector of the second PNP bipolar transistor;
A second resistor having one end connected to a connection point between the collector of the first PNP bipolar transistor and the base of the second PNP bipolar transistor and the other end connected to a reference potential of the voltage source; The gate drive circuit according to claim 1, further comprising:
上記スイッチの解放、短絡状態を制御する制御手段と、を備え、
上記電力用半導体素子のスイッチング速度を可変とすることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載のゲート駆動回路。 A switch connected between the load and the constant current gate drive circuit;
Control means for controlling the release and short-circuit state of the switch,
4. The gate drive circuit according to claim 1, wherein a switching speed of the power semiconductor element is variable.
上記負荷は、上記第2の電力用半導体素子のゲート駆動回路の電圧源であることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載のゲート駆動回路。 A second power semiconductor element connected in series to the power semiconductor element;
5. The gate drive circuit according to claim 1, wherein the load is a voltage source of a gate drive circuit of the second power semiconductor element. 6.
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