JP2016067092A - Driving control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁ゲート型のトランジスタ構造とダイオード構造とが形成された半導体素子の駆動制御装置に関する。 The present invention relates to a drive control apparatus for a semiconductor element in which an insulated gate transistor structure and a diode structure are formed.
絶縁ゲート型のトランジスタ素子とダイオード素子とが同一の半導体基板に形成され、トランジスタ素子の通電電極(例えばコレクタ、エミッタ)とダイオード素子の通電電極(例えばカソード、アノード)とが共通の電極とされた半導体素子がある。この半導体素子は、ダイオード素子に電流が流れている状態でゲート駆動電圧が印加されると、チャネルが形成されてホールの注入が抑制されるので、導通損失が増大するという特性を有している。 The insulated gate transistor element and the diode element are formed on the same semiconductor substrate, and the current-carrying electrode (for example, collector and emitter) of the transistor element and the current-carrying electrode (for example, cathode and anode) of the diode element are common electrodes. There are semiconductor elements. This semiconductor element has a characteristic that when a gate driving voltage is applied in a state where a current flows through the diode element, a channel is formed and hole injection is suppressed, so that conduction loss increases. .
そこで、オン指令信号が与えられている期間、トランジスタ素子のセンス素子に流れる電流としきい値とを比較してダイオード素子に電流が流れているか否かを判定し、電流が流れているときにはゲート駆動電圧を遮断し、流れていないときにはゲート駆動電圧を印加する駆動制御を実行することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, during the period when the ON command signal is given, the current flowing through the sense element of the transistor element is compared with the threshold value to determine whether or not the current is flowing through the diode element. It has been proposed to execute drive control in which a gate drive voltage is applied when the voltage is cut off and not flowing (see, for example, Patent Document 1).
駆動電圧の遮断制御は、ダイオード素子に電流が流れているときに行うことが望ましい。しかし、トランジスタ素子及びダイオード素子が同一の半導体基板に形成されているときには、ダイオード素子の順方向に電流が流れているか正確に極性判定することは困難性を要する。これは、例えばフィードバック制御を行うときのフィードバック回路の遅延誤差、フィードバック検出誤差、半導体素子構造のばらつきに起因した精度誤差などが存在するためである。 The drive voltage cutoff control is preferably performed when a current is flowing through the diode element. However, when the transistor element and the diode element are formed on the same semiconductor substrate, it is difficult to accurately determine whether the current is flowing in the forward direction of the diode element. This is because there are, for example, a delay error of the feedback circuit when performing feedback control, a feedback detection error, an accuracy error due to variations in semiconductor element structures, and the like.
このような場合、極性判定に用いるしきい値についてマージンを見込んで設定すると良いが、しきい値にマージンを大きく見込んでしまうと、ダイオード構造の順方向に電流が流れているにもかかわらず駆動電圧を遮断できない不感帯が増加してしまう。特に、パワーデバイスに流れる電流変化(di/dt)は電源電圧又は負荷等に応じて変化し、従来、電源電圧又は負荷等の変動に応じて電流変化が最も大きくなる場合に対応した不感帯を設定しており、極性判定用のしきい値を一定値としている。 In such a case, it is better to set a margin for the threshold value used for polarity determination. However, if a large margin is set for the threshold value, driving is performed even though current flows in the forward direction of the diode structure. The dead zone that cannot cut off the voltage increases. In particular, the current change (di / dt) that flows through the power device changes according to the power supply voltage or load, and conventionally, a dead zone corresponding to the case where the current change becomes the largest according to the fluctuation of the power supply voltage or load is set. The polarity determination threshold value is a constant value.
本発明の目的は、トランジスタ構造とダイオード構造とが同一の半導体基板に形成された逆導通性パワーデバイスを駆動するときに、損失を低減できるようにした駆動制御装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a drive control device that can reduce loss when driving a reverse conducting power device having a transistor structure and a diode structure formed on the same semiconductor substrate.
請求項1に記載した駆動制御装置は、ゲート駆動電圧が印加される絶縁ゲート型のトランジスタ構造とダイオード構造とが同一の半導体基板に形成され、トランジスタ構造の通電電極とダイオード構造の通電電極とが共通の電極とされた逆導通性パワーデバイスの駆動制御を行い負荷に通電制御する駆動部を備える。 According to a first aspect of the present invention, an insulated gate transistor structure to which a gate drive voltage is applied and a diode structure are formed on the same semiconductor substrate. A drive unit is provided that performs drive control of the reverse conducting power device that is a common electrode, and controls energization of the load.
取得部は、逆導通性パワーデバイスの通電電流または負荷の電流に応じて検出される検出値についてタイミングを互いにずらして第1検出値及び第2検出値として取得する。勾配算出部は、取得部により取得される第1検出値及び第2検出値の差を算出し勾配を算出し、閾値生成部は、勾配算出部の算出結果の低下に応じて、極性判定用のしきい値を不感帯が狭くなる方向に変化させるように生成する。 The acquisition unit acquires the detection values detected according to the energization current of the reverse conducting power device or the load current as the first detection value and the second detection value while shifting the timing. The gradient calculation unit calculates a difference by calculating a difference between the first detection value and the second detection value acquired by the acquisition unit, and the threshold value generation unit is for polarity determination according to a decrease in the calculation result of the gradient calculation unit. Are generated so as to change the dead band in the direction of narrowing the dead zone.
そして、極性判定部は、閾値生成部による生成しきい値と検出値とを比較し極性判定し、駆動部は、極性判定部の極性判定結果に応じて逆導通性パワーデバイスの制御端子に駆動電圧を遮断/印加する。このため、閾値生成部は、検出値の勾配が低下すれば極性判定用のしきい値を不感帯が狭くなる方向に変化させながら生成できる。この結果、駆動部が、極性判定部の極性判定結果に応じて逆導通性パワーデバイスの制御端子に駆動電圧を遮断/印加すれば、例えば通常の駆動電圧を印加するまでの時間を遅らせることができ、駆動電圧を遮断する時間範囲を広げることができる。したがって、従来のように電源電圧又は負荷の変動に応じて電流変化が最も大きくなる場合に対応した不感帯を設定する必要がなくなり、不感帯領域を実質的に狭くすることができ損失を低減できる。 Then, the polarity determination unit compares the threshold value generated by the threshold value generation unit with the detected value to determine the polarity, and the drive unit drives the control terminal of the reverse conductive power device according to the polarity determination result of the polarity determination unit. Cut off / apply voltage. For this reason, the threshold value generation unit can generate the threshold value for determining the polarity while changing the detection value gradient in a direction in which the dead zone becomes narrower if the gradient of the detection value decreases. As a result, if the drive unit cuts off / applies the drive voltage to the control terminal of the reverse conducting power device according to the polarity determination result of the polarity determination unit, for example, the time until the normal drive voltage is applied can be delayed. And the time range during which the drive voltage is cut off can be expanded. Therefore, it is not necessary to set a dead zone corresponding to the case where the current change is greatest according to the fluctuation of the power supply voltage or the load as in the conventional case, and the dead zone can be substantially narrowed and the loss can be reduced.
以下の説明では、各実施形態で説明した構成と同一又は類似機能を備えた構成について、同一符号又は類似符号を付して必要に応じて説明を省略する。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図1〜図7を参照しながら説明する。図1に示す駆動制御システムは、モータ等の誘導性負荷を駆動するものであり電力変換装置などとして用いられる。半導体素子1A、1Bは、それぞれ、逆導通性パワーデバイスとして構成され、これらの半導体素子1A、1Bは高電位側の直流電源線2と低電位側の直流電源線3との間に出力端子Ntを挟んで直列に配されたハーフブリッジ回路4を構成している。
In the following description, components having the same or similar functions as those described in the embodiments are given the same reference numerals or similar symbols, and descriptions thereof are omitted as necessary.
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The drive control system shown in FIG. 1 drives an inductive load such as a motor, and is used as a power converter. Each of the
半導体素子1A、1Bは互いに同一構造を有しており、例えば絶縁ゲート型のトランジスタ構造5とダイオード構造6とが同一の半導体基板に形成された逆導通型IGBT(RC−IGBT)である。トランジスタ構造5の通電電極(コレクタ、エミッタ)とダイオード構造6の通電電極(カソード、アノード)は共通の電極とされている。
The
このメイン素子に加え、半導体基板には、図2に示すようにメイン素子に流れる電流に比例した微小な電流を流すトランジスタ構造5sとダイオード構造6sとからなるセンス素子が形成されている。図1ではメイン素子とセンス素子を簡易的に表している。半導体素子1A、1Bのセンス端子S1、S2間には、それぞれセンス抵抗7A、7Bが接続されている。
In addition to this main element, a sense element comprising a
半導体素子1A、1Bの一例として、図3に縦型構造のRC−IGBTを示す。本実施形態のRC−IGBTは、トランジスタ構造5とダイオード構造6とが同一の半導体基板8に設けられている。半導体基板8は、n−型のシリコン基板により構成されている。
As an example of the
半導体基板8の上面側表層部には、p型のベース層9が形成されている。ベース層9には、ベース層9を貫通して半導体基板8に達する深さを持つ複数のトレンチが形成されている。トレンチ内にはポリシリコンが埋め込まれており、これによりトレンチ構造を持つゲート電極10が形成されている。各ゲート電極10には、共通のゲート配線11を通してゲート駆動電圧が入力される。ゲート電極10は、ベース層9の表層部に沿う一方向に等間隔でストライプ状に設けられている。これにより、ベース層9は、上記一方向に沿って互いに電気的に分離した複数の第1領域12と複数の第2領域13とに区画される。これら第1領域12と第2領域13は交互に配設されており、第2領域13の幅は第1領域12の幅よりも広くなっている。
A p-type base layer 9 is formed on the top surface portion of the
第1領域12の表層部には、ゲート電極10に隣接してn+型のエミッタ領域14が形成されている。第1領域12の上にはエミッタ電極15が形成されている。エミッタ電極15は、第1領域12のベース層9とエミッタ領域14とに接続されている。第1領域12は、トランジスタ構造5のチャネル領域として動作するとともに、ダイオード構造6のアノード領域として動作する。すなわち、第1領域12に対するエミッタ電極15は、トランジスタ構造5のエミッタ電極およびダイオード構造6のアノード電極となる。
In the surface layer portion of the
コレクタ領域16(後述)の上方に設けられた第2領域13aは、何れの電極にも接続されていない。カソード領域17(後述)の上方に設けられた第2領域13bは、エミッタ電極15と接続されている。これにより、第2領域13のうちカソード領域17の上方に設けられた第2領域13bだけが、ダイオード構造6のアノード領域として動作する。すなわち、エミッタ電極15は、第2領域13bにおいてダイオード素子6のアノード電極となる。
The
半導体基板8の下面側表層部には、第2領域13aが形成される範囲(破線の左側)に対応してp+型のコレクタ領域16が形成され、第2領域13bが形成される範囲(破線の右側)に対応してn+型のカソード領域17が形成されている。コレクタ領域16とカソード領域17は、コレクタ電極18と接続されている。すなわち、ダイオード構造6のカソード電極は、トランジスタ構造5のコレクタ電極18と共通になっている。半導体基板8とコレクタ領域16およびカソード領域17との間には、n型のフィールドストップ層19が形成されている。
In the lower surface layer portion of the
図1に示す駆動制御システムにおいて、マイクロコンピュータ(マイコン)21は、ハーフブリッジ回路4のハイサイドとローサイドの駆動信号FH、FLを生成するPWM信号生成部22を備えている。駆動信号FH、FLは、ともにアクティブレベルが「H」となるが、ハイサイドとローサイドのアクティブレベル間に両サイド共にノンアクティブレベル(Lレベル:オフ指令レベル)となる一定幅のデッドタイムを有している。駆動信号FH、FLは、それぞれフォトカプラ23A、23Bを介して駆動IC24A、24Bに入力される。
In the drive control system shown in FIG. 1, the microcomputer (microcomputer) 21 includes a
駆動IC24A、24Bは、それぞれ、取得部としての電流検出部25、勾配算出部26、閾値生成部27、極性判定部28、及び、駆動部29を備える。これらの駆動IC24A、24Bはほぼ同一構成であり、異なるところは、ローサイド側の駆動IC24Bがグランド3の電位を基準として動作するのに対し、ハイサイド側の駆動IC24Aが負荷の接続ノードNtの電位を基準として動作するところである。このため、以下では、駆動IC24Bの構成及び結線関係を説明し、駆動IC24Aの構成及び結線関係については説明を省略する。
Each of the
駆動IC24B内の電流検出部25は、センス抵抗7Bに流れる電流値を互いに異なるタイミングT1、T2において第1検出値I1及び第2検出値I2として取得する取得部として動作する。勾配算出部26は、電流検出部25による第1検出値I1及び第2検出値I2の差を算出し勾配を算出する。閾値生成部27は、勾配算出部26の算出結果の低下に応じて極性判定用のしきい値を第1検出値I1及び第2検出値I2の時間変化方向に向けて変化させるように生成する。極性判定部28は、この閾値生成部27による生成しきい値と検出値とを比較し、ダイオード構造6に電流が流れているか否かについて極性判定する。駆動部29は、この極性判定部28の極性判定結果に応じて半導体素子1BのゲートGに駆動電圧を遮断又は印加する。駆動制御装置30Bは駆動IC24Bとセンス抵抗7Bを接続して構成されている。なお、駆動IC24Aの構成は駆動IC24Bと同一であるためその説明を省略するが、駆動制御装置30Aは駆動IC24Aとセンス抵抗7Aを接続して構成される。
The
次に、主としてローサイド側の駆動制御装置24Bの作用について説明する。なお、ローサイド側の駆動制御装置30Bの作用説明をするが、ハイサイド側の駆動制御装置30Aの作用もほぼ同様となる。半導体素子1A、1Bは、ダイオード構造6に電流が流れている状態で通常のゲート駆動電圧VGH、VGLが印加されると、第1領域12にチャネルが形成されてホールの注入が抑制される。このため、図4(a)に示すように、順方向電流が流れているダイオード構造6の順方向電圧VfがΔVfだけ高くなり、ダイオード構造6の導通損失(Vf×If)が増大する。そこで、通常ダイオード構造6に電流が流れているか否かを推定し、ダイオード構造6に電流が流れていると推定したときには、通常のゲート駆動電圧VGH、VGLを遮断するという所謂Vf制御と称される制御を行うと良い。
Next, the operation of the
図5には、例えば半導体素子1Bの正弦波通電の一周期期間中の通電電流を概略的に示す。この図5に示す正の向きの電流は、エミッタ電極15からコレクタ電極18に向けてダイオード構造6に流れる電流量を示している。
FIG. 5 schematically shows an energization current during one cycle period of sinusoidal energization of the
図5中に示す期間では、前半の半周期の「ダイオード電流」期間中には、ダイオード構造6から概ね出力端子Ntを通じて負荷の向きに電流が流れることになり、図5中の後半の半周期の「IGBT電流」期間中には、駆動信号FLがアクティブレベル「H」となるときにトランジスタ構造5を通じて電流が流れる。これらの半導体素子1Bに流れる電流は、この一周期の期間中を通して、負荷の通電電流の変化が妨げられるように正弦波パルス状に変化する。
In the period shown in FIG. 5, during the “diode current” period of the first half cycle, a current flows from the
前述したVf制御は、駆動信号FLがアクティブレベル「H」となる期間中にダイオード構造6に電流が流れているか否かを高精度に判定して行うと良い。理想的には、ダイオード構造6に流れる電流が0Aを超えていれば、半導体素子1Bに印加する通常の駆動電圧VGLを遮断した電圧を半導体素子1BのゲートGに出力し、それ以外のときに通常の駆動電圧を半導体素子1BのゲートGに出力すると良い。
The above-described Vf control may be performed by determining with high accuracy whether or not current is flowing through the
図5中の半導体素子1Bの電流を参照して説明すれば、正弦波パルス状に変化する一周期の電流変化のうち、ダイオード構造6に流れる電流の絶対値が所定電流より大きい段階のときには、駆動電圧VGLを遮断するVf制御を行うことは容易である。また、トランジスタ構造5の電流の絶対値が所定電流より大きい段階のときにも、通常の駆動電圧VGLを出力制御することは容易となる。
If it demonstrates with reference to the electric current of the
これらの期間中における半導体素子1B中の電流変化は、正弦波パルス状に変化する一周期変化のうちで振幅が大きく変化する期間であるため、半導体素子1Bの中のダイオード構造6に電流が主に流れているか否かを判断することが容易であるためである。通常のVf制御では、センス抵抗7Bに流れる電流値を極性判定用のしきい値と比較することにより、通常のゲート駆動電圧VGLの印加/遮断を設定している。
During these periods, the current change in the
従来、電流検出及びこの検出結果に基づいてフィードバック制御するためのフィードバック遅延時間などの要因から、制御遅延時間を考慮したマージンを設けなければならない。この極性判定用のしきい値は、センス抵抗7Bに流れる電流の変化度の最大値を想定し、この最大値に依存した静的な一定値に設定することが多い。このとき、図5中の一周期の変化のうちで、例えば電源電圧を低く制御するとき、負荷のインダクタンスが大きいとき、などの条件のときに、例えば電流の変化量が小さい場合には、ダイオード素子6に電流が流れていることが保証できるため所謂Vf制御を行うことが望まれる。しかし、前記したように、極性判定用のしきい値が電流の変化度の最大値に依存した静的な一定値に設定されていると、所謂Vf制御を行わず、そのまま通常のゲート駆動電圧VGLを半導体素子1BのゲートGに出力してしまう場合もある。この結果、導通損失の増大を招いてしまう。
Conventionally, a margin in consideration of the control delay time must be provided from factors such as current detection and feedback delay time for feedback control based on the detection result. The threshold for determining the polarity is often set to a static constant value depending on the maximum value assuming the maximum value of the degree of change in the current flowing through the
通常のゲート駆動電圧VGLを半導体素子1BのゲートGに出力してしまうと、図4(b)にVce-Ic特性を示すように、通常のゲート駆動電圧VGLを印加したときの導通損失特性が悪化する(図4(b)に示す制御不感帯領域R0の実線特性P0参照)。この制御不感帯領域R0では、第1領域12にチャネルが形成されることで、ホール注入が抑制され、導通損失が悪化してしまう。
If the normal gate drive voltage VGL is output to the gate G of the
そこで、本実施形態では、このようなことを考慮し、特に入力される駆動信号FLが「H」となる期間中には、勾配算出部26が半導体素子1Bのダイオード構造6に流れる電流変化の勾配を算出し、閾値生成部27がこの算出された勾配に応じて極性判定用のしきい値を生成し、極性判定部28がこのしきい値を用いて極性判定し、駆動部29がこの極性判定結果に応じて半導体素子1Bを駆動することで導通損失の低減を図る。駆動部29が、このようにして極性判定結果に応じて半導体素子1Bを駆動すると、例えば、電源電圧が負荷に応じて低くなってしまうとき、負荷のインダクタンスが大きいとき、には、ダイオード構造6に流れる電流の勾配di/dtが比較的低くなり、この動作領域においては制御不感帯領域Rを狭くでき導通損失を改善できるようになる(図4(b)に示す制御不感帯領域Rの実線特性P参照)。
Therefore, in the present embodiment, in consideration of the above, particularly during a period in which the input drive signal FL is “H”, the
以下、図6を参照して詳細動作を説明する。図6に記載した期間T0〜T8は、図5中の効果が生じるある期間中の制御処理、及び、各ノードの信号波形の変化を拡大して示す。図6に示す相電流は、例えば自動車用モータなどに流れる負荷の電流を示しており、この図6に示す期間中においては、駆動信号FLがアクティブレベル「H」であるときに下がり続けることになり、デッドタイム期間T1を経て、駆動信号FHがアクティブレベル「H」になると、駆動部29が半導体素子1Aにオン駆動電圧を印加し、ハイサイドの半導体素子1Aを通じて電源から負荷に電流が供給されるため相電流は上昇する。また、ハイサイドの半導体素子1Aがオフになると、相電流は下がり続ける。なお、この図6中において、期間T5は、インバータの出力がないという所謂ゼロベクトル区間の相電流を示すもので、この場合、負荷が例えば3相モータ200(例えば図7参照)であった場合には、例えばローサイド側の半導体素子1Bがすべてオン制御されており、ハイサイド側の半導体素子1Aがすべてオフ制御されている間の期間、または、その逆(ローサイドが全てオフ、ハイサイドが全てオン)となる期間を示している。
The detailed operation will be described below with reference to FIG. The periods T0 to T8 described in FIG. 6 show the control processing during a certain period in which the effect in FIG. 5 occurs and the change in the signal waveform of each node in an enlarged manner. The phase current shown in FIG. 6 indicates, for example, a load current flowing through an automobile motor or the like. During the period shown in FIG. 6, the phase current continues to decrease when the drive signal FL is at the active level “H”. When the drive signal FH becomes the active level “H” after the dead time period T1, the
この図6に示すように、ローサイド側では半導体素子1Bのダイオード構造6に電流が大きく流れている期間中、センス電圧VSLがしきい値電圧VtA以上であると判定したときには、例えば駆動信号FLがアクティブレベル「H」であったとしても、通常のゲート駆動電圧VGLを遮断しオフ駆動電圧となる0Vを出力する(図6のT0)。
As shown in FIG. 6, when it is determined that the sense voltage VSL is equal to or higher than the threshold voltage VtA during the period when a large current flows through the
この間、電流検出部25は、第1タイミングにおいてセンス電圧VSLによる第1検出値I1を取得し、第1タイミングより遅い第2タイミングにおいてセンス電圧VSLによる第2検出値I2を取得する。そして、勾配算出部26は、これらの第1検出値I1と第2検出値I2の減算値を算出する。これにより、図6に示す勾配di/dtを算出でき、この勾配di/dtは、センス電圧VSLの低下度、ひいてはダイオード構造6に流れる電流の低下度に依存する値となる。したがって、図6に示すように期間T0→期間T3〜T4→期間T6〜T8の時間経過に伴い、この低下度が少なくなると、勾配di/dtも低くなる。例えば、図6の期間T0及びT1中の値をdIA、期間T3及びT4中の値をdIB、期間T6及びT7中の値をdICとすれば、dIA>dIB>dICの関係がある。
During this time, the
閾値生成部27は、勾配算出部26の算出勾配di/dtにより極性判定用のしきい値を生成し、極性判定部28に出力する。図6のセンス電圧VSLの変化には、この勾配di/dtの値dIA(期間T0及びT1)、dIB(期間T3及びT4)、dIC(期間T6〜T8)に対応する極性判定用のしきい値VtA、VtB、VtCも破線により示している。
The
極性判定部28は、このしきい値VtA、VtB、VtCとセンス電圧VSLとを比較し、センス電圧VSLがこれらのしきい値に達して下回るまで、通常の駆動電圧VGLを遮断し、駆動信号FLがアクティブレベル「H」である最中にセンス電圧VSLがこれらのしきい値VtCを下回るときに通常の駆動電圧VGLを出力する(図6の期間T7)。
The
前述したように、従来、フィードバック制御するためのフィードバック遅延時間などを要するため、ある程度の制御遅延時間を考慮したマージンを設けなければならない。このため、従来の極性判定用のしきい値は、センス抵抗7Bに流れる電流の変化度の最大値を想定し、この最大値に依存した静的な一定値(図6中に示すセンス電圧VSLのしきい値Vt参照)に設定していた。この結果、例えば電流の変化勾配が低い動作モードにおいては、ダイオード構造6に電流が流れているにも関わらず、通常のゲート駆動電圧VGLを出力してしまう虞があった(図6のタイミングt4a〜T6の期間Taの破線参照)。
As described above, conventionally, since a feedback delay time for feedback control or the like is required, a margin in consideration of a certain control delay time must be provided. For this reason, the conventional threshold value for determining the polarity is assumed to be the maximum value of the degree of change of the current flowing through the
しかし、本実施形態の構成を採用すると、センス電圧VSLのしきい値VtA、VtB、VtCが徐々に低くなるため、これに伴い、極性判定用の閾値電圧も徐々に低くなり、ゲート駆動電圧VGLを出力するタイミングを遅くすることができる。この結果、従来に比較して、期間Taのゲート駆動電圧VGLの遮断を継続することができ、導通損失を低減できる。なお、低トルク運転時には電源電圧を小さくして動作させるが、このような場合、電流勾配di/dtの小変化が継続しやすくなり、極性判定用のしきい値を低く設定できる。このような場合に最も効果が上がる。 However, when the configuration of the present embodiment is adopted, the threshold voltages VtA, VtB, and VtC of the sense voltage VSL are gradually lowered, and accordingly, the threshold voltage for polarity determination is also gradually lowered, and the gate drive voltage VGL Can be delayed. As a result, the gate drive voltage VGL can be kept off during the period Ta and the conduction loss can be reduced as compared with the conventional case. It should be noted that the power supply voltage is reduced during low torque operation, but in such a case, small changes in the current gradient di / dt are likely to continue and the threshold for polarity determination can be set low. In such a case, the effect is most improved.
本実施形態によれば、電源電圧が低くなるとき、及び/又は、負荷インダクタンスが大きいときには、検出値I1、I2の勾配di/dtが低下するため、閾値生成部27は極性判定用のしきい値VtA、VtB、VtCを順次低下させて生成することができる。これにより、センス電圧VSLによる検出値が、極性判定用のしきい値VtA、VtB、VtCに達するまでの時間を遅らせることができる。このため、駆動部29が、極性判定部28の極性判定結果に応じて半導体素子1Bの制御端子に駆動電圧を遮断/印加すれば、通常の駆動電圧を印加するまでの時間を遅らせることができ、駆動電圧VGLを遮断する時間範囲を広げることができる。勾配di/dtを逐次検出することで適度な閾値を設定できるため、導通損失を低減できる。
According to the present embodiment, when the power supply voltage is low and / or when the load inductance is large, the gradient di / dt of the detection values I1 and I2 is reduced, so that the
(第2実施形態)
図8〜図10は第2実施形態を示す。図8はローサイド側の駆動制御装置130の構成例を示している。なお、ハイサイド側の駆動制御装置の構成もローサイド側の駆動制御装置130の構成と同様であるため、ハイサイド側の駆動制御装置の構成の図示を省略している。なお、第2実施形態において説明する構成は、第1実施形態で説明した機能的構成要素の具体例を示すものであり、機能的に対応する構成要素には、同一符号を付して説明を行う。
(Second Embodiment)
8 to 10 show a second embodiment. FIG. 8 shows a configuration example of the
本実施形態の構成を示す図8において、駆動IC124は制御回路31を備えており、制御回路31は、前述実施形態で説明した閾値生成部27としての機能を備えている。電流検出部25は、複数のサンプルホールド部40、41を備える。これらのサンプルホールド部40、41は、制御回路31が出力するタイミング制御信号に応じて、センス抵抗7Bのセンス電圧VSLをサンプルホールドする。このとき、これらのサンプルホールド部40、41は、制御回路31により出力されるタイミング信号が互いに異なるタイミングであるため、複数の異なるタイミングにおいてそれぞれサンプルホールドする。
In FIG. 8 showing the configuration of the present embodiment, the
これらのサンプルホールド部40、41の後段には減算回路42が接続されている。減算回路42は、前述実施形態で説明した勾配算出部26として構成されるものであり、複数のサンプルホールド部40、41の出力結果の差を算出し、制御回路31に出力する。制御回路31は、例えば遅延回路などを用いた制御ロジック回路により構成され、減算回路42の出力結果に応じた極性判定用のしきい値を算出する。そして、制御回路31は、この極性判定用のしきい値の指令信号を極性判定部28に出力する。極性判定部28は、可変電圧生成部43、コンパレータ44及びラッチ回路45を備える。可変電圧生成部43は、制御回路31から入力される極性判定用のしきい値の指令信号に応じて、その可変電圧生成部43の出力電圧を変化させる。
Subtracting
この可変電圧生成部43の出力電圧は、コンパレータ44の反転入力端子に入力されている。このコンパレータ44は、この可変電圧生成部43の出力電圧とセンス電圧VSLとを比較し、この比較結果をラッチ回路45に出力する。ラッチ回路45は、コンパレータ44の2値出力を保持する。ラッチ回路45の2値保持値は駆動部29に入力され、駆動部29は、このラッチ回路45の2値保持値に応じて駆動する。
The output voltage of the
駆動部29は、マイコン21から入力される駆動信号FLに応じた通常のゲート駆動電圧VGLを出力するが、ラッチ回路45の2値保持値に応じて通常のゲート駆動電圧VGLをそのまま出力したり又は遮断したりする。例えば、ラッチ回路45の出力が「H」であるときには、所謂Vf制御を実施せず、ラッチ回路45の出力が「L」であるときには所謂Vf制御を実施する。
The
図9、図10はタイミングチャートを概略的に示す。図9は電流勾配が大きい/小さい場合の特性をそれぞれ示し、図10は、従来例に比較して、駆動電圧VGLの遮断による導通損失低減効果が存在する期間Tbについて示している。 9 and 10 schematically show timing charts. FIG. 9 shows characteristics when the current gradient is large / small, and FIG. 10 shows a period Tb in which there is a conduction loss reduction effect by cutting off the drive voltage VGL as compared with the conventional example.
図9、図10に示すように、複数のサンプルホールド部40、41は、その動作状態が、サンプル対象となるセンス電圧VSLをサンプリングするためのサンプリング期間(図9、図10のSample期間)と、このサンプリング電圧を保持して出力する出力期間(図9、図10のOut期間)とに分かれている。したがって、その動作状態が出力期間(Out期間)である最中に検出値が出力される。
As shown in FIGS. 9 and 10, the plurality of sample and hold
制御回路31は、複数のサンプルホールド部40、41が共に出力期間(Out期間)となる間の所定タイミングを閾値変更タイミングとする(図9のタイミングta1、tb1、tc1、td1参照)。そして、コンパレータ44は、その閾値変更タイミングta1、tb1、tc1、td1の直後のタイミングを極性判定タイミングとする(図9のタイミングta2、tb2、tc2、td2)。そして、駆動部29は、極性判定タイミングta2、tb2、tc2、td2において、ラッチ回路45の2値保持値を参照し極性判定結果として駆動電圧VSLの遮断/印加を決定できる。
The
図9の左欄に示すように、電流勾配(絶対値)が大きい場合には、勾配di/dtは比較的高い絶対値となる勾配値di1として検出されるため、制御回路31は、閾値変更タイミングにおいて勾配値di1に応じた極性判定用のしきい値Vt1を可変電圧生成部43の出力電圧として設定する(図9のta1、tb1参照)。すると、コンパレータ44は、この可変電圧生成部43の出力電圧をセンス電圧VSLと比較し、この比較結果を極性判定結果としてラッチ回路45に格納する。そして、駆動部29は、ラッチ回路45の2値保持値を参照し、極性判定結果として駆動電圧VSLの遮断/印加を判定する。
As shown in the left column of FIG. 9, when the current gradient (absolute value) is large, the gradient di / dt is detected as a gradient value di1 having a relatively high absolute value. At the timing, a threshold value Vt1 for polarity determination corresponding to the gradient value di1 is set as the output voltage of the variable voltage generator 43 (see ta1 and tb1 in FIG. 9). Then, the
他方、図9の右欄に示すように、電流勾配(絶対値)が比較的小さい場合には、勾配di/dtは比較的低い絶対値となる勾配値di2(<di1)により検出されるため、制御回路31は、閾値変更タイミングにおいて勾配値di2に応じた極性判定用のしきい値Vt2を可変電圧生成部43の出力電圧として設定する(図9のtc1、td1参照)。すると、コンパレータ44は、この可変電圧生成部43の出力電圧をセンス電圧VSLと比較し、この比較結果を極性判定結果としてラッチ回路45に格納する。そして、駆動部29は、この直後の極性判定タイミングにおいて、ラッチ回路45の2値保持値を参照し、極性判定結果として駆動電圧VSLの遮断/印加を判定する。
On the other hand, as shown in the right column of FIG. 9, when the current gradient (absolute value) is relatively small, the gradient di / dt is detected by the gradient value di2 (<di1) that has a relatively low absolute value. The
コンパレータ44が極性判定結果として「L」をラッチ回路45に格納する場合には、駆動部29はこのラッチ回路45の出力「L」に応じて、通常の駆動電圧VSLを遮断し0Vを出力する。逆に、コンパレータ44が極性判定結果として「H」をラッチ回路45に格納する場合には、駆動部29はこのラッチ回路45の出力「H」に応じて通常の駆動電圧VSLをそのまま印加するように出力する。
When the
図10には、センス電圧VSLの変化を極性判定用のしきい値と共に示している。この図10に示すように、センス電圧VSLがなだらかに変化した場合においても、制御回路31は、閾値変更タイミングにおいて、可変電圧生成部43の出力電圧を、しきい値VtA、VtB、VtC(勾配di/dt相当)として動的に変更できる。このような場合、勾配di/dtの値dIA、dIB、dIC、dIDは、時間経過に応じて動的に変化する。図10に一例を示す期間Tbでは時間経過に応じて勾配di/dtの値は徐々に低下し、通常の駆動電圧VGLを遮断する時間を遅くすることができ、導通損失を低減できる(図6に対応して示す期間Ta参照)。
FIG. 10 shows the change of the sense voltage VSL together with the threshold value for polarity determination. As shown in FIG. 10, even when the sense voltage VSL changes gently, the
本実施形態によれば、サンプルホールド部40、41が互いに異なる期間中にサンプリングした検出値をホールドし、これにより、勾配di/dtに応じた極性判定用のしきい値VtA、VtB、VtCを設定している。本実施形態においても、前述実施形態とほぼ同様の作用効果を奏する。
According to the present embodiment, the detection values sampled by the
(第3実施形態)
図11〜図13は第3実施形態を示す。図11はローサイド側の駆動制御装置230、駆動IC224の構成例を示している。なお、ハイサイド側の駆動制御装置の構成もローサイド側の駆動制御装置230の構成と同様であるため、ハイサイド側の駆動制御装置の構成の図示を省略している。
(Third embodiment)
11 to 13 show a third embodiment. FIG. 11 shows a configuration example of the low-side
第2実施形態では、サンプルホールド部41にセンス電圧VSLが入力されているのに対し、本実施形態を示す図11の構成では、サンプルホールド部41の入力がサンプルホールド部40の出力であるところが異なっている。これ以外の構成は、第2実施形態と同様であるため、対応する構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
In the second embodiment, the sense voltage VSL is input to the
図12、図13にタイミングチャートを示す。サンプルホールド部40、41は、センス電圧VSLをサンプルするためのサンプリング処理期間(Sample期間Ty0、Ty、Tz等参照)が互いに異なる。図12に示すように、サンプルホールド部41は、サンプルホールド部40が出力する出力Outについて期間Ty中のタイミングでサンプリングし、この値をホールドして出力し続ける(期間Tz以降参照)。サンプルホールド部40は、期間Tz中のタイミングで別のセンス電圧VSLの値をサンプリングし、その後、この値をホールドして出力し続ける(期間Tz2以降参照)。
12 and 13 show timing charts. The sample hold
図12の左欄に示すように、電流勾配(絶対値)が大きい場合には、勾配di/dtは比較的高い絶対値となる勾配値di3により検出されるため、制御回路31は、閾値変更タイミングにおいて勾配値di3に応じた極性判定用のしきい値Vt3を可変電圧生成部43の出力電圧として設定する(図12のta1、tb1、tc1参照)。すると、コンパレータ44は、この可変電圧生成部43の出力電圧をセンス電圧VSLと比較し、この比較結果を極性判定結果としてラッチ回路45に格納し、駆動部29は、この直後の極性判定タイミングにおいて、ラッチ回路45の2値保持値を参照し、極性判定結果として駆動電圧VSLの遮断/印加を判定する。
As shown in the left column of FIG. 12, when the current gradient (absolute value) is large, the gradient di / dt is detected by the gradient value di3 having a relatively high absolute value. The threshold value Vt3 for polarity determination according to the gradient value di3 at the timing is set as the output voltage of the variable voltage generator 43 (see ta1, tb1, and tc1 in FIG. 12). Then, the
他方、図12の右欄に示すように、電流勾配(絶対値)が比較的小さい場合には、勾配di/dtは比較的低い絶対値となる勾配値di4(<di3)により検出されるため、制御回路31は、閾値変更タイミングにおいて勾配値di4に応じた極性判定用のしきい値Vt4を可変電圧生成部43の出力電圧として設定する(図12のtd1、te1、tf1参照)。すると、コンパレータ44は、この可変電圧生成部43の出力電圧をセンス電圧VSLと比較し、この比較結果を極性判定結果としてラッチ回路45に格納する。そして、駆動部29は、この直後の極性判定タイミングにおいて、ラッチ回路45の2値保持値を参照し、極性判定結果として駆動電圧VSLの遮断/印加を判定する。
On the other hand, as shown in the right column of FIG. 12, when the current gradient (absolute value) is relatively small, the gradient di / dt is detected by a gradient value di4 (<di3) that has a relatively low absolute value. The
コンパレータ44が極性判定結果として「L」をラッチ回路45に格納する場合には、駆動部29はこのラッチ回路45の出力「L」に応じて通常の駆動電圧VSLを遮断して0Vを出力する。逆に、コンパレータ44が極性判定結果として「H」をラッチ回路45に格納する場合には、駆動部29はこのラッチ回路45の出力「H」に応じて通常の駆動電圧VSLをそのまま印加するように出力する。
When the
サンプルホールド部40、41は、互いに異なるタイミングでサンプルしたセンス電圧VSLを出力する出力期間(Out期間)として同一期間を含む。したがって、制御回路31が、この出力期間が同一期間となる期間中の所定タイミングを閾値変更タイミングとすれば、サンプリングタイミングをわずかにずらした検出値の差を算出でき、前述実施形態とほぼ同様の極性判定結果を得ることができる。
The sample hold
図13にはセンス電圧VSLの変化を極性判定用のしきい値と共に示している。この図13に示すように、センス電圧VSLがなだらかに変化した場合においても、制御回路31は、閾値変更タイミングにおいて、可変電圧生成部43の出力電圧を、しきい値VtA、VtB、VtC(勾配di/dt相当)に徐々に低く変更できる。このような場合、勾配di/dtの値dIA、dIB、dIC、dIDは、時間経過に応じて動的に変化する。この図13に一例を示す期間Tbでは時間経過に応じて勾配di/dtの値は徐々に低下し、通常の駆動電圧VGLを遮断する時間を遅くすることができ、導通損失を低減できる(図6に対応して示す期間Ta参照)。
FIG. 13 shows the change of the sense voltage VSL together with the threshold value for polarity determination. As shown in FIG. 13, even when the sense voltage VSL changes gently, the
本実施形態によれば、サンプルホールド部41が、サンプルホールド部40により期間Ty0中のタイミングで予めサンプリングした検出値を再度サンプリングして(期間Ty)この検出値をホールドし、サンプルホールド部40は、期間Ty0よりも後の期間Tz中のタイミングでサンプリングしてこの検出値をホールドし、これにより、勾配di/dtに応じた極性判定用のしきい値VtA、VtB、VtC、VtDを設定している。本実施形態においても、前述実施形態とほぼ同様の作用効果を奏する。
According to the present embodiment, the
(第4実施形態)
図14は第4実施形態の説明図を示す。図14は図1に替わる駆動制御装置の構成例を示している。第4実施形態では、負荷の電流を前述とは他の電流検出手段(例えばホールセンサ)を用いて検出し、この検出値に応じて制御する形態を示す。
(Fourth embodiment)
FIG. 14 is an explanatory diagram of the fourth embodiment. FIG. 14 shows an example of the configuration of a drive control apparatus that replaces FIG. The fourth embodiment shows a mode in which the current of the load is detected using a current detection means (for example, a hall sensor) other than the above, and is controlled according to the detected value.
図14に構成例を示すように、負荷の通電ノードNtにはホールセンサ432が設けられている。このホールセンサ432は、第1〜第3の実施形態に示したセンス抵抗7A、7Bを使用して電流検出する構成に替えて設けられる。したがって、本実施形態の半導体素子1A、1Bに替わる半導体素子101A、101B内のトランジスタ構造5には、センス用のトランジスタ構造5sが備えられていない。
As shown in the configuration example of FIG. 14, a
本実施形態においては、駆動制御装置としての制御回路421を備える。この制御回路421は、PWM信号生成部22により生成されたPWM信号を入力し、駆動信号FH、FLを生成して出力する駆動信号生成部29zを備える。駆動信号生成部29zは、フォトカプラ23A、23Bを通じて駆動部29A、29Bに駆動信号FH、FLを出力し、駆動部29A、29Bは、例えばゲート駆動バッファ33により構成され、駆動信号FH、FLに応じたゲート駆動電圧VGH、VGLをそれぞれ半導体素子101A、101Bに出力して当該半導体素子101A、101Bを駆動する。このように、負荷の電流をホールセンサ432により検出した場合であっても前述実施形態とほぼ同様の効果が得られる。
In this embodiment, a
(第5実施形態)
図15及び図16は第5実施形態の説明図を示す。図15はローサイド側の駆動制御装置430、駆動IC424の構成例を示している。なお、ハイサイド側の駆動制御装置の構成もローサイド側の駆動制御装置430の構成と同様であるため、ハイサイド側の駆動制御装置の構成の図示を省略している。
(Fifth embodiment)
15 and 16 are explanatory diagrams of the fifth embodiment. FIG. 15 shows a configuration example of the
第5実施形態では、最大値保持部34を備える形態を示す。前述実施形態に示したように、図6中において、期間T5はハイサイド又はローサイドの半導体素子1A又は1Bが全てオンしてインバータの出力無しという所謂ゼロベクトル区間を示しているが、この区間では相電流変化が原則的に生じない。このゼロベクトル区間は、駆動IC424に駆動信号FLのアクティブレベル「H」が入力されているにも関わらず、相電流が変化しないため、前述実施形態の勾配算出部26が勾配を算出したとしても、勾配di/dtはほぼ0となり、この結果、極性判定用のしきい値も大きく変化する。そこで、本実施形態では、駆動IC424の勾配算出部26の後段に最大値保持部34を備えている。
In the fifth embodiment, a mode including a maximum
この最大値保持部34は、駆動信号FLがアクティブレベル「H」となるオン指令信号を受け付けてから1制御期間中の間、勾配算出部26により算出される勾配の最大値を保持するピークホールド回路により構成される。この場合、図16に示すように、時間経過に応じてゼロベクトルとなる期間T5に入ったとしても、その直前の期間T4における勾配算出部26の算出勾配di/dtを保持でき、期間T4中に設定された極性判定用のしきい値を保持できる。これにより、期間T5の所謂ゼロベクトルとなる間も適切な極性判定用のしきい値を設定できる。その後の期間T6において、勾配算出部26の算出勾配di/dtが再度算出されたとしても、算出された勾配算出di/dtが再度上昇していなければ、最大値保持部34は勾配算出部26の算出勾配di/dtを保持する。
The maximum
また、駆動信号FLがノンアクティブレベル「L」となるオフ指令信号が与えられると、最大値保持部34は保持していた最大値をリセットする。これにより、保持されていた極性判定用のしきい値の最大値を解除でき、適切な制御を実現できる。なお、図16には参考までに勾配算出部26の算出勾配di/dtの値を示す。
In addition, when an off command signal that causes the drive signal FL to become the inactive level “L” is given, the maximum
(他の実施形態)
前述の実施形態では、電流検出部25に、半導体素子1A、1Bにセンス素子を形成した上でセンス抵抗7A、7Bを接続して構成した。これに替えて、半導体素子1A、1Bと直列にシャント抵抗を設けてもよい。電流検出部25は、少なくともダイオード素子6に流れる電流を検出できればよい。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the
RC−IGBTは、トレンチゲート型に限らずプレーナゲート型などであってもよい。半導体素子1A、1Bは、MOSトランジスタとMOSの寄生ダイオードであってもよい。MOSトランジスタも、トレンチゲート型に限らずプレーナゲート型、SJ型などであってもよい。逆導通性パワーデバイスを駆動する場合に適用できる。
The RC-IGBT is not limited to a trench gate type but may be a planar gate type. The
図面中、1A、1B、101A、101Bは半導体素子(逆導電性パワーデバイス)、25は電流検出部(取得部)、26は勾配算出部、27は閾値生成部、28は極性判定部、29は駆動部、29zは駆動信号生成部、31は制御回路、を示す。 In the drawings, 1A, 1B, 101A and 101B are semiconductor elements (reverse conductive power devices), 25 is a current detection unit (acquisition unit), 26 is a gradient calculation unit, 27 is a threshold generation unit, 28 is a polarity determination unit, 29 Denotes a drive unit, 29z denotes a drive signal generation unit, and 31 denotes a control circuit.
Claims (5)
前記逆導通性パワーデバイスの通電電流または前記負荷の電流に応じて検出される検出値について互いに異なるタイミングで第1検出値及び第2検出値として取得する取得部(25)と、
前記取得部により取得される第1検出値及び第2検出値の差を算出し勾配を算出する勾配算出部(26)と、
前記勾配算出部の算出結果の低下に応じて、極性判定用のしきい値を、不感帯を狭める方向に変化させるように生成する閾値生成部(27)と、
前記閾値生成部による生成しきい値と前記検出値とを比較し極性判定する極性判定部(28)と、を備え、
前記駆動部は、前記極性判定部の極性判定結果に応じて前記逆導電性パワーデバイスの制御端子にゲート駆動電圧を遮断/印加することを特徴とする駆動制御装置。 The transistor structure and the diode structure are formed on the same semiconductor substrate, and the conductive electrode of the transistor structure and the current-carrying electrode of the diode structure are used as a common electrode to drive and control a reverse conductive power device having a control terminal. A drive unit (29, 29A, 29B) for controlling energization to
An acquisition unit (25) that acquires the first detection value and the second detection value at different timings for the detection value detected according to the energization current of the reverse conductive power device or the current of the load;
A gradient calculation unit (26) for calculating a gradient by calculating a difference between the first detection value and the second detection value acquired by the acquisition unit;
A threshold value generation unit (27) for generating a threshold value for polarity determination so as to change in a direction of narrowing the dead zone in accordance with a decrease in the calculation result of the gradient calculation unit;
A polarity determination unit (28) for determining the polarity by comparing the detection threshold value generated by the threshold value generation unit with the detection value;
The drive control device, wherein the drive unit cuts off / applies a gate drive voltage to a control terminal of the reverse conductive power device according to a polarity determination result of the polarity determination unit.
前記検出値を第1タイミングでサンプリングする第1サンプルホールド部(40)と、前記第1サンプルホールド部の出力を前記第1タイミングよりも後の第2タイミングでサンプリングして前記第2検出値とする第2サンプルホールド部(41)と、を備え、
前記第1サンプルホールド部は、前記第1タイミングよりも後の第3タイミングで前記検出値をサンプリングして前記第1検出値とすることを特徴とする請求項1記載の駆動制御装置。 The acquisition unit
A first sample hold unit (40) that samples the detection value at a first timing, and outputs the first sample hold unit at a second timing after the first timing to obtain the second detection value. A second sample-and-hold unit (41)
2. The drive control apparatus according to claim 1, wherein the first sample hold unit samples the detection value at a third timing after the first timing to obtain the first detection value.
前記検出値を第1タイミングでサンプリングして前記第1検出値とする第1サンプルホールド部(40)と、前記検出値を前記第1タイミングとは異なる第2タイミングでサンプリングして前記第2検出値とする第2サンプルホールド部(41)と、を備えることを特徴とする請求項1記載の駆動制御装置。 The acquisition unit
A first sample hold unit (40) that samples the detection value at a first timing to obtain the first detection value, and the second detection by sampling the detection value at a second timing different from the first timing. The drive control device according to claim 1, further comprising: a second sample hold unit (41) that is a value.
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