JP2016208089A - Gate drive circuit for voltage-driven semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
フリーホイーリングダイオードが逆並列に接続された電圧駆動型半導体素子のターンオン時の損失および振動を抑制することが可能な電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit for a voltage-driven semiconductor element capable of suppressing loss and vibration at turn-on of a voltage-driven semiconductor element having free wheeling diodes connected in antiparallel.
この種の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路の基本回路は、図11に示すように構成されている。このゲート駆動回路は、フリーホイーリングダイオード101を逆並列に接続した電圧駆動型半導体素子としての絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ(以下、IGBTと称す)102を有し、このIGBT102のゲートにゲート駆動回路103が接続されている。
The basic circuit of the gate drive circuit of this type of voltage-driven semiconductor element is configured as shown in FIG. This gate drive circuit has an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT) 102 as a voltage drive type semiconductor element in which
このゲート駆動回路103は、直列に接続された例えばNチャネルMOSFET104およびPチャネルMOSFET105と、直列に接続された直流電源106および107とを備えている。NチャネルMOSFET104のドレインはターンオン抵抗108を介して直流電源106の正極側に接続され、PチャネルMOSFET105のドレインはターンオフ抵抗109を介して直流電源107の負極側に接続されている。
The
NチャネルMOSFET104およびPチャネルMOSFET105の接続点がIGBT102のゲートに接続され、NチャネルMOSFET104およびPチャネルMOSFET105のゲートが互いに接続されて制御回路110に接続されている。
また、IGBT102のエミッタが直流電源106および直流電源107の接続点に接続されている。
A connection point between the N-
The emitter of the
このようなゲート駆動回路103で駆動されるIGBT102(以下、図11に示されるような、電圧駆動型半導体素子としてのIGBTとそれを駆動するゲート駆動回路、およびIGBTに逆接続されたフリーホイーリングダイオードからなる1組の回路を単にアームと言う。)を2つ直列に接続してインバータ回路を構成したときに、IGBT102をターンオンさせたときに、対向アームのダイオードは逆回復動作となり、過渡的に跳ね上がり電圧が発生する。この跳ね上がり電圧は、図12に示すように、インバータ回路の主回路電圧Vdcの変化に応じて変化する。すなわち、主回路電圧Vdcの上昇に伴って逆回復電圧の跳ね上がり電圧のピーク値も上昇し、主回路電圧がある電圧以上になると発振する。
An IGBT 102 driven by such a gate drive circuit 103 (hereinafter, as shown in FIG. 11, an IGBT as a voltage drive type semiconductor element, a gate drive circuit for driving the IGBT, and a freewheeling reversely connected to the IGBT When an inverter circuit is configured by connecting two series of diode circuits simply as an arm), when the
この発振を抑制するために、一般的には、ターンオン抵抗の調整が行われる。ターンオン時にターンオン抵抗を変化させた場合に、IGBT102の主端子間電圧(コレクタ・エミッタ間電圧)Vceおよびコレクタ電流Icは図13(a)に示すように変化し、対向アームのフリーホイーリングダイオード101のアノード・カソード間電圧Vakおよびカソード電流Ikとは図13(b)に示すように変化する。
In order to suppress this oscillation, generally, the turn-on resistance is adjusted. When the turn-on resistance is changed at turn-on, the main terminal voltage (collector-emitter voltage) Vce and the collector current Ic of the
すなわち、ターンオン抵抗が小さい場合には、IGBT102のスイッチングが、図13(a)で破線図示の特性線L31,L33で示すように速くなり、dI/dtが比較的急峻に増加するが、ターンオン抵抗が大きい場合には図13(a)で実線図示の特性線L32,L34で示すように、IGBT102のスイッチングが緩やかとなり、dI/dtが小さくなる。なお、特性線L31,L33はそれぞれターンオン抵抗が小さい場合のIGBT102のコレクタ電流Icおよびコレクタ・エミッタ間電圧Vceを示し、特性線L32,L34はそれぞれターンオン抵抗が大きい場合のIGBT102のコレクタ電流Icおよびコレクタ・エミッタ間電圧Vceを示す。
That is, when the turn-on resistance is small, the switching of the
このようにIGBTのスイッチング速度が変化することにより、対向アームのフリーホイーリングダイオード101のアノード・カソード間電圧Vakは、ターンオン抵抗が小さい場合には、図13(b)で破線図示の特性線L41のように、跳ね上がるとともにピーク値が大きくなるが、ターンオン抵抗が大きい場合には、図13(b)で実線図示の特性線L42で示すように、跳ね上がりピーク値が小さくなり、同じ主回路電圧であっても発振しにくくなる。なお、図13(b)で特性線L43はターンオン抵抗が小さい場合のカソード電流Ikを示し、特性線L44はターンオン抵抗が大きい場合のカソード電流Ikを示す。
When the switching speed of the IGBT changes in this manner, the anode-cathode voltage Vak of the
また、他の手法として、特許文献1に記載されているように、主回路電流の2階微分値によってターンオン用のゲート抵抗を切り換えるようにしたゲート駆動回路が提案されている。
このゲート駆動回路は、図14に概要を示すように、図11の構成において、ターンオン抵抗108と並列にターンオン抵抗111と半導体スイッチ素子112との直列回路を接続している。そして、IGBT102に流れる主回路電流を検出するセンス抵抗(図示せず)の両端の電圧を微分する微分回路113とこの微分回路113の1階微分値をさらに微分する微分回路114とを設け、この微分回路114から出力される2階微分値が設定値以下となったことをコンパレータ115で検出したら、その出力で半導体スイッチ素子112をオフさせてIGBT102のゲート抵抗値を大きくすることにより、ターンオン損失を大きくしない範囲で逆回復の電圧上昇率(dV/dt)を低減して発振を抑制するようにしている。
As another method, as described in
As shown schematically in FIG. 14, this gate drive circuit is configured by connecting a series circuit of a turn-on
また、特許文献2に記載された従来例は、電圧制御型半導体スイッチング素子のゲート端子とターンオン電源との間に接続されるゲート駆動抵抗と、電圧制御型半導体スイッチング素子のゲート電圧が、主電流が流れ始める閾値に到達したことを検知する閾値検知手段と、ゲート駆動抵抗を、ターンオン動作開始時には第1の抵抗値に設定し、閾値検知手段が、ゲート電圧が前記電圧に到達したことを検知した後、第1の抵抗値よりも大きな第2の抵抗値に設定し、その後、第1および第2の抵抗値よりも小さな第3の抵抗値に設定するゲート駆動抵抗設定手段とを備えている。
Further, in the conventional example described in
しかしながら、単にターンオン時にゲート抵抗を大きくする手法では、IGBTのdI/dtが小さくなるため、ターンオン時のIGBTの損失が大きくなるという課題がある。
一方、特許文献1に記載された従来例では、IGBTを流れる主回路電流の2階微分値を検出してゲート抵抗を切り換えるので、ターンオン初期のIGBTのdI/dtが小さなゲート抵抗により維持されるため、ターンオン時のIGBTの損失は余り大きくならないが、2階微分値検出用の微分回路が2つ必要となり、ゲート駆動回路が複雑となるという課題がある。
However, the method of simply increasing the gate resistance at the turn-on has a problem that the IGBT dI / dt becomes small and the loss of the IGBT at the turn-on becomes large.
On the other hand, in the conventional example described in
さらに、特許文献1に記載された従来例では、図15上図で実線図示の従来のターンオン抵抗を変更しない場合のゲート電流Igに対して図15下図に示す対抗アームのフリーホイーリングダイオードの逆回復時にアノード・カソード間電圧Vakがピーク電圧となる前にターンオン抵抗を大きな抵抗値に変更することにより、ゲート電流Igが急峻に減少し、逆回復動作の終了期間のゲート電流が負となる領域でゲート電流不足が生じるという課題もある。
Further, in the conventional example described in
さらに、特許文献2に記載された従来例では、閾値検知手段で、電圧制御型半導体スイッチング素子のゲート・エミッタ間のゲート電圧を検出し、このゲート電圧が、主電流が流れ始める閾値に到達する前後で第1の抵抗値と第1の抵抗値より大きな第2の抵抗値に切り換え、その後、第1および第2の抵抗値よりも小さな第3の抵抗値に切り換えるようにしている。
Further, in the conventional example described in
この特許文献2に記載された従来例では、ゲート・エミッタ間のゲート電圧で主電流の流れ始めを検知するようにしているが、電圧制御型半導体スイッチング素子のゲート電圧とコレクタ・エミッタ間電圧とは1対1に対応しておらず、負荷状態により同じゲート電圧でもコレクタ・エミッタ間電圧の挙動は異なる。また、切替制御回路での切替タイミングの検出をインバータの閾値電圧と遅延時間とで検出するようにしているので、インバータの閾値と遅延時間を正確に決めることができず、精密な制御を行うことができない。しかも、ゲート・エミッタ間電圧が閾値を超えてから適切なコレクタ・エミッタ間電圧に到達するまでの遅延時間は、負荷を含む主回路構成および駆動様態によって変動するため、適切な遅延時間で切替えを行うことは困難となる等の課題がある。
In the conventional example described in
そこで、本発明は、上記従来例の課題に着目してなされたものであり、駆動様態の変更を適切に行うことができ、電圧駆動型半導体素子のターンオン損失を抑えつつ対向アームのフリーホイーリングダイオードの電圧信号を抑制することができる電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention has been made paying attention to the problems of the above-described conventional example, can appropriately change the driving mode, and freewheeling the opposing arm while suppressing the turn-on loss of the voltage-driven semiconductor element. An object of the present invention is to provide a gate drive circuit for a voltage-driven semiconductor element capable of suppressing a voltage signal of a diode.
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路は、フリーホイーリングダイオードが逆並列接続された電圧駆動型半導体素子のゲートを駆動する電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路である。そして、電圧駆動型半導体素子の主端子間の電圧を検出する電圧検出部と、電圧駆動型半導体素子のゲートをターンオン時に異なるゲート駆動様態で駆動可能なゲート駆動部と、電圧検出部で検出した電圧に基づいてゲート駆動部でのゲート駆動様態を変更する駆動様態変更部とを備えている。 In order to achieve the above object, a gate drive circuit for a voltage-driven semiconductor device according to an aspect of the present invention is a voltage-driven semiconductor that drives a gate of a voltage-driven semiconductor device in which freewheeling diodes are connected in antiparallel. It is a gate drive circuit of the element. The voltage detection unit detects the voltage between the main terminals of the voltage-driven semiconductor element, the gate drive unit that can drive the gate of the voltage-driven semiconductor element in a different gate drive mode at the time of turn-on, and the voltage detection unit And a driving mode changing unit that changes the gate driving mode in the gate driving unit based on the voltage.
本発明の一態様によれば、簡易な構成で駆動様態の変更を適切に行って電圧駆動型半導体素子のターンオン損失および対向アームのフリーホイーリングダイオードの振動をともに抑制することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to appropriately change the driving mode with a simple configuration and suppress both the turn-on loss of the voltage-driven semiconductor element and the vibration of the freewheeling diode of the opposing arm.
次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.
Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope defined by the claims described in the claims.
まず、本発明の一の態様を表す電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路をインバータ回路に適用した場合の第1の実施形態について説明する。
インバータ回路1は、例えば三相交流を発生させて負荷を駆動するものであり、図1に示すように、一相分の単相交流を生成する回路について説明すると、直流電源10(電圧値は例えば720V)に接続された正極側ラインLpおよび負極側ラインLn間に上アーム11Uおよび下アーム11Dが直列に接続された構成を有する。
First, a first embodiment in which a gate drive circuit of a voltage drive type semiconductor element representing one aspect of the present invention is applied to an inverter circuit will be described.
The
上アーム11Uは、電圧制御型半導体素子としての絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ(以下、単にIGBTと称す)12Uと、このIGBT12Uと逆並列に接続されたフリーホイーリングダイオード(以下、単にFWDと称す)13Uと、IGBT12Uのゲートを駆動するゲート駆動回路14Uとを備えている。
下アーム11Dも、電圧制御形半導体素子としてのIGBT12Dと、このIGBT12Dと逆並列に接続されたFWD13Dと、IGBT12Dのゲートを駆動するゲート駆動回路14Dとを備えている。
The
The
そして、上アーム11Uおよび下アーム11Dの接続点Pに三相モータ等の負荷15が接続されている。図1では、下アーム10Dがオフ状態からターンオン状態に移行する場合を示しており、負荷15が接続点Pと正極側ラインLpとの間に接続されている。また、破線で示すように、別の負荷が負極側ラインLnとの間に接続されている。
ゲート駆動回路14Uは、IGBT12Uのゲートを駆動するゲート駆動部16Uと、IGBT12Uの主端子となるコレクタおよびエミッタ間の電圧を検出する電圧検出部17Uと、電圧検出部17Uで検出した電圧に基づいてゲート駆動部16Uでのゲート駆動様態を変更する駆動様態変更部18Uとを備えている。
A
The
ゲート駆動部16Uは、直列に接続された直流電源21aおよび21bと、直列に接続された半導体スイッチング素子としてのNチャネルMOSFET22aおよびPチャネルMOSFET22bとを有する。直流電源21aの正極側およびNチャネルMOSFET22aのドレインとの間にはターンオン抵抗部23aが接続されている。直流電源21bの負極側およびPチャネルMOSFET22bのドレイン間にはターンオフ抵抗23bが接続されている。また、直流電源21aおよび21bの接続点がIGBT12Uのエミッタに接続されている。さらに、NチャネルMOSFET22aおよびPチャネルMOSFET22bのゲートが制御回路25に接続され、この制御回路25から出力される駆動信号SaによってNチャネルMOSFET22aおよびPチャネルMOSFET22bがオン・オフ制御される。
ターンオン抵抗部23aは、IGBT12Uのターンオン時の駆動能力を変更するもので、比較的高抵抗値を有するゲート抵抗Rg1と、このゲート抵抗Rg1と並列に接続されたゲート抵抗Rg1の抵抗値と同じまたはそれ以下の抵抗値のゲート抵抗Rg2と半導体スイッチ素子としてのNチャネルMOSFET24の直列回路とで構成されている。
したがって、ターンオン抵抗部23aの抵抗値は、NチャネルMOSFET24がオフ状態であるときにはゲート抵抗Rg1のみの高抵抗値となり、NチャネルMOSFET24がオン状態であるときにはゲート抵抗Rg1にゲート抵抗Rg2が並列に接続されるので、Rg1およびRg2の抵抗値の半分以下の低抵抗値となる。
The turn-on
Therefore, the resistance value of the turn-on
電圧検出部17Uは、IGBT12Uのコレクタ−エミッタ間に直列接続された分圧抵抗R1およびR2で構成され、これら分圧抵抗R1およびR2の接続点から出力される主端子間検出電圧Vudが駆動様態変更部18Uに供給される。
駆動様態変更部18Uは、図2に示すように、電圧検出部17Uから出力される主端子間検出電圧Vudが入力される第1比較器31、第2比較器32、および論理和回路33および論理反転回路34を有する。第1比較器31が第1比較部を構成し、論理和回路33および論理反転回路34が第2比較部を構成している。
The
As shown in FIG. 2, the drive
第1比較器31は、非反転入力端子に主端子間検出電圧Vceの分圧Vudが入力され、反転入力端子に第1基準電圧Vref1が入力されている。ここで、第1基準電圧Vref1は、図3(a)に示すように、ターンオン抵抗部23aが低抵抗値である状態で、IGBT12Uのターンオン時に主端子間電圧Vceが低下して対向アームのFWD13Dが逆回復動作に移行する際の電圧に設定されている。
In the
第2比較器32は、非反転入力端子に主端子間検出電圧Vceの分圧Vudが入力され、反転入力端子に第2基準電圧Vref2が入力されている。ここで、第2基準電圧Vref2は、図3(a)に示すように、IGBT12Uのターンオン時に主端子間電圧Vceが第1基準電圧Vref1より低下し、ターンオン抵抗部23aで高抵抗値が選択されている状態で、対向アームのFWD13Dが逆回復動作継続期間に移行する電圧に設定されている。
In the
そして、論理和回路33の入力側には、第1比較器31の出力信号が直接入力されるとともに、第2比較器32の出力信号が論理反転回路34を介して入力される。この論理和回路33から出力される駆動様態変更信号がゲート駆動部16Uおよび16Dにおけるターンオン抵抗部23aのNチャネルMOSFET24のゲートに入力される。なお、論理反転回路34を削除するとともに第2比較器32の反転入力端子への入力と非反転入力端子への入力を入れ替えて、第2比較器32のみによって第2比較部を構成してもよい。
The output signal of the
ゲート駆動回路14Dも、IGBT12Uのゲートを駆動するゲート駆動部16Dと、IGBT12Dの主端子となるコレクタおよびエミッタ間の電圧(の分圧)を検出する電圧検出部17Dと、電圧検出部17Uで検出した電圧に基づいてゲート駆動部16Dでのゲート駆動様態を変更する駆動様態変更部18Dとを備えている。これらゲート駆動部16D、電圧検出部17Dおよび駆動様態変更部18Dの構成は、前述したゲート駆動回路14Uのゲート駆動部16U、電圧検出部17Uおよび駆動様態変更部18Uの構成と同一構成を有するので、その詳細説明はこれを省略する。
The
そして、例えば下アーム11Dがターンオンする場合におけるターンオン抵抗部23aの抵抗値とIGBT12Dのターンオン時のコレクタ・エミッタ間の主端子間電圧Vceとコレクタ電流Icとの関係を図3(a)に示す。
この図3(a)では、実線図示の特性線L11およびL12が、それぞれ本実施の形態における主端子間電圧Vceおよびコレクタ電流Icを示している。また、破線図示の特性線L13およびL14が、それぞれターンオン抵抗部23aの抵抗値を低抵抗のままとしたときの主端子間電圧Vceおよびコレクタ電流Icを示している。
FIG. 3A shows the relationship between the resistance value of the turn-on
In FIG. 3A, characteristic lines L11 and L12 shown by solid lines indicate the main terminal voltage Vce and the collector current Ic in the present embodiment, respectively. Characteristic lines L13 and L14 shown by broken lines indicate the main-terminal voltage Vce and the collector current Ic when the resistance value of the turn-on
本実施の形態においては、後述のように、主端子間電圧Vceの分圧Vud(Vdd)が第1基準電圧Vref1より高くなっている期間T1とT2、分圧Vud(Vdd)が第1基準電圧Vrefと第2基準電圧Vref2の間にある期間T3、分圧Vud(Vdd)が第2基準電圧Vref2より低くなっている期間T4とでターンオン抵抗部23aの抵抗値を変えている。より具体的には、期間T1,T2,T4においてはターンオン抵抗部23aの抵抗値を低くし、期間T3においてはターンオン抵抗部23aの抵抗値を高くするようにしている。
In the present embodiment, as will be described later, periods T1 and T2 in which the divided voltage Vud (Vdd) of the main-terminal voltage Vce is higher than the first reference voltage Vref1, and the divided voltage Vud (Vdd) is the first reference. The resistance value of the turn-on
IGBT12Dがオフ状態である期間T1では、実線図示の特性線L11で示すように、主端子間電圧Vceは例えば720V程度を維持し、実線図示の特性線L12に示すように、コレクタ電流Icは零を維持する。その後、ターンオン初期となる期間T2では、ゲート電圧(図示せず)が閾値電圧を超えると、コレクタ電流Icが大きなdI/dtで比較的急峻に増加し、これに応じて主端子間電圧Vceが大きなdV/dtで比較的急峻に減少する。次いで、対向アームとなる上アーム11UのFWD13Uが逆回復動作を開始する期間T3(上述のように、この期間のみターンオン抵抗部23aの抵抗値が高くなっている。)においては、前半部ではIGBT12Dのコレクタ電流Icが急峻な増加状態を継続するが中間部で最大値に達し、その後比較的小さなdI/dtで緩やかに減少を始める。これに応じて主端子間電圧Vceも期間T3では小さなdV/dtで緩やかに減少する。次いで、FWD13Uの逆回復動作を継続する期間T4では、コレクタ電流Icは比較的小さなdI/dtで減少を継続し、主端子間電圧Vceは前半に比較的大きなdV/dtで減少した後比較的小さなdV/dtで減少する。
In the period T1 in which the
これに対して、ターンオン抵抗部23aの抵抗値を低抵抗値のままとした場合には、主端子間電圧Vceおよびコレクタ電流Icが、図3(a)で破線図示の特性線L13およびL14で示すように、対向アームのFWD13Uの逆回復動作を開始する期間T3では、コレクタ電流IcのdI/dtが本実施の形態に比較して大きくなるとともに、最大値も大きくなって期間T3の終了時となる。
On the other hand, when the resistance value of the turn-on
これに応じて主端子間電圧Vceが期間T3で比較的大きなdV/dtで減少する。その後、FWD13Uの逆回復動作を継続する期間T4となると、コレクタ電流Icは、この期間T4の前半では比較的緩やかに減少し、その後期間T4の中盤で比較的急峻に減少した後後半で略一定値を維持する。これに応じて主端子間電圧Vceは、期間T4で比較的小さなdV/dtで減少する。期間T4の回路定数は本実施の形態と同じであるが、期間T3におけるコレクタ電流Icのオーバーシュートが大きくその影響が期間T4に残ったため、期間T4における特性線L12と14の挙動が大きく異なっている。
Accordingly, the main terminal voltage Vce decreases at a relatively large dV / dt in the period T3. Thereafter, when the period T4 in which the reverse recovery operation of the
この下アーム11DのIGBT12Dをターンオンさせる際の対向アームとなる上アーム11UのFWD13Uのカソード電流Ikおよびアノード・カソード間電圧Vakの変化を図3(b)に示す。
この図3(b)では、本実施の形態における上アーム11Uのカソード電流Ikおよびアノード・カソード間電圧Vakがそれぞれ実線図示の特性線L21およびL22で示されている。すなわち、カソード電流Ikは、下アーム11DのIGBT12Dがオフ状態である期間T1およびターンオン初期である期間T2の前半までは順方向の高電流(例えば200A)を維持するが、その後大きなdI/dtで急峻に減少し、逆回復動作を開始する期間T3で逆回復電流が流れ始める。期間T3の中盤でカソード電流Ikが最小値となり、その後逆回復電流が流れることによりカソード電流Ikが再び増加する。なお、期間T3の後半と期間T4におけるカソード電流Ikは、基本的に逆回復電流に等しい。逆回復動作が継続する期間T4で逆回復電流のdI/dtは緩やかになる。逆回復電流は図示しないT4以降の期間で減少して零に復帰する。
FIG. 3B shows changes in the cathode current Ik and the anode-cathode voltage Vak of the
In FIG. 3 (b), the cathode current Ik and the anode-cathode voltage Vak of the
一方、アノード・カソード間電圧Vakは、期間T1およびT2で負の低い一定電圧(例えば−1V程度)を維持し、逆回復開始期間となるT3に入って高いdV/dtで急峻に増加し、逆回復動作を継続する期間T4でさらに小さいdV/dtで増加してから一定電圧(例えば720V程度)となる。
また、下アーム11Dのターンオン抵抗部23aが低抵抗値のままである場合のカソード電流Ikおよびアノード・カソード間電圧Vakは、図3(b)で破線図示の特性線L23およびL24で示されている。図3(b)から分かるように、期間T3以降のカソード電流Ikおよびアノード・カソード間電圧Vakは、本実施の形態に比べて変化が大きくなっている。特に、期間T4におけるカソード電流Ikを示す特性線L23の変化が大きく、直流電源10の電圧720Vを大きく超えるピークをもっていて、回路の動作への悪影響が大きい。
On the other hand, the anode-cathode voltage Vak maintains a negative low constant voltage (for example, about -1V) in the periods T1 and T2, and enters a reverse recovery start period T3, and increases sharply at a high dV / dt, In the period T4 in which the reverse recovery operation is continued, the voltage increases at a smaller dV / dt and then becomes a constant voltage (for example, about 720V).
Further, the cathode current Ik and the anode-cathode voltage Vak when the turn-on
次に、上記第1の実施形態の動作を下アーム11DのIGBT12Dがオフ状態からターンオン状態となる場合について図4〜図7を伴って説明する。
先ず、図4に示すように、下アーム11Dの制御回路25からローレベルの駆動信号が出力されてNチャネルMOSFET22aがオフ状態、PチャネルMOSFET22bがオン状態に制御されているものとする。この状態では、IGBT12Dのゲート容量に蓄積された電荷が、PチャネルMOSFET22b、直流電源21bの負極側および正極側を経由してIGBT12Dのエミッタに至る電流経路が形成されて、IGBT12Dはそのゲートが放電されていてオフ状態となっている。
Next, the operation of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 7 in the case where the
First, as shown in FIG. 4, it is assumed that a low-level drive signal is output from the
このIGBT12Dがオフ状態である前述した図3(a)の期間T1では、IGBT12Dの主端子間電圧Vceが図3(a)の特性曲線L11およびL13に示すように、ターンオン抵抗部23aの抵抗値にかかわらず高電圧となっている。この高電圧状態が電圧検出部17Dで検出され、主端子間検出電圧Vddが駆動様態変更部18Dの第1比較器31および第2比較器32の非反転入力側に供給される。主端子間検出電圧Vddが、これら第1比較器31および第2比較器32の第1基準電圧Vref1および第2基準電圧Vref2より高いので、第1比較器31および第2比較器32の出力信号がともにハイレベルとなるが、第2比較器32の出力信号は論理反転回路34で低レベルに反転されるので、第1比較器31のハイレベルの出力信号が論理和回路33を通ってゲート駆動部16Dのターンオン抵抗部23aにあるNチャネルMOSFET24のゲートに供給される。このため、NチャネルMOSFET24がオン状態となり、ゲート抵抗Rg1およびRg2が並列に接続されてターンオン抵抗部23aの抵抗値が低抵抗値となる。
In the above-described period T1 of FIG. 3A in which the
しかしながら、NチャネルMOSFET22aがオフ状態であるので、直流電源21aからの電流がターンオン抵抗部23aを通じてIGBT12Dのゲートに直流電源21aからの電流が供給されることはない。
次に、このIGBT12Dのオフ状態からターンオン状態に移行すると、制御回路25からハイレベルの駆動信号をNチャネルMOSFET22aおよびPチャネルMOSFET22bに供給して、NチャネルMOSFET22aをオン状態に、PチャネルMOSFET22bをオフ状態に制御する。これにより、図5に示すように、IGBT12Dのエミッタから直流電源21aの負極側および正極側、ターンオン抵抗部23aのゲート抵抗Rg1およびRg2を通り、NチャネルMOSFET22aを通ってIGBT12Dのゲートに至る電流経路が形成される。これによりIGBT12Dのゲート容量への充電が開始され、図3(a)のターンオン初期期間T2となる。この期間T2でも、電圧検出部17Dで検出される主端子間検出電圧Vddが第1比較器31および第2比較器32の第1基準電圧Vref1および第2基準電圧Vref2より高いので、ターンオン抵抗部23aの抵抗値は低抵抗値に維持される。
However, since the N-
Next, when the
このため、図3(a)において特性曲線L11で示すように、ターンオン初期期間T2の終期でIGBT12Dのゲート電圧が閾値を超えるとIGBT12Dの主端子間電圧Vceが大きなdV/dtで減少し、電圧検出部17Dで検出される主端子間検出電圧Vddが第1比較器31の第1基準電圧Vref1未満となると、第1比較器31の出力信号がローレベルに反転する。一方、第2比較器32では、第2基準電圧Vref2が第1基準電圧Vref1より低く設定されているので、出力信号はハイレベルを継続し、論理反転回路34でローレベルに反転される。
For this reason, as shown by the characteristic curve L11 in FIG. 3A, when the gate voltage of the
したがって、論理和回路33の論理和出力がハイレベルからローレベルに反転するので、ゲート駆動部16Dのターンオン抵抗部23aにおけるNチャネルMOSFET24がオフ状態となり、図6に示されるようにターンオン抵抗部23aの抵抗値がゲート抵抗Rg1のみによる高抵抗値となって、IGBT12Dのゲートに供給するゲート電流が絞られて減少する。
Accordingly, since the logical sum output of the
このため、IGBT12Dの主端子間電圧Vceが図3(a)で実線図示のL11のように、対向アームとなる上アーム11UのFWD13Uの逆回復動作が開始する期間T3で小さなdV/dtで緩やかに減少することになる。したがって、図3(a)の実線図示の特性線図L12に示されるように、期間T3におけるIGBT12Dのコレクタ電流の増加が抑えられるので、対向アームとなる上アーム11UのFWD13Uの逆回復動作のカソード電流Ik(ダイオード13Uのカソード電流IkとIGBT12Dのコレクタ電流Icの和が、負荷15に流れる電流(短時間においては一定とみなせる)に等しい。)の極小値を、図3(b)で実線図示のL22のように、ターンオン抵抗部23aの抵抗値を低抵抗値とする場合の破線図示のL24の状態より大きくして、後続の期間T4への影響(反動)を小さくすることができる。
For this reason, the voltage Vce between the main terminals of the
そして、IGBT12Dの主端子間電圧Vceがさらに減少し、主端子間検出電圧Vddが第2比較器32の第2基準電圧Vref2以下に低下して逆回復動作の継続期間T4となると、第2比較器32の出力信号がローレベルとなる。このローレベルの出力信号が論理反転回路34によりハイレベルとなり、このハイレベルの信号が論理和回路33を介してゲート駆動部16Dのターンオン抵抗部23aにおけるNチャネルMOSFET24のゲートに供給されるので、このNチャネルMOSFET24がオン状態に復帰して、ターンオン抵抗部23aの抵抗値がゲート抵抗Rg1およびRg2が並列に接続された低抵抗値に復帰する。したがって、図7に示すように、IGBT12Dのエミッタ、直流電源21aの負極側および正極側、ターンオン抵抗部23aのゲート抵抗Rg1およびRg2を通り、さらにNチャネルMOSFET22aを通ってIGBT12Dのゲートに至る電流経路が形成される。
When the voltage Vce between the main terminals of the
このため、IGBT12Dのゲートに供給されるゲート電流が増加されるので、IGBT12Dのターンオンが加速され、主端子間電圧Vceが大きなdV/dtで減少してから緩やかに減少するとともに、期間T3でピーク値を超えたコレクタ電流Icが比較的小さいdI/dtで減少して一定電流値となる。
一方、対向アームとなる上アーム11UのFWD13Uでは、カソード電流Ikの落ち込みが期間T3で抑制されている(最小値が大きい)ので、期間T4となってIGBT12Dのゲート電流が増加しても、図3(b)に示すようにアノード・カソード電流Ikの増加が緩やかとなり、これによりアノード・カソード間電圧Vakも跳ね上がることなく振動が抑制された状態で緩やかに増加し、発振を確実に抑制することができる。
For this reason, since the gate current supplied to the gate of the
On the other hand, in the
このように、上記第1の実施形態によると、IGBT12Dをオフ状態からターンオン状態に移行させる場合に、IGBT12Dの主端子間電圧Vceを電圧検出部17Dで直接検出し、検出した主端子間検出電圧Vddを駆動様態変更部18Dに供給する。このため、駆動様態変更部18Dで、主端子間検出電圧Vddに基づいて実際の主端子間電圧Vceの変化に応じた駆動様態を正確に設定することができる。すなわち、駆動様態変更部18Dは、第1比較器31および第2比較器32と、論理和回路33と、論理反転回路34とを設けるだけで、微分回路等の複雑な回路を設けることなく簡易な構成とすることができる。
Thus, according to the first embodiment, when the
そして、第1比較器31の第1基準電圧Vref1をターンオン抵抗部23aが低抵抗値であるときのターンオン初期期間T2を終了して対向アームのFWD13Uの逆回復動作に移行する際のIGBT12Dの主端子間電圧Vceに対応する電圧Vddに設定し、第2比較器32の第2基準電圧Vref2をターンオン抵抗部23aが低抵抗値から高抵抗値に切り換えられたときの逆回復動作開始期間T3を終了して逆回復動作継続期間T4に移行する際のIGBT12Dの主端子間電圧Vceに対応する電圧Vddに設定する。これにより、対向アームのFWD13Uの逆回復動作開始期間T3を正確に判断することができ、この逆回復動作開始期間T3の期間だけターンオン抵抗部23aのNチャネルMOSFET24をオフ状態としてターンオン抵抗部23aの抵抗値を高抵抗値に設定することができる。
Then, the main reference of the
このため、FWD13Uの逆回復動作時のアノード・カソード間電圧Vakの跳ね上がりを抑制することができ、逆回復動作時に発振状態を生じることを確実に抑制できる。しかも、IGBT12Dのコレクタ電流Icが立ち上がってから中間程度まで上昇したときに、FWD13Uの逆回復動作開始期間T3(例えば0.2μs程度)に達し、この逆回復動作開始期間T3のみIGBT12Dのゲート電流を絞り込むので、IGBT12Dのコレクタ電流IcのdI/dt減少への影響が少なく、IGBT12Dのスイッチング損失の低下を抑制することができる。
For this reason, the jump of the anode-cathode voltage Vak during the reverse recovery operation of the
また、ゲート電圧を検出する場合に比べ、本発明に係るIGBT12Dの主端子間電圧Vceを検出する方式は、IGBT12Dの状態をより直接検知しているので、IGBT12Dの状態変化に対してより適切に対処することができる。
次に、本発明の一態様である電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路の第2の実施形態について図8および図9を伴って説明する。
Further, compared to the case of detecting the gate voltage, the method of detecting the main terminal voltage Vce of the
Next, a second embodiment of the gate driving circuit of the voltage driven semiconductor element which is one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
この第2の実施形態では、ゲート駆動部16Uおよび16Dの駆動様態を、抵抗を使用することなく変更するようにしたものである。
すなわち、第2の実施形態では、ゲート駆動部16Uおよび16Dを、図8に示すように、前述した第1の実施形態における図2の構成において、NチャネルMOSFET22aとゲート抵抗Rg2およびNチャネルMOSFET24の直列回路とを省略し、これに代えてゲート抵抗Rg1とPチャネルMOSFET20bとの間にNチャネルMOSFET41および42を並列に接続した構成とされている。
In the second embodiment, the driving mode of the
That is, in the second embodiment, as shown in FIG. 8, the
ここで、NチャネルMOSFET41および42の電流駆動能力は、NチャネルMOSFET41のドレイン電流Idが、図9(a)で破線図示の特性線L31に示すように、ドレイン・ソース間電圧Vdsが0であるときに0〔A〕であり、これからドレイン・ソース間電圧Vdsが増加するときに、増加開始時に0.5〔A〕まで放物線状に増加し、その後ドレイン・ソース間電圧Vdsの増加にかかわらず0.5〔A〕を維持する低電流駆動能力に設定されている。
Here, the current drive capability of the N-
一方、NチャネルMOSFET42のドレイン電流Idは、図9(a)で実線図示の特性線L32で示すように、ドレイン・ソース間電圧Vdsが0であるときに0〔A〕であり、これからドレイン・ソース間電圧Vdsが増加すると急峻に2〔A〕程度まで増加し、その後ドレイン・ソース間電圧Vdsの増加に応じて緩やかに増加するものであって、NチャネルMOSFET20aの低電流駆動能力に比較して4倍程度高い高電流駆動能力に設定されている。
On the other hand, the drain current Id of the N-
そして、NチャネルMOSFET42のゲートに第1の実施形態と同様の構成を有する駆動様態変更部18Uおよび18Dから駆動様態変更信号が入力されている。このため、NチャネルMOSFET42は対向アームのFWDが逆回復動作を開始する期間T3のみオフ状態に制御され、他の期間T1、T2およびT4ではオン状態に制御される。このため、NチャネルMOSFET42がオン状態であるときには、低電流駆動能力のNチャネルMOSFET41と高電流駆動能力のNチャネルMOSFET42とが並列に接続されるので、図9(b)で実線図示の特性線L33で示すように、両者の電流駆動能力を加算した電流駆動能力となる。
A drive mode change signal is input to the gate of the N-
この第2の実施形態によると、ゲート駆動部16Uおよび16Dで、IGBT12Uおよび12Dのゲートをターンオン駆動する駆動電流能力を決定する要素として、ゲート抵抗Rg1と、2つのNチャネルMOSFET41,42が存在する。
IGBT12Uおよび12Dのターンオン初期期間T2では、NチャネルMOSFET41および42がともにオン状態に制御されることでIGBT12Uおよび12Dのターンオンが開始される。このときのゲート電流は、ゲート抵抗Rg1の抵抗値とNチャネルMOSFET41および42のオン抵抗の和としての抵抗成分とこの抵抗成分に係る電圧によって決定される。
According to the second embodiment, the gate resistor Rg1 and the two N-
In the turn-on initial period T2 of the
このうち電圧は、直流電源21aの電源電圧からIGBT12U又は12Dのゲート・エミッタ間に印加される電圧を引いたものとなる。IGBT12U又は12Dのゲート・エミッタ間電圧はオン時過渡的に変化するため、抵抗部分に係る電圧もオン動作時、時々刻々変化する。
この電圧変化のため、NチャネルMOSFET41および42のドレイン・ソース間には当初大きな電圧が印加されることになり、飽和領域での動作となりオン抵抗は大きく、ゲート抵抗Rg1と同等の大きさになる。
The voltage is obtained by subtracting the voltage applied between the gate and emitter of the
Due to this voltage change, a large voltage is initially applied between the drain and source of the N-
そのため、ゲート電流はNチャネルMOSFET41および42のオン抵抗(=駆動能力)とゲート抵抗Rg1とで決定されることになる。したがって、NチャネルMOSFET41および42の電流駆動能力の和とNチャネルMOSFET41のみによる電流駆動能力の差でゲート電流に差異を生じさせることができる。
したがって、駆動様態変更部18Uおよび18Dで対向アームのFWDが逆回復動作を開始する期間T3でのみNチャネルMOSFET42をオフ状態とし、その他の期間T1、T2およびT4でNチャネルMOSFET42をオン状態とすることで、対向アームのFWDが逆回復動作を開始する期間T3のみゲート電流を絞ることで、前述した第1の実施形態と同様にIGBT12Uおよび12Dのスイッチング損失の低下を抑制しながらFWDの逆回復動作時の振動の発生を抑制することができる。
Therefore, the gate current is determined by the ON resistance (= drive capability) of the N-
Therefore, the N-
しかも、この第2の実施形態では、ゲート駆動部16Uおよび16Dでの駆動様態の変更が並列抵抗を設けることなく、NチャネルMOSFET42のオン・オフによって変更することができ、NチャネルMOSFET41、42は抵抗に比較して基板上の素子構成面積を小さくすることができるので、ゲート駆動部16Uおよび16Dのチップサイズを小さくして小型化することができ、全体のゲート駆動回路も小型化することができる。
In addition, in the second embodiment, the driving mode of the
次に、本発明の一態様である電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路の第3の実施形態について図10を伴って説明する。
この第3の実施形態では、ゲート駆動部16Uおよび16Dを、抵抗素子を用いることなく構成するようにしたものである。
すなわち、第3の実施形態では、図10に示すように、前述した第1の実施形態において、ターンオン抵抗部23aのゲート抵抗Rg1を電流駆動能力が小さく抵抗として動作するゲートをドレインに接続したNチャネルMOSFET51に置換し、NチャネルMOSFET24およびゲート抵抗Rg2の直列回路を電流駆動能力が大きいNチャネルMOSFET52に置換し、さらに、ターンオフ抵抗23bを電流駆動能力が大きく抵抗として動作する、ゲートをドレインに接続したPチャネルMOSFET53に置換した構成を有する。
Next, a third embodiment of the gate drive circuit of the voltage driven semiconductor element which is one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the third embodiment, the
That is, in the third embodiment, as shown in FIG. 10, in the first embodiment described above, the gate resistance Rg1 of the turn-on
そして、NチャネルMOSFET52のゲートが駆動様態変更部18Uおよび18Dに接続されて駆動様態変更信号が供給される。
この第3の実施形態によると、ターンオン抵抗部23aのNチャネルMOSFET52が駆動様態変更部18U又は18Dによって、前述した図3の期間T1、T2およびT4でオン状態に制御され、対向アームのFWD13D又は13Uが逆回復動作を開始する期間T3でのみオフ状態に制御される。
Then, the gate of the N-
According to the third embodiment, the N-
このため、期間T2およびT4でIGBT12U又は12Dに対して大きなゲート電流を供給し、期間T3でゲート電流を絞ることができ、前述した第1および第2の実施形態と同様にIGBT12Uおよび12Dのスイッチング損失の低下を抑制しながらFWDの逆回復動作時の振動の発生を抑制することができる。
そして、第3の実施形態では、ターンオン抵抗部23aがNチャネルMOSFET51および52で構成され、同様にターンオフ抵抗23bがPチャネルMOSFET53で構成されているので、ターンオン用ゲート抵抗素子およびターンオフ用ゲート抵抗素子を用いることなくゲート駆動部16Uおよび16Dを構成することができる。このため、ゲート駆動部16Uおよび16Dの構成を第1の実施形態および第2の実施形態に比較してより小型化することができ、チップサイズを小さくすることができる。
Therefore, a large gate current can be supplied to the
In the third embodiment, the turn-on
なお、上記第1〜第3の実施形態においては、本発明の一態様である電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路を三相インバータに適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、単相インバータやチョッパ回路等の種々の電力変換装置に適用することができる。 In the first to third embodiments, the case where the gate driving circuit of the voltage-driven semiconductor element which is one embodiment of the present invention is applied to a three-phase inverter has been described. However, the present invention is not limited to this. However, it can be applied to various power conversion devices such as a single-phase inverter and a chopper circuit.
10…直流電源、11U…上アーム、11D…下アーム、12U,12D…IGBT、13U,13D…FWD、14U,14D…ゲート駆動回路、15…負荷、16U,16D…ゲート駆動部、17U,17D…電圧検出部、18U,18D…駆動様態変更部、21a,21b…直流電源、22a…NチャネルMOSFET,22b…PチャネルMOSFET、23a…ターンオン抵抗部、23b…ターンオフ抵抗、Rg1,Rg2…ゲート抵抗、24…NチャネルMOSFET、31…第1比較器、32…第2比較器、33…論理和回路、34…論理反転回路、41,42…NチャネルMOSFET、51,52…NチャネルMOSFET、53…PチャネルMOSFET
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電圧駆動型半導体素子のゲートをターンオン時に異なるゲート駆動様態で駆動可能なゲート駆動部と、
前記電圧駆動型半導体素子の主端子間の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部で検出した電圧に基づいて前記ゲート駆動部でのゲート駆動様態を変更する駆動様態変更部と
を備えていることを特徴とする電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路。 A voltage-driven semiconductor element gate drive circuit for driving a gate of a voltage-driven semiconductor element in which freewheeling diodes are connected in reverse parallel,
A gate driver capable of driving the gate of the voltage-driven semiconductor element in a different gate driving mode at the time of turn-on;
A voltage detector for detecting a voltage between main terminals of the voltage-driven semiconductor element;
A gate driving circuit for a voltage-driven semiconductor element, comprising: a driving mode changing unit that changes a gate driving mode in the gate driving unit based on a voltage detected by the voltage detecting unit.
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