JP2018182818A - スイッチング素子駆動装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図11に示したパワーモジュール100において、上アームおよび下アームのスイッチング素子は、NチャネルのMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)(以下、MOSトランジスタという)101,102である。上アームのMOSトランジスタ101には、逆並列に還流ダイオード103が接続され、下アームのMOSトランジスタ102には、逆並列に還流ダイオード104が接続されている。還流ダイオード103,104は、MOSトランジスタ101,102に内蔵されるボディダイオード(寄生ダイオード)である。
図3はMOSトランジスタおよび出力電流検出回路の一例を示す図である。
第1の実施の形態では、MOSトランジスタ11は、主電流を制御する主MOSトランジスタ11aおよび還流ダイオード11bと、この主MOSトランジスタ11aの電流を検出するセンスMOSトランジスタ11cおよび還流ダイオード11d(これらのデバイスサイズは、主MOSトランジスタ11aおよび還流ダイオード11bのデバイスサイズより大幅に小さい)とを有している。このMOSトランジスタ11では、主MOSトランジスタ11aおよびセンスMOSトランジスタ11cのドレインおよびゲートがそれぞれ共通になっていて、ソースだけが主MOSトランジスタ11aおよびセンスMOSトランジスタ11cでそれぞれ独立に設けられている。主MOSトランジスタ11a、センスMOSトランジスタ11c、還流ダイオード11b、および還流ダイオード11dのデバイスサイズは、同じ条件であれば主MOSトランジスタ11aおよび還流ダイオード11bに流れる電流とセンスMOSトランジスタ11cおよび還流ダイオード11dに流れる電流が比例するよう調整されていて、センスMOSトランジスタ11cのソースからは、主電流に比例したセンス信号が出力される。
サンプルホールド回路23は、出力電流検出回路21の出力端子に入力端子が接続されたボルテージフォロワ31を有し、このボルテージフォロワ31の出力端子は、トランスファゲート32の入力端子に接続されている。トランスファゲート32の論理反転ゲート端子には、インバータ回路33の出力端子が接続され、もう一方のゲート端子には、インバータ回路33の入力端子および遅延回路34の出力端子が接続されている。遅延回路34の入力端子は、上アーム駆動回路16の出力端子OHに接続されている。
駆動能力変更回路26は、NチャネルのMOSトランジスタ41と、PチャネルのMOSトランジスタ42,43,44と、インバータ回路45と、定電流源46,47とを有している。MOSトランジスタ41およびMOSトランジスタ42のゲートは、インバータ回路22の出力端子に接続され、MOSトランジスタ41およびMOSトランジスタ42のドレインは、MOSトランジスタ11のゲートへ接続される。MOSトランジスタ41のソースは、上アーム基準電圧端子VSに接続され、MOSトランジスタ42のソースは、MOSトランジスタ43,44のドレインに接続されている。MOSトランジスタ43,44のソースは、それぞれ定電流源46,47の出力端子に接続され、定電流源46,47の入力端子は、上アーム電源端子VBに接続されている。MOSトランジスタ43のゲートは、インバータ回路45の出力端子に接続され、インバータ回路45の入力端子は、MOSトランジスタ44のゲートおよび比較器24の出力端子に接続されている。なお、定電流源46は、一定の出力電流I1を出力し、定電流源47は、一定の出力電流I2を出力し、出力電流I1は、出力電流I2よりも小さい値に設定されている。
図6は第1の実施の形態に係るパワーモジュールの詳細な動作を示すタイミングチャートである。この図6において、上から上アームのMOSトランジスタ11のゲート電圧、ゲート電流およびドレイン電流ID、比較器24の出力信号、上アームのMOSトランジスタ11のドレイン・ソース間電圧VDS、上アームの駆動電位VBを示している。
Vref1×R12/(R11+R12)=Vref2+△V
となる関係を満たすように設定されている。ここで、+△Vは微小な正電圧である。すなわち、逆回復電流検出回路62の入力端子の電圧が減少して0ボルト(V)を下回ると、比較器71の出力が逆回復電流を検出したことを示すHレベルとなるようにしている。また、下アームに電流が流れていないときには、逆回復電流が流れていると判断しないようにしている。
さらに、以上の実施の形態では、スイッチング素子としてMOSトランジスタを用いたパワーモジュールに適用して好適であるが、高速スイッチングが可能なIGBTでも同様に適用することができる。
また、高い駆動能力を与える定電流源47および電流調整抵抗R2は、単なる結線に置き換えてもよい。
11,12 MOSトランジスタ
11a 主MOSトランジスタ
11b 還流ダイオード
11c センスMOSトランジスタ
11d 還流ダイオード
13,14 還流ダイオード
15,15a ゲート駆動能力決定部
16 上アーム駆動回路
17 下アーム駆動回路
21 出力電流検出回路
21a 電流検出抵抗
22 インバータ回路
23 サンプルホールド回路
24 比較器
26,26a 駆動能力変更回路
31 ボルテージフォロワ
32 トランスファゲート
33 インバータ回路
34 遅延回路
35 コンデンサ
36 ボルテージフォロワ
41,42,43,44 MOSトランジスタ
45 インバータ回路
46,47 定電流源
51 インバータ回路
52,53 トランスファゲート
54 インバータ回路
61 電流検出回路
62 逆回復電流検出回路
63 レベルシフト回路
71 比較器
R1,R2 電流調整抵抗
R11,R12 抵抗
Claims (11)
- ハーフブリッジの上アーム部および下アーム部を構成するとともに、それぞれ第1の還流ダイオードおよび第2の還流ダイオードを有する第1および第2のスイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動装置において、
前記第1のスイッチング素子を駆動するための第1の駆動信号を出力する上アーム駆動回路と、
前記第2のスイッチング素子を駆動するための第2の駆動信号を出力する下アーム駆動回路と、
前記第1のスイッチング素子をターンオンさせるとき、前記第1の駆動信号を最初は高い駆動能力とし、前記第2のスイッチング素子の前記第2の還流ダイオードの逆回復電流を検出すると低い駆動能力に変更する駆動能力決定部と、
を備えた、スイッチング素子駆動装置。 - 前記駆動能力決定部は、前記第1のスイッチング素子の出力電流を検出する出力電流検出回路と、前記第1のスイッチング素子がターンオフする前にその出力電流の値をサンプリングして保持するとともに保持した値を閾値として出力するサンプルホールド回路と、前記出力電流検出回路が検出した出力電流と前記閾値とを比較する比較器と、前記出力電流検出回路が検出した出力電流が前記閾値を超えたことを前記比較器が検出すると前記第1の駆動信号の駆動能力を低くする駆動能力変更回路と、を有する、請求項1記載のスイッチング素子駆動装置。
- 前記駆動能力変更回路は、第1の出力電流を出力する第1の定電流源と、前記第1の出力電流よりも高い第2の出力電流を出力する第2の定電流源と、前記第1の駆動信号を前記第1のスイッチング素子のゲートに伝える信号伝達回路と、前記第1の定電流源と前記信号伝達回路との間に接続されて前記出力電流検出回路が検出した出力電流が前記閾値を超えたことを前記比較器が検出するとオンされる第1のスイッチと、前記第2の定電流源と前記信号伝達回路との間に接続されて前記出力電流検出回路が検出した出力電流が前記閾値を超えたことを前記比較器が検出していないとオンされる第2のスイッチと、を有する、請求項2記載のスイッチング素子駆動装置。
- 前記駆動能力変更回路は、前記第1の駆動信号を受けていて前記出力電流検出回路が検出した出力電流が前記閾値を超えたことを前記比較器が検出するとオンされる第1のスイッチと、前記第1の駆動信号を受けていて前記出力電流検出回路が検出した出力電流が前記閾値を超えたことを前記比較器が検出していないとオンされる第2のスイッチと、前記第1のスイッチと前記第1のスイッチング素子のゲートとの間に接続される第1の抵抗と、前記第2のスイッチと前記第1のスイッチング素子のゲートとの間に接続されていて前記第1の抵抗よりも小さい抵抗値を有する第2の抵抗と、を有する、請求項2記載のスイッチング素子駆動装置。
- 前記出力電流検出回路は、MOSFETおよびその出力電流に比例した電流が流れるセンスMOSFETを内蔵した前記第1のスイッチング素子の、前記センスMOSFETに流れる電流を検出する、請求項2記載のスイッチング素子駆動装置。
- 前記比較器がヒステリシス特性を有する、請求項2記載のスイッチング素子駆動装置。
- 前記駆動能力決定部は、前記第2のスイッチング素子の電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路が検出した電流がゼロより大きいか小さいかによって逆回復電流を検出する逆回復電流検出回路と、前記第1のスイッチング素子の前記第1の駆動信号の駆動能力を、前記第1のスイッチング素子がターンオンするときに高く、前記逆回復電流検出回路が逆回復電流を検出したときに低くする駆動能力変更回路と、を備えた、請求項1記載のスイッチング素子駆動装置。
- 前記駆動能力決定部は、前記逆回復電流検出回路が逆回復電流を検出した信号をレベルシフトして前記駆動能力変更回路に渡すレベルシフト回路をさらに有する、請求項7記載のスイッチング素子駆動装置。
- 前記駆動能力変更回路は、第1の出力電流を出力する第1の定電流源と、前記第1の出力電流よりも高い第2の出力電流を出力する第2の定電流源と、前記第1の駆動信号を前記第1のスイッチング素子のゲートに伝える信号伝達回路と、前記第1の定電流源と前記信号伝達回路との間に接続されて前記逆回復電流検出回路が逆回復電流を検出したことを示す信号を受けたときにオンされる第1のスイッチと、前記第2の定電流源と前記信号伝達回路との間に接続されて前記逆回復電流検出回路が逆回復電流を検出していないことを示す信号を受けたときオンされる第2のスイッチと、を有する、請求項7記載のスイッチング素子駆動装置。
- 前記駆動能力変更回路は、前記第1の駆動信号を受けていて前記逆電流検出回路が逆電流を検出したことを示す信号を受けたときオンされる第1のスイッチと、前記第1の駆動信号を受けていて前記逆電流検出回路が逆電流を検出していないことを示す信号を受けたときオンされる第2のスイッチと、前記第1のスイッチと前記第1のスイッチング素子のゲートとの間に接続される第1の抵抗と、前記第2のスイッチと前記第1のスイッチング素子のゲートとの間に接続されていて前記第1の抵抗よりも小さい抵抗値を有する第2の抵抗と、を有する、請求項7記載のスイッチング素子駆動装置。
- 前記電流検出回路は、前記第1のスイッチング素子であるMOSFETおよび該MOSFETに付随した前記第1の還流ダイオードの電流に比例した電流が流れるセンスMOSFETおよび該センスMOSFETに付随した前記第2の還流ダイオードを内蔵した前記第2のスイッチング素子の、前記センスMOSFETおよび前記第2の還流ダイオードに流れる電流を検出する、請求項7記載のスイッチング素子駆動装置。
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