JP2020061903A - ゲート駆動装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(第1実施形態)
以下、第1実施形態について図1〜図6を参照して説明する。
図1に示すように、本実施形態のゲート駆動装置1は、一対の直流電源線2、3の間に接続されたハーフブリッジ回路4の上下アームを構成する2つのスイッチング素子5、6を駆動する。スイッチング素子5、6は、パワー素子であり、この場合、Nチャネル型のMOSトランジスタと、そのMOSトランジスタのドレイン・ソース間にソース側をアノードとして接続された、つまりMOSトランジスタに対して逆並列に接続された還流用のダイオードと、を含む構成となっている。なお、この場合、MOSトランジスタとは別の素子として還流用のダイオードが設けられているが、MOSトランジスタのボディダイオードを還流用のダイオードとして利用してもよい。
続いて、上記構成の駆動能力制御部12、15による駆動能力の演算および変更に関する処理の概要について図2を参照して説明する。ここでは、駆動能力制御部12による処理を例に説明するが、駆動能力制御部15による処理も同様の内容となる。処理開始後、最初に実行されるステップS100では、駆動部10のターンオン時における駆動能力が初期値に設定される。この場合、初期値は、発生するサージ電圧が耐圧よりも十分に低いものとなるような比較的低い値に設定されている。なお、以下の説明などでは、ターンオン時における駆動能力のことをターンオン駆動能力と省略することがある。
ゲート駆動装置1の具体的な構成としては、例えば図3に示すような構成を採用することができる。なお、ゲート駆動装置1は、図1に示したNチャネル型のMOSトランジスタに限らず、種々のパワー素子を駆動対象とすることができる。そこで、図3に示す具体的な構成例では、駆動対象のスイッチング素子5、6が、IGBTと、そのIGBTのコレクタ・エミッタ間にエミッタ側をアノードとして接続された、つまりIGBTに対して逆並列に接続された還流用のダイオードと、を含む構成に変更されている。なお、この場合、IGBTとは別の素子として還流用のダイオードが設けられているが、スイッチング素子5、6としてRC−IGBTを用いれば、上記ダイオードを省くことができる。
駆動部10、13のターンオン側の具体的な構成としては、例えば図4に示すような構成を採用することができる。なお、図4では、駆動部10の構成を例示しているが、駆動部13についても同様の構成を採用することができる。図4に示すように、この場合、電流源23は、トランジスタ41、抵抗42、減算器43、電圧源44、アンプ45などにより構成される。
ゲート駆動回路7の駆動部10のターンオン時における駆動能力は、対向アームであるスイッチング素子6の主端子に印加されるサージ電圧のピークの検出値とスイッチング素子6の仕様に応じて定まる主端子の電圧の許容値とに基づいて最適化される。また、ゲート駆動回路8の駆動部13のターンオン時における駆動能力は、対向アームであるスイッチング素子5の主端子に印加されるサージ電圧のピークの検出値とスイッチング素子5の仕様に応じて定まる主端子の電圧の許容値とに基づいて最適化される。
以下、第2実施形態について図6を参照して説明する。
第2実施形態では、各制御のタイミングが第1実施形態と異なっている。なお、構成については第1実施形態と共通するので、図1なども参照しながら説明する。この場合、駆動能力制御部12、15は、スイッチング素子5、6の駆動周期よりも長い周期毎に上記駆動能力の値の演算および上記駆動能力の変更を行うようになっている。また、この場合、ピーク電圧検出部11、14は、スイッチング素子5、6の駆動周期よりも長い周期毎にターンオン時に発生するサージ電圧のピークを検出するようになっている。
以下、第3実施形態について図7および図8を参照して説明する。
<ゲート駆動装置の具体的構成>
本実施形態では、ゲート駆動装置の具体的な構成が第1実施形態と異なっている。すなわち、図7に示すように、本実施形態のゲート駆動装置51は、図3に示した第1実施形態のゲート駆動装置1に対し、駆動部10、13、ピーク電圧検出部11、14、駆動能力制御部12、15および伝達部9の具体的な構成が変更されている。
駆動部10、13のターンオン側の具体的な構成の具体的な構成としては、例えば図8に示すような構成を採用することができる。なお、図8では、駆動部10の構成を例示しているが、駆動部13についても同様の構成を採用することができる。図8に示すように、この場合、抵抗52は、トランジスタ58、電圧源59、スイッチ60などにより構成される。トランジスタ58は、Pチャネル型のMOSトランジスタであり、そのソースは電源線26に接続される。トランジスタ58のドレインは、スイッチング素子5のゲートに接続される。トランジスタ58のソース・ゲート間には、スイッチ61が接続されている。スイッチ61は、スイッチ21と同様の機能を果たすものであるが、そのオンオフの関係がスイッチ21とは逆になっている。
以下、第4実施形態について図9および図10を参照して説明する。
<ゲート駆動装置の概略構成>
図9に示すように、本実施形態のゲート駆動装置71は、第1実施形態のゲート駆動装置1に対し、伝達部9が省かれている点などが異なっている。この場合、ゲート駆動回路7、8は、互いに同一の装置、具体的には互いに同一のICとして構成されている。
ゲート駆動装置71の具体的な構成としては、例えば図10に示すような構成を採用することができる。なお、図10に示す具体的な構成例では、駆動対象のスイッチング素子5、6が、IGBTと、そのIGBTのコレクタ・エミッタ間にエミッタ側をアノードとして接続された、つまりIGBTに対して逆並列に接続された還流用のダイオードと、を含む構成に変更されている。
以下、第5実施形態について図11を参照して説明する。
所定の駆動能力でスイッチング素子5、6が駆動されている場合、負荷に流れる電流、つまり主回路電流が変動すると、その変動に応じてサージ電圧も変動する。具体的には、駆動能力が一定であれば、負荷電流が増加するとサージ電圧のピークが上昇し、負荷電流が減少するとサージ電圧のピークが低下する。なお、スイッチング素子5、6に流れる電流、つまり素子電流についても、主回路電流と同様のことが言える。
以下、第6実施形態について図12および図13を参照して説明する。
<ゲート駆動装置の概略構成>
図12に示すように、本実施形態のゲート駆動装置91は、直流電源線2、3間に接続されたハーフブリッジ回路92の上下アームを構成する2つのスイッチング素子5、93を駆動する。この場合、一方のスイッチング素子5は、図1などに示した構成と同様、MOSトランジスタを含む構成となっているが、他方のスイッチング素子93は、ダイオードにより構成されている。なお、スイッチング素子5は、図3などに示した構成と同様、IGBTを含む構成であってもよい。上記構成のハーフブリッジ回路92は、降圧コンバータに適用することができる。
ゲート駆動装置91の具体的な構成としては、例えば図13に示すような構成を採用することができる。図13に示すように、本実施形態のゲート駆動装置91が備える駆動部10、駆動能力制御部12およびピーク電圧検出部14は、図3などに示した構成と同様の構成となっている。伝達部94は、磁気カプラ95を備えている。磁気カプラ95は、ピーク電圧検出部14から出力されるパルス信号Sfを駆動能力制御部12へと絶縁伝送するものであり、絶縁部に相当する。
以下、第7実施形態について図14を参照して説明する。
<ゲート駆動装置の概略構成>
図14に示すように、本実施形態のゲート駆動装置101は、直流電源線2、3間に接続されたハーフブリッジ回路102の上下アームを構成する2つのスイッチング素子103、6を駆動する。この場合、一方のスイッチング素子6は、図1などに示した構成と同様、MOSトランジスタを含む構成となっているが、他方のスイッチング素子103は、ダイオードにより構成されている。なお、スイッチング素子6は、図3などに示した構成と同様、IGBTを含む構成であってもよい。上記構成のハーフブリッジ回路102は、昇圧コンバータに適用することができる。
図示は省略するが、ゲート駆動装置101の具体的な構成としては、次のような構成を採用することができる。すなわち、ゲート駆動装置101が備えるピーク電圧検出部11、駆動部13および駆動能力制御部15は、図3などに示した構成と同様の構成を採用することができる。また、伝達部104は、ピーク電圧検出部11から出力されるパルス信号Seを、絶縁部に相当する磁気カプラを介して駆動能力制御部15へと絶縁伝送する構成を採用することができる。
以下、第8実施形態について図15を参照して説明する。
図15に示すように、本実施形態のゲート駆動装置111は、直流電源線2、3の間に接続されたハーフブリッジ回路112の上下アームを構成するスイッチング素子113、114を駆動する。スイッチング素子113、114は、いずれも、同じ種類の2つの素子が並列接続された構成となっている。なお、スイッチング素子113、114は、同じ種類の複数の素子が並列接続された構成であればよく、例えば同じ種類の3つ以上の素子が並列接続された構成であってもよい。
以下、第9実施形態について図16を参照して説明する。
図16に示す本実施形態のゲート駆動装置121は、ハーフブリッジ回路122の上下アームを構成する2つのスイッチング素子を駆動する。なお、図16では、上アームを構成するスイッチング素子123と、そのスイッチング素子123を駆動するための構成、つまり上アーム側の構成だけを図示している。ただし、下アームを構成するスイッチング素子と、そのスイッチング素子を駆動するための構成、つまり下アーム側の構成についても、上アーム側の構成と同様の構成となる。
(その他の実施形態)
上記各実施形態で示した数値などは例示であり、それに限定されるものではない。
Claims (14)
- ハーフブリッジ回路(4、92)の上下アームを構成する2つのスイッチング素子(5、6、93、103、113、114、123)のうち一方のスイッチング素子(5、113、123)のゲートを駆動する一方の駆動部(10、125)と、
前記一方のスイッチング素子のターンオン時における他方のスイッチング素子(6、93、114)の主端子のピーク電圧を検出する他方のピーク電圧検出部(14)と、
前記他方のピーク電圧検出部により検出される主端子のピーク電圧が前記他方のスイッチング素子の仕様に応じて定まる前記主端子の電圧の許容値を超えることが無い範囲で前記一方の駆動部のターンオン時における駆動能力の値を演算するとともに、その演算結果に基づいて前記一方の駆動部のターンオン時における駆動能力を変更する一方の駆動能力制御部(12)と、
を備えるゲート駆動装置。 - さらに、
前記2つのスイッチング素子のうち他方のスイッチング素子(6、114)のゲートを駆動する他方の駆動部(13)と、
前記他方のスイッチング素子のターンオン時における一方のスイッチング素子(5、103、113、123)の主端子のピーク電圧を検出する一方のピーク電圧検出部(11)と、
前記一方のピーク電圧検出部により検出される主端子のピーク電圧が前記一方のスイッチング素子の仕様に応じて定まる前記主端子の電圧の許容値を超えることが無い範囲で前記他方の駆動部のターンオン時における駆動能力の値を演算するとともに、その演算結果に基づいて前記他方の駆動部のターンオン時における駆動能力を変更する他方の駆動能力制御部(15)と、
前記一方の駆動能力制御部に対し前記他方のピーク電圧検出部の検出値を伝達するとともに、前記他方の駆動能力制御部に対し前記一方のピーク電圧検出部の検出値を伝達する伝達部(9、94、104)と、
を備え、
前記一方の駆動部、前記一方のピーク電圧検出部および前記一方の駆動能力制御部と、前記他方の駆動部、前記他方のピーク電圧検出部および前記他方の駆動能力制御部と、は、互いに別々の装置として構成されている請求項1に記載のゲート駆動装置。 - 前記伝達部は、前記別々の装置間を絶縁する絶縁部(33、34、55、56、95)を介して、前記ピーク電圧検出部の検出値を伝達する構成である請求項2に記載のゲート駆動装置。
- さらに、
前記2つのスイッチング素子のうち他方のスイッチング素子(6、114)のゲートを駆動する他方の駆動部(13)と、
前記他方のスイッチング素子のターンオン時における一方のスイッチング素子(5、103、113、123)の主端子のピーク電圧を検出する一方のピーク電圧検出部(11)と、
前記一方のピーク電圧検出部により検出される主端子のピーク電圧が前記一方のスイッチング素子の仕様に応じて定まる前記主端子の電圧の許容値を超えることが無い範囲で前記他方の駆動部のターンオン時における駆動能力の値を演算するとともに、その演算結果に基づいて前記他方の駆動部のターンオン時における駆動能力を変更する他方の駆動能力制御部(15)と、
を備え、
前記一方の駆動部、前記一方のピーク電圧検出部および前記一方の駆動能力制御部と、前記他方の駆動部、前記他方のピーク電圧検出部および前記他方の駆動能力制御部と、は、同一の装置として構成されている請求項1または2に記載のゲート駆動装置。 - 前記駆動能力制御部は、前記スイッチング素子の駆動周期毎に前記駆動能力の値の演算を行い、その演算後の次の前記駆動周期における前記スイッチング素子のターンオン開始時点までに前記駆動能力の変更を行う請求項1から4のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
- 前記駆動能力制御部は、前記スイッチング素子の駆動周期よりも長い周期毎に前記駆動能力の値の演算および前記駆動能力の変更を行う請求項1から4のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
- さらに、
前記スイッチング素子に流れる電流、前記スイッチング素子のターンオフ時に前記スイッチング素子の主端子に印加される電圧および前記スイッチング素子の温度のうち少なくとも一つを検出する検出部(82、83、84、85、86、87)を備え、
前記駆動能力制御部は、前記検出部による検出結果に基づいて前記駆動能力の値の演算結果を補正する請求項1から6のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。 - 前記駆動部は、前記スイッチング素子のゲートを定電流駆動する構成であり、
前記駆動能力制御部は、前記スイッチング素子のターンオン時におけるゲート電流を変更することにより前記駆動部の駆動能力を変更する請求項1から7のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。 - 前記駆動能力制御部は、前記スイッチング素子のターンオン時におけるゲート抵抗を変更することにより前記駆動部の駆動能力を変更する請求項1から7のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
- 前記スイッチング素子(5、6)は、MOSトランジスタを含む構成である請求項1から10のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
- 前記スイッチング素子(5、6)は、IGBTを含む構成である請求項1から10のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
- 前記一方のスイッチング素子(5、6)は、MOSトランジスタを含む構成であり、
前記他方のスイッチング素子(93、103)は、ダイオードにより構成される請求項1に記載のゲート駆動装置。 - 前記一方のスイッチング素子は、IGBT(5、6)を含む構成であり、
前記他方のスイッチング素子(93、103)は、ダイオードにより構成される請求項1に記載のゲート駆動装置。 - 前記スイッチング素子(123)は、互いに種類の異なる複数の素子(123a、123b)が並列接続された構成であり、
前記駆動部(125)は、前記複数の素子のゲートを別々に駆動する構成であり、
前記駆動能力制御部は、前記複数の素子のうち最初にターンオンする素子を対象として、前記ターンオン時における駆動能力の値の演算および前記ターンオン時における駆動能力の変更を行う請求項1から11のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
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