JP2022141181A - Gate drive device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ゲート駆動装置に関する。 The present invention relates to gate drives.
ゲート駆動型の半導体スイッチング素子として、例えばMOSトランジスタを上下アームに配置して構成し、それぞれのMOSトランジスタを交互に駆動することで負荷に給電するインバータや、直流電源の電圧変換をするコンバータなどがある。これらの構成では、上下アームのMOSトランジスタが同時にオンする状態を防止するために、2つのMOSトランジスタが共にオフ状態となるデッドタイムを設けている。 Examples of gate-driven semiconductor switching elements include an inverter configured by arranging MOS transistors in upper and lower arms, and supplying power to a load by alternately driving the MOS transistors, and a converter that converts the voltage of a DC power supply. be. In these configurations, in order to prevent the MOS transistors of the upper and lower arms from being turned on at the same time, a dead time is provided during which the two MOS transistors are both turned off.
しかしながら、デッドタイムを長くすることは、その期間中にボディダイオードに電流が流れて発生する損失が増加することとなるので、できるだけ短く設定することが求められる。デッドタイムを短縮するためには、正確にデッドタイムを検出することが必要となる。 However, lengthening the dead time increases the loss caused by the current flowing through the body diode during that period, so it is desired to set it as short as possible. In order to shorten the dead time, it is necessary to detect the dead time accurately.
デッドタイム検出の方法として、上下アームのMOSトランジスタのゲート・ソース間電圧Vgsの変動を見てデッドタイムを検出する場合、従来ではしきい値電圧Vthをリファレンス値としてオンオフのタイミングを検出し、上下アームのMOSトランジスタのVgs変動タイミング差をデッドタイムとして検出していた。 As a dead time detection method, when the dead time is detected by looking at the variation of the gate-source voltage Vgs of the upper and lower arm MOS transistors, conventionally, the on/off timing is detected using the threshold voltage Vth as a reference value. The Vgs fluctuation timing difference of the arm MOS transistors is detected as the dead time.
しかしながら、実際には制御対象としているMOSトランジスタのオンオフの切り替わりタイミングが、ゲート・ソース間電圧Vgsがしきい値電圧Vthと一致するタイミングとずれており、正確なデッドタイムを検出できなかった。このため、検出タイミングがずれる分、検出誤差として予めマージンを持ったデッドタイムの設定をすることとなり、検出誤差分のデッドタイムが短縮できないという課題があった。 However, the on/off switching timing of the MOS transistor to be controlled actually deviates from the timing at which the gate-source voltage Vgs coincides with the threshold voltage Vth, and accurate dead time cannot be detected. For this reason, a dead time with a margin for the detection error must be set in advance for the deviation of the detection timing, and the dead time corresponding to the detection error cannot be shortened.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、ゲート駆動型の半導体スイッチング素子のオンオフのタイミングを正確に検出することでデッドタイムの設定のマージンを短くすることができるようにしたゲート駆動装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to shorten the margin for setting dead time by accurately detecting the on/off timing of a gate-driven semiconductor switching element. To provide a gate drive device which is
請求項1に記載のゲート駆動装置は、上アームおよび下アームにそれぞれ配置され整流素子を備えたゲート駆動型の半導体スイッチング素子のゲート駆動を行うゲート駆動装置であって、前記上下アームのそれぞれの半導体スイッチング素子を交互に駆動するための駆動信号を送信する制御回路(20)と、前記制御回路からの駆動信号に応じて前記上下アームのそれぞれの半導体スイッチング素子のゲートを駆動する駆動回路(40a、40b)と、前記上下アームのそれぞれの半導体スイッチング素子についてゲート電圧が参照電圧と一致するタイミングを検出するゲート変動検出回路(60)と、前記半導体スイッチング素子の電流値に応じて前記ゲート変動検出回路の前記参照電圧を調整する参照電圧調整回路(50a、50b)とを備え、前記制御回路は、前記ゲート変動検出回路により検出される前記上下アームの前記半導体スイッチング素子のゲート電圧変動のタイミングからデッドタイムを算出し、次に駆動する側の駆動タイミングを調整するタイミング調整機能を備える。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a gate drive device for driving a gate drive type semiconductor switching element having a rectifying element disposed in each of an upper arm and a lower arm. A control circuit (20) for transmitting drive signals for alternately driving the semiconductor switching elements, and a drive circuit (40a) for driving the gates of the respective semiconductor switching elements of the upper and lower arms according to the drive signals from the control circuit. , 40b), a gate fluctuation detection circuit (60) for detecting the timing at which the gate voltage of each of the semiconductor switching elements of the upper and lower arms matches the reference voltage, and the gate fluctuation detection circuit (60) according to the current value of the semiconductor switching element. a reference voltage adjustment circuit (50a, 50b) for adjusting the reference voltage of the circuit, wherein the control circuit detects timing of gate voltage fluctuation of the semiconductor switching elements of the upper and lower arms detected by the gate fluctuation detection circuit; It has a timing adjustment function that calculates the dead time and adjusts the driving timing of the next driving side.
上記構成を採用することにより、参照電圧調整回路が、半導体スイッチング素子の電流値に応じて参照電圧を調整してゲート変動検出回路に設定するので、ゲート変動検出回路において、半導体スイッチング素子のゲート電圧が参照電圧と一致するタイミングを検出することで実際のオンあるいはオフのタイミングを検出することができる。 By adopting the above configuration, the reference voltage adjustment circuit adjusts the reference voltage according to the current value of the semiconductor switching element and sets it in the gate variation detection circuit. The actual ON or OFF timing can be detected by detecting the timing at which V coincides with the reference voltage.
これにより、制御回路においては、ゲート変動検出回路により検出される上下アームの半導体スイッチング素子のゲート電圧変動のタイミングから実際のデッドタイムに相当する時間を正確に検出することができるので、電流値に依存した変動を含めたマージンを設定する必要がなくなり、半導体スイッチング素子に並列に接続された整流素子に電流が流れる時間を極力低減することができる。 As a result, the control circuit can accurately detect the time corresponding to the actual dead time from the timing of the gate voltage fluctuations of the semiconductor switching elements of the upper and lower arms detected by the gate fluctuation detection circuit. It is no longer necessary to set a margin including dependent fluctuations, and the time during which current flows through the rectifier connected in parallel to the semiconductor switching element can be reduced as much as possible.
(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3を参照して説明する。
電気的構成を示す図1において、上下アームを構成する2つの半導体スイッチング素子であるNチャンネル型のMOSトランジスタ1、2は、直列接続された状態として電源端子間に接続されている。MOSトランジスタ1および2の共通接続点は負荷への出力端子となっている。また、MOSトランジスタ1はボディダイオード1aを有し、MOSトランジスタ2はボディダイオード2aを有する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 3. FIG.
In FIG. 1 showing the electrical configuration, N-
2個のMOSトランジスタ1、2は、ゲート駆動装置10によりオンオフの駆動制御が行われる。また、2個のMOSトランジスタ1、2には、それぞれ負荷電流であるドレイン電流Id1、Id2をモニタする電流センス機能が備えられている。この場合、電流センス素子を別途設ける構成としても良いし、通電経路に別途電流検出部を設けて検出する構成とすることもできる。
The two
ゲート駆動装置10は、制御回路20、デッドタイム設定回路30a、30b、駆動回路40a、40b、参照電圧調整回路50a、50b、ゲート変動検出回路60を備える。なお、ゲート駆動装置10の構成中、添字a、bを付したデッドタイム設定回路30a、30b、駆動回路40a、40b、参照電圧調整回路50a、50bは、それぞれMOSトランジスタ1、2に対応して個別に設けられたもので、それぞれが同等の内部構成を有している。以下の構成説明では、MOSトランジスタ1に対応する添字aを付した回路について説明し、添字bを付した回路についての説明を省略する。
The
制御回路20は、外部から与えられるオンオフの指示信号に応じて上下アームのMOSトランジスタ1、2に対して駆動信号を作成してオンオフの駆動制御を行う。この場合、制御回路20は、MOSトランジスタ1に対してデッドタイム設定回路30aを介して駆動回路40aに駆動信号を与え、MOSトランジスタ2に対してデッドタイム設定回路30bを介して駆動回路40bに駆動信号を与える。
The
デッドタイム設定回路30aは、検出されたデッドタイムの信号に基づいて指示信号に対して回路構成上で発生する誤差を考慮した所定のマージンを加えてデッドタイムを設定する。デッドタイム設定回路30aは、遅延回路31a、フェーズコンパレータ32a、F/Bゲイン回路33aおよびサンプルアンドホールド回路34aを備えている。
The dead
参照電圧調整回路50aは、MOSトランジスタ1のオンオフのタイミングを判定するための参照電圧Vgsm1を設定してゲート変動検出回路60を構成するコンパレータ61aの反転入力端子に出力する。参照電圧Vgsm1は、MOSトランジスタ1がオンまたはオフ動作中に、ゲート電圧Vgsがミラー期間に入ったときのミラー電圧を示しており、この電圧を超えて変化したときがオンオフのタイミングとなる。
The reference
このため、参照電圧調整回路50aは、次式(1)に基づいてドレイン電流Id1およびしきい値電圧Vthから参照電圧Vgsm1を算出するように回路が構成されている。
Therefore, the reference
なお、式(1)中、ドレイン電流Idはミラー期間中の飽和電流を示しており、そのドレイン電流Idの平方根の前にかかる係数は、MOSトランジスタ1、2のそれぞれのゲート長をL、ゲート幅をW、電子移動度をμn、単位面積あたりのゲート酸化膜容量をCoxとしており、これらは素子によって決まる一定の数値である。また、しきい値電圧Vthについても素子によって決まる一定の数値である。 In equation (1), the drain current Id indicates the saturation current during the mirror period. The width is W, the electron mobility is .mu.n, and the gate oxide film capacitance per unit area is Cox, which are constant values determined by the device. Also, the threshold voltage Vth is a constant value determined by the element.
この結果、しきい値電圧Vthにドレイン電流Idの平方根の値に比例した値を加算した値がミラー電圧Vgsmとなり、これがMOSトランジスタ1、2のオンオフのタイミングを決める参照電圧となる。したがって、負荷電流としてのドレイン電流Idが流れているレベルに応じて参照電圧Vgsmが変化する。 As a result, the mirror voltage Vgsm is obtained by adding a value proportional to the square root of the drain current Id to the threshold voltage Vth. Therefore, the reference voltage Vgsm changes according to the level at which the drain current Id as the load current flows.
参照電圧調整回路50aは、電流モニタ部51a、電流方向判定部52a、平方根演算部53a、比例係数乗算部54a、しきい値設定部55a、加算部56aを有する。電流モニタ部51aは、MOSトランジスタ1のドレイン電流Id1の検出信号を取り込み、電流方向判定部52aによりドレイン電流Id1が正の場合すなわちドレイン側からソース側に電流が流れている場合には、ドレイン電流Id1をそのまま出力し、ドレイン電流が負の場合にはゼロとして平方根演算部53aに出力する。
The reference
続いて、平方根演算部53aでドレイン電流Id1の値の平方根の値を演算し、比例係数演算部54aにて比例係数A1を乗じる。加算部56aでは、比例係数演算部54aからの出力と、しきい値設定部55aからのしきい値Vthとを加算して得た参照電圧Vgsm1をゲート変動検出回路60に出力する。
Subsequently, the square root of the value of the drain current Id1 is calculated by the
ゲート変動検出回路60は、MOSトランジスタ1、2のそれぞれに対応するコンパレータ61a、61bを備えるとともに、それぞれの判定結果を対抗アームに反転して伝えるインバータ62a、62bおよび絶縁通信部63a、63bを備える。
The gate
コンパレータ61aは、MOSトランジスタ1のゲート電圧Vgs1と参照電圧調整回路50aにより設定された参照電圧Vgsm1とを比較し、ゲート電圧Vgs1が参照電圧Vgsm1を超えるとハイレベルの検出信号を出力する。この検出信号は、デッドタイム設定回路30aのフェーズコンパレータ32aに出力されるとともに、インバータ62aおよび絶縁通信部63aを通じて反転した信号がデッドタイム設定回路30bのフェーズコンパレータ32bに出力される。
コンパレータ61bについても、同様にして、MOSトランジスタ2のゲート電圧Vgs2と参照電圧調整回路50bにより設定された参照電圧Vgsm2とを比較し、ゲート電圧Vgs2が参照電圧Vgsm2を超えるとハイレベルの検出信号を出力する。この検出信号は、デッドタイム設定回路30bのフェーズコンパレータ32bに出力されるとともに、インバータ62bおよび絶縁通信部63bを通じて反転した信号がデッドタイム設定回路30aのフェーズコンパレータ32aに出力される。
Similarly, the
次に、上記構成の作用について図2および図3も参照して説明する。なお、ゲート駆動装置10の基本的な動作としては、制御回路20からMOSトランジスタ1、2を交互にオンオフ駆動する信号がそれぞれデッドタイム設定回路30a、30bに出力されると、遅延回路31a、31bに設定されているデッドタイムDTに従ったタイミングで駆動信号が生成され、駆動回路40a、40bに出力される。駆動回路40a、40bは、MOSトランジスタ1、2のゲートにゲート駆動信号を与えてオンオフの駆動を行う。
Next, the operation of the above configuration will be described with reference to FIGS. 2 and 3 as well. As for the basic operation of the
MOSトランジスタ1、2に流れる負荷電流であるドレイン電流Id1、Id2はそれぞれ計測されており、参照電圧調整回路50a、50bに入力されている。参照電圧調整回路50a、50bにおいては、前述の式(1)に相当する演算処理を実行して参照電圧Vgsm1、Vgsm2を算出し、それぞれコンパレータ61a、61bに設定する。
Drain currents Id1 and Id2, which are load currents flowing through the
この場合、電流方向判定部52a、52bにおいては、ドレイン電流Id1、Id2が正の場合には、その大きさに対応する信号を生成し、負の場合には、電流値はゼロとして生成する。これにより、参照電圧Vgsm1、Vgsm2は、通常の駆動時にはドレイン電流Idに基づいた値が設定され、同期整流時にはしきい値Vth1、Vth2がそれぞれ設定される。
In this case, when the drain currents Id1 and Id2 are positive, the current
前述のように、MOSトランジスタ1、2のオンオフ切り替わり時のゲート電圧Vgs1、Vgs2の大きさは素子がオンオフ動作する過渡期に中間的な電圧が保持されるミラー電圧により決まっている。このため、ミラー電圧は、前述した式(1)に示すように、ドレイン電流Idとしきい値電圧Vthとにより表されている。
As described above, the magnitudes of the gate voltages Vgs1 and Vgs2 when the
したがって、あらかじめMOSトランジスタ1、2の特性に対応した定数を求めておくことで、参照電圧調整回路50a、50bの比例係数乗算部54aおよびしきい値設定部55aのそれぞれに設定しておけば、ドレイン電流Idに対応したミラー電圧を得ることができる。そして、コンパレータ61a、61bにおいて、ドレイン電流Idに対応して設定したミラー電圧と比較することでオンオフのタイミングを正確に判定することができる。
Therefore, by obtaining constants corresponding to the characteristics of the
また、ドレイン電流Idが負の場合、すなわち同期整流側となっている場合には、オンオフの切り替わりタイミングとなるゲート電圧Vgsは、ドレイン電流Idに依存せず、しきい値電圧Vthとなる。そこで、この場合に対応できるように、参照電圧調整回路50a、50bにおいて、ドレイン電流Idが負となる場合には、電流方向判定部52a、52bが、ドレイン電流Idをゼロとして設定する。これにより、参照電圧はしきい値電圧Vthと等しくなる。
Further, when the drain current Id is negative, that is, when it is on the synchronous rectification side, the gate voltage Vgs, which is the ON/OFF switching timing, becomes the threshold voltage Vth regardless of the drain current Id. Therefore, in the reference
図2はゲート変動検出回路60のコンパレータ61a、61bにてMOSトランジスタ1、2のオンオフタイミングを検出する場合について、負荷電流すなわちドレイン電流Idが大きいレベルと小さいレベルとでゲート電圧Vgsのミラー電圧が異なり、これによって判定タイミングが異なることを示している。
FIG. 2 shows the case where the on/off timings of the
例えばドレイン電流Idが大きいレベルIdHのときに、実線で示すミラー電圧VgsmHとなり、小さいレベルIdLのときに破線で示すミラー電圧VgsmLとなるものとする。コンパレータ61a、61bは、それぞれ、参照電圧Vgsm1、Vgsm2としてドレイン電流Idが大きい場合、小さい場合に応じて、電流値に応じたVgsmH、VgsmLが設定されている。なお、これらの参照電圧Vgsmは、式(1)に基づいて参照電圧調整回路50a、50bにより演算して設定されるものである。
For example, when the drain current Id is at a high level IdH, the mirror voltage is VgsmH indicated by the solid line, and when the drain current Id is at a low level IdL, the mirror voltage is VgsmL indicated by the broken line. For the
MOSトランジスタ1、2がオン状態でゲート電圧Vgsが所定電圧VGSのレベルから時刻t0で下降し始めるとすると、途中のミラー電圧VgsmH、VgsmLで一定レベルとなり、この後、再び下降し始める時刻t1H、t1Lで、コンパレータ61a、61bは参照電圧よりも低下したとして出力信号をハイレベルからローレベルに変化させる。MOSトランジスタ1、2は、それぞれ時刻t1H、t1Lでオフ状態に変化している。
When the
したがって、従来相当の参照電圧Vthで判定したタイミングが時刻t1であるとすると、小電流時には時刻t1に比べて若干早いタイミングt1L(図中白丸で示す)で出力信号が変化し、大電流時には時刻t1Lよりもさらに早いタイミングt1H(図中黒丸で示す)で出力が変化する。 Therefore, assuming that the timing determined by the reference voltage Vth equivalent to the conventional one is time t1, the output signal changes at a timing t1L (indicated by a white circle in the figure) that is slightly earlier than time t1 when the current is small, and the output signal changes at time t1L when the current is large. The output changes at timing t1H (indicated by a black circle in the figure) earlier than t1L.
一方、MOSトランジスタ1、2がオフ状態でゲート電圧Vgsがゼロのレベルから時刻t2で上昇し始めるとすると、途中のミラー電圧VgsmL、VgsmHで一定レベルとなり、この後、再び上昇し始める時刻t3H、t3Lで、コンパレータ61a、61bは参照電圧に達したとして出力信号をローレベルからハイレベルに変化させる。MOSトランジスタ1、2は、それぞれ時刻t3L、t3Hでオン状態に変化している。
On the other hand, if the
したがって、従来相当の参照電圧Vthで判定したタイミングが時刻t3であるとすると、小電流時には時刻t3に比べて若干遅いタイミングt3L(図中白丸で示す)で出力信号が変化し、大電流時には時刻t3Lよりもさらに遅いタイミングt3H(図中黒丸で示す)で出力が変化する。 Therefore, assuming that the timing determined by the reference voltage Vth equivalent to the conventional one is time t3, the output signal changes at a timing t3L (indicated by a white circle in the figure) that is slightly later than time t3 when the current is small, and when the current is large, the time t3L changes. The output changes at timing t3H (indicated by a black circle in the figure), which is later than t3L.
この結果、ドレイン電流Idの大小に応じてオンオフのタイミングがずれるとともに、ドレイン電流Idが大きいほど、しきい値電圧Vthでの検出タイミングからの時間差が長くなっていることがわかる。 As a result, it can be seen that the ON/OFF timing shifts according to the magnitude of the drain current Id, and the larger the drain current Id, the longer the time difference from the detection timing at the threshold voltage Vth.
図3は、上記したゲート変動検出回路60のコンパレータ61a、61bにてMOSトランジスタ1、2のオンオフタイミングを検出する動作に基づいて、上下アームのMOSトランジスタ1、2が、一方が駆動側(上段に表示)、他方が同期整流側(下段に表示)となる場合のオンオフの動作について、ドレイン電流Idが大電流時と小電流時とで示している。
FIG. 3 shows that one of the
前述したように、小電流時は、参照電圧Vgsmが低いレベルであるVgsmLとなり、しきい値電圧Vthよりも少し大きい値となっている。また、大電流時には高いレベルであるVgsmHとなっている。 As described above, when the current is small, the reference voltage Vgsm is at a low level VgsmL, which is slightly higher than the threshold voltage Vth. Moreover, it is VgsmH, which is a high level when the current is large.
まず、ドレイン電流Idが小電流時には、MOSトランジスタ1、2のうちの駆動側のものが時刻t0でオフ駆動されると、ゲート電圧Vgsが印加されていたVGSから下降していく。時刻t1Lで参照電圧VgsmLに達し、オフ状態に移行する。そして、この後時刻t1でしきい値電圧Vthに達する。
First, when the drain current Id is a small current, when the drive side of the
ここで、デッドタイムDTの開始時点は、オフ状態に移行した時刻t1Lであり、実デッドタイムと検出デッドタイムDTの開始時刻はほぼ同じである。一方、しきい値電圧Vthで判定する従来方式の比較例では、少し遅れてオフタイミングが検出される。 Here, the start time of the dead time DT is the time t1L when the switch is turned off, and the start times of the actual dead time and the detected dead time DT are substantially the same. On the other hand, in the comparative example of the conventional method for determination based on the threshold voltage Vth, the off timing is detected with a slight delay.
この後、デッドタイムDTが経過してMOSトランジスタ1、2のうちの同期整流側のものが時刻T0aでオン駆動されると、ゲート電圧Vgsが上昇し、時刻Taでしきい値電圧Vthに達してオン状態となり、この時刻Taが検出される。
After that, when dead time DT elapses and
これにより、このときの実デッドタイムは時刻t1Lから時刻Taまでとなり、検出デッドタイムDTとほぼ同じである。これに対して、比較例では、駆動側のオフ時刻がt1Lよりも遅れた時刻t1で検出されることで、少し短い検出デッドタイムとなるため、実デッドタイムとの差が発生している。 As a result, the actual dead time at this time is from time t1L to time Ta, which is substantially the same as the detected dead time DT. On the other hand, in the comparative example, the off-time of the driving side is detected at time t1, which is later than t1L, so that the detected dead time is slightly short, resulting in a difference from the actual dead time.
次に、ドレイン電流Idが大電流時には、MOSトランジスタ1、2のうちの駆動側のものが時刻t0でオフ駆動されると、ゲート電圧Vgsが印加されていたVGSから下降し始めて、時刻t1Hで参照電圧VgsmHに達し、オフ状態に移行する。そして、この後時刻t1でしきい値電圧Vthに達する。
Next, when the drain current Id is a large current, when one of the
ここでのデッドタイムDTの開始時点は、オフ状態に移行した時刻t1Hであり、実デッドタイムと検出デッドタイムDTの開始時刻はほぼ同じである。一方、しきい値電圧Vthで判定する従来方式の比較例では、遅れてオフタイミングが検出される。 The start time of the dead time DT here is the time t1H when the switch is turned off, and the start times of the actual dead time and the detected dead time DT are substantially the same. On the other hand, in the comparative example of the conventional method in which determination is made using the threshold voltage Vth, the off timing is detected with a delay.
この後、デッドタイムDTが経過してMOSトランジスタ1、2のうちの同期整流側のものが時刻T0aでオン駆動されると、ゲート電圧Vgsが上昇し、時刻Taでしきい値電圧Vthに達してオン状態となり、この時刻Taが検出される。
After that, when dead time DT elapses and
これにより、このときの実デッドタイムは時刻t1Hから時刻Taまでとなり、この場合においても検出デッドタイムDTとほぼ同じである。これに対して、比較例では、駆動側のオフ時刻がt1Hよりも遅れた時刻t1で検出されることで、少し短い検出デッドタイムとなるため、実デッドタイムとの差が大きく発生している。 As a result, the actual dead time at this time is from time t1H to time Ta, which is substantially the same as the detected dead time DT. On the other hand, in the comparative example, the off-time of the driving side is detected at time t1, which is later than t1H, so that the detected dead time is a little short, resulting in a large difference from the actual dead time. .
上記の検出誤差は、ドレイン電流Idが大きくなるほど大きくなる。このため、従来においては、このような検出誤差を考慮したマージンを加算してデッドタイムを設定していた。このため、ドレイン電流Idが小さい場合でも必要以上にデッドタイムが大きく設定されることとなっていた。 The above detection error increases as the drain current Id increases. For this reason, conventionally, the dead time is set by adding a margin considering such a detection error. Therefore, even when the drain current Id is small, the dead time is set to be longer than necessary.
このような本実施形態においては、参照電圧調整回路50a、50bにより、MOSトランジスタ1、2のオンオフのタイミングを負荷電流であるドレイン電流Id1、Id2の大きさに応じて参照電圧Vgsm1、Vgsm2として設定するようにした。これにより、ドレイン電流Id1、Id2が変動しても、実際にMOSトランジスタ1、2がオンオフするタイミングと、ゲート電圧Vgsの変動を検出するタイミングが一致させることができ、検出デッドタイムと実デッドタイムの長さを一致させることができる。
In this embodiment, the reference
この結果、ドレイン電流Id1、Id2の大きさに起因して変動する検出デッドタイムDTの変動分含めた状態で検出することができるようになり、このような変動分を考慮してデッドタイムにマージンを設定する必要が無くなり、その分、設定するデッドタイムの短縮を図ることができる。 As a result, it becomes possible to perform detection in a state in which variations in the detection dead time DT that fluctuate due to the magnitude of the drain currents Id1 and Id2 are included. is no longer required, and the dead time to be set can be shortened accordingly.
(第2実施形態)
図4は第2実施形態を示すもので、以下、第1実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、ゲート駆動装置100は、デッドタイム設定回路30a、30bの機能を制御回路120において実行する構成とされ、また、これによって、ゲート変動検出回路160はコンパレータ61a、61bを設ける構成としている。
(Second embodiment)
FIG. 4 shows a second embodiment, and portions different from the first embodiment will be described below. In this embodiment, the
また、この実施形態においては、MOSトランジスタ1、2の電流検出機能を用いるのではなく、それぞれの通電経路にドレイン電流Id1、Id2を検出するように、電流検出センサ3a、3bを設ける構成としている。参照電圧調整回路50a、50bの電流モニタ部51a、51bは、それぞれの電流検出センサ3a、3bから電流検出信号が入力されるように構成されている。
Further, in this embodiment, instead of using the current detection function of the
制御回路120は、ゲート変動検出回路160から出力されるMOSトランジスタ1、2のゲート電圧の変動の検出信号により実デッドタイムを算出し、マージンを加えてデッドタイムを設定した値に基づいて、駆動回路40a、40bに駆動信号を与える構成である。
したがって、このような第3実施形態においても第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
The
Therefore, even in such a third embodiment, it is possible to obtain the same effect as in the first embodiment.
(第3実施形態)
図5および図6は第3実施形態を示すもので、以下、第1実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、ゲート駆動装置110は、参照電圧調整回路150a、150bとして、それぞれのMOSトランジスタ1、2の温度をモニタする機能を備えた構成としている。温度モニタの構成としては、例えば、検出部位にダイオードを配置し、これに一定電流を流す構成が設けられる。ダイオードに一定電流が流れたときの順方向電圧を検出することで温度を算出することができる。
(Third embodiment)
5 and 6 show a third embodiment, and the differences from the first embodiment will be explained below. In this embodiment, the
以下、参照電圧調整回路150a、150bは、同等の構成となっており、以下の説明では参照電圧調整回路150aについて説明する。温度モニタ部57aは、MOSトランジスタ1からの温度に対応した信号が入力されると、温度信号をしきい値設定部55aに出力する。しきい値設定部55aは、温度Tに対応したしきい値Vthの値を加算器56aに出力する。
The reference
第1実施形態においては、前述した式(1)に示したしきい値電圧Vthの値は、MOSトランジスタ1、2のそれぞれの固有の値として扱っていたが、実際には使用環境温度やドレイン電流Idが流れることにより素子温度が変化すると、これに応じてしきい値電圧Vthについての変化する特性を有している。
In the first embodiment, the value of the threshold voltage Vth shown in the above equation (1) was treated as a unique value for each of the
このしきい値電圧Vthの温度特性は、図6に示すように、温度Tが上昇するとこれに応じて例えば図示のように直線的に減少する関係にある。図6に示しているように、温度TがTaからTbに上昇すると、しきい値電圧Vthは、VthaからVthbに低下する。 As shown in FIG. 6, the temperature characteristic of the threshold voltage Vth is such that, as the temperature T rises, the threshold voltage Vth linearly decreases as shown. As shown in FIG. 6, when the temperature T increases from Ta to Tb, the threshold voltage Vth decreases from Vtha to Vthb.
温度モニタ部57a、57bは、MOSトランジスタ1、2の温度Tの検出信号を入力して検出温度に対応した信号をしきい値設定部55a、55bに出力する。しきい値設定部55aは、あらかじめMOSトランジスタ1の温度特性に対応するデータが記憶されており、温度信号Tが入力されると、これに対応したしきい値Vth(T)を読み出して出力する。なお、図6に示す温度としきい値電圧との関係を数式として記憶し、算出して出力するようにしても良い。
これにより、参照電圧調整回路150aは、MOSトランジスタ1のドレイン電流Id1の大きさと温度Tとに応じて参照電圧Vgsm1をコンパレータ61aに設定することができる。
Thus, the reference
この結果、MOSトランジスタ1、2がオンオフするタイミングをより正確に検出することができ、マージンの設定を回路中の誤差に起因するわずかな分だけ設定することができ、デッドタイムの検出を精度良く行うことができる。特に、同期整流時には、参照電圧としてしきい値電圧Vthが温度に対応して設定されるので、オンオフのタイミングを正確に検出することができるようになる。
As a result, the on/off timing of the
このような本実施形態によれば、MOSトランジスタ1、2のドレイン電流Id1、Id2の大きさだけでなく、素子温度T1、T2にも対応して、オンオフのタイミングを検出するための参照電圧Vgsm1、Vgsm2を設定することができるようになる。
According to this embodiment, the reference voltage Vgsm1 for detecting the on/off timings corresponds not only to the magnitudes of the drain currents Id1 and Id2 of the
なお、装置の使用環境や使用形態によっては、温度変化が少なくしきい値電圧Vthの変動も少ない場合には、一定値として設定する第1実施形態の構成を用いることでも支障はない。そして、この実施形態で扱うように、素子温度の変動に伴うしきい値電圧Vthの変化が大きくなる場合には、本実施形態を適用することでデッドタイムを精度良く検出することができる。 It should be noted that, depending on the usage environment and mode of use of the apparatus, if there is little temperature change and the threshold voltage Vth fluctuates little, there is no problem in using the configuration of the first embodiment in which a constant value is set. As handled in this embodiment, when the change in the threshold voltage Vth due to the fluctuation of the element temperature becomes large, the dead time can be detected with high accuracy by applying this embodiment.
(他の実施形態)
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the scope of the invention. For example, the following modifications or extensions can be made.
半導体スイッチング素子として、MOSトランジスタは、一般的なシリコン(Si)製のもの以外に、炭化シリコン(SiC)のものを用いることもできるし、また、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのゲート駆動型のスイッチング素子に適用することができる。 As semiconductor switching elements, MOS transistors can be made of silicon carbide (SiC) in addition to general silicon (Si), and gate-driven transistors such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). can be applied to the switching element of
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。 Although the present disclosure has been described with reference to examples, it is understood that the present disclosure is not limited to such examples or structures. The present disclosure also includes various modifications and modifications within the equivalent range. In addition, various combinations and configurations, as well as other combinations and configurations, including single elements, more, or less, are within the scope and spirit of this disclosure.
図面中、1、2はMOSトランジスタ(ゲート駆動型の半導体スイッチング素子)、3a、3bは電流検出素子、10、100、110はゲート駆動装置、20は制御回路、30a、30bはデッドタイム設定回路、40a、40bは駆動回路、50a、50bは参照電圧調整回路、60はゲート変動検出回路、61a、61bはコンパレータである。 In the drawings, 1 and 2 are MOS transistors (gate-driven semiconductor switching elements), 3a and 3b are current detection elements, 10, 100 and 110 are gate drivers, 20 is a control circuit, and 30a and 30b are dead time setting circuits. , 40a and 40b are drive circuits, 50a and 50b are reference voltage adjustment circuits, 60 is a gate change detection circuit, and 61a and 61b are comparators.
Claims (5)
前記上下アームのそれぞれの半導体スイッチング素子を交互に駆動するための駆動信号を送信する制御回路(20)と、
前記制御回路からの駆動信号に応じて前記上下アームのそれぞれの半導体スイッチング素子のゲートを駆動する駆動回路(40a、40b)と、
前記上下アームのそれぞれの半導体スイッチング素子についてゲート電圧が参照電圧と一致するタイミングを検出するゲート変動検出回路(60)と、
前記半導体スイッチング素子の電流値に応じて前記ゲート変動検出回路の前記参照電圧を調整する参照電圧調整回路(50a、50b)とを備え、
前記制御回路は、前記ゲート変動検出回路により検出される前記上下アームの前記半導体スイッチング素子のゲート電圧変動のタイミングからデッドタイムを算出し、次に駆動する側の駆動タイミングを調整するタイミング調整機能を備えるゲート駆動装置。 A gate drive device for driving a gate drive type semiconductor switching element provided with a rectifying element and arranged on each of an upper arm and a lower arm,
a control circuit (20) for transmitting drive signals for alternately driving the respective semiconductor switching elements of the upper and lower arms;
drive circuits (40a, 40b) for driving the gates of the semiconductor switching elements of the upper and lower arms according to drive signals from the control circuit;
a gate variation detection circuit (60) for detecting the timing at which the gate voltage of each of the semiconductor switching elements of the upper and lower arms matches the reference voltage;
a reference voltage adjustment circuit (50a, 50b) for adjusting the reference voltage of the gate variation detection circuit according to the current value of the semiconductor switching element;
The control circuit has a timing adjustment function of calculating a dead time from the timing of gate voltage variation of the semiconductor switching elements of the upper and lower arms detected by the gate variation detection circuit, and adjusting the driving timing of the side to be driven next. gate drive.
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