JP2023093292A - ゲート駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターンオフ後に発生するサージ電圧とリンギングを抑制することができるゲート駆動装置を提供する。【解決手段】スイッチング制御がなされるパワーデバイスのサージ電圧およびリンギングの発生を抑制するミラークランプ回路を有したゲート駆動装置であって、前記ミラークランプ回路は、パワーデバイスのジャンクション温度（Ｔｊ）を推定した推定温度に基づいて電圧レベルを決定し、帰還容量の模擬回路により推定したパワーデバイスの挙動（Ｑｇ）に基づいて出力タイミングを決定した電圧パルスを生成する電圧生成部１０を備え、前記パワーデバイスのオフ制御にともなってミラークランプ制御信号がオンされたときに、前記電圧生成部１０により生成された電圧パルスを、ｄｖ／ｄｔを制限する積分アンプ２０を介してパワーデバイスのゲートに印加する。【選択図】 図１

Description

本発明は、パワーエレクトロニクス製品のゲート駆動技術に係り、スイッチング制御がなされるパワーデバイスのゲート駆動装置に関する。

従来のゲート駆動技術では、パワーデバイスのゲートと駆動回路の間に配置されるゲート抵抗により挙動を制御していた。損失を抑制するためにゲート抵抗を下げるとサージやリンギングが大きくなり、サージやリンギングを抑制するためにゲート抵抗を上げると損失が大きくなる。

従来のゲート駆動回路の一例を図５に示す。図５においてＧ、Ｓは、パワーデバイスのゲート端子、ソース端子を各々示している。パワーデバイスのゲート端子Ｇは、上側ゲート抵抗ＲｇＨおよびスイッチ１を介してオン制御電源Ｖｃｃに接続され、下側ゲート抵抗ＲｇＬおよびスイッチ２を介してオフ制御電源Ｖｅｅに接続され、ミラークランプ回路のスイッチ３を介してオフ制御電源Ｖｅｅに接続されている。パワーデバイスのソース端子Ｓは０Ｖ電位に接続されている。

パワーデバイスのターンオン時には、オフ側制御信号およびミラークランプ制御信号がオフ状態に遷移するためスイッチ２、３がオフ制御される。そしてオン側制御信号のオンによりスイッチ１がオン制御され、オン制御電源Ｖｃｃの電位がスイッチ１および上側ゲート抵抗ＲｇＨを介してゲート端子Ｇに印加される。

パワーデバイスのターンオフ時には、オン側制御信号がオフ状態に遷移してスイッチ１がオフ制御され、オフ側制御信号がオン状態に遷移してスイッチ２がオン制御される。このため、オフ制御電源Ｖｅｅの電位がスイッチ２および下側ゲート抵抗ＲｇＬを介してゲート端子Ｇに印加され、次にミラークランプ制御信号がオン状態に遷移するためスイッチ３がオン制御され、ゲート端子Ｇが直接オフ制御電源Ｖｅｅに接続される。

尚、従来のゲート駆動技術としては、例えば非特許文献１、特許文献１、特許文献２に記載のものが提案されていた。

令和３年電気学会全国大会 ４－００９、「ＧａＮ向けデジタルゲートドライバＩＣによる損失の６９％減と電流オーバーシュートの６０％減」

特開２０２０－２０５４９１号公報 特開２０１８－１８２９２７号公報

図５の従来のゲート駆動回路におけるターンオフ時の動作波形を図６に示す。図６（ａ）のＶｇｓ１はパワーデバイスのゲート－ソース間電圧の波形、図６（ｂ）のＶｄｓはドレイン－ソース間電圧の波形、図６（ｂ）のＶｓはソース電圧の波形である。

時刻ｔ１は、スイッチ１がオン→オフに遷移し、スイッチ２がオフ→オンに遷移する時刻であり、時刻ｔ２は、ミラークランプ制御信号によりスイッチ３がオンされてパワーデバイスがターンオフする時刻である。

パワーデバイスのターンオフ後（時刻ｔ２以降）は、図６（ｂ）に示すようにドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓが上昇してサージおよびリンギングが発生している。

また、非特許文献１では電流出力のゲートドライバにより電圧と時間を多レベルに制御することで損失とサージ、ノイズレベルなどを抑制するが、専用のゲートＩＣとそれを制御するためのコントローラが必要であり汎用性が低い。

特許文献１では、負荷電流の大きさ、すなわちサージやリンギングレベルに応じてゲート抵抗値を動的に変更することでノイズを抑制しつつスイッチングを調整する回路であるが、電流レベルにより抵抗を増加する方式では損失が増加する。

特許文献２ではノイズレベル抑制を目的としてリンギングの抑制を行っているが、スイッチング速度を制御することでリンギングやノイズレベルを抑制するため、併せて損失が増加する可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、ターンオフ後に発生するサージ電圧とリンギングを抑制することができるゲート駆動装置を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載のゲート駆動装置は、
スイッチング制御がなされるパワーデバイスのサージ電圧およびリンギングの発生を抑制するミラークランプ回路を有したゲート駆動装置であって、
前記ミラークランプ回路は、パワーデバイスのジャンクション温度を推定した推定温度に基づいて電圧レベルを決定し、帰還容量の模擬回路により推定したパワーデバイスの挙動に基づいて出力タイミングを決定した電圧パルスを生成する電圧生成部を備え、
前記パワーデバイスのオフ制御にともなってミラークランプ制御信号がオンされたときに、前記電圧生成部により生成された電圧パルスをパワーデバイスのゲートに印加することを特徴としている。

請求項２に記載のゲート駆動装置は、請求項１において、
前記電圧生成部は、前記パワーデバイスのオフ制御時にオフ制御電源電圧を生成して出力し、前記ミラークランプ制御信号がオンされたときに、前記生成された電圧パルスを出力することを特徴としている。

請求項３に記載のゲート駆動装置は、請求項１において、
前記パワーデバイスのオフ側制御信号がオンであり、且つ前記ミラークランプ制御信号がオフであるときのみ、前記パワーデバイスのゲートにオフ制御電源電圧を印加するターンオフ回路を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載のゲート駆動装置は、請求項１又は２又は３において、
前記電圧生成部とパワーデバイスのゲートの間に設けられ、電圧生成部で生成されたパルス電圧のｄｖ／ｄｔを制限する積分アンプを備えたことを特徴とする。

（１）請求項１～４に記載の発明によれば、パワーデバイスのターンオフ後に発生するサージ電圧とリンギングを、スナバなどがなくても抑制することができる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、ターンオフ回路とミラークランプ回路の電圧生成部側回路とを、競合なく制御できるように統合したので、請求項１の発明に比べてターンオフ回路が不要になり、部品点数が少なく小型になる。

さらに、ターンオフ回路とミラークランプ回路の電圧生成部側回路が競合することがなくなるため、回路設計が不適切な場合に意図しない電圧が出力してしまうリスクを低減できる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、請求項１の発明に比べて、ターンオフ回路とミラークランプ回路の電圧生成部側回路が競合することがなくなるため、回路設計が不適切な場合に意図しない電圧が出力してしまうリスクを低減できる。
（４）請求項４に記載の発明によれば、電圧生成部が出力したパルス電圧のｄｖ／ｄｔを制限し、パワーデバイスのゲート電流を制限することができる。

本発明の実施例１によるゲート駆動回路図。 本発明の実施形態例における動作波形を示し（ａ）はゲート－ソース間電圧波形図、（ｂ）はドレイン－ソース間電圧波形図。 本発明の実施例２によるゲート駆動回路図。 本発明の実施例３によるゲート駆動回路図。 従来のゲート駆動回路図。 図５の回路における動作波形を示し（ａ）はゲート－ソース間電圧波形図、（ｂ）はドレイン－ソース間電圧波形図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本実施形態例では、ターンオフ後に発生するリンギングの抑制に注目し、ターンオフ後のミラークランプ回路が動作する領域に電圧を制御することで目的を達成した。

図１は本実施例１によるゲート駆動回路を示し、図５と同一部分は同一符号をもって示している。図１において図５と異なる点は、オフ制御電源Ｖｅｅに接続するためのミラークランプ回路のスイッチ３に代えて、パワーデバイスのジャンクション温度（Ｔｊ）を推定した推定温度に基づいて電圧レベルを決定し、帰還容量の模擬回路により推定したパワーデバイスの挙動（Ｑｇ）に基づいて出力タイミングを決定した電圧パルスを生成する電圧生成部１０と、電圧生成部１０とパワーデバイスのゲート端子Ｇの間に接続した、イネーブル端子付きの積分アンプ２０とを設けた点にあり、その他の部分は図５と同一に構成されている。

前記電圧生成部１０には、スイッチ２をオン、オフ制御するオフ側制御信号が入力され、積分アンプ２０のイネーブル端子ＥＮにはミラークランプ制御信号が入力されるように構成されている。

前記スイッチ２および下側ゲート抵抗ＲｇＬによってターンオフ回路５を構成し、電圧生成部１０および積分アンプ２０によって電圧制御回路６を構成している。

図１のゲート駆動回路において、ターンオン時の動作は従来の図５と同様である。すなわち、オン側制御信号のオンによりスイッチ１がオン制御され、オフ側制御信号のオフによりスイッチ２がオフ制御されるため、オン制御電源Ｖｃｃの電位がスイッチ１および上側ゲート抵抗ＲｇＨを介してゲート端子Ｇに印加される。

次にターンオフ時の動作を、ターンオフ時の動作波形を示す図２とともに説明する。図２（ａ）のＶｇｓ１、Ｖｇｓ２はパワーデバイスのゲート－ソース間電圧の波形、図２（ｂ）のＶｄｓはドレイン－ソース間電圧の波形、図２（ｂ）のＶｓはソース電圧の波形である。

まず時刻ｔ１において、オン側制御信号がオフ状態に遷移してスイッチ１がオフ制御され、オフ側制御信号がオン状態に遷移してスイッチ２がオン制御される。このため、オフ制御電源Ｖｅｅの電位がスイッチ２および下側ゲート抵抗ＲｇＬを介してゲート端子Ｇに印加される。

次にパワーデバイスがターンオフする時刻ｔ２において、ミラークランプ制御信号をオンさせて積分アンプ２０を動作させる。これによって、電圧生成部１０で電圧レベルおよび出力タイミングが決定され生成された電圧パルスが、積分アンプ２０を通して時刻ｔ３～ｔ４の間でゲート端子Ｇに印加される。

このように、電圧生成部１０で生成されたパルス電圧によって、一定期間（時刻ｔ３～ｔ４の間）しきい値電圧（Ｖｔｈｒｅｓ：電圧生成部１０で決定された、オフ制御電源Ｖｅｅの電位よりも高い一定の電圧レベル）程度の電圧にゲート電圧を変化させることで素子（パワーデバイス）のインピーダンスを変化させる。

これによりゲートに印加されるＶｅｅよりも高い一定の電圧によって素子（パワーデバイス）が半オン状態となって、リンギングのエネルギーが一部素子に吸収されるため、図２（ｂ）のようにサージ電圧の抑制とリンギングのレベル抑制と早期収束とを実現することができる。

電圧生成部１０で生成するパルス電圧は、立上がりのタイミングが早くなると損失を増加させ、遅くするとリンギング抑制効果が低下する。そのため、帰還容量を模擬した回路によりパワーデバイスの挙動（Ｑｇ）を推定してタイミング（図２のターンオフ時刻ｔ２からパルス立上がり時刻ｔ３までの時間）を随時調整する。

また、パワーデバイスのジャンクション温度Ｔｊが高くなると図２（ａ）のしきい値電圧Ｖｔｈｒｅｓを低下させ、ジャンクション温度Ｔｊが低くなると図２（ａ）のしきい値電圧Ｖｔｈｒｅｓを増加させる。そのためセンスダイオードもしくはサーミスタによりジャンクション温度Ｔｊを検出して、随時電圧生成部１０で生成するパルス電圧の電圧レベルを調整する。

下式は電圧生成部１０における電圧レベル設定方法の一例である。

電圧レベル＝－ａ×Ｔｊ＋ｂ（ａ、ｂは正の定数）…（１）
なお、パワーデバイスのジャンクション温度（Ｔｊ）の推定は、パワーデバイスの周囲温度と発生損失と熱抵抗に基づいて推定する従来技術を用いてもよい。

さらに、図１の積分アンプ２０は、ミラークランプ制御信号がオンのときのみに、電圧生成部１０が出力したパルス電圧のｄｖ／ｄｔを制限することで積分アンプ２０の出力電流を制限しつつ、ゲート端子Ｇへ出力する。

以上のように実施例１によれば、ターンオフ後のミラークランプ回路が動作する領域に電圧を制御することでターンオフ後に発生するリンギングを、スナバなどがなくても抑制することができる。

すなわち図２（ｂ）の波形Ｖｄｓから、リンギング時の電圧振幅が図６（ｂ）の波形Ｖｄｓよりも抑制されていることがわかる。

また、信号は、従来と変わらずオフ側制御信号とミラークランプ制御信号を用いるので、従来のゲートＩＣと親和性を持たすことができる。

前記実施例１（図１）の方式では、ターンオフ期間中のミラークランプ動作期間に電圧を制御するが、ターンオフ期間にターンオフ回路５と電圧制御回路６が競合する可能性があるため、ゲート抵抗や増幅器の組合せによっては意図する電圧出力を行えなくなる可能性があった。

そこで本実施例２では、前記ターンオフ回路５および電圧制御回路６の各機能を増幅器として統合して競合しないようにし、本発明を幅広い領域で動作できるように構成した。

図３は実施例２によるゲート駆動回路を示し、図１と同一部分は同一符号をもって示している。図３において図１と異なる点は、図１のターンオフ回路５（スイッチ２および下側ゲート抵抗ＲｇＬ）を除去し、前記電圧生成部１０および積分アンプ２０に代えて、パワーデバイスのオフ制御時にオフ制御電源Ｖｅｅの電圧を生成して出力し、ミラークランプ制御信号（オン信号）がイネーブル端子ＥＮに入力されたときに任意の電圧、例えば実施例１で用いた図２（ａ）のＶｇｓ２に示すＶｅｅよりも高いしきい値電圧Ｖｔｈｒｅｓ（電圧パルス）を出力する電圧生成部３０と、電圧生成部３０とパワーデバイスのゲート端子Ｇの間に接続した、前記積分アンプ２０と同様のイネーブル端子付きの積分アンプ４０とを設けた点にあり、その他の部分は図１と同一に構成されている。

尚、前記積分アンプ４０のイネーブル端子ＥＮにはオフ側制御信号が入力されるように構成され、また電圧生成部３０が出力する任意の電圧（電圧パルス）は、実施例１と同様にパワーデバイスのジャンクション温度（Ｔｊ）を推定した推定温度に基づいて電圧レベルを決定し、帰還容量の模擬回路により推定したパワーデバイスの挙動（Ｑｇ）に基づいて出力タイミングを決定して生成される。

図３のゲート駆動回路において、ターンオン時は、オン側制御信号のオンによりスイッチ１がオン制御されるため、オン制御電源Ｖｃｃの電位がスイッチ１および上側ゲート抵抗ＲｇＨを介してゲート端子Ｇに印加される。

パワーデバイスのオフ側制御信号が入力されて積分アンプ４０がイネーブルになると、パワーデバイスのゲート端子Ｇには、電圧生成部３０から積分アンプ４０を介して出力されるオフ制御電源Ｖｅｅの電圧が印加される。

次にミラークランプ制御信号がオンにされると、パワーデバイスのゲート端子Ｇには、電圧生成部３０から積分アンプ４０を介して出力される電圧パルス（例えばＶｅｅよりも高い図２（ａ）のしきい値電圧Ｖｔｈｒｅｓ）が印加される。

上記ターンオフ制御時におけるパワーデバイスの各端子の動作波形は図２と同様である。

以上のように実施例２によれば、実施例１と同様にターンオフ後に発生するリンギングを、スナバなどがなくても抑制することができる。また実施例１に比べてターンオフ回路が不要になり、部品点数が少なく小型になる。

さらに、ターンオフ回路とミラークランプ回路の電圧生成部側回路が競合することがなくなるため、回路設計が不適切な場合に意図しない電圧が出力してしまうリスクを低減できる。

また、信号は、従来と変わらずオフ側制御信号とミラークランプ制御信号を用いるので、従来のゲートＩＣと親和性を持たすことができる。

本実施例３では、図４に示すように、ターンオフ回路の制御信号に関して、オフ側制御信号がオンかつミラークランプ制御信号がオフな期間のみ動作させるようにロジック回路を追加した。これは、実施例１のターンオフ回路５と電圧制御回路６が競合するという問題に対して、回路が競合しないように制御する回路である。

図４において図１と同一部分は同一符号をもって示している。図４において図１と異なる点は、ミラークランプ制御信号が反転入力端子に入力され、オフ側制御信号が非反転入力端子に入力される反転入力端子付き論理積回路５０を設け、その出力信号によってターンオフ回路側のスイッチ２をオン、オフ制御する点にあり、その他の部分は図１と同一に構成されている。

図４のゲート駆動回路において、ターンオン時は、オン側制御信号のオンによりスイッチ１がオン制御されるため、オン制御電源Ｖｃｃの電位がスイッチ１および上側ゲート抵抗ＲｇＨを介してゲート端子Ｇに印加される。

ターンオフ動作直後において、オフ側制御信号はオンでありミラークランプ制御信号はオフである。このため、反転入力端子付き論理積回路５０の出力によってスイッチ２がオン制御され、オフ制御電源Ｖｅｅの電位がスイッチ２および下側ゲート抵抗ＲｇＬを介してゲート端子Ｇに印加される。

次にミラークランプ制御信号がオンになると、反転入力端子付き論理積回路５０の出力によってスイッチ２がオフ制御されるとともに、積分アンプ２０が動作して、電圧生成部１０で生成された電圧パルスが積分アンプ２０を通してゲート端子Ｇに印加される。

このように、ミラークランプ制御信号がオンするまでの期間のみターンオフ回路を動作（スイッチ２をオン）させ、ミラークランプ制御信号がオンになった後はターンオフ回路を停止させ、電圧制御回路（電圧生成部１０および積分アンプ２０）を動作させることで動作期間をずらし、競合しないように動作させる。

上記ターンオフ制御時におけるパワーデバイスの各端子の動作波形は図２と同様である。

以上のように実施例３によれば、実施例１と同様にターンオフ後に発生するリンギングを、スナバなどがなくても抑制することができる。また実施例１に比べてターンオフ回路とミラークランプ回路の電圧生成部側回路が競合することがなくなるため、回路設計が不適切な場合に意図しない電圧が出力してしまうリスクを低減できる。また、信号は、従来と変わらずオフ側制御信号とミラークランプ制御信号を用いるので、従来のゲートＩＣと親和性を持たすことができる。

１、２、３…スイッチ
５…ターンオフ回路
６…電圧制御回路
１０、３０…電圧生成部
２０、４０…積分アンプ
５０…反転入力端子付き論理積回路
ＲｇＨ…上側ゲート抵抗
ＲｇＬ…下側ゲート抵抗

Claims (4)

1. スイッチング制御がなされるパワーデバイスのサージ電圧およびリンギングの発生を抑制するミラークランプ回路を有したゲート駆動装置であって、
   前記ミラークランプ回路は、パワーデバイスのジャンクション温度を推定した推定温度に基づいて電圧レベルを決定し、帰還容量の模擬回路により推定したパワーデバイスの挙動に基づいて出力タイミングを決定した電圧パルスを生成する電圧生成部を備え、
   前記パワーデバイスのオフ制御にともなってミラークランプ制御信号がオンされたときに、前記電圧生成部により生成された電圧パルスをパワーデバイスのゲートに印加することを特徴とするゲート駆動装置。
2. 前記電圧生成部は、前記パワーデバイスのオフ制御時にオフ制御電源電圧を生成して出力し、前記ミラークランプ制御信号がオンされたときに、前記生成された電圧パルスを出力することを特徴とする請求項１に記載のゲート駆動装置。
3. 前記パワーデバイスのオフ側制御信号がオンであり、且つ前記ミラークランプ制御信号がオフであるときのみ、前記パワーデバイスのゲートにオフ制御電源電圧を印加するターンオフ回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載のゲート駆動装置。
4. 前記電圧生成部とパワーデバイスのゲートの間に設けられ、電圧生成部で生成されたパルス電圧のｄｖ／ｄｔを制限する積分アンプを備えたことを特徴とする請求項１又は２又は３に記載のゲート駆動装置。
   

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