JP3049938B2 - Igbtのゲート駆動方法 - Google Patents

Igbtのゲート駆動方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、IGBTのターンオン
時におけるコレクタ・エミッタ間電圧の時間的変化率の
緩和とそのスイッチング時及び定常時コレクタ損失の低
減とを図ったIGBTのゲート駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のこの種のIGBTのゲート駆動方
法としては、図3の回路図に例示する如きものが知られ
ている。また図4は図3に対応するゲート電圧の動作波
形図である。先ず図3において、1はIGBT(絶縁ゲ
ートバイポーラトランジスタ)、2はフォトカプラであ
り前記IGBTに対するオン/オフ指令信号SD を入力
としその指令内容に応じてトランジスタ要素Tc1とTc2
とを共役動作させるものである。またR7 はゲート抵抗
である。なおVG は前記IGBTに対するゲート制御用
の電圧、Ef とEr とはそれぞれ前記IGBTのゲート
に対する順バイアス用と逆バイアス用の直流電源電圧で
ある。
【0003】従って前記信号SD が前記IGBTに対す
るターンオン指令であれば、前記の要素Tc1はオン状態
となり、図4の動作波形図に示す如く、前記ゲート電圧
Gは前記の逆バイアス電圧Er から順バイアス電圧E
f まで前記IGBTのゲート・エミッタ間静電容量Cと
ゲート抵抗R7 の抵抗値との積で規定される時定数のT
G に従って増大することになる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】一般にIGBTのター
ンオン制御においては、そのコレクタ・エミッタ間電圧
CEの時間的変化率dVCE/dtの緩和と、コレクタ電
流ic と前記電圧VCEとの積で与えられるコレクタ損失
C の定常時及びスイッチング時における低減とが求め
られる。しかしながら、もし前記ゲート電圧VG を短時
間に充分に大なる値まで立上げて急速なターンオン動作
を行えば前記損失PC の低減は可能となるが前記変化率
dVCE/dtの増大を招き前記フォトカプラ2の誤動作
等他の機器への悪影響が懸念されることになり、また逆
に前記ゲート電圧VG をその最終値を小にし且つ緩やか
に増大すれば前記変化率dVCE/dtは減少するが前記
損失PC の増大を来すことになる。
【0005】因みに上記の模様を図5ないし図7に従っ
て以下に説明する。先ず図5は、ブリッジ構成をなす変
換回路における1相分のアーム構成図であり、IGBT
と逆並列されたフリーホイールダイオードFWDとの組
合わせ即ちIGBT1 とFWD1 ,IGBT2 とFWD
2 とをそれぞれ上下のアーム素子となす構成を示し、ま
た下側アームのFWD2 を経由して電流iFWD が図示実
線の如く通電中に上側アームのIGBT1 をターンオン
させ図示点線の如くコレクタ電流iC が通電を開始した
状態を示すものである。
【0006】次に図6は、図5に示すIGBT1 のター
ンオン動作時におけるコレクタ電流ic とゲート電圧V
G とコレクタ・エミッタ間電圧VCEとコレクタ損失PC
との動作波形図を示すものであり、ゲート電圧VG が前
記の図4に示す如く変化した場合に対応するものであ
る。なおコレクタ損失PC は前記の電流ic と電圧VCE
との積で与えられるものであり、時刻tn1は前記ターン
オン動作の過渡状態が終わりその定常状態に移行する時
刻を示し、また前記ターンオン動作の開始時点から時刻
n1までと該時刻tn1以降との両期間における前記損失
C の時間積分値である面積S11とS21とはそれぞれ対
応する期間において前記IGBT1 のコレクタにて消費
される電力量を示すものとなる。またθ1 は前記電圧V
CEの時間的減少度合い即ち前記IGBT1 のターンオン
速度に対応する角度を示すものである。また図7は、図
6における前記の逆バイアス用電源電圧Er と時定数T
G とを同一とし前記順バイアス用電源電圧Ef のみを小
となして前記ゲート電圧VGの変化幅を縮小した場合の
前記諸量の動作波形図である。
【0007】図7においては図6の場合に比し、前記角
度に関しθ1 <θ2 となり前記電圧VCEの時間的変化率
dVCE/dtは小となるが、前記損失PC の時刻tn2
降の定常値は大となり従って定常損失の電力量はS21
22の如く増大する。しかしながら、上記の如き従来の
IGBTのゲート駆動方法においては、図3に示す回路
により図4の動作波形図の如く前記ゲート電圧VG に対
し単一の時間変化を行わせるために、前記の時間的変化
率dVCE/dtとコレクタ損失PC とを同時に望ましい
値まで低減させることは困難であった。
【0008】上記に鑑み本発明は、IGBTのターンオ
ン時における前記電圧VCEの時間的変化率とその過渡時
及び定常時におけるコレクタ損失の同時低減を図ったゲ
ート駆動方法の提供を目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のIGBTのゲート駆動方法においては、I
GBTのターンオン制御用に、その時定数とその電圧最
終値とが共に小なる第1の制御電圧と、該第1の制御電
圧に比してその時定数とその電圧最終値とが共に大なる
第2の制御電圧と、該第1と第2両制御電圧の時間的変
化過程においてその値の大なる方のみを選択合成して得
た該両制御電圧の包絡電圧とを形成し、該包絡電圧を以
て所要のターンオン制御用ゲート電圧となすものとし、
更に前記包絡電圧の形成に関し、定電圧ダイオードと第
1の抵抗との直列接続に対して該第1の抵抗に比しその
抵抗値の大なる第2の抵抗を並列に接続し、該直並列接
続を介して所定電圧の直流電源より前記IGBTのゲー
トに給電し、該IGBTのゲートにおいて所要の包絡電
圧を形成させるものとする。
【0010】
【作用】前記の如く、IGBTのターンオン制御時に単
一の時間変化を行うゲート電圧VG を印加する場合に
は、該IGBTのコレクタ損失PC とコレクタ・エミッ
タ間電圧VCEの時間的変化率dVCE/dtとを共に低減
させることは困難である。これは前記ゲート電圧VG
その最終値と変動時定数とが規定されて単一の時間変化
を行うことに起因するものであり、もし前記ターンオン
動作の過渡時と定常時とにおいてそれぞれに適当な時間
変化を行うゲート電圧VG を印加するならば前記のコレ
クタ損失PC と電圧VCEの時間的変化率との同時低減が
可能となるものである。
【0011】上記に従い本発明は、その時定数と最終電
圧値との異なる2組の制御電圧それぞれの時間的変化過
程においてその値の大なる方のみを選択合成することに
より該両制御電圧の包絡電圧を形成し、且つ前記2組の
制御電圧における該包絡電圧構成部分の時間的変化模様
が前記IGBTのターンオン動作の過渡時と定常時とに
対し最適となるように定数選択を行うものである。
【0012】図8の動作波形図は前記IGBTのターン
オン制御時のゲート電圧となる前記包絡電圧の形成模様
を示すものであって、実線で示す包絡電圧VG を点線で
示す制御電圧VG1と一点鎖線で示す制御電圧VG2とによ
り形成するものであり、該両制御電圧に関し電圧VG2
時定数と最終電圧値とをそれぞれ電圧VG1におけるもの
よりも適当に大となすことにより図示時刻tn3の以前と
以後の両期間における優先電圧をそれぞれ前記の電圧V
G1とVG2となし、該両優先電圧の合成電圧として前記包
絡電圧VG を得る模様を示すものである。
【0013】
【実施例】以下本発明の第1と第2の実施例をそれぞれ
図1と図2とに示す回路図により説明する。なお該両図
においては図3に示す従来技術の実施例の場合と同一機
能の構成要素に対しては同一の表示符号を付している。
先ず図1は、図3に示す回路図において、順バイアス用
電源とフォトカプラ2におけるトランジスタ要素Tc1
ゲート抵抗R7 とを経由する1のIGBTに対するゲー
ト電圧VG の給電経路に関し、定電圧ダイオードZD1
と抵抗R1 との直列接続に対し該抵抗R1 に比して大な
る抵抗値を有する抵抗R2 を並列に接続した直並列接続
を前記順バイアス用電源と前記要素Tc1のコレクタとの
間に追加挿入すると共に、抵抗R7 を抵抗R3 により置
換した回路構成をなしたものである。
【0014】今、抵抗R1 を経由する経路と抵抗R2
経由する経路とをそれぞれ第1と第2の経路とすれば該
第1の経路の順バイアス用電源電圧は該第2の経路のそ
れよりも定電圧ダイオードZD1 のツェナ電圧分だけ小
となる。また該両経路は前記IGBTのゲート・エミッ
タ間静電容量Cと抵抗R3 とを共有し且つ抵抗R1 の抵
抗値が抵抗R2 のそれよりも小なるため、前記第1の経
路の時定数TG1は前記第2の経路の時定数TG2よりも小
となる。ここに、前記静電容量Cの両端電圧は前記IG
BTのゲート電圧VG となるものであり、前記第1の経
路によるゲート電圧をVG1とし同様に前記第2の経路に
よるものをVG2とすれば、該両電圧による包絡電圧VG
は,前記の図8に示すものと同様に,時刻tn3の以前と
以後の両期間における優先電圧をそれぞれ前記の電圧V
G1とVG2となすものとして得ることができる。
【0015】次に図2は、図1に示す回路に対して信号
電流増幅用のバッファトランジスタT1 とT2 とを追加
し、これに伴い定電圧ダイオードZD2 と抵抗R4 〜R
6 とを含む回路構成の変更を行ったものであり、その回
路動作に関しては図1の回路による場合と同様となる。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、IGBTのゲート駆動
方法に関し、該IGBTのターンオン制御用にその時定
数とその電圧最終値とが共に小なる第1の制御電圧と、
該第1の制御電圧に比してその時定数とその電圧最終値
とが共に大なる第2の制御電圧と、該第1と第2両制御
電圧の時間的変化過程においてその値の大なる方のみを
選択合成して得た該両制御電圧の包絡電圧とを形成し、
該包絡電圧を以てターンオン制御用の所要のゲート電圧
となすと共に、該包絡電圧の形成に関し、定電圧ダイオ
ードと第1の抵抗との直列接続に対して該第1の抵抗に
比しその抵抗値の大なる第2の抵抗を並列に接続し、該
直並列接続を介して所定電圧の直流電源より前記IGB
Tのゲートに給電することにより、前記IGBTのター
ンオン時におけるコレクタ・エミッタ間電圧の時間的変
化率の緩和とその過渡及び定常状態におけるコレクタ損
失の低減とを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す回路図
【図2】本発明の第2の実施例を示す回路図
【図3】従来技術の実施例を示す回路図
【図4】図3に対応するゲート電圧の動作波形図
【図5】ブリッジ構成における1相分のアーム構成図
【図6】IGBTターンオン時のic ,VG ,VCE,P
C 諸量の動作波形図(その1)
【図7】IGBTターンオン時のic ,VG ,VCE,P
C 諸量の動作波形図(その2)
【図8】包絡電圧として形成されるゲート電圧の動作波
形図
【符号の説明】
1 IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ) 2 フォトカプラ Rn 抵抗(n=1,2,‥‥7) Tc1 フォトカプラ2のトランジスタ要素 Tc2 フォトカプラ2のトランジスタ要素 T1 信号電流増幅用バッファトランジスタ T2 信号電流増幅用バッファトランジスタ ZD1 定電圧ダイオード ZD2 定電圧ダイオード Ef 順バイアス用直流電源電圧 Er 逆バイアス用直流電源電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 17/00 - 17/70

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】IGBTのターンオン制御用に、その時定
    数とその電圧最終値とが共に小なる第1の制御電圧と、
    該第1の制御電圧に比してその時定数とその電圧最終値
    とが共に大なる第2の制御電圧と、該第1と第2両制御
    電圧の時間的変化過程においてその値の大なる方のみを
    選択合成して得た該両制御電圧の包絡電圧とを形成し、
    該包絡電圧を以て所要のターンオン制御用ゲート電圧と
    なすことを特徴とするIGBTのゲート駆動方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載のIGBTのゲート駆動方法
    において、前記包絡電圧の形成に関し、定電圧ダイオー
    ドと第1の抵抗との直列接続に対して該第1の抵抗に比
    しその抵抗値の大なる第2の抵抗を並列に接続し、該直
    並列接続を介して所定電圧の直流電源より前記IGBT
    のゲートに給電し該IGBTのゲートにおいて所要の包
    絡電圧を形成させることを特徴とするIGBTのゲート
    駆動方法。
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