JP3820167B2 - 半導体スイッチング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体スイッチング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体スイッチング素子を用いた装置では、近年高速スイッチングが求められ高速化が進んでおり、それに伴ってノイズを発生させることから周囲環境で大きな問題となりつつある。従来はこのノイズ対策として半導体スイッチング素子のスイッチング速度を遅くする(ゲート抵抗を大きくする)ことで対応してきたため、その場合、スイッチング損失の増加による温度上昇が問題となってくる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
特開平5−328746では、電流だけをモニタして低電流時にゲート抵抗を大きくしてノイズを低減する一方、大電流時にはゲート抵抗を小さくして、スイッチング損失を低減するノイズ対策を行っているが、後で示すように、サージ電圧が出やすい大電流のターンオフ時に、ゲート抵抗が小さくなっているため、サージ電圧を抑制することは困難であった。
【0004】
この発明は、サージ電圧およびノイズを低減できる半導体スイッチング装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体スイッチング素子を含む半導体スイッチング装置において、
半導体スイッチング素子の電流を検出する電流センスおよび前記素子の温度を検出する温度センスを備え、
前記電流センスで検出した電流が所定値以下の場合、前記スイッチング素子のゲート抵抗値をR1としてノイズ発生を低減し、
前記電流センスで検出した電流が所定値を超える場合でかつ、前記温度センスで検出した温度が所定温度を超える場合、前記ゲート抵抗値をR1より小さいR2としてスイッチング損失を低減し、
前記電流センスで検出した電流が所定値を超える場合でかつ、前記温度センスで検出した温度が所定温度以下の場合、前記スイッチング素子のゲート抵抗値をR1としてノイズを低減したことを特徴とする。
【0006】
【発明の実施の形態】
実施形態1
図1に本発明の第1の実施形態を示す。1は半導体スイッチング素子(IGBTやMOSFETなど)である。2は、駆動回路であり、その出力部は抵抗3を通じてIGBT1のゲートに接続される。そして、補助の抵抗4と直列にスイッチ5を接続したものが前記抵抗3と並列に接続される。スイッチ5としては、IGBT、MOSFET、トランジスタなどの半導体スイッチであってもよい。6はスイッチ5をオンオフ制御する制御回路であり、この制御回路6により、前記2〜5の要素からなる他の回路10も同様に制御する。
【0007】
11はスイッチング素子1自身の動作温度をモニタする温度センスであり、それ以外にもモジュール内部のパターンをモニタしたり、放熱フィンをモニタするものであってもよい。この温度センス11は一定温度以上を検知するとスイッチ13をオンにする。12は、スイッチング素子1に流れる電流を検出する電流センスである。このスイッチング素子1は通常、図4に示すように、3相ブリッジにして組み込まれる。電流センス12は、スイッチング素子1に流れる主電流を検出するか、負荷(M:モータ)電流を検出する。この電流センス12は、一定電流以上を検知すると、スイッチ14をオンにする。
【0008】
15はフォトカプラであり、前記スイッチ13、14を介して電池Eに接続されている。両スイッチ13、14がオンになると、フォトカプラ15が作用して、前記制御回路6へ所定の信号を供給する。このフォトカプラ15を用いたのは、スイッチング素子側の高電位から電気的に絶縁するためである。
【0009】
主電流もしくは負荷電流が一定値未満のときはスイッチ13、14は共にオフであり、従ってスイッチ5もオフになっており、駆動回路2からのゲート信号は抵抗3を通ってIGBT1のゲートに供給され、この時のゲート抵抗は比較的大きい抵抗3であるためノイズが低減される。
【0010】
一方、主電流もしくは負荷電流が一定値を超え、かつ、スイッチング素子1の動作温度が一定温度より高い場合には、スイッチ13、14が共にオンし、これにより、制御回路6によってスイッチ5がオンにされると、前記ゲート信号は、並列接続の抵抗3および4を流れてゲートに供給され、この場合のゲート抵抗が抵抗3より小さくなるためスイッチング損失が低減される。
【0011】
一方、主電流もしくは負荷電流が一定値を超えた場合(スイッチ14がオン)でも、スイッチング素子1の動作温度が一定温度より低い場合(スイッチ13はオフ)は、スイッチ5はオフになる。このような場合には後で示すようにノイズ発生量が大きくなっているが、スイッチ5のオフにより、ゲート抵抗を大きくしてノイズの発生が抑制される。
【0012】
図2にスイッチング素子1のターンオン時の特性を示す。
(A)図は、低電流で使用するとノイズ発生量が多く、大電流になるほど小さくなることを示している。
(B)図は、ゲート抵抗RGが大きくなるとノイズ発生が少なくなるが、低電流ではゲート抵抗RGに対するノイズ発生量の依存性が大きくなることを示し、温度に依存しない。
(C)図は、電流が一定値以上になったとき、ゲート抵抗RGを小さくすることでスイッチング損失を低減できることを示している。
【0013】
図3にスイッチング素子1のターンオフ時の特性を示す。
(A)図は、電流が大きくなればノイズ発生量が多くなり、(B)図は、ゲート抵抗RGが大きくなるとノイズ発生量が少なくなることを示し、共に温度依存性が大きく、高温になるとでノイズ発生量が少なくなる。
(C)図は、電流が一定値以上になったとき、ゲート抵抗RGを小さくすることでスイッチング損失を低減できることを示している。
【0014】
実施形態2
図5に本発明の第2の実施形態を示す。ゲート抵抗R3と並列接続した(抵抗4−スイッチ5)以外に、(抵抗41−スイッチ51)、…(抵抗4n−スイッチ5n)を必要個数だけ並列接続している。そして制御回路6は、電流センス12および温度センス11の検出状況に応じて、いずれか1つもしくは複数個のスイッチをオンすることで、ノイズ発生量とスイッチング損失を最適化する。
【0015】
図1および図5では、ゲート抵抗3に対して抵抗を並列に接続したが、図6に示すように、抵抗3'および4'を直列接続とし、抵抗4'を短絡するためのスイッチ5を接続するようにしてもよい。
【0016】
実施形態3
上記半導体素子1をモジュールタイプとし、そのモジュール内でコレクタ電流、エミッタ電流もしくは負荷電流および素子の温度を検出し、その検出状況に応じてモジュール内でゲート抵抗を最適な値に切替えるようにしてノイズの低減を図る。
【0017】
上記電流センス11、温度センス12およびゲート抵抗変更のための回路を半導体スイッチング素子と共にワンパッケージ化すれば、半導体スイッチング装置をコンパクトに構成することができる。
【0018】
【発明の効果】
この請求項1の発明は、負荷電流が所定値以下の場合、ゲート抵抗値を大きくしてノイズ発生を低減し、負荷電流が所定値を超える場合でかつ、素子温度が所定温度を超える場合、ゲート抵抗を小さくすることにより、スイッチング損失が低減され熱破壊が防止される。そして、負荷電流が所定値を超える場合であっても、素子温度が所定温度以下の場合は、ゲート抵抗を大きくすることで、スイッチング損失の低減よりはむしろ、ノイズ低減を図る。
【0019】
請求項2の発明は、ゲート抵抗として複数の抵抗値を備え、電流センスおよび温度センスの検出結果に基づき、適切な抵抗値を選出するようにしたので、所望のノイズ抑制およびスイッチング損失を達成することができる。
【0020】
請求項3の発明は、上記電流センス、温度センスおよびゲート抵抗変更手段を半導体スイッチング素子と共にワンパッケージ化するものであり、半導体スイッチング装置のコンパクト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態を示した制御ブロック図
【図2】 スイッチング素子のターンオン時の特性を示した図
【図3】 スイッチング素子のターンオフ時の特性を示した図
【図4】 図1の回路を適用した般の回路図
【図5】 本発明の第2の実施形態を示した制御ブロック図
【図6】 図1の制御ブロック図の変形例を示した図
【符号の説明】
1 スイッチング素子、2 駆動回路、3 抵抗、4 抵抗、5 スイッチ、6制御回路、11 温度センス、12 電流センス、13、14 スイッチ、15 フォトカプラ
Claims (3)
- 半導体スイッチング素子を含む半導体スイッチング装置において、
半導体スイッチング素子の電流を検出する電流センスおよび前記素子の温度を検出する温度センスを備え、
前記電流センスで検出した電流が所定値以下の場合、前記スイッチング素子のゲート抵抗値をR1とし、
前記電流センスで検出した電流が所定値を超える場合でかつ、前記温度センスで検出した温度が所定温度を超える場合、前記ゲート抵抗値をR1より小さいR2とし、
前記電流センスで検出した電流が所定値を超える場合でかつ、前記温度センスで検出した温度が所定温度以下の場合、前記スイッチング素子のゲート抵抗値をR1としたことを特徴とする半導体スイッチング装置。 - ゲート抵抗として複数の抵抗値を備え、電流センスおよび温度センスの検出結果に基づき、適切な抵抗値を選出する請求項1記載の半導体スイッチング装置。
- 上記電流センス、温度センスおよびゲート抵抗変更手段を半導体スイッチング素子と共にワンパッケージ化したことを特徴とする請求項1もしくは2記載の半導体スイッチング装置。
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