JP4396711B2 - 電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路 - Google Patents
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Description
IGBTの動作波形を用いながら本ゲート駆動回路101の動作を具体的に説明する。図において103は比較回路、104はゲート電圧検出器である。
(B)に示すように負荷抵抗Rを接続し、負荷抵抗Rに加わる電圧をゲート駆動手段の出力電力(出力能力)と表現することにする。この場合の負荷抵抗Rの電圧は、オン用の抵抗R1又はオフ用の抵抗R2との比率で決まる。従って負荷抵抗Rの値は限定されないが、R1又はR2と同等の値を選ぶことにより、ゲート駆動手段の能力変化がより分かりやすいものとなる。
(T1)の短縮の役割を果たしている。IGBTのゲート電圧がしきい値になる頃には、出力電圧が低下し、図2(B)の場合と同様にdi/dtが抑制される。さらに、IGBTのゲート電圧がしきい値を超えた後、再び出力電圧を大きくすることによりゲート電圧の上昇を速め、図2(A)のAの部分のコレクタ電圧の下がりを速くして、スイッチング損失の低減を図っている。
di/dt,dv/dtの通電時の電源電圧や温度等によっても変わるが、ゲート抵抗を切換える方法で制御するdi/dt,dv/dtを変えようとすると、多くのゲート抵抗とその切換え装置が必要となる。また、ゲート抵抗を切換える方法では、IGBTのdi/dt,dv/dtを抑制した後、本発明の電圧上昇期間T3(図2(A),図3(A)参照)の期間に小さなゲート抵抗に切換えることになるが、そのタイミングが早いとdi/dt,dv/dtが途中から急に大きくなり、タイミングが遅すぎるとスイッチング損失が大きくなるので、ゲート抵抗の切換えのタイミングの難しさがある。
T=定格電流(1200A)/抑制di/dt(6000A/μs)
=0.2μs
である(T1=約1.7μs)。このような場合、電力上昇手段の上昇期間T3を0.2
μsより大きくしておくと、電力下降手段の下降期間T2=Td+T=1.5μs+0.2μsから、T2=Td+T−T3の範囲でdi/dtの抑制が可能であることが分かる。ただし、T3=Td+TはT2=0となり、電力下降手段が動作しないことになるので、除かれる。実際にはゲート駆動手段の出力からIGBTの主電流が流れ始めるまでのターンオン遅れ時間Tdに対して主電流の立ち上がり時間Tが短いのでT2>T3の関係で抑制するのが有効である。以上のように、本発明は連続的に下降する上記の電力下降手段と連続的に上昇する上記の電力上昇手段を組み合わせて下降から上昇への動作点T2を変えることによりdi/dtを変えることを可能としている。このことはまた、切り換え動作点T2のわずかなずれによってはdi/dtの抑制量が急激に変化しない効果も有することを意味している。
(B)の場合はコレクタ電圧の低いところでの電圧上昇が緩やかになっている。
C1に蓄積されていた電荷の放電が行われる。この場合の放電はC1の容量とQ3のオン抵抗の時定数によって行われ、コンデンサC1の放電にともなって本発明の電力上昇手段の役割を果たす。ターンオフ時はターンオン時と反対であり説明は省略するが、Q4,
R4,C2がターンオフ時の電力下降及び上昇手段の役割を果たし、本発明を簡単な回路構成で実現している。
Qon=Cge×(E2+Vth) …(1)
であり、ターンオフ時はE1からゲートしきい値電圧Vthまでの放電電荷は
Qoff=Cge×(E1−Vth) …(2)
である。オン時の電力下降期間(T2),オフ時の電力下降期間(T5)にはC1,C2に蓄積される電荷がこのQon,Qoffの電荷とほとんど同等になるようにすると、スイッチング時間は大幅に短縮される。しかし、ゲート電圧の下降又は上昇がゆるやかになり、IGBTのスイッチング時のdi/dt,dv/dtの抑制範囲が狭くなる。前述(1),(2)式に示すように、Qon,Qoff自体がゲート回路の電圧によって変わるが、我々が実験に用いたIGBTの標準的と思われるゲート回路条件(E1=15V,E2=10V)では、C1,C2の容量をIGBTのゲート容量Cgeの1〜5倍程度にすると、スイッチング時間短縮とdi/dt,dv/dt抑制の両者に大きな効果が得られている。
R3とC1及びR4とC2に流れる電流が変わらないようにしている。
Q3のエミッタからベース、さらにはC3−R5の経路でQ3のベース電流ib1が流れQ3がオンする。しかしQ3がオンするとQ3に印加されていた電圧が低下してベース電流ib1が流れなくなるので、結局はC3の充電電流とQ3のhfeで決まる電流が流れて、電力下降手段の役割を果たす。次にR7を介してベース電流が流れQ3がオンすると、C3を電源としてib2が流れるので、その間はR1に流れる電流が低減し電力上昇手段の役割を果たす。この場合の電力下降期間T2及び電力上昇期間T3はC3,R5によって変えられることは明白である。また、図5で示したようにQ3に並列にコンデンサ
C1を設けることを併用することも可能である。
108…基準電圧設定手段。
Claims (7)
- 電圧駆動形スイッチング素子のスイッチング動作を制御する信号を増幅する駆動手段と、
前記電圧駆動形スイッチング素子のコレクタ電圧,コレクタ電流又はゲート電圧を検出する動作状態検出手段と、
ターンオフ時の前記駆動手段の出力端子と接地との間に抵抗を接続した際の前記駆動手段の出力端子の電圧を時間経過に伴って連続的に上昇させる電力下降手段と、
前記上昇させた電圧を時間経過に伴って連続的に下降させる電力上昇手段とを備え、
ターンオフ時に前記駆動手段の出力端子は負の電圧を出力し、その後、時間と共に連続的に電圧を上昇させ、前記動作状態検出手段が検出する前記電圧駆動形スイッチング素子の電圧,コレクタ電流又はゲート電圧が所定の値に達したら、時間経過に伴って連続的に前記駆動手段の出力端子の電圧を低下させることを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。 - 請求項1において、
前記電力下降手段の電圧上昇動作時間が前記電力上昇手段の電圧下降動作時間より長いことを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。 - 請求項1から請求項2のいずれか1項において、
前記電圧駆動形スイッチング素子の温度を検出する手段と、前記検出量を電圧に変換する手段とを有し、前記電力下降手段から、前記電力上昇手段への切換えを、前記温度検出量に応じて行うことを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項において、
前記電力下降手段,前記電力上昇手段の何れか又は両者が、コンデンサとスイッチングデバイスの並列によって構成されていることを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項において、
前記電力下降手段,前記電力上昇手段の何れか又は両者が、抵抗とコンデンサ、及びスイッチングデバイスの並列又は直並列によって構成されていることを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。 - 請求項4又は請求項5において、
前記電力下降手段又は前記電力上昇手段に用いるコンデンサ容量が、電圧駆動形スイッチング素子のゲート容量の1〜5倍であることを特徴とする電圧駆動形スイッチング素子のゲート駆動回路。 - 請求項1に記載されるゲート駆動回路により駆動される電圧駆動形スイッチング素子を複数個用いて構成されることを特徴とするインバータ。
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