JP4432215B2

JP4432215B2 - Semiconductor switching element gate drive circuit

Info

Publication number: JP4432215B2
Application number: JP2000167415A
Authority: JP
Inventors: 英夫松木; 正人水越
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-05
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2020-06-05
Also published as: JP2001352748A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのような絶縁ゲート型半導体スイッチング素子のためのゲート駆動回路に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
図５には、交流電動機を可変速駆動するためのインバータ装置の基本的な回路構成例が示されている。この図５において、インバータ主回路１は、例えばＩＧＢＴよりなる合計６個の半導体スイッチング素子２ａ〜２ｆを三相ブリッジ接続して構成されるものであり、平滑コンデンサ３を通じて与えられる直流電源４の出力をスイッチングすることにより可変電圧・可変周波数の交流出力を発生して交流電動機５に供給する。これら半導体スイッチング素子２ａ〜２ｆは、ゲート制御回路６からのゲート制御信号により所定モードでオンオフ制御されるようになっており、また、各半導体スイッチング素子２ａ〜２ｆには、それぞれと並列に環流ダイオード７ａ〜７ｆが接続される。
【０００３】
このような回路構成において、例えば図５中に矢印Ａで示す方向に電流が流れている状態（半導体スイッチング素子２ａ、２ｄがオンされた状態）から、矢印Ｂで示す方向に電流を流す状態に切り換えるために、半導体スイッチング素子２ａ、２ｄをオフ状態に切り換えると共に、半導体スイッチング素子２ｂ、２ｅをオン状態に切換えるときには、半導体スイッチング素子２ｂ、２ｅ及び環流ダイオード７ａ、７ｄに急激に電流が流れる現象が発生する。ところが、このように急激に流れる電流は、電流サージ及びノイズの発生やスイッチング損失の増大の原因になり、また、場合によっては半導体スイッチング素子或いは環流ダイオードの破壊や劣化の原因になる。
【０００４】
一方、例えば特開平１０−２３７４３号公報には、ＩＧＢＴ素子のスイッチング時における電圧サージの抑制及びスイッチング損失の低減を図ることを目的として、ＩＧＢＴ素子にゲート電圧を与えるための駆動用電圧源を複数個（例えば２個）設けると共に、ＩＧＢＴ素子のターンオフ時において、それら駆動用電圧源を切換える切り換え手段を設ける構成とした半導体素子の駆動回路が開示されている。但し、この半導体素子の駆動回路は、半導体素子のターンオフ時にのみ機能する構成のものであるため、図５のような回路構成で発生する前述した問題点に対処することはできない。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁ゲート型半導体スイッチング素子のターンオン時における電流サージ及びノイズの発生を抑制しつつ、スイッチング損失を低減できると共に、その素子寿命を延ばすことが可能になる半導体スイッチング素子のゲート駆動回路を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載した手段を採用できる。この手段によれば、ゲート制御手段（２３）が、ゲート制御タイミング信号に基づいてターンオン用スイッチング素子（１８）及びターンオフ用スイッチング素子（２０）を選択的にオンさせるようになり、ターンオン用スイッチング素子（１８）がオンされたときには、直流電圧源（１２）の第１の出力端子（１２ａ）と絶縁ゲート型半導体スイッチング素子（１１）のゲート電極との間がターンオン用ゲート抵抗（１９）を介して接続された状態となり、当該半導体スイッチング素子（１１）がゲート電極にオン電圧を受けてターンオンされる。また、ターンオフ用スイッチング素子（２０）がオンされたときには、直流電圧源（１２）の第２の出力端子（１２ｂ）と絶縁ゲート型半導体スイッチング素子（１１）のゲート電極との間がターンオフ用ゲート抵抗（２１）を介して接続された状態となり、当該半導体スイッチング素子（１１）がゲート電極にオフ電圧を受けてターンオフされる。
【０００７】
この場合、ゲート制御手段（２３）は、特に、ターンオン用スイッチング素子（１８）をオンさせるときには、電圧検出手段（２２）が検出した絶縁ゲート型半導体スイッチング素子（１１）のゲート電圧のレベルに応じて前記直流電圧源（１２）の第１の出力端子（１２ａ）から出力されるオン電圧のレベルを変更する制御を行うようになる。従って、例えば、絶縁ゲート型半導体スイッチング素子（１１）をターンオンさせる過程で所定期間だけゲート電圧レベルを低い状態に切換えるという制御が可能になり、このような制御が行われた場合には、上記半導体スイッチング素子（１１）のゲート容量に流れる充電電流が制限される。この結果、上記期間においては、半導体スイッチング素子（１１）のゲート電圧の上昇が抑えられるため、その半導体スイッチング素子（１１）に流れる負荷電流のｄｉ／ｄｔ（つまり、立上がり速度）が緩やかになる。これにより、絶縁ゲート型半導体スイッチング素子（１１）のターンオン時において負荷電流が急激に流れることがなくなるから、電流サージ及びノイズの発生を抑制しつつ、そのスイッチング損失を低減できると共に、当該半導体スイッチング素子（１１）の寿命を延ばす上で有益となる。
【０００８】
また、ゲート制御手段（２３）は、ターンオン用スイッチング素子（１８）をオンさせたときに、電圧検出手段（２２）により検出される絶縁ゲート型半導体スイッチング素子（１１）のゲート電圧のレベルが第１の設定値及び第２の設定値の間にある期間だけ、その半導体スイッチング素子（１１）のゲート電極に供給されるオン電圧のレベルを一時的に低下させる制御を行うようになる。このため、上記期間において、絶縁ゲート型半導体スイッチング素子（１１）のゲート電圧の上昇が抑えられるようになる。また、その半導体スイッチング素子（１１）をターンオンさせるときにゲート電圧レベルを低い状態に切換える制御を、予め設定された期間だけ確実に行い得るようになる。
【０００９】
また、絶縁ゲート型半導体スイッチング素子（１１）のゲート電圧が第２の設定値に達したか否かの検出を、その半導体スイッチング素子（１１）のターンオン過程においてゲート電圧若しくはゲート電圧変化率がミラー効果により一時的に低下した時点でのゲート電圧を検出することにより容易に行うことができる。
【００１２】
請求項２記載の手段によれば、絶縁ゲート型半導体スイッチング素子（１１）のゲート電極に供給するオン電圧のレベルを一時的に低下させる制御が、その半導体スイッチング素子（１１）のゲート電圧がゲートしきい値電圧に上昇したとき、つまり半導体スイッチング素子（１１）に負荷電流が流れ始めたときに始めて行われるから、その負荷電流が流れ始める時点を正確に捉えることができる。このため、絶縁ゲート型半導体スイッチング素子（１１）のターンオン時において負荷電流が急激に流れる事態を確実に防止することが可能になる。
【００１６】
請求項３及び４記載の各手段によれば、電圧切換用スイッチング素子（１６、１７）を制御することによって、第１の出力端子（１２ａ）から出力されるオン電圧のレベルを容易に変更できるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例）
以下、本発明の一実施例について図１ないし図３を参照しながら説明する。全体の電気的構成を示す図１において、ＩＧＢＴ１１は、ゲート電極に印加するゲート電圧によってコレクタ・エミッタ間の導通状態が制御される絶縁ゲート型半導体スイッチング素子であり、図ではゲート・コレクタ間容量Ｃgc及びゲート・エミッタ間容量Ｃgeを等価回路的に示している。
【００１８】
直流電圧源１２は、ＩＧＢＴ１１をターンオンさせるための正極性のオン電圧及びターンオフさせるための負極性のオフ電圧を発生するためのもので、オン電圧出力用の第１の出力端子１２ａと、オフ電圧出力用の第２の出力端子１２ｂとを有する。この場合、直流電圧源１２は、第１の出力端子１２ａから出力するオン電圧のレベルを２段階に変更可能に構成されたもので、例えば図２に示すような回路構成とされている。
【００１９】
即ち、図２において、直流電圧源１２は、３個の電圧源１３、１４及び１５と、一方のみが選択的にオンされる電圧切換用スイッチング素子１６及び１７とを備えており、少なくとも電圧源１３及び１４は、その出力電圧レベルが互いに異なった状態とされている。そして、それら電圧源１３及び１４は、各正極側端子が電圧切換用スイッチング素子１６及び１７を個別に介して第１の出力端子１２ａに接続され、各負極側端子がグランド端子に接続される。また、電圧源１５は、負極側端子が第２の出力端子１２ｂに接続され、正極側端子がグランド端子に接続される。尚、上記各スイッチング素子１３及び１５は、半導体スイッチング素子（ＦＥＴ、バイポーラトランジスタなど）により構成されるものである。
【００２０】
このように構成された直流電圧源１２にあっては、例えば、各電圧源１３、１４、１５の端子間電圧をそれぞれＶ13、Ｖ14、Ｖ15（Ｖ13＞Ｖ14）とした場合、第１の出力端子１２ａからは、電圧切換用スイッチング素子１６及び１７のオン状態に応じて正極性のオン電圧＋Ｖ13及び＋Ｖ14の何れか一方が出力され、第２の出力端子１２ｂからは、負極性のオフ電圧−Ｖ15が出力されることになる。
【００２１】
図１に翻って、直流電圧源１２の第１の出力端子１２ａとＩＧＢＴ１１のゲート電極との間には、ターンオン用スイッチング素子１８、ターンオン用ゲート抵抗１９が直列に接続され、直流電圧源１２の第２の出力端子１２ｂとＩＧＢＴ１１のゲート電極との間には、ターンオフ用スイッチング素子２０、ターンオフ用ゲート抵抗２１が直列に接続される。尚、上記各スイッチング素子１８及び２０も、半導体スイッチング素子（ＦＥＴ、バイポーラトランジスタなど）により構成されるものである。また、ターンオン用ゲート抵抗１９及びターンオフ用ゲート抵抗２１は、これらを１つの抵抗で兼用することも可能である。
【００２２】
ゲート電圧検出回路２２（本発明でいう電圧検出手段に相当）は、ＩＧＢＴ１１のゲート電圧を検出するために設けられており、その検出電圧を制御回路２３（本発明でいうゲート制御手段に相当）に与える構成となっている。ゲート信号発生回路２４は、ＩＧＢＴ１１のオンオフ状態を制御するためのゲート制御タイミング信号を予め決められたモードで発生するものであり、そのゲート制御タイミング信号を制御回路２３に与える構成となっている。
【００２３】
制御回路２３は、ゲート信号発生回路２４からのゲートタイミング信号に基づいて前記ターンオン用スイッチング素子１８及びターンオフ用スイッチング素子２０を選択的にオンさせると共に、特にターンオン用スイッチング素子１８をオンさせるときには、前記ゲート電圧検出回路２２の検出電圧レベルに基づいて前記直流電圧源１２内の電圧切換用スイッチング素子１６及び１７の何れか一方を選択的にオンさせることにより、直流電圧源１２の第１の出力端子１２ａから出力されるオン電圧のレベルを変更する制御を行う構成となっている。
【００２４】
以下においては、上記制御回路２３による制御内容の具体例並びその制御に関連した作用について、図３の特性曲線も参照しながら説明する。尚、この図３は、ＩＧＢＴ１１のゲート電圧Ｖge、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖce、コレクタ電流Ｉｃ（負荷電流）の変化特性を概略的に示すものである。
【００２５】
制御回路２３は、ゲート信号発生回路２４からのゲート制御タイミング信号がＩＧＢＴ１１のオンを指令するものであった場合には、ターンオン用スイッチング素子１８をオンさせる。このとき、直流電圧源１２内の電圧切換用スイッチング素子１６は予めオンされている。このため、直流電圧源１２の第１の出力端子１２ａから、電圧源１３の端子電圧に対応したオン電圧（＝＋Ｖ13）が出力されるようになり、そのオン電圧が、ＩＧＢＴ１１のゲート電極に対しターンオン用ゲート抵抗１９を介して印加開始される（図３のタイミングｔ１）。このようなオン電圧の印加に応じてゲート電圧ＶgeがＩＧＢＴ１１のゲートしきい値電圧Ｖth以上になると（タイミングｔ２）、コレクタ電流Ｉｃが流れ始めると共に、コレクタエミッタ電圧Ｖceが低下し始めるようになる。
【００２６】
この後、制御回路２３は、ゲート電圧Ｖgeが予め設定された第１の設定値Ｖs1に達した時点（タイミングｔ３）をゲート電圧検出回路２２による検出電圧に基づいて判断し、直流電圧源１２内の電圧切換用スイッチング素子１６をオフすると共に、電圧切換用スイッチング素子１７をオンさせる。これにより、直流電圧源１２の第１の出力端子１２ａから、電圧源１４の端子電圧に対応したオン電圧（＝＋Ｖ14＜＋Ｖ13）が出力されるようになり、ＩＧＢＴ１１のゲート電極に印加されるオン電圧のレベルが低下された状態に切換えられる。
【００２７】
このようなオン電圧の切換後において、制御回路２３は、ゲート電圧Ｖgeが予め設定された第２の設定値Ｖs2に達した時点（タイミングｔ４）をゲート電圧検出回路２２による検出電圧に基づいて判断する。この場合、上記第２の設定値Ｖs2は、絶対的な値として設定することもできるが、ＩＧＢＴ１１をターンオンさせるときにそのゲート電圧Ｖgeの変化率がミラー効果により一時的に低下した状態をゲート電圧検出回路２２による検出電圧（ＩＧＢＴ１１のゲート電圧）の微分値に基づいて検出し、このような検出状態となったときにゲート電圧Ｖgeが第２の設定値Ｖs2に達したものと判断する構成とすることもできる。
【００２８】
そして、制御回路２３は、ゲート電圧Ｖgeが第２の設定値Ｖs2に達したと判断したときには、直流電圧源１２内の電圧切換用スイッチング素子１６をオンした状態に復帰させ、その第１の出力端子１２ａから、電圧源１３の端子電圧に対応したオン電圧（＝Ｖ13）が出力されるように切換える。これにより、ＩＧＢＴ１１のゲート電極に印加されるオン電圧のレベルが低下された状態から元の状態に復帰されるものであり、最終的にＩＧＢＴ１１が完全にターンオンされた状態（コレクタ・エミッタ間電圧Ｖceが実質的に零の状態）とされる。
【００２９】
この後に、制御回路２３にあっては、ゲート信号発生回路２４からＩＧＢＴ１１のオフを指令するゲート制御タイミング信号が入力された場合に、ターンオン用スイッチング素子１８に代えてターンオフ用スイッチング素子２０をオンさせる。このため、直流電圧源１２の第２の出力端子１２ａから、負極性のオフ電圧（＝−Ｖ15）が出力されるようになり、そのオフ電圧が、ＩＧＢＴ１１のゲート電極に対しターンオフ用ゲート抵抗２１を介して印加開始される（図３のタイミングｔ５）。このようなオフ電圧の印加に応じて、ＩＧＢＴ１１が最終的にターンオフされるようになる。
【００３０】
要するに、上記した本実施例の構成によれば以下に述べるような効果を奏するものである。即ち、ＩＧＢＴ１１をターンオンする際に、所定期間だけそのゲート電圧レベルを低い状態に切換えるという制御が行われるから、そのＩＧＢＴ１１のゲート・エミッタ間容量Ｃgeに流れる充電電流が制限される。この結果、上記のようにゲート電圧レベルが切換えられた期間においては、ＩＧＢＴ１１のゲート電圧Ｖgeの上昇が抑えられるため、そのＩＧＢＴ１１に流れるコレクタ電流Ｉｃ（負荷電流）のｄｉ／ｄｔ（つまり、立上がり速度）が緩やかになる。これにより、ＩＧＢＴ１１のターンオン時においてコレクタ電流Ｉｃが急激に流れることがなくなるから、電流サージ及びノイズの発生を抑制しつつ、そのスイッチング損失を低減できると共に、ＩＧＢＴ１１の破壊や劣化を防止できて、その寿命を延ばす上で有益となる。尚、ＩＧＢＴ１１に付随して環流ダイオードが設けられる場合には、その環流ダイオードの破壊や劣化も防止できることになる。
【００３１】
また、上記のようにＩＧＢＴ１１をターンオンさせるときに、そのゲート電圧Ｖgeのレベルを低い状態に切換える制御を、ゲート電圧検出回路２２の検出電圧と予め設定された第１の設定値Ｖs1及び第２の設定値Ｖs2に基づいて行う構成となっているから、当該制御を所定期間だけ確実に行い得るようになる。この場合、第２の設定値ＶS2は、例えばＩＧＢＴ１１のターンオン過程においてゲート電圧Ｖgeの変化率がミラー効果により一時的に低下した時点でのゲート電圧Ｖgeに設定されているから、ゲート電圧Ｖgeが第２の設定値Ｖs2に達したか否かの検出を容易に行うことができる。
【００３２】
ＩＧＢＴ１１のゲートに印加するオン電圧を発生するための直流電圧源１２は、オン電圧発生用の複数個の電圧源１３、１４と、これら電圧源１３、１４を選択的に有効化することにより第１の出力端子１２ａから出力されるオン電圧のレベルを切換える電圧切換用スイッチング素子１６、１７とを備えた構成とされているから、当該電圧切換用スイッチング素子１６、１７を制御することによって、当該オン電圧のレベルを容易に変更できるようになる。
【００３３】
（参考例）
図４には本発明の参考例が示されており、以下これについて前記実施例と異なる部分のみ説明する。
即ち、この参考例では、前記実施例におけるゲート電圧検出回路２２（図１参照）を省略すると共に、同実施例における制御回路２３に代えて制御回路２５（本発明でいうゲート制御手段に相当）を設ける構成としたものである。この制御回路２５は、ゲート信号発生回路２４からのゲートタイミング信号に基づいて前記ターンオン用スイッチング素子１８及びターンオフ用スイッチング素子２０を選択的にオンさせると共に、特にターンオン用スイッチング素子１８をオンさせたときには、そのオン時点から所定時間が経過した後に直流電圧源１２の第１の出力端子１２ａから出力されるオン電圧のレベルを所定期間だけ低下させる制御を行う構成となっている。
【００３４】
このようにオン電圧のレベルを所定期間だけ低下させる制御は、直流電圧源１２内の電圧切換用スイッチング素子１６、１７（図２参照）のオン状態を時系列的に切換えることにより行われるものである。具体的には、ターンオン用スイッチング素子１８のオン時点において既にオンされている電圧切換用スイッチング素子１６によってオン電圧＋Ｖ13を出力し、その後に所定時間が経過した時点で電圧切換用スイッチング素子１６に代えて電圧切換用スイッチング素子１７をオンしてオン電圧＋Ｖ14を出力し、さらに、その後に所定時間が経過したときに電圧切換用スイッチング素子１６をオンした状態に復帰させてオン電圧＋Ｖ13を出力した状態とするものである。
【００３５】
このように構成した参考例によれば、オン電圧のレベル変更制御を時間制御のみで行う構成であるから、ゲート電圧検出回路２２が不要になるなど、全体の回路構成の簡単化を実現できるようになる。
【００３６】
（その他の実施の形態）
その他、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
【００３８】
上記実施例において、第１の設定値Ｖs1を、ＩＧＢＴ１１のゲートしきい値電圧Ｖthと等しい値に設定する構成としても良く、この構成によれば、ＩＧＢＴ１１のゲート電極に供給するオン電圧のレベルを一時的に低下させる制御が、そのＩＧＢＴ１１のゲートしきい値電圧Ｖthに上昇したとき、つまりＩＧＢＴ１１に負荷電流（コレクタ電流Ｉｃ）が流れ始めたときに始めて行われるから、その負荷電流が流れ始める時点を正確に捉えることができるようになる。この結果、ＩＧＢＴ１１のターンオン時において負荷電流が急激に流れる事態を確実に防止することが可能になる。
【００４０】
直流電圧源１２の構成は上記した実施例に限られるものではなく、例えば、複数個の電圧源の直並列状態を電圧切換用スイッチング素子により選択することによって、第１の出力端子１２ａから出力されるオン電圧のレベルを切換える構成としても良い。また、直流電圧源１２の第２の出力端子１２ｂから出力されるオフ電圧はグランド電位レベルのものであっても良く、この場合には直流電圧源１２内の電圧源１５を不要にできる。
ＩＧＢＴ以外の絶縁ゲート型半導体スイッチング素子（例えばＭＯＳＦＥＴ）の駆動回路にも適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す電気的構成図
【図２】要部の回路図
【図３】作用説明用の特性曲線図
【図４】本発明の参考例を示す図１相当図
【図５】従来構成を説明するためのインバータ装置の回路構成図
【符号の説明】
１１はＩＧＢＴ（絶縁ゲート型半導体スイッチング素子）、１２は直流電圧源、１２ａは第１の出力端子、１２ｂは第２の出力端子、１３〜１５は電圧源、１６、１７は電圧切換用スイッチング素子、１８はターンオン用スイッチング素子、１９はターンオン用ゲート抵抗、２０はターンオフ用スイッチング素子、２１はターンオフ用ゲート抵抗、２２はゲート電圧検出回路（電圧検出手段）、２３、２５は制御回路（ゲート制御手段）を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gate driving circuit for an insulated gate semiconductor switching element such as an IGBT or a MOSFET.
[0002]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 5 shows a basic circuit configuration example of an inverter device for variable speed driving of an AC motor. In FIG. 5, the inverter main circuit 1 is configured by connecting a total of six semiconductor switching elements 2 a to 2 f made of IGBT, for example, in a three-phase bridge, and the output of the DC power supply 4 provided through the smoothing capacitor 3. Is switched to generate an AC output of variable voltage and variable frequency and supply it to the AC motor 5. These semiconductor switching elements 2a to 2f are controlled to be turned on and off in a predetermined mode by a gate control signal from the gate control circuit 6, and each semiconductor switching element 2a to 2f includes a free-wheeling diode in parallel with each other. 7a-7f are connected.
[0003]
In such a circuit configuration, for example, from a state in which a current flows in the direction indicated by an arrow A in FIG. 5 (a state in which the semiconductor switching elements 2a and 2d are turned on), a current flows in a direction indicated by an arrow B. When switching the semiconductor switching elements 2a and 2d to the off state and switching the semiconductor switching elements 2b and 2e to the on state in order to switch, there is a phenomenon that a current suddenly flows through the semiconductor switching elements 2b and 2e and the freewheeling diodes 7a and 7d. appear. However, such a rapidly flowing current causes current surges and noises and increases switching loss, and in some cases causes destruction and deterioration of the semiconductor switching element or the freewheeling diode.
[0004]
On the other hand, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-23743 discloses a plurality of driving voltage sources for applying a gate voltage to an IGBT element for the purpose of suppressing a voltage surge at the time of switching of the IGBT element and reducing a switching loss. There is disclosed a drive circuit for a semiconductor element, which is provided with a switching means for switching the driving voltage source when the IGBT element is turned off. However, since the drive circuit of the semiconductor element has a configuration that functions only when the semiconductor element is turned off, the above-described problems occurring in the circuit configuration as shown in FIG. 5 cannot be dealt with.
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to reduce the switching loss and suppress the device life while suppressing the occurrence of current surge and noise at the turn-on of the insulated gate semiconductor switching device. It is an object to provide a gate drive circuit for a semiconductor switching element that can be extended.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the means described in claim 1 can be employed. According to this means, the gate control means (23) selectively turns on the turn-on switching element (18) and the turn-off switching element (20) based on the gate control timing signal. When (18) is turned on, the first output terminal (12a) of the DC voltage source (12) and the gate electrode of the insulated gate semiconductor switching element (11) are connected via the turn-on gate resistor (19). The semiconductor switching element (11) is turned on when the gate electrode receives an on-voltage. Further, when the turn-off switching element (20) is turned on, the turn-off gate is between the second output terminal (12b) of the DC voltage source (12) and the gate electrode of the insulated gate semiconductor switching element (11). The semiconductor switching element (11) is turned off by receiving the off voltage at the gate electrode.
[0007]
In this case, the gate control means (23) particularly depends on the level of the gate voltage of the insulated gate semiconductor switching element (11) detected by the voltage detection means (22) when turning on the turn-on switching element (18). Thus, control for changing the level of the on-voltage output from the first output terminal (12a) of the DC voltage source (12) is performed. Therefore, for example, in the process of turning on the insulated gate semiconductor switching element (11), it is possible to control to switch the gate voltage level to a low state for a predetermined period. When such control is performed, the above semiconductor The charging current flowing through the gate capacitance of the switching element (11) is limited. As a result, during the period, since the increase in the gate voltage of the semiconductor switching element (11) is suppressed, the di / dt (that is, the rising speed) of the load current flowing through the semiconductor switching element (11) becomes gentle. Thus, since the load current does not flow suddenly when the insulated gate semiconductor switching element (11) is turned on, the switching loss can be reduced while suppressing the generation of current surge and noise, and the semiconductor switching element. This is useful in extending the life of (11).
[0008]
The gate control means (23) is configured such that when the turn-on switching element (18) is turned on, the level of the gate voltage of the insulated gate semiconductor switching element (11) detected by the voltage detection means (22) is the first level. Control is performed to temporarily lower the level of the on-voltage supplied to the gate electrode of the semiconductor switching element (11) only during a period between the set value of 1 and the second set value. For this reason, in the said period, the raise of the gate voltage of the insulated gate semiconductor switching element (11) can be suppressed. Further, the control for switching the gate voltage level to a low state when the semiconductor switching element (11) is turned on can be reliably performed only for a preset period.
[0009]
Further , the detection of whether or not the gate voltage of the insulated gate semiconductor switching element (11) has reached the second set value is based on the mirror of the gate voltage or the gate voltage change rate during the turn-on process of the semiconductor switching element (11). This can be easily performed by detecting the gate voltage at the time when the voltage temporarily decreases due to the effect.
[0012]
According to the means of claim 2, the control for temporarily lowering the level of the ON voltage supplied to the gate electrode of the insulated gate semiconductor switching element (11) is such that the gate voltage of the semiconductor switching element (11) is Since it is performed only when the threshold voltage is raised, that is, when the load current starts to flow through the semiconductor switching element (11), it is possible to accurately grasp the time when the load current starts to flow. For this reason, it is possible to reliably prevent a situation in which the load current suddenly flows when the insulated gate semiconductor switching element (11) is turned on.
[0016]
According to each means of Claim 3 and 4 , the level of the on-voltage output from the first output terminal (12a) can be easily changed by controlling the voltage switching switching elements (16, 17). It becomes like this.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Implementation example)
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In FIG. 1 showing the overall electrical configuration, the IGBT 11 is an insulated gate semiconductor switching element in which the conduction state between the collector and the emitter is controlled by the gate voltage applied to the gate electrode. In the figure, the gate-collector capacitance Cgc is shown. The gate-emitter capacitance Cge is shown in an equivalent circuit.
[0018]
The DC voltage source 12 is for generating a positive on-voltage for turning on the IGBT 11 and a negative off-voltage for turning off the IGBT 11, and includes a first output terminal 12a for on-voltage output and an off-voltage. And a second output terminal 12b for output. In this case, the DC voltage source 12 is configured to be able to change the level of the ON voltage output from the first output terminal 12a in two stages, and has a circuit configuration as shown in FIG. 2, for example.
[0019]
That is, in FIG. 2, the DC voltage source 12 includes three voltage sources 13, 14, and 15, and only one of the voltage switching switching elements 16 and 17 that are selectively turned on. The output voltage levels of 13 and 14 are different from each other. The voltage sources 13 and 14 have their positive terminals connected to the first output terminal 12a via the voltage switching switching elements 16 and 17, respectively, and their negative terminals connected to the ground terminal. The voltage source 15 has a negative terminal connected to the second output terminal 12b and a positive terminal connected to the ground terminal. Each of the switching elements 13 and 15 is composed of a semiconductor switching element (FET, bipolar transistor, etc.).
[0020]
In the DC voltage source 12 configured in this way, for example, when the inter-terminal voltages of the voltage sources 13, 14, and 15 are V13, V14, and V15 (V13> V14), respectively, the first output terminal 12a outputs one of positive on-voltages + V13 and + V14 in accordance with the on-state of the voltage switching switching elements 16 and 17, and the negative output voltage -V15 from the second output terminal 12b. Will be output.
[0021]
Referring to FIG. 1, a turn-on switching element 18 and a turn-on gate resistor 19 are connected in series between the first output terminal 12 a of the DC voltage source 12 and the gate electrode of the IGBT 11. Between the second output terminal 12b and the gate electrode of the IGBT 11, a turn-off switching element 20 and a turn-off gate resistor 21 are connected in series. Each of the switching elements 18 and 20 is also composed of a semiconductor switching element (FET, bipolar transistor, etc.). Further, the turn-on gate resistor 19 and the turn-off gate resistor 21 can be combined with one resistor.
[0022]
The gate voltage detection circuit 22 (corresponding to voltage detection means in the present invention) is provided for detecting the gate voltage of the IGBT 11, and the detected voltage is supplied to the control circuit 23 (corresponding to gate control means in the present invention). It is the composition given to. The gate signal generation circuit 24 generates a gate control timing signal for controlling the on / off state of the IGBT 11 in a predetermined mode, and is configured to give the gate control timing signal to the control circuit 23.
[0023]
The control circuit 23 selectively turns on the turn-on switching element 18 and the turn-off switching element 20 based on the gate timing signal from the gate signal generation circuit 24, and particularly when the turn-on switching element 18 is turned on. By selectively turning on one of the voltage switching switching elements 16 and 17 in the DC voltage source 12 based on the detection voltage level of the gate voltage detection circuit 22, the first output terminal of the DC voltage source 12 The control is performed to change the level of the on-voltage output from 12a.
[0024]
Hereinafter, specific examples of the contents of control by the control circuit 23 and actions related to the control will be described with reference to the characteristic curve of FIG. FIG. 3 schematically shows the change characteristics of the gate voltage Vge, collector-emitter voltage Vce, and collector current Ic (load current) of the IGBT 11.
[0025]
The control circuit 23 turns on the turn-on switching element 18 when the gate control timing signal from the gate signal generation circuit 24 instructs to turn on the IGBT 11. At this time, the voltage switching switching element 16 in the DC voltage source 12 is turned on in advance. Therefore, an on-voltage (= + V13) corresponding to the terminal voltage of the voltage source 13 is output from the first output terminal 12a of the DC voltage source 12, and the on-voltage is applied to the gate electrode of the IGBT 11. Application is started via the turn-on gate resistor 19 (timing t1 in FIG. 3). When the gate voltage Vge becomes equal to or higher than the gate threshold voltage Vth of the IGBT 11 in response to the application of the ON voltage (timing t2), the collector current Ic starts to flow and the collector-emitter voltage Vce starts to decrease.
[0026]
Thereafter, the control circuit 23 determines the time (timing t3) when the gate voltage Vge reaches the first set value Vs1 set in advance based on the detection voltage by the gate voltage detection circuit 22, The voltage switching switching element 16 is turned off and the voltage switching switching element 17 is turned on. As a result, the ON voltage (= + V14 <+ V13) corresponding to the terminal voltage of the voltage source 14 is output from the first output terminal 12a of the DC voltage source 12, and the ON voltage applied to the gate electrode of the IGBT 11 is output. The voltage level is switched to a reduced state.
[0027]
After such switching of the on-voltage, the control circuit 23 determines when the gate voltage Vge reaches the preset second set value Vs2 (timing t4) based on the detection voltage by the gate voltage detection circuit 22. To do. In this case, the second set value Vs2 can be set as an absolute value, but when the IGBT 11 is turned on, a state in which the rate of change of the gate voltage Vge is temporarily reduced due to the Miller effect is the gate voltage. A configuration in which detection is performed based on the differential value of the detection voltage (gate voltage of the IGBT 11) by the detection circuit 22, and it is determined that the gate voltage Vge has reached the second set value Vs2 when such a detection state occurs. You can also
[0028]
When the control circuit 23 determines that the gate voltage Vge has reached the second set value Vs2, the control circuit 23 returns the voltage switching switching element 16 in the DC voltage source 12 to the on state, and outputs the first output. The terminal 12a is switched so that an ON voltage (= V13) corresponding to the terminal voltage of the voltage source 13 is output. As a result, the level of the ON voltage applied to the gate electrode of the IGBT 11 is restored from the lowered state, and finally the IGBT 11 is completely turned on (the collector-emitter voltage Vce). Is substantially zero).
[0029]
Thereafter, the control circuit 23 turns on the turn-off switching element 20 instead of the turn-on switching element 18 when a gate control timing signal for commanding the IGBT 11 to turn off is input from the gate signal generation circuit 24. . Therefore, a negative off voltage (= −V 15) is output from the second output terminal 12 a of the DC voltage source 12, and the off voltage is applied to the gate electrode 21 of the IGBT 11 for turning off. Application is started through (timing t5 in FIG. 3). The IGBT 11 is finally turned off in response to the application of such an off voltage.
[0030]
In short, according to the configuration of the above-described embodiment, the following effects can be obtained. That is, when the IGBT 11 is turned on, control is performed to switch the gate voltage level to a low state for a predetermined period, so that the charging current flowing through the gate-emitter capacitor Cge of the IGBT 11 is limited. As a result, during the period in which the gate voltage level is switched as described above, the rise in the gate voltage Vge of the IGBT 11 is suppressed, and therefore the di / dt (that is, the rising speed) of the collector current Ic (load current) flowing through the IGBT 11 is suppressed. ) Becomes moderate. Thereby, since the collector current Ic does not flow suddenly when the IGBT 11 is turned on, the switching loss can be reduced while suppressing the occurrence of current surge and noise, and the destruction and deterioration of the IGBT 11 can be prevented. This is useful for extending the service life. If a freewheeling diode is provided along with the IGBT 11, the freewheeling diode can be prevented from being destroyed or deteriorated.
[0031]
Further, when the IGBT 11 is turned on as described above, the control for switching the level of the gate voltage Vge to a low state is performed by using the detection voltage of the gate voltage detection circuit 22 and the first set value Vs1 and the second preset value. Since the configuration is based on the set value Vs2, the control can be reliably performed for a predetermined period. In this case, the second set value VS2 is set to the gate voltage Vge at the time when the rate of change of the gate voltage Vge temporarily decreases due to the Miller effect in the turn-on process of the IGBT 11, for example. It is possible to easily detect whether or not the set value Vs2 of 2 has been reached.
[0032]
A DC voltage source 12 for generating an on-voltage to be applied to the gate of the IGBT 11 includes a plurality of voltage sources 13 and 14 for generating an on-voltage and selectively enabling these voltage sources 13 and 14. Since the voltage switching switching elements 16 and 17 for switching the level of the on-voltage output from one output terminal 12a are provided, by controlling the voltage switching switching elements 16 and 17, The on-voltage level can be easily changed.
[0033]
( Reference example )
The Figure 4 there is shown a exemplary embodiment of the present invention. Only the differences from the previous you施例about this below.
That is, in this reference example, the gate voltage detection circuit 22 (see FIG. 1) in the above embodiment is omitted, and the control circuit 25 (corresponding to the gate control means in the present invention) is used instead of the control circuit 23 in the same embodiment. It is set as the structure which provides. The control circuit 25 selectively turns on the turn-on switching element 18 and the turn-off switching element 20 based on the gate timing signal from the gate signal generation circuit 24, and particularly when the turn-on switching element 18 is turned on. The control is performed to reduce the level of the ON voltage output from the first output terminal 12a of the DC voltage source 12 for a predetermined period after a predetermined time has elapsed since the ON time.
[0034]
Control for reducing the level of the on-voltage for a predetermined period in this way is performed by switching the on-state of the voltage switching switching elements 16 and 17 (see FIG. 2) in the DC voltage source 12 in time series. is there. Specifically, the on-voltage + V13 is output by the voltage switching switching element 16 that is already turned on when the turn-on switching element 18 is turned on, and is replaced with the voltage switching switching element 16 when a predetermined time has passed thereafter. In this state, the voltage switching switching element 17 is turned on to output the on voltage + V14, and then the voltage switching switching element 16 is returned to the on state when a predetermined time has elapsed and the on voltage + V13 is output. It is what.
[0035]
By the reference example thus constructed lever, since it is configured to perform a level change control of the on-voltage-time control only, a gate voltage detecting circuit 22 is not necessary, can be achieved simplification of the entire circuit arrangement It becomes like this.
[0036]
(Other embodiments)
In addition, the present invention is not limited to the actual施例described above, but can be modified as follows or extended.
[0038]
In the above embodiment, the first set value Vs1 may be set to a value equal to the gate threshold voltage Vth of the IGBT 11, and according to this configuration, the level of the on-voltage supplied to the gate electrode of the IGBT 11 is set. Since the control for temporarily decreasing is performed only when the gate threshold voltage Vth of the IGBT 11 rises, that is, when the load current (collector current Ic) starts to flow through the IGBT 11, the load current begins to flow. Can be accurately captured. As a result, it is possible to reliably prevent a situation in which the load current suddenly flows when the IGBT 11 is turned on.
[0040]
The configuration of the DC voltage source 12 is not limited to the above-described embodiment. For example, the DC voltage source 12 is output from the first output terminal 12a by selecting a series-parallel state of a plurality of voltage sources by a voltage switching switching element. The on-voltage level may be switched. Further, the off-voltage output from the second output terminal 12b of the DC voltage source 12 may be a ground potential level. In this case, the voltage source 15 in the DC voltage source 12 can be dispensed with.
Of course, the present invention can be applied to a drive circuit of an insulated gate semiconductor switching element (for example, MOSFET) other than the IGBT.
[Brief description of the drawings]
Corresponding Figure 1 shows a reference example of FIG. 1 is a circuit diagram Figure 3 characteristic diagram for explaining working of the electrical diagram [2] a main part showing an embodiment of the present invention [4] The present invention FIG. 5 is a circuit configuration diagram of an inverter device for explaining a conventional configuration.
11 is an IGBT (insulated gate type semiconductor switching element), 12 is a DC voltage source, 12a is a first output terminal, 12b is a second output terminal, 13 to 15 are voltage sources, and 16 and 17 are switching elements for voltage switching. , 18 is a turn-on switching element, 19 is a turn-on gate resistance, 20 is a turn-off switching element, 21 is a turn-off gate resistance, 22 is a gate voltage detection circuit (voltage detection means), and 23 and 25 are control circuits (gate control) Means).

Claims

In a gate drive circuit for an insulated gate semiconductor switching element (11),
A turn-on switching element (18) that is turned on when the insulated gate semiconductor switching element (11) is turned on;
A turn-off switching element (20) that is turned on when the insulated gate semiconductor switching element (11) is turned off;
A first output terminal (12a) for supplying an on voltage to the gate electrode of the insulated gate semiconductor switching element (11) and a second output terminal (12b) for supplying an off voltage to the gate electrode A DC voltage source (12) configured to change at least the level of the on-voltage output from the first output terminal (12a);
With the turn-on switching element (18) turned on, it is connected between the first output terminal (12a) of the DC voltage source (12) and the gate electrode of the insulated gate semiconductor switching element (11). A turn-on gate resistor (19),
With the turn-off switching element (20) turned on, it is connected between the second output terminal (12b) of the DC voltage source (12) and the gate electrode of the insulated gate semiconductor switching element (11). A turn-off gate resistor (21) that becomes
Voltage detection means (22) for detecting a gate voltage of the insulated gate semiconductor switching element (11);
The turn-on switching element (18) and the turn-off switching element (20) are selectively turned on based on a gate control timing signal. When the turn-on switching element (18) is turned on, the voltage detecting means ( 22) gate control means (23) for performing control to change the level of the ON voltage output from the first output terminal (12a) of the DC voltage source (12) according to the detected voltage level of 22) ,
In the state where the turn-on switching element (18) is turned on, the gate control means (23) has a gate voltage detected by the voltage detection means (22) having a first set value and a second value higher than the first set value. In a period between the set value and the DC voltage source (12), the on-voltage level output from the first output terminal (12a) is temporarily reduced.
The voltage detection means (22) is configured to be able to detect a state in which the rate of change in the gate voltage of the insulated gate semiconductor switching element (11) temporarily decreases due to the mirror effect based on the differential value of the gate voltage. ,
The gate setting circuit of the semiconductor switching element, wherein the second set value is set to a gate voltage at the time when the voltage detecting means (22) detects a temporary decrease in the gate voltage change rate. .

In the gate drive circuit of the semiconductor switching element according to claim 1,
The gate drive circuit for a semiconductor switching element, wherein the first set value is set equal to a gate threshold voltage of the insulated gate semiconductor switching element (11) .

The DC voltage source (12)
A plurality of voltage sources (13, 14) for generating the on-voltage;
And a voltage switching switching element (16, 17) for switching the level of the ON voltage output from the first output terminal (12a) by selectively enabling these voltage sources (13, 14). the gate drive circuit of the semiconductor switching element according to claim 1, wherein a is as hereinbefore.

In the gate drive circuit of the semiconductor switching element according to claim 3,
The plurality of voltage sources (13, 14) for generating the on-voltage are in a state where output voltage levels are different from each other.
The voltage switching switching element (16, 17) is configured to adjust the level of the on-voltage by connecting one of the plurality of voltage sources (13, 14) to the first output terminal (12a). the gate drive circuit of the semiconductor switching device characterized by switching.