JP4715346B2 - 直列接続された電圧駆動型半導体素子の駆動装置 - Google Patents
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Description
この回路において、3、4がIGBTで、直列接続されている。また、1A、2Aは、それぞれIGBT3、4のゲート駆動回路であり、お互いのゲート線は、コア5によって磁気結合されている。磁気結合させるには、図6の例のようにそれぞれのゲート線を同じコアに巻き付ける方法が知られている。これにより、IGBT3のゲート電流Ig1が流れるとコア5にはΦ1の磁束が発生し、これがゲート駆動回路2AとIGBT4間のゲート線を横切る。同様に、ゲート電流Ig2が流れるとΦ2の磁束が発生し、これがゲート駆動回路1AとIGBT3間のゲート線を横切る。これらの動作によって各ゲート線が磁気結合される。この時、コア5へのゲート線の巻数N1、N2を等しくしてIg1=Ig2の時に|Φ1|=|Φ2|となるようにし、Ig1とIg2が同極性の時に、Φ1とΦ2が逆極性となるように巻き方向を決める。
図8(a)がIGBT3と4のターンオフのタイミングが同時の場合の動作波形である。それぞれのゲート(G)−ミッタ(E)間電圧波形VGE(3),VGE(4)はほぼ等しくなる。IGBTのG−E間は図7に示すように等価的にコンデンサCiesと見なすことができるため、図8(a)のようにIg1、Ig2には同波形で過渡的にCiesの放電電流が流れる。この時、コア5の巻線N1に流れる電流Ig1と巻線N2に流れる電流Ig2の極性とレベルが同じとなり、磁束Φ1とΦ2は同レベルで逆極性となるためコアに発生する磁束はΦ1とΦ2が互いに打ち消しあい零となる。そのため、磁気結合はせず、電流Ig1とIg2はそれぞれのCiesから放電電流として流れ続ける。
次に、図8(b)に示すようにIGBT3と4のターンオフタイミングがアンバランスした時(この場合、素子3が先にターンオフ)、すなわち電流Ig1がIg2よりも先に流れ出した時、|Φ1|>|Φ2|となるため、磁性体には |Φ1−Φ2|の磁束が発生し、コア5が励磁されてゲート線が磁気結合され、コア5の端子間には図9に示す向きに電圧Vc1、Vc2が発生する。この電圧は、ゲート電流Ig1に対しては減少する方向に、Ig2に対しては増加する方向に印加され、Ig1=Ig2となるように動作する。
図9にターンオフ動作時のコアのリセット時におけるゲート駆動回路内部の回路を含めた等価回路を、図10に各部波形例を示す。
この回路では簡単化のため、コアの漏れインダクタンスは無視する。ここで、1A、2Aはゲート駆動回路、10A、20Aはパルス分配回路、11,21はゲート駆動回路の順バイアス用トランジスタ、13および23が逆バイアス用トランジスタ、15、25がオン用ゲート抵抗、17、27がオフ用ゲート抵抗、19F、29Fが順バイアス用電源、19R、29Rが逆バイアス用電源、Lmがコアの励磁インダクタンス、Cies1及びCies2がIGBT3及び4の入力容量である。ゲート駆動回路1Aが2Aより先に逆バイアス状態、即ちトランジスタ13がトランジスタ23より先にオンすると、図11に示すように励磁電流Imが流れてコアが励磁され、Vc1、Vc2の電圧が印加される。
次にゲート駆動回路2Aが逆バイアス状態となりゲート駆動回路1Aと2Aの回路モードが同じになると、コアがリセット動作に入る。この時、図12のように励磁電流Imの経路は経路1と経路2に分流する。等価回路は図13のようになり、励磁インダクタンスLmとIGBT3、4の入力容量Cies1、Cies2によって振動して、それぞれのゲート抵抗17、27によって減衰する。しかし通常ゲート抵抗は数Ω程度であるため、振動が減衰するまで長い時間がかかってしまう。即ち、コアがリセットされるまで長い時間がかかることとなり、素子のスイッチング周波数が高くなると、コアがリセットされる前に励磁され、電圧バランス効果の低下や、コアの飽和といった可能性がある。
請求項2の発明においては、前記抵抗値切替え手段は、半導体スイッチと抵抗の直列回路を並列接続し、半導体スイッチを交互に切替える方式である。
また、請求項3の発明においては、前記抵抗値切替え手段は、半導体スイッチと抵抗の直列回路を並列接続し、半導体スイッチの同時オンと選択的オンを切替える方式である。
従来技術で説明したように、この回路の状態ではリセットの経路で振動が継続するため、IGBTが定常状態になった後、トランジスタ13をオフ、トランジスタ14をオンとする。抵抗18はコアのリセット経路において、振動が継続しないような十分大きな抵抗値とすることで、コア5の巻線端子電圧Vc1、Vc2は図3の実線波形のように急速に減衰し、短時間でコアをリセットすることができる。オン動作の場合も同様にトランジスタ11、12を切替えることでコアのリセットを短時間に行うことができる。また、ゲート駆動回路2についても同様の動作となる。
図4に回路動作を示す。第1の実施例では、抵抗値を切替える場合、二つのトランジスタ13、14を選択的に動作させているが、本実施例では、二つのトランジスタの同時オンで小さな抵抗値を、選択的オンで大きな抵抗値を作り出している。抵抗値の小さな抵抗は一般には電力用であり、小電力用で抵抗値の小さな抵抗はメーカの標準系列品からは選択しにくいという課題があるが、本方式を適用することにより、解決できる。
図4の動作例は、オン動作からオフ動作へ移行する時にはトランジスタ13と14を同時にオンさせ、IGBTが定常状態になった後、トランジスタ13をオフさせる方式である。即ち、抵抗17と18を並列接続して小さな抵抗値を作り出している。
5・・・コア 10、20、10A、20A・・・パルス分配回路
11〜14、21〜24・・・トランジスタ
15〜18、25〜28・・・抵抗 19、29・・・ゲート駆動電源
19F、29F・・・順バイアス用電源
19R、29R・・・逆バイアス用電源
Claims (3)
- 直列接続された複数個の電圧駆動型半導体素子と、これらの電圧駆動型半導体素子をオン・オフするためのゲート駆動回路と、各ゲート駆動回路からの信号を同調するためにゲート線を互いにコアで磁気結合した半導体スイッチ回路において、各電圧駆動型半導体素子をターンオンまたはターンオフする時のゲート抵抗値を、これらが定常状態になった後、より大きな抵抗値に切替える抵抗値切替え手段を備え、前記コアの消磁を短時間に行うことを特徴とする、直列接続された電圧駆動型半導体素子の駆動回路。
- 前記抵抗値切替え手段は、半導体スイッチと抵抗の直列回路を並列接続し、半導体スイッチを交互に切替える方式であることを特徴とする、請求項1に記載の直列接続された電圧駆動型半導体素子の駆動回路。
- 前記抵抗値切替え手段は、半導体スイッチと抵抗の直列回路を並列接続し、半導体スイッチの同時オンと選択的オンを切替える方式であることを特徴とする、請求項1に記載の直列接続された電圧駆動型半導体素子の駆動回路。
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