JP4894430B2 - 電圧駆動型半導体素子の駆動方法、及び、ゲート駆動回路 - Google Patents
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そして、スイッチング時の電流アンバランスを駆動回路側で改善するには、ゲート抵抗を小さくする、駆動回路の出力インピーダンスの差を軽減する、駆動回路の配線を短くし、また、その長さを揃える、等の方法が一般的なものとされている。
この誤点弧とは、オフ状態のIGBTの対向に位置するIGBTがターンオンするタイミングで、オフ状態のIGBTに逆並列接続されているダイオードにリカバリ・サージ電圧が発生し、このリカバリ・サージ電圧のdV/dtにより、オフ状態のIGBTの帰還容量Cresに電流が流れてゲート電位が持ち上がり、瞬間的にアーム短絡してしまう現象である。
この誤点弧は、オフ状態のIGBTのゲート・エミッタ間を低インピーダンスに保持し、ゲート電位の持ち上がりを防ぐことで、防止することができるものである。
電圧駆動型半導体素子を複数個並列接続して構成される回路における、前記電圧駆動型半導体素子をターンオフする際の、電圧駆動型半導体素子の駆動方法であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流の微分値を微分回路にて検出し、
検出した各微分値の符号に基づいて、
前記各電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値を変更し、
前記各微分値の符号のいずれか一つが正であるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値は小さくなるように変更され、
前記各微分値の符号が全て負であるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値は大きくなるように変更されるものである。
前記各微分値の符号は、
前記各微分回路の出力を、前記各微分回路に対応するコンパレータにそれぞれ入力し、比較演算することで検出されることとするものである。
電圧駆動型半導体素子を複数個並列接続して構成される回路における、前記電圧駆動型半導体素子をターンオフする際の、電圧駆動型半導体素子のターンオフ時の駆動方法であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流の微分値を微分回路にて検出し、
検出した各微分値を加算し、
加算結果の符号に基づいて、
前記各電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値を変更し、
前記各微分値の加算結果がゼロであるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値は小さくなるように変更される、こととするものである。
前記各微分値の加算は、
前記微分回路の出力を統合して一つのコンパレータに入力し、比較演算することで行われる、こととするものである。
前記実効ゲート抵抗値の変更は、ゲート抵抗を複数個並列接続し、
いずれかのゲート抵抗の通電の有無を切り替えることにより行われる、こととするものである。
複数個並列接続される電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流の微分値を検出する手段と、
前記各コレクタ電流の微分値の符号を検出する手段と、
前記各符号の検出結果に基づいて実効ゲート抵抗値を決定する手段と、
前記実効ゲート抵抗値の変更の決定に基づいて、前記実効ゲート抵抗値を変更する手段とを備え、
前記実効ゲート抵抗値を決定する手段は、
前記各微分値の符号のいずれか一つが正であるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値を小さくなるように変更し、
前記各微分値の符号が全て負であるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値が大きくなるように変更する、こととするものである。
複数個並列接続される電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流の微分値を検出する手段と、
前記各コレクタ電流の微分値を加算する手段と、
前記各微分値を加算した結果の符号を検出する手段と、
前記各符号の検出結果に基づいて実効ゲート抵抗値を決定する手段と、
前記実効ゲート抵抗値の変更の決定に基づいて、前記実効ゲート抵抗値を変更する手段とを備え、
前記実効ゲート抵抗値を決定する手段は、
前記各微分値の加算結果がゼロであるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値が小さくなるように変更する、こととするものである。
前記実効ゲート抵抗値を変更する手段は、ゲート抵抗を複数個並列接続し、いずれかのゲート抵抗の通電の有無を切り替えることにより、前記実効ゲート抵抗値の変更を行う構成とするものである。
また、高速スイッチングが行われることとなり、ターンオフ遅延時間を短くして、スイッチング損失低減およびデッドタイム短縮を図ることができる。また、各電圧駆動型半導体素子間の電流アンバランスを是正することができる。さらに、ターンオフ時にゲート・エミッタ間を低インピーダンスに保持し、ゲート電位の持ち上がりを防ぐことで、誤点弧の防止が図られる。
さらに、低速スイッチングが行われることとなり、ターンオフサージ電圧を抑制することができる。
また、高速スイッチングが行われることとなり、ターンオフ遅延時間を短くして、スイッチング損失低減およびデッドタイム短縮を図ることができる。また、各電圧駆動型半導体素子間の電流アンバランスを是正することができる。さらに、ターンオフ時にゲート・エミッタ間を低インピーダンスに保持し、ゲート電位の持ち上がりを防ぐことで、誤点弧の防止が図られる。
また、高速スイッチングが行われることとなり、ターンオフ遅延時間を短くして、スイッチング損失低減およびデッドタイム短縮を図ることができる。また、各電圧駆動型半導体素子間の電流アンバランスを是正することができる。さらに、ターンオフ時にゲート・エミッタ間を低インピーダンスに保持し、ゲート電位の持ち上がりを防ぐことで、誤点弧の防止が図られる。
さらに、低速スイッチングが行われることとなり、ターンオフサージ電圧を抑制することができる。
また、高速スイッチングが行われることとなり、ターンオフ遅延時間を短くして、スイッチング損失低減およびデッドタイム短縮を図ることができる。また、各電圧駆動型半導体素子間の電流アンバランスを是正することができる。さらに、ターンオフ時にゲート・エミッタ間を低インピーダンスに保持し、ゲート電位の持ち上がりを防ぐことで、誤点弧の防止が図られる。
電圧駆動型半導体素子(IGBT1・2)を複数個並列接続して構成される回路における、前記電圧駆動型半導体素子をターンオフする際の、電圧駆動型半導体素子の駆動方法であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流Ice1・Ice2の微分値dIce1/dt、dIce2/dtを微分回路にて検出し、
検出した各微分値の符号に基づいて、
前記各電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値を変更するものである。
前記各微分値の符号は、
前記各微分回路21の出力を、前記各微分回路21に対応するコンパレータCMP1にそれぞれ入力し、比較演算することで検出されることとするものである。
前記各微分値の符号のいずれか一つが正であるときは、
前記実効ゲート抵抗値は小さくなるように変更されることとするものである。
電圧駆動型半導体素子(IGBT1・2)を複数個並列接続して構成される回路における、前記電圧駆動型半導体素子をターンオフする際の、電圧駆動型半導体素子の駆動方法であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流Ice1・Ice2の微分値dIce1/dt、dIce2/dtを微分回路にて検出し、
検出した各微分値を加算し、
加算結果の符号に基づいて、
前記各電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値を変更するものである。
前記各微分値の加算は、
前記微分回路22・23の出力を統合して一つのコンパレータCMP2に入力し、比較演算することで行われることとするものである。
前記各微分値の加算結果がゼロであるときは、
前記実効ゲート抵抗値は小さくなるように変更されることとするものである。
前記各微分値の符号が全て負であるときは、
前記実効ゲート抵抗値は大きくなるように変更され、前記各電圧駆動型半導体素子において、低速スイッチングが行われることとするものである。
前記コレクタ電流の微分値の検出は、
前記各電圧駆動型半導体素子のセンスエミッタ端子から入力される電流値を、
微分回路によって微分することにより行われることとするものである。
前記実効ゲート抵抗値の変更は、ゲート抵抗(抵抗R2・R3)を複数個並列接続し、
いずれかのゲート抵抗の通電の有無を切り替えることにより行われることとするものである。
複数個並列接続される電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流の微分値を検出する手段(微分回路21)と、
前記各コレクタ電流の微分値の符号を検出する手段(コンパレータCMP1)と、
前記各符号の検出結果に基づいて実効ゲート抵抗値を決定する手段(制御回路5)と、
前記実効ゲート抵抗値の変更の決定に基づいて、前記実効ゲート抵抗値を変更する手段(制御回路5、スイッチ素子M2・M3、ゲート抵抗R2・R3)と、
を備える構成とするものである。
複数個並列接続される電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流の微分値を検出する手段(微分回路22・23)と、
前記各コレクタ電流の微分値を加算する手段(加算回路24)と、
前記各微分値を加算した結果の符号を検出する手段(符号検出回路7)と、
前記各符号の検出結果に基づいて実効ゲート抵抗値を決定する手段(制御回路5)と、
前記実効ゲート抵抗値の変更の決定に基づいて、前記実効ゲート抵抗値を変更する手段(制御回路5、スイッチ素子M2・M3)と、
を備える構成とするものである。
また、このdIce/dt符号検出回路3・4は、前記各IGBT1・2のセンスエミッタ端子に接続され、各IGBT1・2のdIce/dtを検出するものである。
また、この制御回路5は、図示せぬ制御装置から入力されるIGBT制御信号Isに則って、前記IGBT1・2をターンオン/ターンオフするための信号S1〜S3をスイッチ素子M1・M2・M3に対して出力する。
また、スイッチ素子M2は、IGBT1・2のターンオン時にオフ、ターンオフ時にオンされる。
さらに、スイッチ素子M3は、IGBT1・2のターンオン時にオフされるが、ターンオフ時には、後述するIGBT1・2のターンオフ時の高速スイッチングと低速スイッチングを切り替えるべく、オン、又は、オフされる。
また、これらスイッチ素子M1・M2・M3は、MOSトランジスタにて構成され、制御回路5からの信号によりオン/オフされ、抵抗R1・R2・R3の通電の有無を切り替えるものである。本例の場合、スイッチ素子M1はP−ch MOSトランジスタにて構成され、スイッチ素子M2・M3はN−ch MOSトランジスタにて構成されている。
より具体的には、IGBT1・2のターンオン時には、抵抗R1・R4・R5によって実効ゲート抵抗値が決定される。
一方、IGBT1・2のターンオフ時には、抵抗R2・R4・R5に加え、スイッチ素子M3の動作に応じた抵抗R3の値によって、実効ゲート抵抗値が決定される。
つまり、ターンオフ時においては、スイッチ素子M3の制御によって、実効ゲート抵抗値が変更され、IGBT1・2のターンオフ時の高速スイッチングと低速スイッチングが切り替えられるようになっている。
まず、高速スイッチングについて、前記スイッチ素子M2・M3を共にオンとする場合では、抵抗R2・抵抗R3が並列接続されることになるため、各IGBT1・2の実効ゲート抵抗値は小さくなる。これにより、各IGBT1・2の高速スイッチングが実現可能となる。
一方、低速スイッチングについて、前記スイッチ素子M2をオンとし、スイッチ素子M3をオフとする場合では、抵抗R3は実効ゲート抵抗値に影響しないため、各IGBT1・2の実効ゲート抵抗値は大きくなる。これにより、前記IGBT1・2において、前記高速スイッチングと比較して、スイッチング速度の遅い、低速スイッチングが実現可能となる。
入力端子3iは、前記IGBT1(図1)のセンスエミッタ端子に接続され、出力端子3oは、前記制御回路5(図1)に接続される。
また、コンデンサC1、抵抗R8、アンプAMP1により、dIce/dtを検出する微分回路21が構成される。
そして、コンパレータCMP1により、この微分回路21の出力であるdIce/dtの符号が検出され、その検出結果が、制御回路5(図1)に出力される。このようにして、dIce/dt符号検出回路3が構成される。
ここで、本実施例においては、dIce/dtの符号が、負であるか、又は、負でないか、のいずれかを検出できればよいので、例えば、図において、電圧V1<電圧V2と設定した場合では、dIce/dtが負のときに出力をLo、負でないとき(正かゼロの時)に出力をHiとして、制御回路5に出力する形態にて実現できる。
図3は、図1、図2に示される回路構成において、IGBTのターンオフ時に電流アンバランスが生じる例と、この電流アンバランスに対応すべく、実効ゲート抵抗値の変更による高速/低速スイッチング動作の切り替えを示すタイムチャートである。
ここで、IGBT制御信号Isがオンからオフに切り替わった直後の期間T1では、前記各IGBT1・2のdIce1/dt、dIce2/dtがゼロとなるターンオフ遅延時間が発生する。このターンオフ遅延時間が長いと、スイッチング損失の増加や、図示せぬ対向に配置されるIGBTとの関係におけるデッドタイムの増加といった問題が生じることになる。
この高速スイッチングにより、ターンオフ遅延時間を短縮し、スイッチング損失低減や、デッドタイム短縮が図られる。また、このデッドタイム短縮により、より高精度のモータ制御が可能となる。
このような電流アンバランスは、例えば、IGBT1のゲート・エミッタ間閾値電圧が、IGBT2のものよりも高いことによって起こり得るものである。
これは、ターンオフのタイミングが遅れるIGBTに対し他のIGBTのコレクタ電流Iceが流れ込み、電流値が増加して電流アンバランスが発生しているということを、タイミングの遅れたIGBTのコレクタ電流Iceの微分値が正であるということから検出するものである。
この高速スイッチングにより、電流アンバランスが発生する時間が短縮され、電流アンバランスを是正することができる。
この期間T3では、全てのIGBTのコレクタ電流Iceが減少し、各コレクタ電流Iceの微分値が負になることから、前記dIce/dt符号検出回路により検出される微分値が全て負であることに基づいて、制御回路5は、期間T3であることを検出できる。
そして、この低速スイッチングによって、ターンオフサージ電圧を抑制することができる。
このため、この抵抗R2について、ターンオフサージ電圧の抑制に特化した最適な抵抗値を選定することが可能となり、効果的にターンオフサージ電圧を抑制できることとなる。
そして、制御回路5は、前記各dIce/dt符号検出回路により検出される全てのdIce/dtの値がゼロであることを認識することにより、期間T4であることを検出することができる。
そこで、ターンオフ時での期間T4において、ゲート・エミッタ間を低インピーダンスに保持し、ゲート電位の持ち上がりを防ぐことで、誤点弧の防止を測るものである。
ここで、図4(b)は、図2に示すdIce/dt符号検出回路3(4)を用いた上記実施例のブロック図であるが、この図4(b)のブロック図の構成では、各IGBT1・2のコレクタ電流Ice1・Ice2のdIce/dtの符号が制御回路5に入力され、制御回路5では、個別にdIce/dtの符号(正/負/ゼロ)が検出されるものである。そして、図3に示すごとく(矢印図4(b)部分)、このdIce/dtの符号と期間T2〜T4を対応づけることで、スイッチ素子M3のオン/オフを行うものである。
図5は、dIce/dt加算回路6と、符号検出回路7の構成例を示すものであり、コンデンサC2・C3、抵抗R8・R9、アンプAMP2・AMP3で2つの微分回路22・23を構成する。そして、抵抗R10〜R12、アンプAMP4で加算回路24を構成し、加算回路出力の符号をコンパレータCMP2で検出する構成とするものである。
図6(a)は、図4(a)と同様、各IGBTのコレクタ電流Ice1〜3を一つのdIce/dt加算回路10に入力し、その加算結果の符号を符号検出回路11にて検出し、制御回路5Bに符号を出力する構成とするものである。
この図6(a)の構成では、コンデンサC4〜C6、抵抗R13〜R15、アンプAMP5〜7で3つの微分回路を構成する。そして、抵抗R16〜R19、アンプAMP8で加算回路を構成し、加算回路出力の符号をコンパレータCMP4で検出する構成とするものである。
各dIce/dt符号検出回路3A・3B・3Cの構成は、図2に示すものと同等である。
したがって、3列以上のIGBTを並列接続する構成においては、図6(a)の構成を適用することにより、回路規模を小型化できるというメリットを得ることができる。
3・4 dIce/dt符号検出回路
5 制御回路
R1〜R7 抵抗
M1〜M3 スイッチ素子
Claims (8)
- 電圧駆動型半導体素子を複数個並列接続して構成される回路における、前記電圧駆動型半導体素子をターンオフする際の、電圧駆動型半導体素子の駆動方法であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流の微分値を微分回路にて検出し、
検出した各微分値の符号に基づいて、
前記各電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値を変更し、
前記各微分値の符号のいずれか一つが正であるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値は小さくなるように変更され、
前記各微分値の符号が全て負であるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値は大きくなるように変更される、
電圧駆動型半導体素子の駆動方法。 - 前記各微分値の符号は、
前記各微分回路の出力を、前記各微分回路に対応するコンパレータにそれぞれ入力し、比較演算することで検出される、
ことを特徴とする請求項1に記載の電圧駆動型半導体素子の駆動方法。 - 電圧駆動型半導体素子を複数個並列接続して構成される回路における、前記電圧駆動型半導体素子をターンオフする際の、電圧駆動型半導体素子のターンオフ時の駆動方法であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流の微分値を微分回路にて検出し、
検出した各微分値を加算し、
加算結果の符号に基づいて、
前記各電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値を変更し、
前記各微分値の加算結果がゼロであるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値は小さくなるように変更される、
電圧駆動型半導体素子の駆動方法。 - 前記各微分値の加算は、
前記微分回路の出力を統合して一つのコンパレータに入力し、比較演算することで行われる、
ことを特徴とする請求項3に記載の電圧駆動型半導体素子の駆動方法。 - 前記実効ゲート抵抗値の変更は、ゲート抵抗を複数個並列接続し、
いずれかのゲート抵抗の通電の有無を切り替えることにより行われる、
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の電圧駆動型半導体素子の駆動方法。 - 複数個並列接続される電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流の微分値を検出する手段と、
前記各コレクタ電流の微分値の符号を検出する手段と、
前記各符号の検出結果に基づいて実効ゲート抵抗値を決定する手段と、
前記実効ゲート抵抗値の変更の決定に基づいて、前記実効ゲート抵抗値を変更する手段とを備え、
前記実効ゲート抵抗値を決定する手段は、
前記各微分値の符号のいずれか一つが正であるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値を小さくなるように変更し、
前記各微分値の符号が全て負であるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値が大きくなるように変更する、
電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路。 - 複数個並列接続される電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路であって、
前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタ電流の微分値を検出する手段と、
前記各コレクタ電流の微分値を加算する手段と、
前記各微分値を加算した結果の符号を検出する手段と、
前記各符号の検出結果に基づいて実効ゲート抵抗値を決定する手段と、
前記実効ゲート抵抗値の変更の決定に基づいて、前記実効ゲート抵抗値を変更する手段とを備え、
前記実効ゲート抵抗値を決定する手段は、
前記各微分値の加算結果がゼロであるときは、全ての前記電圧駆動型半導体素子の実効ゲート抵抗値が小さくなるように変更する、
電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路。 - 前記実効ゲート抵抗値を変更する手段は、ゲート抵抗を複数個並列接続し、いずれかのゲート抵抗の通電の有無を切り替えることにより、前記実効ゲート抵抗値の変更を行う、
ことを特徴とする、請求項6又は請求項7に記載の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路。
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