JP5109480B2 - 電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数個直列に接続された電圧駆動型半導体素子のゲートを駆動するための、ゲート駆動装置に関する。

図４に、各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個直列に接続した、一般的な電力変換装置の回路構成図を示す。図４の符号１６は三相交流電源、１７は整流回路、１８は平滑用コンデンサ、１９〜２４は複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子からなるスイッチングアーム、２５はモータ負荷である。

図４において、複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子で、そのターンオン時のゲート信号のタイミングがばらついた場合、各素子の電圧分担が不平衡（電圧アンバランス）となり、最悪の場合には、過電圧が印加された電圧駆動型半導体素子が破壊するおそれがある。
この電圧アンバランスを抑制する技術として、例えば特許文献１に開示されているように、各電圧駆動型半導体素子のゲート線を互いに磁気手段（コア）により結合することで、ゲート信号のタイミングを調整する方法がある。

図５に特許文献１の概要を示す。同図は、各アームに電圧駆動型半導体素子が複数個直列接続された電力変換装置における１アーム分を示しており、電圧駆動型半導体素子としてはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を使用し、これを図示のように２個直列に接続した場合の例である。符号１，２はダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ、５，６はゲート駆動回路、１３は磁気結合回路である。つまり、各ＩＧＢＴ１，２にはゲート駆動回路５，６をそれぞれ接続し、互いのゲート線を磁気結合回路１３により結合したものである。

図５のターンオン時の動作について説明する。図５において、例えばＩＧＢＴ１のターンオン信号がＩＧＢＴ２よりも早く入力された場合、ゲート駆動回路５→磁気結合回路１３→ＩＧＢＴ１のゲート→ＩＧＢＴ１のエミッタ→ゲート駆動回路５の経路でＩＧＢＴ１にゲート電流が流れる。

磁気結合回路１３の一次巻線にゲート電流が流れると、磁気結合回路１３の二次巻線にもゲート電流が流れ、ＩＧＢＴ１のゲート電圧VGE(Q1)とＩＧＢＴ２のゲート電圧VGE(Q2)が同時に上昇し、ターンオン動作を開始する。その結果、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２のゲート信号タイミングが一致するため、ターンオン時の電圧アンバランスを抑制することが可能となる。

特開２００２−２０４５７８号公報

上記のように、ゲート信号タイミングを磁気結合手段で調整することで、ターンオン時の電圧アンバランスを抑制することができる。しかしながら、各電圧駆動型半導体素子のゲートしきい値電圧VGE(th)にばらつきがある場合には、磁気結合手段によりゲート信号タイミングが調整されているにもかかわらず、ターンオン時に電圧アンバランスが発生するおそれがある。

ゲートしきい値電圧VGE(th)にばらつきがある場合（例えば、Q2のしきい値電圧がQ1のそれよりも高い、VGE(th) Q1＜VGE(th) Q2の場合）の、ターンオン動作について説明する。
図６に、ＩＧＢＴ１のターンオン信号が、ＩＧＢＴ２よりも早く入力された場合の動作波形を示す。図６でＩＧＢＴ１のターンオン信号が入力されると、磁気結合回路１３の作用により、ＩＧＢＴ１のゲート電圧VGE(Q1)とＩＧＢＴ２のゲート電圧VGE(Q2)が同時に上昇するため、ゲート信号タイミングが調整される。

しかし、ＩＧＢＴ２のゲートしきい値電圧が、ＩＧＢＴ１のゲートしきい値電圧よりも高いことから、ＩＧＢＴ２のゲート電圧がゲートしきい値電圧に達するまでの時間は、ＩＧＢＴ１と比べて長くなる。その結果、ＩＧＢＴ２のコレクタ−エミッタ間電圧VCE(Q2)の下降動作がＩＧＢＴ１より遅れ（図６の破線参照）、電圧アンバランスが発生する。このように、磁気結合手段によってターンオン時のゲート信号タイミングが一致していても、各電圧駆動型半導体素子のゲートしきい値電圧VGE(th)にばらつきがある場合には、ターンオン時に電圧アンバランスが発生し、場合によっては過大な跳ね上がり電圧(Vp)が印加されて、電圧駆動型半導体素子が破壊する場合がある、と言うわけである。

従って、この発明の課題は、各電圧駆動型半導体素子のゲートしきい値電圧にばらつきがある場合でも、ターンオン時の電圧アンバランスを抑制し得るようにすることにある。

このような課題を解決するため、この発明では、電力変換装置の各アームに複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子のスイッチングタイミングを調整するために、各電圧駆動型半導体素子のゲート線を互いに磁気結合手段にて結合したゲート駆動装置において、前記電圧駆動型半導体素子のそれぞれに、そのターンオン動作時にはそれぞれのゲート電圧がゲートしきい値電圧に達するまでの時間と時間差を短縮する通常のゲート順バイアス電圧よりも高い電圧でターンオンさせ、ターンオン動作後には通常のゲート順バイアス電圧に戻す手段を設けたことを特徴とする。

この発明によれば、ターンオン動作時に、通常のゲート順バイアス電圧よりも高い電圧で電圧駆動型半導体素子をターンオンさせることにより、各電圧駆動型半導体素子のゲートしきい値電圧にばらつきがある場合でも、ターンオン時の電圧アンバランスを抑制することができる。また、ターンオン動作後に通常のゲート順バイアス電圧に戻すことで、ゲート順バイアス電圧を高くすることにより生じるターンオフ時の跳ね上がり電圧の増加や、短絡時の電流増加を防ぐことができる。

図１はこの発明の実施の形態を示すブロック図である。
これは図５に示す回路に対し、オーバドライブ回路９，１０を付加した点が特徴で、その他は同様である。オーバドライブ回路９，１０は、ＩＧＢＴ１，２を通常のゲート順バイアス電圧よりも高い電圧でターンオンさせ、その後通常のゲート順バイアス電圧に戻す機能を有している。

その動作について説明する。
図２に、ＩＧＢＴ１のターンオン信号が、ＩＧＢＴ２よりも早く入力された場合の動作波形を示す。
図２においてＩＧＢＴ１のターンオン信号が入力されると、磁気結合回路１３の作用により、ＩＧＢＴ１のゲート電圧VGE(Q1)とＩＧＢＴ２のゲート電圧VGE(Q2)が同時に上昇するため、ゲート信号のタイミング調整が行なわれるのは、図６の場合と同様である。

図２ではオーバドライブ回路９，１０により、通常のゲート順バイアス電圧よりも高いゲート電圧Vcc+αでターンオン動作が開始される。このとき、ゲート電圧が電圧Vcc+αにまで到達する時間（ゲート電圧立上がり時間T(on)）は、ＩＧＢＴの入力容量Ciesと抵抗値Rgの時定数で決まるため、従来例と同様となるが、ゲートしきい値電圧にまで達する時間T(th)は、順バイアス電圧が高いため従来例に比べて短くなる。

その結果、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２のゲート電圧が、ゲートしきい値電圧にまで達する時間の差ΔT(th)も、従来例に比べて短くなるため、ＩＧＢＴ２のコレクタ−エミッタ間電圧VCE(Q2)の下降動作の遅れが改善される。このことから、図２のように通常のゲート順バイアス電圧よりも高いゲート電圧でターンオンすることで、ターンオン時の電圧アンバランスが抑制され、それによる跳ね上がり電圧Vpも低減される。

そして、ターンオン動作後に、ゲート電圧を通常のゲート順バイアス電圧値に戻すことで、順バイアス電圧が高くなることによって生じるターンオン時の跳ね上がり電圧の増加や、短絡時の電流増加を防ぐことができる。

図３に図１の変形例を示す。すなわち、図１ではＩＧＢＴが２直列の例であったが、ここではＩＧＢＴ１〜４と４直列とし、そのそれぞれにゲート駆動回路５〜８とオーバドライブ回路９〜１２を設けるとともに、ゲート線を互いに磁気結合する磁気結合回路１３〜１５を設けただけで、動作も図１の場合とほぼ同じなので、詳細は省略する。

以上により、この発明では、各ＩＧＢＴのゲートしきい値電圧にばらつきがある場合でも、ターンオン動作時に、通常のゲート順バイアス電圧よりも高いゲート電圧でターンオンさせ、その後、通常のゲート順バイアス電圧に戻すことにより、ターンオフ時の跳ね上がり電圧や、短絡時の電流を増加させることなく、ターンオン時の電圧アンバランスを抑制することができる。

この発明の実施の形態を示す構成図 図１の動作を説明するための波形図 図１の変形例を示す構成図 各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続した一般的な電力変換装置の構成図 特許文献１の概要を説明する構成図 図５の動作を説明する波形図

符号の説明

１〜４…ＩＧＢＴ、５〜８…ゲート駆動回路、９〜１２…オーバドライブ回路、１３〜１５…磁気結合回路、１６…三相交流電源、１７…整流回路、１８…平滑コンデンサ、１９〜２４…スイッチングアーム、２５…モータ負荷。

Claims (1)

1. 電力変換装置の各アームに複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子のスイッチングタイミングを調整するために、各電圧駆動型半導体素子のゲート線を互いに磁気結合手段にて結合したゲート駆動装置において、
   前記電圧駆動型半導体素子のそれぞれに、そのターンオン動作時にはそれぞれのゲート電圧がゲートしきい値電圧に達するまでの時間と時間差を短縮する通常のゲート順バイアス電圧よりも高い電圧でターンオンさせ、ターンオン動作後には通常のゲート順バイアス電圧に戻す手段を設けたことを特徴とする電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置。

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