JP5425292B2 - Gate drive device - Google Patents

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Description

この発明は、IGBTやFET等の電圧駆動型のスイッチングデバイスにおいて使用する、ゲート駆動回路に関するものである。   The present invention relates to a gate drive circuit used in voltage-driven switching devices such as IGBTs and FETs.

従来のスイッチングデバイスにおいては、ゲート電源よりドライブICや、ドライブ回路を通じゲート抵抗を介してスイッチングデバイスのゲートを駆動している(例えば特許文献1参照)。   In a conventional switching device, the gate of the switching device is driven from a gate power supply through a drive IC or a drive circuit via a gate resistor (see, for example, Patent Document 1).

特開平8−33315号公報([0008]〜[0011]図6)JP-A-8-33315 ([0008] to [0011] FIG. 6)

このような従来のゲート駆動装置にあっては、スイッチングデバイスがOFFからONに遷移する時間が素子の個々の特性により大きくばらついてしまうという問題があった。
以下、図27、図28に基づき、このターンON期間におけるON遷移時間のバラツキに関して、IGBTを例にとりその動作とともに詳しく説明する。なお、負荷は、誘導負荷Lであり、電流I(A)が負荷とダイオードでフライホイールしているものとする。図27は、回路構成図、図28は、その動作説明図である。
In such a conventional gate drive device, there is a problem that the time for the switching device to transition from OFF to ON varies greatly depending on the individual characteristics of the element.
Hereinafter, with reference to FIGS. 27 and 28, the variation in the ON transition time during the turn-on period will be described in detail along with the operation of the IGBT as an example. It is assumed that the load is an inductive load L and the current I (A) is flywheeled with the load and a diode. FIG. 27 is a circuit configuration diagram, and FIG. 28 is an operation explanatory diagram thereof.

制御信号(ゲート制御信号)からONの指令がなされると、ゲートドライブICは、IGBT1のゲート(G)に対し、ゲート抵抗Rgを通じ制御電源の電圧VDDを印加しゲート入力容量Cgeに充電を行う。このとき、ゲート電圧がゲート閾値電圧(Vth)に至るまではIGBT1はOFFのままである(図28[1])。
Vthを過ぎIGBT1のC−E間に電流が流れ始め、ゲート電圧がVmirrorとなると、IGBT1のコレクタ電流IcはI(A)となる(図28[1]〜[2]の期間)。
When an ON command is issued from the control signal (gate control signal), the gate drive IC applies the voltage VDD of the control power supply to the gate (G) of the IGBT 1 through the gate resistance Rg to charge the gate input capacitance Cge. . At this time, the IGBT 1 remains OFF until the gate voltage reaches the gate threshold voltage (Vth) ([1] in FIG. 28).
When Vth passes and current begins to flow between CE of IGBT1, and the gate voltage becomes Vmirror, the collector current Ic of IGBT1 becomes I (A) (period [1] to [2] in FIG. 28).

この電流がOFFからONになるまでの時間は、ゲート電圧がVthを越えVmirror(Vmirror=ミラー電圧と呼ぶ)になるまでの時間に対応し、下式で表される。   The time until this current is turned on from OFF corresponds to the time until the gate voltage exceeds Vth and becomes Vmirror (referred to as Vmirror = mirror voltage), and is expressed by the following equation.

I−ON=−CRln(1−Vmirror/VDD)−{−CRln(1−Vth/VDD)} t I-ON = -CRln (1-Vmirror / VDD)-{-CRln (1-Vth / VDD)}

ここで、ミラー電圧およびVthには個々の特性によりバラツキが有り、例えば、ミラー電圧の高いIGBTでは、指数関数的に上記時間が長くなり、即ち、スイッチングが遅くなる(図28[2]’)。
ゲート電圧がミラー電圧となりさらに充電を続けるとIGBT1のVceがON状態に遷移する(図28[2]〜[3]の期間)。
この間の時間は、帰還容量(Cgc)に充電されているミラー電荷(Qgc)を用いて下式で表される。
Here, the mirror voltage and Vth vary depending on individual characteristics. For example, in an IGBT having a high mirror voltage, the above time is exponentially increased, that is, switching is slow (FIG. 28 [2] ′). .
When the gate voltage becomes a mirror voltage and further charging is continued, the Vce of the IGBT 1 changes to the ON state (period [2] to [3] in FIG. 28).
The time during this time is expressed by the following equation using the mirror charge (Qgc) charged in the feedback capacitor (Cgc).

V−ON=Qgc×Rg/(VDD−Vmirror) t V-ON = Qgc × Rg / (VDD−Vmirror)

そして、この間のゲートへの充電電流Igは次式で表される。   The charging current Ig to the gate during this period is expressed by the following equation.

Ig=ΔV/Rg=(VDD−Vmirror)/Rg   Ig = ΔV / Rg = (VDD−Vmirror) / Rg

このため、ミラー電圧が高いほどVceのON遷移までの時間が長くなってしまう(図28[2]’〜[3]’の期間)。
また、その後Vceが完全にON状態に遷移するまではさらにミラー電圧での充電が必要であり、その期間はIg電流に依存する(図28[4][4]’)。
For this reason, the higher the mirror voltage, the longer the time until the ON transition of Vce (period [2] ′ to [3] ′ in FIG. 28).
Further, until the Vce completely transitions to the ON state, further charging with the mirror voltage is necessary, and the period depends on the Ig current (FIG. 28 [4] [4] ′).

なお、ミラー電圧は、下式の通り、IGBT1のゲート閾値電圧Vthと電流増幅度gmと出力電流Icとで決まり、Vthに大きく依存する。   The mirror voltage is determined by the gate threshold voltage Vth, current amplification factor gm, and output current Ic of the IGBT 1 as shown in the following equation, and greatly depends on Vth.

Vmirror=Vth+√(Ic/gm)   Vmirror = Vth + √ (Ic / gm)

従って、Vthのバラツキが、CR充電時間のバラツキとなり、IcON遷移時間(tI−ON)のバラツキとなる。また、Vthとgmのバラツキが、ミラー電圧のバラツキとなり、充電電流のバラツキを生じ、充電時間のバラツキとなることで、VceON遷移時間(tV−ON)のバラツキとなる。 Accordingly, the variation in Vth becomes the variation in the CR charging time, and the variation in the IcON transition time (t I-ON ). Further, the variation in Vth and gm causes the variation in the mirror voltage, the variation in the charging current, and the variation in the charging time, resulting in the variation in the VceON transition time (t V-ON ).

ON遷移時間(tON=tI−ON+tV−ON)と損失との関係は次式で表される。 The relationship between the ON transition time (t ON = t I-ON + t V-ON ) and the loss is expressed by the following equation.

Ploss(on)=1/2×Ic×Vce×tI−ON×f
+1/2×Ic×Vce×tV−ON×f
=1/2×Ic×Vce×tON×f
但し、Vce:定常時のVce電圧、Ic:ON後のコレクタ電流、f:スイッチング周波数
Ploss (on) = 1/2 × Ic × Vce × t I-ON × f
+ 1/2 × Ic × Vce × t V-ON × f
= 1/2 × Ic × Vce × t ON × f
Where Vce: Vce voltage at steady state, Ic: Collector current after ON, f: Switching frequency

以上のように、IcON遷移時間のバラツキとVceON遷移時間のバラツキが共にスイッチング損失のバラツキとなってしまう。
なお、ゲート抵抗値Rgをより小さくすることで、バラツキの影響を小さくすることが可能ではあるが、現実に使用するIGBTにおいては、過剰にスイッチング速度を上げ過ぎることの無いよう、ゲート抵抗の接続が必須であることは一般的に示されている。また、EMI対策としてスイッチング時のdV/dtやdI/dtを制限することが一般的な処置である。
そのため、従来では、ミラー最小電圧の条件でON遷移時間ton最小値を設計し、スイッチング速度(max)時のゲート抵抗を決定する。そして、ゲート抵抗が決まった条件でミラー電圧最大時のスイッチング速度を求め、この時間を基にスイッチング損失を設計しなければならない。よって、ミラー電圧のバラツキによる損失のバラツキは大きくなる傾向にある。なお、OFF遷移も同じで、同様の問題点がある。
As described above, the variation in IcON transition time and the variation in VceON transition time both cause variations in switching loss.
Although it is possible to reduce the influence of variation by making the gate resistance value Rg smaller, in the IGBT that is actually used, the connection of the gate resistance should not be excessively increased. It is generally shown that is essential. As a measure against EMI, it is a general measure to limit dV / dt and dI / dt during switching.
Therefore, conventionally, the minimum value of the ON transition time ton is designed under the condition of the minimum mirror voltage, and the gate resistance at the switching speed (max) is determined. Then, the switching speed when the mirror voltage is maximum is obtained under the condition that the gate resistance is determined, and the switching loss must be designed based on this time. Therefore, the variation in loss due to the variation in mirror voltage tends to increase. The OFF transition is the same and has the same problem.

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ゲート駆動装置で駆動される複数個のスイッチングデバイスにおけるVth、ミラー電圧のバラツキによるスイッチング速度のバラツキを抑え、かつ損失のバラツキを最小限とすることができるゲート駆動装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and suppresses variations in switching speed due to variations in Vth and mirror voltage in a plurality of switching devices driven by a gate driving device, and loss. An object of the present invention is to obtain a gate driving device capable of minimizing the variation of.

この発明に係るゲート駆動装置は、電圧駆動型のスイッチングデバイスのゲートに接続され、オン/オフゲート制御信号に基づき上記スイッチングデバイスをターンオン/ターンオフさせるゲート信号を上記ゲートに出力するゲート駆動装置において、
ターンオン動作およびターンオフ動作のいずれか一方または双方のためのゲート駆動装置として、
ゲート信号を定電流出力で作成する定電流パルスゲート駆動回路、ゲート信号を定電圧出力で作成する定電圧パルスゲート駆動回路、および定電流パルスゲート駆動回路の動作と定電圧パルスゲート駆動回路の動作との切替を行う判定切替回路を備え、
判定切替回路は、ゲートの電圧を検出するゲート電圧検出回路、ゲート電圧と所定の第1の設定値との大小を判定する第1の判定回路、ゲート電圧と所定の第2の設定値との大小を判定する第2の判定回路、およびターンオン動作においては、先ず、定電流パルスゲート駆動回路をゲートに接続し、第1の判定回路によりゲート電圧が第1の設定値を越えたと判定されたとき定電流パルスゲート駆動回路に替え定電圧パルスゲート駆動回路をゲートに接続し、ターンオフ動作においては、先ず、定電流パルスゲート駆動回路をゲートに接続し、第2の判定回路によりゲート電圧が第2の設定値未満と判定されたとき定電流パルスゲート駆動回路に替え定電圧パルスゲート駆動回路をゲートに接続する切替回路を備え、
ターンオン動作において第1の判定回路によりゲート電圧が第1の設定値を越えたと判定されたとき第1の判定回路の第1の設定値を所定量低減した設定値に変更する第1の設定値変更回路、およびターンオフ動作において第2の判定回路によりゲート電圧が第2の設定値未満と判定されたとき第2の判定回路の第2の設定値を所定量増大した設定値に変更する第2の設定値変更回路を備え、
定電流パルスゲート駆動回路の制御電源の電圧を、定電圧パルスゲート駆動電源の制御電源の電圧より高く設定したものである。
A gate driving device according to the present invention is connected to the gate of a voltage-driven switching device, and outputs a gate signal to the gate for turning on / off the switching device based on an on / off gate control signal.
As a gate driving device for one or both of turn-on operation and turn-off operation,
Operation of constant current pulse gate drive circuit that creates gate signal with constant current output, constant voltage pulse gate drive circuit that creates gate signal with constant voltage output, and operation of constant current pulse gate drive circuit and constant voltage pulse gate drive circuit And a determination switching circuit for switching between
The determination switching circuit includes a gate voltage detection circuit that detects a gate voltage, a first determination circuit that determines a magnitude between the gate voltage and a predetermined first set value, and a gate voltage and a predetermined second set value. In the second determination circuit for determining the magnitude and the turn-on operation, first, the constant current pulse gate drive circuit is connected to the gate, and it is determined by the first determination circuit that the gate voltage has exceeded the first set value. When a constant voltage pulse gate drive circuit is connected to the gate instead of the constant current pulse gate drive circuit, the constant current pulse gate drive circuit is first connected to the gate in the turn-off operation. A switching circuit for connecting the constant voltage pulse gate drive circuit to the gate instead of the constant current pulse gate drive circuit when determined to be less than the set value of 2;
A first setting value for changing the first setting value of the first determination circuit to a setting value reduced by a predetermined amount when the first determination circuit determines that the gate voltage has exceeded the first setting value in the turn-on operation. A second circuit for changing the second set value of the second determination circuit to a set value increased by a predetermined amount when the gate voltage is determined to be less than the second set value by the second determination circuit in the change circuit and the turn-off operation. With a set value change circuit
The voltage of the control power source of the constant current pulse gate driving circuit is set higher than the voltage of the control power source of the constant voltage pulse gate driving power source.

この発明によれば、ゲート駆動時の遷移期間を定電流出力で駆動することにより、スイッチングデバイスにおけるゲート閾値電圧、ミラー電圧のバラツキによる遷移期間のバラツキを最小限にとどめることができ、スイッチング速度、スイッチング損失のバラツキを大幅に抑えることができる、さらに、MOS型のゲート構造を有する電圧駆動型のスイッチングデバイスにおいては定電圧駆動に切り替えることにより、スイッチングデバイスのゲート酸化膜の信頼性を損なうことなく駆動できる、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。
また、各設定値付近におけるゲート電圧のふらつきによる定電流駆動、定電圧駆動切り替えバタツキ等を防止することができる。
更に、定電流パルスゲート駆動回路に使用する部品の固体バラツキによる定電流設定値のバラツキを抑えることができる。
According to the present invention, by driving the transition period at the time of gate driving with a constant current output, the variation of the transition period due to the variation of the gate threshold voltage and the mirror voltage in the switching device can be minimized, the switching speed, Switching voltage variation can be greatly suppressed. In addition, voltage-driven switching devices having a MOS-type gate structure can be switched to constant voltage drive without compromising the reliability of the gate oxide film of the switching device. There is an unprecedented remarkable effect that it can be driven.
Further, it is possible to prevent constant current driving, constant voltage driving switching flutter, and the like due to the fluctuation of the gate voltage in the vicinity of each set value.
Furthermore, it is possible to suppress variations in the constant current set value due to solid variations in parts used in the constant current pulse gate drive circuit.

本発明の実施の形態1によるゲート駆動装置の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a gate driving device according to a first embodiment of the present invention. 実施の形態1によるゲート駆動装置の動作を説明する為の波形図である。FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the operation of the gate drive device according to the first embodiment. ON定電流パルスゲート駆動回路21の回路図である。3 is a circuit diagram of an ON constant current pulse gate drive circuit 21. FIG. ON定電流パルスゲート駆動回路21−1の回路図である。It is a circuit diagram of ON constant current pulse gate drive circuit 21-1. 判定/切替回路4の回路図である。3 is a circuit diagram of a determination / switching circuit 4. FIG. ON定電流パルスゲート駆動回路21−2の回路図である。It is a circuit diagram of ON constant current pulse gate drive circuit 21-2. ON定電流パルスゲート駆動回路21−3の回路図である。It is a circuit diagram of ON constant current pulse gate drive circuit 21-3. OFF定電流パルスゲート駆動回路22の回路図である。3 is a circuit diagram of an OFF constant current pulse gate drive circuit 22. FIG. OFF定電流パルスゲート駆動回路22−1の回路図である。It is a circuit diagram of the OFF constant current pulse gate drive circuit 22-1. OFF定電流パルスゲート駆動回路22−2の回路図である。It is a circuit diagram of the OFF constant current pulse gate drive circuit 22-2. OFF定電流パルスゲート駆動回路22−3の回路図である。It is a circuit diagram of OFF constant current pulse gate drive circuit 22-3. 本発明の実施の形態1によるゲート駆動装置の第2の例を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the 2nd example of the gate drive device by Embodiment 1 of this invention. ゲート駆動装置の第2の例に使用する判定/切替回路4’の回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram of a determination / switching circuit 4 ′ used in the second example of the gate driving device. 本発明の実施の形態1によるゲート駆動装置の第3の例を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the 3rd example of the gate drive device by Embodiment 1 of this invention. ゲート駆動装置の第3の例に使用する判定/切替回路4”の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a determination / switching circuit 4 ″ used in a third example of a gate driving device. 本発明の実施の形態2によるゲート駆動装置の一部構成図である。It is a partial block diagram of the gate drive device by Embodiment 2 of this invention. 電圧制限回路5の回路図である。3 is a circuit diagram of a voltage limiting circuit 5. FIG. 本発明の実施の形態2によるゲート駆動装置の全体構成図である。It is a whole block diagram of the gate drive device by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3による素子バラツキの改善回路例1である。It is the example 1 of the improvement circuit example of the element variation by Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3による素子バラツキの改善回路例2である。It is the example 2 of an improvement circuit of the element variation by Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4による電流切替部211の回路図である。It is a circuit diagram of the current switching part 211 by Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態4による電流切替部221の回路図である。It is a circuit diagram of the current switching part 221 by Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態4による動作説明の為の波形図である。It is a wave form diagram for operation | movement description by Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5による第1の判定回路41の回路図である。It is a circuit diagram of the 1st determination circuit 41 by Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態5による第2の判定回路42の回路図である。It is a circuit diagram of the 2nd determination circuit 42 by Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態6による判定回路43の回路図である。It is a circuit diagram of the determination circuit 43 by Embodiment 6 of this invention. 従来のゲート駆動回路の構成例である。It is a structural example of the conventional gate drive circuit. 従来のゲート駆動回路の動作状態を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the operation state of the conventional gate drive circuit.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1によるゲート駆動装置の全体構成図である。スイッチングデバイス1のゲートに定電流パルスゲート駆動回路2の出力を接続し、さらに定電圧パルスゲート駆動回路3の出力を接続する。
判定/切替回路4は、制御信号(ゲート制御信号)とスイッチングデバイス1のゲート電圧(ゲート電圧検出回路は図示せず)とを入力し、定電流パルスゲート駆動回路2にON定電流/OFF定電流の制御信号を、定電圧パルスゲート駆動回路3にON定電圧/OFF定電圧の制御信号を出力接続する。
ここで、定電流パルスゲート駆動回路2に使用する制御電源の電圧VDD2は定電圧パルスゲート駆動回路3の制御電源の電圧VDD1よりも高く設定する。これは、後段で詳述するように、定電流パルスゲート駆動回路2に使用する部品(半導体デバイス)の固体バラツキによる定電流設定値のバラツキを抑えるためである。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a gate driving apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The output of the constant current pulse gate drive circuit 2 is connected to the gate of the switching device 1, and the output of the constant voltage pulse gate drive circuit 3 is further connected.
The determination / switching circuit 4 inputs the control signal (gate control signal) and the gate voltage of the switching device 1 (the gate voltage detection circuit is not shown), and the constant current pulse gate drive circuit 2 is turned ON / constant current / OFF constant. The current control signal is connected to the constant voltage pulse gate drive circuit 3 as an ON constant voltage / OFF constant voltage control signal.
Here, the voltage VDD2 of the control power supply used for the constant current pulse gate drive circuit 2 is set higher than the voltage VDD1 of the control power supply of the constant voltage pulse gate drive circuit 3. As described in detail later, this is to suppress variations in the constant current setting value due to solid variations in components (semiconductor devices) used in the constant current pulse gate drive circuit 2.

次に、図1のゲート駆動装置を使用した回路構成にて誘導負荷Lを駆動する場合を例にとり動作を説明する。図2に、本構成における制御信号、ゲート電圧波形、IGBTのコレクタ電流Icとコレクタ−エミッタ間電圧Vceのチャートを示す。なお、誘導負荷Lは、電流I(A)で負荷とダイオードの閉回路にてフライホイールしているものとする。
図2において、Vmirror(ミラー電圧)のバラツキを考慮し、ミラー電圧がVmirror1の製品の動作を黒で、Vmirror2の製品の動作を灰色で示す。
Next, the operation will be described by taking as an example the case where the inductive load L is driven in the circuit configuration using the gate driving device of FIG. FIG. 2 shows a chart of the control signal, the gate voltage waveform, the IGBT collector current Ic, and the collector-emitter voltage Vce in this configuration. It is assumed that the inductive load L is flywheeled with a current I (A) in a closed circuit of the load and the diode.
In FIG. 2, considering the variation in Vmirror (mirror voltage), the operation of a product with a mirror voltage of Vmirror1 is shown in black, and the operation of a product with a Vmirror2 is shown in gray.

以下、ON動作(ターンオン動作)、従って、制御信号に“H”が入力されIGBT1がONするまでの動作について詳しく説明する。
制御信号に“H”が入力されると、判定/切替回路4の判定により、ON定電流の制御信号が出力される。これにより、ON定電流パルスゲート駆動回路21が動作し、スイッチングデバイス1のゲートに定電流Igが供給されゲート入力容量Cgeに定電流充電を行なう。
このとき、ゲート電圧がゲート閾値電圧(Vth)に至るまでは、IGBT1はOFFのままである(図2[1]、[1]’)。Vthを過ぎIGBT1のC−E間に電流が流れ始め、ゲート電圧がミラー電圧となると、IGBT1のコレクタ電流IcはI(A)となる(図2[1]〜[2]、[1]’〜[2]’の期間)。
なお、ここで、Vth(ゲートしきい値電圧)は、スイッチング素子定格電流比として0.01%の電流がスイッチング素子に流れる時のゲート電圧とする。
Hereinafter, the ON operation (turn-on operation), and therefore, the operation until “H” is input to the control signal and the IGBT 1 is turned ON will be described in detail.
When “H” is input to the control signal, an ON constant current control signal is output according to the determination of the determination / switching circuit 4. As a result, the ON constant current pulse gate drive circuit 21 operates, the constant current Ig is supplied to the gate of the switching device 1, and the gate input capacitance Cge is charged with a constant current.
At this time, the IGBT 1 remains OFF until the gate voltage reaches the gate threshold voltage (Vth) (FIG. 2 [1], [1] ′). When Vth passes and current begins to flow between CE of IGBT1, and the gate voltage becomes mirror voltage, collector current Ic of IGBT1 becomes I (A) (FIGS. 2 [1] to [2], [1] ' ~ [2] 'period).
Here, Vth (gate threshold voltage) is a gate voltage when a current of 0.01% as a switching element rated current ratio flows through the switching element.

この電流がOFFからONになるまでの時間に関して、従来の抵抗を介した定電圧−抵抗駆動の場合は、既述した式を変形して以下のように表され、VDDとVthに依存していた。   In the case of constant voltage-resistance driving through a conventional resistor, the time until this current is turned from OFF to ON is expressed as follows by modifying the above-described equation and depends on VDD and Vth. It was.

I−ON旧=−Cge・Rg・ln{1−1/(VDD−Vth)・√(Ic/gm)} t I-ON old = −Cge · Rg · ln {1-1 / (VDD−Vth) · √ (Ic / gm)}

これに対し、図1に示すように、定電流で駆動すると、電流がOFFからONになるまでの時間は次式で表され、VDDやVthに依存しなくなる。   On the other hand, as shown in FIG. 1, when driving with a constant current, the time until the current turns from OFF to ON is expressed by the following equation and does not depend on VDD or Vth.

I−ON=Cge・1/Ig・√(Ic/gm) t I-ON = Cge · 1 / Ig · √ (Ic / gm)

これにより、時間tI−ONのバラツキをなくすことが可能となる。
ゲート電圧がミラー電圧となり、さらに充電を続けるとIGBT1のVceがONに遷移する(図2[2]〜[4]、[2]’〜[4]’の期間)。
Thereby, it is possible to eliminate variations in time t I-ON .
When the gate voltage becomes a mirror voltage and further charging is continued, the Vce of the IGBT 1 transitions to ON (periods [2] to [4], [2] ′ to [4] ′ in FIG. 2).

従来の定電圧−抵抗駆動においては、ミラー電圧後のゲートへの充電電流Igは、
Ig=ΔV/Rg=(VDD−Vmirror)/Rg
であらわされ、帰還容量(Cgc)に充電されているミラー電荷(Qgc)を用いると、IGBT1のVceがON状態に遷移する時間は、
V−ON旧=Qgc×Rg/(VDD−Vmirror)
で表されるため、ミラー電圧が高いほどこの時間が長くなってしまっていた。
しかし、図1で示すように、定電流で駆動することにより、IGBT1のVceがON状態に遷移する時間は、
V−ON=Qgc/Ig
で表され、ミラー電圧の影響を受けず、一定時間でONに遷移する。
In the conventional constant voltage-resistance drive, the charging current Ig to the gate after the mirror voltage is
Ig old = ΔV / Rg = (VDD−Vmirror) / Rg
When the mirror charge (Qgc) charged in the feedback capacitor (Cgc) is used, the time for the Vce of the IGBT 1 to transition to the ON state is
t V-ON old = Qgc × Rg / (VDD-Vmirror)
Therefore, the higher the mirror voltage, the longer this time.
However, as shown in FIG. 1, by driving with constant current, the time for the Vce of the IGBT 1 to transition to the ON state is
t V-ON = Qgc / Ig
And is turned on in a certain time without being affected by the mirror voltage.

次に、以下、OFF動作(ターンオフ動作)、従って、制御信号に“L”が入力されIGBT1がOFFするまでの動作について詳しく説明する。制御信号に“L”が入力されると、判定/切替回路4により、OFF定電流の制御信号が出力される。これにより、OFF定電流パルスゲート駆動回路22が動作し、スイッチングデバイス1のゲートから定電流で電荷が放出され、ゲート容量Cge+Cgcが定電流で放電される。このとき、ゲート電圧がミラー電圧となるまではIGBT1はONのままである(図2[5]〜[6]の期間)。   Next, the OFF operation (turn-off operation), and therefore, the operation from when “L” is input to the control signal until the IGBT 1 is turned OFF will be described in detail. When “L” is input to the control signal, the determination / switching circuit 4 outputs an OFF constant current control signal. As a result, the OFF constant current pulse gate drive circuit 22 operates, charges are discharged from the gate of the switching device 1 with a constant current, and the gate capacitance Cge + Cgc is discharged with a constant current. At this time, the IGBT 1 remains ON until the gate voltage becomes the mirror voltage (period [5] to [6] in FIG. 2).

ゲート電圧がミラー電圧まで低下すると、徐々にVce電圧が上昇し始め、OFFに遷移する。このとき、帰還容量(Cgc)に充電すべきミラー電荷(Qgc)の充電時間がVceのOFF時間である。
ミラー電荷(Qgc)の充電時間について、従来の定電圧−抵抗駆動では、
V−OFF旧=Qgc×Rg/Vmirror
で表されるため、ミラー電圧が高いほどVceのOFF遷移までの時間が短くなってしまっていた。
これに対し、図1で示すように、定電流で駆動することにより、VceのOFF遷移までの時間は、
V−OFF=Qgc/Ig
で表され、ミラー電圧の影響を受けず、一定時間でOFFに遷移する。(図2[6]〜[8]の期間)。
When the gate voltage drops to the mirror voltage, the Vce voltage starts to rise gradually and transitions to OFF. At this time, the charging time of the mirror charge (Qgc) to be charged in the feedback capacitor (Cgc) is the OFF time of Vce.
Regarding the charging time of the mirror charge (Qgc), in the conventional constant voltage-resistance driving,
t V-OFF old = Qgc × Rg / Vmirror
Therefore, the higher the mirror voltage, the shorter the time to the Vce OFF transition.
On the other hand, as shown in FIG. 1, by driving with a constant current, the time to the Vce OFF transition is
t V-OFF = Qgc / Ig
And is turned off in a certain time without being affected by the mirror voltage. (Period of FIG. 2 [6]-[8]).

ゲート電圧がミラー電圧より下がると、VceがOFFに遷移しているので、ゲート駆動装置から見た容量は、それまでのCge+CgcからCgeに減少する。
そして、さらに放電を続けると、IGBT1のIcがOFFに遷移する。その初期時では、ゲート電圧がミラー電圧であるため、IGBT1のコレクタ電流IcはI(A)であるが、徐々にゲート電圧が減少し、Vthまで遷移するとIcはほぼ0(A)となりOFFに遷移する(図2[8]〜[9]の期間)。
When the gate voltage falls below the mirror voltage, Vce transitions to OFF, so that the capacity viewed from the gate driving device decreases from Cge + Cgc so far to Cge.
When the discharge is further continued, Ic of the IGBT 1 transitions to OFF. At the initial stage, since the gate voltage is a mirror voltage, the collector current Ic of the IGBT 1 is I (A), but when the gate voltage gradually decreases and transitions to Vth, Ic becomes almost 0 (A) and is turned OFF. Transition (period [8] to [9] in FIG. 2).

この電流がONからOFFになるまでの時間、従って、ゲート電圧がミラー電圧を下回り、Vthになるまでの期間は、従来の定電圧−抵抗駆動では、
I−OFF旧=Cge・Rg・ln(1+1/Vth・√(Ic/gm))
で表され、Vthに依存していた。これに対し、図1に示したように、定電流で駆動することにより、この期間は、
I−OFF=Cge/Ig×√(Ic/gm)
で表され、Vthに依存しなくなり、一定時間でOFFに遷移する。
以上詳細に説明したように、定電流で駆動することにより、スイッチング速度のバラツキを大幅に抑えることが可能となる。
In the conventional constant voltage-resistance drive, the time until this current is turned from ON to OFF, and therefore the period until the gate voltage falls below the mirror voltage and becomes Vth,
t I-OFF old = Cge · Rg · ln (1 + 1 / Vth · √ (Ic / gm))
And was dependent on Vth. On the other hand, as shown in FIG. 1, by driving with a constant current, this period is
t I-OFF = Cge / Ig × √ (Ic / gm)
And does not depend on Vth, and transitions to OFF in a certain time.
As described in detail above, by driving with a constant current, it is possible to greatly suppress variations in switching speed.

なお、図2で使用したデバイスは、ON動作において、[2]〜[3]までの期間、急激にVceがONに遷移し、[4]までかかり完全にON(Vcesat)に遷移する。また、OFF動作において、[6]〜[7]の期間、緩やかにVceがOFFに遷移し、[7]〜[8]の期間、急激にOFFへ遷移する特性を持つものの例であり、デバイスによっては[2]〜[4]、[6]〜[8]の期間、一定のdV/dtで遷移するデバイスも存在する。   In the ON operation of the device used in FIG. 2, Vce suddenly changes to ON during the period from [2] to [3], and until [4], it completely changes to ON (Vcesat). Further, in the OFF operation, Vce gradually changes to OFF during the period [6] to [7], and suddenly changes to OFF during the period [7] to [8]. Depending on the case, there is a device that transitions at a constant dV / dt during the period of [2] to [4] and [6] to [8].

次に、図1の各構成要素の具体的な回路例について説明する。前述のとおり、定電流駆動することで、VDDやVth(およびミラー電圧)に依存するスイッチング速度のバラツキをなくすことができるが、これを実現する為には、高速駆動可能で、かつIgのバラツキの小さな高速定電流駆動回路が必要となる。
図3は、ON定電流パルスゲート駆動回路21の具体的構成例を示す。高速に定電流駆動可能なON定電流パルスゲート駆動回路21は、ON定電流動作指令を受けQ1’がOFF、Q2がONし、V0電圧を高速出力する。これにより、Q1のベース電圧はV0電圧となり、下式で分かるように、定電流駆動可能となる。
Next, a specific circuit example of each component in FIG. 1 will be described. As described above, the constant current driving can eliminate the variation in switching speed depending on VDD and Vth (and the mirror voltage). However, in order to realize this, it is possible to drive at a high speed and the variation in Ig. A small high-speed constant current drive circuit is required.
FIG. 3 shows a specific configuration example of the ON constant current pulse gate drive circuit 21. The ON constant current pulse gate drive circuit 21 capable of constant current drive at high speed receives the ON constant current operation command, Q1 'is turned OFF, Q2 is turned ON, and the V0 voltage is output at high speed. As a result, the base voltage of Q1 becomes the V0 voltage, and constant current driving is possible as can be seen from the following equation.

VDD2−R3×(Ib+Ic)−VEB=V0
Ib=Ic/hFE
上2式より、
Ic=(VDD2−VEB−V0)/R3×{hFE/(hFE+1)}
VDD2-R3 × (Ib + Ic) −V EB = V0
Ib = Ic / h FE
From the above two formulas,
Ic = (VDD2-V EB -V0 ) / R3 × {h FE / (h FE +1)}

また、定電流を停止させる為には、Q2をOFFし、Q1’をONすることでVDD2電圧もしくはVDD2電圧以上を高速出力する。これにより、Q1のベース電流が流れなくなり、Q1がOFFされる。   In order to stop the constant current, Q2 is turned off and Q1 'is turned on to output the VDD2 voltage or the VDD2 voltage or higher at a high speed. As a result, the base current of Q1 stops flowing and Q1 is turned off.

このとき、高速定電流で駆動する為には、「高速にV0電圧を供給すること」と「高速でQ1が応答すること」が必要となりこれらの条件はデバイス単体の性能に依存するが、ディスクリートデバイスを使用する為、低容量の高速スイッチングデバイスを用いることで容易に構成することができる。   At this time, in order to drive at a high speed constant current, it is necessary to “supply the V0 voltage at a high speed” and “the Q1 must respond at a high speed”, and these conditions depend on the performance of the device alone, but are discrete. Since the device is used, it can be easily configured by using a low-capacity high-speed switching device.

次に、定電流駆動回路の電源電圧を上げることでIg(図3中ではIcと表示)のバラツキを抑える現象について説明する
ON定電流パルスゲート駆動回路21において、ON定電流の制御信号によりQ2がONするとV0がQ1のベース電圧となり定電流駆動される。Q1の出力電圧がV0以上になると回路は定電流で動作しなくなるため、V0は駆動するスイッチングデバイス1のバラツキを考慮した最大ミラー電圧以上としなければならない。
このとき、定電流動作する領域では、
Ic=(VDD2−VEB−V0)/R3×{hFE/(hFE+1)}
となる。
Next, the phenomenon of suppressing variation in Ig (indicated as Ic in FIG. 3) by increasing the power supply voltage of the constant current drive circuit will be described. In the ON constant current pulse gate drive circuit 21, Q2 is controlled by the ON constant current control signal. When is turned on, V0 becomes the base voltage of Q1 and is driven at a constant current. When the output voltage of Q1 becomes equal to or higher than V0, the circuit does not operate with a constant current. Therefore, V0 must be equal to or higher than the maximum mirror voltage considering the variation of the switching device 1 to be driven.
At this time, in the constant current operation region,
Ic = (VDD2-V EB -V0 ) / R3 × {h FE / (h FE +1)}
It becomes.

しかし、VEBは、一般的には個体差バラツキをもつため、これが定電流のバラツキの原因となる。VEBのバラツキを考慮して、2個のデバイスのVEBを、VEB1とVEB2とすると、
C1/IC2=(VDD2−V0−VEB1)/(VDD2−V0−VEB2
となり、これより、例えば、VDD2=15V、V0=13.5V、VEB=0.8〜1.0Vとした場合、
C1/IC2=(15V−13.5V−0.8V)/(15V−13.5V−1.0V)=0.7V/0.5V=1.4
となり、約40%の誤差となる。
However, V EB generally has an individual difference variation, which causes a constant current variation. Taking into account the variation of the V EB, the V EB of the two devices, when V EB1 and V EB2,
I C1 / I C2 = (VDD2−V0−V EB1 ) / (VDD2−V0−V EB2 )
From this, for example, when VDD2 = 15V, V0 = 13.5V, and V EB = 0.8 to 1.0V,
I C1 / I C2 = (15V-13.5V-0.8V) / (15V-13.5V-1.0V) = 0.7V / 0.5V = 1.4
And an error of about 40%.

しかし、VDD2を4V高めた19Vとすると、
C1/IC2=(19V−13.5V−0.8V)/(19V−13.5V−1.0V)=4.7V/4.5V=1.044・・・
と約4.4%の誤差となり、定電流Igのバラツキを大きく改善できる。
以上のように、高速定電流動作と、デバイスのバラツキを含めた、Igのバラツキの少ない高速定電流駆動回路が実現できる。
However, if VDD2 is 19V, which is 4V higher,
I C1 / I C2 = (19V-13.5V-0.8V) / (19V-13.5V-1.0V) = 4.7V / 4.5V = 1.04 ...
Error of about 4.4%, and the variation of the constant current Ig can be greatly improved.
As described above, it is possible to realize a high-speed constant current drive circuit with less Ig variation including high-speed constant current operation and device variation.

図4は、図3の変形例である、ON定電流パルスゲート駆動回路21−1を示す。図4の回路は、Q2がONするとR1、R2で分圧された値V0がQ1のベース電圧となり、Q2がOFFすることでQ1のベースにVDD2を印加できる。   FIG. 4 shows an ON constant current pulse gate drive circuit 21-1, which is a modification of FIG. In the circuit of FIG. 4, when Q2 is turned on, the value V0 divided by R1 and R2 becomes the base voltage of Q1, and when Q2 is turned off, VDD2 can be applied to the base of Q1.

上述したように、VDD2>VDD1とすることで高精度化が可能となり、スイッチング速度バラツキを大幅に低減することが可能となるが、ON定電流パルスゲート駆動回路21のみで駆動し続けると、IGBT1のゲートにVDD2の高電圧が印加され、ゲート酸化膜の信頼性が低下し、最悪、ゲート破壊を誘発する恐れがある。
そのため、ゲート電圧を観測し定電流駆動と定電圧駆動とを切り替え制御する判定/切替回路4により、ONもしくはOFFの遷移期間終了後、ゲート駆動回路を定電流パルスゲート駆動回路2から定電圧パルスゲート駆動回路3に切り替え、過電圧の印加を防止している。なお、定電圧パルスゲート駆動回路3の電源はVDD1とし、ゲート酸化膜の信頼性を低下させることのない電圧を設定する。
As described above, by making VDD2> VDD1, high accuracy can be achieved and switching speed variation can be greatly reduced. However, if driving is continued with only the ON constant current pulse gate drive circuit 21, IGBT1 As a result, a high voltage of VDD2 is applied to the gate of the transistor, and the reliability of the gate oxide film is lowered.
Therefore, the determination / switching circuit 4 that observes the gate voltage and switches between constant current driving and constant voltage driving controls the gate driving circuit from the constant current pulse gate driving circuit 2 to the constant voltage pulse after the ON or OFF transition period ends. Switching to the gate drive circuit 3 prevents application of overvoltage. The power source of the constant voltage pulse gate drive circuit 3 is set to VDD1, and a voltage that does not deteriorate the reliability of the gate oxide film is set.

図5に判定/切替回路4の例を示す。判定/切替回路4は、制御信号(ゲート制御信号)“H”を受けると、OFF信号を非アクティブとし、ON信号を出力する。このときIGBT1のゲート電圧を観測し、第1の判定回路41により、ゲート電圧が第1の設定値であるVH(VHとしては、ミラー電圧のバラツキ最大値以上の値を設定する)以下であればON定電流の信号を出力し、ゲート電圧がVHを越えるとON定電圧の信号に切り替える。
また、制御信号“L”を受けると、ON信号は非アクティブとし、OFF信号を出力する。このときIGBT1のゲート電圧を観測し、第2の判定回路42により、ゲート電圧が第2の設定値であるVL(VLとしては、Vth最小電圧以下の値を設定する)以上であればOFF定電流の信号を出力し、ゲート電圧がVL未満になるとOFF定電圧の信号に切り替える。
これにより、定電流パルスゲート駆動回路2と定電圧パルスゲート駆動回路3との切替駆動制御を行ない、ゲートに過電圧が印加されることを防止している。
FIG. 5 shows an example of the determination / switching circuit 4. When receiving the control signal (gate control signal) “H”, the determination / switching circuit 4 deactivates the OFF signal and outputs the ON signal. At this time, the gate voltage of the IGBT 1 is observed, and the first determination circuit 41 determines that the gate voltage is equal to or lower than the first set value VH (VH is set to a value equal to or greater than the maximum mirror voltage variation). If the gate voltage exceeds VH, the signal is switched to the ON constant voltage signal.
When the control signal “L” is received, the ON signal is deactivated and an OFF signal is output. At this time, the gate voltage of the IGBT 1 is observed, and if the gate voltage is equal to or higher than VL which is the second set value (VL is set to a value equal to or lower than the Vth minimum voltage) by the second determination circuit 42, the gate voltage is set to OFF. A current signal is output, and when the gate voltage becomes less than VL, the signal is switched to an OFF constant voltage signal.
Thereby, switching drive control between the constant current pulse gate drive circuit 2 and the constant voltage pulse gate drive circuit 3 is performed, and an overvoltage is prevented from being applied to the gate.

なお、定電流パルスゲート駆動回路21のIgバラツキを考慮した結果、ミラー電圧が低く、VDD2の電圧が、VDD2<IGBT1のゲート推奨電圧(VDD1)となった場合は、VDD2をVDD1と同じ電圧としても良い。また、後段で具体例を示すように、ON遷移のみもしくはOFF遷移のみに定電流駆動と定電圧駆動を切り替える方式を採用することもできる。   As a result of considering the Ig variation of the constant current pulse gate drive circuit 21, when the mirror voltage is low and the VDD2 voltage becomes VDD2 <recommended gate voltage (VDD1) of IGBT1, VDD2 is set to the same voltage as VDD1. Also good. Further, as shown in a specific example in a later stage, a method of switching between constant current driving and constant voltage driving only in the ON transition or only in the OFF transition can be adopted.

なお、以上の定電流駆動回路を追求するにあたって、発明者等が参考までに検討した特許文献(特許第3680722号公報(主として[0025]〜[0027]図8参照)の内容について以下に紹介する。
同特許文献の図8は、定電流での駆動にOPアンプによる定電流回路を使用し、電流や電圧が変化する期間のみゲート電流を抑える動作をさせるものである。
しかし、比較的高速なOPアンプによる定電流回路であっても、指令値に対する定電流の応答特性はそれほど高速ではなく、特に、定電流をOFFするにあたり、発明者等の期待する特性を得ることは困難であった。これは、OPアンプ内部の応答速度と出力スルーレート、駆動の対象であるMOS−FETのゲート特性、OPアンプの電源電圧vs最大出力電圧特性等によるものと推察される。そのため、定電流増大指令に対する応答遅れ、定電流減少指令(0A)に対する応答遅れが発生し、特に、定電流減少指令時の応答遅れはスルーレート不足により、同特許文献図8に記載のQ12のOFF動作に時間がかかる。そして、デバイスをターンOFFかつQ13がONするタイミングにおいて過大な貫通電流がE1、R12、Q12、Q13、R13を通じて流れる状態が発生する可能性と、R12、R13の分圧により、Q12がOFFするまでの期間IGBTがONし続ける可能性がある。
また、Q12のゲート容量および帰還容量は、OPアンプにとってはかなり大きな容量負荷である為、発振の可能性や、出力実効電流の増大による異常発熱の可能性がある。
そのため,本実施の形態の図3に示す高速駆動回路が必要となる。なお、ON定電流パルスゲート駆動回路21のQ1はトランジスタを例にとっているが、FETなどの電流制御可能な素子を使った回路としても良い。
In pursuing the above constant current drive circuit, the contents of Patent Document (Japanese Patent No. 3680722 (mainly [0025] to [0027] see FIG. 8)) examined by the inventors for reference are introduced below. .
FIG. 8 of this patent document uses a constant current circuit by an OP amplifier for driving with a constant current, and operates to suppress the gate current only during a period in which the current and voltage change.
However, even in a constant current circuit using a relatively high-speed OP amplifier, the response characteristic of the constant current with respect to the command value is not so fast, and in particular, when the constant current is turned off, the characteristics expected by the inventors are obtained. Was difficult. This is presumably due to the response speed and output slew rate inside the OP amplifier, the gate characteristics of the MOS-FET to be driven, the power supply voltage vs. the maximum output voltage characteristic of the OP amplifier, and the like. For this reason, a response delay to the constant current increase command and a response delay to the constant current decrease command (0 A) occur. In particular, the response delay at the time of the constant current decrease command is due to a shortage of the slew rate. It takes time to turn off. Then, when the device is turned off and Q13 is turned on, there is a possibility that an excessive through current flows through E1, R12, Q12, Q13, and R13, and until the partial pressure of R12 and R13, until Q12 is turned off. There is a possibility that the IGBT will continue to be ON for the period of time.
In addition, since the gate capacitance and the feedback capacitance of Q12 are considerably large capacitive loads for the OP amplifier, there is a possibility of oscillation and abnormal heat generation due to an increase in output effective current.
Therefore, the high-speed drive circuit shown in FIG. 3 of the present embodiment is necessary. Note that Q1 of the ON constant current pulse gate drive circuit 21 is a transistor, but it may be a circuit using a current controllable element such as an FET.

さらなる使用状態として、高速にスイッチングデバイス1を遮断シーケンスに移行したいアーム短絡時などの異常事態において、ゲート電流供給を停止させるまでの時間の遅れは致命的な問題となる可能性がある。
以下では、ON定電流パルスゲート駆動回路21において、定電流駆動OFFの高速化が必要となった場合の回路例を、図6、図7を参照して説明する。
As a further use state, in an abnormal situation such as an arm short circuit in which the switching device 1 is to be shifted to a shut-off sequence at high speed, a delay in the time until the gate current supply is stopped may be a fatal problem.
In the following, a circuit example in the case where it is necessary to increase the speed of the constant current drive OFF in the ON constant current pulse gate drive circuit 21 will be described with reference to FIGS.

図6のON定電流パルスゲート駆動回路21−2は、レベル変換可能IC駆動タイプを使用したもので、定電流動作においては“L”を出力し、R1〜R3およびQ1で定電流動作を行なう。定電流を停止するタイミングにおいては、IC1よりVDD2を供給することで、トランジスタQ1を瞬時にOFFさせることが可能となる。そのため、前述のQ1のOFF速度をさらに向上できる。   The ON constant current pulse gate drive circuit 21-2 in FIG. 6 uses a level convertible IC drive type, outputs “L” in constant current operation, and performs constant current operation in R1 to R3 and Q1. . At the timing when the constant current is stopped, the transistor Q1 can be instantaneously turned off by supplying VDD2 from the IC1. Therefore, the Q1 OFF speed can be further improved.

図7のON定電流パルスゲート駆動回路21−3は、定電流動作においては、制御信号を“H”とし、Q1’をOFF、Q2をONし、R1〜R3およびQ1で定電流動作を行なう。定電流を停止するタイミングにおいては、制御信号を”L”とし、Q2をOFF、Q1’をONする。Q1’からの電流により、Q1のベースに対し直接VDD2もしくはVDD2以上の電圧を供給し、トランジスタQ1を瞬時にOFFさせると同時にQ2の出力容量や帰還容量に充電を行うことが可能となる。そのため、前述のQ1のOFF速度がさらに向上する。
なお、Q2やQ1’に使用するスイッチの例として、MOS−FETやトランジスタなどの半導体スイッチングデバイスがあげられる。
In the constant current operation, the ON constant current pulse gate drive circuit 21-3 sets the control signal to “H”, turns off Q1 ′, turns on Q2, and performs constant current operation on R1 to R3 and Q1. . At the timing of stopping the constant current, the control signal is set to “L”, Q2 is turned OFF, and Q1 ′ is turned ON. With the current from Q1 ′, a voltage of VDD2 or VDD2 or higher is directly supplied to the base of Q1, and the transistor Q1 is instantaneously turned off, and at the same time, the output capacitor and the feedback capacitor of Q2 can be charged. Therefore, the aforementioned Q1 OFF speed is further improved.
Examples of switches used for Q2 and Q1 ′ include semiconductor switching devices such as MOS-FETs and transistors.

定電流パルスゲート駆動回路2に使用するOFF定電流パルスゲート駆動回路22もON定電流パルスゲート駆動回路21と同様 高速駆動可能で、かつIgのバラツキの小さな高速定電流駆動回路が必要となる。
図8は、高速に定電流駆動可能なOFF定電流パルスゲート駆動回路22を示す。図において、OFF定電流動作指令を受けると、Q3’がOFF、Q4がONし、V1電圧を高速出力する。これにより、Q3のベース電圧はV1となり、以下に示すように、定電流駆動可能となる。
Similarly to the ON constant current pulse gate drive circuit 21, the OFF constant current pulse gate drive circuit 22 used for the constant current pulse gate drive circuit 2 can be driven at a high speed and requires a high speed constant current drive circuit with small variations in Ig.
FIG. 8 shows an OFF constant current pulse gate drive circuit 22 capable of high-speed constant current drive. In the figure, when an OFF constant current operation command is received, Q3 ′ is turned OFF, Q4 is turned ON, and the V1 voltage is output at high speed. As a result, the base voltage of Q3 becomes V1, and constant current driving is possible as shown below.

R6×(Ib+Ic)+VBE=V1
Ib=Ic/hFE
上2式より
Ic=(V1−VBE)/R6×{hFE/(hFE+1)}
また、定電流を停止させる為には、Q4をOFFし、Q3’をONすることで共通電位(Vcom)電圧もしくはVcom以下を高速出力する。これにより、Q3のベース電流が流れなくなり、Q3がOFFされる。なお、上式では、共通電位(Vcom)=0Vとしている。
R6 × (Ib + Ic) + V BE = V1
Ib = Ic / h FE
From the above two formulas, Ic = (V1−V BE ) / R6 × {h FE / (h FE +1)}
Further, in order to stop the constant current, Q4 is turned off and Q3 ′ is turned on to output a common potential (Vcom) voltage or Vcom or less at high speed. As a result, the base current of Q3 stops flowing and Q3 is turned off. In the above equation, the common potential (Vcom) = 0V.

このとき、高速定電流で駆動する為には、「高速にV1電圧を供給すること」と、「高速でQ3が応答すること」であるため、デバイス単体の性能に依存するが、ディスクリートデバイスを使用する為、低容量の高速スイッチングデバイスを用い、容易に構成することができる。   At this time, in order to drive at a high speed constant current, “V1 voltage is supplied at high speed” and “Q3 responds at high speed”. Since it is used, it can be easily configured using a low-capacity high-speed switching device.

また、定電流駆動回路のVcomを0V以下に下げることでIg(図8中ではIcで表示)のバラツキを抑えることも可能である。バラツキを抑えることが可能な理由を以下に説明する
OFF定電流パルスゲート駆動回路22において、OFF定電流の制御信号によりQ4がONすると、V1がQ3のベース電圧となり定電流駆動される。Q3の出力電圧がV1以下になると、回路は定電流で動作しなくなるため、V1は駆動するスイッチングデバイス1のバラツキを考慮した最小Vth電圧以下としなければならない。
Further, it is possible to suppress variations in Ig (indicated by Ic in FIG. 8) by lowering Vcom of the constant current drive circuit to 0 V or less. The reason why the variation can be suppressed will be described below. In the OFF constant current pulse gate drive circuit 22, when Q4 is turned ON by the OFF constant current control signal, V1 becomes the base voltage of Q3 and is driven with constant current. When the output voltage of Q3 becomes V1 or less, the circuit does not operate with a constant current. Therefore, V1 must be set to be equal to or less than the minimum Vth voltage considering the variation of the switching device 1 to be driven.

このとき、定電流動作する領域では、
Ic=(V1−Vcom−VBE)/R6×{hFE/(hFE+1)}
で表されるが、ここで、VBEは一般的には個体差バラツキをもつため、これが定電流のバラツキの原因となる。VEBのバラツキを考慮して、2個のデバイスのVEBを、VEB1とVEB2とすると、
C1/IC2=(V1−Vcom−VBE1)/(V1−VBE2
となり、これより、例えば、Vcom=0V、V1=4.5V、VBE=0.8〜1.0Vとした場合、
C1/IC2=(4.5V−0V−0.8V)/(4.5V−0V−1.0V)
=3.7V/3.5V=1.057・・・
となり、約5.7%の誤差となる。
At this time, in the constant current operation region,
Ic = (V1-Vcom- VBE ) / R6 * { hFE / ( hFE + 1)}
Here, V BE generally has an individual difference variation, and this causes a variation in a constant current. Taking into account the variation of the V EB, the V EB of the two devices, when V EB1 and V EB2,
I C1 / I C2 = (V1−Vcom−V BE1 ) / (V1−V BE2 )
From this, for example, when Vcom = 0 V, V1 = 4.5 V, and V BE = 0.8 to 1.0 V,
I C1 / I C2 = (4.5V-0V-0.8V) / (4.5V-0V-1.0V)
= 3.7V / 3.5V = 1.057 ...
Thus, an error of about 5.7% is obtained.

しかし、Vcom=を4V低めた−4Vとすると
C1/IC2={4.5V−(−4V)−0.8V}/{(4.5V−(−4V)−1.0V)
=7.7V/7.5V=1.0266・・・
と約2.7%の誤差となり、定電流Igのバラツキを改善できる。
以上のように、高速定電流動作と、デバイスのバラツキを含めた、Igのバラツキの少ない高速定電流駆動回路が実現できる。
なお、OFF定電流パルスゲート駆動回路22のQ3はトランジスタを例にしているが、FETなどの電流制御可能な素子を使った回路としても良い。
However, if Vcom = 4V, which is 4V lower, I C1 / I C2 = {4.5V − (− 4V) −0.8V} / {(4.5V − (− 4V) −1.0V)
= 7.7V / 7.5V = 1.0266 ...
And an error of about 2.7%, and variation in the constant current Ig can be improved.
As described above, it is possible to realize a high-speed constant current drive circuit with less Ig variation including high-speed constant current operation and device variation.
Note that Q3 of the OFF constant current pulse gate drive circuit 22 is a transistor, but a circuit using a current controllable element such as an FET may be used.

図9は、図8の変形例である、OFF定電流パルスゲート駆動回路22−1を示す。図9の回路は、Q4がONするとOFF定電流信号がボルテージフォロアにて電流増幅され、R4、R5で分圧された値V1がQ3のベース電圧となり、Q4がOFFすることでQ3のベースにVcomを印加できる。
なお、この回路例においてもVBEのバラツキを考慮し、Vcomは、定電流のバラツキ低減のため、スイッチングデバイス1のエミッタ電圧ではなく、負電圧を設定するようにしても良い。
FIG. 9 shows an OFF constant current pulse gate drive circuit 22-1 which is a modification of FIG. In the circuit of FIG. 9, when Q4 is turned on, the OFF constant current signal is amplified by the voltage follower, and the value V1 divided by R4 and R5 becomes the base voltage of Q3, and when Q4 is turned off, it becomes the base of Q3. Vcom can be applied.
In this circuit example as well, in consideration of variations in V BE , Vcom may be set to a negative voltage instead of the emitter voltage of switching device 1 in order to reduce variations in constant current.

次に、OFF定電流パルスゲート駆動回路22において、定電流駆動を停止させる際の高速化が必要となった場合の回路例を、図10、図11を参照して説明する。
図10のOFF定電流パルスゲート駆動回路22−2は、OFF定電流の制御信号をIC1にてバッファし、出力電圧精度と駆動電流を得る構成を採用する。駆動電流としては、R4、R5分圧の為の回路電流とトランジスタQ3のベース電流Ibとが必要である。
Next, in the OFF constant current pulse gate drive circuit 22, an example of a circuit when speeding up when stopping constant current drive is necessary will be described with reference to FIGS.
The OFF constant current pulse gate drive circuit 22-2 in FIG. 10 employs a configuration in which an OFF constant current control signal is buffered by the IC 1 to obtain output voltage accuracy and drive current. As the driving current, a circuit current for dividing R4 and R5 and a base current Ib of the transistor Q3 are required.

図11のOFF定電流パルスゲート駆動回路22−3は、定電流動作においては、制御信号を“H”とし、Q3’をOFF、Q4をONし、R4〜R6およびQ3で定電流動作を行なう。定電流を停止するタイミングにおいては、制御信号を“L”とし、Q4をOFF、Q3’をONする。Q3’への電流により、Q3のベースに対し直接VcomもしくはVcom以下の電圧を供給し、トランジスタQ3を瞬時にOFFさせると同時にQ4の出力容量や帰還容量に充電を行なうことが可能となる。そのため、前述のQ3のOFF速度をさらに向上できる。
なお、Q4やQ3’に使用するスイッチの例として、MOS−FETやトランジスタなどの半導体スイッチングデバイスがあげられる。
また、VBEのバラツキを考慮し、VBE+R6×IeがVth最小値より高くなる場合がある。このとき、▽印の共通電位は定電流のバラツキ低減のため、スイッチングデバイス1のエミッタ電圧ではなく負電圧とする。
In the constant current operation, the OFF constant current pulse gate drive circuit 22-3 in FIG. 11 sets the control signal to “H”, turns off Q3 ′, turns on Q4, and performs constant current operation on R4 to R6 and Q3. . At the timing of stopping the constant current, the control signal is set to “L”, Q4 is turned OFF, and Q3 ′ is turned ON. With the current to Q3 ′, a voltage of Vcom or Vcom or less is directly supplied to the base of Q3, and the transistor Q3 is instantaneously turned off, and at the same time, the output capacitor and the feedback capacitor of Q4 can be charged. Therefore, the Q3 OFF speed can be further improved.
Examples of switches used for Q4 and Q3 ′ include semiconductor switching devices such as MOS-FETs and transistors.
Further, in consideration of variations of V BE, which may V BE + R6 × Ie becomes higher than the least Vth value. At this time, the common potential of ▽ is a negative voltage instead of the emitter voltage of the switching device 1 in order to reduce the variation of the constant current.

以上のように、ターンONやターンOFFなどの過渡期においては、定電流でゲートを駆動することで、ゲート閾値電圧Vth、ミラー電圧のバラツキによる遷移期間のバラツキを最小限にとどめることができ、スイッチング速度と、スイッチング損失のバラツキを大幅に低減できる。さらに、定電圧駆動に切り替えることにより、デバイスのゲート酸化膜の信頼性を損なうことなく駆動できる、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。   As described above, in the transition period such as turn-on and turn-off, the variation of the transition period due to the variation of the gate threshold voltage Vth and the mirror voltage can be minimized by driving the gate with a constant current. Variations in switching speed and switching loss can be greatly reduced. Furthermore, by switching to the constant voltage drive, there is an unprecedented remarkable effect that the device can be driven without impairing the reliability of the gate oxide film of the device.

なお、以上では、ターンONおよびターンOFFの双方に定電流パルスゲート駆動回路を使用したが、必要に応じターンONのみや、ターンOFFのみで使用することも可能である。以下では、ON遷移のみ定電流駆動と定電圧駆動との切り替えを行う構成例について説明する。
即ち、使用条件によってON時のバラツキが問題になる場合や、OFF時のバラツキが問題になることがある。例えば、昇圧コンバータを不連続モードで動作させる場合、OFF時にハードスイッチングを行なう為、OFF時のバラツキを抑え、スイッチング損失のバラツキを抑える。ON時は、電圧の急変は伴うものの電流は昇圧用のインダクタンスへの充電の為、スイッチングスピードと比較すると非常に遅い為、ON時の定電流駆動回路はなくても問題にならない。
In the above description, the constant current pulse gate drive circuit is used for both turn-on and turn-off. However, it can be used only for turn-on or only for turn-off as required. Hereinafter, a configuration example in which switching between constant current driving and constant voltage driving only in the ON transition will be described.
That is, there may be a problem when the ON state varies depending on use conditions, or the OFF state. For example, when the boost converter is operated in the discontinuous mode, since hard switching is performed at the time of OFF, variation at the time of OFF is suppressed and variation of switching loss is suppressed. At the time of ON, although the voltage is suddenly changed, the current is very slow compared with the switching speed because of charging the boosting inductance, so there is no problem even if there is no constant current drive circuit at the time of ON.

また、PFNによるパルス発生器などでは、ON時のバラツキが問題になり、OFF時は、バラツキが出ても損失/性能に影響を与えない為、この場合はOFFの定電流駆動回路は不要となる。
インバータ駆動に関しても、IGBTをライフタイムコントロールし、Vcesatを低減した場合にあっては、OFF定電流駆動した場合でも、テール電流が流れ、定電流駆動の効果が得られない場合もある。こういった場合も、OFFの定電流駆動回路は不要で、OFF時のバラツキで損失がばらつく分、ON定電流駆動回路でバラツキを抑え、損失のバラツキを抑えればよい。
特に、デバイスの直列接続または並列接続をする場合は、ONかOFFどちらかでバラツキが重要となることが多い為、この変形例は有用である。
In addition, in the pulse generator by PFN, the variation at the ON time becomes a problem, and when it is OFF, even if the variation occurs, the loss / performance is not affected. Become.
As for the inverter drive, when the IGBT is subjected to lifetime control and Vcesat is reduced, the tail current flows even when the OFF constant current drive is performed, and the effect of the constant current drive may not be obtained. In such a case as well, an OFF constant current drive circuit is not necessary, and the loss varies due to variations in OFF, and therefore the ON constant current drive circuit can suppress variations and suppress variations in loss.
In particular, when devices are connected in series or in parallel, this variation is useful because variation is often important depending on whether it is ON or OFF.

図12は、ターンON時に定電流駆動と定電圧駆動とを切り替えるゲート駆動装置である。定電流パルスゲート駆動回路2’は、ONのみ定電流で駆動するON定電流パルスゲート駆動回路21を使用する。同時に、判定/切替回路4’は、制御信号(ゲート制御信号)とスイッチングデバイス1のゲート電圧とを入力し、ON定電流の制御信号と、ON定電圧の制御信号,OFF定電圧の制御信号を出力する。
ここで、先の説明と同様、電圧VDD2はVDD1よりも高く設定し、定電流駆動回路に使用する部品の固体バラツキによる定電流設定値のバラツキを抑える。
FIG. 12 shows a gate drive device that switches between constant current drive and constant voltage drive when the turn is ON. The constant current pulse gate drive circuit 2 ′ uses an ON constant current pulse gate drive circuit 21 that is driven with a constant current only when ON. At the same time, the determination / switching circuit 4 ′ receives a control signal (gate control signal) and the gate voltage of the switching device 1, and controls an ON constant current control signal, an ON constant voltage control signal, and an OFF constant voltage control signal. Is output.
Here, as in the above description, the voltage VDD2 is set higher than VDD1, and the variation of the constant current set value due to the solid variation of components used in the constant current drive circuit is suppressed.

判定/切替回路4’の具体例を図13に示す。判定/切替回路4’は、制御信号“H”を受けるとOFF信号を非アクティブとし、ON信号を出力する。このときIGBT1のゲート電圧を観測し、ゲート電圧がVH(ミラー電圧最大値以上の値を設定する)以下であればON定電流の制御信号を出力し、ゲート電圧がVHを越えるとON定電圧の制御信号に切り替える。制御信号“L”を受けるとON信号は非アクティブとし、OFF定電圧の制御信号を出力する。
これにより、定電流パルスゲート駆動回路2’と定電圧パルスゲート駆動回路3の駆動制御を行なう。
A specific example of the determination / switching circuit 4 ′ is shown in FIG. When receiving the control signal “H”, the determination / switching circuit 4 ′ deactivates the OFF signal and outputs the ON signal. At this time, the gate voltage of the IGBT 1 is observed. If the gate voltage is lower than VH (set a value equal to or higher than the mirror voltage maximum value), an ON constant current control signal is output, and if the gate voltage exceeds VH, the ON constant voltage is output. Switch to the control signal. When the control signal “L” is received, the ON signal is made inactive and a control signal with an OFF constant voltage is output.
Thereby, drive control of the constant current pulse gate drive circuit 2 ′ and the constant voltage pulse gate drive circuit 3 is performed.

本構成は、ターンON時のスイッチング速度の安定化や、ターンON時のスイッチング損失のバラツキ低減を重要とする場合に使用できる。本構成により、ターンONの過渡期においてゲートを定電流で駆動することにより、Vth、ミラー電圧のバラツキによる遷移期間のバラツキを最小限にとどめることができ、スイッチング速度と、スイッチング損失のバラツキを大幅に低減できる。さらに、定電圧駆動に切り替えることにより、デバイスのゲート酸化膜の信頼性を損なうことなく駆動できる、といった従来にない顕著な効果を奏する。   This configuration can be used when it is important to stabilize the switching speed at turn-on and to reduce the variation in switching loss at turn-on. With this configuration, by driving the gate with a constant current during the turn-on transition period, variations in the transition period due to variations in Vth and mirror voltage can be minimized, greatly increasing the variation in switching speed and switching loss. Can be reduced. Further, by switching to constant voltage driving, there is an unprecedented remarkable effect that the device can be driven without impairing the reliability of the gate oxide film of the device.

図14は、ターンOFF時に定電流駆動と定電圧駆動とを切り替えるゲート駆動装置である。定電流パルスゲート駆動回路2”は、OFF時のみ定電流で駆動するOFF定電流パルスゲート駆動回路22を使用する。同時に、判定/切替回路4”は、制御信号(ゲート制御信号)とスイッチングデバイス1のゲート電圧とを入力し、OFF定電流の制御信号と、ON定電圧の制御信号,OFF定電圧の制御信号を出力する。
ここで、先の説明と同様、定電流パルスゲート駆動回路2”に使用する▽印の共通電位は、定電流のバラツキ低減のため負電圧としても良い。
FIG. 14 shows a gate driving device that switches between constant current driving and constant voltage driving at the time of turn-off. The constant current pulse gate drive circuit 2 ″ uses an OFF constant current pulse gate drive circuit 22 that is driven with a constant current only when OFF. At the same time, the determination / switching circuit 4 ″ uses a control signal (gate control signal) and a switching device. 1 is input, and an OFF constant current control signal, an ON constant voltage control signal, and an OFF constant voltage control signal are output.
Here, as described above, the common potential indicated by the symbol ▽ used in the constant current pulse gate drive circuit 2 ″ may be a negative voltage in order to reduce variations in the constant current.

この場合の判定/切替回路4”の具体例を図15に示す。判定/切替回路4”は、制御信号(ゲート制御信号)“H”を受けるとOFF信号を非アクティブとし、ON定電圧の制御信号を出力する。また、制御信号“L”を受けるとON信号は非アクティブとし、OFF信号を出力する。このときIGBT1のゲート電圧を観測し、ゲート電圧がVL(Vth最小電圧以下の値を設定する)以上であればOFF定電流の制御信号を出力し、ゲート電圧がVL未満になるとOFF定電圧の制御信号に切り替える。
これにより、定電流パルスゲート駆動回路2”と定電圧パルスゲート駆動回路3の駆動制御を行なう。
A specific example of the determination / switching circuit 4 ″ in this case is shown in FIG. 15. When the determination / switching circuit 4 ″ receives the control signal (gate control signal) “H”, the OFF signal is deactivated, and the ON constant voltage is set. Output a control signal. When the control signal “L” is received, the ON signal is made inactive and an OFF signal is output. At this time, the gate voltage of the IGBT 1 is observed, and if the gate voltage is equal to or higher than VL (a value equal to or lower than the Vth minimum voltage), an OFF constant current control signal is output, and if the gate voltage becomes lower than VL, the OFF constant voltage Switch to control signal.
Thereby, drive control of the constant current pulse gate drive circuit 2 ″ and the constant voltage pulse gate drive circuit 3 is performed.

本構成は、ターンOFF時のスイッチング速度の安定化や、ターンOFF時のスイッチング損失のバラツキ低減を重要とする場合に使用できる。本構成により、ターンOFFの過渡期においてゲートを定電流で駆動することにより、Vth、ミラー電圧のバラツキによる遷移期間のバラツキを最小限にとどめることができ、スイッチング速度と、スイッチング損失のバラツキを大幅に低減できる、といった従来にない顕著な効果を奏する。   This configuration can be used when it is important to stabilize the switching speed at turn-off and to reduce the variation in switching loss at turn-off. With this configuration, by driving the gate with a constant current during the turn-off transition period, variation in the transition period due to variations in Vth and mirror voltage can be minimized, greatly increasing the variation in switching speed and switching loss. It is possible to achieve a remarkable effect that has not been achieved so far.

実施の形態2.
実施の形態1において、定電流駆動から定電圧駆動への切り替えを高速に行なう必要がある場合、判定/切替回路4や、定電流パルスゲート駆動回路2の応答遅れの為、VDD2>IGBTのゲート推奨電圧とした場合、IGBT1のゲートに過電圧が印加されゲート酸化膜の信頼性が低下し、最悪、ゲート破壊を誘発する恐れがある。そこで、図16に示す電圧制限回路5をON定電流パルスゲート駆動回路21とIGBT1のゲート端子との間に取り付ける。
電圧制限回路5は、出力端のゲート信号を観測し、規定電圧以上になると高速遮断素子をOFFさせる。なお、電圧制限回路5は、制御信号と連動させ、OFF動作期間中は遮断状態を継続するように制御しても良い。図17に回路例を示す。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, when switching from constant current driving to constant voltage driving needs to be performed at high speed, the gate of VDD2> IGBT is caused by a delay in response of the determination / switching circuit 4 and the constant current pulse gate driving circuit 2. When the recommended voltage is used, an overvoltage is applied to the gate of the IGBT 1 and the reliability of the gate oxide film is lowered, and there is a possibility that the gate breakdown is caused in the worst case. Therefore, the voltage limiting circuit 5 shown in FIG. 16 is attached between the ON constant current pulse gate drive circuit 21 and the gate terminal of the IGBT 1.
The voltage limiting circuit 5 observes the gate signal at the output terminal, and turns off the high-speed shut-off element when the voltage exceeds a specified voltage. Note that the voltage limiting circuit 5 may be controlled so as to continue the cut-off state during the OFF operation period in conjunction with the control signal. FIG. 17 shows a circuit example.

図17において、電圧制限回路5に使用するQ5は、高速かつ、Vthの低いFETを使用して構成される。Q5のソース端子をIGBT1のゲート端子に接続することで、Q5のソース電圧はQ5のゲートに印加する電圧以上にならない。したがって、Q5のゲートに繋がる電圧V2を、R7とR8とで分圧される、出力保護したい電圧に設定しておくことで、Q1のOFF遅れや、判定/切替回路4の応答遅れにより、Q1のコレクタ側出力電圧が想定以上に上昇した場合であっても、IGBT1のゲートを保護することができる。
例えば、定電流駆動を13V(第1の判定回路41のVHを13Vに設定)まで行う場合、Q5のゲート電圧として、1.5(Q5のVth)+0.5V(Id/gm相当)を加え15Vとするなどの設計例がある。
なお、Q5のゲート電圧は、Q5のソース端子であるIGBT1のゲート電圧に強く影響される為、C1等でゲート電圧を安定化させておく必要がある。また、VDD1で出力保護する場合は、R7とR8とにより分圧する必要はないが、C1等でゲート電圧を安定化させておく必要がある。
In FIG. 17, Q5 used in the voltage limiting circuit 5 is configured using a high-speed and low Vth FET. By connecting the source terminal of Q5 to the gate terminal of IGBT1, the source voltage of Q5 does not become higher than the voltage applied to the gate of Q5. Accordingly, by setting the voltage V2 connected to the gate of Q5 to a voltage to be output-divided by R7 and R8 and to be output-protected, the Q1 is delayed due to the OFF delay of Q1 or the response delay of the determination / switching circuit 4. Even when the collector-side output voltage of the transistor rises more than expected, the gate of the IGBT 1 can be protected.
For example, when constant current driving is performed up to 13V (VH of the first determination circuit 41 is set to 13V), 1.5 (Vth of Q5) + 0.5V (equivalent to Id / gm) is added as the gate voltage of Q5. There is a design example such as 15V.
Note that the gate voltage of Q5 is strongly influenced by the gate voltage of IGBT1, which is the source terminal of Q5, so it is necessary to stabilize the gate voltage with C1 or the like. Further, when output protection is performed with VDD1, it is not necessary to divide the voltage with R7 and R8, but it is necessary to stabilize the gate voltage with C1 or the like.

以上のように、電圧制限回路5を取り付けることにより、Q1のOFF特性を緩和できることや、判定/切替回路4の応答速度が緩和でき、さらにはON定電流パルスゲート駆動回路21のVDD2の電圧をより高くすることが可能となる為、Q1のVEB電圧のバラツキや、温度特性による定電流設定値のバラツキを抑える電圧設定が可能となり、定電流回路の安定性が向上し、しかもデバイスのゲート酸化膜の信頼性を損なうことなく駆動できる、といった従来にない顕著な効果を奏する。 As described above, by attaching the voltage limiting circuit 5, the OFF characteristic of Q1 can be relaxed, the response speed of the determination / switching circuit 4 can be relaxed, and further, the voltage of VDD2 of the ON constant current pulse gate drive circuit 21 can be reduced. The voltage can be set to suppress the variation in the VEB voltage of Q1 and the variation in the constant current setting value due to the temperature characteristics, improving the stability of the constant current circuit and improving the gate of the device. There is an outstanding effect that the oxide film can be driven without impairing the reliability of the oxide film.

なお、図17において、ON定電流パルスゲート駆動回路の例としてON定電流パルスゲート駆動回路21−1を使用しているが、その他の定電流パルスゲート駆動回路を使用してもよく、さらには、定電圧パルスゲート駆動回路3に使用しても同様の効果が得られ、IGBT1のゲートを保護することができる。また、図16の回路ブロックで示した構成に限らず使用できる。
参考までに、図18に、本実施の形態2を実現したゲート駆動装置の全体回路構成の一例を示す。
In FIG. 17, the ON constant current pulse gate drive circuit 21-1 is used as an example of the ON constant current pulse gate drive circuit, but other constant current pulse gate drive circuits may be used. Even if it is used for the constant voltage pulse gate driving circuit 3, the same effect can be obtained, and the gate of the IGBT 1 can be protected. Further, the present invention is not limited to the configuration shown in the circuit block of FIG.
For reference, FIG. 18 shows an example of the entire circuit configuration of the gate driving device that realizes the second embodiment.

実施の形態3.
既述したように、実施の形態1に使用する定電流パルスゲート駆動回路21において、例えば、Q1のVEBのバラツキと温度特性が定電流パルスゲート駆動回路2の定電流バラツキの原因となりうる。
この実施の形態3は、定電流パルスゲート駆動回路21を構成するQ1等の半導体デバイス自体の特性変動を抑制するものである。そのため、図19、図20に示すように、同一のICチップ内に同一の条件でQ1と補償用半導体デバイスであるD1(もしくはQ1”)を構成した回路とする。
Embodiment 3 FIG.
As described above, in the constant current pulse gate drive circuit 21 used in the first embodiment, for example, the variation in the V EB of Q1 and the temperature characteristic can cause the constant current variation in the constant current pulse gate drive circuit 2.
In the third embodiment, the characteristic fluctuation of the semiconductor device itself such as Q1 constituting the constant current pulse gate drive circuit 21 is suppressed. Therefore, as shown in FIG. 19 and FIG. 20, a circuit in which Q1 and D1 (or Q1 ″) as a compensation semiconductor device are configured in the same IC chip under the same conditions.

Q1とD1またはQ1”を同一のICもしくはチップ上に同一の条件で製作することで、VEBのバラツキ方向(VEB増加ならばV増加)の一致したバラツキ特性となり、個体差バラツキに対し、補正が可能であるとともに、温度条件が一致することで温度補償が可能となり、温度変化に対し定電流特性の改善が可能となる。 Q1 and that manufactured under the same conditions on the same IC or on a chip D1 or Q1 ", becomes consistent with the variation characteristics of (V F increases if V EB increases) the variation direction of the V EB, relative to individual difference variation In addition, correction can be made and temperature compensation can be achieved by matching the temperature conditions, and constant current characteristics can be improved with respect to temperature changes.

実施の形態4.
この実施の形態4は、先の実施の形態1の定電流パルスゲート駆動回路2による定電流出力を切替可能とすることにより、運転条件に応じてより優れた運転特性を得ることを可能とするものである。
IGBT等のスイッチングデバイスにおいて、モータ等を駆動する場合、運転条件によってはスイッチングにより放射ノイズ量と損失が変化する。即ち、スイッチング速度をあげるとノイズレベルが高くなるが、ターンON損失、ターンOFF損失は減少する。電磁波ノイズ対策のため、スイッチング速度を遅くするとターンON損失、ターンOFF損失が増加する。つまり、ノイズとスイッチング速度はトレードオフの関係にあると言える。
Embodiment 4 FIG.
In the fourth embodiment, by making it possible to switch the constant current output by the constant current pulse gate drive circuit 2 of the first embodiment, it is possible to obtain more excellent driving characteristics according to the driving conditions. Is.
When a motor or the like is driven in a switching device such as an IGBT, the amount of radiation noise and loss change due to switching depending on operating conditions. That is, increasing the switching speed increases the noise level, but decreases the turn-on loss and the turn-off loss. If the switching speed is slowed down to prevent electromagnetic noise, turn-on loss and turn-off loss increase. In other words, it can be said that noise and switching speed are in a trade-off relationship.

しかし、従来のように固定されたスイッチング速度では最もノイズの出やすい運転条件においてスイッチング速度を決定する必要があった。即ち、最もノイズの出やすい運転条件において、EMI(電磁妨害)が問題とならないレベルにまでスイッチング速度を緩め(遅くする)なければならず、結果として、必要以上にスイッチング速度を制限することになり、必要以上に損失を増やす傾向にあった。   However, it has been necessary to determine the switching speed under the driving conditions where noise is most likely to occur at a fixed switching speed as in the prior art. That is, under the most noisy operating conditions, the switching speed must be reduced (slowed) to a level where EMI (electromagnetic interference) does not become a problem, and as a result, the switching speed is limited more than necessary. Tended to increase losses more than necessary.

図21と図22は、この実施の形態4を示すもので、図21は、ON定電流パルスゲート駆動回路21−1において、定電流を設定するR3と並列に、スイッチSW1とR3’の組を少なくとも1組以上取り付け、定電流出力値の切り替え駆動を行なう電流切替回路としての電流切替部211を設けたものである。SW1は、例えば、FETや、トランジスタなどを使用する。
OFF側も同様で、図22は、OFF定電流パルスゲート駆動回路22−1において、定電流を設定するR6と並列に、スイッチSW2とR6’の組を少なくとも1組以上取り付け、定電流出力値の切り替え駆動を行なう電流切替回路としての電流切替部221を設けたものである。
電流切替部211および電流切替部221を取り付けた場合の駆動タイミングチャートを図23に示す。
FIGS. 21 and 22 show the fourth embodiment. FIG. 21 shows a set of switches SW1 and R3 ′ in parallel with R3 for setting a constant current in the ON constant current pulse gate drive circuit 21-1. Are provided with a current switching unit 211 as a current switching circuit for switching and driving a constant current output value. For example, an FET or a transistor is used as SW1.
The same applies to the OFF side. FIG. 22 shows that the constant current output value is obtained by attaching at least one set of switches SW2 and R6 ′ in parallel with R6 for setting the constant current in the OFF constant current pulse gate drive circuit 22-1. The current switching unit 221 is provided as a current switching circuit for performing the switching drive.
FIG. 23 shows a drive timing chart when the current switching unit 211 and the current switching unit 221 are attached.

この実施の形態4では、定電流駆動によるスイッチング速度を安定化させたゲート駆動装置でスイッチング速度を可変することにより、ノイズとスイッチング損失のトレードオフ関係を動的に制御することが可能となる。これにより、運転条件に応じたスイッチング速度の制御が可能となり、スイッチングノイズによる放射ノイズ量が大きくなる運転領域/条件においてはスイッチング速度を下げ、ノイズの発生を抑える。また、スイッチングノイズによる放射ノイズ量が小さくなる運転領域/条件においてはスイッチング速度を上げ、損失の低減を行なうといった制御が可能となる。
従来の定電圧−抵抗駆動方式を応用して抵抗を切り替えるようにした場合、スイッチング速度の個体差バラツキにより、充分に効果を発揮できない可能性があったが、この実施の形態4で示した本方式においては個体差バラツキを解消している為、定電流切替に基づくスイッチング速度の切り替えによる効果が充分に発揮できる。
In the fourth embodiment, it is possible to dynamically control the trade-off relationship between noise and switching loss by varying the switching speed with a gate driving device that stabilizes the switching speed by constant current driving. As a result, the switching speed can be controlled in accordance with the operating conditions, and the switching speed is lowered and the generation of noise is suppressed in the operating region / condition where the amount of radiation noise due to the switching noise is large. Further, in an operation region / condition in which the amount of radiation noise due to switching noise is small, it is possible to perform control such as increasing the switching speed and reducing loss.
When the resistance is switched by applying the conventional constant voltage-resistance driving method, there is a possibility that the effect cannot be sufficiently exhibited due to the individual difference in switching speed. In the method, since the individual difference variation is eliminated, the effect of switching the switching speed based on the constant current switching can be sufficiently exhibited.

なお、以上では、モータ負荷の場合について説明したが、負荷のノイズの出やすい運転条件と出にくい運転条件とにより切り替えることで、モータ負荷だけでなく、インダクタンス負荷や容量負荷、抵抗負荷においても適用可能である。
また、本実施の形態4では、電流切替部211と電流切替部221の双方を具備した例を示したが、各々どちらかを装備することも可能である。
In addition, although the case of the motor load has been described above, it can be applied not only to the motor load but also to an inductance load, a capacitive load, and a resistance load by switching between an operation condition where the noise of the load is likely to occur and an operation condition where the noise is difficult to occur. Is possible.
In the fourth embodiment, the example in which both the current switching unit 211 and the current switching unit 221 are provided has been described. However, either of them can be provided.

また、図21の構成は、Q1による電流OFF動作の遅れによる想定外の電流供給を完全に遮断する構成としても使用できる。以下、この使用要領について説明する。
この場合、定電流パルスゲート駆動回路2は、ゲート駆動時の定電流をR3’で設定し、定電流出力を停止するタイミングにおいてSW1をOFFし、定電流を決めるR3’をR3に瞬時に切り替え、定電流駆動回路のOFF遅れによる電流がゲート回路に対し影響を及ぼさないよう動作させる。
Further, the configuration of FIG. 21 can also be used as a configuration that completely cuts off an unexpected current supply due to a delay in the current OFF operation by Q1. Hereinafter, this usage procedure will be described.
In this case, the constant current pulse gate drive circuit 2 sets the constant current at the time of gate drive by R3 ′, turns off SW1 at the timing of stopping the constant current output, and instantaneously switches R3 ′ that determines the constant current to R3. Then, the constant current driving circuit is operated so that the current due to the OFF delay does not affect the gate circuit.

具体的には、定電流の停止タイミングと同時に「切替」信号をOFFさせてSW1をOFFし、Q1のOFF遅れを考慮した時間経過後、電流を抑えた状態から元の駆動電流が得られる状態に速やかに復帰させるため、OFF遅れ時間を考慮した後、「切替」信号をONにしてSW1をONさせる。これにより、Q1のOFF遅れを改善できる。
このとき
R3>>R3’
とし、R3はゲートOFF抵抗よりもはるかに大きい値とする。
R3を使用しないことも可能であるが、R3に値を持たせることでQ1のOFF状態を確実なものとし、Q1の帰還容量であるCEBに安定した初期状態を与える。これにより、次にゲートを定電流でONさせるタイミングにおいて、Q1のCEBが不安定な充電状態によって過渡電流特性が悪化することを防止し、定電流パルスゲート駆動回路2の高速定電流特性を安定化することが可能となる。
Specifically, the “switch” signal is turned off simultaneously with the stop timing of the constant current to turn off SW1, and after the time considering the OFF delay of Q1, the original drive current is obtained from the state where the current is suppressed Therefore, after considering the OFF delay time, the “switch” signal is turned on to turn on SW1. Thereby, the OFF delay of Q1 can be improved.
At this time R3 >> R3 ′
R3 is much larger than the gate OFF resistance.
Although it is possible not to use R3, by giving a value to R3, the OFF state of Q1 is ensured, and a stable initial state is given to C EB which is the feedback capacity of Q1. Thus, in the next timing to ON of the gate at a constant current prevents the C EB of Q1 transient current characteristics are deteriorated by an unstable charge state, the high-speed constant current characteristic of the constant-current-pulse gate drive circuit 2 It becomes possible to stabilize.

実施の形態5.
ところで、ターンON動作において、スイッチングデバイス1に過電流が流れた場合、制御回路が緊急停止を指示する前に外部に構成した高速保護回路にて強制的にゲートをOFF遷移させる構成などを採用することがある。このとき、先の各実施の形態における判定/切替回路4等では、一旦は定電圧駆動に切り替わるものの、高速保護回路等により、ゲート電圧が低下し、再度定電流駆動となる場合がある。そして、高速保護回路の回路定数と、定電流パルスゲート駆動回路の回路定数によっては再度ゲート電圧が上昇し、高速保護回路の機能を阻害する恐れがある。
この実施の形態5は、以上の不具合を解消するもので、先の判定/切替回路4等で使用する第1の判定回路41および第2の判定回路42に、いわゆるヒステリシス特性を持たせている。
Embodiment 5 FIG.
By the way, when an overcurrent flows through the switching device 1 in the turn-on operation, a configuration is adopted in which the gate is forcibly turned off by a high-speed protection circuit configured outside before the control circuit instructs an emergency stop. Sometimes. At this time, in the determination / switching circuit 4 or the like in each of the previous embodiments, the gate voltage is lowered due to the high-speed protection circuit or the like, but the constant current driving may be performed again. Depending on the circuit constants of the high-speed protection circuit and the circuit constants of the constant current pulse gate drive circuit, the gate voltage may rise again, which may hinder the function of the high-speed protection circuit.
In the fifth embodiment, the above problems are solved, and the first determination circuit 41 and the second determination circuit 42 used in the previous determination / switching circuit 4 or the like have so-called hysteresis characteristics. .

即ち、図24は、第1の判定回路41に、第1の設定値変更回路51を設けたものである。ゲート電圧が第1の設定値(VH:ミラー電圧のバラツキ最大値以上の値を設定)を越えて、コンパレータの出力が“L”から“H”に立ち上がると、Q51がONして第1の設定値が所定量低減する。
図25は、第2の判定回路42に、第2の設定値変更回路52を設けたものである。ゲート電圧が第2の設定値(VL:Vth最小電圧以下の値を設定)未満となって、コンパレータの出力が“L”から“H”に立ち上がると、Q52がOFFして第2の設定値が所定量増大する。
That is, in FIG. 24, the first setting value changing circuit 51 is provided in the first determination circuit 41. When the gate voltage exceeds the first set value (VH: set a value equal to or greater than the maximum mirror voltage variation) and the output of the comparator rises from “L” to “H”, Q51 is turned on and the first The set value is reduced by a predetermined amount.
In FIG. 25, the second determination circuit 42 is provided with a second set value change circuit 52. When the gate voltage becomes less than the second set value (VL: set value less than Vth minimum voltage) and the output of the comparator rises from “L” to “H”, Q52 is turned OFF and the second set value is set. Increases by a predetermined amount.

これにより、定電流から定電圧へ切り替えられるゲート電圧において、ゲート駆動条件切り替え時に前記のような問題や、ゲート電圧のVH判定電圧付近でのふらつきによる異常な定電流駆動、低電圧駆動切り替えバタツキ等を防止できる。   As a result, in the gate voltage that can be switched from a constant current to a constant voltage, the above-mentioned problems at the time of switching the gate drive condition, abnormal constant current drive due to fluctuation of the gate voltage near the VH determination voltage, low voltage drive switching flutter, etc. Can be prevented.

実施の形態6.
図26は、実施の形態6における判定回路43を示すもので、設定値変更回路53を設けている。先の実施の形態5でのヒステリシス特性の上限値をVH(ミラー電圧のバラツキ最大値以上の値)、下限値をVL(Vth最小電圧以下の値)に設定することで、1個の判定回路43で、VH判定とVL判定を出力するものである。
即ち、ターンオン動作において、ゲート電圧がVHを越えるとコンパレータの出力が“L”から“H”に立ち上がってVH判定を出力し、定電流駆動から定電圧駆動に切り替える。同時に、Q53がONして設定値がVLに変更される。ターンオフ動作において、ゲート電圧がVL未満となると、コンパレータの出力が“H”から“L”に立ち下がってVL判定を出力し、定電流駆動から定電圧駆動に切り替える。同時に、Q53がOFFして設定値がVHに変更される。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 26 shows a determination circuit 43 according to the sixth embodiment, and a set value change circuit 53 is provided. By setting the upper limit value of the hysteresis characteristic in the previous embodiment 5 to VH (a value equal to or greater than the maximum mirror voltage variation) and the lower limit value to VL (a value equal to or less than the Vth minimum voltage), one determination circuit In 43, VH determination and VL determination are output.
That is, in the turn-on operation, when the gate voltage exceeds VH, the output of the comparator rises from “L” to “H” and outputs a VH determination, and the constant current drive is switched to the constant voltage drive. At the same time, Q53 is turned ON and the set value is changed to VL. In the turn-off operation, when the gate voltage becomes less than VL, the output of the comparator falls from “H” to “L” and outputs a VL determination, and the constant current drive is switched to the constant voltage drive. At the same time, Q53 is turned OFF and the set value is changed to VH.

これにより、ゲート駆動1パルスあたり1回の定電流駆動に制限することができ、アーム短絡や、過負荷保護動作において、外部のゲート制限回路の動作によるゲート電圧の低下の際、再度定電流パルスゲート駆動回路から電流が供給されるという誤動作を防止できる。
また、実施の形態1では2回路必要であった比較回路(図5参照)を1回路にすることができる。
As a result, it is possible to limit the driving to one constant current per one pulse of the gate driving, and when the gate voltage drops due to the operation of the external gate limiting circuit in the arm short circuit or the overload protection operation, the constant current pulse is performed again. It is possible to prevent malfunction that current is supplied from the gate drive circuit.
Further, the comparison circuit (see FIG. 5), which required two circuits in the first embodiment, can be made into one circuit.

なお、上記の例では、回路の説明上コンパレータの動作をアクティブHで説明したが、当然のことながら、コンパレータの出力をアクティブLとし、その左記のロジック回路を修正することで、同じ効果を得ることができる。
アクティブLで設計する例としては、たとえば、汎用のアナログコンパレータICを使用する場合において、アナログコンパレータICの多くは出力端子がオープンコレクタ形となっている。そのため、アクティブHより、アクティブLのほうが出力信号の遷移が高速となる例がある。こういった場合においては、アクティブL動作を選択し、設計することで動作の遅れが防止される。
In the above example, the operation of the comparator is described as active H in the description of the circuit. However, as a matter of course, the same effect can be obtained by setting the output of the comparator as active L and correcting the logic circuit on the left. be able to.
As an example of designing with active L, for example, when a general-purpose analog comparator IC is used, most of the analog comparator ICs have an open collector type output terminal. Therefore, there is an example in which the transition of the output signal is faster in the active L than in the active H. In such a case, the operation delay is prevented by selecting and designing the active L operation.

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。   It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.

1 スイッチングデバイス、2,2’,2” 定電流パルスゲート駆動回路、
3 定電圧パルスゲート駆動回路、4,4’,4” 判定/切替回路、
5 電圧制限回路、21,21−1〜3 ON定電流パルスゲート駆動回路、
22,22−1〜3 OFF定電流パルスゲート駆動回路、41 第1の判定回路、
42 第2の判定回路、43 判定回路、51 第1の設定値変更回路、
52 第2の設定値変更回路、53 設定値変更回路、211,221 電流切替部。
1 switching device, 2, 2 ', 2 "constant current pulse gate drive circuit,
3 constant voltage pulse gate drive circuit, 4, 4 ', 4 "judgment / switching circuit,
5 voltage limiting circuit, 21, 21-3 to 1 ON constant current pulse gate drive circuit,
22, 22-1 to 3 OFF constant current pulse gate drive circuit, 41 first determination circuit,
42 second determination circuit, 43 determination circuit, 51 first set value change circuit,
52 Second set value change circuit, 53 Set value change circuit, 211, 221 Current switching unit.

Claims (4)

電圧駆動型のスイッチングデバイスのゲートに接続され、オン/オフゲート制御信号に基づき上記スイッチングデバイスをターンオン/ターンオフさせるゲート信号を上記ゲートに出力するゲート駆動装置において、
上記ターンオン動作および上記ターンオフ動作のいずれか一方または双方のための上記ゲート駆動装置として、
上記ゲート信号を定電流出力で作成する定電流パルスゲート駆動回路、上記ゲート信号を定電圧出力で作成する定電圧パルスゲート駆動回路、および上記定電流パルスゲート駆動回路の動作と上記定電圧パルスゲート駆動回路の動作との切替を行う判定切替回路を備え、
上記判定切替回路は、上記ゲートの電圧を検出するゲート電圧検出回路、上記ゲート電圧と所定の第1の設定値との大小を判定する第1の判定回路、上記ゲート電圧と所定の第2の設定値との大小を判定する第2の判定回路、および上記ターンオン動作においては、先ず、上記定電流パルスゲート駆動回路を上記ゲートに接続し、上記第1の判定回路により上記ゲート電圧が上記第1の設定値を越えたと判定されたとき上記定電流パルスゲート駆動回路に替え上記定電圧パルスゲート駆動回路を上記ゲートに接続し、上記ターンオフ動作においては、先ず、上記定電流パルスゲート駆動回路を上記ゲートに接続し、上記第2の判定回路により上記ゲート電圧が上記第2の設定値未満と判定されたとき上記定電流パルスゲート駆動回路に替え上記定電圧パルスゲート駆動回路を上記ゲートに接続する切替回路を備え、
上記ターンオン動作において上記第1の判定回路により上記ゲート電圧が上記第1の設定値を越えたと判定されたとき上記第1の判定回路の上記第1の設定値を所定量低減した設定値に変更する第1の設定値変更回路、および上記ターンオフ動作において上記第2の判定回路により上記ゲート電圧が上記第2の設定値未満と判定されたとき上記第2の判定回路の上記第2の設定値を所定量増大した設定値に変更する第2の設定値変更回路を備え、
上記定電流パルスゲート駆動回路の制御電源の電圧を、上記定電圧パルスゲート駆動電源の制御電源の電圧より高く設定したことを特徴とするゲート駆動装置。
A gate driving device connected to a gate of a voltage-driven switching device and outputting a gate signal to the gate for turning on / off the switching device based on an on / off gate control signal;
As the gate driving device for one or both of the turn-on operation and the turn-off operation,
Constant current pulse gate drive circuit for generating the gate signal with constant current output, constant voltage pulse gate drive circuit for generating the gate signal with constant voltage output, and operation of the constant current pulse gate drive circuit and the constant voltage pulse gate It has a judgment switching circuit that switches between the operation of the drive circuit,
The determination switching circuit includes a gate voltage detection circuit that detects the voltage of the gate, a first determination circuit that determines the magnitude of the gate voltage and a predetermined first set value, and the gate voltage and a predetermined second In the second determination circuit for determining the magnitude of the set value and the turn-on operation, first, the constant current pulse gate drive circuit is connected to the gate, and the gate voltage is changed by the first determination circuit. When it is determined that the set value of 1 is exceeded, the constant voltage pulse gate drive circuit is connected to the gate instead of the constant current pulse gate drive circuit. In the turn-off operation, first, the constant current pulse gate drive circuit is When the gate voltage is determined to be less than the second set value by the second determination circuit, the constant current pulse gate drive circuit is replaced. The constant-voltage-pulse gate drive circuit comprises a switching circuit connected to the gate,
In the turn-on operation, when the first determination circuit determines that the gate voltage exceeds the first set value, the first set value of the first determination circuit is changed to a set value reduced by a predetermined amount. And the second setting value of the second determination circuit when the gate voltage is determined to be less than the second setting value by the second determination circuit in the turn-off operation. A second set value changing circuit for changing the set value to a set value increased by a predetermined amount,
A gate driving device characterized in that the voltage of the control power source of the constant current pulse gate driving circuit is set higher than the voltage of the control power source of the constant voltage pulse gate driving power source.
上記定電流パルスゲート駆動回路と上記スイッチングデバイスのゲートとの間に挿入され、上記ゲート電圧を所定の電圧値以下に制限する電圧制限回路を備えたことを特徴とする請求項1記載のゲート駆動装置。 2. The gate drive according to claim 1, further comprising a voltage limiting circuit that is inserted between the constant current pulse gate driving circuit and the gate of the switching device and limits the gate voltage to a predetermined voltage value or less. apparatus. 上記定電流パルスゲート駆動回路を構成する半導体デバイスと同一のチップ上に上記半導体デバイスに接続された補償用半導体デバイスを備え、上記定電流パルスゲート駆動回路の定電流出力の温度変化に伴う変動を抑制するようにしたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のゲート駆動装置。 A compensation semiconductor device connected to the semiconductor device is provided on the same chip as the semiconductor device constituting the constant current pulse gate drive circuit, and fluctuations caused by temperature changes in the constant current output of the constant current pulse gate drive circuit. The gate driving device according to claim 1, wherein the gate driving device is suppressed. 上記定電流パルスゲート駆動回路は、その定電流出力の値を切り替える電流切替回路を備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のゲート駆動装置。 4. The gate drive device according to claim 1, wherein the constant current pulse gate drive circuit includes a current switching circuit that switches a value of the constant current output. 5.
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