JP5542323B2

JP5542323B2 - Gate circuit

Info

Publication number: JP5542323B2
Application number: JP2008296905A
Authority: JP
Inventors: 宏信金
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: JP2010124627A

Description

本発明は、電圧駆動型半導体素子のゲート回路に関する。 The present invention relates to a gate circuit of a voltage driven semiconductor element.

一般に、電圧駆動型半導体素子であるＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)をスイッチングさせて、電力を変換する電力変換装置が知られている。このような電力変換装置において、ＩＧＢＴの導通時に、オフされている反対アームのＩＧＢＴ（導通しているＩＧＢＴと直列に接続されたＩＧＢＴ）が短絡破壊をすると、過大な短絡電流が流れる。この短絡電流は、ＩＧＢＴ定格電流の１０倍以上に達することがある。このような短絡電流が流れると、ＩＧＢＴは破損する。 2. Description of the Related Art Generally, a power conversion device that converts power by switching an IGBT (insulated gate bipolar transistor) that is a voltage-driven semiconductor element is known. In such a power conversion device, when the IGBT of the opposite arm that is turned off (the IGBT connected in series with the conducting IGBT) is short-circuited and broken, an excessive short-circuit current flows. This short circuit current may reach 10 times or more of the IGBT rated current. When such a short-circuit current flows, the IGBT is damaged.

そこで、このような短絡電流に対する保護について、様々な検討がされている（例えば、非特許文献１参照）。また、このような保護をするための方式の１つに、ＩＧＢＴのエミッタ側に、インダクタンスを含むように回路を構成することが提案されている（非特許文献２参照）。
Romeo Letor、外１名，“Short Circuit Behavior of IGBT’s Correlated to the Intrinsic Device Structure and on the Application Circuit”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, IEEE,１９９５年３月／４月，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．２，ｐ．２３４−２３９笹川清明、外２名，“ゲート波形制御によるＩＧＢＴ短絡保護方式の検討”，電気学会Ｄ部門論文誌，社団法人電気学会，２００７年，第１２７巻，第５号，ｐ．４７８−４８４ Therefore, various studies have been made on protection against such a short-circuit current (see, for example, Non-Patent Document 1). Further, as one of the methods for such protection, it has been proposed to configure a circuit so as to include an inductance on the emitter side of the IGBT (see Non-Patent Document 2).
Romeo Letor, 1 other, “Short Circuit Behavior of IGBT's Correlated to the Intrinsic Device Structure and on the Application Circuit”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, IEEE, March / April 1995, Vol. 31, no. 2, p. 234-239 Kiyoaki Ninagawa, 2 others, “Examination of IGBT short-circuit protection method by gate waveform control”, IEEJ D Division paper, IEEJ, 2007, Vol. 127, No. 5, p. 478-484

しかしながら、先行技術文献に記載の電力変換装置では、通常のＩＧＢＴのスイッチングでも、インダクタンスにより、ＩＧＢＴの素子電流のｄｉ／ｄｔを低減するようにゲートに負帰還が掛かる。このため、例えば、ＩＧＢＴのオン時に反対アームのダイオードに流れるリカバリー電流も抑制される。従って、ＩＧＢＴのゲート電圧は、大幅に増加する。これにより、スイッチング損失が増大する。 However, in the power conversion device described in the prior art document, even in normal IGBT switching, negative feedback is applied to the gate so as to reduce di / dt of the IGBT element current due to inductance. For this reason, for example, the recovery current flowing in the diode of the opposite arm when the IGBT is turned on is also suppressed. Therefore, the gate voltage of the IGBT is greatly increased. This increases the switching loss.

そこで、本発明の目的は、電圧駆動型半導体素子に流れる短絡電流を抑制し、電圧駆動型半導体素子のスイッチング損失を低減することのできる電圧駆動型半導体素子のゲート回路を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a gate circuit for a voltage-driven semiconductor element that can suppress a short-circuit current flowing in the voltage-driven semiconductor element and reduce a switching loss of the voltage-driven semiconductor element.

本発明の観点に従ったゲート回路は、電圧駆動型半導体素子のエミッタ側にインダクタが直列に接続され、前記電圧駆動型半導体素子を駆動するゲート回路であって、前記電圧駆動型半導体素子のゲート−エミッタ間に、前記電圧駆動型半導体素子を駆動するためのゲート電圧を印加し、前記電圧駆動型半導体素子を駆動する駆動手段と、前記駆動手段により前記ゲート電圧が印加される前記電圧駆動型半導体素子のゲート−エミッタ間の回路を、前記インダクタを含む回路と前記インダクタを含まない回路とに切り替える回路切替手段と、前記電圧駆動型半導体素子のターンオン後に、前記回路切替手段により前記インダクタを含まない回路から前記インダクタを含む回路に切り替えるための切替信号を生成する切替信号生成手段と、前記ゲート電圧を出力するためのゲート波形を生成するゲート波形生成手段とを備え、前記切替信号生成手段は、前記ゲート波形生成手段により生成された前記ゲート波形に基づいて、前記切替信号を生成する。 A gate circuit according to an aspect of the present invention is a gate circuit in which an inductor is connected in series on the emitter side of a voltage-driven semiconductor element, and drives the voltage-driven semiconductor element, the gate circuit of the voltage-driven semiconductor element A gate voltage for driving the voltage-driven semiconductor element is applied between the emitters, a driving means for driving the voltage-driven semiconductor element; and the voltage-driven type to which the gate voltage is applied by the driving means Circuit switching means for switching a circuit between the gate and the emitter of the semiconductor element between a circuit including the inductor and a circuit not including the inductor; and after the turn-on of the voltage-driven semiconductor element, the circuit switching means includes the inductor. a switching signal generating means for generating a switching signal for switching the circuit including the inductor from no circuit, wherein And a gate waveform generation means for generating a gate waveform for outputting the over G Voltage, said switching signal generating means, based on the generated said gate waveform by the gate waveform generation means generates the switching signal .

本発明によれば、電圧駆動型半導体素子に流れる短絡電流を抑制し、電圧駆動型半導体素子のスイッチング損失を低減することのできる電圧駆動型半導体素子のゲート回路を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the short circuit current which flows into a voltage drive type semiconductor element can be suppressed, and the gate circuit of the voltage drive type semiconductor element which can reduce the switching loss of a voltage drive type semiconductor element can be provided.

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換回路１０の構成を示す構成図である。図２は、本実施形態に係るゲート回路１の生成するゲートパルスＧＰ及び切替信号ＳＫの波形を示す波形図である。なお、以降の図において、同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。 (Embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a power conversion circuit 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a waveform diagram showing waveforms of the gate pulse GP and the switching signal SK generated by the gate circuit 1 according to the present embodiment. In the following drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and different portions are mainly described. In the following embodiments, the same description is omitted.

電力変換回路１０は、ゲート回路１と、ＩＧＢＴ２と、ダイオード３と、コイル４とを備えている。 The power conversion circuit 10 includes a gate circuit 1, an IGBT 2, a diode 3, and a coil 4.

ゲート回路１は、ＩＧＢＴ２をスイッチングするためのゲート電圧を出力する回路である。 The gate circuit 1 is a circuit that outputs a gate voltage for switching the IGBT 2.

ＩＧＢＴ２は、電圧駆動型半導体素子である。電力変換回路１０は、ＩＧＢＴ２をスイッチングすることにより、直流電力を交流電力に変換する。 The IGBT 2 is a voltage driven semiconductor element. The power conversion circuit 10 converts DC power into AC power by switching the IGBT 2.

ダイオード３は、ＩＧＢＴ２に逆並列に接続されている。 The diode 3 is connected in antiparallel to the IGBT 2.

コイル４は、ＩＧＢＴ２が短絡破壊したときに流れる短絡電流を抑制するための素子である。コイル４は、インダクタンスを有するインダクタである。 The coil 4 is an element for suppressing a short-circuit current that flows when the IGBT 2 is short-circuit broken. The coil 4 is an inductor having an inductance.

次に、ゲート回路１の詳細な構成について説明する。 Next, a detailed configuration of the gate circuit 1 will be described.

ゲート回路１は、ゲートパルス生成部１１と、オンディレイ１２と、切替器１３とを備えている。 The gate circuit 1 includes a gate pulse generation unit 11, an on delay 12, and a switch 13.

ゲートパルス生成部１１は、ＩＧＢＴ２のオン又はオフをするための指令となるゲートパルスＧＰを生成する。ゲート回路１は、ゲートパルス生成部１１により生成されたゲートパルスＧＰに従って、ＩＧＢＴ２にゲート電圧を印加する。ゲートパルスＧＰの波形は、ＩＧＢＴ２のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧の波形を示している。 The gate pulse generator 11 generates a gate pulse GP that is a command for turning on or off the IGBT 2. The gate circuit 1 applies a gate voltage to the IGBT 2 in accordance with the gate pulse GP generated by the gate pulse generator 11. The waveform of the gate pulse GP indicates the waveform of the gate voltage applied between the gate and the emitter of the IGBT 2.

オンディレイ１２は、ゲートパルス生成部１１から出力されたゲートパルスＧＰが入力され、切替器１３を切り替えるための切替信号ＳＫを出力する。オンディレイ１２は、入力された波形に対して、オンする時間（立ち上がり時間）を所定時間遅らせた波形を出力する。 The on-delay 12 receives the gate pulse GP output from the gate pulse generator 11 and outputs a switching signal SK for switching the switch 13. The on-delay 12 outputs a waveform obtained by delaying a turn-on time (rise time) by a predetermined time with respect to the input waveform.

切替器１３は、オンディレイ１２から出力された切替信号ＳＫに従って、接点ＰＡと接点ＰＢとの切替を行う。接点ＰＡが選択されている場合、ゲート回路１がＩＧＢＴ２にゲート電圧を印加する回路に、コイル４が含まれる。接点ＰＢが選択されている場合、ゲート回路１がＩＧＢＴ２にゲート電圧を印加する回路に、コイル４が含まれない。 The switch 13 switches between the contact PA and the contact PB in accordance with the switching signal SK output from the on delay 12. When the contact PA is selected, the coil 4 is included in a circuit in which the gate circuit 1 applies a gate voltage to the IGBT 2. When the contact PB is selected, the coil 4 is not included in the circuit in which the gate circuit 1 applies the gate voltage to the IGBT 2.

次に、電力変換回路１０の動作について説明する。 Next, the operation of the power conversion circuit 10 will be described.

ゲート回路１は、ゲートパルスＧＰがＯＮを示す場合、ゲート−エミッタ間に印加するゲート電圧を閾値電圧以上にして、ＩＧＢＴ２をオンにする。ゲート回路１は、ゲートパルスＧＰがＯＦＦを示す場合、ゲート−エミッタ間に印加するゲート電圧を閾値電圧以下にして、ＩＧＢＴ２をオフにする。 When the gate pulse GP indicates ON, the gate circuit 1 turns on the IGBT 2 by setting the gate voltage applied between the gate and the emitter to a threshold voltage or higher. When the gate pulse GP indicates OFF, the gate circuit 1 turns off the IGBT 2 by setting the gate voltage applied between the gate and the emitter to a threshold voltage or less.

ゲート回路１は、ＩＧＢＴ２の駆動を開始する前は、切替器１３を接点ＰＡに選択している。ゲート回路１は、切替信号ＳＫがＰＡを示す場合、切替器１３を接点ＰＡに切り替える。ゲート回路１は、切替信号ＳＫがＰＢを示す場合、切替器１３を接点ＰＢに切り替える。 The gate circuit 1 selects the switch 13 as the contact PA before starting to drive the IGBT 2. When the switching signal SK indicates PA, the gate circuit 1 switches the switch 13 to the contact PA. When the switching signal SK indicates PB, the gate circuit 1 switches the switch 13 to the contact PB.

オンディレイ１２は、図２に示すように、ゲートパルス生成部１１からゲートパルスＧＰが入力されると、立ち上がりを時刻ｔ１から時刻ｔ２に遅らせた波形を切替信号ＳＫとして出力する。時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の時間は、オンディレイ１２に予め設定されている時間である。この設定されている時間は、ＩＧＢＴ２のターンオンする時間に略等しいか、又は少し遅く設定されている。 As shown in FIG. 2, when the gate pulse GP is input from the gate pulse generator 11, the on-delay 12 outputs a waveform whose rising edge is delayed from time t1 to time t2 as the switching signal SK. The time between the time t1 and the time t2 is a time preset in the on-delay 12. This set time is set to be approximately equal to or slightly later than the turn-on time of the IGBT 2.

上述の構成により、ゲート回路１は、ＩＧＢＴ２をオフからターンオンするまでの間は、コイル４を含まないゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加する。ゲート回路１は、ＩＧＢＴ２をオンしている間は、コイル４を含むゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加する。 With the above-described configuration, the gate circuit 1 applies a gate voltage between the gate and the emitter not including the coil 4 until the IGBT 2 is turned on from off. The gate circuit 1 applies a gate voltage between the gate and the emitter including the coil 4 while the IGBT 2 is turned on.

本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。 According to this embodiment, the following effects can be obtained.

ゲート回路１は、ＩＧＢＴ２をオフからターンオンするまでの間は、インダクタンスを含まない回路にゲート電圧を印加する。ゲート回路１は、ＩＧＢＴ２をオンしている間は、インダクタンスを含む回路にゲート電圧を印加する。 The gate circuit 1 applies a gate voltage to a circuit that does not include an inductance until the IGBT 2 is turned from OFF to ON. The gate circuit 1 applies a gate voltage to the circuit including the inductance while the IGBT 2 is turned on.

これにより、電力変換回路１０は、通常時のＩＧＢＴ２のスイッチング損失を増大させることなく、ＩＧＢＴ２の導通時に反対アームのＩＧＢＴが短絡破壊することにより発生する過大な短絡電流を抑制することができる。 As a result, the power conversion circuit 10 can suppress an excessive short-circuit current that occurs due to a short-circuit breakdown of the IGBT of the opposite arm when the IGBT 2 is turned on, without increasing the switching loss of the IGBT 2 at the normal time.

ここで、ＩＧＢＴ２をオフからターンオンするまでの間に発生した短絡電流は抑制されない。しかし、この間に発生する短絡電流は、ＩＧＢＴ２の導通時に発生する短絡電流より深刻でない（非特許文献１参照）。従って、電力変換回路１０は、短絡保護としての機能に影響はほとんどない。 Here, the short-circuit current generated during the period from when the IGBT 2 is turned off to when it is turned on is not suppressed. However, the short-circuit current generated during this period is less serious than the short-circuit current generated when the IGBT 2 is conducting (see Non-Patent Document 1). Therefore, the power conversion circuit 10 has almost no influence on the function as short circuit protection.

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

本発明の実施形態に係る電力変換回路の構成を示す構成図。The block diagram which shows the structure of the power converter circuit which concerns on embodiment of this invention. 本実施形態に係るゲート回路の生成するゲートパルス及び切替信号の波形を示す波形図。The wave form diagram which shows the waveform of the gate pulse and switching signal which the gate circuit which concerns on this embodiment produces | generates.

Explanation of symbols

１…ゲート回路、２…ＩＧＢＴ、３…ダイオード、４…コイル、１０…電力変換回路、１１…ゲートパルス生成部、１２…オンディレイ、１３…切替器。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gate circuit, 2 ... IGBT, 3 ... Diode, 4 ... Coil, 10 ... Power conversion circuit, 11 ... Gate pulse production | generation part, 12 ... On-delay, 13 ... Switch.

Claims

An inductor is connected in series to the emitter side of the voltage-driven semiconductor element, and the gate circuit drives the voltage-driven semiconductor element,
Drive means for driving the voltage-driven semiconductor element by applying a gate voltage for driving the voltage-driven semiconductor element between a gate and an emitter of the voltage-driven semiconductor element;
Circuit switching means for switching a circuit between a gate and an emitter of the voltage-driven semiconductor element to which the gate voltage is applied by the driving means between a circuit including the inductor and a circuit not including the inductor;
A switching signal generating means for generating a switching signal for switching from a circuit not including the inductor to a circuit including the inductor by the circuit switching means after the voltage-driven semiconductor element is turned on ;
Gate waveform generating means for generating a gate waveform for outputting the gate voltage,
The switching signal generating means generates the switching signal based on the gate waveform generated by the gate waveform generating means.
Gate circuit according to claim.

The switching signal generation means includes an on-delay timer that inputs the gate waveform generated by the gate waveform generation means and outputs a waveform obtained by delaying the rise time of the gate waveform signal as the switching signal. The gate circuit according to claim 1.

A voltage-driven semiconductor element driven by a gate voltage;
An inductor connected in series to the emitter side of the voltage-driven semiconductor element;
Driving means for applying the gate voltage between the gate and emitter of the voltage-driven semiconductor element to drive the voltage-driven semiconductor element;
Circuit switching means for switching a circuit between a gate and an emitter of the voltage-driven semiconductor element to which the gate voltage is applied by the driving means between a circuit including the inductor and a circuit not including the inductor;
A switching signal generating means for generating a switching signal for switching from a circuit not including the inductor to a circuit including the inductor by the circuit switching means after the voltage-driven semiconductor element is turned on;
Gate waveform generating means for generating a gate waveform for outputting the gate voltage,
The switching signal generating means generates the switching signal based on the gate waveform generated by the gate waveform generating means.
The power converter characterized by this.