JP5669686B2 - Gate drive device for switching element - Google Patents

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Description

本発明は3レベル電力変換装置の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置に関する。   The present invention relates to a gate driving device for a semiconductor switching element of a three-level power converter.

近年、パワーエレクトロニクス技術の進展に伴い、様々な電力変換回路が実用化されている。電力変換回路とは一般に、電力の形態を直流−交流間で自在に変換するものであり、回路構成により2レベル方式や3レベル方式などいくつかの方式がある。
図2(a)に3レベル電力変換装置の例を示す。3レベル電力変換装置は直流電圧が高い用途において、耐圧の低いスイッチング素子を使って回路を形成する場合に適用される。また、3レベル電力変換装置は、2レベル方式に比べてより正弦波に近い波形を出力できるため、高調波などの規制が厳しい用途に好適である。
In recent years, with the progress of power electronics technology, various power conversion circuits have been put into practical use. In general, the power conversion circuit is a circuit that freely converts the form of power between DC and AC, and there are several methods such as a two-level method and a three-level method depending on the circuit configuration.
FIG. 2A shows an example of a three-level power converter. The three-level power converter is applied when a circuit is formed by using a switching element having a low withstand voltage in an application where the DC voltage is high. In addition, since the three-level power converter can output a waveform that is closer to a sine wave than the two-level method, it is suitable for applications in which regulations such as harmonics are severe.

図2(a)において、4〜7はIGBT、8、9は中性点クランプ用ダイオード、10、11は電源安定化コンデンサ、36は交流端子、37、38は直流端子で、37が正極、38が負極、39〜42はゲート駆動装置であり、以下その動作を簡単に説明する。
直流を交流に変換する場合を考える。直流端子37、38に直流電圧が印加されている状態で、IGBT4、5のみをオンさせるとプラス出力が、IGBT5、6のみをオンすると0Vが、IGBT6、7のみをオンする場合にはマイナスがそれぞれ出力される。このように3レベル主回路は2つのIGBTを組にしてオンさせることでプラス、0、マイナスの3つのレベルの電圧を出力できるという特徴を持つ。
2 (a), 4-7 are IGBTs, 8, 9 are neutral point clamping diodes, 10, 11 are power supply stabilization capacitors, 36 is an AC terminal, 37 and 38 are DC terminals, 37 is a positive electrode, Reference numeral 38 denotes a negative electrode, and 39 to 42 denote gate driving devices. The operation will be briefly described below.
Consider the case of converting DC to AC. When a DC voltage is applied to the DC terminals 37 and 38, only the IGBTs 4 and 5 are turned on. When the IGBTs 5 and 6 are turned on, 0V is applied. When only the IGBTs 6 and 7 are turned on, a negative output is obtained. Each is output. As described above, the three-level main circuit is characterized in that it can output three levels of voltages of plus, 0, and minus by turning on two IGBTs as a set.

3レベル電力変換装置で注意しなくてはならないこととしては、IGBT4、IGBT5、IGBT6、あるいはIGBT5、IGBT6、IGBT7のように直列する3つのIGBTが同時にオンすることによるアーム短絡現象が挙げられる。特にこうした3レベル電力変換装置を鉄道車両に用いる場合、直流電圧は1000Vを超える場合があり、アーム短絡が発生した場合、P−C間もしくはC−N間がIGBTにより短絡状態(電源短絡状態)になり、過大な電流が流れてIGBTが破壊に至る。
そこで、通常3レベル主回路ではアーム短絡が発生しないようにIGBT4、IGBT5、IGBT6や、IGBT5、IGBT6、IGBT7が同時にオンしないよう、IGBTを駆動する制御信号のシーケンスが組まれている。しかしながら実際には、制御シーケンスの間違いやゲート駆動装置の故障などの何らかの想定しない事象により、IGBT4、IGBT5、IGBT6、あるいはIGBT5、IGBT6、IGBT7が同時にオンしてしまいアーム短絡が起こるという問題が起きていた。
What must be noted in the three-level power conversion device is an arm short-circuit phenomenon caused by simultaneously turning on three IGBTs in series such as IGBT4, IGBT5, IGBT6, or IGBT5, IGBT6, and IGBT7. In particular, when such a three-level power conversion device is used for a railway vehicle, the DC voltage may exceed 1000V, and when an arm short circuit occurs, a short circuit between the P-C or C-N due to the IGBT (power short circuit state) Thus, an excessive current flows and the IGBT is destroyed.
Therefore, in the normal three-level main circuit, a sequence of control signals for driving the IGBT is set so that the IGBT 4, IGBT 5, IGBT 6, and the IGBT 5, IGBT 6, and IGBT 7 are not turned on at the same time so as not to cause an arm short circuit. However, in reality, there is a problem that an arm short circuit occurs due to IGBT4, IGBT5, IGBT6, or IGBT5, IGBT6, IGBT7 being simultaneously turned on due to an unexpected event such as an error in the control sequence or a failure of the gate driving device. It was.

このような問題を解決する手法としては、ゲート駆動装置39とゲート駆動装置41、およびゲート駆動装置40とゲート駆動装置42が同時にオンすることを防止する機能を搭載することによりアーム短絡を防止する技術が、特開2007−185024号公報に開示されている。   As a technique for solving such a problem, an arm short circuit is prevented by installing a function for preventing the gate driving device 39 and the gate driving device 41 and the gate driving device 40 and the gate driving device 42 from being turned on simultaneously. A technique is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-185024.

図2(b)に同時オン防止機能を搭載したゲート駆動装置を使った3レベル主回路の構成図を示す。図2(b)において、図2(a)と同一の構成要素には同じ符号を付してある。図2(b)において1は制御論理部、12〜15は駆動指令、16〜19はオン許可信号、43〜46は同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板である。一般に制御論理部1と高電圧の主回路に接続されているIGBTの間は絶縁が必要になることから、駆動指令12〜15は光ファイバを使って通信している。また、オン許可信号16〜19も光ファイバを介して通信している。   FIG. 2B shows a configuration diagram of a three-level main circuit using a gate driving device equipped with a simultaneous ON prevention function. In FIG. 2B, the same components as those in FIG. In FIG. 2B, 1 is a control logic unit, 12 to 15 are drive commands, 16 to 19 are ON permission signals, and 43 to 46 are gate drive device boards equipped with a simultaneous ON prevention function. In general, since insulation is required between the control logic unit 1 and the IGBT connected to the high-voltage main circuit, the drive commands 12 to 15 are communicated using optical fibers. In addition, the ON permission signals 16 to 19 are also communicated via the optical fiber.

この回路では、同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板43〜46がIGBTの動作状態を監視し、IGBTがオフしている場合のみ、対となるゲート駆動装置基板にオンを許可する信号を送り、アーム短絡を防止している。例えば、同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板43はIGBT4の状態を監視し、IGBT4がオフの場合にのみ、対となる同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板45にオン許可信号18を送る。同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板45ではオン許可信号18が送られてきた場合のみ、IGBT6をオンすることができる。
反対に同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板45はIGBT6のオフを検出し、同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板43にオン許可信号16を送り、同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板43はオン許可信号16が送られてきた場合のみIGBT4をオンすることができる。このような構成とすることで、同時に直列する3つのIGBTが同時にオンすることを禁止し、アーム短絡を防止している。
この構成を実現するに当たっては、電位が異なるゲート駆動装置基板間でオン許可信号を通信するため、一般に光ファイバ等をゲート駆動装置基板間に接続し、光信号伝送により通信が行われている。
In this circuit, the gate drive device substrates 43 to 46 equipped with the simultaneous on-prevention function monitor the operation state of the IGBT, and only when the IGBT is turned off, send a signal to permit the turn-on to the paired gate drive device substrate, Arm short circuit is prevented. For example, the simultaneous on-prevention function-equipped gate drive device substrate 43 monitors the state of the IGBT 4 and sends an on permission signal 18 to the paired simultaneous on-prevention function-equipped gate drive device substrate 45 only when the IGBT 4 is off. The gate drive device board 45 with the simultaneous on prevention function can turn on the IGBT 6 only when the on permission signal 18 is sent.
On the other hand, the gate drive device board 45 equipped with the simultaneous on prevention function detects that the IGBT 6 is turned off, and sends an on permission signal 16 to the gate drive equipment board 43 equipped with the simultaneous on prevention function. The IGBT 4 can be turned on only when the permission signal 16 is sent. By adopting such a configuration, it is prohibited to simultaneously turn on three IGBTs in series at the same time, and an arm short circuit is prevented.
In realizing this configuration, in order to communicate an ON permission signal between gate drive device substrates having different potentials, communication is generally performed by optical signal transmission by connecting an optical fiber or the like between the gate drive device substrates.

特開2007−185024号公報JP 2007-185024 A

しかしながら、上述の従来技術には、次のような問題があった。
すなわち、図2(b)に示すように光ファイバをゲート駆動装置間で光信号伝送に使用すると、同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板間を多くの光ファイバ(図2(b)の場合は4本)で接続する必要が生じ、これら光ファイバの配線スペースが新たに必要になり、変換器のサイズが大きくなってしまう。
また、光ファイバは不要な曲げ応力を掛けるとファイバが折れてしまい信号を伝達できなくなるという欠点を有し、取り扱いに注意が必要なことから、配線時の作業が繁雑になるとともに、耐久性にも問題があった。さらに、駆動指令を含め多くの光ファイバ(図2(b)では12本)を配線しなくてはならず、誤って配線するという問題点も有していた。
そこで、本発明の目的は、上記問題点を解決するものであって、3レベル電力変換装置のゲート駆動装置において同時オン防止回路を有し、かつ3レベル電力変換装置の構成部品を少なくし信頼性を向上したゲート駆動装置を提供することである。
However, the above-described prior art has the following problems.
That is, as shown in FIG. 2B, when an optical fiber is used for optical signal transmission between gate drive devices, a large number of optical fibers (in the case of FIG. 4), it becomes necessary to connect them, and a new wiring space is required for these optical fibers, which increases the size of the converter.
In addition, optical fibers have the disadvantage that if an unnecessary bending stress is applied, the fiber will be broken and it will not be possible to transmit signals. Careful handling is required, making wiring work complicated and improving durability. There was also a problem. Furthermore, many optical fibers including drive commands (12 in FIG. 2B) had to be wired, and there was a problem that they were mistakenly wired.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and the gate driving device of the three-level power converter has a simultaneous on prevention circuit, and the number of components of the three-level power converter is reduced and reliable. It is to provide a gate driving device with improved performance.

上記課題を解決するために、3レベル電力変換装置において、第1のIGBTと第3のIGBTの両方を駆動するゲート駆動装置と、第2のIGBTと第4のIGBTの両方を駆動するゲート駆動装置を1枚の基板に実装したゲート駆動装置で構成することで達成させる。
より具体的には、本発明の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置では、次のような技術的手段を講じた。すなわち、
(1)一対の直流電源端子間に順次直列に接続された第一ないし第四の半導体スイッチング素子と、該第一ないし第四のスイッチング素子にそれぞれ接続され、これらの半導体スイッチング素子を駆動する第一ないし第四のゲート駆動回路とからなり、第一及び第二の半導体スイッチング素子のみをオンしたときプラス出力、第二及び第三の半導体スイッチング素子のみをオンしたとき零出力、そして、第三及び第四の半導体スイッチング素子のみをオンしたときマイナス出力を出力することにより交流に変換する3レベル電力変換装置であって、前記第一の駆動回路と前記第三の駆動回路、及び、前記第二の駆動回路と前記第四の駆動回路をそれぞれ同一の基板に実装し、各基板上において、前記二つのゲート駆動回路におけるゲート出力回路を、通信線を介して相互に論理回路に接続し、いずれか一方のゲート駆動回路がオンしている時に他方のゲート駆動回路をオフすることにより、同時オンを防止するようにした。
In order to solve the above problems, in a three-level power conversion device, a gate driving device that drives both the first IGBT and the third IGBT, and a gate driving that drives both the second IGBT and the fourth IGBT. This is achieved by configuring the device with a gate driving device mounted on a single substrate.
More specifically, the gate switching device for a semiconductor switching element according to the present invention employs the following technical means. That is,
(1) First to fourth semiconductor switching elements sequentially connected in series between a pair of DC power supply terminals, and first to fourth switching elements connected to the first to fourth switching elements, respectively, for driving these semiconductor switching elements. 1 to 4 gate drive circuits, plus output when only the first and second semiconductor switching elements are turned on, zero output when only the second and third semiconductor switching elements are turned on, and third And a three-level power converter for converting to alternating current by outputting a negative output when only the fourth semiconductor switching element is turned on, the first drive circuit, the third drive circuit, and the first Two drive circuits and the fourth drive circuit are mounted on the same substrate, and on each substrate, the gate output in the two gate drive circuits The road, connected to the logic circuit to one another via a communication line, one of the gate drive circuit by turning off the other gate drive circuit when turned on, and to prevent simultaneous ON.

(2)上記の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路に印加される直流電圧に基づいて、規格上定められる最小限の絶縁距離を確保した。 (2) In the gate driving device for a semiconductor switching element, the minimum insulation distance defined in the standard is ensured based on the DC voltage applied to the two gate driving circuits on the same substrate.

(3)上記の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路の間に絶縁スリットを設けた。 (3) In the gate driving device for a semiconductor switching element, an insulating slit is provided between two gate driving circuits on the same substrate.

(4)上記の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路のゲート出力回路を、パルストランス、高耐圧フォトカプラや光ファイバ等の光素子及び高絶縁のキャパシタンスの少なくともひとつを使用した絶縁信号送信回路を介して、前記論理回路に接続した。
(4) In the gate drive device for a semiconductor switching element, the gate output circuits of the two gate drive circuits are formed on the same substrate by using a pulse transformer, an optical element such as a high voltage photocoupler or an optical fiber, and a high insulation capacitance. The logic circuit is connected through an insulation signal transmission circuit using at least one of the above.

本発明によれば、第1のIGBTと第3のIGBTのゲート駆動装置基板間の光信号伝送および第2のIGBTと第4のIGBTのゲート駆動装置基板間を接続しオン許可信号をやりとりすることで、アーム短絡を防止すると共に、オン許可信号をゲート駆動装置基板内に配線することでゲート駆動装置の組立時の作業性の向上や誤配線を防ぐことが可能となる。   According to the present invention, optical signal transmission between the gate drive device substrates of the first IGBT and the third IGBT, and connection between the gate drive device substrates of the second IGBT and the fourth IGBT and exchange of an on permission signal are performed. As a result, it is possible to prevent an arm short circuit and to improve the workability at the time of assembling the gate drive device and prevent incorrect wiring by wiring the ON permission signal in the gate drive device substrate.

本発明の実施例1のゲート駆動装置を適用した3レベル電力変換装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the 3 level power converter device to which the gate drive device of Example 1 of this invention is applied. (a)は前提となる3レベル電力変換装置の一例、(b)は、従来技術の同時オン防止機能を搭載したゲート駆動装置を適用した3レベル電力変換装置の構成を示す図。(A) is an example of a three-level power conversion device as a premise, and (b) is a diagram showing a configuration of a three-level power conversion device to which a gate drive device equipped with a simultaneous on-prevention function of the prior art is applied. 本発明の実施例2のゲート駆動装置を適用した3レベル電力変換装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the 3 level power converter device to which the gate drive device of Example 2 of this invention is applied. 本発明の実施例3のゲート駆動装置を適用した3レベル電力変換装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the 3 level power converter device to which the gate drive device of Example 3 of this invention is applied.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施例1]
図1は、本発明の実施例1のゲート駆動装置を3レベル電力変換装置に適用した例を示す。
図2(a)、図2(b)と同一の構成要素には同じ符号を付してある。
図1において、20〜23はAND回路、24〜27はIGBTオン判定回路、28〜31はゲート駆動回路、32〜35はゲート出力回路である。第1のIGBT4に対しオン信号を出力するゲート出力回路32を具備するゲート駆動回路28と、第3のIGBT6に対しオン信号を出力するゲート出力回路33を具備するゲート駆動回路29は、後述するAND回路やGBTオン判定回路とともに同一基板に実装され、ゲート駆動装置2を構成している。
同様に、第2のIGBT5に対しオン信号を出力するゲート出力回路34を具備するゲート駆動回路30と、第4のIGBT7に対しに対しオン信号を出力するゲート出力回路35を具備するゲート駆動回路31は、後述するAND回路やGBTオン判定回路とともに同一基板に実装され、ゲート駆動装置3を構成している。
[Example 1]
FIG. 1 shows an example in which the gate driving device according to the first embodiment of the present invention is applied to a three-level power conversion device.
The same components as those in FIGS. 2A and 2B are denoted by the same reference numerals.
In FIG. 1, 20-23 are AND circuits, 24-27 are IGBT on determination circuits, 28-31 are gate drive circuits, and 32-35 are gate output circuits. A gate drive circuit 28 having a gate output circuit 32 that outputs an ON signal to the first IGBT 4 and a gate drive circuit 29 having a gate output circuit 33 that outputs an ON signal to the third IGBT 6 will be described later. It is mounted on the same substrate together with an AND circuit and a GBT on determination circuit, and constitutes a gate driving device 2.
Similarly, a gate drive circuit 30 having a gate output circuit 34 that outputs an ON signal to the second IGBT 5 and a gate output circuit 35 that outputs an ON signal to the fourth IGBT 7. 31 is mounted on the same substrate together with an AND circuit and a GBT on determination circuit, which will be described later, and constitutes a gate driving device 3.

ゲート駆動装置2とゲート駆動装置3は同一構成であるため、以下、ゲート駆動装置2を使用して、動作を説明する。
制御論理部1からの駆動信号は駆動指令12を介してAND回路20に出力され、また、GBTオン判定回路25は、ゲート出力回路33からの信号に基づいて、第3のIGBT6がオフしているとき、オン許可信号16をAND回路20に出力され、AND回路20は、駆動指令12とオン許可信号16のANDをとり、両方Hiレベルの場合オン信号を出力する。
すなわち制御論理部1からの指令が「オン」で、しかも、第3のIGBT6がオフしており、オン許可信号16が「許可」の場合のみ、AND回路20、ゲート出力回路32を介して、第1のIGBT4をオンすることができる。
Since the gate driving device 2 and the gate driving device 3 have the same configuration, the operation will be described below using the gate driving device 2.
The drive signal from the control logic unit 1 is output to the AND circuit 20 via the drive command 12, and the GBT on determination circuit 25 turns off the third IGBT 6 based on the signal from the gate output circuit 33. The ON permission signal 16 is output to the AND circuit 20, and the AND circuit 20 takes an AND of the drive command 12 and the ON permission signal 16, and outputs an ON signal when both are at the Hi level.
That is, only when the command from the control logic unit 1 is “ON”, the third IGBT 6 is OFF, and the ON permission signal 16 is “permitted”, the AND circuit 20 and the gate output circuit 32 are used. The first IGBT 4 can be turned on.

このとき、ゲート出力回路32では、IGBT4をオンさせると同時に、IGBTオン判定回路24が、第1のIGBT4がオンしていることを判定し、AND回路21に出力されるオン許可信号18をLoレベルに引き下げることで、ゲート駆動回路29に第1のIGBTがオンしたことを伝達する。
オン許可信号18がLoレベルの場合、AND回路21の出力は、制御論理部1からのゲート出力回路33に対する駆動指令14の状態にかかわらず常にオフとなり、IGBT6がオンすることを防止する。これにより、IGBT4がオンしている状態ではIGBT6がオンしないように保護する、いわゆる同時オン防止機能を実現している。
At this time, in the gate output circuit 32, the IGBT 4 is turned on, and at the same time, the IGBT on determination circuit 24 determines that the first IGBT 4 is turned on, and outputs the ON permission signal 18 output to the AND circuit 21 to Lo. By pulling down to the level, the gate drive circuit 29 is notified that the first IGBT is turned on.
When the on permission signal 18 is at the Lo level, the output of the AND circuit 21 is always off regardless of the state of the drive command 14 from the control logic unit 1 to the gate output circuit 33, and prevents the IGBT 6 from being turned on. This realizes a so-called simultaneous ON prevention function that protects the IGBT 6 from being turned ON when the IGBT 4 is ON.

一方、IGBT4がオンしているにもかかわらず、誤動作等予期しない原因によりIGBT6がオンに切り換えられようとした場合、IGBTオン判定回路25がこれを検出して、AND回路20に出力されるオン許可信号16をLoレベルにする。AND回路20ではオン許可信号16がLoレベルになったため、制御論理部1からの駆動指令12がHiレベル、すなわちオンの指令であってもオフ信号をゲート出力回路32に出力する。その結果、ゲート駆動回路32はIGBT4のゲート電圧を引き下げて、IGBTの閾値電圧を下回る電圧に抑えることでIGBT4をオフさせる。
以下、本実施例1の特徴を従来技術の図2(b)と対比させて説明する。
On the other hand, when the IGBT 6 is turned on due to an unexpected cause such as a malfunction even though the IGBT 4 is turned on, the IGBT on determination circuit 25 detects this and turns on the output to the AND circuit 20. The permission signal 16 is set to Lo level. In the AND circuit 20, since the ON permission signal 16 becomes Lo level, the OFF signal is output to the gate output circuit 32 even if the drive command 12 from the control logic unit 1 is Hi level, that is, ON command. As a result, the gate drive circuit 32 lowers the gate voltage of the IGBT 4 to turn it off by suppressing it to a voltage lower than the threshold voltage of the IGBT.
Hereinafter, the features of the first embodiment will be described in comparison with FIG. 2B of the prior art.

上述したように、図2(b)の従来技術では、同時オン防止機能を実現するために、IGBT4〜IGBT7に対する個別のゲート駆動装置39〜41を構成する回路基板間に信号配線を敷設しなければならないため様々な問題があった。これに対し、本実施例によれば、図1に示すようにIGBT4のゲート駆動回路28とIGBT6のゲート駆動回路29、およびIGBT5のゲート駆動回路30とIGBT7のゲート駆動回路31を、それぞれゲート駆動装置2、3として一枚の基板に集約し、この間に接続されるオン許可信号16〜19のための通信線を、ゲート駆動装置を構成する基板上に実装することで、ゲート駆動装置を個別の基板で構成した場合とは異なり、基板間を接続する配線を不要とすることができ、組立時の作業性の向上や、誤配線を防止することも可能になる。
また、ゲート駆動装置基板の枚数を半分に減らすことができるため、3レベル電力変換装置の構成部品を減らし、コストダウンを図ることもできる。
なお、同一基板上に実装されるゲート駆動回路28と29の距離は、絶縁のために、以下に示す距離が必要となる。
As described above, in the prior art of FIG. 2B, in order to realize the simultaneous ON prevention function, the signal wiring must be laid between the circuit boards constituting the individual gate driving devices 39 to 41 for the IGBT4 to IGBT7. There were various problems because it was necessary. On the other hand, according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the gate drive circuit 28 of the IGBT 4 and the gate drive circuit 29 of the IGBT 6, and the gate drive circuit 30 of the IGBT 5 and the gate drive circuit 31 of the IGBT 7 are driven by the gate. The gate drive devices are individually integrated by mounting the communication lines for the on-permission signals 16 to 19 connected on the substrate as the devices 2 and 3 on the substrate constituting the gate drive device. Unlike the case of using this board, wiring for connecting the boards can be made unnecessary, and it is possible to improve workability during assembly and to prevent erroneous wiring.
In addition, since the number of gate drive device substrates can be reduced by half, the number of components of the three-level power conversion device can be reduced and the cost can be reduced.
Note that the distance between the gate drive circuits 28 and 29 mounted on the same substrate is required for insulation as shown below.

例えば、鉄道車両に適用するゲート駆動装置を例に説明する。鉄道車両に適用する場合、直流端子の電圧は一般に750V以上である。ゲート駆動装置基板の電位はIGBTのエミッタ電位と同じになることから、ゲート駆動回路30と31の間には750Vの電圧が印加されることになる。架線電圧は鉄道車両が走行しているときには変動することが知られており、750V架線の場合には最大で1000Vに達する。この電圧に対してゲート駆動回路30と31の絶縁を確保するために必要な絶縁距離は規格から5mmであることが知られている。一方IGBT4とIGBT6の間には3レベル主回路の場合、回路の構成上直流電圧の1/2の電圧しか印加されない。このためゲート駆動回路28と29の間の絶縁は最大1000Vの1/2の500Vに対して確保しておけばよく、2.5mmの距離があれば良い。このように、規格上十分な絶縁を確保した上で、ゲート駆動回路30と31との間隔を、必要最小限とすることにより、基板の一層のコンパクト化を実現することが可能となる。   For example, a gate drive device applied to a railway vehicle will be described as an example. When applied to a railway vehicle, the voltage at the DC terminal is generally 750 V or higher. Since the potential of the gate driving device substrate is the same as the emitter potential of the IGBT, a voltage of 750 V is applied between the gate driving circuits 30 and 31. The overhead line voltage is known to fluctuate when the railway vehicle is traveling, and reaches a maximum of 1000 V in the case of a 750 V overhead line. It is known from the standard that the insulation distance required to ensure insulation of the gate drive circuits 30 and 31 against this voltage is 5 mm. On the other hand, between the IGBT 4 and the IGBT 6, in the case of a three-level main circuit, only a voltage that is half the DC voltage is applied due to the circuit configuration. For this reason, the insulation between the gate drive circuits 28 and 29 may be ensured with respect to 500 V that is 1/2 of the maximum 1000 V, and a distance of 2.5 mm is sufficient. As described above, it is possible to realize further downsizing of the substrate by ensuring a sufficient insulation in accordance with the standard and minimizing the distance between the gate drive circuits 30 and 31 as necessary.

[実施例2]
図3は、本発明の実施例2のゲート駆動装置を示したものである。
図1、図2(a)、図2(b)と同一の構成要素には同じ符号を付してある。図3において、40は絶縁通信手段である。
実施例2の特徴を実施例1の図1と対比させ説明する。
上記したように図1の実施例1ではオン許可信号16、18は光ファイバを使用して通信していた。実施例2によれば、図3に示すように40に絶縁信号送信回路としてパルストランスや高耐圧のフォトカプラ、また従来の光ファイバの長さを短くしたものや、高絶縁のキャパシタンスを使用することができる。これらにより、図1の実施例1で示した効果を同じく得ることができる。
[Example 2]
FIG. 3 shows a gate drive apparatus according to the second embodiment of the present invention.
The same components as those in FIGS. 1, 2A, and 2B are denoted by the same reference numerals. In FIG. 3, reference numeral 40 denotes an insulating communication means.
The features of the second embodiment will be described in comparison with FIG. 1 of the first embodiment.
As described above, in the first embodiment shown in FIG. 1, the ON permission signals 16 and 18 are communicated using optical fibers. According to the second embodiment, as shown in FIG. 3, a pulse transformer, a high withstand voltage photocoupler, a conventional optical fiber with a shortened length, or a high insulation capacitance is used as an insulation signal transmission circuit 40 as shown in FIG. be able to. By these, the effect shown in Example 1 of FIG. 1 can be acquired similarly.

[実施例3]
図4は、本発明の実施例3のゲート駆動装置を示したものである。
図1、図2(a)、図2(b)、図3と同一の構成要素には同じ符号を付してある。図4において、41は絶縁スリットである。
本実施例3の特徴を実施例1の図1と対比させ説明する。
上記したように、図1の実施例1ではゲート駆動回路30と31の間には絶縁領域を5mm以上必要としていた。図4では絶縁スリット41を挿入することで、絶縁領域を短くすることができる。規格では空気中の最小空間距離が4mmになることが知られているので、絶縁領域を4mmまで短くすることができる。一方図1の実施例1のゲート駆動回路28と29の間には絶縁領域を2.5mm以上必要としていた。図4では絶縁スリット41を挿入することで、絶縁領域を短くすることができる。規格では空気中の最小空間距離が1.5mmとなることが知られているので、絶縁領域を1.5mmまで短くすることができる。
[Example 3]
FIG. 4 shows a gate driving apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
The same components as those in FIGS. 1, 2A, 2B, and 3 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 4, 41 is an insulation slit.
The features of the third embodiment will be described in comparison with FIG. 1 of the first embodiment.
As described above, the first embodiment of FIG. 1 requires an insulating region of 5 mm or more between the gate drive circuits 30 and 31. In FIG. 4, the insulating region can be shortened by inserting the insulating slit 41. According to the standard, it is known that the minimum spatial distance in air is 4 mm, so that the insulating region can be shortened to 4 mm. On the other hand, an insulating region of 2.5 mm or more is required between the gate drive circuits 28 and 29 of the first embodiment shown in FIG. In FIG. 4, the insulating region can be shortened by inserting the insulating slit 41. According to the standard, it is known that the minimum spatial distance in the air is 1.5 mm, so that the insulating region can be shortened to 1.5 mm.

以上の実施例では、3レベル主回路の例を説明してきたが、もちろん3レベル主回路に限定されるものではなく、5レベル、7レベルなどマルチレベル主回路に適用した場合も同様の効果が得られることは当業者にとって明らかである。要は、同時にオンになると、電源短絡状態となり、IGBTを破壊するようなゲート駆動回路の組み合わせを1つの基板に実装して、この基板に、ゲート出力回路を、通信線を介して相互に論理回路に接続し、少なくともひとつのゲート駆動回路が必ずオフとなるようなようにすればよい。
また、半導体素子としてIGBTの例を説明したが、バイポーラトランジスタやMOSFET、GTO等のパワーデバイスを適用しても同様の効果を得ることができる。
更に、本実施例で説明した鉄道車両用のみならず、製鉄所の圧延ローラ駆動用の電力変換器や高電圧の電源用途などあらゆるマルチレベル電力変換回路に適用しても同様の効果を得ることができる。
In the above embodiment, an example of a three-level main circuit has been described. Of course, the present invention is not limited to a three-level main circuit. It will be apparent to those skilled in the art that it is obtained. In short, when the power is turned on at the same time, a combination of gate drive circuits that breaks down the IGBT and destroys the IGBT is mounted on one substrate, and the gate output circuit is logically connected to this substrate via communication lines. It is only necessary to connect the circuit so that at least one gate drive circuit is always turned off.
Moreover, although the example of IGBT was demonstrated as a semiconductor element, even if power devices, such as a bipolar transistor, MOSFET, and GTO, are applied, the same effect can be acquired.
Furthermore, the same effect can be obtained not only for the railway vehicle described in this embodiment but also for any multi-level power conversion circuit such as a power converter for driving a rolling roller in a steel mill or a high-voltage power supply. Can do.

以上説明したように、本発明によれば、3レベル電力変換装置において、第一の駆動回路と第三の駆動回路、及び、第二の駆動回路と第四の駆動回路をそれぞれ同一の基板に実装し、各基板上において、二つのゲート駆動回路におけるゲート出力回路を、通信線を介して相互に論理回路に接続し、いずれか一方のゲート駆動回路がオンしている時に他方のゲート駆動回路をオフすることにより、同時オンを防止するようにしたので、3レベル電力変換装置の構成部品を簡素化、コンパクト化でき、耐久性の向上、配線作業の簡略化を改善できるので、特に、高電圧の直流電源を使用した電力変換器に広く採用されることが期待できる。   As described above, according to the present invention, in the three-level power converter, the first drive circuit and the third drive circuit, and the second drive circuit and the fourth drive circuit are respectively provided on the same substrate. The gate output circuit in the two gate drive circuits is mounted on each substrate and connected to the logic circuit through the communication line, and when one of the gate drive circuits is on, the other gate drive circuit Since the simultaneous on is prevented by turning off the power, the components of the three-level power converter can be simplified and made compact, the durability can be improved, and the simplification of the wiring work can be improved. It can be expected to be widely adopted in power converters using voltage DC power supplies.

1 制御論理部
2、3 ゲート駆動装置
4〜7 IGBT
8、9 中性点クランプ用ダイオード
10、11 電源安定化コンデンサ
12〜15 駆動指令
16〜19 オン許可信号
20〜23 AND回路
24〜27 IGBTオン判定回路
28〜31 ゲート駆動回路
32〜35 ゲート出力回路
36 交流端子
37、38 直流端子
40 絶縁通信手段
41 絶縁スリット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Control logic part 2, 3 Gate drive device 4-7 IGBT
8, 9 Neutral point clamping diode 10, 11 Power stabilization capacitor 12-15 Drive command 16-19 ON permission signal 20-23 AND circuit 24-27 IGBT ON determination circuit 28-31 Gate drive circuit 32-35 Gate output Circuit 36 AC terminal 37, 38 DC terminal 40 Insulating communication means 41 Insulating slit

Claims (4)

一対の直流電源端子間に順次直列に接続された第一ないし第四の半導体スイッチング素子と、
該第一ないし第四のスイッチング素子にそれぞれ接続され、これらの半導体スイッチング素子を駆動する第一ないし第四のゲート駆動回路とからなり、第一及び第二の半導体スイッチング素子のみをオンしたときプラス出力、第二及び第三の半導体スイッチング素子のみをオンしたとき零出力、そして、第三及び第四の半導体スイッチング素子のみをオンしたときマイナス出力を出力することにより交流に変換する3レベル電力変換装置であって、
前記第一の駆動回路と前記第三の駆動回路、及び、前記第二の駆動回路と前記第四の駆動回路をそれぞれ同一の基板に実装し、各基板上において、前記二つのゲート駆動回路におけるゲート出力回路を、通信線を介して相互に論理回路に接続し、いずれか一方のゲート駆動回路がオンしている時に他方のゲート駆動回路をオフすることにより、同時オンを防止するようにしたことを特徴とする半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置。
First to fourth semiconductor switching elements sequentially connected in series between a pair of DC power supply terminals;
The first to fourth switching elements are respectively connected to the first to fourth switching elements and drive these semiconductor switching elements, and are positive when only the first and second semiconductor switching elements are turned on. 3-level power conversion that converts to zero by outputting zero output when only the second and third semiconductor switching elements are turned on, and minus output when only the third and fourth semiconductor switching elements are turned on A device,
The first driving circuit and the third driving circuit, and the second driving circuit and the fourth driving circuit are mounted on the same substrate, and the two gate driving circuits are mounted on each substrate. The gate output circuits are connected to each other via a communication line, and when one of the gate drive circuits is on, the other gate drive circuit is turned off to prevent simultaneous on. A gate driving device for a semiconductor switching element.
請求項1に記載の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路に印加される直流電圧に基づいて、規格上定められる最小限の絶縁距離を確保したことを特徴とする半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置。   2. The gate driving device for a semiconductor switching element according to claim 1, wherein a minimum insulation distance defined by a standard is secured on the same substrate based on a DC voltage applied to two gate driving circuits. A gate driving device for a semiconductor switching element. 請求項2に記載の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路の間に絶縁スリットが設けられていることを特徴とする半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置。   3. The gate driving device for a semiconductor switching element according to claim 2, wherein an insulating slit is provided between two gate driving circuits on the same substrate. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、
前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路のゲート出力回路を、パルストランス、高耐圧フォトカプラや光ファイバ等の光素子及び高絶縁のキャパシタンスの少なくともひとつを使用した絶縁信号送信回路を介して、前記論理回路に接続したことを特徴とする半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置。
In the gate drive device for semiconductor switching elements according to any one of claims 1 to 3,
In the same substrate, the gate output circuits of the two gate drive circuits are connected to each other through an isolation signal transmission circuit using at least one of a pulse transformer, an optical element such as a high voltage photocoupler or an optical fiber, and a high insulation capacitance. A gate driving device for a semiconductor switching element, wherein the gate driving device is connected to the logic circuit .
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