JP6122542B1 - Active clamp circuit - Google Patents

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Abstract

【課題】 ターンオフ時におけるドレイン電圧もしくはコレクタ電圧の上昇を抑制すると同時にゲート電圧の上がり過ぎを抑制し、パワーMOSFETやIGBTモジュールの素子破壊を防止すること。【解決手段】 IGBTのコレクタ端子に第1ツェナーダイオードDz1のカソード端子、ゲート端子に駆動回路の正側出力端子及び第1ダイオードD1のカソード端子、エミッタ端子に駆動回路の負側出力端子及び第2ダイオードD2のカソード端子が接続され、第1ツェナーダイオードDz1のアノード端子にFETQ1のドレイン端子、第1ダイオードD1のアノード端子にFETQ1のソース端子、第2ダイオードD2のアノード端子に第2ツェナーダイオードDz2のアノード端子が接続され、FETQ1のゲート端子とドレイン端子が抵抗R1を介して接続されるとともに、FETQ1のゲート端子と第2ツェナーダイオードDz2のカソード端子が接続されているアクティブクランプ回路。【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent an element breakdown of a power MOSFET or an IGBT module by suppressing an increase in drain voltage or collector voltage at the time of turn-off and suppressing an excessive increase in gate voltage. An IGBT collector terminal is a cathode terminal of a first Zener diode Dz1, a gate terminal is a positive output terminal of a drive circuit, a cathode terminal of a first diode D1, an emitter terminal is a negative output terminal of the drive circuit, and a second output terminal. The cathode terminal of the diode D2 is connected, the drain terminal of the FET Q1 is connected to the anode terminal of the first Zener diode Dz1, the source terminal of the FET Q1 is connected to the anode terminal of the first diode D1, and the second Zener diode Dz2 is connected to the anode terminal of the second diode D2. An active clamp circuit in which an anode terminal is connected, a gate terminal and a drain terminal of FETQ1 are connected via a resistor R1, and a gate terminal of FETQ1 and a cathode terminal of a second Zener diode Dz2 are connected. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、電力変換装置等に使用される大電流タイプの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下「IGBT」という。)やMOS型電界効果トランジスタ(以下「MOSFET」という。)等に代表される電圧駆動型素子のターンオフ時におけるコレクタ端子又はドレイン端子の電圧上昇を抑えるアクティブクランプ回路に関するものである。   The present invention is a voltage drive type represented by a large current type insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as “IGBT”), a MOS field effect transistor (hereinafter referred to as “MOSFET”), and the like used in a power conversion device and the like. The present invention relates to an active clamp circuit that suppresses a voltage rise at a collector terminal or a drain terminal when an element is turned off.

従来は図6に示すように、IGBTのコレクタ・ゲート間にツェナーダイオードDZ1とダイオードD1との直列回路を接続したシンプルなアクティブクランプ回路が一般的に使用されている。
このアクティブクランプ回路では、IGBTをオフ駆動し、負荷に流れていた電流が遮断されると、電源ラインの浮遊インダクタンスにより、サージ電圧がIGBTのコレクタ端子とエミッタ端子の間に発生する。
このサージ電圧がツェナーダイオードDZ1とダイオードD1の順方向電圧の和を超えると、IGBTのコレクタからゲートに電流が流れてIGBTをオンさせて、サージ電圧を所定の電圧に制限しながらIGBTに浮遊インダクタンスのエネルギーを吸収させることができる。
ところが、素子耐圧1200V以上の高耐圧で大電流タイプの素子に対しては、浮遊インダクタンスのエネルギーが大きく、また素子自体の応答速度が遅い傾向にあるため、コレクタ電圧のサージ電圧を制限する効果が現れるまでに、素子のゲート電圧を上昇させ過ぎてしまい、ゲート電圧最大定格を越えて破壊する可能性が高かった。
Conventionally, as shown in FIG. 6, a simple active clamp circuit in which a series circuit of a Zener diode DZ1 and a diode D1 is connected between the collector and gate of the IGBT is generally used.
In this active clamp circuit, when the IGBT is driven off and the current flowing in the load is cut off, a surge voltage is generated between the collector terminal and the emitter terminal of the IGBT due to the floating inductance of the power supply line.
When this surge voltage exceeds the sum of the forward voltages of the Zener diode DZ1 and the diode D1, a current flows from the collector of the IGBT to the gate to turn on the IGBT, thereby limiting the surge voltage to a predetermined voltage and stray inductance to the IGBT. Energy can be absorbed.
However, since the energy of the stray inductance is large and the response speed of the element itself tends to be slow for a high withstand voltage and high current type element with a withstand voltage of 1200 V or higher, the effect of limiting the surge voltage of the collector voltage is effective. By the time it appeared, the gate voltage of the device was increased too much, and there was a high possibility of destruction exceeding the maximum gate voltage rating.

特許文献1(特許第4343897号公報)には、図7に示すアクティブクランプ回路が開示されている(特に、図2及び段落0017〜0018を参照)。
このアクティブクランプ回路は、パワーMOSFET(51)のドレイン端子に定電圧ダイオード(Z1)のカソード端子、ゲート端子に逆阻止ダイオード(D1)のカソード端子が接続され、定電圧ダイオード(Z1)のアノード端子と逆阻止ダイオード(D1)のアノード端子の間には、パワーMOSFET(51)のゲート・ソース間電圧によって制御される半導体スイッチ回路(11)が接続されている。
そして、半導体スイッチ回路(11)は、MOSFET(Q2)とpnp型のトランジスタ(Q1)との多段構成からなり、出力段のトランジスタ(Q1)のエミッタ端子が定電圧ダイオード(Z1)のアノード端子に、コレクタ端子が逆阻止ダイオード(D1)のアノード端子に接続されている。また、トランジスタ(Q1)のベース端子には抵抗(R1)と抵抗(R2)が接続され、抵抗(R1)のもう一端はトランジスタ(Q1)のエミッタ端子に、抵抗(R2)のもう一端はMOSFET(Q2)のドレイン端子に接続され、さらに、MOSFET(Q2)のソース端子はパワーMOSFET(51)のソース端子に、ゲート端子はパワーMOSFET(51)のゲート端子に接続されている。
Patent Document 1 (Japanese Patent No. 4343897) discloses an active clamp circuit shown in FIG. 7 (see in particular FIG. 2 and paragraphs 0017 to 0018).
In this active clamp circuit, the cathode terminal of the constant voltage diode (Z1) is connected to the drain terminal of the power MOSFET (51), the cathode terminal of the reverse blocking diode (D1) is connected to the gate terminal, and the anode terminal of the constant voltage diode (Z1). The semiconductor switch circuit (11) controlled by the gate-source voltage of the power MOSFET (51) is connected between the anode terminal of the reverse blocking diode (D1).
The semiconductor switch circuit (11) has a multi-stage configuration of a MOSFET (Q2) and a pnp type transistor (Q1), and the emitter terminal of the output stage transistor (Q1) is connected to the anode terminal of the constant voltage diode (Z1). The collector terminal is connected to the anode terminal of the reverse blocking diode (D1). In addition, a resistor (R1) and a resistor (R2) are connected to the base terminal of the transistor (Q1), the other end of the resistor (R1) is connected to the emitter terminal of the transistor (Q1), and the other end of the resistor (R2) is a MOSFET. The source terminal of the MOSFET (Q2) is connected to the source terminal of the power MOSFET (51), and the gate terminal is connected to the gate terminal of the power MOSFET (51).

図8は、図7のゲート駆動回路(31)によって駆動されるパワーMOSFET(51)がオン状態からオフ状態に移るまでの各部の波形の一例を模式的に示したものである。
Vgs(51)、Vds(51)、Id(51)はそれぞれパワーMOSFET(51)のゲート・ソース間電圧、ドレイン・ソース間電圧、ドレイン電流を示しており、If(D1)は逆阻止ダイオード(D1)の順方向電流、Vgs(Q2)はMOSFET(Q2)のゲート・ソース間電圧(=Vgs(51))を示している。
FIG. 8 schematically shows an example of the waveform of each part until the power MOSFET (51) driven by the gate drive circuit (31) of FIG. 7 shifts from the on state to the off state.
Vgs (51), Vds (51), and Id (51) indicate the gate-source voltage, drain-source voltage, and drain current of the power MOSFET 51, respectively, and If (D1) is the reverse blocking diode ( The forward current Vgs (Q2) of D1) indicates the gate-source voltage (= Vgs (51)) of the MOSFET (Q2).

そして、特許文献1の段落0020〜0024には区間A〜Gの状態について次のように説明されている。
区間A:制御回路(41)からのオン指令に基づいてゲートドライバ(21)がパワーMOSFET(51)をオン駆動して、順方向(ドレインからソースの方向)の電流が図示しない直流電源から図示しない直流電源ラインの寄生インダクタンスLdcを経由して流れている状態である。このときMOSFET(Q2)はオン状態であるが、Vds(51)は定電圧ダイオード(Z1)の降伏電圧(オンしきい値電圧)よりも十分小さいので、トランジスタ(Q1)は抵抗(R1)によりオフ状態となる。また、逆阻止ダイオード(D1)は半導体スイッチ回路(11)に電流が流れるのを防止している。
区間B:制御回路(41)からターンオフ指令が出力され、それに従ってゲートドライバ21はオフ駆動をするのでVgs(51)は低下を始めるが、オンしきい値付近の電圧に達するまではスイッチングは起こらない。
区間C:Vgs(51)がオンしきい値付近の電圧に達すると、パワーMOSFET(51)のオン抵抗が急激に上昇するのに伴いVds(51)が上昇し、このときのVgs(51)はミラー効果により減少率が急激に低下してほぼ横ばいの変化となる。
区間D:Vds(51)が直流電源の電圧を越えるとId(51)は減少を始める。そしてVds(51)にはId(51)の減少速度と直流電源ラインの寄生インダクタンスLdcの掛け算により決まるサージ電圧が発生する。
In paragraphs 0020 to 0024 of Patent Document 1, the states of sections A to G are described as follows.
Section A: Based on the ON command from the control circuit (41), the gate driver (21) turns on the power MOSFET (51), and the forward current (from the drain to the source) is shown from the DC power supply (not shown). In this state, the current flows via the parasitic inductance Ldc of the DC power supply line. At this time, the MOSFET (Q2) is in the ON state, but Vds (51) is sufficiently smaller than the breakdown voltage (ON threshold voltage) of the constant voltage diode (Z1). Turns off. The reverse blocking diode (D1) prevents current from flowing through the semiconductor switch circuit (11).
Section B: A turn-off command is output from the control circuit (41), and the gate driver 21 is turned off accordingly, so that Vgs (51) starts to decrease, but switching does not occur until the voltage near the on-threshold value is reached. Absent.
Section C: When Vgs (51) reaches a voltage in the vicinity of the ON threshold value, Vds (51) rises as the on-resistance of the power MOSFET 51 rises rapidly, and Vgs (51) at this time The rate of decrease suddenly decreases due to the mirror effect, and changes almost flat.
Section D: When Vds (51) exceeds the voltage of the DC power supply, Id (51) starts decreasing. A surge voltage determined by multiplying the decrease rate of Id (51) by the parasitic inductance Ldc of the DC power supply line is generated in Vds (51).

区間E:Vds(51)のサージ電圧が、定電圧ダイオード(Z1)の降伏電圧と逆阻止ダイオード(D1)の順方向電圧とその時点のVgs(51)の和に達したとき、MOSFET(Q2)は依然としてオン状態を保っている。そのため定電圧ダイオード(Z1)の降伏電流がMOSFET(Q2)を介してトランジスタ(Q1)のベースに流れてトランジスタ(Q1)はオンとなり、パワーMOSFET(51)のドレインからゲートにはId(51)の減少率が一定になるようにVgs(51)の減少率を調整するようなIf(D1)が流れて平衡状態となる。その結果、直流電源ラインの寄生インダクタンスLdcによるサージ電圧は、定電圧ダイオード(Z1)の降伏電圧で決まる所定値に制限される。
区間F:Id(51)がゼロとなり、パワーMOSFET(51)のターンオフによって消費される直流電源ラインの寄生インダクタンスのエネルギーが全てパワーMOSFET(51)に吸収されると、パワーMOSFET(51)は完全にオフ状態となる。このとき、Vds(51)は直流電源の電圧に下がり定電圧ダイオード(Z1)の降伏電圧を下回るのでIf(D1)とトランジスタ(Q1)のベース電流はともにゼロとなり、トランジスタ(Q1)は抵抗(R1)によりオフとなる。その後、Vgs(Q2)が低下してオンしきい値を下回るとMOSFET(Q2)もオフ状態となる。
区間G:制御回路(41)からのオフ信号に基づいてゲートドライバ21はゲート抵抗Rgを介してパワーMOSFET(51)のオフ状態を維持している。また、MOSFET(Q2)もゲートドライバ(21)によりオフ状態が維持されるため、トランジスタ(Q1)も同じくオフ状態が維持される。従ってこの区間では、Vds(51)が定電圧ダイオード(Z1)の降伏電圧を超えたとしてもIf(D1)が流れることはないため、パワーMOSFET(51)をオンしてサージ電圧のエネルギーを吸収する動作は行われない。
Section E: When the surge voltage of Vds (51) reaches the sum of the breakdown voltage of the constant voltage diode (Z1), the forward voltage of the reverse blocking diode (D1) and the current Vgs (51), MOSFET (Q2 ) Is still on. Therefore, the breakdown current of the constant voltage diode (Z1) flows to the base of the transistor (Q1) through the MOSFET (Q2), the transistor (Q1) is turned on, and Id (51) from the drain to the gate of the power MOSFET (51). If (D1) flows so as to adjust the decrease rate of Vgs (51) so that the decrease rate of Vgs becomes constant, an equilibrium state is reached. As a result, the surge voltage due to the parasitic inductance Ldc of the DC power supply line is limited to a predetermined value determined by the breakdown voltage of the constant voltage diode (Z1).
Section F: When the Id (51) becomes zero and all the parasitic inductance energy of the DC power supply line consumed by the turn-off of the power MOSFET (51) is absorbed by the power MOSFET (51), the power MOSFET (51) is completely Will be off. At this time, Vds (51) falls to the voltage of the DC power supply and falls below the breakdown voltage of the constant voltage diode (Z1). Therefore, both If (D1) and the base current of the transistor (Q1) become zero, and the transistor (Q1) has a resistance ( Turned off by R1). Thereafter, when Vgs (Q2) decreases and falls below the ON threshold, the MOSFET (Q2) is also turned off.
Section G: Based on the OFF signal from the control circuit (41), the gate driver 21 maintains the OFF state of the power MOSFET (51) via the gate resistor Rg. Further, since the MOSFET (Q2) is also kept off by the gate driver (21), the transistor (Q1) is also kept off. Therefore, in this interval, if (D1) does not flow even if Vds (51) exceeds the breakdown voltage of the constant voltage diode (Z1), the power MOSFET (51) is turned on to absorb the energy of the surge voltage. No action is taken.

ところで、図8にはVgs(51)が区間Eにおいて漸減するように描かれ、定電圧ダイオード(Z1)の降伏電流がMOSFET(Q2)を介してトランジスタ(Q1)のベースに流れてトランジスタ(Q1)はオンとなり、パワーMOSFET(51)のドレインからゲートにはId(51)の減少率が一定になるようにVgs(51)の減少率を調整するようなIf(D1)が流れて平衡状態となると説明されている。
しかし、パワーMOSFET(51)が高耐圧で大電流タイプである場合には、Vds(51)のサージ電圧が発生してからパワーMOSFET(51) がサージ電圧のエネルギーを自己消費してドレイン電圧の上昇を抑制する効果が現れるまでの反応遅れがあるために、短時間ではあるがゲート電圧が上昇し過ぎることがある。
なお、このような現象は、図6に示すアクティブクランプ回路を備えたIGBTでも同様に発生する。
そして、一般的なパワーMOSFETやIGBTモジュールでは、ゲート電圧の最大定格は20〜30Vであり、特に製品化されているIGBTモジュールでは20Vまでしか保証されていないものがほとんどであるため、図6、7に示すアクティブクランプ回路を備えたIGBT等では、ターンオフ時におけるゲート電圧の上がり過ぎによる素子破壊が発生する可能性が高いという問題があった。
Incidentally, in FIG. 8, Vgs (51) is drawn so as to gradually decrease in the section E, and the breakdown current of the constant voltage diode (Z1) flows to the base of the transistor (Q1) via the MOSFET (Q2) and flows into the transistor (Q1 ) Is turned on, and If (D1) for adjusting the decrease rate of Vgs (51) flows from the drain to the gate of the power MOSFET 51 so that the decrease rate of Id (51) becomes constant, the equilibrium state It is explained that it becomes.
However, when the power MOSFET (51) is a high current type with a high breakdown voltage, the power MOSFET (51) self-consumes the energy of the surge voltage after the surge voltage of Vds (51) is generated, and the drain voltage is reduced. Since there is a reaction delay until the effect of suppressing the increase appears, the gate voltage may increase excessively for a short time.
Such a phenomenon also occurs in the IGBT having the active clamp circuit shown in FIG.
In general power MOSFETs and IGBT modules, the maximum rating of the gate voltage is 20 to 30V, and most of the commercially available IGBT modules are guaranteed only up to 20V. The IGBT or the like provided with the active clamp circuit shown in FIG. 7 has a problem that there is a high possibility that element destruction will occur due to excessive rise of the gate voltage at the time of turn-off.

特許第4343897号公報Japanese Patent No. 4343897

本発明は、パワーMOSFETやIGBTモジュール等に代表される電圧駆動型素子のターンオフ時におけるドレイン端子又はコレクタ端子の電圧上昇を抑えるアクティブクランプ回路動作に係り、アクティブクランプ回路が動作した際に上記素子のゲート電圧の上がり過ぎによる素子破壊防止を課題としてなされたものである。   The present invention relates to an active clamp circuit operation that suppresses a voltage rise of a drain terminal or a collector terminal at the time of turn-off of a voltage driven element represented by a power MOSFET, an IGBT module, etc., and when the active clamp circuit operates, The object is to prevent element destruction due to excessive rise of the gate voltage.

請求項1に係る発明は、電圧駆動型素子のターンオフ時におけるコレクタ端子又はドレイン端子の電圧上昇を抑えるアクティブクランプ回路であって、
前記電圧駆動型素子のコレクタ端子又はドレイン端子とNチャネル型MOSFETのドレイン端子が一方向タイプ又は双方向タイプの第1ツェナーダイオードを介して接続され、前記電圧駆動型素子のゲート端子に駆動回路の正側出力端子が接続されるとともに、第1ダイオードのカソード端子が接続され、前記電圧駆動型素子のエミッタ端子又はソース端子に駆動回路の負側出力端子が接続され、
前記Nチャネル型MOSFETのゲート端子とドレイン端子が第1抵抗を介して接続され、前記第1ダイオードのアノード端子に前記Nチャネル型MOSFETのソース端子が接続され、
前記電圧駆動型素子のエミッタ端子又はソース端子と前記Nチャネル型MOSFETのゲート端子が一方向タイプの第2ツェナーダイオード及び第2ダイオードを介して接続されており、
前記電圧駆動型素子のゲート端子と前記正側出力端子との間にゲート抵抗が接続されているか、前記電圧駆動型素子のエミッタ端子又はソース端子と前記負側出力端子との間にエミッタ抵抗が接続されていることを特徴とするアクティブクランプ回路である。
The invention according to claim 1 is an active clamp circuit that suppresses a voltage rise at the collector terminal or the drain terminal at the time of turn-off of the voltage-driven element,
The collector terminal or drain terminal of the voltage-driven element and the drain terminal of the N-channel MOSFET are connected via a unidirectional or bidirectional first Zener diode, and the gate terminal of the voltage-driven element is connected to the gate terminal of the voltage-driven element. A positive output terminal is connected, a cathode terminal of the first diode is connected, and a negative output terminal of the drive circuit is connected to an emitter terminal or a source terminal of the voltage driven element,
A gate terminal and a drain terminal of the N-channel MOSFET are connected via a first resistor, and a source terminal of the N-channel MOSFET is connected to an anode terminal of the first diode;
An emitter terminal or a source terminal of the voltage-driven element and a gate terminal of the N-channel MOSFET are connected via a one-way type second Zener diode and a second diode;
A gate resistor is connected between the gate terminal of the voltage-driven element and the positive output terminal, or an emitter resistor is connected between the emitter terminal or source terminal of the voltage-driven element and the negative output terminal. It is an active clamp circuit characterized by being connected.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載のアクティブクランプ回路において、前記Nチャネル型MOSFETのゲート端子とソース端子がコンデンサを介して接続されているか、前記Nチャネル型MOSFETのゲート端子と前記第2ツェナーダイオード又は前記第2ダイオードが第2抵抗を介して接続されているか、前記Nチャネル型MOSFETのソース端子と前記第2ツェナーダイオード又は前記第2ダイオードが第3抵抗を介して接続されていることを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the active clamp circuit according to claim 1, wherein a gate terminal and a source terminal of the N-channel MOSFET are connected via a capacitor, or a gate terminal of the N-channel MOSFET and the gate terminal of the N-channel MOSFET The second Zener diode or the second diode is connected via a second resistor, or the source terminal of the N-channel MOSFET and the second Zener diode or the second diode are connected via a third resistor. It is characterized by being.

請求項3に係る発明は、請求項1又は2に記載のアクティブクランプ回路において、前記第1ツェナーダイオード又は前記第2ツェナーダイオードは、複数のツェナーダイオードを直列接続したものであることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the active clamp circuit according to claim 1 or 2, wherein the first Zener diode or the second Zener diode is formed by connecting a plurality of Zener diodes in series. .

請求項4に係る発明は、請求項1〜3のいずれかに記載のアクティブクランプ回路において、前記第2ツェナーダイオード及び前記第2ダイオードに代えて、双方向タイプのツェナーダイオードとしたことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the active clamp circuit according to any one of the first to third aspects, a bidirectional type zener diode is used instead of the second zener diode and the second diode. To do.

請求項1に係る発明によれば、比較的シンプルな構成で、アクティブクランプ回路動作によって、電圧駆動型素子のターンオフ時におけるドレイン電圧、もしくはコレクタ電圧の上昇を抑制し、その際に電圧駆動型素子のゲート電圧の上がり過ぎも抑制し、素子の破壊を防止することができる。   According to the first aspect of the present invention, the rise of the drain voltage or the collector voltage at the time of turn-off of the voltage driven element is suppressed by the operation of the active clamp circuit with a relatively simple configuration. It is possible to suppress an excessive increase in the gate voltage, and to prevent the element from being destroyed.

請求項2に係る発明によれば、請求項1に係る発明のアクティブクランプ回路による効果に加え、Nチャネル型MOSFETの発振を防止することができ、アクティブクランプ回路動作の安定性を高めることができる。   According to the invention of claim 2, in addition to the effect of the active clamp circuit of the invention of claim 1, it is possible to prevent the oscillation of the N-channel MOSFET and to improve the stability of the active clamp circuit operation. .

請求項3に係る発明によれば、請求項1又は2に係る発明のアクティブクランプ回路による効果に加え、ツェナー電圧の小さなツェナーダイオードしか調達できない場合でも、所望のアクティブクランプ回路を製作することができる。   According to the invention of claim 3, in addition to the effect of the active clamp circuit of the invention of claim 1 or 2, even when only a Zener diode having a small Zener voltage can be procured, a desired active clamp circuit can be manufactured. .

請求項4に係る発明によれば、請求項1〜3のいずれかに係る発明のアクティブクランプ回路による効果に加え、双方向タイプのツェナーダイオードを用いることにより素子数を減らすことができる。   According to the invention of claim 4, in addition to the effect of the active clamp circuit of the invention of any one of claims 1 to 3, the number of elements can be reduced by using a bidirectional type zener diode.

実施例1におけるアクティブクランプ回路の構成を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of an active clamp circuit according to the first embodiment. ターンオフ時の実施例1の回路における各部の波形の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the waveform of each part in the circuit of Example 1 at the time of turn-off. ターンオフ時の図6に示す回路における各部の波形の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the waveform of each part in the circuit shown in FIG. 6 at the time of turn-off. ゲート駆動回路を6つ用いて3相モータを制御する装置の等価回路。An equivalent circuit of a device that controls a three-phase motor using six gate drive circuits. 実施例1に係るアクティブクランプ回路の変形例の一例を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a modification of the active clamp circuit according to the first embodiment. 従来技術におけるアクティブクランプ回路を示す図。The figure which shows the active clamp circuit in a prior art. 特許文献1におけるアクティブクランプ回路を示す図。The figure which shows the active clamp circuit in patent document 1. FIG. ターンオフ時の図7に示す回路における各部の波形の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the waveform of each part in the circuit shown in FIG. 7 at the time of turn-off.

以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described by way of examples.

図1は、実施例1におけるアクティブクランプ回路の構成を示す図である。
実施例1のアクティブクランプ回路は、IGBTのコレクタ端子に第1ツェナーダイオードDz1のカソード端子が接続され、IGBTのゲート端子にゲート抵抗を介して駆動回路の正側出力端子及び第1ダイオードD1のカソード端子が接続され、IGBTのエミッタ端子に駆動回路の負側出力端子及び第2ダイオードD2のカソード端子が接続されている。
さらに、第1ツェナーダイオードDz1のアノード端子にNチャネル型MOSFET(以下「FET」という。)Q1のドレイン端子が接続され、第1ダイオードD1のアノード端子にFETQ1のソース端子が接続され、FETQ1のゲート端子とソース端子がコンデンサC1を介して接続され、第2ダイオードD2のアノード端子に第2ツェナーダイオードDz2のアノード端子が接続され、FETQ1のゲート端子とドレイン端子が抵抗R1を介して接続されるとともに、FETQ1のゲート端子と第2ツェナーダイオードDz2のカソード端子が接続されている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an active clamp circuit according to the first embodiment.
In the active clamp circuit of the first embodiment, the cathode terminal of the first Zener diode Dz1 is connected to the collector terminal of the IGBT, and the positive output terminal of the drive circuit and the cathode of the first diode D1 are connected to the gate terminal of the IGBT via the gate resistance. The terminal is connected, and the negative output terminal of the drive circuit and the cathode terminal of the second diode D2 are connected to the emitter terminal of the IGBT.
Furthermore, the drain terminal of the N-channel MOSFET (hereinafter referred to as “FET”) Q1 is connected to the anode terminal of the first Zener diode Dz1, the source terminal of the FET Q1 is connected to the anode terminal of the first diode D1, and the gate of the FET Q1. The terminal and the source terminal are connected via the capacitor C1, the anode terminal of the second Zener diode Dz2 is connected to the anode terminal of the second diode D2, and the gate terminal and the drain terminal of the FET Q1 are connected via the resistor R1. The gate terminal of the FET Q1 and the cathode terminal of the second Zener diode Dz2 are connected.

図2は、直流電源電圧2400V、コレクタ電流3000Aにおいて、IGBTをターンオフする際の図1に示す回路における各部の波形の一例を示すグラフであり、図3は、直流電源電圧2300V、コレクタ電流1600Aにおいて、IGBTをターンオフする際の図6に示す回路における各部の波形の一例を示すグラフである。
なお、図2、3におけるIGBTのコレクタ・エミッタ間電圧Vce、ゲート・エミッタ間電圧Vge及びコレクタ電流Icは、それぞれ図8におけるドレイン・ソース間電圧Vds(51)、ゲート・ソース間電圧Vgs(51)及びドレイン電流Id(51)に対応している。
そして、図2、3においても図8と同様、波形の状態別に区間A〜Gに分けてある。
FIG. 2 is a graph showing an example of the waveform of each part in the circuit shown in FIG. 1 when the IGBT is turned off at a DC power supply voltage of 2400 V and a collector current of 3000 A. FIG. FIG. 7 is a graph showing an example of the waveform of each part in the circuit shown in FIG. 6 when the IGBT is turned off.
2 and 3, the IGBT collector-emitter voltage Vce, gate-emitter voltage Vge, and collector current Ic are respectively the drain-source voltage Vds (51) and the gate-source voltage Vgs (51) in FIG. ) And drain current Id (51).
2 and 3 are divided into sections A to G according to waveform states, as in FIG.

次に、図2、3における区間A〜Gの状態について説明する。
区間A:駆動回路がIGBTをオン駆動して、順方向(コレクタからエミッタの方向)の電流が図示しない直流電源から図示しない主回路配線を経由して流れている状態である。
区間B:駆動回路がオフ出力してIGBTのゲート電圧が低下していくが、ゲートしきい値を下回るまではスイッチングは起こらない。
区間C:Vgeがゲートしきい値を下回ると、IGBTの抵抗が急激に上昇するのに伴いVceが上昇する。
区間D:Vceが直流電源電圧Vdcを越えるとIcは急激に減少し、主回路配線にある浮遊インダクタンスLsによりLs×dIc/dtで計算される起電力Vsが発生する。そして、Vceはさらに上昇する。
なお、図4はゲート駆動回路を6つ用いて3相モータを制御する装置について、主回路配線に存在する浮遊インダクタンスLs等を考慮して作成した等価回路である。
Next, the states of sections A to G in FIGS.
Section A: The drive circuit is driving the IGBT on, and the current in the forward direction (from the collector to the emitter) is flowing from the DC power supply (not shown) via the main circuit wiring (not shown).
Section B: The drive circuit is turned off and the gate voltage of the IGBT decreases, but switching does not occur until it falls below the gate threshold.
Section C: When Vge falls below the gate threshold value, Vce increases as the resistance of the IGBT increases rapidly.
Section D: When Vce exceeds the DC power supply voltage Vdc, Ic decreases rapidly, and an electromotive force Vs calculated by Ls × dIc / dt is generated by the floating inductance Ls in the main circuit wiring. And Vce further rises.
FIG. 4 is an equivalent circuit created for a device for controlling a three-phase motor using six gate drive circuits in consideration of the floating inductance Ls and the like existing in the main circuit wiring.

区間E:直流電源電圧Vdcに起電力Vsを足した値が第1ツェナーダイオードDz1のツェナー電圧Vz1を超えるとツェナー電流Iz1が流れ始め、抵抗R1を経由してFETQ1のゲートへ充電されるので、FETQ1のゲート電圧が上昇する。
そのため、ツェナー電圧Vz1は必ず式(1)を満たすように設定しておく必要がある。
式(1):Vdc<Vz1<IGBTのコレクタ・エミッタ間電圧の最大定格値
また、FETQ1のゲート電圧がしきい値を超えると、ツェナー電流Iz1の大半はFETQ1のドレイン電流として流れ、IGBTのゲートへ充電されるので、IGBTのゲート電圧が上昇する。
IGBTのゲート電圧が上昇することにより、コレクタ電流の減少率dIc/dtが小さくなり、その結果起電力Vsが抑制されるのでVceは減少に転じ、IGBTの最大定格を超えることがない。
区間F:Icがゼロとなり、主回路配線にある浮遊インダクタンスLsのエネルギーが全てIGBTに吸収されると、IGBTは完全にオフ状態となる。
区間G:IGBTのオフ状態が維持されている状態である。
Section E: When the value obtained by adding the electromotive force Vs to the DC power supply voltage Vdc exceeds the Zener voltage Vz1 of the first Zener diode Dz1, the Zener current Iz1 starts to flow, and the gate of the FET Q1 is charged via the resistor R1. The gate voltage of FETQ1 rises.
Therefore, the Zener voltage Vz1 must be set so as to satisfy the formula (1).
Formula (1): Maximum rated value of collector-emitter voltage of Vdc <Vz1 <IGBT Also, when the gate voltage of FETQ1 exceeds the threshold value, most of Zener current Iz1 flows as the drain current of FETQ1, and the gate of IGBT As a result, the IGBT gate voltage rises.
As the gate voltage of the IGBT increases, the collector current decrease rate dIc / dt decreases, and as a result, the electromotive force Vs is suppressed, so that Vce starts to decrease and does not exceed the maximum rating of the IGBT.
When the section F: Ic becomes zero and all the energy of the floating inductance Ls in the main circuit wiring is absorbed by the IGBT, the IGBT is completely turned off.
Section G: A state in which the off state of the IGBT is maintained.

図2の波形と図3の波形で最も異なる箇所は区間EにおけるIGBTのゲート電圧上昇過程におけるゲート電圧のピーク値である。
図3ではアクティブクランプ回路に格別の対策が施されておらず、浮遊インダクタンスLsで発生した起電力VsをIGBTが自己消費して、コレクタ電圧の上昇を抑制する効果が現れるまでにはある程度(数百nsec)の時間を要するため、短時間とはいえゲート電圧のピーク値は47Vに達し、ほとんどのIGBTモジュールにおけるゲート電圧の最大定格である20Vをはるかに超えている。
これに対し、図2では実施例1に係るアクティブクランプ回路の独特の構成により、コレクタ電流3000Aにおけるターンオフでもゲート電圧のピーク値は15.5Vであり、20V以下となっている。
The most different point between the waveform of FIG. 2 and the waveform of FIG. 3 is the peak value of the gate voltage in the process of increasing the gate voltage of the IGBT in section E.
In FIG. 3, no special measures are taken for the active clamp circuit, and some degree (several number) is required until the IGBT self-consumes the electromotive force Vs generated by the floating inductance Ls and suppresses the rise in the collector voltage. Therefore, although it is a short time, the peak value of the gate voltage reaches 47 V, far exceeding the maximum gate voltage rating of 20 V in most IGBT modules.
On the other hand, in FIG. 2, due to the unique configuration of the active clamp circuit according to the first embodiment, the peak value of the gate voltage is 15.5V even when the collector current is 3000A, and it is 20V or less.

実施例1のアクティブクランプ回路がゲート電圧のピーク値を抑制する動作について説明する。
区間Eにおけるゲート電圧の上昇過程において、FETQ1のゲート電圧は常にソース電圧より高くIGBTのゲート電圧は常にFETQ1のソース電圧より第1ダイオードD1の順方向電圧Vf1分低いという関係にあるが、FETQ1のゲート電圧が第2ツェナーダイオードDz2のツェナー電圧Vz2と第2ダイオードD2の順方向電圧Vf2を足した値を超えると、抵抗R1を経由してくる電流は第2ツェナーダイオードDz2へ流れ込むようになり、FETQ1のゲート電圧はIGBTのエミッタを基準にしてVz2+Vf2の電圧までしか上昇できないことになる。
その結果、IGBTのゲート・エミッタ間電圧Vgeの上昇も、FETQ1のゲートしきい値をVthとしたとき、式(2)による一定電圧までで抑制されることになる。
式(2):Vge=Vz2+Vf2−(Vth+Vf1)
そして、IGBTのゲート電圧の最大定格をVgmとしたとき、式(3)を満たすようにVz2を設定しておけば、VgeがVgmを超えることによるIGBTの破壊を防止できる。
式(3):Vz2<Vgm+Vth+Vf1−Vf2
An operation in which the active clamp circuit according to the first embodiment suppresses the peak value of the gate voltage will be described.
In the process of increasing the gate voltage in the section E, the gate voltage of the FET Q1 is always higher than the source voltage, and the gate voltage of the IGBT is always lower than the source voltage of the FET Q1 by the forward voltage Vf1 of the first diode D1. When the gate voltage exceeds the value obtained by adding the Zener voltage Vz2 of the second Zener diode Dz2 and the forward voltage Vf2 of the second diode D2, the current flowing through the resistor R1 flows into the second Zener diode Dz2. The gate voltage of the FET Q1 can only rise to a voltage of Vz2 + Vf2 with reference to the emitter of the IGBT.
As a result, the increase in the gate-emitter voltage Vge of the IGBT is also suppressed to a constant voltage according to the equation (2) when the gate threshold value of the FET Q1 is Vth.
Formula (2): Vge = Vz2 + Vf2- (Vth + Vf1)
When the maximum rating of the gate voltage of the IGBT is Vgm, if Vz2 is set so as to satisfy the expression (3), the destruction of the IGBT due to the Vge exceeding Vgm can be prevented.
Formula (3): Vz2 <Vgm + Vth + Vf1-Vf2

実施例1の変形例を列記する。
(1)実施例1ではIGBTを用いていたが、MOSFETモジュール等を用いても良い。
要するに、実施例1のアクティブクランプ回路は、比較的耐圧の高い電圧駆動型素子(素子耐圧が1200V以上)に対して好適に適用できるものである。
(2)実施例1のアクティブクランプ回路では、FETQ1のゲート端子とソース端子がコンデンサを介して接続されていたが、コンデンサは必ずしも必要ではない。
The modification of Example 1 is listed.
(1) Although the IGBT is used in the first embodiment, a MOSFET module or the like may be used.
In short, the active clamp circuit of the first embodiment can be suitably applied to a voltage-driven element having a relatively high breakdown voltage (element breakdown voltage of 1200 V or more).
(2) In the active clamp circuit of the first embodiment, the gate terminal and the source terminal of the FET Q1 are connected via a capacitor, but the capacitor is not always necessary.

(3)実施例1ではIGBTのコレクタ側における電圧とFETQ1のドレイン側における電圧との差がツェナー電圧Vz1を超えるとツェナー電流Iz1が流れ始める第1ツェナーダイオードDz1を用いていたが、両側の電圧の差が所定のツェナー電圧を超えるとツェナー電流が流れ始める双方向タイプのツェナーダイオードを用いても良い。
図5は実施例1に係るアクティブクランプ回路の変形例の一例を示すが、この変形例では第1ツェナーダイオードDz1に代えて、双方向タイプの第3ツェナーダイオードDz3を用いている。
(4)実施例1ではFETQ1のゲート端子とIGBTのエミッタ端子及び駆動回路の負側出力端子との間に、FETQ1のゲート側における電圧とIGBTのエミッタ側における電圧との差がツェナー電圧Vz2と第2ダイオードD2の順方向電圧Vf2を足した値を超えるとツェナー電流が流れ始める第2ツェナーダイオードDz2及び第2ダイオードD2を接続したが、第2ツェナーダイオードDz2と第2ダイオードD2の並びは入れ替えることもできる。
また、図5に示すように、第2ツェナーダイオードDz2及び第2ダイオードD2に代えて、双方向タイプの第4ツェナーダイオードDz4を用いても良い。
(5)実施例1では第1ツェナーダイオードDz1及び第2ツェナーダイオードDz2は1つだけ用いていたが、複数のツェナーダイオードを直列接続したものを用いても良い。
(3) In the first embodiment, the first Zener diode Dz1 at which the Zener current Iz1 starts flowing when the difference between the voltage on the collector side of the IGBT and the voltage on the drain side of the FET Q1 exceeds the Zener voltage Vz1 is used. A bidirectional type Zener diode may be used in which a Zener current starts to flow when the difference between the two exceeds a predetermined Zener voltage.
FIG. 5 shows an example of a modification of the active clamp circuit according to the first embodiment. In this modification, a bidirectional type third Zener diode Dz3 is used instead of the first Zener diode Dz1.
(4) In the first embodiment, the difference between the voltage on the gate side of the FET Q1 and the voltage on the emitter side of the IGBT between the gate terminal of the FET Q1, the emitter terminal of the IGBT, and the negative output terminal of the drive circuit is the zener voltage Vz2. When a value exceeding the forward voltage Vf2 of the second diode D2 is exceeded, the second Zener diode Dz2 and the second diode D2 are connected, and the arrangement of the second Zener diode Dz2 and the second diode D2 is switched. You can also.
Further, as shown in FIG. 5, a bidirectional type fourth Zener diode Dz4 may be used instead of the second Zener diode Dz2 and the second diode D2.
(5) In the first embodiment, only one first Zener diode Dz1 and second Zener diode Dz2 are used, but a plurality of Zener diodes connected in series may be used.

(6)実施例1ではFETQ1のゲート端子と第2ツェナーダイオードDz2のカソード端子は直接接続されていたが、抵抗を介して接続しても良い。
なお、図5に示す変形例では、FETQ1のゲート端子と第2ツェナーダイオードDz2との間に抵抗R2を、FETQ1のソース端子と第2ツェナーダイオードDz2との間に抵抗R3を接続している。
(7)実施例1では駆動回路の正側出力端子とIGBTのゲート端子との間にゲート抵抗を接続したが、図5に示すように、駆動回路の負側出力端子とIGBTのエミッタ端子との間にエミッタ抵抗を接続しても良く、エミッタ抵抗のみを接続しゲート抵抗を省いても良い。
(6) Although the gate terminal of the FETQ1 and the cathode terminal of the second Zener diode Dz2 are directly connected in the first embodiment, they may be connected via a resistor.
In the modification shown in FIG. 5, a resistor R2 is connected between the gate terminal of the FET Q1 and the second Zener diode Dz2, and a resistor R3 is connected between the source terminal of the FET Q1 and the second Zener diode Dz2.
(7) In the first embodiment, the gate resistance is connected between the positive output terminal of the drive circuit and the gate terminal of the IGBT. However, as shown in FIG. 5, the negative output terminal of the drive circuit and the emitter terminal of the IGBT An emitter resistor may be connected between them, or only the emitter resistor may be connected and the gate resistor may be omitted.

IGBT 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
MOSFET MOS型電界効果トランジスタ
Dz1 第1ツェナーダイオード Dz2 第2ツェナーダイオード
Dz3 第3ツェナーダイオード Dz4 第4ツェナーダイオード
D1 第1ダイオード D2 第2ダイオード
Q1 Nチャネル型MOSFET(FET)
C1 コンデンサ R1,R2,R3 抵抗
Vce IGBTのコレクタ・エミッタ間電圧 Vge IGBTのゲート・エミッタ間電圧
Ic IGBTのコレクタ電流 Vdc 直流電源電圧
Ls 主回路配線にある浮遊インダクタンス Vs 起電力
Vz1 第1ツェナーダイオードDz1のツェナー電圧
Vz2 第2ツェナーダイオードDz2のツェナー電圧
Iz1 第1ツェナーダイオードDz1のツェナー電流
Vf1 第1ダイオードD1の順方向電圧 Vf2 第2ダイオードD2の順方向電圧
Vth FETQ1のゲートしきい値 Vgm IGBTのゲート電圧の最大定格
Vds(51) パワーMOSFET(51)のドレイン・ソース間電圧
Vgs(51) パワーMOSFET(51)のゲート・ソース間電圧
Id(51) パワーMOSFET(51)のドレイン電流
If(D1) 逆阻止ダイオード(D1)の順方向電流
Vgs(Q2) MOSFET(Q2)のゲート・ソース間電圧
IGBT Insulated gate bipolar transistor MOSFET MOS field effect transistor
Dz1 First Zener Diode Dz2 Second Zener Diode
Dz3 Third Zener Diode Dz4 Fourth Zener Diode
D1 1st diode D2 2nd diode
Q1 N-channel MOSFET (FET)
C1 Capacitor R1, R2, R3 Resistance Vce IGBT collector-emitter voltage Vge IGBT gate-emitter voltage Ic IGBT collector current Vdc DC power supply voltage Ls Floating inductance in main circuit wiring Vs Electromotive force Vz1 First Zener diode Dz1 Zener voltage Vz2 Zener voltage Iz1 of the second Zener diode Dz2 Zener current Vf1 of the first Zener diode Dz1 Forward voltage of the first diode D1 Vf2 Forward voltage Vth of the second diode D2 Gate threshold of the FET Q1 Vgm IGBT gate Maximum voltage rating Vds (51) Power MOSFET (51) drain-source voltage Vgs (51) Power MOSFET (51) gate-source voltage Id (51) Power MOSFET (51) drain current
If (D1) Reverse blocking diode (D1) forward current Vgs (Q2) MOSFET (Q2) gate-source voltage

Claims (4)

電圧駆動型素子のターンオフ時におけるコレクタ端子又はドレイン端子の電圧上昇を抑えるアクティブクランプ回路であって、
前記電圧駆動型素子のコレクタ端子又はドレイン端子とNチャネル型MOSFETのドレイン端子が一方向タイプ又は双方向タイプの第1ツェナーダイオードを介して接続され、
前記電圧駆動型素子のゲート端子に駆動回路の正側出力端子が接続されるとともに、第1ダイオードのカソード端子が接続され、
前記電圧駆動型素子のエミッタ端子又はソース端子に駆動回路の負側出力端子が接続され、
前記Nチャネル型MOSFETのゲート端子とドレイン端子が第1抵抗を介して接続され、
前記第1ダイオードのアノード端子に前記Nチャネル型MOSFETのソース端子が接続され、
前記電圧駆動型素子のエミッタ端子又はソース端子と前記Nチャネル型MOSFETのゲート端子が一方向タイプの第2ツェナーダイオード及び第2ダイオードを介して接続されており、
前記電圧駆動型素子のゲート端子と前記正側出力端子との間にゲート抵抗が接続されているか、
前記電圧駆動型素子のエミッタ端子又はソース端子と前記負側出力端子との間にエミッタ抵抗が接続されている
ことを特徴とするアクティブクランプ回路。
An active clamp circuit that suppresses voltage increase at the collector terminal or drain terminal at the time of turn-off of the voltage-driven element,
The collector terminal or drain terminal of the voltage-driven element and the drain terminal of the N-channel MOSFET are connected via a unidirectional or bidirectional first Zener diode,
A positive output terminal of the drive circuit is connected to the gate terminal of the voltage driven element, and a cathode terminal of the first diode is connected,
A negative output terminal of a drive circuit is connected to an emitter terminal or a source terminal of the voltage-driven element;
A gate terminal and a drain terminal of the N-channel MOSFET are connected via a first resistor;
A source terminal of the N-channel MOSFET is connected to an anode terminal of the first diode;
An emitter terminal or a source terminal of the voltage-driven element and a gate terminal of the N-channel MOSFET are connected via a one-way type second Zener diode and a second diode;
A gate resistor is connected between the gate terminal of the voltage-driven element and the positive output terminal,
An active clamp circuit, wherein an emitter resistor is connected between an emitter terminal or a source terminal of the voltage-driven element and the negative output terminal.
前記Nチャネル型MOSFETのゲート端子とソース端子がコンデンサを介して接続されているか、
前記Nチャネル型MOSFETのゲート端子と前記第2ツェナーダイオード又は前記第2ダイオードが第2抵抗を介して接続されているか、
前記Nチャネル型MOSFETのソース端子と前記第2ツェナーダイオード又は前記第2ダイオードが第3抵抗を介して接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載のアクティブクランプ回路。
Whether the gate terminal and the source terminal of the N-channel MOSFET are connected via a capacitor,
The gate terminal of the N-channel MOSFET and the second Zener diode or the second diode are connected via a second resistor,
2. The active clamp circuit according to claim 1, wherein a source terminal of the N-channel MOSFET and the second Zener diode or the second diode are connected via a third resistor.
前記第1ツェナーダイオード又は前記第2ツェナーダイオードは、複数のツェナーダイオードを直列接続したものである
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のアクティブクランプ回路。
The active clamp circuit according to claim 1, wherein the first Zener diode or the second Zener diode is formed by connecting a plurality of Zener diodes in series.
前記第2ツェナーダイオード及び前記第2ダイオードに代えて、双方向タイプのツェナーダイオードとした
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアクティブクランプ回路。
The active clamp circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein a bidirectional Zener diode is used instead of the second Zener diode and the second diode.
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