JP6214846B1 - Semiconductor switch gate drive circuit - Google Patents
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Abstract
駆動信号生成回路は、半導体スイッチのターンオフ時には、第1スイッチング素子(Q1)がオン固定となっている状態から、第4スイッチング素子(Q4)を予め定めた第1期間オンとしてインダクタ素子を励磁した後、第1スイッチング素子(Q1)を予め定めた第2期間オフとしてゲート蓄積電荷を放電し、第1スイッチング素子(Q1)を予め定めた第3期間オンとしてゲート蓄積電荷の放電を中断し、再度第1スイッチング素子(Q1)を予め定めた第4期間オフとし、その後、第4スイッチング素子(Q4)をオフ固定、第2スイッチング素子(Q2)をオン固定として半導体スイッチをオフ固定とする。このようにして、ゲート駆動回路の消費電力を低減する。When the semiconductor switch is turned off, the drive signal generation circuit energizes the inductor element by turning on the fourth switching element (Q4) for a predetermined first period from the state where the first switching element (Q1) is fixed on. Thereafter, the first switching element (Q1) is turned off for a predetermined second period to discharge the accumulated gate charge, the first switching element (Q1) is turned on for a predetermined third period, and the gate accumulated charge is interrupted, The first switching element (Q1) is turned off again for a predetermined fourth period, and then the fourth switching element (Q4) is fixed off, the second switching element (Q2) is fixed on, and the semiconductor switch is fixed off. In this way, the power consumption of the gate drive circuit is reduced.
Description
この発明は、スイッチング素子のオンとオフを駆動するゲート駆動回路に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit that drives on and off of a switching element.
従来のゲート駆動回路では、スイッチング損失およびノイズをいずれも低減でき、加えてゲート駆動回路での導通損失も低減でき、しかも制御の容易なゲート駆動回路を提供することを目的として、駆動対象素子のゲートには、オン駆動素子およびオフ駆動素子からなる駆動素子部が接続されている。そして、駆動制御部がオン駆動素子をオンすると、駆動対象素子のゲートには、この駆動対象素子をオン状態とするのに必要なオン電圧がオン駆動素子を介して印加される。また、駆動制御部がオフ駆動素子をオンすると、駆動対象素子のゲートには、この駆動対象素子をオフ状態とするのに必要なオフ電圧がオフ駆動素子を介して印加される。また、駆動制御部がオン駆動素子およびオフ駆動素子をいずれもオフすると、補助駆動部を構成するリアクトルと駆動対象素子のゲートの寄生容量とにより共振回路が形成される。 In the conventional gate drive circuit, it is possible to reduce both the switching loss and the noise, and in addition to reduce the conduction loss in the gate drive circuit, and to provide a gate drive circuit that can be easily controlled. The gate is connected to a driving element unit including an on driving element and an off driving element. When the drive control unit turns on the on-drive element, an on-voltage necessary to turn on the drive target element is applied to the gate of the drive target element via the on-drive element. Further, when the drive control unit turns on the off drive element, an off voltage necessary for turning off the drive target element is applied to the gate of the drive target element via the off drive element. When the drive control unit turns off both the on-drive element and the off-drive element, a resonance circuit is formed by the reactor constituting the auxiliary drive unit and the parasitic capacitance of the gate of the drive target element.
そして、駆動対象素子がオンしている状態、即ち、オン駆動素子がオン、オフ駆動素子がオフの状態では、リアクトルには、駆動対象素子のゲート側からリアクトルに向けて電流が流れる。この状態から、オン駆動素子がターンオフされると、共振回路の共振によって、駆動対象素子のゲートの寄生容量の蓄積電荷が放電しゼロとなるか更には逆極性に充電されるように電流が流れ続ける。その結果、ゲート電圧が急速に低下し、それと共に駆動対象素子の両端電圧(ソース−ドレイン間電圧,コレクタ−エミッタ間電圧)が急速に増大して、駆動素子がターンオフされる。そして、駆動対象素子のゲート電圧がオフ電圧に達して、駆動制御部がオフ駆動素子をターンオンすると、ゲート電圧がオフ電圧に保持されることにより、駆動対象素子はオフ状態に保持される。 In a state where the drive target element is on, that is, in a state where the on drive element is on and the off drive element is off, a current flows through the reactor from the gate side of the drive target element toward the reactor. From this state, when the ON drive element is turned off, current flows so that the accumulated charge of the parasitic capacitance of the gate of the drive target element is discharged and becomes zero or is charged with the opposite polarity due to resonance of the resonance circuit. to continue. As a result, the gate voltage rapidly decreases, and at the same time, the voltage across the drive target element (source-drain voltage, collector-emitter voltage) rapidly increases, and the drive element is turned off. When the gate voltage of the drive target element reaches the off voltage and the drive control unit turns on the off drive element, the gate voltage is held at the off voltage, whereby the drive target element is held in the off state.
一方、駆動対象素子がオフしている状態、即ち、オン駆動素子がオフ、オフ駆動素子がオンの状態では、リアクトルには、リアクトルから駆動対象素子のゲート側に向けて電流が流れる。この状態から、オフ駆動素子がターンオフされると、共振回路の共振によって、駆動対象素子のゲートの寄生容量の蓄積電荷が放電し更には逆極性に充電されるか、あるいは蓄積電荷がゼロの状態から充電する方向に電流が流れ続ける。その結果、ゲート電圧が急速に上昇し、それと共に駆動対象素子の両端電圧が急速に低下して、駆動対象素子がターンオンされる。そして、駆動対象素子のゲート電圧がオン電圧に達して、駆動制御部がオン駆動素子をターンオンすると、ゲート電圧がオン電圧に保持されることにより、駆動対象素子はオン状態に保持される。 On the other hand, when the drive target element is off, that is, when the on drive element is off and the off drive element is on, a current flows through the reactor from the reactor toward the gate side of the drive target element. When the off-drive element is turned off from this state, the accumulated charge in the parasitic capacitance of the gate of the element to be driven is discharged and further charged in the opposite polarity due to resonance of the resonance circuit, or the accumulated charge is zero. Current continues to flow in the direction of charging. As a result, the gate voltage rapidly increases, and at the same time, the voltage across the drive target element rapidly decreases, and the drive target element is turned on. When the gate voltage of the drive target element reaches the on voltage and the drive control unit turns on the on drive element, the gate voltage is held at the on voltage, whereby the drive target element is held in the on state.
補助駆動部では、駆動対象素子をターンオフさせる時には、オン駆動素子をターンオフするまでに、また、駆動対象素子をターンオンさせる時には、オフ駆動素子をターンオフするまでに、ゲート電圧をオフ電圧又はオン電圧まで変化させるのに必要な大きさの電流を共振によってリアクトルに流しておく必要がある。換言すれば、それ以上の電流を流す必要はないため、補助駆動素子により、リアクトルに電流を流す期間を制御することにより、ゲート駆動回路での消費電力をより低減することができる。 In the auxiliary drive unit, when turning off the drive target element, until the on drive element is turned off, and when turning on the drive target element, the gate voltage is reduced to the off voltage or the on voltage before turning off the off drive element. It is necessary to pass a current of a magnitude necessary for the change to the reactor by resonance. In other words, since it is not necessary to flow more current, the power consumption in the gate drive circuit can be further reduced by controlling the period during which current is passed through the reactor by the auxiliary drive element.
さらに、リアクトルの制御端(駆動対象素子のゲートへの接続側とは反対側の端部)にオン電圧を印加するためのスイッチング素子である第1制御素子、およびオフ電圧を印加するためのスイッチング素子である第2制御素子からなる制御素子部を接続する。そして、リアクトル電流制御部では、駆動対象素子のターンオンのためにオフ駆動素子をターンオフする前、つまり、オン駆動素子がオフ、オフ駆動素子がオンの状態にある時には第1制御素子をオンし、駆動対象素子のターンオフのためにオン駆動素子をターンオフする前、つまり、オン駆動素子がオン、オフ駆動素子がオフの状態にある時には第2制御素子をオンする。これにより、オフ駆動素子のターンオフ前には、第1制御素子,リアクトル,オフ駆動素子を介して電流が流れ、一方、オン駆動素子のターンオフ前には、オン駆動素子,リアクトル,第2制御素子を介して電流が流れる。従って、第1および第2制御素子を制御することで、リアクトルに流れる電流の方向、および電流を流す期間を任意に設定することができる(例えば特許文献1)。 Further, a first control element that is a switching element for applying an on-voltage to a control end of the reactor (an end on the opposite side of the drive target element to the gate connection side), and a switching for applying an off-voltage A control element unit composed of a second control element, which is an element, is connected. The reactor current control unit turns on the first control element before turning off the off drive element for turning on the drive target element, that is, when the on drive element is off and the off drive element is on. The second control element is turned on before the on-drive element is turned off to turn off the drive target element, that is, when the on-drive element is on and the off drive element is off. As a result, current flows through the first control element, the reactor, and the off drive element before the off drive element is turned off. On the other hand, before the on drive element is turned off, the on drive element, the reactor, and the second control element are turned on. Current flows through. Therefore, by controlling the first and second control elements, the direction of the current flowing through the reactor and the period during which the current flows can be arbitrarily set (for example, Patent Document 1).
先行技術では、リアクトルを用いた回収機能によりゲート電源の容量を低減する事が可能であるが、ハーフブリッジ構成とした場合に正極の電圧と負極の電圧を等しく設定する必要があり、駆動対象素子の正極の耐圧と負極の耐圧が異なる場合に、低い方の耐圧に設定するとスイッチング性能が劣化し、高い方の耐圧に設定すると耐圧超過を招く恐れがある。 In the prior art, it is possible to reduce the capacity of the gate power supply by the recovery function using the reactor, but in the case of the half bridge configuration, it is necessary to set the positive voltage and the negative voltage equal to each other. When the withstand voltage of the positive electrode and the withstand voltage of the negative electrode are different, setting the lower withstand voltage may deteriorate the switching performance, and setting the higher withstand voltage may cause an excess withstand voltage.
次に、駆動対象素子をターンオンおよびターンオフする場合に、リアクトルを予め励磁して初期電流を発生させることで、駆動対象素子の入力容量を高速に充放電することが可能となる。この高速スイッチングによりスイッチング損失を低減する事が可能となるが、一方でノイズが増加することが課題である。 Next, when the drive target element is turned on and off, it is possible to charge and discharge the input capacitance of the drive target element at high speed by exciting the reactor in advance and generating an initial current. Although switching loss can be reduced by this high-speed switching, the problem is that noise increases.
従って、この発明の目的は、ゲート電源の容量低減と、ゲート回路の正極電圧と負極電圧の異なる設定と、駆動対象素子のスイッチング損失低減とノイズ低減とを同時に成立させることができる半導体スイッチのゲート駆動回路を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a gate of a semiconductor switch that can simultaneously realize the capacity reduction of the gate power supply, the different setting of the positive voltage and the negative voltage of the gate circuit, and the switching loss reduction and noise reduction of the drive target element. A drive circuit is provided.
この明細書で開示されるゲート駆動回路は、半導体スイッチを駆動するゲート駆動回路である。ゲート駆動回路は、複数のスイッチと、半導体スイッチのゲート端子に接続されたインダクタ素子と、複数のスイッチのオン/オフ動作を制御する駆動信号生成回路と、を備える。駆動信号生成回路は、半導体スイッチのターンオン時およびターンオフ時の少なくとも一方において、インダクタ素子を励磁する第1の励磁期間と、第1の励磁期間の励磁電力を、半導体スイッチのゲート端子に伝送する第1の伝送期間と、第1の伝送期間後にインダクタ素子を再度励磁する第2の励磁期間と、第2の励磁期間の励磁電力を、半導体スイッチのゲート端子に伝送する第2の伝送期間と、を設けるように複数のスイッチを制御する。好ましくは、複数のスイッチは、第1〜第4のスイッチを含む。第1のスイッチは、直流電源の正極端子と第1のノードとの間に接続される。第2のスイッチは、第1のノードと直流電源の負極端子との間に接続される。第3のスイッチは、直流電源の正極端子と第2のノードとの間に接続される。第4のスイッチは、第2のノードと直流電源の負極端子との間に接続される。インダクタ素子は、第1のノードと第2のノードとの間に接続される。駆動信号生成回路は、第1〜第4のスイッチの各々のオン/オフ動作を制御する。 The gate drive circuit disclosed in this specification is a gate drive circuit that drives a semiconductor switch. The gate drive circuit includes a plurality of switches, an inductor element connected to a gate terminal of the semiconductor switch, and a drive signal generation circuit that controls on / off operations of the plurality of switches. The drive signal generation circuit transmits a first excitation period for exciting the inductor element and an excitation power for the first excitation period to the gate terminal of the semiconductor switch at least one of when the semiconductor switch is turned on and when the semiconductor switch is turned off. 1 transmission period, a second excitation period for re-exciting the inductor element after the first transmission period, a second transmission period for transmitting excitation power of the second excitation period to the gate terminal of the semiconductor switch, A plurality of switches are controlled so as to be provided. Preferably, the plurality of switches include first to fourth switches. The first switch is connected between the positive terminal of the DC power supply and the first node. The second switch is connected between the first node and the negative terminal of the DC power supply. The third switch is connected between the positive terminal of the DC power source and the second node. The fourth switch is connected between the second node and the negative terminal of the DC power supply. The inductor element is connected between the first node and the second node. The drive signal generation circuit controls the on / off operation of each of the first to fourth switches.
第1のノードは、半導体スイッチのゲート端子に接続される。直流電源の負極端子は、半導体スイッチのエミッタ端子に接続される。駆動信号生成回路は、半導体スイッチのオフ固定時には、第2のスイッチがオン固定、第1、第3、第4のスイッチがオフ固定となるように第1〜第4のスイッチを制御し、半導体スイッチのオン固定時には、第1のスイッチがオン固定、第2、第3、第4のスイッチがオフ固定となるように第1〜第4のスイッチを制御する。駆動信号生成回路は、半導体スイッチのターンオフ時には、第1のスイッチがオン固定となっている状態から、第4のスイッチをオンとしてインダクタ素子を予め定めた第1期間励磁した後、第1のスイッチを予め定めた第2期間オフとしてゲート蓄積電荷を放電し、第1のスイッチを予め定めた第3期間オンとしてゲート蓄積電荷の放電を中断し、再度第1のスイッチを予め定めた第4期間オフとし、その後、第4のスイッチをオフ固定、第2のスイッチをオン固定として半導体スイッチをオフ固定とする。 The first node is connected to the gate terminal of the semiconductor switch. The negative terminal of the DC power supply is connected to the emitter terminal of the semiconductor switch. The drive signal generation circuit controls the first to fourth switches so that the second switch is fixed on and the first, third, and fourth switches are fixed off when the semiconductor switch is fixed off. When the switch is fixed on, the first to fourth switches are controlled so that the first switch is fixed on and the second, third, and fourth switches are fixed off. When the semiconductor switch is turned off, the drive signal generation circuit starts the first switch after exciting the inductor element for a predetermined first period by turning on the fourth switch from the state in which the first switch is fixed on. Is turned off for a predetermined second period, the gate accumulated charge is discharged, the first switch is turned on for a predetermined third period, the discharge of the gate accumulated charge is interrupted, and the first switch is set again for the fourth period. After that, the fourth switch is fixed off, the second switch is fixed on, and the semiconductor switch is fixed off.
この発明によれば、ターンオフ時に、インダクタの励磁電力を用いて駆動する半導体スイッチの電荷を充放電すると同時に、励磁電力を電源側に回生する事で、ゲートを駆動する電源の容量を大幅に低減する事が可能となる。 According to the present invention, at the time of turn-off, the charge of the semiconductor switch that is driven using the exciting power of the inductor is charged and discharged, and at the same time, the exciting power is regenerated to the power source side, thereby greatly reducing the capacity of the power source that drives the gate. It becomes possible to do.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
実施の形態1.
実施の形態1では、半導体スイッチのターンオンおよびターンオフ時のゲート駆動回路であって単一電源を用いる回路と二電源を用いる回路について説明する。
In the first embodiment, a gate driving circuit when a semiconductor switch is turned on and turned off, which is a circuit using a single power supply and a circuit using two power supplies, will be described.
以下、図1〜図32において、実施の形態1のゲート駆動回路について説明する。図1は、実施の形態1のゲート駆動回路の第1構成例を示す回路図である。図2は、実施の形態1のゲート駆動回路の第2構成例を示す回路図である。図3は、実施の形態1のゲート駆動回路の動作波形図である。 Hereinafter, the gate drive circuit of the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a circuit diagram showing a first configuration example of the gate drive circuit according to the first embodiment. FIG. 2 is a circuit diagram showing a second configuration example of the gate drive circuit according to the first embodiment. FIG. 3 is an operation waveform diagram of the gate drive circuit according to the first embodiment.
図1に示すゲート駆動回路100は、入力容量を備えた電圧駆動型の半導体スイッチ14を駆動半導体素子として、1つの直流電源10でオン/オフ駆動する。ゲート駆動回路100は、直流電源10と、ターンオンおよびターンオフ時にゲートをクランプするクランプ回路12と、回生回路11と、駆動信号生成回路18とを含む。
A
クランプ回路12は、直流電源10の正極端子16(正極母線)と負極端子17(負極母線)との間に直列に接続された、正極側のスイッチング素子Q1と、ターンオン抵抗5と、ターンオフ抵抗6と、負極側のスイッチング素子Q2とを含む。
The
回生回路11は、正極側のスイッチング素子Q3と、負極側のスイッチング素子Q4と、インダクタ8(Lg)とを含む。正極側のスイッチング素子Q3および負極側のスイッチング素子Q4は、直流電源10の正極端子16と負極端子17との間に直列に接続され、接続ノードは交流出力ノード9となる。インダクタ8は、交流出力ノード9に一方端が接続される。
The
駆動信号生成回路18は、スイッチング素子Q1〜Q4の駆動信号Q1S〜Q4Sを生成する。
The drive
クランプ回路12の交流出力ノード7は、半導体スイッチ14のゲート端子に接続される。回生回路11のインダクタ8の他方端は交流出力ノード7に接続される。半導体スイッチ14のエミッタ端子15は、直流電源10の負極端子17に接続される。
The
直流電源10の直流電圧をVdc、回生回路11を構成するインダクタ8に流れる電流をiLg、半導体スイッチ14の入力容量13(容量Ciss)に流れる電流をig、半導体スイッチ14の入力容量13(容量Ciss)に印加されるゲート電圧をVgeとし、半導体スイッチ14のエミッターコレクタ間に印加される電圧をVceとする。
The DC voltage of the
また、スイッチング素子Q1の駆動信号をQ1S、スイッチング素子Q2の駆動信号をQ2S、スイッチング素子Q3の駆動信号をQ3S、スイッチング素子Q4の駆動信号をQ4Sとする。 The driving signal for the switching element Q1 is Q1S, the driving signal for the switching element Q2 is Q2S, the driving signal for the switching element Q3 is Q3S, and the driving signal for the switching element Q4 is Q4S.
図1の回路構成においてスイッチング素子Q1〜Q4は、例としてダイオードを内蔵したIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を記載しているが、ダイオードを内蔵しないIGBTとダイオードを並列に接続した構成でも良い。また、寄生のダイオードを備えたMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)でも良い。その他、並列にダイオードを接続したサイリスタ、GTO(Gate Turn-Off thyristor)、などでも良い。 In the circuit configuration of FIG. 1, the switching elements Q1 to Q4 describe IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) with built-in diodes as an example. However, IGBTs without built-in diodes and diodes may be connected in parallel. Moreover, MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) provided with the parasitic diode may be used. In addition, a thyristor having a diode connected in parallel, a GTO (Gate Turn-Off thyristor), or the like may be used.
同様に、図1の回路構成において半導体スイッチ14は例としてIGBTを記載したが、MOSFET、サイリスタ、GTO、などでも良い。本実施の形態では以降は半導体スイッチ14がIGBTであるとして説明を続ける。
Similarly, in the circuit configuration of FIG. 1, the
図1の駆動信号生成回路18は、半導体スイッチ14の駆動信号DSと、半導体スイッチ14の状態を表すゲート電流ig、コレクタ電流ic、ゲート−エミッタ電圧Vge、コレクタ−エミッタ電圧Vceを入力として受け、スイッチング素子Q1〜Q4の駆動信号Q1S、Q2S、Q3S、Q4Sを出力する。
The drive
なお、コレクタ電流icは半導体スイッチ14のエミッタ電流でも良い。また、コレクタ−エミッタ電圧Vceは、半導体スイッチ14の寄生インダクタンス間電圧でも良い。
The collector current ic may be the emitter current of the
入力容量13を備えた電圧駆動型のスイッチング素子を半導体スイッチ14として、図2に示す通りに2つの直流電源19,20でこの半導体スイッチ14をオン/オフ駆動するゲート駆動回路の構成としても良い。
A voltage-driven switching element having an
図2では図1と異なり、上側の直流電源19と下側の直流電源20を直列に接続し、正極端子16、中性点21、負極端子17を設けている。また図1と異なり半導体スイッチ14のエミッタ端子15は中性点21に接続される。その他の構成は図1と同様である。
In FIG. 2, unlike FIG. 1, an upper
図3は、図1、図2の構成におけるスイッチング素子Q1〜Q4の動作を示す波形図である。半導体スイッチ14の1周期をTとして、ターンオフ切替期間を期間tp1〜tp6、ターンオン切替期間を期間tp7〜tp12とし、期間tp1〜tp6を半周期T/2とし、期間tp7〜tp12も半周期T/2とする。以下に期間tp1〜tp12の各12期間を次のように定義する。
期間tp1 : ターンオフ初期励磁期間
期間tp2 : Ciss電荷回収期間
期間tp3 : Ciss電荷回収中断期間
期間tp4 : Ciss電荷再回収期間
期間tp5 : 励磁電力回生期間
期間tp6 : ターンオフ継続期間
期間tp7 : ターンオン初期励磁期間
期間tp8 : Ciss電荷注入期間
期間tp9 : Ciss電荷注入中断期間
期間tp10 : Ciss電荷再注入期間
期間tp11 : 励磁電力回生期間
期間tp12 : ターンオン継続期間FIG. 3 is a waveform diagram showing the operation of the switching elements Q1 to Q4 in the configuration of FIGS. Assuming that one period of the
Period tp1: Turn-off initial excitation period tp2: Ciss charge recovery period tp3: Ciss charge recovery interruption period tp4: Ciss charge recovery period tp5: Excitation power regeneration period tp6: Turn-off duration period tp7: Turn-on initial excitation period Period tp8: Ciss charge injection period period tp9: Ciss charge injection interruption period period tp10: Ciss charge reinjection period period tp11: Excitation power regeneration period period tp12: Turn-on duration period
(第1構成例(単一電源)での動作説明)
図4は、図1の構成に図3の制御が実行された場合の動作波形図である。図5〜図16は、それぞれ動作期間tp1〜tp12での電流経路を示す図である。(Description of operation in first configuration example (single power supply))
FIG. 4 is an operation waveform diagram when the control of FIG. 3 is executed in the configuration of FIG. 5 to 16 are diagrams showing current paths in the operation periods tp1 to tp12, respectively.
図5に示す通り、期間tp1(ターンオフ初期励磁期間)ではスイッチング素子Q1はターンオン継続状態において、スイッチング素子Q4をターンオンする。電流iLgは直流電源10の正極端子16からスイッチング素子Q1に流れ込み、抵抗Ron、リアクトルLgを介してスイッチング素子Q4に流れ込み、直流電源10の負極端子17に帰還する。
As shown in FIG. 5, in the period tp1 (turn-off initial excitation period), the switching element Q1 turns on the switching element Q4 while the turn-on continues. The current iLg flows from the
この時リアクトルLgには電圧Vdcが印加されるため、リアクトルLgは励磁され電流iLgは負極方向に増加する。 At this time, since the voltage Vdc is applied to the reactor Lg, the reactor Lg is excited and the current iLg increases in the negative direction.
図6に示す通り、期間tp2(Ciss電荷回収期間)では、スイッチング素子Q1はターンオフし、スイッチング素子Q4のみターンオンを継続する。電流iLgとしては、負の電流が継続して流れるため、半導体スイッチ14のゲート端子、リアクトルLg、スイッチング素子Q4、半導体スイッチ14のエミッタ端子の順に電流が流れ、容量Cissの電荷が放電される。この電流経路にてリアクトルLgと容量Cissの間で共振動作となり、電流iLgは負方向に増加、電圧Vgeは減少する。
As shown in FIG. 6, in the period tp2 (Ciss charge recovery period), the switching element Q1 is turned off and only the switching element Q4 is kept on. Since a negative current continues to flow as the current iLg, a current flows in the order of the gate terminal of the
図7に示す通り期間tp3(Ciss電荷回収中断期間)では、再びスイッチング素子Q1はターンオン状態とされ、スイッチング素子Q4はターンオン状態を継続する。電流は直流電源10の正極端子16からスイッチング素子Q1に流れ込み、抵抗Ron、リアクトルLgを介してスイッチング素子Q4に流れ込み、直流電源10の負極端子17に帰還する。一方で、直流電源10の正極端子16からスイッチング素子Q1を介して駆動半導体スイッチのゲート端子に電流が流れ込み半導体スイッチ14のエミッタ端子15を介して直流電源の負極端子17に帰還する。
As shown in FIG. 7, in the period tp3 (Ciss charge recovery interruption period), the switching element Q1 is again turned on, and the switching element Q4 continues to be turned on. The current flows from the
電流iLgは励磁動作により期間tp1における傾きと同じ傾きで負方向に増加する。電流igは、スイッチング素子Q1がターンオンしたことによって極性を反転し、容量Cissを充電する方向に増加し、電圧Vgeは増加する。 The current iLg increases in the negative direction with the same slope as that in the period tp1 by the excitation operation. The current ig reverses its polarity when the switching element Q1 is turned on, increases in the direction of charging the capacitor Ciss, and the voltage Vge increases.
図8に示す通り、期間tp4(Ciss電荷再回収期間)では、再びスイッチング素子Q1がターンオフ状態とされる一方、スイッチング素子Q4はターンオン状態を継続する。電流iLgを継続して流すため、半導体スイッチ14のゲート端子、リアクトルLg、スイッチング素子Q4、半導体スイッチ14のエミッタ端子の順に電流が流れ、容量Cissの電荷が放電される。この電流経路にてリアクトルLgと容量Cissの間で共振動作となり、電流iLgは負方向に増加、電圧Vgeは減少し、電圧Vgeが0Vに達するとスイッチング素子Q2の寄生ダイオードが導通するため電圧Vgeは0Vにクランプされる。
As shown in FIG. 8, in the period tp4 (Ciss charge recollection period), the switching element Q1 is turned off again, while the switching element Q4 continues to be turned on. In order to continuously flow the current iLg, a current flows in the order of the gate terminal of the
図9に示す通り、期間tp5(励磁電力回生期間)では、スイッチング素子Q4がターンオフされ、スイッチング素子Q1〜Q4の全素子がターンオフ状態となる。リアクトルLgの励磁電力は、スイッチング素子Q3の寄生ダイオードとスイッチング素子Q2の寄生ダイオードを経由して流れる電流経路によって、直流電源10に回生される。この時の電流は、図9に示す通り、直流電源10の負極端子17、スイッチング素子Q2の寄生ダイオード、抵抗Roff、リアクトルLg、スイッチング素子Q3の寄生ダイオードの順に流れて、直流電源10の正極端子16に流れ込む。
As shown in FIG. 9, in the period tp5 (excitation power regeneration period), the switching element Q4 is turned off, and all the switching elements Q1 to Q4 are turned off. The exciting power of the reactor Lg is regenerated to the
図10に示す通り、期間tp6(ターンオフ継続期間)では、スイッチング素子Q2がターンオンされる。これにより、容量Cissからノード7、抵抗Roff、スイッチング素子Q2を経由して容量Cissに帰還する電流経路が形成され、容量Cissがゼロ電圧にクランプされ半導体スイッチ14がターンオフされる。
As shown in FIG. 10, in the period tp6 (turn-off duration), the switching element Q2 is turned on. As a result, a current path is fed back from the capacitor Ciss to the capacitor Ciss via the
図11に示す通り、期間tp7(ターンオン初期励磁期間)では、スイッチング素子Q2がターンオンを継続した状態で、スイッチング素子Q3がターンオンされる。スイッチング素子Q2のターンオンを継続することで半導体スイッチ14のオフを継続しながらも、電流は直流電源10の正極端子16からスイッチング素子Q3、リアクトルLg、抵抗Roffを経由してスイッチング素子Q2に流れ込み、直流電源10の負極端子17に帰還する。この時リアクトルLgには電圧Vdcが印加されるためリアクトルLgは励磁され、電流iLgは正方向に増加する。
As shown in FIG. 11, in the period tp7 (turn-on initial excitation period), the switching element Q3 is turned on while the switching element Q2 is kept turned on. While the
図12に示す通り、期間tp8(Ciss電荷注入期間)ではスイッチング素子Q2がターンオフされる一方で、スイッチング素子Q3はターンオンを継続する。電流iLgを継続して流すため、電流は直流電源10の正極端子16からスイッチング素子Q3、リアクトルLgを介して容量Cissに流れ込み直流電源10の負極端子17へと流れる。この電流経路にてリアクトルLgと容量Cissの間で共振動作となり、電流iLgは正方向に増加、電圧Vgeは増加する。
As shown in FIG. 12, in the period tp8 (Ciss charge injection period), the switching element Q2 is turned off, while the switching element Q3 continues to be turned on. In order to continuously flow the current iLg, the current flows from the
図13に示す通り、期間tp9(Ciss電荷注入中断期間)では、スイッチング素子Q2が再びターンオンされる一方、スイッチング素子Q3はターンオンを継続する。電流iLgは直流電源10の正極端子16からスイッチング素子Q3、リアクトルLg、スイッチング素子Q2を介して負極端子17に帰還して流れ、リアクトルLgは電圧Vdcにより再び励磁される。一方、電流igは容量Cissからスイッチング素子Q2を経由して放電される。電流iLgは励磁動作により期間tp7と同じ傾きで増加する。電流igはスイッチング素子Q2がターンオンしたことによって極性が反転し容量Cissを放電する方向に増加し、電圧Vgeは減少する。
As shown in FIG. 13, in the period tp9 (Ciss charge injection interruption period), the switching element Q2 is turned on again, while the switching element Q3 continues to be turned on. The current iLg flows back from the
図14に示す通り、期間tp10(Ciss電荷再注入期間)では再びスイッチング素子Q2をターンオフとして、スイッチング素子Q3はターンオンを継続する。期間tp8と同様に電流は、直流電源10の正極端子16からスイッチング素子Q3、リアクトルLgを介して容量Cissに流れ込み直流電源10の負極端子17へと期間する。この電流経路にてリアクトルLgと容量Cissの間で共振動作となり、電流iLgは正方向に増加、電圧Vgeは増加する。電圧Vgeが電圧Vdcに達すると、スイッチング素子Q1の寄生ダイオードが導通して電圧Vgeは電圧Vdcにクランプされる。
As shown in FIG. 14, in the period tp10 (Ciss charge reinjection period), the switching element Q2 is turned off again, and the switching element Q3 continues to be turned on. Similar to the period tp8, the current flows from the
図15に示す通り、期間tp11(励磁電力回生期間)ではスイッチング素子Q3がターンオフされ、スイッチング素子Q1〜Q4の全素子がターンオフ状態となる。この時、リアクトルLgの励磁電力はスイッチング素子Q1の寄生ダイオードとスイッチング素子Q4の寄生ダイオードを経由して流れる電流によって直流電源10に回生される。
As shown in FIG. 15, in the period tp11 (excitation power regeneration period), the switching element Q3 is turned off, and all the switching elements Q1 to Q4 are turned off. At this time, the exciting power of reactor Lg is regenerated to
電流は、直流電源10の負極端子17からスイッチング素子Q4の寄生ダイオード、リアクトルLg、スイッチング素子Q1の寄生ダイオードを経由して直流電源10の正極端子16に流れ込む。
The current flows from the
図16に示す通り、期間tp12(ターンオン継続期間)ではスイッチング素子Q1がターンオンされる。これにより直流電源10の正極端子16からスイッチング素子Q1、容量Cissを経由して直流電源10の負極端子17に帰還する電流経路が形成される。このとき容量Cissの電圧Vgeを電圧Vdcにクランプして半導体スイッチ14をターンオン状態にする。
As shown in FIG. 16, in the period tp12 (turn-on duration), the switching element Q1 is turned on. As a result, a current path is formed that returns from the
(第2構成例(二電源)での動作説明)
図17は、図2の構成に図3の制御が実行された場合の動作波形図である。図18〜図29は、それぞれ動作期間tp1〜tp12での電流経路を示す図である。(Description of operation in second configuration example (dual power supply))
FIG. 17 is an operation waveform diagram when the control of FIG. 3 is executed in the configuration of FIG. 18 to 29 are diagrams showing current paths in the operation periods tp1 to tp12, respectively.
図18に示す通り、期間tp1(ターンオフ初期励磁期間)ではスイッチング素子Q1はターンオン継続状態において、スイッチング素子Q4がターンオンされる。電流iLgは直流電源19の正極端子16から、スイッチング素子Q1、抵抗Ron、リアクトルLg、スイッチング素子Q4を経由して流れ、直流電源20の負極端子17に帰還する。
As shown in FIG. 18, in the period tp1 (turn-off initial excitation period), the switching element Q4 is turned on while the switching element Q1 is kept in the turn-on state. The current iLg flows from the
この時リアクトルLgには電圧(VdcH+VdcL)が印加されるため、リアクトルLgは、励磁され電流iLgは負方向に増加する。 At this time, since the voltage (VdcH + VdcL) is applied to the reactor Lg, the reactor Lg is excited and the current iLg increases in the negative direction.
図19に示す通り、期間tp2(Ciss電荷回収期間)では、スイッチング素子Q4をターンオン継続状態とし、スイッチング素子Q1をターンオフする。電流iLgを継続して流すため、中性点21から半導体スイッチ14のエミッタ端子、半導体スイッチ14のゲート端子、リアクトルLg、スイッチング素子Q4、直流電源20の負極端子17を経由して電流が流れ、容量Cissの電荷が放電される。この電流経路においてリアクトルLgと容量Cissの間で共振動作となり、電流iLgは負方向に増加し、電圧Vgeは減少する。
As shown in FIG. 19, in the period tp2 (Ciss charge recovery period), the switching element Q4 is kept turned on and the switching element Q1 is turned off. In order to continuously flow the current iLg, the current flows from the
図20に示す通り、期間tp3(Ciss電荷回収中断期間)では、スイッチング素子Q4がターンオンを継続した状態において再びスイッチング素子Q1がターンオン状態とされる。電流iLgは、直流電源10の正極端子16から、スイッチング素子Q1、抵抗Ron、リアクトルLgを経由してスイッチング素子Q4に流れ込み、直流電源20の負極端子17に帰還する。一方で、直流電源10の正極端子16から、スイッチング素子Q1を経由して半導体スイッチ14のゲート端子にも電流が流れ込み、半導体スイッチ14のエミッタ端子15を経由して中性点21に帰還する電流経路が生じる。
As shown in FIG. 20, in the period tp3 (Ciss charge recovery interruption period), the switching element Q1 is turned on again in the state where the switching element Q4 continues to be turned on. The current iLg flows from the
電流iLgは、励磁動作により期間tp1と同じ傾きで増加する。電流igはスイッチング素子Q1がターンオンしたことによって、極性が反転し、容量Cissを充電する方向に増加し、電圧Vgeは増加する。 The current iLg increases with the same slope as the period tp1 by the excitation operation. When the switching element Q1 is turned on, the polarity of the current ig is reversed, and the current ig increases in the direction of charging the capacitor Ciss, and the voltage Vge increases.
図21に示す通り、期間tp4(Ciss電荷再回収期間)では、スイッチング素子Q4がターンオンを継続した状態において、再びスイッチング素子Q1がターンオフされる。電流iLgを継続して流すため、中性点21から半導体スイッチ14のエミッタ端子15、半導体スイッチ14のゲート端子、リアクトルLg、スイッチング素子Q4を経由して、直流電源20の負極端子17に向かって電流が流れ、容量Cissの電荷が放電される。
As shown in FIG. 21, in the period tp4 (Ciss charge recovery period), the switching element Q1 is turned off again in a state where the switching element Q4 continues to be turned on. In order to continuously flow the current iLg, from the
この電流経路においてリアクトルLgと容量Cissの間で共振動作となり、電流iLgは負方向に増加する。また、電圧Vgeは低下して0Vに達するとスイッチング素子Q2の寄生ダイオードが導通するため、電圧Vgeは電圧-VdcLにクランプされる。 In this current path, resonance operation occurs between the reactor Lg and the capacitance Ciss, and the current iLg increases in the negative direction. Further, when the voltage Vge decreases and reaches 0 V, the parasitic diode of the switching element Q2 becomes conductive, so that the voltage Vge is clamped to the voltage -VdcL.
図22に示す通り、期間tp5(励磁電力回生期間)では、スイッチング素子Q4がターンオフし、スイッチング素子Q1〜Q4は、全素子ターンオフ状態となる。リアクトルLgの励磁電力はスイッチング素子Q3の寄生ダイオードとスイッチング素子Q2の寄生ダイオードを経由して流れる電流によって、直流電源19と直流電源20に回生される。この時の電流は、図22に示す通り、直流電源20の負極端子17からスイッチング素子Q2の寄生ダイオード、抵抗Roff、リアクトルLg、スイッチング素子Q3の寄生ダイオードを経由して流れて、直流電源19の正極端子16に流れ込む。
As shown in FIG. 22, in the period tp5 (excitation power regeneration period), the switching element Q4 is turned off, and the switching elements Q1 to Q4 are all turned off. The exciting power of the reactor Lg is regenerated to the
図23に示す通り、期間tp6(ターンオフ継続期間)では、スイッチング素子Q2がターンオンされる。これにより、直流電源20の負極端子からスイッチング素子Q2、抵抗Roff、ノード7を経由して、電流が容量Cissに流れ込み、半導体スイッチ14のエミッタ端子15から中性点21に帰還する電流経路が形成される。容量Cissの電圧は、電圧-VdcLにクランプされ、半導体スイッチ14はターンオフされる。
As shown in FIG. 23, in the period tp6 (turn-off duration), the switching element Q2 is turned on. As a result, the current flows from the negative terminal of the
図24に示す通り、期間tp7(ターンオン初期励磁期間)では、スイッチング素子Q2がターンオン継続状態で、スイッチング素子Q3がターンオンされる。スイッチング素子Q2がターンオンを継続することによって半導体スイッチ14のオフを継続しながらも、電流は直流電源19の正極端子16からスイッチング素子Q3に流れ込み、リアクトルLg、抵抗Roff、スイッチング素子Q2を経由して、直流電源20の負極端子17に帰還する。
As shown in FIG. 24, in the period tp7 (turn-on initial excitation period), the switching element Q2 is turned on and the switching element Q3 is turned on. While the switching element Q2 continues to be turned on, the
この時リアクトルLgには電圧Vdcが印加されるため、リアクトルLgは励磁され電流iLgは正方向に増加する。 At this time, since the voltage Vdc is applied to the reactor Lg, the reactor Lg is excited and the current iLg increases in the positive direction.
図25に示す通り、期間tp8(Ciss電荷注入期間)では、スイッチング素子Q3がターンオンを継続した状態で、スイッチング素子Q2がターンオフされる。電流iLgを継続して流すため、電流は直流電源19の正極端子16から、スイッチング素子Q3、リアクトルLg、容量Cissを経由して、中性点21へと流れる。この電流経路にてリアクトルLgと容量Cissの間で共振動作となり、電流iLgは正方向に増加し、電圧Vgeは増加する。
As shown in FIG. 25, in the period tp8 (Ciss charge injection period), the switching element Q2 is turned off while the switching element Q3 continues to be turned on. In order to continuously flow the current iLg, the current flows from the
図26に示す通り、期間tp9(Ciss電荷注入中断期間)では、スイッチング素子Q3がターンオンを継続した状態において、スイッチング素子Q2が再びターンオンされる。電流は直流電源19の正極端子16から、スイッチング素子Q3、リアクトルLg、スイッチング素子Q2を経由して直流電源20の負極端子17に電流iLgが帰還し、リアクトルLgは電圧Vdcにより再び励磁される。一方、電流igは容量Cissからスイッチング素子Q2を経由して放電される。電流iLgは励磁動作により期間tp7と同じ傾きで増加する。電流igは、スイッチング素子Q2がターンオンしたことによって極性が反転し、容量Cissを放電する方向に増加し、電圧Vgeは減少する。
As shown in FIG. 26, in the period tp9 (Ciss charge injection interruption period), the switching element Q2 is turned on again in a state where the switching element Q3 continues to be turned on. The current iLg is fed back from the
図27に示す通り、期間tp10(Ciss電荷再注入期間)では、スイッチング素子Q3はターンオンを継続している状態で、再びスイッチング素子Q2がターンオフされる。期間tp8と同様に、電流は、直流電源19の正極端子16から、スイッチング素子Q3、リアクトルLg、容量Cissを経由して、直流電源20の負極端子17へと帰還する。この電流経路においてリアクトルLgと容量Cissの間で共振動作となり、電流iLgは正方向に増加し、電圧Vgeは増加する。電圧Vgeが電圧VdcHに達すると、スイッチング素子Q1の寄生ダイオードが導通して、電圧Vgeは電圧VdcHにクランプされる。
As shown in FIG. 27, in the period tp10 (Ciss charge reinjection period), the switching element Q2 is turned off again while the switching element Q3 continues to be turned on. Similar to the period tp8, the current returns from the
図28に示す通り、期間tp11(励磁電力回生期間)では、スイッチング素子Q3がターンオフされスイッチング素子Q1〜Q4の全素子がターンオフ状態となる。この時、リアクトルLgの励磁電力は、スイッチング素子Q1の寄生ダイオードとスイッチング素子Q4の寄生ダイオードによって、直流電源19と直流電源20に回生される。
As shown in FIG. 28, in the period tp11 (excitation power regeneration period), the switching element Q3 is turned off, and all the switching elements Q1 to Q4 are turned off. At this time, the exciting power of reactor Lg is regenerated to
電流iLgは、直流電源20の負極端子17から、スイッチング素子Q4の寄生ダイオード、リアクトルLg、スイッチング素子Q1の寄生ダイオードを経由して、直流電源19の正極端子16に流れ込む。
The current iLg flows from the
図29に示す通り、期間tp12(ターンオン継続期間)では、スイッチング素子Q1がターンオンされる。これにより、直流電源10の正極端子16からスイッチング素子Q1を経由して容量Cissに流入し、直流電源10の負極端子17に帰還する電流経路が形成される。容量Cissの電圧は、電圧Vdcにクランプされ、半導体スイッチ14のターンオン状態が継続する。
As shown in FIG. 29, in the period tp12 (turn-on duration), the switching element Q1 is turned on. As a result, a current path is formed that flows from the
(構成例1、構成例2の動作まとめ)
このように図1と図2の構成において、ターンオン時にはリアクトルLg励磁電力を無効電力として容量Cissに供給し、残ったリアクトルLgの励磁電力を電源側に回生する。容量Cissの蓄積電荷以外のリアクトルLgの励磁電力はすべて電源側に回生される。(Summary of operations of Configuration Example 1 and Configuration Example 2)
1 and FIG. 2, the reactor Lg excitation power is supplied to the capacitor Ciss as a reactive power at the time of turn-on, and the remaining reactor Lg excitation power is regenerated to the power source side. All the exciting power of the reactor Lg other than the accumulated charge of the capacitor Ciss is regenerated to the power supply side.
同様に、図1と図2の構成において、ターンオフ時には容量Cissの蓄積電荷をリアクトルLgの励磁電力として回収し、リアクトルLgの励磁電力を電源側に回生する。 Similarly, in the configuration of FIGS. 1 and 2, the accumulated charge of the capacitor Ciss is recovered as the exciting power of the reactor Lg at the time of turn-off, and the exciting power of the reactor Lg is regenerated to the power source side.
回路損失が発生しない理想条件では容量Cissの蓄積電荷の回収および供給しか動作せず、その他の電力はすべて電源側に回生されるため、ゲート回収効率100%の動作となる。一方で、回路損失が発生する場合は、電源回生量が回路損失分だけ低減されるため、効率は100%以下となる。 Under ideal conditions in which no circuit loss occurs, only the collection and supply of the accumulated charge of the capacitor Ciss operates, and all other power is regenerated to the power supply side, resulting in an operation with a gate recovery efficiency of 100%. On the other hand, when a circuit loss occurs, the power regeneration amount is reduced by the amount of the circuit loss, so the efficiency is 100% or less.
なお、図1と図2の構成の動作では、ともにスイッチング素子Q1〜Q4の寄生ダイオードを経由した電流経路が形成される。このダイオード機能はスイッチング素子Q1〜Q4の半導体素子の寄生ダイオードを用いてもよい。もしくはスイッチング素子Q1〜Q4に並列にダイオードを接続してもよい。またはスイッチング素子Q1〜Q4のダイオード導通時に同期してスイッチング素子を導通させる整流動作としても良い。 In the operation of the configuration shown in FIGS. 1 and 2, both current paths are formed via the parasitic diodes of the switching elements Q1 to Q4. For this diode function, parasitic diodes of the semiconductor elements of the switching elements Q1 to Q4 may be used. Alternatively, a diode may be connected in parallel to the switching elements Q1 to Q4. Or it is good also as a rectification | straightening operation | movement which makes a switching element conductive in synchronization with the diode conduction of switching elements Q1-Q4.
図1において、抵抗Ronは、期間tp12において電圧Vgeを電圧Vdcにクランプする際の、電圧Vgeと電圧Vdcの電位差に基づいた突入電流を防止する機能を有する。また、抵抗Roffは、期間tp6において電圧Vgeをゼロ電圧にクランプする際の、電圧Vgeと0Vの電位差に基づいた突入電流を防止する機能を有する。この抵抗Ronは追加で設けなくてもスイッチング素子Q1の内部抵抗を利用しても良い。同様に、抵抗Roffは追加で設けなくてもスイッチング素子Q2の内部抵抗を利用しても良い。 In FIG. 1, the resistor Ron has a function of preventing an inrush current based on a potential difference between the voltage Vge and the voltage Vdc when the voltage Vge is clamped to the voltage Vdc in the period tp12. The resistor Roff has a function of preventing an inrush current based on a potential difference between the voltage Vge and 0 V when the voltage Vge is clamped to zero voltage in the period tp6. The resistor Ron may not be additionally provided, but the internal resistance of the switching element Q1 may be used. Similarly, the internal resistance of the switching element Q2 may be used without providing the resistance Roff additionally.
同様に図2において、抵抗Ronは期間tp12において電圧Vgeを電圧VdcHにクランプする際の、電圧Vgeと電圧VdcHの電位差に基づいた突入電流を防止する機能を有する。また、抵抗Roffは期間tp6において電圧Vgeを電圧VdcLにクランプする際の、電圧Vgeと電圧VdcLの電位差に基づいた突入電流を防止する機能を有する。この抵抗Ronは追加で設けなくてもスイッチング素子Q1の内部抵抗を利用しても良い。また抵抗Roffは追加で設けなくてもスイッチング素子Q2の内部抵抗を利用しても良い。 Similarly, in FIG. 2, the resistor Ron has a function of preventing an inrush current based on a potential difference between the voltage Vge and the voltage VdcH when the voltage Vge is clamped to the voltage VdcH in the period tp12. The resistor Roff has a function of preventing an inrush current based on a potential difference between the voltage Vge and the voltage VdcL when the voltage Vge is clamped to the voltage VdcL in the period tp6. The resistor Ron may not be additionally provided, but the internal resistance of the switching element Q1 may be used. Further, the internal resistance of the switching element Q2 may be used without providing the resistor Roff additionally.
(駆動信号生成回路の説明)
ここで、駆動信号生成回路18での演算方法について説明する。図30は、図1、図2において用いられる駆動信号生成回路の構成を示す回路図である。駆動信号生成回路18は、駆動信号DSを受けて、駆動信号Q1S〜Q4Sを生成する。図30に示す駆動信号生成回路18は、回路ブロック200,300,500,600,700と、オン/オフ判定器400と、NOT回路101と、遅延回路102,105と、AND論理回路103,106と、OR回路104,107とを含む。(Description of drive signal generation circuit)
Here, a calculation method in the drive
回路ブロック200は、スイッチング素子Q4のターンオン期間を生成する回路ブロックである。回路ブロック300は、スイッチング素子Q3のターンオン期間を生成する回路ブロックである。回路ブロック500は、半導体スイッチ14のターンオフ時のスイッチング保留信号を生成する回路ブロックである。回路ブロック600は、半導体スイッチ14のターンオン時のスイッチング保留信号を生成する回路ブロックである。回路ブロック700は、回路ブロック500および600で作成されたスイッチング保留信号を選択する回路ブロックである。
The
次に、動作期間の定義について説明する。図31は、図30の駆動信号生成回路を説明するための期間を定義した図である。図31の動作チャートのスイッチング素子Q1〜Q4の波形は、図3と同一である。スイッチング素子Q1がターンオンする期間tp1と期間tp12の合計期間を期間tonと定め、スイッチング素子Q2がターンオンする期間tp6と期間tp7の合計期間を期間toffと定める。ターンオフに移行する間の期間tp2〜tp5の合計期間を期間tf、ターンオンに移行する間の期間tp8〜tp11の合計期間を期間trと定める。ターンオフ時に電源側に励磁電力を回生する期間tp5を期間tgoff1、ターンオン時に電源側に励磁電力を回生する期間tp11を期間tgonと定める。ターンオフ継続時にリアクトルを励磁する期間tp1を期間teoff、ターンオン継続時にリアクトルを励磁する期間tp7を期間teonと定める。 Next, the definition of the operation period will be described. FIG. 31 is a diagram defining a period for explaining the drive signal generation circuit of FIG. The waveforms of the switching elements Q1 to Q4 in the operation chart of FIG. 31 are the same as those in FIG. A total period of the period tp1 and the period tp12 in which the switching element Q1 is turned on is defined as a period ton, and a total period of the period tp6 and the period tp7 in which the switching element Q2 is turned on is defined as a period toff. The total period of the periods tp2 to tp5 during the transition to turn-off is defined as the period tf, and the total period of the periods tp8 to tp11 during the transition to the turn-on is defined as the period tr. A period tp5 for regenerating excitation power on the power supply side at turn-off is defined as a period tgoff1, and a period tp11 for regenerating excitation power on the power supply side at turn-on is defined as a period tgon. A period tp1 for exciting the reactor when the turn-off is continued is defined as a period teoff, and a period tp7 for exciting the reactor when the turn-on is continued is defined as a period teon.
図30より、回路ブロック200による駆動信号Q4Sの演算過程を説明する。回路ブロック200は、オフ期間演算器201と、オフ回生期間演算器202と、オフ励磁期間演算器203と、減算器204と、加算器205とを含む。
The process of calculating the drive signal Q4S by the
駆動信号Q4Sは図31より期間tp1〜tp4にてH(論理ハイレベル)を出力する信号となる。期間tp1〜tp4は期間teoffと期間tfの合計期間から期間tgoffを引いた期間である。 The drive signal Q4S is a signal that outputs H (logic high level) in the period tp1 to tp4 from FIG. The periods tp1 to tp4 are periods obtained by subtracting the period tgoff from the total period of the periods teoff and tf.
オフ期間演算器201は、期間tp2〜tp5の間だけHレベルを出力する論理信号(H期間が期間tfである)を出力する。期間tfすなわち図31の期間tp2〜tp5は、期間tonの反転期間の半分以下すなわち期間tp2〜tp6以内にする。期間tonの反転期間とは期間tp2〜tp11を指し、期間tp2〜tp11の半分の期間とは期間tp2〜tp6を指す。半分の期間とする理由は、対称性よりターンオン時にも図31の期間tp7〜tp12にて同様の動作と演算を行なうためである。
The
オフ回生期間演算器202では、リアクトルLgの励磁電力が電源側に回生される期間を示す信号tgoff1を出力する。信号tgoff1のハイ期間を電流iLgが0Aに達する期間以上に設定することによってリアクトルLgの励磁電力をすべて回収する事ができ、回収効果を最も高めることができる。
The off
オフ励磁期間演算器203は、期間tp1に相当するリアクトルLgの初期励磁期間を定める。本期間を設けることで、期間tp2〜tp5において容量Cissの蓄積電荷を引き抜く時間を高める効果がある。期間tp1はスイッチング素子Q1のターンオンからターンオフに切り替わるタイミング(図31の期間tp1とtp2の境界)から期間tp1だけ溯って設定する必要がある。従って、駆動信号DSをオフ励磁期間演算器203に入力し、この駆動信号DSから期間teoffを定める。期間teoffは、下限値ゼロから、上限値はスイッチング素子Q1の継続的なターンオン期間である期間tp1と期間tp12の合計期間の中で設定する。
The off
期間tfから期間tgoff1を減算器204で減算し期間tgoff2を演算する。これは図31にて期間tp2〜tp4に相当する。そして期間tgoff2と期間teoffを加算器205で加算すると、期間tp1〜tp4にHレベルを出力する信号Q4Sを演算する事ができる。
The period tgoff1 is subtracted from the period tf by the
図30に戻って、回路ブロック300による駆動信号Q3Sの演算過程を説明する。回路ブロック300は、オン期間演算器301と、オン回生期間演算器302と、オン励磁期間演算器303と、減算器304と、加算器305とを含む。
Returning to FIG. 30, the process of calculating the drive signal Q3S by the
駆動信号Q3Sは図31より期間tp7〜tp11にてHレベルを出力する信号となる。期間tp7〜tp11はteoffとtfの合計期間からtgoffを引いた期間である。 The drive signal Q3S is a signal that outputs an H level in the period tp7 to tp11 from FIG. Periods tp7 to tp11 are periods obtained by subtracting tgoff from the total period of teoff and tf.
オン期間演算器301は、期間tp8〜tp11の間だけHレベルを出力する論理信号(H期間が期間trである)を出力する。期間trすなわち図31の期間tp8〜tp11は、上記と同様に期間tonの反転期間の半分以下すなわち期間tp7〜tp11以内にする。
The
オン回生期間演算器302は、リアクトルLgの励磁電力が電源側に回生される期間を示す信号tgon1を出力する。信号tgon1のハイ期間を電流iLgが0Aに達する期間以上に設定することによってリアクトルLgの励磁電力をすべて回収する事ができ、回収効果を最も高めることができる。
The on-
オン励磁期間演算器303は、期間tp7に相当するリアクトルLgの初期励磁期間を定める。本期間を設けることで、期間tp8〜tp11において容量Cissへの充電期間を短縮する効果がある。期間tp7はスイッチング素子Q2のターンオンからターンオフに切り替わるタイミング(図31の期間tp7とtp8の境界)から期間tp7だけ溯って設定する必要がある。従って、駆動信号DSをオン励磁期間演算器303に入力し、この駆動信号DSから期間teonを定める。期間teonの設定範囲は下限値ゼロから、上限値はスイッチング素子Q2の継続的なターンオン期間である期間tp6と期間tp7の合計期間の中で設定する。
The ON
期間trから期間tgon1を減算器304で減算し期間tgon2を演算する。期間tgon2は、図31にて期間tp8〜tp10に相当する。そして期間tgon2と期間teonを加算器305で加算すると、期間tp7〜tp10にHレベルを出力する信号Q3Sを演算する事ができる。
The
オン/オフ判定器400は、駆動信号DSを受けて、リアルタイムに図31に示す期間tp1〜tp6、または図31に示す期間tp7〜tp12を判定する。期間tp1〜tp6に存在すると判定した場合は信号Judgeを論理1としてターンオフ時の回生動作期間であると判断する。期間tp7〜tp12に存在すると判定した場合は信号Judgeを論理0として、ターンオン時の回生動作期間であると判断する。
The on / off
次に、ターンオフ時のタイミングtf1,tf2の判定について説明する。回路ブロック500は、各種波形を基準信号と比較した結果に基づいて、ターンオフ動作を一時停止する信号を出力する。これは図31にてスイッチング素子Q1の期間tp3に相当する。
Next, determination of the timings tf1 and tf2 at the time of turn-off will be described. The
各種波形とは、本実施の形態では半導体スイッチ14のゲート電流ig、コレクタ電流ic、ゲート−エミッタ電圧Vge、コレクタ−エミッタ電圧Vceであり、これらを抽出信号とする。本実施の形態では、上記4種類の抽出信号の1つを用いて、ターンオフ動作を一時停止する信号を生成する。
In the present embodiment, the various waveforms are the gate current ig, the collector current ic, the gate-emitter voltage Vge, and the collector-emitter voltage Vce of the
回路ブロック500は、比較器501〜504を含む。ゲート電流を検出する場合は、比較器501にゲート電流igとしきい値ig_thを入力する。図31の期間tp2にてターンオフ動作が開始すると電流igが徐々に減少する。電流igがしきい値ig_thを下回ると信号Vig1はHレベルとなり、一定期間Hレベルを保持した後Lレベルとなる。信号Vig1がHレベルとなる一定期間は(tf−tgoff1)より長くならないように設定する。
The
コレクタ電流を検出する場合は、比較器502にコレクタ電流icとしきい値ic_thを入力する。図31の期間tp2にてターンオフ動作が開始するとコレクタ電流icが徐々に減少する。コレクタ電流icがしきい値ic_thを下回ると信号Vic1はHレベルとなり、一定期間Hレベルを保持した後Lレベルとなる。信号Vic1がHレベルとなる一定期間は(tf−tgoff1)より長くならないように設定する。
When detecting the collector current, the collector current ic and the threshold value ic_th are input to the
ゲート−エミッタ電圧を検出する場合は、比較器503にゲート−エミッタ電圧Vgeとしきい値Vge_thを入力する。図31の期間tp2にてターンオフ動作が開始すると電圧Vgeは徐々に減少する。電圧Vgeがしきい値Vge_thを下回ると信号Vvge1はHレベルとなり、一定期間Hレベルを保持した後Lレベルとなる。この信号Vvge1がHレベルとなる一定期間は(tf−tgoff1)より長くならないように設定する。
When detecting the gate-emitter voltage, the gate-emitter voltage Vge and the threshold value Vge_th are input to the
コレクタ−エミッタ電圧を検出する場合は、比較器504にコレクタ−エミッタ電圧Vceとしきい値Vce_thを入力する。図31の期間tp2にてターンオフ動作が開始するとコレクタ−エミッタ電圧Vceは徐々に増加する。コレクタ−エミッタ電圧Vceがしきい値Vce_thを上回ると信号Vvce1はHレベルとなり、一定期間Hレベルを保持した後Lレベルとなる。信号Vvce1がHレベルとなる一定期間は(tf−tgoff1)より長くならないように設定する。
When detecting the collector-emitter voltage, the collector-emitter voltage Vce and the threshold value Vce_th are input to the
なお、比較器501の出力信号Vig1、比較器502の出力信号Vic1、比較器503の出力信号Vvge1、比較器504の出力信号Vvce1がHレベルとなる時刻は、図31の時刻tf1に相当する。そして一定期間Hレベルとなった後に再びLレベルとなる時刻は、図31の時刻tf2に相当する。
Note that the time when the output signal Vig1 of the
一方、回路ブロック600は、ターンオン動作を一時停止する信号を出力する。これは図31にてスイッチング素子Q2の期間tp9に相当する。検出に使用する信号(抽出信号)はターンオフ時と同様にゲート電流ig、コレクタ電流ic、ゲート−エミッタ電圧Vge、コレクタ−エミッタ電圧Vceとする。そして、ターンオフ時と同様に、上記4種類の抽出信号の1つを用いて、回路ブロック600は、ターンオフ動作を一時停止する信号を生成する。
On the other hand, the
回路ブロック600は、比較器601〜604を含む。ゲート電流を検出する場合は、比較器601にゲート電流igとしきい値ig_thを入力する。図31の期間tp8にてターンオン動作が開始すると電流igが徐々に増加する。電流igがしきい値ig_thを上回ると信号Vig2はHレベルとなり、一定期間Hレベルを保持した後Lレベルとなる。信号Vig2がHレベルを出力する一定期間は(tf−tgon1)より長くならないように設定する。
The
コレクタ電流を検出する場合は、比較器602にコレクタ電流icとしきい値ic_thを入力する。図31の期間tp8にてターンオン動作が開始するとコレクタ電流icが徐々に増加する。コレクタ電流icがしきい値ic_thを上回ると信号Vic2はHレベルとなり、一定期間Hレベルを保持した後Lレベルとなる。信号Vic2がHレベルを出力する一定期間は(tf−tgon1)より長くならないように設定する。
When detecting the collector current, the collector current ic and the threshold value ic_th are input to the
ゲート−エミッタ電圧を検出する場合は、比較器603にゲート−エミッタ電圧Vgeとしきい値Vge_thを入力する。図31の期間tp2にてターンオン動作が開始すると電圧Vgeは徐々に増加する。電圧Vgeがしきい値Vge_thを上回ると信号Vvge2はHレベルとなり、一定期間Hレベルを保持した後Lレベルとなる。信号Vvge2がHレベルとなる一定期間は(tf−tgon1)より長くならないように設定する。
When detecting the gate-emitter voltage, the gate-emitter voltage Vge and the threshold value Vge_th are input to the
コレクタ−エミッタ電圧を検出する場合は、比較器604に、コレクタ−エミッタ電圧Vceとしきい値Vce_thを入力する。図31の期間tp2にてターンオフ動作が開始すると電圧Vceは徐々に減少する。電圧Vceがしきい値Vce_thを下回ると信号Vvce2はHレベルとなり、一定期間Hレベルを保持した後Lレベルとなる。信号Vvce2がHレベルを出力する一定期間は(tf−tgon1)より長くならないように設定する。
When the collector-emitter voltage is detected, the collector-emitter voltage Vce and the threshold value Vce_th are input to the
なお、比較器601の出力信号Vig2、比較器602の出力信号Vic2、比較器603の出力信号Vvge2、比較器604の出力信号Vvce2がHレベルとなる時刻は、図31の時刻tr1に相当する。そして一定期間Hレベルとなった後に再びLレベルとなる時刻は、図31のtr2に相当する。
Note that the time when the output signal Vig2 of the
ここで回路ブロック500と、回路ブロック600を構成する比較器に入力するしきい値は同一の値とする。これはスイッチングの保留動作はターンオフ/ターンオン切り替わり時にスイッチング速度を減少させるために行なうものであるので、そのしきい値は両者が同一である場合に最も効果が発揮される。
Here, the threshold values input to the
回路ブロック700では、ターンオン時のスイッチング保留信号とターンオフ時のスイッチング保留信号の選択を行なう。回路ブロック700は、選択器701,703と、乗算器702,704と、NOT回路705とを含む。
The
選択器701は、比較器501の出力信号Vig1、比較器502の出力信号Vic1、比較器503の出力信号Vvge1、比較器504の出力信号Vvce1を受け、1つの保留信号を選択する。本実施の形態では、Vig1、Vic1、Vvge1、Vvce1の4つの信号の選択は任意とする。選択した信号Q1_tr1を信号Judgeと乗算器702で乗算し、信号Q1_tr2を演算する。信号Judgeは、ターンオフ期間に論理1となり、ターンオフ時に有効となる信号である。これにより、スイッチング保留信号を生成することができる。
The
選択器703は、比較器601の出力信号Vig2、比較器602の出力信号Vic2、比較器603の出力信号Vvge2、比較器604の出力信号Vvce2を受け、1つの保留信号を選択する。本実施の形態では、Vig2、Vic2、Vvge2、Vvce2の4つの信号の選択は任意とする。選択した信号Q2_tr1を、信号JudgeがNOT回路705によって反転された信号Judge1と乗算器704で乗算し、信号Q2_tr1を演算する。信号Judge1はターンオン期間に論理1となり、ターンオン時に有効となる信号である。これにより、スイッチング保留信号を生成することができる。
The
次に、信号Q1S,Q2Sの生成について説明する。駆動信号DSに対して、基本的には、同極性の信号がスイッチング素子Q1の駆動信号Q1Sとなり、逆極性の信号がスイッチング素子Q2の駆動信号Q2Sとなる。以下のように同極性の信号および逆極性の信号を遅延させて駆動信号を生成する。 Next, generation of the signals Q1S and Q2S will be described. For the drive signal DS, basically, the same polarity signal becomes the drive signal Q1S of the switching element Q1, and the opposite polarity signal becomes the drive signal Q2S of the switching element Q2. The drive signal is generated by delaying the signal having the same polarity and the signal having the opposite polarity as described below.
信号Q1Sの遅延について説明する。遅延回路105およびAND論理回路106によって、駆動信号DSを立ち上がりのみ遅延時間trだけ遅延させた信号ton2を生成する。AND論理回路106には、駆動信号DSと、駆動信号DSを遅延回路105にて遅延時間trだけ遅延させた信号ton1を入力する。これにより、信号ton2の立ち上がりを、駆動信号DSの立ち上がりから図31に示す期間tp8〜tp11の合計(遅延時間tr)だけ遅延させることができる。なお、遅延時間trは上述したオン期間演算器301で設定した値である。
The delay of the signal Q1S will be described. The
信号Q2Sの遅延について説明する。駆動信号DSをNOT回路101で極性反転させ、信号toff1を生成する。そして遅延回路102およびAND論理回路103によって立ち上がりのみ遅延時間tfだけ遅延させた信号toff3を生成する。AND論理回路103には、信号toff1と、信号toff1を遅延回路102によって遅延時間tfだけ遅延させた信号toff2とを入力する。これにより、信号toff3の立ち上がりを、駆動信号DSの立ち下がりから図31に示す期間tp2〜tp5の合計(遅延時間tf)だけ遅延させることができる。なお、遅延時間tfは上述したオフ期間演算器201で設定した値である。
The delay of the signal Q2S will be described. The polarity of the drive signal DS is inverted by the
AND論理回路106で演算した信号ton2と上述した信号Q1_tr2とをOR回路107に入力して信号Q1Sを生成する。信号ton2がターンオンを継続する信号、信号Q1_tr2がターンオフからターンオンする際にスイッチングスピードを調整する信号となる。
The signal ton2 calculated by the AND
AND論理回路103で演算した信号toff3と上述した信号Q2_tr2をOR回路104に入力して信号Q2Sを生成する。信号toff3信号がターンオフを継続する信号、信号Q2_tr2がターンオンからターンオフする際にスイッチングスピードを調整する信号となる。
The signal toff3 calculated by the AND
このように、信号Q1Sの立ち上がりを、駆動信号DSの立ち上がりから遅延時間trだけ遅延させることで、期間tp7〜tp11を設けて上述したターンオン時の回生動作を実現する。また、信号Q2Sの立ち上がりを駆動信号DSの反転信号toff1の立ち上がりから遅延時間tfだけ遅延させることで、期間tp1〜tp5を設けて上述したターンオフ時の回生動作を実現する。 In this way, by delaying the rise of the signal Q1S by the delay time tr from the rise of the drive signal DS, the above-described regenerative operation at the turn-on is realized by providing the periods tp7 to tp11. Further, by delaying the rising edge of the signal Q2S by the delay time tf from the rising edge of the inverted signal toff1 of the drive signal DS, the above-described regenerative operation at the turn-off time is realized by providing the periods tp1 to tp5.
(まとめ)
このように本実施の形態では、半導体スイッチ14のターンオン時には、リアクトルに無効電力を供給して、上記無効電力で入力容量13に電荷を蓄積し、残りの無効電力を電源に回生する。(Summary)
As described above, in this embodiment, when the
また、半導体スイッチ14のターンオフ時には、入力容量13の蓄積電荷をリアクトルの無効電力として伝搬し、電源側に回生する。このようにリアクトルの無効電力を利用して入力容量13への蓄積電荷の供給、並びに電源側への回生動作により、ゲート駆動容量を低減する事ができる。
Further, when the
また、半導体スイッチ14のターンオン時には、検出した信号Vig1、Vic1、Vvge1、Vvce1のいずれかと、上記選択した信号のしきい値とを比較して、スイッチング素子Q1をスイッチングすることでターンオンに切り替わる瞬間のスイッチングスピードを遅くする。
Further, when the
同様に、半導体スイッチ14のターンオフ時には、信号Vig2、Vic2、Vvge2、Vvce2のいずれかと、上記選択した信号のしきい値とを比較して、スイッチング素子Q2をスイッチングすることでターンオフに切り替わる瞬間のスイッチングスピードを遅くする。
Similarly, when the
このターンオン/ターンオフの切り替わり時にのみスイッチングスピードを一瞬遅くすることで、ソフトスイッチングの影響で低ノイズ化を実現する事ができる。 By reducing the switching speed for a moment only at the time of turn-on / turn-off switching, low noise can be realized due to the influence of soft switching.
以上より、本実施の形態のゲート駆動回路は、回生動作によるゲート電源の低容量化と、スイッチングスピードの可変による低ノイズ駆動を、同時に実現する事ができる。 As described above, the gate drive circuit according to the present embodiment can simultaneously realize a reduction in the capacity of the gate power supply by the regenerative operation and a low noise drive by changing the switching speed.
すなわち、ターンオン時とターンオフ時ともに、インダクタ素子8のの励磁電力を用いて駆動する半導体スイッチ14の電荷を充放電すると同時に、励磁電力を電源側に回生する事で、ゲートを駆動する電源の容量を大幅に低減する事が可能となる。
That is, at the time of turn-on and turn-off, the charge of the
また、スイッチング素子Q3,Q4をオンとしてインダクタ素子8を励磁する電圧は任意であるため、直流電源19と直流電源20の電圧は任意の電圧に設定が可能となる。
Further, since the voltage for exciting the
さらに、スイッチング素子Q3,Q4をオンとしてインダクタ素子8を励磁して、インダクタ素子8の励磁電力を用いて半導体スイッチ14のゲート容量Cissを充放電する事で、高速スイッチングを可能とし、スイッチング損失を低減する。
Further, the switching elements Q3 and Q4 are turned on to excite the
そして、ターンオフ動作期間では、スイッチング素子Q1のオンとオフを予め定めた期間で繰り返してターンオフ動作を中断する事で、半導体スイッチ14のドレイン−ソース電圧の立ち上がり速度を一時的に減速させノイズを低減させることができ、ターンオン動作期間でもスイッチング素子Q2のオンとオフを予め定めた期間で繰り返し、ターンオン動作を中断する事で、ドレイン−ソース電圧の立ち下がり速度を一時的に減速させノイズを低減させることができる。
In the turn-off operation period, the switching element Q1 is repeatedly turned on and off in a predetermined period to interrupt the turn-off operation, thereby temporarily reducing the drain-source voltage rising speed of the
実施の形態2.
(スイッチング保留信号のフィードフォワード生成)
実施の形態1では、半導体スイッチ14のターンオン時のスイッチングスピードを一瞬遅くするために、検出信号Vig1、Vic1、Vvge1、Vvce1を予め定めたしきい値と比較しスイッチング素子Q1のターンオフとターンオンを切り替えた。また、半導体スイッチ14のターンオフ時のスイッチングスピードを一瞬遅くするために、検出信号Vig2、Vic2、Vvge2、Vvce2を予め定めたしきい値と比較しスイッチング素子Q2のターンオフとターンオンを切り替えた。これらの信号生成にはフィードバック方式を採択している。
(Feed forward generation of switching hold signal)
In the first embodiment, the detection signals Vig1, Vic1, Vvge1, and Vvce1 are compared with a predetermined threshold value to switch the turn-off and turn-on of the switching element Q1 in order to temporarily reduce the switching speed when the
しかし、フィードバック方式では、検出器の遅延の影響により、半導体スイッチ14のターンオンとターンオフが切り替わるタイミングと、スイッチング素子Q1またはQ2のターンオンとターンオフが切り替わるポイントにずれが発生する恐れがある。この誤差が拡大するほど、低ノイズ化の効果が小さくなる。
However, in the feedback method, due to the influence of the delay of the detector, there is a possibility that the timing at which the
本実施の形態では、スイッチング素子Q1またはQ2のターンオンとターンオフの切り替えを予め定めたフィードフォワード量に基づいて定める。 In the present embodiment, switching between turn-on and turn-off of switching element Q1 or Q2 is determined based on a predetermined feedforward amount.
ターンオン時とターンオフ時の動作原理は実施の形態1と同様であり、説明を省略する。 The operating principle at turn-on and turn-off is the same as that of the first embodiment, and the description is omitted.
図32は、実施の形態2において用いられる駆動信号生成回路の構成を示す図である。駆動信号生成回路18Aは、実施の形態1の駆動信号生成回路18と比べて、回路ブロック500,600,700が存在せず、新たにターンオン過渡スイッチング生成器801とターンオフ過渡スイッチング生成器802を含む点が異なる。
FIG. 32 is a diagram illustrating a configuration of a drive signal generation circuit used in the second embodiment. Compared with the drive
その他、制御ブロック図は実施の形態1と同様であるため、信号Q3Sの生成過程と、信号Q4S生成過程は実施の形態1と同様である。以下、信号Q1S,Q2Sの生成について説明し、信号Q3S,Q4Sの生成については説明を省略する。 In addition, since the control block diagram is the same as that of the first embodiment, the generation process of the signal Q3S and the generation process of the signal Q4S are the same as those of the first embodiment. Hereinafter, generation of signals Q1S and Q2S will be described, and description of generation of signals Q3S and Q4S will be omitted.
(信号Q1Sの生成)
実施の形態1と同様に信号ton2を生成した後、スイッチングスピードを遅くする信号Q1_tr3を生成し、信号ton2と信号Q1_tr3をOR回路107に入力して信号Q1Sを生成する。信号Q1_tr3はターンオン過渡スイッチング生成器801で生成される。(Generation of signal Q1S)
After generating the signal ton2 as in the first embodiment, the signal Q1_tr3 for reducing the switching speed is generated, and the signal ton2 and the signal Q1_tr3 are input to the
ターンオン過渡スイッチング生成器801は、期間tfを示す信号を受け、期間tf内すなわち図31の期間tp2〜tp4にてスイッチング素子Q1をオンさせる期間(期間tp3)を予め定めたフィードフォワード量とする。信号Q1SをHレベルに切り替えるタイミング(図31のtf1)は駆動半導体スイッチのゲート−エミッタ電圧のしきい値電圧に基づいて生成し、Hレベル出力期間は期間tfを超えない範囲で任意の値とする。
The turn-on
(信号Q2Sの生成)
実施の形態1と同様に信号toff3を生成した後、スイッチングスピードを遅くする信号Q2_tr3を生成し、信号toff3と信号Q2_tr3をOR回路104に入力して信号Q2Sを生成する。信号Q2_tr3はターンオフ過渡スイッチング生成器802で生成される。(Generation of signal Q2S)
After generating the signal toff3 as in the first embodiment, the signal Q2_tr3 for reducing the switching speed is generated, and the signal toff3 and the signal Q2_tr3 are input to the
ターンオフ過渡スイッチング生成器802は、期間trを示す信号を受け、期間tr内すなわち図31の期間tp8〜tp10にてスイッチング素子Q2をオンさせる期間(期間tp9)を予め定めたフィードフォワード量とする。信号Q2SをHレベルに切り替えるタイミング(図31のtr1)は駆動半導体スイッチのゲート−エミッタ電圧のしきい値電圧に基づいて生成し、Hレベル出力期間は期間trを超えない範囲で任意の値とする。
The turn-off
このように、実施の形態2では図32に示す制御システムに基づいて、スイッチング素子Q1とQ2の過渡的なスイッチングタイミングと期間を予め定めたフィードフォワード量に従って定めて、信号Q1S、Q2S、Q3S、Q4Sを生成してゲート回路を駆動する。 As described above, in the second embodiment, based on the control system shown in FIG. 32, the transient switching timings and periods of the switching elements Q1 and Q2 are determined according to the predetermined feedforward amount, and the signals Q1S, Q2S, Q3S, Q4S is generated to drive the gate circuit.
本実施の形態では、実施の形態1と同様に回生動作によるゲート電源の低容量化と、スイッチングスピードの可変による低ノイズ駆動を、同時に実現する事ができる。 In the present embodiment, similarly to the first embodiment, it is possible to simultaneously realize the reduction in the capacity of the gate power supply by the regenerative operation and the low noise driving by changing the switching speed.
実施の形態2では、実施の形態1の効果に加えて、実施の形態1のフィードバック制御方式からフィードフォワード制御に切り替えることで、半導体スイッチ14のターンオンとターンオフの切り替わりタイミングとスイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2の過渡的なスイッチングタイミングとを理想的に合わせることができる。すなわち検出遅延の影響を低減する事ができる。
In the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, switching from the feedback control method of the first embodiment to the feedforward control, the switching timing of the turn-on and turn-off of the
実施の形態3.
(ターンオフ時/ターンオン時のみの回生動作)
実施の形態1と実施の形態2では、ターンオン時とターンオフ時ともに回生動作を実施したが、ターンオフ動作のみ回生動作を行なっても良い。本実施の形態ではターンオフ動作のみ回生動作を行なう場合について記述する。
(Regenerative operation at turn-off / turn-on only)
In
回路構成は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。単一電源の構成では図2の構成となり、二電源の構成では図3の構成となる。 Since the circuit configuration is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted. The single power supply configuration is the configuration shown in FIG. 2, and the dual power supply configuration is the configuration shown in FIG.
図33は、ターンオフ動作のみ回生動作を行なう場合の動作チャート図である。ターンオン時は、実施の形態1で説明した期間tp8〜tp12の動作が省略され期間tp8のみとなる。スイッチング素子Q3は、ターンオン時にインダクタ8の励磁、入力容量13への充電動作が不要となるため常時オフとなる。
FIG. 33 is an operation chart when the regenerative operation is performed only in the turn-off operation. At the turn-on time, the operation in the periods tp8 to tp12 described in the first embodiment is omitted and only the period tp8 is provided. The switching element Q3 is always turned off because the excitation of the
ターンオフ時の回生動作とスイッチングの保留動作、すなわち図33の期間tp1〜tp6の動作原理は、実施の形態1と同様であるので説明を省略する。 The regenerative operation at the time of turn-off and the switching hold operation, that is, the operation principle in the period tp1 to tp6 in FIG.
ターンオン動作は期間tp7から期間tp8への切り替わり動作のみであり、スイッチング素子Q2をターンオフ後、スイッチング素子Q1をターンオンとする。この時、図2の単一電源構成では電圧Vdcがゲート電圧にクランプされ、図3の二電源構成では電圧VdcHがゲート電圧にクランプされる。この際の供給電力はターンオン抵抗5で消費されるため、ゲート駆動容量が実施の形態1よりも増加する。
The turn-on operation is only a switching operation from the period tp7 to the period tp8. After the switching element Q2 is turned off, the switching element Q1 is turned on. At this time, in the single power supply configuration of FIG. 2, the voltage Vdc is clamped to the gate voltage, and in the dual power supply configuration of FIG. 3, the voltage VdcH is clamped to the gate voltage. Since the power supplied at this time is consumed by the turn-on
すなわち実施の形態1との相違点は、ターンオン期間における期間tr(図31)を省略していることである。
That is, the difference from
この場合に適用される駆動信号生成回路は、実施の形態1にて、図30のオン期間演算器301において期間trを0として信号ton2のAND論理回路106での遅延を消去する。また、回路ブロック600において、信号Vig2、Vic2、Vvge2、Vvce2をすべて0として、信号Q2_tr2を0とする。この場合信号Q2Sは期間trの遅延と、スイッチング保留信号の影響を無視する事ができ、図33に示す動作チャート図を実現する。
In the first embodiment, the drive signal generation circuit applied in this case eliminates the delay of the signal ton2 in the AND
なお本時実施の形態ではターンオン動作は、公知技術である定電圧駆動として説明したが、ターンオンに寄与するスイッチング素子Q1と抵抗Ronを例えば定電流回路(国際公開WO2014/123046)やソフトゲート回路(特開2007−116900号公報)に切り替えても良い。これにより、ターンオン時のスイッチング特性を改善し、ターンオン時の低損失と低ノイズ効果を高めることができる。 In the present embodiment, the turn-on operation is described as constant voltage driving, which is a known technique. However, the switching element Q1 and the resistor Ron that contribute to the turn-on are, for example, a constant current circuit (International Publication WO2014 / 123046) or a soft gate circuit ( (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-116900). Thereby, the switching characteristic at the time of turn-on can be improved, and the low loss and the low noise effect at the time of turn-on can be enhanced.
また、ターンオン動作のみ回生動作を行なうことも可能である。図34は、ターンオン動作のみ回生動作を行なう場合の動作チャート図である。ターンオフ時は、実施の形態1で説明した期間tp2〜tp5の動作が省略され期間tp6のみとなる。実施の形態1の説明に一致させるために、図34は期間tp2〜tp5を省略した表記とする。スイッチング素子Q4はターンオフ時にインダクタ8の励磁による入力容量13の放電動作が不要となるため常時オフとなる。
It is also possible to perform a regenerative operation only in the turn-on operation. FIG. 34 is an operation chart when the regenerative operation is performed only in the turn-on operation. At the turn-off time, the operation in the periods tp2 to tp5 described in the first embodiment is omitted and only the period tp6 is provided. In order to coincide with the description of the first embodiment, FIG. 34 is represented by omitting the periods tp2 to tp5. The switching element Q4 is always turned off because the discharge operation of the
ターンオン時の回生動作とスイッチングの保留動作、すなわち図34の期間tp7〜tp12の動作原理は、実施の形態1と同様であるので説明を省略する。 The regenerative operation at the time of turn-on and the switching hold operation, that is, the operation principle in the period tp7 to tp12 in FIG.
ターンオフ動作は期間tp1から期間tp6への切り替わり動作のみであり、スイッチング素子Q1をターンオフ後、スイッチング素子Q2をターンオンとする。この時、図2の単一電源構成では0Vがゲート電圧にクランプされ、図3の両電源構成では電圧-VdcLがゲート電圧にクランプされる。この際の供給電力はターンオフ抵抗6で消費されるため、ゲート駆動容量が実施の形態1よりも増加する。
The turn-off operation is only a switching operation from the period tp1 to the period tp6. The switching element Q2 is turned on after the switching element Q1 is turned off. At this time, in the single power supply configuration of FIG. 2, 0V is clamped to the gate voltage, and in the dual power supply configuration of FIG. 3, the voltage -VdcL is clamped to the gate voltage. Since the power supplied at this time is consumed by the turn-
この場合、実施の形態1との相違点は、ターンオフ期間における期間tf(図31)を省略していることである。 In this case, the difference from the first embodiment is that the period tf (FIG. 31) in the turn-off period is omitted.
この場合に適用される駆動信号生成回路は、実施の形態1にて、オフ期間演算器201において期間tfを0として信号toff1のAND論理回路103での遅延を消去する。また、回路ブロック500において、信号Vig1、Vic1、Vvge1、Vvce1をすべて0として、信号Q1_tr2を0とする。この場合信号Q1Sは期間tfの遅延と、スイッチング保留信号の影響を無視する事ができ、図34に示す動作チャート図を実現する。
In the first embodiment, the drive signal generation circuit applied in this case eliminates the delay in the AND
なお本時実施の形態ではターンオフ動作は、公知技術である定電圧駆動として説明したが、ターンオフに寄与するスイッチング素子Q2と抵抗Roffを例えばソフトターンオフ回路(特開2010−109545号公報)などで構成しても良い。これにより、ターンオフ時のスイッチング特性を改善し、ターンオフ時の低損失と低ノイズ効果を高めることができる。 In this embodiment, the turn-off operation has been described as a constant voltage drive that is a known technique. However, the switching element Q2 and the resistor Roff that contribute to the turn-off are configured by, for example, a soft turn-off circuit (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-109545). You may do it. Thereby, the switching characteristic at the time of turn-off can be improved, and the low loss and the low noise effect at the time of turn-off can be enhanced.
このように、本実施の形態では、ターンオン動作のみ回生動作またはターンオフ動作のみ回生動作を行なう形態について説明を行なった。 As described above, in the present embodiment, the mode of performing the regenerative operation only in the turn-on operation or the regenerative operation only in the turn-off operation has been described.
ターンオンとターンオフのどちらかを回生動作させないことでゲート電源の容量は実施の形態1に比べると増加するが、スイッチングの性能を高める他の駆動方式と組み合わせることができる。これによりゲート回路全体で、ゲート容量の低減と、駆動半導体スイッチの低損失化、低ノイズ化を両立した設計が可能となる。 Although the capacity of the gate power supply is increased as compared with the first embodiment by not performing the regenerative operation of either the turn-on or the turn-off, it can be combined with another driving method for improving the switching performance. As a result, the entire gate circuit can be designed to achieve both a reduction in gate capacitance and a low loss and low noise in the driving semiconductor switch.
実施の形態4.
上述の実施の形態1〜3では、ゲート駆動回路について説明したが、本実施の形態では、上述のゲート駆動回路を適用した電力変換装置について示す。ここでは、電力変換装置としてインバータ回路を例にとって説明する。
In the above first to third embodiments, the gate drive circuit has been described. In this embodiment, a power conversion device to which the above gate drive circuit is applied is described. Here, an inverter circuit will be described as an example of the power conversion device.
図35は、実施の形態3に係るインバータ回路を示す図である。図35において、インバータ回路900は、アームQ−U1とアームQ−U2から構成されるU相のレグと、アームQ−V1とアームQ−V2から構成されるV相のレグと、アームQ−W1とアームQ−W2から構成されるW相のレグとを含む。インバータ回路900は、直流電源901の電力を交流電力に変換して、交流負荷902に伝送する。図35では交流負荷902の例としてモータを記載しているが、その他の負荷でも良い。
FIG. 35 is a diagram illustrating an inverter circuit according to the third embodiment. 35, an
ここで、アームQ−U1,Q−U2,Q−V1,Q−V2,Q−W1,Q−W2のスイッチング素子は、電圧駆動型半導体スイッチング素子(駆動対象である半導体素子)であり、それぞれゲート駆動回路GDU1,GDU2,GDV1,GDV2,GDW1,GDW2により印加される電圧によりオン/オフ動作を行なう。ゲート駆動回路GDU1,GDU2,GDV1,GDV2,GDW1,GDW2の各々は、図1に示すゲート駆動回路100と同様の構成であり、説明を省略する。ゲート駆動回路GDU1,GDU2,GDV1,GDV2,GDW1,GDW2は、それぞれ制御回路903から駆動信号DSU1,DSU2,DSV1,DSV2,DSW1,DSW2を図1の駆動信号DSとして受け、これに応じて各半導体スイッチを駆動する。
Here, the switching elements of the arms Q-U1, Q-U2, Q-V1, Q-V2, Q-W1, Q-W2 are voltage-driven semiconductor switching elements (semiconductor elements to be driven), respectively. The gate drive circuits GDU1, GDU2, GDV1, GDV2, GDW1, and GDW2 perform the on / off operation. Each of the gate drive circuits GDU1, GDU2, GDV1, GDV2, GDW1, and GDW2 has the same configuration as the
次に、動作について説明する。ゲート駆動回路の各々の動作は、実施の形態1で示したものと同様であり、説明を省略する。アームQ−U1,Q−U2,Q−V1,Q−V2,Q−W1,Q−W2は、対応するゲート駆動回路より出力された電圧によって駆動し、インバータとして動作する。ここで用いるインバータ回路は、その動作は従来のインバータ回路の制御方法(例えば、特開2010−154582号に記載の制御方法)を適用することができる。 Next, the operation will be described. Each operation of the gate driving circuit is the same as that shown in the first embodiment, and a description thereof is omitted. The arms Q-U1, Q-U2, Q-V1, Q-V2, Q-W1, and Q-W2 are driven by the voltages output from the corresponding gate drive circuits, and operate as inverters. A conventional inverter circuit control method (for example, a control method described in JP 2010-154582 A) can be applied to the inverter circuit used here.
ここでは、ゲート駆動回路として図1に示すゲート駆動回路を用いた例について示したが、図2に示すゲート駆動回路を用いても良い。 Here, an example in which the gate drive circuit shown in FIG. 1 is used as the gate drive circuit is shown, but the gate drive circuit shown in FIG. 2 may be used.
ここでは、電力変換装置の一例としてのインバータ回路を示したが、これに限ったものではなく、ゲート駆動回路によりオン/オフ駆動を行なう電力変換装置であれば、どのようなものでもよい。 Here, an inverter circuit as an example of a power conversion device is shown, but the present invention is not limited to this, and any power conversion device that performs on / off drive by a gate drive circuit may be used.
例えば、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換して、かつ交流電源の電流を高力率に制御する電力変換器に、ゲート駆動回路を搭載してもよい。図36は、実施の形態3に係るコンバータ回路を示す図である。 For example, the gate drive circuit may be mounted on a power converter that converts an AC voltage of an AC power source into a DC voltage and controls the current of the AC power source at a high power factor. FIG. 36 is a diagram illustrating a converter circuit according to the third embodiment.
図36において、コンバータ回路900Aは、アームQ−U1とアームQ−U2から構成されるU相のレグと、アームQ−V1とアームQ−V2から構成されるV相のレグと、アームQ−W1とアームQ−W2から構成されるW相のレグと、リアクトルU、リアクトルV、リアクトルWとを含む。コンバータ回路900Aは、交流電源904の電力を直流電力に変換して、直流負荷905に伝送する。また、コンバータ回路900Aは、リアクトルU、リアクトルV、リアクトルWに印加する電圧を調整して、交流電源904の電流を交流電圧に対して高力率に制御する。
36,
ゲート駆動回路GDU1,GDU2,GDV1,GDV2,GDW1,GDW2は、それぞれ制御回路903から駆動信号DSU1,DSU2,DSV1,DSV2,DSW1,DSW2を図1の駆動信号DSとして受け、これに応じて各半導体スイッチを駆動する。
The gate drive circuits GDU1, GDU2, GDV1, GDV2, GDW1, GDW2 receive the drive signals DSU1, DSU2, DSV1, DSV2, DSW1, DSW2 from the
インバータ回路900と同様にここで用いるコンバータ回路900Aのその他動作は一般的な動作であり説明を省略する。その動作は従来のインバータ回路の制御方法(例えば、国際公開WO2015/045485号に記載の制御方法)を適用することができる。
Similar to the
また、直流電圧を直流電圧に変換するチョッパ回路に、ゲート駆動回路を搭載しても良い。図37は、チョッパ回路にゲート駆動回路を適用した構成を示す図である。 Further, a gate drive circuit may be mounted on a chopper circuit that converts a DC voltage into a DC voltage. FIG. 37 is a diagram showing a configuration in which a gate drive circuit is applied to a chopper circuit.
図37において、チョッパ回路900Bは、アームQ1BとアームQ2Bから構成されるレグと、リアクトル908とを含む。チョッパ回路900Bは、直流電源906から直流負荷907に電圧を昇圧して電力を伝送する昇圧チョッパ回路である。
In FIG. 37,
ゲート駆動回路GDQ1,GDQ2は、それぞれ制御回路903Bから駆動信号DSQ1,DSQ2を図1の駆動信号DSとして受け、これに応じて各半導体スイッチを駆動する。
The gate drive circuits GDQ1 and GDQ2 receive the drive signals DSQ1 and DSQ2 from the
図37は一例として昇圧型のチョッパ回路を示したが、降圧チョッパ回路、昇降圧チョッパ回路などでも良い。 Although FIG. 37 shows a step-up chopper circuit as an example, a step-down chopper circuit, a step-up / step-down chopper circuit, or the like may be used.
インバータ回路900とコンバータ回路900Aと同様にここで用いるチョッパ回路900Bの動作は一般的な動作であり説明を省略する。その動作は、従来のチョッパ回路の制御方法(例えば、国際公開WO2016/075996号に記載の制御方法)を適用することができる。
Like the
(実施の形態のまとめ)
(1)実施の形態1〜3および図1−10,30,31,32に示されるゲート駆動回路100は、スイッチング素子Q1〜Q4と、インダクタ素子8と、駆動信号生成回路18とを備える。スイッチング素子Q1は、直流電源10の正極端子と第1のノードとの間に接続される。スイッチング素子Q2は、第1のノードと直流電源10の負極端子との間に接続される。スイッチング素子Q3は、直流電源10の正極端子と第2のノードとの間に接続される。スイッチング素子Q4は、第2のノードと直流電源10の負極端子との間に接続される。インダクタ素子8は、第1のノードと第2のノードとの間に接続される。駆動信号生成回路18は、スイッチング素子Q1〜Q4の各々のオン/オフ動作を制御する。(Summary of embodiment)
(1) The
第1のノード7は、半導体スイッチ14のゲート端子に接続される。直流電源10の負極端子17は、半導体スイッチ14のエミッタ端子に接続される。駆動信号生成回路18は、半導体スイッチ14のオフ固定時には、スイッチング素子Q2がオン固定、スイッチング素子Q1,Q3,Q4がオフ固定となるようにスイッチング素子Q1〜Q4を制御し、半導体スイッチ14のオン固定時には、スイッチング素子Q1がオン固定、スイッチング素子Q2,Q3,Q4がオフ固定となるようにスイッチング素子Q1〜Q4を制御する。駆動信号生成回路18は、半導体スイッチ14のターンオフ時には、スイッチング素子Q1がオン固定となっている状態から、スイッチング素子Q4をオンとしてインダクタ素子8を予め定めた第1期間励磁した後、スイッチング素子Q1を予め定めた第2期間オフとしてゲート蓄積電荷を放電し、スイッチング素子Q1を予め定めた第3期間オンとしてゲート蓄積電荷の放電を中断し、再度スイッチング素子Q1を予め定めた第4期間オフとし、その後、スイッチング素子Q4をオフ固定、スイッチング素子Q2をオン固定として半導体スイッチ14をオフ固定とする。
The
このような構成とすることによって、1)ターンオフ時の電力回収効果、2)高速スイッチングによるスイッチング損失の低減、3)半導体スイッチのしきい値Vth付近での低速スイッチングによるノイズ低減、といった効果が得られる。 With such a configuration, there are obtained effects such as 1) power recovery effect at turn-off, 2) reduction of switching loss due to high-speed switching, and 3) noise reduction due to low-speed switching near the threshold Vth of the semiconductor switch. It is done.
(2)実施の形態1〜3および図1−4,11−16,30,31,32に示されるゲート駆動回路100は、直流電源10の正極端子と第1のノードとの間に接続されたスイッチング素子Q1と、第1のノードと直流電源10の負極端子との間に接続されたスイッチング素子Q2と、直流電源10の正極端子と第2のノードとの間に接続されたスイッチング素子Q3と、第2のノードと直流電源10の負極端子との間に接続されたスイッチング素子Q4と、第1のノードと第2のノードとの間に接続されたインダクタ素子8と、スイッチング素子Q1〜Q4の各々のオン/オフ動作を制御する駆動信号生成回路18とを備える。第1のノードは、半導体スイッチ14のゲート端子に接続される。直流電源10の負極端子は、半導体スイッチ14のエミッタ端子に接続される。駆動信号生成回路18は、半導体スイッチ14のオフ固定時には、スイッチング素子Q2がオン固定、スイッチング素子Q1,Q3,Q4がオフ固定となるようにスイッチング素子Q1〜Q4を制御し、半導体スイッチ14のオン固定時には、スイッチング素子Q1がオン固定、スイッチング素子Q2,Q3,Q4がオフ固定となるようにスイッチング素子Q1〜Q4を制御する。駆動信号生成回路18は、半導体スイッチ14のターンオン時には、スイッチング素子Q2がオン固定となっている状態から、スイッチング素子Q3をオンとしてインダクタ素子8を予め定めた第1期間励磁した後、スイッチング素子Q2を予め定めた第2期間だけオフとしてゲートを充電し、スイッチング素子Q2を予め定めた第3期間だけオンとしてゲートへの充電を中断し、再度スイッチング素子Q2を予め定めた第4期間オフとし、その後、スイッチング素子Q3をオフ固定、スイッチング素子Q1をオン固定として半導体スイッチ14をオン固定とする。
(2)
このような構成とすることによって、1)ターンオフ時の電力回収効果、2)高速スイッチングによるスイッチング損失の低減、3)半導体スイッチのしきい値Vth付近での低速スイッチングによるノイズ低減、といった効果が得られる。 With such a configuration, there are obtained effects such as 1) power recovery effect at turn-off, 2) reduction of switching loss due to high-speed switching, and 3) noise reduction due to low-speed switching near the threshold Vth of the semiconductor switch. It is done.
(3)実施の形態1〜3および図1,2,3,17,18−23,30,31,32に示されるゲート駆動回路100は、直流電源19の正極と第1のノードとの間に接続されたスイッチング素子Q1と、第1のノードと直流電源20の負極端子との間に接続されたスイッチング素子Q2と、直流電源19の正極端子と第2のノードの間に接続されたスイッチング素子Q3と、第2のノードと直流電源20の負極端子との間に接続されたスイッチング素子Q4と、第1のノードと第2のノードの間に接続されたインダクタ素子8と、スイッチング素子Q1〜Q4の各々のオン/オフ動作を制御する駆動信号生成回路18とを備える。直流電源19と直流電源20は直列接続され、第1のノードは、半導体スイッチ14のゲート端子に接続され、直流電源19の負極端子と直流電源20の正極端子は、ともに半導体スイッチ14のエミッタ端子に接続される。駆動信号生成回路18は、半導体スイッチ14のオフ固定時は、スイッチング素子Q2がオン固定、スイッチング素子Q1,Q3,Q4がオフ固定となるようにスイッチング素子Q1〜Q4を制御し、半導体スイッチ14のオン固定時には、スイッチング素子Q1がオン固定、スイッチング素子Q2,Q3,Q4がオフ固定となるようにスイッチング素子Q1〜Q4を制御する。駆動信号生成回路18は、半導体スイッチ14のターンオフ時には、スイッチング素子Q1がオン固定となっている状態から、スイッチング素子Q4をオンとしてインダクタ素子8を予め定めた第1期間励磁した後、スイッチング素子Q1を予め定めた第2期間オフとしてゲート蓄積電荷を放電し、スイッチング素子Q1を予め定めた第3期間オンとしてゲート蓄積電荷の放電を中断し、再度スイッチング素子Q1を予め定めた第4期間オフとし、その後、スイッチング素子Q4をオフ固定、スイッチング素子Q2をオン固定として半導体スイッチ14をオフ固定とする。
(3) The
このような構成とすることによって、1)ターンオフ時の電力回収効果、2)高速スイッチングによるスイッチング損失の低減、3)半導体スイッチのしきい値Vth付近での低速スイッチングによるノイズ低減、といった効果が得られる。 With such a configuration, there are obtained effects such as 1) power recovery effect at turn-off, 2) reduction of switching loss due to high-speed switching, and 3) noise reduction due to low-speed switching near the threshold Vth of the semiconductor switch. It is done.
(4)実施の形態1〜3および図1,2,3,17,24−29,30,31,32に示されるゲート駆動回路100は、直流電源19の正極と第1のノードとの間に接続されたスイッチング素子Q1と、第1のノードと直流電源20の負極端子との間に接続されたスイッチング素子Q2と、直流電源19の正極端子と第2のノードの間に接続されたスイッチング素子Q3と、第2のノードと直流電源20の負極端子との間に接続されたスイッチング素子Q4と、第1のノードと第2のノードの間に接続されたインダクタ素子8と、スイッチング素子Q1〜Q4の各々のオン/オフ動作を制御する駆動信号生成回路18とを備える。直流電源19と直流電源20は直列接続され、第1のノードは、半導体スイッチ14のゲート端子に接続され、直流電源19の負極端子と直流電源20の正極端子は、ともに半導体スイッチ14のエミッタ端子に接続される。駆動信号生成回路18は、半導体スイッチ14のオフ固定時には、スイッチング素子Q2がオン固定、スイッチング素子Q1,Q3,Q4がオフ固定となるようにスイッチング素子Q1〜Q4を制御し、半導体スイッチ14のオン固定時には、スイッチング素子Q1がオン固定、スイッチング素子Q2,Q3,Q4がオフ固定となるようにスイッチング素子Q1〜Q4を制御する。駆動信号生成回路18は、半導体スイッチ14のターンオン時には、スイッチング素子Q2がオン固定となっている状態から、スイッチング素子Q3をオンとしてインダクタ素子8を予め定めた第1期間励磁した後、スイッチング素子Q2を予め定めた第2期間だけオフとしてゲートを充電し、スイッチング素子Q2を予め定めた第3期間だけオンとしてゲートへの充電を中断し、再度スイッチング素子Q2を予め定めた第4期間オフとし、その後、スイッチング素子Q3をオフ固定、スイッチング素子Q1をオン固定として半導体スイッチ14をオン固定とする。
(4) The
このような構成とすることによって、1)ターンオフ時の電力回収効果、2)高速スイッチングによるスイッチング損失の低減、3)半導体スイッチのしきい値Vth付近での低速スイッチングによるノイズ低減、といった効果が得られる。 With such a configuration, there are obtained effects such as 1) power recovery effect at turn-off, 2) reduction of switching loss due to high-speed switching, and 3) noise reduction due to low-speed switching near the threshold Vth of the semiconductor switch. It is done.
(5)実施の形態1〜3および図1,2に示されるスイッチング素子Q1〜Q4は、寄生のダイオードを有する半導体素子ある。 (5) Switching elements Q1 to Q4 shown in the first to third embodiments and FIGS. 1 and 2 are semiconductor elements having parasitic diodes.
このような構成とすることによって、インダクタの励磁電流をバイパスする還流経路を生成する事で、電力回収効果を高める効果が得られる。 With such a configuration, an effect of increasing the power recovery effect can be obtained by generating a return path that bypasses the exciting current of the inductor.
(6)実施の形態1〜3および図1,2に示されるゲート駆動回路100は、スイッチング素子Q1と第1のノードの間に接続される第1の抵抗と、スイッチング素子Q2と第1のノードの間に接続され、第1の抵抗と抵抗値が異なる第2の抵抗とをさらに備える。
(6) The
このような構成とすることによって、回生経路に抵抗を接続することなく、半導体スイッチのターンオン継続時にスイッチング素子Q1をオンした際の突入電流を防止でき、同様に半導体スイッチのターンオフ継続時にスイッチング素子Q2をオンした際の突入電流を防止する事ができるといった効果が得られる。 With such a configuration, an inrush current when the switching element Q1 is turned on when the semiconductor switch is turned on can be prevented without connecting a resistor to the regenerative path. Similarly, the switching element Q2 is turned on when the semiconductor switch is turned off. The effect that the inrush current when turning on can be prevented can be obtained.
(7)実施の形態1,3および図1,2、30、32に示される駆動信号生成回路18は、半導体スイッチ14のゲート−ソース間電圧、ゲート電流、ゲート電圧、ドレイン電流、ソース電流、およびドレイン−ソース間電圧のうち、少なくとも一つの検出値に基づいてスイッチング素子Q1〜Q4を制御する。
(7) The drive
このような構成とすることによって、フィードバック機能を加えることでロバスト性を考慮した回生動作が可能であるといった効果が得られる。 By adopting such a configuration, it is possible to obtain an effect that a regenerative operation in consideration of robustness is possible by adding a feedback function.
(8)実施の形態1,3および図30、31、32に示されるように、駆動信号生成回路18は、第2期間を、ゲート蓄積電荷の放電電流が零となる前に終了する。
(8) As shown in the first and third embodiments and FIGS. 30, 31, and 32, the drive
このような構成とすることによって、半導体スイッチが完全にターンオフするまでに限定する事で、スイッチング素子Q1を再度オフした場合に、スピード低下を図ることができ、ノイズを低減する事ができるといった効果が得られる。 By adopting such a configuration, by limiting the time until the semiconductor switch is completely turned off, when the switching element Q1 is turned off again, the speed can be reduced and noise can be reduced. Is obtained.
(9)実施の形態1,3および図30、31、32に示される駆動信号生成回路18は、第2期間を、半導体スイッチ14のゲート電圧が半導体スイッチ14のしきい値電圧に低下する前に終了する。
(9) The drive
このような構成とすることによって、半導体スイッチが完全にターンオフするまでに限定する事で、スイッチング素子Q1を再度オフした場合に、スピード低下を図ることができ、ノイズを低減する事ができるといった効果が得られる。 By adopting such a configuration, by limiting the time until the semiconductor switch is completely turned off, when the switching element Q1 is turned off again, the speed can be reduced and noise can be reduced. Is obtained.
(10)実施の形態1〜3および図30、31、32に示される第1期間(tp7)は、インダクタ素子8の励磁電力が半導体スイッチ14のターンオンに必要なゲート容量充電電力以上になるように設定される。
(10) In the first period (tp7) shown in the first to third embodiments and FIGS. 30, 31, and 32, the exciting power of the
このような構成とすることによってインダクタの無効電力だけでターンオンを実現する事ができるため、電源容量を低減する事ができる(アクティブゲート機能)といった効果が得られる。 With such a configuration, the turn-on can be realized only with the reactive power of the inductor, so that the power source capacity can be reduced (active gate function).
(11)実施の形態1,3および図30、31、32に示される駆動信号生成回路18は、第2期間(tp8)を、ゲートの充電電流が零となる前に終了する。
(11) The drive
このような構成とすることによって半導体スイッチがターンオンされる前にスピードを低下させることで、ノイズを低減する(アクティブゲート機能)といった効果が得られる。 By adopting such a configuration, an effect of reducing noise (active gate function) can be obtained by reducing the speed before the semiconductor switch is turned on.
(12)実施の形態1,3および図30、31、32に示される駆動信号生成回路18は、第2期間(tp8)を、半導体スイッチ14のゲート電圧が半導体スイッチ14のしきい値電圧に達するまでに終了する。
(12) In the drive
このような構成とすることによって半導体スイッチがターンオンされる前にスピードを低下させることで、ノイズを低減する(アクティブゲート機能)といった効果が得られる。 By adopting such a configuration, an effect of reducing noise (active gate function) can be obtained by reducing the speed before the semiconductor switch is turned on.
(13)実施の形態1〜3および図30、31、32に示される第1期間(tp1)の始点は、制御信号として予め定めた半導体スイッチ14のターンオフのタイミングから、予め定めた期間だけ溯って設定される。
(13) The starting point of the first period (tp1) shown in the first to third embodiments and FIGS. 30, 31, and 32 is a predetermined period from the turn-off timing of the
このような構成とすることによってターンオフ期間を変えることなくスイッチング速度を調整する事ができるといった効果が得られる。 With such a configuration, an effect is obtained that the switching speed can be adjusted without changing the turn-off period.
(14)実施の形態1〜3および図30、31、32に示される第1期間(tp7)の始点は、制御信号として予め定めた半導体スイッチ14のターンオンのタイミングから、予め定めた期間だけ溯って設定される。
(14) The starting point of the first period (tp7) shown in the first to third embodiments and FIGS. 30, 31, and 32 is a predetermined period from the turn-on timing of the
このような構成とすることによってターンオン期間を変えることなくスイッチング速度を調整する事ができるといった効果が得られる。 With such a configuration, it is possible to obtain an effect that the switching speed can be adjusted without changing the turn-on period.
(15)実施の形態1,3および図30、31、32に示される駆動信号生成回路18は、第3期間の開始タイミングと終了タイミングを、半導体スイッチ14のゲートソース間電圧、ゲート電流、ゲート電圧、ドレイン電流、ソース電流、およびドレインソース間電圧のうちの少なくとも一つの値と、それに対応するしきい値との比較により演算する。
(15) The drive
このような構成とすることによってターンオン期間を変えることなくスイッチング速度を調整する事ができるといった効果が得られる。 With such a configuration, it is possible to obtain an effect that the switching speed can be adjusted without changing the turn-on period.
(16)実施の形態2および図32に示される第3期間(tp9)の開始タイミングと終了タイミングは、半導体スイッチ14のゲートソース間電圧のしきい値電圧に基づいて予め定められる。
(16) The start timing and end timing of the third period (tp9) shown in the second embodiment and FIG. 32 are determined in advance based on the threshold voltage of the gate-source voltage of the
このような構成とすることによってターンオン期間を変えることなくスイッチング速度を調整する事ができるといった効果が得られる。 With such a configuration, it is possible to obtain an effect that the switching speed can be adjusted without changing the turn-on period.
(17)実施の形態1,3および図30、31に示される駆動信号生成回路18は、第3期間(tp9)の開始タイミングと終了タイミングを、半導体スイッチ14のゲートソース間電圧、ゲート電流、ゲート電荷、ドレイン電流、ソース電流、ドレインソース間電圧、および半導体スイッチ14の寄生インダクタンス間電圧のうちの少なくとも一つの値と、それに対応するしきい値との比較により演算する。
(17) The drive
このような構成とすることによってターンオン期間を変えることなくスイッチング速度を調整する事ができるといった効果が得られる。 With such a configuration, it is possible to obtain an effect that the switching speed can be adjusted without changing the turn-on period.
(18)実施の形態2および図32に示される第3期間(tp9)の開始タイミングと終了タイミングは、半導体スイッチ14のゲートソース間電圧のしきい値電圧に基づいて予め定められる。
(18) The start timing and end timing of the third period (tp9) shown in the second embodiment and FIG. 32 are determined in advance based on the threshold voltage of the gate-source voltage of the
このような構成とすることによってターンオン期間を変えることなくスイッチング速度を調整する事ができるといった効果が得られる。 With such a configuration, it is possible to obtain an effect that the switching speed can be adjusted without changing the turn-on period.
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
10,19,20,901,906 直流電源、5 ターンオン抵抗、6 ターンオフ抵抗、7,9 交流出力ノード、8 インダクタ、11 回生回路、12 クランプ回路、13 入力容量、14 半導体スイッチ、15 エミッタ端子、16 正極端子、17 負極端子、18,18A 駆動信号生成回路、21 中性点、100,GDQ1,GDQ2,GDU1,GDU2,GDV1,GDV2,GDW1,GDW2 ゲート駆動回路、101,705 NOT回路、104,107 OR回路、102,105 遅延回路、103,106 AND論理回路、200,300,500,600,700 回路ブロック、201 オフ期間演算器、202 オフ回生期間演算器、203 オフ励磁期間演算器、204,304 減算器、205,305 加算器、301 オン期間演算器、302 オン回生期間演算器、303 オン励磁期間演算器、400 オン/オフ判定器、501,502,503,504,601,602,603,604 比較器、701,703 選択器、702,704 乗算器、801,802 生成器、900 インバータ回路、900A コンバータ回路、900B チョッパ回路、902 交流負荷、903,903B 制御回路、904 交流電源、905,907 直流負荷、908,Lg,U,V,W リアクトル、Ciss 容量、Q1〜Q4 スイッチング素子。 10, 19, 20, 901, 906 DC power supply, 5 turn-on resistance, 6 turn-off resistance, 7, 9 AC output node, 8 inductor, 11 regeneration circuit, 12 clamp circuit, 13 input capacitance, 14 semiconductor switch, 15 emitter terminal, 16 positive terminal, 17 negative terminal, 18, 18A drive signal generation circuit, 21 neutral point, 100, GDQ1, GDQ2, GDU1, GDU2, GDV1, GDV2, GDW1, GDW2 gate drive circuit, 101, 705 NOT circuit, 104, 107 OR circuit, 102, 105 delay circuit, 103, 106 AND logic circuit, 200, 300, 500, 600, 700 circuit block, 201 off period calculator, 202 off regeneration period calculator, 203 off excitation period calculator, 204 304 subtractor 205 30 Adder, 301 ON period calculator, 302 ON regeneration period calculator, 303 ON excitation period calculator, 400 ON / OFF determiner, 501, 502, 503, 504, 601, 602, 603, 604 comparator, 701 703 selector, 702, 704 multiplier, 801, 802 generator, 900 inverter circuit, 900A converter circuit, 900B chopper circuit, 902 AC load, 903, 903B control circuit, 904 AC power supply, 905, 907 DC load, 908, Lg, U, V, W reactor, Ciss capacity, Q1-Q4 switching element.
Claims (18)
複数のスイッチと、
前記半導体スイッチのゲート端子に接続されたインダクタ素子と、
前記複数のスイッチのオン/オフ動作を制御する駆動信号生成回路と、を備え、
前記複数のスイッチは、
直流電源の正極端子と第1のノードとの間に接続された第1のスイッチと、
前記第1のノードと前記直流電源の負極端子との間に接続された第2のスイッチと、
前記直流電源の正極端子と第2のノードとの間に接続された第3のスイッチと、
前記第2のノードと前記直流電源の負極端子との間に接続された第4のスイッチとを含み、
前記インダクタ素子は、前記第1のノードと前記第2のノードとの間に接続され、
前記駆動信号生成回路は、前記第1〜第4のスイッチの各々のオン/オフ動作を制御し、
前記第1のノードは、前記半導体スイッチの前記ゲート端子に接続され、前記直流電源の負極端子は、前記半導体スイッチのエミッタ端子に接続され、
前記駆動信号生成回路は、前記半導体スイッチのターンオン時およびターンオフ時の少なくとも一方において、
前記インダクタ素子を励磁する第1の励磁期間と、
前記第1の励磁期間の励磁電力を、前記半導体スイッチのゲート端子に伝送する第1の伝送期間と、
前記第1の伝送期間後に前記インダクタ素子を再度励磁する第2の励磁期間と、
前記第2の励磁期間の励磁電力を、前記半導体スイッチのゲート端子に伝送する第2の伝送期間と、を設けるように前記第1〜第4のスイッチを制御することを特徴とする、半導体スイッチのゲート駆動回路。 A gate drive circuit for driving a semiconductor switch,
Multiple switches,
An inductor element connected to the gate terminal of the semiconductor switch;
A drive signal generation circuit for controlling on / off operations of the plurality of switches,
The plurality of switches are:
A first switch connected between the positive terminal of the DC power source and the first node;
A second switch connected between the first node and a negative terminal of the DC power source;
A third switch connected between a positive terminal of the DC power source and a second node;
A fourth switch connected between the second node and a negative terminal of the DC power source;
The inductor element is connected between the first node and the second node;
The drive signal generation circuit controls the on / off operation of each of the first to fourth switches,
The first node is connected to the gate terminal of the semiconductor switch, the negative terminal of the DC power supply is connected to the emitter terminal of the semiconductor switch,
The drive signal generation circuit is at least one of when the semiconductor switch is turned on and turned off.
A first excitation period for exciting the inductor element;
A first transmission period for transmitting the excitation power of the first excitation period to the gate terminal of the semiconductor switch;
A second excitation period for re-exciting the inductor element after the first transmission period;
The first to fourth switches are controlled so as to provide a second transmission period for transmitting excitation power during the second excitation period to the gate terminal of the semiconductor switch. Gate drive circuit.
前記半導体スイッチのオフ固定時には、前記第2のスイッチがオン固定、前記第1、第3、第4のスイッチがオフ固定となるように前記第1〜第4のスイッチを制御し、
前記半導体スイッチのオン固定時には、前記第1のスイッチがオン固定、前記第2、第3、第4のスイッチがオフ固定となるように前記第1〜第4のスイッチを制御し、
前記半導体スイッチのターンオフ時には、前記第1のスイッチがオン固定となっている状態から、前記第4のスイッチをオンとして前記インダクタ素子を予め定めた第1期間励磁した後、前記第1のスイッチを予め定めた第2期間オフとしてゲート蓄積電荷を放電し、前記第1のスイッチを予め定めた第3期間オンとしてゲート蓄積電荷の放電を中断し、再度前記第1のスイッチを予め定めた第4期間オフとし、その後、前記第4のスイッチをオフ固定、前記第2のスイッチをオン固定として前記半導体スイッチをオフ固定とする、請求項1に記載の半導体スイッチのゲート駆動回路。 Before Symbol drive signal generating circuit,
When the semiconductor switch is fixed to OFF, the first to fourth switches are controlled so that the second switch is fixed to ON and the first, third, and fourth switches are fixed to OFF,
When the semiconductor switch is fixed on, the first to fourth switches are controlled so that the first switch is fixed on, and the second, third, and fourth switches are fixed off;
When the semiconductor switch is turned off, from the state in which the first switch is fixed to ON, the fourth switch is turned on to excite the inductor element for a predetermined first period, and then the first switch is turned on. The gate accumulated charge is discharged by turning off the second period for a predetermined period, the discharge of the gate accumulated charge is interrupted by turning on the first switch for the third period set in advance, and the first switch is again set to the fourth fourth period. 2. The gate drive circuit of a semiconductor switch according to claim 1, wherein the semiconductor switch is fixed off by setting the period off and then fixing the fourth switch off and fixing the second switch on. 3.
前記半導体スイッチのオフ固定時には、前記第2のスイッチがオン固定、前記第1、第3、第4のスイッチがオフ固定となるように前記第1〜第4のスイッチを制御し、
前記半導体スイッチのオン固定時には、前記第1のスイッチがオン固定、前記第2、第3、第4のスイッチがオフ固定となるように前記第1〜第4のスイッチを制御し、
前記半導体スイッチのターンオン時には、前記第2のスイッチがオン固定となっている状態から、前記第3のスイッチをオンとして前記インダクタ素子を予め定めた第5期間励磁した後、前記第2のスイッチを予め定めた第6期間だけオフとしてゲートを充電し、前記第2のスイッチを予め定めた第7期間だけオンとしてゲートへの充電を中断し、再度前記第2のスイッチを予め定めた第8期間オフとし、その後、前記第3のスイッチをオフ固定、前記第1のスイッチをオン固定として前記半導体スイッチをオン固定とする、請求項1に記載の半導体スイッチのゲート駆動回路。 Before Symbol drive signal generating circuit,
When the semiconductor switch is fixed to OFF, the first to fourth switches are controlled so that the second switch is fixed to ON and the first, third, and fourth switches are fixed to OFF,
When the semiconductor switch is fixed on, the first to fourth switches are controlled so that the first switch is fixed on, and the second, third, and fourth switches are fixed off;
When the semiconductor switch is turned on, from the state in which the second switch is fixed on, the third switch is turned on and the inductor element is excited for a predetermined fifth period, and then the second switch is turned on. The gate is charged by turning off only for a predetermined sixth period, the second switch is turned on only for a predetermined seventh period, charging to the gate is interrupted, and the second switch is set again for an eighth period. 2. The gate drive circuit for a semiconductor switch according to claim 1, wherein the semiconductor switch is fixed on by turning off and then fixing the third switch off and fixing the first switch on. 3.
前記第1のスイッチは、前記第1直流電源の正極と前記第1のノードとの間に接続され、
前記第2のスイッチは、前記第1のノードと前記第2直流電源の負極端子との間に接続され、
前記第3のスイッチは、前記第1直流電源の正極端子と前記第2のノードの間に接続され、
前記第4のスイッチは、前記第2のノードと前記第2直流電源の負極端子との間に接続され、
前記第1直流電源の負極端子と前記第2直流電源の正極端子は、ともに前記半導体スイッチのエミッタ端子に接続されること、を特徴とする請求項2または請求項3に記載の半導体スイッチのゲート駆動回路。 The DC power source includes a first DC power source and a second DC power source connected in series,
The first switch is connected between a positive electrode of the first DC power source and the first node;
The second switch is connected between the first node and a negative terminal of the second DC power source,
The third switch is connected between a positive terminal of the first DC power source and the second node;
The fourth switch is connected between the second node and a negative terminal of the second DC power supply;
4. The gate of the semiconductor switch according to claim 2, wherein a negative terminal of the first DC power source and a positive terminal of the second DC power source are both connected to an emitter terminal of the semiconductor switch. 5. Driving circuit.
前記第2のスイッチと前記第1のノードの間に接続され、前記第1の抵抗と抵抗値が異なる第2の抵抗とをさらに備える、請求項2または3に記載の半導体スイッチのゲート駆動回路。 A first resistor connected between the first switch and the first node;
4. The gate drive circuit for a semiconductor switch according to claim 2, further comprising a second resistor connected between the second switch and the first node and having a resistance value different from that of the first resistor. 5. .
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