JP6299869B2 - 絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路 - Google Patents

絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路 Download PDF

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Description

この発明は、絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路に関する。
例えば、特許文献1には、絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路が記載されている。当該ゲート駆動回路は、トランジスタのコンプリメンタリ出力回路からなる。
日本特開平5−226994号公報
絶縁ゲート型パワー半導体素子の定格電流が大きい場合においては、ゲート駆動回路の出力電流を大きくする必要がある。この場合、ゲート駆動回路のコンプリメンタリ出力回路にMOSFETを用いることがある。
PchMOSFETの正側とNchMOSFETの負側とを備えたコンプリメンタリ出力回路の場合、PchMOSFETとNchMOSFETとが同時にオンすると、貫通電流がPchMOSFETとNchMOSFETとに流れる。
これに対し、NchMOSFETの正側とPchMOSFETの負側とを備えたコンプリメンタリ出力回路の場合、NchMOSFETとPchMOSFETは同時にオンせず、貫通電流は流れない。
しかしながら、同じ正側電源がNchMOSFETのドレイン電極とゲート電極とに接続されると、絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート電極とソース電極との間に、正側電源の正電圧からNchMOSFETのゲート閾値電圧の分だけ降下した電圧が印加される。このため、絶縁ゲート型パワー半導体素子の定常損失が悪化し得る。
この発明は、上述の課題を解決するためになされた。この発明の目的は、絶縁ゲート型パワー半導体素子の定常損失の悪化を防止することができる絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路を提供することである。
この発明に係る絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路は、ソース電極とドレイン電極とゲート電極とを有し、ソース電極が絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート電極に接続され、正電圧がドレイン電極に印加された状態で正電圧がゲート電極に印加された際にオンとなることで前記絶縁ゲート型パワー半導体素子をオンにするNchMOSFETと、ソース電極とドレイン電極とゲート電極とを有し、ソース電極が前記絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート電極に接続され、負電圧がドレイン電極に印加された状態で負電圧がゲート電極に印加された際にオンとなることで前記絶縁ゲート型パワー半導体素子をオフにするPchMOSFETと、制御電極と正側電極と負側電極とを有し、制御電極が前記NchMOSFETのゲート電極と前記PchMOSFETのゲート電極とに接続され、正電圧が正側電極に印加された状態の際に当該正電圧を前記NchMOSFETのゲート電極に印加することで前記NchMOSFETをオンにし、負電圧が負側電極に印加された状態の際に当該負電圧を前記PchMOSFETのゲート電極に印加することで前記PchMOSFETをオンにする制御回路と、負電圧を前記PchMOSFETのドレイン電極と前記制御回路の負側電極とに印加し、正電圧を前記NchMOSFETのドレイン電極に印加し、前記NchMOSFETのドレイン電極に印加する正電圧の絶対値よりも大きい絶対値の正電圧を前記制御回路の正側電極に印加する電源体と、を備えた。
この発明によれば、電源体は、NchMOSFETのドレイン電極に印加する正電圧の絶対値よりも大きい絶対値の正電圧を制御回路の正側電極に印加する。当該正電圧の印加により、NchMOSFETのドレイン電極とソース電極との間において、電位差は十分小さくなる。このため、絶縁ゲート型パワー半導体素子の定常損失の悪化を防止することができる。
この発明の実施の形態1における絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路の図である。 この発明の実施の形態1における絶縁ゲート型パワー半導体素子の特性を説明する図である。 この発明の実施の形態2における絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路の図である。 この発明の実施の形態3における絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路の図である。
この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の」符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路の図である。
電力変換器は、複数の絶縁ゲート型パワー半導体素子1を備える。例えば、複数の絶縁ゲート型パワー半導体の各々は、NchMOSFETにより形成される。電力変換器は、複数の絶縁ゲート型パワー半導体素子1の動作により直流電力を交流電力に変換する。電力変換器は、図示しないモータに当該交流電力を供給する。
ゲート駆動回路2の各々は、絶縁ゲート型パワー半導体素子1の各々に対応して設けられる。ゲート駆動回路2は、抵抗3とNchMOSFET4とPchMOSFET5と制御回路6と電源体7とを備える。
抵抗3は、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極に接続される。NchMOSFET4は、ソース電極とドレイン電極とゲート電極とを有する。NchMOSFET4のソース電極は、抵抗3を介して絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極に接続される。PchMOSFET5は、ソース電極とドレイン電極とゲート電極とを有する。PchMOSFET5のソース電極は、抵抗3を介して絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極に接続される。
制御回路6は、正側スイッチング素子6aと負側スイッチング素子6bとを備える。
正側スイッチング素子6aは、エミッタ電極とコレクタ電極とベース電極とを有する。正側スイッチング素子6aのエミッタ電極は、NchMOSFET4のゲート電極とPchMOSFET5のゲート電極とに接続される。正側スイッチング素子6aのエミッタ電極は、制御回路6の制御電極となる。正側スイッチング素子6aのコレクタ電極は、制御回路6の正側電極となる。負側スイッチング素子6bのエミッタ電極は、NchMOSFET4のゲート電極とPchMOSFET5のゲート電極とに接続される。負側スイッチング素子6bのエミッタ電極は、制御回路6の制御電極となる。負側スイッチング素子6bのコレクタ電極は、制御回路6の負側電極となる。
電源体7は、正側電源体8と負側電源体9とを備える。正側電源体8は、第1正側電源8aと第2正側電源8bとを備える。
第1正側電源8aの正側電極は、NchMOSFET4のドレイン電極に接続される。第1正側電源8aの負側電極は、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のソース電極に接続される。第2正側電源8bの正側電極は、正側スイッチング素子6aのコレクタ電極に接続される。第2正側電源8bの負側電極は、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のソース電極に接続される。負側電源体9の正側電極は、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のソース電極に接続される。負側電源体9の負側電極は、PchMOSFET5のドレイン電極と負側スイッチング素子6bのコレクタ電極に接続される。
例えば、負側電源体9は、PchMOSFET5のドレイン電極と負側スイッチング素子6bのコレクタ電極とに−15Vの負電圧を印加する。例えば、第1正側電源8aは、NchMOSFET4のドレイン電極に+15Vの正電圧を印加する。第2正側電源8bは、正側スイッチング素子6aのコレクタ電極に第1正側電源8aが印加する正電圧の絶対値よりも大きい絶対値の正電圧を印加する。当該正電圧の絶対値と第1正側電源8aが印加する正電圧の絶対値との差は、NchMOSFET4のゲート閾値電圧の値よりも大きい値に設定される。例えば、第2正側電源8bは、正側スイッチング素子6aのコレクタ電極に+20Vの正電圧を印加する。
外部からの制御により負側スイッチング素子6bがオンになると、−15Vの負電圧がPchMOSFET5のゲート電極に印加される。当該負電圧の印加により、PchMOSFET5がオンとなる。その結果、負電圧が絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極に印加される。その結果、絶縁ゲート型パワー半導体素子1はオフとなる。
外部からの制御により正側スイッチング素子6aがオンになると、+20Vの正電圧がNchMOSFET4のゲート電極に印加される。当該正電圧の印加により、NchMOSFET4がオンとなる。この際、正電圧がNchMOSFET4のゲート電極とソース電極との間に印加される。当該正電圧は、NchMOSFET4のゲート電極に印加された+20Vからドレイン電極に印加された+15Vを差し引いた+5Vとなる。
この際、NchMOSFET4のドレイン電極とソース電極との間において、電位差は十分小さくなる。その結果、+15Vの正電圧が絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極とソース電極との間に印加される。この際、NchMOSFET4のゲート閾値電圧のばらつきは影響しない。
次に、図2を用いて、絶縁ゲート型パワー半導体素子1をNchMOSFETとした際の特性を説明する。
図2はこの発明の実施の形態1における絶縁ゲート型パワー半導体素子の特性を説明する図である。
図2において、Vgsは、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極とソース電極との間の電圧を表す。Vdsは、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のドレイン電極とソース電極との間の電圧を表す。Idは、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のドレイン電流を表す。
ドレイン電流Idが同じ場合、ゲート電極とソース電極との間の電圧Vgsが大きくなると、ドレイン電極とソース電極との間の電圧Vdsが小さくなる。ドレイン電極とソース電極との間の電圧Vdsが小さくなると、絶縁ゲート型パワー半導体素子1の定常損失は小さくなる。
以上で説明した実施の形態1によれば、電源体7は、NchMOSFET4のドレイン電極に印加する正電圧の絶対値よりも大きい絶対値の正電圧を制御回路6の正側電極に印加する。当該正電圧の印加により、NchMOSFET4のドレイン電極とソース電極との間において、電位差は十分小さくなる。このため、NchMOSFET4の個体差または環境によってゲート閾値電圧がばらついても、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極に大きな電圧を安定して印加することができる。その結果、絶縁ゲート型パワー半導体素子1の定常損失の悪化を防止することができる。この場合、電力変換器の効率が向上する。このため、電力変換器の小型化と低コスト化とを実現することができる。さらに、電力変換器の高効率化により、電力変換器の温度上昇値が小さくなる。このため、電力変換器の高寿命化を実現することができる。
具体的には、正側電源体8は、第1正側電源8aと第2正側電源8bとを備える。第1正側電源8aは、正電圧をNchMOSFET4のドレイン電極に印加する。第2正側電源8bは、NchMOSFET4のドレイン電極に印加する正電圧の絶対値よりも大きい絶対値の正電圧を制御回路6の正側電極に印加する。このため、異なる2つの正側電源を用いるだけで、絶縁ゲート型パワー半導体素子1の定常損失の悪化を防止することができる。
実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2における絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路の図である。なお、実施の形態1の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
実施の形態1の電源体7は、同じ負電圧をPchMOSFET5のドレイン電極と制御回路6の負側電極とに印加する。これに対し、実施の形態2の電源体7は、PchMOSFET5のドレイン電極に印加する負電圧の絶対値よりも大きい絶対値の負電圧を制御回路6の負側電極に印加する。
具体的には、負側電源体9は、第1負側電源9aと第2負側電源9bとを備える。第1負側電源9aは、負電圧をPchMOSFET5のドレイン電極に印加する。第2負側電源9bは、PchMOSFET5のドレイン電極に印加する負電圧の絶対値よりも大きい絶対値の負電圧を制御回路6の負側電極に印加する。当該負電圧の絶対値とPchMOSFET5のドレイン電極に印加する負電圧の絶対値との差は、PchMOSFET5のゲート閾値電圧の値よりも大きい値に設定される。例えば、第2負側電源9bは、負側スイッチング素子6bのコレクタ電極に−20Vの負電圧を印加する。
以上で説明した実施の形態2によれば、電源体7は、PchMOSFET5のドレイン電極に印加する負電圧の絶対値よりも大きい絶対値の負電圧を制御回路6の負側電極に印加する。当該正電圧の印加により、PchMOSFET5のドレイン電極とソース電極との間において、電位差は十分小さくなる。このため、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極に印加する負電圧を安定させることができる。
具体的には、負側電源体9は、第1負側電源9aと第2負側電源9bとを備える。第1負側電源9aは、負電圧をPchMOSFET5のドレイン電極に印加する。第2負電源は、PchMOSFET5のドレイン電極に印加する負電圧の絶対値よりも大きい絶対値の負電圧を制御回路6の負側電極に印加する。このため、異なる2つの負側電源を用いるだけで、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極に印加する負電圧を安定させることができる。
実施の形態3.
図4はこの発明の実施の形態3における絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路の図である。なお、実施の形態2の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
実施の形態3のゲート駆動回路2は、実施の形態2のゲート駆動回路2に正側ツェナーダイオード10と負側ツェナーダイオード11とを付加した回路である。正側ツェナーダイオード10は、NchMOSFET4のゲート電極とソース電極との間に接続される。負側ツェナーダイオード11は、PchMOSFET5のゲート電極とソース電極との間に接続される。
絶縁ゲート型パワー半導体素子1がオフからオンとなる際、NchMOSFET4はオフからオンとなる。この際、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極とソース電極との間の電圧が負電圧から正電圧に変化する時間がNchMOSFET4のゲート電極とソース電極との間の電圧が負電圧から正電圧に変化する時間よりも長くなる場合がある。
この場合、大きな正電圧がNchMOSFET4のゲート電極とソース電極との間に印加され得る。当該正電圧の絶対値は、第1正側電源8aの正電圧と第1負側電源9aの負電圧の合計である30(V)となる。当該正電圧の絶対値は、NchMOSFET4のゲート電極とソース電極との間の最大定格電圧の絶対値よりも大きい。
しかしながら、この際、大きな電流が正側ツェナーダイオード10に急激に流れる。その結果、NchMOSFET4のゲート電極とソース電極との間の電圧は、正側ツェナーダイオード10のツェナー電圧に維持される。当該ツェナー電圧は、NchMOSFET4のゲート電極とソース電極との間の最大定格電圧の絶対値よりも小さくなるように選定する必要がある。
絶縁ゲート型パワー半導体素子1がオンからオフとなる際、PchMOSFET5はオフからオンとなる。この際、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極とソース電極との間の電圧が正電圧から負電圧に変化する時間がPchMOSFET5のゲート電極とソース電極との間の電圧が負電圧から正電圧に変化する時間よりも長くなる場合がある。
この場合、大きな負電圧がPchMOSFET5のゲート電極とソース電極との間に印加され得る。当該負電圧の絶対値は、第1正側電源8aの正電圧と第1負側電源9aの負電圧の合計である30(V)となる。当該負電圧の絶対値は、PchMOSFET5のゲート電極とソース電極との間の最大定格電圧の絶対値よりも大きい。
しかしながら、この際、大きな電流が負側ツェナーダイオード11に急激に流れる。その結果、PchMOSFET5のゲート電極とソース電極との間の電圧は、負側ツェナーダイオード11のツェナー電圧に維持される。当該ツェナー電圧は、PchMOSFET5のゲート電極とソース電極との間の最大定格電圧の絶対値よりも小さくなるように選定する必要がある。
以上で説明した実施の形態3によれば、正側ツェナーダイオード10は、NchMOSFET4のゲート電極とソース電極との間に接続される。このため、絶縁ゲート型パワー半導体素子1がオフからオンとなる際にNchMOSFET4が破壊することを防止できる。
また、負側ツェナーダイオード11は、PchMOSFET5のゲート電極とソース電極との間に接続される。このため、絶縁ゲート型パワー半導体素子1がオンからオフとなる際にPchMOSFET5が破壊することを防止できる。
なお、交流電力から直流電力に変換する電力変換器の絶縁ゲート型パワー半導体素子に実施の形態1から実施の形態3のゲート駆動回路2を適用してもよい。
また、実施の形態1から実施の形態3において、NchMOSFET4のゲート電極とPchMOSFET5のゲート電極との少なくとも一方に抵抗を介して制御回路6の出力電極を接続してもよい。
また、実施の形態1から実施の形態3において、抵抗3に代えて、第1抵抗と第2抵抗とを用いてもよい。この際、NchMOSFET4のドレイン電極と第1正側電源8aとの間に第1抵抗を設ければよい。PchMOSFET5のドレイン電極と負側電源体9あるいは9aとの間に第2抵抗を設ければよい。
また、実施の形態1から実施の形態3において、NchMOSFET4のソース電極とPchMOSFET5のソース電極との少なくとも一方に抵抗3を介さずに絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極を直接的に接続してもよい。
また、実施の形態1から実施の形態3において、NchMOSFETとは異なる半導体素子を絶縁ゲート型パワー半導体素子1としてもよい。例えば、IGBTによって形成される半導体素子を絶縁ゲート型パワー半導体素子1としてもよい。例えば、ワイドバンドギャップ半導体によって形成される半導体素子を絶縁ゲート型パワー半導体素子1としてもよい。例えば、ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。
ワイドバンドギャップ半導体によって形成される半導体素子を絶縁ゲート型パワー半導体素子1とした場合、絶縁ゲート型パワー半導体素子1そのものの効率の向上が期待できる。この際、絶縁ゲート型パワー半導体素子1のゲート電極に印加される電圧に基づいた定常損失の大きさが電力変換器の損失に大きく影響する。このため、ワイドバンドギャップ半導体によって形成される半導体素子を絶縁ゲート型パワー半導体素子1とした場合、ゲート駆動回路2は、より大きな効果を発揮することができる。
以上のように、この発明に係る絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路は、絶縁ゲート型側パワー半導体素子の定常損失の悪化を防止するシステムに利用できる。
1 絶縁ゲート型パワー半導体素子、 2 ゲート駆動回路、 3 抵抗、 4 NchMOSFET、 5 PchMOSFET、 6 制御回路、 6a 正側スイッチング素子、 6b 負側スイッチング素子、 7 電源体、 8 正側電源体、 8a 第1正側電源、 8b 第2正側電源、 9 負側電源体、 9a 第1負側電源、 9b
第2負側電源、 10 正側ツェナーダイオード、 11 負側ツェナーダイオード

Claims (7)

  1. ソース電極とドレイン電極とゲート電極とを有し、ソース電極が絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート電極に接続され、正電圧がドレイン電極に印加された状態で正電圧がゲート電極に印加された際にオンとなることで前記絶縁ゲート型パワー半導体素子をオンにするNchMOSFETと、
    ソース電極とドレイン電極とゲート電極とを有し、ソース電極が前記絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート電極に接続され、負電圧がドレイン電極に印加された状態で負電圧がゲート電極に印加された際にオンとなることで前記絶縁ゲート型パワー半導体素子をオフにするPchMOSFETと、
    制御電極と正側電極と負側電極とを有し、制御電極が前記NchMOSFETのゲート電極と前記PchMOSFETのゲート電極とに接続され、正電圧が正側電極に印加された状態の際に当該正電圧を前記NchMOSFETのゲート電極に印加することで前記NchMOSFETをオンにし、負電圧が負側電極に印加された状態の際に当該負電圧を前記PchMOSFETのゲート電極に印加することで前記PchMOSFETをオンにする制御回路と、
    負電圧を前記PchMOSFETのドレイン電極と前記制御回路の負側電極とに印加し、正電圧を前記NchMOSFETのドレイン電極に印加し、前記NchMOSFETのドレイン電極に印加する正電圧の絶対値よりも大きい絶対値の正電圧を前記制御回路の正側電極に印加する電源体と、
    を備えた絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路。
  2. 前記電源体は、
    前記NchMOSFETのドレイン電極に接続された正側電極と前記絶縁ゲート型パワー半導体素子のソース電極に接続された負側電極とを有し、正電圧を前記NchMOSFETのドレイン電極に印加する第1正側電源と、
    前記制御回路の正側電極に接続された正側電極と前記絶縁ゲート型パワー半導体素子のソース電極に接続された負側電極とを有し、前記第1正側電源が前記NchMOSFETのドレイン電極に印加する正電圧の絶対値よりも大きい絶対値の正電圧を前記制御回路の正側電極に印加する第2正側電源と、
    を備えた請求項1に記載の絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路。
  3. 前記NchMOSFETのゲート電極とソース電極との間に接続された正側ツェナーダイオード、
    を備えた請求項1または請求項2に記載の絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路。
  4. 前記電源体は、前記PchMOSFETのドレイン電極に印加する負電圧の絶対値よりも大きい絶対値の負電圧を前記制御回路の負側電極に印加する請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路。
  5. 前記電源体は、
    前記絶縁ゲート型パワー半導体素子のソース電極に接続された正側電極と前記PchMOSFETのドレイン電極に接続された負側電極とを有し、負電圧を前記PchMOSFETのドレイン電極に印加する第1負側電源と、
    前記絶縁ゲート型パワー半導体素子のソース電極に接続された正側電極と前記制御回路の負側電極に接続された負側電極とを有し、前記第1負側電源が前記PchMOSFETのドレイン電極に印加する負電圧の絶対値よりも大きい絶対値の負電圧を前記制御回路の負側電極に印加する第2負側電源と、
    を備えた請求項4に記載の絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路。
  6. 前記PchMOSFETのゲート電極とソース電極との間に接続された負側ツェナーダイオード、
    を備えた請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路。
  7. 前記絶縁ゲート型パワー半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成された請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の絶縁ゲート型パワー半導体素子のゲート駆動回路。
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