JP6724723B2 - Switching circuit - Google Patents

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Description

本明細書に開示する技術は、スイッチング回路に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a switching circuit.

インバータ等では、電力の増加に合わせて、複数のスイッチング素子を並列に接続することがある。並列に接続された複数のスイッチング素子のゲートには、共通の駆動信号が供給され、それら複数のスイッチング素子は一つのスイッチング素子のごとく動作する。複数のスイッチング素子で電力を分担することで、全体として大電力を扱うことが可能となる。特許文献1には、複数のスイッチング素子を並列に接続したスイッチング回路が開示されている。 In an inverter or the like, a plurality of switching elements may be connected in parallel as power increases. A common drive signal is supplied to the gates of the plurality of switching elements connected in parallel, and the plurality of switching elements operate like one switching element. By sharing the power with the plurality of switching elements, it becomes possible to handle a large amount of power as a whole. Patent Document 1 discloses a switching circuit in which a plurality of switching elements are connected in parallel.

特開2013−247734号公報JP, 2013-247734, A

上述したように、並列に接続された複数のスイッチングのゲートには、共通の駆動信号が供給される。しかしながら、スイッチング素子の特性の差により、共通の駆動信号が供給されても複数のスイッチング素子の間でスイッチングのタイミングにわずかなずれが生じ得る。スイッチングのタイミングのずれにより、複数のスイッチング素子のゲート電位間に電位差が生じ、その電位差によって並列に接続された複数のスイッチング素子の間で発振現象が生じることがある。これにより、スイッチング素子のゲート電圧が過大となる場合がある。本明細書は、スイッチング素子の発振現象が生じた場合に、速やかにスイッチング素子のゲートをオフすることができる技術を開示する。 As described above, the common drive signal is supplied to the plurality of switching gates connected in parallel. However, due to the difference in the characteristics of the switching elements, a slight shift may occur in the switching timing among the plurality of switching elements even if the common drive signal is supplied. A difference in switching timing may cause a potential difference between the gate potentials of the plurality of switching elements, and the potential difference may cause an oscillation phenomenon between the plurality of switching elements connected in parallel. As a result, the gate voltage of the switching element may become excessive. The present specification discloses a technique capable of promptly turning off the gate of a switching element when an oscillation phenomenon of the switching element occurs.

本明細書が開示するスイッチング回路は、第1スイッチング素子と、第1スイッチング素子に対して並列に接続された第2スイッチング素子と、第1スイッチング素子のゲートと第2スイッチング素子のゲートを充放電する制御回路と、第1スイッチング素子のゲートの電位の時間変化量を検出する第1微分回路と、第2スイッチング素子のゲートの電位の時間変化量を検出する第2微分回路、を有している。制御回路は、第1微分回路が検出する時間変化量と第2微分回路が検出する時間変化量の少なくとも一方が閾値以上となったときに、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子をオフさせる。 A switching circuit disclosed in the present specification charges and discharges a first switching element, a second switching element connected in parallel to the first switching element, a gate of the first switching element and a gate of the second switching element. A control circuit, a first differentiating circuit that detects a time change amount of the potential of the gate of the first switching element, and a second differentiating circuit that detects a time change amount of the potential of the gate of the second switching element. There is. The control circuit turns off the first switching element and the second switching element when at least one of the time change amount detected by the first differentiating circuit and the time change amount detected by the second differentiating circuit becomes equal to or more than a threshold value.

第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の間でスイッチングのタイミングがずれた場合、第1スイッチング素子のゲート電位と第2スイッチング素子のゲート電位の間に電位差が生じる。これにより、発振現象が開始する。発振現象が生じると、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子のゲート電圧が短時間の間に大きく変化する。このため、通常動作におけるスイッチング素子のゲート電圧の変化と比較してゲート電圧の時間変化量が大きくなる。上記のスイッチング回路では、第1微分回路が第1スイッチング素子のゲートの電位の時間変化量を検出し、第2微分回路が第2スイッチング素子のゲートの電位の時間変化量を検出する。そして、制御回路は、第1微分回路が検出する時間変化量と第2微分回路の検出する時間変化量の少なくとも一方が閾値以上となったときに、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子をオフする。このように、発振現象が生じた場合に速やかに第1スイッチング素子と第2スイッチング素子をオフするので、スイッチング素子のゲート電圧が過大となることを防止できる。 When the switching timing is deviated between the first switching element and the second switching element, a potential difference occurs between the gate potential of the first switching element and the gate potential of the second switching element. As a result, the oscillation phenomenon starts. When the oscillation phenomenon occurs, the gate voltages of the first switching element and the second switching element change greatly in a short time. For this reason, the time change amount of the gate voltage becomes large as compared with the change of the gate voltage of the switching element in the normal operation. In the above switching circuit, the first differentiating circuit detects the time change amount of the potential of the gate of the first switching element, and the second differentiating circuit detects the time change amount of the potential of the gate of the second switching element. Then, the control circuit turns off the first switching element and the second switching element when at least one of the time change amount detected by the first differentiating circuit and the time change amount detected by the second differentiating circuit becomes equal to or more than a threshold value. To do. As described above, when the oscillation phenomenon occurs, the first switching element and the second switching element are quickly turned off, so that the gate voltage of the switching element can be prevented from becoming excessive.

インバータ90の回路図。The circuit diagram of the inverter 90. スイッチング回路10の回路図。The circuit diagram of the switching circuit 10. 通常動作時の各値の変化を示すグラフ。The graph which shows change of each value at the time of normal operation. 発振時の各値の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of each value at the time of oscillation.

図1に、スイッチング回路10が適用されたインバータ90の回路図を示す。インバータ90は、高電位配線92と低電位配線94を有している。高電位配線92と低電位配線94の間には、図示しない直流電源によって直流電圧が印加される。高電位配線92が低電位配線94に対して高電位となるように直流電圧が印加される。インバータ90は、この直流電力を交流電力に変換してモータ95へ供給する。 FIG. 1 shows a circuit diagram of an inverter 90 to which the switching circuit 10 is applied. The inverter 90 has a high potential wiring 92 and a low potential wiring 94. A DC voltage is applied between the high-potential wiring 92 and the low-potential wiring 94 by a DC power supply (not shown). A DC voltage is applied so that the high potential wiring 92 has a high potential with respect to the low potential wiring 94. The inverter 90 converts this DC power into AC power and supplies it to the motor 95.

高電位配線92と低電位配線94の間に、接続配線96によって2つのスイッチング回路10を直列接続した回路が3組設けられている。各スイッチング回路10の構成は互いに等しい。図2は、各スイッチング回路10の回路図を示している。スイッチング回路10は、第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12を有している。本実施形態では、スイッチング素子11、12はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。第1スイッチング素子11のコレクタc1と第2スイッチング素子12のコレクタc2が接続されており、第1スイッチング素子11のエミッタe1と第2スイッチング素子12のエミッタe2が接続されている。すなわち、2つのスイッチング素子11、12は、並列に接続されている。2つのスイッチング素子11、12の並列回路は、コレクタc1、c2が高電位配線92側を向くとともにエミッタe1、e2が低電位配線94側を向くように、接続配線96に挿入されている。第1スイッチング素子11には、ダイオード21が逆並列に接続されている。すなわち、ダイオード21のアノードがエミッタe1に接続されており、ダイオード21のカソードがコレクタc1に接続されている。第2スイッチング素子12には、ダイオード22が逆並列に接続されている。すなわち、ダイオード22のアノードがエミッタe2に接続されており、ダイオード22のカソードがコレクタc2に接続されている。 Between the high potential wiring 92 and the low potential wiring 94, three sets of circuits in which two switching circuits 10 are connected in series by the connection wiring 96 are provided. The configurations of the switching circuits 10 are equal to each other. FIG. 2 shows a circuit diagram of each switching circuit 10. The switching circuit 10 has a first switching element 11 and a second switching element 12. In this embodiment, the switching elements 11 and 12 are IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). The collector c1 of the first switching element 11 and the collector c2 of the second switching element 12 are connected, and the emitter e1 of the first switching element 11 and the emitter e2 of the second switching element 12 are connected. That is, the two switching elements 11 and 12 are connected in parallel. The parallel circuit of the two switching elements 11 and 12 is inserted in the connection wiring 96 so that the collectors c1 and c2 face the high potential wiring 92 side and the emitters e1 and e2 face the low potential wiring 94 side. A diode 21 is connected to the first switching element 11 in antiparallel. That is, the anode of the diode 21 is connected to the emitter e1 and the cathode of the diode 21 is connected to the collector c1. The diode 22 is connected to the second switching element 12 in antiparallel. That is, the anode of the diode 22 is connected to the emitter e2, and the cathode of the diode 22 is connected to the collector c2.

インバータ90は、3つの中間配線98を有している。直列接続された2つのスイッチング回路10の間の接続配線96のそれぞれに、各中間配線98が接続されている。各中間配線98の他端は、モータ95に接続されている。各スイッチング回路10は、スイッチング素子11、12をスイッチングさせる。その結果、高電位配線92と低電位配線94の間に印加されている直流電圧が三相交流電圧に変換され、変換された三相交流電圧が3つの中間配線98の間に出力される。三相交流電圧は、3つの中間配線98を介してモータ95に供給される。 The inverter 90 has three intermediate wirings 98. Each intermediate wiring 98 is connected to each of the connection wirings 96 between the two switching circuits 10 connected in series. The other end of each intermediate wiring 98 is connected to the motor 95. Each switching circuit 10 switches the switching elements 11 and 12. As a result, the DC voltage applied between the high potential wiring 92 and the low potential wiring 94 is converted into a three-phase AC voltage, and the converted three-phase AC voltage is output between the three intermediate wirings 98. The three-phase AC voltage is supplied to the motor 95 via the three intermediate wirings 98.

次に、スイッチング回路10の構造をより詳細に説明する。上述したように各スイッチング回路10の構造は互いに等しい。したがって、ここでは、1つのスイッチング回路10について説明する。図2に示すように、スイッチング回路10は、第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12のゲートを充放電するゲート駆動回路100を有している。 Next, the structure of the switching circuit 10 will be described in more detail. As described above, the structures of the switching circuits 10 are equal to each other. Therefore, here, one switching circuit 10 will be described. As shown in FIG. 2, the switching circuit 10 includes a gate drive circuit 100 that charges and discharges the gates of the first switching element 11 and the second switching element 12.

第1スイッチング素子11のゲートg1と第2スイッチング素子12のゲートg2には、ゲート駆動回路100から共通の駆動信号が供給される。このため、第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12は、略同じタイミングでスイッチングする。したがって、第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12の並列回路には、第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12の電流容量の合計値の電流を流すことができる。 A common drive signal is supplied from the gate drive circuit 100 to the gate g1 of the first switching element 11 and the gate g2 of the second switching element 12. Therefore, the first switching element 11 and the second switching element 12 switch at substantially the same timing. Therefore, a current having a total value of current capacities of the first switching element 11 and the second switching element 12 can be passed through the parallel circuit of the first switching element 11 and the second switching element 12.

ゲート駆動回路100は、制御回路30と、第1微分回路41と、第2微分回路42と、第1比較回路51と、第2比較回路52を有している。 The gate drive circuit 100 includes a control circuit 30, a first differentiating circuit 41, a second differentiating circuit 42, a first comparing circuit 51, and a second comparing circuit 52.

制御回路30は、第1スイッチング素子11のゲートg1と第2スイッチング素子12のゲートg2に接続されている。図示していないが、制御回路30には、外部から、第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12のオン・オフを指令するPWM信号が入力される。制御回路30は、PWM信号に従って、第1スイッチング素子11のゲートg1と第2スイッチング素子12のゲートg2を充放電する。これによって、第1スイッチング素子11のゲートg1の電位Vge1(すなわち、ゲートg1のエミッタe1に対する電位)と、第2スイッチング素子12のゲートg2の電位Vge2(すなわち、ゲートg2のエミッタe2に対する電位)が制御される。また、制御回路30は、第1比較回路51と第2比較回路52に接続されている。制御回路30は、第1比較回路51または第2比較回路52から所定の信号を受信すると、PWM信号にかかわらず、ゲートg1及びゲートg2を放電する。 The control circuit 30 is connected to the gate g1 of the first switching element 11 and the gate g2 of the second switching element 12. Although not shown, the control circuit 30 receives a PWM signal from outside to instruct ON/OFF of the first switching element 11 and the second switching element 12. The control circuit 30 charges and discharges the gate g1 of the first switching element 11 and the gate g2 of the second switching element 12 according to the PWM signal. As a result, the potential Vge1 of the gate g1 of the first switching element 11 (that is, the potential of the gate g1 with respect to the emitter e1) and the potential Vge2 of the gate g2 of the second switching element 12 (that is, the potential of the gate g2 with respect to the emitter e2). Controlled. The control circuit 30 is also connected to the first comparison circuit 51 and the second comparison circuit 52. When receiving a predetermined signal from the first comparison circuit 51 or the second comparison circuit 52, the control circuit 30 discharges the gate g1 and the gate g2 regardless of the PWM signal.

第1微分回路41は、入力端子41aと出力端子41bを有している。入力端子41aは、ゲートg1に接続されている。出力端子41bは、第1比較回路51に接続されている。また、第1微分回路41は、コンデンサC1と、オペアンプ44と、抵抗R1を有している。 The first differentiating circuit 41 has an input terminal 41a and an output terminal 41b. The input terminal 41a is connected to the gate g1. The output terminal 41b is connected to the first comparison circuit 51. Further, the first differentiating circuit 41 has a capacitor C1, an operational amplifier 44, and a resistor R1.

コンデンサC1の一方の電極は、入力端子41aに接続されている。オペアンプ44は、出力端子と、非反転入力端子と、反転入力端子を有している。オペアンプ44の出力端子は、第1微分回路41の出力端子41bに接続されている。オペアンプ44の非反転入力端子は、グランド(エミッタe1の電位)に接続されている。オペアンプ44の反転入力端子は、コンデンサC1の他方の電極に接続されている。また、反転入力端子は、抵抗R1を介して出力端子に接続されている。 One electrode of the capacitor C1 is connected to the input terminal 41a. The operational amplifier 44 has an output terminal, a non-inverting input terminal, and an inverting input terminal. The output terminal of the operational amplifier 44 is connected to the output terminal 41b of the first differentiating circuit 41. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 44 is connected to the ground (potential of the emitter e1). The inverting input terminal of the operational amplifier 44 is connected to the other electrode of the capacitor C1. Further, the inverting input terminal is connected to the output terminal via the resistor R1.

第1微分回路41の入力端子41aには、第1スイッチング素子11のゲートg1の電位Vge1が印加される。第1微分回路41は、電位Vge1の時間変化量dVge1/dtに相当する電位Vamp1を出力端子41bに出力する。 The potential Vge1 of the gate g1 of the first switching element 11 is applied to the input terminal 41a of the first differentiating circuit 41. The first differentiating circuit 41 outputs the potential Vamp1 corresponding to the time variation amount dVge1/dt of the potential Vge1 to the output terminal 41b.

第1比較回路51は、入力端子51aと出力端子51bを有している。入力端子51aは、第1微分回路41の出力端子41bに接続されている。出力端子51bは、制御回路30に接続されている。また、第1比較回路51は、コンパレータ54と、基準電源V1と、抵抗R3,R4を有している。 The first comparison circuit 51 has an input terminal 51a and an output terminal 51b. The input terminal 51a is connected to the output terminal 41b of the first differentiating circuit 41. The output terminal 51b is connected to the control circuit 30. The first comparison circuit 51 also includes a comparator 54, a reference power supply V1, and resistors R3 and R4.

コンパレータ54は、出力端子と、非反転入力端子と、反転入力端子を有している。コンパレータ54の出力端子は、第1比較回路51の出力端子51bに接続されている。コンパレータ54の非反転入力端子は、入力端子51aに接続されている。コンパレータ54の非反転入力端子には、上述した電位Vamp1が印加される。コンパレータ54の反転入力端子は、基準電源V1と抵抗R3,R4により構成される抵抗分圧回路58に接続されている。コンパレータ54の反転入力端子には、抵抗分圧回路58から出力される基準電位Vth1が印加されている。コンパレータ54は、電位Vamp1と基準電位Vth1に応じて、信号CMP1をコンパレータ54の出力端子に印加する。電位Vamp1が基準電位Vth1以上の場合に信号CMP1が高電位となり、電位Vamp1が基準電位Vth1未満の場合に信号CMP1が低電位となる。コンパレータ54の動作は、時間変化量dVge1/dtが閾値X(基準電位Vth1に相当する固定値)以上であるか否かを判定しているに等しい。すなわち、時間変化量dVge1/dtが閾値X以上の場合に信号CMP1が高電位となり、時間変化量dVge1/dtが閾値X未満の場合に信号CMP1が低電位となる。また、コンパレータ54は、短時間の間に繰り返し電位Vamp1が基準電位Vth1以上となるときには、信号CMP1を高電位に維持する。 The comparator 54 has an output terminal, a non-inverting input terminal, and an inverting input terminal. The output terminal of the comparator 54 is connected to the output terminal 51b of the first comparison circuit 51. The non-inverting input terminal of the comparator 54 is connected to the input terminal 51a. The above-mentioned potential Vamp1 is applied to the non-inverting input terminal of the comparator 54. The inverting input terminal of the comparator 54 is connected to the resistance voltage dividing circuit 58 composed of the reference power source V1 and the resistors R3 and R4. The reference potential Vth1 output from the resistance voltage dividing circuit 58 is applied to the inverting input terminal of the comparator 54. The comparator 54 applies the signal CMP1 to the output terminal of the comparator 54 according to the potential Vamp1 and the reference potential Vth1. The signal CMP1 has a high potential when the potential Vamp1 is equal to or higher than the reference potential Vth1, and the signal CMP1 has a low potential when the potential Vamp1 is lower than the reference potential Vth1. The operation of the comparator 54 is equivalent to determining whether the time variation amount dVge1/dt is greater than or equal to the threshold value X (fixed value corresponding to the reference potential Vth1). That is, the signal CMP1 has a high potential when the time variation dVge1/dt is equal to or more than the threshold value X, and the signal CMP1 has a low potential when the time variation amount dVge1/dt is less than the threshold value X. Further, the comparator 54 maintains the signal CMP1 at a high potential when the repeated potential Vamp1 becomes equal to or higher than the reference potential Vth1 in a short time.

第2微分回路42は、入力端子42aと出力端子42bを有している。入力端子42aは、ゲートg2に接続されている。出力端子42bは、第2比較回路52に接続されている。また、第1微分回路41は、コンデンサC2と、オペアンプ46と、抵抗R2を有している。第2微分回路42は、第2スイッチング素子12のゲートg2の電位Vge2の時間変化量dVge2/dtに相当する電位Vamp2を出力する。第2微分回路42の詳細な構成は、第1微分回路41の構成と同様であるため、その説明を省略する。 The second differentiating circuit 42 has an input terminal 42a and an output terminal 42b. The input terminal 42a is connected to the gate g2. The output terminal 42b is connected to the second comparison circuit 52. Further, the first differentiating circuit 41 has a capacitor C2, an operational amplifier 46, and a resistor R2. The second differentiating circuit 42 outputs the potential Vamp2 corresponding to the time variation amount dVge2/dt of the potential Vge2 of the gate g2 of the second switching element 12. Since the detailed configuration of the second differentiating circuit 42 is the same as the configuration of the first differentiating circuit 41, its description is omitted.

第2比較回路52は、入力端子52aと出力端子52bを有している。入力端子52aは、第2微分回路42の出力端子42bに接続されている。出力端子52bは、制御回路30に接続されている。また、第2比較回路52は、コンパレータ56と、基準電源V2と、抵抗R5、R6を有している。第2比較回路52は、第2微分回路42から出力された電位Vamp2を、基準電源V2と抵抗R5,R6により構成される抵抗分圧回路59から出力される基準電位Vth2と比較し、比較結果に応じた信号CMP2を出力する。第2比較回路52の詳細な構成は、第1比較回路51の構成と同様であるため、その説明を省略する。なお、本実施形態では、基準電位Vth2は、基準電位Vth1と等しくされている。すなわち、コンパレータ56の動作は、時間変化量dVge2/dtが閾値X以上であるか否かを判定しているに等しい。 The second comparison circuit 52 has an input terminal 52a and an output terminal 52b. The input terminal 52a is connected to the output terminal 42b of the second differentiating circuit 42. The output terminal 52b is connected to the control circuit 30. The second comparison circuit 52 also includes a comparator 56, a reference power supply V2, and resistors R5 and R6. The second comparison circuit 52 compares the potential Vamp2 output from the second differentiating circuit 42 with the reference potential Vth2 output from the resistance voltage dividing circuit 59 including the reference power source V2 and the resistors R5 and R6, and the comparison result. A signal CMP2 corresponding to The detailed configuration of the second comparison circuit 52 is the same as the configuration of the first comparison circuit 51, and thus the description thereof is omitted. In this embodiment, the reference potential Vth2 is set equal to the reference potential Vth1. That is, the operation of the comparator 56 is equivalent to determining whether the time variation amount dVge2/dt is equal to or greater than the threshold value X.

制御回路30には、上述した信号CMP1及び信号CMP2が入力される。制御回路30は、信号CMP1と信号CMP2の少なくとも一方が高電位となった場合(すなわち、時間変化量dVge1/dtと時間変化量dVge2/dtの少なくとも一方が閾値X以上となったとき)に、PWM信号にかかわらず第1スイッチング素子11のゲートg1と第2スイッチング素子12のゲートg2を放電させて、第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12を強制的にオフさせる。 The above-mentioned signal CMP1 and signal CMP2 are input to the control circuit 30. When at least one of the signal CMP1 and the signal CMP2 has a high potential (that is, when at least one of the time variation dVge1/dt and the time variation dVge2/dt is equal to or more than the threshold value X), the control circuit 30 determines that The gate g1 of the first switching element 11 and the gate g2 of the second switching element 12 are discharged regardless of the PWM signal to forcibly turn off the first switching element 11 and the second switching element 12.

次に、スイッチング回路10の動作について説明する。以下では、第1スイッチング素子11、第1微分回路41、及び第1比較回路51の動作のみに着目して説明するが、第2スイッチング素子12、第2微分回路42、及び第2比較回路52の動作についても同様である。図3は、通常時(発振現象が生じていないとき)のスイッチング回路10の動作を示している。 Next, the operation of the switching circuit 10 will be described. Below, although it demonstrates focusing only on the operation|movement of the 1st switching element 11, the 1st differentiating circuit 41, and the 1st comparison circuit 51, the 2nd switching element 12, the 2nd differentiating circuit 42, and the 2nd comparison circuit 52. The same applies to the operation of. FIG. 3 shows the operation of the switching circuit 10 under normal conditions (when no oscillation phenomenon occurs).

図3のタイミングt1よりも前の期間(タイミングt0からタイミングt1の間の期間)においては、制御回路30が第1スイッチング素子11のゲートg1をグランドに接続している。このため、電位Vge1が略0Vとなっており、第1スイッチング素子11がオフしている。したがって、第1微分回路41から出力される電位Vamp1は略0V(すなわち、ゲートg1の電位Vge1の時間変化量dVge1/dtは略ゼロ)となる。電位Vamp1が略0Vであるので、コンパレータ54は電位Vamp1(時間変化量dVge1/dt)が基準電位Vth1(閾値X)よりも低いと判定する。このため、信号CMP1が低電位となる。 In the period before the timing t1 in FIG. 3 (the period between the timing t0 and the timing t1), the control circuit 30 connects the gate g1 of the first switching element 11 to the ground. Therefore, the potential Vge1 is approximately 0 V, and the first switching element 11 is off. Therefore, the potential Vamp1 output from the first differentiating circuit 41 is approximately 0 V (that is, the time variation dVge1/dt of the potential Vge1 of the gate g1 is approximately zero). Since the potential Vamp1 is approximately 0 V, the comparator 54 determines that the potential Vamp1 (time change amount dVge1/dt) is lower than the reference potential Vth1 (threshold value X). Therefore, the signal CMP1 has a low potential.

タイミングt1において、PWM信号に基づいて、制御回路30がゲートg1の充電を開始する。すなわち、制御回路30からゲートg1に電流が供給され、ゲートg1が徐々に充電される。ここでは、ゲートg1とエミッタe1の間の容量が充電される。このため、タイミングt1の直後(タイミングt1とタイミングt2の間の期間)に、電位Vge1が徐々に上昇する。電位Vge1が上昇しているので、この期間では電位Vge1の時間変化量dVge1/dtが大きくなる。すなわち、オペアンプ44から出力される電位Vamp1が高くなる。上述した閾値X(時間変化量dVge1/dtに対する閾値)は、正常に第1スイッチング素子11がオンするときのゲートg1の電位Vge1の時間変化量dVge1/dtよりも大きい値に設定されている。したがって、コンパレータ54は、電位Vamp1が基準電位Vth1よりも低いと判定する。このため、信号CMP1は低電位となる。 At timing t1, the control circuit 30 starts charging the gate g1 based on the PWM signal. That is, a current is supplied from the control circuit 30 to the gate g1 and the gate g1 is gradually charged. Here, the capacitance between the gate g1 and the emitter e1 is charged. Therefore, the potential Vge1 gradually increases immediately after the timing t1 (the period between the timing t1 and the timing t2). Since the potential Vge1 has risen, the time variation dVge1/dt of the potential Vge1 increases during this period. That is, the potential Vamp1 output from the operational amplifier 44 becomes high. The above-mentioned threshold value X (threshold value with respect to time variation dVge1/dt) is set to a value larger than the time variation dVge1/dt of the potential Vge1 of the gate g1 when the first switching element 11 is normally turned on. Therefore, the comparator 54 determines that the potential Vamp1 is lower than the reference potential Vth1. Therefore, the signal CMP1 has a low potential.

タイミングt2において、ゲートg1の電位Vge1がミラー電圧Vmに達する。すると、第1スイッチング素子11にコレクタ電流が流れ始める。これに伴い、コレクタc1とゲートg1の間の容量が充電されるようになり、ゲートg1とエミッタe1の間の容量が充電されなくなる。このため、タイミングt2以降(タイミングt2とタイミングt3の間)、電位Vge1がミラー電圧Vmで維持される。タイミングt2からタイミングt3までの期間はミラー期間である。ミラー期間の間は、電位Vge1の時間変化量dVge1/dtが略ゼロであり、閾値Xよりも小さい。したがって、ミラー期間の間は、信号CMP1が低電位となる。 At timing t2, the potential Vge1 of the gate g1 reaches the mirror voltage Vm. Then, the collector current starts flowing through the first switching element 11. As a result, the capacitance between the collector c1 and the gate g1 is charged, and the capacitance between the gate g1 and the emitter e1 is no longer charged. Therefore, after the timing t2 (between the timing t2 and the timing t3), the potential Vge1 is maintained at the mirror voltage Vm. The period from timing t2 to timing t3 is a mirror period. During the mirror period, the time change amount dVge1/dt of the potential Vge1 is substantially zero, which is smaller than the threshold value X. Therefore, the signal CMP1 has a low potential during the mirror period.

タイミングt3において、コレクタc1とゲートg1の間の容量の充電が完了し、再度、ゲートg1とエミッタe1の間の容量が充電されるようになる。このため、タイミングt3においてミラー期間が終了し、タイミングt3以降にゲートg1の電位Vge1が上昇する。このため、電位Vge1の時間変化量dVge1/dtが大きくなる。上述したように、閾値Xは、正常に第1スイッチング素子11がオンするときのゲートg1の電位Vge1の時間変化量dVge1/dtよりも大きい値に設定されている。したがって、コンパレータ54は、電位Vamp1が基準電位Vth1よりも低いと判定する。このため、信号CMP1は低電位となる。 At timing t3, the capacitance between the collector c1 and the gate g1 is completed, and the capacitance between the gate g1 and the emitter e1 is charged again. Therefore, the mirror period ends at the timing t3, and the potential Vge1 of the gate g1 rises after the timing t3. Therefore, the time change amount dVge1/dt of the potential Vge1 becomes large. As described above, the threshold value X is set to a value larger than the time variation amount dVge1/dt of the potential Vge1 of the gate g1 when the first switching element 11 is normally turned on. Therefore, the comparator 54 determines that the potential Vamp1 is lower than the reference potential Vth1. Therefore, the signal CMP1 has a low potential.

その後、タイミングt4において電位Vge1が目標電圧まで達すると、タイミングt4以降は制御回路30が電位Vge1を目標電圧に維持する。したがって、コンパレータ54は、信号CMP1を低電位に維持する。 After that, when the potential Vge1 reaches the target voltage at the timing t4, the control circuit 30 maintains the potential Vge1 at the target voltage after the timing t4. Therefore, the comparator 54 maintains the signal CMP1 at a low potential.

上記のように、通常時のスイッチング回路10の動作においては、信号CMP1が常に低電位に維持される。したがって、制御回路30は、PWM信号に基づいて第1スイッチング素子11のゲートg1の電位Vge1を制御する。 As described above, in the normal operation of the switching circuit 10, the signal CMP1 is always maintained at the low potential. Therefore, the control circuit 30 controls the potential Vge1 of the gate g1 of the first switching element 11 based on the PWM signal.

次に、発振現象が生じた場合のスイッチング回路10の動作を説明する。まず、発振現象について説明する。 Next, the operation of the switching circuit 10 when the oscillation phenomenon occurs will be described. First, the oscillation phenomenon will be described.

第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12は略同時にオフからオンに切り換えられるが、素子特性の差により、第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12の間でオンするタイミングがずれる場合がある。以下、第1スイッチング素子11が先にオンした場合を考える。第1スイッチング素子11のエミッタe1と第2スイッチング素子12のエミッタe2を接続する配線(導体)はインダクタンスを有している。このため、第1スイッチング素子11がオンすると、第1スイッチング素子11側の配線に電流が流れ、上記インダクタンスにより誘導電流が生じる。この誘導電流により、第1スイッチング素子11のエミッタe1の電位が上昇し、第2スイッチング素子12のエミッタe2の電位が下降する。第1スイッチング素子11では、ゲートg1とエミッタe1の間の電位差が小さくなり、一旦オンした第1スイッチング素子11は再度オフする。一方、第2スイッチング素子12では、ゲートg2とエミッタe2の間の電位差が大きくなり、第2スイッチング素子12はオンする。すると、第1スイッチング素子11側の配線に流れる電流が減少し、第2スイッチング素子12側の配線に流れる電流が増大する。このときの電流変化に応じて、上記インダクタンスにより、先程とは逆向きの誘導電流が生じる。この誘導電流により、第1スイッチング素子11のエミッタe1の電位が下降し、第2スイッチング素子12のエミッタe2の電位が上昇する。第1スイッチング素子11では、ゲートg1とエミッタe1の間の電位差が大きくなり、第1スイッチング素子11は再度オンする。一方、第2スイッチング素子12では、ゲートg2とエミッタe2の間の電位差が小さくなり、第2スイッチング素子12はオフする。このように、先に第1スイッチング素子11がオンすることにより、第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12はオン・オフを繰り返す。先に第2スイッチング素子12がオンした場合も同様の発振現象が生じ得る。 The first switching element 11 and the second switching element 12 are switched from off to on at substantially the same time, but the timing of turning on between the first switching element 11 and the second switching element 12 may be shifted due to the difference in element characteristics. .. Hereinafter, the case where the first switching element 11 is turned on first will be considered. The wiring (conductor) connecting the emitter e1 of the first switching element 11 and the emitter e2 of the second switching element 12 has an inductance. Therefore, when the first switching element 11 is turned on, a current flows through the wiring on the first switching element 11 side, and an induced current is generated by the inductance. Due to this induced current, the potential of the emitter e1 of the first switching element 11 rises and the potential of the emitter e2 of the second switching element 12 falls. In the first switching element 11, the potential difference between the gate g1 and the emitter e1 becomes small, and the first switching element 11 that has been turned on once again turns off. On the other hand, in the second switching element 12, the potential difference between the gate g2 and the emitter e2 becomes large, and the second switching element 12 is turned on. Then, the current flowing through the wiring on the first switching element 11 side decreases, and the current flowing through the wiring on the second switching element 12 side increases. In response to the change in current at this time, an induced current in the opposite direction to the above occurs due to the inductance. Due to this induced current, the potential of the emitter e1 of the first switching element 11 decreases and the potential of the emitter e2 of the second switching element 12 increases. In the first switching element 11, the potential difference between the gate g1 and the emitter e1 becomes large, and the first switching element 11 is turned on again. On the other hand, in the second switching element 12, the potential difference between the gate g2 and the emitter e2 becomes small, and the second switching element 12 is turned off. In this way, the first switching element 11 is turned on first, so that the first switching element 11 and the second switching element 12 are repeatedly turned on and off. The same oscillation phenomenon may occur when the second switching element 12 is turned on first.

上述した発振現象が生じる場合(すなわち、第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12のスイッチングのタイミングにずれが生じる場合)のスイッチング回路10の動作を図4に示す。図4のタイミングt0´からタイミングt4´までの間の期間の動作については、通常時(図3のタイミングt0からタイミングt4までの間の期間)の動作と同様であるため、説明を省略する。 FIG. 4 shows the operation of the switching circuit 10 when the above-described oscillation phenomenon occurs (that is, when the switching timings of the first switching element 11 and the second switching element 12 are deviated). The operation in the period from the timing t0′ to the timing t4′ in FIG. 4 is the same as the operation in the normal time (the period from the timing t0 to the timing t4 in FIG. 3), and thus the description thereof will be omitted.

タイミングt4´において、電位Vge1が目標電圧まで達すると、第1スイッチング素子11がオンする。すると、第1スイッチング素子11と第2スイッチング素子12のオンタイミングのずれにより、タイミングt4´以降、第1スイッチング素子11に上述した発振現象が生じる。すなわち、ゲートg1の電位Vge1が短時間の間に周期的に変化し、第1スイッチング素子11は短時間の間にオンとオフを繰り返す。電位Vge1が大きく変化するので、この期間では電位Vge1の時間変化量dVge1/dtが大きくなる。すなわち、オペアンプ44から出力される電位Vamp1が高くなる。上述した閾値Xは、発振現象が生じているときのゲートg1の電位Vge1の時間変化量dVge1/dtよりも小さい値に設定されている。したがって、コンパレータ54は、電位Vamp1(時間変化量dVge1/dt)が基準電位Vth1(閾値X)よりも高いと判定する。このため、コンパレータ54は、タイミングt5´において、信号CMP1を低電位から高電位に切り換える。上述したように、コンパレータ54は、短時間の間に繰り返し電位Vamp1が基準電位Vth1以上となるときには、信号CMP1を高電位に維持する。したがって、タイミングt5´以降(タイミングt5´からタイミングt6´の間の期間)において、コンパレータ54は、信号CMP1を高電位に維持する。これにより、制御回路30が、信号CMP1が高電位であることを検出する。そして、タイミングt6´において、制御回路30は、第1スイッチング素子11のゲートg1をグランドに接続し、ゲートg1を放電させる。このため、タイミングt6´以降に、ゲートg1の電位Vge1が低下し第1スイッチング素子11が完全にオフする。その後、タイミングt7´において、第1スイッチング素子11のゲートg1の放電が完了する。なお、タイミングt6´以降、制御回路30は、第2スイッチング素子12のゲートg2も同時に放電させる。そして、タイミングt6´以降に、ゲートg2の電位Vge2が低下し第2スイッチング素子12も完全にオフする。 At timing t4′, when the potential Vge1 reaches the target voltage, the first switching element 11 is turned on. Then, the above-mentioned oscillation phenomenon occurs in the first switching element 11 after the timing t4′ due to the shift in the on-timing of the first switching element 11 and the second switching element 12. That is, the potential Vge1 of the gate g1 periodically changes in a short time, and the first switching element 11 repeats on and off in a short time. Since the potential Vge1 greatly changes, the time change amount dVge1/dt of the potential Vge1 increases during this period. That is, the potential Vamp1 output from the operational amplifier 44 becomes high. The threshold value X described above is set to a value smaller than the time variation dVge1/dt of the potential Vge1 of the gate g1 when the oscillation phenomenon occurs. Therefore, the comparator 54 determines that the potential Vamp1 (time change amount dVge1/dt) is higher than the reference potential Vth1 (threshold value X). Therefore, the comparator 54 switches the signal CMP1 from the low potential to the high potential at the timing t5′. As described above, the comparator 54 maintains the signal CMP1 at a high potential when the repeated potential Vamp1 becomes equal to or higher than the reference potential Vth1 in a short time. Therefore, after the timing t5′ (the period between the timing t5′ and the timing t6′), the comparator 54 maintains the signal CMP1 at the high potential. As a result, the control circuit 30 detects that the signal CMP1 has a high potential. Then, at the timing t6′, the control circuit 30 connects the gate g1 of the first switching element 11 to the ground and discharges the gate g1. Therefore, after the timing t6′, the potential Vge1 of the gate g1 drops and the first switching element 11 is completely turned off. Then, at timing t7′, the discharge of the gate g1 of the first switching element 11 is completed. Note that after the timing t6′, the control circuit 30 also discharges the gate g2 of the second switching element 12 at the same time. Then, after the timing t6′, the potential Vge2 of the gate g2 is lowered and the second switching element 12 is also completely turned off.

以上に説明したように、スイッチング回路10では、発振現象が生じ始めたことを検出し、速やかにゲートg1の放電を開始することができる。このため、発振現象によりゲートg1の電位Vge1がスイッチング素子11の耐圧を超える前にゲートg1を放電することができる。また、第2スイッチング素子12に発振現象が生じた場合も上述した説明と同様に第1スイッチング素子11のゲートg1と第2スイッチング素子12のゲートg1を放電することができる。 As described above, the switching circuit 10 can detect that the oscillation phenomenon has started to occur and promptly start the discharge of the gate g1. Therefore, the gate g1 can be discharged before the potential Vge1 of the gate g1 exceeds the withstand voltage of the switching element 11 due to the oscillation phenomenon. Further, even when the oscillation phenomenon occurs in the second switching element 12, the gate g1 of the first switching element 11 and the gate g1 of the second switching element 12 can be discharged similarly to the above description.

上述したスイッチング回路10は、2個のスイッチング素子11、12が並列に接続されている構成を備えていた。しかしながら、本明細書が開示する技術は、3個以上のスイッチング素子が並列に接続されているスイッチング回路に適用することもできる。それぞれのスイッチング素子に対して、微分回路、比較回路を設けることで、それぞれのスイッチング素子に発振現象が生じた場合であっても、速やかにそれぞれのスイッチング素子のゲートを放電することができる。 The switching circuit 10 described above has a configuration in which the two switching elements 11 and 12 are connected in parallel. However, the technology disclosed in this specification can also be applied to a switching circuit in which three or more switching elements are connected in parallel. By providing a differentiating circuit and a comparing circuit for each switching element, the gate of each switching element can be quickly discharged even when an oscillation phenomenon occurs in each switching element.

また、スイッチング回路10では、コレクタからエミッタへ電流が流れるIGBTをスイッチング素子として用いた。しかしながら、本明細書が開示する技術は、IGBTに限られず、他のスイッチング素子(例えば、MOSFET)に適用することもできる。また、スイッチング素子は、PNP型でもNPN型でもよい。すなわち、エミッタからコレクタへ電流が流れるタイプのスイッチング素子に適用することもできる。 Moreover, in the switching circuit 10, the IGBT in which the current flows from the collector to the emitter is used as the switching element. However, the technology disclosed in this specification is not limited to the IGBT, and can be applied to other switching elements (for example, MOSFET). Further, the switching element may be of PNP type or NPN type. That is, it can also be applied to a switching element in which a current flows from the emitter to the collector.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described above in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in the present specification or the drawings exert technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technique illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of purposes at the same time, and achieving the one purpose among them has technical utility.

10:スイッチング回路
11:第1スイッチング素子
12:第2スイッチング素子
30:制御回路
41:第1微分回路
42:第2微分回路
51:第1比較回路
52:第2比較回路
10: switching circuit 11: first switching element 12: second switching element 30: control circuit 41: first differentiating circuit 42: second differentiating circuit 51: first comparing circuit 52: second comparing circuit

Claims (1)

第1スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子に対して並列に接続された第2スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子のゲートと前記第2スイッチング素子のゲートを充放電する制御回路と、
前記第1スイッチング素子の前記ゲートの電位の時間変化量を検出する第1微分回路と、
前記第2スイッチング素子の前記ゲートの電位の時間変化量を検出する第2微分回路、
を有し、
前記制御回路は、前記第1微分回路が検出する前記時間変化量と前記第2微分回路が検出する前記時間変化量の少なくとも一方が閾値以上となったときに、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子をオフさせ
前記閾値が、前記制御回路から前記第1スイッチング素子の前記ゲートと前記第2スイッチング素子の前記ゲートに供給される電流によって生じる前記第1スイッチング素子の前記ゲートの電位の時間変化量と前記第2スイッチング素子の前記ゲートの電位の時間変化量よりも大きい、
スイッチング回路。
A first switching element,
A second switching element connected in parallel with the first switching element;
A control circuit for charging and discharging the gate of the first switching element and the gate of the second switching element;
A first differentiating circuit for detecting a time change amount of the potential of the gate of the first switching element;
A second differentiating circuit for detecting a time change amount of the potential of the gate of the second switching element,
Have
The control circuit, when at least one of the time change amount detected by the first differentiating circuit and the time change amount detected by the second differentiating circuit becomes a threshold value or more, the first switching element and the first switching element. 2 Turn off the switching element ,
The threshold is a time change amount of the potential of the gate of the first switching element caused by a current supplied from the control circuit to the gate of the first switching element and the gate of the second switching element, and the second value. Greater than the time variation of the potential of the gate of the switching element,
Switching circuit.
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