JP6887393B2 - Power converter - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換用半導体素子を電力変換の主回路要素とする電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device in which a power conversion semiconductor element is used as a main circuit element for power conversion.

電力変換用パワー半導体素子は、モータドライブ用インバータや電力送配電用変換機器などの電力変換装置(「電力変換器」とも言う)の基幹部品として広く使用されている。パワー半導体素子は、一つの素子で、もしくは複数の素子の並列接続の構成で、パワー半導体モジュールに搭載され、電力変換器に組み込まれる。 Power semiconductor elements for power conversion are widely used as core components of power conversion devices (also referred to as "power converters") such as inverters for motor drives and conversion devices for power transmission and distribution. A power semiconductor element is mounted on a power semiconductor module and incorporated in a power converter with one element or a configuration in which a plurality of elements are connected in parallel.

近年では、電力変換器の性能向上に向けて、電力変換用パワー半導体素子に、低損失性と高速動作性の特長を有するシリコンカーバイド(Silicon Carbide: SiC)素子が用いられている。SiC素子はバンドギャップが広く、絶縁破壊耐圧がSiの10 倍程度高い特長があり、絶縁破壊電圧を等しく設計した場合に、電流経路となるチャネル半導体層の膜厚をSi素子より薄層化が可能であるため、非常に小さい導通時のオン抵抗値を実現できる。また、同一の耐圧で比較した場合にSi素子に対して空乏層幅が約1/10と短くキャリヤ走行長の短縮効果から10倍程度の高速スイッチングが可能である。 In recent years, in order to improve the performance of power converters, silicon carbide (SCI) devices, which have the features of low loss and high-speed operability, have been used as power semiconductor devices for power conversion. SiC devices have a wide bandgap and have a breakdown breakdown voltage that is about 10 times higher than that of Si. When the breakdown voltage is designed to be equal, the thickness of the channel semiconductor layer that serves as the current path can be made thinner than that of Si devices. Since it is possible, a very small on-resistance value at the time of conduction can be realized. Further, when compared with the same withstand voltage, the depletion layer width is as short as about 1/10 of that of the Si element, and high-speed switching of about 10 times is possible due to the effect of shortening the carrier traveling length.

従来、電力用スイッチングデバイスの低温動作時に、電力用スイッチングデバイスでの電力損失を低減する技術として、ゲート電圧制御/抵抗切替回路において、チャネル抵抗検出部での検出値に基づいて、トランジスタのチャネル抵抗の抵抗値を求め、該抵抗値に基づいて、電力用スイッチングデバイスのゲート電圧を制御する指示を駆動回路に与えるか、または、ターンオントランジスタに接続されたターンオン抵抗およびターンオフトランジスタに接続されたターンオフ抵抗の抵抗値を切り替える制御を行うものがあった(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a technique for reducing the power loss in the power switching device during low temperature operation of the power switching device, in the gate voltage control / resistance switching circuit, the channel resistance of the transistor is based on the value detected by the channel resistance detection unit. The resistance value of is obtained, and the drive circuit is instructed to control the gate voltage of the power switching device based on the resistance value, or the turn-on resistance connected to the turn-on transistor and the turn-off resistance connected to the turn-off transistor. There was one that controlled to switch the resistance value of (see, for example, Patent Document 1).

また、従来、ワイドギャップ半導体素子の損失の温度依存性を低減する駆動回路として、パワー半導体スイッチング素子の温度を検出し、その検出値に基づいてゲート駆動電圧またはゲート駆動抵抗を変化させるものがあった(例えば、特許文献2参照)。 Further, conventionally, as a drive circuit for reducing the temperature dependence of loss of a wide-gap semiconductor element, there is a drive circuit that detects the temperature of a power semiconductor switching element and changes the gate drive voltage or the gate drive resistance based on the detected value. (See, for example, Patent Document 2).

また、従来、スイッチング損失の温度領域依存性を決定するSiC−MOSFETの閾値電圧Vth等の温度依存性について、低温領域でVthが増大する傾向のあることが実験値として示されていた(例えば、非特許文献1参照)。 Further, conventionally, it has been shown as an experimental value that Vth tends to increase in the low temperature region with respect to the temperature dependence such as the threshold voltage Vth of the SiC-MOSFET that determines the temperature region dependence of the switching loss (for example). See Non-Patent Document 1).

また、従来、パワー半導体素子の特性の1つであるゲート・プラトー電圧VGPと負荷電流Iloadとの関係が定式化されていた(例えば、非特許文献2参照)。 Further, conventionally, the relationship between the gate plateau voltage VGP and the load current Iload, which is one of the characteristics of the power semiconductor element, has been formulated (see, for example, Non-Patent Document 2).

特開2016−52197号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-52197

特開2007−259576号公報JP-A-2007-259576

F. Jiang他, “Comparative study of temperature-dependent characteristics for SiC MOSFETs”, 2016 13th China International Forum on Solid State Lighting, pp.50-53F. Jiang et al., “Comparative study of temperature-dependent characteristics for SiC MOSFETs”, 2016 13th China International Forum on Solid State Lighting, pp.50-53

B. Jayant Baliga, “Fundamentals of Power Semiconductor Devices”, ISBN-10: 0387473130, pp.436-447B. Jayant Baliga, “Fundamentals of Power Semiconductor Devices”, ISBN-10: 0387473130, pp.436-447

電力変換器には省エネルギー下の観点から低消費電力であることが求められており、電力変換器が発生する電力損失の一部は、パワー半導体モジュールが消費する電力損失である。この電力損失は、定常電流が流れる流路で発生する抵抗性損失(導通損失)とスイッチング時の過渡電流と過渡電圧の乗算で発生するスイッチング損失(スイッチング損失)の和である。従って、パワー半導体モジュール、そして内部に搭載されるパワー半導体素子には低い電力損失であることが求められる。 The power converter is required to have low power consumption from the viewpoint of energy saving, and a part of the power loss generated by the power converter is the power loss consumed by the power semiconductor module. This power loss is the sum of the resistance loss (conduction loss) that occurs in the flow path through which the steady current flows and the switching loss (switching loss) that occurs by multiplying the transient current and transient voltage during switching. Therefore, the power semiconductor module and the power semiconductor element mounted inside are required to have low power loss.

SiCを適用したMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)型パワー半導体素子が電力変換器に応用された場合に発生する電力損失の温度依存性については、例えば、特許文献1に記載がある。特許文献1の段落0003に、温度上昇に伴ってオン電圧が増大し、従って電力損失の温度依存性を低減する制御方式が重要、との記載がある。また、特許文献1に、デバイス温度を下げると、ある温度まではオン電圧が温度と共に低下するが、さらに温度を下げると、再びオン電圧が増大するという特性を示す、との記載がある。上記の特許文献1の記載内容から、SiC−MOSFET型パワー半導体素子に生じる電力損失の温度依存性は、オン電圧、すなわち定常電流が流れる流路で発生する抵抗性損失に起因して発生し、温度領域の低温側と高温側で損失が増大することが明示されている。 The temperature dependency of power loss MOSFET according to the SiC (M etal O xide S emiconductor F ield E ffect T ransistor) type power semiconductor device occurs when it is applied to the power converter, for example, in Patent Document 1 There is a description. Paragraph 0003 of Patent Document 1 states that it is important to have a control method in which the on-voltage increases as the temperature rises and therefore the temperature dependence of power loss is reduced. Further, Patent Document 1 describes that when the device temperature is lowered, the on-voltage is lowered with the temperature up to a certain temperature, but when the temperature is further lowered, the on-voltage is increased again. From the contents of Patent Document 1 described above, the temperature dependence of the power loss that occurs in the SiC-MOSFET type power semiconductor element is caused by the on-voltage, that is, the resistance loss that occurs in the flow path through which the steady current flows. It is clearly shown that the loss increases on the low temperature side and the high temperature side of the temperature region.

特許文献2は、ワイドギャップ半導体素子の損失の温度依存性を低減する駆動回路を提供することを目的とした文献であり、特許文献2では、パワー半導体スイッチング素子の温度を検出し、その検出温度が所定の温度より高い場合には、ゲート駆動電圧を上昇させたり、ゲート駆動抵抗を小さくさせる、ことが記載されている。また、特許文献2には、パワーモジュール内の素子の温度が高い場合にゲート抵抗を小さくし、di/dtとdv/dtを高速化してパワー素子の損失を低減することができる、ことが記載されている。半導体素子の温度を検出する方式として、サーミスタを利用する方式や温度検出用ダイオードの電流電圧特性の温度依存性を利用する方式が開示されている。従って、特許文献2は、素子温度が高くなった場合に、スイッチング損失を低減することで素子の損失を減少させる方式の一例を記載している。 Patent Document 2 is a document for the purpose of providing a drive circuit for reducing the temperature dependence of loss of a wide-gap semiconductor element, and Patent Document 2 detects the temperature of a power semiconductor switching element and detects the detected temperature. It is described that when is higher than a predetermined temperature, the gate drive voltage is increased or the gate drive resistance is decreased. Further, Patent Document 2 describes that when the temperature of the element in the power module is high, the gate resistance can be reduced, di / dt and dv / dt can be increased in speed, and the loss of the power element can be reduced. Has been done. As a method for detecting the temperature of a semiconductor element, a method using a thermistor and a method using the temperature dependence of the current-voltage characteristic of a temperature detecting diode are disclosed. Therefore, Patent Document 2 describes an example of a method of reducing the element loss by reducing the switching loss when the element temperature becomes high.

上記の特許文献1および2から、SiC−MOSFET型パワー半導体素子で電力損失のうち、1)導通損失は低温領域と高温領域で損失が増大すること、2)素子が高温になった場合にはゲート抵抗を小さくすることでスイッチング時間を短縮し、電力損失のうちスイッチング損失を低減して素子の温度を下げる方式、が従来から公知であると言える。 From Patent Documents 1 and 2 described above, among the power losses of the SiC-MOSFET type power semiconductor element, 1) the conduction loss increases in the low temperature region and the high temperature region, and 2) when the element becomes high temperature. It can be said that a method of shortening the switching time by reducing the gate resistance and reducing the switching loss among the power losses to lower the temperature of the device has been conventionally known.

このように、電力変換装置において、SiC−MOSFET型パワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールを用いた場合には、素子温度が低温領域でスイッチング損失と導通損失が共に増大する問題がある。パワー半導体モジュールを複数台並列接続した場合には、モジュール間の特性ばらつきにより、前記のスイッチング損失と導通損失を併せた損失は複数のモジュール間で不均一に配分され、特定のパワー半導体モジュールで過電流が流れる場合や、急峻な温度上昇が発生する場合が生じ、パワー半導体モジュールの長期動作信頼性が低下する可能性がある。 As described above, when a power semiconductor module equipped with a SiC-MOSFET type power semiconductor element is used in the power conversion device, there is a problem that both the switching loss and the conduction loss increase in the low element temperature region. When a plurality of power semiconductor modules are connected in parallel, the loss including the switching loss and the conduction loss is unevenly distributed among the plurality of modules due to the variation in the characteristics between the modules, and the loss is excessive in a specific power semiconductor module. When a current flows or a steep temperature rise occurs, the long-term operation reliability of the power semiconductor module may decrease.

先に説明したように、SiC−MOSFET型パワー半導体素子は、MOSFET内の電流経路の抵抗の温度依存性があり、素子温度領域を低温、中間温度、高温の3領域に大別した場合に、低温領域と高温領域の抵抗値が高く、中間温度領域の抵抗値が低い特性を示す。SiC−MOSFET型パワー半導体素子をパワー半導体モジュールに用いた場合に、定常電流と抵抗によって決まる導通損失(Econd)の特性は、図8の上部に示す傾向を有し、低温領域から中間温度領域にかけて導通損失は減少し、中間温度領域から高温領域にかけて再び増加する。スイッチング損失(Esw)は、図8の下部に示す素子温度に対する傾向を有し、低温領域の損失が中間温度領域と高温領域の損失に比較して増大する傾向を示す。スイッチング頻度の多い電力変換器への応用では、スイッチング損失が支配的となる。このスイッチング損失の温度領域依存性は、SiC−MOSFETの閾値電圧Vth等の温度依存性により決定される。その支配要因であるVthの温度依存性については非特許文献1のFig.2に実験値が開示されており、低温領域でVthが増大する傾向が明示されている。 As described above, the SiC-MOSFET type power semiconductor device has a temperature dependence of the resistance of the current path in the MOSFET, and when the device temperature region is roughly divided into three regions of low temperature, intermediate temperature, and high temperature, It shows the characteristics that the resistance value in the low temperature region and the high temperature region is high and the resistance value in the intermediate temperature region is low. When a SiC-MOSFET type power semiconductor element is used in a power semiconductor module, the characteristics of conduction loss (Econd) determined by the steady current and resistance have the tendency shown in the upper part of FIG. 8 from the low temperature region to the intermediate temperature region. The conduction loss decreases and increases again from the intermediate temperature region to the high temperature region. The switching loss (Esw) has a tendency with respect to the element temperature shown in the lower part of FIG. 8, and shows a tendency that the loss in the low temperature region increases as compared with the loss in the intermediate temperature region and the high temperature region. Switching losses dominate in applications to power converters with high switching frequency. The temperature region dependence of this switching loss is determined by the temperature dependence such as the threshold voltage Vth of the SiC-MOSFET. Regarding the temperature dependence of Vth, which is the controlling factor, Fig. Experimental values are disclosed in No. 2, and the tendency for Vth to increase in the low temperature region is clarified.

低温領域では、図8に示したように導通損失Econdとスイッチング損失Eswの両方が増大傾向となる。この場合、電力変換装置の起動時や低温環境下での電力損失が増大してしまうため、素子温度が低温領域においても電力損失を低減することが必要である。また、SiC−MOSFET型パワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールを複数台用い、これらを並列接続して前記電力変換装置を構成する場合には、パワー半導体モジュール間の特性ばらつきにより前記の導通損失とスイッチング損失とを併せた損失は、複数のモジュール間で不均一となり、パワー半導体モジュールに搭載された複数のパワー半導体素子の素子温度が不均一になる。これにより、特定のパワー半導体モジュールやその内部で並列接続されたパワー半導体素子のうち一部に過電流が流れる場合や、急峻な温度変動が発生する場合が生じることから、パワー半導体モジュールの長期動作信頼性が低下する可能性がある。 In the low temperature region, both the conduction loss Econd and the switching loss Esw tend to increase as shown in FIG. In this case, since the power loss increases when the power conversion device is started or in a low temperature environment, it is necessary to reduce the power loss even when the element temperature is in a low temperature region. Further, when a plurality of power semiconductor modules equipped with SiC-MOSFET type power semiconductor elements are used and these are connected in parallel to form the power conversion device, the conduction loss is caused by the variation in characteristics between the power semiconductor modules. The loss combined with the switching loss becomes non-uniform among the plurality of modules, and the element temperature of the plurality of power semiconductor elements mounted on the power semiconductor module becomes non-uniform. As a result, an overcurrent may flow in a specific power semiconductor module or a part of the power semiconductor elements connected in parallel inside the specific power semiconductor module, or a steep temperature fluctuation may occur. Therefore, the long-term operation of the power semiconductor module may occur. It may reduce reliability.

SiC−MOSFET型パワー半導体素子の温度を検知してゲート駆動回路の電圧や抵抗を変化させる先行技術は、特許文献1および特許文献2に記載されている。 Prior arts for detecting the temperature of a SiC-MOSFET type power semiconductor element to change the voltage and resistance of a gate drive circuit are described in Patent Document 1 and Patent Document 2.

前記特許文献1の図1、図2、図5に示された回路構成には、電力変換器の主電流の流路となるスイッチング素子とは別のチャネル抵抗検出部18もしくは18Aを具備し、その検出値によってゲート駆動抵抗値やゲート駆動電圧を変化させることが示されている。前記特許文献1に記載の回路構成では、パワー半導体モジュール内にチャネル抵抗検出部からの電圧出力端子を追加で設けることが必要となり。更に前記主電流のスイッチング素子の面積の一部を割いてチャネル抵抗検出部に割り当てることから、スイッチング素子の面積が減少してしまう欠点がある。 The circuit configuration shown in FIGS. 1, 2, and 5 of Patent Document 1 includes a channel resistance detection unit 18 or 18A that is different from the switching element that serves as the main current flow path of the power converter. It has been shown that the gate drive resistance value and the gate drive voltage are changed according to the detected value. In the circuit configuration described in Patent Document 1, it is necessary to additionally provide a voltage output terminal from the channel resistance detection unit in the power semiconductor module. Further, since a part of the area of the switching element of the main current is allocated to the channel resistance detection unit, there is a drawback that the area of the switching element is reduced.

前記特許文献2では、素子の温度を検知する方法として、サーミスタと温度検出用ダイオードの例が記載されている。しかし、これら検出方法では、電気絶縁特性を確保するため検出素子がパワー半導体素子と離れた位置に設置されるため、実施のパワー半導体素子と温度差があり、かつ温度変動に対する時間応答性も異なる。従って、特許文献2で記載されたゲート抵抗の変更制御のタイミングのずれや抵抗値の変更量の過大、もしくは不足となる可能性がある。さらに、SiC−MOSFET型パワー半導体素子を用いた誘導性負荷に対するスイッチング動作では、前記のように高温領域でスイッチング損失は少なく、その電圧変化率(dv/dt)と電流変化率(di/dt)は低温領域に比較して高い。その上で更にゲート抵抗を小さくしてdv/dtとdi/dtを高くする場合、スイッチング過渡波形に生ずる高周波のスパイク雑音の強度が増し、電力変換器から発生する雑音の値が増大してしまう問題が生じる。 Patent Document 2 describes an example of a thermistor and a temperature detecting diode as a method of detecting the temperature of an element. However, in these detection methods, since the detection element is installed at a position away from the power semiconductor element in order to secure the electrical insulation characteristics, there is a temperature difference from the power semiconductor element to be implemented, and the time response to temperature fluctuation is also different. .. Therefore, there is a possibility that the timing of the gate resistance change control described in Patent Document 2 is deviated and the resistance value change amount is excessive or insufficient. Further, in the switching operation for an inductive load using a SiC-MOSFET type power semiconductor element, the switching loss is small in the high temperature region as described above, and the voltage change rate (dv / dt) and the current change rate (di / dt) are small. Is higher than in the low temperature region. If the gate resistance is further reduced and the dv / dt and di / dt are increased, the intensity of the high-frequency spike noise generated in the switching transient waveform increases, and the value of the noise generated from the power converter increases. Problems arise.

従って、前記の先行技術が有する課題を克服するために為されたものであり、パワー半導体モジュールに搭載したSiC−MOSFET型パワー半導体素子の素子温度を素子の電気特性から検知し、前記検知結果に基づき素子の低温領域で発生する電力損失のうち、スイッチング損失を低減することが課題となる。 Therefore, this was done in order to overcome the problems of the above-mentioned prior art, and the element temperature of the SiC-MOSFET type power semiconductor element mounted on the power semiconductor module is detected from the electrical characteristics of the element, and the detection result is obtained. Therefore, among the power losses generated in the low temperature region of the device, it is an issue to reduce the switching loss.

本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明の電力変換装置は、複数のパワー半導体モジュールと、複数のゲート駆動回路とを備えた電力変換装置であって、前記複数のパワー半導体モジュールは、上アームのパワー半導体と下アームのパワー半導体とを共通のモジュールにて一体的に、または別々のモジュールにて個別に有し、前記上アームのパワー半導体と前記下アームのパワー半導体とはハーフブリッジ回路を構成し、前記上アームのパワー半導体のドレイン端子は高電位端子であり、前記上アームのパワー半導体のソース端子と前記下アームのパワー半導体のドレイン端子とは中間電位端子に共通に接続され、前記下アームのパワー半導体のソース端子は低電位端子であり、前記上アームのパワー半導体および前記下アームのパワー半導体のゲート端子およびソースセンス端子は、それぞれ、ゲート配線とソースセンス配線とを介して、上アーム用の前記ゲート駆動回路および下アーム用の前記ゲート駆動回路と互いに接続され、前記複数のゲート駆動回路の各々は、ゲート駆動電圧を出力するゲート駆動端子と、前記ゲート駆動端子の電位の基準電位を出力するソースセンス駆動端子と、前記ゲート駆動電圧を構成する高電位側電位が印加される第1の電源端子と、前記ゲート駆動電圧を構成する低電位側電位が印加される第2の電源端子と、前記ゲート駆動電圧を制御する駆動制御信号端子と、ゲート電圧閾値検知判定回路と、第1のゲート抵抗切替回路と第2のゲート抵抗切替回路とを含む2つ以上のゲート抵抗切替回路と、前記第1のゲート抵抗切替回路に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオン時用ゲート抵抗と、前記第2のゲート抵抗切替回路に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオフ時用ゲート抵抗とを具備し、前記ゲート電圧閾値検知判定回路は、前記パワー半導体のゲート電圧を入力するための第1の入力端子と、前記パワー半導体のソース電圧を入力するための第2の入力端子とを有し、前記ソースセンス駆動端子に前記第2の入力端子が接続され、前記ゲート駆動回路の前記第1の電源端子および前記ゲート駆動回路の前記第2の電源端子にそれぞれ前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第1の電源端子および前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第2の電源端子が接続され、前記ゲート駆動回路の前記駆動制御信号端子に制御参照信号端子が接続され、前記第1のゲート抵抗切替回路の制御信号端子に第1の出力端子が接続され、前記第2のゲート抵抗切替回路の制御信号端子に第2の出力端子が接続され、前記第1の入力端子と前記第2の入力端子との間の電位差である入力端子間電圧と、前記制御参照信号端子の電位とに基づき、前記第1のゲート抵抗切替回路の制御信号端子および前記第2のゲート抵抗切替回路の制御信号端子の少なくともいずれか一方に、ゲート抵抗の値の切り替え指示を与えることを特徴とする。 The present invention includes a plurality of means for solving the above problems. For example, the power conversion device of the present invention is a power conversion device including a plurality of power semiconductor modules and a plurality of gate drive circuits. The plurality of power semiconductor modules have the power semiconductor of the upper arm and the power semiconductor of the lower arm integrally in a common module or individually in separate modules, and the power of the upper arm. The semiconductor and the power semiconductor of the lower arm form a half-bridge circuit, the drain terminal of the power semiconductor of the upper arm is a high potential terminal, and the source terminal of the power semiconductor of the upper arm and the power semiconductor of the lower arm. The drain terminal is commonly connected to the intermediate potential terminal, the source terminal of the power semiconductor of the lower arm is a low potential terminal, and the gate terminal and source sense terminal of the power semiconductor of the upper arm and the power semiconductor of the lower arm are The gate drive circuit for the upper arm and the gate drive circuit for the lower arm are connected to each other via the gate wiring and the source sense wiring, respectively, and each of the plurality of gate drive circuits applies a gate drive voltage. The gate drive terminal to output, the source sense drive terminal to output the reference potential of the potential of the gate drive terminal, the first power supply terminal to which the high potential side potential constituting the gate drive voltage is applied, and the gate drive. A second power supply terminal to which a low potential side potential constituting a voltage is applied, a drive control signal terminal for controlling the gate drive voltage, a gate voltage threshold detection determination circuit, a first gate resistance switching circuit, and a second gate resistance switching circuit. Two or more gate resistance switching circuits including the gate resistance switching circuit of the above, a turn-on gate resistance connected to the first gate resistance switching circuit and having a resistance variable function, and the second gate. The gate voltage threshold detection determination circuit includes a turn-off gate resistor connected to a resistance switching circuit and having a resistance variable function, and the gate voltage threshold detection determination circuit is a first input terminal for inputting a gate voltage of the power semiconductor. And a second input terminal for inputting the source voltage of the power semiconductor, the second input terminal is connected to the source sense drive terminal, and the first power supply terminal of the gate drive circuit is connected. The first power supply terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit and the second power supply terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit are connected to the second power supply terminal of the gate drive circuit, respectively. To the drive control signal terminal The control reference signal terminal is connected, the first output terminal is connected to the control signal terminal of the first gate resistance switching circuit, and the second output terminal is connected to the control signal terminal of the second gate resistance switching circuit. The control signal of the first gate resistance switching circuit is based on the voltage between the input terminals, which is the potential difference between the first input terminal and the second input terminal, and the potential of the control reference signal terminal. It is characterized in that at least one of the terminal and the control signal terminal of the second gate resistance switching circuit is instructed to switch the value of the gate resistance.

本発明によれば、スイッチング損失の低温での増大を抑制して電力変換装置全体の損失を低減することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to suppress an increase in switching loss at a low temperature and reduce the loss of the entire power conversion device.

本発明の電力変換装置の第1の実施形態である実施例1の構成を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the structure of Example 1 which is 1st Embodiment of the power conversion apparatus of this invention. 本発明の実施例1から得られるターンオン時過渡応答波形を示す図である。It is a figure which shows the transient response waveform at the time of turn-on obtained from Example 1 of this invention. 本発明の実施例1から得られるターンオフ時過渡応答波形を示す図である。It is a figure which shows the transient response waveform at the time of turn-off obtained from Example 1 of this invention. 本発明の実施例1から得られる過渡応答波形と、同一の素子温度の従来構成を用いて得られる過渡応答波形との比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the transient response waveform obtained from Example 1 of this invention, and the transient response waveform obtained by using the conventional structure of the same element temperature. 本発明の電力変換装置の第1乃至第3の実施例を用いて得られるスイッチング損失の低減効果に関し、負荷電流による影響を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the influence by load current with respect to the effect of reducing the switching loss obtained by using the 1st to 3rd Examples of the power conversion apparatus of this invention. 本発明の電力変換装置の第2の実施形態である実施例2の構成を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the structure of Example 2 which is 2nd Embodiment of the power conversion apparatus of this invention. 本発明の電力変換装置の第3の実施形態であって、ゲート電圧閾値検知判定回路の部分の内部構成を具体化した電力変換装置の一実施例である実施例3の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of Example 3, which is the 3rd Embodiment of the power conversion device of this invention, which is one Example of the power conversion device which embodies the internal structure of the part of the gate voltage threshold voltage detection determination circuit. .. SiC−MOSFET型パワー半導体素子を適用したパワー半導体モジュールを搭載する一般的な電力変換装置のエネルギー損失(導通損失およびスイッチング損失)の素子温度依存性を示すグラフ図である。It is a graph which shows the element temperature dependence of the energy loss (conduction loss and switching loss) of the general power conversion apparatus which mounts the power semiconductor module which applied the SiC-MOSFET type power semiconductor element. パワー半導体モジュールとゲート駆動回路とを含む従来の電力変換装置の回路形式を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the circuit form of the conventional power conversion apparatus which includes a power semiconductor module and a gate drive circuit. 従来の電力変換装置に搭載されたパワー半導体モジュールのターンオン時過渡応答波形を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the transient response waveform at the time of turn-on of the power semiconductor module mounted on the conventional power conversion device. 従来の電力変換装置に搭載されたパワー半導体モジュールのターンオン時過渡応答波形の温度依存性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the temperature dependence of the transient response waveform at the time of turn-on of the power semiconductor module mounted on the conventional power conversion device. 従来の電力変換装置に搭載されたパワー半導体モジュールのターンオフ時過渡応答波形の温度依存性の原因の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the cause of the temperature dependence of the transient response waveform at the time of turn-off of the power semiconductor module mounted on the conventional power conversion device. 従来の電力変換装置に搭載されたパワー半導体モジュールのゲート・プラトー期間中のゲート・ソースセンス端子間電圧の素子温度依存性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the element temperature dependence of the voltage between the gate source sense terminal during the gate plateau period of the power semiconductor module mounted on the conventional power conversion apparatus.

本発明の電力変換装置は、パワー半導体モジュールを用いたハーフブリッジ回路を構成し、前記パワー半導体モジュールを駆動するゲート駆動回路は、ゲート電圧閾値検知判定回路とゲート抵抗切り替え回路と抵抗可変機能を備えたゲート抵抗を備える。前記ゲート電圧閾値検知判定回路は、パワー半導体モジュールのゲート・ソースセンス端子間電圧を入力信号として、内蔵するゲート電圧閾値生成回路の閾値電圧を基準にゲート・ソースセンス端子間電圧のレベル比較をしてパワー半導体モジュール内部のSiC−MOSFET型パワー半導体素子の素子温度の高低を判定し、低温領域であればゲート切り替え回路の制御信号端子に切り替え信号を送信し、ゲート抵抗値を変更制御する。 The power conversion device of the present invention constitutes a half-bridge circuit using a power semiconductor module, and the gate drive circuit for driving the power semiconductor module includes a gate voltage threshold detection determination circuit, a gate resistance switching circuit, and a resistance variable function. It is equipped with a gate resistor. The gate voltage threshold detection determination circuit uses the gate-source sense terminal voltage of the power semiconductor module as an input signal and compares the gate-source sense terminal voltage levels with reference to the threshold voltage of the built-in gate voltage threshold generation circuit. The high and low of the element temperature of the SiC-MOSFET type power semiconductor element inside the power semiconductor module is determined, and if it is in the low temperature region, a switching signal is transmitted to the control signal terminal of the gate switching circuit to change and control the gate resistance value.

以下、本発明の電力変換装置の実施形態の例を、各実施例として、図面を用いて説明する。 Hereinafter, examples of embodiments of the power conversion device of the present invention will be described with reference to the drawings as examples.

《全体回路構成の一例》
図1に本発明の第1の実施形態である実施例1に係る電力変換装置の構成を示す。本実施例に係る電力変換装置は、複数のパワー半導体モジュール1a−n、1b−n(nは互いに並列接続された複数のパワー半導体モジュールの並列数を最大値とする任意の自然数。以下、同様。)と、複数のゲート駆動回路2a、2bとを備えた電力変換装置である。
<< Example of overall circuit configuration >>
FIG. 1 shows the configuration of the power conversion device according to the first embodiment of the present invention. The power conversion device according to the present embodiment is an arbitrary natural number having a maximum number of parallel power semiconductor modules 1a-n and 1b-n (n is a plurality of power semiconductor modules connected in parallel to each other as a maximum value. ) And a power conversion device including a plurality of gate drive circuits 2a and 2b.

複数のパワー半導体モジュールは、上アームのパワー半導体11(図中の2つのパワー半導体11のうち上側のパワー半導体11)と下アームのパワー半導体11(図中の2つのパワー半導体11のうち下側のパワー半導体11)とを共通のモジュールにて一体的に、または別々のモジュールにて個別に有して構成される。つまり、図1では上アームのパワー半導体11と下アームのパワー半導体11とが互いに別々のパワー半導体モジュールに搭載される、すなわち、それぞれ上側のパワー半導体モジュール11a−nと下側のパワー半導体モジュール11b−nとに搭載される形態を示しているが、本発明はこの形態に限定されず、例えば、上アームのパワー半導体11と下アームのパワー半導体11とが互いに共通のパワー半導体モジュールに一体的に搭載される形態(図示せず)も本発明の範囲に含まれる。 The plurality of power semiconductor modules include an upper arm power semiconductor 11 (upper power semiconductor 11 of the two power semiconductors 11 in the figure) and a lower arm power semiconductor 11 (lower side of the two power semiconductors 11 in the figure). The power semiconductor 11) of the above is integrally provided by a common module, or is individually provided by a separate module. That is, in FIG. 1, the power semiconductor 11 of the upper arm and the power semiconductor 11 of the lower arm are mounted on separate power semiconductor modules, that is, the upper power semiconductor module 11a-n and the lower power semiconductor module 11b, respectively. Although the form mounted on −n is shown, the present invention is not limited to this form, and for example, the power semiconductor 11 of the upper arm and the power semiconductor 11 of the lower arm are integrated into a power semiconductor module common to each other. The form (not shown) mounted on the device is also included in the scope of the present invention.

上アームのパワー半導体11と下アームのパワー半導体11とはハーフブリッジ回路を構成する。上アームのパワー半導体11のドレイン端子D1は高電位端子である。上アームのパワー半導体のソース端子S1と下アームのパワー半導体のドレイン端子D2とは中間電位端子に共通に接続される。下アームのパワー半導体のソース端子S2は低電位端子である。 The power semiconductor 11 of the upper arm and the power semiconductor 11 of the lower arm form a half-bridge circuit. The drain terminal D1 of the power semiconductor 11 of the upper arm is a high potential terminal. The source terminal S1 of the power semiconductor of the upper arm and the drain terminal D2 of the power semiconductor of the lower arm are commonly connected to the intermediate potential terminal. The source terminal S2 of the power semiconductor of the lower arm is a low potential terminal.

上アームのパワー半導体11および下アームのパワー半導体11のゲート端子G1、G2、およびソースセンス端子Ss1、Ss2は、それぞれ、ゲート配線41とソースセンス配線42とを介して、上アーム用のゲート駆動回路2aおよび下アーム用のゲート駆動回路2bと互いに接続される。 The gate terminals G1 and G2 of the upper arm power semiconductor 11 and the lower arm power semiconductor 11 and the source sense terminals Ss1 and Ss2 are gate-driven for the upper arm via the gate wiring 41 and the source sense wiring 42, respectively. It is connected to the circuit 2a and the gate drive circuit 2b for the lower arm.

複数のゲート駆動回路2a、2bの各々は、ゲート駆動電圧を出力するゲート駆動端子G0と、ゲート駆動端子G0の電位の基準電位を出力するソースセンス駆動端子Ss0と、ゲート駆動電圧を構成する高電位側電位が印加される第1の電源端子GSHと、ゲート駆動電圧を構成する低電位側電位が印加される第2の電源端子GSLと、ゲート駆動電圧を制御する駆動制御信号端子SIGと、ゲート電圧閾値検知判定回路3と、第1のゲート抵抗切替回路28と第2のゲート抵抗切替回路29とを含む2つ以上のゲート抵抗切替回路と、第1のゲート抵抗切替回路28に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオン時用ゲート抵抗33と、第2のゲート抵抗切替回路29に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオフ時用ゲート抵抗34とを具備する。 Each of the plurality of gate drive circuits 2a and 2b comprises a gate drive terminal G0 that outputs a gate drive voltage, a source sense drive terminal Ss0 that outputs a reference potential of the potential of the gate drive terminal G0, and a high gate drive voltage. The first power supply terminal GSH to which the potential side potential is applied, the second power supply terminal GSL to which the low potential side potential constituting the gate drive voltage is applied, and the drive control signal terminal SIG for controlling the gate drive voltage. Connected to a gate voltage threshold detection determination circuit 3, two or more gate resistance switching circuits including a first gate resistance switching circuit 28 and a second gate resistance switching circuit 29, and a first gate resistance switching circuit 28. It also includes a turn-on gate resistance 33 having a variable resistance function, and a turn-off gate resistance 34 connected to the second gate resistance switching circuit 29 and having a variable resistance function.

ゲート電圧閾値検知判定回路3は、パワー半導体11のゲート電圧を入力するための第1の入力端子G0と、パワー半導体11のソース電圧を入力するための第2の入力端子Ss0とを有する。ソースセンス駆動端子Ss0には第2の入力端子Ss0が接続される。ゲート駆動回路2a、2bの第1の電源端子GSHおよびゲート駆動回路2a、2bの第2の電源端子GSLにはそれぞれゲート電圧閾値検知判定回路3の第1の電源端子GSHおよびゲート電圧閾値検知判定回路3の第2の電源端子GSLが接続される。ゲート駆動回路2a、2bの駆動制御信号端子SIGには制御参照信号端子SIGが接続される。第1のゲート抵抗切替回路28の制御信号端子には第1の出力端子CNTONが接続され、第2のゲート抵抗切替回路29の制御信号端子には第2の出力端子DNTOFFが接続される。以上の接続関係により、ゲート電圧閾値検知判定回路3は、第1の入力端子G0と第2の入力端子Ss0との間の電位差である入力端子間電圧と、制御参照信号端子SIGの電位とに基づき、第1のゲート抵抗切替回路28の制御信号端子および第2のゲート抵抗切替回路29の制御信号端子の少なくともいずれか一方に、すなわち、ターンオン時には第1のゲート抵抗切替回路28の制御信号端子に、ダーンオフ時には第2のゲート抵抗切替回路29の制御信号端子に、ゲート抵抗の値の切り替え指示を与える動作を行う。 The gate voltage threshold detection determination circuit 3 has a first input terminal G0 for inputting the gate voltage of the power semiconductor 11 and a second input terminal Ss0 for inputting the source voltage of the power semiconductor 11. A second input terminal Ss0 is connected to the source sense drive terminal Ss0. The first power supply terminal GSH of the gate drive circuits 2a and 2b and the second power supply terminal GSL of the gate drive circuits 2a and 2b have the first power supply terminal GSH of the gate voltage threshold detection determination circuit 3 and the gate voltage threshold detection determination determination, respectively. The second power supply terminal GSL of the circuit 3 is connected. A control reference signal terminal SIG is connected to the drive control signal terminal SIG of the gate drive circuits 2a and 2b. A first output terminal CNT is connected to the control signal terminal of the first gate resistance switching circuit 28, and a second output terminal DTOFF is connected to the control signal terminal of the second gate resistance switching circuit 29. Based on the above connection relationship, the gate voltage threshold detection determination circuit 3 sets the voltage between the input terminals, which is the potential difference between the first input terminal G0 and the second input terminal Ss0, and the potential of the control reference signal terminal SIG. Based on this, at least one of the control signal terminal of the first gate resistance switching circuit 28 and the control signal terminal of the second gate resistance switching circuit 29, that is, the control signal terminal of the first gate resistance switching circuit 28 at the time of turn-on. At the time of dawn off, the control signal terminal of the second gate resistance switching circuit 29 is instructed to switch the value of the gate resistance.

本実施例に係る電力変換装置は、図9に示す従来の電力変換装置の構成に加え、ゲート駆動回路2内部に、ゲート電圧閾値検知判定回路3、第1の抵抗切替スイッチ素子28、第2の抵抗切替スイッチ素子29、ゲート駆動抵抗RgON2(33)、およびゲート駆動抵抗RgOFF2(34)を具備した構成である。図9に示す従来の電力変換装置の構成については後述する。 In the power conversion device according to the present embodiment, in addition to the configuration of the conventional power conversion device shown in FIG. 9, the gate voltage threshold detection determination circuit 3, the first resistance changeover switch element 28, and the second are inside the gate drive circuit 2. The configuration includes the resistance changeover switch element 29, the gate drive resistance RgON2 (33), and the gate drive resistance RgOFF2 (34). The configuration of the conventional power conversion device shown in FIG. 9 will be described later.

本実施例に係る電力変換装置の構成は、ゲート電圧閾値検知判定回路3の端子CNTONおよびCNTOFFから出力される電圧値に応じて抵抗切替スイッチ素子28および29のスイッチが開閉され、ゲート駆動抵抗RgON2およびゲート駆動抵抗RgOFF2の抵抗値がゲート駆動抵抗として動作するか、スイッチ素子により短絡されて無効となるかを切り替えることが可能な構成である。ターンオンスイッチングの場合には、ゲート駆動電圧VGSHが印加されている端子GSHからゲート駆動回路出力端子G0までの経路ではゲート駆動抵抗RgON1とRgON2の値を加えたゲート駆動抵抗が発生する。後述するゲート電圧閾値検知判定回路3の動作によっては、抵抗切替スイッチ素子28が短絡し、実効のゲート駆動抵抗値はRgON1+RgON2の和からRgON1へ低減できる。同様に、ターンオフスイッチングの場合には、ゲート駆動電圧VGSLが印加されている端子GSLからゲート駆動回路出力端子G0までの経路にて、ゲート駆動抵抗RgOFF1とRgOFF2の和のゲート駆動抵抗が発生する。ゲート電圧閾値検知判定回路3の出力信号制御によって、抵抗切替スイッチ素子29が短絡し、実効のゲート駆動抵抗はRgOFF1+RgOFF2の和からRgOFF1の値のみに低減できる。 In the configuration of the power conversion device according to the present embodiment, the switches of the resistance changeover switch elements 28 and 29 are opened and closed according to the voltage values output from the terminals CNT and CNTOFF of the gate voltage threshold detection determination circuit 3, and the gate drive resistance RgON2 The configuration is such that the resistance value of the gate drive resistor RgOFF2 can be switched between operating as a gate drive resistor and being short-circuited by a switch element and invalidated. In the case of turn-on switching, a gate drive resistor obtained by adding the values of the gate drive resistors RgON1 and RgON2 is generated in the path from the terminal GSH to which the gate drive voltage VGSH is applied to the gate drive circuit output terminal G0. Depending on the operation of the gate voltage threshold value detection determination circuit 3 described later, the resistance changeover switch element 28 is short-circuited, and the effective gate drive resistance value can be reduced from the sum of RgON1 + RgON2 to RgON1. Similarly, in the case of turn-off switching, a gate drive resistor that is the sum of the gate drive resistors RgOFF1 and RgOFF2 is generated in the path from the terminal GSL to which the gate drive voltage VGSL is applied to the gate drive circuit output terminal G0. By controlling the output signal of the gate voltage threshold detection determination circuit 3, the resistance changeover switch element 29 is short-circuited, and the effective gate drive resistance can be reduced from the sum of RgOFF1 + RgOFF2 to only the value of RgOFF1.

ゲート電圧閾値検知判定回路3は、ゲート端子G0とソースセンス端子Ss0の差電位を入力とし、内部に予め設定された判定閾値電圧VGPRgと比較判定を行い、判定結果によってターンオン用ゲート駆動抵抗の制御信号CNTONとターンオフ用ゲート駆動抵抗の制御信号CNTOFFを変化させる。また、ゲート駆動回路2自体の制御信号SIGをモニタすることによって、その制御信号の出力を有効化と無効化の2状態に切り替える機能を有する。この制御信号CNTONおよびCNTOFFの無効化は、ゲート端子G0の電位にノイズが乗った場合やOFF状態を保持する期間でゲート電圧閾値検知判定回路3が誤動作することを防止する。 The gate voltage threshold detection determination circuit 3 receives the difference potential between the gate terminal G0 and the source sense terminal Ss0 as an input, performs a comparison determination with the determination threshold voltage VGPRg set in advance, and controls the turn-on gate drive resistance according to the determination result. The control signal CNTOFF of the signal CNT and the turn-off gate drive resistance is changed. Further, by monitoring the control signal SIG of the gate drive circuit 2 itself, it has a function of switching the output of the control signal into two states of enabling and disabling. Disabling the control signals CNT and CNT OFF prevents the gate voltage threshold value detection determination circuit 3 from malfunctioning when noise is added to the potential of the gate terminal G0 or during the period in which the OFF state is held.

《従来回路の構成》
図9に、本実施例に係る電力変換装置の基礎をなす従来の電力変換器の構成を示す。電力変換器の主回路は、パワー半導体モジュール1、ゲート駆動回路2、電源51、負荷インダクタンス52(Lload)、によって構成される。
<< Configuration of conventional circuit >>
FIG. 9 shows the configuration of a conventional power converter that forms the basis of the power converter according to the present embodiment. The main circuit of the power converter is composed of a power semiconductor module 1, a gate drive circuit 2, a power supply 51, and a load inductance 52 (Lload).

パワー半導体モジュール1は1アーム構成で示しており、複数のモジュール(1a−1〜1a−3、1b−1〜1b−3)を並列接続し、ハーフブリッジを構成するために上アーム用パワー半導体モジュール1aと下アーム用モジュール1bとを縦続に接続する構成をとる。電源51は、上アーム用モジュール1aのドレイン端子D1と下アームモジュール1bのソース端子S2との間に接続される。負荷インダクタンス52は、電流の流入および流出に応じて、等価的に下アーム用モジュールのS2端子に接続する場合があるが、本明細書では、上アーム用モジュールのD1端子に接続する場合を用いて説明する。尚、上記パワー半導体モジュール、電源、負荷インダクタンス間の接続には大電流を流すことのできるバスバーが用いられるが、図9では表記を割愛する。 The power semiconductor module 1 is shown in a one-arm configuration, and a plurality of modules (1a-1 to 1a-3, 1b-1 to 1b-3) are connected in parallel to form a half bridge. The module 1a and the lower arm module 1b are connected in a longitudinal manner. The power supply 51 is connected between the drain terminal D1 of the upper arm module 1a and the source terminal S2 of the lower arm module 1b. The load inductance 52 may be equivalently connected to the S2 terminal of the lower arm module according to the inflow and outflow of the current, but in this specification, the case of connecting to the D1 terminal of the upper arm module is used. I will explain. A bus bar capable of passing a large current is used for the connection between the power semiconductor module, the power supply, and the load inductance, but the notation is omitted in FIG.

パワー半導体モジュール1のスイッチング動作の制御のために、ゲート駆動回路2を用いる。上アーム用ゲート駆動回路2aは、電源端子GSHとGSL、駆動制御信号端子SIG、ゲート駆動端子G0とソースセンス端子Ss0を有し、ゲート配線41とソースセンス配線42を介して、パワー半導体モジュール1aのゲート端子G1とソースセンス端子Ss1と接続する。下アーム用ゲート駆動回路2bは、ゲート配線41とソースセンス配線42を介して、パワー半導体モジュール1bのゲート端子G2とソースセンス端子Ss2と接続される。 A gate drive circuit 2 is used to control the switching operation of the power semiconductor module 1. The upper arm gate drive circuit 2a has a power supply terminal GSH and GSL, a drive control signal terminal SIG, a gate drive terminal G0 and a source sense terminal Ss0, and is a power semiconductor module 1a via a gate wiring 41 and a source sense wiring 42. The gate terminal G1 and the source sense terminal Ss1 are connected. The lower arm gate drive circuit 2b is connected to the gate terminal G2 and the source sense terminal Ss2 of the power semiconductor module 1b via the gate wiring 41 and the source sense wiring 42.

ゲート駆動回路2の電源端子GSHとGSLの端子間には駆動回路2が動作可能な所定の電源電圧を印加する。駆動制御信号端子SIGには、上アーム用制御信号Vsigaと下アーム用制御信号Vsigbの別の制御信号を印加してスイッチング動作を制御する。 A predetermined power supply voltage capable of operating the drive circuit 2 is applied between the power supply terminal GSH and the GSL terminal of the gate drive circuit 2. The switching operation is controlled by applying different control signals of the upper arm control signal Vsiga and the lower arm control signal Vsigb to the drive control signal terminal SIG.

パワー半導体モジュール1は、1つ以上のSiC−MOSFET型パワー半導体素子11と、1つ以上の還流用ダイオード素子12、によって構成する。前記パワー半導体素子11のドレインをドレイン端子D1に接続し、前記パワー半導体素子11のソースをソース端子S1に接続する。パワー半導体モジュールの電流定格が、パワー半導体素子11と還流用ダイオード素子12の定格を超える場合には、複数の素子を用いて並列接続される。 The power semiconductor module 1 is composed of one or more SiC-MOSFET type power semiconductor elements 11 and one or more return diode elements 12. The drain of the power semiconductor element 11 is connected to the drain terminal D1, and the source of the power semiconductor element 11 is connected to the source terminal S1. When the current rating of the power semiconductor module exceeds the rating of the power semiconductor element 11 and the return diode element 12, a plurality of elements are used and connected in parallel.

ゲート端子G1(G2)には、前記パワー半導体素子11のゲートを接続し、前記G1(G2)と対になってゲート駆動電圧が印加されるソースセンス端子Ss1(Ss2)は前記パワー半導体素子11のソースに接続される。 The gate of the power semiconductor element 11 is connected to the gate terminal G1 (G2), and the source sense terminal Ss1 (Ss2) to which the gate drive voltage is applied in pairs with the G1 (G2) is the power semiconductor element 11. Connected to the source of.

ゲート駆動回路2は、分圧回路21と分圧回路22、分圧コンデンサ23と分圧コンデンサ24、駆動信号制御回路25、高電位側スイッチ素子26と低電位側スイッチ素子27、ターンオン用ゲート駆動抵抗RgON1(31)とターンオフ用ゲート駆動抵抗RgOFF1(32)、によって構成する。前記分圧回路21と分圧回路22、分圧コンデンサ23と分圧コンデンサ24は、前記ゲート駆動回路2の電源端子GSHとGSL間に印可される電圧VGDを分圧して、ソースセンス端子Ss0の電位VSs0を決定する。駆動信号制御回路25は、前記駆動制御信号端子SIGに入力された制御信号電圧VSIGを入力信号とし、高電位側スイッチ素子26と低電位側スイッチ素子27の制御端子を駆動する。ターンオン用ゲート駆動抵抗RgON1(31)とターンオフ用ゲート駆動抵抗RgOFF1(32)と、前記スイッチ素子26およびスイッチ素子27は、前記端子GSHと端子GSLの間に図9に示すように直列接続されており、前記高電位側スイッチ素子26と低電位側スイッチ素子27とを接続する節点を前記ゲート駆動端子G0とする。駆動信号制御回路25により高電位側スイッチ素子26がオフ(解放)からオン(閉鎖)、低電位側スイッチ素子27がオンからオフへ変化した場合には、端子G0は、抵抗RgOFF1を介してVGSLに接続した状態から、抵抗RgON1を介してVGSHへと状態を変化し、パワー半導体モジュールをターンオン動作させる。ターンオフ動作する場合には逆の制御を行い、高電位側スイッチ素子26がオンからオフ、低電位側スイッチ素子27がオフからオンへ変化した場合には、端子G0は、抵抗RgON1を介してVGSHへ接続した状態から、抵抗RgOFF1を介してVGSLに接続した状態へと変化する。 The gate drive circuit 2 includes a voltage dividing circuit 21, a voltage dividing circuit 22, a voltage dividing capacitor 23 and a voltage dividing capacitor 24, a drive signal control circuit 25, a high potential side switch element 26 and a low potential side switch element 27, and a turn-on gate drive. It is composed of a resistor RgON1 (31) and a turn-off gate drive resistor RgOFF1 (32). The voltage dividing circuit 21, the voltage dividing circuit 22, the voltage dividing capacitor 23, and the voltage dividing capacitor 24 divide the voltage VGD applied between the power supply terminals GSH and GSL of the gate drive circuit 2 and divide the voltage VGD applied between the power supply terminals GSH and GSL to the source sense terminal Ss0. The potential VSs0 is determined. The drive signal control circuit 25 uses the control signal voltage VSIG input to the drive control signal terminal SIG as an input signal to drive the control terminals of the high potential side switch element 26 and the low potential side switch element 27. The turn-on gate drive resistor RgON1 (31), the turn-off gate drive resistor RgOFF1 (32), the switch element 26 and the switch element 27 are connected in series between the terminal GSH and the terminal GSL as shown in FIG. The node connecting the high potential side switch element 26 and the low potential side switch element 27 is designated as the gate drive terminal G0. When the high potential side switch element 26 is changed from off (release) to on (closed) by the drive signal control circuit 25 and the low potential side switch element 27 is changed from on to off, the terminal G0 is VGSL via the resistor RgOFF1. The state is changed from the state of being connected to VGSH to VGSH via the resistor RgON1, and the power semiconductor module is turned on. In the case of turn-off operation, the reverse control is performed, and when the high potential side switch element 26 changes from on to off and the low potential side switch element 27 changes from off to on, the terminal G0 is VGSH via the resistor RgON1. It changes from the state of being connected to VGSL to the state of being connected to VGSL via the resistor RgOFF1.

《従来回路の過渡波形》
図10を用いて、過渡波形の動作を説明する。パワー半導体モジュール1aはオフ状態を保ち、パワー半導体モジュール1bをターンオンさせる場合の過渡応答波形を示す。波形を示した項目は、駆動制御信号Vsigb、モジュール1bのゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2(前記ゲート端子G2とソースセンス端子VSs2間の電圧)、前記端子G2へ流入するゲート駆動電流Ig2、前記ソース端子S2から流出するソース主電流Is2、モジュール1bのドレイン端子D2とソース端子S2と端子間電圧Vds2、である。
<< Transient waveform of conventional circuit >>
The operation of the transient waveform will be described with reference to FIG. The power semiconductor module 1a shows a transient response waveform when the power semiconductor module 1b is turned on while the power semiconductor module 1a is kept off. The items showing the waveform are the drive control signal Vsigb, the voltage Vgs2 between the gate and source sense terminals of the module 1b (voltage between the gate terminal G2 and the source sense terminal VSs2), the gate drive current Ig2 flowing into the terminal G2, and the above. The source main current Is2 flowing out from the source terminal S2, the drain terminal D2 of the module 1b, the source terminal S2, and the voltage Vds2 between the terminals.

Vsigのトリガ時刻t1では、電位がVLからVHへと変化し、一定の遅延時間(td1)を経た時刻t2に、ゲート駆動回路2内部の高電位側電位VGSHとモジュールソースセンス端子電圧のVSs2の間に、VGSL(例えば−10V)からVGSH(例えば+15V)へ正のステップ電圧が印加される。 At the trigger time t1 of Vsig, the potential changes from VL to VH, and at the time t2 after a certain delay time (td1), the high potential side potential VGSH inside the gate drive circuit 2 and the module source sense terminal voltage VSs2. In the meantime, a positive step voltage is applied from VGSL (eg -10V) to VGSH (eg + 15V).

モジュールのターンオン動作を決めるゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2は、モジュールの入力容量Cissとゲート駆動経路に生じるターンオン駆動抵抗RgON1によるCR時定数で過渡応答し、VGSHへ向かって増加を始める。 The gate-source sense terminal voltage Vgs2 that determines the turn-on operation of the module makes a transient response with the CR time constant due to the input capacitance Ciss of the module and the turn-on drive resistor RgON1 generated in the gate drive path, and starts increasing toward VGSH.

端子G2から流入するゲート電流Ig2は、前記ステップ電圧が前記Cissと前記RgON1の直列回路に印加した過渡応答を示し、ゲートピーク電流Ig2peakを最大値として減少する。 The gate current Ig2 flowing in from the terminal G2 shows a transient response that the step voltage is applied to the series circuit of the Ciss and the RgON1, and decreases with the gate peak current Ig2peak as the maximum value.

時刻t3において、Vgs2はSiC−MOSFET型パワー半導体素子の閾値電圧VTHに到達し、前記パワー半導体素子のドレイン・ソース端子間に電流Is2が通流し始める。 At time t3, Vgs2 reaches the threshold voltage VTH of the SiC-MOSFET type power semiconductor element, and the current Is2 begins to flow between the drain and source terminals of the power semiconductor element.

時刻t4で前記Is2の値は負荷電流値Iloadに達する。その後、時刻t4からt5までの期間では、一定のIs2(=Iload)を通流させながら、ドレイン・ソース端子間電圧Vds2が電源電圧VccからIload通流時のオン電圧VON1へ低下する。t4からt5までの期間では、Vds2の電圧低下に対応してゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2は増加する傾向がある。この傾向は、主電流Iloadが一定に流入する条件においては、Vdsが変化(減少)した場合には、ゲート・ソースセンス間電圧Vgsが変化(増加)するSiC−MOSFET型パワー半導体素子の静特性を反映するためである。Vgs2の変化に応じてゲート駆動電流Ig2の値はIGP1からIGP2へと減少する。 At time t4, the value of Is2 reaches the load current value Iload. After that, in the period from time t4 to t5, the drain-source terminal voltage Vds2 drops from the power supply voltage Vcc to the on-voltage VON1 at the time of Iload flow while passing a constant Is2 (= Iload). In the period from t4 to t5, the gate-source sense terminal voltage Vgs2 tends to increase in response to the voltage decrease of Vds2. This tendency is due to the static characteristics of SiC-MOSFET type power semiconductor devices in which the gate-source sense voltage Vgs changes (increases) when Vds changes (decreases) under the condition that the main current Iload flows in constantly. This is to reflect. The value of the gate drive current Ig2 decreases from IGP1 to IGP2 in response to the change in Vgs2.

時刻t5からt6への期間では、主電流Is2とVds2の変化がほぼ終了しているが、Vgs2は入力されたステップ応答の電圧値(VDSH)へ到達するように変化し、これに応じてIg2の値はゼロ電流値へと漸近し、Vgs2値の増加に伴ってオン抵抗が低下し、オン電圧はVON1より低い定常時VONであるVON2へ変化する。以上が、ターンオン時のスイッチング過渡応答の動作である。 In the period from time t5 to t6, the changes of the main currents Is2 and Vds2 are almost completed, but Vgs2 changes so as to reach the input step response voltage value (VDSH), and Ig2 corresponds to this. The value of is asymptotic to the zero current value, the on-resistance decreases as the Vgs2 value increases, and the on-voltage changes to VON2, which is a steady-state VON lower than VON1. The above is the operation of the switching transient response at the time of turn-on.

本発明の目的は素子温度が低温領域でのスイッチング損失の低減である。スイッチング損失は図10中の(t4−t3)期間にソース電流の変化率dIs2/dtに応じて決まるターンオン損失EonIと、(t5−t4)期間にソース電流の変化率dVds2/dtに応じて決まるターンオン損失EonVの和である。 An object of the present invention is to reduce switching loss in a region where the device temperature is low. The switching loss is determined according to the turn-on loss EonI determined according to the rate of change dIs2 / dt of the source current during the (t4-t3) period in FIG. 10 and the rate of change dVds2 / dt of the source current during the period (t5-t4). It is the sum of the turn-on loss EonV.

《従来回路の過渡波形の温度依存性》
図11に、SiC−MOSFET型パワー半導体素子のターンオン時スイッチング過渡応答について、素子温度に対する依存性を模式的に示す。素子温度が高温(実線:例えば150℃)と低温(点線:例えば−50℃)の場合の波形例を示す。
<< Temperature dependence of transient waveform of conventional circuit >>
FIG. 11 schematically shows the dependence of the switch-on switching transient response of a SiC-MOSFET type power semiconductor device on the device temperature. An example of the waveform when the element temperature is high temperature (solid line: for example 150 ° C.) and low temperature (dotted line: for example -50 ° C.) is shown.

ゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2の過渡応答では、低温(LT)ほど閾値電圧VTHが高くなるため、高温(HT)時に比較してソース端子電流Is2の流れ出しタイミングt3LTが遅くなる。Is2が定常値Iloadに達し、Vds2が減少し始めるタイミングt4のVgs2の電位をゲート・プラトー開始電位(VGP1)と呼ぶことにする。素子温度が低下することにより、VTHが増加し、VTHLT>VTHHTの関係を持つが、一方でVGP1も低温で増加し、VGP1LT>VGP1HTの関係が生じる。上述したように、非特許文献2ではパワー半導体素子の特性の1つであるゲート・プラトー電圧VGP1と負荷電流Iloadとの関係が定式化されており、VGP1がIloadとの間にVGP1≒VTH+Iload/gmなる関係を有することが明らかになっている。この式から、VGP−VTHの差電圧は電流Iloadと相互コンダクタンスgmによって決まる。Iloadを所定の値に決めた場合、gmの温度依存性が小さい場合には、VGP−VTHの差電圧は温度に依らずほぼ一定である。従って、差電圧(VGP1LT―VTHLT)と(VGP1HT―VTHHT)は同等であり、(t4LT−t3LT)と(t4HT−t3HT)の過渡時間の差は小さいと言える。時刻t3からt4への過渡応答は、ターンオン抵抗RgON1と素子の入力容量Cissの積で決まる時定数で、その時定数の温度依存性は小さく、前記の差電圧の値の温度依存性も小さいからである。(t4−t3)の期間は、ソース電流の変化(増加)期間であり、つまりdIs2/dtの値は温度依存性が小さい。そこで、ターンオンスイッチング損失Eonのうち、dIs2/dtが主要因となるEonIの値は素子温度に対する依存性が小さいと言える。 In the transient response of the gate-source sense terminal voltage Vgs2, the threshold voltage VTH becomes higher as the temperature is lower (LT), so that the outflow timing t3 LT of the source terminal current Is2 is delayed as compared with the case of high temperature (HT). The potential of Vgs2 at the timing t4 when Is2 reaches the steady-state value Iload and Vds2 begins to decrease is referred to as the gate plateau start potential (VGP1). As the element temperature decreases, VTH increases and has a relationship of VTH LT > VTH HT , while VGP1 also increases at a low temperature, and a relationship of VGP1 LT > VGP1 HT occurs. As described above, in Non-Patent Document 2, the relationship between the gate plateau voltage VGP1 and the load current Iload, which is one of the characteristics of the power semiconductor element, is formulated, and VGP1 ≈ VTH + Iload / between VGP1 and Iload. It has been clarified that it has a relationship of gm. From this equation, the differential voltage of VGP-VTH is determined by the current Iload and the transconductance gm. When Iload is set to a predetermined value and the temperature dependence of gm is small, the difference voltage of VGP-VTH is substantially constant regardless of the temperature. Therefore, it can be said that the difference voltage (VGP1 LT- VTH LT ) and (VGP1 HT- VTH HT ) are equivalent, and the difference in transient time between (t4 LT- t3 LT ) and (t4 HT- t3 HT) is small. The transient response from time t3 to t4 is a time constant determined by the product of the turn-on resistor RgON1 and the input capacitance Ciss of the element, and the temperature dependence of the time constant is small, and the temperature dependence of the above-mentioned difference voltage value is also small. is there. The period of (t4-t3) is the period of change (increase) of the source current, that is, the value of dIs2 / dt has a small temperature dependence. Therefore, it can be said that the value of EonI, which is mainly due to dIs2 / dt, among the turn-on switching loss Eon, has little dependence on the element temperature.

次にターンオンスイッチング損失Eonのうち、dVds2/dtが主要因となる期間(t5−t4)について、その温度依存性を検討する。Vgs2がVGP1に到達した後(t4)、VGP2(t5)へと変化し、その期間にVds2がVccからオン電圧VON1へ減少する。この期間(t5−t4)の長さは、SiC−MOSFET型パワー半導体素子の帰還容量Cgdとその充電電流Ig2によって決まる。Cgdの温度依存性は無視できるため、Ig2の温度依存性が支配的となる。Ig2は図11中のVgs波形に連動しており、VGP1LT>VGP1HTの関係から、VGPとVGSHとの差電圧で決まるターンオン時のゲート抵抗RgON1に印加されるVRgは、VRgLT<VRgHT の関係となる。ゲート電流Ig2はVRgの温度依存性から、IgLT<IgHTの関係となるため、温度依存性の無いCgdを充電する期間、すなわち(t5−t4)は、(t5HT―t4HT)<(t5LT−t4LT)の関係となることが図11に示されている。更に、低温領域ではVGP1LTからVGP2LTへかけてのVgs2の増大が顕著であり、一層VRgLTはVRgHTに対して小さくなる傾向を有する。以上の検討から、低温時のターンオン波形においては、高温時に比較して、VGP1およびVGP2の電位が高電位に変動し、ゲート電流Igの値が減少し、Vds2が減少する変化期間が長くなり、ターンオンスイッチング損失Eonのうち、dVds2/dtによって決まるEonVの値が増大してしまうことが、明らかである。 Next, the temperature dependence of the turn-on switching loss Eon in which dVds2 / dt is the main factor (t5-t4) is examined. After Vgs2 reaches VGP1 (t4), it changes to VGP2 (t5), during which time Vds2 decreases from Vcc to the on-voltage VON1. The length of this period (t5-t4) is determined by the feedback capacitance Cgd of the SiC-MOSFET type power semiconductor element and its charging current Ig2. Since the temperature dependence of Cgd is negligible, the temperature dependence of Ig2 becomes dominant. Ig2 is linked to the Vgs waveform in FIG. 11 , and from the relationship of VGP1 LT > VGP1 HT , the VRg applied to the gate resistor RgON1 at the time of turn-on determined by the difference voltage between VGP and VGSH is VRg LT <VRg HT. It becomes the relationship of. Since the gate current Ig2 has a relationship of Ig LT <Ig HT due to the temperature dependence of VRg, the period for charging Cgd having no temperature dependence, that is, (t5-t4) is (t5 HT -t4 HT ) <( It is shown in FIG. 11 that the relationship is t5 LT − t4 LT). Further, in a low temperature region is remarkable increase in the Vgs2 of the period from VGP1 LT to VGP2 LT, more VRg LT have smaller tendency against VRg HT. From the above examination, in the turn-on waveform at low temperature, the potentials of VGP1 and VGP2 fluctuate to a high potential, the value of the gate current Ig decreases, and the change period during which Vds2 decreases becomes longer than at high temperature. It is clear that the value of EonV determined by dVds2 / dt increases in the turn-on switching loss Eon.

ここで、VGP1とVGP2の値について整理する。SiC−MOSFET型パワー素子を用いたパワー半導体モジュールが誘導性負荷に対してスイッチング動作をする場合に、所定の負荷電流をIloadとし、パワー半導体モジュールの素子温度(T)依存性を含む閾値をVTH(T)とし、パワー半導体モジュールのドレイン端子・ソース端子間電圧がオン電圧時のパワー半導体モジュールの相互コンダクタンスをgm(VON)とし、ゲート・プラトー電圧VGP2は、
VGP2≒VTH(T)+Iload/gm(VON)
と概算できる。
Here, the values of VGP1 and VGP2 are arranged. When a power semiconductor module using a SiC-MOSFET type power element performs a switching operation with respect to an inductive load, the predetermined load current is set to Iload, and the threshold including the element temperature (T) dependence of the power semiconductor module is set to VTH. (T), the mutual conductance of the power semiconductor module when the voltage between the drain terminal and the source terminal of the power semiconductor module is on voltage is gm (VON), and the gate plateau voltage VGP2 is
VGP2 ≒ VTH (T) + Iload / gm (VON)
Can be estimated.

また、パワー半導体モジュールのドレイン端子・ソース端子間電圧が電源電圧(Vcc)の場合の相互コンダクタンスをgm(Vcc)とした場合、ゲート・プラトー電圧VGP1は、
VGP1=VTH(T)+Iload/gm(Vcc)
と概算できる。
gm(VON)<gm(Vcc)のため、素子温度が一定の場合には、
VGP1<VGP2の関係が生じ、図10および図11で示すゲート・プラトー電圧の過渡応答を発生する。
Further, when the transconductance when the voltage between the drain terminal and the source terminal of the power semiconductor module is the power supply voltage (Vcc) is gm (Vcc), the gate plateau voltage VGP1 is
VGP1 = VTH (T) + Iload / gm (Vcc)
Can be estimated.
Since gm (VON) <gm (Vcc), when the element temperature is constant,
The relationship VGP1 <VGP2 occurs, causing the transient response of the gate plateau voltage shown in FIGS. 10 and 11.

上記の図10と図11を用いたターンオン時の過渡応答の説明から、SiC−MOSFET型パワー半導体素子の素子温度依存性によって低温領域でスイッチング損失が増大する問題が明らかである。ターンオフ時においても同様の問題が発生する。 From the explanation of the transient response at the time of turn-on using FIGS. 10 and 11 above, it is clear that the switching loss increases in the low temperature region due to the element temperature dependence of the SiC-MOSFET type power semiconductor element. A similar problem occurs at turn-off.

図12に、SiC−MOSFET型パワー半導体素子のターンオフ時スイッチング過渡応答について、素子温度に対する依存性を模式的に示す。素子温度が高温(実線:例えば150℃)と低温(点線:例えば−50℃)の場合の波形例を示す。 FIG. 12 schematically shows the dependence of the SiC-MOSFET type power semiconductor device on the switching transient response at turn-off with respect to the device temperature. An example of the waveform when the element temperature is high temperature (solid line: for example 150 ° C.) and low temperature (dotted line: for example -50 ° C.) is shown.

ゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2の過渡応答では、まず、時刻t2において、Vgs2が正の駆動電圧VGSHからVGSLに向かって減少する。その時定数は、ゲート抵抗RgOFF1と、パワー半導体素子の入力容量Cissの積で決まるCR時定数である。 In the transient response of the gate-source sense terminal voltage Vgs2, first, at time t2, Vgs2 decreases from the positive drive voltage VGSH toward VGSL. The time constant is a CR time constant determined by the product of the gate resistance RgOFF1 and the input capacitance Ciss of the power semiconductor element.

時刻t3では、ソース電流Is2は一定のまま、Vgs2がゲート・プラトー電圧VGP2の値まで減少し、Vds2がVON2の電位から増大し始める。VGP2の値は、素子の温度によって異なり、高温(HT)と低温(LT)では、(VGP2LT>VGP2HT)の関係がある。VGP2の温度依存性は、前述のように、VGP2≒VTH+Iload/gmの関係があり、温度の上昇に対して減少するVTH項が支配的であるためである。 At time t3, the source current Is2 remains constant, Vgs2 decreases to the value of the gate plateau voltage VGP2, and Vds2 begins to increase from the potential of VON2. The value of VGP2 differs depending on the temperature of the element, and there is a relationship of (VGP2 LT > VGP2 HT) between the high temperature (HT) and the low temperature (LT). This is because the temperature dependence of VGP2 has a relationship of VGP2≈VTH + Iload / gm as described above, and the VTH term that decreases with increasing temperature is dominant.

時刻t3からt4までの期間は、SiC−MOSFET型パワー半導体素子の帰還容量Cgdの印可電圧を増加させるため、ゲート電流Ig2が充電電流となる。Vds2の増大に伴って、Vgs2、つまりゲート・プラトー電圧も減少し、VGP2(時刻t3)からするVGP1(時刻t4)へと変動する。このVGP2からVGP1への電圧変動はSiC−MOSFET型パワー半導体素子の静特性(Id2−Vds2特性)によって決定される。電流Is2が一定の条件下では、Vds2に対するVgs2の変化率が異なり、低温であるほど変化率が大きい。従って、ゲート・プラトー電圧領域では、ゲート電流Ig2は、前記の帰還容量Cgdだけでなく、VGP2からVGP1へのVgs2の変化が発生するため、SiC−MOSFET型パワー半導体素子のゲート・ソース間入力容量Cgsに対しても充電電流となる。このため、Ig2は、SiC−MOSFET型パワー半導体素子のゲート端子にて、Cgd充電電流とCgs充電電流に分流し、Vds2を増加させるCgdへの充電電流が減少する。特に、素子温度が低温の領域では、VGP2からVGP1へのVgs2の変動が大きいため、その期間でCgdを充電する実効的なゲート電流値は、パワー半導体モジュール1のゲート端子G2を通流するゲート電流Ig2に対して減少し、Cgs充電時間(時刻t4−t3)が長くなってしまう。 During the period from time t3 to t4, the gate current Ig2 becomes the charging current in order to increase the applied voltage of the feedback capacitance Cgd of the SiC-MOSFET type power semiconductor element. As Vds2 increases, Vgs2, that is, the gate plateau voltage also decreases, and fluctuates from VGP2 (time t3) to VGP1 (time t4). The voltage fluctuation from VGP2 to VGP1 is determined by the static characteristics (Id2-Vds2 characteristics) of the SiC-MOSFET type power semiconductor element. Under the condition that the current Is2 is constant, the rate of change of Vgs2 with respect to Vds2 is different, and the lower the temperature, the larger the rate of change. Therefore, in the gate plateau voltage region, the gate current Ig2 causes not only the feedback capacitance Cgd but also the change of Vgs2 from VGP2 to VGP1, so that the gate-source input capacitance of the SiC-MOSFET type power semiconductor element. It also becomes a charging current for Cgs. Therefore, Ig2 is divided into a Cgd charging current and a Cgs charging current at the gate terminal of the SiC-MOSFET type power semiconductor element, and the charging current to the Cgd that increases Vds2 is reduced. In particular, in a region where the element temperature is low, the fluctuation of Vgs2 from VGP2 to VGP1 is large, so that the effective gate current value for charging Cgd during that period is the gate through which the gate terminal G2 of the power semiconductor module 1 passes. It decreases with respect to the current Ig2, and the Cgs charging time (time t4-t3) becomes long.

時刻t5は、ソース電流Is2がIloadの値から減少し、ゼロ電流へと減少した時刻である。この期間(t4からt5)では、Vgs2はVGP1からVTHへと減少する。減少に要する時間は、Vgs2の時定数で決まり、ゲート抵抗RgOFF1とSiC−MOSFET型パワー半導体素子のCgsで決定されため、素子温度による依存性は小さい。従って、dIs2/dtが主要因となる Eoff発生期間、つまり期間(t4からt5)で発生するEoffIは、素子温度依存性が少ない。上記の説明から、SiC−MOSFET型パワー半導体素子のターンオフ動作時のスイッチング損失は、dVds2/dtが主要因となる電圧変化期間の損失EoffVにて素子温度依存性があり、低温領域で増大する。一方、dIs2/dtが主要因となる電流変化期間の損失EoffIは、素子温度依存性が少ない、と言える。 Time t5 is the time when the source current Is2 decreases from the value of Iload and decreases to zero current. During this period (t4 to t5), Vgs2 decreases from VGP1 to VTH. The time required for the decrease is determined by the time constant of Vgs2 and is determined by the gate resistance RgOFF1 and the Cgs of the SiC-MOSFET type power semiconductor element, so that the dependence on the element temperature is small. Therefore, the Eoff generation period in which dIs2 / dt is the main factor, that is, the EoffI generated in the period (t4 to t5) has little dependence on the element temperature. From the above description, the switching loss during the turn-off operation of the SiC-MOSFET type power semiconductor device is dependent on the device temperature due to the loss EoffV in the voltage change period mainly due to dVds2 / dt, and increases in the low temperature region. On the other hand, it can be said that the loss EoffI during the current change period, which is mainly due to dIs2 / dt, has little dependence on the element temperature.

本発明の目的に示したように、SiC−MOSFET型パワー半導体素子に生じるスイッチング損失を低温領域で減少することが重要である。特に、スイッチング動作のうち、主電圧(Vds)の変化期間で生じるスイッチング損失(EonVおよびEoffV)の素子温度依存性が大きく、低温領域で低減することが必要である。 As shown in the object of the present invention, it is important to reduce the switching loss generated in the SiC-MOSFET type power semiconductor device in the low temperature region. In particular, in the switching operation, the element temperature dependence of the switching loss (EonV and EoffV) that occurs during the change period of the main voltage (Vds) is large, and it is necessary to reduce it in the low temperature region.

図13に、SiC−MOSFET型パワー素子のゲート・ソース間電圧Vgsのターンオン時のゲート・プラトー期間のVds電圧依存性を示す。Vds電圧を横軸にVON1電圧から電源電圧Vccまでの範囲にて、ゲート・プラトー期間のVgsの特性を模式的に示した。ここで、VGP1は同一の素子温度の場合に、ゲート・プラトー期間のVgsの低電位側(ターンオンでは開始電圧)の電位を示し、VGP2は同一の素子温度の場合に、ゲート・プラトー期間のVgsの高電位側(ターンオンでは終了電圧)の電位を示す。素子温度が低温になるほど、ゲート・プラトー期間のVgs電位は高電位となる。上記に説明したように、ターンオン時のスイッチング動作のうち、主電圧(Vds)の変化期間で生じるスイッチング損失の温度依存性は、図13中のVGP1からVGP2の電位の大小によってゲート電流Igの値が変動し、充電電流であるIgの値が低温領域で変動(減少)することによって生じる。 FIG. 13 shows the Vds voltage dependence of the gate plateau period at the time of turn-on of the gate-source voltage Vgs of the SiC-MOSFET type power element. The characteristics of Vgs during the gate plateau period are schematically shown in the range from the VON1 voltage to the power supply voltage Vcc with the Vds voltage as the horizontal axis. Here, VGP1 indicates the potential on the low potential side (starting voltage at turn-on) of Vgs during the gate plateau period when the element temperature is the same, and VGP2 indicates Vgs during the gate plateau period when the element temperature is the same. Indicates the potential on the high potential side (end voltage at turn-on). The lower the element temperature, the higher the Vgs potential during the gate plateau period. As described above, the temperature dependence of the switching loss that occurs during the change period of the main voltage (Vds) in the switching operation at the time of turn-on is the value of the gate current Ig depending on the magnitude of the potentials of VGP1 to VGP2 in FIG. Is fluctuated, and the value of Ig, which is the charging current, fluctuates (decreases) in the low temperature region.

《本発明の本実施例に係る判定閾値VGPRgの設定範囲》
そこで、本発明では、素子温度が低温領域であるか否かを判断し、低温領域である場合には、ゲート電流Igを増加させることによって、スイッチング損失の増加を抑制する。実現する手段として、ゲート・プラトー期間の電圧値に基づき素子温度を判定し、ゲート電流Igを増加させるために可変できるゲート抵抗を制御(抵抗値を低減)することを以下説明する。ゲート・プラトー期間の電圧値の基準値となり、ゲート抵抗を制御するためのVgsの判定閾値(VGPRg)の値は、一例として図13中に示す範囲に設定する。特にスイッチング損失を低減する低温領域(LT)では、判定閾値VGPRgを、ゲート・プラトー開始電圧VGP1LT近傍に設定してゲート・プラトー期間の大部分の期間でゲート抵抗が低減されるよう設定し、同時にスイッチング損失が小さい中間温度(MT)ではゲート・プラトー期間の終了電圧VGP2MT近傍に設定してゲート抵抗の低減によるスイッチング損失への変化が少ないように設定する。
<< Setting range of determination threshold VGPRg according to the present embodiment of the present invention >>
Therefore, in the present invention, it is determined whether or not the element temperature is in the low temperature region, and if it is in the low temperature region, the increase in switching loss is suppressed by increasing the gate current Ig. As a means for realizing this, it will be described below that the element temperature is determined based on the voltage value during the gate plateau period, and the gate resistance that can be changed in order to increase the gate current Ig is controlled (the resistance value is reduced). It becomes a reference value of the voltage value during the gate plateau period, and the value of the determination threshold value (VGPRg) of Vgs for controlling the gate resistance is set in the range shown in FIG. 13 as an example. Especially in the low temperature region (LT) where the switching loss is reduced, the judgment threshold VGPRg is set near the gate plateau start voltage VGP1LT so that the gate resistance is reduced during most of the gate plateau period, and at the same time. At the intermediate temperature (MT) where the switching loss is small, the end voltage of the gate plateau period is set near VGP2MT so that the change to the switching loss due to the reduction of the gate resistance is small.

《本実施例の効果》
本実施例によれば、上記の設定によって、低温領域のスイッチング損失を、中間温度領域に対して低減することができる。スイッチング損失の小さい高温領域では、そのスイッチング動作が終了した後に、ゲート抵抗が低減されるため、スイッチング損失については変動無く小さい値を保つ。なお、電力変換装置がパワー半導体モジュールに求める仕様によっては、中間温度領域にてもスイッチング損失の大幅低減が必要な場合も発生することから、そのVgsの判定閾値電圧(VGPRg)の設定値は図13に示す範囲に限定されるものではないが、スイッチング損失を低減したい温度領域の低温側温度をLT、高温側をMTと称すならば、VGPRgの値は、VGP1MTからVGP2LTの間に設定することが必要である。
<< Effect of this embodiment >>
According to this embodiment, the switching loss in the low temperature region can be reduced with respect to the intermediate temperature region by the above setting. In the high temperature region where the switching loss is small, the gate resistance is reduced after the switching operation is completed, so that the switching loss remains a small value without fluctuation. Depending on the specifications required by the power converter for the power semiconductor module, it may be necessary to significantly reduce the switching loss even in the intermediate temperature region. Therefore, the set value of the Vgs determination threshold voltage (VGPRg) is shown in the figure. Although not limited to the range shown in 13, if the low temperature side temperature of the temperature region in which the switching loss is desired is referred to as LT and the high temperature side is referred to as MT, the value of VGPRg is set between VGP1 MT and VGP2 LT. It is necessary to.

《高周波ノイズ成分を低減する全体回路構成の一例》
図6に本発明の第2の実施形態である実施例2の全体回路構成を示す。本実施例は実施例1の変形例である。本実施例においては、上下アームを構成するパワー半導体モジュール1cおよび1dは、内部に搭載するSiC−MOSFET型パワー素子のゲートから、パワー半導体モジュールのゲート端子G1(G2)とゲートセンス端子Gs1(Gs2)に2分岐した構成を取る。端子Gs1は、パワー素子のゲートから高抵抗Rgs1(Rgs2)を介して、ゲートセンス端子Gs1に接続され、Gs1端子は容量を介してソースセンス端子Ss1(Ss2)端子へ接続される。以上の点で本実施例は実施例1と相違するが、その他の点は実施例1と共通である。ここで、Rgs1とCgs1とで決まるCR時定数は、スイッチング時の高周波ノイズを低減しながら、図11および図12を用いて説明したゲート・ソースセンス端子Vgsの過渡応答を、端子Gs1(Gs2)と端子Ss1(Ss2)との間に伝達するCR定数であるように調整する。
<< An example of an overall circuit configuration that reduces high-frequency noise components >>
FIG. 6 shows the overall circuit configuration of the second embodiment of the present invention. This example is a modification of Example 1. In this embodiment, the power semiconductor modules 1c and 1d constituting the upper and lower arms are connected to the gate terminal G1 (G2) and the gate sense terminal Gs1 (Gs2) of the power semiconductor module from the gate of the SiC-MOSFET type power element mounted inside. ) Is branched into two. The terminal Gs1 is connected to the gate sense terminal Gs1 from the gate of the power element via the high resistance Rgs1 (Rgs2), and the Gs1 terminal is connected to the source sense terminal Ss1 (Ss2) terminal via a capacitance. The present embodiment is different from the first embodiment in the above points, but is common to the first embodiment in other points. Here, the CR time constant determined by Rgs1 and Cgs1 applies the transient response of the gate / source sense terminal Vgs described with reference to FIGS. 11 and 12 while reducing high-frequency noise during switching to the terminal Gs1 (Gs2). Adjust so that the CR constant is transmitted between the terminal Ss1 (Ss2) and the terminal Ss1 (Ss2).

ゲート駆動回路2cおよび2dは、ゲート端子G0、ゲートセンス端子Gs0、ソースセンス端子Ss0の端子を備える。前記パワー半導体モジュール1cおよび1dのゲート端子G1(G2)とゲート配線41を介してゲート駆動回路2cおよび2dのゲート端子G0を接続する。前記パワー半導体モジュール1cおよび1dのゲートセンス端子Gs1(Gs2)とゲート配線43を介してゲート駆動回路2cおよび2dのゲートセンス端子Gs0を接続する。同様に、前記パワー半導体モジュール1cおよび1dのゲートセンス端子Ss1(Ss2)とゲート配線42を介してゲート駆動回路2cおよび2dのソースセンス端子Ss0を接続する。 The gate drive circuits 2c and 2d include terminals of a gate terminal G0, a gate sense terminal Gs0, and a source sense terminal Ss0. The gate terminals G1 (G2) of the power semiconductor modules 1c and 1d are connected to the gate terminals G0 of the gate drive circuits 2c and 2d via the gate wiring 41. The gate sense terminals Gs1 (Gs2) of the power semiconductor modules 1c and 1d are connected to the gate sense terminals Gs0 of the gate drive circuits 2c and 2d via the gate wiring 43. Similarly, the gate sense terminals Ss1 (Ss2) of the power semiconductor modules 1c and 1d are connected to the source sense terminals Ss0 of the gate drive circuits 2c and 2d via the gate wiring 42.

《本実施例の効果》
本実施例によれば、図6に示すパワー半導体モジュール1cおよび1dと、ゲート駆動回路2cおよび2dを用いることにより、図1に示した実施例1の構成に対して、ゲート電圧閾値検知判定回路に入力するVgs波形の高周波ノイズ成分を低減することが可能となる。これに伴って、ゲート駆動回路2cおよび2dに内蔵されるゲート電圧閾値検知判定回路のゲート端子G0とソースセンス端子Ss0の差電位に基いて行う閾値判定の誤検知回数を低減する効果が得られる。
<< Effect of this embodiment >>
According to this embodiment, by using the power semiconductor modules 1c and 1d shown in FIG. 6 and the gate drive circuits 2c and 2d, the gate voltage threshold detection determination circuit is used for the configuration of the first embodiment shown in FIG. It is possible to reduce the high frequency noise component of the Vgs waveform input to. Along with this, the effect of reducing the number of false detections of the threshold value determination based on the difference potential between the gate terminal G0 and the source sense terminal Ss0 of the gate voltage threshold value detection determination circuit built in the gate drive circuits 2c and 2d can be obtained. ..

《ゲート電圧閾値検知判定回路の構成および機能を具体化した一例》
図7に本発明の第3の実施形態である実施例3の部分回路構成を示す。本実施例は実施例1または実施例2のゲート電圧閾値検知判定回路3の内部回路構成を具体化した一例であり、よって、実施例1または実施例2の変形例である。ゲート電圧閾値検知判定回路3の内部回路構成が具体化されている点で実施例1および実施例2と相違するが、その他の点は実施例1または実施例2と共通である。ゲート電圧閾値検知判定回路3は、ターンオン用ゲート駆動抵抗の制御信号CNTONを出力する検知判定回路3aとターンオフ用ゲート駆動抵抗の制御信号CNTOFFを出力する検知判定回路3bの2回路で構成する。閾値検知判定回路3aを例に構成を説明する。ゲート閾値発生回路101は、VGSHとVGSLを電源電圧として動作し、予め設定されるターンオン時のVGS値の検知閾値電圧VGPRgONを出力する。アンプ103はゲート端子G0の電圧とVGPRgONとの差電圧を増幅し、シュミットトリガ型コンパレータ104は、比較電圧発生回路105が出力する比較電圧VCOMPを基準に、アンプ103の出力電圧の大小を判断し、制御信号CNTONの出力電圧として2値の高低の電圧信号を発生する。この電圧信号が、図1および図6に示した抵抗切替スイッチ素子28および29の制御信号となり、例えば、低電位の場合には抵抗切替スイッチ素子28および29は解放、高電位では短絡となる動作を実現する。アンプ制御電源106は、ゲート駆動回路2自体の制御信号SIGを参照し、ゲート電圧を参照しているパワー半導体モジュールが、スイッチングする期間であって、かつ、ターンオン動作を指示されている場合にのみ、前記のコンパレータ104に供給する電源電圧を所定の値で出力し、コンパレータ104の出力にて、例えば高電位信号を出力可能とし、前記抵抗切替スイッチ素子の状態を変化できるように制御する。一方、ゲート電圧を参照しているパワー半導体モジュールが、スイッチングする期間であって、かつ、ターンオン動作を指示されている場合以外では、コンパレータ104への電源電圧が所定の電圧より低下した値で出力し、コンパレータ104出力はコンパレータ104の入力電位に依らず、例えば低電位信号のみ出力して前記抵抗切替スイッチ素子の状態を不変とし、ゲート電圧閾値検知判定回路3、もしくはゲート駆動回路2の電源端子の電位がノイズ等で変動した場合でも誤動作を発生させる制御信号の出力を抑制する機能を果たす。
<< An example that embodies the configuration and function of the gate voltage threshold detection judgment circuit >>
FIG. 7 shows a partial circuit configuration of a third embodiment of the present invention. This embodiment is an example embodying the internal circuit configuration of the gate voltage threshold value detection determination circuit 3 of the first or second embodiment, and is therefore a modification of the first or second embodiment. It differs from Example 1 and Example 2 in that the internal circuit configuration of the gate voltage threshold value detection determination circuit 3 is embodied, but is common to Example 1 or Example 2 in other points. The gate voltage threshold detection determination circuit 3 is composed of two circuits, a detection determination circuit 3a that outputs a control signal CNT of the turn-on gate drive resistance and a detection determination circuit 3b that outputs a control signal CNT OFF of the turn-off gate drive resistance. The configuration will be described by taking the threshold value detection determination circuit 3a as an example. The gate threshold generation circuit 101 operates using VGSH and VGSL as the power supply voltage, and outputs a preset detection threshold voltage VGPRgON of the VGS value at the time of turn-on. The amplifier 103 amplifies the difference voltage between the voltage of the gate terminal G0 and VGPRgON, and the Schmitt trigger type comparator 104 determines the magnitude of the output voltage of the amplifier 103 based on the comparison voltage VCOMP output by the comparison voltage generation circuit 105. , A binary high and low voltage signal is generated as the output voltage of the control signal CNT. This voltage signal becomes a control signal for the resistance changeover switch elements 28 and 29 shown in FIGS. 1 and 6. For example, the resistance changeover switch elements 28 and 29 are released at a low potential and short-circuited at a high potential. To realize. The amplifier control power supply 106 refers to the control signal SIG of the gate drive circuit 2 itself, and only when the power semiconductor module referencing the gate voltage is in the switching period and the turn-on operation is instructed. The power supply voltage supplied to the comparator 104 is output at a predetermined value, and the output of the comparator 104 can output, for example, a high potential signal, and is controlled so that the state of the resistance changeover switch element can be changed. On the other hand, unless the power semiconductor module that refers to the gate voltage is in the switching period and the turn-on operation is instructed, the power supply voltage to the comparator 104 is output at a value lower than the predetermined voltage. The output of the comparator 104 does not depend on the input potential of the comparator 104, for example, only a low potential signal is output to make the state of the resistance changeover switch element invariant, and the power supply terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit 3 or the gate drive circuit 2 is used. It functions to suppress the output of the control signal that causes a malfunction even when the potential of is fluctuated due to noise or the like.

閾値検知判定回路3bは、閾値検知判定回路3a同様に、ゲート閾値発生回路102が出力する閾値電圧VGPRgOFFに基づき、アンプ103はゲート端子G0の電圧とVGPRgOFFとの差電圧を増幅し、シュミットトリガ型コンパレータ104は、比較電圧発生回路105が出力する比較電圧VCOMPを基準に、アンプ103の出力電圧の大小を判断し、制御信号CNTOFFの出力電圧となる2値の高低の電圧信号を発生する。 Similar to the threshold detection determination circuit 3a, the threshold detection determination circuit 3b amplifies the difference voltage between the voltage of the gate terminal G0 and the VGPRgOFF based on the threshold voltage VGPRgOFF output by the gate threshold generation circuit 102, and is a Schmitt trigger type. The comparator 104 determines the magnitude of the output voltage of the amplifier 103 based on the comparison voltage VCOMP output by the comparison voltage generation circuit 105, and generates a binary high / low voltage signal which is the output voltage of the control signal CNTOFF.

本実施例に示すゲート電圧閾値検知判定回路3の構成とすることにより、ターンオン時ゲート抵抗(RgON1+RgON2、もしくはRgON1)の値と、ターンオフ時ゲート抵抗(RgOFF1+RgOFF2、もしくはRgOFF1)の値とを独立に制御して変化でき、さらにノイズ耐性が高く保ったまま、実施例1および2で記載した動作を実現できる。 By configuring the gate voltage threshold value detection determination circuit 3 shown in this embodiment, the value of the gate resistance at turn-on (RgON1 + RgON2 or RgON1) and the value of the gate resistance at turn-off (RgOFF1 + RgOFF2 or RgOFF1) are independently controlled. The operation described in Examples 1 and 2 can be realized while maintaining high noise immunity.

《本発明を適用した場合の過渡波形例》
実施例1乃至実施例3で示した本発明の回路のスイッチング動作時の過渡応答を、図2に模式的に示す。実施例1(図1)の下アームのパワー半導体モジュール1bをターンオン駆動する例である。ゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2は、時刻t2にて、図9に示す従来回路の過渡応答動作(図11)と同様に上昇する。この際に、パワー半導体モジュールの素子温度が低温(LT)である場合には点線で示す波形に、中間温度(MT)の場合は実線で示す波形となる。図13に例示したパワー半導体モジュールに搭載のSiC−MOSFET型パワー半導体素子のゲート・プラトー電圧の温度依存性に従い、低温領域の場合は中間温度領域の場合に比較してゲート・プラトー電位が高く、ゲート・プラトー期間自体が長くなる。すでに説明したように、低温領域では、ゲート駆動回路の高電位VGSHとゲート・プラトー期間中のVgs2との差電圧が減少し、ゲート電流Ig2の値が低下するためである。実施例1乃至実施例3に示した回路構成を取ることにより、図2中に示すゲート電圧判定閾値VGPRgONの値を設定できる。判定閾値VGPRgONの設定範囲は図13の説明にて述べてあるように、中間温度時のゲート・プラトー電圧VGP1MTよりも高い電位で、かつ、低温時のゲート・プラトー期間のVgs2の最大電圧VGP2LTまでの範囲にVGPRgONの値を設定する。時刻t3MTおよびt3LTにて、Vgs2がSiC−MOSFET型パワー素子の閾値VTHを超過し、ソース電流Is2が通流し始める。ソース電流が、負荷電流Iloadと同じ値にまで増加した時刻t4のVgs2をゲート・プラトー開始電圧VGP1とすると、低温時のVGP1LTに対して中間温度のVGP1MTの値は、VGP1MT<VGP1LTの大小関係がある。Vgs2がVGP1からゲート・プラトー終了電圧VGP2まで増加する過程で、本発明では予め設定した判定閾値VGPRgONに到達し(時刻txLTおよびtxMT)、ゲート抵抗値を低減する制御を行う。図2中のRgON@LTの過渡応答波形に示すように、時刻txLTにてRgON1+RgON2の抵抗値から、RgON1のみへと抵抗値を低減する。なお、ゲート抵抗値の変更制御には、実施例1乃至実施例3に記載の回路動作に伴う遅延時間が生じるが、その遅延時間は本発明のスイッチング動作に対して小さいため、説明から割愛する。
<< Example of transient waveform when the present invention is applied >>
The transient response during the switching operation of the circuit of the present invention shown in Examples 1 to 3 is schematically shown in FIG. This is an example of turning-on driving the power semiconductor module 1b of the lower arm of the first embodiment (FIG. 1). The gate-source sense terminal voltage Vgs2 rises at time t2 in the same manner as the transient response operation (FIG. 11) of the conventional circuit shown in FIG. At this time, when the element temperature of the power semiconductor module is low temperature (LT), the waveform is shown by the dotted line, and when the element temperature is intermediate temperature (MT), the waveform is shown by the solid line. According to the temperature dependence of the gate plateau voltage of the SiC-MOSFET type power semiconductor element mounted on the power semiconductor module illustrated in FIG. 13, the gate plateau potential is higher in the low temperature region than in the intermediate temperature region. The gate plateau period itself becomes longer. This is because, as described above, in the low temperature region, the difference voltage between the high potential VGSH of the gate drive circuit and Vgs2 during the gate plateau period decreases, and the value of the gate current Ig2 decreases. By adopting the circuit configurations shown in Examples 1 to 3, the value of the gate voltage determination threshold VGPRgON shown in FIG. 2 can be set. As described in the explanation of FIG. 13, the setting range of the determination threshold value VGPRgON is a potential higher than the gate plateau voltage VGP1MT at the intermediate temperature and up to the maximum voltage VGP2LT of Vgs2 during the gate plateau period at the low temperature. Set the value of VGPRgON in the range of. At time t3 MT and t3 LT , Vgs2 exceeds the threshold value VTH of the SiC-MOSFET type power element, and the source current Is2 begins to flow. Assuming that Vgs2 at time t4 when the source current increases to the same value as the load current Iload is the gate plateau start voltage VGP1, the value of VGP1 MT at the intermediate temperature is VGP1 MT <VGP1 LT with respect to VGP1 LT at low temperature. There is a big and small relationship. In the process of increasing Vgs2 from VGP1 to the gate plateau end voltage VGP2, in the present invention, the preset determination threshold value VGPRgON is reached (time tx LT and tx MT ), and control is performed to reduce the gate resistance value. As shown in the transient response waveform of RgON @ LT in FIG. 2, the resistance value is reduced from the resistance value of RgON1 + RgON2 to only RgON1 at time txLT. Note that the gate resistance value change control causes a delay time associated with the circuit operation described in Examples 1 to 3, but the delay time is smaller than that of the switching operation of the present invention, and thus is omitted from the description. ..

《本実施例の効果》
本実施例によれば、時刻txLTではRgONの値の変化により、ゲート電流Ig2が増加し、時刻t4LTから低下しているVds2の変化率dVds2@LT/dtが、より急峻な変化率dVds2’@LT/dtへと変化する。この作用によって、低温領域でありながら、ターンオンスイッチングに要する時間を短縮することができ、ターンオン時のスイッチング損失Eonの値を低減することができるという効果が得られる。以上は低温時の本発明の効果を述べたが、図2中に実線で示した中間温度の場合には、判定閾値電圧VGPRgONの設定によって、中間温度の場合にゲート抵抗が減少する変化タイミングは時刻txMTである。時刻txMTは、中間温度時のVds2の変化時間t5MTを経過した後であるために、ゲート抵抗が低減される時刻はスイッチング損失が発生する期間外である。従って、中間温度では、スイッチング損失を従来回路同等の特性に保つことができる。図2中のVds2において、時刻txLT時にVds2電圧降下の傾きが急峻へと変化することが実施例1における効果である。実施例2では、Vgs2に基づいてゲート抵抗制御を行う際に、Vgs2の過渡波形に高周波のノイズが重畳した場合に、実施例1の回路構成に対して、ゲート抵抗制御での誤動作発生回数を低減できることが効果である。
<< Effect of this embodiment >>
According to this embodiment, the gate current Ig2 increases due to the change in the value of RgON at the time tx LT , and the rate of change dVds2 @ LT / dt of Vds2, which decreases from the time t4 LT, becomes a steeper rate dVds2. It changes to'@ LT / dt. By this action, the time required for turn-on switching can be shortened even in the low temperature region, and the value of the switching loss Eon at the time of turn-on can be reduced. The effect of the present invention at low temperature has been described above, but in the case of the intermediate temperature shown by the solid line in FIG. 2, the change timing at which the gate resistance decreases at the intermediate temperature is determined by setting the determination threshold voltage VGPRgON. Time tx MT . Since the time tx MT is after the change time t5 MT of Vds2 at the intermediate temperature has elapsed, the time when the gate resistance is reduced is outside the period in which the switching loss occurs. Therefore, at the intermediate temperature, the switching loss can be maintained at the same characteristics as the conventional circuit. In Vds2 in FIG. 2, it is an effect in Example 1 that the slope of the Vds2 voltage drop changes steeply at the time tx LT. In the second embodiment, when the gate resistance control is performed based on Vgs2, when high frequency noise is superimposed on the transient waveform of Vgs2, the number of malfunctions in the gate resistance control is calculated with respect to the circuit configuration of the first embodiment. The effect is that it can be reduced.

ターンオン動作と同様に、図3に示すターンオフ動作においても、実施例1乃至実施例3に示す構成は、素子温度が低温の場合にスイッチング損失低減の効果が得られる。ターンオフの場合には、実施例3で示したゲート電圧閾値検知判定回路3の内部回路で設定する検知閾値電圧VGPRgOFFの値を、中間温度時のゲート・プラトー電圧VGP1MTより高い電圧とし、低温時のVGP2LTより低い電圧に設定することで、本発明の効果を得ることができる。上記の範囲に設定したVGPRgOFFによって、低温時のゲート・プラトー電圧は、そのドレイン・ソース電圧Vds2が増加途中の時点でVGPRgOFF以下になり、ゲート電圧閾値検知判定回路3が動作し、ターンオン時のゲート駆動抵抗を(RgOFF1+RgOFF2)からRgOFF1へと低減させる。ゲート駆動抵抗の減少により、ゲート駆動電流Ig2の絶対値を増加し、パワー半導体モジュールに搭載のSiC−MOSFET型パワー半導体素子の帰還容量Cgdの充電時間は短縮される。従って、低温時のターンオフ動作に必要な時間は短くなり、特に電圧Vds2の上昇時間の短縮によって、ターンオフ時のスイッチング損失Eoffの値を低減することができる。 Similar to the turn-on operation, in the turn-off operation shown in FIG. 3, the configurations shown in the first to third embodiments have the effect of reducing the switching loss when the element temperature is low. In the case of turn-off, the value of the detection threshold voltage VGPRgOFF set in the internal circuit of the gate voltage threshold detection determination circuit 3 shown in the third embodiment is set to a voltage higher than the gate plateau voltage VGP1 MT at the intermediate temperature, and at a low temperature. The effect of the present invention can be obtained by setting the voltage lower than that of VGP2 LT. Due to the VGPRgOFF set in the above range, the gate plateau voltage at low temperature becomes VGPRgOFF or less when the drain / source voltage Vds2 is increasing, the gate voltage threshold value detection determination circuit 3 operates, and the gate at turn-on. The drive resistance is reduced from (RgOFF1 + RgOFF2) to RgOFF1. By reducing the gate drive resistance, the absolute value of the gate drive current Ig2 is increased, and the charging time of the feedback capacitance Cgd of the SiC-MOSFET type power semiconductor element mounted on the power semiconductor module is shortened. Therefore, the time required for the turn-off operation at a low temperature is shortened, and the value of the switching loss Off at the time of turn-off can be reduced by shortening the rise time of the voltage Vds2 in particular.

ターンオン時の本発明の効果の説明と同様に、以上は低温時のターンオフ時スイッチングに対して本発明の効果を述べたものだが、図3中に実線で示した中間温度の場合には、判定閾値電圧VGPRgOFFの設定によって、中間温度の場合にもスイッチング期間中にゲート抵抗が減少する場合を示している。中間温度時のゲート抵抗の変化タイミングは時刻txMTである。時刻txMTは、中間温度時のVds2の変化終了時間t4MT以前であるために、ゲート抵抗が低減されてスイッチング損失を低減することができる。VGPRgONとVGPRgOFFの値を個別に設定可能とすることで、スイッチング損失の低減効果を得る素子温度を、ターンオン時とターンオフ時で別に設定することができる。図3中のVds2においても、時刻txLTにてVds2電圧降下の傾きが、dVds2@LT/dtから、より急峻な変化率dVds2’@LT/dt急峻へと変化することが実施例1の効果である。ターンオン時と同様に、実施例2では、Vgs2に基づいてゲート抵抗制御を行う際に、Vgs2の過渡波形に高周波のノイズが重畳した場合に、実施例1の回路構成に対して、ゲート抵抗制御での誤動作発生回数を低減できることが効果である。 Similar to the explanation of the effect of the present invention at the time of turn-on, the effect of the present invention on the switching at the time of turn-off at a low temperature is described above, but in the case of the intermediate temperature shown by the solid line in FIG. It shows the case where the gate resistance decreases during the switching period even at the intermediate temperature by setting the threshold voltage VGPRgOFF. The change timing of the gate resistance at the intermediate temperature is the time tx MT . Since the time tx MT is before the change end time t4 MT of Vds2 at the intermediate temperature, the gate resistance can be reduced and the switching loss can be reduced. By making it possible to set the values of VGPRgON and VGPRgOFF individually, the element temperature at which the effect of reducing the switching loss is obtained can be set separately at the time of turn-on and at the time of turn-off. Also in Vds2 in FIG. 3, the effect of Example 1 is that the slope of the Vds2 voltage drop changes from dVds2 @ LT / dt to a steeper rate of change dVds2'@ LT / dt steepness at time tx LT. Is. Similar to the turn-on time, in the second embodiment, when the gate resistance control is performed based on Vgs2, when high frequency noise is superimposed on the transient waveform of Vgs2, the gate resistance control is performed with respect to the circuit configuration of the first embodiment. It is an effect that the number of malfunctions in the above can be reduced.

ここで、ターンオン時の過渡波形(図4)を用いて、同一の素子温度に対して、従来の動作と本発明を適用した場合の動作を比較する。図4に示すように、本発明を適用することにより、時刻txLT以降で、ゲート駆動電流Ig2の絶対値を増加し、パワー半導体モジュールに搭載のSiC−MOSFET型パワー半導体素子の帰還容量Cgdの充電時間は短縮される。ターンオン動作に必要な時間は短くなり、特に電圧Vds2の降下時間の短縮によって、ターンオン時のスイッチング損失Eonの値を低減することができる。 Here, using the transient waveform at turn-on (FIG. 4), the conventional operation and the operation when the present invention is applied are compared with respect to the same element temperature. As shown in FIG. 4, by applying the present invention, the absolute value of the gate drive current Ig2 is increased after the time txLT, and the feedback capacitance Cgd of the SiC-MOSFET type power semiconductor element mounted on the power semiconductor module is charged. Time is shortened. The time required for the turn-on operation is shortened, and in particular, the value of the switching loss Eon at the time of turn-on can be reduced by shortening the drop time of the voltage Vds2.

《負荷電流値に応じてゲート・プラトー電圧を決定する一例》
図5に、本発明の第4の実施形態である実施例4に係る本発明の効果と負荷電流値Iloadとの関係を示す。実施例1乃至実施例3に記載の本発明の説明は、一定の負荷電流Iloadの前提をおいたものである。実際の電力変換装置では、その負荷インダクタンスと、それを駆動するパワー半導体モジュールの制御指令に依存して、負荷電流の値は変化する。負荷電流Iloadをパラメータに、素子温度とスイッチング損失の依存性を模式的に示す。
<< An example of determining the gate plateau voltage according to the load current value >>
FIG. 5 shows the relationship between the effect of the present invention and the load current value Iload according to the fourth embodiment of the present invention. The description of the present invention described in Examples 1 to 3 is based on the premise of a constant load current Iload. In an actual power conversion device, the value of the load current changes depending on the load inductance and the control command of the power semiconductor module that drives the load inductance. The dependency between the element temperature and the switching loss is schematically shown with the load current Iload as a parameter.

上述したように、非特許文献2ではパワー半導体素子の特性の1つであるゲート・プラトー電圧VGPと負荷電流Iloadとの関係が定式化されており、VGPがIloadとの間にVGP≒VTH+Iload/gmなる関係を有することが明らかになっている。つまり、SiC−MOSFET型パワー素子の閾値電圧VTHと相互コンダクタンスgmが一定であれば、ゲート・プラトー電圧VGPの値は負荷電流Iloadに比例して増減する。ここで、スイッチング損失自体も負荷電流Iloadの大小に依存し、Iloadが大きいほどそのスイッチング損失Eswは増加する。 As described above, in Non-Patent Document 2, the relationship between the gate plateau voltage VGP and the load current Iload, which is one of the characteristics of the power semiconductor element, is formulated, and the relationship between the VGP and the Iload is VGP≈VTH + Iload /. It has been clarified that it has a relationship of gm. That is, if the threshold voltage VTH of the SiC-MOSFET type power element and the transconductance gm are constant, the value of the gate plateau voltage VGP increases or decreases in proportion to the load current Iload. Here, the switching loss itself also depends on the magnitude of the load current Iload, and the larger the Iload, the greater the switching loss Esw.

本発明の実施例4は、Vgsの判定閾値電圧VGPRgの値を、負荷電流Iloadと素子温度との両者に基づいて決めることである。図5では、素子温度が中間温度(TMT)の場合に、負荷電流Iload1の条件でVGPRgの値を決めることを示している。 In the fourth embodiment of the present invention, the value of the determination threshold voltage VGPRg of Vgs is determined based on both the load current Iload and the element temperature. FIG. 5 shows that when the element temperature is the intermediate temperature (TMT), the value of VGPRg is determined under the condition of the load current Iload1.

《本実施例の効果》
本実施例によれば、上記の設定により、負荷電流がIload1であれば、素子温度がTMTより低温の領域で、実施例1乃至実施例3で述べた本発明の効果が得られる他に、Iload1より小さな負荷電流Iload2の場合においても、TMT2より低温領域であれば、本発明の効果が得られる。その効果によってEswが低減された結果を図5中に点線で示す。負荷電流がIload1で示す大電流の場合には、中間温度TMT1から低温の領域でEswLT1からEswLT1’へスイッチング損失を低減する。Iload1より小さいIload2の場合でも低温TMT2(ここでTMT2<TMT1)より低温でスイッチング損失は低減でき、EswLT2’へと減少する。
<< Effect of this embodiment >>
According to the present embodiment, if the load current is Iload 1, the effects of the present invention described in Examples 1 to 3 can be obtained in a region where the element temperature is lower than TMT by the above setting. Even in the case of the load current Iload2 smaller than Iload1, the effect of the present invention can be obtained if the load current is lower than TMT2. The result of reducing Esw by the effect is shown by a dotted line in FIG. When the load current is a large current indicated by Iload 1, the switching loss is reduced from EswLT1 to EswLT1'in the region from the intermediate temperature TMT1 to the low temperature. Even in the case of Iload2 smaller than Iload1, the switching loss can be reduced at a lower temperature than the low temperature TMT2 (here, TMT2 <TMT1), and the switching loss is reduced to EswLT2'.

以上のように、負荷電流によるVGP電圧の変動に基づいてスイッチング損失の低減効果を設定することにより、電力変換装置の電力損失低減することが可能である。 As described above, it is possible to reduce the power loss of the power conversion device by setting the effect of reducing the switching loss based on the fluctuation of the VGP voltage due to the load current.

また、実施例1乃至実施例4では、ターンオン動作時と同様にターンオフ動作においても本発明は効果を有し、ターンオン動作の場合のみや、ターンオフ動作の場合のみに適用した場合でもそのスイッチング損失低減の効果は得られる。 Further, in Examples 1 to 4, the present invention has an effect in the turn-off operation as well as in the turn-on operation, and the switching loss is reduced even when the present invention is applied only in the case of the turn-on operation or only in the case of the turn-off operation. The effect of is obtained.

また、上記の検知閾値電圧VGPRgの設定値は、特に低温時のスイッチング損失の低減に効果のある設定例を述べたのであって、低温から中間温度など広い範囲でスイッチング損失を低減したい場合にはVGPRgの値を適宜調整して設定することでスイッチング損失の低減が得られる。 Further, the above setting value of the detection threshold voltage VGPRg has described a setting example that is particularly effective in reducing the switching loss at a low temperature, and when it is desired to reduce the switching loss in a wide range such as a low temperature to an intermediate temperature. A reduction in switching loss can be obtained by appropriately adjusting and setting the value of VGPRg.

1a、1b:パワー半導体モジュール
1c、1d:ゲートセンス端子を備えたパワー半導体モジュール
2a、2b:ゲート駆動回路
2c、2d:ゲートセンス端子を備えたパワー半導体モジュールに接続可能なゲート駆動回路
3:ゲート電圧閾値検知判定回路
31〜34:ゲート駆動抵抗
41、42:ゲート配線
51:電源
52:負荷インダクタンス
101、102:ゲート閾値発生回路
103:アンプ
104:シュミットトリガ型コンパレータ
105:比較電位発生回路
106:アンプ制御電源
1a, 1b: Power semiconductor module 1c, 1d: Power semiconductor module with gate sense terminal 2a, 2b: Gate drive circuit 2c, 2d: Gate drive circuit that can be connected to a power semiconductor module with gate sense terminal 3: Gate Voltage threshold detection judgment circuit 31-34: Gate drive resistance 41, 42: Gate wiring 51: Power supply 52: Load inductance 101, 102: Gate threshold generation circuit 103: Amplifier 104: Schmitt trigger type comparator 105: Comparative potential generation circuit 106: Amplifier control power supply

Claims (12)

複数のパワー半導体モジュールと、複数のゲート駆動回路とを備えた電力変換装置であって、
前記複数のパワー半導体モジュールは、上アームのパワー半導体と下アームのパワー半導体とを共通のモジュールにて一体的に、または別々のモジュールにて個別に有し、
前記上アームのパワー半導体と前記下アームのパワー半導体とはハーフブリッジ回路を構成し、前記上アームのパワー半導体のドレイン端子は高電位端子であり、前記上アームのパワー半導体のソース端子と前記下アームのパワー半導体のドレイン端子とは中間電位端子に共通に接続され、前記下アームのパワー半導体のソース端子は低電位端子であり、
前記上アームのパワー半導体および前記下アームのパワー半導体のゲート端子およびソースセンス端子は、それぞれ、ゲート配線とソースセンス配線とを介して、上アーム用の前記ゲート駆動回路および下アーム用の前記ゲート駆動回路と互いに接続され、
前記複数のゲート駆動回路の各々は、
ゲート駆動電圧を出力するゲート駆動端子と、
前記ゲート駆動端子の電位の基準電位を出力するソースセンス駆動端子と、
前記ゲート駆動電圧を構成する高電位側電位が印加される第1の電源端子と、
前記ゲート駆動電圧を構成する低電位側電位が印加される第2の電源端子と、
前記ゲート駆動電圧を制御する駆動制御信号端子と、
ゲート電圧閾値検知判定回路と、
第1のゲート抵抗切替回路と第2のゲート抵抗切替回路とを含む2つ以上のゲート抵抗切替回路と、
前記第1のゲート抵抗切替回路に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオン時用ゲート抵抗と、
前記第2のゲート抵抗切替回路に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオフ時用ゲート抵抗と
を具備し、
前記ゲート電圧閾値検知判定回路は、
前記パワー半導体のゲート電圧を入力するための第1の入力端子と、前記パワー半導体のソース電圧を入力するための第2の入力端子とを有し、
前記ソースセンス駆動端子に前記第2の入力端子が接続され、
前記ゲート駆動回路の前記第1の電源端子および前記ゲート駆動回路の前記第2の電源端子にそれぞれ前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第1の電源端子および前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第2の電源端子が接続され、
前記ゲート駆動回路の前記駆動制御信号端子に制御参照信号端子が接続され、
前記第1のゲート抵抗切替回路の制御信号端子に第1の出力端子が接続され、
前記第2のゲート抵抗切替回路の制御信号端子に第2の出力端子が接続され、
前記第1の入力端子と前記第2の入力端子との間の電位差である入力端子間電圧と、前記制御参照信号端子の電位とに基づき、前記第1のゲート抵抗切替回路の制御信号端子および前記第2のゲート抵抗切替回路の制御信号端子の少なくともいずれか一方に、ゲート抵抗の値の切り替え指示を与える
ことを特徴とする電力変換装置。
A power conversion device including a plurality of power semiconductor modules and a plurality of gate drive circuits.
The plurality of power semiconductor modules have the power semiconductor of the upper arm and the power semiconductor of the lower arm integrally in a common module or individually in separate modules.
The power semiconductor of the upper arm and the power semiconductor of the lower arm form a half-bridge circuit, the drain terminal of the power semiconductor of the upper arm is a high potential terminal, and the source terminal of the power semiconductor of the upper arm and the lower arm. The drain terminal of the power semiconductor of the arm is commonly connected to the intermediate potential terminal, and the source terminal of the power semiconductor of the lower arm is a low potential terminal.
The gate terminal and the source sense terminal of the power semiconductor of the upper arm and the power semiconductor of the lower arm are the gate drive circuit for the upper arm and the gate for the lower arm via the gate wiring and the source sense wiring, respectively. Connected to the drive circuit and
Each of the plurality of gate drive circuits
The gate drive terminal that outputs the gate drive voltage and
A source sense drive terminal that outputs a reference potential of the potential of the gate drive terminal, and
The first power supply terminal to which the high potential side potential constituting the gate drive voltage is applied, and
A second power supply terminal to which the low potential side potential constituting the gate drive voltage is applied, and
The drive control signal terminal that controls the gate drive voltage and
Gate voltage threshold detection judgment circuit and
Two or more gate resistance switching circuits including a first gate resistance switching circuit and a second gate resistance switching circuit, and
A turn-on gate resistor connected to the first gate resistance switching circuit and having a variable resistance function,
It is connected to the second gate resistance switching circuit and has a turn-off gate resistance having a variable resistance function.
The gate voltage threshold value detection determination circuit is
It has a first input terminal for inputting the gate voltage of the power semiconductor and a second input terminal for inputting the source voltage of the power semiconductor.
The second input terminal is connected to the source sense drive terminal,
The first power supply terminal of the gate drive circuit and the second power supply terminal of the gate drive circuit have a first power supply terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit and a second power supply terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit, respectively. The power terminal is connected,
A control reference signal terminal is connected to the drive control signal terminal of the gate drive circuit, and the control reference signal terminal is connected.
The first output terminal is connected to the control signal terminal of the first gate resistance switching circuit, and the first output terminal is connected.
A second output terminal is connected to the control signal terminal of the second gate resistance switching circuit, and the second output terminal is connected.
Based on the voltage between the input terminals, which is the potential difference between the first input terminal and the second input terminal, and the potential of the control reference signal terminal, the control signal terminal of the first gate resistance switching circuit and A power conversion device characterized in that a switching instruction for a gate resistance value is given to at least one of the control signal terminals of the second gate resistance switching circuit.
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記ゲート駆動端子に前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第1の入力端子が接続される
ことを特徴とする電力変換装置。
In the power conversion device according to claim 1,
A power conversion device characterized in that the first input terminal of the gate voltage threshold value detection determination circuit is connected to the gate drive terminal.
請求項2に記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体の少なくとも1つはSiC−MOSFET型パワー半導体素子であり、
一つ或いは複数の並列接続された前記SiC−MOSFET型パワー半導体素子のドレインが前記パワー半導体モジュールのドレイン端子とされ、
前記SiC−MOSFET型パワー半導体素子のソースが前記パワー半導体モジュールのソース端子およびソースセンス端子とされる
ことを特徴とする電力変換装置。
In the power conversion device according to claim 2,
At least one of the power semiconductors is a SiC-MOSFET type power semiconductor element.
The drain of the SiC-MOSFET type power semiconductor element connected in parallel of one or more is used as the drain terminal of the power semiconductor module.
A power conversion device characterized in that the source of the SiC-MOSFET type power semiconductor element is a source terminal and a source sense terminal of the power semiconductor module.
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記複数のゲート駆動回路の各々は、前記パワー半導体モジュールのゲート電圧を検知するゲート電圧センス端子を更に具備し、
前記ゲート電圧センス端子に前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第1の入力端子が接続される
ことを特徴とする電力変換装置。
In the power conversion device according to claim 1,
Each of the plurality of gate drive circuits further includes a gate voltage sense terminal for detecting the gate voltage of the power semiconductor module.
A power conversion device characterized in that the first input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit is connected to the gate voltage sense terminal.
請求項4に記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体の少なくとも1つはSiC−MOSFET型パワー半導体素子であり、
一つ或いは複数の並列接続された前記SiC−MOSFET型パワー半導体素子のドレインが前記パワー半導体モジュールのドレイン端子とされ、
前記SiC−MOSFET型パワー半導体素子のソースが前記パワー半導体モジュールのソース端子およびソースセンス端子とされ、
前記SiC−MOSFET型パワー半導体素子のゲートが前記パワー半導体モジュールのゲート駆動端子とされ、
前記ゲートが第1の抵抗の第1の端子に接続され、前記第1の抵抗の第2の端子が第1の容量の第1の端子に接続され、前記第1の容量の第2の端子が前記ソースセンス端子またはソース端子に接続され、前記第1の抵抗の第2の端子が前記パワー半導体モジュールのゲートセンス端子とされる
ことを特徴とする電力変換装置。
In the power conversion device according to claim 4,
At least one of the power semiconductors is a SiC-MOSFET type power semiconductor element.
The drain of the SiC-MOSFET type power semiconductor element connected in parallel of one or more is used as the drain terminal of the power semiconductor module.
The source of the SiC-MOSFET type power semiconductor element is a source terminal and a source sense terminal of the power semiconductor module.
The gate of the SiC-MOSFET type power semiconductor element is used as a gate drive terminal of the power semiconductor module.
The gate is connected to the first terminal of the first resistor, the second terminal of the first resistor is connected to the first terminal of the first capacitance, and the second terminal of the first capacitance is connected. Is connected to the source sense terminal or the source terminal, and the second terminal of the first resistor serves as a gate sense terminal of the power semiconductor module.
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記ゲート電圧閾値検知判定回路は、
第1のゲート電圧閾値生成回路と、第1のゲート電圧検知回路と、第1のゲート電圧判定回路と、第1のゲート電圧検知回路制御電源とを有する第1の閾値検知判定回路と、
第2のゲート電圧閾値生成回路と、第2のゲート電圧検知回路と、第2のゲート電圧判定回路と、第2のゲート電圧検知回路制御電源とを有する第2の閾値検知判定回路と
を含んで構成され、
前記第1のゲート電圧検知回路は、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第2の入力端子の電位を基準に、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第1の入力端子と、予め設定された第1の素子温度判定閾値を出力する前記第1のゲート電圧閾値生成回路の出力端子との間の電位差を増幅した電位差を出力端子に出力し、
前記第1のゲート電圧判定回路は、前記第1のゲート電圧検知回路の出力電圧を比較電圧と比較して、前記第1のゲート抵抗切替回路の切替信号を出力し、
前記第1のゲート電圧検知回路制御電源は、前記第1のゲート電圧判定回路に供給する電源電位を制御し、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記制御参照信号端子に入力されるスイッチング制御信号を参照し、ターンオン指示を行う場合に前記第1のゲート電圧判定回路の出力電位を出力する制御を行い、
前記第2のゲート電圧検知回路は、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第2の入力端子の電位を基準に、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第1の入力端子と、予め設定された第2の素子温度判定閾値を出力する前記第2のゲート電圧閾値生成回路の出力端子との間の電位差を増幅した電位差を出力端子に出力し、
前記第2のゲート電圧判定回路は、前記第2のゲート電圧検知回路の出力電圧を比較電圧と比較して、前記第2のゲート抵抗切替回路の切替信号を出力し、
前記第2のゲート電圧検知回路制御電源は、前記第2のゲート電圧判定回路に供給する電源電位を制御し、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記制御参照信号端子に入力されるスイッチング制御信号を参照し、ターンオフ指示を行う場合に前記第2のゲート電圧判定回路の出力電位を出力する制御を行う
ことを特徴とする電力変換装置。
In the power conversion device according to claim 1,
The gate voltage threshold value detection determination circuit is
A first threshold voltage detection determination circuit having a first gate voltage threshold generation circuit, a first gate voltage detection circuit, a first gate voltage determination circuit, and a first gate voltage detection circuit control power supply.
Includes a second gate voltage threshold generation circuit, a second gate voltage detection circuit, a second gate voltage determination circuit, and a second threshold detection determination circuit having a second gate voltage detection circuit control power supply. Consists of
The first gate voltage detection circuit has a first input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit and a preset first input terminal based on the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit. The potential difference obtained by amplifying the potential difference between the element temperature determination threshold and the output terminal of the first gate voltage threshold generation circuit is output to the output terminal.
The first gate voltage determination circuit compares the output voltage of the first gate voltage detection circuit with the comparison voltage, and outputs a switching signal of the first gate resistance switching circuit.
The first gate voltage detection circuit control power supply controls the power supply potential supplied to the first gate voltage determination circuit, and outputs a switching control signal input to the control reference signal terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit. With reference to this, when a turn-on instruction is given, control is performed to output the output potential of the first gate voltage determination circuit.
The second gate voltage detection circuit has a first input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit and a preset second input terminal based on the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit. Outputs the potential difference amplified with the output terminal of the second gate voltage threshold generation circuit that outputs the element temperature determination threshold of the above, and outputs the potential difference to the output terminal.
The second gate voltage determination circuit compares the output voltage of the second gate voltage detection circuit with the comparison voltage, and outputs a switching signal of the second gate resistance switching circuit.
The second gate voltage detection circuit control power supply controls the power supply potential supplied to the second gate voltage determination circuit, and outputs a switching control signal input to the control reference signal terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit. A power conversion device, which is referred to and controls to output the output potential of the second gate voltage determination circuit when a turn-off instruction is given.
請求項6に記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体モジュールは誘導性負荷に対してスイッチング動作を行うよう構成され、
所定の負荷電流をIとし、前記パワー半導体モジュールの素子温度(T)依存性を含む閾値をVTH(T)とし、前記パワー半導体モジュールのドレイン端子・ソース端子間電圧がオン電圧時の前記パワー半導体モジュールの相互コンダクタンスをgm(VON)とし、ゲート・プラトー電圧VGP2を
VGP2=VTH(T)+I/gm(VON)
とした場合に、
前記ゲート電圧閾値検知判定回路を構成する前記第1のゲート電圧閾値生成回路が出力する素子温度判定閾値電圧と、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第2の入力端子の電位との間の電位差が前記VGP2以下に設定される
ことを特徴とする電力変換装置。
In the power conversion device according to claim 6,
The power semiconductor module is configured to perform a switching operation with respect to an inductive load.
The power semiconductor when the predetermined load current is I, the threshold including the element temperature (T) dependence of the power semiconductor module is VTH (T), and the voltage between the drain terminal and the source terminal of the power semiconductor module is on voltage. The mutual conductance of the modules is gm (VON), and the gate plateau voltage VGP2 is VGP2 = VTH (T) + I / gm (VON).
When
Potential difference between the element temperature determination threshold voltage output by the first gate voltage threshold generation circuit constituting the gate voltage threshold detection determination circuit and the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit. Is set to VGP2 or less.
請求項7に記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体モジュールのドレイン端子・ソース端子間電圧が前記電力変換装置の電源電圧(Vcc)に等しい場合のオン電圧時の前記パワー半導体モジュールの相互コンダクタンスをgm(Vcc)とし、ゲート・プラトー電圧VGP1を
VGP1=VTH(T)+I/gm(Vcc)
とした場合に、
前記ゲート電圧閾値検知判定回路を構成する前記第1のゲート電圧閾値生成回路が出力する素子温度判定閾値電圧と、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第2の入力端子の電位との間の電位差が前記VGP1以上に設定される
ことを特徴とする電力変換装置。
In the power conversion device according to claim 7,
When the voltage between the drain terminal and the source terminal of the power semiconductor module is equal to the power supply voltage (Vcc) of the power converter, the transconductance of the power semiconductor module at the time of on voltage is gm (Vcc), and the gate plateau voltage VGP1 VGP1 = VTH (T) + I / gm (Vcc)
When
Potential difference between the element temperature determination threshold voltage output by the first gate voltage threshold generation circuit constituting the gate voltage threshold detection determination circuit and the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit. Is set to VGP1 or higher.
請求項8に記載の電力変換装置において、
前記ゲート・プラトー電圧VGP2を定義する素子温度Tが低温時の温度Tである場合のゲート・プラトー電圧VGP2LT
VGP2LT=VTH(T)+I/gm(VON)
とした場合に、
前記ゲート電圧閾値検知判定回路を構成する前記第1のゲート電圧閾値生成回路が出力する素子温度判定閾値電圧と、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第2の入力端子の電位との間の電位差が前記VGP2LT以下に設定される
ことを特徴とする電力変換装置。
In the power conversion device according to claim 8,
The gate plateau voltage VGP2 LT when the element temperature T defining the gate plateau voltage VGP2 is the temperature TL at a low temperature is VGP2 LT = VTH ( TL ) + I / gm (VON).
When
Potential difference between the element temperature determination threshold voltage output by the first gate voltage threshold generation circuit constituting the gate voltage threshold detection determination circuit and the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit. Is set to VGP2 LT or less.
請求項9に記載の電力変換装置において、
前記ゲート・プラトー電圧VGP1を定義する素子温度Tが中間温度時の温度TMである場合のゲート・プラトー電圧VGP1MT
VGP1MT=VTH(T)+I/gm(VON)
とした場合に、
前記ゲート電圧閾値検知判定回路を構成する前記第1のゲート電圧閾値生成回路が出力する素子温度判定閾値電圧と、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第2の入力端子の電位との間の電位差が前記VGP1MT以上に設定される
ことを特徴とする電力変換装置。
In the power conversion device according to claim 9,
The gate plateau voltage gate plateau voltage when the element temperature T that define VGP1 is at a temperature T M at intermediate temperature VGP1 MT to VGP1 MT = VTH (T M) + I / gm (VON)
When
Potential difference between the element temperature determination threshold voltage output by the first gate voltage threshold generation circuit constituting the gate voltage threshold detection determination circuit and the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit. Is set to VGP1 MT or higher.
請求項10に記載の電力変換装置において、
前記ゲート・プラトー電圧VGP2LTを定義する低温時の温度Tが−25℃とされ、
前記ゲート・プラトー電圧VGP1MTを定義する中間温度時の温度TMが+25℃とされる
ことを特徴とする電力変換装置。
In the power conversion device according to claim 10,
Temperature T L at a low temperature that defines the gate plateau voltage VGP2 LT is a -25 ° C.,
Temperature T M at intermediate temperature that defines the gate plateau voltage VGP1 MT is a + 25 ° C.
A power conversion device characterized by the fact that.
請求項11に記載の電力変換装置において、
前記ゲート・プラトー電圧VGP1および前記ゲート・プラトー電圧VGP2は、所定の負荷電流Iに応じて決定される
ことを特徴とする電力変換装置。
In the power conversion device according to claim 11,
The power conversion device, wherein the gate plateau voltage VGP1 and the gate plateau voltage VGP2 are determined according to a predetermined load current I.
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