JP6965714B2 - Gate drive circuit - Google Patents
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Description
本発明は、パルス電源用半導体素子のゲート駆動回路とその構造に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit of a semiconductor element for a pulse power supply and its structure.
高速・高電圧出力のパルス幅変調式のパルス電源としては、PFL(パルス成形線路)やPFN(パルス形成回路)、ブルームラインを使った回路方式も考えられる。特に、立ち上がり/立ち下がり時間が数十nsecと短く、数百nsecまでの短パルス幅出力が求められ、かつ容易にパルス幅変調できるものとして、スイッチ等でダイレクトに負荷に電力を供給する方式が有効である。 As a pulse width modulation type pulse power supply with high speed and high voltage output, a circuit method using PFL (pulse forming line), PFN (pulse forming circuit), or bloom line can be considered. In particular, a method of directly supplying power to the load with a switch or the like is used as a method in which a short pulse width output of up to several hundred nsec is required and the pulse width can be easily modulated with a short rise / fall time of several tens of nsec. It is valid.
パルス電源のスイッチとしてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)型の半導体スイッチの適用が考えられる(特許文献1,2)。この数十kVクラスかつ数十nsecで動作するスイッチは単体ではないので、ディスクリート型の半導体素子を当該電源に複数直列に接続して使用するのが一般的である。
An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) type semiconductor switch may be applied as a pulse power switch (
ディスクリート型の半導体素子を用いて複数の駆動電圧をゲート駆動回路から出力する場合、パルストランスと電圧調節回路とによりダイレクトに当該素子を駆動させると、パルストランスの巻線構造に起因して等価回路のインダクタンスや容量が異なることがある。このため、ゲートの立ち上がり時間が変化して電圧分担に影響を及ぼすことになる。そして、この状況により、一素子に過電圧が印加されることがあり、素子が破損する事態も想定される。 When a plurality of drive voltages are output from a gate drive circuit using a discrete type semiconductor element, if the element is driven directly by a pulse transformer and a voltage adjustment circuit, an equivalent circuit is caused by the winding structure of the pulse transformer. Inductance and capacitance may differ. Therefore, the rise time of the gate changes, which affects the voltage sharing. Then, depending on this situation, an overvoltage may be applied to one element, and it is assumed that the element may be damaged.
本発明は、上記の事情の鑑み、高速・高電圧出力のパルス幅変調式パルス電源において、巻線間の結合容量を低減しつつ、漏れインダクタンスをより低減させて、ゲート立ち上がり時間の短縮を図ることを課題とする。 In view of the above circumstances, the present invention aims to shorten the gate rise time by further reducing the leakage inductance while reducing the coupling capacitance between windings in a pulse width modulation type pulse power supply with high speed and high voltage output. That is the issue.
そこで、本発明の一態様は、パルス電源におけるパルストランス方式のゲート駆動回路であって、パルス電源に実装されるゲート駆動回路の基板と、この基板に実装される一方でパルストランスの一次側電線が挿通されるコアと、前記基板に実装される一方で素線が複数の束にほぐされた状態で前記コアに巻線される前記パルストランスの二次側電線とを備える。 Therefore, one aspect of the present invention is a pulse transformer type gate drive circuit in a pulse power supply, which is a substrate of the gate drive circuit mounted on the pulse power supply and a primary side electric wire of the pulse transformer mounted on the substrate. It is provided with a core through which the wire is inserted and a secondary side electric wire of the pulse transformer which is mounted on the substrate and wound around the core in a state where the strands are loosened into a plurality of bundles.
本発明の一態様は、パルス電源におけるパルストランス方式のゲート駆動回路であって、パルス電源に実装されるゲート駆動回路の基板と、この基板に実装される一方でパルストランスの一次側電線が挿通されるコアと、前記基板に実装される一方で素線が複数のターンでフォーミング加工された状態で前記コアに巻線される前記パルストランスの二次側電線とを備える。 One aspect of the present invention is a pulse transformer type gate drive circuit in a pulse power supply, in which a substrate of the gate drive circuit mounted on the pulse power supply and a primary side electric wire of the pulse transformer are inserted while being mounted on the substrate. The core is mounted on the substrate, and the secondary side electric wire of the pulse transformer is wound around the core in a state where the wire is formed in a plurality of turns.
本発明の一態様は、前記ゲート駆動回路において、前記一次側電線は蛇腹形状の絶縁チューブが被覆されている。 In one aspect of the present invention, in the gate drive circuit, the primary side electric wire is covered with a bellows-shaped insulating tube.
本発明の一態様は、前記ゲート駆動回路において、前記基板は前記パルス電源に複数直列に実装される。 In one aspect of the present invention, in the gate drive circuit, a plurality of the substrates are mounted in series with the pulse power supply.
以上の本発明によれば、パルス電源において、巻線間の結合容量を低減しつつ、漏れインダクタンスをより低減させて、ゲート立ち上がり時間の短縮を図ることができる。 According to the above invention, in the pulse power supply, the leakage inductance can be further reduced while reducing the coupling capacitance between the windings, and the gate rise time can be shortened.
以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[実施形態1]
本発明の実施形態の説明にあたり本発明の前提となる電源回路の構成について説明する。
[Embodiment 1]
In the description of the embodiment of the present invention, the configuration of the power supply circuit which is the premise of the present invention will be described.
図5に示されたパルス幅変調式のパルス電源回路5は、外部から直流電源等で電力供給し、直流電源の応答性により電圧低下が考えられる場合に、コンデンサCが挿入される。抵抗R1,R2は電源と負荷間のL(漂遊インダクタンス)や負荷によって発生するリンギング防止用に挿入されている。
In the pulse width modulation type pulse
パルス電源回路5において、リンギングの影響が無視できるような場合やリンギングにより過電圧が発生し、素子が破損しないような場合等は、抵抗R1,R2の実装は不要である。また、負荷Loadが抵抗負荷の場合、抵抗R2、スイッチSW2は不要となるが、容量性負荷等の負荷Load側にエネルギーが残存し、電圧を立ち下げたい場合は抵抗R2、スイッチSW2は必要となる。
In the pulse
図6のタイミングチャートを参照してパルス電源回路5のスイッチSW1,SW2の動作例について説明する。
An operation example of the switches SW1 and SW2 of the pulse
負荷Loadにエネルギーを供給し、負荷Load側の電圧を立ちあげたい時はスイッチSW1をON、スイッチSW2をOFFする。その後、負荷Load側の電圧を立ち下げたい場合はスイッチSW1をOFF、スイッチSW2をONし、電圧を立ち下げる。 When it is desired to supply energy to the load load and raise the voltage on the load load side, the switch SW1 is turned on and the switch SW2 is turned off. After that, when it is desired to lower the voltage on the load load side, the switch SW1 is turned off, the switch SW2 is turned on, and the voltage is lowered.
パルス電源回路5を主にプラズマ発生用途で使用する場合、SW1、SW2に使用されるスイッチとしてディスクリート型の半導体素子が適用される。この半導体素子が適用されたゲート駆動回路1を、図7に例示の駆動回路7のように直列に接続してスイッチ動作させる場合、様々な方式があるが、パルストランスでダイレクトに各SWを同時にONさせる方式がある。
When the pulse
SiC素子等の半導体素子を駆動させる際には半導体素子のゲートQ,ソースS間に正電圧が印加される。高速な高電圧パルス出力を得る場合、半導体素子のオン時間を早める必要があるが、その手法の一つとしてゲートの立ち上がり時間を早める方法がある。 When driving a semiconductor element such as a SiC element, a positive voltage is applied between the gate Q and the source S of the semiconductor element. In order to obtain a high-speed high-voltage pulse output, it is necessary to shorten the on-time of the semiconductor element, and one of the methods is to shorten the rise time of the gate.
ゲート駆動回路1の具体的な態様であるパルストランス方式のゲート駆動回路8の回路構成例を図8に示した。トランス一次側1Tに電流を流し、トランス二次側5Tに流れる電流iによりゲート電圧を立ち上げる。電流iの立ち上がりは、パルストランスPT1で発生する漏れインダクタンスや結合容量に左右され、トランスの構成及び構造によりほぼ決される。パルストランスの等価回路を図9に示し、漏れインダクタンス、結合容量とゲート立ち上がり時間の関係を以下の式(1)に示す。
FIG. 8 shows a circuit configuration example of the pulse transformer type
Tr=k・√(Cw・Ll) …(1)
式(1)において、Tr:立ち上がり時間、k:定数、Cw:結合容量、Ll:漏洩インダクタンス(一次側・二次側合成値)である。
Tr = k ・ √ (Cw ・ Ll)… (1)
In the formula (1), Tr: rise time, k: constant, Cw: coupling capacitance, Ll: leakage inductance (primary side / secondary side combined value).
また、トランスの構成及び構造にバラツキが生じると、図7の駆動回路7における各段のゲート立ち上がり時間に影響が出て、場合によっては、電圧分担が崩れる。
Further, if the configuration and structure of the transformer vary, the gate rise time of each stage in the
そこで、図1に示した実施形態1のパルス電源におけるゲート駆動回路1のトランス構造により、式(1)の結合容量Cwを低減しつつ、漏洩インダクタンスLlをより低下させて、ゲート立ち上がり時間Trの短縮を図る。
Therefore, the transformer structure of the
すなわち、ゲート駆動回路1は、パルス電源に複数直列に実装されるゲート駆動回路1の基板10と二次側電線12とコア13とを備える。
That is, the
コア13は、基板10に実装される一方でパルストランス(図8の事例ではPT1)の一次側電線11が挿通される。
While the
二次側電線12は、基板10に実装される一方で素線が複数の束にほぐされた状態でコア13に巻線される。具体的には、図10に例示したように、1本1本の素線が絶縁されたリッツ線がほぐされた状態でゲート駆動回路1の基板10におけるコア13に巻線されることにより、コア13の漏れ磁束の低減が図られている。
The secondary side
図1に例示された態様は、10枚のゲート駆動回路1の基板10が直列接続され、トランス一次側の一次側電線は基板10の孔101に挿通された状態で基板10上のコア13の中心に配置されている。巻線の態様は、一次側:1ターン、二次側:3ターンを想定している(パラ数はリッツ線の素線数)。
In the embodiment illustrated in FIG. 1, ten
高速・高電圧発生のパルス電源回路5において、SW1、SW2に使用されるスイッチは、高速・高耐圧なスイッチが必要である。SW1、SW2に使用されるスイッチとして、ディスクリート型の半導体デバイスを直列接続して使用するのが一般的である。
In the pulse
そして、前記スイッチを直列接続して動作させる場合、ゲート駆動回路にパルストランスを使用して、スイッチSWを制御する方法がある。スイッチSWを高速に動作させるためには、ゲート駆動回路の立ち上がり時間をより高速にする必要がある。 Then, when the switches are connected in series and operated, there is a method of controlling the switch SW by using a pulse transformer in the gate drive circuit. In order to operate the switch SW at high speed, it is necessary to make the rise time of the gate drive circuit faster.
以上の実施形態1の態様によれば、上述の図1の態様例とすることにより、コア13の漏れ磁束が低減し、漏れインダクタンスがより低減する。さらに、ゲート駆動回路1の直列接続の部位によっては、一次,二次間に高電圧が印加されるが、一次,二次間の空間距離が確保されるので、絶縁破壊防止や結合容量低減に効果的となる。したがって、本態様によれば、式(1)の漏洩インダクタンスLl、結合容量Cwの両方の値が低減し、ゲート立ち上がり時間Trが効果的に短縮される。
According to the embodiment of the first embodiment described above, the leakage flux of the
[実施形態2]
図2に示された本実施形態のゲート駆動回路1のトランス構造は、実施形態1と同様に、トランス二次側の二次側電線12が1本1本の素線が絶縁されたリッツ線をほぐした状態で基板10上のコア13に巻線することにより、コア13からの漏れ磁束の低減を図る。
[Embodiment 2]
Similar to the first embodiment, the transformer structure of the
特に、本態様においては、一次側電流量が多く一次側電線11の素線が太くなる場合やコアの内径が小さくなる場合、絶縁距離を確保するために、実施形態1の態様において、一次側電線11の素線を蛇腹形状の絶縁チューブ14により被覆する。同図に例示された巻線の態様は、一次側:1ターン、二次側:3ターンを想定している(パラ数はリッツ線の素線数)。
In particular, in this embodiment, when the amount of current on the primary side is large and the wire of the primary side
一次,二次間の距離が近い場合、直列接続の部位によっては、一次,二次間に高電圧が印加されると、絶縁破壊が懸念されることがある。これに対して、実施形態2の態様は、実施形態1の態様と比べて絶縁チューブ14の凹凸構造により、一次,二次間の空間距離が確保されているので、高電圧が印加されても絶縁破壊を防ぐことができる。
When the distance between the primary and secondary is short, there is a concern about dielectric breakdown when a high voltage is applied between the primary and secondary depending on the part of the series connection. On the other hand, in the embodiment of the second embodiment, the space distance between the primary and the secondary is secured by the concave-convex structure of the insulating
尚、本態様は、一次−二次側間の素線距離が近くなり、結合容量は大きくなるが、実施形態1と同様に、漏れインダクタンスが低減するので、ゲート立ち上がり時間には影響はなくなる。 In this embodiment, the wire distance between the primary and secondary sides is short and the coupling capacitance is large, but the leakage inductance is reduced as in the first embodiment, so that the gate rise time is not affected.
[実施形態3]
図3に示された実施形態3のゲート駆動回路1のトランス構造は、直列接続時の各段のゲート電圧立ち上がり時間のバラツキをより低減させて、漏れインダクタンスと結合容量との差をなくし、各段のゲート立ち上がり時間にバラツキを抑制する。
[Embodiment 3]
The transformer structure of the
実施形態3のトランス構造は、二次側電線12が基板10に実装された素線が複数のターンでフォーミング加工された状態でコア13に巻線されること以外は、実施形態1のトランス構造と同様の態様となっている。二次側電線12は、基板10の決められたパターン上に実装され、耐圧も考慮して接触導通しないように間隔が確保される。
The transformer structure of the third embodiment is the transformer structure of the first embodiment, except that the
実施形態1の態様と同様に、ゲート駆動回路1の基板10が複数直列に接続され、パルストランスの一次側電線11は基板10の孔101に挿通された状態で基板10上のコア13の中心に配置されている。巻線の態様は、一次側:1ターン、二次側:2ターン(パラ数は3)を想定している。
Similar to the first embodiment, a plurality of
以上の実施形態3の態様とすることにより、漏れインダクタンスを低減させることができる。さらに、一次,二次間に高電圧が印加されるがあっても、実施形態2と同様に、空間距離が確保され、絶縁破壊を防ぐことができる。さらに、距離が離れた分だけ、結合容量も低減でき、前述の式(1)のL、C両方の値が低減でき、ゲート立ち上がり時間の短縮に効果的となる。 By adopting the above-described third embodiment, the leakage inductance can be reduced. Further, even if a high voltage is applied between the primary and secondary, the spatial distance can be secured and dielectric breakdown can be prevented as in the second embodiment. Further, the coupling capacitance can be reduced by the distance, and the values of both L and C in the above formula (1) can be reduced, which is effective in shortening the gate rise time.
実施形態1の方法では、巻線状態により漏れインダクタンスがバラつき、直列動作を行った場合、各段のゲート立ち上がり電圧にバラツキが生じる可能性があるが、実施形態3の態様とすることにより、一次側電線11、二次側電線12ともに巻線位置が固定される。これにより、バラツキが実施例1よりも低減できる。
In the method of the first embodiment, the leakage inductance varies depending on the winding state, and when the series operation is performed, the gate rising voltage of each stage may vary. The winding position is fixed for both the side
[実施形態4]
図4に示された実施形態4の態様は、トランス二次側の二次側電線12としては、実施形態3と同様に、フォーミング加工が施された素線を使用し、決められた基板10のパターン上に実装し、耐圧も考慮して接触導通しないように間隔を確保している。
[Embodiment 4]
In the embodiment of the fourth embodiment shown in FIG. 4, as the secondary side
また、一次側の電流量が多く一次側電線11の素線が太くなる場合やコア13の内径が小さくなる場合、絶縁距離を確保するために、実施形態3の態様において、一次側電線11の素線を絶縁チューブ14により覆被する。同図に例示された巻線の態様は、一次側:1ターン、二次側:2ターンを想定している(パラ数は3)。
Further, when the amount of current on the primary side is large and the wire of the primary side
一次側,二次側間の距離が近い場合、直列接続の部位によっては、一次側,二次側間に高電圧が印加されると、絶縁破壊が懸念されることがある。これに対して、実施形態4の態様は、実施形態3の態様と比べて絶縁チューブ14の凹凸構造により、一次,二次間の空間距離が確保されているので、高電圧が印加されても絶縁破壊を防ぐことができる。
When the distance between the primary side and the secondary side is short, there is a concern about dielectric breakdown when a high voltage is applied between the primary side and the secondary side depending on the part of the series connection. On the other hand, in the embodiment of the fourth embodiment, the space distance between the primary and the secondary is secured by the concave-convex structure of the insulating
また、実施形態2の態様は、巻線状態により漏れインダクタンスがバラつき、直列動作を行った場合、各段のゲート立ち上がり電圧にバラツキが生じる可能性があるが、この実施形態4の態様とすることにより、一次側電線11及び二次側電線12ともに巻線位置が固定される。これにより、バラツキが実施形態2の態様よりも低減できる。
Further, in the embodiment of the second embodiment, the leakage inductance varies depending on the winding state, and when the series operation is performed, the gate rising voltage of each stage may vary. However, the embodiment of the fourth embodiment is adopted. As a result, the winding positions of both the primary side
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲内で様々な態様で実施が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and can be implemented in various embodiments within the scope of the claims of the present invention.
1…ゲート駆動回路
10…基板、101…孔
11…一次側電線
12…二次側電線
13…コア
1 ...
Claims (2)
パルス電源に実装されるゲート駆動回路の基板と、
この基板に実装される一方でパルストランスの一次側電線が挿通されるコアと、
前記基板に実装される一方で素線が複数の素線にほぐされた状態で前記コアに巻線される前記パルストランスの二次側電線と、
前記一次側電線を被覆する蛇腹形状の絶縁チューブと、
を備えたことを特徴とするゲート駆動回路。 A gate drive circuit that supplies drive signals to the gates of semiconductor elements that make up a pulse power supply.
The board of the gate drive circuit mounted on the pulse power supply and
While mounted on this board, the core through which the primary side wire of the pulse transformer is inserted,
The secondary side electric wire of the pulse transformer, which is mounted on the substrate and wound around the core in a state where the strands are loosened into a plurality of strands,
A bellows-shaped insulating tube that covers the primary wire and
A gate drive circuit characterized by being equipped with.
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