JP7161509B2 - gate drive circuit - Google Patents
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Description
本発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor)のような電力スイッチを駆動するためのゲート駆動回路に関する。 The present invention relates to gate drive circuits for driving power switches such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field effect transistors).
近年の省エネルギー化の要求に伴い、太陽光発電や風力発電がエネルギーの供給面で重要になりつつある。このような電力機器において使用される大電力スイッチを駆動するゲート駆動回路が使用される。
このような大電力スイッチは、高速(nsecレベルの精度)でON/OFFする必要がある。つまり、電力機器のスイッチング周波数は、軽量化、省スペース、低価格の実現などの要求から高周波化が進む傾向にある。そのような状況下で使用される電力スイッチも高速にスイッチングする必要がある。
電力スイッチには、IGBTやSiC-MOSFET、GaNなどの半導体が使用される。これらIGBT等の半導体は駆動端子(ゲート端子)に大きな入力容量がある。大電力の電力スイッチのゲート回路は一般に容量性であり、電力容量が大きくなればなるほどその容量も大きくなる。
With the demand for energy saving in recent years, photovoltaic power generation and wind power generation are becoming important in terms of energy supply. A gate drive circuit is used to drive the high power switch used in such power equipment.
Such high-power switches need to be turned on/off at high speed (nsec level accuracy). In other words, the switching frequency of electric power equipment tends to be higher due to demands for weight reduction, space saving, low cost, and the like. Power switches used under such conditions must also switch fast.
Semiconductors such as IGBTs, SiC-MOSFETs, and GaN are used for power switches. Semiconductors such as these IGBTs have a large input capacitance at their drive terminals (gate terminals). The gating circuitry of high power power switches is generally capacitive, and the higher the power capacity, the higher the capacitance.
したがって、電力スイッチの駆動時の初期に大きな電流が流れることになる。そのため、このような電力スイッチを駆動するような高速スイッチは、大電流を高速で切り替える能力が必要となる。近年の省エネルギー化の要請から、装置の一層の軽量化が求められ、一層高速化が要求されている。その結果、電力スイッチを高速でスイッチングする駆動回路は、瞬時に大電流を供給できる能力がより一層要求されている。
一方、電力機器の制御回路は、このような大電流を直接大電力スイッチに供給することはできない。そこで、制御回路と大電力スイッチとの間には電流増幅や電圧増幅を高速で行うゲート駆動回路が通常は必要となる。本発明は、このようなゲート駆動回路に使用されるスイッチ回路であって、より高速なスイッチングを実現しうるゲート駆動回路を提供しようとするものである。
Therefore, a large current flows at the beginning of driving the power switch. Therefore, a high-speed switch that drives such a power switch must be capable of switching large currents at high speed. Due to the recent demand for energy saving, there is a demand for further weight reduction of the apparatus and further speedup. As a result, drive circuits for high-speed switching of power switches are increasingly required to have the ability to instantaneously supply a large current.
On the other hand, the control circuit of the power equipment cannot supply such a large current directly to the high power switch. Therefore, between the control circuit and the high-power switch, a gate drive circuit that performs current amplification and voltage amplification at high speed is usually required. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a switch circuit used in such a gate drive circuit, and an object thereof is to provide a gate drive circuit capable of realizing faster switching.
先行特許技術
例えば、後述する特許文献1(特開平03-286619号公報)には、絶縁ゲートを備えた半導体を駆動するゲート駆動回路が開示されている。特に、電源から電荷をゲートに供給する配線の途中に逆阻止型スイッチが設けられ、逆阻止型スイッチとゲートの間にインダクタンス素子が設けられている構成が開示されている。この構成によって、ゲート容量と、インダクタンス素子のインダクタンスで共振を生じさせることによって、高速なスイッチングが可能になるとされている。
Prior Patent Technique For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 03-286619), which will be described later, discloses a gate driving circuit for driving a semiconductor having an insulated gate. In particular, a configuration is disclosed in which a reverse blocking switch is provided in the middle of wiring for supplying charges from a power source to a gate, and an inductance element is provided between the reverse blocking switch and the gate. This configuration is said to enable high-speed switching by causing resonance between the gate capacitance and the inductance of the inductance element.
後述する特許文献2(特開平04-176209号公報)には、MOS(metal-oxide-semiconductor)トランジスタをON動作させるための電荷をダイオードを介して供給する構成が開示されている。これによって、一度ON動作したMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)はON動作し続け、以て高速なスイッチングをすることができるとされている。 Patent Document 2 (Japanese Laid-Open Patent Publication No. 04-176209), which will be described later, discloses a configuration in which charges are supplied via a diode to turn on a MOS (metal-oxide-semiconductor) transistor. As a result, a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) that has been turned ON once continues to be turned ON, thereby enabling high-speed switching.
後述する特許文献3(特開2017-17995号公報)には、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Transistors)を用いた高周波回路と、高周波回路に接続する共振回路と、を含むワイヤレス給電装置が開示されている。共振回路によって、高速なスイッチングが可能になり性能の優れたワイヤレス給電装置が提供できるとされている。 Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-17995), which will be described later, discloses a wireless power supply device including a high-frequency circuit using MISFETs (Metal Insulator Semiconductor Field Transistors) and a resonance circuit connected to the high-frequency circuit. there is It is said that the resonant circuit enables high-speed switching and provides a wireless power supply device with excellent performance.
制御回路からの信号を高速で増幅する場合、図10のような回路構成が使用されている。図10に示すように、スイッチ回路10は、電源のプラス側にハイサイドスイッチ11、電源のマイナス側にローサイドスイッチ12を設けて構成されている。また、図示されていない制御回路からの制御信号を入力する入力端子13は、ハイサイドスイッチ11及びローサイドスイッチ12に接続している。これによって、ハイサイドスイッチ11及びローサイドスイッチ12を制御回路からの制御信号(又は「ON/OFF信号」と呼ぶ)で駆動する回路が構成されている。
A circuit configuration as shown in FIG. 10 is used to amplify a signal from the control circuit at high speed. As shown in FIG. 10, the
図10においては、さらに出力端子14が、ハイサイドスイッチ11及びローサイドスイッチ12に接続しており、出力端子14はIGBT15を駆動するための出力信号を出力する。なお、出力端子14と、IGBT15との間には電力増幅のためのP-AMP16が設けられている(図10参照)。
In FIG. 10, the
しかし、制御回路からの制御信号を直接ハイサイドスイッチ11、ローサイドスイッチ12に接続すると制御回路からのON/OFF信号が、L → H、又はH → L に変化するとき、各スイッチ(ハイサイドスイッチ11、ローサイドスイッチ12)が同時にON状態となる期間が生じてしまう場合がある。
However, if the control signal from the control circuit is directly connected to the
その原因は、図11に示すように制御回路からの制御信号が、その状態を変化する際に、必ずVdc(電源のプラス側)とVee(電源のマイナス側)との中間電位を通過する期間があるためである。この期間において、制御信号の電圧は、ハイサイドスイッチ11、ローサイドスイッチ12ともに(両スイッチを)ON動作させる入力電圧(これを、ON動作電圧と呼ぶ)である。その結果、この期間では、両方のスイッチが同時にON動作してしまう。
The reason for this is that the control signal from the control circuit, as shown in FIG. This is because During this period, the voltage of the control signal is an input voltage (referred to as an ON operation voltage) that causes both the high-
図11は、制御信号が変化する際のハイサイドスイッチ11と、ローサイドスイッチ12とのON/OFF動作状態の様子を示すグラフである。図11のグラフにおいて、横軸は時間の経過を示し、縦軸には各信号が並んでいる。
例えば、ハイサイドスイッチ11のON/OFFが切り替わる閾値電圧をVHgとし、ローサイドスイッチ12の閾値電圧をVLgとすると、制御回路の出力電圧がVLgから(Vdc-VHg)となる期間は、両スイッチがON動作の状態となる。すなわち、図11に示す時間t1~t2の期間はハイサイドスイッチ11、ローサイドスイッチ12が共にON動作の状態となるため、VdcからVeeに向かって貫通電流が生じてしまう。
FIG. 11 is a graph showing ON/OFF states of the high-
For example, if the threshold voltage at which the high-
レベルシフト回路を用いる方法
このような貫通電流を防ぐ一つの方法として、レベルシフト回路を使用する方法がある。レベルシフト回路を使用した回路の例が、図12Aに示されている。レベルシフト回路とは、ハイサイドスイッチ11の信号の直流レベルを一定値電圧が上がる方向にシフトさせる回路である。このようなレベルシフト回路を用いることによって、図11に示すような両方のスイッチが同時にON動作する時間帯をなくすことができる。
図12Aにおいては、図10の図に比べて、レベルシフト回路20が設けられている点が異なる。すなわち、図12Aのスイッチ回路10aは、図10のスイッチ回路10と比べると、レベルシフト回路20が備えられている点が異なる。なお、図12Aにおいては、制御回路21が描かれており、制御信号を入力端子13に印加する。
Method Using Level Shift Circuit One method of preventing such through current is to use a level shift circuit. An example of a circuit using level shifting circuitry is shown in FIG. 12A. The level shift circuit is a circuit that shifts the DC level of the signal of the high-
12A differs from the diagram of FIG. 10 in that a
図12Bには、レベルシフト回路20によるレベルシフトの様子を示すタイムチャートが描かれている。図12Bのタイムチャート中、横軸は時間の経過を示し、縦方向には、ハイサイドスイッチ11に印加されるレベルシフト回路20の出力信号の様子と、ローサイドスイッチ12に印加される制御回路21の出力信号(制御信号)の様子とが、それぞれ例示されている。
図12Bに示すように、この例では、制御回路21の出力信号(制御信号)はGNDレベルから10Vまでをスイングする10Vp-pの信号である。これに対して、レベルシフト回路21の出力信号は、シフト電圧だけ電圧をシフトさせた結果、プラス側電圧(Vdc)から、Vdc-10Vの範囲をスイングする10Vp-pの信号である。このようにレベルシフトをした結果、ハイサイドスイッチ11は、OFF動作に入るタイミングが早くなり、逆にON動作に入るタイミングが遅れることになる。
FIG. 12B depicts a time chart showing how the
As shown in FIG. 12B, in this example, the output signal (control signal) of the
その結果、図12Bにも示すように、ハイサイドスイッチ11がOFF動作の状態になってから所定のデッドタイム経過後に、ローサイドスイッチ12がON動作の状態にはいる。また、逆に、ローサイドスイッチ12がOFF動作の状態になってから所定のデッドタイム経過後に、ハイサイドスイッチ11がON動作の状態に入る。
このように、図12に示す例では、レベルシフト回路を用いることによって、ハイサイドスイッチ11のON/OFF動作を行うタイミングをずらしたので、両スイッチが共にOFF動作の状態となるデッドタイムを設けることができる。したがって、貫通電流が生じてしまうことを防止することができる。
As a result, as shown in FIG. 12B, the low-
As described above, in the example shown in FIG. 12, the level shift circuit is used to shift the ON/OFF timing of the high-
デッドタイムを用いる方法
また、貫通電流を防ぐ他の方法として、制御信号そのものにあらかじめデッドタイムを設けておく方法がある。このデッドタイムを作る方法の説明図が、図13A、図13Bに示されている。
図13Aは、この方法を採用した場合の回路図である。図10のスイッチ回路10と異なり、図13Aに示すスイッチ回路10bは、入力端子を2種備えている。つまり、図13Aに示すように、スイッチ回路10bは、内部のハイサイドスイッチ11に供給する制御信号用の入力端子13aと、ローサイドスイッチ12に供給する制御信号用の入力端子13bと、の2種類の入力端子を備えている。
そして、制御回路21aは、ハイサイドスイッチ11用のON/OFF信号(ハイサイドスイッチ用制御信号IN1)とローサイドスイッチ12用のON/OFF信号(ローサイドスイッチ用制御信号IN2)との2種類の制御信号を出力して、それぞれのスイッチに供給して、両スイッチを駆動している。
Method Using Dead Time As another method for preventing through current, there is a method in which a dead time is provided in advance in the control signal itself. Explanatory diagrams of how to create this dead time are shown in FIGS. 13A and 13B.
FIG. 13A is a circuit diagram when this method is adopted. Unlike the
The
そして、ハイサイドスイッチ用制御信号IN1と、ローサイドスイッチ用制御信号IN2との間にデッドタイムを予め設けておくことによって、各スイッチのON動作している期間を、OFF動作している期間よりも少し短く設定している。この結果、両スイッチが同時にON動作する時間帯をなくすことができる。このようなタイミングを説明するタイムチャートが図13Bに示されている。
図13Bには、制御回路21が、デッドタイムを設けた2種の制御信号を出力する場合の各信号の様子を示すタイムチャートが描かれている。図13Bのタイムチャート中、横軸は時間の経過を示し、縦方向には、ハイサイドスイッチ用制御信号IN1と、ローサイドスイッチ用制御信号IN2とが並べて示されている。
図13Bに示すように、この例では、制御回路21aは、ハイサイドスイッチ用制御信号IN1を、ハイサイドスイッチ11がOFF作動させる値にまで変化させた後、所定のデッドタイム経過後に、今度はローサイドスイッチ用制御信号IN2を、ローサイドスイッチ12がON作動させる値にまで変化させている。
By providing a dead time in advance between the high-side switch control signal IN1 and the low-side switch control signal IN2, the period during which each switch is ON is longer than the period during which it is OFF. set a little shorter. As a result, it is possible to eliminate the time zone in which both switches are simultaneously turned on. A time chart illustrating such timing is shown in FIG. 13B.
FIG. 13B depicts a time chart showing the state of each signal when the
As shown in FIG. 13B, in this example, the
また、制御回路21aは、ローサイドスイッチ用制御信号IN2を、ローサイドスイッチ12がOFF作動させる値にまで変化させた後、所定のデッドタイム経過後に、今度はハイサイドスイッチ用制御信号IN1を、ハイサイドスイッチ11がON作動させる値にまで変化させている。
このように所定のデッドタイムを挟んで、ハイサイドスイッチ11とローサイドスイッチ12とが交互にON作動するように、制御回路21aは、ハイサイドスイッチ用制御信号IN1、及びローサイドスイッチ用制御信号IN2を制御して出力している。
Further, the
The
その結果、ハイサイドスイッチ11とローサイドスイッチ12とに流れる貫通電流を防止することができる。
これらのいずれの方法でも、貫通電流を防止することが可能であるが、回路の複雑さや回路コストの上昇はさけることができない。本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、より単純な回路を用いつつ、コストの上昇を抑制しながら、より高速なスイッチ回路を備えたゲート駆動回路を提供することを目的とする。
As a result, through current flowing through the high-
Although any of these methods can prevent the through current, the complexity of the circuit and the increase in circuit cost cannot be avoided. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a gate drive circuit having a faster switch circuit while using a simpler circuit and suppressing an increase in cost. With the goal.
(1)本発明は、上記課題を解決するために、制御信号に基づき、半導体スイッチを駆動するゲート駆動回路であって、前記制御信号を入力する入力端子と、プラス側電源に接続したハイサイドスイッチと、マイナス側電源に接続したローサイドスイッチと、前記入力端子と、前記プラス側電源とに接続され、前記制御信号を微分して、前記ハイサイドスイッチに供給する第1微分回路と、前記入力端子と、前記マイナス側電源とに接続され、前記制御信号を微分して、前記ローサイドスイッチに供給する第2微分回路と、前記半導体スイッチを駆動する信号を出力する出力端子と、前記ハイサイドスイッチと、前記出力端子と、の間に接続され、0オーム又はそれ以上のインピーダンスを有する第1インピーダンス回路と、前記ローサイドスイッチと、前記出力端子と、の間に接続され、0オーム又はそれ以上のインピーダンスを有する第2インピーダンス回路と、を備えることを特徴とするゲート駆動回路である。 (1) In order to solve the above problems, the present invention provides a gate drive circuit for driving a semiconductor switch based on a control signal, comprising: an input terminal for inputting the control signal; a switch, a low-side switch connected to a negative power supply, a first differentiating circuit connected to the input terminal and the positive power supply, differentiating the control signal and supplying it to the high-side switch, the input a second differentiating circuit connected to a terminal and the negative side power supply for differentiating the control signal and supplying it to the low side switch; an output terminal for outputting a signal for driving the semiconductor switch; and the high side switch. and the output terminal and connected between a first impedance circuit having an impedance of 0 ohms or more; and a second impedance circuit having an impedance.
(2)また、本発明は、(1)記載のゲート駆動回路であって、前記ハイサイドスイッチは、pnp型トランジスタを備え、前記ローサイドスイッチは、npn型トランジスタを備え、前記第1微分回路は、微分した前記制御信号を前記pnp型トランジスタのベースに供給し、前記第2微分回路は、微分した前記制御信号を前記npn型トランジスタのベースに供給し、前記第1インピーダンス回路は、前記pnp型トランジスタのコレクタ端子と、前記出力端子と、の間に接続され、 前記第2インピーダンス回路は、前記npn型トランジスタのコレクタ端子と、前記出力端子と、の間に接続されていることを特徴とするゲート駆動回路である。 (2) Further, the present invention is the gate drive circuit according to (1), wherein the high-side switch includes a pnp-type transistor, the low-side switch includes an npn-type transistor, and the first differentiating circuit includes , the differentiated control signal is supplied to the base of the pnp-type transistor, the second differentiating circuit supplies the differentiated control signal to the base of the npn-type transistor, the first impedance circuit supplies the pnp-type It is connected between the collector terminal of a transistor and the output terminal, and the second impedance circuit is connected between the collector terminal of the npn-type transistor and the output terminal. It is a gate drive circuit.
(3)また、本発明は、(1)又は(2)記載のゲート駆動回路であって、前記pnp型トランジスタのコレクタ端子、又は、前記npn型トランジスタのコレクタ端子、のいずれか一方のコレクタ端子と、前記出力端子と、の間に接続された定電圧ダイオード、を備えることを特徴とするゲート駆動回路である。 (3) The present invention also provides the gate drive circuit according to (1) or (2), wherein the collector terminal of either the collector terminal of the pnp-type transistor or the collector terminal of the npn-type transistor is provided. and a zener diode connected between the output terminal and the gate drive circuit.
(4)また、本発明は、(1)~(3)のいずれか1項に記載のゲート駆動回路であって、前記ハイサイドスイッチの入力端子と、前記プラス側電源との間に接続する半導体スイッチ、を備え、前記半導体スイッチは、所定の禁止信号によりON動作し、前記ハイサイドスイッチの入力端子を前記プラス側電源と接続し、前記制御信号にかかわらず、前記出力端子にHigh電圧が出力させることを禁止することができるゲート駆動回路である。 (4) Further, the present invention is the gate drive circuit according to any one of (1) to (3), wherein the gate drive circuit is connected between the input terminal of the high side switch and the plus side power supply. a semiconductor switch, wherein the semiconductor switch is turned on by a predetermined inhibition signal, connects the input terminal of the high side switch to the plus side power supply, and applies a High voltage to the output terminal regardless of the control signal. It is a gate drive circuit that can prohibit output.
(5)また、本発明は、制御信号に基づき、複数の半導体スイッチを並列に駆動するゲート駆動回路であって、前記制御信号を入力する入力端子と、プラス側電源に接続したハイサイドスイッチと、マイナス側電源に接続したローサイドスイッチと、前記入力端子と、前記プラス側電源とに接続され、前記制御信号を微分して、前記ハイサイドスイッチに供給する第1微分回路と、前記入力端子と、前記マイナス側電源とに接続され、前記制御信号を微分して、前記ローサイドスイッチに供給する第2微分回路と、前記半導体スイッチを駆動する信号を出力する出力端子と、前記ハイサイドスイッチと、前記出力端子と、の間に接続され、0オーム又はそれ以上のインピーダンスを有する第1インピーダンス回路と、前記ローサイドスイッチと、前記出力端子と、の間に接続され、0オーム又はそれ以上のインピーダンスを有する第2インピーダンス回路と、を備えることを特徴とするゲート駆動回路である。
(5) The present invention also provides a gate drive circuit for driving a plurality of semiconductor switches in parallel based on a control signal, comprising: an input terminal for inputting the control signal; and a high side switch connected to a plus side power supply. , a low-side switch connected to a negative side power supply, the input terminal, a first differentiating circuit connected to the positive side power supply, differentiating the control signal and supplying it to the high-side switch, and the input terminal. , a second differentiating circuit connected to the negative side power supply, differentiating the control signal and supplying it to the low side switch; an output terminal for outputting a signal for driving the semiconductor switch; the high side switch; a first impedance circuit connected between the output terminal and having an impedance of 0 ohms or more; and a first impedance circuit connected between the low-side switch and the output terminal and having an impedance of 0 ohms or more. and a second impedance circuit having a gate drive circuit.
本発明によれば、より簡易な構成で貫通電流を防止できるスイッチ回路を実現している。したがって、そのスイッチ回路を用いて、貫通電流を防止しつつ、より簡易な構成のゲート駆動回路を提供することができる。 According to the present invention, a switch circuit capable of preventing through current with a simpler configuration is realized. Therefore, by using the switch circuit, it is possible to provide a gate drive circuit with a simpler configuration while preventing through current.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づき説明する。
1.実施形態1
本実施形態は、IGBTやMOSFETのような電力スイッチを駆動するためのゲート駆動回路に用いられるスイッチ回路である。図1には、スイッチ回路110を備えたゲート駆動回路の回路図が示されている。このゲート駆動回路は、IGBT15のゲートを駆動するゲート駆動回路である。ここで、IGBT15は、請求の範囲の半導体スイッチの好適な一例に相当する。また、ゲート駆動回路は、スイッチ回路110を主要構成として、その他の回路を含んでよい。例えば、P-AMP16を含めてもよい(図1参照)が、アプリケーションによっては含めなくてもよい。本実施形態1に係るスイッチ回路110は、ハイサイドスイッチ111及びローサイドスイッチ112の入力端子に微分回路120、121を接続することを特徴とする。これらの微分回路120、121は、入力信号(制御信号)が上昇する時間帯ではハイサイドスイッチ111の入力側に、上述したレベルシフト回路(プラス方向に電圧をシフトする)を挿入した場合と同様の効果を生む。また、入力信号が下降する時間帯においては、ローサイドスイッチ112の入力側に、レベルシフト回路(マイナス方向に電圧をシフトする)を挿入した場合と同様の効果を生む。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1.
This embodiment is a switch circuit used in a gate drive circuit for driving a power switch such as an IGBT or a MOSFET. FIG. 1 shows a circuit diagram of a gate drive circuit comprising a
ここで、微分回路120、121は図2の微分回路1~3に示す回路網又は、これら回路網を並列接続した回路網とする。図2の微分回路1は、コンデンサCのみの回路であり、図2の微分回路2は、コンデンサCと抵抗Rとの並列回路である。また、図2の微分回路3は、抵抗RaとコンデンサCとの直接回路と、抵抗Rbと、の並列回路である。
ここで、微分回路120、121として、例えば、コンデンサCと抵抗Rの並列回路(図2の微分回路2)を採用すると、上述した図1は、図3Aのように表すことができる。
なお図1におけるインピーダンスZ1、Z2は、図3Aでは省略して示されていない。また、微分回路120は、図3Aでは、コンデンサC1と抵抗R1との並列回路から構成されているが、ハイサイドスイッチ111の入力抵抗として抵抗Rgが示されている。また、微分回路121は、図3Aでは、コンデンサC2と抵抗R2との並列回路から構成されているが、ローサイドスイッチ112の入力抵抗として抵抗Rgが示されている。また、図3Aでは、制御信号を出力する制御回路131も示されており、制御回路131は、制御信号を入力端子113に供給している。
図3Aにおけるゲート駆動回路は、スイッチ回路110を主要構成とするが、P-AMP16をゲート駆動回路に含めてもよいし、含めなくてもよい。
微分回路120は、請求の範囲の第1微分回路の好適な一例に相当する。微分回路121は、請求の範囲の第2微分回路の好適な一例に相当する。これは後述する図3A、図5、図6等においても同様である。
Here, the differentiating
Here, if a parallel circuit of a capacitor C and a resistor R (differentiating
Note that the impedances Z1 and Z2 in FIG. 1 are omitted and not shown in FIG. 3A. 3A, the differentiating
The gate drive circuit in FIG. 3A mainly includes the
The differentiating
図3Aにおいて、制御信号がVee電位からVdc電位に向かって上昇する場面を考える。このときの制御信号の電圧上昇の傾きの絶対値をk(V/sec)とする。
また、制御信号がVee電位からVdc電位に向かい始める時刻をt=0とする。制御信号が上昇過程にある時間帯に限れば、ハイサイドスイッチ111の入力端子電圧vhgとローサイドスイッチ112の入力端子電圧vlgとは、それぞれ下記式(1)、式(2)で表される。
In FIG. 3A, consider the case where the control signal rises from the Vee potential to the Vdc potential. Let k (V/sec) be the absolute value of the slope of the voltage rise of the control signal at this time.
Also, let t=0 be the time when the control signal starts going from the Vee potential to the Vdc potential. As long as the control signal is in the rising process, the input terminal voltage vhg of the high-
この式(1)から、ハイサイドスイッチ111の入力端子電圧はt=0において、式(1)の第1項の値となる。制御信号の電圧がVeeを起点として上昇しても、ハイサイドスイッチ111の入力電圧の起点は、式(1)の第1項で示される電圧からスタートすることがわかる。すなわち、微分回路120を設けることによって、電圧シフト回路を設けたと同様の効果を得ることができ、ハイサイドスイッチ111とローサイドスイッチ112の両方のスイッチが共にON動作の状態となる期間を防止できる。
これは、微分回路120が、プラス側電源Vdcに接続しているからである。プラス側電源Vdcを基準に制御信号を微分するので、式(1)の第1項で示した電圧からスタートすることになる。
From this equation (1), the input terminal voltage of the high-
This is because the differentiating
一方、ローサイドスイッチ112の入力端子電圧の式(2)は、このような項はなく、制御信号の電圧がVeeを起点として上昇する際の初期の電圧発生はない。
これは、微分回路121が、マイナス側電源Veeに接続しているからである。マイナス側電源Veeに対して制御信号を微分するので、式(1)の第1項で示した電圧は発生しない。
このようにして、ハイサイドスイッチ111にのみ電圧シフト回路を挿入した場合と同様の効果が得られる。すなわち、図12に示す回路と同様の効果が得られる。
This is because the differentiating
In this manner, the same effect as when the voltage shift circuit is inserted only in the high-
次に、逆の場合、すなわち図3Aにおいて、制御信号がVdcからVeeに向かう場合を考える。
図3Aにおいて、制御信号がVdc からVeeに向かう場合を検討する。制御信号が、VdcからVeeに向かい始める瞬間をt=0として、制御信号が下降している時間帯に限定して検討する。すると、ハイサイドスイッチ111とローサイドスイッチ112の入力端子の電圧は、次の式(4)及び式(5)で表される。
In FIG. 3A, consider the case where the control signal goes from Vdc to Vee. Considering the moment when the control signal starts going from Vdc to Vee as t=0, the study will be limited to the time period during which the control signal is falling. Then, the voltages of the input terminals of the high-
なお、微分回路による制御信号がどのように変化するかを示すタイムチャートが図3Bに示されている。図3Bにおいては、横軸が時間で、縦に制御信号、ハイサイドスイッチ111の入力端子の信号、ローサイドスイッチ112の入力端子の信号、が順に示されている。すなわち、制御信号が、微分回路によってどのように変化するかが描かれている。
図3Bにおいて、制御信号は、所定の立ち上がり時間(tr)でVeeからVdcまで立ち上がり、また所定の立ち下がり時間(tf)でVdcからVeeまで変化しておく(図3B参照)。ここで、tr=Vdc/kであり、tf=Vdc/kである。
A time chart showing how the control signal by the differentiating circuit changes is shown in FIG. 3B. In FIG. 3B, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the control signal, the signal at the input terminal of the high-
In FIG. 3B, the control signal rises from Vee to Vdc in a predetermined rise time (tr) and changes from Vdc to Vee in a predetermined fall time (tf) (see FIG. 3B). where tr=Vdc/k and tf=Vdc/k.
図3Bにおいて、下段がローサイドスイッチ112の入力端子の信号であり、微分回路を通じることによって、上段の制御信号と比較すると、信号の立ち上がりでオーバーシュートが表れ、信号の立ち下がりで、アンダーシュートが表れている。この信号の値がVsh(閾値)を超えた部分が、ローサイドスイッチ112のON動作の期間となる。
また、図3Bの中段には、ハイサイドスイッチ111の入力端子の信号であり、微分回路を通じることによって、ローサイドスイッチ112と同様に、信号の立ち上がりでオーバーシュートが表れ、信号の立ち下がりで、アンダーシュートが表れている。この信号のVdcからVsh(閾値)の部分が、ハイサイドスイッチ111のOFF動作の期間となる。Vsh(閾値)からGNDの部分が、ハイサイドスイッチ111のON動作の期間となる。これらが図3Bに示されている。
In FIG. 3B, the lower part is the signal of the input terminal of the low-
3B shows the signal at the input terminal of the high-
なお、図3Bの中段のハイサイドスイッチ111の入力端子の信号は、式(1)の第1項で示されるシフト電圧分だけ、かさ上げされている。このシフト電圧によって、ハイサイドスイッチ111の入力端子の信号の波形が立ち下がり時において、Vshを下回って、ハイサイドスイッチ111がON動作に移行するタイミングが遅れる。また、このシフト電圧(式(1)第1項)によって、ハイサイドスイッチ111の入力端子の信号の波形が立ち上がり時においては、早めにVshを上回ってしまい、ハイサイドスイッチ111がOFF動作に移行するタイミングが早められている。この結果、ローサイドスイッチ112の入力端子に表れる信号との間にデッドタイムが形成され、ハイサイドスイッチ111の入力端子の信号とローサイドスイッチ112の入力端子の信号との間でデッドタイムが形成され、ハイサイドスイッチ111とローサイドスイッチ112とが同時にON動作することを防止することができる。
Note that the signal at the input terminal of the high-
なお、ハイサイドスイッチ111の出力信号は、インピーダンスz1を介して、出力端子114に接続する(図1参照)。また、ローサイドスイッチ112の出力信号は、インピーダンスz2を介して、出力端子114に接続する(図1参照)。インピーダンス回路z1、z2は、所定の値の抵抗値等が用いられるが、なくても良い。すなわち、インピーダンス回路z1及びz2は、いずれか一方又は双方が0オーム(つまり、直結)であってもよい。ただし、出力の安定化、ハイサイドスイッチ111とローサイドスイッチ112との円滑な切り替え等のために、小さい値のインピーダンス回路を挿入しておくことは好ましい。
インピーダンス回路z1は、請求の範囲の第1インピーダンス回路の好適な一例に相当する。また、インピーダンス回路z2は、請求の範囲の第2インピーダンス回路の好適な一例に相当する。
Note that the output signal of the high-
The impedance circuit z1 corresponds to a preferred example of the first impedance circuit in the claims. Also, the impedance circuit z2 corresponds to a preferred example of the second impedance circuit in the claims.
以上説明したように、図3(図1)の回路構成によれば、制御信号がVeeからVdcまでスイングする場合、制御信号の上昇(VeeからVdcに上昇)時及び下降(VdcからVeeに下降)時の両方の場合において、ハイサイドスイッチ111とローサイドスイッチ112の両方が同時にON動作の状態となる期間の発生を防止することができる。
As described above, according to the circuit configuration of FIG. 3 (FIG. 1), when the control signal swings from Vee to Vdc, the control signal rises (rises from Vee to Vdc) and falls (falls from Vdc to Vee). ), it is possible to prevent occurrence of a period in which both the high-
2.実施形態2 バイポーラトランジスタを用いた例
図5には、ハイサイドスイッチ111aにpnpトランジスタを使用し、ローサイドスイッチ112aにはnpnトランジスタを使用した場合のスイッチ回路110を含むゲート駆動回路の回路ブロック図が示されている。図5においても、ゲート駆動回路は、スイッチ回路110を主要構成とするが、その他の構成を含んでいてもよい。例えばゲート駆動回路はP-AMP16を含めてもよいが、含めなくともよい。
いわゆるバイポーラトランジスタを用いた場合でも、これまで説明してきた図1~図3に示す回路とほぼ同様の作用効果を奏する。また、ハイサイドスイッチ111a各スイッチにMOSFETではなく、トランジスタを使用することで、種々の利点が生じる。
2.
Even when so-called bipolar transistors are used, substantially the same effects as those of the circuits shown in FIGS. 1 to 3 can be obtained. Various advantages are obtained by using a transistor instead of a MOSFET for each switch of the high-
以下、ハイサイドスイッチ111aとローサイドスイッチ112aとにトランジスタを用いた本実施形態2の場合に関する式を追加する。各トランジスタの導通したときのベース-エミッタ間電圧をVBEとする。トランジスタがOFF動作の状態からON動作の状態に移行する場合は、ON動作直前までのベース電圧を算出したものであり、ON動作後はベース-エミッタ間は、約0.7Vで制限される。また、トランジスタがON動作の状態からOFF動作の状態へ移行する場合は、制御信号が変化し始めた直後から、ベース-エミッタ間のインピーダンスは抵抗Rgの抵抗値に対してハイインピーダンスであると仮定する。
In the following, equations relating to the second embodiment using transistors for the high-
制御信号がVeeからVdcへ上昇する場合の各スイッチの入力信号は、ハイサイドスイッチ111aの入力信号を表す式が式(6)であり、ローサイドスイッチ112aの入力信号を表す式が式(7)である。
ただし、式(7)の場合は、ベース-エミッタ間が導通すると、ベース-エミッタ間電圧は、約0.7Vにてクランプされる。
However, in the case of equation (7), the base-emitter voltage is clamped at about 0.7V when the base-emitter conducts.
一方、トランジスタはベース-エミッタ電圧である約0.6Vを超えると、ベース電流が流れてコレクタ電流が流れるが、ベース電流のhFE倍の電流に制限される。そのため、ベース電流Ibを制限すれば、仮にハイサイドスイッチ111aのpnpトランジスタとローサイドスイッチ112aのnpnトランジスタが同時にON動作し、導通状態となっても、流れる電流(コレクタ電流)はIC = hFE × Ibに制限され、極めて短時間であれば、破損を免れうる場合もある。これに対して、ハイサイドスイッチ111、ローサイドスイッチ112をMOSFETを利用して構成する場合は、ON抵抗でのみドレイン電流が制限されるので、大きな電流となる可能性があり、ハイサイドスイッチ111とローサイドスイッチ112とが同時にON動作する状況を許容することはできない
。
On the other hand, when the transistor exceeds the base-emitter voltage of about 0.6 V, the base current flows and the collector current flows, but the current is limited to hFE times the base current. Therefore, if the base current Ib is limited, even if the pnp transistor of the high-
さらに、MOSFETの場合は、ゲート-ソース間電圧は最大定格があり、この最大定格の電圧を超える電圧を加えることができないので、制御信号の電圧の大きさによっては、保護用の定電圧ダイオードが必要となる。これに対して、トランジスタの場合は、ON動作時においてはベース-エミッタ間は約0.6Vとなるため、このような保護用定電圧ダイオードを必要としないという特徴がある。 Furthermore, in the case of MOSFET, there is a maximum rated voltage between the gate and source, and a voltage exceeding this maximum rated voltage cannot be applied. necessary. On the other hand, in the case of a transistor, since the voltage between the base and the emitter is about 0.6 V during ON operation, there is a feature that such a voltage regulator diode for protection is not required.
このように、ハイサイドスイッチ111と、ローサイドスイッチ112にバイポーラトランジスタを用いる場合と、MOSFETを用いる場合とで、それぞれ留意すべき点が異なる。
As described above, there are different points to be noted depending on whether the high-
3.実施形態3:定電圧ダイオードを利用する例
図6は、スイッチ回路110aの出力の回路に定電圧ダイオードD1を挿入した場合のブロック図である。電力スイッチ(IGBT15等)を駆動するゲート駆動回路において、本実施形態で説明するスイッチ回路及びそれを用いたゲート駆動回路の出力は、多様性が求められる。図6におけるゲート駆動回路は、スイッチ回路110aを主要構成とするが、他の構成を含めてもよい。例えば、ゲート駆動回路は、P-AMP16を含めてもよいし、含めなくともよい。
例えば、出力はVdcからVeeまでのスイング幅が必要な場合もあれば、Vdc~GNDのように電圧範囲を限定しなければならない場合もある。このような場合には、図6に示すように、ハイサイドスイッチ111aやローサイドスイッチ112aを構成するトランジスタと出力端子114との間にダイオードD1を挿入することで、出力電圧のスイング幅を調整することができる。
3. Embodiment 3: Example Using a Constant-Voltage Diode FIG. 6 is a block diagram showing a case where a constant-voltage diode D1 is inserted in the output circuit of the
For example, the output may require a swing width from Vdc to Vee, or the voltage range must be limited such as from Vdc to GND. In such a case, as shown in FIG. 6, by inserting a diode D1 between the transistors forming the high-
例えば、Vdc~GNDの範囲の出力を得たい場合は、D1のツェナー電圧をVeeと等しくして、ハイサイドスイッチ111を構成するpnpトランジスタのコレクタから出力をとる図5のような接続とすればよい。
逆にVeeからGNDの間でスイングする出力を得たいときは、ローサイドスイッチ112を構成するnpnトランジスタのコレクタから出力を得ればよい。
For example, if you want to obtain an output in the range of Vdc to GND, make the Zener voltage of D1 equal to Vee, and connect as shown in FIG. good.
Conversely, when it is desired to obtain an output that swings between Vee and GND, the output should be obtained from the collector of the npn transistor that constitutes the low-
特に、本実施形態における図6に示している回路に使用した定電圧ダイオードD1は、ローサイドスイッチ112aがON動作している期間に定電圧ダイオードD1に並列に存在する等価容量を当定電圧ダイオーオードD1の電圧にまで充電することができる。したがって、スイッチが反転してハイサイドスイッチがON動作し、ローサイドスイッチ112がOFF動作した瞬間においてもその等価容量に蓄えた電荷が維持されている。その結果、本実施形態によれば、ハイサイドとローサイドのスイッチの切り替わる瞬間において定電圧ダイオードD1の並列等価容量を充電する必要がなく、瞬時に安定した出力電圧を出力することが可能となるというメリットもある。
In particular, the zener diode D1 used in the circuit shown in FIG. It can be charged up to the voltage of D1. Therefore, even at the moment when the switch is reversed, the high-side switch is turned ON, and the low-
4.実施形態4
図7は、ハイサイドスイッチ111の入力端子とVdcとの間にPチャネルMOSFET140(以下、Q1と呼ぶ)を挿入した場合のゲート駆動回路の回路ブロック図である。Q1のソース端子はVdcに接続し、ドレイン端子はハイサイドスイッチ111の入力端子に接続する。図7におけるゲート駆動回路は、スイッチ回路110bを主要構成として、他の構成を含めてもよい。例えば、ゲート駆動回路は、出力端子114と、駆動対象であるIGBT15との間に接続された、MOSFET等を用いたバッファやインバータ回路を含めてもよいし、含めなくともよ。
このゲート駆動回路が備えるスイッチ回路110bは、禁止信号IN2を入力する禁止信号入力端子141を備えている。この禁止信号入力端子141は、抵抗R10と抵抗R11の分圧回路を介して、Q1のゲート端子と接続する。
禁止信号IN2がHighの場合は、制御信号IN1にLow信号を入力すると出力端子114はその信号に対応してHighを出力する。制御信号IN1にHigh信号を入力すると出力端子114はその信号に対応してLowを出力する。
4. Embodiment 4
FIG. 7 is a circuit block diagram of a gate drive circuit when a P-channel MOSFET 140 (hereinafter referred to as Q1) is inserted between the input terminal of the high-
The
When the inhibition signal IN2 is High, when a Low signal is input to the control signal IN1, the
一方、禁止信号IN2がLowの場合は、制御信号IN1の値に関わらず、出力端子114はLowとなる。駆動対象であるIGBT15の駆動状態によっては、制御信号IN1が通常動作をしている場合であっても出力端子114を強制的にLowに保持しなければならない場合があるので、このような場合に、Q1を設けて、禁止信号を入力することができるように構成している。
ところで、このような場合に、出力端子114を外部回路によって、強制的にLowとすることも考えられるが、出力端子114の出力抵抗が低いため強制的にLowとすることで、大電流が流れることとなり本回路のハイサイドスイッチ111は、必要以上の過負荷状態となってしまい、好ましくはない。
また、入力端子113に例えば所定の論理回路を挿入して、制御信号そのものを強制的にHighに保持する方法も考えられる。しかし、その論理回路や、その論理回路の時間遅れが余分に発生してしまい、好ましい結果をもたらすことはないと考えられる。
On the other hand, when the inhibition signal IN2 is Low, the
By the way, in such a case, it is conceivable to forcibly set the
A method of inserting, for example, a predetermined logic circuit in the
通常、このような禁止動作は、IGBT15の状態などに異常がある場合に行う動作であり、できるだけ遅れ時間を少なくする必要がある。そのため、かかる遅延動作が生じない図7に示す回路は、禁止信号を受け付けることができる構成を容易に構築することができる。さらに、図7に示す回路によれば、禁止信号を受け付けることができる構成を、よりシンプルに構成することができる。
Normally, such a prohibited operation is performed when there is an abnormality in the state of the
5.本発明の具体的な実施の形態
5.1具体的な実施の形態1
具体的なゲート駆動回路200の回路図の例を図8に示す。図8に示すゲート駆動回路は、スイッチ回路110cを主要構成として含み、他の回路は示されていない。しかし、これまで説明した図1、図3A及び図5のように、例えばP-AMPを含めてもよい。入力端子113に制御信号が入力される。制御信号は、プラス電源の+15Vからマイナス電源の-10Vまでスイングする。また、制御信号は、周波数が10kHz程度の矩形波である。
入力端子113は、図3Aと同様に、2個の微分回路120、121に接続されている。微分回路120の出力信号は、ハイサイドスイッチ111(例えば、pnpトランジスタ)(以下、Q1と呼ぶ)のベース端子に供給される。微分回路121の出力信号は、ローサイドスイッチ112(例えば、npnトランジスタ)(以下、Q2と呼ぶ)のベース端子に供給される(図8参照)。
5. Specific embodiment of the present invention
5.1
A specific example of a circuit diagram of the
The
Q1のコレクタ端子と、Q2のコレクタ端子との間には、定電圧ダイオードD1と、抵抗R5との直列回路が接続されており、その直列回路の両端からスイッチ回路110cの出力信号が出力される。この2種の出力信号は、PチャネルMOSFET(Q3と呼ぶ)とNチャネルMOSFET(Q4と呼ぶ)とからなるインバータを介して出力端子114bから出力される。従って、出力端子114bが、実質的なスイッチ回路110cの出力端子である。出力端子114bは、駆動対象であるIGBT15のゲート端子に接続している。
A series circuit of a voltage regulator diode D1 and a resistor R5 is connected between the collector terminal of Q1 and the collector terminal of Q2, and the output signal of the switch circuit 110c is output from both ends of the series circuit. . These two kinds of output signals are outputted from an
さて、制御信号が-10Vから+15Vへ変化するとき、Q1のベース端子の電圧は、上述した式(1)の第一項に示すシフト回路の電圧に相当する電圧が発生し、その後、制御信号の電圧の上昇に比例して+15Vまで上昇する。このとき、Q1のベース端子には、式(1)で算出されるような電圧が表れる。このようにして、制御電圧が-10Vから+15Vへ変化するごく初期の時間にON動作の状態からOFF動作の状態に移行する。
一方、Q2は、制御信号が-10Vから+15Vに移行することで、OFF動作の状態からON動作の状態へ移行する。制御信号が、+15Vから-10Vへ変化する場合は、Q2のベース端子の電圧はC2、R2で構成される微分回路121の働きで、シフト回路の電圧に相当する電圧が発生する。この発生する電圧によって、制御信号の立下りのごく初期にベース端子の電位は低下し、Q2がOFF動作する。
Now, when the control signal changes from -10V to +15V, the voltage at the base terminal of Q1 generates a voltage corresponding to the voltage of the shift circuit shown in the first term of the above equation (1). rises to +15V in proportion to the rise in the voltage of . At this time, a voltage calculated by the equation (1) appears at the base terminal of Q1. In this way, the state of the ON operation is changed to the state of the OFF operation at the very initial time when the control voltage changes from -10V to +15V.
On the other hand, Q2 shifts from the OFF state to the ON state when the control signal shifts from -10V to +15V. When the control signal changes from +15 V to -10 V, the voltage at the base terminal of Q2 generates a voltage corresponding to the voltage of the shift circuit due to the action of the differentiating
次に、Q1は、制御信号の電圧が+15Vから-10Vへ移行することで、OFF動作の状態からON動作の状態に移行する。制御信号の電圧が-10Vのときは、図8中の出力のトランジスタQ4がON動作し、Q3はOFF動作している。従って、ゲート駆動回路200の出力端子114bの出力電圧はLOWとなり、ゲート駆動回路200は、R9、Q4を介してIGBT15のゲート-ソース間の電荷を引き抜く。その結果IGBTはOFF動作する。IGBT15のゲート端子はほぼ-10Vとなり、十分にOFF状態を保つ。Q3のゲート-ソース間電圧については、定電圧ダイオードD1の働きにより耐圧を確保しながら適正に電圧を印加できる。
Next, Q1 shifts from the OFF state to the ON state as the voltage of the control signal shifts from +15V to −10V. When the voltage of the control signal is -10 V, the output transistor Q4 in FIG. 8 is turned ON and Q3 is turned OFF. Therefore, the output voltage of the
制御電圧が+15Vとなると、今度はQ3がON動作してQ4がOFF動作する。このとき、ゲート駆動回路200は、R8、Q3を介してIGBT15のゲート-ソース間に電流を流す。出力端子114bの出力電圧はHIGHとなりIGBT15のゲート電圧をほぼ+15Vにする。その結果、IGBT15はON動作する。ゲート電圧は+15Vに維持されて、ON状態を保持する。Q3と同じく、Q4のゲート-ソース間電圧についても、定電圧ダイオードD1の働きにより、耐圧を確保しながら適正にQ4のゲート端子に電圧を印加できる。このように、図8に示すゲート駆動回路200は、大電力をスイッチングするIGBT15を駆動することができる。制御信号と、出力信号との極性も整合しているので、非常に効率よく回路を構成できる。
When the control voltage reaches +15V, Q3 turns ON and Q4 turns OFF. At this time, the
5.2具体的な実施の形態2
具体的な実施形態2の回路図を図9に示す。図9にはゲート駆動回路200bが示されている。ゲート駆動回路200bは、図9中において、R1~R7、C1、C2、D1、Q1、Q2等からなるスイッチ回路110dを備える。このスイッチ回路110dは、上述した図5(及び請求の範囲の請求項3)に示された構成のスイッチ回路の好適な一例である。
また、図9中において、R11~R15、R20、C11、C12、C20、D11、Q11、Q12等からなるスイッチ回路110eは、図6(及び請求の範囲の請求項4)に示された構成のスイッチ回路の好適な一例である。また、Q3、Q4、Q14、R6~R9、R16~R19は、図1のP-AMP(電力増幅器)16の内部回路構成の好適な一例に相当する。
5.2
A circuit diagram of a
9, the
入力端子113には、通常動作として10kHz程度の矩形波である制御信号が入力されており、Softoff-in端子142は、通常稼働時にはHighの状態である。この状態では、入力端子113がHighの場合は、Q3がON動作の状態となり、出力端子114はHighを出力する。また、入力端子113がLowの場合は、Q4、Q14の両方がON動作し、出力端子は-10Vの電位にR9、R19 を介して接続されてLow となる。このとき、IGBT15のゲート電荷は、R9とR19の並列抵抗値によって放電する。その放電時定数は、
なお、図9に示す例では、R9とR19とがIGBT15のゲート端子に対して並列に接続されている例を示し、かかる並列接続によって、上記(10)式のように時定数が算出されているが、この2個の抵抗は直列に接続されていてもよい。
例えば、図9において、IGBT15のゲート端子に接続している側のR9の端子の接続先を、IGBT15のゲート端子から、R19とQ14のドレイン端子の接続点に変更してもよい。
このような回路接続とすることによって、通常動作時の(IGBT15の)OFF動作の時定数は、R19に基づく時定数となる。また、禁止信号を受信している際の時定数は。R9に基づく時定数とすることができる。但し、R9の抵抗値は、R19の抵抗値より十分に大きいものとする。
A control signal, which is a rectangular wave of about 10 kHz, is input to the
Note that the example shown in FIG. 9 shows an example in which R9 and R19 are connected in parallel to the gate terminal of the
For example, in FIG. 9, the connection destination of the terminal of R9 connected to the gate terminal of IGBT15 may be changed from the gate terminal of IGBT15 to the connection point of the drain terminals of R19 and Q14.
By such circuit connection, the time constant of the OFF operation (of the IGBT 15) during normal operation becomes the time constant based on R19. Also, what is the time constant when receiving the inhibit signal? It can be a time constant based on R9. However, it is assumed that the resistance value of R9 is sufficiently larger than the resistance value of R19.
IGBT15がON動作の状態からOFF動作の状態に移行する移行時間は、適切に選定する必要があり、移行時間が長すぎるとスイッチング損失が増大し、短いとスイッチング損失は低減するが、寄生インダクタンスによる電圧サージが発生する。また、この電圧サージは、コレクタ電流に比例して大きくなるため、コレクタ電流に合わせて移行時間を変えることで、コレクタ電流に合わせて最適なスイッチング損失を選定できる。また、短絡時に通常の移行時間でOFF動作させるとIGBT15のコレクタ-エミッタ間の耐圧を超えるサージ電圧が印加されIGBT15の破壊につながる。
本実施形態は、短絡時にSoftoff-in端子142をLowとすることで、Q11を常にOFF動作の状態に維持できる。この状態では、IGBT15のゲート電荷を引き抜く時定数をτ = Cge × R9と表すことができる。その結果、時定数τは長くなり、IGBT15がON動作状態からOFF動作の状態へ移行する時間も長くなり、電圧サージが低減する。その結果、IGBT15の破損を回避することができる。
It is necessary to appropriately select the transition time for the
In this embodiment, the Soft-off-in
6.効果その他
以上説明したように、本実施形態におけるスイッチ回路及びそれを用いたゲート駆動回路によれば、次のような効果を奏する。
スイッチ回路の入力部に微分回路を設けて、この微分回路を通過した制御信号をスイッチ回路(ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチ)に供給した。その結果、制御信号を電圧シフトと同様の効果を得ることができる。したがって、簡易な構成で、貫通電流を防止できるスイッチ回路を提供することができる。さらに、そのスイッチ回路を用いて、簡易な構成のゲート駆動回路を提供することができる。
また、スイッチ回路(ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチ)としては、MOSFETではなく、バイポーラトランジスタ(pnp型、npn型)を用いてもよい。その場合は、ベース-エミッタ間の電圧は約0.6V程度でクランプされるため、MOSFETのように保護用定電圧ダイオード等を設ける必要がないので、より簡易な構成とできる。
6. Effects and Others As described above, the switch circuit and the gate drive circuit using the same according to the present embodiment have the following effects.
A differentiating circuit was provided at the input portion of the switch circuit, and the control signal passed through this differentiating circuit was supplied to the switch circuit (high side switch, low side switch). As a result, it is possible to obtain the same effect as the voltage shift of the control signal. Therefore, it is possible to provide a switch circuit that can prevent through current with a simple configuration. Furthermore, the switch circuit can be used to provide a gate drive circuit with a simple configuration.
Also, as the switch circuits (high side switch, low side switch), bipolar transistors (pnp type, npn type) may be used instead of MOSFETs. In that case, since the voltage between the base and the emitter is clamped at about 0.6 V, there is no need to provide a constant voltage diode or the like for protection unlike the MOSFET, so that the configuration can be made simpler.
さらに、スイッチ回路は、制御信号を電圧シフトと同様な効果を得ることができるにもかかわらず、微分回路を用いたことにより、入力信号に対する半導体スイッチのゲート電圧を切替えるまでの時間を短縮することができる。従って、このスイッチ回路を複数の半導体スイッチの並列駆動に適用すれば、複数ある半導体スイッチのON/OFFのタイミングのバラツキを小さく抑えることができり、効果的である。 Furthermore, although the switch circuit can obtain the same effect as the voltage shift of the control signal, the use of the differentiating circuit shortens the time required to switch the gate voltage of the semiconductor switch with respect to the input signal. can be done. Therefore, if this switch circuit is applied to drive a plurality of semiconductor switches in parallel, variations in ON/OFF timings of the plurality of semiconductor switches can be effectively suppressed.
また、スイッチ回路(ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチ)と出力端子との間に定電圧ダイオード等を用いてその電圧だけ出力電圧の範囲を狭める等の調整をおこなうことができる。これによって、出力電圧のスイング範囲を調整することもできる。
また、駆動対象であるIGBT等の駆動状態により、ゲート駆動回路を強制停止させる場合もある。ハイサイドスイッチ側の入力端子を、禁止信号に基づいてVdcに接続させるスイッチを設ければ、簡易な構成で容易にゲート駆動回路を強制停止させることができる。接続させるためのスイッチとしては、PチャネルMOSFETの例を上では説明したが、禁止信号によって動作するスイッチであればどのようなスイッチでもよい。
また、上述した実施形態では、駆動対象であるIGBTの電荷を引き抜く際の時定数を長くすることができる。その結果、寄生インダクタンスによるサージ電圧の低減を図り、以て、IGBTの破損を未然に防止することができる。
また、この時定数は、長すぎるとスイッチング損失が増大してしまうが、短ければ上述の通り電圧サージが発生する。この電圧サージはコレクタ電流に比例して大きくなるので、コレクタ電流に合わせて時定数を調整することで、コレクタ電流に合わせたスイッチング損失を選ぶことができる。
Further, adjustment such as narrowing the range of the output voltage by that voltage can be performed by using a constant voltage diode or the like between the switch circuit (high side switch, low side switch) and the output terminal. This also allows the swing range of the output voltage to be adjusted.
Further, the gate drive circuit may be forcibly stopped depending on the driving state of the IGBT or the like to be driven. By providing a switch that connects the input terminal on the side of the high side switch to Vdc based on the inhibition signal, the gate drive circuit can be forcibly stopped easily with a simple configuration. As a switch for connection, an example of a P-channel MOSFET has been described above, but any switch may be used as long as it is operated by an inhibit signal.
Further, in the above-described embodiments, the time constant for extracting the electric charge from the IGBT to be driven can be lengthened. As a result, it is possible to reduce the surge voltage due to the parasitic inductance, thereby preventing damage to the IGBT.
If this time constant is too long, the switching loss will increase, but if it is too short, a voltage surge will occur as described above. Since this voltage surge increases in proportion to the collector current, the switching loss can be selected according to the collector current by adjusting the time constant according to the collector current.
また、以上説明した実施形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は本実施形態の態様に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、駆動対象である電力半導体スイッチとしてIGBTを主として説明したが、他の電力半導体スイッチでも適用することができる。また、上で説明した種々の微分回路は好適な一例であり、同様の機能を備えた他の回路を用いてもよい。 Further, the embodiment described above is an example of means for realizing the present invention, and should be appropriately modified or changed according to the configuration of the apparatus to which the present invention is applied and various conditions, and the present invention is the present embodiment. It is not limited to the aspect of For example, in the above-described embodiments, IGBTs were mainly described as power semiconductor switches to be driven, but other power semiconductor switches can also be applied. Also, the various differentiating circuits described above are only suitable examples, and other circuits having similar functions may be used.
10、10a、10b、110、110a、110b、110c スイッチ回路
110d、110e スイッチ回路
11、111 ハイサイドスイッチ
12、112 ローサイドスイッチ
13、113 入力端子
14、114 出力端子
15 IGBT
16 P-AMP
20 シフト回路
21、131 制御回路
120、121 微分回路
141 禁止信号入力端子
142 Softoff-in端子
200、200b ゲート駆動回路
10, 10a, 10b, 110, 110a, 110b, 110c
16P-AMP
20
Claims (6)
前記制御信号を入力する入力端子と、
プラス側電源に接続したハイサイドスイッチと、
マイナス側電源に接続したローサイドスイッチと、
前記入力端子と、前記プラス側電源とに接続され、前記制御信号を微分して、前記ハイ
サイドスイッチの入力端子に供給する第1微分回路と、
前記入力端子と、前記マイナス側電源とに接続され、前記制御信号を微分して、前記ロ
ーサイドスイッチの入力端子に供給する第2微分回路と、
前記半導体スイッチを駆動する信号を出力する出力端子と、
前記ハイサイドスイッチと、前記出力端子と、の間に接続され、所定の値のインピーダンスを有する第1インピーダンス回路と、
前記ローサイドスイッチと、前記出力端子と、の間に接続され、所定の値のインピーダンスを有する第2インピーダンス回路と、
を備えることを特徴とするゲート駆動回路。 A gate drive circuit that drives a semiconductor switch based on a control signal,
an input terminal for inputting the control signal;
a high-side switch connected to the positive power supply; and
a low-side switch connected to the negative power supply; and
a first differentiating circuit connected to the input terminal and the positive side power supply, differentiating the control signal and supplying the result to the input terminal of the high-side switch;
a second differentiating circuit connected to the input terminal and the negative side power supply, differentiating the control signal and supplying it to the input terminal of the low-side switch;
an output terminal for outputting a signal for driving the semiconductor switch;
a first impedance circuit connected between the high-side switch and the output terminal and having an impedance of a predetermined value ;
a second impedance circuit connected between the low-side switch and the output terminal and having an impedance of a predetermined value ;
A gate drive circuit comprising:
前記制御信号を入力する入力端子と、
プラス側電源に接続したハイサイドスイッチと、
マイナス側電源に接続したローサイドスイッチと、
前記入力端子と、前記プラス側電源とに接続され、前記制御信号を微分して、前記ハイ
サイドスイッチの入力端子に供給する第1微分回路と、
前記入力端子と、前記マイナス側電源とに接続され、前記制御信号を微分して、前記ロ
ーサイドスイッチの入力端子に供給する第2微分回路と、
前記ハイサイドスイッチと、前記ローサイドスイッチと、に接続し、前記半導体スイッチを駆動する信号を出力する出力端子と、
を備えることを特徴とするゲート駆動回路。 A gate drive circuit that drives a semiconductor switch based on a control signal,
an input terminal for inputting the control signal;
a high-side switch connected to the positive power supply; and
a low-side switch connected to the negative power supply; and
a first differentiating circuit connected to the input terminal and the positive side power supply, differentiating the control signal and supplying the result to the input terminal of the high-side switch;
a second differentiating circuit connected to the input terminal and the negative side power supply, differentiating the control signal and supplying it to the input terminal of the low-side switch;
an output terminal connected to the high-side switch and the low-side switch and outputting a signal for driving the semiconductor switch;
A gate drive circuit comprising:
前記ハイサイドスイッチは、pnp型トランジスタを備え、
前記ローサイドスイッチは、npn型トランジスタを備え、
前記第1微分回路は、微分した前記制御信号を前記pnp型トランジスタのベースに供
給し、
前記第2微分回路は、微分した前記制御信号を前記npn型トランジスタのベースに供
給し、
前記第1インピーダンス回路は、前記pnp型トランジスタのコレクタ端子と、前記出
力端子と、の間に接続され、
前記第2インピーダンス回路は、前記npn型トランジスタのコレクタ端子と、前記出
力端子と、の間に接続されていることを特徴とするゲート駆動回路。 The gate drive circuit of claim 1, comprising:
The high-side switch includes a pnp transistor,
the low-side switch comprises an npn transistor;
the first differentiating circuit supplies the differentiated control signal to the base of the pnp transistor;
The second differentiating circuit supplies the differentiated control signal to the base of the npn transistor,
the first impedance circuit is connected between the collector terminal of the pnp transistor and the output terminal;
The gate drive circuit, wherein the second impedance circuit is connected between the collector terminal of the npn transistor and the output terminal.
前記pnp型トランジスタのコレクタ端子、又は、前記npn型トランジスタのコレクタ
端子、のいずれか一方のコレクタ端子と、前記出力端子と、の間に接続された定電圧ダイ
オード、
を備えることを特徴とするゲート駆動回路。 4. The gate drive circuit of claim 3 , wherein
a zener diode connected between the collector terminal of either the collector terminal of the pnp-type transistor or the collector terminal of the npn-type transistor and the output terminal;
A gate drive circuit comprising:
前記ハイサイドスイッチの入力端子に一方端が接続され、前記プラス側電源に他方端が接続されている、所定の禁止信号をスイッチするための半導体スイッチと、
前記禁止信号をスイッチするための半導体スイッチのオンとオフを制御する制御端子に接続され、前記禁止信号を入力する禁止信号入力端子と、
を備え、前記禁止信号をスイッチするための半導体スイッチは、前記禁止信号入力端子から入力する所定の禁止信号が、前記制御端子に入力することによりオンし、前記ハイサイドスイッチの入力端子を前記プラス側電源と接続し、
前記所定の禁止信号が前記禁止信号をスイッチするための半導体スイッチの前記制御端子に入力することにより、前記禁止信号をスイッチするための半導体スイッチがオンする場合は、前記制御信号にかかわらず、前記出力端子にハイレベル電圧が出力することを禁止することができるゲート駆動回路。 The gate drive circuit according to any one of claims 1 to 4 ,
a semiconductor switch for switching a predetermined inhibition signal, having one end connected to the input terminal of the high side switch and the other end connected to the plus side power supply;
a prohibition signal input terminal connected to a control terminal for controlling on/off of a semiconductor switch for switching the prohibition signal and receiving the prohibition signal;
and a semiconductor switch for switching the prohibition signal is turned on by inputting a predetermined prohibition signal input from the prohibition signal input terminal to the control terminal, and the input terminal of the high side switch is switched to the plus terminal. connected to the side power supply,
When the semiconductor switch for switching the prohibition signal is turned on by inputting the predetermined prohibition signal to the control terminal of the semiconductor switch for switching the prohibition signal, regardless of the control signal, the A gate drive circuit that can prohibit the output of a high level voltage to an output terminal.
前記ハイサイドスイッチの入力端子にドレイン端子がと、前記プラス側電源にソース端子が、それぞれ接続するPチャネルMOSFETと、
前記PチャネルMOSFETのゲート端子に接続され、所定の禁止信号を入力する禁止信号入力端子と、
を備え、前記PチャネルMOSFETは、前記禁止信号入力端子から入力する所定の禁止信号が、前記PチャネルMOSFETのゲート端子に入力することによりオンし、前記ハイサイドスイッチの入力端子を前記プラス側電源と接続し、
前記所定の禁止信号が前記PチャネルMOSFETのゲート端子に入力することにより、前記PチャネルMOSFETがオンする場合は、前記制御信号にかかわらず、前記出力端子にハイレベル電圧が出力することを禁止することができるゲート駆動回路。 The gate drive circuit according to any one of claims 1 to 4 ,
a P-channel MOSFET whose drain terminal is connected to the input terminal of the high-side switch and whose source terminal is connected to the plus side power supply;
an inhibition signal input terminal connected to the gate terminal of the P-channel MOSFET for inputting a predetermined inhibition signal;
The P-channel MOSFET is turned on by inputting a predetermined inhibition signal input from the inhibition signal input terminal to the gate terminal of the P-channel MOSFET, and the input terminal of the high side switch is connected to the positive side power supply and connect with
When the P-channel MOSFET is turned on by inputting the predetermined prohibition signal to the gate terminal of the P-channel MOSFET, outputting a high level voltage to the output terminal is prohibited regardless of the control signal . A gate drive circuit that can
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