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.

特開平03-286619号公報JP-A-03-286619 特開平04-176209号公報JP-A-04-176209 特開2017-17995号公報JP 2017-17995 A

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 switch circuit 10 is configured by providing a high side switch 11 on the positive side of the power supply and a low side switch 12 on the negative side of the power supply. An input terminal 13 for inputting a control signal from a control circuit (not shown) is connected to the high side switch 11 and the low side switch 12 . This constitutes a circuit that drives the high-side switch 11 and the low-side switch 12 with a control signal (or called an "ON/OFF signal") from the control circuit.

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 output terminal 14 is further connected to the high side switch 11 and the low side switch 12 and outputs an output signal for driving the IGBT 15 . A P-AMP 16 for power amplification is provided between the output terminal 14 and the IGBT 15 (see FIG. 10).

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 high side switch 11 and the low side switch 12, each switch (high side switch 11 and low side switch 12) may be turned on at the same time.

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-side switch 11 and the low-side switch 12 to turn ON. As a result, both switches are simultaneously turned ON during this period.

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-side switch 11 and the low-side switch 12 when the control signal changes. In the graph of FIG. 11, the horizontal axis indicates the passage of time, and the vertical axis indicates each signal.
For example, if the threshold voltage at which the high-side switch 11 is switched ON/OFF is VHg, and the threshold voltage of the low-side switch 12 is VLg, the period when the output voltage of the control circuit changes from VLg to (Vdc−VHg) is It will be in the ON operation state. That is, since both the high-side switch 11 and the low-side switch 12 are in the ON state during the period of time t1 to t2 shown in FIG. 11, a through current is generated from Vdc to Vee.

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-side switch 11 in the direction of increasing the constant voltage. By using such a level shift circuit, it is possible to eliminate the time zone in which both switches are simultaneously turned on as shown in FIG.
12A differs from the diagram of FIG. 10 in that a level shift circuit 20 is provided. That is, the switch circuit 10a of FIG. 12A differs from the switch circuit 10 of FIG. 10 in that the level shift circuit 20 is provided. Note that FIG. 12A shows a control circuit 21 that applies a control signal to the input terminal 13 .

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 level shift circuit 20 performs level shifting. In the time chart of FIG. 12B, the horizontal axis indicates the passage of time, and the vertical axis indicates the output signal of the level shift circuit 20 applied to the high side switch 11 and the control circuit 21 applied to the low side switch 12. and the state of the output signal (control signal) of each are exemplified.
As shown in FIG. 12B, in this example, the output signal (control signal) of the control circuit 21 is a 10Vp-p signal that swings from the GND level to 10V. On the other hand, the output signal of the level shift circuit 21 is a 10Vp-p signal that swings in the range from the positive side voltage (Vdc) to Vdc-10V as a result of shifting the voltage by the shift voltage. As a result of level shifting in this manner, the high-side switch 11 is turned off at an earlier timing, and turned on later.

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-side switch 12 is turned on after a predetermined dead time has elapsed since the high-side switch 11 was turned off. Conversely, the high side switch 11 enters the ON state after a predetermined dead time has passed since the low side switch 12 was turned OFF.
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-side switch 11, so that a dead time is provided in which both switches are in the OFF state. be able to. Therefore, it is possible to prevent a through current from occurring.

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 switch circuit 10 of FIG. 10, the switch circuit 10b shown in FIG. 13A has two types of input terminals. That is, as shown in FIG. 13A, the switch circuit 10b has two types of input terminals 13a for control signals to be supplied to the internal high-side switch 11 and input terminals 13b for control signals to be supplied to the low-side switch 12. input terminal.
The control circuit 21a performs two types of control, an ON/OFF signal for the high side switch 11 (high side switch control signal IN1) and an ON/OFF signal for the low side switch 12 (low side switch control signal IN2). A signal is output and supplied to each switch to drive both switches.

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 control circuit 21 outputs two types of control signals with dead time. In the time chart of FIG. 13B, the horizontal axis indicates the passage of time, and the high-side switch control signal IN1 and the low-side switch control signal IN2 are shown side by side in the vertical direction.
As shown in FIG. 13B, in this example, the control circuit 21a changes the high-side switch control signal IN1 to a value at which the high-side switch 11 is turned off, and after a predetermined dead time has passed, this time The low-side switch control signal IN2 is changed to a value at which the low-side switch 12 is turned on.

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 control circuit 21a changes the low-side switch control signal IN2 to a value at which the low-side switch 12 is turned off, and after a predetermined dead time elapses, the control circuit 21a changes the high-side switch control signal IN1 to the high-side switch. It is changed to a value that causes the switch 11 to turn ON.
The control circuit 21a outputs the high-side switch control signal IN1 and the low-side switch control signal IN2 so that the high-side switch 11 and the low-side switch 12 are alternately turned on with a predetermined dead time in between. controlled and output.

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-side switch 11 and the low-side switch 12 can be prevented.
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.

本実施形態1において、微分回路を用いたスイッチ回路の回路図ある。2 is a circuit diagram of a switch circuit using a differentiating circuit in Embodiment 1. FIG. 本実施形態1において、微分回路の例を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a differentiating circuit in Embodiment 1; 図1の微分回路を具体的な回路例にした回路図である。2 is a circuit diagram of a specific circuit example of the differentiating circuit of FIG. 1; FIG. 本実施形態1において、微分回路を用いたスイッチ回路における信号の様 子を表すタイムチャートである。5 is a time chart showing how a signal in a switch circuit using a differentiating circuit in Embodiment 1; ハイサイドスイッチの入力電圧を、式(1)を用いて算出して得られたグラ フである。4 is a graph obtained by calculating the input voltage of the high-side switch using Equation (1). バイポーラトランジスタを用いて、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイ ッチを構成した場合のスイッチ回路の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram of a switch circuit in which a high side switch and a low side switch are configured using bipolar transistors; 定電圧ダイオードを用いたスイッチ回路の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram of a switch circuit using voltage regulator diodes; ハイサイドスイッチの入力端子とVdcとの間にPチャネルMOSFETを 設けたスイッチ回路の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram of a switch circuit in which a P-channel MOSFET is provided between the input terminal of a high-side switch and Vdc; スイッチ回路を用いた具体的なゲート駆動回路の回路図である。It is a circuit diagram of a concrete gate drive circuit using a switch circuit. スイッチ回路を用いた具体的なゲート駆動回路の回路図である。It is a circuit diagram of a concrete gate drive circuit using a switch circuit. 従来のスイッチ回路を含む回路図である。1 is a circuit diagram including a conventional switch circuit; FIG. 制御信号が変化する際のグラフである。It is a graph when a control signal changes. 従来のレベルシフト回路を用いたスイッチ回路図である。It is a switch circuit diagram using a conventional level shift circuit. 従来のレベルシフト回路によるレベルシフトの様子を示すタイムチャー トである。5 is a time chart showing how level shifting is performed by a conventional level shift circuit; 従来のデッドタイムを設けた制御信号を用いるスイッチ回路図である。It is a switch circuit diagram using a control signal provided with a conventional dead time. 従来のデッドタイムを設けた制御信号を用いるスイッチ回路の動作の様 子を示すタイムチャートである。5 is a time chart showing how a switch circuit using a control signal with a conventional dead time operates;

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. Embodiment 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 switch circuit 110. As shown in FIG. This gate drive circuit is a gate drive circuit that drives the gate of the IGBT 15 . Here, the IGBT 15 corresponds to a preferred example of the semiconductor switch in the claims. Also, the gate drive circuit may include other circuits with the switch circuit 110 as a main component. For example, P-AMP 16 may be included (see FIG. 1), but may not be included depending on the application. The switch circuit 110 according to the first embodiment is characterized in that differentiating circuits 120 and 121 are connected to the input terminals of the high-side switch 111 and the low-side switch 112 . These differentiation circuits 120 and 121 are similar to the case where the above-described level shift circuit (which shifts the voltage in the positive direction) is inserted on the input side of the high-side switch 111 during the period when the input signal (control signal) rises. produce the effect of Also, in the time period when the input signal falls, the same effect as when a level shift circuit (which shifts the voltage in the negative direction) is inserted on the input side of the low-side switch 112 is produced.

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 circuits 120 and 121 are assumed to be the circuit networks shown in the differentiating circuits 1 to 3 in FIG. 2 or a circuit network in which these circuit networks are connected in parallel. The differentiating circuit 1 in FIG. 2 is a circuit with only a capacitor C, and the differentiating circuit 2 in FIG. 2 is a parallel circuit with a capacitor C and a resistor R. The differentiating circuit 3 of FIG. 2 is a direct circuit of the resistor Ra and the capacitor C and a parallel circuit of the resistor Rb.
Here, if a parallel circuit of a capacitor C and a resistor R (differentiating circuit 2 in FIG. 2), for example, is employed as the differentiating circuits 120 and 121, FIG. 1 described above can be expressed as shown in FIG. 3A.
Note that the impedances Z1 and Z2 in FIG. 1 are omitted and not shown in FIG. 3A. 3A, the differentiating circuit 120 is composed of a parallel circuit of a capacitor C1 and a resistor R1, and a resistor Rg is shown as an input resistor of the high-side switch 111. FIG. 3A, the differentiating circuit 121 is composed of a parallel circuit of the capacitor C2 and the resistor R2, and the resistor Rg is shown as the input resistor of the low-side switch 112. FIG. Also shown in FIG. 3A is a control circuit 131 that outputs a control signal, and the control circuit 131 supplies the control signal to the input terminal 113 .
The gate drive circuit in FIG. 3A mainly includes the switch circuit 110, but the P-AMP 16 may or may not be included in the gate drive circuit.
The differentiating circuit 120 corresponds to a preferred example of the first differentiating circuit in the claims. The differentiating circuit 121 corresponds to a preferred example of the second differentiating circuit in the claims. This also applies to FIGS. 3A, 5, 6, etc., which will be described later.

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-side switch 111 and the input terminal voltage vlg of the low-side switch 112 are represented by the following equations (1) and (2), respectively.

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-side switch 111 becomes the value of the first term of equation (1) at t=0. It can be seen that even if the voltage of the control signal rises with Vee as the starting point, the starting point of the input voltage of the high-side switch 111 starts from the voltage indicated by the first term in Equation (1). That is, by providing the differentiating circuit 120, it is possible to obtain the same effect as providing a voltage shift circuit, and to prevent a period in which both the high-side switch 111 and the low-side switch 112 are in the ON state.
This is because the differentiating circuit 120 is connected to the plus side power supply Vdc. Since the control signal is differentiated with reference to the plus side power supply Vdc, the voltage shown in the first term of the equation (1) is started.

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。

Figure 0007161509000001
Figure 0007161509000002
ただし、
Figure 0007161509000003
ここで、例として、時定数τ1 = 200nsec、図3AのR1 = 27kΩ、Rg = 2.2kΩ、C1 = 100pF、Vdc = 15V、 また、Vee = -10Vとし、制御信号の電圧の上昇率がk = 3V/nsecとする。これらの値を用いて、ハイサイドスイッチ111の入力電圧を、式(1)を用いて算出すると、図4のグラフが描かれる。図4のグラフは、横軸が時間であり、縦軸がハイサイドスイッチ111の駆動電圧を示す。この図4のグラフからわかるように、式(1)の第1項(図4中、「シフト電圧(第1項)」で表される)は、あたかも、電圧シフト回路があるかのようにハイサイドスイッチ111の制御信号の電圧をかさ上げする。 On the other hand, the formula (2) for the input terminal voltage of the low-side switch 112 does not have such a term, and there is no initial voltage generation when the voltage of the control signal rises with Vee as the starting point.
This is because the differentiating circuit 121 is connected to the negative power supply Vee. Since the control signal is differentiated with respect to the negative power supply Vee, the voltage shown in the first term of equation (1) is not generated.
In this manner, the same effect as when the voltage shift circuit is inserted only in the high-side switch 111 can be obtained. That is, an effect similar to that of the circuit shown in FIG. 12 can be obtained.
Figure 0007161509000001
Figure 0007161509000002
however,
Figure 0007161509000003
Here, as an example, let the time constant τ1 = 200 nsec, R1 = 27 kΩ, Rg = 2.2 kΩ, C1 = 100 pF, Vdc = 15 V, Vee = -10 V, and the control signal voltage rise rate is k = 3V/nsec. Using these values and calculating the input voltage of the high-side switch 111 using equation (1), the graph of FIG. 4 is drawn. In the graph of FIG. 4 , the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the drive voltage of the high-side switch 111 . As can be seen from the graph of FIG. 4, the first term of equation (1) (represented by "shift voltage (first term)" in FIG. 4) is as if there is a voltage shift circuit. The voltage of the control signal for the high-side switch 111 is increased.

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。

Figure 0007161509000004
Figure 0007161509000005
この場合は、ローサイドスイッチ112の入力電圧に電圧シフトに相当する電圧が発生し、ハイサイドスイッチ111の入力電圧には、電圧シフトは発生しない。 Now consider the opposite case, ie, the control signal going from Vdc to Vee in FIG. 3A.
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-side switch 111 and the low-side switch 112 are expressed by the following equations (4) and (5).

Figure 0007161509000004
Figure 0007161509000005
In this case, a voltage corresponding to the voltage shift occurs in the input voltage of the low-side switch 112 and no voltage shift occurs in the input voltage of the high-side switch 111 .

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-side switch 111, and the signal at the input terminal of the low-side switch 112, in this order. That is, how the control signal is changed by the differentiating circuit is depicted.
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-side switch 112, and when compared with the control signal in the upper part by passing through the differentiation circuit, overshoot appears at the rise of the signal, and undershoot appears at the fall of the signal. It is shown. The portion in which the value of this signal exceeds Vsh (threshold value) is the ON operation period of the low-side switch 112 .
3B shows the signal at the input terminal of the high-side switch 111. By passing through the differentiation circuit, similarly to the low-side switch 112, overshoot appears at the rise of the signal, and at the fall of the signal, Undershoot is shown. A portion from Vdc to Vsh (threshold value) of this signal is the OFF operation period of the high-side switch 111 . The period from Vsh (threshold) to GND is the ON operation period of the high-side switch 111 . These are shown in FIG. 3B.

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-side switch 111 in the middle stage of FIG. 3B is boosted by the shift voltage indicated by the first term of Equation (1). Due to this shift voltage, the waveform of the signal at the input terminal of the high-side switch 111 falls below Vsh at the time of fall, delaying the timing at which the high-side switch 111 transitions to ON operation. In addition, due to this shift voltage (first term of equation (1)), the waveform of the signal at the input terminal of the high-side switch 111 exceeds Vsh early at the time of rising, and the high-side switch 111 shifts to the OFF operation. The timing to do so has been advanced. As a result, a dead time is formed between the signal appearing at the input terminal of the low-side switch 112, a dead time is formed between the signal at the input terminal of the high-side switch 111 and the signal at the input terminal of the low-side switch 112, It is possible to prevent the high-side switch 111 and the low-side switch 112 from turning ON at the same time.

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-side switch 111 is connected to the output terminal 114 via the impedance z1 (see FIG. 1). Also, the output signal of the low-side switch 112 is connected to the output terminal 114 via the impedance z2 (see FIG. 1). The impedance circuits z1 and z2 may have predetermined resistance values or the like, but may be omitted. That is, one or both of the impedance circuits z1 and z2 may be 0 ohms (that is, direct connection). However, it is preferable to insert an impedance circuit with a small value in order to stabilize the output and smoothly switch between the high-side switch 111 and the low-side switch 112 .
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-side switch 111 and the low-side switch 112 are in the ON state at the same time.

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. Embodiment 2 Example Using Bipolar Transistors FIG. 5 is a circuit block diagram of a gate drive circuit including a switch circuit 110 in which a pnp transistor is used for the high-side switch 111a and an npn transistor is used for the low-side switch 112a. It is shown. In FIG. 5 as well, the gate drive circuit has the switch circuit 110 as its main component, but may include other components. For example, the gate drive circuit may or may not include the P-AMP16.
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-side switch 111a.

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-side switch 111a and the low-side switch 112a are added. Let VBE be the base-emitter voltage when each transistor is turned on. When the transistor shifts from the OFF operation state to the ON operation state, the base voltage is calculated just before the ON operation, and after the ON operation, the base-emitter voltage is limited to about 0.7V. Also, when the transistor shifts from the ON operation state to the OFF operation state, it is assumed that the impedance between the base and the emitter is high impedance with respect to the resistance value of the resistor Rg immediately after the control signal starts to change. do.

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。

Figure 0007161509000006
Figure 0007161509000007
制御信号が、VdcからVeeへ下降する場合の式は、次の式(8)、式(9)に示されている。ただし、式(8)の場合、トランジスタのベース-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にクランプされる。
Figure 0007161509000008
Figure 0007161509000009
ここで、ハイサイドスイッチ111やローサイドスイッチ112を、バイポーラトランジスタの代わりにMOSFETを用いる場合は、OFF動作の状態からON動作の状態に移行するとき、MOSFETのゲートの閾値電圧以上をゲート-ソース間に印加する必要がある。この閾値以上の電圧をゲート-ソース間に印加することによって、MOSFETはON動作して電流を流す。ドレイン-ソース間に流し得る電流はゲート-ソース間電圧にほとんど関係なく、ゲート-ソース間電圧が閾値を超えると電流を流すことができる。 When the control signal rises from Vee to Vdc, the input signal of each switch is represented by Equation (6), which represents the input signal of the high-side switch 111a, and Equation (7), which represents the input signal of the low-side switch 112a. is.
However, in the case of equation (7), the base-emitter voltage is clamped at about 0.7V when the base-emitter conducts.
Figure 0007161509000006
Figure 0007161509000007
Expressions when the control signal drops from Vdc to Vee are shown in the following expressions (8) and (9). However, in the case of equation (8), the base-emitter voltage is clamped to approximately 0.7V when the transistor's base-emitter conducts.
Figure 0007161509000008
Figure 0007161509000009
Here, if MOSFETs are used instead of bipolar transistors for the high-side switch 111 and the low-side switch 112, when the OFF operation state is shifted to the ON operation state, the threshold voltage of the gate of the MOSFET or more is applied between the gate and the source. must be applied to By applying a voltage higher than this threshold between the gate and the source, the MOSFET is turned on and current flows. The current that can flow between the drain and the source is almost independent of the voltage between the gate and the source, and the current can flow when the voltage between the gate and the source exceeds the threshold.

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-side switch 111a and the npn transistor of the low-side switch 112a are turned on at the same time and become conductive, the flowing current (collector current) is IC=hFE×Ib. , and damage can sometimes be avoided for an extremely short period of time. On the other hand, when the high-side switch 111 and the low-side switch 112 are configured using MOSFETs, the drain current is limited only by the ON resistance, so there is a possibility that the current becomes large. A situation in which both the low-side switch 112 and the low-side switch 112 are turned on at the same time cannot be allowed.

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-side switch 111 and the low-side switch 112 use bipolar transistors or MOSFETs.

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 switch circuit 110a. In a gate drive circuit that drives a power switch (IGBT 15, etc.), diversity is required for the output of the switch circuit described in this embodiment and the gate drive circuit using the switch circuit. The gate drive circuit in FIG. 6 has the switch circuit 110a as a main component, but may include other components. For example, the gate drive circuitry may or may not include the P-AMP16.
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-side switch 111a and the low-side switch 112a and the output terminal 114, the swing width of the output voltage is adjusted. be able to.

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-side switch 112 .

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-side switch 112 is turned OFF, the charge stored in the equivalent capacitance is maintained. As a result, according to this embodiment, it is not necessary to charge the parallel equivalent capacitance of the zener diode D1 at the moment when the high-side and low-side switches are switched, and it is possible to output a stable output voltage instantaneously. There are also benefits.

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-side switch 111 and Vdc. The source terminal of Q1 is connected to Vdc and the drain terminal is connected to the input terminal of high side switch 111 . The gate drive circuit in FIG. 7 may include the switch circuit 110b as a main component and other components. For example, the gate drive circuit may or may not include a buffer or an inverter circuit using a MOSFET or the like, which is connected between the output terminal 114 and the IGBT 15 to be driven.
The switch circuit 110b included in this gate drive circuit has an inhibition signal input terminal 141 for inputting the inhibition signal IN2. This inhibition signal input terminal 141 is connected to the gate terminal of Q1 through a voltage dividing circuit of resistors R10 and R11.
When the inhibition signal IN2 is High, when a Low signal is input to the control signal IN1, the output terminal 114 outputs High in response to the signal. When a High signal is input to the control signal IN1, the output terminal 114 outputs Low in response to that signal.

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 output terminal 114 is Low regardless of the value of the control signal IN1. Depending on the drive state of the IGBT 15 to be driven, the output terminal 114 may have to be forcibly held Low even when the control signal IN1 is operating normally. , Q1 are provided so that the inhibit signal can be input.
By the way, in such a case, it is conceivable to forcibly set the output terminal 114 to Low by an external circuit. As a result, the high-side switch 111 of this circuit is overloaded more than necessary, which is not preferable.
A method of inserting, for example, a predetermined logic circuit in the input terminal 113 and forcibly holding the control signal itself at High is also conceivable. However, it is considered that the logic circuit and the time delay of the logic circuit are excessively generated, and the desired result is not brought about.

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 IGBT 15, and it is necessary to reduce the delay time as much as possible. Therefore, the circuit shown in FIG. 7 in which such a delay operation does not occur can easily construct a configuration capable of receiving the inhibit signal. Furthermore, according to the circuit shown in FIG. 7, the configuration that can receive the prohibition signal can be configured more simply.

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 Specific Embodiment 1
A specific example of a circuit diagram of the gate drive circuit 200 is shown in FIG. The gate drive circuit shown in FIG. 8 includes the switch circuit 110c as a main component, and other circuits are not shown. However, P-AMP may also be included, for example, as in FIGS. 1, 3A and 5 previously described. A control signal is input to the input terminal 113 . The control signal swings from +15V on the positive supply to -10V on the negative supply. Also, the control signal is a rectangular wave with a frequency of about 10 kHz.
The input terminal 113 is connected to two differentiating circuits 120, 121 as in FIG. 3A. The output signal of the differentiating circuit 120 is supplied to the base terminal of a high-side switch 111 (for example, a pnp transistor) (hereinafter referred to as Q1). The output signal of the differentiating circuit 121 is supplied to the base terminal of the low-side switch 112 (for example, an npn transistor) (hereinafter referred to as Q2) (see FIG. 8).

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 output terminal 114b through an inverter composed of a P-channel MOSFET (referred to as Q3) and an N-channel MOSFET (referred to as Q4). Therefore, the output terminal 114b is the substantial output terminal of the switch circuit 110c. The output terminal 114b is connected to the gate terminal of the IGBT 15 to be driven.

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 circuit 121 composed of C2 and R2. Due to this generated voltage, the potential of the base terminal drops very early in the fall of the control signal, and Q2 turns off.

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 output terminal 114b of the gate drive circuit 200 becomes LOW, and the gate drive circuit 200 extracts the charge between the gate and source of the IGBT 15 via R9 and Q4. As a result, the IGBT is turned off. The gate terminal of the IGBT 15 becomes approximately -10V and is sufficiently kept off. As for the voltage between the gate and the source of Q3, it is possible to apply a proper voltage while securing the withstand voltage by the function of the constant voltage diode D1.

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 gate drive circuit 200 causes current to flow between the gate and source of the IGBT 15 via R8 and Q3. The output voltage of the output terminal 114b becomes HIGH, and the gate voltage of the IGBT 15 is approximately +15V. As a result, the IGBT 15 is turned ON. The gate voltage is maintained at +15V to hold the ON state. As with Q3, the voltage between the gate and the source of Q4 can be properly applied to the gate terminal of Q4 while ensuring the withstand voltage due to the action of the zener diode D1. Thus, the gate drive circuit 200 shown in FIG. 8 can drive the IGBT 15 that switches a large amount of power. Since the polarities of the control signal and the output signal also match, the circuit can be configured very efficiently.

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 Specific Embodiment 2
A circuit diagram of a concrete embodiment 2 is shown in FIG. FIG. 9 shows the gate drive circuit 200b. The gate drive circuit 200b includes a switch circuit 110d composed of R1 to R7, C1, C2, D1, Q1, Q2, etc. in FIG. The switch circuit 110d is a preferred example of the switch circuit having the configuration shown in FIG. 5 (and claim 3 of the scope of claims).
9, the switch circuit 110e consisting of R11 to R15, R20, C11, C12, C20, D11, Q11, Q12, etc. has the configuration shown in FIG. 6 (and claim 4 of the scope of claims). It is a preferred example of a switch circuit. Q3, Q4, Q14, R6-R9, and R16-R19 correspond to a preferred example of the internal circuit configuration of the P-AMP (power amplifier) 16 in FIG.

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、

Figure 0007161509000010
となる。IGBT15がON動作の状態からOFF動作の状態に移行する時間はこの時定数に影響を受ける。τが大きければ移行時間は長くなり、τが短ければ移行時間は短くなる。
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 input terminal 113 as normal operation, and the Soft-off-in terminal 142 is in a High state during normal operation. In this state, when the input terminal 113 is High, Q3 is turned on and the output terminal 114 outputs High. When the input terminal 113 is Low, both Q4 and Q14 are turned ON, and the output terminal is connected to the potential of -10V via R9 and R19 and becomes Low. At this time, the gate charge of the IGBT 15 is discharged by the parallel resistance value of R9 and R19. Its discharge time constant is
Figure 0007161509000010
becomes. The time for the IGBT 15 to shift from the ON state to the OFF state is affected by this time constant. A large τ results in a long transition time, and a small τ results in a short transition time.
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 IGBT 15, and the parallel connection allows the time constant to be calculated as in the above equation (10). However, the two resistors may be connected in series.
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 IGBT 15 to transition from the ON operation state to the OFF operation state. If the transition time is too long, the switching loss increases, and if the transition time is too short, the switching loss decreases. A voltage surge occurs. In addition, since this voltage surge increases in proportion to the collector current, the optimum switching loss can be selected according to the collector current by changing the transition time according to the collector current. Further, if the IGBT 15 is turned off during a normal transition time during a short circuit, a surge voltage exceeding the withstand voltage between the collector and the emitter of the IGBT 15 is applied, leading to destruction of the IGBT 15 .
In this embodiment, the Soft-off-in terminal 142 is set to Low when short-circuited, so that Q11 can always be maintained in the OFF state. In this state, the time constant for extracting the gate charge from the IGBT 15 can be expressed as τ=Cge×R9. As a result, the time constant τ becomes longer, the time required for the IGBT 15 to shift from the ON operation state to the OFF operation state becomes longer, and the voltage surge is reduced. As a result, breakage of the IGBT 15 can be avoided.

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 switch circuit 110d, 110e switch circuit 11, 111 high side switch 12, 112 low side switch 13, 113 input terminal 14, 114 output terminal 15 IGBT
16P-AMP
20 shift circuit 21, 131 control circuit 120, 121 differentiation circuit 141 inhibition signal input terminal 142 Softoff-in terminal 200, 200b gate drive circuit


Claims (6)

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:
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:
請求項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。
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.
請求項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。
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:
請求項1~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.
請求項1~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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