JP7262945B2 - GATE DRIVE CIRCUIT AND DRIVING METHOD OF VOLTAGE DRIVE WIDE GAP SEMICONDUCTOR - Google Patents

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Description

本発明は、電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子のゲート駆動回路に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit for a voltage-driven wide-gap semiconductor device.

高速にスイッチングが可能で、かつ大電力を制御できるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)が、家庭用の小容量のインバータから鉄道などで用いられる大容量のインバータまで、幅広く利用されている。IGBTなど電圧駆動型の半導体素子を駆動する回路として、ゲートに印可する電圧を制御することにより半導体素子のオンオフを制御するゲート駆動回路であるゲートドライバが使われている。近年では、Si(シリコン)のIGBTに代わって、低損失なSiC(炭化ケイ素)のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor:金属-絶縁体-半導体電界効果トランジスタ)を適用したインバータなどの電力変換装置が普及しつつあり、鉄道や自動車などの電気車用途でもSiC-MOSFETの駆動に適した駆動方式やゲートドライバが求められている。特許文献1には、SiC-SBD(ショットキーバリアダイオード;Shottky Barrier Diode)とSi-IGBTを適用したインバータのゲート駆動回路の構成が示されている。 IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), which are capable of high-speed switching and high-power control, are widely used in everything from small-capacity inverters for home use to large-capacity inverters used in railways and the like. there is 2. Description of the Related Art As a circuit for driving a voltage-driven semiconductor element such as an IGBT, a gate driver, which is a gate driving circuit for controlling on/off of a semiconductor element by controlling a voltage applied to a gate, is used. In recent years, in place of Si (silicon) IGBTs, low-loss SiC (silicon carbide) MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) have been applied to power inverters and other devices. Conversion devices are becoming popular, and drive systems and gate drivers suitable for driving SiC-MOSFETs are also required for electric vehicles such as railways and automobiles. Patent Document 1 shows the configuration of a gate drive circuit of an inverter to which SiC-SBDs (Schottky Barrier Diodes) and Si-IGBTs are applied.

特開2014-147237JP 2014-147237

SiC-MOSFETなど、電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子のスイッチング損失およびノイズの低減について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。 As a result of intensive studies on reducing switching loss and noise in voltage-driven wide-gap semiconductor devices such as SiC-MOSFETs, the following findings were obtained.

SiC-MOSFETは、Si-IGBTに比較してターンオフ損失が小さいことが挙げられる。Si-IGBTはバイポーラ素子であるため、ターンオフ時にキャリアの再結合に伴うテール電流が発生するため、ターンオフ損失が大きくなる。一方、SiC-MOSFETはユニポーラ素子であるためテール電流が原理的に発生せず、ターンオフ損失が小さい。このため、スイッチング損失が小さいSiC素子の方が高周波化に有利であり、SiC素子には高周波駆動に向けたスイッチング損失の更なる低減が求められる。 SiC-MOSFETs have a smaller turn-off loss than Si-IGBTs. Since the Si-IGBT is a bipolar element, a tail current is generated due to recombination of carriers during turn-off, resulting in a large turn-off loss. On the other hand, since the SiC-MOSFET is a unipolar element, no tail current is generated in principle and the turn-off loss is small. For this reason, SiC elements with small switching loss are advantageous for high frequency operation, and SiC elements are required to further reduce switching loss for high frequency driving.

スイッチング損失を低減するために、半導体素子のゲート容量を充放電するゲート駆動回路において、充放電の速度を調整するためのゲート抵抗を低減することにより、スイッチングを高速化することでスイッチング損失を低減することが一般的に実施されている。しかしながら、ゲート抵抗を低減することにより、スイッチング損失を低減できる反面、スイッチング時の電圧や電流の時間変化率(dv/dtやdi/dt)が増大し、一般に半導体素子から発せられるノイズが増大するという課題がある。すなわち、半導体素子の駆動において、スイッチング損失の低減とノイズの低減はトレードオフの関係にあり、低損失かつ低ノイズな駆動が課題である。 In order to reduce switching loss, in the gate drive circuit that charges and discharges the gate capacitance of the semiconductor element, by reducing the gate resistance for adjusting the charging and discharging speed, the switching speed is reduced, thereby reducing the switching loss. It is commonly practiced to However, by reducing the gate resistance, the switching loss can be reduced, but on the other hand, the time rate of change (dv/dt and di/dt) of the voltage and current during switching increases, and generally the noise emitted from the semiconductor device increases. There is a problem. That is, in driving a semiconductor device, there is a trade-off relationship between reduction in switching loss and reduction in noise, and low-loss and low-noise driving is an issue.

上記のように、SiC-MOSFETを駆動するためのゲートドライバの駆動方式としては、ノイズを増大させずにスイッチング損失を低減するという特性を有することが望ましい。SiCを適用した素子の駆動技術に関する先行技術としては、特許文献1がある。 As described above, it is desirable that the driving method of the gate driver for driving the SiC-MOSFET has characteristics of reducing switching loss without increasing noise. Japanese Patent Laid-Open No. 2002-200300 discloses a prior art related to a driving technique for an element to which SiC is applied.

しかしながら、特許文献1に記載されている駆動方式は、還流ダイオードとしてSiC-SBDを用いた場合に、対アームのIGBTのターンオン時に発生する激しい電圧、電流の振動(リンギング)を抑制するために、IGBTのターンオン動作中に、IGBTのゲート-エミッタ間容量(Cge)を一定時間だけ放電させる方式であるから、上記放電期間においてIGBTのコレクタ-エミッタ間電圧(Vce)は減少から増加に転じ、ターンオン損失が増大するという問題がある。 However, in the driving method described in Patent Document 1, when a SiC-SBD is used as a free wheel diode, in order to suppress violent voltage and current oscillations (ringing) that occur when the IGBT of the pair arm is turned on, During the turn-on operation of the IGBT, the IGBT gate-emitter capacitance (Cge) is discharged for a certain period of time. Therefore, the collector-emitter voltage (Vce) of the IGBT changes from a decrease to an increase during the discharge period, and the IGBT is turned on. There is a problem that loss increases.

特許文献1のように、還流ダイオードとしてSiC-SBDを適用し、対アームのSi-IGBTを駆動する場合は、リンギングの抑制を優先してある程度のターンオン損失の増分を許容する手段は有効である。しかしながら、半導体素子としてSiC-MOSFETを駆動する場合は、特許文献1の駆動方式を適用すると、ターンオン損失が発生する期間であるミラー期間中のスイッチング速度を減速させることになり、ターンオン損失が著しく増大する。 As in Patent Document 1, when a SiC-SBD is applied as a freewheeling diode and the Si-IGBT of the paired arm is driven, it is effective to give priority to suppression of ringing and allow a certain increase in turn-on loss. . However, when driving a SiC-MOSFET as a semiconductor element, if the driving method of Patent Document 1 is applied, the switching speed during the mirror period, which is the period during which turn-on loss occurs, will be decelerated, resulting in a significant increase in turn-on loss. do.

本発明の目的は、電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子のスイッチング時におけるノイズとスイッチング損失の低減を両立することに関する。 An object of the present invention is to reduce both noise and switching loss during switching of a voltage-driven wide-gap semiconductor device.

本発明は、電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子を、ミラー期間中にゲート電流が増大するように駆動させることに関する。 The present invention relates to driving a voltage-driven wide-gap semiconductor device such that the gate current increases during the mirror period.

本発明によれば、ミラー期間中にゲート電流が増大するため、電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子のターンオン時の電流変化率(di/dt)を増大させることなく、ターンオン損失を低減できる。したがって、ノイズとスイッチング損失のトレードオフを改善した、高信頼かつ低損失な駆動を実現できる。 According to the present invention, since the gate current increases during the mirror period, the turn-on loss can be reduced without increasing the current change rate (di/dt) at turn-on of the voltage-driven wide-gap semiconductor device. Therefore, it is possible to achieve highly reliable and low-loss driving with an improved trade-off between noise and switching loss.

鉄道用インバータシステムの構成図Configuration diagram of a railway inverter system 実施例1にかかるゲートドライバの構成図FIG. 1 is a configuration diagram of a gate driver according to the first embodiment; 実施例1の効果を示す、半導体素子のターンオン波形の模式図Schematic diagram of a turn-on waveform of a semiconductor device showing the effect of Example 1 実施例1の効果を示す、di/dtとターンオン損失のトレードオフ関係の説明図Explanatory diagram of the trade-off relationship between di/dt and turn-on loss, showing the effect of the first embodiment. 実施例1の効果が現れるためのゲート電流の増大を開始するタイミングの範囲の説明図FIG. 4 is an explanatory diagram of a timing range for starting an increase in gate current for the effects of the first embodiment to appear; 実施例2にかかるゲートドライバの構成図Configuration diagram of a gate driver according to the second embodiment 実施例3にかかるゲートドライバの構成図Configuration diagram of a gate driver according to the third embodiment 実施例3にかかるターンオン動作の説明図Explanatory diagram of turn-on operation according to the third embodiment

実施例では、電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子を駆動するゲート駆動回路において、ミラー期間中にゲート電流を増大する手段を有するものを開示する。 The embodiments disclose a gate drive circuit for driving a voltage-driven wide-gap semiconductor device, which has means for increasing the gate current during the mirror period.

また、実施例では、ミラー期間中にゲート電流を増大する電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子の駆動方法を開示する。 Further, the embodiment discloses a method of driving a voltage-driven wide-gap semiconductor device in which the gate current is increased during the mirror period.

また、実施例では、ミラー期間中にゲート電流を増大することを開示する。 The embodiments also disclose increasing the gate current during the mirror period.

また、実施例では、ターンオン期間中であってドレイン電流がオン電流に達した後に、ゲート電流の増大を開始することを開示する。 Also, the embodiments disclose that the gate current starts increasing during the turn-on period and after the drain current reaches the on-current.

また、実施例では、ターンオン期間中であってドレイン-ソース間電圧がオン電圧に達する前に、ゲート電流の増大を開始することを開示する。 Also, the embodiments disclose starting the gate current increase during the turn-on period and before the drain-source voltage reaches the on-voltage.

また、実施例では、定電圧源に接続される電圧駆動回路を用いて半導体素子のゲート電圧を制御することを開示する。 Further, the embodiments disclose controlling the gate voltage of the semiconductor element using a voltage driving circuit connected to a constant voltage source.

また、実施例では、半導体素子の駆動指令の入力時点から所定の時間が経過した後に、ゲート電流の増大を開始することを開示する。 Further, the embodiments disclose that the increase of the gate current is started after a predetermined time has elapsed from the input of the command to drive the semiconductor element.

また、実施例では、電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子のゲート-ソース間電圧が所定の値になった後に、ゲート電流の増大を開始することを開示する。 Further, the embodiments disclose that the gate current starts to increase after the gate-source voltage of the voltage-driven wide-gap semiconductor device reaches a predetermined value.

また、実施例では、ゲート抵抗を低減してゲート電流を増大することを開示する。 Also, the embodiments disclose reducing the gate resistance to increase the gate current.

また、実施例では、ゲート駆動電圧を増大してゲート電流を増大することを開示する。 The embodiments also disclose increasing the gate current by increasing the gate drive voltage.

また、実施例では、電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子がSiC-MOSFETであることを開示する。 Further, the embodiments disclose that the voltage-driven wide-gap semiconductor device is a SiC-MOSFET.

また、実施例では、ゲート駆動回路を搭載した電力変換装置、および該電力変換装置を搭載した電気車を開示する。 Further, the embodiments disclose a power conversion device equipped with a gate drive circuit and an electric vehicle equipped with the power conversion device.

以下、上記およびその他の本発明の新規な特徴と効果について図面を参酌して説明する。なお、図面は専ら発明理解のために用いるものであり、権利範囲を減縮するものではない。 The above and other novel features and effects of the present invention will be described below with reference to the drawings. The drawings are used exclusively for understanding the invention and do not limit the scope of rights.

図1は、本実施例にかかる鉄道用インバータシステムの構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of a railway inverter system according to this embodiment.

本実施例にかかる鉄道用インバータシステムでは、電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子であるMOSFET101とフィルタコンデンサ103によりパワーユニット100を構成する。UVW相それぞれにおいて、MOSFET101が直列に接続されており、各MOSFET101には、通流方向が逆方向となるように還流ダイオード102が並列接続されている。SiC-MOSFETの場合、MOSFET101に内蔵されているダイオードを還流ダイオード102として利用する場合があり、その場合には還流ダイオード102は必ずしも必要ない。 In the railroad inverter system according to this embodiment, a power unit 100 is configured by a MOSFET 101 and a filter capacitor 103, which are voltage-driven wide-gap semiconductor devices. In each of the UVW phases, MOSFETs 101 are connected in series, and freewheeling diodes 102 are connected in parallel to each MOSFET 101 so that the conduction direction is opposite. In the case of a SiC-MOSFET, a diode incorporated in the MOSFET 101 may be used as the freewheeling diode 102, in which case the freewheeling diode 102 is not necessarily required.

また、各MOSFET101には、指令論理部105からの指令に従い、MOSFETを駆動させるゲートドライバ104が配置されている。UVW相それぞれの上側MOSFET(上アーム)と下側MOSFET(下アーム)の接続点は、パワーユニット100の出力としてモータ106と接続されている。 Each MOSFET 101 is provided with a gate driver 104 for driving the MOSFET according to a command from the command logic unit 105 . A connection point between the upper MOSFET (upper arm) and the lower MOSFET (lower arm) of each UVW phase is connected to the motor 106 as the output of the power unit 100 .

架線107からの電力は、集電装置108、複数の遮断機109およびフィルタリアクトル110を介して、直流電力を平滑化し、ノイズを除去するためのフィルタコンデンサ103の高圧側に入力される。なお、フィルタコンデンサ103の低圧側は、車輪111を介して、電気的なグラウンドであるレール112に接続されている。そして、鉄道用インバータシステムは、パワーユニット内のUVW相のMOSFETを交互にスイッチングすることにより3相交流を生成してモータ106に送る。MOSFET101やフィルタコンデンサ103とともにパワーユニット100内に配置されているゲートドライバ104は、指令論理部105からの指令に従い、MOSFET101を駆動する。指令論理部105は、演算装置、メモリおよび入出力手段を備え、所定のプログラムに従ってMOSFETを駆動する指令を出力する。なお、本実施例にかかるゲートドライバでは、半導体素子としてMOSFETを駆動する例を説明するが、半導体素子はMOSFETに限らず電圧駆動型の素子であれば良く、例えばIGBTでも良い。 Electric power from the overhead line 107 is input to the high-voltage side of the filter capacitor 103 for smoothing the DC power and removing noise through the current collector 108, the plurality of circuit breakers 109 and the filter reactor 110. The low-voltage side of the filter capacitor 103 is connected via wheels 111 to a rail 112 which is an electrical ground. The railway inverter system alternately switches the UVW-phase MOSFETs in the power unit to generate a three-phase alternating current and send it to the motor 106 . A gate driver 104 arranged in the power unit 100 together with the MOSFET 101 and the filter capacitor 103 drives the MOSFET 101 in accordance with a command from the command logic section 105 . The command logic unit 105 includes an arithmetic device, memory, and input/output means, and outputs a command to drive the MOSFET according to a predetermined program. In the gate driver according to the present embodiment, an example in which a MOSFET is driven as a semiconductor element will be described, but the semiconductor element is not limited to a MOSFET and may be a voltage-driven element such as an IGBT.

図2は、本実施例にかかるゲートドライバの構成図である。図2に示すように、ゲートドライバ104は、ゲートドライバの正側電源1(電源電圧=+Vp1)、ゲートドライバの負側電源2(電源電圧=-Vm)、P型MOSFET3a、N型MOSFET4、オン側ゲート抵抗5(Ron1)、オフ側ゲート抵抗6、駆動制御装置7、タイマー回路8、ゲート抵抗低減回路9から構成されている。 FIG. 2 is a configuration diagram of a gate driver according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the gate driver 104 includes a gate driver positive power supply 1 (power supply voltage = +Vp1), a gate driver negative power supply 2 (power supply voltage = -Vm), a P-type MOSFET 3a, an N-type MOSFET 4, an ON It is composed of a side gate resistor 5 (Ron1), an off-side gate resistor 6, a drive controller 7, a timer circuit 8, and a gate resistance reduction circuit 9.

P型MOSFET3aのソースは正側電源1に、ドレインはオン側ゲート抵抗5に接続されている。N型MOSFET4のソースは負側電源2に、ドレインはオフ側ゲート抵抗6に接続されている。オン側ゲート抵抗5とオフ側ゲート抵抗6の接続点がゲートドライバ104の出力部となり、半導体素子101のゲートに接続されている。P型MOSFET3aおよびN型MOSFET4のゲートは、ともに駆動制御装置7の出力部に接続されている。指令論理部105は、駆動制御装置7の入力部およびタイマー回路8の入力部に接続されている。 The source of the P-type MOSFET 3a is connected to the positive power supply 1, and the drain is connected to the on-side gate resistor 5. As shown in FIG. The N-type MOSFET 4 has a source connected to the negative power supply 2 and a drain connected to the off-side gate resistor 6 . A connection point between the on-side gate resistor 5 and the off-side gate resistor 6 serves as an output part of the gate driver 104 and is connected to the gate of the semiconductor element 101 . Gates of the P-type MOSFET 3 a and the N-type MOSFET 4 are both connected to the output section of the drive control device 7 . The command logic section 105 is connected to the input section of the drive control device 7 and the input section of the timer circuit 8 .

ゲート抵抗低減回路9は、P型MOSFET3b、駆動装置10、ゲート電流増大用抵抗11(Ron2)から構成されている。タイマー回路8の出力部が駆動装置10の入力部に接続され、駆動装置10の出力部がP型MOSFET3bのゲートに接続されている。P型MOSFET3bのソースは正側電源1に接続され、P型MOSFET3bのドレインはゲート電流増大用抵抗11を介してゲートドライバ104の出力部、すなわち半導体素子101のゲートに接続されている。 The gate resistance reducing circuit 9 is composed of a P-type MOSFET 3b, a driving device 10, and a gate current increasing resistor 11 (Ron2). The output part of the timer circuit 8 is connected to the input part of the driving device 10, and the output part of the driving device 10 is connected to the gate of the P-type MOSFET 3b. The source of the P-type MOSFET 3b is connected to the positive power supply 1, and the drain of the P-type MOSFET 3b is connected to the output of the gate driver 104, that is, the gate of the semiconductor element 101 through the gate current increasing resistor 11.

指令論理部105からゲート駆動指令が駆動制御装置7に入力すると、駆動制御装置7はゲートドライバの出力段にあるP型MOSFET3aとN型MOSFET4を相補的にオンオフさせるように制御することにより、半導体素子101のゲートに電荷を充電および放電する。充電および放電の速度は、それぞれオン側ゲート抵抗5、オフ側ゲート抵抗6の抵抗値で制御できる。 When a gate drive command is input from the command logic unit 105 to the drive control unit 7, the drive control unit 7 controls the P-type MOSFET 3a and the N-type MOSFET 4 in the output stage of the gate driver so as to complementarily turn on and off the semiconductor. A charge is charged and discharged to the gate of element 101 . The charging and discharging speeds can be controlled by the resistance values of the on-side gate resistor 5 and the off-side gate resistor 6, respectively.

P型MOSFET3aがオン、N型MOSFET4がオフのとき、P型MOSFET3aを介してMOSFET101のゲートに電荷が充電され、MOSFET101のゲート-ソース間電圧(Vgs)が閾値電圧(Vth)を超えるとMOSFET101はオフからオン状態に移行する(ターンオン)。このとき、MOSFET101のドレイン-ソース間電圧(Vds)とドレイン電流(Id)の積の時間積分に相当するターンオン損失が発生する。 When the P-type MOSFET 3a is on and the N-type MOSFET 4 is off, the gate of the MOSFET 101 is charged through the P-type MOSFET 3a. Transition from off to on state (turn on). At this time, a turn-on loss corresponding to the time integral of the product of the drain-source voltage (Vds) of the MOSFET 101 and the drain current (Id) occurs.

P型MOSFET3aがオフ、N型MOSFET4がオンのとき、N型MOSFET4を介してMOSFET101のゲートから電荷が放電され、VgsがVthを下回るとMOSFET101はオンからオフ状態に移行する(ターンオフ)。このとき、MOSFET101のVdsとIdの積の時間積分に相当するターンオフ損失が発生する。 When the P-type MOSFET 3a is off and the N-type MOSFET 4 is on, charge is discharged from the gate of the MOSFET 101 via the N-type MOSFET 4, and when Vgs falls below Vth, the MOSFET 101 shifts from on to off (turn off). At this time, a turn-off loss corresponding to the time integration of the product of Vds and Id of MOSFET 101 occurs.

本実施例では、半導体素子101のターンオン動作のミラー期間中に、ゲート抵抗低減回路9を動作させることにより、ターンオン時のゲート電荷の充電速度を増加させ、ターンオン動作を素早く終了させることにより、ターンオン損失を低減できる。上記を実現する回路動作について図2を参照して下記に述べる。 In this embodiment, the gate resistance reduction circuit 9 is operated during the mirror period of the turn-on operation of the semiconductor element 101 to increase the charging speed of the gate charge at the time of turn-on, thereby quickly completing the turn-on operation. Loss can be reduced. The circuit operation for realizing the above will be described below with reference to FIG.

指令論理部105からゲート駆動指令(オン指令)が駆動制御装置7に入力した時点を起点としてタイマー回路8が作動し、タイマー回路8で決まる一定の遅延時間の経過後にゲート抵抗低減回路9が作動する。このとき、駆動回路10がP型MOSFET3bをオンすることにより、MOSFET101のゲートは、P型MOSFET3bを介して正側電源1から電荷を供給されるため、ゲート抵抗低減回路9の作動後はゲート電荷の充電速度が増加し(ゲート電流が増加し)、ターンオン動作が素早く終了するため、MOSFET101で発生するターンオン損失を低減できる。 The timer circuit 8 operates starting from the time when the gate drive command (ON command) is input from the command logic unit 105 to the drive control device 7, and the gate resistance reduction circuit 9 operates after a certain delay time determined by the timer circuit 8 has passed. do. At this time, when the drive circuit 10 turns on the P-type MOSFET 3b, the gate of the MOSFET 101 is supplied with electric charge from the positive power supply 1 via the P-type MOSFET 3b. is increased (gate current is increased), and the turn-on operation is completed quickly, so the turn-on loss generated in MOSFET 101 can be reduced.

このとき、ゲート電流増大用抵抗11の抵抗値(Ron2)としては、オン側ゲート抵抗5の抵抗値(Ron1)よりも小さくすることにより(Ron1>Ron2)、ゲート抵抗低減回路9の作動後にゲート電流を増大できる。 At this time, the resistance value (Ron2) of the gate current increasing resistor 11 is made smaller than the resistance value (Ron1) of the on-side gate resistor 5 (Ron1>Ron2), so that after the gate resistance reduction circuit 9 operates, the gate You can increase the current.

ターンオン時の電流の時間変化率(di/dt)を増大することなく、ターンオン損失を低減する仕組みについて、図3および図4を参照して下記に述べる。 A mechanism for reducing turn-on losses without increasing the time rate of change of current at turn-on (di/dt) is described below with reference to FIGS.

図3は、本実施例の効果を示す、半導体素子のターンオン波形の模式図である。破線波形は、ターンオン時のゲート抵抗を一定値Rg1に固定した場合を示す。実線波形は、ターンオン時のゲート抵抗をミラー期間前はRg1とし、ミラー期間中にRg2(<Rg1)に低減した場合を示す。ドレイン電流(Id)の波形は、実線と破線とで重なっている。 FIG. 3 is a schematic diagram of a turn-on waveform of a semiconductor device, showing the effect of this embodiment. A dashed line waveform indicates a case where the gate resistance at turn-on is fixed to a constant value Rg1. The solid line waveform shows the case where the gate resistance at turn-on is Rg1 before the mirror period and is reduced to Rg2 (<Rg1) during the mirror period. The waveform of the drain current (Id) overlaps the solid line and the dashed line.

時刻t0よりも前では、ドレイン-ソース間電圧(Vds)は、ほぼ電源電圧Vccに等しく、ドレイン電流(Id)はゼロである。時刻t0において、MOSFET101のゲート-ソース間電圧が閾値電圧に達し(Vgs=Vth)、ドレイン電流(Id)が流れ始める。時刻t1においてドレイン電流がオン電流に達し(Id=Ion)、時刻t1以降はVdsが減少して、Vgsがほぼ一定となるミラー期間に入る。時刻t2において、Vdsはオン電圧(Von)まで低下し、ターンオン動作が完了する。 Before time t0, the drain-source voltage (Vds) is approximately equal to the power supply voltage Vcc and the drain current (Id) is zero. At time t0, the gate-source voltage of MOSFET 101 reaches the threshold voltage (Vgs=Vth), and drain current (Id) begins to flow. At time t1, the drain current reaches the ON current (Id=Ion), and after time t1, Vds decreases and Vgs enters a mirror period in which it is almost constant. At time t2, Vds drops to the ON voltage (Von) and the turn-on operation is completed.

このとき、MOSFET101のターンオン動作において、ミラー期間中にゲート抵抗低減回路9が作動開始するようにタイマー回路8で決まる遅延時間を調整することにより、ドレイン電流(Id)がオン電流(Ion)に達した後にゲート電流が増大するようにできるため、ターンオン時の電流の時間変化率(di/dt)を増大することなく、ターンオン時のVdsの時間変化率(dv/dt)のみを増大させる。したがって、VdsとIdの積の時間積分で決まるターンオン損失を低減できる。 At this time, in the turn-on operation of the MOSFET 101, the drain current (Id) reaches the on-current (Ion) by adjusting the delay time determined by the timer circuit 8 so that the gate resistance reduction circuit 9 starts operating during the mirror period. Since the gate current can be made to increase after switching on, only the time rate of change of Vds at turn-on (dv/dt) is increased without increasing the time rate of change of current at turn-on (di/dt). Therefore, the turn-on loss determined by the time integral of the product of Vds and Id can be reduced.

さらに、ゲート抵抗低減回路9は、定電圧源であるゲートドライバの正側電源1に接続されている電圧駆動回路であるため、ゲートドライバの正側電源1の電圧がMOSFET101のゲート電圧の絶対最大定格未満である限り、ゲート抵抗低減回路9の作動後もMOSFET101のゲート電圧を絶対最大定格未満に制御でき、素子の信頼性が確保される。 Furthermore, since the gate resistance reduction circuit 9 is a voltage drive circuit connected to the positive power supply 1 of the gate driver, which is a constant voltage source, the voltage of the positive power supply 1 of the gate driver is the absolute maximum of the gate voltage of the MOSFET 101. As long as it is below the rating, the gate voltage of the MOSFET 101 can be controlled below the absolute maximum rating even after the gate resistance reduction circuit 9 is activated, and the reliability of the device is ensured.

図4は、本実施例の効果を示す、di/dtとターンオン損失のトレードオフ関係の説明図である。ゲート抵抗を一定値(Ron1)で固定して駆動した場合に対し、本実施例のようにミラー期間中にゲート抵抗を低減(Ron1⇒Ron2)して駆動した方が、同じノイズレベル(di/dt)においてターンオン損失を低減でき、ノイズと損失のトレードオフを改善できることがわかる。本発明者が検討した結果、本ゲートドライバを適用した電源電圧Vcc=1500VでのSiC-MOSFETのスイッチング試験において、同一のdi/dtレベルで比較して20%ほどターンオン損失を低減できることを確認した。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the trade-off relationship between di/dt and turn-on loss, showing the effect of this embodiment. In contrast to driving with the gate resistance fixed at a constant value (Ron1), the same noise level (di/ dt), the turn-on loss can be reduced and the trade-off between noise and loss can be improved. As a result of investigation by the present inventors, in a switching test of a SiC-MOSFET at a power supply voltage Vcc = 1500 V to which this gate driver is applied, it was confirmed that the turn-on loss can be reduced by about 20% compared with the same di/dt level. .

図5は、本実施例の効果が現れるためのゲート電流の増大を開始するタイミングの範囲の説明図である。図5は、図3のターンオン波形について、縦軸をドレイン電流(Id)に、横軸をドレイン-ソース間電圧(Vds)として描画したローカス(軌跡)の模式図である。(A)点はターンオンの開始時点(Idが流れ始める時点)、(B)点はミラー期間に入る時点、(C)点はターンオンの終了時点(Vdsがオン電圧Vonに達する時点)を示す。このうち、ゲート電流の増大を開始するタイミングは、(B)点~(C)点の間であればよい。(B)点以降であれば、ターンオン期間中のドレイン電流(Id)がオン電流(Ion)に達する時点よりも後であるため、ゲート電流を増大してもdi/dtは増大せず、ターンオン損失のみを低減できるためである。さらに、(B)点以降でなるべく早いタイミングでゲート電流を増大するほどターンオン損失の減少分が大きくなるため、ベストモードのタイミングは(B)点直後となる。 FIG. 5 is an explanatory diagram of the timing range for starting the increase of the gate current for the effect of the present embodiment to appear. FIG. 5 is a schematic diagram of a locus (trajectory) plotted with the drain current (Id) on the vertical axis and the drain-source voltage (Vds) on the horizontal axis for the turn-on waveform of FIG. Point (A) indicates the start time of turn-on (when Id begins to flow), point (B) indicates the time when the mirror period begins, and point (C) indicates the time point when turn-on ends (when Vds reaches the on-voltage Von). Among these, the timing to start increasing the gate current may be between points (B) and (C). After point (B), the drain current (Id) during the turn-on period reaches the on-current (Ion). This is because only loss can be reduced. Furthermore, since the decrease in turn-on loss increases as the gate current is increased as soon as possible after the point (B), the timing of the best mode is immediately after the point (B).

本実施例は、実施例1のゲートドライバの構成に対し、ゲート電流の増大を開始するタイミングを決定する手段として、半導体素子のゲート-ソース間電圧(Vgs)を監視し、Vgsが一定の値以上になった時点を検知する点が異なる。以下、実施例1との相違点を中心に説明する。 This embodiment monitors the gate-source voltage (Vgs) of the semiconductor element as a means for determining the timing to start increasing the gate current in contrast to the configuration of the gate driver of the first embodiment. It is different in that it detects when it reaches the above. The following description will focus on the differences from the first embodiment.

図6は、本実施例にかかるゲートドライバの構成図である。実施例1のタイマー回路8は不要となるため、取り除かれている。タイマー回路8の代わりに、本実施例では、ゲートドライバ104の出力部とゲート抵抗低減回路9との間に、ゲート電圧検知回路12が接続されている。その他の接続様態は、実施例1と同じである。 FIG. 6 is a configuration diagram of a gate driver according to this embodiment. Since the timer circuit 8 of the first embodiment is unnecessary, it is removed. Instead of the timer circuit 8, a gate voltage detection circuit 12 is connected between the output section of the gate driver 104 and the gate resistance reduction circuit 9 in this embodiment. Other connection modes are the same as in the first embodiment.

ゲート電圧検知回路12の実施形態として、図6に示すように、比較器13で構成された例を示す。比較器13の-入力端子はゲートドライバ104の出力部に、+入力端子は参照電圧源(Vref)を介してゲートドライバの負側電源2に接続されている。比較器13の出力端子はゲート抵抗低減回路9に接続されている。 As an embodiment of the gate voltage detection circuit 12, as shown in FIG. 6, an example configured with a comparator 13 is shown. The -input terminal of the comparator 13 is connected to the output section of the gate driver 104, and the +input terminal is connected to the negative side power supply 2 of the gate driver via a reference voltage source (Vref). The output terminal of comparator 13 is connected to gate resistance reduction circuit 9 .

比較器13の-入力端子の電圧は、MOSFET101のゲート-ソース間電圧(Vgs)に等しく、+入力端子の電圧を超えると(Vgs>Vref)、比較器13の出力がハイ⇒ローとなり、ゲート抵抗低減回路9が作動する。したがって、ミラー期間中にゲート抵抗低減回路9が作動するようにVrefを設計することにより、di/dtを増大させずにターンオン損失を低減できる。 The voltage of the - input terminal of the comparator 13 is equal to the gate-source voltage (Vgs) of the MOSFET 101, and when the voltage of the + input terminal is exceeded (Vgs>Vref), the output of the comparator 13 goes from high to low, and the gate The resistance reduction circuit 9 is activated. Therefore, by designing Vref so that the gate resistance reduction circuit 9 operates during the mirror period, the turn-on loss can be reduced without increasing di/dt.

MOSFET101の素子温度やゲートドライバ104の基板温度が変化した場合、指令論理部105からゲート駆動指令(オン指令)の入力からMOSFET101がミラー期間に入るまでの遅延時間も変化しうる。しかし、本実施例では、当該温度における実際の駆動時のゲート-ソース間電圧(Vgs)を監視するため、温度が変化してもゲート電流の増大を開始するタイミングがミラー期間から変動しにくい利点がある。 When the device temperature of the MOSFET 101 and the substrate temperature of the gate driver 104 change, the delay time from the input of the gate drive command (ON command) from the command logic unit 105 to the MOSFET 101 entering the mirror period can also change. However, in this embodiment, since the gate-source voltage (Vgs) during actual driving at the temperature is monitored, even if the temperature changes, the timing to start increasing the gate current is less likely to fluctuate from the mirror period. There is

本実施例は、実施例2のゲートドライバの構成に対し、ゲート電流を増大する手段として、ゲート抵抗を低減する方式の代わりに、ゲート駆動電圧を増大する方式を用いている点が異なる。以下、実施例1乃至2との相違点を中心に説明する。 This embodiment differs from the configuration of the gate driver of the second embodiment in that a method of increasing the gate drive voltage is used instead of a method of reducing the gate resistance as means for increasing the gate current. In the following, differences from the first and second embodiments will be mainly described.

図7は、本実施例にかかるゲートドライバの構成図である。実施例1および実施例2で示したゲート抵抗低減回路9は不要となるため、取り除かれている。ゲート抵抗低減回路9の代わりに、本実施例では、ゲート電圧検知回路12の出力部とP型MOSFET3aのドレインとの間に、ゲート電圧増大回路14が接続されている。その他の接続様態は、実施例2と同じである。 FIG. 7 is a configuration diagram of a gate driver according to this embodiment. Since the gate resistance reduction circuit 9 shown in the first and second embodiments is unnecessary, it is removed. Instead of the gate resistance reduction circuit 9, in this embodiment, a gate voltage increase circuit 14 is connected between the output of the gate voltage detection circuit 12 and the drain of the P-type MOSFET 3a. Other connection modes are the same as in the second embodiment.

ゲート電圧増大回路14は、ゲートドライバの第1の正側電源1、第2の正側電源15、ワンショットIC16、P型MOSFET17、N型MOSFET18から構成される。ワンショットIC16の入力部はゲート電圧検知回路12の出力部に接続されている。P型MOSFET17のドレインとN型MOSFET18のドレインは、共にP型MOSFET3aのドレインに接続されている。P型MOSFET17のゲートとN型MOSFET18のゲートは、共にワンショットIC16の出力部に接続されている。P型MOSFET17のソースはゲートドライバの第2の正側電源15に接続され、N型MOSFET18のソースはゲートドライバの第1の正側電源1に接続されている。 The gate voltage increasing circuit 14 is composed of a first positive power supply 1, a second positive power supply 15, a one-shot IC 16, a P-type MOSFET 17, and an N-type MOSFET 18 of the gate driver. The input of one-shot IC 16 is connected to the output of gate voltage detection circuit 12 . The drain of the P-type MOSFET 17 and the drain of the N-type MOSFET 18 are both connected to the drain of the P-type MOSFET 3a. The gate of the P-type MOSFET 17 and the gate of the N-type MOSFET 18 are both connected to the output of the one-shot IC 16 . The source of the P-type MOSFET 17 is connected to the second positive power supply 15 of the gate driver, and the source of the N-type MOSFET 18 is connected to the first positive power supply 1 of the gate driver.

第2の正側電源15の電圧(+Vp2)は、第1の正側電源1の電圧(+Vp1)よりは大きく、半導体素子101のゲート電圧の絶対最大定格(+Vgs_abs)よりは小さく設定されている(+Vp1<+Vp2<+Vgs_abs)。 The voltage (+Vp2) of the second positive power supply 15 is set higher than the voltage (+Vp1) of the first positive power supply 1 and lower than the absolute maximum rating (+Vgs_abs) of the gate voltage of the semiconductor element 101. (+Vp1<+Vp2<+Vgs_abs).

MOSFET101のゲート電圧がゲート電圧検知回路12の参照電圧よりも小さいとき、比較器13の入力電圧の関係(Vgs<Vref)より、比較器13の出力はハイになる。このとき、ゲート電圧増大回路14の中のワンショットIC16の出力はハイを保持し、P型MOSFET17はオフ、N型MOSFET18はオンとなる。したがって、P型MOSFET3aのドレインの電位は、第1の正側電源1の電圧(+Vp1)に等しくなる。 When the gate voltage of the MOSFET 101 is lower than the reference voltage of the gate voltage detection circuit 12, the output of the comparator 13 becomes high due to the relation of the input voltage of the comparator 13 (Vgs<Vref). At this time, the output of the one-shot IC 16 in the gate voltage increasing circuit 14 is held high, the P-type MOSFET 17 is turned off, and the N-type MOSFET 18 is turned on. Therefore, the potential of the drain of the P-type MOSFET 3a becomes equal to the voltage of the first positive power supply 1 (+Vp1).

MOSFET101のゲート電圧がゲート電圧検知回路12の参照電圧よりも大きいとき、比較器13の入力電圧の関係(Vgs>Vref)より、比較器13の出力はローになる。このとき、ゲート電圧増大回路14の中のワンショットIC16の出力は、ワンショットIC16の内部回路で決まるある一定期間(ΔT)だけ、ハイ⇒ローを出力し、この期間ΔTの間に限って、P型MOSFET17はオン、N型MOSFET18はオフとなる。したがって、P型MOSFET3aのドレインの電位は、期間ΔTの間だけ第2の正側電源15の電圧(+Vp2)に等しくなる。 When the gate voltage of the MOSFET 101 is higher than the reference voltage of the gate voltage detection circuit 12, the output of the comparator 13 becomes low due to the relationship between the input voltages of the comparator 13 (Vgs>Vref). At this time, the output of the one-shot IC 16 in the gate voltage increasing circuit 14 changes from high to low for a certain period (ΔT) determined by the internal circuit of the one-shot IC 16, and only during this period ΔT, The P-type MOSFET 17 is turned on and the N-type MOSFET 18 is turned off. Therefore, the potential of the drain of the P-type MOSFET 3a becomes equal to the voltage (+Vp2) of the second positive power supply 15 only during the period ΔT.

以上の回路動作より、MOSFET101のターンオン動作の中で、前半区間(Vgs<Vref)はP型MOSFET3aのドレインの電位を+Vp1とでき、後半区間(Vgs>Vref)はP型MOSFET3aのドレインの電位を+Vp2(>+Vp1)とできる。 From the above circuit operation, in the turn-on operation of the MOSFET 101, the potential of the drain of the P-type MOSFET 3a can be set to +Vp1 in the first half period (Vgs<Vref), and the potential of the drain of the P-type MOSFET 3a can be set to +Vp1 in the second half period (Vgs>Vref). +Vp2 (>+Vp1).

上記の前半区間と後半区間の分岐点が、半導体素子101がミラー期間に達する時点以降となるように、ゲート電圧検知回路12の参照電圧(Vref)を設定することにより、ミラー期間中にゲート駆動電圧を+Vp1から+Vp2に昇圧できる。したがって、di/dtを増大させずにターンオン損失を低減できる。なお、ワンショットIC16は、比較器13のロー出力をトリガに一定期間(ΔT)ロー出力を出す役割を持っており、同様の機能を持つ素子であればワンショットICでなくとも良い。 By setting the reference voltage (Vref) of the gate voltage detection circuit 12 so that the branch point between the first half section and the second half section is after the time when the semiconductor element 101 reaches the mirror period, the gate is driven during the mirror period. The voltage can be boosted from +Vp1 to +Vp2. Therefore, turn-on loss can be reduced without increasing di/dt. The one-shot IC 16 has the role of outputting a low output for a certain period of time (ΔT) triggered by the low output of the comparator 13, and any element having similar functions may be used instead of the one-shot IC.

図8は、本実施例にかかるターンオン動作の説明図である。破線波形は、ターンオン時のゲート駆動電圧を一定値+Vp1に固定した場合を示す。実線波形は、ターンオン時のゲート駆動電圧をミラー期間前は+Vp1とし、ミラー期間中に+Vp2(>+Vp1)に昇圧した場合を示す。ドレイン電流(Id)の波形は、実線と破線とで重なっている。 FIG. 8 is an explanatory diagram of the turn-on operation according to this embodiment. A broken line waveform indicates a case where the gate drive voltage at turn-on is fixed to a constant value +Vp1. The solid line waveform shows the case where the gate drive voltage at turn-on is set to +Vp1 before the mirror period and is boosted to +Vp2 (>+Vp1) during the mirror period. The waveform of the drain current (Id) overlaps the solid line and the dashed line.

ミラー期間中にゲート電圧増大回路14が作動開始するように、ゲート電圧検知回路12の参照電圧(Vref)を調整することにより、ドレイン電流(Id)がオン電流(Ion)に達した後にゲート電流が増大するため、di/dtを増大することなく、ターンオン時のVdsの時間変化率(dv/dt)のみを増大させ、ターンオン損失を低減できる。 By adjusting the reference voltage (Vref) of the gate voltage detection circuit 12 so that the gate voltage increase circuit 14 starts operating during the mirror period, the gate current increases, the turn-on loss can be reduced by increasing only the time rate of change (dv/dt) of Vds at turn-on without increasing di/dt.

ワンショットIC16の出力がローとなる期間ΔTは、MOSFET101がミラー期間(T1)よりも長い方が望ましい。また、期間ΔTは、図8に図示しない次のターンオンまでの期間(T2)よりも短くすることが必要である(T1<ΔT<T2)。ΔT>T1は、MOSFET101のミラー期間中にゲート電流を増大させ続けるための条件であり、ΔT<T2は、次のターンオン動作が開始するまでの間に、P型MOSFET3aのドレインの電位をゲートドライバの第2の正側電源15の電圧(+Vp2)から第1の正側電源1の電圧(+Vp1)に戻すために必要な条件である。 The period ΔT during which the output of the one-shot IC 16 is low is preferably longer than the mirror period (T1) of the MOSFET 101 . Also, the period ΔT must be shorter than the period (T2) until the next turn-on (T1<ΔT<T2), not shown in FIG. ΔT>T1 is a condition for keeping the gate current increasing during the mirror period of the MOSFET 101, and ΔT<T2 is the condition that the potential of the drain of the P-type MOSFET 3a is set to the gate driver until the next turn-on operation starts. This is a condition necessary for returning the voltage (+Vp2) of the second positive power supply 15 to the voltage (+Vp1) of the first positive power supply 1.

本実施例では、ゲートドライバの第2の正側電源15の電源電圧を、半導体素子101のゲート電圧の絶対最大定格+Vgs_abs未満の範囲で、第一の正側電源1の電源電圧よりも大きくする(+Vp1<+Vp2<+Vgs_abs)ことにより、実施例1および実施例2に対してさらにゲート電流を増加でき、ターンオン損失をさらに低減できる利点がある。 In this embodiment, the power supply voltage of the second positive power supply 15 of the gate driver is made higher than the power supply voltage of the first positive power supply 1 within the range of less than the absolute maximum rating of the gate voltage of the semiconductor element 101 +Vgs_abs. By (+Vp1<+Vp2<+Vgs_abs), there is an advantage that the gate current can be further increased compared to the first and second embodiments, and the turn-on loss can be further reduced.

1:ゲートドライバの(第一の)正側電源
2:ゲートドライバの負側電源
3a、3b、17:P型MOSFET
4、18:N型MOSFET
5:オン側ゲート抵抗
6:オフ側ゲート抵抗
7:駆動制御装置
8:タイマー回路
9:ゲート抵抗低減回路
10:駆動装置
11:ゲート電流増大用抵抗
12:ゲート電圧検知回路
13:比較器
14:ゲート電圧増大回路
15:ゲートドライバの第2の正側電源
16:ワンショットIC
100:パワーユニット
101:MOSFET
102:還流ダイオード
103:フィルタコンデンサ
104:ゲートドライバ
105:指令論理部
106:モータ
107:架線
108:集電装置
109:遮断機
110:フィルタリアクトル
111:車輪
112:レール
Vgs:ゲート-ソース間電圧
Vds:ドレイン-ソース間電圧
Ig:ゲート電流
Id:ドレイン電流
Rg:ゲート抵抗
Vth:閾値電圧
Ion:オン電流
Von:オン電圧
Vcc:電源電圧
1: (first) positive power supply for gate driver 2: negative power supply for gate driver 3a, 3b, 17: P-type MOSFET
4, 18: N-type MOSFET
5: ON-side gate resistor 6: OFF-side gate resistor 7: Drive control device 8: Timer circuit 9: Gate resistance reduction circuit 10: Driving device 11: Gate current increasing resistor 12: Gate voltage detection circuit 13: Comparator 14: Gate voltage increasing circuit 15: second positive side power supply for gate driver 16: one-shot IC
100: Power unit 101: MOSFET
102: freewheeling diode 103: filter capacitor 104: gate driver 105: command logic unit 106: motor 107: overhead wire 108: current collector 109: circuit breaker 110: filter reactor 111: wheel 112: rail Vgs: gate-source voltage Vds : Drain-source voltage Ig: Gate current Id: Drain current Rg: Gate resistance Vth: Threshold voltage Ion: ON current Von: ON voltage Vcc: Power supply voltage

Claims (4)

SiC-MOSFETに代表される電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子を駆動するゲート駆動回路において、
複数の定電圧源に接続される電圧駆動回路を用いて前記半導体素子のゲート電圧を制御する手段を備え、
前記手段は、前記半導体素子のターンオン期間中であって、前記半導体素子のドレイン電流がオン電流に達した後でかつ前記半導体素子のゲート駆動指令の入力時点から当該半導体素子のゲート-ソース間電圧が所定値以上になった後に、前記ゲート電圧を大きくして前記半導体素子のゲート電流を増大させ
とを特徴とするゲート駆動回路。
In a gate drive circuit that drives a voltage-driven wide-gap semiconductor device represented by a SiC-MOSFET ,
comprising means for controlling the gate voltage of the semiconductor element using a voltage drive circuit connected to a plurality of constant voltage sources;
During the turn-on period of the semiconductor element, after the drain current of the semiconductor element reaches the on-current, and from the point of input of the gate drive command of the semiconductor element , the means controls the voltage between the gate and the source of the semiconductor element. becomes a predetermined value or more , the gate voltage is increased to increase the gate current of the semiconductor element.
A gate drive circuit characterized by :
請求項1に記載のゲート駆動回路を搭載した電力変換装置 A power converter equipped with the gate drive circuit according to claim 1 . 請求項2に記載の電力変換装置を搭載した電気車。An electric vehicle equipped with the power converter according to claim 2. SiC-MOSFETに代表される電圧駆動型ワイドギャップ半導体素子を駆動するゲート駆動方法において、
前記半導体素子のゲート電圧を、複数の定電圧源に接続される電圧駆動回路を用いて制御し、
前記半導体素子のターンオン期間中であって、前記半導体素子のドレイン電流がオン電流に達した後でかつ前記半導体素子のゲート駆動指令の入力時点から当該半導体素子のゲート-ソース間電圧が所定値以上になった後に、前記ゲート電圧を大きくして前記半導体素子のゲート電流を増大させ
とを特徴とするゲート駆動方法。
In a gate driving method for driving a voltage-driven wide-gap semiconductor device represented by a SiC-MOSFET ,
controlling the gate voltage of the semiconductor element using a voltage drive circuit connected to a plurality of constant voltage sources;
During the turn-on period of the semiconductor element, after the drain current of the semiconductor element reaches the on-current, and from the time of inputting the gate drive command of the semiconductor element , the gate-source voltage of the semiconductor element is equal to or higher than a predetermined value. , the gate voltage is increased to increase the gate current of the semiconductor element
A gate driving method characterized by :
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