JPH02179262A - Gate drive circuit of voltage drive type semiconductor element - Google Patents

Gate drive circuit of voltage drive type semiconductor element

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JPH02179262A
JPH02179262A JP17949789A JP17949789A JPH02179262A JP H02179262 A JPH02179262 A JP H02179262A JP 17949789 A JP17949789 A JP 17949789A JP 17949789 A JP17949789 A JP 17949789A JP H02179262 A JPH02179262 A JP H02179262A
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JP
Japan
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voltage
turned
semiconductor element
gate
transistor
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JP17949789A
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Japanese (ja)
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Kiyoaki Sasagawa
清明 笹川
Hiroshi Miki
広志 三木
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To prevent semiconductor elements against destruction and malfunction by operating a constant voltage circuit in which the voltage in a predetermined range is applied to the gate of semiconductor elements to whose output side a reflux diode is connected for a specified time when the semiconductor elements are turned ON. CONSTITUTION:When a photocoupler 201 is turned ON, an FET 202 is turned ON accordingly and a transistor Tr 4 is turned ON through a power source 205 for forward bias of voltage Vcc and a resistor 208, so that the voltage VZD of a constant voltage diode 3 is generated across the collector and base of a Tr 203 and the Tr 203 becomes a constant voltage source. The VGE of an insulating gate type bipolar Tr (IGBT) 100 is turned out VGEapprox.=Vcc-VZD. Since a Tr 2 is turned ON to short a series circuit between the constant voltage diode 3 and the Tr 4 while an FET is OFF, the generation of voltage VZD is only during the period the FET 7 is ON. In the FET 7 after the photocoupler 201 was ON, the voltage VGS discharges the current through a resistor 6 and when it is dropped lower than the threshold value, it is turned OFF. The destruction of the IGBT and malfunction can thereby be prevented.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、I G B T (Insulated G
ate BipolarTransistor :絶縁
ゲート形バイポーラトランジスタ)やパワーMO8FE
Tの如き電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路に関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention is directed to IGBT (Insulated G
ate BipolarTransistor: Insulated gate type bipolar transistor) and power MO8FE
The present invention relates to a gate drive circuit for a voltage-driven semiconductor device such as T.

(従来の技術) 電圧駆動形半導体素子、例えばIGBTは、バイポーラ
トランジスタの有する高耐圧、大容量化が容易である長
所と、パワーMO8FETの有する高速スイッチングが
可能で駆動回路が簡単かつ駆動電力が少なくてすむ長所
とを持つ新デバイスとして、最近注目されている。第5
図はとの工GBTの等価回路を示すもので1図中、10
1はNチャンネルMOS  FET、102はNPNト
ランジスタ、103はPNPトランジスタ、104はト
ランジスタ102のベース・エミッタ間短絡用抵抗であ
り、これらによってゲートG、コレクタC,エミッタE
を有するIGBTlooが構成されている。ここで、ト
ランジスタ102.103は寄生サイリスタ回路を構成
している。
(Prior Art) Voltage-driven semiconductor devices, such as IGBTs, have the advantages of bipolar transistors, such as high breakdown voltage and easy increase in capacity, and power MO8FETs, which enable high-speed switching, have simple drive circuits, and require low drive power. Recently, it has been attracting attention as a new device that has the advantage of being easy to use. Fifth
The figure shows the equivalent circuit of a tonotechnical GBT.
1 is an N-channel MOS FET, 102 is an NPN transistor, 103 is a PNP transistor, 104 is a short-circuiting resistor between the base and emitter of the transistor 102, and these connect the gate G, collector C, and emitter E.
An IGBTloo is configured. Here, the transistors 102 and 103 constitute a parasitic thyristor circuit.

第6図は、上記IGBT100の駆動回路の一例を示す
もので、201は図示されていないPWM回路等の制御
回路に接続された信号絶縁用のフォトカプラ、202は
Nチャンネ/L/MO3FET、203はNPN)−ラ
ンジスタ、204はPNP トランジスタ、205は順
バイアス用電源、206は逆バイアス用電源、207,
208,209は抵抗である。
FIG. 6 shows an example of a drive circuit for the IGBT 100, in which 201 is a photocoupler for signal isolation connected to a control circuit such as a PWM circuit (not shown), 202 is an N-channel/L/MO3FET, and 203 is an NPN)-transistor, 204 is a PNP transistor, 205 is a forward bias power supply, 206 is a reverse bias power supply, 207,
208 and 209 are resistors.

この駆動回路によるIGBTlooのオン、オフ動作を
以下に述べる。フォトカプラ201の一次側に′li流
を流すとフォトカプラ201はオンし、これによってF
 E T 202はオフする。FET202のオフに伴
いトランジスタ204がオフし、トランジスタ203が
オンする。トランジスタ203がオンすると順バイアス
用電源205の電圧が抵抗209を介してIGBTlo
oのゲート・エミッタ間に加わるため、IG B T 
tooはオンする。
The on/off operation of IGBTloo by this drive circuit will be described below. When the 'li current flows through the primary side of the photocoupler 201, the photocoupler 201 turns on, thereby causing F
E T 202 is turned off. When the FET 202 is turned off, the transistor 204 is turned off and the transistor 203 is turned on. When the transistor 203 is turned on, the voltage of the forward bias power supply 205 becomes IGBTlo through the resistor 209.
Since it is added between the gate and emitter of
too turns on.

IGBTlooのオフ動作は上述のオン動作と反対であ
り、フォトカプラ201の一次側電流を遮断するとフォ
トカプラ201がオフし、FET202がオンする。そ
の結果、トランジスタ203がオフすると共にトランジ
スタ204がオンし、逆バイアス用電源206の電圧が
抵抗9を介してIGBTlooのゲート・エミッタ間に
加わることによりIGBTlooがオフする。なお、図
の抵抗209はIGBTlooのゲート電流を制限する
と共に、IGBTlooのターンオフ時に内部の寄生サ
イリスタがターンオンしてしまうラッチアップ現象によ
りゲートが制御能力を失ってしまい、電流を遮断できな
くなるのを防止するためのものである。
The off operation of IGBTloo is opposite to the above-mentioned on operation, and when the primary current of the photocoupler 201 is cut off, the photocoupler 201 is turned off and the FET 202 is turned on. As a result, the transistor 203 is turned off and the transistor 204 is turned on, and the voltage of the reverse bias power supply 206 is applied between the gate and emitter of the IGBTloo through the resistor 9, so that the IGBTloo is turned off. Note that the resistor 209 in the figure limits the gate current of IGBTloo, and prevents the gate from losing its control ability and being unable to cut off the current due to the latch-up phenomenon in which the internal parasitic thyristor turns on when IGBTloo turns off. It is for the purpose of

また、第7図はIGBTlooの駆動回路の他の例を示
している。同図において、210は定電圧ダイオード、
211は抵抗、212はNPNトランジスタであり、他
の構成については第6図と同様である。
Further, FIG. 7 shows another example of the IGBTloo drive circuit. In the figure, 210 is a constant voltage diode,
211 is a resistor, 212 is an NPN transistor, and the other configurations are the same as in FIG.

この駆動回路の動作も第6図の回路と実質的に同機であ
り、トランジスタ212が第6図のF E T 202
の作用をなしている。
The operation of this drive circuit is also substantially the same as that of the circuit shown in FIG.
It has the effect of

(発明が解決しようとする課題) ところで、この種のIGBTは、主としてvvVF(可
変電圧可変周波数)インバータなど誘導、性負荷に流れ
る電流のオン、オフ用のスイッチに使用されており、こ
の場合の基本動作は、第8図に示すインバータ回路内の
チョッパ動作に等しい。
(Problems to be Solved by the Invention) This type of IGBT is mainly used as a switch for turning on and off the current flowing in an inductive load such as a vvVF (variable voltage variable frequency) inverter. The basic operation is equivalent to the chopper operation in the inverter circuit shown in FIG.

なお、同図において100 a 、 100 bはIG
BT、301は直流電源(電圧Ed)、302,304
は還流ダイオード。
In addition, in the same figure, 100 a and 100 b are IG
BT, 301 is a DC power supply (voltage Ed), 302, 304
is a freewheeling diode.

303は配線インダクタンス、305は負荷を示してお
り、スナバ回路は省略されている。
303 is a wiring inductance, 305 is a load, and the snubber circuit is omitted.

同図において、前述したような駆動回路の動作により上
アームのIGBTlooaがオフした場合、負荷電流I
Lは下アームの還流ダイオード304を通って引き続き
流れる。この状態でIGBTlooaがオンすると、還
流ダイオード304がオフ状態になるまで直流電源30
1.IGBTlooa、還流ダイオード304の短絡回
路が形成されて直流短絡状態を生じるため、還流ダイオ
ード304.302としては高速ダイオードが通常用い
られている。
In the figure, when IGBTlooa of the upper arm is turned off due to the operation of the drive circuit as described above, the load current I
L continues to flow through the freewheeling diode 304 in the lower arm. When IGBTlooa is turned on in this state, the DC power supply 30 is turned on until the freewheeling diode 304 is turned off.
1. Since a short circuit is formed between the IGBTlooa and the freewheeling diode 304, resulting in a DC short-circuit state, a high-speed diode is usually used as the freewheeling diode 304 and 302.

このIGBTlooaのオンにより、そのコレクタ電流
Ic及び負荷電流Iしは第9図に示す如く次第に増加し
ていくが、IGBTlooaがオンする時刻し。の前後
では、同図に示すように還流ダイオード304を流れる
電流Ioが急激に減少し、かつ増加する。このときの電
流Io及び還流ダイオード304の両端の電圧Voを示
すと第10図のとおりであり、電流Inが減少して時刻
t1で零になり、その後、負方向に増加して時刻tz(
第9図の時刻t0に相当)で最大値となり、それから再
び時刻t、で零になるまでの期間(t□〜ti)がいわ
ゆる逆回復時間である。なお、この逆回復時間は通常1
μS以内という非常に短い時間である。
When IGBTlooa is turned on, its collector current Ic and load current I gradually increase as shown in FIG. 9, but the time when IGBTlooa turns on is reached. Before and after , the current Io flowing through the free wheel diode 304 rapidly decreases and then increases as shown in the figure. The current Io and the voltage Vo across the free-wheeling diode 304 at this time are shown in FIG.
The period (t□ to ti) from which the value reaches the maximum value at time t0 (corresponding to time t0 in FIG. 9) until it becomes zero again at time t is the so-called reverse recovery time. Note that this reverse recovery time is usually 1
This is a very short time of less than μS.

従来の半導体素子では、スイッチング時間が上記逆回復
時間よりも長いため、この逆回復時間内での電圧や電流
の急峻な変化はこのスイッチング時間によって抑制され
ていた。しかしながら、IGBT等の電圧駆動形半導体
素子のスイッチング時間はダイオードの逆回復時間とほ
ぼ同程度であるため、逆回復時間での電圧や電流の変化
は抑制されずに更に増加する方向へと働く。
In conventional semiconductor devices, the switching time is longer than the reverse recovery time, and therefore, steep changes in voltage or current within this reverse recovery time are suppressed by this switching time. However, since the switching time of a voltage-driven semiconductor element such as an IGBT is approximately the same as the reverse recovery time of a diode, changes in voltage and current during the reverse recovery time are not suppressed and tend to increase further.

この逆回復時間のうち第10図の期間(tz〜ti)で
は、短い時間内で逆電流(逆回復電流)が急激に減少す
るためd I/d t(電流の変化率)が大きくなり、
特にダイオードが高速になればなるほどこの間の時間が
短くなるため、d I/d tは大きくなる。このため
、このdI/dtと配線インダクタンス303とによっ
て発生する、直流電源電圧Edと同極性の電圧ΔV ”
 a s−d I / d t (II sは配線イン
ダクタンス303のインダクタンス値)が直流電源電圧
Edに重畳され、還流ダイオード304の両端の電圧V
nは第10図にVρとして示すように非常に高くなる。
During the period (tz to ti) in FIG. 10 of this reverse recovery time, the reverse current (reverse recovery current) rapidly decreases within a short time, so dI/dt (rate of change in current) increases,
In particular, the higher the speed of the diode, the shorter this period of time becomes, so d I/d t becomes larger. Therefore, a voltage ΔV of the same polarity as the DC power supply voltage Ed generated by this dI/dt and the wiring inductance 303.
a s-d I / d t (II s is the inductance value of the wiring inductance 303) is superimposed on the DC power supply voltage Ed, and the voltage V across the freewheeling diode 304
n becomes very high as shown as Vρ in FIG.

この電圧Voは場合によっては素子の耐圧以上となり、
還流ダイオード304と並列に接続されているIGBT
loobが破壊されたり、誤ってオンしてしまうおそれ
がある。
In some cases, this voltage Vo exceeds the withstand voltage of the element,
IGBT connected in parallel with freewheeling diode 304
There is a risk that the loob may be destroyed or accidentally turned on.

また1時刻t2以後、電圧VDは極めて短時間のうちに
急激に増加するから、そのdV/dtも非常に大きくな
り、例えばl0XIO’(V/μS〕以上となる。これ
に起因して第6図や第7図に示した駆動回路のフォトカ
プラ201が誤動作し、あるいはフォトカプラ201の
入力側の制御回路の誤動作を引き起こすという問題があ
った。これに対処するため、上記電圧変化率dV/dt
に強く、かつ信号伝達速度が速いフォトカプラを用いる
とすると、I G B Tの駆動回路が高価なものとな
り、製造コストの増加を招くという問題があった。
Furthermore, after time t2, the voltage VD increases rapidly in an extremely short period of time, so its dV/dt also becomes very large, for example, 10XIO' (V/μS) or more. There has been a problem that the photocoupler 201 of the drive circuit shown in FIG. dt
If a photocoupler that is resistant to damage and has a high signal transmission speed is used, there is a problem in that the IGBT drive circuit becomes expensive, leading to an increase in manufacturing costs.

本発明は上記問題点を解決するために提案されたもので
、その目的とするところは、還流ダイオードの逆回復電
流や還流ダイオード両端の過渡的な過電圧及び電圧変化
率の増大を抑制して電圧駆動形半導体素子の破壊や駆動
回路、制御回路の誤動作を防ぎ、構成簡単かつ低コスト
で実現可能な電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路を
提供することにある。
The present invention was proposed in order to solve the above problems, and its purpose is to suppress the reverse recovery current of the freewheeling diode, the transient overvoltage across the freewheeling diode, and the increase in the voltage change rate, thereby reducing the voltage. It is an object of the present invention to provide a gate drive circuit for a voltage-driven semiconductor element that can be realized with a simple configuration and at low cost, which prevents damage to the driven semiconductor element and malfunction of the drive circuit and control circuit.

(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため、第1の発明は、出力側に直列
かつ逆方向に還流ダイオードが接続されてなる電圧駆動
形半導体素子のゲート駆動回路において、前記半導体素
子のゲートに対して該半導体素子のしきい値電圧よりも
高く、かつ定常時の印加電圧よりも低い電圧を印加する
定電圧回路と、この定電圧回路を前記半導体素子のター
ンオン時に少なくとも前記ダイオードの逆回復時間を経
過するまでの期間、動作させるタイマとを備えたもので
ある。
(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, a first invention provides a gate drive circuit for a voltage-driven semiconductor device in which a freewheeling diode is connected in series and in a reverse direction to the output side. a constant voltage circuit that applies a voltage higher than the threshold voltage of the semiconductor element and lower than the applied voltage in steady state to the gate of the semiconductor element; The system is equipped with a timer that operates until the reverse recovery time of .

また、第2の発明は、ゲート駆動回路の出力段に設けら
れた相補的に動作する一対のスイッチ素子のうち、半導
体素子のターンオン用のスイッチ素子はターンオフ用の
スイッチ素子よりもスイッチング時間が短いものを使用
し、半導体素子のターンオン時に上記一対のスイッチ素
子が同時にオンする期間を設ける。この同時オン期間は
少なくとも、還流ダイオードの逆回復時間よりも長く、
また、この期間中では、半導体素子のゲートに印加され
る電圧は一対のスイッチ素子にそれぞれ直列接続された
抵抗の分圧によって決まることがら、この電圧を半導体
素子のしきい値電圧よりも高く、かつ定常時の印加電圧
よりも低い値に設定するものである。
In addition, the second invention is characterized in that among a pair of complementary switching elements provided in the output stage of the gate drive circuit, the switching element for turning on the semiconductor element has a shorter switching time than the switching element for turning off the semiconductor element. A period is provided during which the pair of switch elements are simultaneously turned on when the semiconductor element is turned on. This simultaneous on period is at least longer than the reverse recovery time of the freewheeling diode,
Also, during this period, since the voltage applied to the gate of the semiconductor element is determined by the partial voltage of the resistors connected in series to the pair of switch elements, this voltage is set higher than the threshold voltage of the semiconductor element. In addition, the applied voltage is set to a value lower than the applied voltage during steady state.

(作用) 第1の発明によれば、電圧駆動形半導体素子をターンオ
ンさせる際、タイマによって決定される一定期間(半導
体素子の出力側に接続された還流ダイオードの逆回復時
間よりも長い期間)にわたり、定電圧回路によって前記
半導体素子のゲート・エミッタ間に比較的低い一定電圧
を印加する。これにより、半導体素子の出力電流は小さ
な値に抑制され、その出力側に直列接続された還流ダイ
オードの逆回復電流の変化率が小さくなり、前記ダイオ
ード両端の過電圧発生が防止されて電圧の変化率も小さ
くなるので、半導体素子の誤オンや破壊、駆動回路の誤
動作等を招くおそれがない。
(Function) According to the first invention, when turning on the voltage-driven semiconductor element, the voltage-driven semiconductor element is turned on for a certain period of time determined by a timer (a period longer than the reverse recovery time of the freewheeling diode connected to the output side of the semiconductor element). , a relatively low constant voltage is applied between the gate and emitter of the semiconductor element by a constant voltage circuit. As a result, the output current of the semiconductor element is suppressed to a small value, the rate of change of the reverse recovery current of the free-wheeling diode connected in series on the output side is reduced, and overvoltage generation across the diode is prevented, thereby reducing the rate of change of voltage. Since the voltage is also small, there is no risk of erroneous turning on or destruction of the semiconductor element, malfunction of the drive circuit, etc.

また、上記タイマによる一定期間経過後は、定電圧回路
による半導体素子のゲートへの低電圧の印加が解除され
、そのゲート・エミッタ間の電圧は通常値となって半導
体素子の出力電流は十分に大きくなる。このとき、還流
ダイオードは逆阻止能力を回復しているため、前記ダイ
オードに電流が流れることはなく、何ら支障はない。
Furthermore, after a certain period of time has elapsed according to the above timer, the application of the low voltage to the gate of the semiconductor element by the constant voltage circuit is released, the voltage between the gate and emitter becomes the normal value, and the output current of the semiconductor element becomes sufficient. growing. At this time, since the freewheeling diode has recovered its reverse blocking ability, no current flows through the diode, causing no problem.

また、第2の発明によれば、半導体素子をターンオンさ
せる際にゲート駆動回路の出力段のオン用、オフ用スイ
ッチ素子を同時にオンさせる期間を設け、半導体素子の
ゲート・エミッタ間電圧を半導体素子のしきい値電圧よ
りも高く、かつ定常時の電圧よりも低い電圧とする。こ
のようにゲート・エミッタ間電圧を低い値にすると半導
体素子の出力特性から出力電流(コレクタ電流)を低く
抑制することができ、この半導体素子に直列接続された
還流ダイオードの逆回復電流の低減により、前記同様に
還流ダイオード両端の過渡的な電圧の抑制と電圧変化率
の低減とが可能となる。
Further, according to the second invention, when turning on the semiconductor element, a period is provided in which the on and off switching elements of the output stage of the gate drive circuit are simultaneously turned on, so that the voltage between the gate and emitter of the semiconductor element is changed to the voltage between the gate and emitter of the semiconductor element. The voltage is higher than the threshold voltage of , and lower than the steady state voltage. By reducing the gate-emitter voltage to a low value in this way, the output current (collector current) can be suppressed to a low value due to the output characteristics of the semiconductor element, and by reducing the reverse recovery current of the freewheeling diode connected in series with the semiconductor element. Similarly to the above, it is possible to suppress the transient voltage across the freewheeling diode and reduce the rate of voltage change.

また、上記同時オン期間は少なくとも還流ダイオードの
逆回復時間と同じ程度に長くすることにより、同時オン
期間が終了するとオン用のスイッチ素子のみがオンする
ので、半導体素子のゲート・エミッタ間電圧は通常値と
なり、半導体素子の出力電流は十分に大きくなる。
In addition, by making the above simultaneous on period at least as long as the reverse recovery time of the freewheeling diode, only the on switch element is turned on when the simultaneous on period ends, so that the voltage between the gate and emitter of the semiconductor device is normally value, and the output current of the semiconductor element becomes sufficiently large.

(実施例) 以下5図に沿って本発明の詳細な説明する。(Example) The present invention will be described in detail below with reference to FIG.

まず、第1図は第1の発明の一実施例であって電圧駆動
形半導体素子としてのI(3BTの駆動回路を示してい
る。同図において、前記と同様に100はIGBT、2
01はフォトカプラ、202はNチャンネルMO8FE
T、203はNPN トランジスタ、204はPNP 
トランジスタ、205は順バイアス用電源、206は逆
バイアス用電源、207〜209は抵抗である。
First, FIG. 1 is an embodiment of the first invention, and shows a drive circuit for I (3BT) as a voltage-driven semiconductor element. In the same figure, 100 is an IGBT, and 2
01 is a photocoupler, 202 is N-channel MO8FE
T, 203 is an NPN transistor, 204 is a PNP
205 is a forward bias power source, 206 is a reverse bias power source, and 207 to 209 are resistors.

そしてこの実施例では、出力段のトランジスタ203を
定電圧源として動作させる回路と、この回路を所定時間
働かせるタイマとを備えている。すなわち、定電圧源と
して動作させる回路は、ベースが出力段のトランジスタ
204のベースに接続され、かつエミッタがトランジス
タ203のベースに接続されるNPNトランジスタ4と
、そのコレクタに7ノードが接続され、かつカソードが
順バイアス用型g205の正極に接続される定電圧ダイ
オード3と、前記抵抗208とによって構成されている
。また、前記タイマは、順バイアス用電源205の正極
と後述するNチャンネルMO8FET7のドレインとの
間に接続された抵抗1と、この抵抗1の両端にコレクタ
及びベースが接続され、かつエミッタがトランジスタ4
のエミッタに接続されたNPNトランジスタ2と、抵抗
1の一端にドレインが接続され、かつソースが逆バイア
ス用電源206の負極に接続されたFET7と、そのゲ
ート及びF E T 202のゲート間に接続・された
抵抗6と、この抵抗6に対して並列に、かつカソードを
FET7のゲートに向けて接続されたダイオード5とか
ら構成されているに こで、前記トランジスタ2は、そのオン動作により定電
圧ダイオード3及びトランジスタ4の直列回路を短絡す
るように作用し、また、前記タイマは抵抗6とFET7
のゲート入力容量及びゲートしきい値電圧(スレッショ
ルドレベル)により。
This embodiment includes a circuit that operates the output stage transistor 203 as a constant voltage source, and a timer that operates this circuit for a predetermined period of time. In other words, the circuit operated as a constant voltage source includes an NPN transistor 4 whose base is connected to the base of the output stage transistor 204 and whose emitter is connected to the base of the transistor 203, and whose collector is connected to the 7 nodes. It is composed of a constant voltage diode 3 whose cathode is connected to the positive electrode of the forward bias type g205, and the resistor 208. The timer also includes a resistor 1 connected between the positive electrode of a forward bias power source 205 and the drain of an N-channel MO8FET 7, which will be described later, a collector and a base connected to both ends of the resistor 1, and an emitter connected to a transistor 4.
An NPN transistor 2 connected to the emitter of the FET 2, a FET 7 whose drain is connected to one end of the resistor 1, and whose source is connected to the negative electrode of the reverse bias power supply 206, and the gate of the FET 202 is connected between its gate and the gate of the FET 202.・The transistor 2 is composed of a resistor 6 and a diode 5 connected in parallel to the resistor 6 with its cathode facing the gate of the FET 7. It acts to short-circuit the series circuit of voltage diode 3 and transistor 4, and the timer also connects resistor 6 and FET 7.
depending on the gate input capacitance and gate threshold voltage (threshold level).

F E T 202とFET7とがオフする時間が若干
ずれるように作用する。なお、ダイオード5はFET2
02.7のオンする時間を等しくするためのものである
This works so that the times at which FET 202 and FET 7 are turned off are slightly different from each other. Note that diode 5 is FET2
This is to equalize the on time of 02.7.

次に、この回路の動作を第2図を参照しつつ説明する。Next, the operation of this circuit will be explained with reference to FIG.

まず、制御回路により、フォトカプラ201の一次側に
電流を流してフォトカプラ201を時刻T1でオンさせ
ると、始めにF E 7202が時刻T。
First, when the control circuit causes a current to flow through the primary side of the photocoupler 201 and turns on the photocoupler 201 at time T1, F E 7202 first turns on at time T.

でオンする。このF E T 202のオフにより順バ
イアス用電源205と抵抗208とを介してトランジス
タ4のベースに電流が流れ、トランジスタ4がオンする
ことにより定電圧ダイオード3の電圧Vzoがトランジ
スタ203のコレクタ・ベース間に発生する。この電圧
によってトランジスタ203は定電圧源として動作し、
そのコレクタ・エミッタ間電圧VC!+は、 VcE=Vng+Vzp+Vct’与Vzo=V、  
−(1)となる。なお、VB[lはトランジスタ203
のベース・エミッタ間電圧、 Vat’はトランジスタ
4のコレクタ・エミッタ間の電圧を示す、これにより、
IG B T 100のゲート・エミッタ間電圧Vaa
は、順バイアス用電源205の電圧をVccとすると、
Va[1=Vcc−V、4Vcc−Vzn  −(2)
となり、このv6IllはvccよりVzn分だけ低い
値となるに こで、FET7のオフ時にはトランジスタ2がオンする
ことによって定電圧ダイオード3とトランジスタ4との
直列回路が短絡されることから、上記電圧V zn (
V 、 )が発生している期間は、第2図に示す如< 
FET7がオンしている期間となる。
Turn it on. When this FET 202 is turned off, a current flows to the base of the transistor 4 via the forward bias power supply 205 and the resistor 208, and when the transistor 4 is turned on, the voltage Vzo of the voltage regulator diode 3 is changed from the collector to the base of the transistor 203. Occurs between. This voltage causes the transistor 203 to operate as a constant voltage source,
Its collector-emitter voltage VC! + is VcE=Vng+Vzp+Vct' given Vzo=V,
−(1). Note that VB[l is the transistor 203
The voltage between the base and emitter of , Vat' indicates the voltage between the collector and emitter of transistor 4. Therefore,
Gate-emitter voltage Vaa of IGBT 100
If the voltage of the forward bias power supply 205 is Vcc, then
Va[1=Vcc-V, 4Vcc-Vzn-(2)
The voltage V zn (
The period during which V, ) is occurring is as shown in Figure 2.
This is the period during which FET7 is on.

一方、FET7は、フォトカプラ201がオンしてから
ゲート・ソース間電圧V a sが抵抗6を介して放電
し、この電圧V(18がしきい値電圧を下回った時刻T
1でオフする。すなわち、前述したタイマの作用により
、F E T 202よりも一定時間遅れてオフする。
On the other hand, in the FET 7, after the photocoupler 201 is turned on, the gate-source voltage V a s is discharged through the resistor 6, and at the time T when this voltage V (18 falls below the threshold voltage)
1 turns it off. That is, due to the action of the timer described above, it is turned off a certain period of time later than FET 202.

このFET7のオフにより、順バイアス用電源205及
び抵抗1を介してトランジスタ2にベース電流が流れる
ため、トランジスタ2がオンして定電圧ダイオード3及
びトランジスタ4の直列回路を短絡するため、viL:
:0となり、電圧Voaは従来通りの順バイアス電圧V
ccと等しくなる。
When this FET 7 is turned off, a base current flows to the transistor 2 via the forward bias power supply 205 and the resistor 1, so the transistor 2 is turned on and the series circuit of the constant voltage diode 3 and the transistor 4 is short-circuited, so that viL:
:0, and the voltage Voa is the conventional forward bias voltage V.
It becomes equal to cc.

以上のようにこの実施例では、タイマによって確保され
る時刻T2からT3までの一定期間Tにおいて、IGB
Tlooのゲート・エミッタ間電圧V(+舊が電源電圧
Vccよりも低い一定電圧vcc−V、に保持される。
As described above, in this embodiment, during the fixed period T from time T2 to T3 secured by the timer, the IGB
The gate-emitter voltage V of Tloo is maintained at a constant voltage Vcc-V, which is lower than the power supply voltage Vcc.

なお、上記一定期間Tは、IGBTlooの出力側に直
列かつ逆方向に接続される還流ダイオード(図示せず)
の逆回復時間よりも長くすることが必要である。また、
電圧Vcc−V□はIG B T 100のしきい値電
圧よりも高い値であるのはいうまでもない。
In addition, the above-mentioned fixed period T is a freewheeling diode (not shown) connected in series and in the opposite direction to the output side of IGBTloo.
It is necessary to make the reverse recovery time longer than the reverse recovery time. Also,
It goes without saying that the voltage Vcc-V□ is higher than the threshold voltage of the IGBT 100.

このようにIGBTl、OOのターンオン時にそのゲー
ト・エミッタ間電圧Vanを比較的低い値に保持するの
で、第3図のIGBTの出力特性に示すように、IGB
Tlooのコレクタ電流Icを低く抑制することができ
る。従って、IGBTlooに直列接続される還流ダイ
オードの逆回復電流を抑制して電流の変化率dI/dt
を減少させ、その結果として還流ダイオード両端の電圧
Voを小さくし、かつ電圧変化率dV/dtも小さくす
ることが可能である。
In this way, when IGBTl and OO are turned on, the gate-emitter voltage Van is held at a relatively low value, so as shown in the IGBT output characteristics in Figure 3, the IGBT
The collector current Ic of Tloo can be suppressed to a low level. Therefore, by suppressing the reverse recovery current of the freewheeling diode connected in series with IGBTloo, the current change rate dI/dt
As a result, it is possible to reduce the voltage Vo across the freewheeling diode and to reduce the voltage change rate dV/dt.

また、第3図から明らかなように、電圧VGIIを低い
樋にするとIGBTlooのオン電圧が増加するが、こ
の実施例ではIGBTlooのターンオン時の一定期間
TだけVG[lを低くするものであるがら、この期間T
を経過した後の定常時には十分に低いオン電圧とするこ
とができる。
Furthermore, as is clear from FIG. 3, when the voltage VGII is set to a low value, the on-voltage of IGBTloo increases. , this period T
The on-voltage can be kept sufficiently low during steady state after passing through.

次に、第4図は第2の発明の一実施例を示している。こ
の第4図において、第1図または第7図に示したものと
同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、
以下、異なる点を中心に説明する。すなわちこの実施例
では、IGBTlooのターンオン用スイッチ素子とし
てPチャンネルMO8FETl0が用いられており、そ
のソースが順バイアス用電源205の正極に接続され、
ドレインは抵抗11を介してトランジスタ204のエミ
ッタに接続されていると共に、トランジスタ204のコ
レクタは抵抗12を介して逆バイアス用電源206の負
極に接続されている。
Next, FIG. 4 shows an embodiment of the second invention. In this FIG. 4, the same components as those shown in FIG. 1 or FIG.
The differences will be mainly explained below. That is, in this embodiment, a P-channel MO8FETl0 is used as a turn-on switching element of IGBTloo, and its source is connected to the positive electrode of the forward bias power supply 205.
The drain is connected to the emitter of a transistor 204 via a resistor 11, and the collector of the transistor 204 is connected via a resistor 12 to the negative electrode of a reverse bias power source 206.

また、トランジスタ212のコレクタはトランジスタ9
,204のベースに接続され、トランジスタ9のコレク
タは抵抗8を介して順バイアス用電源205の正極に接
続されている。更に、トランジスタ9のコレクタはFE
Tl0のゲートに接続されている。
Further, the collector of the transistor 212 is connected to the transistor 9.
, 204, and the collector of the transistor 9 is connected to the positive electrode of a forward bias power source 205 via a resistor 8. Furthermore, the collector of transistor 9 is FE
Connected to the gate of Tl0.

以下、このゲート駆動回路の動作を説明する。The operation of this gate drive circuit will be explained below.

まず、IGBTlooのオン動作について説明する。First, the on operation of IGBTloo will be explained.

始めにフォトカプラ201がオンするとトランジスタ2
12がオフし、これによってトランジスタ9がオンする
。このトランジスタ9のオンにより、FETl0のゲー
トは逆バイアス用電源206の負極に接続され、ゲート
・ソース間が順バイアスされてFETl0がオンする。
When the photocoupler 201 is first turned on, the transistor 2
12 turns off, which turns transistor 9 on. By turning on the transistor 9, the gate of the FET 10 is connected to the negative electrode of the reverse bias power supply 206, and the gate and source are forward biased to turn on the FET 10.

また、フォトカプラ201がオンするとトランジスタ2
04はオフするが、一般にFETはトランジスタよりも
スイッチング時間が短いため、トランジスタ204がオ
フする前にFETl0がオンするので、トランジスタ2
04がオフするまでの期間はFETl0及びトランジス
タ204が同時にオンすることになる。
Also, when the photocoupler 201 is turned on, the transistor 2
04 is turned off, but since FETs generally have a shorter switching time than transistors, FET10 is turned on before transistor 204 is turned off, so transistor 204 is turned off.
FET10 and transistor 204 are turned on at the same time until FET04 is turned off.

この期間では、IGBTlooのゲート・エミッタ間電
圧Vaaは。
During this period, the gate-emitter voltage Vaa of IGBTloo is.

となる、ここで、Vcc’は逆バイアス用電源206の
電圧である。
Here, Vcc' is the voltage of the reverse bias power supply 206.

上記(3)式より、ゲート・エミッタ間電圧VaBは通
常の順バイアス電圧Vccよりも低い電圧に抑えること
ができる。これにより、第3図に示したごと<IGBT
looのコレクタ電流Icを減少させることができ、還
流ダイオードの逆回復電流に起因する電流の変化率や電
圧変化率の増加を解消することができる。
From the above equation (3), the gate-emitter voltage VaB can be suppressed to a voltage lower than the normal forward bias voltage Vcc. As a result, as shown in Fig. 3, <IGBT
The collector current Ic of loo can be reduced, and an increase in the current change rate and voltage change rate caused by the reverse recovery current of the freewheeling diode can be eliminated.

なお、IGBTIOQのオフ動作について説明すると、
フォトカプラ201のオフによりトランジスタ212が
オンする。これによりトランジスタ9がオフしてFET
l0のゲートとソースとが同電位になりFETl0はオ
フする。一方、トランジスタ212のオンによりトラン
ジスタ204もオンするが、FETl0がオフするのは
トランジスタ204がオンする時よりも速いため、上述
したオン動作時のようなFETLOとトランジスタ20
4との同時オン期間は生じず、従来技術と同様のオン動
作が行われる。
In addition, to explain the off operation of IGBTIOQ,
When the photocoupler 201 is turned off, the transistor 212 is turned on. This turns off transistor 9 and turns off the FET.
The gate and source of l0 become at the same potential and FET l0 is turned off. On the other hand, when the transistor 212 is turned on, the transistor 204 is also turned on, but since the FET10 turns off faster than the transistor 204 turns on, the FETLO and the transistor 204 turn on as described above.
There is no simultaneous on period with No. 4, and the same on operation as in the prior art is performed.

なお、上記各実施例ではIGBTの駆動回路につき説明
したが、本発明はパワーMOS  FET等の他の電圧
駆動形半導体素子にも適用可能である。
Although the above embodiments have been described with respect to the IGBT drive circuit, the present invention is also applicable to other voltage-driven semiconductor devices such as power MOS FETs.

(発明の効果) 以上のように第1の発明によれば、電圧駆動形半導体素
子のターンオン時にタイマによる一定期間だけ半導体素
子のゲートに加える電圧を比較的低電圧とし、また第2
の発明によれば、ゲート駆動回路の出力段の一対のスイ
ッチ素子にスイッチング時間が異なるものを用い、半導
体素子のターンオン時に、前記各スイッチ素子が同時に
オンする期間を設けてこの期間だけ半導体素子のゲート
に加える電圧を比較的低電圧にして半導体素子の出力電
流を抑制することにより、還流ダイオードの逆回復電流
の低減やこれに起因する過電圧の防止並びに電圧変化率
の低減を図ることができる。
(Effects of the Invention) As described above, according to the first invention, when the voltage-driven semiconductor element is turned on, the voltage applied to the gate of the semiconductor element is set to be a relatively low voltage for a certain period of time by the timer, and the second
According to the invention, a pair of switch elements in the output stage of a gate drive circuit have different switching times, and when the semiconductor element is turned on, a period is provided in which each of the switch elements is simultaneously turned on, and the semiconductor element is turned on only during this period. By suppressing the output current of the semiconductor element by applying a relatively low voltage to the gate, it is possible to reduce the reverse recovery current of the freewheeling diode, prevent overvoltage caused by this, and reduce the rate of voltage change.

従って、半導体素子の破壊、駆動回路やその制御回路等
の誤動作を防止して信頼性の向上を図ることができる。
Therefore, reliability can be improved by preventing damage to the semiconductor element and malfunction of the drive circuit and its control circuit.

加えて、本発明は従来の回路の大幅な変更を要すること
なく若干の素子を付加するだけで実現可能であるから、
低コストにて提供することができる等の効果がある。
In addition, the present invention can be realized by simply adding a few elements without requiring major changes to conventional circuits.
It has the advantage that it can be provided at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は第1の発明の一実施例を示す回路図。 第2図はその動作波形図、第3図はIGBTの出力特性
図、第4図は第2の発明の一実施例を示す回路図、第5
図ないし第10図は従来例を説明するためのもので、第
5図はIGBTの等価回路図、第6図はゲート駆動回路
の一例を示す回路図、第7図は同じく他の例を示す回路
図、第8図はIGBTを用いたチョッパの回路図、第9
図はその動作波形図、第10図は第8図の回路における
ダイオードの電流及び電圧波形図である。 1 、6 、8 、LL、12,207,208,20
9,211・・・抵抗2 、4 、9 、203.20
4.212・・・トランジスタ3.210・・・定電圧
ダイオード 5・・・ダイオード  ?、10,202・・・FET
100・・・I G B T   201・・・フォト
カプラ205・・・順バイアス用電源 206・・・逆バイアス用電源
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the first invention. FIG. 2 is an operating waveform diagram, FIG. 3 is an output characteristic diagram of the IGBT, FIG. 4 is a circuit diagram showing an embodiment of the second invention, and FIG.
Figures 1 to 10 are for explaining conventional examples. Figure 5 is an equivalent circuit diagram of an IGBT, Figure 6 is a circuit diagram showing an example of a gate drive circuit, and Figure 7 is another example. Circuit diagram, Figure 8 is a circuit diagram of a chopper using IGBT, Figure 9
The figure is a diagram of its operation waveforms, and FIG. 10 is a diagram of current and voltage waveforms of the diode in the circuit of FIG. 1, 6, 8, LL, 12,207,208,20
9,211...Resistance 2, 4, 9, 203.20
4.212... Transistor 3.210... Constant voltage diode 5... Diode? , 10,202...FET
100...I G B T 201... Photocoupler 205... Forward bias power supply 206... Reverse bias power supply

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)出力側に直列かつ逆方向に還流ダイオードが接続
されてなる電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路にお
いて、 前記半導体素子のゲートに対して該半導体素子のしきい
値電圧よりも高く、かつ定常時の印加電圧よりも低い電
圧を印加する定電圧回路と、この定電圧回路を前記半導
体素子のターンオン時に少なくとも前記ダイオードの逆
回復時間を経過するまでの期間、動作させるタイマとを
備えたことを特徴とする電圧駆動形半導体素子のゲート
駆動回路。
(1) In a gate drive circuit for a voltage-driven semiconductor element in which a freewheeling diode is connected in series and in the reverse direction on the output side, the voltage is higher than the threshold voltage of the semiconductor element with respect to the gate of the semiconductor element, and A constant voltage circuit that applies a voltage lower than the voltage applied during steady state, and a timer that operates this constant voltage circuit at least until the reverse recovery time of the diode elapses when the semiconductor element is turned on. A gate drive circuit for a voltage-driven semiconductor device, characterized by:
(2)出力側に直列かつ逆方向に還流ダイオードが接続
されてなる電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路にお
いて、 前記ゲート駆動回路の出力段に設けられて前記半導体素
子をターンオンまたはターンオフさせるべく相補的に動
作する一対のスイッチ素子のうち、前記半導体素子のタ
ーンオン用のスイッチ素子をターンオフ用のスイッチ素
子よりもスイッチング時間が短いものとし、前記半導体
素子をオン状態とする際に前記一対のスイッチ素子を共
にオンさせる期間を設け、この期間を少なくとも前記還
流ダイオードの逆回復時間よりも長く設定すると共に、
この期間内では、前記半導体素子のゲートに対して該半
導体素子のしきい値電圧よりも高く、かつ定常時の印加
電圧よりも低い電圧を印加することを特徴とする電圧駆
動形半導体素子のゲート駆動回路。
(2) In a gate drive circuit for a voltage-driven semiconductor device in which a freewheeling diode is connected in series and in the reverse direction on the output side, a complementary circuit is provided at the output stage of the gate drive circuit to turn on or turn off the semiconductor device. Of the pair of switch elements that operate normally, the switch element for turning on the semiconductor element has a shorter switching time than the switch element for turning off the semiconductor element, and when the semiconductor element is turned on, the pair of switch elements Provide a period in which both are turned on, and set this period to be longer than at least the reverse recovery time of the freewheeling diode,
Within this period, a voltage higher than a threshold voltage of the semiconductor element and lower than a voltage applied in a steady state is applied to the gate of the semiconductor element. drive circuit.
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DE68928573T DE68928573T2 (en) 1988-11-16 1989-11-16 Driver circuit for a voltage controlled semiconductor device
DE68928161T DE68928161T2 (en) 1988-11-16 1989-11-16 Driver circuit for use in a voltage controlled semiconductor device
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