KR970000876B1 - Fast gate drive circuit for inverter - Google Patents

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KR970000876B1 KR1019940002389A KR19940002389A KR970000876B1 KR 970000876 B1 KR970000876 B1 KR 970000876B1 KR 1019940002389 A KR1019940002389 A KR 1019940002389A KR 19940002389 A KR19940002389 A KR 19940002389A KR 970000876 B1 KR970000876 B1 KR 970000876B1
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조규형
정용채
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한국과학기술원
천성순
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Abstract

A high-speed gate drive circuit in an inverter circuit is provided, which is constructed in such a manner that the emitter of a semiconductor switch S1 is connected to one side of the primary side T11 of a sensing transformer, the cathod of a diode D2 is connected to the other side of the primary side T11, a gate resistor Rg1 is connected between a gate voltage Vg1 and the gate of semiconductor switch S1, the collector of a transistor Qa1 is serially connected to the cathod of a diode Da1 which is connected between the gate resistor Rg1 and gate of semiconductor switch S1, the emitter of transistor Qa1 is coupled to the emitter of semiconductor switch S1, a base resistor Rb1 is serially coupled to the base of transistor Qa1, and the secondary side T21 of the sensing transformer is connected in parallel to a sensing resistor Rs1 which is connected between the base resistor Rb1 and the emitter of transistor Qa1 in parallel.

Description

인버터회로에서의 고속게이트 구동회로High speed gate drive circuit in inverter circuit

제1도는 인버터의 단일폴에 대한 기존의 구동방법.1 is a conventional driving method for a single pole of an inverter.

제2도는 본 발명의 게이트 구동회로도.2 is a gate driving circuit diagram of the present invention.

제3도는 인버터의 단일폴에 대한 본 발명의 구동방법 적용예.3 is an example of applying the driving method of the present invention to a single pole of an inverter.

제4도는 포화형 트랜스포머의 구조도.4 is a structural diagram of a saturated transformer.

제5도는 반도체스위치(S2)와 다이오드(D1)의 전형적인 파형을 도시한 것으로,5 shows typical waveforms of the semiconductor switch S 2 and the diode D 1 .

(a)는 기존게이트 구동회로에서의 신호파형도.(a) is a signal waveform diagram of an existing gate driving circuit.

(b)는 본 발명의 게이트 구동회로에서의 신호파형도.(b) is a signal waveform diagram in a gate driving circuit of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

S1,S2: 반도체스위치 Dl,D2: 다이오드S 1 , S 2 : Semiconductor switch D l , D 2 : Diode

T11,T12: 트랜스포머의 1차측 T21,T22: 트전스포머의 2차측T 11 , T 12 : Primary side of transformer T 21 , T 22 : Secondary side of transformer

Vg1,Vg2: 게이트전압 Rg1,Rg2: 게이트저항Vg 1 , Vg 2 : Gate voltage Rg 1 , Rg 2 : Gate resistance

Da1,Da2: 다이오드 Qa1,Qa2: 트랜지스터Da 1 , Da 2 : Diode Qa 1 , Qa 2 : Transistor

Rb1,Rb2: 베이스저항 Rs1,Rs2: 센싱저항Rb 1 , Rb 2 : Base resistance Rs 1 , Rs 2 : Sensing resistance

본 발명은 고속 반도체스위치로 구성되는 인버터회로에 있어서 다이오드의 역회복전류 제한기술을 이용한 고속게이트 구동회로에 대한 것이다.The present invention relates to a high speed gate driving circuit using a reverse recovery current limiting technique of a diode in an inverter circuit composed of a high speed semiconductor switch.

일반적으로 인버터회로에서 시스렘의 성능을 향상시키기 위해서 모스형 전제효과 트랜지스터(MOSFET)나 절연게이트를 갖는 쌍극트랜지스터 (IGB; TInsulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 고속스위치소자들을 주로 사용하고 있다. 하지만 이러한 소자들을 고속으로 스위칭할 경우 다이오드의 역회복전류가 크기 때문에 스위치의 온(ON)동작시 손실이 커지고 다이오드의 역전압 첨두치가 커져서 스위칭 소자의 안정성이 떨어진다. 게다가 스위칭시에 발생하는 전기적 잡음과 전자간섭(EMI : Electro-Magnetic Interference)이 커져서 제어기에 오동작을 일으킬 수 있다. 따라서 기존의 시스템들에서는 신뢰도향상을 위해서 스위칭 소자의 게이트에 직렬로 들어가는 저항을 크게 해서 역 회복전류와 전자간섭등을 줄이고 있다. 그렇지만 이 경우에는 스위칭 손실도 커지지만 스위칭 시간도 걸어져서 원하는 고속스위칭을 얻을 수 없다. 그래서 최적의 게이트 구동회로를 설계하려면 다음과 같은 세가지 조건을 만족해야 한다.In general, in order to improve the performance of the system in the inverter circuit, high-speed switch devices such as MOSFETs or TInsulated Gate Bipolar Transistors (IGBs) having insulating gates are mainly used. However, when switching these devices at high speed, the reverse recovery current of the diode is large, resulting in a large loss during the ON operation of the switch and a large reverse voltage peak of the diode, thereby decreasing stability of the switching device. In addition, electrical noise and electromagnetic interference (EMI) generated during switching may increase, which may cause the controller to malfunction. Therefore, in the existing systems, in order to improve the reliability, the resistance that goes in series with the gate of the switching element is increased to reduce reverse recovery current and electron interference. In this case, however, the switching losses are large, but the switching time is too long to obtain the desired fast switching. Therefore, to design the optimal gate driving circuit, three conditions must be satisfied.

1) 작은 역회복전류1) small reverse recovery current

2) 최소 스위칭 시간2) minimum switching time

3) 작은 스위칭 시간3) small switching time

따라서 본 발명에서는 다이오드의 역 회전전류를 제한하는 새로운 기술을 이용하여 손실이 적으면서 고속스위칭을 할 수 있으며 제안된 회로의 귀환효과(feedback effect)에 의해서 전기적 잡음 및 전자간섭을 줄일 수 있는 새로운 방식의 게이트 구동회로를 제공함에 그 목적이 있다.Therefore, in the present invention, it is possible to perform high-speed switching with a low loss by using a new technique for limiting the reverse rotation current of the diode, and to reduce the electrical noise and electromagnetic interference by the feedback effect of the proposed circuit. Its purpose is to provide a gate driving circuit.

인버터회로에서는 모스형 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 절연게이트를 갖는 쌍극트랜지스터(IGBT) 그리고 모스헝 제어사이리스터(MCT)와 같은 고속대용량 스위치들을 사용한다. 제1도는 절연게이트를 갖는 쌍극트랜지스터(IGBT) 인버터의 단일폭에 대한 기존의 구동방법을 나타낸 것으로, 여기서 게이트 구동유니트(GDU : Gate Driver Unit)는 게이트전압펄스를 만들어 주는 회로로 기존의 회로와 동일하며 출력전압(Vg)은 양의 값과 음의 간을 번갈아 가지는 구형파이다.Inverter circuits use fast high-capacity switches such as Morse type field effect transistors (MOSFETs), bipolar transistors (IGBTs) with insulated gates, and Mohsheng control thyristors (MCTs). FIG. 1 illustrates a conventional driving method for a single width of an IGBT inverter having an insulated gate, wherein a gate driver unit (GDU) is a circuit for generating a gate voltage pulse. The same, the output voltage (Vg) is a square wave alternately between a positive value and a negative.

이때 게이트저항(Rg)은 반도체스위치(S1또는 S2)의 게이트 커패시터를 충전하는 전류를 제한해 주는 역할을 한다. 만일 이 저항간이 작으면 게이트 커패시터를 충전하는 시간이 줄어들어 반도체스위치가 빨리 켜지지만 역 회복전류와 다이오드의 역전압 첨두치가 커져서 반도체 소자(다이오드 및 반도체스위치)의 정격용량을 넘을 수 있다.At this time, the gate resistance (Rg) serves to limit the current to charge the gate capacitor of the semiconductor switch (S 1 or S 2 ). If the resistance is small, the time for charging the gate capacitor is shortened, so that the semiconductor switch is turned on quickly, but the reverse recovery current and the reverse voltage peak of the diode may be increased to exceed the rated capacity of the semiconductor device (diode and semiconductor switch).

또한, 스위칭 잡음 및 전자간섭(EMI)이 커져서 주위의 제어회로가 오동작을 할 수 있다. 그래서 이러한 문제점들을 줄이기 위해서 스위칭 손실 및 스위칭 시간의 증가를 감수하더라도 안정성을 위해서 게이트저항간을 크게 해준다.In addition, the switching noise and the electromagnetic interference (EMI) is increased, the peripheral control circuit may malfunction. Therefore, the gate resistance is increased for stability even though the switching loss and the increase of the switching time are taken to reduce these problems.

따라서 본 발명에서는 앞에서 언급한 것과 같은 게이트 구동회로의 문제점들을 해결하기 위해서 제2도와 같이 새로운 방식의 게이트 구동회로를 제안하게 된 것이다. 일반적으로 인버터회로의 한 폴에 대해서 2가지의 역회복경로가 존재한다.Therefore, in order to solve the problems of the gate driving circuit as mentioned above, the present invention proposes a new gate driving circuit as shown in FIG. In general, there are two reverse recovery paths for one pole of the inverter circuit.

즉, 첫째 경로는 구동전원(Vd)→반도체스위치(S1)→다이오드(D2)이고 둘째 경로는 구동전원(Vd)→다이오드(D1)→반도체스위치(S2)이다. 첫째 경로에 대한 제한된 게이트 구동방법은 제2도의 (a)와 같고, 둘째 경로에 대한 제안된 게이트 구동방법은 제2도의 (b)와 같다.That is, the first path is the driving power source Vd → the semiconductor switch S 1 → the diode D 2 and the second path is the driving power source Vd → the diode D 1 → the semiconductor switch S 2 . The restricted gate driving method for the first path is shown in (a) of FIG. 2, and the proposed gate driving method for the second path is shown in (b) of FIG.

여기서 본 발명에서 제안하고 있는 2가지 유형의 게이트 구동회로의 구성을 상세히 설명한다.Here, the configuration of the two types of gate driving circuits proposed by the present invention will be described in detail.

제2도의 (a)의 회로는; 센싱용 트랜스포머의 1차측(T11)의 한쪽에는 반도체스위치(S1)의 이미터와 연결됨과 동시에 다른쪽에 는 다이오드(D2)의 캐소우드가 연결되어 있다. 게이트전압(Vg1)과 반도체스위치(S1)의 게이트 사이에는 게이트저항(Rg1)이 연결되되 동게이트저항(Rg1)과 반도체스위치(S1)의 게이트 사이에는 다이오드(Da1)가 접속되어 있으며, 상기 다이오드(Da1)의 캐소우드측에는 트랜지스터(Qa1)의 콜렉터측이 직렬로 연결되어 있다. 상기 트전지스터(Qa1)의 이미터는 반도체스위치(S1)의 이미터에 연결되며 동트랜지스터(Qa1)의 베이스단자하는 베이스저항(Rb1)이 삽입 연결되는데 이 베이스저항(Rb1)의 한쪽끝과 트랜지스터(Qa1)의 이미터사이에 병렬 연결된 센싱저항(Rs1)과의 사이에는 센싱용 트랜스포머의 2차측(T21)이 병렬로 연결된 구성을 하고 있다.The circuit of FIG. One side of the primary transformer T 11 of the sensing transformer is connected to the emitter of the semiconductor switch S 1 and the other side of the diode D 2 is connected to the cathode. The gate of the gate voltage (Vg 1) and the semiconductor switch (S 1) the same gate resistance (Rg 1) and the semiconductor switch (S 1) doedoe is connected to the gate resistance (Rg 1) between the gate of, the diode (Da 1) The collector side of the transistor Qa 1 is connected in series to the cathode side of the diode Da 1 . Connected to an emitter of the emitter semiconductor switch (S 1) of the bit cell harvesters (Qa 1) and the base resistance (Rb 1) to the base terminal of the same transistor (Qa 1) is inserted connecting the base resistance (Rb 1) The secondary side T 21 of the sensing transformer is connected in parallel between the sensing resistor Rs 1 connected in parallel between one end of the transistor and the emitter of the transistor Qa 1 .

한편, 제2도의 (b) 회로는, 센싱용 트랜스포머의 1차측(T12)의 한쪽에는 다이오드(D1)의 애노드가 연결되어 있고 다른쪽에 는 반도체스위치(S2)의 콜렉터가 연결되어 있다. 게이트전압(Vg2)과 반도체스위치(S2)의 게이트 사이에는 게이트저항(Rg2)이 연결되되 동게이트저항(Rg2)과 반도체스위치(S2)의 게이트 사이에는 다이오드(Da2)가 접속되어 있으며 상기 다이오드(Da2)에 캐소우드측에는 트랜지스터(Qa2)의 콜렉터측이 직렬로 연결되어 있다. 상기 트랜지스터(Qa2)의 이미터는 반도체스위치(S2)의 이미터와 연결되며 동트랜지스터(Qa2)의 베이스단자에는 베이스저항(Rb2)이 삽입 연결되는데, 이 베이스저항(Rb2)의 한쪽끝과 트랜지스터(Qa2)의 이미터사이에 병렬 연결된 센싱저항(Rs2)과의 사이에는 센싱용 트랜지스터의 2차측(T22)이 병렬로 연결된 구성을 하고 있다.On the other hand, in the circuit (b) of FIG. 2, an anode of the diode D 1 is connected to one side of the primary side T 12 of the sensing transformer, and a collector of the semiconductor switch S 2 is connected to the other side. . Between the gate voltage (Vg 2) and the gate of the semiconductor switch (S 2) the same gate resistance (Rg 2) and the semiconductor switch (S 2) has doedoe gate resistance (Rg 2) is connected between the gate of a diode (Da 2) is The collector side of the transistor Qa 2 is connected in series with the diode Da 2 on the cathode side. The transistor (Qa 2) already there is emitter connected to the emitter of the semiconductor switch (S 2) is connected to the base terminal of the same transistor (Qa 2), the base resistance (Rb 2) is inserted in, the base resistance (Rb 2) The secondary side T 22 of the sensing transistor is connected in parallel between one end and the sensing resistor Rs 2 connected in parallel between the emitter of the transistor Qa 2 .

이와 같은 구성을 보이는 본 발명의 회로 동작설명은 하되 두 치로의 동작이 동일하므로 여기서는 첫째 경로에 대하여 제안된 게이트 구동동작을 설명한다.The circuit operation description of the present invention having such a configuration is described below, but the operation of two teeth is the same, and therefore, the gate driving operation proposed for the first path will be described.

먼저, 반도체스위치(S1)는 꺼져 있고 다이오드(D2)를 통해서 부하전류가 흐르고 있을때, 게이트전압(Vg1)이 양의 간으로 변하면 반도체스위치(S1)의 전류는 증가하고 다이오드(D2)의 전류는 감소한다. 그러다가 다이오드(D2)의 역회복 특성에 의해서 앞에서 언급한 첫째 경로를 통해서 역회복 전류가 흐르기 시작한다.First, when the semiconductor switch S 1 is turned off and a load current flows through the diode D 2 , when the gate voltage Vg 1 changes to a positive interval, the current of the semiconductor switch S 1 increases and the diode D The current of 2 ) decreases. Then, due to the reverse recovery characteristic of diode D 2 , reverse recovery current begins to flow through the first path mentioned above.

이때 이 경로에 삽입한 트랜스포머를 통해서 트랜지스터(Qa1)의 베이스와 이미터단자 사이에 순방향으로 전압이 걸려서 트랜지스터(Qa1)가 켜지고 이 때문에 반도체스위치(S1)의 게이트로 들어가는 전류를 줄여서 반도체스위치(S1)의 전류를 제한한다. 이러한 동작이 음궤환(Negative Feedback)에 의해서 아주 빠르게 진행된다. 그래서 역회복전류가 줄어들며 스위칭 시간도 줄어든다. 게다가 스위칭 손실도 줄어들며 제안된 회로의 궤환효과에 의해 스위칭 잡음 및 전자간섭(EMI)도 적어진다.At this time, the take some voltage in the forward direction between the base and the emitter terminal of the transistor (Qa 1) through a transformer inserted into the path, the transistor (Qa 1) turns on, because by reducing the current into the gate of the semiconductor switch (S 1) semiconductor Limit the current in switch S 1 . This operation proceeds very quickly by negative feedback. Thus, reverse recovery current is reduced and switching time is also reduced. In addition, the switching losses are reduced and the switching noise and electromagnetic interference (EMI) are also reduced by the feedback effect of the proposed circuit.

제3도는 인버터의 단일폴에 대한 새로 제안된 구동방법의 적용예를 보여주는데 (a)는 단일형의 절연게이트를 갖는 쌍극트랜지스터(IGBT)를 사용했을 경우이고 (b)는 모듈형의 절연게이트를 갖는 쌍극트랜지스터(IGBT)를 사용했을 경우이다. 두가지 모두 동일한 스위칭 동작을 한다.3 shows an example of the application of the newly proposed driving method to the single pole of the inverter, where (a) uses a bipolar transistor (IGBT) having a single insulated gate and (b) has a modular insulated gate. This is the case when a bipolar transistor (IGBT) is used. Both perform the same switching operation.

제4도는 제3도의 인버터 단일폴에 사용된 포화형 트랜지포머의 구조를 보여주는데 도시한 바와 같이 조그만 토로이달코아(toroidal core)에 2차측을 감고 이것을 배선용 전선에 끼우기만 하면 되므로 구조가 간단하고 추가적으로 적은 비용만 들이면 우수한 특성을 갖는 게이트 구동회로를 얻을 수 있다.4 shows the structure of the saturation transistor used in the inverter single pole of FIG. 3, as shown in FIG. In addition, a gate driving circuit having excellent characteristics can be obtained at a low cost.

제5도는 인버터회로에 있어서 기존의 게이트 구동회로(a)와 본 발명의 제안된 게이트 구동회로(b)의 반도체스위치(S2)와 다이오드(D1)의 전형적인 동작파형을 보여주고 있다. 도면중 IL은 부하전류, iD1, iD2는 다이오드(D1) 및 반도체스위치(S2)의 전류값을 표시하며, Vcs2,Vge2는 반도체스위치(S2)의 콜렉터-이미터간 전압 및 게이트-이미터간 전압을 표시한다.5 shows typical operation waveforms of the semiconductor switch S 2 and the diode D 1 of the conventional gate driving circuit a and the proposed gate driving circuit b of the present invention in the inverter circuit. In the figure, I L denotes a load current, i D1 , i D2 denotes a current value of a diode D 1 and a semiconductor switch S 2 , and V cs 2 and V ge 2 denote a collector-emitter between the semiconductor switches S 2 . Displays the voltage and the voltage between gate and emitter.

이와 같이 본 발명에서는 인버터 단일폴의 게이트 구동회로를 구성하되 역회복경로에 트랜스포머를 삽입하여 이 트랜스포머를 통해 흐르는 전압에 의해 트랜지스터(Qa)의 구동이 이루어지도록 함으로써 반도체스위치(S1)의 전류를 제한하여 게이트 구동회로의 신뢰성 향상을 이루고 역 회복전류와 스위칭 시간 및 스위칭 손실을 줄이는 궤환효과에 의해 스위칭 잡음과 전자간섭을 최소화할 수 있게 되는 것이다.As described above, in the present invention, the gate driving circuit of the inverter single pole is configured, but the transformer is inserted into the reverse recovery path so that the transistor Qa is driven by the voltage flowing through the transformer so as to drive the current of the semiconductor switch S 1 . By limiting it, the gate driving circuit is improved in reliability, and the feedback effect of reducing reverse recovery current, switching time, and switching loss can minimize switching noise and electromagnetic interference.

Claims (2)

인버터의 단일폴에 대한 고속게이트 구동회로를 구성함에 있어서, 센싱용 트랜스포머의 1차측(T11)의 한쪽에는 반도체스위치(S1)의 이미터와 연결하고 다른쪽에 는 다이오드(D2)의 캐소우드를 연결하며 게이트전압(Vg1)과 반도체스위치(S1)의 게이트 사이에 게이트저항(Rg1)을 연결하고, 상기 게이트저항(Rg1)과 반도체스위치(52)의 게이트 사이에 접속된 다이오드(Da1)의 캐소우드측과 직렬로 트랜지스터(Qa1)의 콜렉터를 연결하는 한편, 상기 트랜지스터(Qa1) 이미터를 반도체스위치(S1)의 이미터에 연결하며 동트랜지스터(Qa1)의 베이스단자에 베이스저항(Rb1)을 직렬 삽입하고, 상기 베이스저항(Rb1)의 한쪽끝과 트랜지스터(Qa1)의 이미터 사이에 병렬 연결된 센싱저항(Rs1)과의 사이에 센싱용 트랜스포머의 2차측(T21)을 병렬로 연결한 것을 특징으로 하는 인버터회로에서의 고속게이트 구동회로.In constructing a high-speed gate driving circuit for a single pole of the inverter, one of the primary side T 11 of the sensing transformer is connected to the emitter of the semiconductor switch S 1 and the other to the cathode of the diode D 2 . connecting the wood, and the connection of the gate resistance (Rg 1) between the gate of the gate voltage (Vg 1) and the semiconductor switch (S 1) and, connected between the gate of the gate resistance (Rg 1) and the semiconductor switch 52 connected diodes (Da 1) cathode side and a series-connected to the collector of the transistor (Qa 1) to the other hand, the transistor (Qa 1) of the emitter to the emitter of the semiconductor switch (S 1) and the same transistor (Qa 1 A base resistor Rb 1 is inserted in series to the base terminal of the C) and sensing is performed between a sensing resistor Rs 1 connected in parallel between one end of the base resistor Rb 1 and the emitter of the transistor Qa 1 . Specially connected secondary side (T 21 ) of transformer for parallel High speed gate drive circuit in inverter circuit. 인버터의 단일폭에 대한 고속게이트 구동회로를 구성함에 있어서, 센싱용 트런스포머의 1차측(T12)의 한쪽에는 다이오드(D1)의 애노드를 연결하고 다른쪽에는 반도체스위치(S1)의 콜렉터와 연결하며, 게이트전압(Vg2)과 반도체스위치(S2)의 게이트 사이에 게이트저항(Rg2)을 연결하고, 상기 게이트저항(Rg2)과 반도체스위치(S2)의 게이트 사이에 접속된 다이오드(Da2)의 캐소우드와 직렬로 트랜지스터(Qa2)의 콜렉터를 연결하는 한편, 상기 트랜지스터(Qa2)의 이미터를 반도체스위치(S2)의 이미터에 연결하며, 동트랜지스터(Qa2)의 베이스단자에 베이스저항(Rb2)을 직렬 삽입하고, 상기 베이스저항(Rb2)의 한쪽끝과 트랜지스터(Qa2)의 이미터 사이에 병렬 연결된 센싱저항(Rs2)과의 사이에 센싱용 트랜스포머의 2차측(T22)을 병렬로 연결한 것을 특징으로 하는 인버터회로에서의 고속게이트 구동회로.In constructing a high-speed gate driving circuit for a single width of an inverter, an anode of the diode D 1 is connected to one side of the primary side T 12 of the sensing transformer and a semiconductor switch S 1 is connected to the other side of the inverter. between and connected to the collector, the gate of the gate voltage (Vg 2) and the semiconductor switch (S 2) connected to the gate resistance (Rg 2) between the gate and the gate resistance (Rg 2) and the semiconductor switch (S 2) of the connecting an emitter of connecting the collector of the transistor (Qa 2) to the cathode in series with the connected diodes (Da 2) on the other hand, the transistor (Qa 2) to the emitter of the semiconductor switch (S 2), and the same transistor a base resistance (Rb 2) to the base terminal of the (Qa 2) in series with the insert, and the base resistance (Rb 2) at one end and a transistor (Qa 2) a sensing resistor (Rs 2) already connected in parallel between the emitter of the Specially connected secondary side (T 22 ) of sensing transformer in parallel High speed gate drive circuit in inverter circuit.
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