WO2020144883A1 - ゲート駆動装置、スイッチング装置 - Google Patents

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turn
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松原　邦夫
剛 長野
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富士電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a gate drive device and a switching device.
  • Patent Document 1 Patent No. 6290118 Specification
  • Patent Document 2 Patent No. 6266478 Specification
  • Patent Document 3 Patent No. 4935266 Specification
  • the turn-off loss may increase.
  • a gate drive device may include a gate driving unit that drives the gate of the switching element.
  • the gate drive device may include a measurement unit that measures a parameter that changes according to a current flowing through the switching element.
  • the gate driving device may include a switching unit that switches a changing speed of the gate voltage of the switching element by the gate driving unit after the first reference time from the start of turning off the switching element based on the parameter.
  • the switching unit may switch the changing speed of the gate voltage after the first reference time from the turn-off start of the switching element during the turn-off period of the switching element.
  • the switching unit may reduce the rate of change of the gate voltage after the first reference time from the start of turning off the switching element during the turn-off period of the switching element.
  • the switching unit determines the rate of change of the gate voltage from the start of turning off the switching element during one turn-off period of the switching element to the first reference time or later, and from the start of turning off the switching element during the other turn-off period to the first reference time or later. You may change with respect to the change speed of the gate voltage in.
  • the switching unit switches the rate of change of the gate voltage after the first reference time from the start of turning off the switching element in the next and subsequent turn-off periods of the switching element, based on the parameter measured in the previous switching cycle of the switching element.
  • the first reference time may be the time from the start of turning off the switching element to the timing at which the voltage generated between the main terminals of the switching element reaches a peak at the latest.
  • the first reference time may be the time from the start of turning off the switching element to the timing when the mirror period of the gate voltage ends.
  • the switching unit may have a switching determination unit that determines whether to switch the changing speed of the gate voltage according to the comparison result of the parameter and the reference value.
  • the parameter may indicate the current when the switching element is in the on state.
  • the parameter may indicate the time from the turn-off start of the switching element until the voltage applied between the main terminals of the switching element becomes the reference voltage.
  • the parameter may indicate a voltage applied to the switching element after the second reference time from the start of turning off the switching element.
  • the parameter may indicate the surge voltage that occurs when the switching element is turned off.
  • the switching unit may switch the changing speed of the gate voltage based on the parameter and whether or not the changing speed of the gate voltage is switched in the switching cycle in which the parameter is measured.
  • a switching device in the second aspect of the present invention, may include the gate drive device according to the first aspect.
  • the switching device may comprise a switching element whose gate is driven by a gate driver.
  • the switching element may be a wide band gap semiconductor element.
  • FIG. 1 shows a switching device 100 according to this embodiment.
  • the operation of the switching device 100 is shown.
  • An operation waveform when the main switching element 2 is turned off is shown.
  • 7 shows an operation waveform when the switching device 100 is turned off.
  • 7 shows another operation waveform when the switching device 100 is turned off.
  • the switching device 100A which concerns on a modification is shown.
  • FIG. 1 shows a switching device 100 according to this embodiment.
  • the outline arrow symbol indicates voltage.
  • the switching device 100 shows, for example, one phase of a power conversion device used for driving a motor or supplying power, and includes a positive power supply line 101, a negative power supply line 102, and a power output terminal 105. The connection is switched to output the converted voltage from the power output terminal 105.
  • a DC voltage Ed of, for example, 600 to 800 V is applied between the positive power supply line 101 and the negative power supply line 102, and the negative power supply line 102 has a reference potential (ground potential as an example) of the entire switching device 100. Connected to.
  • An inductive load 106 may be connected to the power output terminal 105.
  • the switching device 100 includes a main switching device 1 on the positive side and a main switching device 2 on the negative side, free wheeling diodes 3 and 4 connected in antiparallel to the main switching devices 1 and 2, a gate driving device 5 on the positive side, and And a gate drive device 6 on the negative side.
  • the main switching elements 1 and 2 are examples of switching elements, and electrically connect or disconnect between the drain terminal and the source terminal.
  • the main switching elements 1 and 2 are switched on (also referred to as connection)/off (also referred to as disconnection) by gate driving devices 5 and 6 described later.
  • the main switching elements 1 and 2 are sequentially connected in series between the negative power supply line 102 and the positive power supply line 101 to form an upper arm and a lower arm in the power conversion device. There is.
  • a power output terminal 105 is connected to the midpoint of the main switching elements 1 and 2.
  • Main switching elements 1 and 2 are silicon semiconductor elements having silicon as a base material.
  • at least one of the main switching elements 1 and 2 may be a wide band gap semiconductor element.
  • the wide bandgap semiconductor element is a semiconductor element having a bandgap larger than that of a silicon semiconductor element, and includes, for example, a semiconductor containing SiC, GaN, diamond, gallium nitride-based material, gallium oxide-based material, AlN, AlGaN, ZnO, or the like. It is an element.
  • the wide band gap semiconductor device can improve the switching speed more than the silicon semiconductor device.
  • the main switching elements 1 and 2 are MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), and may have a parasitic diode (not shown) in which the positive power supply line 101 side is a cathode.
  • the free wheeling diodes 3 and 4 are connected in antiparallel to the main switching elements 1 and 2.
  • the free wheeling diodes 3 and 4 may be Schottky barrier diodes or MOSFET parasitic diodes.
  • the free wheeling diodes 3 and 4 may be silicon semiconductor elements or wide band gap semiconductor elements.
  • the gate driving devices 5 and 6 drive the gates of the corresponding main switching elements 1 and 2 based on an input signal input from the outside.
  • the input signal may control the main switching elements 1 and 2 by PWM control to output a substantially sinusoidal alternating current from the power supply output terminal 105.
  • the input signal may be separately input to the main switching element 1 and the main switching element 2.
  • the main switching element 2 is instructed to be turned on, and when it is low (OFF command signal), the main switching element 2 is turned off. Instruct to put into a state.
  • the positive-side gate drive device 5 drives the gate of the main switching element 1
  • the negative-side gate drive device 6 drives the gate of the main switching element 2. Since the gate driving devices 5 and 6 have the same configuration, the negative side gate driving device 6 will be described in the present embodiment, and the positive side gate driving device 5 will not be described.
  • the gate drive device 6 has a gate drive unit 61, a measurement unit 62, and a switching unit 63.
  • each unit of the gate drive device 6 will be described as an analog circuit.
  • the gate drive unit 61 drives the gate of the main switching element 2 based on the turn-on signal and the turn-off signal included in the input signal from the outside.
  • the gate drive unit 61 supplies a gate drive signal (ON command signal/OFF command signal) for instructing ON/OFF to the gate terminal of the main switching element 2.
  • the gate driving section 61 may supply the gate driving signal to the measuring section 62 and the switching section 63.
  • the gate drive unit 61 may be connected to the source terminal of the main switching element 2 and use the potential of the source terminal as the reference potential of the gate drive signal.
  • the measurement unit 62 measures a parameter that changes according to the current flowing in the main switching element 2 (for example, the current I d flowing in the drain terminal).
  • the parameter is the voltage applied between the main terminals of the main switching element 2 from the start of turning off the main switching element 2 (in the present embodiment, the voltage V ds applied between the source terminal and the drain terminal as an example).
  • the time ⁇ T until reaching the reference voltage V ref may be indicated. When the current I d flowing through the main switching element 2 increases, the time ⁇ T decreases.
  • the reference voltage V ref may be a predetermined voltage between the DC voltage Ed and the peak voltage of the source/drain voltage V ds during the turn-off period of the main switching element 2.
  • the measurement unit 62 has a voltage detection circuit 620, a comparison unit 621, and a parameter measurement unit 623.
  • the voltage detection circuit 620 detects the voltage V ds .
  • the voltage detection circuit 620 includes resistors 6201 and 6202 that divide the voltage V ds .
  • the middle point of the resistors 6201 and 6202 is connected to the comparison unit 621 and supplies the detected voltage to the comparison unit 621.
  • the detected voltage is a positive voltage when the potential of the drain terminal side is higher than that of the source terminal side.
  • the comparison unit 621 compares the voltage V ds detected by the voltage detection circuit 620 with the reference voltage V ref .
  • the comparison unit 621 may be a comparator, and the voltage V ds may be input to the non-inverting input terminal and the reference voltage V ref may be input to the inverting input terminal.
  • the comparison unit 621 supplies a trigger signal to the parameter measurement unit 623 in response to the voltage V ds becoming larger than the reference voltage V ref .
  • the parameter measurement unit 623 measures the parameter based on the comparison result by the comparison unit 621.
  • the measurement unit 62 may measure the parameter during the turn-off period of the main switching element 2.
  • the parameter measurement unit 623 may detect the reception timing of the OFF command signal included in the gate drive signal from the gate drive unit 61 as the turn-off start timing of the main switching element 2.
  • the parameter measuring unit 623 may measure the elapsed time from the detected start timing to the reception of the trigger signal as a parameter.
  • the parameter measurement unit 623 supplies a parameter signal indicating the measured parameter to the switching determination unit 632.
  • the parameter measuring unit 623 may be reset each time the OFF command signal is received.
  • the switching unit 63 based on the parameter signal supplied from the measurement unit 62, changes the rate of change of the gate voltage of the main switching element 2 by the gate driving unit 61 after the first reference time ⁇ T ref1 from the start of turning off the main switching element 2. Switch. The switching unit 63 may switch the changing speed of the gate voltage after the lapse of the first reference time ⁇ T ref1 during the turn-off period of the main switching element 2, and may decrease the changing speed as an example.
  • the first reference time ⁇ T ref1 may be the time from the start of turning off the main switching element 2 to the timing at which the voltage V ds of the main switching element 2 reaches its peak at the latest.
  • the switching unit 63 has a gate resistor 630, a connection switching unit 631, and a switching determination unit 632. Further, the end timing of the first reference time ⁇ T ref1 may be the same as the end timing of the mirror period of the gate voltage.
  • the gate resistor 630 has two gate resistors 6301 and 6302 having different resistance values.
  • the resistance value of the gate resistor 6301 may be larger than the resistance value of the gate resistor 6302.
  • the gate resistors 6301 and 6302 each have one end connected to the gate of the main switching element 2 and the other end connected to the connection switching unit 631.
  • the gate resistor 630 may have another configuration as long as the resistance value can be changed during the turn-off period of the main switching element 2.
  • connection switching unit 631 switches the resistance value of the gate resistor 630. As a result, the changing speed of the gate voltage is switched.
  • the connection switching unit 631 selectively electrically connects either one of the two gate resistors 6301 and 6302 to the gate.
  • the connection switching unit 631 may electrically connect the other end (the end opposite to the gate side) of the gate resistors 6301 and 6302 to the gate drive unit 61 according to the instruction signal from the switching determination unit 632. ..
  • the connection switching unit 631 may have a configuration in which each of the gate resistors 6301 and 6302 includes a switch that can be turned on and off.
  • the switching determination unit 632 may control ON/OFF of each switch.
  • either one of the switches corresponding to the gate resistors 6301 and 6302 may be turned off from the state in which the switches are respectively turned on.
  • the switching determination unit 632 compares the parameter supplied from the measurement unit 62 (time ⁇ T from the turn-off start of the main switching element 2 until the voltage V ds becomes the reference voltage V ref as an example in this embodiment) with a reference value. Depending on the result, it is determined whether to change the changing speed of the gate voltage.
  • the reference value may be a value of a parameter when the surge voltage generated by turning off the main switching element 2 has the lowest element breakdown voltage of the elements of the switching device 100.
  • the reference value may be a time from the start of turn-off until the voltage V ds becomes the reference voltage V ref (also referred to as a third reference time ⁇ T ref3 ) when the surge voltage of the element breakdown voltage occurs. ..
  • the switching determination unit 632 may determine to switch the changing speed of the gate voltage in response to the time ⁇ T being shorter than the third reference time ⁇ T ref3 . As a result, switching is performed when a surge voltage larger than the device breakdown voltage occurs.
  • the third reference time ⁇ T ref3 may be the same as or different from the first reference time ⁇ T ref1 . When the third reference time ⁇ T ref3 and the first reference time ⁇ T ref1 are different, the third reference time ⁇ T ref3 may be longer or shorter than the first reference time ⁇ T ref1 .
  • the switching determination unit 632 supplies the connection switching unit 631 with an instruction signal instructing whether or not to perform switching.
  • the switching determination unit 632 may output the instruction signal at the timing when the first reference time ⁇ T ref1 elapses from the start of turning off the main switching element 2 based on the gate drive signal from the gate drive unit 61.
  • the switching determination unit 632 may return the target to be connected to the gate to the gate resistor 6302 by the next turn-off start at the latest.
  • the switching determination unit 632 may return the connection target to the gate to the gate resistor 6302 after a lapse of a predetermined time from the completion of the turn-off, or the reception of the ON command signal included in the gate drive signal. Accordingly, the object to be connected to the gate may be returned to the gate resistor 6302.
  • the change speed of can be switched. Therefore, when the surge voltage is higher than the withstand voltage of the element due to the turn-off of the main switching element 2, the change of the gate voltage can be delayed, so that the element breakdown due to the surge voltage can be prevented. Further, when the surge voltage is lower than the withstand voltage of the element due to the turn-off of the main switching element 2, the change of the gate voltage can be accelerated, so that the turn-off loss can be reduced. Therefore, unlike the case where the gate voltage is uniformly reduced, it is possible to prevent an increase in turn-off loss due to unnecessary reduction of the surge voltage.
  • the time ⁇ T from the turn-off start of the main switching element 2 until the voltage V ds becomes the reference voltage V ref is measured as a parameter, the current I d flowing in the main switching element 2 can be indirectly measured. Therefore, the cost of the switching device 100 can be reduced as compared with the case where the current I d flowing through the main switching element 2 is directly measured.
  • the first reference time ⁇ T ref1 is the time from the start of turning off the main switching element 2 to the timing when the voltage V ds reaches its peak at the latest, or the timing when the mirror period of the gate voltage ends, between the main terminals. It is possible to reduce the peak voltage generated in the above, and eventually the surge voltage. Therefore, the element breakdown due to the surge voltage can be surely prevented.
  • either one of the two gate resistors 6301 and 6302 having different resistance values is selectively connected to the gate of the main switching element 2, so that the changing speed of the gate voltage can be surely switched.
  • FIG. 2 shows the operation of the switching device 100.
  • the switching device 100 changes the driving condition during the turn-off period of the main switching element 2 by performing the processes of steps S101 to S111.
  • step S101 the gate drive unit 61 receives the off command signal included in the input signal from the outside.
  • step S103 the gate drive unit 61 outputs a gate drive signal instructing turn-off to start turning off the main switching element 2.
  • step S105 the switching determination unit 632 determines whether to switch the changing speed of the gate voltage according to the comparison result between the parameter supplied from the measurement unit 62 and the reference value.
  • the switching determination unit 632 may determine whether to switch the changing speed of the gate voltage in the next turn-off period based on the parameter measured in the previous switching cycle.
  • the switching determination unit 632 maintains the gate resistance 6301 as the connection target to the gate when the parameter is larger than the reference value, and the connection target to the gate when the parameter is smaller than the reference value. Is switched from the gate resistance 6302 to the gate resistance 6301. If the switching determination unit 632 determines to perform switching (step S105; Yes), the process proceeds to step S107. If it is determined not to perform switching (step S105; No), the process proceeds to step S109. Transition.
  • step S107 the switching unit 63 switches the changing speed of the gate voltage.
  • the switching determination unit 632 outputs an instruction signal for switching to reduce the rate of change of the gate voltage, that is, an instruction signal for switching the gate connection target from the gate resistor 6302 to the gate resistor 6301. Then, the connection switching unit 631 is caused to switch.
  • the switching unit 63 may switch at the timing when the first reference time ⁇ T ref1 has elapsed from the start of turn-off.
  • the switching unit 63 may perform switching at any timing from the start timing of the current turn-off to the timing when the voltage V ds of the main switching element 2 reaches the peak during the current turn-off period.
  • step S105 when the determination result in step S105 is affirmative (step S105; Yes), the changing speed of the gate voltage during the turn-off period of the main switching element 2 is changed, and the determination result is negative. In case of (step S105; No), the changing speed is not changed. Therefore, the change speed of the gate voltage from the turn-off start during the first turn-off period of the main switching element 2 to the first reference time ⁇ T ref1 or later is different from the turn-off start during the other turn-off period from the first reference time ⁇ T ref1 . It is changed with respect to the changing speed of the gate voltage.
  • step S109 the measuring unit 62 measures the parameter.
  • the measurement unit 62 measures the time ⁇ T from the turn-off start of the main switching element 2 until the voltage V ds becomes the reference voltage V ref as a parameter.
  • step S111 when the turn-off of the main switching element 2 is completed in step S111, the switching device 100 ends the operation related to the turn-off.
  • the process of step S109 for measuring the parameters may be performed at any timing between steps S103 and S107. Further, when the changing speed of the gate resistance is switched in step S107, the switching unit 63 may return the changing speed to the state before the switching by the start of the next turn-off.
  • the change speed of the gate voltage during one turn-off period of the main switching element 2 is changed with respect to the change speed of the gate voltage during the other turn-off period, so that the surge voltage may be generated during each turn-off period. It is possible to prevent device breakdown and reduce turn-off loss.
  • the changing speed of the gate voltage in the next turn-off period is switched based on the parameter measured in the previous switching cycle of the main switching element 2. Therefore, unlike the case where the changing speed of the gate voltage is switched based on the parameter measured within the same switching cycle, the switching can be reliably performed even when the switching cycle is short.
  • FIG. 3 shows operation waveforms when the main switching element 2 is turned off.
  • the gate-source voltage V gs1 shown in solid lines
  • the drain-source voltage V ds1 the graph of drain current I d1
  • the graphs of the gate source voltage V gs2 , the drain source voltage V ds2 , and the drain current I d2 indicated by broken lines show the operation waveforms when the current I d flowing through the main switching element 2 is small.
  • the horizontal axis in the figure represents time, and the vertical axis represents the gate-source voltage V gs , the drain-source voltage V ds , and the drain current I d of the main switching element 2.
  • the drain current I d may be large if the value is 50% or more and small if it is 50% or less with respect to the rated current value of the main switching element 2, but the drain current I d is not limited to this. Further, the drain current I d with respect to the rated current value may be determined from the surge voltage value in the actual operation.
  • the gate drive signal from the gate drive part 61 becomes low, and when the negative gate current Ig begins to flow, the main switching is started. Injection of gate charges into the device 2 in the reverse bias direction is started. Then, the gate input capacitance Cgs of the main switching element 2 is charged in the reverse bias direction, and the gate source voltage Vgs starts to decrease (time point t1).
  • the gate source voltage V gs is reduced to the mirror voltage (time point t2)
  • the charging of the feedback capacitance (gate drain capacitance) Cgd is started, the change of the gate source voltage V gs becomes flat (so-called mirror period), and the main switching is performed.
  • the drain-source voltage V ds of the element 2 sharply increases.
  • the drain-source voltage Vds of the main switching element 1 facing the main switching element 2 decreases, and the discharge current flows from the parasitic capacitance Cds, so the drain current Id of the main switching element 2 decreases.
  • the mirror period in the main switching element 2 ends, and the drain current Id sharply decreases.
  • the voltage applied to the wiring inductance of the positive power supply line 101 instantaneously increases, and the drain-source voltage V ds of the main switching element 2 peaks above the reference voltage V ref at time points t4 and t4′.
  • the voltage increases to Vp and Vp'.
  • the drain-source voltage Vds decreases to the DC voltage Ed, and the gate-source voltage Vgs falls below the gate threshold voltage Vth.
  • the charging of the gate input capacitance Cgs of the main switching element 2 in the reverse bias direction is completed, and the turn-off of the main switching element 2 is completed.
  • the time ⁇ T2 from the turn-off start until the voltage V ds2 a reference voltage V ref is longer than the time ⁇ T1 from the turn-off start until the voltage V ds1 a reference voltage V ref.
  • FIG. 4 shows operation waveforms when the switching device 100 is turned off.
  • the time ⁇ T n (the time when the voltage V ds becomes the reference voltage V ref In the operation example, the period from time t11 to t12) is measured as a parameter.
  • the current I d is large enough to generate a surge voltage larger than the device breakdown voltage, and the time ⁇ T n is shorter than the third reference time ⁇ T ref3 .
  • the change rate of the gate voltage after the first reference time ⁇ T ref1 and after the turn-off start is switched by the instruction signal from the switching determination unit 632 and becomes smaller.
  • the surge voltage can be higher than the breakdown voltage of the element due to the turn-off, the change of the gate voltage is delayed, and the element breakdown due to the surge voltage is prevented.
  • the instruction signal is maintained at the high level from the timing when the first reference time ⁇ T ref1 has elapsed to the time when the turn-off is completed. Further, also in the (n-1)th cycle and the (n+1)th cycle, the times ⁇ T n-1 and ⁇ T n+1 as parameters are shorter than the third reference time ⁇ T ref3 .
  • FIG. 5 shows another operation waveform when the switching device 100 is turned off.
  • the time ⁇ T n (the time when the voltage V ds becomes the reference voltage V ref In the operation example, the period from time t11 to t12′) is measured as a parameter.
  • the current I d is small to the extent that a surge voltage larger than the device breakdown voltage does not occur, and the time ⁇ T n is longer than the third reference time ⁇ T ref3 .
  • the times ⁇ T n ⁇ 1 and ⁇ T n+1 as parameters are longer than the third reference time ⁇ T ref3 even in the (n ⁇ 1)th cycle and the (n+1)th cycle.
  • FIG. 6 shows a switching device 100A according to a modification.
  • the switching device 100A includes a measuring unit 62A and a switching unit 63A.
  • each unit of the measurement unit 62A and the switching unit 63A will be described as an analog circuit.
  • the measurement unit 62A measures a value indicating the current I d when the main switching element 2 is in the on state, as a parameter that changes according to the current I d that flows in the main switching element 2.
  • the measurement unit 62A has a current sensor 620A, a parameter measurement unit 623A, and a voltage detection circuit 620A.
  • the current sensor 620A measures the current I d .
  • the current sensor 620A is provided on the drain terminal side of the main switching element 2, but may be provided on the source terminal side.
  • the current sensor 620A may supply the measured current value to the parameter measuring unit 623A.
  • the parameter measuring unit 623A measures the parameter based on the current value from the current sensor 620A.
  • the parameter measurement unit 623A may measure the current I d at the timing of receiving the OFF command signal included in the gate drive signal as a parameter.
  • the voltage detection circuit 620A has resistors 6201 and 6202 similar to those of the voltage detection circuit 620.
  • the voltage detection circuit 620A supplies the voltage detected by the resistors 6201 and 6202 to the switching unit 63A.
  • the switching determination unit 632A of the switching unit 63A controls the gate according to the result of comparison between the reference value and the parameter (in this modification, the current I d when the main switching element 2 is in the ON state as an example) supplied from the measurement unit 62. It is determined whether or not the changing speed of the voltage is switched.
  • the reference value may be a value of a parameter (current I d ) when the surge voltage generated by turning off the main switching element 2 has the lowest element breakdown voltage in the switching device 100.
  • the switching unit 63A may perform switching at the timing when the first reference time ⁇ T ref1 has elapsed from the start of turn-off.
  • the switching unit 63A is based on the voltage supplied from the voltage detection circuit 620A, and either from the start timing of the current turn-off to the timing when the voltage V ds of the main switching element 2 reaches the peak in the current turn-off period. You may switch at the timing of.
  • the switching device 100A described above can also prevent element destruction due to surge voltage and reduce turn-off loss.
  • the switching unit 63 has been described as switching the resistance value of the gate resistor 630 to switch the changing speed of the gate voltage, but the switching may be performed by another method.
  • the switching unit 63 may reduce the current of the gate drive signal.
  • the internal path of the gate drive signal toward the gate may be branched and diverted.
  • the parameter that changes according to the current I d has been described as the time ⁇ T or the like, another value may be used.
  • the parameter may indicate the voltage applied to the main switching element 2 after the second reference time ⁇ T ref2 from the start of turning off the main switching element 2.
  • the second reference time ⁇ T ref2 may be equal to or less than the time from the start of turn-off to the completion of turn-off.
  • the switching unit 63 may switch the changing speed of the gate voltage after the first reference time ⁇ T ref1 from the start of turning off the switching element in response to the parameter indicating the voltage being larger than the reference value. Even in this case, it is possible to prevent device breakdown due to surge voltage and reduce turn-off loss.
  • the second reference time ⁇ T ref2 may be the same as or different from the first reference time ⁇ T ref1 .
  • the second reference time ⁇ T ref2 and the first reference time ⁇ T ref1 are different, the second reference time ⁇ T ref2 may be longer or shorter than the first reference time ⁇ T ref1 .
  • the parameter may indicate a surge voltage generated when the main switching element 2 is turned off.
  • the surge voltage may be detected by the voltage detection circuit 620 as an example.
  • the switching unit 63 may switch the changing speed of the gate voltage based on the parameter indicating the surge voltage and whether or not the changing speed of the gate voltage is switched in the switching cycle in which the parameter is measured. For example, as shown in Table 1 below, the switching unit 63 determines whether or not the parameter indicating the surge voltage in the previous switching cycle is larger than the reference value and whether or not the changing speed of the gate voltage is switched. The changing speed after the first reference time ⁇ T ref1 from the start of turn-off in the switching cycle of 1 may be switched.
  • the measurement unit 62 may include n parameter storage units that latch the parameters measured by the parameter measurement unit 623.
  • the n parameter storage units may sequentially store the measured parameters and supply them to the switching determination unit 632.
  • the number n of parameter storage units may be equal to the number of cycles from the cycle in which the parameter is measured to the cycle in which the changing speed is switched.
  • the changing speed of the gate voltage is reduced or maintained based on the parameter, it may be increased without maintaining the changing speed. In this case, the turn-off loss can be further reduced.
  • switching devices 100 and 100A have been described as including a set of the positive side main switching element 1 and the gate driving device 5 and a set of the negative side main switching element 2 and the gate driving device 6, but either one of them is not provided. May be provided only.
  • each unit of the gate drive device 6 has been described as an analog circuit, at least one of the comparison unit 621, the parameter measurement unit 623, and the switching determination unit 632 may be a digital circuit.
  • each unit of the measurement unit 62A and the switching unit 63A has been described as an analog circuit, at least one of the parameter measurement unit 623A and the switching determination unit 632A may be a digital circuit.

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Abstract

一律にゲート電圧の変化速度を小さくすると、ターンオフ損失が大きくなってしまう場合がある。スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動部と、スイッチング素子に流れる電流に応じて変化するパラメータを測定する測定部と、パラメータに基づいて、スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降におけるゲート駆動部によるスイッチング素子のゲート電圧の変化速度を切り替える切替部とを備えるゲート駆動装置が提供される。

Description

ゲート駆動装置、スイッチング装置
　本発明は、ゲート駆動装置、スイッチング装置に関する。
　従来、スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動装置では、ターンオフ時のサージ電圧を低減するべくゲート電圧の変化速度を小さくしている（例えば、特許文献１～３参照）。
　特許文献１　特許第６２９０１１８号明細書
　特許文献２　特許第６２６６４７８号明細書
　特許文献３　特許第４９３５２６６号明細書
解決しようとする課題
　一律にゲート電圧の変化速度を小さくすると、ターンオフ損失が大きくなってしまう場合がある。
一般的開示
　本発明の第１の態様においては、ゲート駆動装置が提供される。ゲート駆動装置は、スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動部を備えてよい。ゲート駆動装置は、スイッチング素子に流れる電流に応じて変化するパラメータを測定する測定部を備えてよい。ゲート駆動装置は、パラメータに基づいて、スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降におけるゲート駆動部によるスイッチング素子のゲート電圧の変化速度を切り替える切替部を備えてよい。
　切替部は、スイッチング素子のターンオフ期間中におけるスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降でのゲート電圧の変化速度を切り替えてよい。
　切替部は、スイッチング素子のターンオフ期間中におけるスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降でのゲート電圧の変化速度を小さくしてよい。
　切替部は、スイッチング素子の一のターンオフ期間中におけるスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降でのゲート電圧の変化速度を、他のターンオフ期間中におけるスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降でのゲート電圧の変化速度に対して変更してよい。
　切替部は、スイッチング素子の前回以前のスイッチング周期において測定されたパラメータに基づいて、スイッチング素子の次回以降のターンオフ期間におけるスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降でのゲート電圧の変化速度を切り替えてよい。
　第１基準時間は、スイッチング素子のターンオフ開始から、遅くとも当該スイッチング素子の主端子間に生じる電圧がピークとなるタイミングまでの時間であってよい。
　第１基準時間は、スイッチング素子のターンオフ開始から、ゲート電圧のミラー期間が終了するタイミングまでの時間であってよい。
　切替部は、パラメータと基準値との比較結果に応じてゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定する切替判定部を有してよい。
　パラメータは、スイッチング素子がオン状態の場合の電流を示してよい。
　パラメータは、スイッチング素子のターンオフ開始からスイッチング素子の主端子間に加わる電圧が基準電圧となるまでの時間を示してよい。
　パラメータは、スイッチング素子のターンオフ開始から第２基準時間後においてスイッチング素子に加わる電圧を示してよい。
　パラメータは、スイッチング素子をターンオフした場合に生じるサージ電圧を示してよい。切替部は、パラメータと、当該パラメータが測定されたスイッチング周期においてゲート電圧の変化速度を切り替えたか否かとに基づいてゲート電圧の変化速度を切り替えてよい。
　本発明の第２の態様においては、スイッチング装置が提供される。スイッチング装置は、第１の態様におけるゲート駆動装置を備えてよい。スイッチング装置は、ゲート駆動装置によってゲートが駆動されるスイッチング素子を備えてよい。
　スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子であってよい。
　上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
本実施形態に係るスイッチング装置１００を示す。 スイッチング装置１００の動作を示す。 主スイッチング素子２をターンオフする場合の動作波形を示す。 スイッチング装置１００によるターンオフ時の動作波形を示す。 スイッチング装置１００によるターンオフ時の他の動作波形を示す。 変形例に係るスイッチング装置１００Ａを示す。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
［１．スイッチング装置１００の構成］
　図１は、本実施形態に係るスイッチング装置１００を示す。なお、図中、白抜きの矢印記号は電圧を示す。
　スイッチング装置１００は、一例としてモータ駆動用または電力供給用に用いられる電力変換装置の１相分を示したものであり、正側電源線１０１および負側電源線１０２と、電源出力端子１０５との接続を切り換えて電源出力端子１０５から変換した電圧を出力する。
　ここで、正側電源線１０１および負側電源線１０２の間には例えば６００～８００Ｖの直流電圧Ｅｄが印加され、負側電源線１０２はスイッチング装置１００の全体の基準電位（一例としてグランド電位）に接続される。電源出力端子１０５には誘導負荷１０６が接続されてよい。スイッチング装置１００は、正側の主スイッチング素子１および負側の主スイッチング素子２と、主スイッチング素子１、２に逆並列に接続された還流ダイオード３、４と、正側のゲート駆動装置５および負側のゲート駆動装置６とを備える。
［１－１．主スイッチング素子１，２］
　主スイッチング素子１、２は、それぞれスイッチング素子の一例であり、ドレイン端子およびソース端子の間を電気的に接続または切断する。例えば、主スイッチング素子１、２は、後述のゲート駆動装置５、６によってオン（接続とも称する）／オフ（切断とも称する）を切り換える。ここで、本実施形態では一例として、主スイッチング素子１、２は負側電源線１０２および正側電源線１０１の間に直列に順次接続され、電力変換装置における上アームおよび下アームを構成している。主スイッチング素子１、２の中点には電源出力端子１０５が接続される。
　主スイッチング素子１、２は、シリコンを基材としたシリコン半導体素子である。これに代えて、主スイッチング素子１、２の少なくとも一方はワイドバンドギャップ半導体素子であってもよい。ワイドバンドギャップ半導体素子とは、シリコン半導体素子よりもバンドギャップが大きい半導体素子であり、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド、窒化ガリウム系材料、酸化ガリウム系材料、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、または、ＺｎＯなどを含む半導体素子である。ワイドバンドギャップ半導体素子は、シリコン半導体素子よりもスイッチング速度を向上させることが可能である。なお、本実施例では主スイッチング素子１、２はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、正側電源線１０１の側がカソードである寄生ダイオード（図示せず）を有してよい。
［１－２．還流ダイオード３，４］
　還流ダイオード３、４は、主スイッチング素子１、２に逆並列に接続される。還流ダイオード３、４は、ショットキーバリアダイオードでもよいし、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードでもよい。還流ダイオード３、４は、シリコン半導体素子でもよいし、ワイドバンドギャップ半導体素子でもよい。
［１－３．ゲート駆動装置５，６］
　ゲート駆動装置５、６は、外部から入力される入力信号に基づいて、対応する主スイッチング素子１、２のゲートを駆動する。入力信号は、ＰＷＭ制御により主スイッチング素子１、２を制御して、電源出力端子１０５から概ね正弦波の交流電流を出力させてよい。入力信号は主スイッチング素子１と、主スイッチング素子２とに対して別々に入力されてよい。なお、本実施形態では一例として、入力信号はハイ（オン指令信号）の場合に主スイッチング素子２をオン状態にすることを指示し、ロー（オフ指令信号）の場合に主スイッチング素子２をオフ状態にすることを指示する。
　正側のゲート駆動装置５は主スイッチング素子１のゲートを駆動し、負側のゲート駆動装置６は主スイッチング素子２のゲートを駆動する。なお、ゲート駆動装置５、６は同様の構成であるため、本実施形態では負側のゲート駆動装置６について説明を行い、正側のゲート駆動装置５については説明を省略する。
　ゲート駆動装置６は、ゲート駆動部６１と、測定部６２と、切替部６３とを有する。本実施形態においては一例として、ゲート駆動装置６の各部をアナログ回路として説明する。
［１－３－１．ゲート駆動部６１］
　ゲート駆動部６１は、外部からの入力信号に含まれるターンオン信号およびターンオフ信号に基づいて、主スイッチング素子２のゲートを駆動する。ゲート駆動部６１は、主スイッチング素子２のゲート端子にオン／オフを指示するゲート駆動信号（オン指令信号／オフ指令信号）を供給する。ゲート駆動部６１は、ゲート駆動信号を測定部６２および切替部６３にも供給してよい。ゲート駆動部６１は、主スイッチング素子２のソース端子に接続され、ソース端子の電位をゲート駆動信号の基準電位として用いてよい。
［１－３－２．測定部６２］
　測定部６２は、主スイッチング素子２に流れる電流（例えばドレイン端子に流れる電流Ｉｄ）に応じて変化するパラメータを測定する。本実施形態では一例として、パラメータは、主スイッチング素子２のターンオフ開始から主スイッチング素子２の主端子間に加わる電圧（本実施形態では一例としてソース端子およびドレイン端子の間に加わる電圧Ｖｄｓ）が基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴを示してよい。主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄが大きくなると時間ΔＴは短くなる。基準電圧Ｖｒｅｆは、直流電圧Ｅｄと、主スイッチング素子２のターンオフ期間におけるソースドレイン電圧Ｖｄｓのピーク電圧との間で予め定められた電圧であってよい。測定部６２は、電圧検出回路６２０と、比較部６２１と、パラメータ測定部６２３とを有する。
［１－３－２－１．電圧検出回路６２０］
　電圧検出回路６２０は、電圧Ｖｄｓを検出する。例えば、電圧検出回路６２０は、電圧Ｖｄｓを分圧する抵抗６２０１、６２０２を有する。抵抗６２０１、６２０２の中点は比較部６２１に接続されており、検出される電圧を比較部６２１に供給する。なお、本実施形態では、検出電圧はソース端子側よりもドレイン端子側の電位が高い場合の電圧を正電圧とする。
［１－３－２－２．比較部６２１］
　比較部６２１は、電圧検出回路６２０により検出された電圧Ｖｄｓと、基準電圧Ｖｒｅｆとを比較する。例えば、比較部６２１はコンパレータでよく、非反転入力端子には電圧Ｖｄｓが入力され、反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが入力されてよい。比較部６２１は、電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きくなったことに応じてパラメータ測定部６２３にトリガ信号を供給する。
［１－３－２－３．パラメータ測定部６２３］
　パラメータ測定部６２３は、比較部６２１による比較結果に基づいてパラメータを測定する。測定部６２は、主スイッチング素子２のターンオフ期間中にパラメータを測定してよい。例えば、パラメータ測定部６２３は、ゲート駆動部６１からのゲート駆動信号に含まれるオフ指令信号の受信タイミングを主スイッチング素子２のターンオフの開始タイミングとして検出してよい。パラメータ測定部６２３は、検出した開始タイミングからトリガ信号を受信するまでの経過時間をパラメータとして測定してよい。パラメータ測定部６２３は、測定したパラメータを示すパラメータ信号を切替判定部６３２に供給する。パラメータ測定部６２３は、オフ指令信号を受信する毎にリセットされてよい。
［１－３－３．切替部６３］
　切替部６３は、測定部６２から供給されるパラメータ信号に基づいて、主スイッチング素子２のターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降のゲート駆動部６１による主スイッチング素子２のゲート電圧の変化速度を切り替える。切替部６３は、主スイッチング素子２のターンオフ期間中における第１基準時間ΔＴｒｅｆ１の経過以降でのゲート電圧の変化速度を切り替えてよく、一例として変化速度を小さくしてよい。
　第１基準時間ΔＴｒｅｆ１は、主スイッチング素子２のターンオフ開始から、遅くとも当該主スイッチング素子２の電圧Ｖｄｓがピークとなるタイミングまでの時間であってよい。切替部６３は、ゲート抵抗６３０と、接続切替部６３１と、切替判定部６３２とを有する。また、第１基準時間ΔＴｒｅｆ１の終了タイミングは、ゲート電圧のミラー期間の終了タイミングと同じであってもよい。
［１－３－３－１．ゲート抵抗６３０］
　ゲート抵抗６３０は、互いに抵抗値の異なる２つのゲート抵抗６３０１，６３０２を有する。ゲート抵抗６３０１の抵抗値は、ゲート抵抗６３０２の抵抗値よりも大きくてよい。本実施形態では一例として、ゲート抵抗６３０１，６３０２は、それぞれ一端が主スイッチング素子２のゲートに接続され、他端が接続切替部６３１に接続されている。なお、ゲート抵抗６３０は、主スイッチング素子２のターンオフ期間中に抵抗値を変更できる限りにおいて他の構成でもよい。
［１－３－３－２．接続切替部６３１］
　接続切替部６３１は、ゲート抵抗６３０の抵抗値を切り替える。これにより、ゲート電圧の変化速度が切り換えられる。本実施形態では一例として接続切替部６３１は、２つのゲート抵抗６３０１，６３０２の何れか一方を択一的にゲートに電気的に接続する。接続切替部６３１は、切替判定部６３２からの指示信号に従ってゲート抵抗６３０１，６３０２の何れかの他端（ゲート側とは反対側の端部）をゲート駆動部６１に電気的に接続してよい。なお、接続切替部６３１は、ゲート抵抗６３０１，６３０２にそれぞれオンオフ可能なスイッチを備える構成でもよい。この場合、切替判定部６３２によりそれぞれのスイッチのオンオフが制御されてもよい。一例として、ゲート電圧の変化速度を切り替える場合には、ゲート抵抗６３０１，６３０２に対応するスイッチがそれぞれオンされている状態から、いずれか一方がオフされてよい。
［１－３－３－３．切替判定部６３２］
　切替判定部６３２は、測定部６２から供給されるパラメータ（本実施形態では一例として主スイッチング素子２のターンオフ開始から電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴ）と基準値との比較結果に応じてゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定する。基準値は、主スイッチング素子２のターンオフにより生じるサージ電圧がスイッチング装置１００における各素子の素子耐圧のうち最も低い素子耐圧となる場合のパラメータの値であってよい。本実施形態では一例として、基準値は、素子耐圧のサージ電圧が生じる場合にターンオフ開始から電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間（第３基準時間ΔＴｒｅｆ３とも称する）であってよい。切替判定部６３２は、時間ΔＴが第３基準時間ΔＴｒｅｆ３よりも短いことに応じて、ゲート電圧の変化速度を切り替えると判定してよい。これにより、素子耐圧よりも大きいサージ電圧が生じる場合に切り替えが行われる。なお、第３基準時間ΔＴｒｅｆ３は第１基準時間ΔＴｒｅｆ１と同じであってもよいし、異なってもよい。第３基準時間ΔＴｒｅｆ３と第１基準時間ΔＴｒｅｆ１とが異なる場合には、第３基準時間ΔＴｒｅｆ３は第１基準時間ΔＴｒｅｆ１より長くてもよいし、短くてもよい。
　切替判定部６３２は、切り替えを行うか否かを指示する指示信号を接続切替部６３１に供給する。切替判定部６３２は、ゲート駆動部６１からのゲート駆動信号に基づき、主スイッチング素子２のターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１が経過するタイミングで指示信号を出力してよい。
　なお、切替判定部６３２は、ゲートへの接続対象がゲート抵抗６３０１に切り替えられた場合には、遅くとも次のターンオフ開始までにゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０２に戻してよい。一例として、切替判定部６３２は、ターンオフ完了から予め定められた時間の経過後にゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０２に戻してもよいし、ゲート駆動信号に含まれるオン指令信号を受信したことに応じてゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０２に戻してもよい。
　以上のスイッチング装置１００によれば、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄに応じて変化するパラメータに基づいて主スイッチング素子２のターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降における主スイッチング素子２のゲート電圧の変化速度が切り替えられる。従って、主スイッチング素子２のターンオフによりサージ電圧が素子耐圧よりも高く生じる場合にはゲート電圧の変化を遅くすることができるため、サージ電圧による素子破壊を防止することができる。また、主スイッチング素子２のターンオフによりサージ電圧が素子耐圧よりも低く生じる場合にはゲート電圧の変化を速くすることができるため、ターンオフ損失を低減することができる。よって、一律にゲート電圧を遅くする場合と異なり、サージ電圧を不必要に低減することによるターンオフ損失の増加を防止することができる。
　また、主スイッチング素子２のターンオフ開始から電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴをパラメータとして測定するので、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄを間接的に測定することができる。従って、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄを直接測定する場合と比較して、スイッチング装置１００のコストを低減することができる。
　また、主スイッチング素子２のターンオフ期間中における主スイッチング素子２のターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降でのゲート電圧の変化速度が切り替えられるので、確実にターンオフ時のサージ電圧による素子破壊を防止するとともに、ターンオフ損失を低減することができる。
　また、第１基準時間ΔＴｒｅｆ１は主スイッチング素子２のターンオフ開始から遅くとも電圧Ｖｄｓがピークとなるタイミングまでの時間、或いはゲート電圧のミラー期間が終了するタイミングまでの時間であるので、主端子間に生じるピーク電圧、ひいてはサージ電圧を低減することができる。従って、サージ電圧による素子破壊を確実に防止することができる。
　また、互いに抵抗値が異なる２つのゲート抵抗６３０１，６３０２の何れか一方が択一的に主スイッチング素子２のゲートに接続されるので、ゲート電圧の変化速度を確実に切り替えることができる。
［２．動作］
　図２は、スイッチング装置１００の動作を示す。スイッチング装置１００は、ステップＳ１０１～Ｓ１１１の処理を行うことにより主スイッチング素子２のターンオフ期間に駆動条件を変更する。
　ステップＳ１０１においてゲート駆動部６１は、外部からの入力信号に含まれるオフ指令信号を受信する。ステップＳ１０３においてゲート駆動部６１は、ターンオフを指示するゲート駆動信号を出力して主スイッチング素子２のターンオフを開始する。
　ステップＳ１０５において切替判定部６３２は、測定部６２から供給されるパラメータと基準値との比較結果に応じてゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定する。切替判定部６３２は、前回のスイッチング周期において測定されたパラメータに基づいて、次のターンオフ期間におけるゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定してよい。本実施形態においては一例として切替判定部６３２は、パラメータが基準値よりも大きい場合にはゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０１に維持し、パラメータが基準値よりも小さい場合にゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０２からゲート抵抗６３０１に切り替えるよう判定する。切替判定部６３２は、切り替えを行うと判定した場合（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）には処理をステップＳ１０７に移行し、切り替えを行わないと判定した場合（ステップＳ１０５；Ｎｏ）には処理をステップＳ１０９に移行する。
　ステップＳ１０７において切替部６３は、ゲート電圧の変化速度を切り替える。本実施形態では一例として、切替判定部６３２がゲート電圧の変化速度を小さくするように切り替える旨の指示信号、つまりゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０２からゲート抵抗６３０１に切り替える旨の指示信号を出力して接続切替部６３１に切り替えを実行させる。これにより、ゲート抵抗６３０２がゲートに接続される場合と比較して主スイッチング素子２のゲートに対する電荷の注入速度、ひいてはゲートの変化速度が小さくなり、ターンオフに伴うサージ電圧が低減される。切替部６３は、ターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１の経過タイミングで切り替えを行ってよい。一例として切替部６３は、今回のターンオフの開始タイミングから、今回のターンオフ期間において主スイッチング素子２の電圧Ｖｄｓがピークとなるタイミングまでの何れかのタイミングで切り替えを行ってよい。
　このように、ステップＳ１０５での判定結果が肯定的であった場合（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）には主スイッチング素子２のターンオフ期間中におけるゲート電圧の変化速度が変更され、判定結果が否定的であった場合（ステップＳ１０５；Ｎｏ）には変化速度が変更されない。そのため、主スイッチング素子２の一のターンオフ期間中におけるターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降でのゲート電圧の変化速度が、他のターンオフ期間中におけるターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降でのゲート電圧の変化速度に対して変更されることとなる。
　ステップＳ１０９において測定部６２はパラメータを測定する。本実施形態では一例として、測定部６２は、主スイッチング素子２のターンオフ開始から電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴをパラメータとして測定する。
　そして、ステップＳ１１１において主スイッチング素子２のターンオフが完了すると、スイッチング装置１００はターンオフに関する動作を終了する。なお、パラメータを測定するステップＳ１０９の処理は、ステップＳ１０３～ステップＳ１０７の間の何れかのタイミングで行われてもよい。また、ステップＳ１０７でゲート抵抗の変化速度を切り替えた場合には、切替部６３は次回のターンオフ開始までに変化速度を切り替え前の状態に戻してもよい。
　以上の動作によれば、主スイッチング素子２の一のターンオフ期間中におけるゲート電圧の変化速度が他のターンオフ期間中におけるゲート電圧の変化速度に対して変更されるので、各ターンオフ期間においてサージ電圧による素子破壊を防止するとともに、ターンオフ損失を低減することができる。
　また、主スイッチング素子２の前回のスイッチング周期において測定されたパラメータに基づいて、次のターンオフ期間におけるゲート電圧の変化速度が切り替えられる。従って、同じスイッチング周期内に測定されたパラメータに基づいてゲート電圧の変化速度が切り換えられる場合と異なり、スイッチング周期が短い場合であっても、確実に切り替えを行うことができる。
［３．動作波形］
［３－１．電流Ｉｄと時間ΔＴとの関係］
　図３は、主スイッチング素子２をターンオフする場合の動作波形を示す。図中、実線で示されたゲートソース電圧Ｖｇｓ１，ドレインソース電圧Ｖｄｓ１，ドレイン電流Ｉｄ１のグラフは、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄが大きい場合の動作波形を示す。破線で示されたゲートソース電圧Ｖｇｓ２，ドレインソース電圧Ｖｄｓ２，ドレイン電流Ｉｄ２のグラフは主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄが小さい場合の動作波形を示す。なお、図中の横軸は時間を示し、縦軸は主スイッチング素子２のゲートソース間電圧Ｖｇｓ、ドレインソース間電圧Ｖｄｓ、ドレイン電流Ｉｄを示す。なお、ドレイン電流Ｉｄは、主スイッチング素子２の定格電流値に対して、５０％以上の値であれば大きい、５０％以下であれば小さいとしてよいが、これに限らない。また、定格電流値に対してドレイン電流Ｉｄは実際の動作におけるサージ電圧値から決定してもよい。
　主スイッチング素子２に対する入力信号がハイ（オン指令）からロー（オフ指令）に切り替わることに応じてゲート駆動部６１からのゲート駆動信号がローとなり、負のゲート電流Ｉｇが流れ始めると、主スイッチング素子２にゲート電荷の逆バイアス方向への注入が開始される。そして、主スイッチング素子２のゲート入力容量Ｃｇｓが逆バイアス方向に充電され、ゲートソース電圧Ｖｇｓが減少し始める（時点ｔ１）。
　続いて、ゲートソース電圧Ｖｇｓがミラー電圧まで減少すると（時点ｔ２）、帰還容量（ゲートドレイン容量）Ｃｇｄの充電が始まり、ゲートソース電圧Ｖｇｓの変化がフラットとなり（いわゆるミラー期間）、主スイッチング素子２のドレインソース電圧Ｖｄｓが急激に増加する。これに伴い、主スイッチング素子２と対向する主スイッチング素子１のドレインソース間電圧Ｖｄｓが低下し、その寄生容量Ｃｄｓから放電電流が流れるため、主スイッチング素子２のドレイン電流Ｉｄが減少する。
　次に、時点ｔ３，ｔ３'において主スイッチング素子２ではミラー期間が終了して、ドレイン電流Ｉｄが急激に減少する。これにより、正側電源線１０１の配線インダクタンスに印加される電圧が瞬間的に増加して、主スイッチング素子２のドレインソース間電圧Ｖｄｓは時点ｔ４、ｔ４'で基準電圧Ｖｒｅｆを超えてピーク電圧Ｖｐ，Ｖｐ'まで増加する。その後、ドレインソース間電圧Ｖｄｓは減少して直流電圧Ｅｄとなり、ゲートソース電圧Ｖｇｓがゲート閾値電圧Vthを下回る。そして、主スイッチング素子２のゲート入力容量Ｃｇｓへの逆バイアス方向への充電が終了して、主スイッチング素子２のターンオフが完了する。
　ここで、ターンオフ開始から電圧Ｖｄｓ２が基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴ２は、ターンオフ開始から電圧Ｖｄｓ１が基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴ１よりも長い。このことから分かるように、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄが小さいと、主スイッチング素子２のターンオフ開始から電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴは長くなる。また、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄが小さいと、ピーク電圧は小さくなる。
［３－２．実施形態のスイッチング装置１００による動作波形（１）］
　図４は、スイッチング装置１００によるターンオフ時の動作波形を示す。
　第ｎ回目のスイッチング周期における時点ｔ１１において主スイッチング素子２に対する入力信号がハイ（オン指令）からロー（オフ指令）に切り替わると、電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴｎ（本動作例では時点ｔ１１～ｔ１２の期間）がパラメータとして測定される。この動作例では、素子耐圧よりも大きいサージ電圧が生じ得る程度に電流Ｉｄが大きく、時間ΔＴｎは第３基準時間ΔＴｒｅｆ３よりも短くなっている。これにより、第ｎ＋１回目のスイッチング周期では、切替判定部６３２からの指示信号によりターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降のゲート電圧の変化速度が切り替えられて小さくなる。このように、ターンオフによりサージ電圧が素子耐圧よりも高く生じ得る場合にはゲート電圧の変化が遅くなり、サージ電圧による素子破壊が防止される。
　なお、本動作例では一例として、指示信号は第１基準時間ΔＴｒｅｆ１の経過タイミングからターンオフ完了後までハイレベルに維持されている。また、第ｎ－１周期、第ｎ＋１周期でも、パラメータとしての時間ΔＴｎ－１，ΔＴｎ＋１は第３基準時間ΔＴｒｅｆ３よりも短くなっている。
［３－２．実施形態のスイッチング装置１００による動作波形（２）］
　図５は、スイッチング装置１００によるターンオフ時の他の動作波形を示す。
　第ｎ回目のスイッチング周期における時点ｔ１１において主スイッチング素子２に対する入力信号がハイ（オン指令）からロー（オフ指令）に切り替わると、電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴｎ（本動作例では時点ｔ１１～ｔ１２'の期間）がパラメータとして測定される。この動作例では、素子耐圧よりも大きいサージ電圧が生じない程度に電流Ｉｄが小さく、時間ΔＴｎは第３基準時間ΔＴｒｅｆ３よりも長くなっている。これにより、第ｎ＋１回目のスイッチング周期ではターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降でもゲート電圧の変化速度が切り替えられずに大きく維持される。このように、ターンオフによりサージ電圧が素子耐圧よりも高く生じない場合にはゲート電圧の変化が早く維持され、ターンオフ損失が低減される。なお、本動作例では一例として、第ｎ－１周期、第ｎ＋１周期でも、パラメータとしての時間ΔＴｎ－１，ΔＴｎ＋１は第３基準時間ΔＴｒｅｆ３よりも長くなっている。
［４．変形例］
　図６は、変形例に係るスイッチング装置１００Ａを示す。スイッチング装置１００Ａは測定部６２Ａと、切替部６３Ａとを備える。本実施形態においては一例として、測定部６２Ａおよび切替部６３Ａの各部をアナログ回路として説明する。
　測定部６２Ａは、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄに応じて変化するパラメータとして、主スイッチング素子２がオン状態の場合の電流Ｉｄを示す値を測定する。測定部６２Ａは電流センサ６２０Ａと、パラメータ測定部６２３Ａと、電圧検出回路６２０Ａとを有する。
　電流センサ６２０Ａは電流Ｉｄを測定する。本変形例においては一例として、電流センサ６２０Ａは主スイッチング素子２のドレイン端子側に設けられているが、ソース端子側に設けられてもよい。電流センサ６２０Ａは、測定した電流値をパラメータ測定部６２３Ａに供給してよい。
　パラメータ測定部６２３Ａは、電流センサ６２０Ａからの電流値に基づいてパラメータを測定する。例えば、パラメータ測定部６２３Ａは、ゲート駆動信号に含まれるオフ指令信号を受信したタイミングでの電流Ｉｄをパラメータとして測定してよい。
　電圧検出回路６２０Ａは、電圧検出回路６２０と同様の抵抗６２０１、６２０２を有する。電圧検出回路６２０Ａは、抵抗６２０１、６２０２により検出される電圧を切替部６３Ａに供給する。
　切替部６３Ａの切替判定部６３２Ａは、測定部６２から供給されるパラメータ（本変形例では一例として主スイッチング素子２がオン状態の場合の電流Ｉｄ）と基準値との比較結果に応じてゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定する。基準値は、主スイッチング素子２のターンオフにより生じるサージ電圧がスイッチング装置１００における最も低い素子耐圧となる場合のパラメータ（電流Ｉｄ）の値であってよい。切替部６３Ａは、ターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１の経過タイミングで切り替えを行ってよい。一例として切替部６３Ａは、電圧検出回路６２０Ａから供給される電圧に基づいて、今回のターンオフの開始タイミングから、今回のターンオフ期間において主スイッチング素子２の電圧Ｖｄｓがピークとなるタイミングまでの何れかのタイミングで切り替えを行ってよい。
　以上のスイッチング装置１００Ａによっても、サージ電圧による素子破壊を防止するとともに、ターンオフ損失を低減することができる。
［５．その他の変形例］
　なお、上記の実施形態においては、切替部６３はゲート抵抗６３０の抵抗値を切り替えることでゲート電圧の変化速度を切り替えることとして説明したが、他の手法によって切り換えを行ってもよい。例えば、切替部６３は、ゲート駆動信号の電流を小さくしてもよい。ゲート駆動信号の電流を小さくするには、例えば、ゲートに向かうゲート駆動信号の内部経路を分岐させて分流すればよい。
　また、電流Ｉｄに応じて変化するパラメータを時間ΔＴ等として説明したが、他の値としてもよい。例えば、パラメータは、主スイッチング素子２のターンオフ開始から第２基準時間ΔＴｒｅｆ２後において主スイッチング素子２に加わる電圧を示してよい。第２基準時間ΔＴｒｅｆ２は、ターンオフ開始からターンオフ完了までの時間以下の長さであってよい。この場合、切替部６３は電圧を示すパラメータが基準値より大きいことに応じてスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降におけるゲート電圧の変化速度を切り替えてよい。この場合であっても、サージ電圧による素子破壊を防止するとともに、ターンオフ損失を低減することができる。なお、第２基準時間ΔＴｒｅｆ２は、第１基準時間ΔＴｒｅｆ１と同じであってもよいし、異なってもよい。第２基準時間ΔＴｒｅｆ２と第１基準時間ΔＴｒｅｆ１とが異なる場合には、第２基準時間ΔＴｒｅｆ２は第１基準時間ΔＴｒｅｆ１より長くてもよいし、短くてもよい。
　また、パラメータは、主スイッチング素子２をターンオフした場合に生じるサージ電圧を示してもよい。サージ電圧は一例として電圧検出回路６２０により検出されてよい。この場合には、切替部６３は、サージ電圧を示すパラメータと、当該パラメータが測定されたスイッチング周期においてゲート電圧の変化速度を切り替えたか否かとに基づいてゲート電圧の変化速度を切り替えてよい。例えば、切替部６３は、次の表１に示すように、前回のスイッチング周期でサージ電圧を示すパラメータが基準値より大きかったか否かと、ゲート電圧の変化速度を切り替えたか否かとに基づいて、次のスイッチング周期におけるターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降での変化速度を切り替えてよい。この場合であっても、サージ電圧による素子破壊を防止するとともに、ターンオフ損失を低減することができる。また、サージ電圧を示すパラメータのみに基づいて切り替えを実行するか否かを判断する場合と異なり、１つのスイッチング周期おきに素子耐圧を超えるサージ電圧が生じてしまうのを防止することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　また、前回のスイッチング周期において測定されたパラメータに基づいて次のターンオフ期間におけるゲート電圧の変化速度を切り替えることとして説明したが、前々回以前のスイッチング周期において測定されたパラメータに基づいて次回以降のターンオフ期間における変化速度の切り換えを行ってもよい。この場合には、測定部６２は、パラメータ測定部６２３により測定されたパラメータをラッチするｎ個のパラメータ記憶部を有してよい。ｎ個のパラメータ記憶部は測定されたパラメータを順に記憶して切替判定部６３２に供給してよい。パラメータ記憶部の個数ｎは、パラメータを測定した周期から、変化速度を切り替える周期までの周期数と等しくてよい。
　また、パラメータに基づいてゲート電圧の変化速度を小さくするか、維持することとして説明したが、変化速度を維持せずに大きくしてもよい。この場合には、ターンオフ損失をいっそう低減することができる。
　また、スイッチング装置１００、１００Ａは正側の主スイッチング素子１およびゲート駆動装置５の組と、負側の主スイッチング素子２およびゲート駆動装置６の組とを備えることとして説明したが、何れか一方の組のみを備えることとしてもよい。
　また、ゲート駆動装置６の各部をアナログ回路として説明したが、比較部６２１、パラメータ測定部６２３、切替判定部６３２の少なくとも１つがデジタル回路であってもよい。同様に、測定部６２Ａおよび切替部６３Ａの各部をアナログ回路として説明したが、パラメータ測定部６２３Ａおよび切替判定部６３２Ａの少なくとも１つがデジタル回路であってもよい。
　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
　請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
　１　主スイッチング素子、　２　主スイッチング素子、　３　還流ダイオード、　４　還流ダイオード、　５　ゲート駆動装置、　６　ゲート駆動装置、　６１　ゲート駆動部、　６２　測定部、　６３　切替部、　１００　スイッチング装置、　１０１　正側電源線、　１０２　負側電源線、　１０５　電源出力端子、　１０６　誘導負荷、　６２０　電圧検出回路、　６２１　比較部、　６２３　パラメータ測定部、　６３０　ゲート抵抗、　６３１　接続切替部、　６３２　切替判定部、　６２０１　抵抗、　６２０２　抵抗、　６３０１　ゲート抵抗、　６３０２　ゲート抵抗

Claims (14)

  1. 　スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動部と、
    　前記スイッチング素子に流れる電流に応じて変化するパラメータを測定する測定部と、
    　前記パラメータに基づいて、前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降における前記ゲート駆動部による前記スイッチング素子のゲート電圧の変化速度を切り替える切替部と
    　を備えるゲート駆動装置。
  2. 　前記切替部は、前記スイッチング素子のターンオフ期間中における前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降での前記ゲート電圧の変化速度を切り替える、請求項１に記載のゲート駆動装置。
  3. 　前記切替部は、前記スイッチング素子のターンオフ期間中における前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降での前記ゲート電圧の変化速度を小さくする、請求項２に記載のゲート駆動装置。
  4. 　前記切替部は、前記スイッチング素子の一のターンオフ期間中における前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降での前記ゲート電圧の変化速度を、他のターンオフ期間中における前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降での前記ゲート電圧の変化速度に対して変更する、請求項２または３に記載のゲート駆動装置。
  5. 　前記切替部は、前記スイッチング素子の前回以前のスイッチング周期において測定された前記パラメータに基づいて、前記スイッチング素子の次回以降のターンオフ期間における前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降での前記ゲート電圧の変化速度を切り替える、請求項１から４のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
  6. 　前記第１基準時間は、前記スイッチング素子のターンオフ開始から、遅くとも当該スイッチング素子の主端子間に生じる電圧がピークとなるタイミングまでの時間である、請求項１から５のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
  7. 　前記第１基準時間は、前記スイッチング素子のターンオフ開始から、ゲート電圧のミラー期間が終了するタイミングまでの時間である、請求項１から５のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
  8. 　前記切替部は、前記パラメータと基準値との比較結果に応じて前記ゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定する切替判定部を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
  9. 　前記パラメータは、前記スイッチング素子がオン状態の場合の前記電流を示す、請求項１から８のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
  10. 　前記パラメータは、前記スイッチング素子のターンオフ開始から前記スイッチング素子の主端子間に加わる電圧が基準電圧となるまでの時間を示す、請求項１から８のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
  11. 　前記パラメータは、前記スイッチング素子のターンオフ開始から第２基準時間後において前記スイッチング素子に加わる電圧を示す、請求項１から８のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
  12. 　前記パラメータは、前記スイッチング素子をターンオフした場合に生じるサージ電圧を示し、
    　前記切替部は、前記パラメータと、当該パラメータが測定されたスイッチング周期において前記ゲート電圧の変化速度を切り替えたか否かとに基づいて前記ゲート電圧の変化速度を切り替える、請求項１から８のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
  13. 　請求項１から１２のいずれか一項に記載のゲート駆動装置と、
    　前記ゲート駆動装置によってゲートが駆動される前記スイッチング素子と、
    　を備えるスイッチング装置。
  14. 　前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子である請求項１３に記載のスイッチング装置。
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