JP2010022190A - Gate driving device of voltage driving type semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電力変換装置を構成する電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置、特に電力変換装置を高電圧化するために、電圧駆動型半導体素子を直列接続して構成される電力変換装置に用いて好適なゲート駆動装置に関する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is used in a voltage-driven semiconductor element gate driving device constituting a power conversion device, in particular, a power conversion device configured by connecting voltage-driven semiconductor elements in series in order to increase the voltage of the power conversion device. And a suitable gate driving device.
図3に、電圧駆動型半導体素子としてIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を用いたチョッパ回路の例を示す。これは、直流電源Edに対し上アームにはIGBT1と、これに逆並列に接続されたフリーホイーリングダイオードFWD1と、下アームにはIGBT2とこれに逆並列に接続されたFWD2とが設けられ、IGBT1には負荷が接続されている。GDU1,GDU2はゲート駆動装置で、具体的には例えば図4に示すように、IGBTをオン,オフさせるためのトランジスタTR1,TR2、抵抗Rg(on),Rg(off)およびインターフェイス回路IFなどから構成される。
FIG. 3 shows an example of a chopper circuit using an IGBT (insulated gate bipolar transistor) as a voltage-driven semiconductor element. The DC power supply Ed is provided with an
いま、図3のIGBT2をターンオンすると、負荷を通して電流が流れる。次に、IGBT2をターンオフすると負荷よりIGBT2を流れていた電流は、FWD1へ転流する(フリーホイーリングモード)。この状態でIGBT2がターンオンするとFWD1は逆回復し、電流は再度負荷からIGBT2を通るルートに切り替わる。このとき、FWD1へ転流したフリーホイーリング電流が、素子の定格の1/10以下の低電流時にFWD1が逆回復すると、大きなサージ電圧が発生することが指摘されている。そのときの様子を示すのが図5,図6で、FWD1に定格以上のサージ電圧が印加された例が示されている。なお、図6は図5の部分(要部)拡大図である。
Now, when the IGBT 2 in FIG. 3 is turned on, a current flows through the load. Next, when the IGBT 2 is turned off, the current flowing through the
図3では1つのアームに1つの電圧駆動型半導体素子を用いる例であるが、上記の問題は図7のように1つのアームに複数(図では2つ)の素子を設けて高電圧化を図る電力変換装置の場合も同様で、そのときの様子を図8に点線で示している。これは、ゲート駆動装置GDU3,4により下アーム素子IGBT3,4を動作させるときの上アームのFWD1,2の逆回復時にIGBT1,2に印加される電圧波形を示している。IGBT1,2のいずれにも点線で示すような定格以上のサージ電圧が印加されていることが分かる。
FIG. 3 shows an example in which one voltage-driven semiconductor element is used for one arm. However, the above problem can be solved by providing a plurality of (two in the figure) elements in one arm as shown in FIG. The same applies to the power conversion device to be achieved, and the state at that time is indicated by a dotted line in FIG. This shows a voltage waveform applied to the
このようなサージ電圧は時に素子の定格耐圧を大きく超え、最悪の場合は素子破壊に至るおそれがある。このため、従来は例えば図4に示すゲートオン抵抗Rg(on)の値を大きくすることで、IGBT2のターンオン時間を遅くしIGBT2側で電圧を保持する時間を長くし、FWD1に印加される電圧を低くしてサージ電圧を抑制する方法が用いられている。しかし、ゲート抵抗が大きいと電圧保持時間が増大し、ターンオン損失が増加する。このターンオン損失の増加は、素子全体の総損失を増加させ、動作周波数を低下させたり出力電流を低下させなければならないという問題が生じる。
Such a surge voltage sometimes greatly exceeds the rated breakdown voltage of the element, and in the worst case, the element may be destroyed. Therefore, conventionally, for example, by increasing the value of the gate-on resistance Rg (on) shown in FIG. 4, the turn-on time of the
また、1つのアームに複数の素子を設けて高電圧化を図る場合には、上記の問題に加えてさらに、素子特性のばらつき等による問題が発生する。この問題を説明するのが図9で、複数の素子間の素子特性のばらつき等によりIGBTのターンオンタイミングに違いが生じ、電圧分担にアンバランスが生じた場合を示す。ここでは、例えば図7の上アームのIGBT2の方が早くオンし、このときIGBT1がオフしているため、IGBT1にだけ電圧が印加されると言うアンバランスが生じている例である。このとき、IGBT1のコレクタ−エミッタ間電圧VCE(1)と、IGBT2のコレクタ−エミッタ間電圧VCE(2)を加えた電圧が直流電圧Edに等しくならない期間があるのは、スナバコンデンサCと主回路浮遊インダクタンスLmとの共振動作によるものである。
Further, when a plurality of elements are provided on one arm to increase the voltage, a problem due to variations in element characteristics occurs in addition to the above problems. This problem is illustrated in FIG. 9, which shows a case where there is a difference in IGBT turn-on timing due to variations in element characteristics among a plurality of elements, and an imbalance occurs in voltage sharing. Here, for example, the
このように電圧アンバランスが発生するが、その対策として、例えば図7にも示すように各IGBTにスナバコンデンサC,スナバ抵抗R等からなるRCスナバ回路を付加することによって、遅れてオンするIGBT1の電圧上昇率(dv/dt)を低減させて、IGBT1にオン信号が入るまでの期間(Δt)、IGBT1に印加される電圧を抑制するようにしている。
In this way, voltage imbalance is generated. As a countermeasure, for example, as shown in FIG. 7, an
IGBTを直列接続して用いる場合、上述のように、各IGBTにRCスナバ回路を付加することにより、ターンオンタイミングがずれた場合の電圧アンバランスによる過電圧印加およびそれによる素子破壊を防ぐことができるが、許容可能なターンオンタイミングの時間差を大きくしようとすると、付加するスナバのコンデンサ容量を大きくしなければならず、そうすると発生損失が増大するために抵抗Rの形状が大きくなり、装置全体も大きくなるなどの問題が生じる。
したがって、この発明の課題は、電力変換装置の各アームを構成する電圧駆動型半導体素子に対し逆並列接続されるフリーホイーリングダイオードのサージ電圧を抑制し、電圧駆動型半導体素子のターンオン損失を低減することにある。
When using IGBTs connected in series, as described above, by adding an RC snubber circuit to each IGBT, it is possible to prevent overvoltage application due to voltage imbalance when the turn-on timing is deviated and element destruction due to this. If an attempt is made to increase the time difference between allowable turn-on timings, the capacitor capacity of the added snubber must be increased, and as a result, the generated loss increases, so that the shape of the resistor R increases and the overall device also increases. Problem arises.
Therefore, an object of the present invention is to suppress the surge voltage of a freewheeling diode connected in reverse parallel to the voltage-driven semiconductor element constituting each arm of the power conversion device, and to reduce the turn-on loss of the voltage-driven semiconductor element. There is to do.
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、電力変換装置の各アームに接続される電圧駆動型半導体素子をそれぞれオン,オフ駆動するためのゲート駆動装置であって、
前記電圧駆動型半導体素子を第1の抵抗値で駆動する第1の駆動部と、この第1の駆動部から所定の時間だけ遅延して動作し前記第1の抵抗値よりも低い第2の抵抗値で電圧駆動型半導体素子を駆動する第2の駆動部とを備え、前記電圧駆動型半導体素子と逆並列に接続されるフリーホイーリングダイオード逆回復時の低電流域では前記第1の駆動部により、その高電流域では前記第2の駆動部により電圧駆動型半導体素子をターンオンさせることを特徴とする。
この請求項1の発明においては、前記各アームに接続される電圧駆動型半導体素子を複数個とすることができる(請求項2の発明)。
In order to solve such a problem, the invention of
A first driving unit that drives the voltage-driven semiconductor element with a first resistance value, and a second driving unit that operates with a delay of a predetermined time from the first driving unit and is lower than the first resistance value. And a second driving unit that drives the voltage-driven semiconductor element with a resistance value, and the first driving is performed in a low current region during reverse recovery of a freewheeling diode connected in reverse parallel to the voltage-driven semiconductor element. The voltage driving type semiconductor device is turned on by the second driving unit in the high current region.
In the invention of
この発明によれば、電力変換装置の各アームに接続される素子の数に関わらず、FWDの低電流逆回復時に発生するサージ電圧が抑制されるだけでなく、ターンオン損失を増加させることなく過電圧による素子破壊から、IGBT等の電圧駆動型形素子を保護することが可能となる。 According to the present invention, regardless of the number of elements connected to each arm of the power converter, not only the surge voltage generated at the low current reverse recovery of the FWD is suppressed, but also the overvoltage without increasing the turn-on loss. It is possible to protect a voltage driven type element such as an IGBT from element destruction due to.
図1はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
これは、FWD逆回復時のサージ電圧に対処するためのもので、図4に示す従来のゲート駆動装置に対し、抵抗R,コンデンサCからなる遅延回路、抵抗Rg(on)1およびトランジスタTR10を付加して構成される。
したがって、インターフェイス回路IFを介してTR1をオンさせると、まず抵抗Rg(on)を介してIGBTのゲートが駆動される。その後、遅延回路のCR時定数で決まる一定時間が経過するとTR10がオンし、これによりIGBTのゲートは、抵抗Rg(on)と抵抗Rg(on)1の並列抵抗により駆動される。このとき、並列抵抗値は抵抗Rg(on)よりも小さくなるので、このゲート駆動装置を用いれば、IGBTのゲートは最初は高抵抗で、一定時間後は低抵抗で駆動されることになる。なお、トランジスタTR2側の遅延回路は、TR1側で遅延させた分だけターンオフタイミングを調整するためのものである。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
This is for coping with a surge voltage at the time of reverse recovery of FWD. Compared to the conventional gate driving device shown in FIG. 4, a delay circuit comprising a resistor R and a capacitor C, a resistor Rg (on) 1 and a transistor TR10 are provided. It is configured by adding.
Therefore, when TR1 is turned on via the interface circuit IF, the gate of the IGBT is first driven via the resistor Rg (on). Thereafter, when a certain time determined by the CR time constant of the delay circuit elapses, TR10 is turned on, whereby the gate of the IGBT is driven by the parallel resistance of the resistor Rg (on) and the resistor Rg (on) 1. At this time, since the parallel resistance value is smaller than the resistance Rg (on), if this gate driving device is used, the gate of the IGBT is driven with a high resistance at the beginning and with a low resistance after a certain time. The delay circuit on the transistor TR2 side is for adjusting the turn-off timing by the amount delayed on the TR1 side.
図2は図1の動作を説明するための波形図である。
図1のゲート駆動装置が先の図3に示すGDU2に対応するものとし、インターフェイス回路IFを介してTR1をオンとしIGBT2を動作させる場合、図2のGDU2波形に示すように、FWD1の低電流逆回復時の期間t1までは高抵抗で駆動し、IGBT2側で電圧を保持することでFWD1側のサージ電圧を抑制する。また、大電流逆回復時である期間t2では低抵抗で駆動することによりターンオン時間を早め、ターンオン損失を低減するようにしている。その結果、IGBT2のコレクタ−エミッタ間電圧,FWD1電圧,電流波形は図示のようになり、図5,6の場合に比べてサージ電圧が抑制されていることが分かる。なお、IGBT2のコレクタ−エミッタ間電圧,FWD1電圧,電流波形は実線で大電流時の動作を、また、点線で低電流時の動作を示している。
FIG. 2 is a waveform diagram for explaining the operation of FIG.
When the gate driver of FIG. 1 corresponds to the GDU2 shown in FIG. 3 and when the TR1 is turned on and the
以上は、図3の如きアームの素子が1つの場合であるが、図7のようにアームの素子が複数の場合も上記と同様に、図1に示すゲート駆動装置により最初は高抵抗で駆動し、一定時間後は低抵抗で駆動することにより、サージ電圧を抑制しターンオン損失を低減させることが可能となる。このときの様子を示すのが図8で、ゲート駆動装置GDU3,4で下アーム素子IGBT3,4を動作させるときの上アームのFWDの逆回復時にIGBT1,2に印加される電圧波形を示している。すなわち、Δtだけ早く逆回復するIGBT2側の電圧は、IGBT1側で分担する電圧が重畳し、点線で示すようにさらにサージ電圧が発生し、素子破壊に至る可能性がある。しかし、図1に示すゲート駆動装置を用いた場合の逆回復動作では、実線で示すようにサージ電圧の発生を抑制し、Δtだけ早く
逆回復するIGBT2側の電圧分担を最小限に抑えることが可能となり、素子破壊を防止できることになる。
The above is the case where there is a single element of the arm as shown in FIG. 3. However, in the case where there are a plurality of elements of the arm as shown in FIG. 7, the gate drive device shown in FIG. In addition, by driving with a low resistance after a certain time, the surge voltage can be suppressed and the turn-on loss can be reduced. FIG. 8 shows the state at this time, and shows voltage waveforms applied to the
IGBT…絶縁ゲートバイポーラトランジスタスイッチ、IF…インターフェイス回路、R,Rg(on),Rg(on)1,Rg(off)…抵抗、C…コンデンサ、TR1,TR2,TR10…トランジスタ、GDU…ゲート駆動装置、Ed…直流電源、FWD…フリーホイーリングダイオード。 IGBT ... insulated gate bipolar transistor switch, IF ... interface circuit, R, Rg (on), Rg (on) 1, Rg (off) ... resistor, C ... capacitor, TR1, TR2, TR10 ... transistor, GDU ... gate drive device , Ed: DC power supply, FWD: Free wheeling diode.
Claims (2)
前記電圧駆動型半導体素子を第1の抵抗値で駆動する第1の駆動部と、この第1の駆動部から所定の時間だけ遅延して動作し前記第1の抵抗値よりも低い第2の抵抗値で電圧駆動型半導体素子を駆動する第2の駆動部とを備え、前記電圧駆動型半導体素子と逆並列に接続されるフリーホイーリングダイオード逆回復時の低電流域では前記第1の駆動部により、その高電流域では前記第2の駆動部により電圧駆動型半導体素子をターンオンさせることを特徴とする電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置。 A gate driving device for driving on and off a voltage-driven semiconductor element connected to each arm of a power converter,
A first driving unit that drives the voltage-driven semiconductor element with a first resistance value, and a second driving unit that operates with a delay of a predetermined time from the first driving unit and is lower than the first resistance value. And a second driving unit that drives the voltage-driven semiconductor element with a resistance value, and the first driving is performed in a low current region during reverse recovery of a freewheeling diode connected in reverse parallel to the voltage-driven semiconductor element. The voltage-driven semiconductor element gate drive apparatus is characterized in that the voltage-driven semiconductor element is turned on by the second drive unit in the high current region.
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