JP2014079086A - Circuit for driving voltage-driven semiconductor element - Google Patents
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Description
本発明は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの電圧駆動型半導体素子を駆動する駆動回路に関し、電圧駆動型半導体素子がスイッチングを行う時に発生するサージ電圧や、主端子間の電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）によるスイッチングノイズを抑制する駆動回路の構成技術に関する。 The present invention relates to a drive circuit for driving a voltage-driven semiconductor element such as an IGBT or a MOSFET, which depends on a surge voltage generated when the voltage-driven semiconductor element performs switching and a voltage change rate (dv / dt) between main terminals. The present invention relates to a configuration technique of a drive circuit that suppresses switching noise.
図９に、電圧駆動型半導体素子としてのＩＧＢＴを駆動するゲート駆動回路の一般的な回路構成を示す。電力用のＩＧＢＴはＩＧＢＴ素子７にダイオード８が逆並列接続され、ゲート内蔵抵抗９などとモジュール化されたものが多い。図９において、１は駆動回路の正側電源、２は負側電源であり、直列接続された構成で正極、負極、中性極をそなえる。スイッチング回路は、抵抗３とスイッチ素子４（この例ではＮＰＮトランジスタ）からなるオン用スイッチ回路と、抵抗６とスイッチ素子５（この例ではＰＮＰトランジスタ）からなるオフ用スイッチ回路とが直列接続された直列スイッチ回路で、一般的にはトーテンポール接続と呼ばれる。駆動用電源と直列スイッチ回路は並列接続され、直列スイッチ回路のスイッチ素子４とスイッチ素子５との接続点がＩＧＢＴ７のゲートと直列に接続された内蔵抵抗９に接続され、オン用の正側電源１とオフ用の負側電源２の接続点がＩＧＢＴ７のエミッタに接続される。 FIG. 9 shows a general circuit configuration of a gate drive circuit that drives an IGBT as a voltage-driven semiconductor element. Many IGBTs for power are modularized with an IGBT element 7 having a diode 8 connected in antiparallel and a built-in gate resistor 9. In FIG. 9, 1 is a positive power source of the drive circuit, and 2 is a negative power source, and has a positive electrode, a negative electrode, and a neutral electrode in a configuration connected in series. In the switching circuit, an ON switch circuit composed of a resistor 3 and a switch element 4 (NPN transistor in this example) and an OFF switch circuit composed of a resistor 6 and a switch element 5 (PNP transistor in this example) are connected in series. This is a series switch circuit and is generally called totem pole connection. The drive power supply and the series switch circuit are connected in parallel, and the connection point between the switch element 4 and the switch element 5 of the series switch circuit is connected to the built-in resistor 9 connected in series with the gate of the IGBT 7, and the positive power supply for turning on A connection point between 1 and the negative power source 2 for turning off is connected to the emitter of the IGBT 7.
ＩＧＢＴなどの高速スイッチングが可能な素子を使用すると、この素子がスイッチングする時に回路配線等各部の浮遊インダクタンスによって過大なサージ電圧が発生し、ＩＧＢＴの主端子間に大きな電圧変化率(ｄｖ／ｄｔ)が発生する。これがスイッチングノイズとして、素子の誤動作を引き起こすばかりでなくＩＧＢＴ自身を破壊させてしまう問題がある。これを防止し、ＩＧＢＴを緩やかにスイッチングさせるため、従来は前述の駆動回路のゲート抵抗３及び６を問題が生じなくなる値まで大きくする方法等が採られている。 When an element capable of high-speed switching such as an IGBT is used, an excessive surge voltage is generated due to stray inductance of each part such as circuit wiring when the element is switched, and a large voltage change rate (dv / dt) between the main terminals of the IGBT. Will occur. This causes a problem that the IGBT itself is destroyed as well as causing malfunction of the element as switching noise. In order to prevent this and switch the IGBT gently, a method of increasing the gate resistances 3 and 6 of the drive circuit to a value that does not cause a problem has been conventionally employed.
図１１に、ＩＧＢＴを用いたインバータの一般的な回路図を示す。インバータはそれぞれダイオードが逆並列接続された6個のＩＧＢＴＴ１〜Ｔ６で構成され、直流電源ＤＰと並列接続される。上アームと下アームのＩＧＢＴを交互にスイッチすることで、交流出力から負荷に電力を供給するものである。 FIG. 11 shows a general circuit diagram of an inverter using an IGBT. The inverter is composed of six IGBTs T1 to T6 each having a diode connected in antiparallel, and is connected in parallel with the DC power source DP. By alternately switching the IGBTs of the upper arm and the lower arm, power is supplied from the AC output to the load.
図１２に、インバータ回路の１相分の回路図を示す。図１２の駆動回路部分ＧＤＵ１、ＧＤＵ２が図９の駆動回路に対応している。
図9において、外部より指令されるオンオフ信号に基づいたＩＧＢＴ７のゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥは、オン時はオン用の正側電源１からターンオン用ゲート抵抗３とスイッチ素子４との直列回路とゲート抵抗９とを介して、オフ時はオフ用の負側電源２からスイッチ素子５とターンオフ用ゲート抵抗6とゲート抵抗９との直列回路を介して、各々ゲートに供給される。電力変換回路においては、ＩＧＢＴ７のゲート・エミッタ間電圧は、オン時は順バイアスの電圧に、オフ時は逆バイアスの電圧とする駆動方式が一般的である。
FIG. 12 shows a circuit diagram for one phase of the inverter circuit. The drive circuit portions GDU1 and GDU2 in FIG. 12 correspond to the drive circuit in FIG.
In FIG. 9, the gate-emitter voltage V GE of the IGBT 7 based on the on / off signal commanded from the outside is a series circuit of the turn-on gate resistor 3 and the switch element 4 from the on-side positive power source 1 when on. When turned off, the gate is supplied from the negative power source 2 for turning off to the gate via the switch element 5, the gate resistor 6 for turning off, and the gate resistor 9 at the time of turning off. In the power conversion circuit, a drive system in which the gate-emitter voltage of the IGBT 7 is a forward bias voltage when turned on and a reverse bias voltage when turned off is common.
ＩＧＢＴ７のゲート入力にはＩＧＢＴ７の構造上コンデンサ容量があるので、ゲート駆動回路によるゲート容量の充放電時間をターンオン用ゲート抵抗3及びターンオフ用ゲート抵抗６により調整できる。ターンオン用ゲート抵抗３及びターンオフ用ゲート抵抗６を増加させることにより、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量とターンオン用ゲート抵抗３及びターンオフ用ゲート抵抗6から決まる充放電の時定数が長くなり、ＩＧＢＴ７のゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥの立ち上がりと立ち下がりを緩やかにすることができる。その結果、ＩＧＢＴ７は緩やかなスイッチングを行い、電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）や電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）が低減され、サージ電圧の抑制によりスイッチングノイズが低減される。充放電の時定数を長くする別の手段としては、ゲート容量を増加させることであり、ＩＧＢＴ７のゲート・エミッタ間にコンデンサを接続することに相当する。 Since the gate input of the IGBT 7 has a capacitor capacity due to the structure of the IGBT 7, the charge / discharge time of the gate capacity by the gate drive circuit can be adjusted by the turn-on gate resistor 3 and the turn-off gate resistor 6. By increasing the turn-on gate resistance 3 and the turn-off gate resistance 6, the gate input capacitance of the IGBT 7 and the charge / discharge time constant determined by the turn-on gate resistance 3 and the turn-off gate resistance 6 become longer. The rise and fall of the inter-voltage V GE can be moderated. As a result, the IGBT 7 performs gradual switching, the current change rate (di / dt) and the voltage change rate (dv / dt) are reduced, and the switching noise is reduced by suppressing the surge voltage. Another means for increasing the charge / discharge time constant is to increase the gate capacitance, which corresponds to connecting a capacitor between the gate and emitter of the IGBT 7.
図１０にターンオン用ゲート抵抗３及びターンオフ用ゲート抵抗６の値を変えた場合のスイッチング波形の違いを示す。上アームのＩＧＢＴＴ１と並列接続されたダイオードを介して還流電流が流れている時に下アームのＩＧＢＴをオンさせた時の波形で、下アームのＩＧＢＴをオンさせると、上アームのダイオードが逆回復してオフ状態となり、下アームのＩＧＢＴＴ２が電流を流す動作となる。図１０（ａ）は図１２における下アームのＩＧＢＴＴ２のゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥを、図１０（ｂ）は下アームのＩＧＢＴ２のゲート電流Igを、図（ｃ）は下アームのＩＧＢＴＴ２のコレクタ・エミッタ間電圧ＶＧＥとコレクタ電流Ｉｃを、図１０（ｄ）は上アームのダイオードのアノード（ＩＧＢＴＴ１のエミッタ）・カソード（ＩＧＢＴＴ１のコレクタ）間電圧ＶＡＫとダイオードの順方向電流IFを、各々示している。細線はターンオン用ゲート抵抗３及びターンオフ用ゲート抵抗６の値を小さくした時の波形例で、太線はターンオン用ゲート抵抗３及びターンオフ用ゲート抵抗６の値を大きくした時の波形例である。ゲート抵抗値を大きくすると、ＩＧＢＴとダイオードのスイッチング時の電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）と電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）が小さくなる。ゲート抵抗値を大きくしてノイズ発生を低減する方法とその対策例は特許文献１に記載されている。 FIG. 10 shows the difference in switching waveforms when the values of the turn-on gate resistor 3 and the turn-off gate resistor 6 are changed. The waveform when the lower arm IGBT is turned on when the return current is flowing through the diode connected in parallel with the upper arm IGBTTT1. When the lower arm IGBT is turned on, the upper arm diode reversely recovers. Thus, the lower arm IGBTTT 2 is turned on. 10A shows the gate-emitter voltage V GE of the lower arm IGBTTT 2 in FIG. 12, FIG. 10B shows the gate current Ig of the lower arm IGBT 2, and FIG. 10C shows the collector of the lower arm IGBTTT 2. · emitter voltage V GE and the collector current Ic, the forward current I F of FIG. 10 (d) (emitter of IGBTT1) the anode of the upper arm diode cathode (collector of IGBTT1) between voltage V AK and the diode, Each is shown. A thin line is an example of a waveform when the values of the turn-on gate resistor 3 and the turn-off gate resistor 6 are reduced, and a thick line is an example of a waveform when the values of the turn-on gate resistor 3 and the turn-off gate resistor 6 are increased. When the gate resistance value is increased, the current change rate (di / dt) and the voltage change rate (dv / dt) during switching of the IGBT and the diode are reduced. A method for reducing the generation of noise by increasing the gate resistance value and a countermeasure example thereof are described in Patent Document 1.
上述のような方法はゲートの入力容量の充放電に時間がかかり、駆動回路にオンオフ信号が入力されてから実際にＩＧＢＴが動作するまでの時間が増加してしまうため、短時間でのＩＧＢＴのスイッチングが困難であり、スイッチング損失が増加するなどの問題がある。又、ＩＧＢＴ７のゲート・エミッタ間にコンデンサを接続する方法にはＩＧＢＴのゲート・エミッタ間容量を充放電する電流とコンデンサを充放電する電流が流れるため、駆動回路の電流容量を増加させる必要があり、駆動回路の電源容量が増加する問題がある。これらを解決するための発明として、特許文献２〜４があるが、いずれも高速化で低損失化は図れるがノイズ低減効果が小さいこと、部品点数が増加すること、制御が複雑化することなどの問題がある。 In the method as described above, it takes time to charge and discharge the input capacitance of the gate, and the time from when the on / off signal is input to the drive circuit until the actual operation of the IGBT increases. There are problems such as difficulty in switching and an increase in switching loss. In addition, in the method of connecting a capacitor between the gate and emitter of the IGBT 7, a current for charging / discharging the gate-emitter capacitance of the IGBT and a current for charging / discharging the capacitor flow, so it is necessary to increase the current capacity of the drive circuit. There is a problem that the power supply capacity of the drive circuit increases. As inventions for solving these problems, there are Patent Documents 2 to 4, all of which can increase the speed and reduce the loss, but the noise reduction effect is small, the number of parts increases, the control is complicated, etc. There is a problem.
従って、本発明の課題は、スイッチング時間の遅れが小さく且つスイッチング損失を増加させずに、ノイズ低減効果の大きな電圧駆動型半導体素子の駆動回路を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a drive circuit for a voltage-driven semiconductor element that has a small switching time delay and a large noise reduction effect without increasing the switching loss.
上述の課題を解決するために、第１の発明においては、電圧駆動型半導体素子の駆動回路において、駆動回路用電源と、コンデンサと第１の抵抗との並列回路と第１のスイッチ素子との直列回路からなるオン用の第１のスイッチング回路と、第２の抵抗と第２のスイッチ素子との直列回路からなるオフ用の第２のスイッチング回路と、前記第１のスイッチング回路と前記第２のスイッチング回路とを直列接続した駆動用スイッチ回路の直列接続点と前記電圧駆動型半導体素子のゲートとの間に接続された第３の抵抗と、を備え、前記駆動用スイッチ回路は前記駆動回路用電源と並列接続され、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とに前記電圧駆動型半導体素子用のオンオフ信号を外部から与える。 In order to solve the above-mentioned problem, in the first invention, in a drive circuit for a voltage-driven semiconductor element, a power supply for the drive circuit, a parallel circuit of a capacitor and a first resistor, and a first switch element are provided. A first switching circuit for turning on composed of a series circuit, a second switching circuit for turning off consisting of a series circuit of a second resistor and a second switch element, the first switching circuit and the second switching circuit And a third resistor connected between the series connection point of the drive switch circuit in which the switching circuit is connected in series and the gate of the voltage-driven semiconductor element, the drive switch circuit comprising the drive circuit An on / off signal for the voltage-driven semiconductor element is externally supplied to the first switch element and the second switch element.
第２の発明においては、電圧駆動型半導体素子の駆動回路において、駆動回路用電源と、コンデンサと第１の抵抗との並列回路と第３の抵抗と第１のスイッチ素子との直列回路からなるオン用の第１のスイッチング回路と、第２の抵抗と第２のスイッチ素子との直列回路からなるオフ用の第２のスイッチング回路と、を備え、前記第１のスイッチング回路と前記第２のスイッチング回路とを直列接続した駆動用スイッチ回路の直列接続点と前記電圧駆動型半導体素子のゲートとを直接又は抵抗を介して接続し、前記駆動用スイッチ回路は前記駆動回路用電源と並列接続され、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とに前記電圧駆動型半導体素子用のオンオフ信号を外部から与える。 According to a second aspect of the present invention, a drive circuit for a voltage-driven semiconductor element includes a power supply for a drive circuit, a parallel circuit of a capacitor and a first resistor, and a series circuit of a third resistor and a first switch element. A first switching circuit for turning on, and a second switching circuit for turning off composed of a series circuit of a second resistor and a second switching element, the first switching circuit and the second switching circuit A series connection point of a drive switch circuit in which a switching circuit is connected in series and a gate of the voltage-driven semiconductor element are connected directly or via a resistor, and the drive switch circuit is connected in parallel with the power supply for the drive circuit. An on / off signal for the voltage-driven semiconductor element is externally applied to the first switch element and the second switch element.
第３の発明においては、電圧駆動型半導体素子の駆動回路において、駆動回路用電源と、オン用の第１のスイッチ素子と、オフ用の第２のスイッチ素子と、を備え、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とを直列接続した駆動用スイッチ回路の直列接続点と前記電圧駆動型半導体素子のゲートとの間に、コンデンサと第１の抵抗との並列回路とダイオードとの直列回路と、前記直列回路と並列接続される第２の抵抗と、前記第１の抵抗とダイオードとの直列回路と前記第２の抵抗との並列回路と直列接続される第３の抵抗と、を備え、前記駆動用スイッチ回路は前記駆動回路用電源と並列接続され、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とに前記電圧駆動型半導体素子用のオンオフ信号を外部から与える。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a drive circuit for a voltage-driven semiconductor element, comprising: a power supply for a drive circuit; a first switch element for turning on; and a second switch element for turning off; A parallel circuit of a capacitor and a first resistor and a diode are connected between a series connection point of a drive switch circuit in which a switch element and the second switch element are connected in series and a gate of the voltage-driven semiconductor element. A third resistor connected in series with a series circuit; a second resistor connected in parallel with the series circuit; a series circuit of the first resistor and a diode; and a parallel circuit of the second resistor; The drive switch circuit is connected in parallel with the drive circuit power supply, and externally supplies an on / off signal for the voltage-driven semiconductor element to the first switch element and the second switch element.
第４の発明においては、第１〜第３の発明の何れか１項に記載の電圧駆動型半導体素子の駆動回路において、前記電圧駆動型半導体素子のゲート駆動電圧がゲート閾値電圧値に達する時点の駆動電流値が、前記電圧駆動型半導体素子のターンオン時の電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）を所定値以下に抑制する駆動電流値になるように、前記コンデンサの静電容量値及び第１の抵抗の抵抗値が設定される。 According to a fourth aspect of the invention, in the voltage-driven semiconductor element drive circuit according to any one of the first to third aspects, when the gate drive voltage of the voltage-driven semiconductor element reaches a gate threshold voltage value And the capacitance value of the capacitor and the first current value so that the current change rate (di / dt) at the turn-on time of the voltage-driven semiconductor element is suppressed to a predetermined value or less. The resistance value of the resistor is set.
第５の発明においては、第１〜第4の発明の何れか1項に記載の電圧駆動型半導体素子の駆動回路において、前記第１の抵抗と並列接続されるコンデンサの容量値は、前記電圧駆動型半導体素子の入力容量の１．５倍から２．０倍に設定する。 According to a fifth aspect of the invention, in the voltage-driven semiconductor element drive circuit according to any one of the first to fourth aspects of the invention, the capacitance value of the capacitor connected in parallel with the first resistor is the voltage The input capacitance of the driving semiconductor element is set to 1.5 to 2.0 times.
本発明では、コンデンサと第１の抵抗との並列回路と第１のスイッチ素子との直列回路からなるオン用の第１のスイッチング回路と、第２の抵抗と第２のスイッチ素子との直列回路からなるオフ用の第２のスイッチング回路と、前記第１のスイッチング回路と前記第２のスイッチング回路とを直列接続した駆動用スイッチ回路の直列接続点と電圧駆動型半導体素子のゲートとの間に接続された第３の抵抗と、を備え、前記駆動用スイッチ回路は駆動回路用電源と並列接続され、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とに前記電圧駆動型半導体素子用のオンオフ信号を外部から与えるようにしている。 In the present invention, a first switching circuit for turning on that includes a series circuit of a parallel circuit of a capacitor and a first resistor and a first switch element, and a series circuit of a second resistor and a second switch element And a second switching circuit for turning off, a series connection point of a driving switch circuit in which the first switching circuit and the second switching circuit are connected in series, and a gate of the voltage-driven semiconductor element. A third resistor connected, and the drive switch circuit is connected in parallel with a drive circuit power supply, and the first switch element and the second switch element are connected to the voltage-driven semiconductor element. An on / off signal is given from the outside.
この結果、少ない部品で、半導体素子のターンオン時のスイッチング損失を増加させることなく、ノイズを低減することができる電圧駆動型半導体素子の駆動回路を提供することが可能となる。 As a result, it is possible to provide a drive circuit for a voltage-driven semiconductor element that can reduce noise with a small number of components and without increasing the switching loss when the semiconductor element is turned on.
本発明の要点は、コンデンサと第１の抵抗との並列回路と第１のスイッチ素子との直列回路からなるオン用の第１のスイッチング回路と、第２の抵抗と第２のスイッチ素子との直列回路からなるオフ用の第２のスイッチング回路と、前記第１のスイッチング回路と前記第２のスイッチング回路とを直列接続した駆動用スイッチ回路の直列接続点と電圧駆動型半導体素子のゲートとの間に接続された第３の抵抗と、を備え、前記駆動用スイッチ回路は駆動回路用電源と並列接続され、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とに前記電圧駆動型半導体素子用のオンオフ信号を外部から与えるようにしている点である。 The gist of the present invention is that an ON first switching circuit comprising a series circuit of a parallel circuit of a capacitor and a first resistor and a first switch element, a second resistor and a second switch element A second switching circuit for turning off composed of a series circuit, a series connection point of a driving switch circuit in which the first switching circuit and the second switching circuit are connected in series, and a gate of a voltage-driven semiconductor element A third resistor connected in between, and the drive switch circuit is connected in parallel with a drive circuit power supply, and the voltage-driven semiconductor element is connected to the first switch element and the second switch element. The on / off signal is provided from the outside.
図１に、本発明の第1の実施例を示す。従来技術の図9と同一部分には同一番号を付けてその説明を省略している。図１において、ＩＧＢＴ７のオンオフ信号はスイッチ素子としてのＮＰＮトランジスタ４及びＰＮＰトランジスタ５のベースに接続されており、トランジスタ４及びトランジスタ５はオンオフ信号に従ってそれぞれオンオフする。コンデンサ１０を並列接続したターンオン用ゲート抵抗３及びターンオフ用ゲート抵抗６を介して、トランジスタ４及びトランジスタ５のエミッタが共通接続されてＩＧＢＴ７のゲートに直列接続された内蔵抵抗９に接続され、ＩＧＢＴ７に対してゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥを発生させる。トランジスタ４のコレクタはターンオン用ゲート抵抗３及びコンデンサ１０を介してオン用の正側電源１の正極に接続され、トランジスタ５のコレクタはターンオフ用ゲート抵抗６を介してオフ用の負側電源２の負極に接続されている。 FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 9 of the prior art are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In FIG. 1, the on / off signal of the IGBT 7 is connected to the bases of an NPN transistor 4 and a PNP transistor 5 as switching elements, and the transistor 4 and the transistor 5 are turned on and off in accordance with the on / off signal. Through the turn-on gate resistor 3 and the turn-off gate resistor 6 connected in parallel with each other, the emitters of the transistors 4 and 5 are connected in common and connected to the built-in resistor 9 connected in series to the gate of the IGBT 7. On the other hand, a gate-emitter voltage VGE is generated. The collector of the transistor 4 is connected to the positive electrode of the positive power source 1 for turn-on through the turn-on gate resistor 3 and the capacitor 10, and the collector of the transistor 5 is connected to the negative power source 2 for turn-off through the gate resistor 6 for turn-off. Connected to the negative electrode.
次に図１の回路動作について説明する。ＩＧＢＴ７をターンオフさせる動作については、従来技術で説明した動作と同様であるのでその説明は省略する。
外部より指令されるオンオフ信号が入力されると、その信号はトランジスタ４及びトランジスタ５へ入力される。この信号がオン信号であるとオフ用トランジスタ５をオフさせ、同時にオン用トランジスタ4をオンさせる。オン用トランジスタ4がオンすることにより、ＩＧＢＴ７のゲートの電荷は主に充電用コンデンサ１０を通して充電され、ＩＧＢＴ７のゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥが増加し、ＶＧＥがＩＧＢＴ７のゲート閾値電圧値ＶＧＥｔｈに達するとＩＧＢＴ７はターンオンを始める。ゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥがＩＧＢＴ７のゲート閾値電圧値に達してＩＧＢＴ７がターンオンを始めた時のゲート電流値をIGthと定める。
Next, the circuit operation of FIG. 1 will be described. Since the operation for turning off the IGBT 7 is the same as the operation described in the related art, the description thereof is omitted.
When an on / off signal commanded from the outside is input, the signal is input to the transistor 4 and the transistor 5. If this signal is an on signal, the off transistor 5 is turned off, and at the same time the on transistor 4 is turned on. By on-transistor 4 is turned on, the charge of the gate of the IGBT 7 is primarily charged through the charging capacitor 10, increasing the gate-emitter voltage V GE of IGBT 7, the gate threshold voltage value of V GE is IGBT 7 V GETH IGBT7 starts to turn on. The gate current value when the gate-emitter voltage V GE reaches the gate threshold voltage value of the IGBT 7 and the IGBT 7 starts to turn on is defined as IGth.
図２に、図１の動作波形を示す。図２（ａ）は下アームのＩＧＢＴのゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥを、図２（ｂ）は下アームのＩＧＢＴのゲート電流Igを、図２（ｃ）は下アームのＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥとコレクタ電流Ｉｃを、図２（ｄ）は上アームのダイオードのアノード（ＩＧＢＴのエミッタ）・カソード（ＩＧＢＴのコレクタ）間電圧ＶＡＫとダイオードの順方向電流ＩＦを、各々示している。 FIG. 2 shows the operation waveforms of FIG. 2A shows the gate-emitter voltage VGE of the lower arm IGBT, FIG. 2B shows the gate current Ig of the lower arm IGBT, and FIG. 2C shows the collector-emitter of the lower arm IGBT. between voltage V CE and the collector current Ic, FIG. 2 (d) a forward current I F of the upper arm (the emitter of the IGBT) the anode of the diode cathode (collector of IGBT) between voltage V AK and diodes, indicated respectively ing.
図３（ａ）は、図１の構成を簡略化したもので、オン用トランジスタ４及びオン用正側電源１を省略し、オン用正側電源１の代わりにステップ電圧源１３を接続したものである。オン用トランジスタ4のオン及びオフ用トランジスタ５のオフは、ステップ電圧源１３の電圧がオフ用負側電源２の設定電圧値からオン用正側電源１での設定電圧値に達することに相当する。ＩＧＢＴ７のゲートには内蔵抵抗9が接続されており、ＩＧＢＴ7のゲートと接続されていない片方をゲート端子として構成されている。ＩＧＢＴ７におけるゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥは、ＩＧＢＴ7のゲートと接続されていない片方の端子とエミッタとの間の電圧である。又、ＩＧＢＴ７におけるゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥｃｈｉｐは、ＩＧＢＴ7（チップ）のゲートとエミッタとの間の電圧である。ステップ電源１３の正極と、オン用ゲート抵抗３とオン用ゲート抵抗３と並列に接続された充電用コンデンサ１０からなる構成部品とＩＧＢＴ７の内蔵抵抗９が直列接続され、ＩＧＢＴ７のゲートと接続される。 FIG. 3A is a simplified version of the configuration of FIG. 1, omitting the on transistor 4 and the on positive power source 1 and connecting a step voltage source 13 instead of the on positive power source 1. It is. The turning on of the on transistor 4 and the turning off of the off transistor 5 correspond to the voltage of the step voltage source 13 reaching the set voltage value of the on positive power source 1 from the set voltage value of the off negative power source 2. . A built-in resistor 9 is connected to the gate of the IGBT 7, and one side not connected to the gate of the IGBT 7 is configured as a gate terminal. The gate-emitter voltage V GE in the IGBT 7 is a voltage between one terminal not connected to the gate of the IGBT 7 and the emitter. The gate-emitter voltage V GEchip in the IGBT 7 is a voltage between the gate and the emitter of the IGBT 7 (chip). A component consisting of the positive electrode of the step power supply 13, the on-gate resistor 3 and the charging capacitor 10 connected in parallel with the on-gate resistor 3 and the built-in resistor 9 of the IGBT 7 are connected in series and connected to the gate of the IGBT 7. .
ＩＧＢＴ７のゲート・エミッタ間には容量成分(Cies) があるため、ステップ電圧源１３の負極とは容量成分(Cies) を介した接続形態となる。図３（a）において、ステップ電圧源１３がオンになった瞬間には、図３（ｂ）で示すように充電用コンデンサ１０は無電圧状態であり、ＩＧＢＴ７のゲート・エミッタ間ＶＧＥにはステップ電圧源１３の設定電圧が印加される。その後、ターンオン用オン抵抗３、充電用コンデンサ１０、内蔵抵抗9を介して容量成分(Cies)を充電していく。この間には一旦、ステップ電圧源１３の設定電圧、ターンオン用オン抵抗３、充電用コンデンサ１０、内蔵抵抗9及び容量成分(Cies) の各値で決まる電圧値になり、その後に再度ステップ電圧源１３の設定電圧になる。即ち、図３（a）の回路構成ではステップ電圧源がオンになった瞬間のＩＧＢＴ７のゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥは、充電用コンデンサ１０が無い従来の駆動回路の場合より高くなる。又、これにより、駆動電流の立ち上がり時間及び減衰時間が短くなることが実験的に確かめられている。 Since there is a capacitance component (Cies) between the gate and the emitter of the IGBT 7, it is connected to the negative electrode of the step voltage source 13 via the capacitance component (Cies). In FIG. 3A, at the moment when the step voltage source 13 is turned on, the charging capacitor 10 is in a no-voltage state as shown in FIG. 3B, and the gate-emitter V GE of the IGBT 7 A set voltage of the step voltage source 13 is applied. Thereafter, the capacitance component (Cies) is charged through the turn-on on-resistance 3, the charging capacitor 10, and the built-in resistor 9. During this period, the voltage value is determined by the set voltage of the step voltage source 13, the on-resistance 3 for turn-on, the charging capacitor 10, the built-in resistor 9 and the capacitance component (Cies), and then the step voltage source 13 again. Set voltage. That is, in the circuit configuration of FIG. 3A, the gate-emitter voltage V GE of the IGBT 7 at the moment when the step voltage source is turned on is higher than in the case of the conventional drive circuit without the charging capacitor 10. It has also been experimentally confirmed that this shortens the rise time and decay time of the drive current.
又、ステップ電圧源１３の設定電圧、ターンオン用オン抵抗３、充電用コンデンサ１０、内蔵抵抗9及び容量成分(Cies)の値を適宜に設定することで、ＩＧＢＴ７のゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥがＩＧＢＴ７のゲート閾値電圧値ＶＧＥｔｈに達し、ＩＧＢＴ７がターンオンする時の駆動電流の値を極小にする事が可能になる。この条件は、下記の条件式で説明される。 Moreover, setting the voltage of the step voltage source 13, the turn-on on-resistance 3, a charging capacitor 10, by setting appropriately the values of the internal resistors 9 and capacitance component (Cies), the gate-emitter voltage V GE of IGBT7 The gate threshold voltage value V GEth of the IGBT 7 is reached, and the value of the drive current when the IGBT 7 is turned on can be minimized. This condition is explained by the following conditional expression.
ステップ電圧源１３の設定電圧をＥ、ターンオン用オン抵抗３の値をRgon、充電用コンデンサ１０の容量値をCsu、内蔵抵抗9の値をRgin及びIGBT７の容量成分(Cies)の値をCesとして、T1=Rgon・Csu、T2=Rgin・Ces、α=Rgon/Rgin とすると、
図３（a）のＶＧＥは、下記のように求められる。
The set voltage of the step voltage source 13 is E, the value of the turn-on on-resistance 3 is Rgon, the capacitance value of the charging capacitor 10 is Csu, the value of the built-in resistor 9 is Rgin, and the capacitance component (Cies) value of the IGBT 7 is Ces. , T1 = Rgon ・ Csu, T2 = Rgin ・ Ces, α = Rgon / Rgin,
V GE in FIG. 3A is obtained as follows.
ＶＧＥ（ｓ）＝（T1*s+1）*(T2*s+1)*E/((T1*T2*s2+(T1+T2+α*T2)*s+1)*s・・・（１）
ＶＧＥ（ｓ）はラプラス変換式である。この逆変換式 ＶＧＥ（t）は、
ＶＧＥ（ｔ）＝E+E*(1/T1+1/T2+α/T1)*(ep*t-eq*t) /(p-q)・・・（２）
p=(-1/2)*((1/T1+1/T2+α/T1)-√((1/T1+1/T2+α/T1)2-4/T1/T2)
q=(-1/2)*((1/T1+1/T2+α/T1)+√((1/T1+1/T2+α/T1)2-4/T1/T2)
となり、ＶＧＥ（０）＝Ｅ、ＶＧＥ（∞）＝Ｅとなるので、ステップ電圧源１３がオンになった瞬間には、ＩＧＢＴ７のゲート・エミッタ間にはステップ電圧源１３の設定電圧が印加されることがわかる。
V GE (s) = (T1 * s + 1) * (T2 * s + 1) * E / ((T1 * T2 * s 2 + (T1 + T2 + α * T2) * s + 1) * s (1)
V GE (s) is a Laplace transform equation. This inverse transformation equation V GE (t) is
V GE (t) = E + E * (1 / T1 + 1 / T2 + α / T1) * (ep * t- eq * t ) / (pq) (2)
p = (-1/2) * ((1 / T1 + 1 / T2 + α / T1) -√ ((1 / T1 + 1 / T2 + α / T1) 2 -4 / T1 / T2)
q = (-1/2) * ((1 / T1 + 1 / T2 + α / T1) + √ ((1 / T1 + 1 / T2 + α / T1) 2 -4 / T1 / T2)
Since V GE (0) = E and V GE (∞) = E, the set voltage of the step voltage source 13 is set between the gate and the emitter of the IGBT 7 at the moment when the step voltage source 13 is turned on. It can be seen that it is applied.
容量成分(Cies)はＩＧＢＴ７固有の値であるため、極小値をＩＧＢＴ７のゲート閾値電圧値にするには、ステップ電圧源１３の設定電圧、ターンオン用オン抵抗３、充電用コンデンサ１０、内蔵抵抗９の値の選び方をかえることになる。 Since the capacitance component (Cies) is a value unique to the IGBT 7, in order to set the minimum value to the gate threshold voltage value of the IGBT 7, the set voltage of the step voltage source 13, the turn-on on resistance 3, the charging capacitor 10, and the built-in resistance 9 It will change the way of selecting the value of.
図３の回路における電流Ｉは、下記のように求められる。
Ｉ（ｓ）＝Ces*(T1*s+1)*E/(T1*T2*s2+(T1+T2+αT2)*s+1)・・・（３）
Ｉ（ｓ）はラプラス変換式である。この逆変換式 Ｉ（t）は、
Ｉ（ｔ）＝E*((p+1/T1)*ep*t-(q+1/T1)*eq*t) /Rgin/(p-q)・・・（４）
となる。
The current I in the circuit of FIG. 3 is obtained as follows.
I (s) = Ces * (T1 * s + 1) * E / (T1 * T2 * s 2 + (T1 + T2 + αT2) * s + 1) (3)
I (s) is a Laplace transform equation. This inverse transformation formula I (t) is
I (t) = E * ((p + 1 / T1) * e p * t- (q + 1 / T1) * e q * t ) / Rgin / (pq) (4)
It becomes.
ターンオン時の電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）の大きさは、従来技術でも説明したようにターンオン用ゲート抵抗３の値でも変えることが可能であるが、本発明でゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥがＩＧＢＴ７のゲート閾値電圧値ＶＧＥｔｈに達してＩＧＢＴ７がターンオンを始めた時のゲート電流値IGthを式（４）の関係を用いて、コレクタ電流Ｉｃが問題のないターンオン時の電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）になるようなゲート電流値IGthにするためのステップ電圧源１３の設定電圧、ターンオン用オン抵抗３、充電用コンデンサ１０、内蔵抵抗9の各値を見出すことが可能となる。 The magnitude of the current change rate (di / dt) at turn-on can be changed by the value of the gate-on gate resistance 3 as described in the prior art, but in the present invention, the gate-emitter voltage V GE is The gate current value I G th when the gate threshold voltage value V GEth of the IGBT 7 reaches the gate threshold voltage value V GEth and the IGBT 7 starts to turn on is obtained by using the relationship of the equation (4). It is possible to find the set voltage of the step voltage source 13, the turn-on on-resistance 3, the charging capacitor 10, and the built-in resistor 9 to obtain a gate current value I G th that becomes di / dt). .
図4は、ＩＧＢＴ7のゲート・エミッタ間容量成分(Cies)の値(Ces)が０．０２２μFの場合に対して、本発明の図３での充電用コンデンサ１０の容量値を変化させた場合のゲート閾値電圧でのゲート電流値IGthの変化を示したものであり、極小値があることがわかる。図４からわかるように、極小値になる時の充電用コンデンサ１０の容量値は、ＩＧＢＴ７の容量成分(Cies)の値(Ces）に対して１．５倍から２．０倍になっている。 FIG. 4 shows the case where the capacitance value of the charging capacitor 10 in FIG. 3 of the present invention is changed with respect to the case where the gate-emitter capacitance component (Cies) value (Ces) of the IGBT 7 is 0.022 μF. This shows a change in the gate current value I G th at the gate threshold voltage, and it can be seen that there is a minimum value. As can be seen from FIG. 4, the capacitance value of the charging capacitor 10 at the minimum value is 1.5 to 2.0 times the value (Ces) of the capacitance component (Cies) of the IGBT 7. .
図５は本発明の駆動回路を用いて実際にＩＧＢＴをスイッチングさせた時のターンオン波形を、図６は従来技術でＩＧＢＴをスイッチングさせた時のターンオン波形である。上アームのＩＧＢＴをターンオンさせた時に下アームのダイオードが逆回復した時の波形であり、本発明を用いた場合のダイオード電圧（対向アームのＩＧＢＴの電圧と同じ）ＶＡＫのサージ電圧及び振動は従来に比べて低いことがわかる。 FIG. 5 shows a turn-on waveform when the IGBT is actually switched using the drive circuit of the present invention, and FIG. 6 shows a turn-on waveform when the IGBT is switched according to the prior art. This is a waveform when the diode of the lower arm is reversely recovered when the IGBT of the upper arm is turned on, and the surge voltage and vibration of the diode voltage (the same as the voltage of the IGBT of the opposite arm) V AK when the present invention is used are It turns out that it is low compared with the past.
図７に、本発明の第２の実施例を示す。第１の実施例との違いは、ＩＧＢＴ７の内蔵抵抗９がない場合の例であり、ターンオン用ゲート抵抗３を抵抗１１と１２に分割し、抵抗１１と並列に充電コンデンサ１０接続した構成である。第１の実施例で内蔵されていた抵抗９を抵抗１２に置き換えたことになるが、実際には内蔵抵抗９がない場合にはターンオフ時のスイッチング速度が高速になりすぎる場合もあり、駆動回路とＩＧＢＴ７のゲートとの間に抵抗を接続する場合もある。この場合には、抵抗１２の一部を駆動回路とＩＧＢＴ７のゲートとの間に接続すれば第１の実施例と同等の効果が得られる。 FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is an example in the case where the built-in resistor 9 of the IGBT 7 is not provided, and the configuration is such that the turn-on gate resistor 3 is divided into resistors 11 and 12, and the charging capacitor 10 is connected in parallel with the resistor 11. . Although the resistor 9 built in the first embodiment is replaced with the resistor 12, in actuality, if the built-in resistor 9 is not provided, the switching speed at turn-off may be too high, and the drive circuit And a gate of the IGBT 7 may be connected with a resistor. In this case, if a part of the resistor 12 is connected between the drive circuit and the gate of the IGBT 7, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
図８に、本発明の第３の実施例を示す。第１の実施例との違いは、ターンオン用ゲート抵抗３及びターンオフ用ゲート抵抗６を用いず、オン用トランジスタ４とオフ用トランジスタ５のエミッタ共通接続点と内蔵抵抗をゲート接続したＩＧＢＴモジュールとの間に第１の実施例と同様の機能を有する抵抗１４、１５とコンデンサ１０とダイオード１６とからなる回路を接続している点である。この回路の構成は、ターンオン用ゲート抵抗１４と充電用コンデンサ１０の並列回路とダイオード１６とを直列接続した直列回路と並列にターンオフ用ゲート抵抗１５を接続した構成である。効果は図１と同等である。ＩＧＢＴ７のゲート内蔵抵抗９を接続したモジュールでの実施例であるが、内蔵抵抗が無い場合には
外側に内蔵抵抗９と同等の抵抗を接続すれば同等の効果が得られる。
FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the turn-on gate resistor 3 and the turn-off gate resistor 6 are not used, but the emitter common connection point of the on transistor 4 and the off transistor 5 and the IGBT module in which the built-in resistor is gate-connected. A circuit composed of resistors 14 and 15 having the same function as in the first embodiment, a capacitor 10 and a diode 16 is connected between them. This circuit has a configuration in which a turn-off gate resistor 15 is connected in parallel to a series circuit in which a parallel circuit of a turn-on gate resistor 14 and a charging capacitor 10 and a diode 16 are connected in series. The effect is equivalent to FIG. In this embodiment, the built-in resistor 9 of the IGBT 7 is connected to the module. However, if there is no built-in resistor, the same effect can be obtained by connecting a resistor equivalent to the built-in resistor 9 outside.
尚、本発明の実施例は電圧駆動型半導体素子としてＩＧＢＴを用いた場合を説明したが、電圧駆動型半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴなどについても同様の効果が得られる。また、実施例ではオン用正側電源とオフ用負側電源を用いたが、オン用正側電源のみでも有効に働くことは明らかである。 In the embodiment of the present invention, the IGBT is used as the voltage-driven semiconductor element. However, the same effect can be obtained with a MOSFET or the like as the voltage-driven semiconductor element. In the embodiment, the on positive power source and the off negative power source are used. However, it is obvious that only the on positive power source works effectively.
本発明は、電圧駆動型半導体素子の駆動回路に関するものであり、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴを適用した電力変換装置全般に適用可能である。 The present invention relates to a drive circuit for a voltage-driven semiconductor element, and can be applied to all power conversion devices to which IGBTs or MOSFETs are applied.
１・・・オン用正側電源 ２・・・オフ用負側電源
３、６、９、１１、１２、１４、１５・・・抵抗
４・・・スイッチ素子（ＮＰＮトランジスタ）
５・・・スイッチ素子（ＰＮＰトランジスタ）
７、Ｔ１〜Ｔ６・・・ＩＧＢＴ ８、１６・・・ダイオード
１０・・・コンデンサ ＤＰ・・・直流電源
ＧＤＵ１、ＧＤＵ２・・・ゲート駆動回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive power supply for ON 2 ... Negative power supply for OFF 3, 6, 9, 11, 12, 14, 15 ... Resistance 4 ... Switch element (NPN transistor)
5 ... Switch element (PNP transistor)
7, T1 to T6 ... IGBT 8, 16 ... Diode 10 ... Capacitor DP ... DC power supply GDU1, GDU2 ... Gate drive circuit
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