JP2015080335A - ゲート駆動回路 - Google Patents

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脩平 松本
宏 餅川
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宏 餅川
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Atsuhiko Kuzumaki
淳彦 葛巻
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Abstract

【課題】インバータの誤動作及び過電流による素子破壊を防止することが可能なゲート駆動回路を提供することにある。
【解決手段】実施形態によれば、シリコンカーバイドを用いたMOS型電界効果トランジスタと接続されるゲート駆動回路が提供される。ドライバは、MOS型電界効果トランジスタのゲート端子に、第1のゲート抵抗より抵抗値が低い第2のゲート抵抗とゲート端子にアノードを接続し、前記第2のゲート抵抗にカソードを接続したゲートオフ用のダイオードとの直列接続に第1のゲート抵抗が並列に接続されている経路を介して接続され、MOS型電界効果トランジスタをオン状態またはオフ状態にする信号を出力する。過電流検出回路は、MOS型電界効果トランジスタのドレイン端子及びソース端子間に接続され、当該ドレイン・ソース間の過電流を検出する。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、ゲート駆動回路に関する。
従来、ハイブリッド電気自動車のモータ可変速ドライブ用インバータまたは太陽光発電用電力系統接続インバータ等では、スイッチングデバイスとしてSi(シリコン)を材料としたIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)またはMOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)が用いられている。
一方、近年では、材料特性として同一の厚さでも高電圧を印加できるため、同一の電圧用スイッチングデバイスとして用いた際にSiよりも薄型化することが可能であり、結果として導通損失が小さいSiC(シリコンカーバイド)を用いたノーマリオフ型のトランジスタが実用化されつつある。
このようなトランジスタによれば、低導通損失と、高速低損失スイッチング特性との両面から、インバータの発熱損失を飛躍的に低減することが可能である。このため、高パワー密度化が要求されるハイブリッド電気自動車、電気自動車及び太陽光発電用インバータ等の省エネ・環境調和型インバータへの適用が期待されている。
なお、一般的なゲート駆動回路としては、半導体スイッチのゲートにそれぞれ正負バイアス電圧を加えてゲートオン・オフを行うことが知られている。
特開平10−304650号公報
しかしながら、上記したようにSiCを用いたノーマリオフ型のトランジスタを実際にインバータで動作させる場合において、ゲートオン時の正バイアスと同レベルの負バイアスをゲートオフ時に加えると、オンとオフとの閾値がシフトしてしまい、スイッチとしての性能が低下する。
また、SiCを用いたトランジスタのオンとオフの閾値電圧は正であるが0に近く、例えば上下アームの使用の際には、下段素子のオフ状態において上段素子がオンするタイミングで下段スイッチのドレイン・ソース電圧が0Vから急激に上昇し、ゲート・ドレイン間の浮遊キャパシタを介してゲート・ソース間の電圧を上昇させる。このため、オフとオンの閾値を超過して、下段素子が誤ってオン状態となる場合がある。
更に、インバータの上段及び下段素子において短絡等が発生した場合、過電流によりトランジスタが素子破壊を起こしてしまう場合がある。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、インバータの誤動作及び過電流による素子破壊を防止することが可能なゲート駆動回路を提供することにある。
実施形態によれば、シリコンカーバイドを用いたMOS型電界効果トランジスタと接続されるゲート駆動回路が提供される。
実施形態に係るゲート駆動回路は、ドライバと、過電流検出回路とを具備する。
前記ドライバは、前記MOS型電界効果トランジスタのゲート端子に、第1のゲート抵抗より抵抗値が低い第2のゲート抵抗と前記ゲート端子にアノードを接続し、前記第2のゲート抵抗にカソードを接続したゲートオフ用のダイオードとの直列接続に前記第1のゲート抵抗が並列に接続されている経路を介して接続され、前記MOS型電界効果トランジスタをオン状態またはオフ状態にする信号を出力する。
前記過電流検出回路は、前記MOS型電界効果トランジスタのドレイン端子及びソース端子間に接続され、当該ドレイン・ソース間の過電流を検出する。
第1の実施形態に係るゲート駆動回路について説明するための図。 第2の実施形態に係るゲート駆動回路について説明するための図。 第3の実施形態に係るゲート駆動回路について説明するための図。 第4の実施形態に係るゲート駆動回路について説明するための図。 第5の実施形態に係るゲート駆動回路について説明するための図。
以下、図面を参照して、各実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
まず、図1を参照して、第1の実施形態に係るゲート駆動回路について説明する。図1に示すように、本実施形態に係るゲート駆動回路10は、シリコンカーバイド(SiC)を用いたMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)20aと接続される。
ゲート駆動回路10及びMOSFET20aは、インバータを構成する。図1においては省略されているが、例えば3相インバータの場合、当該インバータのUVW各相は、図1に示すMOSFET20a及び20bのように、2つの直列接続されたスイッチング素子で構成される。なお、図1に示すMOSFET20a及び20bは、インバータにおける主回路を構成する。この直列接続されたMOSFET20a及び20bは、インバータにおいて交互にオン・オフされる。
また、図1においては省略されているが、上段のMOSFET20bには、MOSFET20aと同様にゲート駆動回路10と同様のゲート駆動回路が接続される。
図1に示すゲート駆動回路10は、ドライバ(フォトカプラ)11、MOSFET20a用のゲート抵抗(第1のゲート抵抗)12、ゲートオフ用のゲート抵抗(第2のゲート抵抗)13、ダイオード14、正バイアス電圧源15、コンデンサ(キャパシタ)16及び過電流検出回路17を備える。
ドライバ11は、ゲート駆動回路10と接続されているインバータの制御回路(図示せず)からのゲート制御信号を受けて、ゲートオン・オフ信号(MOSFET20aをオン状態またはオフ状態にする信号)を出力する。ドライバ11は、MOSFET20aのゲート端子に、ゲート抵抗12がゲート抵抗13とダイオード14との直列接続に並列に接続されている経路(つまり、ゲート抵抗12とゲート抵抗13及びダイオード14の直列接続との並列回路を含む経路)を介して接続される。
ゲートオフ用のゲート抵抗13は、並列に接続されているMOSFET20a用のゲート抵抗12と比較して抵抗値が低い。また、ダイオード14は、MOSFET20aのゲート端子にアノードを接続し、ゲート抵抗13にカソードを接続する。
なお、ゲートオン時にはゲート抵抗12側の経路が用いられ、ゲートオフ時にはゲート抵抗13とダイオード14とが直列接続されている側の経路が用いられる。
正バイアス電圧源15は、MOSFET20aをオン状態とする際に正バイアス電圧を供給する。なお、MOSFET20aをオフ状態とする際には、正バイアス電圧は供給されない(つまり、0Vとする)。
キャパシタ16は、MOSFET20aのゲート端子及びソース端子間(つまり、ゲート・ソース間)に接続される。
過電流検出回路17は、MOSFET20aのドレイン端子及びソース端子間に接続され、当該ドレイン・ソース間の過電流を検出するための回路である。過電流検出回路17は、図1に示すように、バイポーラトランジスタ17a〜17c、ダイオード17d〜17f、抵抗17g〜17k、コンデンサ17l、17m及びフォトカプラ17nを備える。
なお、抵抗17g及び17hは、後述する過電流を検出するための閾値となる電圧値(以下、過電流検出用閾値と表記)を決定(調整)するために用いられる抵抗である。抵抗17iは、バイポーラトランジスタ17b用のベース抵抗である。抵抗17jは、バイポーラトランジスタ17c用のベース抵抗である。抵抗17kは、フォトカプラ17n用の電流制限抵抗である。また、コンデンサ17l及び17mは、例えばノイズ等を除去するためのフィルタコンデンサである。
過電流検出回路17は、このような回路に流れる電流に基づいてMOSFET20aのドレイン・ソース間の電圧(ドレイン・ソース電圧)の上昇を検出することによって、ドレイン・ソース間の過電流を検出することができる。
本実施形態に係るゲート駆動回路10においては、例えば図1において直列上段に接続されたMOSFET20bが高速にオフ状態からオン状態になり、直列下段に接続されたMOSFET20aの両端に主回路直流電圧が印加された場合、ゲート抵抗12よりも抵抗値が低いゲート抵抗13と上記したようなダイオード14との直列接続がゲート抵抗12に対して並列に接続されていることにより、MOSFET20aのドレイン・ゲート間の浮遊キャパシタを介してのゲート・ソース間の電圧上昇が抑制される。
更に、本実施形態に係るゲート駆動回路10においては、上記したように直列上段に接続されたMOSFET20bが高速にオフ状態からオン状態になり、直列下段に接続されたMOSFET20aの両端に主回路直流電圧が印加された場合、MOSFET20aのゲート・ソース間に接続されたキャパシタ17により、MOSFET20aのドレイン・ゲート間の浮遊キャパシタを介してのゲート・ソース間の電圧上昇が抑制される。
つまり、このようなゲート駆動回路10によれば、MOSFET20aのゲート・ドレイン間の浮遊キャパシタ及びゲート・ソース間の浮遊キャパシタの両キャパシタの大きさが異なることによって電流が流れて電圧が上昇することを、キャパシタ17によるゲート・ソース間のキャパシタンスの増加により抑制する。
また、本実施形態に係るゲート駆動回路10において、上記した過電流検出用閾値(電圧値)は、直列に接続されたMOSFET20a及び20bに短絡が発生していない場合にはダイオード14が接続されている経路に電流が流れ、当該短絡が発生した場合にはダイオード14が接続されている経路に電流が流れないように、抵抗17g及び17hによって設定されている。
即ち、直列に接続されたMOSFET20a及び20bに短絡が発生していない場合、ダイオード14が接続されている経路に電流が流れ、この際、トランジスタ17a及び17cはオン状態になり、トランジスタ17bはオフ状態となる。この状態では、フォトカプラ17nには電流が流れないため、当該フォトカプラ17nではMOSFET20aのドレイン・ソース間の電圧(Vds)の上昇は検出されない。
一方、直列に接続されたMOSFET20a及び20bに短絡が発生した場合、ダイオード14が接続されている経路に電流が流れず、この際、トランジスタ17a及び17cはオフ状態となり、トランジスタ17bはオン状態となる。この状態では、フォトカプラ17nには電流が流れるため、当該フォトカプラ17nではMOSFET20aのドレイン・ソース間の電圧(Vds)の上昇が検出される。
なお、このように過電流検出回路17においてMOSFET20aのドレイン・ソース間の電圧(Vds)の上昇(過電流によるドレイン・ソース電圧の上昇)が検出された場合、当該過電流検出回路17に備えられるフォトカプラ17nは過電流による電圧の上昇が検出された旨の信号(以下、過電流信号と表記)を例えば外部のコンピュータ等に出力する。この場合、外部のコンピュータでは、例えばMOSFET20aに対してゲートオフ信号(MOSFET20aをオフ状態にする信号)等を出力するような対応が行われる。
上記したように本実施形態においては、シリコンカーバイド(SiC)を用いたMOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)20aのゲート端子及びドライバ11を、ゲート抵抗12より抵抗値が低いゲートオフ用のゲート抵抗13と当該ゲート端子にアノードを接続し、当該ゲート抵抗13にカソードを接続したダイオード14との直列接続に当該ゲート抵抗12が並列に接続されている経路を介して接続する構成により、例えばノイズ・外乱等の影響によってゲート抵抗12に電流が流れることによるゲート・ソース間の電圧の上昇を抑制できるため、当該ゲート・ソース間の電圧の上昇によってオフ状態のMOSFET20aが誤ってオン状態となることを回避することができる。したがって、本実施形態によれば、MOSFET20aからなるインバータの誤動作を防止することが可能となる。
また、本実施形態においては、MOSFET20aのドレイン端子及びソース端子間に過電流検出回路を接続する構成により、当該MOSFET20aのドレイン・ソース間の電圧の上昇(つまり、過電流)を検出することが可能となり、当該過電流が検出された場合にはMOSFET20aに対してゲートオフ信号等を出力するような対応をとることによって過電流による素子破壊の防止(つまり、保護)を実現することができる。
更に、本実施形態においては、MOSFET20aのゲート端子及びソース端子間にキャパシタ16を接続する構成により、ゲート・ソース間のキャパシタンスの増加によってゲート・ソース間の電圧の上昇を抑制することができ、当該ゲート・ソース間の電圧の上昇によってオフ状態のMOSFET20aが誤ってオン状態となることを回避することができるため、当該MOSFET20aからなるインバータの誤動作を防止することが可能となる。
(第2の実施形態)
次に、図2を参照して、第2の実施形態に係るゲート駆動回路について説明する。なお、前述した図1と同様の部分には同一参照符号を付してその詳しい説明を省略する。ここでは、図1と異なる部分について主に述べる。
図2に示すように、本実施形態に係るゲート駆動回路30は、SiCを用いたMOSFET20aと接続される。ゲート駆動回路30及びMOSFET20aは、インバータを構成する。
また、図2においては省略されているが、上段のMOSFET20bには、MOSFET20aと同様に、ゲート駆動回路30と同様のゲート駆動回路が接続される。
本実施形態に係るゲート駆動回路30は、図2に示すように、負バイアス電圧源31を備える。この負バイアス電圧源31は、MOSFET20aのソース端子とドライバ11との間に接続される。負バイアス電圧源31は、前述した第1の実施形態において説明した正バイアス電圧源15によって供給される正バイアス電圧(値)に対して絶対値が小さく、かつ、0より大きい負バイアス電圧(値)を供給する。
本実施形態に係るゲート駆動回路30においては、MOSFET20aをオン状態とする際には正バイアス電圧源15によって正バイアス電圧が供給される。一方、MOSFET20aをオフ状態とする際には負バイアス電圧源31によって負バイアス電圧が供給される。
上記したように本実施形態においては、シリコンカーバイド(SiC)を用いたMOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)20aのソース端子とドライバ11との間に、正バイアス電圧に対して絶対値が小さく、かつ、0より大きい負バイアス電圧を接続する構成により、例えばノイズ・外乱等の影響によってゲート・ソース間の電圧が上昇したとしても、負バイアス電圧によりオフとオンとの閾値を超えることを防止することができる。
なお、SiCは、負バイアス電圧を正バイアス電圧と同レベルで与えると酸化膜が劣化し、スイッチの性能低下を引き起こしてしまう。このため、SiCの特性を維持するためには、負バイアス電圧源31によって供給される負バイアス電圧(値)は、正バイアス電圧に対して絶対値が1/5以下であることが好ましい。これによれば、負バイアス電圧を正バイアス電圧と同レベルで供給する場合と比較して、酸化膜の劣化によるSiCの特性の低下を防止することが可能となる。
(第3の実施形態)
次に、図3を参照して、第3の実施形態に係るゲート駆動回路について説明する。なお、前述した図1と同様の部分には同一参照符号を付してその詳しい説明を省略する。ここでは、図1と異なる部分について主に述べる。
図3に示すように、本実施形態に係るゲート駆動回路40は、SiCを用いたMOSFET20aと接続される。ゲート駆動回路40及びMOSFET20aは、インバータを構成する。
また、図3においては省略されているが、上段のMOSFET20bには、MOSFET20aと同様に、ゲート駆動回路40と同様のゲート駆動回路が接続される。
本実施形態に係るゲート駆動回路40は、図3に示すように、昇高圧チョッパ回路41を備える。
昇高圧チョッパ回路41は、正バイアス電圧源15によって供給される正バイアス電圧から負バイアス電圧を生成する(発生させる)。昇高圧チョッパ回路41によって生成された負バイアス電圧は、MOSFET20aをオフ状態とする際に供給される。
また、昇高圧チョッパ回路41によって生成された負バイアス電圧の電圧値は、前述した第1の実施形態において説明したように、正バイアス電圧に対して絶対値が小さく、かつ、0より大きい。好ましくは、正バイアス電圧に対して絶対値が1/5以下である。
上記したように本実施形態においては、正バイアス電圧源15によって供給される正バイアス電圧から負バイアス電圧を生成する昇高圧チョッパ回路31を備える構成により、前述した第2の実施形態において説明した負バイアス電圧源31を用いることなく、例えばノイズ・外乱等の影響によってゲート・ソース間の電圧が上昇したとしても負バイアス電圧によりオフとオンとの閾値を超えることを防止することができ、更には、酸化膜の劣化によるSiCの特性の低下を防止することができる。
(第4の実施形態)
次に、図4を参照して、第4の実施形態に係るゲート駆動回路について説明する。なお、前述した図1と同様の部分には同一参照符号を付してその詳しい説明を省略する。ここでは、図1と異なる部分について主に述べる。
図4に示すように、本実施形態に係るゲート駆動回路50は、SiCを用いたMOSFET20aと接続される。ゲート駆動回路50及びMOSFET20aは、インバータを構成する。
また、図4においては省略されているが、上段のMOSFET20bには、MOSFET20aと同様に、ゲート駆動回路50と同様のゲート駆動回路が接続される。
本実施形態に係るゲート駆動回路50は、図4に示すように、過電流検出回路51を備える。この過電流検出回路51は、前述した第1〜第3の実施形態における過電流検出回路17と同様にMOSFET20aのドレイン・ソース間の過電流を検出する。また、本実施形態において、過電流検出回路51は、ツェナーダイオード51a及びコンデンサ51bを備える。
ツェナーダイオード51aは、一定の電圧を得るために用いられる素子であり、ゲート電圧(MOSFET20aのゲート・ソース間にかかる電圧)を低下させる。このツェナーダイオード51aは、図4に示すように、ゲート抵抗(第2のゲート抵抗)13とダイオード14との直列接続にゲート抵抗12(第1のゲート抵抗)が並列に接続されている経路とドライバ11との間の経路に接続される。
なお、コンデンサ51は、前述したコンデンサ17l及び17mと同様のフィルタコンデンサである。
本実施形態に係るゲート駆動回路50においては、上記したツェナーダイオード51aにより過電流検出直後(つまり、過電流検出回路51によって過電流が検出された直後)にゲート電圧を適切に低下させることができる。
上記したように本実施形態においては、ゲート抵抗13とダイオード14との直列接続にゲート抵抗12が並列に接続されている経路とドライバ11との間の経路に接続されるツェナーダイオード51aを過電流検出回路51内に備える構成により、過電流検出直後にゲート電圧を低下させることで、MOSFET20aのドレイン・ソース間に流れる過電流を絞った状態での保護(つまり、素子破壊の防止)が可能となる。
(第5の実施形態)
次に、図5を参照して、第5の実施形態に係るゲート駆動回路について説明する。なお、前述した図1と同様の部分には同一参照符号を付してその詳しい説明を省略する。ここでは、図1と異なる部分について主に述べる。
図5に示すように、本実施形態に係るゲート駆動回路60は、SiCを用いたMOSFET20aと接続される。ゲート駆動回路60及びMOSFET20aは、インバータを構成する。
また、図5においては省略されているが、上段のMOSFET20bには、MOSFET20aと同様に、ゲート駆動回路60と同様のゲート駆動回路が接続される。
本実施形態に係るゲート駆動回路60は、ブースター回路を備える。ブースター回路は、ゲート駆動回路60(ドライバ11)の電流容量を増加させるために用いられる回路であり、図4に示すバイポーラトランジスタ51、52(第1及び第2のバイポーラトランジスタ)及び抵抗18等を有する。
本実施形態において、ブースター回路が有するバイポーラトランジスタ51及び52の各々のエミッタ端子は、MOSFET20aのゲート端子に、ゲート抵抗13とダイオード14との直列接続にゲート抵抗12が並列に接続されている経路を介して接続される。また、ブースター回路が有するトランジスタ51及び52の各々のベース端子は、ドライバ11に接続される。なお、抵抗18は、バイポーラトランジスタ51及び52用のベース抵抗である。
上記したように本実施形態においては、ブースター回路を備える構成により、前述した第1の実施形態において説明したようにインバータの誤動作及び過電流による素子破壊の防止を実現するとともに、ゲート駆動回路60(ドライバ11)の電流容量を増加させることが可能となる。
以上説明した各実施形態によれば、インバータの誤動作及び過電流による素子破壊を防止することが可能なゲート駆動回路を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
10,30,40,50,60…ゲート駆動回路、11…ドライバ、12…ゲート抵抗(第1のゲート抵抗)、13…ゲート抵抗(第2のゲート抵抗)、14…ダイオード、15…正バイアス電圧源、16…コンデンサ、17,51…過電流検出回路、17a,17b,17c…バイポーラトランジスタ、17d,17e,17f…ダイオード、17g,17h,17i,17j,17k…抵抗、17l,17m…コンデンサ、17n…フォトカプラ、20a,20b…MOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)、31…負バイアス電圧源、41…昇高圧チョッパ回路、51a…ツェナーダイオード、52b…コンデンサ、61,62…バイポーラトランジスタ、63…抵抗。

Claims (7)

  1. シリコンカーバイドを用いたMOS型電界効果トランジスタと接続されるゲート駆動回路において、
    前記MOS型電界効果トランジスタのゲート端子に、第1のゲート抵抗より抵抗値が低い第2のゲート抵抗と前記ゲート端子にアノードを接続し、前記第2のゲート抵抗にカソードを接続したゲートオフ用のダイオードとの直列接続に前記第1のゲート抵抗が並列に接続されている経路を介して接続され、前記MOS型電界効果トランジスタをオン状態またはオフ状態にする信号を出力するドライバと、
    前記MOS型電界効果トランジスタのドレイン端子及びソース端子間に接続され、当該ドレイン・ソース間の過電流を検出する過電流検出回路と
    を具備することを特徴とするゲート駆動回路。
  2. 前記MOS型電界効果トランジスタのゲート端子及びソース端子間に接続されたコンデンサを更に具備することを特徴とする請求項1記載のゲート駆動回路。
  3. 前記MOS型電界効果トランジスタのソース端子と前記ドライバとの間に接続され、前記MOS型電界効果トランジスタをオン状態とする際に供給される正バイアス電圧に対して絶対値が小さく、かつ、0より大きい負バイアス電圧を、前記MOS型電界効果トランジスタをオフ状態とする際に供給する負バイアス電圧源を更に具備することを特徴とする請求項2記載のゲート駆動回路。
  4. 前記負バイアス電圧源によって供給される負バイアス電圧値は、前記正バイアス電圧値に対して絶対値が1/5以下であることを特徴とする請求項3記載のゲート駆動回路。
  5. 前記負バイアス電圧源は、前記正バイアス電圧から前記負バイアス電圧を生成する昇高圧チョッパ回路を含むことを特徴とする請求項3記載のゲート駆動回路。
  6. 前記過電流検出回路は、前記第2のゲート抵抗と前記ダイオードとの直列接続に前記第1のゲート抵抗が並列に接続されている経路及び前記ドライバの間の経路に接続され、前記MOS型電界効果トランジスタのゲート・ソース間の電圧を低下させるツェナーダイオードを備えることを特徴とする請求項1記載のゲート駆動回路。
  7. 前記ドライバの電流容量を増加させるための第1及び第2のバイポーラトランジスタを有するブースター回路を更に具備し、
    前記ブースター回路が有する第1及び第2のバイポーラトランジスタの各々のエミッタ端子は、前記MOS型電界効果トランジスタのゲート端子に、前記第2のゲート抵抗と前記ダイオードとの直列接続に前記第1のゲート抵抗が並列に接続されている経路を介して接続され、
    前記ブースター回路が有する第1及び第2のバイポーラトランジスタの各々のベース端子は、前記ドライバに接続される
    ことを特徴とする請求項1記載のゲート駆動回路。
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