JP3844123B2 - Gate drive circuit of voltage driven semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばIGBT(絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ)などの電力用電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5に、IGBTを用いたインバータの主回路図を示す。
1は直流電源回路(交流入力のインバータの場合は整流器+電解コンデンサとなる)、2は直流を交流に変換するIGBTおよびダイオードよりなるインバータ部、3,4はIGBTの駆動(ドライブ)回路、5はIGBT、6はIGBTに逆並列に接続されたダイオード、7はモータなどの負荷である。
【0003】
図6に駆動(ドライブ)回路の詳細を示す。この回路は、IGBT5aとダイオード6aおよびIGBT5bとダイオード6bのそれぞれに対応して設けられるが、以下ではa,bの符号を無視して説明する。
符号8は駆動回路用電源、9,10はIGBTをそれぞれターンオン,ターンオフさせるためのスイッチ素子、11,12はそれぞれターンオン用,ターンオフ用のゲート抵抗で、上位および制御部13からオン指令信号S1またはオフ指令信号S2を与えられて動作する。また、反転回路14は上アーム側IGBTと下アーム側IGBTを交互にオン,オフさせるために接続されている。なお、実際には上下アームが同時にオンしないようデッドタイムを設ける必要があるが、ここでは直接関係がないので、無視することとした。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図7にIGBTターンオン時(時刻t0)における、対向アームダイオードの逆回復時の電圧波形(VF)を示す。ダイオードがオンしている期間(対向アームのIGBTがオフしている期間)が充分に長ければ、その電圧波形は図7(a)のような滑らかな波形となるが、オンしている期間が短いと図7(b)のように激しく振動し、最悪の場合は素子(IGBT,ダイオード)破壊を生じる。従来、このような現象を防止するため、対向アームのIGBTのターンオン用のゲート抵抗値(11)を大きくしていたが、こうするとターンオン損失が増加するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、ターンオン損失を低減化し、ダイオード逆回復時の振動現象を解消させることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
ゲート指令信号のオフ指令信号をトリガとして一定時間のワンショットパルス信号を出力するワンショット回路と、このワンショットパルス信号と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記ワンショット回路のパルス幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記ワンショット回路のパルス幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする。
【0006】
請求項2の発明では、電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
ゲート指令信号のオフ指令の時間幅を測定する時間測定回路と、その測定結果を所定の設定値と比較する比較回路と、その比較結果と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記比較回路の設定値より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記比較回路の設定値より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする。
【0007】
請求項3の発明では、電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
パルス幅が一定時間幅より短いゲート指令信号のオフ指令信号を無視し、パルス幅が一定時間幅より長いゲート指令信号のオフ指令信号を有効とするフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする。
【0008】
請求項4の発明では、電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
パルス幅が一定時間幅より短いゲート指令信号のオフ指令信号を無視し、パルス幅が一定時間幅より長いゲート指令信号のオフ指令信号を有効とするフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じて動作するワンショット回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の第1の実施の形態を示す回路図である。
これは図5に示すものに対し、オフ指令信号S2の立ち上がりエッジをトリガとするワンショット回路16(ワンショット時間は、図6(b)のような現象が発生するオフ期間相当とする)と、このワンショット回路16の出力とオン指令信号S1との論理演算を行なうゲート17,18と、高抵抗21とそのスイッチ素子19、および低抵抗22とそのスイッチ素子20などを付加して構成されている。
【0010】
このような構成において、オフ期間が短いときは(期間T以内)ゲート17およびスイッチ素子19が動作し、ゲート抵抗を高抵抗値21にしてターンオンさせ(電流変化率di/dtを小さくする)、オフ期間が長いときは(期間T以上)ゲート18およびスイッチ素子20が動作し、ゲート抵抗を低抵抗値22にしてターンオンさせる。
【0011】
図2はこの発明の第2の実施の形態を示す回路図である。
符号23は積分回路で、これによりオフ指令の時間幅を計測する。24は積分回路23の出力をある設定値と比較するコンパレータ回路である。
そして、積分回路23の出力が或る設定値以上の場合は、図1と同様ゲート17,18により低抵抗値でターンオンさせ、また、設定値以下の場合は高抵抗値でターンオンさせるようにする。なお、25は積分回路23をリセットさせるための回路で、オン指令信号S1が入力された一定時間後に積分回路23をリセットさせるディレイ(遅延)回路からなっている。
【0012】
図3はこの発明の第3の実施の形態を示す回路図である。
これは図5に示すものに対し、オフ指令信号S2をフィルタリングする(時間幅が一定時間よりも短いオフ指令パルスは無効なローレベル信号L、時間幅が一定時間よりも長いオフ指令パルスは有効なハイレベル信号Hとして出力する)フィルタ回路26と、D−FF(D形フリップフロップ)回路27と、この出力とオン指令信号S1との論理演算を行なうゲート回路28などを付加して構成される。
【0013】
このような構成において、オン指令信号S1の入力により高抵抗21用のスイッチ素子19がオンし、また、オンする前のオフ指令信号S2のパルス幅が或る幅以上の場合は、フィルタ回路26の出力がハイレベルHとなるため、D−FF回路27,ゲート回路28を介して低抵抗22用のスイッチ素子20がオンする。一方、オンする前のオフ指令信号S2のパルス幅が或る幅以下の場合は、フィルタ回路26の出力がローレベルLとなるため、D−FF回路27,ゲート回路28により、スイッチ素子20はオフのままとなる。
つまり、オフ期間が長い場合はスイッチ素子19,20ともオンし、IGBTは低抵抗値でのターンオンとなる一方、オフ期間が短い場合はスイッチ素子20のみオンし、IGBTは高抵抗値でのターンオンとなる。
【0014】
図4はこの発明の第4の実施の形態を示す回路図である。
これは図5に示すものに対し、オフ指令信号S2をフィルタリングする(時間幅が一定時間よりも短いオフ指令パルスは無効なローレベル信号L、時間幅が一定時間よりも長いオフ指令パルスは有効なハイレベル信号Hとして出力する)フィルタ回路26と、D−FF回路27と、この出力とオン指令信号S1との論理演算を行なうゲート回路29と、このゲート回路29の出力に対してワンショットパルスを出力するワンショット回路30などを付加して構成される。
【0015】
このような構成において、オン指令信号S1の入力により抵抗32用のスイッチ素子31がオンし、また、オンする前のオフ指令信号S2のパルス幅が或る幅以上の場合は、フィルタ回路26の出力がハイレベルHとなるため、D−FF回路27,ゲート回路29によって回路29の出力はローレベルLのままとなり、回路29は動作しない。一方、オンする前のオフ指令信号S2のパルス幅が或る幅以下の場合は、回路26の出力がローレベルLとなるためワンショット回路30が動作し、或る設定時間(ワンショット回路の出力時間)スイッチ素子33がオンする。スイッチ素子33がオンすると、ツェナーダイオード34によりIGBTのゲート電位はツェナー電圧(電源8の電圧以下)にクランプされることになる。
【0016】
つまり、オフ期間が長い場合はスイッチ素子31がオンする通常のターンオン動作が行なわれる。一方、オフ期間が短い場合は、ターンオン時に或る設定時間だけゲート電位がクランプされるため、IGBTはソフトにターンオン(IGBTのターンオンdi/dtの低減、およびダイオードの逆回復dv/dtが低減され、等価的に高抵抗のゲート抵抗でターンオンするのと同じ現象となる)する。
また、ツェナーダイオード34の代わりに抵抗を用いても同様の動作となる。
【0017】
【発明の効果】
この発明によれば、IGBTのオフ期間が短いときは高抵抗値でターンオン、またはゲート電位のクランプによりIGBTをソフトにターンオンさせ、その他の大部分の場合は低抵抗値でターンオンさせるようにしたので、高抵抗値でのみターンオンさせていた従来例に対し低損失に、ダイオード逆回復時の振動現象を解消し得る利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の形態を示す回路図である。
【図2】この発明の第2の実施の形態を示す回路図である。
【図3】この発明の第3の実施の形態を示す回路図である。
【図4】この発明の第4の実施の形態を示す回路図である。
【図5】IGBTを用いたインバータの一般的な例を示す構成図である。
【図6】図5のゲート駆動部を詳細に示す回路図である。
【図7】図6の動作説明図である。
【符号の説明】
1…直流電源回路、2…インバータ回路、3,4…ゲート駆動部、5…IGBT(絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ)、6…ダイオード、7…負荷(モータ)、8…駆動用電源、9,10,19,20,31,33…スイッチ素子、11,12,21,22,32…抵抗、13…制御部、14…反転回路、16,30…ワンショット回路、17,18,28,29…ゲート回路、23…積分回路、24…コンパレータ回路、25…ディレイ回路、26…フィルタ回路、27…D−FF(D形フリップフロップ)回路、34…ツェナーダイオード。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a gate drive circuit of a voltage drive semiconductor element for power, such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor).
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 shows a main circuit diagram of an inverter using an IGBT.
[0003]
FIG. 6 shows details of the drive circuit. This circuit is provided corresponding to each of the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 7 shows a voltage waveform (V F ) at the time of reverse recovery of the opposing arm diode when the IGBT is turned on (time t 0 ). If the period during which the diode is on (the period during which the IGBT of the opposite arm is off) is sufficiently long, the voltage waveform becomes a smooth waveform as shown in FIG. If it is short, it vibrates violently as shown in FIG. 7B, and in the worst case, an element (IGBT, diode) is destroyed. Conventionally, in order to prevent such a phenomenon, the gate resistance value (11) for turning on the IGBT of the opposing arm has been increased, but this causes a problem that the turn-on loss increases.
Accordingly, an object of the present invention is to reduce the turn-on loss and eliminate the vibration phenomenon during diode reverse recovery.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, in the invention according to
A one-shot circuit that outputs a one-shot pulse signal for a predetermined time triggered by an off-command signal of the gate command signal, a logic operation circuit that performs a logical operation on the one-shot pulse signal and the on-command signal of the gate command signal, and A resistance switching circuit that switches the gate resistance on the turn-on side according to the logical operation result. When the logical operation circuit determines that the time width of the off command is shorter than the pulse width of the one-shot circuit, the gate resistance is increased. The resistance value is turned on, and when it is determined that the time width of the off command is longer than the pulse width of the one-shot circuit, the gate resistance is turned to a low resistance value.
[0006]
In the invention of
Time measurement circuit for measuring the time width of the off command of the gate command signal, a comparison circuit for comparing the measurement result with a predetermined set value, and a logic for logically operating the comparison result and the on command signal of the gate command signal When an arithmetic circuit and a resistance switching circuit for switching the turn-on side gate resistance according to the logical operation result are provided, and when the logical operation circuit determines that the time width of the off command is shorter than the set value of the comparison circuit The gate resistor is turned on with a high resistance value, and when it is determined that the time width of the off command is longer than the set value of the comparison circuit, the gate resistance is turned on with a low resistance value.
[0007]
In the invention of
A filter circuit that ignores an OFF command signal of a gate command signal whose pulse width is shorter than a certain time width and validates an OFF command signal of a gate command signal whose pulse width is longer than a certain time width, and an output of the filter circuit and the gate A logic operation circuit that performs a logical operation on an on-command signal of the command signal, and a resistance switching circuit that switches a turn-on-side gate resistance according to a result of the logic operation. When it is judged that the time width of the pulse ignored by the filter circuit is shorter, the gate resistance is turned on with a high resistance value, and the time width of the off command is judged to be longer than the time width of the pulse ignored by the filter circuit. In some cases, the gate resistor is turned on with a low resistance value.
[0008]
In the invention of claim 4, in the gate drive circuit of the voltage drive type semiconductor element constituting the power conversion device,
A filter circuit that ignores an OFF command signal of a gate command signal whose pulse width is shorter than a certain time width and validates an OFF command signal of a gate command signal whose pulse width is longer than a certain time width, and an output of the filter circuit and the gate A logical operation circuit that performs a logical operation on an ON command signal of the command signal and a one-shot circuit that operates according to the logical operation result are provided, and the time width of the OFF command is ignored by the filter circuit by the logical operation circuit. When it is determined that the time width of the pulse is shorter than the time width of the pulse to be turned on, the gate resistance is turned on with a high resistance value. Is turned on with a low resistance value.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention.
This is different from the one shown in FIG. 5 in that the one-
[0010]
In such a configuration, when the off period is short (within period T), the
[0011]
FIG. 2 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention.
When the output of the
[0012]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a third embodiment of the present invention.
In contrast to the one shown in FIG. 5, the off command signal S2 is filtered (the off command pulse whose time width is shorter than a certain time is an invalid low level signal L, and the off command pulse whose time width is longer than the certain time is valid. A high-level signal H), a
[0013]
In such a configuration, when the ON command signal S1 is input, the
That is, when the off period is long, both the
[0014]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
In contrast to the one shown in FIG. 5, the off command signal S2 is filtered (the off command pulse whose time width is shorter than a certain time is an invalid low level signal L, and the off command pulse whose time width is longer than the certain time is valid. A high-level signal H), a
[0015]
In such a configuration, when the ON command signal S1 is input, the
[0016]
That is, when the off period is long, a normal turn-on operation in which the
Further, the same operation is performed even if a resistor is used instead of the
[0017]
【The invention's effect】
According to the present invention, when the IGBT off period is short, the IGBT is turned on at a high resistance value, or the IGBT is turned on softly by clamping the gate potential, and in most other cases, the IGBT is turned on at a low resistance value. Compared with the conventional example that is turned on only at a high resistance value, the loss can be reduced and the advantage of eliminating the oscillation phenomenon at the time of reverse recovery of the diode is brought about.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a general example of an inverter using an IGBT.
6 is a circuit diagram illustrating in detail the gate driving unit of FIG. 5;
7 is an operation explanatory diagram of FIG. 6. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
ゲート指令信号のオフ指令信号をトリガとして一定時間のワンショットパルス信号を出力するワンショット回路と、このワンショットパルス信号と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記ワンショット回路のパルス幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記ワンショット回路のパルス幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路。In the gate drive circuit of the voltage drive type semiconductor element constituting the power conversion device,
A one-shot circuit that outputs a one-shot pulse signal for a predetermined time triggered by an off-command signal of the gate command signal, a logic operation circuit that performs a logical operation on the one-shot pulse signal and the on-command signal of the gate command signal, and A resistance switching circuit that switches the gate resistance on the turn-on side according to the logical operation result. When the logical operation circuit determines that the time width of the off command is shorter than the pulse width of the one-shot circuit, the gate resistance is increased. Gate drive of a voltage-driven semiconductor device characterized in that the gate is driven with a low resistance value when it is determined that the time width of the off command is longer than the pulse width of the one-shot circuit. circuit.
ゲート指令信号のオフ指令の時間幅を測定する時間測定回路と、その測定結果を所定の設定値と比較する比較回路と、その比較結果と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記比較回路の設定値より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記比較回路の設定値より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路。In the gate drive circuit of the voltage drive type semiconductor element constituting the power conversion device,
Time measurement circuit for measuring the time width of the off command of the gate command signal, a comparison circuit for comparing the measurement result with a predetermined set value, and a logic for logically operating the comparison result and the on command signal of the gate command signal When an arithmetic circuit and a resistance switching circuit for switching the turn-on side gate resistance according to the logical operation result are provided, and when the logical operation circuit determines that the time width of the off command is shorter than the set value of the comparison circuit A voltage-driven semiconductor device characterized in that the gate resistor is turned on with a high resistance value, and when the time width of the off command is determined to be longer than the set value of the comparison circuit, the gate resistance is turned on with a low resistance value. Gate drive circuit.
パルス幅が一定時間幅より短いゲート指令信号のオフ指令信号を無視し、パルス幅が一定時間幅より長いゲート指令信号のオフ指令信号を有効とするフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路。In the gate drive circuit of the voltage drive type semiconductor element constituting the power conversion device,
A filter circuit that ignores an OFF command signal of a gate command signal whose pulse width is shorter than a certain time width and validates an OFF command signal of a gate command signal whose pulse width is longer than a certain time width, and an output of the filter circuit and the gate A logic operation circuit that performs a logical operation on an on-command signal of the command signal, and a resistance switching circuit that switches a turn-on side gate resistance according to a result of the logic operation, and the time width of the off command is set by the logic operation circuit When it is judged that the time width of the pulse ignored by the filter circuit is shorter, the gate resistance is turned on with a high resistance value, and the time width of the off command is judged to be longer than the time width of the pulse ignored by the filter circuit. A gate drive circuit for a voltage-driven semiconductor device, characterized in that the gate resistance is turned on with a low resistance value.
パルス幅が一定時間幅より短いゲート指令信号のオフ指令信号を無視し、パルス幅が一定時間幅より長いゲート指令信号のオフ指令信号を有効とするフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じて動作するワンショット回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路。In the gate drive circuit of the voltage drive type semiconductor element constituting the power conversion device,
A filter circuit that ignores an OFF command signal of a gate command signal whose pulse width is shorter than a certain time width and validates an OFF command signal of a gate command signal whose pulse width is longer than a certain time width, and an output of the filter circuit and the gate A logical operation circuit that performs a logical operation on an ON command signal of the command signal and a one-shot circuit that operates according to the logical operation result are provided, and the time width of the OFF command is ignored by the filter circuit by the logical operation circuit. When it is determined that the time width of the pulse is shorter than the time width of the pulse to be turned on, the gate resistance is turned on with a high resistance value, and when it is determined that the time width of the off command is longer than the time width of the pulse ignored by the filter circuit A gate drive circuit for a voltage-driven semiconductor element, characterized in that the gate is turned on with a low resistance value.
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