JP6870240B2 - ゲート駆動装置 - Google Patents
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Description
一方、ゲート駆動装置は、ゲート電圧の立ち上がり波形をn(≧3)個の立ち上がり期間に分割して、n段階の電圧傾きに切換える場合には、分割した各立ち上がり期間で互いに異なるターンオン用ゲート電流をスイッチング素子のゲートに流すn個のターンオン用電流源と、n個のターンオン用スイッチとが設けられる。
また、ゲート電圧の立ち下がり波形をn個の立ち下がり期間に分割して、n段階の電圧傾きに切換える場合には、分割した各立ち下がり期間で互いに異なるターンオフ用ゲート電流をゲートから引き抜くn個のターンオフ用電流源と、n個のターンオフ用スイッチとが設けられる。
立ち上がり波形の電圧傾きを3段階に切換える場合に、第1のターンオン用スイッチは、ゲート電圧のボトムレベルからゲート電圧が立ち上がり途中の第1のミラー領域に達するまでの第1の期間にオンし、第1のターンオン用電流源は、第1の期間に、ゲートに第1のターンオン用ゲート電流を流す。第2のターンオン用スイッチは、ゲート電圧が第1のミラー領域にあるときの第2の期間にオンし、第2のターンオン用電流源は、第2の期間に、ゲートに第2のターンオン用ゲート電流を流す。第3のターンオン用スイッチは、ゲート電圧が第1のミラー領域から出てゲート電圧のピークレベルに達するまでの第3の期間にオンし、第3のターンオン用電流源は、第3の期間に、ゲートに第3のターンオン用ゲート電流を流す。
立ち下がり波形の電圧傾きを3段階に切換える場合に、第1のターンオフ用スイッチは、ゲート電圧のピークレベルから立ち下がり途中の第2のミラー領域に達するまでの第4の期間にオンし、第1のターンオフ用電流源は、第4の期間に、ゲートから第1のターンオフ用ゲート電流を引き抜く。第2のターンオフ用スイッチは、ゲート電圧が第2のミラー領域にあるときの第5の期間にオンし、第2のターンオフ用電流源は、第5の期間に、ゲートから第2のターンオフ用ゲート電流を引き抜く。第3のターンオフ用スイッチは、ゲート電圧が第2のミラー領域から出てボトムレベルに達するまでの第6の期間にオンし、第3のターンオフ用電流源は、第6の期間に、ゲートから第3のターンオフ用ゲート電流を引き抜く。
図1は本発明のゲート駆動装置を含む電力変換回路の構成例を示す図である。電力変換回路1は、スイッチング素子1aと、ゲート駆動装置20とを含む。ゲート駆動装置20は、ターンオン用電流源I1−1〜I1−n、ターンオン用スイッチsw1−1〜sw1−n、ターンオフ用電流源I2−1〜I2−nおよびターンオフ用スイッチsw2−1〜sw2−nを備える。
図2は従来技術のゲート駆動回路を含む電力変換回路の構成例を示す図である。図2に示す電力変換回路100は、ブリッジ回路110とゲート駆動回路120−1、120−2を備えている。
スイッチング素子M2のソースは、ダイオードD2のアノードと、N端子と接続する。N端子は、負極電源端子(またはGND端子)に該当する。スイッチング素子M1のゲートには、ゲート駆動回路120−1が接続し、スイッチング素子M2のゲートには、ゲート駆動回路120−2が接続する。
ターンオン時における期間t1〜t3において、期間t1は、ゲート電圧Vgsのボトムレベルの立ち上がり開始点から立ち上がり途中のミラー領域に達するまでの期間である。
また、期間t2、t5は、ゲート電圧Vgsのミラー領域に相当する時間帯である。上述のようにサージ電圧やサージ電流のピークが発生しやすい時間帯なので、期間t2、t5では、ゲート電圧Vgsの電圧傾きは小さい方が望ましい。
また、ターンオフ側の電流源I4〜I6が流す電流において、テーブルTL1に示すように、電流Igoff2は、電流Igoff1、Igoff3よりも小さく、電流Igoff1は、電流Igoff3よりも大きく設定されているものとする(すなわち、Igoff2<Igoff3<Igoff1)。
〔期間t1〕スイッチsw1がオンすることにより、ゲートには電流Igon1が流れる。ゲート電圧Vgsは、電流Igon1に応じた電圧傾きで立ち上がる。
〔期間t5〕スイッチsw5がオンすることにより、ゲートには電流Igoff2が流れる。電流Igoff2は、電流Igoff1よりも小さいので、期間t5の電圧傾きは、期間t4の電圧傾きよりも緩やかになる。
また、ターンオフ側の電流源I4〜I6が流す電流において、テーブルTL1に示すように、電流Igoff2は、電流Igoff1、Igoff3よりも小さく、電流Igoff1は、電流Igoff3よりも小さく設定されているものとする(すなわち、Igoff2<Igoff1<Igoff3)。
〔期間t1〕スイッチsw1がオンすることにより、ゲートには電流Igon1が流れる。ゲート電圧Vgsは、電流Igon1に応じた電圧傾きで立ち上がる。
〔期間t5〕スイッチsw5がオンすることにより、ゲートには電流Igoff2が流れる。電流Igoff2は、電流Igoff1よりも小さいので、期間t5の電圧傾きは、期間t4の電圧傾きよりも緩やかになる。
図12は図8、図10と電流の大小関係が異なるゲート電流切換のパターンを示す図である。パターン#3のターンオン時には、期間t1でスイッチsw1のみをオンし、期間t2でスイッチsw2のみをオンし、期間t3でスイッチsw3のみをオンする。
また、ターンオフ側の電流源I4〜I6が流す電流において、テーブルTL1に示すように、電流Igoff1は、電流Igoff2よりも大きく、電流Igoff2は、電流Igoff3よりも大きく設定されているものとする。
〔期間t1〕スイッチsw1がオンすることにより、ゲートには電流Igon1が流れる。ゲート電圧Vgsは、電流Igon1に応じた電圧傾きで立ち上がる。
〔期間t5〕スイッチsw5がオンすることにより、ゲートには電流Igoff2が流れる。電流Igoff2は、電流Igoff1よりも小さいので、期間t5の電圧傾きは、期間t4の電圧傾きよりも緩やかになる。
〔S2〕過電圧が検出されると、スイッチsw1をオンして、スイッチング素子M2のゲートに電流源I1から電流Igon1を流して、ターンオン用ゲート電流をゲートに再入力する。
〔S4〕ゲート電圧Vgsは再上昇することによって、ドレイン電流IDが再び流れるため、ドレイン電圧Vdsが下降するので過電圧が抑制される。
ターンオン側の回路において、ターンオン側タイミング設定回路11aは、抵抗R1a〜R5a、コンデンサC1a〜C4a、ダイオードD1a、D2aおよびコンパレータcmp1a〜cmp4aを含む。
コンパレータcmp2aの正側入力端子は、コンデンサC2aの他端と、抵抗R3aの一端と接続する。コンパレータcmp3aの正側入力端子は、抵抗R4aの他端、ダイオードD1aのアノードおよびコンデンサC3aの一端に接続する。コンパレータcmp4aの正側入力端子は、抵抗R5aの他端、ダイオードD2aのアノードおよびコンデンサC4aの一端に接続する。
コンパレータcmp2bの負側入力端子は、コンデンサC2bの他端と、抵抗R3bの一端と接続する。コンパレータcmp3bの負側入力端子は、抵抗R4bの他端、ダイオードD1bのアノードおよびコンデンサC3bの一端に接続する。コンパレータcmp4bの負側入力端子は、抵抗R5bの他端、ダイオードD2bのアノードおよびコンデンサC4bの一端に接続する。
パルス信号p1が入力し、パルス信号p1がLレベルからHレベルに立ち上がる。また、コンパレータcmp1aの出力信号は、パルス信号p1に同期してLレベルからHレベルに立ち上がる。
よって、コンパレータcmp2aの正側入力端子には、この微分信号が入力され、またコンパレータcmp2aの負側入力端子には、基準電圧Vrefが入力されている。コンパレータcmp2aの正側入力信号のレベルは、基準電圧Vrefを超えるので、コンパレータcmp2aはHレベルの信号を出力する。
パルス信号p1はHレベル、コンパレータcmp1aの出力信号はHレベルである。コンパレータcmp2aの正側入力信号のレベルは基準電圧Vrefを下回るので、コンパレータcmp2aはLレベル信号を出力する。
パルス信号p1はHレベル、コンパレータcmp1aの出力信号はHレベルである。コンパレータcmp2aの正側入力信号のレベルは基準電圧Vrefを下回るので、コンパレータcmp2aはLレベル信号を出力する。
20 ゲート駆動装置
1a スイッチング素子
I1−1〜I1−n ターンオン用電流源
I2−1〜I2−n ターンオフ用電流源
sw1−1〜sw1−n ターンオン用スイッチ
sw2−1〜sw2−n ターンオフ用スイッチ
VFB1(+)〜VFBn(+) 正極直流電源
VRB1(−)〜VRBn(−) 負極直流電源
Vgs ゲート電圧
Claims (12)
- スイッチング素子をターンオンする場合に、前記スイッチング素子のゲート電圧の立ち上がり波形の電圧傾きを複数段階に切換える複数のターンオン用電流源と、
前記ターンオン用電流源を駆動制御する複数のターンオン用スイッチと、
前記スイッチング素子をターンオフする場合に、前記ゲート電圧の立ち下がり波形の電圧傾きを複数段階に切換える複数のターンオフ用電流源と、
前記ターンオフ用電流源を駆動制御する複数のターンオフ用スイッチと、
を備え、
前記立ち上がり波形および前記立ち下がり波形におけるミラー領域に相当する期間の第1の電圧傾きは、前記ミラー領域に相当しない期間の第2の電圧傾きよりも小さい、
ことを特徴とするゲート駆動装置。 - 前記ゲート電圧の前記立ち上がり波形をn(≧3)個の立ち上がり期間に分割して、n段階の電圧傾きに切換える場合には、分割した各立ち上がり期間で互いに異なるターンオン用ゲート電流を前記スイッチング素子のゲートに流すn個の前記ターンオン用電流源と、n個の前記ターンオン用スイッチとが設けられ、
前記ゲート電圧の前記立ち下がり波形をn個の立ち下がり期間に分割して、n段階の電圧傾きに切換える場合には、分割した各立ち下がり期間で互いに異なるターンオフ用ゲート電流を前記ゲートから引き抜くn個の前記ターンオフ用電流源と、n個の前記ターンオフ用スイッチとが設けられる、
ことを特徴とする請求項1記載のゲート駆動装置。 - 前記立ち上がり波形の電圧傾きを3段階に切換える場合に、
第1のターンオン用スイッチは、前記ゲート電圧のボトムレベルから前記ゲート電圧が立ち上がり途中の第1のミラー領域に達するまでの第1の期間にオンし、第1のターンオン用電流源は、前記第1の期間に、前記ゲートに第1のターンオン用ゲート電流を流し、
第2のターンオン用スイッチは、前記ゲート電圧が前記第1のミラー領域にあるときの第2の期間にオンし、第2のターンオン用電流源は、前記第2の期間に、前記ゲートに第2のターンオン用ゲート電流を流し、
第3のターンオン用スイッチは、前記ゲート電圧が前記第1のミラー領域から出て前記ゲート電圧のピークレベルに達するまでの第3の期間にオンし、第3のターンオン用電流源は、前記第3の期間に、前記ゲートに第3のターンオン用ゲート電流を流し、
前記立ち下がり波形の電圧傾きを3段階に切換える場合に、
第1のターンオフ用スイッチは、前記ゲート電圧の前記ピークレベルから立ち下がり途中の第2のミラー領域に達するまでの第4の期間にオンし、第1のターンオフ用電流源は、前記第4の期間に、前記ゲートから第1のターンオフ用ゲート電流を引き抜き、
第2のターンオフ用スイッチは、前記ゲート電圧が前記第2のミラー領域にあるときの第5の期間にオンし、第2のターンオフ用電流源は、前記第5の期間に、前記ゲートから第2のターンオフ用ゲート電流を引き抜き、
第3のターンオフ用スイッチは、前記ゲート電圧が前記第2のミラー領域から出て前記ボトムレベルに達するまでの第6の期間にオンし、第3のターンオフ用電流源は、前記第6の期間に、前記ゲートから第3のターンオフ用ゲート電流を引き抜く、
ことを特徴とする請求項2記載のゲート駆動装置。 - 前記スイッチング素子のターンオン時、前記第2のターンオン用ゲート電流よりも前記第1のターンオン用ゲート電流が大きく、前記第1のターンオン用ゲート電流よりも前記第3のターンオン用ゲート電流が大きく、
前記スイッチング素子のターンオフ時、前記第2のターンオフ用ゲート電流よりも前記第3のターンオフ用ゲート電流が大きく、前記第3のターンオフ用ゲート電流よりも前記第1のターンオフ用ゲート電流が大きい、
ことを特徴とする請求項3記載のゲート駆動装置。 - 前記スイッチング素子のターンオン時、前記第2のターンオン用ゲート電流よりも前記第3のターンオン用ゲート電流が大きく、前記第3のターンオン用ゲート電流よりも前記第1のターンオン用ゲート電流が大きく、
前記スイッチング素子のターンオフ時、前記第2のターンオフ用ゲート電流よりも前記第1のターンオフ用ゲート電流が大きく、前記第1のターンオフ用ゲート電流よりも前記第3のターンオフ用ゲート電流が大きい、
ことを特徴とする請求項3記載のゲート駆動装置。 - 前記スイッチング素子のターンオン時、前記第3のターンオン用ゲート電流よりも前記第2のターンオン用ゲート電流が大きく、前記第2のターンオン用ゲート電流よりも前記第1のターンオン用ゲート電流が大きく、
前記スイッチング素子のターンオフ時、前記第3のターンオフ用ゲート電流よりも前記第2のターンオフ用ゲート電流が大きく、前記第2のターンオフ用ゲート電流よりも前記第1のターンオフ用ゲート電流が大きい、
ことを特徴とする請求項3記載のゲート駆動装置。 - 前記スイッチング素子のドレイン電圧をモニタするモニタ回路を備え、
前記モニタ回路は、前記スイッチング素子のターンオフ時に、前記ドレイン電圧に生じる過電圧を検出し、
前記過電圧が検出された場合に、少なくとも1つの前記ターンオン用スイッチがオンして、前記ターンオン用電流源から前記ターンオン用ゲート電流を前記ゲートに流すことを特徴とする請求項2記載のゲート駆動装置。 - スイッチング素子をターンオンする場合に、前記スイッチング素子のゲート電圧の立ち上がり波形の電圧傾きを複数段階に切換える複数のターンオン用電流源と、
前記ターンオン用電流源を駆動制御する複数のターンオン用スイッチと、
前記スイッチング素子をターンオフする場合に、前記ゲート電圧の立ち下がり波形の電圧傾きを複数段階に切換える複数のターンオフ用電流源と、
前記ターンオフ用電流源を駆動制御する複数のターンオフ用スイッチと、
を備え、
前記ゲート電圧の前記立ち上がり波形をn(≧3)個の立ち上がり期間に分割して、n段階の電圧傾きに切換える場合には、分割した各立ち上がり期間で互いに異なるターンオン用ゲート電流を前記スイッチング素子のゲートに流すn個の前記ターンオン用電流源と、n個の前記ターンオン用スイッチとが設けられ、
前記ゲート電圧の前記立ち下がり波形をn個の立ち下がり期間に分割して、n段階の電圧傾きに切換える場合には、分割した各立ち下がり期間で互いに異なるターンオフ用ゲート電流を前記ゲートから引き抜くn個の前記ターンオフ用電流源と、n個の前記ターンオフ用スイッチとが設けられ、
前記立ち上がり波形の電圧傾きを3段階に切換える場合に、
第1のターンオン用スイッチは、前記ゲート電圧のボトムレベルから前記ゲート電圧が立ち上がり途中の第1のミラー領域に達するまでの第1の期間にオンし、第1のターンオン用電流源は、前記第1の期間に、前記ゲートに第1のターンオン用ゲート電流を流し、
第2のターンオン用スイッチは、前記ゲート電圧が前記第1のミラー領域にあるときの第2の期間にオンし、第2のターンオン用電流源は、前記第2の期間に、前記ゲートに第2のターンオン用ゲート電流を流し、
第3のターンオン用スイッチは、前記ゲート電圧が前記第1のミラー領域から出て前記ゲート電圧のピークレベルに達するまでの第3の期間にオンし、第3のターンオン用電流源は、前記第3の期間に、前記ゲートに第3のターンオン用ゲート電流を流し、
前記立ち下がり波形の電圧傾きを3段階に切換える場合に、
第1のターンオフ用スイッチは、前記ゲート電圧の前記ピークレベルから立ち下がり途中の第2のミラー領域に達するまでの第4の期間にオンし、第1のターンオフ用電流源は、前記第4の期間に、前記ゲートから第1のターンオフ用ゲート電流を引き抜き、
第2のターンオフ用スイッチは、前記ゲート電圧が前記第2のミラー領域にあるときの第5の期間にオンし、第2のターンオフ用電流源は、前記第5の期間に、前記ゲートから第2のターンオフ用ゲート電流を引き抜き、
第3のターンオフ用スイッチは、前記ゲート電圧が前記第2のミラー領域から出て前記ボトムレベルに達するまでの第6の期間にオンし、第3のターンオフ用電流源は、前記第6の期間に、前記ゲートから第3のターンオフ用ゲート電流を引き抜く、
ことを特徴とするゲート駆動装置。 - 前記スイッチング素子のターンオン時、前記第2のターンオン用ゲート電流よりも前記第1のターンオン用ゲート電流が大きく、前記第1のターンオン用ゲート電流よりも前記第3のターンオン用ゲート電流が大きく、
前記スイッチング素子のターンオフ時、前記第2のターンオフ用ゲート電流よりも前記第3のターンオフ用ゲート電流が大きく、前記第3のターンオフ用ゲート電流よりも前記第1のターンオフ用ゲート電流が大きい、
ことを特徴とする請求項8記載のゲート駆動装置。 - 前記スイッチング素子のターンオン時、前記第2のターンオン用ゲート電流よりも前記第3のターンオン用ゲート電流が大きく、前記第3のターンオン用ゲート電流よりも前記第1のターンオン用ゲート電流が大きく、
前記スイッチング素子のターンオフ時、前記第2のターンオフ用ゲート電流よりも前記第1のターンオフ用ゲート電流が大きく、前記第1のターンオフ用ゲート電流よりも前記第3のターンオフ用ゲート電流が大きい、
ことを特徴とする請求項8記載のゲート駆動装置。 - 前記スイッチング素子のターンオン時、前記第3のターンオン用ゲート電流よりも前記第2のターンオン用ゲート電流が大きく、前記第2のターンオン用ゲート電流よりも前記第1のターンオン用ゲート電流が大きく、
前記スイッチング素子のターンオフ時、前記第3のターンオフ用ゲート電流よりも前記第2のターンオフ用ゲート電流が大きく、前記第2のターンオフ用ゲート電流よりも前記第1のターンオフ用ゲート電流が大きい、
ことを特徴とする請求項8記載のゲート駆動装置。 - 前記スイッチング素子のドレイン電圧をモニタするモニタ回路を備え、
前記モニタ回路は、前記スイッチング素子のターンオフ時に、前記ドレイン電圧に生じる過電圧を検出し、
前記過電圧が検出された場合に、少なくとも1つの前記ターンオン用スイッチがオンして、前記ターンオン用電流源から前記ターンオン用ゲート電流を前記ゲートに流すことを特徴とする請求項8記載のゲート駆動装置。
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