(57)【要約】【課題】寸法的またはコスト的に有利な電圧駆動型トランジスタのゲート回路を提供する。【解決手段】ゲート回路１は、充電回路１０と駆動回路２０とを別回路として備える。ＩＧＢＴ２をオンする際、充電回路１０がＩＧＢＴ２のゲート容量２ａを充電し、ゲート容量２ａが充電された後に、駆動回路２０がＩＧＢＴ２のゲートに駆動電圧を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧駆動型トランジスタのゲートを駆動する電圧駆動型トランジスタのゲート回路であって、
充電回路と駆動回路とを別回路として備え、
前記電圧駆動型トランジスタをオンする際、前記充電回路が前記電圧駆動型トランジスタのゲート容量を充電し、当該ゲート容量が充電された後に、前記駆動回路が前記電圧駆動型トランジスタのゲートに駆動電圧を供給することを特徴とする電圧駆動型トランジスタのゲート回路。
【請求項２】
請求項１に記載の電圧駆動型トランジスタのゲート回路であって、
前記充電回路は、前記ゲート容量へスイッチを介して接続されたコンデンサと、当該コンデンサを充電するコンデンサ充電回路とを有し、
前記電圧駆動型トランジスタをオンする際、前記スイッチをオンして前記コンデンサの放電電流を前記スイッチを介して前記ゲート容量に流すことにより、前記ゲート容量を充電することを特徴とする電圧駆動型トランジスタのゲート回路。
【請求項３】
請求項２に記載の電圧駆動型トランジスタのゲート回路であって、
前記コンデンサ充電回路は、前記コンデンサを前記駆動電圧より高い電圧に充電することを特徴とする電圧駆動型トランジスタのゲート回路。
【請求項４】
請求項２または３に記載の電圧駆動型トランジスタのゲート回路であって、
前記コンデンサ充電回路の入力電流を一定値以下に制限する電流制限回路をさらに備えることを特徴とする電圧駆動型トランジスタのゲート回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧駆動型トランジスタのゲートを駆動する電圧駆動型トランジスタのゲート回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、特許文献１に記載されているＩＧＢＴ（Insulated-gate bipolar transistor）のゲート駆動回路１０６の構成を示す図である。図５において、１０３はＩＧＢＴであり、１０６はＩＧＢＴ１０３のゲートを駆動するゲート駆動回路である。１１１は制御用ＩＣで、制御電源１０５が印加されるＶＣＣ端子およびＧＮＤ端子、所定周波数のパルス信号が入力される端子ＩＮ、所定の出力信号が導出されるＤＲＶ端子、この出力信号と同期したシンク信号が導出されるＳＩＮＫ端子を備えている。１１２，１１３はトランジスタで、そのベースが制御用ＩＣ１１１のＤＲＶ端子に接続されそのコレクタが制御電源１０５の正、負極間に接続されてコンプリメンタリエミッタフォロワ出力の増幅回路１１４を構成している。１１５はトランジスタ１１２，１１３のエミッタとＩＧＢＴ１０３のゲートとの間に接続された抵抗器、１１６は制御電源１０５の正極と制御用ＩＣ１１１のＳＩＮＫ端子との間に接続された抵抗器、１１７はそのコレクタ・エミッタがＩＧＢＴ１０３のゲート・エミッタに、そしてそのベースが制御用ＩＣ１１１のＳＩＮＫ端子にそれぞれ接続されたシンク用トランジスタである。
【０００３】
次に動作について説明する。制御用ＩＣ１１１はそのＩＮ端子に与えられた入力信号に応答してそのＤＲＶ端子をＶＣＣ端子とＧＮＤ端子との電圧の間でスイッチングするとともに、それに同期してＳＩＮＫ端子を導通、遮断する。トランジスタ１１２，１１３からなる増幅回路１１４は制御用ＩＣ１１１のＤＲＶ端子からの出力信号を増幅し、抵抗器１１５を介してＩＧＢＴ１０３のゲートを充放電する。シンク用トランジスタ１１７は制御用ＩＣ１１１のＳＩＮＫ端子の出力を反転してＩＧＢＴ１０３がオフすべきタイミングでそのゲート・エミッタ間を短絡するように動作する。
【０００４】
【特許文献１】特許第２７９５０２７号明細書
【特許文献２】特開平１０−１４５２０６号公報
【特許文献３】特開２００５−１２９７２号公報
【特許文献４】特開平７−８６５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図５において、ＩＧＢＴ１０３のゲート端子にはゲート容量（すなわちコンデンサ）が存在するので、ＩＧＢＴ１０３をオンする際、このゲート容量を充電するための大きな電流が必要となる。同容量の充電が完了した後は、電流は流れず、放電するときに再度流れる。例えば、充放電時のピーク電流は２アンペア、平均電流は２０ｍＡ程度である。このため、部品１０５、１１２、１１３、１１５、１１７については、電流定格が２アンペアのものを選定する必要がある。つまり、定格が大きいために回路の寸法とコストが大きくなってしまう。
【０００６】
このような事情は、ＩＧＢＴに限られず、電界効果トランジスタ（FET：Field Effect Transistor）等、他の電圧駆動型トランジスタについても同様である。
【０００７】
そこで、本発明は、寸法的またはコスト的に有利な電圧駆動型トランジスタのゲート回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電圧駆動型トランジスタのゲートを駆動する電圧駆動型トランジスタのゲート回路であって、充電回路と駆動回路とを別回路として備え、前記電圧駆動型トランジスタをオンする際、前記充電回路が前記電圧駆動型トランジスタのゲート容量を充電し、当該ゲート容量が充電された後に、前記駆動回路が前記電圧駆動型トランジスタのゲートに駆動電圧を供給することを特徴とする。
【０００９】
本発明の好適な態様では、前記充電回路は、前記ゲート容量へスイッチを介して接続されたコンデンサと、当該コンデンサを充電するコンデンサ充電回路とを有する。そして、ゲート回路は、前記電圧駆動型トランジスタをオンする際、前記スイッチをオンして前記コンデンサの放電電流を前記スイッチを介して前記ゲート容量に流すことにより、前記ゲート容量を充電する。
【００１０】
上記構成では、前記コンデンサ充電回路は、前記コンデンサを前記駆動電圧より高い電圧に充電することが好ましい。
【００１１】
また、上記構成では、ゲート回路は、前記コンデンサ充電回路の入力電流を一定値以下に制限する電流制限回路をさらに備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、寸法的またはコスト的に有利な電圧駆動型トランジスタのゲート回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態に係る電圧駆動型トランジスタのゲート回路１の構成を示す図である。このゲート回路１は、電圧駆動型トランジスタ（図１ではＩＧＢＴ２）のゲートを駆動する回路であり、例えばインバータ回路の主スイッチである電圧駆動型トランジスタのオン／オフ制御に用いられるものである。図１において、ゲート回路１は、充電回路１０と駆動回路２０とを別回路として備えている。
【００１５】
充電回路１０は、ＩＧＢＴ２のゲート容量２ａを充電するための回路である。本実施の形態では、充電回路１０は、ゲート容量２ａに接続された半導体スイッチ１１と、この半導体スイッチ１１を介してゲート容量２ａに接続されたコンデンサバンク１２と、このコンデンサバンク１２を充電するコンデンサ充電回路１３とを含んで構成されている。具体的には、コンデンサバンク１２は、一端がコンデンサ充電回路１３を介して直流電源３の正極に接続されるとともに半導体スイッチ１１を介してＩＧＢＴ２のゲートに接続され、他端が直流電源３の負極に接続されるとともにＩＧＢＴ２のエミッタに接続されている。
【００１６】
駆動回路２０は、ＩＧＢＴ２のゲートに駆動電圧（ここでは１５Ｖ）を供給するための回路であり、直流電源３から電力の供給を受けて動作する。本実施の形態では、駆動回路２０は、充電回路１０による充電のオン／オフおよび駆動回路２０による駆動電圧の供給のオン／オフを制御する制御回路としても機能する。ただし、このような制御回路は、駆動回路２０とは別に設けられてもよい。
【００１７】
上記構成では、コンデンサバンク１２の静電容量を小さくする観点およびゲート容量２ａの充電速度を速くする観点より、コンデンサバンク１２は、駆動電圧（ＩＧＢＴ２のオン状態時のゲート電圧）より高い電圧に充電されることが好ましい。そこで、本実施の形態では、コンデンサ充電回路１３は、コンデンサバンク１２を駆動電圧（１５Ｖ）より高い電圧（ここでは３０Ｖ）に充電する。コンデンサバンク１２の充電電圧は、好適には駆動電圧の１．５倍以上であり、より好適には略２倍である。
【００１８】
また、コンデンサ充電回路１３や直流電源３の低定格化を図る観点より、コンデンサ充電回路１３の入力電流は、一定以下に制限されることが好ましい。そこで、本実施の形態では、ゲート回路１は、コンデンサ充電回路１３の入力電流を一定値以下に制限する電流制限回路３０を備えている。図１ではコンデンサバンク１２とコンデンサ充電回路１３との間に電流制限回路３０が介挿されているが、この配置に特に限定されるわけではない。
【００１９】
次に、上記構成を有する電圧駆動型トランジスタのゲート回路１の動作について説明する。
【００２０】
コンデンサ充電回路１３は、コンデンサバンク１２を３０Ｖに充電する。このとき、コンデンサ充電回路１３は、入力電流が一定値を超えないように、かつ出力電圧が３０Ｖを超えないように設定または制御されている。
【００２１】
ＩＧＢＴ２をオンする際、まず、充電回路１０がゲート容量２ａを充電する。具体的には、例えばＩＧＢＴ２のオンを指示する信号が外部から駆動回路２０に入力されると、駆動回路２０は半導体スイッチ１１をオンする。これにより、コンデンサバンク１２から半導体スイッチ１１を介してゲート容量２ａに電流が流れて、ゲート容量２ａが充電される。
【００２２】
ゲート容量２ａが充電された後、駆動回路１０がＩＧＢＴ２のゲートに駆動電圧（１５Ｖ）を供給する。具体的には、駆動回路１０は、適宜の手段によってＩＧＢＴ２のゲート電圧が１５Ｖに達したことを検知すると、半導体スイッチ１１をオフするとともに、駆動回路１０からＩＧＢＴ２のゲートへの駆動電圧の供給をオンする。これにより、ＩＧＢＴ２のゲート電圧は１５Ｖに固定され、ＩＧＢＴ２のオン状態が維持される。
【００２３】
以上説明した本実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
【００２４】
（１）本実施の形態では、充電回路と駆動回路とを別回路として設け、電圧駆動型トランジスタをオンする際、充電回路が電圧駆動型トランジスタのゲート容量を充電し、ゲート容量が充電された後に、駆動回路が電圧駆動型トランジスタのゲートに駆動電圧を供給する。このため、本実施の形態によれば、駆動回路にはゲート容量充電のための大電流が流れないので、低定格の素子を利用して駆動回路を構成することができる。これにより、低コストで小型の電圧駆動型トランジスタのゲート回路を実現することができる。
【００２５】
（２）本実施の形態では、充電回路は、ゲート容量へスイッチを介して接続されたコンデンサと、当該コンデンサを充電するコンデンサ充電回路とを有する。そして、ゲート回路は、電圧駆動型トランジスタをオンする際、スイッチをオンしてコンデンサの放電電流をスイッチを介してゲート容量に流すことによりゲート容量を充電する。このため、簡易な構成で充電回路を実現することができる。
【００２６】
（３）本実施の形態では、コンデンサ充電回路は、コンデンサを駆動電圧（１５Ｖ）より高い電圧（３０Ｖ）に充電する。このため、コンデンサを駆動電圧と同程度の電圧に充電する場合と比較して、コンデンサを小さい静電容量のもので済ませることができる。これについて、下記式（１）、（２）を用いて説明する。式（１）において、Ｃはコンデンサの静電容量、Ｃｇはゲート容量の静電容量、Ｖ1はコンデンサの放電前の電圧、Ｖ2はゲート容量充電終了時のコンデンサおよびゲート容量の電圧である。左辺第１項は放電前のコンデンサに蓄えられているエネルギー、左辺第２項はゲート容量充電終了時のコンデンサに蓄えられているエネルギー、右辺はゲート容量充電終了時のゲート容量に蓄えられているエネルギーを示す。すなわち、式（１）は、エネルギー保存式であり、コンデンサのエネルギーの変化量とゲート容量に蓄えられるエネルギーとが等しいことを示している。式（１）を変形すると式（２）のようになり、式（２）を見れば、ＣｇおよびＶ2を一定としたとき、Ｖ1を大きくするほどＣが小さくなることが分かる。
【数１】
2006333643.tif 000003
【数２】
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【００２７】
（４）電圧駆動型トランジスタのオン／オフを高速にスイッチングする観点より、ゲート容量の充電は高速に行われる必要がある。本実施の形態では、コンデンサを駆動電圧（１５Ｖ）より高い電圧（３０Ｖ）に充電し、駆動電圧より高い電圧でゲート容量を充電する。このため、駆動電圧と同程度の電圧でゲート容量を充電する場合と比較して、ゲート容量の充電速度が速く、スイッチとして低抵抗のものが必要なくなり、小型のものでスイッチを実現することができる。図２は、当該効果を説明するための図である。図２において、横軸は時刻を表し、縦軸はゲート電圧を表す。また、曲線Ｌ３０は３０Ｖで充電したときの充電曲線を表し、曲線Ｌ１５は１５Ｖで充電したときの充電曲線を表す。これらの充電曲線は、いずれもＣＲ回路の充電曲線である。図２より、３０Ｖで充電する場合の方が１５Ｖで充電する場合よりも充電速度が速いことが分かる。なお、図５に示される特許文献１の回路では、ＩＧＢＴ１０３のゲート容量の充電を高速に行う必要があるところ、駆動電圧と同じ電圧でゲート容量の充電を行うので、トランジスタ１１２，１１３には低抵抗の性能が必要となり、寸法およびコストが大きくなってしまう。
【００２８】
（５）コンデンサ充電回路の入力電流を一定値以下に制限するので、コンデンサ充電回路や直流電源に急峻な電流が流れることを防ぐことができ、コンデンサ充電回路や直流電源の低定格化を図ることができる。
【００２９】
図３は、本実施の形態に係る電圧駆動型トランジスタのゲート回路１の具体的構成の一例を示す図である。以下、図３に従って、本実施の形態に係る電圧駆動型トランジスタのゲート回路１の具体的構成の一例について説明する。
【００３０】
図３において、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は図１の直流電源３およびコンデンサ充電回路１３を実現しており、ゲート駆動ＩＣ５０は図１の駆動回路２０を実現しており、抵抗６０は電流制限回路３０を実現している。なお、抵抗６０は、半導体スイッチまたはコイルに置換されてもよい。
【００３１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、フライバック式の２出力型のＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の一次側には、電源電圧とグランドとの間に、一次巻線４１とトランジスタ４２との直列接続回路が設けられている。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の二次側には、第１の二次巻線４３と第２の二次巻線４４との直列接続回路が設けられている。なお、図３における黒丸印は、各巻線の極性を示している。第１の二次巻線４３には、ダイオード４５を介してコンデンサ４６が並列に接続されている。第１の二次巻線４３と第２の二次巻線４４との直列接続回路には、ダイオード４７および抵抗６０を介してコンデンサバンク１２が並列に接続されている。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、コンデンサ４６の電圧を検出する電圧検出回路（不図示）と、この電圧検出回路の出力に基づいてトランジスタ４２のオン／オフを制御するスイッチング制御回路（不図示）とを備えている。
【００３２】
上記構成において、第１の二次巻線４３の巻数、第２の二次巻線４４の巻数、コンデンサ４６の静電容量、およびコンデンサバンク１２の静電容量は、コンデンサ４６の電圧が１５Ｖのときコンデンサバンク１２の電圧が約３０Ｖ程度となるように設定される。
【００３３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の動作について説明する。トランジスタ４２がオンされると、一次巻線４１に電流が流れ、一次巻線４１にエネルギーが蓄積される。このとき、二次巻線４３，４４には、ダイオード４５，４７の作用により電流は流れない。トランジスタ４２がオフされると、一次巻線４１に蓄積されていたエネルギーが二次巻線４３，４４で電流として取り出され、この電流が流れ込むことによってコンデンサ４６およびコンデンサバンク１２が充電される。スイッチング制御回路（不図示）は、電圧検出回路（不図示）の出力をモニタし、コンデンサ４６の電圧が１５Ｖになるようにトランジスタ４２を制御する。これにより、コンデンサ４６の電圧は１５Ｖとなり、コンデンサバンク１２の電圧は約３０Ｖとなる。
【００３４】
ゲート駆動ＩＣ５０は、図４に示されるように、特許文献１に記載のゲート駆動回路と殆ど同じ構成を有している。図４において、ゲート駆動ＩＣ５０は、制御用ＩＣ５１を有する。この制御用ＩＣ５１は、コンデンサ４６の正極側に接続されるＶＣＣ端子、コンデンサ４６の負極側に接続されるＧＮＤ端子、ＩＧＢＴ２のオン／オフを指示する信号が入力されるＩＮ１端子、ＩＧＢＴ２のゲート電圧を検出するゲート電圧検出回路７０の出力信号が入力されるＩＮ２端子、ＩＧＢＴ２のゲートに対する駆動電圧の印加のオン／オフを制御する出力信号が導出されるＤＲＶ１端子、この出力信号と同期したシンク信号が導出されるＳＩＮＫ端子、および半導体スイッチ１１に対するオン／オフ制御信号が導出されるＤＲＶ２端子を備えている。ＤＲＶ１端子は、コンプリメンタリエミッタフォロワ５４を構成するＮＰＮ型のトランジスタ５２およびＰＮＰ型のトランジスタ５３のベースに接続されている。トランジスタ５２，５３のコレクタは、それぞれコンデンサ４６の正極側、負極側に接続されており、エミッタは抵抗５５を介してＩＧＢＴ２のゲートに接続されている。ＳＩＮＫ端子は、抵抗１６を介してコンデンサ４６の正極側に接続されるとともに、ＮＰＮ型のシンク用トランジスタ５７のベースに接続されている。シンク用トランジスタ５７は、コレクタがＩＧＢＴ２のゲートに接続されており、エミッタがＩＧＢＴ２のエミッタに接続されている。ＤＲＶ２端子は、半導体スイッチ１１の制御電極に接続されている。
【００３５】
ゲート駆動ＩＣ５０の動作について説明する。制御用ＩＣ５１は、ＩＧＢＴ２のオンを指示する入力信号をＩＮ１端子を介して受けると、ＤＲＶ２端子からオン制御信号を出力して半導体スイッチ１１をオンする。これにより、コンデンサバンク１２から半導体スイッチ１１を介してゲート容量２ａに電流が流れ、ゲート容量２ａが充電される。
【００３６】
制御用ＩＣ５１は、ＩＮ２端子を介して入力されるゲート電圧検出回路７０の出力をモニタしており、ＩＧＢＴ２のゲート電圧が１５Ｖになると、ＤＲＶ２端子からオフ制御信号を出力して半導体スイッチ１１をオフする。これとともに、制御用ＩＣ５１は、ＤＲＶ１端子からＶＣＣ電圧を出力する。この出力信号は、コンプリメンタリエミッタフォロワ５４により増幅されて、抵抗５５を介してＩＧＢＴ２のゲートに印加される。これにより、ＩＧＢＴ２のゲート電圧は１５Ｖに固定され、ＩＧＢＴ２のオン状態が維持される。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更することができる。例えば、上記実施の形態では、ＩＧＢＴ２のゲート電圧が駆動電圧（１５Ｖ）に達したときに半導体スイッチ１１をオフすることとしたが、ゲート電圧が駆動電圧に達する前に半導体スイッチ１１をオフするとともに駆動回路２０による駆動電圧の印加を開始してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施の形態に係る電圧駆動型トランジスタのゲート回路の構成を示す図である。
【図２】実施の形態の効果を説明するための図である。
【図３】実施の形態に係る電圧駆動型トランジスタのゲート回路の具体的構成の一例を示す図である。
【図４】ゲート駆動ＩＣの構成を示す図である。
【図５】特許文献１に記載されているＩＧＢＴのゲート駆動回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  ゲート回路、２  ＩＧＢＴ（電圧駆動型トランジスタ）、２ａ  ゲート容量、３  直流電源、１０  充電回路、１１  半導体スイッチ、１２  コンデンサバンク、１３  コンデンサ充電回路、２０  駆動回路、３０  電流制限回路。
【図１】
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【図２】
2006333643.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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