(57)【要約】【課題】ゲートドライブ用エミッタ端子と主エミッタ端子をもつ電圧駆動型パワー素子のドライブに、スイッチングロスの増大を抑制しながらスイッチングノイズの低減を図る。上下短絡時の保護を容易にする。【解決手段】ＩＧＢＴの主エミッタ端子とゲート端子間に、分流動作電圧を設定するツェナーダイオードＺＤと、逆流阻止用ダイオードＤとの直列回路構成のゲート電流分流回路を設け、ＩＧＢＴのオン時に、エミッタ配線のインダクタンス分で発生する誘起電圧でゲート抵抗Ｒｇを通したゲート電流を分流させてＩＧＢＴのオン時のスイッチングスピードを調整する。ゲート電流分流回路にゲート電流の大きさをせ調整する抵抗、または分流タイミングを調整する可飽和リアクトルを追加した構成を含む。また、誘起電圧に応じてオン・オフ時の分流電流を調整するアンプ回路も含む。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲートドライブ用エミッタ端子と主エミッタ端子をもつ電圧駆動型パワー素子を、ゲート抵抗を通して印加するゲート電圧でオン・オフ制御するドライブ回路であって、
前記主エミッタ端子とゲート端子間に設けられ、パワー素子のオン時に、ゲートドライブ用エミッタ端子と主エミッタ端子間を接続するエミッタ配線のインダクタンス分で発生する誘起電圧で前記ゲート抵抗を通したゲート電流を分流させてパワー素子のオン時のスイッチングスピードを調整するゲート電流分流回路を備えたことを特徴とする電圧駆動型パワー素子のドライブ回路。
【請求項２】
前記ゲート電流分流回路は、
・ゲート電流の分流動作電圧を設定するツェナーダイオードと、逆流阻止用ダイオードとの直列回路構成、
・ゲート電流の分流動作電圧を設定するツェナーダイオードと、逆流阻止用ダイオードと、分流させるゲート電流の大きさをせ調整する抵抗との直列回路構成、
・ゲート電流の分流動作電圧を設定するツェナーダイオードと、逆流阻止用ダイオードと、ゲート電流を分流させるタイミングを調整する可飽和リアクトルとの直列回路構成、
・ゲート電流の分流動作電圧を設定するツェナーダイオードと、逆流阻止用ダイオードと、ゲート電流を分流させるタイミングを調整する可飽和リアクトルと、分流させるゲート電流の大きさをせ調整する抵抗との直列回路構成、
のいずれか１つの回路構成にしたことを特徴とする請求項１に記載の電圧駆動型パワー素子のドライブ回路。
【請求項３】
ゲートドライブ用エミッタ端子と主エミッタ端子をもつ電圧駆動型パワー素子を、ゲート抵抗を通して印加するゲート電圧でオン・オフ制御するドライブ回路であって、
前記主エミッタ端子とゲート端子間に設けられ、パワー素子のオンまたはオフ時に、ゲートドライブ用エミッタ端子と主エミッタ端子間を接続するエミッタ配線のインダクタンス分で発生する誘起電圧の増減に応じて前記ゲート抵抗を通したゲート電流を分流させてパワー素子のオンまたはオフ時のスイッチングスピードを調整するゲート電流制御アンプ回路を備えたことを特徴とする電圧駆動型パワー素子のドライブ回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の電圧駆動型パワー素子をゲート電圧でオン・オフ制御するドライブ回路に係り、特にスイッチングスピードの調整方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等の電圧駆動型パワー素子のドライブ回路は、代表的なパワー素子としてのＩＧＢＴに適用した場合を図７に示す。同図において、トランジスタＴｒ１がＯＮし、ＩＧＢＴのゲートＧ−エミッタＥ（駆動）間にスレッショルドレベル以上の電圧が印加されることによってＩＧＢＴがＯＮする。また、トランジスタＴｒ２がＯＮし、ＩＧＢＴのＧ−Ｅ（駆動）間にスレッショルドレベル以下の電圧が印加されることによってＩＧＢＴがＯＦＦする。
【０００３】
このＯＮ／ＯＦＦ動作は瞬時には行われず、図８に示すように、Ｖｃｅが飽和レベルに達していない状態でコレクタ電流Ｉｃが流れる期間があり、このときにスイッチングロスを生じる。また、その高速スイッチングによって電流、電圧が急激に変化することからノイズを発生する。
【０００４】
上記のスイッチングロスとノイズは、トレード・オフの関係にあり、スイッチングスピードを上げればロスは低減するがノイズが増大し、スイッチングスピードを下げればノイズは低減するがロスが増大する。
【０００５】
従来、ＩＧＢＴのスイッチンゲスピードは、図７のゲート抵抗Ｒｇの抵抗値によって調整している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ゲート抵抗Ｒｇを調整する従来方式では、スイッチング期間の全域でスイッチングスピードが固定され、電流、電圧の変化率が小さい領域、すなわち、ノイズが発生しない期間においてもスイッチングスピードを低下させスイッチングロスが発生する。
【０００７】
また、図９に示すように、回路には配線に起因するインピーダンスが存在するが、このインピーダンスがＩＧＢＴのインピーダンスに比較して大きい場合には直列接続したＩＧＢＴ１，ＩＧＢＴ２の上下短絡が発生すると、ＩＧＢＴのＶｃｅが上昇せずに完全にＯＮすることにより、短絡電流が増大し、パワー素子の保護が困難になる。
【０００８】
本発明の目的は、スイッチングを遅らせることによるスイッチングロスの増大を抑制しながらスイッチングノイズの低減を図り、しかも、上下短絡時の保護を容易にする電圧駆動型パワー素子のドライブ回路を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
図１０に示すように、パワー素子になるＩＧＢＴ内部のエミッタ配線にはインダクタンス分が存在する。このインダクタンス分を通してパワー用主エミッタ端子にｄｉ／ｄｔの大きな電流が流れるとエミッタ配線に誘起電圧が生じる。通常、ゲート電位が主回路エミッタ電位に影響されるとＩＧＢＴの誤動作等の問題を生じるため、ゲートドライブ用エミッタ端子は主電流が流れないように、分離してパッケージ外部に引き出している。
【００１０】
本発明は、上記のゲートドライブ用エミッタ端子と主エミッタ端子をもつ電圧駆動型パワー素子において、そのエミッタ配線のインダクタンス分で発生する誘起電圧を利用してゲート電流を分流させるゲート電流分流回路または電流制御アンプ回路を設けることで、前記の課題を解決したもので、以下の構成を特徴とする。
【００１１】
（１）ゲートドライブ用エミッタ端子と主エミッタ端子をもつ電圧駆動型パワー素子を、ゲート抵抗を通して印加するゲート電圧でオン・オフ制御するドライブ回路であって、
前記主エミッタ端子とゲート端子間に設けられ、パワー素子のオン時に、ゲートドライブ用エミッタ端子と主エミッタ端子間を接続するエミッタ配線のインダクタンス分で発生する誘起電圧で前記ゲート抵抗を通したゲート電流を分流させてパワー素子のオン時のスイッチングスピードを調整するゲート電流分流回路を備えたことを特徴とする。
【００１２】
（２）前記ゲート電流分流回路は、
・ゲート電流の分流動作電圧を設定するツェナーダイオードと、逆流阻止用ダイオードとの直列回路構成、
・ゲート電流の分流動作電圧を設定するツェナーダイオードと、逆流阻止用ダイオードと、分流させるゲート電流の大きさをせ調整する抵抗との直列回路構成、
・ゲート電流の分流動作電圧を設定するツェナーダイオードと、逆流阻止用ダイオードと、ゲート電流を分流させるタイミングを調整する可飽和リアクトルとの直列回路構成、
・ゲート電流の分流動作電圧を設定するツェナーダイオードと、逆流阻止用ダイオードと、ゲート電流を分流させるタイミングを調整する可飽和リアクトルと、分流させるゲート電流の大きさをせ調整する抵抗との直列回路構成、
のいずれか１つの回路構成にしたことを特徴とする。
【００１３】
（３）ゲートドライブ用エミッタ端子と主エミッタ端子をもつ電圧駆動型パワー素子を、ゲート抵抗を通して印加するゲート電圧でオン・オフ制御するドライブ回路であって、
前記主エミッタ端子とゲート端子間に設けられ、パワー素子のオンまたはオフ時に、ゲートドライブ用エミッタ端子と主エミッタ端子間を接続するエミッタ配線のインダクタンス分で発生する誘起電圧の増減に応じて前記ゲート抵抗を通したゲート電流を分流させてパワー素子のオンまたはオフ時のスイッチングスピードを調整するゲート電流制御アンプ回路を備えたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示すドライブ回路図である。同図が図７と異なる部分は、ＩＧＢＴのゲート端子Ｇと主エミッタ端子Ｅ間に逆流阻止用のダイオードＤと、ゲート電流分流動作電圧を設定するツェナーダイオードＺＤを直列接続したゲート電流分流回路を追加した点にある。
【００１５】
この構成において、ＩＧＢＴのＯＮ時にエミッタ配線に誘起される電圧Ｖｅｅが、ツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧を超えると、ゲート電流分流回路にゲート電流が分流するため、ＩＧＢＴのゲート電流が減少しスイッチングスピードが緩やかになる。そして、ｄｉ／ｄｔが大きな期間をすぎると、エミッタ配線に生じる電圧が小さくなるため、ツェナーダイオードＺＤに電流が流れなくなり、通常のゲート抵抗と同じとなる。
【００１６】
このときの模式図を図２に示す。同図中、破線は従来のドライブ回路におけるコレクタ電流とエミッタ配線の誘起電圧およびゲート電流の各波形を示し、実線は本実施形態のドライブ回路による波形を示し、ＩＧＢＴのＯＮ時のコレクタ電流の立ち上がりが緩やかになり、スイッチングロスの増大を抑制しながらスイッチングノイズの低減を図ることができる。
【００１７】
また、ＩＧＢＴを直列接続する回路構成において、上下のＩＧＢＴ短絡発生時にＩＧＢＴのコレクタ電流として急峻な電流が流れるが、ゲート電流分流回路によりＩＧＢＴのゲート電荷を引き抜く動作を行うため、短絡電流の極端な増大を抑制することが可能となり、ＩＧＢＴの保護が容易となる。
【００１８】
（実施形態２）
図３は本発明の他の実施形態を示し、実施形態１のゲート電流分流回路として、ツェナーダイオードＺＤとダイオードＤにさらに抵抗Ｒを直列に接続した構成とする。
【００１９】
本実施形態によれば、実施形態１の作用効果に加えて、分流させるゲート電流の大きさを抵抗Ｒで調整可能となり、ＩＧＢＴの動作特性やこれを使用した電力変換回路に要求される動作性能等に応じて、ＩＧＢＴのスイッチングスピードを容易に調整することができる。
【００２０】
（実施形態３）
図４は本発明の他の実施形態を示し、実施形態１のゲート電流分流回路の抵抗Ｒに代えて、可飽和リアクトルＳＴを直列に設けた構成とする。
【００２１】
本実施形態によれば、実施形態１の作用効果に加えて、ゲート電流分流回路にゲート電流を分流させる動作タイミングを可飽和リアクトルＳＴの飽和動作タイミング（リアクトルＳＴに印加される電圧と時間の積で決まる）で調整することができる。これにより、ゲート電流分流回路の動作タイミングを確実にすることができる。
【００２２】
（実施形態４）
図５は本発明の他の実施形態を示し、実施形態２，３を組み合わせた構成とする。すなわち、ゲート電流分流回路は、ツェナーダイオードＺＤとダイオードＤと抵抗Ｒおよび可飽和リアクトルＳＴを直列に接続した構成とする。
【００２３】
この構成により、実施形態１の作用効果に加えて、ＩＧＢＴのスイッチングスピードとゲート電流分流回路の動作タイミングを調整することが可能になり、ドライブ回路を適用可能な素子および装置の範囲を広げることができる。
【００２４】
（実施形態５）
図６は本発明の他の実施形態を示し、ゲート電流分流回路として、ＩＧＢＴのエミッタ配線に誘起する電圧の増減に応じてゲート電流の分流度合いを制御するゲート電流制御アンプＡＭＰとその電流制限抵抗Ｒを設ける。
【００２５】
本実施形態において、パワー側の主エミッタ端子の電位に比較して駆動側のエミッタ端子の電位が高くなった場合はアンプＡＭＰの出力が低下することで、ＩＧＢＴのゲート電流を下げる。逆に、パワー側の主エミッタ端子の電位に比較して駆動側のエミッタ端子の電位が低くなった場合はアンプＡＭＰの出力が上昇することで、ＩＧＢＴのゲート電流を上げる。
【００２６】
本実施形態によれば、アンプＡＭＰを設けることにより、ゲート電流を任意に調整することができ、スイッチングロスの増大を抑制しながらスイッチングノイズの低減を図ること、及びＩＧＢＴの保護のためのゲート電流調整が確実、容易になる。
【００２７】
なお、本実施形態では、ＩＧＢＴのＯＮ／ＯＦＦ時の両方のスイッチング動作時のゲート電流制御が可能となる。
【００２８】
以上までの各実施形態は、電圧駆動型パワー素子として、ＩＧＢＴの場合を示すが、ＭＯＳＦＥＴ等の他の電圧駆動型パワー素子に適用して同等の作用効果を得ることができる。また、ドライブ回路はトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２でプッシュプル回路に構成するものに限られるものでない。
【００２９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、電圧駆動型パワー素子のエミッタ配線のインダクタンス分で発生する誘起電圧を利用してゲート電流を分流させるようにしたため、スイッチングロスの増大を抑制しながらスイッチングノイズの低減を図り、しかも、上下短絡時の保護を容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示すドライブ回路図。
【図２】実施形態１でのコレクタ電流とエミッタ配線に誘起する電圧の関係図。
【図３】本発明の実施形態２を示すドライブ回路図。
【図４】本発明の実施形態３を示すドライブ回路図。
【図５】本発明の実施形態４を示すドライブ回路図。
【図６】本発明の実施形態５を示すドライブ回路図。
【図７】従来のドライブ回路図。
【図８】スイッチングロス発生の模式図。
【図９】短絡時の模式図。
【図１０】ＩＧＢＴの内部配線の模式図。
【符号の説明】
Ｔｒ１，Ｔｒ２…トランジスタ
Ｒｇ…ゲート抵抗
ＺＤ…ツェナーダイオード
Ｄ…ダイオード
Ｒ…抵抗
ＳＴ…可飽和リアクトル
ＡＭＰ…アンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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