(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体スイッチのオン駆動用のスイッチとオフ駆動用スイッチを直列接続したものを、直列接続された正・負の直流電源の両端に並列に接続し、このスイッチの接続点を前記電力用半導体スイッチのゲート／ベースに、前記直流電源の接続点を前記電力用半導体スイッチのカソード／エミッタにそれぞれ接続してなる回路を形成した回路において、前記オフ駆動用スイッチにＭＯＳＦＥＴを使用し、該ＭＯＳＦＥＴのドレインとゲートの間に抵抗を接続し、該ＭＯＳＦＥＴをオフゲート／ベース制御信号印加直後のゲート／ベースオフ電流が零となるまでの極短時間だけ完全にオンし、その後は前記ドレインとゲート間の抵抗によりＭＯＳＦＥＴを閾値で動作させることを特徴とする電力用半導体スイッチのゲート／ベース駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電圧駆動形素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）、ＳＩサイリスタ（静電誘導サイリスタ）や電流駆動形素子であるＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、パワートランジスタ等の電力用半導体スイッチのゲート／ベース駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力用半導体スイッチのオン・オフを行うゲート／ベース駆動回路の従来例の基本的なものとして、図３に示す構成のものがある。図３においてＱ１はオン・オフ制御される被制御電力用半導体スイッチで同図ではＧＴＯで示している。
Ｅ１，Ｅ２はそれぞれオン駆動用、オフ駆動用の直流電源、Ｓｏｎ、Ｓｏｆｆはそれぞれオン駆動用、オフ駆動用のスイッチであり同図では、それぞれＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを使用して示し、それぞれゲート抵抗Ｒｏｎ、Ｒｏｆｆを通してゲートパルス発生装置ＰＧより制御される。ＧＴＯ等をターンオフする場合には非常に短時間の間に大きなオフ引き抜き電流を流す必要があるが、最近、高速で大電流を流すことが出来る比較的低圧のパワーＭＯＳＦＥＴが出回り、これをオン・オフ駆動用スイッチとして使用する例が多くなってきた。このオフ駆動用ＭＯＳＦＥＴは電力用半導体スイッチＱ１をオフしている期間中、ＭＯＳＦＥＴのゲート、ソース間に閾値よりかなり高い電圧を印加し、充分低抵抗状態となるようにしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
オフ駆動用に使用するＭＯＳＦＥＴは図３に示すように、ゲート−ソース間、ゲート−ドレイン間およびドレイン−ソース間にそれぞれ比較的静電容量の大きい容量Ｃｇｓ、Ｃｇｄ、Ｃｄｓが存在し、かつドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓによって容量が２桁のオーダーで変化し、Ｖｄｓが低いときに大きく、高いときに小さくなる。したがってＭＯＳＦＥＴがオンしてＶｄｓが充分低いときにはゲートから見た容量（入力容量Ｃｉｓｓ＝Ｃｇｓ＋Ｃｇｄ）は非常に大きく数千ＰＦ以上となる。このためＭＯＳＦＥＴをオフするためにこのコンデンサに蓄積されている電荷を放電しなければならず、したがって充電されている電圧すなわちゲート−ソース電圧Ｖｇｓが高いほど放電に要する時間は長くなり、ゲート回路条件にもよるがターンオン時間は数百ｎｓｅｃと大きい。一方、オフ状態ではＣｇｄは数十ＰＦと小さくターンオン時間はターンオフ時間の半分以下となる。
【０００４】
このターンオフ時間が数百ｎｓｅｃあると制御信号印加から被制御素子である電力用半導体スイッチＱ１のターンオンまでの時間遅れが許されない用途、例えば共振形インバータにおいて半導体スイッチＱ１が零を含む最低電圧に到達時にターンオンさせる、いわゆる零電圧スイッチング（ＺＶＳ）を行うような場合に不都合となる。また、上述したようにＭＯＳＦＥＴのターンオフ時間がターンオン時間より大きいことも問題となる、すなわち被制御の半導体スイッチＱ１をターンオンさせる場合に、オフ用駆動スイッチＳｏｆｆをオフし、オン用駆動スイッチＳｏｎを同時か、若干遅れてオンさせる必要があるが、両スイッチを同一の信号で駆動するとターンオン・ターンオフ時間の相違により、両スイッチのオン状態がラップし直流電源から大きなクロスオーバー電流が流れ、両スイッチの損失を増大させ、動作周波数を上げることが出来ないばかりではなく、このスイッチを破壊する恐れもあった。このため両スイッチを駆動するゲートパルスを別々とし、互いに時間差を付ける等を行っており、ゲートパルス発生装置が複雑なものとなっていた。
【０００５】
本発明は上述した問題点を解決するために提案されたもので、その目的とするところは、オフ用駆動スイッチＳｏｆｆのターンオフ時間を早めることで、被制御の電力用半導体スイッチＱ１のターンオンの遅れを少なくすることができ、またスイッチの損失等を抑制し、動作周波数を高めることを可能としたゲート／ベース駆動回路を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、電力用半導体スイッチのオン駆動用スイッチとオフ駆動用スイッチを直列接続したものを直列接続された正・負の直流電源の両端に並列に接続し、
このスイッチの接続点を前記電力用半導体スイッチのゲート／ベースに、前記直流電源の接続点を前記電力用半導体スイッチのカソード／エミッタにそれぞれ接続してなる回路を形成した回路において、
前記オフ駆動用スイッチにＭＯＳＦＥＴを使用し、該ＭＯＳＦＥＴのドレインとゲートの間に抵抗を接続し、
該ＭＯＳＦＥＴをオフゲート／ベース制御信号印加直後の極短時間（ゲート／ベースオフ電流が零となるまでの時間）だけ完全にオンし、その後は前記ドレインとゲート間の抵抗によりＭＯＳＦＥＴを閾値で動作させる。
【０００７】
すなわち、被制御半導体スイッチＱ１をターンオフする場合にゲート／ベースに逆電圧を加え、ゲート／ベースまわりに蓄積された電荷を引き抜くように急速に大きな電流を流す必要があるが、Ｑ１がオフ能力を回復した後はゲート／ベース電流は流れない。したがってオフ駆動用スイッチＳｏｆｆはこの期間だけ完全にオン状態にすれば良く、その後の次のＱ１のターンオンまではＳｏｆｆは能動領域で動作するようにする。
このようにすることにより、被制御半導体スイッチＱ１のターンオフ完了後はオフ駆動用スイッチＳｏｆｆであるＭＯＳＦＥＴのゲート信号源はドレインとゲートの間に接続した抵抗によるものだけとする。これによりＳｏｆｆはＭＯＳＦＥＴの原理により、ベース−ソース間電圧Ｖｇｓ＝ドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓすなわちゲート閾値で駆動される。このためＳｏｆｆをオフさせる時にゲート電圧を閾値まで下げるのに要するターンオフ遅れ時間が不要になりターンオフ時間が１／２以下となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に沿って本発明の実施例を説明する。図１は本発明の実施例の回路図、図２は動作説明図である。
図１において、Ｑ１はオン、オフされる被制御電力用半導体スイッチ、Ｅ１，Ｅ２はそれぞれオン、オフ駆動用直流電源で直列接続し、Ｓｏｎ、Ｓｏｆｆはそれぞれオン、オフ用駆動スイッチで直列接続したものを前記直流電源に並列接続し、Ｓｏｎ、Ｓｏｆｆの接続点およびＥ１、Ｅ２の接続点をそれぞれＱ１のゲート／ベースおよびカソード／エミッタに接続する。実施例ではＳｏｎにＰチャンネル、ＳｏｆｆにＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴを使用して示している。ここまでは従来例と同じであるが、両スイッチのゲート駆動方法に違いがある。
【０００９】
オン・オフゲートパルスを共通に一信号とし、バッファ回路ＢＦから出力し、オン用駆動スイッチＳｏｎのゲートへゲート抵抗Ｒｏｎを経て供給、またオフ用駆動スイッチＳｏｆｆのゲートには微分コンデンサＣとダイオードの並列接続したものとゲート抵抗Ｒｏｆｆを直列接続したものを経て供給している。さらにこの直列点とＳｏｆｆのドレインとの間に抵抗Ｒｇｄを接続する。ここで微分コンデンサＣの容量はＳｏｆｆの入力容量Ｃｉｓｓより大きく（大体２倍以上）、抵抗Ｒｇｄはゲート抵抗Ｒｏｆｆ（通常１０オーム以下）より充分大きく選ぶ。
被制御半導体スイッチＱ１がオンつまりＳｏｎ、Ｓｏｆｆがそれぞれオン、オフしている状態で、図２に示す時間ｔ０で制御信号が印加されバッファ回路ＢＦの出力が”Ｌ”から”Ｈ”へ切り替わると、微分コンデンサＣ→ゲート抵抗Ｒｏｆｆ→Ｓｏｆｆゲート（入力容量Ｃｉｓｓ）で形成される微分回路に電流が流れＣｉｓｓを充電する。この時抵抗ＲｇｄはＲｏｆｆに較べ非常に大きいのでこの微分動作にはほとんど影響を与えない。
【００１０】
またＣの容量はＣｉｓｓより大きいので、Ｃｉｓｓの充電電圧は充分高くなり、つまりＳｏｆｆを完全にオンさせ、被制御半導体スイッチＱ１のゲート／ベースから急速に大きな引き抜き電流を流すようになる。一方、微分動作が終了後には、Ｓｏｆｆが完全にオンしているので、Ｓｏｆｆの入力容量Ｃｉｓｓはゲート抵抗Ｒｏｆｆおよび抵抗ＲｇｄおよびＳｏｆｆのオン抵抗により放電して行き、Ｓｏｆｆのゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが低くなり閾値近くなると、Ｓｏｆｆのドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓが上昇しはじめ、Ｖｇｓ＝Ｖｄｓで平衡し安定する。このため前述したように次のＳｏｆｆターンオフ時にはＶｇｓを閾値まで下げるターンオフ遅れ時間を不要とするのでＳｏｆｆのターンオフが早くなる。
また、微分コンデンサＣはさらに充電され、（Ｅ１＋Ｅ２−Ｖｇｓ）に充電される。このコンデンサＣに充電された電荷は時間ｔ１で制御信号が変化し、バッファ回路出力が”Ｈ”から”Ｌ”に切り替わるとＳｏｆｆのゲートーソース間に逆電圧を加えることになり、Ｓｏｆｆのターンオフをさらに早めるのに貢献する。
【００１１】
上述したようにＳｏｆｆのターンオフ時間が短縮され、Ｓｏｎのターンオン時間に近づきＳｏｎとＳｏｆｆの同時オン時間が無くなるので、これによる損失の発生もなく、高周波での動作が可能となり、さらに制御信号からの被制御半導体スイッチのターンオンタイミングの遅れも、少なくすることが出来る。以上の説明でＳｏｆｆのターンオン直後だけゲート電圧Ｖｇｓを高くする方法として、図１の実施例では微分回路を使用して説明したが同様の効果を奏するものであればどのような方法でも良いこと、被制御半導体スイッチＱ１をＧＴＯで説明したが、ＩＧＢＴ，ＳＩサイリスタ、パワートランジスタ等の半導体スイッチに適用できることは言うまでもない。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被制御電力用半導体のターンオンタイミングの制御信号からの時間遅れを少なくすることができ、さらにオン・オフ駆動用スイッチの同時オンによる、クロスオーバー電流による大きな損失の発生が抑制され高周波動作を可能ならしめる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す回路図である。
【図２】図１の動作の説明図である。
【図３】従来の技術を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｑ１……被制御電力用半導体スイッチ
Ｅ１……オン用直流電源
Ｅ２……オフ用直流電源
Ｓｏｎ……オン用駆動スイッチ
Ｓｏｆｆ……オフ用駆動スイッチ
Ｒｏｎ、Ｒｏｆｆ……ゲート抵抗
ＢＦ……バッファ回路
Ｃ……微分コンデンサ
Ｄ……ダイオード
Ｒｇｄ……ドレイン、ゲート間抵抗
ＰＧ……信号発生器
【図１】
0004052714.tif 000002
【図２】
0004052714.tif 000003
【図３】
0004052714.tif 000004