JP2018133892A - Gate driving device and gate driving method of power semiconductor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータ、コンバータあるいは直流チョッパ回路等の電力変換装置に用いられるパワー半導体のゲート駆動装置およびゲート駆動方法に関する。 The present invention relates to a power semiconductor gate driving device and a gate driving method used in a power conversion device such as an inverter, a converter, or a DC chopper circuit.
直流電力を交流電力に変換するインバータ、交流電力を直流電力に変換するコンバータあるいは直流電圧の昇圧や降圧を行う直流チョッパ回路等の電力変換装置では、IGBT等のパワー半導体素子が広く使われている。このパワー半導体素子は、ゲート駆動装置からのオン/オフ信号により駆動される。ゲート駆動装置は、電力変換装置のコントローラである制御論理部からの信号により制御されている。 Power semiconductor devices such as IGBTs are widely used in power converters such as inverters that convert DC power into AC power, converters that convert AC power into DC power, or DC chopper circuits that boost or reduce DC voltage. . This power semiconductor element is driven by an on / off signal from a gate driving device. The gate driving device is controlled by a signal from a control logic unit that is a controller of the power conversion device.
ゲート駆動装置を使用する一例として、図2に、鉄道車両用電力変換装置として用いる2レベルインバータの全体構成を示す。
電力変換装置4は、制御論理部11、ゲート駆動装置21〜26、制御論理部11とゲート駆動装置21〜26を接続する信号線12およびパワー半導体31〜36から構成される。プラス電源線はパンタグラフ1を介して架線に接続され、マイナス電源線は車輪6を介してレールに接続されている。フィルタリアクトル2とフィルタコンデンサ3は、数十Hzで動作する軌道回路(図示せず)が電力変換装置4の動作による誘導障害で誤動作しないために、設けている。また、遮断機7は、過電流および過電圧が発生した際に電源を遮断し電力変換装置4を保護するために、設けている。
As an example of using a gate drive device, FIG. 2 shows the overall configuration of a two-level inverter used as a railway vehicle power converter.
The power conversion device 4 includes a
次に、電力変換装置4の動作を説明する。ゲート駆動装置21〜26は、制御論理部11から送信されたパワー半導体31〜36のオン/オフ指令に基づき、オン指令の場合にはソースに対してゲートに正の電圧を、オフ指令の場合にはソースに対してゲートに負の電圧を、出力する。パワー半導体31〜36は、ゲート駆動装置21〜26から出力される前記電圧に応じて導通/非導通を繰り返すことで、架線から供給される直流電力をパルス列の交流電力に変換して、交流モータ5を駆動する。
Next, operation | movement of the power converter device 4 is demonstrated. Based on the on / off command of the
近年、環境負荷の低減という大きな社会潮流の中で、電力変換装置の高効率化や低損失化の要求が高まっている。この要求に応える方法として、従来のシリコン製パワー半導体素子に代わって、バンドキャップの大きいシリコンカーバイド(SiC)やガリウムナイトライド(GaN)で構成したパワー半導体を用いた電力変換装置が普及しつつある。これらのバンドギャップの大きいパワー半導体では、絶縁耐圧がシリコン製パワー半導体の10倍程度あるため、半導体のチップの厚みを1/10程度に小さくできる。このため、導通時の抵抗は1/10程度に下がり、導通損失を小さくできるという特長を持つ。 In recent years, the demand for higher efficiency and lower loss of power conversion devices has increased in the great social trend of reducing environmental impact. As a method to meet this demand, power converters using power semiconductors composed of silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) with a large band cap are becoming popular in place of conventional silicon power semiconductor elements. . In these power semiconductors with a large band gap, the withstand voltage is about 10 times that of a silicon power semiconductor, so that the thickness of the semiconductor chip can be reduced to about 1/10. For this reason, the resistance during conduction is reduced to about 1/10, and the conduction loss can be reduced.
電力変換装置の高効率化や低損失化の要求を満たすために、上述のSiCで構成したパワー半導体を用いるに際して、SiCのMOSゲート型パワー半導体は、ゲートに負の電圧を出力するオフ状態時に所定の電圧よりも低い電圧を長時間印加すると、閾値が負側にシフトするという問題がある。例えば、閾値が4VのSiCのMOSFETの場合には、長時間の負バイアスにより閾値が1V低下して3Vになる。閾値が負側にシフトすると、インバータの対となるアームのダイオードが、リバースリカバリする際のドレイン電圧の急峻な変動でゲート電圧も変動し、MOSFETが誤オンすることにより、上下アームのSiCパワー半導体素子がアーム短絡(同時にオンする現象)を起こす恐れがある。ゲート電圧のシフトは、ゲートの負バイアスの大きさに依存して大きくなるため、極力負バイアスを小さくして使うことが望ましい。しかし、負バイアスが小さいと、上述したリカバリの際に、ゲート電圧が変動すると誤オンするリスクが高まるため、単純に小さくすることはできない。この対策として、例えば、特許文献1(特開2013−219874号公報)には、リカバリ時だけ負バイアス電圧を低くし、上述した閾値のシフトの問題を解決する技術が開示されている。 In order to satisfy the demand for higher efficiency and lower loss of the power converter, when using the above-described power semiconductor composed of SiC, the SiC MOS gate type power semiconductor is in an off state in which a negative voltage is output to the gate. When a voltage lower than a predetermined voltage is applied for a long time, there is a problem that the threshold value is shifted to the negative side. For example, in the case of a SiC MOSFET having a threshold value of 4V, the threshold value is reduced by 1V to 3V due to a long negative bias. When the threshold value shifts to the negative side, the diode of the arm that forms a pair of inverters also changes the gate voltage due to the steep fluctuation of the drain voltage when reverse recovery is performed, and the MOSFET is turned on incorrectly, so that the SiC power semiconductors of the upper and lower arms There is a risk of the element shorting the arm (a phenomenon that turns on simultaneously). Since the shift of the gate voltage increases depending on the magnitude of the negative bias of the gate, it is desirable to use the negative bias as small as possible. However, if the negative bias is small, the risk of erroneous turn-on increases when the gate voltage fluctuates during the above-described recovery, so it cannot be simply reduced. As a countermeasure against this, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2013-219874) discloses a technique for reducing the above-described threshold shift problem by reducing the negative bias voltage only during recovery.
また、鉄道用電力変換器のように、変換する電圧が600〜3000Vと高い場合、装置の信頼性を確保するため、低電圧で動作する制御論理部と高電圧の主回路に接続して動作させるゲート駆動装置間、および、上下アームで対となっているゲート駆動装置間、の信号伝送は、光ファイバやフォトカプラ等の絶縁素子を介する必要がある。 Also, when the voltage to be converted is as high as 600 to 3000 V, such as a railway power converter, it operates by connecting it to a control logic unit that operates at a low voltage and a high-voltage main circuit in order to ensure device reliability. Signal transmission between the gate driving devices to be operated and between the gate driving devices paired by the upper and lower arms needs to be performed through an insulating element such as an optical fiber or a photocoupler.
上述した特許文献1に開示された技術では、上下アームのうちの一方のアームのオン指令をトリガとして、負バイアス電圧を通常より低くしている。しかし、この方式では、制御論理部とゲート駆動装置との間で伝送するオン/オフ指令のほかに、制御論理部とゲート駆動装置間、または一方のゲート駆動装置と対となるアームのゲート駆動装置間で、新たにオン/オフ指令を伝送する手段が必要となる。このため、信号線や絶縁素子などで構成される信号送受信回路を新たに設ける必要があり、装置が大型化するという課題があった。 In the technique disclosed in Patent Document 1 described above, the negative bias voltage is made lower than usual by using an ON command of one of the upper and lower arms as a trigger. However, in this method, in addition to the on / off command transmitted between the control logic unit and the gate drive device, the gate drive of the arm paired with the control logic unit and the gate drive device or one of the gate drive devices is performed. A new means for transmitting an on / off command between apparatuses is required. For this reason, it is necessary to newly provide a signal transmission / reception circuit composed of a signal line, an insulating element, and the like, and there is a problem that the apparatus becomes large.
ゲート出力回路により、パワー半導体のゲートに印加するゲート電圧をゲートのオン指令を受けると第一の電圧に制御しゲートのオフ指令を受けると第二の電圧に制御し、オン/オフ状態判定回路により、ゲート電圧を監視してパワー半導体のオン/オフの状態を判定し、タイマ回路により、オン/オフ状態判定回路が出力するオフ状態の判定を検知することにより一定時間の信号をゲート出力回路へ出力し、ゲート出力回路は、一定時間の信号を入力している間はゲート電圧を第二の電圧よりも低い第三の電圧に制御する。 The gate output circuit controls the gate voltage applied to the gate of the power semiconductor to the first voltage when receiving a gate on command, and to the second voltage when receiving a gate off command, and an on / off state determination circuit. Thus, the gate voltage is monitored to determine the on / off state of the power semiconductor, and the timer circuit detects the off state determination output from the on / off state determination circuit, thereby outputting a signal for a predetermined time to the gate output circuit. The gate output circuit controls the gate voltage to a third voltage lower than the second voltage while inputting a signal for a predetermined time.
本発明によれば、制御論理部とゲート駆動装置間およびゲート駆動装置と対となるアームのゲート駆動装置間の絶縁素子を介した信号伝達経路を新たに追加することなく、リカバリ時のみ負バイアスを低くすることが可能となり、パワー半導体素子の劣化を抑制しながら装置の大型化を伴わない、高信頼で小型の電力変換装置を提供する。 According to the present invention, the negative bias is applied only at the time of recovery without newly adding a signal transmission path through the insulating element between the control logic unit and the gate driving device and between the gate driving device of the arm paired with the gate driving device. Therefore, it is possible to provide a highly reliable and small-sized power conversion device that does not increase the size of the device while suppressing deterioration of the power semiconductor element.
本発明を実施するための形態として、本発明に係るゲート駆動装置の実施例1〜4について、図を参照しながら以下に説明する。 As modes for carrying out the present invention, first to fourth embodiments of a gate driving device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明に係るゲート駆動装置の実施例1の構成を示すブロック図である。実施例1は、リカバリ時のみ負のバイアス電圧を引き下げる機能を奏するものである。
ゲート駆動装置22は、ゲートオン/オフ指令111をレベル変換するゲート指令レベル変換回路101、ゲート指令レベル変換回路101でレベル変換されたゲートオン/オフ指令LIN(112)およびタイマ回路104の出力を受けてゲート出力電圧LO1(113)をパワー半導体素子のゲートに出力するゲート出力回路102、ゲート出力回路102によるゲート電圧監視信号114からパワー半導体素子のゲートの状態を判定するオン/オフ状態判定回路103およびオン/オフ状態判定回路103の出力であるフィードバック信号LFB(115)により一定時間タイマ回路出力N1(117)を駆動するタイマ回路104、から構成される。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a first embodiment of a gate driving apparatus according to the present invention. The first embodiment has a function of reducing the negative bias voltage only at the time of recovery.
The
ゲート駆動装置22には、制御論理部11から出力されたゲートオン/オフ指令111が、絶縁素子(図示せず)を介してゲート指令レベル変換回路101に入力される。このオン/オフ指令111は、ゲート指令レベル変換回路101でSiCパワー半導体32を駆動できる振幅レベルにレベル変換されたゲートオン/オフ指令LIN(112)となる。ゲート出力回路(102)は、受け取ったゲートオン/オフ指令LIN(112)に基づいたゲート電圧LO1(113)をSiCパワー半導体32のベースに出力する。
In the
また、ゲート出力回路102から出力されたゲート電圧監視信号114は、オン/オフ状態判定回路(103)で基準電圧と比較され、基準電圧以上ならばフィードバック信号LFB(115)はオン信号として出力され、基準電圧以下ならばフィードバック信号LFB(115)はオフ信号として出力される。ゲート指令レベル変換回路(101)でレベル変換したフィードバック信号116は、制御論理部(11)に送信される。
The gate
なお、制御論理部11とゲート駆動装置22間を光ファイバで接続した場合には、ゲート指令レベル変換回路101はゲート指令111およびフィードバック信号115の振幅を変換するだけである。一方、制御論理部11とゲート駆動装置22間を電線で接続した場合には、低電圧で駆動する制御論理部11と高電圧で駆動するSiCパワー半導体32およびゲート出力回路102を絶縁する機能をゲート指令レベル変換回路101に設けることになる。
When the
本実施例1の特徴は、フィードバック信号LFB(115)をトリガとして、リカバリ時の負バイアス電圧を通常時のオフ電圧よりも下げ、リカバリ終了後には負バイアス電圧を通常時のオフ電圧に戻すことにある。これにより、対アームからのオン/オフの情報無しで、ゲートの負バイアスをリカバリ時のみ引き下げることを可能にする。 A feature of the first embodiment is that the feedback signal LFB (115) is used as a trigger to lower the negative bias voltage at the time of recovery from the normal off voltage and return the negative bias voltage to the normal off voltage after the recovery ends. It is in. This makes it possible to reduce the negative bias of the gate only at the time of recovery without the on / off information from the pair arm.
図3は、実施例1のゲート電圧出力回路102の具体的構成例を示す図である。ゲート電圧出力回路102は、3台のMOSトランジスタ121、122および123、SiCパワー半導体32のスイッチング特性を制御するためのゲート抵抗131および132、MOSトランジスタ123をオンさせるためのバイアス抵抗133および134、並びに、タイマ回路104の出力N1(117)と基準電圧Vrefとを比較する負バイアス切替コンパレータ141から構成される。
FIG. 3 is a diagram illustrating a specific configuration example of the gate
ゲート指令112がオンの場合は、MOSトランジスタ121がオンしてゲート出力電圧LO1(113)は正のバイアス電圧VDD2となり、ゲート指令112がオフの場合は、MOSトランジスタ122がオンして、ゲート出力電圧LO1(113)は負のバイアス電圧VSS2aとなる。なお、図3では、トランジスタ121〜123は、MOSトランジスタの場合を示しているが、バイポーラトランジスタとした場合でも同じ効果が得られることは明白である。
When the
次に、リカバリ時の動作態様を、図4のタイムチャートを使って説明する。図4は、インバータ側から負荷側に電流が流れ出している状態での各部の動作波形を示した図である。図4で初めて示す信号として、HINは上アームのゲートオン/オフ指令、VgsHは上アームのゲート電圧、HFBは上アームのフィードバック信号、VdsLは下アームのドレイン−ソース間電圧、IdLは下アームのドレイン電流を示し、ドレインからソースに向かって電流が流れる場合を正とする。 Next, the operation mode at the time of recovery will be described using the time chart of FIG. FIG. 4 is a diagram showing operation waveforms of respective parts in a state where current flows from the inverter side to the load side. As signals shown for the first time in FIG. 4, HIN is the upper arm gate on / off command, VgsH is the upper arm gate voltage, HFB is the upper arm feedback signal, VdsL is the lower arm drain-source voltage, and IdL is the lower arm signal. The drain current is shown, and the case where the current flows from the drain to the source is positive.
下アームのゲートオン/オフ指令LIN(112)が、ゲートオフ指令によりLレベルとなると、ゲート電圧VgsL(113)は、正のバイアス電圧VDD2から負のバイアス電圧VSS2aに変化するが、パワー半導体を構成するMOSFETと逆並列接続されているフリーホイルダイオードに電流が流れているため、下アームのドレイン電圧VdsLとドレイン電流IdLは変化しない。この状態は、電力変換装置4から交流モータ5に向かってモータ電流が流れ、下アームのSiCパワー半導体32では、パワー半導体を構成するMOSFETではなく逆並列されているフリーホイルダイオードに電流が流れるモードである。しかし、ゲート電圧VgsL(113)が負バイアス電圧VSS2aとなることで、ゲート駆動装置22内のオン/オフ状態判定回路103はターンオフしたと判断し、フィードバック信号LFB(115)はターンオフ状態のHレベルの信号に変化する。フィードバック信号LFB(115)がHレベルに変化すると、タイマ回路104が動作し、一定時間TdだけHレベルとなる信号N1(117)を出力する。
When the lower arm gate on / off command LIN (112) becomes L level by the gate off command, the gate voltage VgsL (113) changes from the positive bias voltage VDD2 to the negative bias voltage VSS2a, but constitutes a power semiconductor. Since the current flows through the free wheel diode connected in reverse parallel with the MOSFET, the drain voltage VdsL and the drain current IdL of the lower arm do not change. In this state, a motor current flows from the power conversion device 4 toward the
信号N1(117)のHレベルがVrefより高くなると、コンパレータ141(図3)の出力はLレベルからHレベルとなり、MOSトランジスタ123がオンする。これにより、ゲート出力電圧LO1(113)の負バイアス電圧は、VSS2aからVSS2bに下がる。上アームのSiCパワー半導体31がターンオンすると、下アームのSiCパワー半導体32はリバースリカバリし、急激なドレイン電圧VdsLの変化により下アームのゲート電圧VgsL(113)が一瞬上昇する。しかしながら、ゲート電圧VgsLはVSS2bまで引き下げられているため、パワー半導体を構成するMOSFETの閾値には達せず、パワー半導体を構成するMOSFETが誤オンすることは無い。リカバリ動作が終了し、タイマ回路104の出力N1(117)がHレベルである時間Tdが経過すると、N1(117)の出力がLレベルとなりVrefより低くなる。これにより、コンパレータ141がオフし、ゲート出力電圧LO1(113)の負バイアス電圧はVSS2aに戻る。
When the H level of the signal N1 (117) becomes higher than Vref, the output of the comparator 141 (FIG. 3) changes from the L level to the H level, and the
本実施例1によると、上述したように、簡素なシステム構成でリカバリ時の誤点弧を防止するとともに、しきい値Vthのシフトを防止し、パワー半導体素子の劣化を抑制し該素子の寿命を延ばすことを可能にする。これにより、信頼性を保ちつつゲート駆動装置の大型化を防ぐことができる。 According to the first embodiment, as described above, a simple system configuration prevents erroneous firing at the time of recovery, prevents shift of the threshold value Vth, suppresses deterioration of the power semiconductor element, and reduces the lifetime of the element. Makes it possible to extend Thereby, the enlargement of the gate driving device can be prevented while maintaining reliability.
上述の構成としては、例えば通常のオフ時電圧VSS2aは−5Vとし、タイマ回路104がHレベルを出す時間Tdは、ゲート出力回路102の出力が変化してから対アームのゲート出力回路102の出力が変化するまでのデットタイムとリカバリ時間の合計で決まる5μs〜10μs程度である。この期間のみ、負バイアス電圧VSS2bを−10Vに下げる。但し、ノイズの影響が極めて少ない環境では、VSS2aは0V、VSS2bは−3Vとすることで、SiCパワー半導体素子の劣化をさらに抑制することができる。
In the above-described configuration, for example, the normal off-time voltage VSS2a is -5V, and the time Td for the
以上においては、SiCパワー半導体を例に説明したところ、負バイアスを長時間印加するとパワー半導体素子の閾値電圧Vthが負側にシフトし、劣化するパワー半導体素子すべてに対して有効である。 In the above description, the SiC power semiconductor has been described as an example. However, when a negative bias is applied for a long time, the threshold voltage Vth of the power semiconductor element shifts to the negative side and is effective for all power semiconductor elements that deteriorate.
図5は、本発明に係るゲート駆動装置の実施例2の構成を示す図である。図1に示す実施例1の構成と異なる点は、ゲート駆動装置22にオンオフ状態判定回路103を設けず、制御論理部11にオン/オフ状態のフィードバック信号116を伝送する機能を有しない点である。このため、図6のタイムチャートに示すように、下アームのゲートオン/オフ指令LIN(112)のオフを検知すると、タイマ回路104は、無条件に一定時間TdだけHレベルとなる信号N1(117)を出力する。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a second embodiment of the gate driving apparatus according to the present invention. The difference from the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1 is that the
本実施例2の特徴は、上位のコントローラである制御論理部11にフィードバック信号116を伝送しない簡易なシステム構成であっても、ゲート駆動装置22の信号だけでリカバリ時のみ負バイアス電圧を下げることができることである。
The feature of the second embodiment is that the negative bias voltage is lowered only at the time of recovery only by the signal of the
図7は、本発明に係るゲート駆動装置の実施例3の構成を示す図である。図1に示す実施例1の構成と異なる点は、ゲート駆動装置22にドレイン電圧を監視する機能が追加され、構成要素として、ドレイン電圧判定回路105およびAND機能によるタイマ計測開始回路106が追加されている点である。以下に、図8および図9のタイムチャートによって、本実施例3の動作態様を説明する。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a third embodiment of the gate driving apparatus according to the present invention. The difference from the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1 is that a function for monitoring the drain voltage is added to the
図8は、下アームのSiCパワー半導体32がリカバリする場合のタイムチャートを示す図である。制御論理部11からの下アームのゲートオン/オフ指令LIN(112)がオフになると、ゲート出力電圧LO1(113)がVSS2aに低下するが、ドレインソース間電圧VdsLやドレイン電流IdLは変化しない。この状態は、電力変換装置4から交流モータ5に向かってモータ電流が流れ、下アームのSiCパワー半導体32では、パワー半導体を構成するMOSFETではなく逆並列されているフリーホイルダイオードに電流が流れるモードである。このため、ゲート出力電圧が正バイアス電圧VDD2から負バイアス電圧VSS2aに変わっても、動作態様(ドレインソース間電圧VdsLやドレイン電流IdL)に変化はないことになる。
FIG. 8 is a time chart when the
このモードでは、フィードバック信号LFB(115)がターンオフ状態を検知しても、ドレインソース間電圧VdsL(118)が変化しないことをドレイン電圧判定回路105が検知する。これにより、ドレイン電圧判定回路105はHレベルのドレイン電圧Lowレベル検出信号119を出力し、タイマ計測開始回路106によりフィードバック信号LFB(115)とのANDがとられ、タイマ回路104に入力される。タイマ回路104から一定時間TdだけHレベルの信号が出力され、ゲート出力電圧LO1(113)の負バイアス電圧をVSS2bに下げる。
In this mode, the drain
次に、図9は、下アームのSiCパワー半導体32がリカバリしない場合のタイムチャートを示す図である。図8のタイムチャートとの違いは、図2において交流モータ5から電力変換装置4に向かってモータ電流が流れるモード(回生モード)である点である。このモードでは、下アームゲート指令がオフになると、ゲート出力電圧LO1(113)がVSS2aに低下し、ドレインソース間電圧VdsLは上昇、ドレイン電流IdLは減少する。この時、ドレイン電圧判定回路105は、VdsLの上昇を検知して、Lレベルのドレイン電圧Lowレベル検出信号119を出力し、タイマ回路104を動作させない。このため、ゲート出力電圧LO1(113)はVSS2aのままとなる。
Next, FIG. 9 is a diagram showing a time chart when the
以上のとおり、本実施例3の特徴は、リカバリ動作しないモードでは閾値のシフトの原因となる負バイアス電圧をVSS2bに下げることを行わないため、パワー半導体素子の劣化をより防ぐことができる。 As described above, the feature of the third embodiment is that the negative bias voltage that causes the threshold shift is not lowered to VSS2b in the mode in which the recovery operation is not performed, so that the power semiconductor element can be further prevented from deteriorating.
上述のタイムチャートでは、フィードバック信号LFB(115)の変化はVdsLが変化するよりも遅い場合を想定したが、逆の場合もあり得る。この場合は、フィードバック信号LFB(115)の変化より一定時間経過した後のドレインソース間電圧VdsLの状態をドレイン電圧判定回路105で判定して、ドレイン電圧Lowレベル検出信号119を出力し、タイマ回路104の動作を決めることになる。これにより、フィードバック信号LFB(115)の変化がVdsLの変化よりも速い場合でも、上述と同様に、ゲート出力電圧LO1(113)をコントロールすることができ、パワー半導体素子の劣化をより防ぐことができる。
In the above time chart, it is assumed that the change in the feedback signal LFB (115) is slower than the change in VdsL, but the reverse case may be possible. In this case, the drain
図10は、本発明に係るゲート駆動装置の実施例4の構成を示す図である。図1に示す実施例1の構成と異なる点は、ゲート駆動装置22にSiCパワー半導体に電流が流れた際にソース寄生インダクタンス151に発生する起電圧を監視する機能が追加され、構成要素として、電流検知回路150およびAND機能によるタイマ計測開始回路106が追加されている点である。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a fourth embodiment of the gate driving apparatus according to the present invention. A difference from the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1 is that a function for monitoring an electromotive voltage generated in the source
本実施例4では、電流検知回路150によりソース寄生インダクタンス151に発生する起電圧を検知することにより、SiCパワー半導体32のソース電流IsLが監視できる。電流検知回路150は、ソース電流IsLの変化を検知するとターンオフ検出信号153を出力し、タイマ計測開始回路106によりフィードバック信号LFB(115)とのANDをとり、負バイアス電圧切替指令120をタイマ回路104に入力する。
In the fourth embodiment, the source current IsL of the
図12のタイムチャートに示すように、制御論理部11からのゲートオフ指令によって下アームのSiCパワー半導体32がターンオフ指令を受けた後、ソース電流IsLに変化が無い場合にはリカバリが発生すると判断し、一定期間負バイアスVSS2bを掛ける。これにより、SiCパワー半導体32のゲート電圧が持ち上がり誤点弧することを防止する。
As shown in the time chart of FIG. 12, after the
一方、図13のタイムチャートに示すように、制御論理部11からのゲートオフ指令によって下アームのSiCパワー半導体32がターンオフ指令を受けた後、ソース電流IsLに変化がある(図2の交流モータ5から電力変換装置4に向かってモータ電流が流れるモード(回生モード)である)場合には、リカバリは発生しないと判断し、SiCパワー半導体32には負バイアスVSS2bを掛けないように機能する。これにより、SiCパワー半導体32の劣化を抑えることができる。
On the other hand, as shown in the time chart of FIG. 13, after the
図11は、電流検知回路150の基本的構成例を示す図である。電流検知回路150は、電流変化によりV=Ldi/dt(Vは電圧、Lはインダクタンス,iは電流)の起電圧が発生することを利用して電流を検知する。図11に示す回路構成により、ノイズの影響を抑えて誤動作を防止する。
FIG. 11 is a diagram illustrating a basic configuration example of the
以上のとおり、本実施例4では、ソース寄生インダクタンスに発生する起電圧を利用したところ、ドレイン寄生インダクタンスに発生する起電圧を利用しても同様の仕組みで負バイアス時間を制御することができる。
また、カレントトランスやロゴスキーコイルといった絶縁された電流/電圧変換部品を使用することでSiCパワー半導体32の電流変化を捉える手法によっても、同様の仕組みで負バイアス時間を制御できる。カレントトランスやロゴスキーコイル等は絶縁されているため、ゲート駆動装置のサイズに大きな影響を与えることはない。
As described above, in the fourth embodiment, when the electromotive voltage generated in the source parasitic inductance is used, the negative bias time can be controlled by the same mechanism even if the electromotive voltage generated in the drain parasitic inductance is used.
Also, the negative bias time can be controlled by a similar mechanism by using a method of capturing a current change of the
次に、よりSiCパワー半導体の劣化を抑制するための手法を、図14を用いて説明する。ゲート電圧に負バイアスVSS2bを印加する時間は短い方が、SiCパワー半導体の劣化につながる閾値電圧の変化を抑えることができる。そのためには、負バイアス時間を極力短くすることが望ましい。これを実現するためには、下アームのゲートへのオン/オフ指令LIN(102)が変化してから、上アームのゲートへのオン/オフ指令HINが変化する時間(デットタイム)を一定とすることで、ゲート駆動装置22はリカバリが発生するタイミングが予測できる。すなわち、フィードバック信号LFB(115)が変化してから負バイアスを印加するのではなく、タイマ回路104でタイミングを調整することでリカバリが発生するタイミングに絞って、より短い時間負バイアスを印加するようにする。この手法は、先に示した実施例1〜4の全てに適用することができる。
Next, a method for further suppressing the deterioration of the SiC power semiconductor will be described with reference to FIG. The shorter the time during which the negative bias VSS2b is applied to the gate voltage, the more the threshold voltage change that leads to deterioration of the SiC power semiconductor can be suppressed. For this purpose, it is desirable to make the negative bias time as short as possible. In order to realize this, the time (dead time) during which the on / off command HIN to the gate of the upper arm changes after the on / off command LIN (102) to the gate of the lower arm changes is made constant. Thus, the
1…パンタグラフ、2…フィルタリアクトル、3…フィルタコンデンサ、
4…電力変換装置、5…交流モータ、6…車輪、
11…制御論理部、12…制御指令信号線、
21…U層上アームゲートドライバ、22…U層下アームゲートドライバ、
23…V層上アームゲートドライバ、24…V層下アームゲートドライバ、
25…W層上アームゲートドライバ、26…W層下アームゲートドライバ、
31…U層上アームSiCパワー半導体、32…U層下アームSiCパワー半導体、
33…V層上アームSiCパワー半導体、34…V層下アームSiCパワー半導体、
35…W層上アームSiCパワー半導体、36…W層下アームSiCパワー半導体、
101…ゲート指令レベル変換回路、102…ゲート電圧出力回路、
103…オン/オフ状態判定回路、104…タイマ回路、
105…ドレイン電圧判定回路、106…タイマ計測開始回路、
111…制御論理部から受信されるオン/オフ指令、
112…レベル変換されたゲートオン/オフ指令LIN、
113…ゲート出力電圧LO1、114…ゲート電圧監視信号、
115…フィードバック信号LFB、116…制御論理部に送信するフィードバック信号、
117…タイマ回路出力N1、118…ドレイン−ソース間電圧検知信号、
119…ドレイン電圧Lowレベル検出信号、120…負バイアス電圧切替指令、
121、122、123…MOSトランジスタ、131、132…ゲート抵抗、
133、134…バイアス抵抗、141負バイアス切替コンパレータ
150…電流検知回路、151…ソース寄生インダクタンス、
152…ソース寄生インダクタンスによる起電圧検知信号、153…ターンオフ検出信号
1 ... pantograph, 2 ... filter reactor, 3 ... filter capacitor,
4 ... Power converter, 5 ... AC motor, 6 ... Wheel,
11: Control logic unit, 12 ... Control command signal line,
21 ... U layer upper arm gate driver, 22 ... U layer lower arm gate driver,
23 ... V layer upper arm gate driver, 24 ... V layer lower arm gate driver,
25 ... W layer upper arm gate driver, 26 ... W layer lower arm gate driver,
31 ... U-layer upper arm SiC power semiconductor, 32 ... U-layer lower arm SiC power semiconductor,
33 ... V layer upper arm SiC power semiconductor, 34 ... V layer lower arm SiC power semiconductor,
35 ... W layer upper arm SiC power semiconductor, 36 ... W layer lower arm SiC power semiconductor,
101 ... Gate command level conversion circuit, 102 ... Gate voltage output circuit,
103 ... ON / OFF state determination circuit, 104 ... Timer circuit,
105 ... Drain voltage determination circuit, 106 ... Timer measurement start circuit,
111 ... ON / OFF command received from the control logic unit,
112... Level-converted gate on / off command LIN,
113: Gate output voltage LO1, 114: Gate voltage monitoring signal,
115 ... feedback signal LFB, 116 ... feedback signal to be transmitted to the control logic unit,
117: Timer circuit output N1, 118 ... Drain-source voltage detection signal,
119: Drain voltage low level detection signal, 120: Negative bias voltage switching command,
121, 122, 123 ... MOS transistor, 131, 132 ... gate resistance,
133, 134: bias resistor, 141 negative bias switching comparator 150: current detection circuit, 151: source parasitic inductance,
152 ... Electromotive voltage detection signal due to source parasitic inductance, 153 ... Turn-off detection signal
Claims (12)
前記パワー半導体のゲートに印加する前記ゲート電圧を、前記オン指令を受けると第一の電圧に制御し、前記オフ指令を受けると第二の電圧に制御するゲート出力回路と、
前記オフ指令を検知することにより一定時間の信号を前記ゲート出力回路へ出力するタイマ回路と
を備え、
前記ゲート出力回路は、前記一定時間の信号を入力している間は前記ゲート電圧を前記第二の電圧よりも低い第三の電圧に制御する
ことを特徴とするゲート駆動装置。 A gate driving device that controls a gate voltage of a power semiconductor in response to a gate on command or a gate off command from a control logic unit,
The gate voltage applied to the gate of the power semiconductor is controlled to a first voltage when the on command is received, and is controlled to a second voltage when the off command is received;
A timer circuit that outputs a signal of a predetermined time to the gate output circuit by detecting the off command;
The gate output device, wherein the gate output circuit controls the gate voltage to a third voltage lower than the second voltage while the signal of the predetermined time is input.
前記ゲート電圧を監視して前記パワー半導体のオン/オフの状態を判定するオン/オフ状態判定回路と更に備え、
前記タイマ回路は、前記オフ指令に替えて前記オン/オフ状態判定回路が出力するオフ状態の判定を検知することにより前記一定時間の信号を前記ゲート出力回路へ出力する
ことを特徴とするゲート駆動装置。 The gate driving device according to claim 1,
An on / off state determination circuit for monitoring the gate voltage and determining an on / off state of the power semiconductor;
The timer circuit outputs a signal of the predetermined time to the gate output circuit by detecting a determination of an off state output from the on / off state determination circuit instead of the off command. apparatus.
前記パワー半導体が有する一対の主端子から一方の主端子の電圧を検出し、当該パワー半導体のオフ後に該検出電圧が変化するか否かを判定する主端子電圧判定回路を更に備え、
前記タイマ回路は、前記オン/オフ状態判定回路が出力するオフ状態判定と前記主端子電圧判定回路が出力する前記検出電圧が変化しないことの判定とを検知することにより、前記一定時間の信号を前記ゲート出力回路へ出力する
ことを特徴とするゲート駆動装置。 The gate driving device according to claim 2,
A main terminal voltage determining circuit that detects a voltage of one main terminal from a pair of main terminals of the power semiconductor and determines whether the detected voltage changes after the power semiconductor is turned off;
The timer circuit detects the OFF state determination output from the ON / OFF state determination circuit and the determination that the detection voltage output from the main terminal voltage determination circuit does not change, thereby generating a signal for the predetermined time. A gate driving device for outputting to the gate output circuit.
前記パワー半導体が有する一対の主端子と一対の補助端子から一方の主端子と該一方の主端子側にある一方の補助端子間に発生する電圧を検出し、前記パワー半導体の主電流の変化の有無を判定する電流判定回路を更に備え、
前記タイマ回路は、前記オン/オフ状態判定回路が出力するオフ状態判定と前記電流判定回路が出力する前記主電流が変化しないことの判定とを検知することにより、前記一定時間の信号を前記ゲート出力回路へ出力する
ことを特徴とするゲート駆動装置。 The gate driving device according to claim 2,
A voltage generated between one main terminal and one auxiliary terminal on the one main terminal side is detected from a pair of main terminals and a pair of auxiliary terminals of the power semiconductor, and a change in the main current of the power semiconductor is detected. A current determination circuit for determining presence or absence;
The timer circuit detects the off state determination output from the on / off state determination circuit and the determination that the main current output from the current determination circuit does not change, and thereby outputs the signal for the predetermined time to the gate. A gate driving device that outputs to an output circuit.
当該ゲート駆動装置は、前記パワー半導体を上アームおよび下アームに備えて構成した電力変換装置を駆動し、
前記タイマ回路は、前記上アームおよび前記下アームが備える前記各パワー半導体のオン/オフに伴うデッドタイムを一定にした状態で、前記一定時間の信号を前記ゲート出力回路へ出力するタイミングを調整する
ことを特徴とするゲート駆動装置。 The gate drive device according to any one of claims 1 to 4,
The gate driving device drives a power conversion device configured to include the power semiconductor in an upper arm and a lower arm,
The timer circuit adjusts the timing of outputting the signal of the predetermined time to the gate output circuit in a state where the dead time associated with on / off of each power semiconductor included in the upper arm and the lower arm is constant. A gate driving device characterized by that.
前記パワー半導体は、シリコンカーバイド(SiC)で構成した半導体である
ことを特徴とするゲート駆動装置。 A gate driving device according to any one of claims 1 to 5,
The gate driving device, wherein the power semiconductor is a semiconductor made of silicon carbide (SiC).
前記パワー半導体のゲートにオン指令が印加されると前記パワー半導体のゲート電圧を第一の電圧に制御し、
前記パワー半導体のゲートにオフ指令が印加されると前記ゲート電圧を第二の電圧に制御すると共に、当該オフ指令を検知すると一定時間の間は前記ゲート電圧を前記第二の電圧よりも低い第三の電圧に制御する
ことを特徴とするゲート駆動方法。 A gate driving method for controlling a gate voltage of a power semiconductor,
When an ON command is applied to the gate of the power semiconductor, the gate voltage of the power semiconductor is controlled to a first voltage,
When an off command is applied to the gate of the power semiconductor, the gate voltage is controlled to a second voltage, and when the off command is detected, the gate voltage is lower than the second voltage for a certain time. A gate driving method characterized by controlling to three voltages.
前記ゲート電圧を監視して前記パワー半導体のオン/オフの状態を判定し、
前記オフ指令を検知することに替えて前記オン/オフのオフ状態を判定した場合に、前記一定時間の間は前記ゲート電圧を前記第二の電圧よりも低い前記第三の電圧に制御する
ことを特徴とするゲート駆動方法。 The gate driving method according to claim 7, wherein
Monitoring the gate voltage to determine the on / off state of the power semiconductor;
When the on / off off state is determined instead of detecting the off command, the gate voltage is controlled to the third voltage lower than the second voltage for the predetermined time. A gate driving method characterized by the above.
前記パワー半導体が有する一対の主端子から一方の主端子の電圧を検出することで、当該パワー半導体のオフ後に該検出電圧が変化するか否かを判定し、
前記オフ状態を判定しかつ前記検出電圧が変化しないことを判定することにより、前記一定時間の間は前記ゲート電圧を前記第二の電圧よりも低い前記第三の電圧に制御する
ことを特徴とするゲート駆動方法。 The gate driving method according to claim 8, wherein
By detecting the voltage of one main terminal from a pair of main terminals possessed by the power semiconductor, it is determined whether the detected voltage changes after the power semiconductor is turned off,
The gate voltage is controlled to the third voltage lower than the second voltage for the certain period of time by determining the off state and determining that the detection voltage does not change. To drive the gate.
前記パワー半導体が有する一対の主端子と一対の補助端子から一方の主端子と該一方の主端子側にある補助端子間に発生する電圧を検出することで、前記パワー半導体の主電流が変化するか否かを判定し、
前記オフ状態を判定しかつ前記主電流が変化しないことを判定することにより、前記一定時間の間は前記ゲート電圧を前記第二の電圧よりも低い前記第三の電圧に制御する
ことを特徴とするゲート駆動方法。 The gate driving method according to claim 8, wherein
The main current of the power semiconductor changes by detecting a voltage generated between one main terminal and the auxiliary terminal on the one main terminal side from a pair of main terminals and a pair of auxiliary terminals included in the power semiconductor. Whether or not
The gate voltage is controlled to the third voltage lower than the second voltage for the certain time by determining the off state and determining that the main current does not change. To drive the gate.
当該ゲート駆動方法により、前記パワー半導体を上アームおよび下アームに備えて構成した電力変換装置を駆動し、
前記上アームおよび前記下アームが備える前記各パワー半導体のオン/オフに伴うデッドタイムを一定にした状態で、前記一定時間を設定するタイミングを調整する
ことを特徴とするゲート駆動方法。 A gate driving method according to any one of claims 7 to 10, wherein
By the gate driving method, driving a power conversion device configured to include the power semiconductor in an upper arm and a lower arm,
A gate driving method, characterized in that a timing for setting the predetermined time is adjusted in a state in which a dead time accompanying ON / OFF of each power semiconductor included in the upper arm and the lower arm is fixed.
前記パワー半導体として、シリコンカーバイド(SiC)で構成した半導体を対象とする
ことを特徴とするゲート駆動方法。 The gate driving method according to any one of claims 7 to 11,
A gate driving method characterized by targeting a semiconductor made of silicon carbide (SiC) as the power semiconductor.
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