JP2017028406A - Gate drive circuit for voltage-driven switching device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧駆動型スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動回路に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit that drives the gate of a voltage-driven switching element.
MOSFETやIGBTなどの電圧駆動型スイッチング素子のゲート端子には、ゲート端子電圧を制御するゲート駆動回路(ゲートドライバ)が接続される。ゲート端子電圧の制御を介してゲートのオンオフ、つまりスイッチング素子のターンオン及びターンオフが制御される。 A gate drive circuit (gate driver) for controlling the gate terminal voltage is connected to the gate terminal of a voltage-driven switching element such as a MOSFET or IGBT. Through the control of the gate terminal voltage, on / off of the gate, that is, turn-on and turn-off of the switching element are controlled.
スイッチング素子には、空乏層を介してゲート、ソース、ドレインの3端子それぞれの間に寄生容量が生じる。ゲート端子には、ゲート−ソース間容量Cgs及びゲート−ドレイン間容量Cgdの合成容量からなるゲート容量Cgが生じる。 In the switching element, parasitic capacitance is generated between each of the three terminals of the gate, the source, and the drain through the depletion layer. A gate capacitance Cg composed of a combined capacitance of a gate-source capacitance Cgs and a gate-drain capacitance Cgd is generated at the gate terminal.
ゲートをオフからオンに切り替える、つまりゲート端子電圧を所定のゲートオフ電圧(例えば接地電圧)からゲートオン電圧まで引き上げるためにはゲート容量Cgを充電する必要がある。同様にして、ゲートをオンからオフに切り替える、つまりゲート端子電圧をゲートオン電圧からゲートオフ電圧まで引き下げるためにはゲート容量Cgを放電させる必要がある。ゲート駆動回路は、スイッチング素子のターンオンに際してゲート容量Cgを充電し、ターンオフに際してゲート容量Cgを放電させる。 In order to switch the gate from off to on, that is, to raise the gate terminal voltage from a predetermined gate off voltage (for example, ground voltage) to the gate on voltage, it is necessary to charge the gate capacitance Cg. Similarly, in order to switch the gate from on to off, that is, to lower the gate terminal voltage from the gate on voltage to the gate off voltage, it is necessary to discharge the gate capacitance Cg. The gate driving circuit charges the gate capacitance Cg when the switching element is turned on, and discharges the gate capacitance Cg when the switching element is turned off.
ターンオンの際にゲート容量Cgをゲートオフ電圧からゲートオン電圧まで充電させるまでの期間、及び、ターンオフの際にゲート容量Cgをゲートオン電圧からゲートオフ電圧まで放電させるまでの期間はオンとオフとの切換期間となる。この切換期間が長いほど、スイッチングスピードが低下し、またスイッチング損失が増加する。 The period until the gate capacitance Cg is charged from the gate-off voltage to the gate-on voltage at the turn-on time, and the period until the gate capacitance Cg is discharged from the gate-on voltage to the gate-off voltage at the turn-off time are the on and off switching periods. Become. The longer the switching period, the lower the switching speed and the higher the switching loss.
スイッチングスピードの高速化やスイッチング損失の低減のため、ゲート容量の充放電を高速化させる技術が従来から提案されている。例えば特許文献1では、配線が撚り線状に配索される等によりソース端子側にインダクタンス成分が形成された場合にこれを回避するようにして、ゲート容量及びその充電を行うコンデンサを含む回路を形成している。また、特許文献2では、ゲート容量の放電の際に、充電状態のコンデンサによってゲート容量に逆バイアスを掛けることで、ゲート容量の放電を促進している。また、特許文献3では、ゲート端子に対して定電圧回路と定電流回路とを並列に接続させたゲート駆動回路が開示されている。
In order to increase the switching speed and reduce the switching loss, a technique for speeding up charging / discharging of the gate capacitance has been proposed. For example, in
ところで、上述の特許文献3のように、定電圧回路に加えて定電流回路等の補助電源回路を接続させて、定電圧回路及び補助電源回路から同時にゲート容量に電流を供給して、ゲート容量の充電期間を短縮することが考えられる。また、定電圧回路及び補助電源回路の両者に接地経路が設けられている場合、両者を介してゲート容量の電荷を放出させて、ゲート容量の放電期間を短縮することが考えられる。
By the way, as in
しかしながら、そのような構成では、絶縁破壊防止のため、充電に際しては補助電源回路に定電圧源以上の耐電圧特性を持たせる必要があり、放電に際しては補助電源回路に満充電のゲート容量から印加されるゲートオン電圧以上の耐電圧特性を持たせる必要がある。その結果、補助電源回路の構成素子を高耐電圧の素子から構成するなど、コストが嵩むという別の問題が生じる。そこで本発明は、相対的に低コストである耐電圧が低い補助電源回路を用いてもその絶縁破壊を防止することの可能な、電圧駆動型スイッチング素子のゲート駆動回路を提供するものである。 However, in such a configuration, in order to prevent dielectric breakdown, it is necessary for the auxiliary power supply circuit to have a withstand voltage characteristic higher than that of the constant voltage source during charging, and when discharging, the auxiliary power supply circuit is applied from a fully charged gate capacity. It is necessary to have a withstand voltage characteristic higher than the gate-on voltage. As a result, another problem arises in that the cost is increased, for example, the constituent elements of the auxiliary power supply circuit are composed of high withstand voltage elements. Therefore, the present invention provides a gate drive circuit for a voltage-driven switching element that can prevent dielectric breakdown even when an auxiliary power supply circuit with a relatively low cost and a low withstand voltage is used.
本発明は、電圧駆動型スイッチング素子のゲート駆動回路に関する。当該駆動回路は、第1駆動回路と第2駆動回路を備える。第1駆動回路は、電圧源と、第1の接地と、前記電圧駆動型スイッチング素子のゲート端子に接続され前記電圧駆動型スイッチング素子のゲート容量の充電時に前記電圧源と前記ゲート端子とを導通させる第1スイッチング素子と、前記ゲート端子に接続され前記ゲート容量の放電時に前記ゲート端子と前記第1の接地とを導通させる第2スイッチング素子と、を備える。第2駆動回路は、前記電圧源よりも低電圧の補助電源と、第2の接地と、前記ゲート端子に接続され前記ゲート容量の充電時に前記補助電源と前記ゲート端子とを導通させる第3スイッチング素子と、前記ゲート端子に接続され前記ゲート容量の放電時に前記ゲート端子と前記第2の接地とを導通させる第4スイッチング素子と、を備える。前記第2駆動回路は、前記電圧源の電圧以上の耐電圧特性を有するコンデンサを介して前記ゲート端子と接続され、前記第2駆動回路及び前記コンデンサは、前記第1駆動回路と並列に前記ゲート端子に接続される。 The present invention relates to a gate drive circuit for a voltage-driven switching element. The drive circuit includes a first drive circuit and a second drive circuit. The first driving circuit is connected to the voltage source, the first ground, and the gate terminal of the voltage-driven switching element, and electrically connects the voltage source and the gate terminal when charging the gate capacitance of the voltage-driven switching element. A first switching element that is connected to the gate terminal, and a second switching element that conducts the gate terminal and the first ground when the gate capacitance is discharged. A second switching circuit configured to connect an auxiliary power source having a lower voltage than the voltage source; a second ground; and a gate terminal connected to the gate terminal to electrically connect the auxiliary power source and the gate terminal. And a fourth switching element connected to the gate terminal and conducting the gate terminal and the second ground when the gate capacitance is discharged. The second driving circuit is connected to the gate terminal via a capacitor having a withstand voltage characteristic equal to or higher than the voltage of the voltage source, and the second driving circuit and the capacitor are connected to the gate in parallel with the first driving circuit. Connected to the terminal.
コンデンサは、その両端電圧が変化する過渡状態では電流を導通させる(I=C×dV/dt)ことが知られている。この特性を活かして、ゲート容量の充放電開始直後の電圧変動時に、第1駆動回路に加えて、コンデンサを介して、第2駆動回路を用いたゲート容量の速やかな充放電が可能となる。 It is known that a capacitor conducts current (I = C × dV / dt) in a transient state where the voltage across the capacitor changes. Taking advantage of this characteristic, when the voltage fluctuates immediately after the start of charging / discharging of the gate capacitance, it is possible to quickly charge / discharge the gate capacitance using the second driving circuit via a capacitor in addition to the first driving circuit.
加えて、コンデンサを設けることで、第2駆動回路の絶縁破壊が防止される。例えばコンデンサは、両端電極に蓄積された電荷に応じてその両端電極間に電位差が生じる(q=CV)ことが知られている。つまり、コンデンサの両端電極のうち、第1駆動回路側の電極に高電圧が印加されたとしても、コンデンサの蓄積電荷分、第2駆動回路側の電極電位は低減される。これにより第2駆動回路への高電圧印加が回避される。 In addition, by providing a capacitor, dielectric breakdown of the second drive circuit is prevented. For example, it is known that a capacitor has a potential difference (q = CV) between its both end electrodes according to the electric charge accumulated at both end electrodes. In other words, even if a high voltage is applied to the electrode on the first drive circuit side among the both end electrodes of the capacitor, the electrode potential on the second drive circuit side is reduced by the amount of accumulated charge in the capacitor. Thereby, application of a high voltage to the second drive circuit is avoided.
また、上記発明において、前記補助電源から前記ゲート端子に向かう向きを順方向とする第1ダイオードを備えてもよい。前記第1ダイオードは、前記コンデンサと前記第3及び第4スイッチング素子とを接続する接続点と、前記第3スイッチング素子との間に配置されてよい。 In the above invention, a first diode having a forward direction from the auxiliary power source toward the gate terminal may be provided. The first diode may be disposed between a connection point connecting the capacitor and the third and fourth switching elements and the third switching element.
このような構成を備えることで、ゲート容量の充電時に、第1駆動回路から第2駆動回路への電流の流れを遮断することが可能となり、第1駆動回路の電流を専らゲート端子に供給させることができる。 With such a configuration, it becomes possible to cut off the flow of current from the first drive circuit to the second drive circuit when the gate capacitance is charged, and the current of the first drive circuit is supplied exclusively to the gate terminal. be able to.
また、上記発明において、前記ゲート端子から前記第2の接地に向かう向きを順方向とする第2ダイオードを備えてもよい。前記第2ダイオードは、前記コンデンサと前記第3及び第4スイッチング素子とを接続する接続点と、前記第4スイッチング素子との間に配置されてよい。 In the above invention, a second diode having a forward direction from the gate terminal toward the second ground may be provided. The second diode may be disposed between a connection point connecting the capacitor and the third and fourth switching elements and the fourth switching element.
このような構成を備えることで、ゲート容量の放電時に、第2の接地からコンデンサ及びコンデンサから第1の接地の経路で流れるコンデンサからの放電電流を遮断することが可能となる。その結果、ゲート容量から第1の接地に至る放電経路へのコンデンサの放電電流の割り込みを防止できる。 By providing such a configuration, it becomes possible to cut off the discharge current from the capacitor flowing from the second ground to the capacitor and from the capacitor through the first ground when the gate capacitance is discharged. As a result, interruption of the discharge current of the capacitor to the discharge path from the gate capacitance to the first ground can be prevented.
また、上記発明において、前記補助電源の電圧Vcc2及び前記コンデンサの容量C1は、前記ゲート容量Cg及び前記ゲート容量Cgの充放電時のミラー期間における前記ゲート端子電圧Vmrr(ミラー電圧)を用いて、C1×Vcc2/(C1+Cg)<Vmrrを満たすように定められていてもよい。 In the above invention, the voltage Vcc2 of the auxiliary power source and the capacitance C1 of the capacitor are obtained by using the gate terminal voltage Vmrr (mirror voltage) in the mirror period when charging and discharging the gate capacitance Cg and the gate capacitance Cg. It may be determined so as to satisfy C1 × Vcc2 / (C1 + Cg) <Vmrr.
後述するように、ミラー期間におけるゲート容量はその他の期間と比較して大容量となる。上記構成を備えることで、ゲート端子電圧がミラー電圧Vmrrに至る前に補助電源からゲート容量への電流供給が止まり、補助電源からゲート容量への大電流供給(サージ)を回避することができる。 As will be described later, the gate capacitance in the mirror period is larger than that in other periods. With the above configuration, current supply from the auxiliary power supply to the gate capacitance is stopped before the gate terminal voltage reaches the mirror voltage Vmrr, and a large current supply (surge) from the auxiliary power supply to the gate capacitance can be avoided.
本発明によれば、相対的に低コストである低耐電圧の補助電源回路を用いても、その絶縁破壊を防止することが可能となる。 According to the present invention, even when an auxiliary power supply circuit having a low withstand voltage, which is relatively low in cost, is used, the dielectric breakdown can be prevented.
<全体構成>
本実施形態に係るゲート駆動回路10を図1に例示する。ゲート駆動回路10は、電圧駆動型スイッチング素子12のゲート端子14に接続される。なお、図1には、ゲート駆動回路10が接続される電圧駆動型スイッチング素子12の例としてIGBT(絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ)が示されている。
<Overall configuration>
A
ゲート駆動回路10は、定電圧源16を備える第1駆動回路18、補助電源20を備える第2駆動回路22、及び制御回路24を含んで構成される。第2駆動回路22は、コンデンサ26を介して第1駆動回路18と並列にゲート端子14に接続される。図1に示す第1駆動回路18及び第2駆動回路22は、ゲート容量30の充電を行ういわゆるハイサイドドドライブ回路に加えて、ゲート容量30の放電を行ういわゆるロウサイドドライブ回路を備えた回路構成となっている。
The
スイッチング素子12のターンオンに当たり、ゲート駆動回路10は、ゲート端子14に生じたゲート容量30を充電することで、ゲート端子電圧Vgsをゲートオン電圧Vgonまで引き上げる。この充電に当たり、制御回路24は、ハイサイド駆動回路34を介して第1駆動回路18のハイサイドスイッチング素子S1をオンにする。このとき、定電圧源16からハイサイドスイッチング素子S1及びハイサイド抵抗28を経由してゲート容量30に電流が流れ込む。
When the switching
また、制御回路24は、ハイサイドスイッチング素子S1のオンと同時に、第2駆動回路22のハイサイドスイッチング素子S3をオンにする。このとき、コンデンサ26の補助電源側電極26Bの電位は接地電圧から速やかに補助電源20の電圧まで上昇する。この電位変化によって、コンデンサ26に電流が流れる(I=C×dV/dt)。つまり第2駆動回路22からもコンデンサ26を介してゲート容量30(ゲート端子14)に電流が供給される。第1及び第2駆動回路18,22の両者からゲート容量30に電流が流れ込むことで、ゲート容量30は速やかに充電される。
Further, the
ゲート容量30の充電に伴い、これと直列に接続されたコンデンサ26も充電される。コンデンサ26に電荷qが蓄積されることでコンデンサ26の両端電極に電位差Vが生じる(q=CV)。具体的には、ゲート容量30がゲートオン電圧に達した定常状態において、コンデンサ26のゲート端子側電極26Aはゲートオン電圧と等電位になる一方で、コンデンサ26の補助電源側電極26Bは補助電源20の電圧と等電位のまま維持される。補助電源側電極26Bが低電位に維持されることで、これと接続される第2駆動回路22への高電圧印加が防止され、絶縁破壊が回避される。
As the
スイッチング素子12のターンオフに当たり、ゲート駆動回路10は、ゲート容量30を放電させることでゲート端子電圧Vgsを所定のオフ電圧Vgoffまで引き下げる。この放電に当たり、制御回路24は、ロウサイド駆動回路36を介して第1駆動回路18のロウサイドスイッチング素子S2をオンにする。このとき、ゲート容量30からロウサイド抵抗32及びロウサイドスイッチング素子S2を経由して電流が接地GND1(第1の接地)に流れ込む。
When the switching
また、制御回路24は、ロウサイドスイッチング素子S2のオンと同時に、第2駆動回路22のロウサイドスイッチング素子S4をオンにする。このとき、コンデンサ26の補助電源側電極26Bの電位は補助電源電圧から接地電圧に低下する。その結果、コンデンサ26の両端電圧が変化して電流が流れる。すなわち、ゲート容量30からコンデンサ26及びロウサイドスイッチング素子S4を経由して電流が接地GND2(第2の接地)に流れ込む。このように、第1及び第2駆動回路18,22の両者を介してゲート容量30から接地に電流が流れ込むことで、ゲート容量30は速やかに放電される。
In addition, the
<各構成の詳細>
第1駆動回路18は、スイッチング素子12のゲート端子14に接続される。図1では、二点鎖線の囲いで第1駆動回路18を示している。第1駆動回路18は、ゲート容量30の充電時には定電圧源16とゲート端子14とを導通させ、ゲート容量30の放電時にはゲート端子14と接地GND1とを導通させることで、ゲート容量30の充放電を行う。第1駆動回路18は、定電圧源16、ハイサイドスイッチング素子S1、ロウサイドスイッチング素子S2、ハイサイド駆動回路34、ロウサイド駆動回路36、ハイサイド抵抗28及びロウサイド抵抗32を含んで構成される。
<Details of each configuration>
The
定電圧源16は、ゲート端子14に電圧を印加する電圧源であって、例えばその電圧Vcc1は所定のゲートオン電圧Vgonとなるように定められる(Vcc1=Vgon)。ゲートオン電圧Vgonは、スイッチング素子12の完全なターンオン(ゲート端子14の完全なゲートオン)を図るために、ゲート閾値電圧Vthよりも高めに設定される。ゲート閾値電圧Vthとはゲート端子直下のp層にnチャネルが形成されて導通状態となるときの電圧を指している。また、一例として、ゲートオン電圧Vgonは、ゲート閾値電圧Vthの2〜3倍に設定される。
The
ハイサイドスイッチング素子S1(第1スイッチング素子)は、定電圧源16とゲート端子14との間に設けられ、両者の導通/遮断を切り換える。ハイサイドスイッチング素子S1は、例えばMOSFET等の電圧駆動型のスイッチング素子から構成される。ハイサイドスイッチング素子S1を構成するMOSFETは、例えばゲート端子にマイナス電圧(Lo)が掛かるとオンになり、プラス電圧(Hi)が掛かるとオフになるPチャネル型のMOSFETから構成される。ハイサイドスイッチング素子S1のゲート端子はハイサイド駆動回路34に接続され、ソース端子は定電圧源16に接続され、ドレイン端子はハイサイド抵抗28を介してゲート端子14に接続される。また、ハイサイドスイッチング素子S1と逆並列にダイオードD1が接続される。
The high-side switching element S1 (first switching element) is provided between the
ハイサイド駆動回路34は、制御回路24とハイサイドスイッチング素子S1のゲート端子との間に設けられる。ハイサイド駆動回路34はCPU等の演算回路を備えており、制御回路24からの信号(Lo/Hi)を受けて、ハイサイドスイッチング素子S1のゲート端子に対してオン電圧(Lo)またはオフ電圧(Hi)を印加する。
The high
ロウサイドスイッチング素子S2(第2スイッチング素子)は、ゲート端子14と接地GND1の間に設けられ、両者の導通/遮断を切り換える。ロウサイドスイッチング素子S2は、例えばMOSFET等の電圧駆動型のスイッチング素子から構成される。ロウサイドスイッチング素子S2を構成するMOSFETは、例えばゲート端子にプラス電圧(Hi)が掛かるとオンになり、マイナス電圧(Lo)が掛かるとオフになるNチャネル型のMOSFETから構成される。ロウサイドスイッチング素子S2のゲート端子はロウサイド駆動回路36に接続され、ソース端子は第1の接地GND1に接続され、ドレイン端子はロウサイド抵抗32を介してゲート端子14に接続される。また、ロウサイドスイッチング素子S2と逆並列にダイオードD2が接続される。
The low-side switching element S2 (second switching element) is provided between the gate terminal 14 and the ground GND1, and switches between conduction / cutoff of both. The low-side switching element S2 is composed of a voltage-driven switching element such as a MOSFET. The MOSFET that constitutes the low-side switching element S2 is composed of, for example, an N-channel MOSFET that is turned on when a positive voltage (Hi) is applied to the gate terminal and turned off when a negative voltage (Lo) is applied. The gate terminal of the low-side switching element S2 is connected to the low-
ロウサイド駆動回路36は、制御回路24とロウサイドスイッチング素子S2のゲート端子との間に設けられる。ロウサイド駆動回路36はCPU等の演算回路を備えており、制御回路24からの信号(Lo/Hi)を受けて、ロウサイドスイッチング素子S2のゲート端子に対してオン電圧(Hi)またはオフ電圧(Lo)を印加する。
The low
第2駆動回路22は、第1駆動回路18とは並列にスイッチング素子12のゲート端子14に接続される。図1では、二点鎖線の囲いで第2駆動回路22を示している。第2駆動回路22は、ゲート容量30の充電時には補助電源20とゲート端子14とを導通させ、ゲート容量30の放電時にはゲート端子14と接地GND2とを導通させることで、ゲート容量30の充放電を行う。第2駆動回路22は、補助電源20、ハイサイドスイッチング素子S3及びロウサイドスイッチング素子S4を含んで構成される。
The
補助電源20は、ゲート端子14に電圧を印加する電圧源であって、例えば直流電源から構成される。その電圧Vcc2は、定電圧源16の電圧Vcc1未満であって、後述する数式(1)及び(2)を満たす範囲となるように定められる。これに伴い、第2駆動回路22の構成素子の耐電圧は、補助電源20の電圧Vcc2(<Vcc1)に耐えられる程度(例えば、耐電圧上限値≧Vcc2)のものであればよい。
The
ハイサイドスイッチング素子S3(第3スイッチング素子)は、補助電源20とゲート端子14との間に設けられ、両者の導通/遮断を切り換える。ハイサイドスイッチング素子S3は、第1駆動回路18のハイサイドスイッチング素子S1と同様に、Pチャネル型のMOSFETから構成される。また、ハイサイドスイッチング素子S3のゲート端子は制御回路24に接続され、ソース端子は補助電源20に接続され、ドレイン端子はコンデンサ26を介してゲート端子14に接続される。ハイサイドスイッチング素子S3のゲート端子は制御回路24に接続される。
The high-side switching element S3 (third switching element) is provided between the
ロウサイドスイッチング素子S4(第4スイッチング素子)は、ゲート端子14と接地GND2(第2の接地)の間に設けられ、両者の導通/遮断を切り換える。ロウサイドスイッチング素子S4は、第1駆動回路18のロウサイドスイッチング素子S2と同様に、Nチャネル型のMOSFETから構成される。ロウサイドスイッチング素子S4のゲート端子は制御回路24に接続され、ソース端子は第2の接地GND2に接続され、ドレイン端子はコンデンサ26を介してゲート端子14に接続される。また、ロウサイドスイッチング素子S4のゲート端子は制御回路24に接続される。
The low-side switching element S4 (fourth switching element) is provided between the gate terminal 14 and the ground GND2 (second ground), and switches between conduction / cutoff of both. The low side switching element S4 is composed of an N-channel type MOSFET, similarly to the low side switching element S2 of the
なお、ハイサイドスイッチング素子S1,S3とロウサイドスイッチング素子S2,S4はともに、IGBT等のスイッチング素子12と同様の電圧駆動型のスイッチング素子から構成される。したがって厳密にはこれらのスイッチング素子S1〜S4にもゲート容量が存在する。しかしながら実際には、スイッチング素子12(IGBT)のゲート容量30と比較してそのゲート容量が十分に小さくなるようにスイッチング素子S1〜S4が選択される。したがって、ゲート容量30の充放電に際してこれらスイッチング素子S1〜S4のゲート容量の充放電に係る遅延時間等については実質的に無視できる。
Both the high-side switching elements S1 and S3 and the low-side switching elements S2 and S4 are composed of voltage-driven switching elements similar to the switching
コンデンサ26は、第2駆動回路22と、ゲート端子14及び第1駆動回路18との間に設けられる。つまり、第2駆動回路22とコンデンサ26が、第1駆動回路18と並列にゲート端子14に接続されるようになる。具体的には、第2駆動回路22のハイサイドスイッチング素子S3とロウサイドスイッチング素子S4の配線が接続される接続点38と、第2駆動回路22から延びる配線が第1駆動回路18に接続される接続点40の間にコンデンサ26が設けられる。
The
コンデンサ26は第1駆動回路18及びゲート端子14から電圧が印加されたときに絶縁破壊されないよう、ゲートオン電圧Vgon(=Vcc1)以上の耐電圧特性を備えている。例えば、コンデンサ26はゲートオン電圧Vgon(=Vcc1)の2倍から3倍の耐電圧特性(耐電圧上限値)を備える。また、コンデンサ26の容量C1は、ゲート容量30の容量Cg、補助電源20の電圧Vcc2、及び後述するミラー期間におけるゲート端子電圧Vmrr(ミラー電圧)を用いて、下記数式(1)を満たすように定められる。
The
すなわち、補助電源20からゲート容量30に印加される分圧が、ミラー期間におけるゲート端子電圧Vmrr(ミラー電圧)を下回るように、コンデンサ26の容量C1(及び補助電源20の電圧Vcc2)が定められる。このようにすることで、相対的にゲート容量30への充電電荷量が多くなるミラー期間において、第2駆動回路22からゲート容量30への電流供給が防止される。すなわち、第2駆動回路22からゲート容量30への大電流供給(サージ)の発生を抑制できる(なお、第1駆動回路18からゲート容量30への大電流供給は、ハイサイド抵抗28やロウサイド抵抗32により制限される)。
That is, the capacity C1 of the capacitor 26 (and the voltage Vcc2 of the auxiliary power supply 20) is determined so that the divided voltage applied from the
また、後述するように、第2駆動回路22は第1駆動回路18によるゲート容量30(Cg)の充放電をサポートするために設けられる。このサポート期間が長いほど、ゲート容量30の充放電期間が短縮される。このことから、補助電源20からゲート容量30に印加される分圧が、下記数式(2)のようにスイッチング素子12のゲート閾値電圧Vthよりも高くなるようにコンデンサ26の容量C1(及び補助電源20の電圧Vcc2)を定めてもよい。
As will be described later, the
なお後述するように、コンデンサ26の迅速な電圧値の上昇を図るために、コンデンサ26及び補助電源20を含むRC直列回路L2c(図2にて破線で示す)の時定数RCは小さい方が好適である。具体的には、RC直列回路L2cの時定数RCが、定電圧源16とゲート容量30を含むRC直列回路L1c(図2にて破線で示す)の時定数RCよりも小さくなるように、RC直列回路L2cの抵抗値を定めてもよい。例えば、RC直列回路L2cの配線経路に抵抗素子を設けなくてもよい。
As will be described later, in order to quickly increase the voltage value of the
また同様にして、コンデンサ26と接地GND2(第2の接地)を含むRC直列回路L2d(図2にて破線で示す)の時定数RCが、ゲート容量30と接地GND1(第1の接地)を含むRC直列回路L1d(図2にて破線で示す)の時定数RCよりも小さくなるように、RC直列回路L2d(図2にて破線で示す)の抵抗値を定めてもよい。例えばRC直列回路L2dの配線経路に抵抗素子を設けなくてもよい。
Similarly, the time constant RC of the RC series circuit L2d (shown by a broken line in FIG. 2) including the
図1に戻り、制御回路24は、第1駆動回路18のハイサイドスイッチング素子S1及びロウサイドスイッチング素子S2、ならびに、第2駆動回路22のハイサイドスイッチング素子S3及びロウサイドスイッチング素子S4のオンオフ動作を制御する。制御回路24は、CPU等の演算回路を備えており、例えば電子コントロールユニット(ECU)等の上位制御手段からの制御信号Sg1を受けて、各スイッチング素子S1〜S4への制御信号(オンオフ信号)を出力する。これら制御信号は、例えば電圧信号から構成される。
Returning to FIG. 1, the
例えば、制御回路24は、ハイサイド駆動回路34に対して制御信号Sg2を、ロウサイド駆動回路36に対して制御信号Sg3を、ハイサイドスイッチング素子S3及びロウサイドスイッチング素子S4に対して制御信号Sg4をそれぞれ出力する。
For example, the
例えば制御信号Sg2は、Sg1のLo/Hiパターンと同一パターンの信号から構成される。(Sg2=Sg1)。また例えば制御信号Sg3,Sg4は、Sg1の反転信号から構成される。(Sg3 & Sg4=/Sg1)。 For example, the control signal Sg2 includes a signal having the same pattern as the Lo / Hi pattern of Sg1. (Sg2 = Sg1). Further, for example, the control signals Sg3 and Sg4 are composed of inverted signals of Sg1. (Sg3 & Sg4 = / Sg1).
スイッチング素子12は、例えばハイブリッド車両や電気車両等のインバータやDC/DCコンバータ等の、いわゆるパワーエレクトロニクス機器に搭載される。スイッチング素子12は高耐電圧、大電流容量の素子から構成され、例えばIGBT(絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ)から構成される。
The switching
スイッチング素子12のゲート端子14には、寄生容量としてゲート容量30が生じる。ゲート容量30は、ゲート−ドレイン間容量Cgdとゲート−ソース間容量Cgsの合成容量から構成される。スイッチング素子12のターンオン(ゲート端子14のゲートオン)に際してゲート端子電圧を引き上げる際には、ゲート容量30が充電される。スイッチング素子12のターンオフ(ゲート端子14のゲートオフ)に際してゲート端子電圧を引き下げる際にはゲート容量30が放電される。
A
<ターンオン時の動作>
図3を用いて、スイッチング素子12のターンオン時の動作について説明する。図3には、紙面上から順に制御回路24への制御信号Sg1(=Sg2)、その反転信号/Sg1(=Sg3,Sg4)、コンデンサ26と第2駆動回路22間の配線31(コンデンサ配線)の電圧(コンデンサ配線電圧)Vsg5、コンデンサ26に流れる電流IC1、コンデンサ26の両端電圧VC1、ゲート端子電圧Vgs、及びゲート容量30への充放電電流Igの時間変化が例示されている。このうち、コンデンサ配線電圧Vsg5は、第2駆動回路22への印加電圧に実質的に(配線抵抗等を無視すれば)等しい。
<Operation at turn-on>
The operation when the switching
なお、コンデンサ電流IC1について、ゲート容量30に電流が流れる向きを正方向とする。また、コンデンサ両端電圧VC1について、ゲート容量30側の電位が相対的に高い場合を正、補助電源20側の電位が相対的に高い場合を負とする。
For the capacitor current IC1, the direction in which the current flows through the
図3を参照して、時刻t0からt1までの期間はスイッチング素子12のターンオフ期間(ゲート端子14のゲートオフ期間)となる。このとき、制御回路24は、ハイサイド駆動回路34に対して制御信号Sg2(Lo)を出力する。また、制御回路24は、ロウサイド駆動回路36に対して制御信号Sg3(Hi)を出力する。さらに制御回路24は、第2駆動回路22のハイサイドスイッチング素子S3及びロウサイドスイッチング素子S4に対して制御信号Sg4(Hi)を出力する。
Referring to FIG. 3, the period from time t0 to t1 is a turn-off period of switching element 12 (gate off period of gate terminal 14). At this time, the
ハイサイド駆動回路34ではSg2(Lo)を受けて、Pチャネル型のハイサイドスイッチング素子S1に対してオフ信号(Hi)を出力する。また、ロウサイド駆動回路36ではSg3(Hi)を受けてNチャネル型のロウサイドスイッチング素子S2に対してオン信号(Hi)を出力する。さらにSg4(Hi)を受けてPチャネル型のハイサイドスイッチング素子S3がオフとなり、Nチャネル型のロウサイドスイッチング素子S4がオンとなる。すなわち2つのロウサイドスイッチング素子S2及びS4がオンとなり、ゲート端子14が接地される。ゲート容量30の電位は接地電圧Vgndとなり、スイッチング素子12はオフ状態となる。
The high
時刻t1から時刻t5まではスイッチング素子12のオンからオフへの切換期間となる。時刻t1に制御回路24が制御信号Sg1(Hi)を受信すると、制御回路24は制御信号Sg2(Hi)、Sg3(Lo)、及びSg4(Lo)を出力する。Sg2(Hi)を受けてハイサイド駆動回路34はオン信号(Lo)をハイサイドスイッチング素子S1に出力してこれをオン状態とする。Sg3(Lo)を受けてロウサイド駆動回路36はオフ信号(Lo)をロウサイドスイッチング素子S2に出力してこれをオフ状態とする。さらにSg4(Lo)を受けてPチャネル型のハイサイドスイッチング素子S3はオン状態となり、Nチャネル型のロウサイドスイッチング素子S4はオフ状態となる。すなわち2つのハイサイドスイッチング素子S1及びS3がオフからオンに切り換わり、2つのロウサイドスイッチング素子S2及びS4はオンからオフに切り換わる。
From time t1 to time t5 is a switching period of switching
ハイサイドスイッチング素子S1がオン状態になることで、定電圧源16とゲート容量30が導通し、ゲート容量30が充電される。このとき、ゲート容量30の充電は、いわゆるRC直列回路の過渡現象を記述する数式に沿って行われる。一般的に、RC直列回路における充電時のコンデンサの電圧VC(t)は下記数式(3)のように変化する。
When the high-side switching element S1 is turned on, the
数式(3)中、Eは電源電圧[V]、eは自然対数の底(ネイピア数)、Rは抵抗[Ω]、Cは静電容量、tは時間を表す。ハイサイド抵抗28及びゲート容量30を含むRC直列回路では、数式(3)に従い、時定数RCに応じてゲート容量30の電圧(ゲート端子電圧Vgs)が増加する。初期時刻t1(t=0)ではゲート端子電圧Vgsは接地電圧Vgnd(VC(0)=0)となる。これを受けてコンデンサ26のゲート端子側電極26Aの電位も時刻t1においてVgndとなる。
In Equation (3), E represents the power supply voltage [V], e represents the base of the natural logarithm (Napier number), R represents the resistance [Ω], C represents the capacitance, and t represents time. In the RC series circuit including the high-
また、ハイサイドスイッチング素子S3がオン状態になることで、コンデンサ26の補助電源側電極26Bの電位は接地電圧Vgndから補助電源電圧Vcc2に変化する。補助電源20とコンデンサ26との間の配線抵抗や、補助電源20、ハイサイドスイッチング素子S3、及びコンデンサ26の内部抵抗を無視すると、上記した数式(3)においてR=0となるので(時定数RCが0になるので)、時刻t1において、補助電源側電極26Bの電位は瞬時に接地電圧Vgndから補助電源電圧Vcc2に変化する。
Further, when the high side switching element S3 is turned on, the potential of the auxiliary power
このような、ゲート端子側電極26Aの時定数RCに応じた緩やかな電位の立ち上がりと、補助電源側電極26Bの急速な電位の立ち上がりの差を受けて、コンデンサ両端電圧VC1は時刻t1において0[V]から−Vcc2に急変する。これに伴いコンデンサ26に電流IC1が流れる。すなわち、補助電源20からコンデンサ26を介してゲート容量30に電流が供給される。
In response to such a difference between the gentle rise of the potential corresponding to the time constant RC of the gate
時刻t1以降、コンデンサ26の補助電源側電極26Bの電位は補助電源電圧Vcc2を維持する。一方、第1駆動回路18では、時定数RCに応じたゲート容量30への印加電圧が徐々に立ち上がり、これを受けてコンデンサ26のゲート端子側電極26Aの電位は徐々に増加する。このようなコンデンサ26の電圧変化を受けて、時刻t1からt2にかけて補助電源20からコンデンサ26を介してゲート容量30に電流IC1が供給される。
After time t1, the potential of the auxiliary power
時刻t1からt2にかけてのゲート容量30への充電状況を図4に示す。図4の一点鎖線の矢印に示すように、第1駆動回路18において定電圧源16からゲート容量30に電流が供給されるのに加えて、第2駆動回路22において補助電源20からコンデンサ26を介してゲート容量30に電流IC1が供給される。これらの電流供給により、図3の時刻t1〜t2においてゲート充放電電流Igの値が突出していることから明らかなように、ゲート容量30は速やかに充電される。
FIG. 4 shows a state of charging the
なお、時刻t1からt2にかけて、ゲート容量30の充電に伴いゲート端子電圧Vgsは上昇し、ゲート閾値電圧Vthを超過する。これによりスイッチング素子12のゲート端子直下のp層にnチャネルが形成される。また、コンデンサ26の両端電圧VC1の変化割合が徐々に小さくなり、その結果、徐々にコンデンサ26に流れる電流IC1が減少する。
From time t1 to time t2, the gate terminal voltage Vgs increases as the
時刻t2にて、第1駆動回路18の時定数RCに伴う電圧上昇に伴い、ゲート端子電圧VgsがC1×Vcc2/(C1+Cg)に至る。この電圧値は、補助電源20、コンデンサ26、及びゲート容量30を直列接続させた回路において、定常状態時に補助電源20からゲート容量30に印加される分圧に等しい。このとき、コンデンサ26の各電極26A,26Bは等電位となり(VC1=0[V])、補助電源20からゲート容量30への電流供給は一時的に0になる。
At time t2, the gate terminal voltage Vgs reaches C1 × Vcc2 / (C1 + Cg) as the voltage increases with the time constant RC of the
さらに時刻t2以降、ゲート端子電圧Vgsがさらに上昇すると、コンデンサ26のゲート端子側電極26Aの電位が補助電源側電極26Bの電位よりも高くなる(逆バイアス)。このとき、図5の一点鎖線の矢印に示すように、第1駆動回路18から供給される電流の一部がコンデンサ26を介して補助電源20側に流れる。また、この電流供給を通じてコンデンサ26に電荷が蓄積される。
Further, after time t2, when the gate terminal voltage Vgs further increases, the potential of the gate
さらに時刻t3にてゲート端子電圧がミラー電圧Vmrrとなり時刻t4までいわゆるミラー期間となる。ミラー期間については既知であることからここでは簡単に説明する。ゲート端子電圧Vgsがゲート閾値電圧Vth以上になるとゲート直下のnチャネルを介してドレインからソースに電流が流れ始める。これに伴いドレインの端子電圧が下がり始め、ゲート端子14とドレイン端子との間に電位差が生じる。これによりゲート容量30のうちゲート−ドレイン間容量Cgdの容量が増加し、ゲート容量30に流れ込む電流は専らゲート−ドレイン間容量Cgdに供給される。
Further, at time t3, the gate terminal voltage becomes the mirror voltage Vmrr, which is a so-called mirror period until time t4. Since the mirror period is known, it will be briefly described here. When the gate terminal voltage Vgs becomes equal to or higher than the gate threshold voltage Vth, current starts to flow from the drain to the source via the n-channel immediately below the gate. As a result, the drain terminal voltage starts to drop, and a potential difference is generated between the gate terminal 14 and the drain terminal. As a result, the capacity of the gate-drain capacity Cgd in the
本実施形態に係るゲート駆動回路10では、補助電源20の電圧Vcc2及びコンデンサ26の容量C1を上述した数式(1)を満たすように定めている。つまり、ゲート端子電圧がミラー電圧Vmrrとなるよりも前に、コンデンサ26のゲート端子側電極26Aの電位が補助電源側電極26Bの電位よりも高くなる逆バイアス状態となるように、補助電源20の電圧Vcc2及びコンデンサ26の容量C1が定められている。このようにすることで、補助電源20からゲート容量30に電流が流れることが防止される。ミラー期間における比較的大容量のゲート−ドレイン間容量Cgdへの電流供給が避けられることで、第2駆動回路22の大電流供給(サージ)が避けられる。
In the
なお、ミラー期間(時刻t3〜t4)におけるゲート容量30への充電は専ら第1駆動回路18により行われる。第1駆動回路18のハイサイド抵抗28により電流量が絞られるため、第1駆動回路18におけるサージ発生は避けられる。
Note that the charging of the
また、ミラー期間では、ゲート−ドレイン間容量Cgdがゲート−ソース間容量Cgsと同程度に充電されるまでゲート端子電圧Vgsはミラー電圧Vmrrのまま保たれる(クランプされる)。このとき、コンデンサ26の両端電圧VC1はVmrr−Vcc2のまま維持される。コンデンサ26の両端電圧VC1に電圧変化が生じないことから、コンデンサ26には電流が流れない。つまり時刻t3〜t4では図6の一点鎖線の矢印に示すように第1駆動回路18から供給される電流のみによってゲート容量30が充電される。
In the mirror period, the gate terminal voltage Vgs is kept (clamped) at the mirror voltage Vmrr until the gate-drain capacitance Cgd is charged to the same extent as the gate-source capacitance Cgs. At this time, the voltage VC1 across the
時刻t4以降、ゲート容量30の充電がさらに進んでゲート端子電圧Vgsがミラー電圧Vmrrからゲートオン電圧Vgon(=Vcc1)まで上昇する。これを受けてコンデンサ26の両端電圧VC1も逆バイアス状態のまま変化し、図5に示したものと同様に、第1駆動回路18の電流の一部がコンデンサ26を介して補助電源20側に流れる。これによりコンデンサ26に電荷が蓄積される。
After time t4, the charging of the
時刻t5にてゲート端子電圧Vgsがゲートオン電圧Vgonに到達すると、それ以降はスイッチング素子12のターンオン期間(ゲート端子14のゲートオン期間)となる。このオン期間はゲート端子電圧Vgsがゲートオン電圧Vgonに固定されることから、コンデンサ26の両端電圧VC1はVcc1−Vcc2のまま一定となる(定常状態)。このことからコンデンサ26には電流が流れず、したがって第2駆動回路22に電流が流れ込むことが防止される。
When the gate terminal voltage Vgs reaches the gate-on voltage Vgon at time t5, the switching
また、時刻t1〜t5の期間を通してコンデンサ26に電荷が蓄積されることで、時刻t5においてコンデンサ両端電圧VC1はVcc1−Vcc2となる(q=CV)。つまり、コンデンサ26のゲート端子側電極26Aの電位はVcc1である一方、補助電源側電極26Bの電位はVcc2となる。これにより、補助電源側電極26Bを接続された第2駆動回路22にはVcc2を超える電圧印加が避けられ、絶縁破壊が防止される。
Further, the electric charge is accumulated in the
<ターンオフ時の動作>
図7を用いて、スイッチング素子12のターンオフ時の動作について説明する。図3と同様に、図7には、紙面上から順に制御回路24への制御信号Sg1(=Sg2)、その反転信号/Sg1(=Sg3,Sg4)、コンデンサ配線電圧Vsg5、コンデンサ26に流れる電流IC1、コンデンサ26の両端電圧VC1、ゲート端子電圧Vgs、及びゲート容量30への充放電電流Igの時間変化が例示されている。
<Operation at turn-off>
The operation when the switching
まず、時刻t10からt11までの期間はスイッチング素子12のターンオン期間(ゲート端子14のゲートオン期間)となる。つまり図3におけるt5以降と同様の動作状態となる。具体的には、ハイサイドスイッチング素子S1,S3がオンとなり、ロウサイドスイッチング素子S2,S4がオフとなる。 First, a period from time t10 to t11 is a turn-on period of the switching element 12 (a gate-on period of the gate terminal 14). That is, the operation state is the same as after t5 in FIG. Specifically, the high side switching elements S1 and S3 are turned on, and the low side switching elements S2 and S4 are turned off.
時刻t11に制御回路24が制御信号Sg1(Lo)を受信すると、制御回路24はハイサイド駆動回路34に対して制御信号Sg2(Lo)を出力する。また制御回路24は、ロウサイド駆動回路36に対して制御信号Sg3(Hi)を出力する。さらに制御回路24は、第2駆動回路22のハイサイドスイッチング素子S3及びロウサイドスイッチング素子S4に対して制御信号Sg4(Hi)を出力する。
When the
ハイサイド駆動回路34ではSg2(Lo)を受けて、Pチャネル型のハイサイドスイッチング素子S1に対してオフ信号(Hi)を出力する。また、ロウサイド駆動回路36ではSg3(Hi)を受けてNチャネル型のロウサイドスイッチング素子S2に対してオン信号(Hi)を出力する。さらにSg4(Hi)を受けてPチャネル型のハイサイドスイッチング素子S3がオフとなり、Nチャネル型のロウサイドスイッチング素子S4がオンとなる。すなわち2つのハイサイドスイッチング素子S1及びS3がオンからオフになるとともに、ロウサイドスイッチング素子S2及びS4がオフからオンとなり、ゲート端子14が接地される。
The high
このとき、ロウサイドスイッチング素子S2がオン状態になることで、ゲート容量30と接地GND1(第1の接地)とが導通し、ゲート容量30が放電される。ゲート容量30の放電は、充電時と同様にRC直列回路の過渡現象を記述する数式に沿って行われる。一般的に、RC直列回路において放電時のコンデンサの電圧VC(t)は下記数式(4)のように変化する。
At this time, the low-side switching element S2 is turned on, whereby the
また、RC直列回路における抵抗R(本実施形態ではロウサイド抵抗32)の両端電圧(電圧降下)VR(t)は下記数式(5)のように変化する。
Further, the voltage (voltage drop) VR (t) across the resistor R (low-
ゲート容量30及びロウサイド抵抗32を含むRC直列回路では、数式(4)に従い、時定数RCに応じてゲート容量30の電圧(ゲート端子電圧Vgs)が減少する。初期時刻t11(t=0)ではゲート端子電圧Vgsはゲートオン電圧Vgon(=Vcc1)となる(VC(0)=E)。これを受けてコンデンサ26のゲート端子側電極26Aの電位も時刻t11においてVcc1となる。
In the RC series circuit including the
また、コンデンサ26と接地GND2(第2の接地)の間には抵抗を挟んでいないことから、コンデンサ26等の内部抵抗や配線抵抗を無視すれば、時定数RCによる遅延は理論上無い。したがって、時刻t11にロウサイドスイッチング素子S4がオン状態になることで、コンデンサ26の補助電源側電極26Bの電位は補助電源電圧Vcc2から接地電圧Vgndに変化する。
Further, since no resistor is sandwiched between the
このような、ゲート端子側電極26Aの時定数RCに応じた緩やかな電位の低下と、補助電源側電極26Bの急速な電位の低下の差を受けて、コンデンサ両端電圧VC1は時刻t11においてVcc1−Vcc2からVcc1に急変する。これに伴いコンデンサ26に電流IC1が流れる。すなわち、ゲート容量30からコンデンサ26を介して接地GND2(第2の接地)に電流が放出される(捨てられる)。
Due to the difference between the gradual decrease in potential according to the time constant RC of the gate
時刻t11以降、ゲート容量30の電荷の放出に伴ってゲート端子電圧Vgsが減少する。ゲート端子電圧Vgsの減少に伴いコンデンサ26のゲート端子側電極26Aの電位も下がり始め、これに伴ってコンデンサ両端電圧VC1も減少する。コンデンサ両端電圧VC1の減少変化によりコンデンサ26に電流IC1が流れる。すなわち、ゲート端子14から、コンデンサ26及びロウサイドスイッチング素子S4を介して接地GND2に電流が流れる。
After time t11, the gate terminal voltage Vgs decreases as the
このとき、図8の一点鎖線の矢印に示すように、第1駆動回路18においてゲート容量30から接地GND1に電流が放出されるのに加えて、第2駆動回路22においてゲート容量30から接地GND2に電流が放出される。これらの放電により、図7の時刻t11〜t12においてゲート充放電電流Igの値が突出していることから明らかなように、ゲート容量30は速やかに放電される。
At this time, in addition to the current being discharged from the
時刻t11からt12にかけて、ゲート容量30の放電に伴いゲート端子電圧Vgsは低下する。時刻t12にて、ゲート端子電圧VgsがVcc1−[C1×Vcc2/(C1+Cg)]に等しくなると、コンデンサ26の両端は等電位となる。
From time t11 to t12, the gate terminal voltage Vgs decreases as the
時刻t12以降はゲート端子電圧Vgsの低下に伴い、ゲート容量30からコンデンサ26に電荷が流れ込んでコンデンサ26を充電する流れから、充電されたコンデンサ26の電荷が放出される流れに切り替わる。すなわち、図9の一点鎖線の矢印に示すように、コンデンサ26の電荷が接地GND2ではなくロウサイド抵抗32を経由して接地GND1(第1の接地)に流れ込む。つまり、ゲート容量30から放出される電荷に加えてコンデンサ26の電荷がロウサイドスイッチング素子S2を介して接地GND1に放出される。
After time t12, as the gate terminal voltage Vgs decreases, the flow of charging from the
さらに時刻t13にてゲート端子電圧Vgsがミラー電圧Vmrrとなり時刻t14までミラー期間となる。ミラー期間ではゲート端子電圧Vgsがミラー電圧Vmrrに維持され、コンデンサ26の両端電圧VC1も一定となる。したがってコンデンサ26は電流を通さなくなり、図10の一点鎖線の矢印に示すように、ゲート容量30の放電は専らロウサイドスイッチング素子S2を介して行われる。
Further, at time t13, the gate terminal voltage Vgs becomes the mirror voltage Vmrr, and the mirror period is reached until time t14. In the mirror period, the gate terminal voltage Vgs is maintained at the mirror voltage Vmrr, and the voltage VC1 across the
時刻t14以降、ゲート容量30の放電がさらに進んでゲート端子電圧Vgsが接地電圧Vgndまで減少する。これを受けてコンデンサ26の両端電圧VC1も変化し、図9に示したものと同様に、コンデンサ26からロウサイドスイッチング素子S2を介して接地GND1に電流が流れる。時刻t15以降は図3の時刻t0〜t1間と同様に、スイッチング素子12のオフ期間(ターンオフ期間)となる(定常状態)。
After time t14, the
このように、本実施形態に係るゲート駆動回路10では、スイッチング素子12のオンからオフへの切換期間の初期(時刻t11〜t12)において、第1駆動回路18に加えて第2駆動回路22によってゲート容量30の放電が行われる。これにより、ゲート容量30が速やかに放電され、切換期間を短縮することが可能となる。
As described above, in the
さらに、図7のタイムチャートのうち、第2駆動回路22への印加電圧を示すコンデンサ配線電圧Vsg5に示されているように、スイッチング素子12のオンからオフへの切換期間(t11〜t15)及びその後のオフ期間(t15〜)を通じて、第2駆動回路22への印加電圧は接地電圧Vgndに保たれる。このように、コンデンサ26を設けることで、第2駆動回路22へのゲートオン電圧Vgon(=Vcc1)などの高電圧印加が避けられ、第2駆動回路22の絶縁破壊が防止される。
Further, in the time chart of FIG. 7, as indicated by the capacitor wiring voltage Vsg5 indicating the voltage applied to the
なお、図3及び図7で示した例では、充電時は時刻t2〜t3、t4〜t5、放電時は時刻t12〜13、t14〜t15の区間でコンデンサ電流IC1が逆流する。つまり充電時は図5のようにゲート容量30に向けられるべき第1駆動回路18からの電流が第2駆動回路22に流れ、放電時は図9のようにゲート容量30の放電経路にコンデンサ26の放電電流が割り込む。このようなコンデンサ電流IC1の逆流に伴ってゲート容量30の充電や放電のペースが鈍くなる。
In the example shown in FIGS. 3 and 7, the capacitor current IC1 flows backward during the period from time t2 to t3 and t4 to t5 during charging and from time t12 to t13 and t14 to t15 during discharging. That is, during charging, the current from the
ゲート容量30の充放電のペース鈍化を抑制するために、ハイサイド抵抗28やロウサイド抵抗32を相対的に低抵抗とすることで、第1駆動回路18による充電量や放電量を相対的に高くすることが好適である。これによってコンデンサ電流IC1の逆流の影響が相対的に小さくなる。例えばゲート容量30の充電時は図11上段から下段のように、また放電時は図12の上段から下段のように、コンデンサ電流IC1の逆流の影響を抑制することができる。
In order to suppress the slowing of the charge / discharge pace of the
<第2実施形態>
上述したようなコンデンサ電流IC1の逆流を防止可能な回路として、図13に示すようなゲート駆動回路10が挙げられる。図1の回路と異なる点は、補助電源20とゲート端子14、及び、ゲート端子14と接地GND2との間にダイオードD3,D4を設けた点にある。
Second Embodiment
As a circuit capable of preventing the reverse flow of the capacitor current IC1 as described above, there is a
具体的には、ダイオードD3(第1ダイオード)は、コンデンサ26とハイサイドスイッチング素子S3及びロウサイドスイッチング素子S4とを接続する接続点38と、ハイサイドスイッチング素子S3のドレイン端子との間に設けられる。ダイオードD3は、補助電源20からゲート端子14に向かう向きを順方向とし、ゲート端子14から補助電源20への電流の流れを遮断する。具体的には、ダイオードD3を設けることで、図14に示すように、ゲート容量30の充電時に、第1駆動回路18から第2駆動回路22の補助電源20に流れる電流Icを遮断することができる。
Specifically, the diode D3 (first diode) is provided between a
ダイオードD4(第2ダイオード)は、接続点38とロウサイドスイッチング素子S4のドレイン端子との間に設けられる。ダイオードD4は、ゲート端子14から接地GND2(第2の接地)に向かう向きを順方向とし、接地GND2からゲート端子14への電流の流れを遮断する。ダイオードD4を設けることで、図15に示すように、ゲート容量30の放電時に、コンデンサ26から接地GND1に流れる電流Idを遮断することができる。
The diode D4 (second diode) is provided between the
なお、ダイオードD3,D4はともに絶縁破壊を避けるために、ゲートオン電圧Vgon(=Vcc1)以上の耐電圧特性を備えていることが好適である。 Both diodes D3 and D4 preferably have a withstand voltage characteristic equal to or higher than the gate-on voltage Vgon (= Vcc1) in order to avoid dielectric breakdown.
<ターンオン時の動作>
図13に示すゲート駆動回路10を用いたスイッチング素子12のターンオン時の動作を、図16を用いて説明する。図16には、紙面上から順に制御回路24への制御信号Sg1(=Sg2)、その反転信号/Sg1(=Sg3,Sg4)、コンデンサ配線31の電圧Vsg5、コンデンサ26に流れる電流IC1、コンデンサ26の両端電圧VC1、ゲート端子電圧Vgs、及びゲート容量30への充放電電流Igの時間変化が例示されている。
<Operation at turn-on>
The operation when the switching
まず、時刻t0’からt1’までの期間はスイッチング素子12のターンオフ期間(ゲート端子14のゲートオフ期間)となる。制御回路24から出力される制御信号Sg2〜Sg4及びスイッチング素子S1〜S4のオンオフ状態は図3の時刻t0からt1までの期間と同様である。つまりハイサイドスイッチング素子S1,S3はオフ、ロウサイドスイッチング素子S2,S4はオンとなる。
First, a period from time t0 'to t1' is a turn-off period of the switching element 12 (gate-off period of the gate terminal 14). The on / off states of the control signals Sg2 to Sg4 and the switching elements S1 to S4 output from the
なお、時刻t0’において、コンデンサ26の両端電圧VC1はVcc1-Vcc2となる。これについては後述する。コンデンサ26のゲート端子側電極26Aの電位はゲート端子電圧と同様に接地電圧Vgndであるから、補助電源側電極26Bの電位は(Vgnd−(Vcc1−Vcc2)=)Vcc2−Vcc1となる。
At time t0 ', the voltage VC1 across the
時刻t1’から時刻t5’まではスイッチング素子12のオンからオフへの切換期間となる。このとき、図3と同様に、時刻t1’にハイサイドスイッチング素子S1,S3がオフからオン、ロウサイドスイッチング素子S2,S4がオンからオフに切り換わる。
From time t1 'to time t5' is a switching period of switching
ハイサイドスイッチング素子S1がオン状態になることで、定電圧源16とゲート容量30とが導通し、時定数RCに基づいてゲート容量30が充電される。また、ハイサイドスイッチング素子S3がオン状態になることで補助電源20と導通することからコンデンサ配線電圧Vsg5は時刻t1’にて−Vcc1からVcc2まで引き上げられる。
When the high-side switching element S1 is turned on, the
さらに、ゲート容量30の充電に伴うゲート端子電圧Vgsの増加により、コンデンサ26の両端電圧VC1が減少する(コンデンサ両端の電位差が小さくなる)。以上のようなコンデンサ26の両端電圧VC1の変化に伴いコンデンサ26に電流IC1が流れるようになる。このようにして、時刻t1’からt2’にかけて補助電源20からコンデンサ26を介してゲート容量30に電流が供給される。
Further, due to the increase in the gate terminal voltage Vgs accompanying the charging of the
このとき、第1駆動回路18において定電圧源16からゲート容量30に電流が供給されるのに加えて、第2駆動回路22において補助電源20からゲート容量30に電流が供給される。これらの電流供給によって、図16の時刻t1’〜t2’においてゲート充放電電流Igが突出していることから分かるように、ゲート容量30は速やかに充電される。
At this time, in addition to the current supplied from the
時刻t2’にてゲート端子電圧Vgsが、補助電源20から電圧印加されたときの分圧(C1×Vcc2/(C1+Cg))に等しくなると、コンデンサ26の両端は等電位となる(VC1=0[V])。
When the gate terminal voltage Vgs becomes equal to the divided voltage (C1 × Vcc2 / (C1 + Cg)) when the voltage is applied from the
さらに時刻t2’以降、ゲート端子電圧Vgsがさらに上昇する。つまりコンデンサ26においてゲート端子側電極26Aの電位が補助電源側電極26Bの電位よりも高くなる(逆バイアス)。しかしながら、ダイオードD3を設けることで、図14に示すように、ゲート端子14から補助電源20への電流ICの流れは防止される。つまり、コンデンサ26においてゲート端子側電極26Aの電位が補助電源側電極26Bの電位よりも高くなる時刻t2’以降、定電圧源16から補助電源20に流れる電流の流れはダイオードD3によって遮断される。この遮断は、スイッチング素子12のターンオン(時刻t5’以降)に至るまで継続される。このようにすることで、定電圧源16から供給される電流は、理論上すべてゲート容量30に供給される。
Further, after time t2 ', the gate terminal voltage Vgs further rises. That is, in the
なお、コンデンサ26に電流が流れないことから、コンデンサ26の両端電圧VC1は時刻t2’における0[V]を維持することになる(I=C×dV/dt、I=0によりdV/dt=0)。ゲート容量30の充電に伴い、コンデンサ26のゲート端子側電極26Aの電位が上昇する。コンデンサ26の両端電圧VC1は0[V]を維持するため、ゲート端子側電極26Aに併せて補助電源側電極26Bの電位も上昇する。つまり第2駆動回路22への印加電圧を示すコンデンサ配線電圧Vsg5も増加する。
Since no current flows through the
時刻t5’にてゲート端子電圧Vgsがゲートオン電圧Vgon(=Vcc1)に到達する(定常状態)と、コンデンサ26のゲート端子側電極26Aの電位、補助電源側電極26Bの電位、及びコンデンサ配線電圧Vsg5もゲートオン電圧Vgonに到達する。
When the gate terminal voltage Vgs reaches the gate-on voltage Vgon (= Vcc1) at time t5 ′ (steady state), the potential of the gate
コンデンサ配線電圧Vsg5がゲートオン電圧Vgonに到達することで、第2駆動回路22にはゲートオン電圧Vgonが印加されることになる。本実施形態に係るゲート駆動回路10では、このようなときに第2駆動回路22への電流の流れ込みを防止することで、第2駆動回路22の絶縁破壊を防止している。
When the capacitor wiring voltage Vsg5 reaches the gate-on voltage Vgon, the gate-on voltage Vgon is applied to the
一般的に絶縁破壊とは絶縁物に印加される電圧が耐電圧を超え、かつ、その状態で電流が流れ込むときに当該絶縁物に電流が流れる状態を指す。この定義に基づけば、第2駆動回路22への印加電圧がVcc2を超過する時刻t2’以降はダイオードD3によって電流の流れ込みが遮断されるので、第2駆動回路22の絶縁破壊は回避される。つまり、第2駆動回路22の耐電圧上限を少なくともVcc2以上としておけば、実質的に第2駆動回路22の絶縁破壊は免れる。
Generally, dielectric breakdown refers to a state in which a voltage applied to an insulator exceeds a withstand voltage and a current flows through the insulator when the current flows in that state. Based on this definition, since the current flow is interrupted by the diode D3 after the time t2 'when the voltage applied to the
<ターンオフ時の動作>
図17を用いて、スイッチング素子12のターンオフ時の動作について説明する。図16と同様に、図17には、紙面上から順に制御回路24への制御信号Sg1(=Sg2)、その反転信号/Sg1(=Sg3,Sg4)、コンデンサ配線電圧Vsg5、コンデンサ26に流れる電流IC1、コンデンサ26の両端電圧VC1、ゲート端子電圧Vgs、及びゲート容量30への充放電電流Igの時間変化が例示されている。
<Operation at turn-off>
The operation at the time of switching off of the switching
まず、時刻t10’からt11’までの期間はスイッチング素子12のターンオン期間(ゲート端子14のゲートオン期間)となる。つまり図16におけるt5’以降と同様の動作状態となる。具体的には、ハイサイドスイッチング素子S1,S3はオン、ロウサイドスイッチング素子S2,S4はオフとなる。 First, a period from time t10 'to t11' is a turn-on period of the switching element 12 (gate on period of the gate terminal 14). That is, the operation state is the same as that after t5 'in FIG. Specifically, the high side switching elements S1 and S3 are turned on, and the low side switching elements S2 and S4 are turned off.
時刻t11’にハイサイドスイッチング素子S1,S3がオンからオフ、ロウサイドスイッチング素子S2,S4がオフからオンに切り換わる。ロウサイドスイッチング素子S2がオンになることで、ゲート容量30からロウサイド抵抗32及びロウサイドスイッチング素子S2を経由して接地GND1(第1の接地)に電流が流れる。これに伴いゲート端子電圧Vgsがゲートオン電圧Vgon(=Vcc1)から徐々に低下する。またこれを受けてコンデンサ26のゲート端子側電極26Aの電位もゲートオン電圧Vgon(=Vcc1)から徐々に低下する。
At time t11 ', the high-side switching elements S1 and S3 are switched from on to off, and the low-side switching elements S2 and S4 are switched from off to on. When the low side switching element S2 is turned on, a current flows from the
また、時刻t11’にロウサイドスイッチング素子S4がオンになることで、コンデンサ26の補助電源側電極26Bの電位はVcc1から接地電圧Vgndに引き下げられる。
Further, when the low side switching element S4 is turned on at time t11 ', the potential of the auxiliary power
以上のようなコンデンサ26の両端電圧VC1の変化(ゲート端子側電極26Aと補助電源側電極26Bの電位変化)に伴い、コンデンサ26に電流IC1が流れる。すなわち、ゲート端子14から、コンデンサ26及びロウサイドスイッチング素子S4を介して接地GND2(第2の接地)に電流が流れる。
With the change in the voltage VC1 across the
このように、時刻t11’からt12’の区間では、図7の時刻t11からt12と同様に、第1駆動回路18においてゲート容量30から接地GND1に電流が放出される。またこれに加えて、第2駆動回路22においてゲート容量30からコンデンサ26を介して接地GND2に電流が放出される。これらによりゲート容量30は速やかに放電される。
As described above, in the section from the time t11 'to the time t12', a current is discharged from the
時刻t12’以降、ゲート端子電圧Vgsの低下に伴い、ゲート容量30からコンデンサ26に電荷が流れ込んでコンデンサ26を充電する流れから、充電されたコンデンサ26の電荷が放出される流れに切り替わる。本実施形態では、このコンデンサ26の電荷放出の流れをダイオードD4によって遮る。すなわち、ダイオードD4により、接地GND2からコンデンサ26、ロウサイドスイッチング素子S2を介して接地GND1に向かう電流ループは遮断される。その結果、時刻t12’以降、スイッチング素子12のターンオフ(時刻t15’)に至るまで、図15にて示したように、コンデンサ26から接地GND1に流れる電流Idの流れはダイオードD4によって遮断される。この結果、ゲート容量30から接地GND1に至る放電経路にコンデンサ26からの放電電流が流入せずに済むので、ゲート容量30の放電期間の遅延が避けられる。
After time t12 ', as the gate terminal voltage Vgs decreases, the flow of charging from the
なお、ダイオードD4の作用によりコンデンサ26に電流が流れなくなることから、コンデンサ26の両端電圧VC1は時刻t12’におけるVcc1−Vcc2のまま維持される。また、コンデンサ配線電圧Vsg5は、ゲート端子電圧VgsとVcc1−Vcc2の電圧差を保ったまま減少し、スイッチング素子12のターンオフ時(時刻t15’)にはVcc2−Vcc1に至る。この電圧状態が図16の時刻t0’における初期状態となる。
Since the current does not flow to the
このように、本実施形態に係るゲート駆動回路10では、ゲート容量30の放電時にゲート容量30の放電経路へのコンデンサ26の放電電流の流れ込みが遮断されるので、ゲート容量30の放電時間の遅延を抑制することが可能となる。
As described above, in the
なお、図13にて示した実施形態では、ゲート駆動回路10にダイオードD3及びダイオードD4の両者を設けていたが、どちらか一方を設けるようにしてもよい。例えば両ダイオードD3,D4のうちダイオードD3のみを設ける回路構成とすると、ゲート容量30の充電時に、第1駆動回路18から第2駆動回路22の補助電源20に流れる電流Icを遮断することができる。したがって図1で示したゲート駆動回路10と比較して、ゲート容量30が速やかに充電される。また、両ダイオードD3,D4のうちダイオードD4のみを設ける回路構成とすると、ゲート容量30の放電時に、コンデンサ26から接地GND1に流れる電流Idを遮断することができる。したがって図1で示したゲート駆動回路10と比較して、ゲート容量30が速やかに放電される。
In the embodiment shown in FIG. 13, both the diode D3 and the diode D4 are provided in the
10 ゲート駆動回路、12 スイッチング素子、14 ゲート端子、16 定電圧源、18 第1駆動回路、20 補助電源、22 第2駆動回路、24 制御回路、26 コンデンサ、30 ゲート容量、34 ハイサイド駆動回路、36 ロウサイド駆動回路、D1〜D4 ダイオード、S1 第1駆動回路のハイサイドスイッチング素子、S2 第1駆動回路のロウサイドスイッチング素子、S3 第2駆動回路のハイサイドスイッチング素子、S4 第2駆動回路のロウサイドスイッチング素子。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
電圧源と、第1の接地と、前記電圧駆動型スイッチング素子のゲート端子に接続され前記電圧駆動型スイッチング素子のゲート容量の充電時に前記電圧源と前記ゲート端子とを導通させる第1スイッチング素子と、前記ゲート端子に接続され前記ゲート容量の放電時に前記ゲート端子と前記第1の接地とを導通させる第2スイッチング素子と、を備える第1駆動回路と、
前記電圧源よりも低電圧の補助電源と、第2の接地と、前記ゲート端子に接続され前記ゲート容量の充電時に前記補助電源と前記ゲート端子とを導通させる第3スイッチング素子と、前記ゲート端子に接続され前記ゲート容量の放電時に前記ゲート端子と前記第2の接地とを導通させる第4スイッチング素子と、を備える第2駆動回路と、
を備え、
前記第2駆動回路は、前記電圧源の電圧以上の耐電圧特性を有するコンデンサを介して前記ゲート端子と接続され、
前記第2駆動回路及び前記コンデンサは、前記第1駆動回路と並列に前記ゲート端子に接続されることを特徴とする、電圧駆動型スイッチング素子のゲート駆動回路。 A gate drive circuit for a voltage driven switching element,
A voltage source; a first ground; and a first switching element connected to a gate terminal of the voltage-driven switching element and electrically connecting the voltage source and the gate terminal when the gate capacitance of the voltage-driven switching element is charged. A first switching circuit comprising: a second switching element connected to the gate terminal and conducting the gate terminal and the first ground when the gate capacitance is discharged;
An auxiliary power supply having a voltage lower than that of the voltage source; a second ground; a third switching element connected to the gate terminal and conducting the auxiliary power supply and the gate terminal when the gate capacitance is charged; and the gate terminal A second switching circuit comprising: a fourth switching element connected to the first switching element and electrically connecting the gate terminal and the second ground when the gate capacitance is discharged;
With
The second drive circuit is connected to the gate terminal via a capacitor having a withstand voltage characteristic equal to or higher than the voltage of the voltage source,
The gate drive circuit of a voltage drive type switching device, wherein the second drive circuit and the capacitor are connected to the gate terminal in parallel with the first drive circuit.
前記補助電源から前記ゲート端子に向かう向きを順方向とする第1ダイオードを備え、
前記第1ダイオードは、前記コンデンサと前記第3及び第4スイッチング素子とを接続する接続点と、前記第3スイッチング素子との間に配置されることを特徴とする、電圧駆動型スイッチング素子のゲート駆動回路。 It is a gate drive circuit of the voltage drive type switching element according to claim 1,
A first diode having a forward direction from the auxiliary power source toward the gate terminal;
The gate of the voltage-driven switching element, wherein the first diode is disposed between a connection point connecting the capacitor and the third and fourth switching elements and the third switching element. Driving circuit.
前記ゲート端子から前記第2の接地に向かう向きを順方向とする第2ダイオードを備え、
前記第2ダイオードは、前記コンデンサと前記第3及び第4スイッチング素子とを接続する接続点と、前記第4スイッチング素子との間に配置されることを特徴とする、電圧駆動型スイッチング素子のゲート駆動回路。 It is a gate drive circuit of the voltage drive type switching element according to claim 1 or 2,
A second diode having a forward direction from the gate terminal toward the second ground,
The gate of the voltage-driven switching element, wherein the second diode is disposed between a connection point connecting the capacitor and the third and fourth switching elements and the fourth switching element. Driving circuit.
前記補助電源の電圧Vcc2及び前記コンデンサの容量C1は、前記ゲート容量Cg及び前記ゲート容量Cgの充放電時のミラー期間における前記ゲート端子電圧Vmrrを用いて、C1×Vcc2/(C1+Cg)<Vmrrを満たすように定められていることを特徴とする、電圧駆動型スイッチング素子のゲート駆動回路。 It is a gate drive circuit of the voltage drive type switching element according to any one of claims 1 to 3,
The auxiliary power supply voltage Vcc2 and the capacitor capacitance C1 are set such that C1 × Vcc2 / (C1 + Cg) <Vmrr using the gate capacitance Cg and the gate terminal voltage Vmrr in the mirror period during charging and discharging of the gate capacitance Cg. A gate drive circuit for a voltage-driven switching element, characterized in that the gate drive circuit is defined so as to satisfy.
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CN107634745A (en) * | 2017-09-26 | 2018-01-26 | 电子科技大学 | A kind of grid discharge and recharge for gated device adjusts circuit |
JP2019004636A (en) * | 2017-06-16 | 2019-01-10 | 株式会社デンソー | Electric power conversion system |
CN111628633A (en) * | 2020-05-21 | 2020-09-04 | 浙江大学 | SiC MOSFET drive circuit based on auxiliary pulse |
WO2022000596A1 (en) * | 2020-06-29 | 2022-01-06 | 深圳市华思旭科技有限公司 | Switch circuit and electric apparatus |
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