JP6127575B2 - Semiconductor device, power conversion device and drive system - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置、電力変換装置及び駆動システムに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, a power conversion device, and a drive system.
n型ベース層のp型エミッタ層、コレクタ電極とは反対側の表面にp型ベース層が形成され、p型ベース層の表面にn型ソース層が形成されている。n型ソース層とp型ベース層はエミッタ電極に接続され、n型ソース層の表面からp型ベース層を貫通してn型ベース層の途中の深さまで第1トレンチ及び第2トレンチが形成され、第1トレンチ内にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成され、第2トレンチ内に絶縁膜を介して埋込電極が形成されている。そして、埋込電極とエミッタ電極とは電気的に接続されて実質的に同電位とするよう構成された半導体装置が開示されている(特許文献1)。 A p-type base layer is formed on the surface of the n-type base layer opposite to the p-type emitter layer and the collector electrode, and an n-type source layer is formed on the surface of the p-type base layer. The n-type source layer and the p-type base layer are connected to the emitter electrode, and a first trench and a second trench are formed from the surface of the n-type source layer to the intermediate depth of the n-type base layer through the p-type base layer. A gate electrode is formed in the first trench through a gate insulating film, and a buried electrode is formed in the second trench through an insulating film. A semiconductor device is disclosed in which a buried electrode and an emitter electrode are electrically connected to have substantially the same potential (Patent Document 1).
しかしながら、上記の半導体装置は、回路共振によるゲート電圧の振動又はコレクタ−エミッタ間の電圧の振動を抑制するよう、デバイス特有の印加電圧特性に合わせて構成されている。そのため、動作電圧、電流が変わるスイッチングデバイスに適用した場合には、デバイスの電磁波干渉に対して、最適な駆動制御ができない、という問題があった。 However, the semiconductor device is configured in accordance with the applied voltage characteristics unique to the device so as to suppress the oscillation of the gate voltage due to circuit resonance or the oscillation of the voltage between the collector and the emitter. Therefore, when applied to a switching device in which the operating voltage and current change, there is a problem that optimal drive control cannot be performed against electromagnetic interference of the device.
本発明が解決しようとする課題は、電磁波干渉を低減させて、最適な駆動制御を可能とする半導体素子、電力変換装置及び駆動システムを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor element, a power conversion device, and a drive system that reduce electromagnetic interference and enable optimum drive control.
本発明は、スイッチング素子のターンオフまたはターンオンのときに、スイッチング素子のゲート電圧を検出し、ゲートに蓄積される電荷量を測定し、検出されたゲート電圧と測定された電荷量に基づいて、スイッチング素子のゲートインピーダンスを設定することによって上記課題を解決する。 The present invention detects a gate voltage of a switching element when the switching element is turned off or turned on, measures a charge amount accumulated in the gate, and performs switching based on the detected gate voltage and the measured charge amount. The above problem is solved by setting the gate impedance of the element.
本発明において、スイッチング素子のゲート電荷量を測定しつつ、スイッチング素子の状態に応じたゲートインピーダンスを設定しているため、サージを抑えた最適な駆動制御をすることができ、その結果として、電磁波干渉を低減することができる。 In the present invention, since the gate impedance corresponding to the state of the switching element is set while measuring the gate charge amount of the switching element, it is possible to perform optimum drive control with suppressed surge, and as a result, the electromagnetic wave Interference can be reduced.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
《第1実施形態》
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置を備えた3相モータの駆動システムのブロック図である。本例の駆動システムは、電力変換器に使用する半導体として、 スイッチング素子に、絶縁ゲートパイポーラトランジスタ(IGBT)を使用する例である。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a block diagram of a driving system for a three-phase motor including a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. The drive system of this example is an example in which an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is used as a switching element as a semiconductor used in a power converter.
本例の駆動システムは、バッテリ1と、インバータ2と、モータ3と、スイッチ4と、コントローラ5とを備えている。
The drive system of this example includes a
バッテリ1は、リチウムイオン電池等の二次電池を複数、直接又は並列に接続することで構成される電池である。バッテリ1は、車両の動力源となる。
The
インバータ2は、コントローラの制御信号に基づき、バッテリ1から入力される直流電力を交流電力に変換してモータ3に出力する電力変換装置である。インバータ2は、上アーム回路を形成する上アーム素子21、23、25と、下編む回路を形成する下アーム素子22、24、26と、平滑コンデンサ27と、駆動回路30とを有している。
The
上アーム素子21、23、25は、パワーデバイスとしてのスイッチング素子Q1、Q3、Q5とダイオードD1、D3、D5とをそれぞれ並列に接続した回路を主要な構成としている。スイッチング素子Q1のコレクタ端子とダイオードD1のカソード端子が接続され、かつスイッチング素子Q1のコレクタ端子とダイオードD1のアノード端子が接続されている。下アーム素子22、24、26は、同じくパワーデバイスとしてのスイッチング素子Q2、Q4、Q6とダイオードD2、D4、D6とをそれぞれ並列に接続した回路を主要な構成とする。スイッチング素子Q2〜スイッチング素子Q6とダイオードD2〜D56の接続は、スイッチング素子Q1とダイオードD1の接続と同様である。
The
本例では、2つのスイッチング素子Q1〜Q6を直列に接続した3対の回路が、電源線Pと電源線Nの間に接続されることにより、バッテリ1に電気的に接続され、各対のスイッチング素子を接続する各接続点と、3相モータ3の三相の出力部とがそれぞれ電気的に接続されている。電源線Pはバッテリ1の正極側に接続され、電源線Nはバッテリ1の負極側に接続されている。
In this example, three pairs of circuits in which two switching elements Q1 to Q6 are connected in series are electrically connected to the
スイッチング素子Q1のエミッタ端子とスイッチング素子Q2のコレクタ端子との接続点はU相の出力となり、スイッチング素子Q3のエミッタ端子とスイッチング素子Q4のコレクタ端子との接続点はV相の出力となり、スイッチング素子Q5のエミッタ端子とスイッチング素子Q6のコレクタ端子との接続点はW相の出力となり、モータ3の三相配線に接続されている。そして、上アーム素子21、23、25及び下アーム素子22、24、26により2レベルの3相インバータ回路20が構成されている。
The connection point between the emitter terminal of the switching element Q1 and the collector terminal of the switching element Q2 is a U-phase output, and the connection point between the emitter terminal of the switching element Q3 and the collector terminal of the switching element Q4 is a V-phase output. The connection point between the emitter terminal of Q5 and the collector terminal of the switching element Q6 is a W-phase output and is connected to the three-phase wiring of the motor 3. The
平滑コンデンサ27は、インバータ回路20と、バッテリ1との間に接続される、バッテリ1からの電力を平滑する素子である。平滑コンデンサ27は、電源線P、N間に接続されている。
The
駆動回路30は、コントローラ5から送信されるスイッチング信号に基づいて、スイッチング素子S1〜S6のオン及びオフを切り替える機能を備えている。本実施例ではハイサイドゲート制御回路31と、ローサイドゲート制御回路32を使うことによって有している。ハイサイドゲート制御回路31は、上アーム素子21のスイッチング素子Q1のゲートを制御することで、スイッチング素子Q1のオン、オフを切り替える回路であり、スイッチング素子Q1のゲート駆動回路である。ローサイドゲート制御回路32は、下アーム回路22のスイッチング素子Q2のゲートを制御することで、スイッチング素子Q2のオン、オフを切り替える回路であり、スイッチング素子Q2のゲート駆動回路である。
The
なお、図1では、U相のハイサイドゲート制御回路31及びローサイドゲート制御回路32のみを図示しているが、V相及びW相についても、駆動回路2は、同様のゲート制御回路を有している。
In FIG. 1, only the U-phase high-side
モータ3は、3相交流モータであり、回転子に2次巻き線が備わった誘導モータや、回転しに永久磁石を内蔵したブラシレスモータや永久磁石同期モータなどがあげられる。モータ3は、インバータ回路の各相で、スイッチング素子Q1、Q2の接続点、スイッチング素子Q3、Q4の接続点及びスイッチング素子Q5、Q6の接続点にそれぞれ接続されている。 The motor 3 is a three-phase AC motor, and examples thereof include an induction motor having a secondary winding on a rotor, a brushless motor having a permanent magnet built therein and a permanent magnet synchronous motor. The motor 3 is connected to the connection point of the switching elements Q1 and Q2, the connection point of the switching elements Q3 and Q4, and the connection point of the switching elements Q5 and Q6 in each phase of the inverter circuit.
スイッチ4は、バッテリ1とインバータ2の平滑コンデンサ27との間に接続されている。
The
コントローラ5は、駆動回路2を制御するためのコントローラである。コントローラ5は、外部から入力されるトルク指令値、モータ3の相電流、モータ3の回転速度に基づいて、トルク指令値の要求トルクをモータ3から出力させるための、インバータ2の電流指令値を演算する。なお、モータ3の相電流は、インバータ回路20とモータ3との間に接続された電流センサ6により検出され、モータ3の回転速度は、モータ3に設けられたレゾルバ7の検出値から算出される。
The
そして、コントローラ5は、モータ3が必要とする電力を供給するためのスイッチング信号を生成し、駆動回路30に出力する。そして、駆動回路30は当該スイッチング信号に基づいて、各スイッチング素子Q1〜Q6のオン、オフを切り替える。これにより、コントローラ5は、インバータ2をPWM制御している。
Then, the
次に、図2を用いて、ゲート制御回路の詳細な構成を説明する。図2は、ハイサイドゲート制御回路31、上アーム素子21及びコントローラ5のブロック図である。なお、ハイサイドとローサイドは同様の構成で実施できるため、説明を省略する。また、他のスイッチング素子Q2〜Q5とゲート制御回路の構成は、図2と同様であるため、説明を省略する。
Next, a detailed configuration of the gate control circuit will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a block diagram of the high-side
図2に示すように、ハイサイドゲート制御回路31は、ゲート駆動回路311と、ゲート電圧検出部312と、ゲート電荷量測定部313と、直流電圧推定部314と、ゲート抵抗設定回路315と、ゲート電流検出部316と、基準電圧設定部318を有している。図2において、Cはスイッチング素子Q1であるトランジスタのコレクタ端子を、Gはゲート端子を、Eはエミッタ端子を、ESは検出用エミッタ端子を示している。
As shown in FIG. 2, the high-side
ゲート駆動回路311は、スイッチング素子Q1のオン及びオフを切り替えるための駆動回路である。ゲート駆動回路311は、ゲート端子Gに接続され、ゲート電圧を入力することで、ゲート−エミッタ間の入力容量にゲート電荷を蓄積し、スイッチング素子Q1をターンオンさせる。また、ゲート駆動回路311は当該ゲート電荷を引き抜くことで、スイッチング素子をターンオフさせる。
The
ゲート電圧検出部312は、ゲート端子G及び検出用エミッタ端子ESに接続されることで、スイッチング素子Q1のゲート端子側に接続され、これら端子間の電圧を検出することで、スイッチング素子Q1のゲート電圧(Vg)を検出する。ゲート電圧検出部312は、検出されたゲート電圧を、電圧推定部314に出力する。
The gate
ゲート電荷量推定部313は、ゲート端子Gに接続されたゲート電流検出部316の電流値に基づいて、ゲートに蓄積される電荷量を測定する。ゲート電荷量推定部313は、ゲート電流検出部316で検出されるゲート電流の積算値を演算することで、ゲート電荷量を測定する。ゲート電荷量推定部313は、測定した電荷量を、電圧推定部314に出力する。
The gate charge
直流電圧推定部314は、ゲート電圧検出部312により検出されたゲート電圧と、ゲート電荷量測定部により測定された電荷量に基づいて、スイッチング素子のエミッタコレクタ間の直流電圧(Vce)を推定する。電圧推定部314は、推定した電圧(Vce)を基準電圧設定部318に出力する。
The DC
ゲート抵抗設定回路315は、電圧推定部315で推定されたコレクタエミッタ間電圧(Vce)に基づき、スイッチング素子Q1のゲート抵抗を設定する。
The gate
基準電圧設定部318は、直流電圧推定部314で推定された直流電圧に基づき、スイッチング素子Q1のゲート抵抗を変更するための基準電圧を設定する。
The reference
次に、図3を用いて、ゲート駆動回路311及びゲート抵抗設定回路312の具体的な構成を説明する。図3は、ハイサイドゲート制御回路31の回路図を示す。
Next, specific configurations of the
図3に示すように、ゲート駆動回路311は、パルス発信器3111と、トランジスタTr1、Tr2と、抵抗R11、R12、ダイオードD11、D12の並列回路とを有している。パルス発信器3111は、増幅回路等を含み、トランジスタTr1、Tr2のベースに接続されている。パルス発信器3111は、コントローラ5から入力されるスイッチング信号で示される制御タイミングで、スイッチング素子Q1のオン、オフを切り替えるよう、パルスをトランジスタTr1、Tr2に発信する。
As shown in FIG. 3, the
トランジスタTr1は、npn型のトランジスタである。トランジスタTr2はpnp型のトランジスタである。トランジスタTr1、Tr2は互いに直列に接続されている。そして、トランジスタTr1、Tr2のベースの接続点が、パルス発信器321に接続され、トランジスタTr1のエミッタとトランジスタTr2のコレクタとの接続点が、抵抗R11、R12、ダイオードD11、D12の並列回路の接続されている。
The transistor Tr1 is an npn type transistor. The transistor Tr2 is a pnp type transistor. The transistors Tr1 and Tr2 are connected in series with each other. The base connection point of the transistors Tr1 and Tr2 is connected to the
抵抗R11とダイオードD11が直列に、抵抗R12とダイオードD12が直列に接続されている。そして、ダイオードD11とダイオードD12とが逆方向になるように、抵抗R11とダイオードD11の直列回路と、抵抗R12とダイオードD12の直列回路が、並列に接続されている。また、抵抗R11、R12、ダイオードD11、D12の並列回路は、トランジスタTr1、Tr2の接続点と、スイッチング素子Q1のゲート端子との間に接続されている。 The resistor R11 and the diode D11 are connected in series, and the resistor R12 and the diode D12 are connected in series. A series circuit of the resistor R11 and the diode D11 and a series circuit of the resistor R12 and the diode D12 are connected in parallel so that the diode D11 and the diode D12 are in opposite directions. The parallel circuit of the resistors R11 and R12 and the diodes D11 and D12 is connected between the connection point of the transistors Tr1 and Tr2 and the gate terminal of the switching element Q1.
ゲート抵抗設定回路315は、抵抗R1、R2、トランジスタS1、S2、比較器321、322を有している。トランジスタS1は、P型のMOSFETであり、トランジスタS2はN型のMOSFETである。
The gate
抵抗R1とトランジスタS1との並列回路は、ゲート電源317の正極とトランジスタTr1のコレクタとの間に接続されている。比較器321の反転入力には、スイッチング素子Q1のフィードバックされたゲート電圧(VGFB)が入力される。比較器321の非反転入力には、基準電圧設定部318から、スイッチング素子Q1のターンオンのときに、ゲート抵抗を変更するための基準電圧(REF_ON)が入力される。比較器321の比較結果が、トランジスタS1の制御端子に入力される。
A parallel circuit of the resistor R1 and the transistor S1 is connected between the positive electrode of the
抵抗R2とトランジスタS2との並列回路は、ゲート電源317の負極とトランジスタTr2のエミッタとの間に接続されている。比較器322の反転入力には、スイッチング素子Q1のフィードバックされたゲート電圧(VGFB)が入力される。比較器322の非反転入力には、基準電圧設定部318から、スイッチング素子Q1のターンオフのときに、ゲート抵抗を変更するための基準電圧(REF_OFF)が入力される。。比較器322の比較結果が、トランジスタS2の制御端子に入力される。
A parallel circuit of the resistor R2 and the transistor S2 is connected between the negative electrode of the
次に、図3の回路動作について、説明する。スイッチング素子Q1をターンオンさせるときには、トランジスタTr1をオンに、トランジスタTr2をオフにするパルス信号を、パルス生成器3111から出力し、トランジスタTr1、Tr2のベースに入力させる。トランジスタTr1がオンになることで、ゲート電源317から、ゲート電流が、抵抗R1又はトランジスタS1を介して、抵抗R11、ダイオードD11と通り、スイッチング素子Q1のゲートに入力される。そして、電荷が、スイッチング素子Q1のゲートエミッタ間の入力容量に蓄積されて、ゲート電圧が、スイッチング素子Q1をオンにさせる電圧閾値を越えると、スイッチング素子Q1がオンになる。
Next, the circuit operation of FIG. 3 will be described. When the switching element Q1 is turned on, a pulse signal for turning on the transistor Tr1 and turning off the transistor Tr2 is output from the
一方、スイッチング素子Q1をターンオフさせる際には、パルス発生器3111からのパルス信号により、トランジスタTr1をオフに、トランジスタTr2をオンにして、スイッチング素子Q1のゲートから抵抗R12及びダイオードD12を通り、抵抗R2又はトランジスタS2の一方を導通させて、グランドまでの導通経路が形成される。そして、スイッチング素子Q1のゲートエミッタ間の入力容量に蓄積されている電荷が引き抜かれることで、ゲート電圧が下がり、スイッチング素子Q1がオフになる。
On the other hand, when the switching element Q1 is turned off, the transistor Tr1 is turned off and the transistor Tr2 is turned on by the pulse signal from the
また、スイッチング素子Q1をターンオンさせる時に、トランジスタS1のオン、オフを切り替えることで、ゲート抵抗を設定する。スイッチング素子Q1をターンオンさせるときに、トランジスタS1をオフにすると、ゲート電流は、抵抗R1及び抵抗R11を流れて、スイッチング素子Q1のゲートに入力される。そのため、ゲート抵抗は、抵抗R1と抵抗R11との合成インピーダンスZ1となる。 Further, when the switching element Q1 is turned on, the gate resistance is set by switching on and off the transistor S1. When the transistor S1 is turned off when the switching element Q1 is turned on, the gate current flows through the resistor R1 and the resistor R11 and is input to the gate of the switching element Q1. Therefore, the gate resistance is a combined impedance Z1 of the resistance R1 and the resistance R11.
一方、スイッチング素子Q1をターンオンさせるときに、トランジスタS1をオンにすると、抵抗R1の間がトランジスタS1で短絡されるため、ゲート電流は、トランジスタS1及び抵抗R11を流れて、スイッチング素子Q1のゲートに入力される。そのため、ゲート抵抗は、トランジスタS1の導通時の抵抗と、抵抗R11の合成インピーダンスZ2となる。抵抗R1のインピーダンスは、トランジスタS1導通時の抵抗に対して、十分大きい値を選定することで、下記の式(1)が成り立つ。
すなわち、合成インピーダンスZ2は抵抗R1分だけ小さくすることが、できる。従って、スイッチング素子Q1をターンオンさせる際に、トランジスタS1をオンからオフにすることで、ゲートインピーダンスを、抵抗R1の分だけ、高めることができる。 That is, the combined impedance Z2 can be reduced by the resistance R1. Therefore, when the switching element Q1 is turned on, the gate impedance can be increased by the resistance R1 by turning off the transistor S1.
また、スイッチング素子Q1をターンオフさせるときに、トランジスタS2のオン、オフを切り替えることで、ゲート抵抗を設定する。スイッチング素子Q1をターンオフさせるときに、トランジスタS2をオフにすると、ゲート電荷量から引き出される電流は、抵抗R2及び抵抗R12を流れて、エミッタ側端子VEEに流れる。そのため、ゲート抵抗は、抵抗R2と抵抗R12とのインピーダンスとなる。 Further, when the switching element Q1 is turned off, the gate resistance is set by switching the transistor S2 on and off. When the transistor S2 is turned off when the switching element Q1 is turned off, the current drawn from the gate charge amount flows through the resistor R2 and the resistor R12 and flows to the emitter side terminal VEE. Therefore, the gate resistance is an impedance between the resistor R2 and the resistor R12.
一方、スイッチング素子Q1をターンオフさせるときに、トランジスタS2をオンにすると、抵抗R2の間がトランジスタS2で短絡されるため、ゲートからの電流は、トランジスタS2及び抵抗R12を流れて、エミッタ側端子VEEに流れる。そのため、ゲート抵抗は、抵抗R12のインピーダンスとなる。ターンオンのときと同様に、抵抗R2のインピーダンスはトランジスタS2の導通時抵抗に対して十分大きい値を設定することにより、スイッチング素子Q1をターンオフさせる際に、トランジスタS2をオンからオフにすることで、ゲートインピーダンスを、抵抗R2の分だけ、高めることができる。
On the other hand, when turning off the switching element Q1, Turning on transistor S2, since during the resistor R2 is shorted by the transistor S2, the current from the gate, flows through the transistor S2 and
これにより、ゲート抵抗設定回路315は、スイッチング素子Q1のゲート抵抗を所定のインピーダンスより高くする高インピーダンス回路と、当該ゲート抵抗を当該所定のインピーダンスより低くする低インピーダンス回路とを切り替える。そして、ゲート抵抗設定回路315は、スイッチング素子Q1のターンオンのとき、及び、ターンオフのときに、トランジスタS1、S2のオン、オフを切り替えることで、過渡的にゲートインピーダンスを変更する。なお、所定のインピーダンスは、抵抗R1、R2、R11、R12の抵抗値により設定される。
Thereby, the gate
ここで、スイッチング素子Q1〜Q6で発生するサージ電圧について説明する。スイッチング素子Q1のサージ電圧を抑制するためには、トランジスタの過渡状態における、スイッチング素子Q1の電極間電圧の時間変化(dV/dt)を抑制する必要がある。スイッチング素子Q1の電圧変化量(dV/dt)を抑制するには、例えば、スイッチング素子Q1をターンオフするときに、ゲート抵抗設定回路315により、ゲート抵抗を高めることで、サージ電圧を抑制することができる。しかしながら、ゲート抵抗を高めた場合には、スイッチング素子Q1のスイッチング損失が高くなる。
Here, the surge voltage generated in the switching elements Q1 to Q6 will be described. In order to suppress the surge voltage of the switching element Q1, it is necessary to suppress the temporal change (dV / dt) in the voltage between the electrodes of the switching element Q1 in the transient state of the transistor. In order to suppress the voltage change amount (dV / dt) of the switching element Q1, for example, when the switching element Q1 is turned off, the gate resistance is increased by the gate
ゆえに、スイッチング損失を小さくしつつ、電圧変化量(dV/dt)を抑制するためには、ゲート抵抗設定回路315によるゲート抵抗の切り替えタイミングを、適切なタイミングに設定する必要がある。そして、ゲート抵抗の切り替えタイミングは、スイッチング素子Q1の電極間電圧の変化から、適切なタイミングに設定することができる。
Therefore, in order to suppress the voltage change amount (dV / dt) while reducing the switching loss, it is necessary to set the gate resistance switching timing by the gate
本例の直流電圧推定部314は、以下に説明する方法で、スイッチング素子Q1のコレクタエミッタ間電圧(Vce)を推定することにより、スイッチング素子Q1の電極間電圧の変化を検出している。
The DC
スイッチング素子Q1のオン、オフの動作中、スイッチング素子Q1のコレクタ端子とエミッタ端子との電圧差は変化する。また、スイッチング素子Q1のオン、オフの切り替えは、コレクタエミッタ間の入力容量の電荷量により決まる。そのため、コレクタ端子とエミッタ端子との電位差とゲートの電荷量との対応関係から、スイッチング素子Q1の過渡状態を推定することができつつ、スイッチング素子Q1の電極間電圧(Vce)を推定することができる。 During the ON / OFF operation of the switching element Q1, the voltage difference between the collector terminal and the emitter terminal of the switching element Q1 changes. Further, switching of the switching element Q1 on and off is determined by the amount of charge of the input capacitance between the collector and emitter. Therefore, the transient state of the switching element Q1 can be estimated from the correspondence between the potential difference between the collector terminal and the emitter terminal and the charge amount of the gate, and the interelectrode voltage (Vce) of the switching element Q1 can be estimated. it can.
すなわち、本例は、直流電圧推定部314により推定される直流電圧を用いることで、スイッチング素子Q1の電極間電圧の変化をしているため、ゲート抵抗の切り替えタイミングを、適切なタイミングに設定することを可能としている。
That is, in this example, since the voltage between the electrodes of the switching element Q1 is changed by using the DC voltage estimated by the DC
図4を用いて、スイッチング素子Q1における、ゲート電荷量(Qg)及びゲート電圧(Vg)に対するコレクタエミッタ間電圧(Vce)の大きさとゲート電圧Vgとゲート電荷量Qgによる特性変化の例を説明する。図4は、ゲート電荷量に対するゲート電圧の特性を示すグラフである。例えば実線においてはVceが低電圧の100Vである時の特性を示し、点線はVceが高電圧の300Vである時の特性を示す。電圧(Vth)は、スイッチング素子Q1のゲート電圧閾値である。 With reference to FIG. 4, an example of the characteristics of the switching element Q1 due to the magnitude of the collector-emitter voltage (Vce) with respect to the gate charge amount (Qg) and the gate voltage (Vg) and the gate voltage Vg and the gate charge amount Qg will be described. . FIG. 4 is a graph showing the characteristics of the gate voltage with respect to the gate charge amount. For example, the solid line shows the characteristic when Vce is a low voltage of 100V, and the dotted line shows the characteristic when Vce is a high voltage of 300V. The voltage (Vth) is a gate voltage threshold value of the switching element Q1.
ゲート電圧(Vg)がゲート電圧閾値(Vth)より高い領域では、同じゲート電圧を印加したとしても、コレクタエミッタ間電圧に応じて、ゲート電荷量(Qg)が異なる。これは電圧効果トランジスタであるスイッチング素子Q1の帰還容量(Cres)が、ターンオンまたはターンオフのスイッチ動作の途中に、充放電されるためである。当該帰還容量は、スイッチング素子の内部構造によるものである。そして、ゲート電荷量(Qg)、コレクタエミッタ間電圧(Vce)及び帰還容量(Cres)との間には、式(2)の関係が成立する。
そして、本例において、インバータ2のスイッチング素子Q1に高電圧のパワーデバイスを用いることで、スイッチング時のコレクタエミッタ間電圧(Vce)は高くなり、あるいは、本例のスイッチング素子Q1に、帰還容量(Cres)の大きいデバイスをスイッチング素子Q1に用いることで、ゲート電荷量(Qg)の変化量は大きくなる。
In this example, by using a high-voltage power device for the switching element Q1 of the
そのため、直流電圧推定部314は、図4に示す関係から、コレクタエミッタ間電圧(Vce)を推定する。図4の関係は、スイッチング素子Q1からQ6のデバイスの特性から予め決まる特性である。電圧推定部314は、ゲート電圧(Vg)とゲート電荷量(Qg)に対するコレクタエミッタ間電圧(Vce)の相関関係を、例えばマップ等により予め記録する。そして、直流電圧推定部314は、当該マップを参照して、ゲート電圧検出部312のゲート電圧、及び、ゲート電荷量測定部313の電荷量特性に対応する直流電圧を推定し、基準電圧設定部318に出力する。
Therefore, the DC
基準電圧設定部318は、直流電圧推定部314で推定された直流電圧により、基準電圧を電圧(REF_OFF)又は電圧(REF_ON)を設定する。これにより、直流電圧の大きさによって、ターンオンまたはターンオフ時の過渡的なゲートインピーダンス変更のタイミングを最適化することができる。
The reference
ゲート電圧検出部312及びゲート電荷量測定部313は、ゲート電圧の検出及びゲート電荷量の測定を、所定の周期で行い、直流電圧推定部314に出力し、コレクタエミッタ間電圧(Vce)が推定されている。なお、当該所定の周期は、コントローラ5によるスイッチング周期よりも短い周期である。
The gate
そして、本例は、以下に説明するように、電圧推定部314の出力をもとに、基準電圧設定部318にて基準電圧を設定することで、所定の周期で推定されるコレクタエミッタ間電圧(Vce)に対して、スイッチング素子Q1を駆動するための最適な電圧変化量(dV/dt)を過渡的に制御することが可能である。
In this example, the collector-emitter voltage estimated at a predetermined cycle is set by the reference
コントローラ5は、電源線Pと電源線N間との短絡を避けるために、例えばU相のスイッチング制御では、スイッチング素子Q1と、スイッチング素子Q2のオン及びオフを交互に行っている。
In order to avoid a short circuit between the power supply line P and the power supply line N, for example, in the U-phase switching control, the
そのため、ハイサイド側のスイッチング素子Q1をターンオフするときには、ローサイド側のスイッチング素子Q2はオフ状態である。この時、スイッチング素子Q1の正極側(高電位側)の端子と、負極側(低電位側)の端子との間の電圧(VHce)は、スイッチング素子Q1の正極と負極間との間の電極間電圧(Vce)と等しい。 Therefore, when the high-side switching element Q1 is turned off, the low-side switching element Q2 is in an off state. At this time, the voltage (VHce) between the positive electrode side (high potential side) terminal of the switching element Q1 and the negative electrode side (low potential side) terminal is an electrode between the positive electrode and the negative electrode of the switching element Q1. It is equal to the voltage (Vce).
そして、電極間電圧(Vce)は、上記のとおり電圧推定部314により推定されているため、スイッチング素子Q1の過渡状態を推定することができ、スイッチング素子Q1をターンオフさせるときに、スイッチング素子Q1のゲート抵抗を過渡的に変更すればよい。
Since the voltage between the electrodes (Vce) is estimated by the
以下、ターンオフさせるときの、ゲート抵抗設定回路315におけるゲート抵抗の制御について説明する。スイッチング素子Q1のターンオフの開始時点では、コレクタエミッタ間電圧が低いため、ゲート抵抗設定回路315はゲート抵抗を低い状態にする。具体的には、ターンオフの開始時点で、ゲート電荷量は小さく、電圧推定部314で推定されるコレクタエミッタ間電圧(Vce)は低い。そのため、基準電圧設定部318は、フィードバックゲート電圧(VGFB)が比較器322に入力されても、トランジスタS2がオン状態を維持するように、比較器322の非反転端子に入力する基準電圧を設定することで、ゲート抵抗設定回路315を制御する。
Hereinafter, control of the gate resistance in the gate
次に、スイッチング素子Q1のターンオフ動作が継続されて、スイッチング素子Q1の実際の電圧(Vce)が上昇する。電圧推定部314は、ゲート電荷量測定部313の電荷量と、ゲート電圧検出部312のゲート電圧から、コレクタエミッタ間電圧を推定することで、電圧(Vce)の上昇を推定する。
Next, the turn-off operation of the switching element Q1 is continued, and the actual voltage (Vce) of the switching element Q1 increases. The
電圧推定部314は、直流電圧Vdcの大きさに応じて、サージ電圧によりコレクタエミッタ間電圧(Vce)がバッテリ1の直流電圧(Vdc)を大きく越えるか否かを判定する機能を有している。例えば、ゲート電荷量とゲート電圧の特性(Vg、Qg特性)から推定されたコレクタエミッタ間電圧と、サージ電圧の上昇を判定するための電圧閾値とを比較してもよく、あるいは、推定されたコレクタエミッタ間電圧の変化量と、所定の判定閾値との比較により判定すればよい。
The
そして、サージ電圧が大きく、コレクタエミッタ間電圧(Vce)が直流電圧(Vdc)を大きく越えると判定した場合には、基準電圧設定部318は、フィードバックゲート電圧(VGFB)の比較器322への入力に対して、トランジスタS2がオフに切り替えるよう、比較器322の非反転端子の基準電圧(REF_OFF)を設定する。
When it is determined that the surge voltage is large and the collector-emitter voltage (Vce) greatly exceeds the DC voltage (Vdc), the reference
トランジスタS2をオフにさせる当該基準電圧(REF_OFF)の設定後、ターンオフの時間経過と供に、ゲート電圧は低くなり、フィードバック電圧(VGFB)が基準電圧(REF_OFF)に達すると、スイッチング素子Q1がオフになり、ゲート抵抗が高くなる。これにより、スイッチング素子Q1のコレクタエミッタ間電圧のピーク値が抑制され、サージ電圧を抑制することができる。 After the setting of the reference voltage (REF_OFF) for turning off the transistor S2, the gate voltage decreases with the lapse of turn-off time, and when the feedback voltage (V GFB ) reaches the reference voltage (REF_OFF), the switching element Q1 Turns off and increases gate resistance. Thereby, the peak value of the collector-emitter voltage of the switching element Q1 is suppressed, and the surge voltage can be suppressed.
また、ゲート電圧を切り替えるタイミングは、基準電圧設定部318で設定される、比較器322の基準電圧の大きさによって決まる。基準電圧設定部318による基準電圧(REF_OFF)が小さくなるほど、高いゲート抵抗への切り替えタイミングが遅くなる。ゲート抵抗の切り替えタイミングは、例えば、ターンオフ開始後の、コレクタエミッタ間電圧の変化率から設定すればよい。
The timing for switching the gate voltage is determined by the reference voltage of the
次に、図5を用いて、スイッチング素子Q1をターンオフ時のハイサイドゲート制御回路31の制御について説明する。図5は、コレクタ電流(Ic)、コレクタエミッタ電圧(Vce)、ゲート電圧(Vg)、ゲート電流(Ig)、及び、ゲート電荷量(Qg)の特性を示し、(a)は比較例の特性を、(b)は本発明の特性を示す。横軸は時間を示す。
Next, the control of the high side
時刻t1で、コントローラ5から、スイッチング素子Q1をターンオフさせる制御指令が入力されると、ゲート駆動回路311は、トランジスタTr1をオフに、トランジスタTr2をオンにする。そして、ゲート電圧(Vg)の低下が始まる。
At time t 1, the
時刻t2でゲート電圧(Vg)がゲート電圧閾値(Vth)以下になると、スイッチング素子Q1のターンオフが開始する。 When where a gate voltage (Vg) is less than or equal to the gate voltage threshold value (Vth) at time t 2, the turn-off of the switching element Q1 is started.
時刻t2以降、比較例では、ゲート抵抗は低いインピーダンスを維持し、コレクタエミッタ間電圧(Vce)が大きく上昇する。そして、電圧(Vce)の変化率(dV/dt)が大きいため、サージ電圧(Vs)が大きくなる。そして、時刻taで、コレクタエミッタ間電圧(Vce)はピーク電圧(Vdc+Vs1)となる。比較例のように、スイッチング素子Q1の過渡状態で、ゲート抵抗を変更しない場合には、スイッチング素子のデバイス特性や、インバータ回路の規制インダクタンスなどのインバータ2の内部の回路定数により、電圧(Vce)が上昇する。
Time t 2 later, in the comparative example, the gate resistance maintains a low impedance, the collector-emitter voltage (Vce) is increased greatly. And since the rate of change (dV / dt) of voltage (Vce) is large, surge voltage (Vs) becomes large. Then, at time t a, the collector-emitter voltage (Vce) becomes the peak voltage (Vdc + Vs 1). When the gate resistance is not changed in the transient state of the switching element Q1 as in the comparative example, the voltage (Vce) depends on the circuit characteristics of the
一方、本例では、時刻t2の時点から、ゲート電荷量測定部313は、ゲート電流検出部316の電流値の積算を開始し、電荷量(Qg)を測定する。また、電圧推定部314は、測定された電荷量と、ゲート電圧検出部312のゲート電圧から、コレクタエミッタ間電圧(Vce)を推定する。
On the other hand, in this embodiment, from the point of time t 2, the gate charge
そして、時刻t3の時点で、ハイサイドゲート制御回路31は、推定されたコレクタエミッタ間電圧(Vce)が、ゲート抵抗を切り替えるための閾値電圧に達したことを検知し、ゲート抵抗設定回路315により、ゲート抵抗を低インピーダンスから高インピーダンス側に切り替える。
At time t 3 , the high-side
時刻t3以降、電圧(Vce)の上昇は、比較例よりも抑制される。そして、時刻(tb)の時点で、直流電圧(Vce)はピーク電圧(Vdc+Vs2)となる。本発明のサージ電圧(Vs2)は比較例のサージ電圧(Vs1)よりも低いため、コレクタエミッタ間電圧(Vce)のピーク電圧も比較例より低くなる。 Time t 3 subsequent increase in the voltage (Vce) is suppressed than Comparative Example. At the time (t b ), the DC voltage (Vce) becomes the peak voltage (Vdc + Vs 2 ). Since the surge voltage (Vs 2 ) of the present invention is lower than the surge voltage (Vs 1 ) of the comparative example, the peak voltage of the collector-emitter voltage (Vce) is also lower than that of the comparative example.
ハイサイドゲート制御回路31は、スイッチング素子Q1をターンオンさせる時にも、同様に、ゲート電圧の検出値と、ゲート電荷量の測定値から、Vg−Qgの特性を使用して、コレクタエミッタ間の電圧を推定し、スイッチング素子Q1の過渡状態で、推定された電圧(Vce)に応じて、ゲート抵抗を切り替えている。
Similarly, when the high-side
なお、ゲート抵抗を高抵抗側に設定する時間は、ゲート電圧閾値(Vth)のばらつき、ゲート電流検出部の検出誤差、ゲート電流又はゲート電圧等の電圧電流の立ち下がり時間あるいは立ち上がり時間等に応じて設定してもよい。 Note that the time for setting the gate resistance to the high resistance side depends on the variation of the gate voltage threshold (Vth), the detection error of the gate current detector, the fall time or rise time of the voltage current such as the gate current or the gate voltage, etc. May be set.
ターンオン時の詳細な制御は、上記と同様であるため、説明を省略するが、スイッチング素子Q1のターンオン時の制御では、制御しているスイッチング素子Q1〜Q6と直列に接続された対アームのスイッチング素子Q1〜Q6およびダイオードD1〜D6のリカバリ電圧を含んだ電圧上昇を制御することもできる。 The detailed control at the time of turn-on is the same as described above, and thus the description thereof is omitted. However, in the control at the time of turning on the switching element Q1, switching of the pair arm connected in series with the switching elements Q1 to Q6 being controlled is performed. The voltage rise including the recovery voltages of the elements Q1 to Q6 and the diodes D1 to D6 can also be controlled.
上記のように、本例は、スイッチング素子Q1〜Q6をターンオン、または、ターンオフのときに、ゲート電圧検出部312で検出されたゲート電圧と、ゲート電荷量測定部313で測定された電荷量に基づいて、スイッチング素子Q1〜Q6のゲートインピーダンスを設定する。これにより、本例は、スイッチング素子のゲート電荷量を測定しつつ、スイッチング素子の状態に応じたゲートインピーダンスを設定しているため、サージを抑えた最適な駆動制御をすることができ、その結果として、電磁波干渉(EMIノイズ)を低減することができる。
As described above, in this example, when the switching elements Q1 to Q6 are turned on or turned off, the gate voltage detected by the gate
また、本例は、ゲート電圧検出部312のゲート電圧と、ゲート電荷量測定部313のゲート電荷量に基づいて、スイッチング素子Q1〜Q6の正極及び負極間の電極間電圧(Vce)を推定する。これにより、スイッチング動作時のゲート動作状態と、スイッチ動作時のゲート電荷量を測定し、ゲートの過渡状態を計測することができ、スイッチング素子Q1〜Q6の過渡状態を検出することができるため、当該過渡状態の時に、ゲート抵抗を設定することで、サージ電圧を抑制することができる。
Further, in this example, the inter-electrode voltage (Vce) between the positive electrode and the negative electrode of the switching elements Q1 to Q6 is estimated based on the gate voltage of the gate
また本例は、スイッチング素子Q1〜Q6のゲート電圧及びゲート電荷量に対する電極間電圧(Vce)の相関関係から、電極間電圧(Vce)を推定することができる。 Further, in this example, the interelectrode voltage (Vce) can be estimated from the correlation of the interelectrode voltage (Vce) with respect to the gate voltage and the gate charge amount of the switching elements Q1 to Q6.
また本例は、スイッチング素子Q1〜Q6のターンオフのときに、スイッチング素子Q1〜Q6が、サージ電圧の上昇を示す電圧閾値を越える場合に、ゲート抵抗設定回路315に含まれる低インピーダンス回路から高インピーダンス回路に切り替える。これにより、スイッチング素子Q1〜Q6の過渡状態を検出し、サージ電圧を抑制することができる。
In addition, in this example, when the switching elements Q1 to Q6 are turned off, when the switching elements Q1 to Q6 exceed a voltage threshold value indicating an increase in surge voltage, the low impedance circuit included in the gate
また本例は、スイッチング素子Q1〜Q6のゲート端子に接続されたゲート電流検出部316の検出値から、ゲート電荷量を測定する。これにより、本例は、高電圧が印加されない、スイッチング素子Q1〜Q6のゲート入力側の検出値を用いて、電荷量を測定することができ、サージ電圧を抑制することができる。
In this example, the gate charge amount is measured from the detection value of the gate
また本例は、スイッチング素子がターンオフの開始時点又はターンオンの開始時点からゲート電荷量の測定を開始している。これにより、ターンオフ又はターンオン制御中における、スイッチング素子Q1〜Q6の過渡状態を検出することができる。 Further, in this example, the measurement of the gate charge amount is started from the time when the switching element starts turning off or the time when turning on starts. Thereby, the transient state of switching elements Q1-Q6 during turn-off or turn-on control can be detected.
また本例は、ハイサイドゲート制御回路31及びローサイドゲート制御回路32を備え、インバータ2の上アーム素子21、23、25のスイッチング素子Q1、Q3、Q5及び下アーム回路22、24、26のスイッチング素子Q2、Q4、Q6をそれぞれ駆動させている。すなわち、スイッチング素子Q1〜Q6のバラツキ又は検出誤差等により、各スイッチング素子Q1〜Q6の過渡状態は異なるが、本例では、各スイッチング素子Q1〜Q6に対応するハイサイドゲート制御回路31、ローサイドゲート制御回路32で、過渡状態を検出し、ゲート抵抗を設定している。これにより、各スイッチング素子Q1〜Q6の過渡状態に応じて、サージ電圧を抑制することができる。また、インバータ2で生じるEMIノイズを抑制することができるため、システムの簡素化、電力変換装置の小型化を実現することができる。
This example also includes a high-side
また、インバータ2のスイッチング動作時に、サージ電圧が発生した場合には、当該インバータ2を備えた車両の駆動システム内で、EMIノイズが発生する。そして、このEMIノイズは、車両に設けられたFMラジオやテレビ放送の電波に影響を及ぼし、車両内外の通信機器にも影響を及ぼす可能性がある。
In addition, when a surge voltage is generated during the switching operation of the
本例の駆動システムは、上記のとおり、サージ電圧を抑制することができるため、駆動システムを車両に適用した場合には、EMIノイズの発生を防ぐことができる。また、本例は、インバータの変換効率を高めることもでき、制御応答性を高めることができ、システムの小型化を実現することができる。 Since the drive system of this example can suppress a surge voltage as described above, when the drive system is applied to a vehicle, generation of EMI noise can be prevented. Moreover, this example can also improve the conversion efficiency of an inverter, can improve control responsiveness, and can implement | achieve size reduction of a system.
また、本例の駆動システムは、スイッチング素子Q1〜Q6のゲート電圧を制御することで、インバータ2からの出力電圧波形を調整する機能を設けることできる。そして、本例の駆動システムを車両に搭載した場合には、誘導性負荷であるモータ3等の回転体の回転子に対して、車両が必要とするトルクを発生させる際に、サージ電圧を抑制したり、EMIノイズを低減したりすることができる。
Moreover, the drive system of this example can provide a function of adjusting the output voltage waveform from the
なお、本例の変形例として、ゲート電荷量測定部313は、ゲート電流検出部316の代わりに、電圧検出部319の検出電圧に基づいて、ゲート電荷量を測定してもよい。図6に、本発明の変形例に係る半導体装置のハイサイドゲート制御回路31の回路図を示す。
As a modification of this example, the gate charge
図6に示すように、変形例に係るハイサイドゲート制御回路31は、電圧検出部319及び抵抗R3を有している。抵抗R3は、抵抗R11、R12及びダイオードD11、D12の並列回路と、スイッチング素子Q1のゲート端子との間に接続されている。そして、電圧検出部319は、抵抗R3の両端の電圧を検出し、ゲート電荷量測定部313に出力する。
As shown in FIG. 6, the high-side
ゲート電荷量測定部313は、電圧検出部319の検出電圧(V_R3)と、抵抗R3の抵抗値(R3)から、式(3)を用いて、ゲート電流(Ig)を測定する。
そして、ゲート電荷量測定部313は、式(3)で演算された電流値を積算することで、ゲート電荷量を測定する。
Then, the gate charge
また本例は、スイッチング素子Q1〜Q6にIGBTを用いて、コレクターエミッタ間の電圧を推定するためにゲート電圧フィードバックVGFBを用いたが、MOSFETのドレインーソース間の電圧を推定するためにゲート電圧フィードバックVGFBを用いても同様の効果が得られることは明らかである。図7は、本発明の変形例に係る半導体装置における、制御回路31、上アーム素子21及びコントローラ5のブロック図である。図7において、Gはゲート端子を、SSは検出用ソース端子を、Dはドレイン端子を、Sはソース端子を示している。
In this example, IGBTs are used for the switching elements Q1 to Q6, and the gate voltage feedback V GFB is used to estimate the collector-emitter voltage. However, the gate is used to estimate the MOSFET drain-source voltage. It is clear that the same effect can be obtained by using the voltage feedback V GFB . FIG. 7 is a block diagram of the
図7に示すように、ゲート駆動回路311は、スイッチング素子Q1のゲート端子G及び検出用ソース端子ESに接続されている。ゲート電圧検出部312は、ゲート端子G及び検出用ソース端子ESに接続されている。ゲート電荷量推定部313は、ゲート端子Gに接続されたゲート電流検出部316の電流値に基づいて、ゲートに蓄積される電荷量を測定する。
As shown in FIG. 7, the
図2に示す、ゲート電圧(Vg)とゲート電荷量(Qg)の特性は、MOSFETでも同様の特性を示す。そのため、電圧推定部314は、ゲート電圧及びゲート電荷量に基づいて、MOSFETであるスイッチング素子Q1の電極間電圧(ドレイン−ソース間電圧)を推定することができる。これにより、本例は、スイッチング素子Q1にMOSFETを用いても、IGBTに係る本例の制御と同様に、スイッチング素子Q1の過渡状態を検出し、ゲート抵抗を設定することで、サージ電圧を抑制することができる。
The characteristics of the gate voltage (Vg) and the gate charge amount (Qg) shown in FIG. Therefore, the
図8は、本発明の変形例に係る半導体装置を備えた電力変換装置のブロック図である。また、図1に示すように、本例の半導体装置を、3相など複数の相の出力をもつインバータ回路に適用したが、図8に示す変形例の半導体装置のように、単相のインバータ回路に適用してもよい。。 FIG. 8 is a block diagram of a power conversion device including a semiconductor device according to a modification of the present invention. Further, as shown in FIG. 1, the semiconductor device of this example is applied to an inverter circuit having outputs of a plurality of phases such as three phases, but a single-phase inverter like the semiconductor device of the modification shown in FIG. You may apply to a circuit. .
また、本例の好適な例として、ゲート構造がトレンチ構造であるトランジスタを、本例の半導体装置のスイッチング素子Q1〜Q6に用いるとよい。 As a preferred example of this example, a transistor whose gate structure is a trench structure may be used for the switching elements Q1 to Q6 of the semiconductor device of this example.
ここで、ゲート構造と、Vg−Qgの特性との関係について説明する。インバータ用のパワートランジスタ(スイッチング素子Q1〜Q6)として使われるデバイスは、MOSFETやIGBTなどの酸化膜ゲートを有するトランジスタが挙げられる。そして、式(1)に示すように、ゲート電圧と電荷量特性(Vg−Qg特性)は、帰還容量(Cres)に対して依存性をもっている。そして、パワートランジスタとして縦型デバイスを用いた場合には、帰還容量(Cres)は、ゲート構造によって変化する。 Here, the relationship between the gate structure and the characteristics of Vg-Qg will be described. Examples of devices used as power transistors for the inverter (switching elements Q1 to Q6) include transistors having oxide film gates such as MOSFETs and IGBTs. As shown in Expression (1), the gate voltage and the charge amount characteristic (Vg-Qg characteristic) are dependent on the feedback capacitance (Cres). When a vertical device is used as the power transistor, the feedback capacitance (Cres) varies depending on the gate structure.
図9に、ゲート構造の違いによるゲート電荷量(Qg)とゲート電圧(Vg)の特性を示す。図9は、スイッチング素子Q1における、ゲート電荷量(Qg)及びゲート電圧(Vg)に対するコレクタエミッタ間電圧(Vce)の関係を説明する。実線はプレーナ構造の特性を、点線はトレンチ構造の特性を示している。 FIG. 9 shows the characteristics of the gate charge amount (Qg) and the gate voltage (Vg) depending on the gate structure. FIG. 9 illustrates the relationship between the collector-emitter voltage (Vce) with respect to the gate charge amount (Qg) and the gate voltage (Vg) in the switching element Q1. The solid line shows the characteristics of the planar structure, and the dotted line shows the characteristics of the trench structure.
トレンチ構造の帰還容量(Cres)は、一般的にプレーナ構造の帰還容量よりも大きい傾向がある。そのため、ゲート電圧が同一電圧であって、例えば、電極間電圧(Vce)が100Vから300Vに変化した場合に、トレンチ構造のゲート電荷の変化量(ΔQg1)は、プレーナ構造のゲート電荷の変化量(ΔQg2)より大きくなる。 The feedback capacity (Cres) of the trench structure generally tends to be larger than the feedback capacity of the planar structure. Therefore, when the gate voltage is the same voltage and the inter-electrode voltage (Vce) changes from 100 V to 300 V, for example, the amount of change in gate charge (ΔQg 1 ) in the trench structure is the change in gate charge in the planar structure. It becomes larger than the amount (ΔQg 2 ).
そのため、本例では、ゲート構造がトレンチ構造であるトランジスタを、スイッチング素子Q1〜Q6に使用することで、ゲート電圧及びゲート電荷量に対して、電極間電圧(Vce)の変化量を大きくすることできるため、当該電極間電圧(Vce)の推定精度を高めることも可能である。 Therefore, in this example, by using a transistor having a trench structure in the gate structure for the switching elements Q1 to Q6, the amount of change in the interelectrode voltage (Vce) is increased with respect to the gate voltage and the gate charge amount. Therefore, the estimation accuracy of the interelectrode voltage (Vce) can be increased.
上記のゲート電圧検出部312が本発明の「ゲート電圧検出手段」に相当し、ゲート電荷量測定部313が「ゲート電荷量測定部」に、ゲート抵抗設定回路315が本発明の「ゲートインピーダンス設定手段」に、電圧推定部314が「電圧推定手段」に、ハイサイドゲート制御回路31が「第1ゲート制御回路」に、ローサイドゲート制御回路32が「第2ゲート制御回路」に、コントローラ5が「制御手段」相当する。
The
《第2実施形態》
本発明の他の実施形態に係る半導体装置を備えた電力変換装置について説明する。本例では、本例では上述した第1実施形態に対して、コントローラ5の制御の一部が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであるため、その記載を適宜、援用する。
<< Second Embodiment >>
A power conversion device including a semiconductor device according to another embodiment of the present invention will be described. In this example, a part of control of the
コントローラ5により一定の周期でPWM制御を行った場合に、ステップ上のトルク指令に基づいてインバータ2を制御すると、モータ3、平滑コンデンサ27及びバッテリ1の回路定数等によって、電源線P、N間の電圧(インバータ入力電圧)が低下し、電流に脈動が生じる場合がある。
When the
そのため本例では、ゲート電圧及びゲート電荷に基づく、スイッチング素子Q1〜Q6の電極間電圧の推定制御を用いた上で、インバータ入力電圧の低下及び電流の脈動を抑制している。以下、具体的な本例の制御について説明する。 Therefore, in this example, the estimation control of the voltage between the electrodes of the switching elements Q1 to Q6 based on the gate voltage and the gate charge is used, and the decrease of the inverter input voltage and the pulsation of the current are suppressed. Hereinafter, specific control of this example will be described.
ハイサイドゲート制御回路31は、ゲート電圧検出部312、ゲート電荷用測定部313及び電圧推定部314を用いて、コントローラ5によるPWM制御の制御周期よりも短い周期で、スイッチング素子Q1〜Q6の電極間電圧を推定している。
The high-side
そして、例えばU相について、スイッチング素子Q1をターンオンさせる場合には、スイッチング素子Q2はオフ状態である。そのため、スイッチング素子Q1の電極間電圧の変化と、インバータ2の入力電圧の変化には相関性がある。
For example, when the switching element Q1 is turned on for the U phase, the switching element Q2 is in the off state. Therefore, there is a correlation between the change in the interelectrode voltage of the switching element Q1 and the change in the input voltage of the
コントローラ5は、トルク指令値等に基づき、スイッチング動作を行うための電流指令値を演算し、当該電流指令値に基づいてスイッチング信号を生成して、駆動回路30に送信する。ハイサイドゲート制御回路31は、当該スイッチング信号に基づき、スイッチング素子Q1〜Q6をターンオン又はターンオフさせる。その際、ハイサイドゲート制御回路31は、ゲート電圧及びゲート電荷量に基づいて、スイッチング素子Q1の電極間電圧を推定する。そして、推定された電極間電圧の変化量が、所定の判定閾値より高い場合には、ハイサイドゲート制御回路31は、電極間電圧を変化したこと示す信号を、コントローラ5に送信する。すなわち、駆動回路30は、上位制御コントローラであるコントローラ5と、信号の送受信を行っている。
The
コントローラ5は、ハイサイドゲート制御回路31から、電極間電圧が変化した旨の信号を受信すると、電圧の変化量に応じて、インバータ2の入力電圧の変化を抑制するよう、電流指令値を再演算する。そして、コントローラ5は、次のPWM制御周期では、変更後の電流指令値に基づいて、スイッチング信号を生成し、駆動回路30に出力する。これにより、電圧推定部314で推定されて電極間電圧に基づいて、インバータ2の入力電圧の低下を抑制することができる。
When the
次に、図10を用いて、駆動回路30及びコントローラ5の制御について説明する。図10は、電流指令値(Iq*)、インバータ入力電圧(Vdc)及びインバータ電流(Iq)の特性を示す。横軸は時間を示す。点線のグラフaは、変更前の電流指令値であり、実線のグラフbは変更後の電流指令値を示す。また、点線のグラフc、eは、比較例のインバータ入力電圧及びインバータ電流をそれぞれ示し、実線のグラフd、fは、本発明のインバータ入力電圧及びインバータ電流をそれぞれ示す。なお、比較例では、スイッチング素子Q1〜Q6の電極間電圧の推定及び推定された電圧に基づく電流指令値の制御を行っていない。
Next, control of the
時刻t1の時点で、コントローラ5は、ステップ状の電流指令値でインバータ2を制御し、駆動回路30は、コントローラ5のゲート制御指令に基づき、スイッチング素子Q1〜Q6のスイッチング動作を行う。
At time t 1, the
時刻t2の時点で、電圧推定部314は、ゲート電圧及びゲート電荷量に基づき、スイッチング素子Q1〜Q6の電極間電圧を推定する。そして、推定された電極間電圧の変化量、あるいは、バッテリ1の電圧に対する当該電極間電圧の電圧差が、インバータ入力電圧の低下を判定するための閾値より大きい場合には、駆動回路30は、インバータ入力電圧の低下を示す信号をコントローラ5に送信する。なお、時刻t1と時刻t2との間の時間は、コントローラ5の制御周期より短い。
At the time of time t 2, the
時刻t3の時点で、コントローラ5は駆動回路30の信号に基づき、時刻t1で設定した電流指令値と、異なる電流指令値に変更する。そして、電流指令値の変更に伴い、時刻t3以降、インバータ入力電圧の低下は抑制され、また、インバータ電流の上昇も抑制される。なお、時刻t1と時刻t3との間の時間は、コントローラ5の制御周期に相当する。
At time t 3 , the
一方、比較例では、時刻t2の時点で上記のような制御を行っていないため、電流指令値は変更されず、またインバータの入力電圧はさらに低下し、インバータ電流も脈動している。 On the other hand, in the comparative example, since at time t 2 is not performed above control is not changed current command value and the input voltage of the inverter decreases further, also the inverter current pulsates.
上記のように、本例は、電圧推定部314で推定されたスイッチング素子Q1〜Q6の電極間電圧に基づいて、電流指令値を異なる電流指令値に変更する。これにより、インバータ2の直流電圧の過渡的な変化を追うことができるため、インバータ入力電圧の変動を抑制することができる。
As described above, in this example, the current command value is changed to a different current command value based on the voltage between the electrodes of the switching elements Q1 to Q6 estimated by the
1…バッテリ
2…インバータ
20…インバータ回路
21、23、25…上アーム素子
22、24、26…下アーム回路
27…平滑コンデンサ
30…駆動回路
31…ハイサイドゲート制御回路
32…ローサイドゲート制御回路
311…ゲート駆動回路
312…ゲート電圧検出部
313…ゲート電荷量測定部
314…電圧推定部
315…ゲート抵抗設定回路
316…ゲート電流検出部
317…ゲート電源
318 基準電圧設定部
319…電圧検出部
4…スイッチ
5…コントローラ
6…電流センサ
7…レゾルバ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記スイッチング素子のゲート電圧を検出するゲート電圧検出手段と、
前記ゲートに蓄積される電荷量を測定する電荷量測定手段と、
前記ゲート電圧検出手段により検出されたゲート電圧と前記電荷量測定手段により測定された前記電荷量から、前記スイッチング素子の正極と負極との間の電極間電圧を推定する電圧推定手段と、
前記スイッチング素子のターンオフ又はターンオンのときに、前記電圧推定手段より推定された前記電極間電圧に基づいて、前記スイッチング素子のゲートインピーダンスを設定するゲートインピーダンス設定手段を備える
ことを特徴とする半導体装置。 A gate voltage detecting means for controlling the gate voltage of the switching element to detect the gate voltage of the switching element in a semiconductor device for driving the switching element;
Charge amount measuring means for measuring the amount of charge accumulated in the gate;
Voltage estimation means for estimating an interelectrode voltage between the positive electrode and the negative electrode of the switching element from the gate voltage detected by the gate voltage detection means and the charge amount measured by the charge amount measurement means;
A semiconductor device comprising gate impedance setting means for setting a gate impedance of the switching element based on the inter-electrode voltage estimated by the voltage estimation means when the switching element is turned off or turned on.
前記電圧推定手段は、前記ゲート電圧と前記電荷量に対する前記電極間電圧の相関関係から、前記電極間電圧を推定する
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 ,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the voltage estimation means estimates the interelectrode voltage from a correlation between the gate voltage and the interelectrode voltage with respect to the charge amount.
前記ゲートインピーダンス設定手段は、前記ゲートインピーダンスを所定のインピーダンスより高くする高インピーダンス回路と、前記ゲートインピーダンスを前記所定のインピーダンスより低くする低インピーダンス回路とを有し、
前記スイッチング素子のターンオフ又はターンオンのときに、前記スイッチング素子の正極と負極との間の電極間電圧が所定の電圧を越える場合には、前記低インピーダンス回路から前記高インピーダンス回路に切り替える
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
The gate impedance setting means has a high impedance circuit that makes the gate impedance higher than a predetermined impedance, and a low impedance circuit that makes the gate impedance lower than the predetermined impedance,
When the voltage between the positive electrode and the negative electrode of the switching element exceeds a predetermined voltage when the switching element is turned off or turned on, the low impedance circuit is switched to the high impedance circuit. Semiconductor device.
前記スイッチング素子のゲート構造はトレンチ構造を有する
ことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 ,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a gate structure of the switching element has a trench structure.
前記電荷量測定手段は、前記スイッチング素子のゲート端子に接続されたセンサの検出値から、前記電荷量を測定する
ことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 , wherein
The semiconductor device characterized in that the charge amount measuring means measures the charge amount from a detection value of a sensor connected to a gate terminal of the switching element.
前記電荷量測定手段は、前記スイッチング素子がターンオフの開始時点又はターンオンの開始時点から前記電荷量の測定を開始する
ことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 5 ,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the charge amount measuring means starts measuring the charge amount at a time when the switching element starts to turn off or starts to turn on.
複数の前記スイッチング素子を直列に接続したインバータと、
前記インバータのうち上アーム回路に含まれる前記スイッチング素子のゲートを制御する第1ゲート制御回路と、
前記インバータのうち下アーム回路に含まれる前記スイッチング素子のゲートを制御する第2ゲート制御回路とを備え、
前記第1ゲート制御回路及び前記第2ゲート制御回路は、
前記ゲート電圧検出手段、前記電荷量測定手段及び前記ゲートインピーダンス設定手段をそれぞれ有している
ことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device comprising the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6 ,
An inverter in which a plurality of the switching elements are connected in series;
A first gate control circuit for controlling a gate of the switching element included in the upper arm circuit of the inverter;
A second gate control circuit for controlling the gate of the switching element included in the lower arm circuit of the inverter,
The first gate control circuit and the second gate control circuit are:
A power conversion apparatus comprising: the gate voltage detection means, the charge amount measurement means, and the gate impedance setting means.
複数の前記スイッチング素子を接続し、入力された電力を変換して出力するインバータと、
外部から入力されるモータのトルク指令値に基づいて、前記インバータを制御する電流指令値を演算し、当該電流指令値から前記インバータのオン及びオフを切り替えるスイッチング信号を生成して、前記インバータを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記電圧推定手段により推定された前記電極間電圧に基づいて、前記制御手段で演算された前記電流指令値を異なる電流指令値に変更する
ことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device comprising the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6 ,
An inverter that connects the plurality of switching elements, converts the input power, and outputs the inverter;
Based on a motor torque command value input from the outside, a current command value for controlling the inverter is calculated, and a switching signal for switching on and off of the inverter is generated from the current command value to control the inverter. Control means for
The control means changes the current command value calculated by the control means to a different current command value based on the interelectrode voltage estimated by the voltage estimation means .
前記インバータに接続された誘導性負荷とを備える
ことを特徴とする車両の駆動システム。 An inverter having the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6 ,
A vehicle drive system comprising: an inductive load connected to the inverter.
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