JPWO2015001603A1 - Semiconductor switching element drive circuit and power conversion device using the same - Google Patents
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Abstract
JFETやSITなどのようにゲート・ソース間にpn接合を備えるユニポーラ型の半導体スイッチング素子のゲートに接続され、半導体スイッチング素子をオン・オフ駆動する半導体スイッチング素子の駆動回路において、導通時に、半導体スイッチング素子のゲート・ソース間にゲート・ソース間電圧を印加するオン用駆動回路部と、主回路電流を検出する電流検出手段と、導通時に、主回路電流の値に応じてゲート・ソース間電圧を変更するゲート・ソース間電圧制御手段とを備える。これにより、ゲート電流によって生じる電力損失を含む導通時損失が低減される。In a semiconductor switching element driving circuit that is connected to the gate of a unipolar semiconductor switching element having a pn junction between the gate and the source, such as JFET and SIT, and that drives the semiconductor switching element on and off, the semiconductor switching is performed when conducting. On-drive circuit that applies gate-source voltage between the gate and source of the element, current detection means for detecting the main circuit current, and the gate-source voltage according to the value of the main circuit current when conducting And a gate-source voltage control means to be changed. Thereby, the loss at the time of conduction including the power loss caused by the gate current is reduced.
Description
本発明は、半導体スイッチング素子の駆動回路、特に接合型電界効果トランジスタ(Junction Field Effect Transistor:以下JFETと略記する)や静電誘導トランジスタ(Static Induction Transistor:以下SITと略記する)などに好適な駆動回路、およびそれを用いた電力変換装置に関する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for a driving circuit for a semiconductor switching element, particularly a junction field effect transistor (hereinafter abbreviated as JFET), a static induction transistor (hereinafter abbreviated as SIT), and the like. The present invention relates to a circuit and a power conversion device using the circuit.
近年、炭化ケイ素(SiC)や、窒化ガリウム(GaN)などのワイドギャップ半導体材料からなる半導体素子が注目を浴びてきている。これらの材料は、Siの約10倍という高い絶縁破壊電圧強度を持ち、耐圧を確保するためのドリフト層の厚さをSiの1/10程度まで薄くできる。このため、半導体素子、特にパワーデバイスのオン抵抗が低減されるので、導通時において半導体素子が発生する電力損失を低減することができる。こういった中で、スイッチング素子としてはデバイス形成の比較的容易である、ユニポーラ型のSiC接合型電界効果トランジスタ(以下SiC−JFETと記す)が、一足先に量産化されている。 In recent years, semiconductor elements made of wide gap semiconductor materials such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) have attracted attention. These materials have a dielectric breakdown voltage strength as high as about 10 times that of Si, and the thickness of the drift layer for securing a withstand voltage can be reduced to about 1/10 of Si. For this reason, since the on-resistance of the semiconductor element, particularly the power device, is reduced, the power loss generated by the semiconductor element during conduction can be reduced. Under these circumstances, a unipolar SiC junction field effect transistor (hereinafter referred to as SiC-JFET), which is relatively easy to form a device as a switching element, has been mass-produced.
このようなSiC−JFETをスイッチング駆動するための駆動回路に関する技術として、特許文献1に記載の技術が知られている。本技術においては、SiC−JFETのゲート・ソース間に、直列接続された2個の抵抗を介して、オン用のゲート駆動電圧が与えられる。2個の抵抗の内の一方にはMOSFETが並列に接続される。MOSFETは、室温(25℃)においてオフされ、高温(250℃)においてオンされる。これにより、高温時においては、ゲート抵抗が小さくなるため、ゲート・ソース間に、ゲート・ソース間の順方向立ち上がり電圧VF以上の大きな電圧が印加される。このため、SiC−JFETをバイポーラ動作させて、オン抵抗を低減することができる。As a technique related to a drive circuit for switching and driving such a SiC-JFET, a technique described in
上述した従来技術では、オン抵抗を小さくするために、ゲート・ソース間に立ち上がり電圧VF以上の電圧を印加するため、大きなゲート電流IGが流れる。このゲート電流IGによって電力損失が発生するが、従来技術においてはこのような電力損失については何ら考慮されていない。しかしながら、次に述べるように、SiC−JFETの導通損失に対する、ゲート電流IGによって発生する電力損失すなわちゲート損失の影響を無視することはできない。In the prior art described above, in order to reduce the on-resistance, for applying a voltage V F above voltage rise between the gate and the source, through a large gate current I G. The power loss by the gate current I G is generated, but not any consideration is given such a power loss in the prior art. However, as described next, for conduction loss of SiC-JFET, it can not be ignored influence of power loss or gate loss generated by the gate current I G.
スイッチング素子の導通時、オン抵抗Rdsから生じる導通損失PRdsは、一般的に、式(1)に示す式によって表わされる。なお、式(1)において、aおよびIdは、それぞれ定数およびドレイン電流である。When the switching element is conducting, the conduction loss P Rds generated from the on-resistance R ds is generally expressed by the equation shown in Equation (1). In the formula (1), a and I d are a constant and a drain current, respectively.
ここで、SiC−JFETを含むJFETの構造はゲート層とソース層とがpn接合を形成しており、導通時においてはゲート・ソース間の電流・電圧特性は順方向のダイオード特性を示す。したがって、図2(b)に示すように、ゲート・ソース間電圧VGSに比例してゲート電流IGは大きくなる。JFETの導通時には、MOSFETなどの他のスイッチング素子よりも比較的大きなIGが流れることから、他のスイッチング素子の場合にはほとんど無視できた、式(2)のゲート損失PIgが、JFETの場合には無視できない。なお、式(2)において、VGは駆動回路が発生するゲート駆動電圧である。Here, in the structure of the JFET including the SiC-JFET, the gate layer and the source layer form a pn junction, and the current / voltage characteristics between the gate and the source exhibit forward diode characteristics when conducting. Accordingly, as shown in FIG. 2 (b), the gate current I G in proportion to the gate-source voltage V GS increases. JFET During conduction, since the flow is relatively large I G than other switching elements such as MOSFET, could largely ignored in the case of other switching elements, the gate loss P Ig of formula (2) is a JFET In case it cannot be ignored. In Expression (2), V G is a gate drive voltage generated by the drive circuit.
このPIgを考慮すると、導通時損失Ploss_onは式(3)にて表わされる。Taking this P Ig into account, the conduction loss P loss_on is expressed by Equation (3).
図4に示すように、ある一定のLFすなわち主回路電流に対し、Ploss_onは、ゲート電圧VGSを上げる程小さくなるPRdsとは異なり、あるゲート電圧値で損失が極小となる。したがって、PIgは、PRdsと比べると小さいながらも、Ploss_onにおいて無視することはできない。さらに、Ploss_onの極小点は、Ploss_onを構成するPRdsおよびPIgに温度依存性があることから、温度に依存して変化する。As shown in FIG. 4, with respect to certain LF or main circuit current that, P Loss_on, unlike P Rds made smaller as increasing the gate voltage V GS, the loss becomes minimum at a certain gate voltage. Therefore, P Ig is small but compared with P Rds, it can not be ignored in P loss_on. Furthermore, minimum point P Loss_on, since there is a temperature dependence P Rds and P Ig constituting the P Loss_on, varies depending on the temperature.
上述したことから分かるように、ゲート電圧を高くするのみではPloss_onを最小限に抑えることはできない。従って、特許文献1に記載された従来技術では、SiC−JFETの導通損失を確実に低減することが難しいという問題がある。As can be seen from the above, P loss_on cannot be minimized by merely increasing the gate voltage. Therefore, the conventional technique described in
そこで、本発明は、SiC−JFETなどのゲート・ソース間にpn接合を有するユニポーラ型半導体スイッチング素子の導通時損失を確実に低減することができる駆動回路、およびそれを用いたインバータ装置を提供する。 Accordingly, the present invention provides a drive circuit capable of reliably reducing loss during conduction of a unipolar semiconductor switching element having a pn junction between a gate and a source such as a SiC-JFET, and an inverter device using the drive circuit. .
本発明の半導体スイッチング素子の駆動回路は、ゲート・ソース間にpn接合を備えるユニポーラ型の半導体スイッチング素子のゲートに接続され、前記半導体スイッチング素子をオン・オフ駆動する半導体スイッチング素子の駆動回路であって、前記半導体スイッチング素子の導通時に、前記半導体スイッチング素子のゲート・ソース間にゲート・ソース間電圧を印加するオン用駆動回路部と、前記半導体スイッチング素子に流れる主回路電流を検出する電流検出手段と、前記半導体スイッチング素子の導通時に、前記電流検出手段によって検出される前記主回路電流の値に応じて、前記ゲート・ソース間電圧を変更するゲート・ソース間電圧制御手段とを備えることを特徴とする。 The semiconductor switching element drive circuit of the present invention is a semiconductor switching element drive circuit that is connected to the gate of a unipolar semiconductor switching element having a pn junction between the gate and the source and drives the semiconductor switching element on and off. An on-drive circuit section for applying a gate-source voltage between the gate and source of the semiconductor switching element when the semiconductor switching element is conductive, and a current detection means for detecting a main circuit current flowing through the semiconductor switching element And gate-source voltage control means for changing the gate-source voltage according to the value of the main circuit current detected by the current detection means when the semiconductor switching element is conductive. And
また、本発明の電力変換装置は、ゲート・ソース間にpn接合を備えるユニポーラ型の第1および第2の半導体スイッチング素子が直列接続される直列接続回路を交流の相数分備え、前記直列接続回路の両端からなる直流端子と、前記第1および第2の半導体スイッチング素子の相互接続点からなる交流端子と、前記第1および第2の半導体スイッチングの各ゲートにそれぞれ接続される第1および第2の駆動回路とを備える電力変換装置であって、前記第1の駆動回路は前記第1の半導体スイッチング素子の導通時に、前記第1の半導体スイッチング素子のゲート・ソース間に、ゲート・ソース間電圧を印加する第1のオン用駆動回路部と、前記第2の駆動回路は前記第2の半導体スイッチング素子の導通時に、前記第2の半導体スイッチング素子のゲート・ソース間に、ゲート・ソース間電圧を印加する第2のオン用駆動回路部と、前記半導体スイッチング素子に流れる主回路電流を検出する電流検出手段と、前記第1の半導体スイッチング素子の導通時に、前記電流検出手段によって検出される前記主回路電流の値に応じて、前記第1の半導体スイッチング素子のゲート・ソース間電圧を変更すると共に、前記第2の半導体スイッチング素子の導通時に、前記電流検出手段によって検出される前記主回路電流の値に応じて、前記第2の半導体スイッチング素子のゲート・ソース間電圧を変更するゲート・ソース間電圧制御手段とを備えることを特徴とする。 In addition, the power converter of the present invention includes a series connection circuit in which unipolar first and second semiconductor switching elements each having a pn junction between a gate and a source are connected in series, for the number of AC phases, and the series connection First and second DC terminals connected to respective terminals of the circuit, AC terminals consisting of interconnection points of the first and second semiconductor switching elements, and gates of the first and second semiconductor switching circuits, respectively. 2. A power conversion device comprising two drive circuits, wherein the first drive circuit has a gate-source connection between the gate and source of the first semiconductor switching element when the first semiconductor switching element is conductive. A first on-drive circuit section for applying a voltage, and the second drive circuit when the second semiconductor switching element is turned on; A second on-drive circuit section for applying a gate-source voltage between the gate and source of the switching element, current detection means for detecting a main circuit current flowing in the semiconductor switching element, and the first semiconductor switching When the element is turned on, the gate-source voltage of the first semiconductor switching element is changed according to the value of the main circuit current detected by the current detection means, and the second semiconductor switching element is turned on. And a gate-source voltage control means for changing a gate-source voltage of the second semiconductor switching element according to a value of the main circuit current detected by the current detection means. To do.
本発明によれば、ゲート・ソース間にpn接合を備えるユニポーラ型の半導体スイッチング素子が導通時に発生する、ゲート損失をも含む電力損失を低減することができる。さらに、本発明による駆動回路を電力変換装置に適用することにより、電力変換装置が発生する電力損失を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce power loss including gate loss, which occurs when a unipolar semiconductor switching element having a pn junction between a gate and a source is conductive. Furthermore, the power loss which a power converter device generate | occur | produces can be reduced by applying the drive circuit by this invention to a power converter device.
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the following description of embodiments.
本発明による駆動回路は、ゲート・ソース間にpn接合を備えるユニポーラ型の半導体スイッチング素子をオン・オフ駆動する半導体スイッチング素子の駆動回路であって、半導体スイッチング素子の導通時において、主回路電流の値に応じて、ゲート・ソース間の電圧を変更する。これにより、オン抵抗による損失およびゲート損失を含む導通時損失を低減することができる。 A driving circuit according to the present invention is a driving circuit for a semiconductor switching element that drives an on / off of a unipolar semiconductor switching element having a pn junction between a gate and a source. The gate-source voltage is changed according to the value. As a result, loss during conduction including loss due to on-resistance and gate loss can be reduced.
上記本発明の一態様は、ゲート・ソース間にpn接合を備えるユニポーラ型の半導体スイッチング素子のゲートに接続され、半導体スイッチング素子をオン・オフ駆動する半導体スイッチング素子の駆動回路である。本駆動回路は、半導体スイッチング素子の導通時において、半導体スイッチング素子のゲート・ソース間に、ゲート・ソース間電圧を印加するオン用駆動回路部と、半導体スイッチング素子に流れる主回路電流を検出する電流検出手段と、半導体スイッチング素子の導通時において、電流検出手段によって検出される主回路電流の値に応じて、ゲート・ソース間電圧を変更するゲート・ソース間電圧制御手段とを備える。 One embodiment of the present invention is a driving circuit for a semiconductor switching element that is connected to a gate of a unipolar semiconductor switching element having a pn junction between a gate and a source and drives the semiconductor switching element on and off. This drive circuit includes an on-drive circuit section that applies a gate-source voltage between the gate and source of the semiconductor switching element and a current that detects a main circuit current flowing through the semiconductor switching element when the semiconductor switching element is conductive. Detection means; and gate-source voltage control means for changing the gate-source voltage in accordance with the value of the main circuit current detected by the current detection means when the semiconductor switching element is conductive.
上記一態様において、好ましくは、主回路電流に対し、半導体スイッチング素子のオン抵抗によって生じる電力損失と、ゲート電流によって生じる電力損失の和が極小範囲となるように、ゲート・ソース間電圧を変更する。これにより、確実に導通時損失が低減される。 In the above aspect, the gate-source voltage is preferably changed so that the sum of the power loss caused by the on-resistance of the semiconductor switching element and the power loss caused by the gate current is within a minimum range with respect to the main circuit current. . Thereby, the loss at the time of conduction | electrical_connection is reduced reliably.
なお、半導体スイッチング素子は、ゲート・ソース間にpn接合を備えるユニポーラ型の半導体スイッチング素子であり、例えば上述したJFETやSITである。 The semiconductor switching element is a unipolar semiconductor switching element having a pn junction between the gate and the source, such as the above-described JFET or SIT.
また、半導体スイッチング素子の構成材料はSiCなどのワイドギャップ半導体のみならず、シリコンであっても良い。 The constituent material of the semiconductor switching element may be not only a wide gap semiconductor such as SiC but also silicon.
以下、本発明の実施例を、図面を使用して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施例である半導体スイッチング素子の駆動回路を示す。なお、本実施例および後述する他の実施例における主回路素子はSiC−JFETであるが、単にJFETと記す。 FIG. 1 shows a driving circuit for a semiconductor switching element according to a first embodiment of the present invention. In addition, although the main circuit element in a present Example and the other Example mentioned later is SiC-JFET, it is only described as JFET.
主回路100は、スイッチング素子であるJFET101,JFET101のゲートと、後述するゲート駆動回路110の出力との間に接続されるゲート抵抗105a,ゲート抵抗105aに並列接続されるスピードアップコンデンサ105b,JFET101に流れる主回路電流を検出するカレント・トランス108a、およびJFET101の温度を検出する温度検出回路108bにより構成されている。JFET101のゲートには、ゲート抵抗105aおよびスピードアップコンデンサ105bを介して、JFET101をオン・オフ駆動する駆動回路110が接続されている。
The
駆動回路110は、オン用駆動回路部として、オン用ゲート電源117、ゲート抵抗113aを介してオン用ゲート電源117にコレクタが接続され、エミッタにオン用のゲート駆動電圧を出力するnpnトランジスタ114を備える。ゲート抵抗113aには、ゲート抵抗切替用のpMOS112aが並列接続され、pMOS112aがオンするとゲート抵抗113aの両端が短絡される。
The
また、駆動回路110は、オフ用駆動回路部として、オフ用ゲート電源118、ゲート抵抗116を介してオフ用ゲート電源118にコレクタが接続され、エミッタにオフ用のゲート駆動電圧を出力するpnpトランジスタ115を備える。
Further, the
npnトランジスタ114およびpnpトランジスタ115が、駆動ロジック回路111によって相補的に駆動されることにより、駆動回路110は、オンおよびオフ用のゲート駆動電圧を出力する。また、ゲート・ソース間電圧制御回路109は、カレント・トランス108aによって検出された主回路電流および温度検出回路108bによって検出されたJFET101の温度に基づいて、pMOS112aにゲート抵抗切り替え信号を与えることにより、JFET101とオン用のゲート電源117との間に接続されるゲート抵抗の総抵抗値、すなわち駆動回路110のオン用駆動回路部における実効的なゲート抵抗値を制御する。このゲート抵抗値は、本実施例において、ゲート抵抗113aに比べて十分小さな、pMOS112aのオン抵抗相当の抵抗値か、あるいはゲート抵抗113aの抵抗値のいずれかに制御される。
When the
上記のように、本実施例では、駆動回路110において、主回路電流およびJFET101の温度に基づいて、オン用のゲート抵抗値を切り替える。これにより、ゲート電流IGがゲート・ソース間電圧VGSに比例する特性を有し、かつオン抵抗Rdsによる導通損失PRdsが主回路電流の2乗に比例する特性を有するJFET101が発生する、ゲート損失を含む導通時損失を、極小値あるいはそれに近い値に低減することができる。As described above, in this embodiment, in the
次に、本実施例の動作について説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
カレント・トランス108aによって検出された主回路電流が、予め設定された電流基準値I0(図5参照)よりも小さく、かつ温度検出回路108bにて検出されたJFET101の温度が、予め設定された温度基準値T0よりも低い場合、ゲート・ソース間電圧制御回路109はpMOS112aにオフ制御信号を伝達する。この時、pMOS112aがオフ状態であるため、ゲート抵抗113aは短絡されない。このため、JFET101のゲートとオン用ゲート電源117の間における実効的なゲート抵抗の値は、ゲート抵抗105aおよびゲート抵抗113aの各抵抗値の和となる。検出した主回路電流が電流基準値よりも大きく(およそ定格値の1/2以上)、かつ検出された温度が温度基準値よりも低い場合、ゲート・ソース間電圧制御回路109は、pMOS112aにオフからオンへ移行するための制御信号を伝達する。この時、pMOS112aがオン状態となるため、ゲート抵抗113aは短絡される。このため、実効的なゲート抵抗値は、ゲート抵抗105aの抵抗値にほぼ等しくなり、小さくなる。そのため、ゲート駆動電圧の内、ゲート抵抗で分担する電圧値が小さくなり、その分、JFET101のゲート・ソース間にかかる電圧値を大きくすることができる。The main circuit current detected by the
ここで、ゲート・ソース間電圧VGSは、主回路電流が電流基準値よりも小さい場合と大きい場合の各場合で、ゲート損失も含めた導通時損失が極小値に近くなるように、ゲート抵抗切り替えによって制御される。例えば、図4において、LF=50〜100%の場合、図中のゲート制御電圧の範囲でVGSを制御することにより、導通時損失を極小にできる。このようなVGS制御のためには、予め図4で示すような関係を実測やシミュレーション等により求め、その結果に基づいて、ゲート抵抗105a,113aの抵抗値やゲート電源117の電圧値を適宜設定する。Here, the gate-source voltage V GS is set so that the conduction loss including the gate loss is close to the minimum value in each case where the main circuit current is smaller than the current reference value and larger. Controlled by switching. For example, in FIG. 4, when LF = 50 to 100%, loss during conduction can be minimized by controlling V GS within the range of the gate control voltage in the figure. For such VGS control, the relationship as shown in FIG. 4 is obtained in advance by actual measurement, simulation, or the like, and the resistance values of the
なお、主回路電流を検出するために、シャント抵抗や電流センス機能つきのJFETなどを使用しても良い。また、主回路電流を検出する箇所は、本実施例のようにJFET101のソース側とするほかに、JFET101のドレイン側でも良い。さらに、主回路電流の検出手段としては、サーバ電源のように電源動作時に制御系にてモニターしている負荷率から、主回路電流値を算出しても良い。他方、温度検出回路108bとしては、例えばサーミスタなどの温度検出素子を使用する回路を用いることができる。
Note that a shunt resistor, a JFET with a current sensing function, or the like may be used to detect the main circuit current. Further, the location where the main circuit current is detected may be on the drain side of the
図5は、本実施例における動作波形を示す。図中、上から、JFET101のドレイン電流すなわち主回路電流,ゲート抵抗切り替え用pMOS112aのオン・オフ状態,JFET101のオン抵抗,ゲート電流,導通時損失を示す。ここに示す導通時損失は、JFET101のオン抵抗により生じる導通損失と、ゲート電流により生じるゲート損失の和である(後述する図7,8も同様)。図中、破線で示す、従来の固定のゲート抵抗を用いた場合に比べて、実線で示す、2段階のゲート抵抗値を用いた本実施例の場合は、オン抵抗を小さくすることができ、また、ゲート電流の増加も一定の値に抑えられる。これにより、JFET101の導通時損失を確実に低減することができる。
FIG. 5 shows operation waveforms in this embodiment. In the figure, the drain current of the
図5には、参考例として、本実施例よりも大きなゲート電流を流した場合についても動作波形を一点鎖線で示している。本参考例が示すように、ゲート電流を大きくするとオン抵抗は小さくなるが、ゲート損失が増大するため、導通時損失は、本実施例および従来例よりも大きくなる。 In FIG. 5, as a reference example, the operation waveform is shown by a one-dot chain line even when a gate current larger than that of the present embodiment is passed. As shown in this reference example, when the gate current is increased, the on-resistance is reduced, but the gate loss is increased, so that the conduction loss is larger than that of the present example and the conventional example.
なお、本実施例においては、スピードアップコンデンサ105bを設けることにより、ゲート抵抗値の変化が、ターンオン特性やターンオフ特性など、JFETのスイッチング特性に及ぼす影響を小さくすることができる。このため、ゲート抵抗の値が変化しても、スイッチングスピードを変えることなく高速駆動することが可能であるとともに、スイッチング損失の増加を抑えることができる。
In this embodiment, by providing the speed-up
図6は、本発明の第2の実施例である半導体スイッチング素子の駆動回路を示す。第1の実施例と同じ構成要素には、同一の記号を記載している。第2の実施例では、第1の実施例とは異なり、ゲート抵抗を3段階で切り替える。このため、JFET101を駆動する駆動回路110のオン用駆動回路部において、さらに、ゲート抵抗切替用pMOS112bとゲート抵抗113bの直列接続回路がゲート抵抗113aに並列に接続される。
FIG. 6 shows a driving circuit for a semiconductor switching element according to the second embodiment of the present invention. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same symbols. In the second embodiment, unlike the first embodiment, the gate resistance is switched in three stages. For this reason, in the ON drive circuit section of the
なお、本実施例ではゲート抵抗を3段階で切り替えるが、ゲート抵抗113aに並列接続される、ゲート抵抗切替用pMOSとゲート抵抗の直列接続回路の数を増やすことで、4段以上の複数段で切り替えることもできる。
In this embodiment, the gate resistance is switched in three stages. However, by increasing the number of gate resistance switching pMOS and gate resistance series-connected circuits connected in parallel to the
図7は、第2の実施例の動作波形を示す。図中、上から、JFET101のドレイン電流すなわち主回路電流,ゲート抵抗切り替え用pMOS112aのオン・オフ状態,ゲート抵抗切り替え用pMOS112bのオン・オフ状態,JFET101のオン抵抗,ゲート電流,導通時損失を示す。
FIG. 7 shows operation waveforms of the second embodiment. In the figure, from the top, the drain current of the
主回路電流が第1の電流基準値I1よりも小さい値の場合、ゲート・ソース間電圧制御回路109は、pMOS112aおよびpMOS112bにそれぞれオフ制御信号を伝達する。この時、pMOS112aおよびpMOS112bがオフ状態のため、実効的なゲート抵抗の値は、ゲート抵抗105aとゲート抵抗113aの各抵抗値の和であり、3段階中で最も大きな抵抗値となる。このため、JFET101のゲート・ソース間にかかる電圧は最も小さくなる。If the main circuit current of the first value smaller than the current reference value I 1, the gate-source
主回路電流が予め設定された第1の電流基準値I1よりも大きく(およそ定格値の1/3以上に)なると、ゲート・ソース間電圧制御回路109は、pMOS112aはオフ状態のまま、pMOS112bをオフからオンへ移行するための制御信号を伝達する。この時、pMOS112aはオフ状態であり、pMOS112bはオン状態となるため、実効的なゲート抵抗の値は、ゲート抵抗113aとゲート抵抗113bとの並列抵抗値とゲート抵抗105aの抵抗値の和、すなわち3段階中で2番目に大きな抵抗値となる。そのため、JFET101のゲート・ソース間にかかる電圧は若干大きくなる。これにより、オン抵抗が小さくなり、ゲート電流も抑えられるため、導通時損失を低減することができる。When the main circuit current becomes larger than the preset first current reference value I 1 (approximately 1/3 or more of the rated value), the gate-source
さらに、主回路電流が、第1の電流基準値I1よりも大きく、かつ予め設定された第2の電流基準値I2を越えると(およそ定格値の2/3以上)、ゲート・ソース間電圧制御回路109は、pMOS112aをオフからオンへ、pMOS112bをオンからオフへ移行するための制御信号を伝達する。この時、pMOS112aがオン状態となるため、実効的なゲート抵抗の値はゲート抵抗105aの抵抗値となり、3段階中で最も小さくなる。このため、JFET101のゲート・ソース間にかかる電圧は最大となり、オン抵抗から生じる導通損失とゲート電流から生じるゲート損失の和を極小あるいは極小近くに抑えるゲート・ソース間電圧値となり、導通時損失が低減される。Further, when the main circuit current is larger than the first current reference value I 1 and exceeds the preset second current reference value I 2 (approximately 2/3 or more of the rated value), the gate-source connection The
図8は、第2の実施例における別の動作波形を示す。図中、上から、JFET101のドレイン電流すなわち主回路電流,JFETの検出温度,ゲート抵抗切り替え用pMOS112aのオン・オフ状態,ゲート抵抗切り替え用pMOS112bのオン・オフ状態,JFET101のオン抵抗,ゲート電流,導通時損失を示す。
FIG. 8 shows another operation waveform in the second embodiment. From the top, the drain current of the
カレント・トランス108aにて検出された主回路電流が予め設定された電流基準値よりも小さく、温度検出回路108bにて検出されたJFET101の温度が予め設定された温度基準値よりも低い場合、ゲート・ソース間電圧制御回路109はpMOS112aおよびpMOS112bにそれぞれオフ制御信号を伝達する。この時、実効的なゲート抵抗の値は、ゲート抵抗105aとゲート抵抗113aの各抵抗値の和であり、3段階中で最も大きな抵抗値となる。このため、JFET101のゲート・ソース間にかかる電圧は最も小さくなる。
When the main circuit current detected by the
主回路電流が予め設定された電流基準値I0よりも大きく(およそ定格値の1/3以上に)なると、ゲート・ソース間電圧制御回路109は、pMOS112aはオフ状態のまま、pMOS112bをオフからオンへ移行するための制御信号を伝達する。この時、pMOS112aはオフ状態であり、pMOS112bはオン状態となるため、実効的なゲート抵抗の値は、ゲート抵抗113aとゲート抵抗113bとの並列抵抗値とゲート抵抗105aの抵抗値の和、すなわち3段階中で2番目に大きな抵抗値となる。そのため、JFET101のゲート・ソース間にかかる電圧は若干大きくなる。これにより、オン抵抗が小さくなり、ゲート電流も抑えられるため、導通時損失を低減することができる。When the main circuit current becomes larger than the preset current reference value I 0 (approximately 1/3 or more of the rated value), the gate-source
さらに、主回路電流値は変化せず、検出された温度が予め設定された温度基準値T0よりも高くなると、ゲート・ソース間電圧制御回路109は、pMOS112aをオフからオンへ、pMOS112bをオンからオフへ移行するための制御信号を伝達する。この時、pMOS112aがオン状態となるため、実効的なゲート抵抗の値はゲート抵抗105aの抵抗値となり、3段階中で最も小さくなる。このため、JFET101のゲート・ソース間にかかる電圧は最大となり、オン抵抗から生じる導通損失とゲート電流から生じるゲート損失の和を極小あるいは極小近くに抑えるゲート・ソース間電圧値となり、導通時損失が低減される。Further, the main circuit current value does not change, and when the detected temperature becomes higher than the preset temperature reference value T 0 , the gate-source
なお、本実施例においても、第1の実施例と同様にスピードアップコンデンサ105bを設けることにより、スイッチングスピードを変えることなく高速駆動することが可能であるとともに、スイッチング損失の増加を抑えることができる。
In this embodiment as well, by providing the speed-up
図9は、本発明の第3の実施例である電力変換装置を示す。なお、本図において、図1の実施例と同じ構成要素には、同じ符号を記載している。 FIG. 9 shows a power converter according to a third embodiment of the present invention. In this figure, the same components as those in the embodiment of FIG.
図9の電力変換装置は、インバータ装置であり、主回路100におけるJFET101および102をオン・オフスイッチングすることにより、直流電源107の直流電力を交流電力に変換する。図中の主回路100は、インバータ装置の一相分であり、JFET101とJFET102との直列接続回路を有する。なお、図示していないが、この直列接続回路は、交流の相数分の個数、例えば3相交流ならば3個、設けられる。
The power conversion device of FIG. 9 is an inverter device, and converts the DC power of the
JFET101とJFET102との直列接続回路の両端すなわち直流端子は、主回路配線インダクタンス127および128を介して直流電源107に接続される。交流電力は、JFET101とJFET102との相互接続点すなわち交流端子から出力される。JFET101および102は、それぞれ、ショットキーバリアダイオードなどのユニポーラ型のダイオード103および104が逆並列に接続される。これらのダイオードは、フリーホイールダイオードとして機能する。
Both ends of the series connection circuit of
実施例1と同様に、JFET101のゲートには、ゲート抵抗105aおよびスピードアップコンデンサ105bを介して、図1に示した駆動回路110が接続される。JFET101と同様に、JFET102のゲートにも、ゲート抵抗106aおよびスピードアップコンデンサ106bを介して、図1に示した駆動回路110と同様の構成を有する駆動回路120が接続される。ただし、駆動回路110におけるゲート・ソース間電圧制御回路109は、駆動回路120に対してもゲート抵抗を切り替えるための制御信号を伝達する。
As in the first embodiment, the
駆動回路110および120における各駆動ロジック回路は、制御回路121からの指令信号に応じて、各駆動回路におけるnpnおよびpnpトランジスタをオン・オフ駆動する。なお、本実施例において、主回路電流を検出するカレント・トランス108aは、JFET101とJFET102との接続点から取り出される交流出力配線に挿入される。また、温度検出回路108bは、JFET101および102を代表して、JFET102の温度を検出しているが、JFET101の温度を検出しても良い。また、JFET101およびJFET102の各温度を検出しても良い。
Each drive logic circuit in
駆動回路110および120は、実施例1と同様に、導通時において、ゲート抵抗を切り替えながら、JFET101および102を駆動する。これにより、JFET101および102におけるゲート損失をも含む導通時損失を極小値あるいは極小値に近い値に低減できる。従って、インバータ装置が発生する電力損失を低減することができる。
Similarly to the first embodiment, the
図10に、本発明の第4の実施例である電力変換装置を示す。なお、本図において、図1,6の実施例と同じ構成要素には、同じ符号を記載している。 In FIG. 10, the power converter device which is the 4th Example of this invention is shown. In the figure, the same components as those in the embodiment of FIGS.
本実施例は、第3の実施例とは異なり、駆動回路110および120として、図6に示した第2の実施例の駆動回路が用いられる。
In the present embodiment, unlike the third embodiment, the drive circuit of the second embodiment shown in FIG. 6 is used as the
駆動回路110および120は、第2の実施例と同様に、導通時において、ゲート抵抗を切り替えながら、JFET101および102を駆動する。これにより、JFET101および102におけるゲート損失も含む導通時損失を極小値あるいは極小値に近い値に低減できる。従って、インバータ装置が発生する電力損失を低減することができる。
As in the second embodiment, the
なお、本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実形態の構成を加えることも可能である。さらにまた、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。 In addition, this invention is not limited to each embodiment mentioned above, Various modifications are included. For example, each of the above-described embodiments has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described. A part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and further, the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment. Furthermore, it is possible to add, delete, or replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
例えば、上述した実施例は、JFETだけでなく、SITにも適用可能である。なお、これらの半導体スイッチング素子は、ノーマリオン型およびノーマリオフ型のいずれでも良い。さらに、半導体スイッチング素子を構成する半導体材料としては、炭化シリコン(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などのワイドギャップ半導体や、従来から一般的に用いられているシリコン(Si)を適用できる。なお、ワイドギャップ半導体を用いた場合、pn接合の順方向電圧が高く、ゲート損失が大きくなるため、本発明の効果は大きい。 For example, the above-described embodiments can be applied not only to JFETs but also to SITs. These semiconductor switching elements may be either a normally-on type or a normally-off type. Furthermore, as a semiconductor material constituting the semiconductor switching element, a wide gap semiconductor such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN), or silicon (Si) that has been conventionally used can be applied. When a wide gap semiconductor is used, the forward voltage of the pn junction is high and the gate loss is large, so that the effect of the present invention is great.
また、駆動回路におけるnpnトランジスタ114およびpnpトランジスタ115はpMOSおよびnMOSなど他のスイッチング素子に代替可能である。さらに、オン用のゲート電源の電圧値を切り替えることにより、半導体スイッチング素子のゲート・ソース間電圧を変更しても良い。
Further, the
また、電力変換装置としては、インバータ装置すなわち逆変換装置のほか順変換装置でも良い。これら電力変換装置における主回路に用いられるフリーホイールダイオードは、バイポーラ型のpnダイオードでも良い。 The power converter may be a forward converter as well as an inverter, that is, an inverse converter. The free wheel diode used in the main circuit in these power converters may be a bipolar pn diode.
100…主回路,101,102…JFET,103,104…ダイオード,105a,106a,113a,113b、116…ゲート抵抗,105b,106b…スピードアップコンデンサ,107…直流電源,108a…レントトランス,108b…温度検出回路,109…ゲート・ソース間電圧制御回路,110,120…駆動回路,111…駆動ロジック回路,112a,112b…pMOS,114…npnトランジスタ,115…pnpトランジスタ,117,118…ゲート電源,121…制御回路,127,128…主回路配線インダクタンス
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記半導体スイッチング素子の導通時に、前記半導体スイッチング素子のゲート・ソース間にゲート・ソース間電圧を印加するオン用駆動回路部と、
前記半導体スイッチング素子に流れる主回路電流を検出する電流検出手段と、
前記半導体スイッチング素子の導通時に、前記電流検出手段によって検出される前記主回路電流の値に応じて、前記ゲート・ソース間電圧を変更するゲート・ソース間電圧制御手段と
を備える
ことを特徴とする半導体スイッチング素子の駆動回路。A semiconductor switching element driving circuit connected to a gate of a unipolar semiconductor switching element having a pn junction between a gate and a source and driving the semiconductor switching element on and off,
An on-drive circuit unit that applies a gate-source voltage between the gate and source of the semiconductor switching element when the semiconductor switching element is conductive;
Current detection means for detecting a main circuit current flowing through the semiconductor switching element;
Gate-source voltage control means for changing the gate-source voltage according to the value of the main circuit current detected by the current detection means when the semiconductor switching element is conductive. Semiconductor switching element drive circuit.
前記半導体スイッチング素子におけるゲート電流は、前記ゲート・ソース間電圧に比例して大きくなる
ことを特徴とする半導体スイッチング素子の駆動回路。In the drive circuit of the semiconductor switching element according to claim 1,
The semiconductor switching element drive circuit, wherein a gate current in the semiconductor switching element increases in proportion to the gate-source voltage.
前記ゲート・ソース間電圧制御手段は、前記導通時に前記半導体スイッチング素子に流れる前記主回路電流に対し、前記半導体スイッチング素子のオン抵抗によって生じる電力損失と、前記ゲート電流によって生じる電力損失との和が極小となるように、前記ゲート・ソース間電圧を変更する
ことを特徴とする半導体スイッチング素子の駆動回路。In the semiconductor switching element drive circuit according to claim 2,
The gate-source voltage control means is configured to calculate a sum of a power loss caused by an on-resistance of the semiconductor switching element and a power loss caused by the gate current with respect to the main circuit current flowing through the semiconductor switching element during the conduction. A drive circuit for a semiconductor switching element, wherein the gate-source voltage is changed so as to be minimized.
前記ゲート・ソース間電圧制御手段は、前記半導体スイッチング素子のゲートと前記オン用駆動回路部が備えるゲート電源との間に接続されるゲート抵抗の抵抗値を変更することにより、前記ゲート・ソース間電圧を変更する
ことを特徴とする半導体スイッチング素子の駆動回路。In the drive circuit of the semiconductor switching element according to claim 3,
The gate-source voltage control means changes the resistance value of a gate resistor connected between the gate of the semiconductor switching element and a gate power supply included in the on-drive circuit unit, thereby A drive circuit for a semiconductor switching element, wherein the voltage is changed.
前記半導体スイッチング素子のゲートと前記オン用駆動回路部が備えるゲート電源との間に接続されるスピードアップコンデンサを備える
ことを特徴とする半導体スイッチング素子の駆動回路。In the drive circuit of the semiconductor switching element according to claim 4,
A drive circuit for a semiconductor switching element, comprising: a speed-up capacitor connected between a gate of the semiconductor switching element and a gate power supply included in the ON drive circuit unit.
さらに、前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記ゲート・ソース間電圧制御手段は、前記半導体スイッチング素子の導通時に、前記電流検出手段によって検出される前記主回路電流の値と、前記温度検出手段によって検出される前記温度の値とに応じて、前記ゲート・ソース間電圧を変更する
ことを特徴とする半導体スイッチング素子の駆動回路。In the drive circuit of the semiconductor switching element according to claim 1,
Furthermore, it comprises a temperature detection means for detecting the temperature of the semiconductor switching element,
The gate-source voltage control means is responsive to the value of the main circuit current detected by the current detection means and the temperature value detected by the temperature detection means when the semiconductor switching element is conductive. A drive circuit for a semiconductor switching element, wherein the gate-source voltage is changed.
前記半導体スイッチング素子を構成する半導体材料が、ワイドギャップ半導体である
ことを特徴とする半導体スイッチング素子の駆動回路。In the drive circuit of the semiconductor switching element according to claim 1,
A semiconductor switching element driving circuit, wherein the semiconductor material constituting the semiconductor switching element is a wide gap semiconductor.
前記第1の駆動回路は前記第1の半導体スイッチング素子の導通時に、前記第1の半導体スイッチング素子のゲート・ソース間に、ゲート・ソース間電圧を印加する第1のオン用駆動回路部と、
前記第2の駆動回路は前記第2の半導体スイッチング素子の導通時に、前記第2の半導体スイッチング素子のゲート・ソース間に、ゲート・ソース間電圧を印加する第2のオン用駆動回路部と、
前記半導体スイッチング素子に流れる主回路電流を検出する電流検出手段と、
前記第1の半導体スイッチング素子の導通時に、前記電流検出手段によって検出される前記主回路電流の値に応じて、前記第1の半導体スイッチング素子のゲート・ソース間電圧を変更すると共に、前記第2の半導体スイッチング素子の導通時に、前記電流検出手段によって検出される前記主回路電流の値に応じて、前記第2の半導体スイッチング素子のゲート・ソース間電圧を変更するゲート・ソース間電圧制御手段と
を備える
ことを特徴とする電力変換装置。A unipolar type first and second semiconductor switching elements each having a pn junction between the gate and the source are provided in series connection circuits for the number of AC phases, and a DC terminal consisting of both ends of the series connection circuit; A power conversion device comprising: an AC terminal comprising an interconnection point of first and second semiconductor switching elements; and first and second drive circuits connected to the gates of the first and second semiconductor switching, respectively. Because
The first driving circuit includes a first on-driving circuit unit that applies a gate-source voltage between a gate and a source of the first semiconductor switching element when the first semiconductor switching element is conductive;
The second drive circuit includes a second on-drive circuit unit that applies a gate-source voltage between the gate and the source of the second semiconductor switching element when the second semiconductor switching element is conductive;
Current detection means for detecting a main circuit current flowing through the semiconductor switching element;
The gate-source voltage of the first semiconductor switching element is changed according to the value of the main circuit current detected by the current detecting means when the first semiconductor switching element is turned on, and the second Gate-source voltage control means for changing the gate-source voltage of the second semiconductor switching element according to the value of the main circuit current detected by the current detection means when the semiconductor switching element is turned on; A power conversion device comprising:
前記第1および第2の半導体スイッチング素子におけるゲート電流は、前記ゲート・ソース間電圧に比例して大きくなる
ことを特徴とする電力変換装置。In the power converter device described in Claim 8,
The power conversion device according to claim 1, wherein gate currents in the first and second semiconductor switching elements increase in proportion to the gate-source voltage.
前記ゲート・ソース間電圧制御手段は、前記導通時に、前記主回路電流に対し、前記第1の半導体スイッチング素子のオン抵抗によって生じる電力損失と、前記ゲート電流によって生じる電力損失の和が極小範囲となるように、前記第1の半導体スイッチング素子のゲート・ソース間電圧を変更すると共に、前記第2の半導体スイッチング素子のオン抵抗によって生じる電力損失と、前記ゲート電流によって生じる電力損失との和が極小範囲となるように、前記第2の半導体スイッチング素子のゲート・ソース間電圧を変更する
ことを特徴とする電力変換装置。In the power converter device described in Claim 9,
The gate-source voltage control means has a minimum range in which the sum of the power loss caused by the on-resistance of the first semiconductor switching element and the power loss caused by the gate current is reduced with respect to the main circuit current during the conduction. As described above, the gate-source voltage of the first semiconductor switching element is changed, and the sum of the power loss caused by the on-resistance of the second semiconductor switching element and the power loss caused by the gate current is minimized. A power conversion device that changes a gate-source voltage of the second semiconductor switching element so as to be in a range.
前記ゲート・ソース間電圧制御手段は、前記第1半導体のスイッチング素子のゲートと前記第1のオン用駆動回路部が備えるゲート電源との間に接続されるゲート抵抗の抵抗値を変更することにより、前記第1半導体のスイッチング素子の前記ゲート・ソース間電圧を変更し、
前記ゲート・ソース間電圧制御手段は、前記第2の半導体のスイッチング素子のゲートと前記第2のオン用駆動回路部が備えるゲート電源との間に接続されるゲート抵抗の抵抗値を変更することにより、前記第2半導体のスイッチング素子の前記ゲート・ソース間電圧を変更する
ことを特徴とする電力変換装置。In the power converter device described in Claim 10,
The gate-source voltage control means changes a resistance value of a gate resistor connected between a gate of the switching element of the first semiconductor and a gate power supply included in the first on-use drive circuit unit. Changing the gate-source voltage of the switching element of the first semiconductor,
The gate-source voltage control means changes a resistance value of a gate resistor connected between a gate of the second semiconductor switching element and a gate power supply included in the second on-drive circuit unit. To change the gate-source voltage of the switching element of the second semiconductor.
前記第1の半導体スイッチング素子のゲートと前記第1のオン用駆動回路部が備えるゲート電源との間に接続されるスピードアップコンデンサと、前記第2の半導体スイッチング素子のゲートと前記第2のオン用駆動回路部が備えるゲート電源との間に接続されるスピードアップコンデンサとを備える
ことを特徴とする電力変換装置。In the power converter device described in Claim 11,
A speed-up capacitor connected between a gate of the first semiconductor switching element and a gate power supply included in the first on-drive circuit unit; a gate of the second semiconductor switching element; and the second on-state A power conversion device comprising: a speed-up capacitor connected between a gate power supply included in the drive circuit unit for use.
さらに、前記第1の半導体スイッチング素子あるいは前記第2の半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記ゲート・ソース間電圧制御手段は、前記半導体スイッチング素子の導通時に、前記電流検出手段によって検出される前記主回路電流の値と、前記温度検出手段によって検出される前記温度の値とに応じて、前記第1および第2の半導体スイッチング素子の前記ゲート・ソース間電圧を変更する
ことを特徴とする電力変換装置。In the power converter device described in Claim 8,
And a temperature detecting means for detecting the temperature of the first semiconductor switching element or the second semiconductor switching element,
The gate-source voltage control means is responsive to the value of the main circuit current detected by the current detection means and the temperature value detected by the temperature detection means when the semiconductor switching element is conductive. A power conversion device that changes the gate-source voltage of the first and second semiconductor switching elements.
前記第1および第2の半導体スイッチング素子を構成する半導体材料が、ワイドギャップ半導体である
ことを特徴とする電力変換装置。In the power converter device described in Claim 8,
A power conversion device, wherein the semiconductor material constituting the first and second semiconductor switching elements is a wide gap semiconductor.
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