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WO2015146039A1 - 駆動装置 - Google Patents

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Publication number
WO2015146039A1
WO2015146039A1 PCT/JP2015/001364 JP2015001364W WO2015146039A1 WO 2015146039 A1 WO2015146039 A1 WO 2015146039A1 JP 2015001364 W JP2015001364 W JP 2015001364W WO 2015146039 A1 WO2015146039 A1 WO 2015146039A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
current
mos transistor
gate
sense
circuit
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/001364
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
金森 淳
貞洋 赤間
聖 山本
小林 敦
Original Assignee
株式会社デンソー
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社デンソー filed Critical 株式会社デンソー
Priority to CN201580015850.1A priority Critical patent/CN106134079A/zh
Priority to US15/117,487 priority patent/US9900000B2/en
Publication of WO2015146039A1 publication Critical patent/WO2015146039A1/ja

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/14Modifications for compensating variations of physical values, e.g. of temperature
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/161Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
    • H03K17/165Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches by feedback from the output circuit to the control circuit
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/168Modifications for eliminating interference voltages or currents in composite switches
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/28Modifications for introducing a time delay before switching

Definitions

  • This disclosure relates to a drive device that performs an on / off operation of a power switching element in consideration of temperature characteristics.
  • Active gate control that dynamically controls the gate voltage or gate current as a technology to eliminate the trade-off between surge voltage and switching loss during switching operation for power switching elements that constitute semiconductor power conversion devices such as inverters and converters (AGC) is used.
  • Patent Document 1 proposes a technique for switching the discharge rate of the gate charge of the IGBT during discharge.
  • the switching loss can be reduced while suppressing the surge.
  • dV / dt in a power switching element such as an IGBT is temperature dependent. Accordingly, the switching timing of the discharge rate of the gate charge in the power switching element changes depending on the temperature of the power switching element.
  • Patent Document 2 proposes a technique for adjusting the feedback amount of dV / dt in accordance with the temperature of the power switching element. Specifically, the feedback resistance (base-GND resistance) of the turn-off transistor is variable according to the temperature. Thereby, the discharge rate of the gate charge can be controlled according to the temperature.
  • Patent Document 2 regulates the discharge rate of gate charge, that is, drive capability according to the temperature of the power switching element, and cannot eliminate the trade-off between surge voltage and switching loss. Even if the technique described in Patent Document 2 is combined with the technique described in Patent Document 1, it is difficult to optimize the switching timing of the discharge speed. For this reason, the effect of reducing the switching loss is not sufficient.
  • a driving device that controls on / off of the power switching element includes: an on-side circuit that performs an on operation of the power switching element; an off-side circuit that performs an off operation of the power switching element; and a temperature that detects a temperature of the power switching element.
  • the time change (slope) of the collector voltage Vce becomes dull. That is, the value of dV / dt becomes small. For this reason, for example, in the turn-off operation, the collector voltage Vce rises after the turn-off operation is started, and the time required to return to the steady value after overshooting is longer than that at room temperature. Therefore, the switching loss, that is, the product of the collector voltage Vce and the collector current Ic is increased.
  • the gate current is changed transiently based on the temperature of the power switching element. For this reason, at the time of switching the gate current, the amount of gate charge can be changed transiently. Therefore, it is possible to suppress the collector voltage gradient dV / dt from rapidly decreasing when the gate current is switched. In other words, dV / dt dullness due to the temperature of the power switching element can be corrected. Therefore, switching loss due to the temperature of the power switching element can be reduced.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the driving apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a timing chart showing driving by the driving device.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the switch circuit,
  • FIG. 4 is a timing chart showing driving by the driving device.
  • FIG. 5 is a timing chart showing driving by the driving device in Modification 1.
  • FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration of the driving apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the driving apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a timing chart showing driving by the driving device, FIG.
  • FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration of the drive device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration of a driving device according to Modification Example 2.
  • FIG. 11 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration of a drive device according to the third modification.
  • the driving apparatus 100 controls driving of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) 200 as a power switching element that drives a load 300.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the driving device 100 includes an on-side circuit 110, an off-side circuit 120, a dV / dt detection circuit, and a delay circuit 140.
  • the on-side circuit 110 and the off-side circuit 120 are connected in series between the power supply and GND, and the gate of the IGBT 200 is connected to the middle point.
  • the on-side circuit 110 is composed of a PMOS transistor, and when the PMOS transistor is in an on state, the power supply voltage Vcc is applied to the gate of the IGBT 200. Thereby, the IGBT 200 is turned on, a current flows between the collector and the emitter of the IGBT 200, and power is supplied to the load.
  • the off-side circuit 120 has a plurality of NMOS transistors (Tr10 to Tr15, Tr20). These NMOS transistors are composed of main MOS transistors (Tr10 to Tr15) as output transistors, and a sense MOS transistor Tr20 that defines the drain current of the main MOS transistor. In this embodiment, six main MOS transistors (Tr10 to Tr15) constitute a current mirror with respect to the sense MOS transistor Tr20. Specifically, the gates of the main MOS transistors (Tr10 to Tr15) are common to the gate of the sense MOS transistor Tr20, and the sources are commonly connected to GND. The drains of the main MOS transistors (Tr10 to Tr15) are connected to the gate of the IGBT 200.
  • a drain current flows through each main MOS transistor (Tr10 to Tr15) at the same current ratio as the size ratio of the sense MOS transistor Tr20. That is, in the present embodiment, there are six current paths for the current drawn from the gate of the IGBT 200.
  • the size is an aspect ratio (W / L) between the channel width W and the channel length L in the MOS transistor.
  • the off-side circuit 120 includes an operational amplifier 121 for controlling the drain current of the sense MOS transistor Tr20, a reference resistor 122 for defining the output of the operational amplifier 121, and a reference potential at one input terminal of the operational amplifier 121. And a reference power supply 123 for providing Vref.
  • the operational amplifier 121 applies a voltage to the gate of the sense MOS transistor Tr20 so that a constant current is drawn from the gate of the IGBT 200. .
  • the reference resistor 122 is a shunt resistor and defines the current value of the drain current of the sense MOS transistor Tr20. As a result, the current value of the current drawn from the gate of the IGBT 200 is defined.
  • the current drawn from the gate of the IGBT 200 is the total drain current flowing through the main MOS transistors (Tr10 to Tr15). Since the main MOS transistors (Tr10 to Tr15) form a current mirror together with the sense MOS transistor Tr20, the current drawn from the gate of the IGBT 200 depends on the drain current of the sense MOS transistor Tr20.
  • the operational amplifier 121 when a control signal indicating turning off the IGBT 200 is input, the operational amplifier 121 is driven and a gate voltage is applied to the sense MOS transistor Tr20.
  • the drain current at this time is defined by the resistance value R of the reference resistor 122.
  • the current value is feedback controlled by adjusting the output of the operational amplifier 121 so that the intermediate potential between the reference resistor 122 and the sense MOS transistor Tr20 approaches the reference potential Vref.
  • the sense current control circuit SC corresponds to a circuit configured by the operational amplifier 121, the reference resistor 122, and the reference power source 123.
  • the off-side circuit 120 has switch circuits (SW1 to SW5) for switching the current value of the current drawn from the gate of the IGBT 200, that is, the drive capability.
  • the switch circuits (SW1 to SW5) are connected to the gates of five main MOS transistors (Tr11 to Tr15) among the six main MOS transistors (Tr10 to Tr15), respectively.
  • the switch circuit SW1 is enabled and the other switch circuits (SW2 to SW5) are disabled, the gate charge of the IGBT 200 is extracted by the current defined by the main MOS transistors Tr10 and Tr11. That is, the drive capability of the off-side circuit 120 can be controlled depending on which switch circuit is effective among the switch circuits (SW1 to SW5).
  • the five switch circuits (SW1 to SW5) are equivalent to each other, and are hereinafter collectively referred to as a symbol SW except when individual switch circuits are described. A detailed circuit configuration of the switch circuit SW in the present embodiment will be described later.
  • the dV / dt detection circuit 130 in the driving device 100 is a circuit that detects a time change dV / dt of the collector voltage Vce of the IGBT 200.
  • the dV / dt detection circuit 130 is connected in series between the collector of the IGBT 200 and GND, and is connected to an intermediate point between the capacitor C1 and the resistor R1 that form a differentiator.
  • a control signal indicating that the IGBT 200 is turned off is input to the operational amplifier 121, the gate charge of the IGBT 200 is extracted and the collector voltage Vce rises, so dV / dt takes a non-zero value.
  • the dV / dt detection circuit 130 detects this and outputs a message to that effect to the delay circuit 140.
  • the delay circuit 140 is a circuit that operates the switch circuit SW with a predetermined delay time from the time when dV / dt starts to rise.
  • which switch circuit SW is to be operated may be determined in advance or may be determined according to the value of dV / dt or the like.
  • a control signal indicating that the IGBT 200 is to be turned off is input to the operational amplifier 121.
  • the operational amplifier 121 is driven and current is drawn from the gate of the IGBT 200.
  • the switch circuit SW at time t1 is assumed that SW1 is valid (ON) and SW2 to SW5 are invalid (OFF). That is, the current drawn from the gate is the total value I1 + I2 of the drain current I1 of the main MOS transistor Tr10 and the drain current I2 of the main MOS transistor Tr11.
  • the gate voltage decreases.
  • the collector current Ic of the IGBT 200 starts decreasing and the collector voltage Vce starts increasing. That is, at time t2, dV / dt takes a positive value from the state where dV / dt is almost zero.
  • the dV / dt detection circuit 130 detects this and outputs a message to that effect to the delay circuit 140.
  • the switch circuit SW1 is turned off and invalidated.
  • the gate current of the IGBT 200 is switched from I1 + I2 to I1. That is, the drive capability of the off-side circuit 120 is reduced, and the gate charge discharge rate is reduced. For this reason, dV / dt immediately after time t3 is smaller than dV / dt immediately before time t3.
  • the collector voltage Vce converges to a steady value, and the off operation of the IGBT 200 ends.
  • the collector voltage change dV / dt of the IGBT 200 depends on the temperature, and dV / dt decreases as the temperature increases. For this reason, as shown by the alternate long and short dash line in FIG. 2, the increase rate of the collector voltage Vce after time t2 decreases. Further, after time t3, after the drive capability of the off-side circuit 120 is reduced, the increase rate of the collector voltage Vce is further reduced. Therefore, the time required for Vce to reach a steady value becomes longer, and the switching loss increases.
  • the switch circuit SW in the driving apparatus 100 is configured to suppress a decrease in dV / dt due to temperature.
  • the switch circuit SW includes a main circuit 125, a constant current circuit 126, and a temperature characteristic adjustment circuit 127.
  • the main circuit 125 is responsible for energizing and interrupting current between the input terminal IN and the output terminal OUT based on a signal from the delay circuit 140.
  • the main circuit 125 has a MOS transistor Tr30 that is turned on and off by a signal from the delay circuit 140.
  • the constant current circuit 126 includes two NPN transistors Q1 and Q2 that are connected in parallel with the MOS transistor Tr30 and constitute a current mirror so as to mirror the current I3 input from the constant current circuit 126. Yes.
  • the MOS transistor Tr40 that conducts and cuts off the current between the input terminal IN and the output terminal OUT based on the current injected into the gate is provided.
  • the input terminal IN shown in FIG. 3 is connected to the output terminal of the operational amplifier 121, and the output terminal OUT is connected to the gates of the main MOS transistors (Tr11 to Tr15).
  • the operation of the main circuit 125 will be described.
  • the switch circuit SW When the switch circuit SW is turned on, a signal for turning on the MOS transistor Tr30 is input from the delay circuit.
  • the current I3 from the constant current circuit 126 flows as the drain current of the MOS transistor Tr30, and no current flows through the NPN transistors Q1 and Q2 forming the current mirror. That is, the current I4 shown in FIG. 3 does not flow. Therefore, the current I5 from the current source P1 is injected into the gate of the MOS transistor Tr40 and turned on, and the input terminal IN and the output terminal OUT are energized. That is, the switch circuit SW is turned on.
  • the resistor R1 inserted between the current source P1 and GND is a resistor for defining the gate voltage in the steady state of the MOS transistor Tr40.
  • a pull-down resistor R2 is inserted between the output terminal OUT and GND in order to ensure that the switch circuit SW is turned off.
  • the constant current circuit 126 described above is a circuit for supplying a constant current I3 to the main circuit 125.
  • the constant current circuit 126 has a generally known circuit configuration for applying a constant current.
  • the constant current circuit 126 includes an NPN transistor Q3, and an NPN transistor Q4 and a PNP transistor Q5 that are connected in parallel to the base of the NPN transistor Q3 and function as resistors. Further, a resistor R3 is connected between the emitter of the NPN transistor Q3 and GND. With this configuration, a constant collector current defined by the resistance values of the NPN transistor Q4, the PNP transistor Q5, and the resistor R3 flows through the NPN transistor Q3.
  • NPN transistors Q8 and Q9 constituting a current mirror, and a current I3 is supplied to the main circuit 125.
  • NPN transistor Q6 and PNP transistor Q7 are inserted in order to suppress the temperature characteristics of the resistance values of resistor R3 and PNP transistor Q5, respectively.
  • the current I3 is defined by the resistance values of the NPN transistor Q4, the PNP transistor Q5, and the resistor R3.
  • the current I3 depends on the ON resistance of the PNP transistor Q5.
  • the above-described temperature characteristic adjustment circuit 127 is a circuit for applying a voltage corresponding to the temperature of the IGBT 200 to the base of the above-described PNP transistor Q5 in the constant current circuit 126.
  • the temperature regulation circuit 127 includes a temperature sensitive diode D connected in series with the resistor R4 with respect to the current source P2 and disposed in the vicinity of the IGBT 200, and an operational amplifier A constituting a buffer circuit.
  • the temperature characteristic adjustment circuit 127 is configured such that the output is negatively fed back to one input terminal of the operational amplifier A, and a voltage depending on the voltage drop due to the temperature sensitive diode D is applied to the other input terminal. Has been.
  • the output of the operational amplifier A depends on the voltage drop caused by the temperature sensitive diode D.
  • the higher the temperature the lower the resistance of the temperature sensitive diode D, and the amount of voltage drop decreases.
  • the higher the temperature of the IGBT 200 the lower the voltage applied to the base of the PNP transistor Q5 in the constant current circuit 126.
  • the current I3 is determined by a value obtained by dividing the base voltage of the PNP transistor Q5 by the resistance value of the resistor R3. For this reason, the current I3 decreases as the temperature of the IGBT 200 increases.
  • the gate current of the IGBT 200 switches from I1 + I2 to I1
  • the gate current transitions transiently as shown by a solid line in FIG. That is, the temperature sensitive diode D corresponds to a temperature detection unit.
  • the collector voltage Vce can increase dV / dt after time t3 as compared with the case where the OFF speed of the switch circuit SW does not have temperature dependency.
  • the dashed-dotted line in FIG. 4 has shown the change of each electrical characteristic value in IGBT200 when the OFF speed of switch circuit SW does not have temperature dependence.
  • the gate current of the IGBT 200 is switched by turning off the switch circuit SW1 from the state in which only the switch circuit SW1 is on.
  • the number of gate current switching stages is two is shown.
  • the number of gate current switching stages may be three or more.
  • the switch circuits SW1 to SW3 are turned on at time t1, the switch circuit SW3 is turned off at time t3, the switch circuit SW2 is turned off at time t5, and at time t6.
  • the switch circuit SW1 may be controlled to be turned off.
  • the gate current can be transitioned more smoothly than in the case where the number of gate current switching stages is two, the increase in switching loss due to the temperature characteristics of the IGBT 200 can be further suppressed. .
  • the on-side circuit 110 has a plurality of PMOS transistors (Tr50 to Tr55, Tr60). These PMOS transistors are composed of a main MOS transistor (Tr50 to Tr55) as an output transistor and a sense MOS transistor Tr60 that defines the drain current of the main MOS transistor.
  • a main MOS transistor Tr50 to Tr55
  • a sense MOS transistor Tr60 that defines the drain current of the main MOS transistor.
  • six main MOS transistors (Tr50 to Tr55) form a current mirror with respect to the sense MOS transistor Tr60.
  • the gates of the main MOS transistors (Tr50 to Tr55) are common to the gate of the sense MOS transistor Tr60, and the drains are commonly connected to the power supply Vcc.
  • the source of each main MOS transistor (Tr50 to Tr55) is connected to the gate of the IGBT 200.
  • the on-side circuit 110 includes an operational amplifier 111 for controlling the drain current of the sense MOS transistor Tr60, a reference resistor 112 for defining the output of the operational amplifier 111, and a reference potential at one input terminal of the operational amplifier 111. And a reference power supply 113 for providing Vref.
  • the operational amplifier 111 applies a voltage to the gate of the sense MOS transistor Tr60 so that a constant current is supplied to the gate of the IGBT 200. To do.
  • the on-side circuit 110 has switch circuits (SW6 to SW10) for switching the current value of the current supplied to the gate of the IGBT 200, that is, the drive capability.
  • the switch circuits (SW6 to SW10) are connected to the gates of five main MOS transistors (Tr51 to Tr55) among the six main MOS transistors (Tr50 to Tr55), respectively.
  • These switch circuits (SW6 to SW10) are equivalent to the switch circuit SW described in the first embodiment, and the circuit configuration shown in FIG. 3 can be adopted as the circuit configuration.
  • the main MOS transistors (Tr50 to Tr55), the sense MOS transistor Tr60, the operational amplifier 111, the reference resistor 112, the reference power supply 113, and the switch circuits (SW6 to SW10), which are components in the present embodiment, are respectively the first embodiment.
  • the switch circuits (SW6 to SW10) which are components in the present embodiment, are respectively the first embodiment.
  • reference potential Vref in the present embodiment does not necessarily coincide with the reference potential Vref in the first embodiment.
  • the main MOS transistors (Tr10, Tr12 to Tr15) are removed from the off-side circuit 120 of the first embodiment, and only the main MOS transistor Tr11 exists. ing.
  • the switch circuits SW2 to SW5 are not formed, and the switch circuit SW1 connects the operational amplifier 121 and the main MOS transistor Tr11.
  • the circuit configuration other than the sense current control circuit SC is the same as that of the first embodiment.
  • FIG. 8 shows a timing chart when the IGBT 200 according to this embodiment is turned off.
  • the control signal for turning off the IGBT 200 and the delay time defined by the delay circuit 140 are the same as those in the first embodiment, and the description of the time follows the description of the first embodiment (FIGS. 2 and 4).
  • the gate current is switched in one stage when the IGBT 200 is turned off. Specifically, as shown in FIG. 8, control is performed such that the switch circuit SW1 is turned on at time t1 and the switch circuit SW1 is turned off at time t3. As a result, the gate current changes from I1 to zero.
  • the gate current since the OFF speed of the switch circuit SW1 has temperature dependence, when the gate current of the IGBT 200 switches from I1 to zero, the gate current may be transited transiently as shown in FIG. it can.
  • the sense current control circuit SC is not limited to a circuit constituted by the operational amplifiers 111 and 121, the reference resistors 112 and 122, and the reference power sources 113 and 123.
  • the sense current control circuit SC in each of the above-described embodiments is configured to be feedback-controlled so as to have a current value defined by the resistance value R of the reference resistors 112 and 122 and the reference potential Vref of the reference power sources 113 and 123. It was. On the other hand, the sense current control circuit SC in the present embodiment is configured not to perform feedback control.
  • the sense current control circuit SC of the off-side circuit 160 in the present embodiment has an operational amplifier 161 whose output terminal is connected to the gate of the sense MOS transistor Tr20 and a predetermined input terminal of the operational amplifier 161. And a reference power supply 162 for applying a voltage.
  • the output of the operational amplifier 161 is negatively fed back to the other input terminal, and a voltage defined by the reference power supply 162 is applied to the sense MOS transistor Tr20. Even with such a configuration, the output current can be switched by switching the number of valid main MOS transistors (Tr10 to Tr15).
  • the sense current control circuit SC as in the first and second embodiments is adopted as compared with the present embodiment, the drain current of the sense MOS transistor Tr20 can be maintained with high accuracy, but the load 300 that does not require high accuracy is used. In the case of driving, the number of parts and the manufacturing cost can be reduced by employing the sense current control circuit SC according to the present embodiment.
  • the Vds adjustment circuit 163 in this modification is, for example, a Wilson type current mirror circuit, and two current paths are connected to the drains of the sense MOS transistor Tr20 and the main MOS transistors (Tr10 to Tr15), respectively.
  • the drain-source voltage Vds of each NMOS transistor is adjusted to be constant, the drain current of each NMOS transistor can be controlled with higher accuracy.
  • the sense current control circuit SC of the off-side circuit 160 in this embodiment includes an operational amplifier 161 and a current source P3 that supplies a predetermined current to one input terminal of the operational amplifier 161, as shown in FIG. And a temperature sensitive element 164 connected in parallel with the current source P3 with respect to the operational amplifier 161.
  • the temperature sensing element 164 in this modification is, for example, a temperature sensing diode.
  • the threshold voltage and charge mobility of each NMOS transistor generally have negative temperature characteristics, and the voltage drop amount (Vf) of the temperature sensitive diode also has negative temperature characteristics. For this reason, as shown in FIG.
  • the current source P3 and the temperature sensitive diode are connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 161, and the output of the operational amplifier 161 is negatively fed back to the inverting input terminal.
  • the gate voltages of the sense MOS transistor Tr20 and the main MOS transistors can be lowered as the temperature of the drive device 100 increases. That is, the change in the gate voltage of the IGBT 200 due to the temperature can be suppressed.
  • the temperature sensitive element 164 is not limited to a temperature sensitive diode.
  • the present invention is not limited to this example. Any element that changes the output voltage may be used.
  • the constant current circuit 126 as shown in FIG. 3 is shown as an example of a circuit for supplying a constant current to the main circuit 125.
  • the present invention is not limited to the above example as long as the current value is changed.
  • the on-side circuit 110 is configured with a PMOS transistor and the off-side circuit 120 is configured with an NMOS transistor.
  • this relationship may be reversed.
  • the outputs of the operational amplifiers 111 and 121 are configured to be inverted with respect to the above embodiment.
  • modification 2 and modification 3 describes variations of the sense current control circuit SC with respect to the off-side circuit, it can also be applied to the on-side circuit 110.

Landscapes

  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

 パワースイッチング素子(200)のオンオフを制御する駆動装置は、前記パワースイッチング素子のオン動作を行うオン側回路(110)と、オフ動作を行うオフ側回路(120)と、温度を検出する温度検出部(D)とを有する。前記オンおよびオフ側回路の少なくとも一方は、前記パワースイッチング素子のゲート電流を供給あるいは引き抜くための電流経路と、前記ゲート電流を切り替えるスイッチ回路(SW1~SW5,SW6~SW10)と、を有する。該スイッチ回路は、前記ゲート電流の切り替え時において、前記パワースイッチング素子の温度に基づいて、前記ゲート電流を過渡的に変化させる。

Description

駆動装置 関連出願の相互参照
 本開示は、2014年3月27日に出願された日本出願番号2014-66593号と、2014年10月20日に出願された日本出願番号2014-213590号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
 本開示は、温度特性を考慮に入れたパワースイッチング素子のオンオフ動作を行う駆動装置に関する。
 インバータやコンバータ等の半導体電力変換装置を構成するパワースイッチング素子について、スイッチング動作時のサージ電圧とスイッチング損失とのトレードオフを解消する技術として、ゲート電圧あるいはゲート電流を動的に制御するアクティブゲートコントロール(AGC)が用いられている。
 例えば、パワースイッチング素子として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を用いる場合、ターンオフ時のコレクタ-エミッタ間電圧(以降、コレクタ電圧Vceという)の時間変化dV/dtをフィードバックして、IGBTのゲート電荷の放電速度を制御する。具体的には、特許文献1において、IGBTのゲート電荷の放電速度を、放電の途中で切り替える技術が提案されている。
 切り替えるタイミングは、例えば、コレクタ電圧Vceが、電源電圧VBに達したタイミングで切り替えれば、サージを抑制しながらスイッチング損失を低減することが可能である。
 しかしながら、一般に、IGBTなどのパワースイッチング素子におけるdV/dtには温度依存性がある。これに伴い、パワースイッチング素子の温度によって、パワースイッチング素子におけるゲート電荷の放電速度の切り替えタイミングが変化してしまう。
 パワースイッチング素子の温度特性を考慮した駆動回路として、例えば、特許文献2には、dV/dtのフィードバック量を、パワースイッチング素子の温度に応じて調整する技術が提案されている。具体的には、ターンオフ用のトランジスタのフィードバック抵抗(ベース-GND間抵抗)を温度に応じて可変とする。これにより、ゲート電荷の放電速度を、温度に応じて制御することができる。
 しかしながら、特許文献2の技術は、パワースイッチング素子の温度に応じてゲート電荷の放電速度、すなわちドライブ能力を規定するものであり、サージ電圧とスイッチング損失とのトレードオフを解消することはできない。また、特許文献2に記載の技術を特許文献1に記載の技術と組み合わせても、放電速度の切り替えタイミングの最適化を行うことは困難である。このため、スイッチング損失の低減の効果は十分ではない。
特許第3885563号公報 特許第4904993号公報
 本開示は、温度によるスイッチング損失を低減することを目的とする。パワースイッチング素子のオンオフを制御する駆動装置は、前記パワースイッチング素子のオン動作を行うオン側回路と、前記パワースイッチング素子のオフ動作を行うオフ側回路と、前記パワースイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、を備える。前記オン側回路および前記オフ側回路の少なくとも一方の回路は、前記パワースイッチング素子のゲート電流を供給あるいは引き抜くための電流経路と、前記ゲート電流を切り替えるスイッチ回路と、を有する。該スイッチ回路は、前記ゲート電流の切り替え時において、前記温度検出部により検出された前記パワースイッチング素子の温度に基づいて、前記ゲート電流を過渡的に変化させる。
 例えば、パワースイッチング素子が常温時よりも高い温度になっている場合、コレクタ電圧Vceの時間変化(傾き)が鈍くなる。すなわち、dV/dtの値が小さくなる。このため、例えばターンオフ動作においては、ターンオフ動作を開始後、コレクタ電圧Vceが上昇し、オーバーシュートした後に定常値に戻るまでに要する時間が、常温時よりも長くなる。よって、スイッチング損失、すなわちコレクタ電圧Vceとコレクタ電流Icの積が大きくなってしまう。
 上記の駆動装置では、パワースイッチング素子の温度に基づいてゲート電流を過渡的に変化させる。このため、ゲート電流の切り替え時において、ゲート電荷の量を過渡的に変化させることができる。よって、ゲート電流の切り替え時にコレクタ電圧の傾きdV/dtが急激に小さくなることを抑制することができる。換言すれば、パワースイッチング素子の温度に起因するdV/dtの鈍化を補正することができる。したがって、パワースイッチング素子の温度に起因するスイッチング損失を低減することができる。
 本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図1は、第1実施形態に係る駆動装置の概略構成を示す回路図であり、 図2は、駆動装置による駆動を示すタイミングチャートであり、 図3は、スイッチ回路の詳細な構成を示す回路図であり、 図4は、駆動装置による駆動を示すタイミングチャートであり、 図5は、変形例1における駆動装置による駆動を示すタイミングチャートであり、 図6は、第2実施形態に係る駆動装置の概略構成を示す回路図であり、 図7は、第3実施形態に係る駆動装置の概略構成を示す回路図であり、 図8は、駆動装置による駆動を示すタイミングチャートであり、 図9は、第4実施形態に係る駆動装置の概略構成を示す回路図であり、 図10は、変形例2に係る駆動装置の概略構成を示す回路図であり、 図11は、変形例3に係る駆動装置の概略構成を示す回路図である。
 以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。
 (第1実施形態)
 最初に、図1を参照して、本実施形態に係る駆動装置について説明する。
 図1に示すように、この駆動装置100は、負荷300を駆動するパワースイッチング素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)200の駆動を制御するものである。
 この駆動装置100は、オン側回路110と、オフ側回路120と、dV/dt検出回路と、遅延回路140と、を備えている。
 オン側回路110およびオフ側回路120は電源とGNDとの間で直列に接続され、その中間点にIGBT200のゲートが接続されている。オン側回路110は、PMOSトランジスタにより構成され、このPMOSトランジスタがオン状態のときにはIGBT200のゲートに電源電圧Vccが印加される。これによりIGBT200がオン状態になり、IGBT200のコレクタ-エミッタ間に電流が流れ、負荷に電力が供給される。
 オフ側回路120は、複数のNMOSトランジスタ(Tr10~Tr15,Tr20)を有している。これらNMOSトランジスタは、出力トランジスタとしてのメインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)と、メインMOSトランジスタのドレイン電流を規定するセンスMOSトランジスタTr20とから構成されている。本実施形態では、6つのメインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)が、センスMOSトランジスタTr20に対してカレントミラーを構成するようになっている。具体的には、各メインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)のゲートはセンスMOSトランジスタTr20のゲートと共通であり、ソースが共通してGNDに接続されている。各メインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)のドレインはIGBT200のゲート接続されている。
 このような構成では、各メインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)には、それぞれ、センスMOSトランジスタTr20のサイズ比と同一の電流比でドレイン電流が流れる。つまり、本実施形態では、IGBT200のゲートから引き抜く電流の電流経路が6つ存在している。なお、サイズとはMOSトランジスタにおけるチャネル幅Wとチャネル長Lのアスペクト比(W/L)である。
 また、オフ側回路120は、センスMOSトランジスタTr20のドレイン電流を制御するためのオペアンプ121と、該オペアンプ121の出力を規定するための基準抵抗122と、該オペアンプ121の一つの入力端子に参照電位Vrefを与える参照電源123と、を有している。オペアンプ121は、図示しないマイコンなどからIGBT200をオフさせることを示す制御信号が入力されると、センスMOSトランジスタTr20のゲートに電圧を印加することで、IGBT200のゲートから定電流が引き抜かれるようにする。
 基準抵抗122は、シャント抵抗であり、センスMOSトランジスタTr20のドレイン電流の電流値を規定する。ひいては、IGBT200のゲートから引き抜かれる電流の電流値を規定する。IGBT200のゲートから引き抜かれる電流は、メインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)に流れるドレイン電流の合計である。そして、メインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)はセンスMOSトランジスタTr20とともにカレントミラーを構成しているので、IGBT200のゲートから引き抜かれる電流はセンスMOSトランジスタTr20のドレイン電流に依存する。
 このような構成では、IGBT200をオフさせることを示す制御信号が入力されると、オペアンプ121が駆動されてセンスMOSトランジスタTr20にゲート電圧が印加される。このときのドレイン電流は基準抵抗122の抵抗値Rにより規定される。そして、その電流値は、基準抵抗122とセンスMOSトランジスタTr20との間の中間電位が、参照電位Vrefに近づくように、オペアンプ121の出力が調整されることによりフィードバック制御される。これにより、センスMOSトランジスタTr20のドレイン電流が高精度に一定の値(=Vref/R)に制御される。よって、IGBT200のゲートから引き抜かれる電流も、高精度に一定電流とされる。なお、本実施形態において、センス電流制御回路SCは、オペアンプ121と基準抵抗122および参照電源123とにより構成される回路に相当する。
 さらに、オフ側回路120は、IGBT200のゲートから引き抜かれる電流の電流値、すなわちドライブ能力を切り替えるためのスイッチ回路(SW1~SW5)を有している。このスイッチ回路(SW1~SW5)は、6つのメインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)のうち5つのメインMOSトランジスタ(Tr11~Tr15)のゲートにそれぞれ接続されている。例えば、スイッチ回路SW1が有効とされ、その他のスイッチ回路(SW2~SW5)が無効の状態であれば、IGBT200のゲート電荷は、メインMOSトランジスタTr10およびTr11により規定される電流により引き抜かれる。つまり、スイッチ回路(SW1~SW5)のうち、どのスイッチ回路が有効となっているかによってオフ側回路120のドライブ能力を制御することができる。なお、5つのスイッチ回路(SW1~SW5)は互いに等価であり、以降、個々のスイッチ回路について述べる場合を除き、符号SWと総称する。本実施形態におけるスイッチ回路SWの詳しい回路構成は追って説明する。
 駆動装置100におけるdV/dt検出回路130は、IGBT200のコレクタ電圧Vceの時間変化dV/dtを検出する回路である。具体的には、dV/dt検出回路130は、IGBT200のコレクタとGNDとの間に直列接続されて微分器を構成するコンデンサC1と抵抗器R1の中間点に接続されている。オペアンプ121にIGBT200をオフさせることを示す制御信号が入力されると、IGBT200のゲート電荷が引き抜かれてコレクタ電圧Vceが上昇するため、dV/dtがゼロでない値をとる。dV/dt検出回路130はこれを検出し、その旨を遅延回路140に出力する。
 遅延回路140は、dV/dtが上昇を開始した時点から所定の遅延時間だけ遅れてスイッチ回路SWを動作させる回路である。5つのスイッチ回路(SW1~SW5)のうち、どのスイッチ回路SWを動作させるかについては、予め決めておくこともできるし、dV/dtの値等に応じて決定されてもよい。
 次に、本実施形態の駆動装置100のように、IGBT200のゲート電荷の放電期間中の電荷の放電速度を切り替える駆動について、図2を参照して説明する。
 時刻t1において、オペアンプ121にIGBT200をオフさせることを示す制御信号が入力される。これにより、図2に示すように、オペアンプ121が駆動してIGBT200のゲートから電流が引き抜かれる。この説明において、時刻t1におけるスイッチ回路SWは、SW1が有効(オン)とされ、SW2~SW5は無効(オフ)であるとする。つまり、ゲートから引き抜かれる電流は、メインMOSトランジスタTr10のドレイン電流I1と、メインMOSトランジスタTr11のドレイン電流I2との合計値I1+I2である。
 IGBT200のゲートから電荷の引き抜きが行われ始めると、ゲート電圧は低下していく。そして、時刻t2において、ゲート電圧が所定の電位まで低下すると、IGBT200のコレクタ電流Icが減少を開始し、コレクタ電圧Vceが上昇を始める。すなわち、時刻t2の時点で、dV/dtがほぼゼロの状態から、dV/dtが正の値をとる。dV/dt検出回路130はこれを検出して、その旨を遅延回路140に対して出力する。
 そして、遅延回路140により予め規定された遅延時間後の時刻t3において、スイッチ回路SW1がオフされ無効化される。これにより、IGBT200のゲート電流は、I1+I2からI1に切り替わる。すなわち、オフ側回路120のドライブ能力が低減されてゲート電荷の放電速度が低下する。このため、時刻t3直前のdV/dtに比べて、時刻t3直後のdV/dtは小さくなる。その結果、コレクタ電圧Vceのオーバーシュートが抑制され、サージ電圧を低減する効果を発揮することができる。その後、時刻t4において、コレクタ電圧Vceが定常値に収束してIGBT200のオフ動作は終了する。
 ここで、IGBT200が高温の状態にある場合について説明する。IGBT200のコレクタ電圧の変化dV/dtは温度に依存し、高温になるほどdV/dtが小さくなる。このため、図2の一点鎖線に示すように、時刻t2以降におけるコレクタ電圧Vceの上昇率が低下する。さらに、時刻t3以降、オフ側回路120のドライブ能力が低下した後は、さらにコレクタ電圧Vceの上昇率が低下する。よって、Vceが定常値に至るまでに要する時間が長くなり、スイッチング損失が増加してしまう。
 これを解消するため、この駆動装置100におけるスイッチ回路SWは、温度に起因するdV/dtの低下を抑制するように構成されている。
 図3および図4を参照して、本実施形態におけるスイッチ回路SWの具体的な構成とその作用効果について説明する。なお、図3に示す回路は、各スイッチ回路(SW1~SW5)いずれも同一の構成である。
 スイッチ回路SWは、主回路125と、定電流回路126と、温特調整回路127とを有している。
 主回路125は、遅延回路140からの信号に基づいて入力端子INと出力端子OUTの間における電流の通電および遮断を担っている。主回路125は、図3に示すように、遅延回路140からの信号によりオンオフ動作するMOSトランジスタTr30を有している。また、定電流回路126に対して、MOSトランジスタTr30と並列に接続され、定電流回路126から入力される電流I3をミラーするようにカレントミラーを構成する2つのNPNトランジスタQ1,Q2を有している。また、ゲートに注入される電流に基づいて入力端子INと出力端子OUTの間における電流の通電および遮断を行うMOSトランジスタTr40を有している。さらに、スイッチ回路SWをオン状態とする場合にMOSトランジスタTr40のゲートに電流を注入する電流源P1を有している。なお、本実施形態では、図3に示す入力端子INがオペアンプ121の出力端子に接続されており、出力端子OUTがメインMOSトランジスタ(Tr11~Tr15)のゲートに接続されている。
 主回路125の動作について説明する。スイッチ回路SWをオン状態とする場合、遅延回路からMOSトランジスタTr30をオン状態とする旨の信号が入力される。この状態では、定電流回路126からの電流I3は、MOSトランジスタTr30のドレイン電流として流れ、カレントミラーを成すNPNトランジスタQ1,Q2に電流が流れない。すなわち、図3に示す電流I4は流れない。このため、電流源P1からの電流I5がMOSトランジスタTr40のゲートに注入されてオンとなり、入力端子INと出力端子OUTの間が通電される。すなわち、スイッチ回路SWがオン状態となる。なお、電流源P1とGNDとの間に挿入された抵抗器R1は、MOSトランジスタTr40の定常状態におけるゲート電圧を規定するための抵抗である。
 一方、スイッチ回路SWをオフ状態とする場合、遅延回路からMOSトランジスタTr30をオフ状態とする旨の信号が入力される。この状態では、MOSトランジスタTr30のドレイン電流は流れず、定電流回路126から主回路125に入力される電流I3は、NPNトランジスタQ1,Q2によりミラーされて図3に示す電流I4が流れる。この電流I4は、電流源P1による電流I5およびMOSトランジスタTr40のゲート電荷を引き抜くように流れるため、MOSトランジスタTr40がオフする。よって、入力端子INと出力端子OUTの間の電流が遮断されてスイッチ回路SWがオフ状態となる。なお、スイッチ回路SWがオフすると、対応するメインMOSトランジスタのゲートがハイインピーダンスとなる。本実施形態におけるスイッチ回路SWは、スイッチ回路SWのオフ動作を確実にするため、出力端子OUTとGNDとの間にプルダウン抵抗器R2が挿入されている。
 前述の定電流回路126は、主回路125に一定の電流I3を供給するための回路である。この定電流回路126は、図3に示すように、一定の電流を与えるための一般的に知られた回路構成を成す。具体的には、定電流回路126は、NPNトランジスタQ3と、NPNトランジスタQ3のベースに対して並列に接続されて抵抗として作用するNPNトランジスタQ4およびPNPトランジスタQ5と、を有している。さらに、NPNトランジスタQ3のエミッタとGNDとの間に抵抗器R3が接続されている。この構成により、NPNトランジスタQ3には、NPNトランジスタQ4、PNPトランジスタQ5、および抵抗器R3の抵抗値により規定される一定のコレクタ電流が流れる。この電流がカレントミラーを構成するNPNトランジスタQ8,Q9によりミラーされて、主回路125に電流I3を供給する。なお、NPNトランジスタQ6およびPNPトランジスタQ7は、それぞれ、抵抗器R3およびPNPトランジスタQ5の抵抗値の温度特性を抑制するために挿入されている。
 このように、電流I3は、NPNトランジスタQ4、PNPトランジスタQ5、および抵抗器R3の抵抗値により規定される。本実施形態における定電流回路126では、NPNトランジスタQ4および抵抗器R3の抵抗値は一定であるから、電流I3はPNPトランジスタQ5のオン抵抗に依存するようになっている。
 前述の温特調整回路127は、定電流回路126における前述のPNPトランジスタQ5のベースに対して、IGBT200の温度に対応した電圧を印加するための回路である。この温特調整回路127は、電流源P2に対して抵抗器R4と直列に接続されIGBT200の近傍に配置された感温ダイオードDと、バッファ回路を構成するオペアンプAとを有している。具体的には、温特調整回路127は、オペアンプAの一方の入力端子に出力が負帰還し、他方の入力端子には感温ダイオードDによる電圧降下に依存する電圧が印加されるように構成されている。よって、オペアンプAの出力は感温ダイオードDによる電圧降下に依存する。一般に、感温ダイオードDは温度が高いほど低抵抗となり、電圧降下量が減少する。このため、IGBT200の温度が高いほど、定電流回路126におけるPNPトランジスタQ5のベースに印加される電圧が低下する。電流I3は、PNPトランジスタQ5のベース電圧を抵抗器R3の抵抗値で割った値で決まる。このため、IGBT200の温度が高いほど電流I3は小さくなる。
 このように、本実施形態におけるスイッチ回路SWでは、IGBT200の温度が高いほど、MOSトランジスタTr40のゲートからゲート電荷を引き抜くための電流I4の値が小さくなり、電荷の放電速度が遅くなる。すなわち、スイッチ回路SWのオフ速度が温度依存性を有している。このため、IGBT200のゲート電流がI1+I2からI1へ切り替わる際において、図4に実線で示すように、ゲート電流が過渡的に遷移する。つまり、感温ダイオードDは、温度検出部に相当する。これにより、コレクタ電圧Vceは、スイッチ回路SWのオフ速度が温度依存性を有さない場合に較べて、時刻t3以降のdV/dtを大きくすることができる。したがって、Vceがオーバーシュートしてから定常値に至るまでに要する時間を短くすることができ、スイッチング損失を低減することができる。なお、図4における一点鎖線は、スイッチ回路SWのオフ速度が温度依存性を有さない場合のIGBT200における各電気的特性値の変化を示している。
 (変形例1)
 上記例では、スイッチ回路SW1のみがオンの状態から、スイッチ回路SW1をオフすることによりIGBT200のゲート電流を切り替える例について示した。換言すれば、ゲート電流の切り替え段数が2段である例について示した。しかしながら、この例に限定されない。すなわち、ゲート電流の切り替え段数は3段以上でもよい。
 例えば、図5に示すように、時刻t1の時点でスイッチ回路SW1~SW3をオン状態とし、時刻t3にてスイッチ回路SW3をオフし、時刻t5にてスイッチ回路SW2をオフし、時刻t6にてスイッチ回路SW1をオフするように制御してもよい。
 これによれば、ゲート電流の切り替え段数が2段の場合に較べて、より滑らかにゲート電流を遷移させることができるから、IGBT200の温度特性に起因するスイッチング損失の増加をより抑制することができる。
 (第2実施形態)
 上記した実施形態では、オフ側回路120において、IGBT200の温度に基づく制御を可能にした例について示したが、これはオン側回路110についても適用することができる。
 具体的には、図6に示すように、オン側回路110は、複数のPMOSトランジスタ(Tr50~Tr55,Tr60)を有している。これらPMOSトランジスタは、出力トランジスタとしてのメインMOSトランジスタ(Tr50~Tr55)と、メインMOSトランジスタのドレイン電流を規定するセンスMOSトランジスタTr60とから構成されている。本実施形態では、6つのメインMOSトランジスタ(Tr50~Tr55)が、センスMOSトランジスタTr60に対してカレントミラーを構成するようになっている。具体的には、各メインMOSトランジスタ(Tr50~Tr55)のゲートはセンスMOSトランジスタTr60のゲートと共通であり、ドレインが共通して電源Vccに接続されている。各メインMOSトランジスタ(Tr50~Tr55)のソースはIGBT200のゲート接続されている。
 また、オン側回路110は、センスMOSトランジスタTr60のドレイン電流を制御するためのオペアンプ111と、該オペアンプ111の出力を規定するための基準抵抗112と、該オペアンプ111の一つの入力端子に参照電位Vrefを与える参照電源113と、を有している。オペアンプ111は、図示しないマイコンなどからIGBT200をオンさせることを示す制御信号が入力されると、センスMOSトランジスタTr60のゲートに電圧を印加することで、IGBT200のゲートへ定電流が供給されるようにする。
 さらに、オン側回路110は、IGBT200のゲートへ供給される電流の電流値、すなわちドライブ能力を切り替えるためのスイッチ回路(SW6~SW10)を有している。このスイッチ回路(SW6~SW10)は、6つのメインMOSトランジスタ(Tr50~Tr55)のうち5つのメインMOSトランジスタ(Tr51~Tr55)のゲートにそれぞれ接続されている。これらスイッチ回路(SW6~SW10)は、第1実施形態に記載のスイッチ回路SWと等価であり、その回路構成は、図3に示す回路構成を採用することができる。
 本実施形態における構成要素である、メインMOSトランジスタ(Tr50~Tr55)、センスMOSトランジスタTr60、オペアンプ111、基準抵抗112、参照電源113、およびスイッチ回路(SW6~SW10)は、それぞれ、第1実施形態におけるメインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)、センスMOSトランジスタTr20、オペアンプ121、基準抵抗122、参照電源123、およびスイッチ回路(SW1~SW5)に相当する要素である。よって、各構成要素の動作および作用効果は、第1実施形態およびその変形例に準じるものである。すなわち、IGBT200のターンオン時において、コレクタ電圧Vceの低下によってアンダーシュートしてから定常値に至るまでに要する時間を、スイッチ回路SWのオフ速度が温度依存性を有さない場合に較べて短くすることができ、スイッチング損失を低減することができる。
 なお、本実施形態における参照電位Vrefは、第1実施形態における参照電位Vrefと必ずしも一致している必要はない。
 (第3実施形態)
 第1実施形態では、メインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)が6つ形成されており、ゲート電荷を引き抜く電流経路が6つの場合であって、ゲート電流の切り替え段数が2段(変形例では3段以上)の例に示した。
 これに対して、本実施形態では、オフ側回路150における電流経路が1つの場合について説明する。具体的には、図7に示すように、第1実施形態のオフ側回路120に対して、メインMOSトランジスタ(Tr10,Tr12~Tr15)が除去され、メインMOSトランジスタTr11のみが存在する構成となっている。なお、これに対応して、スイッチ回路SW2~SW5も形成されておらず、スイッチ回路SW1がオペアンプ121とメインMOSトランジスタTr11とを接続している。センス電流制御回路SCほかの回路構成は第1実施形態と同様である。
 図8は、本実施形態におけるIGBT200のターンオフ時のタイミングチャートを示している。IGBT200をオフする制御信号や遅延回路140により規定される遅延時間は第1実施形態と同様であるとし、時刻の記載は第1実施形態の説明(図2および図4)に準じている。
 本実施形態では、IGBT200のターンオフに際して、ゲート電流を1段で切り替える。具体的には、図8に示すように、時刻t1の時点でスイッチ回路SW1をオン状態とし、時刻t3にてスイッチ回路SW1をオフするように制御する。これにより、ゲート電流はI1からゼロに変化する。ここで、スイッチ回路SW1のオフ速度は温度依存性を有しているから、IGBT200のゲート電流がI1からゼロへ切り替わる際において、図8に示すように、ゲート電流を過渡的に遷移させることができる。
 (第4実施形態)
 センス電流制御回路SCは、オペアンプ111,121と基準抵抗112,122および参照電源113,123とにより構成される回路に限定されない。
 上記した各実施形態におけるセンス電流制御回路SCでは、基準抵抗112,122の抵抗値Rと参照電源113,123の参照電位Vrefとによって規定される電流値になるようにフィードバック制御されるよう構成されていた。これに対して、本実施形態におけるセンス電流制御回路SCは、フィードバック制御を行わない構成となっている。
 本実施形態におけるオフ側回路160のセンス電流制御回路SCは、図9に示すように、センスMOSトランジスタTr20のゲートに出力端子が接続されたオペアンプ161と、オペアンプ161の一方の入力端子に所定の電圧を印加する参照電源162と、を有している。他方の入力端子には、オペアンプ161の出力が負帰還されており、参照電源162により規定される電圧がセンスMOSトランジスタTr20に印加されるようになっている。このような構成であっても、有効とされるメインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)の数を切り替えることによって、出力電流を切り替えることができる。なお、本実施形態に較べて第1および第2実施形態のようなセンス電流制御回路SCを採用したほうが、センスMOSトランジスタTr20のドレイン電流を高精度に維持できるが、高精度を要しない負荷300を駆動する場合には本実施形態に係るセンス電流制御回路SCを採用することによって部品点数や製造コストを低減することができる。
 (変形例2)
 第4実施形態におけるセンス電流制御回路SCの、センスMOSトランジスタTr20およびメインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)へ供給するゲート電流を高精度に制御するために、図10に示すように、Vds調整回路163を採用することができる。
 本変形例におけるVds調整回路163は、例えばウィルソン型のカレントミラー回路であり、2つの電流経路がセンスMOSトランジスタTr20およびメインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)のドレインにそれぞれ接続されている。これにより、各NMOSトランジスタのドレイン-ソース間電圧Vdsが一定に調整されるため、より精度良く各NMOSトランジスタのドレイン電流を制御することができる。
 (変形例3)
 センスMOSトランジスタTr20およびメインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)の閾値電圧や電荷の移動度は一般に温度特性を有しているので、温度の変化とともにIGBT200のゲート電圧が変化する虞がある。本変形例では、これを抑制するため、センス電流制御回路SCとして、第4実施形態および変形例2に示した参照電源162に適切な温度特性を持たせた構成を採用している。
 具体的には、本実施形態におけるオフ側回路160のセンス電流制御回路SCは、図11に示すように、オペアンプ161と、所定の電流をオペアンプ161の一方の入力端子に供給する電流源P3と、オペアンプ161に対して電流源P3と並列接続された感温素子164と、を有している。本変形例における感温素子164は、例えば感温ダイオードである。各NMOSトランジスタの閾値電圧や電荷の移動度は一般に負の温度特性を有し、また、感温ダイオードの電圧降下量(Vf)も負の温度特性を有する。このため、図11に示すように、オペアンプ161の非反転入力端子に電流源P3および感温ダイオードを接続し、反転入力端子にオペアンプ161の出力を負帰還させる。これによって、駆動装置100の温度上昇に合わせて、センスMOSトランジスタTr20およびメインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)のゲート電圧を低下させることができる。すなわち、温度によるIGBT200のゲート電圧の変化を抑制することができる。なお、感温素子164としては、感温ダイオードに限定されるものではない。
 (その他の実施形態)
 以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は上記した実施形態になんら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
 上記した実施形態では、IGBT200のゲート電流を規定する複数の電流経路をカレントミラーにより構成する例について示したが、これに限定されるものではない。IGBT200のゲート電荷の放電期間中に、ゲート電流を切り替えるために電流の経路をスイッチするような形態において、本開示を適用することができる。
 また、上記した実施形態では、IGBT200の温度を検出するための温度検出部として、感温ダイオードDを用いる例を示したが、この例に限定されず、例えば、サーミスタ等、温度に対応して出力電圧が変化するような素子であればよい。
 また、スイッチ回路SWにおいて、主回路125に定電流を供給する回路として、図3に示すような定電流回路126を例に示したが、温特調整回路127からの入力に対して、出力する電流値が変化するように構成してあれば上記例に限定されるものではない。
 また、上記した第1実施形態では、オン側回路110をPMOSトランジスタで構成し、オフ側回路120をNMOSトランジスタで構成する例を示したが、この関係は逆でもよい。この場合、オペアンプ111,121の出力は上記実施形態に対してそれぞれ反転するように構成される。
 上記した第4実施形態、変形例2および変形例3の説明は、オフ側回路に対してセンス電流制御回路SCのバリエーションを記載したものであるが、オン側回路110に適用することもできる。
 本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
 
 

Claims (10)

  1.  パワースイッチング素子(200)のオンオフを制御する駆動装置であって、
     前記パワースイッチング素子のオン動作を行うオン側回路(110)と、
     前記パワースイッチング素子のオフ動作を行うオフ側回路(120)と、
     前記パワースイッチング素子の温度を検出する温度検出部(D)と、を備え、
     前記オン側回路および前記オフ側回路の少なくとも一方の回路は、前記パワースイッチング素子のゲート電流を供給あるいは引き抜くための電流経路と、
     前記ゲート電流を切り替えるスイッチ回路(SW1~SW5,SW6~SW10)と、を有し、
     該スイッチ回路は、前記ゲート電流の切り替え時において、前記温度検出部により検出された前記パワースイッチング素子の温度に基づいて、前記ゲート電流を過渡的に変化させる駆動装置。
  2.  前記電流経路は、少なくとも2つの経路が存在し、
     前記ゲート電流は、前記スイッチ回路によって前記少なくとも二つの経路が切り替わることによって変化する請求項1に記載の駆動装置。
  3.  前記オフ側回路は、
     出力トランジスタとして前記電流経路を形成する複数のメインMOSトランジスタ(Tr10~Tr15)と、
     前記メインMOSトランジスタとゲートが共通で、前記メインMOSトランジスタに対してカレントミラーを構成することによって、前記メインMOSトランジスタのドレイン電流を規定するセンスMOSトランジスタ(Tr20)と、
     前記センスMOSトランジスタのドレイン電流を一定に制御するセンス電流制御回路(SC)と、を有し、
     さらに、前記スイッチ回路は、前記メインMOSトランジスタのゲートに接続され、前記メインMOSトランジスタのオンオフを制御することにより前記パワースイッチング素子における前記ゲート電流を切り替え、
     該スイッチ回路は、前記ゲート電流の切り替え時において、前記パワースイッチング素子の温度に基づいて前記メインMOSトランジスタのオン抵抗を制御し、前記ゲート電流を過渡的に変化させる請求項1または請求項2に記載の駆動装置。
  4.  前記センス電流制御回路は、
     参照電位(Vref)を発生させる参照電源(123)と、
     前記センスMOSトランジスタに直列接続された基準抵抗(122)と、
     前記基準抵抗と前記センスMOSトランジスタとの間の電位が前記参照電位に近づくように前記センスMOSトランジスタのゲートに出力を発生させるオペアンプ(121)と、を有して、
     前記センス電流制御回路は、前記センスMOSトランジスタのドレイン電流として前記基準抵抗の抵抗値と前記参照電位とによって決まる電流を流す請求項3に記載の駆動装置。
  5.  前記センス電流制御回路は、
     前記センスMOSトランジスタのゲートに出力を発生させるオペアンプ(161)と、
     所定の電流を前記オペアンプの一方の入力端子に供給する電流源(P2)と、
     前記オペアンプに対して前記電流源と並列接続された感温素子(164)と、を有して、
     前記センス電流制御回路は、温度に依存する前記感温素子の電圧降下に基づいて、前記センスMOSトランジスタのドレイン電流を変化させる請求項3に記載の駆動装置。
  6.  前記メインMOSトランジスタは少なくとも3つ以上のトランジスタが接続されて、前記ゲート電流が段階的に低下するとともに、
     該スイッチ回路は、前記ゲート電流の切り替え時において、前記ゲート電流を過渡的に変化させる請求項3~5のいずれか1項に記載の駆動装置。
  7.  前記オン側回路は、
     出力トランジスタとして前記電流経路を形成する複数のメインMOSトランジスタ(Tr50~Tr55)と、
     前記メインMOSトランジスタとゲートが共通で、前記メインMOSトランジスタに対してカレントミラーを構成することによって、前記メインMOSトランジスタのドレイン電流を規定するセンスMOSトランジスタ(Tr60)と、
     前記センスMOSトランジスタのドレイン電流を一定に制御するセンス電流制御回路(SC)と、を有し、
     さらに、前記スイッチ回路は、前記メインMOSトランジスタのゲートに接続され、前記メインMOSトランジスタのオンオフを制御することにより前記パワースイッチング素子における前記ゲート電流を切り替え、
     該スイッチ回路は、前記ゲート電流の切り替え時において、前記パワースイッチング素子の温度に基づいて前記メインMOSトランジスタのオン抵抗を制御し、前記ゲート電流を過渡的に変化させる請求項1または請求項2に記載の駆動装置。
  8.  前記センス電流制御回路は、
     参照電位(Vref)を発生させる参照電源(113)と、
     前記センスMOSトランジスタに直列接続された基準抵抗(112)と、
     前記基準抵抗と前記センスMOSトランジスタとの間の電位が前記参照電位に近づくように前記センスMOSトランジスタのゲートに出力を発生させるオペアンプ(111)と、を有して、
     前記センス電流制御回路は、前記センスMOSトランジスタのドレイン電流として前記基準抵抗の抵抗値と前記参照電位とによって決まる電流を流す請求項7に記載の駆動装置。
  9.  前記センス電流制御回路は、
     前記センスMOSトランジスタのゲートに出力を発生させるオペアンプ(161)と、
     所定の電流を前記オペアンプの一方の入力端子に供給する電流源(P3)と、
     前記オペアンプに対して前記電流源と並列接続された感温素子(164)と、を有して、
     前記センス電流制御回路は、温度に依存する前記感温素子の電圧降下に基づいて、前記センスMOSトランジスタのドレイン電流を変化させる請求項7に記載の駆動装置。
  10.  前記メインMOSトランジスタは少なくとも3つ以上のトランジスタが接続されて、前記ゲート電流が段階的に低下するとともに、
     該スイッチ回路は、前記ゲート電流の切り替え時において、前記ゲート電流を過渡的に変化させる請求項6~9のいずれか1項に記載の駆動装置。
     
     
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