JP2017005698A

JP2017005698A - Ｉｇｂｔ駆動装置

Info

Publication number: JP2017005698A
Application number: JP2016110815A
Authority: JP
Inventors: カン‐ウォオン・キム; Kwang-Woon Kim
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-01-05
Also published as: US20160359480A1; EP3101810A1; KR20160143909A; CN106253640A

Abstract

【課題】寄生ターンオン電圧の発生が抑制された大容量ＩＧＢＴの単電源駆動装置を提供する。【解決手段】ＩＧＢＴ駆動装置は、アクティブミラークランプ機能が備えられたゲートドライバＩＣと、ＩＧＢＴのゲートとエミッタとの間に設けられる外部キャパシタ４２０と、ゲートドライバＩＣの出力信号を反転させるための信号反転部４３０と、信号反転部４３０の出力信号に対応するように外部キャパシタ４２０に印加される電源をスイッチングするためのスイッチング部４４０と、を含む。【選択図】図４

Description

本発明は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）駆動装置に関し、より詳細には、大容量ＩＧＢＴの単電源駆動装置に関する。

ＩＧＢＴは、電力用半導体の一つであり、主に３００Ｖ以上の電圧領域で広く使用されており、高効率、高速の電力システムに特に多く使用されている。

かかるＩＧＢＴを駆動するためには、両電源または単電源が使用される。

両電源とは、ＩＧＢＴ素子の駆動のためにターンオン（ｔｕｒｎｏｎ）電圧として＋電圧を、ターンオフ（ｔｕｒｎｏｆｆ）電圧として−電圧を使用する電源を意味しており、かかる両電源を使用する場合、ミラーキャパシタンス（ＭｉｌｌｅｒＣａｐａｃｉｔａｎｃｅ）およびストレイインダクタンス（ＳｔｒａｙＩｎｄｕｃｔａｎｃｅ）による寄生ターンオン電圧（ｐａｒａｓｉｔｉｃｔｕｒｎ‐ｏｎｖｏｌｔａｇｅ）を考慮しなくてもよいという利点がある一方、設置費用や設置空間などの面において欠点がある。

これに対し、単電源とは、ターンオン電圧として＋電圧を使用し、ターンオフ電圧として０を使用する電源を意味しており、使用される素子の数が少ないことから費用や設置空間などにおいて利点を有するが、ミラーキャパシタンス（ＭｉｌｌｅｒＣａｐａｃｉｔａｎｃｅ）およびストレイインダクタンス（ＳｔｒａｙＩｎｄｕｃｔａｎｃｅ）による寄生ターンオンの発生に留意しなければならないという欠点を有する。

図１は従来技術に係るＩＧＢＴ単電源駆動装置を示す説明図であり、図２は図１のＩＧＢＴ単電源駆動装置による寄生ターンオン現象を説明するためのグラフである。

図１および図２を参照すると、ＩＧＢＴのコレクタ（Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）とエミッタ（Ｅｍｉｔｔｅｒ）との間の電圧Ｖｃｅが上昇したときにコレクタ（Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）とゲート（Ｇａｔｅ）との間のミラーキャパシタンスＣｃｇにより電流Ｉｃｇが生成される。コレクタとゲートとの間の電流Ｉｃｇは、以下の式（１）のように求めることができる。

Ｉｃｇ＝Ｃｃｇ×（ｄＶｃｅ／ｄｔ）・・・（１）

かかるコレクタとゲートとの間の電流Ｉｃｇは、ゲート抵抗Ｒｇにより電圧に変換される。図２の点線部分を参照すると、Ｖｃｅの上昇エッジでゲート抵抗Ｒｇによる寄生電圧Ｐの生成を確認することができる。

また、かかる寄生電圧Ｐは、意図とは無関係にＩＧＢＴをターンオンさせ得るという問題があった。

本発明は、上述の問題点を解決するために導き出されたものであり、大容量ＩＧＢＴの単電源駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、以上で言及した目的に制限されず、言及されていない本発明の他の目的および利点は、下記の説明により理解され、本発明の実施形態によってより明らかに理解される。また、本発明の目的および利点は、特許請求の範囲に示された手段およびその組み合わせにより実現可能であることを容易に分かることができる。

上述の目的を達成するための本発明は、アクティブミラークランプ（ＡｃｔｉｖｅＭｉｌｌｅｒＣｌａｍｐ）機能が備えられたゲートドライバＩＣおよび前記ゲートドライバＩＣの出力信号により駆動されるＩＧＢＴのゲート（Ｇａｔｅ）とエミッタ（Ｅｍｉｔｔｅｒ）との間に設けられ、寄生ターンオン電圧（ｐａｒａｓｉｔｉｃｔｕｒｎ‐ｏｎｖｏｌｔａｇｅ）の発生を防ぐための外部キャパシタＣｇｅ_ｅｘｔを備えるＩＧＢＴ駆動装置であって、前記ゲートドライバＩＣの出力信号を反転させるための信号反転部と、前記信号反転部の出力信号に対応するように外部キャパシタに印加される電源をスイッチングするためのスイッチング部と、を含むＩＧＢＴ駆動装置を提供することができる。

ここで、前記スイッチング部は、前記ゲートドライバＩＣの出力がハイ（Ｈｉｇｈ）のときにオフ（Ｏｆｆ）信号を出力して前記外部キャパシタをオープン（ｏｐｅｎ）させ、前記ゲートドライバＩＣの出力がロー（Ｌｏｗ）のときにオン（Ｏｎ）信号を出力して前記外部キャパシタをショート（ｓｈｏｒｔ）させるように構成されることが好ましい。

この際、前記信号反転部は、ＮＯＴゲート（ＮｏｔＧａｔｅ）または反転信号を出力させるためのスイッチング素子からなることができる。

上述のような本発明によれば、通常のＩＧＢＴ単電源駆動装置に設けられるゲートとエミッタとの間のキャパシタによって追加電力が必要となることを防ぐことができるという効果がある。

これにより、ＩＧＢＴ単電源駆動装置において追加電力を必要とすることなく寄生ターンオン電圧の発生を防ぐことができることから、より安定的且つ効率的な運用が可能なＩＧＢＴ単電源駆動装置を提供可能にするなどの利点がある。

従来技術に係るＩＧＢＴ単電源駆動装置を示す説明図である。図１のＩＧＢＴ単電源駆動装置による寄生ターンオン現象を説明するためのグラフである。通常のＩＧＢＴ単電源駆動装置を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るＩＧＢＴ単電源駆動装置を示す説明図である。本発明の他の実施形態に係るＩＧＢＴ単電源駆動装置を示す説明図である。本発明の実施形態に係るＩＧＢＴ駆動装置に適用される信号波形を説明するためのグラフである。

上述の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照して詳細に後述しており、これにより、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施することができる。本発明を説明するにあたり、本発明に関する公知技術に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断した場合には、詳細な説明を省略する。

以下、添付の図面を参照して本発明に係る好ましい実施形態を詳細に説明する。図面において同一の参照符号は同一または類似の構成要素を指すものとして使用される。

図３は通常のＩＧＢＴ単電源駆動装置を示す説明図である。

図３を参照すると、通常のＩＧＢＴ単電源駆動装置は、図１および図２を参照して説明したような問題点を解決するためのものであり、ＩＧＢＴのゲート端子を介して制御信号を印加するためのゲートドライバＩＣ（ＧａｔｅＤｒｉｖｅｒＩＣ）がアクティブミラークランプ（ＡｃｔｉｖｅＭｉｌｌｅｒＣｌａｍｐ）の機能を有するクランプ端子３１０を備える。なお、ＩＧＢＴのゲート（Ｇａｔｅ）とエミッタ（Ｅｍｉｔｔｅｒ）との間に外部キャパシタ３２０（Ｃｇｅ_ｅｘｔ）が配置される。参考までに、アクティブミラークランプ機能とは、ゲートとドレインとの間に存在するミラーキャパシタンス（Ｍｉｌｌｅｒｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）により発生する電気的振動を能動的（ａｃｔｉｖｅ）な方法で低減させる機能を意味する。

すなわち、ゲートドライバＩＣのクランプ端子３１０を介して電流Ｉｃｇを放電させる一方、外部キャパシタ３２０の充電／放電により寄生ターンオン電圧の生成を防ぐことにより、ＩＧＢＴの単電源駆動回路が寄生ターンオン電圧の生成による誤作動を起こすことなく駆動するようにする機能を果たす。

したがって、外部キャパシタ３２０の容量が増加するほどＩＧＢＴの駆動安定性が向上するため、キャパシタの並列連結などにより外部キャパシタＣｇｅ_ｅｘｔの容量が最大化するように回路を構成できればよい。

しかしながら、この場合、ＩＧＢＴをＯｎ／Ｏｆｆするための電力以外に、外部キャパシタ３２０を充電／放電させるための電力がさらに必要となるという問題点がある。

つまり、ＩＧＢＴ素子のみを駆動させるための電力Ｐｇは、以下の式（２）のように求めることができる。

Ｐｇ＝Ｖ×Ｑｇ×ｆｃ・・・（２）
（ただし、Ｖ：駆動電圧、Ｑｇ：ｇａｔｅｃｈａｒｇｅ、ｆｃ：スイッチング周波数）

しかしながら、図３のような外部キャパシタＣｇｅ_ｅｘｔが追加される場合、ＩＧＢＴ駆動装置が必要とする電力Ｐｇは、以下の式（３）のとおりになる。

Ｐｇ＝（Ｖ×Ｑｇ×ｆｃ）＋（Ｃｇｅ×ｆｃ×Ｖ^２）・・・（３）
（ただし、Ｃｇｅ：ゲート‐エミッタ両端のキャパシタ）

すなわち、図３のような通常のＩＧＢＴ単電源駆動装置は、ゲートとエミッタとの間の追加キャパシタ（外部キャパシタ３２０）によって、キャパシタの充電／放電に必要な分だけの追加電力が必要となるという問題点がある。

図４は本発明の一実施形態に係るＩＧＢＴ駆動装置を示す説明図である。

図４を参照すると、本発明の一実施形態に係るＩＧＢＴ駆動装置は、図３のような通常のＩＧＢＴ駆動装置において、ゲートドライバＩＣの出力端と連結された信号反転部４３０と、信号反転部４３０の出力信号に対応するように外部キャパシタ４２０に印加される電源をスイッチングするためのスイッチング部４４０と、を備えることを確認することができる。

ゲートドライバＩＣは、入力される制御信号に対応するようにＩＧＢＴの駆動信号を出力する。

ゲートドライバＩＣから出力された駆動信号は、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２およびゲート抵抗Ｒｇを介してＩＧＢＴ素子のゲート端子に入力される。この場合、ＩＧＢＴのコレクタとゲートとの間に電流Ｉｃｇが生成され、かかる電流Ｉｃｇがゲート抵抗Ｒｇを介して寄生ターンオン電圧に変換されることについては上述している。

これを解決するために図３のような技術が提案されており、かかるＩＧＢＴ駆動装置は、ゲートドライバＩＣのクランプ端子を介して電流Ｉｃｇを放電させる一方、外部キャパシタの充電／放電により寄生ターンオン電圧の生成を防ぐ。これにより、ＩＧＢＴの単電源駆動回路が寄生ターンオン電圧の生成による誤作動を起こすことなく駆動するようにする機能を果たす。

しかしながら、前記の技術は、外部キャパシタの駆動のための追加電力が必要となるという問題点がある。

この問題点を解決するために、図４に図示されているように本発明の実施形態に係るＩＧＢＴ駆動装置は、ＮＯＴゲート（ＮｏｔＧａｔｅ）素子などからなる信号反転部４３０と、トランジスタ素子などからなるスイッチング部４４０と、をさらに備える構成を提供する。すなわち、本発明の実施形態に係るＩＧＢＴ駆動装置は、ＩＧＢＴのゲートＧとエミッタＥとの間に連結される外部キャパシタＣｇｅ_ｅｘｔと、ゲートドライバＩＣの出力信号を反転させる信号反転部４３０と、信号反転部４３０の出力信号に基づいて、外部キャパシタＣｇｅ_ｅｘｔに電源を供給するスイッチング部４４０と、を含む。

つまり、ゲートドライバＩＣの出力端子と連結される信号反転部４３０は、ＩＧＢＴに印加される信号の反転信号をスイッチング部４４０に印加し、かかるスイッチング部４４０を介して外部キャパシタ４２０に電力が供給される。このため、ゲートドライバＩＣの出力がハイ（Ｈｉｇｈ）のときには、ＩＧＢＴをターンオンさせるための電力は完全にＩＧＢＴの駆動信号として使用可能である。一方、ゲートドライバＩＣの出力がロー（Ｌｏｗ）のときには、信号反転部４３０により外部キャパシタ４２０を充電させるために駆動信号が使用されるため、更なる電力の消耗を防ぐことができる。

すなわち、ゲートドライバＩＣの出力がハイ（Ｈｉｇｈ）のときに、信号反転部４３０は、オフ（Ｏｆｆ）信号を出力して外部キャパシタ４２０をオープン（ｏｐｅｎ）させ、ゲートドライバＩＣの出力がロー（Ｌｏｗ）のときに、信号反転部４３０は、オン（Ｏｎ）信号を出力して外部キャパシタをショート（ｓｈｏｒｔ）させる機能を果たす。

したがって、外部キャパシタ４２０の充電／放電のための更なる電力の消耗なくＩＧＢＴ単電源駆動回路の寄生ターンオン電圧の問題を解決できるという効果を提供することができる。

図５は本発明の他の実施形態に係るＩＧＢＴ駆動装置を示す説明図である。

図５を参照すると、本発明の他の実施形態に係るＩＧＢＴ駆動装置は、図４のＩＧＢＴ駆動装置において、信号反転部４３５がＮＯＴゲート（ＮｏｔＧａｔｅ）ではなく、スイッチング素子を用いて構成されることを確認することができる。

図４を参照して説明したように、本発明は、ゲートドライバＩＣから供給される駆動信号がＩＧＢＴのゲート端子に入力される一方、その反転信号がスイッチング部４４０を介して外部キャパシタ４２０に印加される。この際、信号反転部４３５をＮＯＴゲート（ＮｏｔＧａｔｅ）ではなく、スイッチング素子により構成するように変形した実施形態を図５に図示した。

すなわち、信号反転部４３５をトランジスタのようなスイッチング素子を用いて具現し、ゲートドライバＩＣの出力電圧がベース端子を介して入力されるときにコレクタ端子による出力信号をスイッチング部４４０の入力信号として使用する。これにより、ＩＧＢＴのゲート端子に印加されるゲートドライバＩＣの駆動信号と反転される信号が、信号反転部４３５を介してスイッチング部４４０に印加されることができる。

しかしながら、これは、本発明の一例示であって、ゲートドライバＩＣの出力信号に対する反転信号を生成してスイッチング部４４０に供給するための信号反転部４３５の構成が通常のいかなる方式により具現されてもよいことは、通常の技術者にとって自明であろう。

ゲートドライバＩＣの出力端子と連結される信号反転部４３５がＩＧＢＴに印加される信号の反転信号をスイッチング部４４０に印加することになり、かかるスイッチング部４４０を介して外部キャパシタ４２０に電力が供給されるため、ゲートドライバＩＣの出力がハイ（Ｈｉｇｈ）のときにＩＧＢＴをターンオンさせるための電力は、完全にＩＧＢＴの駆動信号として使用されることができる。一方、ゲートドライバＩＣの出力がロー（Ｌｏｗ）のときには、信号反転部４３０により外部キャパシタ４２０を充電させるために駆動信号が使用されるため、更なる電力の消耗を防ぐことが可能になる構成は、前記図４に関する説明と同様である。

すなわち、ゲートドライバＩＣの出力がハイ（Ｈｉｇｈ）のときに、信号反転部４３５は、オフ（Ｏｆｆ）信号を出力して外部キャパシタ４２０をオープン（ｏｐｅｎ）させる。また、ゲートドライバＩＣの出力がロー（Ｌｏｗ）のときに、信号反転部４３５は、オン（Ｏｎ）信号を出力して外部キャパシタをショート（ｓｈｏｒｔ）させる機能を果たす。

したがって、外部キャパシタ４２０の充電／放電のための更なる電力の消耗なくＩＧＢＴ単電源駆動回路の寄生ターンオン電圧の問題を解決できるという効果を提供することができることについては上述している。

図６は本発明の実施形態に係るＩＧＢＴ駆動装置に適用される信号波形を説明するためのグラフである。

図６を参照すると、ゲートドライバＩＣの出力信号ＯＵＴとスイッチング部４４０の駆動のための信号Ｑ３が互いに相反する波形を示す。これにより、電力の更なる供給がなくても外部キャパシタの充電／放電のための電源の提供が可能になることを確認することができる。

また、かかる効果は、相対的に少ない電力でＩＧＢＴ駆動装置を運用可能にすることにおいても現れるが、同一の電力を使用する場合よりも安定的且つ効率的なＩＧＢＴ駆動装置の運用が可能であるという利点としても現れることができる。

つまり、外部キャパシタの容量が増加するほど寄生ターンオン電圧に対する抑制効果が増加することから、大容量の外部キャパシタを使用したり多数のキャパシタを並列連結して外部キャパシタを具現しても、本発明の実施形態に係るＩＧＢＴ駆動装置は、通常のＩＧＢＴ駆動装置よりも少ない電力で運用が可能であるという利点を提供することができる。

本発明の各実施形態に係るＩＧＢＴ単電源駆動装置は、ＩＧＢＴの駆動のための制御信号を出力するゲートドライバＩＣと、ＩＧＢＴのゲートとエミッタとの間に連結される外部キャパシタと、ゲートドライバＩＣの出力信号を反転する信号反転部と、信号反転部の出力信号に基づいてターンオンした場合に外部キャパシタに電源を供給するスイッチング部と、を含む。また、スイッチング部は、ゲートドライバＩＣが出力する信号の反転信号に基づいてターンオンするため、スイッチング部は、ＩＧＢＴとは逆に駆動される。すなわち、ＩＧＢＴがターンオフ状態のときに、ゲートドライバＩＣの出力信号は、信号反転部により反転され、スイッチング部をターンオンさせ、外部キャパシタに電源として供給される。これにより、本発明の各実施形態に係るＩＧＢＴ単電源駆動装置は、外部キャパシタにより寄生ターンオン電圧を防ぐことができ、且つ外部キャパシタのための追加電力を必要としないことから、より安定的且つ効率的に応用されることができる。

上述のような本発明は、本発明が属する技術分野における通常の技術者にとって本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な置換、変形および変更が可能であるため、上述の実施形態および添付の図面により限定されるものではない。

３１０：クランプ端子
３２０：外部キャパシタ
４２０：外部キャパシタ
４３０：信号反転部
４３５：信号反転部
４４０：スイッチング部
Ｃｇｅ_ｅｘｔ：外部キャパシタ
Ｅ：エミッタ
Ｇ：ゲート
ＩＣ：ゲートドライバ
Ｉｃｇ：電流
ＯＵＴ：出力信号
Ｐ：寄生電圧
Ｐｇ：電力
Ｑ１：スイッチ素子
Ｑ２：スイッチ素子
Ｑ３：信号
Ｒｇ：ゲート抵抗
Ｖｃｅ：電圧

Claims

ＩＧＢＴを駆動するための信号を供給するゲートドライバＩＣを備えるＩＧＢＴ駆動装置であって、
前記ＩＧＢＴのゲートとエミッタとの間に設けられる外部キャパシタと、
前記ゲートドライバＩＣの出力信号を反転させる信号反転部と、
前記信号反転部の出力信号に基づいて、外部キャパシタに電源を供給するスイッチング部と、を含む、ＩＧＢＴ駆動装置。
前記スイッチング部は、前記ゲートドライバＩＣの出力信号がハイのときに前記外部キャパシタをオープンさせ、前記ゲートドライバＩＣの出力信号がローのときに前記外部キャパシタをショートさせる、請求項１に記載のＩＧＢＴ駆動装置。
前記ゲートドライバＩＣの出力信号がハイの場合には、前記ＩＧＢＴはターンオンし、前記スイッチング部はターンオフし、
前記ゲートドライバＩＣの出力信号がローの場合には、前記ＩＧＢＴはターンオフし、前記スイッチング部は、前記信号反転部から供給されたハイレベルの出力信号に基づいてターンオンし、前記外部キャパシタは、ターンオンした前記スイッチング部を介して供給された電源で充電される、請求項１または２に記載のＩＧＢＴ駆動装置。
前記信号反転部は、ＮＯＴゲートからなる、請求項１から３のいずれか１項に記載のＩＧＢＴ駆動装置。
前記信号反転部は、反転信号を出力するスイッチング素子からなる、請求項１から３のいずれか１項に記載のＩＧＢＴ駆動装置。