CN102437718A - 栅极驱动电路以及开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

栅极驱动电路及开关电源装置。可减小电容器的电容、低成本地IC化。该电路具有第1电容器(C1)，一端经由启动电阻(R1)与直流电源(V1)的正极连接；第1开关(Q3)，具有第1电极、第2电极和第1控制电极，第1电极与第1电容器的一端连接，第2电极与直流电源负极即地连接；第2开关(Q4)，具有第3电极、第4电极和第2控制电极，第3电极与第1开关的第2电极及直流电源负极即地连接，第4电极与第1电容器的另一端连接；第2电容器(C2)，与第2开关的第3电极及第4电极并联连接，一端与直流电源负极即地连接；负电压控制部(Q1、Q2)，根据脉冲信号在开关元件断开时将开关元件的栅极与第1电容器的另一端及第2电容器的另一端连接来使开关元件的栅极成为负电压。

Description

栅极驱动电路以及开关电源装置
技术领域
本发明涉及对开关元件的栅极进行驱动的栅极驱动电路以及包含栅极驱动电路的开关电源装置。
背景技术
作为现有的栅极驱动电路，例如公知有专利文献1。在图4所示的专利文献1所记载的栅极驱动电路中，在主开关元件Q10的接通期间，使开关112、114、116接通，利用电源电压111来对电容器115进行充电。在电容器115中充入电源电压111的电压。
接着，在主开关元件Q10的断开期间，使开关112、114、116断开且使开关113、117接通。此时，可将在电容器115中积蓄的电压用作主开关元件Q10断开时的反向偏置电源。
因此，无需特别采用负电压用的电源就能够进行断开动作。此外，作为现有技术，例如公知有专利文献2。
【专利文献1】日本特开昭62-144572号公报
【专利文献1】日本特开2009-200891号公报
但是，现有的栅极驱动电路在主开关元件Q10断开时，利用具有电源电压111的电压的电容器115的放电电流来吸取主开关元件Q10的栅电容，所以电容器115的电容变大。
因此，电容器115相对于由IC(集成电路)构成的栅极驱动电路外置。即，为了外置电容器115，而需要在IC的端子上设置2个端子，当使栅极驱动电路IC化时，成本会变高。
另外，在启动时等、电容器115没有被充电的状态下、使栅极驱动电路进行高频动作的情况下，吸取电流(引き抜き電流)不足，开关速度变慢。
发明内容
本发明的课题是提供可减小电容器的电容并能够低成本地进行IC化的栅极驱动电路以及开关电源装置。
为了解决上述课题，本发明的栅极驱动电路驱动开关元件的栅极，其特征在于，该栅极驱动电路具有：第1电容器，其一端经由启动电阻与直流电源的正极连接；第1开关，其具有第1电极、第2电极和第1控制电极，所述第1电极与所述第1电容器的一端连接，所述第2电极与所述直流电源的负极即“地”连接；第2开关，其具有第3电极、第4电极和第2控制电极，所述第3电极与所述第1开关的第2电极以及所述直流电源的负极即“地”连接，所述第4电极与所述第1电容器的另一端连接；第2电容器，其与所述第2开关的第3电极以及第4电极并联连接，该第2电容器的一端与所述直流电源的负极即“地”连接；以及负电压控制部，其根据脉冲信号在所述开关元件断开时，将所述开关元件的栅极与所述第1电容器的另一端以及所述第2电容器的另一端连接，由此使所述开关元件的栅极成为负电压。
根据本发明，采用第1电容器的单电源，将第1开关的第1电极与第1电容器的正极连接，将第1开关的第2电极与第2开关的第3电极连接，将第2开关的第4电极与第1电容器的另一端连接，将第2电容器与第2开关并联连接，将第1开关的第2电极、第2开关的第3电极和第2电容器的一端的连接点、与直流电源负极即“地”连接，根据脉冲信号在开关元件断开时，将开关元件的栅极与第1电容器以及第2电容器的另一端连接，由此不采用第2电容器的充放电电流就能够使开关元件的栅极电压成为负电压。
因此，能够减小第2电容器的容量，所以能够将第2电容器包含在内来对栅极驱动电路1进行IC化。在对栅极驱动电路1进行IC化的情况下，具有这样的优点：第2电容器用的端子只要有1个端子TL1即可。
附图说明
图1是包含本发明实施例1的栅极驱动电路的开关电源装置的结构图。
图2是示出本发明实施例1的栅极驱动电路的动作的波形图。
图3是示出本发明实施例1的栅极驱动电路的动作的波形图。
图4是示出现有的栅极驱动电路的一例的图。
标号说明
V1直流电源；R1启动电阻；R2、R3、R5、R6、R7、R8、R9电阻；C1、C2、C3电容器；D1、D2、D3二极管；Q1～Q5MOSFET；Q6开关元件；T变压器；P11次绕组；S12次绕组；P2辅助绕组；G1比较器；G2反相器；G3“与非”电路；Vref基准电源；OSC振荡器；1栅极驱动电路；10电压检测电路。
具体实施方式
以下，参照附图对包含本发明实施方式的栅极驱动电路的开关电源装置进行详细说明。
【实施例1】
图1是包含本发明实施例1的栅极驱动电路的开关电源装置的结构图。图1所示的开关电源装置是反激方式的DC-DC转换器。
在图1中，直流电源V1的正极与变压器T的1次绕组P1的一端以及栅极驱动电路1内的启动电阻R1的一端连接，1次绕组P1的另一端与由开关元件构成的N型GaNFET Q6的漏极连接，GaNFET Q6的源极与直流电源V1的负极连接。
变压器T的2次绕组S1的两端连接有由整流平滑电路构成的二极管D2与电容器C3的串联电路，通过该整流平滑电路，将在2次绕组S1的两端产生的交流电压变换为直流电压。电压检测电路10检测在电容器C3的两端产生的直流电压，将该直流电压作为反馈信号FB输出到栅极驱动电路1内的振荡器OSC，使振荡器OSC的振荡频率根据反馈信号FB的值而变化。
栅极驱动电路1根据来自电压检测电路10的反馈信号FB与来自比较器G1的输出，使GaNFET Q6进行通断，由此将直流电源V1的直流电压经由变压器T的1次绕组P1变换为交流电压，使变压器T的2次绕组S1输出该交流电压。
变压器T的辅助绕组P2的两端连接有由整流平滑电路构成的二极管D1与电容器C1的串联电路，通过该整流平滑电路，将在辅助绕组P2的两端产生的交流电压变换为直流电压，将该直流电压作为启动后的电源电压提供给电容器C1。
栅极驱动电路1如以下这样构成。启动电阻R1的另一端与电容器C1(第1电容器)的一端、电阻R8的一端、电阻R5的一端、N型MOSFET Q3(第1开关)的漏极、P型MOSFET Q1的源极以及二极管D1的阴极连接。
电容器C1的一端经由启动电阻R1与直流电源V1的正极连接而被施加电压+Vcc，电容器C1的另一端与电容器C2(第2电容器)的一个端子连接，被施加电压-Vcc。电容器C1被用作单电源。
电容器C1的两端连接有电阻R8与电阻R9的串联电路、电阻R5、电阻R6与电阻R7的串联电路、N型MOSFET Q3与P型MOSFET Q4(第2开关)的串联电路、P型MOSFET Q1、电阻R2、电阻R3与N型MOSFET Q2的串联电路。在电阻R8与电阻R9的连接点处连接有具有滞后(システリシス)特性的比较器G1的同相输入端子，比较器G1的反相输入端子与基准电源Vref连接。
比较器G1的输出端子与反相器G2的输入端子以及“与非”电路G3的一个输入端子连接，反相器G2的输出端子与N型MOSFET Q5的栅极连接。N型MOSFETQ5的源极以及基准电源Vref的负极与电容器C1的另一端连接。
MOSFET Q5的漏极连接在电阻R5和电阻R6的连接点处，在电阻R5与电阻R6的连接点处连接有MOSFET Q3的栅极。MOSFET Q3的漏极与电阻R5的一端以及电容器C1的一端连接，MOSFET Q3的源极与P型MOSFET Q4的源极、电容器C2的一端、GaNFET Q6的源极以及直流电源V1的负极连接。
MOSFET Q4的栅极连接在电阻R6和电阻R7的连接点处，MOSFET Q4的源极与电阻R7的一端以及电容器C2的另一端连接。
“与非”电路G3求取来自振荡器OSC的脉冲信号与来自比较器G1的输出的“与非”结果，向P型MOSFET Q1的栅极与N型MOSFET Q2的栅极输出该“与非”的输出。
MOSFET Q1的源极与电容器C1的一端连接，MOSFET Q1的漏极与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与GaNFET Q6的栅极以及电阻R3的一端连接。电阻R3的另一端与N型MOSFET Q2的漏极连接，MOSFET Q2的源极与电容器C1、C2的另一端连接。MOSFET Q1和MOSFET Q2构成负电压控制部，该负电压控制部用于使GaNFET Q6的栅极在断开时成为负电压。
GaNFET Q6的漏极与变压器T的1次绕组P1的一端连接，GaNFET Q6的源极与直流电源V1的负极连接。
GaNFET Q6由GaNFET等HEMT(High Electron Mobility Transistor：高电子迁移率晶体管)构成。另外，也可以采用SiCFET等HEMT或MESFET(Metal InsulatorSemiconductor Field Effect Transistor：金属绝缘体半导体场效应晶体管)或MISFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor：金属半导体场效应晶体管)或MESHEMT或MISHEMT等，来替代GaNFET。此外，还可以采用双极型晶体管、J-FET(Junction FET：结型场效应管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)等晶体管。
此外，在以上的MOSFET中，漏极以及源极与第1电极以及第2电极对应，栅极与控制电极对应。
接着，参照图2以及图3所示的各个部的波形图来详细说明这样构成的实施例1的栅极驱动电路的动作。
在图2中，V1表示直流电源V1，Vc1表示电容器C1的电压，VA表示对比较器G1的同相输入端子施加的电压，G1out表示比较器G1的输出电压，Vcc表示对电容器C1的一端施加的电压，Vc2表示电容器C2的两端电压，Vgs表示GaNFET Q6的栅极-源极间的电压。
在图3中，OSC表示振荡器OSC的脉冲信号，Vg表示对GaNFET Q6的栅极施加的电压，Ig表示流过GaNFET Q6的栅极的电流，Id表示流过GaNFET Q6的漏极的电流，Vd表示对GaNFET Q6的漏极施加的电压。
首先，在图2中，在时刻t0施加直流电源V1时，在直流电源V1的正极→启动电阻R1→电容器C1→MOSFET Q4的本体二极管(body diode)→直流电源V1的负极的路径中，流过电流，对电容器C1进行充电。因此，电容器C1一端的电压Vcc直线地增加。
电容器C1的两端电压由串联连接的电阻R8和电阻R9进行检测。比较器G1将由电阻R8和电阻R9分压出的电压VA与基准电源Vref的电压进行比较。在由电阻R8和电阻R9分压出的电压VA小于基准电源Vref的电压的情况下，来自比较器G1的输出G1out成为低电平。
该低电平通过反相器G2进行反转而成为高电平，该高电平使MOSFET Q5接通，所以MOSFET Q4也接通。因此，电容器C2被短路，所以电压Vc2为零电压。
另外，同时，“与非”电路G3的一个输入端子被输入低电平，所以“与非”电路G3的输出成为高电平，该高电平使MOSFET Q1断开，MOSFET Q2接通。因此，GaNFET Q6的栅极经由电阻R3以及MOSFET Q2与电容器C1的另一端连接。即，对GaNFET Q6的栅极被施加零电压-Vcc，GaNFET Q6断开。
接着，在时刻t1，当由电阻R8和电阻R9分压出的电压VA变成基准电源Vref的电压时，比较器G1的输出成为高电平，高电平通过反相器G2进行反转而成为低电平，该低电平使MOSFET Q5断开，所以MOSFET Q4也断开。
因此，MOSFET Q3和MOSFET Q4利用电阻R5、电阻R6和电阻R7进行偏置，MOSFET Q3、Q4接通，电流流过MOSFET Q3、Q4。这里，关于MOSFET Q3、Q4的漏极电流，对用于决定偏置电流的电阻R5、R6、R7的电阻值进行设定以使得微小电流流过。
通过使漏极电流流过MOSFET Q3、Q4，各MOSFET Q3、Q4的漏极-源极间电压根据电阻R5、R6、R7的电阻比率对电容器C1的电压Vc1进行分压。即，在图2的时刻t1，与MOSFET Q3的源极、MOSFET Q4的源极、GaNFET Q6的源极、直流电源V1的“地”GND所连接的连接点电位GND之间具有以下这样的相关。
直流电源V1的接地GND是被分压成MOSFET Q3的漏极-源极间电压与MOSFET Q4的漏极-源极间电压的电位，电压Vcc的正极电压相对地下降。因此，负电压-Vcc作为MOSFET Q4的漏极-源极间电压被充入电容器C2(图2的电压Vc2)。
另外，在时刻t1，比较器G1的输出为高电平，与振荡器OSC的接通脉冲信号(图3的时刻t11的OSC)同步地使MOSFET Q1接通、MOSFET Q2断开时，电流Ig流过GaNFET Q6的栅极。漏极电流Id流过并上升。
在时刻t12，当GaNFET Q6的栅极电压Vg成为阈值VTH时，GaNFET Q6的漏极电压Vd为零。
另外，电流在电容器C1的Vcc侧→MOSFET Q1→电阻r1→稳压二极管ZD1→二极管D3→电容器C2→电容器C1的-Vcc侧的路径中流动。
接着，在时刻t13，与振荡器OSC的断开脉冲信号同步地使MOSFET Q1断开、MOSFET Q2接通时，GaNFET Q6的栅极经由电阻R3和MOSFET Q2被偏置成-Vcc，而成为负电位。
这样，根据实施例1的栅极驱动电路，采用电容器C1的单电源，将MOSFET Q3的漏极与电容器C1的一端连接，将MOSFET Q3的源极与MOSFET Q4的源极连接，将MOSFET Q4的漏极与电容器C1的另一端连接，将电容器C2与MOSFET Q4并联连接，将MOSFET Q3的源极、MOSFET Q4的源极和电容器C2一端的连接点与直流电源V1的“地”GND连接，根据脉冲信号在GaNFET Q6断开时，使GaNFETQ6的栅极与电容器C1、C2的另一端连接，由此不使用电容器C2的充放电电流就能够使GaNFET Q6的栅极电压成为负电压。
因此，可减小电容器C2的电容，所以能够将电容器C2包含在内来对栅极驱动电路1进行IC化。在对栅极驱动电路1进行IC化的情况下，具有这样的优点：电容器C2用的端子只要有1个端子TL1即可。
另外，因为不使用电容器C2的充放电电流，所以不会对高频动作产生影响，如图3所示，可使GaNFET Q6的断开时(时刻t13，t14)的延迟缩短，降低开关损耗。另外，常关型的GaNFET的栅极阈值电压例如是1～2V的低电压。对此，使GaNFET的断开时的栅极电压成为负电位，由此，例如将多个开关电源装置设置在同一装置内，对于来自其它开关电源装置的开关噪声等外来噪声，可取得较大的噪声容限，能够得到稳定的动作。
此外，电容器C1被充电，由电阻R8和电阻R9对电容器C1的充电电压进行分压后的电压超过基准电源Vref的电压后，栅极驱动电路1进行动作，所以从启动时起就能够稳定地驱动GaNFET Q6。
另外，在启动之后，可利用辅助绕组P2和二极管D1来向电容器C1提供辅助电源。另外，辅助绕组P2和二极管D1可兼用正负电源。
工业上的可利用性
本发明可应用于DC-DC转换器、AC-DC转换器等的开关电源装置。

Claims (4)

1.一种栅极驱动电路，其驱动开关元件的栅极，其特征在于，
该栅极驱动电路具有：
第1电容器，其一端经由启动电阻与直流电源的正极连接；
第1开关，其具有第1电极、第2电极和第1控制电极，所述第1电极与所述第1电容器的一端连接，所述第2电极与所述直流电源的负极即“地”连接；
第2开关，其具有第3电极、第4电极和第2控制电极，所述第3电极与所述第1开关的第2电极以及所述直流电源的负极即“地”连接，所述第4电极与所述第1电容器的另一端连接；
第2电容器，其与所述第2开关的第3电极以及第4电极并联连接，该第2电容器的一端与所述直流电源的负极即“地”连接；以及
负电压控制部，其根据脉冲信号在所述开关元件断开时，将所述开关元件的栅极与所述第1电容器的另一端以及所述第2电容器的另一端连接，由此使所述开关元件的栅极成为负电压。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，
该栅极驱动电路具有：
第1电阻，其一端与所述第1电容器的一端连接；
第2电阻，其一端与所述第1电阻的另一端连接，该第2电阻的另一端与所述第1电容器的另一端连接；以及
比较单元，其对所述第1电阻与所述第2电阻的连接点的电压、和基准电压进行比较，在所述连接点的电压小于所述基准电压时使所述第2开关接通，使所述第2电容器短路，在所述连接点的电压在所述基准电压以上时，使所述第1开关以及所述第2开关接通，对所述第2电容器进行充电。
3.根据权利要求1或2所述的栅极驱动电路，其特征在于，
所述开关元件由HEMT、MESFET、MISFET、双极型晶体管、J-FET、IGBT中的任意一个构成。
4.一种开关电源装置，其特征在于，
该开关电源装置具有：
权利要求1至3中任意1项所述的栅极驱动电路；
变压器，其具有1次绕组、2次绕组和辅助绕组，该变压器的一端与所述直流电源的正极连接，另一端与所述开关元件的一端连接；
整流平滑电路，其对在所述变压器的2次绕组中产生的电压进行整流平滑；
电压检测电路，其检测所述整流平滑电路的输出电压，输出到所述栅极驱动电路；以及
二极管，其阴极与所述第1电容器的一端连接，阳极与所述辅助绕组的一端连接，
所述辅助绕组的另一端与所述第1电容器的另一端连接。
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