CN103095104B

CN103095104B - 栅极驱动电路

Info

Publication number: CN103095104B
Application number: CN201210425762.7A
Authority: CN
Inventors: 麻生真司
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: US20130106468A1; JP2013099123A; CN103095104A

Abstract

本发明提供栅极驱动电路，其在逆电流流过能够双向导通的开关元件时降低开关元件的损耗。作为解决手段，其具有：驱动部（2），其对能够双向导通的开关元件（Q1）的栅极施加正电压而使其导通，对栅极施加负电压而使其截止；以及负电压解除部（3），其在逆向电流流过开关元件（Q1）之前解除对于栅极施加的负电压。

Description

栅极驱动电路

技术领域

本发明涉及对能够双向导通的开关元件进行栅极驱动的栅极驱动电路。

背景技术

作为具有传导度调制效果的栅极驱动型半导体元件的栅极驱动电路，例如在专利文献1公开了半导体装置的栅极驱动电路。在专利文献1的技术中，在栅极与切换输出电路之间插入将电容器与电阻器并联连接的栅极驱动电路，通过半导体装置的栅极输入电容与电容器的电压分割，将半导体元件的导通阈值电压以上的电压施加给栅极端子，使其进行高速导通动作，经过栅极驱动电路的电阻器提供维持传导度调制所需的电流。

由此，能够积极使用半导体元件的栅极电容，通过部件数量较少的简易电路构成，提供高速且低损耗的半导体装置的栅极驱动电路。

然而，在回流电流流过栅极驱动型半导体元件的电路中，若未在主电极间（例如源极与漏极之间）设置回流二极管则回流时的损耗会变大。即，在使用不具备体二极管的开关元件构成桥电路以驱动感应性负载时，有时流过负载的电流会回流。因此，使用不具备体二极管的开关元件的情况下，对开关元件并联地附加回流二极管。

【专利文献1】日本特开2010-51165号公报

能够双向导通的开关元件具有图11所示的特性。即，逆向的耐压依赖于栅极源极电压Vgs。不设置回流二极管的情况下，凭借依赖于栅极源极电压Vgs的漏极源极电压Vds而使得逆电流反向流过。因此，不设置回流二极管的情况下，会产生“漏极源极电压Vds×漏极源极电流Ids”的较大损耗。另外，回流二极管具有恢复特性，施加逆耐电压时的恢复电流导致的损耗和噪声的产生成为妨碍高效率化、低噪化和小型化的要因。

发明内容

本发明的课题在于提供一种在逆电流流过能够双向导通的开关元件时降低开关元件的损耗的栅极驱动电路。

为了解决上述课题，本发明涉及的栅极驱动电路的特征在于具有：驱动部，其对能够双向导通的开关元件的栅极施加正电压而使其导通，对所述栅极施加负电压而使其截止；以及负电压解除部，其在逆向电流流过所述开关元件之前解除对所述栅极施加的负电压。

根据本发明，负电压解除部在逆向电流流过开关元件之前解除对栅极施加的负电压，因此在不使用回流二极管的情况下也能够实现高效率化。另外，由于无需设置回流二极管，因此能实现低噪化和小型化。

附图说明

图1是表示本发明实施例1涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。

图2是表示本发明实施例1涉及的栅极驱动电路的主要部分的动作的时序图。

图3是表示应用了本发明实施例2涉及的栅极驱动电路的DC/DC转换器的构成的电路图。

图4是表示本发明实施例2涉及的栅极驱动电路的主要部分的动作的时序图。

图5是表示本发明实施例3涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。

图6是表示本发明实施例3涉及的栅极驱动电路的主要部分的动作的时序图。

图7是表示应用了本发明实施例4涉及的栅极驱动电路的DC/DC转换器的构成的电路图。

图8是表示本发明实施例4涉及的栅极驱动电路的主要部分的动作的时序图。

图9是表示本发明实施例5涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。

图10是表示本发明实施例6涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。

图11是表示由现有的栅极驱动电路驱动的、能够双向导通的开关元件的特性的图。

图12是表示现有的栅极驱动电路的构成的电路图。

图13是表示现有的栅极驱动电路的主要部分的动作的时序图。

符号说明

1控制部

2驱动部

3、3a、3b dV/dt检测部

Vin直流电源

Q1、Q4开关元件

R1～R4电阻

Co～C4电容器

Q2、Q3、Q5晶体管

P1、P2脉冲产生电路

D1～D4、Do1、Do2二极管

T1变压器

Ro负载

Lr电抗器

Np一次绕组

Ns1、Ns2二次绕组

Cri电流谐振电容器

具体实施方式

下面参见附图详细说明本发明的栅极驱动电路的几个实施方式。

实施例1

实施例1的栅极驱动电路的特征在于，对能够双向导通的开关元件的栅极施加正电压而使其导通，对栅极施加负电压而使其截止，在逆向电流流过开关元件之前解除对于栅极施加的负电压。

图1是表示本发明实施例1涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。栅极驱动电路具有开关元件Q1、控制部1、驱动部2、dV/dt检测部3。在直流电源Vin的两端连接有负载Ro与开关元件Q1的串联电路。

开关元件Q1由能够双向导通的栅极驱动型半导体元件构成。开关元件Q1由氮化镓场效应晶体管（GaNFET）构成。

控制部1具有脉冲产生电路P1，脉冲产生电路P1生成用于控制开关元件Q1的导通截止的脉冲信号，将生成的脉冲信号发送给驱动部2。

dV/dt检测部3对应于本发明的负电压解除部，检测出开关元件Q1的漏极源极电压Vds的时间变化即dV/dt，根据dV/dt检测输出，在逆向电流流过开关元件Q1之前解除对开关元件Q1的栅极施加负电压，将解除信号输出给驱动部2。具体地，dV/dt检测部3在检测到的dV/dt为负时解除对开关元件Q1的栅极施加负电压。

dV/dt检测部3具有电容器C2、二极管D1、PNP型晶体管Q2。电容器C2的一端与开关元件Q1的漏极连接，电容器C2的另一端与二极管D1的阳极和晶体管Q2的基极连接。二极管D1的阴极、晶体管Q2的发射极和开关元件Q1的源极，与直流电源Vin的负极连接。晶体管Q2的集电极与驱动部2的NPN型晶体管Q3的基极连接。

驱动部2根据来自脉冲产生电路P1的脉冲信号，对开关元件Q1的栅极施加正电压而使其导通，对开关元件Q1的栅极施加负电压而使其截止。而且，驱动部2在逆向电流流过开关元件Q1之前根据来自dV/dt检测部3的解除信号，解除对开关元件Q1的栅极施加负电压。

驱动部2具有电阻R1、电容器C1、电阻R2和晶体管Q3。电阻R1与电阻R2的串联电路设置于控制部1与开关元件Q1的栅极G之间。在电阻R1上并联连接有电容器C1。

晶体管Q3的发射极连接在电阻R1与电阻R2之间的连接点处，晶体管Q3的集电极与直流电源Vin的负极连接，晶体管Q3的基极与晶体管Q2的集电极连接。

参见图2所示的时序图说明如上构成的实施例1涉及的栅极驱动电路的动作。

图2中，P1表示脉冲产生电路P1的脉冲信号，Vds表示开关元件Q1的漏极源极电压，Vgs表示开关元件Q1的栅极源极电压。并且，由于开关元件Q1的栅极的阈值低，因而在开关元件Q1的截止期间内对栅极施加负电压。

首先，在时刻t1之前，正电压的脉冲信号P1被施加给开关元件Q1的栅极，因此开关元件Q1导通。

在时刻t1，若脉冲信号P1为零电压，则电容器C1的一端、即脉冲产生电路P1侧为正电压，电容器C1的另一端、即开关元件Q1的栅极侧为负电压，因此开关元件Q1的栅极-源极间电压Vgs成为负电压。因此，在时刻t1～t3的期间内，开关元件Q1截止。而且，在时刻t1～t2，开关元件Q1的漏极源极电压Vds上升，在时刻t2～t3维持一定电压。

在时刻t3，若电压Vds降低，则电流按照Q2的发射极→Q2的基极→C2→Q1的漏极→Q1的源极的路径流过，电容器C2的电压减少。即，以电容器C2的电压的时间变化检测开关元件Q1的电压Vds的dV/dt的检测。

而且，若晶体管Q2导通，则电流按照Q2的发射极→Q2的集电极→Q3的基极→Q3的发射极→C1→P1→Q3的集电极的路径流动，电容器C1放电，在时刻t3～t5变为零。

即，在开关元件Q1的电压Vds的dV/dt为负的时刻t3，解除电容器C1的负电压。因此，解除对于开关元件Q1的栅极施加的负电压。

而且，如图11的第3象限的特性图所示，成为栅电极OV的漏极-源极间电压。此处没有进行图示，而在时刻t4～t5，即使在源极-漏极方向产生回生电流时，漏极-源极间电压成为小的电压，降低了开关元件Q1的损耗。

如上，根据实施例1的栅极驱动电路，发挥图11所示的能够在双向导通的开关元件Q1的特性，在逆向电流流过开关元件Q1之前解除对开关元件Q1的栅极G施加的负电压，因此在逆电流流过开关元件Q1时也能够降低开关元件Q1的损耗。

因此，即使不在开关元件Q1并联设置回流二极管也能实现高效率化。还由于无需设置回流二极管，因此能实现低噪化和小型化。

实施例2

图3是表示应用了本发明实施例2涉及的栅极驱动电路的DC/DC转换器的构成的电路图。图3中，在直流电源Vin的两端连接有开关元件Q1与开关元件Q4的串联电路。开关元件Q1、Q4由能够双向导通的栅极驱动型半导体元件构成，由GaNFET构成。

第1栅极驱动电路具有开关元件Q1、脉冲产生电路P1、电阻R1、电容器C1、二极管D1、电容器C2、晶体管Q2，是删除了实施例1的栅极驱动电路中的晶体管Q3和电阻R2后得到的电路。第2栅极驱动电路具有开关元件Q4、脉冲产生电路P2、电阻R3、电容器C3、二极管D2、电容器C4、晶体管Q5，是删除了实施例1的栅极驱动电路中的晶体管Q3和电阻R2后得到的电路。实施例2的第1栅极驱动电路和第2栅极驱动电路与实施例1的栅极驱动电路为大致相同的构成，进行与实施例1的栅极驱动电路的动作相同的动作，因此可获得同样效果。

在开关元件Q4的漏极与源极之间连接有电抗器Lr、变压器T1的一次绕组Np和电流谐振电容器Cri的串联电路。在晶体管T1的第1二次绕组Ns1的一端连接有二极管D3的阳极，在第1二次绕组Ns1的另一端连接有第2二次绕组Ns2的一端。第2二次绕组Ns2的另一端与二极管D4的阳极连接，二极管D3、D4的阴极与电容器Co的一端和负载Ro的一端连接。电容器Co的另一端和负载Ro的另一端，与第1二次绕组Ns1和第2二次绕组Ns1之间的连接点连接。

并且，可按照电容器Co的两端电压值控制脉冲产生电路P1、P2的脉冲信号的频率。

根据图3所示的DC/DC转换器，在开关元件Q1导通而开关元件Q2截止的情况下，电流按照Vin的正极→Q1→Lr→Np→Cri→Vin的负极的路径流动。在变压器T1的二次侧，电流按照Ns1→D3→Co→Ns1的路径流动。

接着，在开关元件Q1截止，开关元件Q2截止的情况下，电流按照Cri→Q4→Lr→Np→Cri的路径流动。进而，在开关元件Q1处于截止状态，开关元件Q2导通的情况下，电流按照Cri→Np→Lr→Q4→Cri的路径流动。在变压器T1的二次侧，电流按照Ns2→D4→Co→Ns2的路径流动。

图4是表示本发明实施例2涉及的栅极驱动电路的主要部分的动作的时序图。图4中，Q1i表示开关元件Q1的漏极电流，Q1Vds表示开关元件Q1的漏极源极电压，P1表示脉冲产生电路P1的脉冲信号，Q1Vgs表示开关元件Q1的栅极源极电压，C2i表示在电容器C2上流动的电流，P2表示脉冲产生电路P2的脉冲信号，Q4Vgs表示开关元件Q4的栅极源极电压，C4i表示在电容器C4上流动的电流。

根据应用了实施例2涉及的栅极驱动电路的DC/DC转换器也能获得与实施例1涉及的栅极驱动电路的效果相同的效果。

实施例3

图5是表示本发明实施例3涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。实施例3涉及的栅极驱动电路的特征在于，设置了电压检测部4以代替实施例1涉及的栅极驱动电路的dV/dt检测部3。图5的其他构成都与图1所示构成相同，因此在此仅说明电压检测部4。

电压检测部4对应于本发明的负电压解除部，检测开关元件Q1的漏极电压，在检测到的开关元件Q1的漏极电压为负时，将用于解除对开关元件Q1的栅极施加的负电压的解除信号输出给驱动部2。驱动部2根据来自电压检测部4的解除信号解除对开关元件Q1的栅极施加的负电压。

电压检测部4由二极管D1、晶体管Q2构成。二极管D1的阴极与开关元件Q1的漏极连接，二极管D1的阳极与晶体管Q2的基极连接。晶体管Q2与晶体管Q3的连接关系与图1所示情况相同。

图6是表示本发明实施例3涉及的栅极驱动电路的主要部分的动作的时序图。图6中，时刻t11～t13的动作与图2所示时刻t1～t3的动作相同，因此省略这期间的动作。

在期间t14，若开关元件Q1的漏极源极电压Vds为负值，则电流按照Q2的发射极→Q2的基极→D1→Q1的漏极→Q1的源极的路径流动。即，以二极管D1的顺向电压检测开关元件Q1的电压Vds的负电压检测。

若晶体管Q2导通，则电流按照Q2的发射极→Q2的集电极→Q3的基极→Q3的发射极→C1→P1→Q3的集电极的路径流动，电容器C1放电，在时刻t13～t16为零。而且，由于二极管D1和晶体管Q2导通，因此开关元件Q1的栅极源极间短路，在时刻t14～t15的期间内，开关元件Q1的电压Vds成为图11所示的Vgs=0的特性。

如上，在开关元件Q1的电压Vds为负时，解除电容器C1的负电压。因此，解除对于开关元件Q1的栅极施加的负电压。因此，通过实施例3涉及的栅极驱动电路也能获得与实施例1涉及的栅极驱动电路相同的效果。

实施例4

图7是表示应用了本发明实施例4涉及的栅极驱动电路的DC/DC转换器的构成的电路图。图7中，第1栅极驱动电路具有开关元件Q1、脉冲产生电路P1、电阻R1、电容器C1、二极管D1、晶体管Q2，是删除了实施例3的栅极驱动电路中的晶体管Q3后得到的电路。第2栅极驱动电路具有开关元件Q4、脉冲产生电路P2、电阻R3、电容器C3、二极管D2、晶体管Q5，是删除了实施例3的栅极驱动电路中的晶体管Q3后得到的电路。实施例4的第1栅极驱动电路和第2栅极驱动电路与实施例3的栅极驱动电路为大致相同的构成，进行与实施例3的栅极驱动电路的动作相同的动作，因此可获得同样效果。

其它构成与图3所示的DC/DC转换器的构成大致相同，因此同样进行动作，因而省略对其说明。图8是表示本发明实施例4涉及的栅极驱动电路的主要部分的动作的时序图。图8中，Q4i表示开关元件Q4的漏极电流，Q4Vds表示开关元件Q4的漏极源极电压，Q4Vgs表示开关元件Q1的栅极源极电压。

图12是表示现有的栅极驱动电路的构成的电路图。图13是表示现有的栅极驱动电路的主要部分的动作的时序图。

实施例5

图9是表示本发明实施例5涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。实施例5涉及的栅极驱动电路的特征在于，对实施例1涉及的栅极驱动电路设置了在晶体管Q2的基极与二极管D1的阳极之间连接基极电阻R4的dV/dt检测部3a。

通过插入基极电阻R4，使得电容器C2的放电成为与电阻R4的时间常数，从而能够延长dV/dt检测部3a的dV/dt的检测时间。

实施例6

图10是表示本发明实施例6涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。实施例6涉及的栅极驱动电路的特征在于，对实施例5涉及的栅极驱动电路还设置了将二极管D5与电容器C2并联连接而成的dV/dt检测部3b。

根据实施例6涉及的栅极驱动电路，由于设置了电容器C2和二极管D5，因此在电容器C2的dV/dt电压检测结束后，由于具备二极管D5的电压检测功能，因此能够可靠地检测到漏极电压降至负电位的情况。还可以用二极管D5的PN结电容代替电容器C2。

并且，本发明不限于实施例1至6涉及的栅极驱动电路。例如对电压检测部3使用二极管的情况下，通过使用二极管的结电容，从而还能取代电容器进行使用。

另外，在表示实施例3涉及的栅极驱动电路的动作的图6中，在电压Vds从时刻t13到时刻t14由正电压变化为负电压的情况下，可将阈值Vth设定为零电压与电压Vds的最大值之间的电压值，在电压Vds为阈值Vth以下时，可解除对开关元件Q1的栅极施加的负电压。

而且，在上述各实施例中，使用氮化镓（GaN）这样的氮化物半导体作为开关元件，还可以使用碳化硅、金刚石等宽带隙半导体作为开关元件。

本发明可用作对能够双向导通的开关元件进行栅极驱动的栅极驱动电路。

Claims

1.一种栅极驱动电路，其特征在于具有：

驱动部，其对能够双向导通的开关元件的栅极施加正电压而使该开关元件导通，对所述栅极施加负电压而使该开关元件截止；以及

负电压解除部，其在逆向电流流过所述开关元件之前解除对所述栅极施加的负电压，

所述负电压解除部具有dV/dt检测部，该dV/dt检测部检测dV/dt，该dV/dt是所述开关元件的漏极与源极之间的电压的时间变化，在由所述dV/dt检测部检测到的dV/dt为负时，所述负电压解除部解除对所述栅极施加的负电压。

2.一种栅极驱动电路，其特征在于具有：

所述负电压解除部具有电压检测部，该电压检测部检测所述开关元件的漏极电压，在由所述电压检测部检测到的所述开关元件的漏极电压为负时，所述负电压解除部解除对所述栅极施加的负电压。

3.根据权利要求1或2中的任意一项所述的栅极驱动电路，其特征在于，

所述开关元件由宽带隙半导体构成。