CN105027442A - 开关元件驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够高速且稳定地执行对开关元件的过电流保护动作的开关元件驱动电路。具备：比较器，在对开关元件进行导通-关断驱动的驱动电路主体的输出电压超过第一基准电压时，驱动与上述开关元件的控制端子连接的第一控制元件而使上述输出电压降低；差分放大器，根据上述驱动电路主体的输出电压与比上述第一基准电压低的第二基准电压之间的电压差来驱动与上述开关元件的控制端子连接的第二控制元件，以将上述输出电压保持在上述第二基准电压；以及动作停止部，在利用电流检测部检测到过电流时，允许由上述比较器和上述差分放大器进行的上述第一控制元件和第二控制元件的驱动。

Description

开关元件驱动电路
技术领域
本发明涉及具备对IGBT和/或MOS-FET等开关元件的过电流保护功能的开关元件驱动电路。
背景技术
作为驱动交流负载的电力变换器，已知的有具备通过图腾柱连接而形成半桥电路、并通过交替地进行导通-关断动作而开关直流电压的两个开关元件Q1、Q2的电力变换器。其中，上述开关元件Q1、Q2由例如高耐压IGBT和/或高耐压MOS-FET构成。另外，也已知在对上述开关元件Q1、Q2进行导通-关断驱动的开关元件驱动电路中内置针对该开关元件Q1、Q2的过电流保护电路。
图6是表示现有的开关元件驱动电路的一个例子的主要部分的简要构成图，Q1～Q6表示由六个IGBT构成的开关元件，所述开关元件针对三相交流负载的各相(U相、V相、W相)形成半桥电路。上述开关元件驱动电路1分别针对这些各开关元件Q1～Q6设置，并在预定的相位关系下相互关联且分别对上述各开关元件Q1～Q6进行导通-关断驱动。
应予说明，在图6中，对于针对上述开关元件Q2的开关元件驱动电路1进行了示出，但针对其它开关元件Q1、Q3～Q6的开关元件驱动电路也同样地构成。
在此，上述开关元件驱动电路1具备对上述开关元件Q2施加预定的栅极电压VG而对该开关元件Q2进行导通-关断驱动的驱动电路主体2。该驱动电路主体2由例如图腾柱连接的p沟道MOS-FET和n沟道MOS-FET构成。这些p沟道MOS-FET和n沟道MOS-FET接收驱动控制信号CS，互补地进行导通-关断动作而以脉冲形式生成上述栅极电压VG。
另外，上述开关元件驱动电路1所具备的过电流保护电路3具备比较器CMP，所述比较器CMP将在上述开关元件Q2中流通的电流经由分压电阻R1、R2进行电压变换后检测，并且比较其检测电压Vi和预定过电流阈值的参考电压Vb1。该比较器CMP通过在过电流检测时设置触发器FF，从而起到禁止上述驱动控制信号CS向上述p沟道MOS-FET输入的作用。因此，在设置上述触发器FF时，停止通过上述驱动电路主体2进行的上述开关元件Q2的导通驱动。
另外，上述过电流保护电路3具备基于设定成比上述参考电压Vb1高的参考电压Vb2(＞Vb1)和上述检测电压Vi来控制施加到上述开关元件Q2的上述栅极电压VG的差分放大器AMP。该差分放大器AMP在上述检测电压Vi比上述参考电压Vb2高时，通过将上述栅极电压VG降低到上述参考电压Vb2，从而起到将上述开关元件Q2从过电流状态释放的作用。对于上述差分放大器AMP对在上述开关元件Q2中流通的电流的抑制作用，例如如专利文献1中详细介绍。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-62860号公报
发明内容
技术问题
在如上构成的开关元件驱动电路1中，由于在过电流检测时关断控制上述p沟道MOS-FET，所以上述栅极电压VG的抑制控制只能专门通过上述差分放大器AMP进行。具体而言，如图7中示出上述栅极电压VG的变化那样，在上述驱动控制信号CS反转为低电平时，与此相伴，上述p沟道MOS-FET进行导通动作而上述栅极电压VG上升。然后，接受上述栅极电压VG而上述开关元件Q2进行导通动作，在该开关元件Q2中流通的电流增加。并且，如果在上述开关元件Q2中流通的电流(检测电压Vi)超过过电流阈值(参考电压Vb2)，则上述栅极电压VG受到经由上述差分放大器AMP的反馈控制被抑制而收敛到上述参考电压Vb2。
然而，如上所述，在控制上述栅极电压VG时，期望尽量提高其控制响应性而抑制过电流检测时的上述栅极电压VG的过度上升。然而在上述的经由差分放大器AMP的控制反馈环路中，迟延时间长。因此，存在过电流检测时的高速响应困难的问题。并且，也存在经由上述差分放大器AMP的控制响应时间容易受到上述开关元件Q2的栅极电容的影响的问题。
本发明是考虑到这种情况而完成的，其目的在于提供一种提高在过电流检测时的相对于开关元件的栅极电压的控制响应性，并且能够使该栅极电压迅速收敛为一定电压而有效地保护上述开关元件远离过电流的开关元件驱动电路。
技术方案
为了实现上述目的，本发明的开关元件驱动电路的特征在于，具备：
例如驱动电路主体，控制对由高耐压IGBT或高耐压MOS-FET构成的开关元件的控制端子施加的栅极电压而驱动该开关元件进行导通-关断；
电流检测部，在上述开关元件中流通的电流超过过电流阈值时，输出针对该开关元件的驱动停止信号；
比较器，在上述驱动电路主体的输出电压超过第一基准电压时，驱动与上述开关元件的控制端子连接的第一控制元件而使上述输出电压降低；
差分放大器，根据上述驱动电路主体的输出电压与比上述第一基准电压低的第二基准电压之间的电压差来驱动与上述开关元件的控制端子连接的第二控制元件，以将上述输出电压保持在上述第二基准电压；以及
动作停止部，在上述电流检测部输出上述驱动停止信号时，允许由上述比较器和上述差分放大器进行的上述第一控制元件和第二控制元件的驱动。
优选上述动作停止部构成为具备：栅极电路，在输出上述驱动停止信号时将上述比较器的输出施加到上述第一控制元件；和第三控制元件，在没有输出上述驱动停止信号时强制性关断上述第二控制元件。另外，优选上述驱动电路主体具备输入栅极电路，例如在其输入段，在上述驱动停止信号的输出时禁止驱动控制信号向该驱动电路主体输入而使上述开关元件的导通-关断驱动停止。
应予说明，上述各第一控制元件～第三控制元件例如由MOS-FET构成。另外，对于上述第一控制元件和第二控制元件，优选设置为根据上述开关元件的栅极电容能够调整其饱和电流量。
有益效果
根据上述构成的开关元件驱动电路，在上述驱动电路主体的输出电压超过第一基准电压时，与上述开关元件的控制端子连接的第一控制元件通过上述比较器被导通驱动，上述开关元件的栅极电压被控制为迅速降低。并且，由于仅导通驱动上述第一控制元件，所以与经由现有的差分放大器的上述栅极电压的反馈控制相比，能够快速降低上述开关元件的栅极电压，能够提高其控制响应性。
另外，根据控制响应性的差异而利用上述比较器进行的上述栅极电压的降低控制起作用后，使利用上述差分放大器进行的第二控制元件的反馈控制起到作用。其结果，在上述差分放大器的控制下经由上述第二控制元件控制上述栅极电压，使该栅极电压收敛到一定的电压。因此，利用上述比较器进行的上述第一控制元件的控制与利用上述差分放大器进行的上述第二控制元件的控制相结合，在过电流发生时，能够以良好的控制响应性且快速地使上述栅极电压收敛到一定电压，能够稳定地保持该收敛状态。因此，能够提高过电流发生时的响应性，可靠地保护上述开关元件。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的开关元件驱动电路的简要构成图。
图2是用于说明图1所示的开关元件驱动电路的动作的时间图。
图3是用于说明本发明的开关元件驱动电路的效果的图。
图4是表示开关元件的依赖于栅极电容的控制响应特性的差异的图。
图5是表示上述第二控制元件的调整了饱和电流量时的控制响应特性的图。
图6是表示具备过电流保护功能的现有的开关元件驱动电路的一个例子的简要构成图。
图7是表示图6所示的现有电路的动作特性的图。
符号说明
10：开关元件驱动电路
11：驱动电路主体
12：电流检测部
13：第一控制元件(n沟道MOS-FET)
14：第二控制元件(n沟道MOS-FET)
15：比较器
16：差分放大器
17：比较控制部
18：动作停止部
19：第三控制元件(n沟道MOS-FET)
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式的开关元件驱动电路进行说明。
图1是实施方式的开关元件驱动电路10的主要部分简要构成图，Q是以该开关元件驱动电路10作为驱动对象的开关元件。该开关元件Q由例如n沟道型的高耐压MOS-FET(MM1)构成，是并联地具备电流检测用的MOS-FET(SM1)的元件结构。应予说明，上述电流检测用的MOS-FET(SM1)具备上述高耐压MOS-FET(MM1)的[1/n]的沟道区域，输出与在上述高耐压MOS-FET(MM1)中流通的电流成比例的例如[1/100]的电流Is。
上述开关元件驱动电路10以接受例如将接地电位(GND)作为基准电位的电源电压VCC而进行动作的方式构成。应予说明，在驱动上述的构成电力变换器的半桥电路的上臂侧的开关元件Q时，上述开关元件驱动电路10以接受将上述半桥电路的中点电位VS设为基准电位的电源电压VB而进行动作的方式构成。
另外，上述开关元件驱动电路10具备对上述开关元件Q进行导通-关断驱动的驱动电路主体11。该驱动电路主体11由图腾柱连接的p沟道MOS-FET(PM1)和n沟道MOS-FET(NM1)构成。这些p沟道MOS-FET和n沟道MOS-FET接受驱动控制信号DRV而互补地进行导通-关断动作，从而在其漏极中以脉冲方式生成上述栅极电压VG。换言之，将相互连接上述p沟道MOS-FET(PM1)与上述n沟道MOS-FET(NM1)的各漏极的连接点电压、即作为漏极电压而施加于上述开关元件Q的控制端子的栅极电压VG作为输出电压来生成。
此外，上述驱动电路主体11在其输入段具备由控制上述驱动控制信号DRV的输入的逻辑电路G1、G2构成的输入栅极电路。构成该输入栅极电路的上述逻辑电路G1、G2在利用后述的电流检测部检测到过电流时，通过该电流检测部的输出进行控制。因此，上述驱动电路主体11仅在启用输入栅极电路时，将对上述开关元件Q进行导通-关断驱动的脉冲信号作为上述栅极电压VG生成而输出。
另一方面，上述开关元件驱动电路10所具备的电流检测部12具备分压电阻R4、R5，所述分压电阻R4、R5对上述开关元件Q中的由上述电流检测用的MOS-FET(SM1)输出的电流产生的电压进行分压而进行检测。此外，上述电流检测部12具备比较器CMP2，所述比较器CMP2将由上述分压电阻R4、R5检测到的与上述开关元件Q中流通的电流成比例的检测电压Vsc与相当于预先设定的过电流阈值的基准电压Vref2进行比较。对于该比较器CMP2而言，如果上述检测电压Vsc超过上述基准电压Vref2，则判定为在上述开关元件Q中有电流流通，输出驱动停止信号OC。
上述驱动电路主体11的设置于输入段的由上述逻辑电路G1、G2构成的输入栅极电路在利用上述电流检测部12检测到过电流时，接受上述比较器CMP2的输出而禁止将上述驱动控制信号DRV施加到上述p沟道MOS-FET(PM1)和n沟道MOS-FET(NM1)。换言之，在上述电流检测部12中检测到过电流时，上述输入栅极电路禁止上述驱动电路主体11的动作，由此禁止上述开关元件Q的导通-关断驱动。
在此，上述开关元件驱动电路10的特征在于，除了上述的基本构成以外，还并联地具备插入到上述开关元件Q的栅极端子与基准电位之间的由n沟道型的MOS-FET构成的第一控制元件13(NM3)，和由n沟道型的MOS-FET构成的第二控制元件14(NM2)。此外，上述开关元件驱动电路10具备对上述第一控制元件13(NM3)进行导通-关断控制的比较器15(CMP1)和对上述第二控制元件14(NM2)进行动作控制的差分放大器16(AMP)。这些比较器15(CMP1)和差分放大器16(AMP)构成用于控制上述栅极电压VG的比较控制部17。
因此，概括上述比较器15(CMP1)的功能时，在上述驱动电路主体11的输出电压，即上述开关元件Q的栅极电压VG超过未图示的第一基准电压V1时，比较器15起到导通驱动上述第一控制元件13(NM3)而降低上述栅极电压VG的作用。这里将对该第一控制元件13(NM3)的控制称为FAST控制。另外，概括上述差分放大器16(AMP)的功能时，在上述驱动电路主体11的输出电压超过比上述第一基准电压V1低的未图示的第二基准电压V2时被驱动。并且上述差分放大器16(AMP)根据上述栅极电压VG与上述第二基准电压V2的电压差控制上述第二控制元件14(NM2)的动作。
在此，将上述第一基准电压V1设定为例如12V，另外，将上述第二基准电压V2设定为例如11V。由此设定的基准电压V1、V2在降低VG电压的动作中用于使上述比较器15(CMP1)比上述差分放大器16(AMP)提早动作。因此，在产生过电流时，在开始上述FAST控制后开始上述差分放大器16(AMP)的动作。并且，通过利用上述差分放大器16(AMP)进行的上述第二控制元件14(NM2)的动作控制反馈控制上述栅极电压VG，该栅极电压VG收敛并保持在上述第二基准电压V2。这里将该对于第二控制元件14(NM2)的控制称为HOLD控制。
然而，在该实施方式中，如图1所示，在上述比较器15(CMP1)和上述差分放大器16(AMP)中，分别供给基准电压Vref1作为参考电压。另外，上述比较器15(CMP1)和上述差分放大器16(AMP)中分别供给上述栅极电压VG经由分压电阻R1、R2、R3而分压的电压Va、Vb。
因此，上述比较器15(CMP1)通过将上述基准电压Vref1与对上述栅极电压VG进行分压而得的电压Va进行比较，从而等效地执行上述栅极电压VG与上述第一基准电压V1的上述比较处理。另外，同样地，对于上述差分放大器16(AMP)而言，通过分别输入上述基准电压Vref1和将上述栅极电压VG分压而得的电压Vb，从而等效地执行基于上述的上述栅极电压VG与上述第二基准电压V2的差电压的上述第二控制元件14(NM2)的动作控制。
另外，上述开关元件驱动电路10具备动作停止部18。该动作控制停止部18在上述电流检测部12的比较器CMP2输出上述驱动停止信号OC时允许通过上述比较控制部17中的上述比较器15(CMP1)和上述差分放大器16(AMP)进行的对上述第一控制元件13(NM3)和第二控制元件14(NM2)的驱动。具体而言，上述动作停止部18具备仅在上述驱动停止信号OC被输出时将上述比较器15(CMP1)的输出施加于上述第一控制元件13(NM3)的与电路G4。
此外，上述动作停止部18具备插入到上述第二控制元件14(NM2)的栅极与接地电位(GND)之间的由n沟道MOS-FET构成的第三控制元件19(NM4)。该第三控制元件19(NM4)被经由非电路G3对上述驱动停止信号OC进行反转的信号驱动。因此，上述第三控制元件19(NM4)在上述开关元件Q中没有产生过电流时，换言之，在通常动作时起到强制地禁止上述第二控制元件14(NM2)的动作的作用。
即，上述动作停止部18仅在上述电流检测部12中检测到过电流时允许上述第一控制元件13(NM3)和第二控制元件14(NM2)的驱动。其结果，上述比较器15(CMP1)和上述差分放大器16(AMP)分别执行上述的作为上述栅极电压VG的降低控制的上述FAST控制和HOLD控制。其后使在上述开关元件Q中流通的电流减少，由此执行过电流保护动作。
图2是表示如上构成的开关元件驱动电路10的基本动作的时间图。在通常动作时，根据上述驱动控制信号DRV而对上述开关元件Q进行导通-关断驱动，在该开关元件Q中流通的电流Is不至于达到过电流的检测级别。因此，在通常动作时，上述电流检测部12不输出驱动停止信号OC。因此，从上述驱动控制信号DRV经由上述输入栅极电路生成的驱动信号PDRV、NDRV直接施加于上述驱动电路主体11的上述p沟道MOS-FET(PM1)和上述n沟道MOS-FET(NM1)。
另外，此时由于不输出上述驱动停止信号OC，所以上述第一控制元件13(NM3)和上述第二控制元件14(NM2)不被同时导通驱动。因此不执行上述的FAST控制和HOLD控制。因此，施加于上述开关元件Q的栅极电压VG是上述驱动电路主体11的p沟道MOS-FET(PM1)和n沟道MOS-FET(NM1)的各漏极所产生的电压本身。
对此，在图2中，如时刻t1所示，如果在上述开关元件Q中流通的电流Is异常变大，则由该电流Is产生的上述检测电压Vsc在超过上述基准电压Vref2的时刻输出上述驱动停止信号OC。这样，通过该驱动停止信号OC，利用上述输入栅极电路阻止上述驱动信号NDRV、PDRV的输出。因此，上述驱动电路主体11中的上述p沟道MOS-FET(PM1)被保持在关断状态，另外，上述n沟道MOS-FET(NM1)被保持在关断状态。
另外，此时接受了上述驱动停止信号OC的上述动作停止部18使其上述与电路G4启用，并且使上述第三控制元件19(NM4)进行关断动作。其结果，在上述第一控制元件13(NM3)的栅极施加上述比较器15(CMP1)的输出，通过该第一控制元件13(NM3)执行使上述栅极电压VG降低的上述FAST控制。并且，通过该FAST控制，降低上述p沟道MOS-FET(PM1)的漏极电压，即降低上述栅极电压VG。
此外，由于此时上述动作停止部18中的上述第三控制元件19(NM4)关断，所以对上述第二控制元件14(NM2)施加上述差分放大器16(AMP)的输出。并且，在上述差分放大器16(AMP)的控制下，开始进行经由上述第二控制元件14(NM2)的上述栅极电压VG的一定化控制，即开始进行上述HOLD控制。其中，该HOLD控制在上述差分放大器16(AMP)中经过固有的控制响应延迟而执行。
其结果，如图2所示，首先，在从上述过电流检测时几乎没有时间延迟地控制上述比较器15(CMP1)下，通过上述FAST控制和上述HOLD控制降低上述栅极电压VG。并且，在随着上述栅极电压VG的降低而使利用上述比较器15(CMP1)进行的FAST控制停止后，在上述差分放大器16(AMP)的控制下将上述栅极电压VG收敛并保持在上述第二基准电压V2。因此，对于上述栅极电压VG而言，以抑制上述开关元件Q的过电流的方式响应性良好地进行降低控制后，保持在能够使该开关元件Q中流通一定电流的预定的电压。并且，利用由上述驱动控制信号DRV经由上述输入栅极电路而生成的驱动信号NDRV而使上述n沟道MOS-FET(NM1)进行了导通动作时，与此相伴地将上述栅极电压VG设定为接地电位。
因此，根据在产生过电流时如上所述进行动作而执行上述栅极电压VG的降低控制的开关元件驱动电路10，能够实现对上述开关元件Q的过电流保护动作的高速化。并且，在产生过电流时，能够将上述栅极电压VG保持在一定的电压。因此，能够直接维持上述开关元件Q的动作状态，不会对该开关元件Q的导通-关断驱动造成妨碍。因此，能够保证具备开关元件Q而构成的电力变换器的稳定的动作。
图3是将利用本发明的上述开关元件驱动电路10进行的对上述开关元件Q的控制响应特性(实线)与图6所示的现有的开关元件驱动电路1的控制响应特性(虚线)进行对比而示出的图。如该图3所示，在上述开关元件Q中产生过电流时，在本发明的开关元件驱动电路10中，发出FSAT信号而使上述第一控制元件13(NM3)响应性良好地进行导通动作。因此，上述开关元件驱动电路10的输出电压OUT，即施加到上述开关元件Q的栅极的栅极电压VG被控制为迅速降低。
对于这一点，在现有的开关元件驱动电路1中，由于不具备作为本发明特征的FAST控制的功能，所以如图3中虚线所示，其输出电压OUT只不过保持在大致一定的电压。因此，作为对过电流的保护动作功能，与现有的开关元件驱动电路1相比，可以说本发明的开关元件驱动电路10在控制响应性这一方面更优异。并且，通过如下简单的构成，即与上述差分放大器16(AMP)并联地设置上述比较器15(CMP1)而执行上述的FSAT控制，能够提高其控制响应性。因此，其实用上的优点很多。
然而，上述的第一控制元件13(NM3)和第二控制元件14(NM2)的各饱和电流值相等时，上述FAST控制的响应特性、上述HOLD控制的响应特性和上述栅极电压VG的变化特性随着上述开关元件Q的栅电容(负载能力)而变化。图4将在上述各控制元件13、14(NM3、NM2)的饱和电流为32mA条件下，上述开关元件Q的栅电容为10pF时的特性(实线)与为1pF时的特性(虚线)进行对比而示出。如该图4所示，在上述各控制元件13、14(NM3、NM2)的饱和电流相等时，可明确其响应特性依赖于上述开关元件Q的栅极电容。
另外，可明确在改变上述第一控制元件13(NM3)的沟道宽度，将其饱和电流值变更为上述的电流值的1/10的3.2mA时，上述FAST控制的响应特性、HOLD控制的响应特性和上述栅极电压VG的变化特性如图5所示那样得到改善。并且，该特性与图4所示的上述开关元件Q的栅极电容为10pF的情况大致相等。
因此，通过改变上述第一控制元件13(NM3)的沟道宽度而将其饱和电流值设定为较小，从而能够有效地进行利用上述差分放大器16(AMP)进行的上述栅极电压VG的一定化控制。因此，通过适当设定上述第一控制元件13(NM3)的饱和电流值，从而与上述的利用比较器15(CMP1)进行的上述栅极电压VG的高速的降低控制相配合，在不影响上述开关元件Q的栅极电容(负载能力)的情况下能够执行针对过电流的稳定的保护动作。因此，本发明的开关元件驱动电路10能够高速且稳定地执行针对上述开关元件Q的过电流保护动作，其实用上的优点很多。
应予说明，本发明不限于上述实施方式。在此，针对相对于形成构成电力变换器的半桥电路的下臂的开关元件Q的开关元件驱动电路10进行了说明，但相对于形成上臂的开关元件Q的开关元件驱动电路10当然也可以同样地构成。另外，当然也可以在形成上述开关元件Q的半导体基板上同时集成该开关元件驱动电路10而作为所谓的智能电源模块(IPM)实现。另外，本发明在不脱离其主旨的范围内可以进行各种变形。

Claims (5)

1.一种开关元件驱动电路，其特征在于，具备：
驱动电路主体，控制对开关元件的控制端子施加的电压而驱动该开关元件进行导通-关断；
电流检测部，在所述开关元件中流通的电流超过过电流阈值时，输出针对该开关元件的驱动停止信号；
比较器，在所述驱动电路主体的输出电压超过第一基准电压时，驱动与所述开关元件的控制端子连接的第一控制元件而使所述输出电压降低；
差分放大器，根据所述驱动电路主体的输出电压与比所述第一基准电压低的第二基准电压之间的电压差来驱动与所述开关元件的控制端子连接的第二控制元件，以将所述输出电压保持在所述第二基准电压；以及
动作停止部，在所述电流检测部输出所述驱动停止信号时，允许由所述比较器和所述差分放大器进行的所述第一控制元件和第二控制元件的驱动。
2.根据权利要求1所述的开关元件驱动电路，其特征在于，所述开关元件由高耐压IGBT或高耐压MOS-FET构成，
所述第一控制元件和第二控制元件由插入到所述开关元件的栅极与基准电位之间的MOS-FET构成。
3.根据权利要求1所述的开关元件驱动电路，其特征在于，所述动作停止部具备：栅极电路，在输出所述驱动停止信号时将所述比较器的输出施加到所述第一控制元件；和第三控制元件，在没有输出所述驱动停止信号时强制性关断所述第二控制元件。
4.根据权利要求1所述的开关元件驱动电路，其特征在于，所述驱动电路主体在其输入段具备输入栅极电路，其在输出所述驱动停止信号时禁止向该驱动电路主体输入驱动控制信号，停止对所述开关元件进行导通-关断驱动。
5.根据权利要求1所述的开关元件驱动电路，其特征在于，所述第一控制元件和第二控制元件根据所述开关元件的栅电容调整饱和电流量。
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