CN105706366B - 栅极驱动电路以及使用该栅极驱动电路的电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种对半导体器件高速进行驱动而不会误点火的栅极驱动电路。设置有：用于正向偏置的正电源；用于反向偏置的负电源；根据栅极驱动信号S来输出正电源的电压或负电源的电压的第1偏置电路；在第1偏置电路输出负电源的电压时通过负电源的电压来充电的电容器；和根据栅极驱动信号S将正电源的电压或负电源的电压提供给半导体器件的栅极的第2偏置电路。第2偏置电路仅在半导体器件接通的过渡期间的初始阶段，取代正电源的电压，将通过在从第1偏置电路输出的正电源的电压上叠加电容器的充电电压而被升压后的电压提供给半导体器件的栅极。

Description

栅极驱动电路以及使用该栅极驱动电路的电力变换装置
技术领域
本发明涉及对半导体器件高速进行驱动而不会误点火(erroneous ignition)的栅极驱动电路(gate driver circuit)、以及使用该栅极驱动电路的电力变换装置。
背景技术
作为现有的栅极驱动电路，存在如下的栅极驱动电路：构成为使用专用电源对电容器预先进行充电，在作为开关元件的半导体器件接通(turn on)的过渡期间的初始阶段，基于电容器的充电电压对驱动电源电压进行升压来生成驱动电压，并将所生成的驱动电压提供给半导体器件，能够基于指示信号通过可变电压生成部来调整电容器的充电电压，由此对驱动电压进行适当调整来实现该半导体器件的高速开关动作。而且，直到作为开关元件的MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)的漏极/源极间电压发生变化的米勒期间(Miller period)结束为止对电容器的充电电荷进行放电(参照专利文献1)。
此外，作为现有的栅极驱动电路的另一例，存在如下栅极驱动电路：在半导体器件断开的期间对电容器进行充电，在该半导体器件接通时通过将电源电压与电容器的充电电压串联地合成而得到的正向高电压，对该半导体器件的输入电容瞬时进行初始充电来使该半导体器件迅速接通(参照专利文献2)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2013-99181号公报
专利文献2：JP特开2010-200560号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1所示的栅极驱动电路的构成中，由于通过可变电压生成部来变更并控制电压，因此在以数十ns以下对半导体器件进行高速驱动的情况下，需要一边取得指示信号与PWM(pulse-width modulation)信号的同步一边接受指示信号来变更电压，在构成控制系统时响应性存在课题。此外，由于需要新设置可变电压生成部，因此具有电路构成复杂且高成本的课题。
此外，若充电电荷的放电期间包含米勒期间，则将半导体器件设为桥结构时的对置的臂的漏极/源极间电压的变动期间也被缩短，因此存在向米勒电容的充电电流峰值增加、断开状态的半导体器件误点火的可能性变高的课题。
此外，在专利文献2所示的栅极驱动电路中，通过电源电压的2倍的电压对半导体器件的栅极输入电容瞬时进行初始充电来迅速使其接通，因此在驱动对象为栅极电容较大的例如化合物(SiC，GaN等)半导体的情况下，栅极电流峰值变得过大，对栅极电流进行通电的半导体的电流容量变大。结果，存在如下课题：栅极驱动电路的印刷基板面积变大，印刷基板上的布线电感等变大而容易叠加高频噪声，而且自发噪声所引起的误点火等的可能性变高。
本发明用于解决上述现有的课题，目的在于提供一种对半导体器件高速进行驱动而不会误点火的栅极驱动电路。
解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的栅极驱动电路是对半导体器件的栅极进行驱动的栅极驱动电路，具备：正电源，其用于半导体器件的正向偏置；负电源，其用于半导体器件的反向偏置；第1偏置电路，其输入栅极驱动信号，并根据该栅极驱动信号来输出正电源的电压或负电源的电压；电容器，其在第1偏置电路输出负电源的电压时通过负电源的电压来充电；和第2偏置电路，其输入栅极驱动信号并根据该栅极驱动信号将正电源的电压或负电源的电压提供给半导体器件的栅极，第2偏置电路构成为，在半导体器件接通的过渡期间的初始阶段，取代正电源的电压，将通过在从第1偏置电路输出的正电源的电压上叠加电容器的充电电压而被升压后的电压提供给半导体器件的栅极。
通过本构成，能够在接通时的初始阶段以在正电源的电压上叠加了负电源的电压而得到的电压对半导体器件进行驱动，在电容器的充电电荷被放电后以正电源的电压对半导体器件进行驱动。
积累于电容器的电荷量，只要设为在半导体器件接通时该半导体器件的栅极电压达到平台电压为止所需的电荷量以下即可。
发明效果
根据本发明的栅极驱动电路，由于使用负电源的电压、即反向偏置电压来进行向电容器的充电，因此仅通过栅极驱动信号就能够使接通时的正向偏置电压阶段性地变化，能够以简单的构成且低成本化地实现高速驱动。此外，由于正向偏置电压不会成为过剩的电压(例如正电源电压的2倍)，而会成为叠加了反向偏置电压的电压，因此不会流过急剧的栅极电流，能够实现电流峰值的抑制和合适的电流峰值时间的设定。
此外，只要将电容器的积累电荷量设为在半导体器件接通时该半导体器件的栅极电压达到平台电压为止所需的电荷量以下，则在经过了米勒期间之后仅通过正电源的电压来驱动，因此设为桥结构时的对置的臂的器件端子电压的变动期间不会缩短，能够抑制向米勒电容的充电电流峰值，由此抑制误点火。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。
图2是用于说明栅极驱动信号为L电平时的图1的栅极驱动电路的动作的图。
图3是用于说明栅极驱动信号为H电平时的图1的栅极驱动电路的动作的图。
图4是表示连接了电感性负载的情况下的MOSFET接通时的各部波形的例子的图。
图5是用于说明在各臂由MOSFET构成的半桥电路中MOSFET存在误点火的可能性的电路图。
图6是表示将图1的栅极驱动电路用于全桥电路的各臂而成的电力变换装置的例子的电路图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。图1的栅极驱动电路1是对构成半导体器件6的MOSFET的栅极进行驱动的电路，具备：正电源2；负电源3；第1偏置电路4；电容器5；第2偏置电路7；限制电阻8、9；逆流防止二极管10A、10B、10C；电容器21、22；电阻23；和逆流防止二极管24、25。
正电源2是用于半导体器件6的正向偏置的电源。负电源3是用于半导体器件6的反向偏置的电源，通过电容器3a与齐纳二极管3b的并联连接而构成。电容器21和电阻23配置在正电源2与负电源3之间。
第1偏置电路4由NPN晶体管4a、PNP晶体管4b、和绝缘电路4c构成，输出也作为PWM信号的栅极驱动信号S，并根据该栅极驱动信号S来输出正电源2的电压或负电源3的电压。具体米说，若NPN晶体管4a根据栅极驱动信号S而成为导通状态(on state)，则正电源2的电压经由逆流防止二极管24以及NPN晶体管4a从第1偏置电路4输出。此外，若PNP晶体管4b根据栅极驱动信号S而成为导通状态，则负电源3的电压经由PNP晶体管4b从第1偏置电路4输出。
电容器5在第1偏置电路4输出负电源3的电压时，由该负电源3的电压来充电。限制电阻9限制向电容器5的充电电流。逆流防止二极管10A防止从电容器5向负电源3侧的放电电流。
第2偏置电路7由NPN晶体管7a、PNP晶体管7b、和绝缘电路7c构成，输入栅极驱动信号S，根据该栅极驱动信号S将正电源2的电压或负电源3的电压提供给半导体器件6的栅极。不过，第2偏置电路7仅在半导体器件6接通的过渡期间的初始阶段，取代正电源2的电压，将通过在从第1偏置电路4输出的正电源2的电压上叠加电容器5的充电电压而被升压后的电压提供给半导体器件6的栅极。逆流防止二极管10B防止从电容器5向正电源2侧的放电电流。逆流防止二极管10C防止从正电源2向电容器5的充电电流。限制电阻8限制半导体器件6的驱动电流。
图2是用于说明栅极驱动信号S为L电平、且第1偏置电路4中的PNP晶体管4b和第2偏置电路7中的PNP晶体管7b为导通状态时的图1的栅极驱动电路1的动作的图。此时，从负电源3通过逆流防止二极管10A、限制电阻9、电容器5、PNP晶体管4b生成对电容器5进行充电的第1闭环，流动电流I1。由此，在电容器5中积累电荷，使得逆流防止二极管25的阴极侧成为正极，并且逆流防止二极管25的阳极侧成为负极。此外，由于第2偏置电路7经由限制电阻8另外生成闭环，因此流动电流I2，由此半导体器件6成为断开状态。
图3是用于说明栅极驱动信号S为H电平、且第1偏置电路4中的NPN晶体管4a和第2偏置电路7中的NPN晶体管7a为导通状态时的图1的栅极驱动电路1的动作的图。此时，从正电源2经由NPN晶体管4a、电容器5、逆流防止二极管10C流动电流13，由此从第1偏置电路4向第2偏置电路7提供正的偏置电压。在此，对于电容器5的充电电压而言，逆流防止二极管25的阴极侧为正极，因此在正电源2的电压上加上电容器5的充电电压，因而被升压后的电压经由NPN晶体管7a和限制电阻8被提供给半导体器件6的栅极。不过，电容器5的积累电荷被逐渐放电。因此，电容器5的充电电压随着放电而下降，在2个逆流防止二极管1OB、10C的阴极侧的连接点的电压变得低于从正电源2的电压中减去逆流防止二极管10B的电压降的量而得到的电压的时间点，不再流动经由电容器5的电流I3，而会流动从正电源2经由逆流防止二极管10B的电流I4。
如上，根据图1的栅极驱动电路1，在半导体器件6接通的过渡期间的初始阶段，以在正电源2的电压上加上负电源3的电压而得到的升电压来对半导体器件6进行驱动，然后仅以正电源2的电压来对半导体器件6进行驱动，因此仅通过栅极驱动信号S就能够使半导体器件6的接通时的正向偏置电压阶段性地变化。因此，能够以简单的构成且以低成本实现半导体器件6的高速驱动。此外，能够使正向偏置电压不成为过剩的电压(例如正电源电压的2倍)而成为适当的电压。
图4是表示连接了电感性负载的情况下的MOSFET接通时的各部波形的例子的图。在图4中，从上依次示出了漏极/源极间电压Vds、漏极电流Id、栅极/源极间电压Vgs。t1是栅极/源极间电压Vgs的上升期间，t2是表示栅极/源极间电压Vgs固定的平台电压(plateauvoltage)Vgp的米勒期间(Miller period)，t3是米勒期间后的栅极/源极间电压Vgs的上升期间，t4是漏极电流Id的上升期间。漏极电流Id的上升期间t4包含在栅极/源极间电压Vgs的上升期间t1中。
如图4所示，若栅极/源极间电压Vgs超过阈值电压Vth则开始流动漏极电流Id，在栅极/源极间电压Vgs达到平台电压Vgp时，MOSFET流动给定的负载电流。此外，漏极/源极间电压Vds在米勒期间中下降至由MOSFET的导通电阻和负载电流决定的电压。为了开关动作损耗的降低，米勒期间t2的缩短和漏极电流上升期间t4的缩短是有效的。
图5是用于说明在各臂由MOSFET构成的半桥电路中MOSFET存在误点火的可能性的电路图。图5的半桥电路11具备作为上臂的MOSFET的半导体器件6A、和作为下臂的MOSFET的半导体器件6B的串联电路。在一方的半导体器件6A中，在漏极/源极间连接作为环流二极管的半导体器件33A，并且将负电源3A经由限制电阻8A连接于栅极，以将该半导体器件6A设为断开状态(off state)。31A是栅极/漏极间的寄生电容(米勒电容)，32A是栅极/源极间的寄生电容。在另一方的半导体器件6B中，在漏极/源极间连接作为环流二极管的半导体器件33B，并且将正电源2B或负电源3B经由限制电阻8B连接于栅极，以将该半导体器件6B设为导通状态或断开状态。31B是栅极/漏极间的寄生电容，32B是栅极/源极间的寄生电容。
在图5中，在下臂的半导体器件6B从断开状态接通了的情况下，在该半导体器件6B的漏极/源极间电压Vds的变化期间(图5的米勒期间t2)，上臂的半导体器件6A的漏极/栅极间电压Vdg也发生变化，结果从后者的半导体器件6A的漏极向栅极流动充电电流Idg。该充电电流Idg根据漏极/栅极间电压Vdg的变化速度来决定，漏极/栅极间电压Vdg的变化速度越大则充电电流Idg也越大。而且，根据充电电流Idg和半导体器件6A的栅极/源极间的阻抗，负电源3A的电压作为反向偏置电压而被施加于栅极的半导体器件6A的栅极/源极间电压Vgs上升，产生半导体器件6A误点火的可能性。反过来说，可知为了抑制该误点火，不缩短米勒期间t2为好。
如上，为了不缩短米勒期间t2，而选择性地缩短漏极电流上升期间t4、或栅极/源极间电压上升期间t1，若将图1中的作为半导体器件6的MOSFET的栅极/源极间电压Vgs达到平台电压Vgp为止的栅极/源极间电荷量设为Qp，将负电源3的电源电压设为Vminus，则将电容器5的电容C设为
C＝Qp/Vminus
为好。即，将电容器5的积累电荷量设为在半导体器件6接通时栅极/源极间电压Vgs达到平台电压Vgp为止所需的电荷量以下。由此，电容器5的充电电荷进行放电直到图4的米勒期间t2开始为止。
通过采用以上说明的电容器5的电容C，能够不缩短米勒期间t2，而选择性地缩短漏极电流上升期间t4、或栅极/源极间电压上升期间t1，因此能够抑制向与构成半桥电路11时接通的半导体器件6B对置的、处于断开状态的半导体器件6A的寄生电容(米勒电容)31A提供的充电电流Idg，结果能够抑制半导体器件6A的误点火。
图6是表示将图1的栅极驱动电路用于全桥电路的各臂而成的电力变换装置的例子的电路图。图6的电力变换装置13是具有分别与直流电源12连接的第1以及第2半桥电路11A、11B、生成栅极驱动信号的信号生成电路14、对输出波形进行整形的滤波器电路15、和检测输出电压的电压传感器16的单相逆变器，单相交流输出与负载40连接。滤波器电路15由电感器15a和电容器15b构成。
第1半桥电路11A具备作为上臂的MOSFET的半导体器件6A、和作为下臂的MOSFET的半导体器件6B的串联电路。在一方的半导体器件6A中，在漏极/源极间连接有半导体器件33A，在栅极/源极间连接有栅极驱动电路1A。在另一方的半导体器件6B中，在漏极/源极间连接有半导体器件33B，在栅极/源极间连接有栅极驱动电路1B。第2半桥电路11B具备作为上臂的MOSFET的半导体器件6C、和作为下臂的MOSFET的半导体器件6D的串联电路。在一方的半导体器件6C中，在漏极/源极间连接有作为环流二极管的半导体器件33C，在栅极/源极间连接有栅极驱动电路1C。在另一方的半导体器件6D中，在漏极/源极间连接有作为环流二极管的半导体器件33D，在栅极/源极间连接有栅极驱动电路1D。栅极驱动电路1A、1B、1C、1D分别具有例如图1的构成。
信号生成电路14按照PWM对各栅极驱动信号进行占空比控制(duty control)，使得向栅极驱动电路1A、1B、1C、1D分别提供栅极驱动信号。此时，在第1半桥电路11A的半导体器件33A和第2半桥电路11B的半导体器件33D为导通状态时，控制为第1半桥电路11A的半导体器件33B和第2半桥电路11B的半导体器件33C保持断开状态，在第2半桥电路11B的半导体器件33C和第1半桥电路11A的半导体器件33B为导通状态时，控制为第2半桥电路11B的半导体器件33D和第1半桥电路11A的半导体器件33A保持断开状态。
在图6的电力变换装置13中，电压传感器16的输出被反馈给信号生成电路14，信号生成电路14对各栅极驱动信号的脉冲宽度进行调制，使得从第1以及第2半桥电路11A、11B被输出、且通过滤波器电路15而施加于负载40的电压，成为目标的波高值的正弦波电压，。
如上，根据图6的电力变换装置13，通过将图1的栅极驱动电路1的构成分别应用于图6中的栅极驱动电路1A、1B、1C、1D，从而能够实现对半导体器件6A、6B、6C、6D高速进行驱动所带来的低损耗化，同时，能够防止误点火。
另外，在以上的说明中，作为半导体器件6、6A、6B、6C、6D图示了MOSFET，但本发明不限定于此，即使为IGBT(insulated-gate bipolar transistor)，作用效果也没有差异。
此外，不仅可以为Si系的功率半导体器件，也可以为SiC、GaN等化合物半导体器件。
此外，由电容器3a和齐纳二极管3b构成了反向偏置用的负电源3，但本发明不限定于此，也可以为其他构成。
此外，虽然采用了通过绝缘电路4c、7c将控制信号侧与二次侧之间绝缘的构成，但也可以为使用电平移位电路等的构成。
此外，虽然将电力变换装置13设为了单相逆变器，但即使为三相逆变器、转换器、矩阵转换器等的电力变换装置，也能够应用本发明。
工业实用性
本发明所涉及的栅极驱动电路，能够将施加于功率半导体器件的栅极的电压切换为2个阶段来实现高速化，并且防止误点火，因此作为用于需要高速开关动作的电力变换装置的半导体器件的驱动技术很有用。
符号说明
1、1A、1B、1C、1D 栅极驱动电路
2、2B 正电源
3、3A、3B 负电源
3a 电容器
3b 齐纳二极管
4 第1偏置电路
4a NPN晶体管
4b PNP晶体管
4c 绝缘电路
5 电容器
6、6A、6B、6C、6D 半导体器件
7 第2偏置电路
7a NPN晶体管
7b PNP晶体管
7c 绝缘电路
8、8A、8B 限制电阻
9 限制电阻
10A、10B、10C 逆流防止二极管
11、11A、11B 半桥电路
12 直流电源
13 电力变换装置
14 信号生成电路
15 滤波器电路
15a 电感器
15b 电容器
16 电压传感器
21、22 电容器
23 电阻
24、25 逆流防止二极管
31A、31B 栅极/漏极间的寄生电容
32A、32B 栅极/源极间的寄生电容
33A、33B、33C、33D 半导体器件
40 负载
S 栅极驱动信号

Claims (6)

1.一种栅极驱动电路，对半导体器件的栅极进行驱动，具备：
正电源，其用于所述半导体器件的正向偏置；
负电源，其用于所述半导体器件的反向偏置；
第1偏置电路，其输入栅极驱动信号，并根据该栅极驱动信号来输出所述正电源的电压或所述负电源的电压；
第2偏置电路，其输入所述栅极驱动信号，并根据该栅极驱动信号来将所述正电源的电压或所述负电源的电压提供给所述半导体器件的栅极；和
电容器，其在所述第1偏置电路和所述第2偏置电路输出所述负电源的电压时，通过所述负电源的电压来充电，
所述第2偏置电路，在所述半导体器件接通的过渡期间的初始阶段，取代所述正电源的电压，将通过在从所述第1偏置电路输出的所述正电源的电压上叠加所述电容器的充电电压而被升压后的电压提供给所述半导体器件的栅极。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其中，
积累于所述电容器的电荷量，是在所述半导体器件接通时该半导体器件的栅极电压达到平台电压为止所需的电荷量以下。
3.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其中，
所述第1偏置电路和所述第2偏置电路通过该栅极驱动信号同步。
4.一种电力变换装置，其使用了权利要求1或2所述的栅极驱动电路。
5.一种栅极驱动电路，对半导体器件的栅极进行驱动，具备：
正电源；
负电源；
第1偏置电路，其输入栅极驱动信号、所述正电源的电压和所述负电源的电压，并根据该栅极驱动信号来输出所述正电源的电压或所述负电源的电压；
第1电容器，其在所述第1偏置电路输出所述负电源的电压时，通过所述负电源的电压来充电；
在所述负电源与所述第1电容器之间串联连接的第1电阻和第1逆流防止二极管；
第2偏置电路，其输入所述栅极驱动信号，并根据该栅极驱动信号将所述正电源的电压或所述负电源的电压提供给所述半导体器件的栅极；
配置在所述正电源与所述负电源之间的第2电阻；
配置在所述正电源与所述第1偏置电路之间的第2逆流防止二极管；
第3逆流防止二极管，其与所述第1电容器并联连接，阳极侧与所述第1偏置电路的输出连接；
第4逆流防止二极管，其配置于所述正电源与所述第2偏置电路之间；
第5逆流防止二极管，其阳极侧与所述第3逆流防止二极管的阴极连接；和
第3电阻，其连接于所述第2偏置电路的输出。
6.根据权利要求5所述的栅极驱动电路，其中，
所述负电源通过电容器和齐纳二极管的并联连接而构成，
所述第1偏置电路由第1绝缘电路、第1NPN晶体管和第1PNP晶体管构成，
所述第2偏置电路由第2绝缘电路、第2NPN晶体管和第2PNP晶体管构成。
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