CN106134048B - 开关元件的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的开关元件的驱动电路具有：驱动电压生成电路(18)，其生成开关元件(16)的驱动用电压；以及滤波器电路(20)，其对驱动用电压进行滤波，滤波器电路(20)与开关元件(16)的内部栅极电阻(10)以及栅极端子(11)‑发射极端子(15)间的输入电容(13)一起构成具有由阶数为二阶的传递函数表示的阶跃响应的电路，并且该滤波器电路(20)设定有使得传递函数的衰减系数成为一定范围内的值的电路常数。

Description

开关元件的驱动电路
技术领域
本发明涉及一种开关元件的驱动电路，该驱动电路将以IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)、FET(Field Effect Transistor)为代表的开关元件作为对象而进行驱动控制。
背景技术
近年来，由于用于使电动机进行可变速运转的逆变器装置的普及，电动机控制装置变得不可或缺。电动机控制装置具备从直流变换为交流、从交流变换为直流的电力变换装置，在电力变换装置使用诸如IGBT、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET)这样的开关元件，通过其通断实现电力变换。
开关元件的驱动电路单纯地仅由开关元件的VGE充电用栅极电阻构成，进行开关元件的通断。
然而，如上所述的开关元件的通断是通过对栅极端子进行电荷的充入、释放，对栅极-发射极端子间电压进行充放电，由此进行控制、驱动的，但存在下述问题，即，由于此时的栅极电流IG、集电极电流IC而产生通断损耗，同时由于取决于充电时间的电流变化率di/dt而发生EMI(Electro Magnetic Interference)噪声，不仅对本设备还对周边设备带来不良影响。
作为上述问题的对策，现有的开关元件的驱动电路具有用于对通断速度进行调整的电路。通过利用该电路来减缓通断速度等，由此抑制栅极电流IG、集电极电流IC的瞬间上扬而实现EMI噪声的降低。然而，存在通断速度变慢、因镜像期间引起的损耗变大这样的缺点，即，呈折衷(trade-off)关系，难以调整。
针对上述课题，提出有对栅极的ON/OFF切换定时(timing)进行调整的驱动电路(例如，参照专利文献1)、使恒定的栅极电流持续流过栅极端子的恒流驱动电路(例如，参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开2004-253582号公报(第1页、第1图)
专利文献2：日本特许第4954290号公报(第13页、第8图)
发明内容
在如上所述的专利文献1所记载的发明中，存在下述问题，即，具有多个驱动电路，必须利用各自的驱动电路对栅极的ON/OFF的定时进行调整。另外，在专利文献2所记载的发明中，存在下述问题，即，虽然不会增大电流变化率di/dt，能够减小通断损耗，但另一方面，由于使栅极电流以一定时间持续流动，因此镜像期间的损耗增加。而且，专利文献1及2所记载的发明还存在下述问题，即，电路变得复杂，由于结构部件的增加而导致驱动电路变大。
本发明就是鉴于上述内容而提出的，其目的在于得到一种开关元件的驱动电路，该开关元件的驱动电路能够避免结构复杂化且降低通断损耗及EMI噪声。
为了解决上述课题、实现目的，本发明的特征在于，具有：驱动电压生成电路，其生成开关元件的驱动用电压；以及滤波器电路，其对所述驱动用电压进行滤波，所述滤波器电路与所述开关元件的内部栅极电阻以及栅极端子-发射极端子间的输入电容一起构成具有由阶数为二阶的传递函数表示的阶跃响应的电路，并且所述滤波器电路设定有使得所述传递函数的衰减系数成为一定范围内的值的电路常数。
发明的效果
本发明所涉及的开关元件的驱动电路具有下述效果，即，能够避免电路复杂化且降低通断损耗以及EMI噪声。
附图说明
图1是表示开关元件的驱动电路的结构例的图。
图2是表示对开关元件的栅极-发射极间的输入电容进行充电过程中的开关元件的驱动电路的图。
图3是表示镜像期间的开关元件的驱动电路的图。
图4是表示将滤波器电路设为RC滤波器的情况下的开关元件的驱动电路的结构例的图。
图5是用于说明开关元件的驱动电路的动作的图。
图6是表示栅极电压的阶跃响应的一个例子的图。
具体实施方式
下面基于附图详细地说明本发明所涉及的开关元件的驱动电路的实施方式。此外，本发明并不限定于该实施方式。
实施方式.
图1是表示本发明所涉及的开关元件的驱动电路的电路结构例的图。本实施方式的开关元件的驱动电路(下面，简称为“驱动电路”)是将开关元件16作为控制对象的电路，包含有控制电路1、开关3及4、滤波器电路20。开关元件16例如是IGBT、FET等功率半导体元件。开关元件16具有连接于集电极14-发射极15间的反馈二极管17。另外，开关元件16具有内部栅极电阻10、栅极11-集电极14间的输入电容(Cgc)12、以及栅极11-发射极15间的输入电容(Cge)13。开关元件16例如应用于逆变器等电力变换装置。
控制电路1决定开关元件16的ON/OFF，生成与决定结果相应的电压指令(Vref)2。例如，开关3是NPN型的晶体管，开关4是PNP型的晶体管，成为双方的基极以及发射极彼此连接，电压指令Vref2被输入至双方的基极的结构。另外，开关3的集电极与正电源5(省略图示的开关元件驱动用电源的正极)连接，开关4的集电极与负电源6(开关元件驱动用电源的负极)连接。这些开关3及4与控制电路1一起构成驱动电压生成电路18，根据从控制电路1输入的脉冲信号即电压指令Vref，生成及输出开关元件16的驱动用电压即栅极电压7。例如，在电压指令Vref为ON(对开关元件16的ON进行指示的电平)的情况下，开关3为ON，开关4为OFF，输出正电源5的电位作为栅极电压7。在电压指令Vref为OFF(对开关元件16的OFF进行指示的电平)的情况下，开关3为OFF，开关4为ON，输出负电源6的电位作为栅极电压7。栅极电压7经由滤波器电路20而施加至开关元件16的栅极11。该栅极电压7对开关元件16的栅极11-发射极15间的输入电容(Cge)13以及栅极11-集电极14间的输入电容(Cgc)12进行充电，使集电极14-发射极15间导通。
图2是表示开关元件16的驱动开始时的驱动电路的图。在开关元件16的驱动开始时、即向栅极11施加了正极性的栅极电压7(正电源5的电位)的情况下，首先如图2所示，通过栅极电压7对开关元件16的输入电容Cge13进行充电。至输入电容Cge13的两端的电压超过集电极电流开始从集电极14朝向发射极15流动的阈值电压为止进行输入电容Cge13的充电。
图3是表示上述输入电容Cge13的充电结束之后的镜像期间的驱动电路的图。在输入电容Cge13的充电结束之后的镜像期间，栅极电流IG向开关元件16的栅极11的流入变得恒定，集电极14-发射极15间的电压Vce逐渐下降。
在以上述方式构成的驱动电路中，将滤波器电路20与开关元件16的内部栅极电阻10以及输入电容Cge13视作一个模块19，由此能够作为从电压指令Vref至开关元件16的栅极11为止的传递函数而处理。
这里，开关元件16的内部栅极电阻10和输入电容Cge13形成滤波器，因此模块19的电路成为串联连接有滤波器的结构。
滤波器电路20例如是如图4所示那样具有电阻21以及电容器22的RC滤波器。
在图4所示的结构的驱动电路中，能够用二阶延迟的传递函数来表现模块19的电路的阶跃响应，能够用下面的通式(式(1))表示。
G(s)＝ωn 2/(s2+2ζωns+ωn 2) …(1)
这里，能够通过对衰减系数ζ进行调整，从而对栅极电流的峰值进行调整。即，能够通过以使得栅极电流的峰值变小的方式对衰减系数ζ进行调整，由此降低EMI噪声。另外，通过设为模块19的电路具有滤波器电路20的结构、即由二阶延迟的传递函数表现阶跃响应的结构，从而与不具有滤波器电路20的现有的驱动电路相比，能够增大镜像期间的栅极电流值。由于如果增大镜像期间的栅极电流值则镜像期间变短，因此能够实现通断损耗的降低。上述的衰减系数ζ优选设为0.7≤ζ≤1.0。通过设为包含于上述范围的值，从而与现有的驱动电路相比，能够降低EMI噪声以及通断噪声。因而，以使得衰减系数ζ处于上述范围内的方式构成滤波器电路20。
电压指令(Vref)2以及栅极电压7是以脉冲来赋予的。关于相对于ON时的阶跃输入而进行的动作，说明应用了本实施方式的情况和未应用本实施方式的情况。有滤波器电路20的情况(应用了本实施方式的情况)和无滤波器电路20的情况各自的阶跃响应如图5所示。
图5是用于说明本实施方式的驱动电路的动作的图，是示出了驱动电路以及开关元件16的各部分的电压及电流波形的一个例子的时序图。横轴表示时间，纵轴表示电压值或者电流值。图5中(a)表示不具有滤波器电路20的、与现有的驱动电路相当的电路(下面，称作现有电路)的时序图，(b)以及(c)表示本实施方式的驱动电路的时序图。图5(b)是将滤波器电路20设为图4所示的结构的情况下的时序图。图5(c)是将滤波器电路20设为串联地具有2级RC滤波器的结构的情况下的时序图，该RC滤波器由图4所示的电阻21以及电容器22构成。在设为串联地具有2级RC滤波器的结构的情况下，模块19的电路的阶跃响应由三阶延迟的传递函数表现。此外，在不具有滤波器电路20的现有电路中，与模块19相对应的电路具有栅极电阻，阶跃响应由一阶延迟的传递函数表现。下面，为了便于说明，将图4所示的结构的驱动电路称为“二阶延迟的驱动电路”，将滤波器电路20被设为串联地具有2级RC滤波器的结构的驱动电路称为“三阶延迟的驱动电路”，该RC滤波器由图4所示的电阻21以及电容器22构成。
这里，对成为图5(c)所示的阶跃响应的、三阶延迟的传递函数进行说明。
三阶延迟的传递函数G(s)用下面的式(2)表示。
【算式1】
另外，三阶延迟的传递函数G(s)的通式为下式(3)。
【算式2】
在具有由式(3)表现的阶跃响应的驱动电路的情况下，已知不引起过冲的条件通常为相对于s2+2·ζ·ωn+ωn 2的共轭复数的实部，Pr较小。因而，不会引起过冲的条件为下式(4)，另外，不引起过冲的临界条件为下式(5)。
Pr≤ζ·ωn …(4)
Pr＝ζ·ωn …(5)
根据上述的式(2)至(5)，不引起过冲的参数为下式(6)。
【算式3】
在式(6)中，如果消去ζ、ωn则得到下式(7)。
【算式4】
通过赋予满足上述式(7)的kpl以及kp2，由此得到无过冲的三阶延迟的驱动电路。
由于如在二阶延迟的传递函数的说明中也曾记载的那样，衰减系数ζ优选设为0.7≤ζ≤1.0，因此三阶延迟的传递函数的衰减系数ζ优选设为0.7≤ζ≤Pr/ωn。此外，在二阶延迟的情况下不会引起过冲的临界值为ζ＝1，这相当于三阶延迟的情况下的ζ＝Pr/ωn。
图5中Vref表示图4所示的控制电路1的输出(电压指令)，IG表示流入开关元件16的输入电容Cgc12以及Cge13的栅极电流，VGE表示充电至输入电容Cge13的电压，IC表示从开关元件16的集电极14向发射极15流动的电流，VCE表示集电极14-发射极15间的电压。
如图5所示，在包含现有电路的任意的驱动电路中，均是如果在期间T0(即期间T0-1、T0-2、T0-3)，施加对开关元件16的ON进行指示的栅极电压7(正电源5的电位)，则栅极电流IG开始从开关元件16的栅极11向输入电容Cge13流动而充入电荷。随后，如果被充电至输入电容Cge13的电压VGE超过开关元件16的ON电压，则集电极电流IC开始流动(期间T1-1、T1-2、T1-3)。如果集电极电流IC达到峰值，则期间T1(期间T1-1、T1-2、T1-3)结束而成为镜像期间即期间T2(期间T2-1、T2-2、T2-3)。如果成为期间T2，则VGE以及IG由于开关元件16的镜像效应而变得恒定。另一方面，VCE逐渐下降。在经过了镜像期间(期间T2)之后的期间T3(期间T3-1、T3-2、T3-3)，栅极电流IG逐渐下降，另一方面，VGE上升。因此，为了加快通断速度而优选期间T1较短，但如果期间T1过短，则栅极电流IG以及集电极电流IC的峰值变大，EMI噪声会变大。然而，根据具有滤波器电路20的驱动电路，能够利用包含滤波器电路20的模块19的传递特性，抑制栅极电流IG以及集电极电流IC的过冲，并且增大镜像期间的栅极电流值。如图5所示，例如在二阶延迟的驱动电路的情况下，与现有电路(一阶延迟)相比，能够使栅极电流IG的峰值降低ΔIG1，并且使集电极电流IC的峰值降低ΔIC1。在三阶延迟的驱动电路的情况下，与现有电路相比，能够使栅极电流IG的峰值降低ΔIG1+ΔIG2，并且使集电极电流IC的峰值降低ΔIC1+ΔIC2。
对通过具有滤波器电路20而能够降低峰值且增大镜像期间的栅极电流值的理由进行说明。
图6是表示模块19的电路的阶跃响应为一阶延迟、二阶延迟、三阶延迟各自情况下的栅极电压7的阶跃响应的一个例子的图。横轴表示时间，纵轴表示施加于开关元件16的栅极11的电压。虚线表示一阶延迟、即现有电路的阶跃响应，点划线表示二阶延迟的驱动电路的阶跃响应，实线表示三阶延迟的驱动电路的阶跃响应。如图6所示，与现有电路相比，在二阶延迟的驱动电路以及三阶延迟的驱动电路中，在刚开始栅极电压7的输入之后，施加于开关元件16的栅极11的电压的上升变得平缓。因此，如图5所示，栅极电流IG的上升变得平缓，其结果，将峰值抑制得较低，降低EMI噪声。如图6所示，阶数越大，电压的上升越平缓。另外，二阶延迟的驱动电路以及三阶延迟的驱动电路与现有电路相比，至达到目标电压为止所需的时间变短。因此，用于对输入电容12以及13进行充电所需的时间也变短，能够降低通断损耗。阶数越大，至变为目标电压为止所需的时间越短。
另外，伴随着栅极电流IG的峰值的减小，能够使图4所示的电阻21即栅极电阻变小，能够降低栅极电阻处的损耗。与使栅极电阻变小相应地镜像期间的栅极电流IG增加，因此能够缩短镜像期间，能够降低镜像期间的损耗。
此外，在本实施方式中，作为滤波器电路20，使用了相对于开关元件16串联地插入有电阻21、且并联地插入有电容器22的电路，但并不限定于此。另外，也不是必须为2个元件。而且，也可以为包含电感器的滤波器电路。还可以增加电阻、电容器等的数量而以成为更高阶的滤波器电路、即四阶延迟或其以上的传递特性的方式构成滤波器电路。
由此，作为滤波器电路20能够应用RC滤波器、其他各种滤波器。
在本实施方式中，将开关元件16设为IGBT或FET，但并不限定于此，另外，其材料也不限定为Si，还可以为以SoC为代表的具有宽带隙的开关元件。
如上所述，本实施方式的开关元件的驱动电路具有：驱动电压生成电路18，其生成向开关元件16的栅极11施加的栅极电压7；以及滤波器电路20，其配置于驱动电压生成电路18和开关元件16之间，滤波器电路20与由开关元件16的内部栅极电阻10以及输入电容Cge13形成的滤波器一起形成具有由二阶延迟或者大于或等于三阶延迟的传递函数表示的传递特性的电路。另外，滤波器电路20构成为使得传递函数的衰减系数处于一定的范围。由此，能够实现可避免结构复杂化且降低通断损耗以及EMI噪声的开关元件的驱动电路。
工业实用性
如上所述，本发明所涉及的开关元件的驱动电路能够广泛地应用于以逆变器装置为代表的、使用开关元件的装置。
标号的说明
1控制电路，2电压指令(Vref)，3、4开关，5正电源，6负电源，7栅极电压，10内部栅极电阻，11栅极，12、13输入电容，14集电极，15发射极，16开关元件，17反馈二极管，18驱动电压生成电路，19构成滤波器的模块，20滤波器电路，21电阻，22电容器。

Claims (3)

1.一种开关元件的驱动电路，其特征在于，具有：
驱动电压生成电路，其生成开关元件的驱动用电压；以及
滤波器电路，其与所述开关元件的内部栅极电阻以及栅极端子与发射极端子间的输入电容一起形成阶跃响应由多阶延迟的传递函数表示的电路，并且所述滤波器电路设定有使得所述传递函数的衰减系数成为一定范围内的值的电路常数，
所述开关元件具有宽带隙特性。
2.根据权利要求1所述的开关元件的驱动电路，其特征在于，所述多阶延迟的传递函数的衰减系数大于或等于0.7而小于或等于1.0。
3.根据权利要求1或2所述的开关元件的驱动电路，其特征在于，
所述阶跃响应由多阶延迟的传递函数表示的电路与阶跃响应由一阶延迟的传递函数表示的电路相比，使所述开关元件的栅极电流的峰值降低，并且使镜像期间的栅极电流值增大。
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