CN108631589A - 栅极电位控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种栅极电位控制装置，能够抑制浪涌电压且为小型。栅极电位控制装置具有接通用开关元件和断开用开关元件。在经由所述断开用开关元件对所述栅极进行放电的断开动作中，所述主开关元件的主电极间的主电压以如下方式变化：从接通电压上升至浪涌电压的峰值，然后，下降为断开电压。在所述断开动作中从所述主电压由所述接通电压开始上升的定时起经过了一定时间后的定时到所述主电压达到所述峰值的定时为止的期间的至少一部分的期间中，所述栅极电位控制装置将所述接通用开关元件和所述断开用开关元件这两方断开。

Description

栅极电位控制装置
技术领域
本说明书公开的技术涉及栅极电位控制装置。
背景技术
在开关元件的断开动作中，开关元件的主电极间的电压有时会瞬间升高。这样瞬间升高的电压称为浪涌电压。
专利文献1公开了一种在开关元件断开时能够抑制浪涌电压的栅极电位控制装置。栅极电位控制装置对开关元件的栅极电位进行控制。需要说明的是，以下，有时将栅极电位控制装置的控制对象的开关元件称为主开关元件。在专利文献1的栅极电位控制装置中，在主开关元件的断开动作中，能够切换栅极断开电阻(连接于栅极与断开电位之间的电阻，即栅极进行放电用的电阻)的电阻值。在断开动作的初期将栅极断开电阻的电阻值设为低，在断开动作的后期将栅极断开电阻的电阻值设为高。因此，在断开动作的后期(即，浪涌电压产生的期间)，主开关元件的主电极间的电压的上升速度变慢，能够抑制浪涌电压。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2009-273071号公报
发明内容
【发明要解决的问题】
专利文献1的栅极电位控制装置需要具备栅极断开电阻所使用的电阻值不同的多个电阻和用于切换断开用的电流路径所使用的电阻的开关元件(控制用开关元件)。因此，栅极电位控制装置大型化。因此，在本说明书中，提供一种能够抑制浪涌电压且小型的栅极电位控制装置。
【用于解决问题的手段】
本说明书公开的栅极电位控制装置对主开关元件的栅极电位进行控制。栅极电位控制装置具有：接通用开关元件，一方的主端子连接于栅极接通电位且另一方的主端子连接于所述主开关元件的栅极；及断开用开关元件，一方的主端子连接于所述栅极且另一方的主端子连接于比所述栅极接通电位低的栅极断开电位。在通过经由所述断开用开关元件对所述栅极进行放电而使所述主开关元件断开的断开动作中，所述主开关元件的主电极间的主电压以如下方式变化：从接通电压上升至浪涌电压的峰值，然后，下降为比所述峰值低且比所述接通电压高的断开电压。从所述断开动作中所述主电压由所述接通电压开始上升的定时起经过了一定时间后的定时到所述断开动作中所述主电压达到所述峰值的定时为止的期间的至少一部分的期间中，所述栅极电位控制装置将所述接通用开关元件和所述断开用开关元件这两方断开。
需要说明的是，接通用开关元件的所述一方的主端子可以直接连接于栅极接通电位，也可以经由电阻等其他的元件而连接于栅极接通电位。而且，接通用开关元件的所述另一方的主端子可以直接连接于主开关元件的栅极，也可以经由电阻等其他的元件而连接于主开关元件的栅极。而且，断开用开关元件的所述一方的主端子可以直接连接于主开关元件的栅极，也可以经由电阻等其他的元件而连接于主开关元件的栅极。而且，断开用开关元件的所述另一方的主端子可以直接连接于栅极断开电位，也可以经由电阻等其他的元件而连接于栅极断开电位。
在该栅极电位控制装置中，将接通用开关元件和断开用开关元件这两方断开的期间设定为浪涌电压的峰值的产生前。因此，在主电压达到峰值之前，接通用开关元件和断开用开关元件这两方断开。于是，主开关元件的栅极浮动(floating)，由于主开关元件的高电位侧主电极与栅极之间的电容耦合而栅极的电位上升。由此，开关元件成为阻抗比较低的状态，主电压的上升速度变慢。因此，之后产生的浪涌电压的峰值降低。即，能抑制浪涌电压。而且，该栅极电位控制装置通过将接通用开关元件和断开用开关元件这两方断开来抑制浪涌电压，因此不需要为了浪涌电压的抑制而使用多个栅极断开电阻。因此，能够实现栅极电位控制装置的小型化。
附图说明
图1是栅极电位控制装置的电路图。
图2是表示栅极电位控制方法的坐标图。
图3是变形例的栅极电位控制装置的电路图。
【符号说明】
10：栅极电位控制装置
12：控制电路
20：PMOS驱动电路
22：PMOS
24：电平移位器
30：NMOS驱动电路
32：NMOS
40：栅极电位检测电路
50：高电位配线
52：地线
90：主开关元件
90d：漏极
90g：栅极
90s：源极
92：寄生电容
具体实施方式
图1所示的实施方式的栅极电位控制装置10对主开关元件90进行控制。主开关元件90是NMOS(n沟槽型的MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effecttransistor))，具有漏极90d、源极90s及栅极90g。主开关元件90在变换器或DC-DC转换器等中，为了切换大电流流过的路径而使用。栅极电位控制装置10控制主开关元件90的栅极电位Vgs(即，栅极90g的电位)。栅极电位控制装置10具有控制电路12、PMOS驱动电路20、PMOS(p沟槽型的MOSFET)22、栅极接通电阻R1、NMOS驱动电路30、NMOS32、栅极断开电阻R2及栅极电位检测电路40。
控制电路12由IC等构成。控制电路12连接于栅极电位检测电路40及NMOS驱动电路30。而且，控制电路12经由电平移位器24连接于PMOS驱动电路20。控制电路12接收从外部发送的信号M1。如图2所示，信号M1是在电位Von1与0V之间进行变动的信号。需要说明的是，在本说明书中，0V是指与主开关元件90的源极90s相同的电位。电位Von1比0V高。信号M1为电位Von1的情况表示应将主开关元件90接通，信号M1为0V的情况指令应将主开关元件90断开。而且，控制电路12接收从栅极电位检测电路40发送的检测值(栅极电位Vgs的检测值)。控制电路12基于接收到的信号M1和栅极电位Vgs，来生成信号MN和信号MP。生成的信号MN从控制电路12向NMOS驱动电路30发送。如图2所示，信号MN是在电位Von1与0V之间进行变动的信号。而且，生成的信号MP经由电平移位器24从控制电路12向PMOS驱动电路20发送。电平移位器24使控制电路12发送的信号MP的基准电位上升，并将基准电位上升后的信号MP向PMOS驱动电路20发送。通过了电平移位器24后的信号MP(即，PMOS驱动电路20接收的信号MP)是如图2所示在电位Von2与电位Voff2之间进行变动的信号。电位Voff2是比0V高的电位，电位Von2是比电位Von1及电位Voff2高的电位。
PMOS驱动电路20由IC等构成。PMOS驱动电路20连接于PMOS22的栅极。PMOS驱动电路20基于接收到的信号MP，对PMOS22的栅极的电位进行控制。由此，PMOS驱动电路20使PMOS22开关。PMOS驱动电路20在信号MP为电位Von2时使PMOS22接通，在信号MP为电位Voff2时使PMOS22断开。
PMOS22连接于高电位配线50与主开关元件90的栅极90g之间。高电位配线50是被施加电位Von2的配线。PMOS22的源极连接于高电位配线50。PMOS22的漏极连接于栅极接通电阻R1的一端。栅极接通电阻R1的另一端连接于栅极90g。因此，当PMOS22接通时，电流从高电位配线50经由PMOS22和栅极接通电阻R1朝向栅极90g流动，能够对栅极90g进行充电。
NMOS驱动电路30由IC等构成。NMOS驱动电路30连接于NMOS32的栅极。NMOS驱动电路30基于接收到的信号MN，对NMOS32的栅极的电位进行控制。由此，NMOS驱动电路30使NMOS32开关。NMOS驱动电路30在信号MN为电位Von1时使NMOS32接通，在信号MN为0V时使NMOS32断开。
NMOS32连接于主开关元件90的栅极90g与地线52(被施加0V的配线)之间。NMOS32的漏极连接于栅极断开电阻R2的一端。栅极断开电阻R2的另一端连接于栅极90g。NMOS32的源极连接于地线52。因此，当NMOS32接通时，电流从栅极90g经由栅极断开电阻R2和NMOS32朝向地线52流动，能够对栅极90g进行放电。
栅极电位检测电路40检测主开关元件90的栅极电位Vgs。栅极电位检测电路40将栅极电位Vgs的检测值向控制电路12发送。
接下来，说明栅极电位控制装置10将主开关元件90从接通切换为断开的断开动作。图2示出断开动作中的各值的变化。需要说明的是，图2的漏极-源极间电流Ids(以下，称为漏极电流Ids)是从漏极90d向源极90s流动的电流。需要说明的是，图2的漏极-源极间电压Vds(以下，称为漏极电压Vds)是漏极90d与源极90s之间的电压。在漏极电压Vds的坐标图中，实线表示实施方式的栅极电位控制装置10的值，虚线表示比较例的栅极电位控制装置的值。而且，在图2所示的期间P0～P5之间，栅极电位检测电路40反复执行检测栅极电位Vgs并将其检测值向控制电路12发送的处理。
图2的定时t1表示断开动作的开始定时。在定时t1之前的期间P0，信号M1维持为电位Von1(表示应将主开关元件90接通的电位)。在信号M1为电位Von1期间，控制电路12将信号MP控制成电位Von2，并将信号MN控制成0V。因此，在期间P0中，PMOS驱动电路20将PMOS22维持为接通状态，NMOS驱动电路30将NMOS32维持为断开状态。因此，主开关元件90的栅极90g经由PMOS22和栅极接通电阻R1连接于高电位配线50。因此，在期间P0中，向栅极90g施加高电位配线50的电位Von2。电位Von2比主开关元件90的栅极阈值高。因此，在期间P0中，主开关元件90接通，漏极电流Ids高，漏极电压Vds维持为接通电压Vds1。需要说明的是，接通电压Vds1是主开关元件90接通时的漏极90d与源极90s之间的电压，主要是根据主开关元件90的特性而确定的电压。
在定时t1，信号M1从电位Von1变化为0V。于是，控制电路12将信号MP从电位Von2降低为电位Voff2，并将信号MN从0V升高为电位Von1。于是，PMOS驱动电路20使PMOS22断开，NMOS驱动电路30使NMOS32接通。由于PMOS22断开而栅极90g被从高电位配线50切断。而且，由于NMOS32接通而栅极90g经由栅极断开电阻R2和NMOS32连接于地线52。因此，电流从栅极90g朝向地线52流动，栅极90g被放电。因此，在定时t1紧邻之后的期间P1的期间，栅极电位Vgs下降。
在定时t2，栅极电位Vgs下降至电位Vmr(所谓密勒电位)。于是，在其紧邻之后的期间P2中，漏极电流Ids开始减少，并且漏极电压Vds开始上升。而且，在期间P2中，漏极电流Ids开始减少时，由于密勒效应而栅极电位Vgs的下降速度变慢。控制电路12从断开动作的开始时对栅极电位Vgs进行监控。更详细而言，控制电路12在断开动作的开始以后，监控栅极电位Vgs的下降速度是否为一定值以下。在期间P2中，栅极电位Vgs的下降速度成为一定值以下，因此，控制电路12在定时t2紧邻之后检测到栅极电位Vgs的下降速度成为一定值以下。于是，在从定时t2起经过了一定时间后的定时t3，控制电路12将信号MN从Von1降低为0V。从定时t2至定时t3的时间是在控制电路12中预先设定的时间。由于信号MN从Von1降低为0V，因此在定时t3，NMOS32断开。即，在定时t3紧邻之后的期间P3中，PMOS22和NMOS32这两方断开。因此，主开关元件90的栅极90g成为浮动。当栅极90g成为浮动时，通过经由存在于栅极90g与漏极90d之间的寄生电容92的电容耦合，而栅极电位Vgs稍稍上升。因此，在期间P3中，与紧邻之前的期间P2相比，栅极电位Vgs稍稍升高。因此，在期间P3中，主开关元件90的阻抗降低。因此，在期间P3中，漏极电压Vds的上升速度比期间P2变慢。即，虽然从期间P2至期间P3而漏极电压Vds继续上升，但是在期间P3中漏极电压Vds的上升速度比期间P2慢。
控制电路12在从定时t3起经过一定时间后的定时t4，使信号MN从0V返回电位Von1。从定时t3至定时t4的时间是在控制电路12中预先设定的时间。以使定时t4成为定时t5之前的定时的方式设定从定时t3至定时t4的时间，该定时t5是由于浪涌电压Vsg的影响而漏极电压Vds成为峰值Vsgp的定时。在定时t4当信号MN上升为电位Von1时，NMOS32再次接通。于是，栅极90g连接于地线52，栅极电位Vgs稍稍降低。即使在定时t4紧邻之后的期间P4中，漏极电压Vds的上升速度与期间P3相比也几乎不变化。
在期间P4的最后，产生浪涌电压Vsg。由于浪涌电压Vsg的影响，在定时t5，漏极电压Vds成为峰值Vsgp。在峰值Vsgp产生之后的期间P5中，漏极电压Vds下降至电压Vds2，在电压Vds2处实现稳定。电压Vds2是比峰值Vsgp低且比接通电压Vds1高的电压。而且，在期间P5的期间，栅极电位Vgs下降至0V，漏极电流Ids下降至大致0A。由此，主开关元件90的断开动作完成。
如上所述，图2的漏极电压Vds的虚线的坐标图表示比较例的栅极电位控制装置的值。在比较例的栅极电位控制装置中，在断开动作中，NMOS32始终接通。因此，未产生期间P3中的栅极电位Vgs的上升，主开关元件90的阻抗不会降低。其结果是，在期间P3中，漏极电压Vds的上升速度不会变慢，漏极电压Vds以快的速度上升至浪涌电压Vsg产生为止。其结果是，浪涌电压Vsg的峰值Vsgp比实施方式升高。
如以上说明所述，根据实施方式的栅极电位控制装置10，与比较例的栅极电位控制装置相比，能够抑制浪涌电压Vsg的峰值Vsgp。而且，通过浪涌电压的抑制，能够降低主开关元件90断开时产生的损失(关断损失)。
另外，在实施方式的栅极电位控制装置10中，在断开动作中，在从漏极电压Vds由接通电压Vds1开始上升的定时t2起经过了一定时间后的定时t3，使NMOS32断开。因此，在从定时t2至定时t3之间的期间P2中，漏极电压Vds的上升速度快。期间P2中的漏极电压Vds的上升速度不会影响浪涌电压Vsg的大小。因此，即使期间P2中的漏极电压Vds的上升速度快，也能够抑制浪涌电压Vsg。而且，在实施方式的栅极电位控制装置10中，在漏极电压Vds的上升紧邻之后的期间P2中将漏极电压Vds的上升速度设为快，在之后的浪涌电压Vsg产生前的期间P3中将漏极电压Vds的上升速度设为慢，因此能够抑制浪涌电压Vsg并使主开关元件90以比较快的速度开关。
另外，上述的实施方式的栅极电位控制装置10不使栅极断开电阻R2的电阻值变化，而是使栅极90g浮动来使主开关元件90的阻抗下降，由此调节漏极电压Vds的上升速度。不需要为了调整漏极电压Vds的上升速度而具备多个栅极断开电阻，因此栅极电位控制装置10能够小型化。而且，由于不需要为了漏极电压Vds的上升速度调整而具备多个栅极断开电阻，因此栅极断开电阻的电阻值的误差的影响少，能够稳定地进行断开动作。而且，在如本实施方式那样使栅极90g浮动的方法中，仅通过将单一的NMOS32断开就能够降低漏极电压Vds的上升速度。由于NMOS32的开关速度快，因此能够缩短漏极电压Vds的上升速度慢的期间P3。通过缩短期间P3而能够延长期间P2，因此能够进一步加快主开关元件90的开关速度。即，与使栅极断开电阻的电阻值变化来控制漏极电压的上升速度的栅极电位控制装置相比，本实施方式的栅极电位控制装置10能够实现主开关元件的高速的开关。
另外，也可考虑在期间P3中，不仅使NMOS32断开，而且使PMOS22接通。然而，PMOS22的载体为空穴，因此PMOS22的开关速度慢。因此，在极短的期间P3中难以使PMOS22接通。而且，如果使PMOS22接通，则在期间P3中可能会使栅极电位Vgs超过必要地上升。这样，当使PMOS22接通时，难以进行期间P3中的栅极电位Vgs的准确的控制。相对于此，在实施方式的栅极电位控制装置10中，在期间P3中不使PMOS22接通而使栅极90g浮动，由此能够进行栅极电位Vgs的准确的控制。由此，能够更稳定地进行断开动作。
需要说明的是，在上述的实施方式中，对于抑制浪涌电压Vsg的峰值Vsgp的方面进行了说明。然而，在实施方式和比较例中以能得到相同程度的峰值Vsgp的方式设定了各条件时，在实施方式中，与比较例相比，开关速度加快。这种情况下，通过实施方式的结构也能够降低开关损失。
需要说明的是，在上述的实施方式中，基于栅极电位Vgs的下降速度，决定了使NMOS32断开的定时t3。然而，如图3所示，也可以设置检测漏极电流Ids的漏极电流检测电路42，基于漏极电流Ids的下降速度，来决定使NMOS32断开的定时t3。如图2所示，在与漏极电压Vds上升的定时t2大致同时，漏极电流Ids开始减少。因此，可以是以漏极电流Ids的下降速度比一定值增大的定时为基准，来决定使NMOS32断开的定时t3。只要能够与漏极电压Vds上升的定时t2联动地决定使NMOS32断开的定时t3即可，可以基于任意的值来决定定时t3。
另外，在上述的实施方式中，在浪涌电压Vsg的峰值Vsgp产生之前的定时t4使NMOS32再次接通，但也可以在峰值Vsgp产生之后的定时(例如，漏极电压Vds以电压Vds2实现稳定的定时)使NMOS32再次接通。
另外，在上述的实施方式中，主开关元件90为NMOS，但是主开关元件90也可以为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。
说明上述的实施方式的构成要素与权利要求的构成要素的关系。实施方式的PMOS22是权利要求的接通用开关元件的一例。实施方式的NMOS32是权利要求的断开用开关元件的一例。实施方式的漏极电流Ids是权利要求的主电流的一例。实施方式的漏极电压Vds是权利要求的主电压的一例。实施方式的电压Vds2是权利要求的断开电压的一例。实施方式的期间P3和期间P4是权利要求的“从所述断开动作中所述主电压由所述接通电压开始上升的定时起经过了一定时间后的定时到所述断开动作中所述主电压达到所述峰值的定时为止的期间”的一例。实施方式的期间P3是权利要求的“从所述断开动作中所述主电压由述接通电压开始上升的定时起经过了一定时间后的定时到所述断开动作中所述主电压达到所述峰值的定时为止的期间中的至少一部分的期间”的一例(即，权利要求的“将所述接通用开关元件和所述断开用开关元件这两方断开的所述期间”的一例)。
以下列举本说明书公开的技术要素。需要说明的是，以下的各技术要素分别是独立而有用的要素。
本说明书公开的一例的栅极电位控制装置可以具有检测主开关元件的栅极电位的检测器。栅极电位控制装置可以基于在断开动作中栅极电位的下降速度变慢的定时，来控制将接通用开关元件和断开用开关元件这两方断开的期间的开始定时。
在与主开关元件的主电压的上升大致相同的定时，由于密勒效应而栅极电位的下降速度变慢。因此，通过基于栅极电位的下降速度变慢的定时来控制上述期间的开始定时，能够在从主开关元件的主电压上升的定时起经过了一定时间后的定时开始上述期间。
本说明书公开的一例的栅极电位控制装置可以具有检测主开关元件的主电流的检测器。栅极电位控制装置可以基于在断开动作中主电流开始减少的定时，来控制将接通用开关元件和断开用开关元件这两方断开的期间的开始定时。
在与主开关元件的主电压的上升大致相同的定时，主开关元件的主电流开始减少。因此，通过基于主电流开始减少的定时来控制上述期间的开始定时，能够在从主开关元件的主电压上升的定时起经过了一定时间后的定时开始上述期间。
在本说明书公开的一例的栅极电位控制装置中，将接通用开关元件和断开用开关元件这两方断开的期间的结束定时为主电压达到浪涌电压的峰值的定时之前。
以上，关于实施方式进行了详细说明，但是这些只不过是例示，没有对权利要求书进行限定。权利要求书记载的技术包括对以上例示的具体例进行了各种变形、变更的技术。本说明书或附图说明的技术要素是单独或者通过各种组合而发挥技术有用性的要素，没有限定为申请时权利要求记载的组合。而且，本说明书或附图例示的技术是同时实现多个目的的技术，实现其中的1个目的的情况自身就具有技术有用性。

Claims (4)

1.一种栅极电位控制装置，对主开关元件的栅极电位进行控制，其中，具有：
接通用开关元件，一方的主端子连接于栅极接通电位，另一方的主端子连接于所述主开关元件的栅极；及
断开用开关元件，一方的主端子连接于所述栅极，另一方的主端子连接于比所述栅极接通电位低的栅极断开电位，
在通过经由所述断开用开关元件对所述栅极进行放电而使所述主开关元件断开的断开动作中，所述主开关元件的主电极间的主电压以如下方式变化：从接通电压上升至浪涌电压的峰值，然后，下降为比所述峰值低且比所述接通电压高的断开电压，
从所述断开动作中所述主电压由所述接通电压开始上升的定时起经过了一定时间后的定时到所述断开动作中所述主电压达到所述峰值的定时为止的期间的至少一部分的期间中，所述栅极电位控制装置将所述接通用开关元件和所述断开用开关元件这两方断开。
2.根据权利要求1所述的栅极电位控制装置，其中，
所述栅极电位控制装置具有检测所述栅极电位的检测器，
基于所述断开动作中所述栅极电位的下降速度变慢的定时，来控制将所述接通用开关元件和所述断开用开关元件这两方断开的所述期间的开始定时。
3.根据权利要求1所述的栅极电位控制装置，其中，
所述栅极电位控制装置具有检测所述主开关元件的主电流的检测器，
基于所述断开动作中所述主电流开始减少的定时，来控制将所述接通用开关元件和所述断开用开关元件这两方断开的所述期间的开始定时。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的栅极电位控制装置，其中，
将所述接通用开关元件和所述断开用开关元件这两方断开的所述期间的结束定时为所述主电压达到所述峰值的定时之前。
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