CN109525101B - 半导体元件的驱动电路以及半导体元件的驱动方法 - Google Patents

Abstract

实施方式的半导体元件的驱动电路具备对流过电压驱动型半导体元件的导通控制端子的电流进行控制的电流源预驱动器，上述电流源预驱动器以如下方式进行控制：在使上述半导体元件开启时，在上述导通控制端子的电压达到密勒电压的瞬间的前后的期间，使向上述导通控制端子充电的电流相比于驱动期间中的电流下降。

Description

半导体元件的驱动电路以及半导体元件的驱动方法

技术领域

本发明的实施方式涉及对电压驱动型的半导体元件进行驱动的电路以及方法。

背景技术

关于构成例如逆变器那样的电力转换电路的开关元件,已知开关损耗与浪涌的发生量具有折衷的关系。即,若使开关损耗降低则浪涌增加,若使浪涌降低则开关损耗增加。以往,通过对栅极电阻值进行调整等而进行开关损耗与浪涌特性的适当化,来使电力转换电路动作。作为消除该折衷的技术之一,存在有源栅极方式。这是通过控制例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等开关元件的栅极波形从而一边抑制开关损耗一边还抑制浪涌的发生量的技术。

但是,根据日本特开2012-217321号公报那样的现有技术,由于通过电路被动地控制栅极电压,所以难以为了解决折衷而进行最适当的控制,其消除效果不充分。

发明内容

因此,本发明提供能够将用于抑制开关损耗并且还抑制浪涌的发生量的控制更灵活地进行的半导体元件的驱动电路以及半导体元件的驱动方法。

实施方式的半导体元件的驱动电路具备对流过电压驱动型半导体元件的导通控制端子的电流进行控制的电流源预驱动器,上述电流源预驱动器以如下方式进行控制:在使上述半导体元件开启时,在上述导通控制端子的电压达到密勒电压的瞬间的前后的期间,使向上述导通控制端子充电的电流相比于其他驱动期间中的电流下降。

此外,实施方式的半导体元件的驱动电路同样具备对流过电压驱动型半导体元件的导通控制端子的电流进行控制的电流源预驱动器,上述电流源预驱动器以如下方式进行控制:在使上述半导体元件关断时,在上述导通控制端子的电压从密勒电压开始下降的瞬间的前后的期间,使从上述导通控制端子放电的电流相比于其他驱动期间中的电流下降。

附图说明

图1是表示一实施方式中电流控制方式有源栅极驱动电路的一例的图。

图2是表示通常的N沟道MOSFET的栅极-源极间电压Vgs、漏极电流Id特性的一例的图。

图3是表示以能够大致线性地控制FET的漏极电流的范围使栅极电压变化的状态的图。

图4是表示本实施方式的IGBT的开启时的仿真波形的图。

图5是表示本实施方式的IGBT的关断时的仿真波形的图。

图6是表示以栅极电流成为矩形波状的方式进行控制而以一定的电流值进行了充电时的、开启时的仿真波形的图。

图7是表示以栅极电流成为矩形波状的方式进行控制而以一定的电流值进行了放电时的关断时的仿真波形的图。

图8是表示比较电路的结构例的图。

图9是表示比较电路的IGBT的开启时的仿真波形的图。

图10是表示比较电路的IGBT的关断时的仿真波形的图。

图11是表示对于本实施方式的结构和比较电路而言将所发生的损耗进行了比较的一览的图。

具体实施方式

以下,参照附图对一实施方式进行说明。图1表示电流控制方式有源栅极驱动电路的一例。驱动电路1以作为电压驱动型的半导体元件的IGBT2为驱动对象。在IGBT2的集电极、发射极间,反向连接有用于流动回流电流的二极管3。对于IGBT2,假设例如构成3相逆变器的开关元件的1个。

驱动电路1具备栅极驱动器IC4和预驱动器5。预驱动器5由连接在电源VCC2与接地VE之间的N沟道MOSFET6及7的串联电路构成。预驱动器5相当于电流源预驱动器。FET6的栅极连接于驱动器IC4的输出端子ON,FET7的栅极连接于驱动器IC4的输出端子OFF。FET6及7的共通连接点经由栅极电阻8而与IGBT2的栅极连接。驱动器IC4通过分别地控制FET6、7的栅极电压,来控制对IGBT2的栅极充电的电流量、从栅极放电的电流量。上述栅极相当于导通控制端子。

即,关于IGBT2那样的电压驱动型的开关元件的栅极的驱动,在开启时将电荷向栅极充电,在关断时使电荷从栅极抽离。图6表示以栅极电流成为矩形波状的方式进行控制而以一定的电流值进行了充电时的开启时的仿真波形。关于栅极电压及栅极电流的值,为了与集电极电流、集电极电压重叠显示而显示了100倍的值。实际的值是纵轴值的1/100。

首先,利用电流源强制地提供栅极电流,在2.3μs的点上升到1A。然后,将电荷向IGBT的栅极充电,栅极电压以一定的倾斜上升直到2.8μs为止。若栅极电压上升则集电极电流开始流过IGBT,集电极电压从650V向0V转变。在2.8μs到3.4μs之间,由于密勒效应,即使将电荷充电,栅极电压也是一定的。

在3.4μs,密勒期间结束,从3.4μs到3.9μs随着时间的经过而栅极电压上升。在栅极电压成为15V的时刻,使栅极电流切断(OFF)。充电到栅极的电荷能够根据“电荷＝电流×时间”的关系求出。

图7表示同样的关断时的波形。若栅极电流开始流动,则电荷从IGBT的栅极被抽离,栅极电压以一定的倾斜下降直到8.7μs为止。在8.7μs到9.7μs之间,还是由于密勒效应,即使使电荷抽离,栅极电压也是一定的。在9.7μs密勒期间结束,从9.7μs到9.8μs,栅极电压下降。在栅极电压成为0V的时刻使电流切断(OFF)。集电极电压在密勒期间的后半期间上升,集电极电流在密勒期间结束后从200A向0A转变。

本实施方式中,为了消除开关损耗与浪涌的折衷,在开关的过渡期中,进行控制以使栅极电流波形适当化。图2表示通常的N沟道MOSFET的栅极-源极间电压Vgs、漏极电流Id特性的一例。若栅极电压超过1.4V的阈值,则栅极电压与漏极电流成为大致呈比例的关系。因而,若对于MOSFET施加例如图3所示那样的栅极电压波形,则能够控制与图2所示的特性对应的漏极电流。本实施方式的驱动器IC4通过这样控制构成预驱动器5的FET6、7的栅极电压,从而控制将IGBT2的栅极充放电的电流。

图4表示通过本实施方式的驱动电路1而将IGBT2开启时的各信号波形。本实施方式中,以2阶段将电荷向IGBT2的栅极充电。该情况下,使FET7切断(OFF),控制经由输出端子ON向FET6的栅极施加的电压,从而控制向IGBT2的栅极充电的电流。使栅极电流的初始值比图6所示的情况大,设定为3A左右。在IGBT2的栅极电压开始上升后,在即将达到密勒电压而到达密勒期间之前,使栅极电流下降到大致0A。从此,控制为,使栅极电流直线上升并在不足2A成为一定。另外,使栅极电流的初始值比图6所示的情况大,是为了缩短开关时间而降低开关损耗。

如图6所示,IGBT2在密勒期间的初期开启,集电极电流急增而发生浪涌。因此,使该期间的栅极电流下降而抑制浪涌的发生。

图5表示通过驱动电路1而将IGBT2关断时的各信号波形。该情况下,也以2阶段使电荷从IGBT2的栅极抽离。使FET6切断(OFF),控制经由输出端子OFF向FET7的栅极施加的电压,从而控制从IGBT2的栅极放电的电流。如图7所示,IGBT2在密勒期间的后半期间关断,集电极电压急变,发生浪涌。因此,还是使该期间的栅极电流下降而抑制浪涌的发生。之后,使电荷从IGBT2的栅极充分抽离,因此再度使栅极电流上升后下降。

另外,驱动器IC4为了进行这样的控制,例如可以通过监视IGBT2的集电极电流、发射极电流、栅极电压等,从而以生成使电流值变化的触发点的方式进行反馈控制。

图8表示用于比较的、由电压源经由10Ω的栅极电阻驱动IGBT的结构例。图9、图10是通过图8所示的结构使IGBT开启、关断的情况下的仿真结果。对在浪涌电压值、电流值大致相同的条件下发生的开关损耗进行了仿真。

图11对于比较电路和本实施方式的结构表示了开启、关断时发生的开关损耗。关断时的损耗无变化,而开启时的损耗从39mJ下降到24mJ。可以确认如下情况:在合计损耗中能够降低19％左右。

如以上那样,根据本实施方式,栅极驱动电路1的预驱动器5进行控制,以使得:在使IGBT2开启时,在栅极电压达到密勒电压的前后的期间,使向该栅极充电的电流相比于其他驱动期间中的电流下降。即,直接控制向IGBT2的栅极充电的电流,分2阶段进行向栅极电容的充电,从而能够可靠地抑制IGBT2开始开启的密勒期间的初期将要发生的集电极电流的浪涌。

此外,在使IGBT2关断时,进行控制,以使在栅极电压从密勒电压开始下降的前后的期间,从栅极放电的电流相比于其他驱动期间中的电流下降。即,通过分2阶段进行栅极电容的放电,能够可靠地抑制IGBT2开始关断的密勒期间的后期将要发生的集电极电压的浪涌。

(其他实施方式)

对于预驱动器5的FET6,也可以使用P沟道MOSFET。

不限于IGBT,驱动对象只要是电压驱动型的半导体元件即可。

对本发明的几个实施方式进行了说明,这些实施方式是作为例子提示的,并不意欲限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种形态实施,在不脱离发明主旨的范围内能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中,并且包含在权利要求记载的发明及其等同范围内。

Claims (2)

1.一种半导体元件的驱动电路，其中，

具备对流过电压驱动型半导体元件的导通控制端子的电流进行控制的电流源预驱动器，

上述电流源预驱动器以如下方式进行控制：

在使上述半导体元件开启时，在上述半导体元件刚刚开始开启后使对上述导通控制端子充电的电流上升到第一水平，

在上述导通控制端子的电压达到密勒电压的瞬间的前后的期间，使对上述导通控制端子充电的电流下降到比上述第一水平低的第二水平，

之后，使对上述导通控制端子充电的电流维持在比上述第二水平高且比上述第一水平低的第三水平。

2.一种半导体元件的驱动方法，其中，

在使电压驱动型半导体元件开启时，在上述电压驱动型半导体元件刚刚开始开启后使对导通控制端子充电的电流上升到第一水平，

在上述导通控制端子的电压达到密勒电压的瞬间的前后的期间，使对上述导通控制端子充电的电流下降到比上述第一水平低的第二水平，

之后，使对上述导通控制端子充电的电流维持在比上述第二水平高且比上述第一水平低的第三水平。

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