CN112585854A - 开关元件的驱动电路和开关电路 - Google Patents

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Abstract

目的在于提供一种在开关元件的驱动电路中降低开关元件的栅极浪涌的技术。开关元件(1)的栅极端子经由并联连接的电容器(11)和电阻(13)与驱动电路(12)的输出端(Vout)连接，开关元件(1)的源极端子经由并联连接的电容器(14)和齐纳二极管(15)与驱动电路(12)连接。齐纳二极管(15)的阳极端子与开关元件(1)的源极端子连接，齐纳二极管的阴极端子与驱动电路(12)连接。

Description

开关元件的驱动电路和开关电路
技术领域
本发明涉及开关元件的驱动电路。
背景技术
以往，作为电力转换器等中的开关元件，提出了使用以SiC(碳化硅)为材料的JFET等的技术。在这样的开关元件的驱动电路中，为了防止误动作，在开关元件的栅极源极间设置有具有比在漏极栅极间产生的杂散电容大的电容的电容器。进而，为了防止误动作，提出了使用加速电容器CgD来实现负偏置化的技术(例如，参照专利文献1)。另外，同样地，还提出了使用齐纳二极管来实现负偏置化的技术(例如，参照专利文献2)。
这里，在所述那样的现有的开关元件的驱动电路中的负偏置电压中，有时产生开关元件的栅极浪涌变大的不良情况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-99133号公报
专利文献2：日本特开2014-93586号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明是鉴于所述那样的问题而完成的，其目的在于提供一种在开关元件的驱动电路中能够降低开关元件的栅极浪涌的技术。
用于解决问题的方案
用于解决所述问题的本发明为一种用于驱动电流驱动型的开关元件的驱动电路，具备：控制部，其具有第1端子和第2端子，向所述开关元件的栅极端子输出控制信号；与所述控制部的所述第1端子连接的第1电阻及第1电容器，该第1电阻规定形成所述控制信号的电流，该第1电容器与该第1电阻并联连接；并联连接的第2电容器及第1齐纳二极管；以及电流的路径，其从所述第1电阻及第1电容器到达所述栅极端子并从所述开关元件的源极端子到达所述控制部的所述第2端子，所述第2电容器及所述第1齐纳二极管以如下方式插入到从所述源极端子到达所述控制部的路径上：所述控制部的所述第2端子连接在所述第1齐纳二极管的阴极端子侧，所述源极端子连接在所述第1齐纳二极管的阳极端子侧。
根据本发明，在开关元件的栅极导通时，通过形成控制信号的电流，第1电容器、第2电容器以及开关元件的输入电容被充电，在开关元件的栅极截止时，蓄积的电荷经由第1电阻以及第2电阻放电，从而对开关元件施加负偏置电压。这样施加的负偏置电压在开关元件的栅极截止时负偏置电压不会急剧变大，所以能够降低开关元件的栅极浪涌。
另外，在本发明中，在设所述第1电容器的电容为C1，所述第2电容器的电容为C2，所述开关元件的输入电容为Ciss，所述控制信号的电源电压为Vdd，所述开关元件的导通时的栅极源极间电压为Vdev，施加于该开关元件的负偏置电压设为Vcc时，可以满足
Figure BDA0002943440690000021
由此，能够将负偏置电压设定为以两个阶段衰减。由此，能够以抑制急剧的电压、电流变动的方式设定负偏置电压。
另外，在本发明中，也可以与包含所述开关元件以及所述第2电容器和所述齐纳二极管的路径并联地设置镜像钳位电路。
这样，能够防止对开关元件施加浪涌电压等大的电压。
另外，在本发明中，也可以在所述开关元件的所述栅极端子和所述源极端子之间连接第3电容器。
因此，可以根据第3电容器的电容值改变负偏置电压。另外，根据第3电容器的电容值，也能够变更开关元件的开关速度。
另外，在本发明中，也可以具备与所述第1电容器串联且与所述第1电阻并联地连接于所述路径的第3电阻。
这样，通过第3电阻，能够降低开关元件的栅极浪涌。此外，还能够降低在开关元件中产生的开关噪声。
另外，在本发明中，也可以在所述开关元件的所述栅极端子侧连接第2齐纳二极管的阴极端子，在该开关元件的所述源极端子侧连接该第2齐纳二极管的阳极端子。
这样，通过第2齐纳二极管，可以降低栅极浪涌。
另外，在本发明中，也可以在所述开关元件的所述栅极端子和所述源极端子之间连接第4电阻。
这样，可以通过第4电阻的电阻值来改变负偏置电压。
另外，在本发明中，也可以与包含所述开关元件以及所述第2电容器及所述第1齐纳二极管的路径并联地，在该开关元件的所述源极元件侧连接肖特基二极管的阴极端子，在该第1齐纳二极管的阴极端子侧连接该肖特基二极管的阳极端子。
这样，可通过肖特基二极管降低栅极浪涌。
另外，本发明是一种开关电路，其特征在于，具备串联连接的多个电流驱动型的开关元件以及分别驱动所述开关元件的所述开关元件的驱动电路。
根据本发明，在构成开关电路的开关元件中，能够降低栅极浪涌。由此，能够防止开关电路的误动作，还能够降低噪声的产生。
发明效果
根据本发明，在开关元件的驱动电路中，能够降低开关元件的栅极浪涌。
附图说明
图1是表示实施例1的栅极驱动电路100的电路结构的图。
图2是表示实施例1的开关元件1的栅极电压的曲线(profile)的曲线图。
图3是表示实施例2的栅极驱动电路200的电路结构的图。
图4是表示实施例2的开关元件1的栅极电压的曲线的曲线图。
图5是表示实施例3的栅极驱动电路300的电路结构的图。
图6是表示实施例4的栅极驱动电路400的电路结构的图。
图7是表示实施例5的栅极驱动电路500的电路结构的图。
图8是表示实施例6的栅极驱动电路600的电路结构的图。
图9是表示实施例7的栅极驱动电路700的电路结构的图。
图10是表示实施例6的同步整流型升压斩波电路的电路结构的图。
图11是表示现有例的开关元件的栅极电压的曲线的曲线图。
具体实施方式
(应用例)
以下，参照附图对本发明的应用例进行说明。本发明适用于例如图1所示的电流驱动型的开关元件的栅极驱动电路100。
在开关元件1中，施加负偏置电压，以避免由于从串联连接的其他开关元件产生的噪声等原因而在栅极截止时误触发。
作为这样的负偏置电压，以往在栅极源极间施加图11所示的曲线的电压。如图11所示，有时在开关元件的栅极截止时负偏置电压急剧增大，发生栅极浪涌。
因此，本发明通过适当地变更负偏置电压来降低栅极浪涌。
在通过图1所示的栅极驱动电路施加负偏置电压的情况下，开关元件的栅极源极间电压Vgs成为图2所示那样的曲线。在本发明中，具备规定向开关元件供给的栅极电流的第1电阻以及与该第1电阻并联连接的第1电容器。这样的第1电阻和第1电容器分别被称为限制电阻和加速电容器。
形成从用于控制开关元件的栅极的控制部输出的控制信号的电流经由限制电阻及加速电容器流向开关元件的栅极端子。然后，该电流从开关元件的源极端子流向控制部。本发明在从该开关元件的源极端子到控制部的电流的路径中插入有第2电容器和与其并联连接的齐纳二极管。此时，齐纳二极管的阴极端子侧与控制部连接，阳极端子侧与开关元件的源极端子连接。
串联连接于路径中的加速电容器、开关元件的输入电容、第2电容器通过在栅极导通时流过的栅极电流进行充电，在栅极截止时，所充入的电荷通过限制电阻和第2电阻进行放电。根据这样的加速电容器、开关元件的输入电容、第2电容器中蓄积的电荷的放电方式，施加图2所示的曲线的负偏置电压，因此能够降低开关元件的栅极浪涌。
本发明还可以构成为包括串联连接的开关元件并通过本发明的驱动电路驱动这些开关元件的开关电路。在这样的开关电路中，在开关元件被关断时，即使在由于其他开关元件被互补地导通而产生浪涌电压或噪声的情况下，也能够通过适当地变更负偏置电压，来降低开关元件的栅极浪涌。由此，也能够防止开关电路的误动作。这样，通过在开关电路中使用使偏置可变的驱动电路，能够实现各种效果。作为这样的开关电路，只要是串联连接多个开关元件来进行开关的电路即可，包括同步整流型升压斩波电路、DC/DC转换器、逆变器等，但不限于此。
[实施例1]
以下，使用附图更详细地说明本发明的实施例的栅极驱动电路。
<装置结构>
图1表示本实施例的栅极驱动电路。
开关元件1的栅极端子与作为加速电容器发挥功能的电容器11的一端连接。在该电容器11上并联连接有作为用于在开关元件1导通时流过微小电流的限制电阻而发挥功能的电阻13。而且，该电容器11的另一端与输出驱动电路12的输出电压Vout的端子123(以下称为“Vout端”。)连接。开关元件1的源极端子与电容器14的一端连接。而且，该电容器14的另一端与驱动电路12的端子124(以下称为“Vee端”。)。齐纳二极管15与该电容器14并联连接。齐纳二极管15的阳极端子与开关元件1的源极端子侧连接，阴极端子经由Vee端与驱动电路12连接。驱动电路12具有在与电压源Vdd连接的端子(以下称为“Vdd端”。)125与Vee端124之间串联连接的两个n沟道MOSFET 121、122。两个MOSFET 121、122的中点作为Vout端子123连接到电容器11的另一端。驱动电路12基于输入信号V_sig切换MOSFET 121、122的导通/截止。通过使MOSFET 121导通，使MOSFET 122截止，电容器11的另一端经由Vout端123与Vdd端125连接，栅极电流经由电容器11及电阻13流过开关元件1。并且，通过使MOSFET 121截止，MOSFET 122导通，电容器11的另一端经由Vout端123与Vee端125及电容器14的另一端连接，在开关元件1的栅极源极间施加负偏置电压。这里，电容器11对应于第1电容器，电阻13对应于第1电阻，电容器14对应于第2电容器，齐纳二极管15对应于与第2电容器并联连接的第1齐纳二极管，驱动电路12对应于控制部，Vout端123对应于第1端子，Vee端124对应于第2端子。另外，从电容器11及电阻13到开关元件1的栅极端子并从开关元件1的源极端子连接到驱动电路12的电路相当于路径。另外，通过切换驱动电路12的MOSFET 121、122的导通/截止而输入到开关元件1的栅极端子的电流相当于控制信号。
在本实施例中，设电容器11、电容器14、开关元件1的输入电容分别为C1、C2、Ciss，栅极电源电压为Vdd，导通时的器件电压为Vdev，栅极电压为Vgs，负偏置电压值为Vcc。此时，通过满足下述条件，能够使开关元件的栅极截止时的栅极电压以两个阶段衰减。
Figure BDA0002943440690000061
图2表示本实施例的开关元件1的栅极电压的曲线。图2的(一)是开关元件1的栅极导通的状态，(二)、(三)、(四)是开关元件1的栅极截止的状态。如(二)及(三)所示，通过满足所述条件，开关元件1的栅极电压以两个阶段衰减。
由此，能够实现开关元件的栅极浪涌的降低。
在本实施例中，由于齐纳二极管15与电容器14并联连接，所以开关元件1的栅极电压由齐纳二极管15的击穿电压(齐纳电压)规定，不会低于Vcc。
此外，在本实施例的栅极驱动电路100中，在开关元件1导通时，需要经由电容器11对开关元件1的栅极进行充电。因此，通过将开关元件1的栅极的电荷量设为Qg，设计成满足下述条件式，能够加快开关元件1导通时的开关速度。
C1＞Qg(Vdd-Vdev-Vcc)
如图2所示，通过增大电容器11的电容，设计成满足上述条件式，能够使开关元件1的开关速度变快，使栅极导通的栅极电压波形的上升变得陡峭。
[实施例2]
图3表示本发明的实施例2的栅极驱动电路200。
对于与实施例1相同的结构，标注相同的标号并省略详细说明。
在本实施例中，在开关元件1的栅极源极间并联连接有开关元件16。开关元件16连接在开关元件1的栅极端子与电容器11及电阻13的一端之间和电容器14的另一端及齐纳二极管15的阴极端子之间。这里，使用n沟道MOSFET作为开关元件16，在开关元件1的栅极元件侧连接开关元件16的漏极端子，在电容器的另一端和齐纳二极管的阴极端子侧连接开关元件16的源极端子。开关元件16的栅极端子连接到驱动电路12，开关元件16由从驱动电路12输入的信号进行控制。
开关元件16作为镜像钳位电路发挥功能。设定为在栅极电压Vgs成为Vmirror电压以下(例如Va(负偏置电压值的最小值)+2V)的情况下，开关元件16导通，使得Vgs＝Va。图4表示由本实施例的栅极驱动电路200驱动的开关元件1的栅极电压Vgs的曲线。在图4的(三')所示的期间中，如上所述，在栅极电压Vgs成为Vmirror以下的情况下，栅极电压Vgs下降到Va。
在本实施例中，通过设置开关元件，在用作同步整流型的开关元件的栅极驱动电路的情况下，通过在对置臂的开关元件导通时增大负偏置电压值，能够防止误触发，栅极浪涌降低。另外，能够降低死区时间的期间的逆向导通损耗。
[实施例3]
图5表示本发明的实施例3的栅极驱动电路300。
对于与实施例2相同的结构，标注相同的标号并省略详细的说明。
在本实施例中，在实施例2的开关元件1的栅极源极之间并联连接有电容器17。电容器17的一端连接在开关元件1的栅极端子和开关元件16的漏极元件之间，电容器的另一端连接在开关元件1的源极端子与电容器14的一端及齐纳二极管15的阳极端子之间。这里，电容器17对应于第3电容器。
在本实施例中，通过设置电容器17，能够根据电容器17的电容值变更开关速度。
[实施例4]
图6表示本发明的实施例4的栅极驱动电路400。
对于与实施例3相同的结构，标注相同的标号并省略详细说明。
在本实施例中，与电容器11串联地连接电阻18，电阻13与该串联连接的电容器11和电阻18并联连接。这里，电阻13对应于第3电阻。
在本实施例中，通过变更电阻18的电阻值，能够变更开关元件1的开关速度。由此，能够降低栅极浪涌以及开关噪声。
[实施例5]
图7表示本发明的实施例5的栅极驱动电路500。
对于与实施例4相同的结构，标注相同的标号并省略详细的说明。
在本实施例中，在开关元件1的栅极源极间并联连接有齐纳二极管19。齐纳二极管19的阴极端子连接在开关元件1的栅极端子侧、即从电阻13到开关元件1的栅极端子的电路上。并且，齐纳二极管19的阳极端子连接在开关元件1的源极端子侧即从源极端子到齐纳二极管15的阳极端子的电路上。这里，齐纳二极管19对应于第2齐纳二极管。
在本实施例中，通过设置齐纳二极管19，能够降低栅极浪涌。
[实施例6]
图8表示本发明的实施例6的栅极驱动电路600。
对于与实施例5相同的结构，标注相同的标号并省略详细说明。
在本实施例中，还与并联连接于开关元件1的栅极源极间的电容器17并联连接有电阻20。
在本实施例中，通过设置电阻20，能够抑制由外部噪声引起的开关元件的误动作。
[实施例7]
图9表示本发明的实施例7的栅极驱动电路700。
对于与实施例6相同的结构，标注相同的标号并省略详细说明。
在本实施例中，肖特基二极管21与开关元件1以及并联连接的齐纳二极管15和电容器14并联连接。肖特基二极管21的阴极端子连接在从电阻13至开关元件1的栅极端子的电路上。而且，肖特基二极管21的阳极端子连接在从并联连接的电容器14及齐纳二极管15的阴极端子至驱动电路12的Vee端124的电路上。
在本实施例中，通过设置肖特基二极管21，可以降低栅极浪涌。
[实施例8]
图10表示本实施例8的同步整流型升压斩波电路10。
同步整流型升压斩波电路10具备开关元件1a、1b、栅极驱动电路100a、100b、输入电源2、电抗器3、旁路电容器4、负载5等。在该同步整流型升压斩波电路10中，两个开关元件1a、1b串联连接，并分别连接有栅极驱动电路100a、100b。作为栅极驱动电路，不限于实施例1的栅极驱动装置，也可以使用其他实施例的栅极驱动电路。同步整流型升压斩波电路10的功能是公知的，因此省略详细的说明。
这样，在构成同步整流型升压斩波电路10的开关元件中，能够降低栅极浪涌。由此，能够防止同步整流型升压斩波电路10的误动作，能够实现可靠性高的同步整流型升压斩波电路10。
这里，以同步整流型升压斩波电路为例进行了说明，但只要是串联连接多个由本发明的实施例的栅极驱动电路驱动的开关元件的开关电路即可，也可以是DC/DC转换器、逆变器。
另外，以下为了能够对本发明的结构要件和实施例的结构进行对比，对本发明的结构要件附上附图标记进行记载。
<发明1>
一种驱动电流驱动型的开关元件(1)的驱动电路(100，200，300，400，500)，其特征在于，具备：
控制部(12)，其具有第1端子(123)和第2端子(124)，向所述开关元件(1)的栅极端子输出控制信号；
与所述控制部(12)的所述第1端子(123)连接的第1电阻(13)及第1电容器(11)，该第1电阻(13)规定形成所述控制信号的电流，该第1电容器(11)与该第1电阻(13)并联连接；
并联连接的第2电容器(14)及第1齐纳二极管(15)；以及
电流的路径，其从所述第1电阻(13)及第1电容器(11)到达所述栅极端子并从所述开关元件(1)的源极端子到达所述控制部(12)的所述第2端子(124)，
所述第2电容器(14)及所述第1齐纳二极管(15)以如下方式插入到从所述源极端子至所述控制部(12)的路径上：所述控制部(12)的所述第2端子(124)连接在所述第1齐纳二极管(15)的阴极端子侧，所述源极端子连接在所述第1齐纳二极管(15)的阳极端子侧。
<发明2>
根据发明1的开关元件的驱动电路，其特征在于，
在设所述第1电容器(11)的电容为C1，所述第2电容器(14)的电容为C2，所述开关元件(1)的输入电容为Ciss，所述控制信号的电源电压为Vdd，所述开关元件(1)导通时的栅极源极间电压为Vdev，施加在该开关元件上的负偏置电压为Vcc时，满足
Figure BDA0002943440690000091
<发明3>
根据发明1或2的开关元件的驱动电路，其特征在于，
与包含所述开关元件(1)以及所述第2电容器(14)及所述齐纳二极管(15)的路径并联地设置有镜像钳位电路(16)。
<发明4>
根据发明1或2的开关元件的驱动电路，其特征在于，
在所述开关元件(1)的所述栅极端子和所述源极端子之间连接有第3电容器(17)。
<发明5>
根据发明1或2的开关元件的驱动电路，其特征在于，
所述开关元件的驱动电路还具备第3电阻(18)，其与所述第1电容器(11)串联且与所述第1电阻(13)并联地连接在所述路径上。
<发明6>
根据发明1或2的开关元件的驱动电路，其特征在于，
在所述开关元件(1)的所述栅极端子侧连接有第2齐纳二极管(19)的阴极端子，在该开关元件(1)的所述源极端子侧连接有该第2齐纳二极管(19)的阳极端子。
<发明7>
根据发明1或2的开关元件的驱动电路，其特征在于，
在所述开关元件(1)的所述栅极端子和所述源极端子之间连接有第4电阻(20)。
<发明8>
根据发明1或2的开关元件的驱动电路，其特征在于，
与包含所述开关元件(1)以及所述第2电容器(14)及所述第1齐纳二极管(15)的路径并联地，在该开关元件(1)的所述源极元件侧连接有肖特基二极管(21)的阴极端子，在该第1齐纳二极管(15)的阴极端子侧连接有该肖特基二极管(21)的阳极端子。
<发明9>
一种开关电路(10)，其特征在于，具备：
串联连接的多个电流驱动型的开关元件(1)；以及
分别驱动所述开关元件(1)的发明1至8中的任一项发明的开关元件的驱动电路(100，200，300，400，500)。
标号说明
1：开关元件；10：同步整流型升压斩波电路；11、14、17：电容器；12：驱动电路；123：Vout端；124：Vee端；13、18、20：电阻；15、19：齐纳二极管；16：开关元件；19：肖特基二极管；100、200、300、400、500：栅极驱动电路。

Claims (9)

1.一种开关元件的驱动电路，对电流驱动型的开关元件进行驱动，该驱动电路的特征在于，具备：
控制部，其具有第1端子和第2端子，向所述开关元件的栅极端子输出控制信号；
与所述控制部的所述第1端子连接的第1电阻及第1电容器，该第1电阻规定形成所述控制信号的电流，该第1电容器与该第1电阻并联连接；
并联连接的第2电容器及第1齐纳二极管；以及
电流的路径，其从所述第1电阻及第1电容器到达所述栅极端子并从所述开关元件的源极端子到达所述控制部的所述第2端子，
所述第2电容器及所述第1齐纳二极管以如下方式插入到从所述源极端子到达所述控制部的路径上：在所述第1齐纳二极管的阴极端子侧连接所述控制部的所述第2端子，在所述第1齐纳二极管的阳极端子侧连接所述源极端子。
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，
在设所述第1电容器的电容为C1，所述第2电容器的电容为C2，所述开关元件的输入电容为Ciss，所述控制信号的电源电压为Vdd，所述开关元件导通时的栅极源极间电压为Vdev，施加于该开关元件的负偏置电压为Vcc时，满足
Figure FDA0002943440680000011
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，
与包含所述开关元件和所述第2电容器及所述第1齐纳二极管的路径并联地设置有镜像钳位电路。
4.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，
在所述开关元件的所述栅极端子和所述源极端子之间连接有第3电容器。
5.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，
所述开关元件的驱动电路具备第3电阻，该第3电阻以与所述第1电容器串联且与所述第1电阻并联的方式连接于所述路径。
6.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，
在所述开关元件的所述栅极端子侧连接有第2齐纳二极管的阴极端子，在该开关元件的所述源极端子侧连接有该第2齐纳二极管的阳极端子。
7.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，
在所述开关元件的所述栅极端子和所述源极端子之间连接有第4电阻。
8.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，
与包含所述开关元件和所述第2电容器及所述第1齐纳二极管的路径并联地，在该开关元件的所述源极元件侧连接有肖特基二极管的阴极端子，在该第1齐纳二极管的阴极端子侧连接有该肖特基二极管的阳极端子。
9.一种开关电路，其特征在于，具备：
串联连接的多个电流驱动型的开关元件；以及
分别驱动所述开关元件的权利要求1至8的任一项所述的开关元件的驱动电路。
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