CN112737551A

CN112737551A - 栅极驱动电路

Info

Publication number: CN112737551A
Application number: CN202011099804.3A
Authority: CN
Inventors: 深井真志
Original assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2020-10-14
Publication date: 2021-04-30
Also published as: JP2021069080A; US20210126630A1; CN117650773A; GB202014666D0; EP3817230A1; GB2590128A; US11901882B2; GB2590128B

Abstract

在通过使N沟道MOSFET和P沟道MOSFET进行推挽连接来放大输入脉冲信号而驱动输出元件的栅极驱动电路中，在所述N沟道MOSFET和所述P沟道MOSFET的栅极端子之间连接温度补偿电路，所述温度补偿电路随着周围温度的升高而降低所述N沟道MOSFET和所述P沟道MOSFET的各栅极电压。

Description

栅极驱动电路

技术领域

本发明涉及一种使N沟道MOSFET和P沟道MOSFET进行推免连接而驱动功率半导体元件的栅极驱动电路。

背景技术

对功率MOSFET和IGBT等功率半导体元件进行驱动的栅极驱动电路有多个种类。例如，有对N沟道MOSFET和P沟道MOSFET进行推挽连接的栅极驱动电路(实开平05-048584号公报)。该栅极驱动电路可实现在低损耗下高速开关驱动。

但是，在上述现有技术专利文献示出的栅极驱动电路中，因为栅极电压是恒定的，没有温度补偿，会伴随着温度变化出现如下文所述的问题。

1)低温时和高温时的打开延迟时间及关闭延迟时间不同。因此，栅极驱动电路的应答性存在温度依赖性。

2)N沟道MOSFET和P沟道MOSFET同时开启时间延长，损耗增大。特别是一旦在高频开关时元件的温度升高，则容易发生同时开启的情况，损耗变大。

这些问题的原因在于MOSFET的阈值随温度(周围温度)而变化。

本发明着眼于MOSFET的阈值随温度(周围温度)而变化的问题。本发明的目的是提供一种栅极驱动电路，使栅极电压根据温度(周围温度)而变化。

发明内容

本发明的栅极驱动电路具有

推挽连接的N沟道MOSFET和P沟道MOSFET，

连接于所述N沟道MOSFET和所述P沟道MOSFET的栅极端子之间温度补偿电路。

所述温度补偿电路随着周围温度升高而降低所述N沟道MOSFET和所述P沟道MOSFET的各栅极电压。

所述温度补偿电路包括晶体管，其中所述N沟道MOSFET和所述P沟道MOSFET的各栅极端子连接于集电极发射极之间；热敏电阻电路，其包括连接于所述晶体管的基极发射极之间的热敏电阻元件。

通过所述结构，温度补偿电路随着温度(周围温度)升高而使N沟道MOSFET和P沟道MOSFET各自的栅极电压降低(drop，下降)。由此，可缩小根据温度而变化的打开、关闭的各延迟时间的延迟差。另外，N沟道MOSFET和P沟道MOSFET的同时开启时间不会变长，可防止损耗增大。

特别是能够减少在高频开关时的高温时容易产生的损耗。

附图说明

图1是本发明的实施方案的功率模块电路的概略图。

图2是栅极驱动电路2的结构图。

图3是温度补偿电路20的电路图。

图4示出了在设置了温度补偿电路20时，周围温度(热敏电阻温度)和栅极电压V(GS)的关系。

图5示出了求计算值V1的计算方法。

图6示出了未设置温度补偿电路20的栅极驱动电路2的结构，以及nMOSFETQ1的打开、关闭延迟时间。

图7示出了设置了温度补偿电路20的栅极驱动电路2的结构，以及nMOSFETQ1的打开、关闭延迟时间。

图8示出了未设置温度补偿电路20的栅极驱动电路2的结构，以及nMOSFETQ1、pMOSFETQ2的损耗。

图9示出了设置了温度补偿电路20的栅极驱动电路2的结构，以及nMOSFETQ1、pMOSFETQ2的损耗。

具体实施方案

图1是本发明的实施方案的功率模块电路的概略图。

在图1中，控制基板1向栅极驱动电路2输出脉冲信号。栅极驱动电路2使该脉冲信号扩大并供给至功率MOSFET元件3。栅极驱动电路2是本发明相关的部分。

图2是栅极驱动电路2的结构图。

栅极驱动电路2是N沟道MOSFET(nMOSFET)Q1和P沟道MOSFET(pMOSFET)Q2串联(推挽)连接构成的。另外，温度补偿电路20连接在nMOSFET Q1和pMOSFET Q2的各栅极端子(栅极G)之间。从控制基板1输入的脉冲信号输入至nMOSFETQ1的栅极G，经由温度补偿电路20输入至pMOSFETQ2的栅极G。温度补偿电路20是输入电压随着周围温度升高而其输出电压下降的电路。即，在温度补偿电路20中，随着周围温度升高，nMOSFETQ1和pMOSFETQ2各自启动时的栅极电压降低。

图3是温度补偿电路20的电路图。

该温度补偿电路20在晶体管Q3的基极发射极之间连接热敏电阻电路200。热敏电阻电路200由串联的电阻R2(第1电阻)、电阻R3(第2电阻)，以及与电阻R3并联的热敏电阻NTC构成。电阻R2、电阻R3是调节热敏电阻NTC所具备的温度-电压特性(负特性)的电阻。晶体管Q3的集电极发射极经输出端子a、b连接于Q1、Q2的栅极G之间。由此，使nMOSFET Q1和pMOSFET Q2的栅极电压V(GS)下降。该电压降随周围温度而变化。

图4示出了在设置了温度补偿电路20时，周围温度(热敏电阻温度)和栅极电压V(GS)的关系。nMOSFET Q1和pMOSFET Q2的栅极电压阈值T由于FET特性，随着周围温度(热敏电阻温度)变为高温而降低。另一方面，在设计上希望栅极电压V(GS)是上述阈值的大约2倍左右的值、基本上为2倍的值。因此，选择图3的R2、R3和热敏电阻NTC的特性以使栅极电压V(GS)为该种程度的值。通过下述方式求出图3的栅极电压V(GS)的计算值V1。

V(GS)＝(Vcc-Vee)-VDROP

VDROP＝VR1+Vbe

VR1＝R1x(IR2+Ib)

IR2＝Vbe/[R2+{(R3×RTHERMISTOR)

/(R3+RTHERMISTOR)}]

RTHERMISTOR(T1)

＝RTHERMISTOR(T2)exp B{(1/T1)-(1/T2)}

其中

V(GS)：nMOSFET Q1和pMOSFET Q2的栅极电压

Vcc：栅极电压(正)

Vee：栅极电压(负)

VDROP：电压降

RTHERMISTOR(T1)：绝对温度T1[K]下的电阻值[Ω]

RTHERMISTOR(T2)：绝对温度T2[K]下的电阻值[Ω]

在上述中，根据热敏电阻NTC的温度特性，随着变为高温，I(R2)增大。因此，随着变为高温，电压降V(DROP)变大，栅极电压V(GS)降低。上述计算结果如图4所示，栅极电压V(GS)的计算值V1随着变为高温而降低。另外，图4也示出了栅极电压实测值V2，可知计算值V1与实测值V2基本一致。

如上所述，图3电路的温度补偿电路20以图2所示的方式连接，由此随着周围温度(热敏电阻温度)升高，栅极电压V(GS)可如图4所示降低。

接下来参照图6-图9说明温度补偿电路20的作用。

图6示出了未设置温度补偿电路20的栅极驱动电路2的结构，以及nMOSFETQ1的打开、关闭延迟时间。图7示出了设置了温度补偿电路20的栅极驱动电路2的结构，以及nMOSFETQ1的打开、关闭延迟时间。

图6、图7中各符号的意义如下。

a栅极电压(输入栅极波形)V(GS)的10％

b对象MOS的漏极-源极间电压为90％(高温时)

c对象MOS的漏极-源极间电压为90％(低温时)

d输入栅极波形VGS的90％

e对象MOS的漏极-源极间电压为10％(高温时)

f对象MOS的漏极-源极间电压为10％(低温时)

DL1(H)打开延迟时间(高温时)

DL1(L)打开延迟时间(低温时)

DL2(H)关闭延迟时间(高温时)

DL2(L)关闭延迟时间(低温时)

图6上侧所示的脉冲波形(输入脉冲)是栅极电压V(GS)，下侧所示的脉冲波形是漏极-源极间电压V(DS)。在图6中，nMOSFET Q1由于其特性，低温打开时的阈值(电压)(V(thL))和高温打开时的阈值(电压)(V(thH))不同(V(thL)＞V(thH))。

因此，如图6下侧示出的脉冲波形(V(DS)波形)所示，漏极-源极间电压V(DS)的打开延迟时间在高温时和低温时会产生差异。即，低温时打开延迟时间DL1(L)＞高温时打开延迟时间DL1(H)。同样地，在关闭时，低温时关闭延迟时间DL2(L)<高温时关闭延迟时间DL2(H)。另外，打开延迟时间和关闭延迟时间定义为在脉冲上升区间或下降区间中，电压是1O％-90％区间的时间。

另外，图6中示出nMOSFET Q1，但同样适用于pMOSFET Q2。pMOSFET Q2在nMOSFETQ1关闭的区间开启，同样地，由于温度依赖而在打开延迟时间和关闭延迟时间上存在差异。

图7与图6相同，上侧所示的脉冲波形(输入脉冲)是栅极电压V(GS)，下侧所示的脉冲波形是漏极-源极间电压V(DS)。图7上侧所示的脉冲波形示出了低温时的栅极电压V(GS)与高温时的栅极电压V(GS)不同。这是由于温度补偿电路20导致的电压降V(DROP)。即，低温时的栅极电压V(GS)-电压降V(DROP)＝高温时的栅极电压V(GS)。其结果，如图7下侧示出的漏极-源极间电压V(DS)的波形，低温时的打开延迟时间DL1(L)＝高温时的打开延迟时间DL1(H)。另外，低温时的关闭延迟时间DL2(L)＝高温时的关闭延迟时间DL2(H)。

另外，图7中示出nMOSFET Q1，但同样适用于pMOSFET Q2。pMOSFET Q2在nMOSFETQ1关闭的区间开启，即使温度变化，打开延迟时间和关闭延迟时间也相同。

通过如此设置温度补偿电路20，可消除MOSFET阈值的温度依赖性，可使打开延迟时间和关闭延迟时间相同而与温度无关。

图8示出了未设置温度补偿电路20的栅极驱动电路2的结构，以及nMOSFETQ1、nMOSFETQ2的损耗。图9示出了设置了温度补偿电路20的栅极驱动电路2的结构，以及nMOSFETQ1、nMOSFETQ2的损耗。

图8上侧所示的脉冲波形(输入脉冲)是nMOSFET Q1的栅极电压V(GS)。下侧所示的脉冲波形(输入脉冲)是pMOSFET Q2的栅极电压V(GS)。

图8、图9中各符号的意义如下。

a NchMOS的阈值电压(高温时)

b NchMOS的阈值电压(低温时)

c PchMOS的阈值电压(低温时)

d PchMOS的阈值电压(高温时)

e PchMOS的阈值电压(高温时)

f PchMOS的阈值电压(低温时)

g NchMOS的阈值电压(低温时)

h NchMOS的阈值电压(高温时)

在图8中，nMOSFET Q1和pMOSFET Q2由于其特性，低温打开时的阈值(电压)(V(thL))和高温打开时的阈值(电压)(V(thH))均不同(V(thL)＞V(thH))。另一方面，nMOSFETQ1和pMOSFET Q2在nMOSFET Q1打开时(pMOSFET Q2关闭时)，具有二者同时开启的区间TON(H)、TON(L)。另外，在nMOSFET Q1关闭时(pMOSFET Q2打开时)，也具有二者同时开启的区间TOFF(H)、TOFF(L)。在这些区间TON(H)、TON(L)和区间TOFF(H)、TOFF(L)中，短路电流流经两个nMOSFET Q1和pMOSFET Q2，此时产生(热)损耗。该损耗特别是开关频率高时较大。

图9与图8相同，上侧所示的脉冲波形(输入脉冲)是nMOSFETQ1的栅极电压V(GS)，下侧所示的脉冲波形(输入脉冲)是pMOSFET Q2的栅极电压V(GS)。图9上侧所示的脉冲波形示出了在nMOSFET Q1开启时，栅极电压V(GS)降低了仅温度补偿电路20的电压降V(DROP)。另外，图9下侧所示的脉冲波形示出了在pMOSFET Q2开启时，栅极电压V(GS)降低了仅温度补偿电路20的电压降V(DROP)。

由图9可知，在nMOSFET Q1打开时(pMOSFET Q2的关闭时)，二者同时开启的区间TON(H)、TON(L)比图8所示的短。另外，在nMOSFET Q1关闭时(pMOSFET Q2打开时)，二者同时开启的区间TOFF(H)、TOFF(L)也比图8所示的短。

通过如此设置温度补偿电路20，可减少因MOSFET阈值的温度依赖性导致的打开时、关闭时的损耗。

如上所述，通过本实施方案，通过设置温度补偿电路20，可减小N沟道MOSFET和P沟道MOSFET打开、关闭的各延迟时间的延迟差。另外，N沟道MOSFET和P沟道MOSFET的同时开启时间不会变长，可防止损耗增大。

Claims

1.一种栅极驱动电路，具有

推挽连接的N沟道MOSFET和P沟道MOSFET。

连接于所述N沟道MOSFET和所述P沟道MOSFET的栅极端子之间的温度补偿电路，

所述温度补偿电路随着周围温度升高而降低所述N沟道MOSFET的栅极电压和所述P沟道MOSFET的栅极电压。

2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其中

所述温度补偿电路包括晶体管，其中所述N沟道MOSFET的栅极端子和所述P沟道MOSFET的栅极端子连接于集电极发射极之间；热敏电阻电路，其包括连接于所述晶体管的基极发射极之间的热敏电阻元件。

3.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其中

所述热敏电阻电路由串联的第1电阻、第2电阻，以及与所述第2电阻并联的热敏电阻构成。

4.根据权利要求3所述的栅极驱动电路，其中

所述热敏电阻电路的所述第1电阻、所述第2电阻、所述热敏电阻的特性是，所述栅极电压设定为是所述N沟道MOSFET和所述P沟道MOSFET的栅极电压阈值的基本上2倍的值。