CN113711481B - 驱动电路 - Google Patents

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Abstract

驱动电路(14)包括电源(20、30)、电源切换部(40)、输出切换部(50)。电源(20、30)的负极彼此被连接。电源(30)的正极连接到MOSFET(11)的源极。电源(30)的输出电压能在比电源(20)小的电压范围内变化。电源切换部(40)基于驱动指令对电压进行切换，从而在使MOSFET(11)断开驱动时，电源(30)位于源极与栅极之间的路径中，在使MOSFET(11)接通驱动时，为了施加正电压而使电源(20、30)位于路径中。输出切换部(50)向电源(30)输出切换信号，以使在MOSFET(11)的驱动期间中的至少包括接通驱动期间的一部分的期间中，输出电压为零，在至少包括断开驱动期间的一部分的剩余的驱动期间中，输出电压为5V。

Description

驱动电路
相关申请的援引
本申请以2019年4月25日申请的日本专利申请2019-084497号为基础，在此援引其记载内容。
技术领域
本说明书中的公开涉及一种开关元件的驱动电路。
背景技术
专利文献1所公开的驱动电路包括正电源和负电源。两个电源的连接点连接到开关元件的低电位侧的主电极，具体而言连接到MOSFET的源极。源极与正电源的负极和负电源的正极连接。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2015/072098号公报
发明内容
根据专利文献1的结构，当使MOSFET断开驱动时，负电源位于源极与栅极之间的路径中，由此能够对栅极施加负电压。另一方面，当使MOSFET接通驱动时，正电源位于源极与栅极之间的路径中，由此能够对栅极施加正电压。
在专利文献1的结构中，两个电源被串联地配置。如果试图增大负电源的输出电压来抑制错误电弧，则正电源的输出电压相应地变小，接通驱动期间的损耗变大。另一方面，如果试图增大正电源的输出电压来减少损耗，则负电源的输出电压相应地变小，容易产生错误电弧。
另外，错误电弧是指如下的现象：由于噪声等引起的高电位侧的主电极的陡峭的电位变动，电荷经由高电位侧的主电极与栅极之间的返回电容而被充电至栅极，从而开关元件非意图地接通。例如，在开关元件构成上下臂电路的一个臂的结构中，由于另一臂(相对臂)的开关元件的开启时的噪声，有可能会产生错误电弧。特别是在宽带隙半导体的情况下，由于栅极阈值电压(Vth)较低，因此，容易产生错误电弧。通过施加负电压，直到达到栅极阈值电压(Vth)为止的裕度变大，因此，能够抑制错误电弧。
本公开的一个目的是提供一种驱动电路，上述驱动电路能够在抑制错误电弧的同时减少接通驱动期间的损耗。
在此公开的开关元件的驱动电路包括第一电源、第二电源、电源切换部和输出切换部。
第一电源和第二电源的负极彼此被连接。第二电源的正极与开关元件的低电位侧的主电极连接。第二电源的输出电压能在比第一电源小的电压范围内变化。
电源切换部基于驱动指令对施加驱动电压的电源进行切换，从而在使开关元件断开驱动时，第二电源位于低电位侧的主电极与栅极之间的路径中，在使开关元件接通驱动时，为了对栅极施加正电压而使第一电源和第二电源位于路径中。
然后，输出切换部针对第二电源输出输出电压的切换信号，以使在开关元件的驱动期间中的至少包括接通驱动期间的一部分的期间中，第二电源的输出电压为零，在至少包括断开驱动期间的一部分的剩余的驱动期间中，输出电压为规定的电压而不为零。
根据所公开的驱动电路，第二电源的负极与第一电源的负极连接，第二电源的正极与低电位侧的主电极连接。第一电源经由第二电源与低电位侧的主电极连接。通过使第一电源和第二电源位于低电位侧的主电极与栅极之间的路径中而对栅极施加正电压，从而能够使开关元件接通驱动。由于在开关元件被接通驱动的期间中将第二电源的输出电压设为零，因此，与不设为零而设为规定的电压的情况相比，能够使驱动电压(正电压)变高。因此，能够减少接通驱动期间的损耗，例如开关损耗或DC损耗。
当使开关元件断开驱动时，第二电源位于路径中。第二电源的正极与低电位侧的主电极连接。然后，在开关元件被断开驱动的期间中，将第二电源的输出电压设为规定的电压。因此，能够对栅极施加负电压，并且抑制错误电弧。其结果是，能够提供一种驱动电路，上述驱动电路能够在抑制错误电弧的同时减少接通驱动期间的损耗。
附图说明
图1是表示应用了第一实施方式的驱动电路的电力转换装置的电路结构的图。
图2是用于说明错误电弧的图。
图3是表示栅极电压Vgs与损耗的关系的图。
图4是表示驱动电路的图。
图5是表示开启时的电流的流动的图。
图6是表示关断时的电流的流动的图。
图7是表示输出电压V2的切换的一例的时序图。
图8是表示参考例的图。
图9是表示参考例的图。
图10是表示第二实施方式的驱动电路的图。
图11是表示输出电压V2的切换的时序图。
图12是表示第三实施方式的驱动电路的图。
图13是表示输出电压V2的切换的时序图。
图14是表示第四实施方式的驱动电路的图。
图15是表示输出电压V2的切换的时序图。
图16是表示第五实施方式中的输出电压V2的切换的时序图。
图17是表示第六实施方式的驱动电路的图。
图18是表示输出电压V2的切换的时序图。
图19是表示变形例的图。
图20是表示第七实施方式的驱动电路的图。
图21是表示变形例的图。
图22是表示变形例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对多个实施方式进行说明。在多个实施方式中，对功能上和/或结构上对应的部分标注相同的参照符号。以下所示的电力转换装置例如可以应用于电动汽车(EV)、混合动力汽车(HV)等车辆。
(第一实施方式)
首先，基于图1，对应用了电力转换装置的车辆的驱动系统的示意结构进行说明。
＜车辆的驱动系统＞
如图1所示，车辆的驱动系统1包括直流电源2、电动发电机3和电力转换装置4。
直流电源2是由能充放电的二次电池构成的直流电压源。二次电池例如是锂离子电池、镍氢电池。电动发电机3是三相交流方式的旋转电机。电动发电机3作为车辆的行驶驱动源、即电动机发挥作用。电动发电机3在再生时作为发电机发挥作用。电力转换装置4在直流电源2与电动发电机3之间进行电力转换。
＜电力转换装置的电路结构＞
接着，基于图1，对电力转换装置4的电路结构进行说明。电力转换装置4至少包括电力转换部。本实施方式的电力转换装置4包括平滑电容器5、作为电力转换部的逆变器6、控制电路13和驱动电路14。
平滑电容器5连接在作为高电位侧的电力线的P线7与作为低电位侧的电力线的N线8之间。P线7连接到直流电源2的正极，N线8连接到直流电源2的负极。平滑电容器5主要使从直流电源2供给的直流电压平滑化。
逆变器6是DC-AC转换部。逆变器6包括与三相对应的上下臂电路9。上下臂电路9的连接点经由输出线10与对应的相的绕组3a连接。上下臂电路9分别具有上臂9U和下臂9L。上臂9U和下臂9L将上臂9U设为P线7侧，并且在P线7与N线8之间串联连接。逆变器6具有六个臂。
各臂具有作为开关元件的MOSFET 11和二极管12。由于回流，二极管12反向并联地连接到MOSFET 11。二极管12可以是MOSFET 11的寄生二极管(体二极管)，也可以与寄生二极管分开设置。MOSFET 11和二极管12形成于半导体基板。
在本实施方式中，MOSFET 11是n通道型的。在MOSFET 11中，漏极是高电位侧的主电极，源极是低电位侧的主电极。MOSFET 11形成于宽带隙的半导体基板。宽带隙的半导体与Si(硅)相比带隙较大。作为宽带隙的半导体，例如存在SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、金刚石。本实施方式的MOSFET 11形成于SiC基板。
在上臂9U中，漏极连接到P线7。在下臂9L中，源极连接到N线8。上臂9U侧的源极与下臂9L侧的漏极彼此连接。二极管12的阳极连接到对应的MOSFET 11的源极，阴极连接到漏极。
逆变器6根据由控制电路13进行的开关控制，将直流电压转换为三相交流电压，并且向电动发电机3输出。由此，电动发电机3被驱动以产生规定的转矩。逆变器6根据由控制电路13进行的开关控制将电动发电机3在车辆的再生制动时接收来自车轮的旋转力而发电的三相交流电压转换为直流电压，并且向P线7输出。这样，逆变器6在直流电源2与电动发电机3之间进行双向电力转换。
控制电路13生成用于使MOSFET 11动作的驱动指令，并且输出到驱动电路14。控制电路13基于从未图示的上级ECU输入的转矩请求、由各种传感器检测到的信号来生成驱动指令。作为各种传感器，例如存在电流传感器、旋转角传感器、电压传感器。电流传感器对流过各相的绕组3a的相电流进行检测。旋转角传感器对电动发电机3的转子的旋转角进行检测。电压传感器对平滑电容器5的两端电压进行检测。电力转换装置4包括上述未图示的传感器。控制电路13输出PWM信号作为驱动指令。控制电路13包括例如微型计算机(microcomputer)。ECU是电子控制单元(Electronic Control Unit)的简称。PWM是脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)的简称。
驱动电路14基于控制电路13的驱动指令将驱动电压供给到对应的臂的MOSFET 11的栅极。驱动电路14通过施加驱动电压来使对应的MOSFET11驱动、即接通驱动、断开驱动。驱动电路14也称为驱动器。在本实施方式中，针对一个臂设置一个驱动电路14。
电力转换装置4还可以包括转换器作为电力转换部。转换器是将直流电压转换为不同值的直流电压的DC-DC转换部。转换器设置在直流电源2与平滑电容器5之间。转换器构成为包括例如电抗器和上述的上下臂电路9。此外，还可以包括用于去除来自直流电源2的电源噪声的滤波电容器。滤波电容器设置在直流电源2与转换器之间。
虽然示出了电力转换装置4包括控制电路13的示例，但是不限定于此。例如，通过使上级ECU具有控制电路13的功能，也可以构成为不包括控制电路13。虽然示出了针对每个臂设置驱动电路14的示例，但是不限定于此。例如，也可以针对一个上下臂电路9设置一个驱动电路14。
＜错误电弧＞
接着，基于图2，对MOSFET 11的错误电弧进行说明。错误电弧有时被称为自动开启。
在图2中，Vds表示以源极电位为基准的漏极电位、即漏极电压。Vgs表示以源极电位为基准的栅极电位、即栅极电压。Cgd表示栅极-漏极之间的返回电容。Lg表示栅极配线的电感。Rg表示栅极电阻。
由于噪声等，MOSFET 11的漏极电压Vds陡峭地变动。例如，在上下臂电路9中，在构成上臂9U(相对臂)的MOSFET 11的开启时，构成下臂9L的MOSFET 11的漏极电压Vds陡峭地变动。
由于漏极电压Vds的陡峭变动(dVds/dt)，电流Igd流动。如实线箭头所示，电流Igd经由返回电容Cgd流动。电流Igd由下式表示。
(数学式1)电流Igd＝Cgd×dVds/dt
另外，通过使电流Igd流过栅极配线，在栅极产生较大的电压(浪涌电压)。该电压dVgs由下式表示。电压dVgs是变化量。
(数学式2)dVgs＝Rg×igd+Lg×digd/dt
在该被感应出的电压dVgs超过栅极阈值电压(Vth)时，尽管处于断开驱动期间，但是MOSFET 11却被错误地开启。
这样，由于高电位侧的主电极的陡峭的电位变动，电荷经由返回电容被充电到栅极，有可能使开关元件非意图地接通。
＜接通期间的损耗＞
接着，基于图3，对MOSFET 11的接通驱动期间的损耗进行说明。
图3表示包括开启的接通驱动期间的信号波形。在图3中，示出了栅极电压Vgs较低的情况和较高的情况。漏极电流Ids是在漏极-源极之间流动的电流，有时被称为主电流。在栅极电压Vgs超过栅极阈值电压Vth时，漏极电流Ids流动。
损耗由漏极电流Ids和漏极电压Vds的乘积表示。在栅极电压Vgs较高时，开关(开启)变快，漏极电压Vds快速下降。因此，与栅极电压Vgs较低的情况相比，能够减少开关损耗。
在栅极电压Vgs较高时，接通电阻变小。由此，接通固定(完全接通)中的漏极电压Vds变小。因此，与栅极电压Vgs较低的情况相比，能够减少DC损耗。
＜驱动电路＞
接着，基于图4至图7对驱动电路14进行说明。在图4中，为了方便，省略了二极管12。图5示出了开启时的电流的流动。图6示出了关断时的电流的流动。图7是表示栅极电压Vgs和第二电源30的输出电压V2的时序图。
如图4所示，驱动电路14包括第一电源20、第二电源30、电源切换部40和输出切换部50。
第一电源20是输出电压V1固定的恒定电压源。在本实施方式中，输出电压V1为20V。第二电源30是输出电压V2可变的电源。第二电源30在比输出电压V1小的电压的范围内，使输出电压V2变化。第二电源30设定与后述的切换信号对应的输出电压V2。在本实施方式中，第二电源30能够在0V～5V的范围内设定输出电压V2。第二电源30根据切换信号设定零(0V)或5V。第二电源30的负极连接到第一电源20的负极。第二电源30的正极连接到MOSFET 11的源极。以下，有时将第一电源20和第二电源30简单地表示为电源20、30。
电源切换部40是具有接通用开关41、断开用开关42和驱动控制部43的电路。接通用开关41设置在第一电源20的正极与MOSFET 11的栅极之间。在本实施方式中，接通用开关41是p通道型的MOSFET。接通用开关41的源极连接到第一电源20的正极。接通用开关41的漏极经由电阻44连接到MOSFET 11的栅极。接通用开关41有时被称为充电用开关。
断开用开关42设置在电源20、30的连接点与MOSFET 11的栅极之间。在本实施方式中，断开用开关42是n通道型的MOSFET。断开用开关42的源极连接到电源20、30的连接点。断开用开关42的漏极经由电阻45连接到MOSFET 11的栅极。断开用开关42有时被称为放电用开关。以下，有时将接通用开关41和断开用开关42简单地表示为开关41、42。
开关41、42在第一电源20的正极与电源20、30的连接点之间串联连接。开关41、42的漏极彼此连接。MOSFET 11的栅极连接到开关41、42的连接点。在开关41、42的连接点与接通用开关41之间设置有电阻44，在连接点与断开用开关42之间设置有电阻45。
驱动指令从控制电路13经由光电耦合器等未图示的绝缘元件输入到驱动控制部43。驱动控制部43基于作为PWM信号的驱动指令来对开关41、42的驱动进行控制。驱动控制部43通过开关41、42的接通断开来对向MOSFET 11的栅极供给驱动电压的电源进行切换。通过使开关41、42中的一个的接通，在MOSFET 11的源极与栅极之间形成路径。位于该路径中的电源作为施加驱动电压的电源发挥作用。
在驱动指令为L电平的情况下，驱动控制部43使接通用开关41接通，使断开用开关42断开。由此，在MOSFET 11的源极与栅极之间形成经由接通用开关41的第一路径。在开启时，如图5中实线箭头所示，电流在第一路径中从MOSFET 11的源极流向栅极，栅极被充电。电源20、30位于第一路径中。电源20、30作为施加驱动电压的电源发挥作用。由于输出电压V2比输出电压V1小，因此，能够施加正电压以作为驱动电压。
在驱动指令为H电平的情况下，驱动控制部43使接通用开关41断开，使断开用开关42接通。由此，在MOSFET 11的源极与栅极之间形成经由断开用开关42的第二路径。在关断时，如图6中实线箭头所示，电流在第二路径中从MOSFET 11的栅极流向源极，栅极的电荷被取出。第二电源30位于第二路径中。第二电源30作为施加驱动电压的电源发挥作用。由于第二电源30的正极连接到MOSFET 11的源极，因此，能够施加负电压以作为驱动电压。
使MOSFET 11断开驱动的断开驱动指令为H电平的信号。当使MOSFET 11断开驱动时，如上所述地形成第二路径。第二电源30位于第二路径中。使MOSFET 11接通驱动的接通驱动指令是规定占空比的信号。当施加正电压以使MOSFET 11接通驱动时，如上所述地形成第一路径。电源20、30位于第一路径中。
输出切换部50是对第二电源30输出输出电压V2的切换信号的电路。作为驱动期间，MOSFET 11具有接通驱动的期间即接通驱动期间和断开驱动的期间即断开驱动期间。接通驱动期间包括开启期间和完全接通期间。断开驱动期间包括关断期间和完全断开期间。输出切换部50输出切换信号，以使在驱动期间的第一期间中输出电压V2为零(0V)，在第二期间中输出电压V2为规定的电压。切换信号是针对第二电源30指示输出电压V2的目标值的信号。第一期间是至少包括接通驱动期间的一部分的期间。第二期间是除了第一期间之外的剩余的驱动期间。在本实施方式中，规定的电压是5V。
在图7中，作为一例，第一期间与接通驱动期间大致一致，第二期间与断开驱动期间大致一致。随着从断开驱动期间向接通驱动期间的切换，根据切换信号，输出电压V2从5V切换为零(0V)。由于第一路径中的第二电源30的输出电压V2为零，因此，如图7所示，能够将输出电压V1(20V)作为正的电压施加到栅极。另外，随着从接通驱动期间向断开驱动期间的切换，根据切换信号，输出电压V2从零切换为5V。由于第二路径中的第二电源30的输出电压V2为5V，因此，能够将负电压(－5V)施加到栅极。
＜第一实施方式的总结＞
图8和图9示出了参考例。在参考例中，对于与本实施方式的元件相同或者相关联的元件，在本实施方式的符号的末尾追加标注r而示出。在图8和图9中，为了方便，省略了驱动电路14r中的驱动控制部进行图示。
在图8所示的参考例中，第一电源20r的负极和第二电源30r的正极彼此连接。而且，电源20r、30r的连接点连接到MOSFET 11r的源极。开关41r、42r的串联电路与电源20r、30r的串联电路并联连接。接通用开关41r的源极连接到第一电源20r的正极，断开用开关42r的源极连接到第二电源30r的负极。
在使接通用开关41r接通且使断开用开关42r断开时，在MOSFET 11r的源极与栅极之间形成有经由接通用开关41r的第一路径。在开启时，如实线箭头所示，电流在第一路径中从MOSFET 11r的源极流向栅极。第一电源20r位于第一路径中。在使接通用开关41r断开且使断开用开关42r接通时，在MOSFET 11r的源极与栅极之间形成有经由断开用开关42r的第二路径。在关断时，如实线箭头所示，电流在第二路径中从MOSFET 11r的栅极流向源极。第二电源30r位于第二路径中。由于第二电源30r的正极连接到MOSFET 11r的源极，因此，能够施加负电压以作为驱动电压。
在图8所示的驱动电路14r中，20V的电源整体上分为第一电源20r(15V)和第二电源30r(5V)。如果试图增大负电源即第二电源30r的输出电压来抑制错误电弧，则正电源即第一电源20r的输出电压相应地变小。由于第二电源30r的输出电压是恒定(固定)的，因此，接通驱动期间的栅极电压Vgs减少了第二电源30r的量。因此，接通驱动期间的损耗变大。如果试图增大第一电源20r的输出电压来减少损耗，则第二电源30r的输出电压相应地变小。由于负电压的降低，容易产生错误电弧。
在图9所示的参考例中，电源20r、30r的负极彼此连接。而且，第二电源30r的正极连接到MOSFET 11r的源极。第一电源20r经由第二电源30r连接到源极。接通用开关41r的源极连接到第一电源20r的正极，断开用开关42r的源极连接到电源20r、30r的连接点。第二电源30r的输出是恒定(固定)的，而不是可变电源。因此，驱动电路14r不包括输出切换部。
在使接通用开关41r接通且使断开用开关42r断开时，在MOSFET 11r的源极与栅极之间形成有经由接通用开关41r的第一路径。在开启时，如实线箭头所示，电流在第一路径中从MOSFET 11r的源极流向栅极。电源20r、30r位于第一路径中。在使接通用开关41r断开且使断开用开关42r接通时，在MOSFET 11r的源极与栅极之间形成有经由断开用开关42r的第二路径。在关断时，如实线箭头所示，电流在第二路径中从MOSFET 11r的栅极流向源极。第二电源30r位于第二路径中。
在图9所示的驱动电路14r中，电源20r、30r位于第一路径中。由于第二电源30r的输出电压是固定的(5V)，因此，接通驱动期间的栅极电压Vgs减少了第二电源30r的量。在接通驱动期间，仅第一电源20r的输出电压(20V)与第二电源30r的输出电压(5V)之差(15V)能够施加到栅极。因此，接通驱动期间的损耗变大。
与此相对，根据本实施方式的驱动电路14，能够在比第一电源20的输出电压V1小的电压范围内对第二电源30的输出电压V2进行切换。与图9所示的参考例同样地，连接电源20、30的负极彼此连接，第二电源30的正极连接到MOSFET 11的源极。第一电源20经由第二电源30连接到源极。通过使接通用开关41接通，在MOSFET 11的源极与栅极之间形成第一路径。由于电源20、30位于第一路径中，因此，能够对栅极施加正电压，由此使MOSFET 11接通驱动。
在第二电源30的正极连接到MOSFET 11的源极，电源20、30位于第一路径的结构中，将输出电压V1和输出电压V2的差电压(＝V1－V2)施加到栅极。在本实施方式中，在至少包括接通驱动期间的一部分的第一期间中，将第二电源30的输出电压V2设为零。因此，与不为零而设为规定的电压的情况相比，能够使施加到栅极的驱动电压(正电压)变高。由此，能够减少接通驱动期间的损耗，例如开关损耗或DC损耗。
另一方面，在除了第一期间之外的驱动期间、即包括断开驱动期间的一部分的第二期间中，使第二电源30的输出电压V2不为零而设为规定的电压(例如5V)。如上所述，第二电源30的正极连接到MOSFET 11的源极。因此，在断开驱动期间中，能够对栅极施加负电压(－5V)。由此，能够抑制MOSFET 11的错误电弧。基于以上，能够提供一种驱动电路14，上述驱动电路14能够在抑制错误电弧的同时减少接通驱动期间的损耗。
在使用诸如SiC的宽带隙半导体的情况下，与使用Si(硅)的情况相比，MOSFET的栅极阈值电压(Vth)变低。因此，由于噪声而产生错误电弧的可能性变得更高。在本实施方式中，在断开驱动期间，能够对栅极施加负电压(－5V)。因此，在采用形成于SiC基板的MOSFET11的同时，也能够抑制错误电弧。
(第二实施方式)
该实施方式是以先前的实施方式为基础方式的变形例，能够援引先前实施方式的记载。
图10示出了本实施方式的驱动电路14。在驱动电路14中，驱动指令也输入到输出切换部50。输出切换部50基于驱动指令输出切换信号。输出切换部50在切换驱动指令的时刻，输出输出电压V2的切换信号。
驱动控制部43在输出电压V2的切换结束之后，对电源20、30进行切换以使MOSFET11(开关元件)处于与驱动指令对应的驱动状态。在本实施方式中，输出切换部50对电源切换部40的驱动控制部43输出输出电压V2的切换结束信号。驱动控制部43在获取到切换结束信号时，根据驱动指令对开关41、42的接通断开进行切换。
图11是表示输出电压V2的切换的时序图。以下，简化了驱动指令进行图示。驱动指令的ON表示接通驱动指令，OFF表示断开驱动指令。
输出切换部50在驱动指令从断开驱动指令切换为接通驱动指令的定时(时刻t1)处，输出将输出电压V2从5V切换为零(0V)的切换信号。输出切换部50以切换为接通驱动指令为触发，输出将输出电压V2设为零的切换信号。由于切换信号，第二电源30的输出电压V2降低，经过规定时间之后变为零。输出切换部50例如对输出电压V2进行监测，在输出电压V2低于规定的阈值时判断为切换为零。输出切换部50在时刻t2处输出切换结束信号。
在时刻t1处，接通驱动指令输入到驱动控制部43。驱动控制部43不是在时刻t1处开始电源20、30的切换，而是在输入切换结束信号的时刻t2处对电源20、30进行切换。具体而言，接通用开关41接通，断开用开关42断开。因此，在时刻t2处，MOSFET 11开始开启。
输出切换部50在驱动指令从接通驱动指令切换为断开驱动指令的定时(时刻t3)处，输出将输出电压V2从零切换为5V的切换信号。输出切换部50以切换为断开驱动指令为触发，输出将输出电压V2设为5V的切换信号。由于切换信号，第二电源30的输出电压V2上升，经过规定时间之后变为5V。输出切换部50在输出电压V2超过规定的阈值时判断为切换为5V。输出切换部50在时刻t4处输出切换结束信号。
在时刻t3处，断开驱动指令输入到驱动控制部43。驱动控制部43不是在时刻t4处开始电源20、30的切换，而是在输入切换结束信号的时刻t4处对电源20、30进行切换。具体而言，接通用开关41断开，断开用开关42接通。因此，在时刻t4处，MOSFET 11开始关断。
虽然示出了对输出电压V2进行监测来对切换结束进行判断的示例，但是不限定于此。例如，如果从输出切换信号开始经过了规定时间，则也可以判断为切换结束。虽然示出了输出切换部50对输出电压V2的切换结束进行判断的示例，但是不限定于此。例如，驱动控制部43也可以监测输出电压V2来判断切换结束。
＜第二实施方式的总结＞
根据本实施方式的驱动电路14，输出切换部50在切换为接通驱动指令的时刻，输出用于将输出电压V2设为零的切换信号。另一方面，电源切换部40的驱动控制部43在输出电压V2向零的切换结束之后，对电源20、30进行切换，以使MOSFET 11被接通驱动。切换信号与MOSFET 11的开启开始存在时间上的偏差。在MOSFET 11开始开启的时间点，输出电压V2已切换为零。因此，能够有效地减少接通驱动期间的损耗。特别是能够有效地减少开启时的开关损耗。
此外，输出切换部50在切换为断开驱动指令的时刻，输出用于将输出电压V2设为5V(规定的电压)的切换信号。另一方面，电源切换部40的驱动控制部43在输出电压V2向5V的切换结束之后，对电源20、30进行切换，以使MOSFET 11被断开驱动。切换信号与MOSFET11的关断开始存在时间上的偏差。在MOSFET 11开始关断的时间点，输出电压V2已切换为5V。因此，能够减少关断时的开关损耗。
(第三实施方式)
该实施方式是以先前的实施方式为基础方式的变形例，能够援引先前实施方式的记载。
图12示出了本实施方式的驱动电路14。与第二实施方式同样地，在驱动电路14中，驱动指令也输入到输出切换部50。输出切换部50基于驱动指令输出切换信号。输出切换部50在切换驱动指令的时刻，输出输出电压V2的切换信号。电源切换部40的驱动控制部43基于驱动指令来对电源20、30进行切换。
图13是表示输出电压V2的切换的时序图。输出切换部50在驱动指令从断开驱动指令切换为接通驱动指令的定时(时刻t1)处，输出将输出电压V2从5V切换为零(0V)的切换信号。输出切换部50以切换为接通驱动指令为触发，输出将输出电压V2设为零的切换信号。由于切换信号，第二电源30的输出电压V2降低。输出电压V2从时刻t11开始降低，经过规定时间之后变为零。
在时刻t11处，接通驱动指令输入到驱动控制部43。驱动控制部43在输入有接通驱动指令时对电源20、30进行切换。具体而言，接通用开关41接通，断开用开关42断开。因此，在时刻t11处，MOSFET 11开始开启。
输出切换部50在驱动指令从接通驱动指令切换为断开驱动指令的定时(时刻t12)处，输出将输出电压V2从零切换为5V的切换信号。输出切换部50以切换为断开驱动指令为触发，输出将输出电压V2设为5V的切换信号。由于切换信号，第二电源30的输出电压V2上升。输出电压V2从时刻t12开始上升，经过规定时间之后变为5V。
在时刻t12处，断开驱动指令输入到驱动控制部43。驱动控制部43在输入有断开驱动指令时对电源20、30进行切换。具体而言，接通用开关41断开，断开用开关42接通。因此，在时刻t12处，MOSFET 11开始关断。
＜第三实施方式的总结＞
根据本实施方式的驱动电路14，输出切换部50在切换为接通驱动指令的时刻，输出用于将输出电压V2设为零的切换信号。另外，驱动控制部43对电源20、30进行切换以使MOSFET 11接通驱动。在从断开驱动指令切换为接通驱动指令时，MOSFET 11立即开始开启。因此，能够减少上下臂电路9的死区时间。另外，在刚开始开启之后，输出电压V2的切换没有结束，与第二实施方式相比开关速度变慢。然而，由于输出电压V2从5V切换为零，因此，能够减少接通驱动期间的损耗。
同样地，在切换为断开驱动指令的时刻，输出切换部50输出用于将输出电压V2设为5V的切换信号。另外，驱动控制部43对电源20、30进行切换以使MOSFET 11断开驱动。在从断开驱动指令切换为接通驱动指令时，MOSFET 11立即开始关断。因此，能够减少上下臂电路9的死区时间。另外，在刚开始关断之后，输出电压V2的切换没有结束，与第二实施方式相比开关速度变慢。然而，由于输出电压V2从零切换为5V，因此，能够抑制错误电弧。
(第四实施方式)
该实施方式是以先前的实施方式为基础方式的变形例，能够援引先前实施方式的记载。在先前的实施方式中，示出了以作为驱动对象的MOSFET11的驱动指令为触发来切换输出电压V2的示例。在该实施方式中，以相对臂的驱动指令为触发，将输出电压V2切换为零。
在图14中，上臂驱动电路14U和下臂驱动电路14L的结构彼此相同。以下，对下臂驱动电路14L进行说明。构成下臂9L的MOSFET 11是下臂驱动电路14L的驱动对象。构成上臂9U的MOSFET 11不是下臂驱动电路14L的驱动对象。以下，有时将驱动对象的臂称为自臂。不是驱动对象但与自臂一起构成上下臂电路9的另一臂是相对臂。构成下臂9L的MOSFET11相当于第一开关元件，构成上臂9U的MOSFET 11相当于第二开关元件。
下臂驱动电路14L的结构与先前的实施方式大致相同。在本实施方式中，作为相对臂的上臂9U的驱动指令被输入到下臂驱动电路14L的输出切换部50。输出切换部50在上臂驱动指令切换为断开驱动指令的时刻，输出用于将输出电压V2切换为零的切换信号。同样地，下臂驱动指令被输入到上臂驱动电路14U的未图示的输出切换部50。
图15是表示下臂驱动电路14L中的输出电压V2的切换的时序图。
下臂驱动电路14L的输出切换部50在上臂驱动指令从接通驱动指令切换为断开驱动指令的定时(时刻t21)处，输出将输出电压V2从5V切换为零(0V)的切换信号。输出切换部50以相对臂的断开驱动指令的切换为触发，输出将输出电压V2设为零的切换信号。由于切换信号，第二电源30的输出电压V2降低，经过规定时间之后变为零。输出电压V2在死区时间中切换为零。为了抑制上下臂的短路，死区时间是上臂9U的MOSFET 11和下臂9L的MOSFET11均为断开驱动的期间。
在从时刻t21经过了与死区时间对应的时间的时刻t22处，下臂驱动指令切换为接通驱动指令。由此，下臂9L的MOSFET 11开始开启。
＜第四实施方式的总结＞
根据本实施方式的下臂驱动电路14L，输出切换部50在上臂驱动指令切换为断开驱动指令的时刻，输出用于将第二电源30的输出电压V2切换为零的切换信号。输出切换部50以相对臂(上臂9U)的断开驱动指令的切换为触发，将输出电压V2切换为零。输出电压V2在死区时间中切换为零。因此，在下臂驱动指令切换为接通驱动指令、MOSFET 11开始开启的时刻t22处，输出电压V2为零。也可以不将用于切换输出电压V2的时间作为死区时间而过多地设置。能够在抑制死区时间的增加的同时，有效地减少接通驱动期间的损耗。
虽然已经说明了下臂驱动电路14L，但是对于上臂驱动电路14U也是同样的。对于输出电压V2的从零到5V的切换，能够与其他实施方式组合。例如，只要将自臂的驱动指令向断开驱动指令的切换设为触发即可。
(第五实施方式)
该实施方式是以先前的实施方式为基础方式的变形例，能够援引先前实施方式的记载。在该实施方式中，根据相对臂的驱动状态，对输出电压V2进行切换。
与第四实施方式同样地，在本实施方式中，也对下臂驱动电路14L进行说明。即，将下臂9L设为自臂，将上臂9U设为相对臂。构成下臂9L的MOSFET 11相当于第一开关元件，构成上臂9U的MOSFET 11相当于第二开关元件。
下臂驱动电路14L的结构与先前的实施方式相同。下臂驱动电路14L的输出切换部50基于作为相对臂的上臂9U的MOSFET 11的驱动状态来输出切换信号。输出切换部50输出切换信号，以在包括从构成上臂9U的MOSFET 11的开启开始到开启结束为止的规定期间中，使输出电压V2为5V(规定的电压)。规定期间至少包括上臂9U的MOSFET 11开启的转变期间。输出切换部50输出切换信号，以在除了上述规定期间之外的期间中，使输出电压V2为零(0V)。
图16是表示下臂驱动电路14L中的输出电压V2的切换的时序图。下臂驱动电路14L的输出切换部50在上臂驱动指令从断开驱动指令切换为接通驱动指令的定时(时刻t31)处，输出将输出电压V2从零(0V)切换为5V的切换信号。输出切换部50以相对臂的接通驱动指令的切换为触发，输出将输出电压V2设为5V的切换信号。由此，输出电压V2变为5V。
此外，输出切换部50在从时刻t31开始经过了规定时间的时刻t32处，输出将输出电压V2从5V切换为零的切换信号。由此，输出电压V2变为零。规定时间设定为包括构成上臂9U的MOSFET 11开启的转变期间。规定时间可以与开启的转变所需的时间一致，也可以设为在转变时间上附加了规定的裕度而得到的时间。
＜第五实施方式的总结＞
根据本实施方式的下臂驱动电路14L，在上臂9U的MOSFET 11开启的期间中，能够对自臂(下臂9L)的MOSFET 11的栅极施加负电压。因此，能够对随着相对臂的开启而产生错误电弧进行抑制。此外，在除了规定期间之外的期间中，将输出电压V2设为零，因此，能够减少接通驱动期间的损耗。
虽然说明了下臂驱动电路14L，但是对于上臂驱动电路14U也是同样的。对于输出电压V2的从5V到零的切换，能够与先前实施方式中的任一个组合。例如，也可以将自臂的驱动指令向接通驱动指令的切换设为触发。此外，也可以与第四实施方式组合。在这种情况下，在上臂驱动指令为接通驱动指令的期间，将输出电压V2设定为5V，在断开驱动指令的期间，将输出电压V2设定为零。
虽然示出了基于相对臂的驱动指令来切换输出电压V2的示例，但是不限定于此。对于相对臂的MOSFET 11，如后述的实施方式(第六实施方式)所记载的那样，也可以检测与驱动状态相关的物理量来判断驱动状态，并且切换输出电压V2。基于从断开驱动状态向接通驱动状态的切换，将输出电压V2切换为零。基于从接通驱动状态向断开驱动状态的切换，将输出电压V2切换为5V。作为物理量，存在栅极电压Vgs、漏极电流Ids、芯片温度等。
(第六实施方式)
该实施方式是以先前的实施方式为基础方式的变形例，能够援引先前实施方式的记载。在先前实施方式中，示出了将驱动指令设为触发来切换输出电压V2的示例。在该实施方式中，基于与驱动状态相关的物理量来对作为驱动对象的MOSFET 11的驱动状态进行检测，并且切换输出电压V2。
如图17所示，相对于第一实施方式所记载的结构，本实施方式的驱动电路14还包括状态检测部60。状态检测部60对作为驱动电路14的驱动对象的MOSFET 11的栅极电压Vgs进行检测。状态检测部60基于检测到的栅极电压Vgs来对MOSFET 11的驱动状态进行检测。输出切换部50基于驱动状态的切换来输出切换信号。
图18是表示输出电压V2的切换的时序图。状态检测部60在栅极电压Vgs从断开状态(完全断开)开始上升且在时刻t41处超过规定的阈值时，检测为接通状态。即，检测到从断开驱动状态到接通驱动状态的切换。状态检测部60在栅极电压Vgs从接通状态(完全接通)开始下降且在时刻t42处低于规定的阈值时，检测为断开驱动状态。即，检测到从接通驱动状态到断开驱动状态的切换。状态检测部60在从时刻t41开始到时刻t42的期间，对MOSFET 11的驱动状态是否处于接通驱动状态进行检测。在除此之外的期间中，对MOSFET11的驱动状态是否处于断开驱动状态进行检测。
输出切换部50基于从断开驱动状态切换为接通驱动状态的定时(时刻t41)，输出用于将输出电压V2设为零的切换信号。在本实施方式中，在切换为接通驱动状态时，输出切换部50立即输出用于将输出电压V2设为零的切换信号。输出切换部50基于从接通驱动状态切换为断开驱动状态的定时(时刻t42)，输出用于将输出电压V2设为5V(规定的电压)的切换信号。在本实施方式中，在切换为断开驱动状态时，输出切换部50立即输出用于将输出电压V2设为5V的切换信号。
＜第六实施方式的总结＞
根据本实施方式的驱动电路14，能够基于作为物理量的栅极电压Vgs来对作为驱动对象的MOSFET 11的驱动状态进行检测。而且，能够以驱动状态的切换为触发，切换输出电压V2。在与MOSFET 11的驱动状态对应的时刻，能够切换输出电压V2。由此，能够减少接通驱动期间的损耗。此外，能够抑制错误电弧。
虽然示出了状态检测部60具有检测栅极电压Vgs的功能和基于栅极电压Vgs来检测MOSFET 11的驱动状态的功能的示例，但是不限定于此。也可以单独设置检测栅极电压Vgs的电压检测部。也可以使输出切换部50具有检测驱动状态的功能。
另外，与驱动状态相关的物理量不限定于上述的栅极电压Vgs。
在图19所示的变形例中，基于漏极电流Ids来检测驱动状态。在形成有MOSFET 11的基板(芯片)上设置有结构与MOSFET 11(主元件)相同的感测元件。感测元件例如为MOSFET 11的1/1000～1/10000左右的面积。对于感测电流，漏极电流与面积成比例。因此，能够经由感测元件的感测端子11来检测漏极电流Ids。
状态检测部60对MOSFET 11的漏极电流Ids进行检测。漏极电流Ids例如如图3所示那样变化。状态检测部60基于检测到的漏极电流Ids来对MOSFET 11的驱动状态进行检测。在漏极电流Ids从断开状态开始上升且超过规定的阈值时，检测为向接通驱动状态的切换。在漏极电流Ids从接通状态开始下降且低于规定的阈值时，检测为向断开状态的切换。输出切换部50基于驱动状态的切换来输出切换信号。
代替感测元件，也可以使用分流电阻。分路电阻与MOSFET 11串联连接。分路电阻的两端电压与漏极电流Ids成比例。因此，能够检测漏极电流Ids。
在检测主电流以作为物理量的情况下，也可以根据电流区域来切换输出电压V2。例如，在开关元件是IGBT的情况下，主电流(集电极电流)越小，相对臂的开关速度就越快，越容易产生错误电弧。另一方面，主电流越大，相对臂的切换速度就越慢，越不易产生错误电弧。因此，也可以在小电流区域(例如0～50A)中将输出电压V2设为5V，在大电流区域(例如50A以上)中将输出电压V2设为零。由此，能够在抑制错误电弧的同时减少接通驱动期间的损耗。
也可以基于形成有MOSFET 11的基板的温度(芯片温度)来检测驱动状态。根据驱动状态不同，MOSFET 11的发热状态不同。如果温度从断开状态开始上升且超过规定的阈值，则检测为接通驱动状态。如果温度从接通状态开始下降且低于规定的阈值，则检测为断开驱动状态。
(第七实施方式)
该实施方式是以先前的实施方式为基础方式的变形例，能够援引先前实施方式的记载。在该实施方式中，示出了第二电源30的结构的一例。
图20示出了本实施方式的驱动电路14。驱动电路14的基本结构与第一实施方式相同。第二电源30具有运算放大器31、电容器32、电阻33～35和切换开关36。运算放大器31的输出端子连接到运算放大器31的非反相输入端子(+)。输出端子经由电阻35连接到电容器32的正极。电容器32的正极连接到MOSFET 11的源极。电容器32的负极连接到第一电源20的负极。
电阻33、34的连接点37连接到运算放大器31的反相输入端子(－)。电阻在供给基准电压10V的电压源与电源20、30的连接点之间串联连接。电阻33、34是分压电阻。在本实施方式中，电阻33、34的值彼此相等。切换开关36与电阻34并联连接。在本实施方式中，切换开关36是n通道型的MOSFET，并且漏极连接到连接点37。
切换信号被输入到切换开关36的栅极。切换开关36根据切换信号而接通/断开。在输入用于将输出电压V2设为零的切换信号时，切换开关36接通。由此，连接点37在不经由电阻34的情况下连接到电源20、30的连接点，连接点37的电压变为零(0V)。因此，来自运算放大器31的输出也变为零，作为电容器32的两端电压的输出电压V2也变为零。在输入用于将输出电压V2设为规定的电压(5V)的切换信号时，切换开关36断开。由此，连接点37的电压变为5V，运算放大器31的输出也变为5V。因此，输出电压V2变为5V。
＜第七实施方式的总结＞
根据本实施方式的驱动电路14，能够根据切换信号来切换输出电压V2。在接通驱动期间中，将输出电压V2设为零，从而能够减少损耗。在断开驱动期间中，将输出电压V2设为规定的电压(5V)，由此能够对MOSFET 11的栅极施加负电压。因此，能够抑制错误电弧。
另外，对于输出切换部50的切换信号的生成时刻，能够与其他实施方式组合。
第二电源30的结构不限定于上述示例。图21所示的变形例示出了驱动电路14中的运算放大器31的周边。在图21中，切换开关36设置在供给基准电压的电压源与电阻33之间。在输入用于将输出电压V2设为零的切换信号时，切换开关36断开，电压源和电阻33处于切断状态。因此，运算放大器31的输出变为零，输出电压V2也变为零。在输入用于将输出电压V2设为5V的切换信号时，切换开关36接通，电压源和电阻33处于导通状态。因此，运算放大器31的输出变为5V，输出电压V2也变为5V。
虽然示出了通过切换基准电压的分压值来切换输出电压V2的示例，但是不限定于此。图22所示的变形例对应于图21。在图22中，切换开关36设置在运算放大器31的输出侧。切换开关36设置在将运算放大器31的输出端子和电容器32的正极连接的线与将电源20、30的负极彼此连接的线之间。在输入用于将输出电压V2设为零的切换信号时，切换开关36接通，输出电压V2变为零。在输入用于将输出电压V2设为5V的切换信号时，切换开关36断开，运算放大器31的输出(5V)被供给到电容器32，输出电压V2也变为5V。
(其他实施方式)
本说明书和附图的公开不限于例示的实施方式。本公开包括例示的实施方式和本领域技术人员基于其进行的变形方式。例如，本公开不限定于实施方式中所示出的部件和/或要素的组合。公开可以以各种组合来实现。本公开可以具有能追加到实施方式的追加部分。本公开包括省略了实施方式的部件和/或元件的实施方式。本公开包括一个实施方式与另一个实施方式之间的部件和/或元件的替代或组合。公开的技术范围不限于实施方式的记载。公开的若干技术范围应理解为由权利要求书的记载表示，并且还包括与权利要求书的记载等同的意味和范围内的所有变形。
说明书和附图等中的公开不受权利要求书的记载限定。说明书和附图等中的公开包含权利要求书所记载的技术思想，并且涉及比权利要求书所记载的技术思想更多样且更广泛的技术思想。因此，能够不受权利要求书的记载的制约，从说明书和附图等的公开中抽出多种技术思想。
控制电路13和驱动电路14由包括至少一个计算机的控制系统提供。控制系统包括作为硬件的至少一个处理器(硬件处理器)。硬件处理器能够由下述的(i)、(ii)或(iii)提供。
(ii)硬件处理器有时是硬件逻辑电路。在这种情况下，计算机由包括多个被编程的逻辑单元(门电路)的数字电路提供。数字电路有时包括对程序和/或数据进行存储的存储器。计算机有时由模拟电路提供。计算机有时由数字电路和模拟电路的组合提供。
(i)硬件处理器有时是执行存储在至少一个存储器中的程序的至少一个处理器核心。在这种情况下，计算机由至少一个存储器和至少一个处理器核心提供。处理器核心例如被称为CPU。存储器也被称为存储介质。存储器是非暂时性地存储能由处理器读取的“程序和/或数据”的非迁移的实体存储介质。
(iii)硬件处理器有时是上述(i)和上述(ii)的组合。(i)和(ii)配置在不同的芯片上、或者共用的芯片上。
即，控制电路13和驱动电路14所提供的手段和/或功能能够仅由硬件、仅由软件、或由它们的组合来提供。
虽然示出了将驱动电路14应用于构成上下臂电路9的MOSFET 11(开关元件)的示例，但是不限定于此。虽然示出了将电力转换装置4应用于驱动系统1的示例，但是不限定于此。

Claims (10)

1.一种驱动电路，所述驱动电路向开关元件的栅极施加驱动电压来驱动所述开关元件，
所述驱动电路包括：
第一电源；
第二电源，所述第二电源的负极与所述第一电源的负极彼此连接，正极与所述开关元件的低电位侧的主电极连接，所述第二电源的输出电压能在比所述第一电源小的电压范围内变化；
电源切换部，所述电源切换部基于驱动指令对施加所述驱动电压的电源进行切换，从而在使所述开关元件断开驱动时，所述第二电源位于所述低电位侧的主电极与所述栅极之间的路径中，在使所述开关元件接通驱动时，为了向所述栅极施加正电压而使所述第一电源和所述第二电源位于所述路径中；以及
输出切换部，所述输出切换部针对所述第二电源输出所述输出电压的切换信号，以使在所述开关元件的驱动期间中的至少包括接通驱动期间的一部分的期间中，所述第二电源的输出电压为零，在至少包括断开驱动期间的一部分的剩余的所述驱动期间中，所述输出电压为规定的电压而不为零，
所述电源切换部是具有接通用开关、断开用开关和驱动控制部的电路，接通用开关设置在第一电源与开关元件之间，断开用开关设置在第一电源和第二电源的连接点与开关元件之间，驱动控制部对接通用开关、断开用开关的驱动进行控制。
2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，
所述输出切换部在所述驱动指令切换为接通驱动指令的时刻，输出用于将所述输出电压设为零的所述切换信号，
所述电源切换部对所述第一电源及所述第二电源进行切换，以在基于向所述接通驱动指令的切换而使所述输出电压的切换结束之后，所述开关元件被接通驱动。
3.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，
所述输出切换部在所述驱动指令切换为接通驱动指令的时刻，输出用于将所述输出电压设为零的所述切换信号，
所述电源切换部对所述第一电源及所述第二电源进行切换，以在切换为所述接通驱动指令的时刻，所述开关元件被接通驱动。
4.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，
作为所述开关元件的第一开关元件与第二开关元件串联连接，并且与所述第二开关元件一起构成上下臂电路，
所述输出切换部在针对所述第二开关元件的驱动指令切换为断开驱动指令的时刻，输出用于将所述输出电压设为零的所述切换信号。
5.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，
所述输出切换部在所述驱动指令切换为断开驱动指令的时刻，输出用于将所述输出电压设为所述规定的电压的所述切换信号，
所述电源切换部对所述第一电源及所述第二电源进行切换，以使在基于向所述断开驱动指令的切换而使所述输出电压的切换结束之后，所述开关元件被断开驱动。
6.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，
所述输出切换部在所述驱动指令切换为断开驱动指令的时刻，输出用于将所述输出电压设为所述规定的电压的所述切换信号，
所述电源切换部对所述第一电源及所述第二电源进行切换，以在切换为所述断开驱动指令的时刻，所述开关元件被断开驱动。
7.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，
作为所述开关元件的第一开关元件与第二开关元件串联连接，并且与所述第二开关元件一起构成上下臂电路，
所述输出切换部输出所述切换信号，以在包括从所述第二开关元件的开启开始到开启结束为止的规定期间中，将所述输出电压设为所述规定的电压，在除了所述规定期间之外的期间中，将所述输出电压设为零。
8.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，
还包括状态检测部，所述状态检测部基于与所述开关元件的驱动状态相关的物理量来检测所述驱动状态，
所述输出切换部基于所述驱动状态的切换来输出所述切换信号。
9.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，
所述第二电源具有运算放大器、电容器和对基准电压进行分压的电阻，对所述基准电压进行分压并经由所述运算放大器对所述电容器进行充电，由此生成所述输出电压。
10.如权利要求1至9中任一项所述的驱动电路，其特征在于，
所述开关元件是使用宽带隙半导体形成的。
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