CN117081558A - 栅极驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种栅极驱动装置，栅极驱动装置具有：栅极驱动电路，其对半导体开关元件进行接通断开驱动，该半导体开关元件具有第一端子及第二端子、以及用于对第一端子与第二端子之间的接通断开进行控制的栅极端子；检测部，其对通过第一端子和第二端子的电流的电流变化率进行检测；以及栅极电流调整电路，其根据在半导体开关元件关断时由检测部检测出的负的电流变化率的大小，来减少使栅极端子的电荷向栅极驱动电路放电的放电电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体开关元件的栅极驱动装置。
背景技术
在电力变换装置等功率电子设备中，半导体开关元件的大电流化及高速化正在取得进展。随着半导体开关元件的大电流化及高速化的进展，产生在半导体开关元件关断时所产生的浪涌电压变得过大而使半导体开关元件破损等问题。
在此，考虑使半导体开关元件的开关速度下降以抑制浪涌电压这样的对策。但是，存在若使开关速度下降则会招致开关损耗增大的问题。
因此，专利文献1提出了图6所示的栅极驱动装置200。在图6中，半导体开关元件211是反向并联连接有二极管的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor；金属氧化膜半导体构造的场效应晶体管)，设置于电力变换装置(省略图示)的主电路。栅极驱动器201从栅极电压产生节点经由栅极电阻Rg向半导体开关元件211的栅极端子提供栅极电压，进行半导体开关元件211的接通断开驱动。电感器212是与半导体开关元件211连接的主电路布线的电感。栅极放电电流调整电路220由电阻R11及R12构成。在此，电阻R11其一端与栅极驱动器201的基准节点连接，其另一端与电感器212的上游侧(即半导体开关元件211侧)连接。另外，电阻R12其一端与栅极驱动器201的基准节点连接，其另一端与电感器212的下游侧连接。栅极驱动器201以基准节点的电位为基准产生栅极电压，并从栅极电压产生节点输出栅极电压。
在该栅极驱动装置200中，当从栅极驱动器201的栅极电压产生节点输出使半导体开关元件211断开的栅极电压时，使半导体开关元件211的栅极端子的电荷向栅极驱动器201放电的放电电流流动。该放电电流经由栅极电阻Rg→栅极驱动器201→电阻R11与电阻R12的并联电路这样的路径流动，使半导体开关元件211的栅极-源极间电压下降。而且，当半导体开关元件211的栅极-源极间电压下降时，流过半导体开关元件211的漏极电流急剧减少，在电感器212产生负的感应电压。由于该感应电压，电流流过电阻R12和电阻R11。由此，同电阻R11相连接的栅极驱动器201的基准节点的电位与半导体开关元件211的源极端子的电位相比上升了与电阻R11的压降相应的量。其结果，半导体开关元件211的栅极端子的电荷的放电速度减小，流过半导体开关元件211的主电路电流的电流变化率(在该情况下为负的电流变化率)的大小下降，浪涌电压得到抑制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2020/095351号
发明内容
发明要解决的问题
专利文献1中公开的栅极驱动装置200对在主电路布线电感中产生的感应电压进行检测，根据该感应电压的大小使栅极电荷的放电速度向减慢的方向变化，因此能够在每次开关时调整浪涌电压的抑制量。然而，在将SiC等高速器件用作电力变换装置等半导体开关元件的情况下，担心产生比使用Si器件的情况更高的浪涌电压，因此要求一种使主电路布线的开环电感(日语：一巡インダクタンス)尽可能小的设计(几十nH左右)。如专利文献1那样利用主电路布线电感的一部分的结构有可能由于招致主电路布线电感增加而设计难度升高从而难以实现。
本发明是鉴于以上所说明的情况而完成的，目的在于提供一种无需利用主电路布线电感就能够在每次开关时调整浪涌电压的抑制量的栅极驱动装置。
用于解决问题的方案
本发明的一个方式的栅极驱动装置的特征在于，具有：栅极驱动电路，其对半导体开关元件进行接通断开驱动，所述半导体开关元件具有第一端子及第二端子、以及用于对所述第一端子与所述第二端子之间的接通断开进行控制的栅极端子；检测部，其对通过所述第一端子与所述第二端子之间的电流的电流变化率进行检测；以及栅极电流调整电路，其根据在所述半导体开关元件关断时由所述检测部检测出的负的电流变化率的大小，来减少使所述栅极端子的电荷向所述栅极驱动电路放电的放电电流。
在优选的方式中，所述检测部包括插入有流过所述半导体开关元件的电流的电流路径的罗哥夫斯基线圈。
在其它优选的方式中，栅极驱动装置具有感应电压检测电路，所述感应电压检测电路对所述罗哥夫斯基线圈中产生的感应电压进行检测，仅在所述电流变化率为负的期间输出与所述感应电压相应的调整信号，所述栅极电流调整电路根据所述调整信号来减少所述放电电流。
在其它优选的方式中，所述栅极电流调整电路从与所述第一端子连接的引入节点引入与所述调整信号相应的电流，根据该引入的电流来减少所述放电电流。
具体地说，所述栅极电流调整电路在所述调整信号的值是第一值的情况下，从所述引入节点引入与所述第一值相应的第一电流，在所述调整信号的值是比所述第一值大的第二值的情况下，从所述引入节点引入与所述第二值相应的、比所述第一电流大的第二电流。
在优选的方式中，作为栅极驱动装置的驱动对象的所述半导体开关元件是以碳化硅、氮化镓、氧化镓以及金刚石中的至少一种为主材料的宽带隙半导体元件。
发明的效果
根据作为本发明的一个方式的栅极驱动装置，检测部对通过第一端子和第二端子的电流的电流变化率进行检测，栅极电流调整电路根据在半导体开关元件关断时由检测部检测出的负的电流变化率的大小，来减少使栅极端子的电荷向栅极驱动电路放电的放电电流。因而，根据该栅极驱动装置，无需利用主电路布线电感就能够在每次开关时调整在半导体开关元件中产生的浪涌电压的抑制量。
附图说明
图1是示出作为本发明的一个实施方式的栅极驱动装置的结构的电路图。
图2是示出该栅极驱动装置的具体的电路结构的电路图。
图3是例示在该栅极驱动装置的栅极电流调整电路中使用的MOSFET的输出电流特性的图。
图4是示出该实施方式的动作例的波形图。
图5是示出该实施方式的其它动作例的波形图。
图6是示出以往的栅极驱动装置的结构电路图。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施方式。图1是示出作为本发明的一个实施方式的栅极驱动装置100的结构的电路图。该栅极驱动装置100是对设置于电力变换装置(省略图示)的主电路的半导体开关元件Q1进行接通断开驱动来使主电路电流Id流过半导体开关元件Q1的装置。在该例子中，半导体开关元件Q1是反向并联有二极管的MOSFET。该MOSFET是具有作为第一端子的源极端子S、作为第二端子的漏极端子D以及用于对第一端子与第二端子之间的接通断开进行控制的栅极端子G的半导体开关元件。半导体开关元件Q1也可以是以碳化硅、氮化镓、氧化镓以及金刚石中的至少一种为主材料的宽带隙半导体元件。
栅极驱动装置100包括栅极驱动电路10、栅极电阻Rg、罗哥夫斯基线圈20、感应电压检测电路30以及栅极电流调整电路40。在此，栅极驱动电路10是将用于对半导体开关元件Q1进行接通断开驱动的栅极电压经由栅极电阻Rg提供到半导体开关元件Q1的栅极端子G的电路。在罗哥夫斯基线圈20插入与半导体开关元件Q1的源极端子S连接的主电路布线。在该主电路布线中流过来自半导体开关元件Q1的主电路电流Id。在主电路布线的周围由于该主电路电流Id而产生磁场，当主电路电流Id变化时，主电路布线的周围的磁场变化。罗哥夫斯基线圈20输出与因该主电路电流Id的变化引起的在主电路布线的周围产生的磁场的变化相应的感应电压V1。即，罗哥夫斯基线圈20是对通过第一端子和第二端子的主电路电流Id的电流变化率dId/dt进行检测由此输出感应电压V1的检测部。
感应电压检测电路30是对在关断时由罗哥夫斯基线圈20输出的感应电压V1进行检测，并将感应电压V1变换为作为调整信号的调整电压V2的电路。栅极电流调整电路40是根据调整电压V2来减少在关断时使半导体开关元件Q1的栅极端子的电荷向栅极驱动电路10放电的放电电流的电路。即，栅极电流调整电路40是根据在半导体开关元件Q1关断时由罗哥夫斯基线圈20检测出的负的电流变化率的大小来减少使栅极端子G的电荷向栅极驱动电路10放电的放电电流的电路。
如上所述，在本实施方式中，设置有对流过半导体开关元件Q1的电流Id的电流变化率dId/dt进行检测的罗哥夫斯基线圈20，在关断时基于该罗哥夫斯基线圈20所产生的感应电压V1来进行半导体开关元件Q1的栅极端子的电荷的放电速度的调整。因而，根据本实施方式，无需使用主电路布线的电感就能够在每次开关时将半导体开关元件Q1所产生的浪涌电压抑制与电流变化率dId/dt相应的适当的量。
图2是示出本实施方式的栅极驱动装置100的具体的电路结构的电路图。在图2中，栅极驱动电路10具有直流电源VCC及VEE、开关SW1及SW2、二极管D2以及反相器11。
直流电源VCC的负极与直流电源VEE的正极连接。该直流电源VCC及VEE的公共连接节点经由栅极电流调整电路40的电阻R1来与半导体开关元件Q1的第一端子(即源极端子S)连接。直流电源VCC的正极与开关SW1的一端连接，开关SW1的另一端与二极管D2的阳极连接。该开关SW1及二极管D2的公共连接节点经由栅极电阻Rg来与半导体开关元件Q1的栅极端子G连接。二极管D2的阴极与开关SW2的一端连接，开关SW2的另一端与直流电源VEE的负极连接。
栅极驱动电路10被提供用于指令半导体开关元件Q1的接通断开的控制信号。该控制信号被提供给开关SW1，另一方面，在被反相器11反转后被提供给开关SW2。
在控制信号为H电平的情况下，开关SW1成为ON(接通)，开关SW2成为OFF(断开)。由此，直流电源VCC的输出电压经由开关SW1、电阻Rg及R1被施加到半导体开关元件Q1的栅极端子G与源极端子S之间，进行半导体开关元件Q1的开通驱动。
在控制信号为L电平的情况下，开关SW1成为OFF，开关SW2成为ON。由此，将直流电源VEE的输出电压的极性反转所得到的电压经由开关SW2、二极管D2、电阻Rg及R1被施加到半导体开关元件Q1的栅极端子G与源极端子S之间，进行半导体开关元件Q1的关断驱动。
感应电压检测电路30由串联连接在罗哥夫斯基线圈20的两端之间的电阻R3及二极管D1构成。在此，二极管D1的阴极与电阻R3的一端连接。另外，二极管D1的阳极与罗哥夫斯基线圈20的一端连接，并且连接于与直流电源VEE的负极连接的b点。
在本实施方式中，在插入到罗哥夫斯基线圈20的主电路布线中流动的主电路电流Id减少而电流变化率dId/dt的极性成为负的情况下，从罗哥夫斯基线圈20输出正的感应电压V1＝-k·dId/dt(k是负的比例常数)，该感应电压V1作为调整电压V2被施加到二极管D1的阴极与阳极之间。另外，在本实施方式中，在插入到罗哥夫斯基线圈20的布线中流动的主电路电流Id增加而电流变化率dId/dt的极性成为正的情况下，感应电压V1的极性成为负，该感应电压V1被二极管D1短路，因此调整电压V2成为约0V。
栅极电流调整电路40具有电阻R1及R2以及MOSFET 41。电阻R1的一端与直流电源VCC及VEE的公共连接节点连接，另一端连接于与半导体开关元件Q1的源极端子S连接的a点。电阻R2的一端与a点连接，另一端与MOSFET 41的漏极连接。在本实施方式中，a点为用于引入使放电电流减少的电流的引入点。MOSFET 41的栅极端子与电阻R3及二极管D1的公共连接节点连接，源极端子与b点连接。
在本实施方式中，栅极电流调整电路40的MOSFET 41在半导体开关元件Q1关断时通过从作为引入点的a点引入与调整电压V2相应的电流来使a点的电位下降(向负方向变化)。其结果，电流经由半导体开关元件Q1的栅极端子G及源极端子S被引入到a点，使栅极端子G的电荷向栅极驱动电路10放电的放电电流(与图2所示的栅极电流Ig极性相反的电流)减少。由此，栅极端子G的电荷的放电速度下降，关断的动作延迟。
图3是例示栅极电流调整电路40的MOSFET 41的输出电流特性的图。在图3中，横轴是MOSFET 41的漏极-源极间电压V(MOS)，纵轴是MOSFET 41的漏极电流I(MOS)。与一般的MOSFET同样地，MOSFET 41的输出电流特性中存在漏极电流I(MOS)以与漏极-源极间电压V(MOS)的增加大致成比例的方式相应增加的线性区域、以及漏极电流I(MOS)饱和的饱和区域。在本实施方式中，在MOSFET 41的漏极-源极间提供与直流电源VEE的输出电压大致一致的电压，MOSFET 41在饱和区域内进行动作。
如图3所示，在饱和区域内，MOSFET 41的漏极电流I(MOS)随着栅极-源极间电压VGS以VGS1→VGS2→…→VGS6的方式增加而相应增加。而且，在本实施方式中，从感应电压检测电路30输出的调整电压V2被施加到MOSFET 41的栅极-源极间。因而，根据本实施方式，在与主电路电流的电流变化率dId/dt成比例的调整电压V2是第一值VGS2的情况下，与该第一值VGS2相应的第一电流Id2被引入到MOSFET 41。另外，在与主电路电流的电流变化率-dId/dt成比例的调整电压V2是比第一值VGS2大的第二值VGS4的情况下，与该第二值VGS4相应的、比第一电流Id2大的第二电流Id4被引入到MOSFET 41，关断动作的延迟变大。
图4及图5是示出栅极驱动装置100的动作例的波形图。在此，图4示出在关断时主电路电流的电流变化率-dId/dt大的情况下的动作例，图5示出在电流变化率-dId/dt比图4的电流变化率-dId/dt小的情况下的动作例。
在图4及图5中，在关断时，当半导体开关元件Q1的栅极-源极间电压VGS开始下降时，使半导体开关元件Q1的栅极端子G的电荷向栅极驱动电路10放电的放电电流、即负的栅极电流Ig流动。该负的栅极电流Ig的大小在达到峰值之后，开始下降。
另一方面，在关断时，当密勒期间(日语：ミラー期間)结束时，流过半导体开关元件Q1的漏极端子D与源极端子S之间的主电路电流Id减少。其结果，主电路电流Id的电流变化率dId/dt的极性成为负，从感应电压检测电路30输出与该负的电流变化率dId/dt的大小(绝对值)成比例的正的调整电压V2，与该调整电压V2相应的漏极电流I(MOS)从a点被引入到MOSFET 41。由此，作为引入点的a点的电位下降，减少使半导体开关元件Q1的栅极端子G的电荷向栅极驱动电路10放电的放电电流(在图4及图5中为栅极电流Ig)。
当放电电流像这样减少时，栅极-源极间电压VGS的下降的梯度变得平缓，主电路电流Id的下降的梯度也变得平缓。为了使该效果容易理解，在图4及图5中用实线表示本实施方式的动作，并且，作为比较例，用虚线表示没有设置栅极电流调整电路40的栅极驱动装置的动作。如图4及图5所示，根据本实施方式，与比较例相比，关断时的栅极-源极间电压VGS的下降的梯度变得平缓，主电路电流Id的下降的梯度也变得平缓。另外，根据本实施方式，在关断时主电路电流Id的下降的梯度变得平缓，因此在半导体开关元件Q1的漏极-源极间电压VDS中产生的浪涌电压被抑制在浪涌电压允许值以内(参照图4)。
另外，在本实施方式中，能够在每次开关时将向半导体开关元件Q1流通的放电电流减少与主电路电流Id的负的电流变化率dId/dt的大小相应的适当的量，从而抑制浪涌电压。在图4的例子中，在关断时产生的主电路电流Id的负的电流变化率dId/dt的绝对值大，大的漏极电流I(MOS)从a点被引入到MOSFET 41。因此，放电电流(栅极电流Ig)的减少量变大，浪涌电压的抑制量也变大。与此相对地，在图5的例子中，与图4的例子相比，在关断时产生的主电路电流Id的负的电流变化率dId/dt的绝对值小，小的漏极电流I(MOS)从a点被引入到MOSFET 41。因此，与图4的例子相比，放电电流Ig的减少量变小，浪涌电压的抑制量也变小。
另外，在反向恢复动作时，在半导体开关元件Q1的反向恢复电流达到峰值后下降时，从感应电压检测电路30输出正的调整电压V2。此时，假设若没有二极管D2，则电流在半导体开关元件Q1的栅极端子G与源极端子S之间→电阻R2→MOSFET 41→开关SW2→电阻Rg→半导体开关元件Q1的栅极端子G与源极端子S之间这样的环路中流动，使处于反向偏置状态的半导体开关元件Q1的栅极端子G的电荷不必要地放电，从而使反向偏置电压下降(低)。然而，在本实施方式中，由于在环路内设置有二极管D2，因此能够阻止这样的使栅极端子G的电荷不必要地放电的电流的产生。
另外，在开通动作中，在主电路电流Id达到峰值后下降时，产生负的电流变化率dId/dt，栅极电流调整电路40的MOSFET 41从a点引入漏极电流I(MOS)。但是，MOSFET 41所引入的漏极电流I(MOS)在直流电源VCC→开关SW1→电阻Rg→半导体开关元件Q1的栅极-源极间→电阻R2→MOSFET 41→直流电源VEE→直流电源VCC这样的环路中流动，向与针对半导体开关元件Q1的栅极端子G的充电电流相同的方向流动，使充电电流增加，因此不会对开通动作造成不良影响。
如以上所说明的那样，根据本实施方式的栅极驱动装置100，作为检测部的罗哥夫斯基线圈20对通过第一端子和第二端子的电流的电流变化率进行检测，栅极电流调整电路40根据在半导体开关元件Q1关断时由检测部检测出的负的电流变化率的大小，来减少使栅极端子的电荷向栅极驱动电路放电的放电电流。因而，根据该栅极驱动装置100，无需利用主电路布线电感就能够在每次开关时调整在半导体开关元件Q1中产生的浪涌电压的抑制量。
以上，说明了本发明的一个实施方式，但在本发明中还能够考虑其它实施方式。
(1)在上述实施方式中，感应电压检测电路30输出与负的电流变化率的大小相应的调整电压来作为调整信号，但也可以输出与负的电流变化率的大小相应的调整电流来作为调整信号。在该情况下，栅极电流调整电路40从a点引入与调整电流相应的大小的电流即可。
(2)在上述实施方式中，通过从a点引入电流来减少使栅极端子G的电荷放电的放电电流，但也可以通过其它方法来减少放电电流。例如，也可以通过使栅极电阻Rg的电阻值增加与调整电压V2相应的量来减少放电电流。
附图标记说明
100：栅极驱动装置；10：栅极驱动电路；Rg：栅极电阻；Q1：半导体开关元件；20：罗哥夫斯基线圈；30：感应电压检测电路；40：栅极电流调整电路；VCC、VEE：直流电源；SW1、SW2：开关；11：反相器；R1、R2、R3：电阻；41：MOSFET；D1、D2：二极管。
Claims (6)
1.一种栅极驱动装置，具有：
栅极驱动电路，其对半导体开关元件进行接通断开驱动，所述半导体开关元件具有第一端子及第二端子、以及用于对所述第一端子与所述第二端子之间的接通断开进行控制的栅极端子；
检测部，其对通过所述第一端子和所述第二端子的电流的电流变化率进行检测；以及
栅极电流调整电路，其根据在所述半导体开关元件关断时由所述检测部检测出的负的电流变化率的大小，来减少使所述栅极端子的电荷向所述栅极驱动电路放电的放电电流。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，其中，
所述检测部包括插入有流过所述半导体开关元件的电流的电流路径的罗哥夫斯基线圈。
3.根据权利要求2所述的栅极驱动装置，其中，
具有感应电压检测电路，所述感应电压检测电路对所述罗哥夫斯基线圈中产生的感应电压进行检测，仅在所述电流变化率为负的期间输出与所述感应电压相应的调整信号，
所述栅极电流调整电路根据所述调整信号来减少所述放电电流。
4.根据权利要求3所述的栅极驱动装置，其中，
所述栅极电流调整电路从与所述第一端子连接的引入节点引入与所述调整信号相应的电流，根据该引入的电流来减少所述放电电流。
5.根据权利要求4所述的栅极驱动装置，其中，
所述栅极电流调整电路在所述调整信号的值是第一值的情况下，从所述引入节点引入与所述第一值相应的第一电流，在所述调整信号的值是比所述第一值大的第二值的情况下，从所述引入节点引入与所述第二值相应的、比所述第一电流大的第二电流。
6.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，其中，
所述半导体开关元件是以碳化硅、氮化镓、氧化镓以及金刚石中的至少一种为主材料的宽带隙半导体元件。
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