CN117083803A - 驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种驱动电路,对开关元件(1)施加电压,切换接通状态和断开状态。开关元件(1)具有控制端子、高电位端子以及低电位端子,根据以低电位端子的电位为基准电位时的控制端子的电压,切换在高电位端子和低电位端子之间流通电流的接通状态和不流通电流的断开状态。驱动电路具备负电压用电源(5)和电压变更部(R2、R3、C1)。负电压用电源在开关元件从接通状态切换为断开状态时对控制端子施加负电压作为电压。电压变更部将开关元件即将从断开状态切换为接通状态之前时的电压变更为比开关元件刚从接通状态切换为断开状态之后时的负电压用电源形成的负电压高。
Description
技术领域
本发明涉及驱动电路。
背景技术
专利文献1所记载的栅极驱动电路设置有用于断开与直流电源连接的开关元件的栅极断开电源和用于接通开关元件的栅极接通电源。栅极驱动电路通过栅极断开电源和栅极接通电源的电源供给,可靠地切换开关元件的接通/断开。
用于断开开关元件的栅极断开电源以使开关元件的栅极电位比源极电位小的方式将栅极断开电源的电压设为负电压。
功率转换用的开关元件在半电桥等硬开关状态下使用时,如果为了低损耗化而进行快速开关,则容易产生误导通。因此,在现有电路中,为了抑制误导通,对开关元件的栅极施加栅极断开电源的负电压。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2019-9846号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是,在将开关元件从断开切换为接通时(导通),开关元件刚从接通切换为断开时的负电压被施加到开关元件的栅极。
为了使开关元件接通,需要使栅极电压从负电压上升到基于栅极接通电源的开关元件的阈值电压以上,导通变长。另外,由于防止同时接通上下臂的开关元件的时间、即死区时间而开关元件的二极管损耗增加。
本发明的目的在于提供一种实现误导通抑制及导通的快速化的驱动电路。
用于解决问题的技术方案
本发明的驱动电路对开关元件施加电压,切换接通状态和断开状态。开关元件具有控制端子、高电位端子以及低电位端子,根据以低电位端子的电位为基准电位时的控制端子的电压,切换在高电位端子和低电位端子之间流通电流的接通状态和不流通电流的断开状态。驱动电路具备负电压用电源和电压变更部。负电压用电源在开关元件从接通状态切换为断开状态时对控制端子施加负电压作为电压。电压变更部将开关元件即将从断开状态切换为接通状态之前时的电压变更为比开关元件刚从接通状态切换为断开状态之后时的负电压用电源形成的负电压高。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的驱动电路的结构图。
图2是本发明第二实施方式的驱动电路的结构图。
图3是本发明第三实施方式的驱动电路的结构图。
图4是本发明第四实施方式的驱动电路的结构图。
图5是本发明第五实施方式的驱动电路的结构图。
图6是本发明第六实施方式的驱动电路的结构图。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的几个实施方式的驱动电路进行详细说明。对各实施方式的驱动电路的图中的相同或相当的部分标注相同符号并省略其说明。
(第一实施方式)
图1是本发明第一实施方式的驱动电路的结构图。第一实施的驱动电路使用MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)作为开关元件1的一例。开关元件1通过串联或并联配置多个,能够构成电桥电路等,用于功率转换装置等。需要说明的是,开关元件1能够不限定于单极型及双极型、还有元件材料的带隙等而使用。
开关元件1具有栅极(控制端子)、漏极(高电位端子)以及源极(低电位端子),根据以源极的电位为基准电位时的栅极的电压,切换在漏极和源极之间流通电流的接通状态和不流通电流的断开状态。
驱动电路11对开关元件1施加栅极电压,切换接通状态和断开状态,其具备推挽电路12、正电压用电源4、负电压用电源5、信号发生器7、电阻R2、R3、以及电容器C1。
推挽电路12具有串联连接且交替进行接通断开动作的PNP型晶体管2(P型第二晶体管)及NPN型晶体管3(N型第一晶体管)。PNP型晶体管2的发射极(第一主电极)和NPN型晶体管3的发射极(第一主电极)经由电阻R1与开关元件1的栅极连接。
信号发生器7通过对推挽电路12的PNP型晶体管2的基极(控制电极)和NPN型晶体管3的基极(控制电极)赋予驱动信号,使PNP型晶体管2和NPN型晶体管3交替进行接通断开动作。
负电压用电源5在开关元件1从接通状态切换为断开状态时对栅极施加负电压作为电压。
电阻R2连接于负电压用电源5的负极和PNP型晶体管2的集电极(第二主电极)之间,为第一电位调整用电阻。电容器C1连接于负电压用电源5的正极和PNP型晶体管2的集电极之间。负电压用电源5的正极与电容器C1及开关元件1的源极连接。
电阻R3连接于NPN型晶体管3的集电极(第二主电极)和基极之间,为第二电位调整用电阻。电阻R3在开关元件1断开时PNP型晶体管2的集电极和基极的电位接近的情况下,通过电阻R2和电阻R3的电压的分压来调整开关元件1的栅极电压的即将导通前的电压。即,电阻R3是决定开关元件1断开时的栅极电压的收敛电压的电阻。
通过减小电阻R3,能够提高即将从开关元件1的断开状态切换为接通状态之前的栅极电压。
电容器C1和电阻R2、R3构成电压变更部,该电压变更部将开关元件1即将从断开状态切换为接通状态(以下,简称为导通)之前时的电压变更为比开关元件1刚从接通状态切换为断开状态(以下,简称为关断。)之后时的负电压用电源5形成的负电压高。
电压变更部将开关元件1即将导通之前时的电压变更为正的电压以上且低于开关元件1的阈值电压。另外,电压变更部在开关元件1为断开状态时,将开关元件1刚关断之后时的负电压保持规定的期间。另外,在开关元件1的栅极上具有调整开关速度的电阻R1。
接着,对驱动电路的动作进行说明。首先,对开关元件1的关断的动作进行说明。
从信号发生器7对推挽电路12的NPN型晶体管3的基极和PNP型晶体管2的基极施加负电压(例如-1V)作为驱动信号。同时,对NPN型晶体管3的集电极施加正电压用电源4的正极的正电压(例如10V),对PNP型晶体管2的集电极施加负电压用电源5的负极的负电压(例如-10V)。
由此,NPN型晶体管3断开,PNP型晶体管2接通。此时,经由电阻R2、PNP型晶体管2、电阻R1向开关元件1的栅极施加来自负电压用电源5的负电压。即,开关元件1的栅极成为负电压,开关元件1关断。
此时,因为从负电压用电源5向电容器C1充入电荷,所以在PNP型晶体管2接通的瞬间,电容器C1与开关元件1的栅极电容并联耦合,开关元件1的栅极电位急剧地变化。
开关元件1的栅极电位最初在刚才的例子中大致为-10V,但电容器C1中被充入电荷,栅极电位上升起来。此时,如果减小电阻R1,则能够加快开关速度。由此,能够降低开关元件1关断时的开关损耗。
在电桥电路等中使用了开关元件1的情况下,开关元件1刚关断后通过其它臂的开关元件的接通动作而产生漏极/源极间的电压变化。由于该电压变化,由开关元件1的寄生电容耦合的栅极电压发生变动。
由于变动的栅极电压超过开关元件1的阈值电压,从而产生开关元件1的误导通。此时,通过提高负电压用电源5的负电压即增加负电压、或增加电容器C1的电容,能够保持比开关元件1的阈值电压低的栅极电压。由此,能够抑制开关元件1的误导通。
之后,以开关元件1的源极电极为基准,由于正电压用电源4、负电压用电源5、电阻R2、R3的电压的分压、以及电容器C1的电荷的变化,从而开关元件1的栅极电压上升。
由此,开关元件1即将导通之前的栅极电压能够事前设为低于开关元件1的阈值电压且接近阈值电压的电压。因此,为了使开关元件1接通,使栅极电压从低于开关元件1的阈值电压且接近阈值电压的电压上升到基于正电压用电源4的开关元件1的阈值电压以上,因此,导通变短。
由此,能够实现误导通抑制和导通速度的快速化。另外,因为导通时间变短,所以开关元件1的二极管损耗降低。
接着,开关元件的导通动作如下。从信号发生器7对NPN型晶体管3的基极和PNP型晶体管2的基极施加正电压(例如+1V)。
同时,对NPN型晶体管3的集电极施加正电压用电源4的正极的正电压(例如10V),对PNP型晶体管2的集电极施加负电压用电源5的负极(例如-10V)。由此,NPN型晶体管3接通,PNP型晶体管2断开。
此时,经由NPN型晶体管3、电阻R1对开关元件1的栅极施加正电压用电源4的正电压。即,开关元件1的栅极成为阈值电压以上,开关元件1导通。
这样,根据第一实施方式的驱动电路,在使用了半电桥电路等的硬开关中,通过将开关元件1刚关断之后的栅极电压降低到负电压,能够抑制误导通。
另外,电阻R2、R3和电容器C1将开关元件1即将导通之前时的电压变更为比开关元件1刚关断之后时的负电压用电源5形成的负电压高。因此,能够进行开关元件1的快速的导通。
另外,电阻R2、R3和电容器C1将开关元件1即将导通之前时的电压变更为正的电压以上且低于开关元件1的阈值电压。即,通过开关元件1即将导通之前的栅极电压相对于源极提高到正电压以上且接近阈值电压的电压,能够进行开关元件1的快速的导通。
另外,电压变更部在开关元件1为断开状态时,将开关元件1刚关断之后时的负电压保持规定期间以上,具体而言保持死区时间以上。由此,因为能够防止同时接通上下臂的开关元件,所以能够强化误导通抑制效果。
另外,能够利用推挽电路12、电阻R2、R3、以及电容器C1这样的简单且低成本电路结构抑制误导通,及进行快速的导通。
(第二实施方式)
图2是本发明第二实施方式的驱动电路的结构图。第二实施方式的驱动电路与第一实施方式的驱动电路的不同之处在于,设置有电阻R4和二极管8A。
在PNP型晶体管2的集电极、电阻R2的一端、以及电容器C1的一端之间并联连接电阻R4和二极管8A。
二极管8A的阳极与PNP型晶体管2的集电极连接,二极管8A的阴极与电容器C1的一端连接。
这样,根据第二实施方式的驱动电路,电阻R4与电容器C1串联连接,因此,能够根据电阻R4的值调整从负电压用电源5向电容器C1的电荷的蓄电时间。如果电阻R4小,则蓄电时间变短,如果电阻R4大,则蓄电时间变长。
由此,能够通过电阻R4的值的调整而将开关元件1刚关断之后的栅极电压变更为任意的电压,通过将栅极电压相对于源极设为负电压,能够调整为最佳的误导通抑制电压。
(第三实施方式)
图3是本发明第三实施方式的驱动电路的结构图。第三实施方式的驱动电路与第二实施方式的驱动电路的不同之处在于,使二极管8B的方向相反。将二极管8B的阴极与PNP型晶体管2的集电极连接,将二极管8B的阳极与电容器C1的一端连接。
这样,根据第三实施方式的驱动电路,能够缩短从负电压用电源5向电容器C1的电荷的蓄电时间。积蓄于电容器C1中的电荷向放电用电阻R4放电。放电时间能够根据电阻R4的值进行调整。
由此,通过调整电阻R4的值,能够任意地变更开关元件1关断时的开关速度,能够调整为最佳的栅极电压的变化量。
(第四实施方式)
图4是本发明第四实施方式的驱动电路的结构图。第四实施方式的驱动电路与第二实施方式的驱动电路的不同之处在于,由N沟道MOSFET9(N型晶体管)和P沟道MOSFET10(P型晶体管)构成推挽电路12A。
N沟道MOSFET9的源极和P沟道MOSFET10的源极经由电阻R1与开关元件1的栅极连接。对N沟道MOSFET9的栅极和P沟道MOSFET10的栅极施加驱动信号。
正电压用电源4的正极与N沟道MOSFET9的漏极连接。电阻R3连接于N沟道MOSFET9的漏极和P沟道MOSFET10的源极之间。
其它结构与第二实施方式的驱动电路的结构相同。另外,因为开关元件1关断时的动作、导通时的动作与第一实施方式的驱动电路的开关元件1关断时的动作、导通时的动作同样,所以在此省略其说明。
这样,根据第四实施方式的驱动电路,获得与第二实施方式的驱动电路的效果同样的效果。另外,通过使用N沟道MOSFET9和P沟道MOSFET10,能够从信号发生器7以少的信号输出使大电流在开关元件1的栅极中流通。
由此,能够使大电流以更快速的开关元件1的导通及关断的开关速度移动,能够降低开关损耗。
(第五实施方式)
图5是本发明第五实施方式的驱动电路的结构图。第五实施方式的驱动电路与第四实施方式的驱动电路的不同之处在于,设置电阻R5取代正电压用电源4,设置电阻R6取代负电压用电源5,还设置有正电压用电源6。
正电压用电源6的正极与N沟道MOSFET9的漏极、电阻R3的一端以及电阻R5的一端连接。正电压用电源6的负极与电阻R2的一端和电阻R6的一端连接。
这样,根据第五实施方式的驱动电路,正电压用电源6的正电压由电阻R5和电阻R6分压。在该情况下,电流从正电压用电源6的正极通过电阻R5和电阻R6向正电压用电源6的负极流通。
因为开关元件1的源极与电阻R6的另一端连接,所以电阻R6的一端的电位比开关元件1的源极的电位低,成为负电压。因此,在P沟道MOSFET10接通时,对开关元件1的栅极施加电阻R6的一端的负电压,开关元件1关断。
即,通过由电阻R5及电阻R6对正电压用电源6的正电压进行分压,能够将其用作开关元件1的栅极电压。由此,能够使用一个正电压用电源6,仅由电阻R5、R6的无源元件构成紧凑的驱动电路11D。
(第六实施方式)
图6是本发明第六实施方式的驱动电路的结构图。第六实施方式的驱动电路与第四实施方式的驱动电路的不同之处在于,设置电容器C2取代正电压用电源4,设置电容器C3取代负电压用电源5,还设置有正电压用电源6。
正电压用电源6的正极与N沟道MOSFET9的漏极、电阻R3的一端以及电容器C2的一端连接。正电压用电源6的负极与电阻R2的一端和电容器C3的一端连接。
这样,根据第六实施方式的驱动电路,正电压用电源6的正电压由电容器C2和电容器C3分压。在该情况下,电流从正电压用电源6的正极过渡性地通过电容器C2和电容器C3流通到正电压用电源6的负极。
因为开关元件1的源极与电容器C3的另一端连接,所以电容器C3的一端的电位比开关元件1的源极的电位低,成为负电压。因此,在P沟道MOSFET10接通时,对开关元件1的栅极施加电容器C3的一端的负电压,开关元件1关断。
即,通过将正电压用电源6的正电压由电容器C2和电容器C3进行分压,能够将其用作开关元件1的栅极电压。由此,能够使用一个正电压用电源6,仅由电容器C2、C3的无源元件构成紧凑的驱动电路11D。
另外,通过在电容器C2和电容器C3中过渡性地流通电流,能够进行充电,因此,能够减少来自正电压用电源6的经常的消耗电流,成为低损耗的驱动电路。
产业上的可利用性
本发明的驱动电路能够应用于开关电路装置。
附图标记说明
1 开关元件
2 PNP型晶体管
3 NPN型晶体管
4、6 正电压用电源
5 负电压用电源
7 信号发生器
8A、8B 二极管
9 N沟道MOSFET
10 P沟道MOSFET
11、11A、11B、11C、11D、11E 驱动电路
12、12A 推挽电路
R1~R6 电阻
C1~C3 电容器
Claims (7)
1.一种驱动电路,其具有控制端子、高电位端子以及低电位端子,根据以所述低电位端子的电位为基准电位时的所述控制端子的电压,对切换在所述高电位端子和所述低电位端子之间流通电流的接通状态和不流通所述电流的断开状态的开关元件施加所述电压,切换所述接通状态和所述断开状态,其中,具备:
负电压用电源,在所述开关元件从所述接通状态切换为所述断开状态时,对所述控制端子施加负电压作为所述电压;以及
电压变更部,其将所述开关元件即将从所述断开状态切换为所述接通状态之前时的所述电压变更为比所述开关元件刚从所述接通状态切换为所述断开状态之后时的所述负电压用电源形成的所述负电压高。
2.根据权利要求1所述的驱动电路,其中,
所述电压变更部将所述开关元件即将从所述断开状态切换为所述接通状态之前时的所述电压变更为正的电压以上且低于所述开关元件的阈值电压。
3.根据权利要求1或2所述的驱动电路,其中,
所述电压变更部在所述开关元件为断开状态时,将所述开关元件刚从所述接通状态切换为所述断开状态之后时的所述负电压保持规定的期间。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的驱动电路,其中,
具备推挽电路,其具有串联连接且交替进行接通断开动作的N型第一晶体管和P型第二晶体管,所述第一晶体管的第一主电极和所述第二晶体管的第一主电极与所述控制端子连接,
所述电压变更部
具有串联连接于所述负电压用电源的负极和所述第二晶体管的第二主电极之间的电位调整用电阻、和
串联连接于所述低电位端子和所述第二晶体管的第二主电极之间的电容器,所述负电压用电源的正极与所述电容器及所述低电位端子连接,
所述开关元件即将从所述断开状态切换为所述接通状态之前的所述电压由于所述负电压用电源、所述电位调整用电阻的电压的分压、以及所述电容器的电荷的变化而上升,变更为正的电压以上且低于所述开关元件的阈值电压。
5.根据权利要求4所述的驱动电路,其中,
具有二极管和放电用电阻,
在所述电容器和所述第二晶体管的所述第二主电极之间并联连接所述二极管和所述放电用电阻,
所述二极管的阳极与所述第二晶体管的所述第二主电极连接。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的驱动电路,其中,
具备在所述开关元件从所述断开状态切换为所述接通状态时对所述控制端子施加正电压作为所述电压的正电压用电源,
所述开关元件刚从所述断开状态切换为所述接通状态之后时的所述正电压用电源形成的正电压为所述开关元件的阈值电压以上。
7.一种驱动电路,其具有控制端子、高电位端子以及低电位端子,根据以所述低电位端子的电位为基准电位时的所述控制端子的电压,对切换在所述高电位端子和所述低电位端子之间流通电流的接通状态和不流通所述电流的断开状态的开关元件施加所述电压,切换所述接通状态和所述断开状态,其中,具备:
负电压用电源;
正电压用电源;
推挽电路,其具有串联连接且交替进行接通断开动作的N型第一晶体管和P型第二晶体管,所述第一晶体管的第一主电极和所述第二晶体管的第一主电极与所述控制端子连接;
第一电位调整用电阻,其串联连接于所述负电压用电源的负极和所述第二晶体管的第二主电极之间;
电容器,其串联连接于所述低电位端子和所述第二晶体管的所述第二主电极之间;
第二电位调整用电阻,其一端与所述第一晶体管的第二主电极和所述正电压用电源的正极连接,
所述负电压用电源的正极与所述正电压用电源的负极、所述电容器、及所述低电位端子连接。
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