CN1512650A - 门驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的门驱动电路设置了直流电源；输出高电平和低电平的信号的驱动信号源；把驱动信号源输出的信号输入到门端子，对应于信号的电平控制源端子和漏端子之间的导通状态的主开关元件；当源端子和漏端子之间处于导通状态时的通电负荷；连接在驱动信号源和门端子之间，只从驱动信号源向门端子方向输出信号的逆电流防止装置；以及连接在门端子和直流电源的高电位侧之间，当源端子和漏端子之间处于非导通状态时成为导通状态的再生装置，其中源端子和漏端子之间成为导通状态的门－源之间的临界值电压比直流电源的输出电压大。

Description

门驱动电路
技术领域
本发明涉及门驱动电路，详细地说涉及在电力变换装置等中使用的门驱动电路。
背景技术
近年，伴随化石燃料的使用而排出二氧化碳造成地球温暖化，以及原子能发电站的事故和放射性废弃物造成的放射性污染等问题深刻化，对于地球环境和能源的关心提高了。在这种情况下，作为取之不尽并且干净的能源，利用太阳光的太阳能发电、利用地热的地热发电、利用风力的风力发电等在世界上被实用化。
这种由自然能源发电的直流电力通过叫做变换器的电力变换装置被变换成交流电力，例如被供给商用电力系统。
在这样的电力变换装置中提高变换效率是重要的，在门驱动电路中产生的损失也不可忽视。为了减少这样的损失，已知在门驱动中使用缓冲器能量的方法(例如参照特开平5-344708号公报)。另外，已知晶体管的转换器的门电力在门驱动电路一侧再生的方法(例如参照特公平3-36332号公报)。这些技术一般被视为电力再生技术的一种，在不使用这些技术的情况下，门电力就成为电力损失。
另一方面，作为有效地活用通过太阳能电池发出的电力的方法，提出了单电池·转换器系统(例如参照美国专利第5660643号说明书)。这是不用串联连接多个太阳能电池，而向电力变换装置直接输入大约1V左右的低电压，进行升压并且使用的方法。
在这样的变换装置中也有门驱动电力和减少电力损失的重要课题。然而，并没有提出在低电压并且使用电力也比较小的领域中被使用的门驱动电路中适用的减少电力损失的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于低电压并且使用电力小的区域中的、减少电力损失的门驱动电路。
本发明的另一个目的是提供一种使用上述门驱动电路的电源电路。
作为达到上述目的的本发明的一种形式的门驱动电路，具备直流电源、输出高电平和低电平信号的驱动信号源、把从驱动信号源输出的信号输入到门端子、对应于信号的电平控制源端子和漏端子之间的导通状态的主开关元件、源端子和漏端子之间处于导通状态时通电的负荷、连接在驱动信号源和门端子之间，只能从驱动信号源向门端子的方向输出信号的逆电流防止装置、连接在门端子和直流电源的高电位侧之间，当源端子和漏端子之间在非导通状态时，成为导通状态的再生装置，其中源端子和漏端子之间成为导通状态的门-源间临界值电压比直流电源的输出电压要大。
即在本发明中具备直流电源、输出高电平和低电平的信号的驱动信号源、把从驱动信号源输出的信号输入到门端子，对应于该信号的电平控制源端子和漏端子之间的导通状态的主开关元件、在源端子和漏端子之间处于导通状态时的通电负荷、连接在驱动信号源和门端子之间，只能从驱动信号源向门端子方向输出信号的逆电流防止装置、连接在门端子和直流电源的高电位侧之间，当源端子和漏端子之间处于非导通状态时成为导通状态的再生装置，其中源端子和漏端子之间成为导通状态的门-源之间的临界值电压被设定为比直流电源的输出电压大。
这样一来，驱动主开关元件时使用的一部分电力可以在电源侧或负荷侧再生(再利用)，可以减少伴随驱动主开关元件的电力损失。进而，在主开关元件处于非导通状态时，由于向门端子施加的电压只降低到直流电源的电压为止，所以导通时和非导通时门的电位差变小，直到成为导通状态为止，都能够减少必要的驱动电力。
所以，在低电压并且使用电力小的区域中能够减少在使用的门驱动电路中的电力损失。
主开关元件可以含有N通道MOSFET或N通道IGBT。
逆电流防止装置可以含有二极管。
再生装置可以含有MOSFET。
达到上述另一个目的的本发明的其它形式的电源电路具备直流电源、输出高电平和低电平的信号的驱动信号源、把从驱动信号源输出的信号输入到门端子，对应于信号的电平控制源端子和漏端子之间的导通状态的主开关元件、源端子和漏端子之间处于导通状态时通电的负荷、连接在驱动信号源和门端子之间，只从驱动信号源向门端子方向输出信号的逆电流防止装置、连接在门端子和直流电源的高电压位之间，当源端子和漏端子之间处于非导通状态时成为导通状态的再生装置，包含源端子和漏端子之间成为导通状态的门-源之间的临界值电压比直流电源的输出电压大的门驱动电路，在源端子和漏端子之间成为导通状态时，向负荷供给从直流电源输出的电力。
负荷可以含有变压器的1次侧线圈。
电源电路可以是进行DC/AC变换的电路。
直流电源可以含有没有串联连接的多个太阳能电池元件。
本发明的其他特征和优点将结合以下的附图做说明。在这些图中对于相同或类似的部分分配了相似的附图标记。
附图说明
图1是展示作为本发明的实施例1的门驱动电路的构成的图。
图2是展示图1的电路中的门负荷再生时的等价电路的图。
图3是展示图1的电路与现有的门驱动电路的能量的比较图。
图4是展示作为本发明的实施例2的门驱动电路的构成的图。
图5是表示图4的门驱动电路动作所必需的各个部件的电位的图。
图6是展示作为本发明的实施例3的推挽方式电力变换器的构成的图。
图7是展示作为比较例的现有的推挽方式电力变换器的构成的图。
图8是展示作为本发明的实施例3的推挽方式电力变换器的构成的图。
图9是展示作为比较例的现有的门驱动电路的构成的图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明上述的本发明。
实施例1
图1是展示作为本发明的实施例1的门驱动电路的构成的图。如图所示的那样，本实施例的门驱动电路包含逆电流防止装置1、再生装置2、主开关元件3、负荷4、门驱动信号源5、直流电源8。另外6是电源的高电位侧端子、7是电源的低电位侧端子。以下说明各个构成要素及其相关动作。
主开关元件3是MOS型门·开关元件，它的导电型可以是P通道或是N通道。本质的重要的是门成为ON的临界电压的绝对值和电源电压的绝对值的大小关系，前者比后者大在本发明中成为必须条件。只有在这样的关系成立的情况下，才有可能产生本发明的“通过门负荷的再生提高效率”的效果。
另外本说明书中所说的“电源的高电位侧”依存于主开关元件的导电型，在N通道MOSFET和N通道IGBT中相当于电源的正极一侧、在P通道MOSFET和P通道IGBT中相当于电源的负极一侧，希望注意它并非单纯表示电压的高低。另外“电源的低电位侧”表示与“电源的高电位侧”相对的另一侧。
[逆电流防止装置1]
逆电流防止装置1是在开始与主开关元件3同步动作的开关装置，适合的是二极管。二极管以外，还可以使用继电器那样的机械式触点、小电容MOSFET、进而数字电路使用的3状态·门(针对High、Low以及High阻抗(无连接)状态，可以输出以上三个状态的逻辑门)。另外还可以使用作为光电二极管和MoSFET的组合元件的光电MOS继电器类。
在本实施例中，与使这样的开关装置在主开关元件3是ON时成为ON(导通状态)，在主开关元件3是OFF时成为OFF(非导通状态)那样地进行控制的装置共同构成逆电流防止装置1。
[再生装置2]
再生装置2是辅助主开关元件3动作的开关装置，基本可以由与逆电流防止装置1相同的开关装置构成。但是作为再生装置2不能说适合使用二极管。这是因为在使用二极管的情况下，在向门施加高电压而主开关元件3成为ON时，电流流向电源侧，在主开关元件3在ON的期间持续就会产生电力损失。
所以作为本实施例的再生装置2，理想的是使用通过小电容MOSFET等的控制端子能够控制导通状态的开关元件。然后与使这样的开关装置在主开关元件3是ON时成为OFF，在主开关元件3是OFF时成为ON那样进行控制的装置共同构成本实施例的再生装置。
作为在再生装置2中使用的开关装置，特别适合的是使用与主开关元件3相同的导电型的小电容MOSFET。这是因为如果使用上述那样的门为ON时的临界值电压的绝对值比电源电压的绝对值大的电位关系，则能够用驱动主开关元件3的电源驱动这个开关装置。另外这时在小电容MOSFET中也会发生与主开关同样的由门负荷引起的损失，但由于作为再生装置使用的开关装置是能够驱动主开关元件程度的小电容的元件就足够了，所以由门负荷引起的损失与主开关元件的情况比较显著减少。关于这个门负荷，小电容的N通道MOSFET是高性能的，特别是门负荷少。
[负荷4]
对于负荷4没有特别的限制，可以使用阻抗性负荷、感应性负荷、或变压器的1次线圈等，必要的合适负荷。
[直流电源8]
对于直流电源，其种类也没有特别的限制，但它的输出电压必须比当主开关元件3成为ON时的门电压的临界值低。例如如果主开关元件3成为ON时的门电压是2V，则必须是电源电压比它的值低，例如是1V。
一般来说，由于MOSFET的导通电阻值相对于门电压呈指数函数地变化，所以为了得到应用所必需的ON状态的电阻值的临界电压，有必要进行实际测量来适当地求出。也可以参考使用元件的数据表中所记载的值，但这时，有必要注意该时刻的开关元件的电阻值(这很多是作为数据表上的计量条件被定义)。
另外在本实施例中主开关元件3是OFF时，施加在门上的电压与直流电源的电压相等，不会是0。所以，直流电源的电压如果没有设定成比上述那样求出的临界值电压充分低的话，则再生时主开关元件3不会成为OFF，无法对负荷进行电源供给控制。
进而在本实施例中使用的直流电源中，接收从门流入的能量的功能是必要的，因此理想的是具有以电解电容器等为代表的蓄电装置。但是，由于也有作为蓄电装置是电源中存在的寄生电容就可以的情况，所以没有必要必须设置电容器。
如果满足上述那样的条件，则作为本实施例的直流电源可以选择各种各样的部件，可以使用太阳能电池、燃料电池、碱干电池、氧化镍电池等。
[门驱动信号源5]
本实施例的门驱动信号源5并非单纯的信号源，必须兼有能够供给能够尽量驱动门静电电容的电力的小电容电源功能。作为它的输出电压，当主开关元件3成为ON时需要充分的电压，大约使用2.5□15V。适应于最近的逻辑IC的低电压化，特别理想的是使用3.3V或5V。作为信号源被使用的振荡电路和电源电路，可以使用众所周知的电路，其构成与本发明的本质几乎没有关系，所以省略详细的说明。
[具体的构成]
以下详细说明上述的实施例的动作。另外在以下的动作说明中，作为直流电源8使用市场上销售的单3型碱锰干电池(输出电压1.5V)和层积陶瓷电容器(100μF)的并联连接，作为负荷4使用100Ω电阻，逆电流防止装置1和再生装置2使用市场上销售的光电MOS继电器。
另外，作为主开关元件3，使用N通道·能量MOSFET(费阿查依罗德公司制造、型号ISL9N302AP)。N通道MOSFET作为能量元件是最一般的元件，由于比P通道元件容易得到更高的性能，所以被广泛使用。另外，在本实施例中使用的MOS的数据表中，临界值电压被表示为1.0□3.0V，但实测的导通电阻在门电压与电源电压相等为1.5V时，是10MΩ以上(即OFF状态)，对本实施例的相关动作没有影响。实质成为接通状态的临界值电压可以说比电源电压明显要高。这样在本发明的实施例中，本质上重要的是在将电源电压施加到主开关元件的门上的状态下，使主开关元件成为OFF状态。
作为驱动用信号源5使用输出5V的矩形波振荡器(信号频率100Hz)。其输出与逆电流防止装置1和主开关元件3的门连接，向再生装置2连接上述振荡器的反向输出。由此，在振荡器的输出是5V(高电平)的时候，主开关元件3和逆电流防止装置1成为ON，再生装置2成为OFF。另一方面，在振荡器的输出是0V(低电平)的时候，逆电流防止装置1以及主开关元件3成为OFF，再生装置2成为ON。为了使用本发明的效果，即使是由其它电路部件构成，也有必要实现上述那样的开关的动作。
另外，作为用来比较的电路，使用了图9所示的现有的门驱动电路。这个电路是从本实施例的构成中除去逆电流防止装置和再生装置。
(动作说明)
(1)ON动作
作为驱动用信号源5的振荡器输出成为5V时，通过逆电流防止装置1，主开关元件3的门充电到5V。主开关元件3的门的静电电容是11000pF。在门中存储了1/2CV2(J)的能量。另外即使是用来做比较的现有的电路ON时的动作也相同。
(2)OFF动作
作为驱动用信号源5的振荡器输出为0V时，逆电流防止装置1成为OFF，再生装置2成为ON。图2是这种状态的等价电路图。电容器10表示主开关元件3的门的静电电容，9是寄生电阻。电容器10通过寄生电阻9连接直流电源8。当门驱动电压是5V，直流电源8的电压成为1.5V时，电容器10中存储的电荷的一部分流入直流电源8，能量被再生。再生量由直流电源8的电压和门驱动电压的比来决定。在这种情况下，由于直流电源的电压是1.5V，门驱动电压是5V，所以从驱动用信号源5送往门的能量的大约30％(＝1.5/5)在电源侧被再生。由此，门电压下降到直流电源8的电压1.5V为止，但不会再下降到这以下。
与此相对在图9的现有的电路中，门电压下降到0V为止，由门的静电电容存储的能量被原样弃置在低电位侧成为损失。
(3)再ON动作
在现有的电路中，由于门电压下降到0V为止，所以需要从0V充电到5V，但在本实施例的电路中，由于已经从1.5V充电到5V，所以可以减少为了使主开关元件3再次成为ON的状态时所必需的能量。
图3是展示上述的实施例和现有例的动作中的具体地计算能量回收量等的结果的图。如图所示的那样，根据本实施例，在可以回收送出能量的约30％的同时，由于ON时的送出能量也比现有例节约，所以结果是门驱动能量总量(＝送出能量-回收能量)可以比现有例削减大约51％。这样可以削减门驱动能量，使得门驱动用电源小电容化成为可能。
<实施例2>
以下说明本发明的实施例2。另外在以下的说明中用同样的符号来表示与上述实施例1相同的部分，并省略说明。
图4是展示作为实施例2的门驱动电路的构成的图。如果说明本实施例中的具体的构成，则作为直流电源8使用在市场上销售的氧化镍电池(1.2V)和铝电解电容器(470μF)并联连接。主开关元件3、驱动信号源5和负荷4与第1实施例的构成一样。
作为逆电流防止装置使用肖特基屏蔽二极管100，作为再生装置使用小电容N通道MOSFET200(国际整流器公司制造，型号IRLMS1902)。这样，通过在逆电流防止装置中使用二极管，可以自动防止逆电流，不需要从驱动信号源5的布线。
另外，通过NOT元件201把与向主开关元件3上施加的信号的“逻辑反”信号传送给小电容MOSFET200的门，小电容MOSFET200在主开关元件3为ON时是OFF，在主开关元件3为OFF时是ON。
小电容MOSFET200如图4中所示的那样，源端子被连接在直流电源8的高电位侧，漏端子连接在主开关元件3的门端子上。这是与通常的常识性连接(通常N通道MOSFET中电源的正电位侧连接漏端子)相反的连接，由此通过MOSFET的内藏二极管防止了主开关元件3的门所存储的电荷的放电(泄漏)。
另外根据电位的关系，当主开关元件3是OFF时小电容MOSFET200的源-门之间电压是3.8V(＝5-1.2V)，因而有必要选择在这样的由电压下处于ON的设备。本实施例中使用的小电容MOSFET200当然满足这个条件。这样，主开关元件3的门所存储的电荷通过小电容MOSFET200向直流电源8再生。
图5是展示本实施例中的电位关系的图。为了使本实施例动作，有必要使主开关元件3成为ON的门的临界值电压、直流电源8的电压、以及应该使主开关元件3成为ON状态的门上施加的驱动电压的关系成为如图示那样的大小关系。
本实施例的特征是比实施例1具有小型、简单的结构。本实施例的由小电容MOSFET200、NOT元件201、逆流防止二极管100构成的再生模块60，也容易集成在一个半导体芯片上。由于本实施例的动作与实施例1相同，所省略说明。
<实施例3>
以下说明本发明的实施例3。另外，在以下的说明中，用相同的符号表示与上述实施例1和实施例2相同的部分，并省略说明。
本实施例是在推挽电力变换电路中适用本发明的门驱动电路的例子。图6是展示具有适用了本发明的门驱动电路的推挽电力变换器的太阳能发电系统的框图。
这个太阳能发光系统具有作为直流电源的太阳能电池81和电容器82并联连接的电路，如在3a、3b和60a、60b所示的那样，分别具有两个与实施例2的门驱动电路相同的主开关元件以及再生模块。另外为了电力变换，具有变压器40、二极管桥50a□50d、以及由线圈70和电容器71构成的平滑过滤器，被变换了的电力被存储在次级电池90中。
在图6的构成中，作为太阳能电池81是众所周知的串联型太阳能电池，在外部没有电气上的串联连接，使用所谓的“单元件”型太阳能电池模块(在标准测定条件(AM1.5、1.0kW/m2)下的输出是1.0V10A)。作为变压器40，使用具有1∶15卷数比的变压器。这个变压器40的1次侧线圈被作为主开关元件3的负荷使用。另外，从变压器40的2次侧线圈的输出通过二极管桥50a□50d整流，通过由线圈70和电容器71构成的平滑过滤器被平滑，并发送到市场上销售的次级电池90(电压12V、电容200Ah)。作为驱动信号源5，使用50％负荷矩形波振荡器，驱动主开关元件3a和3b交互成为ON/OFF。
图7是作为比较例子的采用现有方法进行门驱动的电路图。该电路与图6所示的电路比较，可以容易地理解到在没有使用再生模块60a和60b的点上的差异。
本实施例中的再生模块60a和60b的动作，与实施例2中说明的完全相同，由于在主开关元件3a和3b的门所存储的电荷在电源侧和负荷侧被直接再生而动作，所以可以削减门驱动电力。
这样，本发明在推挽电路那样的电力变换器中也是有效的技术。特别是如本实施例的推挽电路那样，在用50％负荷驱动的形式中，对主开关元件3a和3b的驱动信号有互补的关系，因而通过直接使用它，可以省略再生模块中包含的NOT元件201。可以得到更简单的再生模块的结构。
<第4的实施例>
以下说明本发明的实施例4。另外在以下的说明中用同样的符号表示与上述第1到实施例3相同的部分，并省略说明。
图8是展示本实施例的结构的图。在本实施例中，作为设置在再生模块60内的逆电流防止装置，使用3状态·缓冲元件101(型号名74HC126)，如图8所示的那样，把从驱动信号源来的信号按照原样输入到导通控制端子那样地进行连接。
通过这样，驱动信号源5的输出如果是高电平的话，则其输出照原样被施加到主开关元件3的门端子，如果驱动信号源5的输出是低电平的话，主开关元件3的门端子与驱动信号源5成为不连接(高电阻连接状态)，而作为上述的逆电流防止装置动作。如此一来，与在逆电流防止装置中使用肖特基·二极管相比损失少，另外也更合适集成化。
另外本发明的门驱动电路还适用于由一台仪器构成的装置(例如电源装置等)，也可以适用于包含该门驱动电路，由多台仪器构成的系统(电源系统等)。
由于本发明的许多明显不同的细节能够在不背离原发明的范围内被变更，所以可以理解成发明不限于所叙述的细节，除了已在权利要求中所定义的。

Claims (8)

1.一种门驱动电路，其特征在于包括：
直流电源；
输出高电平和低电平的信号的驱动信号源；
把从上述信号输出源输出的信号输入到门端子，对应于上述信号的电平控制源端子和漏端子之间的导通状态的主开关元件；
在上述源端子和漏端子之间成为导通状态时通电的负荷；
连接在上述驱动信号源和上述门端子之间，只从上述驱动信号源向上述门端子方向输出信号的逆电流防止装置；以及
连接在上述门端子和上述直流电源的高电位侧之间，当上述源端子和漏端子之间处于非导通状态时，成为导通状态的再生装置，其中
上述源端子和漏端子之间成为导通状态的门-源之间的临界值电压比上述直流电源的输出电压大。
2.根据权利要求1记载的门驱动电路，其特征在于：
上述主开关元件包含N通道MOSFET或N通道IGBT。
3.根据权利要求1记载的门驱动电路，其特征在于：
上述逆电流防止装置包含二极管。
4.根据权利要求1记载的门驱动电路，其特征在于：
上述再生装置包含MOSFET。
5.一种电源电路，其特征在于：
包含下述这样的门驱动电路：
具备直流电源；输出高电平和低电平的信号的驱动信号源；把上述驱动信号源输出的信号输入到门端子，对应于上述信号的电平控制源端子和漏端子之间的导通状态的主开关元件；当上述源端子和上述门端子之间成为导通状态时通电的负荷；连接在上述驱动信号源和上述门端子之间，只从上述驱动信号源向上述门端子方向输出信号的逆电流防止装置；以及连接在上述门端子和上述直流电源的高电位侧之间，当上述源端子和漏端子之间处于非导通状态时成为导通状态的再生装置，
上述源端子和漏端子之间成为导通状态的门-源之间的临界值电压比上述直流电源的输出电压大，其中
在上述源端子和漏端子之间成为导通状态时，将从上述直流电源的输出电压供给上述负荷。
6.根据权利要求5记载的电源电路，其特征在于：
上述负荷包含变压器的1次侧线圈。
7.根据权利要求5记载的电源电路，其特征在于：
进行DC/AC变换。
8.根据权利要求5记载的电源电路，其特征在于：
上述直流电源包含没有进行串联连接的多个太阳能电池元件。
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