ES2961142T3 - Circuito de accionamiento de puerta - Google Patents

Abstract

La presente invención utiliza una estructura de circuito más simple para proporcionar un controlador de lado alto para un circuito de control de compuerta que utiliza un MOSFET de canal N. Un circuito controlador de lado alto que es un circuito que controla un interruptor semiconductor de potencia. El circuito controlador del lado alto comprende un MOSFET de canal N de interruptor principal que tiene un terminal de drenaje que está conectado a un VCC del lado positivo de una fuente de alimentación y tiene un terminal de fuente que está conectado a un terminal de SALIDA para una señal que controla el interruptor semiconductor de potencia, un circuito de almacenamiento de carga que almacena carga de Vcc y un interruptor con capacidad de detección de voltaje que detecta la diferencia de voltaje entre un terminal de salida del circuito de almacenamiento de carga y Vcc y, al detectar que el voltaje del terminal de salida del El circuito de almacenamiento de carga tiene al menos un voltaje específico mayor que el voltaje de un Vcc del lado positivo de la fuente de alimentación, aplica parte o la totalidad del voltaje de salida del circuito de almacenamiento de carga a un terminal de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Circuito de accionamiento de puerta

Campo técnico

La presente invención se refiere a un circuito de accionamiento de puerta para accionar un interruptor semiconductor de potencia como un IGBT.

Técnica relacionada

Los equipos de potencia, como los inversores de alta potencia y los convertidores DCDC, a menudo utilizan elementos de conmutación de alta frecuencia y alta potencia. Los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) o MOSFET (transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico) se utilizan a menudo como elementos de conmutación de alta frecuencia y alta potencia. La característica de entrada de un borne de accionamiento (por ejemplo, borne de puerta) de un elemento de este tipo suele ser capacitiva y durante el accionamiento ha de fluir a través una gran corriente.

Por lo tanto, se han propuesto diversos circuitos para accionar estos elementos de conmutación de alta frecuencia y alta potencia. Estos circuitos suelen denominarse circuitos de accionamiento de puerta. La presente invención se refiere a un controlador de lado alto mejorado utilizado en el circuito de accionamiento de puerta.

Tecnología convencional y su problema

En la figura 7 y la figura 8 se muestran ejemplos de los circuitos de accionamiento de puerta convencionales para accionar los elementos de conmutación de alta frecuencia y alta potencia como se han descrito anteriormente.

El circuito de accionamiento de puerta 3 mostrado en la figura 7 es un circuito que utiliza un MOSFET de canal P 1 (a continuación en el presente documento denominado Q1) como elemento para accionar un IGBT 2 a ENCENDIDO. Q1 se activa ajustando la tensión de puerta del mismo a una tensión menor que la tensión de fuente. Como resultado, Q1 se vuelve conductivo y aparece una tensión Vcc en el borne de drenaje. Esta tensión Vcc se aplica al borne de puerta del IGBT 2 a través de un borne de salida 7 mediante un resistor 11.

Por lo tanto, Q1 puede activarse ajustando un borne ENTRADA 5 en la figura 7 a BAJO. Entonces, cuando se activa Q1, IGBT 2 puede activarse como se ha descrito anteriormente.

De esta forma, de acuerdo con el circuito de accionamiento de puerta 3 que tiene la configuración de circuito mostrada en la figura 7, IGBT 2 puede activarse (o desactivarse) mediante el potencial de entrada del borne de ENTRADA 5.

Sin embargo, por lo general, los MOSFET de canal P tienden a tener menos tipos y mayor resistencia en ENCENDIDO que los MOSFET de canal N, y al usar un MOSFET de canal N como Q1 en la figura 7, como circuito para activar IGBT 2, puede esperarse que mejore el rendimiento.

Bajo tales circunstancias, el circuito de accionamiento de puerta que tiene la configuración de circuito mostrada en la figura 8 también se ha utilizado. En esta configuración de circuito, el circuito de accionamiento de puerta 3a se configura utilizando un MOSFET de canal N como Q1a en la figura 8. Para activar el MOSFET de canal N, el potencial de puerta del mismo debe ajustarse a una tensión superior al potencial de fuente. Por otro lado, la tensión de fuente de Q1a en la figura 8 se eleva cerca de la tensión del lado positivo Vcc de la fuente de alimentación del circuito de accionamiento de puerta 3a. La tensión del lado positivo Vcc se suministra a un borne de tensión del lado positivo 4 en la figura 8, y de manera similar en la figura 7, la tensión del lado positivo Vcc se suministra al borne de tensión del lado positivo 4.

Por lo tanto, un circuito autoelevador y un circuito de cambio de nivel como se describe a continuación están configurados para crear un alto potencial para elevar el potencial de puerta de Q1a en la figura 8 a una tensión superior al potencial de fuente.

En el ejemplo de la configuración del circuito mostrado en la figura 8, un circuito en serie de un diodo 12 (a continuación en el presente documento denominado D1) y un condensador 13 (a continuación en el presente documento denominado C1) está conectado entre el borne de SALIDA 7 y el borne de tensión del lado positivo 4 como se muestra en la figura 8. Entonces, cuando el borne de SALIDA 7 está en el potencial GND, la carga se almacena en C1, y cuando el borne de ENTRADA 5 está configurado en Alto y Q1a está activado, el transistor del lado de salida de un fotoacoplador de cambio de nivel 10 (a continuación en el presente documento denominado PC1) se activa para aplicar la carga cargada a C1 al borne de puerta de Q1a. Por tanto, cuando Q1a se activa y la tensión del borne de SALIDA 7 aumenta, la tensión del borne en el punto donde están conectados C1 y el lado del cátodo de D1 llega a ser mayor que Vcc, y se puede aplicar una tensión mayor que Vcc al borne de puerta de Q1a.

De acuerdo con un sistema de este tipo, D1 y C1 pueden producir con relativa facilidad una fuente de alimentación con un alto potencial para accionar Q1a. Sin embargo, se considera que, para activar Q1a usando la fuente de alimentación de alta tensión, se requiere algo de ingenio en el circuito, por ejemplo, usar un elemento aislante tal como un fotoacoplador (PC1 en la figura 8) para aislar la fuente de alimentación de alta tensión del potencial de entrada del borne de ENTRADA 5, o usar un circuito de cambio de nivel o similar para proporcionar por separado un interruptor que cambia el nivel de tensión de la fuente de alimentación de alta tensión. Sin tal ingenio, se considera difícil crear un circuito que active/desactive Q1a usando el potencial de entrada del borne de ENTRADA 5.

Tecnología previamente patentada

Por ejemplo, la bibliografía de patentes 1 (patente japonesa n.° 6303060), que se describirá más adelante, divulga un circuito de accionamiento de puerta que utiliza un MOSFET de canal P y un MOSFET de canal N. En particular, se divulga una configuración de circuito, en la que se suministra una señal de entrada al MOSFET de canal P a través de un circuito de cambio de nivel.

La bibliografía de patentes 2 (solicitud de patente japonesa abierta a consulta por el público n.° 2006-270382), que se describirá más adelante, divulga una configuración de circuito, caracterizada por utilizar un circuito de cambio de nivel capaz de funcionar a alta velocidad, en una configuración que suministra potencia desde una fuente de alimentación flotante a un controlador de lado alto.

La bibliografía de patentes 3 (solicitud de patente japonesa abierta a consulta por el público n.° 2000-286687), que se describirá más adelante, divulga una configuración de circuito, caracterizada por utilizar un circuito de cambio de nivel capaz de prevenir un mal funcionamiento sin aumentar el área del chip y el consumo de potencia, en una configuración que suministra potencia desde una fuente de alimentación flotante a un controlador de lado alto.

La bibliografía de patentes EP 2658127 A2 se refiere a un aparato de accionamiento de puerta que incluye un primer dispositivo de conmutación, un segundo dispositivo de conmutación que emite una señal para cargar una capacitancia del primer dispositivo de conmutación, un tercer dispositivo de conmutación conectado en paralelo al segundo dispositivo de conmutación para evitar una caída de una tensión de salida del segundo dispositivo de conmutación, y un cuarto dispositivo de conmutación que emite una señal para descargar la capacitancia del primer dispositivo de conmutación (34).

La bibliografía de patentes JP 2010-051105 A se refiere a un circuito de accionamiento de puerta que acciona la puerta de un elemento de conmutación, aumentando una señal de entrada con un circuito de bomba de carga que está equipado con un diodo y un condensador. El circuito de accionamiento de puerta incluye un circuito de bomba de carga, en el que el cátodo del diodo y un extremo del condensador están conectados en serie y que emite una señal de pulso compensada de haber compensado una entrada de señal de pulso Pin desde el otro extremo del condensador por el valor de la tensión de una entrada de potencia de control Vin en el ánodo del diodo y un primer interruptor, que está dispuesto entre la unión entre el diodo y el condensador y el elemento de conmutación y convierte la señal de pulso compensada en una señal de pulso reforzada operando para abrir o cerrar sincrónicamente con la señal de pulso Pin.

La bibliografía de patentes WO 2014/041389 A1 se refiere a un circuito de carga para un condensador autoelevador en un circuito de control de inyector de combustible que incluye un MOSFET P que tiene un diodo de cuerpo y un MOSFET de potencia de canal N que también tiene un diodo de cuerpo. El drenaje del MOSFET P está acoplado a la fuente del MOSFET de potencia del canal N, y la fuente del MOSFET P recibe corriente de la batería de un vehículo. La puerta del MOSFET P recibe una señal de control para activar o desactivar el MOSFET P y el drenaje del MOSFET de potencia del canal N se conecta a un condensador autoelevador.

La bibliografía de patentes US 9973082 B1 se refiere a un circuito de bomba de carga en un interruptor de potencia inteligente del lado alto que incluye una unidad de conmutación entre una unidad oscilante y una unidad de carga. Cuando el IPS del lado alto que sirve como circuito de accionamiento de carga está en estado de espera, un MOSFET se enciende y la unidad de conmutación bloquea la transmisión de señales de salida desde la unidad oscilante a la unidad de carga.

Lista de citas

Bibliografías de patentes

[Bibliografía de patentes 1] Patente japonesa n.° 6303060

[Bibliografía de patentes 2] Solicitud de patente japonesa abierta a consulta por el público n.° 2006-270382 [Bibliografía de patentes 3] Solicitud de patente japonesa abierta a consulta por el público n.° 2000-286687

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Problema técnico

Como se ha descrito anteriormente, porque el rendimiento puede considerarse insuficiente cuando se utiliza un MOSFET de canal P como interruptor principal en el circuito de accionamiento de puerta, a menudo se utiliza un MOSFET de canal N y se puede producir con relativa facilidad una fuente de alimentación con alto potencial para accionar el MOSFET de canal N. Sin embargo, para accionar el MOSFET de canal N mediante el uso de la fuente de alimentación de alta tensión, se requiere un componente aislante o un circuito de cambio de tensión para eliminar la diferencia de tensión de la señal de entrada. También es posible que el circuito se vuelva complicado y costoso, y que la adopción del MOSFET de canal N no pueda lograr un efecto de mejora suficiente.

Ante tales problemas, la presente invención tiene como objetivo proporcionar un controlador de lado alto para un circuito de accionamiento de puerta que utiliza un MOSFET de canal N con una configuración de circuito más simple.

Solución al problema

La invención se establece en el conjunto de reivindicaciones adjuntas. La siguiente divulgación sirve para una mejor comprensión de la presente invención. (1) Con el fin de resolver el problema anterior, la presente invención proporciona un controlador de lado alto, que es un circuito que acciona un interruptor semiconductor de potencia. El controlador de lado alto incluye: un MOSFET de canal N del interruptor principal que conecta un borne de drenaje a una Vdc del lado positivo de una fuente de alimentación del circuito y conecta un borne de fuente a un borne de SALIDA que es un borne que emite una señal para accionar el interruptor semiconductor de potencia; un circuito de almacenamiento de carga que almacena carga inyectando una corriente desde la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito; y un interruptor con capacidad de detección de tensión que funciona detectando una diferencia de tensión entre un borne de salida del circuito de almacenamiento de carga y la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito. Cuando se detecta que una tensión del borne de salida del circuito de almacenamiento de carga es mayor que una tensión Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito en una tensión específica o más, el interruptor con capacidad de detección de tensión aplica parte o la totalidad de una tensión de salida del circuito de almacenamiento de carga a un borne de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal para activar el MOSFET de canal N del interruptor principal.

(2) Así mismo, de acuerdo con la presente invención, el controlador de lado alto de acuerdo con lo anterior (1) incluye: un MOSFET de canal P de inicio que está conectado en paralelo al MOSFET de canal N del interruptor principal, y conecta un borne de fuente a la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación y conecta un borne de drenaje al borne de SALIDA; y un borne de entrada de señal de ENCENDIDO que introduce una señal para activar el interruptor semiconductor de potencia y está conectado a un borne de puerta del MOSFET de canal P de inicio. Cuando la señal para activar el interruptor semiconductor de potencia se introduce en el borne de entrada de señal de ENCENDIDO, el MOSFET del canal P de inicio está activado, una tensión del borne de SALIDA aumenta cuando se activa el MOSFET del canal P de inicio, y el interruptor con capacidad de detección de tensión detecta que la tensión del borne de salida del circuito de almacenamiento de carga es mayor que la tensión Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito por la tensión específica o más, y aplica parte o la totalidad de la tensión de salida del circuito de almacenamiento de carga al borne de puerta del MOSFEt de canal N del interruptor principal para activar el MOSFET de canal N del interruptor principal.

(3) Así mismo, de acuerdo con la presente invención, en el controlador de lado alto de acuerdo con lo anterior (1) o (2), el interruptor con capacidad de detección de tensión incluye un interruptor interno que se activa y aplica parte o la totalidad de la tensión de salida del circuito de almacenamiento de carga al borne de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal cuando el interruptor con capacidad de detección de tensión detecta que la tensión del borne de salida del circuito de almacenamiento de carga es mayor que la tensión Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito en un valor específico o más.

(4) Así mismo, de acuerdo con la presente invención, el controlador de lado alto de acuerdo con uno cualquiera de los puntos (1) a (3) anteriores incluye: un borne de entrada de señal de APAGADO que introduce una señal para activar el interruptor semiconductor de potencia; un circuito de conversión de tensión que está conectado entre la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito y el borne de entrada de señal de APAGADO, y realiza la conversión de tensión dividiendo una tensión entre la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito y el borne de entrada de señal de APAGADO y/o restando un valor específico; un circuito de prevención de reflujo que se proporciona entre el borne de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal y un MOSFET de extracción de carga de puerta, y permite que una corriente fluya solo en una dirección desde el borne de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal hacia el MOSFET de extracción de carga de puerta; y el MOSFET de extracción de carga de puerta que conecta un borne de drenaje al circuito de prevención de reflujo y conecta un borne de fuente al borne de entrada de señal de APAGADO, y conecta un borne de puerta a un borne de salida que genera una tensión convertida por el circuito de conversión de tensión. El borne de drenaje del MOSFET de extracción de carga de puerta está conectado al borne de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal a través del circuito de prevención de reflujo, y cuando la señal para desactivar el interruptor semiconductor de potencia se introduce en el borne de entrada de señal de APAGADO y una tensión del borne de entrada de señal de APAGADO desciende desde la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito, aumenta un tensión de salida del borne de salida que genera la tensión convertida por el circuito de conversión de tensión, el MOSFET de extracción de carga de puerta se activa y el MOSFET de canal N del interruptor principal se desactiva.

Efectos de la invención

De acuerdo con la presente invención, no es necesario utilizar un elemento aislante o similar, y es posible proporcionar un controlador de lado alto que tenga una configuración más sencilla que antes. De forma adicional, es posible configurar un circuito de accionamiento de puerta utilizando el controlador de lado alto.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

FIG. 1A es un diagrama explicativo que muestra una configuración de circuito del Principio 1 en la presente realización. FIG. 1B es un diagrama explicativo que muestra una configuración de circuito de un ejemplo modificado del Principio 1 en la presente realización.

FIG. 2 es un diagrama explicativo que muestra una configuración de circuito del Principio 2 en la presente realización. FIG. 3 es un gráfico que muestra un cambio en la tensión de puerta cuando un IGBt o similar cambia a una operación ENCENDIDO.

FIG. 4 es un diagrama explicativo que muestra una configuración de circuito del Principio 3 en la presente realización. FIG. 5A es un diagrama que muestra ejemplos específicos de un circuito de almacenamiento de carga.

FIG. 5B es un diagrama que muestra ejemplos específicos de un circuito de almacenamiento de carga.

FIG. 6A es un diagrama de circuito que muestra un ejemplo de una configuración de circuito específica de un circuito de accionamiento de puerta en la presente realización.

FIG. 6B es un diagrama de circuito que muestra un ejemplo de una configuración de circuito específica de un circuito de accionamiento de puerta cuando se usa un ejemplo modificado del Principio 1 en la presente realización.

FIG. 7 es un diagrama de circuito de un circuito de accionamiento de puerta convencional que utiliza un MOSFET de canal P. FIG. 8 es un diagrama de circuito de un circuito de accionamiento de puerta convencional que utiliza un MOSFET de canal N en lugar de un MOSFET de canal P.

DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES

En lo sucesivo en el presente documento, las realizaciones preferidas de la presente invención se describirán con referencia a los dibujos.

En primer lugar, se describirán tres tipos de principios de la presente invención, y luego se describirá un controlador de lado alto de un circuito de accionamiento de puerta, que es una realización específica de la presente invención.

1. Principio 1

La figura 1A es un diagrama de bloques que ilustra el Principio 1 para resolver los problemas anteriores en la presente realización. En la figura 1A, se muestra un circuito de accionamiento de puerta 26 de acuerdo con el Principio 1, y también se muestra un IGBT 27 accionado por el circuito de accionamiento de puerta 26. Además, para facilitar la comprensión, un controlador de lado alto, que es una configuración característica, se muestra principalmente, y las partes de configuración de circuito del circuito de accionamiento de puerta, similares a los convencionales, tienen las mismas funciones que los convencionales, por lo que algunas partes pueden omitirse y no mostrarse.

Como se muestra en la figura 1A, el circuito de accionamiento de puerta 26 en el diagrama explicativo (figura 1A) del Principio 1 incluye un circuito de almacenamiento de carga 23 y un interruptor con capacidad de detección de tensión 22 además de un MOSFET de canal N 21 (a continuación en el presente documento denominado Q21) que es el interruptor principal. Q21 corresponde literalmente a un ejemplo preferido del MOSFET de canal N del interruptor principal en las reivindicaciones.

En primer lugar, en la figura 1A, un borne de SALIDA 25 es un borne de salida, y la tensión de salida del mismo oscila entre una tensión inferior a GND y una tensión Vdc del lado positivo. El borne de fuente de Q21, que es el interruptor principal del circuito de accionamiento de puerta 26 en la figura 1A, está conectado al borne de SALIDA 25, y su borne de drenaje está conectado a la tensión Vdc del lado positivo. Cuando la tensión de puerta de Q21 se vuelve más alta que el borne de SALIDA 25 (es decir, borne de fuente) por Vgson (valor específico), Q21 se activa y la tensión de salida (= aproximadamente tensión Vdc) se envía al borne de SALIDA 25. Sin embargo, aquí, Vgson significa una tensión umbral de puerta de Q21.

El circuito de almacenamiento de carga 23 almacena carga, pero un pin para almacenar carga es diferente de un pin para descargar carga.

En primer lugar, cuando el borne de SALIDA 25 (el pin c conectado al mismo) tiene un potencial bajo (= aproximadamente GND o una tensión inferior a GND), la carga se almacena recibiendo el suministro de corriente desde el pin a conectado a la tensión Vdc del lado positivo. Entonces, la carga almacenada se superpone al potencial del borne de SALIDA 25 y sale del pin b sin fluir de regreso a Vdc. Por lo tanto, el potencial del pin b es mayor que el potencial del borne de SALIDA 25 (potencial de fuente de Q1) por la tensión correspondiente a la carga almacenada. El pin b está conectado al pin e del interruptor con capacidad de detección de tensión 22 que se describe a continuación. En la figura 5A y figura 5B se muestran ejemplos específicos del circuito de almacenamiento de carga 23, que se describirá en detalle más adelante. Estos ejemplos específicos son ejemplos típicos y se pueden usar otras configuraciones de circuito.

A continuación, en el interruptor con capacidad de detección de tensión 22 en la figura 1A, el pin d está conectado al borne de tensión del lado positivo 24 (Vdc), el pin e está conectado al pin b del circuito de almacenamiento de carga 23, y el pin f está conectado al borne de puerta de Q21. Con tal relación de conexión, el interruptor con capacidad de detección de tensión 22 monitorea la tensión entre el pin d (en otras palabras, tensión Vdc del lado positivo) y el pin e. Como resultado de esta monitorización, cuando la tensión del pin e llega a ser mayor que la tensión del pin d en un valor predeterminado o más, es decir, cuando la tensión del pin e llega a ser mayor que Vdc en una tensión predeterminada, el interruptor incorporado en él se activa y la tensión del pin e se suministra al pin f. Debido a que la tensión correspondiente a la carga almacenada en el circuito de almacenamiento de carga 23 se suministra desde el pin b al pin e, activando el interruptor incorporado en el interruptor con capacidad de detección de tensión 22, parte o la totalidad de la tensión correspondiente a la carga almacenada se puede aplicar entre la puerta y la fuente de Q21. Como resultado, se aplica una tensión superior a Vdc a la puerta (entre la puerta y la fuente) de Q21, y si la tensión de puerta-fuente de Q21 es Vgson o superior, Q21 se activa.

Cuando el borne de SALIDA 25 sube desde el potencial bajo hacia Vdc, el circuito de almacenamiento de carga 23 superpone la tensión entre el pin b y el pin c debido a la carga ya almacenada en la tensión del borne de SALIDA 25 y genera la tensión desde el pin b. Esto se debe a que el pin c está conectado al borne de SALIDA 25. Dado que la tensión superpuesta y emitida de esta forma se superpone a la tensión del borne de SALIDA 25, si el potencial del borne de SALIDA 25 aumenta, la tensión del pin b también aumenta en consecuencia. Cuando la tensión del borne de SALIDA 25 se aproxima más a Vdc, la tensión del pin e del interruptor con capacidad de detección de tensión 22 aumenta más allá de la tensión del pin d (es decir, tensión Vdc del lado positivo). Cuando la diferencia de exceso de tensión alcanza un valor predeterminado, el interruptor incorporado en el interruptor con capacidad de detección de tensión 22 se activa y aplica parte o la totalidad de la tensión de salida del circuito de almacenamiento de carga 23 al borne de puerta de Q21. En otras palabras, el interruptor incorporado es funcionalmente un interruptor que conecta el pin e y el pin f, y cuando este interruptor incorporado está activado, la totalidad o parte de la tensión de salida (pin b = pin e) del circuito de almacenamiento de carga 23 se suministra al pin f (= borne de puerta de Q21). El interruptor incorporado aquí referido corresponde a un ejemplo preferido del interruptor interno en las reivindicaciones.

Aquí, la salida de tensión al pin b (tensión entre el pin b y el pin c) debido a la carga almacenada por el circuito de almacenamiento de carga 23 se define como V<ch>, y el valor predeterminado (tensión umbral) de la diferencia de tensión que excede Vdc establecido en el interruptor con capacidad de detección de tensión 22 se define como Vdet.

Entonces, la tensión VOencendido del borne de SALIDA 25 en la que se activa el interruptor incorporado en el interruptor con capacidad de detección de tensión 22 está representado por la siguiente ecuación (1). Cuando se activa Q21, la tensión de salida del borne de SALIDA 25 aumenta rápidamente cuando se activa Q21 y finalmente alcanza aproximadamente Vdc.

VOencendido = Vdet - Vch Vdc ... (1)

Sin embargo, se supone que se satisface la siguiente ecuación (2), donde la tensión entre el borne de puerta y el borne de fuente a la que se activa Q21 se define como Vgson y k se define como una constante.

Vch = k x Vgson ... (2)

Aquí, k es una constante que indica la relación de la tensión de salida del circuito de almacenamiento de carga 23 aplicada al borne de puerta de Q21. k es una constante de 1 o menos. Cuando toda la tensión de salida del circuito de almacenamiento de carga 23 se aplica al borne de puerta de Q21, k = 1. Cuando se aplica 1/2 de la tensión de salida del circuito de almacenamiento de carga 23 al borne de puerta de Q21, k = 1/2. De esta forma, parte o la totalidad de la tensión de salida del circuito de almacenamiento de carga 23 se aplica al borne de puerta de Q21.

Por ejemplo, suponiendo que la tensión V<ch>del pin b debido a la carga almacenada del circuito de almacenamiento de carga 23 se establece en Vch = Vdc y la tensión umbral del interruptor con capacidad de detección de tensión 22 se establece en Vdet = Vdc/2, de la ecuación (1), la tensión VOencendido del borne de SALIDA 25 a la que se activa Q21 es VO<encendido>= Vdc/2. Cuando la tensión de salida del borne de SALIDA 25 alcanza VO<encendido>= Vdc/2, el interruptor incorporado en el interruptor con capacidad de detección de tensión 22 se activa y la tensión de (1/k) * Vch se aplica entre el borne de puerta y el borne de fuente de Q21. Por lo tanto, si se satisface la ecuación anterior (2), Q21 se activa.

Como se ha descrito anteriormente, el controlador de lado alto que tiene la configuración mostrada en la figura 1A no utiliza un elemento aislante tal como un circuito de cambio de tensión o un fotoacoplador, y tiene la función de activar y mantener de forma autónoma el estado de operación ENCENDIDO cuando la tensión del borne de SALIDA 25, que es su propia tensión de salida, excede un cierto valor.

Como se muestra en la figura 1A, el pin f está conectado al borne de puerta de Q21, y se puede proporcionar un resistor 29 entre el borne de puerta y el borne de fuente, pero esto no es una configuración esencial.

12 Ejemplo modificado del Principio 1

En el Principio 1 descrito anteriormente, el borne c del circuito de almacenamiento de carga 23 está conectado al borne de SALIDA 25. Por lo tanto, el aumento de la tensión en el borne de SALIDA 25 se aplica al borne c. Por otro lado, como se muestra en la figura 1 B, el borne c del circuito de almacenamiento de carga 23 puede conectarse a un borne de entrada de señal de APAGADO 34 en lugar del borne de SALIDA 25. Aquí, los detalles del borne de entrada de señal de APAGADO 34 y la entrada de señal al mismo se describirán en la figura 4 y la descripción del Principio 3 que se describirá más adelante.

En el caso del circuito de acuerdo con el Principio 1 descrito con referencia a la figura 1A, es preferible combinar un MOSFET de canal P de inicio para iniciar como se muestra en la figura 2 que se describe más adelante. Con una configuración de este tipo, IGBT puede accionarse de forma más razonable. Los detalles se describirán en 2. Principio 2 más adelante.

Por otro lado, de acuerdo con el ejemplo modificado (figura 1B) del Principio 1 mostrado en la figura 1B, a diferencia de la configuración del circuito mostrada en la figura 1A, no es necesario combinar un MOSFET de canal P y se puede lograr una configuración de circuito más simple. Sin embargo, esto excluye los casos en los que el IGBT que se va a accionar debe estar activado continuamente.

2. Principio 2

La figura 2 es un diagrama que ilustra otro Principio 2 de la presente realización, en el que el controlador de lado alto de la figura 1A descrito anteriormente se combina con un interruptor semiconductor de pequeña capacidad (MOSFET de canal P de inicio). De esta manera, es posible proporcionar un controlador de lado alto de un circuito de accionamiento de puerta capaz de accionar IGBT de forma más razonable.

Operación de IGBT

El circuito de puerta del interruptor semiconductor, como un IGBT, pasa por aproximadamente tres estados en el proceso de cambio de la operación APAGADO a la operación ENCENDIDO. La figura 3 muestra un gráfico que muestra esquemáticamente el proceso. Este gráfico es un gráfico que muestra cómo la tensión de puerta aumenta con el tiempo. En primer lugar, en la región A, el IGBT está en el estado de operación APAGADO y es una región en la que solo aumenta la tensión de puerta.

La región B es una zona horaria en la que el IGBT cambia de la operación APAGADO a la operación ENCENDIDO. En esta región, el aumento de la tensión de puerta se desacelera temporalmente. En esta región B, la transición a la operación ENCENDIDO está avanzando y es una zona horaria en la que el potencial del colector de IGBT está descendiendo. Dado que esta región B es una zona horaria en la que es necesario cubrir la corriente de descarga de la carga de la capacitancia de retroalimentación del IGBT, la región B es una zona horaria en la que se requiere una gran corriente de accionamiento. Dado que la corriente de salida del circuito de accionamiento de puerta del IGBT es generalmente finita, se requiere un cierto tiempo para que se descargue la carga de la capacitancia de retroalimentación. La zona horaria puede considerarse como esta región B.

En la región C, la tensión entre el borne del colector y el borne del emisor del IGBT está en un estado casi saturado (el potencial del colector está suficientemente reducido). Esta región C es una región en la que sólo la tensión de puerta aumenta aún más para garantizar aún más el estado de la operación ENCENDIDO del IGBT.

Concepto de figura 2 (Principio 2)

Para conmutar el IGBT de la operación APAGADO al estado de operación ENCENDIDO a alta velocidad, se considera que se requiere una corriente de accionamiento suficientemente grande en la región B en comparación con la región A y la región C. El controlador del lado alto del circuito de accionamiento de puerta basado en el principio mostrado en la figura 2 fue inventado originalmente por el inventor de la presente solicitud como uno de los circuitos que satisface razonablemente el requisito para aumentar la tensión de puerta más rápidamente, considerando tales características del IGBT.

La configuración de la figura 2 es casi la misma que la configuración de la figura 1, y la diferencia radica en que se agrega nuevamente un MOSFET de canal P de inicio 30 y se agrega una señal de ENCENDIDO al MOSFET de canal P de inicio 30 (a continuación en el presente documento denominado Q22). Q22 corresponde a un ejemplo preferido del MOSFET de canal P de inicio en las reivindicaciones. El borne de fuente de Q22 está conectado a Vdc (borne de tensión del lado positivo 24) y el borne de drenaje está conectado al borne de SALIDA 25. Se conecta un resistor 29b entre Vdc y el borne de puerta, y la señal de ENCENDIDO se suministra al borne de puerta.

En lo sucesivo en el presente documento, la operación de la configuración del circuito de la figura 2 se describirá.

Cuando el borne de entrada de señal de ENCENDIDO 28 mostrado en la figura 2 es BAJO, Q22 cambia del estado de la operación APAGADO a la operación ENCENDIDO. Entonces, la tensión del borne de SALIDA 25 comienza a subir hacia Vdc. Esta zona horaria corresponde a la región A en la figura 3. Aunque se omite en la figura 2, se supone que el IGBT que se va a accionar está conectado al borne de SALIDA en la figura 2. La región objetivo A aquí significa la región A del IGBT que se va a accionar.

Cuando la tensión del borne de SALIDA (tensión de puerta del IGBT (no mostrada)) alcanza la tensión umbral de puerta del IGBT que se va a accionar, el proceso entra en la región B como se ha descrito anteriormente. En este momento, la tensión Vch del pin b del circuito de almacenamiento de carga 23 y la tensión umbral Vdet del interruptor con capacidad de detección de tensión se ajustan apropiadamente basándose en las ecuaciones anteriores (1) y (2) para que Q21 del circuito de accionamiento de la puerta se active.

Un ajuste adecuado significa que Q21 se ajusta para activarse cuando el IGBT entra en la región B. Específicamente, la tensión de puerta a la cual el IGBT que va a accionarse entra en la región B corresponde a VO<encendido>en la ecuación (1), Vdc se determina por el diseño y Vch se determina a partir de la ecuación (2) utilizando el coeficiente k de Vgson de Q21. Por lo tanto, Vdet de la ecuación (1) se puede obtener a partir de estos valores. Cada valor de tensión puede ajustarse mediante dicho cálculo.

En el controlador de lado alto configurado de esta forma, Q21 se activa cuando el IGBT que va a accionarse entra en la región B, por lo tanto, puede suministrarse una gran corriente al borne de puerta del IGBT que va a accionarse, y el IGBT que va a accionarse puede accionarse a alta velocidad. Cuando el circuito de almacenamiento de carga 23 del controlador de lado alto descarga completamente la carga almacenada, la operación ENCENDIDO de Q21 no se puede mantener y Q21 entra en el estado de operación APAGADO, pero si la constante de tiempo de descarga de la cantidad de carga almacenada se ajusta más larga que el tiempo durante el cual el IGBT que va a accionarse pasa por la región B (véase la figura 3), se puede cumplir el requisito de activar IGBT. Una vez que el IGBT que va a accionarse entra en la región C (véase la figura 3), no es necesario suministrar una gran corriente al borne de puerta del IGBT que va a accionarse. Por lo tanto, en la región C, la corriente suministrada por Q22, que es un MOSFET de canal P, es suficiente. En otras palabras, IGBT puede accionarse de manera suficiente.

Como se ha descrito anteriormente, la configuración del circuito mostrada en la figura 2 realiza una conmutación razonable de alta velocidad de IGBT mediante el uso de un MOSFET de canal N (es decir, Q21) que puede manejar una corriente grande para el suministro de corriente en la región B, y usando un MOSFET de canal P (es decir,<q>22) que es inferior al MOSFET de canal N en términos de valor de corriente pero puede aplicar la tensión Vdc de fuente de alimentación con un circuito simple en la región A y la región C.

La característica de la capacidad de accionar el MOSFET de canal N (Q21) como interruptor principal sin utilizar un fotoacoplador o un circuito de cambio de tensión, que es lo mismo que en la figura 1, también se puede utilizar eficientemente en la figura 2. La presente invención (Principio 2) puede proporcionar un circuito de accionamiento de puerta económico que sea adecuado para el accionamiento a alta velocidad del IGBT que va a accionarse con una configuración de circuito simple.

3. Principio 3

Hasta ahora se han descrito principalmente los circuitos caracterizados por la operación en el momento de cambiar el IGBT que va a accionarse desde la operación APAGADO al estado de la operación ENCENDIDO en el Principio 1 (figura 1A) y el Principio 2 (figura 2). Por otro lado, en el momento cuando el IGBT que va a accionarse cambia de la operación ENCENDIDO a la operación APAGADO, generalmente es necesario que funcione otro circuito y comience a extraer la carga del circuito de puerta del IGBT. En este momento, no se debe obstaculizar la operación APAGADO del IGBT.

La configuración de circuito que se muestra en el Principio 3 (figura 4) es una configuración de circuito que tiene un rendimiento de alta resistencia al ruido que satisface estos requisitos. La configuración del circuito mostrada en la figura 4 se obtiene añadiendo un circuito de conversión de tensión 31, un MOSFET de extracción de carga de puerta 32 (a continuación en el presente documento denominado Q32), y un circuito de prevención de reflujo 33 para la configuración de circuito mostrada en la figura 1.

El pin g del circuito de conversión de tensión 31 está conectado a Vdc, el pin i está conectado al borne de entrada de señal de APAGADO 34, y el pin h está conectado al borne de puerta de Q32. El borne de fuente de Q32 está conectado al borne de entrada de señal de APAGADO 34, y el borne de drenaje está conectado al circuito de prevención de reflujo 33. El pin h es el llamado borne de salida del circuito de conversión de tensión 31 y corresponde a un ejemplo preferido del borne de salida en las reivindicaciones.

Un borne del circuito de prevención de reflujo 33 está conectado al borne de drenaje de Q32, y el otro borne está conectado al borne f del interruptor con capacidad de detección de tensión 22, es decir, el borne de puerta de Q21. El circuito de prevención de reflujo 33 puede ser, por ejemplo, un circuito en serie de un diodo y un resistor, y el lado del cátodo del diodo puede conectarse al borne de drenaje de Q32 y el lado del ánodo puede conectarse al pin f del interruptor con capacidad de detección de tensión 22.

Para no obstaculizar la operación APAGADO del IGBT que va a accionarse, Q21 debe ajustarse rápidamente al estado de operación APAGADO. Cuando el IGBT que va a accionarse cambia de la operación ENCENDIDO a la operación APAGADO, la corriente del colector del IGBT disminuye rápidamente, por lo que se generan en el sistema ruido debido al flujo magnético generado y picos de ruido debido a la inductancia del cableado del circuito colector. Estos ruidos pueden superponerse al circuito de control o al circuito de accionamiento, provocando un mal funcionamiento de los elementos que constituyen el circuito. Por lo tanto, la configuración del circuito para cambiar Q21 del estado de operación ENCENDIDO al estado de operación APAGADO es particularmente necesaria para evitar un mal funcionamiento debido al ruido y para tener una alta resistencia al ruido.

La figura 4 muestra una configuración de circuito que tiene una alta resistencia al ruido cuando el MOSFET de canal N 21 (Q21), que es el interruptor principal del circuito de accionamiento de puerta, esta desactivado. La configuración del circuito que se muestra aquí se caracteriza porque el borne de entrada de señal de APAGADO 34 está conectado al borne de fuente del MOSFET de extracción de carga de puerta 32 (Q32). En otras palabras, se adopta la configuración característica de que el borne de entrada de señal de APAGADO 34 está conectado al borne de fuente en lugar del borne de puerta de Q32. El circuito de conversión de tensión 31 tiene una función de conversión de tensión de dividir la tensión entre el pin g y el pin i y/o convertir la tensión mediante un proceso tal como restar un valor específico. Es decir, el circuito de conversión de tensión convierte la tensión entre el pin g y el pin i mediante un mecanismo predeterminado, y genera la tensión convertida entre el pin h y el pin i. Sin embargo, la tensión de salida es una tensión positiva. Es decir, el pin h es un ejemplo preferido del borne de salida en las reivindicaciones.

En el ejemplo que se describe más adelante, la función de conversión de tensión se describirá como un ejemplo del proceso de restar una tensión específica, pero la función de conversión de tensión puede ser dividir la tensión usando un resistor o similar (división de tensión de resistor). Por ejemplo, las ecuaciones se pueden representar de la siguiente manera.

tensión pin h-pin i = tensión pin g-pin i - tensión específica

tensión pin h-pin i = (tensión pin g-pin i) x t

Aquí, la constante de proporcionalidad t puede ser un número en el intervalo de 0 < t =< 1. Además, se pueden aplicar ambos procesos anteriores. Es decir, la tensión se puede dividir después de restar un valor específico. Por otra parte, la tensión se puede dividir y luego se resta un valor específico.

Cuando la tensión del borne de entrada de señal de APAGADO 34 está cerca de Vdc, dado que la tensión entre el pin g y el pin i es aproximadamente 0 V, la tensión entre el pin h y el pin i también es de aproximadamente 0 V, y Q32 está desactivado. Cuando la tensión del borne de entrada de señal de APAGADO 34 cambia de Vdc en dirección descendente, dado que se genera una tensión (diferencia de potencial) entre el pin g y el pin i, se genera una tensión obtenida al convertir la tensión entre el pin h y el pin i.

Cuando la tensión del borne de entrada de señal de APAGADO 34 disminuye aún más, la (diferencia de) tensión entre el pin g y el pin i aumenta aún más. Junto con esto, la tensión entre el pin h y el pin i también aumenta, y cuando se excede la tensión umbral de puerta de Q32, Q32 se activa. Cuando se activa Q32, la carga de puerta de Q21 se descarga al potencial del borne de entrada de señal de APAGADO 34 a través del circuito de prevención de reflujo 33. Como resultado, el potencial de puerta de Q21 se convierte en un valor de tensión que es mayor que el potencial del borne de entrada de señal de APAGADO 34 por la cantidad de caída de tensión generada en el circuito de prevención de reflujo 33.

Si el potencial de puerta de Q21 se ajusta por debajo de la tensión umbral de puerta (Vgson) de Q21, Q21 se desactiva. Entonces, como resultado de esta operación, el circuito autoelevador está en un estado que no interfiere con la operación APAGADO del IGBT (el IGB<t>que va a accionarse y a conectarse al borne de SALIDA 25) (no se muestra).

Al desactivar Q21, la operación APAGADO del IGBT que va a accionarse no se ve obstaculizada, pero para mantener este estado, es necesario mantener el estado de operación APAGADO de Q21 incluso si el borne de SALIDA 25 pasa a tener una tensión baja. Por lo tanto, suponiendo que la tensión baja del borne de SALIDA 25 es VObajo y la cantidad de caída de tensión del circuito de prevención de reflujo 22 es Vdr, la tensión de entrada VENTRADAbajo del borne de entrada de señal de APAGADO 34 para desactivar Q21 tiene que satisfacer la siguiente ecuación (4). Además, porque es necesario activar Q32, la VENTRADAbajo que satisface la ecuación (4) también necesita satisfacer la ecuación (5) cuando la tensión umbral de puerta de Q32 es VgsonQ32 y además la ecuación de conversión del circuito de conversión de tensión 31 está representada por la ecuación (3). La tensión de entrada en sí del borne de entrada de señal de APAGADO 34 se representa como V<entrada>. De forma adicional, Vm representa una tensión constante usada en el momento de la conversión en el circuito de conversión de tensión 31. Además, la tensión umbral de puerta de Q21 está representada por Vgson, que es la misma que el Principio 1.

Por lo tanto, asumiendo las condiciones de los siguientes cuatro elementos, satisfacer la ecuación (4) y la ecuación (5) en las condiciones es una condición para el controlador de lado alto mostrado en la figura 4 para no interferir con la operación APAGADO del IGBT que va a accionarse.

(Elemento 1.) La tensión umbral de puerta de Q32 se expresa como VgsonQ32.

(Elemento 2.) La ecuación de conversión del circuito de conversión de tensión 31 se expresa mediante la siguiente ecuación (3), donde la tensión entre el pin h y el pin i se ajusta en Vhi.

Vhi = Vdc - Ventrada - Vm... (3)

(Elemento 3.) El valor de caída de tensión del circuito de prevención de reflujo 33 se ajusta en Vdr.

(Elemento 4.) La tensión del borne de SALIDA 25 cuando Q21 está en el estado de operación APAGADO se ajusta en VObajo. Entonces, la ecuación (4) y la ecuación (5) descritas anteriormente son las siguientes.

VENTRADAbajo < VObajo - Vdr Vgson ... (4)

VENTRADAbajo < Vdc - Vm - VgsonQ32 ... (5)

Aquí, se toma como premisa un estado, en el que la tensión de entrada del borne de entrada de señal de APAGADO 34 está en las proximidades de Vdc (= 15 V), Q32 está desactivado, Q21 está activado y, como resultado, la tensión de salida del borne de SALIDA 25 está aproximadamente en la proximidad de Vdc. Bajo esta premisa, se considera un estado en el que hay un comando para apagar el IGBT que va a accionarse y el borne de SALIDA 25 debe ajustarse en -5 V o menos. Es decir, la condición es que VObajo =< -5 V.

Para no interferir con este comando, si el valor de caída de tensión Vdr del circuito de prevención de reflujo 33 = 2 V, Vgson = 4 V, entonces VENTRADAbajo < -3 V de la ecuación anterior (4). Además, suponiendo que la tensión umbral de puerta de Q32 es VgsonQ32 = 4 V y VENTRADAbajo = -3 V, de la ecuación anterior (5), se puede obtener la constante Vm < 14 V de la ecuación de conversión del circuito de conversión de tensión 31.

Como se ha descrito anteriormente, en el controlador de lado alto mostrado en la figura 4, el borne de entrada de señal de APAGADO 34 está conectado al borne de fuente del MOSFET 32 (Q32). Por lo tanto, a menos que la tensión del borne de entrada de señal de APAGADO 34 se cambie de Vdc a VENTRADAbajo, el estado de este circuito no cambia a un estado que no interfiera con la operación APAGADO del IGBT que va a accionarse.

Es decir, en el ejemplo específico de cada tensión descrito anteriormente, el estado no cambia a un estado que no interfiere con la operación APAGADO del IGBT a menos que el borne de entrada de señal de APAGADO 34 se cambie de 15 V a -3 V. Esto significa que el controlador de lado alto en la figura 4 requiere un cambio de tensión de 18 V para cambiar el estado, y desde el punto de vista opuesto, el estado no cambia por un cambio de tensión (ruido) inferior a 18 V. Es decir, se puede decir que la resistencia al ruido es muy alta.

En un circuito que se ha puesto en práctica en el pasado, al intentar desactivar Q21, la señal de entrada se introduce en el borne de puerta del MOSFET de extracción de carga de puerta 32 (Q32), y el borne de fuente de Q32 suele estar conectado a un potencial fijo, por ejemplo, Vee (tensión del lado negativo). En tal caso, la señal de entrada es inicialmente Vee, y para provocar un cambio de estado (es decir, para desactivar Q21), un método utilizado generalmente es aplicar una tensión de aproximadamente Vee 5 V al borne de puerta de Q32 para activar Q32 y desactivar Q21.

Sin embargo, en dicha configuración, la tensión entre la puerta y la fuente de Q32 cambia el estado del controlador del lado alto al activar Q32 con un cambio de 0 V a 5 V. En particular, el borne de puerta del MOSFET tiene una alta impedancia de entrada y es fácil generar ruido. A ese respecto, este circuito (figura 4) mostrado en el Principio 3 puede tomar una diferencia de tensión de 3 veces o más, y es claramente superior a la técnica convencional en términos de características de resistencia al ruido.

4. Ejemplo de circuito de almacenamiento de carga

En la figura 5A y figura 5B se muestran ejemplos específicos del circuito de almacenamiento de carga 23 descrito hasta el momento. Como se muestra en la figura 1, la figura 2 y la figura 4, el circuito de almacenamiento de carga 23 tiene el pin a, el pin b y el pin c. En el circuito mostrado en el ejemplo 1 de la figura 5A, se proporciona un circuito en serie del diodo D1 y el condensador C1 entre el pin a y el pin c, y el punto de conexión entre el diodo D1 y el condensador C1 está conectado al pin b. Con tal configuración de circuito, cuando el pin a es más alto que el pin c debido a la caída de tensión del diodo D1, la carga se almacena en el condensador C1 y, como resultado, se genera una tensión en el condensador C1. Esta tensión aparece en el pin b (entre el pin b y el pin c). Como ya se ha descrito, la tensión que aparece en el pin b está conectada al pin e del interruptor con capacidad de detección de tensión 22 y se suministra al borne de puerta de Q21 a través del interruptor con capacidad de detección de tensión 22.

El circuito mostrado en el ejemplo 2 de la figura 5A es un circuito en el que el diodo Zener D2 está conectado en serie con el diodo D1 con respecto al circuito del ejemplo 1. Como resultado, el condensador C1 se puede cargar (almacenar con carga) con una tensión más baja por la cantidad de caída de tensión del diodo Zener D2.

El circuito mostrado en el ejemplo 3 de la figura 5A es un circuito en el que el resistor R1 está conectado en serie con el diodo D1 con respecto al circuito del ejemplo 1. Como resultado, la corriente de carga puede estar limitada por el valor del resistor R1.

El circuito mostrado en el ejemplo 4 de la figura 5A es un circuito en el que el diodo Zener D2 y el resistor R1 están conectados en serie con el diodo D1 con respecto al circuito del ejemplo 1. Como resultado, el condensador C1 se puede cargar (almacenar con carga) con una tensión más baja por la cantidad de caída de tensión del diodo Zener D2, y la corriente de carga puede estar limitada por el valor del resistor R1.

El circuito mostrado en el ejemplo 5 de la figura 5B es un circuito en el que el resistor R2 está conectado en paralelo al condensador C1 con respecto al circuito del ejemplo 1. Como resultado, la carga almacenada en el condensador C1 se puede descargar y la salida de tensión al pin b se puede reducir a medida que pasa el tiempo.

El circuito mostrado en el ejemplo 6 de la figura 5B es un circuito en el que el resistor R3 se proporciona entre el punto de conexión entre el diodo D1 y el condensador C1 y el pin b con respecto al circuito del ejemplo 5. Como resultado, el valor de la corriente descargada desde el pin b puede estar limitado por el valor del resistor R3.

El circuito mostrado en el ejemplo 7 de la figura 5B es un circuito en el que el diodo Zener D3 está conectado entre el pin c y el pin b y el resistor R1 se retira del circuito del ejemplo 6. Como resultado, el valor de la corriente descargada desde el pin b puede limitarse por el valor del resistor R3, y la salida de tensión del pin b puede limitarse a la tensión de la caída de tensión que se produce en el diodo Zener D3.

5. Realización específica de la presente invención

La figura 6A muestra una configuración de circuito de un circuito de accionamiento de puerta que es un ejemplo de la realización específica de la presente invención. En particular, el rango rodeado por la línea discontinua es el circuito de accionamiento de puerta 40, que es un circuito característico en la presente realización. Q21 es un MOSFET de canal P como interruptor principal. Q44 que es un MOSFET de canal P, un diodo D4, un resistor R3 y un resistor R5 constituyen el interruptor con capacidad de detección de tensión 22. Q44 corresponde a un ejemplo preferido del interruptor interno en las reivindicaciones.

El circuito de almacenamiento de carga 23 está compuesto por un diodo D2, un diodo D3 y un condensador C1. Las operaciones de estos circuitos son las descritas anteriormente. Q22 es un interruptor semiconductor de pequeña capacidad, que corresponde a Q22 en la figura 2 y funciona de la misma manera que Q22 en la figura 2. Q32 corresponde a Q32 en la figura 4 y funciona de la misma manera que Q32 en la figura 4. Además, el circuito de conversión de tensión 31 de la figura 6A está compuesto por un diodo D1, un resistor R2 y un resistor R1 y funciona de la misma manera que el circuito de conversión de tensión 31 de la figura 4. El circuito de prevención de reflujo 33 está compuesto por un diodo D5 y un resistor R4 y funciona de la misma manera que el circuito de prevención de reflujo 33 de la figura 4.

El controlador de lado alto del circuito de accionamiento de puerta 40 mostrado en la figura 6A se compone de un solo módulo, y las entradas de señal de este módulo son dos tipos de señales, ENTRADA y ENTRADA invertida (representada por un símbolo con una barra en la parte superior de ENTRADA en la figura 6A). La ENTRADA invertida es una señal invertida de la señal ENTRADA (véase la figura 6A).

Se supone que el borne de SALIDA 25 y el borne de ENTRADA 45 oscilan de Vee a Vdc. Además, el borne de ENTRADA invertida 46 oscila de Vdc a una tensión intermedia entre Vdc y Vee.

En la figura 6A se muestra también un circuito fuera del circuito de accionamiento de puerta 40. Un IC de control 50 es un dispositivo que controla el ENCENDIDO/APAGADO del interruptor semiconductor de potencia. Vdc y Vee se suministran al IC de control 50 como fuente de alimentación. El IC de control 50 funciona con esta fuente de alimentación, genera la señal de ENTRADA y suministra la señal de ENTRADA al borne de ENTRADA 45 del circuito de accionamiento de puerta 40 (véase la figura 6A). Un inversor 51 invierte esta señal de ENTRADA, genera una señal de ENTRADA invertida y suministra la señal de ENTRADA invertida al borne de ENTRADA invertida 46 del circuito de accionamiento de puerta 40.

Cuando el potencial del borne de SALIDA 25 es aproximadamente Vee, el borne de ENTRADA 45 también está al potencial de Vee, y Q32 está activado y Q21 está desactivado. En este estado, la tensión del borne de ENTRADA 45 satisface las condiciones de la ecuación (4) y la ecuación (5) anteriores y no interfiere con la operación APAGADO del IGBT (no mostrado) que va a accionarse. En este momento, el condensador C1 del circuito de almacenamiento de carga 23 se carga mediante la corriente que fluye de Vdc a Vee a través del diodo D3 y el diodo D2. La tensión de carga Vci del condensador C1 está representada por la siguiente ecuación (6). Vci se puede ajustar mediante la tensión Zener Vzd3 del diodo de tensión constante D3. Sin embargo, la caída de tensión directa del diodo D2 se ajusta en VF<d>2.

Vch de la ecuación (1) descrita anteriormente es igual a Vci. Esta ecuación es la ecuación (7).

Este Vci (= V<ch>) se selecciona para satisfacer la ecuación (2) porque se requiere aplicar una tensión de puerta que exceda suficientemente la tensión umbral de puerta a Q21. Cuando el borne de ENTRADA 45 se vuelve alto (= Vdc), Q32 se desactiva y el borne de ENTRADA invertida 46 pasa a ser Bajo (= potencial intermedio entre Vdc y Vee), Q22, que es un MOSf Et de canal P que es un interruptor semiconductor de pequeña capacidad, se activa. Cuando se activa Q22, la tensión del borne de SALIDA 25 comienza a subir. Sin embargo, este período es un período en el que sólo la tensión de puerta del IGBT aumenta mientras el IGBT que va a accionarse todavía está en el estado de operación APAGADO (véase la región A en la figura 3 descrita anteriormente). Cuando la tensión del borne de SALIDA 25 continúa aumentando, la tensión del pin b excede Vdc debido a la carga almacenada por el circuito de almacenamiento de carga 23 y continúa aumentando más. Junto con esto, la tensión entre el pin e y el pin d del interruptor con capacidad de detección de tensión 22 aumenta.

Cuando la tensión entre el pin e y el pin d alcanza la tensión Vdet que es el umbral, es decir, cuando la tensión del borne de SALIDA 25 satisface la ecuación (1), el interruptor con capacidad de detección de tensión 22 activa Q44, que es su propio interruptor. Junto con la operación ENCENDIDO de Q44, se aplica una tensión obtenida multiplicando la tensión de almacenamiento Vci del circuito de almacenamiento de carga 23 por la constante k entre el borne de puerta y el borne de fuente de Q21 que es el MOSFET de canal N del interruptor principal, y Q21 cambia rápidamente de la operación APAGADO al estado de la operación ENCENDIDO. Cuando Q21 cambia a la operación ENCENDIDO, Q21 se hace cargo de una corriente grande para cubrir el aumento en la corriente de puerta debido a la capacidad de retroalimentación del IGBT mientras el IGBt cambia de la operación APAGADO al estado de la operación ENCENDIDO (véase la región B en la figura 3). La cantidad de carga y la constante de tiempo de descarga del condensador C1 se seleccionan de manera que cubra la zona horaria de la región B en la figura 3. Después de descargar la carga del condensador C1 y desactivar Q21, Q22 asegura la tensión de puerta del IGBT (véase la región C en la figura 3).

A continuación, en el estado donde IGBT está activado, cuando un comando para desactivar IGBT proviene del sistema, el borne de ENTRADA 45 comienza a cambiar a Bajo, y el borne de ENTRADA invertida 46 cambia a Alto. Cuando el borne de ENTRADA invertida 46 se vuelve Alto, Q22 se desactiva. El circuito de accionamiento de puerta 40 de la presente realización comienza a cambiar Q21 de la operación ENCENDIDO al estado de la operación APAGADO para no interferir con la operación APAGADO del IGBT. Cuando el borne de ENTRADA 45 desciende de Vdc hacia Vee, se genera una tensión entre el pin g y el pin i del circuito de conversión de tensión 31. Junto con esto, la tensión de salida correspondiente se emite entre el pin h y el pin i, que es la salida del circuito de conversión de tensión 31.

Cuando la caída de tensión del borne de ENTRADA 45 progresa y la tensión de salida del circuito de conversión de tensión 31 excede la tensión umbral de puerta de Q32, Q32 se activa y la carga de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal (Q21) se extrae a través del circuito de prevención de reflujo 33. Como resultado, el potencial de puerta de Q21 se convierte en una tensión obtenida sumando la cantidad de caída de tensión del circuito de prevención de reflujo 33 al potencial del borne de ENTRADA 45. La ecuación de conversión del circuito de conversión de tensión 31 se expresa mediante la siguiente ecuación (8) si R1 >> R2. Vhi es la tensión del pin h-pin i, que es la salida del circuito de conversión de tensión 31. Además, Vm de la ecuación (3) corresponde a Vzd1 de la siguiente ecuación (8).

Vhi = Vdc - V<entrada>- V<zd>1... (8)

Las condiciones para que Q32 se active están representadas por la ecuación (5) ya descrita. Suponiendo que la tensión Baja del borne de SALIDA 25 cuando el IGBT está desactivado es VObajo, la tensión del borne de ENTRADA 45, que mantiene el estado de la operación APAGADO de Q21 incluso cuando cae la tensión del borne de SALIDA 25, está representado por la ecuación (4) anterior.

Ejemplo modificado de la figura 6A

La realización específica mostrada en la figura 6A es un ejemplo que utiliza la configuración en la que el borne c del circuito de almacenamiento de carga 23 está conectado al borne de SALIDA 25, es decir, la configuración del circuito mostrada en la figura 1A (Principio 1).

Por otro lado, la configuración del circuito mostrada en la figura 1B (un ejemplo modificado del Principio 1) puede usarse. Como se ha descrito anteriormente, un diagrama de circuito de la realización específica que utiliza la configuración de la figura 1B se muestra en la figura 6B. Es decir, como se muestra en la figura 6B, el borne c del circuito de almacenamiento de carga 23 está conectado al borne de ENTRADA 45 en lugar del borne de SALIDA 25. Al adoptar tal configuración, como se describe en "1.2 Ejemplo modificado del Principio 1", no es necesario combinar un MOSFET de canal P y se puede lograr una configuración de circuito más simple. Esto significa que, en la figura 6B, el circuito que incluye el resistor R7 y Q22 no siempre es necesario.

6. Efectos y otros

Como se ha descrito anteriormente, el controlador de lado alto y el circuito de accionamiento de puerta provisto con el controlador de lado alto en la presente realización logran los siguientes efectos.

La tensión generada por el circuito de almacenamiento de carga 23 se suministra al interruptor principal utilizando el interruptor con capacidad de detección de tensión 22. Por lo tanto, la operación ENCENDIDO se realiza de forma autónoma mediante la tensión de salida, por lo que no es necesario utilizar un circuito de cambio de tensión, un elemento aislante o similar, y la configuración del circuito se puede simplificar.

De forma adicional, dado que se adopta un método de accionamiento más razonable en vista de las características operativas del interruptor semiconductor de potencia que va a accionarse, es posible proporcionar un circuito de accionamiento de puerta económico que sea adecuado para el accionamiento de alta velocidad del interruptor semiconductor de potencia y que tenga una configuración de circuito simple.

Además, es posible proporcionar un circuito que no interfiera con la operación APAGADO cuando el interruptor semiconductor de potencia que va a accionarse está desactivado. Así mismo, es posible proporcionar un circuito que tenga una excelente resistencia al ruido en comparación con el circuito convencional.

Además, la realización descrita anteriormente es un ejemplo de un medio para realizar la presente invención. La presente invención debería modificarse o cambiarse apropiadamente dependiendo de la configuración y diversas condiciones del aparato al que se aplica la presente invención. Por ejemplo, en la realización descrita anteriormente, IGBT se describe principalmente como el interruptor semiconductor de potencia que va a accionarse, pero la presente invención también se puede aplicar a otros interruptores semiconductores de potencia.

Lista de signos de referencia

1 MOSFET de canal P

1a MOSFET de canal N

2 IGBT

3, 3a Circuito de accionamiento de puerta

4 Borne de tensión del lado positivo

5 Borne de ENTRADA

6, 8 Borne GND

7 Borne de SALIDA

9, 10, 11 Resistor

10 Fotoacoplador

12 Diodo

13 Condensador

21 MOSFET de canal N

22 Interruptor con capacidad de detección de tensión

23 Circuito de almacenamiento de carga

24 Borne de tensión del lado positivo

25 Borne de SALIDA

26, 26b Circuito de accionamiento de puerta

27 IGBT

28 Borne de entrada de señal ENCENDIDO

29, 29b Resistor

30 MOSFET de canal P inicial

31 Circuito de conversión de tensión

32 MOSFET

33 Circuito de prevención de reflujo

34 Borne de entrada de señal APAGADO

40 Circuito de accionamiento de puerta

50 IC de control

51 Inversor

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un controlador de lado alto (26), que es un circuito que acciona un interruptor semiconductor de potencia, comprendiendo el controlador de lado alto:

un MOSFET de canal N (21) del interruptor principal que conecta un borne de drenaje del MOSFET de canal N del interruptor principal a una Vdc del lado positivo (24) de una fuente de alimentación del circuito y conecta un borne de fuente del MOSFET de canal N del interruptor principal a un borne de SALIDA (25) que es un borne que emite una señal para accionar el interruptor semiconductor de potencia;

un circuito de almacenamiento de carga (23) que almacena carga inyectando una corriente desde la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito; y

un interruptor con capacidad de detección de tensión (22) que funciona detectando una diferencia de tensión entre un borne de salida del circuito de almacenamiento de carga y la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito,

en donde cuando se detecta que un tensión del borne de salida del circuito de almacenamiento de carga es mayor que un tensión Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito en un valor predeterminado o un valor mayor que el valor predeterminado, el interruptor con capacidad de detección de tensión aplica parte o la totalidad de una tensión de salida del circuito de almacenamiento de carga a un borne de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal para activar el MOSFET de canal N del interruptor principal.

2. El conductor de lado alto de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:

un MOSFET de canal P de arranque (30) que está conectado en paralelo al MOSFET de canal N del interruptor principal, y conecta un borne de fuente a la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación y conecta un borne de drenaje al borne de SALIDA; y

un borne de entrada de señal de ENCENDIDO (28) que introduce una señal para activar el interruptor semiconductor de potencia y está conectado a un borne de puerta del MOSFET de canal P de inicio,

en donde cuando la señal para activar el interruptor semiconductor de potencia se introduce en el borne de entrada de señal de ENCENDIDO, el MOSFET del canal P de inicio está activado,

una tensión del borne de SALIDA aumenta cuando se activa el MOSFET del canal P de inicio, y

el interruptor con capacidad de detección de tensión detecta que la tensión del borne de salida del circuito de almacenamiento de carga es mayor que la tensión Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito en un valor predeterminado o un valor mayor que el valor predeterminado, y aplica parte o la totalidad de la tensión de salida del circuito de almacenamiento de carga al borne de puerta del Mo SfET de canal N del interruptor principal para activar el MOSFET de canal N del interruptor principal.

3. El controlador de lado alto de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde el interruptor con capacidad de detección de tensión comprende un interruptor interno (Q44) que se activa y aplica parte o la totalidad de la tensión de salida del circuito de almacenamiento de carga al borne de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal cuando el interruptor con capacidad de detección de tensión detecta que la tensión del borne de salida del circuito de almacenamiento de carga es mayor que la tensión Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito en un valor predeterminado o en un valor mayor que el valor predeterminado.

4. El controlador de lado alto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende:

un borne de entrada de señal de APAGADO (34) que introduce una señal para desactivar el interruptor semiconductor de potencia;

un circuito de conversión de tensión (31) que está conectado entre la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito y el borne de entrada de señal de APAGADO, y realiza la conversión de tensión dividiendo una tensión entre la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito y el borne de entrada de señal de APAGADO y/o restando un valor específico;

un circuito de prevención de reflujo (33) que se proporciona entre el borne de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal y un MOSFET de extracción de carga de puerta, y permite que una corriente fluya solo en una dirección desde el borne de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal hacia el MOSFET de extracción de carga de puerta; y

el MOSFET de extracción de carga de puerta (32) que conecta un borne de drenaje al circuito de prevención de reflujo y conecta un borne de fuente al borne de entrada de señal de APAGADO, y conecta un borne de puerta a un borne de salida que genera una tensión convertida por el circuito de conversión de tensión,

en donde el borne de drenaje del MOSFET de extracción de carga de puerta está conectado al borne de puerta del MOSFET de canal N del interruptor principal a través del circuito de prevención de reflujo, y

cuando la señal para desactivar el interruptor semiconductor de potencia se introduce en el borne de entrada de señal de APAGADO y una tensión del borne de entrada de señal de APAGADO desciende desde la Vdc del lado positivo de la fuente de alimentación del circuito, aumenta un tensión de salida del borne de salida que genera la tensión convertida por el circuito de conversión de tensión, el MOSFET de extracción de carga de puerta se activa y el MOSFET de canal N del interruptor principal se desactiva.