JP2013059189A - Gate drive circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動回路に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit that drives a gate of a switching element.
GaNデバイスは、既存のSiデバイスをはるかに凌駕するポテンシャルを持つため、その実用化が待ち望まれている。しかし、通常のGaNFETは、ノーマリオン型であるため、マイナス電源が必要である。 Since the GaN device has a potential far surpassing that of the existing Si device, its practical application is awaited. However, since a normal GaNFET is normally on, a negative power source is required.
一方、ノーマリオフ型のGaNFETは、非常に作製が困難である。また、ノーマリオフ型GaNFETは、しきい値電圧が+1V程度であり、既存のSiMOSFETに比べてしきい値電圧が非常に低い(問題点1)。 On the other hand, normally-off type GaNFETs are very difficult to manufacture. Further, the normally-off GaNFET has a threshold voltage of about +1 V, and the threshold voltage is very low compared to the existing SiMOSFET (Problem 1).
また、ノーマリオフ型GaNFETでは、ゲート・ソース間がSiMOSFETのような絶縁構造ではなく、大きな電圧を印加すると、大電流が流れてしまうダイオード特性を示す。このため、ゲートへ大電圧を印加時すると、ノーマリオフ型GaNFETが破壊し易くなる(問題点2)。 Also, normally-off GaNFETs have a diode characteristic in which a large current flows when a large voltage is applied, instead of an insulating structure like a SiMOSFET between the gate and the source. For this reason, when a large voltage is applied to the gate, the normally-off GaNFET is easily broken (Problem 2).
即ち、ノーマリオフ型GaNFETには、既存のSiMOSFET(IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ))用のゲート駆動回路をそのまま使用することができず、ノーマリオフ型のGaNFET専用のドライブ回路が必要である。 That is, normally-off GaNFETs cannot use the existing gate drive circuit for an SiMOSFET (IGBT (insulated gate bipolar transistor)) as they are, and need a drive circuit dedicated to normally-off GaNFETs.
また、問題点1について、ターンオフ時間を短縮するためには、しきい値電圧より充分低い電圧を印加する必要がある。しきい値電圧(+1V)より充分低い電圧、即ち0Vより低いマイナス電圧を印加する必要がある。しかし、デバイスがノーマリオフ化できても、マイナス電源が必要になるのは好ましくない。
As for
また、問題点2についてターンオン時間を短縮するには、しきい値電圧より充分高い電圧を印加する必要がある(本質的には電圧値ではなく瞬間的な大電流が必要である。電流値を稼ぐために電圧が高いほうが好都合である)。しかし、SiMOSFETのような10V以上の高電圧をノーマリオフ型GaNFETのゲートに印加することはできない。
In order to shorten the turn-on time for
そこで、問題点1と問題点2とを同時に解決する案として、図8(a)〜図8(c)に示すように、通常のMOSFETのドライブ回路でのゲート抵抗を挿入する個所に、コンデンサC1と抵抗R1とのCR並列回路を適用する方式がある。
Therefore, as a proposal for simultaneously solving the
しかしながら、この方式では、図8に示すように、スイッチングの周波数やデューティ比が変化すると、スイッチング素子のターンオンする直前の負電圧値P1,P2,P3も同時に変化するので、ターンオン時のスイッチング特性(スイッチング時間)が変動してしまう。 However, in this method, as shown in FIG. 8, when the switching frequency or duty ratio changes, the negative voltage values P1, P2, and P3 immediately before the switching element turns on also change at the same time. Switching time) will fluctuate.
また、ターンオフ期間中に負電圧がゲートに印加され安定したターンオフ状態を期待できる半面、内蔵ダイオードを持たないGaNFETにおいては、図9に示すように、回生動作時(第三象限)に大きな電圧降下、電力損失(導通損失)を発生する。 On the other hand, a negative voltage is applied to the gate during the turn-off period and a stable turn-off state can be expected. On the other hand, a GaN FET without a built-in diode has a large voltage drop during regenerative operation (third quadrant) as shown in FIG. , Generate power loss (conduction loss).
また、周波数やデューティがある範囲で限定できれば、上記2つの問題点は抵抗とコンデンサとの値をうまく選び、ゲート電圧をゼロボルトに戻してから回生動作やターンオンをさせることで回避可能である。しかしながら、条件が限定される上に、しきい値電圧の低さに起因するノイズによる誤動作に弱くなる。 Further, if the frequency and duty can be limited within a certain range, the above two problems can be avoided by selecting the values of the resistor and the capacitor well, returning the gate voltage to zero volts, and performing the regenerative operation or turn-on. However, the conditions are limited and the device is vulnerable to malfunction caused by noise due to the low threshold voltage.
本発明は、ターンオン時のスイッチング特性が変動せず、電力損失を発生せずにスイッチング素子を安定してターンオンさせることができるゲート駆動回路を提供することにある。 It is an object of the present invention to provide a gate drive circuit that can stably turn on a switching element without causing switching characteristics at the time of turn-on and without generating power loss.
本発明は、ドレインとソースとゲートとを有し且つワイドバンドギャップ半導体からなるノーマリオフ型スイッチング素子のゲートに制御回路からの制御信号を印加することによりスイッチング素子をオンオフ駆動させるゲート駆動回路であって、制御回路とスイッチング素子の前記ゲートとの間に接続され、第1のコンデンサと第1の抵抗との直列回路と、さらに直列回路と並列に接続されたノーマリ―オン型スイッチング素子を備え、
ノーマリ―オン型スイッチング素子のドレインは制御回路に接続され、ソースはノーマリ―オフ型スイッチング素子のゲートに接続され、ゲートはノーマリ―オフ型スイッチング素子の前記ソースと前記制御回路のGNDとの接続点に接続されていることを特徴とする。
The present invention is a gate drive circuit that drives a switching element on and off by applying a control signal from a control circuit to the gate of a normally-off type switching element that has a drain, a source, and a gate and is made of a wide band gap semiconductor. A series circuit of a first capacitor and a first resistor connected between the control circuit and the gate of the switching element, and a normally-on type switching element connected in parallel with the series circuit,
The drain of the normally-on type switching element is connected to the control circuit, the source is connected to the gate of the normally-off type switching element, and the gate is a connection point between the source of the normally-off type switching element and the GND of the control circuit. It is characterized by being connected to.
本発明によれば、ノーマリ―オン型スイッチング素子は、制御信号のオフ信号に対して遅延させてスイッチング素子のゲートとソースとの間を短絡するため、第1のコンデンサに蓄えられていた電荷は、第1の抵抗とノーマリ―オン型スイッチング素子を介して短絡手段を通しても放電されるので、ターンオン時のスイッチング特性が変動せず、電力損失を発生せずにスイッチング素子を安定してターンオンさせることができる。
また、制御信号のオン信号が入力されると、第1のコンデンサと第1の抵抗との直列回路から瞬間的な大電流が流され、ノーマリ―オン型スイッチング素子からは、ノーマリ―オフ型スイッチング素子のゲート電圧の上昇に応じてゲートバイアス電流を減じて流すので、余剰なバイアス電流を流すことなく、最適なバイアス駆動を行うことができる。
According to the present invention, the normally-on type switching element is delayed with respect to the OFF signal of the control signal and short-circuits between the gate and the source of the switching element, so that the charge stored in the first capacitor is Since the discharge is also made through the short-circuit means via the first resistor and the normally-on type switching element, the switching characteristics at the time of turn-on do not fluctuate, and the switching element can be stably turned on without generating power loss. Can do.
When an ON signal of the control signal is input, an instantaneous large current flows from the series circuit of the first capacitor and the first resistor, and the normally-on type switching element normally switches off the normally-off type. Since the gate bias current is decreased in accordance with the increase in the gate voltage of the element, the optimum bias drive can be performed without flowing an excessive bias current.
以下、本発明の実施の形態に係るゲート駆動回路を説明する。 Hereinafter, a gate drive circuit according to an embodiment of the present invention will be described.
図1(a)は、本発明の実施例1のゲート駆動回路の回路構成図である。図1(a)に示すゲート駆動回路1において、ゲート駆動回路の両端には、制御回路に相当するパルス信号回路V1が接続されている。
また、図1(b)は本発明の実施例1のゲート駆動回路の各スイッチング素子のゲート特性図を示す。実施例1においては、スイッチング素子Q1よりスイッチング素子Q2のゲート電圧閾値の絶対値は高く設定されている。
FIG. 1A is a circuit configuration diagram of the gate drive circuit according to the first embodiment of the present invention. In the
FIG. 1B is a gate characteristic diagram of each switching element of the gate drive circuit according to the first embodiment of the present invention. In the first embodiment, the absolute value of the gate voltage threshold value of the switching element Q2 is set higher than that of the switching element Q1.
スイッチング素子Q1は、ノーマリ―オフ型GaNFETからなり、ゲートとドレインとソースとを有している。スイッチング素子Q1のゲートとパルス信号回路V1との接続点との間には、コンデンサC1と抵抗R1とのCR直列回路が接続される。 The switching element Q1 is made of a normally-off type GaNFET and has a gate, a drain, and a source. A CR series circuit of a capacitor C1 and a resistor R1 is connected between the gate of the switching element Q1 and the connection point of the pulse signal circuit V1.
パルス信号回路V1からはパルス信号Vinが出力され、コンデンサC1と抵抗R1とのCR直列回路を介してスイッチング素子Q1のゲートに印加されるようになっている。 A pulse signal Vin is output from the pulse signal circuit V1, and is applied to the gate of the switching element Q1 through a CR series circuit of a capacitor C1 and a resistor R1.
また、実施例1のゲート駆動回路1は、CR直列回路と並列にスイッチング素子Q2を接続している。スイッチング素子Q2はノーマリオン型スイッチング素子からなり、ドレインはゲート駆動回路1に接続され、ソースはスイッチング素子Q1のゲートに接続される。スイッチング素子Q2のゲートは、ゲート駆動回路1のGNDとスイッチング素子Q1のソースとの接続点に接続されている。
Moreover, the
スイッチング素子Q2は、コンデンサC1と抵抗R1とのCR直列回路におけるコンデンサC1の電荷を引き抜くと同時にスイッチング素子Q1のゲート・ソース間を短絡するもので、スイッチング素子Q1のオン期間ではインピーダンスを持っているか又はオフ状態であるが、スイッチング素子Q1をオフしたタイミングにおいてオン状態に移行する。
さらに、スイッチング素子Q1をオンしている期間中のスイッチング素子Q2のソース・ゲート間電圧−Vg2は、スイッチング素子Q1のゲート電圧Vg1と同電圧となる。
従って、図1(b)のゲート電圧対ドレイン電流特性に示すように、ゲート電圧Vg1の上昇と共にソース・ゲート間電圧−Vg2はカットオフ電流となる閾電圧|Vg2(th)|に近づき、スイッチング素子Q2は、スイッチング素子Q1のゲートをバイアスする電流を減少させることになる。すなわち、スイッチング素子Q1のゲートに流れるバイアス電流の過大な駆動電流を制限する。
The switching element Q2 pulls out the charge of the capacitor C1 in the CR series circuit of the capacitor C1 and the resistor R1, and at the same time, shorts between the gate and the source of the switching element Q1. Does the switching element Q2 have an impedance during the ON period of the switching element Q1? Or although it is an OFF state, it transfers to an ON state in the timing which switched off the switching element Q1.
Furthermore, the source-gate voltage −Vg2 of the switching element Q2 during the period in which the switching element Q1 is on is the same voltage as the gate voltage Vg1 of the switching element Q1.
Therefore, as shown in the gate voltage vs. drain current characteristic of FIG. 1B, the source-gate voltage −Vg2 approaches the threshold voltage | Vg2 (th) | that becomes the cut-off current as the gate voltage Vg1 rises. Element Q2 will reduce the current that biases the gate of switching element Q1. That is, an excessive drive current of a bias current flowing through the gate of the switching element Q1 is limited.
図2は、本発明の実施例1のゲート駆動回路1のシーケンス図である。図2に、パルス信号回路V1から出力されるパルス信号Vin、スイッチング素子Q1のゲート電圧Vg1(=スイッチング素子Q2のソース・ゲート間電圧−Vg2でもある)、スイッチング素子Q1のドレイン電圧Vds、スイッチング素子Q2のドレイン電流Ids2を示す。
図2の時刻t0〜t2期間は、パルス信号回路V1からのパルス信号Vinがゲート駆動回路1に入力されている。
FIG. 2 is a sequence diagram of the
The pulse signal Vin from the pulse signal circuit V1 is input to the
ここで、時刻t0〜t1間のソース・ゲート間電圧−Vg2は、スイッチング素子Q2の閾電圧Vg2(th)よりも絶対値の電圧が高いため、ドレイン電流Ids2は流れない。
時刻t1〜t2間の期間は閾電圧Vg2(th)よりも絶対値の電圧が低くなるのでドレイン電流Ids2は流れ、スイッチング素子Q1のゲート電流となり、バイアスする。
従って、スイッチング素子Q1のゲート電圧よりも、スイッチング素子Q2のソース・ゲート間電圧の閾電圧を高い値に選定することで、スイッチング素子Q1のゲート電流、すなわちバイアス電流を設定することができる。
なお、時刻t0時点でのスイッチング素子Q1のゲート電圧は、スイッチング素子Q2のソース・ゲート間電圧の閾電圧まで達していないため、スイッチング素子Q2のドレイン電流が時刻t0の瞬間のみ流れている。
また、スイッチング素子Q1のオン期間である時刻t0〜t2間において、負電位にバイアスされる外来ノイズがあっても、スイッチング素子Q2のソース・ゲート間電圧の絶対値を下げる方向になるので、スイッチング素子Q1を安定にオン状態を保つことができる。
Here, the source-gate voltage -Vg2 between times t0 and t1 has an absolute value higher than the threshold voltage Vg2 (th) of the switching element Q2, and therefore the drain current Ids2 does not flow.
During the period between the times t1 and t2, the absolute value voltage is lower than the threshold voltage Vg2 (th), so that the drain current Ids2 flows, becomes the gate current of the switching element Q1, and is biased.
Therefore, the gate current of the switching element Q1, that is, the bias current can be set by selecting the threshold voltage of the source-gate voltage of the switching element Q2 higher than the gate voltage of the switching element Q1.
Since the gate voltage of switching element Q1 at time t0 does not reach the threshold voltage of the source-gate voltage of switching element Q2, the drain current of switching element Q2 flows only at the moment of time t0.
Further, even when there is an external noise biased to a negative potential during the time t0 to t2, which is the ON period of the switching element Q1, the absolute value of the source-gate voltage of the switching element Q2 tends to decrease. The element Q1 can be stably kept on.
次に、図2の時刻t2〜t4期間は、パルス信号回路V1からのパルス信号Vinは0V電圧がゲート駆動回路1に入力され、オフ信号が入力されている。
時刻t2〜t3期間で第1のコンデンサC1と第1の抵抗R1とのCR直列回路における第1のコンデンサC1の電荷が放電されている。ここで、時刻t2〜t3期間においてスイッチング素子Q2のゲート電圧Vgs2は正極〜0Vに印加されるので、スイッチング素子Q2はオン状態になり、第1の抵抗R1を介して第1のコンデンサC1の電荷を放電する。
従って、時刻t2〜t3の期間にドレイン電流Ids2が流れている。
また、時刻t2において、スイッチング素子Q1のゲート電圧は、第1のコンデンサC1の充電電圧により負電位にバイアスされるので、ドレイン電圧Vds1は瞬時にオフしているのがわかる。
Next, during the period from time t2 to t4 in FIG. 2, the pulse signal Vin from the pulse signal circuit V1 is supplied with 0V voltage to the
The charge of the first capacitor C1 in the CR series circuit of the first capacitor C1 and the first resistor R1 is discharged during the period of time t2 to t3. Here, since the gate voltage Vgs2 of the switching element Q2 is applied to the positive electrode to 0V in the period of time t2 to t3, the switching element Q2 is turned on, and the charge of the first capacitor C1 is passed through the first resistor R1. To discharge.
Therefore, the drain current Ids2 flows during the period from time t2 to time t3.
Further, at time t2, since the gate voltage of the switching element Q1 is biased to a negative potential by the charging voltage of the first capacitor C1, it can be seen that the drain voltage Vds1 is instantaneously turned off.
時刻t3〜t4期間は、スイッチング素子Q2のゲート電圧Vgs2の電圧は0Vとなっているので、スイッチング素子Q2はオン状態になって、スイッチング素子Q1のゲート・ソース間を短絡する。
このため、図示しないが回生電流が、時刻t3〜t4期間にスイッチング素子のソース・ドレイン間に流れようとした場合には、スイッチング素子Q1のゲート・ソース間電圧が0Vであるため、図9に示す第3現象のダイオード動作となって、回生電流を流せることができる。従って、スイッチング素子Q1のゲート・ソース間電圧が負電位にバイアスされた状態よりも損失を低減することができる。
また、スイッチング素子Q1のオフ状態である時刻t2〜t4期間は、負電位にバイアスされるか、ゲート・ソース間が短絡されるかいずれかの状態になるため、外来ノイズがあっても安定にオフ状態を保つことができる。
During the period from time t3 to time t4, since the voltage of the gate voltage Vgs2 of the switching element Q2 is 0 V, the switching element Q2 is turned on, and the gate and the source of the switching element Q1 are short-circuited.
For this reason, although not shown, when the regenerative current is about to flow between the source and drain of the switching element in the period from time t3 to time t4, the voltage between the gate and source of the switching element Q1 is 0 V. The regenerative current can be flowed by the diode operation of the third phenomenon shown. Therefore, the loss can be reduced as compared with a state where the gate-source voltage of the switching element Q1 is biased to a negative potential.
In addition, during the period from time t2 to t4 when the switching element Q1 is in the OFF state, the switching element Q1 is either biased to a negative potential or the gate and the source are short-circuited. An off state can be maintained.
以上の構成によれば、スイッチング素子Q1のターンオン時には、CR直列回路の効果により高速なスイッチングとその後のオン動作時には、スイッチング素子Q2のゲート過電流保護が実現される。 According to the above configuration, when the switching element Q1 is turned on, the gate overcurrent protection of the switching element Q2 is realized at the time of high-speed switching and the subsequent on-operation due to the effect of the CR series circuit.
スイッチング素子Q1のターンオフ時には、スイッチング素子Q1のゲートに、コンデンサC1に蓄えられた電荷(電圧)による負電圧が印加され、スイッチング素子Q1の高速なターンオフが実現される。 When the switching element Q1 is turned off, a negative voltage due to the charge (voltage) stored in the capacitor C1 is applied to the gate of the switching element Q1, thereby realizing a fast turn-off of the switching element Q1.
また、スイッチング素子Q1をターンオフした時(時刻t2)から経過後の時刻t3に、スイッチング素子Q2をオンさせる。このため、コンデンサC1に蓄えられていた電荷は、抵抗R1に加えてスイッチング素子Q2を通しても放電される。
スイッチング素子Q2が抵抗R1に比較して十分に低インピーダンスであれば、ターンオフ期間中の極めて短い時間の間にコンデンサC1の電荷は、完全に放電される。ターンオンが開始される直前迄に、コンデンサC1の電荷を完全放電状態にすることで、周波数、デューティ比に関わらず、スイッチング素子Q1を安定してターンオンさせることができる。
In addition, the switching element Q2 is turned on at time t3 after the switching element Q1 is turned off (time t2). For this reason, the electric charge stored in the capacitor C1 is discharged through the switching element Q2 in addition to the resistor R1.
If the switching element Q2 has a sufficiently low impedance compared to the resistor R1, the charge of the capacitor C1 is completely discharged during a very short time during the turn-off period. The switching element Q1 can be stably turned on regardless of the frequency and duty ratio by bringing the capacitor C1 into a completely discharged state immediately before the start of turn-on.
さらに回生動作期間中もこのスイッチング素子Q2がオン状態となっているので、スイッチング素子Q1のゲート・ソース間電圧を安定してゼロボルトとすることで、ノイズにも強く、電力損失の少ない回生動作が実現できる。 Further, since the switching element Q2 is in the ON state even during the regenerative operation period, the regenerative operation that is resistant to noise and has little power loss can be achieved by stably setting the gate-source voltage of the switching element Q1 to zero volts. realizable.
また、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2を同一の基板上の集積回路で構成することにより、素子間のばらつきなどを安定にすることができ、かつ、一体化することができる。 Further, by configuring the switching element Q1 and the switching element Q2 with an integrated circuit on the same substrate, variations between elements can be stabilized and integrated.
図3は、本発明の実施例2のゲート駆動回路の回路構成図及び各スイッチング素子のゲート特性図である。図3(a)に示すゲート駆動回路1aにおいて、ゲート駆動回路の両端には、制御回路に相当するパルス信号回路V1が接続されている。
また、図3(b)は本発明の実施例1のゲート駆動回路の各スイッチング素子のゲート特性図を示す。実施例2においては、スイッチング素子Q1よりスイッチング素子Q2のゲート電圧閾値の絶対値は同等かその値以下に設定されることが好ましい。
FIG. 3 is a circuit configuration diagram of the gate drive circuit according to the second embodiment of the present invention and a gate characteristic diagram of each switching element. In the gate drive circuit 1a shown in FIG. 3A, a pulse signal circuit V1 corresponding to a control circuit is connected to both ends of the gate drive circuit.
FIG. 3B is a gate characteristic diagram of each switching element of the gate drive circuit according to the first embodiment of the present invention. In the second embodiment, it is preferable that the absolute value of the gate voltage threshold value of the switching element Q2 is set to be equal to or lower than that of the switching element Q1.
実施例2の回路構成は、実施例1に対して、上記スイッチング素子のゲート閾値の条件が変更になるほか、抵抗R2が追加され、抵抗R2は、CR直列回路と並列に接続されている。 The circuit configuration of the second embodiment is different from that of the first embodiment in that the gate threshold condition of the switching element is changed, a resistor R2 is added, and the resistor R2 is connected in parallel with the CR series circuit.
図4は、本発明の実施例2のゲート駆動回路1aのシーケンス図である。
実施例2において、スイッチング素子Q1のゲート電流波形は実施例1のシーケンスとほぼ同様になるが、実施例1と異なり、図4の時刻t1〜t2期間において、スイッチング素子Q2のドレイン電流は流れない。
図4に図示しないが、この時刻t1〜t2期間は抵抗R2を介してスイッチング素子Q1のゲートをバイアスする電流が流れる。
FIG. 4 is a sequence diagram of the gate drive circuit 1a according to the second embodiment of the present invention.
In the second embodiment, the gate current waveform of the switching element Q1 is substantially the same as the sequence of the first embodiment. However, unlike the first embodiment, the drain current of the switching element Q2 does not flow during the time t1 to t2 in FIG. .
Although not shown in FIG. 4, a current for biasing the gate of the switching element Q1 flows through the resistor R2 during the period from time t1 to time t2.
以上のように、実施例2においても実施例1と同様の効果を得ることができる。 As described above, also in the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
図5は、本発明の実施例3のゲート駆動回路の回路構成図及び各スイッチング素子のゲート特性図である。図5(a)に示すゲート駆動回路1bにおいて、ゲート駆動回路の両端には、制御回路に相当するパルス信号回路V1が接続されている。
また、図5(b)は本発明の実施例1のゲート駆動回路の各スイッチング素子のゲート特性図を示す。実施例3においては実施例1と同様に、スイッチング素子Q1よりスイッチング素子Q2のゲート電圧閾値の絶対値は高く設定され、好ましくはダイオードD1の順方向電圧VF以上がよい。
FIG. 5 is a circuit configuration diagram of a gate drive circuit according to a third embodiment of the present invention and a gate characteristic diagram of each switching element. In the
FIG. 5B is a gate characteristic diagram of each switching element of the gate drive circuit according to the first embodiment of the present invention. In the third embodiment, as in the first embodiment, the absolute value of the gate voltage threshold value of the switching element Q2 is set higher than that of the switching element Q1, and is preferably higher than the forward voltage VF of the diode D1.
本発明の実施例3のゲート駆動回路1bは、実施例1に対して、コンデンサC2、ダイオードD1,D2が追加されている。また、詳細には、ダイオードD2は、CR直列回路と並列に接続されている。スイッチング素子Q2のソースは、ダイオードD1のアノード・カソード間を介してスイッチング素子Q1のゲートに接続され、かつ、追加されたコンデンサC2の一方の端子が接続されている。コンデンサC2の他方の端子は、スイッチング素子Q2のゲートに接続されている。
なお、ダイオードD1、D2は、ショットキ―バリアダイオードなどの低順方向電圧のダイオードが好ましい。
In the
The diodes D1 and D2 are preferably low forward voltage diodes such as Schottky barrier diodes.
図6は、本発明の実施例3のゲート駆動回路1bのシーケンス図である。
実施例3において、スイッチング素子Q1のオン時のゲート電流波形は実施例1のシーケンスとほぼ同様になる。
しかし、スイッチング素子Q1のオフ時における図6の時刻t2においては、スイッチング素子Q2のドレイン電流は実施例1と異なり少し遅延して電流が流れる。これは、時刻t2においてパルス信号Vinが0Vになり、コンデンサC1の充電電圧による負バイアス電圧がダイオードD1を介してスイッチング素子Q2のソースに印加されるが、時刻t2以前に充電されていたコンデンサC2の電荷の放電により、スイッチング素子Q2のゲート・ソース間電圧は遅れて印加される。このため、スイッチング素子Q2のオン動作によるCR直列回路のコンデンサC1の放電動作は遅延して開始され、スイッチング素子Q1のターンオフ動作は、より速くなる。
FIG. 6 is a sequence diagram of the
In the third embodiment, the gate current waveform when the switching element Q1 is on is substantially the same as the sequence of the first embodiment.
However, at time t2 in FIG. 6 when the switching element Q1 is OFF, the drain current of the switching element Q2 flows with a slight delay unlike the first embodiment. This is because the pulse signal Vin becomes 0 V at time t2, and a negative bias voltage due to the charging voltage of the capacitor C1 is applied to the source of the switching element Q2 via the diode D1, but the capacitor C2 charged before time t2 The voltage between the gate and source of the switching element Q2 is applied with a delay due to the discharge of the electric charge. For this reason, the discharge operation of the capacitor C1 of the CR series circuit due to the ON operation of the switching element Q2 is started with a delay, and the turn-off operation of the switching element Q1 becomes faster.
但し、時刻t2〜t3期間のCR直列回路のコンデンサC1の放電電圧は、ダイオードD1の順方向電圧VF分残留するが、t3〜t4期間を十分得られるCR直列回路のコンデンサC1の放電時定数を設定することで、次の時刻t5のターンオン動作を安定にすることが可能である。
また、時刻t2〜t3期間のスイッチング素子Q1のオフ期間は、ダイオードD2の順方向電圧でも接続されることとなる。
However, the discharge voltage of the capacitor C1 of the CR series circuit in the period of time t2 to t3 remains for the forward voltage VF of the diode D1, but the discharge time constant of the capacitor C1 of the CR series circuit that can sufficiently obtain the period of t3 to t4. By setting, it is possible to stabilize the turn-on operation at the next time t5.
Further, the off period of the switching element Q1 during the period from the time t2 to the time t3 is also connected by the forward voltage of the diode D2.
以上のように、実施例3においては、スイッチング素子Q1のオン期間においては同様の動作波形となるが、スイッチング素子Q1のオフ時にはターンオフ速度をより早めることができ、ターンオフ時の損失を低減することができる。 As described above, in Example 3, the same operation waveform is obtained during the ON period of the switching element Q1, but the turn-off speed can be further increased when the switching element Q1 is OFF, and the loss at the time of turn-off is reduced. Can do.
また、本発明に適用されるスイッチング素子は、GaNFETだけでなく、SiCでも良い。また、本発明は、しきい値電圧が低く、絶縁ゲートではないJFET(ジャンクションFET)的な挙動を示すデバイスにも適用可能である。 Further, the switching element applied to the present invention may be not only GaNFET but also SiC. The present invention is also applicable to a device having a low threshold voltage and a JFET (junction FET) behavior that is not an insulated gate.
1 ゲート駆動回路
Q1 ノーマリオフ型スイッチング素子
Q2 ノーマリオン型スイッチング素子
C1、C2 コンデンサ
D1、D2 ダイオード
V1 パルス信号回路
R1 抵抗
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記制御回路と前記スイッチング素子の前記ゲートとの間に接続され、第1のコンデンサと第1の抵抗との直列回路と、
さらに前記直列回路と並列に接続されたノーマリ―オン型スイッチング素子を備え、
前記ノーマリ―オン型スイッチング素子のドレインは前記制御回路に接続され、ソースは前記ノーマリオフ型スイッチング素子の前記ゲートに接続され、ゲートは前記ノーマリオフ型スイッチング素子の前記ソースと前記制御回路のGNDとの接続点に接続されていることを特徴とするゲート駆動回路。 A gate driving circuit for driving the switching element on and off by applying a control signal from a control circuit to the gate of a normally-off type switching element having a drain, a source, and a gate and made of a wide band gap semiconductor;
Connected between the control circuit and the gate of the switching element, a series circuit of a first capacitor and a first resistor;
Furthermore, a normally-on type switching element connected in parallel with the series circuit,
The drain of the normally-on type switching element is connected to the control circuit, the source is connected to the gate of the normally-off type switching element, and the gate is a connection between the source of the normally-off type switching element and the GND of the control circuit. A gate driving circuit characterized by being connected to a point.
オフのスイッチング素子のゲートしきい電圧の絶対値よりも高いことを特徴とする請求項1記載のゲート駆動回路。 2. The gate drive circuit according to claim 1, wherein an absolute value of a gate threshold voltage of the normally-on switching element is higher than an absolute value of a gate threshold voltage of the normally-off switching element.
前記制御回路と前記スイッチング素子の前記ゲートとの間に接続され、第1のコンデンサと第1の抵抗とからなる直列回路と、
さらに前記直列回路と並列に接続されたノーマリ―オン型スイッチング素子と第2の抵抗が並列に接続された並列回路を備え、
前記ノーマリ―オン型スイッチング素子のドレインは前記制御回路に接続され、ソースは前記ノーマリオフ型スイッチング素子の前記ゲートに接続され、ゲートは前記ノーマリオフ型スイッチング素子の前記ソースと前記制御回路のGNDとの接続点に接続され、
前記ノーマリ―オン型のスイッチング素子のゲートしきい電圧の絶対値は、前記ノーマリオフのスイッチング素子のゲートしきい電圧の絶対値よりも低いことを特徴とするゲート駆動回路。 A gate driving circuit for driving the switching element on and off by applying a control signal from a control circuit to the gate of a normally-off type switching element having a drain, a source, and a gate and made of a wide band gap semiconductor;
A series circuit connected between the control circuit and the gate of the switching element, and comprising a first capacitor and a first resistor;
A normally-on type switching element connected in parallel to the series circuit and a parallel circuit in which a second resistor is connected in parallel;
The drain of the normally-on type switching element is connected to the control circuit, the source is connected to the gate of the normally-off type switching element, and the gate is a connection between the source of the normally-off type switching element and the GND of the control circuit. Connected to the point
The gate drive circuit according to claim 1, wherein an absolute value of a gate threshold voltage of the normally-on switching element is lower than an absolute value of a gate threshold voltage of the normally-off switching element.
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