JP2017063365A - Gate drive circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ゲートオン電圧の低電圧化に有利なノーマリオフ型のスイッチング素子を主スイッチとするゲート駆動回路に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit having a normally-off type switching element that is advantageous for lowering a gate-on voltage as a main switch.
ノーマリオフ型のパワートランジスタはゲート電圧を印加しない状態では電流が流れないため、機器の安全性を確保する上で優れた特性をもっている。近時、ノーマリオフ型のトランジスタとしてGaN(窒化ガリウム)が注目されている。GaNはバンドギャップが広いことからワイドギャップ半導体とも呼ばれ、絶縁破壊強度が高く、スイッチング電源や電力変換装置などの小型・高周波用途に優れたパワーデバイスである。 A normally-off type power transistor has excellent characteristics in ensuring the safety of equipment because no current flows in a state where no gate voltage is applied. Recently, GaN (gallium nitride) has attracted attention as a normally-off transistor. GaN is also called a wide-gap semiconductor because of its wide band gap, and has high dielectric breakdown strength, and is a power device that is excellent for small and high-frequency applications such as switching power supplies and power converters.
GaNなどによるノーマリオフ型のトランジスタは、その良好な高周波特性と低オン抵抗特性から将来有力なパワーデバイスになると見なされている。しかし一方で、ノーマリオフ型デバイスは閾値電圧が小さく、ゲート電圧0[V]でもオフ時の漏れ電流が大きく、電力を無駄に消費するという課題がある。その対策として、オフ時に逆バイアス電圧を印加して漏れ電流を小さくするという技術が提案されている。その一例を従来例として以下に説明する。 A normally-off transistor made of GaN or the like is considered to be a promising power device in the future because of its good high-frequency characteristics and low on-resistance characteristics. On the other hand, normally-off type devices have a small threshold voltage, a large leakage current even when the gate voltage is 0 [V], and there is a problem that power is wasted. As a countermeasure, a technique has been proposed in which a reverse bias voltage is applied at the time of OFF to reduce the leakage current. One example will be described below as a conventional example.
ターンオフ動作の高速化のために、スイッチング素子をオフ時に逆バイアスするようにしたゲート駆動回路が図4に示す従来例である(特許文献1参照)。 FIG. 4 shows a conventional gate drive circuit in which a switching element is reverse-biased when the switch is turned off in order to speed up the turn-off operation (see Patent Document 1).
図4に示すように、ノードA′とスイッチング素子Q1のゲートとの間に、スイッチング素子Q1への逆バイアス電圧印加用のコンデンサC1と、ゲートに流れる電流を制限する抵抗素子R3が接続されているとともに、コンデンサC1と抵抗素子R3の接続ノードN1と接地ラインGLとの間に抵抗素子R1とダイオードD1の直列回路32が接続されている。ダイオードD1のアノードは抵抗素子R1に接続され、カソードは接地ラインGLに接続されている。この抵抗素子R1とダイオードD1の直列回路32は、それに電流を流すことによって逆バイアス電圧印加用のコンデンサC1の両端間に直流電圧を発生させる機能を有する。コンデンサC1の両端間にツェナーダイオードZD1と抵抗素子R2の直列回路が接続され、並列回路33を構成している。ツェナーダイオードZD1のアノードと抵抗素子R2の一端が接続され、ツェナーダイオードZD1のカソードがノードA′に接続され、抵抗素子R2の他端が抵抗素子R1と抵抗素子R3の接続ノードN1に接続されている。ツェナーダイオードZD1と抵抗素子R2の直列回路は、逆バイアス電圧印加用のコンデンサC1の両端間に発生する直流電圧値(逆バイアス電圧)を一定に制御する機能を有している。抵抗素子R2はツェナーダイオードZD1に流れる電流のピークを抑えるので、ツェナーダイオードZD1としては電力容量の小さいものの採用を可能とする。
As shown in FIG. 4, a capacitor C1 for applying a reverse bias voltage to the switching element Q1 and a resistance element R3 for limiting the current flowing through the gate are connected between the node A ′ and the gate of the switching element Q1. In addition, a
図5は図4に示すゲート駆動回路31の動作の一例を示すタイミングチャート(推定)である。タイミングt11において、入力段にオン信号(駆動パルスa11の立ち上がり)が入力されると、コンデンサC1および抵抗素子R3を介してスイッチング素子Q1のゲートに電流が流れ、スイッチング素子Q1がターンオンするとともに、抵抗素子R1とダイオードD1からなる直列回路32に直流電流Iが流れ、接続ノードN1とノードA′との間に電位差が生じるため、コンデンサC1に直流電圧が発生する。この直流電圧は、並列回路33におけるツェナーダイオードZD1のツェナー電圧をVZD1 (負値)として、−VZD1 (正値)+VR2=|VZD1|+VR2となる。ここでVR2はスイッチング素子Q1がオン時に流れる直流電流Iによる抵抗素子R2の電圧降下である。スイッチング素子Q1のゲート電圧は、電源電圧VDDから電圧|VZD1|+VR2を差し引いた電圧(VDD−|VZD1|−VR2)となる。
FIG. 5 is a timing chart (estimation) showing an example of the operation of the
一方、タイミングt13において、入力段にオフ信号(駆動パルスa11の立ち下がり)が入力されると、ノードA′−B′間が短絡されてコンデンサC1の正極側とスイッチング素子Q1のソースが接続され、コンデンサC1に蓄積された反対電荷によりスイッチング素子Q1のゲートに蓄積された電荷が放電される。このターンオフのタイミングにスイッチング素子Q1のゲート・ソース間に印加される電圧は、コンデンサC1の充電電圧|VZD1|+VR2となる。コンデンサC1の正極端子の電圧が0[V]であるので、コンデンサC1の負極端子の電圧は最終的に負値(−|VZD1|=VZD1 )となる。すなわち、これがオフ状態でスイッチング素子Q1のゲートに印加される一定負値の逆バイアス電圧である。 On the other hand, at a timing t 13, when the OFF signal (the trailing edge of the drive pulse a 11) is input to the input stage, the positive electrode side and the source of the switching element Q1 of the node A'-B 'between is shorted capacitor C1 The charge stored in the gate of the switching element Q1 is discharged by the opposite charge stored in the capacitor C1. The voltage applied between the gate and source of the switching element Q1 at the turn-off timing is the charging voltage | V ZD1 | + V R2 of the capacitor C1. Since the voltage at the positive terminal of the capacitor C1 is 0 [V], the voltage at the negative terminal of the capacitor C1 finally becomes a negative value (− | V ZD1 | = V ZD1 ). That is, this is a constant negative bias voltage applied to the gate of the switching element Q1 in the off state.
上記において、スイッチング素子Q1のターンオン時にコンデンサC1に発生した直流電圧は、スイッチング素子Q1のターンオフ時にスイッチング素子Q1のゲートに対する逆バイアス電圧(−3[V]程度)となる。したがって、ターンオフ時にスイッチング素子Q1はその逆バイアス電圧によって高速にターンオフする。スイッチング素子Q1のオフ時において、ゲート端子に逆バイアスを印加するので、0[V]印加の場合に比べて、漏れ電流を低減することが可能となる。 In the above, the DC voltage generated in the capacitor C1 when the switching element Q1 is turned on becomes a reverse bias voltage (about −3 [V]) to the gate of the switching element Q1 when the switching element Q1 is turned off. Accordingly, at the time of turn-off, the switching element Q1 is turned off at high speed by the reverse bias voltage. Since the reverse bias is applied to the gate terminal when the switching element Q1 is off, the leakage current can be reduced as compared with the case of applying 0 [V].
図4のゲート駆動回路では、ターンオン(タイミングt11,t15参照)の直前までスイッチング素子Q1のゲートに逆バイアス電圧(VZD1 :負値)が印加されており、ターンオン時にゲートは、一気にゲートオフ電圧(逆バイアス電圧)からゲートオン電圧までの大きな電圧変化(ΔVB )を要することになるため、ターンオン時のスイッチング速度が低下し、その分、電力損失が大きくなるという問題がある。なお、逆バイアス電圧の絶対値が大きくなるほどスイッチングの応答遅れ時間(オンオフ切替時間)は長くなる。ちなみに、逆バイアス電圧が−4.2[V]のときの応答遅れ時間は27.3nsであり、逆バイアス電圧が−7[V]のときの応答遅れ時間は40.7nsであった(一例)。 In the gate drive circuit shown in FIG. 4, a reverse bias voltage (V ZD1 : negative value) is applied to the gate of the switching element Q1 until just before the turn-on (see timings t 11 and t 15 ). Since a large voltage change (ΔV B ) from the voltage (reverse bias voltage) to the gate-on voltage is required, there is a problem that the switching speed at the turn-on is lowered, and the power loss is increased correspondingly. Note that as the absolute value of the reverse bias voltage increases, the switching response delay time (on / off switching time) becomes longer. Incidentally, the response delay time when the reverse bias voltage is −4.2 [V] is 27.3 ns, and the response delay time when the reverse bias voltage is −7 [V] is 40.7 ns (an example) ).
本発明はこのような事情に鑑みて創作したものであり、ノーマリオフ型のスイッチング素子を主スイッチとするゲート駆動回路に関して、ノーマリオフ型のスイッチング素子(以下、「主スイッチング素子」という)のターンオン動作を高速化し、電力損失の低減化を図ることを目的としている。 The present invention has been created in view of such circumstances, and relates to a gate drive circuit having a normally-off type switching element as a main switch, and the normally-on type switching element (hereinafter referred to as “main switching element”) is turned on. The purpose is to increase the speed and reduce the power loss.
本発明は、次の手段を講じることにより上記の課題を解決する。 The present invention solves the above problems by taking the following measures.
本発明によるゲート駆動回路は、ノーマリオフ型の主スイッチング素子をオン/オフ制御するゲート駆動回路であって、オフ状態とされた前記主スイッチング素子の駆動制御端子に逆バイアス電圧を印加するためのコンデンサと、前記コンデンサに直列接続され、前記コンデンサと前記主スイッチング素子との間の導通を切り離すことで前記逆バイアス電圧の印加を停止することが可能な逆バイアス切り離し用のスイッチング素子と、前記主スイッチング素子の駆動制御端子と接地ラインとの間に介装され、前記主スイッチング素子の駆動制御端子と前記接地ラインとを短絡することが可能な逆バイアス消去用のスイッチング素子とを備え、前記主スイッチング素子がターンオンする直前に前記逆バイアス切り離し用のスイッチング素子により前記逆バイアス電圧の印加が停止されるとともに、前記逆バイアス消去用のスイッチング素子により前記主スイッチング素子の駆動制御端子と前記接地ラインとが短絡されることを特徴とする。 A gate driving circuit according to the present invention is a gate driving circuit for controlling on / off of a normally-off type main switching element, and is a capacitor for applying a reverse bias voltage to a driving control terminal of the main switching element in an off state. A reverse bias disconnecting switching element connected in series to the capacitor and capable of stopping application of the reverse bias voltage by disconnecting conduction between the capacitor and the main switching element, and the main switching A reverse bias erasing switching element that is interposed between a drive control terminal of the element and a ground line and can short-circuit the drive control terminal of the main switching element and the ground line; Immediately before the element is turned on, the reverse bias disconnection switching element Together with application of the reverse bias voltage is stopped, the drive control terminal and the ground line of the main switching element by the switching element for the reverse bias erasing, characterized in that it is short-circuited.
この構成によれば、主スイッチング素子がオフ状態の間は駆動制御端子に逆バイアス電圧が印加されるので漏れ電流を小さくすることができる。しかも、コンデンサにより逆バイアス電圧を印加しているので安定的に電圧を印加することができる。一方で、主スイッチング素子がターンオンする直前に逆バイアス切り離し用のスイッチング素子により逆バイアス電圧の印加が停止されるとともに、逆バイアス消去用のスイッチング素子により主スイッチング素子の駆動制御端子と接地ラインとが短絡されるので、主スイッチング素子がターンオンする直前に逆バイアス電圧の印加を停止させることができる。このため、ターンオン動作を高速化し、ターンオン時のスイッチング損失を低減することができる。 According to this configuration, since the reverse bias voltage is applied to the drive control terminal while the main switching element is in the OFF state, the leakage current can be reduced. Moreover, since the reverse bias voltage is applied by the capacitor, the voltage can be stably applied. On the other hand, the application of the reverse bias voltage is stopped by the switching element for reverse bias separation immediately before the main switching element is turned on, and the drive control terminal and the ground line of the main switching element are connected by the switching element for reverse bias erasing. Since it is short-circuited, application of the reverse bias voltage can be stopped immediately before the main switching element is turned on. For this reason, the turn-on operation can be speeded up and the switching loss at the time of turn-on can be reduced.
ここで、アクティブレベルとインアクティブレベルとが交互に繰り返される駆動パルスを出力する制御部と、前記コンデンサおよび前記逆バイアス切り離し用のスイッチング素子に加えて、前記コンデンサと前記逆バイアス切り離し用のスイッチング素子の直列回路に対して並列に接続されて前記逆バイアス電圧の大きさを制御し前記主スイッチング素子の駆動制御端子に対して所定の駆動電流を供給する定電圧素子を有し、出力端子が前記主スイッチング素子の前記駆動制御端子に導通接続される駆動パルス伝達用並列回路と、前記駆動パルス伝達用並列回路の入力端子に対して、前記制御部から出力される前記駆動パルスを一定の短時間遅延させた実効パルスを生成し出力する遅延回路と、前記制御部からの前記駆動パルスと前記遅延回路からの前記実効パルスとを入力として、前記主スイッチング素子のオフ状態からオン状態への遷移期間において、前記逆バイアス切り離し用のスイッチング素子をオフするとともに前記逆バイアス消去用のスイッチング素子をオンするための逆バイアスリセットパルスを生成する逆バイアスリセット回路とをさらに備えたことを特徴とする。 Here, in addition to the control unit that outputs a drive pulse in which an active level and an inactive level are alternately repeated, and the capacitor and the switching element for separating the reverse bias, the switching element for separating the capacitor and the reverse bias A constant voltage element connected in parallel to the series circuit to control the magnitude of the reverse bias voltage and supply a predetermined drive current to the drive control terminal of the main switching element, and the output terminal A drive pulse transmission parallel circuit that is conductively connected to the drive control terminal of the main switching element, and the drive pulse output from the control unit with respect to the input terminal of the drive pulse transmission parallel circuit is transmitted for a certain short time. A delay circuit for generating and outputting a delayed effective pulse; the drive pulse from the control unit; and the delay circuit. In order to turn off the reverse bias disconnecting switching element and turn on the reverse bias erasing switching element in the transition period from the OFF state to the ON state of the main switching element. And a reverse bias reset circuit for generating a reverse bias reset pulse.
上記の構成において、逆バイアスリセット回路が生成する逆バイアスリセットパルスは、主スイッチング素子のオフ状態からオン状態への遷移期間の開始タイミングでアクティブとなり、前記短期間の終了タイミングでインアクティブとなることはいうまでもない。 In the above configuration, the reverse bias reset pulse generated by the reverse bias reset circuit becomes active at the start timing of the transition period from the OFF state to the ON state of the main switching element, and becomes inactive at the short-term end timing. Needless to say.
上記構成の本発明のゲート駆動回路においては、オフ状態において逆バイアス電圧が印加されている主スイッチング素子の駆動制御端子の電圧をゲートオフ電圧のレベル(逆バイアス電圧)からゲートオン電圧のレベルに遷移させるに際し、逆バイアス電圧から一気にゲートオン電圧まで遷移させるのではなく、次のように制御する。すなわち、逆バイアスリセットパルスの印加に基づく逆バイアス切り離し用のスイッチング素子のターンオフと逆バイアス消去用のスイッチング素子のターンオンとによって、遷移の短時間(遅延回路による遅延時間)にわたり、逆バイアス電圧印加用のコンデンサを切り離して主スイッチング素子の駆動制御端子に対する逆バイアス電圧の印加を停止するとともに、駆動制御端子を接地ラインに短絡させる。その短絡により逆バイアス電圧にかかわる駆動制御端子のマイナス電荷を接地レベルへ放電し、かつコンデンサの陰極端子からの逆バイアス電圧の印加を停止して、駆動制御端子電圧をいったん逆バイアス電圧とゲートオン電圧との中間の0レベルへシフトさせる。 In the gate drive circuit of the present invention having the above configuration, the voltage of the drive control terminal of the main switching element to which the reverse bias voltage is applied in the off state is changed from the gate off voltage level (reverse bias voltage) to the gate on voltage level. At this time, instead of making a transition from the reverse bias voltage to the gate-on voltage all at once, the following control is performed. That is, for reverse bias voltage application over a short period of time (delay time by delay circuit) by turning off the reverse bias disconnection switching element based on the application of the reverse bias reset pulse and turning on the reverse bias erasing switching element. And the application of the reverse bias voltage to the drive control terminal of the main switching element is stopped, and the drive control terminal is short-circuited to the ground line. The negative charge of the drive control terminal related to the reverse bias voltage due to the short circuit is discharged to the ground level, and the application of the reverse bias voltage from the cathode terminal of the capacitor is stopped, and the drive control terminal voltage is once set to the reverse bias voltage and the gate on voltage. Shift to 0 level in between.
逆バイアスリセットパルスがインアクティブになるとともに実効パルス(制御部から出力された駆動パルスが遅延回路によって一定の短時間遅延されたパルス)がアクティブになると、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子がターンオンし、逆バイアス消去用のスイッチング素子がターンオフする。すなわち、逆バイアス電圧印加用のコンデンサの陰極端子が主スイッチング素子の駆動制御端子に導通接続され、かつ駆動制御端子の接地ラインに対する短絡状態が解除された状態となる。その結果、逆バイアス電圧印加用のコンデンサの正極端子に印加される実効パルスがコンデンサとターンオンした逆バイアス切り離し用のスイッチング素子を介して主スイッチング素子の駆動制御端子に印加され、主スイッチング素子をターンオンさせる。このとき、上記のように駆動制御端子電圧があらかじめ0レベルにシフトされており、0レベルからゲートオン電圧までの電圧変化で主スイッチング素子をターンオンさせるので、逆バイアス電圧からゲートオン電圧まで電圧変化させる従来例に比べて、主スイッチング素子のターンオン速度が高速化され、かつ、その高速化の分だけターンオン時のスイッチング損失が低減化される。 When the reverse bias reset pulse becomes inactive and the effective pulse (the drive pulse output from the control unit is delayed for a certain short time by the delay circuit) becomes active, the reverse bias disconnecting switching element is turned on, The reverse bias erase switching element is turned off. That is, the cathode terminal of the capacitor for applying the reverse bias voltage is conductively connected to the drive control terminal of the main switching element, and the short circuit state with respect to the ground line of the drive control terminal is released. As a result, the effective pulse applied to the positive terminal of the reverse bias voltage application capacitor is applied to the drive control terminal of the main switching element via the reverse bias disconnection switching element that is turned on with the capacitor, and the main switching element is turned on. Let At this time, as described above, the drive control terminal voltage is shifted to the 0 level in advance, and the main switching element is turned on by the voltage change from the 0 level to the gate-on voltage, so that the voltage is changed from the reverse bias voltage to the gate-on voltage. Compared to the example, the turn-on speed of the main switching element is increased, and the switching loss at the turn-on is reduced by the increase in speed.
上記構成の本発明のゲート駆動回路には、次のようないくつかの好ましい態様がある。 The gate drive circuit of the present invention having the above configuration has several preferred modes as follows.
上記の構成において、前記逆バイアス切り離し用のスイッチング素子は、その低電位側端子が前記コンデンサの側に、その高電位側端子が前記主スイッチング素子の駆動制御端子の側にそれぞれ接続され、前記逆バイアス消去用のスイッチング素子は、その低電位側端子が前記主スイッチング素子の駆動制御端子の側に、その高電位側端子が前記接地ラインの側にそれぞれ接続されているのがよい。 In the above configuration, the switching element for reverse bias separation has a low potential side terminal connected to the capacitor side and a high potential side terminal connected to the drive control terminal side of the main switching element, respectively. The switching element for bias erasing preferably has a low potential side terminal connected to the drive control terminal side of the main switching element and a high potential side terminal connected to the ground line side.
主スイッチング素子のオフ状態における駆動制御端子への逆バイアス電圧の印加を考慮しなくてもよい通常の態様の場合であれば、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子では、その高電位側端子をコンデンサの側に、その低電位側端子を主スイッチング素子の駆動制御端子の側にそれぞれ接続し、逆バイアス消去用のスイッチング素子では、その高電位側端子を主スイッチング素子の駆動制御端子の側に、その低電位側端子を接地ラインの側にそれぞれ接続すればよい。 In the case of a normal mode in which it is not necessary to consider the application of the reverse bias voltage to the drive control terminal in the OFF state of the main switching element, in the switching element for reverse bias separation, the high potential side terminal is connected to the capacitor. The low potential side terminal is connected to the drive control terminal side of the main switching element, and the reverse bias erase switching element has its high potential side terminal connected to the drive control terminal side of the main switching element. The low potential side terminals may be connected to the ground line side.
しかし、主スイッチング素子の駆動制御端子への逆バイアス電圧の印加を考慮する本発明の特異な技術構成にあっては、通常の態様の場合とは逆方向の接続関係とする。この接続の態様は、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子や逆バイアス消去用のスイッチング素子を半導体素子、特にNMOSトランジスタやPMOSトランジスタで構成する場合の動作安定性、安全性にとって有用である。 However, in the unique technical configuration of the present invention that considers the application of the reverse bias voltage to the drive control terminal of the main switching element, the connection relationship is in the reverse direction to that in the normal mode. This connection mode is useful for operational stability and safety when the reverse bias disconnecting switching element and the reverse bias erasing switching element are formed of semiconductor elements, particularly NMOS transistors and PMOS transistors.
上記の構成において、前記逆バイアス切り離し用のスイッチング素子に対して駆動パルス補償用の一方向性通電素子が並列に接続されているという好ましい態様がある。逆バイアス電圧印加用のコンデンサを介して実効パルスが供給されてきたときに、動作タイミングのずれのためにもし逆バイアス切り離し用のスイッチング素子がオフ状態のままにあってターンオンが遅れると、主スイッチング素子のターンオン動作も遅れてしまう。 In the above configuration, there is a preferable aspect in which a unidirectional energization element for driving pulse compensation is connected in parallel to the switching element for reverse bias separation. When an effective pulse is supplied via a capacitor for applying a reverse bias voltage, if the switching element for disconnecting the reverse bias remains off and the turn-on is delayed due to a shift in operation timing, main switching The device turn-on operation is also delayed.
これに対してこの態様のように構成すれば、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子がオフ状態にあるときに逆バイアス電圧印加用のコンデンサを介して実効パルスが供給されてきた場合でも、駆動パルス補償用の一方向性通電素子の機能によりその実効パルスを主スイッチング素子の駆動制御端子に対して確実に即座に送り出すことが可能となる。 On the other hand, with this configuration, even when an effective pulse is supplied via the reverse bias voltage application capacitor when the reverse bias disconnection switching element is in the OFF state, the drive pulse compensation is performed. Due to the function of the unidirectional energizing element, the effective pulse can be reliably and immediately sent out to the drive control terminal of the main switching element.
また、上記の構成において、前記逆バイアス消去用のスイッチング素子と接地ラインとの間に駆動パルス補償用の逆流防止素子が挿入されているという好ましい態様がある。駆動パルス伝達用並列回路から主スイッチング素子の駆動制御端子に対して実効パルスが印加されたときに、動作タイミングのずれのためにもし逆バイアス消去用のスイッチング素子がオン状態のままにあってターンオフが遅れると、オン状態にある逆バイアス消去用のスイッチング素子を介して駆動制御端子が接地レベルとなってしまい、駆動制御端子電圧が所期通りに上昇することができなくなってしまう。 Further, in the above configuration, there is a preferable aspect in which a backflow prevention element for driving pulse compensation is inserted between the switching element for reverse bias erasing and the ground line. When an effective pulse is applied to the drive control terminal of the main switching element from the drive pulse transmission parallel circuit, the switching element for reverse bias erasure remains on and turns off due to a shift in the operation timing. If the delay is delayed, the drive control terminal becomes the ground level via the reverse bias erasing switching element in the ON state, and the drive control terminal voltage cannot be increased as expected.
これに対してこの態様のように構成すれば、逆バイアス消去用のスイッチング素子がオン状態にあるときに駆動パルス伝達用並列回路から主スイッチング素子の駆動制御端子に対して実効パルスが印加された場合でも、駆動パルス補償用の逆流防止素子の機能によって駆動制御端子が接地レベルとなることを防止し、駆動制御端子電圧を所期通りに上昇させることが可能となる。 On the other hand, with this configuration, when the reverse bias erasing switching element is in the ON state, an effective pulse is applied from the drive pulse transmission parallel circuit to the drive control terminal of the main switching element. Even in this case, the function of the backflow prevention element for compensating the drive pulse can prevent the drive control terminal from being at the ground level, and the drive control terminal voltage can be increased as expected.
本発明によれば、ターンオン直前において駆動制御端子の逆バイアスを解除して0レベルへリセットするように構成したので、主スイッチング素子のターンオン速度の高速化とターンオン時のスイッチング損失の低減化とを実現することができる。 According to the present invention, since the reverse bias of the drive control terminal is released and reset to 0 level immediately before the turn-on, the turn-on speed of the main switching element is increased and the switching loss at the turn-on is reduced. Can be realized.
以下、上記構成の本発明のゲート駆動回路につき、その実施の形態を具体的な実施例のレベルで詳しく説明する。 Hereinafter, the embodiment of the gate drive circuit of the present invention having the above configuration will be described in detail at the level of specific examples.
図1は本発明の実施例におけるゲート駆動回路の構成を示す回路図、図2はゲート駆動回路での遅延回路と短パルス発生回路の詳しい構成を示す回路図である。図1および図2において、10は制御部としての制御回路、20は遅延回路、30は逆バイアスリセット回路、40は駆動パルス伝達用並列回路、40Aは電圧調整回路部、40Bは逆バイアス制御・定電流回路部、C40は電圧調整回路部40Aを構成する逆バイアス電圧印加用のコンデンサ、Q40は電圧調整回路部40Aを構成する逆バイアス切り離し用のスイッチング素子、Q50は逆バイアス消去用のスイッチング素子、D50は駆動パルス補償用の逆流防止素子、Q100はノーマリオフ型のスイッチング素子(主スイッチング素子)である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a gate driving circuit in an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a delay circuit and a short pulse generating circuit in the gate driving circuit. 1 and 2, 10 is a control circuit as a control unit, 20 is a delay circuit, 30 is a reverse bias reset circuit, 40 is a parallel circuit for driving pulse transmission, 40A is a voltage adjustment circuit unit, and 40B is reverse bias control. A constant current circuit section, C40 is a reverse bias voltage applying capacitor constituting the voltage
駆動パルス伝達用並列回路40は、電圧調整回路部40Aと逆バイアス制御・定電流回路部40Bの並列回路として構成されている。電圧調整回路部40Aは、逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40と、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40と、駆動パルス補償用の一方向性通電素子D40とを有している。ここで、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40と駆動パルス補償用の一方向性通電素子D40は互いに並列に接続されている。その並列回路に対して逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40が直列に接続されている。逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40はNチャンネル型MOSトランジスタで構成され、一方向性通電素子D40はダイオードで構成されるが、そのNMOSトランジスタのソースとダイオードのアノードとが互いに接続され、さらに逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40の負極端子とも接続されている。NMOSトランジスタQ40のドレインはダイオードD40のカソードと接続されている。逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40は、主スイッチング素子Q100のオン時にその駆動制御端子であるゲート電圧V100を低減するとともに、オフ時にゲート(駆動制御端子)に逆バイアス電圧を印加する機能を有している。
The drive pulse transmission parallel circuit 40 is configured as a parallel circuit of a voltage
逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40に対して駆動パルス補償用の一方向性通電素子D40を並列に接続するのは、スイッチング素子Q40がオフ状態にあるときに逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40を介してパルスが供給されてきたときに、そのパルスを主スイッチング素子Q100のゲートに対して確実に即座に送り出すためである。 The unidirectional energization element D40 for driving pulse compensation is connected in parallel to the switching element Q40 for disconnecting the reverse bias via the capacitor C40 for applying a reverse bias voltage when the switching element Q40 is in the OFF state. This is to ensure that the pulse is immediately sent to the gate of the main switching element Q100 when the pulse is supplied.
逆バイアス制御・定電流回路部40Bは、定電圧素子ZD40と抵抗素子R40とを有している。定電圧素子ZD40はツェナーダイオードで構成されるが、そのアノードが抵抗素子R40の一方端子に接続され、そのカソードが逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40の正極端子および遅延回路20の出力端子に接続されている(接続ノードN1)。抵抗素子R40の他方端子は、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40のドレインと駆動パルス補償用の一方向性通電素子D40のカソードとの接続点に接続されている(接続ノードN2)。電圧調整回路部40Aに並列に接続されたこの逆バイアス制御・定電流回路部40Bは、主スイッチング素子Q100のターンオフ時における電圧調整回路部40Aの逆バイアス電圧の大きさを制御するとともに、主スイッチング素子Q100のオン動作時にゲートに対して所定の駆動電流を供給するものとして構成されている。
The reverse bias control / constant
逆バイアスリセット回路30は、短パルス発生回路30Aとインバータ回路30Bとを有している。インバータ回路30Bは、短パルス発生回路30Aの出力端子と逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50のゲート(駆動制御端子)との間に挿入されている。逆バイアスリセット回路30は、制御回路10からの駆動パルスa3と遅延回路20からの実効パルスa4を入力として微小一定時間の開始タイミングから終了タイミングまでの期間を指示する逆バイアスリセットパルスa5を生成する。この逆バイアスリセットパルスa5がアクティブ(“L”レベル)になると逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40をターンオフするが、同時にインバータ回路30Bによって論理が反転した逆バイアスリセットパルスa6を生成して逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50をターンオンする。また、逆バイアスリセットパルスa5がインアクティブ(“H”レベル)になると逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40をターンオンするが、同時に論理が反転した逆バイアスリセットパルスa6により逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50をターンオフする。
The reverse
制御回路10は、直流電源電圧Vccによって一定電圧に保持される平滑コンデンサC11を駆動電源とするコントロールICで構成され、アクティブレベルとインアクティブレベルとが交互に繰り返される駆動パルスa1を出力するように構成されている。制御回路10が出力する駆動パルスa1は抵抗素子R11を介し駆動パルスa2として遅延回路20に出力される一方、その駆動パルスa1は抵抗素子R12を介し駆動パルスa3として短パルス発生回路30Aに出力されるように構成されている。
The
遅延回路20および短パルス発生回路30Aは直流電源電圧Vccすなわち平滑コンデンサC11の出力電圧によって駆動されるようになっている。遅延回路20は、入力した駆動パルスa2を所定の微小な一定の遅延時間τ1だけ遅らせた実効パルスa4を出力するが、その実効パルスa4は短パルス発生回路30Aに出力される一方、接続ノードN1である駆動パルス伝達用並列回路40の入力端子すなわち逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40の正極端子および定電圧素子ZD40のカソードに出力されるように構成されている。
The
駆動パルス伝達用並列回路40の出力端子は抵抗素子R13を介して主スイッチング素子Q100のゲート(駆動制御端子)に接続されている。抵抗素子R13とスイッチング素子Q100のゲートとの接続ノードN3は、誤動作防止用の抵抗素子R14を介して接地ラインGLに接続されているとともに、逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50と駆動パルス補償用の逆流防止素子D50の直列回路を介して接地ラインGLに接続されている。駆動パルス補償用の逆流防止素子D50はダイオードで構成されており、そのアノードが接地ラインGLに接続され、そのカソードが逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50のドレインに接続され、このスイッチング素子Q50のソースが抵抗素子R13とスイッチング素子Q100のゲートとの接続ノードN3に接続されている。 The output terminal of the drive pulse transmission parallel circuit 40 is connected to the gate (drive control terminal) of the main switching element Q100 via the resistor element R13. A connection node N3 between the resistance element R13 and the gate of the switching element Q100 is connected to the ground line GL via a resistance element R14 for preventing malfunction, and the switching element Q50 for reverse bias erasing and driving pulse compensation. The backflow prevention element D50 is connected to the ground line GL through a series circuit. The backflow prevention element D50 for driving pulse compensation is composed of a diode, its anode is connected to the ground line GL, its cathode is connected to the drain of the switching element Q50 for reverse bias erasing, and the source of this switching element Q50 Is connected to a connection node N3 between the resistance element R13 and the gate of the switching element Q100.
駆動パルス補償用の逆流防止素子D50は、逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50がオンしている最中に駆動パルス伝達用並列回路40から主スイッチング素子Q100のゲートに対してパルスが印加された場合に、主スイッチング素子Q100のゲート電圧が所期通りに上昇することができるようにするためである。 The reverse current prevention element D50 for driving pulse compensation is a case where a pulse is applied from the driving pulse transmission parallel circuit 40 to the gate of the main switching element Q100 while the reverse bias erasing switching element Q50 is on. In addition, the gate voltage of the main switching element Q100 can be increased as expected.
以上により、主スイッチング素子Q100を主スイッチとしてオン/オフ制御する本発明の実施例のゲート駆動回路が構成されている。 As described above, the gate drive circuit according to the embodiment of the present invention that performs on / off control using the main switching element Q100 as the main switch is configured.
次に、遅延回路20と短パルス発生回路30Aの詳細を図2に基づいて説明する。
Next, details of the
図2(a)に示すように、遅延回路20は、平滑コンデンサC21、PMOSトランジスタQ21,Q23およびNMOSトランジスタQ22,Q24を有している。直流電源電圧Vccの入力端子とグランドGNDとの間に平滑コンデンサC21が接続されている。その平滑コンデンサC21にPMOSトランジスタQ21とNMOSトランジスタQ22の直列回路およびPMOSトランジスタQ23とNMOSトランジスタQ24の直列回路が並列に接続されている。これらPMOSとNMOSとの直列回路のそれぞれはインバータ回路を構成し、インバータ回路2段でバッファ回路が構成されている。すなわち、トランジスタQ21,Q22のドレインどうしが接続され、その接続ノードがトランジスタQ23,Q24のゲートに接続されている。また、トランジスタQ23,Q24のドレインどうしが接続され、その接続点が実効パルスa4の出力端子となっている。
As shown in FIG. 2A, the
この遅延回路20においては、前記のバッファ回路がもつ時定数をもって駆動パルスa2に対する実効パルスa4の遅延時間τ1が定められている。遅延回路20に入力される“H”,“L”の繰り返しパターンをもつ駆動パルスa2は、遅延時間τ1だけ遅延する状態で“H”,“L”の繰り返しパターンをもつ実効パルスa4となり、駆動パルス伝達用並列回路40の入力端子(接続ノードN1)および短パルス発生回路30Aの入力端子に向けて出力される。
In the
図2(b)に示すように、短パルス発生回路30Aは、平滑コンデンサC31、抵抗素子R31およびNMOSトランジスタQ31を有している。直流電源電圧Vccの入力端子とグランドGNDとの間に平滑コンデンサC31が接続されている。その平滑コンデンサC31の正極端子と遅延回路20の出力端子(NMOSトランジスタQ24のドレイン)との間に抵抗素子R31とNMOSトランジスタQ31の直列回路が接続されている。トランジスタQ31のゲートに対して駆動パルスa3が印加され、ソースに対して実効パルスa4が印加されるようになっている。抵抗素子R31とトランジスタQ31のドレインとの接続ノードが逆バイアスリセットパルスa5の出力端子となっている。
As shown in FIG. 2B, the short
この短パルス発生回路30Aにおいては、駆動パルスa3と実効パルスa4の組み合わせが〔“L”,“L”〕、〔“L”,“H”〕、〔“H”,“H”〕のときは逆バイアスリセットパルスa5として“H”レベルを生成し、駆動パルスa3と実効パルスa4の組み合わせが〔“H”,“L”〕のときは逆バイアスリセットパルスa5として“L”レベルを生成する。
In this short
すなわち、駆動パルスa3が“L”レベルのときはトランジスタQ31がオフとなるので、実効パルスa4の“H”,“L”に関係なく逆バイアスリセットパルスa5は“H”レベルとなる。一方、駆動パルスa3が“H”レベルのときはトランジスタQ31がオン状態となるので、逆バイアスリセットパルスa5のレベルは実効パルスa4のレベルに応じて変化する。つまり、実効パルスa4が“H”レベルであれば逆バイアスリセットパルスa5も“H”レベルであり、実効パルスa4が“L”レベルであれば逆バイアスリセットパルスa5は“L”レベルとなる。 That is, since the transistor Q31 is turned off when the drive pulse a3 is at “L” level, the reverse bias reset pulse a5 is at “H” level regardless of the “H” and “L” of the effective pulse a4. On the other hand, when the drive pulse a3 is at the “H” level, the transistor Q31 is turned on, so that the level of the reverse bias reset pulse a5 changes according to the level of the effective pulse a4. That is, if the effective pulse a4 is at “H” level, the reverse bias reset pulse a5 is also at “H” level, and if the effective pulse a4 is at “L” level, the reverse bias reset pulse a5 is at “L” level.
駆動パルスa2が“L”レベルになると、NMOSトランジスタQ22がオフし、PMOSトランジスタQ21がオンして直流電源電圧Vccが印加されるため、そのドレイン共通接続点から“H”レベルが出力される。その結果、PMOSトランジスタQ23がオフし、NMOSトランジスタQ24がオンして接地ラインGLに接続されるため、遅延回路20から出力される実効パルスa4は“L”レベルとなる。実効パルスa4が“L”レベルとなっている状態で、駆動パルスa3が“H”レベルであればNMOSトランジスタQ31がオン状態であるので、短パルス発生回路30Aからは“L”レベルが出力され(期間t2 〜t3 )、逆に、駆動パルスa3が“L”レベルであればNMOSトランジスタQ31がオフ状態であるので、短パルス発生回路30Aからは“H”レベルが出力される(期間t5 〜t6 )。
When the drive pulse a2 becomes "L" level, the NMOS transistor Q22 is turned off, the PMOS transistor Q21 is turned on and the DC power supply voltage Vcc is applied, so that the "H" level is output from the common drain connection point. As a result, the PMOS transistor Q23 is turned off and the NMOS transistor Q24 is turned on and connected to the ground line GL, so that the effective pulse a4 output from the
一方、駆動パルスa2が“H”レベルになると、PMOSトランジスタQ21がオフし、NMOSトランジスタQ22がオンして接地ラインGLに接続されるため、そのドレイン共通接続点から“L”レベルが出力される。その結果、NMOSトランジスタQ24がオフし、PMOSトランジスタQ23がオンして直流電源電圧Vccが印加されるため、遅延回路20から出力される実効パルスa4は“H”レベルとなる。実効パルスa4が“H”レベルとなっている状態では、駆動パルスa3の“H”レベル、“L”レベルにかかわりなく、短パルス発生回路30Aからは“H”レベルが出力される(期間t3 〜t5 )。
On the other hand, when the driving pulse a2 becomes “H” level, the PMOS transistor Q21 is turned off and the NMOS transistor Q22 is turned on and connected to the ground line GL, so that the “L” level is output from the common drain connection point. . As a result, the NMOS transistor Q24 is turned off, the PMOS transistor Q23 is turned on, and the DC power supply voltage Vcc is applied. Therefore, the effective pulse a4 output from the
まとめると、逆バイアスリセットパルスa5が“L”レベルとなるのは、駆動パルスa3と実効パルスa4の組み合わせが〔“H”,“L”〕のときに限る。逆バイアスリセットパルスa5は遅延時間τ1だけの充分に短い時間幅のローアクティブ(負論理)のパルスとなる。 In summary, the reverse bias reset pulse a5 becomes “L” level only when the combination of the drive pulse a3 and the effective pulse a4 is [“H”, “L”]. The reverse bias reset pulse a5 is a low active (negative logic) pulse having a sufficiently short time width corresponding to the delay time τ1.
ここでローアクティブとする(逆バイアスリセットパルスa5が“L”レベルとなる)ことにより、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40をアクティブ(オフ)にして逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40を切り離し(逆バイアス電圧の供給停止)、かつ、これと同期して、インバータ回路30Bを介して逆バイアスリセットパルスa5が反転されたハイアクティブの逆バイアスリセットパルスa6が逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50をアクティブ(オン)にして主スイッチング素子Q100のゲート・ソース間を短絡する(逆バイアスショート)ようにしている。
Here, by making it low active (reverse bias reset pulse a5 becomes “L” level), switching element Q40 for reverse bias disconnection is made active (off), and capacitor C40 for reverse bias voltage application is disconnected (reverse) In synchronization with this, a high-active reverse bias reset pulse a6 obtained by inverting the reverse bias reset pulse a5 via the
次に、上記のように構成されたゲート駆動回路の動作を図3のタイミングチャートを参照しながら説明する。 Next, the operation of the gate drive circuit configured as described above will be described with reference to the timing chart of FIG.
制御回路10から出力される駆動パルスa1は、タイミングt0 で立ち下がり、タイミングt2 で立ち上がり、タイミングt4 で再び立ち下がるという“L”,“H”の繰り返しパターンをもつ。
The drive pulse a1 output from the
駆動パルスa1が抵抗素子R11を経た駆動パルスa2および抵抗素子R12を経た駆動パルスa3のパターンおよびタイミングは、駆動パルスa1に対して同一位相で同期している。 The pattern and timing of the driving pulse a2 through which the driving pulse a1 has passed through the resistance element R11 and the driving pulse a3 through which the driving pulse a1 has passed through the resistance element R12 are synchronized with the driving pulse a1 in the same phase.
駆動パルスa2が遅延回路20で処理された結果の実効パルスa4は、タイミングt1 で立ち下がり、タイミングt3 で立ち上がり、タイミングt5 で再び立ち下がるという“L”,“H”の繰り返しパターンをもつ。実効パルスa4のパターンは駆動パルスa1,a2,a3と同一であり、実効パルスa4のタイミングは駆動パルスa1,a2,a3のタイミングから所定の遅延時間τ1だけ遅れている。
Drive pulse
駆動パルスa3と実効パルスa4とに基づいて短パルス発生回路30Aで生成された逆バイアスリセットパルスa5は、タイミングt2 で立ち下がり、タイミングt3 で立ち上がり、タイミングt6 で再び立ち下がるという“L”,“H”の繰り返しパターンをもつ。この逆バイアスリセットパルスa5は遅延時間τ1の時間幅を有するローアクティブの信号である。逆バイアスリセットパルスa5がアクティブとなる立ち下がりタイミングt2 は実効パルスa4の立ち上がりタイミングt3 に対して遅延時間τ1に対応する一定時間だけ先行している。そして、逆バイアスリセットパルスa5がインアクティブとなる立ち上がりタイミングt3 は実効パルスa4の立ち上がりタイミングt3 と一致している。すなわち、逆バイアスリセットパルスa5が有効化(活性化)されるのは、実効パルスa4が有効化(活性化)されるタイミングの直前であって、その期間は遅延時間τ1に相当する短時間である。ローアクティブの逆バイアスリセットパルスa5は、タイミングt2 〜t3 の期間において逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40をオフ状態に制御する。
Drive pulse a3 and effective pulse a4 and reverse bias reset pulse a5 generated by the short
ローアクティブの逆バイアスリセットパルスa5がインバータ回路30Bによって論理反転されたハイアクティブの逆バイアスリセットパルスa6は、タイミングt2 で立ち上がり、タイミングt3 で立ち下がり、タイミングt6 で再び立ち上がるという“H”,“L”の繰り返しパターンをもつ。このハイアクティブの逆バイアスリセットパルスa6は、タイミングt2 〜t3 の期間において逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50をオン状態に制御する。
Low reverse bias reset pulse a5 is logically inverted by the high reverse bias reset pulse a6 active by the
すなわち、実効パルスa4を駆動パルス伝達用並列回路40を介して主スイッチング素子Q100のゲートに印加するタイミングt3 に対して、それより遅延時間τ1だけ先行するタイミングt2 において、ローアクティブの逆バイアスリセットパルスa5によって逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40をターンオフすると同時に、ハイアクティブの逆バイアスリセットパルスa6によって逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50をターンオンする。 That is, a low active reverse bias at timing t 2 preceding the timing t 3 by applying the effective pulse a 4 to the gate of the main switching element Q 100 via the driving pulse transmission parallel circuit 40 by a delay time τ 1. The reverse bias disconnection switching element Q40 is turned off by the reset pulse a5, and at the same time, the reverse bias erase switching element Q50 is turned on by the high active reverse bias reset pulse a6.
タイミングt1 において遅延回路20から出力される実効パルスa4が立ち下がると、逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40の正極端子が遅延回路20においてターンオンしたNMOSトランジスタQ24を介して接地ラインGLに接続され、逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40の正極端子の電荷が放電されるため、逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40の負極端子に対しオン状態の逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40と抵抗素子R13を介して接続される主スイッチング素子Q100のゲート・ソース間の電圧を急激に低下させる。このときのゲート・ソース間電圧Vrは負値であり、逆バイアス状態となる。主スイッチング素子Q100のオフ状態においてゲート・ソース間電圧は逆バイアス制御・定電流回路部40Bにおける定電圧素子ZD40の降伏電圧(ツェナー電圧)VZD40(負値)で安定化する。すなわち、主スイッチング素子Q100のゲートには逆バイアス電圧Vr(=VZD40(負値))が印加される。その結果、主スイッチング素子Q100のオフ状態における漏れ電流が小さく抑えられる。
When the effective pulse a4 output from the
タイミングt2 において、短パルス発生回路30Aから出力されるローアクティブの逆バイアスリセットパルスa5およびインバータ回路30Bから出力されるハイアクティブの逆バイアスリセットパルスa6がともに活性化される。これにより、電圧調整回路部40Aにおける逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40がターンオフする一方、逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50がターンオンする。
At timing t 2, a reverse bias reset pulse a6 high active output from the short
逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40がオフすると、逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40による主スイッチング素子Q100のゲートに対する逆バイアス電圧の供給が停止される。一方、逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50がオンすると、主スイッチング素子Q100のゲート・ソース間の逆バイアスにかかわる負電荷が駆動パルス補償用の逆流防止素子D50とスイッチング素子Q50を介して急速に放電し、主スイッチング素子Q100のゲート電圧を0レベルに収束する。このように、主スイッチング素子Q100のゲート電圧を上昇させるに当たり、ゲートオフ電圧(逆バイアス電圧)からいったん0レベルまで引き上げている。 When the reverse bias disconnection switching element Q40 is turned off, supply of the reverse bias voltage to the gate of the main switching element Q100 by the reverse bias voltage application capacitor C40 is stopped. On the other hand, when the reverse bias erasing switching element Q50 is turned on, the negative charge related to the reverse bias between the gate and the source of the main switching element Q100 is rapidly discharged through the backflow prevention element D50 for driving pulse compensation and the switching element Q50. Then, the gate voltage of the main switching element Q100 is converged to 0 level. Thus, in raising the gate voltage of the main switching element Q100, it is once raised from the gate-off voltage (reverse bias voltage) to the 0 level.
タイミングt3 においては、実効パルスa4が立ち上がると同時に、ローアクティブの逆バイアスリセットパルスa5が立ち上がって逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40がターンオンされるとともにハイアクティブの逆バイアスリセットパルスa6が立ち下がって逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50がターンオフされる。逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40を通過した実効パルスa4である“H”レベルのパルスは、ターンオンした駆動パルス補償用の一方向性通電素子D40および抵抗素子R13を介して主スイッチング素子Q100のゲートに印加され、この主スイッチング素子Q100をターンオンする。この0レベルからゲートオン電圧までの引き上げに伴う電圧変化はΔVAであり、この電圧変化ΔVAは従来例の場合の電圧変化ΔVB (図5参照)に比べて充分に小さなものとなっている。 At timing t 3 , the effective pulse a 4 rises, and at the same time, the low active reverse bias reset pulse a 5 rises, the reverse bias disconnection switching element Q 40 is turned on, and the high active reverse bias reset pulse a 6 falls. Switching element Q50 for reverse bias erasing is turned off. The “H” level pulse that is the effective pulse a4 that has passed through the capacitor C40 for applying the reverse bias voltage is applied to the gate of the main switching element Q100 via the turned-on unidirectional conducting element D40 for compensating the driving pulse and the resistance element R13. To turn on the main switching element Q100. The voltage change accompanying the increase from the 0 level to the gate-on voltage is ΔVA, and this voltage change ΔVA is sufficiently smaller than the voltage change ΔV B in the conventional example (see FIG. 5).
仮に、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40に対して駆動パルス補償用の一方向性通電素子D40が並列に接続されていないと、逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40を介して実効パルスa4が供給されたときに、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40が動作タイミングのずれによりオフ状態のままにあってターンオンが遅れると、主スイッチング素子Q100のターンオン動作も遅れてしまう。これに対して、スイッチング素子Q40に一方向性通電素子D40が並列に接続されていると、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40がオフ状態にあるときに実効パルスa4が供給された場合でも、一方向性通電素子D40の機能によりその実効パルスa4を主スイッチング素子Q100のゲートに対して即座に送り出して主スイッチング素子Q100を急速にターンオンすることができる。 If the unidirectional energization element D40 for driving pulse compensation is not connected in parallel to the switching element Q40 for disconnecting the reverse bias, the effective pulse a4 is supplied via the capacitor C40 for applying the reverse bias voltage. If the switching element Q40 for disconnecting the reverse bias remains in the off state due to a shift in the operation timing and the turn-on is delayed, the turn-on operation of the main switching element Q100 is also delayed. On the other hand, when the unidirectional energization element D40 is connected in parallel to the switching element Q40, even if the effective pulse a4 is supplied when the switching element Q40 for reverse bias disconnection is in the OFF state, one The effective pulse a4 can be immediately sent to the gate of the main switching element Q100 by the function of the directional energization element D40, so that the main switching element Q100 can be turned on rapidly.
また、仮に逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50に駆動パルス補償用の逆流防止素子D50が接続されていないと、主スイッチング素子Q100のゲートに対して実効パルスa4が印加されたときに、逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50が動作タイミングのずれによりオン状態のままにあってターンオフが遅れると、オン状態にある逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50を介してゲートが接地レベルとなってしまい、ゲート電圧が所期通りに上昇することができなくなってしまう。これに対して、接地ラインGLと逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50との間に駆動パルス補償用の逆流防止素子D50が挿入されていると、逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50がオン状態にあるときに主スイッチング素子Q100のゲートに実効パルスa4が印加された場合でも、駆動パルス補償用の逆流防止素子D50の機能によってゲートが接地レベルとなることを防止し、ゲート電圧を所期通りに上昇させることが可能となる。 In addition, if the reverse bias erasing switching element Q50 is not connected to the reverse bias erasing switching element D50, the reverse bias erasing is performed when the effective pulse a4 is applied to the gate of the main switching element Q100. When the switching element Q50 is turned on due to a shift in the operation timing and the turn-off is delayed, the gate becomes the ground level via the switching element Q50 for reverse bias erasing in the on state, and the gate voltage is reduced. You will not be able to ascend as expected. On the other hand, when the backflow prevention element D50 for compensating the driving pulse is inserted between the ground line GL and the switching element Q50 for reverse bias erasing, the switching element Q50 for reverse bias erasing is in the ON state. Sometimes even when the effective pulse a4 is applied to the gate of the main switching element Q100, the function of the backflow prevention element D50 for compensating the drive pulse prevents the gate from being at the ground level and raises the gate voltage as expected. It becomes possible to make it.
いずれにしても、逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40にゲートオン電圧が印加されるタイミングt3 の直前のタイミングt2 〜t3 の期間においてすでに、主スイッチング素子Q100のゲート電圧が強制的に逆バイアス電圧Vr(=VZD40(負値))から0レベルへと引き上げられている。つまり、主スイッチング素子Q100のゲートは逆バイアス状態を解消され、通常の0レベル状態となっている。その結果として、主スイッチング素子Q100のターンオンに要する時間を、逆バイアス状態からターンオンする場合に比べて大幅に短縮化させることが可能となっている。このように本発明によれば、主スイッチング素子Q100のターンオン速度の高速化が可能となっている。そして、その分だけ主スイッチング素子Q100のターンオン時のスイッチング損失が低減化される。 Anyway, already in the period of the timing t 2 ~t 3 immediately before the timing t 3 when the gate-on voltage is applied to the capacitor C40 for applying a reverse bias voltage, the gate voltage of the main switching element Q100 is forcibly reverse bias The voltage Vr (= V ZD40 (negative value)) is raised to 0 level. That is, the gate of the main switching element Q100 is released from the reverse bias state and is in the normal 0 level state. As a result, the time required for turning on the main switching element Q100 can be significantly reduced as compared with the case where the main switching element Q100 is turned on from the reverse bias state. As described above, according to the present invention, the turn-on speed of the main switching element Q100 can be increased. Then, the switching loss when the main switching element Q100 is turned on is reduced accordingly.
次に、NMOSトランジスタである逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40、逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50のソースとドレインの接続について説明する。NMOSトランジスタの場合、そのソースはドレインよりも低電位側の端子に接続され、そのドレインはソースよりも高電位側の端子に接続されるのが原則である。図1において、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40のソースが逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40の側にあり、ドレインが抵抗素子R13(接続ノードN2)の側にある。また、逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50のソースが主スイッチング素子Q100のゲート(接続ノードN3)の側にあり、ドレインがグランドラインGLに繋がる駆動パルス補償用の逆流防止素子D50の側にある。この態様は一見上記の原則とは逆であるように見える。 Next, the connection between the source and drain of the switching element Q40 for separating reverse bias and the switching element Q50 for erasing reverse bias, which are NMOS transistors, will be described. In the case of an NMOS transistor, in principle, the source is connected to a terminal on the lower potential side than the drain, and the drain is connected to the terminal on the higher potential side than the source. In FIG. 1, the source of the switching element Q40 for disconnecting the reverse bias is on the side of the capacitor C40 for applying a reverse bias voltage, and the drain is on the side of the resistor element R13 (connection node N2). The source of the reverse bias erasing switching element Q50 is on the side of the gate (connection node N3) of the main switching element Q100, and the drain is on the side of the backflow prevention element D50 for driving pulse compensation that is connected to the ground line GL. This aspect appears to be the opposite of the above principle.
しかし、実はそうではなく、上記の原則(NMOSトランジスタの場合、ソースはドレインよりも低電位側の端子に、ドレインはソースよりも高電位側の端子に接続される)を踏襲している。それは、主スイッチング素子Q100のゲートに対して正バイアスではなく逆バイアスを印加することに起因している。 However, this is not the case, and it follows the above principle (in the case of an NMOS transistor, the source is connected to a terminal on the lower potential side than the drain, and the drain is connected to the terminal on the higher potential side than the source). This is because a reverse bias is applied to the gate of the main switching element Q100 instead of a positive bias.
主スイッチング素子Q100のオフ状態において、逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40と逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40の接続点の電位VC は主スイッチング素子Q100のゲート電圧VG よりも低くなっている(VC <VG )。したがって、NMOSトランジスタである逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40のソースはより低電位側である逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40の側に接続するのである。 In the OFF state of the main switching element Q100, the potential V C at the connection point between the reverse bias disconnection switching element Q40 and the reverse bias voltage application capacitor C40 is lower than the gate voltage V G of the main switching element Q100 ( V C <V G ). Therefore, the source of the reverse bias disconnection switching element Q40, which is an NMOS transistor, is connected to the reverse bias voltage application capacitor C40, which is on the lower potential side.
逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40および逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50がトランジスタとして有効な動作をするのは図3のタイムチャートにおけるタイミングt1 〜t2 の期間であり、その期間においては逆バイアス切り離し用のスイッチング素子Q40と逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40の接続点の電位VC は主スイッチング素子Q100のゲート電圧VG より低く、その電位差については、0.05〜0.2[V]程度が好ましく、より好ましくは0.1[V]程度である。 The switching element Q40 for separating the reverse bias and the switching element Q50 for erasing the reverse bias effectively operate as transistors during the period from the timing t 1 to t 2 in the time chart of FIG. The potential V C at the connection point between the switching element Q40 for disconnection and the capacitor C40 for applying the reverse bias voltage is lower than the gate voltage V G of the main switching element Q100, and the potential difference is 0.05 to 0.2 [V]. The degree is preferable, more preferably about 0.1 [V].
一方、主スイッチング素子Q100のオン状態において、逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50と主スイッチング素子Q100のゲートの接続点の電位であるゲート電圧VG はグランドラインGLの電位VGLよりも低くなっている(VG <VGL)。したがって、NMOSトランジスタである逆バイアス消去用のスイッチング素子Q50のソースはより低電位側である主スイッチング素子Q100のゲートの側に接続される。 On the other hand, in the on-state of the main switching element Q100, the gate voltage V G is the potential of the connection point of the gate of the switching element Q50 and the main switching element Q100 for reverse bias erasing is lower than the potential V GL of the ground line GL (V G <V GL ). Therefore, the source of the reverse bias erasing switching element Q50, which is an NMOS transistor, is connected to the gate side of the main switching element Q100 on the lower potential side.
逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40はスイッチング動作を通してほとんど充放電が起こらないので、駆動損失の小さい定電流供給型駆動回路を実現できる。 Since the capacitor C40 for applying the reverse bias voltage hardly undergoes charging / discharging through the switching operation, a constant current supply type driving circuit with small driving loss can be realized.
実効パルスa4が立ち上がるタイミングt3 から立ち下がるタイミングt5 までの期間では、主スイッチング素子Q100がオン状態にある。この状態では、遅延回路20の出力端子(接続ノードN1)と主スイッチング素子Q100のローサイド端子(ソース)との間に印加される電圧は、主スイッチング素子Q100のゲート入力容量Ciss と逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40とで分圧される。このとき、
VG =C40・Vcc/(C40+Ciss )=Vcc/(1+Ciss /C40)<Vcc
であり、ゲート電圧VG は駆動電圧Vccよりも小さくなる。
In the period from the timing t 3 when the effective pulse a4 rises until time t 5 falls, the main switching element Q100 is in an ON state. In this state, the voltage applied between the output terminal (connection node N1) of the
V G = C 40 · Vcc / (C 40 + C iss ) = Vcc / (1 + C iss / C 40 ) <Vcc
And the gate voltage V G is smaller than the drive voltage Vcc.
初期のゲート電圧VG は上の式で与えられるが、ノーマリオフ型のGaNトランジスタの場合にはゲート電流が流れ、ゲート電圧VG はゲート電流でクランプされ、ゲート電圧VG はある値以上大きくならない。そのため、C40>Ciss でもVC40>VG となる。 The initial gate voltage V G is given by the above equation. In the case of a normally-off type GaN transistor, a gate current flows, the gate voltage V G is clamped by the gate current, and the gate voltage V G does not increase beyond a certain value. . Therefore, the C 40> C iss even V C40> V G.
主スイッチング素子Q100がターンオンした直後からは逆バイアス制御・定電流回路部40Bの定電圧素子(ツェナーダイオード)ZD40と抵抗素子R40の直列回路を介して流れ込む電流により主スイッチング素子Q100の電流駆動が維持され、主スイッチング素子Q100のオン状態が保持される。このとき主スイッチング素子Q100のゲートに流れ込む電流は一定電流に維持され、主スイッチング素子Q100のドレイン・ソース間電流が安定化する。
Immediately after the main switching element Q100 is turned on, the current driving of the main switching element Q100 is maintained by the current flowing through the series circuit of the constant voltage element (Zener diode) ZD40 and the resistance element R40 of the reverse bias control / constant
また、主スイッチング素子Q100の定常オン状態で、定電圧素子(ツェナーダイオード)ZD40の降伏電圧(ツェナー電圧)によって逆バイアス電圧印加用のコンデンサC40に発生する直流電源電圧が制限される。また、電流の一部は誤動作防止用の抵抗素子R14を流れる。 Further, in the steady-on state of the main switching element Q100, the DC power supply voltage generated in the reverse bias voltage application capacitor C40 is limited by the breakdown voltage (zener voltage) of the constant voltage element (zener diode) ZD40. Part of the current flows through the resistance element R14 for preventing malfunction.
本発明は、ノーマリオフ型のスイッチング素子を主スイッチとするゲート駆動回路に関して、ノーマリオフ型のスイッチング素子のターンオン速度の高速化とターンオン時のスイッチング損失の低減化とを実現する技術として有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful as a technique for realizing an increase in turn-on speed of a normally-off type switching element and a reduction in switching loss at the time of turn-on, with respect to a gate drive circuit having a normally-off type switching element as a main switch.
10 制御回路(制御部)
20 遅延回路
30 逆バイアスリセット回路
30A 短パルス発生回路
30B インバータ回路
40 駆動パルス伝達用並列回路
40A 電圧調整回路部
40B 逆バイアス制御・定電流回路部
a1,a2,a3 駆動パルス
a4 実効パルス
a5,a6 逆バイアスリセットパルス
C40 逆バイアス電圧印加用のコンデンサ
D40 駆動パルス補償用の一方向性通電素子
D50 駆動パルス補償用の逆流防止素子
GL 接地ライン
Q40 逆バイアス切り離し用のスイッチング素子
Q50 逆バイアス消去用のスイッチング素子
Q100 主スイッチング素子
ZD40 定電圧素子
10 Control circuit (control unit)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
オフ状態とされた前記主スイッチング素子の駆動制御端子に逆バイアス電圧を印加するためのコンデンサと、
前記コンデンサに直列接続され、前記コンデンサと前記主スイッチング素子との間の導通を切り離すことで前記逆バイアス電圧の印加を停止することが可能な逆バイアス切り離し用のスイッチング素子と、
前記主スイッチング素子の駆動制御端子と接地ラインとの間に介装され、前記主スイッチング素子の駆動制御端子と前記接地ラインとを短絡することが可能な逆バイアス消去用のスイッチング素子と
を備え、
前記主スイッチング素子がターンオンする直前に前記逆バイアス切り離し用のスイッチング素子により前記逆バイアス電圧の印加が停止されるとともに、前記逆バイアス消去用のスイッチング素子により前記主スイッチング素子の駆動制御端子と前記接地ラインとが短絡されることを特徴とするゲート駆動回路。 A gate driving circuit for controlling on / off of a normally-off type main switching element,
A capacitor for applying a reverse bias voltage to the drive control terminal of the main switching element in the off state;
A switching element for reverse bias disconnection, which is connected in series to the capacitor and capable of stopping application of the reverse bias voltage by disconnecting conduction between the capacitor and the main switching element;
A reverse bias erasing switching element interposed between a drive control terminal of the main switching element and a ground line, and capable of short-circuiting the drive control terminal of the main switching element and the ground line;
Immediately before the main switching element is turned on, application of the reverse bias voltage is stopped by the reverse bias disconnection switching element, and the drive control terminal of the main switching element is connected to the ground by the reverse bias erasing switching element. A gate driving circuit characterized in that a line is short-circuited.
前記コンデンサおよび前記逆バイアス切り離し用のスイッチング素子に加えて、前記コンデンサと前記逆バイアス切り離し用のスイッチング素子の直列回路に対して並列に接続されて前記逆バイアス電圧の大きさを制御し前記主スイッチング素子の駆動制御端子に対して所定の駆動電流を供給する定電圧素子を有し、出力端子が前記主スイッチング素子の前記駆動制御端子に導通接続される駆動パルス伝達用並列回路と、
前記駆動パルス伝達用並列回路の入力端子に対して、前記制御部から出力される前記駆動パルスを一定の短時間遅延させた実効パルスを生成し出力する遅延回路と、
前記制御部からの前記駆動パルスと前記遅延回路からの前記実効パルスとを入力として、前記主スイッチング素子のオフ状態からオン状態への遷移期間において、前記逆バイアス切り離し用のスイッチング素子をオフするとともに前記逆バイアス消去用のスイッチング素子をオンするための逆バイアスリセットパルスを生成する逆バイアスリセット回路とをさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載のゲート駆動回路。 A control unit that outputs a drive pulse in which an active level and an inactive level are alternately repeated;
In addition to the capacitor and the reverse bias disconnection switching element, the main switching circuit is connected in parallel to a series circuit of the capacitor and the reverse bias disconnection switching element to control the magnitude of the reverse bias voltage. A parallel circuit for driving pulse transmission having a constant voltage element for supplying a predetermined driving current to the driving control terminal of the element, and an output terminal electrically connected to the driving control terminal of the main switching element;
A delay circuit that generates and outputs an effective pulse obtained by delaying the drive pulse output from the control unit for a predetermined short time with respect to an input terminal of the drive pulse transmission parallel circuit;
With the drive pulse from the control unit and the effective pulse from the delay circuit as inputs, the switching element for reverse bias separation is turned off in the transition period from the off state to the on state of the main switching element. The gate drive circuit according to claim 1, further comprising a reverse bias reset circuit that generates a reverse bias reset pulse for turning on the switching element for reverse bias erasing.
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