JP2017158013A

JP2017158013A - 半導体スイッチ素子の駆動回路

Info

Publication number: JP2017158013A
Application number: JP2016039041A
Authority: JP
Inventors: 仁浩西嶋; Kimihiro Nishijima
Original assignee: Oita University
Current assignee: Oita University
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-03-01
Also published as: JP6754998B2

Abstract

【課題】ＬＣ共振回路によって生成した正弦波によって半導体スイッチ素子を駆動するための回路において、共振条件を可変することが可能な駆動回路を提供する。【解決手段】半導体スイッチ素子の駆動回路は、少なくとも２個のスイッチ素子を直列に接続し、その両端を直流電源の正極及び負極に接続したハーフブリッジ回路と、前記ハーフブリッジ回路における中点電位を形成するための直流バイアスコンデンサと、前記ハーフブリッジ回路及び直流バイアスコンデンサによって形成された矩形波電圧を正弦波電圧に変換するためのＬＣ共振回路であって、インダクタと可変容量コンデンサを含むＬＣ共振回路と、前記ＬＣ共振回路によって形成された正弦波電圧によって駆動される半導体スイッチ素子と、を備え、前記ＬＣ共振回路は、前記可変容量コンデンサと前記半導体スイッチ素子の寄生容量との合成容量と、インダクタで形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体スイッチ素子の駆動回路に関し、特に、ＧａＮパワーデバイスのような高速応答可能なスイッチデバイスを効率的に且つ安定して駆動することが可能な半導体スイッチ素子の駆動回路に関する。

近年、電力変換回路におけるスイッチング周波数の高周波化が求められている。この背景としてまず、受動部品の小型化があげられる。電圧の平滑を行うチョークコイルとキャパシタの大きさは電源内において大きな比重を示すため、回路の小型化という点で大きな意味を持つ。次に、電源の負荷変動に対する高速応答化という点があげられる。高周波によるスイッチングにより、負荷変動に対して良好な過渡応答を得ることができる。

次世代のパワーデバイスとして注目されているＧａＮデバイスの登場によって、ＭＨｚ帯のスイッチング周波数で動作するスイッチング電源の開発が進んでいる。このようなスイッチ素子を駆動する場合は矩形波電圧を用いるのが一般的である。しかしながら矩形波で高周波スイッチングする場合、スイッチング損失の増大を引き起こすだけでなく、ゲート電圧のリンギングが生じ、スイッチの誤動作や放射ノイズ等の問題の要因となる。

これに対し、正弦波電圧を用いた駆動回路は、ゲート電圧のリンギングが発生することがなく、また、ゲートの充放電エネルギーを回生できるといった利点を有している。しかしながら、正弦波をＬＣ共振回路によって生成しているため、半導体スイッチ素子の駆動周波数と共振周波数を一致させて動作させる必要がある。共振現象を利用した従来の駆動回路では、インダクタとコンデンサの共振周波数が固定値であるため、半導体スイッチ素子の駆動周波数を可変することが難しかった。駆動周波数を可変しようとすると、共振電圧波形の増減により、駆動対象となる半導体スイッチ素子の駆動端子の耐圧を超え、或いは、駆動するための閾値以下となるなどの問題が生じる。

本発明に係る分野の一般的技術水準を示すものとして、特許文献１がある。

特開２０１５−２２８７６０号公報

本発明では、従来の半導体スイッチ素子のゲート駆動回路における上記の問題点を解決するためになされたものであり、ＬＣ共振回路によって生成した正弦波によって半導体スイッチ素子を駆動するための回路において、駆動波形の共振条件や実効電圧値を可変することが可能な駆動回路を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様では、少なくとも２個のスイッチ素子を直列に接続し、その両端を直流電源の正極及び負極に接続したハーフブリッジ回路と、前記ハーフブリッジ回路における中点電位を形成するための直流バイアスコンデンサと、前記ハーフブリッジ回路及び直流バイアスコンデンサによって形成された矩形波電圧を正弦波電圧に変換するためのＬＣ共振回路であって、インダクタと可変容量コンデンサを含むＬＣ共振回路と、前記ＬＣ共振回路によって形成された正弦波電圧によって駆動される半導体スイッチ素子と、を備え、前記ＬＣ共振回路は、前記可変容量コンデンサと前記半導体スイッチ素子の寄生容量との合成容量と、インダクタで形成されている、半導体スイッチ素子の駆動回路を提供する。

第１の態様の駆動回路において、前記半導体スイッチ素子のゲート端子は、前記ＬＣ共振回路のインダクタンスと可変容量コンデンサの接続点に接続されていても良い。また、前記可変容量素子は、電圧の印加によって静電容量を変化させるものであって良い。更に、前記半導体スイッチ素子はＧａＮパワーデバイスであっても良い。

本発明の第２の態様では、少なくとも２個のスイッチ素子を直列に接続し、その両端を直流電源の正極及び負極に接続したハーフブリッジ回路と、前記ハーフブリッジ回路における中点電位を形成するための直流バイアスコンデンサと、前記直流バイアスコンデンサと前記直流電源の一方の端子間に接続されたインダクタと可変容量コンデンサからなる直列回路と、半導体スイッチ素子と、前記可変容量コンデンサの両端に接続された１次巻線と前記半導体スイッチ素子のゲート・ソース間に接続された２次巻線とを有するトランスと、を備え、前記可変容量コンデンサと前記トランスの巻線比で変換された前記半導体スイッチ素子のゲート・ソース間容量との合成容量と、前記インダクタとによって、前記半導体スイッチ素子のゲートを駆動する正弦波電圧を生成するＬＣ共振回路が形成されている、半導体スイッチ素子の駆動回路を提供する。

第２の態様の駆動回路において、前記トランスはパルストランスであっても良い。また、前記可変容量コンデンサは、電圧の印加によって静電容量を変化させるものであっても良い。更に、前記半導体スイッチ素子をＧａＮパワーデバイスで構成しても良い。

本発明の半導体スイッチ素子の駆動回路では、ハーフブリッジ回路を構成する各スイッチ素子及び／またはスイッチング駆動対象の半導体スイッチ素子に製造上のバラツキが生じ、それらの発振周波数がずれた場合でも、ＬＣ共振回路における可変容量コンデンサの容量を調整することにより、共振周波数と半導体スイッチ素子の駆動周波数とを一致させること、あるいは両者を特定の関係で動作させること、が可能となる。その結果、機器の信頼性の向上や製造上の歩留まりの向上が期待できる。

また、可変容量コンデンサの容量を調整することにより、駆動対象である半導体スイッチ素子のＯＮ時間を制御することができるので、これにより、ＬＬＣコンバータのような周波数制御方式のコンバータに対しても適用が可能となる。また、ＬＣ共振回路における可変容量コンデンサの容量を調整することにより、駆動対象となる半導体スイッチ素子に印加する駆動電圧波形の実効値を一定値に保つ、あるいは、所望の値に可変させることが出来るので、駆動対象となる半導体スイッチ素子の駆動端子の耐圧を超え、或いは、駆動するための閾値以下となるなどの問題を抑制できる。

本発明の第１の実施形態に係る、半導体スイッチ素子の駆動回路を示す図。本発明の第２の実施形態に係る、半導体スイッチ素子の駆動回路を示す図。図２に示す回路の等価回路図。可変容量コンデンサの等価回路図。可変容量コンデンサの印加電圧対容量特性を示すグラフ。本発明の第２の実施形態に係る半導体スイッチ素子の駆動回路の試作機の仕様を示す図。図６に示す仕様の試作機におけるＧａＮデバイスのドレイン・ソース間電圧とゲート・ソース間電圧波形を示す図。

図１に、本発明の第１の実施形態に係る半導体スイッチ素子の駆動回路を示す。図１において、１は駆動対象である半導体スイッチ素子であり、例えば、ＧａＮを材料とするスイッチ素子、いわゆるＧａＮパワーデバイスである。２、３は、例えばＳｉのＭＯＳＦＥＴで形成され互いに直列に接続された第１、第２のスイッチ素子であり、直列接続の両端に直流電源Ｖ_ｉが接続される。第１、第２のスイッチ素子２、３は、固定磁比率５０％で互いにＯＮ／ＯＦＦ動作するように構成されており、これによって、ハーフブリッジ回路４が形成される。通常、第１、第２のスイッチ素子２、３はドライブＩＣとして一体に形成される。Ｃ_ｂｉａｓは、第１、第２のスイッチ素子２、３の接続点と直流電源Ｖ_ｉの一端（正極または負極）間に接続された直流バイアスコンデンサであり、中点電位Ｖ_ｉ／２を形成している。これにより直流バイアスコンデンサＣ_ｂｉａｓの後段には、電圧が交流分のみの矩形波電圧が形成される。

直流バイアスコンデンサＣ_ｂｉａｓで形成された矩形波電圧は、ＬＣ共振回路５によって正弦波電圧に変換され、半導体スイッチ素子１のゲート端子に入力される。ＬＣ共振回路５は、インダクタＬ_ｒと駆動対象である半導体スイッチ素子１の寄生容量（ゲート・ソース間容量）Ｃ_ＧＳ、更に、可変容量コンデンサＣ_ｖで構成される。可変容量コンデンサＣ_ｖは、インダクタＬ_ｒと直流電源Ｖ_ｉの一端間に挿入されている。

図１の回路において、直流バイアスコンデンサＣ_ｂｉａｓから出力される矩形波電圧を正弦波電圧に変換する共振回路５の共振周波数ｆ_ｒは、以下の式（１）に従って算出することができる。

式（１）において、分母は共振点を示す。

上記式（１）によって決定される共振周波数ｆ_ｒを、ハーフブリッジ回路４の駆動周波数ｆ_０とほぼ一致させる（ｆ_ｒ≒ｆ_０）ことによって、図１の回路により、半導体スイッチ素子１のゲートに共振周波数ｆ_ｒの正弦波電圧を供給することができる。従って、例えば製造上のバラツキなどにより、ドライブＩＣの駆動周波数や、駆動対象である半導体スイッチ素子の共振周波数が変化した場合でも、可変容量コンデンサＣ_ｖの容量を調節することにより、共振周波数を補正することが可能となる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る半導体スイッチ素子の駆動回路を示す。この実施形態の回路は、駆動対象である半導体スイッチ素子１を、トランスＴによって、直流電源Ｖ_ｉを含む駆動回路側から絶縁した（ｉｓｏｌａｔｅｄ）構成を有する。

図３は、図２に示す回路の等価回路を示す。図３のＶ_ｐは、図２の回路における直流バイアスコンデンサＣ_ｂｉａｓの方形波出力電圧を示し、コンデンサＣ_ｉは、半導体スイッチ素子１のゲート・ソース間容量Ｃ_ＧＳをトランスＴの巻線比によって変換したものを示す。トランスＴにパルストランスを用いた場合は、巻数比によってゲート容量が変換されるので、コンデンサＣ_ｉは、

で示される容量を有する。ここで、Ｎ_１はトランスＴの１次側巻数を、Ｎ_２は２次側巻数を示す。従って、図２に示す駆動回路における共振回路５’の共振周波数ｆ_ｒは、以下の式（３）によって与えられる。

この実施形態の場合も、第１の実施形態の場合と同様に、可変容量コンデンサＣ_ｖの容量を可変することによって、共振条件を変更することが可能となる。

可変容量コンデンサＣ_ｖとして、例えば、太陽誘電（株）社製のものが使用可能である。図４に、このような可変容量コンデンサＣ_ｖの等価回路を示す。可変容量コンデンサＣ_ｖは、図４に示す様に４つの端子を持っており、Ｐｏｗｅｒ端子とＧＮＤ端子間に印加する電圧によって、ＳＩＧ＋端子とＳＩＧ−端子の間の静電容量が変化するという特性を持っている。本来、無線通信の共振周波数マッチング等の用途に使われるものなので、一素子当たりの容量は１３０［ｐＦ］前後と小さく、サイズも１ｍｍ×０．５ｍｍと小型である。そのため、本実施形態では、この可変容量素子を八並列に並べたものを可変容量コンデンサＣ_ｖとして用いた。

図５に、この可変容量コンデンサＣ_ｖの静電容量可変特性の一例を示す。横軸にコンデンサＣ_ｖのＰｏｗｅｒ端子とＧＮＤ端子間への印加電圧（Ａｐｐｌｉｅｄｖｏｌｔａｇｅ）Ｖｔを、縦軸に印加電圧０時の容量Ｃ_０に対する電圧印加時の容量ΔＣの割合（ΔＣ／Ｃ_０［％］）を示す。図５に示すように、印加電圧が０Ｖの時の容量Ｃ_０は１０００［ｐＦ］であるが、印加電圧Ｖｔ＝５Ｖの場合は容量が約５０％、印加電圧Ｖｔ＝１０Ｖの場合は約７０％の減少となる。

なお、図４及び図５に示す可変容量コンデンサＣ_ｖは、図２に示す第２の実施形態の駆動回路のみならず、図１に示す第１の実施形態の駆動回路に適用されることは勿論である。

図６に、第２の実施形態に係る駆動回路の試作機の一例を示す。この試作機では、ハーフブリッジ回路４を構成するドライブＩＣ（ＤｒｉｖｅＩＣ）に、ＴＩ社のＬＭ５１１３を用いた。インダクタＬｒを７００ｎＨ、直流電源Ｖ_ｉを７Ｖとしている。半導体スイッチ素子１として、ＥＰＣ社製のＧａＮスイッチ素子（ＥＰＣ２００１）の駆動を試みた。このスイッチ素子１は、１００Ｖ耐圧、オン抵抗７ｍΩの素子で、ゲート・ソース間容量（入力容量）Ｃ_ＧＳは８５０ｐＦである。パルストランスＴの巻数比を２：１としているので、式（２）より約２１３ｎＦに１次側等価変換され、可変容量コンデンサＣ_ｖと並列接続される。可変容量コンデンサＣ_ｖは１０００ｐＦ〜３００ｐＦに可変できるものを用いた。これらの値を式（３）に代入すると、理論上は、半導体スイッチ素子１のゲート駆動周波数即ち共振周波数ｆ_ｒを、５．５ＭＨｚ〜８．４ＭＨｚに可変できることになる。

図７に、図６に示す駆動回路における、ＧａＮスイッチ素子１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_ｏｕｔとゲート・ソース間電圧Ｖ_ＧＳの各波形を示す。可変容量コンデンサＣ_ｖに電圧を印可してその容量を変化させることで、スイッチング周波数ｆ_ｒを５．８ＭＨｚ（図７（ａ））、６．７ＭＨｚ（図７（ｂ））、８ＭＨｚ（図７（ｃ））に可変することが出来た。スイッチング周波数ｆ_ｒを可変しても、ＧａＮスイッチ素子１の出力電圧はほぼ３Ｖに保たれていることが分かる。

１半導体スイッチ素子
２、３第１、第２のスイッチ素子
４ハーフブリッジ回路
５、５’ ＬＣ共振回路
Ｖ_ｉ直流電源
Ｃ_ｂｉａｓ直流バイアスコンデンサ
Ｃ_ｖ可変容量コンデンサ
Ｃ_ＧＳ半導体スイッチ素子のゲート・ソース間容量
Ｔトランス

Claims

少なくとも２個のスイッチ素子を直列に接続し、その両端を直流電源の正極及び負極に接続したハーフブリッジ回路と、
前記ハーフブリッジ回路における中点電位を形成するための直流バイアスコンデンサと、
前記ハーフブリッジ回路及び直流バイアスコンデンサによって形成された矩形波電圧を正弦波電圧に変換するためのＬＣ共振回路であって、インダクタと可変容量コンデンサを含むＬＣ共振回路と、
前記ＬＣ共振回路によって形成された正弦波電圧によって駆動される半導体スイッチ素子と、を備え、
前記ＬＣ共振回路は、前記可変容量コンデンサと前記半導体スイッチ素子の寄生容量との合成容量と、前記インダクタで形成されている、半導体スイッチ素子の駆動回路。
請求項1に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記半導体スイッチ素子のゲート端子は、前記ＬＣ共振回路のインダクタンスと可変容量コンデンサの接続点に接続される、半導体スイッチ素子の駆動回路。
請求項１または２に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記可変容量素子は、電圧の印加によって静電容量を変化させるものである、半導体スイッチ素子の駆動回路。
請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記半導体スイッチ素子はＧａＮパワーデバイスである、半導体スイッチ素子の駆動回路。
少なくとも２個のスイッチ素子を直列に接続し、その両端を直流電源の正極及び負極に接続したハーフブリッジ回路と、
前記ハーフブリッジ回路における中点電位を形成するための直流バイアスコンデンサと、
前記直流バイアスコンデンサと前記直流電源の一方の端子間に接続されたインダクタと可変容量コンデンサからなる直列回路と、
半導体スイッチ素子と、
前記可変容量コンデンサの両端に接続された１次巻線と前記半導体スイッチ素子のゲート・ソース間に接続された２次巻線とを有するトランスと、を備え、
前記可変容量コンデンサと前記トランスの巻線比で変換された前記半導体スイッチ素子のゲート・ソース間容量との合成容量と、前記インダクタとによって、前記半導体スイッチ素子のゲートを駆動する正弦波電圧を生成するＬＣ共振回路が形成されている、半導体スイッチ素子の駆動回路。
請求項５に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記トランスはパルストランスである、半導体スイッチ素子の駆動回路。
請求項５または６に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記可変容量コンデンサは、電圧の印加によって静電容量を変化させるものである、半導体スイッチ素子の駆動回路。
請求項５乃至７の何れか１項に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記半導体スイッチ素子はＧａＮパワーデバイスである、半導体スイッチ素子の駆動回路。