JP5811961B2 - Semiconductor device drive circuit - Google Patents
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Description
本発明は、駆動対象スイッチング素子を駆動する半導体素子駆動回路に関する。 The present invention relates to a semiconductor element drive circuit for driving a drive target switching element.
電子機器は年々小型化が要望されているが、これに伴い、例えば電子機器の内蔵電源の小型化も求められている。電子機器の内蔵電源には電力変換効率の良いスイッチング電源回路が広く用いられる。この電源はリアクトル、コンデンサなどの受動部品に蓄積されたエネルギーをスイッチングにより充放電してエネルギーを変換する。このようなスイッチング電源回路は一般にエネルギーを蓄積するための受動部品が体格の大半を占める。 Although electronic devices are required to be downsized year by year, for example, downsizing of a built-in power source of electronic devices is also required. A switching power supply circuit with high power conversion efficiency is widely used as a built-in power supply for electronic equipment. This power source converts energy by charging and discharging energy stored in passive components such as a reactor and a capacitor by switching. In general, passive components for storing energy generally occupy most of such a switching power supply circuit.
したがって、スイッチング電源回路を小型化するため受動部品の体格を低減すると良い。受動部品の小型化にとって最も有効な手法はスイッチング周波数の高周波数化である。しかしスイッチング周波数を高周波数化するとスイッチング損失は増加する。スイッチング損失が増加すると当該スイッチング素子の発熱量が増加するため、例えば放熱フィンなどの体格を大きくしなければならない。スイッチング損失を増加させないようにするため、スイッチング周波数を高周波数化するには駆動対象スイッチング素子の制御端子に高速で駆動信号を印加することが望まれる。 Therefore, it is preferable to reduce the size of the passive component in order to reduce the size of the switching power supply circuit. The most effective method for downsizing passive components is to increase the switching frequency. However, when the switching frequency is increased, the switching loss increases. When the switching loss increases, the amount of heat generated by the switching element increases. For example, the size of the radiating fins must be increased. In order not to increase the switching loss, in order to increase the switching frequency, it is desirable to apply a drive signal to the control terminal of the drive target switching element at a high speed.
ところが、このような高速スイッチングを信頼性良く実現するには、スイッチング時に増加する電磁ノイズで誤点孤する可能性をなくしながら駆動する必要がある。したがって、ターンオンの際にスレッショルド電圧より充分に高い電圧で点孤することが望ましく、ターンオフの際には十分に低い電圧で点孤することが望まれる。高度に複雑な駆動方法を用いる場合には、特に駆動回路自体の体格の増大化に繋がるため、簡便な回路を用いて実現することも実用化にとって重要な要件となる。 However, in order to realize such high-speed switching with high reliability, it is necessary to drive while eliminating the possibility of false spots due to electromagnetic noise that increases during switching. Therefore, it is desirable to ignite at a voltage sufficiently higher than the threshold voltage at the time of turn-on, and it is desirable to ignite at a voltage sufficiently lower at the time of turn-off. When a highly complicated driving method is used, it leads to an increase in the physique of the driving circuit itself, so that it is also an important requirement for practical use to realize it using a simple circuit.
例えば、特許文献1にゲート駆動回路が提案されている。この特許文献1のゲート駆動回路は、電源から負電源の駆動用電源を作成するものである。この方式では複数のトランジスタと1つのコンデンサとを用いて正負の駆動信号を作成できる。また、特許文献2にもゲート駆動回路が提案されている。この特許文献2のゲート駆動回路は、駆動用の高電圧電源について電源からチャージポンプにより昇圧することで作成し、また、もう1つのチャージポンプで負電源の駆動用電源を作成する。この方式では、トランジスタと2つのコンデンサとを用いて正負の駆動電源を作成できる。
For example,
しかしながら、特許文献1記載の技術ではターンオフ時における駆動の高速化は可能であるものの、コンデンサを用いてターンオンするときに駆動対象スイッチング素子の駆動の高速化を図ることが困難である。また、特許文献2記載の技術では、コンデンサを複数必要とするため当該コンデンサの体格の小型化に不向きである。
However, although the technology described in
駆動対象スイッチング素子の制御端子に対する注入電荷量は、電源電圧をVcc、ゲート抵抗をRge、ゲート酸化膜の抵抗をRgif、とすると、d(Vcc/(ゲート抵抗Rge+ゲート酸化膜の抵抗Rgif)/dt×(ゲート電極の電荷蓄積時間tg)で求められる。前述した特許文献の技術を採用すると、駆動回路のターンオン時においては高電圧を制御端子に印加できないので電荷を多く制御端子に注入できず高速スイッチングできない。なお、これらの課題はスイッチング電源回路に限られず駆動対象スイッチング素子を駆動する回路であれば同様に存在する課題である。 The amount of charge injected to the control terminal of the switching element to be driven is d (Vcc / (gate resistance Rge + gate oxide resistance Rgif) // where Vcc is the power supply voltage, Rge is the gate resistance, and Rgif is the resistance of the gate oxide film. dt × (charge accumulation time tg of gate electrode) If the technique of the above-mentioned patent document is adopted, a high voltage cannot be applied to the control terminal when the drive circuit is turned on, so that a large amount of charge cannot be injected into the control terminal. It should be noted that these problems are not limited to the switching power supply circuit, and exist as long as the circuit drives the switching element to be driven.
本発明の目的は、小容量のコンデンサを用いて構成したとしてもターンオン時の駆動を高速化できると共にターンオフ時には確実にオフし、しかも一方向電源(例えば正電源)のみで正負両電圧を生成して駆動対象スイッチング素子の制御端子を駆動するのに利用できるようにした半導体素子駆動回路を提供することにある。 The object of the present invention is to increase the drive speed at turn-on even when configured with a small-capacitance capacitor, to reliably turn off at turn-off, and to generate both positive and negative voltages with only a unidirectional power supply (for example, a positive power supply). Another object of the present invention is to provide a semiconductor element driving circuit which can be used for driving a control terminal of a driving target switching element.
請求項1記載の発明によれば、コンデンサとして駆動対象スイッチング素子の制御端子に寄生する容量と同程度の容量値のものを用いて駆動できるため、当該コンデンサは容量値の小さなものでも当該容量を充放電することで駆動対象スイッチング素子を十分に駆動できる。また、制御回路は駆動用電圧を一方向に充電し当該充電電圧を当該一方向に昇圧レベルシフトしてオン駆動電圧として駆動対象スイッチング素子の制御端子に過渡的に印加しているため、たとえ小容量のコンデンサを用いて構成したとしても高電圧を瞬時に印加することができターンオン時の駆動を高速化できる。また、ターンオン時の過渡的なオン駆動電圧印加後にはオン駆動標準電圧として駆動用電圧を印加しているので駆動対象スイッチング素子をオン状態に保持できる。 According to the first aspect of the present invention, since the capacitor can be driven by using a capacitor having a capacitance value comparable to that of the capacitor parasitic to the control terminal of the drive target switching element, even if the capacitor has a small capacitance value, the capacitance is not reduced. The drive target switching element can be sufficiently driven by charging and discharging. In addition, since the control circuit charges the drive voltage in one direction, shifts the charge voltage to the boost level in the one direction, and transiently applies it as an on drive voltage to the control terminal of the drive switching element. Even if a capacitor with a capacitance is used, a high voltage can be applied instantaneously, and the drive speed at turn-on can be increased. Further, since the driving voltage is applied as the on-drive standard voltage after the transient on-drive voltage is applied at the turn-on time, the drive target switching element can be held in the on state.
また、コンデンサに駆動用電圧を逆方向に充電した後当該充電電圧をオフ駆動電圧として駆動対象スイッチング素子の制御端子に過渡的に印加しているため、例えば電磁ノイズなどが制御端子に重畳したとしても駆動対象スイッチング素子を確実にターンオフできる。また、ターンオフ時の過渡的なオフ駆動電圧印加後にはオフ駆動標準電圧として第2電源線の電圧を印加しているので駆動対象スイッチング素子をオフ状態に保持できる。これにより、一方向電源のみで正負両電圧を駆動対象スイッチング素子の駆動制御に利用できるようになる。 In addition, after charging the driving voltage to the capacitor in the reverse direction, the charging voltage is transiently applied to the control terminal of the switching element to be driven as an off-driving voltage, so that for example, electromagnetic noise is superimposed on the control terminal. In addition, the driven switching element can be reliably turned off. In addition, since the voltage of the second power supply line is applied as the off-drive standard voltage after applying the transient off-drive voltage at the turn-off time, the drive target switching element can be held in the off state. As a result, both positive and negative voltages can be used for driving control of the drive target switching element using only a unidirectional power supply.
(第1実施形態)
以下、第1実施形態について図1〜図3を参照しながら説明する。駆動回路1は、半導体集積回路装置Aの内部に構成され、外部直流電源電圧Vccを入力して動作し、出力端子OUTを通じてメイントランジスタ(駆動対象スイッチング素子)2の制御端子が外部に接続されている。
(First embodiment)
The first embodiment will be described below with reference to FIGS. The
この駆動回路1はゲート電位Vgをメイントランジスタ2のゲート(制御端子)に印加することでメイントランジスタ2を駆動する。このメイントランジスタ2としては、IGBTまたは縦型DMOS構造のNチャネルタイプMOSトランジスタなどを適用できる。
The
図示していないが、メイントランジスタ2の駆動対象としてモータなどを適用しても良い。また、スイッチング電源回路などに適用するときには、降圧DCDCコンバータのロウサイド駆動トランジスタとして用いても良い。この場合、ハイサイド側に誘導性負荷を接続して構成される。また、ハイサイド側に抵抗を接続して構成しても良い。なお、以下ではロウサイド側にメイントランジスタ2を構成した形態を示すが、ハイサイド側にメイントランジスタ2を構成した回路を適用しても良い。
Although not shown, a motor or the like may be applied as a drive target of the
駆動回路1は、Hブリッジ回路3、コンデンサ4、双方向スイッチ5を備える。第1および第2電源線N1およびN2間には電源電圧Vcc(例えばVcc=3.3V、5V又は15Vなどの直流電源電圧)が与えられる。このとき第1電源線N1には電源電位Vccが与えられると共に、第2電源線N2にはグランド電位GNDが与えられ、Hブリッジ回路3はこれらの第1電源線N1および第2電源線N2に接続される。これにより、Hブリッジ回路3には直流電源電圧Vccが与えられる。この直流電源電圧Vccはメイントランジスタ2のゲート定格電圧に設定される。Hブリッジ回路3は、4つの例えば電圧駆動型の半導体スイッチング素子(例えばP又はNチャネル型のMOSトランジスタ:以下トランジスタ)S1〜S4をHブリッジ形態で接続して構成される。
The
第1電源線N1と第2電源線N2との間にはトランジスタS1およびS2の直列回路が接続され、さらに第1電源線N1と第2電源線N2との間にはトランジスタS3およびS4の直列回路が接続される。そして、トランジスタS1およびS2の共通接続ノードN3とトランジスタS3およびS4の共通接続ノードN4との間にコンデンサ4が接続される。
A series circuit of transistors S1 and S2 is connected between the first power supply line N1 and the second power supply line N2, and further, a series of transistors S3 and S4 is connected between the first power supply line N1 and the second power supply line N2. The circuit is connected.
双方向スイッチ5は、トランジスタS3およびS4の共通接続ノードN4と出力端子OUTとの間に接続される。双方向スイッチ5は互いに直列接続した2つのMOSトランジスタ(以下トランジスタ)S5〜S6をノードN4と出力端子OUTとの間に接続して構成されている。
The
この双方向スイッチ5を構成するトランジスタS5およびS6にはそれぞれダイオードが逆方向並列接続されている。このとき、トランジスタS5にはノードN4から出力端子OUT側にダイオードが順方向並列接続されると共に、トランジスタS6には出力端子OUTからトランジスタS5側に順方向並列接続されている。制御回路6は、各トランジスタS1〜S6にオンオフ駆動制御信号を印加することで目標のゲート駆動電圧をメイントランジスタ2に印加する。
Diodes are connected in reverse direction in parallel to the transistors S5 and S6 constituting the
図2の実回路構成例では、トランジスタS1、S3及びS5としてPチャネル型のMOSトランジスタを使用し、トランジスタS2、S4及びS6としてNチャネル型のMOSトランジスタを使用している。下記に動作説明を行うが、下記の動作を実現できれば、各トランジスタS1〜S6は異なる導電型のMOSトランジスタを使用しても良い。またトランジスタの種類は前記の種類に限られるものではない。 In the actual circuit configuration example of FIG. 2, P-channel MOS transistors are used as the transistors S1, S3, and S5, and N-channel MOS transistors are used as the transistors S2, S4, and S6. The operation will be described below. As long as the following operation can be realized, each of the transistors S1 to S6 may use a MOS transistor having a different conductivity type. The type of transistor is not limited to the above type.
以下、前述構成の駆動回路1について、メイントランジスタ2の駆動制御動作を説明する。図3には、制御回路6により各トランジスタS1〜S6を駆動制御するタイミングと各部の電圧変化とをタイミングチャートで示している。ここで、電位V1はノードN3の電位、電位V2はノードN4の電位、電位V3はトランジスタS5およびS6の共通接続ノードN5の電位、ゲート電位Vgは出力端子OUTの電位を示す。初期状態ではトランジスタS1〜S6は全てオフ状態と仮定して説明を行う。
Hereinafter, the drive control operation of the
まず、制御回路6はトランジスタS2およびS3をターンオンする(図3の(1)参照)。このターンオンする順番は何れを先にしても良いし同時でも良い。すると、コンデンサ4が帯電しノードN4の電位V2が電源電位Vccまで上昇する。このとき、トランジスタS5の並列接続ダイオードを通じてトランジスタS5およびS6の共通接続ノードN5の電位V3もほぼ同電位となる。
First, the
次に、制御回路6はトランジスタS2およびS3をターンオフする(図3の(2)区間参照)。このターンオフする順序は、何れのトランジスタS2、S3を先にしても良いし同時でも良い。なお、図3の(3)区間ではトランジスタS1をオン制御するが、トランジスタS1およびS2が同時オンすると電源電圧Vccが短絡してしまうため図3の(2)区間を設けている。また、トランジスタS1およびS3を同時オンするとコンデンサ4の充電電荷が電源Vcc側に回生してしまうため、図3の(2)区間はこの動作異常を防ぐための区間でもある。
Next, the
次に、制御回路6はトランジスタS1をターンオンする(図3の(3)参照)。すると、電源電位VccがノードN3に通電され、ノードN4の電位V2がほぼ電源電位Vccだけ昇圧レベルシフトし、電位V2が昇圧電位+2Vccとなる。これに伴い、ノードN5の電位V3もほぼ電位+2Vccとなる。
Next, the
次に、制御回路6はトランジスタS6をターンオンする(図3の(4)参照)。すると、ノードN5の電位V3がメイントランジスタ2のゲートに通電され、メイントランジスタ2のゲート電位Vgが電位V3とほぼ同電位に瞬時的に上昇する(図3の(4)区間のゲート電位Vg参照)。これによりメイントランジスタ2はオンする。
Next, the
この後、制御回路6はトランジスタS3をターンオンする(図3の(5)参照)。すると、コンデンサ4の両端子が共に強制的に電源電位Vccになる。したがってノードN4およびN5並びにゲート電位Vgは徐々に低下し(図3の(5)区間参照)、電源電位Vccまで低下する。これによりコンデンサ4の端子間電圧をほぼ0Vにでき当該コンデンサ4の電荷蓄積量をほぼ0にできる。次に、制御回路6はトランジスタS1をターンオフする(図3の(6)区間参照)。これらの(5)および(6)区間では、トランジスタS3およびS6を通じてメイントランジスタ2のゲートに電源電位+Vccを印加しているので、メイントランジスタ2はオン状態が保持される。
Thereafter, the
次に、トランジスタS3、S6をターンオフする(図3の(7)区間参照)。これらのトランジスタS3、S6をターンオフする順序は何れを先にしても良いし同時でも良い。このとき、ノードN3〜N5には他の電流経路が存在しなくなるため、ノードN3〜N5および出力端子OUTの電位はほぼ電源電位+Vccのままで変化しない。したがってメイントランジスタ2はオン状態が保持される。
Next, the transistors S3 and S6 are turned off (see section (7) in FIG. 3). Any of these transistors S3 and S6 may be turned off first or simultaneously. At this time, since no other current paths exist in the nodes N3 to N5, the potentials of the nodes N3 to N5 and the output terminal OUT remain almost the same as the power supply potential + Vcc. Therefore, the
次に、制御回路6はトランジスタS1およびS4をターンオンする(図3の(8)参照)。これらのトランジスタS1、S4をターンオンする順序は何れを先にしても良いし同時でも良い。ノードN3及びN4間に電圧が印加されるためコンデンサ4に充電される。ノードN3の電位V1が電源電位+Vccに維持され、ノードN4の電位V2がグランド電位GND(0V)となる。
Next, the
次に、制御回路6はトランジスタS1およびS4をターンオフする(図3の(9)参照)。これらのトランジスタS1、S4をターンオフする順序は何れを先にしても良いし同時でも良い。(9)区間では電流通電経路が存在しないため、ノードN3〜N5の電位V1〜V3および出力端子OUTにおけるゲート電位Vgは(8)区間の電位から変化しない。
Next, the
次に、制御回路6はトランジスタS2をターンオンする(図3の(10)参照)。すると、ノードN3の電位V1がほぼグランド電位GND(0V)になるため、ノードN4の電位V2が降圧レベルシフトし電位−Vccになる。なお、トランジスタS5、S6が共にオフにされているため、ノードN5の電位V3もゲート電位Vgも図3の(9)区間における電位+Vccが保持される。
Next, the
次に、制御回路6はトランジスタS5をターンオンする(図3の(11)参照)。すると、ノードN5の電位V3がノードN4の電位V2(≒−Vcc)と瞬時的に同電位となり、出力端子OUTの電位もトランジスタS6の並列接続ダイオードを通じてほぼ同電位となる。これによりメイントランジスタ2のゲート容量の電圧が放電されることになりメイントランジスタ2はオフ状態に遷移する。
Next, the
次に、制御回路6はトランジスタS4をターンオンする(図3の(12)参照)。すると、ノードN4の電位V2、ノードN5の電位V3をそれぞれほぼ0Vにでき、これにより出力端子OUTの電位をグランド電位GNDにできる(図3の(12)の区間参照)。次に、制御回路6はトランジスタS2をターンオフする(図3の(13)参照)。これらの(12)区間および(13)区間の間、メイントランジスタ2はオフ状態を保持する。
Next, the
次に、制御回路6はトランジスタS4、S5をターンオフする(図3の(14)参照)。これらのトランジスタS4、S5のターンオフは何れを先にしても良いし同時でも良い。トランジスタS4、S5を共にオフしたとしてもメイントランジスタ2はオフ状態を保持できる。そして、(1)区間の動作に戻り、これらの(1)〜(14)の動作状態を繰り返す。これらの中で、メイントランジスタ2をオフ状態からターンオンしてオン状態を維持するのに用いられる制御は(1)〜(7)の区間であり、メイントランジスタ2をオン状態からターンオフしてオフ状態を維持するのに用いられる制御は(8)〜(14)の区間となる。
Next, the
本実施形態によれば、コンデンサ4に電源電圧Vccを一方向に充電し当該充電電圧を一方向に昇圧レベルシフトしてオン駆動電圧(+2Vcc)としてメイントランジスタ2のゲートに過渡的に印加した後、電源電圧Vccをオン駆動標準電圧(Vcc)として印加している。したがって、たとえ小容量のコンデンサ4を用いて構成したとしても、高電圧を瞬時に印加することができターンオン時の駆動を高速化できる。また、ターンオン時の過渡的なオン駆動電圧(+2Vcc)を印加した後にはオン駆動標準電圧として電源電圧+Vccを印加しているのでメイントランジスタ2をオン状態に保持できる。
According to the present embodiment, the
その後、コンデンサ4に電源電圧Vccを逆方向に充電し当該充電電圧をオフ駆動電圧(−Vcc)としてメイントランジスタ2のゲートに過渡的に印加し、続いてグランド電位GNDをオフ駆動標準電圧として印加している。例えば電磁ノイズなどがメイントランジスタ2の制御端子に重畳したとしてもメイントランジスタ2を確実にターンオフできる。また、ターンオフ時の過渡的なオフ駆動電圧(−Vcc)を印加した後にはオフ駆動標準電圧としてグランド電位GNDを印加しているのでメイントランジスタ2をオフ状態に保持できる。このような制御が繰り返される。このような制御を行うことで、正電源電圧+Vccのみで正負両電圧(+2Vcc、+Vcc、−Vcc)を生成することができ、当該正負両電圧をメイントランジスタ2の駆動制御に利用できる。
Thereafter, the
(第2実施形態)
図4および図5は本発明の第2実施形態を示す。前述実施形態と異なるところは図4に示すようにスイッチングスピードを制御するため出力端子OUTにゲート抵抗R1を通電制限回路7として挿入しているところにあり、この通電制限回路7を挿入して構成することが望ましい。また、図5に示すように、ゲート抵抗R2とダイオードD1の直列回路(オン通電制限回路)と、ゲート抵抗R3とダイオードD2の直列回路(オフ通電制限回路)と、を双方向(ターンオン方向、ターンオフ方向)に通電するように並列接続し、これにより通電制限回路7を構成しても良い。本実施形態によれば、前述実施形態と同様の作用効果が得られると共に、メイントランジスタ2のゲートに生じるサージを吸収できる。
(Second Embodiment)
4 and 5 show a second embodiment of the present invention. The difference from the previous embodiment is that a gate resistor R1 is inserted as an
(第3実施形態)
図6は本発明の第3実施形態を示す。前述実施形態と異なるところは、図6に示すように駆動回路1の双方向スイッチ5とメイントランジスタ2のゲートとの間に直列接続体8をさらに備えているところである。この直列接続体8は、コンデンサC1と抵抗R4とを直列接続して構成されるもので、その一端を双方向スイッチ5とメイントランジスタ2のゲートとの間に接続すると共に、その他端をメイントランジスタ2のソース(駆動対象スイッチング素子のオンオフ基準ノード)に接続して構成される。
(Third embodiment)
FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention. The difference from the previous embodiment is that a
この場合、駆動回路1がメイントランジスタ2をターンオンし安定した電圧Vgを当該ゲートに印加し続けるときには、ゲート電位が抵抗R4及びコンデンサC1により保持されることになる。したがって安定した電圧をメイントランジスタ2のゲートに印加できる。例えばハイサイド側、ロウサイド側に図6のメイントランジスタ2のゲート駆動回路を用いて構成した場合を想定すると、両トランジスタ2が共にオフするデッドタイム区間を設けた場合に当該デッドタイム区間内でメイントランジスタ2のゲート電位を安定化できる。
In this case, when the driving
また、例えばメイントランジスタ2のゲート電位Vgを急峻に上昇させるときには、当該直列接続体8に電流が所定のCR時定数で流れることになりゲート容量に注入される電荷量の急上昇を極力抑制できる。したがって、メイントランジスタ2のゲート保護を図ることができる。本実施形態においては、第2実施形態に係る通電制限回路7の構成を組み合わせても良い。
Further, for example, when the gate potential Vg of the
(他の実施形態)
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形または拡張が可能である。
図3の(1)区間では、トランジスタS2をオンした後、トランジスタS3をオンさせると良い。すると、グランド電位GNDに近い側からターンオンすることで各端子電位を安定して固定できるようになり耐ノイズ性を向上できる。
図3の(8)区間では、トランジスタS4をオンした後、トランジスタS1をオンさせると良い。すると、グランド電位GNDに近い側からターンオンすることで各端子電位を安定して固定できるようになり耐ノイズ性を向上できる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and for example, the following modifications or expansions are possible.
In the section (1) of FIG. 3, the transistor S3 is preferably turned on after the transistor S2 is turned on. Then, by turning on from the side close to the ground potential GND, each terminal potential can be stably fixed, and noise resistance can be improved.
In the section (8) of FIG. 3, it is preferable to turn on the transistor S1 after turning on the transistor S4. Then, by turning on from the side close to the ground potential GND, each terminal potential can be stably fixed, and noise resistance can be improved.
図3の(6)および(7)区間では、トランジスタS1をオフ→トランジスタS3、S6をオフとしているが、この切換え順序はこの順に限られない。前述実施形態に示したように、図3のトランジスタS3をトランジスタS1より後のタイミングでオフすることで電源電位Vccをメイントランジスタ2のゲートに安定して印加できる。これは、図3の(13)および(14)区間でも同様である。
In the sections (6) and (7) in FIG. 3, the transistor S1 is turned off and the transistors S3 and S6 are turned off, but this switching order is not limited to this order. As shown in the above embodiment, the power supply potential Vcc can be stably applied to the gate of the
また、図3の(1)区間と(8)区間ではコンデンサ4を充電するが、このコンデンサ4の充電時間についてメイントランジスタ2のコレクタエミッタ間電圧(出力端子間電圧)Vceの電圧を検出し、当該検出電圧Vceに応じてコンデンサ4の充電時間を設定することが望ましい。すると、充電時間を設定できることでスイッチング損失を低減できる。検出方法は、メイントランジスタ2のコレクタエミッタ間に分圧抵抗を挿入し、当該抵抗の分圧電圧を検出する手法が一例として挙げられる。
Further, the
この場合、逐一検出してフィードバック制御する手法を適用しても、設計段階で負荷に応じた分圧電圧を予め検出し例えば制御回路6などに記憶テーブルを用意し、当該記憶テーブルに分圧電圧と負荷の通電状態とを対応付けて記憶して制御するようにしても良い。逐一検出する場合、信号の伝搬遅延の影響を考慮し1周期前の検出電圧Vceを参照してフィードバック制御しても良い。
In this case, even if a method of detecting and feeding back the signal one by one is applied, a divided voltage corresponding to the load is detected in advance at the design stage, for example, a storage table is prepared in the
また、図3の(1)区間と(8)区間において、コンデンサ4の充電時間を制御することで当該コンデンサ4の充電電圧を制御し、メイントランジスタ2のゲートに印加するゲート電位Vgを制御することが望ましい。すると、ゲート電位Vgの高低を制御することができる。この場合、図3の(1)区間の長さはターンオン動作に依存する充電時間であり、図3の(8)区間の長さはターンオフ動作に依存する充電時間であるため、これらの充電時間を個別に制御しても良い。すなわち、図3の(1)区間と(8)区間とは互いに異なる長さであっても良い。すると、メイントランジスタ2を容易にオンオフ制御できる。
3, the charging voltage of the
例えば、ゲート電圧Vgとしてゲート耐圧となる定格電圧(例えば+Vcc)の所定倍(例えば2倍)以上印加しないように充電電圧を制御することでゲートの通電破壊を防止でき劣化を抑制できる。なお、メイントランジスタ2に対するゲート通電初期においては、ゲート抵抗が大きいため定格電圧の2倍程度の電圧を印加してもゲート通電破壊を防止でき劣化を抑制できる。
For example, by controlling the charging voltage so as not to apply a predetermined voltage (for example, twice) of a rated voltage (for example, + Vcc) that is a gate breakdown voltage as the gate voltage Vg, it is possible to prevent energization breakdown of the gate and suppress deterioration. In the initial stage of energization of the gate to the
コンデンサ4の静電容量値をメイントランジスタ2のゲート容量値と同程度にしたり、メイントランジスタ2のゲート容量値より小さい値にすることが望ましい。一例を挙げて説明する。メイントランジスタ2に例えば600V耐圧のIGBTを適用する場合を考慮する。このとき、ゲート−コレクタ間の寄生容量Ccg、ゲート−エミッタ間の寄生容量Cge、コレクタ−エミッタ間の寄生容量Cce、とそれぞれ定義し、ゲート容量Cies=Cgc+Cge、コレクタ容量Coes=Cce+Ccg、Cres=Ccg、と規定すると、例えばCies=4000pF、Coes=400pF、Cres=200pF、程度の値が想定される。
It is desirable that the capacitance value of the
この場合、コンデンサ4の静電容量値は容量Ciesの寄生容量値と同等又はそれ未満の静電容量値のものを用いると良い。このような静電容量値のコンデンサ4を用いると、コンデンサ4の静電容量値を小さくできるため発熱を抑えることができ、例えば放熱器を設けたとしてもその体格を小さくできる。
In this case, the capacitance value of the
図面中、1は駆動回路、2はメイントランジスタ(駆動対象スイッチング素子)、3aは第1直列回路、3bは第2直列回路、4はコンデンサ、5は双方向スイッチ、6は制御回路、7は通電制限回路、N1は第1電源線、N2は第2電源線、N3〜N5はノード、OUTは出力端子、を示す。 In the drawings, 1 is a drive circuit, 2 is a main transistor (drive target switching element), 3a is a first series circuit, 3b is a second series circuit, 4 is a capacitor, 5 is a bidirectional switch, 6 is a control circuit, and 7 is N1 is a first power supply line, N2 is a second power supply line, N3 to N5 are nodes, and OUT is an output terminal.
Claims (12)
駆動用電圧が与えられる第1電源線(N1)および第2電源線(N2)間に第1および第2スイッチ(S1およびS2)を直列接続して構成された第1直列回路(3a)と、
前記第1および第2電源線(N1およびN2)間に第3および第4スイッチ(S3およびS4)を直列接続して構成された第2直列回路(3b)と、
前記第1直列回路の第1および第2スイッチ(S1およびS2)間を共通接続する第1ノード(N3)と前記第2直列回路の第3および第4スイッチ(S3およびS4)間を共通接続する第2ノード(N4)との間に接続され前記駆動対象スイッチング素子の制御端子に寄生する容量と同程度の容量値に設定されるコンデンサ(4)と、
前記駆動対象スイッチング素子の制御端子と前記第3および第4スイッチ(S3およびS4)間の第2ノード(N4)との間に接続された双方向スイッチ(5)と、
前記第1〜第4スイッチ(S1〜S4)のオンオフ制御、および、前記双方向スイッチ(5)の通電オンオフおよび通電方向を切換制御する制御回路(6)と、を備え、
前記制御回路(6)は、前記駆動対象スイッチング素子をオンオフ駆動する1周期の間に、前記第1〜第4スイッチ(S1〜S4)をオンオフ制御すると共に、前記双方向スイッチ(5)の通電オンオフおよび通電方向を切換制御することにより、
前記コンデンサ(4)に前記駆動用電圧を一方向に充電し当該充電電圧を前記一方向に昇圧レベルシフトしオン駆動電圧として前記駆動対象スイッチング素子の制御端子に過渡的に印加した後、前記第2電源線(N2)に対する前記第1電源線(N1)の駆動用電圧(Vcc)をオン駆動標準電圧として印加し、その後、前記コンデンサ(4)に前記駆動用電圧を前記一方向とは逆方向に充電し当該充電電圧をオフ駆動電圧として前記駆動対象スイッチング素子の制御端子に過渡的に印加し、続いて前記第2電源線(N2)に与えられる電圧(GND)をオフ駆動標準電圧として印加することを繰り返すことを特徴とする半導体素子駆動回路。
A semiconductor element driving circuit for energizing and driving a control terminal of a driving target switching element,
A first series circuit (3a) configured by connecting first and second switches (S1 and S2) in series between a first power supply line (N1) and a second power supply line (N2) to which a driving voltage is applied; ,
A second series circuit (3b) configured by connecting third and fourth switches (S3 and S4) in series between the first and second power supply lines (N1 and N2);
A first node (N3) commonly connecting the first and second switches (S1 and S2) of the first series circuit and a third node and a fourth switch (S3 and S4) of the second series circuit are commonly connected. A capacitor (4) connected between the second node (N4) and set to a capacitance value comparable to a capacitance parasitic to the control terminal of the drive target switching element;
A bidirectional switch (5) connected between a control terminal of the drive target switching element and a second node (N4) between the third and fourth switches (S3 and S4);
An on / off control of the first to fourth switches (S1 to S4), and a control circuit (6) for switching and controlling energization on / off and energization direction of the bidirectional switch (5),
The control circuit (6) controls the on / off of the first to fourth switches (S1 to S4) and energizes the bidirectional switch (5) during one cycle in which the driving target switching element is turned on / off. By switching on / off and energizing direction,
After transiently applied to the control terminal of the switching element to be driven with a charged the charging voltage the drive voltage in one direction to the capacitor (4) as a step-up level shift ON drive voltage to the one direction, the first The drive voltage (Vcc) of the first power supply line (N1) with respect to the two power supply lines (N2) is applied as an on-drive standard voltage, and then the drive voltage is applied to the capacitor (4) opposite to the one direction. The charging voltage is transiently applied to the control terminal of the driving target switching element as an off driving voltage, and then the voltage (GND) applied to the second power supply line (N2) is used as an off driving standard voltage. A semiconductor element driving circuit characterized by repeating the application.
下記(A)〜(H)の制御を繰り返して前記駆動対象スイッチング素子のオンオフ制御を行うことを特徴とする半導体素子駆動回路。
(A)第2電源線(N2)の電位に前記第1ノード(N3)の電位を一致させる条件において当該第1ノード(N3)に対する前記第2ノード(N4)が高電圧となる電圧を前記コンデンサ(4)に充電、
(B)前記第1ノード(N3)の電位を正側に制御することで前記第2ノード(N4)の電位を昇圧レベルシフト、
(C)前記双方向スイッチ(S5〜S6)を切替えることにより、前記第2ノード(N4)の昇圧電位を前記駆動対象スイッチング素子の制御端子に過渡的に印加、
(D)前記昇圧電位よりも低いオン駆動標準電圧を前記駆動対象スイッチング素子の制御端子に印加することで当該駆動対象スイッチング素子をオン状態に保持、
(E)第2電源線(N2)の電位に前記第2ノード(N4)の電位を一致させた条件において前記第1ノード(N3)に対する前記第2ノード(N4)が低電圧となる電圧を前記コンデンサ(4)に充電、
(F)前記第1ノード(N3)の電位を負側に制御することで前記第2ノード(N4)の電位を低電位に降圧レベルシフト、
(G)前記双方向スイッチ(S5〜S6)を切替えることにより、前記第2ノード(N4)の低電位を前記駆動対象スイッチング素子の制御端子に過渡的に印加、
(H)前記低電位よりも高いオフ駆動電位を前記駆動対象スイッチング素子の制御端子に印加することで当該駆動対象スイッチング素子をオフ状態とする。 The semiconductor element driving circuit according to claim 1,
A semiconductor element drive circuit, wherein the on / off control of the drive target switching element is performed by repeating the following controls (A) to (H).
(A) The voltage at which the second node (N4) becomes a high voltage with respect to the first node (N3) under the condition that the potential of the first node (N3) matches the potential of the second power supply line (N2). Charging the capacitor (4),
(B) The potential of the second node (N4) is shifted by a boost level by controlling the potential of the first node (N3) to the positive side.
(C) Transiently applying the boosted potential of the second node (N4) to the control terminal of the drive target switching element by switching the bidirectional switches (S5 to S6);
(D) holding the drive target switching element in an on state by applying an on drive standard voltage lower than the boosted potential to the control terminal of the drive target switching element;
(E) A voltage at which the second node (N4) becomes a low voltage with respect to the first node (N3) under the condition that the potential of the second node (N4) is matched with the potential of the second power supply line (N2). Charging the capacitor (4);
(F) By controlling the potential of the first node (N3) to the negative side, the potential of the second node (N4) is stepped down to a low potential,
(G) Transiently applying the low potential of the second node (N4) to the control terminal of the drive target switching element by switching the bidirectional switches (S5 to S6);
(H) Applying an off drive potential higher than the low potential to the control terminal of the drive target switching element to turn the drive target switching element off.
前記一方向に昇圧レベルシフトしたオン駆動電圧として前記第1および第2電源線間の電源電圧の2倍の電圧を過渡的に印加した後、前記オン駆動標準電圧として前記電源電圧を印加し、
前記第1および第2電源線間の電源電圧の−1倍の電圧を前記オフ駆動電圧として印加し、オフ駆動標準電圧として第2電源線に与えられる電圧をオフ駆動標準電圧として印加することを特徴とする請求項1または2記載の半導体素子駆動回路。 The control circuit (6)
After transiently applying a voltage twice as high as the power supply voltage between the first and second power supply lines as the on drive voltage shifted in the boosting level in one direction, applying the power supply voltage as the on drive standard voltage,
A voltage that is -1 times the power supply voltage between the first and second power supply lines is applied as the off drive voltage, and a voltage applied to the second power supply line as the off drive standard voltage is applied as the off drive standard voltage. 3. The semiconductor element driving circuit according to claim 1, wherein the driving circuit is a semiconductor element driving circuit.
前記制御回路(6)は、前記駆動対象スイッチング素子の複数の出力端子間の電圧(Vce)に応じて前記コンデンサ(4)の充電時間を設定することを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の半導体素子駆動回路。 The drive target switching element is one in which an energization state between a plurality of output terminals is set according to an applied voltage applied to a control terminal,
The said control circuit (6) sets the charging time of the said capacitor | condenser (4) according to the voltage (Vce) between the several output terminals of the said drive object switching element, The any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. A semiconductor element driving circuit according to claim 1.
前記制御回路は、前記駆動対象スイッチング素子の複数の出力端子間の電圧(Vce)に応じて、ターンオン時における前記コンデンサ(4)の充電時間、ターンオフ時における前記コンデンサ(4)の充電時間を個別に設定することを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の半導体素子駆動回路。 The drive target switching element is one in which an energization state between a plurality of output terminals is set according to an applied voltage applied to a control terminal,
The control circuit individually sets the charging time of the capacitor (4) at the time of turn-on and the charging time of the capacitor (4) at the time of turn-off according to the voltage (Vce) between the plurality of output terminals of the driving target switching element. The semiconductor element driving circuit according to claim 1, wherein
抵抗(R2)およびダイオード(D1)を組み合わせて構成され、前記駆動対象スイッチング素子のターンオン時における前記双方向スイッチ(5)から前記駆動対象スイッチング素子の制御端子側への方向の通電を制限するオン通電制限回路(R2及びD1)と、
抵抗(R3)およびダイオード(D2)を組み合わせて構成され、前記駆動対象スイッチング素子のターンオフ時における前記駆動対象スイッチング素子の制御端子から前記双方向スイッチ(5)側への方向の通電を制限するオフ通電制限回路(R3及びD2)と、を備えたことを特徴とする請求項10記載の半導体素子駆動回路。 The energization limiting circuit (7)
ON that is configured by combining a resistor (R2) and a diode (D1), and restricts energization in the direction from the bidirectional switch (5) to the control terminal side of the drive target switching element when the drive target switching element is turned on. A current limiting circuit (R2 and D1);
OFF that is configured by combining a resistor (R3) and a diode (D2), and restricts energization in the direction from the control terminal of the driving target switching element to the bidirectional switch (5) when the driving target switching element is turned off. 11. The semiconductor element driving circuit according to claim 10, further comprising an energization limiting circuit (R3 and D2).
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