JP7150237B2 - Gate drive circuits for semiconductor switching devices - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、GaNトランジスタやMOSFETなどの高周波用電圧制御型半導体スイッチング素子を駆動対象とする半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路に関するものである。 The present invention relates to a gate drive circuit for a semiconductor switching element for driving a high-frequency voltage-controlled semiconductor switching element such as a GaN transistor or a MOSFET.
例えば、下記の特許文献1に開示されたスイッチング電源装置は、スイッチングトランスと、スイッチングトランスにスイッチングパルスを出力するスイッチング回路とを備えて構成されている。また、スイッチング回路は、スイッチング素子と、このスイッチング素子の駆動信号を出力する発振回路と、このスイッチング素子のスイッチング動作の継続/停止を制御するスイッチング制御回路とを有している。
For example, a switching power supply device disclosed in
このスイッチング電源装置の通常モードにおいて、スイッチング回路では、スイッチング素子のスイッチング動作が連続して行われて、スイッチング回路からスイッチングトランスの一次巻線に所定周波数のスイッチングパルスが連続して出力される。これにより、スイッチングトランスの二次巻線からはスイッチング電圧が連続して出力され、このスイッチング電圧が整流および平滑されて、直流電圧として負荷に供給される。 In the normal mode of the switching power supply, the switching circuit continuously performs the switching operation of the switching element, and the switching circuit continuously outputs switching pulses of a predetermined frequency to the primary winding of the switching transformer. As a result, a switching voltage is continuously output from the secondary winding of the switching transformer, the switching voltage is rectified and smoothed, and supplied to the load as a DC voltage.
一方、このスイッチング電源装置の待機モードにおいて、スイッチング回路では、スイッチング素子のスイッチング動作が一定周期毎に一定期間停止する。このため、スイッチング回路からスイッチングトランスの一次巻線に、所定周波数のスイッチングパルスが一定周期毎に所定期間出力される。つまり、スイッチング回路は、スイッチング回数が削減されて、バースト状態になるように制御される。また、スイッチングトランスの二次巻線からはスイッチング電圧が一定周期毎に所定期間出力され、このスイッチング電圧が整流および平滑されて、直流電圧(三角波電圧)として負荷に供給される。 On the other hand, in the standby mode of the switching power supply, in the switching circuit, the switching operation of the switching element is stopped for a certain period of time at regular intervals. For this reason, a switching pulse of a predetermined frequency is output from the switching circuit to the primary winding of the switching transformer for a predetermined period at regular intervals. That is, the switching circuit is controlled so that the number of times of switching is reduced and the burst state is achieved. A switching voltage is output from the secondary winding of the switching transformer for a predetermined period at regular intervals, and this switching voltage is rectified and smoothed and supplied to the load as a DC voltage (triangular wave voltage).
ところで、近年では、スイッチング電源装置のスイッチング素子を所定周波数(一定のスイッチング周波数)でスイッチングさせる際のスイッチング周波数の高周波化が進み、より高周波帯(HF帯(3MHz~30MHz)あるいはVHF帯(30MHz~300MHz))でのスイッチングが望まれるようになってきている。 By the way, in recent years, the switching frequency when switching the switching element of the switching power supply at a predetermined frequency (constant switching frequency) has progressed, and a higher frequency band (HF band (3 MHz to 30 MHz) or VHF band (30 MHz to Switching at 300 MHz)) is becoming desirable.
この場合、スイッチング素子に対して、このような高周波帯の駆動信号(駆動パルス)を安定して出力し得る駆動回路の実現が必須となる。そこで、本願発明者らは、自励型のLC発振回路を用いて駆動回路を構成することを考え、自励型のLC発振回路としてよく知られたコルピッツ発振回路やハートレー発振回路を用いてこの駆動回路の実現を試みた。 In this case, it is essential to realize a drive circuit that can stably output such a high-frequency drive signal (drive pulse) to the switching element. Accordingly, the inventors of the present application considered configuring a drive circuit using a self-excited LC oscillator circuit, and used a Colpitts oscillator circuit or a Hartley oscillator circuit, which are well known as self-excited LC oscillator circuits, to achieve this. I tried to realize the drive circuit.
このような高周波帯のスイッチング周波数でスイッチングさせるスイッチング素子としてGaNトランジスタやMOSFETなどの高周波用電圧制御型半導体スイッチング素子が好適であるが、この半導体スイッチング素子には、駆動回路の負荷となるゲート・ソース間容量が存在し、しかも、このゲート・ソース間容量は半導体スイッチング素子の動作状態に応じて(例えば、ドレイン・ソース間電圧の変動に応じて)変化する。 Voltage-controlled semiconductor switching elements for high frequencies, such as GaN transistors and MOSFETs, are suitable as switching elements for switching at such high-frequency band switching frequencies. A gate-to-source capacitance exists, and this gate-to-source capacitance changes according to the operating state of the semiconductor switching element (for example, according to fluctuations in the drain-to-source voltage).
したがって、コルピッツ発振回路やハートレー発振回路を用いて構成した駆動回路には、負荷となるゲート・ソース間容量の変化の影響を大きく受けて、自励発振周波数が変化するという課題が存在している。 Therefore, a drive circuit configured using a Colpitts oscillation circuit or a Hartley oscillation circuit has a problem that the self-oscillation frequency changes due to the influence of the change in the capacitance between the gate and the source, which is a load. .
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、半導体スイッチング素子の動作状態の影響を大きく受けることなく、高周波帯に含まれる所定周波数(規定の周波数)の駆動信号(駆動パルス)を安定して生成して半導体スイッチング素子のゲート端子に出力し得る半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路を提供することを主目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems. It is a main object of the present invention to provide a gate drive circuit for a semiconductor switching element that can stably generate and output to the gate terminal of the semiconductor switching element.
上記目的を達成すべく、本発明に係る半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子を駆動する半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路であって、ドレイン端子またはコレクタ端子が電源電圧に接続されたトランジスタ素子、直列接続された状態で前記トランジスタ素子のゲート端子またはベース端子と基準電位との間に接続された第1キャパシタおよび第1インダクタ、前記ゲート端子または前記ベース端子と前記トランジスタ素子のソース端子またはエミッタ端子との間に接続された第2キャパシタ、並びに前記ソース端子または前記エミッタ端子と前記基準電位との間に接続された第3キャパシタを備えたクラップ発振回路と、前記第3キャパシタに並列接続された第2インダクタと、一端が前記ソース端子または前記エミッタ端子に接続された入力インダクタ、当該入力インダクタの他端と前記基準電位との間に接続された可飽和磁心、および当該可飽和磁心に並列に接続された出力キャパシタを有して構成された鉄共振回路とを備え、前記ソース端子または前記エミッタ端子と前記基準電位との間に生成した交流信号を前記鉄共振回路で振幅増幅して前記半導体スイッチング素子に駆動信号として出力する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor switching element gate drive circuit for driving a semiconductor switching element, the transistor having a drain terminal or a collector terminal connected to a power supply voltage. a first capacitor and a first inductor connected in series between a gate or base terminal of said transistor element and a reference potential; said gate or base terminal and a source terminal of said transistor element; a Clapp oscillation circuit comprising a second capacitor connected between an emitter terminal and a third capacitor connected between the source terminal or the emitter terminal and the reference potential; and a Clapp oscillation circuit connected in parallel to the third capacitor. an input inductor having one end connected to the source terminal or the emitter terminal; a saturable core connected between the other end of the input inductor and the reference potential; and the saturable core a ferroresonant circuit configured with an output capacitor connected in parallel, wherein an alternating signal generated between the source terminal or the emitter terminal and the reference potential is amplitude-amplified by the ferroresonant circuit. It is output as a drive signal to the semiconductor switching element.
この半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路によれば、クラップ発振回路の第3キャパシタが半導体スイッチング素子のゲート・ソース間容量に並列接続される構成のため、ゲート・ソース間容量に対して十分に大きな容量値の第3キャパシタを使用することにより、ゲート・ソース間容量が変化したとしても、第3キャパシタとゲート・ソース間容量の並列合成容量値が殆ど変化しないようにすることができる。つまり、この半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路によれば、ゲート・ソース間容量が変化したとしても、自励発振周波数を殆ど変化しないようにすることができることから、高周波帯に含まれる一定の周波数で交流信号を安定して生成し、駆動信号として半導体スイッチング素子のゲート・ソース間に出力して、半導体スイッチング素子をこの一定の周波数で安定してスイッチングさせることができる。 According to this gate drive circuit for a semiconductor switching element, since the third capacitor of the Clapp oscillation circuit is connected in parallel with the gate-source capacitance of the semiconductor switching element, the capacitance is sufficiently large with respect to the gate-source capacitance. By using the third capacitor with the same value, even if the gate-source capacitance changes, the parallel combined capacitance value of the third capacitor and the gate-source capacitance can be kept almost unchanged. In other words, according to this semiconductor switching device gate drive circuit, even if the gate-source capacitance changes, the self-oscillation frequency can be kept almost unchanged. It is possible to stably generate an AC signal and output it between the gate and source of the semiconductor switching element as a drive signal, thereby stably switching the semiconductor switching element at this constant frequency.
また、この半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路によれば、第2インダクタが第3キャパシタに並列に接続されているため、第3キャパシタの容量値を上記したような大きな値にしても、第2インダクタと第3キャパシタの並列回路の合成インピーダンスを十分な値に維持できることから、十分な振幅で交流信号を生成して、十分な振幅の駆動信号を半導体スイッチング素子のゲート・ソース間に出力することができる。 Further, according to this gate drive circuit for a semiconductor switching element, since the second inductor is connected in parallel with the third capacitor, even if the capacitance value of the third capacitor is as large as described above, the second inductor Since the combined impedance of the parallel circuit of the and third capacitors can be maintained at a sufficient value, it is possible to generate an AC signal with sufficient amplitude and output a drive signal with sufficient amplitude between the gate and source of the semiconductor switching element. can.
また、この半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路によれば、例えば、トランジスタ素子のドレイン端子またはコレクタ端子に供給される電源電圧が低く、このため交流信号の振幅も小さいときであっても、鉄共振回路がこの交流信号を振幅増幅して駆動信号として出力することができるため、十分な振幅の駆動信号を半導体スイッチング素子のゲート・ソース間に出力して、半導体スイッチング素子を一定の周波数でスイッチングさせることができる。 Further, according to this gate drive circuit for a semiconductor switching element, for example, even when the power supply voltage supplied to the drain terminal or the collector terminal of the transistor element is low and therefore the amplitude of the AC signal is also small, the ferroresonant circuit can amplify the amplitude of this AC signal and output it as a drive signal, so it is possible to output a drive signal with sufficient amplitude between the gate and source of the semiconductor switching element to switch the semiconductor switching element at a constant frequency. can be done.
本発明に係る半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路は、前記可飽和磁心は、前記ソース端子または前記エミッタ端子側に接続される一次巻線と前記半導体スイッチング素子側に接続される二次巻線とを備えた二巻線構造に構成されている。 In the semiconductor switching element gate drive circuit according to the present invention, the saturable magnetic core has a primary winding connected to the source terminal or the emitter terminal side and a secondary winding connected to the semiconductor switching element side. It is configured in a two-winding structure with.
この半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路によれば、二次巻線の巻数を一次巻線の巻数よりも多くすることにより、1つの巻線で構成された可飽和磁心を備える鉄共振回路と比較して一層大きな増幅率で交流信号を駆動信号に振幅増幅して半導体スイッチング素子のゲート・ソース間に出力することができる。 According to this gate drive circuit for a semiconductor switching element, the number of turns of the secondary winding is greater than that of the primary winding, so that it can be compared with a ferroresonant circuit having a saturable core composed of a single winding. , the AC signal can be amplitude-amplified into a drive signal with a larger amplification factor and output between the gate and source of the semiconductor switching element.
本発明に係る半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路は、前記入力インダクタは、前記可飽和磁心の漏れインダクタンスで構成されている。 In the semiconductor switching element gate drive circuit according to the present invention, the input inductor is composed of the leakage inductance of the saturable magnetic core.
この半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路によれば、鉄共振回路を構成する一次巻線の漏れインダクタンスで、入力インダクタを代用することができることから、入力インダクタに存在する抵抗成分による信号の減衰を回避することができるため、より振幅の大きな駆動信号を半導体スイッチング素子のゲート・ソース間に出力することができる。 According to this semiconductor switching element gate drive circuit, the leakage inductance of the primary winding that constitutes the ferroresonant circuit can be substituted for the input inductor, thereby avoiding signal attenuation due to the resistance component present in the input inductor. Therefore, a driving signal having a larger amplitude can be output between the gate and source of the semiconductor switching element.
本発明によれば、クラップ発振回路を備えた構成のため、半導体スイッチング素子のゲート・ソース間容量が変化したとしても、自励発振周波数を殆ど変化しないようにすることができることから、高周波帯に含まれる一定の周波数で交流信号を安定して生成し、駆動信号として半導体スイッチング素子のゲート・ソース間に出力して、半導体スイッチング素子をこの一定の周波数で安定してスイッチングさせることができる。 According to the present invention, because of the configuration including the Clapp oscillation circuit, even if the capacitance between the gate and the source of the semiconductor switching element changes, the self-excited oscillation frequency can be kept almost unchanged. It is possible to stably generate an AC signal at the included constant frequency and output it as a drive signal between the gate and source of the semiconductor switching element to stably switch the semiconductor switching element at this constant frequency.
以下、半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。 Embodiments of a gate drive circuit for a semiconductor switching element will be described below with reference to the accompanying drawings.
最初に、半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路としての半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路(以下、ゲート駆動回路ともいう)1Aの構成について図面を参照して説明しつつ、動作についても合わせて説明する。 First, the configuration of a semiconductor switching element gate drive circuit (hereinafter also referred to as a gate drive circuit) 1A as a semiconductor switching element gate drive circuit will be described with reference to the drawings, and the operation will also be described.
ゲート駆動回路1Aは、図1に示すように、クラップ発振回路2Aおよびインダクタ(第2インダクタ)3を備えて、一定周波数fの交流信号S1(交流電圧信号)を生成すると共に、この交流信号S1を駆動信号Vdvとして、出力端子4a,4bに接続された駆動対象としての半導体スイッチング素子51(GaNトランジスタやMOSFETなどの高周波用電圧制御型半導体スイッチング素子)に出力可能に構成されている。
As shown in FIG. 1, the
クラップ発振回路2Aは、トランジスタ素子11、第1キャパシタ12、第1インダクタ13、第2キャパシタ14、第3キャパシタ15、およびバイアス回路16を備えている。
The
トランジスタ素子11は、本例では一例として電界効果型トランジスタ(FET)であるが、バイポーラ型トランジスタであってもよい。トランジスタ素子11がバイポーラ型トランジスタのときには、ゲート端子(制御端子)、ドレイン端子(入力端子)およびソース端子(出力端子)は、それぞれ、ベース端子(制御端子)、コレクタ端子(入力端子)およびエミッタ端子(出力端子)となる。nチャネル型のFETで構成されたトランジスタ素子11は、ドレイン端子が電源電圧Vdd(正電圧)に接続され、ソース端子は出力端子4aに接続されて、ドレイン接地型に構成されている。
The
第1キャパシタ12(容量値C1)および第1インダクタ13(インダクタンス値L1)は、直列接続された状態で、トランジスタ素子11のゲート端子と基準電位の部位(グランドGND)との間に接続されている。なお、第1キャパシタ12および第1インダクタ13の直列接続の並び順については、図1に示す並び順とは逆の並び順にすることもできる。第2キャパシタ14(容量値C2)は、トランジスタ素子11のゲート端子とソース端子との間に接続されている。第3キャパシタ15(容量値C3)は、トランジスタ素子11のソース端子とグランドGNDとの間に接続されている。
The first capacitor 12 (capacitance value C1) and the first inductor 13 (inductance value L1) are connected in series between the gate terminal of the
バイアス回路16は、一端がトランジスタ素子11のゲート端子に接続されたインダクタ16aと、インダクタ16aの他端とグランドGNDとの間に接続されたバイアス電源16bとを備えて、クラップ発振回路2Aに自励発振動作させるためのバイアス電圧(直流電圧)をトランジスタ素子11のゲート端子(ゲート・ソース間)に印加する。なお、クラップ発振回路2Aの自励発振動作時には、上記した一定周波数fの交流信号S1と同じ周波数の他の交流信号がトランジスタ素子11のゲート端子に発生する。このため、トランジスタ素子11のゲート端子とバイアス電源16bとを交流的に分離すべく、周波数fでのインピーダンスが高インピーダンスとなるインダクタ16aが配設されている。また、バイアス電源16bは、図1に示すように、バイアス電圧を変更し得る可変電源で構成することもできるし、印加するバイアス電圧が既知のときにはこの既知の電圧を出力する固定電源で構成してもよい。
The
以上のように構成されたクラップ発振回路2Aは、一定周波数fで自励発振して、トランジスタ素子11のソース端子に交流信号S1を生成して、この交流信号S1を、グランドGNDに接続された出力端子4bの電位(基準電位)を基準とする駆動信号Vdvとして出力端子4aに(つまり、出力端子4a,4b間に)出力する。この場合、クラップ発振回路2Aは、ドレイン接地型に構成されているため、交流信号S1をソース端子に低出力インピーダンスで出力する。このクラップ発振回路2Aでは、周波数fは下記の式(1)で表される。このゲート駆動回路1Aでは、この周波数fが高周波帯(HF帯(3MHz~30MHz)あるいはVHF帯(30MHz~300MHz))に含まれるように、容量値C1、インダクタンス値L1、容量値C2および容量値C3が規定されている。
f=(1/2π)×√{(1/L1)×(1/C1+1/C2+1/C3)} ・・・(1)
The
f=(1/2π)×√{(1/L1)×(1/
インダクタ3は、第3キャパシタ15に並列に接続されている。このインダクタ3は、トランジスタ素子11のソース端子をグランドGNDに対して、直流的には低インピーダンスで接続(短絡)し、かつ交流的には高インピーダンスで接続する機能を有している。したがって、トランジスタ素子11のソース端子には、直流成分を含まない状態で交流信号S1が生成される。この結果、トランジスタ素子11のソース端子と半導体スイッチング素子51との間に通常接続する直流成分除去用の結合コンデンサを省くことができる。
The
このゲート駆動回路1Aでは、図1に示すように、トランジスタ素子11のソース端子が、出力端子4aを介して駆動対象としての半導体スイッチング素子51のゲート端子に直接接続される。また、この半導体スイッチング素子51は、ソース端子がグランドGNDと同電位に規定される。また、この種の半導体スイッチング素子51には、ゲート・ソース間容量Cgsが存在し、しかも、このゲート・ソース間容量Cgsは、半導体スイッチング素子51の動作状態に応じて(例えば、ドレイン・ソース間電圧の変動に応じて)、その容量値が変化するという特性を有している。
In this
ゲート駆動回路1Aにとって、このゲート・ソース間容量Cgsは、上記の式(1)で示されるように、その容量値C3が周波数fを規定する1つの要素となっているクラップ発振回路2Aの第3キャパシタ15に並列接続される容量(キャパシタ)である。このため、ゲート駆動回路1Aでは、この構成を利用して、大きな容量値C3(ゲート・ソース間容量Cgsに対して十分に大きな容量値)の第3キャパシタ15を使用することにより、ゲート・ソース間容量Cgsが変化したとしても、第3キャパシタ15とゲート・ソース間容量Cgsの並列合成容量値が殆ど変化しないようにしている(つまり、ゲート・ソース間容量Cgsが変化したとしても、周波数f(自励発振周波数)が殆ど変化しないようにしている)。
For the
これにより、このゲート駆動回路1Aによれば、ゲート・ソース間容量Cgsの変化による影響を受けることなく、上記の式(1)で示される一定の周波数f(高周波帯に含まれる周波数)で交流信号S1を安定して生成し、駆動信号Vdvとして半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力して、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fで安定してスイッチングさせることができる。
As a result, according to the
また、このゲート駆動回路1Aでは、インダクタ3が第3キャパシタ15に並列に接続されている(つまり、トランジスタ素子11のソース端子とグランドGNDとの間に接続されている)。したがって、このゲート駆動回路1Aによれば、第3キャパシタ15の容量値C3を上記したような大きな値にしても(これによって、第3キャパシタ15単体の周波数fでのインピーダンスが低くなっても)、インダクタ3と第3キャパシタ15の並列回路の合成インピーダンスを十分な値に維持できることから、十分な振幅で交流信号S1を生成して、十分な振幅の駆動信号Vdvを半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力することができる。
Also, in this
なお、ゲート駆動回路は、上記のゲート駆動回路1Aに限定されない。例えば、図2に示すゲート駆動回路1Bのように、トランジスタ素子11としてデュアルゲートMOSFETを使用してクラップ発振回路2Bを構成することもできる。以下、このゲート駆動回路1Bについて説明する。なお、ゲート駆動回路1Aと同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
The gate drive circuit is not limited to the
ゲート駆動回路1Bは、図2に示すように、クラップ発振回路2Bおよびインダクタ3を備えて、一定周波数fの交流信号S1を生成すると共に、この交流信号S1を駆動信号Vdvとして、半導体スイッチング素子51に出力可能に構成されている。
As shown in FIG. 2, the
クラップ発振回路2Bは、一例としてエンハンスメント型のデュアルゲートMOSFETで構成されたトランジスタ素子11を備えると共に、クラップ発振回路2Aと同様にして、第1キャパシタ12、第1インダクタ13、第2キャパシタ14、第3キャパシタ15、およびバイアス回路16を備えている。また、クラップ発振回路2Bは、さらに、第4キャパシタ17および他のバイアス回路18を備えている。
The
エンハンスメント型のデュアルゲートMOSFETは、2つのゲート端子G1,G2のうちの一方のゲート端子G1を、上記したクラップ発振回路2Aでのゲート端子として使用され、他方のゲート端子G2は交流的にソース端子に接続される。これにより、このデュアルゲートMOSFETでは、内部の2つのMOSFET(図示せず)がカスコード接続される。また、このデュアルゲートMOSFETでは、動作させるために、他方のゲート端子G2にバイアス電圧が印加される。
In the enhancement type dual gate MOSFET, one gate terminal G1 of the two gate terminals G1 and G2 is used as the gate terminal in the
本例でのクラップ発振回路2Bでは、他方のゲート端子G2とソース端子に第4キャパシタ17が接続されて、他方のゲート端子G2が交流的にソース端子に接続される。また、他方のゲート端子G2には、他のバイアス回路18から他のバイアス電圧が印加される。他のバイアス回路18は、一端がトランジスタ素子11のゲート端子G2に接続された抵抗18aと、抵抗18aの他端とグランドGNDとの間に接続された他のバイアス電源18bとを備えて構成されて、ゲート端子G2にバイアス電圧を印加する。
In the
また、一方のゲート端子G1を、上記したクラップ発振回路2Aでのゲート端子として使用する構成のため、この一方のゲート端子G1に、クラップ発振回路2Aと同様にして、第1キャパシタ12および第1インダクタ13の直列回路が接続されると共に第2キャパシタ14が接続され、かつバイアス回路16が接続されている。
Since one gate terminal G1 is used as a gate terminal in the
以上のように構成されたクラップ発振回路2Bも、クラップ発振回路2Aと同様にして、上記の一定周波数fで自励発振して、トランジスタ素子11のソース端子に交流信号S1を生成し、この交流信号S1を駆動信号Vdvとして出力端子4aに(出力端子4a,4b間に)低出力インピーダンスで出力して、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fでスイッチングさせる。
Similarly to the
したがって、このゲート駆動回路1Bによっても、上記したゲート駆動回路1Aと同様にして、ゲート・ソース間容量Cgsの変化による影響を受けることなく、上記の式(1)で示される一定の周波数fで交流信号S1を安定して生成し、駆動信号Vdvとして半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力して、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fで安定してスイッチングさせることができる。また、このゲート駆動回路1Bにおいても、インダクタ3が第3キャパシタ15に並列に接続されているため、第3キャパシタ15の容量値C3を上記したような大きな値にしても、インダクタ3と第3キャパシタ15の並列回路の合成インピーダンスを十分な値に維持できることから、十分な振幅で交流信号S1を生成して、十分な振幅の駆動信号Vdvを半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力することができる。この場合、このゲート駆動回路1Bでは、相互コンダクタンスの大きいデュアルゲートMOSFETでトランジスタ素子11を構成したことにより、十分に振幅が大きな駆動信号Vdvを十分に低いインピーダンスで半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力することができる。さらに、このゲート駆動回路1Bによれば、ゲート端子G1とドレイン端子との間に存在する帰還容量の極めて小さいデュアルゲートMOSFETでトランジスタ素子11を構成したことにより、クラップ発振回路2Bをより高い周波数fで動作させること、つまり、より高い周波数fの駆動信号Vdvを半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力することができる。
Therefore, the
また、エンハンスメント型のデュアルゲートMOSFETをトランジスタ素子11として使用する例について説明したが、デプレッション型のデュアルゲートMOSFETをトランジスタ素子11として使用することもできるし、2つのJFETをカスコード接続してデュアルゲートMOSFETとして構成して使用することもできる。
Also, an example of using an enhancement-type dual-gate MOSFET as the
なお、ゲート駆動回路の構成は、上記のゲート駆動回路1A,1Bのように、トランジスタ素子11のソース端子が出力端子4aを介して半導体スイッチング素子51のゲート端子に直接接続される構成に限定されない。例えば、図3に示すゲート駆動回路1Cのように、トランジスタ素子11のソース端子と出力端子4aとの間に鉄共振回路21Aを配置する構成を採用することもできる。以下、このゲート駆動回路1Cについて説明する。なお、ゲート駆動回路1A,1Bのいずれに対しても、鉄共振回路を配置する構成を適用することができるが、一例として、ゲート駆動回路1Aに適用して構成したゲート駆動回路1Cを挙げて説明する。このため、ゲート駆動回路1Aと同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
The configuration of the gate drive circuit is not limited to the configuration in which the source terminal of the
ゲート駆動回路1Cは、図3に示すように、クラップ発振回路2A、インダクタ3、および鉄共振回路の一例としての鉄共振回路21Aを備えて、一定周波数fの交流信号S1を生成すると共に、この交流信号S1を鉄共振回路21Aで振幅増幅して、より振幅の大きな駆動信号Vdvとして、出力端子4a,4bを介して半導体スイッチング素子51に出力可能に構成されている。
The
鉄共振回路21Aは、入力インダクタ22、可飽和磁心23Aおよび出力キャパシタ24を備えて構成されている。また、入力インダクタ22は、一端がトランジスタ素子11のソース端子に接続されている。可飽和磁心23Aは、図示はしないが、1つの磁性コアと、この磁性コアに形成された1つの巻線とで構成されている。また、可飽和磁心23Aは、その一端(巻線の一端)が入力インダクタ22の他端に接続され、その他端(巻線の他端)がグランドGNDに接続されている。出力キャパシタ24は、その一端が入力インダクタ22の他端に接続され、その他端がグランドGNDに接続されている(つまり、可飽和磁心23Aに並列接続されている)。
The
この鉄共振回路21Aでは、並列接続された状態の出力キャパシタ24および半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間容量Cgsの並列合成容量値と入力インダクタ22のインダクタンス値とで決まる共振周波数が、鉄共振回路21Aに入力される交流信号S1の周波数fよりも低くなるように、出力キャパシタ24の容量値および入力インダクタ22のインダクタンス値が予め規定されている。この構成では、鉄共振回路21Aは、その入力インピーダンスが誘導性となって、その入出力電圧特性にジャンプ現象が現れ、これによって入力交流電圧よりも大きな振幅の出力交流電圧を出力する。また、鉄共振回路21Aは、鉄共振回路に共通する低消費電力である(消費電力が極めて小さい)との特性を備えている。
In this
また、鉄共振回路21Aでは、出力キャパシタ24の容量値が、上記した共振周波数についての条件を満たすと共に、並列接続されるゲート・ソース間容量Cgsに対して十分に大きな容量値になるように予め規定されている。このため、ゲート駆動回路1Cでは、ゲート・ソース間容量Cgsの変化による影響(鉄共振回路21Aの共振周波数への影響、クラップ発振回路2Aの自励発振周波数(周波数f)への影響)が無視し得るレベルまで低減されている。
In addition, in the
以上のように構成されたゲート駆動回路1Cでは、クラップ発振回路2Aが、一定周波数fで自励発振して、この周波数fの交流信号S1を鉄共振回路21Aに出力する。鉄共振回路21Aは、この交流信号S1を振幅増幅して、半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に駆動信号Vdvとして出力することにより、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fでスイッチングさせる。
In the
したがって、このゲート駆動回路1Cによっても、上記したゲート駆動回路1Aと同様にして、ゲート・ソース間容量Cgsの変化による影響を受けることなく、上記の式(1)で示される一定の周波数fで交流信号S1を安定して生成すると共に、鉄共振回路21Aで振幅増幅して、駆動信号Vdvとして半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力して、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fで安定してスイッチングさせることができる。また、このゲート駆動回路1Cにおいても、インダクタ3が第3キャパシタ15に並列に接続されているため、第3キャパシタ15の容量値C3を上記したような大きな値にしても、インダクタ3と第3キャパシタ15の並列回路の合成インピーダンスを十分な値に維持できることから、十分な振幅で交流信号S1を生成して、十分な振幅の駆動信号Vdvを半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力することができる。
Therefore, the
さらに、このゲート駆動回路1Cによれば、トランジスタ素子11のドレイン端子に供給される電源電圧Vddが低く、このため交流信号S1の振幅も小さいときであっても、鉄共振回路21Aがこの交流信号S1を振幅増幅して駆動信号Vdvとして出力することができるため、十分な振幅の駆動信号Vdvを半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力して、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fでスイッチングさせることができる。
Further, according to the
なお、使用する鉄共振回路は、可飽和磁心23A(1つの磁性コアと、この磁性コアに形成された1つの巻線とで構成された可飽和磁心)を備えた上記の鉄共振回路21Aに限定されない。例えば、2つの巻線を有する可飽和磁心を備えた鉄共振回路を使用することもできる。以下、図4を参照して、この構成の鉄共振回路21Bを備えたゲート駆動回路1Dについて説明する。なお、ゲート駆動回路1Dは、ゲート駆動回路1Cにおける鉄共振回路21Aだけを鉄共振回路21Bに代えた構成であることから、ゲート駆動回路1Cと同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
The ferroresonant circuit to be used is the
ゲート駆動回路1Dは、図4に示すように、クラップ発振回路2A、インダクタ3、および鉄共振回路の一例としての鉄共振回路21Bを備えて、一定周波数fの交流信号S1を生成すると共に、この交流信号S1を鉄共振回路21Bで振幅増幅して、より振幅の大きな駆動信号Vdvとして、出力端子4a,4bを介して半導体スイッチング素子51に出力可能に構成されている。
As shown in FIG. 4, the
鉄共振回路21Bは、入力インダクタ22、可飽和磁心23Bおよび出力キャパシタ24を備えて構成されている。可飽和磁心23Bは、不図示の1つの磁性コアと、この磁性コアに形成された2つの巻線W1,W2とで構成されている。この2つの巻線W1,W2のうちの巻線W1は、一次巻線としてその一端が入力インダクタ22の他端に接続され、巻線W2は、二次巻線としてその一端が出力端子4aに接続されている。また、巻線W1,W2の各他端はグランドGNDに接続されている。また、出力キャパシタ24は、その一端が巻線W2の一端に接続され、その他端がグランドGNDに接続されている(つまり、可飽和磁心23Bの巻線W2に並列接続されている)。また、鉄共振回路21Bにおける交流信号S1に対する増幅率が鉄共振回路21Aよりも一層大きくなるように、可飽和磁心23Bでは、巻線W2の巻数n2が巻線W1の巻数n1よりも多くなるように規定されている。
The
この鉄共振回路21Bでも、ジャンプ現象の発現のため、並列接続された状態の出力キャパシタ24および半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間容量Cgsの並列合成容量値と入力インダクタ22のインダクタンス値とで決まる共振周波数が、上記した鉄共振回路21Aと同様にして、鉄共振回路21Bに入力される交流信号S1の周波数fよりも低くなるとの条件を満たす必要がある。この点については、この鉄共振回路21Bでは、巻線W1,W2(n1<n2)で構成される可飽和磁心23Bでのインピーダンス変換作用により、可飽和磁心23Bの二次側の上記の並列合成容量値は、可飽和磁心23Bの一次側ではより大きな容量値に変換される。したがって、鉄共振回路21Bを構成する入力インダクタ22のインダクタンス値および出力キャパシタ24の容量値が鉄共振回路21Aと同等であるときには、鉄共振回路21Bの共振周波数は、鉄共振回路21Aの共振周波数よりも必ず低くなることから、鉄共振回路21Bは、ジャンプ現象の発現のための上記の条件を満たすものとなっている。
In this
以上のように構成されたゲート駆動回路1Dでは、クラップ発振回路2Aが、一定周波数fで自励発振して、この周波数fの交流信号S1を鉄共振回路21Bに出力する。鉄共振回路21Bは、この交流信号S1を振幅増幅して、半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に駆動信号Vdvとして出力することにより、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fでスイッチングさせる。
In the
したがって、このゲート駆動回路1Dによっても、上記したゲート駆動回路1Cと同様にして、ゲート・ソース間容量Cgsの変化による影響を受けることなく、上記の式(1)で示される一定の周波数fで交流信号S1を安定して生成すると共に、鉄共振回路21Bで振幅増幅して、駆動信号Vdvとして半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力して、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fで安定してスイッチングさせることができる。また、このゲート駆動回路1Dにおいても、インダクタ3が第3キャパシタ15に並列に接続されているため、第3キャパシタ15の容量値C3を上記したような大きな値にしても、インダクタ3と第3キャパシタ15の並列回路の合成インピーダンスを十分な値に維持できることから、十分な振幅で交流信号S1を生成して、十分な振幅の駆動信号Vdvを半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力することができる。
Therefore, the
さらに、このゲート駆動回路1Dによれば、トランジスタ素子11のドレイン端子に供給される電源電圧Vddが低く、このため交流信号S1の振幅も小さいときであっても、鉄共振回路21Bがこの交流信号S1を振幅増幅して駆動信号Vdvとして出力することができるため、十分な振幅の駆動信号Vdvを半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力して、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fでスイッチングさせることができる。また、このゲート駆動回路1Dによれば、巻線W1,W2(n1<n2)で構成される可飽和磁心23Bを備えて鉄共振回路21Bが構成されているため、1つの巻線で構成された可飽和磁心23Aを備える鉄共振回路21Aと比較して一層大きな増幅率で交流信号S1を駆動信号Vdvに振幅増幅して半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力することができる。
Furthermore, according to the
なお、上記した鉄共振回路21Bのように、2つの巻線を有する可飽和磁心を備えた鉄共振回路では、2つの巻線のうちのインダクタ3側に位置する巻線(一次巻線)の漏れインダクタンスで入力インダクタ22を代用することもできる。以下、図5を参照して、この構成の鉄共振回路21Cを備えたゲート駆動回路1Eについて説明する。なお、ゲート駆動回路1Eは、ゲート駆動回路1Dにおける鉄共振回路21Bだけを鉄共振回路21Cに代えた構成であることから、ゲート駆動回路1Dと同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
In a ferroresonant circuit including a saturable magnetic core having two windings, such as the
ゲート駆動回路1Eは、図5に示すように、クラップ発振回路2A、インダクタ3、および鉄共振回路の一例としての鉄共振回路21Cを備えて、一定周波数fの交流信号S1を生成すると共に、この交流信号S1を鉄共振回路21Cで振幅増幅して、より振幅の大きな駆動信号Vdvとして、出力端子4a,4bを介して半導体スイッチング素子51に出力可能に構成されている。
As shown in FIG. 5, the
鉄共振回路21Cは、可飽和磁心23Cおよび出力キャパシタ24を備えて構成されている。可飽和磁心23Cは、2つの磁性コアX1,X2と、2つの巻線W1,W2とで構成されている。この2つの巻線W1,W2のうちの巻線W1は、一次巻線として、2つの磁性コアX1,X2を束ねるように形成されて、その一端がトランジスタ素子11のソース端子に接続されている。また、巻線W2は、二次巻線として磁性コアX2に形成されて、その一端が出力端子4aに接続されている。また、巻線W1,W2の各他端はグランドGNDに接続されている。また、出力キャパシタ24は、その一端が巻線W2の一端に接続され、その他端がグランドGNDに接続されている(つまり、可飽和磁心23Cの巻線W2に並列接続されている)。また、鉄共振回路21Cにおける交流信号S1に対する増幅率が鉄共振回路21Aと比較して一層大きくなるように、可飽和磁心23Cでは、巻線W2の巻数n2が巻線W1の巻数n1よりも多くなるように規定されている。
The
さらに、この鉄共振回路21では、可飽和磁心23Cにおける一次巻線としての巻線W1の漏れインダクタンスが、入力インダクタ22を代用し得るように(漏れインダクタンスのインダクタンス値が入力インダクタ22のインダクタンス値と同等程度に大きくなるように)、巻線W1側での漏れ磁束を増やす構成が採用されている。この構成としては、透磁率μの高い磁性材料で構成された磁性コアを磁性コアX2に使用するのに対して、透磁率μの低い磁性材料で構成された磁性コアを磁性コアX1に使用することで、巻線W1側での漏れ磁束を増やす構成でもよいし、透磁率μの高い磁性材料で構成された磁性コアを磁性コアX1,X2の双方に使用しつつ、磁性コアX1にキャップを設けることで、巻線W1側での漏れ磁束を増やす構成でもよい。
Furthermore, in this ferroresonant circuit 21, the leakage inductance of the winding W1 as the primary winding in the
この鉄共振回路21Cでも、巻線W1,W2(n1<n2)で構成される可飽和磁心23Cを備えているため、鉄共振回路21Cを構成する巻線W1の漏れインダクタンス(入力インダクタ22の代用)のインダクタンス値および出力キャパシタ24の容量値が鉄共振回路21Aと同等であるときには、鉄共振回路21Cの共振周波数は、鉄共振回路21Aの共振周波数よりも必ず低くなることから、鉄共振回路21Cは、ジャンプ現象の発現のための上記の条件を満たすものとなっている。
Since this
以上のように構成されたゲート駆動回路1Eでは、クラップ発振回路2Aが、一定周波数fで自励発振して、この周波数fの交流信号S1を鉄共振回路21Cに出力する。鉄共振回路21Cは、この交流信号S1を振幅増幅して、半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に駆動信号Vdvとして出力することにより、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fでスイッチングさせる。
In the
したがって、このゲート駆動回路1Eによっても、上記したゲート駆動回路1Dと同様にして、ゲート・ソース間容量Cgsの変化による影響を受けることなく、上記の式(1)で示される一定の周波数fで交流信号S1を安定して生成すると共に、鉄共振回路21Cで振幅増幅して、駆動信号Vdvとして半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力して、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fで安定してスイッチングさせることができる。また、このゲート駆動回路1Eにおいても、インダクタ3が第3キャパシタ15に並列に接続されているため、第3キャパシタ15の容量値C3を上記したような大きな値にしても、インダクタ3と第3キャパシタ15の並列回路の合成インピーダンスを十分な値に維持できることから、十分な振幅で交流信号S1を生成して、十分な振幅の駆動信号Vdvを半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力することができる。
Therefore, the
また、このゲート駆動回路1Eによっても、トランジスタ素子11のドレイン端子に供給される電源電圧Vddが低く、このため交流信号S1の振幅も小さいときであっても、鉄共振回路21Cがこの交流信号S1を振幅増幅して駆動信号Vdvとして出力することができるため、十分な振幅の駆動信号Vdvを半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力して、半導体スイッチング素子51を一定の周波数fでスイッチングさせることができる。また、このゲート駆動回路1Eによっても、巻線W1,W2(n1<n2)で構成される可飽和磁心23Cを備えて鉄共振回路21Cが構成されているため、1つの巻線で構成された可飽和磁心23Aを備える鉄共振回路21Aと比較して一層大きな増幅率で交流信号S1を駆動信号Vdvに振幅増幅して半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力することができる。
Further, even when the power supply voltage Vdd supplied to the drain terminal of the
さらに、このゲート駆動回路1Eによれば、鉄共振回路21Cを構成する巻線W1の漏れインダクタンスで、入力インダクタ22を代用することができることから、入力インダクタ22に存在する抵抗成分による信号の減衰を回避することができるため、より振幅の大きな駆動信号Vdvを半導体スイッチング素子51のゲート・ソース間に出力することができる。
Further, according to the
また、上記の各ゲート駆動回路1D,1Eでは、巻線W1,W2の各他端を共通のグランドGNDに接続する構成を採用しているが、この構成に限定されるものではない。例えば、図示はしないが、各ゲート駆動回路1D,1Eにおける巻線W1の前段側(クラップ発振回路2A側)の回路のグランドGNDを1次側グランドGNDとすると共に、巻線W1の他端をこの1次側グランドGNDに接続し、かつ巻線W2の後段側(駆動対象側)の回路のグランドGNDを1次側グランドGNDから分離された2次側グランドGNDとすると共に、巻線W2の他端をこの2次側グランドGNDに接続する構成を採用することもできる。この構成のゲート駆動回路によれば、クラップ発振回路2Aと駆動対象とを絶縁できるため、1次側グランドGNDの電位と2次側グランドGNDの電位(上記の例のように駆動対象が半導体スイッチング素子51のときには、そのソース端子の電位)とが異なる構成のときにも、駆動対象を駆動することができる。したがって、この構成のゲート駆動回路によれば、ハーフブリッジ回路を構成する各駆動対象や、フルブリッジ回路を構成する各駆動対象についても駆動することができる。また、ICを使用して基準電位の異なる駆動対象を駆動する構成と比較して、耐圧の点で有利である。
Further, although the
1A,1B,1C,1D,1E ゲート駆動回路
2A,2B クラップ発振回路
3 第2インダクタ
11 トランジスタ素子
12 第1キャパシタ
13 第1インダクタ
14 第2キャパシタ
15 第3キャパシタ
51 半導体スイッチング素子
S1 交流信号
Vdv 駆動信号
1A, 1B, 1C, 1D, 1E
3
Claims (3)
ドレイン端子またはコレクタ端子が電源電圧に接続されたトランジスタ素子、直列接続された状態で前記トランジスタ素子のゲート端子またはベース端子と基準電位との間に接続された第1キャパシタおよび第1インダクタ、前記ゲート端子または前記ベース端子と前記トランジスタ素子のソース端子またはエミッタ端子との間に接続された第2キャパシタ、並びに前記ソース端子または前記エミッタ端子と前記基準電位との間に接続された第3キャパシタを備えたクラップ発振回路と、
前記第3キャパシタに並列接続された第2インダクタと、
一端が前記ソース端子または前記エミッタ端子に接続された入力インダクタ、当該入力インダクタの他端と前記基準電位との間に接続された可飽和磁心、および当該可飽和磁心に並列に接続された出力キャパシタを有して構成された鉄共振回路と を備え、
前記ソース端子または前記エミッタ端子と前記基準電位との間に生成した交流信号を前記鉄共振回路で振幅増幅して前記半導体スイッチング素子に駆動信号として出力する半導体スイッチング素子用ゲート駆動回路。 A gate drive circuit for a semiconductor switching element that drives a semiconductor switching element,
a transistor element having a drain terminal or collector terminal connected to a power supply voltage, a first capacitor and a first inductor connected in series between a gate terminal or base terminal of said transistor element and a reference potential, said gate a second capacitor connected between a terminal or said base terminal and a source or emitter terminal of said transistor element, and a third capacitor connected between said source or said emitter terminal and said reference potential. a Clapp oscillator circuit;
a second inductor connected in parallel with the third capacitor;,
An input inductor having one end connected to the source terminal or the emitter terminal, a saturable core connected between the other end of the input inductor and the reference potential, and an output capacitor connected in parallel to the saturable core. and a ferroresonant circuit configured with with
an alternating signal generated between the source terminal or the emitter terminal and the reference potential;Amplified by the ferroresonant circuitA gate drive circuit for a semiconductor switching element that outputs a drive signal to the semiconductor switching element.
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