JP7384409B2 - Gate drive circuit and power supply circuit - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチング素子のゲート端子を駆動するゲート駆動回路に関し、特に、GaN‐HEMTに関する。 The present invention relates to a gate drive circuit that drives a gate terminal of a switching element, and particularly relates to a GaN-HEMT.

次世代パワー半導体であるGaN系の高電子移動度トランジスタ(GAN‐HEMT、Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor)は、従来のSi(Silicon)デバイスに比べてオン抵抗が低く高周波特性が優れており、GaN‐HEMTを用いた電源回路(電力変換回路)は回路の小型軽量化、高効率化を実現出来ることから幅広い用途での利用が期待されている。GaN‐HEMTは多数キャリアのみが導通に関係するため、逆回復による損失が生じないことから、PFC(Power Factor Correction)回路などの電源回路の更なる高効率化が可能となる。 GaN-based high electron mobility transistors (GAN-HEMTs), which are next-generation power semiconductors, have lower on-resistance and better high-frequency characteristics than conventional Si (Silicon) devices. - Power supply circuits (power conversion circuits) using HEMT are expected to be used in a wide range of applications because they can be made smaller, lighter, and more efficient. Since only majority carriers are involved in conduction in GaN-HEMTs, there is no loss due to reverse recovery, making it possible to further improve the efficiency of power supply circuits such as PFC (Power Factor Correction) circuits.

しかし、GaN‐HEMTには、誤点弧現象が生じやすく、還流動作時の逆導通損失も大きいなど、従来のSiデバイスにはない問題がある。 However, GaN-HEMTs have problems that conventional Si devices do not have, such as a tendency to cause false ignition phenomena and a large reverse conduction loss during reflux operation.

誤点弧現象のメカニズムを図10および図11を参照して説明する。図10は、GaN‐HEMTである2つのスイッチング素子S1,S2を備えるハーフブリッジ方式の電源回路(ハーフブリッジ回路)100を示しており、図11は、ローサイドのスイッチング素子S2を示している。ハイサイドのスイッチング素子S1がターンオンするとローサイドのスイッチング素子S2のドレイン端子に高dV/dtが生じる。この高dV/dtにより、ミラー電流imillerがスイッチング素子S2のミラー容量Cgdを介してゲート抵抗Rgや内部ゲート抵抗に流れる。この時生じるゲート電圧がスイッチング素子S2のしきい値電圧を超えると、意図しないスイッチング素子S2のターンオン、すなわち誤点弧が生じる。 The mechanism of the erroneous firing phenomenon will be explained with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 shows a half-bridge type power supply circuit (half-bridge circuit) 100 including two switching elements S1 and S2 that are GaN-HEMTs, and FIG. 11 shows a low-side switching element S2. When the high-side switching element S1 is turned on, a high dV/dt is generated at the drain terminal of the low-side switching element S2. Due to this high dV/dt, a mirror current i miller flows to the gate resistance Rg and the internal gate resistance via the mirror capacitance Cgd of the switching element S2. If the gate voltage generated at this time exceeds the threshold voltage of the switching element S2, an unintended turn-on of the switching element S2, that is, an erroneous firing occurs.

従来のSiデバイスのしきい値電圧が3Vから4V程度であるのに対し、GaN‐HEMTのしきい値電圧は1Vから2V程度と低いため、誤点弧がより生じやすい。電源回路で誤点弧現象が生じ、ハイサイドとローサイド双方のスイッチング素子S1,S2が同時にオンすると貫通電流がデバイスに流れるため、大きな電力損失が生じるほか、最悪の場合デバイスが破壊されるため、誤点弧現象の対策は必須である。 While the threshold voltage of a conventional Si device is about 3V to 4V, the threshold voltage of a GaN-HEMT is low, about 1V to 2V, so that false firing is more likely to occur. If a false ignition phenomenon occurs in the power supply circuit and both high-side and low-side switching elements S1 and S2 are turned on at the same time, a through current will flow into the device, resulting in large power loss, and in the worst case, the device will be destroyed. Countermeasures against erroneous firing phenomena are essential.

誤点弧対策の従来手法としては、負電圧をゲート端子に印加してスイッチング素子をオフにする手法が一般的である。 As a conventional method to prevent erroneous ignition, a common method is to apply a negative voltage to the gate terminal to turn off the switching element.

次に、還流動作時の逆導通損失について、図10および図12を参照して説明する。図10に示すハーフブリッジ回路100では、スイッチング素子S1,S2がOFFであるデットタイム時に、電流ISDがインダクタL、キャパシタCoutおよびスイッチング素子S2のループを還流する。これにより、電流ISDはスイッチング素子S1を逆導通する。 Next, reverse conduction loss during reflux operation will be explained with reference to FIGS. 10 and 12. In the half-bridge circuit 100 shown in FIG. 10, during the dead time when the switching elements S1 and S2 are OFF, the current ISD circulates through the loop of the inductor L, the capacitor Cout, and the switching element S2. As a result, the current ISD reversely conducts the switching element S1.

図12(a)は、スイッチング素子S2の逆導通時の等価回路であり、図12(b)は、GaN‐HEMTの逆導通特性を示すグラフである。GaN‐HEMTはボディダイオードがない横型デバイスであるため、VGSに依存する逆導通特性をもつデバイスである。スイッチング素子S2のソースドレイン間には、寄生容量Cgd,Csdがある。VGSが0Vの時、Cgs両端の電位差は0Vであり、この時電流がソースから流れると、寄生容量Cgdと寄生容量Csdが充電され、VGDがしきい値電圧Vthに達するとチャネルが形成される。電流は形成されたチャネルを介して流れ、ソースドレイン間の電圧降下はVSD=VGD=Vthと表される。これがGaN‐HEMTの逆導通の原理である。ゲートに負電圧が印加されている場合、寄生容量Cgsを介して寄生容量Cgdが充電されるため、寄生容量Cgsに印加されている電圧、すなわちVGS分の電圧降下が生じる。従って負電圧印加時のVSDは次式で表される。
SD=VGD-VGS(1)
このためGaN‐HEMTの場合、単に負電圧を用いて誤点弧を防止する従来手法は逆導通損失の増加の原因となる。
FIG. 12(a) is an equivalent circuit when the switching element S2 is in reverse conduction, and FIG. 12(b) is a graph showing the reverse conduction characteristics of the GaN-HEMT. Since the GaN-HEMT is a horizontal device without a body diode, it is a device with reverse conduction characteristics that depend on V GS . There are parasitic capacitances Cgd and Csd between the source and drain of the switching element S2. When V GS is 0 V, the potential difference across Cgs is 0 V, and when current flows from the source at this time, parasitic capacitance Cgd and parasitic capacitance Csd are charged, and when V GD reaches the threshold voltage V th , the channel is closed. It is formed. Current flows through the formed channel and the voltage drop between the source and drain is expressed as V SD =V GD =V th . This is the principle of reverse conduction in GaN-HEMT. When a negative voltage is applied to the gate, the parasitic capacitance Cgd is charged via the parasitic capacitance Cgs, resulting in a voltage drop equal to the voltage applied to the parasitic capacitance Cgs, that is, VGS . Therefore, VSD when a negative voltage is applied is expressed by the following equation.
V SD = V GD - V GS (1)
For this reason, in the case of GaN-HEMTs, the conventional method of simply using a negative voltage to prevent false ignition causes an increase in reverse conduction loss.

これに対し、スイッチング素子のターンオフ時には負電圧を印加し、その後のデッドタイム時に0Vを印加することにより、誤点弧現象の防止および逆導通損失の低減を図る技術が提案されている(例えば、非特許文献1~3)。すなわち、非特許文献1~3には、スイッチング素子のゲート端子に、正電圧、負電圧および0Vの3レベルの電圧を印加可能とする構成が開示されている。図13~図15はそれぞれ、非特許文献1~3に記載のゲート駆動回路200,300,400を示している。 On the other hand, a technique has been proposed in which a negative voltage is applied when the switching element is turned off, and 0V is applied during the subsequent dead time to prevent false firing phenomena and reduce reverse conduction loss (for example, Non-patent documents 1 to 3). That is, Non-Patent Documents 1 to 3 disclose configurations in which three levels of voltage, positive voltage, negative voltage, and 0V, can be applied to the gate terminal of a switching element. 13 to 15 show gate drive circuits 200, 300, and 400 described in Non-Patent Documents 1 to 3, respectively.

Zhi-Liang Zhang、"Three-Level Gate Drivers for eGaN‐HEMTs in Resonant Converters"、2017Zhi-Liang Zhang, "Three-Level Gate Drivers for eGaN‐HEMTs in Resonant Converters", 2017 Achim Seidel、"A Fully Integrated Three-Level 11.6nC Gate Driver Supporting GaN Gate Injection Transistors"、2018Achim Seidel, "A Fully Integrated Three-Level 11.6nC Gate Driver Supporting GaN Gate Injection Transistors", 2018 "GaN-Tr Application Note(PGA26E07BA)"、Panasonic Semiconductor Solutions Co., Ltd、2019"GaN-Tr Application Note (PGA26E07BA)", Panasonic Semiconductor Solutions Co., Ltd, 2019

図13に示す非特許文献1に記載のゲート駆動回路200は、スイッチング素子S1のゲート端子を3レベルで駆動するために、中間電圧生成回路(Mid-level generator)201に接続されている。中間電圧生成回路201は、ゲート駆動回路200に用いられる電源電圧VCCとは異なる電源V-Vを使用する。すなわち、非特許文献1では、追加の電源V-Vを必要とするために、回路面積が増大するという問題がある。 A gate drive circuit 200 described in Non-Patent Document 1 shown in FIG. 13 is connected to a mid-level generator 201 in order to drive the gate terminal of the switching element S1 at three levels. The intermediate voltage generation circuit 201 uses a power supply V X -V Z that is different from the power supply voltage V CC used for the gate drive circuit 200. That is, in Non-Patent Document 1, there is a problem that the circuit area increases because an additional power supply V X -V Z is required.

図14に示す非特許文献2に記載のゲート駆動回路300は、スイッチング素子S1のゲート端子を駆動するために必要とする電源は電源VDRVのみであるが、スイッチング素子S1のゲート端子だけでなくソース端子にも接続されている。そのため、破線矢印に示すように、スイッチング素子S1のソース電流がゲート駆動回路300に流れる可能性があり、信頼性に問題がある。 The gate drive circuit 300 described in Non-Patent Document 2 shown in FIG. 14 requires only the power supply VDRV to drive the gate terminal of the switching element S1. It is also connected to the terminal. Therefore, as shown by the broken line arrow, there is a possibility that the source current of the switching element S1 flows into the gate drive circuit 300, which poses a reliability problem.

図15に示す非特許文献3に記載のゲート駆動回路400は、2つのトランジスタT401,T402に加え、抵抗Rin,Rg_on,Rg_offおよびキャパシタCsが設けられている。抵抗Rinの抵抗値は高く(1500Ω)、抵抗Rg_on,Rg_offの抵抗値は低いため、スイッチング素子S1のターンオン時は、抵抗Rg_onおよびキャパシタCsに電流が流れ、キャパシタCsに電荷が蓄えられ、キャパシタCsの充電が完了すると、抵抗Rinに電流が流れる。ターンオフ時は、キャパシタCsが放電し、キャパシタCsから抵抗Rg_offに電流が流れるため、キャパシタCsにおける電位差により、スイッチング素子S1のゲート端子には負電圧が印加される。キャパシタCsの放電が終了するとスイッチング素子S1のゲート電圧は0Vとなる。その後、ターンオン時には、キャパシタCsにおける電位差は0Vであるため、即座にスイッチング素子S1のゲート端子に正電圧が印加される。 A gate drive circuit 400 described in Non-Patent Document 3 shown in FIG. 15 includes resistors Rin, Rg_on, Rg_off, and a capacitor Cs in addition to two transistors T401 and T402. Since the resistance value of the resistor Rin is high (1500Ω) and the resistance values of the resistors Rg_on and Rg_off are low, when the switching element S1 is turned on, a current flows through the resistor Rg_on and the capacitor Cs, charge is stored in the capacitor Cs, and the resistance value of the resistors Rg_on and Rg_off is low. When charging is completed, a current flows through the resistor Rin. At the time of turn-off, the capacitor Cs is discharged and a current flows from the capacitor Cs to the resistor Rg_off, so that a negative voltage is applied to the gate terminal of the switching element S1 due to the potential difference in the capacitor Cs. When the discharge of the capacitor Cs ends, the gate voltage of the switching element S1 becomes 0V. Thereafter, at the time of turn-on, since the potential difference in the capacitor Cs is 0V, a positive voltage is immediately applied to the gate terminal of the switching element S1.

しかし、ターンオフ後、キャパシタCsの放電が終了する前にターンオンすると、キャパシタCsの電極間に電位差が存在するため、キャパシタCsが再充電された後でなければ、スイッチング素子S1のゲート電圧は正電圧にならない(抵抗Rinは抵抗値が非常に高いため、キャパシタCsが再充電されるまではキャパシタCsに電流が流れ、抵抗Rinには電流は流れない)。よって、ゲート駆動回路400は高周波動作に不向きであるという問題がある。 However, if the capacitor Cs is turned on after being turned off but before the discharge of the capacitor Cs is completed, there will be a potential difference between the electrodes of the capacitor Cs, so the gate voltage of the switching element S1 will be a positive voltage only after the capacitor Cs is recharged. (Since the resistance value of the resistor Rin is very high, current flows through the capacitor Cs and no current flows through the resistor Rin until the capacitor Cs is recharged.) Therefore, there is a problem that the gate drive circuit 400 is not suitable for high frequency operation.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、誤点弧現象の防止および逆導通損失の低減を実現でき、かつ、構成が簡易で、信頼性が高く、高周波動作が可能なゲート駆動回路を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and can prevent false ignition phenomena and reduce reverse conduction loss, and has a simple configuration, high reliability, and high frequency operation. The purpose of this invention is to provide a gate drive circuit that is highly efficient.

上記課題を解決するために、本発明に係るゲート駆動回路は、スイッチング素子のゲート端子を駆動するゲート駆動回路であって、第1~第5のトランジスタと、キャパシタとを備え、第1のトランジスタの第1の被制御端子および第3のトランジスタの第1の被制御端子は、第1の電位に接続され、第1のトランジスタの第2の被制御端子は、第2のトランジスタの第1の被制御端子および前記キャパシタの第1の電極に接続され、第2のトランジスタの第2の被制御端子は、第1の電位より低い第2の電位に接続され、第3のトランジスタの第2の被制御端子は、前記スイッチング素子の前記ゲート端子および第4のトランジスタの第1の被制御端子に接続され、第4のトランジスタの第2の被制御端子は、前記キャパシタの第2の電極および第5のトランジスタの第1の被制御端子に接続され、第5のトランジスタの第2の被制御端子は、第2の電位に接続されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a gate drive circuit according to the present invention is a gate drive circuit that drives a gate terminal of a switching element, and includes first to fifth transistors and a capacitor, and includes a first transistor and a capacitor. The first controlled terminal of the first transistor and the first controlled terminal of the third transistor are connected to the first potential, and the second controlled terminal of the first transistor is connected to the first controlled terminal of the second transistor. a second controlled terminal of the second transistor is connected to a second potential lower than the first potential; A controlled terminal is connected to the gate terminal of the switching element and a first controlled terminal of the fourth transistor, and a second controlled terminal of the fourth transistor is connected to the second electrode of the capacitor and the first controlled terminal of the fourth transistor. The second controlled terminal of the fifth transistor is connected to the second potential.

本発明によれば、誤点弧現象の防止および逆導通損失の低減を実現でき、かつ、構成が簡易で、信頼性が高く、高周波動作が可能なゲート駆動回路を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a gate drive circuit that can prevent false ignition phenomena and reduce reverse conduction loss, has a simple configuration, is highly reliable, and is capable of high-frequency operation.

本発明の一実施形態に係るゲート駆動回路の回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of a gate drive circuit according to an embodiment of the present invention. ゲート駆動回路を制御する制御信号、スイッチング素子のゲートソース間電圧およびドレインソース間電圧の波形である。These are waveforms of a control signal that controls a gate drive circuit, a gate-source voltage, and a drain-source voltage of a switching element. ターンオン時におけるゲート駆動回路の動作を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing the operation of the gate drive circuit at turn-on. ターンオフ時におけるゲート駆動回路の動作を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing the operation of the gate drive circuit during turn-off. デッドタイム時におけるゲート駆動回路の動作を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing the operation of the gate drive circuit during dead time. 本発明の変形例に係るゲート駆動回路の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a gate drive circuit according to a modification of the present invention. 本発明の比較例として用いた従来のゲート駆動回路の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a conventional gate drive circuit used as a comparative example of the present invention. 下回生型ハーフブリッジ回路の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a lower half-bridge circuit. ターンオフ時のスイッチング素子のゲートソース間電圧およびドレインソース間電圧の波形である。These are the waveforms of the gate-source voltage and drain-source voltage of the switching element during turn-off. ハーフブリッジ方式の電源回路の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a half-bridge type power supply circuit. 誤点弧現象の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a false firing phenomenon. 還流動作時の逆導通損失の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of reverse conduction loss during reflux operation. 従来のゲート駆動回路の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a conventional gate drive circuit. 従来のゲート駆動回路の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a conventional gate drive circuit. 従来のゲート駆動回路の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a conventional gate drive circuit.

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below.

(回路構成)
図1は、本発明の一実施形態に係るゲート駆動回路1の回路図である。ゲート駆動回路1は、GaN‐HEMTであるスイッチング素子S1のゲート端子を駆動する。
(Circuit configuration)
FIG. 1 is a circuit diagram of a gate drive circuit 1 according to an embodiment of the present invention. Gate drive circuit 1 drives the gate terminal of switching element S1, which is a GaN-HEMT.

ゲート駆動回路1は、第1~第6のトランジスタT1~T6と、キャパシタCsubと、ゲート抵抗Rgとを備えている。第1および第3のトランジスタT1,T3は、PMOSトランジスタであり、第2、第4~第6トランジスタT2,T4~T6は、NMOSトランジスタである。 The gate drive circuit 1 includes first to sixth transistors T1 to T6, a capacitor Csub, and a gate resistor Rg. The first and third transistors T1 and T3 are PMOS transistors, and the second and fourth to sixth transistors T2 and T4 to T6 are NMOS transistors.

第1のトランジスタT1のソース端子(第1の被制御端子)および第3のトランジスタT3のソース端子(第1の被制御端子)は、電源電位(第1の電位)VDDに接続されている。第1のトランジスタT1のドレイン端子(第2の被制御端子)は、第2のトランジスタT2のドレイン端子(第1の被制御端子)およびキャパシタCsubの第1の電極に接続されている。第2のトランジスタT2のソース端子(第2の被制御端子)は、接地電位(第2の電位)に接続されている。第3のトランジスタT3のドレイン端子(第2の被制御端子)は、スイッチング素子S1のゲート端子および第4のトランジスタT4のドレイン端子(第1の被制御端子)に接続されている。第4のトランジスタT4のソース端子(第2の被制御端子)は、キャパシタCsubの第2の電極および第5のトランジスタT5のドレイン端子(第1の被制御端子)に接続されている。第5のトランジスタT5のソース端子(第2の被制御端子)は、第6のトランジスタT6を介して接地電位に接続されている。すなわち、第5のトランジスタT5のソース端子は、第6のトランジスタT6のドレイン端子に接続され、第6のトランジスタT6のソース端子は、接地電位に接続されている。 The source terminal (first controlled terminal) of the first transistor T1 and the source terminal (first controlled terminal) of the third transistor T3 are connected to a power supply potential (first potential) VDD. The drain terminal (second controlled terminal) of the first transistor T1 is connected to the drain terminal (first controlled terminal) of the second transistor T2 and the first electrode of the capacitor Csub. A source terminal (second controlled terminal) of the second transistor T2 is connected to a ground potential (second potential). The drain terminal (second controlled terminal) of the third transistor T3 is connected to the gate terminal of the switching element S1 and the drain terminal (first controlled terminal) of the fourth transistor T4. The source terminal (second controlled terminal) of the fourth transistor T4 is connected to the second electrode of the capacitor Csub and the drain terminal (first controlled terminal) of the fifth transistor T5. The source terminal (second controlled terminal) of the fifth transistor T5 is connected to the ground potential via the sixth transistor T6. That is, the source terminal of the fifth transistor T5 is connected to the drain terminal of the sixth transistor T6, and the source terminal of the sixth transistor T6 is connected to the ground potential.

以上のように、ゲート駆動回路1は、トランジスタの数が6個、キャパシタの数が1個であり、制御信号も2つであるため、構成が簡易である。また、図13に示す従来のゲート駆動回路200のように、追加の電源VX-VZを必要としないため、回路面積も小さくて済む。また、図14に示す従来のゲート駆動回路300とは異なり、ゲート駆動回路1は、スイッチング素子S1のゲート端子のみに接続されているため、スイッチング素子S1からゲート駆動回路1に電流が流れることがなく、信頼性に問題はない。 As described above, the gate drive circuit 1 has a simple configuration because it has six transistors, one capacitor, and two control signals. Further, unlike the conventional gate drive circuit 200 shown in FIG. 13, since additional power supplies VX-VZ are not required, the circuit area can be small. Furthermore, unlike the conventional gate drive circuit 300 shown in FIG. 14, the gate drive circuit 1 is connected only to the gate terminal of the switching element S1, so that current does not flow from the switching element S1 to the gate drive circuit 1. There are no problems with reliability.

(動作原理)
以下、ゲート駆動回路1の動作原理を説明する。第1~第4のトランジスタT1~T4の各ゲート端子には、制御信号SigAが印加され、第5および第6のトランジスタT5,T6の各ゲート端子には、制御信号SigBが印加される。図2に、制御信号SigA,SigB、スイッチング素子S1のゲートソース間電圧VGSおよびドレインソース間電圧VDSの波形を示す。
(Operating principle)
The operating principle of the gate drive circuit 1 will be explained below. A control signal SigA is applied to each gate terminal of the first to fourth transistors T1 to T4, and a control signal SigB is applied to each gate terminal of the fifth and sixth transistors T5 and T6. FIG. 2 shows waveforms of the control signals SigA, SigB, the gate-source voltage V GS and the drain-source voltage V DS of the switching element S1.

(ターンオン)
時間t1において、制御信号SigBはハイレベルであり、制御信号SigAがハイレベルからローレベルになる。これにより、トランジスタT1,T3,T5,T6がONになり、図3に示すように、電源電位VDDからの電流は、ノードN1において分岐し、一方の電流は、トランジスタT3を通ってスイッチング素子S1のゲート端子に流れる。他方の電流は、トランジスタT1、キャパシタCsub、トランジスタT5およびT6を通って接地電位に流れる。このとき、キャパシタCsubに電荷が蓄積され、電位差が生じる。
(turn on)
At time t1, control signal SigB is at high level, and control signal SigA changes from high level to low level. As a result, transistors T1, T3, T5, and T6 are turned ON, and as shown in FIG. flows to the gate terminal of. The other current flows to ground potential through transistor T1, capacitor Csub, and transistors T5 and T6. At this time, charge is accumulated in the capacitor Csub, and a potential difference is generated.

(ターンオフ)
時間t2において、制御信号SigAがハイレベルになり、制御信号SigBがローレベルになる。これにより、トランジスタT1,T3,T5,T6がOFFになる一方、トランジスタT2,T4がONになる。その結果、図4に示すように、キャパシタCsubの電荷が放電され、スイッチング素子S1のゲート端子からトランジスタT4、キャパシタCsubおよびトランジスタT2を介して接地電位に電流が流れる。これにより、スイッチング素子S1のゲートソース間電圧VGSは負電圧になり、誤点弧現象が防止される。
(turn off)
At time t2, control signal SigA becomes high level, and control signal SigB becomes low level. As a result, transistors T1, T3, T5, and T6 are turned off, while transistors T2 and T4 are turned on. As a result, as shown in FIG. 4, the charge in the capacitor Csub is discharged, and a current flows from the gate terminal of the switching element S1 to the ground potential through the transistor T4, the capacitor Csub, and the transistor T2. As a result, the gate-source voltage VGS of the switching element S1 becomes a negative voltage, thereby preventing an erroneous firing phenomenon.

(デッドタイム)
時間t3において、制御信号SigBをハイレベルに立ち上げる。これにより、トランジスタT5,T6がONになり、図5に示すように、トランジスタT6側の接地電位からスイッチング素子S1のゲート端子へ電流が流れ、ゲートソース間電圧VGSは0Vにクランプされる。よって、還流動作時の逆導通損失が低減される。
(dead time)
At time t3, control signal SigB is raised to high level. As a result, the transistors T5 and T6 are turned on, and as shown in FIG. 5, a current flows from the ground potential on the transistor T6 side to the gate terminal of the switching element S1, and the gate-source voltage VGS is clamped to 0V. Therefore, reverse conduction loss during reflux operation is reduced.

以上のように、トランジスタT1~T6をON/OFFすることで、スイッチング素子S1のゲート端子には、正電圧、負電圧および0Vの3レベルの電圧が印加される。これにより、誤点弧現象の防止および逆導通損失の低減を実現できる。 As described above, by turning ON/OFF the transistors T1 to T6, three levels of voltage, positive voltage, negative voltage, and 0V, are applied to the gate terminal of switching element S1. This makes it possible to prevent erroneous ignition phenomena and reduce reverse conduction loss.

デッドタイム後、時間t4において、制御信号SigAをローレベルに立ち下げると、スイッチング素子S1がターンオンし、図4に示す電流が流れる。ここで、キャパシタCsubの放電が完了しておらず、電荷が残っていたとしても、破線矢印に示すように、キャパシタCsubを通過する電流はスイッチング素子S1のゲート端子に流れず、この電流とは別に、実線矢印に示す電流がスイッチング素子S1のゲート端子に流れる。そのため、キャパシタCsubの再充電期間に破線矢印に示す電流が止まっても、スイッチング素子S1の駆動に影響を与えない。すなわち、キャパシタCsubを完全に放電する前にスイッチング素子S1をターンオンしても正常に動作するため、数百kHzから数MHz程度の高周波動作が可能である。 After the dead time, at time t4, when the control signal SigA falls to a low level, the switching element S1 is turned on, and the current shown in FIG. 4 flows. Here, even if the discharge of the capacitor Csub is not completed and the charge remains, the current passing through the capacitor Csub does not flow to the gate terminal of the switching element S1, as shown by the broken line arrow, and this current is Separately, a current indicated by a solid arrow flows to the gate terminal of the switching element S1. Therefore, even if the current indicated by the broken line arrow stops during the recharging period of the capacitor Csub, the driving of the switching element S1 is not affected. That is, even if the switching element S1 is turned on before the capacitor Csub is completely discharged, the switching element S1 operates normally, so high frequency operation from several hundred kHz to several MHz is possible.

一方、図15に示す従来のゲート駆動回路400では、スイッチング素子S1のゲート端子に直接キャパシタCsが接続されている。そのため、オフ期間においてキャパシタCsを完全に放電する前にスイッチング動作を行うと、キャパシタCsが再充電されなければスイッチング素子S1をONにできず、ターンオン時間は大きくなる。よって、高周波動作で動作させた場合、GaN‐HEMTのもつ高速スイッチング性能を十分に引き出すことができない。 On the other hand, in a conventional gate drive circuit 400 shown in FIG. 15, a capacitor Cs is directly connected to the gate terminal of the switching element S1. Therefore, if a switching operation is performed before the capacitor Cs is completely discharged during the off period, the switching element S1 cannot be turned on unless the capacitor Cs is recharged, and the turn-on time becomes longer. Therefore, when operated at a high frequency, the high-speed switching performance of the GaN-HEMT cannot be fully exploited.

以上のように、本実施形態に係るゲート駆動回路1は、誤点弧現象の防止および逆導通損失の低減を実現でき、かつ、構成が簡易で、信頼性が高く、高周波動作が可能であるという特徴を有する。 As described above, the gate drive circuit 1 according to the present embodiment can prevent false firing phenomena and reduce reverse conduction loss, has a simple configuration, is highly reliable, and is capable of high frequency operation. It has the following characteristics.

(変形例)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。
(Modified example)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various changes can be made without departing from the spirit thereof.

図6は、本発明の変形例に係るゲート駆動回路1’の回路図である。ゲート駆動回路1’は、図1に示すゲート駆動回路1において、第1および第2の抵抗R1,R2をさらに備えた構成である。第1の抵抗R1は、第5のトランジスタT5のゲート端子(制御端子)に接続され、第2の抵抗R2は、第6のトランジスタT6のゲート端子(制御端子)に接続されている。 FIG. 6 is a circuit diagram of a gate drive circuit 1' according to a modification of the present invention. The gate drive circuit 1' has a configuration in which the gate drive circuit 1 shown in FIG. 1 further includes first and second resistors R1 and R2. The first resistor R1 is connected to the gate terminal (control terminal) of the fifth transistor T5, and the second resistor R2 is connected to the gate terminal (control terminal) of the sixth transistor T6.

図2に示すように、時間t3において、制御信号SigBをハイレベルに立ち上げることにより、スイッチング素子S1のゲートソース間電圧VGSは0Vにクランプされるが、実際は瞬間的に1V程度にまでオーバーシュートする(下記実施例(図9)では0.98V)。図6に示すゲート駆動回路1’では、第1および第2の抵抗R1,R2によって、制御信号SigBの立ち上がり速度が遅くなり、トランジスタT5,T6がOFFからONに切り替わる時間が長くなる。これにより、オーバーシュートによる電圧VGSの上昇幅が抑えられ、電圧VGSがスイッチング素子S1のしきい値電圧を超えることを確実に防止することができる。 As shown in FIG. 2, by raising the control signal SigB to a high level at time t3, the gate-source voltage VGS of the switching element S1 is clamped to 0V, but in reality it momentarily exceeds about 1V. Shoot (0.98V in the example below (FIG. 9)). In the gate drive circuit 1' shown in FIG. 6, the rise speed of the control signal SigB is slowed down by the first and second resistors R1 and R2, and the time it takes for the transistors T5 and T6 to switch from OFF to ON becomes longer. This suppresses the rise in voltage V GS due to overshoot, and can reliably prevent voltage V GS from exceeding the threshold voltage of switching element S1.

なお、図1に示すゲート駆動回路1において、第5および第6のトランジスタT5,T6の一方を省略してもよい。 Note that in the gate drive circuit 1 shown in FIG. 1, one of the fifth and sixth transistors T5 and T6 may be omitted.

実施例では、図1に示す本発明のゲート駆動回路1が、誤点弧現象を防止でき、かつ、従来のゲート駆動回路に比べ逆導通損失を低減できるか評価した。ゲート駆動回路1のキャパシタCsubは4.7nFのセラミックコンデンサを使用した。 In the example, it was evaluated whether the gate drive circuit 1 of the present invention shown in FIG. 1 can prevent false firing phenomena and reduce reverse conduction loss compared to conventional gate drive circuits. A 4.7 nF ceramic capacitor was used as the capacitor Csub of the gate drive circuit 1.

従来のゲート駆動回路は、図7に示すように、PMOSトランジスタT11と、NMOSトランジスタT12と、ゲート抵抗Rgとを備えたゲート駆動回路11を使用した。具体的には、SILABS社製のゲート駆動回路(SI8275GB)を使用し、負電圧VEEは-2.5Vとした。 As shown in FIG. 7, the conventional gate drive circuit uses a gate drive circuit 11 including a PMOS transistor T11, an NMOS transistor T12, and a gate resistor Rg. Specifically, a gate drive circuit (SI8275GB) manufactured by SILABS was used, and the negative voltage VEE was set to -2.5V.

また、評価用の電源回路として、図8に示す下回生型ハーフブリッジ回路を使用した。ハーフブリッジ回路を構成するスイッチング素子S1,S2は、GaN Systems社製のGaN‐HEMT(GS66504B-E01(Vth(typ)=1.3V))を用いた。入力電圧Vinは50V、入力電流は4Aとし、インダクタLのインダクタンスは100μH、スイッチング周波数は500kHz、デッドタイムは100nsとした。 In addition, as a power supply circuit for evaluation, a lower half bridge circuit shown in FIG. 8 was used. As the switching elements S1 and S2 constituting the half-bridge circuit, GaN-HEMT (GS66504B-E01 (V th (typ) = 1.3 V) manufactured by GaN Systems was used. The input voltage Vin was 50 V, the input current was 4 A, the inductance of the inductor L was 100 μH, the switching frequency was 500 kHz, and the dead time was 100 ns.

実施例では、スイッチング素子S1,S2を駆動する2つのゲート駆動回路に、図1に示すゲート駆動回路1を使用した。比較例では、当該2つのゲート駆動回路に図7に示すゲート駆動回路11を使用した。そして、ローサイドのスイッチング素子S2のゲートソース間電圧Vgsおよびドレインソース間電圧Vdsを測定した。 In the example, the gate drive circuit 1 shown in FIG. 1 was used as the two gate drive circuits that drive the switching elements S1 and S2. In the comparative example, the gate drive circuit 11 shown in FIG. 7 was used for the two gate drive circuits. Then, the gate-source voltage Vgs and drain-source voltage Vds of the low-side switching element S2 were measured.

図9は、ターンオフ時のスイッチング素子S2の電圧Vgs,Vdsの波形を示している。ゲート駆動回路1を用いた実施例では、ターンオフ時にスイッチング素子S2を負電圧で駆動しているため、スイッチング素子S1のスイッチング時に生じるミラー電流によるゲート電圧振動は0.98Vに抑えられ、しきい値電圧(1.3V)を超えなかった。一方、ゲート駆動回路11を用いた比較例では、ゲート電圧振動が1.6Vとなり、しきい値電圧を超えた。 FIG. 9 shows the waveforms of the voltages Vgs and Vds of the switching element S2 at the time of turn-off. In the example using the gate drive circuit 1, since the switching element S2 is driven with a negative voltage at the time of turn-off, the gate voltage oscillation due to the mirror current that occurs when switching the switching element S1 is suppressed to 0.98V, and the threshold value is The voltage (1.3V) was not exceeded. On the other hand, in the comparative example using the gate drive circuit 11, the gate voltage oscillation was 1.6V, which exceeded the threshold voltage.

また、デッドタイム時の電圧降下Vsdと逆導通損失の評価結果は、従来のゲート駆動回路11がそれぞれ3.77V、11.4Wであったのに対し、本発明のゲート駆動回路1は、2.34V、8.7Wであった。このように、ゲート駆動回路1は、電圧降下を抑えることで、ゲート駆動回路11に比べ逆導通損失が23.7%低減された。 In addition, the evaluation results of voltage drop Vsd and reverse conduction loss during dead time were 3.77 V and 11.4 W, respectively, for the conventional gate drive circuit 11, whereas the gate drive circuit 1 of the present invention had 2. It was .34V and 8.7W. In this way, the gate drive circuit 1 reduced the reverse conduction loss by 23.7% compared to the gate drive circuit 11 by suppressing the voltage drop.

以上のように、本発明のゲート駆動回路1により誤点弧の対策と逆導通損失を低減することが可能であることが分かった。 As described above, it has been found that the gate drive circuit 1 of the present invention can prevent erroneous firing and reduce reverse conduction loss.

本発明に係るゲート駆動回路は、GaN‐HEMTの駆動に好適であるが、これに限定されず、例えば、Si系半導体デバイスの駆動にも適用できる。 The gate drive circuit according to the present invention is suitable for driving a GaN-HEMT, but is not limited thereto, and can also be applied to, for example, driving a Si-based semiconductor device.

1 ゲート駆動回路
1’ ゲート駆動回路
2 ゲート駆動回路
Csub キャパシタ
R1 第1の抵抗
R2 第2の抵抗
Rg ゲート抵抗
S1 スイッチング素子
S2 スイッチング素子
T1 第1のトランジスタ
T2 第2のトランジスタ
T3 第3のトランジスタ
T4 第4のトランジスタ
T5 第5のトランジスタ
T6 第6のトランジスタ
1 Gate drive circuit 1' Gate drive circuit 2 Gate drive circuit Csub Capacitor R1 First resistor R2 Second resistor Rg Gate resistor S1 Switching element S2 Switching element T1 First transistor T2 Second transistor T3 Third transistor T4 Fourth transistor T5 Fifth transistor T6 Sixth transistor

Claims (7)

スイッチング素子のゲート端子を駆動するゲート駆動回路であって、
第1~第5のトランジスタと、キャパシタとを備え、
第1のトランジスタの第1の被制御端子および第3のトランジスタの第1の被制御端子は、第1の電位に接続され、
第1のトランジスタの第2の被制御端子は、第2のトランジスタの第1の被制御端子および前記キャパシタの第1の電極に接続され、
第2のトランジスタの第2の被制御端子は、第1の電位より低い第2の電位に接続され、
第3のトランジスタの第2の被制御端子は、前記スイッチング素子の前記ゲート端子および第4のトランジスタの第1の被制御端子に接続され、
第4のトランジスタの第2の被制御端子は、前記キャパシタの第2の電極および第5のトランジスタの第1の被制御端子に接続され、
第5のトランジスタの第2の被制御端子は、第2の電位に接続されている、ゲート駆動回路。
A gate drive circuit that drives a gate terminal of a switching element,
comprising first to fifth transistors and a capacitor,
a first controlled terminal of the first transistor and a first controlled terminal of the third transistor are connected to a first potential;
a second controlled terminal of the first transistor is connected to a first controlled terminal of the second transistor and a first electrode of the capacitor;
a second controlled terminal of the second transistor is connected to a second potential that is lower than the first potential;
a second controlled terminal of the third transistor is connected to the gate terminal of the switching element and the first controlled terminal of the fourth transistor;
a second controlled terminal of the fourth transistor is connected to the second electrode of the capacitor and the first controlled terminal of the fifth transistor;
A gate drive circuit, wherein a second controlled terminal of the fifth transistor is connected to a second potential.
第5のトランジスタの制御端子に接続される第1の抵抗をさらに備えた、請求項1に記載のゲート駆動回路。 The gate drive circuit according to claim 1, further comprising a first resistor connected to a control terminal of the fifth transistor. 第6のトランジスタをさらに備え、
第5のトランジスタの第2の被制御端子は、第6のトランジスタを介して第2の電位に接続されている、請求項1または2に記載のゲート駆動回路。
further comprising a sixth transistor;
3. The gate drive circuit according to claim 1, wherein the second controlled terminal of the fifth transistor is connected to the second potential via the sixth transistor.
第6のトランジスタの制御端子に接続される第2の抵抗をさらに備えた、請求項3に記載のゲート駆動回路。 4. The gate drive circuit according to claim 3, further comprising a second resistor connected to a control terminal of the sixth transistor. 第1および第3のトランジスタは、PMOSトランジスタであり、
第2、第4~第6トランジスタは、NMOSトランジスタである、請求項1~4のいずれかに記載のゲート駆動回路。
the first and third transistors are PMOS transistors,
5. The gate drive circuit according to claim 1, wherein the second, fourth to sixth transistors are NMOS transistors.
スイッチング素子と、
前記スイッチング素子のゲート端子を駆動するゲート駆動回路とを備え、
前記ゲート駆動回路は、請求項1~5のいずれかに記載のゲート駆動回路である、電源回路。
a switching element;
and a gate drive circuit that drives a gate terminal of the switching element,
A power supply circuit, wherein the gate drive circuit is the gate drive circuit according to claim 1.
前記スイッチング素子は、GaN系の高電子移動度トランジスタである、請求項6に記載の電源回路。 7. The power supply circuit according to claim 6, wherein the switching element is a GaN-based high electron mobility transistor.
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