JPH0865125A - パワーmosfetスイッチのゲートドライブ回路 - Google Patents

パワーmosfetスイッチのゲートドライブ回路

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JPH0865125A
JPH0865125A JP7205099A JP20509995A JPH0865125A JP H0865125 A JPH0865125 A JP H0865125A JP 7205099 A JP7205099 A JP 7205099A JP 20509995 A JP20509995 A JP 20509995A JP H0865125 A JPH0865125 A JP H0865125A
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JP
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gate
drive
mosfet
drive circuit
power mosfet
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JP7205099A
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Kenneth J Timm
ジョン ティム ケネス
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AT&T Corp
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AT&T Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パワーMOSFETスイッチのゲートドライ
ブの装置及び方法を提供する。 【解決手段】 MOSFETを駆動する高機能分離ゲー
トドライブ回路を開示する。この回路においては、MO
SFETプルダウン素子が使用されて、通常低いゲート
放電インピーダンスは提供され、制御されたスイッチの
ターンオフ速度は非常に速く、全般的なゲートドライブ
回路に散逸するパワーは減少される。また、この回路に
はより優れているオフタイムノイズ免疫性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はMOSFETドライ
ブ回路に関する。特に、高機能分離MOSFETゲート
ドライブ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】ゼロ電圧スイッチング(ZVS)パワー
変換器トポロギーにおいては、MOSFETの高速ター
ンオフが非常に重要である。ドレイン−ソースキャパシ
タンスがオフに変わっている電流により顕著にチャージ
される前に、パワーMOSFETはオフに変わらなけれ
ばならない。ZVSパワー変換器トポロギーにおける高
速FETターンオンはそれほど重要ではない。なぜな
ら、ターンオン過程における自己変換がこれらのトポロ
ギー動作にもともと含まれるからである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ハイパワーMOSFE
Tゲートドライブ回路におけるノイズ疑似ターンオンの
可能性は、特にブリッジ型トポロギーにおいて、スイッ
チング速度及び回路パワーレベルの増加につれてますま
す問題となっている。高い電圧変換からの高い電流スイ
ッチングパスと寄生結合は疑似電圧スパイクをゲート回
路に注入する。ゲートは変成器によって提供された隔離
を要求する場合、巻き線に固有の漏れインダクタンスは
ノイズ感受性を増加させ、スイッチング速度を低減させ
る。動的動作の条件においては、瞬間のノイズレベルは
不適切な時にMOSFETスイッチをターンオンする可
能性がある。これによって交差導通による回路の破壊が
発生する可能性もある。
【0004】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は請求項1に記載した、MOSFETを駆動
する高機能分離ゲートドライブ回路を提供する。
【0005】
【発明の実施の形態】図1には、従来技術のゲートドラ
イブ回路を示す。この回路には次の幾つかの欠点があ
る。まずは、パワーMOSFETQ1のゲート電圧の上
昇と降下時間は、変成器T1の漏れリアクタンスを介し
てゲートチャージを導通させる必要により、緩慢とな
る。過剰のエネルギーはCin1のキャパシタンスを入力
電圧波形の正負のフル限度に駆動するのに消耗される。
このキャパシタンスCin1は、一般的にMOSFETQ1
のゲート−ソースの寄生キャパシタンスにより提供され
る。必要ならば、分離したキャパシタンスはCin1とし
て使用される。また、このドライブ回路はパワーMOS
FETQ1のターンオフ電流を減衰することができる。
【0006】ドライブ回路に含む直列抵抗R1は次の二
つの目的のために使用される。一つの目的は、変成器漏
れインダクタンスとゲート入力キャパシタンスCin1と
によって形成された共鳴回路のQ値を減少させることで
ある。Q値の減少にはゲートドライブ電圧信号のリンギ
ングを最小にする必要がある。もう一つの目的は、パワ
ーMOSFETQ1のターンオン時間を減緩させること
により生成されたFMIを制御することである。
【0007】パワーMOSFETQ1のターンオフ速度
を向上させるために、ダイオードCR1が抵抗R1のバイ
パスに並列に配置された。ターンオフ時間を減少させる
と同時に、放電電流スルーレート(di/dt)は、電
流の流れるT1上の漏れインダクタンスにより制限され
る。スイッチング速度は相変わらず適切ではなく、さら
に改善するために、活性プルダウンが必要となる。
【0008】図2は従来技術によるドライブ回路を示
す。活性プルダウンバイポーラトランジスタQ2はスイ
ッチオフ時間を低減させるために使用される。この回路
には次に述べる幾つかの技術欠点を含んでいる。バイポ
ーラトランジスタは非常に非線形的な素子で、その電流
ゲイン(hfe)はコレクタ電流に大きく依存する。パ
ワーMOSFETQ1を高速にオフに切り替えるため
に、大きいパルス電流(数アンペア)を必要とする。h
feの減少のため、対応して大きなベース電流が必要で
ある。ドライブ回路はこのような大きな電流を提供する
ために、装置の大型化及び大きなパワー損失が避けられ
ない。バイポーラ素子の記憶時間は電流につれて増大
し、望ましい機能が得られない。バイポーラトランジス
タVeb(max)の速度をより大きくする逆バイアスpivの手
法もある。R1の値は相反する素子仕様とスイッチング
速度により選択される必要がある。このような低下可能
な機能は次の本発明の回路により解決できる。
【0009】図3は本発明の実施例によるドライブ回路
の簡略図を示す。1次と2次変成器巻き線は点線で示し
た素子の物理的構造に固有な重要な寄生成分に接続され
る。
【0010】分離形変成器T1に入力されるドライブ信
号は方形双極性波形で、一般的に12〜15Vの振幅を
有する。この信号は、低インピーダンスソースから導入
される。低インピーダンスを得るために、第1と第2回
路を緊密に接続することが必要である。統一巻数比の変
成器と2本巻を用いてこれを実現することも可能であ
る。ドライブ波形は3つ別個の領域に分けられる。第1
領域はQ1のオンに対応する+Vpkを持つ正極性を有す
る。第2領域はQ1のオフに対応する−Vpkを持つ負極
性を有し、ゲート−ソースインピーダンスはローを維持
する。第3領域はゼロインピーダンス、または第1と第
2領域の間に起こる不感時間(dead-time)を有し、こ
の不感時間の間、Q1はオフになるべきである。
【0011】ドライブMOSFETQ2はすべての動作
状態に対して高い相互コンダクタンス(gm)を示し、
定常状態のゲート電流を引出し、このゲートドライブ回
路に最小の負荷をかける。これにより、バイポーラトラ
ンジスタ素子によりかかるベース負荷ペナルティを受け
ずに大きなドレイン電流を提供することができる。
【0012】変成器T1の点線端の正電圧により、電流
パルスはゲート回路ループを流れる。このループはT1
の2次巻き線、Q1のゲート入力キャパシタンス(Cin
1)とダイオードCR1からなる。Cin1は+Vkpにチャ
ージされ、Vgs(th)に達すると、パワーMOSFETQ
1をターンオンする。この時点で、ドライブMOSFE
TQ2は効率的に回路から離れる。
【0013】100nsほど小さい不感時間間隔の間、
パワーMOSFETQ1はオフになる必要がある。キャ
パシタCin1はこの期間内に初期電圧+Vpkでもって回
路に入る。不感時間の開始において変成器の2次電圧が
ゼロに降下するとき、キャパシタCin1上の電圧はチャ
ージをキャパシタCin2に対して行うよう切り替わる。
設計においてCin1>>Cin2になると、チャージはこの
2つのキャパシタに分配している場合、電圧は少しだけ
降下するため、ドライブMOSFETQ2は完全にオン
に変わる。ドライブMOSFETQ2の放電パスはT1の
漏れアクタンスにバイパスして、パワーMOSFETの
ゲート電圧は急激にVgs(th)2に降下する。ドライブM
OSFETQ2はそのしきい電圧がVgs(th)2<Vgs(th)
1になるよう選択される。この要求は満足されないと、
パワーMOSFETQ1は不感時間期間中、依然として
オフのままである。この不等関係は簡単に抵抗R1とダ
イオードCR1の使用によりなくされる。この抵抗R1と
ダイオードCR1は、次の実際回路(図4)に示すよう
にキャパシタCin2のエネルギー蓄積能力を促進するよ
う機能する。
【0014】変成器の点上の負電圧は、パワーMOSF
ETQをオフに変える。過渡電流パルスはドライブMO
SFETQ2とキャパシタCin1を流れて、さらに変成器
の漏れインダクタンスをバイパスする。この漏れインダ
クタンスはターンオフ条件に影響を与えないようにな
る。負極性を保持し続ける限り、変成器2次巻き線の電
圧はドライブMOSFETQ2のゲート−ソースに現れ
て、MOSFETはオンとなる。初めに負極性はドライ
ブMOSFETQ2の体ダイオードを介してそのソース
に現れる。ドライブMOSFETQ2はオンに切り替わ
ると、そのrdsonの仕様のみに制限されて非常に低いイ
ンピーダンスとなり、それ故に変成器の点側が素子のソ
ースに連結する。この期間中、ダイオードCR1は逆バ
イアスにかけられて、短絡することによるドライブMO
SFETQ2の正のゲートバイアスを防ぐ。
【0015】
【発明の効果】以上述べたように、本発明のパワーMO
SFETゲートドライブ回路は、より優れているオフタ
イムノイズ免疫性を有するため、動的動作の条件におけ
る瞬間のノイズレベルは不必要な時にMOSFETスイ
ッチをターンオンする可能性をなくす。通常低いゲート
放電インピーダンスは提供され、制御されたスイッチの
ターンオフ速度は非常に速く、全般的なゲートドライブ
回路に散逸するパワーは減少される。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のパワーMOSFETスイッチに対するゲ
ートドライブ回路を表す図。
【図2】従来のバイポーラトランジスタを用いてパワー
MOSFETスイッチを駆動するドライブ回路を表す
図。
【図3】本発明のパワーMOSFETスイッチを駆動す
るゲートドライブ回路を表す図。
【図4】本発明のパワーMOSFETスイッチを駆動す
る実際のゲートドライブ回路を表す図。
【符号の説明】
T1 ドライブ変成器 C1、Cin1、Cin2 キャパシタ CR1、CR2、CR3、CR4 ダイオード Q1、Q2 MOSFETスイッチ R1、R2、R3 抵抗

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゲートとソースとドレインとの電極を有
    するパワーMOSFET(Q1)に対するゲートドライ
    ブにおいて、 パワーMOSFETにソース−ゲート電圧を供給し、キ
    ャパシタンス(Cin1)をチャージしてパワーMOSF
    ETのソース−ゲート電極を分流するために接続される
    2次巻き線を含むドライブ変成器(T1)を有し、 このドライブ回路においては、 ゲートとソースとドレインとの電極を有するドライブM
    OSFET(Q2)を含み、それは2次巻きに接続さ
    れ、さらにパワーMOSFETのゲート電圧をクランプ
    し、キャパシタンスをディスチャージしてパワーMOS
    FETのソース−ゲート電極を分流するために接続さ
    れ、動作し、 ドライブMOSFETの導電性を制御し、このドライブ
    MOSFETのソース電極を2次巻き線に接続させるた
    めに、接続された2次巻き線により生かしたドライブ回
    路と、ドライブMOSFETのソース−ゲートを分流す
    るキャパシタンス(Cin2)とを有することを特徴とす
    るパワーMOSFET(Q1)のゲートドライブ回路。
  2. 【請求項2】 ドライブMOSFETはこのドライブM
    OSFETのソース−ドレイン電極に接続している体ダ
    イオードを有することを特徴とする請求項1のパワーM
    OSFETのゲートドライブ回路。
  3. 【請求項3】 パワーMOSFETのソース−ゲート電
    極を分流するキャパシタンスはこのパワーMOSFET
    の寄生キャパシタンスであることを特徴とする請求項1
    のパワーMOSFETのゲートドライブ回路。
  4. 【請求項4】 パワーMOSFETのソース−ゲート電
    極を分流するキャパシタンスは別個キャパシタであるこ
    とを特徴とする請求項1のパワーMOSFETのゲート
    ドライブ回路。
  5. 【請求項5】 ドライブMOSFETのソース−ゲート
    電極を分流するキャパシタンスはこのドライブMOSF
    ETの寄生キャパシタンスであることを特徴とする請求
    項1のパワーMOSFETのゲートドライブ回路。
  6. 【請求項6】 ドライブMOSFETのソース−ゲート
    電極を分流するキャパシタンスは別個キャパシタである
    ことを特徴とする請求項1のパワーMOSFETのゲー
    トドライブ回路。
  7. 【請求項7】 並列に接続されたダイオードと抵抗(C
    R2、R1)はドライブMOSFETのゲート電極と2次
    巻き線に接続する回路をさらに含むことを特徴とする請
    求項1のパワーMOSFETのゲートドライブ回路。
  8. 【請求項8】 並列に接続されたダイオードと抵抗(C
    R3、R3)はパワーMOSFETのゲート電極と2次巻
    き線に接続する回路をさらに含むことを特徴とする請求
    項1のパワーMOSFETのゲートドライブ回路。
  9. 【請求項9】 ドライブMOSFETのドレイン−ソー
    ス電極を分流する抵抗(R2)をさらに有することを特
    徴とする請求項1のパワーMOSFETのゲートドライ
    ブ回路。
JP7205099A 1994-07-20 1995-07-20 パワーmosfetスイッチのゲートドライブ回路 Pending JPH0865125A (ja)

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JPH0865125A true JPH0865125A (ja) 1996-03-08

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