TW201232512A - Gate driver and semiconductor device employing the same - Google Patents

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201232512 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 閘極驅動電 本發明係關於一種驅動閱M 1 助開關几件之閘極之 路及使用該閘極驅動電路之半導體裳置 l艽刖衩術 j 近年來，隨=使用在開關電源等之輸出用之電晶體造 開關動作之n速化，在開關切換時因使用螺線等之負 :電路之電感而產生之反電壓變大，目此會有弓丨起突波電 壓施加於關閉時為開放狀態 山冰 〜弋電日日體之汲極/源極間導致之 朋/貝之情形，必須要有伴罐觉 有保4電日日體免於受到突波電壓之影 響之手段。 專利文獻1揭示以高速截斷感應性負荷為目的之高側 :關用之半導體裝置，說明抑制此高側開關之沒極/源極間 、[之方〗；t其疋’在專利文獻！之先前技術之說明， 揭示在高側開關之沒極/閘極端子間串聯冑電壓元件與二極 體之主動鉗位電路抑制汲極/源極間電壓以保護高側開關之 方法。 專利文獻2揭示以將IGBT或M〇SFET之高速開關時 產生之過大突波電壓抑制成較低值為目的之電力轉換裝 此電力轉換裝置採用可適用於高側開關及低側開關之 者之主動鉗位電路。專利文獻2之主動鉗位電路，藉 由將電容器並聯於其構成中之二極體，能迅迷地形成負歸 還路徑以將過電壓鉗位。 201232512 專利文獻1 :日本特開平8-28881 7號 專利文獻2:日本特開2〇〇1·245466號公報 【發明内容】 專利文獻1、2所示之主私@ 之主動鉗位電路，在閘極驅動訊號 為斷開狀態下，主動甜位雷改夕紅从μ > 位電路之動作將鉗位電流往閘極電 阻輸出，使閘極電阻之電壓降下 % i丨耳卜上开至開關疋件之閘極閾 值電壓。到達閘極閣值電麗德，、.芬搞带，☆日日， _ 竖傻，及極電流開始流動在開關 元件，使汲極/源極電懕降彳 电坚降低亦即，此主動鉗位電路係使 開關元件之沒極/源極電壓以主動甜位電路動作電壓平衡成 不會上升至既定電壓（例如，元件之額定電壓）以上。 此處，假設閘極電阻值為1〇Ω、開關元件之閉極間值 電壓為5V，則流至主動钳位電路之電流成為〇5α流出。如 專利文獻1所示，若祐如於pq 右施加於開關疋件之電源電壓為20V程 度’則主動甜位元件之穿，'古箭A # 〇 件之大波電力較少即可，但若開關電源 或使用於馬達驅動裝置算_ 衣直寻之開關疋件之電源電壓為 2〇0〜4〇GV則為高電壓。此處，施加於主動鉗位電路之突波 電力成為突波電壓與上述電流之積，因此必須要具有至少 100〜200W之突波耐量之元件。 干疋以，專利文獻1、2所揭 不之裝置’在主動甜位電路中Φ叙a# ω y 电峪T主動70件之散熱手段、可靠 性、價格之面較不利。 又，在GaN ΗΕΜΤ等之不且有崩、生θ 卜，、虿朋，貝耐量之開關元件， 由於施加超過額定電壓之突波電壓 tl· M na - ^ 守双破知，因此驅動 此種開關兀件之閘極之閘極驅動 ^ 再必須要件為具備

S 4 201232512 主動鉗位電路。然而’在習知矽mosfet使用之閘極電阻 之電阻值為10〜數1〇Ω般不同’ GaN ΗΕΜτ等之間極驅動 之閘極電阻較佳為接近〇 Ω之低電阻，由於若採用習知主動 钳位電路則驅動電流進一步增加，因此不易對應。 本發明係解決上述習知技術之問題點而構成，其目的 在於提供—種使用無損回應性且能降低主動甜位元件之損 ♦電力之主動鉗位電路之閘極驅動電路及半導體裝置。 為了解決上述問題，本發明之閘極驅動電路’係驅動 」兀件之閘極，其特徵在於，具備：驅動部，根據控制 ::虎驅動該開關元件；以及主動钳位電路，以下述方式驅 a亥開關兀件，在施加於該開關元件之第1主端子與第2 主端子之間之電壓為既定電壓以上之情形，強制地截斷該 驅動部對該開關元半 ^ , 件之驅動動作，以將該開關元件之第1 ^子與第2主端子之間之電壓鉗位。 ^ 了解決上述問題’本發明之半導體裝置，係透過負 何連接於直流電源 . 電源知子間’控制流至該負荷之電 # έ — 八備.開關兀件，串聯於該直流電源及 動鈕 。，根據控制訊號驅動該開關元件；以及主 初卸位電路，” 關元件之第】山式驅動該開關元件，在施加於該開 以上之俨/主端子與第2主端子之間之電壓為既定電壓 作， 強制地截斷該驅動部對該開關元件之驅動動 將該開關元件之第丨φ嫂工# 壓鉗位。 干之第1主端子與第2主端子之間之電 本發明’可提供使用無損回應性且能降低主動鉗 201232512 位元件之損耗電力之主動鉗位雷故夕胡权sr_ 士 + 仅电路之閘極驅動電路及半導 體裝置。 【實施方式】 以下’根據圖式詳細說明本發明之閘極驅動電路及半 導體裝置之實施形態。 (實施例1) 以下，參照圖式說明本發明之實施例。首先’說明本 實施形態之構成。W 1係顯示本發明實施例i之閘極驅動 電路之構成之電路圖。此開極驅動電路為如圖1所示之驅 動開關元件Tr7之閘極之閘極驅動電路，由電晶體 τη〜Tr6、二極體D1'曾納二極體现、及電阻ri構成。 此外’開關元# Tr7與本發明之開關元件對應，由⑽ HEMT等半導體元件構成。又，本實施例之半導體裝置成為 包含閘極驅動電路與開關元件Tr7之整體構成。 電晶體Trl〜Tr6,在實現本實施例時，為m〇sfet 亦可，使用N型GaN HEMT亦可。或者，藉由為了具有相 同功能而組合之其他半導體元件構成亦可。 電晶體Trl，Tr2, Tr4, Tr5，整體與本發明之驅動部對 應，根據輸入至輸入端子In之控制訊號驅動開關元件Tr7。 電晶體Trl，汲極連接於電源端子Vcc，源極連接於本 身之閘極、電晶體Tr2，Tr3之汲極、及電晶體Tr5之閘極。 此外電晶體Trl，在本實施例雖藉由常開型之GaN HEM丁 構成’但置換為定電流元件或電阻亦可。

S 6 201232512 輸入端子In為用以接收藉由例如未圖示之外部之控制 電路輸出之用以使開關元件Tr7導通/斷開之控制訊號之輸 入端子’連接於電晶體Tr2之閘極端子及電晶體Tr4之閘極 端子。 電晶體Tr2 ’汲極連接於電晶體Tr 1之源極，閘極連接 於輸入端子In，源極連接於開關元件Tr7之源極。電晶體

Tr4，汲極連接於電源端子vcc ’閘極連接於輸入端子In， 源極連接於電晶體Tr5之汲極、電晶體Tr6之源極、及開關 元件Tr7之閘極。電晶體Tr5，汲極連接於電晶體Tr4之源 極閘極連接於電晶體Tr 1之源極’源極連接於開關元件 Tr7之源極。 簡單說明在突波電壓未產生或突波電壓小（未達到主動 鉗位電壓）之情形之驅動部之一般動作。驅動部根據輸入至 輸入端子In之閘極驅動訊號將開關元件Tr7之導通/斷開控 制成以下所述。 若Η位準之訊號輸入至輸入端子In則電晶體Tr4 導通。又’隨著電㈣Tr2之導通動作電晶體Tr5之問極電 壓成為0V，因此電晶體Tr5斷開。同日夺，藉由電晶體w 之導通從控制電源v“透過電晶體Tr4對開關㈣Tr7之 閘極端子施加閘極電壓，開關元件Tr7導通。 又，若L位準之訊號輸入至輸入端子In則電晶體风 W斷開。又，由於電晶體Trl之偏壓電壓輸入至電晶體 τΓ5之閉極端子，因此電晶體Tr5導通。藉此，開關元件 Tr7之閘極電壓成為〇ν，開關元件斷開。 201232512 —極體D1、曾納二極體ZDl、電阻R1、及電晶體Tr3 ΤΓ6整體與本發明之主動鉗位電路對應，以下述方式驅動開 關疋件Tr7，在施加於開關元件Tr7之汲極（第丨主端子）與 源極(第2主端子)之fs，之電壓為既定電壓以上之情形，強制 地截斷驅動部對開關元彳Tr7之驅動動作，以將開關元件

Tr7之汲極與源極之間之電壓鉗位。此主動鉗位電路之詳細 動作將於後述。 極體D1，陽極連接於開關元件 接於曰納一極體ZD i之陰極。又，曾納二極體1，陽本 連接於電晶體Tr3, Τι·6之閑極及電阻Ri之—端，陰極連名 於一極體D1之陰極。電阻R1，一端連接於電晶體 之閘極及曾納二極體ZD1之陽極，卜端連接於開關元卡 Tr7之源極。 電晶體Tr3 ’沒極連接於電晶體Trl之源極，閘極連接 於曰納一極體ZD1之陽極，源極連接於開關元件Tr7之源 極。電晶體Tr6’沒極連接於電源端子ν“，間極連接於曾 納一極體ZD1之陽極，源極連接於開關元件τ"之閘極。 此處，簡單說明從高壓電壓透過負荷連接於開關元件 ΤΓ7之汲極端子而導通/斷開之情形之主動鉗位電路之動 作。此處，假設開關電源用之開關元彳，設連接之負荷為 連接感應性負荷而進行導通/斷開之開關，在藉由感 性負荷之反電力而開關元件Tr7之開關斷開時，在没極/ 極間產生突波電壓。一妒而^ . ηβ „ 叙而έ ，在開關元件Τ>7之汲極/

S 201232512 極間連接由電阻/電容器構成之緩衝電路以吸收突波電壓， 但在開關電源之電源輸入時或輸出短路時，流至負荷之電 流急速使突波電壓上升，在緩衝電路無法完全抑制。 此處，#開關元件為石夕M0SFET，則以元件固有之崩 潰電壓將突波電壓钳位。被鉗位之突波能量轉換成熱，只 要突波能量導致之發熱在元件之接合溫度以内則不會破 損。 然而’開關元件為GaN等之HEMT等之情形，由於不 具有崩潰耐量’因此超過額定電壓之突波電塵之施加會立 刻導致元件破損。 •， ，，《η if 路（圖i所示之二極體D1、曾納二極體zm、電阻M、及 電晶體Tr3，Tr6)吸收突波電壓。與習知技術不同之點在於， 雖藉由二極體D1、曾納二極體zd】、雷阳D , k ，〜 姐乙電阻R1檢測突波電 壓，但不將成為電阻R1之雷厭 … 1之錢降下之突波電壓檢測訊號直 接往開關元件Tr7之閘極吨號一 閘桠汛唬輸入，透過電晶體Tr6使突波 電壓檢測訊號增幅，從和击丨雷 . 從控制電源Vcc獲得閘極訊號。與此 同時’主動鉗位電路將成為雷 圾马電阻尺1之電壓降下之突波電壓 檢測訊號作為電晶體Tr3之間权B * 3之閉極驅動電壓以使電晶體Tr3 導通，使上述驅動部巾m 亀日日體Tr5斷開。亦即，輸入端子 In之閘極訊號為斷開狀態， 上边閘極驅動電路為斷開驅 動。此時，驅動開關元件Tr7夕„ α Μ I 閉極端子者僅為電晶體川， 丁…因此使至少電晶體Tr5斷開，藉 開關元件ΤΓ7之閉極端子切離驅動部。 ^ 201232512 亦即’主動甜位電路能藉由切離驅動部強制地截斷驅 動部之動作，接著藉由電晶體Tr6使開關元件Tr7導通動作。 又，主動鉗位電路透過電晶體Tr6使突波電壓檢測訊號 增幅，從控制電源Vcc驅動開關元件Tr7之閘極，藉此能 使主動鉗位元件即ZD丨之損耗較習知技術大幅降低，可謀 求可靠性之提升。 接著，说明以上述方式構成之本實施形態之作用。圖2 係顯示使用本實施例之閘極驅動電路i 〇之返馳方式之開關 電源之構成之電路圖，關於閘極驅動電路丨〇以外之構成為

-般開關電源之構成。此外’閘極驅動電路！ 〇，相較於圖 1說明之閘極驅動電路，替代電晶體Tr丨設有定電流源cc J 之點與追加有一極體D3之點等不同，但基本作用效果與圖 1之閘極驅動電路相同。關於二極體D3之效果將於後述。 又本貫施例之半導體裝置，係藉由閘極驅動電路i 〇 與開關元# Tr7構成’透過負荷連接於直流電源vdc之電 源端子間’控制流至負荷之電流。此處，開關元件[7係申 聯於直流電源Vdc及負荷。又，開關元件Μ之源極側作 為GND電位。 具體而言，圖2所示之開關電源，具有直流電源μ 透過變壓ET1之一次繞阻Pli4接於開關元件Μ之構成， 藉由對開關it# Tr7進行導通斷開控制將f積在—次繞阻 p 1之電力供應至二次繞阻S 1側。 此處，在變壓器T i — 一人、兀阻連接有藉由二極體D 5 與電容器C3構成之整流平滑電路。χ，為了使藉由該整流 201232512 平滑電路整流平滑後之輸出電壓穩定化，與電容器。3並聯 之誤差增幅器IC2’透過光耦合器pci將誤差訊號傳送至位 於一次側之控制電路1C 1。 控制電路1C 1將根據誤差訊號控制開關元件Tr7之導通 /斷開時間之控制訊號透過輸人端子化輸出至閘極驅動電路 1 0 ’控制開關元件Tr7之導通/斷開。 此外，連接於開關元件Tr7之汲極/源極間之電阻R2 與電谷器ci之串聯電路構成緩衝電路，吸收來自變壓器 之一次繞阻Ρ1之突波電壓。又，二極體〇4、電容器C2、 及變壓β τι之一次繞阻Ρ2構成控制電路IC1與閘極驅動 電路1 0之控制電源v c c。 圖3係顯示使用本實施例之閘極驅動電路1 〇之開關電 源之動作之波形圖。如圖3所示，在時刻tl，若控制電路 1C 1對輸入端子In輸入H位準之控制訊號，則閘極驅動電 路10之電晶體Tr2, Tr4之閘極端子被輸入Η位準電壓而導 通。又，藉由電晶體Tr2導通，電晶體Tr5之閘極端子被輸 入ον而斷開。亦即，透過電晶體Tr5、電晶體Tr2輸入來 自In之反轉訊號。又，藉由電晶體Tr4導通，從控制電源 Vcc透過電晶體Tr4對開關元件Tr7之閘極端子施加η位準 之閘極電壓，因此開關元件Tr7導通。 在時刻t2 ’若控制電路1C 1對輸入端子In輸出L位準 之訊號，則閘極驅動電路丨〇進行與時刻u之情形相反之動 作。亦即，電晶體Tr4斷開，電晶體Tr5導通。又，藉由電 晶體Tr5導通，使開關元件Tr7之閘極端子之電壓成為l 201232512 位準（0V) ’因此開關元件Tr7斷開。 在此情形，由於時刻11〜t2 之導通期間短， 件 突 因此開關元 T r 7之汲極電流I d較少，開關 波電壓不會到達主動鉗位電壓 元件Tr7之開關斷開時之 。亦即’該突波電壓不會 到達曾納二極體ZD1之曾納電壓 因此’不會產生電阻R1 之電壓降下，表示電阻R1之電厘 是以，由於A點電位不會變化， 態不產生變化。 之A點電位’維持在〇v。 因此電晶體Tr3，Tr6之狀 接著’若負荷電流增加則根據來自輸出側之誤差訊 號，控制電路1C 1藉由輪出至輪入㈤工τ _ 掏入☆而子1η之控制訊號將開 關元件τΓ7之導通時間控制成變長。此處，將開關元件π 在時刻U0導通在時刻tll斷開之情形，開關元件Tr7之汲 極電流Id相較於時刻t2之情形增加數倍，因此在時刻U1 之開關斷開時施加於汲極/源極間之突波電壓急增，超過閘 極驅動電路1 〇之曾納二極體ZD 1之曾納電壓。 此時，電流透過二極體D1從曾納二極體ZD1流至電阻 R1，A點電位上升。隨著a點電位上升電晶體Tr3導通， 因此電晶體Tr5斷開。藉此，開關元件Tr7之閘極端子從 GND電位成為開放狀態，但在A點電位上升之同時刻電晶 體Tr6亦導通，電壓從控制電源Vcc施加至開關元件 之閘極端子。 此處，電晶體Tr6之閘極端子電壓，係從開關元件Tr7 之汲極電壓透過二極體D1及曾納二極體ZD1被供應。是 以’開關元件Tr7之汲極/源極間電壓，係成為以二極體m 12 201232512 之順向電壓+曾納二極體ZD 1之曾納電壓+ A點電位（開關元 件Tr7之閾值Vth+電晶體Tr6之閾值電壓Vth)來平衡。 亦即’以大致曾納二極體ZD1之曾納電壓將開關元件 Tr7之汲極電壓鉗位’突波電壓之能量在時刻t丨丨〜t丨2為止 作為開關元件Tr7之汲極電流流動，在開關元件Tr7内部被 消耗。 是以’即使對開關元件Tr7施加突波電壓，亦被閘極驅 動電路10之曾納二極體ZDl之曾納電壓大致鉗位，因此不 會產生耐壓導致之破損。 又，在開關元件Tr7斷開驅動時之閘極驅動電路i 〇， 不會如習知技術般在將突波電壓鉗位時來自曾納二極體 ZD 1之電流流入，因此僅使電阻r 1之a點電位上升之曾納 電流即可，曾納二極體ZD 1之突波耐量亦小即可。. 如上述，根據本發明實施例1形態之閘極驅動電路及 半導體裝置，可實現無損回應性且能降低主動鉗位元件之 損耗電力之主動鉗位電路。 亦即，本實施例之閘極驅動電路及半導體裝置，根據 控制訊號將開關元件Tr7從導通狀態往斷開驅動，在汲極/ 源極間電壓上升至額定電壓附近為止之情形，主動鉗位電 路動作，在A點產生用以將汲極/源極間電壓鉗位之鉗位1 號。根據此鉗位訊號，透過電晶體Tr6對開關元件 Γ /之間 極輸出用以鉗位之驅動訊號，且藉由使電晶體Tr3導通，使 電晶體Tr5之閘極端子接地於GND，將斷開驅動之驅動部 切離，使來自主動鉗位電路之電流不流入驅動部。 13 201232512 本實施例之閘極驅動雷技用#增

切电路及+導體裝置，尤其是在GaN HEMT等不具有崩潰耐量-

置 < 開關7〇件有效。由於在GaN HEMT等不具有崩潰耐量 里 < 開關το件施加超過額定電壓之 突波電壓會導致破損，因，士、，e a 此必須要具備主動鉗位電路之閘 極驅動電路。又，在GaN wpmx ω ΜΤ ·#之閘極驅動，與在習知 石夕MOSFET使用之閘極電阻 电丨丑之電阻值1〇〜數1〇Ω不同，閘 極電阻較佳為接近〇 Ω之低雷，士认—Β 心低電阻，由於若採用習知主動鉗位 電路則驅動電流進一步增力 曰力 因此不易對應，但本實施例 之開極驅動電路及半導體裝置，開關元件7沒問題可採用

GaN ΗΕΜΤ等不具有崩潰耐量之開關元件，由於閘極電阻 為低電阻，因此可進杆宾诂pq J退仃冋迷開關，再者，可避免曾納二極 體ZD 1專之主動甜位元件之指拉式此γ 匕什之彳貝牦或破扣，有助於裝置之低 成本化、小型化。 再者，本實施例之半導體裝置，Trl〜Tr7係使用相同半 導體元件（例如GaNHEMT)構成，因此能容易地以—個晶片 實現。 此外，圖4係顯示本實施例之閘極驅動電路之另一構 成例之電路圖。與圖丨所示之閘極驅動電路不同之點在於 無電阻R1並設有陽極側連接於A點且陰極側連接於控制電 源Vcc之二極體D3e在圖4所示之閘極驅動電路，a點之 電壓限制在較二極體D3Vee + Vfe此外，Vf為施加於二極體 D3之兩端之電壓。是以，圖i之閘極驅動電路，有可能因 A點之電壓之不穩定性在a點產生超過電晶體τβ，之 耐壓之電壓而使電晶體Tr3, Tr6破損’但圖4所示之閘極

S 14 201232512 驅動電路，較二極體D3限制A點之電壓，可避免電晶體 Tr3，Tr6之破損。 又，圖5係顯示本實施例之閘極驅動電路之另一構成 例之電路圖。與圖4所示之閘極驅動電路不同之點在於在A 點與開關元件Tr7之源極（GND)之間設有下拉用之電晶體 川。在圖4之情形，電晶體Tr3，Tr6之間極成為開放狀態， 需考量雜訊導致之誤動作，但圖5所示之閘極驅動電路， 藉由設置下拉用之電晶體Tr8，為對外來雜訊較強之電路構 成。此外，替代電晶體Tr8而連接定電流元件或電阻亦可期 待相同效果。目2所示之閘極驅動電路1〇，顯示替代電晶 體Tr8而採用電阻Ri之情形之構成。 本發明之閘極驅動電路及半導體裝置，可利用在電氣 機器等所使用之開關電源等。 【圖式簡單說明】 圖1係顯示本發明實施例i形態之閘極驅動電路之構 成之電路圖。 圖2係顯示使用本發明實施例丨形態之閘極驅動電路 之開關電源之構成之電路圖。 圖3係顯示使用本發明實施例丨形態之閘極驅動電路 之開關電源之動作之波形圖。 圖4係顯示本發明實施例1形態之閘極驅動電路之另 一構成例之電路圖。 圖5係顯示本發明實施例1形態之閘極驅動電路之另 15 201232512 一構成例之電路圖。 【主要元件符號說明】 10 閘極驅動電路 C1 〜C3 電容器 CC1 定電流源 D1 〜D5 二極體 IC1 控制電路 IC2 誤差增幅器 In 輸入端子 PI, P2 一次繞阻 PCI 光柄合器 Rl, R2 電阻 SI 二次繞阻 ΤΙ 變壓器 Trl 〜Tr6 電晶體 Tr7 開關元件 Tr8 電晶體 Vcc 控制電源 Vdc 直流電源 ZD1 曾納二極體

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Claims (1)

1. 201232512 七、申請專利範圍： 1. 一種閘極驅動電路，係驅動開關；& 如认 Ί關疋件之閘極，其特徵 在於’具備： 馬區動部，根據控制訊號驅動該開關元件；以及 主動鈾位電路，係以下述方式驅動該開關元件，亦即 =加於該開關元件之帛i主端子與第2主端子之間之電 =定電壓以上之情形時，強制地截斷該驅動部對該開 關-件之驅動動作’以使該開關元件之第1主端子與第2 主端子之間之電壓受到鉗位。 ^如中請專利範圍第i項之閘極驅動電路，其中，該開 關儿件係GaN HEMT。 3.-料導體裝置，係料貞荷連接於直 端子間，控制流至該負荷之電流，其特徵在於，具備： 開關元件，串聯於該直流電源及該負荷； 驅動部，根據控制訊號驅動該開關元件；以及 主動鉗位電路，係以下述方式驅動該開關元件，亦即 =加於該開^件之帛1主端子與第2主端子之間之電 ::疋電壓以上之情形時，強制地截斷該驅動部對該開 §兀件之驅動動作，以使該開關元件之第1主端子盥第2 主端子之間之電壓受到鉗位。 ，、第 :广申請專利範圍第3項之半導體裝置，其中，該開關 兀件係GaN HEMT。 八、圖式： (如次頁） 17