TWI441134B - Gate drive circuit and semiconductor device - Google Patents

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TWI441134B
TWI441134B TW100144615A TW100144615A TWI441134B TW I441134 B TWI441134 B TW I441134B TW 100144615 A TW100144615 A TW 100144615A TW 100144615 A TW100144615 A TW 100144615A TW I441134 B TWI441134 B TW I441134B
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Osamu Machida
Hironori Aoki
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Sanken Electric Co Ltd
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Description

閘極驅動電路及半導體裝置
本發明係關於一種驅動開關元件之閘極之閘極驅動電路及使用該閘極驅動電路之半導體裝置。
近年來，隨著使用在開關電源等之輸出用之電晶體造成之開關動作之高速化，在開關切換時因使用螺線等之負荷電路之電感而產生之反電壓變大，因此會有引起突波電壓施加於關閉時為開放狀態之電晶體之汲極/源極間導致之崩潰之情形，必須要有保護電晶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開關用之半導體裝置，說明抑制此高側開關之汲極/源極間電壓之方法。尤其是，在專利文獻1之先前技術之說明，揭示在高側開關之汲極/閘極端子間串聯定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(絕緣柵雙極電晶體)或MOSFET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置。此電力轉換裝置採用可適用於高側開關及低側開關之任一者之主動鉗位電路。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，能迅速地形成負歸還路徑以將過電壓鉗位。
專利文獻1：日本特開平8-288817號
專利文獻2：日本特開2001-245466號公報
專利文獻1、2所示之主動鉗位電路，在閘極驅動訊號為斷開狀態下，主動鉗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上升至開關元件之閘極閾值電壓。到達閘極閾值電壓後，汲極電流開始流動在開關元件，使汲極/源極電壓降低。亦即，此主動鉗位電路係使開關元件之汲極/源極電壓以主動鉗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10Ω、開關元件之閘極閾值電壓為5V，則流至主動鉗位電路之電流成為0.5A流出。如專利文獻1所示，若施加於開關元件之電源電壓為20V程度，則主動鉗位元件之突波電力較少即可，但若開關電源或使用於馬達驅動裝置等之開關元件之電源電壓為200~400V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。是以，專利文獻1、2所揭示之裝置，在主動鉗位電路中主動元件之散熱手段、可靠性、價格之面較不利。
又，在GaN HEMT(氮化鎵高速電子遷移率場效電晶體)等之不具有崩潰耐量之開關元件，由於施加超過額定電壓之突波電壓則導致破損，因此驅動此種開關元件之閘極之 閘極驅動電路，其必須要件為具備主動鉗位電路。然而，在習知矽MOSFET使用之閘極電阻之電阻值為10~數10Ω般不同，GaN HEMT等之閘極驅動之閘極電阻較佳為接近0Ω之低電阻，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，其目的在於提供一種使用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，係驅動開關元件之閘極，其特徵在於，具備：驅動部，根據控制訊號驅動該開關元件；以及主動鉗位電路，以下述方式驅動該開關元件，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件之驅動動作，以將該開關元件之第1主端子與第2主端子之間之電壓鉗位。
為了解決上述問題，本發明之半導體裝置，係透過負荷連接於直流電源之電源端子間，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，以下述方式驅動該開關元件，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件之驅動動作，以將該開關元件之第1主端子與第2主端子之間之電壓鉗位。
根據本發明，可提供使用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之閘極驅動電路及半導體裝置。
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。圖1係顯示本發明實施例1之閘極驅動電路之構成之電路圖。此閘極驅動電路為如圖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Tr1~Tr6、二極體D1、曾納二極體ZD1、及電阻R1構成。此外，開關元件Tr7與本發明之開關元件對應，由GaN 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Tr1~Tr6，在實現本實施例時，為N型MOSFET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Tr1,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Tr1，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Tr1，在本實施例雖藉由常開型之GaN HEMT 構成，但置換為定電流元件或電阻亦可。
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Tr1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Tr1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H位準之訊號輸入至輸入端子In則電晶體Tr2,Tr4導通。又，隨著電晶體Tr2之導通動作電晶體Tr5之閘極電壓成為0V，因此電晶體Tr5斷開。同時，藉由電晶體Tr4之導通從控制電源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Tr2,Tr4斷開。又，由於電晶體Tr1之偏壓電壓輸入至電晶體Tr5之閘極端子，因此電晶體Tr5導通。藉此，開關元件 Tr7之閘極電壓成為0V，開關元件Tr7斷開。
二極體D1、曾納二極體ZD1、電阻R1、及電晶體Tr3,Tr6整體與本發明之主動鉗位電路對應，以下述方式驅動開關元件Tr7，在施加於開關元件Tr7之汲極(第1主端子)與源極(第2主端子)之間之電壓為既定電壓以上之情形，強制地截斷驅動部對開關元件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。
二極體D1，陽極連接於開關元件Tr7之汲極，陰極連接於曾納二極體ZD1之陰極。又，曾納二極體ZD1，陽極連接於電晶體Tr3,Tr6之閘極及電阻R1之一端，陰極連接於二極體D1之陰極。電阻R1，一端連接於電晶體Tr3,Tr6之閘極及曾納二極體ZD1之陽極，另一端連接於開關元件Tr7之源極。
電晶體Tr3，汲極連接於電晶體Tr1之源極，閘極連接於曾納二極體ZD1之陽極，源極連接於開關元件Tr7之源極。電晶體Tr6，汲極連接於電源端子Vcc，閘極連接於曾納二極體ZD1之陽極，源極連接於開關元件Tr7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Tr7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件，設連接之負荷為感應性負荷。
連接感應性負荷而進行導通/斷開之開關，在藉由感應性負荷之反電力而開關元件Tr7之開關斷開時，在汲極/源 極間產生突波電壓。一般而言，在開關元件Tr7之汲極/源極間連接由電阻/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，若開關元件為矽MOSFET，則以元件固有之崩潰電壓將突波電壓鉗位。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內則不會破損。
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壓之施加會立刻導致元件破損。
因此，本實施例之閘極驅動電路，係藉由主動鉗位電路(圖1所示之二極體D1、曾納二極體ZD1、電阻R1、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ZD1、電阻R1檢測突波電壓，但不將成為電阻R1之電壓降下之突波電壓檢測訊號直接往開關元件Tr7之閘極訊號輸入，透過電晶體Tr6使突波電壓檢測訊號增幅，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電阻R1之電壓降下之突波電壓檢測訊號作為電晶體Tr3之閘極驅動電壓以使電晶體Tr3導通，使上述驅動部中電晶體Tr5斷開。亦即，輸入端子In之閘極訊號為斷開狀態，上述閘極驅動電路為斷開驅動。此時，驅動開關元件Tr7之閘極端子者僅為電晶體Tr1,Tr5，因此使至少電晶體Tr5斷開，藉此主動鉗位電路能從 開關元件Tr7之閘極端子切離驅動部。
亦即，主動鉗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ZD1之損耗較習知技術大幅降低，可謀求可靠性之提升。
接著，說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10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10以外之構成為一般開關電源之構成。此外，閘極驅動電路10，相較於圖1說明之閘極驅動電路，替代電晶體Tr1設有定電流源CC1之點與追加有二極體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，本實施例之半導體裝置，係藉由閘極驅動電路10與開關元件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Tr7係串聯於直流電源Vdc及負荷。又，開關元件Tr7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Vdc透過變壓器T1之一次繞阻P1連接於開關元件Tr7之構成，藉由對開關元件Tr7進行導通斷開控制將蓄積在一次繞阻P1之電力供應至二次繞阻S1側。
此處，在變壓器T1之二次繞阻連接有藉由二極體D5 與電容器C3構成之整流平滑電路。又，為了使藉由該整流平滑電路整流平滑後之輸出電壓穩定化，與電容器C3並聯之誤差增幅器IC2，透過光耦合器PC1將誤差訊號傳送至位於一次側之控制電路IC1。
控制電路IC1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入端子In輸出至閘極驅動電路10，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與電容器C1之串聯電路構成緩衝電路，吸收來自變壓器T1之一次繞阻P1之突波電壓。又，二極體D4、電容器C2、及變壓器T1之一次繞阻P2構成控制電路IC1與閘極驅動電路10之控制電源Vcc。
圖3係顯示使用本實施例之閘極驅動電路10之開關電源之動作之波形圖。如圖3所示，在時刻t1，若控制電路IC1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H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0V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H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IC1對輸入端子In輸出L位準之訊號，則閘極驅動電路10進行與時刻t1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位準(0V)，因此開關元件Tr7斷開。
在此情形，由於時刻t1~t2之導通期間短，因此開關元件Tr7之汲極電流Id較少，開關元件Tr7之開關斷開時之突波電壓不會到達主動鉗位電壓。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之電壓之A點電位，維持在0V。是以，由於A點電位不會變化，因此電晶體Tr3,Tr6之狀態不產生變化。
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IC1藉由輸出至輸入端子In之控制訊號將開關元件Tr7之導通時間控制成變長。此處，將開關元件Tr7在時刻t10導通在時刻t11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t11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10之曾納二極體ZD1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Tr7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D1之順向電壓+曾納二極體ZD1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t11~t12為止作為開關元件Tr7之汲極電流流動，在開關元件Tr7內部被消耗。
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ZD1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10，不會如習知技術般在將突波電壓鉗位時來自曾納二極體ZD1之電流流入，因此僅使電阻R1之A點電位上升之曾納電流即可，曾納二極體ZD1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訊號。根據此鉗位訊號，透過電晶體Tr6對開關元件Tr7之閘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。
本實施例之閘極驅動電路及半導體裝置，尤其是在GaN HEMT等不具有崩潰耐量之開關元件有效。由於在GaN HEMT等不具有崩潰耐量之開關元件施加超過額定電壓之突波電壓會導致破損，因此必須要具備主動鉗位電路之閘極驅動電路。又，在GaN HEMT等之閘極驅動，與在習知矽MOSFET使用之閘極電阻之電阻值10~數10Ω不同，閘極電阻較佳為接近0Ω之低電阻，由於若採用習知主動鉗位電路則驅動電流進一步增加，因此不易對應，但本實施例之閘極驅動電路及半導體裝置，開關元件7沒問題可採用GaN HEMT等不具有崩潰耐量之開關元件，由於閘極電阻為低電阻，因此可進行高速開關，再者，可避免曾納二極體ZD1等之主動鉗位元件之損耗或破損，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，Tr1~Tr7係使用相同半導體元件(例如GaN HEMT)構成，因此能容易地以一個晶片實現。
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1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D3。在圖4所示之閘極驅動電路，A點之電壓限制在較二極體D3Vcc+Vf。此外，Vf為施加於二極體D3之兩端之電壓。是以，圖1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Tr3,Tr6之 耐壓之電壓而使電晶體Tr3,Tr6破損，但圖4所示之閘極驅動電路，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Tr8。在圖4之情形，電晶體Tr3,Tr6之閘極成為開放狀態，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。圖2所示之閘極驅動電路10，顯示替代電晶體Tr8而採用電阻R1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。
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
P1,P2‧‧‧一次繞阻
PC1‧‧‧光耦合器
R1,R2‧‧‧電阻
S1‧‧‧二次繞阻
T1‧‧‧變壓器
Tr1~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
圖1係顯示本發明實施例1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1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1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一構成例之電路圖。
D1‧‧‧二極體
R1‧‧‧電阻
Tr1~Tr6‧‧‧電晶體
Tr7‧‧‧開關元件
ZD1‧‧‧曾納二極體

Claims (4)

  1. 一種閘極驅動電路，係驅動開關元件之閘極，其特徵在於，具備：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時，強制地截斷該驅動部對該開關元件之斷開驅動動作，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；該主動鉗位電路具備驅動該開關元件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之電晶體(Tr6)與在該主動鉗位電路動作時截斷對開關元件進行斷開驅動之閘極驅動部之動作之電晶體(Tr3)。
  2. 如申請專利範圍第1項之閘極驅動電路，其中，該開關元件係GaN HEMT。
  3. 一種半導體裝置，係透過負荷連接於直流電源之電源端子間，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時，強制地截斷該驅動部對該開關元件之斷開驅動動作，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；該主動鉗位電路具備驅動該開關元件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之電晶體 (Tr6)與在該主動鉗位電路動作時截斷對開關元件進行斷開驅動之閘極驅動部之動作之電晶體(Tr3)。
  4. 如申請專利範圍第3項之半導體裝置，其中，該開關元件係GaN HEMT。
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