WO2012053264A1 - ドライバ回路 - Google Patents

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誠一郎 木原
仲嶋 明生
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シャープ株式会社
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    • H03K2217/0081Power supply means, e.g. to the switch driver

Definitions

  • the present invention relates to a driver circuit, in particular, using a normally-on characteristic with a negative threshold voltage or a normally-off characteristic of a wide bandgap semiconductor such as GaN or SiC having a low threshold voltage of about 2 V as a switching element.
  • the present invention relates to a circuit for supplying a negative gate voltage for turning off the switching element when a half-bridge circuit is configured.
  • Wide band gap semiconductors typified by GaN and SiC have excellent characteristics such as high-speed switching and low on-resistance compared to silicon semiconductors.
  • devices using these wide band gap semiconductors exhibit normally-on characteristics in which drain current flows even when the gate voltage is 0 V, or normally-off characteristics in which the threshold voltage is as low as about 2 V. In order to turn it off, the gate voltage needs to be driven to a negative voltage, and a driver circuit that supplies the negative gate voltage is required.
  • Non-Patent Document 1 describes a buffer circuit that is driven with a negative gate bias voltage.
  • Patent Document 1 describes a semiconductor circuit for a switching element having a normally-on characteristic or a normally-off characteristic having a low threshold voltage.
  • Patent Document 1 a power supply circuit that generates a negative voltage to be supplied to a switching element on a high side (high voltage) side, and a power supply circuit that generates a negative voltage to be supplied to a switching element on a low side (low voltage) side are disclosed.
  • the high voltage side of the high side power supply circuit is connected to the + terminal of the high voltage power supply.
  • a control capacitor that has one end connected to the low voltage (negative voltage) side of the power circuit on the high side is provided, and the control circuit that controls on / off of the switching element is charged when the switching element is on. Operating power is supplied from the capacitor.
  • the power supply circuit an example is shown in which a current is supplied to a capacitor via another switching element, and a Zener diode is connected in parallel with the capacitor to constitute a negative voltage power supply.
  • Patent Document 2 discloses a power converter that uses a constant voltage diode (zener diode) to supply a negative voltage to a normally-on switching element on the high side.
  • a constant voltage diode zener diode
  • the high-side internal power supply circuit is configured by connecting the high-voltage side to the + terminal of the high-voltage power supply as described above. Therefore, it is necessary to use an insulated power source to prevent the short circuit. In addition, a power supply is required on each of the high side and the low side.
  • Patent Document 1 a high-side power supply is realized using a switching element, a capacitor, and a Zener diode.
  • a switching element a switching element
  • a capacitor a capacitor
  • a Zener diode a Zener diode
  • the constant voltage diode (zener diode) used in Patent Document 2 is also limited in the power supply voltage range that can be used due to the limitation of withstand voltage.
  • an object of the present invention is to realize a driver circuit capable of supplying a negative gate voltage necessary for driving a switching element without causing an increase in size and complexity of the circuit. .
  • a driver circuit comprises: A first transistor whose one end of the input / output terminal pair is connected to the first power supply voltage, and a second transistor whose one end of the input / output terminal pair is connected to the second power supply voltage lower than the first power supply voltage are connected in series.
  • a driver circuit for connecting and outputting a voltage at an intermediate node between the first transistor and the second transistor,
  • a first control that has a high-voltage side power supply terminal and a low-voltage side power supply terminal and outputs a first control signal for controlling on / off of the first transistor to the control terminal of the first transistor based on an input signal
  • a second control signal for controlling on / off of the second transistor based on an input signal, and having a circuit, a high-voltage power supply terminal, and a low-voltage power supply terminal.
  • Two control circuits, a switch element, and a capacitor for generating a power supply voltage to be supplied to the first control circuit The capacitor has one end connected to a third power supply voltage lower than the second power supply voltage via the switch element, and the other end connected to the other end of the input / output terminal of the first transistor, The voltage at one end of the capacitor is supplied to the low-voltage power supply terminal of the first control circuit, and the third power supply voltage is supplied to the low-voltage power supply terminal of the second control circuit,
  • the first control circuit turns off the first transistor
  • the first control circuit outputs a voltage supplied to the low-voltage power supply terminal of the first control circuit as the first control signal
  • the second control circuit The circuit outputs, as the second control signal, a voltage supplied to the low-voltage power supply terminal of the second control circuit when the second transistor is turned off.
  • the switching element is controlled to be in an on state when the second transistor is in an on state.
  • the first transistor is a normally-on type n-channel FET formed of a wide gap semiconductor, and the high-voltage power supply terminal of the first control circuit is The first transistor is preferably connected to the other end of the input / output terminal.
  • the second transistor is a normally-on type n-channel FET configured of a wide gap semiconductor, and the high-voltage side power supply terminal of the second control circuit is The second power supply voltage is preferably connected.
  • the wide gap semiconductor refers to a semiconductor material having a larger band gap than silicon, and in particular, the band gap of silicon represented by, for example, SiC, GaN, or diamond is 1.12 eV. Therefore, it has a band gap of 2.2 eV or more, which is about twice that of the band gap.
  • the switch element is constituted by a MOSFET.
  • on / off of the switch element is controlled based on a logical product of the input signal input to the second control circuit and a delay signal of the input signal. It is preferable.
  • on / off of the switch element is controlled based on a logical product of the input signal input to the second control circuit and the second control signal. Is preferred.
  • the third power supply voltage is input to the first control signal by the first control signal. It is preferable that the first transistor be set to a voltage that allows reverse conduction operation when the transistor is off.
  • the third power supply voltage is input to the second control signal according to the second control signal. It is preferable that the voltage be set so that the second transistor can perform reverse conduction when the transistor is off.
  • the reverse conduction rising voltage of at least one of the first transistor and the second transistor is in a range of ⁇ 1.5V to ⁇ 3.0V. It is preferable that the third power supply voltage is set.
  • a negative gate voltage is supplied to the low-side control circuit (second control circuit) and the control terminal of the second transistor via the third power supply voltage.
  • a capacitor for supplying a third power supply voltage is charged via a switching element that is turned on when the transistor is turned on, and the high-side control circuit (first control circuit) and the first transistor have a negative gate. A voltage can be supplied.
  • the gate voltage Vgs dependency of the reverse conduction characteristic of the normally-on FET of FIG. 7 shows the gate voltage Vgs dependency of the reverse conduction characteristic of the normally-on FET of FIG. 7 (change in the current Id flowing between the drain and the source when a negative voltage Vds is applied to the source on the drain side).
  • the threshold voltage Vth of the FET when the threshold voltage Vth of the FET is set to about ⁇ 2.5V, the reverse conduction rising voltage is set to ⁇ 1.
  • the range is from 5V to -3V. Therefore, when the first transistor or the second transistor is a normally-on type FET, the third power supply voltage is set so that the transistor can perform reverse conduction operation with respect to voltage fluctuation due to assumed noise or the like.
  • a negative gate voltage supplied via the third power supply voltage can be set. Specifically, the third power supply voltage and the third power supply voltage so that the reverse conduction operation can be performed with the reverse conduction rising voltage having a low absolute value in the range of ⁇ 1.5 V to ⁇ 3.
  • the driver circuit of the present invention can be provided without the FWD that normally needs to be connected in parallel to the switching element for the inverter.
  • the reverse conduction operation can be surely performed.
  • the circuit diagram which shows the structural example of the driver circuit which concerns on this invention The circuit diagram which shows the structural example in the case of using MOSFET as a switch element in the driver circuit which concerns on this invention.
  • the circuit diagram which shows the other structural example of the driver circuit based on this invention The circuit diagram which shows the other structural example of the driver circuit based on this invention.
  • the wave form diagram which shows the time change of the signal of the logical product of the low side input control signal and its delay signal, and the low side input control signal and the delay signal.
  • the circuit diagram which shows the other structural example of the driver circuit based on this invention The figure which shows the reverse conduction characteristic of normally-on type FET.
  • FIG. 1 shows a configuration example of a driver circuit 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the same components are denoted by the same reference numerals, and the names and functions are also the same, so the same description will not be repeated.
  • the driver circuit 1 includes a first control circuit 11 on the high side, a second control circuit 12 on the low side, a capacitor 13, a control circuit power supply 14, a switch element 30, and a drain.
  • the first transistor 21 whose (one end of the input / output terminal pair) is connected to the positive voltage VDD (first power supply voltage) supplied from the high-voltage power supply 5, and the source (one end of the input / output terminal pair) is the ground potential VSS (second And the source of the first transistor 21 (the other end of the input / output terminal pair) is connected to the drain of the second transistor 22 (the other end of the input / output terminal pair).
  • each of the first transistor 21 and the second transistor 22 is a normally-on type n-channel FET composed of a wide gap semiconductor having a threshold voltage Vth of about ⁇ 3V.
  • the positive voltage VDD is, for example, about 400V.
  • the + terminal of the control circuit power supply 14 is connected to the ground potential VSS, whereby the potential on the negative terminal side of the control circuit power supply 14 is a negative voltage VEE (third power supply voltage) with respect to VSS.
  • VEE third power supply voltage
  • the negative voltage VEE is supplied to the low voltage side power supply terminal 12 b of the second control circuit 12 and is used to turn off the second transistor 22.
  • the negative voltage VEE is lower than the negative threshold voltage Vth of the first transistor 21 and the second transistor 22, and is, for example, about ⁇ 10V.
  • the high-side first control circuit 11 has a high-voltage side power supply terminal 11 a and a low-voltage side power supply terminal 11 b, and controls on / off of the first transistor 21 based on the high-side input control signal 2.
  • the first control signal 6 is generated and output to the gate of the first transistor 21. Specifically, for example, when the first transistor 21 is turned on, the voltage of the high-voltage power supply terminal 11a is output to the gate of the first transistor 21 as the control signal 6 for turning on the first transistor 21, When the 1 transistor 21 is turned off, the voltage of the low-voltage power supply terminal 11 b is output to the gate of the first transistor 21 as the control signal 6 for turning off the first transistor 21.
  • the low-side second control circuit 12 includes a high-voltage side power supply terminal 12 a and a low-voltage side power supply terminal 12 b, and a second control circuit for controlling on / off of the second transistor 22 based on the low-side input control signal 3.
  • a control signal 7 is generated and output to the gate of the second transistor 22. Specifically, for example, when the second transistor 22 is turned on, the voltage of the high-voltage power supply terminal 12a is output to the gate of the second transistor 22 as the control signal 7 for turning on the second transistor 22. When the second transistor 22 is turned off, the voltage of the low-voltage power supply terminal 12 b is output to the gate of the second transistor 22 as the control signal 7 for turning off the second transistor 22.
  • the capacitor 13 has one end connected to the negative voltage VEE via the switch element 30 and the other end connected to the source of the first transistor 21, that is, the connection node of the first transistor 21 and the second transistor 22. .
  • One end of the capacitor 13 is also connected to the low voltage side power supply terminal 11 b of the first control circuit 11.
  • the switch element 30 is controlled based on the low-side input control signal 3, and the second transistor 22 is turned on, that is, turned on when the potential of the output terminal 4 of the driver circuit 1 is closest to VSS. Then, it is turned off at the timing when the second transistor 22 is turned off.
  • the switch element 30 When the switch element 30 is on, the first transistor 21 is off and the second transistor 22 is on, so that a current from the control circuit power supply 14 through the switch element 30 and the second transistor 22 flows to the capacitor 13, and the capacitor 13 Is charged such that the side connected to the high-voltage side power supply terminal 11a is the + side and the side connected to the low-voltage side power supply terminal 11b is the-side.
  • the negative voltage VEE of the control circuit power supply 14 is controlled by the control terminal of the first transistor 21 via the switch element 30 and the low-voltage side power supply terminal 11b. Has been entered.
  • the first transistor 21, the second transistor 22 and the switch element 30 are turned off based on the high-side input control signal 2 and the low-side input control signal 3 so that the first transistor 21 is turned on.
  • On / off of the transistor 22 and the switch element 30 is controlled. Since each of the first transistor 21 and the second transistor 22 is a normally-on type n-channel FET, the voltage at the source terminal is applied to the gate as the voltage of the high-voltage side power supply terminal, so that each transistor is turned on. It becomes. At this time, since the first transistor 21 is on, the potential of the output terminal 4 rises to near the positive voltage VDD.
  • the capacitor 13 is disconnected from the control circuit power supply 14 and functions as a power supply for the first control circuit 11.
  • the potential on the + side of the capacitor 13 is the potential of the connection node between the first transistor 21 and the second transistor 22 (that is, the potential of the output terminal 4), and the potential on the ⁇ side is lower than the potential of the connection node. Therefore, a voltage lower than the potential of the connection node can be supplied to the gate of the first transistor 21, and as a result, the first transistor 21 can be reliably turned off in the subsequent switching.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example when the switch element 30 is realized by the n-channel MOSFET 31 in the driver circuit 1 according to the present invention.
  • the driver circuit 1a shown in FIG. 2 can cope with higher-speed switching by replacing the switch element 30 with the MOSFET 31, and the speed of the driver circuit can be increased.
  • VEE negative voltage
  • VSS ground voltage
  • the MOSFET 31 is turned on, and when a voltage lower than the threshold voltage with respect to VEE is input to the gate terminal of the MOSFET 31, the MOSFET 31 is turned off.
  • the switch element 30 is not limited to a MOSFET but may be a bipolar transistor or an element formed of a wide gap semiconductor.
  • FIG. 3 shows a configuration in which the control signal for turning on / off the MOSFET 31 is supplied from the output terminal of the second control circuit 12 in the driver circuit 1a of FIG. That is, the driver circuit 1b shown in FIG. 3 considers the signal delay generated in the second control circuit 12 of the low-side input control signal 3, and the MOSFET 31 is turned on at the timing when the second transistor 22 is turned on (off). Off).
  • a negative voltage VEE is applied to one end of the capacitor 13 and the low-voltage side power supply terminal 11b of the first control circuit 11, and a negative voltage VEE is applied to the other end of the capacitor 13 and the high-voltage side power supply terminal 11a of the first control circuit 11.
  • the voltage of the output terminal 4 is applied respectively.
  • the MOSFET 31 remains in the on state when the first transistor is in the on state, the voltage at the output terminal 4 rises to VDD in the worst case, and is assumed at both ends of the capacitor 13 and the first control circuit 11. There is a risk that an external high voltage may be applied.
  • the first transistor 21 is turned on, that is, the MOSFET 31 can be reliably prevented from being turned on when the voltage at the output terminal 4 is high. Can be used to prevent the first control circuit 11 from operating.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing another embodiment for realizing the driver circuit according to the present invention
  • FIG. 5 is a signal waveform diagram in the operation thereof.
  • the driver circuit 1c shown in FIG. 4 is an AND circuit for the low-side input control signal 3 (FIG. 5A) and the delay signal (FIG. 5B) of the low-side input control signal 3 via the delay circuit 8.
  • the logical product is obtained at 9, and the logical product signal (FIG. 5C) is input to the gate of the MOSFET 31 as a control signal for turning the MOSFET 31 on and off.
  • the delay time by the delay circuit 8 is set to be equal to or longer than the signal delay time generated in the second control circuit 12 of the low-side input control signal 3.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing still another embodiment for realizing the driver circuit according to the present invention.
  • the driver circuit 1d shown in FIG. 6 includes a low-side input control signal 3 and an output signal of the second control circuit 12.
  • the logical product of the (second control signal 7) is taken, and the logical product signal is input to the gate terminal of the MOSFET 31 as a control signal for turning on and off the MOSFET 31.
  • the driver circuit 1d can reliably prevent the MOSFET 31 from being turned on in a state where the voltage of the output terminal 4 is high, similarly to the driver circuit 1c described above.
  • the driver circuit 1 and the driver circuits 1a to 1d supply the negative voltage VEE to the gates of the second control circuit 12 and the second transistor 22, and are turned on when the second transistor is turned on.
  • the capacitor 13 can be charged via the switch element 30 (MOSFET 31), and a negative voltage can be supplied to the first control circuit 11 and the first transistor 21.
  • an isolated power supply is provided separately. Without this, it is possible to supply a negative voltage for turning off the first transistor 21.
  • first transistor 21 and the second transistor 22 are normally-on type FETs composed of wide gap semiconductors.
  • first transistor 21 and the second transistor 22 are normally-off type FETs having a threshold voltage of about 2 V
  • a high voltage connected to the source of the transistor is used to turn on the first transistor 21 and the second transistor 22.
  • a separate power supply circuit is provided for boosting the voltage of the side power supply terminal 11a (12a) at least the threshold voltage of the transistor, and the boosted voltage is used as an input to the gate terminal.
  • FIG. 7 shows the reverse conduction characteristics of the normally-on type FET when the threshold voltage Vth is ⁇ 2.5 V (drain-source when a negative voltage Vds is applied to the source on the drain side).
  • 6 is a graph showing the dependence of the current Id flowing between the gate voltage Vgs on the left side, and shows the change in characteristics when Vgs is increased from ⁇ 5 V to +0.5 V step from the left.
  • the threshold voltage Vth is about ⁇ 2.5V
  • the reverse conduction rise that becomes the reverse conduction state when the gate voltage Vgs applied in the off state is ⁇ 5.0V, ⁇ 4.5V, and ⁇ 4.0V.
  • the voltages are -2.5V, -2.0V, and -1.5V, respectively.
  • the third conduction voltage is set so that the reverse conduction rising voltage is in the range of ⁇ 1.5V to ⁇ 3.0V.
  • Adjust the power supply voltage value That is, the third power supply voltage VEE is set to ⁇ 5.0 V to ⁇ 4.0 V so that the gate voltage Vgs supplied through the third power supply voltage VEE is in the range of ⁇ 5.0 V to ⁇ 4.0 V. Set to the range of 0V.
  • the first transistor 21 or the second transistor 22 has a reverse conduction in which the absolute value in the range of ⁇ 1.5 V to ⁇ 3.0 V is reduced even when a normally-on type FET is used. Reverse conduction operation is enabled by the rising voltage.
  • the present invention can be used for a driver circuit that supplies a control voltage to a control terminal of a switching element.
  • the negative voltage for turning off the switching element with a simple circuit configuration and having a normally-on characteristic or a switching element having a normally-off characteristic with a low threshold voltage of about 2 V. Can be supplied.
  • Driver circuit 2 according to the present invention: High side input control signal 3: Low side input control signal 4: Output terminal 5: High voltage power supply 6: First control signal 7: Second control signal 8: Delay Circuit 9: AND circuit 11: First control circuit (high side) 11a: High-voltage side power supply terminal 11b: Low-voltage side power supply terminal 12: Second control circuit (low-side side) 12a: High-voltage side power supply terminal 12b: Low-voltage side power supply terminal 13: Capacitor 14: Control circuit power supply 21: First transistor 22: Second transistor 30: Switch element 31: MOSFET VDD: Positive voltage (first power supply voltage) VSS: Ground potential (second power supply voltage) VEE: Negative voltage (third power supply voltage)

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Abstract

 絶縁電源を別に設けることなくハイサイド側の回路に負のゲート電圧を供給することが可能なゲートドライバ回路を実現する。第1トランジスタ21と第2トランジスタが直列に接続されたハーフブリッジ回路において、ハイサイド側の第1トランジスタ21に負のゲート電圧を第1の制御回路11を介して供給するためのコンデンサ13、及び、ローサイド側の第2トランジスタ22に負のゲート電圧を第2の制御回路12を介して供給するための制御回路電源14を備え、コンデンサ13の一端をスイッチ素子30を介して制御回路電源14の-端子側の負電圧VEEと接続し、他端を出力端子4の電圧と接続するように構成したドライバ回路1であって、スイッチ素子30は、第2トランジスタ22がオン状態となるタイミングでオンされるように制御される。

Description

ドライバ回路
 本発明は、ドライバ回路に関し、特に、閾値電圧が負電圧であるノーマリーオン特性もしくは閾値電圧が2V程度と低いノーマリーオフ特性のGaNやSiCなどのワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子として使用してハーフブリッジ回路を構成した場合において、当該スイッチング素子をオフにするための負のゲート電圧を供給するための回路に関する。
 GaNやSiC等に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、シリコン半導体に比べ、高速スイッチング、低オン抵抗等の優れた特性を有している。一方、これらワイドバンドギャップ半導体を用いた素子は、ゲート電圧が0Vであってもドレイン電流が流れるノーマリーオン特性、或いは、閾値電圧が2V程度の低いノーマリーオフ特性を示し、当該素子を確実にオフさせるために、ゲート電圧を負電圧まで駆動する必要があり、負のゲート電圧を供給するドライバ回路が必要とされる。
 非特許文献1には、負のゲート・バイアス電圧で駆動するバッファ回路が記載されている。
 また、特許文献1には、ノーマリーオン特性を有するスイッチング素子または閾値電圧が低いノーマリーオフ特性を有するスイッチング素子のための半導体回路が記載されている。
 特許文献1では、ハイサイド(高電圧)側のスイッチング素子に供給するための負電圧を生成する電源回路、ローサイド(低電圧)側のスイッチング素子に供給するための負電圧を生成する電源回路を設け、ハイサイド側の電源回路の高電圧側は、高圧電源の+端子と接続されている。更に、一端がハイサイド側の電源回路の低電圧(負電圧)側と接続する制御用コンデンサを設け、スイッチング素子のオンオフを制御する制御回路は、当該スイッチング素子がオンの時に充電される当該制御用コンデンサから動作電源が供給される。また、電源回路の例として、コンデンサに別のスイッチング素子を介して電流を流し、ツェナーダイオードを当該コンデンサと並列に接続して負電圧電源を構成する例が示されている。
 また、特許文献2には、定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)を用いて、ハイサイド側のノーマリーオン型のスイッチング素子に負電圧を供給する電力変換器が開示されている。
インターナショナル・レクティファイヤー・ジャパン アプリケーションノート AN-1120
特開2007-288992号公報 特開2006-314154号公報
 ハイサイド側の回路に負電圧を供給する場合、ダイオードの極性の問題から、インバータ用ゲートドライバ回路で使用されるダイオードとコンデンサからなるブートストラップ回路を使用することができず、このため、非特許文献1には、ハイサイド側には絶縁された電源が必要と記載されている。
 また、特許文献1では、ハイサイド側の内部電源回路は、上述の通り、高電圧側を高圧電源の+端子と接続して構成されているため、高圧電源から電流が流れ込んでショートする危険性があり、当該ショート防止のため絶縁された電源である必要がある。また、ハイサイド側とローサイド側で夫々電源を必要とする。
 更に、特許文献1では、スイッチング素子、コンデンサ、及びツェナーダイオードを用いてハイサイド側の電源を実現しているが、高い耐圧のツェナーダイオードを製造することは困難であり、電源電圧範囲の制限となっていた。
 同様に、特許文献2で用いられている定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)も耐圧の制限により、利用可能な電源電圧範囲の制限となっていた。
 また、通常インバータ用半導体には逆電力損失やノイズを抑制するため、スイッチング素子に逆方向リカバリー電流の少ないFWD(free wheel diode)を並列接続する必要がある。ノーマリーオン型FETにおいても、ユニポーラ動作をする横型デバイスでは自身に逆導通機能はあるものの、そのオフ時の低いゲート電圧(通常-10V以下)によって逆導通立ち上り電圧の絶対値が大きくなるため、同様にFWDを並列接続する必要があった。
 これらの課題はドライバ回路の大型化、複雑化によるコストアップを招き、ワイドギャップ半導体を用いたドライバ回路の普及の妨げとなっていた。
 本発明は、上記の状況に鑑み、回路の大型化、複雑化を招くことなくスイッチング素子の駆動に必要な負のゲート電圧を供給することが可能なドライバ回路を実現することをその目的とする。
 上記目的を達成するための本発明に係るドライバ回路は、
 入出力端子対の一端が第1の電源電圧に接続する第1トランジスタ、及び、入出力端子対の一端が前記第1の電源電圧より低い第2の電源電圧に接続する第2トランジスタを直列に接続して、前記第1トランジスタと第2トランジスタの間の中間ノードの電圧を出力するドライバ回路であって、
 高圧側電源端子、及び、低圧側電源端子を有し、入力信号に基づき、前記第1トランジスタのオンオフを制御するための第1制御信号を前記第1トランジスタの制御端子に出力する第1の制御回路と、高圧側電源端子、及び、低圧側電源端子を有し、入力信号に基づき、前記第2トランジスタのオンオフを制御するための第2制御信号を前記第2トランジスタの制御端子に出力する第2の制御回路と、スイッチ素子と、前記第1の制御回路に供給する電源電圧を生成するコンデンサと、を備え、
 前記コンデンサは、一端が前記第2の電源電圧より低い第3の電源電圧と前記スイッチ素子を介して接続され、他端が前記第1トランジスタの前記入出力端子の他端と接続され、
 前記コンデンサの一端の電圧が、前記第1の制御回路の前記低圧側電源端子に供給され、前記第3の電源電圧が、前記第2の制御回路の前記低圧側電源端子に供給され、
 前記第1の制御回路は、前記第1トランジスタをオフさせる場合、前記第1の制御回路の前記低圧側電源端子に供給される電圧を、前記第1制御信号として出力し、前記第2の制御回路は、前記第2トランジスタをオフさせる場合、前記第2の制御回路の前記低圧側電源端子に供給される電圧を、前記第2制御信号として出力し、
 前記第2トランジスタがオン状態のとき、前記スイッチ素子がオン状態となるように制御されることを特徴とする。
 上記特徴の本発明に係るドライバ回路は、更に、前記第1トランジスタが、ワイドギャップ半導体で構成されるノーマリーオン型のnチャネルFETであり、前記第1の制御回路の前記高圧側電源端子が、前記第1トランジスタの前記入出力端子の他端と接続されることが好ましい。
 上記特徴の本発明に係るドライバ回路は、更に、前記第2トランジスタが、ワイドギャップ半導体で構成されるノーマリーオン型のnチャネルFETであり、前記第2の制御回路の前記高圧側電源端子が、前記第2の電源電圧と接続されることが好ましい。
 尚、ここで、ワイドギャップ半導体とは、バンドギャップがシリコンよりも大きな半導体材料を指し、特に、例えば、SiCやGaN、或いはダイヤモンド等に代表される、シリコンのバンドギャップが1.12eVであることから、バンドギャップがその2倍程度である2.2eV以上のバンドギャップを有するものをいう。
 上記特徴の本発明に係るドライバ回路は、更に、前記スイッチ素子が、MOSFETで構成されていることが好ましい。
 上記特徴の本発明に係るドライバ回路は、更に、前記第2制御信号に基づき、前記スイッチ素子のオンオフが制御されることが好ましい。
 上記特徴の本発明に係るドライバ回路は、前記第2の制御回路に入力される前記入力信号と、当該入力信号の遅延信号との論理積の信号に基づき、前記スイッチ素子のオンオフが制御されることが好ましい。
 上記特徴の本発明に係るドライバ回路は、前記第2の制御回路に入力される前記入力信号と、前記第2制御信号との論理積の信号に基づき、前記スイッチ素子のオンオフが制御されることが好ましい。
 上記特徴の本発明に係るドライバ回路は、更に、前記第1トランジスタがノーマリーオン型のnチャネルFETである場合に、前記第3の電源電圧が、前記第1制御信号の入力により前記第1トランジスタがオフ状態のとき、前記第1トランジスタの逆導通動作が可能な電圧に設定されていることが好ましい。
 上記特徴の本発明に係るドライバ回路は、更に、前記第2トランジスタがノーマリーオン型のnチャネルFETである場合に、前記第3の電源電圧が、前記第2制御信号の入力により前記第2トランジスタがオフ状態のとき、前記第2トランジスタの逆導通動作が可能な電圧に設定されていることが好ましい。
 上記特徴の本発明に係るドライバ回路は、更に、前記第1トランジスタ又は前記第2トランジスタのうち少なくとも何れか一方の逆導通立ち上がり電圧が、-1.5V~-3.0Vの範囲となるように、前記第3の電源電圧が設定されていることが好ましい。
 上記特徴のドライバ回路に依れば、第3の電源電圧を介してローサイド側の制御回路(第2の制御回路)、及び第2トランジスタの制御端子に負のゲート電圧を供給するとともに、第2トランジスタがオン状態のときにオン状態となるスイッチ素子を介して第3の電源電圧を供給するコンデンサを充電し、ハイサイド側の制御回路(第1の制御回路)及び第1トランジスタに負のゲート電圧を供給することができる。
 これにより、絶縁電源を別に設けることなくハイサイド側の回路に負電圧を供給することが可能となるため、ワイドギャップ半導体を用いたスイッチング素子の駆動制御を行うためのドライバ回路を容易に構成することができる。更に、当該ワイドギャップ半導体を用いたスイッチング素子の低オン抵抗、高速スイッチング特性を享受することができ、ドライバ回路の高速化、低消費電力化を図れる。
 また、図7のノーマリーオン型FETの逆導通特性(ドレイン側にソースに対して負の電圧Vdsを印加した場合にドレイン‐ソース間に流れる電流Idの変化)のゲート電圧Vgs依存性に示すように、FETの閾値電圧Vthを-2.5V程度とした場合、オフ状態において印加するゲート電圧Vgsを-4V~-5.5Vの範囲に設定することで、逆導通立ち上り電圧は-1.5V~-3Vの範囲となる。従って、第1トランジスタ、あるいは第2トランジスタがノーマリーオン型のFETである場合に、想定されるノイズ等による電圧変動に対して当該トランジスタが逆導通動作可能となるように、第3の電源電圧、及び、当該第3の電源電圧を介して供給される負のゲート電圧を設定することができる。具体的には、-1.5V~-3.0Vの範囲の絶対値の低い逆導通立ち上がり電圧で逆導通動作が可能となるように、第3の電源電圧、及び、当該第3の電源電圧を介して供給される負のゲート電圧を設定することができる。
 このように、ノーマリーオン型のFETのオフ時の逆導通立ち上がり電圧の絶対値を低減できることにより、通常インバータ用スイッチング素子に並列接続する必要があるFWDを具備することなく、本発明のドライバ回路で確実に逆導通動作を行わせることができる。
本発明に係るドライバ回路の構成例を示す回路図。 本発明に係るドライバ回路において、スイッチ素子としてMOSFETを用いる場合の構成例を示す回路図。 本発明に係るドライバ回路の他の構成例を示す回路図。 本発明に係るドライバ回路の他の構成例を示す回路図。 ローサイド側入力制御信号とその遅延信号、及び、当該ローサイド側入力制御信号と当該遅延信号との論理積の信号の時間変化を示す波形図。 本発明に係るドライバ回路の他の構成例を示す回路図。 ノーマリーオン型FETの逆導通特性を示す図。
 〈第1実施形態〉
 本発明の一実施形態に係るドライバ回路1の構成例を図1に示す。尚、以降の実施形態の説明に用いる図面では、同一の構成要素には同一の符号を付すこととし、また、名称及び機能も同一であるので、同様の説明を繰り返すことはしない。
 図1の回路ブロック図に示すように、ドライバ回路1は、ハイサイド側の第1の制御回路11、ローサイド側の第2の制御回路12、コンデンサ13、制御回路電源14、スイッチ素子30、ドレイン(入出力端子対の一端)が高圧電源5から供給される正電圧VDD(第1の電源電圧)と接続する第1トランジスタ21、ソース(入出力端子対の一端)が接地電位VSS(第2の電源電圧)と接続する第2トランジスタ22を備えてなり、第1トランジスタ21のソース(入出力端子対の他端)を第2トランジスタ22のドレイン(入出力端子対の他端)と接続することで、第1トランジスタ21と第2トランジスタ22が直列に接続されたハーフブリッジ回路を構成している。第1トランジスタ21、及び、第2トランジスタ22は夫々、閾値電圧Vthが-3V程度のワイドギャップ半導体で構成されるノーマリーオン型のnチャネルFETである。正電圧VDDは、例えば、400V程度である。
 制御回路電源14は、制御回路電源14の+端子が接地電位VSSと接続され、これにより制御回路電源14の-端子側の電位がVSSに対して負の電圧VEE(第3の電源電圧)となる。当該負電圧VEEは第2の制御回路12の低圧側電源端子12bに供給され、第2トランジスタ22をオフ制御するために利用される。当該負電圧VEEは、第1トランジスタ21および第2トランジスタ22の負の閾値電圧Vthよりも低く、例えば、-10V程度である。
 ハイサイド側の第1の制御回路11は、高圧側電源端子11a、及び、低圧側電源端子11bを有し、ハイサイド側入力制御信号2に基づき、第1トランジスタ21のオンオフを制御するための第1制御信号6を生成し、第1トランジスタ21のゲートに出力する。具体的には、例えば、第1トランジスタ21をオン制御する場合、高圧側電源端子11aの電圧を第1トランジスタ21をオンさせるための制御信号6として、第1トランジスタ21のゲートに出力し、第1トランジスタ21をオフ制御する場合、低圧側電源端子11bの電圧を、第1トランジスタ21をオフさせるための制御信号6として、第1トランジスタ21のゲートに出力する。
 ローサイド側の第2の制御回路12は、高圧側電源端子12a、及び、低圧側電源端子12bを有し、ローサイド側入力制御信号3に基づき、第2トランジスタ22のオンオフを制御するための第2制御信号7を生成し、第2トランジスタ22のゲートに出力する。具体的には、例えば、第2トランジスタ22をオン制御する場合、高圧側電源端子12aの電圧を、第2トランジスタ22をオンさせるための制御信号7として、第2トランジスタ22のゲートに出力し、第2トランジスタ22をオフ制御する場合、低圧側電源端子12bの電圧を、第2トランジスタ22をオフさせるための制御信号7として、第2トランジスタ22のゲートに出力する。
 コンデンサ13は、一端が負電圧VEEとスイッチ素子30を介して接続されるとともに、他端が第1トランジスタ21のソース、即ち、第1トランジスタ21と第2トランジスタ22の接続ノードと接続されている。また、コンデンサ13の一端は、第1の制御回路11の低圧側電源端子11bとも接続されている。
 スイッチ素子30は、ローサイド側入力制御信号3に基づき制御され、第2トランジスタ22がオン、即ち、ドライバ回路1の出力端子4の電位がVSSに最も近づくタイミングでオンされる。そして、第2トランジスタ22がオフされるタイミングでオフされる。
 スイッチ素子30がオンのとき、第1トランジスタ21がオフ、第2トランジスタ22がオンであるので、制御回路電源14からスイッチ素子30および第2トランジスタ22を介した電流がコンデンサ13に流れ、コンデンサ13は、高圧側電源端子11aと接続する側が+側、低圧側電源端子11bと接続する側が-側となるように充電される。このとき、第1トランジスタ21をオフ状態に維持するための負のゲート電圧として、制御回路電源14の負電圧VEEが、スイッチ素子30、低圧側電源端子11bを介して第1トランジスタ21の制御端子に入力されている。
 その後、第1トランジスタ21がオン、第2トランジスタ22及びスイッチ素子30がオフとなるように、ハイサイド側入力制御信号2、及び、ローサイド側入力制御信号3に基づき、第1トランジスタ21、第2トランジスタ22、及び、スイッチ素子30のオンオフが制御される。第1トランジスタ21および第2トランジスタ22は、夫々、ノーマリーオン型のnチャネルFETであるので、高圧側電源端子の電圧としてソース端の電圧がゲートに印加されることで、各トランジスタはオン状態となる。このとき、第1トランジスタ21がオンであることにより、出力端子4の電位は正電圧VDD近くまで上昇する。
 一方で、このとき、第2トランジスタ22及びスイッチ30がオフであるので、コンデンサ13は制御回路電源14と切り離され、第1の制御回路11の電源として機能する。コンデンサ13の+側の電位は第1トランジスタ21と第2トランジスタ22の間の接続ノードの電位(即ち、出力端子4の電位)であり、-側の電位は当該接続ノードの電位よりも低くなるので、第1トランジスタ21のゲートに当該接続ノードの電位よりも低い電圧を供給することができ、結果、その後のスイッチングにおいて第1トランジスタ21を確実にオフにすることができる。
 図2は本発明に係るドライバ回路1において、スイッチ素子30をnチャネルMOSFET31で実現した場合の構成例を示す回路図である。図2に示すドライバ回路1aは、スイッチ素子30をMOSFET31に置き換えることで、より高速でのスイッチングに対応でき、ドライバ回路の高速化が可能となる。尚、図2において、MOSFET31の一端は接地電圧VSSより低い負電圧VEEに接続されているため、ローサイド側入力制御信号3として、VEEを基準としてMOSFET31の閾値電圧より高い電圧がMOSFET31のゲートに入力されるとMOSFET31がオンし、VEEを基準として当該閾値電圧より低い電圧がMOSFET31のゲート端子に入力されるとMOSFET31がオフする。尚、スイッチ素子30としては、MOSFETに限らず、バイポーラトランジスタを用いることができるし、ワイドギャップ半導体で構成した素子を用いることができることは言うまでもない。
 図3は、スイッチ素子30をMOSFET31で実現した図2のドライバ回路1aにおいて、MOSFET31をオンオフするための制御信号を第2の制御回路12の出力端子から供給するように構成したものである。即ち、図3に示すドライバ回路1bは、ローサイド側入力制御信号3の第2の制御回路12内で生じる信号遅延を考慮し、第2トランジスタ22がオン(オフ)となるタイミングでMOSFET31がオン(オフ)となるように構成されている。
 これにより、第1トランジスタ21がオンで、第2トランジスタ22がオフの状態から、第2トランジスタがオンに切り替わるよりも前に、MOSFET31がオンになるのを防ぎ、出力端子4の電位が高い状態でMOSFET31がオンになるのを防ぐことができる。
 MOSFET31がオンになると、コンデンサ13の一端および第1の制御回路11の低圧側電源端子11bには負電圧VEEが、コンデンサ13の他端および第1の制御回路11の高圧側電源端子11aには出力端子4の電圧が、夫々印加される。ここで、第1トランジスタがオン状態のときにMOSFET31がオン状態のままとした場合、出力端子4の電圧は、最悪の場合VDDまで上昇し、コンデンサ13の両端および第1の制御回路11に想定外の高電圧が印加される虞がある。
 しかしながら、図3に示すドライバ回路1bでは、第1トランジスタ21がオン、即ち、出力端子4の電圧が高い状態でMOSFET31がオンになるのを確実に防ぐことができるため、これによりコンデンサ13として耐圧が低いものを利用でき、第1の制御回路11が動作しなくなるのを抑止することができる。
 図4は本発明に係るドライバ回路を実現する別の実施形態を示す回路図であり、図5はその動作における信号波形図である。図4に示すドライバ回路1cは、ローサイド側入力制御信号3(図5(a))と、遅延回路8を経由した当該ローサイド側入力制御信号3の遅延信号(図5(b))をAND回路9で論理積をとり、当該論理積の信号(図5(c))を、MOSFET31をオンオフするための制御信号として、MOSFET31のゲートに入力する。遅延回路8による遅延時間は、ローサイド側入力制御信号3の第2の制御回路12内で生じる信号遅延時間と等しいか、或いは当該信号遅延時間より長くなるように設定されている。
 このようにすることで、確実に出力端子4の電圧が低い状態でMOSFET31をオンさせることができ、且つ、ローサイド側入力制御信号3に第2トランジスタ22をオフさせる制御信号が入力された場合は直ちにMOSFET31がオフされる。従って、出力端子4の電圧が高い状態でMOSFET31がオンすることを確実に防ぐことが可能になる。
 図6は本発明に係るドライバ回路を実現する更に別の実施形態を示す回路図であり、図6に示すドライバ回路1dは、ローサイド側入力制御信号3と、第2の制御回路12の出力信号(第2制御信号7)の論理積をとり、当該論理積の信号をMOSFET31をオンオフするための制御信号として、MOSFET31のゲート端子に入力する。
 上記ドライバ回路1dは、上述のドライバ回路1cと同様、出力端子4の電圧が高い状態でMOSFET31がオンすることを確実に防ぐことができる。
 上記ドライバ回路1、並びにドライバ回路1a~1dでは、第2の制御回路12、及び、第2トランジスタ22のゲートに負電圧VEEを供給するとともに、第2トランジスタがオン状態のときにオン状態となるスイッチ素子30(MOSFET31)を介してコンデンサ13を充電し、第1の制御回路11、及び、第1トランジスタ21に負電圧を供給することができ、制御回路電源14の他に絶縁電源を別途設けることなく第1トランジスタ21をオフさせるための負電圧を供給することが可能となる。
 尚、上記実施形態では、第1トランジスタ21及び第2トランジスタ22がワイドギャップ半導体で構成されるノーマリーオン型のFETである場合について詳細に説明した。第1トランジスタ21及び第2トランジスタ22が、閾値電圧が2V程度のノーマリーオフ型のFETの場合、第1トランジスタ21及び第2トランジスタ22をオンさせるためには、トランジスタのソースと接続される高圧側電源端子11a(12a)の電圧を少なくともトランジスタの閾値電圧以上昇圧するための電源回路を別に設け、当該昇圧された電圧をゲート端子への入力とする。
 〈第2実施形態〉
 また、図7は、ノーマリーオン型FETの閾値電圧Vthを-2.5Vとした場合の当該FETの逆導通特性(ドレイン側にソースに対して負の電圧Vdsを印加した場合にドレイン‐ソース間に流れる電流Idの変化)のゲート電圧Vgs依存性を示すグラフであり、左から、Vgsを-5Vから+0.5Vステップで増加させた場合の特性の変化を示す。
 図7から、閾値電圧Vthが-2.5V程度の場合、オフ状態において印加するゲート電圧Vgsが-5.0V、-4.5V、-4.0Vのとき、逆導通状態となる逆導通立ち上り電圧は、夫々、-2.5V、-2.0V、-1.5Vとなる。本実施形態では、第1トランジスタ21、あるいは第2トランジスタ22がノーマリーオン型のFETである場合、当該逆導通立ち上がり電圧が-1.5V~-3.0Vの範囲となるように、第3の電源電圧の値を調整する。即ち、第3の電源電圧VEEを介して供給されるゲート電圧Vgsが-5.0V~-4.0Vの範囲となるように、第3の電源電圧VEEを、-5.0V~-4.0Vの範囲に設定する。
 これにより、第1トランジスタ21、あるいは第2トランジスタ22は、ノーマリーオン型のFETを用いた場合であっても、-1.5V~-3.0Vの範囲の絶対値が低減された逆導通立ち上がり電圧で逆導通動作が可能となる。
 インバータ用に通常用いられるFWDの順方向電圧が1.5V~3.0V程度であるので、このような構成とすることで、本発明のドライバ回路1(1a~1d)を用いて、通常インバータ用スイッチング素子に並列接続する必要があるFWDを具備することなく、確実に逆導通動作を行わせることが可能になる。
 本発明は、スイッチング素子の制御端子に制御のための電圧を供給するドライバ回路に利用可能であり、特に、GaNやSiCなどのワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子の制御に本発明のドライバ回路を使用することにより、簡単な回路構成で、ノーマリーオン特性を有するスイッチング素子、或いは、閾値電圧が2V程度の低いノーマリーオフ特性を有するスイッチング素子に対し当該スイッチング素子をオフするための負電圧を供給することが可能になる。
1,1a~1d: 本発明に係るドライバ回路
2:   ハイサイド側入力制御信号
3:   ローサイド側入力制御信号
4:   出力端子
5:   高圧電源
6:   第1制御信号
7:   第2制御信号
8:   遅延回路
9:   AND回路
11:  第1の制御回路(ハイサイド側)
 11a: 高圧側電源端子
 11b: 低圧側電源端子
12:  第2の制御回路(ローサイド側)
 12a: 高圧側電源端子
 12b: 低圧側電源端子
13:  コンデンサ
14:  制御回路電源
21:  第1トランジスタ
22:  第2トランジスタ
30:  スイッチ素子
31:  MOSFET
VDD: 正電圧(第1の電源電圧)
VSS: 接地電位(第2の電源電圧)
VEE: 負電圧(第3の電源電圧)
 

Claims (10)

  1.  入出力端子対の一端が第1の電源電圧に接続する第1トランジスタ、及び、入出力端子対の一端が前記第1の電源電圧より低い第2の電源電圧に接続する第2トランジスタを直列に接続して、前記第1トランジスタと第2トランジスタの間の中間ノードの電圧を出力するドライバ回路であって、
     高圧側電源端子、及び、低圧側電源端子を有し、入力信号に基づき、前記第1トランジスタのオンオフを制御するための第1制御信号を前記第1トランジスタの制御端子に出力する第1の制御回路と、
     高圧側電源端子、及び、低圧側電源端子を有し、入力信号に基づき、前記第2トランジスタのオンオフを制御するための第2制御信号を前記第2トランジスタの制御端子に出力する第2の制御回路と、
     スイッチ素子と、
     前記第1の制御回路に供給する電源電圧を生成するコンデンサと、を備え、
     前記コンデンサは、一端が前記第2の電源電圧より低い第3の電源電圧と前記スイッチ素子を介して接続され、他端が前記第1トランジスタの前記入出力端子の他端と接続され、
     前記コンデンサの一端の電圧が、前記第1の制御回路の前記低圧側電源端子に供給され、
     前記第3の電源電圧が、前記第2の制御回路の前記低圧側電源端子に供給され、
     前記第1の制御回路は、前記第1トランジスタをオフさせる場合、前記第1の制御回路の前記低圧側電源端子に供給される電圧を、前記第1制御信号として出力し、
     前記第2の制御回路は、前記第2トランジスタをオフさせる場合、前記第2の制御回路の前記低圧側電源端子に供給される電圧を、前記第2制御信号として出力し、
     前記第2トランジスタがオン状態のとき、前記スイッチ素子がオン状態となるように制御されることを特徴とするドライバ回路。
  2.  前記第1トランジスタが、ワイドギャップ半導体で構成されるノーマリーオン型のnチャネルFETであり、
     前記第1の制御回路の前記高圧側電源端子が、前記第1トランジスタの前記入出力端子の他端と接続されることを特徴とする請求項1に記載のドライバ回路。
  3.  前記第2トランジスタが、ワイドギャップ半導体で構成されるノーマリーオン型のnチャネルFETであり、
     前記第2の制御回路の前記高圧側電源端子が、前記第2の電源電圧と接続されることを特徴とする請求項1または2に記載のドライバ回路。
  4.  前記スイッチ素子が、MOSFETで構成されていることを特徴とする請求項1~3の何れか一項に記載のドライバ回路。
  5.  前記第2制御信号に基づき、前記スイッチ素子のオンオフが制御されることを特徴とする請求項4に記載のドライバ回路。
  6.  前記第2の制御回路に入力される前記入力信号と、当該入力信号の遅延信号との論理積の信号に基づき、前記スイッチ素子のオンオフが制御されることを特徴とする請求項4に記載のドライバ回路。
  7.  前記第2の制御回路に入力される前記入力信号と、前記第2制御信号との論理積の信号に基づき、前記スイッチ素子のオンオフが制御されることを特徴とする請求項4に記載のドライバ回路。
  8.  前記第1トランジスタが、ノーマリーオン型のnチャネルFETであり、
     前記第3の電源電圧が、前記第1制御信号の入力により前記第1トランジスタがオフ状態のとき、前記第1トランジスタの逆導通動作が可能な電圧に設定されていることを特徴とする請求項1~7の何れか一項に記載のドライバ回路。
  9.  前記第2トランジスタが、ノーマリーオン型のnチャネルFETであり、
     前記第3の電源電圧が、前記第2制御信号の入力により前記第2トランジスタがオフ状態のとき、前記第2トランジスタの逆導通動作が可能な電圧に設定されていることを特徴とする請求項1~8の何れか一項に記載のドライバ回路。
  10.  前記第1トランジスタ又は前記第2トランジスタのうち少なくとも何れか一方の逆導通立ち上がり電圧が、-1.5V~-3.0Vの範囲となるように、前記第3の電源電圧が設定されていることを特徴とする請求項8または9に記載のドライバ回路。
     
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