CN102868302A - 栅极驱动电路 - Google Patents

栅极驱动电路 Download PDF

Info

Publication number
CN102868302A
CN102868302A CN2012102183652A CN201210218365A CN102868302A CN 102868302 A CN102868302 A CN 102868302A CN 2012102183652 A CN2012102183652 A CN 2012102183652A CN 201210218365 A CN201210218365 A CN 201210218365A CN 102868302 A CN102868302 A CN 102868302A
Authority
CN
China
Prior art keywords
transistor
gate driver
transformer
driver circuit
winding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2012102183652A
Other languages
English (en)
Inventor
千叶明辉
京野羊一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanken Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanken Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sanken Electric Co Ltd filed Critical Sanken Electric Co Ltd
Publication of CN102868302A publication Critical patent/CN102868302A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/60—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors
    • H03K17/605—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • H03K17/61—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit using transformer coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/689—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • H03K17/691—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit using transformer coupling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

本发明提供即使是占空比为50%以上的脉冲信号也能够对开关元件的栅极进行驱动的价廉的栅极驱动电路。该栅极驱动电路具有：晶体管(Q2、Q3)，其分别与直流电源(Vcc1)的两端进行图腾式连接且在各基极输入有脉冲信号；晶体管(Q4、Q5)，其分别与直流电源(Vcc2)的两端进行图腾式连接且各发射极与开关元件(Q1)的栅极连接；以及变压器(T1)，其一次绕组(P1)通过电容器(C1)与晶体管(Q2、Q3)的各发射极和晶体管(Q2、Q3)中的一方的集电极连接，二次绕组(S1)与晶体管(Q4、Q5)的各基极和晶体管(Q4、Q5)的各发射极连接，脉冲信号(Vin)的最大占空比根据变压器(T1)的一次绕组电压(Vp)和晶体管(Q4、Q5)的基极-发射极间顺向电压来确定。

Description

栅极驱动电路
技术领域
本发明涉及对包含SiC和GaN的半导体开关元件的栅极进行驱动的栅极驱动电路。
背景技术
图6示出以往的栅极驱动电路的一例。该栅极驱动电路对由FET构成的开关元件Q1的栅极进行驱动，使脉冲变压器(变压器)T1的一次绕组P1与二次绕组S1的匝数比成为1：1。
在直流电源Vcc1的两端上连接有进行了图腾式连接的npn型的晶体管Q2和pnp型的晶体管Q3。在晶体管Q2、Q3的各基极上通过电阻R1输入有脉冲信号Vin。晶体管Q2、Q3的各发射极通过电容器C1与变压器T1的一次绕组P1的一端连接。一次绕组P1的另一端与晶体管Q3的集电极和直流电源Vcc1的负极连接。
变压器T1的二次绕组S1的一端通过电阻R2与开关元件Q1的栅极连接，变压器T1的二次绕组S1的另一端与开关元件Q1的源极连接。
根据如上所述结构的栅极驱动电路，如图7所示，在输入了占空比(On duty)为50%以下的脉冲信号Vin时，由于开关元件Q1的栅极电压的峰值成为开关元件Q1的栅极-源极间的阈值以上，因此能够驱动开关元件Q1。
【专利文献1】日本特开2001-345194号公报
但是，如图8所示，在输入了占空比超过50%的脉冲信号Vin时，由于变压器T1的二次绕组电压在电压时间积上均衡、即由于开关元件Q1的栅极电压的正的面积与负的面积相等，因此开关元件Q1的栅极电压的峰值达不到开关元件Q1的阈值，不能驱动开关元件Q1。
发明内容
本发明的目的在于，提供即使是占空比为50%以上的脉冲信号也能够对开关元件的栅极进行驱动的价廉的栅极驱动电路。
为了实现上述目的，本发明的栅极驱动电路，其对开关元件的栅极进行驱动，该栅极驱动电路的特征在于具有：第1晶体管及第2晶体管，其分别与第1直流电源的两端进行图腾式连接且对各控制端子输入脉冲信号；第3晶体管及第4晶体管，其分别与第2直流电源的两端进行图腾式连接且各第1主端子与所述开关元件的栅极连接；以及变压器，其一次绕组通过电容器与所述第1晶体管及第2晶体管的各第1主端子和所述第1晶体管及第2晶体管中的一方的第2主端子连接，二次绕组与所述第3晶体管及第4晶体管的各控制端子和所述第3晶体管及第4晶体管的各第1主端子连接，所述脉冲信号的最大占空比根据所述变压器的一次绕组电压和所述第3晶体管及第4晶体管的控制端子顺向电压来确定。
根据本发明，由于设置与第2直流电源的两端图腾式连接且各第1主端子与开关元件的栅极连接的第3晶体管及第4晶体管，将变压器的二次绕组与第3晶体管及第4晶体管的各控制端子和第3晶体管及第4晶体管的各第1主端子连接，脉冲信号的最大占空比根据变压器的一次绕组电压和第3晶体管及第4晶体管的控制端子顺向电压来确定，因此能够提供即使是占空比为50%以上的脉冲信号也能够对开关元件的栅极进行驱动的价廉的栅极驱动电路。
附图说明
图1是本发明的实施例1的栅极驱动电路的结构图。
图2是本发明的实施例1的栅极驱动电路的变压器一次绕组电压及二次绕组电压的波形图。
图3是示出本发明的实施例1的栅极驱动电路的变压器一次绕组电压Vp与最大占空比Ton/T之间的关系的图。
图4是本发明的实施例2的栅极驱动电路的结构图。
图5是本发明的实施例3的栅极驱动电路的结构图。
图6是以往的栅极驱动电路的结构图。
图7是在以往的栅极驱动电路中占空比为50%以下的脉冲信号Vin与针对开关元件Q1的栅极电压的波形图。
图8是以往的栅极驱动电路中占空比超过50%的脉冲信号Vin与针对开关元件Q1的栅极电压的波形图。
符号说明
Vcc1、Vcc2  直流电源
T1          变压器
P1          一次绕组
S1          二次绕组
Q1          开关元件
Q2~Q5       晶体管
Q6~Q9       FET
R1~R3       电阻
C1          电容器
TM1~TM6     引脚端子
10          绝缘封装体
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式的栅极驱动电路。
【实施例1】
图1是本发明的实施例1的栅极驱动电路的结构图。图1所示的实施例1的栅极驱动电路的特征在于，在图6所示的以往的栅极驱动电路的结构上，还设置有电阻R3、晶体管Q4(第3晶体管)、晶体管Q5(第4晶体管)、直流电源Vcc2(第2直流电源)。
在直流电源Vcc2的两端上连接有进行了图腾式连接的npn型的晶体管Q4和pnp型的晶体管Q5。晶体管Q4、Q5的各发射极(第1主端子)通过电阻R2与开关元件Q1的栅极连接。
晶体管Q4、Q5的各基极(控制端子)通过电阻R3而与变压器T1的二次绕组S1的一端连接。变压器T1的二次绕组S1的另一端与晶体管Q4、Q5的各发射极连接。
另外，脉冲信号Vin的最大占空比根据变压器T1的一次绕组电压和晶体管Q4、Q5的基极顺向电压VF(控制端子顺向电压)来确定。
另外，在图1中，直流电源Vcc1与第1直流电源对应，晶体管Q2与第1晶体管对应，晶体管Q3与第2晶体管对应。晶体管Q2、Q3的各发射极与第1主端子对应，晶体管Q2、Q3的各基极与控制端子对应，晶体管Q2、Q3的各集电极与第2主端子对应。
如上所述，根据实施例1的栅极驱动电路，当在变压器T1的一次绕组P1上产生如图2所示的占空比超过50%的变压器一次绕组电压Vp时，与此对应的电压在二次绕组S1中也产生。因此，电流以S1的一端→R3→Q4的基极→Q4的发射极→S1的另一端的路径，将晶体管Q4的发射极作为基准而流过。
另外，电流以Vcc2→Q4的集电极→Q4的发射极→R2→Q1的栅极的路径流过。因此，变压器T1的二次绕组电压成为如图2所示，峰值电压Vs1超过开关元件Q1的阈值。即、只要能够确保峰值电压Vs1为晶体管Q4或晶体管Q5的基极顺向电压VF量，则能够输出直流电源Vcc2的电源电压的栅极脉冲。
关于该点，进一步详细说明。在图1所示的结构中，当使变压器T1的一次绕组P1与二次绕组S1的匝数比成为1：1，使变压器T1的1次绕组电压为Vp时，在某脉冲宽度中，成为如图2所示。通过电压时间积的均衡，能够如下所述表示图2所示的变压器二次绕组电压。
Vs1·ton=Vs2·toff
此处，由于Vp=Vs1+Vs2、T=ton+toff，
因此当变形上式时，成为
ton/T=1-(Vs1/Vp)    ‥(1)。
通过式(1)，栅极脉冲的占空比ton/T能够通过变压器T1的一次绕组电压Vp(施加电压)和变压器T1的二次绕组S1的峰值电压Vs1来表示。
另外，当使晶体管Q4或晶体管Q5的基极顺向电压VF为0.6V时，变压器T1的一次绕组电压Vp与此时的最大占空比的关系成为如图3所示。如从图3也可知，即使是占空比为90%以上的1次绕组电压Vp(脉冲信号)也能够充分驱动开关元件Q1。
因此，产生脉冲信号Vin的脉冲产生器，能够将具有90%以上的占空比的脉冲信号Vin通过电阻R1施加到晶体管Q2、Q3上。
另外，由于仅增加直流电源Vcc2、晶体管Q4、Q5、电阻R3，因此结构简单且价廉，能够实现高速的栅极驱动电路。另外，如图6所示，由于不用通过变压器T1来直接对开关元件Q1的栅极进行驱动，而是通过如图腾式连接的晶体管Q4、Q5那样的缓冲器来对开关元件Q1进行驱动，因此变压器T1自身成为低消耗功率。
另外，由于如图腾式连接的晶体管Q4、Q5那样的缓冲器纯粹成为电流驱动，因此能够实现抗噪性强的栅极驱动电路。
【实施例2】
图4是本发明的实施例2的栅极驱动电路的结构图。实施例2的栅极驱动电路的特征在于，代替实施例1的栅极驱动电路的晶体管Q2~Q5，使用了FETQ6~Q9。
FETQ6、Q8为P型的MOSFET，FETQ7、Q9由N型的MOSFET构成。即使使用这样的FETQ6~Q9，也能够得到与实施例1的栅极驱动电路的动作及效果相同的动作及效果。
另外，能够代替FETQ6~Q9而使用GaN-FET或SiC-FET。通过使用GaN-FET、SiC-FET，从而能够实现更高速的栅极驱动电路。
【实施例3】
图5是本发明的实施例3的栅极驱动电路的结构图。图5所示的实施例3的栅极驱动电路将图1所示的实施例1的栅极驱动电路的晶体管Q2、Q3、晶体管Q4、Q5、变压器T1、电容器C1、电阻R3收纳到绝缘封装体10内，设置有引脚端子TM1~TM6。
引脚端子TM1连接直流电源Vcc1的正极和晶体管Q2的集电极。引脚端子TM2连接电阻R1的一端和晶体管Q2、Q3的各基极。引脚端子TM3连接直流电源Vcc1的负极和晶体管Q3的集电极。
引脚端子TM4连接直流电源Vcc2的正极和晶体管Q4的集电极。引脚端子TM5连接电阻R2的一端和晶体管Q4、Q5的各发射极。引脚端子TM6连接直流电源Vcc2的负极和晶体管Q5的集电极。
根据以上的结构，由于将晶体管Q2、Q3、晶体管Q4、Q5、变压器T1、电容器C1、电阻R3收纳在绝缘封装体10内，因此能够实现被绝缘的栅极驱动电路。
本发明能够在DC-DC转换器、AC-DC转换器中应用。

Claims (3)

1.一种栅极驱动电路，其对开关元件的栅极进行驱动，
该栅极驱动电路的特征在于具有：
第1晶体管及第2晶体管，其分别与第1直流电源的两端进行图腾式连接且在各控制端子上输入有脉冲信号；
第3晶体管及第4晶体管，其分别与第2直流电源的两端进行图腾式连接且各第1主端子与所述开关元件的栅极连接；以及
变压器，其一次绕组通过电容器与所述第1晶体管及第2晶体管的各第1主端子和所述第1晶体管及第2晶体管中的一方的第2主端子连接，二次绕组与所述第3晶体管及第4晶体管的各控制端子和所述第3晶体管及第4晶体管的各第1主端子连接，
所述脉冲信号的最大占空比根据所述变压器的一次绕组电压和所述第3晶体管及第4晶体管的控制端子顺向电压来确定。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，
所述第1晶体管及第2晶体管和所述第3晶体管及第4晶体管中的至少任意一方由FET或GaN-FET或SiC-FET构成。
3.根据权利要求1或2所述的栅极驱动电路，其特征在于，
所述第1晶体管及第2晶体管、所述第3晶体管及第4晶体管、所述变压器和所述电容器被收纳在绝缘封装体中。
CN2012102183652A 2011-07-04 2012-06-27 栅极驱动电路 Pending CN102868302A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011147985A JP2013017011A (ja) 2011-07-04 2011-07-04 ゲートドライブ回路
JP2011-147985 2011-07-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102868302A true CN102868302A (zh) 2013-01-09

Family

ID=47438287

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2012102183652A Pending CN102868302A (zh) 2011-07-04 2012-06-27 栅极驱动电路

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8502572B2 (zh)
JP (1) JP2013017011A (zh)
CN (1) CN102868302A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105939096A (zh) * 2015-03-06 2016-09-14 三垦电气株式会社 开关元件的驱动电路

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9463704B2 (en) * 2013-09-30 2016-10-11 Elwha Llc Employment related information center associated with communication and control system and method for wireless electric vehicle electrical energy
US9966837B1 (en) 2016-07-08 2018-05-08 Vpt, Inc. Power converter with circuits for providing gate driving
US10361698B2 (en) * 2017-01-23 2019-07-23 Raytheon Company Transformer based gate drive circuit
JP7038511B2 (ja) * 2017-09-25 2022-03-18 三菱電機株式会社 半導体集積回路
KR20190048636A (ko) * 2017-10-31 2019-05-09 한국전기연구원 절연형 게이트 구동 장치
US11290088B2 (en) * 2020-02-19 2022-03-29 Eaton Intelligent Power Limited Drivers for paralleled semiconductor switches

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH027617A (ja) * 1988-06-25 1990-01-11 Fujitsu Denso Ltd 高速駆動回路
JP2001345194A (ja) * 2000-05-31 2001-12-14 Matsushita Electric Works Ltd 電源装置
US6970023B2 (en) * 2003-12-17 2005-11-29 Texas Instruments Incorporated Modulated transistor gate driver with planar pulse transformer
CN1909372A (zh) * 2005-08-01 2007-02-07 美国芯源***股份有限公司 用于电源开关器件的隔离式栅极驱动器电路

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59104830A (ja) * 1982-12-08 1984-06-16 Hitachi Ltd スイツチング回路
US5168182A (en) * 1991-06-24 1992-12-01 United Technologies Corporation 0-100% duty cycle, transformer isolated fet driver
US20030164721A1 (en) * 2002-03-01 2003-09-04 Reichard Jeffrey A. Gate drive circuitry
CN101325376B (zh) * 2007-06-15 2012-05-02 力博特公司 开关器件的驱动电路
KR101091922B1 (ko) * 2008-09-26 2011-12-08 페어차일드코리아반도체 주식회사 인버터 구동 장치와 이를 포함한 램프 구동 장치 및 그 구동 방법
DE102008055051B4 (de) * 2008-12-19 2014-05-08 Infineon Technologies Austria Ag Schaltungsanordnung und Verfahren zur Erzeugung eines Ansteuersignals für einen Transistor
KR101615635B1 (ko) * 2010-03-15 2016-05-13 삼성전자주식회사 반도체 장치
US8593209B2 (en) * 2010-12-15 2013-11-26 Eaton Corporation Resonant tank drive circuits for current-controlled semiconductor devices
JP2012249377A (ja) * 2011-05-26 2012-12-13 Sanken Electric Co Ltd ゲート駆動回路

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH027617A (ja) * 1988-06-25 1990-01-11 Fujitsu Denso Ltd 高速駆動回路
JP2001345194A (ja) * 2000-05-31 2001-12-14 Matsushita Electric Works Ltd 電源装置
US6970023B2 (en) * 2003-12-17 2005-11-29 Texas Instruments Incorporated Modulated transistor gate driver with planar pulse transformer
CN1909372A (zh) * 2005-08-01 2007-02-07 美国芯源***股份有限公司 用于电源开关器件的隔离式栅极驱动器电路

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105939096A (zh) * 2015-03-06 2016-09-14 三垦电气株式会社 开关元件的驱动电路
CN105939096B (zh) * 2015-03-06 2018-11-13 三垦电气株式会社 开关元件的驱动电路

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013017011A (ja) 2013-01-24
US8502572B2 (en) 2013-08-06
US20130009675A1 (en) 2013-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102868302A (zh) 栅极驱动电路
CN103414354B (zh) 功率开关器件脉冲变压器隔离驱动电路
CN103023282B (zh) 一种隔离驱动电路
TWI599156B (zh) 驅動變壓器隔離自適應驅動電路
CN102594101A (zh) 一种隔离型可快速关断的mosfet驱动电路
JP2013013044A (ja) ゲートドライブ回路
CN102545559A (zh) 栅极驱动电路及半导体装置
CN202524281U (zh) 一种隔离型可快速关断的mosfet驱动电路
CN103199677A (zh) 单路隔离型mosfet驱动电路
CN103095104A (zh) 栅极驱动电路
JP5761656B2 (ja) ゲートドライブ回路
CN103762848A (zh) 一种开关式双端直流变换器的驱动电路
CN205356130U (zh) 一种igbt驱动电路
CN210075194U (zh) 可控硅驱动电路
CN104092391A (zh) 一种感应取电电源用零损耗整流电路
CN112769320B (zh) 钳位开关驱动电路
JP2018007345A (ja) 絶縁ゲート型半導体素子駆動装置
CN218734248U (zh) 一种半导体开关器件驱动电路
CN101414814B (zh) 驱动电路
CN203788150U (zh) 一种开关式双端直流变换器的驱动电路
CN117318689B (zh) 一种全桥和半桥电路高侧功率管的自举驱动电路
CN212012457U (zh) 一种基于变频器的驱动电路
CN220492852U (zh) 一种驱动电路及开关电源
CN218450078U (zh) 一种半导体器件驱动电路
CN101686018B (zh) 单向金属氧化物半导体场效应晶体管及其应用

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20130109