CN103620930B

CN103620930B - 栅极驱动电路

Info

Publication number: CN103620930B
Application number: CN201180071478.8A
Authority: CN
Inventors: 金子昌志; 田村静里; 中武浩
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: JPWO2012169041A1; WO2012169041A1; GB2505135B; JP4942861B1; GB201321449D0; TWI456549B; US20140055190A1; TW201250653A; KR20140007951A; KR101572747B1; US9184739B2; CN103620930A; GB2505135A

Abstract

一种栅极驱动电路，其对作为功率用半导体元件的IGBT（2）进行驱动，该栅极驱动电路具有：恒流栅极驱动电路（1），其以恒定电流对IGBT（2）的栅极容量进行充电；以及恒压栅极驱动电路（5），其经由MOSFET（4）及电阻（5-1）的串联电路，并联连接在恒流栅极驱动电路（1）的输入和输出端之间，以恒定电压对IGBT（2）的栅极容量进行充电，在该栅极驱动电路中，在驱动IGBT（2）时，使用恒流栅极驱动电路（1）和恒压栅极驱动电路（5）这两者，对IGBT（2）的栅极容量进行充电。

Description

栅极驱动电路

技术领域

本发明涉及对功率用半导体元件进行驱动的栅极驱动电路。

背景技术

对于当前的栅极驱动电路，公开有以下技术（例如专利文献1），即：以恢复电流较小的碳化硅（SiC）为原料形成二极管（以下称为“SiC二极管”），将该二极管并联（更准确地说是反并联）连接构成作为功率用半导体元件的IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），对于具有该IGBT的开关电路，为了降低开启（turnon）时的元件损耗和恢复时的二极管损耗，同时降低由阻尼振荡（ringing）等引起的噪声，从而在IGBT将要开启时增大与IGBT的栅极串联连接的电阻值，使开启时的电流变化率从中途开始变得缓和。

专利文献1：日本特开2008-92663号公报

发明内容

然而，在上述现有技术中存在下述课题，即，由于进行使开启时的电流变化率从中途开始变得缓和的控制，因此，从输出起动信号（指令信号）起至功率用半导体元件实际动作为止的起动时间变长。

另外，该现有技术是通过对与串联连接的2个电阻中的一个电阻的两端连接的开关元件进行通断控制，从而对电阻值进行变更的方法。因此，为了高效地进行控制，需要使2个电阻的电阻值具有一定程度的差。然而，在2个电阻的电阻值的差较大的情况下，存在在电阻值切换前后，栅极电压变化较大的问题。栅极电压变化是噪声增加的主要原因之一，因此希望避免栅极电压变化。

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种栅极驱动电路，该栅极驱动电路能够抑制转换至导通的过程中的栅极电压变化，并且缩短起动时间。

为了解决上述课题、实现目的，本发明的栅极驱动电路对功率用半导体元件进行驱动，该栅极驱动电路的特征在于，具有：恒流栅极驱动电路，其以恒定电流对所述功率用半导体元件的栅极容量进行充电；以及恒压栅极驱动电路，其经由开关元件及电阻的串联电路，并联连接在所述恒流栅极驱动电路的输入和输出端之间，以恒定电压对所述栅极容量进行充电，在驱动所述功率用半导体元件时，使用所述恒流栅极驱动电路和所述恒压栅极驱动电路这两者，对该功率用半导体元件的栅极容量进行充电。

发明的效果

根据本发明，实现能够抑制功率用半导体元件开启时的栅极电压的变化，并且缩短起动时间的效果。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的栅极驱动电路的结构的图。

图2是表示从图1中省略了恒压栅极驱动电路部分的电路结构的图。

图3是说明实施方式1涉及的栅极驱动电路的动作的时序图。

图4是表示实施方式2涉及的栅极驱动电路的结构的图。

图5是表示实施方式3涉及的栅极驱动电路的结构的图。

图6是说明实施方式3涉及的栅极驱动电路的动作的时序图。

具体实施方式

以下参照附图，针对本发明的实施方式涉及的栅极驱动电路进行说明。此外，本发明并不受下述实施方式限定。

实施方式1

图1是表示本发明的实施方式1涉及的栅极驱动电路的结构的图。如图1所示，实施方式1涉及的栅极驱动电路构成为，具有：恒流栅极驱动电路1，其与作为功率用半导体元件的IGBT2的栅极连接，对IGBT2的栅极电流进行限制而驱动IGBT2；功率用半导体元件控制电路3，其将接通指令信号（接通指令电压）9输出至恒流栅极驱动电路1；恒压栅极驱动电路5，其与恒流栅极驱动电路1并联连接，对IGBT2进行恒压驱动；以及基准电压源7，其向恒压栅极驱动电路5施加基准电压16。

如图所示，恒流栅极驱动电路1构成为，具有：电阻1-3、1-4；晶体管（在图示的例子中为PNP双极晶体管）1-1、1-2；以及与晶体管1-1的集电极串联连接的二极管1-5。二极管1-5的阴极成为恒流栅极驱动电路1的输出端，与IGBT2的栅极连接。恒流栅极驱动电路1具有将IGBT2开启时的栅极电流10限制为规定的上限值的功能。

如图所示，恒压栅极驱动电路5构成为具有：作为开关元件的一个例子的MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）4；电阻5-1，其与MOSFET4串联连接；MOSFET控制电路6，其作为开关元件控制电路而对MOSFET4进行控制；以及栅极电压检测比较器8-1，其作为第1比较器，以IGBT2的栅极电压11及基准电压源7的基准电压16为输入信号，按照这些信号的大小关系对MOSFET控制电路6进行控制。恒压栅极驱动电路5与恒流栅极驱动电路1并联连接，与恒流栅极驱动电路1一起，将所需的栅极电流供给至IGBT2。此外，在图示的例子中，MOSFET4的源极构成MOSFET4及电阻5-1的串联电路的一端，与恒流栅极驱动电路1的电阻1-3的一端连接，恒压栅极驱动电路5的电阻5-1的一端构成串联电路的另一端，与二极管1-5的阴极连接，但也可以是下述结构，即，MOSFET4及电阻5-1的串联电路的连接关系相反，恒压栅极驱动电路5的电阻5-1的一端与恒流栅极驱动电路1的电阻1-3的一端连接，MOSFET4的漏极与二极管1-5的阴极连接。

下面，对实施方式1涉及的栅极驱动电路的动作进行说明。在这里，首先参照图2，对恒流栅极驱动电路1的动作进行说明。图2是表示从图1中省略了恒压栅极驱动电路5部分的电路结构的图。

在开启IGBT2时，将来自功率用半导体元件控制电路3的接通指令信号9输入至恒流栅极驱动电路1。如果接通指令信号9被输入至恒流栅极驱动电路1，则晶体管1-1变为导通状态，经由电阻1-3流过发射极电流，经由电阻1-4流过基极电流。另外，经由二极管1-5流过集电极电流，该集电极电流成为针对IGBT2的栅极电流10，对IGBT2的栅极容量进行充电。

如果晶体管1-1的发射极电流增加，则电阻1-3处的电压降增大，由于该电压降使晶体管1-2的基极-发射极间成为正向偏压，因此晶体管1-2变为导通状态。如果晶体管1-2导通，则原本流过晶体管1-1的电流（发射极电流）流向晶体管1-2侧，电阻1-3处的电压降减小。另一方面，如果电阻1-3处的电压降减小，则晶体管1-2的基极-发射极间的偏压减小，晶体管1-2从导通状态转换为切断状态。其结果，这种动作瞬时地进行，在晶体管1-1的发射极中流过具有下述值的恒定电流，即，由晶体管1-2的基极-发射极间（PN结）的正向电压降（例如，0.6V）除以电阻1-3的电阻值而得到的值。此外，作为晶体管的性质，集电极电流与发射极电流大致相等，因此，对IGBT2进行充电的栅极电流也是恒定电流。这样，恒流栅极驱动电路1对功率用半导体元件即IGBT2进行恒流驱动。

下面，针对实施方式1涉及的栅极驱动电路、即并用了恒流栅极驱动电路1和恒压栅极驱动电路5的情况下的动作，说明图1及图3。图3是说明实施方式1涉及的栅极驱动电路的动作的时序图。此外，在图3的说明中，将功率用半导体元件适当地简记为“PSD”（PowerSemiconductorDevice）。

首先，在栅极驱动的初始阶段（图3中的动作时间A之前），MOSFET4接通。即，恒压栅极驱动电路5被设定为可动作的状态。在该状态下，如果来自功率用半导体元件控制电路3的接通指令信号9被输入至恒流栅极驱动电路1（动作时间A），则在IGBT2的栅极处，从恒压栅极驱动电路5供给的电流与从恒流栅极驱动电路1供给的电流叠加，对IGBT2的栅极容量进行充电。此外，在图3的从上起第2个波形（PSD栅极电流10）中，实线部19是驱动恒流栅极驱动电路1及恒压栅极驱动电路5这两者时的电流波形，虚线部18是将MOSFET4控制为断开（此时，恒压栅极驱动电路5被分离出的状态），仅驱动恒流栅极驱动电路1时的电流波形。

IGBT2的栅极电压（PSD栅极电压）11被输入至栅极电压检测比较器8-1。栅极电压检测比较器8-1对PSD栅极电压11和基准电压源7的基准电压16进行比较。如图3所示，该基准电压16设定为低于IGBT2开启时的阈值电压（PSD开启阈值电压）15。通过该设定，如果PSD栅极电压11接近PSD开启阈值电压15而超过基准电压16，则栅极电压检测比较器8-1的输出反转，MOSFET控制电路6动作而MOSFET4被控制为断开（MOSFET两端电压12从“低”上升为“高”），使恒压栅极驱动电路5与恒流栅极驱动电路1分离，切换为仅恒流栅极驱动电路1动作的状态（动作时间B）。

其后，如果PSD栅极电压11超过PSD开启阈值电压15，则PSD集电极电流13开始流动（动作时间C），PSD集电极电流13迅速上升，在出现峰值后稳定为某个规定值。另外，IGBT2的集电极和发射极之间的电压（PSD集电极-发射极电压）14在PSD集电极电流13达到峰值之后，向零电位下降。

通过上述控制，与仅使用恒流栅极驱动电路1进行充电的情况相比，直至IGBT2开启为止的时间（开启时间）T1（A～C）变短，从输入起动指令开始至实际动作为止的时间（实际动作时间）T2也变短。这些开启时间T1及实际动作时间T2缩短的理由是，使用恒流栅极驱动电路1和恒压栅极驱动电路5这两者对IGBT2的栅极容量进行充电，从而能够更多充入与图3中阴影所示的面积相当的电荷量。

另外，如果着眼于图3的实线部19所示的电流波形，可知电流值随着时间的经过而减小。之所以形成这种波形，是因为通过对IGBT2的栅极容量进行充电而使PSD栅极电压11上升，其结果，电阻5-1的两端电压减小。该结果是由MOSFET4导通时在恒流栅极驱动电路1的输入和输出端之间电连接的电阻5-1的作用而得到的，能够通过由恒压栅极驱动电路5如字面含义那样对IGBT2进行恒压驱动而获得。另外，通过该作用，能够在开启IGBT2的转换过程中，抑制栅极电压的变化。

如上述说明所示，根据实施方式1的栅极驱动电路，在对功率用半导体元件即IGBT2进行驱动时，使用恒流栅极驱动电路1和恒压栅极驱动电路5这两者对IGBT2的栅极容量进行充电，因此，能够在转换为开启的过程中抑制栅极电压的变化，并且缩短起动时间。

实施方式2

图4是表示实施方式2涉及的栅极驱动电路的结构的图。该图的栅极驱动电路是在图1所示的实施方式1涉及的栅极驱动电路的基础上，将基准电压源7替换为基准电压生成电路7a的栅极驱动电路。此外，其他结构与图1所示的实施方式1结构相同或等同，对这些共通的结构部标注相同的标号而示出，适当省略共通的说明。

下面，针对基准电压生成电路7a的结构及动作进行说明。此外，基本的动作与实施方式1的栅极驱动电路相同，电路主要部分的动作波形也与图3所示的波形相同。

在图4中，基准电压生成电路7a构成为，具有：电流检测电阻25，其是电流检测单元，用于对IGBT2的发射极电流进行检测；三角波电源24，其是第1电源电路；输出电路8-3，其由电容器及电阻构成；以及电流检测比较器8-2，其作为第2比较器，对三角波电源24的输出和电流检测电阻25的输出进行比较。

在实施方式2中，输入至栅极电压检测比较器8-1的基准电压16，由电流检测比较器8-2生成。在电流检测比较器8-2中，通过对三角波电源24生成的三角波和电流检测电阻25的输出进行比较而生成基准电压16，该基准电压16经由输出电路8-3而输入至栅极电压检测比较器8-1。其后的动作与实施方式1相同或等同。

在这里，基准电压生成电路7a生成的基准电压16与实施方式1相同地，设定为低于PSD开启阈值电压15的值，但该PSD开启阈值电压15也会根据IGBT2的特性而变动，另外，还会根据流过IGBT2的集电极的电流而变动。另一方面，在实施方式2的栅极驱动电路中，如上所述，对IGBT2的集电极电流进行检测，使用检测出的集电极电流生成基准电压16，因此，即使IGBT2的开启阈值电压变动，也能够进行追随该变动的控制。通过该控制，能够生成与IGBT2的特性对应的基准电压16，能够高效地进行缩短起动时间的控制。此外，也可以代替集电极电流而对发射极电流进行检测。另外，也可以使用电流检测电阻之外的检测单元。

如上述说明所示，根据实施方式2的栅极驱动电路，在对功率用半导体元件即IGBT2进行驱动时，使用恒流栅极驱动电路1和恒压栅极驱动电路5这两者对IGBT2的栅极容量进行充电，并且，对流过IGBT2的电流进行检测，使用检测出的电流生成基准电压，使用该基准电压对恒压栅极驱动电路5的动作进行控制，因此，除了实施方式1的效果之外，可得到能够实现与IGBT2的特性对应的起动时间缩短控制的效果。

实施方式3

图5是表示实施方式3涉及的栅极驱动电路的结构的图。该图的栅极驱动电路是在图1所示的实施方式1涉及的栅极驱动电路的基础上，将自行生成（self-contained）的电压信号而非IGBT2的栅极电压输入至栅极电压检测比较器8-1的反转输入端子的结构。具体而言，其构成为，具有：第2电源电路即方形波电源20；以及RC滤波器21，其作为滤波器电路，用于使方形波电源20输出的方形波电压22平滑化，在该栅极驱动电路中，将RC滤波器21输出的方形波平滑电压23输入至栅极电压检测比较器8-1的反转输入端子。此外，其他结构与图1所示的实施方式1的结构相同或等同，对这些共通的结构部标注相同的标号而示出，适当省略共通的说明。

下面，参照图5及图6，对实施方式3涉及的栅极驱动电路的动作进行说明。此外，图6是说明实施方式3涉及的栅极驱动电路的动作的时序图。基本与图3所示的时序图相同或等同，但在图6中，在时序图的中间追加了方形波电压22和方形波平滑电压23。

在该实施方式3中，以在IGBT2将要开启时与基准电压16相交叉的方式设定RC滤波器21的时间常数（=R和C的乘积）（参照B点处的方形波平滑电压23）。即，以使得方形波电压22由RC滤波器21平滑化，在IGBT2开启之前达到基准电压16的方式进行动作，因此，与实施方式1不同，无需检测IGBT2的栅极电压（PSD栅极电压11），就能够对IGBT2进行驱动。

如上述说明所示，根据实施方式3的栅极驱动电路，在对功率用半导体元件即IGBT2进行驱动时，使用恒流栅极驱动电路1和恒压栅极驱动电路5这两者，对IGBT2的栅极容量进行充电，并且，使用自行生成的控制信号（电压），切换恒压栅极驱动电路5是动作还是不动作，因此，无需检测栅极电压，就能够得到与实施方式1同等的效果。

最后，作为实施方式1～3共通的事项，对功率用半导体元件的原料进行说明。作为功率用半导体元件，通常是以硅（Si）为原料的半导体晶体管元件（IGBT、MOSFET等，以下简记为“Si-SW”）。以上说明的技术适用于这种通常的Si-SW。

另一方面，上述技术并不限定于以Si为原料而形成的开关元件。近几年，以碳化硅（SiC）为原料的功率用半导体元件（以下简记为“SiC-SW”）由于能够进行高速的开关动作而受到关注和不断开发，当然也可以代替该Si，将上述技术用于该SiC－SW。

在这里，SiC-SW能够进行高速的开关动作是因为：由于SiC-SW能够在高温下使用，耐热性高，因此能够将对SiC-SW进行收容的元件模块的容许动作温度提高至高温侧，即使提高载波频率、增加开关速度，也能够抑制对元件模块进行冷却的冷却器变大。

然而，开关速度的增加从提高效率的角度来说有效，但在对SiC-SW进行驱动时，由于集电极-发射极电压（Vce）及集电极电流（Ic）的随时间的变化（dv/dt、di/dt）变得陡峭，因此存在噪声增加的问题。

与此相对，根据本申请的实施方式的栅极驱动电路，如上述说明所示，在对功率用半导体元件进行驱动时，并用恒流栅极驱动电路和恒压栅极驱动电路这两者，对功率用半导体元件转换至开启的过程中的栅极电压变化进行抑制，因此，与现有技术相比，能够抑制由于切换而引起的噪声。即，可以说本申请的实施方式的栅极驱动电路在作为功率用半导体元件而使用SiC-SW的情况下有效地起作用，是一种能够灵活地应对今后发展趋势的技术。

此外，SiC具有带隙比Si宽的特性，是称为宽带隙半导体的半导体的一个例子。除了该SiC之外，使用例如氮化镓（GaN）类材料或金刚石（C）而形成的半导体也属于宽带隙半导体，它们的特性也在很多方面与SiC相似。因此，在使用SiC之外的其他宽带隙半导体的情况下，也能够得到与SiC的情况相同的效果，实现本申请的主旨。

此外，以上实施方式1～3所示的结构是本发明的结构的一个例子，当然也可以与其它公知技术组合，在不脱离本发明主旨的范围内，能够以省略一部分等的方式进行变更而构成。

工业实用性

如上所述，本发明作为抑制功率用半导体元件开启时的栅极电压变化，并且能够缩短起动时间的栅极驱动电路，是具有实用性的。

标号的说明

1恒流栅极驱动电路

1-1、1-2晶体管

1-3、1-4、5-1电阻

1-5二极管

3功率用半导体元件控制电路

4MOSFET

5恒压栅极驱动电路

6MOSFET控制电路

7基准电压源

7a基准电压生成电路

8-1栅极电压检测比较器（第1比较器）

8-2电流检测比较器（第2比较器）

8-3输出电路

9接通指令信号（电压）

10栅极电流（PSD栅极电流）

11栅极电压（PSD栅极电压）

13PSD集电极电流

14PSD集电极-发射极电压

15PSD开启阈值电压

16基准电压

20方形波电源（第2电源电路）

21RC滤波器（滤波器电路）

22方形波电压

23方形波平滑电压

24三角波电源（第1电源电路）

25电流检测电阻（电流检测单元）

Claims

1.一种栅极驱动电路，其对功率用半导体元件进行驱动，

该栅极驱动电路的特征在于，具有：

恒流栅极驱动电路，其以恒定电流对所述功率用半导体元件的栅极容量进行充电；以及

恒压栅极驱动电路，其经由开关元件及电阻的串联电路，并联连接在所述恒流栅极驱动电路的输入和输出端之间，以恒定电压对所述栅极容量进行充电，

在使所述功率用半导体元件开启时，使用所述恒流栅极驱动电路和所述恒压栅极驱动电路这两者，对该功率用半导体元件的栅极容量进行充电。

2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，

所述恒压栅极驱动电路具有：

第1比较器，其对所述功率用半导体元件的栅极电压和规定的基准电压进行比较；以及

开关元件控制电路，其基于所述第1比较器的比较结果，对所述开关元件进行控制，

所述第1比较器生成在所述功率用半导体元件将要开启时，将所述开关元件控制为断开的信号，

所述开关元件控制电路基于从所述第1比较器输出的控制信号，将所述开关元件控制为断开，断开与所述恒流栅极驱动电路的电连接。

3.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其特征在于，

该栅极驱动电路还具有基准电压生成电路，该基准电压生成电路使用流过所述功率用半导体元件的电流，生成所述基准电压。

4.根据权利要求3所述的栅极驱动电路，其特征在于，

所述基准电压生成电路具有：

电流检测单元，其对流过所述功率用半导体元件的电流进行检测；

第1电源电路，其生成规定的三角形波电压；以及

第2比较器，其对由所述电流检测单元检测出的电流值和所述三角形波电压进行比较，将基于其比较结果的输出电压设为所述基准电压，输出至所述第1比较器。

5.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，还具有：

第2电源电路，其生成方形波电压；以及

滤波器电路，其对所述方形波电压进行平滑，

并且，所述恒压栅极驱动电路具有：

第1比较器，其对由所述滤波器电路输出的方形波平滑电压和规定的基准电压进行比较；以及

6.根据权利要求1至5中任一项所述的栅极驱动电路，其特征在于，

所述功率用半导体元件是由宽带隙半导体形成的元件。

7.根据权利要求6所述的栅极驱动电路，其特征在于，

所述宽带隙半导体是使用碳化硅、氮化镓类材料、或金刚石的半导体。

8.一种栅极驱动电路，其对功率用半导体元件进行驱动，

该栅极驱动电路的特征在于，具有：

所述恒压栅极驱动电路仅在从输出使所述功率用半导体元件开启的接通指令开始至该功率用半导体元件开启为止的期间内被驱动。