CN107852159A - 驱动装置 - Google Patents

Abstract

驱动装置并联地驱动包含第一开关元件(21)及第二开关元件(22)的、分别具有栅极的多个开关元件(20)。所述驱动装置具有：驱动器(12)，向所述栅极供给电压；以及控制部(11)，向所述驱动器输出控制信号来控制所述开关元件的通断。作为控制模式，所述控制部具有使所述第一开关元件和所述第二开关元件双方均进行驱动的多驱动模式、以及仅使所述第一开关元件进行驱动的单驱动模式。所述控制部在所述单驱动模式下将应向所述第一开关元件的栅极施加的栅极电压设定为小于所述多驱动模式下的栅极电压的箝位电压。

Description

驱动装置

关联申请的相互参照

本申请是基于2015年5月27日申请的日本申请第2015-107449号的申请，在此援引其记载内容。

技术领域

本公开涉及一种并联地驱动多个开关元件的驱动装置。

背景技术

专利文献1记载的复合式开关电路是并联地驱动MOSFET和IGBT的电路。IGBT在切断时产生尾电流，因此成为开关损失变大的原因。因此，在专利文献1记载的复合式开关电路中，采用了这样的驱动：在切断IGBT后继续驱动MOSFET一定期间，最后切断MOSFET。

近年来，以SiC(碳化硅)为主要成分的半导体正在日益实用化。SiC与硅相比绝缘击穿电场强度较高，因此能够使MOSFET等半导体元件变薄，结果是能够实现低通态电阻，并且能够实现开关速度的高速化。然而，SiC与硅相比较为昂贵，为了抑制成本，要求使采用SiC的半导体元件小型化。

在专利文献1记载的复合式开关电路中，存在单独驱动MOSFET的期间，因此必须防止短路电流等大电流导致元件击穿。例如，在MOSFET的输出电流超过了规定阈值的情况下，需要采取停止向MOSFET供给电压等措施。为此，需要检测输出电流的电流值的装置。然而，例如在采用SiC作为MOSFET的构成材料的情况下，如上所述，必须将用于检测电流的装置配置为SiC的元件。即，元件大型化，违背了对元件小型化的要求。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-90933号公报

发明内容

本公开的目的是在并联地驱动多个开关元件的驱动装置中提供一种能够使包含开关元件的半导体装置小型化的驱动装置。

本公开一方式的驱动装置并联地驱动包含第一开关元件及第二开关元件的、分别具有栅极的多个开关元件。所述驱动装置具有：驱动器，向所述栅极供给电压；以及控制部，向所述驱动器输出控制信号来控制所述开关元件的通断。作为控制模式，所述控制部具有使所述第一开关元件和所述第二开关元件双方均进行驱动的多驱动模式、以及仅使所述第一开关元件进行驱动的单驱动模式。所述控制部在所述单驱动模式下将应向所述第一开关元件的栅极施加的第一栅极电压设定为小于所述多驱动模式下的第一栅极电压的箝位电压。

据此，在单驱动模式下将栅极电压设定为箝位电压，因此与多驱动模式相比能够减小栅极电压。由此，即使在负载发生短路从而流过了过电流的情况下，也能够抑制流经第一开关元件的短路电流，能够延长短路耐受量。换言之，能够确保用于实施短路保护的时间裕度，因此即使第一开关元件中不立即检测出输出电流也无妨。因此，不向第一开关元件的输出电流路径设置用于检测电流的装置，就能够应付开关元件短路。因此，能够使第一开关元件省略检测电流的装置，相应地，能够使第一开关元件的尺寸、进而是开关元件的尺寸小型化。

附图说明

通过参照附图进行的下述详细描述，使关于本公开的上述目的及其他目的、特征和优点更为明确。本公开的附图如下：

图1是表示第一实施方式中的驱动装置及其周边装置的概略构成的电路图，

图2是表示未发生短路的情况下的驱动装置的动作的时序图，

图3是表示发生了短路的情况下的驱动装置的动作的时序图，

图4是表示第二实施方式中的驱动装置及其周边装置的概略构成的电路图，

图5是表示其他实施方式中的驱动装置及其周边装置的概略构成的电路图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本公开的实施方式。注意，在以下各图中，对于彼此相同或等效的部分，标注相同附图标记。

(第一实施方式)

首先，参照图1对本实施方式的驱动装置的概略构成进行说明。

本实施方式中的驱动装置例如供将MOSFET与IGBT两个开关元件并联连接来获得输出电流的半导体装置使用。IGBT具有在其切断时产生尾电流的特性。该尾电流是切断时的开关损失加大的原因。相对于此，在MOSFET与IGBT并联连接的半导体装置中，通过使MOSFET的切断时机迟于IGBT，抑制了因尾电流而产生的消耗电力。

如图1所示，本实施方式中的驱动装置10是向并联连接在主电源VCC和地线GND之间的MOSFET21和IGBT22的栅极供给栅极电压而进行驱动的装置。后面有时将MOSFET21及IGBT22合称为开关元件20。MOSFET21及IGBT22分别相当于第一开关元件及第二开关元件。

负载30在主电源VCC与地线GND之间与开关元件20串联连接，通过接通开关元件20而流过输出电流，从而向负载30供给电流。

本实施方式中的驱动装置10具有控制部11以及驱动器12、箝位电路13(图1、4的CP)、分流电阻器14(图1、4的Y)。

控制部11向驱动器12输出控制信号，经由驱动器12控制开关元件20通断。控制部11基于负载30的动作状况、开关元件20的输出电流和温度、来自外部的命令等输出控制信号。例如，本实施方式中的控制部11监视分流电阻器14的两端电压，若流过分流电阻器14的输出电流的电流值超过规定阈值，则使驱动器12停止动作来保护开关元件20。

另外，作为开关元件20的控制模式，控制部11具有多驱动模式和单驱动模式。多驱动模式是控制部11经由驱动器12向MOSFET21和IGBT22双方的栅极供给栅极电压来产生输出电流的控制模式。单驱动模式是控制部11经由驱动器12仅向MOSFET21的栅极供给栅极电压的控制模式。

驱动器12被输入从控制部11输出的控制信号，并基于控制信号向开关元件20的栅极供给栅极电压。驱动器12具有向第一开关元件即MOSFET21供给栅极电压的第一驱动器12a(图1、4的D1)和向第二开关元件即IGBT22供给栅极电压的第二驱动器12b(图1、4的D2)。第一驱动器12a基于从控制部11输出的控制信号在规定时机施加或者停止栅极电压来控制MOSFET21通断。另外，第二驱动器12b基于从控制部11输出的控制信号在规定时机施加或者停止栅极电压来控制IGBT22通断。

箝位电路13介于第一驱动器12a与MOSFET21之间。箝位电路13是将从第一驱动器12a向MOSFET21供给的栅极电压箝位为作为规定上限值的箝位电压的电路。也就是说，箝位电路13使从第一驱动器12a输出的电压降压而转换成MOSFET21的栅极电压。

箝位电路13的降压在规定条件下有效。具体而言，在控制部11以单驱动模式作为控制模式而对驱动器12进行驱动时，箝位电路13使所输出的栅极电压降压至箝位电压。

如图1所示，分流电阻器14***到IGBT22的感应发射端子SE和地线GND之间。并且，控制部11监视IGBT22的输出电流来作为开关元件20的输出电流。具体而言，控制部11检测分流电阻器14两端的电位，并使用分流电阻器14的已知电阻值来检测流经分流电阻器14的电流值。分流电阻器14相当于电流检测部。另外，在本实施方式中，输出电流的电流路径存在经由MOSFET21的路径和经由IGBT22的路径，但作为电流检测部的分流电阻器14在两个输出电流路径中设于IGBT22侧。

接着，参照图2及图3对本实施方式的驱动装置10的动作及作用效果进行说明。

首先，参照图2说明负载30不发生短路的正常状态下的动作。在时刻t1以前，从控制部11输出的控制信号为高电平(后面表示成“H”)状态，控制部11对第一驱动器12a及第二驱动器12b以向MOSFET21及IGBT22的任意栅极都施加通常的栅极电压的方式动作。即，时刻t1以前是MOSFET21及IGBT22全接通的状态，控制部11的控制模式是多驱动模式。

在时刻t1，控制部11为了切切断关元件20，使控制信号从H转变为低电平(后面表示成“L”)。由此，第二驱动器12b停止向IGBT22供给栅极电压。

另一方面，控制部11在控制信号从H转变为L后也继续第一驱动器12a的驱动，继续向MOSFET21施加栅极电压，直到时刻t2。此时，控制部11使箝位电路13对栅极电压的箝位有效。由此，向MOSFET21供给的栅极电压成为从多驱动模式时的栅极电压降压后的箝位电压。然后，在时刻t2，控制部11使第一驱动器12a停止向MOSFET21供给栅极电压。因此，在时刻t2，MOSFET21变为切断状态。

在时刻t1以前的多驱动模式下，开关元件20的输出电流大部分由IGBT22负担。另一方面，若从多驱动模式进入单驱动模式，则IGBT2的输出电流变为零，变为向MOSFET21流入大输出电流的状态。

从时刻t1到时刻t2的期间是IGBT22为切断状态且MOSFET21为接通状态的单驱动模式。即，驱动装置10在开关元件20切断时以从多驱动模式经由单驱动模式而使开关元件20停止的方式进行动作。

另外，单驱动模式的继续时间(t2－t1)优选设定为MOSFET21的漏极-源极间的电位差VDs、即主电源VCC与地线GND的电位差条件下的MOSFET21的短路耐受量以下。在此，短路耐受量是以时间为单位的物理量，电位差VCC-GND越大则短路耐受量越短，电位差VCC-GND越小则短路耐受量越长。单驱动模式的继续时间越长，越能减小IGBT22的尾电流给消耗电力带来的影响。因此，单驱动模式的继续时间优选在短路耐受量以下这一条件下尽可能设定得较长。

接着，参照图3对开关元件20切断时负载30发生了短路的情况进行说明。控制部11、驱动器12、MOSFET21、IGBT22的动作与参照图2说明过的相同，所以省略详细说明。

如图3所示，在时刻t3，假定负载30发生了短路。时刻t3是单驱动模式期间中。在时刻t3，负载30短路，主电源VCC的电压直接被施加到MOSFET21的漏极-源极间，因此是MOSFET21的输出电流、即漏极电流为过电流的状态。

在以往结构中，在单驱动模式下，不使栅极电压降压至箝位电压。因此，在负载30发生了短路的情况下，在VDs保持较高的状态下维持MOSFET21的接通状态。也就是说，这成了过电流导致MOSFET21故障的原因。与之相对，本实施方式中的驱动装置10在单驱动模式下使MOSFET21的VDs降压至低于多驱动模式的栅极电压的箝位电压，因此与以往相比能够抑制短路电流。因此，能够抑制短路电流导致的损失，并且，与以往相比能够延长MOSFET21的短路耐受量。

并且，由于能够延长短路耐受量，因此能够使在发生短路后移至开关元件20的保护动作为止的时间具有比以往更长的裕度。因此，即使不即时检测出短路的发生也无妨，即使不设置用于检测MOSFET21的输出电流的装置，也能够利用设于IGBT22的感应发射端子上的分流电阻器14应付保护动作。

另外，开关元件20的保护动作只要例如在开关元件下次接通时，在利用与IGBT22的感应发射端子连接的分流电阻器14检测出的电流超过阈值的情况下实施即可。

在此，在MOSFET21以碳化硅为主要成分而构成的情况下，为MOSFET21设置检测电流的装置的结构与没有检测电流的装置的结构相比MOSFET21的元件尺寸更大，因此成本提高。相对于此，如果采用本实施方式中的驱动装置10，则能够使MOSFET21不需要检测电流的装置，因此能够减小开关元件20的尺寸，能够降低制造成本。

(第二实施方式)

如图4所示，本实施方式中的驱动装置10除了第一实施方式中的驱动装置以外，还具有栅极电压检测部15(图4的GD)。除栅极电压检测部15以外的结构与第一实施方式的结构是相同的，因此省略其详细说明。

该栅极电压检测部15与相当于第二开关元件的IGBT22的栅极连接。栅极电压检测部15检测第二驱动器12b施加于IGBT22的栅极电压，并将其值反馈给控制部11。

在第一实施方式中，对控制部11以控制信号从H转变为L为触发条件而将MOSFET21的栅极电压设为箝位电压的例子进行了说明，但本实施方式中的控制部11基于由栅极电压检测部15检测出的IGBT22的栅极电压确定单驱动模式下的栅极电压。

具体而言，例如，控制部11可以以IGBT22的栅极电压变为规定电压以下为条件，使箝位电路13有效，从而将施加于MOSFET21的栅极电压设定为箝位电压。

例如，在IGBT22的栅极电压为了保持IGBT22切断而下降到了地电平程度的情况下，作为MOSFET21的输出电流的漏极电流增加。因此，通过由控制部11使MOSFET21的栅极电压下降至箝位电压，能够延长短路耐受量，并且能够降低切切断关元件20所导致的开关损失。

(其他实施方式)

以上对本公开的优选实施方式进行了说明，但本公开完全不受上述实施方式限制，能够在不脱离本公开的主旨的范围内做出各种变形进行实施。

在上述各实施方式中，主要对开关元件20的切断进行了说明，但在接通时也能够应用本公开。例如，如图5所示，若在时刻t4向控制部11输入接通开关元件20的指示，则控制部11使控制信号从L转变为H。响应于此，第二驱动器12b在经过规定延迟时间的时刻t5对IGBT22的栅极施加栅极电压。另一方面，响应于控制信号从L转变为H，第一驱动器12a施加MOSFET21的栅极电压。此时，栅极电压被设定为箝位电压。第一驱动器12a从时刻t4到时刻t5维持箝位电压。并且，在时刻t5，IGBT22、MOSFET21均变为全接通。即，控制部11在接通开关元件20时先于多驱动模式实施单驱动模式而接通开关元件20。

据此，在接通开关元件20时，即使在负载30发生了短路的情况下，最初接通的MOSFET21的栅极电压也被抑制在箝位电压，因此与以往相比更能够抑制流过MOSFET21的输出电流。因此，能够延长MOSFET21的短路耐受量，因此能够在MOSFET21故障前检测出短路并进入保护动作。

另外，在上述各实施方式中，作为电流检测部，对利用分流电阻器14的电压-电流转换的例子进行了说明，但电流检测部只要能够检测作为第二开关元件的IGBT22的输出电流的电流值即可，并不局限于分流电阻器14。

另外，在上述各实施方式中，以将MOSFET21和IGBT22两个开关元件作为开关元件20并联驱动的驱动装置10进行了说明，但即使是将三个以上的元件作为开关元件20并联驱动的驱动装置也能够应用本公开。例如，在并联驱动第一开关元件(例如MOSFET21)、第二开关元件(例如IGBT22)、第三开关元件(例如与IGBT22不同的IGBT23)的情况下，在切断时，驱动装置10构成为与控制信号同步地切断IGBT22和IGBT23，并将MOSFET21维持在钳位电压下驱动规定时间，之后再将其切断即可。

虽然本公开是根据实施例进行描述的，但应理解为本公开并不局限于该实施例和构造。本公开还包括各种变形例和同等范围内的变形。而且，各种组合和形态、以及使它们仅含一个要素、更多要素或更少要素的其他组合和形态也落入本公开的范畴和思想范围。

Claims (7)

1.一种驱动装置，并联地驱动包含第一开关元件(21)及第二开关元件(22)的、分别具有栅极的多个开关元件(20)，其特征在于，该驱动装置具有：

驱动器(12)，向所述栅极供给电压；以及

控制部(11)，向所述驱动器输出控制信号来控制所述开关元件的通断，

作为控制模式，所述控制部具有使所述第一开关元件和所述第二开关元件双方均进行驱动的多驱动模式、以及仅使所述第一开关元件进行驱动的单驱动模式，

所述控制部在所述单驱动模式下将应向所述第一开关元件的栅极施加的栅极电压设定为小于所述多驱动模式下的栅极电压的箝位电压。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，

所述控制部在切断所述多个开关元件时，从所述多驱动模式经过规定时间的所述单驱动模式而将所述多个开关元件切断。

3.根据权利要求2所述的驱动装置，其特征在于，

所述规定时间被基于所述第一开关元件的输出端子间的电位差设定在所述第一开关元件的短路耐受量以下。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的驱动装置，其特征在于，

所述控制部在接通所述多个开关元件时，先于所述多驱动模式实施所述单驱动模式而接通所述第一开关元件。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的驱动装置，其特征在于，

还具有电流检测部(14)，该电流检测部(14)检测流经所述第二开关元件的输出电流，

所述电流检测部在与所述多个开关元件对应的多个输出电流路径中设于所述第二开关元件的输出电流路径。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的驱动装置，其特征在于，

将应向所述第一开关元件的栅极施加的所述栅极电压设为第一栅极电压，

还具有检测向所述第二开关元件的栅极施加的第二栅极电压的栅极电压检测部(15)，

所述控制部以利用所述栅极电压检测部检测出的所述第二栅极电压在规定阈值以下为条件，将所述第一开关元件的所述第一栅极电压设定为所述箝位电压。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的驱动装置，其特征在于，

所述第一开关元件是以碳化硅为主要成分的MOSFET，所述第二开关元件是以硅为主要成分的IGBT。