CN213072610U - 高边驱动器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及栅极驱动电路。本实用新型提供一种更简易的电路结构且使用了N沟道MOSFET的栅极驱动电路的高边驱动器。一种对功率半导体开关进行驱动的高边驱动器电路，其具备：主开关N沟道MOSFET，漏极端子连接于电源的正侧Vdc，源极端子连接于对功率半导体开关进行驱动的信号的OUT端子；电荷蓄积电路，从Vdc蓄积电荷；带电压检测功能的开关，检测电荷蓄积电路的输出端子与Vdc的电压差，在检测到电荷蓄积电路的输出端子电压比电源的正侧Vcc的电压高一定电压以上的情况下，向所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子施加所述电荷蓄积电路的输出电压的一部分或全部。

Description

高边驱动器
技术领域
本实用新型涉及对IGBT等功率半导体开关进行驱动的高边驱动器。
背景技术
对于大功率的反相器或DCDC转换器等功率设备来说，使用高频大功率开关元件的情况较多。作为高频大功率开关元件，较多地使用IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管 ）或MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）。这样的元件的驱动端子（例如，栅极端子）的输入特性为电容性的情况较多，在驱动时必须流动大电流。
因此，提出了各种以对这些高频大功率开关元件进行驱动为目的的电路。这样的电路常常被称为栅极驱动电路。本实用新型涉及在该栅极驱动电路中使用的改良后的高边驱动器。
现有技术和其问题点
在图7、图8中示出了对上述那样的高频大功率开关元件进行驱动的以往的栅极驱动电路的例子。
图7所示的栅极驱动电路3是作为将IGBT2驱动为ON的元件而使用P沟道MOSFET1（以下，称为Q1）的电路。Q1通过使其栅极电压与源极电压相比为低电压来进行ON动作。其结果是，Q1导通，在漏极端子出现Vcc电压。该Vcc电压经由电阻11且经由输出端子7被施加到IGBT2的栅极端子。
因此，通过使图7的IN端子5为低电平（LOW），从而能够使Q1进行ON动作。然后，当Q1进行ON动作时，如上述那样，能够使IGBT2进行ON动作。
像这样，根据图7所示的电路结构的栅极驱动电路3，能够利用IN端子5的输入电位使IGBT2进行ON动作（或OFF动作）。
可是，通常地，P沟道MOSFET具有与N沟道MOSFET相比品种少且ON电阻也大的趋势，图7中的Q1作为使用了N沟道MOSFET的结构使IGBT2进行ON动作的电路而能够期待性能的提高。
根据这样的情况，图8所示的电路结构的栅极驱动电路也被使用。在该电路结构中是作为图8中的Q1a而使用N沟道MOSFET来构成的栅极驱动电路3a。为了使N沟道MOSFET进行ON动作，必须使其栅极电位为比源极电位高的电压。另一方面，图8中的Q1a的源极电压上升到栅极驱动电路3a的电源的正侧电压Vcc附近。正侧电压Vcc在图8中被供给到正侧电压端子4，在图7中也同样地，正侧电压Vcc被供给到正侧电压端子4。
因此，构成接下来说明那样的自举电路和电平移位电路来制作出用于使图8中的Q1a的栅极电位上升到比源极电位高的电压的高电位。
在图8所示的电路结构的例子中，将二极管12（以下，称为D1）与电容器13（以下，称为C1）的串联电路如图8那样连接在OUT端子7与正侧电压端子4之间。然后，在OUT端子7为GND电位时在C1中蓄积电荷，在使IN端子5为高电平（High）而Q1a进行ON动作时，使电平移位用光电耦合器10（以下，称为PC1）的输出侧晶体管进行ON动作，向Q1a的栅极端子施加在C1中充电的电荷。由此，当Q1a进行ON动作而OUT端子7的电压上升时，C1与D1的阴极侧连接的点的端子电压与Vcc相比为高电压，能够向Q1a的栅极端子施加比Vcc高的电压。
根据这样的方式，能够利用D1和C1比较简单地制作对Q1a进行驱动的处于高的电位的电源。可是，为了使用该高压电源来使Q1a进行ON动作，需要在电路方面进行研究。例如，进行使用光电耦合器（图8中的PC1）等绝缘元件将高压电源与IN端子5的输入电位绝缘或者使用电平移位电路等另外设置将电压电平从高压电源移位的开关这样的研究。如果不实施这样的研究，则制作使用IN端子5的输入电位使Q1a进行ON/OFF的电路是困难的。
现有专利技术
例如，在后述的专利文献1（日本特许第6303060号公报）中公开了使用了P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的栅极驱动电路。特别地公开了一种电路结构，其特征在于，输入信号经由电平移位电路被供给到P沟道MOSFET。
在后述的专利文献2（日本特开2006-270382号公报）中公开了一种从悬浮电源向高边驱动器供给电源的电路结构，其特征在于，利用能够进行高速动作的电平移位电路。
在后述的专利文献3（日本特开2000-286687号公报）中公开了一种从悬浮电源向高边驱动器供给电源的电路结构，其特征在于，利用能够在不导致芯片面积或功耗的增大的情况下防止误动作的电平移位电路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第6303060号公报；
专利文献2：日本特开2006-270382号公报；
专利文献3：日本特开2000-286687号公报。
实用新型内容
实用新型要解决的课题
如上述那样，在栅极驱动电路中，作为主开关而使用了P沟道MOSFET的情况下，性能不足，因此，使用N沟道MOSFET的情况较多，此外，也能够比较简单地制作用于驱动N沟道MOSFET的电位高的电源。可是，为了使用该高压电源来驱动N沟道MOSFET，需要用于消除与输入信号的电压差的绝缘部件或电压移位电路，电路繁杂且高价，也考虑了不能得到采用N沟道MOSFET带来的充分的改善效果的情况。
本实用新型是鉴于这样的问题而提出的，其目的在于提供一种更简易的电路结构且使用了N沟道MOSFET的栅极驱动电路的高边驱动器。
用于解决课题的方案
（1）为了解决上述课题，本实用新型是一种高边驱动器，所述高边驱动器是对功率半导体开关进行驱动的电路，其中，所述高边驱动器具备：主开关N沟道MOSFET，漏极端子连接于所述电路的电源的正侧Vdc，源极端子连接于OUT端子，所述OUT端子是输出对所述功率半导体开关进行驱动的信号的端子；电荷蓄积电路，从所述电路的电源的正侧Vdc注入电流来蓄积电荷；以及带电压检测功能的开关，检测所述电荷蓄积电路的输出端子与所述电路的电源的正侧Vdc的电压差来进行动作，所述带电压检测功能的开关在检测到所述电荷蓄积电路的输出端子电压比所述电路的电源的正侧Vdc的电压高一定电压以上的情况下，向所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子施加所述电荷蓄积电路的输出电压的一部分或全部，使所述主开关N沟道MOSFET进行ON动作。
（2）此外，本实用新型是上述（1）记载的高边驱动器，其中，具备：启动用P沟道MOSFET，与所述主开关N沟道MOSFET并联连接，并且，源极端子连接于所述电源的正侧Vdc，漏极端子连接于所述OUT端子；以及ON信号输入端子，输入用于使所述功率半导体开关进行ON动作的信号，并且，连接于所述启动用P沟道MOSFET的栅极端子，在向所述ON信号输入端子输入了用于使所述功率半导体开关进行ON动作的信号的情况下，所述启动用P沟道MOSFET进行ON动作，所述启动用P沟道MOSFET进行ON动作，由此，所述OUT端子的电压上升，所述带电压检测功能的开关检测到所述电荷蓄积电路的输出端子电压比所述电路的电源的正侧Vdc的电压高一定电压以上，向所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子施加所述电荷蓄积电路的输出电压的一部分或全部，使所述主开关N沟道MOSFET进行ON动作。
（3）此外，本实用新型是上述（1）或（2）记载的高边驱动器，其中，所述带电压检测功能的开关具备内部开关，所述内部开关在所述带电压检测功能的开关检测到所述电荷蓄积电路的输出端子电压比所述电路的电源的正侧Vdc的电压高一定电压以上的情况下进行ON动作，向所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子施加所述电荷蓄积电路的输出电压的一部分或全部。
（4）此外，本实用新型是上述（1）至（3）的任一项记载的高边驱动器，其中，具备：OFF信号输入端子，输入用于使所述功率半导体开关进行OFF动作的信号；电压变换电路，连接在所述电路的电源的正侧Vdc与所述OFF信号输入端子之间，并且，对所述电路的电源的正侧Vdc与所述OFF信号输入端子之间的电压进行分压和/或减去一定值来进行电压变换；逆流防止电路，设置在所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子与栅极电荷抽出用MOSFET之间，仅沿从所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子朝向所述栅极电荷抽出用MOSFET的方向流动电流；以及所述栅极电荷抽出用MOSFET，漏极端子连接于所述逆流防止电路，源极端子连接于所述OFF信号输入端子，栅极端子连接于输出所述电压变换电路变换后的电压的输出端子，所述栅极电荷抽出用MOSFET的所述漏极端子经由所述逆流防止电路连接于所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子，向所述OFF信号输入端子输入用于使所述功率半导体开关进行OFF动作的信号，在所述OFF信号输入端子的电压从所述电路的电源的正侧Vdc下降的情况下，输出所述电压变换电路进行所述变换后的电压的输出端子的输出电压上升，所述电荷抽出用MOSFET进行ON动作，所述主开关N沟道MOSFET进行OFF动作。
本实用新型的效果
根据本实用新型，能够提供一种不需要使用绝缘元件等且比以往简易的结构的高边驱动器，此外，能够使用该高边驱动器来构成栅极驱动电路。
附图说明
图1A是在本实施方式中示出原理1的电路结构的说明图。
图1B是在本实施方式中示出原理1的变形例的电路结构的说明图。
图2是在本实施方式中示出原理2的电路结构的说明图。
图3是表示IGBT等转移到ON动作时的栅极电压的变化的图表。
图4是在本实施方式中示出原理3的电路结构的说明图。
图5A是示出电荷蓄积电路的具体例的图。
图5B是示出电荷蓄积电路的具体例的图。
图6A是在本实施方式中示出具体的栅极驱动电路的电路结构的一个例子的电路图。
图6B是在本实施方式中示出使用了原理1的变形例的情况下的具体的栅极驱动电路的电路结构的一个例子的电路图。
图7是使用了P沟道MOSFET的以往的栅极驱动电路的电路图。
图8是代替P沟道MOSFET而使用了N沟道MOSFET的以往的栅极驱动电路的电路图。
具体实施方式
以下，基于附图来说明本实用新型的优选的实施方式。
首先，在说明3种本实用新型的原理之后说明作为本实用新型的具体实施方式的栅极驱动电路的高边驱动器（high side driver）。
1. 原理1
图1A是在本实施方式中说明用于解决上述课题的原理1的框图。在图1A中，描绘了本原理1所涉及的栅极驱动电路26，并且，也描绘了由栅极驱动电路26驱动的IGBT27。此外，为了进行容易理解的说明，在中心描绘作为特征结构的高边驱动器，关于栅极驱动电路的与以往同样的电路结构部分，由于是与以往同样的作用，因此，也存在省略而未图示的部分。
如图1A所示那样，在本原理1的说明图（图1A）中的栅极驱动电路26中，除了作为主开关的N沟道MOSFET21（以下，称为Q21）之外，还具备电荷蓄积电路23和带电压检测功能的开关22。Q21在字面上相当于技术方案中的主开关N沟道MOSFET的优选的一个例子。
首先，在图1A中，OUT端子25为输出端子，其输出电压在与GND相比为低电位的电压和正侧电压Vdc之间的电压摇摆。图1A中的栅极驱动电路26的主开关即Q21的源极端子连接于OUT端子25，其漏极端子连接于正侧电压Vdc。当Q21的栅极电压为比OUT端子25（即，源极端子）高Vgson（一定值）的电压时，Q21进行ON动作，将输出高压（＝大约Vdc电压）向OUT端子25输出。其中，在此，Vgson是指Q21的栅极阈值电压。
电荷蓄积电路23蓄积电荷，但是，用于蓄积电荷的引脚与放出电荷时的引脚不同。
首先，在OUT端子25（连接于c引脚）为低电位（＝大约GND或与GND相比为低电位的电压）时，从连接于正侧电压Vdc的a引脚接受电流的供给来蓄积电荷。然后，所蓄积的电荷重叠于OUT端子25的电位，在不向Vdc逆流的情况下从b引脚输出。因此，关于b引脚的电位，电位比OUT端子25的电位（Q1的源极电位）高与蓄积的电荷对应的电压的量。b引脚连接于接下来叙述的带电压检测功能的开关22的e引脚。电荷蓄积电路23的具体例被示出在图5a、图5b中，关于这些，之后进行详述。在这些具体例中举出了代表性的例子，也可以是其他的电路结构。
接着，图1A中的带电压检测功能的开关22的d引脚连接于正侧电压端子24（Vdc），e引脚连接于电荷蓄积电路23的b引脚，f引脚连接于Q21的栅极端子。在这样的连接关系之下，带电压检测功能的开关22对d引脚（也就是说，正侧电压Vdc）与e引脚间的电压进行监视。其监视的结果是，在e引脚的电压比d引脚的电压高规定的值以上时，即，在e引脚的电压比Vdc高规定的电压时，使内置于自身的开关进行ON动作，向f引脚供给e引脚的电压。由于与在电荷蓄积电路23中蓄积的电荷对应的电压被从b引脚供给到e引脚，所以，使内置于带电压检测功能的开关22的开关进行ON动作，由此，能够将与该蓄积的电荷对应的电压的一部分或全部施加到Q21的栅极-源极间。其结果是，向Q21的栅极（源极间）施加比Vdc高的电压，如果Q21的栅极-源极间电压为Vgson以上，则Q21进行ON动作。
当OUT端子25从低电位向Vdc上升时，电荷蓄积电路23利用已经蓄积的电荷将b引脚-c引脚间的电压重叠于OUT端子25的电压而从b引脚输出。这是因为c引脚连接于OUT端子25。这样重叠地输出的电压重叠于OUT端子25的电压，因此，如果OUT端子25的电位上升，则b引脚的电压也与其相伴地上升。当OUT端子25的电压进一步接近Vdc时，带电压检测功能的开关22的e引脚的电压超过d引脚的电压（也就是说，正侧电压Vdc）而上升。当其超过的电压差达到规定的值时，在带电压检测功能的开关22中内置的开关进行ON动作，向Q21的栅极端子施加电荷蓄积电路23的输出电压的一部分或全部。也就是说，内置的开关是在功能上将e引脚和f引脚连结的开关，该内置的开关进行ON动作，由此，电荷蓄积电路23的输出电压（b引脚＝e引脚）的全部或一部分被供给到f引脚（＝Q21的栅极端子）。再有，在此所说的内置的开关相当于技术方案中的内部开关的优选的一个例子。
在此，将利用电荷蓄积电路23所蓄积的电荷向b引脚输出的电压（b引脚-c引脚间电压）设为VCH，将在带电压检测功能的开关22中设定的超过Vdc的电压差的规定的值（阈值电压）设为VDET。
于是，在带电压检测功能的开关22中内置的开关进行ON动作的OUT端子25的电压VOON由下述的式（1）示出。当Q21进行ON动作时，对于OUT端子25的输出电压来说，由于Q21进行ON动作而电压急速上升，最终成为大致Vdc。
VOON＝VDET－VCH＋Vdc （1）
其中，使Q21进行ON动作的栅极端子与源极端子间的电压为Vgson，使k为常数，下述的式（2）成立。
VCH≥k×Vgson （2）
在此，k为示出电荷蓄积电路23的输出电压的被施加到Q21的栅极端子的比例的常数。k为1以下的常数。在电荷蓄积电路23的输出电压的全部被施加到Q21的栅极端子时，k=1。在电荷蓄积电路23的输出电压的1/2被施加到Q21的栅极端子时，k=1/2。像这样，电荷蓄积电路23的输出电压的一部分或全部被施加到Q21的栅极端子。
例如，当使电荷蓄积电路23的根据蓄积电荷的b引脚的电压VCH为VCH＝Vdc并且使带电压检测功能的开关22的阈值电压为VDET＝Vdc/2时，根据式（1），Q21进行ON动作的OUT端子25的电压VOON为VOON＝Vdc/2。当OUT端子25的输出电压达到VOON＝Vdc/2时，带电压检测功能的开关22的内置开关进行ON动作，成为（1/k）×VCH的电压被施加到Q21的栅极端子-源极端子间。因此，如果上述式（2）成立，则Q21进行ON动作。
如以上说明的那样，图1A所示的结构的高边驱动器具有以下功能：在不使用电压移位电路或光电耦合器那样的绝缘元件的情况下，在自身的输出电压即OUT端子25的电压为一定以上时，自律地进行ON动作，保持ON动作的状态。
再有，如图1A所示那样，f引脚连接于Q21的栅极端子，但是，也可以在该栅极端子与源极端子之间设置电阻29，但不是必须的结构。
1. 2 原理1的变形例
在上述的原理1中，电荷蓄积电路12的端子c连接于OUT端子25。因此，OUT端子25上的电压的上升被施加到端子c。相对于此，如图1B所示那样，也可以将电荷蓄积电路12的c端子连接于OFF信号输入端子34而不是连接于OUT端子25。在此，在后述的图4、原理3的说明中说明OFF信号输入端子34和向其输入的信号的细节。
在利用在图1A中说明的原理1的电路的情况下，如后述的图2所示那样，优选组合用于启动的启动用P沟道MOSFET。利用这样的结构，能够更合理地驱动IGBT。细节在2. 原理2中后述。
相对于此，根据图1B所示的原理1的变形例（图1B），与图1A所示的电路结构不同，不需要组合P沟道MOSFET，也能够做成更简便的电路结构。但是，将必须使作为驱动对象的IGBT连续地进行ON动作的情况除外。
2. 原理2
图2是说明本实施方式的其他的原理2的图，是将小电容的半导体开关（启动用P沟道MOSFET）组合于上述的图1A的高边驱动器的情况。由此，能够提供能够更合理地驱动IGBT的栅极驱动电路的高边驱动器。
IGBT的动作
IGBT等半导体开关的栅极电路在从OFF动作转移到ON动作的过程中经由大致3个状态。在图3中示出了示意性地表示该过程的图表。该图表是示出栅极电压随着时间而上升的情况的图表。首先，在区域A中，IGBT为OFF动作的状态，是仅栅极电压上升的区域。
区域B是IGBT从OFF动作向ON动作转移的时间段。在该区域中，栅极电压的上升暂时缓和。在该区域B中是向ON动作的转变正在进行并且IGBT的集电极电位下降的时间段。在该区域B中是需要提供IGBT的反馈电容的电荷的放电电流的时间段，因此，区域B是需要较大的驱动电流的时间段。通常IGBT的栅极驱动电路的输出电流是有限的，因此，在反馈电容的电荷被放电之前需要一定的时间。也可以认为该时间段是该区域B。
区域C是IGBT的集电极端子-发射极端子间电压大体上饱和（集电极电位充分下降）状态。该区域C是仅栅极电压进一步上升而使IGBT的ON动作的状态更可靠的区域。
图2（原理2）的观点
为了将IGBT高速地从OFF动作转换为ON动作的状态，与区域A或区域C比较，在区域B中需要充分大的驱动电流。在图2中示出的原理的栅极驱动电路的高边驱动器是本实用新型发明人鉴于这样的IGBT的特性，为了使栅极电压更快地上升而作为合理地满足要求的电路之一独自发明的。
图2的结构与图1的结构大体上相同，但是，在新加入了启动用P沟道MOSFET30且ON信号被施加到该启动用P沟道MOSFET30（以下，称为Q22）这方面不同。Q22相当于技术方案中的启动用P沟道MOSFET的优选的一个例子。Q22的源极端子连接于Vdc（正侧电压端子24），漏极端子连接于OUT端子25。电阻29b被连接在Vdc与栅极端子之间，向栅极端子供给ON信号。
以下，说明图2的电路结构的动作。
当图2所示的ON信号输入端子28为低电平（LOW）时，Q22从OFF动作的状态转移到ON动作。于是，OUT端子25的电压开始向Vdc上升。该时间段处于图3的区域A。再有，在图2中进行了省略，但是，作为驱动对象的IGBT被连接于图2的OUT端子。在此所说的区域对象A的意思是作为该驱动对象的IGBT的区域A。
那么，当OUT端子的电压（未图示的IGBT的栅极电压）达到作为驱动对象的IGBT的栅极阈值电压时，如上述那样突入到区域B。基于上述的式（1）和式（2）适当地设定电荷蓄积电路23的b引脚的电压VCH和带电压检测功能的开关的阈值电压VDET，以使此时栅极驱动电路的Q21进行ON动作。
适当地设定的意思是设定为在IGBT突入到区域B时Q21进行ON动作。具体地，作为驱动对象的IGBT突入到区域B的栅极电压相当于式（1）中的VOON，Vdc在设计上被决定，根据式（2），使用系数k，根据Q21的Vgson确定VCH。因此，根据这些值求取式（1）中的VDET。只要在这样的计算中设定各电压值即可。
在像这样设定的高边驱动器中，当作为驱动对象的IGBT进入到区域B时，Q21进行ON动作，因此，能够将较大的电流向作为驱动对象的IGBT的栅极端子供给，能够高速地驱动作为驱动对象的IGBT。当高边驱动器的电荷蓄积电路23将蓄积的电荷放电完时，Q21的ON动作不能维持，Q21变为OFF动作的状态，但是，如果将蓄积电荷量的放电时间常数相对于作为驱动对象的IGBT通过区域B（参照图3）的时间设定得长，则能够满足用于使IGBT进行ON动作的要求。如果作为驱动对象的IGBT突入到区域C（参照图3），则不需要向驱动对象的IGBT的栅极端子供给大电流，因此，在区域C中作为P沟道MOSFET的Q22只要供给电流就足够。也就是说，能够充分地驱动IGBT。
像这样，根据图2所示的电路结构，在区域B中的电流供给中使用能够应对大电流的N沟道MOSFET（也就是说，Q21），在区域A和区域C中使用电流值不及N沟道MOSFET但能够利用简单的电路施加电源电压Vdc的P沟道MOSFET（也就是说，Q22），由此，实现了IGBT的合理的高速开关。
再有，在图2中也能够高效地利用：在驱动主开关的N沟道MOSFET（Q21）时能够在不使用光电耦合器或电压移位电路等的情况下进行驱动这样的与图1共同的特征。本实用新型（原理2）能够提供适于作为驱动对象的IGBT的高速驱动并且电路结构简单且低价的栅极驱动电路。
3. 原理3
在此之前，在原理1（图1A）或原理2（图2）中，主要说明了在将作为驱动对象的IGBT从OFF动作转移到ON动作的状态时的动作中具有特征的电路。另一方面，在作为驱动对象的IGBT从ON动作转移到OFF动作的定时，通常需要另外的电路进行动作而开始抽出IGBT的栅极电路的电荷。此时不能妨碍IGBT的OFF动作。
示出本原理3（图4）的电路结构是满足这些要求的耐噪声性能高的电路结构。图4所示的电路结构是在图1所示的电路结构中加入了电压变换电路31、栅极电荷抽出用MOSFET32（以下，称为Q32）、逆流防止电路33后的电路结构。
电压变换电路31的g引脚连接于Vdc，i引脚连接于OFF信号输入端子34，h引脚连接于Q32的栅极端子。Q32的源极端子连接于OFF信号输入端子34，漏极端子连接于逆流防止电路33。h引脚为电压变换电路31的可以说是输出端子，相当于技术方案中的输出端子的优选的一个例子。
逆流防止电路33的一端连接于Q32的漏极端子，另一端连接于带电压检测功能的开关22的f端子即Q21的栅极端子。逆流防止电路33例如可以是二极管与电阻的串联电路，二极管的阴极侧连接于Q32的漏极端子，阳极侧连接于带电压检测功能的开关22的f引脚也可。
为了不妨碍作为驱动对象的IGBT的OFF动作，必须使Q21急速成为OFF动作状态。在作为驱动对象的IGBT从ON动作转移到OFF动作的状态的情况下，IGBT的集电极电流急速减少，因此，在***中产生由产生的磁通量造成的噪声或由集电极电路的布线电感等造成的尖峰噪声。存在这些噪声重叠于控制电路或驱动电路而使构成电路的元件进行误动作的情况。因此，对于用于将Q21从ON动作转移到OFF动作状态的电路结构来说，特别地要求防止由噪声造成的误动作并且使针对噪声的耐受量较高。
图4示出使栅极驱动电路的主开关即N沟道MOSFET21（Q21）进行OFF动作的情况下的噪声耐受量高的电路结构。在此示出的电路结构在将OFF信号输入端子34连接于栅极电荷抽出用MOSFET32（Q32）的源极端子这方面具有特征。也就是说，采用了将OFF信号输入端子34连接于源极端子而不是连接于Q32的栅极端子这样的特征的结构。电压变换电路31具有对g引脚与i引脚之间的电压进行分压和/或通过减去一定值等的处理来变换电压的电压变换功能。即，电压变换电路利用规定的结构对g引脚与i引脚之间的电压进行变换，将该变换后的电压向h引脚与i引脚之间输出。其中，输出的电压为正电压。即，h引脚为技术方案中的输出端子的优选的一个例子。
在后述的例子中，关于电压变换功能，将减去一定电压的处理作为例子进行说明，但是，也可以使用电阻等进行分压（电阻分压）。如果例如通过式子记述，则如以下那样。
以如下那样表示也可：
h引脚－i引脚电压＝g引脚－i引脚电压－一定电压
h引脚－i引脚电压＝（g引脚－i引脚电压）×t 。在此，比例常数t可以为0<t≤1的范围的数。此外，也可以应用上述两者的处理。即，在减去一定值之后进行分压也可。此外，在分压之后减去一定值也可。
在OFF信号输入端子34的电压处于Vdc附近的情况下，g引脚与i引脚间的电压大体上为0V，因此，h引脚与i引脚之间的电压也大体上为0V，Q32成为OFF动作。当OFF信号输入端子34的电压从Vdc向下降方向变化时，在g引脚与i引脚间产生电压（电位差），因此，在h引脚与i引脚间产生将该电压变换后的电压。
当OFF信号输入端子34的电压进一步降低时，g引脚与i引脚间的电压（差）进一步增大。与其相伴地，h引脚与i引脚间的电压也上升，当超过Q32的栅极阈值电压时，Q32进行ON动作。当Q32进行ON动作时，Q21的栅极电荷经由逆流防止电路33被放电到OFF信号输入端子34的电位。其结果是，Q21的栅极电位成为从OFF信号输入端子34的电位起高由逆流防止电路33产生的电压降的量的电压的值。
如果将该Q21的栅极电位设定得比Q21的栅极阈值电压（Vgson）低，则Q21进行OFF动作。然后，该动作的结果是，本自举电路成为不妨碍未图示的IGBT（连接于OUT端子25的作为驱动对象的IGBT）的OFF动作的状态。
通过使Q21进行OFF动作，从而成为不妨碍作为驱动对象的IGBT的OFF动作的状态，但是，为了维持该状态，即使在OUT端子25为低电平（Low）电压的状态下也必须维持Q21的OFF动作的状态。因此，当将OUT端子25的低电平（Low）电压设为VOlow、将逆流防止电路22的电压降的量设为Vdr时，用于使Q21进行OFF动作的OFF信号输入端子34的输入电压VINlow必须满足下述式（4）。此外，对于满足式（4）的VINlow来说，根据使Q32进行ON动作的必要性，在将Q32的栅极阈值电压设为VgsonQ32进而通过式（3）表示电压变换电路31的变换式时，需要也满足式（5）。再有，OFF信号输入端子34的输入电压本身表示为VIN。此外，Vm表示在电压变换电路31中的变换时使用的一定的电压。此外，由Vgson表示Q21的栅极阈值电压的情况与原理1相同。
因此，当假定下述的4个项目的条件时，满足条件中的式（4）和式（5）成为用于图4所示的本高边驱动器不妨碍作为驱动对象的IGBT的OFF动作的条件。
（项目1. ）将Q32的栅极阈值电压表示为VgsonQ32。
（项目2. ）当将h引脚-i引脚间的电压设为Vhi时，电压变换电路31的变换式由下述（3）式表示。
Vhi＝Vdc－VIN－Vm （3）
（项目3. ）将逆流防止电路33的电压降值设为Vdr。
（项目4. ）将Q21成为OFF动作的状态时的OUT端子25的电压设为VOlow。于是，上述的（4）式和（5）式如以下那样：
VINlow＜VOlow－Vdr＋Vgson （4）
VINlow＜Vdc－Vm－VgsonQ32 （5）。
在此，OFF信号输入端子34的输入电压处于Vdc（＝15V）附近，Q32进行OFF动作，Q21进行ON动作，其结果是，将OUT端子25的输出电压处于大致Vdc附近的状态作为前提。在该前提之下，存在使作为驱动对象的IGBT进行OFF动作的指令，考虑必须使OUT端子25为－5V以下的状态。即，是VOlow≤－5V这样的条件。
为了不妨碍该指令，如果使得逆流防止电路33的电压降值Vdr＝2V、Vgson＝4V，则根据上述式（4），成为VINlow＜－3V。进而，当将Q32的栅极阈值电压假定为VgsonQ32=4V以及VINlow＝－3V时，根据上述式（5），求取出电压变换电路31的变换式的常数Vm＜14V。
像这样，图4所示的本高边驱动器将OFF信号输入端子34与MOSFET32（Q32）的源极端子连接。因此，当不将OFF信号输入端子34的电压从Vdc可变到VINlow时，本电路的状态不会变化到不妨碍作为驱动对象的IGBT的OFF动作的状态。
即，在上述的各电压的具体例中，如果OFF信号输入端子34不从＋15V可变到－3V，则不会状态变化为不妨碍IGBT的OFF动作的状态。这意味着，图4的本高边驱动器为了进行状态变化而需要18V的电压变化，当进行相反的见解时，针对不足18V的电压变化（噪声），不使状态变化。即，可以说噪声耐受量非常高。
以往，在被实用化的电路中，当想要使Q21进行OFF动作时，其输入信号输入到栅极电荷抽出用MOSFET32（Q32）的栅极端子，Q32的源极端子连接于固定电位例如Vee（负侧电压）的情况较多。在这样的情况下，输入信号初始为Vee，为了引起状态变化（即，为了使Q21进行OFF动作），向Q32的栅极端子施加Vee＋5V左右的电压而使Q32进行ON动作来使Q21进行OFF动作的方法是通常的。
可是，在这样的结构中，Q32的栅极-源极间的电压以从0V到5V的变化使Q32进行ON动作，使高边驱动器的状态发生了变化。特别地，MOSFET的栅极端子的输入阻抗高且噪声容易乘载。在此方面，在原理3中示出的本电路（图4）能够取3倍以上的电压差，关于耐噪声特性，与以往的方法相比较，明显优异。
4. 电荷蓄积电路的例子
在此之前说明的电荷蓄积电路23的具体例被示出在图5A、图5B中。如在图1、图2、图4中示出的那样，电荷蓄积电路23具有a引脚、b引脚、c引脚。在由图5A的例1示出的电路中，在a引脚与c引脚之间设置有二极管D1与电容器C1的串联电路，二极管D1与电容器C1的连接点连接于b引脚。利用这样的电路结构，在a引脚比c引脚高二极管D1的电压降的情况下，在电容器C1中蓄积电荷，其结果是，在电容器C1中产生电压。该电压出现在b引脚（与c引脚之间）。如已经说明的那样，在b引脚出现的电压连接于带电压检测功能的开关22的e引脚，经由带电压检测功能的开关22被供给到Q21的栅极端子。
由图5A的例2示出的电路是对于例1的电路将齐纳二极管D2与二极管D1串联连接后的电路。其结果是，能够以低齐纳二极管D2的电压降的量的电压对电容器C1进行充电（蓄积电荷）。
由图5A的例3示出的电路是对于例1的电路将电阻R1与二极管D1串联连接后的电路。其结果是，能够利用电阻R1的值限制充电电流。
由图5A的例4示出的电路是对于例1的电路将齐纳二极管D2和电阻R1与二极管D1串联连接后的电路。其结果是，能够以低齐纳二极管D2的电压降的量的电压对电容器C1进行充电（蓄积电荷），并且，能够利用电阻R1的值限制充电电流。
由图5B的例5示出的电路是对于例1的电路将电阻R2与电容器C1并联连接后的电路。其结果是，能够对在电容器C1中蓄积的电荷进行放电，能够伴随着时间的经过使向b引脚输出的电压下降。
由图5B的例6示出的电路是对于例5的电路将电阻R3设置在二极管D1和电容器C1的连接点与b引脚之间的电路。其结果是，能够利用电阻R3的值限制从b引脚放电的电流的值。
由图5B的例7示出的电路是对于例6的电路将齐纳二极管D3连接于c引脚与b引脚之间并且将电阻R1除去的电路。其结果是，能够利用电阻R3的值限制从b引脚放电的电流的值，此外，能够将从b引脚输出的电压限制到在齐纳二极管D3中产生的电压降的电压。
5. 本实用新型的具体实施方式
在图6A中示出了作为本实用新型的具体实施方式的一个例子的栅极驱动电路的电路结构。特别地，由虚线包围的范围是在本实施方式中作为特征电路的栅极驱动电路40。Q21是作为主开关的P沟道MOSFET。作为P沟道MOSFET的Q44、二极管D4、电阻R3、电阻R5构成带电压检测功能的开关22。Q44相当于技术方案中的内部开关的优选的一个例子。
电荷蓄积电路23由二极管D2、二极管D3、电容器C1构成。这些电路的动作如在上说明的那样。Q22是小电容的半导体开关，相当于图2中的Q22，与图2中的Q22同样地进行动作。Q32相当于图4中的Q32，与图4中的Q32同样地进行动作。此外，图6A中的电压变换电路31由二极管D1、电阻R2、电阻R1构成，与图4中的电压变换电路31同样地进行动作。逆流防止电路33由二极管D5、电阻R4构成，与图4中的逆流防止电路33同样地进行动作。
图6A所示的栅极驱动电路40的高边驱动器由单一的模块构成，本模块的信号输入为IN和反转IN（在图6A中，由在IN的上部标注了横条的记号表示）这2种信号。再有，反转IN是IN信号的反转信号（参照图6A）。
OUT端子25和IN端子45从大致Vee到Vdc摇摆。此外，反转IN端子46从Vdc到Vdc与Vee的中间的电压摇摆。
在图6A中也示出了栅极驱动电路40的外部的电路。控制IC50是对功率半导体开关的ON/OFF进行控制的装置。向该控制IC50供给Vdc和Vee来作为电源。控制IC50利用该电源进行运转，制作出IN信号并向栅极驱动电路40的IN端子45供给（参照图6A）。反相器51将该IN信号反转，制作出反转IN信号并向栅极驱动电路40的反转IN端子46供给。
在OUT端子25的电位为大致Vee时，IN端子45也处于Vee的电位，Q32进行ON动作而使Q21进行OFF动作。该状态处于IN端子45的电压满足上述的式（4）和式（5）的条件并且不妨碍作为驱动对象的IGBT（未图示）的OFF动作的状态。此时，电荷蓄积电路23的电容器C1被从Vdc经二极管D3、二极管D2流向Vee的电流充电。电容器C1的充电电压Vc1由下述式（6）表示。再有，Vc1能够根据恒定电压二极管D3的齐纳电压Vzd3进行调整。其中，将二极管D2的正向电压降设为VFD2。
Vc1＝Vdc－Vee－Vzd3－VFD2 （6）
已经说明的式（1）的VCH与Vc1相等。将该等式设为（7）式。
Vc1＝VCH （7）
根据向Q21施加充分地超过栅极阈值电压的栅极电压的必要性，以满足式（2）的方式选定该Vc1（＝VCH）。IN端子45为高电平（High）（≈Vdc），Q32进行OFF动作，当反转IN端子46成为低电平（Low）（≈Vdc与Vee的中间电位）时，作为小电容的半导体开关的P沟道MOSFET即Q22进行ON动作。当Q22进行ON动作时，OUT端子25的电压开始上升。其中，该期间是在作为驱动对象的IGBT还是OFF动作的状态下仅IGBT的栅极电压上升的期间（请参照上述的图3中的区域A）。当OUT端子25的电压持续上升时，b引脚电压由于电荷蓄积电路23蓄积的电荷而超过Vdc并进一步持续上升。与此伴随地，带电压检测功能的开关22的e引脚-d引脚间的电压上升。
当带电压检测功能的开关22的e引脚-d引脚间的电压达到作为其阈值的电压VDET时，即，当OUT端子25的电压满足式（1）时，使作为自己的开关的Q44进行ON动作。伴随着Q44的ON动作，向作为主开关N沟道MOSFET的Q21的栅极端子-源极端子间施加对电荷蓄积电路23的蓄积电压VC1乘以常数k后的电压，Q21急速地从OFF动作转移到ON动作的状态。在Q21转移到ON动作的时期，在IGBT从OFF动作转移到ON动作的状态的状态下，Q21掌管用于提供与IGBT的反馈电容相伴的栅极电流的增大的大电流（参照图3的区域B）。电容器C1的电荷量和放电时间常数以能提供图3的区域B的时间段的方式选定。在电容器C1的电荷进行放电而Q21进行OFF动作之后，Q22确保IGBT的栅极电压（参照图3的区域C）。
接着，当在IGBT进行ON动作的状态下，使该IGBT进行OFF动作的指令从***来到时，IN端子45开始向低电平（Low）转移，反转IN端子46转移到高电平（High）。反转IN端子46成为高电平（High），由此，Q22进行OFF动作。本实施方式的栅极驱动电路40以不妨碍IGBT的OFF动作的方式开始将Q21从ON动作向OFF动作的状态转移。当IN端子45从Vdc向Vee下降时，在电压变换电路31的g引脚与i引脚间产生电压。与此伴地，向电压变换电路31的输出即h引脚-i引脚间输出对应的输出电压。
当IN端子45的电压降低进行而电压变换电路31的输出电压超过Q32的栅极阈值电压时，Q32进行ON动作，经由逆流防止电路33抽出主开关N沟道MOSFET（Q21）的栅极电荷。其结果是，Q21的栅极电位成为对IN端子45的电位加上逆流防止电路33的电压降的量后的电压。关于电压变换电路31的变换式，如果R1>>R2，则由下述式（8）表现。再有，Vhi是电压变换电路31的输出即h引脚-i引脚间电压。此外，式（3）的Vm相当于下述式（8）的VzD1。
Vhi＝Vdc－VIN－VzD1 （8）
用于Q32进行ON动作的条件由已经说明的式（5）示出。当将IGBT进行OFF动作时的OUT端子25的低电平（Low）电压设为VOlow时，即使OUT端子25的电压降低也维持Q21的OFF动作的状态的IN端子45的电压由上述的式（4）表示。
图6A的变形例
由图6A示出的具体实施方式是利用了电荷蓄积电路12的端子c连接于OUT端子25的结构即图1A（原理1）所示的电路结构的例子。
相对于此，也可以利用图1B（原理1的变形例）所示的电路结构。像这样，在图6B中示出了利用了图1B的结构的具体实施方式的电路图。即，如图6B所示那样，电荷蓄积电路12的端子c连接于IN端子45而不是连接于OUT端子25。
通过采用这样的结构，从而如在“1. 2 原理1的变形例”中说明的那样，不需要组合P沟道MOSFET，也能够做成更简便的电路结构。这是以图6B而言未必需要由电阻R7和Q22构成的电路这样的意思。
6. 效果及其他
如以上说明的那样，根据本实施方式中的高边驱动器和具备该高边驱动器的栅极驱动电路，起到以下那样的效果。
使用带电压检测功能的开关22，向主开关供给电荷蓄积电路23制作的电压。因此，由于利用输出电压的电压自律地进行ON动作，所以，不需要使用电压移位电路或绝缘元件等，能够使电路结构简易。
此外，鉴于作为驱动对象的功率半导体开关的动作特性，采用了更合理的驱动方法，因此，能够提供适于功率半导体开关的高速驱动并且电路结构简单且低价的栅极驱动电路。
此外，能够提供在作为驱动对象的功率半导体开关进行OFF动作时不妨碍该OFF动作的电路。进而，与以往的电路相比，能够提供抗噪生能力优越的电路。
此外，以上说明的实施方式是作为本实用新型的实现手段的一个例子，应该根据应用本实用新型的装置的结构或各种条件进行适当修正或变更，本实用新型并不限定于本实施方式的形态。例如，在上述的实施方式中，作为驱动对象即功率半导体开关，主要说明了IGBT，但是，也能够以其他的功率半导体开关来应用。
此外，电荷蓄积电路或带电压检测功能的开关电路的结构为一个例子，也可以使用具备同样功能的其他的电路。进而，在本实施方式（本实用新型）中，将MOSFET用作主要的结构要素，但是，如果起到同样的作用效果，则也可以利用其他的结构。例如，也可以利用各种半导体开关或使用了其他的材料的开关。
附图标记的说明
1 P沟道MOSFET
1a N沟道MOSFET
2 IGBT
3、3a 栅极驱动电路
4 正侧电压端子
5 IN端子
6、8 GND端子
7 OUT端子
9、10、11 电阻
10 光电耦合器
12 二极管
13 电容器
21 N沟道MOSFET
22 带电压检测功能的开关
23 电荷蓄积电路
24 正侧电压端子
25 OUT端子
26、26b 栅极驱动电路
27 IGBT
28 ON信号输入端子
29、29b 电阻
30 启动用P沟道MOSFET
31 电压变换电路
32 MOSFET
33 逆流防止电路
34 OFF信号输入端子
40 栅极驱动电路
50 控制IC
51 反相器。

Claims (4)

1.一种高边驱动器，所述高边驱动器是对功率半导体开关进行驱动的电路，其中，所述高边驱动器具备：
主开关N沟道MOSFET，漏极端子连接于所述电路的电源的正侧Vdc，源极端子连接于OUT端子，所述OUT端子是输出对所述功率半导体开关进行驱动的信号的端子；
电荷蓄积电路，从所述电路的电源的正侧Vdc注入电流来蓄积电荷；以及
带电压检测功能的开关，检测所述电荷蓄积电路的输出端子与所述电路的电源的正侧Vdc的电压差来进行动作，
所述带电压检测功能的开关在检测到所述电荷蓄积电路的输出端子电压比所述电路的电源的正侧Vdc的电压高一定电压以上的情况下，向所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子施加所述电荷蓄积电路的输出电压的一部分或全部，使所述主开关N沟道MOSFET进行ON动作。
2.根据权利要求1所述的高边驱动器，其中，具备：
启动用P沟道MOSFET，与所述主开关N沟道MOSFET并联连接，并且，源极端子连接于所述电源的正侧Vdc，漏极端子连接于所述OUT端子；以及
ON信号输入端子，输入用于使所述功率半导体开关进行ON动作的信号，并且，连接于所述启动用P沟道MOSFET的栅极端子，
在向所述ON信号输入端子输入了用于使所述功率半导体开关进行ON动作的信号的情况下，所述启动用P沟道MOSFET进行ON动作，
所述启动用P沟道MOSFET进行ON动作，由此，所述OUT端子的电压上升，
所述带电压检测功能的开关检测到所述电荷蓄积电路的输出端子电压比所述电路的电源的正侧Vdc的电压高一定电压以上，向所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子施加所述电荷蓄积电路的输出电压的一部分或全部，使所述主开关N沟道MOSFET进行ON动作。
3.根据权利要求1或2所述的高边驱动器，其中，
所述带电压检测功能的开关具备内部开关，所述内部开关在所述带电压检测功能的开关检测到所述电荷蓄积电路的输出端子电压比所述电路的电源的正侧Vdc的电压高一定电压以上的情况下进行ON动作，向所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子施加所述电荷蓄积电路的输出电压的一部分或全部。
4.根据权利要求1或2所述的高边驱动器，其中，具备：
OFF信号输入端子，输入用于使所述功率半导体开关进行OFF动作的信号；
电压变换电路，连接在所述电路的电源的正侧Vdc与所述OFF信号输入端子之间，并且，对所述电路的电源的正侧Vdc与所述OFF信号输入端子之间的电压进行分压和/或减去一定值来进行电压变换；
逆流防止电路，设置在所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子与栅极电荷抽出用MOSFET之间，仅沿从所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子朝向所述栅极电荷抽出用MOSFET的方向流动电流；以及
所述栅极电荷抽出用MOSFET，漏极端子连接于所述逆流防止电路，源极端子连接于所述OFF信号输入端子，栅极端子连接于输出所述电压变换电路变换后的电压的输出端子，
所述栅极电荷抽出用MOSFET的所述漏极端子经由所述逆流防止电路连接于所述主开关N沟道MOSFET的栅极端子，
向所述OFF信号输入端子输入用于使所述功率半导体开关进行OFF动作的信号，在所述OFF信号输入端子的电压从所述电路的电源的正侧Vdc下降的情况下，输出所述电压变换电路进行所述变换后的电压的输出端子的输出电压上升，所述电荷抽出用MOSFET进行ON动作，所述主开关N沟道MOSFET进行OFF动作。
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