DE102020104661A1

DE102020104661A1 - Gate-treiber und leistungswandler

Info

Publication number: DE102020104661A1
Application number: DE102020104661.8A
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Nagano; Kunio Matsubara
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2020-12-24
Also published as: US11205948B2; US10819212B1; US20210006146A1; CN112134442A; JP2021002975A; JP7251351B2

Abstract

Ein Gate-Treiber beinhaltet: eine Gate-Treibereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein Gate eines Schaltelements entsprechend einem Eingangssignal treibt, das befiehlt, das Schaltelement einzuschalten oder auszuschalten; eine Zeitpunkt-Bestimmungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Ein-Zeitbreite von einem Schalten des Eingangssignals auf einen Ein-Befehl bis zu einem Schalten des Eingangssignals auf einen Aus-Befehl misst und so konfiguriert ist, dass sie basierend auf der gemessenen Ein-Zeitbreite einen Zwischenzeitpunkt, der vor Erreichen eines Spitzenwerts einer Ausschaltstoßspannung des Schaltelements liegt, bestimmt; und eine Treiberbedingungs-Änderungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Gate-Treiberbedingung des Schaltelements zu dem von der Zeitpunkt-Bestimmungseinheit bestimmten Zwischenzeitpunkt ändert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gate-Treiber und einen Leistungswandler.
Beschreibung des Stands der Technik
Konventionell ist zur Reduzierung von Stoßspannung und Schaltverlusten eine aktive Gate-Treibertechnik bekannt, bei der eine Schaltgeschwindigkeit zu einem geeigneten Zeitpunkt entsprechend einem durch ein Schaltelement fließenden Drain-Strom oder Kollektor-Strom (der im Folgenden als Hauptstrom bezeichnet werden kann) geändert wird. Beispielsweise wird in Patentdokument 1 eine Gate-Treiberschaltung offenbart, die eine Stoßperiode von einem Zeitpunkt eines Ausschaltbefehls bis zum einem Zeitpunkt eines Auftretens eines Spannungsstoßes speichert. Zu der Zeit des Stromausschaltens bestimmt die Gate-Treiberschaltung einen Zeitpunkt einer Änderung eines effektiven Gate-Widerstands des Schaltelements basierend auf der zu der Zeit eines vorherigen Ausschaltens gespeicherten Stoßperiode.
Andererseits ist in einem Leistungswandler, wie zum Beispiel einer Chopper-Schaltung, eine Technik zur Verwendung, je nach Zweck, eines kontinuierlichen Strom-Modus, in dem Strom, der durch eine Drossel fließt, kontinuierlich ist, und eines diskontinuierlichen Strom-Modus, in dem Strom, der durch eine Drossel fließt, intermittierend ist, bekannt (siehe zum Beispiel Patentdokument 2).
[Dokumente des Stands der Technik]
[Patentdokument]

[Patentdokument 1] Japanisches Patent Nr. 4935266
[Patentdokument 2] Japanisches Patent Nr. 6398537

Bei der konventionellen aktiven Gate-Treibertechnik wird angenommen, dass der aktuelle Stromwert des Hauptstroms zu dem Startzeitpunkt des Ausschaltens der gleiche ist wie der vorherige Stromwert des Hauptstroms zu dem Startzeitpunkt des Ausschaltens. In einem Treibermodus (z. B. einem diskontinuierlichen Strom-Modus), in dem der Stromwert des Hauptstroms zu dem Startzeitpunkt des Ausschaltens zwischen der aktuellen Zeit und der vorherigen Zeit abweichen kann, variiert jedoch von Fall zu Fall ein Zeitpunkt, der zum Variieren der Schaltgeschwindigkeit geeignet ist, um eine Unterdrückung der Ausschaltstoßspannung und eine Reduzierung der Schaltverluste zu erreichen. Dementsprechend kann ein aktives Gate-Treiben nicht zu einer geeigneten Zeit durchgeführt werden, und es kann schwierig sein, sowohl die Ausschaltstoßspannung zu unterdrücken als auch die Schaltverluste zu reduzieren.
Dementsprechend stellt die vorliegende Offenbarung einen Gate-Treiber und einen Leistungswandler bereit, die sowohl eine Unterdrückung einer Ausschaltstoßspannung als auch eine Reduzierung von Schaltverlusten erreichen können, indem die Schaltgeschwindigkeit zu einem geeigneten Zeitpunkt geändert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt einen Gate-Treiber bereit, welcher beinhaltet: eine Gate-Treibereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein Gate eines Schaltelements entsprechend einem Eingangssignal treibt, das befiehlt, das Schaltelement einzuschalten oder auszuschalten; eine Zeitpunkt-Bestimmungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Ein-Zeitbreite von einem Schalten des Eingangssignals auf einen Ein-Befehl bis zu einem Schalten des Eingangssignals auf einen Aus-Befehl misst und so konfiguriert ist, dass sie basierend auf der gemessenen Ein-Zeitbreite einen Zwischenzeitpunkt, der vor Erreichen eines Spitzenwerts einer Ausschaltstoßspannung des Schaltelements liegt, bestimmt; und eine Treiberbedingungs-Änderungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Gate-Treiberbedingung des Schaltelements zu dem von der Zeitpunkt-Bestimmungseinheit bestimmten Zwischenzeitpunkt ändert. Außerdem stellt die vorliegende Offenbarung einen Leistungswandler bereit, der den Gate-Treiber beinhaltet.
Da es möglich ist, die Schaltgeschwindigkeit zu einem geeigneten Zeitpunkt zu ändern, ist es gemäß der vorliegenden Offenbarung möglich, einen Gate-Treiber und einen Leistungswandler bereitzustellen, die sowohl eine Unterdrückung einer Ausschaltstoßspannung als auch eine Reduzierung von Schaltverlusten erreichen können.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Gate-Treibers darstellt;
2 ist ein Schaltplan, der eine Konfiguration einer Chopper-Schaltung als ein Beispiel für einen Leistungswandler darstellt;
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für Betriebswellenformen eines kontinuierlichen Strom-Modus und eines diskontinuierlichen Strom-Modus darstellt;
4 ist ein Zeitpunkt-Diagramm, das ein erstes Betriebsbeispiel des Gate-Treibers darstellt; und
5 ist ein Zeitpunkt-Diagramm, das ein zweites Betriebsbeispiel des Gate-Treibers darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Gate-Treibers 1 darstellt. Der in 1 dargestellte Gate-Treiber 1 ist eine Schaltung, die eine positive oder negative Spannung an ein Gate eines Schaltelements 11 liefert, um das Gate des Schaltelements 11 ein-/auszuschalten. Der Gate-Treiber 1 treibt das Gate des Schaltelements 11 unter Verwendung einer aktiven Gate-Treibertechnik, welche eine Schaltgeschwindigkeit des Schaltelements 11 während eines Ausschaltens des Schaltelements 11 anpasst.
Das Schaltelement 11 ist ein spannungsgetriebenes Halbleiterelement mit einer Steuerelektrode (Gate), einer ersten Hauptelektrode (Kollektor oder Drain) und einer zweiten Hauptelektrode (Emitter oder Source). Beispiele für das Schaltelement 11 umfassen einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) und dergleichen. 1 stellt einen Fall dar, in dem jedes des Schaltelements 11 ein N-Kanal-MOSFET ist.
Das Schaltelement 11 kann aus einem Halbleiter wie zum Beispiel Si (Silizium) hergestellt werden oder kann eine Vorrichtung mit großer Bandlücke sein, die aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke wie zum Beispiel SiC (Siliziumkarbid), GaN (Galliumnitrid), Ga₂O₃ (Galliumoxid) oder Diamant hergestellt wird. Anwenden einer Vorrichtung mit großer Bandlücke auf das Schaltelement 11 verstärkt einen Effekt einer Verlustreduzierung des Schaltelements 11.
Der Gate-Treiber 1 beinhaltet beispielsweise eine Gate-Treibereinheit 200, eine Zeitpunkt-Bestimmungseinheit 241 und eine Treiberbedingungs-Änderungseinheit 231.
Die Gate-Treibereinheit 200 ist eine Schaltungseinheit, die ein Gate des Schaltelements 11 entsprechend einem Eingangssignal von außerhalb des Gate-Treibers 1 treibt. Das Eingangssignal ist ein Signal, das ein Schalten des Schaltelements 11 befiehlt, und ist zum Beispiel ein pulsbreitenmoduliertes Signal (PWM-Signal). In einem Fall, in dem ein PWM-Signal als das Eingangssignal verwendet wird, stellt das Eingangssignal bei einem aktiven Pegel (z. B. einem hohen Pegel) einen Ein-Befehl zum Einschalten des Schaltelements 11 dar, und das Eingangssignal bei einem inaktiven Pegel (z. B. einem niedrigen Pegel) stellt einen Aus-Befehl zum Ausschalten des Schaltelements 11 dar.
Die Zeitpunkt-Bestimmungseinheit 241 misst eine Ein-Zeitbreite T_ON von einem Schalten des Eingangssignals auf den Ein-Befehl bis zu einem Schalten des Eingangssignals auf den Aus-Befehl und bestimmt basierend auf der gemessenen Ein-Zeitbreite T_ON einen Zwischenzeitpunkt, der vor Erreichen des Spitzenwerts einer Ausschaltstoßspannung des Schaltelements 11 liegt. Der Zwischenzeitpunkt tm ist ein Bedingungsänderungszeitpunkt, zu dem die Gate-Treiberbedingung des Schaltelements 11 während eines Ausschaltens geändert wird, so dass die Schaltgeschwindigkeit des Schaltelements 11 während eines Ausschaltens variiert.
Die Zeitpunkt-Bestimmungseinheit 241 beinhaltet zum Beispiel eine Zeitbreiten-Messeinheit 211 und eine Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221.
Die Zeitbreiten-Messeinheit 211 misst die Ein-Zeitbreite T_ON von einem Schalten des Eingangssignals auf den Ein-Befehl bis zu einem Schalten des Eingangssignals auf den Aus-Befehl. Die Zeitbreiten-Messeinheit 211 kann so konfiguriert sein, dass sie die Ein-Zeitbreite T_ON durch einen Zähler oder einen Filter misst, oder sie kann so konfiguriert sein, dass sie die Pulsbreite des Eingangssignals in einen Spannungswert umwandelt.
Die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 gibt ein Zeitpunkt-Signal S aus, um die Treiberbedingungs-Änderungseinheit 231 zu veranlassen, die Gate-Treiberbedingung des Schaltelements 11 zu dem Zwischenzeitpunkt tm entsprechend der von der Zeitbreiten-Messeinheit 211 gemessenen Ein-Zeitbreite T_ON zu ändern.
Entsprechend dem Zeitpunkt-Signal S, das von der Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 ausgegeben wird, ändert die Treiberbedingungs-Änderungseinheit 231 die Gate-Treiberbedingung des Schaltelements 11 zu dem von der Zeitpunkt-Bestimmungseinheit 241 bestimmten Zwischenzeitpunkt tm. Obwohl Treiberbedingungen a1 und a2 mit unterschiedlichen Bedingungen als die Gate-Treiberbedingungen in 1 beispielhaft dargestellt sind, können drei oder mehr unterschiedliche Treiberbedingungen eingestellt sein.
Die Treiberbedingungs-Änderungseinheit 231 wählt eine der Treiberbedingungen a1 und a2 entsprechend dem Zeitpunkt-Signal S aus. Zum Beispiel wählt die Treiberbedingungs-Änderungseinheit 231 die Treiberbedingung a1 während einer Periode aus, in der das Zeitpunkt-Signal S von der Zeitpunkt-Bestimmungseinheit 241 ausgegeben wird, und wählt die Treiberbedingung a2 während einer Periode aus, in der das Zeitpunkt-Signal S nicht von der Zeitpunkt-Bestimmungseinheit 241 ausgegeben wird.
Die Treiberbedingungs-Änderungseinheit 231 beinhaltet zum Beispiel zwei Gate-Widerstände, die jeweils einen unterschiedlichen Widerstandswert haben, und einen Schaltkreis, der schaltet, ob jeder Gate-Widerstand mit dem Gate des Schaltelements 11 verbunden werden soll. Der Widerstandswert des Gate-Widerstands, der mit dem Gate des Schaltelements 11 verbunden wird, wenn die Treiberbedingung a1 ausgewählt wird, ist kleiner als der Widerstandswert des Gate-Widerstands, der mit dem Gate des Schaltelements 11 verbunden wird, wenn die Treiberbedingung a2 ausgewählt wird.
Dementsprechend erhöht sich während eines Ausschaltens des Schaltelements 11 durch die Gate-Treibereinheit 200, indem die Treiberbedingung a1 ausgewählt wird, in der der Widerstandswert des Gate-Widerstands abnimmt, die Schaltgeschwindigkeit (Ausschaltgeschwindigkeit) des Schaltelements 11. Daher können Schaltverluste zu der Zeit des Ausschaltens reduziert werden. Derweil verringert sich während eines Ausschaltens des Schaltelements 11 durch die Gate-Treibereinheit 200, indem die Treiberbedingung a2 ausgewählt wird, in der der Widerstandswert des Gate-Widerstands zunimmt, die Schaltgeschwindigkeit (Ausschaltgeschwindigkeit) des Schaltelements 11. Daher nimmt eine Änderungsrate (dI/dt) eines durch das Schaltelement 11 fließenden Drain-Stroms in Bezug auf die Zeit ab, und eine Ausschaltstoßspannung kann unterdrückt werden.
Die Treiberbedingungs-Änderungseinheit 231 kann auch so konfiguriert sein, dass sie zwei Stromquellen, jeweils mit einem unterschiedlichen Stromwert, und einen Schaltkreis, der schaltet, ob jede Gate-Stromquelle mit dem Gate des Schaltelements 11 verbunden werden soll, beinhaltet. Der Stromwert der Gate-Stromquelle, die mit dem Gate des Schaltelements 11 verbunden wird, wenn die Treiberbedingung a1 ausgewählt wird, ist größer als der Stromwert der Gate-Stromquelle, die mit dem Gate des Schaltelements 11 verbunden wird, wenn die Treiberbedingung a2 gewählt wird.
Dementsprechend erhöht sich während eines Ausschaltens des Schaltelements 11 durch die Gate-Treibereinheit 200, indem die Treiberbedingung a1 ausgewählt wird, in der der Stromwert des Gate-Stroms zunimmt, eine Schaltgeschwindigkeit (Ausschaltgeschwindigkeit) des Schaltelements 11. Daher können Schaltverluste zu der Zeit des Ausschaltens reduziert werden. Derweil verringert sich während eines Ausschaltens des Schaltelements 11 durch die Gate-Treibereinheit 200, indem die Treiberbedingung a2 ausgewählt wird, in der der Stromwert des Gate-Stroms abnimmt, eine Schaltgeschwindigkeit (Ausschaltgeschwindigkeit) des Schaltelements 11. Daher nimmt eine Änderungsrate (dI/dt) eines durch das Schaltelement 11 fließenden Drain-Stroms in Bezug auf die Zeit ab, und eine Ausschaltstoßspannung kann unterdrückt werden.
Hier wird der Zwischenzeitpunkt tm, der vor Erreichen des Spitzenwerts der Ausschaltstoßspannung des Schaltelements 11 liegt, unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben.
2 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Chopper-Schaltung darstellt, die ein Beispiel für einen Leistungswandler ist. 3 stellt Betriebswellenformen eines kontinuierlichen Strom-Modus und eines diskontinuierlichen Strom-Modus dar. In dem kontinuierlichen Strom-Modus und dem diskontinuierlichen Strom-Modus ist ein Hauptstrom (Drain-Strom oder Kollektor-Strom), der durch das Halbleiterelement S1 fließt, proportional zu einem Eingangssignal (z. B. Tastverhältnisbefehl) an einen Gate-Treiber, der ein Halbleiterelement S1 in dem Leistungswandler treibt. In 2 zeigt E1 eine Eingangsspannung, E2 eine Ausgangsspannung, L eine Drossel und I_L einen Drosselstrom an. In einem Fall dieser Booster-Schaltung ändert sich der Drain-Strom gemäß den folgenden Gleichungen, da der Drain-Strom gleich dem Drosselstrom ist.
Wenn S1 eingeschaltet ist: $Δ i_{L} = E_{1} / L \times T_{ON}$
Wenn S1 ausgeschaltet ist: $Δ i_{L} = (E_{1} {-E}_{2}) / L \times T_{OFF}$

Δi_L zeigt einen Änderungsbetrag des Drain-Stroms an, T_ON zeigt eine Ein-Zeit des Halbleiterelements S1 an, und T_OFF zeigt eine Aus-Zeit des Halbleiterelements S1 an. Man beachte, dass i_L aufgrund einer Diode D nicht kleiner oder gleich 0 ist.
In dem diskontinuierlichen Strom-Modus, wie in 3 dargestellt, hängt der Stromwert des Drosselstroms i_L (Drain-Strom) unmittelbar vor dem Ausschalten (mit anderen Worten, zu dem Startzeitpunkt des Ausschaltens) von der Ein-Zeitbreite T_ON ab, da der Drosselstrom i_L während eines Zyklus eines Trägers 0 wird. Daher hängt die Spitzenwert-Erreichungszeit von dem Ausschalt-Startzeitpunkt des Halbleiterelements S1 bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ausschaltstoßspannung den Spitzenwert erreicht, ebenfalls grob von der Ein-Zeitbreite T_ON ab.
Daher kann die Zeitpunkt-Bestimmungseinheit 241 unter Verwendung des gemessenen Werts der Ein-Zeitbreite T_ON den Zwischenzeitpunkt tm, der vor Erreichen des Spitzenwerts der Ausschaltstoßspannung des Halbleiterelements S1 liegt, bestimmen. Die Treiberbedingungs-Änderungseinheit 231 ändert die Gate-Treiberbedingung des Schaltelements 11 zu dem von der Zeitpunkt-Bestimmungseinheit 241 bestimmten Zwischenzeitpunkt tm. Das heißt, die Zeitpunkt-Bestimmungseinheit 241 kann den Zwischenzeitpunkt tm bestimmen, der für eine Variation der Schaltgeschwindigkeit zur Unterdrückung der Stoßspannung und zur Verringerung der Schaltverluste geeignet ist. Da die Gate-Treiberbedingung zu einem geeigneten Zwischenzeitpunkt tm geändert werden kann, ist es möglich, sowohl die Stoßspannung zu unterdrücken als auch die Schaltverluste zu reduzieren. Indem sowohl eine Unterdrückung der Stoßspannung als auch eine Reduzierung der Schaltverluste erreicht wird, ist es zum Beispiel möglich, die Größe und Kosten eines magnetischen Elements wie zum Beispiel eines Transformators oder einer Drossel zu reduzieren, und es ist möglich, die Größe eines Kühlkörpers des Schaltelements zu verringern.
Insbesondere in dem diskontinuierlichen Strom-Modus kann sich der aktuelle Stromwert des Hauptstroms zu dem Ausschalt-Startzeitpunkt von dem vorherigen Stromwert des Hauptstroms zu dem Ausschalt-Startzeitpunkt unterscheiden. Daher ist es vorteilhaft, einen geeigneten Zeitpunkt tm wie oben beschrieben zu bestimmen.
4 ist ein Zeitpunkt-Diagramm, das ein erstes Betriebsbeispiel des Gate-Treibers 1 darstellt. Entsprechend einem Eingangssignal, das bewirkt, dass das Schaltelement 11 in dem diskontinuierlichen Strom-Modus geschaltet wird, liefert die Gate-Treibereinheit 200 ein Steuersignal (Gate-Treibersignal) an einen Steueranschluss (Gate) an das Schaltelement 11 über die Treiberbedingungs-Änderungseinheit 231. In diesem Beispiel stellt das Eingangssignal bei dem hohen Pegel einen Ein-Befehl des Schaltelements 11 dar, und das Eingangssignal bei dem niedrigen Pegel stellt einen Aus-Befehl des Schaltelements 11 dar.
In einem Fall, in dem das Eingangssignal von dem Aus-Befehl auf den Ein-Befehl geändert wird, beginnt das Schaltelement 11 entsprechend dem Steuersignal, das in den Steueranschluss eingegeben wird, einzuschalten (zur Zeit t1). Die Drain-Source-Spannung VDS des Schaltelements 11 beginnt abzunehmen, und der Drain-Strom Id beginnt zuzunehmen. Die Zeitbreiten-Messeinheit 211 beginnt, die Ein-Zeitbreite T_ON des Eingangssignals zu messen, zu der gleichen Zeit, wie das Eingangssignal auf den Ein-Befehl geändert wird. Zum Beispiel zählt, während das Eingangssignal der Ein-Befehl ist, die Zeitbreiten-Messeinheit 211 mit einem vorbestimmten Zählstartwert als ein Startpunkt abwärts und wandelt die Ein-Zeitbreite T_ON des Eingangssignals in einen numerischen Wert oder einen Spannungswert um.
Zu dieser Zeit zählt die Zeitbreiten-Messeinheit 211 mit einer Zählgeschwindigkeit, so dass die Ein-Zeitbreite T_ON in einen geeigneten Zwischenzeitpunkt tm umgewandelt werden kann, bei dem sowohl eine Unterdrückung einer Stoßspannung als auch eine Reduzierung von Schaltverlusten erreicht werden kann. Die Zählgeschwindigkeit der Zeitbreiten-Messeinheit 211 ist ein Wert, der im Voraus so eingestellt wird, dass eine Beziehung X zwischen der Ein-Zeitbreite T_ON und einem geeigneten Zwischenzeitpunkt tm erfüllt wird, bei dem sowohl eine Unterdrückung einer Stoßspannung als auch eine Reduzierung von Schaltverlusten erreicht werden kann.
Man beachte, dass die Zeitbreiten-Messeinheit 211 mit einem Zählstartwert als ein Startpunkt zählen kann, so dass die Ein-Zeitbreite T_ON in einen geeigneten Zwischenzeitpunkt tm umgewandelt werden kann, bei dem sowohl eine Unterdrückung einer Stoßspannung als auch eine Reduzierung von Schaltverlusten erreicht werden kann. Zu dieser Zeit ist der Zählstartwert der Zeitbreiten-Messeinheit 211 ein Wert, der im Voraus so eingestellt wird, dass er eine Beziehung X zwischen der Ein-Zeitbreite T_ON und einem geeigneten Zwischenzeitpunkt tm erfüllt, bei dem sowohl eine Unterdrückung einer Stoßspannung als auch eine Reduzierung von Schaltverlusten erreicht werden kann.
Danach, wenn sich das Eingangssignal von einem Ein-Befehl auf einen Aus-Befehl ändert, beginnt das Schaltelement 11 entsprechend dem Steuersignal, das in den Steueranschluss eingegeben wird, auszuschalten (zur Zeit t2). Gleichzeitig mit der Änderung des Eingangssignals auf den Aus-Befehl stoppt die Zeitbreiten-Messeinheit 211 die Zählung und gibt ein Signal, das die Größe der Ein-Zeitbreite T_ON des Eingangssignals darstellt, an die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 aus.
Die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 gibt das Zeitpunkt-Signal S entsprechend der Ausgabe der Zeitbreiten-Messeinheit 211 aus. In 4 ist der Zählwert der Zeitbreiten-Messeinheit 211 zur Zeit t2, wenn das Eingangssignal der Aus-Befehl wird, der Zählstartwert der Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221. Die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 zählt mit einer vorbestimmten konstanten Zählgeschwindigkeit abwärts und gibt das Zeitpunkt-Signal S während einer Zeitperiode Δt0 bis zur Zeit t3 aus, wenn der Zählwert Null wird. Hierbei entspricht t3 einem geeigneten Zwischenzeitpunkt tm, bei dem es möglich ist, sowohl eine Stoßspannung zu unterdrücken als auch Schaltverluste zu reduzieren.
Das heißt, bei t2, wenn der Ausschaltbetrieb gestartet wird, wird durch das Starten der Ausgabe des Zeitpunkt-Signals S die Treiberbedingung von der Treiberbedingung a2 in die Treiberbedingung a1 umgeschaltet, und die Drain-Source-Spannung VDS beginnt zu steigen. Da die Treiberbedingung von der Treiberbedingung a2 in die Treiberbedingung a1 umgeschaltet wird, nimmt die Schaltgeschwindigkeit während der ersten Hälfte der Ausschaltperiode zu und die Schaltverluste nehmen ab. Beispielsweise kann die Treiberbedingungs-Änderungseinheit 231 zur Zeit t2 einen Widerstandswert des Gate-Widerstands, der mit dem Gate des Schaltelements 11 verbunden ist, erhöhen, oder sie kann zur Zeit t2 einen Stromwert des Gate-Stroms, der in das Gate des Schaltelements 11 fließt, verringern.
Dann, wenn die Miller-Plateau-Region des Schaltelements 11 endet (zur Zeit t3), zu der Zeit, wenn der Drain-Strom beginnt rapide abzunehmen, tritt die Stoßspannung entsprechend der Änderungsrate des Drain-Stroms in Bezug auf die Zeit auf. Wenn jedoch der Zählwert der Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 Null wird, wird die Ausgabe des Zeitpunkt-Signals S gestoppt. Da dementsprechend die Gate-Treiberbedingung zur Zeit t3 von der Treiberbedingung a1 in die Treiberbedingung a2 umgeschaltet wird, wird die Schaltgeschwindigkeit während der zweiten Hälfte der Ausschaltperiode reduziert, und die Ausschaltstoßspannung kann unterdrückt werden. Zum Beispiel kann die Treiberbedingungs-Änderungseinheit 231 zur Zeit t3 einen Widerstandswert des Gate-Widerstands erhöhen, der mit dem Gate des Schaltelements 11 verbunden ist, oder sie kann zur Zeit t3 einen Stromwert des Gate-Stroms verringern, der in das Gate des Schaltelements 11 fließt.
Wie oben beschrieben, gibt die Zeitbreiten-Messeinheit 211 den Zählwert aus, der der Ein-Zeitbreite T_ON entspricht, indem sie von einem Schalten des Eingangssignals auf einen Ein-Befehl bis zu einem Schalten des Eingangssignals auf einen Aus-Befehl zählt. Die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 ändert entsprechend dem Zählwert die Länge der Periode Δt0, während der das Zeitpunkt-Signal S ausgegeben wird. Selbst wenn also die Länge der Ein-Zeitbreite T_ON mit jedem Ausschaltzeitpunkt variiert, kann ein geeigneter Zeitpunkt tm eingestellt werden, so dass sowohl eine Unterdrückung einer Stoßspannung als auch eine Reduzierung von Schaltverlusten erreicht werden kann. Zum Beispiel kann, wie in 4 dargestellt, bei dem nächsten ((n + 1)-ten) Schaltzeitpunkt, selbst wenn die Länge der Ein-Zeitbreite T_ON länger als die des aktuellen (n-ten) Schaltzeitpunkts wird, die Länge der Periode Δt1 zur Ausgabe des Zeitpunkt-Signals S reduziert werden. Dadurch ist es möglich, den geeigneten Zeitpunkt tm einzustellen.
Außerdem ist der Zwischenzeitpunkt tm der Zeitpunkt t3 innerhalb der Periode des Aus-Befehls neben der gemessenen Ein-Zeitbreite T_ON. Daher ist es auch in dem diskontinuierlichen Strom-Modus möglich, den Zwischenzeitpunkt tm einzustellen, der für die Größe des Drain-Stroms geeignet ist, der bei der vorherigen Ein-Zeitbreite T_ON fließt.
5 ist ein Zeitpunkt-Diagramm, das ein zweites Betriebsbeispiel des Gate-Treibers 1 darstellt. Da andere Betriebsvorgänge als Prozesse zwischen der Zeitbreiten-Messeinheit 211 und der Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 die gleichen wie in dem ersten Betriebsbeispiel sind, wird die Beschreibung davon weggelassen oder durch Einbeziehung der obigen Beschreibung vereinfacht. In dem ersten Betriebsbeispiel zählt die Zeitbreiten-Messeinheit 211 basierend auf der Beziehung X, während in dem zweiten Betriebsbeispiel die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 basierend auf der Beziehung X zählt. Sie unterscheiden sich in dieser Beziehung.
In einem Fall, in dem das Eingangssignal von dem Aus-Befehl auf den Ein-Befehl geändert wird, beginnt das Schaltelement 11 entsprechend dem Steuersignal, das in den Steueranschluss eingegeben wird, einzuschalten (zur Zeit t1). Die Zeitbreiten-Messeinheit 211 beginnt, die Ein-Zeitbreite T_ON des Eingangssignals zu messen, zu der gleichen Zeit, wie das Eingangssignal auf den Ein-Befehl geändert wird. Zum Beispiel zählt, während das Eingangssignal der Ein-Befehl ist, die Zeitbreiten-Messeinheit 211 mit einem vorbestimmten Zählstartwert (der in diesem Fall 0 ist) als ein Startpunkt abwärts und wandelt die Ein-Zeitbreite T_ON des Eingangssignals in einen numerischen Wert oder einen Spannungswert um.
Zu dieser Zeit muss die Zeitbreiten-Messeinheit 211 nicht mit einer Zählgeschwindigkeit zählen, die es ermöglicht, die Ein-Zeitbreite T_ON in einen geeigneten Zwischenzeitpunkt tm umzuwandeln, bei dem sowohl eine Unterdrückung einer Stoßspannung als auch eine Reduzierung von Schaltverlusten erreicht werden kann. Zum Beispiel kann die Zählgeschwindigkeit der Zeitbreiten-Messeinheit 211 ein Wert sein, der im Voraus entsprechend einem tatsächlichen Zeitablauf eingestellt wird.
Danach, wenn sich das Eingangssignal von einem Ein-Befehl auf einen Aus-Befehl ändert, beginnt das Schaltelement 11 entsprechend dem Steuersignal, das in den Steueranschluss eingegeben wird, auszuschalten (zur Zeit t2). Gleichzeitig mit der Änderung des Eingangssignals auf den Aus-Befehl stoppt die Zeitbreiten-Messeinheit 211 die Zählung und gibt ein Signal, das die Größe der Ein-Zeitbreite T_ON des Eingangssignals darstellt, an die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 aus.
Die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 gibt das Zeitpunkt-Signal S entsprechend der Ausgabe der Zeitbreiten-Messeinheit 211 aus. Zum Beispiel, in Bezug auf eine Beziehung zwischen der Ein-Zeitbreite T_ON und dem Zwischenzeitpunkt tm, bei dem sowohl eine Unterdrückung einer Stoßspannung als auch eine Reduzierung von Schaltverlusten erreicht werden kann, gibt die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 entsprechend der von der Zeitbreiten-Messeinheit 211 gemessenen Ein-Zeitbreite T_ON das Zeitpunkt-Signal S aus, so dass die Beziehung erfüllt wird.
In 5 ist, als ein erstes Beispiel, der Zählwert der Zeitbreiten-Messeinheit 211 zur Zeit t2, wenn das Eingangssignal der Aus-Befehl wird, der Zählstartwert der Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221. Die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 zählt mit einer Zählgeschwindigkeit abwärts, die dem Zählwert der Zeitbreiten-Messeinheit 211 zur Zeit t2 entspricht, wenn das Eingangssignal Aus wird, und gibt das Zeitpunkt-Signal S während einer Zeitperiode Δt0 bis zur Zeit t3 aus, wenn der Zählwert Null wird. Hierbei entspricht t3 einem geeigneten Zwischenzeitpunkt tm, bei dem es möglich ist, sowohl eine Stoßspannung zu unterdrücken als auch Schaltverluste zu reduzieren. Das heißt, die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 gibt das Zeitpunkt-Signal S während der Periode von dem Start bis zu dem Ende der Zählung mit der Zählgeschwindigkeit, die der von der Zeitbreiten-Messeinheit 211 gemessenen Ein-Zeitbreite T_ON entspricht, aus.
Zu dieser Zeit ist die Zählgeschwindigkeit der Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 ein Wert, der sequenziell entsprechend der für jeden Einschaltbetrieb gemessenen Ein-Zeitbreite T_ON eingestellt wird, so dass die Beziehung X zwischen der Ein-Zeitbreite T_ON und dem geeigneten Zwischenzeitpunkt tm, bei dem sowohl eine Unterdrückung einer Stoßspannung als auch eine Reduzierung von Schaltverlusten erreicht werden kann, erfüllt wird. Zum Beispiel bestimmt die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 basierend auf der Beziehung X die Zählgeschwindigkeit, die der von der Zeitbreiten-Messeinheit 211 gemessenen Ein-Zeitbreite T_ON entspricht, und gibt das Zeitpunkt-Signal S während der Periode von dem Start bis zu dem Ende der Zählung mit der bestimmten Zählgeschwindigkeit aus.
Alternativ kann in 5, als ein zweites Beispiel, die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 mit einem Zählstartwert als ein Startpunkt abwärts zählen, der dem Zählwert der Zeitbreiten-Messeinheit 211 zur Zeit t2 entspricht, wenn das Eingangssignal Aus wird. In diesem Fall kann die Zählgeschwindigkeit der Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 ein vorbestimmter konstanter Wert sein und ist ein Wert, der zum Beispiel im Voraus entsprechend einem tatsächlichen Zeitablauf eingestellt wird. Das heißt, die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 gibt das Zeitpunkt-Signal S während der Periode von dem Start bis zu dem Ende der Zählung mit der Zählgeschwindigkeit aus, die der von der Zeitbreiten-Messeinheit 211 gemessenen Ein-Zeitbreite T_ON entspricht.
Zu dieser Zeit ist der Zählstartwert der Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 ein Wert, der sequenziell entsprechend der für jeden Einschaltbetrieb gemessenen Ein-Zeitbreite T_ON eingestellt wird, so dass die Beziehung X zwischen der Ein-Zeitbreite T_ON und dem geeigneten Zwischenzeitpunkt tm, bei dem sowohl eine Unterdrückung einer Stoßspannung als auch eine Reduzierung von Schaltverlusten erreicht werden kann, erfüllt wird. Zum Beispiel bestimmt die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 basierend auf der Beziehung X den Zählstartwert, der der von der Zeitbreiten-Messeinheit 211 gemessenen Ein-Zeitbreite T_ON entspricht, und gibt das Zeitpunkt-Signal S während der Periode von dem Start bis zu dem Ende der Zählung mit dem bestimmten Zählstartwert aus.
Das heißt, bei t2, wenn der Ausschaltbetrieb gestartet wird, wird durch das Starten der Ausgabe des Zeitpunkt-Signals S die Treiberbedingung von der Treiberbedingung a2 in die Treiberbedingung a1 umgeschaltet, und die Drain-Source-Spannung VDS beginnt zu steigen. Da die Treiberbedingung von der Treiberbedingung a2 in die Treiberbedingung a1 umgeschaltet wird, nimmt die Schaltgeschwindigkeit während der ersten Hälfte der Ausschaltperiode zu und die Schaltverluste nehmen ab.
Dann, wenn die Miller-Plateau-Region des Schaltelements 11 endet (zur Zeit t3), zu der Zeit, wenn der Drain-Strom beginnt rapide abzunehmen, tritt die Stoßspannung entsprechend der Änderungsrate des Drain-Stroms in Bezug auf die Zeit auf. Wenn jedoch der Zählwert der Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 Null wird, wird die Ausgabe des Zeitpunkt-Signals S gestoppt. Da dementsprechend die Gate-Treiberbedingung zur Zeit t3 von der Treiberbedingung a1 in die Treiberbedingung a2 umgeschaltet wird, wird die Schaltgeschwindigkeit während der zweiten Hälfte der Ausschaltperiode reduziert, und die Ausschaltstoßspannung kann unterdrückt werden.
Auf diese Weise kann in einem Fall, in dem die Zählgeschwindigkeit der Zeitbreiten-Messeinheit 211 nicht ein Wert ist, der vorher eingestellt wurde, so dass die oben beschriebene Beziehung X erfüllt wird, der Zählstartwert oder die Zählgeschwindigkeit der Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 entsprechend der von der Zeitbreiten-Messeinheit 211 gemessenen Ein-Zeitbreite T_ON geändert werden. Zu dieser Zeit kann die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit 221 den Zählstartwert oder die Zählgeschwindigkeit von Fall zu Fall entsprechend einem geeigneten Zeitpunkt tm zur Änderung der Treiberbedingung in Bezug auf die von der Zeitbreiten-Messeinheit 211 gemessene Ein-Zeitbreite T_ON bestimmen. Man beachte, dass das oben beschriebene Verfahren der Bezugnahme auf die Beziehung X ein anderes Verfahren sein kann.
Obwohl der Gate-Treiber und der Leistungswandler unter Bezugnahme auf die Ausführungsform beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Verschiedene Modifikationen und Verbesserungen, wie zum Beispiel Kombinationen und Substitutionen mit einigen oder allen der anderen Ausführungsformen, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.
Zum Beispiel ist ein Leistungswandler, der mindestens einen Gate-Treiber beinhaltet, nicht auf einen DC-DC-Wandler beschränkt, der einen Gleichstrom in einen anderen Gleichstrom umwandelt. Spezifische Beispiele für den Leistungswandler beinhalten einen Wechselrichter zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom, einen Aufwärtswandler zur Erhöhung einer Eingangsspannung und Ausgabe der erhöhten Spannung, einen Abwärtswandler zur Verringerung einer Eingangsspannungsgröße und Ausgabe der verringerten Spannung sowie einen Buck-Boost-Converter zur Erhöhung oder Verringerung einer Eingangsspannung und Ausgabe der erhöhten oder verringerten Spannung.
Zum Beispiel können Funktionselemente wie oben beschrieben durch einen Speicher, der mindestens ein Programm speichert, und durch einen mit dem Speicher gekoppelten Prozessor realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4935266 [0003]
JP 6398537 [0003]

Claims

Ein Gate-Treiber, welcher umfasst: eine Gate-Treibereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein Gate eines Schaltelements entsprechend einem Eingangssignal treibt, das befiehlt, das Schaltelement einzuschalten oder auszuschalten; eine Zeitpunkt-Bestimmungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Ein-Zeitbreite von einem Schalten des Eingangssignals auf einen Ein-Befehl bis zu einem Schalten des Eingangssignals auf einen Aus-Befehl misst und so konfiguriert ist, dass sie basierend auf der gemessenen Ein-Zeitbreite einen Zwischenzeitpunkt, der vor Erreichen eines Spitzenwerts einer Ausschaltstoßspannung des Schaltelements liegt, bestimmt; und eine Treiberbedingungs-Änderungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Gate-Treiberbedingung des Schaltelements zu dem von der Zeitpunkt-Bestimmungseinheit bestimmten Zwischenzeitpunkt ändert.
Der Gate-Treiber nach Anspruch 1, wobei die Zeitpunkt-Bestimmungseinheit beinhaltet: eine Ein-Zeitbreiten-Messeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Ein-Zeitbreite misst; und eine Zeitpunkt-Ausgabeeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein Zeitpunkt-Signal ausgibt, um die Treiberbedingungs-Änderungseinheit zu veranlassen, die Gate-Treiberbedingung zu dem Zwischenzeitpunkt entsprechend der von der Zeitbreiten-Messeinheit gemessenen Ein-Zeitbreite zu ändern.
Der Gate-Treiber nach Anspruch 2, wobei die Zeitbreiten-Messeinheit so konfiguriert ist, dass sie einen Zählwert entsprechend der Ein-Zeitbreite ausgibt, indem sie von einem Schalten des Eingangssignals auf den Ein-Befehl bis zu einem Schalten des Eingangssignals auf den Aus-Befehl zählt, und wobei die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit so konfiguriert ist, dass sie eine Länge einer Periode zur Ausgabe des Zeitpunkt-Signals entsprechend dem Zählwert ändert.
Der Gate-Treiber nach Anspruch 3, wobei die Zeitbreiten-Messeinheit so konfiguriert ist, dass sie mit einer Zählgeschwindigkeit, die es ermöglicht, die Ein-Zeitbreite in den Zwischenzeitpunkt umzuwandeln, oder mit einem Zählstartwert als ein Startpunkt, der es ermöglicht, die Ein-Zeitbreite in den Zwischenzeitpunkt umzuwandeln, zählt.
Der Gate-Treiber nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit so konfiguriert ist, dass sie das Zeitpunkt-Signal mit einer Zählgeschwindigkeit, die der von der Zeitbreiten-Messeinheit gemessenen Ein-Zeitbreite entspricht, oder mit einem Zählstartwert, der der von der Zeitbreiten-Messeinheit gemessenen Ein-Zeitbreite entspricht, als ein Startpunkt während einer Periode von einem Start bis zu einem Ende eines Zählens ausgibt.
Der Gate-Treiber nach Anspruch 2 oder 3, wobei in Bezug auf eine Beziehung zwischen der Ein-Zeitbreite und einem Änderungszeitpunkt der Gate-Treiberbedingung die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit so konfiguriert ist, dass sie das Zeitpunkt-Signal entsprechend der von der Zeitbreiten-Messeinheit gemessenen Ein-Zeitbreite ausgibt.
Der Gate-Treiber nach Anspruch 6, wobei die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit so konfiguriert ist, dass sie basierend auf der Beziehung eine Zählgeschwindigkeit oder einen Zählstartwert entsprechend der von der Zeitbreiten-Messeinheit gemessenen Ein-Zeitbreite bestimmt, und wobei die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit so konfiguriert ist, dass sie das Zeitpunkt-Signal mit der bestimmten Zählgeschwindigkeit oder mit dem bestimmten Zählstartwert als ein Startpunkt während einer Periode von einem Start bis zu einem Ende eines Zählens ausgibt.
Der Gate-Treiber nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei, wenn das Eingangssignal auf den Aus-Befehl geschaltet wird, die Zeitpunkt-Ausgabeeinheit so konfiguriert ist, dass sie beginnt, das Zeitpunkt-Signal auszugeben.
Der Gate-Treiber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Treiberbedingungs-Änderungseinheit so konfiguriert ist, dass sie einen Stromwert eines Gate-Stroms, der in das Gate des Schaltelements fließt, zu dem Zwischenzeitpunkt verringert.
Der Gate-Treiber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Schaltelement eine Vorrichtung mit breiter Bandlücke ist.
Ein Leistungswandler, welcher umfasst: den Gate-Treiber nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und ein Schaltelement.