JP2013219874A - 半導体駆動回路および電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電源電圧VCCと出力ノードの間に挿入されるスイッチ素子SW1と、接地電源電圧VSSと出力ノードの間に挿入されるスイッチ素子SW2と、SW2のオン・オフを制御するゲート駆動回路GD2を備える。GD2は、SW2をオフに制御する際にはそのゲート・ソース間電圧VGSDを例えば0Vレベルに駆動する。ただし、GD2は、VGSDを例えば0Vレベルに駆動した状態でSW1が第1タイミングでオフからオンに遷移する際には、VGSDとして、負電位VEEのレベルを第1タイミングを跨ぐ第1期間の間で一時的に印加する。
【選択図】図1
Description
《電力変換装置(主要部)の構成例および動作例》
図1は、本発明の実施の形態1による電力変換装置において、その主要部の構成例を示す概略図である。図1に示す電力変換装置は、ここでは、ハーフブリッジ回路となっている。当該ハーフブリッジ回路は、例えば、DC−DC変換回路等の電源装置の一部として使用されたり、フルブリッジ回路や三相インバータ回路等に拡張して、DC−AC変換回路等の電源装置の一部として使用されたり、モータ制御装置の一部として使用されるなど、様々な用途で適宜使用される。図1のハーフブリッジ回路は、ゲートドライバ制御回路GDCTLと、上アーム側スイッチ素子SW1および下アーム側スイッチ素子SW2と、SW1,SW2にそれぞれ対応する還流ダイオードDI1,DI2、ゲート駆動回路GD1,GD2、および負電位生成回路VEEG1,VEEG2を備える。
図3は、図1における負電位生成回路の構成例を示す概略図である。図3に示す負電位生成回路VEEG(ここでは図1のVEEG2)は、所謂三端子レギュレータ回路VECKTおよび降圧コンバータ回路DCDC等を用いて実現される。DCDCは、外部の電源電圧VCCを用いて、スイッチ素子SW2のソース電位COMよりも低い電位を持つ負電位VKKを生成する。VECKTは、当該VKKの値を抵抗R1および可変抵抗RV1の比によって調整し、所定の電位レベルを持つ負電位VEEを生成する。
図4は、図1におけるゲートドライバ制御回路の構成例を示す概略図であり、図5は、図1におけるゲート駆動回路の構成例を示す回路図である。図4のゲートドライバ制御回路GDCTLは、上アーム用として、抵抗R11、シュミットトリガ回路SHTRGh、レベルシフト回路LVSh1,LVSh2、ワンショットパルス生成回路PGENおよび遅延回路DLYh1、電圧検出保護回路UVDETh、パルスフィルタPFLTおよび遅延回路DLYh2、およびRSラッチ回路RSLTを備える。また、下アーム用として、抵抗R12、シュミットトリガ回路SHTRGl、レベルシフト回路LVSl1、電圧検出保護回路UVDETl、遅延回路DLYl1,DLYl2を備える。
《電力変換装置(主要部)および負電位生成回路の構成例および動作例(変形例)》
図7は、本発明の実施の形態2による電力変換装置において、その主要部の構成例を示す概略図である。図7に示す電力変換装置は、図1の構成例と比較して、電流検出抵抗Rs1,Rs2と、電流検出回路ISEN1,ISEN2が加わった構成となっている。Rs1は、上アーム側スイッチ素子SW1のソースと下アーム側スイッチ素子SW2のドレインの間に挿入され、Rs2は、SW2のソースと接地電源電圧VSSの間に挿入される。ISEN1はRs1の両端電圧を検出して検出電圧信号CM1を出力し、ISEN2はRs2の両端電圧を検出して検出電圧信号CM2を出力する。当該CM1,CM2は、それぞれ、負電位生成回路VEEG1,VEEG2で用いられる。
《電力変換装置(全体)の構成例および動作例[1]》
図9は、本発明の実施の形態3による電力変換装置において、その構成の一例を示す概略図である。図9に示す電力変換装置は、例えば実施の形態1の方式を所謂三相インバータ装置に適用したものとなっている。図9において、SW1u,SW1v,SW1w,SW2u,SW2v,SW2wのそれぞれは、nチャネル型のSiCMOSを用いたスイッチ素子であり、ここでは、各ソース・ドレイン間にそれぞれ還流ダイオードD1u,D1v,D1w,D2u,D2v,D2wが接続されている。SW1u,SW1v,SW1wは上アーム側に配置され、SW2u,SW2v,SW2wは下アーム側に配置され、SW1u,SW2uはU相用、SW1v,SW2vはV相用、SW1w,SW2wはW相用である。
《電力変換装置(全体)の構成例および動作例[2]》
図10は、本発明の実施の形態4による電力変換装置において、その構成の一例を示す概略図である。図10に示す電力変換装置は、例えば実施の形態1の方式をAC/DC電源装置に適用したものとなっている。図10の電力変換装置は、交流入力(例えばAC 200V)をラインフィルタLNFLTにてノイズを除去し、整流回路(例えばダイオードブリッジおよび出力コンデンサ)RCTを介してAC電圧をDC電圧に変換(AC/DC)する。次いで、昇圧回路PFCにてDCレベルを例えば約400Vまで昇圧する。図中の記号はコイルL、チョッパーダイオードDi、メインスイッチ素子Q1、メインスイッチ用駆動回路GDR、安定化コンデンサC1である。なお昇圧回路PFCの制御方法は一般的な制御方法のためここでは説明を省略する。
《スイッチ素子の詳細》
図11(a)は、本発明の実施の形態5による電力変換装置において、そのスイッチ素子の概略構成例を示す平面図であり、図11(b)は、図11(a)におけるA−A’間の概略構成例を示す断面図である。図11(a)のスイッチ素子SWは、SiCMOSで構成される。図11(a)において、ACTはアクティブ素子領域、TMはターミネーション領域、GPはゲートパッド、SPはソースパッドである。TMは、例えばp−型の領域であり、端面の電界を緩和する機能を担う。図11(a)では、ゲートパッドGPの位置を自由に配置できるため、後述する図13(a)に示すような実装形態に適用する場合において、ワイヤボンディングの長さを短くすることができる。
Claims (20)
- 第1電源電圧と出力ノードの間に挿入される第1トランジスタスイッチと、
前記第1電源電圧よりも高い第2電源電圧と前記出力ノードの間に挿入される第2トランジスタスイッチと、
前記第1トランジスタスイッチのオン・オフを制御する第1駆動回路とを備え、
前記第1駆動回路は、前記第1トランジスタスイッチをオフに制御する際には前記第1トランジスタスイッチのゲート・ソース間に第1電圧を印加し、前記第1電圧を印加した状態で前記第2トランジスタスイッチが第1タイミングでオフからオンに遷移する際には、前記第1トランジスタスイッチのゲート・ソース間に、前記第1電圧よりも低い第2電圧を前記第1タイミングを跨ぐ第1期間の間で印加し、前記第1期間の経過後に前記第1電圧の印加に復帰する電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、
前記第1電圧は、0Vレベルに設定され、
前記第2電圧は、負電圧のレベルに設定される電力変換装置。 - 請求項2記載の電力変換装置において、
前記第2電圧は、第1レギュレータ回路で生成される電力変換装置。 - 請求項3記載の電力変換装置において、
前記第1駆動回路は、
前記第2トランジスタスイッチをオフからオンに遷移させるための制御信号を受けて、前記第1期間に対応するパルス幅を持つパルス信号を生成するパルス生成回路と、
前記第1電圧と前記第1トランジスタスイッチのゲートの間に挿入される第1スイッチと、
前記第2電圧と前記第1トランジスタスイッチのゲートの間に挿入される第2スイッチとを備え、
前記第1および第2スイッチのオン・オフは、前記パルス信号を用いて相補的に制御される電力変換装置。 - 請求項3記載の電力変換装置において、さらに、
前記第1電源電圧と前記出力ノードの間で、前記第1トランジスタスイッチと直列に挿入される第1抵抗と、
前記第1抵抗に生じる電圧を検出し、当該電圧の大きさを反映した検出信号を出力する検出回路とを備え、
前記第1レギュレータ回路は、前記検出信号に応じて前記第2電圧の大きさを可変制御する電力変換装置。 - 請求項1記載の電力変換装置において、
さらに、前記第2トランジスタスイッチのオン・オフを制御する第2駆動回路を備え、
前記第2駆動回路は、前記第2トランジスタスイッチをオフに制御する際には前記第2トランジスタスイッチのゲート・ソース間に第3電圧を印加し、前記第3電圧を印加した状態で前記第1トランジスタスイッチが第2タイミングでオフからオンに遷移する際には、前記第2トランジスタスイッチのゲート・ソース間に、前記第3電圧よりも低い第4電圧を前記第2タイミングを跨ぐ第2期間の間で印加し、前記第2期間の経過後に前記第3電圧の印加に復帰する電力変換装置。 - 請求項6記載の電力変換装置において、
前記第1および第3電圧は、0Vレベルに設定され、
前記第2および第4電圧は、負電圧のレベルに設定される電力変換装置。 - 請求項7記載の電力変換装置において、
前記第2電圧は、第1レギュレータ回路で生成され、
前記第4電圧は、第2レギュレータ回路で生成される電力変換装置。 - 請求項1または6記載の電力変換装置において、
前記第1および第2トランジスタスイッチは、シリコンカーバイドを用いて構成される電力変換装置。 - 第1電源電圧と出力ノードの間で、前記第1電源電圧側をソースとして挿入される第1トランジスタスイッチと、
前記第1電源電圧よりも高い第2電源電圧と前記出力ノードの間で、前記出力ノード側をソースとして挿入される第2トランジスタスイッチと、
前記第1トランジスタスイッチのオン・オフを制御する第1駆動回路と、
前記第2トランジスタスイッチのオン・オフを制御する第2駆動回路と、
第1電圧生成回路とを備え、
前記第1電圧生成回路は、前記第1電源電圧よりも低い電圧レベルを持つ第1電圧を生成し、
前記第1駆動回路は、
前記第1電源電圧よりも高い第3電源電圧と前記第1トランジスタスイッチのゲートの間に挿入される第1プルアップスイッチと、
前記第1電源電圧と前記第1トランジスタスイッチのゲートの間に挿入される第1プルダウンスイッチと、
前記第1電圧と前記第1トランジスタスイッチのゲートの間に挿入される第2プルダウンスイッチと、
前記第2トランジスタスイッチをオフからオンに遷移させるための第1制御信号を受けて、第1期間でオンレベルとなる第1パルス信号を生成する第1パルス生成回路とを備え、
前記第1期間は、前記第2トランジスタスイッチがオフからオンに遷移する第1タイミングを跨ぐように設定され、
前記第1プルダウンスイッチは、前記第1パルス信号がオフレベルの際にオンに、前記オンレベルの際にオフに駆動され、
前記第2プルダウンスイッチは、前記第1パルス信号が前記オンレベルの際にオンに、前記オフレベルの際にオフに駆動される電力変換装置。 - 請求項10記載の電力変換装置において、
前記第1および第2トランジスタスイッチは、シリコンカーバイドを用いて構成される電力変換装置。 - 請求項11記載の電力変換装置において、
さらに、前記第2トランジスタスイッチのソース電圧よりも低い電圧レベルを持つ第2電圧を生成する第2電圧生成回路を備え、
前記第2駆動回路は、
前記第2トランジスタスイッチのソース電圧よりも高い第3電圧と前記第2トランジスタスイッチのゲートの間に挿入される第2プルアップスイッチと、
前記第2トランジスタスイッチのソースとゲートの間に挿入される第3プルダウンスイッチと、
前記第2電圧と前記第2トランジスタスイッチのゲートの間に挿入される第4プルダウンスイッチと、
前記第1トランジスタスイッチをオフからオンに遷移させるための第2制御信号を受けて、第2期間でオンレベルとなる第2パルス信号を生成する第2パルス生成回路とを備え、
前記第2期間は、前記第1トランジスタスイッチがオフからオンに遷移する第2タイミングを跨ぐように設定され、
前記第3プルダウンスイッチは、前記第2パルス信号がオフレベルの際にオンに、前記オンレベルの際にオフに駆動され、
前記第4プルダウンスイッチは、前記第2パルス信号が前記オンレベルの際にオンに、前記オフレベルの際にオフに駆動される電力変換装置。 - 第1電源電圧と出力ノードの間に挿入される第1トランジスタスイッチを対象としてオン・オフを制御する第1駆動回路と、
前記第1電源電圧よりも高い第2電源電圧と前記出力ノードの間に挿入される第2トランジスタスイッチを対象としてオン・オフを制御する第2駆動回路とを備え、
前記第1駆動回路は、前記第1トランジスタスイッチをオフに制御する際には前記第1トランジスタスイッチのゲート・ソース間に第1電圧を印加し、前記第1電圧を印加した状態で前記第2トランジスタスイッチが第1タイミングでオフからオンに遷移する際には、前記第1トランジスタスイッチのゲート・ソース間に、前記第1電圧よりも低い第2電圧を前記第1タイミングを跨ぐ第1期間の間で印加し、前記第1期間の経過後に前記第1電圧の印加に復帰する半導体駆動回路。 - 請求項13記載の半導体駆動回路において、
前記第1電圧は、0Vレベルに設定され、
前記第2電圧は、負電圧のレベルに設定される半導体駆動回路。 - 請求項14記載の半導体駆動回路において、
前記第2電圧は、第1レギュレータ回路で生成される半導体駆動回路。 - 請求項15記載の半導体駆動回路において、
前記第1駆動回路は、
前記第2トランジスタスイッチをオフからオンに遷移させるための制御信号を受けて、前記第1期間に対応するパルス幅を持つパルス信号を生成するパルス生成回路と、
前記第1電圧と前記第1トランジスタスイッチのゲートの間に挿入される第1スイッチと、
前記第2電圧と前記第1トランジスタスイッチのゲートの間に挿入される第2スイッチとを備え、
前記第1および第2スイッチのオン・オフは、前記パルス信号を用いて相補的に制御される半導体駆動回路。 - 請求項13記載の半導体駆動回路において、
前記第2駆動回路は、前記第2トランジスタスイッチをオフに制御する際には前記第2トランジスタスイッチのゲート・ソース間に第3電圧を印加し、前記第3電圧を印加した状態で前記第1トランジスタスイッチが第2タイミングでオフからオンに遷移する際には、前記第2トランジスタスイッチのゲート・ソース間に、前記第3電圧よりも低い第4電圧を前記第2タイミングを跨ぐ第2期間の間で印加し、前記第2期間の経過後に前記第3電圧の印加に復帰する半導体駆動回路。 - 請求項17記載の半導体駆動回路において、
前記第1および第3電圧は、0Vレベルに設定され、
前記第2および第4電圧は、負電圧のレベルに設定される半導体駆動回路。 - 請求項18記載の半導体駆動回路において、
前記第2電圧は、第1レギュレータ回路で生成され、
前記第4電圧は、第2レギュレータ回路で生成される半導体駆動回路。 - 請求項13または17記載の半導体駆動回路において、
前記第1および第2トランジスタスイッチは、シリコンカーバイドを用いて構成される半導体駆動回路。
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