JP2017112465A

JP2017112465A - Gate drive circuit

Info

Publication number: JP2017112465A
Application number: JP2015244499A
Authority: JP
Inventors: 敬治恩田; Takaharu Onda
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-06-22

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the size and cost of the gate drive circuit of a vertical transistor consisting of a group III nitride semiconductor.SOLUTION: A dI/dt adjustment circuit 20 is constituted of a resistor R2, and a diode D2. The resistor 2 is connected in series between the inverter of a control signal generation circuit 10, and the gate of a MOSFETQ2. The diode D2 is connected in parallel with the resistor 2, so that the anode is on the MOSFETQ2 side, and the cathode is on the inverter side. When the MOSFETQ2 is turned off, the diode D2 is disconnected and the gate charges of the MOSFETQ2 are discharged gently through the resistor 2 thus reducing the current flowing through a coil L1 gently with time. As a result, overshoot of the gate voltage for driving the vertical MOSFETQ1 is suppressed when it is turned on.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、III 族窒化物半導体からなる縦型トランジスタを駆動するためのゲート駆動回路に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit for driving a vertical transistor made of a group III nitride semiconductor.

ＧａＮなどIII 族窒化物半導体は絶縁破壊電界が大きく、オン抵抗が低いことから、パワーデバイスの材料として注目され、さかんに研究開発が行われている。特に耐圧の向上、小型化などの理由から、基板に垂直な方向に導通を取る縦型構造のパワーデバイスが望まれている。 Group III nitride semiconductors such as GaN have attracted attention as materials for power devices due to their large dielectric breakdown electric field and low on-resistance, and are being researched and developed extensively. In particular, a power device having a vertical structure that conducts electricity in a direction perpendicular to the substrate is desired for reasons such as improvement in breakdown voltage and miniaturization.

III 族窒化物半導体からなる縦型ＭＯＳＦＥＴは、現状耐圧性能が十分でないことなどから直接駆動は難しく、ゲート駆動回路を介してゲート電圧を制御して駆動することになる。トランジスタのゲート駆動回路としては、たとえば特許文献１〜３がある。 A vertical MOSFET made of a group III nitride semiconductor is difficult to drive directly because the current withstand voltage performance is not sufficient, and is driven by controlling a gate voltage via a gate drive circuit. For example, Patent Documents 1 to 3 are known as gate drive circuits for transistors.

特許文献１には、駆動するＩＧＢＴのゲートに、コンデンサとダイオードの並列体、その並列体と直列接続の第１抵抗、その直列体と並列接続された第２抵抗を設けた構成が示されている。これにより、ＩＧＢＴのターンオフ時には、ゲート電荷をコンデンサと第１抵抗により速やかに放電し、ＩＧＢＴのターンオン時には、ダイオードを導通させてゲート電荷を速やかに充電することが記載されている。 Patent Document 1 shows a configuration in which a gate of an IGBT to be driven is provided with a parallel body of a capacitor and a diode, a first resistor connected in series with the parallel body, and a second resistor connected in parallel with the series body. Yes. Accordingly, it is described that when the IGBT is turned off, the gate charge is quickly discharged by the capacitor and the first resistor, and when the IGBT is turned on, the diode is made conductive to quickly charge the gate charge.

特許文献２には、駆動するＭＯＳＦＥＴがオフとなったときに、コイルに蓄えられたエネルギーを開放して電源に回生させ、電力変換効率の向上を図る旨が記載されている。特許文献３には、ＩＧＢＴのゲート駆動回路において、ＩＧＢＴのエミッタ側の配線インダクタンスに起因する起電力を、ＩＧＢＴのゲートにコイルを設けることで相殺し、ターンオン損失を抑制することが記載されている。 Patent Document 2 describes that when the driving MOSFET is turned off, the energy stored in the coil is released and regenerated to the power source to improve the power conversion efficiency. Patent Document 3 describes that in an IGBT gate drive circuit, an electromotive force caused by the wiring inductance on the emitter side of the IGBT is canceled by providing a coil at the gate of the IGBT, thereby suppressing turn-on loss. .

特開２０１１−１１９８８５号公報JP 2011-119885 A 特開平１０−１３６６３８号公報JP-A-10-136638 特開２０００−２２５１３号公報JP 2000-22513 A

III 族窒化物半導体からなる縦型ＭＯＳＦＥＴは、低電圧ではオン抵抗が高く、高電圧ではオン抵抗が低くなる特性のため、省エネルギーなどの観点から高電圧で駆動することが望まれる。 A vertical MOSFET made of a group III nitride semiconductor has high on-resistance at a low voltage and low on-resistance at a high voltage. Therefore, it is desired to drive at a high voltage from the viewpoint of energy saving.

しかし、ゲート信号生成のための制御電源とは別に高電圧の電源回路を設けることとなると、ゲート駆動回路の高コスト化、大型化を招くことになる。 However, if a high-voltage power supply circuit is provided separately from the control power supply for generating the gate signal, the cost and size of the gate drive circuit are increased.

そこで本発明は、III 族窒化物半導体からなる縦型トランジスタのゲート駆動回路を、高電圧の電源を別途要せずに実現することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to realize a gate driving circuit for a vertical transistor made of a group III nitride semiconductor without requiring a separate high voltage power source.

本発明は、III 族窒化物半導体からなる縦型トランジスタを駆動するゲート駆動回路において、縦型トランジスタのゲート−ソース間に接続されたゲート電源と、ゲート電源に直列に接続され、縦型トランジスタを制御するゲート信号を縦型トランジスタのゲートに供給するコイルと、ゲート信号の増減を制御する制御回路と、を有し、制御回路は、ゲート電源とコイルの直列接続に対して並列に接続された制御トランジスタと、制御トランジスタをオンオフするための制御信号を、制御トランジスタの制御端子に供給する制御信号生成回路と、制御端子と制御信号生成回路との間に接続された抵抗と、抵抗に並列接続され、アノードが制御トランジスタの制御端子側、カソードが制御信号生成回路側に接続されたダイオードと、を有し、コイルに流れる電流の時間変化を調整するｄＩ／ｄｔ調整回路と、を有することを特徴とするゲート駆動回路である。 The present invention relates to a gate driving circuit for driving a vertical transistor made of a group III nitride semiconductor, a gate power source connected between the gate and the source of the vertical transistor, and a serial connection to the gate power source. A coil that supplies a gate signal to be controlled to the gate of the vertical transistor, and a control circuit that controls increase / decrease of the gate signal, and the control circuit is connected in parallel to the serial connection of the gate power source and the coil A control transistor, a control signal generation circuit that supplies a control signal for turning on and off the control transistor to the control terminal of the control transistor, a resistor connected between the control terminal and the control signal generation circuit, and a parallel connection to the resistor A diode having an anode connected to the control terminal side of the control transistor and a cathode connected to the control signal generation circuit side. And a dI / dt adjustment circuit that adjusts the time change of the current flowing through the gate.

コイルと縦型トランジスタのゲートの間に、直列に接続された抵抗と、抵抗に並列に接続され、アノードがコイル側、カソードが縦型トランジスタのゲート側に接続されたダイオードと、をさらに有していてもよい。縦型トランジスタのオフ時に縦型トランジスタのゲート電荷が速やかに放電し、オフ動作を急峻にすることができる。 A resistor connected in series between the coil and the gate of the vertical transistor; and a diode connected in parallel to the resistor, with the anode connected to the coil side and the cathode connected to the gate side of the vertical transistor. It may be. When the vertical transistor is turned off, the gate charge of the vertical transistor is quickly discharged, and the off operation can be made steep.

駆動する縦型トランジスタは、たとえばＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＭＩＳＦＥＴ、ＨＦＥＴなどである。特に、ＭＯＳＦＥＴの駆動に本発明のゲート駆動回路は好適である。また、本発明のゲート駆動回路は、ゲート電源を３〜１５Ｖとし、コイルによって３０〜５０Ｖに昇圧して縦型トランジスタのゲートに供給する場合に好適である。また、本発明のゲート駆動回路は、車載用の縦型トランジスタを駆動するものとして好適である。車載用電源を用いて低オン抵抗での駆動が可能となるためである。 The vertical transistor to be driven is, for example, a MOSFET, IGBT, MISFET, HFET or the like. In particular, the gate drive circuit of the present invention is suitable for driving a MOSFET. The gate drive circuit of the present invention is suitable for a case where the gate power supply is 3 to 15 V, the voltage is boosted to 30 to 50 V by a coil and supplied to the gate of the vertical transistor. The gate drive circuit of the present invention is suitable for driving a vertical transistor for vehicle use. This is because driving with a low on-resistance becomes possible using an on-vehicle power supply.

本発明のゲート駆動回路は、ゲート信号生成用の電源と駆動用の電源を共用化できるため、ゲート駆動回路の低コスト化、小型化を図ることができる。また、本発明によれば、コイルに流れる電流の変化をゆるやかにすることができる。これにより、ゲート電圧のピーク電圧を抑制することができる。 Since the gate drive circuit of the present invention can share a power supply for generating a gate signal and a drive power supply, the cost and size of the gate drive circuit can be reduced. Further, according to the present invention, the change in the current flowing through the coil can be moderated. Thereby, the peak voltage of the gate voltage can be suppressed.

実施例１のゲート駆動回路の構成を示した図。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a gate drive circuit according to the first embodiment. 比較例のゲート駆動回路の構成を示した図。The figure which showed the structure of the gate drive circuit of a comparative example. 比較例のゲート駆動回路の動作波形を示した図。The figure which showed the operation | movement waveform of the gate drive circuit of the comparative example. 実施例１のゲート駆動回路の動作波形を示した図。FIG. 3 is a diagram illustrating operation waveforms of the gate drive circuit according to the first embodiment. 変形例のゲート駆動回路の構成を示した図。The figure which showed the structure of the gate drive circuit of a modification.

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.

図１は、実施例１のゲート駆動回路の構成を示した図である。実施例１のゲート駆動回路は、III 族窒化物半導体からなる縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１を駆動するための回路である。実施例１のゲート駆動回路は、図１のように、制御信号生成回路１０と、ｄＩ／ｄｔ調整回路２０と、ＭＯＳＦＥＴＱ２と、コイルＬ１と、抵抗Ｒ１と、ツェナーダイオードＤ１と、ゲート電源Ｖ１と、で構成されている。本発明の制御回路に相当するのが制御信号生成回路１０と、ｄＩ／ｄｔ調整回路２０である。 FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the gate drive circuit according to the first embodiment. The gate drive circuit according to the first embodiment is a circuit for driving the vertical MOSFET Q1 made of a group III nitride semiconductor. As shown in FIG. 1, the gate drive circuit according to the first embodiment includes a control signal generation circuit 10, a dI / dt adjustment circuit 20, a MOSFET Q2, a coil L1, a resistor R1, a Zener diode D1, and a gate power supply V1. , Is composed of. The control signal generation circuit 10 and the dI / dt adjustment circuit 20 correspond to the control circuit of the present invention.

図１のように、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート−ソース間にはゲート電源Ｖ１が接続されており、ゲート電源Ｖ１の正極と縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート、負極と縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のソースが接続されている。縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のソース−ドレイン間には負荷Ｒ３、電源Ｖ３が直列に接続されている。ゲート電源Ｖ１は、３〜１５Ｖである。そして、ゲート電源Ｖ１の正極性側と縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート間に、コイルＬ１、抵抗Ｒ１が直列に接続されている。 As shown in FIG. 1, a gate power source V1 is connected between the gate and source of the vertical MOSFET Q1, and the positive electrode of the gate power source V1 and the gate of the vertical MOSFET Q1, and the negative electrode and the source of the vertical MOSFET Q1 are connected. A load R3 and a power source V3 are connected in series between the source and drain of the vertical MOSFET Q1. The gate power supply V1 is 3 to 15V. A coil L1 and a resistor R1 are connected in series between the positive polarity side of the gate power supply V1 and the gate of the vertical MOSFET Q1.

また、コイルＬ１と抵抗Ｒ１との間には、ＳｉからなるＭＯＳＦＥＴＱ２（本発明の制御トランジスタに相当）がゲート電源Ｖ１に並列に接続されている。ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレイン側がコイルＬ１と抵抗Ｒ１との間、ソースがゲート電源Ｖ１の負極側に接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート（本発明の制御端子に相当）には、制御信号生成回路１０が接続されていて、制御信号生成回路１０からの制御信号が入力される。ＭＯＳＦＥＴＱ２は、制御信号に基づくオンオフ動作によってコイルＬ１に流れる電流を時間的に変化させる。これにより、ゲート電源Ｖ１の電圧を、オン電圧が３０〜５０Ｖであってデューティー比が制御信号生成回路１０からの制御信号を反転したものである電圧に昇圧し、ゲート信号としてコイルＬ１から縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートに供給する。縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１は、ゲート電圧が３０Ｖ未満ではオン抵抗が高く、３０〜５０Ｖでオン抵抗が低くなる特性のため、このような範囲において駆動することにより縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１で消費されるエネルギーを低減することができる。 Further, between the coil L1 and the resistor R1, a MOSFET Q2 made of Si (corresponding to the control transistor of the present invention) is connected in parallel to the gate power supply V1. The drain side of the MOSFET Q2 is connected between the coil L1 and the resistor R1, and the source is connected to the negative side of the gate power supply V1. A control signal generation circuit 10 is connected to the gate (corresponding to the control terminal of the present invention) of the MOSFET Q2, and a control signal from the control signal generation circuit 10 is input thereto. The MOSFET Q2 temporally changes the current flowing through the coil L1 by an on / off operation based on the control signal. As a result, the voltage of the gate power supply V1 is boosted to a voltage having an on-voltage of 30 to 50 V and a duty ratio obtained by inverting the control signal from the control signal generation circuit 10, and the vertical signal is generated from the coil L1 as a gate signal. Supply to the gate of MOSFETQ1. The vertical MOSFET Q1 has a high on-resistance when the gate voltage is less than 30V and a low on-resistance when the gate voltage is 30 to 50V. Therefore, driving in such a range reduces the energy consumed by the vertical MOSFET Q1. Can do.

なお、図５のように、抵抗Ｒ１に並列に、アノードをコイル側、カソードを縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート側としてダイオードＤ３を接続してもよい。縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のオフ時にゲート電荷が速やかに放電し、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のオフ動作を急峻にすることができる。また、オフ動作の急峻性が必要なければ、抵抗Ｒ１を省略してもよい。 As shown in FIG. 5, a diode D3 may be connected in parallel with the resistor R1, with the anode on the coil side and the cathode on the gate side of the vertical MOSFET Q1. When the vertical MOSFET Q1 is turned off, the gate charge is quickly discharged, and the off operation of the vertical MOSFET Q1 can be made steep. Further, if the steepness of the off operation is not necessary, the resistor R1 may be omitted.

また、制御信号が入力される制御端子を有し、制御信号によってオンオフ動作してコイルＬ１に流れる電流を時間的に増減させる素子（制御トランジスタ）であれば、ＭＯＳＦＥＴＱ２以外を用いてもよく、その材料もＳｉ以外を用いてよい。 Further, any element other than the MOSFET Q2 may be used as long as it is an element (control transistor) that has a control terminal to which a control signal is input and is turned on / off by the control signal to increase or decrease the current flowing through the coil L1. A material other than Si may also be used.

抵抗Ｒ１と縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートとの間には、ツェナーダイオードＤ１がゲート電源Ｖ１に並列に接続されている。ツェナーダイオードＤ１のカソードが抵抗Ｒ１と縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートとの間、アノードがゲート電源Ｖ１の負極側に接続されている。ツェナーダイオードＤ１は、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートに過電圧がかからないようにするためのものである。過電圧のおそれがない場合などにはこのツェナーダイオードＤ１は省いてもよい。 A Zener diode D1 is connected in parallel to the gate power supply V1 between the resistor R1 and the gate of the vertical MOSFET Q1. The cathode of the Zener diode D1 is connected between the resistor R1 and the gate of the vertical MOSFET Q1, and the anode is connected to the negative side of the gate power supply V1. The Zener diode D1 is for preventing an overvoltage from being applied to the gate of the vertical MOSFET Q1. The zener diode D1 may be omitted when there is no fear of overvoltage.

制御信号生成回路１０およびｄＩ／ｄｔ調整回路２０は、ＭＯＳＦＥＴＱ２のオンオフのタイミングを調整し、コイルＬ１の電流の時間変化を調整することで、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートに供給するゲート信号の増減を制御する回路である。 The control signal generation circuit 10 and the dI / dt adjustment circuit 20 control the increase / decrease of the gate signal supplied to the gate of the vertical MOSFET Q1 by adjusting the ON / OFF timing of the MOSFET Q2 and adjusting the time change of the current of the coil L1. Circuit.

制御信号生成回路１０は、ＰＷＭ回路１０ａと、インバータ１０ｂとによって構成されている。ＰＷＭ回路１０ａは、たとえば周波数１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚで、オン電圧がゲート電源Ｖ１と等しい矩形波の制御信号を生成する。このＰＷＭ回路１０ａから出力される制御信号のデューティー比は、ゲート信号のデューティー比と等しい。インバータ１０ｂは、ＰＷＭ回路１０ａからの制御信号を反転して出力し、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートに供給する。ＰＷＭ回路１０ａおよびインバータ１０ｂの制御電源は、ゲート電源Ｖ１を共用している。実施例１のゲート駆動回路では、コイルＬ１とＭＯＳＦＥＴＱ２を用いてゲート電源Ｖ１の電圧を昇圧しているため、このような縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１の駆動用の電源（ゲート電源Ｖ１）と制御信号生成用の制御電源とを共用することができる。そして、この共用によって実施例１のゲート駆動回路の低コスト化、小型化を図っている。 The control signal generation circuit 10 includes a PWM circuit 10a and an inverter 10b. For example, the PWM circuit 10a generates a rectangular wave control signal having a frequency of 10 kHz to 100 MHz and an ON voltage equal to that of the gate power supply V1. The duty ratio of the control signal output from the PWM circuit 10a is equal to the duty ratio of the gate signal. The inverter 10b inverts and outputs the control signal from the PWM circuit 10a and supplies it to the gate of the MOSFET Q2. The control power supply for the PWM circuit 10a and the inverter 10b shares the gate power supply V1. In the gate drive circuit according to the first embodiment, the voltage of the gate power supply V1 is boosted by using the coil L1 and the MOSFET Q2, so that the power supply for driving the vertical MOSFET Q1 (gate power supply V1) and the control signal generation are generated. The control power supply can be shared. This sharing reduces the cost and size of the gate drive circuit according to the first embodiment.

ｄＩ／ｄｔ調整回路２０は、図１のように、抵抗Ｒ２と、ダイオードＤ２によって構成されている。抵抗Ｒ２は、制御信号生成回路１０のインバータとＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートとの間に直列に接続されている。ダイオードＤ２は、抵抗Ｒ２に並列に接続されており、アノードをＭＯＳＦＥＴＱ２側、カソードを制御信号生成回路１０のインバータ側にして接続されている。 As shown in FIG. 1, the dI / dt adjustment circuit 20 includes a resistor R2 and a diode D2. The resistor R2 is connected in series between the inverter of the control signal generation circuit 10 and the gate of the MOSFET Q2. The diode D2 is connected in parallel to the resistor R2, and is connected with the anode on the MOSFET Q2 side and the cathode on the inverter side of the control signal generation circuit 10.

ｄＩ／ｄｔ調整回路２０をこのように構成することで、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオンとなったときには、ダイオードＤ２が導通してＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電荷が速やかに充電されるようにし、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフとなったときには、ダイオードＤ２で遮断してＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電荷が抵抗Ｒ２を通してゆるやかに放電するようにしている。すると、コイルＬ１を流れる電流は、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフとなったときに時間的にゆるやかに減少する。その結果、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１を駆動するゲート電圧は、オンのときのオーバーシュート（定常値を超えて上昇してしまうこと）が抑制され、定常値まで速やかに上昇する。 By configuring the dI / dt adjustment circuit 20 in this way, when the MOSFET Q2 is turned on, the diode D2 is turned on so that the gate charge of the MOSFET Q2 is quickly charged, and when the MOSFET Q2 is turned off, It is cut off by the diode D2 so that the gate charge of the MOSFET Q2 is slowly discharged through the resistor R2. Then, the current flowing through the coil L1 gradually decreases with time when the MOSFET Q2 is turned off. As a result, the gate voltage for driving the vertical MOSFET Q1 is suppressed from overshooting when it is turned on (raising beyond the steady value) and quickly rises to the steady value.

次に、実施例１のゲート駆動回路の動作について、比較例のゲート駆動回路と対比しつつ説明する。 Next, the operation of the gate drive circuit of the first embodiment will be described in comparison with the gate drive circuit of the comparative example.

まず、比較例のゲート駆動回路の構成について説明する。比較例のゲート駆動回路は、図２のように、実施例１のゲート駆動回路において、抵抗Ｒ２と並列に接続されているダイオードＤ１を省いた構成であり、他は同一構成である。 First, the configuration of the gate drive circuit of the comparative example will be described. As shown in FIG. 2, the gate drive circuit of the comparative example has the same configuration as the gate drive circuit of the first embodiment except that the diode D1 connected in parallel with the resistor R2 is omitted.

図３は、比較例のゲート駆動回路について、各地点での電圧波形、電流波形を示したグラフである。図３（ａ）は、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート−ソース間電圧、図３（ｂ）は、コイルＬ１に流れる電流、図３（ｃ）は、ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに流れる電流、図３（ｄ）は、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートソース間電圧、図３（ｅ）は、抵抗Ｒ１に流れる電流を示している。ゲート電源Ｖ１には１０Ｖのものを用いている。 FIG. 3 is a graph showing voltage waveforms and current waveforms at various points in the gate drive circuit of the comparative example. 3A is a gate-source voltage of the MOSFET Q2, FIG. 3B is a current flowing through the coil L1, FIG. 3C is a current flowing through the drain of the MOSFET Q2, and FIG. The gate-source voltage of the type MOSFET Q1, FIG. 3E, shows the current flowing through the resistor R1. The gate power supply V1 is 10V.

図３（ａ）のように、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートソース間電圧は、オン時とオフ時ともに、急峻に変化していることがわかる。ＭＯＳＦＥＴＱ２がオンオフされることにより、図３（ｂ）に示すように、Ｌ１を流れる電流が時間的に変化している。 As shown in FIG. 3A, it can be seen that the gate-source voltage of the MOSFET Q2 changes sharply both when it is on and when it is off. When the MOSFET Q2 is turned on / off, the current flowing through L1 changes with time as shown in FIG.

ここで、図３（ｃ）を見ると、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフとなると急峻にＭＯＳＦＥＴＱ２のドレイン電流が０となり、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電荷が速やかに放電していることがわかる。そのため、図３（ｂ）のように、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフとなったときにコイルＬ１を流れる電流は比較的速く減少する。 Here, it can be seen from FIG. 3C that when the MOSFET Q2 is turned off, the drain current of the MOSFET Q2 suddenly becomes 0, and the gate charge of the MOSFET Q2 is rapidly discharged. Therefore, as shown in FIG. 3B, the current flowing through the coil L1 decreases relatively quickly when the MOSFET Q2 is turned off.

その結果、図３（ｄ）のように、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１がオンになるときに一端定常値を超えて電圧が上昇し、その後定常値まで減少しており、オーバーシュートが発生していることが見て取れる。そして、図３（ｅ）のように、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１がオンになった瞬間に抵抗Ｒ１を流れる電流が高い値まで鋭く上昇しており、エネルギー損失が大きいことがわかる。 As a result, as shown in FIG. 3 (d), when the vertical MOSFET Q1 is turned on, the voltage rises beyond the steady value and then decreases to the steady value, resulting in overshoot. I can see it. As shown in FIG. 3E, the current flowing through the resistor R1 sharply rises to a high value at the moment when the vertical MOSFET Q1 is turned on, and it can be seen that the energy loss is large.

図４は、実施例１のゲート駆動回路について、各地点での電圧波形、電流波形を示したグラフである。図４（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ図３（ａ）〜（ｅ）と対応しており、同様の地点での電圧波形、電流波形を示している。 FIG. 4 is a graph showing voltage waveforms and current waveforms at various points in the gate drive circuit of the first embodiment. FIGS. 4A to 4E correspond to FIGS. 3A to 3E, respectively, and show voltage waveforms and current waveforms at similar points.

図４（ａ）のように、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフになると、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電圧は１０Ｖから５Ｖあたりまで急激に減少するが、その後はゆるやかに電圧が減少していることがわかる。これは、ｄＩ／ｄｔ調整回路２０が設けられていることにより、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフとなったときにＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電荷が抵抗Ｒ２を通してゆるやかに放電しているためである。 As shown in FIG. 4A, when the MOSFET Q2 is turned off, the gate voltage of the MOSFET Q2 rapidly decreases from 10V to around 5V, but thereafter, the voltage gradually decreases. This is because the dI / dt adjustment circuit 20 is provided, so that when the MOSFET Q2 is turned off, the gate charge of the MOSFET Q2 is slowly discharged through the resistor R2.

また、ＭＯＳＦＥＴＱ２のオフ時にゲートソース間電圧がゆるやかに減少する結果、図４（ｂ）のように、ＭＯＳＦＥＴＱ２のオフ時にコイルＬ１を流れる電流は、比較例の図３（ｂ）の場合に比べてゆるやかに減少しており、図４（ｃ）のように、ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレイン電流もゆるやかに減少している。 As a result of the gradual decrease in the gate-source voltage when the MOSFET Q2 is turned off, the current flowing through the coil L1 when the MOSFET Q2 is turned off as shown in FIG. 4B is larger than that in the comparative example shown in FIG. The drain current of the MOSFET Q2 gradually decreases as shown in FIG. 4C.

そして、図４（ｄ）のように、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートソース間電圧は、定常値４２Ｖまでオーバーシュートせずに上昇している。これは、コイルＬ１を流れる電流が図４（ｂ）のようにゆるやかに減少するためである。また、図４（ｅ）のように、抵抗Ｒ１を流れる電流のピークは、比較例の図３（ｅ）に比べて減少しており、エネルギー損失が低減されていることがわかる。 As shown in FIG. 4D, the gate-source voltage of the vertical MOSFET Q1 rises to the steady value 42V without overshooting. This is because the current flowing through the coil L1 gradually decreases as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 4E, the peak of the current flowing through the resistor R1 is reduced as compared with FIG. 3E of the comparative example, and it can be seen that the energy loss is reduced.

以上、実施例１のゲート駆動回路によれば、制御信号生成用の電源と駆動用の電源をゲート電源Ｖ１として共用化することができ、ゲート駆動回路の低コスト化、小型化を図ることができる。また、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電圧のオン時のオーバーシュートが抑制され、エネルギー損失が抑制される。 As described above, according to the gate drive circuit of the first embodiment, the control signal generation power supply and the drive power supply can be shared as the gate power supply V1, thereby reducing the cost and size of the gate drive circuit. it can. Further, overshoot when the gate voltage of the vertical MOSFET Q2 is turned on is suppressed, and energy loss is suppressed.

［変形例］
実施例１では、III 族窒化物半導体からなる縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１を駆動する例を示したが、本発明のゲート駆動回路により駆動する素子はこれに限るものではない。III 族窒化物半導体からなる縦型のトランジスタであれば、任意の素子を駆動するものであってよい。たとえば、ＩＧＢＴ、ＭＩＳＦＥＴ、ＨＦＥＴ、などを駆動するものであってもよい。 [Modification]
In the first embodiment, an example is shown in which the vertical MOSFET Q1 made of a group III nitride semiconductor is driven. However, the element driven by the gate drive circuit of the present invention is not limited to this. Any device may be used as long as it is a vertical transistor made of a group III nitride semiconductor. For example, an IGBT, MISFET, HFET, or the like may be driven.

実施例１のゲート駆動回路では、ゲート電源Ｖ１の電圧を３〜１５Ｖとしているが、このような電圧値に限るものではない。ただし、実用上このような範囲の電圧値であることが利便である。また、実施例１のゲート駆動回路では、コイルＬ１とＭＯＳＦＥＴＱ２により３０〜５０Ｖに昇圧しているが、これに限るものではない。ただし、III 族窒化物半導体からなる縦型ＭＯＳＦＥＴなどの縦型トランジスタは、３０Ｖ未満の駆動電圧ではオン抵抗が高く、３０Ｖ以上でオン抵抗が低くなり、５０Ｖあたりで飽和する特性を示すため、３０〜５０Ｖに昇圧することが望ましい。また、コイルＬ１のインダクタンスやＭＯＳＦＥＴＱ２の特性などの観点から、ゲート電源Ｖ１の電圧値を２〜１０倍、より望ましくは３〜５倍に昇圧するよう設定することが望ましい。 In the gate drive circuit according to the first embodiment, the voltage of the gate power supply V1 is 3 to 15 V, but the voltage is not limited to such a voltage value. However, it is convenient for the voltage value to be in such a range in practical use. In the gate drive circuit according to the first embodiment, the voltage is increased to 30 to 50 V by the coil L1 and the MOSFET Q2, but the present invention is not limited to this. However, a vertical transistor such as a vertical MOSFET made of a group III nitride semiconductor has a high on-resistance at a driving voltage of less than 30V, a low on-resistance at 30V or more, and a saturation characteristic around 50V. It is desirable to step up to ~ 50V. Further, from the viewpoint of the inductance of the coil L1 and the characteristics of the MOSFET Q2, it is desirable to set the voltage value of the gate power supply V1 to be boosted 2 to 10 times, more preferably 3 to 5 times.

本発明のゲート駆動回路は、車載用の縦型トランジスタを駆動するものとして好適である。車載用電源は１２Ｖであり、実施例１のゲート電源Ｖ１として車載用電源を用いることで、効率的に車載用の縦型トランジスタを駆動することができる。 The gate drive circuit of the present invention is suitable for driving an on-vehicle vertical transistor. The in-vehicle power source is 12V, and the in-vehicle vertical transistor can be efficiently driven by using the in-vehicle power source as the gate power source V1 in the first embodiment.

実施例１のゲート駆動回路では、ゲート信号の周波数を１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚとしているが、本発明はこれに限るものではない。ただし、省エネルギーなどの観点から、周波数をこの範囲として縦型トランジスタを駆動する場合に本発明のゲート駆動回路は好適である。 In the gate drive circuit of the first embodiment, the frequency of the gate signal is 10 kHz to 100 MHz, but the present invention is not limited to this. However, the gate drive circuit of the present invention is suitable when driving the vertical transistor with the frequency in this range from the viewpoint of energy saving.

本発明は、各種のＧａＮ系パワーデバイス、高周波デバイスのゲート駆動回路として用いることができる。特に車載用として好適である。 The present invention can be used as gate drive circuits for various GaN-based power devices and high-frequency devices. It is particularly suitable for in-vehicle use.

１０：制御信号生成回路
１０ａ：ＰＷＭ回路
１０ｂ：インバータ
２０：ｄＩ／ｄｔ調整回路
Ｑ１：縦型ＭＯＳＦＥＴ
Ｑ２：ＭＯＳＦＥＴ
Ｒ１、Ｒ２：抵抗
Ｒ３：負荷
Ｌ１：コイル
Ｄ１：ツェナーダイオード
Ｄ２：ダイオード
Ｖ１：ゲート電源
Ｖ３：電源 10: Control signal generation circuit 10a: PWM circuit 10b: Inverter 20: dI / dt adjustment circuit Q1: Vertical MOSFET
Q2: MOSFET
R1, R2: Resistance R3: Load L1: Coil D1: Zener diode D2: Diode V1: Gate power supply V3: Power supply

Claims

III 族窒化物半導体からなる縦型トランジスタを駆動するゲート駆動回路において、
前記縦型トランジスタのゲート−ソース間に接続されたゲート電源と、
前記ゲート電源に直列に接続され、前記縦型トランジスタを制御するゲート信号を前記縦型トランジスタのゲートに供給するコイルと、
前記ゲート信号の増減を制御する制御回路と、
を有し、
前記制御回路は、
前記ゲート電源と前記コイルの直列接続に対して並列に接続された制御トランジスタと、
前記制御トランジスタをオンオフするための制御信号を、前記制御トランジスタの制御端子に供給する制御信号生成回路と、
前記制御端子と前記制御信号生成回路との間に接続された抵抗と、前記抵抗に並列接続され、アノードが前記制御トランジスタの制御端子側、カソードが前記制御信号生成回路側に接続されたダイオードと、を有し、前記コイルに流れる電流の時間変化を調整するｄＩ／ｄｔ調整回路と、
を有することを特徴とするゲート駆動回路。 In a gate drive circuit for driving a vertical transistor made of a group III nitride semiconductor,
A gate power source connected between the gate and source of the vertical transistor;
A coil connected in series to the gate power supply and supplying a gate signal for controlling the vertical transistor to the gate of the vertical transistor;
A control circuit for controlling increase and decrease of the gate signal;
Have
The control circuit includes:
A control transistor connected in parallel to a serial connection of the gate power supply and the coil;
A control signal generation circuit for supplying a control signal for turning on and off the control transistor to a control terminal of the control transistor;
A resistor connected between the control terminal and the control signal generation circuit; a diode connected in parallel to the resistor; an anode connected to the control terminal side of the control transistor; and a cathode connected to the control signal generation circuit side; A dI / dt adjustment circuit for adjusting a time change of the current flowing through the coil;
A gate driving circuit comprising:

前記ゲート電源は、３〜１５Ｖであり、前記コイルは、３０〜５０Ｖに昇圧して前記縦型トランジスタのゲートに前記ゲート信号を供給する、
ことを特徴とする請求項１に記載のゲート駆動回路。 The gate power supply is 3 to 15 V, and the coil boosts the voltage to 30 to 50 V and supplies the gate signal to the gate of the vertical transistor.
The gate drive circuit according to claim 1, wherein:

前記コイルと前記縦型トランジスタのゲートの間に、直列に接続された抵抗と、前記抵抗に並列に接続され、アノードが前記コイル側、カソードが前記縦型トランジスタのゲート側に接続されたダイオードと、をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のゲート駆動回路。 A resistor connected in series between the coil and the gate of the vertical transistor, a diode connected in parallel to the resistor, an anode connected to the coil side, and a cathode connected to the gate side of the vertical transistor; The gate drive circuit according to claim 1, further comprising:

前記縦型トランジスタは、ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のゲート駆動回路。 4. The gate drive circuit according to claim 1, wherein the vertical transistor is a MOSFET.

前記縦型トランジスタは、車載用であり、前記ゲート電源は車載用電源である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のゲート駆動回路。 5. The gate drive circuit according to claim 1, wherein the vertical transistor is for in-vehicle use, and the gate power supply is for in-vehicle use. 6.