JP4968487B2 - ゲートドライブ回路 - Google Patents
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Description
なる交流電力又は直流電力に変換する電力変換装置は、例えば、無停電電源装置やモータ
ー用インバータ、DC−DCコンバータなどに利用される。
このため、既存のシリコンデバイスをはるかに凌駕するポテンシャルを持つSiC或いはGaNデバイスはその実用化が待ち望まれている。
また、ゲート・ソース間はダイオードの順方向電圧特性に近似した特性を持ち、従来のシリコンMOSFETと異なり、例えば10V前後のゲートパルス電圧を印加すると、ゲート電流が流れてしまい、信頼性とゲートドライブ電力が増大するという、2つの問題が生じる。
バイポーラトランジスタのドライブ回路のように、非飽和電圧ドライブを行うと、GaNFETの特徴である、低オン抵抗特性によるオン時の低損失を活かせない問題を生じる。
イッチ素子であって、ドレインとソースとゲートとを有し、前記ゲートをドライブする信
号と前記ゲートとの間にコンデンサと抵抗の直列回路を介して接続され、前記ドレインと
前記ゲートとの間に、第一のダイオードと電圧制限回路との直列回路からなるゲート電圧
クランプ回路とを備え、
前記第一のダイオードのアノード側は、前記ワイドバンドギャップ半導体からなるスイ
ッチ素子のドレインに接続され、カソード側は前記電圧制限回路を介して前記ワイドバン
ドギャップ半導体のゲートに接続され、
前記電圧制限回路は、
前記スイッチ素子と同じワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチ素子からなる第二
のスイッチ素子と第二のダイオードからなり、
前記第二のスイッチ素子のドレインに第二のダイオードのアノードが接続され、かつ、前
記第二のスイッチ素子のゲートに前記第二のダイオードのカソードが接続され、
前記第二のスイッチ素子のソースは前記第一のダイオードのアノードに接続され、
前記第二のスイッチ素子のドレインは前記ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチ
素子のゲートに接続されたことを特徴とする。
インとソースとゲートとを有し、
前記ゲートをドライブする信号と前記ゲートとの間に、コンデンサとバッファ回路との直
列回路を介して接続され、
さらに、前記バッファ回路の出力端子は前記スイッチ素子のゲート端子にゲート抵抗を介
して接続され、
前記コンデンサと前記バッファ回路との接続点となる前記バッファ回路の入力端子と前記
ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチ素子のドレインとの間に、ダイオードと電
圧制限回路からなるゲート電圧クランプ回路とを備え、
前記ダイオードのカソードは前記スイッチ素子のドレインに接続され、前記ダイオード
のアノードは前記電圧制限回路に接続されていることを特徴とする。
このHEMT Q1は、ゲートGとドレインとソースとを有し、ゲート・ソース間にドライブ電圧を徐々に印加していくと、ゲート閾値電圧を超え、ドレイン・ソース間電圧の飽和電圧に達した以上のゲート電圧において、ダイオード特性のようにゲート電流が流れ始める特性を持っている。
半導体スイッチQ1への制御信号signalが入力されると、コンデンサCbと抵抗Rgからなる直列回路を介して半導体スイッチQ1のゲート端子に電圧が印加され、半導体スイッチQ1はオン状態になる。すなわち、半導体スイッチQ1のゲート・ドレイン端子間に接続されているツェナーダイオードDzとダイオードD1に、コンデンサCbと抵抗Rgの直列回路及びバイアス抵抗Rbからのドライブ電流が流れ、図示しない半導体スイッチQ1のゲート・ソース間容量へ流れ、ゲート電圧Vgは上昇し、半導体スイッチQ1はオンする。
図6に示すゲートドライブ回路は、制御信号signalをコンデンサCb´を介して、トランジスタQ2、Q3からなるバッファのベース端子に入力し、かつ、制御信号signalのオーバードライブ分をツェナーダイオードDz及びダイオードD1を介して、半導体スイッチQ1のゲート・ソース間でクランプさせるものである。
また、NPNトランジスタQ2のエミッタ端子とPNPトランジスタQ3のエミッタ端子とゲート抵抗Rgの一方の端子に接続され、ゲート抵抗Rgの他方の端子と半導体スイッチQ1のゲート端子及びゲート・ソース間抵抗Rgsの一方の端子が接続されている。
NPNトランジスタQ2のコレクタ端子は図示しない制御電源の電圧Vccに接続され、PNPトランジスタQ3のコレクタ端子と半導体スイッチQ1のソース端子並びにゲート・ソース間抵抗Rgsの他方の端子がGND端子に接続されている。
同時に半導体スイッチQ1はオン動作に移行し、時刻t2にてドレイン電圧はオン状態に達し、かつ、ゲート電流Igは0となる。ここで、コンデンサCb´の充電は完了していないので、時刻t2後は、ツェナーダイオードDzとダイオードD1を介して半導体スイッチQ1のドレイン端子に流れる。従って、半導体スイッチQ1のゲート端子電圧は、ツェナー電圧VzとダイオードD1順方向電圧VFを足した電圧からPNトランジスタのベースエミッタ間電圧との差分の電圧が印加され、半導体スイッチQ1のゲート最大電圧Vg(max)を超える過電圧は印加されない。
なお、ダイオードDbは電源投入時など制御信号signalがない状態の半導体スイッチQ1がノイズ等の誤動作によりオンさせないための保護ダイオードであり、順方向電圧の低いダイオードを選択するのが好ましく、或いは、抵抗に置き換えてもよい。
従って、制御信号signalのドライブ電力を小さくすることができ、かつ、コンデンサCb´からオーバードライブ電流をツェナーダイオードDzとダイオードD1によるクランプ回路へ流すことにより、半導体スイッチQ1のゲート端子電圧をドライブするのに最適なドライブ電力に抑えることができる。
また、NPNトランジスタQ2のエミッタ端子とPNPトランジスタQ3のエミッタ端子とゲート抵抗Rgの一方の端子は接続され、ゲート抵抗Rgの他方の端子は半導体スイッチQ1のゲート端子並びにゲート・ソース間抵抗Rgsの一方の端子とが接続されている。
図示しない制御電源の電圧Vcc端子には、P型MOSFET Q4のソース端子が接続され、MOSFET Q4のドレイン端子はコンデンサC1の一方の端子とNPNトランジスタQ2のコレクタ端子とに接続され、コンデンサC1の他方の端子はコンデンサC2の一方の端子とN型MOSFET Q5のドレイン端子に接続され、コンデンサC2の他方の端子はダイオードDaのアノード端子とダイオードDcのカソ―ド端子に接続され、ダイオードDaのカソード及びゲート抵抗Rgsの他方の端子はGNDに接続されている。
ダイオードDcのアノードはコンデンサC3の一方の端子とPNPトランジスタQ3のコレクタ端子に接続されている。
P型MOSFET Q4のゲート端子は、N型MOSFET Q5のゲート端子とコンデンサCb´の一方の端子とダイオードDbのカソード端子と制御信号signal端子に接続されている。
半導体スイッチQ1のソース端子とN型MOSFET Q5のソース端子及びゲート・ソース間抵抗Rgsの他方の端子とコンデンサC3の他方の端子はGND端子に接続されている。
従い、コンデンサC1の一方の端子電圧aは、時刻t1〜t2間に示す1/2Vcc電圧となり、コンデンサC2の他方の端子電圧cは、ダイオードDaの順方向電圧VFから−1/2Vcc+VF電圧となり、ダイオードDcを介してコンデンサC3を充電する。コンデンサC3のd点の電圧は、ダイオードDa及びDcの順方向電圧をVFとすれば、−1/2Vcc+2×VFで示される。
なお、PNPトランジスタQ2のコレクタであるd点の電圧は負電圧であり、半導体スイッチQ1のゲート電圧は時刻t2〜t3の期間、−1/2Vcc+2×VFの負電圧が印加されるので、半導体スイッチQ1のゲート閾値電圧が低くても、ノイズマージンを十分確保することが可能になる。
Rb,Rg,Rgs,R1〜R3,R 抵抗
Dz 定電圧ダイオード
D1,Da,Db,Dc ダイオード
Q1 GaNFET
Q2 NPNトランジスタ
Q3 PNPトランジスタ
Q4 P型MOSFET
Q5 N型MOSFET
Claims (2)
- ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチ素子であって、ドレインとソースとゲー
トとを有し、前記ゲートをドライブする信号と前記ゲートとの間にコンデンサと抵抗の直
列回路を介して接続され、前記ドレインと前記ゲートとの間に、第一のダイオードと電圧
制限回路との直列回路からなるゲート電圧クランプ回路とを備え、
前記第一のダイオードのアノード側は、前記ワイドバンドギャップ半導体からなるスイ
ッチ素子のドレインに接続され、カソード側は前記電圧制限回路を介して前記ワイドバン
ドギャップ半導体のゲートに接続され、
前記電圧制限回路は、
前記スイッチ素子と同じワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチ素子からなる第二
のスイッチ素子と第二のダイオードからなり、
前記第二のスイッチ素子のドレインに第二のダイオードのアノードが接続され、かつ、前
記第二のスイッチ素子のゲートに前記第二のダイオードのカソードが接続され、
前記第二のスイッチ素子のソースは前記第一のダイオードのアノードに接続され、
前記第二のスイッチ素子のドレインは前記ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチ
素子のゲートに接続されたことを特徴とするゲートドライブ回路。 - ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチ素子であって、ドレインとソースとゲー
トとを有し、
前記ゲートをドライブする信号と前記ゲートとの間に、コンデンサとバッファ回路との直
列回路を介して接続され、
さらに、前記バッファ回路の出力端子は前記スイッチ素子のゲート端子にゲート抵抗を介
して接続され、
前記コンデンサと前記バッファ回路との接続点となる前記バッファ回路の入力端子と前記
ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチ素子のドレインとの間に、ダイオードと電
圧制限回路からなるゲート電圧クランプ回路とを備え、
前記ダイオードのカソードは前記スイッチ素子のドレインに接続され、前記ダイオード
のアノードは前記電圧制限回路に接続されていることを特徴とするゲートドライブ
回路。
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