半导体开关元件的栅极驱动电路制造技术

本发明专利技术的栅极驱动电路包括：使半导体开关元件导通、截止的开关即晶体管；用于限制电流的电阻以及驱动晶体管的直流电源，还包括：通过指令晶体管导通而导通以使得开关元件导通的开关即晶体管；通过指令晶体管截止而截止以使开关元件截止的开关即晶体管；以及作为晶体管的电源且电压值比直流电源要低的直流电源，由此，使得从直流电源经由晶体管流至开关元件的栅极的电流的路径阻抗小于从直流电源经由晶体管流至开关元件的栅极的电流路径的阻抗要低。由此，提供一种栅极驱动电路，能够抑制因互相并联连接的开关元件的栅极阈值电压之差而造成的开关元件的电流不平衡，并能够以较小的电路规模来防止上下臂的短路。

Gate drive circuit of semiconductor switching element

The gate driving circuit of the invention includes a switch to the semiconductor switching element on and off the transistor; for DC power supply, limiting current and resistance of the driving transistor also includes a switch through instruction transistor is turned on and turned on to the switching element is turned on the transistor; transistor is turned off and stop command through the switch the switching element is cut-off transistor; as well as the power transistor and the voltage value is lower than the DC power supply, DC power supply which makes from the DC power supply via a gate transistor flow to the switching element of the power flow path impedance is smaller than that from the current path impedance DC power supply via a gate transistor flow to the switching element to the low. Thus, a gate drive circuit, current switch gate threshold voltage of the differential can inhibit the switching element is connected in parallel with each other because caused by the imbalance, and be able to small circuit scale to prevent short circuit on the lower arm.

【技术实现步骤摘要】
半导体开关元件的栅极驱动电路
本专利技术涉及用于功率转换装置的电压驱动型半导体开关元件的栅极驱动电路。
技术介绍
图4是表示使用电压驱动型半导体开关元件的逆变器的主电路结构的图。图4所示的逆变器的主电路包括：直流电源1、由电压驱动型半导体开关元件2a～2f(以下称作开关元件2a～2f)构成的三相逆变器部2、栅极驱动电路3a、3b、控制电路4。控制电路4对栅极驱动电路3a、3b分别提供控制信号Sa、Sb。M为负载电动机。此外，直流电源1也可以用由对交流电源电压进行整流的整流电路以及电解电容器构成的电路来代替。另外，图4仅分别示出了一个相的半导体开关元件2a、2b的栅极驱动电路3a、3b及控制信号Sa、Sb，而对于其他半导体开关元件2c～2f也同样设有分别提供控制信号Sc～Sf的栅极驱动电路3c～3f。电压驱动型半导体开关元件2a～2f除了图示的MOSFET之外也可以使用IGBT，在使用IGBT的情况下，回流二极管与IGBT主体反并联连接。栅极驱动电路3a、3b的结构也相同，因此此处，对驱动开关元件2a的栅极驱动电路3a的结构进行说明。图5是表示作为第一现有技术的栅极驱动电路3a1的结构的图。图5中，栅极驱动电路3a1包括：由输入有控制信号Sa的光电耦合器等装置构成的驱动部31；用于驱动电路的直流电源32(将其电压值设为VB)；一端与驱动部31相连的基极电阻33；在各个基极与基极电阻33的另一端相连且各个发射极与开关元件2a的栅极相连的状态下串联连接并输出输入信号的非反转信号的构成图腾柱输出型晶体管的晶体管34、35；以及分别与晶体管34、35串联的用于限制电流的电阻36、37。此处，用于使主电路的开关元件2a导通的晶体管34为NPN型，用于使开关元件2a截止的晶体管35为PNP型，通过将从驱动部31经由基极电阻33输入的信号S1分别施加到所述晶体管34、35的基极，从而所述晶体管34、35相配合地进行导通、截止动作。该电路的电源也可以设置为分别与晶体管34、35相对应的正负电源，以代替直流电源32。对图5所示的栅极驱动电路3a1的动作进行详细说明。在信号S1为“高”电平时，晶体管34导通，电流从直流电源32流入开关元件2a的栅极。由此，在开关元件2a的栅源极间电压VGS超过开关元件2a的栅极阈值电压(以下也简称为阈值电压)Vth的情况下，开关元件2a导通。另一方面，在信号S1为“低”电平时，晶体管35导通，从而电流朝存积于开关元件2a的栅极的电荷放电的方向流过。因此，开关元件2a截止。此外，通过调整基极电阻33及用于限制电流的电阻36、37的电阻值，从而对开关元件2a切换时的栅源极间电压的波形进行控制以使得波形的上升沿、下降沿不会过于剧烈，由此抑制浪涌电压。图5所示的栅极驱动电路记载于例如专利文献1。接着，图6是表示作为第二现有技术的栅极驱动电路3a2的结构的图。该栅极驱动电路3a2由后述的如图5所示电路中添加了由晶体管38等构成的有源镜像钳位电路(activemirrorclampcircuit)而成。图5所示的电路中，截止用的晶体管35导通，开关元件2a截止，图4所示的对相臂的开关元件2b也处于截止状态，与开关元件2a反并联状态的寄生二极管中有与流过开关元件2a的电流相反反向的回流电流流过时，开关元件2b的状态从截止状态变为导通状态，该情况下，正处于截止状态的开关元件2a中被施加有急剧的电源电压。由此，电源电压作为反向电压也被急剧地施加至开关元件2a的寄生二极管。因此，在开关元件2a的寄生二极管反向恢复时，开关元件2a的栅漏极间的电压v与时间t的电压变化率dv/dt较大的情况下，如虚线所示，较大值的电流i(i＝C·dv/dt)经由开关元件2a的栅漏极间的寄生电容(电容C)，流入开关元件2a的栅极。由此，开关元件2a的栅源极间电压VGS上升。开关元件2a的栅漏极间电压VGS在超过其阈值电压Vth的情况下，开关元件2a导通，使得上下臂短路，最坏的情况下，开关元件2a、2b可能损坏。为了防止开关元件2a、2b被损坏，如图6所示，将晶体管38连接至开关元件2a的栅源极间，在开关元件2a截止时，强制使晶体管38导通。由此，将开关元件2a的栅源极间设为低阻抗，以防止其导通。该情况下，开关元件2a的栅极通过信号线39与驱动部31a相连，晶体管38的基极也与驱动部31a相连，以形成有源镜像钳位电路。该有源镜像钳位电路是自动地检测、判断因开关元件2a的栅漏极间的寄生电容(镜像电容)的影响而导致的开关元件2a的栅源极间电压VGS的上升，并将该上升钳位住的电路。作为使晶体管38导通的控制动作，驱动部31a通过信号线39检测出开关元件2a的栅源极间电压VGS，在该电压VGS达到阈值电压Vth之前强制输出导通信号S2，并提供至晶体管38的基极。具备图6所示的有源镜像钳位电路的栅极驱动电路记载于例如专利文献2。现有技术文献专利文献专利文献1：日本专利特开2004-129378号公报(参照[0005]、图8等)专利文献2：日本专利特开2006-296119号公报(参照[0008]、图2等)
技术实现思路
专利技术所要解决的技术问题此外，一般为了实现系统的大容量化，有时将逆变器等装置的各臂部的多个开关元件相并联来使用。图7是表示利用电路结构与图5所示的栅极驱动电路3a1相同的栅极驱动电路3a1来驱动互相并联连接的两个开关元件2a、2a’时的电路结构的图。该图7中，参照符号i1、i2分别表示开关元件2a、2a’的漏极电流。若图7所示的开关元件2a、2a’的阈值电压Vth存在特性上的偏差，则该开关元件2a、2a’的切换时刻存在差异。图8是表示图7所示的开关元件的一个栅源极间电压的波形图。也就是说，如图8所示，相对于上升的栅源极间电压VGS而具有较低的阈值电压Vth1的元件在时刻t1导通，另一方面，具有较高的阈值电压Vth2的元件在时刻t2导通，在t1、t2间产生时间差Δt。由此，较早导通的元件在时间差Δt的期间有较大电流流过，集中产生开关损耗。图9、图10均是表示开关元件2a、2a’的漏极电流i1、i2的波形的波形图。图9示出了开关元件2a的阈值电压Vth1、开关元件2a’的阈值电压Vth2之差(换言之为导通时刻t1、t2之差)较小的情况。图10示出了阈值电压Vth1与阈值电压Vth2之差较大的情况。如图9、图10所示，时间差Δt越大，漏极电流i1、i2的不平衡越明显。另外，图11是表示如下的二极管(开关元件为MOSFET的情况下为寄生二极管)分别逆恢复时的电流i1d、i2d的波形的波形图，所述二极管分别连接至设有互相并联且栅极阈值电压Vth1、Vth2之差较大的两个开关元件2a、2a’的臂的相对侧的臂上互相并联的两个开关元件。若开关元件2a、2a’各自的阈值电压Vth1、Vth2之差较大，则即使假设相对侧的臂上二极管之间的特性相同，将各开关元件到各二极管为止的路径的布线结构要素上的差异也考虑在内，在开关元件2a、2a’之间，至少会产生栅极电流的不平衡。其结果是，如图11所示，开关元件2a、2a’从截止状态转移为导通状态的过度状态下，相对侧的臂的二极管在其从回流状态转移至逆恢复状态时电流i1d、i2d产生不平衡。因此，对于栅极驱动电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体开关元件的栅极驱动电路，用于对由互相并联连接的多个电压驱动型半导体开关元件构成的开关元件组进行驱动，该栅极驱动电路与所述开关元件组的栅极共通地连接，其特征在于，包括：使所述开关元件组导通的第1开关；与所述第1开关串联连接并使所述开关元件组截止的第2开关；对流过所述第1开关的电流进行限制的第1电流限制用电阻；对流过所述第2开关的电流进行限制的第2电流限制用电阻；以及作为所述第1开关及所述第2开关的驱动电源的至少第1直流电源，还包括：根据对于所述第1开关的导通指令信号来导通，从而使所述开关元件组导通的第3开关；根据对于所述第2开关的截止指令信号来截止，从而使所述开关元件组截止的第4开关；以及第2直流电源，该第2直流电源作为驱动所述第3开关及所述第4开关的电源，与包含所述第3开关与所述第4开关在内的串联电路的两端相连，且电压值比所述第1直流电源的电压值要低，由此使得经由导通状态的所述第3开关从所述第2直流电源流过所述开关元件组的栅极的电流的路径的阻抗低于经由导通状态的所述第1开关从所述第1直流电源流过所述开关元件组的栅极的电流的路径的阻抗。

【技术特征摘要】
2016.01.14 JP 2016-0054121.一种半导体开关元件的栅极驱动电路，用于对由互相并联连接的多个电压驱动型半导体开关元件构成的开关元件组进行驱动，该栅极驱动电路与所述开关元件组的栅极共通地连接，其特征在于，包括：使所述开关元件组导通的第1开关；与所述第1开关串联连接并使所述开关元件组截止的第2开关；对流过所述第1开关的电流进行限制的第1电流限制用电阻；对流过所述第2开关的电流进行限制的第2电流限制用电阻；以及作为所述第1开关及所述第2开关的驱动电源的至少第1直流电源，还包括：根据对于所述第1开关的导通指令信号来导通，从而使所述开关元件组导通的第3开关；根据对于所述第2开关的截止指令信号来截止，从而使所述开关元件组截止的第4开关；以及第2直流电源，该第2直流电源作为驱动所述第3开关及所述第4开关的电源，与包含所述第3开关与所述第4开...

【专利技术属性】
技术研发人员：泷泽聪毅，
申请(专利权)人：富士电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP