高频绝缘栅极驱动电路以及栅极电路驱动方法技术

本发明专利技术在使用了1MHz～100MHz频带的高频绝缘栅极驱动电路的变压器的绝缘电路结构中，不需要励磁电流的重置期间，而消除重置后的自我共振现象的产生，并抑制噪声电流的产生，并且抑制因噪声所导致的开关元件的误动作。在通过高频信号进行的多个栅极电路的驱动中，在对通过栅极驱动变压器进行的驱动用输入信号进行绝缘的结构中，使栅极驱动变压器的一次侧线圈中流动的励磁电流交替在两个方向上不间断地始终流动，由此不需要因仅使励磁电流在单方向上流动而引起的重置期间，并且消除重置后的自我共振现象的产生，并抑制因自我共振现象引起的噪声电流的产生，并且抑制因噪声所导致的开关元件的误动作。

High frequency insulated gate drive circuit and gate circuit drive method

The present invention in the 1MHz ~ 100MHz band high frequency insulated gate driving circuit of transformer insulation circuit structure in use, do not need to reset during the excitation current, and eliminate the phenomenon of self resonant reset after generation, and the noise current, misoperation and suppress switching elements caused by noise. In driving a plurality of gate circuit through the high frequency signal, in through the gate drive transformer for driving the input signal of the insulation structure, the excitation current flow of the primary coil to gate drive transformer in turn in two directions continuously always flow, thereby eliminating the need to only make the excitation current caused by the flow of the reset period in a single direction, and to eliminate the phenomenon of self resonant reset after generation, and the noise current caused by self resonance phenomenon of misoperation and inhibition of switching elements caused by noise.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高频绝缘栅极驱动电路以及栅极电路驱动方法
本专利技术，涉及驱动半导体开关元件的栅极电路的栅极驱动电路以及栅极电路的驱动方法，并使用于输出1MHz～100MHz的高频电力的高频放大装置。
技术介绍
在逆变器等电力转换装置中，将驱动负载的开关元件的栅极电路与主电源串联连接，并通过桥接电路等来切换负载的电流方向。图9(a)表示电力转换装置的结构例。在此，表示由开关元件101A～101D来构成全桥并对驱动电源103和负载104之间的连接进行切换的例子。开关元件101A～101D分别通过栅极驱动电路102A～102D控制接通(ON)/切断(OFF)。栅极驱动电路102A以及栅极驱动电路102C通过高压侧的输入信号S-A以及S-C来控制开关元件101A以及开关元件101C的接通/切断，栅极驱动电路102B以及栅极驱动电路102D通过低压侧的输入信号S-B以及S-D来控制开关元件101B以及开关元件101D的接通/切断，而进行相对于负载104的电流方向的切换。该栅极驱动电路，根据高压侧以及低压侧的栅极驱动电路的接通/切断状态，低压侧的开关元件101B、101D的基准电位并不会变动，但是高压侧的开关元件101A、101C的电位处于浮动状态，而基准电位会变动，因此，高压侧和低压侧的基准电位不同，并成为短路的主要原因。为了避免该短路，需要将高压侧和低压侧的开关元件的基准电位在电位上设为浮动状态。为了将开关元件的基准电位在电位上设为浮动状态，需要将向对各开关元件101A～101D进行接通/切断控制的栅极驱动电路102A、102C的输入信号S-A～S-D电气绝缘。图9(b)表示使用了绝缘元件的电力转换装置的结构例。在此，表示由开关元件101A、101B来构成半桥并对驱动电源103和负载104之间的连接进行切换的例子。在栅极驱动电路102A、102B的输入侧连接有绝缘元件105A、105B，通过绝缘元件105A、105B，输入信号S-A、S-B与绝缘驱动信号Siso被电气绝缘。作为将栅极驱动电路的输入信号进行电气绝缘的绝缘元件，公知有光耦合器、脉冲变压器。(专利公报1、2)另外，脉冲变压器，被用作驱动栅极电路的变压器，亦被称作栅极驱动变压器。图10表示使用了光耦合器的电路例。在图10(a)所示的驱动电路中，通过在驱动开关元件101A、101B的栅极驱动电路102A、102B上连接光耦合器105A、105B，来进行输入信号S-A和绝缘驱动信号Siso-A间的绝缘以及输入信号S-B和绝缘驱动信号Siso-B之间的绝缘。另外，能够将高频MOS-FET等开关元件101和FET驱动器等栅极驱动电路102组合来构成内置驱动器的RF-MOS模块。图10(b)表示驱动信号波形。(b-1)表示高压侧的输入信号S-A，(b-3)表示通过光耦合器绝缘而得到的高压侧的绝缘驱动信号Siso-A。另外，(b-2)表示低压侧的输入信号S-B，(b-4)表示通过光耦合器绝缘而得到的低压侧的绝缘驱动信号Siso-B。图11表示使用栅极驱动变压器(脉冲变压器)来进行绝缘的电路例。在图11(a)所示的驱动电路中，通过在驱动开关元件101A、101B的栅极驱动电路102A、102B上连接自由磁化变压电路106A、106B，来进行输入信号S-A和绝缘驱动信号Siso-A间的绝缘以及输入信号S-B和绝缘驱动信号Siso-B之间的绝缘。在图11(a)所示的电路例中，与图10(a)的电路例相同，能够将高频MOS-FET等开关元件101A、101B和FET驱动器等栅极驱动电路102A、102B组合来构成内置驱动器的RF-MOS模块。图11中所示的自由磁化变压电路106A、106B，是将栅极驱动变压器(脉冲变压器)以正向方式来构成的绝缘电路，并在栅极驱动变压器(脉冲变压器)106a的一次侧线圈上串联连接FET106b，且在一次侧线圈上并联连接整流二极管和电阻的串联电路，而在二次线圈侧的输出端连接整流电路106d。在自由磁化变压电路106中，使变压器仅在单方向上励磁，并通过在开关元件为切断状态的期间释放被积蓄在线圈中的能量，使磁化状态重置。与一次侧线圈并联连接的整流二极管和电阻的串联电路，构成重置电路(缓冲电路)106c。在此，通过被积蓄在线圈中的能量的自然释放来进行被磁化的线圈的磁化状态的重置。该磁化状态的重置，由于不依存于外部作用而自由地进行，因此，称作“自由磁化”。图11(b)表示驱动信号波形。(b-1)表示高压侧的输入信号S-A，(b-2)表示低压侧的输入信号S-B，(b-3)表示通过栅极驱动变压器绝缘而得到的高压侧的绝缘驱动信号Siso-A，(b-4)表示通过栅极驱动变压器绝缘而得到的低压侧的绝缘驱动信号Siso-B。现有技术文献专利文献专利文献1日本专利第5416673号专利文献2日本特开2008-270548号
技术实现思路
专利技术要解决的课题在作为绝缘元件而使用光耦合器的电路结构中，存在有下述的问题点。(1)在使用光耦合器时，存在绝缘前后会在信号中产生相位差的问题。如通过在图10(b-1)的输入信号S-A和图10(b-3)的绝缘驱动信号Siso-A之间的比较所示那样，因光耦合器自身的传输延迟而产生延迟，绝缘后的绝缘驱动信号Siso-A，相对于绝缘前的输入信号S-A而产生相位差。(2)在使用光耦合器时，存在绝缘后的绝缘驱动信号的脉宽会有所变动的问题。如通过在图10(b-2)的输入信号S-B和图10(b-4)的绝缘驱动信号Siso-B之间的比较所示那样，因光耦合器内部的阈值的参差不齐，绝缘后的绝缘驱动信号Siso-B的脉宽相对于绝缘前的输入信号S-B而有所增加或减少。由于(1)以及(2)的问题，当为了将高频的栅极信号绝缘而使用光耦合器时，需要对于绝缘后的绝缘驱动信号进行某些修正。当在绝缘后而并不对驱动信号进行修正时，若是负载由变压器构成，则由于在被施加的正负的电压时间积中产生差，因此会产生变压器偏磁的问题。(3)在使用了光耦合器时，存在由于光耦合器的动作的参差不齐而导致高压侧和低压侧的开关元件间产生短路的问题。当在光耦合器的动作中存在参差时，高压侧的绝缘驱动信号Siso-A和低压侧的绝缘驱动信号Siso-B之间的死区时间(deadtime)如同Td-2那样而缩短，并在开关元件101A和开关元件101B的RF-MOSFET间而产生上下短路。(4)在实际的光耦合器中，由于绝缘侧的输出电流为较小的数十μA～数mA，因此存在抗噪声弱的问题。(5)由于高频的变位电压会透过存在于光耦合器的绝缘间的寄生电容Ciso而逃逸，因此会有使光耦合器误点弧的问题。另一方面，当使用自由磁化变压器而进行绝缘时，若是驱动变压器的MOS-FET106b的特性为相同，则能够将输入信号与绝缘驱动信号之间的相位差以及脉宽的偏移消除，除此之外，根据驱动变压器的MOS-FET106b的性能，能够流动更多的变压器的二次电流I2，因此有相较于光耦合器而抗噪声性为更高的优点。然而，当使用自由磁化变压器时，存在下述的问题点。另外，图11(c)表示绝缘后的驱动信号波形。(6)如图11(c-3)中所示，为了将励磁电流(I1的虚线以及斜线部分)重置，需要重置(RESET)期间，在重置期间中，会有MOS-FET106b的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高频绝缘栅极驱动电路，是以彼此绝缘的高频信号来驱动多个栅极电路的电路，其特征在于，具备：输入信号形成电路，其输出2个输入信号，该2个输入信号是以相同占空比、且彼此相位偏移的互补的电压信号，并且是通过将各电位以时间序列在高电位和低电位交替切换，而具备彼此的相电压为高电位和低电位的互补关系的互补电位期间、以及彼此的相电压为相同电位的同电位期间的信号；栅极驱动变压器，其在一次侧线圈的两端的各输入端子上连接有上述输入信号形成电路(10)的各相的输出端子；和电流‑电压转换电路，其在输入端子上连接有上述栅极驱动变压器的输出端子，并向上述栅极电路输出将上述栅极驱动变压器的二次侧线圈中流动的二次电流进行电流‑电压转换而得的绝缘驱动信号，在上述栅极驱动变压器的一次侧线圈中，在上述互补电位期间流动励磁电流和负载电流，在上述同电位期间流动励磁电流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.30 JP 2015-0167411.一种高频绝缘栅极驱动电路，是以彼此绝缘的高频信号来驱动多个栅极电路的电路，其特征在于，具备：输入信号形成电路，其输出2个输入信号，该2个输入信号是以相同占空比、且彼此相位偏移的互补的电压信号，并且是通过将各电位以时间序列在高电位和低电位交替切换，而具备彼此的相电压为高电位和低电位的互补关系的互补电位期间、以及彼此的相电压为相同电位的同电位期间的信号；栅极驱动变压器，其在一次侧线圈的两端的各输入端子上连接有上述输入信号形成电路(10)的各相的输出端子；和电流-电压转换电路，其在输入端子上连接有上述栅极驱动变压器的输出端子，并向上述栅极电路输出将上述栅极驱动变压器的二次侧线圈中流动的二次电流进行电流-电压转换而得的绝缘驱动信号，在上述栅极驱动变压器的一次侧线圈中，在上述互补电位期间流动励磁电流和负载电流，在上述同电位期间流动励磁电流。2.根据权利要求1所述的高频绝缘栅极驱动电路，其特征在于，上述电流-电压转换电路，是将第1并联电路和第2并联电路串并联连接而成的结构，该第1并联电路和第2并联电路是分别将电阻和整流二极管并联连接而成的结构，上述第1并联电路在上述栅极驱动变压器的二次侧线圈的卷绕起始侧，将整流二极管的正向朝向上述栅极电路而串联连接，上述第2并联电路在上述栅极驱动变压器的二次侧线圈的卷绕起始侧和卷绕结束侧之间，将整流二极管的正向朝向上述栅极电路的输入端而并联连接。3.根据权利要求2所述的高频绝缘栅极驱动电路，其特征在于，上述第1并联电路及/或上述第2并联电路将电容器并联连接。4.根据权利要求2所述的高频绝缘栅极驱动电路，其特征在于，在上述电流-电压转换电路中，关于上述第1并联电路的电阻的电阻值和上述第2并联电路的电阻的电阻值，将从上述栅极驱动变压器观察时的输入阻抗调整为预定值。5.根据权利要求4所述的高频绝缘栅极驱动电路，其特征在于，上述第1并联电路的电阻的电阻值和上述第2并联电路的电阻的电阻值，系为包含同一电阻以及容许量的同等的电阻值。6.根据权利要求4所述的高频绝缘栅极驱动电路，其特征在于，上述第1并联电路的电阻的电阻值和上述第2并联电路的电阻的电阻值与栅极驱动变压器和电流-电压转换电路之间的传输线路的特性阻抗相同。7.根据权利要求1～6中任一项所述的高频绝缘栅极驱动电路，其特征在于，在上述栅极驱动变压器的一次侧或二次侧具备共模变压器，上述共模变压器的特性阻抗与栅极驱动变压器和电流-电压转换电路之间的传输线路的特性阻抗相同。8.根据权利要求1～7中任一项所述的高频绝缘栅极驱动电路，其特征在于，上述输入信号形成电路具备：形成高频脉冲信号的脉冲信号形成电路；基于上述高频脉冲信号的二值，输出高电位或低电位的输入信号的2个栅极驱动变压器驱动元件。9.根据权利要求1～8中任一项所述的高频绝缘栅极驱动电路，其特征在于，该高频绝缘栅极驱动电路具备形成高频脉冲信号的控制电路，上述输入信号形成电路具备基于上述控制电路形成的高频脉冲信号的二值信号，输出高电位或低电位的输入信号的2个栅极驱动变压器驱动元件。10.根据权利要求1～9中任一项所述的高频绝缘栅极驱动电路，其特征在于，上述栅极电路由开关元件、和驱动该开关元件的栅极驱动电路的高频开关模块构成，上述栅极驱动电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：让原逸男，国玉博史，
申请(专利权)人：株式会社京三制作所，
类型：发明
国别省市：日本,JP