栅极驱动电路制造技术

一种栅极驱动电路，其驱动第一晶体管的栅极，包括：由在第一连接节点串联连接的第一电压源和第二电压源构成的串联连接结构的高电位端和低电位端之间的、在第二连接节点串联连接的高电位侧的第一开关和低电位侧的第二开关；以及串联连接在第一连接节点和第二连接节点之间的第三开关和电感器，其中，第一晶体管的栅极能够电连接至第二连接节点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】栅极驱动电路
本专利技术涉及栅极驱动电路。
技术介绍
传统上，已经开发了驱动诸如MOS场效应晶体管(MOSFET)的晶体管的栅极的各种栅极驱动电路。例如，专利文献1公开了传统的栅极驱动电路的一个示例。专利文献1的栅极驱动电路包括切换输出电压的三个电平的切换电路，并且在切换电路与晶体管的栅极之间连接有电抗器。切换电路切换零电平、中间电平和作为功率电平的两倍中间电平。当晶体管导通时，切换电路将输出电压从零电平切换到中间电平。然后，由于电抗器以及晶体管的栅极-源极电容而发生谐振。在这种情况下，栅极电压迅速增加到功率电平，并且栅极电压的变化点在某个时间点变为零。在该时间点，切换电路将输出电压切换到功率电平，使得栅极电压保持在功率电平。在截止时，以与导通时相反的顺序执行操作。此外，传统上，在对开关电源、马达驱动器等的开关元件进行切换的栅极驱动电路中，提出了一种仅在切换的瞬间临时改变开关元件的栅极电压以便实现高速切换的方法(例如，参见专利文献2至4)。引用列表专利文献专利文献1：JP特开第2007-282326号公报专利文献2：JP特开第2009-200891号公报专利文献3：日本专利第4804142号专利文献4：JP特开第2010-51165号公报专利文献5：JP特开第2017-183979号公报
技术实现思路
专利技术所解决的技术问题在此，晶体管具有内部栅极电阻器(寄生电阻)，并且当由栅极驱动电路驱动晶体管时，对晶体管的栅极进行充电和放电的栅极电流受到内部栅极电阻器的限制。特别地，使用诸如SiC的半导体材料的晶体管具有大的内部栅极电阻器，这更加限制了栅极电流。这导致了晶体管的切换速度降低并且切换损耗增加的问题。然而，上述专利文献1的栅极驱动电路旨在抑制导通时的栅极电压的过冲和截止时的栅极电压的下冲，并且尚未考虑如上所述的由于晶体管的内部栅极电阻器造成的切换速度的降低。鉴于上述情况，期望实现要被驱动的晶体管的更高的切换速度。此外，在专利文献2中，需要作为临时增加栅极电压的手段的许多无源元件，因此存在电路规模增大的问题。此外，在专利文献3中，通过切换多个电源来临时增加栅极电压，因此，除了增加电路规模的问题之外，还存在还需要复杂控制的问题。此外，在专利文献4中，驱动目标是其中在稳定的导通(ON)状态下也要求栅极电流流动的电流驱动型开关元件(结型FET)。因此，该文献中提出的电容器应与作为基本电路元件的栅极电阻器并联连接，并且未假定单独使用电容器。在这方面，专利文献4的传统技术看起来与本专利技术相似但在基本结构上明显不同。注意，鉴于上述问题，本专利申请的申请人在专利文献5中提出了一种可以容易地实现高速切换的栅极驱动电路。但是，关于电容器和输入电容的变化，该传统技术仍然需要更多考虑。鉴于这种情况，还期望提供一种即使电容器或输入电容有变化也能够容易且适当地实现高速切换的栅极驱动电路。解决问题的手段根据本专利技术的一个方面的栅极驱动电路是被设置为驱动第一晶体管的栅极的栅极驱动电路，包括：由在第一连接节点处串联连接的第一电压源和第二电压源构成的串联连接结构的高电位端和低电位端之间的、在第二连接节点处串联连接的高电位侧的第一开关和低电位侧的第二开关；以及串联连接在所述第一连接节点和所述第二连接节点之间的第三开关和电感器。所述第一晶体管的所述栅极能够电连接至所述第二连接节点。此外，根据本专利技术另一个方面的栅极驱动电路包括：第一晶体管，所述第一晶体管的第一端子连接至第一电压的施加端子，并且所述第一晶体管的第二端子经由电容器连接至开关元件的栅极；第二晶体管，所述第二晶体管的第一端子经由所述电容器连接至所述开关元件的所述栅极，并且所述第二晶体管的第二端子连接至低于所述第一电压的第二电压的施加端子，所述第二晶体管以与所述第一晶体管相反的相位被驱动；第三晶体管，所述第三晶体管的第一端子连接至高于所述第二电压的第三电压的施加端子，并且所述第三晶体管的第二端子经由第一整流器元件连接至所述开关元件的所述栅极，所述第三晶体管以与所述第一晶体管相同的相位被驱动；以及第四晶体管，所述第四晶体管的第一端子经由第二整流器元件连接至所述开关元件的所述栅极，并且所述第四晶体管的第二端子连接至低于所述第三电压的第四电压的施加端子，所述第四晶体管以与所述第二晶体管相同的相位被驱动。所述第一电压高于所述第三电压并且所述第二电压等于所述第四电压，或者所述第二电压低于所述第四电压并且所述第一电压等于所述第三电压，或者所述第一电压高于所述第三电压并且所述第二电压低于所述第四电压。本专利技术的效果根据本专利技术的栅极驱动电路，可以适当地提高切换速度。附图说明图1是示出根据本专利技术的一个实施方式的栅极驱动电路的结构的电路图。图2是示出传统的栅极驱动电路的一个示例的电路图。图3是晶体管导通和截止时的操作时序图。图4A是示出导通时的第一操作状态的电路图。图4B是示出导通时的第二操作状态的电路图。图4C是示出导通时的第三操作状态的电路图。图4D是示出导通时的第四操作状态的电路图。图5A是示出截止时的第一操作状态的电路图。图5B是示出截止时的第二操作状态的电路图。图5C是示出截止时的第三操作状态的电路图。图5D是示出截止时的第四操作状态的电路图。图6是示出根据一种变形例的栅极驱动电路的结构的电路图。图7是示出根据另一种变形例的栅极驱动电路的结构的电路图。图8是示出晶体管导通时的各种波形的时序图。图9是晶体管(MOSFET)的模型图。图10是示出根据另一种变形例的栅极驱动电路的结构的电路图。图11是示出要与本专利技术进行比较的栅极驱动电路的参考例的等效电路图。图12是该参考例中的导通瞬态特性的切换波形图。图13是Id-Vgs特性图。图14是示出栅极驱动电路的第一实施方式的等效电路图。图15是示出Vgs和Vgs(real)的导通行为的电压波形图。图16是示出第一实施方式中的导通瞬态特性的切换波形图。图17是示出栅极驱动电路的第二实施方式的等效电路图。图18是示出栅极驱动电路的第三实施方式的等效电路图。图19是示出栅极驱动电路的第四实施方式的等效电路图。图20是示出栅极驱动电路的第五实施方式的等效电路图。图21是示出栅极驱动电路的第六实施方式的等效电路图。图22是示出栅极驱动电路的第七实施方式的等效电路图。图23是示出栅极驱动电路的第八实施方式的等效电路图。图24是示出栅极驱动电路的第九实施方式的等效电路图。图25是示出栅极驱动电路的第十实施方式的等效电路图。图26是用于说明第十实施方式的操作原理(导通时)的电流路径图。图27是示出第十实施方式中的导通瞬态特性的切换波形图。图28是用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种栅极驱动电路，其被设置为驱动第一晶体管的栅极，所述栅极驱动电路包括：/n由在第一连接节点处串联连接的第一电压源和第二电压源构成的串联连接结构的高电位端和低电位端之间的、在第二连接节点处串联连接的高电位侧的第一开关和低电位侧的第二开关；以及/n串联连接在所述第一连接节点和所述第二连接节点之间的第三开关和电感器，其中：/n所述第一晶体管的所述栅极能够电连接至所述第二连接节点。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171212 JP 2017-237685;20180416 JP 2018-0783491.一种栅极驱动电路，其被设置为驱动第一晶体管的栅极，所述栅极驱动电路包括：
由在第一连接节点处串联连接的第一电压源和第二电压源构成的串联连接结构的高电位端和低电位端之间的、在第二连接节点处串联连接的高电位侧的第一开关和低电位侧的第二开关；以及
串联连接在所述第一连接节点和所述第二连接节点之间的第三开关和电感器，其中：
所述第一晶体管的所述栅极能够电连接至所述第二连接节点。


2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其中，所述栅极驱动电路还包括：
第一电流阻挡单元和第二电流阻挡单元中的至少一个，所述第一电流阻挡单元被设置为阻挡从所述第二连接节点到所述高电位侧的电流，所述第二电流阻挡单元被设置为阻挡从所述低电位侧到所述第二连接节点的电流；以及
防逆流单元，其被设置为防止在所述电感器中流动的电流的逆流。


3.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其中：
所述第三开关是双向开关，
所述防逆流单元防止双向逆流，并且
既提供所述第一电流阻挡单元又提供所述第二电流阻挡单元。


4.根据权利要求3所述的栅极驱动电路，其中：
所述双向开关由串联连接的第二晶体管和第三晶体管制成，并且
所述防逆流单元是所述第二晶体管的二极管和所述第三晶体管的二极管。


5.根据权利要求3或4所述的栅极驱动电路，其中：
所述第一开关和所述第二开关为第四晶体管和第五晶体管，并且
所述第一电流阻挡单元和所述第二电流阻挡单元是二极管。


6.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其中：
仅提供所述第一电流阻挡单元和所述第二电流阻挡单元中的所述第一电流阻挡单元，并且
所述防逆流单元仅在从所述第二连接节点到所述第一连接节点的方向上防止逆流。


7.根据权利要求6所述的栅极驱动电路，其中：
所述第一开关是第六晶体管，所述第三开关是包括二极管的第七晶体管，并且
所述第一电流阻挡单元是二极管，所述防逆流单元是与所述第七晶体管中包括的二极管不同的二极管。


8.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其中：
仅提供所述第一电流阻挡单元和所述第二电流阻挡单元中的所述第二电流阻挡单元，并且
所述防逆流单元仅在从所述第一连接节点到所述第二连接节点的方向上防止逆流。


9.根据权利要求8所述的栅极驱动电路，其中：
所述第二开关是第八晶体管，所述第三开关是包括二极管的第九晶体管，并且
所述第二电流阻挡单元是二极管，所述防逆流单元是与所述第九晶体管中包括的二极管不同的二极管。


10.根据权利要求1至9中的任一项所述的栅极驱动电路，其中，所述栅极驱动电路包括作为电容器的所述第一电压源和所述第二电压源。


11.根据权利要求1至10中的任一项所述的栅极驱动电路，其中，所述第三开关的导通时间能够根据在所述第一晶体管中流动的负载电流而变化。


12.一种栅极驱动电路，其被设置为驱动第一晶体管的栅极，并且在第一连接节点处串联连接的第一电压源和第二电压源以及电感器能够电连接至所述栅极驱动电路，
所述栅极驱动电路包括：
在第二连接节点处串联连接在串联连接结构的高电位端和低电位端之间的高电位侧的第一开关和低电位侧的第二开关，所述串联连接结构由所述第一电压源和所述第二电压源构成；以及
在所述第一连接节点和所述第二连接节点之间与所述电感器串联连接的第三开关，其中：
所述第一晶体管的所述栅极能够电连接至所述第二连接节点。


13.一种栅极驱动电路，其被设置为驱动第一晶体管的栅极，所述栅极驱动电路包括：
由在第一连接节点处串联连接的第一电压源和第二电压源构成的串联连接结构的高电位端和低电位端之间的、在第二连接节点处串联连接的高电位侧的第一开关和低电位侧的第二开关；以及
串联连接在所述第一连接节点和所述第二连接节点之间的第三开关和电感器，其中
在所述第一开关或所述第二开关开始控制所述第一晶体管之前，所述栅极驱动电路控制电流通过所述第三开关在所述电感器中流动。


14.根据权利要求12或13所述的栅极驱动电路，其中，所述栅极驱动电路包括作为电容器的所述第一电压源和所述第二电压源。


15.一种功率转换装置，其包括：
根据权利要求1至14中任一项所述的栅极驱动电路；以及
晶体管，该晶体管的栅极由所述栅极驱动电路驱动。


16.一种栅极驱动电路，其包括：
第一晶体管，所述第一晶体管的第一端子连接至第一电压的施加端子，并且所述第一晶体管的第二端子经由电容器连接至开关元件的栅极；
第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：大河内裕太，中小原佑辅，中原健，
申请(专利权)人：罗姆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：日本;JP