[發明專利]半導體開關元件的柵極驅動電路

在審

• 申請號: 201611145076.9
• 申請日: 2016-12-13
• 公開（公告）號: CN106972849A
• 公開（公告）日: 2017-07-21
• 發明（設計）人: 瀧澤聰毅
• 申請（專利權）人: 富士電機株式會社
• 主分類號: H03K17/687
• 分類號: H03K17/687;H03K17/567;H02M1/08;H02M7/48
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司31100
• 代理人: 周全

技術領域

本發明涉及用于功率轉換裝置的電壓驅動型半導體開關元件的柵極驅動電路。

背景技術

圖4是表示使用電壓驅動型半導體開關元件的逆變器的主電路結構的圖。

圖4所示的逆變器的主電路包括：直流電源1、由電壓驅動型半導體開關元件2a～2f(以下稱作開關元件2a～2f)構成的三相逆變器部2、柵極驅動電路3a、3b、控制電路4?？刂齐娐?對柵極驅動電路3a、3b分別提供控制信號Sa、Sb。M為負載電動機。

此外，直流電源1也可以用由對交流電源電壓進行整流的整流電路以及電解電容器構成的電路來代替。另外，圖4僅分別示出了一個相的半導體開關元件2a、2b的柵極驅動電路3a、3b及控制信號Sa、Sb，而對于其他半導體開關元件2c～2f也同樣設有分別提供控制信號Sc～Sf的柵極驅動電路3c～3f。

電壓驅動型半導體開關元件2a～2f除了圖示的MOSFET之外也可以使用IGBT，在使用IGBT的情況下，回流二極管與IGBT主體反并聯連接。

柵極驅動電路3a、3b的結構也相同，因此此處，對驅動開關元件2a的柵極驅動電路3a的結構進行說明。

圖5是表示作為第一現有技術的柵極驅動電路3a1的結構的圖。圖5中，柵極驅動電路3a1包括：由輸入有控制信號Sa的光電耦合器等裝置構成的驅動部31；用于驅動電路的直流電源32(將其電壓值設為VB)；一端與驅動部31相連的基極電阻33；在各個基極與基極電阻33的另一端相連且各個發射極與開關元件2a的柵極相連的狀態下串聯連接并輸出輸入信號的非反轉信號的構成圖騰柱輸出型晶體管的晶體管34、35；以及分別與晶體管34、35串聯的用于限制電流的電阻36、37。

此處，用于使主電路的開關元件2a導通的晶體管34為NPN型，用于使開關元件2a截止的晶體管35為PNP型，通過將從驅動部31經由基極電阻33輸入的信號S1分別施加到所述晶體管34、35的基極，從而所述晶體管34、35相配合地進行導通、截止動作。

該電路的電源也可以設置為分別與晶體管34、35相對應的正負電源，以代替直流電源32。

對圖5所示的柵極驅動電路3a1的動作進行詳細說明。在信號S1為“高”電平時，晶體管34導通，電流從直流電源32流入開關元件2a的柵極。由此，在開關元件2a的柵源極間電壓VGS超過開關元件2a的柵極閾值電壓(以下也簡稱為閾值電壓)Vth的情況下，開關元件2a導通。另一方面，在信號S1為“低”電平時，晶體管35導通，從而電流朝存積于開關元件2a的柵極的電荷放電的方向流過。因此，開關元件2a截止。

此外，通過調整基極電阻33及用于限制電流的電阻36、37的電阻值，從而對開關元件2a切換時的柵源極間電壓的波形進行控制以使得波形的上升沿、下降沿不會過于劇烈，由此抑制浪涌電壓。

圖5所示的柵極驅動電路記載于例如專利文獻1。

接著，圖6是表示作為第二現有技術的柵極驅動電路3a2的結構的圖。該柵極驅動電路3a2由后述的如圖5所示電路中添加了由晶體管38等構成的有源鏡像鉗位電路(active mirror clamp circuit)而成。

圖5所示的電路中，截止用的晶體管35導通，開關元件2a截止，圖4所示的對相臂的開關元件2b也處于截止狀態，與開關元件2a反并聯狀態的寄生二極管中有與流過開關元件2a的電流相反反向的回流電流流過時，開關元件2b的狀態從截止狀態變為導通狀態，該情況下，正處于截止狀態的開關元件2a中被施加有急劇的電源電壓。由此，電源電壓作為反向電壓也被急劇地施加至開關元件2a的寄生二極管。因此，在開關元件2a的寄生二極管反向恢復時，開關元件2a的柵漏極間的電壓v與時間t的電壓變化率dv/dt較大的情況下，如虛線所示，較大值的電流i(i＝C·dv/dt)經由開關元件2a的柵漏極間的寄生電容(電容C)，流入開關元件2a的柵極。由此，開關元件2a的柵源極間電壓VGS上升。開關元件2a的柵漏極間電壓VGS在超過其閾值電壓Vth的情況下，開關元件2a導通，使得上下臂短路，最壞的情況下，開關元件2a、2b可能損壞。