绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路的制作方法

本发明涉及绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路。

背景技术：

例如，专利文献1记载了绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路。该栅极驱动电路由晶体管的互补输出电路构成。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-226994号公报

在绝缘栅型功率半导体元件的额定电流大的情况下，需要增大栅极驱动电路的输出电流。在该情况下，栅极驱动电路的互补输出电路有时使用MOSFET。

在互补输出电路具有PchMOSFET的正侧和NchMOSFET的负侧的情况下，如果PchMOSFET与NchMOSFET同时导通，则直通电流流过PchMOSFET和NchMOSFET。

与此相对，在互补输出电路具有NchMOSFET的正侧和PchMOSFET的负侧的情况下，NchMOSFET与PchMOSFET不同时导通，不流过直通电流。

技术实现要素：

发明要解决的课题

但是，在相同的正侧电源与NchMOSFET的漏电极以及栅电极连接时，在绝缘栅型功率半导体元件的栅电极与源电极之间施加从正侧电源的正电压降低NchMOSFET的栅极阈值电压后的电压。因此，绝缘栅型功率半导体元件的稳态损耗可能加剧。

本发明是为了解决上述课题而完成的。本发明的目的在于提供能够防止绝缘栅型功率半导体元件的稳态损耗加剧的绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路。

用于解决课题的手段

本发明的绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路具有：NchMOSFET，其具有源电极、漏电极、栅电极，源电极与绝缘栅型功率半导体元件的栅电极连接，在正电压施加于漏电极的状态下正电压施加于栅电极时，所述NchMOSFET导通，由此，使所述绝缘栅型功率半导体元件导通；PchMOSFET，其具有源电极、漏电极、栅电极，源电极与所述绝缘栅型功率半导体元件的栅电极连接，在负电压施加于漏电极的状态下负电压施加于栅电极时，所述PchMOSFET导通，由此，使所述绝缘栅型功率半导体元件截止；控制电路，其具有控制电极、正侧电极、负侧电极，控制电极与所述NchMOSFET的栅电极以及所述PchMOSFET的栅电极连接，通过在正电压施加于正侧电极的状态时将该正电压施加于所述NchMOSFET的栅电极，使所述NchMOSFET导通，通过在负电压施加于负侧电极的状态时将该负电压施加于所述所述PchMOSFET的栅电极，使所述PchMOSFET导通；以及电源体，其将负电压施加于所述PchMOSFET的漏电极和所述控制电路的负侧电极，将正电压施加于所述NchMOSFET的漏电极，将绝对值比施加于所述NchMOSFET的漏电极的正电压的绝对值大的正电压施加于所述控制电路的正侧电极。

发明的效果

根据本发明，电源体将绝对值比施加于NchMOSFET的漏电极的正电压的绝对值大的正电压施加于控制电路的正侧电极。通过施加该正电压，在NchMOSFET的漏电极与源电极之间，电位差充分减小。因此，能够防止绝缘栅型功率半导体元件的稳态损耗加剧。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路的图。

图2是说明本发明的实施方式1的绝缘栅型功率半导体元件的特性的图。

图3是本发明的实施方式2的绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路的图。

图4是本发明的实施方式3的绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路的图。

具体实施方式

基于附图，对用于实施本发明的方式进行说明。另外，在各图中，对相同或相当的部分标注相同的标号。适当地简化或省略该部分的重复说明。

实施方式1.

图1是本发明的实施方式1的绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路的图。

电力转换器具有多个绝缘栅型功率半导体元件1。例如，多个绝缘栅型功率半导体分别由NchMOSFET形成。电力转换器通过多个绝缘栅型功率半导体元件1的动作将直流电力转换为交流电力。电力转换器向未图示的电机供给该交流电力。

栅极驱动电路2分别与各个绝缘栅型功率半导体元件1对应地设置。栅极驱动电路2具有电阻3、NchMOSFET4、PchMOSFET5、控制电路6以及电源体7。

电阻3与绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极连接。NchMOSFET4具有源电极、漏电极以及栅电极。NchMOSFET4的源电极经由电阻3与绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极连接。PchMOSFET5具有源电极、漏电极以及栅电极。PchMOSFET5的源电极经由电阻3与绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极连接。

控制电路6具有正侧开关元件6a和负侧开关元件6b。

正侧开关元件6a具有发射极电极、集电极电极以及基极电极。正侧开关元件6a的发射极电极与NchMOSFET4的栅电极和PchMOSFET5的栅电极连接。正侧开关元件6a的发射极电极成为控制电路6的控制电极。正侧开关元件6a的集电极电极成为控制电路6的正侧电极。负侧开关元件6b的发射极电极与NchMOSFET4的栅电极和PchMOSFET5的栅电极连接。负侧开关元件6b的发射极电极成为控制电路6的控制电极。负侧开关元件6b的集电极电极成为控制电路6的负侧电极。

电源体7具有正侧电源体8和负侧电源体9。正侧电源体8具有第1正侧电源8a和第2正侧电源8b。

第1正侧电源8a的正侧电极与NchMOSFET4的漏电极连接。第1正侧电源8a的负侧电极与绝缘栅型功率半导体元件1的源电极连接。第2正侧电源8b的正侧电极与正侧开关元件6a的集电极电极连接。第2正侧电源8b的负侧电极与绝缘栅型功率半导体元件1的源电极连接。负侧电源体9的正侧电极与绝缘栅型功率半导体元件1的源电极连接。负侧电源体9的负侧电极与PchMOSFET5的漏电极和负侧开关元件6b的集电极电极连接。

例如，负侧电源体9对PchMOSFET5的漏电极和负侧开关元件6b的集电极电极施加-15V的负电压。例如，第1正侧电源8a对NchMOSFET4的漏电极施加+15V的正电压。第2正侧电源8b对正侧开关元件6a的集电极电极施加绝对值比第1正侧电源8a施加的正电压的绝对值大的正电压。该正电压的绝对值与第1正侧电源8a施加的正电压的绝对值之差设定为比NchMOSFET4的栅极阈值电压的值大的值。例如，第2正侧电源8b对正侧开关元件6a的集电极电极施加+20V的正电压。

在通过来自外部的控制使负侧开关元件6b导通时，-15V的负电压被施加于PchMOSFET5的栅电极。通过施加该负电压，PchMOSFET5导通。其结果是，负电压被施加于绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极。其结果是，绝缘栅型功率半导体元件1截止。

在通过来自外部的控制使正侧开关元件6a导通时，+20V的正电压被施加于NchMOSFET4的栅电极。通过施加该正电压，NchMOSFET4导通。此时，正电压被施加于NchMOSFET4的栅电极与源电极之间。该正电压为从施加于NchMOSFET4的栅电极的+20V减去施加于漏电极的+15V而得到的+5V。

此时，在NchMOSFET4的漏电极与源电极之间，电位差充分减小。其结果是，+15V的正电压被施加于绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极与源电极之间。此时，NchMOSFET4的栅极阈值电压的偏差不会造成影响。

接下来，使用图2说明将绝缘栅型功率半导体元件1设为NchMOSFET时的特性。

图2是说明本发明的实施方式1的绝缘栅型功率半导体元件的特性的图。

图2中，Vgs表示绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极与源电极之间的电压。Vds表示绝缘栅型功率半导体元件1的漏电极与源电极之间的电压。Id表示绝缘栅型功率半导体元件1的漏极电流。

在漏极电流Id相同的情况下，当栅电极与源电极之间的电压Vgs增大时，漏电极与源电极之间的电压Vds减小。当漏电极与源电极之间的电压Vds减小时，绝缘栅型功率半导体元件1的稳态损耗减小。

根据以上说明的实施方式1，电源体7将绝对值比施加于NchMOSFET4的漏电极的正电压的绝对值大的正电压施加于控制电路6的正侧电极。通过施加该正电压，在NchMOSFET4的漏电极与源电极之间，电位差充分减小。因此，即使栅极阈值电压因NchMOSFET4的个体差异或环境而变动，也能够稳定地对绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极施加较大的电压。其结果是，能够防止绝缘栅型功率半导体元件1的稳态损耗加剧。在该情况下，电力转换器的效率提高。因此，能够实现电力转换器的小型化和低成本化。并且，由于电力转换器的高效率化，电力转换器的温度上升值减小。因此，能够实现电力转换器的长寿命化。

具体而言，正侧电源体8具有第1正侧电源8a和第2正侧电源8b。第1正侧电源8a将正电压施加于NchMOSFET4的漏电极。第2正侧电源8b将绝对值比施加于NchMOSFET4的漏电极的正电压的绝对值大的正电压施加于控制电路6的正侧电极。因此，仅使用不同的两个正侧电源就能够防止绝缘栅型功率半导体元件1的稳态损耗加剧。

实施方式2.

图3是本发明的实施方式2的绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路的图。另外，对与实施方式1的部分相同或相当的部分标注相同标号。省略该部分的说明。

实施方式1的电源体7将相同的负电压施加于PchMOSFET5的漏电极和控制电路6的负侧电极。与此相对，实施方式2的电源体7将绝对值比施加于PchMOSFET5的漏电极的负电压的绝对值大的负电压施加于控制电路6的负侧电极。

具体而言，负侧电源体9具有第1负侧电源9a和第2负侧电源9b。第1负侧电源9a将负电压施加于PchMOSFET5的漏电极。第2负侧电源9b将绝对值比施加于PchMOSFET5的漏电极的负电压大的负电压施加于控制电路6的负侧电极。该负电压的绝对值与施加于PchMOSFET5的漏电极的负电压的绝对值之差设定为比PchMOSFET5的栅极阈值电压的值大的值。例如，第2负侧电源9b对负侧开关元件6b的集电极电极施加-20V的负电压。

根据以上说明的实施方式2，电源体7将绝对值比施加于PchMOSFET5的漏电极的负电压的绝对值大的负电压施加于控制电路6的负侧电极。通过施加该正电压，在PchMOSFET5的漏电极与源电极之间，电位差充分减小。因此，能够使施加于绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极的负电压稳定。

具体而言，负侧电源体9具有第1负侧电源9a和第2负侧电源9b。第1负侧电源9a将负电压施加于PchMOSFET5的漏电极。第2负电源将绝对值比施加于PchMOSFET5的漏电极的负电压的绝对值大的负电压施加于控制电路6的负侧电极。因此，仅使用不同的两个负侧电源就能够使施加于绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极的负电压稳定。

实施方式3.

图4是本发明的实施方式3的绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路的图。另外，对与实施方式2的部分相同或相当的部分标注相同标号。省略该部分的说明。

实施方式3的栅极驱动电路2是在实施方式2的栅极驱动电路2中增加正侧齐纳二极管10和负侧齐纳二极管11而成的电路。正侧齐纳二极管10连接于NchMOSFET4的栅电极与源电极之间。负侧齐纳二极管11连接于PchMOSFET5的栅电极与源电极之间。

当绝缘栅型功率半导体元件1从截止变为导通时，NchMOSFET4从截止变为导通。此时，存在如下情况，即绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极与源电极之间的电压从负电压变化为正电压的时间比NchMOSFET4的栅电极与源电极之间的电压从负电压变化为正电压的时间长。

该情况下，较大的正电压能够被施加于NchMOSFET4的栅电极与源电极之间。该正电压的绝对值为第1正侧电源8a的正电压和第1负侧电源9a的负电压的总和30(V)。该正电压的绝对值比NchMOSFET4的栅电极与源电极之间的最大额定电压的绝对值大。

但是，此时，较大的电流急剧地流入正侧齐纳二极管10。其结果是，NchMOSFET4的栅电极与源电极之间的电压保持为正侧齐纳二极管10的齐纳电压。需要以比NchMOSFET4的栅电极与源电极之间的最大额定电压的绝对值小的方式选择该齐纳电压。

当绝缘栅型功率半导体元件1从导通变为截止时，PchMOSFET5从截止变为导通。此时，存在如下情况，即绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极与源电极之间的电压从正电压变化为负电压的时间比PchMOSFET5的栅电极与源电极之间的电压从负电压变化为正电压的时间长。

在该情况下，较大的负电压能够被施加于PchMOSFET5的栅电极与源电极之间。该负电压的绝对值为第1正侧电源8a的正电压和第1负侧电源9a的负电压的总和30(V)。该负电压的绝对值比PchMOSFET5的栅电极与源电极之间的最大额定电压的绝对值大。

但是，此时，较大的电流急剧地流入负侧齐纳二极管11。其结果是，PchMOSFET5的栅电极与源电极之间的电压保持为负侧齐纳二极管11的齐纳电压。需要以比PchMOSFET5的栅电极与源电极之间的最大额定电压的绝对值小的方式选择该齐纳电压。

根据以上说明的实施方式3，正侧齐纳二极管10连接于NchMOSFET4的栅电极与源电极之间。因此，能够防止在绝缘栅型功率半导体元件1从截止变为导通时NchMOSFET4损坏。

此外，负侧齐纳二极管11连接于PchMOSFET5的栅电极与源电极之间。因此，能够防止在绝缘栅型功率半导体元件1从导通变为截止时PchMOSFET5损坏。

另外，也可以将实施方式1至实施方式3的栅极驱动电路2应用于从交流电力转换为直流电力的电力转换器的绝缘栅型功率半导体元件。

此外，在实施方式1至实施方式3中，也可以经由电阻将控制电路6的输出电极与NchMOSFET4的栅电极和PchMOSFET5的栅电极中的至少一个连接。

此外，在实施方式1至实施方式3中，可以使用第1电阻与第2电阻来代替电阻3。此时，在NchMOSFET4的漏电极与第1正侧电源8a之间设置第1电阻即可。在PchMOSFET5的漏电极与负侧电源体9或9a之间设置第2电阻即可。

此外，在实施方式1至实施方式3中，也可以不经由电阻3而直接将绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极与NchMOSFET4的源电极和PchMOSFET5的源电极中的至少一个连接。

此外，在实施方式1至实施方式3中，也可以将与NchMOSFET不同的半导体元件作为绝缘栅型功率半导体元件1。例如，可以将由IGBT形成的半导体元件作为绝缘栅型功率半导体元件1。例如，也可以将由宽带隙半导体形成的半导体元件作为绝缘栅型功率半导体元件1。例如，作为宽带隙半导体，有碳化硅、氮化镓系材料或金刚石。

在将由宽带隙半导体形成的半导体元件作为绝缘栅型功率半导体元件1的情况下，可期待绝缘栅型功率半导体元件1本身的效率提高。此时，基于对绝缘栅型功率半导体元件1的栅电极施加的电压的稳态损耗的大小较大程度地影响电力转换器的损耗。因此，在将由宽带隙半导体形成的半导体元件作为绝缘栅型功率半导体元件1的情况下，栅极驱动电路2能够发挥更大的效果。

产业上的可利用性

如上所述，本发明的绝缘栅型功率半导体元件的栅极驱动电路能够在防止绝缘栅型侧功率半导体元件的稳态损耗加剧的系统中使用。

标号说明

1：绝缘栅型功率半导体元件；2：栅极驱动电路；3：电阻；4：NchMOSFET；5：PchMOSFET；6：控制电路；6a：正侧开关元件；6b：负侧开关元件；7：电源体；8：正侧电源体；8a：第1正侧电源；8b：第2正侧电源；9：负侧电源体；9a：第1负侧电源；9b：第2负侧电源；10：正侧齐纳二极管；11：负侧齐纳二极管。