栅极驱动电路以及使用该栅极驱动电路的电力变换装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及对半导体器件高速进行驱动而不会误点火(erroneous ignit1n)的栅极驱动电路(gate driver circuit)、以及使用该栅极驱动电路的电力变换装置。
【背景技术】
[0002]作为现有的栅极驱动电路，存在如下的栅极驱动电路:构成为使用专用电源对电容器预先进行充电，在作为开关元件的半导体器件接通(turn on)的过渡期间的初始阶段，基于电容器的充电电压对驱动电源电压进行升压来生成驱动电压，并将所生成的驱动电压提供给半导体器件，能够基于指示信号通过可变电压生成部来调整电容器的充电电压，由此对驱动电压进行适当调整来实现该半导体器件的高速开关动作。而且，直到作为开关元件的MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)的漏极/源极间电压发生变化的米勒期间(Miller per1d)结束为止对电容器的充电电荷进行放电(参照专利文献I)。
[0003]此外，作为现有的栅极驱动电路的另一例，存在如下栅极驱动电路:在半导体器件断开的期间对电容器进行充电，在该半导体器件接通时通过将电源电压与电容器的充电电压串联地合成而得到的正向高电压，对该半导体器件的输入电容瞬时进行初始充电来使该半导体器件迅速接通(参照专利文献2)。
[0004]在先技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1: JP特开2013-99181号公报
[0007]专利文献2: JP特开2010-200560号公报
【发明内容】
[0008]发明要解决的课题
[0009]但是，在专利文献I所示的栅极驱动电路的构成中，由于通过可变电压生成部来变更并控制电压，因此在以数十ns以下对半导体器件进行高速驱动的情况下，需要一边取得指示信号与PWM(pulse-width modulat1n)信号的同步一边接受指示信号来变更电压，在构成控制系统时响应性存在课题。此外，由于需要新设置可变电压生成部，因此具有电路构成复杂且高成本的课题。
[0010]此外，若充电电荷的放电期间包含米勒期间，则将半导体器件设为桥结构时的对置的臂的漏极/源极间电压的变动期间也被缩短，因此存在向米勒电容的充电电流峰值增加、断开状态的半导体器件误点火的可能性变高的课题。
[0011]此外，在专利文献2所示的栅极驱动电路中，通过电源电压的2倍的电压对半导体器件的栅极输入电容瞬时进行初始充电来迅速使其接通，因此在驱动对象为栅极电容较大的例如化合物(SiC，GaN等)半导体的情况下，栅极电流峰值变得过大，对栅极电流进行通电的半导体的电流容量变大。结果，存在如下课题:栅极驱动电路的印刷基板面积变大，印刷基板上的布线电感等变大而容易置加尚频噪声，而且自发噪声所引起的误点火等的可能性变高。
[0012]本发明用于解决上述现有的课题，目的在于提供一种对半导体器件高速进行驱动而不会误点火的栅极驱动电路。
[0013]解决课题的手段
[0014]为了解决上述课题，本发明的栅极驱动电路是对半导体器件的栅极进行驱动的栅极驱动电路，具备:正电源，其用于半导体器件的正向偏置;负电源，其用于半导体器件的反向偏置;第I偏置电路，其输入栅极驱动信号，并根据该栅极驱动信号来输出正电源的电压或负电源的电压；电容器，其在第I偏置电路输出负电源的电压时通过负电源的电压来充电；和第2偏置电路，其输入栅极驱动信号并根据该栅极驱动信号将正电源的电压或负电源的电压提供给半导体器件的栅极，第2偏置电路构成为，在半导体器件接通的过渡期间的初始阶段，取代正电源的电压，将通过在从第I偏置电路输出的正电源的电压上叠加电容器的充电电压而被升压后的电压提供给半导体器件的栅极。
[0015]通过本构成，能够在接通时的初始阶段以在正电源的电压上叠加了负电源的电压而得到的电压对半导体器件进行驱动，在电容器的充电电荷被放电后以正电源的电压对半导体器件进行驱动。
[0016]积累于电容器的电荷量，只要设为在半导体器件接通时该半导体器件的栅极电压达到平台电压为止所需的电荷量以下即可。
[0017]发明效果
[0018]根据本发明的栅极驱动电路，由于使用负电源的电压、即反向偏置电压来进行向电容器的充电，因此仅通过栅极驱动信号就能够使接通时的正向偏置电压阶段性地变化，能够以简单的构成且低成本化地实现高速驱动。此外，由于正向偏置电压不会成为过剩的电压(例如正电源电压的2倍)，而会成为叠加了反向偏置电压的电压，因此不会流过急剧的栅极电流，能够实现电流峰值的抑制和合适的电流峰值时间的设定。
[0019]此外，只要将电容器的积累电荷量设为在半导体器件接通时该半导体器件的栅极电压达到平台电压为止所需的电荷量以下，则在经过了米勒期间之后仅通过正电源的电压来驱动，因此设为桥结构时的对置的臂的器件端子电压的变动期间不会缩短，能够抑制向米勒电容的充电电流峰值，由此抑制误点火。
【附图说明】
[0020]图1是表示本发明的实施方式所涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。
[0021]图2是用于说明栅极驱动信号为L电平时的图1的栅极驱动电路的动作的图。
[0022]图3是用于说明栅极驱动信号为H电平时的图1的栅极驱动电路的动作的图。
[0023]图4是表示连接了电感性负载的情况下的MOSFET接通时的各部波形的例子的图。
[0024]图5是用于说明在各臂由MOSFET构成的半桥电路中MOSFET存在误点火的可能性的电路图。
[0025]图6是表示将图1的栅极驱动电路用于全桥电路的各臂而成的电力变换装置的例子的电路图。
【具体实施方式】
[0026]以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0027]图1是表示本发明的实施方式所涉及的栅极驱动电路的构成的电路图。图1的栅极驱动电路I是对构成半导体器件6的MOSFET的栅极进行驱动的电路，具备:正电源2;负电源3;第1偏置电路4;电容器5;第2偏置电路7;限制电阻8、9;逆流防止二极管1(^、108、10(:;电容器21、22;电阻23;和逆流防止二极管24、25。
[0028]正电源2是用于半导体器件6的正向偏置的电源。负电源3是用于半导体器件6的反向偏置的电源，通过电容器3a与齐纳二极管3b的并联连接而构成。电容器21和电阻23配置在正电源2与负电源3之间。
[0029 ] 第I偏置电路4由NPN晶体管4a、PNP晶体管4b、和绝缘电路4 c构成，输出也作为PWM信号的栅极驱动信号S，并根据该栅极驱动信号S来输出正电源2的电压或负电源3的电压。具体米说，若NPN晶体管4a根据栅极驱动信号S而成为导通状态(on state)，则正电源2的电压经由逆流防止二极管24以及NPN晶体管4a从第I偏置电路4输出。此外，若PNP晶体管4b根据栅极驱动信号S而成为导通状态，则负电源3的电压经由PNP晶体管4b从第I偏置电路4输出。
[0030]电容器5在第I偏置电路4输出负电源3的电压时，由该负电源3的电压来充电。限制电阻9限制向电容器5的充电电流。逆流防止二极管1A防止从电容器5向负电源3侧的放电电流。
[0031]第2偏置电路7由NPN晶体管7a、PNP晶体管7b、和绝缘电路7c构成，输入栅极驱动信号S，根据该栅极驱动信号S将正电源2的电压或负电源3的电压提供给半导体器件6的栅极。不过，第2偏置电路7仅在半导体器件6接通的过渡期间的初始阶段，取代正电源2的电压，将通过在从第I偏置电路4输出的正电源2的电压上叠加电容器5的充电电压而被升压后的电压提供给半导体器件6的栅极。逆流防止二极管1B防止从电容器5向正电源2侧的放电电流。逆流防止二极管1C防止从正电源2向电容器5的充电电流。限制电阻8限制半导体器件6的驱动电流。
[0032]图2是用于说明栅极驱动信号S为L电平、且第I偏置电路4中的PNP晶体管4b和第2偏置电路7中的PNP晶体管7b为导通状态时的图1的栅极驱动电路I的动作的图。此时，从负电源3通过逆流防止二极管10A、限制电阻9、电容器5、PNP晶体管4b生成对电容器5进行充电的第I闭环，流动电流II。由此，在电容器5中积累电荷，使得逆流防止二极管25的阴极侧成为正极，并且逆流防止二极管25的阳极侧成为负极。此外，由于第2偏置电路7经由限制电阻8另外生成闭环，因此流动电流12，由此半导体器件6成为断开状态。
[0033]图3是用于说明栅极驱动信号S为H电平、且第I偏置电路4中的NPN晶体管4a和第2偏置电路7中的NPN晶体管7a为导通状态时的图1的栅极驱动电路I的动作的图。此时，从正电源2经由NPN晶体管4a、电容器5、逆流防止二极管1C流动电流13，由此从第I偏置电路4向第2偏置电路7提供正的偏置电压。在此，对于电容器5的充电电压而言，逆流防止二极管25的阴极侧为正极，因此在正电源2的电压上加上电容器5的充电电压，因而被升压后的电压经由NPN晶体管7a和限制电阻8被提供给半导体器件6的栅极。不过，电容器5的积累电荷被逐渐放电。因此，电容器5的充电电压随着放电而下降，在2个逆流防止二极管1B、1C的阴极侧的连接点的电压变得低于从正电源2的电压中减去逆流防止二极管1B的电压降的量而得到的电压的时间点，不再流动经由电容器5的电流13，而会流动从正电源2经由逆流防止二极管1B的电流14。
[0034]如上，根据图1的栅极驱动电路I，在半导体器件6接通的过渡期间的初始阶段，以在正电源2的电压上加上负电源3的电压而得到的升电压来对半导体器件6进行驱动，然后仅以正电源2的电压来对半导体器件6进行驱动，因此仅通过栅极驱动信号S就能够使半导体器件6的接通时的正向偏置电压阶段性地变化。因此，能够以简单的构成且以低成本实现半导体器件6的高速驱动。此外，能够使正向偏置电压不成为过剩的电压(例如正电源电压的2倍)而成为适当的电压。
[0035]图4是表示连接了电感性负载的情况下的MOSFET接通时的各部波形的例子的图。在图4中，从上依次示出了漏极/源极间电压Vds、漏极电流Id、栅极/源极间电压Vgs Al是栅极/源极间电压Vgs的上升期间，t2是表示栅极/源极间电压Vgs固定的平台电压(plateauvoltage)Vgp的米勒期间(Miller per1d)，t3是米勒期间后的栅极/源极间电压Vgs的上升期间，t4是漏极电流Id的上升期间。漏极电流Id的上升期间t4包含在栅极/源极间电压Vgs的上升期间tl中。
[0036]如图4所示，若栅极/源极间电压Vgs超过阈值电压Vth则开始流动漏极电流Id，在栅极/源极间电压Vgs达到平台电压Vgp时，MOSFET流动给定的负载电流。此外，漏极/源极间电压Vds在米勒期间中下降至由MOSFET的导通电阻和负载电流决定的电压。为了开关动作损耗的降低，米勒期间t2的缩短和漏极电流上升期间t4的缩短是有效的。
[0037]图5是用于说明在各臂由MOSFET构成的半桥电路中MOSFET存在误点火的可能性的电路图。图5的半桥电路11具备作为上臂的MOSFET的半导体器件6A、和作为下臂的MOSFET的半导体器件6B的