本发明的实施方式涉及栅极驱动电路及开关电源装置。
背景技术：
以往，已知有连接于开关元件且具备栅极电阻的栅极驱动电路(例如，参照专利文献1)。在专利文献1记载的栅极驱动电路设有栅极电阻可变电路。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-059108号公报
技术实现要素：
发明所要解决的问题
然而，在专利文献1记载的栅极驱动电路中，栅极电阻可变电路由多个fet构成。而且，在专利文献1记载的栅极驱动电路中，设有多个复杂的结构的栅极电阻可变电路，且设有与多个栅极电阻可变电路对应的多个栅极电阻控制电路。因此，在专利文献1记载的栅极驱动电路中，部件个数增加，电路整体的结构变得复杂。
本发明的目的在于提供一种通过简单的结构能够抑制电涌电压及开关损失的栅极驱动电路及开关电源装置。
用于解决问题的方案
本发明的一实施方式涉及一种与主开关元件连接且具备栅极电阻的栅极驱动电路，其中，所述栅极电阻由能够连续地变更电阻值的电压控制电阻构成。
另外，本发明的一实施方式的栅极驱动电路还具备控制电路，该控制电路基于所述主开关元件的输出电流值，来设定向所述电压控制电阻输入的电压值。
另外，本发明的一实施方式的栅极驱动电路还具备控制电路，该控制电路基于从驱动所述主开关元件的信号源输出的信号，来设定向所述电压控制电阻输入的电压值。
另外，在本发明的一实施方式的栅极驱动电路中，所述电压控制电阻具有场效应晶体管。
另外，本发明的一实施方式涉及一种开关电源装置，其具备：栅极驱动电路；所述主开关元件；及与所述主开关元件反向并联地连接的回流二极管，所述主开关元件及所述回流二极管的一部分、或者所述主开关元件及所述回流二极管全部由宽禁带半导体构成。
另外，在本发明的一实施方式的开关电源装置中，所述宽禁带半导体由碳化硅、氮化镓系材料、氧化镓系材料或金刚石形成。
发明效果
根据本发明，能够提供一种通过简单的结构能够抑制电涌电压及开关损失的栅极驱动电路及开关电源装置。
附图说明
图1是表示适用了第一实施方式的栅极驱动电路的开关电源装置的电路图。
图2是表示主开关元件的输出电流、用于对电压控制电阻进行控制的电压、及电压控制电阻的电阻值的关系的图。
图3是表示主开关元件的开关时(回流二极管的反向恢复时及关断时)的电涌电压、主开关元件的输出电流值、及电压控制电阻的电阻值的关系的图。
图4是表示主开关元件的输出电流值、在主开关元件的开关时产生的损失即开关损失、及电压控制电阻的电阻值的关系的图。
图5是表示能够适用第一实施方式的栅极驱动电路的主开关元件的变形例的图。
图6是表示适用了第二实施方式的栅极驱动电路的开关电源装置的电路图。
图7是用于说明基于从信号源输出的信号来变更向电压控制电阻输入的电压值的例子的图。
图8是表示通常的栅极驱动电路的主要部分的电路图。
图9是表示主开关元件的开关时(回流二极管的反向恢复时及关断时)的电涌电压、主开关元件的输出电流值、及栅极电阻的电阻值的关系的图。
图10是表示与由栅极驱动电路驱动的主开关元件反向并联地连接的回流二极管(fwd)的反向恢复特性的图。
图11是表示栅极电阻的电阻值、主开关元件的输出电流值、及开关损失的关系的图。
图12是用于说明主开关元件的开关时的电压及电流的图。
具体实施方式
在说明栅极驱动电路的第一实施方式之前，说明通常的栅极驱动电路。
图8是表示通常的栅极驱动电路10的主要部分的电路图。在图8所示的栅极驱动电路10设有电阻值被设定为固定值的栅极电阻11-1ref、11-2ref、开关元件14-1、14-2、信号源15。在图8所示的例子中，栅极电阻11-1ref的一侧(图8的上侧)的端部连接于高电位，栅极电阻11-1ref的另一侧(图8的下侧)的端部经由开关元件14-1而连接于主开关元件(未图示)。而且，主开关元件经由开关元件14-2而连接于栅极电阻11-2ref的一侧(图8的上侧)的端部。栅极电阻11-2ref的另一侧(图8的下侧)的端部连接于低电位。开关元件14-1、14-2连接于信号源15。
在图8所示的例子中，主开关元件例如通过在栅极电阻11-1ref中流动的电流来导通，通过在栅极电阻11-2ref中流动的电流来关断。即，主开关元件由栅极驱动电路10驱动。在图8所示那样的通常的栅极驱动电路10中，通过适当设定栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值，来调整主开关元件的导通时及关断时的开关速度、开关损失及电涌电压。
图9是表示主开关元件的开关时(回流二极管的反向恢复时及关断时)的电涌电压、主开关元件的输出电流值ic、及栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg的关系的图。在图9中，vcc表示通过直流电源(未图示)而在主开关元件的两端设定的电位差。图9a及图9b的纵轴表示主开关元件的开关时的电涌电压。图9a的横轴表示主开关元件的输出电流值ic，图9b的横轴表示栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg。如图9a所示，主开关元件的输出电流值ic越大，则主开关元件的开关时的电涌电压越大。另一方面，如图9所示，栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg越大，则主开关元件的开关时的电涌电压越小。
图10是表示与由栅极驱动电路10驱动的主开关元件反向并联地连接的回流二极管(fwd)的反向恢复特性的图。图10的纵轴表示主开关元件的开关时的电涌电压。图10的横轴表示主开关元件的开关时的回流二极管的电流。在图10所示的例子中，在主开关元件的开关时的回流二极管的电流小的情况下(即，主开关元件的输出电流值小的情况下)，主开关元件的开关时的电涌电压增大。尤其是在主开关元件的开关时的回流二极管的电流小的情况下，即栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg小的情况下，主开关元件的开关时(详细而言，回流二极管的反向恢复时)的电涌电压增大。
图11是表示栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg、主开关元件的输出电流值ic、及在主开关元件的开关时产生的损失即开关损失的关系的图。图11a的横轴表示栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg。图11b的横轴表示主开关元件的输出电流值ic。图11a及图11b的纵轴表示开关损失。详细而言，在图11a及图11b中，“eon”表示在导通时产生的损失，“eoff”表示在关断时产生的损失，“err”表示反向恢复损失。
如图11b所示，主开关元件的输出电流值ic越大，则开关损失越大。如图11a所示，栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg越大，则在主开关元件的开关时在主开关元件产生的损失eon、eoff越大。另一方面，栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg越大，则回流二极管的反向恢复损失err越小。
图12是用于说明主开关元件的开关时的电压及电流的图。图12a示出主开关元件的导通时的回流二极管的反向恢复时的电压及电流，图12b示出主开关元件的关断时的电压及电流。
在图12a中，“电压(电阻值小)”表示栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg小的情况下的导通时的电涌电压，“电压(电阻值大)”表示栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg大的情况下的导通时的电涌电压。如图12a所示，栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg小的情况下的导通时的电涌电压大于栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg大的情况下的导通时的电涌电压。
在图12a中，“电流(电阻值小)”表示栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg小的情况下的反向恢复电流，“电流(电阻值大)”表示栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg大的情况下的反向恢复电流。如图12a所示，栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg小的情况下的反向恢复电流大于栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg大的情况下的反向恢复电流。
在图12b中，“电压(电阻值小)”表示栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg小的情况下的关断时的电涌电压，“电压(电阻值大)”表示栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg大的情况下的关断时的电涌电压。如图12b所示，栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg小的情况下的关断时的电涌电压大于栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg大的情况下的关断时的电涌电压。
在图12b中，“电流(电阻值小)”表示栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg小的情况下的主开关元件的输出电流值，“电流(电阻值大)”表示栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg大的情况下的主开关元件的输出电流值。如图12b所示，栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg小的情况下的开关速度比栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg大的情况下的开关速度快。
如图9a及图9b所示，在主开关元件的输出电流值ic大时，为了抑制电涌电压而优选增大栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg。如图11a所示，通过增大栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg，虽然能够减小回流二极管的反向恢复损失err(igbt)，但是在主开关元件的开关时在主开关元件产生的损失eon、eoff增大。
为了减小在主开关元件的开关时在主开关元件产生的损失eon、eoff，如图11a所示，需要减小栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg。
即，在栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值被固定的图8所示的例子中，如图11a所示，如果将栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg设定为小的值，则虽然能够抑制在主开关元件的开关时在主开关元件产生的损失eon、eoff，但是主开关元件的开关时的反向恢复损失err增大。另一方面，如果将栅极电阻11-1ref、11-2ref的电阻值rg设定为大的值，则虽然能够抑制主开关元件的开关时的反向恢复损失err，但是在主开关元件的开关时在主开关元件产生的损失eon、eoff增大。
另外，为了抑制在主开关元件的开关时在主开关元件产生的损失eon、eoff并抑制主开关元件的开关时的反向恢复损失err，如果如专利文献1记载那样构成栅极驱动电路，则部件个数增加，电路整体的结构变得复杂。
因此，如后所述，第一实施方式的栅极驱动电路通过简单的结构能够抑制电涌电压及开关损失。
<第一实施方式>
图1是表示适用了第一实施方式的栅极驱动电路10的开关电源装置100的电路图。图1所示的栅极驱动电路10具备与主开关元件20连接的栅极电阻，该栅极电阻由能够连续地变更电阻值的电压控制电阻11-1、11-2构成。而且，在栅极驱动电路10设有开关元件14-1、14-2、信号源15。而且，在主开关元件20反向并联地连接有回流二极管30。
在图1所示的例子中，电压控制电阻11-1的一侧(图1的上侧)的端部连接于高电位，电压控制电阻11-1的另一侧(图1的下侧)的端部经由开关元件14-1而连接于主开关元件20。而且，主开关元件20经由开关元件14-2而连接于电压控制电阻11-2的一侧(图1的上侧)的端部。电压控制电阻11-2的另一侧(图1的下侧)的端部连接于低电位。开关元件14-1、14-2连接于信号源15。
在图1所示的例子中，主开关元件20通过在电压控制电阻11-1中流动的电流来导通，通过在电压控制电阻11-2中流动的电流来关断。即，主开关元件20由栅极驱动电路10驱动。
在图1所示的例子中，在栅极驱动电路10具备控制电路12、输入部13-1、13-2。通过电流传感器40检测到的主开关元件20的输出电流向控制电路12输入。控制电路12将主开关元件20的输出电流转换成用于对电压控制电阻11-1、11-2进行控制的电压。用于对电压控制电阻11-1进行控制的电压从控制电路12经由输入部13-1向电压控制电阻11-1输入。用于对电压控制电阻11-2进行控制的电压从控制电路12经由输入部13-2向电压控制电阻11-2输入。
图2是表示主开关元件20的输出电流、用于对电压控制电阻11-1、11-2进行控制的电压、及电压控制电阻11-1、11-2的电阻值的关系的图。如图2a所示，主开关元件20的输出电流越大，则用于对电压控制电阻11-1、11-2进行控制的电压越大。如图2b所示，用于对电压控制电阻11-1、11-2进行控制的电压越大，则电压控制电阻11-1、11-2的电阻值越小。
即，在第一实施方式的栅极驱动电路10中，通过控制电路12，基于主开关元件20的输出电流值来变更向电压控制电阻11-1、11-2输入的电压值。因此，根据主开关元件20的输出电流值能够变更电压控制电阻11-1、11-2的电阻值。
图3是表示主开关元件20的开关时(回流二极管的反向恢复时及关断时)的电涌电压、主开关元件20的输出电流值ic、及电压控制电阻11-1、11-2的电阻值rg的关系的图。在图3中，vcc表示通过直流电源(未图示)而在主开关元件20的两端设定的电位差。图3的纵轴表示主开关元件20的开关时的电涌电压。图3的横轴表示主开关元件的输出电流值ic。
在图3所示的例子中，以随着主开关元件20的输出电流值ic减小而电压控制电阻11-1的电阻值rg增大的方式进行变更，从而即使主开关元件20的输出电流值ic变化，也能避免主开关元件20导通且回流二极管反向恢复时的电涌电压的变化。而且，如果随着主开关元件20的输出电流值ic增大而增大电压控制电阻11-2的电阻值，则能够抑制主开关元件20的关断时的电涌电压。
图4是表示主开关元件20的输出电流值ic、在主开关元件20的开关时产生的损失即开关损失、及电压控制电阻11-1、11-2的电阻值rg的关系的图。图4的横轴表示主开关元件20的输出电流值ic，图4的纵轴表示开关损失。图4中的实线表示图1所示的栅极驱动电路10的开关损失，图4中的虚线表示图8所示的栅极驱动电路10的开关损失。
在图4的实线所示的例子中，以即使主开关元件的输出电流值ic变化而开关损失也不会如虚线所示的例子那样增加的方式，变更电压控制电阻11-1、11-2的电阻值rg。因此，能够抑制开关损失。
详细而言，在图4的实线所示的例子中，在主开关元件的输出电流值ic小时(例如，主开关元件的输出电流值ic为额定电流的10％以下时)，开关损失不会增大，因此为了抑制电涌电压而将电压控制电阻11-1、11-2的电阻值rg变更为大的值。随着主开关元件的输出电流值ic增大而将电压控制电阻11-1、11-2的电阻值rg变更为小的值，能抑制开关损失的增加。
如上所述，在第一实施方式的栅极驱动电路10中，通过能够连续地变更电阻值的电压控制电阻11-1、11-2构成栅极电阻，因此通过简单的结构能够抑制电涌电压及开关损失。
详细而言，如图11a所示，通过将电压控制电阻11-1、11-2的电阻值变更为小的值，能够抑制在主开关元件20的开关时在主开关元件20产生的损失eon、eoff。而且，通过将电压控制电阻11-1、11-2的电阻值变更为大的值，能够抑制主开关元件20的开关时的回流二极管30的反向恢复损失err。而且，如图9b所示，通过将电压控制电阻11-1、11-2的电阻值变更为大的值，能够抑制电涌电压。
在图1所示的例子中，电压控制电阻11-1、11-2具有场效应晶体管(fet)。详细而言，电压控制电阻11-1、11-2利用场效应晶体管的接通电阻的栅极电压依赖性而构成。
在图1所示的例子中，开关电源装置100具备栅极驱动电路10、主开关元件20、及与主开关元件20反向并联地连接的回流二极管30。而且，主开关元件20及回流二极管30的一部分、或者主开关元件20及回流二极管30全部由宽禁带半导体构成。而且，该宽禁带半导体由碳化硅、氮化镓系材料、氧化镓系材料、或金刚石形成。
图5是表示能够适用第一实施方式的栅极驱动电路10的主开关元件20的变形例的图。可以取代图1所示的主开关元件20而在例如图5a所示的主开关元件20、图5b所示的主开关元件20等那样的任意的主开关元件中适用第一实施方式的栅极驱动电路10。
<第二实施方式>
图6是表示适用了第二实施方式的栅极驱动电路10的开关电源装置100的电路图。在图1所示的栅极驱动电路10具备能够连续地变更电阻值的2个电压控制电阻11-1、11-2，但是在图6所示的栅极驱动电路10具备能够连续地变更电阻值的1个电压控制电阻11。电压控制电阻11与电压控制电阻11-1、11-2同样地作为连接于主开关元件20的栅极电阻发挥功能。
在图6所示的例子中，电压控制电阻11的一侧(图6的左侧)的端部连接于开关元件14-1、14-2，电压控制电阻11的另一侧(图6的右侧)的端部连接于主开关元件20。开关元件14-1、14-2连接于信号源15。
在图6所示的例子中，主开关元件20通过在开关元件14-1及电压控制电阻11中流动的电流来导通，通过在开关元件14-2及电压控制电阻11中流动的电流来关断。即，主开关元件20由栅极驱动电路10驱动。
在图6所示的例子中，在栅极驱动电路10具备控制电路12。主开关元件20的输出电流向控制电路12输入。控制电路12将主开关元件20的输出电流转换成用于对电压控制电阻11进行控制的电压。用于对电压控制电阻11进行控制的电压从控制电路12向电压控制电阻11输入。
即，在第二实施方式的栅极驱动电路10中，通过控制电路12，基于主开关元件20的输出电流值，来变更向电压控制电阻11输入的电压值。因此，能够根据主开关元件20的输出电流值来变更电压控制电阻11的电阻值。
在图6所示的例子中，可以省略电流传感器40。
另外，在图6所示的例子中，控制电路12也连接于信号源15。
即，在第二实施方式的栅极驱动电路10中，控制电路12也可以基于从驱动主开关元件20的信号源15输出的信号，来变更向电压控制电阻11输入的电压值。因此，能够根据从驱动主开关元件20的信号源15输出的信号来变更电压控制电阻11的电阻值。
图7是用于说明基于从信号源15输出的信号来变更向电压控制电阻11输入的电压值的例子的图。在图7中，图7a表示为了生成从信号源15输出的信号(pwm输出波形)而使用的载波和信号波。图7b表示根据图7a所示的载波和信号波而生成的、从信号源15输出的信号(pwm输出波形)。图7c表示通过控制电路12生成并向电压控制电阻11输入的电压(信号波)。
在图7所示的例子中，与为了生成从信号源15输出的信号(pwm输出波形)(参照图7b)而使用的信号波(参照图7a)同样的信号波(参照图7c)通过控制电路12生成，并向电压控制电阻11输入。
假设向栅极驱动电路10传送电流指令等时，存在控制电路与栅极驱动电路10之间的配线增加这样的问题。基于从信号源15向主开关元件20传送的接通切断信号(例如pwm信号)对电压控制电阻11进行控制，由此，不需要追加配线而能够对电压控制电阻11进行控制。
在使用以大致功率因数1进行运转的pwm转换器、高功率因数转换器(pfc)的情况下，pwm信号的基波相位与电流相位大体一致，在90度、270度附近成为最大电流。因此，能够基于pwm信号的基波相位角来变更电压控制电阻11的电阻值。而且，在使用斩波电路的情况下，能够基于脉冲宽度来变更电压控制电阻11的电阻值。
在通过开关电源装置100来驱动例如电动机负载等的功率因数已知的负载的情况下，可以通过考虑了功率因数的相位角来变更电压控制电阻11的电阻值。
在向内置有电流传感器(未图示)的主开关元件20适用栅极驱动电路10的情况下，在pwm信号的上升及下降的定时下对主开关元件20的输出电流值进行采样，基于其电流值，来设定下次的导通用的电压控制电阻11的电阻值及关断用的电压控制电阻11的电阻值，由此能够有效地进行电涌电压及开关损失的管理。
在第二实施方式的栅极驱动电路10中，能够起到与第一实施方式的栅极驱动电路10同样的效果。此外，在第二实施方式的栅极驱动电路10中，能够根据从对主开关元件20进行驱动的信号源15输出的信号来变更电压控制电阻11的电阻值。
以上，说明了本发明的实施方式及其变形，但是上述的实施方式及其变形是作为例子而提示的，没有对发明的范围进行限定。上述实施方式及其变形能够以其他的各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。上述实施方式及其变形包含于发明的范围或主旨，并同时包含于权利要求书记载的发明及其等同的范围。而且，上述的各实施方式及其变形相互可以适当组合。
附图标记说明
10栅极驱动电路
11、11-1、11-2电压控制电阻
11-1ref、11-2ref栅极电阻
12控制电路
13-1、13-2输入部
14-1、14-2开关元件
15信号源
20主开关元件
30回流二极管
40电流传感器
100开关电源装置