功率元件的驱动电路的制作方法

本发明涉及对igbt等功率元件进行导通/关断驱动的驱动电路，特别是涉及不受具有温度依赖性的功率元件的动作电压阈值的影响而能够实现上述功率元件的功率转换效率的提高的简易构成的功率元件的驱动电路。

背景技术

图6是表示对由igbt等构成的功率元件2进行导通/关断驱动的现有的驱动电路1的一个例子的概略构成。该驱动电路1承担将施加到igbt(功率元件)2的栅极的驱动信号设为导通/关断，控制在该igbt2的集电极-发射极间流通的主电流的作用。通过该igbt2的导通/关断来控制针对连接于主电源3与igbt2之间的负载(rl)的供给电流ic。

简要而言，驱动电路1具备串联连接而设置在电源4的电源端子(vcc)与接地端子(gnd)之间的第一半导体开关元件q1和第二半导体开关元件q2。此外，驱动电路1具备串联连接而设置在电源4的电源端子(vcc)与接地端子(gnd)之间的第三半导体开关元件q3和第四半导体开关元件q4。第一半导体开关元件q1和第二半导体开关元件q2经由栅极电阻rg将其串联连接点(节点p1)与igbt2的栅极连接。另外，第三半导体开关元件q3和第四半导体开关元件q4将其串联连接点(节点p2)与igbt2的发射极连接。

这些第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4分别由例如mos-fet构成，并构成通过在控制电路5的控制下相互关联地进行导通/关断，从而对igbt2进行导通/关断驱动的开关矩阵电路。另外，控制电路5根据从外部施加的控制信号sg来使第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4分别相互关联地进行导通/关断而控制igbt2的导通/关断。

图7示出与控制信号sg对应的驱动电路1的各部分的状态变化和表示igbt2的电压变化的动作时刻。另外，在图7中，v(p1)表示节点p1的电压变化，v(e)表示igbt2的发射极(节点p2)的电压变化，v(g)表示igbt2的栅极的电压变化，并且，vge表示igbt2的栅极-发射极间电压的变化。

如图7所示，驱动电路1通过根据控制信号sg而使igbt2的栅极-发射极间电压vge为正偏压或负偏压，从而对igbt2进行导通/关断驱动。即，驱动电路1通过将第一半导体开关元件q1和第四半导体开关元件q4导通，并且将第二半导体开关元件q2和第三半导体开关元件q3关断，从而将节点p1的电压设定为电源电压vcc，将节点p2的电压设定为接地端子(gnd)的电压(0v)。并且，驱动电路1通过经由栅极电阻rg向发射极被设定为0v的igbt2的栅极施加节点p1的电压(电源电压vcc)，从而使igbt2正偏压。igbt2因其栅极-发射极间的正偏压(+vcc)而导通。

另外，驱动电路1通过将第一半导体开关元件q1和第四半导体开关元件q4关断，并且将第二半导体开关元件q2和第三半导体开关元件q3导通，从而将节点p1的电压设定为0v，并且将节点p2的电压设定为电源电压vcc。并且，驱动电路1通过经由栅极电阻rg使发射极被设定为电源电压vcc的igbt2的栅极接地，从而使igbt2负偏压。igbt2因其栅极-发射极间的负偏压(-vcc)而关断。针对如此构成的驱动电路1，例如在专利文献1中有详细描述。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5011585号公报

技术实现要素：

技术问题

然而专利文献1中公开的驱动电路1的优点在于，可以仅使用电源4输出的正的电源电压vcc使igbt2正偏压或负偏压而使igbt2导通/关断，不需要负的电源。然而，该现有的驱动电路1的构成是将节点p1的电压v(p1)经由栅极电阻rg施加于igbt2的栅极，由此对igbt2的栅极电容进行充放电。因此，存在igbt2的导通时和关断时的开关损耗大这样的问题。

对于这一点，在专利文献1中公开了通过使第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4导通/关断的时刻具有偏差，从而减轻igbt2的导通时和关断时的开关损耗的情况。然而，在使第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4分别导通/关断的时刻具有偏差的情况下，会产生控制电路5的构成复杂化这一新的问题。

另外，在现有的驱动电路1中，在igbt2的关断时，仅是对igbt2施加恒定的负的偏压(-vcc)。因此，如果在将igbt2导通时igbt2的动作电压阈值vth随温度变化，则不可否认通过栅极电阻rg对igbt2的栅极电容充电所需的时间，所谓的栅极充电时间发生变化。于是，伴随着栅极充电时间的变化，在将igbt2导通的时刻上产生偏差，igbt2会在不期望的时刻进行导通动作。换言之，不可否认受到igbt2的导通/关断动作条件的温度依赖性的影响，该igbt2的导通/关断动作的时刻发生变化。

本发明是考虑到这种情况而完成的，其目的在于提供能够不使用上述的栅极电阻而对功率元件进行最佳的导通/关断控制，特别是能够防止功率元件的误导通动作，并且降低功率元件的开关损耗的适于集成电路化的简易构成的功率元件的驱动电路。

技术方案

本发明涉及对功率元件例如igbt或n型的功率mos-fet进行导通/关断驱动的功率元件的驱动电路，所述功率元件根据施加到其控制电极的驱动信号来控制在第一主电极与第二主电极之间流通的主电流。

特别地本发明的功率元件的驱动电路的特征在于，具备：

第一串联电路，其具备串联连接的第一半导体开关元件和第二半导体开关元件，且该第一串联电路设置在电源端子与接地端子之间，并且将上述第一半导体开关元件与上述第二半导体开关元件的串联连接点与上述功率元件的控制电极连接；

第二串联电路，其具备将具有负的温度特性的半导体元件例如二极管设置在中间而串联连接的第三半导体开关元件和第四半导体开关元件，且该第二串联电路设置在上述电源端子与上述接地端子之间，并且将设置在上述接地端子侧的上述第四半导体开关元件与上述具有负的温度特性的半导体元件的串联连接点与上述功率元件的第二主电极连接；以及

控制电路，其根据控制信号使上述第一半导体开关元件～上述第四半导体开关元件分别相互关联地进行导通/关断而控制上述功率元件的导通/关断。

附带说明，上述具有负的温度特性的半导体元件例如由正向电压随着温度的上升而下降的二极管构成。并且，上述第二串联电路承担根据上述功率元件的动作电压阈值的随温度变化使在上述第三半导体开关元件的导通时施加于上述功率元件的第二主电极的电压随温度变化的作用。

优选地，上述控制电路被构成为，在对上述功率元件进行导通/关断驱动的通常动作时，将上述第一半导体开关元件和上述第四半导体开关元件分别导通，并且使上述第二半导体开关元件和上述第三半导体开关元件分别关断而使上述功率元件导通，此外，将上述第一半导体开关元件和上述第四半导体开关元件分别关断，并且使上述第二半导体开关元件和上述第三半导体开关元件分别导通而使上述功率元件关断。

另外，上述控制电路被构成为，在使上述功率元件强制关断的短路切断时，使上述第一半导体开关元件和上述第三半导体开关元件分别导通，并且使上述第二半导体开关元件和上述第四半导体开关元件分别关断。或者上述控制电路被构成为，在使上述功率元件强制关断的短路切断时，使上述第二开关元件和上述第四开关元件分别导通，并且使上述第一半导体开关元件和上述第三半导体开关元件分别关断。

发明效果

根据本发明，通过利用设置于第二串联电路的二极管的负的温度特性，能够根据与上述功率元件的动作温度对应的动作电压阈值的变化使施加到该功率元件的第二主电极的电压随温度变化。具体而言，上述第二串联电路能够根据igbt的动作电压阈值vth的随温度变化，而使在上述第三半导体开关元件的导通时施加于上述igbt的发射极的电压随温度变化。因此，无论功率元件(igbt)的动作电压阈值vth如何随温度变化，均能够使该功率元件在最佳的条件下导通，能够防止功率元件(igbt)的误导通动作。

另外，同时，无论如何随温度变化，均能够将igbt的关断动作时的该igbt的栅极-发射极间电压保持恒定。因此，能够抑制igbt导通时的该igbt的栅极电容的充电所需的时间(栅极充电时间)的偏差。因此，能够实现利用了igbt的导通/关断的功率转换电路的功率转换效率的提高。

因此，根据本发明，无论功率元件的动作温度如何，均能够伴随着上述的第一半导体开关元件～第四半导体开关元件的相互关联的导通/关断动作而将上述功率元件可靠地导通。因此，能够不使用图6中例示的现有的驱动电路中的栅极电阻而降低上述功率元件(igbt)的导通时和关断时的在该功率元件上的开关损耗。

并且，根据本发明，由于如上所述不使用栅极电阻且使用二极管来补偿igbt的温度特性，所以能够使功率元件的驱动电路紧凑而集成电路化。此外，发挥能够使电路构成本身简化而实现其制造成本的低廉等实际应用上的极大效果。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的功率元件的驱动电路的概要的概略构成图。

图2是表示图1所示的驱动电路的具体构成例的图。

图3是表示图2所示的驱动电路中的控制电路的另一构成例的图。

图4是表示图2所示的驱动电路中的控制电路的又一构成例的图。

图5是表示图1所示的驱动电路的另一具体构成例的图。

图6是表示现有的功率元件的驱动电路的一个例子的概略构成图。

图7是表示基于现有的功率元件的驱动电路的功率元件的导通/关断驱动形态的时序图。

符号说明

1、10：驱动电路

2：功率元件(igbt)

3：主电源

4：电源(vcc)

5：控制电路(cont)

q1：第一半导体开关元件(mos-fet)

q2：第二半导体开关元件(mos-fet)

q3：第三半导体开关元件(mos-fet)

q4：第四半导体开关元件(mos-fet)

d：具有负的温度特性的半导体元件(二极管)

rg：栅极电阻

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的功率元件的驱动电路10进行说明。

图1是表示本发明的一个实施方式的功率元件的驱动电路10的概要的概略构成图，对于与图6所示的现有的驱动电路1相同的部分标注相同符号而示出。

该驱动电路10具备第一串联电路，该第一串联电路由串联连接而设置在电源端子(vcc)与接地端子(gnd)之间的第一半导体开关元件q1和第二半导体开关元件q2构成。该第一串联电路设置成将第一半导体开关元件q1和第二半导体开关元件q2的串联连接点(节点p1)与igbt2的栅极连接。此外，驱动电路10具备第二串联电路，该第二串联电路具有将作为具有负的温度特性的半导体元件的二极管d设置于中间而串联连接的第三半导体开关元件q3和第四半导体开关元件q4。该第二串联电路也设置在电源端子(vcc)与接地端子(gnd)之间。该第二串联电路设置成将设置于接地端子侧的第四半导体开关元件q4与二极管d的串联连接点(节点p2)与igbt2的发射极连接。

附带说明，第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4分别由例如mos-fet构成。具体而言，第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4基本上由具有彼此相同的开关特性并且具有相同的电流容量且相同的耐压的开关用的mos-fet构成。这些第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4形成通过在控制电路5的控制下相互关联地被导通/关断控制，从而对igbt2进行导通/关断驱动的开关矩阵电路。

特别是该开关矩阵电路不使用图6所示的现有的驱动电路1中的栅极电阻rg而将作为第一半导体开关元件q1与第二半导体开关元件q2的串联连接点的节点p1的电压直接施加于igbt2的栅极。进一步地，开关矩阵电路的特征在于构成为将作为第四半导体开关元件q4与二极管d的阴极的连接点的节点p2的电压施加于igbt2的发射极。

另外，驱动电路10基本上在对igbt2进行导通/关断驱动的通常动作时，使第一半导体开关元件q1和第四半导体开关元件q4分别导通，并且使第二半导体开关元件q2和第三半导体开关元件q3分别关断，从而使igbt2导通。在该igbt2的导通时，igbt2的发射极被设定为0v，并对其栅极施加电源电压vcc。其结果是，igbt2成为在其栅极-发射极间施加电源电压vcc而被正偏压的状态。

另外，驱动电路10使第一半导体开关元件q1和第四半导体开关元件q4分别关断，并且使第二半导体开关元件q2和第三半导体开关元件q3分别导通，从而使igbt2关断。在该igbt2的关断时，igbt2的栅极被设定为0v，并经由二极管d对其发射极施加电源电压vcc。其结果是，igbt2成为在其栅极-发射极间施加负的电源电压(-vcc)而被负偏压的状态。

此外，igbt2具有其动作电压阈值vth随着温度的上升而下降的负的温度特性。与此相对，二极管d是具有其正向电压vf随着温度的上升而下降的负的温度特性的半导体元件。因此，具备二极管d而构成的第二串联电路在第三半导体开关元件q3为导通时，在节点p2产生在电源电压vcc上增加二极管d的正向电压vf而得到的电压(vcc-vf)。然后，该节点p2的电压(vcc-vf)被施加到igbt2的发射极，所以igbt2成为在其栅极-发射极间施加负的电源电压(-vcc+vf)从而被负偏压的状态。

即，在第三半导体开关元件q3为导通，igbt2处于关断状态时，在igbt2的动作电压阈值vth因温度变化而发生变化的情况下，从节点p2施加到igbt2的发射极的电压也随之变化。换言之，根据igbt2的动作电压阈值vth的随温度变化，将igbt2负偏压的电压(-vcc+vf)也进行变化。另外，在该状态下，在igbt2的栅极直接施加节点p1的电压(0v)。因此，igbt2在被负偏压的状态下稳定地维持其关断时的状态。

因此，在使igbt2正偏压而使其导通时，igbt2的栅极充电所需的时间不受igbt2的动作电压阈值vth的变化及栅极电阻rg的影响而保持恒定。其结果是，igbt2的导通时刻不会产生偏差，能够可靠地防止其误导通动作。另外，与此同时，能够降低igbt2的导通时和关断时的开关损耗，实现利用了igbt2的导通/关断的功率转换器的转换效率的提高。

应予说明，使第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4相互关联地进行导通/关断的控制电路5例如如图2所示那样构成。具体而言，控制电路5具备第一反相器电路5a，该第一反相器电路5a使控制信号sg反转而生成将第一半导体开关元件q1和第四半导体开关元件q4导通/关断的驱动信号。为了将第一半导体开关元件q1和第四半导体开关元件q4导通/关断，该第一反相器电路5a输出的驱动信号取电源4的电源电压vcc或接地端子的电压(0v)这两个值。

此外，控制电路5具备第二反相器电路5b，该第二反相器电路5b使第一反相器电路5a的输出反转而生成将第二半导体开关元件q2和第三半导体开关元件q3导通/关断的驱动信号。该第二反相器电路5b输出的驱动信号也取电源4的电源电压vcc或接地端子的电压(0v)这两个值。

根据这样构成的控制电路5，串联连接的第一半导体开关元件q1和第二半导体开关元件q2接收第一反相器电路5a和第二反相器电路5b的输出而相互相反地导通/关断。另外，串联连接的第三半导体开关元件q3和第四半导体开关元件q4也接收第一反相器电路5a和第二反相器电路5b的输出而相互相反地导通/关断。并且，通过由控制电路5进行的第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4的相互关联的导通/关断控制来控制igbt2的导通和关断，由此igbt2被驱动为导通/关断。

另外，在经由igbt2提供电流ic的负载侧检测到短路的情况下，使igbt2强制关断而保护igbt2、负载(rl)不受过大的短路电流的影响，进而保护驱动电路1、10。

由该短路切断进行的igbt2的保护动作是通过例如将第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3分别导通，并且将第二半导体开关元件q2和第四半导体开关元件q4分别关断而实现的。具体而言，在检测到短路切断时将第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3分别强制导通的情况下，可以例如如图3所示地构成控制电路5，根据短路检测信号co来切换针对第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4的导通/关断信号。

该图3所示的控制电路5具备根据短路检测信号co将门打开的4个与门电路51a、51b、51c、51d。在未施加短路检测信号co时，换言之在短路检测信号co为低电平(l)，使igbt2正常动作时，这些与门电路51a、51b、51c、51d经由反相器电路52分别被打开。然后，与门电路51a、51b、51c、51d将控制信号sg或经由反相器电路53使控制信号sg反转而得到的信号分别施加到驱动电路54a、54b、54c、54d。应予说明，这些驱动电路54a、54b、54c、54d生成分别将第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4导通/关断所需要的输出电压。

与此相对，在施加有短路检测信号co时，换言之在短路检测信号co成为高电平(h)时，与门电路51a、51b、51c、51d分别被关闭。然后，短路检测信号co经由或门电路55a、55c而分别施加到驱动电路54a、54c，并且由反相器电路52进行反转得到的短路检测信号co经由与门电路51b、51d而分别施加到驱动电路54b、54d。

因此，在施加了短路检测信号co时，第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3分别被强制导通，同时第二半导体开关元件q2和第四半导体开关元件q4分别被强制关断。其结果是，igbt2的栅极电压v(g)被设定为电源电压vcc，并且该igbt2的发射极电压v(e)被设定为电压(vcc-vf)。这样，igbt2的栅极-发射极间被负偏压为二极管d的正向电压vf，igbt2被强制设定为关断。然后，伴随着igbt2的强制关断，在负载(rl)流通的电流ic被切断，保护igbt2等不受伴随负载短路的过电流的影响。

根据这样构成的驱动电路10，将第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3分别导通，将施加到igbt2的栅极的电压设定为电源电压vcc，并将施加到igbt2的发射极的电压设定为电压(vcc-vf)。此时，igbt2的栅极电容的充电所需的时间，igbt2的栅极-发射极间电压vge成为负电压，igbt2关断。然后，伴随着igbt2的关断，igbt2的栅极电容经由第一半导体开关元件q1而放电。并且，由于igbt2的栅极-发射极间电压vge被保持在电压(-vf)，所以igbt2被负偏压而维持关断状态。

因此，即使是在检测到短路切断时将第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3分别强制导通的情况下，由于没有像以往那样经由栅极电阻rg进行igbt2的栅极电容的充放电，所以能够降低igbt2的关断时的开关损耗。因此，能够减小在驱动电路10上的功耗。

应予说明，也可以将第二半导体开关元件q2和第四半导体开关元件q4强制导通来代替在短路切断时的上述的第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3的强制导通。当然，此时与第二半导体开关元件q2和第四半导体开关元件q4的强制导通联动地将第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3强制关断。

如果这样地将第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3关断，同时将第二半导体开关元件q2和第四半导体开关元件q4导通，则igbt2的栅极电压v(g)被设定为接地电位(0v)，并且该igbt2的发射极电压v(e)也被设定为接地电压(0v)。其结果是，igbt2的栅极-发射极间电压vge成为0v，该igbt2强制成为关断。然后，伴随着igbt2的强制关断，在负载(rl)中流通的电流ic被切断，保护igbt2等不受伴随负载短路的过电流的影响。

应予说明，在施加了短路检测信号co时如上所述地将第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3分别强制导通的情况下，可以将控制电路5构成为例如如图4所示。图4所示的控制电路5被构成为将短路检测信号co经由或门电路55b、55d施加到驱动电路54b、54d，并且将由反相器电路52进行反转得到的短路检测信号co经由与门电路51a、51c分别施加到驱动电路54a、54c。

根据这样构成的驱动电路10，由于仅将通态电阻ron小的第二半导体开关元件q2和第四半导体开关元件q4导通，所以能够进一步减小igbt2的关断时的开关损耗。并且，能够与未同时进行经由栅极电阻rg的igbt2栅极电容的充放电的量对应地减小在驱动电路10上的功耗。

而且，能够在省去了以往的控制电路1中使用的栅极电阻rg的基础上实现第一半导体开关元件q1的小型化。因此，能够在将驱动电路10集成电路化的基础上减小芯片面积。另外，由于不需要在半导体芯片上与mos-fet等排列地形成栅极电阻rg，所以具有能够将其制造成本抑制得低等效果。

另外，在上述的说明中，示出了使用p型的mos-fet作为第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3，使用n型的mos-fet作为第二半导体开关元件q2和第四半导体开关元件q4的例子。但是，如图5所例示，也可以对第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4分别使用n型的mos-fet来构成开关矩阵电路。当然，此时也使用通态电阻ron比第二半导体开关元件q2～第四半导体开关元件q4的通态电阻ron大的mos-fet作为第一半导体开关元件q1。

此时，由n型的mos-fet构成的第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3的导通动作条件与图2所示的驱动电路10中的由p型的mos-fet构成的第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3的导通动作条件不同。即，第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3以节点p1、p2的电压为基准电位进行导通/关断动作，所述节点p1、p2的电压伴随着第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4的导通/关断而变化。

因此，此时，如图5所示，可以将控制电路5构成为将对控制信号sg进行反转的反相器电路5c的输入和输出经由电平转换电路5d、5e而分别施加到第一半导体开关元件q1和第三半导体开关元件q3的各栅极。这样，即使在使用n型的mos-fet作为第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4而构成开关矩阵电路的驱动电路10的情况下，也由于将作为第一半导体开关元件q1和第二半导体开关元件q2的串联连接点的节点p1的电压直接施加到igbt2的栅极，所以具有与上述的实施方式同样的效果。

应予说明，本发明不限于上述的实施方式。例如虽然未特别进行图示，但当然也可以将p型的mos-fet分别用作第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4。另外，当然也可以使用n型的mos-fet作为第一半导体开关元件q1和第二半导体开关元件q2，并使用p型的mos-fet作为第三半导体开关元件q3和第四半导体开关元件q4。

另外，当然如上所述在作为功率元件而驱动功率mos-fet的情况下，也可以应用本发明。进一步地，当然也可以使用双极型晶体管作为第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4。此外，对于控制电路5，可以根据开关矩阵电路的构成和/或针对构成开关矩阵电路的第一半导体开关元件q1～第四半导体开关元件q4的导通/关断驱动形态等进行各种变化。除此以外，本发明在不脱离其主旨的范围内可以进行各种变形而实施。