栅极驱动电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及驱动半导体开关元件的绝缘型的栅极驱动电路。
【背景技术】
[0002]近年来，随着环保意识的增强，所有电气设备都有省电要求。尤其是作为电气设备的省电的一大要点，对电力进行开关的逆变器(inverter)系统受到关注。逆变器被广泛用于空调、洗衣机、冰箱等身边的电气设备、太阳能电池中搭载的功率调节器这样的产业用电气设备、或者电动汽车这样车载用的电气设备。
[0003]这样的逆变器由对电力进行开关的半导体开关元件、和用于驱动半导体开关元件的栅极驱动电路构成。作为功率器件的半导体开关元件典型地讲在几十伏?几千伏的高电压下进行动作。
[0004]与此相对，用于将半导体开关元件接通、关断的控制信号是从在几伏以下的电压下动作的控制电路(控制IC)提供的。因此，在这种情况下，栅极驱动电路在确保设有半导体开关元件的输出侧和设有控制电路的输入侧之间的电绝缘的同时，向半导体开关元件提供驱动信号。另外，关于这种绝缘型的栅极驱动电路，还提出了采用电磁场谐振耦合器的栅极驱动电路(例如，参照非专利文献I)。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特表2012 — 522477号公报
[0008]非专利文献
[0009]非专利文献1:S.Nagai et al., “A DC-1solated Gate Drive IC withDrive-by-Microwave Technology for Power Switching Devices，，，2012 IEEE ISSCCDigest of Technical Papers，Vol.65，pp.404-405，Feb 2012.
【发明内容】
[0010]发明要解决的问题
[0011]在栅极驱动电路中，为了将半导体开关元件快速接通，需要在瞬时向半导体开关元件的栅极端子提供大电流。
[0012]因此，本发明提供一种能够向半导体开关元件提供大电流的栅极驱动电路。
[0013]用于解决问题的手段
[0014]本发明的一个方式的绝缘型的栅极驱动电路，驱动半导体开关元件，具有:调制电路，生成根据第一输入信号对第一高频进行调制而得到的第一被调制信号、和根据与所述第一输入信号不同的第二输入信号对所述第一高频进行调制而得到的第二被调制信号；绝缘传输部，由包含对所述第一被调制信号进行绝缘传输的第一电磁场谐振耦合器、和对所述第二被调制信号进行绝缘传输的第二电磁场谐振耦合器的多个电磁场谐振耦合器构成；第一整流电路，对通过所述第一电磁场谐振耦合器绝缘传输的所述第一被调制信号进行整流，由此生成第一信号；第二整流电路，对通过所述第二电磁场谐振耦合器绝缘传输的所述第二被调制信号进行整流，由此生成第二信号；第三整流电路，对通过所述多个电磁场谐振耦合器中的一个电磁场谐振耦合器绝缘传输的第二高频进行整流，由此生成充电用电压；电容器，根据所述充电用电压被充电；以及输出电路，根据所述第一信号及所述第二信号中的至少一方，选择是否将对所述电容器充电的电荷提供给所述半导体开关元件的栅极端子。
[0015]发明效果
[0016]根据本发明的栅极驱动电路，能够向半导体开关元件提供大电流。
【附图说明】
[0017]图1是表示实施方式I的栅极驱动电路的一例的系统框图。
[0018]图2是表示实施方式I的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0019]图3是表示实施方式I的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0020]图4是表不实施方式I的栅极驱动电路中的输入信号的一例的图。
[0021]图5是表示实施方式I的栅极驱动电路中的电磁场谐振耦合器的结构例的图。
[0022]图6是表示实施方式I的栅极驱动电路中的半桥电路的动作例的图。
[0023]图7是表示实施方式I的栅极驱动电路中构成半桥电路的晶体管的栅极源极间电压和对电容器充电的电荷之间的关系的一例的图。
[0024]图8是表示实施方式I的栅极驱动电路中从输出端子输出的输出波形的模拟结果的图。
[0025]图9是表示实施方式I的栅极驱动电路中从输出端子输出的输出波形的实测结果的图。
[0026]图10是表示实施方式I的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0027]图11是表示实施方式I的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0028]图12是表示实施方式2的栅极驱动电路的一例的系统框图。
[0029]图13是表示实施方式2的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0030]图14是表示实施方式2的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0031]图15是表示实施方式3的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0032]图16是表示实施方式3的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0033]图17是表示实施方式4的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0034]图18是表示实施方式4的栅极驱动电路的动作例的图。
[0035]图19是表示实施方式4的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0036]图20是表示实施方式5的栅极驱动电路的一例的系统框图。
[0037]图21是表示实施方式5的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0038]图22是表示实施方式5的栅极驱动电路中构成半桥电路的晶体管的栅极源极间电压和对电容器充电的电荷之间的关系的一例的图。
[0039]图23是表示实施方式5的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
[0040]图24是表示实施方式5的栅极驱动电路的具体结构例的电路图。
【具体实施方式】
[0041 ](作为本发明的基础的认识)
[0042]在半导体开关元件的开关中，典型地采用输入侧和输出侧绝缘的绝缘型的栅极驱动电路。
[0043]绝缘型的栅极驱动电路中，连接输出侧的高电压电路、和连接输入侧的低电压电路被绝缘。由此，绝缘型的栅极驱动电路能够防止低电压电路的误动作及故障。
[0044]另外，绝缘型的栅极驱动电路的高电压电路的接地回路和低电压电路的接地回路被分开，因而在其中一方的电路产生了误动作等的情况下，能够防止对另一方的电路施加过剩电压。
[0045]在此，作为绝缘型的栅极驱动电路的一例，具有光耦合器的栅极驱动电路是公知的。在这样的栅极驱动电路中，控制信号通过光耦合器来绝缘传输。另一方面，从电压源提供的驱动电力使用变压器的电磁感应来绝缘传输。并且，栅极驱动电路通过将控制信号和驱动电力合成来生成驱动信号，并向半导体开关元件提供驱动信号。
[0046]但是，采用光耦合器的栅极驱动电路部件数目较多，因而存在电路规模(安装面积)大、成本高的问题。
[0047]与此相对，在非专利文献I中提出了利用微波的绝缘型的栅极驱动电路。这样的栅极驱动电路利用微波向半导体开关元件提供驱动信号和驱动电力。具体而言，栅极驱动电路根据控制信号对作为驱动电力的微波进行调制，并且使用被称为电磁场谐振耦合器的绝缘元件对调制后的微波进行绝缘传输。然后，栅极驱动电路通过对调制后的微波进行整流来生成驱动信号。
[0048]这种利用微波的栅极驱动电路具备作为小型单一元件的电磁场谐振耦合器，取代了光耦合器和变压器这样的多个部件。因此，利用微波的栅极驱动电路能够实现超小型化。
[0049]可是，对于栅极驱动电路，为了使半导体开关元件快速接通，期望能够在短时间内对半导体开关元件的栅极电容(Ciss)充以足够的电荷。尤其是处理大功率/大电流的功率器件的半导体开关元件，由于栅极宽度(Wg)较宽，因而栅极电容也大。
[0050]近年来对半导体开关元件的动作要求进一步快速化。为了使功率器件的半导体开关元件以与栅极宽度较窄的半导体开关元件相同的速度、或者在其之上的速度进行动作，栅极驱动电路需要在瞬时向半导体开关元件的栅极流过大电流。因此，期望栅极驱动电路的输出能实现大电流。
[0051]但是，利用微波的栅极驱动电路由于是利用微波向半导体开关元件的栅极端子提供驱动电力，因而与已有的采用光耦合器和变压器的栅极驱动电路相比，难以向半导体开关元件的栅极端子提供较大的驱动电力。即，利用微波的栅极驱动电路存在难以向半导体开关元件的栅极端子提供大电流的问题。
[0052]为了解决这种问题，公知有在栅极驱动电路的输出部追加缓冲器电路，使从栅极驱动电路输出的输出电流增加的方法。在该方法中，使用由晶体管构成的开关电路对来自电源的电流进行切换，从而向半导体开关元件的栅极端子提供大电流。
[0053]专利文献I公开了具有电桥电路作为开关电路并且具有电容器作为电源的电路。具体而言，专利文献I的电路通过利用浮动电桥电路对电容器的电荷的状态进行切换来对负载提供电力。
[0054]但是，无论在上述哪种情况下，都存在因为使电源(电容器)绝缘的结构而导致电路规模变大的问题。
[0055]因此，本发明的发明者们对电路规模小、而且能够向半导体开关元件提供大电流的绝缘型栅极驱动电路进行了研宄，并完成了本发明。
[0056](实施方式的概要)
[0057]本发明的一个方式的绝缘型的栅极驱动电路，驱动半导体开关元件，具有:调制电路，生成根据第一输入信号对第一高频进行调制而得到的第一被调制信号、和根据与所述第一输入信号不同的第二输入信号对所述第一高频进行调制而得到的第二被调制信号；绝缘传输部，由包含对所述第一被调制信号进行绝缘传输的第一电磁场谐振耦合器、和对所述第二被调制信号进行绝缘传输的第二电磁场谐振耦合器的多个电磁场谐振耦合器构成；第一整流电路，对通过所述第一电磁场谐振耦合器绝缘传输的所述第一被调制信号进行整流，由此生成第一信号；第二整流电路，对通过所述第二电磁场谐振耦合器绝缘传输的所述第二被调制信号进行整流，由此生成第二信号；第三整流电路，对通过所述多个电磁场谐振耦合器中的一个电磁场谐振耦合器绝缘传输的第二高频进行整流，由此生成充电用电压；电容器，根据所述充电用电压被充电；以及输出电路，根据所述第一信号及所述第二信号中的至少一方，选择是否将对所述电容器充电的电荷提供给所述半导体开关元件的栅极端子。
[0058]由此，栅极驱动电路能够向半导体开关元件提供大电流。并且，通过对第二高频进行整流来得到充电用电压，因而不需要另外设置用于对电容器充电的绝缘电源，即可对电容器进行充电。
[0059]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述绝缘传输部也可以还包含对所述第二高频进行绝缘传输的第三电磁场谐振耦合器。
[0060]由此，能够将对被调制信号进行绝缘传输的电磁场谐振耦合器、和对第二高频进行绝缘传输的电磁场谐振耦合器分开。因此，第二高频在由第三电磁场谐振耦合器传输后，不需分配即可输入第三整流电路。因此，能够向半导体开关元件的栅极端子提供更大的电流。
[0061 ] 在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述第二高频的振幅的最大值也可以大于所述第一被调制信号及所述第二被调制信号的振幅的最大值。
[0062]由此，能够增大用于对电容器充电的第二高频的电力。
[0063]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述栅极驱动电路也可以还具有生成所述第一高频和所述第二高频的高频生成器。
[0064]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述高频生成器也可以还包括:频率分配滤波器，将高频分离为基波成分和高次谐波成分，并将所述基波成分作为所述第二高频输出，将所述高次谐波成分作为所述第一高频输出。
[0065]由此，能够将高次谐波成分用于输出电路的开关控制。因此，能够提高用于对电容器充电的电力效率。因此，能够增加在电容器的充电中使用的电量，能够使半导体开关元件的开关更加快速化。
[0066]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述高频生成器也可以还包括改变所述第二高频的振幅的放大电路。
[0067]由此，能够进一步增加在电容器的充电中使用的电量，能够使半导体开关元件的开关非常快速化。
[0068]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述放大电路也可以根据输入到控制端子的信号来改变所述第二高频的振幅，在所述输出电路不向所述半导体开关元件的栅极端子提供所述电荷时，所述第三整流电路输出所述充电用电压，在所述输出电路向所述半导体开关元件的栅极端子提供所述电荷时，所述第三整流电路不输出所述充电用电压。
[0069]由此，例如能够仅在对电容器充电的期间从高频振荡电路输出高频，能够使栅极驱动电路省电。
[0070]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述第二被调制信号也可以包括所述第二高频，所述第三整流电路对通过所述第二电磁场谐振耦合器绝缘传输的所述第二被调制信号进行整流，由此生成所述充电用电压。
[0071]由此，作为充电用电压的基础的第二高频是通过对第二被调制信号进行绝缘传输的第二电磁场谐振耦合器来绝缘传输的，因而能够实现栅极驱动电路的简化。
[0072]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述第二被调制信号的振幅的最大值也可以大于所述第一被调制信号的振幅的最大值。
[0073]由此，能够增大用于对电容器充电的第二高频的电力。
[0074]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述栅极驱动电路也可以还具有放大电路，该放大电路设于所述调制电路和所述第二电磁场谐振耦合器之间，并对所述第二被调制信号进行放大。
[0075]由此，能够增加在电容器充电时使用的电量，能够使半导体开关元件的开关更加快速化。
[0076]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述栅极驱动电路也可以还具有生成所述第一尚频的尚频振荡电路。
[0077]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，也可以在所述输出电路不向所述半导体开关元件的栅极端子提供所述电荷时，所述第三整流电路输出所述充电用电压，在所述输出电路向所述半导体开关元件的栅极端子提供所述电荷时，所述第三整流电路不输出所述充电用电压。
[0078]由此，例如能够仅在对电容器充电的期间从高频振荡电路输出高频，能够使栅极驱动电路省电。
[0079]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述输出电路也可以包括:第一开关元件，根据所述第一信号向所述半导体开关元件的栅极端子提供对所述电容器充电的电荷；以及第二开关元件，根据所述第二信号从所述半导体开关元件的栅极端子提取电荷。
[0080]这样，通过将输出电路形成为所谓半桥电路的结构，栅极驱动电路能够向半导体开关兀件提供大电流。
[0081]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述输出电路也可以包括:第一开关元件及第四开关元件，根据所述第一信号向所述半导体开关元件的栅极端子提供对所述电容器充电的电荷；以及第二开关元件及第三开关元件，根据所述第二信号从所述栅极端子提取电荷，并将该电荷向所述电容器充电。
[0082]这样，通过将驱动电路形成为所谓H电桥电路的结构，栅极驱动电路能够将一次向半导体开关元件的栅极提供的电荷回收，并再次对电容器充电。
[0083]在本发明的一个方式的栅极驱动电路中，例如，所述调制电路也可以是通过将所述第一输入信号和所述第一高频混合来生成所述第一被调制信号、并且通过将所述