柵極驅(qū)動電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及驅(qū)動半導體開關(guān)元件的絕緣型的柵極驅(qū)動電路。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著環(huán)保意識的增強，所有電氣設備都有省電要求。尤其是作為電氣設備的省電的一大要點，對電力進行開關(guān)的逆變器(inverter)系統(tǒng)受到關(guān)注。逆變器被廣泛用于空調(diào)、洗衣機、冰箱等身邊的電氣設備、太陽能電池中搭載的功率調(diào)節(jié)器這樣的產(chǎn)業(yè)用電氣設備、或者電動汽車這樣車載用的電氣設備。
[0003]這樣的逆變器由對電力進行開關(guān)的半導體開關(guān)元件、和用于驅(qū)動半導體開關(guān)元件的柵極驅(qū)動電路構(gòu)成。作為功率器件的半導體開關(guān)元件典型地講在幾十伏?幾千伏的高電壓下進行動作。
[0004]與此相對，用于將半導體開關(guān)元件接通、關(guān)斷的控制信號是從在幾伏以下的電壓下動作的控制電路(控制IC)提供的。因此，在這種情況下，柵極驅(qū)動電路在確保設有半導體開關(guān)元件的輸出側(cè)和設有控制電路的輸入側(cè)之間的電絕緣的同時，向半導體開關(guān)元件提供驅(qū)動信號。另外，關(guān)于這種絕緣型的柵極驅(qū)動電路，還提出了采用電磁場諧振耦合器的柵極驅(qū)動電路(例如，參照非專利文獻I)。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻1:日本特表2012 — 522477號公報
[0008]非專利文獻
[0009]非專利文獻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，F(xiàn)eb 2012.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明要解決的問題
[0011]在柵極驅(qū)動電路中，為了將半導體開關(guān)元件快速接通，需要在瞬時向半導體開關(guān)元件的柵極端子提供大電流。
[0012]因此，本發(fā)明提供一種能夠向半導體開關(guān)元件提供大電流的柵極驅(qū)動電路。
[0013]用于解決問題的手段
[0014]本發(fā)明的一個方式的絕緣型的柵極驅(qū)動電路，驅(qū)動半導體開關(guān)元件，具有:調(diào)制電路，生成根據(jù)第一輸入信號對第一高頻進行調(diào)制而得到的第一被調(diào)制信號、和根據(jù)與所述第一輸入信號不同的第二輸入信號對所述第一高頻進行調(diào)制而得到的第二被調(diào)制信號；絕緣傳輸部，由包含對所述第一被調(diào)制信號進行絕緣傳輸?shù)牡谝浑姶艌鲋C振耦合器、和對所述第二被調(diào)制信號進行絕緣傳輸?shù)牡诙姶艌鲋C振耦合器的多個電磁場諧振耦合器構(gòu)成；第一整流電路，對通過所述第一電磁場諧振耦合器絕緣傳輸?shù)乃龅谝槐徽{(diào)制信號進行整流，由此生成第一信號；第二整流電路，對通過所述第二電磁場諧振耦合器絕緣傳輸?shù)乃龅诙徽{(diào)制信號進行整流，由此生成第二信號；第三整流電路，對通過所述多個電磁場諧振耦合器中的一個電磁場諧振耦合器絕緣傳輸?shù)牡诙哳l進行整流，由此生成充電用電壓；電容器，根據(jù)所述充電用電壓被充電；以及輸出電路，根據(jù)所述第一信號及所述第二信號中的至少一方，選擇是否將對所述電容器充電的電荷提供給所述半導體開關(guān)元件的柵極端子。
[0015]發(fā)明效果
[0016]根據(jù)本發(fā)明的柵極驅(qū)動電路，能夠向半導體開關(guān)元件提供大電流。
【附圖說明】
[0017]圖1是表示實施方式I的柵極驅(qū)動電路的一例的系統(tǒng)框圖。
[0018]圖2是表示實施方式I的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0019]圖3是表示實施方式I的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0020]圖4是表不實施方式I的柵極驅(qū)動電路中的輸入信號的一例的圖。
[0021]圖5是表示實施方式I的柵極驅(qū)動電路中的電磁場諧振耦合器的結(jié)構(gòu)例的圖。
[0022]圖6是表示實施方式I的柵極驅(qū)動電路中的半橋電路的動作例的圖。
[0023]圖7是表示實施方式I的柵極驅(qū)動電路中構(gòu)成半橋電路的晶體管的柵極源極間電壓和對電容器充電的電荷之間的關(guān)系的一例的圖。
[0024]圖8是表示實施方式I的柵極驅(qū)動電路中從輸出端子輸出的輸出波形的模擬結(jié)果的圖。
[0025]圖9是表示實施方式I的柵極驅(qū)動電路中從輸出端子輸出的輸出波形的實測結(jié)果的圖。
[0026]圖10是表示實施方式I的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0027]圖11是表示實施方式I的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0028]圖12是表示實施方式2的柵極驅(qū)動電路的一例的系統(tǒng)框圖。
[0029]圖13是表示實施方式2的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0030]圖14是表示實施方式2的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0031]圖15是表示實施方式3的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0032]圖16是表示實施方式3的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0033]圖17是表示實施方式4的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0034]圖18是表示實施方式4的柵極驅(qū)動電路的動作例的圖。
[0035]圖19是表示實施方式4的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0036]圖20是表示實施方式5的柵極驅(qū)動電路的一例的系統(tǒng)框圖。
[0037]圖21是表示實施方式5的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0038]圖22是表示實施方式5的柵極驅(qū)動電路中構(gòu)成半橋電路的晶體管的柵極源極間電壓和對電容器充電的電荷之間的關(guān)系的一例的圖。
[0039]圖23是表示實施方式5的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
[0040]圖24是表示實施方式5的柵極驅(qū)動電路的具體結(jié)構(gòu)例的電路圖。
【具體實施方式】
[0041 ](作為本發(fā)明的基礎(chǔ)的認識)
[0042]在半導體開關(guān)元件的開關(guān)中，典型地采用輸入側(cè)和輸出側(cè)絕緣的絕緣型的柵極驅(qū)動電路。
[0043]絕緣型的柵極驅(qū)動電路中，連接輸出側(cè)的高電壓電路、和連接輸入側(cè)的低電壓電路被絕緣。由此，絕緣型的柵極驅(qū)動電路能夠防止低電壓電路的誤動作及故障。
[0044]另外，絕緣型的柵極驅(qū)動電路的高電壓電路的接地回路和低電壓電路的接地回路被分開，因而在其中一方的電路產(chǎn)生了誤動作等的情況下，能夠防止對另一方的電路施加過剩電壓。
[0045]在此，作為絕緣型的柵極驅(qū)動電路的一例，具有光耦合器的柵極驅(qū)動電路是公知的。在這樣的柵極驅(qū)動電路中，控制信號通過光耦合器來絕緣傳輸。另一方面，從電壓源提供的驅(qū)動電力使用變壓器的電磁感應來絕緣傳輸。并且，柵極驅(qū)動電路通過將控制信號和驅(qū)動電力合成來生成驅(qū)動信號，并向半導體開關(guān)元件提供驅(qū)動信號。
[0046]但是，采用光耦合器的柵極驅(qū)動電路部件數(shù)目較多，因而存在電路規(guī)模(安裝面積)大、成本高的問題。
[0047]與此相對，在非專利文獻I中提出了利用微波的絕緣型的柵極驅(qū)動電路。這樣的柵極驅(qū)動電路利用微波向半導體開關(guān)元件提供驅(qū)動信號和驅(qū)動電力。具體而言，柵極驅(qū)動電路根據(jù)控制信號對作為驅(qū)動電力的微波進行調(diào)制，并且使用被稱為電磁場諧振耦合器的絕緣元件對調(diào)制后的微波進行絕緣傳輸。然后，柵極驅(qū)動電路通過對調(diào)制后的微波進行整流來生成驅(qū)動信號。
[0048]這種利用微波的柵極驅(qū)動電路具備作為小型單一元件的電磁場諧振耦合器，取代了光耦合器和變壓器這樣的多個部件。因此，利用微波的柵極驅(qū)動電路能夠?qū)崿F(xiàn)超小型化。
[0049]可是，對于柵極驅(qū)動電路，為了使半導體開關(guān)元件快速接通，期望能夠在短時間內(nèi)對半導體開關(guān)元件的柵極電容(Ciss)充以足夠的電荷。尤其是處理大功率/大電流的功率器件的半導體開關(guān)元件，由于柵極寬度(Wg)較寬，因而柵極電容也大。
[0050]近年來對半導體開關(guān)元件的動作要求進一步快速化。為了使功率器件的半導體開關(guān)元件以與柵極寬度較窄的半導體開關(guān)元件相同的速度、或者在其之上的速度進行動作，柵極驅(qū)動電路需要在瞬時向半導體開關(guān)元件的柵極流過大電流。因此，期望柵極驅(qū)動電路的輸出能實現(xiàn)大電流。
[0051]但是，利用微波的柵極驅(qū)動電路由于是利用微波向半導體開關(guān)元件的柵極端子提供驅(qū)動電力，因而與已有的采用光耦合器和變壓器的柵極驅(qū)動電路相比，難以向半導體開關(guān)元件的柵極端子提供較大的驅(qū)動電力。即，利用微波的柵極驅(qū)動電路存在難以向半導體開關(guān)元件的柵極端子提供大電流的問題。
[0052]為了解決這種問題，公知有在柵極驅(qū)動電路的輸出部追加緩沖器電路，使從柵極驅(qū)動電路輸出的輸出電流增加的方法。在該方法中，使用由晶體管構(gòu)成的開關(guān)電路對來自電源的電流進行切換，從而向半導體開關(guān)元件的柵極端子提供大電流。
[0053]專利文獻I公開了具有電橋電路作為開關(guān)電路并且具有電容器作為電源的電路。具體而言，專利文獻I的電路通過利用浮動電橋電路對電容器的電荷的狀態(tài)進行切換來對負載提供電力。
[0054]但是，無論在上述哪種情況下，都存在因為使電源(電容器)絕緣的結(jié)構(gòu)而導致電路規(guī)模變大的問題。
[0055]因此，本發(fā)明的發(fā)明者們對電路規(guī)模小、而且能夠向半導體開關(guān)元件提供大電流的絕緣型柵極驅(qū)動電路進行了研宄，并完成了本發(fā)明。
[0056](實施方式的概要)
[0057]本發(fā)明的一個方式的絕緣型的柵極驅(qū)動電路，驅(qū)動半導體開關(guān)元件，具有:調(diào)制電路，生成根據(jù)第一輸入信號對第一高頻進行調(diào)制而得到的第一被調(diào)制信號、和根據(jù)與所述第一輸入信號不同的第二輸入信號對所述第一高頻進行調(diào)制而得到的第二被調(diào)制信號；絕緣傳輸部，由包含對所述第一被調(diào)制信號進行絕緣傳輸?shù)牡谝浑姶艌鲋C振耦合器、和對所述第二被調(diào)制信號進行絕緣傳輸?shù)牡诙姶艌鲋C振耦合器的多個電磁場諧振耦合器構(gòu)成；第一整流電路，對通過所述第一電磁場諧振耦合器絕緣傳輸?shù)乃龅谝槐徽{(diào)制信號進行整流，由此生成第一信號；第二整流電路，對通過所述第二電磁場諧振耦合器絕緣傳輸?shù)乃龅诙徽{(diào)制信號進行整流，由此生成第二信號；第三整流電路，對通過所述多個電磁場諧振耦合器中的一個電磁場諧振耦合器絕緣傳輸?shù)牡诙哳l進行整流，由此生成充電用電壓；電容器，根據(jù)所述充電用電壓被充電；以及輸出電路，根據(jù)所述第一信號及所述第二信號中的至少一方，選擇是否將對所述電容器充電的電荷提供給所述半導體開關(guān)元件的柵極端子。
[0058]由此，柵極驅(qū)動電路能夠向半導體開關(guān)元件提供大電流。并且，通過對第二高頻進行整流來得到充電用電壓，因而不需要另外設置用于對電容器充電的絕緣電源，即可對電容器進行充電。
[0059]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述絕緣傳輸部也可以還包含對所述第二高頻進行絕緣傳輸?shù)牡谌姶艌鲋C振耦合器。
[0060]由此，能夠?qū)Ρ徽{(diào)制信號進行絕緣傳輸?shù)碾姶艌鲋C振耦合器、和對第二高頻進行絕緣傳輸?shù)碾姶艌鲋C振耦合器分開。因此，第二高頻在由第三電磁場諧振耦合器傳輸后，不需分配即可輸入第三整流電路。因此，能夠向半導體開關(guān)元件的柵極端子提供更大的電流。
[0061 ] 在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述第二高頻的振幅的最大值也可以大于所述第一被調(diào)制信號及所述第二被調(diào)制信號的振幅的最大值。
[0062]由此，能夠增大用于對電容器充電的第二高頻的電力。
[0063]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述柵極驅(qū)動電路也可以還具有生成所述第一高頻和所述第二高頻的高頻生成器。
[0064]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述高頻生成器也可以還包括:頻率分配濾波器，將高頻分離為基波成分和高次諧波成分，并將所述基波成分作為所述第二高頻輸出，將所述高次諧波成分作為所述第一高頻輸出。
[0065]由此，能夠?qū)⒏叽沃C波成分用于輸出電路的開關(guān)控制。因此，能夠提高用于對電容器充電的電力效率。因此，能夠增加在電容器的充電中使用的電量，能夠使半導體開關(guān)元件的開關(guān)更加快速化。
[0066]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述高頻生成器也可以還包括改變所述第二高頻的振幅的放大電路。
[0067]由此，能夠進一步增加在電容器的充電中使用的電量，能夠使半導體開關(guān)元件的開關(guān)非常快速化。
[0068]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述放大電路也可以根據(jù)輸入到控制端子的信號來改變所述第二高頻的振幅，在所述輸出電路不向所述半導體開關(guān)元件的柵極端子提供所述電荷時，所述第三整流電路輸出所述充電用電壓，在所述輸出電路向所述半導體開關(guān)元件的柵極端子提供所述電荷時，所述第三整流電路不輸出所述充電用電壓。
[0069]由此，例如能夠僅在對電容器充電的期間從高頻振蕩電路輸出高頻，能夠使柵極驅(qū)動電路省電。
[0070]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述第二被調(diào)制信號也可以包括所述第二高頻，所述第三整流電路對通過所述第二電磁場諧振耦合器絕緣傳輸?shù)乃龅诙徽{(diào)制信號進行整流，由此生成所述充電用電壓。
[0071]由此，作為充電用電壓的基礎(chǔ)的第二高頻是通過對第二被調(diào)制信號進行絕緣傳輸?shù)牡诙姶艌鲋C振耦合器來絕緣傳輸?shù)模蚨軌驅(qū)崿F(xiàn)柵極驅(qū)動電路的簡化。
[0072]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述第二被調(diào)制信號的振幅的最大值也可以大于所述第一被調(diào)制信號的振幅的最大值。
[0073]由此，能夠增大用于對電容器充電的第二高頻的電力。
[0074]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述柵極驅(qū)動電路也可以還具有放大電路，該放大電路設于所述調(diào)制電路和所述第二電磁場諧振耦合器之間，并對所述第二被調(diào)制信號進行放大。
[0075]由此，能夠增加在電容器充電時使用的電量，能夠使半導體開關(guān)元件的開關(guān)更加快速化。
[0076]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述柵極驅(qū)動電路也可以還具有生成所述第一尚頻的尚頻振蕩電路。
[0077]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，也可以在所述輸出電路不向所述半導體開關(guān)元件的柵極端子提供所述電荷時，所述第三整流電路輸出所述充電用電壓，在所述輸出電路向所述半導體開關(guān)元件的柵極端子提供所述電荷時，所述第三整流電路不輸出所述充電用電壓。
[0078]由此，例如能夠僅在對電容器充電的期間從高頻振蕩電路輸出高頻，能夠使柵極驅(qū)動電路省電。
[0079]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述輸出電路也可以包括:第一開關(guān)元件，根據(jù)所述第一信號向所述半導體開關(guān)元件的柵極端子提供對所述電容器充電的電荷；以及第二開關(guān)元件，根據(jù)所述第二信號從所述半導體開關(guān)元件的柵極端子提取電荷。
[0080]這樣，通過將輸出電路形成為所謂半橋電路的結(jié)構(gòu)，柵極驅(qū)動電路能夠向半導體開關(guān)兀件提供大電流。
[0081]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述輸出電路也可以包括:第一開關(guān)元件及第四開關(guān)元件，根據(jù)所述第一信號向所述半導體開關(guān)元件的柵極端子提供對所述電容器充電的電荷；以及第二開關(guān)元件及第三開關(guān)元件，根據(jù)所述第二信號從所述柵極端子提取電荷，并將該電荷向所述電容器充電。
[0082]這樣，通過將驅(qū)動電路形成為所謂H電橋電路的結(jié)構(gòu)，柵極驅(qū)動電路能夠?qū)⒁淮蜗虬雽w開關(guān)元件的柵極提供的電荷回收，并再次對電容器充電。
[0083]在本發(fā)明的一個方式的柵極驅(qū)動電路中，例如，所述調(diào)制電路也可以是通過將所述第一輸入信號和所述第一高頻混合來生成所述第一被調(diào)制信號、并且通過將所述