專利名稱：柵極驅動電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及驅動功率開關元件的柵極驅動電路。
背景技術：
采用功率開關元件的功率變換器，隨著開關元件實現大容量及高速化正一步步 地擴大其應用范圍。在這樣的功率開關元件中，特別是最近不斷擴大應用領域的元件是 M0S柵極型的開關元件、即絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和金屬化物半導體場效應晶體管 (M0SFET)。IGBT或M0SFET是不會自己維持導通及關斷狀態(tài)的非閂鎖型開關元件，與晶閘管 等閂鎖型的開關元件相比具有的最大優(yōu)點是，能夠通過柵極驅動以確保較高的控制性。這 種非閂鎖型開關元件在導通與關斷的開關過渡期中，也能夠利用柵極控制來抑制沖擊電壓 及沖擊電流，或者自由控制開關過渡期的電流或電壓的斜率。這樣，作為利用柵極控制能夠保護功率開關元件以防止沖擊電流破壞的柵極驅動 電路，已經的有包括具有例如從控制輸入用的柵極端將主電流的一部分進行分流作為元 件電流檢測電流的檢測端的功率開關元件、從利用該檢測端分流的電流檢測電流減去一定 電流的運算單元、在利用該運算單元減去一定電流后的電流檢測電流的電流值為正時將該 電流進行累計的累計單元、以及根據該累計單元的輸出來控制功率開關元件的柵極端電壓 的控制單元(例如參照特開2000-224837號公報)。根據該柵極驅動電路，能夠不通過反饋 控制，穩(wěn)定地控制流過功率開關元件的主電流。在上述的柵極驅動電路中，對于除了柵極端以外、還具有檢測端的功率開關元件， 不通過反饋控制來對柵極端進行控制，保護功率開關元件以防止沖擊電流。但是，對于沒有 檢測端、僅具有柵極端的功率開關元件，一般是通過反饋控制來控制柵極端，保護功率開關 元件以防止沖擊電壓等。作為通過反饋控制來控制柵極端、保護功率開關元件以防止沖擊電壓等的以往的 柵極驅動電路，有例如圖1所示那樣的電路。對于功率開關元件9的柵極電極(控制輸入 端)，從電壓放大器2通過柵極電阻3供給柵極信號輸出，通過這樣進行功率開關元件9在 通常動作條件下的柵極驅動。另外，同時對于功率開關元件9的柵極電極，從作為電流驅動 單元的控制電流源6供給電流，通過這樣進行功率開關元件9的有源柵極驅動?？刂齐娏?源6利用電壓放大器5按照以下那樣進行控制。即，利用電阻4a及4b對功率開關元件的 主電極(集電極與發(fā)射極)之間所施加的主電壓Vce進行分壓，電壓放大器5將這樣分壓 得到的分電壓檢測信號作為輸入信號進行輸入，來對控制電流源6進行控制。參照標號10 表示與功率開關元件9并聯連接的續(xù)流二極管。
在上述的柵極驅動電路中，對于在功率開關元件9關斷時產生的沖擊電壓如下那 樣進行控制。若由于來自外部的信號的影響，電壓放大器2的輸出電壓減少，則通過柵極電 阻3施加的柵極電壓也降低。結果，若功率開關元件9的柵極電壓低于由開關元件的靜特性 所決定的某一定的閾值電壓，則流過功率開關元件9的電流開始降低，同時功率開關元件9 的主電壓Vce開始急劇上升。主電壓Vce利用分壓電阻4a及4b和相位補償電容13a及13b進行分壓，作為主 電壓檢測信號向電壓放大器5輸入。然后，用電壓放大器5放大至適當的電平，對控制電流 源6進行控制。因此，若主電壓Vce的值超過一定的值，則利用從控制電流源6注入的電流， 使功率開關元件9的柵極電壓上升。通過這樣，功率開關元件9恢復為導通狀態(tài)，防止主電 壓Vce更進一步上升。利用上述柵極驅動電路的這樣的動作，對功率開關元件9施加的主 電壓不會超過由電路所決定的一定值，抑制沖擊電壓的產生。在采用除了柵極端以外還具有檢測端的功率開關元件的柵極驅動電路中，對于該 功率開關元件，不通過反饋控制來對柵極端進行控制，保護功率開關元件以防止沖擊電流。 但是，對于沒有檢測端、僅具有柵極端的功率開關元件，一般是通過反饋控制來對柵極端進 行控制，保護功率開關元件以防止沖擊電壓等。在通過反饋控制對柵極端進行控制、保護功率開關元件以防止沖擊電壓等的柵極 驅動電路中，如圖1所示，控制電流源6的一端與柵極驅動電源lc的正端連接。之所以這 樣連接，是根據以下的理由。功率開關元件9的柵極與發(fā)射極之間的電壓Vge，由柵極驅動電源la及l(fā)b來決 定。該值在多數開關元件中為士 15V左右?？刂齐娏髟?不管柵極與發(fā)射極之間的電壓 Vge的值如何，對于功率開關元件9的柵極電極，必須注入由電壓放大器5的控制所決定的 一定的電流。因為若該電流不能保持一定，則由于柵極與發(fā)射極之間的電壓Vge的變動，而控 制電流源6的輸出電流值變動，成為對主電壓Vce的值進行反饋控制的誤差的主要原因。 因此，控制電流源6的電源電壓必須采用比柵極與發(fā)射極之間的電壓Vge的值盡可能高的 值。實際上，考慮到電路的損耗等，作為柵極驅動電源lc的值，需要能夠提供幾伏至幾十伏 左右的電壓的電源。這樣，在圖1所示的以往技術中，為了進行過渡期的柵極控制，不僅需 要柵極驅動電源，還需要提供更高電壓的電源。另外，在圖1所示的柵極驅動電路中，為了得到與功率開關元件9的主電壓Vce成 正比的主電壓檢測信號，要采用分壓電阻4a及4b和相位補償電容13a及13b，將主電壓Vce 進行分壓，并以該分電壓作為輸入信號，用電壓放大器5進行放大。在這樣的構成中，為了 減少功率損耗，電壓放大器5必須具有足夠大的輸入阻抗。即，若該輸入阻抗低，則必須減 小分壓電阻4a及4b的值，但在對功率開關元件9施加的主電壓Vce達到幾千伏的高電壓 變換器的情況下，若分壓電阻4a及4b的值小，則在分壓電阻4a及4b中，將產生很大的功 率損耗。本發(fā)明鑒于上述情況，其目的在于以低成本實現具有簡單構成的有源柵極驅動單 元的電源。本發(fā)明的其它目的在于提供能夠降低進行柵極驅動用的控制用信號檢測單元的 功率消耗的柵極驅動電路。

發(fā)明內容
本發(fā)明第1形態(tài)有關的柵極驅動電路，是驅動功率開關元件的柵極電極的柵極驅 動電路，具有接受基于功率開關元件的主電極之間所施加的主電壓的規(guī)定電壓作為電源電 壓、同時與主電壓相對應地對柵極電極進行驅動的驅動單元。根據上述柵極驅動電路，由于功率開關元件的柵極電極成為有源柵極驅動的對 象，因此能夠有效保護功率開關元件以防止沖擊電壓等。而且，由于該柵極驅動電路中具有 的驅動單元利用基于功率開關元件的主電極之間所施加的電壓(主電壓)的規(guī)定電壓作為 電源電壓，因此能夠簡化有源柵極驅動單元的電源，能夠降低制造成本。本發(fā)明第2形態(tài)有關的柵極驅動電路，是在上述柵極驅動電路中，規(guī)定電壓是通 過將主電壓進行電阻分壓而生成的電壓，驅動單元是與上述主電壓相對應地向柵極電極提 供電流的電流驅動單元。該電流驅動單元采用通過將功率開關元件的主電極之間所施加的 電壓進行電阻分壓而生成的電壓作為電源電壓。即，僅通過附加分壓電阻，就能夠確保電流 驅動單元的電源電壓。本發(fā)明第3形態(tài)有關的柵極驅動電路，是在第1形態(tài)有關的柵極驅動電路中，規(guī)定 電壓是利用將主電壓進行電阻分壓而生成的電壓通過二極管進行充電的電容器之間的電 壓，驅動單元是與主電壓相對應地向柵極電極提供電流的電流驅動單元。該構成除了簡單 的構成及降低制造成本的優(yōu)點以外，還具有以下的優(yōu)點。在功率開關元件的主電極之間，一 般加上脈沖狀的電壓，但通過將主電極之間所施加的電壓進行電阻分壓而生成的電壓利用 二極管及電容器進行濾波。電流驅動單元由于將該濾波后的電壓作為電源電壓進行動，因 此保證更可靠的有源柵極驅動。本發(fā)明第4形態(tài)有關的柵極驅動電路，是驅動功率開關元件的柵極電極的柵極驅 動電路，具有接受基于功率開關元件的主電極之間所施加的主電壓的規(guī)定電壓作為電源電 壓、同時與主電壓相對應地對柵極電極進行驅動的驅動單元，規(guī)定電壓是利用將主電壓進 行電阻分壓而生成的電壓通過二極管進行充電的電容器之間的電壓，電容器的另一端與柵 極驅動電路本體用的電源的正端連接，而且驅動單元是與主電壓相對應地向柵極電極提供 電流的電流驅動單元。電流驅動單元動作所必需的電源電壓與功率開關元件的通常動作時 用的柵極驅動電源電壓相比，僅高所需要的值。通過將充電用電容器的另一端與柵極驅動 電路本體的電源的正端連接，與柵極驅動電路本體的電源電壓相比，將高出對電容器的充 電電壓大小的電壓提供電流驅動單元，作為電源電壓。本發(fā)明第5形態(tài)有關的柵極驅動電路，是驅動功率開關元件的柵極電極的柵極驅 動電路，具有接受基于功率開關元件的主電極之間所施加的主電壓的規(guī)定電壓作為電源電 壓、同時與主電壓相對應地對柵極電極進行驅動的驅動單元，規(guī)定電壓是在主電極之間與 電阻串聯連接的穩(wěn)定二極管之間的電壓，驅動單元是與主電壓相對應地向柵極電極提供電 流的電流驅動單元。根據該構成，通過采用穩(wěn)壓二極管，能夠維持簡單的電路配置，同時對 電流驅動單元提供電源電壓。而且，由于利用穩(wěn)壓二極管的兩端電壓作為電源電壓，因此電 流驅動單元能夠利用穩(wěn)定的電源電壓動作，維持可靠的有源柵極驅動。本發(fā)明第6形態(tài)有關的柵極驅動電路，是在第1形態(tài)有關的柵極驅動電路中，規(guī)定 電壓是在主電極之間與電阻串聯連接的穩(wěn)定二極管之間的電壓，穩(wěn)壓二極管的另一端與柵 極驅動電路本體用的電源的正端連接，而且驅動單元是與主電壓相對應地向柵極電極提供電流的電流驅動單元。與柵極驅動電路本體的電源電壓相比，將高出穩(wěn)壓二極管的端子間 電壓大小的電壓供給電流驅動單元，作為電源電壓。本發(fā)明第7形態(tài)有關的柵極驅動電路，是在第1形態(tài)有關的柵極驅動電路中，規(guī)定 電壓是在主電極之間與電阻串聯連接的穩(wěn)定二極管之間的電壓，電容器與穩(wěn)壓二極管并聯 連接，而且驅動單元是與主電壓相對應地向柵極電極提供電流的電流驅動單元。本形態(tài)的 柵極驅動電路除了本發(fā)明第5形態(tài)有關的柵極驅動電路具有的效果以外，還具有將穩(wěn)壓二 極管之間的電壓濾波，使電流驅動單元進行的柵極電極驅動穩(wěn)定的效果。本發(fā)明第8形態(tài)有關的柵極驅動電路，是在第1形態(tài)有關的柵極驅動電路中，規(guī) 定電壓是通過將主電壓進行電阻分壓而生成的電壓，驅動單元是在主電壓超過規(guī)定電壓值 時，將與主電壓相對應的電壓施加在柵極電極上的電壓驅動單元。該電壓驅動單元采用通 過將功率開關零件的主電極之間所施加的電壓進行電阻分壓而生成的電壓作為電源電壓。 因此，能夠實現具有簡單構成的柵極驅動電路。而且，由于該電壓驅動單元在主電極之間所 施加的電壓由于例如發(fā)生沖擊電壓而超過規(guī)定電壓值時動作，因此能夠確實保護功率開關 元件以防止沖擊電壓等。本發(fā)明第9形態(tài)有關的柵極驅動電路，是在第1形態(tài)有關的柵極驅動電路中，規(guī)定 電壓是利用將主電壓進行電阻分壓而生成的電壓通過二極管進行充電的電容器之間的電 壓，驅動單元是在主電壓超過規(guī)定電壓值時、將與主電壓相對應的電壓施加在柵極電極上 的電壓驅動單元。根據該構成，將濾波后的電壓作為電源電壓施加在電壓驅動單元上，這樣 實現可靠的柵極驅動。另外，由于該電壓驅動單元在主電極之間所施加的電壓超過規(guī)定電 壓值時動作，因此確實保護開關元件以防止沖擊電壓等。本發(fā)明第10形態(tài)有關的發(fā)明，是驅動功率開關元件的柵極電極的柵極驅動電路， 具有接受基于功率開關元件的主電極之間所施加的主電壓的規(guī)定電壓作為電源電壓、同時 與主電壓相對應地對柵極電極進行驅動的驅動單元，規(guī)定電壓是利用將主電壓進行電阻分 壓而生成的電壓通過二極管進行充電的電容器之間的電壓，電容器的另一端與柵極驅動電 路本體用的電源的正端連接，而且驅動單元是在主電壓超過規(guī)定電壓值時、將與主電極相 對應的電壓施加在柵極電極上的電壓驅動單元。通過將電容器的另一端與柵極驅動電路本 體的電源的正端連接，與柵極驅動電路本體的電源電壓相比，將高出電容器的兩端電壓大 小的電壓供給電壓驅動單元，作為電源電壓。本發(fā)明第11形態(tài)有關的柵極驅動電路，是驅動功率開關元件的柵極電極的柵極 驅動電路，具有接受基于功率開關元件的主電極之間所施加的主電壓的規(guī)定電壓作為電源 電壓、同時與主電壓相對應地對柵極電極進行驅動的驅動單元，規(guī)定電壓是在主電極之間 與電阻串聯連接的穩(wěn)壓二極管之間的電壓，驅動單元是在主電壓超過規(guī)定電壓值時、將與 主電壓相對應的電壓施加在柵極電極上的電壓驅動單元。由于該電源驅動單元利用穩(wěn)壓二 極管的端子之間的電壓作為電源電壓，因此能夠維持簡單的電路配置。而且，該電壓驅動 單元在主電極之間的電壓由于沖擊電壓等而超過規(guī)定電壓值時動作，能夠確實保護開關元 件。本發(fā)明第12形態(tài)有關的柵極驅動電路，是在第1形態(tài)有關的柵極驅動電路中，前 述規(guī)定電壓是在前述主電極之間與電阻串聯連接的穩(wěn)壓二極管之間的電壓，前述穩(wěn)壓二極 管的另一端與柵極驅動電路本體用的電源的正端連接，而且前述驅動單元是在前述主電壓超過規(guī)定電壓值時將與前述主電壓相對應的電壓施加在前述柵極電極上的電壓驅動單元。 與柵極驅動電路本體的電源電壓相比，將高出穩(wěn)壓二極管的端子間電壓大小的電壓供給電 壓驅動單元，作為電源電壓。本發(fā)明第13形態(tài)有關的柵極驅動電路，是在第1形態(tài)有關的柵極驅動電路中，規(guī) 定電壓是在主電極之間與電阻串聯連接的穩(wěn)壓二極管之間的電壓，電容器與穩(wěn)壓二極管并 聯連接，而且驅動單元是在主電壓超過規(guī)定電壓值時、將與主電壓相對應的電壓施加在柵 極電極上的電壓驅動單元。本形態(tài)的柵極驅動電路除了第11形態(tài)有關的柵極驅動電路具 有的效果以外，還具有將穩(wěn)壓二極管之間的電壓濾波、使電流驅動單元進行的柵極電極驅 動穩(wěn)定的效果。 本發(fā)明第14形態(tài)有關的柵極驅動電路，是驅動功率開關元件的柵極電極的柵極 驅動電路，具有接受基于功率開關元件的主電極之間所施加的主電壓的規(guī)定電壓作為電源 電壓、同時與主電壓相對應地對柵極電極進行驅動的驅動單元，還具有在功率開關元件的 主電極之間互相串聯連接的至少一個電阻、以及檢測流過該電阻的電流的電流檢測單元， 將電流檢測單元檢測的信號，用作為生成與主電壓相對應的、驅動柵極電極的電流或電壓 的控制用信號。流過將電阻與電流檢測單元串聯連接的電路的電流與功率開關元件的主電 極之間所施加的電壓成正比。因而，控制用信號、即與功率開關元件的主電極之間所施加的 電壓成正比的主電壓檢測信號能夠作為電流檢測單元的檢測信號進行檢測。本發(fā)明第15形態(tài)有關的柵極驅動電路，是在第1形態(tài)有關的柵極驅動電路中，還 具有在前述功率開關元件的主電極之間互相串聯連接的至少一個電阻、以及檢測流過該電 阻的電流的電流檢測單元、以及與前述電阻并聯連接的相位補償用的電容器，將前述電流 檢測單元檢測的信號，用作為生成與前述主電壓相對應的、驅動前述柵極電極的電流或電 壓的控制用信號。能夠抑制將電阻與電流檢測單元串聯連接的控制用信號檢測電路的頻率 特性的惡化，高精度檢測控制用信號。本發(fā)明第16形態(tài)有關的柵極驅動電路，是在第1形態(tài)有關的柵極驅動電路中，在 功率開關元件的主電極之間還具有雙極型晶體管、以及與該雙極型晶體管的主電極電路串 聯連接的至少一個電阻，將通過檢測流過主電極電路的電流所得到的信號，用作為生成與 主電壓相對應的驅動柵極電極的電流或電壓的控制用信號。通過雙極型晶體管的發(fā)射極和基極、流過該主電極電路例如集電極電路的電流與 功率開關元件的主電極之間所施加的電壓成正比。因此，控制用信號能夠將流過該雙極型 晶體管的主電極電路的電流通過電電阻作為電壓信號進行檢測，或者作為用電流放大器放 大的電流放大信號進行檢測。在作為該電流放大信號來檢測控制用信號時，不管電流放大 器的輸入阻抗如何，流過雙極型晶體管的主電極電路的電流能夠設定為任意值。因此，通過 調節(jié)與雙極型晶體管的主電極電路串聯連接的電阻值，能夠實現消耗功率少的控制用信號 檢測電路。本發(fā)明第17形態(tài)有關的柵極驅動電路，是驅動功率開關元件的柵極電極的柵極 驅動電路，具有接受基于功率開關元件的主電極之間所施加的主電壓的規(guī)定電壓作為電源 電壓、同時與主電壓相對應地對柵極電極進行驅動的驅動單元，在功率開關元件的主電極 之間具有輸入側晶體管電路、與該輸入側晶體管一起構成電流鏡電路的輸出側晶體管電 路、以及與輸入側晶體管電路串聯連接的至少一個電阻，將通過檢測流過輸出側晶體管的
7電流所得到的信號，用作為生成與主電壓相對應的、驅動柵極電極的電流或電壓的控制用信號。流過電流鏡電路的輸入側晶體管電路的電流與功率開關元件的主電極之間所施 加的電壓成正比。因此，控制用信號與上述相同，能夠將流過輸出側晶體管電路的電流通過 電阻作為電壓信號進行檢測，或者作為用電流放大器放大的電流放大信號進行檢測。因此， 在本發(fā)明中，也能夠實現消耗功率少的控制用信號檢測電路。另外，根據本發(fā)明第14至第17形態(tài)，則除了上述共同的效果以外，還由于在功率 開關元件的主電極之間將電阻與電流檢測單元串聯連接，進行有源柵極驅動用的控制用信 號是采用電流檢測單元檢測的信號，因此在將流過該電流檢測單元的電流采用電流放大 器、作為電流放大信號來檢測控制用信號時，流過電阻與電流檢測單元的串聯連接電路的 電流通過調節(jié)電阻值能夠設定為任意值。所以能夠降低進行有源柵極驅動用的控制用信號 檢測單元的消耗功率。


圖1為以往的柵極驅動電路的電路圖。
圖2為本發(fā)明第1實施形態(tài)的柵極驅動電路的電路圖。
圖3為本發(fā)明第2實施形態(tài)的電路圖。
圖4為本發(fā)明第3實施形態(tài)的電路圖。
圖5為本發(fā)明第4實施形態(tài)的電路圖。
圖6為本發(fā)明第5實施形態(tài)的電路圖。
圖7為本發(fā)明第6實施形態(tài)的電路圖。
圖8為本發(fā)明第7實施形態(tài)的電路圖。
圖9為本發(fā)明第8實施形態(tài)的電路圖。
具體實施例方式以下，參照

本發(fā)明的實施形態(tài)。在圖2及圖9中，對于與圖1所示的構成 要素相同或相當的構成要素，附加同一標號，并省略多余及重復的說明。(第1實施形態(tài))圖2所示為本發(fā)明的第1實施形態(tài)的圖。在本實施形態(tài)相關的柵極驅動電路中， 作為電流驅動單元的控制電流源6的電源是下述那樣構成的，即以代替圖1中的柵極驅動 電源lc。也就是說，利用電阻4a及4b對功率開關元件9的主電極(集電極與發(fā)電極)之 間所施加的主電壓Vce進行分壓，利用這樣分壓而生成的電壓通過二極管8向電容器7充 電，使用該充電電壓作為控制電流源6的電源電壓。下面，說明上述那樣構成的本實施形態(tài)的動作。利用電阻4a及4b進行分壓的電 壓值可以根據電阻4a與4b的分壓比任意設定。因此，能夠很容易將控制電流源6的電源 電壓值設定為超過柵極驅動電源la的電壓的所需要的值。在功率開關元件9的主電極之間，一般施加脈沖狀的電壓，由于利用將功率開關 元件9的主電壓Vce通過電阻4a及4b進行分壓而生成的電壓通過二極管8向電容器7充 電，因此將該充電電壓進行濾波。由于電流驅動單元能夠將該濾波后的充電電壓作為電源電壓，因此能夠實現更可靠的有源柵極驅動。另外，作為控制電流源6的電源，也可以直接采用將功率開關元件9的主電壓Vce 通過電阻4a及4b進行分壓而生成的電壓。但是，如上所述，功率開關元件9的主電壓Vce 由于一般包含脈沖狀的電壓，因此最好采用二極管8及電容器7，將濾波后的充電電壓作為 控制電流源6的電源，這能夠實現更可靠的有源柵極驅動。如上所述，在本實施形態(tài)中，作為有源柵極驅動單元的控制電流源6的電源是基 于功率開關元件9的主電極之間所施加的電壓而構成的。因此，不需要柵極驅動電源以外 的電源，能夠簡化控制電流源6的電源的構成，并能夠降低制造成本。(第2實施形態(tài))圖3所示為本發(fā)明的第2實施形態(tài)。在第1實施形態(tài)中，電容器7的低電位端與 開關元件9的發(fā)射極端子側連接。但是，由于進行有源柵極驅動用的控制電流源6動作的 電源電壓與功率開關元件9在通常動作條件下的柵極驅動電源la的電壓相比，必須高出規(guī) 定值，因此在本實施形態(tài)中，將圖2中的電容器7的低電位端與柵極驅動電路本體的柵極驅 動電源la的正端連接。如圖3所示，利用將電阻4a與4b的分壓比設定為所需要比值的主電壓Ve的分壓 電壓，通過二極管8向電容器7充電，將比柵極電源la的電壓高出該充電電壓大小的電壓 供給控制電流6，作為電源電壓。在本實施形態(tài)中，由于通過有效利用功率開關元件9的主 電極之間所施加的電壓及柵極驅動電路本體的柵極電源la，能夠不用追加電壓源，而構成 控制電流源6的電源，因此能夠降低柵極驅動電路的制造成本。(第3實施形態(tài))圖4所示為本發(fā)明的第3實施形態(tài)。在上述第1及第2實施形態(tài)中，作為有源柵 極驅動單元是采用控制電流源6，但驅動功率開關元件9的柵極電極的有源柵極驅動單元 利用電壓驅動單元及電阻也能夠實現。如圖4所示，在本實施形態(tài)的柵極驅動電路中，設置作為電壓驅動單元的電壓放 大器11。對該電壓放大器11加上電容器7的充電電壓作為電源電壓。利用電阻4a及4b 對功率開關元件9的主電壓Vce進行分壓，電容器7利用這樣分壓而生成的電壓通過二極 管8進行充電。電壓放大器11的輸出端通過電阻12與功率開關元件9的柵極電極連接。用該電 壓放大器11及電阻12構成有源柵極驅動單元。電壓放大器11在通常的狀態(tài)下不動作，而 在功率開關元件9的主電極(集電極與發(fā)射極之間)的電壓Vce超過某一定值時動作。換 句話說，電壓放大器11在檢測出電壓Vce超過某一定值的情況下動作。另外，作為電壓放大器11的電源電壓，也可以直接采用將功率開關元件9的主電 壓Vce通過電阻4a及4b進行分壓而生成的電壓。但是，根據實現更可靠的有源柵極驅動 的觀點，最好是將利用二極管8及電容器7進行濾波后的電壓施加在電壓放大器11上。這 是因為，功率開關元件9的主電壓Vce —般包含脈沖狀的電壓。(第4實施形態(tài))圖5所示為本發(fā)明的第4實施形態(tài)，在上述第3實施形態(tài)中，電容器7的低電位端 與開關元件9的發(fā)射極端連接。但是，在采用電壓放大器11作為有源柵極驅動單元的本實 施形態(tài)中，也能夠將電容器7的低電位端與柵極驅動電路本體的柵極電源la的正端連接。這樣的構成所帶來的優(yōu)點在第2實施形態(tài)中已經敘述。在本實施形態(tài)中，通過有效利用功率開關元件9的主電極之間所施加的電壓及柵 極驅動電路本體用的柵極電源la，從而能夠以低成本構成電壓放大器11的電源電路。(第5實施形態(tài))圖6所示為本發(fā)明的第5實施形態(tài)。在上述各實施形態(tài)中，利用電阻4a及4b對 功率開關元件9的主電壓Vce進行分壓，基于這樣分壓而生成的電壓的電壓，作為電源電壓 供給控制電流源6或電壓放大器11。與此不同的是，在本實施形態(tài)中，使用基于穩(wěn)壓二極管 生成的電壓的電壓。在圖6中，在功率開關元件9的主電極之間，將電阻14與具有所需要的穩(wěn)壓特性 的穩(wěn)壓二極管15串聯連接，該穩(wěn)壓二極管15的兩端電壓作為電源電壓施加在電壓放大器 11上。電壓放大器11在功率開關元件9的主電壓Vce超過某一定值時動作。穩(wěn)壓二極管15的兩端電壓通過選擇具有所需要的穩(wěn)壓特性的穩(wěn)壓二極管，能夠 將電壓放大器11的電源設定為最佳的電壓值。另外，如前所述，由于功率開關元件9的主 電壓Vce —般包含脈沖狀的電壓，因此根據保證更可靠的有源柵極驅動的觀點，最好與穩(wěn) 壓二極管15并聯電容器(未圖示)，將濾波后的充電電壓供給電壓放大器11。再有，在本 實施形態(tài)中，作為有源柵極驅動單元所示的例子是采用電壓放大器11，但也可以采用前述 的控制電流源以代替電壓放大器11。(第6實施形態(tài))圖7所示為本發(fā)明的第6實施形態(tài)。在上述第5實施形態(tài)中，是將穩(wěn)壓二極管15 的負端與開關元件9的發(fā)射極端子連接。但是，即使在采用穩(wěn)壓二極管15的兩端電壓作為 電壓放大器11的電源電壓的構成中，也由于與第2實施形態(tài)中說明的理由相同的理由，可 以將穩(wěn)壓二極管15的負端與柵極驅動電路本體的柵極電源la的正端連接。在本實施形態(tài) 中，也通過有效利用功率開關元件9的主電極之間所施加的電壓及柵極驅動電路本體的柵 極電源la，從而能夠以低成本構成電壓放大器11的電源。(第7實施形態(tài))圖8所示為本發(fā)明的第7實施形態(tài)。在上述各實施形態(tài)中，控制電壓放大器5(圖 2及圖3)或電壓放大器11 (圖4至圖7)用的控制用信號、即與功率開關元件9的主電極之 間所施加的電壓Vce成正比的主電壓檢測信號，是利用電阻4a及4b對該功率開關元件9 的主電極之間所施加的電壓Vce進行分壓而得到的電壓。但是，主電壓檢測信號不限于電 阻分壓信號，也可以利用在功率開關元件9的主電極之間串聯連接的至少一個電阻、以及 檢測流過該電阻的電流用的電流檢測單元而得到的電流信號。在本實形態(tài)中，上述電流檢測單元是在主電極電路(集電極與發(fā)射極電路)中與 電阻16串聯連接的雙極型晶體管17，使用檢測該雙極型晶體管17的主電極電路中流過的 電流的信號作為主電壓檢測信號。若對此具體進行說明，則在圖8中，在功率開關元件9的集電極與雙極型晶體管17 的發(fā)射極之間連接電阻16，在功率開關元件9的發(fā)射極與雙極型晶體管17的集電極之間 連接電阻18。由于雙極型晶體管17的發(fā)射極電流與集電極電流相互近似相等，因此流過 電阻16的電流與流過電阻18的電流近似相等。所以，電阻18兩端產生的電壓與流過電阻 16的電流成正比。
另外，若考慮到柵極電源la的電壓及雙極型晶體管17的發(fā)射極與基極之間的電 壓大大小于功率開關元件9的主電極之間所施加的電壓Vce，則電阻16的兩端所加的電壓 與功率開關元件9的主電壓Vce近似相等。S卩，電阻18兩端產生的電壓與功率開關元件9 的主電極之間所施加的電壓Vce成正比。因此，主電壓檢測信號可以將流過該雙極型晶體管17的主電極電路的電流通過 電阻作為電壓信號進行檢測，或者作為用電流放大器放大的電流放大信號進行檢測。在作 為該電流放大信號來檢測主電壓檢測信號時，不管電流放大器的輸入阻抗如何，流過雙極 型晶體管17的主電極電路的電流能夠設定為任意值。因此，通過調節(jié)與雙極型晶體管17 的主電極電路串聯連接的電阻值，能夠實現消耗功率少的主電壓檢測信號檢測電路。另外，通過與圖8中的將電阻16、雙極型晶體管17、以及電阻18串聯連接而成的 主電壓檢測信號檢測電路的電阻16和18并聯連接相位補償用電容器(未圖示)，能夠抑制 主電壓檢測信號檢測電路的頻率特性的惡化，高精度檢測主電壓檢測信號。(第8實施形態(tài))圖9所示為本發(fā)明的第8實施形態(tài)。本實施形態(tài)是將采用兩個晶體管19a及19b 而構成的電流鏡電路作為電流檢測單元。在圖9中，流過電阻16的電流輸入至電流鏡電路 的輸入側晶體管電路(晶體管19a—側的電路)，電流鏡電路的輸出側晶體管電路(晶體管 19b—側的電路)的電流流過電阻18。因而，主電壓檢測信號與上述相同，將流過輸出側晶 體管電路的電流通過電阻18作為電壓信號進行檢測，或者作為用電流放大器放大的電流 放大信號進行檢測。所以，在本實施形態(tài)中，也能夠實現消耗功率少的主電壓檢測信號檢測 電路。在電流鏡電路的情況下，由于晶體管19a與19b使用特性近似相同的一對晶體管， 而且在兩個晶體管19a及19b的基極與發(fā)射極之間施加同一電壓，因此兩個晶體管19a與 19b的集電極電流近似相等。所以，流過電阻16的電流與流過電阻18的電流近似相等，通 過這樣如上所述，能夠通過電阻18得到主電壓檢測信號。另外，電流鏡電路特別是適于集 成化的電路，本實施形態(tài)是適于將控制電路集成化的方式。本發(fā)明涉及驅動功率開關元件的柵極驅動電路，以低成本實現具有簡單構成的有 源柵極驅動單元的電源。因此，根據本發(fā)明，還能夠以低成本實現應用功率開關元件的功率 變換器。
權利要求
一種柵極驅動電路，驅動功率開關元件(9)的柵極電極，其特征在于，具有接受基于功率開關元件(9)的主電極之間所施加的主電壓的規(guī)定電壓作為電源電壓、同時與所述主電壓相對應地對所述柵極電極進行驅動的驅動單元(6；11，12)，所述規(guī)定電壓是在所述主電極之間與電阻(14)串聯連接的穩(wěn)壓二極管(15)之間的電壓，所述驅動單元是在所述主電壓超過規(guī)定電壓值時、將與所述主電壓相對應的電壓施加在所述柵極電極上的電壓驅動單元(11，12)。
2.如權利要求1所述的柵極驅動電路，其特征在于，所述穩(wěn)壓二極管(15)的另一端與柵極驅動電路本體用的電源(la)的正端連接。
3.如權利要求1所述的柵極驅動電路，其特征在于， 電容器與所述穩(wěn)壓二極管(15)并聯連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種柵極驅動電路，以具有電流驅動單元(6)為特征，該電流驅動單元將對于功率開關元件(9)的主電極之間所施加的電壓用電阻(4a，4b)進行分壓而生成的電壓作為電源電壓，同時與功率開關元件(9)的主電極之間所施加的電壓相對應向柵極電極提供電流。該電流驅動單元(6)由于將對于功率開關元件(9)的主電極之間所施加的電壓進行電阻分壓而生成的電壓用作為電源電壓，因此僅利用附加分壓電阻，就能夠確保電流驅動單元(6)的電源電壓。
文檔編號H03K17/082GK101860181SQ20101016124
公開日2010年10月13日 申請日期2004年9月10日 優(yōu)先權日2003年9月10日
發(fā)明者田井裕通 申請人:東芝三菱電機產業(yè)系統(tǒng)株式會社