本發(fā)明涉及絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路。

背景技術(shù)：

例如，專利文獻(xiàn)1記載了絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路。該柵極驅(qū)動(dòng)電路由晶體管的互補(bǔ)輸出電路構(gòu)成。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)平5-226994號(hào)公報(bào)

在絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的額定電流大的情況下，需要增大柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流。在該情況下，柵極驅(qū)動(dòng)電路的互補(bǔ)輸出電路有時(shí)使用MOSFET。

在互補(bǔ)輸出電路具有PchMOSFET的正側(cè)和NchMOSFET的負(fù)側(cè)的情況下，如果PchMOSFET與NchMOSFET同時(shí)導(dǎo)通，則直通電流流過(guò)PchMOSFET和NchMOSFET。

與此相對(duì)，在互補(bǔ)輸出電路具有NchMOSFET的正側(cè)和PchMOSFET的負(fù)側(cè)的情況下，NchMOSFET與PchMOSFET不同時(shí)導(dǎo)通，不流過(guò)直通電流。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

但是，在相同的正側(cè)電源與NchMOSFET的漏電極以及柵電極連接時(shí)，在絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵電極與源電極之間施加從正側(cè)電源的正電壓降低NchMOSFET的柵極閾值電壓后的電壓。因此，絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的穩(wěn)態(tài)損耗可能加劇。

本發(fā)明是為了解決上述課題而完成的。本發(fā)明的目的在于提供能夠防止絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的穩(wěn)態(tài)損耗加劇的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路。

用于解決課題的手段

本發(fā)明的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路具有：NchMOSFET，其具有源電極、漏電極、柵電極，源電極與絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵電極連接，在正電壓施加于漏電極的狀態(tài)下正電壓施加于柵電極時(shí)，所述NchMOSFET導(dǎo)通，由此，使所述絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件導(dǎo)通；PchMOSFET，其具有源電極、漏電極、柵電極，源電極與所述絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵電極連接，在負(fù)電壓施加于漏電極的狀態(tài)下負(fù)電壓施加于柵電極時(shí)，所述PchMOSFET導(dǎo)通，由此，使所述絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件截止；控制電路，其具有控制電極、正側(cè)電極、負(fù)側(cè)電極，控制電極與所述NchMOSFET的柵電極以及所述PchMOSFET的柵電極連接，通過(guò)在正電壓施加于正側(cè)電極的狀態(tài)時(shí)將該正電壓施加于所述NchMOSFET的柵電極，使所述NchMOSFET導(dǎo)通，通過(guò)在負(fù)電壓施加于負(fù)側(cè)電極的狀態(tài)時(shí)將該負(fù)電壓施加于所述所述PchMOSFET的柵電極，使所述PchMOSFET導(dǎo)通；以及電源體，其將負(fù)電壓施加于所述PchMOSFET的漏電極和所述控制電路的負(fù)側(cè)電極，將正電壓施加于所述NchMOSFET的漏電極，將絕對(duì)值比施加于所述NchMOSFET的漏電極的正電壓的絕對(duì)值大的正電壓施加于所述控制電路的正側(cè)電極。

發(fā)明的效果

根據(jù)本發(fā)明，電源體將絕對(duì)值比施加于NchMOSFET的漏電極的正電壓的絕對(duì)值大的正電壓施加于控制電路的正側(cè)電極。通過(guò)施加該正電壓，在NchMOSFET的漏電極與源電極之間，電位差充分減小。因此，能夠防止絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的穩(wěn)態(tài)損耗加劇。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的圖。

圖2是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式1的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的特性的圖。

圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式2的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的圖。

圖4是本發(fā)明的實(shí)施方式3的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的圖。

具體實(shí)施方式

基于附圖，對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的方式進(jìn)行說(shuō)明。另外，在各圖中，對(duì)相同或相當(dāng)?shù)牟糠謽?biāo)注相同的標(biāo)號(hào)。適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化或省略該部分的重復(fù)說(shuō)明。

實(shí)施方式1.

圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的圖。

電力轉(zhuǎn)換器具有多個(gè)絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1。例如，多個(gè)絕緣柵型功率半導(dǎo)體分別由NchMOSFET形成。電力轉(zhuǎn)換器通過(guò)多個(gè)絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的動(dòng)作將直流電力轉(zhuǎn)換為交流電力。電力轉(zhuǎn)換器向未圖示的電機(jī)供給該交流電力。

柵極驅(qū)動(dòng)電路2分別與各個(gè)絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1對(duì)應(yīng)地設(shè)置。柵極驅(qū)動(dòng)電路2具有電阻3、NchMOSFET4、PchMOSFET5、控制電路6以及電源體7。

電阻3與絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極連接。NchMOSFET4具有源電極、漏電極以及柵電極。NchMOSFET4的源電極經(jīng)由電阻3與絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極連接。PchMOSFET5具有源電極、漏電極以及柵電極。PchMOSFET5的源電極經(jīng)由電阻3與絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極連接。

控制電路6具有正側(cè)開(kāi)關(guān)元件6a和負(fù)側(cè)開(kāi)關(guān)元件6b。

正側(cè)開(kāi)關(guān)元件6a具有發(fā)射極電極、集電極電極以及基極電極。正側(cè)開(kāi)關(guān)元件6a的發(fā)射極電極與NchMOSFET4的柵電極和PchMOSFET5的柵電極連接。正側(cè)開(kāi)關(guān)元件6a的發(fā)射極電極成為控制電路6的控制電極。正側(cè)開(kāi)關(guān)元件6a的集電極電極成為控制電路6的正側(cè)電極。負(fù)側(cè)開(kāi)關(guān)元件6b的發(fā)射極電極與NchMOSFET4的柵電極和PchMOSFET5的柵電極連接。負(fù)側(cè)開(kāi)關(guān)元件6b的發(fā)射極電極成為控制電路6的控制電極。負(fù)側(cè)開(kāi)關(guān)元件6b的集電極電極成為控制電路6的負(fù)側(cè)電極。

電源體7具有正側(cè)電源體8和負(fù)側(cè)電源體9。正側(cè)電源體8具有第1正側(cè)電源8a和第2正側(cè)電源8b。

第1正側(cè)電源8a的正側(cè)電極與NchMOSFET4的漏電極連接。第1正側(cè)電源8a的負(fù)側(cè)電極與絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的源電極連接。第2正側(cè)電源8b的正側(cè)電極與正側(cè)開(kāi)關(guān)元件6a的集電極電極連接。第2正側(cè)電源8b的負(fù)側(cè)電極與絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的源電極連接。負(fù)側(cè)電源體9的正側(cè)電極與絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的源電極連接。負(fù)側(cè)電源體9的負(fù)側(cè)電極與PchMOSFET5的漏電極和負(fù)側(cè)開(kāi)關(guān)元件6b的集電極電極連接。

例如，負(fù)側(cè)電源體9對(duì)PchMOSFET5的漏電極和負(fù)側(cè)開(kāi)關(guān)元件6b的集電極電極施加-15V的負(fù)電壓。例如，第1正側(cè)電源8a對(duì)NchMOSFET4的漏電極施加+15V的正電壓。第2正側(cè)電源8b對(duì)正側(cè)開(kāi)關(guān)元件6a的集電極電極施加絕對(duì)值比第1正側(cè)電源8a施加的正電壓的絕對(duì)值大的正電壓。該正電壓的絕對(duì)值與第1正側(cè)電源8a施加的正電壓的絕對(duì)值之差設(shè)定為比NchMOSFET4的柵極閾值電壓的值大的值。例如，第2正側(cè)電源8b對(duì)正側(cè)開(kāi)關(guān)元件6a的集電極電極施加+20V的正電壓。

在通過(guò)來(lái)自外部的控制使負(fù)側(cè)開(kāi)關(guān)元件6b導(dǎo)通時(shí)，-15V的負(fù)電壓被施加于PchMOSFET5的柵電極。通過(guò)施加該負(fù)電壓，PchMOSFET5導(dǎo)通。其結(jié)果是，負(fù)電壓被施加于絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極。其結(jié)果是，絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1截止。

在通過(guò)來(lái)自外部的控制使正側(cè)開(kāi)關(guān)元件6a導(dǎo)通時(shí)，+20V的正電壓被施加于NchMOSFET4的柵電極。通過(guò)施加該正電壓，NchMOSFET4導(dǎo)通。此時(shí)，正電壓被施加于NchMOSFET4的柵電極與源電極之間。該正電壓為從施加于NchMOSFET4的柵電極的+20V減去施加于漏電極的+15V而得到的+5V。

此時(shí)，在NchMOSFET4的漏電極與源電極之間，電位差充分減小。其結(jié)果是，+15V的正電壓被施加于絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極與源電極之間。此時(shí)，NchMOSFET4的柵極閾值電壓的偏差不會(huì)造成影響。

接下來(lái)，使用圖2說(shuō)明將絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1設(shè)為NchMOSFET時(shí)的特性。

圖2是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式1的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的特性的圖。

圖2中，Vgs表示絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極與源電極之間的電壓。Vds表示絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的漏電極與源電極之間的電壓。Id表示絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的漏極電流。

在漏極電流Id相同的情況下，當(dāng)柵電極與源電極之間的電壓Vgs增大時(shí)，漏電極與源電極之間的電壓Vds減小。當(dāng)漏電極與源電極之間的電壓Vds減小時(shí)，絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的穩(wěn)態(tài)損耗減小。

根據(jù)以上說(shuō)明的實(shí)施方式1，電源體7將絕對(duì)值比施加于NchMOSFET4的漏電極的正電壓的絕對(duì)值大的正電壓施加于控制電路6的正側(cè)電極。通過(guò)施加該正電壓，在NchMOSFET4的漏電極與源電極之間，電位差充分減小。因此，即使柵極閾值電壓因NchMOSFET4的個(gè)體差異或環(huán)境而變動(dòng)，也能夠穩(wěn)定地對(duì)絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極施加較大的電壓。其結(jié)果是，能夠防止絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的穩(wěn)態(tài)損耗加劇。在該情況下，電力轉(zhuǎn)換器的效率提高。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器的小型化和低成本化。并且，由于電力轉(zhuǎn)換器的高效率化，電力轉(zhuǎn)換器的溫度上升值減小。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器的長(zhǎng)壽命化。

具體而言，正側(cè)電源體8具有第1正側(cè)電源8a和第2正側(cè)電源8b。第1正側(cè)電源8a將正電壓施加于NchMOSFET4的漏電極。第2正側(cè)電源8b將絕對(duì)值比施加于NchMOSFET4的漏電極的正電壓的絕對(duì)值大的正電壓施加于控制電路6的正側(cè)電極。因此，僅使用不同的兩個(gè)正側(cè)電源就能夠防止絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的穩(wěn)態(tài)損耗加劇。

實(shí)施方式2.

圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式2的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的圖。另外，對(duì)與實(shí)施方式1的部分相同或相當(dāng)?shù)牟糠謽?biāo)注相同標(biāo)號(hào)。省略該部分的說(shuō)明。

實(shí)施方式1的電源體7將相同的負(fù)電壓施加于PchMOSFET5的漏電極和控制電路6的負(fù)側(cè)電極。與此相對(duì)，實(shí)施方式2的電源體7將絕對(duì)值比施加于PchMOSFET5的漏電極的負(fù)電壓的絕對(duì)值大的負(fù)電壓施加于控制電路6的負(fù)側(cè)電極。

具體而言，負(fù)側(cè)電源體9具有第1負(fù)側(cè)電源9a和第2負(fù)側(cè)電源9b。第1負(fù)側(cè)電源9a將負(fù)電壓施加于PchMOSFET5的漏電極。第2負(fù)側(cè)電源9b將絕對(duì)值比施加于PchMOSFET5的漏電極的負(fù)電壓大的負(fù)電壓施加于控制電路6的負(fù)側(cè)電極。該負(fù)電壓的絕對(duì)值與施加于PchMOSFET5的漏電極的負(fù)電壓的絕對(duì)值之差設(shè)定為比PchMOSFET5的柵極閾值電壓的值大的值。例如，第2負(fù)側(cè)電源9b對(duì)負(fù)側(cè)開(kāi)關(guān)元件6b的集電極電極施加-20V的負(fù)電壓。

根據(jù)以上說(shuō)明的實(shí)施方式2，電源體7將絕對(duì)值比施加于PchMOSFET5的漏電極的負(fù)電壓的絕對(duì)值大的負(fù)電壓施加于控制電路6的負(fù)側(cè)電極。通過(guò)施加該正電壓，在PchMOSFET5的漏電極與源電極之間，電位差充分減小。因此，能夠使施加于絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極的負(fù)電壓穩(wěn)定。

具體而言，負(fù)側(cè)電源體9具有第1負(fù)側(cè)電源9a和第2負(fù)側(cè)電源9b。第1負(fù)側(cè)電源9a將負(fù)電壓施加于PchMOSFET5的漏電極。第2負(fù)電源將絕對(duì)值比施加于PchMOSFET5的漏電極的負(fù)電壓的絕對(duì)值大的負(fù)電壓施加于控制電路6的負(fù)側(cè)電極。因此，僅使用不同的兩個(gè)負(fù)側(cè)電源就能夠使施加于絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極的負(fù)電壓穩(wěn)定。

實(shí)施方式3.

圖4是本發(fā)明的實(shí)施方式3的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的圖。另外，對(duì)與實(shí)施方式2的部分相同或相當(dāng)?shù)牟糠謽?biāo)注相同標(biāo)號(hào)。省略該部分的說(shuō)明。

實(shí)施方式3的柵極驅(qū)動(dòng)電路2是在實(shí)施方式2的柵極驅(qū)動(dòng)電路2中增加正側(cè)齊納二極管10和負(fù)側(cè)齊納二極管11而成的電路。正側(cè)齊納二極管10連接于NchMOSFET4的柵電極與源電極之間。負(fù)側(cè)齊納二極管11連接于PchMOSFET5的柵電極與源電極之間。

當(dāng)絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1從截止變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，NchMOSFET4從截止變?yōu)閷?dǎo)通。此時(shí)，存在如下情況，即絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極與源電極之間的電壓從負(fù)電壓變化為正電壓的時(shí)間比NchMOSFET4的柵電極與源電極之間的電壓從負(fù)電壓變化為正電壓的時(shí)間長(zhǎng)。

該情況下，較大的正電壓能夠被施加于NchMOSFET4的柵電極與源電極之間。該正電壓的絕對(duì)值為第1正側(cè)電源8a的正電壓和第1負(fù)側(cè)電源9a的負(fù)電壓的總和30(V)。該正電壓的絕對(duì)值比NchMOSFET4的柵電極與源電極之間的最大額定電壓的絕對(duì)值大。

但是，此時(shí)，較大的電流急劇地流入正側(cè)齊納二極管10。其結(jié)果是，NchMOSFET4的柵電極與源電極之間的電壓保持為正側(cè)齊納二極管10的齊納電壓。需要以比NchMOSFET4的柵電極與源電極之間的最大額定電壓的絕對(duì)值小的方式選擇該齊納電壓。

當(dāng)絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1從導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，PchMOSFET5從截止變?yōu)閷?dǎo)通。此時(shí)，存在如下情況，即絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極與源電極之間的電壓從正電壓變化為負(fù)電壓的時(shí)間比PchMOSFET5的柵電極與源電極之間的電壓從負(fù)電壓變化為正電壓的時(shí)間長(zhǎng)。

在該情況下，較大的負(fù)電壓能夠被施加于PchMOSFET5的柵電極與源電極之間。該負(fù)電壓的絕對(duì)值為第1正側(cè)電源8a的正電壓和第1負(fù)側(cè)電源9a的負(fù)電壓的總和30(V)。該負(fù)電壓的絕對(duì)值比PchMOSFET5的柵電極與源電極之間的最大額定電壓的絕對(duì)值大。

但是，此時(shí)，較大的電流急劇地流入負(fù)側(cè)齊納二極管11。其結(jié)果是，PchMOSFET5的柵電極與源電極之間的電壓保持為負(fù)側(cè)齊納二極管11的齊納電壓。需要以比PchMOSFET5的柵電極與源電極之間的最大額定電壓的絕對(duì)值小的方式選擇該齊納電壓。

根據(jù)以上說(shuō)明的實(shí)施方式3，正側(cè)齊納二極管10連接于NchMOSFET4的柵電極與源電極之間。因此，能夠防止在絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1從截止變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)NchMOSFET4損壞。

此外，負(fù)側(cè)齊納二極管11連接于PchMOSFET5的柵電極與源電極之間。因此，能夠防止在絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1從導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)PchMOSFET5損壞。

另外，也可以將實(shí)施方式1至實(shí)施方式3的柵極驅(qū)動(dòng)電路2應(yīng)用于從交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力的電力轉(zhuǎn)換器的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件。

此外，在實(shí)施方式1至實(shí)施方式3中，也可以經(jīng)由電阻將控制電路6的輸出電極與NchMOSFET4的柵電極和PchMOSFET5的柵電極中的至少一個(gè)連接。

此外，在實(shí)施方式1至實(shí)施方式3中，可以使用第1電阻與第2電阻來(lái)代替電阻3。此時(shí)，在NchMOSFET4的漏電極與第1正側(cè)電源8a之間設(shè)置第1電阻即可。在PchMOSFET5的漏電極與負(fù)側(cè)電源體9或9a之間設(shè)置第2電阻即可。

此外，在實(shí)施方式1至實(shí)施方式3中，也可以不經(jīng)由電阻3而直接將絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極與NchMOSFET4的源電極和PchMOSFET5的源電極中的至少一個(gè)連接。

此外，在實(shí)施方式1至實(shí)施方式3中，也可以將與NchMOSFET不同的半導(dǎo)體元件作為絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1。例如，可以將由IGBT形成的半導(dǎo)體元件作為絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1。例如，也可以將由寬帶隙半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體元件作為絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1。例如，作為寬帶隙半導(dǎo)體，有碳化硅、氮化鎵系材料或金剛石。

在將由寬帶隙半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體元件作為絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的情況下，可期待絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1本身的效率提高。此時(shí)，基于對(duì)絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的柵電極施加的電壓的穩(wěn)態(tài)損耗的大小較大程度地影響電力轉(zhuǎn)換器的損耗。因此，在將由寬帶隙半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體元件作為絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件1的情況下，柵極驅(qū)動(dòng)電路2能夠發(fā)揮更大的效果。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

如上所述，本發(fā)明的絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路能夠在防止絕緣柵型側(cè)功率半導(dǎo)體元件的穩(wěn)態(tài)損耗加劇的系統(tǒng)中使用。

標(biāo)號(hào)說(shuō)明

1：絕緣柵型功率半導(dǎo)體元件；2：柵極驅(qū)動(dòng)電路；3：電阻；4：NchMOSFET；5：PchMOSFET；6：控制電路；6a：正側(cè)開(kāi)關(guān)元件；6b：負(fù)側(cè)開(kāi)關(guān)元件；7：電源體；8：正側(cè)電源體；8a：第1正側(cè)電源；8b：第2正側(cè)電源；9：負(fù)側(cè)電源體；9a：第1負(fù)側(cè)電源；9b：第2負(fù)側(cè)電源；10：正側(cè)齊納二極管；11：負(fù)側(cè)齊納二極管。