(57)【要約】【課題】III 族窒化物半導体からなる縦型トランジスタのゲート駆動回路の小型化、低コスト化を図ること。【解決手段】ｄＩ／ｄｔ調整回路２０は、図１のように、抵抗Ｒ２と、ダイオードＤ２によって構成されている。抵抗Ｒ２は、制御信号生成回路１０のインバータとＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートとの間に直列に接続されている。ダイオードＤ２は、抵抗Ｒ２に並列に接続されており、アノードをＭＯＳＦＥＴＱ２側、カソードを制御信号生成回路１０のインバータ側にして接続されている。ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフとなったときには、ダイオードＤ２を遮断してＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電荷を抵抗Ｒ２を通してゆるやかに放電し、コイルＬ１を流れる電流は、時間的にゆるやかに減少する。その結果、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１を駆動するゲート電圧は、オンのときのオーバーシュートが抑制される。【選択図】図１
2017112465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III 族窒化物半導体からなる縦型トランジスタを駆動するゲート駆動回路において、
前記縦型トランジスタのゲート−ソース間に接続されたゲート電源と、
前記ゲート電源に直列に接続され、前記縦型トランジスタを制御するゲート信号を前記縦型トランジスタのゲートに供給するコイルと、
前記ゲート信号の増減を制御する制御回路と、
を有し、
前記制御回路は、
前記ゲート電源と前記コイルの直列接続に対して並列に接続された制御トランジスタと、
前記制御トランジスタをオンオフするための制御信号を、前記制御トランジスタの制御端子に供給する制御信号生成回路と、
前記制御端子と前記制御信号生成回路との間に接続された抵抗と、前記抵抗に並列接続され、アノードが前記制御トランジスタの制御端子側、カソードが前記制御信号生成回路側に接続されたダイオードと、を有し、前記コイルに流れる電流の時間変化を調整するｄＩ／ｄｔ調整回路と、
を有することを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項２】
前記ゲート電源は、３〜１５Ｖであり、前記コイルは、３０〜５０Ｖに昇圧して前記縦型トランジスタのゲートに前記ゲート信号を供給する、
ことを特徴とする請求項１に記載のゲート駆動回路。
【請求項３】
前記コイルと前記縦型トランジスタのゲートの間に、直列に接続された抵抗と、前記抵抗に並列に接続され、アノードが前記コイル側、カソードが前記縦型トランジスタのゲート側に接続されたダイオードと、をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のゲート駆動回路。
【請求項４】
前記縦型トランジスタは、ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のゲート駆動回路。
【請求項５】
前記縦型トランジスタは、車載用であり、前記ゲート電源は車載用電源である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のゲート駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III 族窒化物半導体からなる縦型トランジスタを駆動するためのゲート駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮなどIII 族窒化物半導体は絶縁破壊電界が大きく、オン抵抗が低いことから、パワーデバイスの材料として注目され、さかんに研究開発が行われている。特に耐圧の向上、小型化などの理由から、基板に垂直な方向に導通を取る縦型構造のパワーデバイスが望まれている。
【０００３】
III 族窒化物半導体からなる縦型ＭＯＳＦＥＴは、現状耐圧性能が十分でないことなどから直接駆動は難しく、ゲート駆動回路を介してゲート電圧を制御して駆動することになる。トランジスタのゲート駆動回路としては、たとえば特許文献１〜３がある。
【０００４】
特許文献１には、駆動するＩＧＢＴのゲートに、コンデンサとダイオードの並列体、その並列体と直列接続の第１抵抗、その直列体と並列接続された第２抵抗を設けた構成が示されている。これにより、ＩＧＢＴのターンオフ時には、ゲート電荷をコンデンサと第１抵抗により速やかに放電し、ＩＧＢＴのターンオン時には、ダイオードを導通させてゲート電荷を速やかに充電することが記載されている。
【０００５】
特許文献２には、駆動するＭＯＳＦＥＴがオフとなったときに、コイルに蓄えられたエネルギーを開放して電源に回生させ、電力変換効率の向上を図る旨が記載されている。特許文献３には、ＩＧＢＴのゲート駆動回路において、ＩＧＢＴのエミッタ側の配線インダクタンスに起因する起電力を、ＩＧＢＴのゲートにコイルを設けることで相殺し、ターンオン損失を抑制することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１１９８８５号公報
【特許文献２】特開平１０−１３６６３８号公報
【特許文献３】特開２０００−２２５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
III 族窒化物半導体からなる縦型ＭＯＳＦＥＴは、低電圧ではオン抵抗が高く、高電圧ではオン抵抗が低くなる特性のため、省エネルギーなどの観点から高電圧で駆動することが望まれる。
【０００８】
しかし、ゲート信号生成のための制御電源とは別に高電圧の電源回路を設けることとなると、ゲート駆動回路の高コスト化、大型化を招くことになる。
【０００９】
そこで本発明は、III 族窒化物半導体からなる縦型トランジスタのゲート駆動回路を、高電圧の電源を別途要せずに実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、III 族窒化物半導体からなる縦型トランジスタを駆動するゲート駆動回路において、縦型トランジスタのゲート−ソース間に接続されたゲート電源と、ゲート電源に直列に接続され、縦型トランジスタを制御するゲート信号を縦型トランジスタのゲートに供給するコイルと、ゲート信号の増減を制御する制御回路と、を有し、制御回路は、ゲート電源とコイルの直列接続に対して並列に接続された制御トランジスタと、制御トランジスタをオンオフするための制御信号を、制御トランジスタの制御端子に供給する制御信号生成回路と、制御端子と制御信号生成回路との間に接続された抵抗と、抵抗に並列接続され、アノードが制御トランジスタの制御端子側、カソードが制御信号生成回路側に接続されたダイオードと、を有し、コイルに流れる電流の時間変化を調整するｄＩ／ｄｔ調整回路と、を有することを特徴とするゲート駆動回路である。
【００１１】
コイルと縦型トランジスタのゲートの間に、直列に接続された抵抗と、抵抗に並列に接続され、アノードがコイル側、カソードが縦型トランジスタのゲート側に接続されたダイオードと、をさらに有していてもよい。縦型トランジスタのオフ時に縦型トランジスタのゲート電荷が速やかに放電し、オフ動作を急峻にすることができる。
【００１２】
駆動する縦型トランジスタは、たとえばＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＭＩＳＦＥＴ、ＨＦＥＴなどである。特に、ＭＯＳＦＥＴの駆動に本発明のゲート駆動回路は好適である。また、本発明のゲート駆動回路は、ゲート電源を３〜１５Ｖとし、コイルによって３０〜５０Ｖに昇圧して縦型トランジスタのゲートに供給する場合に好適である。また、本発明のゲート駆動回路は、車載用の縦型トランジスタを駆動するものとして好適である。車載用電源を用いて低オン抵抗での駆動が可能となるためである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のゲート駆動回路は、ゲート信号生成用の電源と駆動用の電源を共用化できるため、ゲート駆動回路の低コスト化、小型化を図ることができる。また、本発明によれば、コイルに流れる電流の変化をゆるやかにすることができる。これにより、ゲート電圧のピーク電圧を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１のゲート駆動回路の構成を示した図。
【図２】比較例のゲート駆動回路の構成を示した図。
【図３】比較例のゲート駆動回路の動作波形を示した図。
【図４】実施例１のゲート駆動回路の動作波形を示した図。
【図５】変形例のゲート駆動回路の構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１６】
図１は、実施例１のゲート駆動回路の構成を示した図である。実施例１のゲート駆動回路は、III 族窒化物半導体からなる縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１を駆動するための回路である。実施例１のゲート駆動回路は、図１のように、制御信号生成回路１０と、ｄＩ／ｄｔ調整回路２０と、ＭＯＳＦＥＴＱ２と、コイルＬ１と、抵抗Ｒ１と、ツェナーダイオードＤ１と、ゲート電源Ｖ１と、で構成されている。本発明の制御回路に相当するのが制御信号生成回路１０と、ｄＩ／ｄｔ調整回路２０である。
【００１７】
図１のように、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート−ソース間にはゲート電源Ｖ１が接続されており、ゲート電源Ｖ１の正極と縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート、負極と縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のソースが接続されている。縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のソース−ドレイン間には負荷Ｒ３、電源Ｖ３が直列に接続されている。ゲート電源Ｖ１は、３〜１５Ｖである。そして、ゲート電源Ｖ１の正極性側と縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート間に、コイルＬ１、抵抗Ｒ１が直列に接続されている。
【００１８】
また、コイルＬ１と抵抗Ｒ１との間には、ＳｉからなるＭＯＳＦＥＴＱ２（本発明の制御トランジスタに相当）がゲート電源Ｖ１に並列に接続されている。ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレイン側がコイルＬ１と抵抗Ｒ１との間、ソースがゲート電源Ｖ１の負極側に接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート（本発明の制御端子に相当）には、制御信号生成回路１０が接続されていて、制御信号生成回路１０からの制御信号が入力される。ＭＯＳＦＥＴＱ２は、制御信号に基づくオンオフ動作によってコイルＬ１に流れる電流を時間的に変化させる。これにより、ゲート電源Ｖ１の電圧を、オン電圧が３０〜５０Ｖであってデューティー比が制御信号生成回路１０からの制御信号を反転したものである電圧に昇圧し、ゲート信号としてコイルＬ１から縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートに供給する。縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１は、ゲート電圧が３０Ｖ未満ではオン抵抗が高く、３０〜５０Ｖでオン抵抗が低くなる特性のため、このような範囲において駆動することにより縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１で消費されるエネルギーを低減することができる。
【００１９】
なお、図５のように、抵抗Ｒ１に並列に、アノードをコイル側、カソードを縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート側としてダイオードＤ３を接続してもよい。縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のオフ時にゲート電荷が速やかに放電し、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のオフ動作を急峻にすることができる。また、オフ動作の急峻性が必要なければ、抵抗Ｒ１を省略してもよい。
【００２０】
また、制御信号が入力される制御端子を有し、制御信号によってオンオフ動作してコイルＬ１に流れる電流を時間的に増減させる素子（制御トランジスタ）であれば、ＭＯＳＦＥＴＱ２以外を用いてもよく、その材料もＳｉ以外を用いてよい。
【００２１】
抵抗Ｒ１と縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートとの間には、ツェナーダイオードＤ１がゲート電源Ｖ１に並列に接続されている。ツェナーダイオードＤ１のカソードが抵抗Ｒ１と縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートとの間、アノードがゲート電源Ｖ１の負極側に接続されている。ツェナーダイオードＤ１は、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートに過電圧がかからないようにするためのものである。過電圧のおそれがない場合などにはこのツェナーダイオードＤ１は省いてもよい。
【００２２】
制御信号生成回路１０およびｄＩ／ｄｔ調整回路２０は、ＭＯＳＦＥＴＱ２のオンオフのタイミングを調整し、コイルＬ１の電流の時間変化を調整することで、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートに供給するゲート信号の増減を制御する回路である。
【００２３】
制御信号生成回路１０は、ＰＷＭ回路１０ａと、インバータ１０ｂとによって構成されている。ＰＷＭ回路１０ａは、たとえば周波数１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚで、オン電圧がゲート電源Ｖ１と等しい矩形波の制御信号を生成する。このＰＷＭ回路１０ａから出力される制御信号のデューティー比は、ゲート信号のデューティー比と等しい。インバータ１０ｂは、ＰＷＭ回路１０ａからの制御信号を反転して出力し、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートに供給する。ＰＷＭ回路１０ａおよびインバータ１０ｂの制御電源は、ゲート電源Ｖ１を共用している。実施例１のゲート駆動回路では、コイルＬ１とＭＯＳＦＥＴＱ２を用いてゲート電源Ｖ１の電圧を昇圧しているため、このような縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１の駆動用の電源（ゲート電源Ｖ１）と制御信号生成用の制御電源とを共用することができる。そして、この共用によって実施例１のゲート駆動回路の低コスト化、小型化を図っている。
【００２４】
ｄＩ／ｄｔ調整回路２０は、図１のように、抵抗Ｒ２と、ダイオードＤ２によって構成されている。抵抗Ｒ２は、制御信号生成回路１０のインバータとＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートとの間に直列に接続されている。ダイオードＤ２は、抵抗Ｒ２に並列に接続されており、アノードをＭＯＳＦＥＴＱ２側、カソードを制御信号生成回路１０のインバータ側にして接続されている。
【００２５】
ｄＩ／ｄｔ調整回路２０をこのように構成することで、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオンとなったときには、ダイオードＤ２が導通してＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電荷が速やかに充電されるようにし、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフとなったときには、ダイオードＤ２で遮断してＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電荷が抵抗Ｒ２を通してゆるやかに放電するようにしている。すると、コイルＬ１を流れる電流は、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフとなったときに時間的にゆるやかに減少する。その結果、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１を駆動するゲート電圧は、オンのときのオーバーシュート（定常値を超えて上昇してしまうこと）が抑制され、定常値まで速やかに上昇する。
【００２６】
次に、実施例１のゲート駆動回路の動作について、比較例のゲート駆動回路と対比しつつ説明する。
【００２７】
まず、比較例のゲート駆動回路の構成について説明する。比較例のゲート駆動回路は、図２のように、実施例１のゲート駆動回路において、抵抗Ｒ２と並列に接続されているダイオードＤ１を省いた構成であり、他は同一構成である。
【００２８】
図３は、比較例のゲート駆動回路について、各地点での電圧波形、電流波形を示したグラフである。図３（ａ）は、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート−ソース間電圧、図３（ｂ）は、コイルＬ１に流れる電流、図３（ｃ）は、ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに流れる電流、図３（ｄ）は、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートソース間電圧、図３（ｅ）は、抵抗Ｒ１に流れる電流を示している。ゲート電源Ｖ１には１０Ｖのものを用いている。
【００２９】
図３（ａ）のように、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートソース間電圧は、オン時とオフ時ともに、急峻に変化していることがわかる。ＭＯＳＦＥＴＱ２がオンオフされることにより、図３（ｂ）に示すように、Ｌ１を流れる電流が時間的に変化している。
【００３０】
ここで、図３（ｃ）を見ると、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフとなると急峻にＭＯＳＦＥＴＱ２のドレイン電流が０となり、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電荷が速やかに放電していることがわかる。そのため、図３（ｂ）のように、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフとなったときにコイルＬ１を流れる電流は比較的速く減少する。
【００３１】
その結果、図３（ｄ）のように、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１がオンになるときに一端定常値を超えて電圧が上昇し、その後定常値まで減少しており、オーバーシュートが発生していることが見て取れる。そして、図３（ｅ）のように、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１がオンになった瞬間に抵抗Ｒ１を流れる電流が高い値まで鋭く上昇しており、エネルギー損失が大きいことがわかる。
【００３２】
図４は、実施例１のゲート駆動回路について、各地点での電圧波形、電流波形を示したグラフである。図４（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ図３（ａ）〜（ｅ）と対応しており、同様の地点での電圧波形、電流波形を示している。
【００３３】
図４（ａ）のように、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフになると、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電圧は１０Ｖから５Ｖあたりまで急激に減少するが、その後はゆるやかに電圧が減少していることがわかる。これは、ｄＩ／ｄｔ調整回路２０が設けられていることにより、ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフとなったときにＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電荷が抵抗Ｒ２を通してゆるやかに放電しているためである。
【００３４】
また、ＭＯＳＦＥＴＱ２のオフ時にゲートソース間電圧がゆるやかに減少する結果、図４（ｂ）のように、ＭＯＳＦＥＴＱ２のオフ時にコイルＬ１を流れる電流は、比較例の図３（ｂ）の場合に比べてゆるやかに減少しており、図４（ｃ）のように、ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレイン電流もゆるやかに減少している。
【００３５】
そして、図４（ｄ）のように、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートソース間電圧は、定常値４２Ｖまでオーバーシュートせずに上昇している。これは、コイルＬ１を流れる電流が図４（ｂ）のようにゆるやかに減少するためである。また、図４（ｅ）のように、抵抗Ｒ１を流れる電流のピークは、比較例の図３（ｅ）に比べて減少しており、エネルギー損失が低減されていることがわかる。
【００３６】
以上、実施例１のゲート駆動回路によれば、制御信号生成用の電源と駆動用の電源をゲート電源Ｖ１として共用化することができ、ゲート駆動回路の低コスト化、小型化を図ることができる。また、縦型ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電圧のオン時のオーバーシュートが抑制され、エネルギー損失が抑制される。
【００３７】
［変形例］
実施例１では、III 族窒化物半導体からなる縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１を駆動する例を示したが、本発明のゲート駆動回路により駆動する素子はこれに限るものではない。III 族窒化物半導体からなる縦型のトランジスタであれば、任意の素子を駆動するものであってよい。たとえば、ＩＧＢＴ、ＭＩＳＦＥＴ、ＨＦＥＴ、などを駆動するものであってもよい。
【００３８】
実施例１のゲート駆動回路では、ゲート電源Ｖ１の電圧を３〜１５Ｖとしているが、このような電圧値に限るものではない。ただし、実用上このような範囲の電圧値であることが利便である。また、実施例１のゲート駆動回路では、コイルＬ１とＭＯＳＦＥＴＱ２により３０〜５０Ｖに昇圧しているが、これに限るものではない。ただし、III 族窒化物半導体からなる縦型ＭＯＳＦＥＴなどの縦型トランジスタは、３０Ｖ未満の駆動電圧ではオン抵抗が高く、３０Ｖ以上でオン抵抗が低くなり、５０Ｖあたりで飽和する特性を示すため、３０〜５０Ｖに昇圧することが望ましい。また、コイルＬ１のインダクタンスやＭＯＳＦＥＴＱ２の特性などの観点から、ゲート電源Ｖ１の電圧値を２〜１０倍、より望ましくは３〜５倍に昇圧するよう設定することが望ましい。
【００３９】
本発明のゲート駆動回路は、車載用の縦型トランジスタを駆動するものとして好適である。車載用電源は１２Ｖであり、実施例１のゲート電源Ｖ１として車載用電源を用いることで、効率的に車載用の縦型トランジスタを駆動することができる。
【００４０】
実施例１のゲート駆動回路では、ゲート信号の周波数を１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚとしているが、本発明はこれに限るものではない。ただし、省エネルギーなどの観点から、周波数をこの範囲として縦型トランジスタを駆動する場合に本発明のゲート駆動回路は好適である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、各種のＧａＮ系パワーデバイス、高周波デバイスのゲート駆動回路として用いることができる。特に車載用として好適である。
【符号の説明】
【００４２】
１０：制御信号生成回路
１０ａ：ＰＷＭ回路
１０ｂ：インバータ
２０：ｄＩ／ｄｔ調整回路
Ｑ１：縦型ＭＯＳＦＥＴ
Ｑ２：ＭＯＳＦＥＴ
Ｒ１、Ｒ２：抵抗
Ｒ３：負荷
Ｌ１：コイル
Ｄ１：ツェナーダイオード
Ｄ２：ダイオード
Ｖ１：ゲート電源
Ｖ３：電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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