專利名稱：柵極驅(qū)動電路以及開關電源裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對開關元件的柵極進行驅(qū)動的柵極驅(qū)動電路以及包含柵極驅(qū)動電路的開關電源裝置。
背景技術：
作為現(xiàn)有的柵極驅(qū)動電路，例如公知有專利文獻1。在圖4所示的專利文獻1所記載的柵極驅(qū)動電路中，在主開關元件QlO的接通期間，使開關112、114、116接通，利用電源電壓111來對電容器115進行充電。在電容器115中充入電源電壓111的電壓。接著，在主開關元件QlO的斷開期間，使開關112、114、116斷開且使開關113、117 接通。此時，可將在電容器115中積蓄的電壓用作主開關元件QlO斷開時的反向偏置電源。因此，無需特別采用負電壓用的電源就能夠進行斷開動作。此外，作為現(xiàn)有技術， 例如公知有專利文獻2。專利文獻1日本特開昭62-144572號公報專利文獻1日本特開2009-200891號公報但是，現(xiàn)有的柵極驅(qū)動電路在主開關元件QlO斷開時，利用具有電源電壓111的電壓的電容器115的放電電流來吸取主開關元件QlO的柵電容，所以電容器115的電容變大。因此，電容器115相對于由IC(集成電路)構成的柵極驅(qū)動電路外置。即，為了外置電容器115，而需要在IC的端子上設置2個端子，當使柵極驅(qū)動電路IC化時，成本會變
尚ο另外，在啟動時等、電容器115沒有被充電的狀態(tài)下、使柵極驅(qū)動電路進行高頻動作的情況下，吸取電流(引豸抜豸電流)不足，開關速度變慢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的課題是提供可減小電容器的電容并能夠低成本地進行IC化的柵極驅(qū)動電路以及開關電源裝置。 為了解決上述課題，本發(fā)明的柵極驅(qū)動電路驅(qū)動開關元件的柵極，其特征在于，該柵極驅(qū)動電路具有第1電容器，其一端經(jīng)由啟動電阻與直流電源的正極連接；第1開關， 其具有第1電極、第2電極和第1控制電極，所述第1電極與所述第1電容器的一端連接， 所述第2電極與所述直流電源的負極即“地”連接；第2開關，其具有第3電極、第4電極和第2控制電極，所述第3電極與所述第1開關的第2電極以及所述直流電源的負極即“地” 連接，所述第4電極與所述第1電容器的另一端連接；第2電容器，其與所述第2開關的第3 電極以及第4電極并聯(lián)連接，該第2電容器的一端與所述直流電源的負極即“地”連接；以及負電壓控制部，其根據(jù)脈沖信號在所述開關元件斷開時，將所述開關元件的柵極與所述第1 電容器的另一端以及所述第2電容器的另一端連接，由此使所述開關元件的柵極成為負電壓。 根據(jù)本發(fā)明，采用第1電容器的單電源，將第1開關的第1電極與第1電容器的正極連接，將第1開關的第2電極與第2開關的第3電極連接，將第2開關的第4電極與第1 電容器的另一端連接，將第2電容器與第2開關并聯(lián)連接，將第1開關的第2電極、第2開關的第3電極和第2電容器的一端的連接點、與直流電源負極即“地”連接，根據(jù)脈沖信號在開關元件斷開時，將開關元件的柵極與第1電容器以及第2電容器的另一端連接，由此不采用第2電容器的充放電電流就能夠使開關元件的柵極電壓成為負電壓。因此，能夠減小第2電容器的容量，所以能夠?qū)⒌?電容器包含在內(nèi)來對柵極驅(qū)動電路1進行IC化。在對柵極驅(qū)動電路1進行IC化的情況下，具有這樣的優(yōu)點第2電容器用的端子只要有1個端子TLl即可。


圖1是包含本發(fā)明實施例1的柵極驅(qū)動電路的開關電源裝置的結構圖。圖2是示出本發(fā)明實施例1的柵極驅(qū)動電路的動作的波形圖。圖3是示出本發(fā)明實施例1的柵極驅(qū)動電路的動作的波形圖。圖4是示出現(xiàn)有的柵極驅(qū)動電路的一例的圖。標號說明Vl 直流電源；Rl 啟動電阻；R2、R3、R5、R6、R7、R8、R9 電阻；C1、C2、C3 電容器；DU D2、D3 二極管；Ql Q5M0SFET ；Q6開關元件；T變壓器；Pll次繞組；S12次繞組；P2輔助繞組；Gl比較器；G2反相器；G3“與非”電路；Vref基準電源；OSC振蕩器；1柵極驅(qū)動電路；10 電壓檢測電路。
具體實施例方式以下，參照附圖對包含本發(fā)明實施方式的柵極驅(qū)動電路的開關電源裝置進行詳細說明。實施例1圖1是包含本發(fā)明實施例1的柵極驅(qū)動電路的開關電源裝置的結構圖。圖1所示的開關電源裝置是反激方式的DC-DC轉換器。在圖1中，直流電源Vl的正極與變壓器T的1次繞組Pl的一端以及柵極驅(qū)動電路1內(nèi)的啟動電阻Rl的一端連接，1次繞組Pl的另一端與由開關元件構成的N型GaNFET Q6的漏極連接，GaNFET Q6的源極與直流電源Vl的負極連接。變壓器T的2次繞組Sl的兩端連接有由整流平滑電路構成的二極管D2與電容器 C3的串聯(lián)電路，通過該整流平滑電路，將在2次繞組Sl的兩端產(chǎn)生的交流電壓變換為直流電壓。電壓檢測電路10檢測在電容器C3的兩端產(chǎn)生的直流電壓，將該直流電壓作為反饋信號FB輸出到柵極驅(qū)動電路1內(nèi)的振蕩器0SC，使振蕩器OSC的振蕩頻率根據(jù)反饋信號FB 的值而變化。柵極驅(qū)動電路1根據(jù)來自電壓檢測電路10的反饋信號FB與來自比較器Gl的輸出，使GaNFET Q6進行通斷，由此將直流電源Vl的直流電壓經(jīng)由變壓器T的1次繞組Pl變換為交流電壓，使變壓器T的2次繞組Sl輸出該交流電壓。變壓器T的輔助繞組P2的兩端連接有由整流平滑電路構成的二極管Dl與電容器 Cl的串聯(lián)電路，通過該整流平滑電路，將在輔助繞組P2的兩端產(chǎn)生的交流電壓變換為直流電壓，將該直流電壓作為啟動后的電源電壓提供給電容器Cl。柵極驅(qū)動電路1如以下這樣構成。啟動電阻Rl的另一端與電容器Cl (第1電容器) 的一端、電阻R8的一端、電阻R5的一端、N型MOSFET Q3 (第1開關)的漏極、P型MOSFET Ql的源極以及二極管Dl的陰極連接。電容器Cl的一端經(jīng)由啟動電阻Rl與直流電源Vl的正極連接而被施加電壓+Vcc， 電容器Cl的另一端與電容器C2(第2電容器)的一個端子連接，被施加電壓-Vcc。電容器 Cl被用作單電源。電容器Cl的兩端連接有電阻R8與電阻R9的串聯(lián)電路、電阻R5、電阻R6與電阻R7 的串聯(lián)電路、Ν型MOSFET 03與Ρ SMOSFET Q4(第2開關)的串聯(lián)電路、Ρ型MOSFET QI、 電阻R2、電阻R3與N型MOSFET Q2的串聯(lián)電路。在電阻R8與電阻R9的連接點處連接有具有滯后(* 7 ^」* 7 )特性的比較器Gl的同相輸入端子，比較器Gl的反相輸入端子與基準電源Vref連接。比較器Gl的輸出端子與反相器G2的輸入端子以及“與非”電路G3的一個輸入端子連接，反相器G2的輸出端子與N型MOSFET Q5的柵極連接。N型M0SFETQ5的源極以及基準電源Vref的負極與電容器Cl的另一端連接。 MOSFET Q5的漏極連接在電阻R5和電阻R6的連接點處，在電阻R5與電阻R6的連接點處連接有MOSFET Q3的柵極。MOSFET Q3的漏極與電阻R5的一端以及電容器Cl的一端連接，MOSFET Q3的源極與P型MOSFET Q4的源極、電容器C2的一端、GaNFET Q6的源極以及直流電源Vl的負極連接。MOSFET Q4的柵極連接在電阻R6和電阻R7的連接點處，MOSFET Q4的源極與電阻 R7的一端以及電容器C2的另一端連接。“與非”電路G3求取來自振蕩器OSC的脈沖信號與來自比較器Gl的輸出的“與非” 結果，向P型MOSFET Ql的柵極與N型MOSFET Q2的柵極輸出該“與非”的輸出。MOSFET Ql的源極與電容器Cl的一端連接，MOSFET Ql的漏極與電阻R2的一端連接，電阻R2的另一端與GaNFET Q6的柵極以及電阻R3的一端連接。電阻R3的另一端與N 型MOSFET Q2的漏極連接，MOSFET Q2的源極與電容器C1、C2的另一端連接。MOSFET Ql和 MOSFET Q2構成負電壓控制部，該負電壓控制部用于使GaNFET Q6的柵極在斷開時成為負電壓。GaNFET Q6的漏極與變壓器T的1次繞組Pl的一端連接，GaNFET Q6的源極與直流電源Vl的負極連接。GaNFET Q6 由 feiNFET 等 HEMT(High Electron Mobility Transistor :高電子遷移率晶體管)構成。另外，也可以采用SiCFET等HEMT或MESFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor :金屬絕緣體半導體場效應晶體管)或 MISFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor :金屬半導體場效應晶體管)或 MESHEMT或MISHEMT等，來替代GaNFET。此外，還可以采用雙極型晶體管、J-FET (Junction FET 結型場效應管)、IGBTansulated Gate Bipolar Transistor 絕緣柵雙極型晶體管) 等晶體管。此外，在以上的MOSFET中，漏極以及源極與第1電極以及第2電極對應，柵極與控制電極對應。
接著，參照圖2以及圖3所示的各個部的波形圖來詳細說明這樣構成的實施例1 的柵極驅(qū)動電路的動作。在圖2中，Vl表示直流電源VI，Vcl表示電容器Cl的電壓，VA表示對比較器Gl的同相輸入端子施加的電壓，Glout表示比較器Gl的輸出電壓，Vcc表示對電容器Cl的一端施加的電壓，Vc2表示電容器C2的兩端電壓，Vgs表示GaNFET Q6的柵極-源極間的電壓。在圖3中，OSC表示振蕩器OSC的脈沖信號，Vg表示對GaNFET Q6的柵極施加的電壓，Ig表示流過GaNFET Q6的柵極的電流，Id表示流過GaNFET Q6的漏極的電流，Vd表示對GaNFET Q6的漏極施加的電壓。首先，在圖2中，在時刻tO施加直流電源Vl時，在直流電源Vl的正極一啟動電阻 R1—電容器Cl—MOSFET Q4的本體二極管(body diode)—直流電源Vl的負極的路徑中， 流過電流，對電容器Cl進行充電。因此，電容器Cl 一端的電壓Vcc直線地增加。電容器Cl的兩端電壓由串聯(lián)連接的電阻R8和電阻R9進行檢測。比較器Gl將由電阻R8和電阻R9分壓出的電壓VA與基準電源Vref的電壓進行比較。在由電阻R8和電阻R9分壓出的電壓VA小于基準電源Vref的電壓的情況下，來自比較器Gl的輸出Glout 成為低電平。該低電平通過反相器G2進行反轉而成為高電平，該高電平使MOSFET Q5接通，所以MOSFET Q4也接通。因此，電容器C2被短路，所以電壓Vc2為零電壓。另外，同時，“與非”電路G3的一個輸入端子被輸入低電平，所以“與非”電路G3的輸出成為高電平，該高電平使MOSFET Ql斷開，MOSFET Q2接通。因此，GaNFET Q6的柵極經(jīng)由電阻R3以及MOSFET Q2與電容器Cl的另一端連接。S卩，對GaNFET Q6的柵極被施加零電壓-Vcc，GaNFET Q6 斷開。接著，在時刻tl，當由電阻R8和電阻R9分壓出的電壓VA變成基準電源Vref的電壓時，比較器Gl的輸出成為高電平，高電平通過反相器G2進行反轉而成為低電平，該低電平使MOSFET Q5斷開，所以MOSFET Q4也斷開。因此，MOSFET Q3和MOSFET Q4利用電阻R5、電阻R6和電阻R7進行偏置，MOSFET Q3、Q4接通，電流流過MOSFET Q3、Q4。這里，關于MOSFET Q3、Q4的漏極電流，對用于決定偏置電流的電阻R5、R6、R7的電阻值進行設定以使得微小電流流過。通過使漏極電流流過MOSFET Q3、Q4，各MOSFET Q3、Q4的漏極-源極間電壓根據(jù)電阻R5、R6、R7的電阻比率對電容器Cl的電壓Vc 1進行分壓。即，在圖2的時刻11，與MOSFET Q3的源極、MOSFET Q4的源極、GaNFET Q6的源極、直流電源Vl的“地”GND所連接的連接點電位GND之間具有以下這樣的相關。直流電源Vl的接地GND是被分壓成MOSFET Q3的漏極-源極間電壓與MOSFET Q4的漏極-源極間電壓的電位，電壓Vcc的正極電壓相對地下降。因此，負電壓-Vcc作為 MOSFET Q4的漏極-源極間電壓被充入電容器C2 (圖2的電壓Vc2)。另外，在時刻tl，比較器Gl的輸出為高電平，與振蕩器OSC的接通脈沖信號(圖3 的時刻til的0SC)同步地使MOSFET Ql接通、MOSFET Q2斷開時，電流Ig流過GaNFET Q6 的柵極。漏極電流Id流過并上升。在時刻tl2，當GaNFET Q6的柵極電壓Vg成為閾值VTH時，GaNFET Q6的漏極電壓 Vd為零。
另外，電流在電容器Cl的Vcc側一MOSFET Ql —電阻rl —穩(wěn)壓二極管ZDl —二極管D3 —電容器C2 —電容器Cl的-Vcc側的路徑中流動。接著，在時刻tl3，與振蕩器OSC的斷開脈沖信號同步地使MOSFET Ql斷開、MOSFET Q2接通時，GaNFET Q6的柵極經(jīng)由電阻R3和MOSFET Q2被偏置成-Vcc，而成為負電位。這樣，根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動電路，采用電容器Cl的單電源，將MOSFET Q3的漏極與電容器Cl的一端連接，將MOSFET Q3的源極與MOSFET Q4的源極連接，將MOSFET Q4 的漏極與電容器Cl的另一端連接，將電容器C2與MOSFET Q4并聯(lián)連接，將MOSFET Q3的源極、MOSFET Q4的源極和電容器C2—端的連接點與直流電源Vl的“地”GND連接，根據(jù)脈沖信號在GaNFET Q6斷開時，使GaNFETQ6的柵極與電容器Cl、C2的另一端連接，由此不使用電容器C2的充放電電流就能夠使GaNFET Q6的柵極電壓成為負電壓。因此，可減小電容器C2的電容，所以能夠?qū)㈦娙萜鰿2包含在內(nèi)來對柵極驅(qū)動電路 1進行IC化。在對柵極驅(qū)動電路1進行IC化的情況下，具有這樣的優(yōu)點電容器C2用的端子只要有1個端子TLl即可。另外，因為不使用電容器C2的充放電電流，所以不會對高頻動作產(chǎn)生影響，如圖3 所示，可使GaNFET Q6的斷開時(時刻tl3，tl4)的延遲縮短，降低開關損耗。另外，常關型的GaNFET的柵極閾值電壓例如是1 2V的低電壓。對此，使GaNFET的斷開時的柵極電壓成為負電位，由此，例如將多個開關電源裝置設置在同一裝置內(nèi)，對于來自其它開關電源裝置的開關噪聲等外來噪聲，可取得較大的噪聲容限，能夠得到穩(wěn)定的動作。此外，電容器Cl被充電，由電阻R8和電阻R9對電容器Cl的充電電壓進行分壓后的電壓超過基準電源Vref的電壓后，柵極驅(qū)動電路1進行動作，所以從啟動時起就能夠穩(wěn)定地驅(qū)動GaNFET Q6。另外，在啟動之后，可利用輔助繞組P2和二極管Dl來向電容器Cl提供輔助電源。 另外，輔助繞組P2和二極管Dl可兼用正負電源。工業(yè)上的可利用性本發(fā)明可應用于DC-DC轉換器、AC-DC轉換器等的開關電源裝置。
權利要求
1.一種柵極驅(qū)動電路，其驅(qū)動開關元件的柵極，其特征在于， 該柵極驅(qū)動電路具有第1電容器，其一端經(jīng)由啟動電阻與直流電源的正極連接；第1開關，其具有第1電極、第2電極和第1控制電極，所述第1電極與所述第1電容器的一端連接，所述第2電極與所述直流電源的負極即“地”連接；第2開關，其具有第3電極、第4電極和第2控制電極，所述第3電極與所述第1開關的第2電極以及所述直流電源的負極即“地”連接，所述第4電極與所述第1電容器的另一端連接；第2電容器，其與所述第2開關的第3電極以及第4電極并聯(lián)連接，該第2電容器的一端與所述直流電源的負極即“地”連接；以及負電壓控制部，其根據(jù)脈沖信號在所述開關元件斷開時，將所述開關元件的柵極與所述第1電容器的另一端以及所述第2電容器的另一端連接，由此使所述開關元件的柵極成為負電壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于， 該柵極驅(qū)動電路具有第1電阻，其一端與所述第1電容器的一端連接；第2電阻，其一端與所述第1電阻的另一端連接，該第2電阻的另一端與所述第1電容器的另一端連接；以及比較單元，其對所述第1電阻與所述第2電阻的連接點的電壓、和基準電壓進行比較， 在所述連接點的電壓小于所述基準電壓時使所述第2開關接通，使所述第2電容器短路，在所述連接點的電壓在所述基準電壓以上時，使所述第1開關以及所述第2開關接通，對所述第2電容器進行充電。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于，所述開關元件由HEMT、MESFET, MISFET、雙極型晶體管、J-FET, IGBT中的任意一個構成。
4.一種開關電源裝置，其特征在于， 該開關電源裝置具有權利要求1至3中任意1項所述的柵極驅(qū)動電路；變壓器，其具有1次繞組、2次繞組和輔助繞組，該變壓器的一端與所述直流電源的正極連接，另一端與所述開關元件的一端連接；整流平滑電路，其對在所述變壓器的2次繞組中產(chǎn)生的電壓進行整流平滑； 電壓檢測電路，其檢測所述整流平滑電路的輸出電壓，輸出到所述柵極驅(qū)動電路；以及二極管，其陰極與所述第1電容器的一端連接，陽極與所述輔助繞組的一端連接， 所述輔助繞組的另一端與所述第1電容器的另一端連接。
全文摘要
柵極驅(qū)動電路及開關電源裝置?？蓽p小電容器的電容、低成本地IC化。該電路具有第1電容器(C1)，一端經(jīng)由啟動電阻(R1)與直流電源(V1)的正極連接；第1開關(Q3)，具有第1電極、第2電極和第1控制電極，第1電極與第1電容器的一端連接，第2電極與直流電源負極即地連接；第2開關(Q4)，具有第3電極、第4電極和第2控制電極，第3電極與第1開關的第2電極及直流電源負極即地連接，第4電極與第1電容器的另一端連接；第2電容器(C2)，與第2開關的第3電極及第4電極并聯(lián)連接，一端與直流電源負極即地連接；負電壓控制部(Q1、Q2)，根據(jù)脈沖信號在開關元件斷開時將開關元件的柵極與第1電容器的另一端及第2電容器的另一端連接來使開關元件的柵極成為負電壓。
文檔編號H02M1/08GK102437718SQ20111030140
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權日2010年9月28日
發(fā)明者小澤圭一朗 申請人:三墾電氣株式會社