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DRIVE CIRCUIT FOR SEMICONDUCTOR SWITCH ELEMENT

Patent code P170014699
File No. OU-0323
Posted date Dec 7, 2017
Application number P2016-039041
Publication number P2017-158013A
Date of filing Mar 1, 2016
Date of publication of application Sep 7, 2017
Inventor
  • (In Japanese)西嶋 仁浩
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人大分大学
Title DRIVE CIRCUIT FOR SEMICONDUCTOR SWITCH ELEMENT
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a drive circuit capable of varying a resonance condition in a circuit for driving a semiconductor switch element with a sinusoidal wave generated by an LC resonance circuit.
SOLUTION: A drive circuit for a semiconductor switch element comprises: a half bridge circuit in which at least two switch elements are connected in series and of which both the ends are connected to a positive electrode and a negative electrode of a DC power source; a DC bias capacitor for forming a midpoint potential in the half bridge circuit; an LC resonance circuit for converting a rectangular wave voltage formed by the half bridge circuit and the DC bias capacitor into a sinusoidal wave voltage, the LC resonance circuit including an inductor and a variable capacitance capacitor; and a semiconductor switch which is driven by the sinusoidal wave voltage formed by the LC resonance circuit. The LC resonance circuit is formed from synthetic capacitance of the variable capacitance capacitor and parasitic capacitance of the semiconductor switch element, and the inductor.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

近年、電力変換回路におけるスイッチング周波数の高周波化が求められている。この背景としてまず、受動部品の小型化があげられる。電圧の平滑を行うチョークコイルとキャパシタの大きさは電源内において大きな比重を示すため、回路の小型化という点で大きな意味を持つ。次に、電源の負荷変動に対する高速応答化という点があげられる。高周波によるスイッチングにより、負荷変動に対して良好な過渡応答を得ることができる。

次世代のパワーデバイスとして注目されているGaNデバイスの登場によって、MHz帯のスイッチング周波数で動作するスイッチング電源の開発が進んでいる。このようなスイッチ素子を駆動する場合は矩形波電圧を用いるのが一般的である。しかしながら矩形波で高周波スイッチングする場合、スイッチング損失の増大を引き起こすだけでなく、ゲート電圧のリンギングが生じ、スイッチの誤動作や放射ノイズ等の問題の要因となる。

これに対し、正弦波電圧を用いた駆動回路は、ゲート電圧のリンギングが発生することがなく、また、ゲートの充放電エネルギーを回生できるといった利点を有している。しかしながら、正弦波をLC共振回路によって生成しているため、半導体スイッチ素子の駆動周波数と共振周波数を一致させて動作させる必要がある。共振現象を利用した従来の駆動回路では、インダクタとコンデンサの共振周波数が固定値であるため、半導体スイッチ素子の駆動周波数を可変することが難しかった。駆動周波数を可変しようとすると、共振電圧波形の増減により、駆動対象となる半導体スイッチ素子の駆動端子の耐圧を超え、或いは、駆動するための閾値以下となるなどの問題が生じる。

本発明に係る分野の一般的技術水準を示すものとして、特許文献1がある。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、半導体スイッチ素子の駆動回路に関し、特に、GaNパワーデバイスのような高速応答可能なスイッチデバイスを効率的に且つ安定して駆動することが可能な半導体スイッチ素子の駆動回路に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
少なくとも2個のスイッチ素子を直列に接続し、その両端を直流電源の正極及び負極に接続したハーフブリッジ回路と、
前記ハーフブリッジ回路における中点電位を形成するための直流バイアスコンデンサと、
前記ハーフブリッジ回路及び直流バイアスコンデンサによって形成された矩形波電圧を正弦波電圧に変換するためのLC共振回路であって、インダクタと可変容量コンデンサを含むLC共振回路と、
前記LC共振回路によって形成された正弦波電圧によって駆動される半導体スイッチ素子と、を備え、
前記LC共振回路は、前記可変容量コンデンサと前記半導体スイッチ素子の寄生容量との合成容量と、前記インダクタで形成されている、半導体スイッチ素子の駆動回路。

【請求項2】
 
請求項1に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記半導体スイッチ素子のゲート端子は、前記LC共振回路のインダクタンスと可変容量コンデンサの接続点に接続される、半導体スイッチ素子の駆動回路。

【請求項3】
 
請求項1または2に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記可変容量素子は、電圧の印加によって静電容量を変化させるものである、半導体スイッチ素子の駆動回路。

【請求項4】
 
請求項1乃至3の何れか1項に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記半導体スイッチ素子はGaNパワーデバイスである、半導体スイッチ素子の駆動回路。

【請求項5】
 
少なくとも2個のスイッチ素子を直列に接続し、その両端を直流電源の正極及び負極に接続したハーフブリッジ回路と、
前記ハーフブリッジ回路における中点電位を形成するための直流バイアスコンデンサと、
前記直流バイアスコンデンサと前記直流電源の一方の端子間に接続されたインダクタと可変容量コンデンサからなる直列回路と、
半導体スイッチ素子と、
前記可変容量コンデンサの両端に接続された1次巻線と前記半導体スイッチ素子のゲート・ソース間に接続された2次巻線とを有するトランスと、を備え、
前記可変容量コンデンサと前記トランスの巻線比で変換された前記半導体スイッチ素子のゲート・ソース間容量との合成容量と、前記インダクタとによって、前記半導体スイッチ素子のゲートを駆動する正弦波電圧を生成するLC共振回路が形成されている、半導体スイッチ素子の駆動回路。

【請求項6】
 
請求項5に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記トランスはパルストランスである、半導体スイッチ素子の駆動回路。

【請求項7】
 
請求項5または6に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記可変容量コンデンサは、電圧の印加によって静電容量を変化させるものである、半導体スイッチ素子の駆動回路。

【請求項8】
 
請求項5乃至7の何れか1項に記載の半導体スイッチ素子の駆動回路において、前記半導体スイッチ素子はGaNパワーデバイスである、半導体スイッチ素子の駆動回路。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2016039041thum.jpg
State of application right Published
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