栅极驱动电路

摘要

本发明提供能够降低在IGBT的导通/截止时产生的开关噪声或共模噪声对栅极驱动信号的影响的栅极驱动电路。在栅极驱动电路中，通过脉冲变压器（T），一次侧和二次侧被绝缘，脉冲变压器（T）的一次侧在第1接地电位点（GND1）被接地，脉冲变压器（T）的二次侧在与第1接地电位点（GND1）绝缘的第2接地电位点（GND2）被接地，经由在输入侧具有阻抗匹配用电阻（R1～R4）的接收器CMP来输出在脉冲变压器（T）的二次绕组（N2）中产生的栅极驱动信号，在栅极驱动电路中，在脉冲变压器的一次绕组（N1）与二次绕组（N2）之间具有静电屏蔽板（5），该静电屏蔽板（5）在第2接地电位点（GND2）被接地。

权利要求

1.一种栅极驱动电路，通过脉冲变压器，一次侧和二次侧被绝缘，所述脉冲变压器的所述一次侧在第1接地电位点被接地，所述脉冲变压器的所述二次侧在与所述第1接地电位点绝缘的第2接地电位点被接地，经由接收器来输出所述脉冲变压器的二次绕组所产生的栅极驱动信号，其中，该接收器在输入侧具有阻抗匹配用电阻，该栅极驱动电路的特征在于，

在所述脉冲变压器的一次绕组与所述二次绕组之间具有静电屏蔽板，所述静电屏蔽板在所述第2接地电位点被接地。

2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，

所述脉冲变压器为片变压器结构。

3.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其特征在于，

所述静电屏蔽板由静电屏蔽图案构成，该静电屏蔽图案是在绝缘材料上被进行图案布线而得到的，在所述绝缘材料上被进行图案布线为大致C字状。

4.根据权利要求3所述的栅极驱动电路，其特征在于，

所述片变压器结构是如下结构：

第1绕组图案、第2绕组图案、所述静电屏蔽图案、第3绕组图案和第4绕组图案从表面侧到背面侧以使得各自的位置重叠的方式依次进行配置，所述第1绕组图案（1）和所述第2绕组图案通过由通孔连接而构成以同一方向卷绕的漩涡状的所述一次绕组，所述第3绕组图案和所述第4绕组图案通过由通孔连接而构成以同一方向卷绕的漩涡状的所述二次绕组，所述静电屏蔽图案被配置在由所述第1绕组图案和所述第2绕组图案构成的所述一次绕组与由所述第3绕组图案和所述第4绕组图案构成的所述二次绕组之间。

5.根据权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，

与所述脉冲变压器的配置了所述第1绕组图案、所述第2绕组图案、所述静电屏蔽图案、所述第3绕组图案和所述第4绕组图案的位置对应地，在该脉冲变压器的表面和背面分别配置有磁性材料芯。

说明书

栅极驱动电路

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体开关元件的栅极驱动电路，特别涉及片变压器结构的脉冲变压器中绝缘的栅极驱动电路的噪声降低。

背景技术

[0002] 以往，已知有对IGBT等半导体开关元件进行导通/截止控制、向电动机等负载提供电力的电力变换装置。在日本特开2009-219294号公报中公开了这样的现有技术。

[0003] 基于该现有技术的电力变换装置的栅极驱动电路构成为具备：低端电路，其通过设于IC芯片内部的2个脉冲变压器传递来自微型计算机的栅极驱动信号，将由一方的脉冲变压器传递的栅极驱动信号向低端IGBT输出；高耐压nMOS，其对经由另一方的脉冲变压器传递的高端IGBT的栅极驱动信号进行电位变换；以及高端电路，其将由高耐压nMOS进行电位变换后的栅极驱动信号向高端IGBT输出。而且，基于从微型计算机输出的驱动信号（栅极驱动信号）在脉冲变压器的一次绕组中流过电流，由此将二次绕组中产生的电压与基准电压进行比较并取出信号。

[0004] 一般而言，所传输的栅极驱动信号的脉冲宽度为1ns～2ns，转换为频带为1GHz左右，因此，使用具有可高速传输的图1所示的接收器CMP的传输电路。

[0005] 在图1中，当一次侧的栅极驱动信号从微型计算机经由驱动器DRV被输入到脉冲变压器T的一次绕组N1时，该栅极驱动信号被传递到脉冲变压器T的二次绕组N2，并被差动接收器CMP接收。然后，从接收器CMP的输出端子向高端或低端的IGBT的栅极作为二次侧的栅极驱动信号输出。另外，虽然高端用和低端用这2个栅极驱动信号分别经由2个脉冲变压器传递，但在图1中仅示出其中的一方。

[0006] 这样，IGBT作为栅极驱动信号具有1GHz左右的频带宽度，特别地，低端IGBT相对于主电源（此处，主电源是指向负载提供电力的电源）的接地电位以浮动（floating）的状态进行动作。因此，接收经由脉冲变压器T传输的栅极驱动信号的接收器CMP，被设为匹配了特性阻抗的电流驱动的差动方式，成为可高速传输的电路结构。

[0007] IGBT的栅极驱动信号一般是基于PWM方式的脉冲信号，该脉冲信号需要高速地上升或下降。因此，使接收器CMP不饱和地进行动作并高速动作。图1所示的电阻R1～R4具有如下作用：将输入到接收器CMP的输入端子的电压设定为使接收器CMP的动作始终保持非饱和状态的水平。

[0008] 另外，电阻R1连接在接收器CMP的非反向输入端子与控制电源Vcc之间，电阻R2连接在接收器CMP的非反向输入端子与第2接地电位点GND2之间，电阻R3连接在接收器CMP的反向输入端子与控制电源Vcc之间，电阻R4连接在接收器CMP的反向输入端子与第2接地电位点GND2之间。此外，第2接地电位点GND2的电位通常成为所驱动的IGBT的发射极的电位。因此，一般而言，在对于高端IGBT的栅极驱动电路中，第2接地电位点GND2相对于主电源的接地电位浮动。

[0009] 现有技术文献

[0010] 专利文献

[0011] 专利文献1：日本特开平7-226664号公报

发明内容

[0012] 发明要解决的问题

[0013] 上述脉冲变压器T的一次侧和二次侧被绝缘，而且被绝缘的第1接地电位点GND1、第2接地电位点GND2分别被接地。因此，脉冲变压器T的二次侧相对于一次侧成为浮动状态。由于在脉冲变压器T的一次绕组N1和二次绕组N2之间存在寄生电容Cx，因此当在脉冲变压器T的一次绕组N1和二次绕组N2之间施加噪声源电压VPulse时，在寄生电容Cx中流过由该噪声源电压VPulse引起的噪声电流ix。噪声电流ix从脉冲变压器T的二次绕组N2经由电阻R4向第2接地电位点GND2流动，此时，在电阻R4的两端产生噪声。因此，由于在IGBT的导通/截止时产生的开关噪声或共模噪声，有时无法将栅极驱动信号向脉冲变压器T的二次侧传递。

[0014] 本发明的目的在于，鉴于上述问题点解决上述问题，提供能够降低在IGBT的导通/截止时产生的开关噪声或共模噪声对栅极驱动信号的影响的栅极驱动电路。

[0015] 用于解决问题的手段

[0016] 在本发明的栅极驱动电路中，通过脉冲变压器，一次侧和二次侧被绝缘，所述脉冲变压器的所述一次侧在第1接地电位点被接地，所述脉冲变压器的所述二次侧在与所述第1接地电位点绝缘的第2接地电位点被接地，经由在输入侧具有阻抗匹配用电阻的接收器来输出在所述脉冲变压器的二次绕组中产生的栅极驱动信号，该栅极驱动电路的特征在于，在所述脉冲变压器的一次绕组与所述二次绕组之间具有静电屏蔽板，所述静电屏蔽板在所述第2接地电位点被接地。

[0017] 此外，也可以是，本发明的栅极驱动电路中的所述脉冲变压器是片变压器结构。

[0018] 此外，也可以是，本发明的栅极驱动电路中的所述静电屏蔽板由在绝缘材料中进行图案布线得到的静电屏蔽图案构成，在所述绝缘材料上图案布线为大致C字状。

[0019] 此外，本发明的栅极驱动电路中的所述片变压器结构能够设为如下结构：第1绕组图案、第2绕组图案、所述静电屏蔽图案、第3绕组图案和第4绕组图案以使得各自的位置重叠的方式从表面侧到背面侧依次进行配置，所述第1绕组图案1和所述第2绕组图案通过被通孔连接而构成以同一方向卷绕的漩涡状的所述一次绕组，所述第3绕组图案和所述第4绕组图案通过被通孔连接而构成以同一方向卷绕的漩涡状的所述二次绕组，所述静电屏蔽图案被配置在由所述第1绕组图案和所述第2绕组图案构成的所述一次绕组与由所述第3绕组图案和所述第4绕组图案构成的所述二次绕组之间。

[0020] 此外，也可以是，在本发明的栅极驱动电路中，与配置了所述第1绕组图案、所述第2绕组图案、所述静电屏蔽图案、所述第3绕组图案和所述第4绕组图案的所述脉冲变压器的位置对应地，在该脉冲变压器的表面和背面分别配置有磁性材料芯。

[0021] 发明的效果

[0022] 根据本发明，能够降低在IGBT的导通/截止时产生的开关噪声或共模噪声对栅极驱动信号的影响。

附图说明

[0023] 图1是示出基于现有技术的栅极驱动电路的结构的图。

[0024] 图2是示出本发明的栅极驱动电路的结构的图。

[0025] 图3是示出本发明的栅极驱动电路中所使用的脉冲变压器的结构的图。

[0026] 图4是示出图3所示的脉冲变压器的A-A剖面的图。

[0027] 图5是示出图3所示的脉冲变压器的B-B剖面的图。

[0028] 图6是示出图3所示的脉冲变压器的C-C剖面的图。

[0029] 图7是示出图3所示的脉冲变压器的D-D剖面的图。

[0030] 图8是示出图3所示的脉冲变压器的E-E剖面的图。

[0031] 图9是示出图3所示的脉冲变压器的F-F剖面的图。

[0032] 图10是示出图3所示的脉冲变压器的G-G剖面的图。

具体实施方式

[0033] 接下来参照附图对本发明的实施方式进行具体说明。

[0034] 通常，在电动机驱动用IGBT的栅极驱动电路中，脉冲变压器T的二次侧的第2接地电位点GND2相对于脉冲变压器T的一次侧的第1接地电位点GND1浮动，并且，在高端IGBT用的栅极驱动电路中，第2接地电位点GND2相对于主电源的接地电位浮动。因此，存在栅极驱动信号容易因上述的噪声电流ix而受到第2接地电位点GND2的电位变动的影响这样的问题。通常，由于在脉冲变压器T的一次绕组N1与二次绕组N2之间存在寄生电容Cx，因此，脉冲变压器T的一次侧、二次侧中均流过噪声电流ix。特别是在差动接收端间流入噪声电流ix的情况下，差动放大器（接收器CMP）的电压发生变动，产生电路上的误动作。本发明构成为，对上述的寄生电容Cx实施静电屏蔽，在电路上没有问题的另外的路径（直接从静电屏蔽板5向第2接地电位点GND2）上流过噪声电流。

[0035] 图2是示出本发明的开关元件的栅极驱动电路的简单的电路结构的图。在图2中，不同之处在于，对作为现有技术的栅极驱动电路的图1所示的电路设置静电屏蔽板5，该静电屏蔽板5在第2接地电位点GND2接地。另外，与图1相同的标号表示相同的部件。在图1和图2中所示的栅极驱动电路的动作中，基于静电屏蔽板5的静电屏蔽效果以外的基本的动作相同，因此对不同的动作进行说明，其他部分适当简单地进行说明。另外，在图2中，用噪声源电压VPulse表示开关噪声或共模噪声的噪声源。

[0036] 如图2所示，在脉冲变压器T的一次绕组N1与二次绕组N2之间设有静电屏蔽板5，该静电屏蔽板5直接在第2接地电位点GND2被接地。当噪声源电压VPulse被施加在脉冲变压器T的一次侧与二次侧之间时，噪声电流iy通过形成在一次绕组N1与静电屏蔽板
5之间的寄生电容Cy从一次绕组N1流向二次侧。该噪声电流iy以绕过二次绕组N2和电阻R4的方式直接流向第2接地电位点GND2。因此，以往由于流过电阻R4的噪声电流ix而使接收器CMP的电压发生了变动，但根据本实施方式，在电阻R4中不流过噪声电流iy，因此接收器CMP的电压不会由于噪声电流iy而变动，接收器CMP稳定地动作，能够降低在IGBT的导通/截止时产生的开关噪声或共模噪声对栅极驱动信号的影响。

[0037] 图3示意性地示出脉冲变压器T的结构，脉冲变压器T为片变压器结构。如图3所示，脉冲变压器T被配置成通过半固化片（PREPREG）21a～21e将芯材20a和芯材20b粘接，形成为片变压器，其中，该芯材20a在表面形成有绕组图案1（由铜膜形成的L1层），在背面形成有绕组图案2（由铜膜形成的L2层），该芯材20b在表面形成有绕组图案3（由铜膜形成的L4层），在背面形成有绕组图案4（由铜膜形成的L5层）。形成为片变压器的脉冲变压器T的表面和背面由阻焊剂22a、22b覆盖并保护。此外，在配置于绕组图案2（L2层）与绕组图案3（L4层）之间的芯材20c的背面上配置有作为静电屏蔽板5的静电屏蔽图案51（由铜膜形成的L3层）。配置有静电屏蔽图案51（L3层）的芯材20c被配置成通过半固化片21b～21d粘接在绕组图案2（L2层）与绕组图案3（L4层）之间。绕组图案1（L1层）、绕组图案2（L2层）经由通孔10彼此连接而形成一次绕组N1，绕组图案3（L4层）、绕组图案4（L5层）经由通孔11彼此连接而形成二次绕组N2。这样，以消除一次绕组N1和二次绕组N2之间的寄生电容Cx的方式配置静电屏蔽图案51。另外，芯材20a～20c由绝缘材料（例如，玻璃纤维环氧树脂）构成。

[0038] 接着，参照图4～图10对各L1层～L5层以及设于脉冲变压器T的表面和背面的磁性材料芯17、18进行说明。另外，图4～图10所示的各层的配置与图3所示的脉冲变压器T的结构的配置在一部分上不一致，这是因为图3所示的脉冲变压器T的结构是示意性地简单表示的结构。

[0039] 图4示出图3所示的脉冲变压器T的A-A剖面。图4是从表面侧观察脉冲变压器T的图，其中，整体被四角形包围的部分是脉冲变压器T。如图4所示，磁性材料芯17被配置成覆盖绕组图案1（L1层）。由图4～图10的各剖面图所示的结构配置可知，以重叠的方式配置磁性材料芯17、绕组图案1（L1层）、绕组图案2（L2层）、绕组图案3（L4层）、绕组图案4（L5层）和磁性材料芯18，使得脉冲变压器T的一次绕组N1、二次绕组N2的磁力耦合良好，并且，静电屏蔽图案51（L3层）被配置成在一次绕组N1与二次绕组N2之间重叠，以消除一次绕组N1、二次绕组N2之间的寄生电容。由于脉冲变压器T是一边为几mm左右大小的片变压器，因此在结构上难以实现在一次绕组N1与二次绕组N2之间设置通常变压器那样的铁芯。因此，磁性材料芯17被配置成粘贴在脉冲变压器T的表面上即可。这样，能够降低脉冲变压器T的一次绕组N1与二次绕组N2之间的磁阻。在磁性材料芯17中能够利用非晶磁芯等。

[0040] 图5示出图3所示的脉冲变压器T的B-B剖面。在图5中，绕组图案1（L1层）在芯材20a的表面上图案布线为漩涡状（在图5所示的例中，从衬垫14向通孔10形成有左旋的漩涡状的绕组）。在绕组图案1（L1层）的左侧部分配置有正侧的信号输入端子Tx+和负侧的信号输入端子Tx-以及静电屏蔽图案51（L3层）的接地端子RxG，在磁性材料芯17的上侧部分配置有正侧的信号输出端子Rx+和负侧的信号输出端子Rx-。信号输出端子Rx+用通孔6在衬垫12上被进行图案布线，信号输出端子Rx-用通孔7在衬垫13上被进行图案布线，信号输入端子Tx-用通孔8在衬垫15上被图案布线，静电屏蔽接地端子RxG用通孔9在衬垫16上被图案布线。此外，衬垫14通过图案布线与绕组图案1连接。除去衬垫12～衬垫16的部分被阻焊剂22a覆盖以保护不受外部环境的侵害。衬垫12～衬垫16被镀金，通过未图示的金线等与未图示的外部的部件连接。在图4中未进行图示，绕组图案1（L1层）经由通孔10与绕组图案2（L2层）连接。绕组图案1（L1层）和绕组图案2（L2层）在通过通孔10连接时，卷绕方向成为同一方向。

[0041] 图6示出图3所示的脉冲变压器T的C-C剖面。在图6中，绕组图案2（L2层）在芯材20a的背面图案布线为漩涡状（在图6所示的例中，从通孔10向通孔8形成有左旋的漩涡状的绕组）。在绕组图案2（L2层）的左侧部分配置有信号输入端子Tx-用通孔8和静电接地端子RxG用通孔9，在绕组图案2（L2层）的上侧部分配置有信号输出端子Rx+用通孔6和信号输出端子Rx-的通孔7。信号输入端子Tx-用通孔8通过图案布线与绕组图案2（L2层）的一端连接，绕组图案2（L2层）的另一端与通孔10连接。在图6中未进行图示，绕组图案2（L2层）经由通孔10与绕组图案1（L1层）连接。绕组图案1（L1层）和绕组图案2（L2层）在通过通孔10连接时，卷绕方向成为同一方向。

[0042] 图7示出图3所示的脉冲变压器T的D-D剖面。在图7中，静电屏蔽图案51（L3层）在芯材20c的背面图案布线为大致C字状。这样，当将静电屏蔽图案51（L3层）的图案设为大致C字状时，成为能够抑制脉冲变压器T中产生的磁通引起的涡流和涡流引起的磁场减弱的发生的结构。在静电屏蔽图案51（L3层）的左侧部分配置有信号输入端子Tx-用通孔8和静电接地端子RxG用通孔9，在静电屏蔽图案51（L3层）的上侧部分配置有信号输出端子Rx+用通孔6和信号输出端子Rx-的通孔7。静电接地端子RxG用通孔9通过图案布线与静电屏蔽图案51（L3层）连接。

[0043] 图8示出图3所示的脉冲变压器T的E-E剖面。在图8中，绕组图案3（L4层）在芯材20b的表面被图案布线为漩涡状（在图8所示的例中，从通孔6向通孔11形成有左旋的漩涡状的绕组）。在绕组图案3（L4层）的左侧部分配置有信号输入端子Tx-用通孔8和静电接地端子RxG用通孔9，在绕组图案3（L4层）的上侧部分配置有信号输出端子Rx+用通孔6和信号输出端子Rx-的通孔7。信号输出端子Rx+用通孔6通过图案布线与绕组图案3（L4层）的一端连接，绕组图案3（L4层）的另一端与通孔11连接。在图8中未进行图示，绕组图案3（L4层）经由通孔11与绕组图案4（L5层）连接。绕组图案3（L4层）和绕组图案4（L5层）在通过通孔11连接时，卷绕方向成为同一方向。

[0044] 图9示出图3所示的脉冲变压器T的F-F剖面。在图9中，绕组图案4（L5层）在芯材20b的背面被图案布线为漩涡状（在图9所示的例中，从通孔11向通孔7形成有左旋的漩涡状的绕组）。在绕组图案4（L5层）的左侧部分配置有信号输入端子Tx-用通孔8和静电接地端子RxG用通孔9，在绕组图案4（L5层）的上侧部分配置有信号输出端子Rx+用通孔6和信号输出端子Rx-的通孔7。信号输出端子Rx+用通孔7通过图案布线与绕组图案4（L5层）的一端连接，绕组图案4（L5层）的另一端与通孔11连接。在图9中未进行图示，绕组图案4（L5层）经由通孔11与绕组图案3（L4层）连接。绕组图案4（L5层）和绕组图案3（L4层）在通过通孔11连接时，卷绕方向成为同一方向。

[0045] 图10示出图3所示的脉冲变压器T的G-G剖面。在图10中，整体被点划线的四角形包围部分是脉冲变压器T，磁性材料芯18被配置成与磁性材料芯17、绕组图案1（L1层）、绕组图案2（L2层）、绕组图案3（L4层）、绕组图案4（L5层）重叠，使得脉冲变压器T的一次绕组N1、二次绕组N2的磁耦合良好。即，磁性材料芯18与磁性材料芯17成对，被插入到脉冲变压器T的一次绕组N1与二次绕组N2之间的磁路中，能够降低磁阻。如上所述，由于脉冲变压器T是一边为几mm的大小的片变压器，因此在结构上难以如通常的变压器那样在一次绕组N1与二次绕组N2之间设置铁芯，因此磁性材料芯18与磁性材料芯17同样地被配置成粘贴在与磁性材料芯17对应的背面。在磁性材料芯18中与磁性材料芯17同样，能够利用非晶磁芯等。

[0046] 如以上的实施方式中具体说明的那样，根据本发明的栅极驱动电路，噪声电流绕过二次绕组N2和电阻R4等阻抗匹配用电阻，直接流向第2接地电位点GND2，因此能够降低在IGBT的导通/截止时产生的开关噪声或共模噪声对栅极驱动信号的影响。

[0047] 此外，在以上的说明中，上下左右、表面背面的配置关系是为了便于说明而根据附图的上下左右、表面背面关系而确定的配置关系，不是表示实际使用上的上下左右、表面背面的配置关系。此外，虽然确定了各通孔6～9、衬垫12～16的配置关系，但是，这些配置关系可适当变更。此外，在图3所示的结构中，可以不改变绕组图案1（L1层）、绕组图案2（L2层）、绕组图案3（L4层）、绕组图案4（L5层）、静电屏蔽图案51（L3层）的相互位置关系，而对芯材的各层20a～20c和半固化片的各层21a～21e的结构进行变更。例如，在上述中，静电屏蔽图案51（L3层）在芯材20c的背面被图案布线为大致C字状，但是，也可以通过变更芯材和半固化片的结构，在芯材的表面进行图案布线。此外，虽然着眼于在电阻R4中流过的噪声电流ix进行了说明，但根据本发明也同样能够降低流过电阻R1～R3的噪声电流的影响。此外，将L1层、L2层、L4层、L5层的绕组图案设为左旋的漩涡状的绕组进行了说明，不过当然也可以是右旋。

[0048] 此外，以上作为“具体实施方式”进行说明的例子仅是一个示例，当然能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行变更。

[0049] 标号说明

[0050] 1：绕组图案（L1层）

[0051] 2：绕组图案（L2层）

[0052] 3：绕组图案（L4层）

[0053] 4：绕组图案（L5层）

[0054] 5：静电屏蔽板

[0055] 6～11：通孔

[0056] 12～16：衬垫

[0057] 17，18：磁性材料芯

[0058] 20a～20c：芯材

[0059] 21a～21e：半固化片

[0060] 22a，22b：阻焊剂

[0061] 51：静电屏蔽图案（L3层）

[0062] R1～R4：电阻

[0063] Cx：脉冲变压器T的一次绕组N1与二次绕组N2之间的寄生电容（无静电屏蔽板）[0064] Cy：脉冲变压器T的一次绕组N1与静电屏蔽板5之间的寄生电容

[0065] DRV：驱动器

[0066] CMP：接收器

[0067] T：脉冲变压器

[0068] N1：脉冲变压器T的一次绕组

[0069] N2：脉冲变压器T的二次绕组

[0070] GND1：第1接地电位点

[0071] GND2：第2接地电位点

[0072] Vcc：控制电源

[0073] VPulse：噪声源电压

[0074] Tx+：正侧的信号输入端子

[0075] Tx-：负侧的信号输入端子

[0076] Rx+：正侧的信号输出端子

[0077] Rx-：负侧的信号输出端子

[0078] RxG：静电屏蔽接地端子

[0079] ix，iy：噪声电流