DE112020004521T5

DE112020004521T5 - Schaltnetzteil-schaltung

Info

Publication number: DE112020004521T5
Application number: DE112020004521.8T
Authority: DE
Inventors: Yusuke NAKAKOHARA
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2022-06-30
Also published as: US20220321018A1; JP7374200B2; JPWO2021059583A1; WO2021059583A1

Abstract

Eine Schaltnetzteil-Schaltung (100XA) enthält Schaltelemente (SW31 und SW41), einen Detektor (310), welcher konfiguriert ist, eine physikalische Größe (Iout) zu detektieren, welche sich auf die Ausgangsleistung der Schaltnetzteil-Schaltung bezieht, und eine variable Steuereinheit (42), welche konfiguriert ist, die Gate-Ansteuerungsspannungen (G3 und G4) für die Schaltelemente basierend auf dem Ergebnis (Idet) der Detektion durch den Detektor variabel zu steuern.

Description

Technisches Feld
Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltnetzteil-Schaltungen.
Stand der Technik
Heute ist eine Vielzahl von Schaltnetzteil-Schaltungen bekannt, von welchen ein Beispiel in dem unten genannten Patentdokument 1 zu sehen ist.
Die Schaltnetzteil-Schaltung des Patentdokuments 1 ist ein mehrphasiger DC-DC-Wandler, welcher konfiguriert ist, die Anzahl der Betriebsphasen gemäß der Ausgangsleistung umzuschalten, um einen hohen Wirkungsgrad hinsichtlich der Ausgangsleistung zu erreichen.
Zitationsliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung veröffentlicht als Nr. 2007-116834
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Ungünstigerweise kann bei einem Schema wie dem im oben erwähnten Patentdokument 1 eingesetzten, welches die Anzahl der Betriebsphasen umschaltet, wenn die Konfiguration so ist, dass selbst wenn ein Transistor für eine unbenutzte Phase dauerhaft AUS gehalten wird, ein Strom durch die Body-Diode dieses Transistors fließt, in der Body-Diode ein Diodenverlust auftreten, welcher größer ist als der Leitungsverlust, welcher dem Durchlasswiderstand eines Transistors im EIN-Zustand zuzuschreiben ist, was zu einem Abfall des Wirkungsgrades führt. Insbesondere bei Anwendungen, bei welchen ein Hochstrom durch einen Transistor fließt, kann der Abfall des Wirkungsgrades größer sein. Darüber hinaus ist das im oben genannten Patentdokument 1 offenbarte Schema nur auf mehrphasige DC-DC-Wandler anwendbar, nicht auf einphasige DC-DC-Wandler.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltnetzteil-Schaltung bereitzustellen, welche einen hohen Wirkungsgrad über einen breiten Ausgangsleistungsbereich aufweist.
Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Schaltnetzteil-Schaltung: ein Schaltelement; einen Detektor, welcher konfiguriert ist, eine physikalische Größe zu detektieren, welche sich auf die Ausgangsleistung der Schaltnetzteil-Schaltung bezieht; und eine variable Steuereinheit, welche konfiguriert ist, die Gate-Ansteuerungsspannung für das Schaltelement basierend auf dem Ergebnis der Detektion durch den Detektor variabel zu steuern. (Eine erste Konfiguration.)
In der oben beschriebenen ersten Konfiguration kann der Detektor ein Stromdetektor sein, welcher konfiguriert ist, als die physikalische Größe den Ausgangsstrom zu detektieren, welcher von der Schaltnetzteil-Schaltung zu einer Last fließt. (Eine zweite Konfiguration.)
In der oben beschriebenen ersten Konfiguration kann der Detektor ein Stromdetektor sein, welcher konfiguriert ist, als die physikalische Größe den Strom zu detektieren, welcher durch das Schaltelement fließt. (Eine dritte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen zweiten oder dritten Konfiguration kann die variable Steuereinheit enthalten: einen Referenzspannungsgenerator, welcher konfiguriert ist, eine Referenzspannung basierend auf einem Stromdetektierungssignal, welches von dem Stromdetektor ausgegeben wird, zu generieren; und einen Regler, welcher konfiguriert ist, basierend auf der Referenzspannung eine Ausgangsspannung, welche als die Gate-Ansteuerungsspannung verwendet wird, auszugeben. (Eine vierte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen vierten Konfiguration kann der Referenzspannungsgenerator Spannungs-Teilungs-Widerstände enthalten, welche konfiguriert sind, eine Spannung des Stromdetektierungssignals zu teilen. (Eine fünfte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen vierten oder fünften Konfiguration kann der Referenzspannungsgenerator enthalten: einen ersten Widerstand, mit einem ersten Anschluss, welcher mit dem Stromdetektierungssignal gespeist wird; und einen ersten Kondensator mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem zweiten Anschluss des ersten Widerstandes verbunden ist und einem zweiten Anschluss, welcher mit einem Massepotential gespeist wird. (Eine sechste Konfiguration.)
In einer der oben beschriebenen vierten bis sechsten Konfigurationen kann der Regler enthalten: einen Ausgangstransistor mit einem ersten Anschluss, welcher mit einer Eingangsspannung gespeist wird, und einem zweiten Anschluss, an welchem die Ausgangsspannung anliegt; einen zweiten Widerstand mit einem ersten Anschluss, welcher mit dem zweiten Anschluss des Ausgangstransistors verbunden ist; einen dritten Widerstand mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem zweiten Anschluss des zweiten Widerstandes verbunden ist und einem zweiten Anschluss, welcher mit einem Massepotential gespeist wird; und einen ersten Fehlerverstärker mit einem ersten Eingangsanschluss, welcher mit einem Verbindungsknoten verbunden ist, mit welchem der zweite und der dritte Widerstand verbunden sind, einem zweiten Eingangsanschluss, welcher mit der Referenzspannung gespeist wird, und einem Ausgangsanschluss, welcher mit einem Steueranschluss des Ausgangstransistors verbunden ist. (Eine siebte Konfiguration.)
In einer der oben beschriebenen vierten bis siebten Konfigurationen kann ferner bereitgestellt werden: eine Gegentaktschaltung, welche konfiguriert ist, mit der Ausgangsspannung als die Versorgungsspannung versorgt zu werden, mit einer Ausgabe eines Treibers gespeist zu werden, und die Gate-Ansteuerungsspannung auszugeben, während ihre Level basierend auf dem Ausgang des Treibers umgeschaltet werden. (Eine achte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen ersten Konfiguration kann der Detektor ein Temperaturdetektor sein, welcher konfiguriert ist, als die physikalische Größe die Temperatur des Schaltelements zu detektieren. (Eine neunte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen neunten Konfiguration kann die variable Steuereinheit enthalten: einen Prozessor, welcher konfiguriert ist, den Leitungsverlust in dem Schaltelement basierend auf einem Temperaturdetektierungssignal, welches von dem Detektor ausgegeben wird, und der Gate-Ansteuerungsspannung zu berechnen.
(Eine zehnte Konfiguration.)
In einer der oben konfigurierten ersten bis zehnten Konfigurationen kann die Schaltnetzteil-Schaltung von einem isolierten Typ sein, und das Schaltelement in einer Sekundärseite angeordnet sein. (Eine elfte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen elften Konfiguration kann bereitgestellt sein: ein erster Eingangskondensator und ein zweiter Eingangskondensator, welche zwischen einem Anwendungsanschluss für eine erste Eingangsspannung und einem Anwendungsanschluss für ein Massepotential in Reihe verbunden sind; ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement, welche zwischen dem Anwendungsanschluss für die erste Eingangsspannung und dem Anwendungsanschluss für das Massepotential in Reihe verbunden sind; ein Transformator mit einer Primärwicklung, welche verbunden ist zwischen einem ersten Verbindungsknoten, mit welchem der erste und der zweite Eingangskondensator verbunden sind, und einem zweiten Verbindungsknoten, mit welchem das erste und das zweite Schaltelement verbunden sind, und einer Sekundärwicklung; eine erste Spule mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung verbunden ist; eine zweite Spule mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung verbunden ist; ein drittes Schaltelement mit einem ersten Anschluss, welcher mit dem ersten Anschluss der zweiten Spule verbunden ist; ein viertes Schaltelement mit einem ersten Anschluss, welcher mit dem ersten Anschluss der ersten Spule verbunden ist; und ein Ausgangskondensator mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem dritten Verbindungsknoten verbunden ist, mit welchem die zweiten Anschlüsse der ersten und zweiten Spule verbunden sind, und einem zweiten Anschluss, welcher mit den zweiten Anschlüssen des dritten und vierten Schaltelements verbunden ist. (Eine zwölfte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen zwölften Konfiguration kann eine Mehrzahl von sekundär-seitigen Schaltungen bereitgestellt sein, welche jeweils die Sekundärwicklung, die erste und zweite Spule, und das dritte und vierte Schaltelement enthalten, und kann die Mehrzahl von sekundär-seitigen Schaltungen parallel verbunden sein. (Eine dreizehnte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen zwölften oder dreizehnten Konfiguration kann der Detektor ein Stromdetektor sein, welcher in einer Stufe angeordnet ist, welche auf den Ausgangskondensator folgt. (Eine vierzehnte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen zwölften oder dreizehnten Konfiguration kann der Detektor ein Stromdetektor sein, welcher konfiguriert ist, einen Strom durch jedes der dritten und vierten Schaltelemente zu detektieren. (Eine fünfzehnte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen dreizehnten Konfiguration kann der Detektor einen Stromdetektor für jede der sekundär-seitigen Schaltungen enthalten. (Eine sechzehnte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen sechzehnten Konfiguration kann der Stromdetektor in einer Stufe angeordnet sein, welche auf den dritten Verbindungsknoten folgt. Die variable Steuereinheit kann enthalten: einen Referenzspannungsgenerator, welcher konfiguriert ist, eine Referenzspannung basierend auf einem Stromdetektierungssignal, welches von dem Stromdetektor ausgegeben wird, zu generieren; und einen Regler, welcher konfiguriert ist, basierend auf der Referenzspannung eine Ausgangsspannung, welche als die Gate-Ansteuerungsspannung verwendet wird, auszugeben. Der Referenzspannungsgenerator kann enthalten: einen ersten Widerstand mit einem ersten Anschluss, welcher mit dem Stromdetektierungssignal gespeist wird; und einen ersten Kondensator mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem zweiten Anschluss des ersten Widerstandes verbunden ist und einem zweiten Anschluss, welcher mit einem Massepotential gespeist wird. (Eine siebzehnte Konfiguration.)
In der oben beschriebenen zwölften oder dreizehnten Konfiguration kann der Detektor ein Temperaturdetektor sein, welcher konfiguriert ist, eine Temperatur von jedem der dritten und vierten Schaltelemente zu detektieren. (Eine achtzehnte Konfiguration.)
In einer der oben beschriebenen zwölften bis achtzehnten Konfigurationen können das erste, zweite, dritte, und vierte Schaltelement mittels Verwendung von GaN (Galliumnitrid) als Halbleitermaterial ausgebildet sein. (Eine neunzehnte Konfiguration.)
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Schaltnetzteil-Schaltung bereitzustellen, welche einen hohen Wirkungsgrad über einen breiten Ausgangsleistungsbereich bietet.
Figurenliste

1 ist ein Schaltplan für eine Schaltnetzteil-Schaltung als untersuchte Schaltung;
2 ist ein Diagramm, welches den Betriebszustand einer Schaltnetzteil-Schaltung im Modus A zeigt;
3 ist ein Diagramm, welches den Betriebszustand einer Schaltnetzteil-Schaltung im Modus B zeigt;
4 ist ein Diagramm, welches den Betriebszustand einer Schaltnetzteil-Schaltung im Modus C zeigt;
5 ist ein Diagramm, welches den Betriebszustand einer Schaltnetzteil-Schaltung im Modus D zeigt;
6 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Beispiel für den Betrieb einer Schaltnetzteil-Schaltung zeigt;
7 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteil-Schaltung, welche sekundäre Schaltungen aufweist, welche parallel verbunden sind;
8 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Gate-Ansteuerungsspannung Vgs und Gate-Ansteuerungsverlust Pgt_loss zeigt;
9 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Gate-Ansteuerungsspannung Vgs und Durchlasswiderstand Rdson in Bezug auf ein sekundär-seitiges Schaltelement zeigt;
10 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Ausgangsleistung und Wirkungsgrad zeigt, welcher beobachtet wird, wenn die Gate-Ansteuerungsspannung Vgs für ein sekundär-seitiges Schaltelement variiert wird;
11 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Ausgangsleistung und Wirkungsgrad zeigt, welcher beobachtet wird, wenn die Gate-Ansteuerungsspannung Vgs für ein sekundär-seitiges Schaltelement variabel gesteuert wird und wenn diese konstant gehalten wird;
12 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration einer Schaltnetzteil-Schaltung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
13 ist ein Schaltplan, welcher eine Konfiguration hinsichtlich der Rückkopplungssteuerung und der variablen Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung in der Schaltnetzteil-Schaltung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
14 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration einer Schaltnetzteil-Schaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
15 ist ein Schaltplan, welcher eine Konfiguration hinsichtlich der Rückkopplungssteuerung und der variablen Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung in der Schaltnetzteil-Schaltung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
16 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration einer Schaltnetzteil-Schaltung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
17 ist ein Schaltplan, welcher eine Konfiguration hinsichtlich der Rückkopplungssteuerung und der variablen Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung in der Schaltnetzteil-Schaltung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt;
18 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration einer Schaltnetzteil-Schaltung gemäß einem modifizierten Beispiel der dritten Ausführungsform zeigt;
19 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration einer Schaltnetzteil-Schaltung gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt;
20 ist ein Schaltplan, welcher eine Konfiguration hinsichtlich der Rückkopplungssteuerung und der variablen Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung in der Schaltnetzteil-Schaltung gemäß der vierten Ausführungsform zeigt;
21A ist eine schematische Draufsicht eines Beispiels für die Anordnung einer Schaltnetzteil-Schaltung auf einer gedruckten Leiterplatte, von der Vorderseite aus gesehen;
21B ist eine schematische Draufsicht eines Beispiels für die Anordnung einer Schaltnetzteil-Schaltung auf einer gedruckten Leiterplatte, von der Rückseite aus gesehen;
22 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Beispiel eines Transformators zeigt, welcher mit einem Leiterbild ausgebildet ist;
23 ist eine perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung; und
24 ist eine Draufsicht eines Transistors in der in 23 gezeigten Halbleitervorrichtung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
< 1. Konfiguration einer untersuchten Schaltung >
Zunächst wird die Schaltnetzteil-Schaltung beschrieben, welche der Erfinder im vorliegenden Fall untersucht hat. 1 ist ein Schaltplan der Schaltnetzteil-Schaltung 100, welche der Erfinder im vorliegenden Fall untersucht hat. Die Schaltnetzteil-Schaltung 100 ist eine isolierte Halbbrückenverschachtelungs-Ansteuerungsschaltung.
Wie in 1 gezeigt, enthält die Schaltnetzteil-Schaltung 100 Eingangskondensatoren C1 und C2, primär-seitige Schaltelemente SW1 und SW2, einen Transformator Tr, sekundär-seitige Schaltelemente SW3 und SW4, Spulen L1 und L2, und einen Ausgangskondensator C3.
Die Eingangskondensatoren C1 und C2 sind in Reihe zwischen einem Anwendungsanschluss für eine Eingangsspannung Vin, welche eine Gleichstromspannung ist, und einem Anwendungsanschluss für ein Massepotential verbunden. Insbesondere ist der Anwendungsanschluss für die Eingangsspannung Vin mit dem ersten Anschluss des Eingangskondensators C1 verbunden, und der zweite Anschluss des Eingangskondensators C1 ist mit dem ersten Anschluss des Eingangskondensators C2 an einem Verbindungsknoten ND1 verbunden. Der zweite Anschluss des Eingangskondensators C2 ist mit dem Anwendungsanschluss für das Massepotential verbunden.
Die Schaltelemente SW1 und SW2 sind als n-Kanal-MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) konfiguriert. Der Drain des Schaltelements SW1 ist mit dem ersten Anschluss des Eingangskondensators C1 verbunden. Die Source des Schaltelements SW1 ist mit dem Drain des Schaltelements SW2 an einem Verbindungsknoten ND2 verbunden. Die Source des Schaltelements SW2 ist mit dem Anwendungsanschluss für das Massepotential verbunden. Das heißt, die Schaltelemente SW1 und SW2 sind in Reihe zwischen dem Anwendungsanschluss für die Eingangsspannung Vin und dem Anschluss für das Massepotential verbunden, um eine Halbbrücke zu bilden.
Zwischen den Verbindungsknoten ND1 und ND2 ist die Primärwicklung N1 des Transformators Tr verbunden. Der erste Anschluss der Sekundärwicklung N2 des Transformators Tr ist mit dem ersten Anschluss der Spule L1 an einem Verbindungsknoten ND3 verbunden. Der zweite Anschluss der Sekundärwicklung N2 ist mit dem ersten Anschluss der Spule L2 an einem Verbindungsknoten ND4 verbunden. Der zweite Anschluss der Spule L1 ist mit dem zweiten Anschluss der Spule L2 an einem Verbindungsknoten ND5 verbunden.
Mit dem Verbindungsknoten ND5 ist der erste Anschluss des Ausgangskondensators C3 verbunden. Die Schaltelemente SW3 und SW4 sind sekundär-seitige Synchrongleichrichtungstransistoren und sind als n-Kanal-MOSFETs konfiguriert. Der Drain des Schaltelements SW3 ist mit dem Verbindungsknoten ND4 verbunden. Der Drain des Schaltelements SW4 ist mit dem Verbindungsknoten ND3 verbunden. Die Sources der Schaltelemente SW3 und SW4 sind mit dem zweiten Anschluss des Ausgangskondensators C3 verbunden.
Zwischen den Anschlüssen des Ausgangskondensators C3 ist eine Last Z verbunden. Durch die Schaltsteuerung (Ein- und Ausschalten) der Schaltelemente SW1 bis SW4 wird die Eingangsspannung Vin in eine Ausgangsspannung Vout umgewandelt, welche eine Gleichstromspannung ist. Die Ausgangsspannung Vout liegt am ersten Anschluss des Ausgangskondensators C3 an, und wird an die Last Z geliefert.
< 2. Merkmale der untersuchten Schaltung >
Die oben als untersuchte Schaltung beschriebene Schaltnetzteil-Schaltung 100 weist die folgenden Merkmale auf. Erstens werden in der Schaltnetzteil-Schaltung 100 als Schaltelemente SW1 bis SW4 Transistoren verwendet, welche GaN (Galliumnitrid) als Halbleitermaterial verwenden. Dies ermöglicht eine Hochfrequenz-Ansteuerung von Schaltelementen, welche es ihnen ermöglicht, z.B. mit 5 MHz angesteuert zu werden. Die Hochfrequenz-Ansteuerung von Schaltelementen trägt dazu bei, eine Reduzierung der Größe von passiven Komponenten zu erreichen.
Die primär-seitigen Schaltelemente SW1 und SW2 sind einem harten Umschalten ausgesetzt. Hartes Umschalten bewirkt Schaltverluste; im Vergleich zu Transistoren unter Verwendung von Si als Halbleitermaterial weisen Transistoren unter Verwendung von GaN als Halbleitermaterial jedoch geringere parasitäre Kapazitäten auf, was dazu beiträgt, die Schaltverluste gering zu halten, was zu einer bemerkenswerten Verringerung der Schaltverluste bei Hochfrequenz-Ansteuerung führt. Im Übrigen sind die sekundär-seitigen Schaltelemente SW3 und SW4 einem sanften Umschalten ausgesetzt, und bewirken daher nahezu keine Schaltverluste.
Mit ansteigender Stehspannung erhöht sich der Unterschied in der parasitären Kapazität zwischen Transistoren unter Verwendung von Si als Halbleitermaterial und solchen unter Verwendung von GaN. Da die Schaltelemente SW1 und SW2, welche auf der Primärseite verwendet werden, eine hohe Stehspannung aufweisen, ist die Verwendung von GaN als Halbleitermaterial für die Schaltelemente SW1 und SW2 sehr effektiv. Die Schaltelemente SW1 und SW2 weisen zum Beispiel eine Stehspannung von 100 V auf.
Die Schaltnetzteil-Schaltung 100 ist als die Eingangsspannung Vin mit weltweiten Spannungen kompatibel, z.B. 36 V bis 75 V. Es existiert eine Regelung, welche eine Isolierung für eine Eingangsspannung Vin von 60 V oder höher erfordert. Dementsprechend erzielt die Schaltnetzteil-Schaltung 100 Isolation mittels Verwendung des Transformators Tr. Um die Verluste im Transformator zu reduzieren, verwendet die Schaltnetzteil-Schaltung 100 zudem einen kernlosen Transformator als Transformator Tr.
Die Schaltnetzteil-Schaltung 100 wird z. B. mit der Eingangsspannung Vin = 48 V und der Ausgangsspannung Vout = 1 V verwendet.
Aufgrund der Halbbrücken-Konfiguration benötigt die Schaltnetzteil-Schaltung 100 nur die Hälfte der Anzahl von Windungen in der Primärwicklung des Transformators Tr im Vergleich zur Vollbrücken-Konfiguration, was dazu beiträgt, die Verluste des Transformators zu reduzieren.
Als einstufiger Wandler konfiguriert, bietet die Schaltnetzteil-Schaltung 100 einen hohen Wirkungsgrad.
Die Schaltnetzteil-Schaltung 100 führt eine Verschachtelungs-Ansteuerung durch, wobei diese die sekundär-seitigen Schaltelemente SW3 und SW4 mit verschobenen Phasen ansteuert. Dies trägt dazu bei, die Welligkeit des Stroms durch den Ausgangskondensator C3 zu reduzieren und somit die Größe des Ausgangskondensators C3 zu verringern. Die Verschachtelungs-Ansteuerung wird später im Detail beschrieben.
Die Schaltnetzteil-Schaltung 100 führt eine Duty-Steuerung durch, wodurch die Ausgangsspannung Vout leicht stabilisiert werden kann. Die Duty-Steuerung wird später im Detail beschrieben.
<3. Betrieb der untersuchten Schaltung >
Nachfolgend wird der Betrieb der untersuchten Schaltnetzteil-Schaltung 100 beschrieben. Die Schaltnetzteil-Schaltung 100 arbeitet in einem von vier Modi, nämlich den Modi A, B, C, und D.
2 ist ein Diagramm, welches den Betriebszustand der Schaltnetzteil-Schaltung 100 im Modus A zeigt. Wie in 2 gezeigt, ist im Modus A das Schaltelement SW1 EIN, das Schaltelement SW2 ist AUS, das Schaltelement SW3 ist AUS, und das Schaltelement SW4 ist EIN. Somit fließt auf der Primärseite, wie mittels der durchgezogenen Linien in 2 dargestellt, ein Strom über den Pfad vom positiven Pol der Eingangsspannung Vin über das Schaltelement SW1, die Primärwicklung N1, und den Eingangskondensator C2 zum negativen Pol der Eingangsspannung Vin. Somit wird der Transformator Tr angeregt, und der Eingangskondensator C2 wird geladen. Darüber hinaus fließt auf der Primär-seite, wie mittels gestrichelter Linien in 2 angezeigt, ein Strom über den Pfad vom Eingangskondensator C1 über das Schaltelement SW1 und die Primärwicklung N1 zum Eingangskondensator C1, und der Eingangskondensator C1 wird entladen.
Indessen fließt auf der Sekundärseite, wie mittels der durchgezogenen Linien in 2 dargestellt, ein Strom über den Weg von der Sekundärwicklung N2 über die Spule L2, die Last Z, und das Schaltelement SW4 zur Sekundärwicklung N2. Außerdem wird die Induktivität L1 im Modus C (4), welcher später beschrieben wird, angeregt, und somit fließt, wie mittels der gestrichelten Linien in 2 dargestellt, ein Strom über den Weg von der Spule L1 über die Last Z und das Schaltelement SW4 zu der Spule L1.
Auf Modus A folgt Modus B. 3 zeigt den Betrieb der Schaltnetzteil-Schaltung 100 im Modus B. Wie in 3 gezeigt, ist im Modus B das Schaltelement SW1 AUS, das Schaltelement SW2 AUS, das Schaltelement SW3 EIN, und das Schaltelement SW4 EIN. In diesem Modus fließt kein Strom auf der Primärseite.
Auf der Sekundärseite wird die Spule L2 im Modus A (2) angeregt, und somit fließt, wie mittels durchgezogener Linien in 3 dargestellt, ein Strom über den Pfad von der Spule L2 über die Last Z und das Schaltelement SW3 zu der Spule L2. Außerdem fließt, wie in Modus A, wie mittels gestrichelter Linien in 3 dargestellt, ein Strom über den Pfad von der Spule L1 über die Last Z und das Schaltelement SW4 zur Spule L1.
Auf Modus B folgt Modus C. 4 zeigt den Betrieb der Schaltnetzteil-Schaltung 100 im Modus C. Wie in 4 gezeigt, ist im Modus C das Schaltelement SW1 AUS, das Schaltelement SW2 EIN, das Schaltelement SW3 EIN, und das Schaltelement SW4 AUS. Somit fließt auf der Primärseite, wie mittels durchgezogener Linien in 4 dargestellt, ein Strom über den Weg vom positiven Pol der Eingangsspannung Vin über den Eingangskondensator C1, die Primärwicklung N1, und das Schaltelement SW2 zum negativen Pol der Eingangsspannung Vin. Somit wird der Transformator Tr angeregt, und der Eingangskondensator C1 wird geladen. Darüber hinaus fließt auf der Primärseite, wie mittels gestrichelter Linien in 4 dargestellt, ein Strom über den Pfad vom Eingangskondensator C2 über die Primärwicklung N1 und das Schaltelement SW2 zum Eingangskondensator C2, und der Eingangskondensator C2 wird entladen.
Indessen fließt auf der Sekundärseite, wie mittels gestrichelter Linien in 4 dargestellt, ein Strom über den Pfad von der Sekundärwicklung N2 über die Spule L1, die Last Z, und das Schaltelement SW3 zur Sekundärwicklung N2. Außerdem fließt, wie in Modus B, wie mittels durchgezogener Linien in 4 dargestellt, ein Strom über den Pfad von der Spule L2 über die Last Z und das Schaltelement SW3 zur Spule L2.
Auf Modus C folgt Modus D. 5 zeigt den Betrieb der Schaltnetzteil-Schaltung 100 im Modus D. Wie in 5 gezeigt, ist im Modus D das Schaltelement SW1 AUS, das Schaltelement SW2 AUS, das Schaltelement SW3 EIN, und das Schaltelement SW4 EIN. In diesem Modus fließt kein Strom auf der Primärseite.
Auf der Sekundärseite fließt, wie im Modus C (4), wie mittels durchgezogener Linien in 5 dargestellt, ein Strom über den Pfad von der Spule L2 über die Last Z und das Schaltelement SW3 zur Spule L2. Außerdem wird, wie mittels gestrichelter Linien in 5 dargestellt, die Spule L1 im Modus C (4) angeregt, und somit fließt ein Strom über den Pfad von der Spule L1 über die Last Z und das Schaltelement SW4 zur Spule L1.
Auf Modus D folgt Modus A, und anschließend treten die Modi A bis D nacheinander wiederholt auf.
6 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Beispiel für den Betrieb der Schaltnetzteil-Schaltung 100 zeigt. 6 zeigt von oben nach unten die Kurvenformen der Gate-Signale für die Schaltelemente SW1 bis SW4, des Spulenstroms IL1 durch die Spule L1, des Spulenstroms IL2 durch die Spule L2, und des Spulenausgangsstroms IL, welcher die Zusammensetzung der Spulenströme IL1 und IL2 ist. In den Gate-Signalen für die Schaltelemente SW1 bis SW4 entspricht ein High-Level einem EIN, ein Low-Level einem AUS.
Wie in 6 gezeigt, unterteilt sich der Betrieb in vier Modi, nämlich die Modi A bis D. Aufgrund der Verschachtelungs-Ansteuerung, bei welcher die Schaltelemente SW3 und SW4 mit um 180 Grad gegeneinander verschobenen Phasen angesteuert werden, verhält sich der Spulenstrom IL1 so, dass dieser sich im Modus C durch Anregung erhöht und danach in den Modi D, A und B verringert, und der Spulenstrom IL2 verhält sich so, dass dieser sich im Modus A durch Anregung erhöht und danach in den Modi B, C und D verringert.
Die Addition der Spulenströme IL1 und IL2, welche sich wie oben beschrieben verhalten, hilft, die Welligkeit des Spulenausgangsstroms IL zu reduzieren. Dies reduziert die Welligkeit des Stroms Ic (1) durch den Ausgangskondensator C3, und hilft, die Größe des Ausgangskondensators C3 zu reduzieren.
Im Beispiel in 6 entspricht der EIN-Zeitraum des Schaltelements SW1 einem Viertel des Umschalt-Zeitraums, und das Duty-Verhältnis bei der Duty-Steuerung beträgt 25 %. Wie später noch beschrieben wird, wird das Duty-Verhältnis variabel gesteuert, mit dem Ziel, die Ausgangsspannung Vout zu stabilisieren.
< 4. Schaltnetzteil-Schaltung einer sekundär-seitigen Parallel-Ansteuerungs-Konfiguration >
7 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteil-Schaltung 100X, welche der Erfinder im vorliegenden Fall basierend auf der oben als untersuchte Schaltung beschriebenen Schaltnetzteil-Schaltung 100 erfunden hat.
Die in 7 gezeigte Schaltnetzteil-Schaltung 100X weist die Primärseite ähnlich konfiguriert auf wie die oben beschriebene Schaltnetzteil-Schaltung 100, hat aber die Sekundärseite so konfiguriert, dass eine Mehrzahl von Schaltungen, welche jeweils der sekundär-seitigen Schaltung in der Schaltnetzteil-Schaltung 100 entsprechen, parallel verbunden sind; hier sind als Beispiel vier solcher Schaltungen parallel verbunden.
Insbesondere weist die Schaltnetzteil-Schaltung 100X sekundär-seitige Schaltungen 210 bis 240 auf, welche parallel verbunden sind. Die sekundär-seitigen Schaltungen 210 bis 240 weisen jeweils eine ähnliche Konfiguration auf wie die Schaltung der Schaltnetzteil-Schaltung 100, welche die Sekundärwicklung N2, die Spulen L1 und L2, und die Schaltelemente SW3 und SW4 enthält. Insbesondere enthalten die sekundär-seitigen Schaltungen 210 bis 240 jeweils als Sekundärwicklung N2 die Sekundärwicklungen N21 bis N24; als die Spule L1 die Spulen L11 bis L14; als die Spule L2 die Spulen L21 bis L24; als das Schaltelement SW3 die Schaltelemente SW31 bis SW34; und als das Schaltelement SW4 die Schaltelemente SW41 bis SW44.
In der Schaltnetzteil-Schaltung 100X besteht der Transformator Tr aus einer Primärwicklung N1 und Sekundärwicklungen N21 bis N24. Die Sekundärwicklungen N21 bis N24 sind magnetisch mit der Primärwicklung N1 gekoppelt.
Die sekundär-seitigen Schaltungen 210 bis 240 sind ausgangsseitig alle mit dem Ausgangskondensator C3 verbunden, den diese sich teilen. Zwischen den Anschlüssen des Ausgangskondensators C3 ist eine Last Z verbunden.
Die wie oben beschrieben konfigurierte Schaltnetzteil-Schaltung 100X arbeitet wie die oben beschriebene Schaltnetzteil-Schaltung 100 in einem der Modi A bis D, wobei die Schaltelemente SW31 bis SW34 in ähnlicher Weise wie das Schaltelement SW3, und die Schaltelemente SW41 bis SW44 in ähnlicher Weise wie das Schaltelement SW4 synchron angesteuert werden.
In dieser Schaltnetzteil-Schaltung 100X fließt der Spulenstrom in einer in vier Spulenausgangsströme IL21 bis IL24 aufgeteilten Form jeweils in den sekundär-seitigen Schaltungen 210 bis 240. Dies trägt dazu bei, den Strom, welcher in jedem der Schaltelemente SW31 bis SW34 und SW41 bis SW44 fließt, zu reduzieren und damit die Leitungsverluste zu reduzieren, welche auf die Durchlasswiderstände dieser Schaltelemente zurückzuführen sind. Außerdem weisen die sekundär-seitigen Schaltungen 210 bis 240 jeweils zwei Schaltelemente auf. Dies trägt dazu bei, den Strom, welcher in jedem Schaltelement fließt, weiter zu reduzieren und damit den Leitungsverlust weiter zu verringern.
< 5. Untersuchung für ein Ansteuerungsschema für einen höheren Wirkungsgrad >
Es folgt eine Untersuchung des Erfinders im vorliegenden Fall für ein Ansteuerungsschema, welches einen hohen Wirkungsgrad über einen breiten Ausgangsleistungsbereich der Schaltnetzteil-Schaltung 100X, welche wie in 7 konfiguriert ist, bietet.
Wird, um der Diskussion willen, das in dem oben erwähnten Patentdokument 1 offenbarte Ansteuerungsschema auf die Schaltnetzteil-Schaltung 100X angewandt, fließt selbst dann ein Strom durch die Body-Dioden der Schaltelemente, wenn die Schaltelemente in einer der sekundär-seitigen Schaltungen 210 bis 240 permanent AUS gehalten werden, und der resultierende Diodenverlust bewirkt einen Abfall des Wirkungsgrads. Daher muss ein anderes Ansteuerungsschema entwickelt werden.
In der Schaltnetzteil-Schaltung 100X muss auf der Sekundärseite ein höherer Strom gehandhabt werden als auf der Primärseite; daher ist es von großer Bedeutung, wie oben beschrieben, die mehrfachen sekundär-seitigen Schaltungen 210 bis 240 mit jeweils zwei bereitgestellten Schaltelementen bereitzustellen, um den Strom, welcher durch jedes Schaltelement fließt, zu reduzieren und dadurch Leitungsverluste zu reduzieren. Dies liegt daran, dass der Leitungsverlust proportional zum Quadrat der Stromstärke ist. Der Nachteil ist, dass die größere Anzahl von Schaltelementen auf der Sekundärseite, nämlich 2 x 4 = 8, tendenziell zu größeren Gate-Ansteuerungsverlusten führt, welche aus dem Laden der Gate-Kapazität der Schaltelemente resultieren.
In der Schaltnetzteil-Schaltung 100X werden für die Schaltelemente auf der Sekundärseite, welche einen höheren Strom zu bewältigen hat, Elemente mit einem niedrigen Durchlasswiderstand verwendet, um Leitungsverluste zu reduzieren. Nachteilig ist, dass ein niedriger Durchlasswiderstand eine größere Größe und damit eine höhere Gate-Kapazität bedeutet. Dementsprechend bewirken die sekundär-seitigen Schaltelemente tendenziell große Gate-Ansteuerungsverluste.
8 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Gate-Ansteuerungsspannung Vgs und dem Gate-Ansteuerungsverlust Pgt_loss für die zwei primär-seitigen Schaltelemente (SW1, SW2) und für die acht sekundär-seitigen Schaltelemente (SW31 bis SW34, SW41 bis SW44) zeigt. Während die primär- und sekundär-seitigen Schaltelemente alle Transistoren unter Verwendung von GaN als Halbleitermaterial sind, weisen die auf der Sekundärseite eine höhere Gate-Kapazität auf. 8 zeigt die Ergebnisse, welche in einem Beispiel beobachtet wurden, bei welchem die Schaltfrequenz hoch ist.
Die Sekundärseite hat eine größere Anzahl von Schaltelementen und diese haben eine höhere Gate-Kapazität; daher weisen die sekundär-seitigen Schaltelemente, wie aus 8 ersichtlich, eine größere Variation der Gate-Ansteuerungsverluste Pgt_loss auf, wenn die Gate-Ansteuerungsspannung Vgs eingestellt wird, und haben einen stärkeren Effekt auf den Wirkungsgrad.
9 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Gate-Ansteuerungsspannung Vgs und dem Durchlasswiderstand Rdson in Bezug auf die sekundär-seitigen Schaltelemente in der Schaltnetzteil-Schaltung 100X zeigt. Es ist zu beachten, dass 9 einen Zusammenhang bei einem vorbestimmten Drain-Strom zeigt. Wie in 9 gezeigt, erhöht sich der Durchlasswiderstand, wenn die Gate-Ansteuerungsspannung Vgs reduziert wird. Andererseits reduziert sich, wie in 8 gezeigt, der Gate-Ansteuerungsverlust, wenn die Gate-Ansteuerungsspannung Vgs reduziert wird. Es besteht also ein Kompromiss zwischen dem Durchlasswiderstand und dem Gate-Ansteuerungsverlust.
10 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Ausgangsleistung und dem Wirkungsgrad zeigt, welcher beobachtet wird, wenn die Gate-Ansteuerungsspannung Vgs für die sekundär-seitigen Schaltelemente zwischen vorbestimmten Spannungen V1, V2 und V3 (V1 < V2 < V3) in der Schaltnetzteil-Schaltung 100X variiert wird.
Wie in 10 gezeigt, ist bei einer niedrigen Ausgangsleistung der Gate-Ansteuerungsverlust dominant gegenüber dem Leitungsverlust, welcher dem Durchlasswiderstand zuzuschreiben ist, und somit führt eine Reduzierung der Gate-Ansteuerungsspannung Vgs zu einem höheren Wirkungsgrad; bei einer hohen Ausgangsleistung ist der Leitungsverlust dominant gegenüber dem Gate-Ansteuerungsverlust, und somit führt eine Erhöhung der Gate-Ansteuerungsspannung Vgs und eine Reduzierung des Durchlasswiderstands zu einem höheren Wirkungsgrad. Dies bestätigt, dass für eine bestimmte Ausgangsleistung eine bestimmte optimale Gate-Ansteuerungsspannung Vgs existiert.
Es hat sich also herausgestellt, dass in der Schaltnetzteil-Schaltung 100X ein Schema wirksam ist, welches die Gate-Ansteuerungsspannung Vgs zur Ansteuerung der sekundär-seitigen Schaltelemente gemäß der Ausgangsleistung variabel steuert. Insbesondere kann die Steuerung so durchgeführt werden, dass die Gate-Ansteuerungsspannung Vgs reduziert wird, wenn die Ausgangsleistung geringer wird.
11 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Ausgangsleistung und dem Wirkungsgrad zeigt, welcher beobachtet wird, wenn die Gate-Ansteuerungsspannung Vgs für die sekundär-seitigen Schaltelemente variabel gesteuert wird und wenn diese konstant bei der oben genannten Spannung V3 gehalten wird. Wie in 11 gezeigt, liegt der Bereich der Ausgangsleistung, in welchem ein vorbestimmter Wirkungsgrad (z. B. 90 %) oder höher erreicht wird, bei variabler Vgs, ΔP2, und bei konstanter Vgs, ΔP1, wobei ΔP2 > ΔP1. Es wird davon ausgegangen, dass eine variable Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung Vgs zu einem hohen Wirkungsgrad in einem größeren Bereich der Ausgangsleistung führt. Ausgehend 11 wird ebenfalls davon ausgegangen, dass eine variable Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung Vgs zu einem höheren maximalen Wirkungsgrad führt.
< 6. Erste Ausführungsform >
Basierend auf der oben beschriebenen Untersuchung über ein Ansteuerungsschema hat der Erfinder im vorliegenden Fall Schaltnetzteil-Schaltungen gemäß einigen Ausführungsformen entwickelt, welche im Folgenden beschrieben werden. Zunächst wird eine Schaltnetzteil-Schaltung gemäß einer ersten Ausführungsform beschrieben.
12 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration einer Schaltnetzteil-Schaltung 100XA gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Die in 12 dargestellte Schaltnetzteil-Schaltung 100XA enthält im Vergleich zu der oben beschriebenen Schaltnetzteil-Schaltung 100X (7) ferner einen Stromdetektor 310. In 12 wird die Ausgangsspannung Vout einem Fehlerverstärker (nicht veranschaulicht) zur Rückkopplungssteuerung zugeführt. Die Konfiguration, einschließlich des Fehlerverstärkers, für die Rückkopplungssteuerung wird später beschrieben.
Der Stromdetektor 310 ist beispielsweise ein Stromsensor, welcher einen Hall-Effekt-Sensor einsetzt, und gibt als Spannungssignal, welches den detektierten Strom widerspiegelt, ein Stromdetektierungssignal Idet aus. Der Stromdetektor 310 ist in der auf den Ausgangskondensator C3 folgenden Stufe eingerichtet. Somit detektiert der Stromdetektor 310 einen Ausgangsstrom Iout, welcher von der Schaltnetzteil-Schaltung 100XA zur Last Z fließt.
13 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration hinsichtlich der variablen Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung für die sekundär-seitigen Schaltelemente und der Rückkopplungssteuerung für die Ausgangsspannung Vout in der in 12 gezeigten Schaltnetzteil-Schaltung 100XA zeigt. Der Einfachheit halber sind in 13 die sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 nicht veranschaulicht.
Die Schaltnetzteil-Schaltung 100XA enthält eine Rückkopplungssteuereinheit 41, welche eine Rückkopplungssteuerung für die Ausgangsspannung Vout durchführt. Die Rückkopplungssteuereinheit 41 enthält einen Fehlerverstärker ER1, einen Isolator IS, Komparatoren CP1 und CP2, Treiber Dr1 bis Dr4, Inverter IV1 und IV2 sowie Gegentaktschaltungen PP1 und PP2.
Ein Eingangsanschluss des Fehlerverstärkers ER1 wird mit der Ausgangsspannung Vout und der andere Eingangsanschluss wird mit einer Referenzspannung Vref gespeist. Der Fehlerverstärker ER1 verstärkt den Fehler der Ausgangsspannung Vout aus der Referenzspannung Vref, und gibt das Ergebnis als Fehlersignal Err2 aus. Das Fehlersignal Err2 wird als Fehlersignal Err1 über den Isolator IS, welcher einen Optokoppler o.ä. enthält, einem Eingangsanschluss des Komparators CP1 und einem Eingangsanschluss des Komparators CP2 zugeführt.
Der andere Eingangsanschluss des Komparators CP1 wird mit einem Dreieckswellensignal TS1 gespeist. Der Komparator CP1 vergleicht das Fehlersignal Err1 mit dem Dreieckswellensignal TS1, und gibt als Ergebnis des Vergleichs ein PWM-Signal pwm1 aus. Basierend auf dem PWM-Signal pwm1 gibt der Treiber Dr1 ein Gate-Ansteuerungssignal G1 zur Ansteuerung des Gates des Schaltelements SW1 aus. Das PWM-Signal pwm1 wird mittels des Inverters IV1 in seinem Level invertiert, und das Ergebnis wird über den Treiber Dr3 der Gegentaktschaltung PP1 zugeführt. Der Inverter IV1 enthält einen Optokoppler o. ä. zur Isolation.
Die Gegentaktschaltung PP1 enthält einen NPN-Transistor BP11 und einen PNP-Transistor BP12. Der Kollektor des NPN-Transistors BP11 wird mit einer Versorgungsspannung Vdd gespeist. Mit dem Verbindungsknoten P1, mit welchem die Basis des NPN-Transistors BP11 und die Basis des PNP-Transistors BP12 verbunden sind, ist der Ausgangsanschluss des Treibers Dr3 verbunden. Der Kollektor des PNP-Transistors BP12 wird mit dem Massepotential gespeist. Von dem Verbindungsknoten P2, mit welchem der Emitter des NPN-Transistors BP11 und der Emitter des PNP-Transistors BP12 verbunden sind, wird eine Gate-Ansteuerungsspannung G3 zur Ansteuerung des Gates des Schaltelements SW31 ausgegeben.
Wenn die Ausgabe des Treibers Dr3 hoch ist, ist der NPN-Transistor BP11 EIN und der PNP-Transistor BP12 AUS; somit ist die Gate-Ansteuerungsspannung G3 hoch und ist gleich der Versorgungsspannung Vdd. Dagegen ist, wenn die Ausgabe des Treibers Dr3 niedrig ist, der NPN-Transistor BP11 AUS und der PNP-Transistor BP12 EIN; somit ist die Gate-Ansteuerungsspannung G3 niedrig und ist gleich dem Massepotential. Die Versorgungsspannung Vdd ist variabel unter der Steuerung einer variablen Steuereinheit 42, welche später beschrieben wird.
Der andere Eingangsanschluss des Komparators CP2 wird mit einem Dreieckswellensignal TS2 gespeist. Das Dreieckswellensignal TS2 weist eine um 180 Grad relativ zum Dreieckswellensignal TS1 verschobene Phase auf. Der Komparator CP2 vergleicht das Fehlersignal Err1 mit dem Dreieckswellensignal TS2, und gibt als Ergebnis des Vergleichs ein PWM-Signal pwm2 aus. Basierend auf dem PWM-Signal pwm2 gibt der Treiber Dr2 ein Gate-Ansteuerungssignal G2 zur Ansteuerung des Gates des Schaltelements SW2 aus. Das PWM-Signal pwm2 wird mittels des Inverters IV2 in seinem Level invertiert, und das Ergebnis wird über den Treiber Dr4 der Gegentaktschaltung PP2 zugeführt. Der Inverter IV2 enthält einen Optokoppler o.ä. zur Isolation.
Die Gegentaktschaltung PP2 enthält einen NPN-Transistor BP21 und einen PNP-Transistor BP22. Der Kollektor des NPN-Transistors BP21 wird mit der Versorgungsspannung Vdd gespeist. Mit dem Verbindungsknoten P3, an welchen die Basis des NPN-Transistors BP21 und die Basis des PNP-Transistors BP22 verbunden sind, ist der Ausgangsanschluss des Treibers Dr4 verbunden. Der Kollektor des PNP-Transistors BP22 wird mit dem Massepotential gespeist. Von dem Verbindungsknoten P4, mit welchem der Emitter des NPN-Transistors BP21 und der Emitter des PNP-Transistors BP22 verbunden sind, wird eine Gate-Ansteuerungsspannung G4 zur Ansteuerung des Gates des Schaltelements SW41 ausgegeben.
Wenn die Ausgabe des Treibers Dr4 hoch ist, ist der NPN-Transistor BP21 EIN und der PNP-Transistor BP22 AUS; somit ist die Gate-Ansteuerungsspannung G4 hoch, und ist gleich der Versorgungsspannung Vdd. Wenn hingegen die Ausgabe des Treibers Dr4 niedrig ist, ist der NPN-Transistor BP21 AUS und der PNP-Transistor BP22 EIN; somit ist die Gate-Ansteuerungsspannung G4 niedrig, und ist gleich dem Massepotential.
Aufgrund der wie oben konfigurierten Rückkopplungssteuereinheit 41 werden die Duty-Verhältnisse der PWM-Signale pwm1 und pwm2 gemäß der Ausgangsspannung Vout eingestellt, und die primär-seitigen Schaltelemente SW1 und SW2 unterliegen einer Schaltsteuerung durch die Gate-Ansteuerungssignale G1 und G2. Auf diese Weise ist es möglich, die Ausgangsspannung Vout durch eine einfache Duty-Steuerung zu stabilisieren. Dabei ist der Zeitraum der Dreieckswellensignale TS1 und TS2 gleich dem Zeitraum der PWM-Signale pwm1 und pwm2, also dem Umschalt-Zeitraum, und die PWM-Signale pwm1 und pwm2 weisen zueinander um 180 Grad verschobene Phasen auf.
Außerdem weisen die Gate-Ansteuerungssignale G3 und G4 aufgrund der Inverter IV1 und IV2, welche die Level der PWM-Signale pwm1 und pwm2 invertieren, im Vergleich zu den Gate-Ansteuerungssignalen G1 und G2 invertierte Level auf.
Auf diese Weise wird die oben beschriebene und im Ablaufdiagramm in 6 gezeigte Schaltsteuerung (mit SW3 und SW4 entsprechend SW31 und SW41) erreicht.
Darüber hinaus enthält die Schaltnetzteil-Schaltung 100XA, wie in 13 gezeigt, eine variable Steuereinheit 42, welche eine variable Steuerung der Versorgungsspannung Vdd basierend auf dem Ergebnis des Detektierens des Ausgangsstroms Iout durchführt. Die variable Steuereinheit 42 enthält einen Referenzspannungsgenerator 42A und einen Regler RG.
Der Referenzspannungsgenerator 42A enthält die Widerstände R1 und R2 und einen Kondensator C4. Die Widerstände R1 und R2 sind in Reihe zwischen einem Ausgangsanschluss für das Stromdetektierungssignal Idet des Stromdetektors 310 und dem Anwendungsanschluss für das Massepotential verbunden. Zwischen dem Verbindungsknoten NR1, mit welchem die Widerstände R1 und R2 verbunden sind, und dem Anwendungsanschluss für das Massepotential ist der Kondensator C4 verbunden. Dadurch wird das Stromdetektierungssignal Idet, welches ein Spannungssignal ist, mittels der Widerstände R1 und R2 spannungsgeteilt und durch den Kondensator C4 geglättet, um eine Referenzspannung REF zu werden. Somit generiert der Referenzspannungsgenerator 42A die Referenzspannung REF basierend auf dem Stromdetektierungssignal. Der Kondensator C4 kann weggelassen werden.
Der Regler RG enthält einen Fehlerverstärker ER2, einen Ausgangstransistor M1,und Widerstände R3 und R4. Der eine Eingangsanschluss des Fehlerverstärkers ER2 wird mit der Referenzspannung REF gespeist. Der Ausgangsanschluss des Fehlerverstärkers ER2 ist mit dem Gate des Ausgangstransistors M1 verbunden, welcher als p-Kanal-MOSFET konfiguriert ist. Die Source des Ausgangstransistors M1 wird mit einer vorbestimmten Eingangsspannung VI gespeist. Der Drain des Ausgangstransistors M1 ist an einem Verbindungsknoten NR2 mit dem ersten Anschluss des Widerstands R3 verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstands R3 ist an einem Verbindungsknoten NR3 mit dem ersten Anschluss des Widerstands R4 verbunden. Der Verbindungsknoten NR3 ist mit dem anderen Eingangsanschluss des Fehlerverstärkers ER2 verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstandes R4 ist mit dem Anwendungsanschluss für das Massepotential verbunden.
Dadurch, dass der Regler RG wie oben beschrieben konfiguriert ist, wird die Spannung am Verbindungsknoten NR3 so gesteuert, dass diese gleich der Referenzspannung REF bleibt, und am Verbindungsknoten NR2 liegt eine Ausgangsspannung VO an, welche der Spannung am Verbindungsknoten NR3 entspricht. Der Verbindungsknoten NR2 ist mit dem Kollektor des NPN-Transistors BP11 in der Gegentaktschaltung PP1 und mit dem Kollektor des NPN-Transistors BP21 in der Gegentaktschaltung PP2 verbunden, und somit liegt die Ausgangsspannung VO als die Versorgungsspannung Vdd an den Kollektoren der NPN-Transistoren BP11 und BP21 an.
Bei dieser Konfiguration wird gemäß dem Stromdetektierungssignal Idet, welches das Ergebnis eines Detektierens des Ausgangsstroms Iout als physikalische Größe bezogen auf die Ausgangsleistung mit dem Stromdetektor 310 ist, die Referenzspannung REF generiert, und der Regler RG generiert die Ausgangsspannung VO, welche der Referenzspannung REF entspricht, d.h. die Versorgungsspannung Vdd, und diese wird an die Gegentaktschaltungen PP1 und PP2 angelegt. Die Versorgungsspannung Vdd dient, wenn die NPN-Transistoren BP11 und BP21 EIN sind, als Gate-Ansteuerungsspannungen G3 und G4, um die Schaltelemente SW31 und SW41 EIN zu halten.
Insbesondere ist die Referenzspannung REF höher, wenn sich der Ausgangsstrom Iout erhöht, und folglich ist die Versorgungsspannung Vdd höher; daher sind die Gate-Ansteuerungsspannungen G3 und G4 zum EIN halten der Schaltelemente SW31 und SW41 höher. Damit wird eine Steuerung zur Variation der Gate-Ansteuerungsspannung für die sekundär-seitigen Schaltelemente gemäß der Ausgangsleistung erreicht.
Diese Ausführungsform stellt insbesondere den Vorteil bereit, die Anzahl von Stromdetektoren 310 zu reduzieren. Für die Ansteuerung der Schaltelemente in den sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 abgesehen von der sekundär-seitigen Schaltung 210 in der Schaltnetzteil-Schaltung 100XA können beispielsweise in jeder der sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 Schaltungen ähnlich den Gegentaktschaltungen PP1 und PP2 bereitgestellt werden, mit welchen die Ausgangsanschlüsse der Treiber Dr3 und Dr4 und ein Anwendungsanschluss für die Versorgungsspannung Vdd verbunden sind. Damit wird eine synchrone Schaltsteuerung der Schaltelemente SW31 bis SW34 und eine synchrone Schaltsteuerung der Schaltelemente SW41 bis SW44 erreicht.
Während die in 13 gezeigte Konfiguration der Rückkopplungssteuereinheit 41 keine Totzeit berücksichtigt, ist auch eine Konfiguration möglich, welche eine Totzeit berücksichtigt, wenn dies erforderlich ist.
< 7. Zweite Ausführungsform >
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform beschrieben. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform. 14 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration einer Schaltnetzteil-Schaltung 100XB gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
Wie aus 14 ersichtlich, unterscheidet sich die Schaltnetzteil-Schaltung 100XB von der ersten Ausführungsform (12) darin, wo die Stromdetektoren anzuordnen sind. Insbesondere enthält in der Schaltnetzteil-Schaltung 100XB die sekundär-seitige Schaltung 210 Stromdetektoren 310A und 310B, um die Ströme jeweils durch die Schaltelemente SW31 und SW41 zu detektieren; die sekundär-seitige Schaltung 220 enthält Stromdetektoren 320A und 320B, um die Ströme jeweils durch die Schaltelemente SW32 und SW42 zu detektieren; die sekundär-seitige Schaltung 230 enthält Stromdetektoren 330A und 330B, um die Ströme jeweils durch die Schaltelemente SW33 und SW43 zu detektieren; und die sekundär-seitige Schaltung 240 enthält Stromdetektoren 340A und 340B, um die Ströme jeweils durch die Schaltelemente SW34 und SW44 zu detektieren.
15 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration hinsichtlich der variablen Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung für die sekundär-seitigen Schaltelemente und der Rückkopplungssteuerung für die Ausgangsspannung Vout in der in 14 gezeigten Schaltnetzteil-Schaltung 100XB zeigt. Der Einfachheit halber sind in 15 die sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 nicht veranschaulicht.
Wie in 15 gezeigt, enthält die Schaltnetzteil-Schaltung 100XB eine Rückkopplungssteuereinheit 41. Die Rückkopplungssteuereinheit 41 ist ähnlich konfiguriert wie in der ersten Ausführungsform (13) und wird dementsprechend nicht im Detail besprochen.
Wie in 15 gezeigt, enthält die Schaltnetzteil-Schaltung 100XB auch variable Steuereinheiten 421 und 422. Die variable Steuereinheit 421 enthält einen Referenzspannungsgenerator 421A und einen Regler RG1. Der Referenzspannungsgenerator 421A enthält die Widerstände R11 und R21 und einen Kondensator C41.
Der erste Anschluss des Widerstands R11 wird mit einem Stromdetektierungssignal Idet1 gespeist, welches von dem Stromdetektor 310A ausgegeben wird. Der Referenzspannungsgenerator 421A ist ähnlich konfiguriert wie der Referenzspannungsgenerator 42A in der ersten Ausführungsform (13). Der Regler RG1 ist ähnlich konfiguriert wie der Regler RG in der ersten Ausführungsform. Dementsprechend generiert der Referenzspannungsgenerator 421A gemäß dem Stromdetektierungssignal Idet1 eine Referenzspannung REF1, und der Regler RG1 generiert gemäß der Referenzspannung REF1 eine Ausgangsspannung VO1 und legt sie als Versorgungsspannung Vdd1 an den Kollektor des NPN-Transistors BP11 in der Gegentaktschaltung PP1 an.
Die variable Steuereinheit 422 enthält einen Referenzspannungsgenerator 422A und einen Regler RG2. Der Referenzspannungsgenerator 422A enthält Widerstände R12 und R22 und einen Kondensator C42.
Der erste Anschluss des Widerstands R12 wird mit einem Stromdetektierungssignal Idet2 gespeist, welches von dem Stromdetektor 310B ausgegeben wird. Der Referenzspannungsgenerator 422A ist ähnlich konfiguriert wie der Referenzspannungsgenerator 42A in der ersten Ausführungsform (13). Der Regler RG2 ist ähnlich konfiguriert wie der Regler RG in der ersten Ausführungsform. Dementsprechend generiert der Referenzspannungsgenerator 422A gemäß dem Stromdetektierungssignal Idet2 eine Referenzspannung REF2, und der Regler RG2 generiert gemäß der Referenzspannung REF2 eine Ausgangsspannung VO2 und legt sie als Versorgungsspannung Vdd2 an den Kollektor des NPN-Transistors BP21 in der Gegentaktschaltung PP2 an.
Bei dieser Konfiguration werden die Versorgungsspannungen Vdd1 und Vdd2 gemäß den Stromdetektierungssignalen Idet1 und Idet2 generiert, welche das Ergebnis eines Detektierens der Ströme 13 und 14 durch die Schaltelemente SW31 und S41 jeweils als physikalische Größen in Bezug auf die Ausgangsleistung mit den Stromdetektoren 310A und 310B sind, und werden an die Gegentaktschaltungen PP1 und PP2 angelegt. Die Versorgungsspannungen Vdd1 und Vdd2 dienen, wenn die NPN-Transistoren BP11 und BP21 EIN sind, als Gate-Ansteuerungsspannungen G3 und G4, um die Schaltelemente SW31 und SW41 EIN zu halten.
Insbesondere sind die Referenzspannungen REF1 und REF2 höher und damit die Versorgungsspannungen Vdd1 und Vdd2 höher, wenn sich die Ströme I3 und 14 erhöhen; somit sind die Gate-Ansteuerungsspannungen G3 und G4 zum EIN halten der Schaltelemente SW31 und SW41 höher. Auf diese Weise wird eine Steuerung zur Variation der Gate-Ansteuerungsspannung für die sekundär-seitigen Schaltelemente gemäß der Ausgangsleistung erreicht.
Für die Ansteuerung der Schaltelemente in den sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 können für die Stromdetektoren in jeder der sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 Schaltungen ähnlich den variablen Steuereinheiten 421 und 422 bereitgestellt sein, und in jeder der sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 können Schaltungen ähnlich den Gegentaktschaltungen PP1 und PP2 bereitgestellt sein, an welche die Ausgangsanschlüsse der Treiber Dr3 und Dr4 und Anwendungsanschlüsse für die Versorgungsspannungen Vdd1 und Vdd2 verbunden sind.
Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, selbst bei Variationen zwischen den sekundär-seitigen Schaltungen 210 bis 240 hinsichtlich der Spulencharakteristik und der Leiterimpedanz aufgrund der variablen Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannungen für die einzelnen Schaltelemente durch Detektieren der Ströme durch diese Schaltelemente jeweils an den sekundär-seitigen Schaltungen 210 bis 240 den Wirkungsgrad wirksam zu verbessern.
< 8. Dritte Ausführungsform >
Nachfolgend wird eine dritte Ausführungsform beschrieben. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform. 16 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration einer Schaltnetzteil-Schaltung 100XC gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
Wie aus 16 ersichtlich, unterscheidet sich die Schaltnetzteil-Schaltung 100XC von der ersten Ausführungsform (12) darin, wo die Stromdetektoren anzuordnen sind. Insbesondere enthält in der Schaltnetzteil-Schaltung 100XC die sekundär-seitige Schaltung 210 einen Stromdetektor 310C, um einen Spulenausgangsstrom IL21 zu detektieren, welcher mittels der Addition der Ströme generiert wird, welche jeweils durch die Spulen L11 und L12 fließen; die sekundär-seitige Schaltung 220 enthält einen Stromdetektor 320C, um einen Spulenausgangsstrom IL22 zu detektieren, welcher mittels der Addition der Ströme generiert wird, welche durch die Spulen L12 und L22 fließen; die sekundär-seitige Schaltung 230 enthält einen Stromdetektor 330C, um einen Spulenausgangsstrom IL23 zu detektieren, welcher mittels der Addition der Ströme generiert wird, welche durch die Spulen L13 bzw. L23 fließen; und die sekundär-seitige Schaltung 240 enthält einen Stromdetektor 340C, um einen Spulenausgangsstrom IL24 zu detektieren, welcher mittels der Addition der Ströme generiert wird, welche durch die Spulen L14 bzw. L24 fließen.
17 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration hinsichtlich der variablen Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung für die sekundär-seitigen Schaltelemente und der Rückkopplungssteuerung für die Ausgangsspannung Vout in der in 17 gezeigten Schaltnetzteil-Schaltung 100XC zeigt. Der Einfachheit halber sind in 17 die sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 nicht veranschaulicht.
Wie in 17 gezeigt, enthält die Schaltnetzteil-Schaltung 100XC eine Rückkopplungssteuereinheit 41. Die Rückkopplungssteuereinheit 41 ist ähnlich konfiguriert wie in der ersten Ausführungsform (13) und wird dementsprechend nicht im Detail besprochen.
Wie in 17 gezeigt, enthält die Schaltnetzteil-Schaltung 100XC auch eine variable Steuereinheit 42. Die variable Steuereinheit 42 ist ähnlich konfiguriert wie in der ersten Ausführungsform (13) und wird dementsprechend nicht im Detail besprochen. Ein Stromdetektierungssignal Idet11, welches das Ergebnis des Detektierens des Spulenausgangsstroms IL21 mit dem Stromdetektor 310C ist, wird dem ersten Anschluss des Widerstandes R1 zugeführt. Somit generiert der Referenzspannungsgenerator 42A gemäß dem Stromdetektierungssignal Idet11 eine Referenzspannung REF, und der Regler RG generiert gemäß der Referenzspannung REF eine Ausgangsspannung VO und legt sie als Versorgungsspannung Vdd an die Kollektoren der NPN-Transistoren BP11 und BP21 in den Gegentaktschaltungen PP1 und PP2 an.
Bei dieser Konfiguration wird die Versorgungsspannung Vdd gemäß dem Stromdetektierungssignal Idet11 generiert, welches das Ergebnis des Detektierens des Spulenausgangsstroms IL21 mit dem Stromdetektor 310C als eine physikalische Größe in Bezug auf die Ausgangsleistung ist, und wird an die Gegentaktschaltungen PP1 und PP2 angelegt. Die Versorgungsspannung Vdd dient, wenn die NPN-Transistoren BP11 und BP21 EIN sind, als die Gate-Ansteuerungsspannungen G3 und G4, um die Schaltelemente SW31 und SW41 EIN zu halten.
Insbesondere ist die Referenzspannung REF und damit die Versorgungsspannung Vdd höher, wenn sich der Spulenausgangsstrom IL21 erhöht; somit sind die Gate-Ansteuerungsspannungen G3 und G4 zum EIN halten der Schaltelemente SW31 und SW41 höher. Auf diese Weise wird eine Steuerung zur Variation der Gate-Ansteuerungsspannung für die sekundär-seitigen Schaltelemente gemäß der Ausgangsleistung erreicht.
Für die Ansteuerung der Schaltelemente in den sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 können für die Stromdetektoren 320C, 330C und 340C in jeder der sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 Steuereinheiten ähnlich der variablen Steuereinheit 42 und in jeder der sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 Schaltungen ähnlich den Gegentaktschaltungen PP1 und PP2 bereitgestellt sein, an welche die Ausgangsanschlüsse der Treiber Dr3 und Dr4 und der Anwendungsanschluss für die Versorgungsspannung Vdd verbunden sind.
Bei dieser Ausführungsform ist es in einem Fall, in welchem es zwar Unterschiede zwischen den Strömen gibt, welche durch die sekundär-seitigen Schaltungen 210 bis 240 jeweils fließen, aber im Wesentlichen gleiche Ströme durch die einzelnen Schaltelemente in derselben sekundär-seitigen Schaltung fließen, möglich, durch Einstellen der Gate-Ansteuerungsspannung für die Schaltelemente in jeder sekundär-seitigen Schaltung den Wirkungsgrad effektiv zu verbessern. Mit dieser Ausführungsform ist es auch möglich, die Anzahl von Stromdetektoren im Vergleich zur zweiten Ausführungsform zu reduzieren..
18 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration einer Schaltnetzteil-Schaltung 100XC' als ein modifiziertes Beispiel der dritten Ausführungsform zeigt. Die Schaltnetzteil-Schaltung 100XC' unterscheidet sich von der oben beschriebenen Schaltnetzteil-Schaltung 100XC dadurch, wo die Stromdetektoren anzuordnen sind. Insbesondere enthält die sekundär-seitige Schaltung 210 einen Stromdetektor 310D, welcher zwischen dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung N21 und dem Verbindungsknoten ND31 angeordnet ist, mit welchem der Drain des Schaltelements SW41 und der erste Anschluss der Spule L11 verbunden sind; die sekundär-seitige Schaltung 220 einen Stromdetektor 320D, welcher zwischen dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung N22 und dem Verbindungsknoten ND32 angeordnet ist, mit welchem der Drain des Schaltelements SW42 und der erste Anschluss der Spule L12 verbunden sind; die sekundär-seitige Schaltung 230 einen Stromdetektor 330D, welcher zwischen dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung N23 und dem Verbindungsknoten ND33 angeordnet ist, mit welchem der Drain des Schaltelements SW43 und der erste Anschluss der Spule L13 verbunden sind; und die sekundär-seitige Schaltung 240 einen Stromdetektor 340D, welcher zwischen dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung N24 und dem Verbindungsknoten ND34 angeordnet ist, mit welchem der Drain des Schaltelements SW44 und der erste Anschluss der Spule L14 verbunden sind.
Auch bei dieser Ausführungsform, wie auch bei der dritten Ausführungsform, ist es möglich, die Gate-Ansteuerungsspannungen für die Schaltelemente in jeder sekundär-seitigen Schaltung einzustellen. Wie sich aus dem zuvor beschriebenen Betrieb in den Modi A bis D ergibt, gibt es einen Zeitraum, in welchem kein Strom durch die Stromdetektoren 310D bis 340D fließt, und dies erfordert, dass der Kondensator C4 zur Glättung in der variablen Steuereinheit 42 eine hohe Kapazität aufweist. In dieser Hinsicht ist die dritte Ausführungsform vorzuziehen, weil dort permanent Ströme durch die Stromdetektoren fließen und eine geringere Kapazität im Kondensator C4 ausreicht.
< 9. Vierte Ausführungsform >
Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform beschrieben. 19 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration einer Schaltnetzteil-Schaltung 100XD gemäß der vierten Ausführungsform zeigt.
Wie in 19 gezeigt, enthält die Schaltnetzteil-Schaltung 100XD Temperaturdetektoren T31 bis T34, welche die Temperaturen der Schaltelemente SW31 bis SW34 jeweils detektieren, und Temperaturdetektoren T41 bis T44, welche die Temperaturen der Schaltelemente SW41 bis SW44 jeweils detektieren.
20 ist ein Schaltplan, welcher die Konfiguration hinsichtlich der variablen Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung für die sekundär-seitigen Schaltelemente und der Rückkopplungssteuerung für die Ausgangsspannung Vout in der in 19 gezeigten Schaltnetzteil-Schaltung 100XD zeigt. Der Einfachheit halber sind in 20 die sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 nicht veranschaulicht.
Wie in 20 gezeigt, enthält die Schaltnetzteil-Schaltung 100XD eine Rückkopplungssteuereinheit 41. Die Rückkopplungssteuereinheit 41 ist ähnlich konfiguriert wie in der ersten Ausführungsform (13) und wird dementsprechend nicht im Detail besprochen.
Wie in 20 gezeigt, enthält die Schaltnetzteil-Schaltung 100XD auch eine variable Steuereinheit 43. Die variable Steuereinheit 43 enthält einen Prozessor 43A und die Regler RG1 und RG2. Die Regler RG1 und RG2 sind ähnlich konfiguriert wie bei der zweiten Ausführungsform (15).
Der Prozessor 43A erfasst ein Temperaturdetektierungssignal Tdet1, welches das Ergebnis des Detektierens der Temperatur des Schaltelements SW31 mit dem Temperaturdetektor T31 ist, und ein Temperaturdetektierungssignal Tdet2, welches das Ergebnis des Detektierens der Temperatur des Schaltelements SW41 mit dem Temperaturdetektor T41 ist. Der Prozessor 43A erfasst auch die Gate-Ansteuerungsspannung G3, mit welcher das Schaltelement SW31 angesteuert wird, und die Gate-Ansteuerungsspannung G4, mit welcher das Schaltelement SW41 angesteuert wird.
Dabei weisen die Temperatur T eines Schaltelements und der Verlust Ploss im Schaltelement die Beziehung auf $T = Rth \times Ploss$
wobei Rth der Wärmewiderstand ist. Da Rth bekannt ist, kann man durch Detektieren der Temperatur T des Schaltelements Ploss berechnen.
In Anbetracht der Tatsache, dass der Schaltverlust auf der Sekundärseite nahezu Null ist, ist der Verlust Ploss mittels des folgenden Ausdrucks gegeben: $Ploss = Pgate + Pcond$
wobei Pgate der Gate-Ansteuerungsverlust und Pcond der Leitungsverlust ist.
Der Gate-Ansteuerungsverlust Pgate ist hierbei mittels des folgenden Ausdrucks gegeben: $Pgate = C \times Vgs2 \times f2$
wobei C die Gate-Kapazität des Schaltelements, Vgs die Gate-Ansteuerungsspannung und f die Schaltfrequenz ist.
Da die Gate-Kapazität C und die Schaltfrequenz f bekannt sind, kann man mittels der Gate-Ansteuerungsspannung Vgs die Gate-Ansteuerungsverluste Pgate nach Ausdruck (3) berechnen.
Sobald Ploss und Pgate berechnet sind, kann man den Leitungsverlust Pcond mittels Ausdruck (2) berechnen.
Durch diese Berechnungen berechnet der Prozessor 43A den Leitungsverlust Pcond im Schaltelement SW31 aus dem Temperaturdetektierungssignal Tdet1 und der Gate-Ansteuerungsspannung G3, und er berechnet den Leitungsverlust Pcond im Schaltelement SW41 aus dem Temperaturdetektierungssignal Tdet2 und der Gate-Ansteuerungsspannung G4.
Anschließend führt der Prozessor 43A gemäß dem Anteil des Leitungsverlustes Pcond im Schaltelement SW31 aus dem dortigen Verlust Ploss dem Regler RG1 die Referenzspannung REF1 zu, und gemäß dem Anteil des Leitungsverlustes Pcond im Schaltelement SW41 aus dem dortigen Verlust Ploss führt der Prozessor 43A dem Regler RG2 die Referenzspannung REF2 zu.
Der Regler RG1 legt als die Versorgungsspannung Vdd1 die Ausgangsspannung VO1, welche der Referenzspannung REF1 entspricht, an die Gegentaktschaltung PP1 und der Regler RG2 legt als die Versorgungsspannung Vdd2 die Ausgangsspannung VO2, welche der Referenzspannung REF2 entspricht, an die Gegentaktschaltung PP2.
Dementsprechend wird, je höher der Anteil der Leitungsverluste Pcond im Schaltelement SW31 aus dem dortigen Verlust Ploss ist, die Versorgungsspannung Vdd1 angehoben und die Gate-Ansteuerungsspannung G3 zum EIN Halten des Schaltelementes SW31 ist höher. Ebenso wird, je höher der Anteil des Leitungsverlustes Pcond im Schaltelement SW41 aus dem dortigen Verlust Ploss ist, die Versorgungsspannung Vdd2 angehoben und die Gate-Ansteuerungsspannung G4 zum EIN Halten des Schaltelementes SW41 ist höher.
Das heißt, das Detektieren der Temperatur eines Schaltelements als eine physikalische Größe, welche sich auf die Ausgangsleistung bezieht, lässt eine variable Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung zu. Als Ergebnis resultiert, dass eine Konfiguration, welche einen Stromdetektor einsetzt, insbesondere bei Anwendungen mit einem hohen Strom auf der Sekundärseite Verluste erleidet, während diese Ausführungsform keinen Stromdetektor benötigt.
Der Prozessor 43A kann stattdessen den Strom, welcher durch ein Schaltelement fließt, aus dem berechneten Leitungsverlust Pcond und dem bekannten Durchlasswiderstand berechnen und eine Referenzspannung gemäß dem berechneten Strom generieren.
Für die Ansteuerung der Schaltelemente in den sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 können für jede der sekundär-seitigen Schaltungen 220 bis 240 Schaltungen bereitgestellt werden, welche ähnlich konfiguriert sind wie die oben beschriebene variable Steuereinheit 43 und die Gegentaktschaltungen PP1 und PP2.
< 10. Schaltungslayout >
Im Zusammenhang mit den Schaltnetzteil-Schaltungen gemäß den verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen wird nun ihr Layout beschrieben. 21A ist eine schematische Draufsicht eines Beispiels für die Anordnung einer Schaltnetzteil-Schaltung auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) von ihrer Vorderseite aus gesehen. 21B ist eine schematische Draufsicht eines Beispiels für die Anordnung einer Schaltnetzteil-Schaltung auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) von ihrer Rückseite aus gesehen.
In 21A und 21B wird die Richtung entlang der vertikalen Seiten der gedruckten Leiterplatte PCB in einer rechteckigen Form als X-Richtung genommen, entlang derer eine Seite als X1 und die andere Seite als X2 angezeigt wird; die Richtung entlang der horizontalen Seiten der gedruckten Leiterplatte PCB wird als Y-Richtung genommen, entlang derer eine Seite als Y1 und die andere Seite als Y2 angezeigt wird. Die vertikalen Seiten der gedruckten Leiterplatte sind z.B. 30 mm lang und die horizontalen Seiten sind z.B. 40 mm lang.
Wie in 21A gezeigt, sind, von der Vorderseite der gedruckten Leiterplatte aus gesehen, in einem Endteil der gedruckten Leiterplatte auf einer Seite in Y-Richtung die Kondensatoren C1A, C1B, C2A und C2B in dieser Reihenfolge in Richtung der anderen Seite in X-Richtung angeordnet. Die Kondensatoren C1A und C1B sind parallel verbunden und bilden den Eingangskondensator C1, und die Kondensatoren C2A und C2B sind parallel verbunden und bilden den Eingangskondensator C2.
Das Schaltelement SW1 ist angrenzend an den Kondensator C1B an dessen anderer Seite in Y-Richtung angeordnet. Das Schaltelement SW2 ist angrenzend an den Kondensator C2A an dessen anderer Seite in Y-Richtung angeordnet.
In einem Endteil der gedruckten Leiterplatte PCB auf der anderen Seite in Y-Richtung sind die Kondensatoren C3A, C3B, C3C und C3D in dieser Reihenfolge in Richtung der anderen Seite in X-Richtung angeordnet. Das Schaltelement SW31 ist an einer Seite des Kondensators C3A in Y-Richtung angeordnet, gegenüber dem Kondensator C3A in Y-Richtung. Das Schaltelement SW41 ist auf einer Seite des Kondensators C3B in Y-Richtung angeordnet, gegenüber dem Kondensator C3B in Y-Richtung. Das Schaltelement SW32 ist auf einer Seite des Kondensators C3C in Y-Richtung angeordnet, gegenüber dem Kondensator C3C in Y-Richtung. Das Schaltelement SW42 ist auf einer Seite des Kondensators C3D in Y-Richtung angeordnet, gegenüber dem Kondensator C3D in Y-Richtung.
Zwischen den Schaltelementen SW1 und SW2 auf der einen Seite und den Schaltelementen SW31, SW41, SW32 und SW42 auf der anderen Seite in Y-Richtung ist ein Anordnungsbereich TrA für den Transformator Tr ausgebildet. Der Transformator Tr ist mit einem Leiterbild ausgebildet, welches später beschrieben wird.
Auf der abgewandten Seite der Vorderfläche der gedruckten Leiterplatte in ihrer Dickenrichtung (auf der abgewandten Seite der Ebene von 21A), so dass sie sich vom Schaltelement SW31 zum Kondensator C3A erstreckt, ist eine mit einem Leiterbild ausgebildete Spule L21 angeordnet. Auf der abgewandten Seite der Vorderfläche der gedruckten Leiterplatte PCB in ihrer Dickenrichtung, so dass sie sich vom Schaltelement SW41 zum Kondensator C3B erstreckt, ist eine mit einem Leiterbild ausgebildete Spule L11 angeordnet. Auf der abgewandten Seite der Vorderfläche der gedruckten Leiterplatte in ihrer Dickenrichtung, so dass sie sich vom Schaltelement SW32 zum Kondensator C3C erstreckt, ist eine mit einem Leiterbild ausgebildete Spule L22 angeordnet. Auf der abgewandten Seite der Vorderfläche der gedruckten Leiterplatte in ihrer Dickenrichtung, so dass sie sich vom Schaltelement SW42 bis zum Kondensator C3D erstreckt, ist eine mit einem Leiterbild ausgebildete Spule L12 angeordnet.
Auf der anderen Seite des Schaltelements SW42 und des Kondensators C3D in X-Richtung, gegenüber dem Schaltelement SW42 und dem Kondensator C3D in X-Richtung, ist ein sekundär-seitiger Treiber DRV2A ausgebildet. Der sekundär-seitige Treiber DRV2A steuert die Schaltelemente SW31, SW41, SW32 und SW42 an.
Andererseits ist, wie in 21B gezeigt, von der Rückseite der gedruckten Leiterplatte aus gesehen, in einem Teil der gedruckten Leiterplatte an einer Seite in Y-Richtung ein primär-seitiger Treiber DRV1 angeordnet, welcher sich in X-Richtung erstreckt. Der primär-seitige Treiber DRV1 steuert die Schaltelemente SW1 und SW2 an.
In einem Endteil der gedruckten Leiterplatte PCB auf der anderen Seite in Y-Richtung sind die Kondensatoren C3E, C3F, C3G und C3H in dieser Reihenfolge in Richtung einer Seite in X-Richtung angeordnet. Die Kondensatoren C3A bis C3H sind parallel verbunden und bilden den Ausgangskondensator C3 aus. Das Schaltelement SW33 ist auf einer Seite des Kondensators C3E in Y-Richtung angeordnet, gegenüber dem Kondensator C3E in Y-Richtung. Das Schaltelement SW43 ist auf einer Seite des Kondensators C3F in Y-Richtung angeordnet, gegenüber dem Kondensator C3F in Y-Richtung. Das Schaltelement SW34 ist auf einer Seite des Kondensators C3G in Y-Richtung angeordnet, gegenüber dem Kondensator C3G in Y-Richtung. Das Schaltelement SW44 ist auf einer Seite des Kondensators C3H in Y-Richtung angeordnet, gegenüber dem Kondensator C3H in Y-Richtung.
Zwischen dem primär-seitigen Treiber DRV1 an einem Ende und den Schaltelementen SW33, SW43, SW34 und SW44 am anderen Ende entlang der Y-Richtung ist der Anordnungsbereich TrA für den Transformator Tr ausgebildet.
Auf der abgewandten Seite der Rückfläche der gedruckten Leiterplatte in ihrer Dickenrichtung (auf der abgewandten Seite der Ebene von 21B), so dass sie sich vom Schaltelement SW33 zum Kondensator C3E erstreckt, ist eine mit einem Leiterbild ausgebildete Spule L23 angeordnet. Auf der abgewandten Seite der Rückfläche der gedruckten Leiterplatte in ihrer Dickenrichtung, so dass sie sich vom Schaltelement SW43 zum Kondensator C3F erstreckt, ist eine mit einem Leiterbild ausgebildete Spule L13 angeordnet. Auf der abgewandten Seite der Rückfläche der gedruckten Leiterplatte in ihrer Dickenrichtung, so dass sie sich vom Schaltelement SW34 zum Kondensator C3G erstreckt, ist eine mit einem Leiterbild ausgebildete Spule L24 angeordnet. Auf der abgewandten Seite der Rückfläche der gedruckten Leiterplatte in ihrer Dickenrichtung, so dass sie sich vom Schaltelement SW44 zum Kondensator C3H erstreckt, ist eine mit einem Leiterbild ausgebildete Spule L14 angeordnet.
An einer Seite des Schaltelements SW44 und des Kondensators C3H in X-Richtung, gegenüber dem Schaltelement SW44 und dem Kondensator C3H in X-Richtung, ist ein sekundär-seitiger Treiber DRV2B ausgebildet. Der sekundär-seitige Treiber DRV2B steuert die Schaltelemente SW33, SW43, SW34 und SW44 an.
22 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Beispiel des Transformators Tr zeigt, welcher mit einem Leiterbild ausgebildet ist. Die vertikale Richtung über die Ebene von 22 ist die Dickenrichtung der gedruckten Leiterplatte PCB. In dem Beispiel in 22 weist die Schaltnetzteil-Schaltung in ihrer Dickenrichtung acht Leitungsschichten auf. In jeder dieser Leitungsschichten ist ein Wicklungsleiter ausgebildet, welcher durch N1A, N21, N1B, N22, N1C, N23, N1D und N24 jeweils von einer Seite in Dickenrichtung gekennzeichnet ist, wobei jeder Wicklungsleiter einer Wicklungswindung entspricht. Zwischen jeweils zwei in Dickenrichtung angrenzenden Leitungsschichten ist eine Isolierschicht angeordnet. Jeweils zwei angrenzende der Wicklungsleiter N1A, N1B, N1C und N1D leiten über ein sich in Dickenrichtung erstreckendes Durchgangsloch TH zueinander. Die Wicklungsleiter N1A, N1B, N1C und N1D und das Durchgangsloch TH bilden die Primärwicklung N1. Das heißt, in 22 weist die Primärwicklung N1 vier Wicklungen auf. Andererseits entsprechen die Wicklungsleiter N21 bis N24 jeweils den sekundär-seitigen Wicklungen N21 bis N24.
Der Transformator Tr, welcher wie oben beschrieben konfiguriert ist, stellt eine starke magnetische Kopplung zwischen der Primär- und Sekundärseite bereit.
< 11. Halbleitervorrichtung >
Als eines der verschiedenen Schaltelemente in der Schaltnetzteil-Schaltung gemäß der Ausführungsform kann z.B. eine Halbleitervorrichtung wie unten beschrieben verwendet werden.
23 ist eine perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung. 24 ist eine Draufsicht eines Transistors in der in 23 gezeigten Halbleitervorrichtung.
Wie in 23 gezeigt, weist die Halbleitervorrichtung 1 einen Leiterrahmen 10 zum elektrischen Verbinden mit einer Leiterplatte (in 23 nicht dargestellt), einen Transistor 20, welcher auf dem Leiterrahmen 10 montiert ist, und Versiegelungsharz 30 zum Abdichten des Transistors 20 auf. Der Transistor 20 ist ein HEMT (High-Electron-Mobility Transistor) unter Verwendung eines Nitrid-Halbleiters. Die Halbleitervorrichtung 1 weist ein Package (Versiegelungsharz 30) auf, dessen Abmessung entlang einer ersten Richtung X, d.h. der Querrichtung der Halbleitervorrichtung 1, etwa 5 mm beträgt, dessen Abmessung entlang der zweiten Richtung Y, d.h. der Längsrichtung der Halbleitervorrichtung 1, etwa 6 mm beträgt, und dessen Abmessung in der Höhenrichtung Z der Halbleitervorrichtung 1 etwa 0,6 mm beträgt. Bei der Halbleitervorrichtung 1 handelt es sich um einen oberflächenmontierbaren Typ, einen so genannten SOP-Typ (Small Outline Package), bei welchem der Leiterrahmen in zwei Richtungen aus dem Versiegelungsharz 30 herausgeführt ist.
Der Frequenzbereich, in welchem die Halbleitervorrichtung 1 verwendet wird, ist 1 MHz oder höher, aber 100 MHz oder niedriger, und vorzugsweise 1 MHz oder höher, aber 30 MHz oder niedriger. Die Halbleitervorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform wird bei 30 MHz verwendet. Die Halbleitervorrichtung 1 kann in Schaltungen verwendet werden, in welchen der Bereich des Drain-Stroms 1 A oder höher, aber 200 A oder niedriger ist, und sollte vorzugsweise in Schaltungen verwendet werden, in welchen der Bereich des Drain-Stroms 10 A oder höher, aber 100 A oder niedriger ist.
Bei dem Versiegelungsharz 30 handelt es sich beispielsweise um ein Epoxidharz, welches zu einer rechteckigen Platte ausgebildet ist. Das Versiegelungsharz 30 weist als Oberseite eine Vorderfläche 31 und als Unterseite eine Rückfläche 32 auf, welche der Vorderfläche 31 in der Höhenrichtung Z gegenüberliegt. Die Rückfläche 32 ist für die Montage auf einer Leiterplatte vorgesehen. Das Versiegelungsharz 30 weist als Seitenfläche an einer Seite in der ersten Richtung X eine erste Querseitenfläche 33; als Seitenfläche an der anderen Seite in der ersten Richtung X eine zweite Querseitenfläche 34; als Seitenfläche an einer Seite in der zweiten Richtung Y eine erste Längsseitenfläche 35; und als Seitenfläche an der anderen Seite in der zweiten Richtung Y eine zweite Längsseitenfläche 36 auf.
Der Transistor 20 ist in der Form einer rechteckigen Platte ausgebildet. Wie in der Draufsicht zu sehen ist, weist der Transistor 20 eine langgestreckte rechteckige Form auf. Der Transistor 20 ist auf dem Leiterrahmen 10 montiert, wobei die Längsrichtung des Transistors 20 mit der ersten Richtung X ausgerichtet ist. Wie in 24 gezeigt, kann der Transistor 20 hinsichtlich der Außenabmessungen beispielsweise so bemessen sein, dass in einer Draufsicht die Länge L1 einer Seite in Längsrichtung etwa 4200 µm und die Länge L2 einer Seite in der anderen Richtung etwa 2100 µm beträgt, so dass er eine langgestreckte rechteckige Form mit einem Seitenverhältnis von 2:1 aufweist. In der folgenden Beschreibung des Transistors 20 ist jede genannte Richtung eine Richtung in Bezug auf den Transistor 20, wie er auf dem Leiterrahmen 10 montiert ist.
Der Transistor 20 weist als eine Fläche, welche dem Leiterrahmen 10 zugewandt ist (siehe 23), eine Vorderfläche 20a und als weitere Fläche, welche von der Vorderfläche 20a abgewandt ist, eine Rückfläche 20b auf (siehe 23). Auf der Vorderfläche 20a sind zur elektrischen Verbindung mit dem Leiterrahmen 10 fünf Drain-Elektroden-Pads 21, vier Source-Elektroden-Pads 22 und ein Gate-Elektroden-Pad 23 bereitgestellt. Die Drain-Elektroden-Pads 21 enthalten vier Drain-Elektroden-Pads 21P, welche eine größere Länge LD in Längsrichtung aufweisen, und ein Drain-Elektroden-Pad 21Q, welches eine kleinere Länge LDE in Längsrichtung aufweist. Es ist zu beachten, dass eine frei wählbare Anzahl von Drain-Elektroden-Pads 21, eine frei wählbare Anzahl von Source-Elektroden-Pads 22 und eine frei wählbare Anzahl von Gate-Elektroden-Pads 23 bereitgestellt werden kann. Dementsprechend kann beispielsweise eine unterschiedliche Anzahl von Drain-Elektroden-Pads 21 und Source-Elektroden-Pads 22 bereitgestellt werden. Der Transistor 20 kann eine Mehrzahl von Gate-Elektroden-Pads 23 aufweisen. In der folgenden Beschreibung werden die fünf Drain-Elektroden-Pads 21 zusammenfassend als Drain-Elektroden-Pads 21 bezeichnet.
Wie in 24 in einer Draufsicht gezeigt, sind die Drain-Elektroden-Pads 21 und die Source-Elektroden-Pads 22 abwechselnd in Längsrichtung (erste Richtung X) des Transistors 20 angeordnet. Die Drain-Elektroden-Pads 21 und die Source-Elektroden-Pads 22 sind jeweils im Wesentlichen in einer rechteckigen Form ausgebildet, welche sich in der Richtung (zweite Richtung Y) orthogonal zur Längsrichtung des Transistors 20 erstreckt. Die Drain-Elektroden-Pads 21 und die Source-Elektroden-Pads 22 sind parallel zueinander. Die Drain-Elektroden-Pads 21 sind an den gegenüberliegenden Enden des Transistors 20 in der ersten Richtung X angeordnet.
Das Gate-Elektroden-Pad 23 ist an einem Ende des Transistors 20 in der ersten Richtung X angeordnet. Das Gate-Elektroden-Pad 23 ist in der zweiten Richtung Y gegenüber dem Drain-Elektroden-Pad 21Q angeordnet, welches an einem Ende des Transistors 20 in der ersten Richtung X angeordnet ist, wobei eine Lücke dazwischen gelassen wird. Das Gate-Elektroden-Pad 23 ist in der Nähe eines Endes des Transistors 20 in der zweiten Richtung Y angeordnet, und das Drain-Elektroden-Pad 21Q ist in der Nähe des anderen Endes des Transistors 20 in der zweiten Richtung Y angeordnet.
Die Länge LD der vier Drain-Elektroden-Pads 21P ist gleich der Länge LS der vier Source-Elektroden-Pads 22. Die Länge LDE des Drain-Elektroden-Pads 21Q ist gleich oder kleiner als die Hälfte der Länge LD. Die Länge LG des Gate-Elektroden-Pads 23 ist gleich der Länge LDE. Die Breite WD der Drain-Elektroden-Pads 21, die Breite WS der Source-Elektroden-Pads 22 und die Breite WG des Gate-Elektroden-Pads 23 sind alle gleich. Die Drain-Elektroden-Pads 21, die Source-Elektroden-Pads 22 und das Gate-Elektroden-Pad 23 weisen mit ihren gegenüberliegenden Endteilen in der zweiten Richtung Y die Form eines in der zweiten Richtung Y konvexen Bogens auf.
Die Drain-Elektroden-Pads 21 sind in der ersten Richtung X in gleichen Abständen angeordnet, und die Source-Elektroden-Pads 22 sind in der ersten Richtung X in gleichen Abständen angeordnet. Die vier Drain-Elektroden-Pads 21P und die vier Source-Elektroden-Pads 22 sind in der zweiten Richtung Y an derselben Position angeordnet. Alle Abstände Dds zwischen einem Drain-Elektroden-Pad 21 und dem ihm in der ersten Richtung X angrenzenden Source-Elektroden-Pad 22 sind gleich groß. Der Abstand Dsg zwischen dem Gate-Elektroden-Pad 23 und dem ihm in der ersten Richtung X angrenzenden Source-Elektroden-Pad 22 ist gleich groß wie der Abstand Dds.
Der Transistor 20 in 24 weist die folgenden Innenabmessungen auf. Die Länge LD der vier Drain-Elektroden-Pads 21P und die Länge LS der vier Source-Elektroden-Pads 22 beträgt etwa 1760 µm. Die Länge LDE des Drain-Elektroden-Pads 21Q beträgt etwa 755 µm. Die Länge LG des Gate-Elektroden-Pads 23 beträgt etwa 755 µm. Die Breite WD der Drain-Elektroden-Pads 21, die Breite WS der Source-Elektroden-Pads 22 und die Breite WG des Gate-Elektroden-Pads 23 betragen alle etwa 240 µm.
Der Abstand Ddg zwischen dem Gate-Elektroden-Pad 23 und dem Drain-Elektroden-Pad 21Q in der zweiten Richtung Y beträgt etwa 250 µm. Alle Abstände Dds zwischen einem Drain Elektroden-Pad 21 und dem ihm in der ersten Richtung X angrenzenden Source Elektroden-Pad 22 betragen jeweils etwa 200 µm. Der Abstand Dsg zwischen dem Gate-Elektroden-Pad 23 und dem ihm in der ersten Richtung X angrenzenden Source-Elektroden-Pad 22 beträgt etwa 200 µm.
Der Leiterrahmen 10 enthält einen Drain-Rahmen 11, welcher elektrisch mit den Drain-Elektroden-Pads 21 (siehe 24) verbunden ist, einen Source-Rahmen 12, welcher elektrisch mit den Source-Elektroden-Pads 22 (siehe 24) verbunden ist, und einen Gate-Rahmen 13, welcher elektrisch mit dem Gate-Elektroden-Pad 23 (siehe 24) verbunden ist. Der Drain-Rahmen 11, der Source-Rahmen 12 und der Gate-Rahmen 13 werden jeweils mittels Ätzen eines Kupferblechs ausgebildet. Der Drain-Rahmen 11, der Source-Rahmen 12 und der Gate-Rahmen 13 sind mit einem Abstand zueinander so angeordnet, dass sie elektrisch voneinander isoliert sind.
Wie aus der Draufsicht ersichtlich, ist der Drain-Rahmen 11 in einem Teil des Versiegelungsharzes 30 in der Nähe der ersten Längsseitenfläche 35 angeordnet. Der Drain-Rahmen 11 weist vier Drain-Anschlüsse 11a, ein Drain-Verbindungsstück 11b, welches diese Drain-Anschlüsse 11a miteinander verbindet, und fünf Drain-Rahmen-Finger 11c auf, welche sich von dem Drain-Verbindungsstück 11b in Richtung der zweiten Längsseitenfläche 36 in der zweiten Richtung Y erstrecken. Die Drain-Rahmen-Finger 11c erstrecken sich entlang der zweiten Richtung Y. Der Drain-Rahmen 11 ist also in der Form von Kammzähnen ausgebildet. Die vier Drain-Anschlüsse 11a, das Drain-Verbindungsstück 11b und die fünf Drain-Rahmen-Finger 11c sind z. B. als ein einzelnes Element ausgebildet. Es kann eine frei wählbare Anzahl von Drain-Anschlüssen 11a und eine frei wählbare Anzahl von Drain-Rahmen-Fingern 11c bereitgestellt werden. Die Anzahl der Drain-Anschlüsse 11a und die Anzahl der Drain-Rahmen-Finger 11c können gleich oder unterschiedlich sein. Vorzugsweise wird die Anzahl der Drain-Rahmen-Finger 11c gemäß der Anzahl der Drain-Elektroden-Pads 21 im Transistor 20 in 24 bestimmt.
Wie in der Draufsicht zu sehen ist, sind die Drain-Anschlüsse 11a jeweils in einer länglichen rechteckigen Form ausgebildet, deren Längsrichtung mit der zweiten Richtung Y ausgerichtet ist. Die Drain-Anschlüsse 11a sind in gleichen Abständen in der ersten Richtung X angeordnet. Die Drain-Anschlüsse 11a sind an Positionen angrenzend an die erste Längsseitenfläche 35 des Versiegelungsharzes 30 angeordnet. Endteile der Drain-Anschlüsse 11a stehen an einer Seite in der zweiten Richtung Y aus der ersten Längsseitenfläche 35 des Versiegelungsharzes 30 hervor. Die Endteile der Drain-Anschlüsse 11a auf der anderen Seite in der zweiten Richtung Y sind mit dem Drain-Verbindungsstück 11b gekoppelt.
An den in der ersten Richtung X gegenüberliegenden Endteilen des Drain-Verbindungsstücks 11b sind einstückig mit dem Drain-Verbindungsstück 11b erste Verbindungsglieder 11d ausgebildet, welche den Drain-Rahmen 11 mit einem Stahlblech koppeln, wenn der Drain-Rahmen 11 aus dem Stahlblech als Basismaterial ausgebildet ist. Die ersten Verbindungsglieder 11d erstrecken sich in der ersten Richtung X von den gegenüberliegenden Endteilen des Drain-Verbindungsstücks 11b. Eines der ersten Verbindungsglieder 11d ist so ausgebildet, dass es sich von dem Drain-Verbindungsstück 11b bis zu der ersten Querseitenfläche 33 erstreckt. Das andere der ersten Verbindungsglieder 11d ist so ausgebildet, dass es sich von dem Drain-Verbindungsstück 11b bis zu der zweiten Querseitenfläche 34 erstreckt.
Die Drain-Rahmen-Finger 11c enthalten vier Drain-Rahmen-Finger 11P mit einer größeren Länge in der zweiten Richtung Y und einen Drain-Rahmen-Finger 11Q mit einer kleineren Länge in der zweiten Richtung Y.
Die der ersten Querseitenfläche 33 nächstgelegenen Drain-Rahmen-Finger 11P und der Drain-Rahmen-Finger 11Q weisen an ihnen ausgebildete zweite Verbindungsglieder 11i und 11j auf. Das zweite Verbindungsglied 11i erstreckt sich von der Mitte des Versiegelungsharzes 30 in Richtung der ersten Querseitenfläche 33 in der zweiten Richtung Y. Das zweite Verbindungsglied 11i, welches an den Drain-Rahmen-Fingern 11P bereitgestellt ist, ist von der ersten Querseitenfläche 33 aus freiliegend. Das zweite Verbindungsglied 11j, welches an dem Drain-Rahmen-Finger 11Q ausgebildet ist, erstreckt sich von der Mitte des Versiegelungsharzes 30 in Richtung der zweiten Querseitenfläche 34 in der zweiten Richtung Y. Das zweite Verbindungsglied 11j ist von der zweiten Querseitenfläche 34 aus freigelegt.
Wie in der Draufsicht zu sehen ist, ist der Source-Rahmen 12 in einem Teil des Versiegelungsharzes 30 in der Nähe der zweiten Längsseitenfläche 36 ausgebildet. Wie in der Draufsicht zu sehen ist, ist der Source-Rahmen 12 in einem Teil des Versiegelungsharzes 30 in der Nähe der ersten Querseitenfläche 33 ausgebildet. Der Source-Rahmen 12 enthält drei Source-Anschlüsse 12a, ein Source-Verbindungsstück 12b, welches diese Source-Anschlüsse 12a miteinander verbindet, und vier Source-Rahmen-Finger 12c, welche sich von dem Source-Verbindungsstück 12b in Richtung der ersten Längsseitenfläche 35 in der zweiten Richtung Y erstrecken. Die Source-Rahmen-Finger 12c erstrecken sich entlang der zweiten Richtung Y. Somit ist der Source-Rahmen 12 in der Form von Kammzähnen ausgebildet. Die Mehrzahl der Source-Anschlüsse 12a, das Source-Verbindungsstück 12b und die Mehrzahl der Source-Rahmen-Finger 12c sind z. B. als ein einzelnes Element ausgebildet. Es kann eine frei wählbare Anzahl von Source-Anschlüssen 12a und eine frei wählbare Anzahl von Source-Rahmen-Fingern 12c bereitgestellt sein. So können beispielsweise die Anzahl der Source-Anschlüsse 12a und die Anzahl der Source-Rahmen-Finger 12c gleich oder unterschiedlich sein. Vorzugsweise wird die Anzahl der Source-Rahmen-Finger 12c gemäß der Anzahl der Source-Elektroden-Pads 22 in dem Transistor 20 in 24 bestimmt.
Wie in der Draufsicht zu sehen ist, sind die Source-Anschlüsse 12a jeweils in einer langgestreckten rechteckigen Form ausgebildet, deren Längsrichtung mit der zweiten Richtung Y ausgerichtet ist. Die Source-Anschlüsse 12a sind in gleichen Abständen in der ersten Richtung X angeordnet. Die Source-Anschlüsse 12a sind an Positionen angeordnet, welche an die zweite Längsseitenfläche 36 des Versiegelungsharzes 30 angrenzen. Endteile der Source-Anschlüsse 12a an einer Seite in der zweiten Richtung Y stehen aus der zweiten Längsseitenfläche 36 des Versiegelungsharzes 30 hervor. Endteile der Source-Anschlüsse 12a an der anderen Seite in der zweiten Richtung Y sind mit dem Source-Verbindungsstück 12b gekoppelt. Die Positionen der Source-Anschlüsse 12a in der ersten Richtung X stimmen mit den Positionen der Drain-Anschlüsse 11a in der ersten Richtung X überein. Die Breite der Source-Anschlüsse 12a (die Abmessung der Source-Anschlüsse 12a in der ersten Richtung X) ist gleich der Breite der Drain-Anschlüsse 11a.
In einem Endteil des Source-Verbindungsstücks 12b nahe der ersten Querseitenfläche 33 ist ein Verbindungsglied 12d ausgebildet, welches den Source-Rahmen 12 mit einem Stahlblech (nicht dargestellt) koppelt, wenn der Source-Rahmen 12 aus dem Stahlblech als Basismaterial ausgebildet ist. Das Verbindungsglied 12d erstreckt sich vom Endteil des Source-Verbindungsstücks 12b bis zur ersten Querseitenfläche 33 in der ersten Richtung X.
Wie in der Draufsicht zu sehen ist, ist der Gate-Rahmen 13 in einem Teil des Versiegelungsharzes 30 in der Nähe der zweiten Längsseitenfläche 36 angeordnet. Wie in der Draufsicht zu sehen ist, ist der Gate-Rahmen 13 in einem Teil des Versiegelungsharzes 30 in der Nähe der zweiten Querseitenfläche 34 angeordnet. Der Gate-Rahmen 13 enthält einen Gate-Anschluss 13a, ein Gate-Verbindungsstück 13b und einen Gate-Rahmen-Finger 13c. Der Gate-Rahmen 13 ist in der ersten Richtung X angrenzend an den Source-Rahmen 12 angeordnet.
Wie in der Draufsicht zu sehen ist, ist der Gate-Anschluss 13a in einer langgestreckten rechteckigen Form ausgebildet, deren Längsrichtung mit der zweiten Richtung Y ausgerichtet ist. Der Gate-Anschluss 13a ist an einer Position angrenzend an die zweite Längsseitenfläche 36 des Versiegelungsharzes 30 angeordnet. Ein Endteil des Gate-Anschlusses 13a steht an einer Seite in der zweiten Richtung Y aus der zweiten Längsseitenfläche 36 des Versiegelungsharzes 30 hervor. Ein Endteil des Gate-Anschlusses 13a an der anderen Seite in der zweiten Richtung Y ist mit dem Gate-Verbindungsstück 13b gekoppelt. Die Position des Gate-Anschlusses 13a in der ersten Richtung X stimmt mit der Position überein, welche der zweiten Querseitenfläche 34 der Drain-Anschlüsse 11a am nächsten ist. Die Breite des Gate-Anschlusses 13a (die Abmessung des Gate-Anschlusses 13a in der ersten Richtung X) ist gleich der Breite der Drain-Anschlüsse 11a.
Das Verbindungsstück 13b koppelt gemeinsam den Gate-Anschluss 13a und den Gate-Rahmen-Finger 13c. Die Position des Gate-Verbindungsstücks 13b in der zweiten Richtung Y stimmt mit der Position des Source-Verbindungsstücks 12b in der zweiten Richtung Y überein. In einem Endteil des Gate-Verbindungsstücks 13b nahe der zweiten Querseitenfläche 34 ist ein Verbindungsglied 13d ausgebildet, welches den Gate-Rahmen 13 mit einem Stahlblech (nicht dargestellt) koppelt, wenn der Gate-Rahmen 13 aus dem Stahlblech als Basismaterial ausgebildet ist. Das Verbindungsglied 13d erstreckt sich vom Endteil des Gate-Verbindungsstücks 13b bis zur zweiten Querseitenfläche 34 entlang der ersten Richtung X.
Der Gate-Rahmen-Finger 13c ist auf der dem Gate-Anschluss 13a gegenüberliegenden Seite des Gate-Verbindungsstücks 13b angeordnet. Der Gate-Rahmen-Finger 13c erstreckt sich in der zweiten Richtung Y von einem Endteil des Gate-Verbindungsstücks 13b in der Nähe der ersten Querseitenfläche 33. Die Länge des Gate-Rahmen-Fingers 13c ist kleiner als die Länge der Source-Rahmen-Finger 12c.
Die Position des Gate-Rahmen-Fingers 13c in der ersten Richtung X stimmt mit der Position des Drain-Rahmen-Fingers 11Q in der ersten Richtung X überein. Der Gate-Rahmen-Finger 13c ist parallel zu den Source-Rahmen-Fingern 12c. Der Gate-Rahmen-Finger 13c ist näher an der zweiten Längsseitenfläche 36 angeordnet als der Drain-Rahmen-Finger 11Q. Das heißt, in der zweiten Richtung Y ist ein Spitzen-Endteil des Gate-Rahmen-Fingers 13c gegenüber einem Spitzen-Endteil des Drain-Rahmen-Fingers 11Q angeordnet.
< 12. Modifikationen >
Während die vorliegende Erfindung mittels Ausführungsformen beschrieben wurde, ermöglichen diese Ausführungsformen verschiedene Modifikationen, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise kann in den Schaltnetzteil-Schaltungen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen die Gate-Ansteuerungsspannung nicht nur für die Schaltelemente auf der Sekundärseite, sondern auch für die auf der Primärseite variabel gesteuert werden.
Die variable Steuerung der Gate-Ansteuerungsspannung kann nicht nur auf isolierte, sondern auch auf nicht isolierte Schaltnetzteil-Schaltungen angewandt werden; sie kann beispielsweise auf High-Side- und/oder Low-Side-Schaltelemente in nicht isolierten Abwärts-Gleichstromwandlern angewandt werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung findet Anwendung in einer Vielzahl von Schaltnetzteil-Schaltungen.
Bezugszeichenliste

100, 100X, 100XA bis 100XD: Schaltnetzteil-Schaltung
210 bis 240: sekundär-seitige Schaltung
310, 310A bis 340A, 310B bis 340B, 310C bis 340C, 310D bis 340D: Stromdetektor
41: Rückkopplungssteuereinheit
42, 421, 422: variable Steuereinheit
42A, 421A, 422A: Referenzspannungsgenerator
43: variable Steuereinheit
43A: Prozessor
RG, RG1, RG2: Regler
PP1, PP2: Gegentaktschaltung
C1, C2: Eingangskondensator
SW1 bis SW4, SW31 bis SW34, SW41 bis SW44: Schaltelement
Tr: Transformator
N1: Primärwicklung
N2, N21 bis N24: Sekundärwicklung
L1, L2, L11 bis L14, L21 bis L24: Spule
C3: Ausgangskondensator
R1 bis R4, R11, R12, R21, R22, R31, R32, R41, R42: Widerstand
C4, C41, C42: Kondensator
ER1, ER2, ER21, ER22: Fehlerverstärker
IS: Isolator
CP1, CP2: Komparator
Dr1 bis Dr4: Treiber
IV1, IV2: Inverter
M1, M11, M12: Ausgangstransistor
BP11, BP21: NPN-Transistor
BP12, BP22: PNP-Transistor
T31 bis T34, T41 bis T44: Temperaturdetektor
Z: Last

Claims

Schaltnetzteil-Schaltung, umfassend: ein Schaltelement; einen Detektor, welcher konfiguriert ist, eine physikalische Größe zu detektieren, welche sich auf eine Ausgangsleistung der Schaltnetzteil-Schaltung bezieht; und eine variable Steuereinheit, welche konfiguriert ist, eine Gate-Ansteuerungsspannung für das Schaltelement basierend auf einem Ergebnis der Detektion durch den Detektor variabel zu steuern.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei der Detektor ein Stromdetektor ist, welcher konfiguriert ist, als die physikalische Größe einen Ausgangsstrom zu detektieren, welcher von der Schaltnetzteil-Schaltung zu einer Last fließt.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei der Detektor ein Stromdetektor ist, welcher konfiguriert ist, als die physikalische Größe einen Strom zu detektieren, welcher durch das Schaltelement fließt.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die variable Steuereinheit enthält: einen Referenzspannungsgenerator, welcher konfiguriert ist, eine Referenzspannung basierend auf einem Stromdetektierungssignal, welches von dem Stromdetektor ausgegeben wird, zu generieren; und einen Regler, welcher konfiguriert ist, basierend auf der Referenzspannung eine Ausgangsspannung, welche als die Gate-Ansteuerungsspannung verwendet wird, auszugeben.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 4, wobei der Referenzspannungsgenerator Spannungs-Teilungs-Widerstände enthält, welche konfiguriert sind, eine Spannung des Stromdetektierungssignals zu teilen.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei der Referenzspannungsgenerator enthält: einen ersten Widerstand, mit einem ersten Anschluss, welcher mit dem Stromdetektierungssignal gespeist wird; und einen ersten Kondensator mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem zweiten Anschluss des ersten Widerstandes verbunden ist und einem zweiten Anschluss, welcher mit einem Massepotential gespeist wird.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Regler enthält: einen Ausgangstransistor mit einem ersten Anschluss, welcher mit einer Eingangsspannung gespeist wird, und einem zweiten Anschluss, an welchem die Ausgangsspannung anliegt; einen zweiten Widerstand mit einem ersten Anschluss, welcher mit dem zweiten Anschluss des Ausgangstransistors verbunden ist; einen dritten Widerstand mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem zweiten Anschluss des zweiten Widerstandes verbunden ist und einem zweiten Anschluss, welcher mit einem Massepotential gespeist wird; und einen ersten Fehlerverstärker mit einem ersten Eingangsanschluss, welcher mit einem Verbindungsknoten verbunden ist, mit welchem der zweite und der dritte Widerstand verbunden sind, einem zweiten Eingangsanschluss, welcher mit der Referenzspannung gespeist wird, und einem Ausgangsanschluss, welcher mit einem Steueranschluss des Ausgangstransistors verbunden ist.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, ferner umfassend: eine Gegentaktschaltung, welche konfiguriert ist, mit der Ausgangsspannung als Versorgungsspannung versorgt zu werden, mit einer Ausgabe eines Treibers gespeist zu werden, und die Gate-Ansteuerungsspannung auszugeben, während ihre Level basierend auf dem Ausgang des Treibers umgeschaltet werden.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei der Detektor ein Temperaturdetektor ist, welcher konfiguriert ist, als die physikalische Größe eine Temperatur des Schaltelements zu detektieren.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 9, wobei die variable Steuereinheit enthält: einen Prozessor, welcher konfiguriert ist, einen Leitungsverlust in dem Schaltelement basierend auf einem Temperaturdetektierungssignal, welches von dem Detektor ausgegeben wird, und der Gate-Ansteuerungsspannung zu berechnen.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schaltnetzteil-Schaltung von einem isolierten Typ ist, und das Schaltelement in einer Sekundärseite angeordnet ist.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 11, umfassend: einen ersten Eingangskondensator und einen zweiten Eingangskondensator, welche zwischen einem Anwendungsanschluss für eine erste Eingangsspannung und einem Anwendungsanschluss für ein Massepotential in Reihe verbunden sind; ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement, welche zwischen dem Anwendungsanschluss für die erste Eingangsspannung und dem Anwendungsanschluss für das Massepotential in Reihe verbunden sind; einen Transformator mit einer Primärwicklung, welche verbunden ist zwischen einem ersten Verbindungsknoten, mit welchem der erste und der zweite Eingangskondensator verbunden sind, und einem zweiten Verbindungsknoten, mit welchem das erste und das zweite Schaltelement verbunden sind, und einer Sekundärwicklung; eine erste Spule mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung verbunden ist; eine zweite Spule mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung verbunden ist; ein drittes Schaltelement mit einem ersten Anschluss, welcher mit dem ersten Anschluss der zweiten Spule verbunden ist; ein viertes Schaltelement mit einem ersten Anschluss, welcher mit dem ersten Anschluss der ersten Spule verbunden ist; und einen Ausgangskondensator mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem dritten Verbindungsknoten verbunden ist, mit welchem die zweiten Anschlüsse der ersten und zweiten Spule verbunden sind, und einem zweiten Anschluss, welcher mit den zweiten Anschlüssen des dritten und vierten Schaltelements verbunden ist.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 12, wobei die Schaltnetzteil-Schaltung eine Mehrzahl von sekundär-seitigen Schaltungen aufweist, welche jeweils die Sekundärwicklung, die erste und zweite Spule, und das dritte und vierte Schaltelement enthalten, und die Mehrzahl von sekundär-seitigen Schaltungen parallel verbunden sind.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei der Detektor ein Stromdetektor ist, welcher in einer Stufe angeordnet ist, welche auf den Ausgangskondensator folgt.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei der Detektor ein Stromdetektor ist, welcher konfiguriert ist, einen Strom durch jedes der dritten und vierten Schaltelemente zu detektieren.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 13, wobei der Detektor einen Stromdetektor für jede der sekundär-seitigen Schaltungen enthält.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 16, wobei der Stromdetektor in einer Stufe angeordnet ist, welche auf den dritten Verbindungsknoten folgt, die variable Steuereinheit enthält: einen Referenzspannungsgenerator, welcher konfiguriert ist, eine Referenzspannung basierend auf einem Stromdetektierungssignal, welches von dem Stromdetektor ausgegeben wird, zu generieren; und einen Regler, welcher konfiguriert ist, basierend auf der Referenzspannung eine Ausgangsspannung, welche als die Gate-Ansteuerungsspannung verwendet wird, auszugeben, und der Referenzspannungsgenerator enthält: einen ersten Widerstand mit einem ersten Anschluss, welcher mit dem Stromdetektierungssignal gespeist wird; und einen ersten Kondensator mit einem ersten Anschluss, welcher mit einem zweiten Anschluss des ersten Widerstandes verbunden ist und einem zweiten Anschluss, welcher mit einem Massepotential gespeist wird.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei der Detektor ein Temperaturdetektor ist, welcher konfiguriert ist, eine Temperatur von jedem der dritten und vierten Schaltelemente zu detektieren.
Schaltnetzteil-Schaltung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei das erste, zweite, dritte, und vierte Schaltelement mittels Verwendung von GaN (Galliumnitrid) als Halbleitermaterial ausgebildet sind.