JP2004312913A - 降圧型dc−dcコンバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】同期整流用MOSFETのボディダイオードの導通期間を短縮し、導通損失を低減させて電力変換効率を向上させる。
【解決手段】同期整流式の降圧型DC−DCコンバータにおいて、ハイサイド側MOSFET2及びローサイド側MOSFET3に対するゲート信号を出力する制御回路22bが、平滑コンデンサ5の両端電圧を一定に制御するためのパルス幅制御信号aの反転論理信号dとMOSFET3の両端電圧の反転論理信号との論理積信号をMOSFET3のゲート信号として出力するためのNOT回路13,19、AND回路21、ローサイドドライバ17と、MOSFET3のゲート電圧の反転論理信号と前記パルス幅制御信号aとの論理積信号をMOSFET2のゲート信号として出力するためのNOT回路18、AND回路20、ハイサイドドライバ16と、を備える。
【選択図】 図1
【解決手段】同期整流式の降圧型DC−DCコンバータにおいて、ハイサイド側MOSFET2及びローサイド側MOSFET3に対するゲート信号を出力する制御回路22bが、平滑コンデンサ5の両端電圧を一定に制御するためのパルス幅制御信号aの反転論理信号dとMOSFET3の両端電圧の反転論理信号との論理積信号をMOSFET3のゲート信号として出力するためのNOT回路13,19、AND回路21、ローサイドドライバ17と、MOSFET3のゲート電圧の反転論理信号と前記パルス幅制御信号aとの論理積信号をMOSFET2のゲート信号として出力するためのNOT回路18、AND回路20、ハイサイドドライバ16と、を備える。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源電圧をそれよりも低い直流電圧に変換する同期整流式の降圧型DC−DCコンバータに関し、詳しくは、主スイッチング素子のオフに伴う還流期間の導通損失を低減するようにした降圧型DC−DCコンバータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
後述する特許文献1に記載されているように、電圧が変動する直流電源から定電圧の直流電圧を生成するDC/DCコンバータ等において、例えば供給電流が大きい重負荷時に主スイッチング素子がオフした際の還流ダイオードによる導通損失を低減して効率の向上を図った同期整流回路が既に知られている。
この従来技術では、還流ダイオードに並列に同期整流素子としてMOSFET等の半導体スイッチング素子を用いることで損失を低減しており、図3にその類似回路を示す。
【0003】
図3に示す回路は、直流電源1、その両端に直列接続されたnチャネル形のMOSFET2,3、平滑リアクトル4、平滑コンデンサ5からなる降圧型DC−DCコンバータと、分圧用の抵抗7,8、基準電圧源9、誤差増幅器10、キャリア発生器11、コンパレータ12、NOT回路13、オンディレイ回路14,15、ハイサイドドライバ16、ローサイドドライバ17からなる制御回路22aとによって構成されている。ここで、MOSFET2は直流電源1の高電位(正極)側に接続されるためハイサイド側のMOSFET(主スイッチング素子)といい、MOSFET3は直流電源1の低電位(負極)側に接続されるためローサイド側のMOSFET(同期整流素子)というものとする。
なお、6はDC−DCコンバータに接続された負荷である。
【0004】
図4は、図3に示した回路の動作を示す波形図である。
図3の制御回路22aは、平滑コンデンサ5の両端電圧を抵抗7,8により分圧した電圧と出力電圧指令値である基準電圧源9の基準電圧との誤差を誤差増幅器10により増幅し、この増幅した信号とキャリアとの大小関係をコンパレータ12により比較して、主スイッチング素子であるMOSFET2のパルス幅制御信号aを生成する。
【0005】
また、NOT回路13によりパルス幅制御信号aの反転論理信号dを生成し、この信号dがMOSFET3の同期整流信号となる。更に、MOSFET2,3が同時にオンして大きな貫通電流が流れるのを防止するため、信号a,dをそれぞれオンディレイ回路14,15に入力して信号b,cに変換し、図4に示す如く信号b,c間にデッドタイムtdを設けながらMOSFET2,3を交互にオンオフさせている。
なお、図3のハイサイドドライバ16は、オンディレイ回路14の出力信号bを増幅してMOSFET2に対するゲート信号を出力し、ローサイドドライバ17は、オンディレイ回路15の出力信号cを増幅してMOSFET3に対するゲート信号を出力するものである。
【0006】
図4において、V2,I2はMOSFET2の両端電圧及び電流、V3,I3はMOSFET3の両端電圧及び電流であり、MOSFET2の電流I2とMOSFET3の電流I3を交互に流すことにより平滑リアクトル4を介して平滑コンデンサ5が充電され、負荷6には出力電圧指令値に一致したほぼ一定の電圧が供給される。また、図4において、t2はMOSFET3のチャネル導通モード、t1,t3はボディダイオード(ドレイン・ソース間に構成される内蔵ダイオード)の導通モードを示す。
【0007】
この従来技術によれば、MOSFET2がオフした時に平滑リアクトル4の蓄積エネルギーはMOSFET3を介して放出されるため、還流期間の導通損失が低減されることになる。
【0008】
上記の従来技術では、前述したように、MOSFET2,3の同時オンを防止するためにデッドタイムtd(td1,td2)を設け、MOSFET2,3に対して交互にゲート信号b,cを与えている。ここで、デッドタイムtdは固定時間であり、あらゆる動作条件で同時オンによる貫通電流が流れないように、余裕時間を考慮して比較的長めに設定されている。
このため、図4のボディダイオード導通モードt1,t3も時間的に長くなり、ボディダイオードの導通損失によってMOSFET本来の導通損失低減作用が十分に果たされない傾向があった。
【0009】
なお、他の従来技術として、同期整流用のスイッチング電源回路において、スイッチング周期が変更された場合にデッドタイムの長さを自動的に調整するようにした発明が、特許文献2に記載されている。
【0010】
【特許文献1】
特開平9−261950号公報(段落[0008]、図2、図3)
【特許文献2】
特開平6−225522号公報(段落[0008],[0009],[0016]〜[0018]、図1)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献2に記載された従来技術は、スイッチング周期に比例させてデッドタイムの長さを自動調整するものであり、還流期間の導通損失を低減させる観点からデッドタイムやボディダイオードの導通期間を調整するものではない。
そこで本発明は、同期整流式の降圧型DC−DCコンバータにおいて、主スイッチング素子のMOSFETをオフした還流期間における同期整流用MOSFETのボディダイオードの導通期間を短縮し、特許文献1に比べ導通損失を一層低減させてDC−DCコンバータの電力変換効率を向上させることを解決課題とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、直流電源に対し並列に、主スイッチング素子としてのハイサイド側MOSFETと同期整流素子としてのローサイド側MOSFETとの直列回路を接続し、ローサイド側MOSFETのドレイン−ソース間に平滑リアクトルと平滑コンデンサとを直列に接続すると共に、ハイサイド側MOSFET及びローサイド側MOSFETを交互にオンオフさせることにより前記直流電源の電圧を降圧して前記平滑コンデンサの両端に接続された負荷に一定電圧を供給する同期整流式の降圧型DC−DCコンバータにおいて、
ハイサイド側MOSFET及びローサイド側MOSFETに対するゲート信号を出力する制御回路が、
平滑コンデンサの両端の電圧を一定に制御するためのパルス幅制御信号の反転論理信号とローサイド側MOSFETの両端電圧の反転論理信号との論理積信号をローサイド側MOSFETのゲート信号として出力する手段と、
ローサイド側MOSFETのゲート電圧の反転論理信号と前記パルス幅制御信号との論理積信号をハイサイド側MOSFETのゲート信号として出力する手段と、を備えたものである。
【0013】
請求項2に記載した発明は、請求項1記載の降圧型DC−DCコンバータにおいて、
前記制御回路が、
ローサイド側MOSFETの両端電圧が第1のしきい値を下回った時にローサイド側MOSFETのゲート電圧を立ち上げる手段と、ローサイド側MOSFETのゲート電圧が第2のしきい値を下回った時にハイサイド側MOSFETのゲート電圧を立ち上げる手段と、を備え、
ローサイド側MOSFETのゲート電圧が立ち上がった後にハイサイド側MOSFETがオフしてからローサイド側MOSFETがオンするまでの期間、及び、ハイサイド側MOSFETのゲート電圧が立ち上がってローサイド側MOSFETがオフしてからハイサイド側MOSFETがオンするまでの期間に、ローサイド側MOSFETのボディダイオードを導通させるものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1はこの実施形態の構成を示す回路であり、DC−DCコンバータの主回路の構成は図3と同一であるため説明を省略し、以下では制御回路22bの構成を中心にして説明する。
【0015】
図1の制御回路22bにおいて、図3と同様に、7,8は平滑コンデンサ5の両端に互いに直列接続された分圧用の抵抗、9は基準電圧源、10は抵抗7,8の分圧値及び基準電圧が図示の符号で入力される誤差増幅器、11はキャリア発生器、12は誤差増幅器10の出力信号とキャリアとを比較するコンパレータであり、このコンパレータ12からはパルス幅制御信号aが出力される。
【0016】
一方、18はローサイド側MOSFET3のゲート電圧が入力されるNOT回路、19はMOSFET3の両端電圧が入力されるNOT回路である。また、20はコンパレータ12から出力されるパルス幅制御信号aとNOT回路18の出力信号との論理積を得るAND回路、21はNOT回路13の出力信号d(パルス幅制御信号aの反転論理信号)とNOT回路19の出力信号との論理積を得るAND回路である。
更に、16はAND回路20の出力信号を増幅してMOSFET2のゲート信号を得るハイサイドドライバ、17はAND回路21の出力信号を増幅してMOSFET3のゲート信号を得るローサイドドライバである。
【0017】
次に、この実施形態の動作を、図2の波形図の各期間1〜7ごとに順を追って説明する。
(1)期間1
まず、MOSFET2のパルス幅を決定するコンパレータ12からのパルス幅制御信号aが立ち下がるタイミング、つまり、MOSFET2がオンからオフに移行する際の動作を説明する。
期間1以前の期間7では、MOSFET3のゲート電圧VG3は零であり、NOT回路18の出力信号は“High”レベルである。また、コンパレータ12のパルス幅制御信号aは期間1以後、“High”レベルから“Low”レベルになるため、AND回路20の出力信号は“Low”レベルとなり、ハイサイドドライバ16によりMOSFET2のゲート電圧VG2は低下し始める。これにより、MOSFET2の両端電圧V2は上昇し始めると共に、MOSFET3の両端電圧V3が下降し始める。
【0018】
(2)期間2
MOSFET3の両端電圧V3がNOT回路19の入力しきい値電圧V19(th)(請求項2における第1のしきい値)を下回ると、NOT回路19の出力信号が“High”レベルとなる。このとき、NOT回路13の出力信号dは“High”レベルであるから、AND回路21及びローサイドドライバ17を介してMOSFET3のゲート電圧VG3が零から上昇し始める。
【0019】
(3)期間3
MOSFET2のゲート電圧VG2がMOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)を下回ると、MOSFET2がオフし、その後、MOSFET2の電流I2は零まで低下する。また、この間、MOSFET3の両端電圧V3は零以下の負の値に低下し、MOSFET3はボディダイオード導通モードとなる。なお、前述したNOT回路19の入力しきい値電圧V19(th)は、MOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)よりも大きい値に設定されている。
この期間3では、MOSFET3のゲート電圧VG3は更に上昇する。
【0020】
(4)期間4
MOSFET3のゲート電圧VG3がMOSFET3のゲートしきい値電圧VG3(th)を越えると、MOSFET3はチャネル導通モードとなり、MOSFET3の両端電圧V3が期間3よりも零に近くなる同期整流動作となる。
【0021】
ここで、前述した期間3は、MOSFET2のゲート電圧VG2がしきい値電圧VG2(th)を下回ってオフしてから、MOSFET3のゲート電圧VG3がしきい値電圧VG3(th)を上回ってオンするまでの期間であり、いわゆるデッドタイムに相当する。このデッドタイムにより、MOSFET2,3の同時オンによって大きな貫通電流が流れるのが防止される。
また、この期間3ではMOSFET3のソース電圧がドレイン電圧に対して正電位(両端電圧V3が負)となり、MOSFET3がボディダイオード導通モードとなって電流I3が増加していく。
【0022】
以下に、図2の期間3におけるボディダイオード導通モードを、図4の従来技術と比較しながら考察する。
図2では、NOT回路19の入力しきい値電圧V19(th)をMOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)よりも大きい値に設定してあり、パルス幅制御信号aが“Low”レベルになってからMOSFET3の両端電圧V3がしきい値電圧V19(th)を下回ってMOSFET3のゲート電圧VG3が立ち上がるまでの時間(期間1)は短い。このため、パルス幅制御信号aが“Low”レベルになってからMOSFET3のゲート電圧VG3がMOSFET3のゲートしきい値電圧VG3(th)を越えてオンするまで(期間3の終期)の時間を、図4のデッドタイムtd2に比べて短くすることができる。
一方、パルス幅制御信号aが“Low”レベルになってからMOSFET3の両端電圧V3が零になるまで(期間2の終期)の時間は、回路定数を等しくすれば図2,図4で同等であるため、結果として、図2のボディダイオード導通モード(期間3)を図4のボディダイオード導通モードt1よりも短くすることができる。
【0023】
(5)期間5
コンパレータ12のパルス幅制御信号aが立ち上がることにより、この期間が開始する。パルス幅制御信号aの立ち上がりによってNOT回路13の出力信号dは立ち下がり、AND回路21の出力信号は“Low”レベルになる。
従って、ローサイドドライバ17によりMOSFET3のゲート電圧VG3は下降し始める。
【0024】
(6)期間6
MOSFET3のゲート電圧VG3がゲートしきい値電圧VG3(th)を下回ると、MOSFET3のチャネル導通モードが終了すると共に、MOSFET3の両端電圧V3は期間5よりも負側に大きくなってボディダイオード導通モードとなる
また、MOSFET3のゲート電圧VG3がNOT回路18の入力しきい値電圧V18(th)(請求項2における第2のしきい値であり、前記しきい値電圧VG3(th)に等しいか、もしくはVG3(th)よりも若干小さい値)を下回ると、NOT回路18の出力信号は“High”レベルとなり、AND回路20及びハイサイドドライバ16を介してMOSFET2のゲート電圧VG2は上昇し始める。なお、前述したNOT回路18の入力しきい値電圧V18(th)は、MOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)よりも大きい値に設定されている。
【0025】
(7)期間7
MOSFET2のゲート電圧VG2がゲートしきい値電圧VG2(th)を越えるとMOSFET2がターンオンする。同時に、MOSFET3のボディダイオードが逆回復し、オフ状態となる。
【0026】
ここで、前述した期間6は、MOSFET3のゲート電圧VG3がしきい値電圧VG3(th)を下回ってオフしてから、MOSFET2のゲート電圧VG2がしきい値電圧VG2(th)を上回ってオンするまでの期間であり、いわゆるデッドタイムに相当する。このデッドタイムにより、期間3と同様にMOSFET2,3の同時オンが防止される。
【0027】
以下に、図2の期間6におけるボディダイオード導通モードを、図4の従来技術と比較しながら考察する。
図2では、MOSFET3のゲート電圧VG3がNOT回路18のしきい値電圧V18(th)を下回ると、MOSFET2のゲート電圧VG2が立ち上がる。
ここでは、NOT回路19の入力しきい値電圧V19(th)をMOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)よりも大きい値に設定してあり、MOSFET3のゲート電圧VG3がしきい値電圧VG3(th)を下回ってオフしてから(MOSFET2のゲート電圧VG2が立ち上がってから)MOSFET2のゲート電圧VG2がしきい値電圧VG2(th)を上回ってオンするまでの時間(期間6)を、図4のデッドタイムtd1に比べて短くすることができる。この期間6はボディダイオード導通モードに相当し、図4のボディダイオード導通モードt3よりも短くすることができる。
【0028】
このように、本実施形態では、ボディダイオード導通モードとなる期間3,6を図4のt1,t3よりも短縮することができ、還流期間におけるMOSFETの導通損失を従来よりも少なくすることが可能である。
【0029】
なお、図2から明らかなように、この実施形態ではボディダイオード導通モード(期間3,6)の長さがMOSFET2,3のゲートしきい値電圧VG2(th),VG3(th)に左右されることになり、これらのしきい値は製造条件や使用時の周囲温度によってばらつくことが予想されるが、これらの変動要因を考慮しながらNOT回路18,19の入力しきい値電圧V18(th),V19(th)をMOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)よりも十分大きい値に設定することにより、デッドタイム内のボディダイオード導通期間を従来よりも短縮することができる。
【0030】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、主スイッチング素子であるハイサイド側のMOSFETのオフ時における還流期間に、ローサイド側のMOSFETのボディダイオードの導通期間が短縮されるため、従来よりも導通損失の低減が可能となり、結果的に降圧型DC−DCコンバータの電力変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図2】図1の動作を示す波形図である。
【図3】従来技術を示す回路図である。
【図4】図3の動作を示す波形図である、
【符号の説明】
1:直流電源
2,3:MOSFET
4:平滑リアクトル
5:平滑コンデンサ
6:負荷
7,8:抵抗
9:基準電圧源
10:誤差増幅器
11:キャリア発生器
12:コンパレータ
13,18,19:NOT回路
14,15:オンディレイ生成回路
16:ハイサイドドライバ
17:ローサイドドライバ
20,21:AND回路
22a,22b:制御回路
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源電圧をそれよりも低い直流電圧に変換する同期整流式の降圧型DC−DCコンバータに関し、詳しくは、主スイッチング素子のオフに伴う還流期間の導通損失を低減するようにした降圧型DC−DCコンバータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
後述する特許文献1に記載されているように、電圧が変動する直流電源から定電圧の直流電圧を生成するDC/DCコンバータ等において、例えば供給電流が大きい重負荷時に主スイッチング素子がオフした際の還流ダイオードによる導通損失を低減して効率の向上を図った同期整流回路が既に知られている。
この従来技術では、還流ダイオードに並列に同期整流素子としてMOSFET等の半導体スイッチング素子を用いることで損失を低減しており、図3にその類似回路を示す。
【0003】
図3に示す回路は、直流電源1、その両端に直列接続されたnチャネル形のMOSFET2,3、平滑リアクトル4、平滑コンデンサ5からなる降圧型DC−DCコンバータと、分圧用の抵抗7,8、基準電圧源9、誤差増幅器10、キャリア発生器11、コンパレータ12、NOT回路13、オンディレイ回路14,15、ハイサイドドライバ16、ローサイドドライバ17からなる制御回路22aとによって構成されている。ここで、MOSFET2は直流電源1の高電位(正極)側に接続されるためハイサイド側のMOSFET(主スイッチング素子)といい、MOSFET3は直流電源1の低電位(負極)側に接続されるためローサイド側のMOSFET(同期整流素子)というものとする。
なお、6はDC−DCコンバータに接続された負荷である。
【0004】
図4は、図3に示した回路の動作を示す波形図である。
図3の制御回路22aは、平滑コンデンサ5の両端電圧を抵抗7,8により分圧した電圧と出力電圧指令値である基準電圧源9の基準電圧との誤差を誤差増幅器10により増幅し、この増幅した信号とキャリアとの大小関係をコンパレータ12により比較して、主スイッチング素子であるMOSFET2のパルス幅制御信号aを生成する。
【0005】
また、NOT回路13によりパルス幅制御信号aの反転論理信号dを生成し、この信号dがMOSFET3の同期整流信号となる。更に、MOSFET2,3が同時にオンして大きな貫通電流が流れるのを防止するため、信号a,dをそれぞれオンディレイ回路14,15に入力して信号b,cに変換し、図4に示す如く信号b,c間にデッドタイムtdを設けながらMOSFET2,3を交互にオンオフさせている。
なお、図3のハイサイドドライバ16は、オンディレイ回路14の出力信号bを増幅してMOSFET2に対するゲート信号を出力し、ローサイドドライバ17は、オンディレイ回路15の出力信号cを増幅してMOSFET3に対するゲート信号を出力するものである。
【0006】
図4において、V2,I2はMOSFET2の両端電圧及び電流、V3,I3はMOSFET3の両端電圧及び電流であり、MOSFET2の電流I2とMOSFET3の電流I3を交互に流すことにより平滑リアクトル4を介して平滑コンデンサ5が充電され、負荷6には出力電圧指令値に一致したほぼ一定の電圧が供給される。また、図4において、t2はMOSFET3のチャネル導通モード、t1,t3はボディダイオード(ドレイン・ソース間に構成される内蔵ダイオード)の導通モードを示す。
【0007】
この従来技術によれば、MOSFET2がオフした時に平滑リアクトル4の蓄積エネルギーはMOSFET3を介して放出されるため、還流期間の導通損失が低減されることになる。
【0008】
上記の従来技術では、前述したように、MOSFET2,3の同時オンを防止するためにデッドタイムtd(td1,td2)を設け、MOSFET2,3に対して交互にゲート信号b,cを与えている。ここで、デッドタイムtdは固定時間であり、あらゆる動作条件で同時オンによる貫通電流が流れないように、余裕時間を考慮して比較的長めに設定されている。
このため、図4のボディダイオード導通モードt1,t3も時間的に長くなり、ボディダイオードの導通損失によってMOSFET本来の導通損失低減作用が十分に果たされない傾向があった。
【0009】
なお、他の従来技術として、同期整流用のスイッチング電源回路において、スイッチング周期が変更された場合にデッドタイムの長さを自動的に調整するようにした発明が、特許文献2に記載されている。
【0010】
【特許文献1】
特開平9−261950号公報(段落[0008]、図2、図3)
【特許文献2】
特開平6−225522号公報(段落[0008],[0009],[0016]〜[0018]、図1)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献2に記載された従来技術は、スイッチング周期に比例させてデッドタイムの長さを自動調整するものであり、還流期間の導通損失を低減させる観点からデッドタイムやボディダイオードの導通期間を調整するものではない。
そこで本発明は、同期整流式の降圧型DC−DCコンバータにおいて、主スイッチング素子のMOSFETをオフした還流期間における同期整流用MOSFETのボディダイオードの導通期間を短縮し、特許文献1に比べ導通損失を一層低減させてDC−DCコンバータの電力変換効率を向上させることを解決課題とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、直流電源に対し並列に、主スイッチング素子としてのハイサイド側MOSFETと同期整流素子としてのローサイド側MOSFETとの直列回路を接続し、ローサイド側MOSFETのドレイン−ソース間に平滑リアクトルと平滑コンデンサとを直列に接続すると共に、ハイサイド側MOSFET及びローサイド側MOSFETを交互にオンオフさせることにより前記直流電源の電圧を降圧して前記平滑コンデンサの両端に接続された負荷に一定電圧を供給する同期整流式の降圧型DC−DCコンバータにおいて、
ハイサイド側MOSFET及びローサイド側MOSFETに対するゲート信号を出力する制御回路が、
平滑コンデンサの両端の電圧を一定に制御するためのパルス幅制御信号の反転論理信号とローサイド側MOSFETの両端電圧の反転論理信号との論理積信号をローサイド側MOSFETのゲート信号として出力する手段と、
ローサイド側MOSFETのゲート電圧の反転論理信号と前記パルス幅制御信号との論理積信号をハイサイド側MOSFETのゲート信号として出力する手段と、を備えたものである。
【0013】
請求項2に記載した発明は、請求項1記載の降圧型DC−DCコンバータにおいて、
前記制御回路が、
ローサイド側MOSFETの両端電圧が第1のしきい値を下回った時にローサイド側MOSFETのゲート電圧を立ち上げる手段と、ローサイド側MOSFETのゲート電圧が第2のしきい値を下回った時にハイサイド側MOSFETのゲート電圧を立ち上げる手段と、を備え、
ローサイド側MOSFETのゲート電圧が立ち上がった後にハイサイド側MOSFETがオフしてからローサイド側MOSFETがオンするまでの期間、及び、ハイサイド側MOSFETのゲート電圧が立ち上がってローサイド側MOSFETがオフしてからハイサイド側MOSFETがオンするまでの期間に、ローサイド側MOSFETのボディダイオードを導通させるものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1はこの実施形態の構成を示す回路であり、DC−DCコンバータの主回路の構成は図3と同一であるため説明を省略し、以下では制御回路22bの構成を中心にして説明する。
【0015】
図1の制御回路22bにおいて、図3と同様に、7,8は平滑コンデンサ5の両端に互いに直列接続された分圧用の抵抗、9は基準電圧源、10は抵抗7,8の分圧値及び基準電圧が図示の符号で入力される誤差増幅器、11はキャリア発生器、12は誤差増幅器10の出力信号とキャリアとを比較するコンパレータであり、このコンパレータ12からはパルス幅制御信号aが出力される。
【0016】
一方、18はローサイド側MOSFET3のゲート電圧が入力されるNOT回路、19はMOSFET3の両端電圧が入力されるNOT回路である。また、20はコンパレータ12から出力されるパルス幅制御信号aとNOT回路18の出力信号との論理積を得るAND回路、21はNOT回路13の出力信号d(パルス幅制御信号aの反転論理信号)とNOT回路19の出力信号との論理積を得るAND回路である。
更に、16はAND回路20の出力信号を増幅してMOSFET2のゲート信号を得るハイサイドドライバ、17はAND回路21の出力信号を増幅してMOSFET3のゲート信号を得るローサイドドライバである。
【0017】
次に、この実施形態の動作を、図2の波形図の各期間1〜7ごとに順を追って説明する。
(1)期間1
まず、MOSFET2のパルス幅を決定するコンパレータ12からのパルス幅制御信号aが立ち下がるタイミング、つまり、MOSFET2がオンからオフに移行する際の動作を説明する。
期間1以前の期間7では、MOSFET3のゲート電圧VG3は零であり、NOT回路18の出力信号は“High”レベルである。また、コンパレータ12のパルス幅制御信号aは期間1以後、“High”レベルから“Low”レベルになるため、AND回路20の出力信号は“Low”レベルとなり、ハイサイドドライバ16によりMOSFET2のゲート電圧VG2は低下し始める。これにより、MOSFET2の両端電圧V2は上昇し始めると共に、MOSFET3の両端電圧V3が下降し始める。
【0018】
(2)期間2
MOSFET3の両端電圧V3がNOT回路19の入力しきい値電圧V19(th)(請求項2における第1のしきい値)を下回ると、NOT回路19の出力信号が“High”レベルとなる。このとき、NOT回路13の出力信号dは“High”レベルであるから、AND回路21及びローサイドドライバ17を介してMOSFET3のゲート電圧VG3が零から上昇し始める。
【0019】
(3)期間3
MOSFET2のゲート電圧VG2がMOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)を下回ると、MOSFET2がオフし、その後、MOSFET2の電流I2は零まで低下する。また、この間、MOSFET3の両端電圧V3は零以下の負の値に低下し、MOSFET3はボディダイオード導通モードとなる。なお、前述したNOT回路19の入力しきい値電圧V19(th)は、MOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)よりも大きい値に設定されている。
この期間3では、MOSFET3のゲート電圧VG3は更に上昇する。
【0020】
(4)期間4
MOSFET3のゲート電圧VG3がMOSFET3のゲートしきい値電圧VG3(th)を越えると、MOSFET3はチャネル導通モードとなり、MOSFET3の両端電圧V3が期間3よりも零に近くなる同期整流動作となる。
【0021】
ここで、前述した期間3は、MOSFET2のゲート電圧VG2がしきい値電圧VG2(th)を下回ってオフしてから、MOSFET3のゲート電圧VG3がしきい値電圧VG3(th)を上回ってオンするまでの期間であり、いわゆるデッドタイムに相当する。このデッドタイムにより、MOSFET2,3の同時オンによって大きな貫通電流が流れるのが防止される。
また、この期間3ではMOSFET3のソース電圧がドレイン電圧に対して正電位(両端電圧V3が負)となり、MOSFET3がボディダイオード導通モードとなって電流I3が増加していく。
【0022】
以下に、図2の期間3におけるボディダイオード導通モードを、図4の従来技術と比較しながら考察する。
図2では、NOT回路19の入力しきい値電圧V19(th)をMOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)よりも大きい値に設定してあり、パルス幅制御信号aが“Low”レベルになってからMOSFET3の両端電圧V3がしきい値電圧V19(th)を下回ってMOSFET3のゲート電圧VG3が立ち上がるまでの時間(期間1)は短い。このため、パルス幅制御信号aが“Low”レベルになってからMOSFET3のゲート電圧VG3がMOSFET3のゲートしきい値電圧VG3(th)を越えてオンするまで(期間3の終期)の時間を、図4のデッドタイムtd2に比べて短くすることができる。
一方、パルス幅制御信号aが“Low”レベルになってからMOSFET3の両端電圧V3が零になるまで(期間2の終期)の時間は、回路定数を等しくすれば図2,図4で同等であるため、結果として、図2のボディダイオード導通モード(期間3)を図4のボディダイオード導通モードt1よりも短くすることができる。
【0023】
(5)期間5
コンパレータ12のパルス幅制御信号aが立ち上がることにより、この期間が開始する。パルス幅制御信号aの立ち上がりによってNOT回路13の出力信号dは立ち下がり、AND回路21の出力信号は“Low”レベルになる。
従って、ローサイドドライバ17によりMOSFET3のゲート電圧VG3は下降し始める。
【0024】
(6)期間6
MOSFET3のゲート電圧VG3がゲートしきい値電圧VG3(th)を下回ると、MOSFET3のチャネル導通モードが終了すると共に、MOSFET3の両端電圧V3は期間5よりも負側に大きくなってボディダイオード導通モードとなる
また、MOSFET3のゲート電圧VG3がNOT回路18の入力しきい値電圧V18(th)(請求項2における第2のしきい値であり、前記しきい値電圧VG3(th)に等しいか、もしくはVG3(th)よりも若干小さい値)を下回ると、NOT回路18の出力信号は“High”レベルとなり、AND回路20及びハイサイドドライバ16を介してMOSFET2のゲート電圧VG2は上昇し始める。なお、前述したNOT回路18の入力しきい値電圧V18(th)は、MOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)よりも大きい値に設定されている。
【0025】
(7)期間7
MOSFET2のゲート電圧VG2がゲートしきい値電圧VG2(th)を越えるとMOSFET2がターンオンする。同時に、MOSFET3のボディダイオードが逆回復し、オフ状態となる。
【0026】
ここで、前述した期間6は、MOSFET3のゲート電圧VG3がしきい値電圧VG3(th)を下回ってオフしてから、MOSFET2のゲート電圧VG2がしきい値電圧VG2(th)を上回ってオンするまでの期間であり、いわゆるデッドタイムに相当する。このデッドタイムにより、期間3と同様にMOSFET2,3の同時オンが防止される。
【0027】
以下に、図2の期間6におけるボディダイオード導通モードを、図4の従来技術と比較しながら考察する。
図2では、MOSFET3のゲート電圧VG3がNOT回路18のしきい値電圧V18(th)を下回ると、MOSFET2のゲート電圧VG2が立ち上がる。
ここでは、NOT回路19の入力しきい値電圧V19(th)をMOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)よりも大きい値に設定してあり、MOSFET3のゲート電圧VG3がしきい値電圧VG3(th)を下回ってオフしてから(MOSFET2のゲート電圧VG2が立ち上がってから)MOSFET2のゲート電圧VG2がしきい値電圧VG2(th)を上回ってオンするまでの時間(期間6)を、図4のデッドタイムtd1に比べて短くすることができる。この期間6はボディダイオード導通モードに相当し、図4のボディダイオード導通モードt3よりも短くすることができる。
【0028】
このように、本実施形態では、ボディダイオード導通モードとなる期間3,6を図4のt1,t3よりも短縮することができ、還流期間におけるMOSFETの導通損失を従来よりも少なくすることが可能である。
【0029】
なお、図2から明らかなように、この実施形態ではボディダイオード導通モード(期間3,6)の長さがMOSFET2,3のゲートしきい値電圧VG2(th),VG3(th)に左右されることになり、これらのしきい値は製造条件や使用時の周囲温度によってばらつくことが予想されるが、これらの変動要因を考慮しながらNOT回路18,19の入力しきい値電圧V18(th),V19(th)をMOSFET2のゲートしきい値電圧VG2(th)よりも十分大きい値に設定することにより、デッドタイム内のボディダイオード導通期間を従来よりも短縮することができる。
【0030】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、主スイッチング素子であるハイサイド側のMOSFETのオフ時における還流期間に、ローサイド側のMOSFETのボディダイオードの導通期間が短縮されるため、従来よりも導通損失の低減が可能となり、結果的に降圧型DC−DCコンバータの電力変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図2】図1の動作を示す波形図である。
【図3】従来技術を示す回路図である。
【図4】図3の動作を示す波形図である、
【符号の説明】
1:直流電源
2,3:MOSFET
4:平滑リアクトル
5:平滑コンデンサ
6:負荷
7,8:抵抗
9:基準電圧源
10:誤差増幅器
11:キャリア発生器
12:コンパレータ
13,18,19:NOT回路
14,15:オンディレイ生成回路
16:ハイサイドドライバ
17:ローサイドドライバ
20,21:AND回路
22a,22b:制御回路
Claims (2)
- 直流電源に対し並列に、主スイッチング素子としてのハイサイド側MOSFETと同期整流素子としてのローサイド側MOSFETとの直列回路を接続し、ローサイド側MOSFETのドレイン−ソース間に平滑リアクトルと平滑コンデンサとを直列に接続すると共に、ハイサイド側MOSFET及びローサイド側MOSFETを交互にオンオフさせることにより前記直流電源の電圧を降圧して前記平滑コンデンサの両端に接続された負荷に一定電圧を供給する同期整流式の降圧型DC−DCコンバータにおいて、
ハイサイド側MOSFET及びローサイド側MOSFETに対するゲート信号を出力する制御回路が、
平滑コンデンサの両端の電圧を一定に制御するためのパルス幅制御信号の反転論理信号とローサイド側MOSFETの両端電圧の反転論理信号との論理積信号をローサイド側MOSFETのゲート信号として出力する手段と、
ローサイド側MOSFETのゲート電圧の反転論理信号と前記パルス幅制御信号との論理積信号をハイサイド側MOSFETのゲート信号として出力する手段と、
を備えたことを特徴とする降圧型DC−DCコンバータ。 - 請求項1記載の降圧型DC−DCコンバータにおいて、
前記制御回路は、
ローサイド側MOSFETの両端電圧が第1のしきい値を下回った時にローサイド側MOSFETのゲート電圧を立ち上げる手段と、
ローサイド側MOSFETのゲート電圧が第2のしきい値を下回った時にハイサイド側MOSFETのゲート電圧を立ち上げる手段と、
を備え、
ローサイド側MOSFETのゲート電圧が立ち上がった後にハイサイド側MOSFETがオフしてからローサイド側MOSFETがオンするまでの期間、及び、ハイサイド側MOSFETのゲート電圧が立ち上がってローサイド側MOSFETがオフしてからハイサイド側MOSFETがオンするまでの期間に、ローサイド側MOSFETのボディダイオードを導通させることを特徴とする降圧型DC−DCコンバータ。
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