JP2005151780A - 同期整流制御回路及び低電圧モータドライブ回路並びに同期整流制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パワーＭＯＳＦＥＴのボディダイオードの両端間の電圧降下を低下させるために同期整流を使用し、低電圧モータドライブ中などのパワーＭＯＳＦＥＴによって駆動される誘導負荷を提供すること。
【解決手段】 比較帰還回路は、ボディダイオード１４が導通しているときを決定するためにパワーＭＯＳＦＥＴ４の両端間の電圧を測定し、このＭＯＳＦＥＴ４を導通サイクル中にオンにし、逆電流を阻止するためにオフにする。得られた同期整流機能は、複雑さが低い構成で非常に少ない部品を使用しながら電流に対して極めて敏感である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、同期整流制御回路及び低電圧モータドライブ回路並びに同期整流制御方法に関し、より詳細には、パワーＭＯＳＦＥＴのボディダイオードの両端間の電圧降下を低下させるために同期整流を使用し、低電圧モータドライブ中などの、パワーＭＯＳＦＥＴによって駆動される誘導負荷を提供するようにした同期整流制御回路及び低電圧モータドライブ回路並びに同期整流制御方法に関する。

多くのパワー電子アプリケーションは、パワーＭＯＳＦＥＴによって駆動される誘導負荷を有する。これらの誘導負荷は、一般に図１に示すような構成を採っている。ＭＯＳＦＥＴの１つ（例えば、Ｓ１）をオフにすると、誘導負荷により負荷電流が第２のＭＯＳＦＥＴ（すなわちＳ２）の内部ダイオードを流れるようになる。ボディダイオードと呼ばれるこれらのダイオードは約０．６Ｖの最小順方向降下を有する。しかしながら、ＭＯＳＦＥＴチャネルは、その抵抗特性のために電流に比例する降下を有する。したがって、多くの場合チャネルをオンにするとデバイスの両端間により低い降下が生じ、このためパワー消散が減少する。

逆電流を搬送するためにチャネルを使用するこの方法はよく知られており、ＤＣ−ＤＣ変換器などのＤＣ出力電圧を生成するアプリケーションでは同期整流（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、モータを駆動するアプリケーションでは同期再循環（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる。抽象的な同期整流器を図２に示す。スイッチＳ３は、ダイオードＤ１に逆電流を阻止させるために開き、ダイオードＤ１が順方向電流を導通するときに閉じる。したがって、スイッチＳ３を閉じるとダイオードＤ１の両端間の約０．７ボルトの順方向電圧降下の発生が防止され、したがって、ダイオードＤ１を流れる電流によって発生する付随熱が回避される。

スイッチＳ３用のコントローラ１６は、順方向電圧降下をなくすためにスイッチＳ３をオンになるよう制御するために、いつ電流が逆転し、ダイオードＤ１が順方向に導通するかを知らなければならない。回路はまた、いつスイッチ電流が０に減少したかを知り、次いでスイッチＳ３をオフにしなければならない。電流が０になったときにスイッチＳ３がオフにされなかった場合、電流は（スイッチドリラクタンスモータや台形巻きおよび被駆動ブラシレスＤＣモータなど）多くのアプリケーションで逆転することがあり、これはアプリケーションにとって有害であることがある。多くのアプリケーションでは、コストまたは技術上の理由で、スイッチＳ３をオフにするために電流が０になったかどうかをコントローラが知ることは困難である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、パワーＭＯＳＦＥＴのボディダイオードの両端間の電圧降下を低下させるために同期整流を使用し、低電圧モータドライブ中などの、パワーＭＯＳＦＥＴによって駆動される誘導負荷を提供するようにした同期整流制御回路及び低電圧モータドライブ回路並びに同期整流制御方法を提供することにある。

本発明によれば、ＭＯＳＦＥＴを流れる電流の方向を決定するためにＭＯＳＦＥＴの両端間の電圧降下を測定するための回路が提供される。ＭＯＳＦＥＴの両端間の電圧測定値はコンパレータに導入され、コンパレータはまたＭＯＳＦＥＴ電圧との比較結果を生じるために入力される特殊電圧を有する。コンパレータの出力は、ＭＯＳＦＥＴが基本ＭＯＳＦＥＴドライバコマンド信号とともに作動するためにドライバに結合される。コンパレータ出力は、ＭＯＳＦＥＴチャネルをオンにし、チャネルを流れる電流に対する順方向電圧降下を低下させるために、ＭＯＳＦＥＴが導通していなければならないときを指示することができる信号を与える。コンパレータ出力信号は、また、ＭＯＳＦＥＴを通る電流がほぼ０に低下するときを指示し、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードがＭＯＳＦＥＴを通る逆電流を阻止することができるように、ＭＯＳＦＥＴチャネルをオフにするようにＭＯＳＦＥＴドライバに信号を出す。

本発明によれば、ＭＯＳＦＥＴの両端間の電圧を測定し、ＭＯＳＦＥＴ電圧を基準電圧と比較することにより、同期整流器としてのＭＯＳＦＥＴの動作を制御するための高い感度を与える信号が生成される。本発明による回路は、非常に少ない構成要素を使用し、同期整流器としての回路の動作を向上させるためにＭＯＳＦＥＴの両端間の直接測定値を得る。本発明の一実施形態によれば、回路の感度および雑音免疫をさらに高めるために、ＭＯＳＦＥＴの両端間の入力電圧をコンパレータに供給される前にフィルタリングすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の態様について説明する。
図３は、本発明による同期整流を説明するための回路図である。

本発明の、同期整流制御回路は、ＭＯＳＦＥＴを同期整流器モードで制御するための同期整流制御回路である。ＭＯＳＦＥＴ４の両端間の感知電圧を得るために、ＭＯＳＦＥＴ４と接続される入力部を有するコンパレータ回路８と、ＭＯＳＦＥＴ４の両端間の感知電圧と比較するために、コンパレータ回路８に基準電圧を入力する基準電圧発生部１０と、ＭＯＳＦＥＴ４のチャネルスイッチングを制御するために、コンパレータ回路８に接続されるＭＯＳＦＥＴドライバ２とを備えている。

このＭＯＳＦＥＴドライバ２には、ＭＯＳＦＥＴ４のチャネルスイッチングを制御するための制御信号と、感知電圧に関してＭＯＳＦＥＴ４のチャネルスイッチングを制御するために、制御信号とともにＭＯＳＦＥＴドライバ２に接続されるコンパレータ回路８の出力が入力される。

ＭＯＳＦＥＴドライバ２は、同期再循環（synchronous recirculation）を利用するためにＭＯＳＦＥＴ４を自律的にオンまたはオフにすることができるために必要な知能を有する。

ＯＲ回路６とコンパレータ回路８と基準電圧発生部１０とフィルタ１２が同期整流機能を達成するためにドライバとともに使用される。フィルタ１２はアプリケーションによって異なり、完全になくすことができることは明らかであろう。

追加の要素の機能は、その両端間の電圧が低い正（約０．５Ｖ）または負とすることができるプリセット基準電圧（図２では、基準電圧１０）を下回ったときにＭＯＳＦＥＴ４をオンにすることである。この方法は、ＭＯＳＦＥＴ４の両端間の電圧が低く、ＭＯＳＦＥＴ４のボディダイオード１４が導通しているときに実際に負になることを利用する。コンパレータ回路８は、ＭＯＳＦＥＴ４の両端間の電圧が負になったことを感知すると、ダイオード１４がオンであると断定し、次いで、ＭＯＳＦＥＴチャネルをオンにする。導通しているＭＯＳＦＥＴチャネルは、スイッチの順方向電圧降下の著しい低下、および相応して低下した温度を表す。

ソースからドレインに流れる電流が減少し、０になるか、または逆転し始めると、すなわちドレインからソースに流れ始めると、ＭＯＳＦＥＴ４の両端間の電圧は増大し始める。このプロセス中、ボディダイオード１４は逆電流を阻止し始める。コンパレータ回路８によって感知された電圧は、設定限界を横断する際にＭＯＳＦＥＴ４をオフにする。

コンパレータ回路８は、負の電圧を感知することができなければならない。さらに、コンパレータ回路８は、ヒステリシスを示すか、または感知電圧が基準電圧１０の値をより低いまたはより高い値になる方向から横断しているかどうかに基づいて異なる出力を有するように構成することができる。様々なアプリケーションでは、フィルタ１２は、よりきれいな感知電圧を得るためにＭＯＳＦＥＴ４の両端間のスイッチング雑音を除去／平滑化するためにコンパレータ回路８に結合される。フィルタ１２は、ＭＯＳＦＥＴ４の両端間の電圧の感知がある任意の時間中止されるブランキング間隔（blanking interval）をもって作動させることができる。ブランキング間隔を使用すると、例えば、大きい遷移信号を有することが分かっている動作間隔を消去することによってフィルタ１２を実際の回路状態により固有なものとすることができる。

基準電圧１０は、雑音およびアプリケーションで必要とされる遅延に従って選択される。基準電圧１０は、理論的に０である間、回路および動作パラメータに応じて任意の正または負の値をもつことができることは明らかであろう。ＤＣバス上に高い電圧をもつアプリケーションでは、コンパレータ回路８への入力電圧をクランプするか、または入力電圧を低下させるために分割器ネットワーク（divider network）を追加することが好ましいことがある。

本発明の機能性をドライバ内に集積することには部品数の削減およびコントローラの複雑さの低減という利点がある。例えば、構成要素を統合するために本発明の回路を組み込む単一のハーフブリッジドライバパッケージを与えることが可能である。そのような場合、ドライバパッケージはハーフブリッジ構成であれ、任意の他の組合せであれ、１つまたは２つのＭＯＳＦＥＴのための駆動能力を含むことができる。

以上、本発明についてその特定の実施形態に関して説明したが、多くの他の変形および修正および他の用途が当業者には明らかになろう。したがって、本発明は本明細書の特定の開示によって限定されないことが好ましい。

パワーＭＯＳＦＥＴによって駆動される誘導負荷の簡略回路図である。 同期整流器の回路モデルである。 本発明による同期整流を説明するための回路図である。

符号の説明

２ ドライバ
４ ＭＯＳＦＥＴ
６ ＯＲ回路
８ コンパレータ回路
１０ 基準電圧発生部
１２ フィルタ
１４ ボディダイオード

Claims (19)

1. ＭＯＳＦＥＴを同期整流器モードで制御するための同期整流制御回路であって、
   前記ＭＯＳＦＥＴの両端間の感知電圧を得るために、該ＭＯＳＦＥＴと接続される入力部を有するコンパレータ回路と、
   前記ＭＯＳＦＥＴの両端間の前記感知電圧と比較するために、前記コンパレータ回路に基準電圧を入力する基準電圧発生部と、
   前記ＭＯＳＦＥＴのチャネルスイッチングを制御するために、前記コンパレータ回路に接続されるＭＯＳＦＥＴドライバとを備え、
   該ＭＯＳＦＥＴドライバには、前記ＭＯＳＦＥＴのチャネルスイッチングを制御するための制御信号と、前記感知電圧に関して前記ＭＯＳＦＥＴのチャネルスイッチングを制御するために、前記制御信号とともに前記ＭＯＳＦＥＴドライバに接続される前記コンパレータ回路の出力が入力されることを特徴とする同期整流制御回路。
2. 前記ＭＯＳＦＥＴと前記コンパレータ回路の間にフィルタ回路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の同期整流制御回路。
3. 前記フィルタ回路への入力を所定の期間中止するために、該フィルタ回路に接続されるフィルタブランキング制御装置を備えたことを特徴とする請求項２に記載の同期整流制御回路。
4. 前記コンパレータ回路がヒステリシスを示すことを特徴とする請求項１に記載の同期整流制御回路。
5. 前記基準電圧が０であることを特徴とする請求項１に記載の同期整流制御回路。
6. 同期整流機能を有する低電圧モータドライブ回路であって、
   ハーフブリッジ回路の中間点に接続される誘導負荷を駆動するためのＭＯＳＦＥＴハーフブリッジと、
   前記ハーフブリッジ回路のＭＯＳＦＥＴのうちの１つの両端間の電圧を感知するために、前記ハーフブリッジ回路の中間点に接続される一方の入力部を有し、前記ＭＯＳＦＥＴの両端間の前記感知電圧と比較するための比較しきい値を与えるために、基準電圧発生部と接続される他方の入力部を有するコンパレータ回路と、
   前記ＭＯＳＦＥＴのチャネルをスイッチングするために前記ＭＯＳＦＥＴに接続される制御回路と、
   同期整流器として作動する前記ＭＯＳＦＥＴの応答性が向上するように、前記ＭＯＳＦＥＴのチャネルスイッチングに影響を与えるために前記制御回路に接続されるコンパレータ回路の出力部と
   を備えたことを特徴とする低電圧モータドライブ回路。
7. 前記ハーフブリッジ回路の前記ＭＯＳＦＥＴのうちの他のＭＯＳＦＥＴの両端間の電圧を感知するために、前記ハーフブリッジ回路の前記中間点に接続される入力部を有する他のコンパレータ回路と、
   前記他のＭＯＳＦＥＴのチャネルをスイッチングするために、前記他のＭＯＳＦＥＴに結合される他の制御回路と、
   同期整流器として作動する前記ハーフブリッジＭＯＳＦＥＴの応答性が向上するように、前記他のＭＯＳＦＥＴチャネルのスイッチングに影響を与えるために、前記他の制御回路に接続される前記他のコンパレータ回路の出力部を備えたことを特徴とする請求項６に記載の低電圧モータドライブ回路。
8. 前記ＭＯＳＦＥＴの両端間の感知電圧信号から雑音を除去するために、前記ハーフブリッジの中間点と前記コンパレータの間にフィルタ回路を設けたことを特徴とする請求項６に記載の低電圧モータドライブ回路。
9. 前記コンパレータ回路がヒステリシスを示すことを特徴とする請求項６に記載の低電圧モータドライブ回路。
10. 前記フィルタ回路への入力を所定の期間中止するために、前記フィルタ回路に結合されるフィルタブランキング制御装置を備えたことを特徴とする請求項８に記載の低電圧モータドライブ回路。
11. 前記ＭＯＳＦＥＴチャネルをスイッチングするために、前記ＭＯＳＦＥＴに結合されるドライバ回路を備え、
    前記ＭＯＳＦＥＴチャネルをスイッチングするために、前記ドライバ回路を制御するための制御信号が前記ドライバ回路に入力され、
    前記コンパレータの出力と前記制御信号が前記ドライバ回路を制御するために論理和をとることを特徴とする請求項６に記載の低電圧モータドライブ回路。
12. 低電圧モータドライブ中で同期整流器として作動するＭＯＳＦＥＴを制御する同期整流制御方法であって、
    前記ＭＯＳＦＥＴチャネル中の電流を決定するために、前記ＭＯＳＦＥＴの両端間の電圧を測定するステップと、
    前記測定電圧が前記基準電圧よりも高くなるかまたは低くなるときの指示を得るために、前記ＭＯＳＦＥＴの両端間の前記測定電圧を前記基準電圧と比較するステップと、
    前記ＭＯＳＦＥＴの両端間の前記感知電圧が前記基準電圧よりも大きいときに前記ＭＯＳＦＥＴチャネルがオンになり、前記ＭＯＳＦＥＴの両端間の前記感知電圧が前記基準電圧よりも小さいときに前記ＭＯＳＦＥＴがオフにスイッチングされるように、前記ＭＯＳＦＥＴチャネルをスイッチングするためのドライバ回路を作動させるために前記指示を制御信号に結合するステップと
    を有することを特徴とする同期整流制御方法。
13. 前記基準電圧と比較するために前記ＭＯＳＦＥＴの両端間の前記感知電圧をフィルタリングするステップを有することを特徴とする請求項１２に記載の同期整流制御方法。
14. フィルタリングを所定の期間中止するステップを有することを特徴とする請求項１３に記載の同期整流制御方法。
15. 前記感知電圧が前記基準電圧よりも高いかまたは低いという指示に範囲を与えるステップを有し、前記指示は前記感知電圧と前記基準電圧との比較が前記範囲内にある間は状態が変化せず、それにより前記コンパレータ中でヒステリシス機能が得られることを特徴とする請求項１２に記載の同期整流制御方法。
16. 低電圧モータドライブのハーブブリッジ中で同期整流器としてＭＯＳＦＥＴを作動させるＭＯＳＦＥＴ作動方法であって、
    電流が前記ＭＯＳＦＥＴのボディダイオード中を順方向に流れているときを決定するステップと、
    電流が順方向に流れているという前記決定に基づいて前記ＭＯＳＦＥＴをオンにスイッチングするステップと、
    前記ボディダイオードが前記ＭＯＳＦＥＴ中の逆電流を阻止しているときを決定するステップと、
    前記ＭＯＳＦＥＴの前記ボディダイオードが電流を阻止しているという決定に基づいて前記ＭＯＳＦＥＴチャネルをオフにスイッチングするステップと
    を有することを特徴とするＭＯＳＦＥＴ作動方法。
17. ハーフブリッジ中のＭＯＳＦＥＴをスイッチングするためのハーフブリッジドライバであって、
    第１のＭＯＳＦＥＴをスイッチングするために前記ハーフブリッジ中の前記第１のＭＯＳＦＥＴに結合されるＭＯＳＦＥＴドライバと、
    前記第１のＭＯＳＦＥＴの両端間の電圧を感知するために前記第１のＭＯＳＦＥＴに結合される入力を有するコンパレータ回路と、
    前記第１のＭＯＳＦＥＴの両端間の前記感知電圧と比較するためのしきい値電圧レベルを与えるために、前記コンパレータ回路に基準電圧を入力する基準電圧発生部とを備え、
    前記ＭＯＳＦＥＴドライバには、前記第１のＭＯＳＦＥＴのスイッチングを制御するために、前記ＭＯＳＦＥＴドライバに結合される制御信号と、前記第２の電圧に関して前記ＭＯＳＦＥＴのスイッチングに影響を与えるために、前記制御信号とともに前記ＭＯＳＦＥＴドライバに接続される前記コンパレータ回路の出力が入力されることを特徴とするハーフブリッジドライバ。
18. 前記ＭＯＳＦＥＴドライバと前記コンパレータ回路が、単一の集積パッケージに組み合わされていることを特徴とする請求項１７に記載のハーフブリッジドライバ。
19. 前記集積パッケージが前記第１のＭＯＳＦＥＴを備えたことを特徴とする請求項１８に記載のハーフブリッジドライバ。
    

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