JP2005512444A - コンデンサを用いた高電圧レベルシフタ - Google Patents

Abstract

ドライバ回路が、ハーフブリッジドライバあるいは同様の回路を駆動するために開示される。そのドライバ回路は、２つの受動デバイスにおいて一時的な電流を生じさせ、その一時的な電流を利用して、ハーフブリッジドライバあるいは同様なタイプの回路を適正に駆動するために必要とされる適正な時点でラッチをセットあるいはリセットする。

Description

本発明は、パワースイッチに関し、より詳細には、ハーフブリッジ構成における浮遊杯サイドパワースイッチにおいて必要とされるレベルシフトを与える改善された技術に関しする。本発明は、電界効果トランジスタ（FET）デバイスを利用するパワースイッチにおいて特有の用途を有する。

ハーフブリッジ構成は種々の電源スイッチ用途に関して利用される。そのようなハーフブリッジ構成は、典型的には、２つのパワーＦＥＴ装置間に配置される出力信号を伴う。従来技術の構成例が図１に示される。

動作中、出力信号ＶＨＢは、増幅回路のパラメータ及び回路へ導入された入力電力に依存して、グランド点１０１について、ほぼゼロボルトから最大でほぼ４００ボルトまで変動する。

トランジスタＴ１を通常の動作領域で適正に動作させるため、ゲート電圧Ｇ１は、グランドではなく、出力信号ＶＨＢに関して制御されなければならない。それ故、電源電圧ＦＶＤＤは、実質的にＶＨＢと等しい量によってシフトされることを除き、理想的には、図１の電圧ＶＤＤと同じであるべきである。付加的に、トランジスタＴ１に対するゲート電圧Ｇ１は、実質的にＶＨＢと等しい量によってシフトアップされ、トランジスタ（例えばＧ２）をターンオンするための適切な電圧に等しくあるべきである。

電源ＦＶＤＤをシフトするための回路は既知であり、本発明にとって重要ではない。多数の回路及び関連する構成がそのような電圧を生成するために存在し、ここでは詳細には論じない。ＦＶＤＤを生成するために用いられるその特定の回路は本発明にとって重要ではない。

動作中、非重複回路１０５は、２つの重複しないパルス１０６，１０７を生成する。第１のパルス１０６はドライバ１０８を介してパワートランジスタＴ２のゲートＧ２へ送られる。トランジスタＴ２を制御するその電圧はグランド電圧に関して設定されなければならないため、レベルシフトは必要でない。

しかしながら、トランジスタＴ１を制御するゲート電圧Ｇ１は、電圧ＶＨＢに関して設定されなければならない。それ故、図１の中に含まれる残りの回路は、大部分は主にパルス１０７をシフトする電圧に向けられ、動的に動く信号ＶＨＢによって調整される適切なゲート電圧Ｇ１を供給する。それはどこでもゼロ〜４００ボルトの間であり得る。

適切なシフトを得るため、２つの配置された電流現１１２，１１４が利用される。パルス生成器１１５が立ち上がりエッジにある場合、電流源１１４はオンであり、電流源１１２はオフである。立ち下がりエッジでは、逆が生じ、電流源１１２はオンであり、電流源１１４はオフである。

残りの回路の分析では、パワーデバイスＭ１，Ｍ２はそれぞれ２者択一的に、適切な時に、抵抗Ｍ９，Ｍ１０を流れる必要とされる電流を生成して、適切にラッチ１１６をセットあるいはリセットすることが示される。

それ故、立ち上がりエッジでラッチ１１６はセットされ、立ち下がりエッジではラッチはリセットされる。このことにより、ドライバ１１７の出力が、トランジスタＴ１を制御するために必要とされる適切なゲート電圧を生成する。特に、ドライバ１１７及びラッチ１１６の両方はＶＨＢが基準となるため、また、供給電圧ＦＶＤＤはＶＨＢによってシフトされるため、トランジスタＴ１に関する全ての動作はＶＨＢが基準となる。

要約すると、図１の回路は、２つの電流源を利用することによって動作し、第１のそれは、“セット”トランジスタをターンオンするために十分な電流を生じさせ、第２のそれは、“リセット”トランジスタをターンオンにするための電流を生じさせる。適切な時点で適切な電流源をオンあるいはオフにすることによって、ラッチ１１６はセットあるいはリセットされ、ドライバ１１７は、グランドではなく可変レベル信号Ｖｈｂに関連する電圧に制御される。このことは、適切にトランジスタＴ１を駆動する。

図１の回路に伴う問題は、損失が多いことである。デバイスＭ１，Ｍ２及び電流源１１２，１１４は、特に高周波数で、比較的大量の電力を消費する損失の多いデバイスを表す。付加的に、電流源１１２，１１４は、そのような能動デバイスに本来的に備わる通常の故障を被る。

それ故、ハーフブリッジ構成において利用されることのできる、能動デバイスに係わる高損失を除去できる、ハイパワースイッチング装置を提供することが望まれる。

また、そのような回路は製造コストが低く、現在達成できるよりも信頼性あることが望まれる。

従来技術の上記問題及びその他の問題は、本発明に従って解決される。ラッチを切り替えるために必要な電流を達成するために利用される能動デバイスは、受動デバイス及び小さなドライバに置き換えられる。そのドライバ及び受動デバイスは、上述において利用された能動デバイスの高電圧切替え及び電流源よりも、通電損失がはるかに少ない。

１つの好ましい実施の形態において、受動デバイスはコンデンサであり、その電流は、そのコンデンサの１つの端子で誘発される電圧における突然の変化によって生じさせられる。そのコンデンサは高周波において非常に低いインピーダンスを有するため、電圧における突然の変化は、ラッチを適切にセットあるいはリセットするために十分に大きく十分に長い電流を生じさせる。それ故、受動デバイスとしてのコンデンサは、ラッチをセットあるいはリセットするために必要とされる電流を供給し、従って、能動デバイスを用いるよりもトランジスタを適正に駆動する。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態についてその一例を説明する。

図２は、本発明を実施するための典型的な装置を示す。図２の構成要素のうち図１と同様のものは明確性のため同一の参照番号を付する。図２の回路は、さらに２つのコンデンサ２０４，２０５及びドライバ２０２，２０３を含む。コンデンサ２０４，２０５の典型的な値は、ＶＨＢが約４００ボルトに設定された回路に対して、１ピコファラッドである。ドライバ２０２，２０３は、商業的にディスクリート部品として入手可能なタイプから構成されることが可能である、あるいは、図示される全構成を含む集積回路の一部からなり得る。

動作中、信号線１０７におけるパルス信号の立ち上がりエッジがドライバ２０２に入力され、インバータ２０３へ伝搬される。立ち上がりエッジは、電流がコンデンサ２０５へ誘発されることを引き起こし、一方、立ち下がりエッジは、電流がコンデンサ２０４へ誘発されることを引き起こすことが、理解されることができる。従って、コンデンサは、電流源がするように、必要とされる電流を生じさせるように機能する。

その電流は、抵抗Ｒ１を流れ、従来技術に関連して説明したのと同様にして、ラッチ１１６がその出力をセットすることを引き起こす。ラッチ１１６のセットの結果、ドライバ１１７は、トランジスタＴ１のゲートへ、ハイ信号を出力する。しかしながら、ドライバ１１７はＶＨＢと同じ点を参照させられるので、トランジスタＴ１のゲートＧ１におけるハイ入力は、トランジスタＴ２に対する場合のようなグランドではなく、ＶＨＢを基準とする電圧で駆動される。従って、ゲートＧ１の電圧はＶＨＢパルス１０ボルトであり、ここにおいて、少なくとも４ボルトはトランジスタＴ１をスイッチオンにするために必要とされるターンオン電圧である。

同様の方法で、コンデンサ２０５は抵抗Ｒ２を流れる電流を生じさせる。この電流は、Ｒ２において適切な電圧降下を引き起こしそれによってラッチ１１６をリセットするのに十分である。そのようなリセットは、ゲート電圧Ｇ１の除去によってトランジスタＴ１のターンオフを引き起こす。

次に本発明に従って、受動デバイスが、ラッチのセット及びリセットを引き起こすのに十分な電流を生じさせるために利用される。この利用される受動デバイスは、コイルあるいは他のストレージデバイスを含み得るが、いずれにしてもパルス生成を必要とせず、またスイッチングトランジスタの電力を必要としない。その代わりに、受動デバイスは本来的に時定数を含み、それは、十分に長く選択され、ラッチがセットあるいはリセットすることを引き起こすことができる。

デバイス２０４，２０５の選択は、２つの別個の要求を満たす十分な方法でなされなければならない。第１に、ラッチ１１６のセットあるいはリセットを達成するために、電流が、抵抗Ｒ１あるいはＲ２における適切な電圧降下を適切に生じさせるために十分なものでなければならない。

第２に、抵抗Ｒ１，Ｒ２と共にコンデンサ２０４，２０５によって構成される抵抗−コンデンサ（Ｒ／Ｃ）回路の時定数はそれぞれ、場合によっては、ラッチ１１６がセットあるいはリセットするために十分な時間を許容しなければならない。主な用途では、必要とされる時間は約４０ナノセカンドである。もし時定数が十分に長く、そしてコンデンサ２０４，２０５が十分に大きいのならば、場合によっては、ラッチ１１６をセットあるいはリセットするために必要とされる時間量のために比較的一定の電流が存在するであろう。すなわち、ラッチ１１６をリセットするために必要とされる時間は、Ｒ／Ｃ回路の時定数に比較して短くあるべきで、その結果、電流は、ラッチがリセットになる前に、激しく減衰しない。１ピコファラドのコンデンサを用いる時定数の典型的な値は８０ナノセコンドであるがラッチが４０ナノセコンドだけでリセットされることができるため、この基準を満たすことは容易である。

本発明はコンデンサに関して述べられてきたが、任意の受動デバイスが用いられ得、トランジスタのそのタイプが、Ｔ１，Ｔ２に示されるような電界効果トランジスタに代わって用いられ得る。種々の他の実施の形態が当業者に明らかであり、上述した例は、説明のためだけのものである。

図１は、従来技術のタイプの構成における複数の電流源を利用する増幅回路を示す。 本発明の典型的な実施の形態を示し、電流源が受動デバイスに置き換えられ、その受動デバイスは典型的な実施の形態においてコンデンサである。

Claims (7)

1. それぞれ特定の予め定められた時点で一時的な電流を生じさせる複数の受動デバイスと、
   前記生じさせられた電流が、予め定められた適切な時点でセット及びリセットするように前記受動デバイスに接続されたラッチと、
   を備えたレベルシフト回路。
2. 前記複数の受動デバイスは、それぞれ端子を有する少なくとも２つのコンデンサを有することを特徴とする請求項１に記載のレベルシフト回路。
3. 第１の前記コンデンサの端子は第１のドライバへ接続され、第２の前記コンデンサの端子は第２のドライバへ接続され、前記第１のドライバは、前記第２のドライバの前記出力に関して反転された信号を出力することを特徴とする請求項２に記載のレベルシフト回路。
4. 少なくとも１つは前記第１のドライバの入力に入力される、少なくとも２つの重複しない周期的な波形を生成する非重複生成器をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載のレベルシフト回路。
5. 第２の前記重複しない波形は、ドライバを介して増幅トランジスタに入力されることを特徴とする請求項４に記載のレベルシフト回路。
6. 前記コンデンサのそれぞれの第２の端子は、抵抗及び入力トランジスタの両方に接続されたことを特徴とする請求項５に記載のレベルシフト回路。
7. 各入力トランジスタはドレインを有し、前記ドレインは前記ラッチの異なる入力に接続され、前記ドレインの１つは前記ラッチのセット入力に接続され、前記ドレインの別の１つは前記ラッチのリセット入力に接続されたことを特徴とする請求項６に記載のレベルシフト回路。

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