JP2007520190A - ブートストラップ・キャパシタのリフレッシュ回路 - Google Patents

ブートストラップ・キャパシタのリフレッシュ回路 Download PDF

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Abstract

ブートストラップ・キャパシタ充電回路は、ハーフブリッジ型に配置され、高圧側電位と低圧側電位との間に導かれた第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタと、前記第１および第２のトランジスタを駆動する駆動回路と、電位発生源から充電されるように配置され、電圧源を提供して電子回路に電力供給するブートストラップ・キャパシタと、前記高圧側電位および低圧側電位の一つから前記ブートストラップ・キャパシタへの充電経路を提供する充電回路と、前記第１および第２のトランジスタの共通端子と前記高圧側電位および低圧側電位の一つとの間に配置された第１および第２の直列に接続されたスイッチと、前記ブートストラップ・キャパシタは、前記充電回路により充電されるように結合された第１端子、および前記第１および第２の直列に接続されたスイッチの間の共通ノードに結合された第２端子を有し、第１および第２モードで動作する制御回路であって、前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタが所与の周期でスイッチする第１モードにおいて、前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタの前記共通端子に接続された前記第１のスイッチをＯＮにし、前記第２のスイッチをＯＦＦに制御する制御回路とを備え、プリセット期間を超える時間の間、前記第１のパワー・スイッチング・トランジスタがＯＮの場合に、前記制御回路は第２モードで動作し、前記第１および第２のスイッチが、第１および第２の所与の時間期間で交互にＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記ブートストラップ・キャパシタが、前記第２スイッチおよび前記充電回路を介して、前記第２の所与の時間期間の間充電する。

Description

本発明は、パワー・スイッチング回路に関し、より詳細には、パワー・スイッチング回路を駆動する駆動回路に関する。特に、本発明は、パワー・スイッチング回路を駆動する駆動回路に用いられるブートストラップ・キャパシタの電力供給をリフレッシュする回路に関する。
ブートストラップ・キャパシタは、しばしば駆動回路に使用され、従来の電力供給源から、従来の電圧源から、またはパルス信号源から、付加フローティング電圧を供給する。具体的には、図１に、負荷を駆動する２つのパワーＭＯＳＦＥＴ，Ｍ１，Ｍ２を含むハーフブリッジ型スイッチング回路を駆動する駆動ＩＣを示す。ハーフブリッジのトランジスタＭ１，Ｍ２を、電圧源ＶＢＡＴとグラウンドとの間に配置する。電圧源を、電圧入力ＶＣＣより駆動ＩＣ（ＩＣ）に供給して、駆動ＩＣに電力を供給する。ＶＢＡＴを、ＶＣＣとは異なり高い電圧にすることができ、または同じ電圧にすることもできる。典型的には、ＶＣＣは、ＶＢＡＴ上の高電圧スパイクのために、ＶＢＡＴと異なる。ＶＣＣを、内部または外部の調整回路によりＶＢＡＴから導いてもよい。駆動ＩＣは、高圧側および低圧側のトランジスタＭ１，Ｍ２を駆動するドライバＨ０およびドライバＬ０を含む。加えて、外部のブートストラップ・キャパシタＣＢＯＯＴを、端子ＶＢと端子ＶＳの間に接続する。端子ＶＳは、負荷に接続され、トランジスタＭ１，Ｍ２の間の共通端子である。従って、供給電圧ＶＢＯＯＴが、ブートストラップ・キャパシタにかかる。ダイオードＤを、ＩＣの内部またはＩＣの外部に配置して、ブートストラップ・キャパシタＣＢＯＯＴが、トランジスタＭ２がＯＮしたとき、ＶＣＣから充電されるようにする。ブートストラップを供給することにより、高圧側のドライバに電圧を供給する。
トランジスタＭ１が常時導通のときに問題が生ずる。「常時導通」とは、トランジスタＭ１にとって比較的長い時間を意味し、例えば、２００μｓ以上である。このような状況では、トランジスタＭ２はＯＦＦであり、このときブートストラップ・キャパシタをトランジスタＭ２から充電することができない。従って、トランジスタＭ１が比較的長い時間ＯＮ、例えば、２００μｓ以上の導通ならば、図１の回路を用いることはできない。トランジスタＭ２を、ブートストラップ・キャパシタを充電するのに十分長い間ＯＮできないので、ＩＣの内部またはＩＣの外部において、ＶＢＯＯＴにより電力供給される回路に電力供給源を提供することができない。
この問題を解決することが必要であり、特に自動車の分野において、有用な解決法が求められている。
本発明の目的は、従来のブートストラップ・キャパシタの課題を解決することであり、スイッチング・トランジスタの動作モードの間、ブートストラップ・キャパシタに必要な充電ができる十分な時間を提供する。
本発明の他の目的は、ブートストラップ・キャパシタ充電回路により達成され、この回路は、ハーフブリッジ型に配置され、高圧側電位と低圧側電位との間に導かれた第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタと、前記第１および第２のトランジスタを駆動する駆動回路と、電位発生源から充電されるように配置され、電圧源を提供して電子回路に電力供給するブートストラップ・キャパシタと、前記高圧側電位および低圧側電位の一つから前記ブートストラップ・キャパシタへの充電経路を提供する充電回路と、前記第１および第２のトランジスタの共通端子と前記高圧側電位および低圧側電位の一つとの間に配置された第１および第２の直列に接続されたスイッチと備え、前記ブートストラップ・キャパシタは、前記充電回路により充電されるように結合された第１端子、および前記第１および第２の直列に接続されたスイッチの間の共通端子に結合された第２端子を有し、さらに、第１および第２モードで動作する制御回路であって、前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタが所与の周期でスイッチする第１モードにおいて、前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタの前記共通端子に接続された前記第１のスイッチをＯＮにし、前記第２のスイッチをＯＦＦに制御する制御回路とを備え、プリセット期間を超える時間の間、前記第１のパワー・スイッチング・トランジスタがＯＮの場合に、前記制御回路は第２モードで動作し、前記第１および第２のスイッチが、第１および第２の所与の時間期間で交互にＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記ブートストラップ・キャパシタが、前記第２スイッチおよび前記充電回路を介して、前記第２の所与の時間期間の間充電する。
また、他の目的は、ハーフブリッジ型に配置され、高圧側電位と低圧側電位との間に導かれた第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタと、前記第１および第２のトランジスタを駆動する駆動回路と、電位発生源から充電されるように配置され、電圧源を提供して電子回路に電力供給するブートストラップ・キャパシタと、前記高圧側電位および低圧側電位の一つから前記ブートストラップ・キャパシタへの充電経路を提供する充電回路と、前記第１および第２のトランジスタの共通端子と前記高圧側電位および低圧側電位の一つとの間に配置された第１および第２の直列に接続されたスイッチと、前記ブートストラップ・キャパシタは、前記充電回路により充電されるように結合された第１端子、および前記第１および第２の直列に接続されたスイッチの間の共通端子に結合された第２端子を有し、前記第１および第２のスイッチを制御する制御回路とを備えた回路のブートストラップ・キャパシタを充電する方法により達成され、この方法は、前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタが、所定の周波数以上の周期でスイッチングすると、前記第１および第２のスイッチを第１モードで制御して、前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタの前記共通端子に接続された前記第１のスイッチをＯＮにし、前記第２スイッチをＯＦＦにすること、および前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタが、プリセット期間を超える時間の間ＯＮの場合、前記第１および第２のスイッチを第２モードで制御して、前記第１および第２のスイッチを、第１および第２の所与の時間期間で交互にＯＮ／ＯＦＦさせ、前記ブートストラップ・キャパシタが、前記第２スイッチおよび前記充電回路を介して、前記第２の所与の時間期間の間充電することを備えた。
本発明の他の目的、機能および効果は、以下の詳細な説明から明らかになる。添付の図面とともに以下の詳細な説明により、本発明を詳細に説明する。
図２を参照して、電力源ＶＢＡＴとグラウンドとの間に接続されたトランジスタＭ１，Ｍ２を備え、ハーフブリッジのトランジスタを構成する駆動集積回路（ＩＣ）を示す。ＶＳを含むトランジスタＭ１，Ｍ２の間の共通端子とグラウンドとの間に負荷を接続する。
駆動集積回路ＩＣは、高圧側および低圧側のトランジスタＭ１，Ｍ２の各々について、高圧側ドライバＨ０および低圧側ドライバＬ０を含む。加えて、図示の実施形態では、駆動ＩＣは、例えばバイポーラＮＰＮトランジスタ１２であるトランジスタと、６．６Ｖツェナーダイオードとすることができるツェナーダイオードなどの電流源１４とを備えたバラスト・レギュレータを含む。さらに、ブートストラップ・キャパシタＣＢＯＯＴは、外部に接続され、ＶＳから分離されている。ブートストラップ・キャパシタは、駆動ＩＣの端子ＶＢとＶＢ１との間に接続されている。端子ＶＢ１は、ツェナーダイオード１６のアノードに接続され、またスイッチＳＷ２に接続されている。スイッチＳＷ２は、共通端子に接続され、結局グラウンドに接続されている。さらに、スイッチＳＷ１は、図示のようにＶＳとＶＢ１との間に接続されている。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴまたはバテポーラトランジスタなどの半導体スイッチである。
さらに、出力信号ＳＷ１，ＳＷ２（図３）を供給して、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のスイッチ動作を制御する制御回路１８を備える。
回路は以下のように動作する。動作中、２００μｓ未満のＭ１の導通時間に対して、制御回路１８は、第１モード（ＭＯＤＥ１，図３）で動作し、スイッチＳＷ１は常にＯＮ、スイッチＳＷ２は常にＯＦＦである。このように、回路は、通常のブートストラップ電力供給のように動作し、キャパシタＣＢＯＯＴは、Ｍ２がＯＮのとき、Ｍ２、スイッチＳＷ１、バラスト・レギュレータ１０、ＶＢＡＴを介して充電される。バラスト・レギュレータ１０は、６．６Ｖツェナーダイオード１６の場合、およそ６Ｖの調整された電圧をトランジスタ１２のエミッタに供給する。
トランジスタＭ１が、２００μｓより大きい時間期間の間ＯＮのとき、従来の回路では、Ｍ２を介してキャパシタを充電するのに十分な時間が無かった。本実施形態では、制御回路１８は、第２モード（ＭＯＤＥ２，図３）で動作する。回路１８は、例えば２ｋＨｚの発振器を含む発振回路を備えている。図３に示すように、５００μｓごとにおよそ１０μｓの間、ＳＷ１をＯＦＦにし、ＳＷ２をＯＮにする。ブートストラップ・キャパシタＣＢＯＯＴは、グラウンドに接続されたＳＷ２とＶＢＡＴに接続されたバラスト・レギュレータを介して充電される。この間、Ｍ１のゲートをフローティングの状態にすることができる。
従って、本発明は、簡単で確実な方法により、ブートストラップ・キャパシタを充電し、高圧側のトランジスタが、永続的に導通の状態を含む場合であっても、パワー・スイッチング回路の全ての動作モードに対して、ブートストラップ・キャパシタに接続された回路に、ブートストラップ・キャパシタから確実に電力を供給することができる。
本発明について、特定の実施形態に関して説明したが、多くの他の変形、変更および使用が有ることは、当業者に置いて明らかである。従って、本発明は、本願の特定の開示に限定されず、添付の特許請求の範囲に基づく。
ブートストラップ・キャパシタに電力を供給する従来の回路を示す図である。 本発明にかかる回路を示す図である。 本発明を説明するためのタイミング図である。

Claims (9)

  1. ブートストラップ・キャパシタ充電回路であって、
    ハーフブリッジ型に配置され、高圧側電位と低圧側電位との間に導かれた第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタと、
    前記第１および第２のトランジスタを駆動する駆動回路と、
    電位発生源から充電されるように配置され、電圧源を提供して電子回路に電力供給するブートストラップ・キャパシタと、
    前記高圧側電位および低圧側電位の一つから前記ブートストラップ・キャパシタへの充電経路を提供する充電回路と、
    前記第１および第２のトランジスタの共通端子と前記高圧側電位および低圧側電位の一つとの間に配置された第１および第２の直列に接続されたスイッチと、
    前記ブートストラップ・キャパシタは、前記充電回路により充電されるように結合された第１端子、および前記第１および第２の直列に接続されたスイッチの間の共通ノードに結合された第２端子を有し、
    第１および第２モードで動作する制御回路であって、前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタが所与の周期でスイッチする第１モードにおいて、前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタの前記共通端子に接続された前記第１のスイッチをＯＮにし、前記第２のスイッチをＯＦＦに制御する制御回路とを備え、
    プリセット期間を超える時間の間、前記第１のパワー・スイッチング・トランジスタがＯＮの場合に、前記制御回路は第２モードで動作し、前記第１および第２のスイッチが、第１および第２の所与の時間期間で交互にＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記ブートストラップ・キャパシタが、前記第２スイッチおよび前記充電回路を介して、前記第２の所与の時間期間の間充電することを特徴とするブートストラップ・キャパシタ充電回路。
  2. 前記制御回路は、前記第２モードで動作する間、前記第１および第２のスイッチを交互にＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記第１の時間期間に前記第１のスイッチをＯＮにし、前記第２スイッチをＯＦＦにし、前記第２の時間期間に前記第１のスイッチをＯＦＦにし、前記第２スイッチをＯＮにすることを特徴とする請求項１に記載のブートストラップ・キャパシタ充電回路。
  3. 前記第１の時間期間は４９０μｓであり、前記第２の時間期間は１０μｓであり、前記プリセット期間は２００μｓであることを特徴とする請求項２に記載のブートストラップ・キャパシタ充電回路。
  4. 前記充電回路は、
    前記ブートストラップ・キャパシタを充電する前記電位発生源と前記ブートストラップ・キャパシタの前記第１端子との間に接続された主端子を有するトランジスタと、
    前記電位発生源と前記トランジスタの制御端子との間に接続された電流源と、
    前記トランジスタの前記制御端子と前記第１および第２スイッチの間の前記共通ノードとの間に接続された参照電圧を供給する調整素子と
    を含むことを特徴とする請求項１に記載のブートストラップ・キャパシタ充電回路。
  5. 前記充電回路は、前記高圧側電位と、前記第１および第２のトランジスタの共通端子と前記低圧側電位との間に配置された第１および第２のスイッチとの間に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のブートストラップ・キャパシタ充電回路。
  6. ハーフブリッジ型に配置され、高圧側電位と低圧側電位との間に導かれた第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタと、前記第１および第２のトランジスタを駆動する駆動回路と、電位発生源から充電されるように配置され、電圧源を提供して電子回路に電力供給するブートストラップ・キャパシタと、前記高圧側電位および低圧側電位の一つから前記ブートストラップ・キャパシタへの充電経路を提供する充電回路と、前記第１および第２のトランジスタの共通端子と前記高圧側電位および低圧側電位の一つとの間に配置された第１および第２の直列に接続されたスイッチと、前記ブートストラップ・キャパシタは、前記充電回路により充電されるように結合された第１端子、および前記第１および第２の直列に接続されたスイッチの間の共通端子に結合された第２端子を有し、前記第１および第２のスイッチを制御する制御回路とを備えた回路のブートストラップ・キャパシタを充電する方法において、
    前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタが、所定の周波数以上の周期でスイッチングすると、前記第１および第２のスイッチを第１モードで制御して、前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタの前記共通端子に接続された前記第１のスイッチをＯＮにし、前記第２スイッチをＯＦＦにすること、および
    前記第１および第２のパワー・スイッチング・トランジスタが、プリセット期間を超える時間の間ＯＮの場合、前記第１および第２のスイッチを第２モードで制御して、前記第１および第２のスイッチを、第１および第２の所与の時間期間で交互にＯＮ／ＯＦＦさせ、前記ブートストラップ・キャパシタが、前記第２スイッチおよび前記充電回路を介して、前記第２の所与の時間期間の間充電すること
    を備えたことを特徴とする方法。
  7. 前記第１および第２のスイッチを第２モードで制御することは、前記第１および第２のスイッチを交互にＯＮ／ＯＦＦすることにより、前記第１の時間期間に前記第１のスイッチをＯＮにし、前記第２スイッチをＯＦＦにし、前記第２の時間期間に前記第１のスイッチをＯＦＦにし、前記第２スイッチをＯＮにすることを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 前記第１の時間期間は４９０μｓであり、前記第２の時間期間は１０μｓであり、前記プリセット期間は２００μｓであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  9. 前記ブートストラップ・キャパシタを、電圧調整回路を含む充電回路により充電することを特徴とする請求項６に記載の方法。
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