JP2008067140A - スイッチング回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 スイッチング回路10は、ドレイン電極Dとソース電極の間に電源80と負荷70を直列に接続して用いるトランジスタ50と、そのトランジスタに駆動電圧Vinを出力する制御回路40と、そのトランジスタ50のゲート電極Gとドレイン電極Dの間に接続されているとともに第1キャパシタ32と第1ダイオード34が直列に接続されている直列回路30を備えている。その第1ダイオード34のカソードはトランジスタ50のゲート電極G側に接続しており、その第1ダイオード34のアノードがトランジスタ50のドレイン電極D側に接続している。スイッチング回路10はさらに、第1キャパシタ32と第1ダイオード34の間の接続線に接続されているとともにその接続線の電圧を調整する電圧調整回路20を備えている。
【選択図】 図1
Description
次に、制御回路140がトランジスタ150をオンさせる電圧を出力すると、トランジスタ150のドレイン電極Dの電圧が降下する。ダイオード134には逆バイアス電圧が加わるので、キャパシタ132は放電することができず、それ以前からの充電電圧(Vdd−VF)を維持する。
次に、制御回路140がトランジスタ150をオフさせる電圧を出力すると、トランジスタ150のドレイン電極Dの電圧が上昇する。寄生インダクタンス160が存在することから、ドレイン電極Dの電圧は電源電圧Vddを超えて上昇する。いわゆるサージ電圧が発生する。
トランジスタ150のドレイン電極Dの電圧が、キャパシタ132の充電電圧(Vdd−VF)とダイオード134の順方向電圧VFの合計電圧、即ち電源電圧Vddを超えると、ダイオード134に順方向電圧が作用し、キャパシタ132に充電電流が流れ始める。このため、トランジスタ150のゲート電極Gの放電速度が遅くなることによってトランジスタ150のドレイン電流の変化速度が遅くなり、トランジスタ150のドレイン電極Dの電圧の急峻な上昇が抑えられ、サージ電圧を低く抑えることができる。
なお、上記では、ゲート電極(制御電極)側にキャパシタが配置され、ドレイン電極(高電圧側の主電極)側にダイオードが配置されている直列回路を例示したが、ゲート電極側にダイオードが配置され、ドレイン電極側にキャパシタが配置されている直列回路を用いても、サージ電圧を低く抑えることができる。
しかしながら、キャパシタを利用する場合、ドレイン電極の電圧が電源電圧を超えない限りゲート電極の電圧の低下速度が遅速化されず、トランジスタのドレイン電流の低下速度が遅速化されず、サージ電圧を抑制しきれない場合が生じる。
そこで本発明は、トランジスタの制御電極の電圧の変化速度を遅速化するタイミングが安定しているだけでなく、トランジスタの高電圧側の主電極の電圧が電源電圧を超えるよりも早いタイミングでトランジスタの制御電極の電圧の変化速度を遅速化することによって、サージ電圧の抑制能力が改善されたスイッチング回路を提供するために開発された。
なお第1キャパシタと第1ダイオードの直列回路では、第1キャパシタがトランジスタの制御電極側に配置され、第1ダイオードがトランジスタの高電圧側の主電極側に配置されていてもよく、あるいはその位置関係が逆であってもよい。
電圧調整回路が存在しないと、第1ダイオードに順方向電圧が作用し始めるタイミングはトランジスタの高電圧側の主電極の電圧が電源電圧にまで上昇したタイミングに固定されてしまう。
それに対して電圧調整回路が付加されていると、トランジスタの高電圧側の主電極の電圧が電源電圧にまで上昇するよりも早いタイミングで第1ダイオードに順方向電圧が作用し始めるようにでき、より早いタイミングでトランジスタの制御電極の電圧の変化速度を遅速化することができ、より早いタイミングでトランジスタの主電流の変化速度を遅速化することができ、より早いタイミングでトランジスタの高電圧側の主電極の電圧変化を遅速化することができ、トランジスタの高電圧側の主電極に現れるサージ電圧を低く抑えることができる。
なお必要であれば、トランジスタの高電圧側の主電極の電圧が電源電圧以上に上昇したタイミングで第1ダイオードに順方向電圧が作用し始めるようにでき、遅いタイミングでトランジスタの制御電極の電圧の変化速度を遅速化することができ、遅いタイミングでトランジスタの主電流の変化速度を遅速化することができ、遅いタイミングでトランジスタの高電圧側の主電極の電圧変化を遅速化することができる。この場合、トランジスタのスイッチング損失を低減することができる。
この態様によると、トランジスタの高電圧側の主電極の電圧が電源電圧にまで上昇するよりも早いタイミングで第1ダイオードに順方向電圧が作用し始めるようにでき、より早いタイミングでトランジスタの制御電極の電圧の変化速度を遅速化することができ、より早いタイミングでトランジスタのドレイン電流の変化速度を遅速化することができ、より早いタイミングでトランジスタの高電圧側の主電極の電圧変化を遅速化することができ、トランジスタの高電圧側の主電極に現れるサージ電圧を低く抑えることができる。
この態様によっても、トランジスタの高電圧側の主電極の電圧が電源電圧にまで上昇するよりも早いタイミングで第1ダイオードに順方向電圧が作用し始めるようにでき、より早いタイミングでトランジスタの制御電極の電圧の変化速度を遅速化することができ、より早いタイミングでトランジスタのドレイン電流の変化速度を遅速化することができ、より早いタイミングでトランジスタの高電圧側の主電極の電圧変化を遅速化することができ、トランジスタの高電圧側の主電極に現れるサージ電圧を低く抑えることができる。
この電圧調整回路では、トランジスタがオン状態に移行し、トランジスタの高電圧側の主電極の電圧が降下すると、第2ダイオードに順方向電圧が作用する。この結果、第1キャパシタを充電していた電荷の一部は、第2キャパシタを充電するように移動し、第1キャパシタと第1ダイオードを接続する接続線の電圧は低下する。接続線の電圧は、トランジスタがオフしているときは高電圧となり、トランジスタがオンしているときは低電圧となる。
この場合、トランジスタの高電圧側の主電極の電圧が電源電圧にまで上昇するよりも早いタイミングで第1ダイオードに順方向電圧が作用し始めるようにでき、より早いタイミングでトランジスタの制御電極の電圧の変化速度を遅速化することができ、より早いタイミングでトランジスタのドレイン電流の変化速度を遅速化することができ、より早いタイミングでトランジスタの高電圧側の主電極の電圧変化を遅速化することができ、トランジスタの高電圧側の主電極に現れるサージ電圧を低く抑えることができる。
第2コンデンサの静電容量が大き過ぎると、第1キャパシタに蓄積されている電荷量が少なくなり過ぎ、第1キャパシタの充電電圧が小さくなり過ぎる。第1キャパシタの充電電圧が小さくなり過ぎると、トランジスタがターンオフした過渡期の序盤から第1ダイオードに順方向電圧が作用し始めるようになり、ターンオフ損失が増加してしまう。第2コンデンサの静電容量が第1コンデンサの静電容量以下に設定されていれば、第1キャパシタの充電電圧が小さくなり過ぎることを抑制できる。この結果、ターンオフ損失の増加を抑制しながら、サージ電圧も抑制することができる。
本発明によると、トランジスタがターンオフする序盤では、トランジスタの制御電極に生じる電圧の変化速度を高速にすることによってターンオフ損失を抑制し(序盤ではトランジスタの主電極間の電圧が低いために、サージ電圧が過大となることがなく、制御電極の電圧の変化速度を高速にすることができる)、トランジスタがターンオフする終盤(トランジスタの主電極間の電圧が上昇しており、サージ電圧が過大となりえる期間)では、トランジスタの制御電極に生じる電圧の変化速度を遅速化することによってサージ電圧を低く抑えることができる。
一般的に、ターンオフ損失とサージ電圧はトレードオフの関係にあり、ターンオフ損失を抑制するとサージ電圧が過大となり、サージ電圧を抑制するとターンオフ損失が過大となる。本発明では、ターンオフする途中でトランジスタの制御電極に生じる電圧の変化速度を遅速化するために、ターンオフ損失とサージ電圧の両者を抑制することができる。
(第1形態) 本発明のスイッチング回路は、電界効果型のトランジスタを利用する。
(第2形態) 本発明のスイッチング回路は、MOSFETを利用する。
(第3形態) サージ電圧抑制回路とトランジスタは、同一の半導体基板に作り込まれている。
スイッチング回路10は、トランジスタ50のオン・オフを切替えることによって、電源80が供給する電源電圧Vddを負荷70に供給する状態と供給しない状態を切替える。
なお、ドレイン電極Dは高電圧側の主電極であり、ソース電極Sは低電圧側の主電極であって接地されており、ゲート電極Gは制御電極である。
サージ電圧対策回路12が設けられていない場合、トランジスタ50がToffのタイミングでターンオフすると、ドレイン電極Dの電圧VDが上昇する。そして、ターンオフの過渡期の終盤には、トランジスタ50のドレイン電流IDと寄生のインダクタンス60に起因したサージ電圧が発生している。
最初に、トランジスタ50がオフで安定している状態を考える。この比較例のスイッチング回路では、トランジスタ50がオフで安定しているときに、電源電圧Vddから第1ダイオード34の順方向電圧VFを引いた電圧(Vdd−VF)が第1キャパシタ32に印加されている。第1キャパシタ32は、トランジスタ50がオフで安定しているときには、(Vdd−VF)の電圧に充電されている。すなわち、第3接続点33の電圧V1は、(Vdd−VF)になっている。
次に、トランジスタ50がオンすると、ドレイン電極Dの電圧VDが降下する。このため、第1ダイオード34には逆バイアス電圧が加わるので、第1ダイオード34は放電することができず、第1キャパシタ32の充電電圧は、トランジスタ50がオンしている間、それ以前の充電電圧(Vdd−VF)に維持される。
次に、トランジスタ50がToffのタイミングでターンオフすると、ドレイン電極Dの電圧VDが上昇する。ドレイン電極Dの電圧VDが第3接続点33の電圧V1(Vdd−VF)と第1ダイオード34の順方向電圧VFの合計(V1+VF=Vdd−VF+VF=Vdd)、即ち、電源電圧Vddを超えると、第1ダイオード34に順方向電圧が加わる(図2(B)のTbのタイミング)。Tbのタイミングで第1ダイオード34に順方向電圧が加わると、第1キャパシタ32に充電電流が流れ始め、それ以降はトランジスタ50のゲート電極Gの電圧の低下速度が遅速化し、トランジスタ50のドレイン電流IDの低下速度が遅速化する。このため、タイミングTb以降は、ドレイン電極Dの電圧VDの急峻な上昇が抑えられ、サージ電圧が低く抑えられる。
図2(B)で説明したように、第1キャパシタ32に充電電流が流れ始めるタイミングは、第1ダイオード34に順方向電圧が作用し始めるタイミングである。第1ダイオード34に順方向電圧が作用し始めるタイミングは、ドレイン電極Dの電圧VDが、第3接続点33の電圧V1と第1ダイオード34の順方向電圧VFの合計(V1+VF)を越えたときである。したがって、第3接続点33の電圧V1を低く調整すれば、第1ダイオード32に順方向電圧が作用し始めるタイミングが早くなり、ドレイン電極Dの電圧VDが低いときに第1キャパシタ32に充電電流が流れ始める状態を発生させることができる。
なお、第1キャパシタ32がトランジスタ50のドレイン電極D側に配置され、第1ダイオード34がトランジスタ50のゲート電極G側に配置されていて、電圧調整回路20を付加すると、サージ電圧がピークとなるタイミングより充分に早いタイミングで第1キャパシタ32に充電電流が流れ始め、ゲート電極Gの電圧の低下速度が遅速化し、ドレイン電極Dの電圧の変化速度が遅速化される現象が得られ、サージ電圧の増大を顕著に抑制することができる。
電圧調整回路20は、第1キャパシタ32と第1ダイオード24を接続する第3接続点33と、第1ダイオード34のアノードの間に接続されている。電圧調整回路20は、第2キャパシタ22と第2ダイオード24が直列に接続されている回路を備えている。第2ダイオード24のカソードは第1ダイオードのアノード側に接続されており、第2ダイオード24のアノードは第3接続点33側に接続されている。
これらの動作を繰返すことによって、スイッチング回路10はサージ電圧を抑制しながらトランジスタ50を駆動することができる。
図5に示すように、第1キャパシタ32の静電容量C1が1nFの場合と0.5nFの場合を比較すると、ドレイン電極Dの電圧VDの傾きが異なることが分かる。第1キャパシタ32の静電容量C1の大きさは、ドレイン電極Dの電圧VDの傾きを決定する。
図5に示すように、第1キャパシタ32と第2キャパシタ22の静電容量の比が1:1の場合と1:0.5の場合を比較すると、ドレイン電極Dの電圧VDが傾き始めるタイミングが異なる。第1キャパシタ32と第2キャパシタ22の静電容量の比は、ドレイン電極Dの電圧VDが傾き始めるタイミングを決定する。
図6に示すように、第1キャパシタ32の静電容量C1が1nFと0.5nFの場合を比較すると、トランジスタ50のドレイン電流IDの傾きが異なることが分かる。第1キャパシタ32の静電容量C1の大きさは、トランジスタ50のドレイン電流IDの傾きを決定する。
図6に示すように、第1キャパシタ32と第2キャパシタ22の静電容量の比が1:1の場合と1:0.5の場合を比較すると、トランジスタ50のドレイン電流IDが傾き始めるタイミングが異なる。第1キャパシタ32と第2キャパシタ22の静電容量の比は、トランジスタ50のドレイン電流IDが傾き始めるタイミングを決定する。
特に、本実施例のスイッチング回路10は、図5に示すように、トランジスタ50がターンオフした過渡期の序盤でドレイン電極Dの電圧VDを急峻に変動させ、過渡期の終盤でドレイン電極Dの電圧VDを緩慢に変動させることができる。このため、過渡期の序盤でドレイン電極Dの電圧VDを急峻に変動させることによってターンオフ損失の増大を抑制し、過渡期の終盤でドレイン電極Dの電圧VDを緩慢に変動させることによってサージ電圧の増大を抑制することができる。
図7に示すように、本実施例のスイッチング回路10は、ターンオフ損失をほとんど増大させることなく、サージ電圧を低減できていることが分かる。本実施例のスイッチング回路10は、ターンオフ損失とサージ電圧の間に存在しているトレードオフ関係を打破することができる。
(比較例1)
図8の結果は、第1キャパシタ32の静電容量C1が1nFであり、第2キャパシタ22の静電容量C2が0.1pFの場合である。第2キャパシタ22の静電容量C2が極めて小さい。したがって、比較例1は、第2キャパシタ22が存在していない場合と実質的に等価である。
図8に示すように、比較例1では、トランジスタ50がターンオンする過渡期に電流I2が流れない。このため、第3接続点33の電圧V1が降下しない。
図9の結果は、第1キャパシタ32の静電容量C1が0.1pFであり、第2キャパシタ22の静電容量C2が1nFの場合である。第1キャパシタ32の静電容量C1が極めて小さい。
図9に示すように、比較例2では、トランジスタ50がターンオンする過渡期に電流I2が流れない。さらに、トランジスタ50がターンオフする過渡期においても、電流I1が流れない。したがって、比較例2は、サージ電圧対策回路12が設けられていない場合と等価であると評価できる。
図10の結果は、第1キャパシタ32の静電容量C1が1nFであり、第2キャパシタ22の静電容量C2が10nFの場合である。第2キャパシタ22の静電容量C2が極めて大きい。
図10に示すように、比較例3では、トランジスタ50がターンオンする過渡期に過剰な電流I2が流れ、第3接続点33の電圧V1が下がり過ぎてしまう。このため、トランジスタ50がターンオフする過渡期では、その序盤から第2接続点の電圧VDが傾斜する。比較例3のスイッチング回路は、オフ損失が大きい。
例えば、図3のスイッチング回路10において、第2キャパシタ22と第2ダイオード24の直列回路と、第1ダイオード34で構成される並列回路と、第1キャパシタ32は、第1接続点41と第2接続点51の間でその位置関係が逆に配置されてもよい。
また、第2キャパシタ22と第2ダイオード24の配置順序は逆であってもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
12:サージ電圧対策回路
20:電圧調整回路
22:第2キャパシタ
24:第2ダイオード
30:直列回路
32:第1キャパシタ
34:第1ダイオード
40:制御回路
50:トランジスタ
60:寄生のインダクタンス
70:負荷
80:電源
Claims (5)
- トランジスタを備えているスイッチング回路であり、
一対の主電極の間に電源と負荷を直列に接続して用いるトランジスタと、
そのトランジスタの制御電極に接続されているとともにそのトランジスタをオンさせる電圧とオフさせる電圧を交互に出力する制御回路と、
そのトランジスタの制御電極と高電圧側の主電極の間に接続されているとともに第1キャパシタと第1ダイオードが直列に接続されている回路であって、その第1ダイオードのカソードが前記制御電極側に接続されており、その第1ダイオードのアノードが前記高電圧側の主電極側に接続されている直列回路と、
その第1キャパシタと第1ダイオードを接続する接続線に接続されているとともにその接続線の電圧を調整する電圧調整回路と、
を備えていることを特徴とするスイッチング回路。 - その電圧調整回路は、トランジスタがオンしているときの第1キャパシタの充電電圧を、トランジスタがオフしているときの充電電圧から低下させることを特徴とする請求項1のスイッチング回路。
- その電圧調整回路は、トランジスタの高電圧側の主電極の電圧が低下したときの第1キャパシタの充電電圧を、トランジスタの高電圧側の主電極の電圧が電源電圧に等しいときの充電電圧から低下させることを特徴とする請求項1のスイッチング回路。
- その電圧調整回路は、第1キャパシタと第1ダイオードを接続する接続線と第1ダイオードのアノードの間に接続されているとともに第2キャパシタと第2ダイオードが直列に接続されている回路を有しており、
その第2ダイオードのカソードが第1ダイオードのアノード側に接続されており、その第2ダイオードのアノードが前記接続線側に接続されていることを特徴とする請求項1のスイッチング回路。 - 第2コンデンサの静電容量が、第1コンデンサの静電容量以下であることを特徴とする請求項4のスイッチング回路。
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