JP2010268536A - 電源装置とこれを用いた半導体試験装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】４象限動作に対応できる効率の高い電源装置を提供すること。
【解決手段】一次側電源と電圧安定化用バイパスコンデンサがそれぞれ並列に接続され、負極性側が共通電位点に接続された正側の並列回路および正極性側が共通電位点に接続された負側の並列回路と、一端が前記正側の並列回路の正極性側に接続され他端が前記負側の並列回路の負極性側に接続された第１のスイッチと第２のスイッチの直列回路と、一端がこの第１のスイッチと第２のスイッチの接続点に接続され、他端が共通電位点に接続された第３のスイッチと、一端がインダクタを介してこれら第１のスイッチと第２のスイッチと第３のスイッチの接続点に接続され、他端が共通電位点に接続された負荷と、これらインダクタと負荷の接続点の信号をセンスして前記各スイッチを選択的に駆動するスイッチ制御回路、とで構成されたことを特徴とする電源装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電源装置とこれを用いた半導体試験装置に関し、詳しくは、４象限動作に対応できる効率の高い電源装置とこれを用いた半導体試験装置に関するものである。
図２は一般的な降圧型同期整流コンバータの一例を示す回路図であり、スイッチング動作とインダクタによるエネルギーの充放電を利用したＤＣＤＣコンバータの例を示している。
図２において、一次側電源１と電圧安定化のためのバイパスコンデンサ２が並列に接続されていて、これら並列回路の負極性側は共通電位点に接続され、正極性側はＭＯＳ ＦＥＴなどで構成される第１のスイッチ３と第２のスイッチ４の直列回路を介して共通電位点に接続されている。
直列接続された第１のスイッチ３と第２のスイッチ４の接続点にはインダクタ５を介して負荷６の一端が接続され、負荷６の他端は共通電位点に接続されている。
インダクタ５と負荷６の接続点は、スイッチ制御回路７に接続されている。スイッチ制御回路７は、第１のスイッチ３と第２のスイッチ４を交互に開閉する駆動パルス信号を発生する。これら駆動パルス信号のパルス幅は、負荷６の端部の電圧をセンスして負荷６の端部の電圧が一定になるように制御される。
図２のように構成される降圧型同期整流コンバータは、シリーズレギュレータのようにレギュレータ自体での電圧降下による電力損失が発生しないので、効率の高い電源回路として広く用いられている。
特許文献１の図２には、上記図２と同様な降圧型同期整流コンバータの構成例が記載されている。
特開平１０−１９１６２４号公報
しかし、このような降圧型同期整流コンバータにおける出力電圧は正極性のみであり、正負両極性電圧の発生と両極性の電流方向に対応させることはできない。このため、たとえば半導体試験装置でウェハの検査にあたり、トランジスタや抵抗などに直流電圧を加えた時にどれだけの電流が流れるかという基本特性を測定するために、電圧を横軸に取って電流を縦軸に取った平面における４象限動作への対応が求められるパラメトリックメジャメントユニット（ＰＭＵ）用電源への適用は困難であった。
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、４象限動作に対応できる効率の高い電源装置とこれを用いた半導体試験装置を提供することにある。
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
一次側電源と電圧安定化用バイパスコンデンサがそれぞれ並列に接続され、負極性側が共通電位点に接続された正側の並列回路および正極性側が共通電位点に接続された負側の並列回路と、
一端が前記正側の並列回路の正極性側に接続され他端が前記負側の並列回路の負極性側に接続された第１のスイッチと第２のスイッチの直列回路と、
一端がこの第１のスイッチと第２のスイッチの接続点に接続され、他端が共通電位点に接続された第３のスイッチと、
一端がインダクタを介してこれら第１のスイッチと第２のスイッチと第３のスイッチの接続点に接続され、他端が共通電位点に接続された負荷と、
これらインダクタと負荷の接続点の信号をセンスして前記各スイッチを選択的に駆動するスイッチ制御回路、
とで構成されたことを特徴とする電源装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電源装置において、
前記正負の各並列回路には、それぞれ負荷が並列接続されていることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の電源装置において、
前記正負の各並列回路に並列接続されている負荷は、上位側の電源へ電力を回生する電力回生回路であることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の電源装置において、
前記一次側電源は、回生された電力を吸収する二次電池であることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１記載の電源装置において、
前記一次側電源は、上位側の電源へ電力を回生する電力回生回路を兼ねていることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、
ＤＰＳ（デバイス電源）またはＰＭＵ（パラメトリックメジャメントユニット）の少なくともいずれかに対して請求項１から請求項５のいずれかに記載の電源装置を用いることを特徴とする半導体試験装置である。
本発明によれば、いずれの象限においても電源回路自体の電力消費の少ない効率の高い電源装置とこれを用いた半導体試験装置が実現できる。
本発明の一実施例を示す回路図である。 一般的な降圧型同期整流コンバータの一例を示す回路図である。
以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す回路図である。図１において、正側の一次側電源１１と電圧安定化のためのバイパスコンデンサ１２が並列に接続されてこれら並列回路の負極性側は共通電位点に接続され、負側の一次側電源１３と電圧安定化のためのバイパスコンデンサ１４も並列に接続されてこれら並列回路の正極性側は共通電位点に接続され、正側の並列回路の正極性側はＭＯＳＦＥＴなどで構成される第１のスイッチ１５と第２のスイッチ１６の直列回路を介して負側の並列回路の負極性側に接続されている。
直列接続された第１のスイッチ１５と第２のスイッチ１６の接続点は第３のスイッチ１７を介して共通電位点に接続されるとともに、インダクタ１８を介して負荷１９の一端が接続され、負荷１９の他端は共通電位点に接続されている。
インダクタ１８と負荷１９の接続点は、スイッチ制御回路２０に接続されている。スイッチ制御回路２０は、動作モードに基づき、第１のスイッチ１５〜第３のスイッチ１７を選択的に開閉駆動する駆動パルス信号を発生する。なお、これら駆動パルス信号のパルス幅は、負荷１９の端部の電圧または電流をセンスして負荷１９の端部の電圧または電流が一定になるように制御される。
正側の並列回路には並列に負荷２１が接続され、負側の並列回路には並列に負荷２２が接続されている。
たとえば負荷１９である被測定対象ＤＵＴ端に正の電圧を与える場合の動作について説明する。スイッチ制御回路２０は、第１のスイッチ１５と第３のスイッチ１７を交互に開閉させるように周期パルスを発生する。このとき、第２のスイッチ１６は開状態のままである。スイッチ制御回路２０は、負荷１９である被測定対象ＤＵＴ端の電圧が所定の電圧になるように出力パルス幅を制御する。この動作は、図２で説明した同期整流コンバータの動作と同様である。
次に、負荷１９が電池などのエネルギーを放出する場合の動作について説明する。ここでは負荷１９は正電圧を発生する電池であり、負荷１９から所定の電流を吸引する場合の動作を想定する。この場合の電流の向きは、図中の破線矢印ＡまたはＢに示すようになっているものとする。
スイッチ制御回路２０は、負荷１９からの電流量が一定になるように、第１のスイッチ１５と第３のスイッチ１７を交互に開閉するスイッチングのパルス幅を制御する。第１のスイッチ１５と第２のスイッチ１６が開状態で第３のスイッチ１７が閉状態のときは、負荷１９からの電流は破線矢印Ｂに示すようにインダクタ１８と第３のスイッチ１７を経由しグラウンドを通して負荷１９に戻る。このとき、負荷１９から放出されたエネルギーはインダクタ１８に蓄積される。
第２のスイッチ１６と第３のスイッチ１７が開状態で第１のスイッチ１５が閉状態のときは、負荷１９からの電流はインダクタ１８と第１のスイッチ１５を経由して正側の一次電源１１側に流れる。このとき、負荷１９とインダクタ１８から放出されたエネルギーは一次電源１１側に回生される動作になる。この回生されたエネルギーは負荷２１によって消費される。
以上説明した正電圧の動作は、負電圧の動作についても同様に説明できる。すなわち、負電圧の場合は、第２のスイッチ１６と第３のスイッチ１７の交互動作となり、負側の一次電源１２側に回生されたエネルギーを消費するのは負荷２２となる。
さらに、０Ｖ近辺の電圧で大電流を流す必要がある場合には、スイッチ制御回路２０は、第１のスイッチ１５〜第３のスイッチ１７よりなる３つのスイッチまたは第１のスイッチ１５と第２のスイッチ１６の２つのスイッチを交互に閉状態とするスイッチング動作を行うことによりこれを実現する。なお、第１のスイッチ１５〜第３のスイッチ１７よりなる３つのスイッチの開閉を行う場合には、貫通電流が流れるのを防止するために、２つ以上のスイッチが同時に閉状態とならないように制御する。
以上の動作説明から明らかなように、電圧を横軸、電流を縦軸に取った平面における４象限動作が実現できていることが分かる。
正負両方の一次電源１１、１３と第１のスイッチ１５〜第３のスイッチ１７よりなる３つのスイッチを組み合わせてスイッチング動作を行うことにより、計測用電源として必須となる４象限動作を実現できるとともに、どの象限の動作においても電源回路自体の電力消費の少ない高効率な電源装置を実現できる。
また、負荷２１、２２を単なる負荷ではなく電力回生回路とし、回生された電力をシステム電源またはライン電源に回生するように構成することにより、電源装置全体の低消費電力化が図れる。
なお、負荷２１、２２は、さらに上位側の電源へ電力を回生する電力回生回路であってもよい。この場合、負荷２１、２２は統合された回路になっていてもよい。
また、正負両方の一次電源１１、１３自体が、いわゆる二次電池のように回生された電力を吸収する形になっていてもよく、さらに上位側の電源へ電力を回生する電力回生回路を兼ねるようにしてもよい。
また、スイッチ制御回路２０は、出力パルス幅を制御するのではなく、パルス波形の発生頻度で電圧または電流を制御する方式の回路であってもよい。
さらに、第３のスイッチ１７は、ＭＯＳＦＥＴを使用する場合には、両極性電圧に対応できるように、２つのＭＯＳＦＥＴを縦列接続した構成であってもよい。
以上説明したように、本発明によれば、４象限動作に対応できる効率の高い電源装置が実現でき、各種の計測用電源装置として好適である。特に、半導体試験装置における電源装置、特にＤＰＳ（デバイス電源）またはＰＭＵ（パラメトリックメジャメントユニット）を本電源装置で構成することにより、半導体試験装置全体としてかなり大幅な省電力化が期待できる。
１１、１３ 一次電源
１２、１４ バイパスコンデンサ
１５〜１７ スイッチ
１８ インダクタ
１９、２１、２２ 負荷
２０ スイッチ制御回路

Claims (6)

  1. 一次側電源と電圧安定化用バイパスコンデンサがそれぞれ並列に接続され、負極性側が共通電位点に接続された正側の並列回路および正極性側が共通電位点に接続された負側の並列回路と、
    一端が前記正側の並列回路の正極性側に接続され他端が前記負側の並列回路の負極性側に接続された第１のスイッチと第２のスイッチの直列回路と、
    一端がこの第１のスイッチと第２のスイッチの接続点に接続され、他端が共通電位点に接続された第３のスイッチと、
    一端がインダクタを介してこれら第１のスイッチと第２のスイッチと第３のスイッチの接続点に接続され、他端が共通電位点に接続された負荷と、
    これらインダクタと負荷の接続点の信号をセンスして前記各スイッチを選択的に駆動するスイッチ制御回路、
    とで構成されたことを特徴とする電源装置。
  2. 前記正負の各並列回路には、それぞれ負荷が並列接続されていることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
  3. 前記正負の各並列回路に並列接続されている負荷は、上位側の電源へ電力を回生する電力回生回路であることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
  4. 前記一次側電源は、回生された電力を吸収する二次電池であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
  5. 前記一次側電源は、上位側の電源へ電力を回生する電力回生回路を兼ねていることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
  6. ＤＰＳ（デバイス電源）またはＰＭＵ（パラメトリックメジャメントユニット）の少なくともいずれかに対して請求項１から請求項５のいずれかに記載の電源装置を用いることを特徴とする半導体試験装置。
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