JP2011078305A - トランジスタハーフブリッジ回路の中点電圧検知装置 - Google Patents

トランジスタハーフブリッジ回路の中点電圧検知装置 Download PDF

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Abstract

【課題】トランジスタのハーフブリッジ回路の中点電圧の検知装置を提供する。
【解決手段】第1トランジスタM1及び第2トランジスタM2からなるハーフブリッジ回路は、中点電圧が低電圧値から高電圧値へ及びその逆への遷移を経験するように駆動され、コンデンサ内を流れる電流信号Isink,Isourceに対して低インピーダンスノードを形成すべく適合されている。装置は、電流信号Isink,Isourceを検知すべく適合されており且つ電流信号に基いて低電圧値から高電圧値への又は高電圧値から低電圧値への遷移を表す少なくとも1個の第1信号HL_comm,LH_commを出力すべく適合されている検知手段10を有している。
【選択図】図2

Description

本発明は、トランジスタハーフブリッジ回路の中点電圧検知装置に関するものである。
高電圧トランジスタハーフブリッジを具備する回路は、モータ制御、蛍光灯用のバラスト、及び電源回路などの種々の適用例において使用されている。ハーフブリッジ回路は、図1に示されているように、高電源電圧Vinと接地GNDとの間に配置された一対のスタックされたトランジスタから構成されている。
トランジスタQ1及びQ2はMOSFETタイプのパワーデバイスであり、それらの共通接続点であるノード「A」は負荷へ接続されている出力である。各トランジスタQ1及びQ2は、その駆動ドライバDRV1及びDRV2がそれらをオン又はオフへスイッチングさせるための便利な信号を供給する。
多くの適用例において、中点ノードであるノードAをモニタすることは、例えば、これが図1におけるLLC直列共振回路1などを何時高状態から低状態又はその逆にスイッチしたかを決定するために便利である。該回路の通常動作期間中、トランジスタQ1及びQ2は交互にスイッチオン及びオフされてノードAに接続されている共振負荷内に電流を流させる。トランジスタQ1がスイッチオンされると、ノードAの電圧は実質的に電源電圧である高電位とされ、従って共振負荷において電流は増加することを開始する。トランジスタQ1がスイッチオフされると、共振負荷内に流れる電流はノードAの電圧を低電位へ向かって減少させる。トランジスタQ1及びQ2は負荷回路の共振周波数よりも一層高い周波数においてスイッチするものと仮定される。ノードAの電圧が典型的に0V、即ち接地GND、である低電圧へ減少したことを確保するために或るアイドル時間の後に、トランジスタQ2はスイッチオンされる。該アイドル時間は、トランジスタQ1及びQ2の両方が同時にオンされ高電圧と低電圧との間に短絡回路を発生させることとなることを回避するためである。該アイドル時間は、ノードAの電圧、即ち中点ノードの電圧、の遷移が他方のトランジスタをスイッチオンさせる前に既に通過していることを確保することである。
トランジスタQ2をスイッチオンさせる前に、ノードAの電圧の高電圧から低電圧への完全な遷移は有限時間量を使用する。或る条件下においては、トランジスタQ2がスイッチオンされる時に、ノードAへの電圧は完全に低電位へ減少されていない場合がある。この場合には、トランジスタQ2はノードAの電圧を強制的に低電圧レベルとさせる。このスイッチングは「ハードスイッチング(hard-switching)」と呼ばれており、それはこれら2個のトランジスタを不可逆的に損傷させることがあるようにトランジスタQ1及びQ2を過熱させるようなスイッチング損失である。
従って、これらのトランジスタをスイッチオンさせる前に、ノードAが高電圧から低電圧又はその逆の遷移を終了していることを確保することによって、該スイッチング損失を最小とさせることが可能である。
該技術水準に鑑み、本発明の目的とするところは、上述した欠点を解消したトランジスタハーフブリッジ回路の中点ノード電圧検知装置を提供することである。
本発明によれば、この様な目的は、第1及び第2トランジスタを有しているトランジスタハーフブリッジ回路の中点電圧検知装置であって、前記ハーフブリッジが電圧源と基準電圧との間に接続されており且つ負荷を駆動するように適合されており、前記第1及び第2トランジスタは前記中点電圧が低電圧値から高電圧値へ及びその逆に遷移するように駆動され、前記ハーフブリッジ回路はブートストラップコンデンサを有していて前記ブートストラップコンデンサの一方の端子は該中点ノードへ接続しており且つ他方の端子は前記ブートストラップコンデンサの電源回路へ接続している中点電圧検知装置において、該中点電圧検知装置は、更なるコンデンサであって前記ブートストラップコンデンサの前記他方の端子と、該中点電圧の該低電圧値から該高電圧値及び該高電圧値から該低電圧値への遷移期間中に前記更なるコンデンサ内に流れる電流信号に対して低インピーダンスノードを形成すべく適合されている回路手段と、の間に接続されるべく適合されている更なるコンデンサと、前記更なるコンデンサ内を流れる前記電流信号を検知すべく適合されており且つ前記電流信号に従って該中点電圧の該低電圧値から該高電圧値へ又は該高電圧値から該低電圧値への遷移を表す少なくとも第1信号を出力すべく適合されている検知手段と、を有していることを特徴としている。
本発明の特徴及び利点は、添付図面における非制限的な例によって示されている実際的な実施例の以下の詳細な説明から明らかなものとなる。
既知の技術に基づくトランジスタハーフブリッジ回路の概略図。 本発明に基づくトランジスタハーフブリッジ回路の中点電圧検知装置の概略図。 図2の回路における関連性のある信号のタイムチャート図。
図2は、本発明に基くトランジスタハーフブリッジ回路の中点電圧検知装置又は回路10を示している。該図は電源電圧Vccと接地GNDとの間に直列に配置されたMOSトランジスタM1及びM2のハーフブリッジを示している。中点ノードA、即ちトランジスタM1及びM2の間の共通端子、は接地GNDへ接続されている、好適には共振負荷である負荷LOADへ接続されている。トランジスタM1及びM2は、夫々、入力信号HVG及びLVGを持っている2個のドライバ11及び21によって夫々駆動される。ドライバ11及び21は、トランジスタM1及びM2を交互にスイッチオン及びオフさせるべく適合されており、従って、トランジスタM1がオンでトランジスタM2がオフである場合には、ノードAは高電位であって実質的には、例えば400V等である、電圧Vccにあり、一方、トランジスタM2がオンで且つトランジスタM1がオフである場合には、ノードAは低電位、実質的には接地電圧GND、にある。
トランジスタM1がスイッチオフされると、該共振負荷内に流れる電流はノードAの電圧を低電位LWへ向かって減少させる。トランジスタM1及びM2は、負荷LOADの共振周波数よりも一層高い周波数においてスイッチすることが仮定されている。或るアイドル時間Tm1の後、即ちノードAの電圧が典型的に0V、即ち接地GND、である低電圧とされた後に、トランジスタM2がスイッチオンされる。アイドル時間Tm1は、高電圧と低電圧との間に短絡回路を発生させることとなるトランジスタM1及びM2が同時的にスイッチオンされることを回避し、アイドル時間Tm1は、ノードAの電圧、即ち中点ノードの電圧、の遷移が他方のトランジスタM1をスイッチオンさせる前に既に通過していることを確保する。
同様に、トランジスタM2がスイッチオフされると、共振負荷内に流れる電流はノードAの電圧をして高電位HWへ向かって増加させる。或るアイドル時間Tm2の後に、即ちノードAの電圧が典型的に電源電圧Vccである高電圧とされた後に、トランジスタM1はスイッチオンされる。アイドル時間Tm2は、高電圧と低電圧との間に短絡回路を発生させるようなトランジスタM1及びM2の両方が同時的にスイッチオンされることを回避し、アイドル時間Tm2は、ノードAの電圧、即ち中点ノードの電圧、の遷移が他方のトランジスタM2をスイッチオンさせる前に、既に通過していることを確保する。
回路10は、中点ノードAにおける電圧変動を検知し且つ前記変動において論理信号を供給すべく適合されており、特に、中点電圧Vaの低電圧値LWから高電圧値HWへの及びその逆の遷移を検知すべく適合されている。
ハーフブリッジ回路は、通常、ブートストラップコンデンサCbootを有しており、それは、中点ノードAと前記ブートストラップコンデンサCbootの特定の電源回路15との間に接続されている。該ブートストラップコンデンサは、トランジスタM1の駆動段が正確に電圧供給されることを可能とし、非常に短い時間でブートストラップコンデンサCbootを充電することを確保するために、回路15はその電圧供給を短い時間で行うことを可能とすべきである。
回路10は、更なるコンデンサを具備する回路を有しており、該更なるコンデンサはブートストラップコンデンサCbootへ且つ回路手段12、Cpump、Q3、Q4へ接続可能なものであり、それらは、中点電圧Vaの低電圧値LWから高電圧値HWへの遷移及び高電圧値HWから低電圧値LWへの遷移の期間中に前記更なるコンデンサを横断して流れる電流信号に対して低インピーダンスノードを形成している。高電圧値HWは実質的には電源電圧Vccであり、一方、低電圧値LWは基準電圧で、好適には、接地GNDである。回路15は、好適には、LDMOSトランジスタM10を有しており、その非駆動可能端子、例えば、ソース端子、は電源電圧Vccよりも一層低い例えば20Vの電圧Vddへ接続しており、且つその他方の非駆動可能端子、例えばドレイン端子、はブートストラップコンデンサCbootによって中点ノードAへ接続している。この様な場合には、該更なるコンデンサは、トランジスタM10のゲート端子とドレイン端子との間のインヒアレント(inherent)、即ち内在的、なコンデンサCgdである。
トランジスタM10を同期的に駆動するためには、電源電圧Vddよりも一層高い電圧が必要とされ、それは内部的なチャージポンプ12によって得られるものであり、該チャージポンプは、好適には信号LVGによって制御される駆動回路12Aと、駆動回路12Aの出力とトランジスタM10のゲート端子Gとの間に接続されているポンピングコンデンサCpumpと、アノードを電源電圧Vddへ接続しており且つカソードをトランジスタM10のゲート端子Gへ結合しているダイオードD1と、を有している。ポンピング回路12は、好適には、電源電圧Vddと接地GNDとの間に接続されており且つ出力端子をコンデンサCpumpへ接続している少なくとも1個のインバータを有しており、該出力端子は該インバータの2個のトランジスタの共通端子である。
回路10は、ノードA上の電圧変動をモニタするためにLDMOSトランジスタM10の内在的なゲート・ドレインコンデンサCgdを利用し、該コンデンサCgdは、通常、0.5と1pFの間の範囲内にある。トランジスタM10のゲート端子とコンデンサCpumpの端子とダイオードD1のカソードとの間の結合は抵抗Rswitchによって達成されている。
回路10は、NPN型のバイポーラトランジスタQ3を具備する回路を有しており、そのエミッタ端子はトランジスタM10のゲート端子Gへ直接接続されており且つ抵抗Rswitchの一方の端子へ接続されており、そのベース端子は抵抗Rswitchの他方の端子へ接続しており、且つそのコレクタ端子は、電流発生器I1へ接続されているPチャンネルMOSトランジスタT1及びT2を有するカレントミラーT1−T2へ接続されている。回路20もPNP型のバイポーラトランジスタQ4を有しており、そのエミッタ端子はトランジスタM10のゲート端子Gへ直接接続されており且つ抵抗Rswitchの一方の端子へ接続されており、そのベース端子は抵抗Rswitchの他方の端子へ接続されており、且つそのコレクタ端子は、電流発生器I2へ接続されているNチャンネルMOSトランジスタT3及びT4を有するカレントミラーT3−T4へ接続されている。トランジスタQ3及びQ4はMOSトランジスタから構成することも可能であり、その場合には、そのゲート端子をトランジスタM10のゲート端子Gへ接続させ且つ抵抗Rswitchの一方の端子へ接続させ、その両方のゲート端子を抵抗Rswitchの他方の端子へ接続させ、且つそのドレイン端子をカレントミラーT1−T2及びT3−T4へ接続させる。
中点ノードAの低電位から高電位へのスイッチングが発生する場合に、電流IsinkがコンデンサCgdによってトランジスタM10のゲート端子G内に注入される。前記電流は抵抗Rswitchを横断し且つコンデンサCpump上を流れ、該コンデンサは、電流信号の観点からは、低インピーダンス点であり且つ抵抗Rswitch上で電圧降下を発生し、そのことは、バイポーラトランジスタQ4をスイッチオンさせ、そのトランジスタQ4は電流IsinkをカレントミラーT3−T4へ向けて逸らさせる傾向となる。電流Isinkは電流発生器I2からの基準電流I2と比較され、且つインバータI3を介して、電流Isinkが電流I2よりも一層高い場合に、高論理出力信号LH_commを供給する。
中点ノードAの高電位から低電位へのスイッチングが発生すると、電流IsourceがコンデンサCgdによってトランジスタM10のゲート端子Gからピックアップされる。前記電流は抵抗Rswitchを横断し且つコンデンサCpump上を流れ、該コンデンサは、電流信号の観点からは、低インピーダンス点であって且つ該電圧を抵抗Rswitch上で降下させ、このことはバイポーラトランジスタQ3をスイッチオンさせ、そのトランジスタQ3は電流IsourceをカレントミラーT1−T2へ向かって逸らさせる傾向となる。電流Isourceは電流発生器I1からの基準電流I1と比較され且つ、バッファ14を介して、電流Isourceが電流I1よりも一層高い場合に、高論理出力信号HL_commを与える。
信号電流Isink及びIsourceは、中点ノードAの電圧の微分値に比例する。該電流がトランジスタM10のゲートノードG内に注入されるか又はそれからピックアップされる場合に、2個のトランジスタの内の一方、Q3又はQ4、がスイッチオンされる場合に、接地に対してのゲートノードからの電流によって見られるインピーダンスは比較的低く、即ち該バイポーラトランジスタのエミッティング(emitting)抵抗である。ブートストラップコンデンサCbootは通常約100nFの値を持っておりそれは典型的にLDMOSトランジスタM10の寄生コンデンサCgd(0.5−1pF)よりも一層高い値を有している。従って、コンデンサCbootを横断しての電圧Vbootは、
Figure 2011078305
であり、即ち、それはノードA上の電圧Vaに実質的に等しい。
従って、コンデンサCgd内に注入されるか又はそれからピックアップされる電流Isink又はIsourceは、
Figure 2011078305
である。
従って、信号電流Isink及びIsourceは、中点電圧Vaの微分値に比例している。従って、論理信号LH_comm及びHL_commは、電圧Vaの正/負微分値が基準電流I1及びI2によって決定される或る値を超える場合にアクティブ高であり、ノードAの遷移が何時発生するかを表す。基準電流I1及びI2の値を適宜設定することによって、論理信号HL_comm及びLH_commの活性化感度は電圧Vaの変動に設定することが可能である。その代わりに、抵抗Rswitchの値は検知回路を活性化させる信号電流Isink及びIsourceの最小スレッシュホールドを決定する。
上述した回路10は、付加的な外部コンポーネントを使用すること無しに、従って最終的な適用回路を簡単化して、ブートストラップ及び制御回路を包含するのと同じ回路内に集積化させることが可能である。
図3は、信号HVG及びLVG、中点電圧Va、及び信号HL_comm及びLH_comm、及びアイドル時間期間Tm1及びTm2のタイムチャートを示している。
Va:中点電圧
M1,M2:トランジスタ
LW:低電圧値
HW:高電圧値
Cboot:ブートストラップコンデンサ
15:電源回路
Cgd:更なるコンデンサ
12、Cpump,Q3,Q4:回路手段
Isink,Isource:電流信号
10:検知手段

Claims (11)

  1. トランジスタ(M1,M2)のハーフブリッジ回路の中点電圧(Va)に対する検知装置であって、前記ハーフブリッジ回路は第1(M1)及び第2(M2)トランジスタを有しており、前記ハーフブリッジ回路は電圧供給源(Vcc)と基準電圧(GND)との間に接続されており且つ負荷(LOAD)を駆動すべく適合されており、前記第1及び第2トランジスタは前記中点電圧(Va)が低電圧値(LW)から高電圧値(HW)への及びその逆の遷移を経験するように駆動され、前記ハーフブリッジ回路はブートストラップコンデンサ(Cboot)を有しており、前記ブートストラップコンデンサの一方の端子は該中点ノードへ接続しており且つその他方の端子は前記ブートストラップコンデンサの電源回路(15)へ接続している検知装置において、
    前記検知装置は前記ブートストラップコンデンサの前記他方の端子と回路手段(12、Cpump,Q3,Q4)との間に接続されるべく適合されている更なるコンデンサ(Cgd)を有しており、前記回路手段は該中点電圧(Va)の該低電圧値から該高電圧値への及び該高電圧値から該低電圧値への遷移期間中に前記更なるコンデンサ(Cgd)内を流れる電流信号(Isink、Isource)に対して低インピーダンスノードを形成すべく適合されており、検知手段(10)が前記更なるコンデンサ内を流れる前記電流信号を検知すべく適合されており且つ前記電流信号に従って該中点電圧の該低電圧値から該高電圧値への又は該高電圧値から該低電圧値への遷移を表す少なくとも1個の第1信号(HL_comm、LH_comm)を出力すべく適合されていることを特徴とする検知装置。
  2. 請求項1に基く装置において、前記検知手段(10)が前記電流信号を少なくとも一つの基準電流(I1,I2)と比較し且つ前記更なるコンデンサ内を流れる電流信号(Isink、Isource)が該基準電流よりも一層高い強度を有している場合に前記少なくとも一つの第1信号(HL_comm,LH_comm)を出力すべく適合されていることを特徴とする装置。
  3. 請求項2に基く装置において、前記検知手段(10)が該中点電圧の該低電圧値から該高電圧値への及び該高電圧値から該低電圧値への遷移に応答して該電流信号(Isink,Isource)のいずれかの方向を検知すべく適合されており、且つ該検知された信号電流の方向に従って2つの異なる第1信号を出力すべく適合されていることを特徴とする装置。
  4. 請求項3に基く装置において、前記検知手段が、前記更なるコンデンサと直列に配置されている抵抗(Rswitch)と、一対の第1(Q3)及び第2(Q4)トランジスタとを有しており、前記第1又は第2トランジスタのいずれかが該電流方向に従ってアクティブであることを特徴とする装置。
  5. 請求項4に基く装置において、前記検知手段に属している前記一対のトランジスタの該トランジスタ(Q3,Q4)がバイポーラトランジスタであり且つそのベース端子を両方共前記抵抗(Rswitch)の一方の端子へ接続しており、そのエミッタ端子を両方共該抵抗の他方の端子へ接続しており、且つそのコレクタ端子を前記電流信号(Isink,Isource)のいずれかをミラー動作すべく適合されている2個の異なるカレントミラー(T1−T2,T3−T4)へ接続されると共に該ミラー動作された電流を2つの異なる基準電流(I1,I2)と比較し且つ前記2つの第1信号(HL_comm,LH_comm)を出力すべく適合されている2個の比較器へ接続されていることを特徴とする装置。
  6. 請求項4に基く装置において、前記検知手段に属する前記一対のトランジスタの該トランジスタ(Q3,Q4)がMOSトランジスタであり、そのゲート端子は両方共前記抵抗(Rswitch)の一方の端子へ接続されており、そのソース端子は両方共該抵抗の他方の端子へ接続されており、且つそのドレイン端子は前記電流信号(Isink,Isource)のいずれかをミラー動作すべく適合されている2個の異なるカレントミラー(T1−T2,T3−T4)へ接続されると共に該ミラー動作された電流を2つの異なる基準電流(I1,I2)と比較し且つ前記2つの第1信号(HL_comm,LH_comm)を出力すべく適合されている2個の比較器へ接続されていることを特徴とする装置。
  7. 請求項1に基く装置において、前記低電圧値(LW)及び前記高電圧値(HW)が、夫々、実質的に、接地(GND)及び電源電圧(Vcc)であることを特徴とする装置。
  8. 請求項1に基く装置において、前記ブートストラップコンデンサ(Cboot)の前記電源回路(15)が電源電圧(Vcc)よりも一層低い電圧(Vdd)へ接続されている非駆動可能端子を具備している第3トランジスタ(M10)を有しており、その他方の非駆動可能端子は該ブートストラップコンデンサへ接続されており、且つその駆動可能端子はポンピング回路(12)のポンピングコンデンサ(Cpump)へ結合されていることを特徴とする装置。
  9. 請求項8に基く装置において、前記第3トランジスタ(M10)がLDMOSトランジスタであり且つ前記更なるコンデンサ(Cgd)が前記第3トランジスタのゲート端子とドレイン端子との間の内在的なコンデンサであることを特徴とする装置。
  10. 請求項8に基く装置において、前記回路手段が該ポンピング回路(12)の前記ポンピングコンデンサ(Cpump)を有していることを特徴とする装置。
  11. 第1(M1)及び第2(M2)トランジスタを有するトランジスタハーフブリッジ回路を有する集積回路において、前記ハーフブリッジ回路は電源電圧(Vcc)と基準電圧(GND)との間に接続されており且つ負荷(LOAD)を駆動すべく適合されており、前記第1及び第2トランジスタは前記中点電圧(Va)が低電圧値(LW)から高電圧値(HW)へ及びその逆への遷移を経験するように駆動され、前記ハーフブリッジ回路はブートストラップコンデンサ(Cboot)を有しており、該ブートストラップコンデンサは該中点ノードへ接続されている一方の端子と前記ブートストラップコンデンサの電源回路(15)へ接続されている他方の端子とを具備しており、前記集積回路は先行する請求項のいずれか一つに定義したトランジスタハーフブリッジ回路の中点電圧(Va)に対する検知装置を有している集積回路。
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