JP2011209877A - シリーズレギュレータ - Google Patents

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Abstract

【課題】直列に接続した複数のトランジスタの耐圧を確実に分散できるシリーズレギュレータを提供することを課題とする。
【解決手段】複数の出力制御用トランジスタ5a,5bを直列に接続したシリーズレギュレータ5であって、複数の出力制御用トランジスタ5a,5bの耐圧を分散させるための分圧を設定する複数の分圧素子5e,5gと、複数の出力制御用トランジスタ5a,5bにそれぞれ設けられ、出力制御用トランジスタ5a,5bのゲート電圧を制御する分圧制御用トランジスタ5j,5kを備えることを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、シリーズレギュレータに関する。
シリーズレギュレータは、負荷に直列にトランジスタが接続され、降圧のみ可能な定電圧直流電源回路である。シリーズレギュレータは、安定性が高く、回路面積が小さく(小型)、低コストであり、省電力の電源回路として様々な装置の電源回路として適用され、例えば、モータを駆動源に持つ車両のインバータに用いられる。車両のインバータにはモータで発生する逆起電力によって非常に高い電圧(例えば、最大で1400V程度)が入力される場合があり、この場合にはシリーズレギュレータにはその高電圧がかかる。そのため、シリーズレギュレータのトランジスタとしては、高耐圧用の素子が必須となる。しかし、高耐圧用のトランジスタ素子は、大型でかつ高コストであり、放熱用のヒートシンクなども必要となり、表面実装には不適である。そこで、特許文献1に記載のシリーズレギュレータでは、負荷に2個のトランジスタが直列に接続され、この2個のトランジスタによって耐圧を分散させている。
特開2007−257104号公報 特開2007−174764号公報 特開平6−102739号公報 実公平6−7374号公報
上記のように耐圧を分散させるために複数のトランジスタを構成した場合、トランジスタがONするスレッシュホールド電圧のばらつきなどによって、複数のトランジスタのON/OFFを精度良く制御できず、複数のトランジスタの耐圧を均等に分散できない場合がある。
そこで、本発明は、直列に接続した複数のトランジスタの耐圧を確実に分散できるシリーズレギュレータを提供することを課題とする。
本発明に係るシリーズレギュレータは、複数の出力制御用トランジスタを直列に接続したシリーズレギュレータであって、複数の出力制御用トランジスタの耐圧を分散させるための分圧を設定する複数の分圧素子と、複数の出力制御用トランジスタにそれぞれ設けられ、出力制御用トランジスタのゲート電圧を制御する分圧制御用トランジスタを備えることを特徴とする。
このシリーズレギュレータは、耐圧を分散させるために複数の出力制御用トランジスタが直列に接続されており、この複数のトランジスタによって入力電圧を降圧して負荷に一定の電圧を出力する。特に、シリーズレギュレータでは、複数の分圧素子によって、複数の出力制御用トランジスタに分散させたい各耐圧をそれぞれ設定する。さらに、シリーズレギュレータでは、複数の出力制御用トランジスタに対して分圧制御用トランジスタがそれぞれ設けられ、この分圧制御用トランジスタによって出力制御用トランジスタのゲート電圧を制御する。この分圧制御用トランジスタによるゲート電圧制御によって、出力制御用トランジスタのON/OFF状態を高精度に制御できる。その結果、確実に、複数の出力制御用トランジスタの耐圧を分圧素子による設定に応じて分散させることができる。このように、シリーズレギュレータは、複数の出力制御用トランジスタに対してゲート電圧を制御する分圧制御用トランジスタをそれぞれ設けることにより、直列に接続した複数のトランジスタの耐圧を確実に分散することができる。
本発明の上記シリーズレギュレータでは、分圧素子は、ツェナダイオードとすると好適である。このように、シリーズレギュレータでは、分圧素子をツェナダイオードで構成することにより、シリーズレギュレータにかかる入力電圧が変動しても、分圧抵抗を用いた場合のように分圧電圧が変化しないので、分圧制御がより安定化する。
本発明は、複数の出力制御用トランジスタに対してゲート電圧を制御する分圧制御用トランジスタをそれぞれ設けることにより、直列に接続した複数のトランジスタの耐圧を確実に分散することができる。
本実施の形態に係るインバータの構成図である。 本実施の形態に係るシリーズレギュレータの回路図である。 本実施の形態に係るシリーズレギュレータの他の形態の回路図である。 本実施の形態に係るシリーズレギュレータの他の形態の回路図である。
以下、図面を参照して、本発明に係るシリーズレギュレータの実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
本実施の形態では、本発明に係るシリーズレギュレータを、モータを駆動源に持つ車両(例えば、ハイブリッド車両、電気自動車、燃料電池車両)のインバータ内のシリーズレギュレータに適用する。本実施の形態に係るインバータは、モータ駆動時にバッテリの直流電力を三相交流電力に変換してモータに供給する。本実施の形態に係るシリーズレギュレータは、インバータ内に構成され、インバータ内の駆動回路に定電圧を供給する。
図1を参照して、本実施の形態に係るインバータ1について説明する。図1は、本実施の形態に係るインバータの構成図である。なお、図1のインバータでは出力段の上アームと下アームのIGBT[Insulated Gate Bipolar Transistor]等についてはモータの1相分のみ示しているが、実際には出力段にモータの3相分の上アームと下アームのIGBT等がある。
インバータ1には、システムメインリレーR1,R2を介してバッテリBに接続されるとともに、モータの各相のコイルCが接続される。また、インバータ1には、モータ制御、ハイブリッド制御などの上位ECU[Electronic Control Unit](図示せず)が接続され、上位ECUからの制御信号に応じて動作する。インバータ1は、主に、低電圧コンデンサ2、DC/DCコンバータ3、高電圧コンデンサ4、シリーズレギュレータ5、駆動回路6、パルストランス7、各相の上アームのIGBT8と下アームのIGBT9を備えている。
低電圧コンデンサ2は、システムメインリレーR1,R2を介してバッテリBに並列に接続される。低電圧コンデンサ2では、バッテリBの低電圧の直流電圧を平滑化し、低電圧の電荷を蓄電する。
DC/DCコンバータ3は、コイル3a、IGBT3b,3c、還流ダイオード3d,3eからなる。コイル3aの一端には、低電圧コンデンサ2の高電圧側が接続される。コイル3aの他端には、IGBT3bとIGBT3cの接続点が接続される。IGBT3bとIGBT3cとは直列に接続され、IGBT3bのコレクタに高電圧コンデンサ4の高電圧側(VH電位)が接続され、IGBT3cのエミッタに高電圧コンデンサ4の低電圧側(N電位)が接続される。IGBT3b、IGBT3cには、還流ダイオード3d,3eがそれぞれ逆並列接続される。このような回路構成によって、DC/DCコンバータ3では、低電圧コンデンサ2の低電圧の直流電力を高電圧の直流電力に変換する。
高電圧コンデンサ4は、DC/DCコンバータ3に接続される。高電圧コンデンサ4では、DC/DCコンバータ3で昇圧された直流電圧を平滑化し、高電圧の電荷を蓄電する。シリーズレギュレータ5は、高電圧コンデンサ4が接続されるとともに、駆動回路6が接続される。シリーズレギュレータ5では、高電圧コンデンサ4の高電圧を降圧して駆動回路6に定電圧を出力する。シリーズレギュレータ5については、後で詳細に説明する。
駆動回路6は、シリーズレギュレータ5が接続されるとともに、パルストランス7及び下アームのIGBT9のゲートが接続される。駆動回路6では、上アームのIGBT8をON/OFFするためのパルス駆動電圧をパルストランス7に印加するとともに、下アームのIGBT9をON/OFFするためのパルス駆動電圧をIGBT9のゲートに印加する。パルストランス7は、絶縁用のパルストランスであり、入力側に駆動回路6が接続されるとともに出力側に上アームのIGBT8のゲートが接続される。パルストランス7では、絶縁して、駆動回路6からのパルス駆動電圧を1対1でIGBT8のゲートに印加する。
IGBT8とIGBT9とは、直列に接続され、IGBT8のコレクタにVH電位が接続され、IGBT9のエミッタにN電位が接続される。IGBT8のエミッタとIGBT9のコレクタの接続点に、モータの各相のコイルCが接続される。IGBT8、IGBT9には、還流ダイオード8a,9aがそれぞれ逆並列接続される。IGBT8では、ゲートに印加されるパルストランス7からのパルス駆動電圧に応じてON/OFFする。IGBT9では、ゲートに印加される駆動回路6からのパルス駆動電圧に応じてON/OFFする。
モータを駆動する場合のインバータ1での動作について説明する。システムメインリレーR1,R2がONしている場合、インバータ1には、バッテリBから低電圧の直流電力が入力される。低電圧コンデンサ2では、そのバッテリBからの低電圧の直流電力を平滑化し、低電圧の電荷を蓄電する。DC/DCコンバータ3では、低電圧コンデンサ2の低電圧の直流電力を昇圧する。高電圧コンデンサ4では、その昇圧された高電圧の直流電力を平滑化し、高電圧の電荷を蓄電する。シリーズレギュレータ5では、高電圧コンデンサ4の高電圧の直流電力を降圧し、定電圧(例えば、15V程度)の直流電力(低電流)を駆動回路6に供給する。駆動回路6では、その定電圧の直流電力で作動し、モータの各相に対応して上アームのパルス駆動電圧をパルストランス7に印加するとともに下アームのパルス駆動電圧をIGBT9のゲートに印加する。パルストランス7では、駆動回路6からのパルス駆動電圧を1対1でIGBT8のゲートに印加する。モータの各相に対応した上アームのIGBT8ではパルストランス7からのパルス駆動電圧に応じてON/OFFするとともに下アームのIGBT9では駆動回路6からのパルス駆動電圧に応じてON/OFFし、各相のコイルCに間欠的に電流を流し、三相の交流電力をモータに供給する。
なお、インバータ1のVH電位は、通常時、例えば、650V程度(DC/DCコンバータ3で昇圧される電圧)である。インバータ1にモータで発生する非常に高い逆起電力が入力された場合、インバータ1のVH電位は、例えば、最大で1400V程度になる。
図2を参照して、シリーズレギュレータ5について詳細に説明する。図2は、本実施の形態に係るシリーズレギュレータの回路図である。
シリーズレギュレータ5は、駆動回路6に直列に接続される出力制御用のトランジスタ(MOSFET[Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor])を備えている。シリーズレギュレータ5には、上記したようにモータで発生する逆起電力によって高電圧がかかる場合がある。そこで、シリーズレギュレータ5では、出力制御用のMOSFETの耐圧を分散するために、出力制御用のMOSFETを直列に2段で構成するとともに、2個のMOSFETのゲート電圧を操舵する分圧制御用トランジスタを設ける。
シリーズレギュレータ5は、出力制御用の2個のMOSFET5a,5b、抵抗5c、電圧安定化用のコンデンサ5d、分圧設定用の4個の抵抗5e,5f,5g,5h、定電圧設定用のツェナダイオード5i、分圧制御用の2個のnpn型のバイポーラトランジスタ5j,5kを備えている。なお、本実施の形態では、MOSFET5a,5bが特許請求の範囲に記載する出力制御用トランジスタに相当し、抵抗5e,5gが特許請求の範囲に記載する分圧素子に相当し、バイポーラトランジスタ5j,5kが特許請求の範囲に記載する分圧制御用トランジスタに相当する。
出力制御用のMOSFET5aのドレインには、抵抗5cの一端が接続される。抵抗5cの他端には、VH電位が接続される。MOSFET5aのソースには、MOSFET5bのドレインが接続される。MOSFET5bのソースには、コンデンサ5dの一端が接続されるとともに、駆動回路6が接続される。コンデンサ5dの他端には、N電位が接続される。このように、出力側は、抵抗5c、MOSFET5a、MOSFET5b、コンデンサ5dが直列に接続されている。
抵抗5eの一端には、VH電位(高電圧コンデンサ4の高電圧側)が接続される。抵抗5eの他端には、抵抗5fの一端が接続されるとともに、MOSFET5aのゲートが接続される。抵抗5fの他端には、抵抗5gの一端が接続される。抵抗5gの他端には、抵抗5hの一端が接続されるとともに、MOSFET5bのゲートが接続される。抵抗5hの他端には、ツェナダイオード5iのカソードが接続される。ツェナダイオード5iのアノードには、N電位(高電圧コンデンサ4の低電圧側)が接続される。このように、入力側は、抵抗5e,5f,5g,5h、ツェナダイオード5iが直列に接続されている。
抵抗5f,5hにはMOSFET5a,5bのスレッシュホールド電圧が印加されるだけなので分圧には大きく寄与せず、抵抗5e,5gが主に分圧に寄与する。したがって、MOSFET5aとMOSFET5bとを同じ耐圧とするために、少なくとも抵抗5eと抵抗5gの抵抗値を同じ値とする。例えば、抵抗5eと抵抗5gを400kオームとし、抵抗5fと抵抗5hを200kオームとする。また、シリーズレギュレータ5で出力する定電圧を15V程度とするために、ツェナダイオード5iのツェナ電圧を14.3V程度とする。
分圧制御用のバイポーラトランジスタ5jは、コレクタにMOSFET5aのゲートが接続され、エミッタに抵抗5fと抵抗5gの接続点が接続され、ベースにMOSFET5aとMOSFET5bの接続点が接続される。また、分圧制御用のバイポーラトランジスタ5kは、コレクタにMOSFET5bのゲートが接続され、エミッタに抵抗5hとツェナダイオード5iの接続点が接続され、ベースにMOSFET5bとコンデンサ5dの接続点が接続される。
シリーズレギュレータ5についての回路動作について説明する。2個のMOSFET5a,5bは、ゲート電圧にスレッシュホールド電圧以上の電圧が印加されており、ONしている状態とする。この状態で、MOSFET5bのソース電位がツェナダイオード5iのツェナ電圧+0.7V以上になると(駆動回路6へ出力する定電圧に相当)、バイポーラトランジスタ5kでは、ベース電圧がスレッシュホールド電圧以上とってONし、コレクタからエミッタに電流が流れる。そのため、MOSFET5bでは、ゲート電圧が低下し、アナログ的に限りなくOFFに近い状態になる(ドレイン−ソース間に微量ながら電流が流れる状態)。MOSFET5bがほぼOFF状態になると、MOSFET5bのドレイン−ソース電圧が上昇する。
MOSFET5bのドレイン−ソース電圧が上昇し、MOSFET5bのドレイン電位(=MOSFET5aのソース電位)が抵抗5gの高電圧側の電位+0.7V以上になると、バイポーラトランジスタ5jでは、ベース電圧がスレッシュホールド電圧以上となってONし、コレクタからエミッタに電流が流れる。そのため、MOSFET5aは、ゲート電圧が低下し、アナログ的に限りなくOFFに近い状態になる。MOSFET5aがほぼOFF状態になると、MOSFET5aのドレイン−ソース電圧が上昇する。
このとき、2個のMOSFET5a,5bのドレイン−ソース間の各電圧は、((VH電圧―抵抗5fでの電圧−抵抗5hでの電圧−ツェナダイオード5iのツェナ電圧)÷2)程度の電圧となる。抵抗5fには、MOSFET5aのスレッシュホールド電圧程度の電圧(5V程度)だけが印加される。また、抵抗5hには、MOSFET5bのスレッシュホールド電圧程度の電圧だけが印加される。したがって、2個のMOSFET5a,5bの耐圧としては、VH電圧の最大電圧(例えば、1400V程度)の1/2の電圧+αの耐圧で十分である。ちなみに、抵抗5e,5gは純抵抗であり、この抵抗5e,5gによって安定的に分圧した設定値が、MOSFET5a,5bの耐圧となる。
このシリーズレギュレータ5によれば、出力制御用の2個のMOSFET5a,5bを直列に接続し、この2個のMOSFET5a,5bに対してゲート電圧を制御する分圧制御用のバイポーラトランジスタ5j,5kをそれぞれ設けることにより、確実に2個のMOSFET5a,5bの耐圧を均等に分散することができる。これによって、MOSFET5a,5bの耐圧をVH電圧の最大電圧の1/2+α程度の低い耐圧とすることができ、MOSFET5a,5bとして表面実装分部品のラインナップが豊富なMOSFETを使用でき、MOSFET5a,5bを小型化できる。また、2個のMOSFET5a,5bに熱も分散するので、放熱用のヒートシンクを小型化あるいは無くすことができる。その結果、シリーズレギュレータ5も小型化でき、コストも低減できる。
図3には、出力制御用のMOSFETを3段で構成した形態のシリーズレギュレータ10を示している。シリーズレギュレータ10は、出力制御用のMOSFETを直列に3段で構成するとともに、3個のMOSFETのゲート電圧を分圧制御用トランジスタでそれぞれ操作する。そのために、シリーズレギュレータ10は、出力制御用の3個のMOSFET10a,10b,10c、抵抗10d、電圧安定化用のコンデンサ10e、分圧設定用の6個の抵抗10f,10g,10h,10i,10j,10k、定電圧設定用のツェナダイオード10l、分圧制御用の3個のnpn型のバイポーラトランジスタ10m,10n,10oを備えている。シリーズレギュレータ10では、上記のシリーズレギュレータ5の2段の構成を3段の構成にしただけなので、各素子の接続及び回路動作については説明を省略する。このシリーズレギュレータ10によれば、確実に3個のMOSFET10a,10b,10cの耐圧を均等に分散することができ、MOSFET10a,10b,10cの耐圧をVH電圧の最大電圧の1/3+α程度の低い耐圧とすることができ、より小型化できる。
図4には、出力制御用のMOSFETを3段で構成し、分圧設定用の素子をツェナダイオードとした形態のシリーズレギュレータ11を示している。シリーズレギュレータ11は、上記のシリーズレギュレータ10の分圧設定用素子として抵抗の代わりにツェナダイオードを用いている。そのために、シリーズレギュレータ11は、出力制御用の3個のMOSFET11a,11b,11c、抵抗11d、電圧安定化用のコンデンサ11e、分圧設定用の3個のツェナダイオード11f,11h,11j、抵抗11g,11i,11k、定電圧設定用のツェナダイオード11l、分圧制御用の3個のnpn型のバイポーラトランジスタ11m,11n,11oを備えている。シリーズレギュレータ11では、上記の3段のシリーズレギュレータ10の分圧設定用の抵抗10f,10h,10iに代わってツェナダイオード11f,11h,11jを用いる点だけが異なる。このツェナダイオード11f,11h,11jのツェナ電圧は、同じ電圧値とする。このシリーズレギュレータ11によれば、上記のシリーズレギュレータ10と同様の効果を有する上に、分圧設定用素子として定電圧のツェナダイオード11f,11h,11jを適用しているので、VH電圧が変動しても、分圧設定用素子として抵抗を用いた場合のように分圧電圧が変化しないので、分圧制御がより安定化する。
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
例えば、本実施の形態では駆動源としてモータを有する車両のインバータのシリーズレギュレータに適用したが、他の用途にも適用可能である。特に、高電圧が入力されるシリーズレギュレータに好適である。
また、本実施の形態ではシリーズレギュレータの出力制御用のトランジスタにMOSFETを適用したが、他のトランジスタでもよい。また、分圧制御用のトランジスタにnpn型のバイポーラトランジスタを適用したが、pnp型のバイポーラトランジスタなどの他のトランジスタでもよい。
また、本実施の形態では分圧設定用の複数の素子の抵抗値やツェナ電圧を同じ値とし、複数のMOSFETの耐圧を同じ値としたが、分圧設定用の複数の素子の抵抗値やツェナ電圧を異なる値とし、複数のMOSFETの耐圧を異なる値としてもよい。
また、本実施の形態では出力制御用のトランジスタ及び分圧制御用のトランジスタを2段又は3段で構成したが、シリーズレギュレータにより高い高電圧が入力される場合や出力制御用のトランジスタの耐圧を更に下げた場合には4段以上で構成してもよい。
1…インバータ、2…低電圧コンデンサ、3…DC/DCコンバータ、3a…コイル、3b,3c…IGBT、3d,3e…還流ダイオード、4…高電圧コンデンサ、5,10,11…シリーズレギュレータ、5a,5b,10a,10b,10c,11a,11b,11c…MOSFET、5c,5e,5f,5g,5h,10d,10f,10g,10h,10i,10j,10k,11d,11g,11i,11k…抵抗、5d,10e,11e…コンデンサ、5i,10l,11f,11h,11j,11l…ツェナダイオード、5j,5k,10m,10n,10o,11m,11n,11o…バイポーラトランジスタ、6…駆動回路、7…パルストランス、8,9…IGBT、8a,9a…還流ダイオード。

Claims (2)

  1. 複数の出力制御用トランジスタを直列に接続したシリーズレギュレータであって、
    前記複数の出力制御用トランジスタの耐圧を分散させるための分圧を設定する複数の分圧素子と、
    前記複数の出力制御用トランジスタにそれぞれ設けられ、前記出力制御用トランジスタのゲート電圧を制御する分圧制御用トランジスタ
    を備えることを特徴とするシリーズレギュレータ。
  2. 前記分圧素子は、ツェナダイオードであることを特徴とする請求項1に記載のシリーズレギュレータ。
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