JP2012004979A - Active clamp circuit - Google Patents

Active clamp circuit Download PDF

Info

Publication number
JP2012004979A
JP2012004979A JP2010139831A JP2010139831A JP2012004979A JP 2012004979 A JP2012004979 A JP 2012004979A JP 2010139831 A JP2010139831 A JP 2010139831A JP 2010139831 A JP2010139831 A JP 2010139831A JP 2012004979 A JP2012004979 A JP 2012004979A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
switch element
voltage
current
active clamp
circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010139831A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Kawamoto
隆史 河本
Tetsuya Kodama
哲 小玉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Toshiba Information Systems Japan Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Information Systems Japan Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp, Toshiba Information Systems Japan Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2010139831A priority Critical patent/JP2012004979A/en
Publication of JP2012004979A publication Critical patent/JP2012004979A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an active clamp circuit that reduces an operation period thereof.SOLUTION: According to one embodiment, an active clamp circuit is provided that comprises a first switch element, a first resistor, a first diode, and a control circuit. The first diode breaks down by the overvoltage applied to both ends of the first switch element. The first resistor detects the current of the first diode. The control circuit controls the current of the first switch element by amplifying electric voltages at both ends of the first resistor.

Description

本発明の実施形態は、アクティブクランプ回路に関する。   Embodiments described herein relate generally to an active clamp circuit.

電磁弁やモータなどの誘導性負荷をオンまたはオフに駆動する場合、オフ時に誘導性負荷に蓄積されたエネルギーにより誘起電圧が発生する。この誘起電圧によりスイッチなどが破壊されることを防止するために、誘起電圧を規定値にクランプして誘導性負荷に蓄積されたエネルギーを吸収するアクティブクランプ回路が用いられる。   When an inductive load such as a solenoid valve or a motor is driven on or off, an induced voltage is generated by the energy stored in the inductive load when it is off. In order to prevent a switch or the like from being destroyed by this induced voltage, an active clamp circuit that clamps the induced voltage to a specified value and absorbs energy accumulated in the inductive load is used.

特開2004−32893号公報JP 2004-32893 A

しかし、クランプ電圧は、アクティブクランプ回路を流れる電流の大きさに依存し、クランプ動作の開始時は高く、時間の経過とともに減少する。また、例えばツェナーダイオードをブレイクダウンさせてクランプする場合、クランプ電圧は、ツェナーダイオードの電流・電圧特性などのばらつきにより変化する。
アクティブクランプ動作期間は、誘導性負荷を駆動できない無駄時間となるため、短い方が望ましい。
However, the clamp voltage depends on the magnitude of the current flowing through the active clamp circuit, and is high at the start of the clamp operation and decreases with time. In addition, for example, when the Zener diode is broken and clamped, the clamp voltage changes due to variations in the current / voltage characteristics of the Zener diode.
Since the active clamp operation period is a dead time during which the inductive load cannot be driven, a shorter one is desirable.

アクティブクランプ動作期間を短縮したアクティブクランプ回路を提供する。   Provided is an active clamp circuit in which an active clamp operation period is shortened.

実施形態によれば、第1のスイッチ素子と、第1のダイオードと、第1の抵抗と、制御回路と、を備えたことを特徴とするアクティブクランプ回路が提供される。前記第1のダイオードは、前記第1のスイッチ素子の両端にかかる過電圧によりブレークダウンする。前記第1の抵抗は、前記第1のダイオードの電流を検出する。前記制御回路は、前記第1の抵抗の両端の電圧を増幅して前記第1のスイッチ素子の電流を制御する。   According to the embodiment, there is provided an active clamp circuit including a first switch element, a first diode, a first resistor, and a control circuit. The first diode breaks down due to an overvoltage applied to both ends of the first switch element. The first resistor detects a current of the first diode. The control circuit amplifies the voltage across the first resistor to control the current of the first switch element.

第1の実施形態に係るアクティブクランプ回路を含む駆動回路の構成を例示する回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating the configuration of a drive circuit including an active clamp circuit according to the first embodiment. 図1に表したアクティブクランプ回路の主要な信号の波形図であり、(a)は制御信号In、(b)は駆動信号Drv2、(c)は駆動信号Drv1、(d)は第1のスイッチ素子の電流Id、(e)は第1のスイッチ素子の両端の電圧Outである。FIG. 2 is a waveform diagram of main signals of the active clamp circuit shown in FIG. 1, where (a) is a control signal In, (b) is a drive signal Drv2, (c) is a drive signal Drv1, and (d) is a first switch. The element current Id, (e) is the voltage Out across the first switch element. 制御回路が無い場合のアクティブクランプ回路の主要な信号の波形図であり、(a)は制御信号In、(b)は第1のスイッチ素子の電流Id、(c)は第1のスイッチ素子の両端の電圧Outである。FIG. 7 is a waveform diagram of main signals of an active clamp circuit when there is no control circuit, where (a) is a control signal In, (b) is a current Id of the first switch element, and (c) is a current of the first switch element. This is the voltage Out at both ends. 第1の実施形態に係るアクティブクランプ回路の他の構成を例示する回路図である。6 is a circuit diagram illustrating another configuration of the active clamp circuit according to the first embodiment; FIG. 第1の実施形態に係るアクティブクランプ回路の他の構成を例示する回路図である。6 is a circuit diagram illustrating another configuration of the active clamp circuit according to the first embodiment; FIG. 第1の実施形態に係るアクティブクランプ回路の他の構成を例示する回路図である。6 is a circuit diagram illustrating another configuration of the active clamp circuit according to the first embodiment; FIG.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that, in the present specification and each drawing, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るアクティブクランプ回路を含む駆動回路の構成を例示する回路図である。
図1においては、アクティブクランプ回路1を駆動回路2に適用した場合の構成を例示している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating the configuration of a drive circuit including an active clamp circuit according to the first embodiment.
FIG. 1 illustrates a configuration in the case where the active clamp circuit 1 is applied to the drive circuit 2.

アクティブクランプ回路1は、制御信号Inのレベルにより第1のスイッチ素子M1をオンまたはオフに切り換える。また、第1のスイッチ素子M1の両端にかかる過電圧により第1のダイオードDz1がブレークダウンし、第1のスイッチ素子M1の両端の電圧Outは規定値のクランプ電圧にクランプされる。第1のダイオードDz1の電流Iz1は、第1の抵抗R1で検出される。第1の抵抗R1の両端の電圧は、制御回路3で増幅されて、第1のスイッチ素子M1の電流Idが制御される。   The active clamp circuit 1 switches the first switch element M1 on or off depending on the level of the control signal In. Further, the first diode Dz1 breaks down due to an overvoltage applied to both ends of the first switch element M1, and the voltage Out at both ends of the first switch element M1 is clamped to a specified clamp voltage. The current Iz1 of the first diode Dz1 is detected by the first resistor R1. The voltage across the first resistor R1 is amplified by the control circuit 3, and the current Id of the first switch element M1 is controlled.

第1のスイッチ素子M1は、Nチャンネル形MOSFET(以下、NMOS)で構成される。
第1のスイッチ素子M1のゲートには、抵抗R4、及びインバータInv1、Inv2を介して制御信号Inが入力される。インバータInv1は制御信号Inを反転した駆動信号Drv2を出力する。インバータInv2は、駆動信号Drv2を反転した駆動信号Drv1を出力する。駆動信号Drv1は制御信号Inと同相である。駆動信号Drv1は、抵抗R4を介して第1のスイッチ素子M1のゲートに入力される。第1のスイッチ素子M1は、制御信号Inのレベルに応じてオンまたはオフに切りかわる。
The first switch element M1 is composed of an N-channel MOSFET (hereinafter referred to as NMOS).
A control signal In is input to the gate of the first switch element M1 via the resistor R4 and the inverters Inv1 and Inv2. The inverter Inv1 outputs a drive signal Drv2 obtained by inverting the control signal In. The inverter Inv2 outputs a drive signal Drv1 obtained by inverting the drive signal Drv2. The drive signal Drv1 is in phase with the control signal In. The drive signal Drv1 is input to the gate of the first switch element M1 via the resistor R4. The first switch element M1 is switched on or off according to the level of the control signal In.

第1のスイッチ素子M1のドレインに第1のダイオードDz1のカソードが接続される。第1のダイオードDz1のアノードにダイオードDf1のアノードが接続され、ダイオードDf1のカソードは第1の抵抗R1の一端に接続される。第1の抵抗R1の他端は、接地Gndに接続される。   The cathode of the first diode Dz1 is connected to the drain of the first switch element M1. The anode of the diode Df1 is connected to the anode of the first diode Dz1, and the cathode of the diode Df1 is connected to one end of the first resistor R1. The other end of the first resistor R1 is connected to the ground Gnd.

第1のダイオードDz1は、過電圧によりブレークダウンする。そのため、第1のスイッチ素子M1の両端の電圧は、第1のダイオードDz1がブレークダウンする電圧にクランプされる。そのとき、第1のダイオードDz1には、電流Iz1が流れる。   The first diode Dz1 breaks down due to overvoltage. Therefore, the voltage across the first switch element M1 is clamped to a voltage at which the first diode Dz1 breaks down. At that time, the current Iz1 flows through the first diode Dz1.

第1のダイオードDz1がブレークダウンする電圧をVz1、ダイオードDf1の順方向電圧をVf1、第1の抵抗R1の両端の電圧をVr1とすると、第1のスイッチ素子M1の両端の電圧Outがクランプされる電圧Vcrampは、Vz1+Vf1+Vr1となる。   When the voltage at which the first diode Dz1 breaks down is Vz1, the forward voltage of the diode Df1 is Vf1, and the voltage across the first resistor R1 is Vr1, the voltage Out across the first switch element M1 is clamped. The voltage Vclamp is Vz1 + Vf1 + Vr1.

第1のダイオードDz1は、例えばツェナーダイオードにより構成される。図1においては、第1のダイオードDz1として、1つのツェナーダイオードによる構成を例示している。しかし、第1のスイッチ素子M1の両端の電圧Outをクランプする電圧に応じて、任意数のツェナーダイオードを直列に接続して構成することもできる。
また、ダイオードDf1は、第1のダイオードDz1の温度補償のために用いられる。
The first diode Dz1 is configured by, for example, a Zener diode. In FIG. 1, the structure by one Zener diode is illustrated as 1st diode Dz1. However, an arbitrary number of Zener diodes may be connected in series according to a voltage for clamping the voltage Out across the first switch element M1.
The diode Df1 is used for temperature compensation of the first diode Dz1.

第1の抵抗R1は、第1のダイオードDz1がブレークダウンしたときに流れる電流Iz1を検出する。すなわち、第1のダイオードDz1がブレークダウンしたとき、第1の抵抗R1には電流Iz1が流れ、第1の抵抗R1の両端に電圧が出力される。   The first resistor R1 detects a current Iz1 that flows when the first diode Dz1 breaks down. That is, when the first diode Dz1 breaks down, the current Iz1 flows through the first resistor R1, and a voltage is output across the first resistor R1.

制御回路3は、第1の抵抗R1の両端の電圧を増幅して電流を出力する増幅回路N2と、増幅回路N2の出力電流を入力して第1のスイッチ素子M1の電流Idを制御するカレントミラー4とを有する。   The control circuit 3 amplifies the voltage across the first resistor R1 and outputs a current, and inputs the output current of the amplifier circuit N2 to control the current Id of the first switch element M1. And a mirror 4.

増幅回路N2は、npnトランジスタで構成される。増幅回路N2のベースには、抵抗R3を介して第1の抵抗R1の両端の電圧が入力される。抵抗R3は、増幅回路N2のベースに入力される電圧を遅延させて、タイミングを調整するために挿入されている。   The amplifier circuit N2 is composed of an npn transistor. The voltage across the first resistor R1 is input to the base of the amplifier circuit N2 via the resistor R3. The resistor R3 is inserted to delay the voltage input to the base of the amplifier circuit N2 and adjust the timing.

また、第1の抵抗R1の両端の間には、増幅回路N2のベース・エミッタ間を保護するために第2のダイオードDf2、Df3が接続されている。第2のダイオードDf2、Df3により第1の抵抗R1の両端の電圧は、Vdf2+Vdf3以下に抑制される。ここで、Vdf2、Vdf3は、それぞれ第2のダイオードDf2、Df3の順方向電圧である。ただし、増幅回路N2のベース・エミッタ間電圧をVbeN2、抵抗R3の両端の電圧をVr3とすると、Vdf2+Vdf3>Vr3+VbeN2を満たす必要がある。   Further, second diodes Df2 and Df3 are connected between both ends of the first resistor R1 in order to protect the base and emitter of the amplifier circuit N2. The voltage across the first resistor R1 is suppressed to Vdf2 + Vdf3 or less by the second diodes Df2, Df3. Here, Vdf2 and Vdf3 are forward voltages of the second diodes Df2 and Df3, respectively. However, if the base-emitter voltage of the amplifier circuit N2 is VbeN2 and the voltage across the resistor R3 is Vr3, it is necessary to satisfy Vdf2 + Vdf3> Vr3 + VbeN2.

増幅回路N2のコレクタは、カレントミラー4の基準側に接続される。カレントミラー4の出力側は、第1のスイッチ素子M1のゲートに接続される。増幅回路N2の出力電流は、カレントミラー4により折り返され、第1のスイッチ素子M1を制御する。   The collector of the amplifier circuit N2 is connected to the reference side of the current mirror 4. The output side of the current mirror 4 is connected to the gate of the first switch element M1. The output current of the amplifier circuit N2 is turned back by the current mirror 4 to control the first switch element M1.

カレントミラー4は、抵抗R5〜R7、トランジスタP1〜P3で構成されている。
トランジスタP1〜P3は、pnpトランジスタである。トランジスタP1のエミッタには、抵抗R5を介して電源電圧Vddが供給される。トランジスタP2のエミッタには、抵抗R6を介して電源電圧Vddが供給される。トランジスタP1、P2のそれぞれのベースには、抵抗R7を介して電源電圧Vddが供給される。
The current mirror 4 includes resistors R5 to R7 and transistors P1 to P3.
The transistors P1 to P3 are pnp transistors. The power supply voltage Vdd is supplied to the emitter of the transistor P1 through the resistor R5. The power supply voltage Vdd is supplied to the emitter of the transistor P2 via the resistor R6. The power supply voltage Vdd is supplied to the bases of the transistors P1 and P2 via the resistor R7.

また、トランジスタP3のコレクタは、トランジスタP1、P2のベースに接続される。トランジスタP3のベースはトランジスタP1のコレクタに接続され、トランジスタP3のコレクタは接地Gndに接続される。
トランジスタP1のコレクタ及びトランジスタP3のベースは、カレントミラー4の基準側として、増幅回路N2のコレクタに接続される。トランジスタP2のコレクタは、出力側として第1のスイッチ素子M1のゲートに接続される。
The collector of the transistor P3 is connected to the bases of the transistors P1 and P2. The base of the transistor P3 is connected to the collector of the transistor P1, and the collector of the transistor P3 is connected to the ground Gnd.
The collector of the transistor P1 and the base of the transistor P3 are connected to the collector of the amplifier circuit N2 as the reference side of the current mirror 4. The collector of the transistor P2 is connected to the gate of the first switch element M1 on the output side.

さらに、第1のスイッチ素子M1のゲートと接地との間に第2のスイッチ素子M2が接続される。第2のスイッチ素子M2のゲートは、インバータInv1の出力に接続される。第2のスイッチ素子M2のゲートには、制御信号Inを反転した駆動信号Drv2が入力される。   Further, the second switch element M2 is connected between the gate of the first switch element M1 and the ground. The gate of the second switch element M2 is connected to the output of the inverter Inv1. A drive signal Drv2 obtained by inverting the control signal In is input to the gate of the second switch element M2.

また、第2のスイッチ素子M2のゲートと接地Gndとの間には、トランジスタN1が接続される。トランジスタN1はnpnトランジスタである。トランジスタN1のコレクタは、第2のスイッチ素子M2のゲートに接続される。トランジスタN1のエミッタは、接地Gndに接続される。トランジスタN1のベースには、抵抗R2を介して第1の抵抗R1の両端の電圧が入力される。   The transistor N1 is connected between the gate of the second switch element M2 and the ground Gnd. The transistor N1 is an npn transistor. The collector of the transistor N1 is connected to the gate of the second switch element M2. The emitter of the transistor N1 is connected to the ground Gnd. The voltage across the first resistor R1 is input to the base of the transistor N1 via the resistor R2.

抵抗R2は、トランジスタN1のベースに入力される電圧を遅延させて、タイミングを調整するために挿入されている。
第2のダイオードDf2、Df3は、トランジスタN1も保護している。トランジスタN1のベース・エミッタ間電圧をVbeN1、抵抗R2の両端の電圧をVr2とすると、Vf2+Vf3>Vr2+VbeN1を満たす必要がある。
The resistor R2 is inserted to delay the voltage input to the base of the transistor N1 and adjust the timing.
The second diodes Df2 and Df3 also protect the transistor N1. When the base-emitter voltage of the transistor N1 is VbeN1, and the voltage across the resistor R2 is Vr2, it is necessary to satisfy Vf2 + Vf3> Vr2 + VbeN1.

駆動回路2は、誘導性負荷Lを上記のアクティブクランプ回路1により駆動する回路である。誘導性負荷Lの一端には、電圧Vbatが供給され、他端はアクティブクランプ回路1を介して接地Gndに接続される。
アクティブクランプ回路1の制御信号Inのレベルに応じて、第1のスイッチ素子M1がオンまたはオフに切り替わり、誘導性負荷Lを流れる電流が制御される。この誘導性負荷Lを流れる電流は、アクティブクランプ回路1の第1のスイッチ素子M1の電流Idと、第1のダイオードDz1の電流Iz1と、の合成電流である。
The drive circuit 2 is a circuit that drives the inductive load L by the active clamp circuit 1 described above. A voltage Vbat is supplied to one end of the inductive load L, and the other end is connected to the ground Gnd via the active clamp circuit 1.
Depending on the level of the control signal In of the active clamp circuit 1, the first switch element M1 is switched on or off, and the current flowing through the inductive load L is controlled. The current flowing through the inductive load L is a combined current of the current Id of the first switch element M1 of the active clamp circuit 1 and the current Iz1 of the first diode Dz1.

図2は、図1に表したアクティブクランプ回路の主要な信号の波形図であり、(a)は制御信号In、(b)は駆動信号Drv2、(c)は駆動信号Drv1、(d)は第1のスイッチ素子の電流Id、(e)は第1のスイッチ素子の両端の電圧Outである。
図2においては、アクティブクランプ回路1の制御信号Inとして、ハイレベルとローレベルとに変化する矩形波が入力されたときの主要な信号の波形図を模式的に表している。
FIG. 2 is a waveform diagram of main signals of the active clamp circuit shown in FIG. 1, where (a) is a control signal In, (b) is a drive signal Drv2, (c) is a drive signal Drv1, and (d) is a drive signal Drv1. The current Id of the first switch element, (e) is the voltage Out across the first switch element.
In FIG. 2, a waveform diagram of main signals when a rectangular wave that changes between a high level and a low level is input as the control signal In of the active clamp circuit 1 is schematically shown.

次に、図1、図2(a)〜(e)を参照しつつ、アクティブクランプ回路1の動作について説明する。
図2(a)、図2(c)に表したように、制御信号Inがハイレベルのとき、第1のスイッチ素子M1のゲートに入力される駆動信号Drv1は、ハイレベルである。また、第2のスイッチ素子M2のゲートに入力される駆動信号Drv2は、ローレベルである(図2(b))。第2のスイッチ素子M2はオフの状態になる。また、第1のスイッチ素子M1は、オンの状態になり、第1のスイッチ素子M1には電流Idが流れる(図2(d))。また、誘導性負荷Lには、電圧Vbatが供給され、電流が流れる。誘導性負荷Lは駆動される。第1のスイッチ素子M1の両端の電圧Outは、ほぼ0Vになる(図2(e))。
Next, the operation of the active clamp circuit 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 2A to 2E.
As shown in FIGS. 2A and 2C, when the control signal In is at a high level, the drive signal Drv1 input to the gate of the first switch element M1 is at a high level. In addition, the drive signal Drv2 input to the gate of the second switch element M2 is at a low level (FIG. 2B). The second switch element M2 is turned off. Further, the first switch element M1 is turned on, and a current Id flows through the first switch element M1 (FIG. 2D). Further, the voltage Vbat is supplied to the inductive load L, and a current flows. Inductive load L is driven. The voltage Out across the first switch element M1 is approximately 0 V (FIG. 2 (e)).

制御信号Inがハイレベルからローレベルに切り替わると(図2(a))、駆動信号Drv1はローレベルになる(図2(c))。駆動信号Drv2はハイレベルになり(図2(b))、第2のスイッチ素子M2はオンの状態になる。また、第1のスイッチ素子M1は、オフの状態になり、誘導性負荷Lには、誘起電圧が発生する。第1のスイッチ素子M1の両端の電圧Outが、規定値を超えたとき、第1のダイオードDz1がブレークダウンする。第1のスイッチ素子M1の両端の電圧Outは、第1のダイオードDz1のブレークダウンにより、クランプ電圧Vcramp=Vz1+Vf1+Vr1にクランプされる(図2(e))。   When the control signal In switches from the high level to the low level (FIG. 2 (a)), the drive signal Drv1 becomes the low level (FIG. 2 (c)). The drive signal Drv2 becomes a high level (FIG. 2B), and the second switch element M2 is turned on. Further, the first switch element M1 is turned off, and an induced voltage is generated in the inductive load L. When the voltage Out across the first switch element M1 exceeds a specified value, the first diode Dz1 breaks down. The voltage Out across the first switch element M1 is clamped to the clamp voltage Vclamp = Vz1 + Vf1 + Vr1 by the breakdown of the first diode Dz1 (FIG. 2 (e)).

第1のダイオードDz1の電流Iz1は第1の抵抗R1により検出され、第1の抵抗R1の両端に電流Iz1に応じた電圧を発生する。
第1の抵抗R1の両端の電圧は、増幅回路N2で増幅され、その出力電流は、カレントミラー4で折り返されて、第1のスイッチ素子M1のゲートに入力される。第1のスイッチ素子M1の電流Idは、第1の抵抗R1の両端の電圧を増幅する制御回路3により制御される。
The current Iz1 of the first diode Dz1 is detected by the first resistor R1, and a voltage corresponding to the current Iz1 is generated at both ends of the first resistor R1.
The voltage across the first resistor R1 is amplified by the amplifier circuit N2, and the output current is turned back by the current mirror 4 and input to the gate of the first switch element M1. The current Id of the first switch element M1 is controlled by the control circuit 3 that amplifies the voltage across the first resistor R1.

第1のスイッチ素子M1がオンからオフに切り替わったとき、誘導性負荷Lによる誘起電圧のため、第1のスイッチ素子M1の両端の電圧Outは上昇する。誘導性負荷Lによる誘起電圧は、誘導性負荷Lの電流の時間に対する変化率と、誘導性負荷Lのインダクタンスとの積に比例する。   When the first switch element M1 is switched from on to off, the voltage Out across the first switch element M1 rises due to the induced voltage caused by the inductive load L. The induced voltage due to the inductive load L is proportional to the product of the rate of change of the current of the inductive load L with respect to time and the inductance of the inductive load L.

第1のスイッチ素子M1がオンからオフに切り替わった直後、誘導性負荷Lの電流が急変するため、誘導性負荷Lにより高い誘起電圧が発生する。そのため、第1のダイオードDz1がブレークダウンした直後の電流Iz1は大きく、第1の抵抗R1の両端の電圧も高くなる。
また、誘導性負荷Lの電流は、誘導性負荷Lに蓄積されたエネルギーにより流れる。そのため、誘導性負荷Lの電流は、第1のスイッチ素子M1がオンからオフに切り替わってからの時間経過とともに、減少する(図2(d))。
Immediately after the first switch element M1 is switched from on to off, the current of the inductive load L changes suddenly, so that a high induced voltage is generated by the inductive load L. For this reason, the current Iz1 immediately after the breakdown of the first diode Dz1 is large, and the voltage across the first resistor R1 is also high.
In addition, the current of the inductive load L flows due to the energy accumulated in the inductive load L. Therefore, the current of the inductive load L decreases with the passage of time after the first switch element M1 is switched from on to off (FIG. 2 (d)).

制御回路3においては、第1の抵抗R1の両端の間に第2のダイオードDf2、Df3が接続されている。そのため、第1の両端R1の両端の電圧は、第2のダイオードDf2、Df3の順方向電圧Vf2+Vf3に抑制される。制御回路3は、この抑制された電圧を増幅して第1のスイッチ素子M1を制御するため、第1のダイオードDz1がブレークダウンした直後に流れる第1のスイッチ素子M1の電流Idも抑制される。   In the control circuit 3, second diodes Df2 and Df3 are connected between both ends of the first resistor R1. Therefore, the voltage at both ends of the first both ends R1 is suppressed to the forward voltage Vf2 + Vf3 of the second diodes Df2, Df3. Since the control circuit 3 amplifies the suppressed voltage and controls the first switch element M1, the current Id of the first switch element M1 that flows immediately after the first diode Dz1 breaks down is also suppressed. .

また、制御回路3は、第1の抵抗R1の両端の間の電圧を増幅して第1のスイッチ素子M1を制御している。そのため、第1のダイオードDz1の電流Iz1が減少しても、第1のスイッチ素子M1の電流Idを制御することができる。
このように、制御回路3においては、誘導性負荷Lの、第1のスイッチ素子M1がオンからオフに切り替わった直後の誘導性負荷Lの電流の急変を抑制し、さらに、誘導性負荷Lの電流の減少率を抑制する。
In addition, the control circuit 3 controls the first switch element M1 by amplifying the voltage between both ends of the first resistor R1. Therefore, even if the current Iz1 of the first diode Dz1 decreases, the current Id of the first switch element M1 can be controlled.
In this way, the control circuit 3 suppresses a sudden change in the current of the inductive load L immediately after the first switch element M1 of the inductive load L is switched from on to off, Suppresses the rate of current decrease.

従って、第1のスイッチ素子M1がオンからオフに切り替わった直後の誘導性負荷Lの誘起電圧の急上昇を抑制し、さらに、時間の経過とともに減少する誘起電圧の減少率を抑制することができる(図2(e))。
誘導性負荷Lに蓄積されたエネルギーが消費されると、第1のスイッチ素子M1の電流Idは0になる(図2(d))。誘起電圧も0になり、第1のスイッチ素子M1の両端の電圧Outは、誘導性負荷Lに供給された電圧Vbatになる(図2(e))。
Accordingly, it is possible to suppress the sudden increase in the induced voltage of the inductive load L immediately after the first switch element M1 is switched from on to off, and to further suppress the rate of decrease of the induced voltage that decreases with the passage of time ( FIG. 2 (e)).
When the energy stored in the inductive load L is consumed, the current Id of the first switch element M1 becomes 0 (FIG. 2 (d)). The induced voltage also becomes 0, and the voltage Out across the first switch element M1 becomes the voltage Vbat supplied to the inductive load L (FIG. 2 (e)).

このように、アクティブクランプ回路1においては、制御回路3により、第1の抵抗R1の両端の電圧を増幅して、第1のスイッチ素子M1の電流Idを制御しているため、クランプ電圧Vcrampの減少を抑制して一定値にすることができる。
そのため、第1のスイッチ素子M1に電流Idが流れている、アクティブクランプ動作期間を減少することができる。
In this way, in the active clamp circuit 1, the control circuit 3 amplifies the voltage across the first resistor R1 to control the current Id of the first switch element M1, so that the clamp voltage Vclamp The decrease can be suppressed to a constant value.
Therefore, the active clamp operation period during which the current Id flows through the first switch element M1 can be reduced.

アクティブクランプ回路1の制御回路3の作用については、制御回路3が無い場合の動作を考えることにより、さらに詳細に理解することができる。
図3は、制御回路が無い場合のアクティブクランプ回路の主要な信号の波形図であり、(a)は制御信号In、(b)は第1のスイッチ素子の電流Id、(c)は第1のスイッチ素子の両端の電圧Outである。
図3(a)〜図3(c)においては、図1に表したアクティブクランプ回路1の制御回路3を取り去り、第1のスイッチ素子M1を第1の抵抗R1の両端の電圧により制御した場合の波形を模式的に表している。
The operation of the control circuit 3 of the active clamp circuit 1 can be understood in more detail by considering the operation without the control circuit 3.
3A and 3B are waveform diagrams of main signals of the active clamp circuit when there is no control circuit. FIG. 3A is a control signal In, FIG. 3B is a current Id of the first switch element, and FIG. Is the voltage Out across the switch element.
3A to 3C, the control circuit 3 of the active clamp circuit 1 shown in FIG. 1 is removed, and the first switch element M1 is controlled by the voltage across the first resistor R1. The waveform is schematically represented.

図3(a)〜図3(c)に表したように、制御信号Inがハイレベルのときの第1のスイッチ素子の電流Id、第1のスイッチ素子の両端の電圧Outは、それぞれ図2(d)、図2(e)と同様である。
制御信号Inがハイレベルからローレベルに切り替わると、第1のダイオードDz1がブレークダウンする。第1のスイッチ素子M1の両端の電圧Outは、クランプ電圧(initial)にクランプされる(図3(c))。
As shown in FIGS. 3A to 3C, the current Id of the first switch element and the voltage Out across the first switch element when the control signal In is at the high level are respectively shown in FIG. (D) is the same as FIG. 2 (e).
When the control signal In switches from high level to low level, the first diode Dz1 breaks down. The voltage Out across the first switch element M1 is clamped to a clamp voltage (initial) (FIG. 3C).

制御回路3が無い場合、第1のダイオードDz1がブレークダウンした直後のクランプ電圧(initial)は、第1のダイオードDz1の電流Iz1が大きいため高い。
誘導性負荷Lに蓄積されたエネルギーの消費にともない、誘導性負荷Lの電流は減少し、第1のスイッチ素子M1の電流Idが減少する(図3(b))。第1のダイオードDz1の電流Iz1も減少し、クランプ電圧も減少していく(図3c))。
In the absence of the control circuit 3, the clamp voltage (initial) immediately after the breakdown of the first diode Dz1 is high because the current Iz1 of the first diode Dz1 is large.
As the energy stored in the inductive load L is consumed, the current of the inductive load L decreases, and the current Id of the first switch element M1 decreases (FIG. 3B). The current Iz1 of the first diode Dz1 also decreases, and the clamp voltage also decreases (FIG. 3c)).

第1のスイッチ素子M1の電流Idが0になってアクティブクランプ動作が終了すると(図3(b))、第1の両端の電圧Outのクランプが解除され、第1の両端の電圧Outは誘導性負荷Lに供給された電圧Vbatになる(図3(c))。
アクティブクランプ動作が終了する直前のクランプ電圧(final)は、アクティブクランプ動作の開始時のクランプ電圧(initial)と比較して低電圧になっている。
When the current Id of the first switch element M1 becomes 0 and the active clamp operation ends (FIG. 3B), the clamp of the voltage Out at the first end is released, and the voltage Out at the first end is induced. Voltage Vbat supplied to the capacitive load L (FIG. 3C).
The clamp voltage (final) immediately before the end of the active clamp operation is lower than the clamp voltage (initial) at the start of the active clamp operation.

アクティブクランプ動作期間は、誘導性負荷Lに蓄積されたエネルギーを消費する期間であり、誘導性負荷Lの電流、クランプ電圧で決まる。アクティブクランプ動作期間を短くするためには、誘導性負荷Lの電流を大きくし、クランプ電圧を高くする必要がある。   The active clamp operation period is a period in which energy stored in the inductive load L is consumed, and is determined by the current of the inductive load L and the clamp voltage. In order to shorten the active clamp operation period, it is necessary to increase the current of the inductive load L and increase the clamp voltage.

上記のとおり、アクティブクランプ動作の開始時のクランプ電圧(initial)は高くなる。また、第1のダイオードDz1の電流Iz1は大きくなるため、第1のダイオードDz1の特性、例えば電圧に対する電流特性などのばらつきによるクランプ電圧の変動も大きくなる。   As described above, the clamp voltage (initial) at the start of the active clamp operation is increased. Further, since the current Iz1 of the first diode Dz1 is increased, the variation of the clamp voltage due to variations in the characteristics of the first diode Dz1, for example, the current characteristics with respect to the voltage, is also increased.

そのため、制御回路3が無い場合に、アクティブクランプ動作の開始時のクランプ電圧(initial)を耐圧などで制限された値に設定すると、アクティブクランプ動作の終了直前のクランプ電圧(final)は低い値になってしまう。
このように、制御回路3が無い場合、アクティブクランプ動作期間は、クランプ電圧(initial)で制限され、短くすることができない。
Therefore, if the clamp voltage (initial) at the start of the active clamp operation is set to a value limited by a withstand voltage or the like in the absence of the control circuit 3, the clamp voltage (final) immediately before the end of the active clamp operation is set to a low value. turn into.
Thus, in the absence of the control circuit 3, the active clamp operation period is limited by the clamp voltage (initial) and cannot be shortened.

これに対して、第1の実施形態に係るアクティブクランプ回路1においては、制御回路3により、クランプ電圧Vcrampの低下を抑制して、一定にできる。また、第1のダイオードDz1の電流Iz1を小さくできるため、第1のダイオードDz1の特性のばらつきによるクランプ電圧の変動を小さくできる。
従って、アクティブクランプ回路1によれば、アクティブクランプ動作期間を短縮することができる。
On the other hand, in the active clamp circuit 1 according to the first embodiment, the control circuit 3 can suppress the decrease of the clamp voltage Vclamp and make it constant. In addition, since the current Iz1 of the first diode Dz1 can be reduced, fluctuations in the clamp voltage due to variations in the characteristics of the first diode Dz1 can be reduced.
Therefore, according to the active clamp circuit 1, the active clamp operation period can be shortened.

図4は、第1の実施形態に係るアクティブクランプ回路の他の構成を例示する回路図である。なお、図4においては、図1と同一の要素には、図1と同一の符号を付して説明を省略する。
アクティブクランプ回路1aは、図1に表したアクティブクランプ回路1の制御回路3を制御回路3aに置き換えた構成である。
FIG. 4 is a circuit diagram illustrating another configuration of the active clamp circuit according to the first embodiment. In FIG. 4, the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
The active clamp circuit 1a has a configuration in which the control circuit 3 of the active clamp circuit 1 shown in FIG. 1 is replaced with a control circuit 3a.

制御回路3aは、図1の制御回路3のカレントミラー4をカレントミラー4aに置き換えた構成である。他の要素については、図1のアクティブクランプ回路1と同様である。カレントミラー4aは、Pチャンネル形MOSFET(以下、PMOS)M3、M4で構成されている。
アクティブクランプ回路1aによっても、アクティブクランプ動作期間を短縮することができる。
The control circuit 3a has a configuration in which the current mirror 4 of the control circuit 3 in FIG. 1 is replaced with a current mirror 4a. Other elements are the same as those of the active clamp circuit 1 of FIG. The current mirror 4a is composed of P-channel MOSFETs (hereinafter referred to as PMOS) M3 and M4.
The active clamp circuit 1a can also shorten the active clamp operation period.

図5は、第1の実施形態に係るアクティブクランプ回路の他の構成を例示する回路図である。なお、図4においては、図1と同一の要素には、図1と同一の符号を付して説明を省略する。
アクティブクランプ回路1bは、図1に表したアクティブクランプ回路1の制御回路3を制御回路3bに置き換えた構成である。
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating another configuration of the active clamp circuit according to the first embodiment. In FIG. 4, the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
The active clamp circuit 1b has a configuration in which the control circuit 3 of the active clamp circuit 1 shown in FIG. 1 is replaced with a control circuit 3b.

制御回路3bは、図1の制御回路3の第2のスイッチ素子M2のドレインに直列的に第2の抵抗R8を追加した構成である。第2の抵抗R8は、第2のスイッチ素子M2のターンオンを遅延させる。
制御信号Inがハイレベルからローレベルに切り替わると、駆動信号Drv1はローレベル、駆動信号Drv2には、ハイレベルになる。
The control circuit 3b has a configuration in which a second resistor R8 is added in series to the drain of the second switch element M2 of the control circuit 3 of FIG. The second resistor R8 delays the turn-on of the second switch element M2.
When the control signal In is switched from the high level to the low level, the drive signal Drv1 becomes the low level and the drive signal Drv2 becomes the high level.

そのため、第2のスイッチ素子M2はオンの状態になろうとするが、第2の抵抗R8が接続されているため、ターンオンが遅延する。第1のスイッチ素子M1のターンオフが遅延し、第1のスイッチ素子M1の電流Idの変化が緩和される。そして、誘導性負荷Lの電流の変化も緩和され、誘起電圧の急変が緩和される。また、誘起電圧の立上がり時に生じる可能性のあるリンギング、及びリンギングによる誘起電圧のピークが低減される。   For this reason, the second switch element M2 tends to be turned on, but the turn-on is delayed because the second resistor R8 is connected. The turn-off of the first switch element M1 is delayed, and the change in the current Id of the first switch element M1 is alleviated. And the change of the electric current of the inductive load L is also relieved, and the sudden change of the induced voltage is relieved. In addition, ringing that may occur at the rise of the induced voltage and the peak of the induced voltage due to ringing are reduced.

例えば、図2(e)の破線で表したように、第1のスイッチ素子M1の両端の電圧Outの立上がりが遅くなる。そのため、誘導性負荷Lの電流変化が緩和されて、誘起電圧が減少するとともに、誘起電圧にピークが生じる可能性が減少する。従って、耐圧などで制限されるクランプ電圧の設定を高くすることができる。
このように、アクティブクランプ回路1bによれば、第1のスイッチ素子M1に電流Idが流れているアクティブクランプ動作期間をさらに減少することができる。
For example, as represented by the broken line in FIG. 2E, the rise of the voltage Out across the first switch element M1 is delayed. Therefore, the current change of the inductive load L is relaxed, the induced voltage is reduced, and the possibility that the induced voltage has a peak is reduced. Therefore, it is possible to increase the setting of the clamp voltage limited by the withstand voltage.
Thus, according to the active clamp circuit 1b, it is possible to further reduce the active clamp operation period in which the current Id flows through the first switch element M1.

図6は、第1の実施形態に係るアクティブクランプ回路の他の構成を例示する回路図である。なお、図6においては、図1と同一の要素には、図1と同一の符号を付して説明を省略する。
アクティブクランプ回路1cは、図1に表したアクティブクランプ回路1の制御回路3を制御回路3cに置き換えた構成である。
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating another configuration of the active clamp circuit according to the first embodiment. In FIG. 6, the same elements as those of FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those of FIG.
The active clamp circuit 1c has a configuration in which the control circuit 3 of the active clamp circuit 1 shown in FIG. 1 is replaced with a control circuit 3c.

制御回路3cは、図1の制御回路3のnpnトランジスタで構成されたトランジスタN1、第2のダイオードDf2、Df3を、それぞれNMOS M5、ツェナーダイオードで構成された第2のダイオードDz2に置き換えた構成である。他の要素については、図1のアクティブクランプ回路1と同様である。
アクティブクランプ回路1cによっても、アクティブクランプ動作期間を短縮することができる。
The control circuit 3c has a configuration in which the transistor N1 and the second diodes Df2 and Df3 configured by the npn transistor of the control circuit 3 in FIG. 1 are replaced with the second diode Dz2 configured by NMOS M5 and a Zener diode, respectively. is there. Other elements are the same as those of the active clamp circuit 1 of FIG.
The active clamp operation period can also be shortened by the active clamp circuit 1c.

なお、アクティブクランプ回路1〜1cを駆動回路2に適用した場合を例に説明したが、アクティブクランプ回路1、1a〜1cは、駆動回路2以外の構成でも誘導性負荷を駆動することができる。例えば、ハイサイドスイッチと、ローサイドスイッチとで構成されるスイッチング回路のローサイドスイッチとして、アクティブクランプ回路1、1a〜1cを用いることができる。   Although the case where the active clamp circuits 1 to 1 c are applied to the drive circuit 2 has been described as an example, the active clamp circuits 1 and 1 a to 1 c can drive an inductive load even with a configuration other than the drive circuit 2. For example, the active clamp circuits 1, 1a to 1c can be used as a low side switch of a switching circuit constituted by a high side switch and a low side switch.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1、1a〜1c アクティブクランプ回路
2 駆動回路
3、3a〜3c 制御回路
4、4a カレントミラー
Df2、Df3、Dz2 第2のダイオード
Dz1 第1のダイオード
Inv1、Inv2 インバータ
L 誘導性負荷
M1 第1のスイッチ素子
M2 第2のスイッチ素子
N1、P1〜P3 トランジスタ
N2 増幅回路
R1 第1の抵抗
R2〜R7 抵抗
R8 第2の抵抗
1, 1a-1c Active clamp circuit 2 Drive circuit 3, 3a-3c Control circuit 4, 4a Current mirror Df2, Df3, Dz2 Second diode Dz1 First diode Inv1, Inv2 Inverter L Inductive load M1 First switch Element M2 Second switch element N1, P1 to P3 Transistor N2 Amplifier circuit R1 First resistor R2 to R7 Resistor R8 Second resistor

Claims (4)

第1のスイッチ素子と、
前記第1のスイッチ素子の両端にかかる過電圧によりブレークダウンする第1のダイオードと、
前記第1のダイオードの電流を検出する第1の抵抗と、
前記第1の抵抗の両端の電圧を増幅して前記第1のスイッチ素子の電流を制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とするアクティブクランプ回路。
A first switch element;
A first diode that breaks down due to an overvoltage applied across the first switch element;
A first resistor for detecting a current of the first diode;
A control circuit for amplifying the voltage across the first resistor to control the current of the first switch element;
An active clamp circuit comprising:
前記制御回路は、
前記第1の両端の電圧を増幅して電流を出力する増幅回路と、
前記増幅増幅回路の出力電流を入力して前記第1のスイッチ素子の電流を制御するカレントミラー回路と、
を有することを特徴とする請求項1記載のアクティブクランプ回路。
The control circuit includes:
An amplifier circuit that amplifies the voltage across the first end and outputs a current;
A current mirror circuit for controlling the current of the first switch element by inputting the output current of the amplifier circuit;
The active clamp circuit according to claim 1, further comprising:
前記制御回路は、
前記第1の抵抗の両端の電圧で制御され、前記第1のスイッチ素子の電流を制御する第2のスイッチ素子と、
前記第2のスイッチ素子に直列的に接続され、前記第2のスイッチ素子のターンオンを遅延させる第2の抵抗と、
を有することを特徴とする請求項1または2に記載のアクティブクランプ回路。
The control circuit includes:
A second switch element that is controlled by a voltage across the first resistor and controls a current of the first switch element;
A second resistor connected in series to the second switch element and delaying turn-on of the second switch element;
The active clamp circuit according to claim 1, comprising:
前記制御回路は、前記第1の抵抗の両端の電圧の上昇を抑制する第2のダイオードをさらに備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のアクティブクランプ回路。   4. The active clamp circuit according to claim 1, wherein the control circuit further includes a second diode that suppresses an increase in voltage across the first resistor. 5.
JP2010139831A 2010-06-18 2010-06-18 Active clamp circuit Pending JP2012004979A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010139831A JP2012004979A (en) 2010-06-18 2010-06-18 Active clamp circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010139831A JP2012004979A (en) 2010-06-18 2010-06-18 Active clamp circuit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012004979A true JP2012004979A (en) 2012-01-05

Family

ID=45536420

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010139831A Pending JP2012004979A (en) 2010-06-18 2010-06-18 Active clamp circuit

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012004979A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014165848A (en) * 2013-02-27 2014-09-08 Hitachi Automotive Systems Ltd Electronic control device
CN106089462A (en) * 2015-04-27 2016-11-09 瑞萨电子株式会社 Semiconductor device, power control semiconductors device, vehicle-mounted electronic control unit and vehicle
CN107181420A (en) * 2016-03-10 2017-09-19 富士电机株式会社 Inverter driving apparatus and semiconductor module

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014165848A (en) * 2013-02-27 2014-09-08 Hitachi Automotive Systems Ltd Electronic control device
CN106089462A (en) * 2015-04-27 2016-11-09 瑞萨电子株式会社 Semiconductor device, power control semiconductors device, vehicle-mounted electronic control unit and vehicle
JP2016208406A (en) * 2015-04-27 2016-12-08 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device, semiconductor device for power control, in-vehicle electronic control unit and vehicle including the same
CN107181420A (en) * 2016-03-10 2017-09-19 富士电机株式会社 Inverter driving apparatus and semiconductor module
CN107181420B (en) * 2016-03-10 2020-08-28 富士电机株式会社 Inverter driving device and semiconductor module

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3886876B2 (en) Power semiconductor element drive circuit
JP6170119B2 (en) System and method for driving a power switch
KR100748570B1 (en) Semiconductor device
JP6468150B2 (en) Load drive device
JP6603287B2 (en) Configurable clamp circuit
JP2015154701A (en) gate drive circuit
JP2013026838A (en) Active clamp circuit
JP5767734B2 (en) Power semiconductor device
CN105281729B (en) Method and circuit for controlling a power semiconductor switch
JPWO2012157118A1 (en) Driving device for driving voltage-driven element
EP3148077B1 (en) Driver for a p-channel mosfet
JP2005269829A (en) Power supply device
JP2013005231A (en) Drive device
JP4342251B2 (en) Gate drive circuit
JP5991939B2 (en) Semiconductor device driving circuit and semiconductor device driving apparatus
JP2016059036A (en) Short-circuit protection circuits, system, and method
JP2016171676A (en) Power supply circuit and control method therefor
JP2012004979A (en) Active clamp circuit
CN216086603U (en) Inductive load switch tube protection circuit
JP6245375B2 (en) Level shift circuit
JP6122542B1 (en) Active clamp circuit
JP2009290749A (en) Power element drive circuit
JP2006352931A (en) Switching element protection circuit
JP2016213659A (en) Semiconductor switch circuit
JP2018007090A (en) Inductive load drive circuit