JP2021069136A

JP2021069136A - スイッチング素子の駆動装置

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Publication number: JP2021069136A
Application number: JP2019190431A
Authority: JP
Inventors: 岡本　直久; Naohisa Okamoto; 直久岡本; 海鎮李; Kaichin Ri
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-10-17
Also published as: JP7300364B2

Abstract

【課題】駆動信号のＯＮデューティが広い範囲で変化してもスイッチング素子を確実にオンオフ動作させることが可能な駆動装置を提供する。【解決手段】本発明に係る駆動装置１０Ａは、スイッチング電圧ＶP1の倍化により倍電圧ＶP2を生成する倍化回路１１と、倍電圧ＶP2の降圧により所定のレギュレート電圧ＶP3を生成するレギュレータ回路１２Ａとを備えており、二次側スイッチング素子Ｑ2が、スイッチング電圧ＶP1およびレギュレート電圧ＶP3のうちの高い方によってオンオフ駆動されること、および、レギュレート電圧ＶP3が、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが最大値となるときのスイッチング電圧ＶP1と倍電圧ＶP2との間にあり、かつ二次側スイッチング素子Ｑ2をオンさせるために必要な電圧よりも高いことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、外部から入力された駆動信号にしたがってスイッチング素子をオンオフ動作させる駆動装置に関する。

従来、駆動信号にしたがってスイッチング素子をオンオフ動作させる駆動装置として、図５に示した駆動装置１００が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この駆動装置１００は、トランスＴの一次巻線Ｔ₁に接続された一次側スイッチング素子Ｑ₁を駆動信号ＰＷＭにしたがってオンオフ動作させると、トランスＴの二次巻線Ｔ₂に生じたスイッチング電圧によって駆動対象である二次側スイッチング素子Ｑ₂がオンオフ動作するように構成されている。この駆動装置１００によれば、駆動信号ＰＷＭを絶縁しながら二次側スイッチング素子Ｑ₂の駆動に必要な電力を一次側から二次側に伝達することができる。なお、図５に示した例では、二次側スイッチング素子Ｑ₂はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。

稲葉保著，「パワーＭＯＳＦＥＴ活用の基礎と実際」，ＣＱ出版社，２００４年１１月，ｐ．７７−７８

ところで、二次側スイッチング素子Ｑ₂を十分にオンさせるためには、二次側スイッチング素子Ｑ₂のゲート−ソース間に入力される電圧、すなわちドライブ電圧Ｖ_Pb（＝点Ｐ₀を基準とした点Ｐ_bの電位）が所定の最低電圧値Ｖ_Lowよりも大きくなければならない。しかしながら、従来の駆動装置１００では、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが大きくなるにつれてスイッチング電圧Ｖ_Pa（＝点Ｐ₀を基準とした点Ｐ_aの電位）が低下し、これにともなってドライブ電圧Ｖ_Pbも低下するので、最低電圧値Ｖ_Lowを確保することができず、二次側スイッチング素子Ｑ₂を十分にオンさせることができない場合があった（図６および図７参照）。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、駆動信号のＯＮデューティが広い範囲で変化してもスイッチング素子を確実にオンオフ動作させることが可能な駆動装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る駆動装置は、トランスの一次巻線に接続された一次側スイッチング素子を駆動信号にしたがってオンオフ動作させて該トランスの二次巻線にスイッチング電圧を生じさせるとともに、スイッチング電圧を利用して二次側スイッチング素子をオンオフ動作させる駆動装置であって、スイッチング電圧の倍化により倍電圧を生成する倍化回路と、倍電圧の降圧により所定のレギュレート電圧を生成するレギュレータ回路とを備え、二次側スイッチング素子が、スイッチング電圧およびレギュレート電圧のうちの高い方によってオンオフ駆動され、レギュレート電圧が、駆動信号のＯＮデューティが最大値となるときのスイッチング電圧と倍電圧との間にあり、かつ二次側スイッチング素子をオンさせるために必要な電圧よりも高い、ことを特徴とする。

この構成によれば、駆動信号のＯＮデューティが大きくなってスイッチング電圧が二次側スイッチング素子をオンさせることができない程に低下しても、倍化回路およびレギュレータ回路がスイッチング電圧に基づいて生成したレギュレータ電圧（＝二次側スイッチング素子をオンさせるために必要な電圧よりも高い電圧）によって二次側スイッチング素子を確実にオンオフ動作させることができる。

上記駆動装置の倍化回路は、例えば、一端が二次巻線の一端に接続されたコンデンサと、アノードが二次巻線の他端に接続されるとともにカソードがコンデンサの他端に接続された第１ダイオードと、アノードが第１ダイオードのカソードに接続されるとともにカソードがレギュレータ回路の入力に接続された第２ダイオードとを含んでいてもよい。

上記駆動装置は、より確実に二次側スイッチング素子をオフさせるために、スイッチング電圧がゼロになるとレギュレータ回路の動作を停止させる停止回路、または、駆動信号が停止したことを示す停止信号を受信するとレギュレータ回路の動作を停止させる停止回路をさらに備えていることが好ましい。

本発明によれば、駆動信号のＯＮデューティが広い範囲で変化してもスイッチング素子を確実にオンオフ動作させることが可能な駆動装置を提供することができる。

本発明の第１実施例に係る駆動装置の回路図である。図１に示した駆動装置における、駆動信号のＯＮデューティと各部の電圧との関係を示す図である。図１に示した駆動装置の各部の電圧波形図であって、（Ａ）は駆動信号のＯＮデューティが２０％である場合の波形図、（Ｂ）はＯＮデューティが８０％である場合の波形図である。本発明の第２実施例に係る駆動装置の回路図である。従来の駆動装置の回路図である。図５に示した従来の駆動装置における、駆動信号のＯＮデューティと各部の電圧との関係を示す図である。図５に示した従来の駆動装置の各部の電圧波形図であって、（Ａ）は駆動信号のＯＮデューティが２０％である場合の波形図、（Ｂ）はＯＮデューティが８０％である場合の波形図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る駆動装置の実施例について説明する。

［第１実施例］
図１に、本発明の第１実施例に係る駆動装置１０Ａを示す。同図に示すように、駆動装置１０Ａは、トランスＴの一次巻線Ｔ₁を含む一次側回路と、トランスＴの二次巻線Ｔ₂を含む二次側回路とから構成されている。

一次側回路は、前述の一次巻線Ｔ₁と、カソードが一次巻線Ｔ₁の一端（●側）に接続されたダイオードＤ₁と、コレクタが一次巻線Ｔ₁の他端に接続されたＮＰＮ型の一次側スイッチング素子Ｑ₁と、一端が一次側スイッチング素子Ｑ₁のベースに接続された抵抗Ｒ₁とを含んでいる。ダイオードＤ₁のアノード、一次側スイッチング素子Ｑ₁のエミッタおよび抵抗Ｒ₁の他端は接地されている。また、一次側スイッチング素子Ｑ₁のベースには上位の制御回路（不図示）が出力した駆動信号ＰＷＭが入力され、一次巻線Ｔ₁の中間タップには電源電圧ＶＣＣが入力されるようになっている。

二次側回路は、前述の二次巻線Ｔ₂と、アノードが二次巻線Ｔ₂の一端（●側）に接続されたダイオードＤ₂，Ｄ₃と、一端がダイオードＤ₂のカソードに接続された抵抗Ｒ₃と、一端が抵抗Ｒ₃の他端に接続された抵抗Ｒ₄と、エミッタがダイオードＤ₂のカソードに接続されるとともにベースがダイオードＤ₃のカソードに接続されたＰＮＰ型のスイッチング素子Ｑ₃と、一端がスイッチング素子Ｑ₃のベースに接続された抵抗Ｒ₂とを含んでいる。スイッチング素子Ｑ₃のコレクタおよび抵抗Ｒ₂，Ｒ₄の他端は、二次巻線Ｔ₂の他端に接続されている。

抵抗Ｒ₃の他端（抵抗Ｒ₄の一端）は、駆動対象である二次側スイッチング素子Ｑ₂のゲートにも接続されている。また、二次巻線Ｔ₂の他端は、二次側スイッチング素子Ｑ₂のソースにも接続されている。なお、本実施例では、二次側スイッチング素子Ｑ₂はＭＯＳＦＥＴである。

二次側回路は、倍化回路１１と、レギュレータ回路１２Ａと、ダイオードＤ₆とをさらに含んでいる。

倍化回路１１は、一端が二次巻線Ｔ₂の一端に接続されたコンデンサＣ₁と、アノードが二次巻線Ｔ₂の他端に接続されるとともにカソードがコンデンサＣ₁の他端に接続されたダイオードＤ₄と、アノードがダイオードＤ₄のカソードに接続されるとともにカソードがレギュレータ回路１２Ａの入力に接続されたダイオードＤ₅とを含んでいる。ダイオードＤ₄は、本発明の「第１ダイオード」に相当する。また、ダイオードＤ₅は、本発明の「第２ダイオード」に相当する。

ダイオードＤ₆は、アノードがレギュレータ回路１２Ａの出力に接続されるとともにカソードがダイオードＤ₂のカソードに接続されている。

なお、以下では、点Ｐ₀を基準とした点Ｐ₁の電位をスイッチング電圧Ｖ_P1と呼び、点Ｐ₀を基準とした点Ｐ₂の電位を倍電圧Ｖ_P2と呼び、点Ｐ₀を基準とした点Ｐ₃の電位をレギュレート電圧Ｖ_P3と呼び、さらに、点Ｐ₀を基準とした点Ｐ₄の電位をドライブ電圧Ｖ_P4と呼ぶこととする。

駆動信号ＰＷＭが矩形状に変化すると、スイッチング電圧Ｖ_P1、倍電圧Ｖ_P2、レギュレート電圧Ｖ_P3およびドライブ電圧Ｖ_P4は、駆動信号ＰＷＭと同相で矩形状に変化する。つまり、駆動信号ＰＷＭがＬレベルからＨレベルに変化すると、電圧Ｖ_P1，Ｖ_P2，Ｖ_P3，Ｖ_P4もＬレベルからＨレベルに変化し、駆動信号ＰＷＭがＨレベルからＬレベルに変化すると、電圧Ｖ_P1，Ｖ_P2，Ｖ_P3，Ｖ_P4もＨレベルからＬレベルに変化する。また、ドライブ電圧Ｖ_P4の変化により、二次側スイッチング素子Ｑ₂のゲート−ソース間に入力される電圧が所定の最低電圧値Ｖ_Lowを上回ると二次側スイッチング素子Ｑ₂はオンし、最低電圧値Ｖ_Lowを下回ると二次側スイッチング素子Ｑ₂はオフする。

図２に示すように、スイッチング電圧Ｖ_P1のＨレベルは、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが大きくなるにつれて低下していく。そして、本実施例では、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが６５％を超えると、スイッチング電圧Ｖ_P1のＨレベルが最低電圧値Ｖ_Lowを下回る。

倍電圧Ｖ_P2は、倍化回路１１がスイッチング電圧Ｖ_P1の倍化により生成したものである。スイッチング電圧Ｖ_P1のＨレベルと同様、倍電圧Ｖ_P2のＨレベルも、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが大きくなるにつれて低下していく。しかしながら、倍電圧Ｖ_P2のＨレベルは、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが最小値である２０％と最大値である８０％との間で変化しても、最低電圧値Ｖ_Lowを下回ることはない。一方で、倍電圧Ｖ_P2のＨレベルは、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが小さくなると、二次側スイッチング素子Ｑ₂のゲート−ソース間電圧の上限値である所定の最高電圧値Ｖ_Ｈighを上回ることがある。

レギュレート電圧Ｖ_P3は、レギュレータ回路１２Ａが倍電圧Ｖ_P2の降圧により生成したものである。レギュレート電圧Ｖ_P3のＨレベルは、電圧値Ｖ_Regを有している。電圧値Ｖ_Regは、最低電圧値Ｖ_Lowよりも高く、かつ駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが８０％であるときのスイッチング電圧Ｖ_P1の値と倍電圧Ｖ_P2の値との間に設定されている。前述した通り、倍電圧Ｖ_P2のＨレベルは最高電圧値Ｖ_Ｈighを上回ることがあるが、レギュレータ回路１２Ａが倍電圧Ｖ_P2をレギュレート電圧Ｖ_P3に制限（降圧）することにより、最高電圧値Ｖ_Ｈighを上回る電圧が二次側スイッチング素子Ｑ₂のゲート−ソース間に印加されることはない。

レギュレート電圧Ｖ_P3およびスイッチング電圧Ｖ_P1のうちの高い方が、太線で示されたドライブ電圧Ｖ_P4となる。つまり、本実施例では、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが５０％未満であるときはスイッチング電圧Ｖ_P1がドライブ電圧Ｖ_P4となり、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが５０％以上であるときはレギュレート電圧Ｖ_P3がドライブ電圧Ｖ_P4となる。

図３を参照しながら、本実施例に係る駆動装置１０Ａの動作を整理する。駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが２０％であるとき、スイッチング電圧Ｖ_P1のＨレベルは、レギュレート電圧Ｖ_P3のＨレベル（＝電圧値Ｖ_Reg）よりも高く、かつ最低電圧値Ｖ_Lowよりも高いので、ドライブ電圧Ｖ_P4としてのスイッチング電圧Ｖ_P1が二次側スイッチング素子Ｑ₂をオンオフ動作させる（同図（Ａ）参照）。一方、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが８０％であるとき、スイッチング電圧Ｖ_P1のＨレベルは、レギュレート電圧Ｖ_P3のＨレベルよりも低いので、ドライブ電圧Ｖ_P4としてのレギュレート電圧Ｖ_P3が二次側スイッチング素子Ｑ₂をオンオフ動作させる（同図（Ｂ）参照）。

このように、本実施例に係る駆動装置１０Ａによれば、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが広い範囲で変化しても、スイッチング電圧Ｖ_P1およびレギュレート電圧Ｖ_P3のうちの高い方がドライブ電圧Ｖ_P4となって二次側スイッチング素子Ｑ₂を確実にオンオフ動作させることができる。

［第２実施例］
図４に、本発明の第２実施例に係る駆動装置１０Ｂを示す。同図に示すように、駆動装置１０Ｂは、二次側回路が停止回路１３をさらに含んでいる点と、二次側回路がレギュレータ回路１２Ａの代わりにレギュレータ回路１２Ｂを含んでいる点とにおいて第１実施例に係る駆動装置１０Ａと相違しているが、それ以外の点においては駆動装置１０Ａと共通している。

停止回路１３は、アノードが二次巻線Ｔ₂の一端に接続されたダイオードＤ₇と、一端がダイオードＤ₇のカソードに接続された抵抗Ｒ₅と、エミッタがレギュレータ回路１２Ｂに接続されるとともにベースがダイオードＤ₇のカソードに接続されたＰＮＰ型のスイッチング素子Ｑ₄とを含んでいる。スイッチング素子Ｑ₄のコレクタおよび抵抗Ｒ₅の他端は、二次巻線Ｔ₂の他端に接続されている。

スイッチング素子Ｑ₄のベースには、ダイオードＤ₇を介してスイッチング電圧Ｖ_P1が入力される。スイッチング電圧Ｖ_P1がＨレベルのとき、スイッチング素子Ｑ₄はオフする。このとき、スイッチング素子Ｑ₄は、レギュレータ回路１２Ｂに何も影響を与えない。一方、スイッチング電圧Ｖ_P1がＬレベルのとき、スイッチング素子Ｑ₄はオンする。このとき、スイッチング素子Ｑ₄によって電流を引き抜かれたレギュレータ回路１２Ｂは、動作し得なくなってレギュレート電圧Ｖ_P3の出力を停止させる（レギュレート電圧Ｖ_P3がゼロになる）。

二次側スイッチング素子Ｑ₂のオンオフ動作を終えるとき、上位の制御回路は、駆動信号ＰＷＭをＬレベルに変化させて、スイッチング電圧Ｖ_P1およびドライブ電圧Ｖ_P4をＬレベルに変化させる。このとき、停止回路１３を備えていない第１実施例に係る駆動装置１０Ａでは、コンデンサＣ₁に蓄積された電荷でレギュレータ回路１２Ａが作動してしまい、二次側スイッチング素子Ｑ₂を完全にオフさせることができない場合がある。この点、本実施例に係る駆動装置１０Ｂでは、スイッチング電圧Ｖ_P1がＬレベル（ゼロ）になると停止回路１３がレギュレータ回路１２Ｂの動作を停止させるので、二次側スイッチング素子Ｑ₂を確実にオフさせることができる。

［変形例］
以上、本発明に係る駆動装置の第１実施例および第２実施例について説明してきたが、本発明に係る駆動装置の構成は、これらに限定されるものではない。

例えば、本発明の倍化回路は、スイッチング電圧の倍化により倍電圧を生成する任意の回路であってもよい。

また、本発明の停止回路は、スイッチング電圧がゼロになるとレギュレータ回路の動作を停止させる任意の回路であってもよいし、駆動信号が停止したことを示す停止信号を上位の制御回路からフォトカプラを介して受信したときにレギュレータ回路の動作を停止させる回路であってもよい。

１０Ａ，１０Ｂ駆動装置
１１倍化回路
１２Ａ，１２Ｂレギュレータ回路
１３停止回路
Ｑ_１一次側スイッチング素子
Ｑ_２二次側スイッチング素子
Ｔトランス
Ｔ_１一次巻線
Ｔ_２二次巻線

Claims

トランスの一次巻線に接続された一次側スイッチング素子を駆動信号にしたがってオンオフ動作させて該トランスの二次巻線にスイッチング電圧を生じさせるとともに、前記スイッチング電圧を利用して二次側スイッチング素子をオンオフ動作させる駆動装置であって、
前記スイッチング電圧の倍化により倍電圧を生成する倍化回路と、
前記倍電圧の降圧により所定のレギュレート電圧を生成するレギュレータ回路と、
を備え、
前記二次側スイッチング素子が、前記スイッチング電圧および前記レギュレート電圧のうちの高い方によってオンオフ駆動され、
前記レギュレート電圧が、前記駆動信号のＯＮデューティが最大値となるときの前記スイッチング電圧と前記倍電圧との間にあり、かつ前記二次側スイッチング素子をオンさせるために必要な電圧よりも高い
ことを特徴とする駆動装置。
前記倍化回路は、一端が前記二次巻線の一端に接続されたコンデンサと、アノードが前記二次巻線の他端に接続されるとともにカソードが前記コンデンサの他端に接続された第１ダイオードと、アノードが前記第１ダイオードのカソードに接続されるとともにカソードが前記レギュレータ回路の入力に接続された第２ダイオードとを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記スイッチング電圧がゼロになると前記レギュレータ回路の動作を停止させる停止回路をさらに備える
ことを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
前記駆動信号が停止したことを示す停止信号を受信すると前記レギュレータ回路の動作を停止させる停止回路をさらに備える
ことを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。