JP2021530921A - パワースイッチのスイッチングエッジを変調するための駆動回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、パワースイッチ（２）のスイッチングエッジを変調するための駆動回路（１，２０）に関する。本発明に係る駆動回路は、下流側の入力ノード（４）を有する第１の駆動回路入力部（３）と、上流側の第１のゲートノード（６）を有するパワースイッチ（２）とを有する。入力ノード（４）と第１のゲートノード（６）との間には、充電抵抗（１１）を含む充電経路（７）が配置されている。さらに、入力ノード（４）と第１のゲートノード（６）との間には、放電抵抗（１６）を含む放電経路（８）が配置されている。さらに、入力ノード（４）と第１のゲートノード（６）との間にはゲート経路（９）が配置されている。さらに、第１のゲートノード（６）に接続されたゲートを有するパワースイッチトランジスタが設けられている。パワースイッチ（２）のスイッチング応答の急峻度を高めるために、パワースイッチ（２）のスイッチング動作時に充電経路（７）または放電経路（８）を介してゲート経路（９）が一時的に短絡されるような構成がなされている。

Description

本発明は、パワースイッチのスイッチングエッジを変調するための駆動回路に関する。

駆動回路は、用途に応じて、ゲートドライバ、ＭＯＳＦＥＴドライバ、ＩＧＢＴドライバ、またはハーフブリッジドライバと呼ばれることがある。エレクトロニクス、特にパワーエレクトロニクスでは、これらの駆動回路は、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのなどのパワースイッチを含むディスクリート（個別半導体）または集積化された電子回路を制御するために使用される。トランジスタのスイッチングが行われる場合、トランジスタは、非導通状態から導通状態へ（またはその逆に）急峻に遷移することはない。むしろ、トランジスタは、ゲート容量の充電電圧に応じて、ある抵抗範囲を通じて動作する。電流が流れている場合のスイッチングにおいては、多かれ少なかれ大きい電力がトランジスタ内で変換され、この電力はトランジスタを加熱し、最悪の場合にはトランジスタを破壊させることさえある。したがって、スイッチング損失をできるだけ低く抑えるために、トランジスタのスイッチング動作をできるだけ短くすることが常に望まれる。

高速スイッチング動作により、接続された電子部品の内部寄生部における電流の急峻な反転に起因する過電圧が生じる。特に、（例えば、２４Ｖ／４８Ｖの電圧を有する）鉄道車両／航空機の現代の車載ネットワークでは、（例えば、１２Ｖの車載ネットワークよりも）過電圧に対する耐性が低い。同時に、小型化の進行により電磁両立性（ＥＭＣ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）がますます重要になってきており、部品を破壊させる過電圧はできるだけ防止することが望ましい。

従来技術では、（例えば、ＣＩＳＰＲ２２規格に準拠するために）ＥＭＣ放射を改善し、過電圧を低減するために、駆動回路内の上流側にゲート直列抵抗を接続してスイッチング動作を遅くすることが知られている。しかしながら、これによりスイッチング損失の増大が生じる。生成された熱は、後に追加冷却によって放出される必要がある。したがって、全体として、パワースイッチの効率および耐用年数が低下する。

本発明によれば、パワースイッチのスイッチングエッジを変調するための駆動回路は、
下流側の入力ノードを有する第１の駆動回路入力部と、
上流側の第１のゲートノードを有するパワースイッチと、
入力ノードと第１のゲートノードとの間に配置され、充電抵抗を含む充電経路と、
入力ノードと第１のゲートノードとの間に配置され、放電抵抗を含む放電経路と、
入力ノードと第１のゲートノードとの間に配置され、ゲート抵抗を含むゲート経路と、
第１のゲートノードに接続されたゲートを有するパワースイッチトランジスタと
を備え、
駆動回路は、パワースイッチのスイッチング応答の急峻度を高めるために、パワースイッチのスイッチング動作時に充電経路または放電経路を介してパワースイッチを一時的に短絡するように構成されている。

発明の利点
上述の過電圧の危険性があるので、パワースイッチを保護するためにパワースイッチの設計においてより大きい安全性を考慮に入れる必要があり、これによりパワースイッチの設計および製造においてさらなるコストが生じる。本発明による解決策は、損失を増大させることなく、スイッチングエッジを変調することによって、電圧変動のスペクトルを改善することを可能にする。このようにして、公知のゲート直列抵抗制御と比較すると、スイッチングエッジの途中部においてより高い急峻度を達成することができる。

同時に、過電圧を低減／防止することによって、より低い電圧クラスを有するパワースイッチを選択することができ、これにより、同じチップ面積でスイッチオン抵抗（ＲＤＳＯＮ）は不釣り合いに小さくなる。その結果、導通損失が減少し、パワースイッチの効率の改善が達成される。

本発明の重要な態様は、特定のスイッチング時間にゲート経路（特にゲート抵抗）を短絡することにある。これにより、パワースイッチのスイッチングエッジの急峻度を一時的に高めることができ、損失を低減することができる。充電もしくは放電中にゲート直列抵抗を変化させることによって、パワースイッチのピーク電流を、短絡にもかかわらず駆動回路によって制限することができる。ここで、ゲート直列抵抗とは、駆動回路入力部とパワースイッチのゲートとの間の（１つ以上の経路を介する）実効抵抗として理解されるべきである。過電圧を低減するために、充電経路および放電経路はそれぞれスイッチング動作時に早期に遮断され得る。これにより、スイッチングエッジの形状を変調することができ、過電圧を防止し、損失を制限することができる。

このような変調により、スイッチオフ動作およびスイッチオン動作の両方を調節することができる。放電経路は、スイッチオフ動作を調節する役割を果たし、充電経路は、スイッチオン動作を調節する役割を果たす。試験の結果、接続されたＤＣ−ＤＣコンバータの位相電圧および出力電圧の著しい振動減衰が得られた。スイッチング動作の途中でスイッチングエッジの急峻度が高くなりスイッチング時間が短くなることにより、ＥＭＣ放射の改善を伴うスイッチング損失の低減が実現される。パワースイッチのゲート直列抵抗の増大にもかかわらず、非クリティカルな時点でブリッジすることによって性能の改善を達成することができる。

好ましい実施形態では、駆動回路（１，２０）は、過電圧を低減するために、スイッチング動作の開始時および終了時に充電経路および放電経路を遮断するように構成される。したがって、スイッチング動作のこれらの領域では、パワースイッチのゲートは、ゲート経路内のゲート抵抗を介してのみ制御される。これにより、スイッチング動作の「途中」でより急峻なスイッチングエッジがあるにもかかわらず、スイッチング動作の開始時および終了時における過電圧を防止することができる。

さらなる実施形態では、放電経路は、入力ノードと第１のゲートノードとの間に、
順方向に配置された第１の放電経路ダイオードに並列に配置された放電経路トランジスタ、
放電抵抗、および
逆方向に配置された第２の放電経路ダイオード、
という構成要素をこの順番で含む。第２の放電経路ダイオードは、放電動作においてのみ放電経路に電流を流すことができることを決めるものである。放電経路トランジスタは、スイッチング動作時に放電経路を選択的に遮断することができる。

さらなる実施形態では、充電経路は、入力ノードと第１のゲートノードとの間に、
順方向に配置された第１の充電経路ダイオード
充電抵抗、および
逆方向に配置された第２の充電経路ダイオードに並列に配置された充電経路トランジスタ、
という構成要素をこの順番で含む。第１の充電経路ダイオードは、充電動作においてのみ充電経路に電流を流すことを定める。充電経路トランジスタは、スイッチング動作時に充電経路を選択的に遮断することができる。

一実施形態では、駆動回路は、第２の駆動回路入力部を有する第２の駆動段を含み、第１のゲートノードとパワースイッチトランジスタのゲートとの間には第２のゲートノードが配置されており、第２のゲートノードには第２の駆動段が接続されている。上側のスイッチオフエッジ遷移部および下側のスイッチオンエッジ遷移部を追加変調するために、次に、低インピーダンスのゲート経路を遮断することができ、別の駆動段を介して電流を印加することができ、もしくはスイッチオン時に電流を放出することができる。これにより、スイッチングエッジの開始部分または終了部分をさらに「丸める」ことができ、振動を低減させることができる。

さらなる実施形態では、第２の駆動回路入力部と第２のゲートノードとの間の第２の駆動段には、
制限抵抗、および
順方向の制限ダイオード、
という構成要素がこの順番で配置されている。

このような構成により、上側のスイッチオフエッジ遷移部および下側のスイッチオンエッジ遷移部の追加変調を容易に達成することができる。

本発明の有利な構成は、従属請求項に明記され、説明に記載されている。

図面および以下の説明に基づいて、本発明の例示的な実施形態を詳細に説明する。

本発明に係る駆動回路の第１の実施形態を示す回路図である。 本発明に係る駆動回路の第２の実施形態を示すの回路図である。 従来技術におけるパワースイッチのドレイン電流およびドレイン電圧を示す概略図である。 本発明に係る駆動回路を有するパワースイッチのドレイン電流およびドレイン電圧を示す概略図である。

図１は、本発明に係るパワースイッチ２の駆動回路１の第１の実施形態の回路図を示す。駆動回路１は、下流側の入力ノード４を有する第１の駆動回路入力部３を備える。さらに駆動回路１は、上流側の第１のゲートノード６を有するパワースイッチトランジスタ５を備える。

入力ノード４と第１のゲートノード６との間には、充電経路７、放電経路８およびゲート経路９が配置されている。パワースイッチ２のパワースイッチトランジスタ５のゲートは第１のゲートノード６に接続されている。駆動回路１は、パワースイッチ２のスイッチング応答の急峻度を高めるために、パワースイッチ２のスイッチング動作時に充電経路７または放電経路８のいずれかを介してゲート経路９を一時的に短絡させるように構成されている。充電経路７および放電経路８は、スイッチング動作の開始時および終了時に過電圧を低減させるために遮断される。

充電経路７には、入力ノード４から始まり第１のゲートノード６に向かって、
順方向に配置された第１の充電経路ダイオード１０、
充電抵抗１１、
逆方向に配置された第２の充電経路ダイオード１３に並列に配置された充電経路トランジスタ１２、
という構成要素が配置されている。

放電経路８には、入力ノード４から始まり第１のゲートノード６に向かって、
順方向に配置された第１の放電経路ダイオード１５に並列に配置された放電経路トランジスタ１４、
放電抵抗１６、および
逆方向に配置された第２の放電経路ダイオード１７、
という構成要素が配置されている。

ゲート経路８において、入力ノード４とゲートノード６との間にゲート抵抗１８が配置されている。

図２は、本発明に係る駆動回路２０の第２の実施形態を示す。対応する機能には同じ参照符号が付されている。駆動回路２０は、図１に示す回路構成要素に加えて、第２の駆動段２１を含む。

駆動回路２０のうちの第１の駆動回路入力部３と第１のゲートノード６との間の全ての構成要素は、第１の駆動段として理解することができる。この点については、図１の説明を参照されたい。

第２の駆動段２１は第２の駆動回路入力部２２を備え、第１のゲートノード６とパワースイッチトランジスタ５のゲートとの間には、第２のゲートノード２３が配置されており、この第２のゲートノード２３には第２の駆動段２１が接続されている。第２の駆動段２１では、第２の駆動回路入力部２１から始まり第２のゲートノード２３に向かって、
制限抵抗２４、および
順方向の制限ダイオード２５、
という構成要素がこの順番で配置されている。

本発明に係る駆動回路１，２０は、特定のスイッチング時間にゲート経路９、および特にゲート抵抗１８を短絡させることができる。これにより、パワースイッチのスイッチングエッジの急峻度を一時的に高めることができ、損失を低減することができる。充電抵抗１１および放電抵抗１６を用いて実効ゲート直列抵抗を変化させることによって、短絡にもかかわらず、駆動回路１，２０によってパワースイッチ２のピーク電流を制限することができる。過電圧を低減するために、充電経路７および放電経路８はそれぞれスイッチング動作において早期に遮断され得る。これにより、スイッチングエッジの形状を変調し、過電圧を防止し、損失を制限することもできる。

図２に示す駆動回路２０は、第２の駆動段２１を介して電流を印加することによって、上側のスイッチオフエッジ遷移部および下側のスイッチオンエッジ遷移部の追加変調を可能にする。このような構成により、上側のスイッチオフエッジ遷移部および下側のスイッチオフエッジ遷移部の追加変調を容易に達成することができる。

図３および図４は、本発明の主な効果を示す。いずれの場合も、２つのスイッチング動作にわたり時間ｔに関するパワースイッチのドレイン電流およびドレイン電圧を示す概略図である。

図３は、従来技術におけるパワースイッチのドレイン電流Ｉ_ＤＳおよびドレイン電圧Ｖ_ＤＳを示す。ドレイン電圧Ｖ_ＤＳのスイッチングエッジ２６は比較的鋭く、スイッチング動作の持続時間がゲート抵抗の値に対して短すぎる場合は過電圧につながる。残される唯一の選択肢は、用途に応じて比較的高いゲート抵抗を選択し、これにより、より大きいスイッチング損失を受け入れることである。

図４は、本発明に係る駆動回路１，２０を有するパワースイッチのドレイン電流Ｉ_ＤＳおよびドレイン電圧Ｖ_ＤＳを示す。この場合、ドレイン電圧Ｖ_ＤＳのスイッチングエッジ２７は平坦化され、スイッチング動作の途中でのスイッチング動作の持続時間が、パワースイッチ２のゲートの実効ゲート直列抵抗の値に対してかなり短くなるように選択されても、もはや過電圧をもたらさない。実効ゲート直列抵抗とは、第１および第２の駆動回路入力部３，２２とパワースイッチ２のゲートとの間の可変の実効抵抗である。スイッチング動作の途中でスイッチングエッジの急峻度がより高くなりスイッチング時間がより短くなることにより、ＥＭＣ放射の改善を伴うスイッチング損失の低減が実現される。スイッチング動作の途中で実効ゲート直列抵抗が増加するにもかかわらず、非クリティカルな時点でブリッジすることによって性能の改善を達成することができる。

Claims (6)

1. パワースイッチ（２）のスイッチングエッジを変調するための駆動回路（１，２０）であって、
   下流側の入力ノード（４）を有する第１の駆動回路入力部（３）と、
   上流側の第１のゲートノード（６）を有するパワースイッチ（２）と、
   前記入力ノード（４）と前記第１のゲートノード（６）との間に配置され、充電抵抗（１１）を含む充電経路（７）と、
   前記入力ノード（４）と前記第１のゲートノード（６）との間に配置され、放電抵抗（１６）を含む放電経路（８）と、
   前記入力ノード（４）と前記第１のゲートノード（６）との間に配置され、ゲート抵抗（１８）を含むゲート経路（９）と、
   前記第１のゲートノード（６）に接続されたゲートを有するパワースイッチトランジスタ（５）と
   を備え、
   前記パワースイッチ（２）のスイッチング動作の急峻度を高めるために、前記パワースイッチ（２）のスイッチング動作時に前記充電経路（７）または前記放電経路（８）を介して前記ゲート経路（９）を一時的に短絡するように構成されている、駆動回路（１，２０）。
2. 請求項１に記載の駆動回路（１，２０）であって、スイッチング動作の開始時および終了時に過電圧の低減のために前記充電経路（７）および前記放電経路（８）が遮断されるように構成されている駆動回路（１，２０）。
3. 請求項１または２に記載の駆動回路（１，２０）であって、
   前記放電経路（８）には、前記入力ノード（４）と前記第１のゲートノード（６）との間に、
   順方向に配置された第１の放電経路ダイオード（１５）に並列に配置された放電経路トランジスタ（１４）、
   放電抵抗（１６）、および
   逆方向に配置された第２の放電経路ダイオード（１７）、
   という構成要素がこの順番で配置されている、駆動回路（１，２０）。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の駆動回路（１，２０）であって、
   前記充電経路（７）には、前記入力ノード（４）と前記第１のゲートノード（６）との間に、
   順方向に配置された第１の充電経路ダイオード（１０）、
   充電抵抗（１１）、および、
   逆方向に配置された第２の充電経路ダイオード（１３）に並列に配置された充電経路トランジスタ（１２）、
   という構成要素がこの順番で配置されている、駆動回路（１，２０）。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の駆動回路（１，２０）であって、
   第２の駆動回路入力部（２２）を有する第２の駆動段（２１）を備え、
   前記第１のゲートノード（７）と前記パワースイッチトランジスタのゲートとの間に第２のゲートノード（２３）が配置されており、該第２のゲートノードに前記第２の駆動段（２１）が接続されている、駆動回路（１，２０）。
6. 請求項５に記載の駆動回路（１，２０）であって、
   前記第２の駆動段（２１）には、前記第２の駆動回路入力部（２２）と前記第２のゲートノード（２３）との間に、
   制限抵抗（２４）、および
   順方向の制限ダイオード（２５）、
   という構成要素がこの順番で配置されている、駆動回路（１，２０）。

Images