JP2586788Y2 - Mos fetの駆動回路 - Google Patents

Mos fetの駆動回路

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JP2586788Y2
JP2586788Y2 JP5412093U JP5412093U JP2586788Y2 JP 2586788 Y2 JP2586788 Y2 JP 2586788Y2 JP 5412093 U JP5412093 U JP 5412093U JP 5412093 U JP5412093 U JP 5412093U JP 2586788 Y2 JP2586788 Y2 JP 2586788Y2
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Description

【考案の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本考案は、DC−DCコンバータ
等に使用される、MOS FETによるスイッチング素
子のドライブ損失を低減できる駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】スイッチングレギュレータタイプのコン
バータ回路では、スイッチング素子として損失が少な
く、高速動作が可能なMOS FETが好んで使用され
る。MOS FETをスイッチング素子として使用する
のに当たっては、MOSFETが動作をするのに必要な
電圧(スレッショルド電圧)がバイポーラトランジスタ
よりも高い(約4V以上)ため、ゲートに加えるスイッ
チング信号の電圧値をMOS FETのスレッショルド
電圧以上にしなければならない。そこで一般的には、M
OS FETのゲートに駆動回路を設け、スイッチング
信号の電圧値が低くともMOS FETが動作をするこ
とができるようにしている。
【0003】図4には、スイッチング素子にNチャネル
型のMOS FETを使用した従来のDC−DCコンバ
ータ回路の入力側の一部及び駆動回路を示した。図4の
中で、N1はトランスの1次巻線、Q1はスイッチング
トランジスタを示し、1次巻線N1とスイッチングトラ
ンジスタQ1のドレイン、ソース端子を入力端子1とア
ース間に直列に接続する。従来の駆動回路としては、そ
れぞれ極性の異なる2つのトランジスタを相補接続した
回路が一般に良く用いられる。そこで、トランジスタQ
2とトランジスタQ3のエミッタ及びベース同士を相補
接続し、そのエミッタの接続点をスイッチングトランジ
スタQ1のゲートに、ベースの接続点をスイッチング信
号VP が印加される端子2に接続する。また、トランジ
スタQ2のコレクタは入力端子1に接続し、トランジス
タQ3のコレクタはスイッチングトランジスタQ1のソ
ースと接続する。
【0004】以上の回路において、スイッチング信号V
P の電圧が立ち上がると、トランジスタQ2がオン状
態、トランジスタQ3がオフ状態となり、スイッチング
トランジスタQ1のゲートにはトランジスタQ2を介し
て入力電圧VINが印加され、スイッチングトランジスタ
Q1はターンオンする。(ただし、VIN>VGS(TH):ス
レッショルド電圧、とする)逆にスイッチング信号VP
の電圧が立ち下がると、トランジスタQ2がオフ状態、
トランジスタQ3がオン状態となり、スイッチングトラ
ンジスタQ1はゲート電圧が低下してターンオフする。
【0005】ここで、入力電圧VINが印加されていた
時、スイッチングトランジスタQ1のゲートには、スイ
ッチングトランジスタQ1のゲート電圧の立ち下がりを
緩慢にし、スイッチングトランジスタQ1のターンオフ
を遅らせる原因となるゲートチャージ電荷が蓄積され
る。前記したトランジスタQ3は、駆動回路の放電回路
部としてゲートチャージ電荷の放電路を形成し、ゲート
チャージ電荷を早期に消滅させる機能を果たす。これに
より図4に示す駆動回路では、スイッチングトランジス
タQ1のターンオフ動作を早くすることができた。
【0006】
【考案が解決しようとする課題】前記したように、スイ
ッチングトランジスタQ1のターンオフを速くするには
ゲートチャージ電荷の放電路を形成しておくのが有効で
ある。ここで図4に示すように、トランジスタQ3によ
ってスイッチングトランジスタQ1のゲート、ソース間
に放電路を形成すると、ゲートチャージ電荷の放電はゲ
ート電圧VGSがトランジスタQ3のエミッタ、コレクタ
間の飽和電圧VCE(ST)に低下するまで行われることにな
る。周知のように、バイポーラトランジスタの飽和電圧
CE(ST)はMOS FETのスレッショルド電圧V
GS(TH)よりはるかに低い。そのため、スイッチングトラ
ンジスタQ1が次にターンオンした時、ゲートには再び
ゲートチャージ電荷が蓄積されるが、ゲート電圧VGS
低いとゲートにはその分だけ多く電荷が流れ込み、消費
電力を大きくする事になる。以上のことから、トランジ
スタQ3によりスイッチングトランジスタQ1のターン
オフの速度を向上させることができるが、代わりにスイ
ッチングトランジスタQ1のドライブ損失を増加させる
要因を新たに作る事になる。
【0007】ちなみに、図4に示す回路でのスイッチン
グトランジスタQ1のゲートチャージ電荷の充放電によ
るドライブ損失PG1は、以下の式で示すことができる。 PG1=1/2×Ci ×(VIN2 ×f ・・・・・(1) ここで、Ci はスイッチングトランジスタQ1の等価入
力容量、fはスイッチング周波数、VINはゲートに加え
られることになる入力電圧である。DC−DCコンバー
タにおけるスイッチング素子の損失について考えてみる
と、式(1)から分かるように、スイッチング周波数f
がドライブ損失PG1に影響するため、本来ではDC−D
Cコンバータの効率を向上させるスイッチング周波数の
高周波化は、逆にスイッチング素子でのドライブ損失を
増加させることになる。従って本考案は、ゲート電圧を
低くし過ぎることによるスイッチング素子でのドライブ
損失を低減させることのできるMOS FETの駆動回
路を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本考案は、ゲートチャー
ジ電荷を放電させるための駆動回路の放電回路部に対し
て直列に、MOS FETのスレッショルド電圧より低
い電圧が得られる定電圧部を設け、MOS FETのゲ
ート電圧が定電圧部に得られた電圧とほぼ等しくなった
ときに該駆動回路部を介して行われる該MOS FET
のゲートチャージ電荷の放電を停止させることを特徴と
する。
【0009】
【実施例】本考案は、スイッチング素子のゲートチャー
ジ電荷の放電を抑制することでゲート電圧が低下し過ぎ
るのを防ぎ、スレッショルド電圧の付近のゲート電圧で
スイッチング素子にターンオフさせ、スイッチング素子
のドライブ損失を低減させようとするものである。図1
には、図4と同様に、DC−DCコンバータの入力側の
一部と本考案による駆動回路を示した。なお、図1にお
ける図4と同じ構成要素については同じ符号を付与して
ある。図1において、トランジスタQ3のコレクタをツ
ェナーダイオードDZのカソードに接続し、ツェナーダ
イオードDZのアノードをスイッチングトランジスタQ
1のソースに接続しており、この定電圧部としてのツェ
ナーダイオードDZの存在が図4に示す従来の駆動回路
と異なり、その他は図4に示す回路と同じである。
【0010】図1に示す回路において、スイッチング信
号VP の電圧が立ち上がるとトランジスタQ2がオン状
態、トランジスタQ3がオフ状態となり、スイッチング
トランジスタQ1のゲートにはトランジスタQ2を介し
て入力電圧VINが印加され、スイッチングトランジスタ
Q1はターンオンする。逆にスイッチング信号VP の電
圧が立ち下がるとトランジスタQ2がオフ状態、トラン
ジスタQ3がオン状態となり、スイッチングトランジス
タQ1はゲート電圧VGSが低くなるのでターンオフす
る。ここで、スイッチングトランジスタQ1がターンオ
フする時の図1の回路の等価回路を図2に示した。
【0011】図2において、トランジスタQ3は、スイ
ッチング信号VP の立ち下がりによってスイッチングト
ランジスタQ1のゲート、ソース間をツェナーダイオー
ドDZを介して接続することになる。この時、ツェナー
ダイオードDZの定電圧作用により、スイッチングトラ
ンジスタQ1のゲート、ソース間は等価的に、ツェナー
ダイオードDZのツェナー電圧VZ だけバイアスがかけ
られる形となる。ここでこのツェナー電圧VZ は、スイ
ッチングトランジスタQ1のスレッショルド電圧V
GS(TH)より僅かに低くなるように設定しておく。する
と、スイッチングトランジスタQ1のゲートチャージ電
荷はトランジスタQ3とツェナーダイオードDZを介し
て放電されることになり、ゲート電圧VGSが低下してス
レッショルド電圧VGS(TH)より低くなるとスイッチング
トランジスタQ1はターンオフし、さらにゲート電圧V
GSが低下してツェナー電圧VZ とほぼ等しくなるとゲー
トチャージ電荷の放電は停止する。実際のゲートチャー
ジ電荷の放電が停止するゲート電圧VGSは、ツェナーダ
イオードDZのツェナー電圧VZ とトランジスタQ3の
飽和電圧VCE(ST)の和と等しくなった時であるが、ツェ
ナー電圧VZ に比べて飽和電圧VCE(ST)は非常に小さ
く、ここでは無視できると考えている。
【0012】先にも述べたように、ツェナー電圧V
Z は、スレッショルド電圧VGS(TH)より僅かに低くなる
ように設定しているため、次にスイッチングトランジス
タQ1をターンオンさせる時に、ゲートに流れ込む電荷
が少なくて済む。スイッチングトランジスタQ1がオフ
状態の時、そのゲート電圧VGSは、ほぼツェナー電圧V
Z に保持されることになり、スイッングトランジスタQ
1のドライブ損失は以下の式で表せられる。 PD2=1/2×Ci ×(VIN−VZ 2 ×f ・・・・・(2) 式(2)から分かるように損失に係る電圧の項がツェナ
ー電圧VZ の分だけ低くなるため、スイッチングトラン
ジスタQ1でのドライブ損失を従来の駆動回路に比べて
低く抑えられる。
【0013】図1に示す本考案の実施例では、定電圧部
としてのツェナーダイオードDZをトランジスタQ3の
コレクタとスイッチングトランジスタQ1のソースの間
に設けていた。このツェナーダイオードDZの機能は、
スイッチングトランジスタQ1のゲート電圧がトランジ
スタQ3(放電回路部)の作用によって低下し過ぎるの
を防止することにある。このためツェナーダイオードD
Zは、スイッチングトランジスタQ1のゲート、ソース
間を結ぶゲートチャージ電荷の放電路上にトランジスタ
Q3と直列の状態で存在すれば良く、トランジスタQ3
のエミッタとスイッチングトランジスタQ1のゲートの
間に設けても同様な効果が期待できる。そこで、図3に
本考案の他の実施例による回路を示す。なお、図3にお
ける図1、図4と同じ構成要素については、同じ符号を
付与してある。図3において、トランジスタQ2とQ3
のエミッタ同士の接続点をツェナーダイオードDZのア
ノードに接続し、ツェナーダイオードDZのカソードを
スイッチングトランジスタQ1のゲートに接続してお
り、その他の回路構成は図4に示す従来の回路と同じで
ある。
【0014】図3に示す回路で、スイッチング信号VP
が立ち上がると、トランジスタQ2がオン状態、トラン
ジスタQ3がオフ状態となる。この時のスイッチングト
ランジスタQ1のゲートには、入力電圧VINからツェナ
ーダイオードDZの順方向電圧VF を減じた電圧が入力
されることになる。逆に、スイッチング信号VP の電圧
が立ち下がるとトランジスタQ2がオフ状態、トランジ
スタQ3がオン状態となり、スイッチングトランジスタ
Q1のゲートチャージ電荷はツェナーダイオードDZ及
びトランジスタQ3を介して放電される。しかしここ
で、ツェナーダイオードDZが存在するため、ゲート電
圧VGSがツェナー電圧VZ まで低下するとゲートチャー
ジ電荷の放電は停止し、図1の回路と同じ動作となる。
【0015】
【考案の効果】以上に述べたように、本考案によるMO
S FETの駆動回路は、ゲートチャージ電荷を放電さ
せるための駆動回路の放電回路部に対して直列に定電圧
部を設け、その定電圧部で得られる電圧をスイッチング
素子としてのMOS FETのスレッショルド電圧より
低いものとする。そして、MOS FETのゲート電圧
が定電圧部に現れる電圧とほぼ等しくなったときに放電
回路部を介して行われるゲートチャージ電荷の放電を停
止させることを特徴としている。この定電圧部がスイッ
チング素子のゲートチャージ電荷の放電を抑制し、スイ
ッチング素子がオフ状態にある時にゲート電圧が低下し
過ぎるのを防ぐため、スイッチング素子がターンオンす
る時にゲートに流れ込む電荷は少なくなり、スイッチン
グ素子のドライブ損失を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本考案の駆動回路を適用したDC−DCコン
バータの回路図。
【図2】 スイッチング素子がオフ状態における、図1
に示す駆動回路の等価回路。
【図3】 本考案の他の実施例による駆動回路を適用し
たDC−DCコンバータの回路図。
【図4】 従来の駆動回路によるDC−DCコンバータ
の回路図。
【符号の説明】 Q1 スイッチングトランジスタ Q2、Q3 トランジスタ DZ 定電圧部としてのツェナーダイオード

Claims (1)

    (57)【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スイッチング素子としてのMOS FE
    Tを動作させるための駆動回路であって、該MOS FETの制御端子と主電流路の一端との間に
    接続され、 該MOSFETがターンオフする時に該MO
    S FETのゲートチャージ電荷を放電させる放電回路
    を有した駆動回路において、該MOS FETのスレッショルド電圧より低い電圧が
    得られる定電圧部を該放電回路部に対して直列に設け、
    該MOS FETのゲート電圧が該定電圧部に得られた
    電圧とほぼ等しくなったときに該放電回路部を介して行
    われる該MOSFETのゲートチャージ電荷の放電を停
    止させる ことを特徴とするMOS FETの駆動回路。
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