JP2676510B2 - 電力インターフエース回路 - Google Patents

電力インターフエース回路

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電気的負荷に高電圧電力を制御しつつ供給す
る制御回路を有する半導体スイッチング素子に関する。
より詳細にいえば、本発明は低電圧制御回路（制御チッ
プ）と電源チップ（電力チップ）が分離されていて、制
御チップへ電源チップに含まれる電圧安定器から制御チ
ップへ給電される電源インターフェース回路に関する。 ［従来の技術］ 従来からある電力インターフェース回路（“PIC"）は
高電圧電力を制御できる形式で電気的負荷に与えるのに
有用である。これらの装置は商品名「チップスイッチ」
および「PVR」として本出願の出願人によって市場提供
されている。 電力インターフェース回路はサイリスタの「ゲート」
もしくは電力バイポーラトランジスタのベースのような
制御端子を有する。スイッチング素子の制御端子にスイ
ッチング信号を与えるために種々の形式の制御回路が提
案されてきた。この制御回路は、ゼロクロス点弧を制御
したり電圧サージ等による点弧を抑制したりして無負荷
から全負荷まで供給された電力のデューティサイクルを
増加するなどにより電力条件の種々の形態を提供するも
のである。 上記のPICを実施するための従来の手法は電力スイッ
チング装置とその組合わせ制御回路を同一チップ本体内
に組込むことであった。この種のPIC装置は電力チップ
における複雑な制御回路を備えていることが理由で「ス
マート」電力ICとしばしば呼ばれる。 ［発明が解決しようとする問題点］ 現在一つの電力装置に組込まれ得る処理能力の程度は
以下の理由で制限さている。本発明は多量の処理能力を
十分に確立されかつ安価な方法でPIC中に組込む技術を
提供するものである。 電力スイッチの耐圧能力は組込みタイプであろうとな
かろうと最も重要な特徴と一つである。これは特に工場
とか自動車のような電圧の変動することがごく一般的な
ノイズの多い場所では特に重要である。モノリシックPI
Cでは全ての処理能力および制御機能は電力ユニットと
同一の耐圧能力を持たなければならないか若しくはこの
様な制御機能を装置の高電圧部分から効果的に遮蔽する
ために特別な緩衝および絶縁技術が用いられなければな
らない。これ等の技術は装置寸法および処理コストを増
加させる。 この電圧は通常30または40［Ｖ］より大きいから、伝
統的で十分に確立されており安価な回路やマイクロプロ
セッサを形成するのに普通に用いられる技術は「処理能
力」PIC用には用いることができない。最も基本的な機
能を組込むために多量のシリコン基板領域を必要とする
他の製造技術が用いられなければらない。これらの技術
は本質的に歩留りが低い。これはまた電力スイッチの部
分をなす処理能力の量を制限することになる。 したがって本発明の目的は低コストで高度の処理能力
が組込まれた電力スイッチを提供することである。 本発明の他の目的は高歩留りの十分に確立された製造
技術で製造できる電力スイッチを提供することである。 本発明のもう一つの目的は最小量の全チップ領域で済
み、高度の処理能力を持った制御回路を有する電力スイ
ッチを提供ることである。 ［問題点を解決するための手段］ 本発明によれば、同一パッケージ内に、好ましくは同
一取付け基板若しくはリードフレーム上に、低電圧制御
チップおよび高電圧電力チップからなるPICを設ける。
これ等のチップは互いに分離して製造される。高電圧電
力チップは高電圧電力を電気負荷にスイッチング給電す
るゲート制御可能な電力スイッチング素子を有する。本
明細書で用いる「高電圧」は、約５［Ｖ］つまりマイク
ロプロセッサチップを駆動するのに一般に用いられる電
圧、を相当に超過する電圧をいう。高電圧は家庭や工場
で通常用いられる大きさのものをいい、例えば120もし
くは200［Ｖ］ACである。 本発明の電力チップに含まれるものは電力チップに与
えられる高電圧から安定化された低電圧を生じる手段で
ある。本明細書における「低電圧」は電力マイクロプロ
セッサチップに一般に用いられる電圧つまり５［Ｖ］を
指す。その他の手段は制御回路の入力電力線に安定化さ
れた低電圧を与えるために設けられる。したがって低電
圧制御チップは高電圧電源チップから給電される。制御
チップの出力制御線を電力スイッチング装置に接続する
ための手段も設けられている。 低電圧制御チップが高密度製造技術で製造されている
から、本発明のPICは高度の処理能力を組込むことがで
きる。低電圧制御チップは、市販されているマイクロプ
ロセッサまたは十分に確立された技術を用いて製造され
る他の素子をそなえる。PIC全体のコストは低い。それ
は低電圧制御装置が高耐電圧に作られなくてよいか、ま
たは従来のPICのように絶縁技術によりPICの高電圧部分
から特別に緩衝しなくてよいからである。 ［実施例］ 本願発明は、低電圧で作動する制御チップと、高電圧
の電力チップを同一のパッケージの中に別個のチップと
してふくむ、電力インターフェース回路を提供する。 ここで、電力チップは、サイリスタやMOSFETのような
電力スイッチング用の半導体素子（電力スイッチング素
子、電力素子）をふくみ、制御チップの制御のもとに制
御される。 また、低電圧で作動する制御チップの電源は、高電圧
の電力チップの補助部分で安定化電源としてつくられ、
制御チップに供給される。 前記補助部分は、電力素子の高電圧の線から制御用チ
ップの電源出力する安定化電源回路をふくむ。 前記高電圧の線は、電力スイッチングのために高電圧
を供給される線である。 前記低電圧の制御チップは、電力スイッチング素子を
制御するための高度の知能または論理機能をふくみ、こ
れらは低電圧で作動する素子であって、マイクロプロセ
ッサや他の、高密度の制御素子と共に組み込むことので
きる素子である。以下、図面を参照して本願発明の一実
施例を詳細に説明する。同様の符号は同様の要素を示し
ている。第１図は本発明の電力インターフェース回路
（PIC）10のブロックダイヤグラムである。PIC10は高電
圧電力ICまたはチップ12（電力チップ）および低電圧制
御IC14（制御チップ）を有する。IC12および14は共通基
板上または異なるパッケージ内に設けられる。電力IC12
は、集積バイポーラトランジスタ、サイリスタまたはMO
SFETスイッチング素子のような高電圧線16に高電圧を与
える高電圧電源（図示せず）から一対のメインスイッチ
ング端子14,15に給電をオンまたはオフすることができ
る電力スイッチング素子を有する。 電力チップ12内には電圧安定器18が設けられており、
前記電圧の安定器18は例えば線16の高電圧から１または
２以上の低電圧を取出すことができる。安定化された電
圧VREGは低電圧制御IC14の入力電源線20に与えられ、IC
14に作動用電力を供給する。この安定化された電圧は制
御IC14の電源電圧要求によって異なるが例えば５または
15［Ｖ］である。電圧安定器18は種々の形式とすること
ができ、そのうちのいくつかについては後述する。 制御IC14は１または２以上の制御出力線22を有しこれ
らは電力チップ12に接続される。第２図により詳細に示
すように電チップ12に送られる制御線22の信号は電力ス
イッチング素子（装置）28のゲート26に与えられる前に
バッファ24によって処理される。装置24,26および28は
図示の明確化のために破線で示している。バッファ24は
高入力インピーダンス装置であり、制御線22上に存在す
る信号が及ぼす影響から電力チップ12を保護する。電力
スイッチング装置28は例えばサイリスタ、電力用バイポ
ーラトランジスタまたは電力用金属酸化膜半導体電界効
果トランジスタ（MOSFET）を有する。電力スイッチング
装置（素子）28に用いられる一つの素子は双方向出力電
界効果トランジスタ（BOSFET）であり、これは1985年２
月21日に出願され本出願の出願人に譲渡された係属中の
米国特許出願第581,785において開示されている。電力
スイッチング装置28の制御端子26はここでは「ゲート」
と呼ぶが、例えばバイポーラトランジスタにおける「ベ
ース」と同義語となるように広義に解すべきである。 再び第１図に戻ると、電力チップ12と制御IC14との間
には１または２以上の状態線30が設けられている。この
状態線30は温度のような電力チップ12の状態に関する情
報を伝送するものである。制御IC14は状態線30の情報に
応動するもので状態情報に応じて制御出力線22上に電力
チップに与えるべき適当な情報を決定する。例えば第３
図によれば、仮に電力チップ12の温度センサ32が、電力
チップの温度が所定値よりも大きなレベルに向かって上
昇していることを検出すると、制御IC14は電力チップ12
の電力スイッチング装置28のデューティサイクルを減じ
るように応動する。 第１図において、低電圧制御IC14は１または２以上の
論理入力34を有する。このように制御IC14は外部信号源
（図示せず）から指令信号を受取り電力スイッチ10全体
がこのような外部信号源に応動する。低電圧制御IC14は
例えば低コストなマイクロプロセッサチップまたは超LS
I（VLSI）チップを有する。これ等の装置は充分に確立
された製造技術で製造されるから、増強された処理能力
および高歩留りの高密度制御要素を低コストで提供する
ことができる。望ましくはチップ12および14は共通パッ
ケージに収容される。１または２以上の電力チップ12あ
るいは制御チップ14が一つの共通チップ内に収容され
る。明らかに、チップ12および14は相互に絶縁されてお
りチップ12の電圧は低電圧チップ14には与えられない。 高電圧電力チップ12の電圧安定器18は上述のように例
えば高電圧線16からその電力を取出す。高電圧電力はも
う一つの線またはIC12のピンによって与えられるもので
線16と同一電位である。電圧安定器18の好ましい回路構
成が第4A,4B,4C図に示されている。第4Aないし4C図の回
路は、チップ12または14用の共通パッケージ内もしくは
それとは別個のディスクリート装置による方が簡便な誘
導性または容量性の要素を除いて、高電圧電力チップ12
内に収容される。 第4A図において、電圧安定器18はチップ12の小さな表
面領域に簡単に設けられるツェナーダイオード40によっ
て構成される。このダイオード40はそのアノードが電流
制限抵抗42を介して高電圧線16に接続されており、その
カソードは基準電位点21に接続されている。抵抗42も上
述の米国特許出願第581,785に示されたチップ12中に組
込まれる。電源線16からツェナーダイオード40に流れる
電流はこのダイオードのツェナー降伏電圧で一定電圧す
なわち安定化された電圧VREGを形成する。このVREGはチ
ップ14の所要電圧によって定まるもので５［Ｖ］または
15［Ｖ］であり、第２図の線20によりチップ14に与えら
れる。 第4B図において、安定化された電圧VREGはｐチャンネ
ルMOSFET44のドレインDに与えられる。MOSFET44のソー
スSは高電圧線16に接続される。ダイオード45はMOSFET4
4にそのアノードがソースSに接続されカソードがドレイ
ンDに接続される。MOSFET44のゲートGはゲート駆動回路
46により制御され、この回路は分離した論理チップ上の
論理回路からMOSFET44の電流を制御して一定電圧VREGを
維持する。全てのゲート素子制御回路およびMOSFET44は
主たる電力チップ上に設けられる。 第4C図には、第4B図の回路に加えてフィルタキャパシ
タ60およびフィルタチョーク61ならびに素子62が示され
ている。出力電圧VREGはキャパシタ60の両端間に得られ
る。ダイオード62は電力チップに組込まれる。 第4A,4Bおよび4C図の電圧安定器回路は、望むならデ
ィスクリート素子としてす形成されるインダクタ61およ
びキャパシタ60を別として高電圧電力IC中に組込まれ
る。 第１図の電力スイッチ10は電力チップ中に「処理能
力」すなわら制御回路を組込むことについての従来の方
法に対し多くの利点を実現する。電力チップ12内に電圧
安定器18を設けて独立した低電圧制御IC14用の作動電力
を供給することにより、スイッチ10の全体コストは最低
限にでき、一方低電圧制御IC14によって与えられる「処
理能力」の程度は最大限になる。これは低電圧制御IC14
が高歩留りで低コストを達成する十分に開発された技術
で製造されるからである。制御IC14では、所定のチップ
領域で制御回路が高電圧電力チップ12に組込まれた場合
よりも遥かに多量の処理能力か提供される。これは制御
回路が高電圧装置内に組込まれた場合に耐電圧能力を持
つ必要性すなわち低電圧回路を緩衝および絶縁するため
に基板の大きな領域を使用しなければならないというこ
とから制御回路の回路要素が低密度になるためである。
したがって本発明は従来の電力チップに比べてかなり低
コストで明らかにより良好な制御機能を有する電力チッ
プを提供する。 本発明では複数の好適な実施例について説明してきた
が当業者にとっては多くの他の変形例を想到し得るであ
ろう。したがって本発明は上記開示内容によって限定さ
れるべきではなく特許請求の範囲の記載によってのみ限
定されるべきである。
【図面の簡単な説明】 第１図は本発明におけるPICのブロック線図、第２図は
第１図の電力スイッチにおける高電圧電力チップ内にあ
る種々の装置のブロック線図、第３図は第１図の電力チ
ップ内に含まれる他の装置を第２図と同様に示した図、
第4Aないし4C図は第１図の電力チップに組込まれる種々
の回路構成を示す図である。 10…電力インターフェース回路 12…電力チップ、14…制御IC 28…電力スイッチング装置 40…ツェナーダイオード 60…フィルタキャパシタ

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 １．電力チップと、前記電力チップの一部の補助部分に
    構成されている電圧安定器から給電される制御チップ、
    とを備えた電力インターフェース回路において、前記電
    力インターフェース回路は： （ａ）低電圧で作動する前記制御チップを備え、 前記制御チップは前記制御チップを動作させるための電
    力を供給する入力電力線と、出力制御線を備え； （ｂ）高電圧の前記電力チップは、低電圧の前記制御チ
    ップと分離されており、前記電力チップは電気的負荷へ
    の給電をオンまたはオフするための電力スイッチング素
    子をふくみ、 また前記電力チップは、高電圧が印加される線を備え、
    前記高電圧が印加される線へ印加される高電圧から安定
    化電圧を発生する手段を一体としてふくみ； （ｃ）更に、前記制御チップの前記入力電力線へ、前記
    安定電圧を印加するための手段を備え、高電圧の前記電
    力チップから低電圧の前記制御チップへ電力が印加され
    るように構成し； （ｄ）前記制御チップの前記出力制御線を、前記電力チ
    ップの前記電力スイッチング素子へ接続する手段を備
    え、低電圧の前記制御チップにより、高電圧の前記電力
    チップの前記電力スイッチング素子が制御されるように
    構成したことを特徴とする電力インターフェース回路。 ２．前記電力インターフェース回路において： （ａ）前記電力チップは、前記電力スイッチング素子の
    状態を検出する状態検出回路をふくみ； （ｂ）前記制御チップは、前記電力チップからの前記状
    態検出回路の出力の状態情報を入力する手段と、前記状
    態情報に応動して前記電力スイッチング素子を制御する
    前記出力制御線上の制御情報を決定する制御手段を備え
    ることを特徴とする請求項１記載の電力インターフェー
    ス回路。 ３．前記安定化電圧を供給する手段は、ツェナーダイオ
    ードを備え、前記ツェナーダイオードは、前記電力チッ
    プの高電圧の供給される線に接続される ことを特徴とする請求項１記載の電力インターフェース
    回路。 ４．前記安定化電圧を供給する手段は、 前記電力チップの高電圧の供給される線と、前記入力電
    力線との間に接続された電力スイッチング素子を備える ことを特徴とする請求項１記載の電力インターフェース
    回路。 ５．前記制御チップは、マイクロプロセッサである ことを特徴とする請求項１記載の電力インターフェース
    回路。 ６．前記制御チップは、VLSIチップである ことを特徴とする請求項１記載の電力インターフェース
    回路。
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