JP3546123B2

JP3546123B2 - スイッチ駆動回路

Info

Publication number: JP3546123B2
Application number: JP12940697A
Authority: JP
Inventors: 誠二織田; 一宏堀井
Original assignee: Cosel Co Ltd
Current assignee: Cosel Co Ltd
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2017-05-20
Also published as: JPH10322184A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子を駆動するスイッチ駆動回路に関し、特に外部から入力電力の供給を行う電源の発生する電圧より低い耐電圧の制御回路を用いて容易にスイッチ素子を駆動することを可能とし、また、外部から入力電力の供給を行う電源の発生する電圧が変動した場合でも、スイッチ素子の誤動作を起こさないＤＣ−ＤＣコンバータ及びその他のスイッチ駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチ駆動回路としては、例えば図３に示すようなものが知られている。
図３において、１は外部から入力電力の供給を行う電源であり、電源１にはｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素子ＴＲ１が接続され、電源１から例えばＶ１の電圧が供給される。スイッチ素子ＴＲ１は、ゲートに入力する制御信号によりオン、オフ制御され、Ａ〜ＧＮＤの電圧を出力する。
【０００３】
スイッチ素子ＴＲ１のソースとゲートの間にはツェナダイオードＺＤ１が接続され、ツェナダイオードＺＤ１と並列に抵抗Ｒ１が接続されている。また、スイッチ素子ＴＲ１のゲートには制御信号出力部２が接続され、スイッチ素子ＴＲ１のゲートにはＢ〜ＧＮＤの電圧からなるパルス状の制御信号が与えられる。
制御信号出力部２は、電源１の出力側とグランドとの間に接続され、電源１からの電圧Ｖ１が制御信号出力部２に供給される。制御信号出力部２は、直列に接続された２つのトランジスタＴＲ４，ＴＲ５を有している。
【０００４】
図４（ａ）にスイッチ素子ＴＲ１で制御された電圧（Ａ〜ＧＮＤの電圧）を示し、図４（ｂ）に制御信号（Ｂ〜ＧＮＤの電圧）を示す。
図４（ａ）の制御信号の電圧が電源１から与えられるＶ１のときは、スイッチ素子ＴＲ１のゲートにＶ１の制御信号が供給されるので、スイッチ素子ＴＲ１のソースとドレイン間は遮断される。制御信号の電圧が０Ｖになると、スイッチ素子ＴＲ１のゲートには０ボルトが与えられ、スイッチ素子ＴＲ１のソースとドレイン間は導通し、電源１からの電圧Ｖ１がスイッチ素子ＴＲ１から出力される。
【０００５】
すなわち、制御信号出力部２がオンのときは、スイッチ素子ＴＲ１はオフになり、制御信号出力部２がオフのときはスイッチ素子ＴＲ１はオンに制御される。このように、スイッチ素子ＴＲ１に制御信号出力部２を直接接続してスイッチ素子ＴＲ１をオン、オフ制御している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のスイッチ駆動回路にあっては、外部から入力電力の供給を行う電源の発生する電圧より制御信号出力部の耐電圧が高い必要があり、耐電圧の低い制御信号出力部を用いた場合には、図５のような回路が考えられる。
【０００７】
図５において、スイッチ素子ＴＲ１のゲートと制御信号出力部２との間にレベルシフトコンデンサＣ１が接続され、制御信号出力部用の補助電源３の出力側とグランドとの間には制御信号出力部２が接続され、制御信号出力部２には補助電源３から電圧Ｖ１より低い電圧Ｖ２が出力される。
すなわち、レベルシフトコンデンサＣ１を介してスイッチ素子ＴＲ１と制御信号出力部２を接続し、外部から入力電力の供給を行う電源１の発生する電圧の一部をレベルシフトコンデンサＣ１に負担させ、制御信号出力部２に加わる電圧を低くするようにしている。
【０００８】
図６（ａ）にスイッチ素子ＴＲ１で制御された電力（Ａ〜ＧＮＤの電圧）、図６（ｂ）にレベルシフトコンデンサＣ１の電圧（Ｃ〜ＧＮＤの電圧）、図６（ｃ）に制御信号（Ｂ〜ＧＮＤの電圧）をそれぞれ示す。
制御信号出力部２には、補助電源３から電圧Ｖ１より低い電圧Ｖ２が供給されるので、制御信号出力部２からレベルシフトコンデンサＣ１に供給される制御信号とは、図６（ｃ）に示すようにＬレベルで０ボルト、ＨレベルでＶ２のパルスとなる。
【０００９】
制御信号の電圧Ｖ２になると、レベルシフトコンデンサＣ１の電圧は電源１の電圧Ｖ１と同じ電圧Ｖ１になり、制御信号が０ボルトになると、レベルシフトコンデンサＣ１の電圧は（Ｖ１−Ｖ２）となり、Ｖ１より低い電圧になる。
レベルシフトコンデンサＣ１の電圧Ｖ１のときは、スイッチ素子ＴＲ１のゲートには電源１と同じ電圧Ｖ１が供給され、ソースとドレイン間は遮断され、スイッチ素子ＴＲ１の出力は０ボルトに制御され、レベルシフトコンデンサＣ１の電圧が（Ｖ１−Ｖ２）となる。
【００１０】
電源１の電圧Ｖ１より低くなると、スイッチ素子ＴＲ１のゲートには電源１の電圧Ｖ１より低い電圧（Ｖ１−Ｖ２）が供給されるので、ソースとドレインが導通し、スイッチ素子ＴＲ１の出力はＶ１の電圧となる。
しかしながら、図５の場合には、図７に示すように、スイッチ駆動回路に外部から入力電力の供給を行う電源１が起動する過渡期の場合、またはスイッチ駆動回路に外部から入力電力の供給を行う電源１の電圧が変動を起こした場合には、制御信号出力部２がスイッチ素子ＴＲ１をオフに制御している期間であるにもかかわらず、スイッチ素子ＴＲ１がオンしてしまうという誤動作を引き起こすという問題があった。
【００１１】
すなわち、図７（ｄ）のように制御信号はＶ２の状態において、図７（ａ）のｅに示すように、電源１を０ボルトからＶ１に起動するときには、図７（ｃ）に示すようにレベルシフトコンデンサＣ１の電圧は、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧をＶｚとすると、（Ｖ１−Ｖｚ１）までしか上昇しないため、スイッチ素子ＴＲ１の出力特性がシフトしてスイッチ素子ＴＲ１のソースとドレインが導通し、図７（ｂ）のｇに示すようにスイッチ素子ＴＲ１の誤動作が生じる。
【００１２】
また、図７（ａ）のｆに示すように入力電圧を供給する電源１の電圧がＶ１からＶ１Ａに上昇した場合には、制御信号はＶ２であるため、レベルシフトコンデンサＣ１の電圧はＶ１のままであり、スイッチ素子ＴＲ１のゲートに与えられる電圧はＶ１であって、ソースに供給される電源１からの電圧Ｖ１Ａより低いため、スイッチ素子ＴＲ１の出力特性がシフトしてスイッチ素子ＴＲ１のソースとドレインが導通し、図７（ｂ）のｈで示すように、スイッチ素子ＴＲ１の出力はＶ１Ａとなり、スイッチ素子ＴＲ１の誤動作が生じる。
【００１３】
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであって、制御信号出力部がスイッチ素子をオフに制御している期間にスイッチ駆動回路に外部から入力電力の供給を行う電源の電圧が変動した場合にレベルシフトコンデンサに充電電流が流れることに着眼し、充電電流をレベルシフトコンデンサ充電電流検出部において検出し、レベルシフトコンデンサ強制充電部を動作させ、瞬時にレベルシフトコンデンサを充電することで、制御信号出力部がスイッチ素子をオフに制御している期間にはスイッチ素子がオンしないようにすることで、スイッチ素子に供給される電圧より低い耐電圧しか持たない制御信号出力部を用いた場合においてもスイッチ素子を制御することが可能となり、また、スイッチ素子に供給される電圧が変動した場合でもスイッチ素子を誤動作させることなく制御することができるスイッチ駆動回路を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、次のように構成する。
本発明は、ソースに外部から入力電力を供給する電源を接続し、ゲートに制御信号出力部からの制御信号をレベルシフトコンデンサを介して入力し、前記制御信号によって制御された入力電力をドレインから出力するように接続したｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴまたはこれと同様な動作で制御される素子をスイッチ素子として用いるＤＣ−ＤＣコンバータ及びその他のスイッチ駆動回路を対象とする。
【００１５】
このようなスイッチ駆動回路として本発明は、
制御信号出力部によってスイッチ素子がオフに制御されている期間に、電源から供給される電圧が高くなり、レベルシフトコンデンサと電源との間に電圧差が生じ、レベルシフトコンデンサに充電電流が流れた場合に、充電電流を検出するレベルシフトコンデンサ充電電流検出部と、
レベルシフトコンデンサ充電電流検出部が充電電流を検出したとき動作してレベルシフトコンデンサを電源から供給される電圧まで強制充電するレベルシフトコンデンサ強制充電部とを備える。
【００１６】
レベルシフトコンデンサ強制充電部は、エミッタが前記電源とスイッチ素子のソースとの間に接続され、コレクタがスイッチ素子のゲートとレベルシフトコンデンサとの間に接続され、ベースがレベルシフトコンデンサ充電電流検出部に接続されるトランジスタを有する。またレベルシフトコンデンサ充電電流検出部は、ベースがレベルシフトコンデンサと前記制御信号出力部との間に接続され、コレクタがレベルシフトコンデンサ強制充電部に接続され、エミッタが接地接続されるトランジスタを有する。
【００１７】
このような構成を備えた本発明のスイッチ駆動回路によれば、制御信号出力部がスイッチ素子をオフに制御している期間において、何らかの要因で入力電力を供給する電源から供給される電圧が上昇した場合には、電源とレベルシフトコンデンサの電圧差が生じ、レベルシフトコンデンサに充電電流が流れる。
この充電電流をレベルシフトコンデンサ充電電流検出部において検出し、レベルシフトコンデンサ強制充電部を動作させ、瞬時にレベルシフトコンデンサを充電することで、制御駆動部がスイッチ素子をオフに制御している期間にはスイッチ素子がオンしない。
【００１８】
したがって、スイッチ素子に供給される電圧より低い耐電圧しか持たない制御信号出力部を用いた場合においてもスイッチ素子を制御することが可能となり、また、スイッチ素子に供給される電圧が変動した場合でもスイッチ素子を誤動作させることなく制御することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態を示す回路図である。
図１において、１は電源であり、電源１はグランドに接続されるとともに出力側には、スイッチ素子ＴＲ１が接続されている。電源１はスイッチ素子ＴＲ１に外部から入力電圧Ｖ１を供給する。
【００２０】
スイッチ素子ＴＲ１としては、例えばｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ素子またはこれと同様な動作で制御されるスイッチ素子を用いる。スイッチ素子ＴＲ１のゲートには制御信号出力部２からの制御信号が供給され、制御信号によりオン、オフ制御される。
すなわち、スイッチ素子ＴＲ１のゲートに制御信号を与えることで、ソースとドレインが導通または遮断されて、スイッチ素子ＴＲ１により制御された電力（Ａ〜ＧＮＤの電圧）が得られる。
【００２１】
スイッチ素子ＴＲ１のゲートと制御信号出力部２とを直接に接続しないで、レベルシフトコンデンサＣ１を介してスイッチ素子ＴＲ１と制御信号出力部２とを接続している。これは、スイッチ素子ＴＲ１に接続される電源１からの電圧Ｖ１より低い耐電圧しか持たない制御信号出力部２を用いているからである。
すなわち、スイッチ素子ＴＲ１と制御信号出力部２との間にレベルシフトコンデンサＣ１を介装して、外部からの入力電力の供給を行う電源１の発生する電圧Ｖ１の一部をレベルシフトコンデンサＣ１に負担させて、制御信号出力部２に印加される電圧を低くするようにしている。
【００２２】
制御信号出力部２は、トランジスタＴＲ４と、トランジスタＴＲ４に直列に接続されたトランジスタＴＲ５を有し、トランジスタＴＲ４のエミッタとトランジスタＴＲ５のコレクタとの間は抵抗Ｒ４を介してレベルシフトコンデンサＣ１に接続されている。したがって、トランジスタＴＲ４，ＴＲ５をオン、オフ制御することにより発生する制御信号が抵抗Ｒ４、レベルシフトコンデンサＣ１を介してスイッチ素子ＴＲ１のゲートに供給される。
【００２３】
トランジスタＴＲ４のコレクタは、制御信号出力部２用の補助電源３に接続されており、補助電源３から電源１の電圧Ｖ１より低い電圧Ｖ２が制御信号出力部２に供給される。トランジスタＴＲ４のエミッタにコレクタが接続されたトランジスタＴＲ５のエミッタは、グランドに接続されている。
４はレベルシフトコンデンサ充電電流検出部であり、レベルシフトコンデンサ充電電流検出部４は、制御信号出力部２によってスイッチ素子ＴＲ１がオフに制御されている期間に、電源１から供給される電圧が電圧Ｖ１より高くなり、レベルシフトコンデンサＣ１と電源１との間に電圧差が生じ、レベルシフトコンデンサＣ１に充電電流が流れた場合に、この充電電流を検出する。
【００２４】
レベルシフトコンデンサ充電電流検出部４は、抵抗Ｒ５，Ｒ６、ダイオードＤ１およびトランジスタＴＲ３により構成されている。抵抗Ｒ４はレベルシフトコンデンサＣ１に直列に接続され、抵抗Ｒ４とトランジスタＴＲ３のベースとの間にはダイオードＤ１が接続されている。
トランジスタＴＲ３のベースとエミッタとの間には抵抗Ｒ５が接続され、トランジスタＴＲ３のコレクタはレベルシフトコンデンサが強制充電部５に接続され、トランジスタＴＲ３のエミッタは抵抗Ｒ６およびコンデンサＣ２を介してグランドに接続されている。
【００２５】
レベルシフトコンデンサＣ１に充電電流が流れると、充電電流は抵抗Ｒ４、ダイオードＤ１を通ってトランジスタＴＲ３のベースに流れ、トランジスタＴＲ３がオンする。これによりレベルシフトコンデンサ充電電流検出部４はレベルシフトコンデンサＣ１に流れる充電電流を検出する。
レベルシフトコンデンサ強制充電部５は、レベルシフトコンデンサ充電電流検出部４がレベルシフトコンデンサＣ１に流れる充電電流を検出すると、レベルシフトコンデンサＣ１を電源１から供給される電圧まで瞬時に強制充電する。
【００２６】
これにより、制御信号出力部２によってスイッチ素子ＴＲ１がオフに制御されている期間に、電源１から供給される電圧が高くなったとき、スイッチ素子ＴＲ１がオンしてしまうのを防止する。
レベルシフトコンデンサ強制充電部５は、抵抗Ｒ２，Ｒ３およびトランジスタＴＲ２により構成されている。抵抗Ｒ１は、電源１とスイッチ素子ＴＲ１のソースの間と、スイッチ素子ＴＲ１のゲートとレベルシフトコンデンサＣ１の間に接続され、抵抗Ｒ１と並列にツェナダイオードＺＤ１とトランジスタＴＲ２が接続されている。
【００２７】
トランジスタＴＲ２のエミッタは電源１側に、コレクタはレベルシフトコンデンサＣ１側に接続され、ベースには抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３からなる分圧回路を介してレベルシフトコンデンサ充電電流検出部４のトランジスタＴＲ３のコレクタに接続されている。
電源１から供給される電圧が電圧Ｖ１より上昇した場合には、電源１とレベルシフトコンデンサＣ１の間に電圧差が生じ、ツェナダイオードＺＤ１または抵抗Ｒ１を通ってレベルシフトコンデンサＣ１に充電電流が流れる。
【００２８】
レベルシフトコンデンサ充電電流検出部４のトランジスタＴＲ３がオンすると、レベルシフトコンデンサ強制充電部５のトランジスタＴＲ２がオンとなり、電源１から充電電流がトランジスタＴＲ２を通ってレベルシフトコンデンサＣ１に流れ、瞬時にレベルシフトコンデンサＣ１を強制充電する。
次に、動作を説明する。まず、入力電力を供給する電源１から供給される電圧が電圧Ｖ１で一定の状態の場合について説明する。
【００２９】
図２（ｅ）に示すように、制御信号出力部２から出力される制御信号（Ｂ〜ＧＮＤの電圧）は、Ｈレベルのとき電源１の電圧Ｖ１より低い電圧Ｖ２で、Ｌレベルのとき０Ｖとなるパルス状の信号となる。制御信号がＶ２のときは、図２（ｃ）に示すように、レベルシフトコンデンサＣ１の電圧（Ｃ〜ＧＮＤの電圧）は電源１の電圧Ｖ１と同じ電圧Ｖ１になる。
【００３０】
スイッチ素子ＴＲ１のゲートにはレベルシフトコンデンサＣ１から電源１の電圧Ｖ１と同じ電圧Ｖ１が供給されるので、スイッチ素子ＴＲ１のソースとドレイン間は遮断され、図２（ｂ）に示すように、スイッチ素子ＴＲ１からの出力は０ボルトになる。制御側が０Ｖになると、レベルシフトコンデンサＣ１の電圧は（Ｖ１−Ｖ２）となり、電源１の電圧Ｖ１より低い電圧がスイッチ素子ＴＲ１のゲートに供給される。スイッチ素子ＴＲ１のソースとドレインは導通し、図２（ｂ）に示すようにスイッチ素子ＴＲ１からは電源１の電圧Ｖ１と同じ電圧Ｖ１が出力される。
【００３１】
次に、電源１が起動したときの動作を説明する。制御信号出力部２がスイッチ素子ＴＲ１をオフに制御している期間において、図２のｉに示すように、電源１の電圧（Ｄ〜ＧＮＤの電圧）が０ＶからＶ１に立ち上がると、電源１とレベルシフトコンデンサＣ１の間に電圧差が生じ、ツェナダイオードＺＤ１または抵抗Ｒ１を通ってレベルシフトコンデンサＣ１に充電電流が流れる。
【００３２】
この充電電流は、抵抗Ｒ４、ダイオードＤ１を通って、レベルシフトコンデンサ充電電流検出部４のトランジスタＴＲ３のベースに流れ、トランジスタＴＲ３がオンになる。トランジスタＴＲ３がオンになると、レベルシフトコンデンサ強制充電部５のトランジスタＴＲ２がオンになり、図２（ｄ）のｋで示すような充電電流が電源１からトランジスタＴＲ２を通ってレベルシフトコンデンサＣ１に対して出力され、図２（ｃ）のｍに示すように瞬時にレベルシフトコンデンサＣ１を電源１の電圧Ｖ１と同じ電圧Ｖ１まで強制充電する。したがって、制御信号出力部２がスイッチ素子ＴＲ１をオフに制御している期間にはスイッチ素子ＴＲ１はオンしない。
【００３３】
次に、何らかの要因で入力電圧を供給する電源１から供給される電圧が上昇した場合の動作を説明する。制御信号出力部２がスイッチ素子ＴＲ１をオフに制御している期間において、図２（ａ）のｊで示すように、電源１の電圧がＶ１からＶ１Ａに何らかの要因で上昇すると、電源１とレベルシフトコンデンサＣ１との間に電圧差（Ｖ１Ａ−Ｖ１）が生じ、ツェナダイオードＺＤ１または抵抗Ｒ１を通してレベルシフトコンデンサＣ１に充電電流が流れる。
【００３４】
この充電電流はレベルシフトコンデンサ充電電流検出部４のトランジスタＴＲ３に流れて、トランジスタＴＲ３をオンさせる。トランジスタＴＲ３がオンすることで、レベルシフトコンデンサ強制充電部５のトランジスタＴＲ２がオンする。トランジスタＴＲ２がオンすると、電源１からトランジスタＴＲ２を通って図２（ｄ）のｌで示すような充電電流がレベルシフトコンデンサＣ１に流れ、レベルシフトコンデンサＣ１は、図２（ｃ）のｎで示すようにＶ１からＶ１Ａに瞬時に強制充電される。
【００３５】
したがって、制御信号出力部２がスイッチ素子ＴＲ１をオフに制御している期間は、スイッチ素子ＴＲ１をオンしないようにすることができる。すなわち、レベルシフトコンデンサ充電電流検出部４と、レベルシフトコンデンサ強制充電部５を設けることにより、電源１の電圧Ｖ１が変動した場合でも、電源１とレベルシフトコンデンサＣ１との間の電圧差が生じることがなく、制御信号出力部２がスイッチ素子ＴＲ１をオフに制御している期間、電源１の電圧Ｖ１が変動してもスイッチ素子ＴＲ１がオンすることがなくなる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、スイッチ素子に供給される電圧より低い耐電圧しか持たない制御信号出力部を用いた場合においてもスイッチ素子を制御することが可能となり、また、スイッチ素子に供給される電圧が変動した場合でもスイッチ素子を誤動作させることなく制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す回路図
【図２】図１の動作説明図
【図３】従来の回路図
【図４】図３の動作説明図
【図５】耐電圧の低い制御信号出力部を用いた信号の回路図
【図６】図５の動作説明図
【図７】問題点を説明するための動作説明図
【符号の説明】
１：電源
２：制御信号出力部
３：補助電源
４：レベルシフトコンデンサ充電電流検出部
５：レベルシフトコンデンサ強制充電部
ＴＲ１：スイッチ素子（ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ）
ＴＲ２〜ＴＲ５：トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ６：抵抗
Ｃ１：レベルシフトコンデンサ
Ｃ２：コンデンサ
ＺＤ１：ツェナダイオード
Ｄ１：ダイオード

Claims

ソースに外部から入力電力を供給する電源を接続し、ゲートに制御信号出力部からの制御信号をレベルシフトコンデンサを介して入力し、前記制御信号によって制御された入力電力をドレインから出力するように接続したｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴまたはこれと同様な動作で制御されるスイッチ素子として用いるスイッチ駆動回路に於いて、
前記制御信号出力部によって前記スイッチ素子がオフに制御されている期間に、前記電源から供給される電圧が高くなり、前記レベルシフトコンデンサと前記電源との間に電圧差が生じ、前記レベルシフトコンデンサに充電電流が流れた場合に、該充電電流を検出するレベルシフトコンデンサ充電電流検出部と、
該レベルシフトコンデンサ充電電流検出部が充電電流を検出したとき動作して前記レベルシフトコンデンサを前記電源から供給される電圧まで強制充電するレベルシフトコンデンサ強制充電部と、
を備えたことを特徴とするスイッチ駆動回路。
請求項１記載のスイッチ駆動回路に於いて、
前記レベルシフトコンデンサ強制充電部は、エミッタが前記電源と前記スイッチ素子のソースとの間に接続され、コレクタが前記スイッチ素子のゲートと前記レベルシフトコンデンサとの間に接続され、ベースが前記レベルシフトコンデンサ充電電流検出部に接続されるトランジスタを有し、
前記レベルシフトコンデンサ充電電流検出部は、ベースが前記レベルシフトコンデンサと前記制御信号出力部との間に接続され、コレクタが前記レベルシフトコンデンサ強制充電部に接続され、エミッタが接地接続されるトランジスタを有することを特徴とするスイッチ駆動回路。