JP4252091B2 - チャージポンプとブートストラップキャパシタとを有するハイサイド電力スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、電力スイッチに関し、特に、半導体電力スイッチ、詳しくは、電力ＭＯＳＦＥＴスイッチに関する。本発明は、特に、過熱や過電流の際の損傷を防止するためのインテリジェント保護回路を備える電力スイッチング装置であるインテリジェント電力スイッチに適用される。

インテリジェント電力スイッチは、電力スイッチング装置のゲートに電流をチャージするための周知の回路であるチャージポンプを用いて、連続的に電力スイッチをオンに維持する。特に、チャージポンプは、供給電圧よりも高い電圧を生成する必要がある場合に、ハイサイドＮＭＯＳスイッチにとって必要となる。さらに、パルス動作モードでは、インテリジェント電力スイッチの最大動作周波数は、ポンプのキャパシタ値が小さく、ＭＨｚレンジでの動作中でも大きいゲート電流を生成できないため、シリコン集積チャージポンプに対しては約１ｋｈｚに制限されている。

必要な場合に連続動作が可能であり、従来よりもはるかに高い周波数（例えば、２０ｋＨｚないし５０ｋＨｚまでのレンジの周波数）でスイッチング可能な電力スイッチング装置（例えば、インテリジェント電力スイッチング装置）を提供することが望まれている。

さらに、自動車環境での利用に適した上述のような電力スイッチング装置を提供することが望まれている。

本発明の目的は、必要な場合に連続動作が可能であり、さらに、例えば、２０ｋｈｚないし５０ｋｈｚのパルス幅変調スイッチング動作などの高速スイッチング動作が可能な電力スイッチング装置を提供することである。

本発明の上述および他の目的は、以下の電力スイッチング回路によって実現される。すなわち、該電力スイッチング回路は、電力半導体スイッチング装置と、チャージポンプ回路であって、前記チャージポンプのオンオフを制御するための制御入力と前記電力半導体スイッチング装置の制御端子に接続されているチャージポンプ出力とを有するチャージポンプ回路と、前記電力半導体スイッチング装置のための駆動回路に電力を供給するブートストラップ電力供給装置であって、充電電流源に接続されたブートストラップキャパシタを有すると共に、前記電力半導体スイッチング装置が前記駆動回路によってパルスモードでスイッチングされている時に前記駆動回路に電力を供給するブートストラップ電力供給装置と、前記電力スイッチング装置が連続的にオンに維持される時に、前記電力半導体スイッチング装置をオンにしてオン状態を維持するための制御電圧を供給する前記チャージポンプと、を備える。

本発明の目的は、以下の電力半導体をスイッチングするための方法によっても実現される。すなわち、該方法は、チャージポンプ回路であって前記チャージポンプ回路のオンオフを制御するための制御入力を有するチャージポンプ回路から電圧を生成して、前記電圧を前記電力半導体の制御端子に選択的に供給する工程と、前記電力半導体が駆動回路によってパルスモードでスイッチングされている時に、ブートストラップ電力供給装置のブートストラップキャパシタを充電する工程と、前記電力半導体が前記駆動回路によって前記パルスモードでスイッチングされている時に、前記ブートストラップ電力供給装置から前記駆動回路に電力を供給する工程と、前記電力半導体が連続的にオンに維持される時に、前記電力半導体をオンにしてオン状態を維持するための制御電圧を前記チャージポンプ回路から供給する工程と、を備える。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な説明から明らかになる。

ここで、図面を参照すると、図１は、本発明に従った回路を示す図である。ロードとキャパシタＣＢＳとを除くすべての構成要素は、図１のＩＰＳと呼ばれる集積回路に組み込まれることが可能である。ＩＰＳとは、「インテリジェント電力スイッチ」の略である。

本発明に従った回路は、ハーフブリッジ構成の２つのトランジスタＱ２およびＱ３を用いる駆動回路によって典型的に駆動される主電力スイッチング装置Ｑ１を有する電力スイッチ１０を備えている。トランジスタＱ１のゲートは、トランジスタＱ２およびＱ３の間の共通ノードによって駆動される。

トランジスタＱ１のドレーンは、通例、電圧源ＶＣＣに接続されている。ダイオードＤ１のアノードは、抵抗器Ｒと直列に電圧源ＶＣＣに接続されている。抵抗器Ｒの他方の端部は、ブートストラップキャパシタＣＢＳに接続されている。第２のダイオードＤ２は、抵抗器ＲとキャパシタＣＢＳとの共通の接合点にアノードが接続されている。ダイオードＤ２のカソードは、ブートストラップ電圧源をトランジスタＱ２およびＱ３に提供するよう接続されている。図１に示したスイッチ１０は、ハイサイドスイッチである。すなわち、図示されたように接地されたロードを通してハイサイド電圧ＶＣＣを切り替える。

トランジスタＱ２およびＱ３は、従来の制御回路Ｃによって制御される。さらに、オン／オフ信号によって制御されるチャージポンプＣＨＰが設けられており、オン／オフ信号は、制御回路Ｃも制御する。チャージポンプの出力は、トランジスタＱ１のゲートに接続された電圧よりも高い一定の電圧である。チャージポンプは、周知の回路である。

回路は、以下のように動作する。トランジスタＱ１の高速スイッチング時には、パルス電圧がロードに供給される。キャパシタＣＢＳは、トランジスタＱ１がオフの時のみ、ダイオードＤ１および抵抗器Ｒを介して実質的に充電されうる。トランジスタＱ１がオンの時には、ドレーンとソースとの間の電圧は、ほぼゼロであるため、キャパシタＣＢＳは、その期間には実質的には充電されない。しかしながら、トランジスタＱ１がオフの時に、キャパシタＣＢＳは、ロードとダイオードＤ１および抵抗器Ｒを介して、グランドに対して電圧ＶＣＢＳまで充電されうる。電圧ＶＣＢＳは、ダイオードＤ２を介して、トランジスタＱ２およびＱ３を備えるハーフブリッジのためのハイサイド電圧源として、トランジスタＱ２およびＱ３を備える駆動回路に供給される。ブートストラップキャパシタＣＢＳは、トランジスタＱ１の２０ないし５０ｋｈｚの高スイッチング周波数においても十分な電圧まで充電可能であり、それにより、トランジスタＱ２およびＱ３に電源が提供される。

しかしながら、トランジスタＱ１が連続的にオンに制御されている時、すなわち、パルス信号によってオンオフを切り替えられていない時には、トランジスタＱ１のドレーンおよびソースの間の電圧はほぼゼロに降下するため、キャパシタＣＢＳは、この期間中には実質的に充電できない。キャパシタＣＢＳは、充電不可能であるため、ＶＣＢＳ＝ＶＧＳＱ１＋ＶＦＤ２まで放電され、ＩＣがキャパシタＣＢＳからの電流をシンクする場合、または、キャパシタＣＢＳの漏電のために、完全に放電されうる。ＶＦＤ２は、ダイオードＤ２の順電圧降下である。かかる状況では、トランジスタＱ１が連続的な伝導状態にある時にオンにされるチャージポンプＣＨＰが設けられる。チャージポンプの出力からの電圧ＶＣＨＰがトランジスタＱ１のゲートに接続されることにより、トランジスタＱ１は連続オン状態に維持される。

したがって、本発明の回路は、電力スイッチング装置において、高周波数で電力スイッチング装置をスイッチングすると共に、必要に応じて、電力スイッチング装置が連続伝導モードに維持されることを可能にする能力を提供する。

図２は、本発明に従った回路の動作を示すグラフである。電力スイッチＱ１をオンにする前の期間中に、キャパシタＣＢＳは、ダイオードＤ１、抵抗器Ｒ、キャパシタＣＢＳ、およびロードを含む直列回路を備える分圧器によって決定されるように、中間電圧ＶＣＢＳＩまで充電される。トランジスタＱ１がＯＮにされると、ゲート電圧は、図２に示すように、ＶＣＢＳとＭＯＳＦＥＴ寄生容量ＣＱ１に対するキャパシタンスＣＢＳの比とによって決まる電圧まで上昇する。長期的には、キャパシタＣＢＳが放電した場合（自己放電した場合またはＩＣへの供給に用いられた場合）に、チャージポンプからの電流のキャパシタＣＢＳへの流れ込みがＤ２によってブロックされるため、チャージポンプは任意のＶＣＢＳに対してＶＧＳＱ１＝ＶＣＨＰを維持する。

チャージポンプ、ダイオード、およびキャパシタＣＢＳのこの構成の利点は、チャージポンプを用いてキャパシタＣＢＳを充電し続けるのに比べて、信頼性が上昇することである。後者の場合には、ＩＣＨＰは、キャパシタＣＢＳの漏れ電流を超えてしまう。すなわち、Ｉｌｅａｋ ＣＢＳ＜ＩＣＨＰ≡数μＡとなる。高価なキャパシタおよび良好な実装のみが、特に自動車環境で、この条件を満たしうる。したがって、本発明によると、チャージポンプは、比較的小さい電流を供給するため、ブートストラップキャパシタＣＢＳの充電には用いられない。ダイオードＤ２は、チャージポンプがブートストラップキャパシタを充電することを阻止する。トランジスタＱ１がＯＮになると、ソースは、図２に示すように、追随して電圧ＶＣＣに達する。グランドに対して測定される電圧ＶＣＢＳも上昇する。ソース電圧が上昇すると、ＶＣＢＳは、トランジスタＱ１がＯＮになる前のキャパシタＣＢＳの充電量ＶＣＢＳＩだけソース電圧よりも上昇する。これは、図２に示されている。

ダイオードＤ２は、実際のダイオードである必要はなく、すなわち、Ｑ２が、キャパシタＣＢＳに流れる電流を阻止するよう能動的に制御されてもよい。これにより、電圧降下ＶＦＤ２が回避され、電力消費が低減されて、比較的低いバッテリ電圧での動作が可能になる。

したがって、電力スイッチング回路であって、チャージポンプと、スイッチング回路が連続オンモードと２０ないし５０ｋｈｚの範囲のスイッチング周波数との両方で動作することを可能にするブートストラップ電力供給装置と、を備える電力スイッチング回路について説明した。

本発明は、特定の実施形態について説明されているが、多くの他の変更例、変形例、および他の利用があることは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明は、本明細書の具体的な開示によっては限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

本発明に従った回路の説明図。 本発明に従った回路の動作を示すグラフ。

Claims (7)

1. 電力スイッチング回路であって、
   電力半導体スイッチング装置と、
   チャージポンプ回路であって、前記チャージポンプのオンオフを制御するための制御入力と前記電力半導体スイッチング装置の制御端子に接続されたチャージポンプ出力とを有するチャージポンプ回路と、
   前記電力半導体スイッチング装置のための駆動回路に電力を供給するブートストラップ電力供給装置であって、充電電流源に接続されたブートストラップキャパシタを有すると共に、前記電力半導体スイッチング装置が前記駆動回路によってパルスモードでスイッチングされている時に前記駆動回路に電力を供給するブートストラップ電力供給装置と、
   前記電力スイッチング装置が連続的にオンに維持される時に、前記電力半導体スイッチング装置をオンにしてオン状態を維持するための制御電圧を供給する前記チャージポンプと、を備え、
   前記駆動回路のトランジスタスイッチは、前記チャージポンプと前記ブートストラップキャパシタとの間に配置され、
   前記駆動回路の前記トランジスタスイッチは、前記チャージポンプが前記ブートストラップキャパシタを充電することを防止するために前記チャージポンプと前記ブートストラップキャパシタとの間の電気経路を切断するように、能動的に制御される、電力スイッチング回路。
2. 請求項１に記載の電力スイッチング回路であって、
   前記ブートストラップキャパシタは、第１のダイオードによって前記充電電流源に接続されている、電力スイッチング回路。
3. 請求項２に記載の電力スイッチング回路であって、
   前記ブートストラップキャパシタは、チャージングレジスタに直列に接続されている、電力スイッチング回路。
4. 請求項１に記載の電力スイッチング回路であって、
   前記ブートストラップキャパシタは、前記電力スイッチング装置に接続されたロードを介して前記充電電流源から充電される、電力スイッチング回路。
5. 請求項１に記載の電力スイッチング回路であって、
   前記電力スイッチング装置は、前記ロードを電圧源に接続するハイサイドスイッチング装置である、電力スイッチング回路。
6. 請求項１に記載の電力スイッチング回路であって、
   前記電力スイッチング装置は、ＭＯＳＦＥＴを有する、電力スイッチング回路。
7. 電力半導体をスイッチングするための方法であって、
   チャージポンプ回路であって前記チャージポンプ回路のオンオフを制御するための制御入力を有するチャージポンプ回路から電圧を生成して、前記電圧を前記電力半導体の制御端子に選択的に供給する工程と、
   前記電力半導体が駆動回路によってパルスモードでスイッチングされている時に、ブートストラップ電力供給装置のブートストラップキャパシタを充電する工程と、
   前記電力半導体が前記駆動回路によって前記パルスモードでスイッチングされている時に、前記ブートストラップ電力供給装置から前記駆動回路に電力を供給する工程と、
   前記電力半導体が連続的にオンに維持される時に、前記電力半導体をオンにしてオン状態を維持するための制御電圧を前記チャージポンプ回路から供給する工程と、
   前記チャージポンプと前記ブートストラップキャパシタとの間に配置される前記駆動回路のトランジスタスイッチを前記チャージポンプと前記ブートストラップキャパシタとの間の電気経路を切断するように能動的に制御することにより、前記チャージポンプ回路による前記ブートストラップキャパシタの充電を防止する工程と、を備える、方法。

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