JP5306730B2 - Half bridge circuit - Google Patents
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本発明は、電源回路等に用いられるハイサイドFETスイッチとローサイドFETスイッチを備えたハーフブリッジ回路に関する。 The present invention relates to a half-bridge circuit including a high-side FET switch and a low-side FET switch used in a power supply circuit or the like.
従来から、ハイサイドFETスイッチとローサイドFETスイッチとを備え、そのFETスイッチがドライバIC等を用いた駆動回路によって駆動されるハーフブリッジ回路が電源回路等に用いられている。ドライバICは、FETスイッチのターンオン時には、抵抗を介してFETスイッチのゲート容量に電荷を充電し、ターンオフ時には抵抗を介してゲート容量を短絡することによって、ゲート容量に充電されている電荷のエネルギーを抵抗で熱に変換する。エネルギーが熱に変換されるので、エネルギーロスが生じる。ハーフブリッジ回路は、高電圧を印加する場合には高耐圧のFETが必要となり、FETのゲート容量が大きくなって、スイッチング1回当たりのゲート容量によるエネルギーロスが大きくなる。また、このエネルギーロスは、スイッチング周波数が高くなると単位時間当たりのスイッッチング回数が増えるので、スイッチング周波数に比例して大きくなる。このため、ハーフブリッジ回路は、印加電圧が高く、高周波スイッチングが必要な場合、発熱や効率の低下などの問題が発生する。また、駆動回路に変圧器等を用いたハーフブリッジ回路が知られているが(例えば、特許文献1参照)、ゲート容量によるエネルギーロスを変圧器によって低減するものではない。
本発明は、上記問題を解決するものであり、ハイサイドFETスイッチとローサイドFETスイッチを備えたハーフブリッジ回路において、ゲート容量によるエネルギーロスを低減し、発熱を防ぎ高効率なハーフブリッジ回路を提供することを目的とする。 The present invention solves the above problem and provides a high-efficiency half-bridge circuit that reduces energy loss due to gate capacitance and prevents heat generation in a half-bridge circuit having a high-side FET switch and a low-side FET switch. For the purpose.
上記目的を達成するために請求項1の発明は、直列接続されたハイサイドFETスイッチ及びローサイドFETスイッチと、前記両FETスイッチの各ゲート容量を充放電して交互にオンオフするためのハーフブリッジドライバと、を備え、前記両FETスイッチの接続点に出力を発生するハーフブリッジ回路において、前記ハーフブリッジドライバは、前記FETスイッチのゲート容量を充電するための電源と、前記FETスイッチがターンオフするとき、該FETスイッチのゲート容量に充電されている電荷を放電し、そのエネルギーを前記電源に回生するためのトランスと、を備えたものである。
In order to achieve the above object, the invention of
請求項2の発明は、請求項1に記載のハーフブリッジ回路において、前記電源からのゲート容量の充電を制御するスイッチと、ゲート容量の放電と前記トランスによる回生動作を制御するスイッチと、これらスイッチの開閉タイミングを制御するタイミング回路と、を備えたものである。 According to a second aspect of the present invention, in the half-bridge circuit according to the first aspect, a switch for controlling the charging of the gate capacitance from the power source, a switch for controlling the discharging of the gate capacitance and the regenerative operation by the transformer, and these switches And a timing circuit for controlling the opening / closing timing of the device.
請求項1の発明によれば、FETスイッチのゲート容量に充電されている電荷のエネルギーが電源に回生されるので、ゲート容量によるエネルギーロスが低減される。そのため、FETスイッチのスイッチング周波数が高周波であっても、発熱が防止され高効率となる。 According to the first aspect of the present invention, the energy of the electric charge charged in the gate capacitance of the FET switch is regenerated to the power source, so that the energy loss due to the gate capacitance is reduced. Therefore, even if the switching frequency of the FET switch is high, heat generation is prevented and high efficiency is achieved.
請求項2の発明によれば、ターンオフする一方のFETスイッチのゲート容量のエネルギーの回生を、ターンオンする他方のFETスイッチのゲート容量への充電より優先する開閉タイミングでスイッチを制御することにより、回生の効率が良くなる。 According to the second aspect of the present invention, the regeneration of the gate capacitance of the one FET switch that is turned off is controlled by the switch at an opening / closing timing that has priority over the charging of the gate capacitance of the other FET switch that is turned on. The efficiency of.
図1は、本発明の一実施形態に係るハーフブリッジ回路10の回路構成を示す。このハーフブリッジ回路10は、直列接続されたハイサイドFETスイッチFET1及びローサイドFETスイッチFET2を有したハーフブリッジ回路の出力段11と、両FETスイッチFET1、FET2の各ゲート容量を充放電して交互にオンオフするためのハーフブリッジドライバ12と、を備える。ハーフブリッジ回路の出力段11の出力は、両FETスイッチFET1、FET2の接続点111に発生する。
FIG. 1 shows a circuit configuration of a
FETスイッチFET1、FET2(以下、それぞれFET1、FET2という)は、ドレイン、ゲート、ソースの端子を有し、ドレイン・ソース間の電流を、ゲートに加える電圧によって制御する電圧駆動型の半導体スイッチであり、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)である。ハーフブリッジ回路の出力段11は、同極性(通常はNチャネル)のFETスイッチを直列接続して構成され、上側(高圧側)のFET1は、ハイサイドFETスイッチ、下側(低圧側)のFET2は、ローサイドFETスイッチと呼ばれる。FET1のソースとFET2のドレインが接続され、その接続点111に出力端子OUTが接続される。FET1、FET2のゲートG1、G2は、ゲート容量と呼ばれる入力容量を有し、ゲートG1、G2に駆動電圧を加えるとき、そのゲート容量が充電される。ゲート容量に充電される電荷は、ゲート電荷と呼ばれる。
The FET switches FET1 and FET2 (hereinafter referred to as FET1 and FET2 respectively) are drain, gate, and source terminals, and are voltage-driven semiconductor switches that control the current between the drain and source by the voltage applied to the gate. For example, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET). The output stage 11 of the half-bridge circuit is configured by connecting FET switches of the same polarity (usually N-channel) in series, and the upper (high voltage side)
ハーフブリッジドライバ12は、ゲートG1、G2に駆動電圧を加えるゲートドライブ回路である。このハーフブリッジドライバ12は、FET1、FET2のゲート容量を充電するための電源VGと、FET1がターンオフするとき、そのゲート容量に充電されている電荷を放電し、そのエネルギーを電源VGに回生するためのトランスTR3と、FET2がターンオフするとき、そのゲート容量に充電されている電荷を放電し、そのエネルギーを電源VGに回生するためのトランスTR2とを備える。 The half bridge driver 12 is a gate drive circuit that applies a drive voltage to the gates G1 and G2. The half-bridge driver 12 discharges the electric charge charged in the gate capacitance when the FET1 is turned off and regenerates the energy to the power supply VG when the FET1 is turned off. And the transformer TR2 for discharging the charge charged in the gate capacitance and regenerating the energy to the power source VG when the FET2 is turned off.
また、ハーフブリッジドライバ12は、電源VGからのゲート容量の充電を制御するスイッチS1、S2と、ゲート容量の放電とトランスTR2、TR3による回生動作を制御するスイッチS4、S3と、これらスイッチS1〜S4の開閉タイミングを制御するディジタル回路等から成るタイミング回路13とを備える。スイッチS1〜S4は、例えば、半導体スイッチであり、トランスTR1〜TR3の電流をオンオフ制御する。 The half-bridge driver 12 includes switches S1 and S2 that control charging of the gate capacitance from the power source VG, switches S4 and S3 that control discharge of the gate capacitance and regeneration operation by the transformers TR2 and TR3, and switches S1 to S1. And a timing circuit 13 composed of a digital circuit or the like for controlling the opening / closing timing of S4. The switches S1 to S4 are semiconductor switches, for example, and perform on / off control of currents of the transformers TR1 to TR3.
ハーフブリッジドライバ12は、FET1、FET2をドライブするためのトランスTR1を備える。電源VGからの電流は、スイッチS1、S2によってオンオフされてコンデンサC1を介してトランスTR1の1次側に流れる。トランスTR1の2次側からゲートG1、G2へ流れる充電電流は、それぞれダイオードD1、D4によって整流され、ゲートG1、G2のゲート容量が交互に充電される。 The half bridge driver 12 includes a transformer TR1 for driving the FET1 and FET2. The current from the power supply VG is turned on / off by the switches S1 and S2 and flows to the primary side of the transformer TR1 via the capacitor C1. The charging currents flowing from the secondary side of the transformer TR1 to the gates G1 and G2 are rectified by the diodes D1 and D4, respectively, and the gate capacitances of the gates G1 and G2 are alternately charged.
ゲートG1からトランスTR3の1次側へ流れる放電電流は、ダイオードD3によって整流され、スイッチS3によってオンオフされる。トランスTR3の2次側から電源VGへ流れる回生電流は、ダイオードD6によって整流される。ゲートG2からトランスTR2の1次側へ流れる放電電流は、ダイオードD5によって整流され、スイッチS4によってオンオフされる。トランスTR2の2次側から電源VGへ流れる回生電流は、ダイオードD2によって整流される。 The discharge current flowing from the gate G1 to the primary side of the transformer TR3 is rectified by the diode D3 and turned on / off by the switch S3. The regenerative current flowing from the secondary side of the transformer TR3 to the power supply VG is rectified by the diode D6. The discharge current flowing from the gate G2 to the primary side of the transformer TR2 is rectified by the diode D5 and turned on / off by the switch S4. The regenerative current flowing from the secondary side of the transformer TR2 to the power supply VG is rectified by the diode D2.
図2(a)(b)は、上記のように構成されたハーフブリッジ回路10の回路動作を各々時系列順に示す。図2(a)は、遷移1として、FET1がオフ状態かつFET2がオン状態から、FET1がオン状態かつFET2がオフ状態に変化する状態遷移を示す。この遷移1は、タイミング回路13によって、スイッチS2、S3がオフ状態で、スイッチS4、S1をオフ状態から一定の時間差を設けてオン状態にターンオンして行われる。図2(a)上段、中段、下段は、それぞれ遷移1における第1、第2、第3の状態を示す。第1の状態において、スイッチS4がターンオンすることにより、FET2のゲート容量に充電されている電荷が、スイッチS4とダイオードD5を介して、トランスTR2の1次側に放電され、FET2がターンオフする。トランスTR2は、この放電電流によって励磁され、エネルギーが蓄えられる。続いて、第2の状態において、トランスTR2に蓄えられたエネルギーが2次側に放出され、トランスTR2の2次側からダイオードD2を介して電源VGに回生される。続いて、第3の状態において、スイッチS1がターンオンすることにより、トランスTR1に電流が流れ、トランスTR1の2次側からダイオードD1を介してFET1のゲート容量に電荷が充電され、FET1がターンオンする。
2A and 2B show circuit operations of the half-
次に、図2(b)は、遷移2として、FET1がオン状態かつFET2がオフ状態から、FET1がオフ状態かつFET2がオン状態に変化する状態遷移を示す。この遷移2は、タイミング回路13によって、スイッチS1、S4がオフ状態で、スイッチS3、S2をオフ状態から一定の時間差を設けてオン状態にターンオンして行われる。図2(b)上段、中段、下段は、それぞれ遷移2における第1、第2、第3の状態を示す。第1の状態において、スイッチS3がターンオンすることにより、FET1のゲート容量に充電されている電荷が、スイッチS3とダイオードD3を介して、トランスTR3の1次側に放電され、FET1がターンオフする。トランスTR3は、この放電電流によって励磁され、エネルギーが蓄えられる。続いて、第2の状態において、トランスTR3に蓄えられたエネルギーが2次側に放出され、トランスTR3の2次側からダイオードD6を介して電源VGに回生される。続いて、第3の状態において、スイッチS2がターンオンすることにより、トランスTR1に電流が流れ、トランスTR1の2次側からダイオードD4を介してFET2のゲート容量に電荷が充電され、FET2がターンオンする。
Next, FIG. 2B shows a state transition in which the FET 1 is turned on and the FET 2 is turned off, and the FET 1 is turned off and the
このように、本実施形態のハーフブリッジ回路10は、FET1又はFET2がターンオフするとき、そのゲート容量に充電されている電荷のエネルギーを抵抗で熱に変換せずに、それぞれトランスTR3、TR2を用いて磁気エネルギーに変換し、それを電源VGに回生するので、ゲート容量によるエネルギーロスが低減される。そのため、FET1、FET2のスイッチング周波数が高周波であっても、発熱が防止され高効率となる。また、ターンオフする一方のFETスイッチのゲート容量のエネルギーの回生(前記遷移1及び遷移2の第2の状態)を、ターンオンする他方のFETスイッチのゲート容量への充電(第3の状態)より優先する開閉タイミングでスイッチS1〜S4を制御することにより、回生の効率が良くなる。また、この開閉タイミングによって、一方のFETスイッチのターンオフが、他方のFETスイッチのターンオンに先行するので、FET1、FET2が同時にオン状態となることが防止される。
Thus, when the
なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、ハーフブリッジ回路10を小型化するために、トランスにMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を応用した小型トランスを用いてもよく、複数のトランスを集積化してもよい。
In addition, this invention is not restricted to the structure of said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, in order to reduce the size of the
10 ハーフブリッジ回路
11 ハーフブリッジ回路の出力段
12 ハーフブリッジドライバ
13 タイミング回路
FET1 ハイサイドFETスイッチ
FET2 ローサイドFETスイッチ
TR1、TR2、TR3 トランス
S1〜S4 スイッチ
10 Half Bridge Circuit 11 Half Bridge Circuit Output Stage 12 Half Bridge Driver 13 Timing Circuit FET1 High Side FET Switch FET2 Low Side FET Switch TR1, TR2, TR3 Transformers S1 to S4 Switch
Claims (2)
前記ハーフブリッジドライバは、前記FETスイッチのゲート容量を充電するための電源と、
前記FETスイッチがターンオフするとき、該FETスイッチのゲート容量に充電されている電荷を放電し、そのエネルギーを前記電源に回生するためのトランスと、を備えたことを特徴とするハーフブリッジ回路。 A high-side FET switch and a low-side FET switch connected in series, and a half-bridge driver for alternately turning on and off each gate capacitance of the FET switches, and outputting to the connection point of the FET switches In a half-bridge circuit that generates
The half-bridge driver includes a power source for charging the gate capacitance of the FET switch,
A half-bridge circuit comprising: a transformer for discharging the charge charged in the gate capacitance of the FET switch and regenerating the energy to the power source when the FET switch is turned off.
ゲート容量の放電と前記トランスによる回生動作を制御するスイッチと、
これらスイッチの開閉タイミングを制御するタイミング回路と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載のハーフブリッジ回路。 A switch for controlling the charging of the gate capacitance from the power source;
A switch for controlling the discharge of the gate capacitance and the regenerative operation by the transformer;
The half-bridge circuit according to claim 1, further comprising a timing circuit that controls opening / closing timing of the switches.
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