JP5365136B2 - 電力変換装置の駆動装置 - Google Patents
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Description
図10において、スイッチング電源には、スイッチング素子Q1、Q2が設けられ、スイッチング素子Q1、Q2は互いに直列接続されるとともに、スイッチング素子Q1には、コンデンサCとリアクトルLからなるLC直列共振回路が並列接続されている。なお、スイッチング素子Q1、Q2としては、例えば、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)やパワーMOSFETなどの絶縁ゲート型パワーデバイスを用いることができる。
そして、LC直列共振回路が共振動作すると、入力検知部1はスイッチング素子Q1のドレイン電流Idおよびドレイン電圧Vdsを検知し、その検知結果を駆動制御部3に出力する。そして、駆動制御部3は、スイッチング素子Q1のドレイン電流Idまたはドレイン電圧Vdsがゼロとなるタイミングを検出してスイッチング素子Q1をオンおよびオフさせることで、スイッチング素子Q1の損失をゼロとしながら、スイッチング素子Q1をスイッチング制御することができる。
図11において、ドライバ回路111には、前段ドライバ112およびメインドライバ113が設けられている。なお、ドライバ回路111は、図10のドライバ回路5として用いることができる。
図12において、共振動作開始時R1では、図10のトリガー出力部2からトリガー信号S3が出力され、トリガー信号S3がロウレベルからハイレベルに変化する(t1)。そして、トリガー出力部2からトリガー信号S3が出力されると、駆動信号S1が駆動制御部3からドライバ回路111に出力され、駆動信号入力端子T1の電位がロウレベルからハイレベルに変化する。そして、駆動信号入力端子T1の電位がロウレベルからハイレベルに変化すると、その電位が論理反転回路L41およびバッファL42を介してPチャンネルトランジスタMP41およびNチャンネルトランジスタMN41のゲートに伝えられ、PチャンネルトランジスタMP41がオンするとともに、NチャンネルトランジスタMN41がオフすることで、PチャンネルトランジスタMP41の駆動能力に応じてスイッチング素子駆動端子T2の電位がロウレベルからハイレベルに徐々に移行する(t1〜t3)。
次に、トリガー信号S3がハイレベルからロウレベルに変化すると(t4)、駆動信号入力端子T1の電位がハイレベルからロウレベルに変化する。そして、駆動信号入力端子T1の電位がハイレベルからロウレベルに変化すると、その電位が論理反転回路L41およびバッファL42を介してPチャンネルトランジスタMP41およびNチャンネルトランジスタMN41のゲートに伝えられ、PチャンネルトランジスタMP41がオフするとともに、NチャンネルトランジスタMN41がオンすることで、スイッチング素子駆動端子T2の電位がハイレベルからロウレベルに移行する(t4〜t5)。
次に、共振動作時R2では、LC直列共振回路の共振動作によってスイッチング素子Q1のドレイン電圧Vdsがハイレベルからロウレベルに移行する(t7〜t8)。そして、スイッチング素子Q1のドレイン電圧Vdsは入力検知部1にて検知され、その検知信号が駆動制御部3に出力される。そして、スイッチング素子Q1のドレイン電流Idまたはドレイン電圧Vdsがゼロとなるタイミングで、駆動信号S1が駆動制御部3からドライバ回路111に出力され、駆動信号入力端子T1の電位がロウレベルからハイレベルに変化する(t8)。
図13は、従来のスイッチング電源の駆動装置の概略構成のその他の例を示すブロック図である。
そして、前段ドライバ122には、論理反転回路L43が設けられるとともに、メインドライバ123には、バッファL44、PチャンネルトランジスタMP42およびNチャンネルトランジスタMN42が設けられている。なお、PチャンネルトランジスタMP42の並列数mpは、例えば4000とすることができる。そして、PチャンネルトランジスタMP42およびNチャンネルトランジスタMN42は直列接続され、論理反転回路L43の出力端子はバッファL44を介してPチャンネルトランジスタMP42およびNチャンネルトランジスタMN42のゲートに接続されている。また、論理反転回路L43の入力端子は駆動信号入力端子T1に接続され、PチャンネルトランジスタMP42およびNチャンネルトランジスタMN42の接続点はスイッチング素子駆動端子T2に接続されている。
図14において、共振動作開始時R1では、図10のトリガー出力部2からトリガー信号S3が出力され、トリガー信号S3がロウレベルからハイレベルに変化する(t1)。そして、トリガー出力部2からトリガー信号S3が出力されると、駆動信号S1が駆動制御部3からドライバ回路121に出力され、駆動信号入力端子T1の電位がロウレベルからハイレベルに変化する。そして、駆動信号入力端子T1の電位がロウレベルからハイレベルに変化すると、その電位が論理反転回路L43およびバッファL44を介してPチャンネルトランジスタMP42およびNチャンネルトランジスタMN42のゲートに伝えられ、PチャンネルトランジスタMP42がオンするとともに、NチャンネルトランジスタMN42がオフすることで、PチャンネルトランジスタMP42の駆動能力に応じてスイッチング素子駆動端子T2の電位がロウレベルからハイレベルに徐々に移行する(t1〜t2)。
次に、共振動作時R2では、LC直列共振回路の共振動作によってスイッチング素子Q1のドレイン電圧Vdsがハイレベルからロウレベルに移行する(t7〜t8)。そして、スイッチング素子Q1のドレイン電圧Vdsは入力検知部1にて検知され、その検知信号が駆動制御部3に出力される。そして、スイッチング素子Q1のドレイン電流Idまたはドレイン電圧Vdsがゼロとなるタイミングで、駆動信号S1が駆動制御部3からドライバ回路121に出力され、駆動信号入力端子T1の電位がロウレベルからハイレベルに変化する(t8)。
次に、駆動信号入力端子T1の電位がハイレベルからロウレベルに変化すると(t10)、その電位が論理反転回路L43およびバッファL44を介してPチャンネルトランジスタMP42およびNチャンネルトランジスタMN42のゲートに伝えられ、PチャンネルトランジスタMP42がオフするとともに、NチャンネルトランジスタMN42がオンすることで、スイッチング素子駆動端子T2の電位がハイレベルからロウレベルに移行する(t10〜t11)。
一方、図13に示すように、PチャンネルトランジスタMP42の駆動能力を高くすると、共振動作時R2におけるスイッチングロスN1を小さくすることができるが、共振動作開始時R1におけるスイッチングノイズN2が増加する。
そこで、本発明の目的は、共振動作開始時におけるスイッチングノイズおよび共振動作時におけるスイッチングロスの双方を低下させることが可能な電力変換装置の駆動装置を提供することである。
また、請求項4記載の電力変換装置の駆動装置によれば、前記駆動回路は、前記共振動作開始時および前記共振動作時にスイッチング素子を駆動するメインドライバと、前記メインドライバの出力側にコンデンサを並列接続するサブドライバとを備え、前記駆動能力制御回路は、前記共振動作時に前記メインドライバの出力側から前記コンデンサを切り離し、前記共振動作開始時に前記メインドライバの出力側に前記コンデンサを接続することを特徴とする。
御回路は、前記共振動作時に前記抵抗を短絡し、前記共振動作開始時に前記抵抗の短絡を解除することを特徴とする。
以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置の駆動装置について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明をスイッチング電源の駆動装置に適用した場合の第1実施形態の概略構成を示すブロック図である。
そして、図10のスイッチング素子Q1を駆動するメインドライバ13およびサブドライバ14は並列接続され、メインドライバ13とサブドライバ14との接続点はスイッチング素子駆動端子T2に接続されている。また、前段ドライバ12には、駆動信号S1を入力する駆動信号入力端子T1およびトリガー信号S3を入力するトリガー信号入力端子T3が接続されている。そして、前段ドライバ12は、図10のスイッチング電源の共振動作開始時よりも共振動作時の方が高くなるように、スイッチング素子Q1をオンさせる時のドライバ回路11の駆動能力を制御することができる。
図2において、ドライバ回路21には、前段ドライバ22、メインドライバ23およびサブドライバ24が設けられている。なお、ドライバ回路21は、図10のドライバ回路5として用いることができる。
なお、PチャンネルトランジスタMP1の並列数mpは、例えば1000、PチャンネルトランジスタMP2の並列数mpは、例えば3000とすることができる。そして、PチャンネルトランジスタMP1およびNチャンネルトランジスタMN1は直列接続されるとともに、PチャンネルトランジスタMP1にはPチャンネルトランジスタMP2が並列接続されている。また、論理反転回路L1の出力端子は、バッファL3を介してPチャンネルトランジスタMP1およびNチャンネルトランジスタMN1のゲートに接続されている。
図3において、共振動作開始時R1では、図10のトリガー出力部2からトリガー信号S3が出力され、トリガー信号S3がロウレベルからハイレベルに変化する(t1)。そして、トリガー出力部2からトリガー信号S3が出力されると、駆動信号S1が駆動制御部3からドライバ回路21に出力され、駆動信号入力端子T1の電位がロウレベルからハイレベルに変化する。そして、駆動信号入力端子T1の電位がロウレベルからハイレベルに変化すると、その電位が論理反転回路L1およびバッファL3を介してPチャンネルトランジスタMP1およびNチャンネルトランジスタMN1のゲートに伝えられ、PチャンネルトランジスタMP1がオンするとともに、NチャンネルトランジスタMN1がオフする。
次に、共振動作時R2では、LC直列共振回路の共振動作によってスイッチング素子Q1のドレイン電圧Vdsがハイレベルからロウレベルに移行する(t7〜t8)。そして、スイッチング素子Q1のドレイン電圧Vdsは入力検知部1にて検知され、その検知信号が駆動制御部3に出力される。そして、スイッチング素子Q1のドレイン電流Idまたはドレイン電圧Vdsがゼロとなるタイミングで、駆動信号S1が駆動制御部3からドライバ回路21に出力され、駆動信号入力端子T1の電位がロウレベルからハイレベルに変化する(t8)。そして、駆動信号入力端子T1の電位がロウレベルからハイレベルに変化すると、その電位が論理反転回路L1およびバッファL3を介してPチャンネルトランジスタMP1およびNチャンネルトランジスタMN1のゲートに伝えられ、PチャンネルトランジスタMP1がオンするとともに、NチャンネルトランジスタMN1がオフする。
これにより、共振動作開始時R1にはスイッチング素子駆動端子T2の電位の立ち上がりを緩くし、共振動作時R2にはスイッチング素子駆動端子T2の電位の立ち上がりを急峻にすることができ、共振動作開始時R1におけるスイッチングノイズN2および共振動作時R2におけるスイッチングロスN1の双方を低下させることが可能となることから、共振動作開始時R1におけるノイズの低減と共振動作時R2における低消費電力化の両立を図ることができる。
図4において、ドライバ回路31には、前段ドライバ32、メインドライバ33およびサブドライバ34が設けられている。なお、ドライバ回路31は、図10のドライバ回路5として用いることができる。
図5において、ドライバ回路41には、前段ドライバ42、メインドライバ43およびサブドライバ44が設けられている。なお、ドライバ回路41は、図10のドライバ回路5として用いることができる。
そして、PチャンネルトランジスタMP9およびNチャンネルトランジスタMN8は直列接続されるとともに、NチャンネルトランジスタMN8には、NチャンネルトランジスタMN9を介してコンデンサC1が並列接続されている。また、論理反転回路L9の出力端子は、バッファL11を介してPチャンネルトランジスタMP9およびNチャンネルトランジスタMN8のゲートに接続されている。
そして、共振動作時において、駆動信号S1が前段ドライバ42に入力されると、コンデンサC1がPチャンネルトランジスタMP9から切り離された状態で、PチャンネルトランジスタMP9がオンするとともに、NチャンネルトランジスタMN8がオフする。そして、PチャンネルトランジスタMP9がオンするとともに、NチャンネルトランジスタMN8がオフすると、PチャンネルトランジスタMP9の駆動能力に従ってスイッチング素子Q1がオンし、図10のスイッチング電源の共振動作が継続する。
図6において、ドライバ回路51には、前段ドライバ52、メインドライバ53およびサブドライバ54が設けられている。なお、ドライバ回路51は、図10のドライバ回路5として用いることができる。
図7において、ドライバ回路61には、前段ドライバ62、メインドライバ63およびサブドライバ64が設けられている。なお、ドライバ回路61は、図10のドライバ回路5として用いることができる。
なお、PチャンネルトランジスタMP12の並列数mpは、例えば4000、抵抗R1の値は、例えば100Ωとすることができる。
そして、共振動作時において、駆動信号S1が前段ドライバ62に入力されると、抵抗R1が短絡された状態で、PチャンネルトランジスタMP12がオンするとともに、NチャンネルトランジスタMN11がオフする。そして、PチャンネルトランジスタMP12がオンするとともに、NチャンネルトランジスタMN11がオフすると、PチャンネルトランジスタMP12の駆動能力に従ってスイッチング素子Q1がオンし、図10のスイッチング電源の共振動作が継続する。
図8において、ドライバ回路71には、前段ドライバ72、メインドライバ73およびサブドライバ74が設けられている。なお、ドライバ回路71は、図10のドライバ回路5として用いることができる。
そして、PチャンネルトランジスタMP13およびNチャンネルトランジスタMN12は直列接続されるとともに、PチャンネルトランジスタMP13およびNチャンネルトランジスタMN12のゲートには、バッファL21、L22をそれぞれ介し、さらにバッファL20を介して論理反転回路L19の出力端子が接続されている。また、論理反転回路L19の入力端子は駆動信号入力端子T1に接続され、PチャンネルトランジスタMP13およびNチャンネルトランジスタMN12の接続点はスイッチング素子駆動端子T2に接続されている。
そして、トリガー信号S3が入力された後、トリガー信号入力端子T3の電位がハイレベルからロウレベルに変化すると、PチャンネルトランジスタMP14がオフするとともに、NチャンネルトランジスタMN13がオンし、バッファL21に供給される電源電圧の制限が解除される。
図9において、ドライバ回路81には、前段ドライバ82、メインドライバ83およびサブドライバ84が設けられている。なお、ドライバ回路81は、図10のドライバ回路5として用いることができる。
そして、PチャンネルトランジスタMP15およびNチャンネルトランジスタMN14は直列接続されるとともに、PチャンネルトランジスタMP15およびNチャンネルトランジスタMN14のゲートには、バッファL25を介して論理反転回路L24の出力端子が接続されている。また、論理反転回路L24の入力端子は駆動信号入力端子T1に接続され、PチャンネルトランジスタMP15およびNチャンネルトランジスタMN14の接続点はスイッチング素子駆動端子T2に接続されている。
そして、共振動作時において、駆動信号S1が前段ドライバ82に入力されると、電源V1からの電圧の2倍の電圧がPチャンネルトランジスタMP15のソースに印加された状態で、PチャンネルトランジスタMP15がオンするとともに、NチャンネルトランジスタMN14がオフする。そして、PチャンネルトランジスタMP15がオンするとともに、NチャンネルトランジスタMN14がオフすると、PチャンネルトランジスタMP15の駆動能力が電源V1からの電圧にて規定されながらスイッチング素子Q1がオンし、図10のスイッチング電源の共振動作が継続する。
12、22、32、42、52、62、72、82 前段ドライバ
13、23、33、43、53、63、73、83 メインドライバ
14、24、34、44、54、64、74、84 サブドライバ
L1、L5、L7〜L9、L13、L15、L16、L18、L19、L23、L24、L26、L31 論理反転回路
L2、L6、L11、L12、L20〜L22 論理和回路
L3、L14、L17、L25 バッファ
MP1〜MP15 Pチャンネルトランジスタ
MN1〜MN14、MN31 Nチャンネルトランジスタ
I1、I2 電流源
C1〜C3 コンデンサ
R1〜R4 抵抗
SW1〜SW3 スイッチ
Z1 ツェナーダイオード
V1、V2 電源
OP1 オペアンプ
Claims (8)
- 電力変換装置に設けられたスイッチング素子を駆動する駆動回路と、
前記電力変換装置の共振動作開始時よりも共振動作時の方が高くなるように、前記スイッチング素子をオンさせる時の前記駆動回路の駆動能力を制御する駆動能力制御回路とを備えることを特徴とする電力変換装置の駆動装置。 - 前記駆動回路は、
前記共振動作開始時および前記共振動作時にスイッチング素子を駆動するメインドライバと、
前記メインドライバに並列接続されたサブドライバとを備え、
前記駆動能力制御回路は、前記共振動作時に前記サブドライバを動作させ、前記共振動作開始時に前記サブドライバの動作を停止させることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置の駆動装置。 - 前記駆動回路は、前記スイッチング素子をカレントミラー動作にて駆動するカレントミラー回路を備えることを特徴とする請求項1または2記載の電力変換装置の駆動装置。
- 前記駆動回路は、
前記共振動作開始時および前記共振動作時にスイッチング素子を駆動するメインドライバと、
前記メインドライバの出力側にコンデンサを並列接続するサブドライバとを備え、
前記駆動能力制御回路は、前記共振動作時に前記メインドライバの出力側から前記コンデンサを切り離し、前記共振動作開始時に前記メインドライバの出力側に前記コンデンサを接続することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置の駆動装置。 - 前記駆動回路は、
前記共振動作開始時および前記共振動作時にスイッチング素子を駆動するメインドライバと、
前記メインドライバの制御入力側にコンデンサを並列接続するサブドライバとを備え、
前記駆動能力制御回路は、前記共振動作時に前記メインドライバの制御入力側から前記コンデンサを切り離し、前記共振動作開始時に前記メインドライバの制御入力側に前記コンデンサを接続することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置の駆動装置。 - 前記駆動回路は、
前記共振動作開始時および前記共振動作時にスイッチング素子を駆動するメインドライバと、
前記メインドライバの出力側に抵抗を直列接続するサブドライバとを備え、
前記駆動能力制御回路は、前記共振動作時に前記抵抗を短絡し、前記共振動作開始時に前記抵抗の短絡を解除することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置の駆動装置。 - 前記駆動回路は、
前記共振動作開始時および前記共振動作時にスイッチング素子を駆動するメインドライバと、
前記メインドライバの制御入力側の電圧を切り替えるサブドライバとを備え、
前記駆動能力制御回路は、前記電力変換装置の共振動作開始時よりも共振動作時の方が前記メインドライバの制御入力側の電圧が高くなるように切り替え制御することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置の駆動装置。 - 前記駆動回路は、
前記共振動作開始時および前記共振動作時にスイッチング素子を駆動するメインドライバと、
前記メインドライバの出力側の電圧を切り替えるサブドライバとを備え、
前記駆動能力制御回路は、前記電力変換装置の共振動作開始時よりも共振動作時の方が前記メインドライバの出力側の電圧が高くなるように切り替え制御することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置の駆動装置。
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