JP6271723B2 - ドライバ回路 - Google Patents

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Description

本発明は、ドライバ回路に関する。
GaNやSiC等に代表されるワイドバンドギャップ半導体で形成された素子は、シリコン半導体で形成された素子に比べ、高速スイッチング、低オン抵抗値等の優れた特性を有している。ワイドバンドギャップ半導体で形成された素子には、ゲート電圧が0Vであってもドレイン電流が流れるノーマリオン特性、又は、2V程度の低い閾値電圧を有するノーマリオフ特性を示すものがある。ノーマリオン特性を有する素子の制御を確実に行うためには、ゲート電圧を負電圧まで駆動する必要がある。
特許文献1には、ノーマリオン型トランジスタを用いて上及び下アームから成るブリッジ回路を形成した電力変換回路が開示されている。特許文献2には、ノーマリオン型トランジスタを用いたドライバ回路(インバータ回路)におけるアーム短絡の保護回路が開示されている。尚、特許文献3には、ノーマリオン型トランジスタの制御回路(駆動回路)の電源を自給化する技術が開示されている。
特許第4958927号公報 特許第5331087号公報 特許第5236822号公報
ノーマリオン型トランジスタは、そのゲートを駆動する駆動回路に電源が供給される前において、即ち駆動回路の起動前においてオン状態となる。故に、ノーマリオン型トランジスタが上下2段にブリッジ接続されたブリッジ回路(インバータ回路)に対して主電源からの入力電圧(電力変換の対象となる電圧)を印加する構成では、駆動回路の起動前において、主電源がショート状態となるおそれがある。従って、当該ショート状態を回避するための保護回路が必要となる。
この点に関し、特許文献1では、保護回路として、ブリッジ回路と主電源との間にリレーを設けている。これは、駆動回路の起動前にリレーをオフして主電源のショートを回避するものであるが、リレースイッチとリレー制御回路が別途に必要となる。更に、リレースイッチに対し電磁石用の電源を別途用意する必要がある。これは、回路の大型化及び複雑化を招く。
図8に、特許文献2の開示内容に対応する、保護回路を含んだドライバ回路を示す。基準電圧V2を基準として、主電源912からの電圧V1が、ノーマリオン型トランジスタである上側トランジスタ914及び下側トランジスタ915並びにノーマリオフ型トランジスタ916の直列回路に印加され、トランジスタ914及び915間から出力923が取り出される。制御回路911は、トランジスタ914、915、916に対する制御回路908、909、910を含み、電源913a及び913bの出力に基づく駆動電圧VH及びVLにより動作する。ドライバ回路の起動後、過負荷や瞬時停電などに起因して主電源912が切れずに制御回路911の電源だけがシャットダウンするような局面では、上側トランジスタ914がオンして出力923がハイレベルとなるが、このとき、トランジスタ916のドレイン電圧の上昇を通じ下側トランジスタ915がオフとされる。つまり、制御回路911自体が動作しない場合でもアーム短絡から保護される(特許文献2の段落[0044]〜[0046]参照)。
しかしながら、出力923がハイレベルとなっている状態では、主電源912の動作を一旦停止させ、制御回路911を先に起動したのちに主電源912を再起動させる処理を行わないと、上側の制御回路908を再起動できないという問題が残る(その理由については後に詳説する)。上記処理の実現のためには、当該処理用の専用機能をドライバ回路に搭載させる必要があり、それは、回路の大型化及び複雑化を招きうる。
回路の大型化又は複雑化はコストアップを招き、ノーマリオン型トランジスタを用いたドライバ回路の普及を妨げる。
そこで本発明は、直列接続されたノーマリオン型トランジスタの短絡を回避しつつ、回路の小型化及び簡素化に寄与するドライバ回路を提供することを目的とする。
本発明に係るドライバ回路は、第1の電圧のラインと出力端子との間に接続された第1のトランジスタと、前記出力端子と前記第1の電圧よりも低い第2の電圧のラインとの間に接続された第2のトランジスタと、第1及び第2の電源ノードを有し、入力信号が第1の論理レベルにされたことに応じて前記第1の電源ノードの電圧を前記第1のトランジスタの制御電極に与えて前記第1のトランジスタをオンさせ、前記入力信号が第2の論理レベルにされたことに応じて前記第2の電源ノードの電圧を前記第1のトランジスタの制御電極に与えて前記第1のトランジスタをオフさせる第1の制御回路と、第3及び第4の電源ノードを有し、前記入力信号が前記第1の論理レベルにされたことに応じて前記第4の電源ノードの電圧を前記第2のトランジスタの制御電極に与えて前記第2のトランジスタをオフさせ、前記入力信号が前記第2の論理レベルにされたことに応じて前記第3の電源ノードの電圧を前記第2のトランジスタの制御電極に与えて前記第2のトランジスタをオンさせる第2の制御回路と、を備えたドライバ回路であって、前記第1及び第2のトランジスタの夫々は、ノーマリオン型のトランジスタであり、前記第1の電源ノードは、前記出力端子に接続され、前記第3の電源ノードは、前記第2の電圧を受け、前記第4の電源ノードは、前記第2の電圧よりも低い第3の電圧を受け、当該ドライバ回路は、更に、前記第1及び第2の電源ノード間に接続されたコンデンサと、前記第2及び第4の電源ノード間に接続されたスイッチ素子と、前記出力端子の電圧と前記第2の電圧との差の電圧が予め定められた電圧よりも低下したことに応じて、前記スイッチ素子をオンさせて前記コンデンサを充電させる第3の制御回路と、前記第1及び前記第2の電源ノード間に接続された電圧発生用部品と前記第2及び前記第3の電源ノード間に接続された電流通過用部品を有し、前記スイッチ素子がオフであっても、前記第1及び前記第3の電源ノード間の電圧に基づく電流を前記電圧発生用部品及び前記電流通過用部品に流して前記電圧発生用部品の発生電圧に基づき前記コンデンサを充電可能な起動回路と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、直列接続されたノーマリオン型トランジスタの短絡を回避しつつ、回路の小型化及び簡素化に寄与するドライバ回路を提供することが可能である。
本発明の第1実施形態に係るドライバ回路の構成を示す回路ブロック図である。 図1のドライバ回路の動作タイミングチャートである。 図1の制御回路(3)の構成を示す回路ブロック図である。 本発明の第2実施形態に係るドライバ回路の構成を示す回路ブロック図である。 本発明の第3実施形態に係るドライバ回路の構成を示す回路ブロック図である。 本発明の第4実施形態に係るドライバ回路の構成を示す回路ブロック図である。 本発明の第5実施形態に係るドライバ回路の構成を示す回路ブロック図である。 従来構成の回路図である。
以下、本発明の実施形態の例を、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。尚、本明細書では、記述の簡略化上、情報、信号、物理量、状態量又は部材等を参照する記号又は符号を記すことによって、該記号又は符号に対応する情報、信号、物理量、状態量又は部材等の名称を省略又は略記することがある。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態を説明する。図1に、本発明の第1実施形態に係るドライバ回路の構成を示す回路ブロック図である。図1のドライバ回路は、入力端子T1及びT2、出力端子T3、ノーマリオン型トランジスタQ1及びQ2、制御回路1〜3、コンデンサ4、ツェナーダイオード20、抵抗素子21、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)16、電源(主電源)6及び電源(制御用電源)7を備える。図2は、後述の制御信号φ1〜φ4と出力端子T3の電圧VOとの関係を示す、ドライバ回路の動作タイミングチャートである。ノーマリオン型トランジスタQ1及びQ2はハーフブリッジ回路を構成する。以下では、本発明を、ノーマリオン型トランジスタの直列接続によるハーフブリッジ回路に適用した構成を例示するが、本発明を、ノーマリオン型トランジスタの直列接続によるフルブリッジ回路に適用しても良い。
ドライバ回路を制御する上位コントローラ(不図示)からドライバ回路に対し制御信号φ1及びφ2が供給される。入力端子T1は制御信号φ1を受け、入力端子T2は制御信号φ2を受ける。制御信号φ1及びφ2の夫々は、互いに異なる論理レベルを有する「H」レベル又は「L」レベルをとる(後述の他の制御信号も同様)。任意の信号又は電圧に関し、「L」レベルの電位は、「H」レベルの電位よりも低い。制御信号φ2は、制御信号φ1の相補信号(即ち反転信号)である。従って、制御信号φ1が「H」レベルであるとき、制御信号φ2は「L」レベルであり、制御信号φ1が「L」レベルであるとき、制御信号φ2は「H」レベルである。ドライバ回路は、制御信号φ1、φ2がそれぞれ「H」、「L」レベルにされたことに応じて出力端子T3に「H」レベルの電圧を出力し、制御信号φ1、φ2がそれぞれ「L」レベル、「H」レベルにされたことに応じて出力端子T3に「L」レベルの電圧を出力する。出力端子T3における「H」レベルの電圧は、基準電圧V2よりも高い電圧V1であり、出力端子T3における「L」レベルの電圧は、基準電圧V2である。
トランジスタQ1及びQ2の夫々は、ノーマリオン型トランジスタであって、ワイドバンドギャップ半導体で形成されたnチャネルFET(Field effect transistor:電界効果トランジスタ)である。或るFETにおいて、ゲート−ソース間電圧(ソース電位から見たゲート電位)が所定の閾値電圧Vth以上であるとき、当該FETはオンとなり、ゲート−ソース間電圧が該閾値電圧Vth未満であるとき、当該FETはオフとなる。FETのオンとは、当該FETのソース及びドレイン間が導通状態になることを意味し、FETのオフとは、当該FETのソース及びドレイン間が非導通状態になることを意味する。ノーマリオン型トランジスタとしてのトランジスタQ1及びQ2の夫々は、負の閾値電圧Vthを有し、ここでは、−3V程度の閾値電圧Vthを有しているものとする。従って、トランジスタQ1のゲート−ソース間電圧が0VであってもトランジスタQ1はオンする(トランジスタQ2も同様)。
ここで、ワイドバンドギャップ半導体とは、バンドギャップがシリコンよりも大きな半導体、特に、シリコンのバンドギャップ(1.12eV(electron volt))の2倍程度である2.2eV以上のバンドギャップを有する半導体を言い、例えば、SiC(シリコンカーバイド)、GaN(窒化ガリウム)、ダイヤモンドなどである。
電源6は、自身の負極電位を基準として負極及び正極間に電圧V1を発生させる。電源6の負極は、基準電圧V2を受ける。基準電圧V2は、例えば接地電圧である0Vである。以下では、説明の具体化のため、基準電圧V2が0Vであると考える。トランジスタQ1において、ドレインは電源6の正極が接続されたラインに接続されて電源6の正極からの電圧V1(例えば、400V)を受け、ゲートは制御信号φ3を受け、ソースは出力端子T3に接続される。トランジスタQ2において、ドレインは出力端子T3に接続され、ゲートは制御信号φ4を受け、ソースは基準電圧V2が印加されるラインに接続されて基準電位V2を受ける。
ハイサイド(高圧側)の制御回路1は、入力端子T1に接続された入力ノード1aと、トランジスタQ1のゲートに接続された出力ノード1bと、出力端子T3に接続された高圧側電源ノード1cと、低圧側電源ノード1dとを有する。制御信号φ1は、入力端子T1を介して入力ノード1aに与えられる。出力ノード1bに現れる信号が制御信号φ3となる。
制御回路1は、制御信号φ1が「H」レベルのときには、高圧側電源ノード1cの電圧を出力ノード1bから出力することでトランジスタQ1をオンさせ、制御信号φ1が「L」レベルのときには、低圧側電源ノード1dの電圧を出力ノード1bから出力することでトランジスタQ1をオフさせる(この動作は、後述の説明から理解されるように、コンデンサ4の充電が行われた後に実現される)。但し、制御回路1は、制御信号φ1が「L」レベルから「H」レベルに切り替わったとき、その切り替わり時点から所定の遅延時間td1の経過後に、出力ノード1bの電圧を、低圧側電源ノード1dの電圧から高圧側電源ノード1cの電圧に切り替える(図2参照)。制御信号φ1が「H」レベルから「L」レベルに切り替わったときには、制御回路1は、出力ノード1bの電圧を、直ちに、高圧側電源ノード1cの電圧から低圧側電源ノード1dの電圧に切り替える(図2参照)。遅延時間td1は、トランジスタQ1及びQ2が同時にオンするのを防止するために設定されている。
ローサイド(低圧側)の制御回路2は、入力端子T2に接続された入力ノード2aと、トランジスタQ2のゲートに接続された出力ノード2bと、基準電圧V2を受ける高圧側電源ノード2cと、低圧側電源ノード2dとを有する。制御信号φ2は、入力端子T2を介して入力ノード2aに与えられる。出力ノード2bに現れる信号が制御信号φ4となる。
制御回路2は、制御信号φ2が「L」レベルのときには(即ち制御信号φ1が「H」レベルのときには)、低圧側電源ノード2dの電圧を出力ノード2bから出力することでトランジスタQ2をオフさせ、制御信号φ2が「H」レベルのときには(即ち制御信号φ1が「L」レベルのときには)、高圧側電源ノード2cの電圧を出力ノード2bから出力することでトランジスタQ2をオンさせる(この動作は、後述の説明から理解されるように、電源7の起動後に実現される)。但し、制御回路2は、制御信号φ2が「L」レベルから「H」レベルに切り替わったとき、その切り替わり時点から所定の遅延時間td2の経過後に、出力ノード2bの電圧を、低圧側電源ノード2dの電圧から高圧側電源ノード2cの電圧に切り替える(図2参照)。制御信号φ2が「H」レベルから「L」レベルに切り替わったときには、制御回路2は、出力ノード2bの電圧を、直ちに、高圧側電源ノード2cの電圧から低圧側電源ノード2dの電圧に切り替える(図2参照)。遅延時間td2は、トランジスタQ1及びQ2が同時にオンするのを防止するために設定されている。
コンデンサ4は、制御回路1の高圧側電源ノード1cと低圧側電源ノード1dの間に接続されている。MOSFET16は、ノーマリオフ型のnチャネルMOSFETである。MOSFET16において、ドレインは制御回路1の低圧側電源ノード1dに接続され、ゲートは制御回路3の出力ノード3cに接続されて制御信号φ5を受け、ソースは電源7の負極及び制御回路2の低圧側電源ノード2dに接続される。MOSFET16は、制御信号φ5が「H」レベルである場合にオンし、制御信号φ5が「L」レベルである場合にオフする。
電源7の正極は基準電圧V2が加わるラインに接続され、電源7の負極は制御回路2の低圧側電源ノード2dに接続される。基準電圧V2から見て、電源7の負極における電圧は負の電圧V3になる。負の電圧V3は、トランジスタQ1及びQ2の閾値電圧Vthよりも低く、例えば−10V程度である。
制御回路3は、出力端子T3に接続された検出ノード3aと、基準電圧V2を受ける基準電圧ノード3bと、MOSFET16の制御電極(即ちMOSFET16のゲート)に接続された出力ノード3cとを有する。出力ノード3cに現れる信号が制御信号φ5となる。検出ノード3aには、出力端子T3の電圧VOが加わる。
制御回路3は、検出ノード3aの電圧VOと基準電圧ノード3bの電圧V2との差の電圧(VO−V2)が所定の参照電圧VRよりも高い場合、制御信号φ5を「L」レベルにすることでMOSFET16をオフとし、電圧(VO−V2)が所定の参照電圧VRよりも低い場合、制御信号φ5を「H」レベルにすることでMOSFET16をオンとする。参照電圧VRは、約0Vの正の電圧であって、“V1>VR”である。
ツェナーダイオード20はコンデンサ4と並列接続されている。より具体的には、ツェナーダイオード20において、カソードは高圧側電源ノード1cに接続され、アノードは低圧側電源ノード1dに接続されている。抵抗素子21は、低圧側電源ノード1dと基準電圧V2のラインとの間に接続されている。
図3は、制御回路3の構成を示す回路ブロック図である。図3において、制御回路3は、電源10及び11、抵抗素子12、ダイオード13、コンパレータ14及びレベルシフタ15を備える。電源10及び11の負極は共に基準電圧ノード3bに接続される。電源10及び11の動作により、電源10、11の正極の電圧は、夫々、V10、V11となる。電圧V10及びV11は共に基準電圧V2よりも高い。電源10の正極は、抵抗素子12を介してダイオード13のアノードに接続される。ダイオード13のカソードは検出ノード3aに接続される。尚、ダイオード13が破壊されるのを防止するため、順方向に直列接続された複数のダイオードにてダイオード13を置換してもよい。
コンパレータ14の+端子(非反転入力端子)は、電源11の正極に接続され、従って電源11の正極の電圧V11を受ける。コンパレータ14の−端子(反転入力端子)は、抵抗素子12とダイオード13のアノードとの接続点に接続され、従ってダイオード13のアノードの電圧V12を受ける。レベルシフタ15は、コンパレータ14の出力信号のレベルを所定の電圧だけシフトして出力ノード3cに出力する。出力ノード3cに現れる信号が制御信号φ5となる。従って、“V11>V12”の場合は、コンパレータ14から「H」レベルの信号が出力される結果、制御信号φ5も「H」レベルとなる。一方、 “V11<V12”の場合は、コンパレータ14から「L」レベルの信号が出力される結果、制御信号φ5も「L」レベルとなる。
電源10の電圧V10は、電源11の電圧V11よりも高い電圧に設定されている。また、ダイオード13の順方向電圧を“VF”で表す。そうすると、電圧VOが電圧(V10−VF)よりも高い場合は、ダイオード13がオフし、結果、“V12=V10(>V11)”となって制御信号φ5は「L」レベルになる。一方、電圧VOが電圧(V10−VF)よりも低い場合は、ダイオード13がオンし、結果、“V12<V11<V10”となって制御信号φ5は「H」レベルになる。ここで、電圧(V10−VF)は可能な限り0Vに近くなるように設定される。
これにより、MOSFET16は、出力端子T3の電圧VOが低下してきて基準電圧V2に略等しくなるタイミング(即ち、差電圧(VO−V2)が所定の参照電圧VRよりも低くなるタイミング)でオンされ、出力電圧VOが増加してきて基準電圧V2よりも所定電圧だけ高くなったタイミングでオフされる。
出力端子T3の電圧VOが「L」レベルになってMOSFET16がオンすると、電源7の正極がトランジスタQ2を介してコンデンサ4の高圧側電極(コンデンサ4の電極の内、電源ノード1cに接続された電極)に接続されるとともに、電源7の負極がMOSFET16を介してコンデンサ4の低圧側電極(コンデンサ4の電極の内、電源ノード1dに接続された電極)に接続されるため、コンデンサ4が充電される。このとき、トランジスタQ1をオフ状態に維持するための負のゲート電圧として、電源7の負電圧V3がMOSFET16及び低圧側電源ノード1dを介し、制御回路1からトランジスタQ1のゲートに供給されている。
その後、制御信号φ1及びφ2に基づいてトランジスタQ1及びQ2並びにMOSFET16が制御され、トランジスタQ1がオンし、トランジスタQ2及びMOSFET16がオフする。トランジスタQ1はノーマリオン型であるので、高圧側電源ノード1cの電圧がソース電圧としてゲートに印加されることでトランジスタQ1はオン状態となる。トランジスタQ1がオン状態になると、出力電圧VOは電源6の正極の電圧V1近くまで上昇する。
このとき、トランジスタQ2及びMOSFET16がオフになっているため、コンデンサ4は電源7と切り離され、制御回路1の電源として機能する。この段階でコンデンサ4の高圧側電極の電圧は出力電圧VOであり、コンデンサ4の低圧側電極の電圧は出力電圧VOよりも低くなるので、トランジスタQ1のゲートに出力電圧VOよりも低い電圧を供給することができ、結果、その後のタイミングにおいてトランジスタQ1を確実にオフにすることができる。
ハイサイドのノーマリオン型トランジスタをオフとするためには負電圧が必要であり、従来のドライバ回路では、その負電圧を生成するための電源として、絶縁電源を別途設けていることが多い。一方、図1のドライバ回路では、制御回路3、コンデンサ4及びMOSFET16を用いた動作により、絶縁電源を別途設けることなく、ハイサイドの制御回路1に負電圧V3を供給することができるので、回路の小型化及び簡素化を図ることができる。また、ワイドバンドギャップ半導体で形成されたトランジスタQ1及びQ2を使用するので、スイッチング素子のオン抵抗値の低減化及びスイッチング速度の高速化を図ることができ、ドライバ回路の高速化及び低消費電力化を図ることができる。
ここで、図1のドライバ回路からツェナーダイオード20及び抵抗素子21を削除した仮想ドライバ回路を想定し、仮想ドライバ回路において電源6が他の電源(電源7、10及び11)に先駆けて起動する場合を考える。この場合、電源6の正極(トランジスタQ1のドレインが接続されたライン)の電圧が電圧V1に向けて上昇する一方で、電源7、10及び11の出力電圧がゼロとなる期間Xが発生する。この期間Xでは、ノーマリオンの特性によりトランジスタQ1はオンしているため、出力端子T3の電圧VOは電圧V1に向けて上昇する。
一方、上述したように、制御回路3は、“(VO−V2)<VR”の成立下においてMOSFET16をオンするように動作する。従って、期間Xにて出力端子T3の電圧VOが電圧V1に向けて上昇して一度“(VO−V2)>VR”となると、その後、電源7、10及び11が起動しても、MOSFET16がオンされず、制御回路1の電源となるべきコンデンサ4の充電機会が発生しない。結果、トランジスタQ1をオフできず、出力端子T3の電圧VOは「H」レベルのままで固定されることになる(電源7の起動後は、制御回路2により負電圧V3を用いてトランジスタQ2をオフすることはできる)。
仮想ドライバ回路において、電圧VOの「H」レベルでの固定を解消するためには、電源6の動作を一旦停止させ、電源6以外の回路(電源7、10及び11並びに制御回路1〜3を含む)を起動させてから、電源6を再起動させる処理が必要となる。つまり、仮想ドライバ回路では、出力端子T3の電圧VOが最初に「H」レベルとなるような電源の起動順序では、正常な動作が確保されない。尚、上記処理の実現のためには、当該処理用の専用機能をドライバ回路に搭載させる必要があり、それは、ドライバ回路の大型化及び複雑化によるコストアップを招きうる。
これを考慮し、図1のドライバ回路には、ツェナーダイオード20及び抵抗素子21から成る起動回路が設けられている。つまり、期間Xにおいて、電源6が他の電源(電源7、10及び11)に先駆けて起動してトランジスタQ1のドレインが接続されたラインの電圧がV1に向けて上昇すると、ノーマリオンの特性によりトランジスタQ1はオンしているため、高圧側電源ノード1cの電圧も同時にV1に向けて上昇する。そうすると、期間Xにおいて、ツェナーダイオード20と抵抗素子21には電流が流れツェナーダイオード20の両端にツェナー電圧Vzが発生し(但し、“V1>Vz”)、この発生電圧Vzによりコンデンサ4が充電される。つまり、期間Xにおいて、“(VO−V2)>VR”となってMOSFET16がオフとなるものの、電圧Vzに基づき起動回路を介してコンデンサ4が充電される。コンデンサ4が充電されると、コンデンサ4の充電電圧(電極間電圧)を電源電圧とする制御回路1が起動し、制御信号φ3を介してトランジスタQ1を制御することが可能となる。即ち、電源6の起動に伴って制御回路1は自己で起動することができる。
この後(例えば期間Xの後)、制御信号φ1、φ2が、夫々、「L」、「H」レベルになることで出力端子T3の電圧VOは「L」レベルになる。出力端子T3の電圧VOが「L」レベルになった後は、電圧VOが「H」、「L」レベル間で切り替えられる繰り返し動作の中で(図2参照)、電圧VOが「L」レベルとなるたびに、制御回路3の機能によりMOSFET16を通じコンデンサ4が充電されるようになる。
以上のように、本実施形態では、ノーマリオン型トランジスタを直列に接続した構成において出力端子T3の電圧VOが最初に「H」レベルとなるような電源の投入順序であっても制御回路1を起動させることができ、絶縁電源を別途設けることもなく、ドライバ回路の正常動作を確保できる。
別言すれば、本実施形態に係るドライバ回路では、電源起動時に出力端子T3の電圧VOが「H」レベルとなっても、起動回路によりコンデンサ4が充電されて制御回路1が起動し、トランジスタQ1をオフさせることができる。トランジスタQ1のオフによって電圧VOが一度「L」レベルになった後は、制御信号φ1及びφ2に応答した各制御回路の機能により、MOSFET16のオンを通じコンデンサ4の充電を継続することができる。この結果、ノーマリオン型トランジスタでブリッジ回路が形成されていても、起動時のアーム短絡(トランジスタQ1及びQ2の短絡)を回避しつつ制御回路1の電源を自給することができる。
ここで、図8のドライバ回路について説明を加える。図8において、制御回路908は、上側トランジスタ914のソース電位を基準に上側トランジスタ914のゲートをドライブする必要があるため、接地電位(V2)から絶縁された回路とされる。また、制御回路908の電源(不図示)は、図1のノード1dの電圧に対応するような、電圧V1よりも低い一定電圧を制御回路908に供給する必要がある。上側トランジスタ914がオンとなって出力923がハイレベル(V1)となっているとき、電圧V1よりも低い一定電圧が制御回路908に供給されていなければ、ノーマリオン型トランジスタである上側トランジスタ914をオフすることができないからである。制御回路908の電源の自給化を考慮し、図1のコンデンサ4のような電源用コンデンサを制御回路908の電源として図8の構成に加えることができるが(当該電源用コンデンサは図8にて不図示)、その電源用コンデンサは、上記仮想ドライバ回路と同様、出力923がローレベルにならないと充電されず上記一定電圧を制御回路908に供給できない。
従って、主電源912が切れずに制御回路911の電源だけがシャットダウンして上側トランジスタ914のオンを通じ出力923がハイレベルとなると、主電源912の動作を一旦停止させ、制御回路911を先に起動したのちに主電源912を再起動させる処理を行わないと、制御回路908を再起動できない。繰り返すが、出力923がローレベルにならないと、上記電源用コンデンサの充電機会が発生しないからである。
<第2実施形態>
本発明の第2実施形態を説明する。第2及び後述の第3〜第5実施形態は第1実施形態を基礎とする実施形態であり、第2〜第5実施形態において特に述べない事項に関しては、矛盾の無い限り、第1実施形態の記載が第2〜第5実施形態にも適用される。
図4は、本発明の第2実施形態に係るドライバ回路の構成を示す回路ブロック図である。図4のドライバ回路において、図1のドライバ回路との相違点は、MOSFET17が追加されている点である。つまり、図1のドライバ回路に対し、MOSFET17を追加したものが、図4のドライバ回路である。MOSFET17は、ノーマリオン型のnチャネルMOSFETである。
図4のドライバ回路における起動回路は、ツェナーダイオード20、抵抗素子21及びMOSFET17の直列回路にて形成される。具体的には、図4において、ツェナーダイオード20のカソードは電源ノード1cに接続され、ツェナーダイオード20のアソードは電源ノード1d及び抵抗素子21の一端に接続され、抵抗素子21の他端はMOSFET17のドレインに接続され、MOSFET17のソースは基準電圧V2のライン(従って電源7の正極)に接続され、MOSFET17のゲートは電源7の負極に接続されている。従って、MOSFET17は、負電圧V3を発生すべき電源7の正極及び負極間の電圧に基づきオン/オフされることになる。
図4のドライバ回路においても、図1のドライバ回路と同様、電源6が他の電源(電源7、10及び11)に先駆けて起動してトランジスタQ1のドレインが接続されたラインの電圧がV1に向けて上昇すると、ノーマリオンの特性によりトランジスタQ1はオンしているため、高圧側電源ノード1cの電圧も同時にV1に向けて上昇する。同じく、ノーマリオンの特性により、電源7が起動していない期間Xにおいて(電源7の正極及び負極間電圧が0Vとなる期間Xにおいて)、MOSFET17もオンしている。
そうすると、期間Xにおいて、ツェナーダイオード20と抵抗素子21にはMOSFET17を介して電流が流れてツェナーダイオード20の両端にツェナー電圧Vzが発生し、この発生電圧Vzによりコンデンサ4が充電される。つまり、期間Xにおいて、“(VO−V2)>VR”となってMOSFET16がオフとなるものの、電圧Vzに基づき起動回路を介してコンデンサ4が充電される。コンデンサ4が充電されると、コンデンサ4の充電電圧(電極間電圧)を電源電圧とする制御回路1が起動し、制御信号φ3を介してトランジスタQ1を制御することが可能となる。
期間Xの後、電源7が起動を開始すると、MOSFET17のゲート−ソース間電圧(ソース電位から見たゲート電位)が0Vから低下してゆき、所定の閾値電圧より低くなった時点でMOSFET17はオフする(MOSFET17の閾値電圧の絶対値は負電圧V3の絶対値よりも小さいものとする)。MOSFET17の閾値電圧は負電圧であるので、負電圧V3は、MOSFET17のオン/オフ制御への利用に適している。電源7の起動によってMOSFET17がオフとなると、抵抗素子21を介した電流の流れは遮断される。つまり、電源7の起動後、起動回路は自己で停止する。結果、出力電圧VOの変化に基づくノイズ電流が起動回路を介し基準電圧V2のラインに流れ込むことを防止できる。勿論、図1のドライバ回路の作用及び効果は、図4のドライバ回路においても実現される。
<第3実施形態>
本発明の第3実施形態を説明する。図1又は図4のドライバ回路において、ツェナーダイオード20を、電源ノード1cから電源ノード1dに向かう方向を順方向とするn個のダイオードの直列回路20Aに置き換えても良い。n個のダイオードの直列回路20Aは、電源ノード1c及び1d間に接続される。nは2以上の整数である。
この置き換えを図1のドライバ回路に適用したときの、ドライバ回路の構成ブロック図を図5に示す。直列回路20Aは第1〜第nのダイオードから成る。直列回路20Aの一端に配置された第1のダイオードのアノードは電源ノード1cに接続され、直列回路20Aの他端に配置された第nのダイオードのカソードは電源ノード1dに接続される。第iのダイオードのカソードは、第(i+1)のダイオードのアノードに接続される(iは(n−1)以下の自然数)。
第1〜第nのダイオードがオンとなるときの第1〜第nのダイオードの順方向電圧の合計電圧(即ち、第1〜第nのダイオードに順方向電流が流れるときの直列回路20Aの両端間電圧)が、上述のツェナー電圧Vzと同じ又は同程度となるように、nの値が設定される。これにより、n個のダイオードの直列回路20Aがツェナーダイオード20と同等の動作を行うようになる。
<第4実施形態>
本発明の第4実施形態を説明する。図1又は図4のドライバ回路において、ツェナーダイオード20を抵抗素子20Bに置き換えても良い。抵抗素子20Bは、電源ノード1c及び1d間に接続される。
この置き換えを図1のドライバ回路に適用したときの、ドライバ回路の構成ブロック図を図6に示す。図6のドライバ回路では、起動回路が抵抗素子20B及び21にて形成されることになる。
つまり、図6のドライバ回路において、電源6が他の電源(電源7、10及び11)に先駆けて起動してトランジスタQ1のドレインが接続されたラインの電圧がV1に向けて上昇すると、ノーマリオンの特性によりトランジスタQ1はオンしているため、高圧側電源ノード1cの電圧も同時にV1に向けて上昇する。そうすると、上述の期間Xにおいて、抵抗素子20Bと抵抗素子21には電流が流れて抵抗素子20Bの両端に電圧V20Bが発生し、この発生電圧V20Bによりコンデンサ4が充電される。つまり、上述の期間Xにおいて、“(VO−V2)>VR”となってMOSFET16がオフとなるものの、電圧V20Bに基づき起動回路を介してコンデンサ4が充電される。コンデンサ4が充電されると、コンデンサ4の充電電圧(電極間電圧)を電源電圧とする制御回路1が起動し、制御信号φ3を介してトランジスタQ1を制御することが可能となる。即ち、電源6の起動に伴って制御回路1は自己で起動することができる。
但し、図6のドライバ回路では、ドライバ回路の全体が起動した後でも、抵抗素子20B及び21を介して電流が流れ続けるため、その電流による損失分、ツェナーダイオード20又はダイオードの直列回路20Aを用いる場合よりも損失が増える。例えば、ツェナーダイオード20を用いる場合、期間Xを経てドライバ回路の全体が起動した後において、コンデンサ4の電圧がツェナー電圧Vzよりも低い電圧で安定するようにドライバ回路を設計しておけば、無駄な電流がツェナーダイオード20に流れ続けることを回避できる。
この観点から、ツェナーダイオード20を抵抗素子20Bに置き換える変形は、特に図4のドライバ回路への適用が好ましい。図4のドライバ回路では、電源7の起動後、抵抗素子21を介した電流の流れが遮断されるからである。
<第5実施形態>
本発明の第5実施形態を説明する。図1、図4、図5又は図6のドライバ回路において、ANDゲート(論理積回路)18を追加するようにしても良い。この追加を図1のドライバ回路に適用したときの、ドライバ回路の構成ブロック図を図7に示す。ANDゲート18は、制御信号φ5及びφ2の論理積信号をMOSFET16のゲートに与える。従って、図7のドライバ回路において、MOSFET16は、制御信号φ5及びφ2が共に「H」レベルのときにオンとなり、制御信号φ5及びφ2の少なくとも一方が「L」レベルのときにはオフとなる。つまり、図7のMOSFET16は、差電圧(VO−V2)が所定の参照電圧VRよりも低くなって制御信号φ5が「H」レベルとなり、且つ、制御信号φ2が「H」レベルのとき(従って制御信号φ1が「L」レベルのとき)にのみオンする。これにより、出力電圧VOが高いときにMOSFET16がオンすることを確実に防止できる。
<他の変形等>
本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。以上の実施形態は、あくまでも、本発明の実施形態の例であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以上の実施形態に記載されたものに制限されるものではない。上述の説明文中に示した具体的な数値は、単なる例示であって、当然の如く、それらを様々な数値に変更することができる。
上述の各ドライバ回路において、MOSFET16は、コンデンサ4と電源ノード1dとの接続点を、電源7の負極及び電源ノード2dに接続するか否かを切り替えるスイッチ素子として機能する。当該スイッチ素子は、MOSFET以外のスイッチ素子であっても良く、例えばバイポーラトランジスタでも良い。当該スイッチ素子をワイドバンドギャップ半導体で形成しても良い。
<本発明の考察>
本発明について考察する。
本発明の一側面に係るドライバ回路は、第1の電圧(V1)のラインと出力端子(T3)との間に接続された第1のトランジスタ(Q1)と、前記出力端子と前記第1の電圧よりも低い第2の電圧(V2)のラインとの間に接続された第2のトランジスタ(Q2)と、第1及び第2の電源ノード(1c,1d)を有し、入力信号(φ1)が第1の論理レベルにされたことに応じて前記第1の電源ノードの電圧を前記第1のトランジスタの制御電極に与えて前記第1のトランジスタをオンさせ、前記入力信号が第2の論理レベルにされたことに応じて前記第2の電源ノードの電圧を前記第1のトランジスタの制御電極に与えて前記第1のトランジスタをオフさせる第1の制御回路(1)と、第3及び第4の電源ノード(2c,2d)を有し、前記入力信号が前記第1の論理レベルにされたことに応じて前記第4の電源ノードの電圧を前記第2のトランジスタの制御電極に与えて前記第2のトランジスタをオフさせ、前記入力信号が前記第2の論理レベルにされたことに応じて前記第3の電源ノードの電圧を前記第2のトランジスタの制御電極に与えて前記第2のトランジスタをオンさせる第2の制御回路(2)と、を備えたドライバ回路であって、前記第1及び第2のトランジスタの夫々は、ノーマリオン型のトランジスタであり、前記第1の電源ノードは、前記出力端子に接続され、前記第3の電源ノードは、前記第2の電圧を受け、前記第4の電源ノードは、前記第2の電圧よりも低い第3の電圧(V3)を受け、当該ドライバ回路は、更に、前記第1及び第2の電源ノード間に接続されたコンデンサ(4)と、前記第2及び第4の電源ノード間に接続されたスイッチ素子(16)と、前記出力端子の電圧と前記第2の電圧との差の電圧が予め定められた電圧よりも低下したことに応じて、前記スイッチ素子をオンさせて前記コンデンサを充電させる第3の制御回路(3)と、前記第1及び前記第2の電源ノード間に接続された電圧発生用部品(20、20A、20B)と前記第2及び前記第3の電源ノード間に接続された電流通過用部品(21、又は、21及び17)を有し、前記スイッチ素子がオフであっても、前記第1及び前記第3の電源ノード間の電圧に基づく電流を前記電圧発生用部品及び前記電流通過用部品に流して前記電圧発生用部品の発生電圧に基づき前記コンデンサを充電可能な起動回路と、を備えることを特徴とする。
上記ドライバ回路では、出力端子の電圧と第2の電圧との差の電圧が予め定められた電圧よりも低下したことに応じて、スイッチ素子をオンさせてコンデンサを充電することができるため、第1の制御回路の電源を自給することができる。この際、電源の投入順序等に依存して上記差の電圧が予め定められた電圧より高い状態で維持されることが懸念され、ドライバ回路の構成によっては、第1の電圧用の電源の動作を一旦停止させ、他の回路を起動させてから第1の電圧用の電源を再起動させる専用機能が必要になる。
しかし、本発明に係るドライバ回路では、起動時において出力端子の電圧が比較的高くなってスイッチ素子がオンされなくても、起動回路によりコンデンサが充電されて第1の制御回路が起動し、第1のトランジスタをオフさせることができる。第1のトランジスタのオフによって出力端子の電圧が一度低下した後は、入力信号に応答した各制御回路の機能により、スイッチ素子のオンを通じてコンデンサの充電を継続することができる。この結果、電源の投入順序等に依らず、起動時の第1及び第2のトランジスタの短絡を回避しつつ第1の制御回路の電源を自給することができる。第1の制御回路の電源の自給化により、また上記専用機能が不要になる分、回路の小型化及び簡素化を図ることができる。
具体的には例えば、前記電圧発生用部品は、カソード、アノードが夫々前記第1、第2の電源ノードに接続されたツェナーダイオード(20)、又は、前記第1の電源ノードから前記第2の電源ノードに向かう方向を順方向としつつ前記第1及び前記第2の電源ノード間に接続された複数のダイオードの直列回路(20A)を含んでいると良い。
これにより、起動時において出力端子の電圧が比較的高くなってスイッチ素子がオンされなくても、上記のツェナーダイオード又は直列回路に電圧が発生し、発生電圧に基づきコンデンサを充電することができる。
或いは例えば、前記電圧発生用部品は、前記第1及び前記第2の電源ノード間に接続された電圧発生用抵抗素子(20B)を含んでいても良い。
これにより、起動時において出力端子の電圧が比較的高くなってスイッチ素子がオンされなくても、上記の電圧発生用抵抗素子に電圧が発生し、発生電圧に基づきコンデンサを充電することができる。
また例えば、前記電流通過用部品は、前記第2及び前記第3の電源ノード間に接続された抵抗素子(21)を含んでいると良い。
これにより、起動時において出力端子の電圧が比較的高くなっているとき、第1及び第3の電源ノード間の電圧に基づく電流を電圧発生用部品及び電流通過用部品に流して電圧発生用部品の発生電圧に基づきコンデンサを充電することができる。
或いは例えば、前記電流通過用部品は、抵抗素子(21)と起動用スイッチ素子(17)との直列回路を含んでいても良く、その直列回路は、前記第2及び前記第3の電源ノード間に接続されていても良い。
電流通過用部品に起動用スイッチ素子を含めておくことにより、起動回路に電流を流す必要がないタイミングにおいて当該電流の流れを遮断することが可能となり、無駄な電力損失を抑制することができる。
具体的には例えば、前記起動用スイッチ素子は、前記第3の電圧を発生すべき電源(7)の正極及び負極間の電圧に基づきオン/オフされるノーマリオン型のトランジスタであって、前記電源の起動前においてオンとなり、前記電源の起動後においてオフとなると良い。
これにより、別途の制御回路を設ける必要も無く、第3の電圧を発生すべき電源の状態に応じて、起動用スイッチ素子が適切にオン/オフされる。
また例えば、 前記第3の制御回路は、前記出力端子の電圧と前記第2の電圧との差の電圧が前記予め定められた電圧よりも低下し、且つ、前記入力信号が前記第2の論理レベルである場合に前記スイッチ素子をオンさせると良い。
これにより、出力端子の電圧が高いときにスイッチ素子をオンすることを確実に防止できる。
また例えば、各ノーマリオン型トランジスタは、ワイドバンドギャップ半導体で形成されたnチャネルFETであって良い。
また例えば、前記スイッチ素子は、nチャネルMOSFETであって良い。
1〜3 制御回路
4 コンデンサ
6、7 電源
16 nチャネルMOSFET
17 ノーマリオン型nチャネルMOSFET
20 ツェナーダイオード
20A ダイオードの直列回路
20B 抵抗素子
21 抵抗素子
Q1、Q2 ノーマリオン型トランジスタ
φ1〜φ5 制御信号

Claims (9)

  1. 第1の電圧のラインと出力端子との間に接続された第1のトランジスタと、
    前記出力端子と前記第1の電圧よりも低い第2の電圧のラインとの間に接続された第2のトランジスタと、
    第1及び第2の電源ノードを有し、入力信号が第1の論理レベルにされたことに応じて前記第1の電源ノードの電圧を前記第1のトランジスタの制御電極に与えて前記第1のトランジスタをオンさせ、前記入力信号が第2の論理レベルにされたことに応じて前記第2の電源ノードの電圧を前記第1のトランジスタの制御電極に与えて前記第1のトランジスタをオフさせる第1の制御回路と、
    第3及び第4の電源ノードを有し、前記入力信号が前記第1の論理レベルにされたことに応じて前記第4の電源ノードの電圧を前記第2のトランジスタの制御電極に与えて前記第2のトランジスタをオフさせ、前記入力信号が前記第2の論理レベルにされたことに応じて前記第3の電源ノードの電圧を前記第2のトランジスタの制御電極に与えて前記第2のトランジスタをオンさせる第2の制御回路と、を備えたドライバ回路であって、
    前記第1及び第2のトランジスタの夫々は、ノーマリオン型のトランジスタであり、
    前記第1の電源ノードは、前記出力端子に接続され、
    前記第3の電源ノードは、前記第2の電圧を受け、
    前記第4の電源ノードは、前記第2の電圧よりも低い第3の電圧を受け、
    当該ドライバ回路は、更に、
    前記第1及び第2の電源ノード間に接続されたコンデンサと、
    前記第2及び第4の電源ノード間に接続されたスイッチ素子と、
    前記出力端子の電圧と前記第2の電圧との差の電圧が予め定められた電圧よりも低下したことに応じて、前記スイッチ素子をオンさせて前記コンデンサを充電させる第3の制御回路と、
    前記第1及び前記第2の電源ノード間に接続された電圧発生用部品と前記第2及び前記第3の電源ノード間に接続された電流通過用部品を有し、前記スイッチ素子がオフであっても、前記第1及び前記第3の電源ノード間の電圧に基づく電流を前記電圧発生用部品及び前記電流通過用部品に流して前記電圧発生用部品の発生電圧に基づき前記コンデンサを充電可能な起動回路と、を備える
    ことを特徴とするドライバ回路。
  2. 前記電圧発生用部品は、
    カソード、アノードが夫々前記第1、第2の電源ノードに接続されたツェナーダイオード、又は、
    前記第1の電源ノードから前記第2の電源ノードに向かう方向を順方向としつつ前記第1及び前記第2の電源ノード間に接続された複数のダイオードの直列回路を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載のドライバ回路。
  3. 前記電圧発生用部品は、前記第1及び前記第2の電源ノード間に接続された電圧発生用抵抗素子を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載のドライバ回路。
  4. 前記電流通過用部品は、前記第2及び前記第3の電源ノード間に接続された抵抗素子を含む
    ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のドライバ回路。
  5. 前記電流通過用部品は、抵抗素子と起動用スイッチ素子との直列回路を含み、
    その直列回路は、前記第2及び前記第3の電源ノード間に接続される
    ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のドライバ回路。
  6. 前記起動用スイッチ素子は、前記第3の電圧を発生すべき電源の正極及び負極間の電圧に基づきオン/オフされるノーマリオン型のトランジスタであって、前記電源の起動前においてオンとなり、前記電源の起動後においてオフとなる
    ことを特徴とする請求項5に記載のドライバ回路。
  7. 前記第3の制御回路は、前記出力端子の電圧と前記第2の電圧との差の電圧が前記予め定められた電圧よりも低下し、且つ、前記入力信号が前記第2の論理レベルである場合に前記スイッチ素子をオンさせる
    ことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載のドライバ回路。
  8. 各ノーマリオン型トランジスタは、ワイドバンドギャップ半導体で形成されたnチャネルFETである
    ことを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載のドライバ回路。
  9. 前記スイッチ素子は、nチャネルMOSFETである
    ことを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載のドライバ回路。
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