JP6985600B2 - 波形成形回路、半導体装置及びスイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
従来、1次側回路部(AC/DCコンバータではAC電源から電力を受ける側の回路部)と、2次側回路部(AC/DCコンバータではDC電圧を出力する側の回路部)とを、トランスを用いて電気的に絶縁し磁気的に接続する絶縁型のスイッチング電源装置がある。
なお、GaNをスイッチング素子に用いたスイッチング電源装置において、正側の過電圧を抑制する技術が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
さらに、1つの実施態様では、スイッチング電源装置が提供される。
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態の波形成形回路の一例を示す図である。波形成形回路10−1は、波形成形によりFETのゲート端子に負のゲート電圧を供給可能とする回路である。波形成形回路10−1は、並列回路11、並列回路12及びツェナーダイオード13を有する。並列回路11には、キャパシタ11aと、抵抗素子11bとが含まれ、並列回路12には、キャパシタ12aと、抵抗素子12bとが含まれる。
ツェナーダイオード13のカソードは、キャパシタ12aと抵抗素子12bの一方の端子に接続され、キャパシタ12aと抵抗素子12bの他方の端子は、基準電位である要素(以下GNDという)に接続される。
以下、第1の実施の形態の波形成形回路10−1に対する比較例として、負電圧を生成する電圧変換回路の例を示す。
Vout=R2・Vin/(R1+R2) (1)
抵抗分割方式の電圧変換回路20aにおいて、たとえば、正のパルス電圧である入力電圧Vinが入力された場合、電圧Voutの波形なまりを抑制するには、抵抗素子21b、22bの抵抗値を小さく設定することになる。しかし、抵抗素子21b、22bの各抵抗値が小さくなるにつれて、抵抗素子21b、22bに流れる電流は大きくなるため、電力損失が増加することになる。
図6は、第2の実施の形態の波形成形回路の一例を示す図である。図6において、図1に示した第1の実施の形態の波形成形回路10−1と同じ要素については同一符号が付されている。波形成形回路10−2は、波形成形回路10−1の各要素に加え、キャパシタ14を有する。ただし、このキャパシタ14は、印加電圧の変化に対して、流れる電流が非線形に変化する非線形素子の一例であり、印加電圧の増加とともに容量値の増加の傾きが増す非線形素子である。このようなキャパシタ14として、たとえば、PN接合ダイオード、MOSダイオード、ショットキーダイオードなどを用いることができる。
図7は、波形成形回路の各素子の値の一例を示す図である。キャパシタ11aの容量C1を4nF、抵抗素子11bの抵抗値R1を40kΩとし、キャパシタ12aの容量C2を1nF、抵抗素子12bの抵抗値R2を60kΩとする。また、ツェナーダイオード13のフォワード電圧Vfが0.4V、ツェナー電圧BVが−6.8Vであるとする。
Q=C0×b×ln(1+exp(−(V−a)/b))
+BV×ln(1+exp(1/b×a)) (2)
なお、式(2)中のC0、a、bの各パラメータ値は、a=3.5、b=0.1、C0=330E−6とする。
波形グラフg1aは入力電圧Vinの波形であり、横軸は時間(μs)、縦軸は入力Vinの電圧(V)である。波形グラフg1bは出力電圧Voutの波形であり、横軸は時間(μs)、縦軸は出力電圧Voutの電圧(V)である。
図9は、第3の実施の形態の波形成形回路の一例を示す図である。図9において、図1に示した第1の実施の形態の波形成形回路10−1と同じ要素については同一符号が付されている。波形成形回路10−3は、波形成形回路10−1の各要素に加え、印加電圧の変化に対して、流れる電流が非線形に変化する非線形素子の一例であるツェナーダイオード15を有する。
図10は、波形成形回路の各素子の値の一例を示す図である。キャパシタ11aの容量C1を4nF、抵抗素子11bの抵抗値R1を40kΩとし、キャパシタ12aの容量C2を1nF、抵抗素子12bの抵抗値R2を60kΩとする。また、ツェナーダイオード13のフォワード電圧Vfが0.4V、ツェナー電圧BVが−3.0Vであり、ツェナーダイオード15のフォワード電圧Vfが0.4V、ツェナー電圧BVが−3.5Vであるとする。
以下、上記のような波形成形回路の半導体装置への適用例を示す。半導体装置の例として、以下では、スイッチング電源装置、PFC(Power Factor Correction:力率改善)装置、サーバ用電源装置を挙げる。
2次側回路部には、キャパシタ41、42c、抵抗素子42b、42d、ダイオード42a、42e、トランジスタ43、波形成形回路44及び2次側制御IC45が含まれる。さらに、スイッチング電源装置30は、バイアス安定化回路46及びフォトカプラ47を有する。なお、トランジスタ35、43は、nチャネル型のMOSFETであり、たとえば、ノーマリーオフ型のGaN−HEMTである。
IFB端子は、トランジスタ35のドレイン端子からソース端子へ流れる電流をフィードバック検出するための端子である。IFB端子は、トランジスタ35のソース端子及び抵抗素子36の一端に接続される。抵抗素子36の他端はGNDに接続される。なお、1次側制御IC33は、IFB端子に入力される電流が異常値であるときには、たとえば、GATE端子から出力される制御電圧を所定レベルにして、トランジスタ35のスイッチング動作を停止させる。
トランジスタ43は、2次巻き線37bの一端に接続されたドレイン端子と、GNDに接続されたソース端子と、波形成形回路44から供給されるゲート電圧が印加されるゲート端子を有する。トランジスタ43は、ゲート電圧に基づいて、スイッチング動作を行う。
波形成形回路44は、2次側制御IC45から出力された制御電圧を受信すると、制御電圧をトランジスタ43に適した動作電圧範囲まで変換し、変換後の電圧信号をゲート電圧として出力する。波形成形回路44には、たとえば、上述の波形成形回路10−2または波形成形回路10−3が用いられる。
ダイオード42aのアノードは、2次巻き線37bの一端に接続され、カソードは、抵抗素子42bの一端に接続される。抵抗素子42bの他端は、キャパシタ42cの一端及び2次側制御IC45のVCC端子に接続される。
各回路素子の接続関係において、交流電源61の一端は、ダイオード61aのアノードと、ダイオード61cのカソードに接続される。交流電源61の他端は、ダイオード61bのアノードと、ダイオード61dのカソードに接続される。
トランジスタ63のゲート端子は、波形成形回路66の出力端子に接続され、波形成形回路66の入力端子は、PFC制御IC67の出力端子に接続される。
図15は、波形成形回路の変形例を示す図である。図15において、図9に示した第3の実施の形態の波形成形回路10−3と同じ要素については同一符号が付されている。
図16は、スイッチングに基づくゲート電圧の制御の一例を示す図である。なお、回路素子の具体的な値としては、キャパシタ11aの容量C1を1nF、抵抗素子11bの抵抗値R1を400kΩとし、キャパシタ12aの容量C2を100nF、抵抗素子12bの抵抗値R2を4kΩとする。また、ツェナーダイオード13、13−1、13−2のフォワード電圧Vfが0.5V、ツェナー電圧BVが−3.0Vであり、ツェナーダイオード15、15−1、15−2のフォワード電圧Vfが0.5V、ツェナー電圧BVが−3.0Vであるとする。
たとえば、テーブルT1の欄L1において、スイッチ開閉パターンがsw1、sw2、sw3、sw4)=(オン、オン、オン、オン)の場合、上限電圧VHが3Vで下限電圧VLが−3Vのゲート電圧が波形成形回路10aにて生成されて、トランジスタ1aのゲート端子に印加される。
11、12 並列回路
11a、12a キャパシタ
11b、12b 抵抗素子
13 ツェナーダイオード
Claims (8)
- 並列に接続された第1の容量素子と第1の抵抗素子を有し、前記第1の容量素子の第1の端子及び前記第1の抵抗素子の第2の端子に正のパルス電圧が印加され、前記第1の容量素子の第3の端子及び前記第1の抵抗素子の第4の端子に電界効果トランジスタのゲート端子が電気的に接続される第1の並列回路と、
前記第3の端子及び前記第4の端子に第1のアノードが接続された第1のツェナーダイオードと、
並列に接続された第2の容量素子と第2の抵抗素子を有し、前記第2の容量素子の第5の端子及び前記第2の抵抗素子の第6の端子に前記第1のツェナーダイオードの第1のカソードが接続され、前記第2の容量素子の第7の端子及び前記第2の抵抗素子の第8の端子が基準電位となる第2の並列回路と、
を有する波形成形回路。 - 前記第5の端子、前記第6の端子及び前記第1のカソードに一端が接続され、他端が前記基準電位となり、印加電圧の変化に対して、流れる電流が非線形に変化する非線形素子、をさらに有する請求項1に記載の波形成形回路。
- 前記非線形素子は、前記印加電圧の増加とともに容量値の増加の傾きが増すキャパシタである、請求項2に記載の波形成形回路。
- 前記非線形素子は、前記第5の端子、前記第6の端子及び前記第1のカソードに第2のカソードが接続され、第2のアノードが前記基準電位となる第2のツェナーダイオードである、請求項2に記載の波形成形回路。
- 並列に接続された第1の容量素子と第1の抵抗素子を有し、前記第1の容量素子の第1の端子及び前記第1の抵抗素子の第2の端子に正のパルス電圧が印加され、前記第1の容量素子の第3の端子及び前記第1の抵抗素子の第4の端子に電界効果トランジスタのゲート端子が電気的に接続される第1の並列回路と、
第1のツェナーダイオードと、
並列に接続された第2の容量素子と第2の抵抗素子を有し、前記第2の容量素子の第5の端子及び前記第2の抵抗素子の第6の端子に前記第1のツェナーダイオードの第1のカソードが接続され、前記第2の容量素子の第7の端子及び前記第2の抵抗素子の第8の端子が基準電位となる第2の並列回路と、
前記第3の端子及び前記第4の端子と前記ゲート端子とを接続する第1の接続ラインと前記第1のツェナーダイオードのアノードとの間に、前記第1のツェナーダイオードの順方向と同一方向に接続される、1または複数の第2のツェナーダイオードと、
1または複数の前記第2のツェナーダイオードのそれぞれに並列に接続された第1のスイッチと、
アノードが基準電位に接続される第3のツェナーダイオードと、
前記第5の端子及び前記第6の端子と前記第1のツェナーダイオードのカソードとを接続する第2の接続ラインと前記第3のツェナーダイオードのカソードとの間に、前記第3のツェナーダイオードの順方向と同一方向に接続される、1または複数の第4のツェナーダイオードと、
1または複数の前記第4のツェナーダイオードのそれぞれに並列に接続された第2のスイッチと、
前記第1のスイッチと前記第2のスイッチのオンオフを制御するスイッチ制御回路と、
を有する波形成形回路。 - ノーマリーオフ型のGaN−HEMTの電界効果トランジスタと、
並列に接続された第1の容量素子と第1の抵抗素子を有し、前記第1の容量素子の第1の端子及び前記第1の抵抗素子の第2の端子に正のパルス電圧が印加され、前記第1の容量素子の第3の端子及び前記第1の抵抗素子の第4の端子に前記電界効果トランジスタのゲート端子が電気的に接続される第1の並列回路と、前記第3の端子及び前記第4の端子に第1のアノードが接続された第1のツェナーダイオードと、並列に接続された第2の容量素子と第2の抵抗素子を有し、前記第2の容量素子の第5の端子及び前記第2の抵抗素子の第6の端子に前記第1のツェナーダイオードの第1のカソードが接続され、前記第2の容量素子の第7の端子及び前記第2の抵抗素子の第8の端子が基準電位となる第2の並列回路と、を備えた波形成形回路と、
を有する半導体装置。 - 電界効果トランジスタと、
並列に接続された第1の容量素子と第1の抵抗素子を有し、前記第1の容量素子の第1の端子及び前記第1の抵抗素子の第2の端子に正のパルス電圧が印加され、前記第1の容量素子の第3の端子及び前記第1の抵抗素子の第4の端子に前記電界効果トランジスタのゲート端子が電気的に接続される第1の並列回路と、前記第3の端子及び前記第4の端子に第1のアノードが接続されたツェナーダイオードと、並列に接続された第2の容量素子と第2の抵抗素子を有し、前記第2の容量素子の第5の端子及び前記第2の抵抗素子の第6の端子に前記ツェナーダイオードの第1のカソードが接続され、前記第2の容量素子の第7の端子及び前記第2の抵抗素子の第8の端子が基準電位となる第2の並列回路とを備えた波形成形回路と、
を有する半導体装置。 - スイッチング動作によりパルス状の交流信号を出力する電界効果トランジスタと、
前記電界効果トランジスタの前記スイッチング動作を制御する制御信号を出力する制御回路と、
並列に接続された第1の容量素子と第1の抵抗素子を有し、前記第1の容量素子の第1の端子及び前記第1の抵抗素子の第2の端子に前記制御信号が供給され、前記第1の容量素子の第3の端子及び前記第1の抵抗素子の第4の端子に前記電界効果トランジスタのゲート端子が電気的に接続される第1の並列回路と、前記第3の端子及び前記第4の端子に第1のアノードが接続されたツェナーダイオードと、並列に接続された第2の容量素子と第2の抵抗素子を有し、前記第2の容量素子の第5の端子及び前記第2の抵抗素子の第6の端子に前記ツェナーダイオードの第1のカソードが接続され、前記第2の容量素子の第7の端子及び前記第2の抵抗素子の第8の端子が基準電位となる第2の並列回路と、を備えた波形成形回路と、
を有するスイッチング電源装置。
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