JP7009045B2

JP7009045B2 - スイッチング電源システム及びスイッチング電源のｍｏｓｆｅｔゲート駆動方法

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Publication number: JP7009045B2
Application number: JP2015223302A
Authority: JP
Inventors: ウェイン・シー・ゴーク
Original assignee: Keithley Instruments LLC
Current assignee: Keithley Instruments LLC
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2035-11-13
Also published as: EP3021487A1; TW201626700A; CN105610304B; US20160141948A1; US11088609B2; CN105610304A; JP2016096716A

Description

本発明は、概して電源に関し、特に、低ノイズのスイッチング電源システム及びスイッチング電源のＭＯＳＦＥＴのゲートを駆動する方法に関する。

低ノイズ電源は、一般にその電圧及び電流の両方をソフトにスイッチングする必要がある。ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）のようなテクニックによれば、典型的には、電圧の遷移を制御されたスルー・レートにするのを可能にする。図１は、ＺＶＳを用いたプッシュプル直流入力直流出力（DC to DC）電源１００の例を示している。この例では、電源１００には、２つの（ここでは、ＭＯＳＦＥＴ１とＭＯＳＦＥＴ２）と、負荷における出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）とがある

電流をソフトにオフにスイッチングするには、通常、電流をランプ・ダウン（傾斜で減少）させる程度に充分に大きく、しかし、電流のスルー・レートが許容できないレベルのノイズが生じるほどには大きくない直列インピーダンスを加える必要がある。こうした直列インピーダンスを加えるために、一般に認められた手法の１つには、ＭＯＳＦＥＴのゲートを、そのしきい値電圧を通過するのに、低速に駆動するというものがある。

特許第５３２１７５８号公報特許第４３３８３３４号公報実用新案登録第３０６６０７４号公報特開２０１２－０８８３１８号公報

「ＭＯＳＦＥＴ」の記事、［online］、Wikipedia、［２０１５年１１月１３日検索］、インターネット<URL：https://ja.wikipedia.org/wiki/MOSFET>

全てではないが、ほとんどのパワーＭＯＳＦＥＴには、個体毎で数ボルト電圧変化すると共に、温度でも変化することがあるしきい値電圧がある。低速なゲード駆動電圧の遷移は、通常、そのしきい値と交差した時点で大きな変化を生じさせることになろう。ゲード駆動電圧は、あり得る全てのしきい値電圧を合理的な長さの時間内で振幅（スウィング）するのではあろうが、結果としては、ＭＯＳＦＥＴに、電流をずっと高速にスイッチングさせ、そして、もっとたくさんのノイズを発生させる。

図２は、ゲート駆動電圧波形２００をグラフで表したもので、典型的なスイッチング電源のスイッチングのタイミングにおけるばらつきについて、低速ゲート駆動電圧２０２と高速ゲート駆動電圧２０４とが持ち得る影響を説明している。高速ゲート駆動電圧２０４は、低速ゲート駆動電圧２０２よりも、（例えば、最大しきい値２０６と最小しきい値２０８の間の）タイミングにおいて、より小さいばらつきという結果になることが、直ちに確認できるであろう。

そこで、改善された低ノイズのスイッチング電源についてのニーズが残っている。

本発明の実施形態は、概して、スイッチング電源に関し、このとき、プライマリ・パワーＭＯＳＦＥＴは、正及び／又は負の傾斜（スロープ）について、高速スルー・レート領域及び低速スルー・レート領域の両方を有するゲート駆動電圧波形を用いて、オン及び／又はオフに駆動される。電源の最初のオンの後、ゲート駆動電圧波形のオフセット又は形状は、各ＭＯＳＦＥＴのしきい値を、そのゲート駆動電圧波形の低速スルー・レート領域で、制御された時点において横切るように、各ＭＯＳＦＥＴについて独立に調整しても良い。

本発明は、種々の概念から表現することができる。例えば、本発明の概念１は、スイッチング電源であって、
少なくとも１つの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）と、
上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのそれぞれのオフ遷移（off transition）が、低速スルー領域（Slewing Region：変化領域）が後に続く高速スルー領域を有する形状となるように、上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴそれぞれのゲートを駆動するよう構成される少なくとも１つの波形発生装置と、
上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのそれぞれがオフになる時間を検出するよう構成される検出部（detection component）と
を具えている。

本発明の概念２は、上記概念１のスイッチング電源であって、このとき、上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴを、上記高速スルー領域中にオフにするように構成される。

本発明の概念３は、上記概念１のスイッチング電源であって、このとき、上記少なくとも１つの波形発生装置が、上記ゲート駆動電圧波形に対する可変バイアスを、上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴに供給するよう更に構成されている。

本発明の概念４は、上記概念３のスイッチング電源であって、このとき、上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴを、調整された上記ゲート駆動電圧波形の低速スルー領域の間にオフにするよう構成されている。

本発明の概念５は、上記概念１のスイッチング電源であって、このとき、上記スルー領域は、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴをオフにするよう構成される方向にある。

本発明の概念６は、上記概念１のスイッチング電源であって、このとき、上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴとしては、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴがある。

本発明の概念７は、上記概念６のスイッチング電源であって、このとき、上記ゲート駆動電圧は、上記ｎチャネルＭＯＳＦＥＴをオフにするように負方向に変化（slew）する。

本発明の概念８は、上記概念１のスイッチング電源であって、このとき、上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴとしては、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴがある。

本発明の概念９は、上記概念８のスイッチング電源であって、このとき、上記ゲート駆動電圧は、上記ｐチャネルＭＯＳＦＥＴをオフにするように正方向に変化（slew）する。

図１は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を用いたプッシュプル直流入力直流出力電源の例を示している。図２は、ゲート駆動電圧波形の例をグラフで表したもので、典型的なスイッチング電源のスイッチングのタイミングにおけるばらつきついて、低速及び高速ゲート駆動電圧が持ち得る影響を説明している。図３は、ゲート駆動電圧波形をグラフで表したもので、本発明のある実施に関するスイッチング時間について、初期及び上昇ゲート駆動電圧が持ち得る影響を説明している。図４は、本発明の実施に関する初期ゲート駆動電圧波形の例をグラフで表したものである。図５は、本発明の実施に関する上昇ゲート駆動電圧波形の例をグラフで表したものである。図６は、本発明のある実施形態に従って調整する前に、抵抗器を通してオシロスコープで測定されたコモン・モード・ノイズの例をグラフで表したものである。図７は、本発明のある実施形態に従って調整した後に、抵抗器を通してオシロスコープで測定されたコモン・モード・ノイズの例をグラフで表したものである。図８は、ＭＯＳＦＥＴがオフになり、続いてオンに戻るという本発明のある実施形態に従った例を示している。

本発明の実施形態は、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）と、上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴそれぞれのオフへの遷移が、最初は、低速なスルー領域へと続く、より高速なスルー領域を有する形状を持つように、上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴそれぞれのゲートを駆動するように構成される少なくとも１つの波形発生装置と、上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴそれぞれがオフになる時点を検出するように構成される検出部とを含んでいても良い。

上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴとしては、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴがあり、これにおいて、ゲート駆動電圧は、ＭＯＳＦＥＴをオフにするために負方向（ネガティブ）に変化（Slew：急激な変化）する。別の実施形態では、上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴとしては、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴがあり、これにおいて、ゲート駆動電圧は、ＭＯＳＦＥＴをオフにするために正方向（ポジティブ）に変化（Slew）する。

今日の電源の信号高速ゲート駆動電圧とは異なって、本発明の実施としては、大雑把に言えば、低速エッジが後に続く高速なエッジ（例えば、あり得る全てのしきい値を比較的短い長さの時間で横断できる高速なエッジのような）を有する形状のゲート駆動電圧を含む。図３は、ゲート駆動電圧波形３００の例をグラフで表したもので、本発明のある実施に関するスイッチング時間について、初期ゲート駆動電圧３０２と上昇（raised：持ち上げた）ゲート駆動電圧３０４とが持ち得る影響を説明している。この例では、開始変形ゲート駆動電圧又は初期ゲート駆動電圧３０２には高速エッジがあって、これは、最大しきい値３０６及び最小しきい値３０８の両方を横切るが、最大しきい値３０６及び最小しきい値３０８間の全てのあり得るしきい値を完全に横切った後になって初めて、低速エッジが後に続く。

一度、電源が動作すると、ゲート駆動電圧波形に関して、いつＭＯＳＦＥＴがオフになるかの測定を行うことができる。ゲート駆動電圧波形を上昇させる（Rise）と、ＭＯＳＦＥＴを、より遅れてオフにすることになろう。このように、ゲート駆動電圧波形は、実際のしきい値３１０を横切ることで示されるように、上昇させた波形３０４の低速エッジ中でＭＯＳＦＥＴがオフになる限り、上昇させた（Raised）波形３０４とすることができる。この状況において、ＭＯＳＦＥＴは、今や低速レートで電流をオフにしており、結果として、発生するノイズは、効果的に減少するであろう。

図４は、本発明の実施に関する初期ゲート駆動電圧波形４００の例をグラフで表したものである。この例では、初期ゲート駆動電圧電圧（Ｖ_Ｇ１及びＶ_Ｇ２）は、全てのあり得るしきい値（例えば、１から３ボルト）を急速に通過している。そのドレイン電流（Ｉ_Ｄ１（ここでは、～１３μｓ）及びＩ_Ｄ２（ここでは、～３８μｓ）は、急速にオフになっている（「μｓ」は、マイクロ秒を意味し、「～」は大凡等しいを意味する）。ドレイン電流がオフ（つまり、ＭＯＳＦＥＴがオフ）になり次第、ＭＯＳＦＥＴ１及びＭＯＳＦＥＴ２のドレイン電圧（それぞれＶ_Ｄ１及びＶ_Ｄ２）は、それぞれ～１５μｓ及び～４０μｓで電圧を反転させる。これによって、約ゼロ・ボルトでオンにするべきゼロ・ボルトに近いドレインが、それを横切る（つまり、ＺＶＳ）。ここで、ＭＯＳＦＥＴ２は、～２４μｓでオンになり、ＭＯＳＦＥＴ１は、～４９μｓでオンになる。

図５は、本発明の実施に関する上昇ゲート駆動電圧波形５００の例をグラフで表したものである。（例えば、ゲート駆動電圧波形を上昇させることによって）調整後、ゲート駆動電圧（Ｖ_Ｇ１及びＶ_Ｇ２）は、ＭＯＳＦＥＴのしきい値（ここでは、～２Ｖ）を低速で通過し、ドレイン電流（Ｉ_Ｄ１及びＩ_Ｄ２）は、より低速にオフになる。

図６は、本発明のある実施形態に従ったゲート駆動電圧を調整する前に、抵抗器を通してオシロスコープで測定されたコモン・モード・ノイズの例６００をグラフで表したものである。この例では、抵抗器は、電源のプライマリ・グラウンドとセカンダリ・グラウンドの間に接続された２キロ・オームの抵抗器である（ここでは、２ｍＶ＝＞１μＡ）。図において、スコープのＣＨ２は、複数のドレイン電圧の１つを測定している。ゲート駆動電圧が調整される前では、プローブ電圧（ＣＨ１）６０２は、～０．８＊２ｍＶの測定レンジを有し、これは、０．８μＡのピーク・トゥ・ピークと解釈される。

図７は、（例えば、図６において測定を行った後）本発明のある実施形態に従って調整した後に、抵抗器を通してオシロスコープで測定されたコモン・モード・ノイズの例７００をグラフで表したものである。この例では、調整が完了した後、プローブ電圧（ＣＨ１）７０２は、今や、～０．２＊２ｍＶの測定レンジを有し、これは、０．２μＡのピーク・トゥ・ピークと解釈され、これは、図６で行われた測定に対して、（約）４倍の改善を表す。

図８は、ＭＯＳＦＥＴがオフになり、続いてオンに戻るという本発明のある実施形態に従った例８００を示している。この例では、開始変形ゲート駆動電圧又は初期ゲート駆動電圧８０２には高速エッジがあり、これは、最大のあり得るしきい値８０６及び最小のあり得るしきい値８０８の両方を横切るが、最小のあり得るしきい値８０８を完全に横切って初めて低速エッジが後に続く。ゲート駆動電圧波形は、実際のしきい値８１０を横切ることで示されるように、ＭＯＳＦＥＴが上昇させた波形８０４の低速エッジ中でオフになるまで、波形８０４を上昇させることができる。

ここで、初期ゲート駆動電圧８０２及び上昇波形８０４の両方は、実際のしきい値８１０を２回横切ることで示されるように、ＭＯＳＦＥＴが上昇波形８０４の後方の低速エッジ中でオンに戻るように、おおよそ上記初期のものに対応する上方向の低速及び高速エッジと、下方向の低速及び高速エッジをそれぞれ有している。

以下の説明は、本発明の実施形態を実現できる適切なマシーンの簡潔で一般的な説明の提供を意図するものである。本願で用いられるように、用語「マシーン」は、単一のマシーン又は通信可能に結合された一緒に動作する複数のマシーン若しくは装置からなるシステムを広く網羅する。代表的なマシーンとしては、パソコン、ワークステーション、サーバ、ポータブル・コンピュータ、ハンドヘルド・デバイス、タブレット・デバイスなどがある。

典型的には、マシーンは、システム・バスを含み、これに、プロセッサ、メモリ（ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、リード・オンリー・メモリ（ＲＯＭ）、そして、その他の状態保持メディアなど）、ビデオ・インターフェース、そして、入力／出力インターフェース・ポートが取り付けられる。また、マシーンは、プログラマブル又はノン・プログラマブル・ロジック・デバイス又はアレー（ＦＰＧＡなど）、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、組込み型コンピュータ、スマート・カードなどのような組込み型コントローラ（embedded controller）でも良い。マシーンは、少なくとも一部分は、キーボード、マウスなどの従来の入力デバイスからの入力によって制御されても良く、加えて、別のマシーンから受けた指示、バーチャル・リアリティ（ＶＲ）環境を用いるインタラクティブな処理、生体フィードバック、又は、他の適切な入力によって制御されても良い。

マシーンは、ネットワーク・インターフェース、モデム、他の通信による結合を介するなど、１つ以上の接続を用いて１つ以上の遠隔装置に接続されても良い。複数のマシーンが、イントラネット、インターネット、ＬＡＮ、ＷＡＮなどのような物理的又は論理的なネットワークにより、相互接続されていても良い。当業者であれば、ネットワーク通信には、無線周波数（ＲＦ）、衛星、マイクロ波、ＩＥＥＥ５４５.１１、Bluetooth（登録商標）、光通信、赤外線、ケーブル、レーザなどといった、種々の有線及び／又は無線の短距離又は長距離のキャリアやプロトコルを用いて良いことが理解できよう。

図示した実施形態を参照しながら、本発明の原理を記述し、特徴を説明してきたが、こうした原理から離れることなく、説明した実施形態の構成や細部を変更したり、望ましい形態に組み合わせても良いことが理解できよう。先の説明では、特定の実施形態に絞って説明しているが、別の構成も考えられる。

特に、「本発明の実施形態によると」といった表現を本願では用いているが、こうした言い回しは、大まかに言って実施形態として可能であることを意味し、特定の実施形態の構成に限定することを意図するものではない。本願で用いているように、これら用語は、別の実施形態に組み合わせ可能な同じ又は異なる実施形態に言及するものである。

従って、本願で説明した実施形態は、幅広い種々の変更の観点から、この詳細な説明や添付の資料は、単に説明の都合によるものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。

３００ゲート駆動電圧波形
３０２初期変形ゲート駆動電圧
３０４上昇変形ゲート駆動電圧
３０６最大しきい値
３０８最小しきい値
３１０実際のしきい値
６０２プローブ電圧
７０２プローブ電圧
８０２初期変形ゲート駆動電圧
８０４上昇変形ゲート駆動電圧
８０６最大しきい値
８０８最小しきい値
８１０実際のしきい値

Claims

少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴと、
上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴそれぞれのゲートを駆動するゲート駆動電圧波形であって、上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのそれぞれをオフへ遷移させる可能性のある上記ゲートの最大しきい値電圧と最小しきい値電圧とを横断して高速に電圧が変化する高速スルー領域と、該高速スルー領域の後に続き、上記高速スルー領域よりも電圧の変化が低速な低速スルー領域とを有する上記ゲート駆動電圧波形を生成するよう構成される少なくとも１つの波形発生装置と、
上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴの電圧又は電流を測定することによって、上記ＭＯＳＦＥＴがオフになる時間を測定するよう構成される測定装置と
を具え、
上記測定装置の測定結果を利用して、上記ＭＯＳＦＥＴをオフにする上記ゲートの実際のしきい値電圧を上記低速スルー領域で横断するように、上記波形発生装置が生成する上記ゲート駆動電圧波形のバイアスを調整するスイッチング電源システム。
スイッチング電源の少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのゲートを駆動する方法であって、
上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのそれぞれをオフへ遷移させる可能性のある上記ゲートの最大しきい値電圧と最小しきい値電圧とを横断して高速に電圧が変化する高速スルー領域と、該高速スルー領域の後に続き、上記高速スルー領域よりも電圧の変化が低速な低速スルー領域とを有するゲート駆動電圧波形を生成する処理と、
上記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴの電圧又は電流を測定装置で測定することによって、上記ＭＯＳＦＥＴがオフになる時間を測定する処理と、
上記測定装置の測定結果を利用して、上記ＭＯＳＦＥＴをオフにする上記ゲートの実際のしきい値電圧を上記低速スルー領域で横断するように、上記ゲート駆動電圧波形のバイアスを調整する処理と
を具えるスイッチング電源のＭＯＳＦＥＴゲート駆動方法。