JPWO2016002249A1 - スイッチング回路およびこれを備えた電源回路 - Google Patents
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- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
Abstract
Description
第1ノードに接続された第1導通端子と第2ノードに接続された第2導通端子とを有する第1トランジスタと、
前記第2ノードに接続された第1導通端子と第3ノードに接続された第2導通端子とを有する第2トランジスタと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第1経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第1ダイオードと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第2経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第2ダイオードと、
前記第2トランジスタの制御端子に対して制御信号を出力する駆動回路とを備え、
前記第1トランジスタの制御端子は、直接、または、受動素子もしくは電源回路を介して前記第3ノードに接続されており、
前記第1トランジスタの耐圧電圧は前記第2トランジスタの耐圧電圧よりも高く、
前記第2ダイオードの順方向電圧は前記第1ダイオードの順方向電圧よりも低く、
前記第2経路のインダクタンス成分は前記第1経路のインダクタンス成分よりも大きいことを特徴とする。
前記第1トランジスタはノーマリーオン型であり、
前記第2トランジスタはノーマリーオフ型であり、
前記第1トランジスタの制御端子は、前記第3ノードに直接、または、前記受動素子を介して接続されていることを特徴とする。
前記第1および第2トランジスタはノーマリーオフ型であり、
前記第1トランジスタの制御端子は、前記電源回路を介して前記第3ノードに接続されていることを特徴とする。
前記第2および第3ノードを結ぶ第3経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた保護用ダイオードをさらに備え、
前記保護用ダイオードの順方向電圧は前記第2ダイオードの順方向電圧よりも高いことを特徴とする。
前記第3経路のインダクタンス成分は前記第2経路のインダクタンス成分よりも小さいことを特徴とする。
前記第1ダイオードは、前記第2トランジスタの内蔵ダイオードであることを特徴とする。
前記第2経路の配線長は前記第1経路の配線長よりも長いことを特徴とする。
前記第2ダイオードと並列に設けられたコンデンサをさらに備えることを特徴とする。
上側アームに設けられた上側スイッチング回路と、
下側アームに設けられた下側スイッチング回路と、
一方の端子がアーム接続点に接続されたコイルとを備え、
前記上側および下側スイッチング回路の少なくとも一方が、
第1ノードに接続された第1導通端子と第2ノードに接続された第2導通端子とを有する第1トランジスタと、
前記第2ノードに接続された第1導通端子と第3ノードに接続された第2導通端子とを有する第2トランジスタと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第1経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第1ダイオードと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第2経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第2ダイオードと、
前記第2トランジスタの制御端子に対して制御信号を出力する駆動回路とを含むスイッチング回路であり、
前記第1トランジスタの制御端子は、直接、または、受動素子もしくは電源回路を介して前記第3ノードに接続されており、
前記第1トランジスタの耐圧電圧は前記第2トランジスタの耐圧電圧よりも高く、
前記第2ダイオードの順方向電圧は前記第1ダイオードの順方向電圧よりも低く、
前記第2経路のインダクタンス成分は前記第1経路のインダクタンス成分よりも大きいことを特徴とする。
前記上側スイッチング回路は前記スイッチング回路であり、
前記下側スイッチング回路は、第3トランジスタと、前記第3トランジスタの制御端子に対してパルス幅変調信号を出力する第2駆動回路とを含むことを特徴とする。
前記下側スイッチング回路は前記スイッチング回路であり、
前記上側スイッチング回路は、第3トランジスタと、前記第3トランジスタの制御端子に対してパルス幅変調信号を出力する第2駆動回路とを含むことを特徴とする。
前記駆動回路は、前記第2トランジスタの制御端子に対して、デッドタイムを有しながら前記パルス幅変調信号に対して相補的に変化する信号を出力することを特徴とする。
前記上側および下側スイッチング回路は前記スイッチング回路であることを特徴とする。
前記スイッチング回路は、前記第2ダイオードと並列に設けられたコンデンサをさらに含むことを特徴とする。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るスイッチング回路の回路図である。図1に示すスイッチング回路10は、トランジスタT1、T2、ダイオードD1、D2、および、ゲート駆動回路11を備えている。スイッチング回路10は、直列接続された高耐圧のノーマリーオン型トランジスタと低耐圧のノーマリーオフ型トランジスタとを有する。
図5は、本発明の第2の実施形態に係るスイッチング回路の回路図である。図5に示すスイッチング回路20は、トランジスタT2、T4、ダイオードD1、D2、D4、D5、ゲート駆動回路11、および、ゲート電源回路21を備えている。スイッチング回路20は、直列接続された2個のノーマリーオフ型トランジスタを有する。以下の説明では、各実施形態の構成要素のうち先に述べた実施形態と同一の要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
図7は、本発明の第3の実施形態に係る電源回路の回路図である。図7に示す電源回路30は、スイッチング回路10、トランジスタT3、ダイオードD3、ゲート駆動回路31、コイルL0、および、コンデンサC1、C2を備えた昇圧チョッパ回路である。図7では、電源回路30は、電源1と負荷R1とに接続されている。コンデンサC1は電源1と並列に設けられ、コンデンサC2は抵抗R1と並列に設けられる。なお、電源回路30は、コンデンサC1、C2を備えていなくてもよい。
図8は、本発明の第4の実施形態に係る電源回路の回路図である。図8に示す電源回路40は、スイッチング回路10、トランジスタT3、ダイオードD3、ゲート駆動回路31、コイルL0、および、コンデンサC1、C2を備えた降圧チョッパ回路である。図8では、電源回路40は、電源1と負荷R1とに接続されている。コンデンサC1、C2の接続形態は、第3の実施形態と同じである。
図9は、本発明の第5の実施形態に係る電源回路の回路図である。図9に示す電源回路50は、スイッチング回路10a、10b、コイルL0、および、コンデンサC1、C2を備えている。電源回路50は、双方向チョッパ回路あるいはインバータとして機能する。図9では、電源回路50は、電源1、2に接続されている。以下、電源1から供給される電源電圧は、電源2から供給される電源電圧よりも低いとする。コンデンサC1は電源1と並列に設けられ、コンデンサC2は電源2と並列に設けられる。
図10は、本発明の第6の実施形態に係る電源回路の回路図である。図10に示す電源回路60は、第5の実施形態に係る電源回路50においてスイッチング回路10a、10bを、それぞれ、スイッチング回路61a、61bに置換したものである。スイッチング回路61aは、第5の実施形態で説明したスイッチング回路10aに対してコンデンサC3aを追加したものである。コンデンサC3aは、ダイオードD2aと並列に設けられる。コンデンサC3aの一方の電極(図10では上側の電極)はダイオードD2aのカソード端子に接続され、コンデンサC3aの他方の電極はダイオードD2aのアノード端子に接続される。スイッチング回路61bは、第5の実施形態で説明したスイッチング回路10bに対してコンデンサC3bを同様の方法で追加したものである。コンデンサC3a、C3bには、例えば、10pF〜1nF程度の容量を有するものが用いられる。
11、31…ゲート駆動回路
21…ゲート電源回路
30、40、50、60…電源回路
T1〜T4…トランジスタ
D1〜D5…ダイオード
C1〜C3…コンデンサ
L0…コイル
L1…インダクタンス成分
N1〜N3…ノード
第1ノードに接続された第1導通端子と第2ノードに接続された第2導通端子とを有する第1トランジスタと、
前記第2ノードに接続された第1導通端子と第3ノードに接続された第2導通端子とを有する第2トランジスタと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第1経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第1ダイオードと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第2経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第2ダイオードと、
前記第2トランジスタの制御端子に対して制御信号を出力する駆動回路とを備え、
前記第1トランジスタの制御端子は、直接、または、受動素子もしくは電源回路を介して前記第3ノードに接続されており、
前記第1トランジスタの耐圧電圧は前記第2トランジスタの耐圧電圧よりも高く、
前記第2ダイオードの順方向電圧は前記第1ダイオードの順方向電圧よりも低く、
前記第2経路のインダクタンス成分は前記第1経路のインダクタンス成分よりも大きく、
前記第3ノードから前記第1ノードへ流れる電流の向きが逆方向に変わるときには、前記第3ノードから前記第1ノードへ流れる電流が減少する過程で、前記第2経路のインダクタンス成分によって逆起電力が発生することにより、前記第2ノードの電位が上昇して、前記第1トランジスタがオフ状態に近づき、前記第1トランジスタがオフ状態に近づいた後に、前記電流の向きが逆方向に変わることを特徴とする。
本発明の第2の局面は、本発明の第1の局面において、
前記第2経路のインダクタンス成分の少なくとも一部は、フェライトビーズにより構成されていることを特徴とする。
前記第1トランジスタはノーマリーオン型であり、
前記第2トランジスタはノーマリーオフ型であり、
前記第1トランジスタの制御端子は、前記第3ノードに直接、または、前記受動素子を介して接続されていることを特徴とする。
前記第1および第2トランジスタはノーマリーオフ型であり、
前記第1トランジスタの制御端子は、前記電源回路を介して前記第3ノードに接続されていることを特徴とする。
前記第2および第3ノードを結ぶ第3経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた保護用ダイオードをさらに備え、
前記保護用ダイオードの順方向電圧は前記第2ダイオードの順方向電圧よりも高いことを特徴とする。
前記第3経路のインダクタンス成分は前記第2経路のインダクタンス成分よりも小さいことを特徴とする。
前記第1ダイオードは、前記第2トランジスタの内蔵ダイオードであることを特徴とする。
前記第2経路の配線長は前記第1経路の配線長よりも長いことを特徴とする。
上側アームに設けられた上側スイッチング回路と、
下側アームに設けられた下側スイッチング回路と、
一方の端子がアーム接続点に接続されたコイルとを備え、
前記上側および下側スイッチング回路の少なくとも一方が、
第1ノードに接続された第1導通端子と第2ノードに接続された第2導通端子とを有する第1トランジスタと、
前記第2ノードに接続された第1導通端子と第3ノードに接続された第2導通端子とを有する第2トランジスタと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第1経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第1ダイオードと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第2経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第2ダイオードと、
前記第2トランジスタの制御端子に対して制御信号を出力する駆動回路とを含むスイッチング回路であり、
前記第1トランジスタの制御端子は、直接、または、受動素子もしくは電源回路を介して前記第3ノードに接続されており、
前記第1トランジスタの耐圧電圧は前記第2トランジスタの耐圧電圧よりも高く、
前記第2ダイオードの順方向電圧は前記第1ダイオードの順方向電圧よりも低く、
前記第2経路のインダクタンス成分は前記第1経路のインダクタンス成分よりも大きく、
前記第3ノードから前記第1ノードへ流れる電流の向きが逆方向に変わるときには、前記第3ノードから前記第1ノードへ流れる電流が減少する過程で、前記第2経路のインダクタンス成分によって逆起電力が発生することにより、前記第2ノードの電位が上昇して、前記第1トランジスタがオフ状態に近づき、前記第1トランジスタがオフ状態に近づいた後に、前記電流の向きが逆方向に変わることを特徴とする。
本発明の第10の局面は、本発明の第9の局面において、
前記第2経路のインダクタンス成分の少なくとも一部は、フェライトビーズにより構成されていることを特徴とする。
前記上側スイッチング回路は前記スイッチング回路であり、
前記下側スイッチング回路は、第3トランジスタと、前記第3トランジスタの制御端子に対してパルス幅変調信号を出力する第2駆動回路とを含むことを特徴とする。
前記下側スイッチング回路は前記スイッチング回路であり、
前記上側スイッチング回路は、第3トランジスタと、前記第3トランジスタの制御端子に対してパルス幅変調信号を出力する第2駆動回路とを含むことを特徴とする。
前記駆動回路は、前記第2トランジスタの制御端子に対して、デッドタイムを有しながら前記パルス幅変調信号に対して相補的に変化する信号を出力することを特徴とする。
前記上側および下側スイッチング回路は前記スイッチング回路であることを特徴とする。
本発明の第2の局面によれば、スイッチング回路を小型化することができる。
本発明の第10の局面によれば、電源回路を小型化することができる。
図7は、本発明の第3の実施形態に係る電源回路の回路図である。図7に示す電源回路30は、スイッチング回路10、トランジスタT3、ダイオードD3、ゲート駆動回路31、コイルL0、および、コンデンサC1、C2を備えた昇圧チョッパ回路である。図7では、電源回路30は、電源1と負荷R1とに接続されている。コンデンサC1は電源1と並列に設けられ、コンデンサC2は負荷R1と並列に設けられる。なお、電源回路30は、コンデンサC1、C2を備えていなくてもよい。
Claims (14)
- 第1ノードに接続された第1導通端子と第2ノードに接続された第2導通端子とを有する第1トランジスタと、
前記第2ノードに接続された第1導通端子と第3ノードに接続された第2導通端子とを有する第2トランジスタと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第1経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第1ダイオードと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第2経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第2ダイオードと、
前記第2トランジスタの制御端子に対して制御信号を出力する駆動回路とを備え、
前記第1トランジスタの制御端子は、直接、または、受動素子もしくは電源回路を介して前記第3ノードに接続されており、
前記第1トランジスタの耐圧電圧は前記第2トランジスタの耐圧電圧よりも高く、
前記第2ダイオードの順方向電圧は前記第1ダイオードの順方向電圧よりも低く、
前記第2経路のインダクタンス成分は前記第1経路のインダクタンス成分よりも大きいことを特徴とする、スイッチング回路。 - 前記第1トランジスタはノーマリーオン型であり、
前記第2トランジスタはノーマリーオフ型であり、
前記第1トランジスタの制御端子は、前記第3ノードに直接、または、前記受動素子を介して接続されていることを特徴とする、請求項1に記載のスイッチング回路。 - 前記第1および第2トランジスタはノーマリーオフ型であり、
前記第1トランジスタの制御端子は、前記電源回路を介して前記第3ノードに接続されていることを特徴とする、請求項1に記載のスイッチング回路。 - 前記第2および第3ノードを結ぶ第3経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた保護用ダイオードをさらに備え、
前記保護用ダイオードの順方向電圧は前記第2ダイオードの順方向電圧よりも高いことを特徴とする、請求項1に記載のスイッチング回路。 - 前記第3経路のインダクタンス成分は前記第2経路のインダクタンス成分よりも小さいことを特徴とする、請求項4に記載のスイッチング回路。
- 前記第1ダイオードは、前記第2トランジスタの内蔵ダイオードであることを特徴とする、請求項1に記載のスイッチング回路。
- 前記第2経路の配線長は前記第1経路の配線長よりも長いことを特徴とする、請求項1に記載のスイッチング回路。
- 前記第2ダイオードと並列に設けられたコンデンサをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載のスイッチング回路。
- 上側アームに設けられた上側スイッチング回路と、
下側アームに設けられた下側スイッチング回路と、
一方の端子がアーム接続点に接続されたコイルとを備え、
前記上側および下側スイッチング回路の少なくとも一方が、
第1ノードに接続された第1導通端子と第2ノードに接続された第2導通端子とを有する第1トランジスタと、
前記第2ノードに接続された第1導通端子と第3ノードに接続された第2導通端子とを有する第2トランジスタと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第1経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第1ダイオードと、
前記第2および第3ノードを結ぶ第2経路上に前記第2トランジスタと逆並列に設けられた第2ダイオードと、
前記第2トランジスタの制御端子に対して制御信号を出力する駆動回路とを含むスイッチング回路であり、
前記第1トランジスタの制御端子は、直接、または、受動素子もしくは電源回路を介して前記第3ノードに接続されており、
前記第1トランジスタの耐圧電圧は前記第2トランジスタの耐圧電圧よりも高く、
前記第2ダイオードの順方向電圧は前記第1ダイオードの順方向電圧よりも低く、
前記第2経路のインダクタンス成分は前記第1経路のインダクタンス成分よりも大きいことを特徴とする、電源回路。 - 前記上側スイッチング回路は前記スイッチング回路であり、
前記下側スイッチング回路は、第3トランジスタと、前記第3トランジスタの制御端子に対してパルス幅変調信号を出力する第2駆動回路とを含むことを特徴とする、請求項9に記載の電源回路。 - 前記下側スイッチング回路は前記スイッチング回路であり、
前記上側スイッチング回路は、第3トランジスタと、前記第3トランジスタの制御端子に対してパルス幅変調信号を出力する第2駆動回路とを含むことを特徴とする、請求項9に記載の電源回路。 - 前記駆動回路は、前記第2トランジスタの制御端子に対して、デッドタイムを有しながら前記パルス幅変調信号に対して相補的に変化する信号を出力することを特徴とする、請求項10または11に記載の電源回路。
- 前記上側および下側スイッチング回路は前記スイッチング回路であることを特徴とする、請求項9に記載の電源回路。
- 前記スイッチング回路は、前記第2ダイオードと並列に設けられたコンデンサをさらに含むことを特徴とする、請求項9に記載の電源回路。
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