KR20180065921A - 보호 회로, 증폭기 및 스위칭 전원 장치 - Google Patents

보호 회로, 증폭기 및 스위칭 전원 장치 Download PDF

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Abstract

보호 회로에 있어서의 전력 손실을 억제한다.
보호 회로(10)는, 용량 소자(11, 12)를 갖는다. 용량 소자(11)는, 회로 소자(20)의 단자(20a)에 인가되는 전압 V의 증가에 수반하여 용량값 C(V)가 증가하는 용량 소자이다. 용량 소자(12)는, 단자(20a)와 기준 전위인 단자(10a) 사이에, 용량 소자(11)와 직렬로 접속되고, 전압 V가 제1 값에 도달할 때까지는 용량값 C(V)보다 큰 고정의 용량값 Cc를 갖고, 회로 소자(20)보다 큰 내압 특성을 구비한다.

Description

보호 회로, 증폭기 및 스위칭 전원 장치 {PROTECTIVE CIRCUIT, AMPLIFIER, AND SWITCHING POWER SUPPLY APPARATUS}
본 발명은, 보호 회로, 증폭기 및 스위칭 전원 장치에 관한 것이다.
최근, 다양한 분야에 있어서 에너지 절약화 및 소형화가 진행되고 있고, 휴대 전화로 대표되는 고주파 무선 통신 기기나 전원 장치 등의 분야에도 그 영향이 파급되고 있다.
예를 들어, 고전압에서 구동되는 스위칭 전원 장치에서는, 고내압, 저손실로 스위칭 주파수를 고주파화 가능한 스위칭 소자가 제안되어 있다. 또한, 고주파 무선 통신용 대전력 증폭기에서도 최대 발진 주파수를 고주파화하기 위해 고주파 동작 가능한 트랜지스터(증폭 소자)를 사용하는 것이 제안되어 있다. 이러한 스위칭 소자 또는 증폭 소자로서, 온 저항이 작은 질화갈륨(GaN) 등의 화합물 반도체를 사용한 트랜지스터나, 게이트 길이를 단축한 Si(규소)-MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 트랜지스터가 제안되어 있다. 또한, 이하에서는 GaN을 사용한 트랜지스터를 GaN 트랜지스터, 게이트 길이를 단축한 Si-MOS 트랜지스터를 짧은 게이트 길이 Si-MOS 트랜지스터라고 한다.
단, GaN 트랜지스터나 짧은 게이트 길이 Si-MOS 트랜지스터에서는, 전류를 제어하는 게이트부에 인가할 수 있는 전압에 상한(게이트부의 내압)이 있고, 그 상한은 통상의 MOS 트랜지스터보다 낮다. 게이트부에 인가되는 전압이 상한을 초과하면, 게이트부가 파괴될 가능성이 있다.
종래, 과전압에 의한 회로 소자의 파괴 문제를 해결하기 위해, 제너 다이오드를 보호하고자 하는 회로 소자의 단자에 접속하는 것이 행해지고 있다. 제너 다이오드에 제너 전압 이상의 전압이 인가되면, 제너 다이오드에 전류가 흘러, 보호하고자 하는 소자의 단자에는 제너 전압 이상의 전압이 인가되지 않는다고 하는 구조로 되어 있다.
일본 특허 공개 평9-69766호 공보 일본 특허 공개 제2008-113547호 공보
그러나, 회로 소자를 과전압으로부터 보호하는 보호 회로로서 제너 다이오드를 사용하는 경우, 제너 다이오드의 저항 성분에 의해, 제너 다이오드에 전류가 흐르면, 전력 손실이 발생해 버리는 문제가 있었다.
하나의 태양에서는, 제1 용량 소자와, 제2 용량 소자를 구비하는 보호 회로가 제공된다. 제1 용량 소자는, 회로 소자의 제1 단자에 인가되는 제1 전압의 증가에 수반하여 제1 용량값이 증가한다. 제2 용량 소자는, 제1 단자와 기준 전위인 제2 단자 사이에, 제1 용량 소자와 직렬로 접속되고, 제1 전압이 제1 값에 도달할 때까지는 제1 용량값보다 큰 고정의 제2 용량값을 갖고, 회로 소자보다 큰 내압 특성을 구비한다.
또한, 하나의 태양에서는, 증폭기가 제공된다. 또한, 하나의 태양에서는, 스위칭 전원 장치가 제공된다.
하나의 측면에서는, 보호 회로에 있어서의 전력 손실을 억제할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태의 보호 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 스위칭 소자를 과전압으로부터 보호하는 보호 회로를 포함하고, 스위칭 동작을 검증하기 위한 검증 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 보호 회로로서 제너 다이오드를 사용한 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 제너 다이오드를 사용한 검증 회로에 대한 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 제3 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 1차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 제4 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 1차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는 제5 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 1차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 제어 IC가 출력하는 제어 신호와 FET의 게이트 전압 파형의 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은 제6 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 1차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12는 제7 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 2차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13은 제8 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 2차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다.
도 14는 제9 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 2차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다.
도 15는 제10 실시 형태 증폭기의 일례를 나타내는 도면이다.
도 16은 각 증폭기의 소신호 S파라미터 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 발명을 실시하기 위한 형태를, 도면을 참조하면서 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은, 제1 실시 형태의 보호 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
보호 회로(10)는, 회로 소자(20)를 과전압으로부터 보호하기 위한 회로이다. 도 1에서는 회로 소자(20)의 예로서, 전술한 짧은 게이트 길이 Si-MOS 트랜지스터 등인 ｎ채널형 FET(Field Effect Transistor)(21)가 나타나 있다.
FET(21)의 게이트 단자와 드레인 단자 사이에는 그 내부에 용량이 존재하고, 상한보다 큰 드레인 전압이 이 용량을 통해 게이트 단자에 인가되면, 게이트부가 내압 한계에 도달하여 파괴된다. 또한, FET(21)를 스위칭 전원 장치에 포함되는 스위칭 소자로 한 경우, 출력 전압을 일정하게 하기 위해 FET(21)를 제어하는 제어 회로는, FET(21)로서, 전력 제어용 Si-MOS 트랜지스터를 이용하는 것을 전제로 개발되어 있는 경우가 있다. 그 때문에, 제어 회로의 출력 전압 범위는, GaN 트랜지스터나 짧은 게이트 길이 Si-MOS 트랜지스터의 게이트부가 견딜 수 있는 전압의 범위보다 커, 게이트부가 파괴될 가능성이 있다.
금후, 트랜지스터 동작의 고주파화가 진행됨에 따라 전류·전압 제어를 위한 게이트 단자로의 인가 가능한 전압의 범위는 더욱 좁아질 것이라고 예상된다. 한편, 전력 변환의 고효율 동작을 위해, 스위칭 전원 장치나 고주파 전력 증폭기가 취급하는 드레인 전압은 커진다. 큰 전력을 취급하는 경우, 작은 전압과 큰 전류에서 취급하면, 전류를 흘리는 금속 배선의 저항 성분에 의한 발열에 의해 손실이 발생하지만, 큰 전압과 작은 전류에서 동일한 전력을 확보하는 쪽이, 금속 배선의 저항 성분에 의한 손실을 저감시킬 수 있기 때문이다. 또한, 고전압화는 상기한 바와 같이 흘리는 전류를 작게 할 수 있기 때문에, 배선의 단면적을 작게 할 수 있고, 그 결과, 소형, 경량화 가능이라고 하는 장점이 있다.
제1 실시 형태의 보호 회로(10)는, 상기한 바와 같은 FET(21)의 게이트부 뿐만 아니라, 과전압이 인가될 가능성이 있는 회로 소자(20)를 보호하는 회로이다.
보호 회로(10)는, 전압 V가 인가되는 회로 소자(20)의 단자(20a)(FET(21)의 게이트 단자)와, 기준 전위가 되는 단자(GND 단자)(10a) 사이에 직렬로 접속된 용량 소자(11, 12)를 갖는다. 도 1의 예에서는 용량 소자(11)의 한쪽 단자는, 단자(20a)에 접속되고, 용량 소자(11)의 다른 쪽 단자는, 용량 소자(12)의 한쪽 단자에 접속되어 있다. 또한, 용량 소자(12)의 다른 쪽 단자는, 단자(10a)에 접속되어 있다. 기준 전위는, 예를 들어 0V(접지 전위)로 고정이지만, 다소 변동되어도 된다.
용량 소자(11)의 용량값(캐패시턴스값) C(V)는, 전압 V의 증가에 수반하여 증가하는 전압 특성을 갖는다. 제1 실시 형태의 보호 회로(10)에 있어서의 용량값 C(V)는, 도 1의 곡선(11a)으로 나타낸 바와 같이, 전압 V의 증가와 함께 증가의 기울기가 증가한다. 이러한 용량 소자(11)로서, 예를 들어 PN 접합 다이오드, MOS 다이오드, 쇼트키 다이오드 등을 사용할 수 있다. PN 접합 다이오드의 용량값 C(V)는, 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
식(1)에 있어서, Cj는, PN 접합 다이오드에 포함되는 PN 접합의 접합 용량값이다.
한편, 용량 소자(12)는, 고정의 용량값 Cc를 갖는다. 용량값 Cc는, 전압 V가 전압 V1에 도달할 때까지는 용량값 C(V)보다 크다. 또한, 용량 소자(12)는 회로 소자(20)보다 큰 내압 특성(전압에 대한 내성)을 구비하고 있다. 용량 소자(12)로서, 예를 들어 세라믹제 용량 소자 등을 사용할 수 있다.
용량 소자(11)와 용량 소자(12)의 합성 용량값 Cz는, 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
도 1의 곡선(13a)과 같이 합성 용량값 Cz는, 전압 V의 감소에 수반하여 용량값 C(V)에 수렴되어 가고, 전압 V의 증대에 수반하여, 직선(12a)으로 표현되는 용량값 Cc에 수렴되어 가는 전압 특성을 나타낸다. 바꾸어 말하면, 합성 용량값 Cz의 최솟값은, 용량값 C(V)의 최솟값과 일치하고, 합성 용량값 Cz의 최댓값은, 용량값 Cc와 일치한다.
또한, 도 1의 역치 전압 Vth는, 합성 용량값 Cz의 곡선(13a)의 전압 특성이 용량값 Cc에 수렴되는 특성으로 변화되는 변곡점(14a)에 있어서의 접선(14b)이, 횡축에 교차된 시점의 전압값을 나타내고 있다.
합성 용량값 Cz는, 역치 전압 Vth를 초과할 때까지는, 용량값 Cc보다 충분히 작아져, 역치 전압 Vth를 초과하면, 용량값 C(V)가 커질수록 근사적으로 용량값 Cc에 일치하게 된다.
예를 들어, 이러한 역치 전압 Vth가, 회로 소자(20)에 있어서 허용되는 전압 V의 상한값에 대응하도록, 용량값 Cc와 용량 소자(11)의 특성(예를 들어, 접합 용량값 Cj)이 결정된다. 이하에서는 역치 전압 Vth와 회로 소자(20)에 있어서 허용되는 전압 V의 상한값이 일치하는 것으로서 설명하지만, 반드시 일치하지는 않아도 되며, 예를 들어 변곡점(14a)에 있어서의 전압값이 상한값으로 되도록 해도 된다.
이러한 보호 회로(10)에 있어서, 전압 V가 역치 전압 Vth보다 작을 때에는, 합성 용량값 Cz는, 용량값 Cc보다 충분히 작아져, 거의 용량값 C(V)로 된다. 즉, 용량 소자(11)가 지배적이 되어, 전압 V의 대부분이 용량 소자(11)에 인가된다. 그리고 전압 V에 따른 전압이 회로 소자(20)에 인가되어, 회로 소자(20)가 동작한다.
한편, 전압 V가 역치 전압 Vth보다 커지는 경우, 합성 용량값 Cz가 증가하여 용량값 Cc에 가까워진다. 이때, 용량 소자(12)의 충전은 좀처럼 완료되지 않고, 전하가 용량 소자(12)로 계속 흐른다. 그 때문에, 회로 소자(20)에 인가되는 전압 V가 증가하지 않고, 회로 소자(20)는 과전압으로부터 보호된다.
또한, 과전압 인가 시에 전하가 유입되는 소자인 용량 소자(12)의 저항 성분은, 제너 다이오드 등에 비해 충분히 작기 때문에(거의 무시할 수 있기 때문에), 전력 손실을 억제할 수 있다. 또한, 저항 성분에 의한 전압 강하도 무시할 수 있기 때문에, 회로 소자(20)에 인가되는 전압 V의 상승도 억제할 수 있다.
또한, PN 접합 다이오드와 같은 용량 소자(11)만을 설치한 경우, 흘릴 수 있는 전류의 상한이 있기 때문에 인가할 수 있는 전압의 상한도 과전압보다 작은 경우가 있다. 제1 실시 형태의 보호 회로(10)에서는, 상기한 바와 같은 용량 소자(12)를 설치함으로써, 전압 V가 과전압이 되면, 용량 소자(12)가 지배적이 되어, 전압 V의 대부분이 용량 소자(12)에 인가되어, 용량 소자(11)는 파괴되지 않는다.
또한, 전압 V의 증가에 수반하여 용량값 C(V)의 증가의 기울기가 증가하는 용량 소자(11)를 사용함으로써 전압 V가 과전압(예를 들어, 역치 전압 Vth)보다 작을 때에는, 합성 용량값 Cz를 용량값 Cc보다 충분히 작게 할 수 있다. 그 때문에, 충전이 비교적 빠르게 완료되어, 회로 소자(20)에 전압 V가 공급되기 때문에, 회로 소자(20)의 동작 개시가 지연되는 것이 억제된다.
또한, 상기한 설명에서는, PN 접합 다이오드의 용량값 C(V)를 식(1)과 같이 나타냈지만, 이하의 식(3)과 같이 나타낼 수도 있다.
Figure pat00003
식(3)에 있어서, φ0은, 제로 전압 접합 전위(바이어스 전압을 가하지 않을 때의 접합 전위)이고, m은 계수이다.
또한, 용량 소자(11)로서, MOS 다이오드를 사용할 수도 있다. 그 경우, 용량값 C(V)는, 이하의 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
식(4)에 있어서, ub는 벌크 반도체(MOS 다이오드의 기판 부분)의 기준 전위, vs는 표면 전위, S는 MOS 다이오드의 소자 면적, εs는 벌크 반도체의 유전율, ε0은 진공의 유전율이다. 또한, 식(4)에 있어서, nb는 벌크 반도체에 존재하는 n형 캐리어의 수, pb는 벌크 반도체에 존재하는 p형 캐리어의 수, kB는 볼츠만 상수, T는 절대 온도이다. 또한, 벌크 반도체가 n형인 경우에는, nb는, ND(n형 불순물의 도핑 농도)에 근사시킬 수 있고, ND＞＞pb이므로 pb는 무시할 수 있다.
또한, n형 기판을 사용한 MOS 다이오드의 용량값 C(V)는, 이하의 식(5)로 나타낼 수도 있다.
Figure pat00005
식(5)에 있어서, W는 MOS 다이오드의 소자 폭, q는 소전하량, VTH는 전하 생성 개시 전압, n은 계수이다.
또한, MOS 다이오드에 있어서, 매우 강한 반전층이 형성된 경우, 용량값 C(V)는 이하의 식(6)으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
식(6)에 있어서, CB는 제로 전압 불변 용량이다.
또한, 도 1의 용량 소자(11)와 용량 소자(12)는 서로 바꾸어도 된다. 즉, 용량 소자(12)의 일단부를 단자(20a)에 접속하고, 용량 소자(12)의 타단부를 용량 소자(11)의 일단부에 접속하고, 용량 소자(11)의 타단부를 GND 단자(10a)에 접속하도록 해도 된다. 이 점은, 이하에 나타내는 다른 실시 형태에서도 마찬가지이다.
또한, 상기한 바와 같은 보호 회로(10)를, 게이트측 대신에 드레인측에 접속하도록 해도 된다. 예를 들어, 용량 소자(11, 12)에 의한 직렬 회로를, FET(21)의 드레인 단자와 GND 단자(10a) 사이에 접속하도록 해도 된다. 또한, 게이트측과 드레인측의 양쪽에 보호 회로(10)를 설치해도 된다. 이 점은, 이하에 나타내는 다른 실시 형태에서도 마찬가지이다.
(제2 실시 형태)
도 2는, 스위칭 소자를 과전압으로부터 보호하는 보호 회로를 포함하고, 스위칭 동작을 검증하기 위한 검증 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
검증 회로(30)는, 입력 신호원(31), 배선 인덕터(32), 게이트 저항(33), 비선형 용량 소자(34), 고정 용량 소자(35), ｎ채널형 FET(36), 부하 저항(37), 출력 단자(38), 직류 전원(39)을 갖는다. 비선형 용량 소자(34)는, 제1 실시 형태의 보호 회로(10)의 용량 소자(11)에 대응하고, 고정 용량 소자(35)는 제1 실시 형태의 보호 회로(10)의 용량 소자(12)에 대응하고 있다.
입력 신호원(31)은, 배선 인덕터(32), 게이트 저항(33)을 통해 FET(36)의 게이트 단자에 접속되어 있다. 또한, 비선형 용량 소자(34)와 고정 용량 소자(35)는, FET(36)의 게이트 단자와 기준 전위인 GND 단자 사이에 직렬로 접속되어 있다. FET(36)의 드레인 단자에는 출력 단자(38)와 부하 저항(37)의 일단부가 접속되어 있고, 부하 저항(37)의 타단부에는, 직류 전원(39)이 접속되어 있다. FET(36)의 소스 단자는 GND 단자에 접속되어 있다.
상기한 바와 같은 검증 회로(30)에 대한 시뮬레이션 결과의 예를 이하에 나타낸다.
또한, 시뮬레이션 조건으로서, 예를 들어 이하의 조건이 사용된다.
입력 신호원(31)은, 주기가 1마이크로초, 듀티비가 50％이고, 0V 내지 10V의 범위에서 변화되는 직사각형 전압 파형인 입력 전압을 출력한다. 배선 인덕터(32)의 인덕턴스 값으로서 30nH, 게이트 저항(33)의 저항값으로서 1Ω이 사용된다. 부하 저항(37)의 저항값으로서 25Ω이 사용된다. 직류 전원(39)은 400V의 직류 전압을 출력한다.
비선형 용량 소자(34)로서, 도 1에 나타낸 역치 전압 Vth를 조정하기 위해, 예를 들어 PN 접합 다이오드를 복수 직렬로 접속한 것이 사용된다. 이하에서는, 역치 전압 Vth를 약 5V로 조정하는 것으로 한다. 또한, 하나의 PN 접합 다이오드당 용량값의 전압 의존성은, 식(1)과 같이 되고, 접합 용량값 Cj는 100pF 정도로 한다.
고정 용량 소자(35)로서, 예를 들어 내압 1㎸, 1μF의 세라믹스제 용량 소자가 사용된다. 또한, 이러한 내압 및 용량값을 실현할 수 있는 용량 소자라면, 세라믹스제 용량 소자에 한정되지 않는다.
FET(36)는, 예를 들어 GaN 트랜지스터이다.
FET(36)의 드레인 전류 IDS를 나타내는 식으로서, 이하의 식(7)이 사용된다.
Figure pat00007
식(7)에 있어서, Kp는, 상호 컨덕턴스 파라미터이며, 4000A/V2로 한다. W는 채널 폭 스케일링 계수이며, 1.0으로 한다. L은 채널 길이 스케일링 계수이며, 1.0으로 한다. LD는 드레인 영역 또는 소스 영역의 확장 영역의 길이이며, 0.0으로 한다. VGS는, 게이트-소스간 전압이고, VDS는, 드레인-소스간 전압이다. λ은, 채널 길이 변조 파라미터이며, 0.0으로 한다. VT0은, 역치 전압이며, 2.1V로 한다. γ는 보디 효과를 부여하는 계수이며 0V1/2로 한다. φp는, 표면 반전 포텐셜이며, 0.6V로 한다. VBS는, 기판 바이어스 전압이다.
게이트-소스간 용량 CGS, 게이트-드레인간 용량 CGD를 나타내는 식으로서, 사용 영역(VGS의 크기)에 따라 이하의 식(8)이 사용된다.
Figure pat00008
식(8)에 있어서, Von은, FET(36)의 온 전압이다. CGS0은, 제로 바이어스 게이트-소스간 용량이며, 0.0F로 한다. CGD0은, 제로 바이어스 게이트-드레인간 용량이며, 0.0F로 한다. COX는, 단위 면적당 산화막의 용량값이며, 3nF로 한다.
FET(36)를 나타내는 파라미터로서, 그 밖에 다양한 파라미터가 있지만 설명을 생략한다.
도 3은, 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 도 3에서는, 상기한 바와 같은 조건에서 시뮬레이션을 실시하였을 때의 시뮬레이션 결과의 예가 나타나 있다.
도 3에서는, 위로부터 입력 신호원(31)이 생성하는 입력 전압 파형, FET(36)의 게이트 단자에 있어서의 게이트 전압 파형, 출력 단자(38)에 있어서의 출력 전압 파형, 입력 전력 파형이 나타나 있다. 횡축은 시간을 나타내고, 종축은, 입력 전압 파형, 게이트 전압 파형, 출력 전압 파형을 나타내는 그래프에서는 전압을 나타내고, 입력 전력 파형을 나타내는 그래프에서는 전력을 나타낸다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 게이트 전압 파형은, 파형이 상승하고 나서 일정 값으로 안정된다. 그 일정 값은 약 5V이며, 입력 전압 파형의 최댓값인 10V보다 약 5V 저감되어 있다. 또한, 출력 전압 파형은, 약 400V와 0V 사이에서 천이하고, FET(36)가 정확하게 스위칭 동작을 행하고 있는 것을 알 수 있다. 입력 전력 파형은, 입력 신호원(31)으로부터 FET(36)의 게이트 단자까지의 사이에 포함되는 소자에 의해 소비되는 전력을 나타낸다. 0μ초로부터 11μ초까지의 사이에 있어서의 입력 전력 파형의 평균값은, 0.19W로 되어 있다.
(비교예)
도 4는, 보호 회로로서 제너 다이오드를 사용한 예를 나타내는 도면이다. 도 4에 있어서, 도 2와 동일한 요소에 대해서는 동일 부호가 부여되어 있다.
도 4의 검증 회로(40)에서는, 도 2에 나타낸 비선형 용량 소자(34)와, 고정 용량 소자(35) 대신에 FET(36)의 게이트 단자와 GND 단자 사이에 접속된 제너 다이오드(41)가 설치되어 있다. 제너 다이오드(41)의 애노드는, GND 단자에 접속되고, 캐소드는, 게이트 단자에 접속되어 있다.
상기한 바와 같은 검증 회로(40)에 대한 시뮬레이션 결과의 예를 이하에 나타낸다.
또한, 제너 다이오드(41)의 제너 전압은, 4.7V로 한다. 그 밖의 시뮬레이션 조건은, 검증 회로(30)에 대한 시뮬레이션 조건과 동일하다.
도 5는, 제너 다이오드를 사용한 검증 회로에 대한 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5에서는, 위로부터 입력 신호원(31)이 생성하는 입력 전압 파형, FET(36)의 게이트 단자에 있어서의 게이트 전압 파형, 출력 단자(38)에 있어서의 출력 전압 파형, 입력 전력 파형이 나타나 있다. 횡축은 시간을 나타내고, 종축은, 입력 전압 파형, 게이트 전압 파형, 출력 전압 파형을 나타내는 그래프에서는 전압을 나타내고, 입력 전력 파형을 나타내는 그래프에서는 전력을 나타낸다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 게이트 전압 파형의 최댓값은 약 5V이며, 입력 전압 파형의 최댓값인 10V보다 약 5V 저감되어 있다. 그러나, 0μ초로부터 11μ초까지의 사이에 있어서의 입력 전력 파형의 평균값은, 8.39W로 되어 있다.
상기한 시뮬레이션 결과로부터, 보호 회로로서 비선형 용량 소자(34)와 고정 용량 소자(35)를 직렬로 접속한 회로를 사용함으로써, 상기한 바와 같이 보호 회로로서 제너 다이오드를 사용한 경우에 비해, 소비 전력(전력 손실)이 약 1/44배로 저감되는 것을 알 수 있다.
이하, 상기한 바와 같은 비선형 용량 소자와 고정 용량 소자를 직렬로 접속한 보호 회로를, 스위칭 전원 장치에 적용하는 예를 설명한다.
(제3 실시 형태)
도 6은, 제3 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
스위칭 전원 장치(50)는, 교류 전원(60)으로부터 공급되는 교류 전압을, 직류 전압으로 변환하여 기기(61)에 공급하는 장치이며, 정류부(51), 1차측 스위칭부(52), 절연 변압부(53), 2차측 스위칭부(54), 비접촉 결합부(55)를 갖는다.
정류부(51)는, 교류 전압을 정류하고, 정류 신호를 출력한다.
1차측 스위칭부(52)는, 정류 신호를 스위칭 동작에 의해 펄스파의 교류 신호로 변환한다. 또한 1차측 스위칭부(52)는, 2차측 스위칭부(54)에서 생성되는 직류 전압을, 비접촉 결합부(55)를 통해 받는다. 그리고, 1차측 스위칭부(52)는, 그 직류 전압에 기초하여, 교류 신호의 파형(스위칭 파형)의 주기에 대한 스위치의 온 시간의 비율(듀티비)을 적절한 값으로 조정한다.
절연 변압부(53)는, 펄스파의 교류 신호를 변압한다.
2차측 스위칭부(54)는, 변압된 교류 신호를 동기 정류하여, 직류 전류, 직류 전압을 생성하여, 기기(61)에 공급한다.
비접촉 결합부(55)는, 직류 전압을 1차측 스위칭부(52)에 피드백한다.
도 7은, 1차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다.
1차측 스위칭부(52)는, 전압 분압기(70), 정류기(71), 제어 IC(Integrated Circuit)(72), 전류 검출기(73), 게이트 저항(74), FET(75), 비선형 용량 소자(76), 고정 용량 소자(77)를 갖는다.
전압 분압기(70)는, 정류부(51)가 출력하는 정류 신호를 분압하여, 제어 IC(72)의 전원 전압을 생성한다.
정류기(71)는, 변압된 펄스파의 교류 신호의 일부를 정류하여, 제어 IC(72)의 전원 전압을 생성한다.
제어 IC(72)는, 전원 전압이 동작 가능한 전압에 도달하면, 스위칭 소자인 FET(75)의 온·오프의 타이밍을 제어하는 제어 신호(게이트 전압)를 출력한다. 제어 IC(72)는, 예를 들어 Si-MOSFET용에 이용되고 있는, 게이트 구동용의, 0V 내지 10V의 범위에서 변화되는 구형파인 제어 신호를 출력한다.
또한, 제어 IC(72)는, 2차측 스위칭부(54)에서 생성되는 직류 전압을, 비접촉 결합부(55)를 통해 받는다. 그리고, 1차측 스위칭부(52)는, 그 직류 전압에 기초하여, 스위칭 파형의 주기에 대한 FET(75)의 온 시간의 비율을 적절한 값으로 조정한다. 또한, 제어 IC(72)는, 전류 검출기(73)가 검출한 전류가 이상값일 때에는, 예를 들어 스위칭 동작을 정지한다.
전류 검출기(73)는, FET(75)의 소스 단자에 흐르는 전류의 값을 검출하여, 검출한 전류의 값을 제어 IC(72)에 통지한다.
게이트 저항(74)은, FET(75)의 게이트 단자에 접속되어 있는 저항이다.
FET(75)는, 스위칭 동작에 의해 펄스 형상의 교류 신호를 출력한다. FET(75)는, 예를 들어 내압이 650V, 권장 게이트 입력 최대 전압이 6V, 역치 전압이 2V 정도인 노멀리 오프형 GaN 트랜지스터이다. FET(75)의 드레인 단자는, 절연 변압부(53)에 접속되어 있고, FET(75)의 소스 단자는, 전류 검출기(73)에 접속되어 있다. 또한, FET(75)는, GaN 트랜지스터에 한정되지 않고, Si-MOSFET나, GaAs(갈륨 비소)를 사용한 FET 등이어도 된다.
비선형 용량 소자(76)는, 도 2에 나타낸 비선형 용량 소자(34)에 대응하고 있다. 비선형 용량 소자(76)로서, 예를 들어 10pF 내지 10000pF의 접합 용량값 Cj를 갖는 PN 접합 다이오드를 5개 병렬로 한 회로가 사용된다. 비선형 용량 소자(76)로서 MOS 다이오드 등을 사용할 수도 있다. 비선형 용량 소자(76)의 일단부는, 제어 IC(72)의 출력 단자에 접속되어 있음과 함께, 게이트 저항(74)을 통해 FET(75)의 게이트 단자에 접속되어 있다. 비선형 용량 소자(76)의 타단부는, 고정 용량 소자(77)의 일단부에 접속되어 있다.
고정 용량 소자(77)는, 도 2에 나타낸 고정 용량 소자(35)에 대응하고 있다. 고정 용량 소자(77)는, 예를 들어 250V 정도의 내압 특성을 갖고, 1μF 정도의 용량값을 갖는 세라믹스제의 용량 소자 등이다. 고정 용량 소자(77)의 타단부는 GND 단자에 접속되어 있다.
비선형 용량 소자(76)의 용량값과 고정 용량 소자(77)의 용량값을, C(V), Cc로 한다. 이때, 예를 들어 도 1에 나타낸 역치 전압 Vth가, FET(75)의 권장 게이트 입력 최대 전압(게이트부의 내압에 상당함)에 대응하도록, 병렬 접속하는 PN 접합 다이오드의 수나 접합 용량값 Cj, 용량값 Cc가 설정된다.
이러한 1차측 스위칭부(52)에서는, 제어 IC(72)가 출력하는 제어 신호의 전압이, FET(75)의 권장 게이트 입력 최대 전압보다 커질 가능성이 있다. 그러나, 비선형 용량 소자(76)와 고정 용량 소자(77)가 설치되어 있음으로써, 제어 신호의 전압이 역치 전압 Vth를 초과하면, 고정 용량 소자(77)에 대해 전하가 계속 흘러, FET(75)의 게이트 전압이 과전압으로 되는 것이 억제된다. 또한, 고정 용량 소자(77)에는 저항 성분이 적기 때문에, 전력 손실을 억제할 수 있다.
또한, 제어 IC(72)로서, 전력 제어용의 Si-MOSFET용에 이용되고 있는 것을 사용할 수 있으므로, 게이트부의 내압이 전력 제어용의 Si-MOSFET와 비교하여 작은 FET용으로 새롭게 제어 IC를 개발하지 않아도 되게 된다.
(제4 실시 형태)
도 8은, 제4 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 1차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다. 도 8에 있어서, 도 7에 나타낸 1차측 스위칭부(52)와 마찬가지의 요소에 대해서는 동일 부호가 부여되어 있다.
1차측 스위칭부(52a)는, 도 7에 나타낸 1차측 스위칭부(52)의 FET(75) 대신에 캐스코드 접속된 2개의 FET(75a, 75b)가 사용되고 있다.
FET(75a)로서, 예를 들어 역치 전압이 -10V 정도이고, 내압이 약 650V, 온 저항이 150mΩ 내지 250mΩ 정도인 노멀리 온형의 GaN 트랜지스터가 사용된다. FET(75a)의 드레인은, 절연 변압부(53)에 접속되어 있고, FET(75a)의 소스는, FET(75b)의 드레인에 접속되어 있다. FET(75a)의 게이트는 FET(75b)의 소스 및 전류 검출기(73)에 접속되어 있다.
FET(75b)는, 노멀리 오프를 실현하기 위해, FET(75a)에 대해 캐스코드 접속되어 있다. 예를 들어, GaN 트랜지스터인 FET(75a)의 고속성을 살리기 위해, FET(75b)로서, 예를 들어 게이트 길이를 통상의 650V 내압의 트랜지스터와 비교하여 짧게 하여 입력 용량을 작게 한 짧은 게이트 길이 Si-MOS 트랜지스터가 사용된다. 예를 들어, 100V 정도의 내압, 수 mΩ 정도의 온 저항을 갖는 짧은 게이트 길이 Si-MOS 트랜지스터가 사용된다.
1차측 스위칭부(52a)에서는, 이러한 짧은 게이트 길이의 FET(75b)의 게이트 단자에, 제어 IC(72)가 출력하는 제어 신호가 공급된다. 예를 들어, 제어 IC(72)가 출력하는 0V 내지 10V의 범위에서 변화되는 구형파인 제어 신호가 그대로 게이트 단자에 공급되는 경우, 게이트부가 파괴될 가능성이 있다. 그러나, 도 8에 나타낸 바와 같은 1차측 스위칭부(52a)에서는, 제어 신호의 전압이 역치 전압 Vth를 초과하면, 고정 용량 소자(77)에 대해 전하가 계속 흘러, FET(75b)의 게이트 전압이 과전압으로 되는 것이 억제되어, 게이트부가 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 고정 용량 소자(77)에는 저항 성분이 적기 때문에, 전력 손실을 억제할 수 있다.
(제5 실시 형태)
도 9는, 제5 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 1차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다. 도 9에 있어서, 도 7에 나타낸 1차측 스위칭부(52)와 마찬가지의 요소에 대해서는 동일 부호가 부여되어 있다.
1차측 스위칭부(52b)는, 비선형 용량 소자(76)와 고정 용량 소자(77)에 의한 직렬 회로에 병렬로 접속된 저항 소자(78)를 갖는다. 또한, 제어 IC(72)의 출력 단자에 고정 용량 소자(79)와 비선형 용량 소자(80)에 의한 직렬 회로가 접속되어 있고, 그 직렬 회로에 병렬로 저항 소자(81)가 접속되어 있다.
저항 소자(78)는, 예를 들어 1kΩ 내지 100kΩ의 저항값을 갖는다.
고정 용량 소자(79)는, 예를 들어 10pF 내지 10000pF 정도의 용량값을 갖는다.
비선형 용량 소자(80)는, 예를 들어 온 전압이 0.7V 내지 1.0V이고, 역방향 내압이 10V 이상이고, 접합 용량값 Cj가 10pF 내지 10000pF 정도인 PN 접합 다이오드 또는 쇼트키 다이오드 등이다.
저항 소자(81)는, 예를 들어 1kΩ 내지 100kΩ의 저항값을 갖는다.
이와 같이, 1차측 스위칭부(52b)는, 비선형 용량 소자(76)와 고정 용량 소자(77)에 의한 직렬 회로와, 그 직렬 회로에 병렬로 접속된 저항 소자(78)를 갖는 병렬 회로를 갖는다. 또한, 1차측 스위칭부(52b)는, 비선형 용량 소자(80)와 고정 용량 소자(79)에 의한 직렬 회로와, 그 직렬 회로에 병렬로 접속된 저항 소자(81)를 갖는 병렬 회로를 갖는다. 그리고, 이들 2개의 병렬 회로는 직렬로 접속되어 있다.
이러한 구성에 의해, 저항 소자(78, 81)의 저항값과, 고정 용량 소자(79)의 용량값, 비선형 용량 소자(80)의 접합 용량값 Cj의 선택을 변경함으로써, FET(75)의 게이트 전압의 과도 응답의 시상수를 변경할 수 있다.
예를 들어, FET(75)로서, 역치 전압이 작은 트랜지스터(예를 들어, 역치 전압이 2V 정도인 노멀리 오프형 GaN 트랜지스터)를 사용하는 경우, 노이즈 등의 영향에 의해 FET(75)를 스위치 오프 상태로 제어하였음에도 불구하고, 온 상태로 될 가능성이 있다. 그래서, 상기한 시상수를 변경함으로써, 스위치 오프 시에 게이트 전압이 0V 이하로 언더슈트되도록 제어할 수 있어, FET(75)를 확실하게 오프시킬 수 있다.
도 10은, 제어 IC가 출력하는 제어 신호와 FET의 게이트 전압 파형의 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 전압을 나타낸다.
도 10에는, 제어 IC(72)가 출력하는 0V 내지 10V의 범위에서 변화되는 구형파인 제어 신호(85)와, 비선형 용량 소자(80)의 접합 용량값 Cj를 1pF, 210pF, 600pF로 하였을 때의 게이트 전압 파형(86, 87, 88)의 예가 나타나 있다.
도 10에 나타낸 바와 같이 비선형 용량 소자(80)의 접합 용량값 Cj의 변화에 따라, 언더슈트의 크기와 오버슈트의 크기를 변경할 수 있다. 도 10의 예에서는, 접합 용량값 Cj를 600pF로 하였을 때의 게이트 전압 파형(88)이, 가장 큰 언더슈트를 나타낸다.
이상과 같은 1차측 스위칭부(52b)에 의하면, 제3 실시 형태의 1차측 스위칭부(52)와 마찬가지의 효과가 얻어짐과 함께, FET(75)의 게이트 전압의 과도 응답의 시상수를 조정할 수 있다. 이 때문에, 도 10에 나타낸 바와 같은 언더슈트를 실현할 수 있어, 역치 전압이 작은 FET(75)를 사용한 경우라도, 외부로부터의 노이즈에 의한 오동작의 발생을 억제할 수 있다.
(제6 실시 형태)
도 11은, 제6 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 1차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다. 도 11에 있어서, 도 8, 도 9에 나타낸 1차측 스위칭부(52a, 52b)와 마찬가지의 요소에 대해서는 동일 부호가 부여되어 있다.
1차측 스위칭부(52c)는, 도 8, 도 9에 나타낸 1차측 스위칭부(52a, 52b)를 조합한 것이다.
전술한 바와 같이, FET(75b)로서, 예를 들어 짧은 게이트 길이의 FET가 사용된 경우, 단채널 효과에 의해 FET(75b)의 역치 전압이 작아진다. 이 때문에, 역치 전압이 작은 노멀리 오프형 GaN 트랜지스터와 마찬가지로, FET(75b)는, 외부로부터의 노이즈에 의해 온되기 쉽게 되어 있다.
그래서, 도 10에 나타낸 바와 같은 언더슈트를 발생시키도록 시상수가 조정된, 비선형 용량 소자(80), 고정 용량 소자(79), 저항 소자(81)를 설치함으로써, 노이즈에 의한 FET(75b)의 오동작의 발생을 억제할 수 있다.
(제7 실시 형태)
그런데, 상기한 바와 같은 과전압 보호를 위한 비선형 용량 소자와 고정 용량 소자의 직렬 회로는, 2차측 스위칭부(54)에도 설치해도 된다. 또한, 비선형 용량 소자와 고정 용량 소자의 직렬 회로는, 2차측 스위칭부(54)에만 설치해도 된다.
도 12는, 제7 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 2차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다.
2차측 스위칭부(54a)는, 동기 정류를 행한다. 2차측 스위칭부(54a)는, 정류기(90, 91), 제어 IC(92), 전압 검출기(93), 게이트 저항(94), FET(95), 비선형 용량 소자(96), 고정 용량 소자(97)를 갖는다.
정류기(90)는, 변압된 교류 신호를 정류하여, 직류 전류, 직류 전압을 생성하여, 기기(61)에 공급한다.
정류기(91)는, 스위칭된 전류·전압 파형을 정류하여 직류 전류·직류 전압 파형으로 변환하여, 제어 IC(92)에 공급한다.
제어 IC(92)는, 전압 검출기(93)에서 검출되는 FET(95)의 드레인 전압을 받고, 드레인 전압에 기초하여, FET(95)를 적절한 타이밍에 온·오프하는 제어 신호를 출력한다. 제어 IC(92)는, 예를 들어 전력 제어용의 Si-MOSFET용에 이용되고 있는, 게이트 구동용의, 0V 내지 10V의 범위에서 변화되는 구형파인 제어 신호를 출력한다.
전압 검출기(93)는, FET(95)의 드레인 전압의 값을 검출하여, 검출한 드레인 전압의 값을 제어 IC(92)에 통지한다.
게이트 저항(94)은, FET(95)의 게이트 단자에 접속되어 있는 저항이다.
FET(95)는, 예를 들어 내압이 650V, 권장 게이트 입력 최대 전압이 6V, 역치 전압이 2V 정도인 노멀리 오프형 GaN 트랜지스터 등이다. FET(95)의 드레인 단자는, 절연 변압부(53)에 접속되어 있고, FET(95)의 소스 단자는, GND 단자에 접속되어 있다. 또한, FET(95)는, GaN 트랜지스터에 한정되지 않고, Si-MOSFET나, GaAs를 사용한 FET 등이어도 된다.
비선형 용량 소자(96)는, 도 2에 나타낸 비선형 용량 소자(34)에 대응하고 있다. 비선형 용량 소자(96)로서, 예를 들어 10pF 내지 10000pF의 접합 용량값 Cj를 갖는 PN 접합 다이오드를 5개 병렬로 한 회로 등이 사용된다. 비선형 용량 소자(96)로서 MOS 다이오드 등을 사용할 수도 있다. 비선형 용량 소자(96)의 일단부는, 제어 IC(92)의 출력 단자에 접속되어 있음과 함께, 게이트 저항(94)을 통해 FET(95)의 게이트 단자에 접속되어 있다. 비선형 용량 소자(96)의 타단부는, 고정 용량 소자(97)의 일단부에 접속되어 있다.
고정 용량 소자(97)는, 도 2에 나타낸 고정 용량 소자(35)에 대응하고 있다. 고정 용량 소자(97)는, 예를 들어 250V 정도의 내압 특성을 갖고, 1μF 정도의 용량값을 갖는 세라믹스제의 용량 소자이다. 고정 용량 소자(97)의 타단부는 GND 단자에 접속되어 있다.
비선형 용량 소자(96)의 용량값과 고정 용량 소자(97)의 용량값을, C(V), Cc로 한다. 이때, 예를 들어 도 1에 나타낸 역치 전압 Vth가, FET(95)의 권장 게이트 입력 최대 전압(게이트부의 내압에 상당함)으로 되도록 병렬 접속하는 PN 접합 다이오드의 수나 접합 용량값 Cj, 용량값 Cc가 설정된다.
이러한 2차측 스위칭부(54a)에서는, 제어 IC(92)가 출력하는 제어 신호의 전압이, FET(95)의 권장 게이트 입력 최대 전압보다 커질 가능성이 있다. 그러나, 비선형 용량 소자(96)와 고정 용량 소자(97)가 설치되어 있음으로써, 제어 신호의 전압이 역치 전압 Vth를 초과하면, 고정 용량 소자(97)에 대해 전하가 계속 흘러, FET(95)의 게이트 전압이 과전압으로 되는 것이 억제된다. 또한, 고정 용량 소자(97)에는 저항 성분이 적기 때문에, 전력 손실을 억제할 수 있다.
또한, 제어 IC(92)로서, 전력 제어용의 Si-MOSFET용에 이용되고 있는 것을 사용할 수 있으므로, 게이트부의 내압이 전력 제어용의 Si-MOSFET와 비교하여 작은 FET용으로 새롭게 제어 IC를 개발하지 않아도 되게 된다.
(제8 실시 형태)
도 13은, 제8 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 2차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다. 도 13에 있어서, 도 12에 나타낸 2차측 스위칭부(54a)와 마찬가지의 요소에 대해서는 동일 부호가 부여되어 있다.
2차측 스위칭부(54b)는, 도 12에 나타낸 2차측 스위칭부(54a)의 FET(95) 대신에 캐스코드 접속된 2개의 FET(95a, 95b)가 사용되고 있다.
FET(95a)로서, 예를 들어 역치 전압이 -10V 정도이고, 내압이 약 650V, 온 저항이 150mΩ 내지 250mΩ 정도인 노멀리 온형의 GaN 트랜지스터가 사용된다. FET(95a)의 드레인은, 절연 변압부(53)에 접속되어 있고, FET(95a)의 소스는, FET(95b)의 드레인에 접속되어 있다. FET(95a)의 게이트는 FET(95b)의 소스 및 GND 단자에 접속되어 있다.
FET(95b)는, 노멀리 오프를 실현하기 위해, FET(95a)에 대해 캐스코드 접속되어 있다. 예를 들어, GaN 트랜지스터인 FET(95a)의 고속성을 살리기 위해, FET(95b)로서, 예를 들어 게이트 길이를 통상의 650V 내압의 트랜지스터와 비교하여 짧게 하여 입력 용량을 작게 한 짧은 게이트 길이 Si-MOS 트랜지스터가 사용된다. 예를 들어, 100V 정도의 내압, 수 mΩ 정도의 온 저항을 갖는 짧은 게이트 길이 Si-MOS 트랜지스터가 사용된다.
2차측 스위칭부(54b)에서는, 이러한 짧은 게이트 길이의 FET(95b)의 게이트 단자에, 제어 IC(92)가 출력하는 제어 신호가 공급된다. 예를 들어, 제어 IC(92)가 출력하는 0V 내지 10V의 범위에서 변화되는 구형파인 제어 신호가 그대로 게이트 단자에 공급되는 경우, 게이트부가 파괴될 가능성이 있다. 그러나, 도 13에 나타낸 바와 같은 2차측 스위칭부(54b)에서는, 제어 신호의 전압이 역치 전압 Vth를 초과하면, 고정 용량 소자(97)에 대해 전하가 계속 흘러, FET(95b)의 게이트 전압이 과전압으로 되는 것이 억제되어, 게이트부가 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 고정 용량 소자(97)에는 저항 성분이 적기 때문에, 전력 손실을 억제할 수 있다.
(제9 실시 형태)
도 14는, 제9 실시 형태의 스위칭 전원 장치의 2차측 스위칭부의 일례를 나타내는 도면이다. 도 14에 있어서, 도 12에 나타낸 2차측 스위칭부(54a)와 마찬가지의 요소에 대해서는 동일 부호가 부여되어 있다.
2차측 스위칭부(54c)는, 비선형 용량 소자(96)와 고정 용량 소자(97)에 의한 직렬 회로에 병렬로 접속된 저항 소자(98)를 갖는다. 또한, 제어 IC(92)의 출력 단자에 고정 용량 소자(99)와 비선형 용량 소자(100)에 의한 직렬 회로가 접속되어 있고, 그 직렬 회로에 병렬로 저항 소자(101)가 접속되어 있다.
저항 소자(98)는, 예를 들어 1kΩ 내지 100kΩ의 저항값을 갖는다.
고정 용량 소자(99)는, 예를 들어 10pF 내지 10000pF 정도의 용량값을 갖는다.
비선형 용량 소자(100)는, 예를 들어 온 전압이 0.7V 내지 1.0V이고, 역방향 내압이 10V 이상이고, 접합 용량값 Cj가 10pF 내지 10000pF 정도인 PN 접합 다이오드 또는 쇼트키 다이오드 등이다.
저항 소자(101)는, 예를 들어 1kΩ 내지 100kΩ의 저항값을 갖는다.
이와 같이, 2차측 스위칭부(54c)는, 비선형 용량 소자(96)와 고정 용량 소자(97)에 의한 직렬 회로와, 그 직렬 회로에 병렬로 접속된 저항 소자(98)를 갖는 병렬 회로를 갖는다. 또한, 2차측 스위칭부(54c)는, 비선형 용량 소자(100)와 고정 용량 소자(99)에 의한 직렬 회로와, 그 직렬 회로에 병렬로 접속된 저항 소자(101)를 갖는 병렬 회로를 갖는다. 그리고, 이들 2개의 병렬 회로는 직렬로 접속되어 있다.
이러한 구성에 의해, 저항 소자(98, 101)의 저항값과, 고정 용량 소자(99)의 용량값, 비선형 용량 소자(100)의 접합 용량값 Cj의 선택을 변경함으로써, FET(95)의 게이트 전압의 과도 응답의 시상수를 변경할 수 있다.
예를 들어, FET(95)로서, 역치 전압이 작은 트랜지스터(예를 들어, 역치 전압이 2V 정도인 노멀리 오프형 GaN 트랜지스터)를 사용하는 경우, 노이즈 등의 영향에 의해, 스위치 오프 상태로 제어하였음에도 불구하고, 온 상태로 될 가능성이 있다. 그래서, 상기한 시상수를 변경함으로써, 스위치 오프 시에 게이트 전압이 0V 이하로 언더슈트되도록 제어할 수 있어, FET(95)를 확실하게 오프시킬 수 있다.
또한, 도 14의 2차측 스위칭부(54c)에 있어서도 FET(95) 대신에, 도 13에 나타낸 바와 같은 캐스코드 접속된 FET(95a, 95b)를 사용해도 된다.
(제10 실시 형태)
그런데, 상기한 바와 같은 과전압 보호를 위한 비선형 용량 소자와 고정 용량 소자의 직렬 회로는, 증폭기에 적용할 수도 있다.
도 15는, 제10 실시 형태의 증폭기의 일례를 나타내는 도면이다. 도 15에서는 4단 증폭기(110)의 일례가 나타나 있다.
4단 증폭기(110)는, 입력 단자(111)로부터 신호(예를 들어, 70㎓ 내지 90㎓의 고주파 신호)를 입력하고, 그 신호를 증폭기(112, 113, 114, 115)의 각 단에서 증폭하여, 출력 단자(116)로부터 출력한다. 또한, 증폭기(112 내지 115)의 각각의 소신호 S파라미터 특성은, 예를 들어 이하와 같은 것이다.
도 16은, 각 증폭기의 소신호 S파라미터 특성의 일례를 나타낸 도면이다. 횡축은 주파수[㎓]를 나타내고, 종축은 S파라미터[dB]를 나타낸다. 파형(130)은, S파라미터 S11의 주파수 특성을 나타내고, 파형(131)은 S파라미터 S12의 주파수 특성을 나타내고, 파형(132)은 S파라미터 S21의 주파수 특성을 나타내고, 파형(133)은 S파라미터 S22의 주파수 특성을 나타낸다.
도 15의 4단 증폭기(110)에 있어서, 예를 들어 증폭기(113)는, 입력 정합 회로(120), 바이어스 회로(121), 입력 정합 회로(122), FET(123), 출력 정합 회로(124), 바이어스 회로(125)를 갖는다.
입력 정합 회로(120)는, 증폭기(112)의 출력 임피던스와 증폭기(113)의 입력 임피던스의 정합을 행하는 회로이며, 용량 소자(120a), 인덕터 소자(120b, 120c, 120d)를 갖는다. 용량 소자(120a)의 일단부는, 전단의 증폭기(112)의 출력 신호가 일단부에 공급되고, 용량 소자(120a)의 타단부는, 인덕터 소자(120b)의 일단부에 접속되어 있다. 인덕터 소자(120b)의 타단부는, 인덕터 소자(120c, 120d)의 일단부에 접속되어 있다. 인덕터 소자(120c)의 타단부는, 바이어스 회로(121) 및 입력 정합 회로(122)에 접속되어 있다.
바이어스 회로(121)는, FET(123)의 게이트 단자에 공급하는 바이어스 전압을 생성하는 회로이며, 용량 소자(121a, 121b), 저항 소자(121c), 인덕터 소자(121d)를 갖는다. 용량 소자(121a)와 저항 소자(121c)의 일단부에는, 전압 Vgg가 공급되고, 용량 소자(121a)의 타단부는 GND 단자에 접속되어 있다. 저항 소자(121c)의 타단부는 용량 소자(121b)와 인덕터 소자(121d)의 일단부에 접속되어 있다. 용량 소자(121b)의 타단부는 GND 단자에 접속되어 있다. 인덕터 소자(121d)의 타단부는, 입력 정합 회로(120)의 인덕터 소자(120c)의 타단부에 접속되어 있다.
입력 정합 회로(122)는, 증폭기(112)의 출력 임피던스와 증폭기(113)의 입력 임피던스의 정합을 행하는 회로이며, 인덕터 소자(122a), 비선형 용량 소자(122b), 고정 용량 소자(122c)를 갖는다. 인덕터 소자(122a)의 일단부는, 인덕터 소자(120c, 121d)의 타단부에 접속되어 있다. 인덕터 소자(122a)의 타단부는, FET(123)의 게이트 단자 및 비선형 용량 소자(122b)의 일단부에 접속되어 있다. 비선형 용량 소자(122b)의 타단부는 고정 용량 소자(122c)의 일단부에 접속되어 있다. 고정 용량 소자(122c)의 타단부는 GND 단자에 접속되어 있다.
FET(123)는, 게이트 단자에 공급되는 고주파 신호를 바이어스 전압에 기초하여 증폭하여 출력한다. FET(123)로서, 예를 들어 게이트 길이 0.13㎛이고, 게이트 폭 100㎛ 정도의, 비화 갈륨제의 고 전자이동도 트랜지스터(HEMT: High Electron Mobility Transistor) 등이 사용된다. FET(123)의 드레인 단자는, 출력 정합 회로(124)에 접속되고, FET(123)의 소스 단자는, GND 단자에 접속되어 있다.
출력 정합 회로(124)는, 증폭기(114)의 입력 임피던스와 증폭기(113)의 출력 임피던스의 정합을 행하는 회로이며, 인덕터 소자(124a, 124b, 124c), 용량 소자(124d)를 갖는다. 인덕터 소자(124a)의 일단부는, FET(123)의 드레인 단자에 접속되고, 인덕터 소자(124a)의 타단부는, 인덕터 소자(124b, 124c)의 일단부 및 바이어스 회로(125)에 접속되어 있다. 인덕터 소자(124b)의 타단부는, 용량 소자(124d)의 일단부에 접속되고, 용량 소자(124d)의 타단부는, 후단의 증폭기(114)에 접속된다.
바이어스 회로(125)는 FET(123)의 드레인 단자에 공급하는 바이어스 전압을 생성하는 회로이며, 용량 소자(125a), 인덕터 소자(125b)를 갖는다. 용량 소자(125a)와 인덕터 소자(125b)의 일단부에는, 전압 Vdd가 공급되고, 용량 소자(125a)의 타단부는 GND 단자에 접속되어 있다. 인덕터 소자(125b)의 타단부는, 출력 정합 회로(124)의 인덕터 소자(124a)의 타단부 및 인덕터 소자(124b, 124c)의 일단부에 접속되어 있다.
또한, 증폭기(112, 114, 115)도 증폭기(113)와 마찬가지의 회로 구성이다.
이러한 4단 증폭기(110)에 있어서, 비선형 용량 소자(122b)는, 도 2에 나타낸 비선형 용량 소자(34)에 대응하고 있다. 비선형 용량 소자(122b)는, 예를 들어 온 전압이 0.7V 내지 1V 정도이고, 접합 용량값 Cj가 1fF 내지 100fF 정도인 쇼트키 다이오드 등이다. 또한, 고정 용량 소자(122c)는, 도 2에 나타낸 고정 용량 소자(35)에 대응하고 있다. 고정 용량 소자(122c)는, 예를 들어 2V 정도의 내압 특성을 갖는 용량 소자 등이다.
비선형 용량 소자(122b)의 용량값과 고정 용량 소자(122c)의 용량값을, C(V), Cc로 한다. 이때, 예를 들어 도 1에 나타낸 역치 전압 Vth가, FET(123)의 권장 게이트 입력 최대 전압(게이트부의 내압에 상당함)으로 되도록 접합 용량값 Cj, 용량값 Cc가 설정된다.
이러한 4단 증폭기(110)에서는, 비선형 용량 소자(122b)와 고정 용량 소자(122c)가 설치되어 있음으로써, 입력 정합 회로(122)의 입력 전압이 역치 전압 Vth를 초과하면, 고정 용량 소자(122c)에 대해 전하가 계속 흘러, FET(123)의 게이트 전압이 과전압으로 되는 것이 억제된다. 또한, 고정 용량 소자(122c)에는 저항 성분이 적기 때문에, 전력 손실을 억제할 수 있다.
이상, 실시 형태에 기초하여, 본 발명의 보호 회로, 증폭기 및 스위칭 전원 장치의 일 관점에 대해 설명해 왔지만, 이들은 일례에 불과하며, 상기한 기재에 한정되는 것은 아니다.
10 : 보호 회로
10a, 20a : 단자
11, 12 : 용량 소자
11a, 13a : 곡선
12a : 직선
14a : 변곡점
14b : 접선
20 : 회로 소자
21 : FET

Claims (6)

  1. 회로 소자의 제1 단자에 인가되는 제1 전압의 증가에 수반하여 제1 용량값이 증가하는 제1 용량 소자와,
    상기 제1 단자와 기준 전위인 제2 단자 사이에, 상기 제1 용량 소자와 직렬로 접속되고, 상기 제1 전압이 제1 값에 도달할 때까지는 상기 제1 용량값보다 큰 고정의 제2 용량값을 갖고, 상기 회로 소자보다 큰 내압 특성을 구비한 제2 용량 소자
    를 갖는 것을 특징으로 하는, 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 용량값은, 상기 제1 전압의 증가에 수반하여 증가의 기울기가 증가하고,
    상기 제1 용량 소자와 상기 제2 용량 소자의 합성 용량값은, 상기 제1 전압의 감소에 수반하여 상기 제1 용량값에 수렴되어 가고, 상기 제1 전압의 증가에 수반하여 상기 제2 용량값에 수렴되어 가는 전압 특성을 나타내는
    것을 특징으로 하는, 보호 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 합성 용량값의 상기 전압 특성이 상기 제2 용량값에 수렴되는 특성으로 변화되는 변곡점에 기초하여 결정되는 상기 제1 전압의 제2 값이, 상기 회로 소자에 있어서 허용되는 상기 제1 전압의 상한값에 대응하도록, 상기 제1 용량 소자의 특성 및 상기 제2 용량값이 결정되어 있는
    것을 특징으로 하는, 보호 회로.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 용량 소자와 상기 제2 용량 소자가 직렬로 접속된 제1 직렬 회로와, 상기 제1 직렬 회로에 병렬로 접속된 제1 저항 소자를 갖는 제1 병렬 회로와,
    상기 제1 전압에 따라서 제3 용량값이 변화되는 제3 용량 소자와, 고정의 제4 용량값을 갖는 제4 용량 소자가 직렬로 접속된 제2 직렬 회로와, 상기 제2 직렬 회로에 병렬로 접속된 제2 저항 소자를 갖고, 상기 제1 병렬 회로에 대해 직렬로 접속된 제2 병렬 회로
    를 갖는, 보호 회로.
  5. 게이트 단자에 공급되는 고주파 신호를 바이어스 전압에 기초하여 증폭시켜 출력하는 전계 효과 트랜지스터와,
    상기 게이트 단자에 인가되는 게이트 전압의 증가에 수반하여 제1 용량값이 증가하는 제1 용량 소자와, 상기 게이트 전압이 제1 값에 도달할 때까지는 상기 제1 용량값보다 큰 고정의 제2 용량값을 갖고, 상기 전계 효과 트랜지스터보다 큰 내압 특성을 구비한 제2 용량 소자가, 상기 게이트 단자와 기준 전위인 단자 사이에 직렬로 접속된 보호 회로
    를 갖는 것을 특징으로 하는, 증폭기.
  6. 스위칭 동작에 의해 펄스 형상의 교류 신호를 출력하는 전계 효과 트랜지스터와,
    상기 전계 효과 트랜지스터의 상기 스위칭 동작을 제어하는 게이트 전압을 출력하는 제어 회로와,
    상기 게이트 전압의 증가에 수반하여 제1 용량값이 증가하는 제1 용량 소자와, 상기 게이트 전압이 제1 값에 도달할 때까지는 상기 제1 용량값보다 큰 고정의 제2 용량값을 갖고, 상기 전계 효과 트랜지스터보다 큰 내압 특성을 구비한 제2 용량 소자가, 상기 전계 효과 트랜지스터의 게이트 단자와 기준 전위인 단자 사이에 직렬로 접속된 보호 회로
    를 갖는 것을 특징으로 하는, 스위칭 전원 장치.
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