WO2015015708A1 - 高周波受信回路及び絶縁型信号伝送装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a high-frequency receiving circuit used as a gate driving circuit or the like for driving a gate terminal of a semiconductor switching element, and an insulated signal transmission device.
- a gate drive circuit of a semiconductor switching element (hereinafter also simply referred to as “switching element”) is a circuit that drives the switching element.
- the gate drive circuit is a circuit that controls on / off of the semiconductor switching element by applying a gate voltage to the gate terminal of the semiconductor switching element.
- the high breakdown voltage switching element is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) which is a kind of power semiconductor device.
- IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
- a typical gate drive circuit is provided with a P-type transistor and an N-type transistor at the output section. A P-type transistor operates when the switching element is switched from OFF to ON, and an N-type transistor operates when the switching element is switched from ON to OFF. That is, when the switching element is turned off from on, the gate current of the switching element is drawn.
- Such a power semiconductor gate drive circuit has a very high reference voltage on the output side connected to the semiconductor switching element. For this reason, the DC component is insulated between the primary side to which the control signal to the gate drive circuit is input and the secondary side to which the drive signal to the switching element is output, that is, the signal ground is insulated. Need to be.
- An electronic circuit element that can realize insulation of a direct current component between the primary side and the secondary side of the gate drive circuit in this way is called a signal insulation element or a non-contact signal transmitter. These are indispensable elements for driving the switching elements.
- the electronic circuit element having such a signal insulation function separates the logic ground and the RF ground. In particular, in order to drive the power semiconductor switching element, a separate insulated power supply is required.
- the isolated power source causes an increase in circuit scale. Therefore, if the gate drive circuit can not only insulate the gate signal but also supply the insulated power to the gate of the switching element, an external insulation power supply is not required, and the gate drive circuit can be downsized.
- Patent Document 1 discloses a power transmission system using an open ring electromagnetic resonance coupler as a non-contact signal transmitter.
- the present disclosure provides a high-frequency receiving circuit and an insulated signal transmission device that can output a signal at high speed.
- a high-frequency receiving circuit is a high-frequency receiving circuit that detects an input signal whose carrier wave is modulated by a pulse signal, and includes an input terminal and an input reference terminal for receiving the input signal, and a detection An output terminal and an output reference terminal for outputting a later output signal, a first detection circuit for detecting the input signal and outputting the output signal to the output terminal and the output reference terminal, and a first terminal connected to the output terminal A normally-on transistor having a second terminal connected to the output reference terminal and a control terminal, and detecting the input signal and outputting a pulse signal of a negative voltage to the control terminal of the transistor with the output reference terminal as a reference And a second detection circuit.
- present disclosure can also be realized as an isolated signal transmission device including the high-frequency receiving circuit according to one aspect of the present disclosure.
- the high-frequency receiving circuit and the insulated signal transmission device according to the present disclosure can output signals at high speed.
- FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a high-frequency receiving circuit according to an embodiment.
- FIG. 2 is a diagram illustrating an operation example when the high-frequency receiving circuit according to the embodiment outputs an on-voltage.
- FIG. 3 is a diagram illustrating an operation example when the high-frequency receiving circuit according to the embodiment outputs an off-voltage.
- FIG. 4 is a diagram illustrating an example of time waveforms of the output voltage and the output current of the high-frequency receiving circuit according to the embodiment.
- FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a high-frequency signal receiving circuit for large input signals according to a modification of the embodiment.
- FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an insulated signal transmission apparatus according to the embodiment.
- FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration of a conventional power transmission device.
- FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of the power transmission device 300 in Patent Document 1.
- the power transmission device 300 includes a power transmission device 310 including a power source 311, a signal generation unit 312, and a first open ring resonator 313, and a power reception device including a second open ring resonator 321 and a rectifier circuit 322. 320.
- the power transmission device not only the power for maintaining the semiconductor switching element in the on state can be supplied to the semiconductor switching element, but also a mechanism for switching the semiconductor switching element from the on state to the off state at high speed is desired.
- the conventional power transmission device can supply a gate current to the semiconductor switching element, but cannot actively extract the charge accumulated in the gate of the semiconductor switching element. That is, the conventional power transmission device can actively switch the semiconductor switching element from the off state to the on state, but cannot actively switch the semiconductor switching element from the on state to the off state. Therefore, the semiconductor switching element cannot be lowered at high speed. This is because a non-contact signal transmitter such as an electromagnetic resonance coupler constituting the conventional power transmission device is an element that only passively transmits power.
- the semiconductor switching element can be changed to the OFF state at high speed.
- the present disclosure provides a high-frequency receiving circuit and an insulated signal transmission device that can output an output signal that has a short fall time as well as a rise time.
- a drive signal with a short rise time and fall time can be output to a semiconductor switching element to be driven.
- the high-frequency receiving circuit of the present disclosure can be applied to other than the gate driving circuit.
- a high-frequency receiving circuit is a high-frequency receiving circuit that detects an input signal whose carrier wave is modulated by a pulse signal, and an input terminal and an input reference terminal for receiving the input signal And an output terminal and an output reference terminal for outputting the output signal after detection, a first detection circuit for detecting the input signal and outputting the output signal to the output terminal and the output reference terminal, and connected to the output terminal
- a normally-on transistor having a first terminal, a second terminal connected to the output reference terminal, and a control terminal, and a pulse of a negative voltage at the control terminal of the transistor, based on the output reference terminal, detecting the input signal
- a second detection circuit for outputting a signal.
- the conduction / non-conduction of the transistor provided between the output terminal and the output reference terminal is switched according to the output from the second detection circuit.
- the output of a high frequency receiving circuit can be switched at high speed.
- the high-frequency receiving circuit when the high-frequency receiving circuit is connected to the semiconductor switching element, the charge accumulated in the semiconductor switching element can be extracted by short-circuiting the transistor. Further, an output voltage pulse output to the output terminal and a control voltage pulse output to the control terminal of the transistor are generated from one input signal.
- the high frequency receiving circuit can output an output signal. Therefore, the high-frequency receiving circuit controls the transistor so that the voltage pulse is output when the voltage pulse for output is generated, and the voltage pulse is not output when the voltage pulse for output is not generated. Allows you to control.
- the input signal is a signal including a first amplitude and a second amplitude larger than the first amplitude
- the second detection circuit By detecting the first amplitude, outputting a zero or negative first voltage value to the control terminal of the transistor with reference to the output reference terminal, and detecting the second amplitude of the input signal, A second voltage value smaller than the first voltage value is output to the control terminal of the transistor with respect to the output reference terminal, and the transistor is turned off when the second voltage value is input to the control terminal, It may be turned on when the first voltage value is input to the control terminal.
- the transistor is turned on / off by the first amplitude and the second amplitude included in the input signal.
- the first detection circuit may output a pulse signal having a positive voltage to the output terminal with respect to the output reference terminal as an output signal.
- the high-frequency receiving circuit may further include, for example, a diode connected between the control terminal of the transistor and the output reference terminal.
- the high-frequency receiving circuit may further include a resistor connected between the control terminal and the output reference terminal of the transistor.
- This resistor functions as a speed-up resistor between the transistor control terminal and the output reference terminal, so that the transistor is turned on at high speed.
- the first detection circuit includes a positive side coupling capacitor having one end connected to the input terminal, and a cathode connected to the other end of the positive side coupling capacitor.
- a positive diode with an anode connected to the reference terminal, a positive inductor with one end connected to the other end of the positive coupling capacitor, and a positive diode connected between the other end of the positive inductor and the output reference terminal A side smoothing capacitor may be included.
- the second detection circuit includes a negative coupling capacitor having one end connected to the input terminal, and an anode connected to the other end of the negative coupling capacitor, and an output A negative diode with the cathode connected to the reference terminal, a negative inductor with one end connected to the other end of the negative coupling capacitor, and a negative connected between the other end of the negative inductor and the output reference terminal A side smoothing capacitor may be included.
- the first detection circuit and the second detection circuit can perform detection by a simple demodulation circuit using a diode and an inductor.
- the threshold voltage of the positive diode is higher than the threshold voltage of the negative diode, or the on-resistance of the positive diode is lower than the on-resistance of the negative diode. Also good.
- the threshold voltage of the positive side diode is higher than the threshold voltage of the negative side diode, and therefore the second detection circuit can output a large negative voltage. Therefore, the transistor is reliably turned off.
- the first detection circuit can output a large positive voltage. Therefore, a high frequency receiving circuit that operates appropriately according to the magnitude of the input signal is realized.
- the positive-side diode and the negative-side diode do not have to be single elements.
- the positive-side diode may be a circuit element having a diode function composed of a plurality of elements.
- An isolated signal transmission device is an isolated signal transmission device that performs isolated transmission of an input signal, for example, and modulates an oscillator that generates a carrier wave and a carrier wave generated by the oscillator with a pulse signal.
- the isolated signal transmission device is provided with the high-frequency receiving circuit, the same effect as the high-frequency receiving circuit is achieved.
- the high-frequency receiving circuit can generate an output voltage pulse output to the output terminal and a control voltage pulse output to the transistor control terminal from one input signal. Therefore, the insulation type signal transmission device does not have to be provided with an insulation element for the output voltage pulse and an insulation element for the control voltage pulse separately, and the miniaturization is realized. .
- FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a high-frequency receiving circuit 100 according to the present embodiment.
- the high-frequency receiving circuit 100 is used for a gate driving circuit of a semiconductor switching element.
- the high frequency receiving circuit 100 is a circuit that detects an input signal.
- the high-frequency receiving circuit 100 includes an input terminal 101 and an input reference terminal 102 for receiving an input signal, an output terminal 103 and an output reference terminal 104 for outputting a pulse signal after detection, a positive-side detection circuit 106, a transistor 110, a negative-side detection circuit 108, a diode 150, and a resistor 160.
- the input signal is a signal obtained by modulating a carrier wave with a pulse signal.
- FIG. 1 also shows a modulated signal generation circuit 170 and an electromagnetic resonance coupler 180 which are circuits for generating an input signal and outputting it to the high-frequency receiving circuit 100.
- the modulated signal generation circuit 170 is a circuit that generates a modulated signal by modulating a high frequency carrier wave with a pulse signal.
- the electromagnetic resonance coupler 180 is a non-contact signal transmitter that insulates and transmits the modulated signal generated by the modulated signal generation circuit 170 by electromagnetic resonance.
- the electromagnetic resonance coupler 180 is composed of, for example, two open rings provided to face each other.
- the modulated signal output from the electromagnetic resonance coupler 180 is input to the high frequency receiving circuit 100 as an input signal.
- the input signal is, for example, a signal obtained by modulating the amplitude of a high frequency that is a carrier wave according to a pulse signal.
- the input signal has a first amplitude and a second amplitude that is greater than the first amplitude.
- the input signal may also have a waveform of a component having a voltage value of less than 0.
- the input signal shows, for example, a positive / negative symmetrical waveform with respect to 0V in its envelope.
- the first amplitude is zero and the second amplitude has a predetermined value greater than zero. That is, in the example shown in FIG. 1, the period of the second amplitude of the input signal is a period in which a waveform having a frequency comparable to the high frequency as the carrier wave and having an amplitude of 0 appears, and the first period Is a period in which the amplitude is zero.
- the period in which the input signal exhibits the second amplitude is referred to as “when a carrier wave appears in the input signal”, and the period in which the input signal exhibits the first amplitude is referred to as “input signal. May be referred to as “when no carrier wave appears”. Therefore, in the example shown in FIG. 1, the input signal is a signal expressed by the presence or absence of a carrier wave.
- input of a waveform having the second amplitude among the input signals is referred to as “carrier wave input”, and input of a waveform having the first amplitude among the input signals is referred to as “carrier wave”. May not be input ".
- the positive detection circuit 106 is a demodulation circuit that detects an input signal input between the input terminal 101 and the input reference terminal 102 and outputs a positive voltage pulse signal to the output terminal 103 with the output reference terminal 104 as a reference.
- the positive side detection circuit 106 has a positive side coupling capacitor 120 having one end connected to the input terminal 101, a cathode connected to the other end of the positive side coupling capacitor 120, and an anode connected to the output reference terminal 104.
- Positive side diode 121, positive side inductor 122 having one end connected to the other end of positive side coupling capacitor 120, and positive side smoothing capacitor connected between the other end of positive side inductor 122 and output reference terminal 104 123.
- the transistor 110 is a normally-on transistor having a first terminal connected to the output terminal 103, a second terminal connected to the output reference terminal 104, and a control terminal.
- the transistor may be an N-type FET.
- the first terminal may be a drain terminal
- the second terminal may be a source terminal
- the control terminal may be a gate terminal.
- the negative detection circuit 108 detects an input signal input between the input terminal 101 and the input reference terminal 102 and outputs a negative voltage pulse signal to the control terminal of the transistor 110 with the output reference terminal 104 as a reference. It is.
- the negative side detection circuit 108 includes a negative side coupling capacitor 130 having one end connected to the input terminal 101, and a negative side coupling capacitor 130 between the other end of the negative side coupling capacitor 130 and the output reference terminal 104.
- a negative-side diode 131 having an anode connected to the other end and a cathode connected to the output reference terminal 104, a negative-side inductor 132 having one end connected to the other end of the negative-side coupling capacitor 130, and a negative-side inductor 132 And a negative-side smoothing capacitor 133 connected between the other end of the output reference terminal 104 and the output reference terminal 104.
- the diode 150 is one or more series-connected diodes connected between the control terminal of the transistor 110 and the output reference terminal 104.
- the diode 150 is connected in a direction in which current flows from the output reference terminal 104 toward the control terminal of the transistor 110.
- the resistor 160 is a speed-up resistor connected between the control terminal of the transistor 110 and the output reference terminal 104.
- the negative detection circuit 108 outputs a pulse signal to the control terminal of the transistor 110.
- This pulse signal becomes a negative voltage when a carrier wave appears in the input signal, and becomes a reference voltage when a carrier wave does not appear in the input signal.
- the transistor 110 is turned off when a negative voltage is input from the negative detection circuit 108, and is turned on when a reference voltage is input from the negative detection circuit 108.
- the high frequency receiving circuit 100 outputs a positive voltage to the output terminal 103 with reference to the output reference terminal 104 when a carrier wave appears in the input signal, and outputs when a carrier wave does not appear in the input signal.
- the reference terminal 104 and the output terminal 103 are short-circuited, and a ground potential is output to the output terminal 103 with the output reference terminal 104 as a reference.
- the pulse signal output by the negative detection circuit 108 includes a first voltage value and a second voltage value.
- the first voltage value is output, for example, when the negative detection circuit 108 detects the first amplitude of the input signal.
- the second voltage value is output, for example, when the negative detection circuit 108 detects the second amplitude of the input signal.
- the pulse signal output from the negative-side detection circuit 108 has a first voltage value of 0 and a second negative voltage value indicating a predetermined negative value smaller than 0.
- the first voltage value may be a negative value
- the second voltage value may be a negative value smaller than the first voltage value.
- the first voltage value is larger than the threshold voltage of the transistor 110
- the second voltage value is smaller than the threshold voltage of the transistor 110.
- the modulated signal generation circuit 170 generates a modulated signal by intensity modulation (amplitude modulation) of the high frequency.
- the modulated signal is contactlessly transmitted by the electromagnetic resonance coupler 180.
- the high frequency receiving circuit 100 receives the modulated signal as an input signal, detects the input signal, and outputs an output signal as shown in FIG. 1 from the output terminal 103 using the output reference terminal 104 as a reference potential.
- the output signal has, for example, a gate drive waveform for a semiconductor switching element.
- the insulated signal transmission device including the modulated signal generation circuit 170, the electromagnetic resonance coupler 180, and the high frequency receiving circuit 100 performs non-contact power transmission, that is, insulation transmission, using the electromagnetic resonance coupler 180. Therefore, the transmission side and the reception side of the electromagnetic resonance coupler 180 are insulated. Insulation here means that the signal line on the transmission side and the signal line on the reception side are electrically insulated, and the ground on the transmission side and the ground on the reception side are electrically insulated. .
- the high frequency is a signal used as a carrier wave and is higher than the frequency of the original signal.
- the original signal is a pulse signal for modulating a carrier wave.
- the high frequency has a frequency of 100 MHz or more, for example.
- this isolated signal transmission device uses a high frequency as a carrier wave, the size of the electromagnetic resonance coupler 180 having the high frequency as a resonance frequency can be reduced. Furthermore, since the electromagnetic resonance coupler 180 can perform high-efficiency power transmission even at a long distance, a high withstand voltage according to the distance between the electromagnetic resonance couplers can be realized with a small loss.
- the high-frequency receiving circuit 100 includes an input terminal 101 that receives an input signal from the electromagnetic resonance coupler 180, an input reference terminal 102 that is connected to the ground of the electromagnetic resonance coupler 180, an output terminal 103 that outputs a signal, An output reference terminal 104 serving as a reference voltage for the output terminal 103 is provided.
- the signal output from the output terminal 103 is, for example, a gate signal supplied to the gate terminal of a semiconductor switching element such as a power device.
- the positive-side diode 121, the positive-side inductor 122, and the positive-side smoothing capacitor 123 constituting the positive-side detection circuit 106 rectify the input signal input from the input terminal 101, and the cathode of the positive-side diode 121 is based on its anode. As a result, a voltage having a positive polarity is generated.
- the negative side diode 131, the negative side inductor 132, and the negative side smoothing capacitor 133 constituting the negative side detection circuit 108 rectify the input signal input from the input terminal 101, and the anode of the negative side diode 131 is based on the cathode. As a result, a voltage having a negative polarity is generated.
- the input terminal 101 and the cathode of the positive-side diode 121 are connected via a positive-side coupling capacitor 120.
- the cathode of the positive side diode 121 and one end of the positive side inductor 122 are connected.
- the other end of the positive inductor 122, one end of the positive smoothing capacitor 123, and the output terminal 103 are connected.
- the other end of the positive smoothing capacitor 123 is connected to the anode of the positive diode 121 and the output reference terminal 104.
- the positive detection circuit 106 may have other configurations as long as it is a detection circuit that generates a positive voltage from the modulated signal.
- the input terminal 101 and the anode of the negative side diode 131 are connected via a negative side coupling capacitor 130.
- the anode of the negative side diode 131 and one end of the negative side inductor 132 are connected.
- the other end of the negative inductor 132 and one end of the negative smoothing capacitor 133 are connected.
- the other end of the negative smoothing capacitor 133 is connected to the cathode of the negative diode 131 and the output reference terminal 104.
- the input reference terminal 102 and the ground of the electromagnetic resonance coupler 180 are connected.
- the negative detection circuit 108 may have other configurations as long as it is a detection circuit that generates a negative voltage from the modulated signal.
- the output terminal 103 and the drain of the transistor 110 are connected, and the output reference terminal 104 and the source of the transistor 110 are connected.
- the gate of the transistor 110 is connected to a wiring or a connection point where one end of the negative inductor 132 and one end of the negative smoothing capacitor 133 are connected. Further, a speed-up resistor 160 and a diode 150 for adjusting the gate potential of the transistor 110 are inserted between the gate of the transistor 110 and the source of the transistor 110.
- the high-frequency receiving circuit 100 may not include such a speed-up resistor 160 and a gate potential adjusting diode 150.
- the transistor 110 is a normally-on transistor having a gate threshold voltage lower than 0V.
- the transistor 110 is a normally-on type GaN transistor, for example.
- the threshold value of the transistor 110 is ⁇ 2.5V. In this case, when the gate voltage is 0 V with respect to the source, the drain and the source are short-circuited, and when the gate voltage is ⁇ 3.0 V with respect to the source, the drain and the source are open.
- the transistor 110 is, for example, an N-channel transistor.
- the high-frequency receiving circuit 100 outputs a positive voltage or a voltage of 0 V between the output reference terminal 104 and the output terminal 103 depending on the presence or absence of a carrier wave included in the input signal input to the input terminal 101. That is, the high frequency receiving circuit 100 outputs a positive voltage when a carrier wave appears in the input signal, and outputs 0 V when a carrier wave does not appear in the input signal.
- the output terminal 103 and the output reference terminal 104 are equivalent to a state where they are connected with a low resistance of 1 ⁇ or less.
- the load connected to the high-frequency receiving circuit 100 is, for example, a power semiconductor switching element.
- the output terminal 103 is connected to the gate terminal of the power semiconductor switching element, and the output reference terminal 104 is connected to the source terminal of the power semiconductor switching element.
- the high frequency receiving circuit 100 can output a negative voltage or a voltage of 0 V by connecting the anode and cathode of the positive diode 121 opposite to each other. That is, the high-frequency receiving circuit 100 may include a first detection circuit that outputs an output signal and a second detection circuit that outputs a negative voltage pulse to the control terminal of the transistor.
- the first detection circuit may be a circuit that outputs a positive voltage, such as the positive-side detection circuit 106 shown in FIG. 1, or may be a circuit that outputs a negative voltage. That is, the output signal may be a positive voltage pulse or a negative voltage pulse.
- FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the voltage at each terminal of the high-frequency receiving circuit 100 when a carrier wave appears in the input signal input to the input terminal 101.
- the high frequency receiving circuit 100 shown in FIG. 2 outputs an ON voltage to the output terminal 103.
- the on-voltage is a gate voltage that turns on the power semiconductor switching element to be driven. That is, when a carrier wave is input to the input terminal 101, the positive detection circuit 106 outputs a positive voltage to the output terminal 103 with the input reference terminal 102 as a reference.
- a voltage of +5 V is supplied from one end of the positive inductor 122 to the output terminal 103.
- the negative detection circuit 108 outputs a negative voltage to the gate terminal of the transistor 110 with the input reference terminal 102 as a reference.
- a voltage of ⁇ 3 V is supplied to one end of the negative inductor 132 and the gate terminal of the transistor 110.
- a negative voltage is supplied to the gate terminal of the transistor 110 with the output reference terminal 104 as a reference.
- ⁇ 3 V is supplied to the gate terminal of the transistor 110.
- the gap between the output terminal 103 and the output reference terminal 104 is open, that is, a very high resistance state. Therefore, a positive voltage is output from the output terminal 103 with the output reference terminal 104 as a reference. In the example shown in FIG. 2, +5 V is output from the output terminal 103. This positive voltage turns on the power semiconductor switching element connected to the output terminal 103 and the output reference terminal 104, for example.
- FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the voltage at each terminal of the high-frequency receiving circuit 100 when a carrier wave does not appear in the input signal input to the input terminal 101.
- the high frequency receiving circuit 100 shown in FIG. 3 outputs an off voltage to the output terminal 103.
- the off voltage is a gate voltage that turns off a power semiconductor switching element to be driven.
- neither the positive side detection circuit 106 nor the negative side detection circuit 108 generates a voltage. Therefore, the voltage input to the gate terminal of the transistor 110 is 0 V, and the normally-on transistor 110 is turned on.
- the drain terminal and the source terminal of the transistor 110 are short-circuited, and the output terminal 103 and the output reference terminal 104 are short-circuited. That is, the output voltage from the output terminal 103 and the output reference terminal 104 is 0V.
- the charge charged to the gate of the power semiconductor switching element in the on state disappears through the transistor 110 in the process of short-circuiting the output terminal 103 and the output reference terminal 104. For this reason, the high frequency receiving circuit 100 can turn off the power semiconductor switching element at high speed.
- the transistor 110 is a transistor having a large gate width
- the gate resistance when the transistor 110 is in the on state is small.
- the transistor 110 is a transistor with a small gate width
- power and time for turning the transistor 110 from an on state to an off state can be reduced.
- the transistor 110 may have a gate width of about 500 microns or less.
- a gate voltage for turning on the power semiconductor switching element is supplied from the output terminal 103.
- the output terminal 103 and the output reference terminal 104 are short-circuited, so that the power semiconductor switching element can be turned off.
- the level of the output signal can be switched with or without the carrier wave of the input signal.
- the high-frequency receiving circuit 100 includes a normally-on transistor as the transistor 110, the presence or absence of an output voltage can be switched depending on the presence or absence of a carrier wave in one input signal.
- the insulated signal transmission device may include one transmission circuit for outputting a high frequency to the signal insulation element. Specifically, it is only necessary to provide one modulated signal generation circuit for outputting a modulated signal to the electromagnetic resonance coupler. For this reason, the insulation type signal transmission device including such a high-frequency receiving circuit 100 can be downsized. However, the present disclosure does not exclude the provision of a plurality of signal insulation elements and transmission circuits.
- the high frequency receiving circuit 100 uses non-contact power transmission, in addition to the output voltage, a negative voltage can be simultaneously formed. By supplying this negative voltage to the gate terminal of the normally-on transistor 110, the output of the high-frequency receiving circuit 100 can be controlled.
- the high-frequency receiving circuit 100 simultaneously realizes generation of an output voltage and control of the transistor 110 with one input signal. This merit is as follows.
- a method using a normally-off transistor is assumed.
- a voltage is required to turn on the transistor. Therefore, two systems of signals, that is, a signal for generating an output voltage from the high-frequency receiving circuit and a signal for controlling the transistor are required.
- the high-frequency receiving circuit 100 can simultaneously generate the output voltage and control the transistor 110 with one input signal.
- the transistor 110 can be turned on at high speed.
- the speed-up resistor 160 is provided between the gate terminal and the source terminal of the transistor 110, the transistor 110 can be turned on at high speed. Note that the resistance value of the resistor 160 may be decreased in order to turn on the transistor 110 at high speed. In that case, a large amount of power may be generated in the negative detection circuit 108 in order to turn off the transistor 110.
- a positive side detection circuit 106 and a negative side detection circuit 108 are connected to the input terminal 101. How the power of the input signal input from the input terminal 101 is distributed to the positive side detection circuit 106 and the negative side detection circuit 108 depends on the ratio of the positive side coupling capacitor 120 and the negative side coupling capacitor 130. Determined by. If too much power is distributed to the negative detection circuit 108 for turning off the transistor 110, the voltage generated and output by the positive detection circuit 106 is reduced. Therefore, the positive side coupling capacitor 120 may be the same as or larger than the negative side coupling capacitor 130.
- the gate potential adjusting diode 150 when a large negative voltage is output from the negative side detection circuit 108, the voltage is the diode 150. To the output reference terminal 104. As a result, a large amount of power is input to the negative-side detection circuit 108 and the voltage output from the output terminal 103 decreases, or a large amount of power is input to the negative-side detection circuit 108 and a voltage is output from the output terminal 103. It is prevented from disappearing.
- FIG. 4 is an example of a time waveform of the output voltage 490 and the output current 491 of the high-frequency receiving circuit 100. As shown in FIG. 4, the output voltage is switched between 5V and 0V according to the presence or absence of a carrier wave in the input signal.
- the high-frequency receiving circuit 100 generates a positive voltage and a ground potential according to the presence or absence of a carrier wave in one input signal input from one signal insulation element.
- the high-frequency receiving circuit 100 includes the electromagnetic resonance coupler 180 as a signal insulating element, thereby realizing this with a simple configuration.
- the high frequency receiving circuit includes a transformer as a signal insulating element, it cannot be realized with a simple configuration like the high frequency receiving circuit 100.
- a conventional insulated signal transmission device supplies a negative voltage for turning off the power semiconductor switching element to the gate terminal of the power semiconductor switching element.
- the insulated signal transmission device further includes a signal for transmitting power for turning off the power semiconductor switching element, in addition to the signal insulation element for transmitting power for turning on the power semiconductor switching element. Requires an isolation element. That is, the insulated signal transmission device includes two signal insulation elements, which complicates the circuit and increases the size.
- the insulated signal transmission apparatus according to the present embodiment only needs to include at least one signal insulating element, and can be downsized.
- the high frequency receiving circuit 100 can short-circuit the output terminal 103 and the output reference terminal 104 by turning on the transistor 110. Therefore, a large current corresponding to the low on-resistance of the transistor 110 can flow through the transistor 110, and the power semiconductor switching element can be switched from the on state to the off state in a short time.
- FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a configuration of a high-frequency receiving circuit 500 according to a modification of the present embodiment.
- the high-frequency receiving circuit 500 is a high-frequency receiving circuit 500 that can output a large output voltage when the input carrier wave is large, that is, when the amplitude of the input signal is large.
- the high-frequency receiving circuit 500 corresponds to a circuit in which the positive-side diode 121 is replaced with a positive-side diode 521 composed of a plurality of diodes connected in series and in parallel to the high-frequency receiving circuit 100 shown in FIG. To do.
- the positive-side detection circuit 506 replaces the positive-side diode 121 with a positive-side diode 521 composed of a plurality of diodes connected in series and in parallel to the positive-side detection circuit 106 shown in FIG. Corresponds to a circuit.
- each of the plurality of diodes constituting the positive-side diode 521 has, for example, a threshold voltage and on-resistance equivalent to those of the negative-side diode 131.
- the threshold voltage of the positive side diode 521 is higher than the threshold voltage of the negative side diode 131.
- the on-resistance of the positive side diode 521 is lower than the on-resistance of the negative side diode 131.
- a large negative voltage may be output from the negative detection circuit 108 in order to surely turn off the transistor.
- the input carrier wave is large, that is, when the amplitude of the input signal is large, in order to appropriately output the output voltage from the high frequency receiving circuit 500, a large positive voltage is output from the positive side detection circuit, and the negative side detection is performed. A relatively small negative voltage may be output from the circuit.
- the positive-side diode 521 When the positive-side diode 521 is composed of a plurality of diodes connected in series and in parallel as in the high-frequency receiving circuit 500, the positive-side diode 521 has a higher threshold voltage than, for example, the negative-side diode 131, Low on-resistance.
- the threshold voltage of the positive-side diode 521 means a minimum input voltage that can output a positive voltage from the positive-side detection circuit 506 when a voltage is input to the positive-side diode 521. By doing so, since the signal is not output from the positive detection circuit 506 until the voltage of the input signal exceeds the threshold voltage of the positive diode 521, only the negative detection circuit 108 performs the detection operation. .
- the high frequency receiving circuit 500 does not output an output signal.
- the voltage of the input signal increases, the input signal is detected by the positive diode 521, and the positive resistance circuit 506 can output a large positive output voltage because the on-resistance of the positive diode 521 is small. That is, when the input signal is large, the high frequency receiving circuit 500 can output an output signal. Therefore, the high frequency receiving circuit 500 that operates appropriately according to the magnitude of the input signal is realized.
- the threshold voltage of the positive diode 521 is higher than the threshold voltage of the negative diode 131, and the on-resistance of the positive diode 521 is lower than the on-resistance of the negative diode 131. Only one of them may be satisfied. As a result, the rising voltage of the positive detection circuit 506 increases, or the positive output voltage from the positive detection circuit 506 increases.
- FIG. 6 is an example of a circuit diagram of the insulation type signal transmission device 200.
- the insulated signal transmission device 200 is a circuit used as a gate drive circuit of a semiconductor switching element, for example.
- the insulated signal transmission apparatus 200 corresponds to a configuration in which the modulated signal generation circuit 170 is replaced with an oscillator 171 and a modulator 172 with respect to the insulated signal transmission apparatus shown in FIG. That is, this isolated signal transmission device 200 is a device that performs isolated transmission of an input signal, and includes an oscillator 171 that generates a high frequency as a carrier wave, and a modulator 172 that modulates the carrier wave generated by the oscillator 171 with a pulse signal.
- the electromagnetic resonance coupler 180 that insulates and transmits the modulated signal obtained by the modulator 172 by electromagnetic resonance, and the high-frequency receiving circuit 100 that detects the signal output from the electromagnetic resonance coupler 180 as an input signal. Prepare.
- the oscillator 171 generates a high frequency having a frequency of, for example, 100 MHz or more as a carrier wave.
- the modulator 172 is a circuit that modulates the carrier wave generated by the oscillator 171 with a pulse signal to generate a modulated signal.
- the modulator 172 may be a mixer that mixes a carrier wave and a pulse signal, for example.
- the modulator 172 may be, for example, a switch that is controlled to pass or block a carrier wave according to a pulse signal.
- FIG. 6 shows a waveform of a component having a voltage value of 0 V or more in the modulated signal, but the input signal may also have a waveform of a component having a voltage value of less than 0.
- the input signal shows, for example, a positive / negative symmetrical waveform with respect to 0V in its envelope.
- the input pulse signal is converted into a modulated signal by the modulator 172, transmitted in a non-contact manner by the electromagnetic resonance coupler 180, and detected by the high frequency receiving circuit 100. For example, it is output as a gate drive signal for a power semiconductor switching element.
- the positive-side diode 121 and the negative-side diode 131 may be diodes having a small junction capacitance that operate at high frequencies.
- a diode is, for example, a Schottky barrier diode.
- the load connected to the output terminal 103 and the output reference terminal 104 is a GaN switching device that is turned on at a gate voltage of 3 V in the above description.
- the high frequency receiving circuits 100 and 500 may be connected to other power semiconductor switching elements.
- a GaN Schottky barrier diode may be used as the positive side diode 121 and the negative side diode 131.
- the positive detection circuit 106 and the negative detection circuit 108 operate as a 2.4 GHz detection circuit.
- such an insulation type signal transmission device 200 includes the electromagnetic resonance coupler 180, it is possible to insulate the primary side that generates the input signal from the secondary side that generates the output signal, and the rise of the output signal. Time can be shortened. Furthermore, since the insulated signal transmission device 200 includes the high-frequency receiving circuit 100, the fall time of the output signal can be shortened. Therefore, the insulating signal transmission device 200 can transmit a high-speed signal in a non-contact manner and drive the semiconductor switching element at a high speed.
- the modulator and the signal isolation element on the input side of the high frequency receiving circuit 100 can output a common input signal to both the positive detection circuit 106 and the negative detection circuit 108. Therefore, the insulation type signal transmission apparatus 200 can complete the modulator and the signal insulation element with one system circuit. Therefore, the insulated signal transmission device 200 is downsized.
- the high-frequency receiving circuit and the isolated signal transmission device have been described based on the embodiments.
- the present disclosure is not limited to this embodiment. Unless it deviates from the gist of the present disclosure, one or more of the present disclosure may be applied to various modifications conceived by those skilled in the art in the present embodiment, or forms configured by combining components in different embodiments. It may be included within the scope of the embodiments.
- the insulated signal transmission device 200 shown in FIG. 6 includes the high-frequency receiving circuit 100 shown in FIG. 1, but the insulated signal transmission device may include the high-frequency receiving circuit 500 shown in FIG. .
- the insulated signal transmission apparatus 200 includes the electromagnetic resonance coupler 180 as a signal insulating element, but may include other elements that insulate and transmit high frequency instead of the electromagnetic resonance coupler.
- the transistor 110 is an N-channel transistor, but may be a P-channel transistor.
- the source terminal of the P-channel transistor is connected to the output terminal 103
- the drain terminal is connected to the output reference terminal 104
- the gate terminal is connected to the negative side detection circuit 108.
- the high-frequency receiving circuit is a high-frequency receiving circuit that detects an input signal whose carrier wave is modulated by a pulse signal, and has an input terminal and an input reference terminal for receiving the input signal, and a pulse signal after detection.
- a positive-side detection circuit that detects an input signal and outputs a pulse signal of a positive voltage to the output terminal with reference to the output reference terminal; and a first connected to the output terminal
- a normally-on transistor having a terminal, a second terminal connected to the output reference terminal, and a control terminal, and detecting the input signal, and applying a negative voltage pulse signal to the control terminal of the transistor with the output reference terminal as a reference A negative-side detection circuit for outputting.
- the input signal is a signal expressed by the presence or absence of a carrier wave
- the negative detection circuit becomes a negative voltage when a carrier wave appears in the input signal and becomes a reference voltage when a carrier wave does not appear in the input signal.
- a pulse signal is output to the control terminal of the transistor, and the transistor is turned off when a negative voltage is input from the negative side detection circuit and is turned on when a reference voltage is input from the negative side detection circuit. Good.
- the present disclosure is not limited to the circuit configuration. That is, similar to the circuit configuration described above, a circuit that can realize the characteristic function of the present disclosure is also included in the present disclosure.
- the present disclosure also includes an element such as a switching element (transistor), a resistor element, or a capacitor element connected in series or in parallel to a certain element within a range in which the same function as the above circuit configuration can be realized. It is.
- the term “connected” in the above description is not limited to the case where two terminals (nodes) are directly connected, and the two terminals (nodes) are within a range in which a similar function can be realized. Are connected via an element.
- the expression related to input / output of a signal is not limited to the case where the signal is input / output directly, but includes the case where the signal is input / output indirectly.
- expressions such as “a signal is output from A to B”, “a signal is input from A to B”, “a signal is output from A and input to B”, and other expressions between A and B
- the structure containing the element or circuit of this is also included.
- These expressions also include those that are input to B after the signal output from A has changed through other elements or circuits.
- the high-frequency receiving circuit and the insulated signal transmission device according to the present disclosure are useful as a gate drive circuit that drives a semiconductor switching element.
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Abstract
入力信号を受け付けるための入力端子(101)及び入力基準端子(102)と、検波後のパルス信号を出力するための出力端子(103)及び出力基準端子(104)と、入力信号を検波し、出力端子及び出力基準端子に出力信号を出力する第一検波回路(106)と、出力端子(103)に接続された第1端子、出力基準端子(104)に接続された第2端子、及び、制御端子を有するノーマリオン型のトランジスタ(110)と、入力信号を検波し、出力基準端子(104)を基準としてトランジスタ(110)の制御端子に負の電圧のパルス信号を出力する第二検波回路(108)とを備える。
Description
本開示は、半導体スイッチング素子のゲート端子を駆動するゲート駆動回路等として用いられる高周波受信回路、及び、絶縁型信号伝送装置に関する。
半導体スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」ともいう。)のゲート駆動回路とは、スイッチング素子を駆動する回路である。ゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子のゲート端子にゲート電圧を印加することによって、半導体スイッチング素子のオンオフを制御する回路である。高耐圧のスイッチング素子は、例えば、パワー半導体デバイスの一種であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。典型的なゲート駆動回路は、出力部にP型トランジスタとN型トランジスタとが設けられる。スイッチング素子をオフからオンにするときにP型トランジスタが動作し、スイッチング素子をオンからオフにするときにN型トランジスタが動作する。つまり、スイッチング素子をオンからオフにするとき、スイッチング素子のゲート電流が引き抜かれる。
このようなパワー半導体のゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子と接続される出力側の基準電圧が非常に高い。このため、ゲート駆動回路への制御信号が入力される1次側と、スイッチング素子への駆動信号が出力される2次側との間で、直流成分が絶縁されている、すなわち信号グランドが絶縁されている必要がある。このようにゲート駆動回路の1次側と2次側との間で、直流成分の絶縁を実現できる電子回路素子は、信号絶縁素子、あるいは、非接触信号伝送器と呼ばれる。これらは、スイッチング素子を駆動するためには不可欠な素子である。また、このような信号絶縁機能を有する電子回路素子は、ロジック・グランドとRFグランドとを分離する。特にパワー半導体スイッチング素子を駆動するためには、別途、絶縁電源が必要である。しかし、絶縁電源は回路規模の増大を引き起こす。このため、ゲート駆動回路が、ゲート信号を絶縁するだけでなく、絶縁された電力をスイッチング素子のゲートに供給できるようになれば、外部絶縁電源が不要となり、ゲート駆動回路を小型化できる。
特許文献1は、非接触信号伝送器にオープンリング型の電磁界共鳴結合器を用いた電力伝送システムを開示している。
従来の高周波受信回路において、信号を高速に出力することが望まれていた。
そこで、本開示は、信号を高速に出力することができる高周波受信回路、及び絶縁型信号伝送装置を提供する。
本開示の一態様に係る高周波受信回路は、搬送波がパルス信号で変調された信号である入力信号を検波する高周波受信回路であって、入力信号を受け付けるための入力端子及び入力基準端子と、検波後の出力信号を出力するための出力端子及び出力基準端子と、入力信号を検波し、出力端子及び出力基準端子に出力信号を出力する第一検波回路と、出力端子に接続された第1端子、出力基準端子に接続された第2端子、及び、制御端子を有するノーマリオン型のトランジスタと、入力信号を検波し、出力基準端子を基準としてトランジスタの制御端子に負の電圧のパルス信号を出力する第二検波回路とを備える。
なお、本開示は、本開示の一態様に係る高周波受信回路を備える絶縁型信号伝送装置として実現することもできる。
本開示に係る高周波受信回路及び絶縁型信号伝送装置によれば、信号を高速に出力することができる。
(本開示の基礎となった知見)
本発明者は、従来技術に関し、以下の問題が生じることを見出した。
本発明者は、従来技術に関し、以下の問題が生じることを見出した。
図7は、特許文献1における電力伝送装置300の構成を示すブロック図である。この電力伝送装置300は、電源311、信号発生ユニット312及び第1のオープンリング共振器313から構成される送電装置310と、第2のオープンリング共振器321及び整流回路322から構成される受電装置320とを備える。
しかしながら、このような従来の電力伝送装置は、半導体スイッチング素子を高速に駆動することができないという問題がある。
つまり、電力伝送装置において、半導体スイッチング素子をオン状態に維持するための電力を半導体スイッチング素子に供給できるだけでなく、半導体スイッチング素子をオン状態からオフ状態に高速に切り替えさせる機構が望まれる。従来の電力伝送装置は、半導体スイッチング素子にゲート電流を供給することは可能であるが、半導体スイッチング素子のゲートに蓄積された電荷を能動的に引き抜くことができない。すなわち、従来の電力伝送装置は、半導体スイッチング素子をオフ状態からオン状態へと能動的に切り替えさせることができるが、オン状態からオフ状態へと能動的に切り替えさせることができない。そのため、半導体スイッチング素子を高速に立ち下げることができない。これは、従来の電力伝送装置を構成する電磁界共鳴結合器等の非接触信号伝送器が、受動的に電力を伝送するだけの素子であることに起因する。これに対して、例えば、電力伝送装置に、半導体スイッチング素子のゲートに負の電圧を供給できる構成を設けることで、半導体スイッチング素子を高速にオフ状態に変化させることができる。しかし、その場合、負の電圧を供給するための別系統の回路、および負の電圧を供給するための別系統の信号絶縁素子等が設けられる必要がある。
そこで、本開示は、立ち上がり時間だけでなく、立ち下がり時間も短い出力信号を出力可能な、高周波受信回路及び絶縁型信号伝送装置を提供する。例えば、これら高周波受信回路及び絶縁型信号伝送装置がゲート駆動回路に適用される場合、駆動対象である半導体スイッチング素子に対して、立ち上がり時間及び立ち下がり時間が短い駆動信号を出力することができる。なお、本開示の高周波受信回路は、ゲート駆動回路以外にも適用されうる。
本開示の一態様(aspect)に係る高周波受信回路は、搬送波がパルス信号で変調された信号である入力信号を検波する高周波受信回路であって、入力信号を受け付けるための入力端子及び入力基準端子と、検波後の出力信号を出力するための出力端子及び出力基準端子と、入力信号を検波し、出力端子及び出力基準端子に出力信号を出力する第一検波回路と、出力端子に接続された第1端子、出力基準端子に接続された第2端子、及び、制御端子を有するノーマリオン型のトランジスタと、入力信号を検波し、出力基準端子を基準としてトランジスタの制御端子に負の電圧のパルス信号を出力する第二検波回路とを備える。
出力端子と出力基準端子との間に設けられたトランジスタの導通/非導通が、第二検波回路からの出力に応じて切り替えられる。これにより、高周波受信回路の出力を高速に切り替えることができる。例えば、高周波受信回路が半導体スイッチング素子に接続される場合、トランジスタが短絡されることにより、半導体スイッチング素子に蓄積された電荷を引き抜くことができる。
さらに、出力端子に出力される出力用の電圧パルスと、トランジスタの制御端子に出力される制御用の電圧パルスとが、1つの入力信号から生成される。そして、ノーマリオン型のトランジスタの制御端子に所定の負の電圧が入力された場合に、高周波受信回路が出力信号を出力できる。そのため、高周波受信回路は、出力用の電圧パルスが生成されるときに、当該電圧パルスが出力されるようにトランジスタを制御し、出力用の電圧パルスが生成されないときに、電圧パルスが出力されないように制御することを可能にする。
さらに、出力端子に出力される出力用の電圧パルスと、トランジスタの制御端子に出力される制御用の電圧パルスとが、1つの入力信号から生成される。そして、ノーマリオン型のトランジスタの制御端子に所定の負の電圧が入力された場合に、高周波受信回路が出力信号を出力できる。そのため、高周波受信回路は、出力用の電圧パルスが生成されるときに、当該電圧パルスが出力されるようにトランジスタを制御し、出力用の電圧パルスが生成されないときに、電圧パルスが出力されないように制御することを可能にする。
本開示の一態様に係る高周波受信回路において、例えば、入力信号は、第一の振幅と、第一の振幅よりも大きい第二の振幅を含む信号であり、第二検波回路は、入力信号の第一の振幅を検波することによって、出力基準端子を基準としてトランジスタの制御端子に、0または負の第一の電圧値を出力し、かつ、入力信号の第二の振幅を検波することによって、出力基準端子を基準としてトランジスタの制御端子に、第一の電圧値よりも小さい第二の電圧値を出力し、トランジスタは、制御端子に第二の電圧値が入力されるときにオフ状態となり、制御端子に第一の電圧値が入力されるときにオン状態となってもよい。
これにより、入力信号に含まれる第一の振幅と第二の振幅によって、トランジスタがオンオフされる。
本開示の一態様に係る高周波受信回路において、例えば、第一検波回路は、出力信号として、出力基準端子を基準として出力端子に正の電圧のパルス信号を出力してもよい。
本開示の一態様に係る高周波受信回路は、例えば、さらに、トランジスタの制御端子と出力基準端子との間に接続されたダイオードを備えてもよい。
これにより、トランジスタの制御端子の電位が調整される。例えば、第二検波回路から大きな負の電圧が出力された場合には、当該電圧が、トランジスタの制御端子に接続されたダイオードを介して、出力基準端子から出力される。これにより、第二検波回路の出力によって出力端子からの出力が小さくなる、あるは出力されなくなることを防止できる。
本開示の一態様に係る高周波受信回路は、例えば、さらに、高周波受信回路はトランジスタの制御端子と出力基準端子との間に接続された抵抗を備えてもよい。
この抵抗は、トランジスタの制御端子と出力基準端子との間でスピードアップ用の抵抗として機能するので、トランジスタが高速にオンされる。
本開示の一態様に係る高周波受信回路は、例えば、第一検波回路は、入力端子に一端が接続された正側カップリングコンデンサと、正側カップリングコンデンサの他端にカソードが接続され、出力基準端子にアノードが接続された正側ダイオードと、正側カップリングコンデンサの他端に一端が接続された正側インダクタと、正側インダクタの他端と出力基準端子との間に接続された正側平滑コンデンサとを含んでもよい。本開示の一態様に係る高周波受信回路は、例えば、第二検波回路は、入力端子に一端が接続された負側カップリングコンデンサと、負側カップリングコンデンサの他端にアノードが接続され、出力基準端子にカソードが接続された負側ダイオードと、負側カップリングコンデンサの他端に一端が接続された負側インダクタと、負側インダクタの他端と出力基準端子との間に接続された負側平滑コンデンサとを含んでもよい。
これにより、第一検波回路及び第二検波回路は、ダイオードとインダクタを用いた簡単な復調回路によって、検波を行うことができる。
本開示の一態様に係る高周波受信回路は、例えば、正側ダイオードの閾値電圧は、負側ダイオードの閾値電圧より高い、又は、正側ダイオードのオン抵抗は、負側ダイオードのオン抵抗より低くてもよい。
例えば、入力信号が小さい場合、正側ダイオードの閾値電圧が負側ダイオードの閾値電圧よりも高いため、第二検波回路は大きな負の電圧を出力できる。そのため、トランジスタが確実にオフされる。例えば、入力信号が大きい場合、正側ダイオードのオン抵抗が負側ダイオードのオン抵抗よりも小さいため、第一検波回路は大きな正の電圧を出力できる。よって、入力信号の大きさに応じて適切に動作する高周波受信回路が実現される。
なお、正側ダイオードおよび負側ダイオードは、それぞれ単一の素子である必要はない。例えば、正側ダイオードは、複数の素子から構成されたダイオード機能を有する回路要素であってもよい。
なお、正側ダイオードおよび負側ダイオードは、それぞれ単一の素子である必要はない。例えば、正側ダイオードは、複数の素子から構成されたダイオード機能を有する回路要素であってもよい。
本開示の一形態に係る絶縁型信号伝送装置は、例えば、入力信号を絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置であって、搬送波を生成する発振器と、発振器で生成された搬送波をパルス信号で変調する変調器と、変調器で得られた被変調信号を電磁界共鳴によって絶縁伝送する電磁界共鳴結合器と、電磁界共鳴結合器から出力された信号を入力信号として検波する上記高周波受信回路とを備える。
これにより、絶縁型信号伝送装置には上記高周波受信回路が備えられているので、上記高周波受信回路と同様の効果が奏される。
さらに、高周波受信回路は、出力端子に出力する出力用の電圧パルスと、トランジスタの制御端子に出力する制御用の電圧パルスとを、1つの入力信号から生成できる。そのため、絶縁型信号伝送装置には、出力用の電圧パルスのための絶縁素子と、制御用の電圧パルスのための絶縁素子とを別個に設けられていなくてもよく、小型化が実現される。
(実施の形態)
以下、本開示の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本開示は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成として説明される。
以下、本開示の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本開示は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成として説明される。
図1は、本実施の形態に係る高周波受信回路100の一例を示す回路図である。この高周波受信回路100は、半導体スイッチング素子のゲート駆動回路等に用いられる。高周波受信回路100は、入力信号を検波する回路である。高周波受信回路100は、入力信号を受けつけるための入力端子101及び入力基準端子102と、検波後のパルス信号を出力するための出力端子103及び出力基準端子104と、正側検波回路106と、トランジスタ110と、負側検波回路108と、ダイオード150と、抵抗160とを備える。入力信号は、搬送波がパルス信号で変調された信号である。なお、図1は、入力信号を生成し、高周波受信回路100へ出力するための回路である、被変調信号生成回路170及び電磁界共鳴結合器180も併せて図示している。
被変調信号生成回路170は、高周波である搬送波をパルス信号で変調することによって被変調信号を生成する回路である。
電磁界共鳴結合器180は、被変調信号生成回路170で生成された被変調信号を電磁界共鳴によって絶縁伝送する非接触信号伝送器である。電磁界共鳴結合器180は、例えば、対向して設けられた2つのオープンリングで構成される。この電磁界共鳴結合器180から出力された被変調信号は、入力信号として、高周波受信回路100に入力される。
入力信号は、例えば、搬送波である高周波の振幅をパルス信号に応じて変調した信号である。入力信号は、第一の振幅と、第一の振幅よりも大きい第二の振幅を有する。図1は、入力信号のうち電圧値が0V以上の成分の波形を示しているが、入力信号は、電圧値が0未満の成分の波形も有してもよい。入力信号は、例えば、その包絡線において、0Vを基準にして正負対称な波形を示す。図1に示される例では、第一の振幅は0であり、第二の振幅は0より大きい所定の値を有する。すなわち、図1に示される例では、入力信号の第二の振幅の期間は、搬送波である高周波と同程度の周波数を有し、かつ振幅が0でない波形が現われる期間であり、第一の期間は、振幅が0である期間である。本開示においては、説明の簡便のため、入力信号が第二の振幅を示す期間を、「入力信号に搬送波が現われるとき」と呼び、入力信号が第一の振幅を示す期間を、「入力信号に搬送波が現われないとき」と呼ぶ場合がある。よって、図1に示される例では、入力信号は、搬送波の有無によって表現される信号である。また、入力信号のうち第二の振幅を有する波形が入力されることを、「搬送波が入力される」と呼び、入力信号のうち第一の振幅を有する波形が入力されることを、「搬送波が入力されない」と呼ぶ場合がある。
入力信号は、例えば、搬送波である高周波の振幅をパルス信号に応じて変調した信号である。入力信号は、第一の振幅と、第一の振幅よりも大きい第二の振幅を有する。図1は、入力信号のうち電圧値が0V以上の成分の波形を示しているが、入力信号は、電圧値が0未満の成分の波形も有してもよい。入力信号は、例えば、その包絡線において、0Vを基準にして正負対称な波形を示す。図1に示される例では、第一の振幅は0であり、第二の振幅は0より大きい所定の値を有する。すなわち、図1に示される例では、入力信号の第二の振幅の期間は、搬送波である高周波と同程度の周波数を有し、かつ振幅が0でない波形が現われる期間であり、第一の期間は、振幅が0である期間である。本開示においては、説明の簡便のため、入力信号が第二の振幅を示す期間を、「入力信号に搬送波が現われるとき」と呼び、入力信号が第一の振幅を示す期間を、「入力信号に搬送波が現われないとき」と呼ぶ場合がある。よって、図1に示される例では、入力信号は、搬送波の有無によって表現される信号である。また、入力信号のうち第二の振幅を有する波形が入力されることを、「搬送波が入力される」と呼び、入力信号のうち第一の振幅を有する波形が入力されることを、「搬送波が入力されない」と呼ぶ場合がある。
正側検波回路106は、入力端子101及び入力基準端子102間に入力された入力信号を検波し、出力基準端子104を基準として出力端子103に正の電圧のパルス信号を出力する復調回路である。この正側検波回路106は、入力端子101に一端が接続された正側カップリングコンデンサ120と、正側カップリングコンデンサ120の他端にカソードが接続され、出力基準端子104にアノードが接続された正側ダイオード121と、正側カップリングコンデンサ120の他端に一端が接続された正側インダクタ122と、正側インダクタ122の他端と出力基準端子104との間に接続された正側平滑コンデンサ123とを含む。
トランジスタ110は、出力端子103に接続された第1端子、出力基準端子104に接続された第2端子、及び、制御端子を有するノーマリオン型のトランジスタである。例えば、トランジスタはN型のFETであってもよい。例えば、第1端子はドレイン端子であり、第2端子はソース端子であり、制御端子はゲート端子であってもよい。
負側検波回路108は、入力端子101及び入力基準端子102間に入力された入力信号を検波し、出力基準端子104を基準としてトランジスタ110の制御端子に負の電圧のパルス信号を出力する復調回路である。この負側検波回路108は、入力端子101に一端が接続された負側カップリングコンデンサ130と、負側カップリングコンデンサ130の他端と出力基準端子104との間に、負側カップリングコンデンサ130の他端にアノードが接続され、出力基準端子104にカソードが接続された負側ダイオード131と、負側カップリングコンデンサ130の他端に一端が接続された負側インダクタ132と、負側インダクタ132の他端と出力基準端子104との間に接続された負側平滑コンデンサ133とを含む。
ダイオード150は、トランジスタ110の制御端子と出力基準端子104との間に接続された1個以上の直列接続されたダイオードである。ダイオード150は、出力基準端子104からトランジスタ110の制御端子に向かって電流が流れる方向に接続される。
抵抗160は、トランジスタ110の制御端子と出力基準端子104との間に接続されたスピードアップ用の抵抗である。
このような構成を備える高周波受信回路100によれば、負側検波回路108は、パルス信号をトランジスタ110の制御端子に出力する。このパルス信号は、入力信号に搬送波が現れるときに負の電圧となり、入力信号に搬送波が現れないときに基準電圧となる。その結果、トランジスタ110は、負側検波回路108から負の電圧が入力されているときにオフ状態となり、負側検波回路108から基準電圧が入力されているときにオン状態となる。これにより、高周波受信回路100は、入力信号に搬送波が現れているときに、出力基準端子104を基準として出力端子103に正の電圧を出力し、入力信号に搬送波が現れていないときに、出力基準端子104と出力端子103の間を短絡し、出力基準端子104を基準として出力端子103にグランド電位を出力する。
なお、負側検波回路108が出力するパルス信号は、第一の電圧値と第二の電圧値とを含む。第一の電圧値は、例えば、負側検波回路108が入力信号の第一の振幅を検波することによって出力される。第二の電圧値は、例えば、負側検波回路108が入力信号の第二の振幅を検波することによって出力される。図1に示される例では、負側検波回路108が出力するパルス信号は、第一の電圧値が0であり、第二の電圧値が0より小さい所定の負の値を示す。なお、例えば、第一の電圧値は負の値であり、第二の電圧値は第一の電圧値よりも小さい負の値であってもよい。例えば、第一の電圧値は、トランジスタ110の閾値電圧よりも大きく、第二の電圧値は、トランジスタ110の閾値電圧よりも小さい。
なお、負側検波回路108が出力するパルス信号は、第一の電圧値と第二の電圧値とを含む。第一の電圧値は、例えば、負側検波回路108が入力信号の第一の振幅を検波することによって出力される。第二の電圧値は、例えば、負側検波回路108が入力信号の第二の振幅を検波することによって出力される。図1に示される例では、負側検波回路108が出力するパルス信号は、第一の電圧値が0であり、第二の電圧値が0より小さい所定の負の値を示す。なお、例えば、第一の電圧値は負の値であり、第二の電圧値は第一の電圧値よりも小さい負の値であってもよい。例えば、第一の電圧値は、トランジスタ110の閾値電圧よりも大きく、第二の電圧値は、トランジスタ110の閾値電圧よりも小さい。
以下、この高周波受信回路100の構成及び動作の一例について、より詳しく説明する。
被変調信号生成回路170は、高周波を強度変調(振幅変調)することによって被変調信号を生成する。被変調信号は、電磁界共鳴結合器180によって非接触電力伝送される。高周波受信回路100は、被変調信号を入力信号として、その入力信号を検波し、図1に示されるような出力信号を、出力基準端子104を基準電位として出力端子103から出力する。出力信号は、例えば、半導体スイッチング素子用のゲート駆動波形をもつ。
被変調信号生成回路170、電磁界共鳴結合器180、及び高周波受信回路100を備える絶縁型信号伝送装置は、電磁界共鳴結合器180を用いて非接触電力伝送、つまり、絶縁伝送を行う。そのため、電磁界共鳴結合器180の送信側と受信側は、絶縁が確保されている。ここでいう絶縁とは、送信側の信号線と、受信側の信号線とが電気的に絶縁されており、送信側のグランドと受信側のグランドとが電気的に絶縁されていることをいう。また、高周波とは、搬送波として使用される信号であり、元信号の周波数よりも高い。元信号とは、搬送波を変調するためのパルス信号である。高周波は、例えば、100MHz以上の周波数をもつ。この絶縁型信号伝送装置は、高周波を搬送波として使用しているため、その高周波の周波数を共鳴周波数とする電磁界共鳴結合器180のサイズを小さくすることができる。さらに、電磁界共鳴結合器180は、遠い距離でも高効率の電力伝送ができるため、小さい損失で、電磁界共鳴結合器間の距離に応じた高い絶縁耐圧を実現できる。
高周波受信回路100は、電磁界共鳴結合器180から入力信号を受信する入力端子101と、電磁界共鳴結合器180のグランドと接続される入力基準端子102と、信号を出力する出力端子103と、出力端子103の基準電圧となる出力基準端子104を備える。出力端子103から出力される信号は、例えば、パワーデバイス等の半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するゲート信号である。
正側検波回路106を構成する正側ダイオード121、正側インダクタ122及び正側平滑コンデンサ123は、入力端子101から入力される入力信号を整流して、正側ダイオード121のカソードがそのアノードを基準として正の極性となるような電圧を生成する。
負側検波回路108を構成する負側ダイオード131、負側インダクタ132及び負側平滑コンデンサ133は、入力端子101から入力される入力信号を整流して、負側ダイオード131のアノードがそのカソードを基準として負の極性となるような電圧を生成する。
正側検波回路106では、入力端子101と正側ダイオード121のカソードとが正側カップリングコンデンサ120を介して接続されている。正側ダイオード121のカソードと、正側インダクタ122の一端とが接続されている。正側インダクタ122の他端と正側平滑コンデンサ123の一端及び出力端子103とが接続されている。正側平滑コンデンサ123の他端と正側ダイオード121のアノード及び出力基準端子104とが接続されている。なお、正側検波回路106は、被変調信号から正の電圧を生成する検波回路であれば、その他の構成であってもよい。
負側検波回路108では、入力端子101と負側ダイオード131のアノードとが負側カップリングコンデンサ130を介して接続されている。負側ダイオード131のアノードと負側インダクタ132の一端とが接続されている。負側インダクタ132の他端と負側平滑コンデンサ133の一端とが接続されている。負側平滑コンデンサ133の他端と負側ダイオード131のカソード及び出力基準端子104とが接続されている。入力基準端子102と電磁界共鳴結合器180のグランドとが接続されている。なお、負側検波回路108は、被変調信号から負の電圧を生成する検波回路であれば、その他の構成であってもよい。
さらに、出力端子103とトランジスタ110のドレインとが接続され、出力基準端子104とトランジスタ110のソースとが接続されている。トランジスタ110のゲートは、負側インダクタ132の一端と負側平滑コンデンサ133の一端とが接続されている配線、あるいは接続点に接続される。さらに、トランジスタ110のゲートとトランジスタ110のソースとの間にスピードアップ用の抵抗160とトランジスタ110のゲート電位を調整するためのダイオード150とが挿入されている。
なお、高周波受信回路100は、このようなスピードアップ用の抵抗160、及び、ゲート電位調整用のダイオード150を備えなくてもよい。
ここで、トランジスタ110は、ノーマリオン型のトランジスタであって、ゲートの閾値電圧が0Vより低いトランジスタである。トランジスタ110は、例えば、ノーマリオン型のGaNトランジスタである。例えば、トランジスタ110は、閾値が-2.5Vである。この場合、ソースを基準としてゲート電圧が0Vのときは、ドレイン・ソース間がショートし、ソースを基準としてゲート電圧が-3.0Vのときは、ドレイン・ソース間がオープンとなるトランジスタである。
トランジスタ110は、例えばNチャネルトランジスタである。
次に、高周波受信回路100の動作の一例について、図2及び図3を用いて説明する。高周波受信回路100は、入力端子101に入力される入力信号に含まれる搬送波の有無により、出力基準端子104と出力端子103間に正の電圧または、0Vの電圧を出力する。つまり、高周波受信回路100は、入力信号に搬送波が現れたときには正の電圧を出力し、入力信号に搬送波が現れないときには0Vを出力する。特に、入力信号に搬送波が現れないときには、出力端子103と出力基準端子104が1Ω以下の低い抵抗で接続された状態と同等の状態となる。
なお、高周波受信回路100に接続される負荷は、例えば、パワー半導体スイッチング素子である。この場合、例えば、出力端子103は、パワー半導体スイッチング素子のゲート端子に接続され、出力基準端子104は、パワー半導体スイッチング素子のソース端子に接続される。
また、高周波受信回路100は、正側ダイオード121のアノードとカソードとを反対にした接続とすることで、負の電圧または、0Vの電圧を出力することもできる。
すなわち、高周波受信回路100は、出力信号を出力する第一検波回路と、トランジスタの制御端子に負の電圧パルスを出力する第二検波回路とを備えればよい。第一検波回路は、図1に示される正側検波回路106のように正の電圧を出力する回路であってもよいし、あるいは、負の電圧を出力する回路であってもよい。すなわち、出力信号は、正の電圧パルスであってもよく、負の電圧パルスであってもよい。
すなわち、高周波受信回路100は、出力信号を出力する第一検波回路と、トランジスタの制御端子に負の電圧パルスを出力する第二検波回路とを備えればよい。第一検波回路は、図1に示される正側検波回路106のように正の電圧を出力する回路であってもよいし、あるいは、負の電圧を出力する回路であってもよい。すなわち、出力信号は、正の電圧パルスであってもよく、負の電圧パルスであってもよい。
図2は、入力端子101に入力された入力信号に搬送波が現れたときにおける高周波受信回路100の各端子の電圧の一例を示す図である。図2に示される高周波受信回路100は、出力端子103にオン電圧を出力する。オン電圧とは、駆動対象となるパワー半導体スイッチング素子をオン状態にさせるゲート電圧である。
つまり、搬送波が入力端子101に入力されたとき、正側検波回路106は、入力基準端子102を基準として、出力端子103に正の電圧を出力する。図2に示される例では、正側インダクタ122の一端から出力端子103に+5Vの電圧を供給する。さらに、負側検波回路108は、入力基準端子102を基準として、トランジスタ110のゲート端子に負の電圧を出力する。図2に示される例では、負側インダクタ132の一端及びトランジスタ110のゲート端子は-3Vの電圧が供給される。ここで、負側インダクタ132とトランジスタ110のゲート端子とが接続されているので、出力基準端子104を基準として、トランジスタ110のゲート端子に負の電圧が供給される。図2に示される例では、トランジスタ110のゲート端子に-3Vが供給される。トランジスタ110のゲート端子に負の電圧が供給されることで、トランジスタ110はオフ状態となる。つまり、出力端子103と出力基準端子104との間がオープン、つまり非常に大きな高抵抗状態となる。そのため、出力基準端子104を基準として出力端子103から正の電圧が出力される。図2に示される例では、出力端子103から+5Vが出力される。この正の電圧は、例えば、出力端子103及び出力基準端子104に接続されるパワー半導体スイッチング素子をオン状態にする。
つまり、搬送波が入力端子101に入力されたとき、正側検波回路106は、入力基準端子102を基準として、出力端子103に正の電圧を出力する。図2に示される例では、正側インダクタ122の一端から出力端子103に+5Vの電圧を供給する。さらに、負側検波回路108は、入力基準端子102を基準として、トランジスタ110のゲート端子に負の電圧を出力する。図2に示される例では、負側インダクタ132の一端及びトランジスタ110のゲート端子は-3Vの電圧が供給される。ここで、負側インダクタ132とトランジスタ110のゲート端子とが接続されているので、出力基準端子104を基準として、トランジスタ110のゲート端子に負の電圧が供給される。図2に示される例では、トランジスタ110のゲート端子に-3Vが供給される。トランジスタ110のゲート端子に負の電圧が供給されることで、トランジスタ110はオフ状態となる。つまり、出力端子103と出力基準端子104との間がオープン、つまり非常に大きな高抵抗状態となる。そのため、出力基準端子104を基準として出力端子103から正の電圧が出力される。図2に示される例では、出力端子103から+5Vが出力される。この正の電圧は、例えば、出力端子103及び出力基準端子104に接続されるパワー半導体スイッチング素子をオン状態にする。
次に、パワー半導体スイッチング素子をオフ状態にする時の動作の一例について図3を用いて説明する。図3は、入力端子101に入力された入力信号に搬送波が現れないときにおける高周波受信回路100の各端子の電圧の一例を示す図である。図3に示される高周波受信回路100は、出力端子103にオフ電圧を出力する。オフ電圧とは、駆動対象となるパワー半導体スイッチング素子をオフ状態にさせるゲート電圧である。
このとき、正側検波回路106及び負側検波回路108は、いずれも電圧を生成しない。このため、トランジスタ110のゲート端子に入力される電圧は0Vとなり、ノーマリオン型のトランジスタ110はオン状態となる。その結果、トランジスタ110のドレイン端子とソース端子の間は短絡し、出力端子103と出力基準端子104とは短絡する。すなわち、出力端子103及び出力基準端子104からの出力電圧は0Vである。オン状態のパワー半導体スイッチング素子のゲートにチャージされていた電荷は、出力端子103と出力基準端子104とが短絡する過程において、トランジスタ110を介して消滅する。このため、高周波受信回路100は、パワー半導体スイッチング素子を高速にオフすることができる。
このとき、正側検波回路106及び負側検波回路108は、いずれも電圧を生成しない。このため、トランジスタ110のゲート端子に入力される電圧は0Vとなり、ノーマリオン型のトランジスタ110はオン状態となる。その結果、トランジスタ110のドレイン端子とソース端子の間は短絡し、出力端子103と出力基準端子104とは短絡する。すなわち、出力端子103及び出力基準端子104からの出力電圧は0Vである。オン状態のパワー半導体スイッチング素子のゲートにチャージされていた電荷は、出力端子103と出力基準端子104とが短絡する過程において、トランジスタ110を介して消滅する。このため、高周波受信回路100は、パワー半導体スイッチング素子を高速にオフすることができる。
ここで、トランジスタ110が、ゲート幅の大きいトランジスタである場合、トランジスタ110がオン状態であるときのゲート抵抗は小さくなる。あるいは、トランジスタ110が、ゲート幅の小さいトランジスタである場合、トランジスタ110をオン状態からオフ状態にするための電力および時間を低減できる。例えば、トランジスタ110は、ゲート幅が500ミクロン以下程度であってもよい。
以上のように、入力端子101に搬送波が入力されると、出力端子103から、パワー半導体スイッチング素子をオン状態にするためのゲート電圧が供給される。また、入力端子101に搬送波が入力されない場合には、出力端子103と出力基準端子104とはショートとなるため、パワー半導体スイッチング素子をオフすることができる。このように、入力信号の搬送波の有り無しで、出力信号のレベルを切り替えることができる。
このように、高周波受信回路100は、トランジスタ110としてノーマリオン型のトランジスタを備えるため、1つの入力信号における搬送波の有無で、出力電圧の有無を切り替えることができる。また、絶縁型信号伝送装置は、信号絶縁素子に高周波を出力するための送信回路を1系統備えればよい。具体的には、電磁界共鳴結合器に被変調信号を出力するための被変調信号生成回路も1系統設けるだけでよい。そのため、このような高周波受信回路100を備える絶縁型信号伝送装置は小型化が実現される。ただし、本開示は、信号絶縁素子や送信回路を複数系統設けることを排除するものではない。
また、高周波受信回路100は、非接触電力伝送を使用するため、出力電圧に加えて、負の電圧も同時に形成できる。この負の電圧がノーマリオン型のトランジスタ110のゲート端子に供給されることによって、高周波受信回路100の出力の制御が実現されうる。
また、高周波受信回路100は、非接触電力伝送を使用するため、出力電圧に加えて、負の電圧も同時に形成できる。この負の電圧がノーマリオン型のトランジスタ110のゲート端子に供給されることによって、高周波受信回路100の出力の制御が実現されうる。
また、高周波受信回路100は、1つの入力信号で出力電圧の生成とトランジスタ110の制御とを同時に実現する。このメリットは以下の通りである。
例えば、トランジスタ110のオフ/オンの切り替えのみによって、高周波受信回路100からの出力の有無を切り替える方式を想定する。このような方式では、トランジスタ110に出力電圧が常に供給される必要がある。そのため、トランジスタ110がオンしているとき、すなわち高周波受信回路100からの出力がないときに、トランジスタ110に供給されている電力は、無駄である。したがって、この方式は、非効率であり、消費電力が大きくなってしまう。
例えば、ノーマリオフ型のトランジスタを用いた方式を想定する。このような方式では、高周波受信回路100への入力がなく、したがって、高周波受信回路からの出力が無い場合に、トランジスタをオン状態とするための電圧が必要となる。そのために、高周波受信回路からの出力電圧を生成するための信号と、トランジスタを制御する信号との2系統の信号が必要になってしまう。
以上のことから、高周波受信回路100は、上記他の方式とは異なり、1つの入力信号で出力電圧の生成とトランジスタ110の制御とを同時に実現できる。
トランジスタ110にノーマリオン型のトランジスタを使用しているため、トランジスタ110は高速にオンすることができる。トランジスタ110のゲート端子、ソース端子間にスピードアップ用の抵抗160を設置している場合、トランジスタ110を高速にオンすることができる。なお、トランジスタ110を高速にオンするために、抵抗160の抵抗値が小さくしてもよい。その場合、トランジスタ110をオフするために、負側検波回路108で大きな電力が生成されてもよい。
入力端子101には、正側検波回路106と、負側検波回路108が接続されている。入力端子101から入力された入力信号の電力が、正側検波回路106と負側検波回路108とにどのように配分されるかは、正側カップリングコンデンサ120と負側カップリングコンデンサ130の比率によって決定される。トランジスタ110をオフするための負側検波回路108に電力が多く分配されすぎると、正側検波回路106によって生成、出力される電圧が少なくなってしまう。そこで、正側カップリングコンデンサ120は、負側カップリングコンデンサ130と同じか、または、大きくてもよい。
さらに、トランジスタ110のゲート端子とソース端子の間にゲート電位調整用のダイオード150を挿入している場合、負側検波回路108から大きな負の電圧が出力されたときに、当該電圧は、ダイオード150を介して出力基準端子104に供給される。これにより、負側検波回路108に大きな電力が入力されて出力端子103から出力される電圧が小さくなること、あるいは、負側検波回路108に大きな電力が入力されて出力端子103から電圧が出力されなくなることが防がれる。
図4は、高周波受信回路100の出力電圧490、及び、出力電流491の時間波形の一例である。図4に示されるように、入力信号における搬送波の有り無しに応じて、出力電圧が5Vと0Vとで切り替えられる。
なお、高周波受信回路100は、1つの信号絶縁素子から入力される1つの入力信号における搬送波の有無に応じて、正の電圧と、グランド電位とを生成する。高周波受信回路100は、信号絶縁素子として電磁界共鳴結合器180を備えることにより、これを単純な構成で実現できる。例えば、高周波受信回路が信号絶縁素子としてトランスを備える場合、高周波受信回路100のような単純な構成では実現できない。
例えば、従来の絶縁型信号伝送装置が、パワー半導体スイッチング素子をオフ状態にするための負の電圧を、パワー半導体スイッチング素子のゲート端子に供給することを想定する。この場合、絶縁型信号伝送装置は、パワー半導体スイッチング素子をオン状態にするための電力を伝送する信号絶縁素子に加えて、さらに、パワー半導体スイッチング素子をオフ状態にするための電力を伝送する信号絶縁素子を必要とする。すなわち、絶縁型信号伝送装置は、信号絶縁素子を2つ備えることとなり、回路が複雑となり、サイズが大きくなってしまう。これに対し、本実施の形態に係る絶縁型信号伝送装置は信号絶縁素子を少なくとも1つ備えればよく、小型化を実現できる。
また、上記のように、パワー半導体スイッチング素子をオフ状態にするための負の電圧をパワー半導体スイッチング素子のゲートに供給した場合、当該負の電圧に応じて電流が流れる。しかし、従来の絶縁型信号伝送装置は、大きな電流を流すことが困難であるため、パワー半導体スイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り替えるために、多くの時間が掛かる。これに対し、高周波受信回路100は、トランジスタ110をオン状態にすることによって、出力端子103及び出力基準端子104間を短絡させることができる。そのため、トランジスタ110に、トランジスタ110の低いオン抵抗に応じた大きな電流を流すことができ、パワー半導体スイッチング素子を、オン状態からオフ状態に短時間で切り替えることができる。
図5は、本実施の形態の変形例に係る高周波受信回路500の構成の一例を示す図である。高周波受信回路500は、入力される搬送波が大きいとき、すなわち、入力信号の振幅が大きいときに、大きな出力電圧を出力できる高周波受信回路500である。高周波受信回路500は、図1に示された高周波受信回路100に対して、正側ダイオード121を、直列及び並列に接続された複数のダイオードから構成される正側ダイオード521に置き換えた回路に相当する。つまり、正側検波回路506は、図1に示される正側検波回路106に対して、正側ダイオード121を、直列及び並列に接続された複数のダイオードから構成される正側ダイオード521に置き換えた回路に相当する。ここで、正側ダイオード521を構成する複数のダイオードのそれぞれは、例えば、負側ダイオード131と同等の閾値電圧およびオン抵抗を有する。これにより、正側ダイオード521の閾値電圧は、負側ダイオード131の閾値電圧より高い。また、正側ダイオード521のオン抵抗は、負側ダイオード131のオン抵抗より低い。
ところで、入力される搬送波が小さいとき、すなわち、入力信号の振幅が小さいとき、トランジスタを確実にオフさせるために、負側検波回路108から大きな負の電圧が出力されてもよい。入力される搬送波が大きいとき、すなわち、入力信号の振幅が大きいとき、高周波受信回路500から出力電圧を適切に出力させるために、正側検波回路から大きな正の電圧を出力し、かつ負側検波回路から比較的小さい負の電圧を出力してもよい。
高周波受信回路500のように、正側ダイオード521が直列及び並列に接続された複数のダイオードから構成される場合、正側ダイオード521は、例えば、負側ダイオード131に比べて、閾値電圧が高く、オン抵抗が小さい。ここで、正側ダイオード521の閾値電圧とは、正側ダイオード521に電圧が入力された場合に、正側検波回路506から正の電圧を出力できるような、最小の入力電圧を意味する。このようにすることで、入力信号の電圧が正側ダイオード521の閾値電圧を超えるまでは、正側検波回路506から信号が出力されないので、負側検波回路108のみが検波動作をすることとなる。すなわち、入力信号が小さい場合には、高周波受信回路500は、出力信号を出力しない。一方、入力信号の電圧が大きくなると、入力信号が正側ダイオード521によって検波されるとともに、正側ダイオード521のオン抵抗が小さいことにより、正側検波回路506は大きな正の出力電圧を出力できる。すなわち、入力信号が大きい場合には、高周波受信回路500は、出力信号を出力できる。よって、入力信号の大きさに応じて、適切に動作する高周波受信回路500が実現される。
なお、この高周波受信回路500では、正側ダイオード521の閾値電圧は、負側ダイオード131の閾値電圧より高く、かつ、正側ダイオード521のオン抵抗は、負側ダイオード131のオン抵抗より低かったが、いずれか一方だけが満たされてもよい。これにより、正側検波回路506の立ち上り電圧が大きくなる、又は、正側検波回路506からの正の出力電圧が大きくなる。
図6は、絶縁型信号伝送装置200の回路図の一例である。
この絶縁型信号伝送装置200は、例えば、半導体スイッチング素子のゲート駆動回路等として用いられる回路である。絶縁型信号伝送装置200は、図1に示された絶縁型信号伝送装置に対して、被変調信号生成回路170が発振器171と変調器172とに置き換わった構成に相当する。つまり、この絶縁型信号伝送装置200は、入力信号を絶縁伝送する装置であって、搬送波となる高周波を生成する発振器171と、発振器171で生成された搬送波をパルス信号で変調する変調器172と、変調器172で得られた被変調信号を電磁界共鳴によって絶縁伝送する電磁界共鳴結合器180と、電磁界共鳴結合器180から出力された信号を入力信号として検波する高周波受信回路100とを備える。
発振器171は、搬送波として、例えば、100MHz以上の周波数をもつ高周波を生成する。
変調器172は、発振器171で生成された搬送波をパルス信号で変調し、被変調信号を生成する回路である。変調器172は、例えば、搬送波とパルス信号とを混合する混合器であってもよい。変調器172は、例えば、パルス信号に応じて、搬送波を通過させる、または遮断するが制御されるスイッチ等であってもよい。
なお、図6は、被変調信号のうち電圧値が0V以上の成分の波形を示しているが、入力信号は、電圧値が0未満の成分の波形も有してもよい。入力信号は、例えば、その包絡線において、0Vを基準にして正負対称な波形を示す。
なお、図6は、被変調信号のうち電圧値が0V以上の成分の波形を示しているが、入力信号は、電圧値が0未満の成分の波形も有してもよい。入力信号は、例えば、その包絡線において、0Vを基準にして正負対称な波形を示す。
このような構成を備える絶縁型信号伝送装置200において、入力されたパルス信号は、変調器172で被変調信号に変換され、電磁界共鳴結合器180で非接触伝送され、高周波受信回路100で検波され、例えばパワー半導体スイッチング素子用のゲート駆動信号として出力される。
なお、高周波受信回路100および500において、正側ダイオード121及び、負側ダイオード131は、高周波で動作する接合容量の小さなダイオードでもよい。そのようなダイオードは、例えば、ショットキーバリアダイオードである。
高周波受信回路100および500において、出力端子103および出力基準端子104に接続される負荷は、上記説明では、ゲート電圧3VでオンとなるGaNスイッチングデバイスであった。しかし、高周波受信回路100および500は、その他のパワー半導体スイッチング素子に接続されてもよい。
高周波受信回路100および500において、例えば、高周波が2.4GHzの場合、正側ダイオード121及び負側ダイオード131として、GaNのショットキーバリアダイオードを用いてもよい。その場合、例えば、正側インダクタ122及び負側インダクタ132のインダクタンスを5.8nHとし、正側カップリングコンデンサ120及び負側カップリングコンデンサ130のキャパシタンスを0.7pFとすることにより、正側検波回路106及び負側検波回路108は、2.4GHzの検波回路として動作する。
このような絶縁型信号伝送装置200は、電磁界共鳴結合器180を備えるので、入力信号を生成する1次側と、出力信号を生成する2次側とを絶縁でき、かつ、出力信号の立ち上がり時間を短くできる。さらに、絶縁型信号伝送装置200は、高周波受信回路100を備えるので、出力信号の立ち下がり時間を短くできる。よって、絶縁型信号伝送装置200は、高速な信号を非接触で伝送し、半導体スイッチング素子を高速に駆動することができる。
さらに、高周波受信回路100の入力側の変調器および信号絶縁素子は、正側検波回路106及び負側検波回路108の両方に対して共通した入力信号を出力することができる。そのため、絶縁型信号伝送装置200は、変調器および信号絶縁素子を1系統の回路で済ませることができる。したがって、絶縁型信号伝送装置200は、小型化される。
以上、本開示に係る高周波受信回路及び絶縁型信号伝送装置について、実施の形態に基づいて説明した。しかし、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
たとえば、図6に示された絶縁型信号伝送装置200は、図1に示される高周波受信回路100を備えるが、絶縁型信号伝送装置は、図5に示される高周波受信回路500を備えてもよい。
また、絶縁型信号伝送装置200は、信号絶縁素子として、電磁界共鳴結合器180を備えるが、電磁界共鳴結合器の代わりに、高周波を絶縁して伝送する他の素子を備えてもよい。
また、高周波受信回路100及び500において、トランジスタ110は、Nチャネルトランジスタであったが、Pチャネルトランジスタであってもよい。その場合、Pチャネルトランジスタのソース端子が出力端子103に接続され、ドレイン端子が出力基準端子104に接続され、ゲート端子が負側検波回路108に接続される。
例えば、高周波受信回路は、搬送波がパルス信号で変調された信号である入力信号を検波する高周波受信回路であって、入力信号を受け付けるための入力端子及び入力基準端子と、検波後のパルス信号を出力するための出力端子及び出力基準端子と、入力信号を検波し、出力基準端子を基準として出力端子に正の電圧のパルス信号を出力する正側検波回路と、出力端子に接続された第1端子、出力基準端子に接続された第2端子、及び、制御端子を有するノーマリオン型のトランジスタと、入力信号を検波し、出力基準端子を基準としてトランジスタの制御端子に負の電圧のパルス信号を出力する負側検波回路とを備える。
例えば、入力信号は、搬送波の有無によって表現される信号であり、負側検波回路は、入力信号に搬送波が現れたときに負の電圧となり、入力信号に搬送波が現れないときに基準電圧となるパルス信号をトランジスタの制御端子に出力し、トランジスタは、負側検波回路から負の電圧が入力されているときにオフし、負側検波回路から基準電圧が入力されているときにオンしてもよい。
なお、上記の説明及び図面に示される回路構成は、一例であり、本開示は上記回路構成に限定されない。つまり、上記回路構成と同様に、本開示の特徴的な機能を実現できる回路も本開示に含まれる。例えば、上記回路構成と同様の機能を実現できる範囲で、ある素子に対して、直列または並列に、スイッチング素子(トランジスタ)、抵抗素子、または容量素子等の素子を接続したものも本開示に含まれる。言い換えれば、上記説明における「接続される」には、2つの端子(ノード)が直接接続される場合に限定されるものではなく、同様の機能が実現できる範囲において、当該2つの端子(ノード)が、素子を介して接続される場合が含まれる。
また、本開示において、信号の入出力に関する表現は、その信号が直接的に入出力される場合に限らず、間接的に入出力される場合をも含む。例えば「信号がAからBに出力される」、「信号がAからBに入力される」、「信号がAから出力されBに入力される」などの表現は、AとBの間にその他の素子または回路を含む構成をも含む。また、それらの表現は、Aから出力された信号が、その他の素子または回路を通って変化した後に、Bに入力されるものを含む。
本開示にかかる高周波受信回路及び絶縁型信号伝送装置は、半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路として有用である。
100,500 高周波受信回路
101 入力端子
102 入力基準端子
103 出力端子
104 出力基準端子
106,506 正側検波回路
108 負側検波回路
110 トランジスタ
120 正側カップリングコンデンサ
121,521 正側ダイオード
122 正側インダクタ
123 正側平滑コンデンサ
130 負側カップリングコンデンサ
131 負側ダイオード
132 負側インダクタ
133 負側平滑コンデンサ
150 ダイオード
160 抵抗
170 被変調信号生成回路
171 発振器
172 変調器
180 電磁界共鳴結合器
200 絶縁型信号伝送装置
490 出力電圧
491 出力電流
101 入力端子
102 入力基準端子
103 出力端子
104 出力基準端子
106,506 正側検波回路
108 負側検波回路
110 トランジスタ
120 正側カップリングコンデンサ
121,521 正側ダイオード
122 正側インダクタ
123 正側平滑コンデンサ
130 負側カップリングコンデンサ
131 負側ダイオード
132 負側インダクタ
133 負側平滑コンデンサ
150 ダイオード
160 抵抗
170 被変調信号生成回路
171 発振器
172 変調器
180 電磁界共鳴結合器
200 絶縁型信号伝送装置
490 出力電圧
491 出力電流
Claims (9)
- 搬送波がパルス信号で変調された信号である入力信号を検波する高周波受信回路であって、
前記入力信号を受け付けるための入力端子及び入力基準端子と、
検波後の出力信号を出力するための出力端子及び出力基準端子と、
前記入力信号を検波し、出力端子及び出力基準端子に出力信号を出力する第一検波回路と、
前記出力端子に接続された第1端子、前記出力基準端子に接続された第2端子、及び、制御端子を有するノーマリオン型のトランジスタと、
前記入力信号を検波し、前記出力基準端子を基準として前記トランジスタの制御端子に負の電圧のパルス信号を出力する第二検波回路と
を備える高周波受信回路。 - 前記入力信号は、第一の振幅と、第一の振幅よりも大きい第二の振幅を含む信号であり、
前記第二検波回路は、前記入力信号の前記第一の振幅を検波することによって、前記出力基準端子を基準として前記トランジスタの前記制御端子に、0または負の第一の電圧値を出力し、かつ、前記入力信号の前記第二の振幅を検波することによって、前記出力基準端子を基準として前記トランジスタの前記制御端子に、前記第一の電圧値よりも小さい第二の電圧値を出力することによって、前記第一の電圧値と前記第二の電圧値とを含む前記出力信号を出力し、
前記トランジスタは、前記制御端子に前記第二の電圧値が入力されるときにオフ状態となり、前記制御端子に前記第一の電圧値が入力されるときにオン状態となる、
請求項1に記載の高周波受信回路。 - 前記第一検波回路は、前記出力信号として、前記出力基準端子を基準として前記出力端子に正の電圧のパルス信号を出力する
請求項1に記載の高周波受信回路。 - さらに、前記トランジスタの制御端子と前記出力基準端子との間に接続されたダイオードを備える
請求項1から3のいずれか1項記載の高周波受信回路。 - さらに、前記トランジスタの制御端子と前記出力基準端子との間に接続された抵抗を備える
請求項1から4のいずれか1項に記載の高周波受信回路。 - 前記第一検波回路は、
前記入力端子に一端が接続された正側カップリングコンデンサと、
前記正側カップリングコンデンサの他端にカソードが接続され、前記出力基準端子にアノードが接続された正側ダイオードと、
前記正側カップリングコンデンサの他端に一端が接続された正側インダクタと、
前記正側インダクタの他端と前記出力基準端子との間に接続された正側平滑コンデンサとを含む、
請求項1から5のいずれか1項に記載の高周波受信回路。 - 前記第二検波回路は、
前記入力端子に一端が接続された負側カップリングコンデンサと、
前記負側カップリングコンデンサの他端にアノードが接続され、前記出力基準端子にカソードが接続された負側ダイオードと、
前記負側カップリングコンデンサの他端に一端が接続された負側インダクタと、
前記負側インダクタの他端と前記出力基準端子との間に接続された負側平滑コンデンサとを含む
請求項1から6のいずれか1項に記載の高周波受信回路。 - 前記正側ダイオードの閾値電圧は、前記負側ダイオードの閾値電圧より高い、又は、前記正側ダイオードのオン抵抗は、前記負側ダイオードのオン抵抗より低い
請求項1から7のいずれか1項に記載の高周波受信回路。 - 入力信号を絶縁伝送する絶縁型信号伝送装置であって、
搬送波を生成する発振器と、
前記発振器で生成された搬送波をパルス信号で変調する変調器と、
前記変調器で得られた被変調信号を電磁界共鳴によって絶縁伝送する電磁界共鳴結合器と、
前記電磁界共鳴結合器から出力された信号を入力信号として検波する請求項1から8のいずれか1項に記載の高周波受信回路と
を備える絶縁型信号伝送装置。
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