JP2015154677A - Switching power source and fet device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチング電源およびFETデバイスに関する。 The present invention relates to switching power supplies and FET devices.
直流電圧を所望の電圧に変換するスイッチング電源として、DC-DCコンバータが知られている。DCーDCコンバータは、直流電源からトランスの一次側コイルに流れる電流をスイッチでオンオフし、トランスで変圧された二次側コイルに発生する交流を直流に変換して負荷に出力する。そして、DC-DCコンバータは、負荷に出力する電圧をモニタして所望の電圧になるようにスイッチをオンオフするパルス幅を制御する。DC-DCコンバータは、出力回路の耐圧やコスト的な問題などにより、出力電圧が50Vから100V程度のものが広く用いられている。そこで、数百ボルト程度の高電圧を要する場合に、複数のDC-DCコンバータを直列に接続する技術が検討されている(特許文献1参照)。 A DC-DC converter is known as a switching power supply that converts a DC voltage into a desired voltage. The DC-DC converter turns on and off the current flowing from the DC power source to the primary coil of the transformer with a switch, converts the AC generated in the secondary coil transformed by the transformer to DC, and outputs it to the load. The DC-DC converter monitors the voltage output to the load and controls the pulse width for turning on and off the switch so as to obtain a desired voltage. As the DC-DC converter, one having an output voltage of about 50V to 100V is widely used due to the withstand voltage of the output circuit and cost problems. Therefore, a technique for connecting a plurality of DC-DC converters in series when a high voltage of about several hundred volts is required has been studied (see Patent Document 1).
一方、直列に接続される複数のDC-DCコンバータは、所望の出力電圧を等分した電圧を出力するのが好ましい。ところが、スイッチとして用いられるFETがオンする時のスレシホールド電圧のばらつきにより、オンできないFETが存在する。そして、出力電圧を一定に維持するためには、オンしていないFETのDC-DCコンバータの出力電圧分をオンしているFETのDC-DCコンバータが負担することになる。これにより、オンしているFETのDC-DCコンバータの出力電圧が高くなり、出力回路の耐圧がオーバーしてコンデンサなどが壊れるという問題が生じる。 On the other hand, it is preferable that the plurality of DC-DC converters connected in series output a voltage obtained by equally dividing a desired output voltage. However, there are FETs that cannot be turned on due to variations in threshold voltages when the FETs used as switches are turned on. In order to maintain the output voltage constant, the DC-DC converter of the FET that is turned on bears the output voltage of the DC-DC converter of the FET that is not turned on. As a result, the output voltage of the DC-DC converter of the FET that is turned on increases, causing the problem that the breakdown voltage of the output circuit is exceeded and the capacitor is broken.
本件開示のスイッチング電源およびFETデバイスは、コンバータを直列に接続した場合の軽負荷時におけるコンバータの出力電圧のばらつきを低減できる技術を提供することを目的とする。 An object of the switching power supply and the FET device of the present disclosure is to provide a technique capable of reducing variations in the output voltage of the converter at a light load when the converters are connected in series.
一つの観点によれば、直流電源からトランスの一次側コイルに流れる電流をオンオフするスイッチを有し、トランスの二次側コイルに発生する交流電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータが複数台、直列に接続され、直列に接続された複数のコンバータの合計の出力電圧が予め設定された電圧になるように、スイッチを制御する制御回路とを有し、スイッチは、特性の異なる複数のスイッチが並列に接続され、複数のスイッチは、制御回路から出力される同一のパルスによりオンオフされることを特徴とする。 According to one aspect, there are a plurality of converters that have a switch for turning on and off the current flowing from the DC power source to the primary coil of the transformer, and convert the AC voltage generated in the secondary coil of the transformer into a DC voltage and output it. And a control circuit that controls the switch so that a total output voltage of the plurality of converters connected in series becomes a preset voltage, and the switch has a plurality of switches having different characteristics. Are connected in parallel, and the plurality of switches are turned on and off by the same pulse output from the control circuit.
一つの観点によれば、複数のFET回路が同一の半導体基板上に設けられたFETデバイスにおいて、異なる個数のFET回路が含まれるように半導体基板を複数の領域に分け、複数のFET回路のゲートを領域毎に束ねて、領域毎にゲート端子を設け、複数のFET回路のドレインおよびソースをそれぞれ束ねた共通のドレイン端子および共通のソース端子を有することを特徴とする。 According to one aspect, in a FET device in which a plurality of FET circuits are provided on the same semiconductor substrate, the semiconductor substrate is divided into a plurality of regions so that different numbers of FET circuits are included, and gates of the plurality of FET circuits are included. And a gate terminal provided for each region, and having a common drain terminal and a common source terminal in which the drains and sources of a plurality of FET circuits are respectively bundled.
本件開示のスイッチング電源およびFETデバイスは、コンバータを直列に接続した場合の軽負荷時におけるコンバータの出力電圧のばらつきを低減することができる。 The switching power supply and FET device of the present disclosure can reduce variations in the output voltage of the converter at light loads when the converters are connected in series.
以下、図面を用いて実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係るスイッチング電源100の一例を示す。図1において、スイッチング電源100は、DC-DCコンバータ101(1)と、DC-DCコンバータ101(2)と、DC-DCコンバータ101(3)と、制御回路102と、コンデンサ103とを有する。図1において、DC-DCコンバータ101(1)と、DC-DCコンバータ101(2)と、DC-DCコンバータ101(3)とのそれぞれの入力は、電圧Vinの同一の直流電源に接続されている。また、DC-DCコンバータ101(1)の出力と、DC-DCコンバータ101(2)の出力と、DC-DCコンバータ101(3)の出力は、直列に接続されている。
FIG. 1 shows an example of a switching
ここで、DC-DCコンバータ101(1)と、DC-DCコンバータ101(2)と、DC-DCコンバータ101(3)とは、同一又は同様の機能を有する。尚、以降の説明において、DC-DCコンバータ101(1)と、DC-DCコンバータ101(2)と、DC-DCコンバータ101(3)とに共通の説明を行う場合は、符号末尾の(番号)を省略して、DC-DCコンバータ101と表記する。また、後述する他の素子についても符号末尾の(番号)は、各DC-DCコンバータ101の(番号)に対応し、各素子に共通の説明を行う場合は、符号末尾の(番号)を省略して表記する。
Here, the DC-DC converter 101 (1), the DC-DC converter 101 (2), and the DC-DC converter 101 (3) have the same or similar functions. In the following description, when a description common to the DC-DC converter 101 (1), the DC-DC converter 101 (2), and the DC-DC converter 101 (3) is given, ) Is abbreviated as DC-
各DC-DCコンバータ101は、直流電源から供給される入力電圧Vinに応じて、昇降圧変換した電圧を出力する。例えばDC-DCコンバータ101(1)は、入力電圧Vinを変換して電圧Vo1を出力する。同様に、DC-DCコンバータ101(2)およびDC-DCコンバータ101(3)は、入力電圧Vinを変換して、それぞれ電圧Vo2および電圧Vo3を出力する。図1の例では、DC-DCコンバータ101(1)の出力電圧Vo1と、DC-DCコンバータ101(2)の出力電圧Vo2と、DC-DCコンバータ101(3)の出力電圧Vo3とが直列に接続されている。従って、スイッチング電源100は、DC-DCコンバータ101の各出力電圧を加算した電圧Vout(Vo1+Vo2+Vo3)を出力する。尚、図1の例では、3つのDC-DCコンバータ101を直列に接続しているが、複数のDC-DCコンバータ101を直列に接続する場合においても本実施形態と同様の効果が得られる。
Each DC-
制御回路102は、直列に接続されたDC-DCコンバータ101の出力電圧Voutが予め設定された電圧になるように、各DC-DCコンバータ101を制御する回路である。図1において、制御回路102は、抵抗R11,R12,R13と、増幅回路AMPと、三角波発振器OSC(OSCirator)と、比較回路COMPと、基準電圧Vrefを与える電源Psとを有する。
The
抵抗R11および抵抗R12は、スイッチング電源100の出力電圧Voutをモニタするために、出力電圧Voutを分圧する回路である。尚、抵抗R11に加えられる出力電圧Voutは、スイッチング電源100から負荷Ldに出力される電圧を電気的に絶縁する回路を通してモニタされる。或いは、制御回路102の接地をスイッチング電源100の出力の接地と共通にして、スイッチング電源100から負荷Ldに出力される電圧を直接、抵抗R11に加えてもよい。
The resistors R11 and R12 are circuits that divide the output voltage Vout in order to monitor the output voltage Vout of the
増幅回路AMPは、電源Psにより与えられる基準電圧Vrefと、抵抗R11と抵抗R12とで分圧された出力電圧Voutとの差の電圧を出力する。増幅回路AMPは、基準電圧Vrefに応じて、比較回路COMPに出力する出力電圧Voutのモニタ電圧を調整することができる。 The amplifier circuit AMP outputs a voltage difference between the reference voltage Vref given by the power source Ps and the output voltage Vout divided by the resistors R11 and R12. The amplifier circuit AMP can adjust the monitor voltage of the output voltage Vout output to the comparison circuit COMP according to the reference voltage Vref.
三角波発振器OSCは、三角波を出力する発振器である。 The triangular wave oscillator OSC is an oscillator that outputs a triangular wave.
比較回路COMPは、増幅回路AMPの出力電圧と、三角波発振器OSCが出力する三角波の電圧とを比較して、三角波の電圧が増幅回路AMPの出力電圧より大きい場合に正のパルスを出力する。比較回路COMPが出力するパルスPWは、DC-DCコンバータ101に与えられる。ここで、比較回路COMPが出力するパルスPWの幅は、スイッチング電源100の出力電圧Voutが基準電圧Vrefよりも大きい場合に広くなり、スイッチング電源100の出力電圧Voutが基準電圧Vrefよりも小さい場合に狭くなる。
The comparison circuit COMP compares the output voltage of the amplifier circuit AMP with the triangular wave voltage output from the triangular wave oscillator OSC, and outputs a positive pulse when the triangular wave voltage is larger than the output voltage of the amplifier circuit AMP. The pulse PW output from the comparison circuit COMP is given to the DC-
図2は、負荷電流IoとパルスPWのオン幅の特性例を示す。図2において、横軸は負荷電流Io(A)、縦軸はパルスPWのオン幅(μs)をそれぞれ示す。図2に示すように、制御回路102は、負荷電流Ioが大きくなる(重負荷)につれてパルスPWのオン幅を長くし、負荷電流Ioが小さくなる(軽負荷)につれてパルスPWのオン幅を短くする。
FIG. 2 shows an example of the on-width characteristics of the load current Io and the pulse PW. In FIG. 2, the horizontal axis represents the load current Io (A), and the vertical axis represents the ON width (μs) of the pulse PW. As shown in FIG. 2, the
このようにして、制御回路102は、出力電圧Voutが所望の電圧になるように、DC-DCコンバータ101(1)、DC-DCコンバータ101(2)およびDC-DCコンバータ101(3)の3つのDC-DCコンバータ101を制御する。
In this way, the
次に、DC-DCコンバータ101の回路について説明する。尚、ここでは、DC-DCコンバータ101(1)の回路について説明するが、DC-DCコンバータ101(2)およびDC-DCコンバータ101(3)の回路も同じである。
Next, the circuit of the DC-
図1において、DC-DCコンバータ101(1)は、トランスTr2(1)と、トランスTr2(1)の一次側回路および二次側回路とを有する。一次側回路は、トランスTr1(1)と、スイッチQa(1),Qb(1)と、抵抗R1a(1),R1b(1),R2(1)と、ダイオードD1(1)と、コンデンサC1(1)とを有する。二次側回路は、ダイオードD2(1),D3(1)と、コンデンサC2(1)と、チョークコイルL1(1)とを有する。 In FIG. 1, the DC-DC converter 101 (1) includes a transformer Tr2 (1), and a primary side circuit and a secondary side circuit of the transformer Tr2 (1). The primary side circuit includes a transformer Tr1 (1), switches Qa (1), Qb (1), resistors R1a (1), R1b (1), R2 (1), a diode D1 (1), and a capacitor C1. (1) The secondary circuit includes diodes D2 (1) and D3 (1), a capacitor C2 (1), and a choke coil L1 (1).
トランスTr1(1)は、制御回路102から出力されるパルスPWをDC-DCコンバータ101(1)内部の回路に電気的に絶縁して伝えるためのパルストランスである。
The transformer Tr1 (1) is a pulse transformer for electrically insulating and transmitting the pulse PW output from the
トランスTr2(1)は、直流電源から流れる電流をスイッチングすることにより、一次側コイルの端子a1と端子a2との間に発生する交流電圧を変圧して二次側コイルに出力する。 The transformer Tr2 (1) switches the current flowing from the DC power source, transforms the AC voltage generated between the terminal a1 and the terminal a2 of the primary coil, and outputs it to the secondary coil.
スイッチQa(1)およびスイッチQb(1)は、例えばFETが用いられる。スイッチQa(1)およびスイッチQb(1)は、トランスTr2(1)の一次側コイルに流れる電流をオンオフする。また、スイッチQa(1)およびスイッチQb(1)は、制御回路102が出力する同一のパルスPWによりオンオフされる。尚、スイッチQa(1)およびスイッチQb(1)は、ドレインとソースが並列に配置され、トランスTr2(1)の一次側コイルに流れる電流をオンオフする。従って、スイッチQa(1)およびスイッチQb(1)の少なくとも一方がオンしている時に、トランスTr2(1)の一次側コイルに電流が流れる。尚、図1は、2個の独立したスイッチQaおよびスイッチQbを使用する例を示したが、3個以上のスイッチQを並列に接続してもよい。
For example, FETs are used for the switch Qa (1) and the switch Qb (1). Switch Qa (1) and switch Qb (1) turn on and off the current flowing through the primary coil of transformer Tr2 (1). Further, the switch Qa (1) and the switch Qb (1) are turned on / off by the same pulse PW output from the
抵抗R1a(1)および抵抗R1b(1)は、スイッチQa(1)およびスイッチQb(1)のそれぞれのゲートに流れる電流を調整する。 Resistor R1a (1) and resistor R1b (1) adjust the current flowing through the gates of switch Qa (1) and switch Qb (1).
ダイオードD1(1)、コンデンサC1(1)および抵抗R2(1)は、トランスTr2(1)がオフした時に発生するサージ電圧を吸収するための保護回路である。 The diode D1 (1), the capacitor C1 (1) and the resistor R2 (1) are a protection circuit for absorbing a surge voltage generated when the transformer Tr2 (1) is turned off.
ダイオードD2(1)およびダイオードD3(1)は、トランスTr2(1)の二次側コイルに発生する交流を直流に変換するための整流用のダイオードである。ダイオードD2(1)のアノードは二次側コイルの端子b1、ダイオードD3(1)のアノードは二次側コイルの端子b2にそれぞれ接続される。そして、二次側コイルの端子b2側を基準として、ダイオードD2(1)およびダイオードD3(1)のカソード側に正電圧が出力される。 The diode D2 (1) and the diode D3 (1) are rectifying diodes for converting alternating current generated in the secondary coil of the transformer Tr2 (1) into direct current. The anode of the diode D2 (1) is connected to the terminal b1 of the secondary coil, and the anode of the diode D3 (1) is connected to the terminal b2 of the secondary coil. Then, a positive voltage is output to the cathode side of the diode D2 (1) and the diode D3 (1) with the terminal b2 side of the secondary coil as a reference.
チョークコイルL1(1)およびコンデンサC2(1)は、ダイオードD2(1)およびダイオードD3(1)により整流された直流電圧のリップルを除去するためのフィルタとして機能する。 The choke coil L1 (1) and the capacitor C2 (1) function as a filter for removing the ripple of the DC voltage rectified by the diode D2 (1) and the diode D3 (1).
このようにして、DC-DCコンバータ101(1)は、直流電源から供給される入力電圧Vinを電圧Vo1に変換して出力する。尚、同様に、DC-DCコンバータ101(2)およびDC-DCコンバータ101(3)は、直流電源から供給される入力電圧Vinを電圧Vo2および電圧Vo3にそれぞれ変換して出力する。 In this way, the DC-DC converter 101 (1) converts the input voltage Vin supplied from the DC power source into the voltage Vo1 and outputs it. Similarly, the DC-DC converter 101 (2) and the DC-DC converter 101 (3) convert the input voltage Vin supplied from the DC power source into the voltage Vo2 and the voltage Vo3, respectively, and output the converted voltage.
そして、DC-DCコンバータ101(1)の正電圧側がコンデンサ103の正極側に接続され、負電圧側がDC-DCコンバータ101(2)の正電圧側に接続される。さらに、DC-DCコンバータ101(2)の負電圧側がDC-DCコンバータ101(3)の正電圧側に接続され、DC-DCコンバータ101(3)の負電圧側がコンデンサ103の負極側に接続される。
The positive voltage side of the DC-DC converter 101 (1) is connected to the positive electrode side of the
このようにして、本実施形態に係るスイッチング電源100は、DC-DCコンバータ101(1)の電圧Vo1と、DC-DCコンバータ101(2)の電圧Vo2と、DC-DCコンバータ101(3)の電圧Vo3とが加算された出力電圧Voutを負荷Ldに供給する。ここで、一例として、入力電圧Vinが12V、各DC-DCコンバータ101の電圧Vo1、電圧Vo2および電圧Vo3が100Vとした場合、スイッチング電源100は、300Vの出力電圧Voutを負荷Ldに供給する。
In this way, the switching
尚、図1は、3台のDC-DCコンバータ101を直列に接続する例を示したが、2個または4個以上のDC-DCコンバータ101を直列に接続した場合でも本実施形態に係るスイッチング電源100と同様の効果が得られる。
Although FIG. 1 shows an example in which three DC-
図3は、比較例のスイッチング電源900の一例を示す。尚、図3において、スイッチング電源900は、DC-DCコンバータ901(1)と、DC-DCコンバータ901(2)と、DC-DCコンバータ901(3)と、制御回路102と、コンデンサ103とを有する。ここで、図3において、図1と同符号の素子は、図1の素子と同一又は同様の機能を有する。
FIG. 3 shows an example of the switching
図3において、DC-DCコンバータ901(1)、DC-DCコンバータ901(2)およびDC-DCコンバータ901(3)は、図1で説明した3つのDC-DCコンバータ101と同様に直列に接続されている。そして、スイッチング電源900は、各DC-DCコンバータ901の出力電圧を加算した電圧Vout(Vo1+Vo2+Vo3)を出力する。
In FIG. 3, a DC-DC converter 901 (1), a DC-DC converter 901 (2), and a DC-DC converter 901 (3) are connected in series similarly to the three DC-
図3の比較例において、図1と異なる部分は、トランスTr2(1)の一次側コイルに流れる電流をオンオフするためのスイッチである。図1のDC-DCコンバータ101(1)は、トランスTr2(1)の一次側コイルに流れる電流を並列に接続されたスイッチQa(1)およびスイッチQb(1)によりオンオフした。これに対して、図3のDC-DCコンバータ901(1)は、トランスTr2(1)の一次側コイルに流れる電流を1つのスイッチQ(1)によりオンオフする。尚、抵抗R1(1)は、図1の抵抗R1a(1)および抵抗R1b(1)と同様に、スイッチQ(1)のゲートに流れる電流を調整する。 In the comparative example of FIG. 3, the part different from FIG. 1 is a switch for turning on and off the current flowing through the primary coil of the transformer Tr2 (1). The DC-DC converter 101 (1) in FIG. 1 is turned on and off by a switch Qa (1) and a switch Qb (1) connected in parallel to the current flowing through the primary coil of the transformer Tr2 (1). On the other hand, the DC-DC converter 901 (1) in FIG. 3 turns on and off the current flowing through the primary coil of the transformer Tr2 (1) by one switch Q (1). The resistor R1 (1) adjusts the current flowing through the gate of the switch Q (1), similarly to the resistors R1a (1) and R1b (1) in FIG.
このようにして、DC-DCコンバータ901(1)は、1つのスイッチQ(1)により、トランスTr2(1)の一次側コイルに流れる電流をオンオフして交流を発生させ、変換した電圧を二次側コイルから出力する。そして、DC-DCコンバータ901(1)は、直流電源から供給される入力電圧Vinを変換した電圧Vo1を出力する。尚、DC-DCコンバータ901(2)およびDC-DCコンバータ901(3)は、DC-DCコンバータ901(1)と同様に、直流電源から供給される入力電圧Vinを変換した電圧Vo2および電圧Vo3をそれぞれ出力する。 In this way, the DC-DC converter 901 (1) uses one switch Q (1) to turn on and off the current flowing through the primary coil of the transformer Tr2 (1) to generate an alternating current, and to convert the converted voltage into two. Output from the secondary coil. The DC-DC converter 901 (1) outputs a voltage Vo1 obtained by converting the input voltage Vin supplied from the DC power supply. The DC-DC converter 901 (2) and the DC-DC converter 901 (3) are similar to the DC-DC converter 901 (1) in that the voltage Vo2 and the voltage Vo3 are obtained by converting the input voltage Vin supplied from the DC power supply. Are output respectively.
このようにして、比較例のスイッチング電源900は、DC-DCコンバータ901(1)の電圧Vo1と、DC-DCコンバータ901(2)の電圧Vo2と、DC-DCコンバータ901(3)の電圧Vo3とが加算された出力電圧Voutを負荷Ldに供給する。
In this way, the switching
図4は、DC-DCコンバータ901のスイッチQの周辺回路の一例を示す。ここで、DC-DCコンバータ901は、図3のDC-DCコンバータ901(1)、DC-DCコンバータ901(2)およびDC-DCコンバータ901(3)に対応する。そして、トランスTr1は、図3のトランスTr1(1)、トランスTr1(2)およびトランスTr1(3)に対応する。また、抵抗R1は、図3の抵抗R1(1)、抵抗R1(2)および抵抗R1(3)に対応する。
FIG. 4 shows an example of a peripheral circuit of the switch Q of the DC-
図4において、スイッチQとして用いられるFETは、ゲートとソースとの間に与えられるゲート・ソース間電圧がVgsで、入力容量がCissである。ところが、数十アンペアなどの比較的大きな電流を流すことができるFETは、数アンペア程度のFETに比べて入力容量Cissが大きい。入力容量Cissが相対的に大きいFETは、パルスPWを受けたときにゲートソース間電圧Vgsが立ち上がるまでの時間が長くなる。 In FIG. 4, the FET used as the switch Q has a gate-source voltage applied between the gate and the source of Vgs and an input capacitance of Ciss. However, an FET capable of flowing a relatively large current such as several tens of amperes has a larger input capacitance Ciss than an FET of about several amperes. An FET having a relatively large input capacitance Ciss takes a long time until the gate-source voltage Vgs rises when receiving the pulse PW.
図5は、入力容量Cissが相対的に大きいFETにおいて、負荷Ldの大きさが異なる場合のスイッチQの動作例を示す。ここで、負荷Ldに流れる電流の大きさに応じて軽負荷または重負荷と称する。例えば、軽負荷は負荷Ldに流れる電流が数アンペア程度とし、重負荷は負荷Ldに流れる電流が数十アンペアとする。 FIG. 5 shows an operation example of the switch Q when the load Ld is different in an FET having a relatively large input capacitance Ciss. Here, it is called a light load or a heavy load depending on the magnitude of the current flowing through the load Ld. For example, the current flowing through the load Ld is about several amperes for a light load, and the current flowing through the load Ld is about tens of amperes for a heavy load.
図5(a)は、軽負荷時におけるパルスPW、ゲートソース間電圧Vgsおよびドレイン電流Idの一例を示す。図5(b)は、重負荷時におけるパルスPW、ゲートソース間電圧Vgsおよびドレイン電流Idの一例を示す。ここで、制御回路102は、軽負荷時のパルスPWの幅が重負荷時のパルスPWの幅よりも狭くなるように制御する。
FIG. 5A shows an example of the pulse PW, the gate-source voltage Vgs, and the drain current Id at a light load. FIG. 5B shows an example of the pulse PW, the gate-source voltage Vgs, and the drain current Id under heavy load. Here, the
図5(a)において、軽負荷時はパルスPWの幅が重負荷時よりも狭いので、タイミングT1でパルスPWがオンになってからスイッチQのゲートソース間電圧Vgsが十分に上昇しない内にパルスPWがオフになる(タイミングT2)。このため、ゲートソース間電圧Vgsは、スイッチQがオンするスレシホールドThの電圧より大きくならず、スイッチQはオフしたままの状態になり、ドレイン電流Idは流れない。 In FIG. 5A, since the width of the pulse PW is smaller at the time of light load than at the time of heavy load, the gate-source voltage Vgs of the switch Q is not sufficiently increased after the pulse PW is turned on at the timing T1. The pulse PW is turned off (timing T2). Therefore, the gate-source voltage Vgs does not become larger than the threshold Th voltage at which the switch Q is turned on, the switch Q remains turned off, and the drain current Id does not flow.
これに対して、図5(b)において、重負荷時はパルスPWの幅が軽負荷時よりも広いので、タイミングT1でパルスPWがオンになってからスイッチQのゲートソース間電圧VgsがタイミングT3でスレシホールドThの電圧より大きくなる。そして、タイミングT4でパルスPWがオフになってからタイミングT5でゲートソース間電圧VgsがスレシホールドThの電圧以下になり、スイッチQはオフする。これにより、タイミングT3からタイミングT5までの期間、スイッチQのドレイン電流Idが流れる。 On the other hand, in FIG. 5B, since the width of the pulse PW is wider at the heavy load than at the light load, the gate-source voltage Vgs of the switch Q is changed to the timing after the pulse PW is turned on at timing T1. At T3, the voltage becomes larger than the threshold Th. Then, after the pulse PW is turned off at timing T4, the gate-source voltage Vgs becomes equal to or lower than the threshold Th voltage at timing T5, and the switch Q is turned off. Thereby, the drain current Id of the switch Q flows during the period from the timing T3 to the timing T5.
このように、スイッチQが入力容量Cissの相対的に大きなFETの場合、スイッチQが軽負荷時にオンしないことがある。尚、スイッチング電源900は、1つのスイッチQで動作させるので、重負荷時にも対応できるFETが用いられ、軽負荷時だけに用いるFETに比べて入力容量Cissは大きくなる。また、スレシホールドThは、スイッチQとして使用するFETの素子ばらつきがあり、同じ電圧でオンオフしない場合がある。従って、DC-DCコンバータ901(1)のスイッチQ(1)、DC-DCコンバータ901(2)のスイッチQ(2)およびDC-DCコンバータ901(3)のスイッチQ(3)は、軽負荷時において、いずれかのスイッチQがオンしない状態になる場合が生じる。
Thus, when the switch Q is a FET having a relatively large input capacitance Ciss, the switch Q may not be turned on at a light load. Since the switching
図6は、入力容量Cissが相対的に小さいFETにおいて、負荷Ldの大きさが異なる場合のスイッチQの動作例を示す。 FIG. 6 shows an operation example of the switch Q when the load Ld is different in an FET having a relatively small input capacitance Ciss.
図6(a)は、図5(a)に対応し、軽負荷時におけるパルスPW、ゲートソース間電圧Vgsおよびドレイン電流Idの一例を示す。図6(b)は、図5(b)に対応し、重負荷時におけるパルスPW、ゲートソース間電圧Vgsおよびドレイン電流Idの一例を示す。 FIG. 6A corresponds to FIG. 5A and shows an example of a pulse PW, a gate-source voltage Vgs, and a drain current Id at a light load. FIG. 6B corresponds to FIG. 5B and shows an example of the pulse PW, the gate-source voltage Vgs, and the drain current Id at the time of heavy load.
図6(a)の軽負荷時において、スイッチQの入力容量Cissは図5で説明したスイッチQの入力容量Cissよりも小さいので、タイミングT1でパルスPWがオンになって直ぐにスイッチQのゲートソース間電圧Vgsが上昇する。そして、ゲートソース間電圧Vgsは、スレシホールドThの電圧より大きくなり、スイッチQは、パルスPWのタイミングT1からタイミングT2までの期間内にオンになり、ドレイン電流Idが流れる。図6(b)の重負荷時においても、スイッチQは、パルスPWのタイミングT1からタイミングT4までの期間内にオンになり、ドレイン電流Idが流れる。 6A, the input capacitance Ciss of the switch Q is smaller than the input capacitance Ciss of the switch Q described in FIG. 5, so that the pulse PW is turned on at the timing T1 and the gate source of the switch Q is immediately The voltage Vgs increases. Then, the gate-source voltage Vgs becomes larger than the threshold Th voltage, the switch Q is turned on within the period from the timing T1 to the timing T2 of the pulse PW, and the drain current Id flows. Even at the time of heavy load in FIG. 6B, the switch Q is turned on within the period from the timing T1 to the timing T4 of the pulse PW, and the drain current Id flows.
このように、スイッチQの入力容量Cissが相対的に小さなFETの場合、パルスPWがオンオフするタイミングに合わせてスイッチQはオンオフする。 As described above, in the case where the input capacitance Ciss of the switch Q is a relatively small FET, the switch Q is turned on / off in accordance with the timing at which the pulse PW is turned on / off.
図7は、比較例のスイッチング電源900の負荷電流Ioと出力電圧Voutの特性例を示す。尚、図7の例では、DC-DCコンバータ901(1)、DC-DCコンバータ901(2)およびDC-DCコンバータ901(3)の合計の出力電圧Voutは、300Vである。このような場合、DC-DCコンバータ901(1)の出力電圧Vo1、DC-DCコンバータ901(2)の出力電圧Vo2およびDC-DCコンバータ901(3)の出力電圧Vo3は、それぞれ100Vになるのが理想的である。
FIG. 7 shows a characteristic example of the load current Io and the output voltage Vout of the switching
ところが、DC-DCコンバータ901で用いるスイッチQは、重負荷に対応するFETなので、先に説明したように、入力容量Cissが大きく、また、スレシホールドThの電圧にばらつきがあり、スイッチQがオンするタイミングに偏りが生じる。このため、図7に示すように、軽負荷時のDC-DCコンバータ901(1)の出力電圧Vo1と、DC-DCコンバータ901(2)の出力電圧Vo2と、DC-DCコンバータ901(3)の出力電圧Vo3とにばらつきが生じる。ここで、制御回路102は、スイッチング電源900の出力電圧Voutをモニタして所定電圧(例えば300V)になるように制御するので、電圧Vo1、電圧Vo2および電圧Vo3の合計の電圧が所定電圧になる。このため、図7に示したように、DC-DCコンバータ901(1)の出力電圧Vo1およびDC-DCコンバータ901(2)の出力電圧Vo2がそれぞれ100Vに満たない場合、DC-DCコンバータ901(3)の出力電圧Vo3で不足分を補うことになる。ところが、DC-DCコンバータ901(3)の出力電圧Vo3が3つのDC-DCコンバータ901で等分した理想的な出力電圧(100V)よりも大きくなり、DC-DCコンバータ901(3)のC2(3)の耐圧を超えることがある。この場合、C2(3)は、絶縁破壊される。或いは、300Vに対応できる耐圧の高いコンデンサを用いることが求められ、コンデンサのサイズが大きくなり、コストが高くなるという問題がある。尚、図7において、負荷が大きくなるにつれて、DC-DCコンバータ901(1)のスイッチQ(1)、DC-DCコンバータ901(2)のスイッチQ(2)およびDC-DCコンバータ901(3)のスイッチQ(3)は、全てがオン状態になる。これにより、DC-DCコンバータ901(1)の出力電圧Vo1、DC-DCコンバータ901(2)の出力電圧Vo2およびDC-DCコンバータ901(3)の出力電圧Vo3は、出力電圧Voutを等分した理想的な電圧(100V)に安定する。尚、図7の例において、電圧Vo1、電圧Vo2および電圧Vo3の各線は、わかり易いように、上下に少しずつずらして描いてある。
However, since the switch Q used in the DC-
このように、比較例のスイッチング電源900は、軽負荷時に各DC-DCコンバータ901の出力電圧がばらつくという問題が生じる。
As described above, the switching
そこで、本実施形態に係るスイッチング電源100は、図1で説明したように、入力容量Cissが相対的に大きい重負荷時に対応するスイッチQaと、入力容量Cissが相対的に小さい軽負荷時に対応するスイッチQbとを並列に配置する。
Therefore, as described with reference to FIG. 1, the switching
図8は、DC-DCコンバータ101のスイッチQaおよびスイッチQbの回路例を示す。ここで、DC-DCコンバータ101は、図1のDC-DCコンバータ101(1)、DC-DCコンバータ101(2)およびDC-DCコンバータ101(3)に対応する。そして、トランスTr1は、図1のトランスTr1(1)、トランスTr1(2)およびトランスTr1(3)に対応する。また、抵抗R1aは、図1の抵抗R1a(1)、抵抗R1a(2)および抵抗R1a(3)に対応する。同様に、抵抗R1bは、図1の抵抗R1b(1)、抵抗R1b(2)および抵抗R1b(3)に対応する。さらに、スイッチQaは、スイッチQa(1)、スイッチQa(2)およびスイッチQa(3)に対応し、スイッチQbは、スイッチQb(1)、スイッチQb(2)およびスイッチQb(3)に対応する。
FIG. 8 shows a circuit example of the switch Qa and the switch Qb of the DC-
図8において、スイッチQaとして用いられるFETは、ゲートとソースとの間に与えられるゲート・ソース間電圧がVgsa、入力容量がCissaである。また、スイッチQbとして用いられるFETは、ゲートとソースとの間に与えられるゲート・ソース間電圧がVgsb、入力容量がCissbである。スイッチQaは、例えば、数十アンペアなどの比較的大きな電流を流すことができるFETである。これに対して、スイッチQbは、例えば、数アンペア程度の比較的小さな電流を流すことができるFETである。従って、スイッチQaのFETの入力容量Cissaは、スイッチQbのFETの入力容量Cissbよりも大きい。このため、パルスPWが入力された時に、スイッチQaのゲートソース間電圧Vgsaが立ち上がるまでの時間は、スイッチQbのゲートソース間電圧Vgsbが立ち上がるまでの時間よりも長くなる。 In FIG. 8, the FET used as the switch Qa has a gate-source voltage applied between the gate and the source of Vgsa and an input capacitance of Cissa. The FET used as the switch Qb has a gate-source voltage Vgsb applied between the gate and the source, and an input capacitance Cissb. The switch Qa is an FET that can flow a relatively large current such as several tens of amperes. On the other hand, the switch Qb is an FET that can flow a relatively small current of about several amperes, for example. Therefore, the input capacitance Cissa of the FET of the switch Qa is larger than the input capacitance Cissb of the FET of the switch Qb. Therefore, when the pulse PW is input, the time until the gate-source voltage Vgsa of the switch Qa rises is longer than the time until the gate-source voltage Vgsb of the switch Qb rises.
図9は、DC-DCコンバータ101において負荷Ldの大きさが異なる場合のスイッチQの動作例を示す。
FIG. 9 shows an operation example of the switch Q when the load Ld is different in the DC-
図9(a)は、軽負荷時におけるパルスPW、スイッチQaのゲートソース間電圧Vgsaおよびドレイン電流Ida、スイッチQbのゲートソース間電圧Vgsbおよびドレイン電流Idbの一例を示す。同様に、図9(b)は、重負荷時におけるパルスPW、スイッチQaのゲートソース間電圧Vgsaおよびドレイン電流Ida、スイッチQbのゲートソース間電圧Vgsbおよびドレイン電流Idbの一例を示す。尚、制御回路102は、軽負荷時のパルスPWの幅が重負荷時のパルスPWの幅よりも狭くなるように制御する。
FIG. 9A shows an example of the pulse PW, the gate-source voltage Vgsa and the drain current Ida of the switch Qa, and the gate-source voltage Vgsb and the drain current Idb of the switch Qb at a light load. Similarly, FIG. 9B shows an example of the pulse PW, the gate-source voltage Vgsa and the drain current Ida of the switch Qa, and the gate-source voltage Vgsb and the drain current Idb of the switch Qb during heavy load. Note that the
図9(a)において、軽負荷時はパルスPWの幅が重負荷時よりも狭く、タイミングT1からT2の期間でオンになる。入力容量CissaがスイッチQbよりも大きいスイッチQaでは、パルスPWがオンの期間内(タイミングT1からT2までの期間内)に、スイッチQaのゲートソース間電圧VgsaがスレシホールドThの電圧まで上昇しない。このため、スイッチQaはオフしたままの状態になり、ドレイン電流Idaは流れない。 In FIG. 9A, at the time of light load, the width of the pulse PW is narrower than that at the time of heavy load, and is turned on in the period from timing T1 to T2. In the switch Qa whose input capacitance Cissa is larger than the switch Qb, the gate-source voltage Vgsa of the switch Qa does not rise to the threshold Th during the period when the pulse PW is on (in the period from the timing T1 to T2). . For this reason, the switch Qa remains off and the drain current Ida does not flow.
一方、入力容量CissbがスイッチQaよりも小さいスイッチQbでは、タイミングT1においてパルスPWがオンになった後、直ぐにスイッチQbのゲートソース間電圧Vgsbが立ち上がる。そして、スイッチQbは、パルスPWがオンの期間内(タイミングT1からT2までの期間内)にオンになり、ドレイン電流Idbが流れる。 On the other hand, in the switch Qb whose input capacitance Cissb is smaller than the switch Qa, the gate-source voltage Vgsb of the switch Qb rises immediately after the pulse PW is turned on at the timing T1. The switch Qb is turned on during the period when the pulse PW is on (within the period from the timing T1 to T2), and the drain current Idb flows.
また、図9(b)に示すように、重負荷時はパルスPWの幅が軽負荷時よりも広く、タイミングT1からT4の期間でオンになる。そして、入力容量CissaがスイッチQbよりも大きいスイッチQaでは、タイミングT1でパルスPWがオンになった後、スイッチQaのゲートソース間電圧Vgsaが徐々に上昇していく。スイッチQaのゲートソース間電圧VgsaがスレシホールドThの電圧より大きくなった時(タイミングT3)、スイッチQaはオンになり、ドレイン電流Idaが流れる。 Further, as shown in FIG. 9B, the width of the pulse PW is wider than that in the light load at the time of heavy load, and is turned on in the period from the timing T1 to T4. In the switch Qa whose input capacitance Cissa is larger than the switch Qb, the gate-source voltage Vgsa of the switch Qa gradually increases after the pulse PW is turned on at the timing T1. When the gate-source voltage Vgsa of the switch Qa becomes larger than the voltage of the threshold Th (timing T3), the switch Qa is turned on and the drain current Ida flows.
一方、図9(b)において、入力容量CissbがスイッチQaよりも小さいスイッチQbでは、タイミングT1でパルスPWがオンになった後、直ぐにスイッチQbのゲートソース間電圧Vgsbが立ち上がる。そして、スイッチQbは、パルスPWがオンの期間内(タイミングT1からT4までの期間内)にオンになり、ドレイン電流Idbが流れる。 On the other hand, in FIG. 9B, in the switch Qb whose input capacitance Cissb is smaller than the switch Qa, the gate-source voltage Vgsb of the switch Qb rises immediately after the pulse PW is turned on at the timing T1. The switch Qb is turned on during the period when the pulse PW is on (within the period from the timing T1 to T4), and the drain current Idb flows.
ここで、図9(b)において、スイッチQaがオンするタイミングT3において、スイッチQbのドレイン電流Idbは、タイミングT3以前の電流よりも減少している。ドレイン電流Idbが減少する理由は、スイッチQbよりも大きな電流を流すことができるスイッチQaがスイッチQbと並列に接続されているためである。スイッチQaのドレインソース間のオン抵抗Ronaは、スイッチQbのドレインソース間のオン抵抗Ronbよりも小さい。このため、スイッチQaとスイッチQbの両方がオンになると、抵抗比率により、スイッチQbよりもスイッチQaの方に電流が多く流れる。 Here, in FIG. 9B, at the timing T3 when the switch Qa is turned on, the drain current Idb of the switch Qb is smaller than the current before the timing T3. The reason why the drain current Idb decreases is because the switch Qa that can flow a larger current than the switch Qb is connected in parallel with the switch Qb. The on-resistance Rona between the drain and source of the switch Qa is smaller than the on-resistance Ronb between the drain and source of the switch Qb. For this reason, when both the switch Qa and the switch Qb are turned on, a larger amount of current flows in the switch Qa than in the switch Qb due to the resistance ratio.
図1において、トランスTr2の一次側のコイルに流れる電流をIcとすると、スイッチQaのドレイン電流IdaとスイッチQbのドレイン電流Idbとの関係は、(式1)のようになる。
Ic = Ida + Idb ・・・(式1)
そして、スイッチQaのオン抵抗RonaとスイッチQbのオン抵抗Ronbとを用いてIdaおよびIdbを表すと、(式2)および(式3)のようになる。
Ida = Ic × Ronb/(Rona + Ronb) ・・・(式2)
Idb = Ic × Rona/(Rona + Ronb) ・・・(式3)
ここで、例えば、Rona < Ronbの関係を満たし、RonbがRonaの9倍の抵抗値である場合、スイッチQaに流れるドレイン電流IdaとスイッチQbに流れるドレイン電流Idbとの比率は9:1となる。例えば、図9の点線150は、ドレイン電流Idbを拡大した図である。期間t1は、スイッチQaがオフ状態でスイッチQbがオン状態にある期間、期間t2は、スイッチQaおよびスイッチQbが共にオン状態にある期間をそれぞれ示している。軽負荷時の期間t1では、スイッチQaがオフ状態なので、スイッチQbによるドレイン電流Idb1がトランスTr2の一次側コイルに流れる電流Icとなる。重負荷時の期間t2では、スイッチQaおよびスイッチQbが共にオン状態なので、オン抵抗がスイッチQbよりも小さいスイッチQaによるドレイン電流Idaが支配的となる。つまり、トランスTr2の一次側コイルに流れる電流Icは(Ida+Idb2)となるが、電流Icの大部分は、スイッチQaのドレイン電流Idaにより供給され、重い負荷Ldにも対応できる。
In FIG. 1, assuming that the current flowing through the primary coil of the transformer Tr2 is Ic, the relationship between the drain current Ida of the switch Qa and the drain current Idb of the switch Qb is as shown in (Equation 1).
Ic = Ida + Idb (Formula 1)
When Ida and Idb are expressed by using the on-resistance Rona of the switch Qa and the on-resistance Ronb of the switch Qb, they are as shown in (Expression 2) and (Expression 3).
Ida = Ic × Ronb / (Rona + Ronb) (Formula 2)
Idb = Ic × Rona / (Rona + Ronb) (Formula 3)
Here, for example, when the relationship Rona <Ronb is satisfied and Ronb has a resistance value nine times that of Rona, the ratio of the drain current Ida flowing through the switch Qa and the drain current Idb flowing through the switch Qb is 9: 1. . For example, the dotted
このように、本実施形態に係るスイッチング電源100は、軽負荷時において、スイッチQbがスイッチQaよりも速くオンしてドレイン電流IdbをトランスTr2の一次側コイルに流すことができる。そして、本実施形態に係るスイッチング電源100は、重負荷時において、スイッチQbよりも大きい電流を流すことができるスイッチQaが支配的になり、ドレイン電流IdaをトランスTr2の一次側コイルに流すことができる。
As described above, the switching
これにより、図7で説明したような軽負荷時の各DC-DCコンバータ101の出力電圧のばらつきを軽減し、各DC-DCコンバータ101の出力のコンデンサC2が絶縁破壊されることを防止できる。また、コンデンサC2に求められる耐圧は、比較例で示した図3の場合よりも低くすることができ、部品コストを低減することができる。
Thereby, the variation in the output voltage of each DC-
ここで、スイッチQaおよびスイッチQbの実例を示す。下記は、STマイクロ社の2種類のFETの仕様例である。ここで、本実施形態に係るスイッチング電源100におけるスイッチQaはFETa(型番:STW25N95K3)、スイッチQbはFETb(STD5N95K3)にそれぞれ対応する。
(1)FETa(STW25N95K3の仕様例)
・Vdss(ト゛レインソース間耐圧):950V
・Id(ト゛レイン電流):22A
・Vgs-th(ケ゛ートソース間閾値電圧):3Vから5V
・Rds-on(オン抵抗):0.32Ω
・Ciss(入力容量):3680pF
・td-on(オン時間):39ns
・td-off(オフ時間):97ns
(2)FETb(STD5N95K3の仕様例)
・Vdss(ト゛レインソース間耐圧):950V
・Id(ト゛レイン電流):4A
・Vgs-th(ケ゛ートソース間閾値電圧):3Vから5V
・Rds-on(オン抵抗):3Ω
・Ciss(入力容量):460pF
・td-on(オン時間):17ns
・td-off(オフ時間):32ns
上記のように、FETaとFETbのドレインソース間の耐電圧は共に950V、ゲートソース間の閾値(スレシホールドTh)電圧も共に3Vから5Vの仕様になっている。ここで、FETaのドレイン電流Idは22A、FETbのドレイン電流Idは4Aであり、4A以下の軽負荷時はFETbだけで負荷Ldに電流を供給することができるが、4Aを超える重負荷時はFETaにより負荷Ldに電流を供給することが求められる。また、FETaの入力容量(3680pF)は、FETbの入力容量(460pF)よりも大きいので、ゲートソース間電圧がスレシホールドThの電圧になるまで時間が掛かる。このため、パルスがゲートに与えられてからFETaがオンするまでの時間は39nsであるのに対して、FETbがオンするまでの時間は17nsである。さらに、FETaのオン抵抗(0.32Ω)は、FETbのオン抵抗(3Ω)よりも小さいので、FETaとFETbとが共にオンした場合、FETbよりもFETaの方に大きな電流が流れる。
Here, actual examples of the switch Qa and the switch Qb are shown. The following is a specification example of two types of FETs manufactured by STMicro. Here, in the switching
(1) FETa (Specification example of STW25N95K3)
・ Vdss (withstand voltage between drain sources): 950V
・ Id (drain current): 22A
・ Vgs-th (gate-source threshold voltage): 3V to 5V
・ Rds-on (ON resistance): 0.32Ω
・ Ciss (input capacity): 3680pF
・ Td-on (on time): 39ns
・ Td-off (off time): 97ns
(2) FETb (Specification example of STD5N95K3)
・ Vdss (withstand voltage between drain sources): 950V
・ Id (drain current): 4A
・ Vgs-th (gate-source threshold voltage): 3V to 5V
・ Rds-on (ON resistance): 3Ω
・ Ciss (input capacity): 460pF
・ Td-on (on time): 17ns
・ Td-off (off time): 32ns
As described above, the withstand voltage between the drain and source of FETa and FETb is both 950 V, and the threshold (threshold Th) voltage between the gate and source is also 3 V to 5 V. Here, the drain current Id of the FETa is 22A, and the drain current Id of the FETb is 4A. At a light load of 4A or less, the current can be supplied to the load Ld only by the FETb, but at a heavy load exceeding 4A It is required to supply current to the load Ld by the FETa. Further, since the input capacitance (3680 pF) of FETa is larger than the input capacitance (460 pF) of FETb, it takes time until the gate-source voltage becomes the threshold Th voltage. For this reason, the time from when the pulse is applied to the gate until the FETa is turned on is 39 ns, whereas the time until the FETb is turned on is 17 ns. Furthermore, since the on-resistance (0.32Ω) of FETa is smaller than the on-resistance (3Ω) of FETb, when both FETa and FETb are turned on, a larger current flows through FETa than FETb.
このように、本実施形態に係るDC-DCコンバータ101は、特性の異なる2個のFETを並列に接続して、制御回路102から出力される同一のパルスによりオンオフすることにより、軽負荷時から重負荷時まで安定した電圧を出力することができる。そして、複数のDC-DCコンバータ101を直列に接続したスイッチング電源100の場合、各DC-DCコンバータ101は軽負荷時から重負荷時まで安定した電圧を出力することができる。これにより、軽負荷時における各DC-DCコンバータ101の出力電圧のばらつきを低減し、いずれかのDC-DCコンバータ101に偏って電圧が掛かることがなくなり、出力コンデンサの故障を防ぐことができる。
[応用例]
先に説明した実施形態では、スイッチQaとスイッチQbとの2つの独立したFETデバイスを用いたが、1つのFETデバイスの中にスイッチQaとスイッチQbとの2つの特性を有する素子を組み込んだFETデバイスを製造してもよい。
As described above, the DC-
[Application example]
In the above-described embodiment, two independent FET devices of the switch Qa and the switch Qb are used. However, an FET in which elements having two characteristics of the switch Qa and the switch Qb are incorporated in one FET device. Devices may be manufactured.
図10は、FETデバイス200の等価回路の一例を示す。FETデバイス200は、1枚の半導体基板上に設けられた複数のFETを有し、並列に接続するFETの数を調整することにより、ドレイン電流Idの容量を増減することができる。
FIG. 10 shows an example of an equivalent circuit of the
図11は、半導体基板300の一例を示す。半導体基板300には、図10に示したFETデバイス200が設けられる。尚、図10に示した半導体領域aおよび半導体領域bと図11に示した半導体領域aおよび半導体領域bとは、それぞれ同じ領域を示している。そして、図11の各領域に斜線で示した方形状の単位(FETs)は、図10に示した複数のFETを示している。例えば、図10に示したFETa1からFETa120までの120個のFETおよびFETb1からFETb12までの12個のFETは、図11に示したFETsにそれぞれ対応する。
FIG. 11 shows an example of the
図10(a)において、半導体領域aは、FETa1、FETa2、FETa3からFETa120までの120個のFETが並列に接続されている。これに対して、半導体領域bは、FETb1からFETb12までの12個のFETが並列に接続されている。尚、半導体領域毎に、各FETのゲートが束ねられ、各半導体領域が1つのFETとして機能する。例えば、半導体領域aは、FETa1からFETa120までの120個のFETのゲートが束ねられたゲート端子201が外部に設けられ、1つのFETaとして機能する。同様に、半導体領域bは、FETb1からFETb12までの12個のFETのゲートが束ねられたゲート端子202が外部に設けられ、1つのFETbとして機能する。FETaとFETbは、互いに独立したFETとして動作するが、半導体領域aのFETのドレインおよびソースは、半導体領域bのFETのドレインおよびソースにそれぞれ接続され、ドレイン端子およびソース端子が外部に設けられる。尚、半導体領域aのドレインおよびソースと、半導体領域bのドレインおよびソースとをそれぞれ別のドレイン端子およびソース端子として外部に設けてもよい。
In FIG. 10A, 120 FETs from FETa1, FETa2, FETa3 to FETa120 are connected in parallel to the semiconductor region a. On the other hand, in the semiconductor region b, 12 FETs from FETb1 to FETb12 are connected in parallel. Note that the gates of the FETs are bundled for each semiconductor region, and each semiconductor region functions as one FET. For example, in the semiconductor region a, a
ここで、FETaは、120個のFETが並列に接続されているので、12個のFETsが並列に接続されたFETbよりも大きなドレイン電流Idを流すことができる。一方、FETaの入力容量Cissは、120個のFETsの入力容量Cissの総和となり、FETbの入力容量Cissは、12個のFETsの入力容量Cissの総和となる。従って、FETaの入力容量CissとFETbの入力容量Cissは、FETaの入力容量Ciss > FETbの入力容量Ciss、の関係になる。同様に、FETaが流すことができるドレイン電流Idは、FETbが流すことができるドレイン電流Idよりも大きいので、FETaは、大容量のスイッチQaに対応する。一方、FETbが流すことができるドレイン電流Idは、FETaが流すことができるドレイン電流Idよりも小さいので、FETbは、小容量のスイッチQbに対応する。 Here, since 120 FETs are connected in parallel to FETa, a larger drain current Id can flow than FETb in which 12 FETs are connected in parallel. On the other hand, the input capacitance Ciss of the FETa is the sum of the input capacitances Ciss of the 120 FETs, and the input capacitance Ciss of the FETb is the sum of the input capacitances Ciss of the 12 FETs. Therefore, the input capacitance Ciss of the FETa and the input capacitance Ciss of the FETb are in the relationship of the input capacitance Ciss of the FETa> the input capacitance Ciss of the FETb. Similarly, since the drain current Id that can flow through the FETa is larger than the drain current Id that can flow through the FETb, the FETa corresponds to the large-capacity switch Qa. On the other hand, since the drain current Id that can flow through the FETb is smaller than the drain current Id that can flow through the FETa, the FETb corresponds to the switch Qb having a small capacity.
図10(b)は、図1に示した外付けの抵抗R1aおよび抵抗R1bを半導体デバイス200aに内蔵する一例を示す。尚、図10(b)において、図10(a)と同符号のブロックは、図10(a)と同一又は同様の機能を有する。図10(b)において、FETaの束ねられたゲートには抵抗R1a、FETbの束ねられたゲートには抵抗R1bがそれぞれ接続され、抵抗R1aと抵抗R1bは、ゲート端子205として外部に設けられる。
FIG. 10B shows an example in which the external resistor R1a and resistor R1b shown in FIG. 1 are built in the
ここで、抵抗R1aとFETaの入力容量Cissとで決まる時定数τaと、抵抗R1bとFETbの入力容量Cissとで決まる時定数τbとの関係は、τa >> τbとなる。つまり、FETaのゲートにパルスPWが入力されてからFETaがオンになるまでの時間は、FETbのゲートにパルスPWが入力されてからFETbがオンになるまでの時間よりも長くなる。 Here, the relationship between the time constant τa determined by the resistor R1a and the input capacitance Ciss of the FETa and the time constant τb determined by the input capacitance Ciss of the resistor R1b and the FETb is τa >> τb. That is, the time from when the pulse PW is input to the gate of the FETa until the FETa is turned on is longer than the time from the input of the pulse PW to the gate of the FETb until the FETb is turned on.
このようにして、本実施形態に係るスイッチング電源100におけるスイッチQaおよびスイッチQbを1つの半導体基板300に設けて1個のFET部品として製造することができる。
Thus, the switch Qa and the switch Qb in the switching
尚、図10および図11は、ドレイン電流Idの容量が異なる2個の独立したFETを1つの半導体基板300に設ける例を示したが、3個以上のFETを1つの半導体基板300に設けるようにしてもよい。
FIGS. 10 and 11 show an example in which two independent FETs having different drain current Id capacities are provided on one
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。 From the above detailed description, features and advantages of the embodiments will become apparent. This is intended to cover the features and advantages of the embodiments described above without departing from the spirit and scope of the claims. Also, any improvement and modification should be readily conceivable by those having ordinary knowledge in the art. Therefore, there is no intention to limit the scope of the inventive embodiments to those described above, and appropriate modifications and equivalents included in the scope disclosed in the embodiments can be used.
100,900・・・スイッチング電源;101,901・・・DC-DCコンバータ;102・・・制御回路;103,C1,C2・・・コンデンサ;D1,D2,D3・・・ダイオード;L1・・・コイル;Ld・・・負荷;Tr1,Tr2・・・トランス;Q,Q1,Q2・・・スイッチ;R1,R1a,R1b,R2,R3,R11,R12,R13・・・抵抗;増幅回路・・・AMP;比較回路・・・COMP 100, 900 ... switching power supply; 101, 901 ... DC-DC converter; 102 ... control circuit; 103, C1, C2 ... capacitor; D1, D2, D3 ... diode; · Coil; Ld ··· load; Tr1, Tr2 ··· transformer; Q, Q1, Q2 ··· switch; R1, R1a, R1b, R2, R3, R11, R12, R13 ··· resistor; ..AMP: Comparison circuit ... COMP
Claims (6)
直列に接続された複数の前記コンバータの合計の出力電圧が予め設定された電圧になるように、前記スイッチを制御する制御回路と
を有し、
前記スイッチは、特性の異なる複数のスイッチが並列に接続され、前記複数のスイッチは、前記制御回路から出力される同一のパルスによりオンオフされる
ことを特徴とするスイッチング電源。 A switch having a switch for turning on and off the current flowing from the DC power supply to the primary coil of the transformer, a plurality of converters that convert the AC voltage generated in the secondary coil of the transformer into a DC voltage and output the DC voltage, is connected in series,
A control circuit for controlling the switch so that a total output voltage of the plurality of converters connected in series becomes a preset voltage;
The switching power supply, wherein a plurality of switches having different characteristics are connected in parallel, and the plurality of switches are turned on and off by the same pulse output from the control circuit.
前記スイッチは、FETが用いられ、
複数の前記FETは、それぞれのソースおよびドレインが並列に接続されて前記トランスの一次側コイルに流れる電流をオンオフし、
複数の前記FETのゲートソース間の容量は、互いに異なる
ことを特徴とするスイッチング電源。 The switching power supply according to claim 1,
The switch is an FET,
The plurality of FETs are connected in parallel with their respective sources and drains to turn on and off the current flowing through the primary coil of the transformer,
The switching power supply characterized in that the capacitance between the gate sources of the plurality of FETs is different from each other.
複数の前記FETは、第1FETと、第2FETとを有し、
前記第1FETのゲートソース間の容量は、前記第2FETのゲートソース間の容量よりも大きい
ことを特徴とするスイッチング電源。 The switching power supply according to claim 2,
The plurality of FETs include a first FET and a second FET,
The switching power supply, wherein the capacitance between the gate and source of the first FET is larger than the capacitance between the gate and source of the second FET.
異なる個数の前記FET回路が含まれるように前記半導体基板を複数の領域に分け、複数の前記FET回路のゲートを領域毎に束ねて、領域毎にゲート端子を設け、
複数の前記FET回路のドレインおよびソースをそれぞれ束ねた共通のドレイン端子および共通のソース端子を有する
ことを特徴とするFETデバイス。 In a FET device in which a plurality of FET circuits are provided on the same semiconductor substrate,
The semiconductor substrate is divided into a plurality of regions so that different numbers of the FET circuits are included, the gates of the plurality of FET circuits are bundled for each region, and a gate terminal is provided for each region,
A FET device comprising a common drain terminal and a common source terminal each of which is a bundle of drains and sources of a plurality of the FET circuits.
前記領域毎に束ねたそれぞれのゲートを抵抗を接続する共通のゲート端子を設けたことを特徴とするFETデバイス。 The FET device of claim 4, wherein
A FET device comprising a common gate terminal for connecting a resistor to each of the gates bundled in each region.
前記FET回路の個数が相対的に多い領域と少ない領域とに分け、
前記FET回路の個数が相対的に多い領域の入力容量と当該領域のゲートに接続される抵抗とで決まる第1時定数と、前記FET回路の個数が相対的に少ない領域の入力容量と当該領域のゲートに接続される抵抗とで決まる第2時定数との関係は、
第1時定数 >> 第2時定数
であることを特徴とするFETデバイス。 The FET device of claim 5, wherein
Dividing into a region where the number of the FET circuits is relatively large and a region where the number is relatively small,
A first time constant determined by an input capacitance in a region where the number of FET circuits is relatively large and a resistance connected to a gate of the region, an input capacitance in a region where the number of FET circuits is relatively small, and the region The relationship with the second time constant determined by the resistance connected to the gate of
An FET device characterized by: a first time constant >> a second time constant.
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