JP4903601B2 - 突入電流制限回路のための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、広義には突入電流制限回路に関し、より詳しくは、低電力消費型の突入電流制限回路に関する。

電子回路のいくつかの用途においては、電源電圧を印加したとき回路に流れ込む突入電流を制御することが望ましい。このような用途としては、直流（または整流ＡＣ）電源に電力変換装置を接続し、その電力変換器回路の入力に大容量コンデンサを備えるＤＣ／ＤＣ変換（または整流ＡＣ）がある。突入電流制限回路の役割は、直流電源電圧を電源変換器回路に供給する電源から引き出す電流を調整することである。突入電流制限回路を使用しない場合、電源変換器の入力コンデンサを充電する電流が制御されず、その結果、突入電流が非常に大きくなって、電源変換器や電源装置のコネクタとその他のコンポーネントに損傷が生じることがある。

突入電流制限回路の用途では、通常、高効率で動作することが要求され、したがって効率改善が可能な何らかの構成による突入電流制限回路が強く求められている。

以下、本発明を実施形態に基づき図面を参照して詳細に説明するが、これらの実施形態は本発明を限定したり包括したりする趣旨のものではなく、また、図中同様の参照符号は、別途明記する場合を除き、いくつかの異なる図面を通して、同様の構成部分を指すものとする。

以下、本発明の突入電流制限回路を実施するための装置および方法のいくつかの例を開示し、説明する。以下の説明においては、本発明の完全な理解を期すべく、具体的な詳細事項を多数記載する。しかしながら、この技術分野の当業者にとって、本発明がこれらの具体的な詳細事項の記載なしでも実施可能であることは自明であろう。発明の実施に関連する周知の方法については、本発明が不明確になることを避けるため、詳細な説明は省略する。

本願明細書を通して、「一実施形態」あるいは「実施形態」と言う場合、当該実施形態との関連で説明した各特定の機能、構造あるいは特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態に備わっていることを意味する。したがって、「一実施形態において」または「実施形態において」という文言が本願明細書の様々な箇所に記載されている場合、必ずしもすべて同じ実施形態を指すものではない。さらに、それらの特定の機能、構造、または特徴を１つ以上の実施形態において、例えば、任意の適切な組合せおよび／または副次的・補助的組合せの形で組み合わせることも可能である。

ここでは、本発明の開示技術に基づく改良された突入電流制限回路とそのような回路を実施する方法について説明する。本発明の実施形態は、電流検出素子を必要としないように、また突入電流の制限をパワースイッチのドレイン端子とソース端子との間の電圧の変化率を制御することにより行うような形で、突入電流制限回路を簡単化しかつ改良する方法と、そのように簡単化し、改良した装置に関わるものであり、このパワースイッチのドレイン端子とソース端子間の電圧の変化率を制御することを、本発明においてはパワースイッチの両端間電圧のスルーレートを制御するというようにも表現する。

例えば、図１において、符号１０１は本発明の開示技術による突入電流制限回路の一実施形態を全体的に示す。図示のように、突入電流制限回路１０１は、コンデンサＣｔに接続されたパワースイッチ１０４とコンデンサＣｔを備え、コンデンサＣｔはパワースイッチ１０４に接続された電流源１０２とダイオードＤｓに接続されている。電流源１０２は突入電流制限回路１０１の入力端子に接続され、パワースイッチ１０４も突入電流制限回路１０１の同じ入力端子に接続されている。図示実施形態においては、パワースイッチ１０４のゲート端子はパワースイッチ制御回路１０３に接続され、制御回路１０３は、突入電流制限回路１０１の一方の入力端子から入力電源電圧信号１０５を受け取りかつ電流源１０２とコンデンサＣｔとの間のセンスノード１０６から信号を受け取るよう接続されている。ダイオードＤｓのアノードはパワースイッチ１０４のドレインに接続され、ダイオードＤｓのカソードはコンデンサＣｔと電流源１０２に接続されている。

以下に説明するように、本発明の開示技術によれば、パワースイッチ１０４のゲート端子は、電圧がパワースイッチ制御回路１０３を介しパワースイッチ１０４の両端間電圧の変化率に応じて電流源１０２の両端間電圧に応動するよう結合されている。本発明の開示技術によれば、一実施形態の場合、これはパワースイッチ制御回路１０３からパワースイッチ１０４のゲート端子に印加される信号をパワースイッチ１０４の両端間電圧の変化に応じて電流源の両端間電圧に応動させることにより達成される。

例えば、突入電流制限回路１０１は、その入力端子間に接続された電源から直流（ＤＣ）電源電圧を受け取るよう接続されている。図１の回路は、入力電源電圧信号１０５を受け取るパワースイッチ制御回路１０３を備え、この制御回路１０３を用いてパワースイッチ１０４のターンオンと電流源１０２のターンオンが開始される入力電源電圧の閾値を決定することが可能である。したがって、パワースイッチ１０４と電流源１０２は、入力電源電圧信号１０５の閾値に達するまではオフになっている。

最初に図１の突入電流制限回路１０１に電源電圧がかかってから入力電源電圧信号１０５が閾値に達するまでは、電源電圧はほとんどすべてパワースイッチ１０４のドレイン−ソース端子間にかかる。電流源１０２がオンになるとダイオードＤｓが導通する。ダイオードＤｓのアノードは、パワースイッチのドレイン端子と同電位である。電流源１０２が動作しているとき、ダイオードＤｓのカソード電位は、パワースイッチのドレイン端子電圧より１ダイオード分の電圧降下だけ低い。パワースイッチ制御回路１０３がパワースイッチ１０４をターンオンし始めると、パワースイッチ１０４のドレイン−ソース電圧が低下し始める。ダイオードＤｓのカソードは、パワースイッチ１０４のドレイン端子より１ダイオード分の電圧降下だけ低い電位に保たれる。これにより、パワースイッチ１０４のソース端子とドレイン端子の間にかかるパワースイッチ両端間電圧の変化がダイオードＤｓを介してコンデンサＣｔに結合され、これに電流を生じさせる。

このコンデンサＣｔにかかる電圧の変化は、電流源１０２とコンデンサＣｔとの間にあるセンスノード１０６を介してパワースイッチ制御回路１０３に結合される。次に、本発明の開示技術によれば、パワースイッチ制御回路１０３が、パワースイッチ１０４のゲートドライブを制御してコンデンサＣｔの電圧変化率を調整することにより、パワースイッチ１０４両端間の電圧スルーレートを制限し、故に出力バルクコンデンサＣｂを流れる突入電流をも制限する。

電流源１０２の代わりに抵抗器を使用することできるということは理解されよう。しかしながら、電流源１０２の電流Ｉｃは、電源電圧値の影響をうけにくく、パワースイッチ制御回路１０３がコンデンサＣｔを流れる電流を調整するべく検出する信号をセンスノード１０６が発生するコンデンサＣｔの電流値にこれを使用しない場合には影響を及ぼすことが考えられる温度効果に対して不感にすることができるので、電流源１０２により制御された電流Ｉｃを使用する方が、電流源１０２に代えて単なる抵抗器を使用するよりも優れた利点がいくつかある。電流源１０２を用いるについては、パワースイッチ１０４のドレイン電圧のスルーレートを正確に制御することが可能になるという利点もある。本発明の開示技術によれば、別の実施形態において、図１における金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のパワースイッチ１０４の代わりにバイポーラトランジスタを用いることも可能であることは理解されよう。

図２は、本発明の開示技術による一実施形態の突入電流制限回路２０１を全般的に示す概略図である。図から明らかなように、図２の実施形態の突入電流制限回路２０１は、図１の実施形態の突入電流制限回路１０１といくつかの点で類似しているということが分かるであろう。図２の実施形態では、パワースイッチ制御回路２０３の構成素子がより詳しく示してある。図示のように、ツェナーダイオードＶＲ１が入力電源電圧信号２０５を受け取るように接続されている。図示実施形態においては、ツェナーダイオードＶＲ１のツェナー電圧ＶＴが、パワースイッチ２０４および電流源２０２がターンオンし始める電源からの入力電源電圧の閾値を決定する。

図２に示す実施形態では、センスノード２０６はトランジスタＱ１のベースに接続されている。トランジスタＱ１のエミッタはコンデンサＣｔに接続されている。ダイオードＤｓのカソードは、パワースイッチ２０４のドレイン端子より１ダイオード分の電圧降下だけ低い電位に保たれる。これにより、パワースイッチ２０４のドレイン端子とソース端子との間にかかるパワースイッチ両端間電圧の変化は、ダイオードＤｓを介してトランジスタＱ１と電流源２０２に結合される。トランジスタＱ１のベースは、電流源２０２とダイオードＤｓのカソードに接続されている。パワースイッチ２０４のドレイン電圧が下がると、トランジスタＱ１のベースの電圧も下がり、これによってトランジスタＱ１がオンになる。トランジスタＱ１が導通すると、コンデンサＣｔを充電する電流が流れ、この電流は抵抗器Ｒ２にも流れて、抵抗器Ｒ２に電圧を立ち上がらせる。抵抗器Ｒ２の両端間電圧がトランジスタＱ２のベース−エミッタ電圧の閾値電圧に達すると、トランジスタＱ２がオンになってパワースイッチ２０４のゲート電圧を引き下げ、これがパワースイッチ２０４を遮断する方向に作用する。

図示実施形態においては、下記の３つの式が成り立つ。

式１は、突入電流をバルクコンデンサＣｂとバルクコンデンサ電圧の変化率の関数として求める計算式である。式２は、突入電流をパワースイッチのドレイン電圧のスルーレートまたは変化率の関数として表すことも可能であることを示している。また、式３は、突入電流をバルクコンデンサＣｂ、コンデンサＣｔ、トランジスタＱ２のベース−エミッタ間電圧降下と抵抗器Ｒ２の値の関数として表すことも可能なことを示している。

したがって、パワースイッチ２０４のゲートドライブは、コンデンサＣｔを電流源２０２に結合するノードであるセンスノード２０６の信号に応動する。故に、トランジスタＱ１のベースに印加され、よって抵抗器Ｒ２とトランジスタＱ２をドライブするべく結合されるのはこの信号であるから、パワースイッチ２０４のゲートドライブは、電流源２０２の両端間電圧の変化にも応動する。電流突入作用が収まり、パワースイッチ２０４のドレイン−ソース電圧がパワースイッチ２０４のオン抵抗によって決まる定常状態値に達し、パワースイッチ２０４のドレイン−ソース電圧の変化率が実質的にゼロになった後は、ツェナーダイオードＶＲ２がパワースイッチ２０４のゲート電圧を制限する。

図３は、本発明の開示技術によるもう一つの実施形態の突入電流制限回路３０１を全般的に示す概略図である。図から明らかなように、図３の実施形態の突入電流制限回路３０１は、図２の実施形態の突入電流制限回路２０１および／または図１の実施形態の突入電流制限回路１０１といくつかの点で類似しているということが分かるであろう。図３に示す実施形態においては、入力電源電圧信号３０５の電圧が約２７Ｖを超えると、ツェナーダイオードＶＲ５が導通する。すると、抵抗器Ｒ２４の両端間に電圧が発生して、パワースイッチ３０４のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ９）のゲートをドライブし、電流源３０２を活性状態にする。ゲート電圧がパワースイッチ３０４のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ９）のターンオン閾値に達すると、パワースイッチ３０４と電流源３０２がターンオンし始める。

このターンオン過程で、パワースイッチ３０４のドレイン電圧が電源電圧レベル以下に低下し始める。このパワースイッチ３０４のドレイン電圧低下は、ダイオードＤｓのカソードに結合される。ドレイン電圧レベルが低下するとトランジスタＱ１３がオンになり、コンデンサＣ１（Ｃｔ））から抵抗器Ｒ２７へ充電電流を導通させる。この場合、コンデンサＣ１は図１、２におけるコンデンサＣｔと等価であるということが分かるであろう。また、抵抗器Ｒ３２、Ｒ３３とトランジスタＱ１１により形成される電流源は、図１、２の電流源１０２または２０２と等価であり、本発明の開示技術で使用することが可能な電流源回路の一例に過ぎないということも分かるであろう。本発明の開示技術によれば、他の実施形態において、Ｒ３２、Ｒ３３とＱ１１で形成される電流源に代えて、他の適切な形態の電流源（例えば、単なる抵抗器を含む）を使用することも可能である

図３に示す実施形態においては、Ｒ３２、Ｒ３３とＱ１１で形成される電流源がダイオードＤ１（Ｄｓ）のカソード電圧をパワースイッチＱ９のドレイン電圧より１ダイオード分の電圧降下だけ低く保つ。パワースイッチＱ９が導通し始めると、そのドレイン電圧が低下し、これによってセンスノード３０６に現れるダイオードＤ１のカソードとトランジスタＱ１３のベースの電圧が低下して、トランジスタＱ１３がオンになる。したがって、センスノード３０６の信号は、Ｒ３２、Ｒ３３とＱ１１によって形成される電流源の両端間電圧に応動する。トランジスタＱ１３は、コンデンサＣ１の充電電流を導通させ、図の下部に示す抵抗器Ｒ２７の両端間に電圧信号を発生させる。このＲ２７両端間の電圧信号はトランジスタＱ１０のベースをドライブして導通させ、パワースイッチ３０４のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ９）のゲート電圧を引き下げることにより、パワースイッチ３０４を遮断する方向に作用する。

図示の実施形態においては、コンデンサＣ１と抵抗器Ｒ２７を流れる一定充電電流が、パワースイッチ３０４のドレイン電圧のスルーレートであるパワースイッチ３０４のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ９）のドレイン電圧の一定変化率と比例関係にある。それ故、抵抗器Ｒ２７を流れるコンデンサＣ１の充電電流を制御することによって、パワースイッチ３０４のドレイン電圧スルーレートも制御される。また、ダイオードＤｓは、電流源３０２と連動して、そのカソード電圧をパワースイッチ３０４のドレイン電圧レベルに追従させる。このようにして、パワースイッチ３０４のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ９）のドレイン−ソース電圧が変化しているとき、パワースイッチ３０４のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ９）に印加される制御端子信号、すなわちゲートドライブ信号がセンスノード３０６の信号に応動し、一方このセンスノードの信号はトランジスタＱ１３のエミッタ端子とコレクタ端子よりなる電流源端子間の電圧に応動して、パワースイッチ３０４のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ９）のターンオンスルーレートを効果的に制御する閉ループ系が完結する。そして、このようにパワースイッチ３０４のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ９）のドレイン−ソース電圧スルーレートを制御することで、バルクコンデンサＣｂに流れ込む突入電流が制御される。

パワースイッチ３０４のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ９）のスルーレートは、コンデンサＣ１の値を変えるか、または抵抗器Ｒ２７の値を変えることにより制御することができる。この実施形態の長所は、パワースイッチ３０４のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ９）を流れる電流を直接検出する必要がなく、したがって電流検出抵抗器あるいはその他の直接的突入電流検出手段を用いた場合に招来するであろう付随的損失やコストが回避されるということである。本発明によれば、単なる抵抗器ではなく、電流源をコンデンサＣ１と突入電流制限回路３０１の入力電源電圧端子との間に接続することで、センスノード３０６に発生する信号が温度や入力電源電圧の変動に影響されないことを確実にする安定した電流が得られる。

以上、本発明の方法および装置について、その特定の実施形態により詳細に説明した。しかしながら、本発明の広義の精神および範囲を逸脱することなく上記実施形態について種々の修正態様および変更態様をなすことが可能なことは自明であろう。したがって、本願明細書および図面は例示説明のためのものであり、本発明を限定するためのものではない。

本発明の開示技術による突入電流制限回路の一実施形態を全般的に示すブロック図である。 本発明の開示技術による突入電流制限回路の一実施形態を全般的に示す概略図である。 本発明の開示技術を効果的に利用した突入電流制限回路のもう一つの実施形態を全般的に示す概略図である。

符号の説明

１０１…突入電流制限回路、１０２…電流源、１０３…パワースイッチ制御回路、１０４…パワースイッチ、１０５…入力電源電圧信号、１０６…センスノード、Ｃｔ…コンデンサ

Claims (25)

1. 突入電流制限回路であって、
   第１の端子と第２の端子と第３の端子とを有するパワースイッチと、
   アノードとカソードとを有し、そのアノードを前記パワースイッチの第１の端子に結合したダイオードと、
   第１の端子と第２の端子とを含み、その第２の端子を前記パワースイッチの第２の端子に結合した電流源回路と、
   第１の端子と第２の端子とを有するコンデンサとを備え、
   前記コンデンサの両端間の制御電圧が、前記パワースイッチの前記第１の端子と第２の端子との間の電圧変化率に応動し、前記コンデンサの前記第１の端子が前記突入電流制限回路の第１の入力端子に結合され、前記コンデンサの前記第２の端子が前記電流源回路の第１の端子に結合され、前記電流源回路の前記第２の端子が前記突入電流制限回路の第２の入力端子に結合され、前記パワースイッチの前記第２の端子が前記突入電流制限回路の前記第２の入力端子に結合され、前記パワースイッチの前記第３の端子が、前記コンデンサの前記制御電圧に応じて前記電流源回路の両端間電圧に応動するよう結合されたことを特徴とする、突入電流制限回路。
2. 前記パワースイッチが金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である、請求項１に記載の突入電流制限回路。
3. 前記パワースイッチがバイポーラトランジスタである、請求項１に記載の突入電流制限回路。
4. 前記電流源回路が、抵抗器と結合したバイポーラトランジスタである、請求項１に記載の突入電流制限回路。
5. 前記電流源回路が前記パワースイッチの前記第３の端子に結合され、これによって前記電流源回路が、前記パワースイッチがターンオンし始めたとき活性状態になる、請求項１に記載の突入電流制限回路。
6. 前記突入電流制限回路の前記第１と第２の入力端子が入力電源電圧信号を受け取るよう結合され、前記パワースイッチが、前記入力電源電圧信号がその閾値に達するまでオフであり、前記閾値は前記突入電流制限回路の前記第１の入力端子に結合されたカソードを有するツェナーダイオードによって決定される、請求項１に記載の突入電流制限回路。
7. 突入電流制限回路であって、
   第１の端子と第２の端子と制御端子とを有するパワースイッチと、
   アノードとカソードとを有し、そのアノードを前記パワースイッチの前記第１の端子に結合したダイオードとを備え、前記パワースイッチの前記第１の端子は前記パワースイッチのドレインであり、さらに
   コンデンサに結合され、かつ前記ダイオードの前記カソードに結合された第１の端子と、前記突入電流制限回路の第２の電源電圧端子に結合された第２の端子とを含む電流源を備え、
   前記パワースイッチの前記第２の端子が前記突入電流制限回路の前記第２の電源電圧端子に結合され、前記パワースイッチの前記制御端子に印加する信号が、前記パワースイッチの前記第１の端子と第２の端子との間の電圧変化に応じて前記電流源の前記第１の端子と第２の端子との間の電圧に応動することを特徴とする、突入電流制限回路。
8. 前記パワースイッチが金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である、請求項７に記載の突入電流制限回路。
9. 前記パワースイッチがバイポーラトランジスタである、請求項７に記載の突入電流制限回路。
10. 前記電流源が、抵抗器と結合したバイポーラトランジスタである、請求項７に記載の突入電流制限回路。
11. 前記突入電流制限回路の第１、第２の電源電圧端子が入力電源電圧信号を受け取るよう結合され、前記入力電源電圧信号がその閾値に達するまで前記パワースイッチがオフである、請求項７に記載の突入電流制限回路。
12. 突入電流の制限方法であって、
    突入電流制限回路の入力端子間に結合された電源から入力電圧信号を受け取るステップと、
    前記入力電圧信号が閾値に達するのに応じて、前記突入電流制限回路に含まれたパワースイッチのターンオンを開始させるステップと、
    前記入力電源信号が閾値に達するのに応じて、前記突入電流制限回路に含まれた電流源のターンオンを開始させるステップと、
    前記電流源の両端間電圧に応じて、前記突入電流制限回路に含まれたコンデンサを流れる電流を生じさせるステップと、
    前記パワースイッチ両端間の電圧スルーレートを制限するように、前記コンデンサを流れる前記電流に応じて、前記パワースイッチのゲートドライブを制御するステップとを備える、方法。
13. 前記コンデンサを流れる電流を生じさせるステップは、前記電流源がオンになるのに応じて、前記突入電流制限回路に含まれたダイオードを通して電流を導通するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ダイオードは、アノードとカソードとを有し、
    前記ダイオードの前記アノードは、前記パワースイッチのドレイン端子に結合されている、請求項１３に記載の方法。
15. 前記コンデンサを流れる電流を生じさせるステップは、前記ダイオードのカソードでの電圧が前記パワースイッチのドレイン端子での電圧より１ダイオード分の電圧降下だけ低いよう、前記カソードでの電圧を保つステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記コンデンサを流れる電流を生じさせるステップは、前記電流が前記パワースイッチのドレインとソースとの間の電圧変化率に応動するよう、前記コンデンサを流れる前記電流を生じさせるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記コンデンサを流れる電流を生じさせるステップは、前記電流が前記パワースイッチのドレインとソースとの間の電圧変化率に比例するよう、前記コンデンサを流れる前記電流を生じさせるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
18. 前記閾値を前記入力端子のうち１つと前記パワースイッチのゲート端子との間に結合されたツェナーダイオードで決定するステップをさらに備える、請求項１２に記載の方法。
19. 前記パワースイッチのゲートドライブを制御するステップは、前記コンデンサを流れる前記電流に応じて、前記パワースイッチのゲート端子上の電圧を引き下げるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
20. 前記パワースイッチのゲート端子上の電圧を引き下げるステップは、前記パワースイッチを遮断する方向に作用する、請求項１９に記載の方法。
21. 前記突入電流制限回路は、トランジスタをさらに含み、
    前記パワースイッチのゲートドライブを制御するステップは、
    前記コンデンサを流れる前記電流で電圧信号を生成するステップと、
    前記トランジスタを前記電圧信号に応じて導通させるステップとを含む、請求項１２に記載の方法。
22. 前記突入電流制限回路は、抵抗器をさらに含み、
    前記電圧信号を生成するステップは、前記コンデンサを流れる前記電流で前記抵抗器の両端間に前記電圧信号を生成するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記パワースイッチは、第１の端子と第２の端子と第３の端子とを有し、前記コンデンサの端子は、前記突入電流制限回路の前記入力端子のうち１つに結合されており、前記電流源回路の端子は、前記パワースイッチの前記第２の端子と、前記突入電流制限回路の前記入力端子のうち別の１つとに結合されている、請求項１２に記載の方法。
24. 前記突入電流制限回路は、バルクコンデンサに流れる突入電流が制限されるよう、前記バルクコンデンサに結合されている、請求項１２に記載の方法。
25. 前記バルクコンデンサの第１の端子は、前記突入電流制限回路の前記入力端子のうち１つに結合されており、前記バルクコンデンサの第２の端子は、前記パワースイッチのドレイン端子に結合されている、請求項２４に記載の方法。

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