JP6882976B2 - スイッチング制御回路 - Google Patents
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Description
本発明者らは、背景技術の欄において記載したスイッチング素子に関し、以下の問題が生じることを見出した。
図1は、実施の形態1に係るスイッチング装置100および負荷1の回路構成を示す図であり、図2は、駆動制御回路5の回路構成の一例を示す図であり、図3は実施の形態1に係るスイッチング装置100における信号波形を示す図である。
図1において、スイッチング装置100は、スイッチング素子2とスイッチング制御回路80とを備える。スイッチング素子2は、ドレイン端子である第1端子、ソース端子である第2端子およびゲート端子である制御端子を有している。スイッチング素子2は、電圧印加−電流駆動型のスイッチング素子であり、例えば、GaN−GITである。スイッチング素子2のオンオフ動作により、負荷1に電源電圧Eccがパルス状に印加される。
まず、スイッチング制御回路80の停止時の動作を説明する。ここで、スイッチング制御回路80の停止時とは、正電圧Vccが所定値より低い、あるいは負電圧Veeが所定値より高い、即ち、スイッチング制御回路80が、スイッチング素子2を充分にオンオフできない場合である。この場合には、入力信号Vinがスイッチング制御回路80に入力されてもスイッチング制御回路80を停止しておく必要がある。なお、スイッチング制御回路80を停止させる場合は、正電圧Vccまたは負電圧Veeが所定値よりも低い場合以外にもあり、例えば、周囲温度が異常に高い、または、外部からのリモート信号が入力されている場合などである。ここでは、本発明の理解を容易とするため、スイッチング制御回路80を停止させる場合の列挙については省略する。
図5は、特許文献2(国際公開第2010/070899号)に記載された従来のスイッチング装置のセルフターンオン現象を説明する回路図である。同図には、一般的なブリッジ構成が示され、ハイサイドスイッチ320とローサイドスイッチ301とが縦列接続されている。この構成において、ハイサイドスイッチ320のターンオン時に、ローサイドスイッチ301のドレイン−ゲート間の寄生容量307に充電電流が流れることにより、ローサイドスイッチ301のゲート電圧が上昇してセルフターンオンする可能性がある。この従来のスイッチング装置のように、オンするためのゲート−ソース間電圧の閾値電圧が低い、または、ドレイン−ゲート間の寄生容量が大きくゲート−ソース間の入力容量が小さい高速スイッチ素子を有する場合に、セルフターンオンが発生し易いという問題がある。
図6において、スイッチング装置110は、スイッチング素子2aおよび2bと、スイッチング制御回路81および82とを備える。スイッチング素子2aおよび2bは、GaN−GITである。スイッチング素子2aおよび2bが交互にオンオフ動作することにより、負荷1に電源電圧Eccがパルス状に印加される。
スイッチング制御回路81および82の停止時の動作については、実施の形態1に係るスイッチング制御回路80の停止時の動作と同様であるので、説明を省略する。
実施の形態1では、ゲート端子の急速充電を、CR直列回路である第1インピーダンス回路を経由しての駆動経路のみが担っていたが、本実施の形態に係るスイッチング制御回路は、そのような方法に限定されない。負電源電位Veeの絶対値が大きく、スイッチング素子2のゲート容量が大きいと、第1インピーダンス回路を介しての駆動経路からの充電電流は、供給開始時は大きいが、ゲート容量および駆動コンデンサの充電が進むにつれて指数関数的に減少する。このため、ゲート電圧がスイッチング素子2のターンオン閾値電圧に達する時には充電電流が減ってしまい、高速にターンオンできなくなる場合がある。本実施の形態では、第1インピーダンス回路に加え、もう一つのゲート駆動経路を利用して上記問題を解決しうるものである。
実施の形態1〜3に係るスイッチング制御回路は、スイッチング素子のターンオン時のみ大きな電流をゲートに流すことでゲート容量を充電するため、ピーク値の制御が可能なサージ状の電流を流せるCR駆動経路(第1インピーダンス回路)が配置された構成を有する。
以上、図面を用いて説明したように、上記実施の形態に係る駆動回路、当該駆動回路を含むスイッチング制御回路、および、当該スイッチング制御回路を含むスイッチング装置は、スイッチング素子のゲート−ソース間電圧、ゲート端子への流入電流またはゲート端子からの流出電流を制御する。駆動回路は、スイッチング素子をオンさせる際に、ゲート端子への流入電流の経路として、第1のインピーダンス回路を経由する第1の電流経路と、電流源回路を経由する第2の電流経路とを有する。この構成により、高速かつ制御可能なターンオン時間でターンオンした後に安定なオン状態を維持することができる。
以上、本開示の実施の形態に係る駆動回路、スイッチング制御回路およびスイッチング装置について説明したが、本開示は、上記実施の形態1〜4に限定されるものではない。
2、2a、2b スイッチング素子
3、3A 正電源
4、4A 負電源
5、5a、5A、5B 駆動制御回路
6、6a、41、44、47、215 コンデンサ
7、7a 第1抵抗
8、8a 第2抵抗
10、30 電流源回路
11、31 第1スイッチ
12、32 第2スイッチ
13、33 第3スイッチ
14、34 第4スイッチ
15、35 第5スイッチ
20、20A、20B、20C 駆動回路
21 正電源端子
22 入力端子
23 グランド端子
24 負電源端子
25 第1の出力端子
26 第2の出力端子
27 第3の出力端子
40 シリーズレギュレータ
42、43、45、46 スイッチ
48 負電源回路
50 基準電圧源
51、52、53、54 抵抗
55、56、66 比較器
57、61、62、63、65、67、68 AND回路
58、64、69 インバータ
59 遅延回路
60 OR回路
80、81、82、83 スイッチング制御回路
90、91、92、93 第1インピーダンス回路
95、96、97 第2インピーダンス回路
100、110、120 スイッチング装置
201 接合型FET
202 フリーホイールダイオード
203 ゲートスイッチングモジュール
204 ドレイン端子
205 ソース端子
206 ゲート端子
207 帰還容量
208 入力容量
209 寄生ダイオード
211 ゲート抵抗
212 ゲート電源
213 ダイオード
214 ツェナーダイオード
301 ローサイドスイッチ
307 寄生容量
320 ハイサイドスイッチ
Claims (9)
- 正の電源電圧、負の電源電圧、および入力信号が供給され、前記入力信号に応じて制御端子を有するスイッチング素子を駆動する駆動回路と、
所定の抵抗性素子を含む第1インピーダンス回路と、
所定の抵抗性素子を含む第2インピーダンス回路と、を備え、
前記駆動回路は、
前記第1インピーダンス回路を介して前記制御端子に接続され、供給される前記正の電源電圧を前記入力信号に応じて出力し、前記制御端子を充電することにより前記スイッチング素子をオン状態とする第1の出力端子と、
電流源回路と、
前記電流源回路に接続された、前記第1の出力端子と異なる第2の出力端子と、
前記負の電源電圧が供給される負電源端子と、
前記負電源端子に一端が接続された負電圧用スイッチと、
前記負電圧用スイッチの他端に接続され、前記第2インピーダンス回路を介して前記制御端子に接続された第3の出力端子と、
前記負電源端子と前記第1の出力端子との間に配置される第1放電用スイッチとを備え、
前記駆動回路は、
前記第1の出力端子から出力される前記正の電源電圧が前記第1インピーダンス回路で変換される第1電流、および、前記電流源回路から前記第2の出力端子を経由して出力される第2電流を、前記制御端子に供給することにより前記スイッチング素子をオン状態とし、
前記負電圧用スイッチを前記入力信号に応じて導通状態とし、前記第2インピーダンス回路を介して前記制御端子を前記負電源端子に接続することにより前記制御端子から電流を放電し、
前記負電圧用スイッチが導通状態となった後、所定の遅延時間後に前記第1放電用スイッチを導通状態とし、前記スイッチング素子をオフ状態とする
スイッチング制御回路。 - 前記駆動回路は、
前記スイッチング素子をオン状態とするときに、前記入力信号に応じて前記第2電流の前記制御端子への供給が開始した後、所定の時間の経過後に前記第1電流を出力させる
請求項1に記載のスイッチング制御回路。 - 前記スイッチング素子は、前記制御端子、第1端子および第2端子を有し、
前記駆動回路は、
前記スイッチング素子の前記制御端子と前記第2端子との間の電圧が所定の電圧以上になったとき、前記電流源回路から前記第2電流を出力させる
請求項1に記載のスイッチング制御回路。 - 前記電流源回路は、前記第2電流の出力開始時から所定の期間は、第1の電流値以上の前記第2電流を出力し、前記所定の期間の経過後は、前記第1の電流値より小さい定電流値を有する前記第2電流を出力する
請求項1または3に記載のスイッチング制御回路。 - さらに、
前記正の電源電圧が供給される正電源端子を備え、
前記負の電源電圧を前記負電源端子に供給する負電源は、
前記正電源端子に接続されて降圧安定化した電圧を出力するシリーズレギュレータと、
前記シリーズレギュレータの出力を反転して前記負の電源電圧とする反転型のスイッチトキャパシタコンバータとで構成される
請求項1〜4のいずれか1項に記載のスイッチング制御回路。 - さらに、
前記正の電源電圧が供給される正電源端子を備え、
前記正電源端子に接続されて降圧安定化した電圧を出力するシリーズレギュレータと、前記シリーズレギュレータの出力を反転して前記負の電源電圧とする反転型のスイッチトキャパシタコンバータと、の少なくとも一部の構成を前記駆動回路に含む
請求項1〜5のいずれか1項に記載のスイッチング制御回路。 - 前記駆動回路は、さらに、
一端が前記負電源端子に接続され、他端が前記制御端子に直接接続される第2放電用スイッチを備える
請求項1に記載のスイッチング制御回路。 - 前記駆動回路は、
前記スイッチング素子をオフ状態とするときに、前記第1放電用スイッチ、及び前記第2放電用スイッチを導通状態にすることにより、前記第1インピーダンス回路に蓄積された電荷を放電させる
請求項7に記載のスイッチング制御回路。 - 前記第1インピーダンス回路は、
前記抵抗性素子と容量性素子とが直列接続された回路を含む
請求項7または8に記載のスイッチング制御回路。
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