(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022125705
(43)【公開日】2022-08-29
(54)【発明の名称】整流回路、整流回路の制御方法
(51)【国際特許分類】
H02M 7/12 20060101AFI20220822BHJP
H01L 29/78 20060101ALI20220822BHJP
H01L 21/329 20060101ALI20220822BHJP
【FI】
H02M7/12 X
H01L29/78 657G
H01L29/78 656Z
H01L29/90 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021023448
(22)【出願日】2021-02-17
(71)【出願人】
【識別番号】000233273
【氏名又は名称】株式会社 日立パワーデバイス
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】三輪 明寛
(72)【発明者】
【氏名】庄司 浩幸
(72)【発明者】
【氏名】坂野 順一
(72)【発明者】
【氏名】内海 智之
(72)【発明者】
【氏名】樋口 孝裕
【テーマコード(参考)】
5H006
【Fターム(参考)】
5H006AA05
5H006CA02
5H006CA07
5H006CA12
5H006CC01
5H006CC03
5H006DA04
5H006DB01
5H006DC05
(57)【要約】 (修正有)
【課題】複数のMOSFETを多段接続して構成する整流回路において、1つの検出電圧を基に複数のMOSFETを連動制御可能な、低損失かつ信頼性の高い整流回路を提供する。
【解決手段】第1の端子T1と第2の端子T2との間に多段接続された複数のMOSFET Q1~Qnと、複数のMOSFETのうちの1つ以上のMOSFETのドレイン-ソース間電圧を検出し、所定の閾値電圧と比較して、前記複数のMOSFETのオン・オフを制御する制御信号を生成する制御回路1と、を備える。制御回路は、複数のMOSFETのうちの1つのMOSFETのドレイン-ソース間電圧又は2つ以上のMOSFETのドレイン-ソース間電圧の合計を検出した検出電圧と、所定の閾値電圧とを比較する比較回路COMPaの比較結果に基づき、少なくとも検出対象のMOSFETを含む複数のMOSFETのオン・オフを連動して制御する。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の端子と第2の端子との間に多段接続された複数のMOSFETと、
前記複数のMOSFETのうちの1つ以上のMOSFETのドレイン-ソース間電圧を検出し、所定の閾値電圧と比較して、前記複数のMOSFETのオン・オフを制御する制御信号を生成する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記複数のMOSFETのうちの1つのMOSFETのドレイン-ソース間電圧または2つ以上のMOSFETのドレイン-ソース間電圧の合計を検出した検出電圧と、前記所定の閾値電圧とを比較する比較回路と、
前記比較回路による比較結果に基づき、前記複数のMOSFETのオン・オフを制御する複数の駆動回路とを有し、
前記制御回路は、前記比較回路による比較結果に基づき、少なくとも検出対象のMOSFETを含む複数のMOSFETのオン・オフを連動して制御することを特徴とする整流回路。
【請求項2】
請求項1に記載の整流回路において、
前記駆動回路は、検出対象のMOSFETと検出対象以外のMOSFETとを含む複数のMOSFETのオン・オフを制御することを特徴とする整流回路。
【請求項3】
請求項1に記載の整流回路において、
前記検出電圧は、前記第1の端子と前記第2の端子との間の電圧であることを特徴とする整流回路。
【請求項4】
請求項1に記載の整流回路において、
前記駆動回路は、前記複数のMOSFETのうち少なくとも1つのMOSFETのオン・オフを制御する際に、前記比較回路による比較結果をレベルシフトして駆動することを特徴とする整流回路。
【請求項5】
請求項4に記載の整流回路において、
前記駆動回路は、前記比較回路による比較結果をレベルシフトするスイッチング素子またはコンデンサを有することを特徴とする整流回路。
【請求項6】
請求項1に記載の整流回路において、
前記所定の閾値電圧は、第1の閾値と前記第1の閾値より大きい第2の閾値を有し、
前記制御回路は、前記検出電圧が前記第1の閾値より小さい場合にオン信号を生成し、前記第2の閾値より大きい場合にオフ信号を生成することを特徴とする整流回路。
【請求項7】
請求項1に記載の整流回路において、
前記制御回路に電源を供給するコンデンサを有することを特徴とする整流回路。
【請求項8】
請求項7に記載の整流回路において、
前記コンデンサに並列に接続された抵抗またはツェナーダイオードを有することを特徴とする整流回路。
【請求項9】
請求項7に記載の整流回路において、
前記制御回路は、前記第1の端子と前記第2の端子との間の電圧を検出し、
前記検出電圧を前記所定の閾値と比較して、前記第1の端子および前記第2の端子のいずれかにソースを接続するMOSFETのオン・オフを制御する信号を生成する駆動回路に前記比較結果を入力する前記比較回路とは異なる別の比較回路と、
前記比較回路と前記別の比較回路に電源を供給するコンデンサに並列接続されたツェナーダイオードを有することを特徴とする整流回路。
【請求項10】
請求項9に記載の整流回路において、
前記コンデンサは、前記複数の駆動回路にそれぞれ電源を供給する複数のコンデンサを有し、
前記複数のコンデンサの内の1つは、前記比較回路と前記別の比較回路と前記駆動回路とに電源を供給するコンデンサであり、
前記複数のコンデンサの内、前記比較回路と前記別の比較回路と前記駆動回路とに電源を供給するコンデンサのみを充電する期間と、前記複数のコンデンサの全てを充電する期間とを有することを特徴とする整流回路。
【請求項11】
請求項1に記載の整流回路において、
前記第1の端子と前記第2の端子のいずれかにソースを接続するMOSFETを駆動する前記比較回路と前記駆動回路は、外部電源により電源を供給され、
前記整流回路は、前記外部電源から電源を供給され前記駆動回路以外の他の駆動回路に電源を供給するコンデンサを有することを特徴とする整流回路。
【請求項12】
請求項1から11のいずれか1項に記載の整流回路において、
前記整流回路が半導体パッケージに内蔵されていることを特徴とする整流回路。
【請求項13】
請求項12に記載の整流回路において、
複数の前記整流回路が1つの半導体パッケージに内蔵されていることを特徴とする整流回路。
【請求項14】
複数のMOSFETを多段接続して構成する整流回路の制御方法において、
前記複数のMOSFETのうちの1つのMOSFETのドレイン-ソース間電圧または2つ以上のMOSFETのドレイン-ソース間電圧の合計を検出した検出電圧と、所定の閾値電圧とを比較し、
当該比較結果に基づき、少なくとも検出対象のMOSFETを含む複数のMOSFETのオン・オフを連動して制御することを特徴とする整流回路の制御方法。
【請求項15】
請求項14に記載の整流回路の制御方法において、
検出対象のMOSFETと検出対象以外のMOSFETとを含む複数のMOSFETのオン・オフを制御することを特徴とする整流回路の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、交流を直流に変換する整流回路の構成とその制御に係り、特に、複数のMOSFETを多段接続して構成する整流回路に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的な整流回路では、交流を直流に整流するために、ダイオードやMOSFETの同期整流が使用されている。ダイオードを用いた整流はダイオードの内蔵ポテンシャルによる電圧降下があるため損失が大きいという問題がある。これに対し、MOSFETの同期整流は、MOSFETの内蔵ポテンシャルがなく0Vから順方向電流が立ち上がるため損失が低い。したがって、より低損失に整流するために、主にMOSFETの同期整流が用いられている。
【0003】
一方、複数のMOSFETを多段接続して整流回路を構成することで、複数のMOSFETの各耐圧の合計と等しい耐圧を持つ単体のMOSFETと比較して、オン抵抗の合計値とコストの合計値は共に削減できることが知られている。したがって、整流時の損失をより低減するために、複数のMOSFETを多段接続した回路構成の整流回路の開発が進められている。
【0004】
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には、オルタネータに用いられる低損失な整流回路として、制御回路とMOSFETを1つのパッケージに搭載したものが記載されている。
【0005】
この整流回路は、主に比較回路と駆動回路、これらに電源を供給するコンデンサ、MOSFETから構成されている。電流がMOSFETの寄生ダイオードを流れると、MOSFETのドレインとソースとに接続された比較回路がMOSFETの寄生ダイオードの順方向電圧を検出し、駆動回路に信号が入力され、MOSFETがターンオンする。コンデンサはMOSFETのドレイン-ソース間に接続されていて、MOSFETがオフしているときに、比較回路と駆動回路に電源を供給するために必要な電力を充電する。
【0006】
また、特許文献2には、複数のMOSFETを多段接続した構成の整流回路が示されている。この整流回路は、主に、多段接続された複数のMOSFETと、複数のMOSFETのオン・オフを制御する信号をそれぞれ生成する複数の駆動回路と比較回路、複数の駆動回路と比較回路に電源を供給する複数の昇圧回路から構成される。複数の比較回路が複数のMOSFETの各ドレイン-ソース電圧をそれぞれ独立して検出し、複数のMOSFETのオン・オフのタイミングをそれぞれ独立して制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2015-116053号公報
【特許文献2】特開2009-194791号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上記特許文献1では、1つのMOSFETに対して1つの比較回路を接続し、比較回路で検出したMOSFETの寄生ダイオードの順方向電圧に基づいて、MOSFETの駆動を制御しており、上述したような複数のMOSFETを多段接続した構成の整流回路については言及されていない。
【0009】
また、上記特許文献2では、複数のMOSFETに対してそれぞれ比較回路を接続し、各比較回路で検出したMOSFETのドレイン-ソース電圧に基づいて、複数のMOSFETの各々の駆動をそれぞれ独立して制御している。したがって、複数のMOSFETの点数と同数の比較回路が必要になる。
【0010】
しかしながら、整流回路を構成する部品点数が増加すると、制御回路の故障率が増加し、同期整流の効果が損なわれる可能性が大きくなる。例えば、ある1つの比較回路が故障すると、その比較回路と駆動回路を介して接続されるMOSFETがオン・オフできなくなる。その結果、整流時の電流は当該MOSFETの寄生ダイオードを流れるため、同期整流による損失低減効果が損なわれる。
【0011】
そこで、本発明の目的は、複数のMOSFETを多段接続して構成する整流回路において、1つの検出電圧を基に複数のMOSFETを連動制御可能な、低損失かつ信頼性の高い整流回路及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するために、本発明は、第1の端子と第2の端子との間に多段接続された複数のMOSFETと、前記複数のMOSFETのうちの1つ以上のMOSFETのドレイン-ソース間電圧を検出し、所定の閾値電圧と比較して、前記複数のMOSFETのオン・オフを制御する制御信号を生成する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記複数のMOSFETのうちの1つのMOSFETのドレイン-ソース間電圧または2つ以上のMOSFETのドレイン-ソース間電圧の合計を検出した検出電圧と、前記所定の閾値電圧とを比較する比較回路と、前記比較回路による比較結果に基づき、前記複数のMOSFETのオン・オフを制御する複数の駆動回路とを有し、前記制御回路は、前記比較回路による比較結果に基づき、少なくとも検出対象のMOSFETを含む複数のMOSFETのオン・オフを連動して制御することを特徴とする。
【0013】
また、本発明は、複数のMOSFETを多段接続して構成する整流回路の制御方法において、前記複数のMOSFETのうちの1つのMOSFETのドレイン-ソース間電圧または2つ以上のMOSFETのドレイン-ソース間電圧の合計を検出した検出電圧と、所定の閾値電圧とを比較し、当該比較結果に基づき、少なくとも検出対象のMOSFETを含む複数のMOSFETのオン・オフを連動して制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、複数のMOSFETを多段接続して構成する整流回路において、1つの検出電圧を基に複数のMOSFETを連動制御可能な、低損失かつ信頼性の高い整流回路及びその制御方法を実現することができる。
【0015】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【
図1】本発明の実施例1に係る整流回路の構成を示す図である。
【
図2】
図1の整流回路が正弦波電流を整流する場合の駆動回路の出力波形を示す図である。
【
図4】本発明の実施例2に係る整流回路の構成を示す図である。
【
図6】本発明の実施例3に係る整流回路の構成を示す図である。
【
図7】本発明の実施例4に係る整流回路の構成を示す図である。
【
図9】本発明の実施例5に係る整流回路の構成を示す図である。
【
図10】本発明の実施例6に係る整流回路の構成を示す図である。
【
図11】
図10の整流回路が正弦波電流を整流する場合の駆動回路の出力波形を示す図である。
【
図12】
図10の整流回路において、コンデンサの電圧と蓄積電荷の関係を示す図である。
【
図13】
図10の整流回路において、コンデンサの電圧と蓄積電荷の関係を示す図である。
【
図14】本発明の実施例7に係る半導体パッケージの構成を示す図である。
【
図15】本発明の実施例7に係る半導体パッケージの構成を示す図である。
【
図16】本発明の実施例7に係る半導体パッケージの構成を示す図である。
【
図17】本発明の実施例8に係るフロントエンド電源の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
【実施例0018】
図1から
図3、及び
図18を参照して、本発明の実施例1の整流回路の構成とその制御方法について説明する。なお、
図3は、
図1の変形例(変形例1)を示す図であり、
図18は、本発明の構成を分かり易くするために比較例として示す従来の整流回路の構成図である。
【0019】
先ず、
図1を用いて、本実施例の整流回路の構成について説明する。
図1は、本実施例の整流回路の構成を示す図である。
【0020】
本実施例の整流回路は、
図1に示すように、第1の端子T1と第2の端子T2との間に多段接続された複数のMOSFETQ1~Qnと、制御回路1と、複数のコンデンサC1~Cnから構成される。
【0021】
制御回路1は、比較回路COMPaと、複数の駆動回路GD1~GDnと、複数のレベルシフト回路LS2~LSnと、逆流防止ダイオードD1~Dnから構成される。比較回路COMPaは、検出したMOSFETQ1のドレイン-ソース電圧VQ1DSと所定の閾値を比較する。駆動回路GD1~GDnは、比較回路COMPaの比較結果に基づきMOSFETQ1~Qnのオン・オフを制御する制御信号をそれぞれ生成する。レベルシフト回路LS2~LSnは、比較回路COMPaが生成した信号をレベルシフトするスイッチング素子である。
【0022】
コンデンサC1~Cnは、比較回路COMPaと駆動回路GD1~GDnに電源を供給する。MOSFETQ1~Qnがオフの時に第2の端子T2と第1の端子T1間に印加される電圧VT2T1の正の電圧よって、Dn,Cn,・・・D2,C2,D1,C1を経由して第2の端子T2から第1の端子T1へ流れる電流でコンデンサC1~Cnは充電される。
【0023】
次に、
図2を用いて、本実施例の整流回路の制御方法について説明する。
図2は、本実施例の整流回路が正弦波電流を整流する場合の制御方法を示す図である。V
TH1とV
TH2は比較回路COMPaが持つ2つの異なる閾値を示す。なお、V
TH1の値はV
TH2より小さいものとする。I
Sは第1の端子T1から第2の端子T2に流れる電流を示す。また、V
THaは、比較回路COMPaの閾値電圧を示している。
【0024】
先ず、ターンオン時の動作について説明する。MOSFETQ1~Qnがオフのとき、第2の端子T2と第1の端子T1間に印加される電圧VT2T1は正の値であり、MOSFETQ1は、VT2T1をMOSFETQ1~Qnで分圧しているため、MOSFETQ1のドレイン-ソース電圧VQ1DSは正の値である。
【0025】
この状態からVT2T1が負の値に転じると、ISが増加し、ISはMOSFETQ1~Qnのボディダイオードを流れる。このとき、ボディダイオードの順方向電圧により、VQ1DSは負の値となる。VQ1DSの値が閾値VTH1より小さくなると、比較回路COMPaはオンの結果を生成する。その結果を基に駆動回路GD1~GDnはMOSFETQ1~Qnをオンする信号を生成し、MOSFETQ1~Qnのゲート-ソース電圧VQ1GS~VQnGSが上昇し、MOSFETQ1~Qnはターンオンする。
【0026】
MOSFETQ1~Qnのターンオン後は、ISはMOSFETQ1~Qnを流れ、同期整流が実現される。このとき、VQ1DSはMOSFETQ1のオン抵抗とISの積で定義される電圧の負の値に等しくなる。
【0027】
次に、ターンオフ時の動作について説明する。ISが減少すると、VQ1DSは増加する。VQ1DSの値が第2の閾値VTH2より大きくなると、比較回路COMPaはオフの結果を生成する。その結果を基に駆動回路GD1~GDnはMOSFETQ1~Qnをオフする信号をそれぞれ生成し、MOSFETQ1~Qnのゲート-ソース電圧VQ1GS~VQnGSが下降し、MOSFETQ1~Qnはターンオフする。
【0028】
ここで、ターンオフの条件をVQ1DS>VTH1とすると、VQ1DSが第1の閾値VTH1より小さくなってターンオンし、ISがMOSFETを流れることによりVQ1DSが増加してVQ1DS>VTH1となりターンオフするため、ターンオン・ターンオフの動作を短期間で繰り返すチャタリングが生じる。この問題を抑制するために、ターンオフ時にはVQ1DSと、第1の閾値VTH1より大きい第2の閾値VTH2を比較する。
【0029】
MOSFETQ1~Qnをオフした後、第2の端子T2と第1の端子T1間に印加される電圧VT2T1の負電圧によって、コンデンサC1~Cnは再び充電される。
【0030】
本実施例の利点は、複数のMOSFETを多段接続した構成の整流回路において1つの比較回路を使用することである。
図18に示す従来の整流回路のように、複数のMOSFETQ1~Qnと同数の比較回路COMPa1~COMPanを用いる構成と比べて制御回路1の故障率を低減できるため、信頼性の高い整流回路を実現できる。
【0031】
図3に本実施例の変形例を示す。
図1で示した整流回路では、レベルシフト回路LS2~LSn(比較回路COMPaの比較結果をレベルシフトする複数のスイッチング素子)を直列に接続しているのに対し、
図3の整流回路ではレベルシフト回路LS2~LSnを互いに並列に配置している。