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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-21
(45)【発行日】2023-06-29
(54)【発明の名称】スイッチング素子の駆動装置
(51)【国際特許分類】
H02M 1/08 20060101AFI20230622BHJP
【ＦＩ】
H02M1/08 C
H02M1/08 A
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2019190431
(22)【出願日】2019-10-17
(65)【公開番号】P2021069136
(43)【公開日】2021-04-30
【審査請求日】2022-04-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000004606
【氏名又は名称】ニチコン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000475
【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】岡本 直久
(72)【発明者】
【氏名】李 海鎮
【審査官】町田 舞
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１２－１１４５５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２７４２６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２４４１８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－１８２３２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２４４３６７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ １／００－１／４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
トランスの一次巻線に接続された一次側スイッチング素子を駆動信号にしたがってオンオフ動作させて該トランスの二次巻線にスイッチング電圧を生じさせるとともに、前記スイッチング電圧を利用して二次側スイッチング素子をオンオフ動作させる駆動装置であって、前記スイッチング電圧の倍化により倍電圧を生成する倍化回路と、
前記倍電圧の降圧により所定のレギュレート電圧を生成するレギュレータ回路と、
を備え、
前記二次側スイッチング素子が、前記スイッチング電圧および前記レギュレート電圧のうちの高い方によってオンオフ駆動され、
前記レギュレート電圧が、前記駆動信号のＯＮデューティが最大値となるときの前記スイッチング電圧と前記倍電圧との間にあり、かつ前記二次側スイッチング素子をオンさせるために必要な電圧よりも高い
ことを特徴とする駆動装置。
【請求項2】
前記倍化回路は、一端が前記二次巻線の一端に接続されたコンデンサと、アノードが前記二次巻線の他端に接続されるとともにカソードが前記コンデンサの他端に接続された第１ダイオードと、アノードが前記第１ダイオードのカソードに接続されるとともにカソードが前記レギュレータ回路の入力に接続された第２ダイオードとを含むことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項3】
前記スイッチング電圧がゼロになると前記レギュレータ回路の動作を停止させる停止回路をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項4】
前記駆動信号が停止したことを示す停止信号を受信すると前記レギュレータ回路の動作を停止させる停止回路をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、外部から入力された駆動信号にしたがってスイッチング素子をオンオフ動作させる駆動装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、駆動信号にしたがってスイッチング素子をオンオフ動作させる駆動装置として、図５に示した駆動装置１００が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この駆動装置１００は、トランスＴの一次巻線Ｔ1に接続された一次側スイッチング素子Ｑ1を駆動信号ＰＷＭにしたがってオンオフ動作させると、トランスＴの二次巻線Ｔ2に生じたスイッチング電圧によって駆動対象である二次側スイッチング素子Ｑ2がオンオフ動作するように構成されている。この駆動装置１００によれば、駆動信号ＰＷＭを絶縁しながら二次側スイッチング素子Ｑ2の駆動に必要な電力を一次側から二次側に伝達することができる。なお、図５に示した例では、二次側スイッチング素子Ｑ2はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】稲葉保著，「パワーＭＯＳ ＦＥＴ 活用の基礎と実際」，ＣＱ出版社，２００４年１１月，ｐ．７７－７８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、二次側スイッチング素子Ｑ2を十分にオンさせるためには、二次側スイッチング素子Ｑ2のゲート－ソース間に入力される電圧、すなわちドライブ電圧ＶPb（＝点Ｐ0を基準とした点Ｐbの電位）が所定の最低電圧値ＶLowよりも大きくなければならない。しかしながら、従来の駆動装置１００では、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが大きくなるにつれてスイッチング電圧ＶPa（＝点Ｐ0を基準とした点Ｐaの電位）が低下し、これにともなってドライブ電圧ＶPbも低下するので、最低電圧値ＶLowを確保することができず、二次側スイッチング素子Ｑ2を十分にオンさせることができない場合があった（図６および図７参照）。
【0005】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、駆動信号のＯＮデューティが広い範囲で変化してもスイッチング素子を確実にオンオフ動作させることが可能な駆動装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本発明に係る駆動装置は、トランスの一次巻線に接続された一次側スイッチング素子を駆動信号にしたがってオンオフ動作させて該トランスの二次巻線にスイッチング電圧を生じさせるとともに、スイッチング電圧を利用して二次側スイッチング素子をオンオフ動作させる駆動装置であって、スイッチング電圧の倍化により倍電圧を生成する倍化回路と、倍電圧の降圧により所定のレギュレート電圧を生成するレギュレータ回路とを備え、二次側スイッチング素子が、スイッチング電圧およびレギュレート電圧のうちの高い方によってオンオフ駆動され、レギュレート電圧が、駆動信号のＯＮデューティが最大値となるときのスイッチング電圧と倍電圧との間にあり、かつ二次側スイッチング素子をオンさせるために必要な電圧よりも高い、ことを特徴とする。
【0007】
この構成によれば、駆動信号のＯＮデューティが大きくなってスイッチング電圧が二次側スイッチング素子をオンさせることができない程に低下しても、倍化回路およびレギュレータ回路がスイッチング電圧に基づいて生成したレギュレータ電圧（＝二次側スイッチング素子をオンさせるために必要な電圧よりも高い電圧）によって二次側スイッチング素子を確実にオンオフ動作させることができる。
【0008】
上記駆動装置の倍化回路は、例えば、一端が二次巻線の一端に接続されたコンデンサと、アノードが二次巻線の他端に接続されるとともにカソードがコンデンサの他端に接続された第１ダイオードと、アノードが第１ダイオードのカソードに接続されるとともにカソードがレギュレータ回路の入力に接続された第２ダイオードとを含んでいてもよい。
【0009】
上記駆動装置は、より確実に二次側スイッチング素子をオフさせるために、スイッチング電圧がゼロになるとレギュレータ回路の動作を停止させる停止回路、または、駆動信号が停止したことを示す停止信号を受信するとレギュレータ回路の動作を停止させる停止回路をさらに備えていることが好ましい。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、駆動信号のＯＮデューティが広い範囲で変化してもスイッチング素子を確実にオンオフ動作させることが可能な駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る駆動装置の実施例について説明する。
【0013】
［第１実施例］
図１に、本発明の第１実施例に係る駆動装置１０Ａを示す。同図に示すように、駆動装置１０Ａは、トランスＴの一次巻線Ｔ1を含む一次側回路と、トランスＴの二次巻線Ｔ2を含む二次側回路とから構成されている。
図１に、本発明の第１実施例に係る駆動装置１０Ａを示す。同図に示すように、駆動装置１０Ａは、トランスＴの一次巻線Ｔ1を含む一次側回路と、トランスＴの二次巻線Ｔ2を含む二次側回路とから構成されている。
【0014】
一次側回路は、前述の一次巻線Ｔ1と、カソードが一次巻線Ｔ1の一端（●側）に接続されたダイオードＤ1と、コレクタが一次巻線Ｔ1の他端に接続されたＮＰＮ型の一次側スイッチング素子Ｑ1と、一端が一次側スイッチング素子Ｑ1のベースに接続された抵抗Ｒ1とを含んでいる。ダイオードＤ1のアノード、一次側スイッチング素子Ｑ1のエミッタおよび抵抗Ｒ1の他端は接地されている。また、一次側スイッチング素子Ｑ1のベースには上位の制御回路（不図示）が出力した駆動信号ＰＷＭが入力され、一次巻線Ｔ1の中間タップには電源電圧ＶＣＣが入力されるようになっている。
【0015】
二次側回路は、前述の二次巻線Ｔ2と、アノードが二次巻線Ｔ2の一端（●側）に接続されたダイオードＤ2，Ｄ3と、一端がダイオードＤ2のカソードに接続された抵抗Ｒ3と、一端が抵抗Ｒ3の他端に接続された抵抗Ｒ4と、エミッタがダイオードＤ2のカソードに接続されるとともにベースがダイオードＤ3のカソードに接続されたＰＮＰ型のスイッチング素子Ｑ3と、一端がスイッチング素子Ｑ3のベースに接続された抵抗Ｒ2とを含んでいる。スイッチング素子Ｑ3のコレクタおよび抵抗Ｒ2，Ｒ4の他端は、二次巻線Ｔ2の他端に接続されている。
【0016】
抵抗Ｒ3の他端（抵抗Ｒ4の一端）は、駆動対象である二次側スイッチング素子Ｑ2のゲートにも接続されている。また、二次巻線Ｔ2の他端は、二次側スイッチング素子Ｑ2のソースにも接続されている。なお、本実施例では、二次側スイッチング素子Ｑ2はＭＯＳＦＥＴである。
【0017】
二次側回路は、倍化回路１１と、レギュレータ回路１２Ａと、ダイオードＤ6とをさらに含んでいる。
【0018】
倍化回路１１は、一端が二次巻線Ｔ2の一端に接続されたコンデンサＣ1と、アノードが二次巻線Ｔ2の他端に接続されるとともにカソードがコンデンサＣ1の他端に接続されたダイオードＤ4と、アノードがダイオードＤ4のカソードに接続されるとともにカソードがレギュレータ回路１２Ａの入力に接続されたダイオードＤ5とを含んでいる。ダイオードＤ4は、本発明の「第１ダイオード」に相当する。また、ダイオードＤ5は、本発明の「第２ダイオード」に相当する。
【0019】
ダイオードＤ6は、アノードがレギュレータ回路１２Ａの出力に接続されるとともにカソードがダイオードＤ2のカソードに接続されている。
【0020】
なお、以下では、点Ｐ0を基準とした点Ｐ1の電位をスイッチング電圧ＶP1と呼び、点Ｐ0を基準とした点Ｐ2の電位を倍電圧ＶP2と呼び、点Ｐ0を基準とした点Ｐ3の電位をレギュレート電圧ＶP3と呼び、さらに、点Ｐ0を基準とした点Ｐ4の電位をドライブ電圧ＶP4と呼ぶこととする。
【0021】
駆動信号ＰＷＭが矩形状に変化すると、スイッチング電圧ＶP1、倍電圧ＶP2、レギュレート電圧ＶP3およびドライブ電圧ＶP4は、駆動信号ＰＷＭと同相で矩形状に変化する。つまり、駆動信号ＰＷＭがＬレベルからＨレベルに変化すると、電圧ＶP1，ＶP2，ＶP3，ＶP4もＬレベルからＨレベルに変化し、駆動信号ＰＷＭがＨレベルからＬレベルに変化すると、電圧ＶP1，ＶP2，ＶP3，ＶP4もＨレベルからＬレベルに変化する。また、ドライブ電圧ＶP4の変化により、二次側スイッチング素子Ｑ2のゲート－ソース間に入力される電圧が所定の最低電圧値ＶLowを上回ると二次側スイッチング素子Ｑ2はオンし、最低電圧値ＶLowを下回ると二次側スイッチング素子Ｑ2はオフする。
【0022】
図２に示すように、スイッチング電圧ＶP1のＨレベルは、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが大きくなるにつれて低下していく。そして、本実施例では、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが６５％を超えると、スイッチング電圧ＶP1のＨレベルが最低電圧値ＶLowを下回る。
【0023】
倍電圧ＶP2は、倍化回路１１がスイッチング電圧ＶP1の倍化により生成したものである。スイッチング電圧ＶP1のＨレベルと同様、倍電圧ＶP2のＨレベルも、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが大きくなるにつれて低下していく。しかしながら、倍電圧ＶP2のＨレベルは、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが最小値である２０％と最大値である８０％との間で変化しても、最低電圧値ＶLowを下回ることはない。一方で、倍電圧ＶP2のＨレベルは、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが小さくなると、二次側スイッチング素子Ｑ2のゲート－ソース間電圧の上限値である所定の最高電圧値ＶＨighを上回ることがある。
【0024】
レギュレート電圧ＶP3は、レギュレータ回路１２Ａが倍電圧ＶP2の降圧により生成したものである。レギュレート電圧ＶP3のＨレベルは、電圧値ＶRegを有している。電圧値ＶRegは、最低電圧値ＶLowよりも高く、かつ駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが８０％であるときのスイッチング電圧ＶP1の値と倍電圧ＶP2の値との間に設定されている。前述した通り、倍電圧ＶP2のＨレベルは最高電圧値ＶＨighを上回ることがあるが、レギュレータ回路１２Ａが倍電圧ＶP2をレギュレート電圧ＶP3に制限（降圧）することにより、最高電圧値ＶＨighを上回る電圧が二次側スイッチング素子Ｑ2のゲート－ソース間に印加されることはない。
【0025】
レギュレート電圧ＶP3およびスイッチング電圧ＶP1のうちの高い方が、太線で示されたドライブ電圧ＶP4となる。つまり、本実施例では、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが５０％未満であるときはスイッチング電圧ＶP1がドライブ電圧ＶP4となり、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが５０％以上であるときはレギュレート電圧ＶP3がドライブ電圧ＶP4となる。
【0026】
図３を参照しながら、本実施例に係る駆動装置１０Ａの動作を整理する。駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが２０％であるとき、スイッチング電圧ＶP1のＨレベルは、レギュレート電圧ＶP3のＨレベル（＝電圧値ＶReg）よりも高く、かつ最低電圧値ＶLowよりも高いので、ドライブ電圧ＶP4としてのスイッチング電圧ＶP1が二次側スイッチング素子Ｑ2をオンオフ動作させる（同図（Ａ）参照）。一方、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが８０％であるとき、スイッチング電圧ＶP1のＨレベルは、レギュレート電圧ＶP3のＨレベルよりも低いので、ドライブ電圧ＶP4としてのレギュレート電圧ＶP3が二次側スイッチング素子Ｑ2をオンオフ動作させる（同図（Ｂ）参照）。
【0027】
このように、本実施例に係る駆動装置１０Ａによれば、駆動信号ＰＷＭのＯＮデューティが広い範囲で変化しても、スイッチング電圧ＶP1およびレギュレート電圧ＶP3のうちの高い方がドライブ電圧ＶP4となって二次側スイッチング素子Ｑ2を確実にオンオフ動作させることができる。
【0028】
［第２実施例］
図４に、本発明の第２実施例に係る駆動装置１０Ｂを示す。同図に示すように、駆動装置１０Ｂは、二次側回路が停止回路１３をさらに含んでいる点と、二次側回路がレギュレータ回路１２Ａの代わりにレギュレータ回路１２Ｂを含んでいる点とにおいて第１実施例に係る駆動装置１０Ａと相違しているが、それ以外の点においては駆動装置１０Ａと共通している。
図４に、本発明の第２実施例に係る駆動装置１０Ｂを示す。同図に示すように、駆動装置１０Ｂは、二次側回路が停止回路１３をさらに含んでいる点と、二次側回路がレギュレータ回路１２Ａの代わりにレギュレータ回路１２Ｂを含んでいる点とにおいて第１実施例に係る駆動装置１０Ａと相違しているが、それ以外の点においては駆動装置１０Ａと共通している。
【0029】
停止回路１３は、アノードが二次巻線Ｔ2の一端に接続されたダイオードＤ7と、一端がダイオードＤ7のカソードに接続された抵抗Ｒ5と、エミッタがレギュレータ回路１２Ｂに接続されるとともにベースがダイオードＤ7のカソードに接続されたＰＮＰ型のスイッチング素子Ｑ4とを含んでいる。スイッチング素子Ｑ4のコレクタおよび抵抗Ｒ5の他端は、二次巻線Ｔ2の他端に接続されている。
【0030】
スイッチング素子Ｑ4のベースには、ダイオードＤ7を介してスイッチング電圧ＶP1が入力される。スイッチング電圧ＶP1がＨレベルのとき、スイッチング素子Ｑ4はオフする。このとき、スイッチング素子Ｑ4は、レギュレータ回路１２Ｂに何も影響を与えない。一方、スイッチング電圧ＶP1がＬレベルのとき、スイッチング素子Ｑ4はオンする。このとき、スイッチング素子Ｑ4によって電流を引き抜かれたレギュレータ回路１２Ｂは、動作し得なくなってレギュレート電圧ＶP3の出力を停止させる（レギュレート電圧ＶP3がゼロになる）。
【0031】
二次側スイッチング素子Ｑ2のオンオフ動作を終えるとき、上位の制御回路は、駆動信号ＰＷＭをＬレベルに変化させて、スイッチング電圧ＶP1およびドライブ電圧ＶP4をＬレベルに変化させる。このとき、停止回路１３を備えていない第１実施例に係る駆動装置１０Ａでは、コンデンサＣ1に蓄積された電荷でレギュレータ回路１２Ａが作動してしまい、二次側スイッチング素子Ｑ2を完全にオフさせることができない場合がある。この点、本実施例に係る駆動装置１０Ｂでは、スイッチング電圧ＶP1がＬレベル（ゼロ）になると停止回路１３がレギュレータ回路１２Ｂの動作を停止させるので、二次側スイッチング素子Ｑ2を確実にオフさせることができる。
【0032】
［変形例］
以上、本発明に係る駆動装置の第１実施例および第２実施例について説明してきたが、本発明に係る駆動装置の構成は、これらに限定されるものではない。
以上、本発明に係る駆動装置の第１実施例および第２実施例について説明してきたが、本発明に係る駆動装置の構成は、これらに限定されるものではない。
【0033】
例えば、本発明の倍化回路は、スイッチング電圧の倍化により倍電圧を生成する任意の回路であってもよい。
【0034】
また、本発明の停止回路は、スイッチング電圧がゼロになるとレギュレータ回路の動作を停止させる任意の回路であってもよいし、駆動信号が停止したことを示す停止信号を上位の制御回路からフォトカプラを介して受信したときにレギュレータ回路の動作を停止させる回路であってもよい。
【符号の説明】
【0035】
１０Ａ，１０Ｂ 駆動装置
１１ 倍化回路
１２Ａ，１２Ｂ レギュレータ回路
１３ 停止回路
Ｑ１ 一次側スイッチング素子
Ｑ２ 二次側スイッチング素子
Ｔ トランス
Ｔ１ 一次巻線
Ｔ２ 二次巻線
１１ 倍化回路
１２Ａ，１２Ｂ レギュレータ回路
１３ 停止回路
Ｑ１ 一次側スイッチング素子
Ｑ２ 二次側スイッチング素子
Ｔ トランス
Ｔ１ 一次巻線
Ｔ２ 二次巻線
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】