(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列に接続されて直流電源に並列に接続されるハイサイドのノーマリオン型スイッチおよびローサイドのノーマリオフ型スイッチをドライブするドライブ回路であって、
ハイサイド制御信号を所定の信号レベルに変換するレベルシフト回路と、
前記レベルシフト回路により所定の信号レベルに変換されたハイサイド制御信号により前記ノーマリオン型スイッチをドライブするハイサイドドライブ回路と、  
ローサイド制御信号により前記ノーマリオフ型スイッチをドライブするローサイドドライブ回路と、
前記ノーマリオン型スイッチと前記ノーマリオフ型スイッチとの接続点と前記直流電源の一端との間に接続され、第２コンデンサと第１コンデンサとが直列に接続された直列回路とを有し、
前記第２コンデンサから前記ハイサイドドライブ回路の電源電圧が供給され、前記第１コンデンサから前記ローサイドドライブ回路の電源電圧が供給されることを特徴とするドライブ回路。
【請求項２】
前記直列回路は、前記第２コンデンサに並列に電圧クランプ素子が接続されていることを特徴とする請求項１記載のドライブ回路。
【請求項３】
前記直列回路は、前記第２コンデンサおよび前記第１コンデンサに直列に電流制限素子が接続されていることを特徴とする請求項２記載のドライブ回路。
【請求項４】
互いに直列に接続されて直流電源に並列に接続されたハイサイドのノーマリオン型スイッチおよびローサイドのノーマリオフ型スイッチと、
互いに直列に接続されて前記ノーマリオン型スイッチ又は前記ノーマリオフ型スイッチに並列に接続されたトランスの一次巻線および共振用コンデンサと、
前記トランスの二次巻線に発生した電圧を整流平滑する整流平滑回路と、
前記整流平滑回路の出力電圧に基づきハイサイド制御信号およびローサイド制御信号を生成する制御回路と、
前記ハイサイド制御信号および前記ローサイド制御信号に基づき前記ノーマリオン型スイッチおよび前記ノーマリオフ型スイッチをドライブするドライブ回路とを有し、
前記ドライブ回路は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のドライブ回路であることを特徴とするスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチング素子をドライブするドライブ回路及びスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は従来のドライブ回路を有するスイッチング電源装置の一例を示す回路図である。図４に示すスイッチング電源装置において、直流電源Ｖ１の両端には、シリコン（Ｓｉ）デバイスのＭＯＳＦＥＴからなるローサイド用のノーマリオフ型スイッチＱ１とシリコン（Ｓｉ）デバイスのＭＯＳＦＥＴからなるハイサイド用のノーマリオフ型スイッチＱ２との直列回路が接続されている。ノーマリオフ型スイッチＱ１のドレイン−ソース間には、トランスＴ１の一次巻線Ｐ１と共振用コンデンサＣ２との直列回路が接続されている。
【０００３】
ダイオードＤ５はノーマリオフ型スイッチＱ２に並列に接続され、ダイオードＤ６はノーマリオフ型スイッチＱ１に並列に接続されている。
【０００４】
トランスＴ１の第１の二次巻線Ｓ１と第２の二次巻線Ｓ２とは直列に接続され、第１の二次巻線Ｓ１の一端にはダイオードＤ７のアノードが接続され、第２の二次巻線Ｓ２の一端にはダイオードＤ８のアノードが接続されている。ダイオードＤ７のカソードとダイオードＤ８のカソードとはコンデンサＣ４の一端と出力端子の一端（＋Ｖｏ）に接続され、コンデンサＣ４の他端は、出力端子の他端（−Ｖｏ）と第１の二次巻線Ｓ１の他端と第２の二次巻線Ｓ２の他端とに接続されている。ダイオードＤ７，Ｄ８とコンデンサＣ４とは、全波整流平滑回路を構成している。
【０００５】
トランスＴ１の第１の補助巻線Ｐ２と第２の補助巻線Ｐ３とは直列に接続され、第１の補助巻線Ｐ２の一端にはダイオードＤ３のアノードが接続され、第２の補助巻線Ｐ３の一端にはダイオードＤ４のアノードが接続されている。ダイオードＤ３のカソードとダイオードＤ４のカソードとはコンデンサＣ１の一端に接続され、第１の補助巻線Ｐ２の他端と第２の補助巻線Ｐ３の他端とは、コンデンサＣ１の他端と直流電源Ｖ１の負極に接続されている。コンデンサＣ１は、ローサイドドライブ回路ＬＤＲＶに供給されるローサイドドライブ電源を構成している。
【０００６】
直流電源Ｖ１の正極とコンデンサＣ１の一端との間には起動抵抗Ｒ０が接続されている。起動抵抗ＲｏとコンデンサＣ１との接続点にはダイオードＤ９のアノードが接続され、ダイオードＤ９のカソードはコンデンサＣ３の一端に接続されている。ダイオードＤ９とコンデンサＣ３とは、ハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶに供給されるハイサイドドライブ電源を構成している。
【０００７】
電圧検出回路１１は、コンデンサＣ４の出力電圧を検出し、検出電圧をフィードバック信号ＦＢとして発振器ＯＳＣに出力する。発振器ＯＳＣは、フィードバック信号ＦＢと三角波信号とを比較することにより、フィードバック信号ＦＢに応じてオン幅を可変したパルス信号を生成する。ローサイドドライブ回路ＬＤＲＶは、発振器ＯＳＣからのパルス信号によりノーマリオフ型スイッチＱ１をオン／オフさせる。
【０００８】
レベルシフト回路ＬＳＴは、インバータＩＮＶにより発振器ＯＳＣからのパルス信号を反転しこの反転パルス信号を所定の信号レベルに変換してハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶに供給する。ハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶは、レベルシフト回路ＬＳＴからの反転パルス信号によりノーマリオフ型スイッチＱ２をオン／オフさせる。
【０００９】
レベルシフト回路ＬＳＴは、インバータＩＮＶと、インバータＩＮＶの出力に接続されるワンショット回路ＯＳＴ１，ＯＳＴ２と、抵抗Ｒ２とＦＥＴＱ４と抵抗Ｒ４との直列回路と、抵抗Ｒ３とＦＥＴＱ３と抵抗Ｒ５との直列回路と、セット端子Ｓが抵抗Ｒ３の一端に接続され且つリセット端子Ｒが抵抗Ｒ２の一端に接続されるフリップフロップ回路ＦＦ１と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを有する。
【００１０】
ワンショット回路ＯＳＴ１は、インバータＩＮＶからの反転パルス信号の立ち上がりでワンショットパルスを発生する。ＦＥＴＱ３は、ワンショット回路ＯＳＴ１からのワンショットパルスによりオンして、フリップフロップ回路ＦＦ１のセット端子Ｓにセット信号を出力する。
【００１１】
ワンショット回路ＯＳＴ２は、インバータＩＮＶからの反転パルス信号の立ち下がりでワンショットパルスを発生する。ＦＥＴＱ４は、ワンショット回路ＯＳＴ２からのワンショットパルスによりオンして、フリップフロップ回路ＦＦ１のリセット端子Ｒにリセット信号を出力する。フリップフロップ回路ＦＦ１の出力端子Ｑは、ハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶに接続され、所定の信号レベルに変換された反転パルス信号を出力する。
【００１２】
なお、従来の技術として、特許文献１に記載された電源システムが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２２３０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図４に示すドライブ回路では、ダイオードＤ９とコンデンサＣ３とによるハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶの電源は、正電圧しか生成できないため、逆バイアス（オフ状態にするための負電圧）の必要なノーマリオン型スイッチをハイサイド用に使用することができない。
【００１５】
また、ダイオードＤ９とコンデンサＣ３とによりハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶの電源を生成しているため、ダイオードＤ９は高耐圧用のダイオードとしなければならず、高価であった。
【００１６】
本発明の課題は、ハイサイド用にノーマリオン型スイッチを使用できるドライブ回路及びスイッチング電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明のドライブ回路は、互いに直列に接続されて直流電源に並列に接続されるハイサイドのノーマリオン型スイッチおよびローサイドのノーマリオフ型スイッチをドライブするドライブ回路であって、ハイサイド制御信号を所定の信号レベルに変換するレベルシフト回路と、前記レベルシフト回路により所定の信号レベルに変換されたハイサイド制御信号により前記ノーマリオン型スイッチをドライブするハイサイドドライブ回路と、ローサイド制御信号により前記ノーマリオフ型スイッチをドライブするローサイドドライブ回路と、
前記ノーマリオン型スイッチと前記ノーマリオフ型スイッチとの接続点と前記直流電源の一端との間に接続され、第２コンデンサと第１コンデンサとが直列に接続された直列回路とを有し、前記第２コンデンサから前記ハイサイドドライブ回路の電源電圧が供給され、前記第１コンデンサから前記ローサイドドライブ回路の電源電圧が供給されることを特徴とする。
【００１８】
本発明のスイッチング電源装置は、互いに直列に接続されて直流電源に並列に接続されたハイサイドのノーマリオン型スイッチおよびローサイドのノーマリオフ型スイッチと、互いに直列に接続されて前記ノーマリオン型スイッチ又は前記ノーマリオフ型スイッチに並列に接続されたトランスの一次巻線および共振用コンデンサと、前記トランスの二次巻線に発生した電圧を整流平滑する整流平滑回路と、前記整流平滑回路の出力電圧に基づきハイサイド制御信号およびローサイド制御信号を生成する制御回路と、前記ハイサイド制御信号および前記ローサイド制御信号に基づき前記ノーマリオン型スイッチおよび前記ノーマリオフ型スイッチをドライブするドライブ回路とを有し、前記ドライブ回路は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のドライブ回路であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、直流電源が供給される電源起動時に、ノーマリオン型スイッチを介して、第２コンデンサと第１コンデンサとに電流が流れて、第２コンデンサが充電されるので、第２コンデンサの両端電圧がハイサイドドライブ回路の電源電圧として供給される。このため、ノーマリオン型スイッチに対して逆バイアスを供給できるので、ノーマリオン型スイッチを使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１のドライブ回路を有するスイッチング電源装置の構成図である。
【図２】実施例１のドライブ回路の各部の動作波形を示す図である。
【図３】実施例１のドライブ回路の各部の詳細な動作波形を示す図である。
【図４】従来のドライブ回路を有するスイッチング電源装置の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態のドライブ回路及びスイッチング電源装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は本発明の実施例１のドライブ回路を有するスイッチング電源装置の構成図である。図１に示すドライブ回路は、図４に示すドライブ回路の起動抵抗ＲｏとダイオードＤ９に代えて、抵抗Ｒ１（電流制限素子）とツェナーダイオードＺＤ１（電圧クランプ素子）とを用いたことを特徴とする。
【００２３】
また、図１に示すスイッチング電源装置は、ハイサイド用にノーマリオン型スイッチを使用している。ノーマリオン型スイッチは、ゲート−ソース間電圧が零電圧でオン状態になり、負電圧でオフ状態になるスイッチである。
【００２４】
ハイサイド用のノーマリオン型スイッチＱ５は、ＳｉデバイスのＭＯＳＦＥＴからなるノーマリオフ型スイッチＱ２と置き換えられて、ノーマリオン型の窒化ガリウム（ＧａＮ）デバイスのＧａＮＦＥＴからなる。ノーマリオン型スイッチＱ５のソースは、コンデンサＣ３（第２コンデンサ）の一端とツェナーダイオードＺＤ１のカソードとハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶの正極電源端子（＋）と抵抗Ｒ２，Ｒ３の一端とに接続されている。
【００２５】
コンデンサＣ３の他端は、ツェナーダイオードＺＤ１のアノードと抵抗Ｒ１の一端とハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶの負極電源端子（−）とダイオードＤ１，Ｄ２のアノードとに接続されている。抵抗Ｒ１の他端は、ローサイドドライブ回路ＬＤＲＶの正極電源端子（＋）とコンデンサＣ１（第１コンデンサ）の一端とに接続されている。
【００２６】
コンデンサＣ３は、ハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶの電源電圧を供給し、コンデンサＣ１は、ローサイドドライブ回路ＬＤＲＶの電源電圧を供給する。
【００２７】
ツェナーダイオードＺＤ１は、コンデンサＣ３の両端電圧を降伏電圧にクランプするものであり、ハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶへの電源電圧を前記降伏電圧で決定している。
【００２８】
その他の構成は、図４に示す従来のドライブ回路及びスイッチング電源装置の構成と同一であるので、同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００２９】
なお、発振器ＯＳＣ、電圧検出回路１１は、本発明の制御回路に対応し、ダイオードＤ７，Ｄ８、コンデンサＣ４は、本発明の整流平滑回路に対応する。
【００３０】
また、発振器ＯＳＣからのパルス信号は、本発明のローサイド制御信号に対応し、発振器ＯＳＣからのパルス信号を反転したパルス信号は、本発明のハイサイド制御信号に対応する。
【００３１】
次にこのように構成された実施例１のドライブ回路及びスイッチング電源装置の動作を図２及び図３に示す動作波形を参照しながら、詳細に説明する。
【００３２】
図２において、Ｖｃ１〜Ｖｃ３はコンデンサＣ１〜Ｃ３の両端電圧、Ｉｑ３，Ｉｑ４はＦＥＴＱ３，Ｑ４のドレインに流れる電流、ＶｇｓＱ１はノーマリオフ型スイッチＱ１のゲート−ソース間電圧、ＶｇｓＱ５はノーマリオン型スイッチＱ５のゲート−ソース間電圧、ＯＳＣは発振器ＯＳＣからのパルス信号を示す。図３において、ＩｄＱ１はノーマリオフ型スイッチＱ１のドレイン電流、Ｉｃ２はコンデンサＣ２に流れる電流、ＶｄｓＱ１は、ノーマリオフ型スイッチＱ１のドレイン−ソース間電圧を示す。
【００３３】
まず、直流電源Ｖ１が供給される電源起動時（時刻ｔ０〜ｔ１）は、ノーマリオン型スイッチＱ５は、導通状態であるので、Ｖ１（正極）→Ｑ５→Ｃ３→Ｒ１→Ｃ１→Ｖ１（負極）の経路で電流が流れ、コンデンサＣ３とコンデンサＣ１とが充電されるため、電圧Ｖｃ１，Ｖｃ３が図２に示すように変化する。また、Ｖ１（正極）→Ｑ５→Ｐ１→Ｃ２→Ｖ１（負極）の経路で電流が流れ、コンデンサＣ２が充電されるため、電圧Ｖｃ２が上昇する。
【００３４】
このとき、ノーマリオン型スイッチＱ５のソース電位に対して、コンデンサＣ３の電圧Ｖｃ３は、負電圧となる。このコンデンサＣ３の電圧Ｖｃ３をハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶの電源電圧とすることで、ノーマリオン型スイッチＱ５のソース電位に対して、ハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶがノーマリオン型スイッチＱ５のゲート−ソース間に零電圧および負電圧を出力できるので、ノーマリオン型スイッチＱ５のゲート電位を逆バイアス（負電圧）にすることができる。即ち、ノーマリオン型スイッチＱ５をオン／オフさせることができる。
【００３５】
そして、コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１が発振器ＯＳＣとローサイドドライブ回路ＬＤＲＶの電源電圧として供給され、コンデンサＣ３の電圧Ｖｃ３がハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶの電源電圧として供給され、各部が動作し、制御状態となる（時刻ｔ１以降）。
【００３６】
すると、発振器ＯＳＣからのパルス信号の立ち上がり（時刻ｔ２）を反転したパルス信号の立ち下がりに同期して、ＦＥＴＱ４に電流Ｉｑ４が流れて、フリップフロップ回路ＦＦ１にリセット信号が入力されるため、ノーマリオン型スイッチＱ５はオフされる。また、発振器ＯＳＣからのパルス信号の立ち上がり（時刻ｔ２）に同期して、ノーマリオフ型スイッチＱ１がオンする。
【００３７】
次に、発振器ＯＳＣからのパルス信号の立ち下がり（時刻ｔ３）を反転したパルス信号の立ち上がりに同期して、ＦＥＴＱ３に電流Ｉｑ３が流れて、フリップフロップ回路ＦＦ１にセット信号が入力されるため、ノーマリオン型スイッチＱ５はオンされる。また、発振器ＯＳＣからのパルス信号の立ち下がり（時刻ｔ３）に同期して、ノーマリオフ型スイッチＱ１がオフする。時刻ｔ２〜ｔ３は、ノーマリオン型スイッチＱ５のオフ期間であるため、コンデンサＣ３の電圧Ｖｃ３は元の電圧よりも放電される。
【００３８】
次に、発振器ＯＳＣからのパルス信号の立ち上がり（時刻ｔ４）を反転したパルス信号の立ち下がりに同期して、ＦＥＴＱ４に電流Ｉｑ４が流れて、フリップフロップ回路ＦＦ１にリセット信号が入力されるため、ノーマリオン型スイッチＱ５はオフされる。また、発振器ＯＳＣからのパルス信号の立ち上がり（時刻ｔ４）に同期して、ノーマリオフ型スイッチＱ１がオンする。時刻ｔ３〜ｔ４は、ノーマリオン型スイッチＱ５のオン期間であるため、コンデンサＣ３の電圧Ｖｃ３は元の電圧に充電される。
【００３９】
このようにして、コンデンサＣ３の電圧Ｖｃ３がハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶに供給されて、ノーマリオン型スイッチＱ５がオン／オフされる。
【００４０】
次に、図３を参照しながらスイッチング電源装置の電流共振動作を説明する。
【００４１】
まず、時刻ｔ１０〜ｔ１２において、ノーマリオフ型スイッチＱ１をオンすると、共振用コンデンサＣ２が放電するように、電流Ｉｃ２が流れる。時刻ｔ１０〜ｔ１２では、Ｃ２→Ｐ１→Ｑ１→Ｃ２の経路で共振電流ＩｄＱ１が流れる。時刻ｔ１０〜ｔ１１の負電流は、ダイオードＤ６に流れる電流である。
【００４２】
このとき、トランスＴ１の二次側では、Ｓ２→Ｄ８→Ｃ４→Ｓ２の経路で電流が流れて、図示しない負荷に電力が供給される。
【００４３】
次に、時刻ｔ１３〜ｔ１５において、ノーマリオン型スイッチＱ５をオンすると、コンデンサＣ２が充電するように、電流Ｉｃ２が流れる。時刻ｔ１３〜ｔ１５では、Ｖ１（正極）→Ｑ５→Ｐ１→Ｃ２→Ｖ１（負極）の経路で共振電流ＩｄＱ５が流れる。時刻ｔ１３〜ｔ１４の負電流は、ダイオードＤ５に流れる電流である。
【００４４】
このとき、トランスＴ１の二次側では、Ｓ１→Ｄ７→Ｃ４→Ｓ１の経路で電流が流れて、図示しない負荷に電力が供給される。
【００４５】
このように、実施例１のドライブ回路によれば、電源起動時に、ノーマリオン型スイッチＱ５がオンして、コンデンサＣ３、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１の順に電流が流れて、コンデンサＣ３が充電されるので、コンデンサＣ３の両端電圧がハイサイドドライブ回路ＨＤＲＶの電源電圧として供給される。このため、ノーマリオン型スイッチＱ５を使用できる。
【００４６】
また、実施例１のスイッチング電源装置によれば、ハイサイド用にＧａＮＦＥＴからなるノーマリオン型スイッチを使用することで、ＳｉデバイスのＭＯＳＦＥＴと比較してスイッチング損失を低減することができる。
【００４７】
また、図１において、トランスＴ１の一次巻線Ｐ１と共振用コンデンサＣ２との直列回路を、ノーマリオフ型スイッチＱ１のドレイン−ソース間からノーマリオン型スイッチＱ５のドレイン−ソース間に接続を変えても良い。このような場合にも実施例１のスイッチング電源装置と同様な動作及び効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、電源装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
Ｖ１  直流電源
Ｔ１  トランス
Ｐ１  一次巻線
Ｓ１  第１の二次巻線
Ｓ２  第２の二次巻線
Ｑ１，Ｑ２  ノーマリオフ型スイッチ
Ｑ５  ノーマリオン型スイッチ
Ｑ３，Ｑ４  ＦＥＴ
ＯＳＣ  発振器
ＩＮＶ  インバータ
ＯＳＴ１，ＯＳＴ２  ワンショット回路
Ｄ１〜Ｄ９  ダイオード
Ｃ１〜Ｃ４  コンデンサ
ＦＦ１  フリップフロップ回路
Ｒ０  起動抵抗
Ｒ１〜Ｒ５  抵抗
ＬＤＲＶ  ローサイドドライブ回路
ＨＤＲＶ  ハイサイドドライブ回路
１１  電圧検出回路
ＺＤ１  ツェナーダイオード
ＬＳＴ  レベルシフト回路
【図１】
0005640731.tif 000002
【図２】
0005640731.tif 000003
【図３】
0005640731.tif 000004
【図４】
0005640731.tif 000005