(57)【要約】【課題】電圧駆動型のスイッチング素子のゲートの電圧を制御するゲート駆動回路において、基準電圧よりも低いオフ電圧を簡単な回路で実現する。【解決手段】ゲート駆動回路２のインダクタ３は、一端３ａがゲートＧに接続されている。スイッチ４は、グランド端７とインダクタ３の他端３ｂとの間に接続されている。ダイオード５は、オン電圧以上の電圧Ｖｃｃに保持されている高電圧端６とインダクタ３の他端３ｂとの間に接続されている。制御器９は、スイッチング素子１２をオンからオフに切り換えるとき、オン電圧供給回路８を停止するとともに、ゲートＧの電圧がグランド電圧Ｖｓｓよりも低いオフ電圧Ｖｏｆｆに下がるまでスイッチ４の開閉を繰り返す。インダクタ３の誘導起電力によりゲートＧの電荷が強制的に高電圧端６へ移動し、ゲート電圧ＬＶＧがグランド電圧Ｖｓｓよりも低くなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧駆動型のスイッチング素子のゲートの電圧を制御するゲート駆動回路であり、
前記ゲートに接続されており、オン電圧を供給するオン電圧供給回路と、
一端が前記ゲートに接続されているインダクタと、
前記オン電圧よりも低い所定の基準電圧に保持されている基準電圧端と前記インダクタの他端とを接続したり遮断したりするスイッチと、
前記オン電圧以上の電圧に保持されている高電圧端と前記インダクタの他端との間に接続されており、前記インダクタから前記高電圧端へ向かう電流は通過させ、逆方向の電流は通さない整流素子と、
前記スイッチング素子をオンからオフに切り換えるとき、前記オン電圧供給回路を停止するとともに、前記ゲートの電圧が前記基準電圧よりも低い所定のオフ電圧に下がるまで前記スイッチの開閉を繰り返す制御器と、
を備えるゲート駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、電圧駆動型のスイッチング素子のゲートの電圧を制御するゲート駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧駆動型のスイッチング素子のゲート駆動回路では、ゲートをオフ電圧に保持するのに、単にゲートを回路のグランド端に接続するのではなく、安定したオフ電圧を供給する回路を備える場合がある（例えば特許文献１）。これは、グランド端を通じてゲートに加わるノイズによってスイッチング素子が誤動作することを防止するためである。さらに、オフ電圧は、グランド端の電圧よりも低い電圧に設定されていることがある。その場合、オフ電圧を供給する回路は、グランド端の電圧よりも低い電圧を作り出す必要がある。以下では、回路のグランド端の電圧を基準電圧と称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１５８４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、基準電圧よりも低いオフ電圧を生成する回路を備えるとなると、相応の回路が必要となる。本明細書が開示する技術は、比較的簡単な回路構成で基準電圧よりも低いオフ電圧を実現することのできるゲート駆動回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示するゲート駆動回路は、オン電圧供給回路と、インダクタと、スイッチと、整流素子と、制御器を備える。オン電圧供給回路は、駆動対象のスイッチング素子のゲートに接続されており、ゲートにオン電圧を供給する。オン電圧供給回路は、周知の回路でよい。インダクタとスイッチと整流素子がゲートにオフ電圧を供給するオフ電圧生成回路に相当する。インダクタは、その一端がゲートに接続されている。スイッチは、オン電圧よりも低い所定の基準電圧に保持された低電圧端とインダクタの他端との間に接続されている。スイッチは、低電圧端とインダクタの他端とを接続したり遮断したりする。整流素子は、オン電圧以上の電圧に保持されている高電圧端とインダクタの他端との間に接続されており、インダクタから高電圧端へ向かう電流は通過させ、逆方向の電流は通さない。制御器は、オン電圧供給回路とオフ電圧供給回路を制御する。スイッチング素子をオンからオフに切り換えるとき、制御器は、オン電圧供給回路を停止するとともに、ゲートの電圧が基準電圧よりも低い所定のオフ電圧に下がるまでスイッチの開閉を繰り返す。スイッチを閉じるとインダクタを通じてゲートから低電圧端へ電流が流れる。このとき、インダクタに磁気エネルギが蓄えられる。スイッチを開くと、インダクタに蓄えられた磁気エネルギによって誘導電流が流れる。この誘導電流は、ゲートの電荷を高電圧端へ強制的に移動させる。即ち、インダクタがポンプの働きをしてゲートの電荷を高電圧端へ押し上げる。その結果、ゲートの電圧が強制的に下がる。制御器は、ゲートの電圧が基準電圧よりも低い所定のオフ電圧に下がるまでスイッチの開閉を繰り返す。制御器は、ゲート電圧がオフ電圧に達したらスイッチを開状態に保持する。ゲートは、低電圧端から切り離されて、基準電圧よりも低いオフ電圧に保持される。このゲート駆動回路は、インダクタとスイッチと整流素子のみで、基準電圧よりも低いオフ電圧を実現することができる。
【０００６】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例のゲート駆動回路の回路図である。
【図２】ゲート電圧をオン電圧からオフ電圧に切り換えるときのゲート駆動回路の動作タイムチャートの一例である。
【図３】ゲート電圧をオン電圧からオフ電圧に切り換えるときのゲート駆動回路のタイムチャートの別の例である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に、実施例のゲート駆動回路２の回路図を示す。ゲート駆動回路２は、電圧駆動型のスイッチング素子１２のゲート電圧をオン電圧とオフ電圧の間で切り換えるデバイスである。本実施例では、スイッチング素子１２は、ｎチャネル型のトランジスタである。より具体的には、スイッチング素子１２は、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。このスイッチング素子１２は、ゲートＧを所定のオン電圧にするとドレインＤからソースＳに向けて電流が流れるようになる。ゲートＧを所定のオフ電圧（＜オン電圧）にすると電流が流れなくなる。以下ではゲートＧの電圧を記号ＬＶＧ（ゲート電圧ＬＶＧ）と表記する場合がある。な、スイッチング素子１２のオン電圧を記号Ｖｏｎ（オン電圧Ｖｏｎ）で示し、オフ電圧を記号Ｖｏｆｆ（オフ電圧Ｖｏｆｆ）で示す場合がある。
【０００９】
ゲート駆動回路２は、オン電圧供給回路８、インダクタ３、ダイオード５、スイッチ４、高電圧端６、グランド端７、制御器９で構成されている。制御器９は、上位制御装置１４から指令を受け、スイッチング素子１２のゲート電圧を制御する。図１において、点線は信号線を示している。また、図１では、スイッチング素子１２のドレインＤに接続されている回路の図示を省略している。スイッチング素子１２のソースＳは、グランド端７に接続されている。
【００１０】
高電圧端６は、ゲート駆動回路２の電源端であり、電圧Ｖｃｃに保持されている。グランド端７は、ゲート駆動回路２のグランド電圧Ｖｓｓに保持されている。オン電圧供給回路８の出力端８ａは、スイッチング素子１２のゲートＧに接続されている。オン電圧供給回路８は、高電圧端６から電力供給を受け、制御器９からの指令により、出力端８ａからゲートＧへオン電圧Ｖｏｎを供給したり、オン電圧Ｖｏｎの供給を停止したりする。なお、本実施例では、スイッチング素子１２のオン電圧Ｖｏｎは、高電圧端６の電圧Ｖｃｃに等しい。また、オン電圧供給回路８の出力端８ａは高インピーダンスであり、電流の出入りはない。オン電圧供給回路８は、停止すると、その出力端８ａは高電圧端６から切り離される。その結果、ゲートＧの電圧ＬＶＧは、後述するスイッチ４の動作に依存して変化する。オン電圧供給回路８は、既存の回路でよいため、具体的な回路構成の説明は省略する。
【００１１】
インダクタ３の一端３ａはゲートＧに接続されており、他端３ｂはスイッチ４に接続されている。インダクタ３は、例えば単純なコイルでよい。スイッチ４の他端３ｂはグランド端７に接続されている。別言すれば、スイッチ４は、インダクタ３の他端３ｂとグランド端７の間を接続したり遮断したりする。スイッチ４は、制御器９によってその開閉が切り換えられる。スイッチ４は、その両端の導通と遮断を切り換えるデバイスであればよいが、高速切換が可能な素子（例えばトランジスタ）が好ましい。
【００１２】
インダクタ３の他端３ｂは、また、ダイオード５を介して高電圧端６に接続されている。ダイオード５は、そのアノードがインダクタ３に接続されており、カソードが高電圧端６に接続されている。即ち、ダイオード５は、インダクタ３から高電圧端６へ向かう電流は通過させ、逆方向の電流は通さない。
【００１３】
制御器９は、スイッチング素子１２をオンさせる指令を上位制御装置１４から受信すると、オン電圧供給回路８を作動させる。このとき、スイッチ４は「開」（即ち、グランド端７とインダクタ３の間を遮断）に保持されている。そうすると、ゲートＧの電圧がオン電圧Ｖｏｎに保持される。なお、先に述べたように、オン電圧Ｖｏｎは高電圧端６の電圧Ｖｃｃに等しいから、インダクタ３とダイオード５を通じてゲートＧから高電圧端６へ電流が流れることはない。
【００１４】
制御器９は、スイッチング素子１２をオンからオフに切り換える指令を上位制御装置１４から受信すると、オン電圧供給回路８を停止するとともに、ゲートＧの電圧がグランド電圧Ｖｓｓよりも低い所定のオフ電圧Ｖｏｆｆに下がるまでスイッチ４の開閉を繰り返す。
【００１５】
スイッチ４の開閉に伴うゲート電圧ＬＶＧの変化の原理を説明する。先に述べたように、オン電圧供給回路８の出力端８ａは高インピーダンスであり、オン電圧供給回路８への電流の出入りはない。ゲート電圧ＬＶＧがオン電圧Ｖｏｎに保持されているときにオン電圧供給回路８を停止すると、ゲートＧには、オン電圧Ｖｏｎに相当する電荷が溜まったままとなる。ここで、スイッチ４を閉じると（インダクタ３とグランド端７を接続すると）、ゲートＧからグランド端７へ一気に電流が流れようとする。このとき、インダクタ３のインダクタンスにより、電流の勢いが抑えられるとともにインダクタ３に磁気エネルギが蓄えられる。ゲートＧから電荷が放出されるのに伴ってゲート電圧ＬＶＧが低下する。ゲート電圧ＬＶＧがグランド電圧Ｖｓｓまで低下する前にスイッチ４を開くと（インダクタ３とグランド端７の間を遮断すると）、ゲートＧからグランド端７への電流の流れがなくなるが、同時に、インダクタ３に蓄えられた磁気エネルギによって誘導起電力が生じる。このときの誘導起電力は、インダクタ３の一端３ａの側から他端３ｂの側へ向けて強制的に電流を流すように働く。インダクタ３の他端３ｂには、スイッチ４のほかに、ダイオード５を介して高電圧端６が接続されている。インダクタ３の誘導起電力により、ゲートＧからインダクタ３とダイオード５を介して高電圧端６へと電流が流れる。その結果、ゲート電圧ＬＶＧがさらに低下する。スイッチ４を開閉する毎にゲート電圧ＬＶＧが下がる。ここで、スイッチ４を開く直前のゲート電圧ＬＶＧがグランド電圧Ｖｓｓに近かった場合、スイッチ４を開いた後のインダクタ３の誘導起電力により、ゲートＧから電荷が強制的に高電圧端６へと流れ、ゲート電圧ＬＶＧはグランド電圧Ｖｓｓよりも低くなる。なお、高電圧端６とインダクタ３の間にはダイオード５が接続されているので、高電圧端６からインダクタ３へ向けて（ゲートＧへ向けて）電流が流れることはない。こうして、スイッチ４を繰り返し開閉することで、ゲート電圧ＬＶＧをグランド電圧Ｖｓｓよりも低い電圧にすることが可能となる。
【００１６】
図２を参照して、ゲート駆動回路２の上記した動作を再度説明する。図２は、ゲート電圧ＬＶＧをオン電圧Ｖｏｎからオフ電圧Ｖｏｆｆに切り換えるときのゲート駆動回路２の動作のタイムチャートの一例を示している。図２（Ａ）は、オン電圧供給回路８の出力のタイムチャートである。図２（Ｂ）は、制御器９がスイッチ４へ指令する開閉指令の信号Ｓ１のタイムチャートである。図２（Ｂ）において「ＯＮ」は、「閉」すなわち、インダクタ３の他端３ｂとグランド端７を接続することを意味する。また、「ＯＦＦ」は、「開」すなわち、インダクタ３の他端３ｂとグランド端７の間を遮断することを意味する。スイッチ４は、図２（Ｂ）の指令に基づいて開閉する。図２（Ｃ）は、インダクタ３の図１の左端３ｂの電圧ＶＬのタイムチャートである。図２（Ｄ）は、インダクタ３を流れる電流ＩＬのタイムチャートである。なお、図１の右から左へ向けて流れる方向（図１の矢印参照）を図２（Ｄ）のグラフの正方向とする。図２（Ｅ）は、ゲート電圧ＬＶＧのタイムチャートである。グラフの横軸は全て時間である。なお、以下の説明では、理解を助けるため、ダイオード５の電圧降下は無視する。
【００１７】
時刻ｔ１にて、上位制御装置１４から制御器９へ、スイッチング素子１２をオンからオフへ切り換える指令が送信される。制御器９は、時刻ｔ１にて、オン電圧供給回路８を停止する。そして制御器９は、ゲート電圧ＬＶＧがオン電圧Ｖｏｎからオフ電圧Ｖｏｆｆに下がるまでスイッチ４の開閉を繰り返す。先に述べたように、オン電圧Ｖｏｎは高電圧端６の電圧Ｖｃｃに等しい。また、スイッチング素子１２のオフ電圧Ｖｏｆｆは、グランド電圧Ｖｓｓよりも低い値に設定されている。
【００１８】
制御器９は、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間、スイッチ４を閉じ、時刻ｔ２でスイッチ４を再び開く。時刻ｔ１から時刻ｔ２の間、インダクタ３の左端３ｂがグランド端７と接続されるので、インダクタ３の左端３ｂの電圧ＶＬは、グランド電圧Ｖｓｓに一致する。ゲート電圧ＬＶＧはグランド電圧Ｖｓｓよりも高いから、インダクタ３とスイッチ４を通じてゲートＧからグランド端７へ電流が流れる。その結果、ゲート電圧ＬＶＧが低下する。インダクタ３を通じてゲートＧからグランド端７へ電流が流れる間、インダクタ３に磁気エネルギが蓄えられる。
【００１９】
時刻ｔ２にてスイッチ４が開かれると、ゲートＧからグランド端７への電流の流れが止まる。インダクタ３の一端３ａから他端３ｂへ向かう電流の流れが止まるとき、磁気エネルギが放出され、誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、電流を一端３ａから他端３ｂへと強制的に流すように作用する。誘導起電力が発生している間（時刻ｔ２から時刻ｔ３の間）、インダクタ３を通じてゲートＧから高電圧端６へと電流が強制的に流れる。このとき、インダクタ３の左端電圧ＶＬは、高電圧端６の電圧Ｖｃｃまで上昇する。この間、インダクタ３の右端電圧、即ち、ゲート電圧ＬＶＧは、電荷が抜けていくので低下し続ける。時刻ｔ３で磁気エネルギが消失すると、インダクタ３の両端の電圧（左端電圧ＶＬとゲート電圧ＬＶＧ）は等しくなり、インダクタ３を流れる電流が止まる。制御器９は、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間、再びスイッチ４を閉じる。時刻ｔ４から時刻ｔ５の間、インダクタ３の左端３ｂがグランド端７と接続されるので、左端電圧ＶＬがグランド電圧Ｖｓｓに下がり、ゲートＧからグランド端７へ電流が流れ、ゲート電圧ＬＶＧが低下する。この間、インダクタ３に再び磁気エネルギが蓄えられる。
【００２０】
制御器９は、時刻ｔ５でスイッチ４を開く。時刻ｔ５において、ゲート電圧ＬＶＧは、グランド電圧Ｖｓｓよりもわずかに高い値まで下がっている。時刻ｔ５でスイッチ４を開くと、磁気エネルギが放出されて誘導起電力が発生する。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間と同様に、誘導起電力によりゲートＧから高電圧端６へ向けて強制的に電流が流れる。その結果、ゲート電圧ＬＶＧは、グランド電圧Ｖｓｓよりも低いオフ電圧Ｖｏｆｆまで下がる。時刻ｔ６で磁気エネルギが放出されると、電流の流れが止まる。このとき、インダクタ３の両端の電圧はオフ電圧Ｖｏｆｆに等しくなる。インダクタ３の左端３ｂと高電圧端６の間にはダイオード５が接続されているため、ゲート電圧ＬＶＧが高電圧端６の電圧Ｖｓｓより下がっても、高電圧端６からゲートＧへ向けて電流が流れることはない。時刻ｔ６以後は、ゲート電圧ＬＶＧは、オフ電圧Ｖｏｆｆに保持される。
【００２１】
図３を参照してゲート駆動回路２の別の動作の例を説明する。図３（Ａ）から（Ｅ）の各図の意味は、図２（Ａ）から（Ｅ）の各図と同じである。図３の例では、制御器９は、スイッチ４の開閉を４回繰り返している。制御器９は、時刻Ｔ１にて、ゲート電圧ＬＶＧをオン電圧Ｖｏｎからオフ電圧Ｖｏｆｆへの切り換えを開始する。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の間、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７の間、制御器９はスイッチ４をオン（閉）に切り換える。スイッチ４がオン（閉）の間、ゲートＧからグランド端７へ電流が流れ、ゲート電圧ＬＶＧが低下する。その間、インダクタ３に磁気エネルギが蓄えられる。スイッチ４をオン（閉）からオフ（開）へ切り換えた直後、磁気エネルギにより誘導起電力が発生し、ゲートＧから高電圧端６へと電流が強制的に流れる。その結果、ゲート電圧ＬＶＧがさらに低下する。時刻Ｔ５から時刻Ｔ６の間は、磁気エネルギが消失した期間であり、インダクタ３の両端の電圧（ゲート電圧ＬＶＧと左端電圧ＶＬ）が等しくなり、電流は流れない。時刻Ｔ８から時刻Ｔ９の間も同様である。制御器９は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の間、及び、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７の間、同じ時間間隔でスイッチ４を閉じ、ゲート電圧ＬＶＧを徐々に下げる。
【００２２】
制御器９は、時刻Ｔ９でスイッチ４を再び閉じる。このときのゲート電圧ＬＶＧは、グランド電圧Ｖｓｓよりも高い。制御器９は、時刻Ｔ９から時刻Ｔ１１の、それまでよりも長い期間、スイッチ４を「閉」に保持する。時刻Ｔ９から時刻Ｔ１１の間、インダクタ３の左端３ｂはグランド端７に直結され、その左端電圧ＶＬはグランド電圧Ｖｓｓに保持される。一方、ゲート電圧ＬＶＧは低下し続け、時刻Ｔ１０でグランド電圧Ｖｓｓに達し、その後、グランド電圧Ｖｓｓよりも低くなる。ゲート電圧ＬＶＧは、時刻Ｔ１１でグランド電圧Ｖｓｓよりも低いオフ電圧Ｖｏｆｆに達する。
【００２３】
時刻Ｔ１０以降、インダクタ３の左端３ｂがグランド端７に接続された状態でインダクタ３の右端の電圧（即ちゲート電圧ＬＶＧ）がグランド電圧Ｖｓｓよりも低下する。これは、インダクタ３に磁気エネルギが残っている間は、インダクタ３が図中の右端３ａから左端３ｂへ向けて電流を流し続けようとするからである。別言すれば、インダクタ３が磁気エネルギにより、あたかもポンプのごとく機能し、ゲートＧの電荷を吸い上げてグランド端７へ送るからである。
【００２４】
ゲート電圧ＬＶＧがオフ電圧Ｖｏｆｆに達した時刻Ｔ１１で、制御器９はスイッチ４をオン（閉）からオフ（開）に切り換える。時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１２の間、誘導起電力によりインダクタ３の左端電圧ＶＬは高電圧端６の電圧Ｖｃｃまで上がり、時刻Ｔ１２で磁気エネルギが消失すると、インダクタ３の左端電圧ＶＬは、右端電圧（即ちゲート電圧ＬＶＧ）と等しくなり、電流が流れなくなる。以後、ゲート電圧ＬＶＧは、グランド電圧Ｖｓｓよりも低いオフ電圧Ｖｏｆｆに保持される。
【００２５】
上記のとおり、ゲート駆動回路２は、インダクタ３、スイッチ４、ダイオード５、高電圧端６、制御器９により、グランド電圧Ｖｓｓよりも低いオフ電圧Ｖｏｆｆを実現することができる。なお、ゲート電圧ＬＶＧをオフ電圧Ｖｏｆｆからオン電圧Ｖｏｎに切り換えるのは、スイッチ４を開いたままオン電圧供給回路８を作動させればよい。
【００２６】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。制御器９がスイッチ４を切り換えるタイミングと回数を調整することで、ゲート電圧ＬＶＧを調整することができる。より具体的には、スイッチ４を「閉」に保持する回数とその長さで、ゲート電圧ＬＶＧを調整することができる。
【００２７】
実施例のグランド電圧Ｖｓｓが「基準電圧」の一例に相当する。実施例のグランド端７が「基準電圧端」の一例に相当する。実施例では、高電圧端６の電圧Ｖｃｃは、オン電圧Ｖｏｎに等しい。高電圧端６の電圧Ｖｃｃは、オン電圧Ｖｏｎに等しいことが望ましいが、オン電圧Ｖｏｎ以上であればよい。グランド電圧Ｖｓｓは、オン電圧Ｖｏｎよりも低い。また、本明細書が開示するゲート駆動回路２は、設定されているオフ電圧Ｖｏｆｆがグランド電圧Ｖｓｓよりも低い場合にその効果を発揮するが、オフ電圧Ｖｏｆｆがグランド電圧Ｖｓｓよりも高い場合にも適用することができる。
【００２８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２９】
２：ゲート駆動回路
３：インダクタ
４：スイッチ
５：ダイオード
６：高電圧端
７：グランド端
８：オン電圧供給回路
８ａ：出力端
９：制御器
１２：スイッチング素子
１４：上位制御装置
Ｄ：ドレイン
Ｇ：ゲート
Ｓ：ソース
ＬＶＧ：ゲート電圧
ＶＬ：左端電圧
Ｖｃｃ：高電圧端の電圧
Ｖｏｆｆ：オフ電圧
Ｖｏｎ：オン電圧
Ｖｓｓ：グランド電圧
【図１】
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【図２】
2018121507.tif 000004
【図３】
2018121507.tif 000005