(57)【要約】  動作周囲温度に関わらず変換効率を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。ＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子１，２と、スイッチング素子１，２を駆動して同期整流を行う駆動部１２と、スイッチング素子２に並列接続された還流ダイオード３と、還流ダイオード３の温度を検出する温度検出回路１１とを備える。駆動部１２は、温度検出回路１１で検出された温度が、予め定められた第１閾値以下である場合に、スイッチング素子２の駆動を停止する。
2016035120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイサイドのスイッチング素子及びローサイドのスイッチング素子と、
前記ハイサイドのスイッチング素子及び前記ローサイドのスイッチング素子を駆動して同期整流を行う駆動部と、
前記ローサイドのスイッチング素子に並列接続された還流ダイオードと、
前記還流ダイオードの温度を検出する温度検出部と
を備え、
前記駆動部は、
前記温度検出部で検出された温度が、予め定められた第１閾値以下である場合に、前記ローサイドのスイッチング素子の駆動を停止する、ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記還流ダイオードの電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
前記駆動部は、
前記電圧検出部で検出された電圧が、予め定められた第２閾値以下である場合に、前記ローサイドのスイッチング素子の駆動を停止する、ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、
複数の前記ローサイドのスイッチング素子が互いに並列接続された、ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
請求項３に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記駆動部は、
前記温度検出部で検出された温度に基づいて、駆動すべき前記ローサイドのスイッチング素子の数を変更する、ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記駆動部は、一つのＩＣ（Integrated Circuit）によって構築される、ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する半導体素子の少なくともいずれか１つはワイドバンドギャップ半導体からなる、ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直列接続された２つの半導体スイッチング素子を交互にスイッチングする駆動を行いつつ、それにより生じる交流成分をインダクタ及びコンデンサによって平滑する、いわゆる同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータが広く用いられている。【０００３】
例えば特許文献１に開示の同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータは、電気的負荷が比較的高い場合にはローサイドのスイッチング素子を駆動して同期整流を行い、電気的負荷が低い場合にはローサイドのスイッチング素子を駆動せずに、それと並列接続されたダイオードによって非同期整流（ダイオード整流）を行う。このような技術によれば、電流変換効率の向上が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９６１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術では、動作周囲温度に関わらず、電気的負荷のみに応じて同期／非同期の切り替えを行うため、実使用上、必ずしも変換効率が向上するとは限らないという問題があった。特に、シリコンなどを原材料とする半導体素子では、高温時には電気的な損失が大きくなることから、変換効率が著しく低下するという問題があった。【０００６】
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、動作周囲温度に関わらず変換効率を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、ハイサイドのスイッチング素子及びローサイドのスイッチング素子と、前記ハイサイドのスイッチング素子及び前記ローサイドのスイッチング素子を駆動して同期整流を行う駆動部と、前記ローサイドのスイッチング素子に並列接続された還流ダイオードと、前記還流ダイオードの温度を検出する温度検出部とを備える。前記駆動部は、前記温度検出部で検出された温度が、予め定められた第１閾値以下である場合に、前記ローサイドのスイッチング素子の駆動を停止する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、動作周囲温度に関わらず、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率を高めることができる。【０００９】
本発明の目的、特徴、態様及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。
【図２】実施の形態１に係るＤＣ−ＤＣコンバータの駆動方式を示す図である。
【図３】実施の形態２に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。
【図４】実施の形態３に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。
【図５】実施の形態３の変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。図１では、ＤＣ−ＤＣコンバータの一例として、入力された直流電圧よりも低い直流電圧を出力する降圧コンバータが示されている。
【００１２】
図１のＤＣ−ＤＣコンバータは、ハイサイドのスイッチング素子１と、ローサイドのスイッチング素子２と、ダイオード１ａと、ダイオード２ａと、還流ダイオード３と、インダクタ４と、コンデンサ５と、温度検出回路１１と、基準電圧源１２ａと、比較器１２ｂと、駆動回路１２ｃとを備えている。
【００１３】
スイッチング素子１，２は、高電位（Ｖｉｎ）と低電位（接地電位）との間に直列接続されている。スイッチング素子１のドレインは高電位と接続され、スイッチング素子１のソースはスイッチング素子２のドレインと接続され、スイッチング素子２のソースは低電位と接続されている。なお、図１では、スイッチング素子１，２にｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を適用しているが、これに限ったものではない。
【００１４】
ダイオード１ａのカソードは、スイッチング素子１のドレインと接続され、ダイオード１ａのアノードは、スイッチング素子１のソースと接続されている。同様に、ダイオード２ａのカソードは、スイッチング素子２のドレインと接続され、ダイオード２ａのアノードは、スイッチング素子２のソースと接続されている。
【００１５】
還流ダイオード３は、ダイオード２ａと同様にスイッチング素子２と並列接続されている。つまり、還流ダイオード３のカソードは、スイッチング素子２のドレインと接続され、還流ダイオード３のアノードは、スイッチング素子２のソースと接続されている。なお、還流ダイオード３には、例えばショットキーバリアダイオードが適用される。
【００１６】
インダクタ４の一端は、スイッチング素子１のソース及びスイッチング素子２のドレインと接続されており、インダクタ４の他端は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端となっている。
【００１７】
コンデンサ５の一端は、インダクタ４の他端と接続されており、コンデンサ５の他端は、接地電位と接続されている。
【００１８】
温度検出回路１１（温度検出部）は、還流ダイオード３の温度を検出し、当該温度に対応する電圧Ｖｔを比較器１２ｂに出力する。温度検出回路１１は、例えば、半導体素子、サーミスタ及び熱電対などの温度−電圧変換器を含む。当該温度−電圧変換器は、例えば、還流ダイオード３の直近またはそのオンチップに配置（搭載）され、周辺温度に応じた電圧を出力することが可能となっている。
【００１９】
基準電圧源１２ａ、比較器１２ｂ及び駆動回路１２ｃは、駆動部１２を構成している。この駆動部１２は、原則としてハイサイドのスイッチング素子１及びローサイドのスイッチング素子２を駆動して同期整流を行う。ただし、駆動部１２は、温度検出回路１１で検出された温度が、予め定められた第１閾値以下である場合には、スイッチング素子２の駆動を停止する。次に、このような機能を有する駆動部１２の構成要素について説明する。
【００２０】
基準電圧源１２ａは、第１閾値に対応する電圧Ｖｒｅｆを比較器１２ｂに出力する。
【００２１】
比較器１２ｂは、温度検出回路１１からの電圧Ｖｔと、基準電圧源１２ａからの電圧Ｖｒｅｆとを比較し、その比較結果を駆動回路１２ｃに出力する。つまり、比較器１２ｂは、温度検出回路１１で検出された温度が第１閾値以下であるか否かを示す結果を、駆動回路１２ｃに出力する。ここでは、検出温度が第１閾値を超える場合には、比較器１２ｂは、ローサイドのスイッチング素子２を駆動するためのＨ（Ｈｉｇｈ）信号を出力する。一方、検出温度が第１閾値以下である場合には、比較器１２ｂは、ローサイドのスイッチング素子２の駆動を停止するためのＬ（Ｌｏｗ）信号を出力する。
【００２２】
駆動回路１２ｃは、スイッチング素子１，２のゲートＶＰＧ，ＶＮＧのそれぞれに電圧を印加して、スイッチング素子１，２をスイッチングすることが可能となっている。
【００２３】
図２は、駆動回路１２ｃによるスイッチング素子１，２の駆動方式（制御方式）を示す波形図である。駆動回路１２ｃは、検出温度が第１閾値を超えることを示す比較結果（Ｈ信号）を比較器１２ｂから受けた場合には、スイッチング素子１，２を交互に同期してスイッチングする駆動を行う。一方、駆動回路１２ｃは、検出温度が第１閾値以下であることを示す比較結果（Ｌ信号）を比較器１２ｂから受けた場合には、ハイサイドのスイッチング素子１の駆動を維持しつつ、ローサイドのスイッチング素子２の駆動を停止する。
【００２４】
＜動作＞
ハイサイドのスイッチング素子１のスイッチングが繰り返されることにより、インダクタ４の一端には、交流成分を含む電圧が生成される。インダクタ４及びコンデンサ５は、当該交流成分を含む電圧を平滑化することにより、入力電圧（Ｖｉｎ）よりも低い出力電圧（Ｖｏｕｔ）を生成する。この際、スイッチング素子１をオフする期間とオンする期間とを調整するＰＷＭ（パルス幅変調）を行うことにより、出力電圧の電圧値を調整することが可能となる。
【００２５】
さて、スイッチング素子１がオンからオフに切り替わった直後には、インダクタ４は、誘導起電力により電流の流れを維持しようと作用する。この作用による素子への影響を抑制するために、スイッチング素子２及び還流ダイオード３は、接地電位からインダクタ４に向かう方向に電流を流す整流機能を有する。
【００２６】
本実施の形態１では、還流ダイオード３の温度が第１閾値を超える場合には、ハイサイドのスイッチング素子１とローサイドのスイッチング素子２とが同期して駆動し、同期整流が行われる。一方、還流ダイオード３の温度が第１閾値以下である場合には、スイッチング素子２の駆動が停止し、還流ダイオード３により非同期整流（ダイオード整流）が行われる。なお、ダイオード１ａも非同期整流の機能を担ってもよい。
【００２７】
＜実施の形態１のまとめ＞
以上のような本実施の形態１に係るＤＣ−ＤＣコンバータによれば、還流ダイオード３での電気的な損失による温度上昇を抑制することができるので、高温時の電気的な損失を抑制することができる。このため、動作周囲温度に関わらず、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率を高めることができる。また、還流ダイオード３の低温時（低負荷時）には、スイッチング素子２への逆流電流を抑制することが可能となり、それによる損失を軽減することが可能となる。これに伴い、半導体素子の高寿命化が期待できる。例えば数百Ｖの電圧が使用されるＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、これらの効果が特に有効になると考えられる。また、冷却機構の小型化・低コスト化も期待できる。
【００２８】
＜実施の形態１の変形例＞
図１の駆動部１２（ここでは基準電圧源１２ａ、比較器１２ｂ及び駆動回路１２ｃ）は、一つのＩＣ（Integrated Circuit）によって構築されてもよいし、複数のＩＣによって構築されてもよい。ただし、駆動部１２が一つのＩＣによって構築された構成では、装置の小型化、軽量化及び低コスト化が期待できる。
【００２９】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する半導体素子の少なくともいずれか１つは、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体から構成されてもよい。このような構成によれば、高温時のスイッチング損失を抑制することができるので、上述のように温度状況に応じて駆動及び停止を切り替える構成には特に有効である。なお、ここでいう半導体素子には、例えば、スイッチング素子１，２、ダイオード１ａ，２ａ、及び、還流ダイオード３などが想定されるが、これに限ったものではない。
【００３０】
なお、以上の変形例は、後述する実施の形態２，３においても適用可能である。
【００３１】
＜実施の形態２＞
図３は、本発明の実施の形態２に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。なお、本実施の形態２以降のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、以上で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ参照符号を付し、異なる部分について主に説明する。図３に示すように、本実施の形態２に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、図１の構成に、電圧モニタ回路１６を追加したものである。なお、図３では、温度検出回路１１の図示は省略している。
【００３２】
電圧モニタ回路１６（電圧検出部）は、還流ダイオード３の順方向電圧（電圧）をモニタ（検出）し、当該順方向電圧に対応する電圧ＶＦを比較器１２ｂに出力する。
【００３３】
駆動部１２は、温度検出回路１１で検出された温度と同様にして、電圧モニタ回路１６で検出された電圧が、予め定められた第２閾値以下である場合に、ローサイドのスイッチング素子２の駆動を停止する。
【００３４】
以上のような本実施の形態２に係るＤＣ−ＤＣコンバータによれば、電気的負荷に対して実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
＜実施の形態３＞
図４は、本発明の実施の形態３に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。図４に示すように、本実施の形態３に係るＤＣ−ＤＣコンバータでは、複数のローサイドのスイッチング素子２（スイッチング素子２−１，２−２，…，２−ｎ）が互いに並列接続されている。また、同様に、複数のダイオード２ａ（ダイオード２ａ−１，２ａ−２，…，２ａ−ｎ）も互いに並列接続されている。
【００３６】
本実施の形態３では、駆動部１２は、温度検出回路１１で検出された温度が、予め定められた第１閾値以下である場合に、複数のスイッチング素子２の駆動を一律に停止する。
【００３７】
以上のような本実施の形態３に係るＤＣ−ＤＣコンバータによれば、実施の形態１よりも、還流ダイオード３での電気的な損失による温度上昇を抑制することができる。また、実施の形態１よりもスイッチング素子２などの半導体素子の高寿命化が期待できる。
【００３８】
＜実施の形態３の変形例＞
図５は、実施の形態３の変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。
【００３９】
上述の実施の形態３では、駆動部１２は、温度検出回路１１で検出された温度が、予め定められた第１閾値以下である場合に、複数のスイッチング素子２の駆動を一律に停止した。
【００４０】
これに対して、本変形例では、駆動部１２は、温度検出回路１１で検出された温度が、予め定められた第１閾値以下である場合に、複数のスイッチング素子２の駆動を個別に停止する。これにより、駆動部１２は、温度検出回路１１で検出された温度に基づいて、駆動すべきローサイドのスイッチング素子２の数を変更することが可能となっている。なお、駆動すべきローサイドのスイッチング素子２の数を変更する一例としては、駆動部１２が、温度検出回路１１で検出された温度が低くなるにつれて、駆動すべきスイッチング素子２の数を減らしていく（停止すべきスイッチング素子２の数を増やしていく）ことなどが想定される。
【００４１】
以上のような本変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータによれば、実施の形態１よりも、還流ダイオード３での電気的な損失による温度上昇を抑制することができる。また、実施の形態１よりもスイッチング素子２などの半導体素子の高寿命化が期待できる。
【００４２】
なお、図５では、複数のスイッチング素子２の駆動を制御する一の駆動回路１２ｃが設けられている。しかしこれに限ったものではなく、複数のスイッチング素子２の駆動をそれぞれ制御する複数の駆動回路１２ｃが設けられてもよい。
【００４３】
また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【００４４】
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００４５】
１，２  スイッチング素子、３  還流ダイオード、１１  温度検出回路、１２  駆動部、１６  電圧モニタ回路。
【図１】
2016035120.tif 000003
【図２】
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【図３】
2016035120.tif 000005
【図４】
2016035120.tif 000006
【図５】
2016035120.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月26日(2016.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記還流ダイオードの電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
前記駆動部は、
前記電圧検出部で検出された電圧が、予め定められた第２閾値以上である場合に、前記ローサイドのスイッチング素子の駆動を停止する、ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
駆動部１２は、温度検出回路１１で検出された温度と同様にして、電圧モニタ回路１６で検出された電圧が、予め定められた第２閾値以上である場合に、ローサイドのスイッチング素子２の駆動を停止する。
【国際調査報告】
2016035120.tif 000008
2016035120.tif 000009