(57)【要約】【課題】集積同期整流器パッケージを提供すること。【解決手段】集積同期整流器パッケージは、2個の主電流通電端子および制御端子を有する被制御切換えデバイスと、被制御切換えデバイスの主電流通電端子を流れる電流の方向を検出し、かつ電流が被制御切換えデバイスを第1の方向に流れるとき被制御切換えデバイスをオンにするように、また電流が被制御切換えデバイスを第2の反対方向に流れるとき被制御切換えデバイスをオフにするように、制御端子に与えられる制御信号を生成する制御回路とを備え、制御回路および被制御切換えデバイスは、せいぜい4個の外部電気接続を有する単一パッケージ内に含まれている。【選択図】図3
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積同期整流器パッケージであって、
2個の主電流通電端子および制御端子を有する被制御切換えデバイスと、
前記被制御切換えデバイスの主電流通電端子を流れる電流の方向を検出し、かつ電流が前記被制御切換えデバイスを第1の方向に流れるとき前記被制御切換えデバイスをオンにするように、また電流が前記被制御切換えデバイスを第2の反対方向に流れるとき前記被制御切換えデバイスをオフにするように、前記制御端子に与えられる制御信号を生成する制御回路とを備え、
前記制御回路および前記被制御切換えデバイスが、せいぜい4個の外部電気接続を有する単一パッケージ内に含まれている集積同期整流器パッケージ。
【請求項２】
前記パッケージが、電源、接地、陰極および陽極を含んだせいぜい4個の外部電気接続を有する、請求項1に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項３】
前記パッケージが、電源、陰極および陽極を含んだせいぜい3個の外部電気接続を有し、接地接続が前記陽極または前記陰極のうちの1つと共通である、請求項1に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項４】
前記被制御切換えデバイスがMOSFETを備える、請求項1に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項５】
前記制御回路が、前記被制御切換えデバイスの両端間の電圧を監視して、前記被制御切換えデバイスを流れる電流の流れの方向を決定する、請求項1に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項６】
前記被制御切換えデバイスがMOSFETであり、さらに前記制御回路が前記MOSFETのドレインとソースの間の電圧を監視する、請求項5に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項７】
前記制御回路が、ヒシテリシスを伴って前記被制御切換えデバイスをオンおよびオフする、請求項1に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項８】
同期整流器パッケージであって、
2個の主電流通電端子および制御端子を有する被制御切換えデバイスと、
前記被制御切換えデバイスの主電流通電端子を流れる電流の方向を検出し、かつ電流が前記被制御切換えデバイスを第1の方向にほぼ流れ始めるとき前記被制御切換えデバイスをオンにするように、また電流が前記被制御切換えデバイスを第2の反対方向にほぼ流れ始めるとき前記被制御切換えデバイスをオフにするように、前記制御端子に与えられる制御信号を生成する制御回路とを備え、
前記制御回路および前記被制御切換えデバイスが、せいぜい4個の外部電気接続を有する単一パッケージ内に含まれている同期整流器パッケージ。
【請求項９】
前記パッケージが、電源、接地、陰極および陽極を含んだせいぜい4個の外部電気接続を有する、請求項8に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項１０】
前記パッケージが、電源、陰極および陽極を含んだせいぜい3個の外部電気接続を有し、接地接続が前記陽極または前記陰極のうちの1つと共通である、請求項8に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項１１】
前記被制御切換えデバイスがMOSFETを備える、請求項8に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項１２】
前記制御回路が、前記被制御切換えデバイスの両端間の電圧を監視して、前記被制御切換えデバイスを流れる電流の流れの方向を決定する、請求項8に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項１３】
前記被制御切換えデバイスがMOSFETであり、さらに前記制御回路が前記MOSFETのドレインとソースの間の電圧を監視する、請求項12に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項１４】
前記制御回路が、ヒシテリシスを伴って前記被制御切換えデバイスをオンおよびオフする、請求項8に記載の集積同期整流器パッケージ。
【請求項１５】
集積回路パッケージであって、
基板と、
前記基板に配置され、かつ外部リード線端子に接続されたソース端子およびドレイン端子を有するMOSFETおよび固有の本体ダイオードまたは別個の並列ダイオードと、
前記MOSFETを制御するために前記MOSFET上に配置され、かつ前記外部リード線端子に結合された電源接続、および前記MOSFETの導通状態を制御するための前記MOSFETの制御端子を有する制御集積回路とを備え、
前記MOSFETおよび前記制御集積回路が共通のパッケージに収納され、前記外部リード線端子が前記ソース端子、前記ドレイン端子および前記集積回路の前記電源接続を前記パッケージから外に導くものである集積回路パッケージ。
【請求項１６】
前記基板がリードフレームを備え、前記外部リード線端子が前記リードフレームの一部である、請求項15に記載のパッケージ。
【請求項１７】
前記ソース端子、前記ドレイン端子および前記制御集積回路の前記電源接続が、前記リードフレームにワイヤボンディングされている、請求項16に記載のパッケージ。
【請求項１８】
前記集積回路共通パッケージが同期整流器として機能し、前記リードフレームの外部リード線端子が前記制御集積回路のための整流器陽極、整流器陰極、電源および接地を備える、請求項16に記載のパッケージ。
【請求項１９】
前記外部リード線端子が、整流器陽極および整流器陰極を備え、前記電源端子および前記接地端子のうちの1つが、前記陽極および前記陰極のうちの1つと共通である、請求項18に記載のパッケージ。
【請求項２０】
前記制御集積回路が、前記MOSFETから絶縁物で隔てられている、請求項15に記載のパッケージ。
【請求項２１】
前記MOSFETが、前記リードフレームに半田ダイ接着されている、請求項16に記載のパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気整流回路に関し、特に、制御された整流デバイスである同期整流器に関する。より詳細には、本発明は、最小限の回路経費で、整流器回路の非同期整流器と取り換えることができる集積同期整流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の参照
この出願は、2003年11月4日に出願された「INTEGRATED SMART RECTIFIER」という名称の米国仮出願第60/517,333号の利益および優先権を主張する。この出願の全開示を参照して本明細書に組み込む。
【０００３】
オフライン孤立(isolated)電源での出力整流は、多くの場合、ショットキーダイオードまたはPINダイオードを使用して行なわれる。これの一般的な不利点は、全てのダイオードが公称閾値電圧を有し、したがって高い伝導損を有することである。同期整流は、フライバック変換器および他の用途に導入されており、ここでMOSFETまたは他の制御スイッチは、ダイオードの動作をエミュレートするように適切な駆動回路で駆動されている。MOSFET同期整流器の不利点は、通常のダイオード整流の場合には非常に簡単なダイオードだけから成る整流段の設計がいっそう複雑になることである。特に、ダイオードを同期整流器に取り換えるには、同期整流デバイス用の駆動回路を追加することが必要になり、複雑さが増し、回路部品の数が増すことになる。
【０００４】
出願者は次の従来技術を知っている。米国特許第6,353,544号は、電流を検出するために変流器を使用し、このことで集積化解決策のために使用できない。米国特許第6,442,048号は、他の従来技術例であるが、最小限の外部端子数を有するワンパッケージ集積化解決策を実現するように使用できない。
【特許文献１】米国特許第6,353,544号明細書
【特許文献２】米国特許第6,442,048号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、通常の非同期整流ダイオードと簡単に取り換えることができる同期整流器を提供することである。ダイオードは、陰極と陽極の2つの端子を有する。本発明の目的は、2端子ダイオードデバイスと取り換えることができ、かつ最小限の端子を有する同期整流器を提供することである。この最小限のものは陽極、陰極および電源接続である。接地接続が陽極または陰極と共通である場合、本発明に従ったデバイスは、陽極、陰極および電力供給端子の少なくとも3端子を有することができる。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、いわゆる「スマート」整流器を得るために、制御回路および能動スイッチを最小限のピン数を有する単一パッケージに集積化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は集積同期整流器パッケージによって実現され、この集積同期整流器パッケージは、2個の主電流通電端子および制御端子を有する被制御切換えデバイスと、被制御切換えデバイスの主電流通電端子を流れる電流の方向を検出し、かつ電流が被制御切換えデバイスを第1の方向に流れるとき被制御切換えデバイスをオンにするように、また電流が被制御切換えデバイスを第2の反対方向に流れるとき被制御切換えデバイスをオフにするように、制御端子に与えられる制御信号を生成する制御回路とを備え、制御回路および被制御切換えデバイスは、せいぜい4個の外部電気接続を有する単一パッケージ中に含まれている。
【０００８】
本発明の目的は、また、同期整流器パッケージによって実現され、この同期整流器パッケージは、2個の主電流通電端子および制御端子を有する被制御切換えデバイスと、被制御切換えデバイスの主電流通電端子を流れる電流の方向を検出し、かつ電流が被制御切換えデバイスを第1の方向にほぼ流れ始めるとき被制御切換えデバイスをオンにするように、また電流が被制御切換えデバイスを第2の反対方向にほぼ流れ始めるとき被制御切換えデバイスをオフにするように、制御端子に与えられる制御信号を生成する制御回路とを備え、制御回路および被制御切換えデバイスは、せいぜい4個の外部電気接続を有する単一パッケージ中に含まれている。
【０００９】
本発明の目的は、また、集積回路パッケージによって実現され、この集積回路パッケージは、基板と、この基板に配置されかつ外部リード線端子に接続されたソース端子およびドレイン端子を有するMOSFETおよび固有の本体ダイオード(または別個の並列ダイオード)と、MOSFETを制御するためにMOSFET上に配置され、かつ外部リード線端子に結合された電源接続およびMOSFETの導通状態を制御するためのMOSFETの制御端子を有する制御集積回路とを備え、MOSFETおよび制御集積回路は共通のパッケージに収納され、外部リード線端子はソース端子、ドレイン端子および集積回路の電源接続をパッケージから外に導く。
【００１０】
本発明は、2個の別個のダイが共通パッケージ化される場合だけに限定されない。モノリシック解決策も可能であり、この場合、制御装置および電力用MOSは両方とも同じ基板上にある。「モノリシック」解決策対「ハイブリッド」解決策の妥協を比較する必要があるが、これらは両方とも本発明の最適な実施例である。
【００１１】
本発明の他の特徴および有利点は、添付の図面を参照する本発明の次の説明から明らかになるであろう。
【００１２】
これから、以下の詳細な説明で、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１３】
本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ここで図面を参照して、図1は、ダイオード整流段がフライバックトランスの二次側にある一般的な従来技術のフライバック変換器回路を示す。この回路は、パルス幅変調段15で駆動されるFET10を含む。FET10は、フライバックトランスTの一次側Pを流れる電流を切り換える。二次側Sの出力は、ダイオードDで整流され、出力電圧は出力蓄積コンデンサCおよび負荷に供給される。トランスの一次側Pは電圧源B+に結合されている。ダイオードD1、コンデンサC1および抵抗器R1を備える回路は、振動を減衰させるために設けられている。
【００１５】
図2は同期整流段を使用する図1の回路を示し、この同期整流段は、同期整流器(SR)駆動回路40で制御される能動整流器スイッチを含むFET30を備える。
【００１６】
図1の回路の一般的な欠陥は、ダイオードDが0.7ボルト程度の電圧降下を有し、したがって大きな伝導損を有することである。図2の回路の欠陥は、図1の単純な回路に比べて遥かに複雑で、同期整流器を駆動するためにSR駆動回路40を必要とし、したがってより多くの部品および接続を必要とすることである。
【００１７】
本発明に従って、ただ最小限のピンを有するだけの同期整流器を備え、したがって、余分な複雑なこと無しに、図1のダイオード整流器と取り換えることができるスマート整流器を提供することが望ましい。理解されることであろうが、必要とされる最小限のピン数は3個である。すなわち、通常ダイオードで必要とされる陽極接続と陰極接続、およびこれに加えて電力を供給するための電力供給ピンである。接地接続も含んだ4端子デバイスを実現することは、また、本発明の範囲内である。この場合、接地接続を陰極または陽極ダイオード接続から分離することが必要である。
【００１８】
ダイオード整流機能をエミュレートするために、整流器を流れる電流の流れの方向を決定することが必要である。電流の符号が反対になったとき、制御は能動スイッチを素早くオフにしなければならない。この機能を行なうために、制御は、能動スイッチの電流を検出する必要がある。このために、能動スイッチのオン抵抗を使用して、スイッチ電流に比例した電圧を生成することができる。
【００１９】
図3は、ドレイン、ソースおよび電源VCCの3接続を有する同期整流器パッケージ50の実現を示す。図3の回路において、集積同期整流器は50として示す。集積同期整流器は、制御回路60と、例えばMOSFETを備える能動スイッチ70を含む。制御回路60は、スイッチ70のソースに接続された共通または接地コネクタおよび電力供給ピンVCCを必要とする。他のピンは、能動スイッチ70のドレインである。図3の回路において、ドレインは単純なダイオード整流器の陰極として機能し、ソースはその陽極として機能する。接地接続はソースと共通であるので、デバイス50は3つの外部電気接続を必要とするだけである。したがって、デバイス50は容易に2端子ダイオードと取り換えることができる。ただ1つの追加接続である電源VCCが必要なだけであり、電力供給VCCはいずれにしても回路に存在するので、図示のように、このことは容易に対応できる。
【００２０】
図3Aは、制御回路60の詳細を示す。能動スイッチ70のドレインは、入力VDに接続される。そのソースは入力VSに接続される。ドレイン‐ソース電圧は、シュミットトリガ回路90が監視している。図3の方向に流れる電流Iに対応して、ドレイン‐ソース電圧が負のとき、スイッチ70の本体ダイオードが電流Iを通し始めて、端子DとSの間に電圧降下を発生する。VTH2の絶対値が本体ダイオードの導通閾値VFよりも小さいように選ばれるとき、本体ダイオードが導通し始めるやいなや、トリガ回路90はオンになり、ハイレベルをANDゲート100に与える。同時に、負エッジでトリガされるワンショット120は、それのQ否定出力がハイである状態にあり、それによって、ANDゲート100をイネーブルにし、さらに供給電圧Vgateを供給してMOSFET70をオンにする。これは、ACの正の半サイクルの間のスイッチ70の導通に対応する。
【００２１】
ACの負の半サイクル中に、電流は、図3に示す電流Iの反対方向に流れようとする。しかし、負の半サイクル中に電流が反対方向に流れ始める直前に、図3Aの回路60がスイッチ70をオフにする。負の半サイクルの始まり近くで、電圧VDSがVTH1に達すると、トリガ回路90はローになって、ANDゲート100にロー入力を与え、ゲート駆動Vgateをオフにする。同時に、ワンショット120は、負になるパルスをゲート100に向けて生成する。この負パルスは、プログラムされた時間TBLANKの間シュミットトリガ回路90を無効にする。コンパレータ90を無効にする理由は、さらなる偽トリガが起こるのを防止するためである。実際、ゲートがオフになるや否や、単一VTH1は負であり、依然として、いくらかの電流が本体ダイオードを流れている。
【００２２】
図8で理解することができるように、MOSFET70がいったんオフになると、その電流はVTH2より大きな電圧を発生し、したがって、70のゲートを再びオンにしようとして、おそらく高周波の共振が生じるだろう。
【００２３】
この条件が起きるのを防止するために、単安定ワンショット120が適切な位置に挿入される。
【００２４】
パルス継続時間TBLANKの選択は重要である。一方では、偽りのトリガが起こるのを妨げるように十分に長く選ばなければならないが、他方で、余り長すぎると、この回路の最大動作切換え周波数が制限される。
【００２５】
したがって、第3の閾値が使用される。VTH3は正であり、かつ正の半サイクルが完了し負の半サイクルが始まるときを決定するように十分大きい。VTH3をいったん超えると、パルスTBLANKが終わるのを待たないで、ワンショットは直ちにリセットされる。この動作によって、回路は初期条件の状態に戻り、次の能動サイクルのために備える。
【００２６】
例示の実施例では、VTH1は-20mvであり、VTH2は-200mvであり、さらにVTH3は5Vである。
【００２７】
図3Bは、図3Aの回路の切換え作用を示す。VTH1よりも大きな電圧VDSでは、Vgateはオフであり、図3に示す電流Iの反対方向に電流が流れようとするとき能動スイッチ70がオフになることを示している。VDSがVTH2より小さいとき、電流は方向Iに流れており、そして図3Bに電圧Vgateで示すように、能動スイッチ70はオンになる。
【００２８】
正常動作において能動スイッチの両端間の電圧降下がこの2つの閾値VTH1とVTH2の間に入り、かつVTH2が本体ダイオードの導通閾値電圧よりも(絶対値で)小さくなるように、閾値VTH1およびVTH2を選ぶ必要がある。
【００２９】
このことは一般に問題ない。というのは、本体ダイオードの順方向電圧降下は、能動スイッチの両端間の「オン」電圧よりも一般に一桁大きいからである。
【００３０】
図4は図3の回路を示し、この図で、図3の回路は、陰極、陽極および電力供給接続VCCの3つの接続を含む単一部品50で示されている。陽極は、また、パッケージ50に集積化された制御回路の接地接続としても機能する。制御回路および能動スイッチは、たった3個のピンを有する単一電力パッケージに集積化されている。
【００３１】
図5は、スマート整流器50の機械図面を示す。スマート整流器は、図示のようにゲートコンタクトを有するスイッチ70を含む。制御IC60はスイッチ70の上にパッケージ化されている。制御ICおよびスイッチは、3個の端子A/S、K/D、およびVCCにワイヤボンディングされている。
【００３２】
図6は、スイッチ70および制御IC60を備えるスマートダイオード50の他の実現を示す。
【００３３】
図7は、制御IC60およびスイッチ70の共通パッケージ化を示す。制御IC60は、カプトン膜または接着テープでスイッチ70から分離されている。スイッチ70は、半田ダイ接着剤85を介してリードフレーム80に取り付けられている。
【００３４】
本発明の有利点は、ダイオード整流器を能動制御整流器とすばやく取り替えることができるようにすることであり、この能動制御整流器は、好ましくはMOSFETに基づき、結果として伝導損および漏れ損を劇的に減少させる。結果として得られたスマート整流器は、一般に、単独ダイオードと比べてたった1つの追加ピンVCCを有するだけであり、システムの複雑さの増加が最小限になっている。本発明に従ったスマート整流器は、全ての目的でダイオードとして作用するので並列に配置することもでき、さらに出力同期整流に使用することができる。また、このスマート整流器は、OR機能に使用することもできる。
【００３５】
図8および9は、2つの動作モードにおける回路の動作を示す。図8は、DCM(不連続導通モード)を示し、図9はCCM(連続電流モード)を示す。これらの図で、次の定義が当てはまる。
VTH1:ターンオフ閾値‐電流がある特定のレベルより下に減衰したとき、スイッチはオフになり、本体ダイオードが導通するようになる。
VTH2:ターンオン閾値‐VDSが負になるや否や、本体ダイオードは導通し始める。本体ダイオードは、一般に、オン状態のMOSFETよりも遥かに大きな電圧降下を有する。
VTH3:リセット閾値‐サイクルが完了し、かつVDS電圧が正になりさらに再び増加し始めたとき、内部のワンショットはリセットされる。このようにして、システムは次のサイクルの準備ができている。
【００３６】
本発明は特定の実施例に関連して説明したが、多くの他の変形および修正および他の用途が当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は、本明細書の特定の開示によってではなく、ただ添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】フライバック変換器回路における一般的な従来技術のダイオード整流回路を示す図である。
【図２】同期整流を使用する一般的な従来技術のフライバック変換器回路を示す図である。
【図３】フライバック変換器回路の集積同期整流器を実現する、本発明に従った回路を示す図である。
【図３Ａ】図3の能動整流器スイッチの制御回路のブロック図を示す図である。
【図３Ｂ】図3Aの回路の伝達関数を示す図である。
【図４】集積スマート整流器を単一回路部品として回路に組み込んだ図3の回路を示す図である。
【図５】図4のスマート整流器を示す機械図面である。
【図６】図4のスマート整流器の他の実施例の詳細を示す図である。
【図７】スマート整流器の構造を示す断面図である。
【図８】1つの動作モードでの本発明の動作を示す図である。
【図９】別の1つの動作モードでの本発明の動作を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
10  FET
50  集積同期整流器
60  制御回路(IC)
70  能動スイッチ
80  リードフレーム
85  ダイ接着剤
90  シュミットトリガ回路
【図１】
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【図２】
2005143287.tif 000004
【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2005143287.tif 000007
【図４】
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【図５】
2005143287.tif 000009
【図６】
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【図７】
2005143287.tif 000011
【図８】
2005143287.tif 000012
【図９】
2005143287.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成17年2月16日(2005.2.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
2005143287.tif 000019
【図５】
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【図６】
2005143287.tif 000021
【図７】
2005143287.tif 000022
【図８】
2005143287.tif 000023
【図９】
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【外国語明細書】
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