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公開番号2020188666
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201119
出願番号2019093818
出願日20190517
発明の名称フローティングドライバ
出願人株式会社今仙電機製作所
代理人個人
主分類H02M 1/08 20060101AFI20201023BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】スイッチング素子に対して広い電圧範囲の電力を供給することのできるフローティングドライバを安価に提供する。
【解決手段】本発明のフローティングドライバ1は、入力電源VDDに接続されている、第一のスイッチSW1と、第一のコンデンサC1と、第二のスイッチSW2からなる電源部と、第三のスイッチSW3及び第四のスイッチSW4からなる駆動部と、スイッチング素子M1に電力を供給する第五のスイッチSW5からなる放電部と、を備えている。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項1】
異なる電位の電力を供給してスイッチング素子を駆動するフローティングドライバであって、
入力電源に接続されている、第一のスイッチと、第一のコンデンサと、第二のスイッチからなる電源部と、
第三のスイッチ及び第四のスイッチからなる駆動部と、
前記スイッチング素子に電力を供給する第五のスイッチからなる放電部と、
を備えていることを特徴とするフローティングドライバ。
続きを表示(約 860 文字)【請求項2】
前記第一のスイッチ、前記第二のスイッチ、前記第三のスイッチ、前記第四のスイッチ、および前記第五のスイッチの開閉操作を行う制御部をさらに備えており、
前記制御部が、
入力電源にオン状態の前記第一のスイッチと前記第一のコンデンサとオン状態の前記第二のスイッチとを直列接続して前記第一のコンデンサを充電する充電形態と、
オン状態の前記第四のスイッチと前記第一のコンデンサとオン状態の前記第五のスイッチと前記スイッチング素子とを直列接続してスイッチング素子に電力を供給する電源供給形態と、
を交互に切り替えて、スイッチング素子に電力を供給することを特徴とする請求項1に記載のフローティングドライバ。
【請求項3】
前記制御部が、前記充電形態と前記電源供給形態とを、前記スイッチング素子の電圧がなくなるよりも早いタイミングで切り替えて、前記スイッチング素子への電力の供給を途切れることなく継続することを特徴とする請求項2に記載のフローティングドライバ。
【請求項4】
前記第一のスイッチ、前記第二のスイッチ、前記第三のスイッチ、前記第四のスイッチ、および前記第五のスイッチの開閉操作を行う制御部をさらに備えており、
前記制御部が、
オン状態の前記第一のスイッチと前記第一のコンデンサとオン状態の前記第二のスイッチとを直列接続して前記第一のコンデンサを充電し、且つ前記第四のスイッチと前記第五のスイッチとをオフとし、更にオン状態の前記第三のスイッチと前記スイッチング素子とを直列接続する、電源遮断形態と、
オン状態の前記第四のスイッチと前記第一のコンデンサとオン状態の前記第五のスイッチと前記スイッチング素子とを直列接続してスイッチング素子に電力を供給する電源供給形態と、
を交互に切り替えることで、スイッチング素子をオン状態とオフ状態に交互に切り替えることを特徴とする請求項1に記載のフローティングドライバ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、フローティングドライバに関する。ここでいうフローティングドライバとは、異なる電位の電力を供給してスイッチング素子を駆動する駆動回路のことである。言い換えれば、本発明は、スイッチング素子に広い電圧範囲の電源を供給することのできる駆動回路に関する。
続きを表示(約 6,800 文字)【背景技術】
【0002】
電源装置やモータなど様々なシステムの中で、電流のオンとオフを切り替えるスイッチング素子が広く使用されている。複数段で構成されているスイッチング素子を駆動する場合は、それぞれのスイッチング素子に対して異なる基準電位の電力を出力する必要があり、これまではそれぞれのスイッチング素子に対して別電源を生成して電力を供給していた。たとえば、スイッチング素子がNチャネルのパワーMOSFETで構成されている場合、オンとオフの切り替え制御には、駆動回路によってMOSFETに所定の閾値電圧よりも高いゲート電圧を出力する必要がある。図6および図7に所定の電圧を供給するための従来のスイッチング電源の回路図を示す。
【0003】
図6の回路図は、チャージポンプ方式のスイッチング電源の一例を示している。この回路は、2つのコンデンサC11,C12を並列に接続し、それぞれのコンデンサに電荷を蓄え、ツェナーダイオードのようなスイッチ手段によってクランプし、コンデンサの接続を直列にして約2倍の電圧を得ている。コンデンサの数を増やすことによって原理上は任意倍率で昇圧した電圧が得られるが、一方で、接続の段数を上げるごとに電圧降下し、またクランプで電力を消費する。このため、高い電圧を取得するのは困難になる。特許文献1には、プリント配線基板上の実装面積削減を目的としたチャージポンプとこれを用いた電源装置が開示されている。
【0004】
図7の回路図は、ブートスストラップ方式のスイッチング電源の一例を示している。ハーフブリッジを形成している出力MOSFETのM11とM12にNチャネルのパワーMOSFETを用いており、M13からM17がバッファーである。スイッチング用の信号源はVCKで、負荷として抵抗RLを接続している。図7のスイッチング電源は、電源VDDの電圧に対して、信号源VCKのデューティ比に従って降圧した電圧を出力する。ブートストラップ方式では、基準電圧が0Vとなった時点で任意のスイッチング素子用電力を充電することができるが、この方式では、あるタイミングで0Vとなる瞬間を必要とするため、複数段で構成されるスイッチング素子の駆動には適していない。特許文献2には、軽負荷や無負荷であっても、ブートストラップ回路に用いられるコンデンサに充電が可能なブートストラップ回路が開示されている。
【0005】
このほか、DCDCコンバータを用いてスイッチング素子の基準電圧とは異なる一定の出力電位を得る方法があるが、チャージポンプ方式やブートストラップ方式と比較して、より複雑で高コストな回路構成となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開2013−74713号公報
特開2009−106115公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
電位差のある回路の中で、複数のスイッチング素子に異なる電位の電力を供給する場合、従来は、回路が複雑化し、高価なものとなる傾向があった。また、安定した素子の駆動が困難となる場合があった。
【0008】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、スイッチング素子に対して広い電圧範囲の電力を供給することのできる駆動回路を安価に提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
請求項1にかかる発明は、異なる電位の電力を供給してスイッチング素子を駆動するフローティンドライバに関する。本発明のフローティングドライバは、入力電源に接続されている、第一のスイッチと、第一のコンデンサと、第二のスイッチからなる電源部と、第三のスイッチ及び第四のスイッチからなる駆動部と、スイッチング素子に電力を供給する第五のスイッチからなる放電部と、を備えていることを特徴とする。
【0010】
本発明のフローティングドライバは、第一のスイッチ、第二のスイッチ、第三のスイッチ、第四のスイッチ、および第五のスイッチの開閉操作を行う制御部をさらに備えていることが好ましい。本発明の制御部は、入力電源と、オン状態の第一のスイッチと、第一のコンデンサと、オン状態の第二のスイッチとを直列接続して第一のコンデンサを充電する充電形態を具現化する。また制御部は、オン状態の第四のスイッチと、第一のコンデンサと、オン状態の第五のスイッチと、スイッチング素子とを直列接続して電力を供給する電源供給形態を具現化する。そして制御部は、充電形態と電源供給形態とを交互に切り替えて、スイッチング素子に電力を供給する。
【0011】
本発明のフローティングドライバの制御部は、充電形態と電源供給形態とを、スイッチング素子の電圧がなくなるよりも早いタイミングで切り替えて、スイッチング素子への電力の供給を途切れることなく継続することができる。
【0012】
また、本発明のフローティングドライバの制御部は、オン状態の第一のスイッチと第一のコンデンサとオン状態の第二のスイッチとを直列接続して第一のコンデンサを充電し、且つ第四のスイッチと第五のスイッチとをオフとし、更にオン状態の第三のスイッチとスイッチング素子とを直列接続する、電源遮断形態を具現化することができる。また制御部は、オン状態の第四のスイッチと第一のコンデンサとオン状態の第五のスイッチとスイッチング素子とを直列接続してスイッチング素子に電力を供給する電源供給形態と、を具現化することができる。制御部は、電源遮断形態と電源供給形態とをを交互に切り替えることで、スイッチング素子をオン状態とオフ状態に交互に切り替えることができる。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係るフローティングドライバは、これまで別電源を生成して供給する必要があった複数のスイッチング素子の駆動回路に対して、単一の入力電源を用いて駆動することができる。
【0014】
本発明にかかるフローティングドライバは、基準の異なる複数のスイッチング素子や、複数段で構成されるスイッチング素子を、従来よりも低コストで駆動することができる。
【0015】
本発明にかかるフローティングドライバは、従来のチャージポンプ方式やブートストラップ方式のような制限を受けることなくスイッチング素子を駆動する回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1は、本発明の実施形態に従ったフローティングドライバの回路構成を示す回路である。
図2は、本発明のフローティングドライバの充電形態を模式的に示す回路図である。
図3は、本発明のフローティングドライバの電源供給形態を模式的に示す回路図である。
図4は、本発明のフローティングドライバの継続的な電源供給の状態を模式的に示す回路図である。
図5は、本発明のフローティングドライバのPWM制御を模したオンとオフの切り替え制御の内容を模式的に示す回路図である。
図6は、従来例のチャージポンプ方式の回路図である。
図7は、従来例のブートストラップ方式の回路図である。
図8は、実施例のフローティングドライバの回路図である。
図9は、実施例のフローティングドライバのPWM制御を模したオンとオフの切り替え制御で得られる電圧の経時変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図面を参照しつつ、本発明のフローティングドライバについて、最も好適な実施形態を説明する。図1に、本発明の一実施形態であるフローティングドライバ1の回路構成を示す。
【0018】
本実施形態のフローティングドライバ1は、直流電源である電源VDDに接続されている、第一のスイッチSW1と、第一のコンデンサC1と、第二のスイッチSW2からなる電源部と、第三のスイッチSW3及び第四のスイッチSW4からなる駆動部と、スイッチング素子M1に電力を供給する第五のスイッチSW5からなる放電部と、を備えている。第四のスイッチSW4はコンデンサC1とスイッチング素子M1のソース側とを接続しており、第五のスイッチSW5は、第一のスイッチSW1とスイッチング素子M1のゲート側とを接続している。また、第三のスイッチSW3は、スイッチング素子M1のゲートとソースの間に設置されている。
【0019】
第一のスイッチSW1から第五のスイッチSW5までは、電子開閉スイッチでありトランジスタ、MOS−FET等で形成することができる。あるいは、第一のスイッチSW1と第五のスイッチSW5を、ダイオードで形成することができる。また、本実施形態において、スイッチング素子M1は、FETまたはトランジスタで形成することができる。たとえば、スイッチング素子M1に、絶縁ゲート型バイポーラートランジスタを適用することができる。
【0020】
本実施形態のフローティングドライバは、第一のスイッチSW1、第二のスイッチSW2、第三のスイッチSW3、第四のスイッチSW4、および第五のスイッチの開閉操作を行う、図示されない制御部をさらに備えている。制御部は、フローティングドライバを、充電形態と、電源供給形態とに交互に切り替えることによって、スイッチング素子M1に所定の電位の電力を供給することができる。
【0021】
図2に、充電形態のフローティングドライバ1を示す。制御部は、第一のコンデンサC1を充電するために、第一のスイッチSW1と第二のスイッチSW2をオン状態にする。第一のスイッチSW1は電源VDDの正極側に接続されており、第二のスイッチSW2は電源VDDの負極側に接続されており、第一のコンデンサC1は第一のスイッチSW1と第二のスイッチSW2の間に配置されているので、第一のスイッチSW1と第二のスイッチSW2とがオン状態になると、電源VDDと第一のスイッチSW1と第一のコンデンサC1と第二のスイッチSW2とが図中太線で示されているように直列接続された状態となる。図中の矢印Aの方向に電流が供給されて、第一のコンデンサC1が充電される。
【0022】
図3に、電源供給形態のフローティングドライバ1を示す。制御部は、第一のコンデンサC1の充電状態を監視しており、所定の電荷が保存されたことを確認し、第一のスイッチSW1と、第二のスイッチSW2と、第三のスイッチSW3をオフ状態にする。同時に、第四のスイッチSW4と第五のスイッチSW5とをオン状態にする。これにより、第五のスイッチSW5と、充電されている第一のコンデンサと、第四のスイッチSW4と、スイッチング素子M1とが図中太線で示されているように直列接続されて、矢印Bの方向に電流が流れ、スイッチング素子M1に所定のゲート電圧が供給される。
【0023】
図4に、スイッチング素子M1に対して、しきい値電圧以上の電力を継続的に供給する場合の、制御部の行う制御を示す。制御部は、電源供給を途切れることなく継続する場合、図4左側に示す充電形態と、図4右側に示す電源供給形態とを交互に行う。このとき、第三のスイッチSW3はオフの状態に維持される。制御部は、スイッチング素子M1の電圧がしきい値未満となるよりも早いタイミングで充電形態と電源供給形態とを切り替えることで、スイッチング素子M1へのしきい値電圧以上のゲート電圧の供給を途切れさせることなく継続することができる。チャージポンプ法によってこのような継続的な電源供給を行う場合、スイッチング素子の基準電圧に応じた必要な段数の電圧増幅が必要である。また、ブートストラップ方式に基づいた場合、図4に示したような回路は駆動することができない。しかし、本発明の実施形態に基づけば、チャージポンプ方式やブートストラップ方式と同等の費用で、スイッチング素子を駆動することができる。
【0024】
図5に、スイッチング素子M1に供給する電力を周期的にオンオフ制御する場合に制御部が行う切り替え状態を模式的に示す。制御部は、図5左側に示す充電形態と、図5右側に示す電源遮断形態とを交互に切り替える。電源遮断形態とするとき、制御部は、第一のスイッチSW1と、第二のスイッチSW2と、第三のスイッチSW3とをオン状態に制御し、同時に、第四のスイッチSW4と第五のスイッチSW5とをオフ状態に制御する。これにより、第一のコンデンサC1を充電すると同時に、第三のスイッチとスイッチング素子とが直列接続となった回路が形成されて、スイッチング素子M1は電源VDDから遮断される。
【0025】
制御部が、電源供給形態と電源遮断形態とを周期的に切り替えることで、スイッチング素子M1に供給される電力は周期的に供給と遮断を繰り返すことになり、スイッチング素子M1が周期的にオン状態とオフ状態に切り替わる。このようなスイッチング素子M1の周期的なオンオフ制御は、結果として、スイッチング素子M1のパルス幅変調制御(PWM制御)を可能とする。同様の制御をチャージポンプ方式で行う場合、スイッチング素子の基準電圧に応じた必要な段数の電圧増幅が必要となる。またブートストラップ方式では、図5に示した様な回路は駆動できない。しかし、本発明の実施形態に基づけば、チャージポンプ方式やブートストラップ方式と同等の費用で、スイッチング素子を駆動することができる。
【実施例】
【0026】
本発明を具現化したフローティングドライバの実施例について説明する。図8に、本実施例のフローティングドライバの回路図を示す。本実施例では、電源VDDに、定格12Vの直流電源を用いている。第一のスイッチSW1と第五のスイッチSW5にはダイオードを用いている。第二のスイッチSW2と第三のスイッチSW3には、NPNドライバ用トランジスタを用いている。第四のスイッチSW4には、PNPドライバ用トランジスタを用いている。以上の構成により、スイッチング素子M1には、図9に示すように、電源VDDからダイオードの電圧降下を除いた電圧を示す特性を有するゲート電圧が供給される。スイッチング素子M1には、ソースドレイン間電圧―80VのMOS−FETを用いている。
【0027】
実施例のフローティングドライバ1を電源供給形態と電源遮断形態とを周期的に切り替えることで、スイッチング素子M1が出力する電圧の波形図を図9に示す。図中、符号Vinで示した信号波形は、スイッチング素子W1に第三のスイッチSW3から入力されるゲート電圧を示している。また図中、太線で示した正弦波状の曲線は、スイッチング素子M1のソース電圧波形をしている。
【0028】
本実施例のフローティングドライバ1によって、簡易な構成であるにもかかわらず、スイッチング素子W1に対して広い電圧範囲で電力を供給することができる。本実施例のフローティングドライバ1は、より安価に構成することができ、しかも安定してスイッチング素子W1を駆動することができる。
【0029】
本実施例で説明したフローティングドライバの構成は、適宜変更が可能である。例えば、要求されるスイッチング素子の電圧に応じて、スイッチとコンデンサの種類および配置を変更することが可能であり、電圧の変換やのためのトランジスタ等を逐次追加することができる。
【産業上の利用可能性】
【0030】
本発明に係るフローティングドライバは、車両、電気製品、そのほか任意の産業用機器に好適に搭載される。
【符号の説明】
【0031】
1 フローティングドライバ
VDD 入力電源
SW1 第一のスイッチ
SW2 第二のスイッチ
SW3 第三のスイッチ
SW4 第四のスイッチ
SW5 第五のスイッチ
C1 第一のコンデンサ
M1 スイッチング素子

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