JP2015149714A - Ｍｏｓｆｅｔスイッチング回路及びｍｏｓｆｅｔスイッチのスイッチング高速化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲート容量の大きい新型低抵抗ＭＯＳＦＥＴスイッチを高速にスイッチング可能にする。【解決手段】スイッチ駆動回路には、ＭＯＳＦＥＴスイッチとして動作する第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ２０２及び２０４と、エネルギー蓄積タンクとして機能するコンデンサ２２０と、コンデンサ２２０を充電する充電部品２００と、充電部品２００と直列な第１スイッチ２２２と、充電部品２００及びコンデンサ２２０と並列な第２スイッチ２２４とがある。コンデンサ２２０に蓄積された電荷は、第１及び第２ＭＯＳＦＥＴ２０２及び２０４のゲートに供給され、ゲート容量２０６及び２０８を急速に充電するので、高速なスイッチングが可能になる。【選択図】図２

Description

本発明は、低抵抗ＭＯＦＥＴを望ましい速度でオンにスイッチングできるアイソレーションＭＯＳＦＥＴスイッチング回路及びスイッチング高速化方法に関する。

図１は、従来のアイソレーションＭＯＳＦＥＴスイッチング回路の例を示す。図１に示すように、アイソレーションＭＯＳＦＥＴスイッチング回路は、詳しくは後述するように、光バッテリ１００を利用し、アイソレーション（絶縁）しつつ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）１０２及び１０４のゲートを駆動する電力を供給し、ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４をオンにさせる。ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４は、高電圧ＭＯＳＦＥＴである。これらＭＯＳＦＥＴには、ゲート・ソース間容量があり、これらは、図１では、明示のため、コンデンサ１０６及び１０８として示しており、また、これらをＣａ及びＣｂとも呼ぶことにする。

図１のアイソレーションＭＯＳＦＥＴスイッチング回路をオンにするには、スイッチ１１０を閉じて、光バッテリ１００の発光ダイオード（ＬＥＤ）１１２に１０〜１５ｍＡの電流を供給する。ＬＥＤ１１２からの光によって、光バッテリ１００の電流源１１３に小電流（例えば、１０〜３０マイクロＡ）が流れる。この電流は、コンデンサ１０６及び１０８に流れ込み、これらの両端間電圧が、ｄＶ／ｄｔ＝ｉ／（Ｃａ＋Ｃｂ）のレートで上昇する。このレートは、ツェナー・ダイオード１１４がツェナー電圧（約６Ｖ）に達するまでは続くが、ツェナー電圧に達すると、光バッテリ１００の電流源１１３からの電流がツェナー・ダイオード１１４を通して奪われ始めるので、電圧が６Ｖに制限される。コンデンサ１０６及び１０８並びにＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４のゲート・ソース間電圧が高くなると、ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４がオンになる。ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４がオンになると、ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４それぞれのゲート・ドレイン間電圧が変化し始め、これによって、ゲート電流がゲート・ドレイン間容量へと流れ込むようになる。

ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４のゲート・ドレイン間容量は、ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４の充電速度及びターン・オン速度にも影響を与える。これらゲート容量（ゲート・ソース間容量とゲート・ドレイン間容量）全体を６Ｖまで充電するのに時間が長くかかるほど、アイソレーションＭＯＳＦＥＴスイッチング回路をオンにするのにも時間が長くかかる。更に、ゲート容量に関する電圧が高くなるほど、スイッチング時間も増加する。

図１のフォトトランジスタ１１６は、オプションであり、アイソレーションＭＯＳＦＥＴスイッチング回路が保護回路の一部分として利用される場合に、使用される。スイッチング回路が保護モードになると、フォトトランジスタ１１６は、ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４のゲート・ソース間電圧を減少させ始め、スイッチング回路をオープンにし始める。スイッチング回路が保護モードのときは、ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４は線形領域で動作する。フォトトランジスタ１１６は、ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４の容量１０６及び１０８を６Ｖから保護に必要とされる電圧まで低下させる過程で流れる電流を処理する必要がある。

図１のスイッチング回路をターン・オフするには、スイッチ１１０をオープンにして、ＬＥＤ１１２に流れる電流を切り、これによって、電流源１１３が電流を流さないようにすることで、光バッテリ１００をオフにする。電流源１１３と並列な抵抗器（簡単のため図示せず）は、ゲート・ソース間容量１０６及び１０８を放電し、結果として、ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４のゲート・ソース間電圧を低下させて、スイッチング回路がオフになる。

特開２００６−２５５１６号公報

「絶縁 （電気）」の記事、特に「isolation」について、Wikipedia（日本語版）、［オンライン］、［２０１５年１２月８日検索］、インターネット<http://ja.wikipedia.org/wiki/絶縁 (電気)>

しかし、最近のＭＯＳＦＥＴは、ゲート容量が大きくなっており、そのために、図１に示すスイッチング回路では、こうしたＭＯＳＦＥＴをスイッチングするのが遅くなってしまう。

こうした新しいＭＯＳＦＥＴをスイッチング速度を改善する別の方法としては、ゲート・アイソレーション変圧器を使用するものがある。このゲート・アイソレーション変圧器は、こうしたＭＯＳＦＥＴスイッチング回路を高速にスイッチングするのに必要なゲート電流を供給する。

しかし、ゲート・アイソレーション変圧器は、その変圧器用の複雑なドライバ回路が必要であり、しかも変圧器自身もサイズが大きく、高価である。更に別の方法としては、電源変圧器中にもう１つの巻線を使用するフローティング電源を利用するものもある。この追加の巻線は、高い信号電圧において、大きな電流を供給できる。このタイプの設計では、ゲート・アイソレーション変圧器を加えるのに比較すれば、複雑ではないが、それでも大きな設計変更が必要であり、コストが増加する。

本発明は、こうした従来技術の制約を解決しようとするものである。

本発明の実施形態には、アイソレーション金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチを駆動するよう構成される回路があり、これには、スイッチとして動作するよう構成された第１ＭＯＳＦＥＴ及び第２ＭＯＳＦＥＴと、コンデンサと、このコンデンサと並列な光バッテリと、この光バッテリと直列な第１スイッチと、光バッテリ及びコンデンサと並列な第２スイッチとが含まれる。

本発明を種々の観点から見ていくと、本発明の概念１は、アイソレーション金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチを駆動するよう構成される回路であって、
ＭＯＳＦＥＴスイッチとして動作するよう構成された第１ＭＯＳＦＥＴ及び第２ＭＯＳＦＥＴと、
上記第１ＭＯＳＦＥＴ及び上記第２ＭＯＳＦＥＴそれぞれの第１及び第２端子間に結合されるコンデンサと、
該コンデンサと並列で、該コンデンサを充電する充電部品と、
該充電部品と直列な第１スイッチと、
上記充電部品及び上記コンデンサと並列な第２スイッチと
を具えている。

本発明の概念２は、上記概念１の回路であって、保護回路を更に具え、該保護回路が、上記充電部品と並列な第３ＭＯＳＦＥＴ及びトランジスタを有している。

本発明の概念３は、上記概念２の回路であって、上記スイッチング回路がオーバーロードの場合には、上記保護回路が上記コンデンサからエネルギーを排出させるよう構成されていることを特徴としている。

本発明の概念４は、上記概念１の回路であって、上記ＭＯＳＦＥＴスイッチがオフの場合には、上記第１スイッチが開いて、上記第２スイッチが閉じることを特徴としている。

本発明の概念５は、上記概念１の回路であって、上記ＭＯＳＦＥＴスイッチがオンの場合には、上記第２スイッチが開いて、上記第１スイッチが閉じることを特徴としている。

本発明の概念６は、上記概念１の回路であって、上記充電部品には、光バッテリが含まれることを特徴としている。

本発明の概念７は、上記概念１の回路であって、上記第２スイッチが開いていて、上記第１スイッチが閉じているときには、上記コンデンサに蓄積される電圧が、上記第１ＭＯＳＦＥＴ及び上記第２ＭＯＳＦＥＴに送られることを特徴としている。

本発明の概念８は、上記概念７の回路であって、保護回路を更に具え、該保護回路が、上記充電部品と並列な第３ＭＯＳＦＥＴ及びトランジスタを有している。

本発明の概念９は、上記概念８の回路であって、上記スイッチング回路がオーバーロードのときに、上記保護回路が上記コンデンサからエネルギーを放出させるよう構成されていることを特徴としている。

本発明の概念１０は、ＭＯＳＦＥＴスイッチとして動作するよう構成された第１ＭＯＳＦＥＴ及び第２ＭＯＳＦＥＴと、充電部品とを具えるアイソレーション高速金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチのスイッチングを高速化するための方法であって、
上記方法が、
上記充電部品と並列なコンデンサに電圧を蓄積する処理と、
上記充電部品と直列なスイッチが閉じられ、上記充電部品と並列なスイッチが開かれたときに、蓄積された上記電圧を上記ＭＯＳＦＥＴスイッチに供給する処理と
を具えている。

図１は、従来のアイソレーションＭＯＳＦＥＴスイッチング回路の例を示す。 図２は、本発明の実施形態によるアイソレーション高速ＭＯＳＦＥＴスイッチング回路の例を示す。 図３は、本発明の実施形態によるアイソレーション高速ＭＯＳＦＥＴスイッチング回路の別の例を示す。

以下に示す複数の図面において、類似又は対応する要素には、同じ符号を付して説明する。なお、これら図面において、各要素の縮尺は、説明の都合上、必ずしも同一ではない。

図１のアイソレーションＭＯＳＦＥＴスイッチング回路は、回路に旧式のＭＯＳＦＥＴを使用している場合であれば充分に高速であったが、こうした旧式のＭＯＳＦＥＴは、廃れつつある。そして、抵抗値のより小さいＭＯＳＦＥＴに代替していくのが趨勢となっている。抵抗値が小さくなるということは、大きな電流がＭＯＳＦＥＴ中を流れても損失が小さくなることを意味し、より効率の良い回路を設計できることになる。抵抗値を小さくするため、ＭＯＳＦＥＴの製造業者は、シンリコン・ダイのサイズを大きくしている。このサイズの増加は、ゲート容量を著しく増加させることとなり、ゲート・ソース間容量及びゲート・ドレイン間容量が1桁大きくなっている。この容量の増加は、電圧変化のレート（速度）を低下させる。この変化レートの低下は、新型ＭＯＳＦＥＴを使用するスイッチング回路をオンにする時間を増加させる。

本発明の実施形態としては、アイソレーション高速ＭＯＳＦＥＴスイッチング回路があり、これは、新型の低抵抗ＭＯＳＦＥＴを大幅に高速でスイッチングできる。図２のスイッチング回路には、ＭＯＳＦＥＴ２０２及び２０４があり、これらにはゲート容量２０６及び２０８がある。ＭＯＳＦＥＴ２０２及び２０４がオンのとき、スイッチング回路の出力信号は、その入力信号と等しく、スイッチング回路はオンである。ＭＯＳＦＥＴ２０２及び２０４がオフのとき、スイッチング回路の出力信号は、その入力信号と異なり、スイッチング回路は、ＭＯＳＦＥＴ２０２及び２０４それぞれの定格電圧まで絶縁できる。ＭＯＳＦＥＴが２つあることで、双方向に絶縁できる。

図１では、容量１０６及び１０８が大きすぎ、小さくできないので、ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４に出力する電流を大きくせざるを得ない。本発明では、図２に示すように、コンデンサ２２０を、充電部品２００からのエネルギー（電荷）を保持するエネルギー蓄積タンクとして利用することで、ゲート容量２０６及び２０８の充電時間を短縮できる。充電部品２００は、例えば、光バッテリ１００の電流源（例えば、受光素子）としても良い。光バッテリ１００は、アイソレーション・デバイスで、ＬＥＤ２１２に電流を流し、ＬＥＤ２１２の光で充電部品（受光素子：例えば、フォトトランジスタやフォトダイオード）２００を照らすことで小さな電流を発生させる。よって、充電部品（受光素子）２００は、ＬＥＤ２１２と導体を介して接続されていないが、ＬＥＤ２１２を流れる電流に応じて電流が流れるので、ＬＥＤ２１２からの信号は伝達されるという関係にある（アイソレートされている：非特許文献１参照）。光バッテリ１００は、フォトカプラとしても知られている。しかし、充電部品２００は、コンデンサ２２０を充電できるのであれば、どのような部品でも良い。

図１に示す光バッテリ１００のスイッチ１１０は、図２の回路では取り除かれ、これによって、システムに電力が供給されている限り、充電部品２００は、常に電流を供給している。つまり、充電部品２００は、スイッチング回路に常に電流を供給する。スイッチング回路がオフのとき、つまり、その出力信号が入力信号と異なるときは、スイッチ２２２が開いており、よって、充電部品２００からの全電流が、コンデンサ２２０を充電するために使われる。コンデンサ２２０は、容量２０６及び２０８よりも大幅に容量が大きい。即ち、例えば、容量２０６及び２０８の典型的な値が１ｎＦのオーダーなのに対し、コンデンサ２２０の容量は、１０マイクロＦのオーダーである。なお、コンデンサ２２０は、ゲート容量２０６及び２０８よりも、２桁大きい程度としても良い。例えば、コンデンサ２２０を０.１マイクロＦから１００マイクロＦの間の任意の値としてもよい。好ましくのは、１０マイクロＦである。

システムがスイッチング回路をオンにする必要が生じたら、スイッチ２２４は開き、スイッチ２２２は閉じる。これによって、コンデンサ２２０は、ゲート容量２０６及び２０８と並列に接続される。この時点において、コンデンサ２２０は既に充電されていて、ゲート容量２０６及び２０８は充電されていないので、コンデンサ２２０からの電流がＭＯＳＦＥＴのゲート容量２０６及び２０８へと流れ込む。このとき、スイッチ２２２及び印刷回路基板トレースには、わずかな抵抗しかないので、コンデンサ２２０は、低インピーダンス電流源として機能する。スイッチ２２２及び印刷回路基板トレースにわずかな抵抗しかないため、数アンペア程度もの電流が生じ、このため、ゲート容量２０６及び２０８は急速に充電される。コンデンサ２２０の容量は、ゲート容量２０６及び２０８よりも大幅に大きいので、コンデンサ２２０の電圧は、わずかしか減少しない。この結果として、ＭＯＳＦＥＴ２０２及び２０４は、急速にターン・オンする。

大きなターン・オン電流は、コンデンサ２２０だけによって供給される。スイッチング回路がオンした後、充電部品２００は、ゲート容量２０６及び２０８に移動したことで失われたコンデンサ２２０のエネルギーを補い、コンデンサ２２０の電圧をスイッチング回路がオンする前にあった電圧にまで戻す。

図３は、本発明の実施形態によるアイソレーション高速ＭＯＳＦＥＴスイッチング回路の別の例を示す。図３の回路では、図２の回路に比較して、フォトトランジスタ２１６による保護回路が追加される。フォトトランジスタ２１６は、ＭＯＳＦＥＴ２０２及び２０４をオフにするのに、コンデンサ２２０からのエネルギー（電荷）を排出させるが、これは、この保護回路のリアクション時間を遅くする可能性がある。そこで、リアクション時間を改善するため、図３に示すように、トランジスタ（例えば、第３のＭＯＳＦＥＴ）３００が保護回路に追加される。トランジスタ３００は、保護が必要なときに、コンデンサ２２０のエネルギー（電荷）を急速に排出させる。このため、保護が必要でなくなったら、充電部品２００は、コンデンサ２２０を再充電する必要がある。しかし、このコンデンサ２２０の再充電には、長い時間がかかることがあり、これは、スイッチング回路のオーバーロードのために、保護回路が動作に関与すると、スイッチング回路が通常動作を再開するまでに要する時間が長くなることを意味する。

図２及び３の回路は、スイッチ２２２を開き、続いて、スイッチ２２４を閉じることによって、オフにする。スイッチ２２４が必要となるのは、図１の元々の回路では、電流源１１３の抵抗を利用して容量１０６及び１０８を放電し、ＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４をオフにしていたし、また、スイッチ２２２は開いているので、容量２０６及び２０８を放電するパスが存在しないからである。このとき、スイッチ２２２の方を、まず最初に開く必要がある。さもないと、スイッチ２２４がコンデンサ２２０をショートさせ、速度改善に必要な蓄積エネルギーが失われてしまうであろう。スイッチ２２４は、図１の場合の電流源１１３の抵抗に比較して抵抗値が大幅に低いので、スイッチ２２４を用いることで、スイッチング回路を高速にターン・オフできるという利点がある。

図１に示すツェナー・ダイオード１１４は、図２及び３の回路では除かれている。もしツェナー・ダイオード１１４が回路に残っていた場合、その電圧が６Ｖに下がるまで、コンデンサ２２０がツェナー・ダイオード１１４に電流を供給することになろう。この電圧降下は、将来のスイッチング動作のために蓄積されたエネルギーを放出させて、スイッチング周波数を低下させることになろう。ツェナー・ダイオード１１４の元々の目的は、１つには、静電放電からＭＯＳＦＥＴ１０２及び１０４を保護することであり、もう１つは、ゲート・ソース間電圧をツェナー電圧に制限することで、スイッチのより安定したターン・オフを実現することであったことに留意されたい。

しかしながら、本発明によれば、このツェナー・ダイオードによる保護機能は、もはや必要としていない。ＭＯＳＦＥＴ２０２及び２０４には、２０Ｖツェナー保護ダイオードが内蔵されている。光バッテリ１００の電流源１１３は、１０Ｖに制限されているので、内蔵ツェナー保護ダイオードは、純粋に保護にのみ有用である。

図２及び３のスイッチ２２２及び２２４は、光学的にアイソレートされたトランジスタ（例えば、フォトトランジスタ）であり、ＬＥＤ（図示せず）によって駆動される。デジタル制御によって、これらＬＥＤに電流が供給されると、これらＬＥＤの光がスイッチ２２２及び２２４を構成するトランジスに照射され、これによって、スイッチ２２２及び２２４がオンになる。スイッチ２２２及び２２４が動作するには、それぞれに対応するＬＥＤに１０ｍＡの電流が連続して流れる必要がある。しかし、１０ｍＡでは、スイッチ２２２及び２２４のターン・オン時間は、比較的ゆっくりである。そこで、ＬＥＤ駆動回路に、駆動信号が１０ｍＡに低下する前に、短い１００ｍＡパルスを生成してＬＥＤに供給するための回路を追加しても良い。この１００ｍＡパルスは、スイッチ２２２又はスイッチ２２４を急速にターン・オンし、続いて、１０ｍＡの連続する電流がスイッチをオンに維持することで、スイッチング時間全体を更に短くできる。

上述の如く、本発明によれば、スイッチング回路に、従来よりも低い抵抗値を有する新型ＭＯＳＦＥＴを利用可能となり、アイソレーション高速ＭＯＳＦＥＴスイッチング回路を望ましい速度でオンに切り換えることができる。

図示した実施形態を参照しながら本発明の原理を説明してきたが、こうした原理から離れることなく、図示した実施形態の構成や詳細を変更したり、望ましい形態に組み合わせても良いことが理解できよう。先の説明では、特定の実施形態に絞って説明しているが、別の構成も考えられる。特に、「本発明の実施形態によると」といった表現を本願では用いているが、こうした言い回しは、大まかに言って実施形態として可能であることを述べているに過ぎず、特定の実施形態の構成に限定することを意味するものではない。本願で用いているように、こうした用語は、別の実施形態に組み合わせ可能な同じ又は異なる実施形態を言及していると考えても良い。

１００ 光バッテリ
２０２ ＭＯＳＦＥＴ
２０４ ＭＯＳＦＥＴ
２０６ ゲート容量
２０８ ゲート容量
２００ 充電部品（電流源）
２１２ ＬＥＤ
２１８ 抵抗器
２２０ コンデンサ
２２２ スイッチ（フォトトランジスタ）
２２４ スイッチ（フォトトランジスタ）
２１６ フォトトランジスタ（保護回路）
３００ トランジスタ（保護回路）

Claims (2)

1. アイソレーション金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチを駆動するよう構成される回路であって、
   ＭＯＳＦＥＴスイッチとして動作するよう構成された第１ＭＯＳＦＥＴ及び第２ＭＯＳＦＥＴと、
   コンデンサと、
   該コンデンサと並列な充電部品と、
   該充電部品と直列な第１スイッチと、
   上記充電部品及び上記コンデンサと並列な第２スイッチと
   を具えるＭＯＳＦＥＴスイッチング回路。
2. ＭＯＳＦＥＴスイッチとして動作するよう構成された第１ＭＯＳＦＥＴ及び第２ＭＯＳＦＥＴと、充電部品とを具えるアイソレーション高速金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチのスイッチングを高速化するための方法であって、
   上記方法が、
   上記充電部品と並列なコンデンサに電圧を蓄積する処理と、
   上記充電部品と直列なスイッチが閉じられ、上記充電部品と並列なスイッチが開かれたときに、蓄積された上記電圧を受ける処理と
   を具えるＭＯＳＦＥＴスイッチのスイッチング高速化方法。

Images