JP2015216420A - Switch device, step-down device and step-up device - Google Patents
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Abstract
【課題】電力の損失が小さいスイッチ装置、並びに、該スイッチ装置を備える降圧装置及び昇圧装置を提供する。【解決手段】スイッチ装置2は、並列に接続されている2つの半導体スイッチA1,A2を備える。切替え回路20は、2つの半導体スイッチA1,A2をオフからオンに切替える場合、オフからオンへの遷移期間が短い半導体スイッチA1をオンに切替えた後、オフからオンへの遷移期間が長い半導体スイッチA2をオンに切替える。切替え回路20は、2つの半導体スイッチA1,A2をオンからオフに切替える場合、オンからオフへの遷移期間が長い半導体スイッチA2をオフに切替えた後、オンからオフへの遷移期間が短い半導体スイッチA1をオフに切替える。【選択図】図1A switch device with low power loss, and a step-down device and a step-up device including the switch device are provided. A switch device 2 includes two semiconductor switches A1 and A2 connected in parallel. When switching the two semiconductor switches A1 and A2 from OFF to ON, the switching circuit 20 switches the semiconductor switch A1 having a short transition period from OFF to ON, and then switches the semiconductor switch A1 having a long transition period from OFF to ON. Switch A2 on. When switching the two semiconductor switches A1 and A2 from on to off, the switching circuit 20 switches the semiconductor switch A2 having a long transition period from on to off and then switches off the semiconductor switch A2 and then has a short transition period from on to off. Switch A1 off. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、電流経路の通電及び遮断を行うスイッチ装置、並びに、該スイッチ装置を備える降圧装置及び昇圧装置に関する。 The present invention relates to a switch device for energizing and interrupting a current path, and a step-down device and a step-up device including the switch device.
車両には、バッテリの出力電圧を負荷に印加すべき電圧に変換するため、バッテリの出力電圧を降圧する降圧装置、又は、バッテリの出力電圧を昇圧する昇圧装置が搭載されている。車両に搭載される降圧装置又は昇圧装置として、コイルと、電流経路の通電/遮断を行うスイッチ装置とを備える降圧装置又は昇圧装置がある。 The vehicle is mounted with a step-down device that steps down the output voltage of the battery or a step-up device that steps up the output voltage of the battery in order to convert the output voltage of the battery into a voltage to be applied to the load. As a step-down device or a step-up device mounted on a vehicle, there is a step-down device or a step-up device that includes a coil and a switch device that energizes / cuts off a current path.
例えば、スイッチ装置は1つの半導体スイッチを有し、コイルの一端は、半導体スイッチの一端とダイオードのアノードとに接続され、半導体スイッチの他端は接地されている。スイッチ装置は半導体スイッチのオン/オフを繰り返すことによって、接地電位を基準としてコイルの他端に印加された電圧を昇圧し、昇圧した電圧をコイルの一端からダイオードを介して出力する。 For example, the switch device has one semiconductor switch, one end of the coil is connected to one end of the semiconductor switch and the anode of the diode, and the other end of the semiconductor switch is grounded. The switch device repeats ON / OFF of the semiconductor switch to boost the voltage applied to the other end of the coil with reference to the ground potential, and outputs the boosted voltage from one end of the coil via the diode.
現在、車両では、多数の電気機器(負荷)が降圧装置又は昇圧装置を介してバッテリから給電されている。このため、降圧装置又は昇圧装置が備えるスイッチ装置が電流経路に電流を流している場合、具体的には、半導体スイッチがオンである場合に、半導体スイッチに多量の電流が流れ、多量の電流が半導体スイッチに流れることによって生じる電力の損失は、無視することができない程大きい。 Currently, in a vehicle, a large number of electric devices (loads) are supplied with power from a battery via a step-down device or a step-up device. For this reason, when the step-down device or the switch device provided in the step-up device passes a current through the current path, specifically, when the semiconductor switch is on, a large amount of current flows through the semiconductor switch, and a large amount of current flows. The loss of power caused by flowing through the semiconductor switch is so large that it cannot be ignored.
特許文献1には2つの半導体スイッチが並列に接続されているスイッチ装置が開示されている。このスイッチ装置は、1つの半導体スイッチを有するスイッチ装置と同様に昇圧装置に搭載されている。特許文献1に記載のスイッチ装置では、2つの半導体スイッチは同時的にオン/オフされる。2つの半導体スイッチのオン/オフが繰り返されることによって昇圧が行われる。
1つの半導体スイッチを有するスイッチ装置について、半導体スイッチがオンである場合に生じる電力の損失は、Is2 ×Rs×Tsで算出される。ここで、Isは半導体スイッチに流れる電流であり、Rsは半導体スイッチのオン抵抗であり、Tsは半導体スイッチがオンである期間である。 For a switch device having one semiconductor switch, the loss of power that occurs when the semiconductor switch is on is calculated as Is 2 × Rs × Ts. Here, Is is a current flowing through the semiconductor switch, Rs is an on-resistance of the semiconductor switch, and Ts is a period during which the semiconductor switch is on.
特許文献1に記載のスイッチ装置では、2つの半導体スイッチ夫々のオン抵抗が共にRsである場合、オンである2つの半導体スイッチ夫々に流れる電流はIs/2となる。このとき、特許文献1に記載のスイッチ装置において、2つの半導体スイッチがオンである場合に生じる電力の損失は、(Is/2)2 ×Rs×Ts×2=Is2 ×Rs×Ts/2であり、小さい。
また、並列に接続する半導体スイッチの数が多い程、1つの半導体スイッチに流れる電流が小さくなるため、並列に接続された複数の半導体スイッチがオンである期間に生じる電力の損失は小さい。
In the switch device described in
In addition, as the number of semiconductor switches connected in parallel increases, the current flowing through one semiconductor switch decreases, so that the power loss that occurs during the period in which a plurality of semiconductor switches connected in parallel is on is small.
しかしながら、特許文献1に記載のスイッチ装置における電力の損失は、2つの半導体スイッチがオンである場合に生じる電力の損失だけではなく、2つの半導体スイッチがオンからオフへ又はオフからオンへ切替わる遷移期間に生じる電力の損失、所謂スイッチング損失も含まれる。
However, the power loss in the switch device described in
1つの半導体スイッチにおけるスイッチング損失は、半導体スイッチの両端間の電圧と、半導体スイッチに流れる電流との積を、オン/オフが切替わる遷移期間に亘って積分することによって算出される。従って、オン/オフの遷移期間が短い半導体スイッチのスイッチング損失は小さい。 The switching loss in one semiconductor switch is calculated by integrating the product of the voltage between both ends of the semiconductor switch and the current flowing through the semiconductor switch over a transition period in which ON / OFF is switched. Therefore, the switching loss of the semiconductor switch having a short on / off transition period is small.
ここで、一般に、オン抵抗が小さい半導体スイッチにおけるオン/オフの遷移期間は長く、オン抵抗が大きい半導体スイッチにおけるオン/オフの遷移期間は短い。 Here, in general, an on / off transition period in a semiconductor switch having a small on-resistance is long, and an on / off transition period in a semiconductor switch having a large on-resistance is short.
従って、特許文献1に記載のスイッチ装置において、遷移期間が短い2つの半導体スイッチを用いた場合、2つの半導体スイッチで生じるスイッチング損失は小さいが2つの半導体スイッチがオンである期間に生じる電力の損失は大きい。
Therefore, in the switch device described in
一方で、オン抵抗が小さい2つの半導体スイッチを用いた場合、2つの半導体スイッチがオンである間に生じる電力の損失は小さいが、2つの半導体スイッチで生じるスイッチング損失は大きい。
このため、特許文献1に記載のスイッチ装置には電力の損失が大きいという問題がある。
On the other hand, when two semiconductor switches with low on-resistance are used, power loss that occurs while the two semiconductor switches are on is small, but switching loss that occurs between the two semiconductor switches is large.
For this reason, the switch device described in
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電力の損失が小さいスイッチ装置、並びに、該スイッチ装置を備える降圧装置及び昇圧装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a switch device with low power loss, and a step-down device and a step-up device including the switch device.
本発明に係るスイッチ装置は、並列に接続されている複数の半導体スイッチを備えるスイッチ装置において、該複数の半導体スイッチ夫々におけるオフからオンへの遷移期間は、他の半導体スイッチの遷移期間の少なくとも1つと異なっており、前記複数の半導体スイッチをオフからオンに切替える場合に、該複数の半導体スイッチの中で、前記遷移期間が最も短い半導体スイッチの少なくとも1つをオンに切替えた後、他の半導体スイッチをオンに切替えるように構成してあることを特徴とする。 The switch device according to the present invention includes a plurality of semiconductor switches connected in parallel, and the transition period from OFF to ON in each of the plurality of semiconductor switches is at least one of the transition periods of other semiconductor switches. When switching the plurality of semiconductor switches from OFF to ON, after switching at least one of the semiconductor switches having the shortest transition period among the plurality of semiconductor switches to another semiconductor switch The switch is configured to be turned on.
本発明にあっては、並列に接続されている複数の半導体スイッチ夫々におけるオフからオンへの遷移期間は、他の半導体スイッチの遷移期間の少なくとも1つと異なっている。複数の半導体スイッチをオフからオンに切替える場合、複数の半導体スイッチの中で遷移期間が最も短い半導体スイッチの少なくとも1つをオンにする。その後、他の半導体スイッチをオンに切替える。このとき、少なくとも1つの半導体スイッチがオンであるため、複数の半導体スイッチの両端間の電圧は略ゼロボルトであり、他の半導体スイッチにおけるスイッチング損失は略ゼロである。従って、複数の半導体スイッチがオフからオンに切替えられる場合に生じるスイッチング損失は、遷移期間が最も短い半導体スイッチがオフからオンに切替わる場合に発生するので、小さい。 In the present invention, the transition period from OFF to ON in each of the plurality of semiconductor switches connected in parallel is different from at least one of the transition periods of the other semiconductor switches. When switching a plurality of semiconductor switches from off to on, at least one of the semiconductor switches having the shortest transition period is turned on. Thereafter, the other semiconductor switches are turned on. At this time, since at least one semiconductor switch is on, the voltage between both ends of the plurality of semiconductor switches is substantially zero volts, and the switching loss in the other semiconductor switches is substantially zero. Therefore, the switching loss that occurs when a plurality of semiconductor switches are switched from off to on is small because the semiconductor switch that has the shortest transition period is switched from off to on.
更に、複数の半導体スイッチには、遷移期間が長い半導体スイッチ、言い換えると、オン抵抗が小さい半導体スイッチが含まれている。このため、複数の半導体スイッチがオンである場合に生じる電力の損失も小さい。
以上のことから、装置の電力の損失は小さい。
Further, the plurality of semiconductor switches include a semiconductor switch having a long transition period, in other words, a semiconductor switch having a low on-resistance. For this reason, the loss of electric power that occurs when a plurality of semiconductor switches are on is also small.
From the above, the power loss of the device is small.
本発明に係るスイッチ装置は、並列に接続されている複数の半導体スイッチを備えるスイッチ装置において、該複数の半導体スイッチ夫々におけるオンからオフへの遷移期間は、他の半導体スイッチの遷移期間の少なくとも1つと異なっており、前記複数の半導体スイッチをオンからオフに切替える場合に、該複数の半導体スイッチの中で、前記遷移期間が最も短い半導体スイッチの少なくとも1つを除く他の半導体スイッチをオフに切替えた後、前記遷移期間が最も短い半導体スイッチをオフに切替えるように構成してあることを特徴とする。 The switch device according to the present invention includes a plurality of semiconductor switches connected in parallel, and the transition period from on to off in each of the plurality of semiconductor switches is at least one of the transition periods of the other semiconductor switches. When switching the plurality of semiconductor switches from on to off, the other semiconductor switches except for at least one of the semiconductor switches with the shortest transition period are switched off. Thereafter, the semiconductor switch having the shortest transition period is switched off.
本発明にあっては、並列に接続されている複数の半導体スイッチ夫々におけるオンからオフへの遷移期間は、他の半導体スイッチの遷移期間の少なくとも1つと異なっている。複数の半導体スイッチをオンからオフに切替える場合、複数の半導体スイッチの中で、遷移期間が最も短い半導体スイッチの少なくとも1つを除く他の半導体スイッチをオフにする。このとき、少なくとも1つの半導体スイッチはオンであるため、複数の半導体スイッチの両端間の電圧は略ゼロボルトであり、他の半導体スイッチをオンからオフにする場合に生じるスイッチング損失は略ゼロである。その後、遷移期間が最も短い半導体スイッチをオフに切替える。従って、複数の半導体スイッチがオンからオフに切替えられる場合に生じるスイッチング損失は、遷移期間が最も短い半導体スイッチがオンからオフに切替わる場合に発生するので、小さい。 In the present invention, the transition period from on to off in each of the plurality of semiconductor switches connected in parallel is different from at least one of the transition periods of the other semiconductor switches. When switching a plurality of semiconductor switches from on to off, among the plurality of semiconductor switches, other semiconductor switches are turned off except at least one of the semiconductor switches having the shortest transition period. At this time, since at least one semiconductor switch is on, the voltage between both ends of the plurality of semiconductor switches is substantially zero volts, and the switching loss that occurs when the other semiconductor switches are turned off is almost zero. Thereafter, the semiconductor switch with the shortest transition period is switched off. Accordingly, the switching loss that occurs when a plurality of semiconductor switches are switched from on to off is small because the semiconductor switch that has the shortest transition period is switched from on to off.
更に、複数の半導体スイッチには、遷移期間が長い半導体スイッチ、言い換えると、オン抵抗が小さい半導体スイッチが含まれている。このため、複数の半導体スイッチがオンである場合に生じる電力の損失も小さい。
以上のことから、装置の電力の損失は小さい。
Further, the plurality of semiconductor switches include a semiconductor switch having a long transition period, in other words, a semiconductor switch having a low on-resistance. For this reason, the loss of electric power that occurs when a plurality of semiconductor switches are on is also small.
From the above, the power loss of the device is small.
本発明に係る降圧装置は、前述のスイッチ装置と、一端が前記複数の半導体スイッチ夫々の一端に接続されているコイルとを備え、前記複数の半導体スイッチにおけるオン/オフの切替えを繰り返すことによって、前記複数の半導体スイッチの他端に入力されている電圧を降圧し、降圧した電圧を前記コイルの他端から出力するように構成してあることを特徴とする。 A step-down device according to the present invention includes the above-described switch device and a coil having one end connected to one end of each of the plurality of semiconductor switches, and by repeating ON / OFF switching in the plurality of semiconductor switches, The voltage input to the other end of the plurality of semiconductor switches is stepped down, and the stepped down voltage is output from the other end of the coil.
本発明にあっては、前述のスイッチ装置が有する複数の半導体スイッチの一端がコイルの一端に接続されている。例えば、複数の半導体スイッチの一端に更にダイオードのカソードが接続されている場合、複数の半導体スイッチにおけるオン/オフの切替えを繰り返すことによって、ダイオードのアノードの電位を基準として複数の半導体スイッチの他端に印加されている電圧が降圧される。降圧された電圧はコイルの他端から出力される。前述のスイッチ装置によって降圧が行われるため、電力の損失が小さい。 In the present invention, one end of the plurality of semiconductor switches included in the aforementioned switch device is connected to one end of the coil. For example, when a diode cathode is further connected to one end of a plurality of semiconductor switches, the other end of the plurality of semiconductor switches is based on the potential of the anode of the diode by repeatedly switching on / off the plurality of semiconductor switches. The voltage applied to is stepped down. The stepped down voltage is output from the other end of the coil. Since the voltage is stepped down by the switch device described above, power loss is small.
本発明に係る昇圧装置は、前述のスイッチ装置と、一端が前記複数の半導体スイッチ夫々の一端に接続されているコイルとを備え、前記複数の半導体スイッチにおけるオン/オフの切替えを繰り返すことによって、前記コイルの他端に入力されている電圧を昇圧し、昇圧した電圧を該コイルの一端から出力するように構成してあることを特徴とする。 The booster according to the present invention includes the above-described switch device and a coil having one end connected to one end of each of the plurality of semiconductor switches, and by repeatedly switching on / off in the plurality of semiconductor switches, The voltage input to the other end of the coil is boosted, and the boosted voltage is output from one end of the coil.
本発明にあっては、前述のスイッチ装置が有する複数の半導体スイッチの一端がコイルの一端に接続されている。例えば、コイルの一端に更にダイオードのアノードが接続されている場合、複数の半導体スイッチにおけるオン/オフの切替えを繰り返すことによって、複数の半導体スイッチの他端における電位を基準としてコイルの他端に印加されている電圧が昇圧される。昇圧された電圧は、コイルの一端からダイオードを介して出力される。前述のスイッチ装置によって昇圧が行われるため、電力の損失が小さい。 In the present invention, one end of the plurality of semiconductor switches included in the aforementioned switch device is connected to one end of the coil. For example, when the anode of a diode is further connected to one end of the coil, the potential at the other end of the plurality of semiconductor switches is applied to the other end of the coil by repeatedly switching on / off the plurality of semiconductor switches. The voltage being boosted is boosted. The boosted voltage is output from one end of the coil via a diode. Since boosting is performed by the switch device described above, power loss is small.
本発明によれば、電力の損失が小さいスイッチ装置、降圧装置及び昇圧装置を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a switch device, a step-down device, and a step-up device that have low power loss.
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
(実施の形態1)
図1は実施の形態1における電源システムの要部構成を示す回路図である。この電源システム1は、車両に好適に搭載されており、降圧装置10、バッテリ11及び負荷12を備える。降圧装置10はバッテリ11の正極と負荷12の一端とに接続されており、バッテリ11の負極と負荷12の他端とは接地されている。降圧装置10は、バッテリ11の出力電圧を目標電圧に降圧し、該目標電圧を負荷12に印加する。
負荷12は、ライト又はワイパー等の車載機器であり、降圧装置10によって目標電圧を印加され、目標電圧の印加によって給電される。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings illustrating embodiments thereof.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a main configuration of the power supply system according to the first embodiment. The
The
降圧装置10は、スイッチ装置2、コンデンサC1、ダイオードD1及びコイルL1を有する。スイッチ装置2は第1端、第2端及び第3端を有し、第1端はバッテリ11の正極に接続され、第2端はダイオードD1のカソード及びコイルL1の一端に接続されている。コイルL1の他端は、負荷12及びコンデンサC1夫々の一端と、スイッチ装置2の第3端とに接続されている。ダイオードD1のアノードとコンデンサC1の他端とは接地されている。
The step-down
スイッチ装置2は、バッテリ11の正極からコイルL1への電流経路の通電/遮断を行う。スイッチ装置2は切替え回路20と、2つの半導体スイッチA1,A2とを有する。半導体スイッチA1,A2夫々はNチャネル型のFET(Field Effect Transistor)であり、半導体スイッチA1,A2夫々のドレインはバッテリ11の正極に接続され、半導体スイッチA1,A2夫々のソースはダイオードD1のカソードと、コイルL1の一端とに接続されている。このように、2つの半導体スイッチA1,A2は並列に接続されている。2つの半導体スイッチA1,A2夫々のゲートとコンデンサC1の一端とは切替え回路20に各別に接続されている。
The
なお、並列に接続されるとは、半導体スイッチA1,A2夫々のドレインが互いに直接的又は間接的に接続されて半導体スイッチA1,A2夫々のソースが直接的又は間接的に接続されることを意味する。例えば、半導体スイッチA1のドレインが図示しない抵抗器を介して半導体スイッチA2のドレインに接続され、半導体スイッチA1,A2夫々のソースがダイオードD1のカソードと、コイルL1の一端とに接続された場合であっても、半導体スイッチA1,A2は並列に接続されている。 The parallel connection means that the drains of the semiconductor switches A1 and A2 are directly or indirectly connected to each other and the sources of the semiconductor switches A1 and A2 are directly or indirectly connected. To do. For example, when the drain of the semiconductor switch A1 is connected to the drain of the semiconductor switch A2 through a resistor (not shown), and the sources of the semiconductor switches A1 and A2 are connected to the cathode of the diode D1 and one end of the coil L1. Even if it exists, semiconductor switch A1, A2 is connected in parallel.
半導体スイッチA1,A2夫々は、ゲートにハイレベルの電圧が印加された場合にオンとなり、半導体スイッチA1,A2夫々のドレイン及びソース間に電流が流れることが可能となる。また、半導体スイッチA1,A2夫々は、ゲートにローレベルの電圧が印加された場合にオフとなり、半導体スイッチA1,A2夫々のドレイン及びソース間に電流が流れることはない。 Each of the semiconductor switches A1 and A2 is turned on when a high level voltage is applied to the gate, and a current can flow between the drain and the source of each of the semiconductor switches A1 and A2. Further, each of the semiconductor switches A1 and A2 is turned off when a low level voltage is applied to the gate, and no current flows between the drain and the source of each of the semiconductor switches A1 and A2.
切替え回路20は、半導体スイッチA1,A2夫々のゲートに、ハイレベル又はローベルの電圧を出力することによって、半導体スイッチA1,A2夫々をオン又はオフにする。切替え回路20は、半導体スイッチA1,A2夫々のゲートに出力している電圧をローレベルの電圧からハイレベルの電圧に変更することによって、半導体スイッチA1,A2夫々をオフからオンに切替える。また、切替え回路20は、半導体スイッチA1,A2夫々のゲートに出力している電圧をハイレベルの電圧からローレベルの電圧に変更することによって、半導体スイッチA1,A2夫々をオンからオフに切替える。
The switching
図2は降圧装置10の動作を説明するためのタイミングチャートである。図2には、半導体スイッチA1,A2夫々におけるオン/オフの推移が示されている。
降圧装置10では、スイッチ装置2の切替え回路20が、図2に示すように、2つの半導体スイッチA1,A2におけるオン/オフの切替えを繰り返すことによって、2つの半導体スイッチA1,A2夫々のドレインに入力されているバッテリ11の出力電圧を降圧する。切替え回路20は、半導体スイッチA1,A2夫々のオン/オフを同時的に切替える。半導体スイッチA1,A2のオン/オフは一定の周期で繰り返される。
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the step-down
In the step-down
切替え回路20が半導体スイッチA1,A2をオフからオンに切替えた場合、電流は、バッテリ11の正極からスイッチ装置2を介してコイルL1に流れる。コイルL1は自身に流れる電流を維持しようとするため、コイルL1に流れる電流は、一定の傾きで徐々に上昇する。このとき、コンデンサC1の両端間には、バッテリ11の出力電圧から、上昇している電流の傾きの大/小に応じて高/低に決まる電圧を減算した第1電圧が印加される。第1電圧はバッテリ11の出力電圧よりも低い。
When the switching
切替え回路20が半導体スイッチA1,A2をオンからオフに切替えた場合、バッテリ11からコイルL1への電流が途絶える。このため、コイルL1は、自身に流れる電流を維持すべく、放電する。このとき、電流は、ダイオードD1及びコイルL1の順に流れる。コイルL1に流れる電流は一定の傾きで低下する。コンデンサC1の両端間には、低下している電流の傾きの大/小応じて高/低に決まる第2電圧が印加される。第2電圧は第1電圧よりも低い。
When the switching
コンデンサC1は、コイルL1の他端から出力される電圧を平滑し、平滑した電圧を負荷12に印加する。負荷12に印加される電圧はバッテリ11の出力電圧未満である。
以上のように、降圧装置10は、バッテリ11の出力電圧を降圧し、降圧した電圧をコイルL1の他端から負荷12に出力する。
The capacitor C1 smoothes the voltage output from the other end of the coil L1, and applies the smoothed voltage to the
As described above, the step-down
コンデンサC1は、第1電圧が印加されている期間が長い程、即ち、デューティが大きい程、高い電圧を負荷12に印加する。デューティは、1周期に対する半導体スイッチA1,A2のオン期間の割合である。切替え回路20は、コンデンサC1の両端間の電圧が高い場合にはデューティを下げ、コンデンサC1の両端間の電圧が低い場合にはデューティを上げることによって、負荷12に印加される電圧を目標電圧に調整する。
The capacitor C1 applies a higher voltage to the
なお、図2からもわかるように、切替え回路20が半導体スイッチA1,A2夫々のオン/オフを切替えるタイミングは完全に一致していない。
As can be seen from FIG. 2, the timing at which the
図3はスイッチ装置2の詳細な動作を説明するためのタイミングチャートである。図3には、半導体スイッチA1,A2夫々のゲートに印加されている電圧Vg1,Vg2の推移と、半導体スイッチA1,A2におけるドレイン及びソース間の電圧Vdsの推移と、半導体スイッチA1,A2夫々のドレイン及びソース間に流れる電流I1,I2の推移とが示されている。図3では、ハイレベルの電圧を「H」で示し、ローレベルの電圧を「L」で示している。
FIG. 3 is a timing chart for explaining the detailed operation of the
半導体スイッチA1,A2夫々のゲート及びソース間には、浮遊容量が存在する。このため、半導体スイッチA1,A2夫々について、切替え回路20がゲートに出力している電圧をローレベルの電圧からハイレベルの電圧に変更してから、電圧Vg1,Vg2がハイレベルの電圧となるまでに遷移期間が生じる。同様に、半導体スイッチA1,A2夫々について、切替え回路20がゲートに出力している電圧をハイレベルの電圧からローレベルの電圧に変更してから、電圧Vg1,Vg2がローレベルの電圧となるまでに遷移期間が生じる。
There is a stray capacitance between the gate and the source of each of the semiconductor switches A1 and A2. Therefore, for each of the semiconductor switches A1 and A2, the voltage output from the switching
図3からもわかるように、電圧Vg1がローレベルの電圧からハイレベルの電圧に遷移する遷移期間は、電圧Vg2がローレベルの電圧からハイレベルの電圧に遷移する期間よりも短い。更に、電圧Vg1がハイレベルの電圧からローレベルの電圧に遷移する期間は、電圧Vg2がハイレベルの電圧からローレベルの電圧に遷移する期間よりも短い。言い換えると、半導体スイッチA1におけるオフからオンへの遷移期間は半導体スイッチA2におけるオフからオンへの遷移期間よりも短く、半導体スイッチA1におけるオンからオフへの遷移期間は、半導体スイッチA2におけるオンからオフへの遷移期間よりも短い。 As can be seen from FIG. 3, the transition period in which the voltage Vg1 transitions from the low level voltage to the high level voltage is shorter than the period in which the voltage Vg2 transitions from the low level voltage to the high level voltage. Furthermore, the period in which the voltage Vg1 transitions from the high level voltage to the low level voltage is shorter than the period in which the voltage Vg2 transitions from the high level voltage to the low level voltage. In other words, the transition period from off to on in the semiconductor switch A1 is shorter than the transition period from off to on in the semiconductor switch A2, and the transition period from on to off in the semiconductor switch A1 is from on to off in the semiconductor switch A2. Shorter than the transition period.
切替え回路20が半導体スイッチA1,A2夫々のゲートにローレベルの電圧を出力している場合、半導体スイッチA1,A2のドレインにはバッテリ11の出力電圧が印加されているため、電圧Vdsは一定電圧以上である。更に、半導体スイッチA1,A2夫々はオフであるため、電流I1,I2は共にゼロアンペアである。
When the switching
切替え回路20は、半導体スイッチA1,A2をオフからオンに切替える場合、まず、オフからオンへの遷移期間が短い半導体スイッチA1のゲートにハイレベルの電圧を出力し、電圧Vg1をローレベルの電圧からハイレベルの電圧に遷移させる。これにより、切替え回路20は半導体スイッチA1をオンに切替える。
When switching the semiconductor switches A1 and A2 from OFF to ON, the switching
電圧Vg1の上昇に伴って、電圧Vdsが低下し、電流I1は上昇する。電圧Vg1がローレベルの電圧からハイレベルの電圧へ遷移している間、スイッチング損失が発生する。スイッチング損失は、電圧Vds及び電流I1の積を電圧Vg1の遷移期間に亘って積分することによって算出される。 As the voltage Vg1 increases, the voltage Vds decreases and the current I1 increases. Switching loss occurs while the voltage Vg1 is transitioning from a low level voltage to a high level voltage. The switching loss is calculated by integrating the product of the voltage Vds and the current I1 over the transition period of the voltage Vg1.
切替え回路20は、電圧Vg1がハイレベルの電圧に遷移して半導体スイッチA1をオンに切替えた後、半導体スイッチA2のゲートにハイレベルの電圧を出力し、電圧Vg2をローレベルの電圧からハイレベルの電圧に遷移させる。これにより、切替え回路20は半導体スイッチA2をオンに切替える。
The switching
電圧Vg2の上昇に伴って、半導体スイッチA1に流れていた電流の一部が半導体スイッチA2に流れ始めるので、電流I1が低下し、電流I2は上昇する。電圧Vg2は、半導体スイッチA1がオンとなっている状態、即ち、電圧Vdsが略ゼロボルトである状態でローレベルの電圧からハイレベルの電圧に上昇する。このため、電圧Vg2が上昇している間に発生するスイッチング損失は略ゼロである。 As the voltage Vg2 rises, a part of the current that has flowed to the semiconductor switch A1 starts to flow to the semiconductor switch A2, so that the current I1 decreases and the current I2 increases. The voltage Vg2 rises from a low level voltage to a high level voltage in a state where the semiconductor switch A1 is on, that is, in a state where the voltage Vds is approximately zero volts. For this reason, the switching loss generated while the voltage Vg2 is increasing is substantially zero.
従って、2つの半導体スイッチA1,A2をオフからオンに切替える場合に生じるスイッチング損失は、オフからオンへの遷移期間が短い半導体スイッチA1がオフからオンに切替わる場合に発生するので、小さい。
このスイッチング損失は、半導体スイッチA2の代わりに半導体スイッチA1が用いられたスイッチ装置において、2つの半導体スイッチA1,A1を同時にオフからオンに切替える場合に生じるスイッチング損失と同じである。
Accordingly, the switching loss that occurs when the two semiconductor switches A1 and A2 are switched from OFF to ON is small because the semiconductor switch A1 that has a short transition period from OFF to ON is switched from OFF to ON.
This switching loss is the same as the switching loss that occurs when two semiconductor switches A1 and A1 are simultaneously switched from OFF to ON in a switch device in which the semiconductor switch A1 is used instead of the semiconductor switch A2.
なお、切替え回路20は、例えば、半導体スイッチA1のゲートにハイレベルの電圧を出力してから所定時間が経過した後に半導体スイッチA2のゲートにハイレベルの電圧を出力する。これによって、半導体スイッチA1をオンにした後に半導体スイッチA2をオンにする構成を実現してもよい。更に、例えば、電圧Vg1がハイレベルの電圧になった場合に半導体スイッチA2のゲートにハイレベルの電圧を出力するように切替え回路20を構成してもよい。
For example, the switching
電圧Vg1,Vg2が共にハイレベルの電圧である場合、半導体スイッチA1,A2が共にオンとなり、半導体スイッチA1,A2夫々に電流が流れる。 When the voltages Vg1 and Vg2 are both high level voltages, the semiconductor switches A1 and A2 are both turned on, and a current flows through each of the semiconductor switches A1 and A2.
半導体スイッチA1,A2夫々のオン抵抗をR1,R2とし、半導体スイッチA1,A2夫々のオン期間をT1,T2とした場合、半導体スイッチA1がオンである間、半導体スイッチA1のオン抵抗で生じる電力の損失は、I12 ×R1×T1である。また、半導体スイッチA2がオンである間、半導体スイッチA2のオン抵抗で生じる電力の損失はI22 ×R2×T2である。 When the on-resistances of the semiconductor switches A1 and A2 are R1 and R2, and the on-periods of the semiconductor switches A1 and A2 are T1 and T2, the power generated by the on-resistance of the semiconductor switch A1 while the semiconductor switch A1 is on. Loss is I1 2 × R1 × T1. Further, while the semiconductor switch A2 is on, the power loss caused by the on-resistance of the semiconductor switch A2 is I2 2 × R2 × T2.
ここで、オン/オフの遷移期間が短い半導体スイッチA1のオン抵抗R1は、オン/オフの遷移期間が長い半導体スイッチA2のオン抵抗R2よりも大きい。スイッチ装置2はオン抵抗が小さい半導体スイッチA2を有しているため、2つの半導体スイッチA1,A2がオンである場合に生じる電力の損失も小さい。
Here, the on-resistance R1 of the semiconductor switch A1 having a short on / off transition period is larger than the on-resistance R2 of the semiconductor switch A2 having a long on / off transition period. Since the
これは以下のように説明することもできる。スイッチ装置2において、2つの半導体スイッチA1,A2が共にオンである場合におけるオン抵抗の合成抵抗は(R1×R2)/(R1+R2)である。半導体スイッチA2の代わりに半導体スイッチA1を用いたスイッチ装置において、2つの半導体スイッチA1,A1が共にオンである場合におけるオン抵抗の合成抵抗はR1/2である。オン抵抗R1はオン抵抗R2よりも大きいので、(R1×R2)/(R1+R2)はR1/2よりも小さい。従って、2つの半導体スイッチA1,A2が共にオンである場合に生じる電力の損失は、2つの半導体スイッチA1,A1が共にオンである場合に生じる電力の損失よりも小さい。
This can also be explained as follows. In the
切替え回路20は、半導体スイッチA1,A2をオンからオフに切り替える場合、まず、オンからオフへの遷移期間が長い半導体スイッチA2のゲートにローレベルの電圧を出力し、電圧Vg2をハイレベルの電圧からローレベルの電圧に遷移させる。これにより、切替え回路20は半導体スイッチA2をオフに切替える。
When switching the semiconductor switches A1 and A2 from on to off, the switching
電圧Vg2の低下に伴って、半導体スイッチA2に流れていた電流の一部が半導体スイッチA1に流れるため、電流I1は上昇し、電流I2は低下する。切替え回路20が半導体スイッチA2をオンからオフに切替えている間、半導体スイッチA1はオンを維持しているため、電圧Vdsは略ゼロボルトである。このため、切替え回路20が半導体スイッチA2をオンからオフに切替えている間に生じるスイッチング損失は略ゼロである。
As the voltage Vg2 decreases, a part of the current flowing through the semiconductor switch A2 flows into the semiconductor switch A1, so that the current I1 increases and the current I2 decreases. Since the semiconductor switch A1 is kept on while the switching
切替え回路20は、電圧Vg2がローレベルの電圧に遷移して半導体スイッチA2がオフに切替えた後、半導体スイッチA1のゲートにローレベルの電圧を出力し、電圧Vg1をハイレベルの電圧からローレベルの電圧に遷移させる。これにより、切替え回路20は半導体スイッチA1をオフに切替える。
The switching
電圧Vg1の低下に伴って、電圧Vdsが上昇し、電流I1は低下する。電圧Vg1がハイレベルの電圧からローレベルの電圧へ遷移している間、スイッチング損失が発生する。スイッチング損失は、電圧Vds及び電流I1の積を電圧Vg1の遷移期間に亘って積分することによって算出される。 As the voltage Vg1 decreases, the voltage Vds increases and the current I1 decreases. Switching loss occurs while the voltage Vg1 is transitioning from a high level voltage to a low level voltage. The switching loss is calculated by integrating the product of the voltage Vds and the current I1 over the transition period of the voltage Vg1.
従って、2つの半導体スイッチA1,A2をオンからオフに切替える場合に生じるスイッチング損失は、オンからオフへの遷移期間が短い半導体スイッチA1がオンからオフに切替わる場合に発生するので、小さい。
このスイッチング損失は、半導体スイッチA2の代わりに半導体スイッチA1が用いられたスイッチ装置において、2つの半導体スイッチA1,A1を同時にオンからオフに切替える場合に生じるスイッチング損失と同じである。
Therefore, the switching loss that occurs when the two semiconductor switches A1 and A2 are switched from on to off occurs when the semiconductor switch A1 that has a short transition period from on to off is switched from on to off.
This switching loss is the same as the switching loss that occurs when two semiconductor switches A1 and A1 are simultaneously switched from on to off in a switch device in which the semiconductor switch A1 is used instead of the semiconductor switch A2.
以上のように、スイッチ装置2では、スイッチング損失と、2つの半導体スイッチA1,A2が共にオンである場合に生じる電力の損失とは小さいため、スイッチ装置2における電力の損失は小さい。
また、スイッチ装置2によって降圧が行われるため、降圧装置10の電力の損失も小さい。
As described above, in the
Further, since the step-down is performed by the
なお、降圧装置10は、ダイオードD1の代わりに、第1端がコイルL1の一端に接続されて第2端が接地されているスイッチ装置2を用いてもよい。この場合、ダイオードD1の代わりに用いられるスイッチ装置2の切替え回路20は、もう1つのスイッチ装置2の切替え回路20が半導体スイッチA1,A2をオン(又はオフ)に切替えたときに、自身に接続されている半導体スイッチA1,A2をオフ(又はオン)に切替える。これにより、バッテリ11の出力電圧は降圧される。
Note that the step-down
(実施の形態2)
図4は実施の形態2における電源システムの要部構成を示す回路図である。この電源システム3においては、降圧装置10の代わりに降圧装置30を備える点が実施の形態1における電源システム1と異なっている。降圧装置30においては、スイッチ装置2の代わりにスイッチ装置4を備える点が実施の形態1における降圧装置10と異なっている。スイッチ装置4においては、m(m:3以上の整数)個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amを有している点が実施の形態1におけるスイッチ装置2と異なっている。
以下では、実施の形態2について、実施の形態1と異なる点を説明する。後述する構成を除く他の構成については、実施の形態1と同様であるため、同様の符号を付してその説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a circuit diagram showing a main configuration of the power supply system according to the second embodiment. The
In the following, the differences between the second embodiment and the first embodiment will be described. Since the other configuration except the configuration to be described later is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are given and the description thereof is omitted.
実施の形態2における電源システム3は車両に好適に搭載され、実施の形態1における電源システム1と同様にバッテリ11及び負荷12を備える。電源システム3は、前述したように、降圧装置30を更に備え、バッテリ11、負荷12及び降圧装置30は実施の形態1と同様に接続されている。ここで、実施の形態1における降圧装置10は降圧装置30に対応する。
降圧装置30はバッテリ11の出力電圧を目標電圧に降圧し、該目標電圧を負荷12に印加する。目標電圧の印加によって負荷12は給電される。
The
The step-down
実施の形態2における降圧装置30は、実施の形態1における降圧装置10と同様に、コンデンサC1、ダイオードD1及びコイルL1を有する。降圧装置30は、前述したように、スイッチ装置4を更に有する。スイッチ装置4は実施の形態1におけるスイッチ装置2と同様に第1端、第2端及び第3端を有し、スイッチ装置4、コンデンサC1、ダイオードD1及びコイルL1夫々は実施の形態1と同様に接続されている。ここで、実施の形態1におけるスイッチ装置2はスイッチ装置4に対応する。
The step-down
スイッチ装置4は、バッテリ11の正極からコイルL1への電流経路の通電/遮断を行う。スイッチ装置4は、切替え回路20と、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amとを有する。半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々はNチャネル型のFETである。半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々のドレインはバッテリ11の正極に接続され、半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々のソースはダイオードD1のカソードと、コイルL1の一端とに接続されている。このように、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amは並列に接続されている。m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々のゲートと、コンデンサC1の一端とは、実施の形態1と同様に切替え回路20に各別に接続されている。図4では、半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々におけるドレイン及びソース間に流れる電流をI1,I2,・・・,Imで示している。
The
なお、実施の形態1と同様に、並列に接続されるとは、半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々のドレインが互いに直接的又は間接的に接続され、半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々のソースが直接的又は間接的に接続されることを意味する。 As in the first embodiment, being connected in parallel means that the drains of the semiconductor switches A1, A2,..., Am are directly or indirectly connected to each other, and the semiconductor switches A1, A2,. .., means that Am sources are connected directly or indirectly.
半導体スイッチA3,A4,・・・,Am夫々は半導体スイッチA1又はA2と同様に構成されている。切替え回路20は、半導体スイッチA3,A4,・・・,Am夫々を、半導体スイッチA1,A2と同様にオン/オフする。
降圧装置30でも、実施の形態1における降圧装置10と同様に、切替え回路20がm個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amにおけるオン/オフの切替えを繰り返すことによって、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々のドレインに入力されているバッテリ11の出力電圧を降圧する。切替え回路20は、半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々のオン/オフを同時的に切替える。半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々のオン/オフは、図2に示されている半導体スイッチA1のオン/オフの推移のように、一定の周期で繰り返される。
Each of the semiconductor switches A3, A4,..., Am is configured similarly to the semiconductor switch A1 or A2. The switching
In the step-down
切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Amにおけるオン/オフの切替えを繰り返した場合、電流は実施の形態1と同様に流れてバッテリ11の出力電圧が降圧され、降圧された電圧はコイルL1の他端から負荷12に出力される。ここで、実施の形態1の説明において、スイッチ装置2はスイッチ装置4に対応し、半導体スイッチA1,A2は半導体スイッチA1,A2,・・・,Amに対応する。切替え回路20は、デューティを調整することによって、負荷12に印加される電圧を目標電圧に調整する。デューティは、1周期に対する半導体スイッチA1,A2,・・・,Amのオン期間の割合である。
When the switching
次に、切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Amをオフからオンに切替える構成と、切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Amをオンからオフに切替える構成とを説明する。
Next, a configuration in which the
m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々におけるオフからオンへの遷移期間は、他の(m−1)個の半導体スイッチにおけるオフからオンへの遷移期間の少なくとも1つと異なっている。即ち、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々におけるオフからオンへの遷移期間全てが一致することはない。半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々におけるオフからオンへの遷移期間は、H1,H2,・・・,Hk(k:2以上m以下の整数)のいずれか1つである。遷移期間H1,H2,・・・,Hkは互いに異なっている。オフからオンへの遷移期間については、H1が最も短く、H1,H2,・・・Hkの順に長い。 The transition period from OFF to ON in each of the m semiconductor switches A1, A2,..., Am differs from at least one of the transition periods from OFF to ON in the other (m−1) semiconductor switches. Yes. That is, not all of the transition periods from OFF to ON in each of the m semiconductor switches A1, A2,. The transition period from OFF to ON in each of the semiconductor switches A1, A2,..., Am is any one of H1, H2,..., Hk (k: an integer from 2 to m). The transition periods H1, H2,..., Hk are different from each other. Regarding the transition period from OFF to ON, H1 is the shortest and is long in the order of H1, H2,.
m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々におけるオンからオフへの遷移期間も、他の(m−1)個の半導体スイッチにおけるオンからオフへの遷移期間の少なくとも1つと異なっている。即ち、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々におけるオンからオフへの遷移期間全てが一致することはない。半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々におけるオンからオフへの遷移期間は、L1,L2,・・・,Lk(k:2以上m以下の整数)のいずれか1つである。遷移期間L1,L2,・・・,Lkは互いに異なっている。オンからオフへの遷移期間については、L1が最も短く、L1,L2,・・・,Lkの順に長い。 The transition period from on to off in each of the m semiconductor switches A1, A2,..., Am is also different from at least one of the transition periods from on to off in the other (m−1) semiconductor switches. Yes. That is, not all the transition periods from on to off in the m semiconductor switches A1, A2,. The transition period from ON to OFF in each of the semiconductor switches A1, A2,..., Am is any one of L1, L2,..., Lk (k: an integer of 2 or more and m or less). The transition periods L1, L2,..., Lk are different from each other. Regarding the transition period from on to off, L1 is the shortest and is long in the order of L1, L2,..., Lk.
オフからオンへの遷移期間がH1,H2,・・・,Hkである半導体スイッチ夫々におけるオンからオフへの遷移期間はL1,L2,・・・,Lkである。即ち、オフからオンへの遷移期間が短い半導体スイッチにおいては、オンからオフへの遷移期間も短い。 The transition periods from on to off in the semiconductor switches whose transition periods from off to on are H1, H2,..., Hk are L1, L2,. That is, in a semiconductor switch having a short transition period from off to on, the transition period from on to off is also short.
切替え回路20は、半導体スイッチA1,A2,・・・,Amをオフからオンに切替える場合、まず、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Am中で遷移期間がH1である半導体スイッチの少なくとも1つをオフからオンに切替える。例えば、オフからオンへの遷移期間がH1である半導体スイッチの数が2つである場合、オフからオンへの遷移期間がH1である2つの半導体スイッチを共にオフからオンに切替えてもよいし、オフからオンへの遷移期間がH1である2つの半導体スイッチ中の一方をオフからオンに切替えてもよい。
オフからオンへの遷移期間がH1である半導体スイッチ中の少なくとも1つを、切替え回路20がオフからオンに切替えた場合にスイッチング損失が発生する。
When switching the semiconductor switches A1, A2,..., Am from OFF to ON, first, the switching
A switching loss occurs when the switching
切替え回路20は、オフからオンへの遷移期間がH1である半導体スイッチ中の少なくとも1つをオンに切替えた後、他の半導体スイッチをオフからオンに切替える。このため、オフからオンへの遷移期間がH2,H3,・・・,Hkのいずれか1つである半導体スイッチは、オフからオンへの遷移期間がH1である半導体スイッチの少なくとも1つがオフからオンに切替えられた後にオフからオンに切替えられる。
従って、切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々をオフからオンに切替えるタイミングは完全に一致していない。
The switching
Therefore, the timing at which the
他の半導体スイッチをオフからオンに切替えている間、オフからオンへの遷移期間がH1である半導体スイッチの少なくとも1つがオンであるので、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amにおけるドレイン及びソース間の電圧Vdsは略ゼロボルトである。このため、他の半導体スイッチがオフからオンに切替わっている間に発生するスイッチング損失は略ゼロである。 Since at least one of the semiconductor switches whose transition period from off to on is H1 is on while other semiconductor switches are switched from off to on, m semiconductor switches A1, A2,..., Am The voltage Vds between the drain and the source is approximately zero volts. For this reason, the switching loss that occurs while the other semiconductor switches are switched from OFF to ON is substantially zero.
従って、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amをオフからオンに切替わる場合に生じるスイッチング損失は、オフからオンへの遷移期間がH1である一又は複数の半導体スイッチがオフからオンに切替わる場合に発生するため、小さい。
このスイッチング損失は、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amのオフからオンへの遷移期間が全てH1であって、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amを同時にオフからオンに切替える場合に生じるスイッチング損失と同じである。
Therefore, the switching loss that occurs when the m semiconductor switches A1, A2,..., Am are switched from off to on is that one or more semiconductor switches whose transition period from off to on is H1 is off. Small because it occurs when switched on.
This switching loss is such that the transition periods from the OFF state to the ON state of the m semiconductor switches A1, A2,..., Am are all H1, and the m semiconductor switches A1, A2,. This is the same switching loss that occurs when switching from off to on.
m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々のオン抵抗について、オフからオンへの遷移期間、又は、オンからオフへの遷移期間が短い半導体スイッチのオン抵抗は大きい。従って、スイッチ装置4は、オン抵抗が、オフからオンへの遷移期間がH1である半導体スイッチのオン抵抗よりも小さい半導体スイッチを有しているため、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amがオンである場合に生じる電力の損失は小さい。
As for the on resistance of each of the m semiconductor switches A1, A2,..., Am, the on resistance of the semiconductor switch having a short transition period from off to on or a short transition period from on to off is large. Therefore, since the
オフからオンへの遷移期間がH1である半導体スイッチのオン抵抗をRmaxとした場合において、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々のオン抵抗の合成抵抗は、オン抵抗がRmaxであるm個の半導体スイッチが並列に接続されたときの合成抵抗よりも小さい。 When the on-resistance of the semiconductor switch whose transition period from off to on is H1 is Rmax, the on-resistance of each of the m semiconductor switches A1, A2,. It is smaller than the combined resistance when m semiconductor switches are connected in parallel.
切替え回路20は、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amをオンからオフに切替える場合、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amの中で、オンからオフへの遷移期間がL1である半導体スイッチの少なくとも1つを除く他の半導体スイッチをオンからオフに切替える。例えば、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amの中で、オンからオフへの遷移期間がL1である半導体スイッチの数が1つである場合、切替え回路20は、オンからオフへの遷移期間がL2,L3,・・・,Lkのいずれか1つである(m−1)個の半導体スイッチをオンからオフにする。
When switching the m semiconductor switches A1, A2,... Am from on to off, the switching
切替え回路20が、オンからオフへの遷移期間がL1である半導体スイッチの少なくとも1つを除く他の半導体スイッチをオンからオフに切替えている間、オンからオフへの遷移期間がL1である半導体スイッチの少なくとも1つはオンを維持しているため、電圧Vdsは略ゼロボルトである。このため、切替え回路20が、オンからオフへの遷移期間がL1である半導体スイッチの少なくとも1つを除く他の半導体スイッチをオンからオフに切替えている間に生じるスイッチング損失は略ゼロである。
A semiconductor whose on-to-off transition period is L1 while the switching
切替え回路20は、オンからオフへの遷移期間がL1である半導体スイッチの少なくとも1つを除く他の半導体スイッチがオフになった後、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amの中でオンからオフへの遷移期間がL1である一又は複数の半導体スイッチをオフに切替える。
従って、切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Am夫々をオンからオフに切替えるタイミングは完全に一致していない。
The switching
Therefore, the timing at which the
遷移期間がL1である一又は複数の半導体スイッチがオンからオフに遷移している間、スイッチング損失が発生する。前述したように、オンからオフへの遷移期間がL1である半導体スイッチの少なくとも1つを除く他の半導体スイッチを切替え回路20がオンからオフに切替えている間に発生するスイッチング損失は略ゼロである。従って、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amをオンからオフに切替える場合に生じるスイッチング損失は、オンからオフへの遷移時間がL1である一又は複数の半導体スイッチがオンからオフに切替わる場合に発生するので、小さい。
Switching loss occurs while one or more semiconductor switches whose transition period is L1 are transitioning from on to off. As described above, the switching loss that occurs while the switching
このスイッチング損失は、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amのオンからオフへの遷移期間が全てL1であって、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amを同時にオンからオフに切替える場合に生じるスイッチング損失と同じである。 This switching loss is that the transition periods from the on-off of the m semiconductor switches A1, A2,..., Am are all L1, and the m semiconductor switches A1, A2,. This is the same switching loss that occurs when switching from on to off.
以上のように、スイッチ装置4では、スイッチング損失と、m個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Amが共にオンである場合に生じる電力の損失とは小さいため、スイッチ装置4における電力の損失は小さい。
また、スイッチ装置4によって降圧が行われるため、降圧装置30の電力の損失も小さい。
As described above, in the
Further, since the step-down is performed by the
なお、実施の形態2において、降圧装置30は、ダイオードD1の代わりに、第1端がコイルL1の一端に接続されて第2端が接地されているスイッチ装置4を用いてもよい。この場合、ダイオードD1の代わりに用いられるスイッチ装置4の切替え回路20は、もう1つのスイッチ装置4の切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Amをオン(又はオフ)に切替えたとき、自身に接続されている半導体スイッチA1,A2,・・・,Amをオフ(又はオン)に切替える。これにより、バッテリ11の出力電圧は降圧される。
In the second embodiment, the step-down
(実施の形態3)
図5は実施の形態3における電源システムの要部構成を示す回路図である。この電源システム5においては、バッテリ11の出力電圧を降圧するのではなく、バッテリ11の出力電圧を昇圧する点が実施の形態1又は2と異なっている。
以下では、実施の形態3について、実施の形態1又は2と異なる点を説明する。後述する構成を除く他の構成については、実施の形態1又は2と同様であるため、同様の符号を付してその説明を省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a circuit diagram showing a main configuration of the power supply system according to the third embodiment. This
In the following, the differences between the third embodiment and the first or second embodiment will be described. Since the other configurations except for those described later are the same as those in the first or second embodiment, the same reference numerals are given and the description thereof is omitted.
実施の形態3における電源システム5は車両に好適に搭載され、実施の形態1における電源システム1と同様に、バッテリ11及び負荷12を備える。電源システム5は昇圧装置50を更に備える。昇圧装置50は、バッテリ11の正極と負荷12の一端とに各別に接続されており、バッテリ11の負極と負荷12の他端とは接地されている。昇圧装置50はバッテリ11の出力電圧を目標電圧に昇圧し、該目標電圧を負荷12に印加する。目標電圧の印加によって負荷12は給電される。
The
実施の形態3における昇圧装置50は、スイッチ装置6、コンデンサC2、ダイオードD2及びコイルL2を有する。スイッチ装置6は第1端、第2端及び第3端を有する。コイルL2の一端はバッテリ11の正極に接続され、コイルL2の他端はダイオードD2のアノードとスイッチ装置6の第1端に接続されている。スイッチ装置6の第2端は接地されている。ダイオードD2のカソードは、負荷12及びコンデンサC2夫々の一端と、スイッチ装置6の第3端とに接続されている。コンデンサC2の他端は接地されている。
The
スイッチ装置6は、コイルL2の他端から接地電位、例えば車両のボディへの電流経路の通電/遮断を行う。スイッチ装置6は、切替え回路20と、n(n:2以上の整数)個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Anとを有する。半導体スイッチA1,A2,・・・,An夫々はNチャネル型のFETである。半導体スイッチA1,A2,・・・,An夫々のドレインは、コイルL2の他端とダイオードD2のアノードとに接続され、半導体スイッチA1,A2,・・・,An夫々のソースは接地されている。このように、n個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Anは並列に接続されている。n個の半導体スイッチA1,A2,・・・,An夫々のゲートと、コンデンサC2の一端とは切替え回路20に各別に接続されている。図5では、半導体スイッチA1,A2,・・・,An夫々におけるドレイン及びソース間に流れる電流をI1,I2,・・・,Inで示している。
The
なお、実施の形態1及び2と同様に、並列に接続されるとは、半導体スイッチA1,A2,・・・,An夫々のドレインが互いに直接的又は間接的に接続され、半導体スイッチA1,A2,・・・,An夫々のソースが直接的又は間接的に接続されることを意味する。 As in the first and second embodiments, connected in parallel means that the drains of the semiconductor switches A1, A2,..., An are connected directly or indirectly to each other, and the semiconductor switches A1, A2 are connected. ,..., An means that the respective sources are connected directly or indirectly.
半導体スイッチA3,A4,・・・,An夫々は半導体スイッチA1又はA2と同様に構成されている。切替え回路20は、半導体スイッチA2,A3,・・・,An夫々を、半導体スイッチA1と同様にオン/オフする。
昇圧装置50では、実施の形態1と同様に、切替え回路20がn個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Anにおけるオン/オフの切替えを繰り返すことによって、コイルL2の一端に入力されているバッテリ11の出力電圧を昇圧する。切替え回路20は、半導体スイッチA1,A2,・・・,An夫々のオン/オフを同時的に切替える。半導体スイッチA1,A2,・・・,An夫々のオン/オフは、図2に示されている半導体スイッチA1のオン/オフの推移のように、一定の周期で繰り返される。
Each of the semiconductor switches A3, A4,..., An is configured similarly to the semiconductor switch A1 or A2. The switching
In the step-up
切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Anをオフからオンに切替えた場合、電流は、バッテリ11の正極からコイルL2及びスイッチ装置6の順に流れる。コイルL2に多量の電流が流れる。このとき、ダイオードD2を介してコンデンサC2の両端に電圧が印加されることはない。
When the switching
切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Anをオンからオフに切替えた場合、電流は、バッテリ11の正極からコイルL2及びダイオードD2の順に流れる。このとき、コイルL2は自身に流れる電流を維持しようとするため、コイルL1に流れる電流は、一定の傾きで徐々に低下する。そして、コンデンサC2の両端には、バッテリ11の出力電圧に、低下している電流の傾きの大/小に応じて高/低に決まる電圧を加算した第3電圧が印加される。第3電圧はバッテリ11の出力電圧よりも高い。
When the switching
コンデンサC2は、ダイオードD2のカソードから出力される電圧を平滑し、平滑した電圧を負荷12に印加する。負荷12に印加される電圧はバッテリ11の出力電圧を超えている。
以上のように、昇圧装置50は、バッテリ11の出力電圧を昇圧し、昇圧した電圧をコイルL2の他端からダイオードDを介して負荷12に出力する。
Capacitor C2 smoothes the voltage output from the cathode of diode D2, and applies the smoothed voltage to load 12. The voltage applied to the
As described above, the
コンデンサC2は、切替え回路20がn個の半導体スイッチA1,A2,・・・,Anをオンにしている期間が長い程、即ち、デューティが大きい程、第3電圧が高くなるため、高い電圧を負荷12に印加する。デューティは、1周期に対する半導体スイッチA1,A2,・・・,Anのオン期間の割合である。切替え回路20は、コンデンサC2の両端間の電圧が高い場合にデューティを下げ、コンデンサC2の両端間の電圧が低い場合にデューティを上げることによって、負荷12に印加される電圧を目標電圧に調整する。
The capacitor C2 has a higher voltage because the third voltage becomes higher as the period during which the
実施の形態3における切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Anをオフからオンに切替える構成は、実施の形態2における切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Amをオフからオン切替える構成と同様である。また、実施の形態3における切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・Anをオンからオフに切替える構成は、実施の形態2における切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Anをオンからオフに切替える構成と同様である。
The switching
実施の形態2における切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Amをオフからオンに切替える構成の説明において、m(m:3以上の整数)をn(n:2以上の整数)に置き換える。これにより、実施の形態3における切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Anをオフからオンに切替える構成を説明することができる。
In the description of the configuration in which the
実施の形態2における切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Amをオンからオフに切替える構成の説明において、m(m:3以上の整数)をn(n:2以上の整数)に置き換える。これにより、実施の形態3における切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Anをオンからオフに切替える構成を説明することができる。
In the description of the configuration in which the
従って、実施の形態3におけるスイッチ装置6は実施の形態2におけるスイッチ装置4と同様の効果を奏する。また、電力の損失が小さいスイッチ装置6によって昇圧が行われるため、昇圧装置50の電力損失も小さい。
Therefore, the
なお、実施の形態3において、昇圧装置50は、ダイオードD2の代わりに、第1端がコンデンサC2の一端に接続されて第2端がコイルL2の他端に接続されているスイッチ装置6を用いてもよい。この場合、ダイオードD2の代わりに用いられるスイッチ装置6の切替え回路20は、もう1つのスイッチ装置6の切替え回路20が半導体スイッチA1,A2,・・・,Anをオン(又はオフ)に切替えたとき、自身に接続されている半導体スイッチA1,A2,・・・,Anをオフ(又はオン)に切替える。これにより、バッテリ11の出力電圧は昇圧される。
In the third embodiment, the
なお、実施の形態1〜3において、スイッチ装置2,4,6が備える複数の半導体スイッチをオンからオフに切替える構成は、オンからオフへの遷移期間が最も短い半導体スイッチの少なくとも1つを除く他の半導体スイッチをオフに切替えた後に遷移期間が最も短い一又は複数の半導体スイッチをオフに切替える構成でなくてもよい。この場合であっても、複数の半導体スイッチがオフからオンに切替えられるときに生じるスイッチング損失は小さく、更に、複数の半導体スイッチが共にオンである期間に生じる電力の損失も小さいので、スイッチ装置2,4,6における電力の損失は小さい。従って、スイッチ装置2を備える降圧装置10、スイッチ装置4を備える降圧装置30、及び、スイッチ装置6を備える昇圧装置50夫々における電力の損失も小さい。
In the first to third embodiments, the configuration in which the plurality of semiconductor switches included in the
また、スイッチ装置2,4,6が備える複数の半導体スイッチをオフからオンに切替える構成は、オフからオンへの遷移期間が最も短い半導体スイッチの少なくとも1つをオンに切替えた後に、他の半導体スイッチをオンに切替える構成でなくてもよい。この場合であっても、複数の半導体スイッチがオンからオフに切替えられるときに生じるスイッチング損失は小さく、更に、複数の半導体スイッチが共にオンである期間に生じる電力の損失も小さいので、スイッチ2,4,6における電力の損失は小さい。従って、スイッチ装置2を備える降圧装置10、スイッチ装置4を備える降圧装置30、及び、スイッチ装置6を備える昇圧装置50夫々における電力の損失も小さい。
In addition, the configuration in which the plurality of semiconductor switches included in the
更に、スイッチ装置2,4,6が備える複数の半導体スイッチ夫々は、Nチャネル型のFETに限定されず、Pチャネル型のFETであってもよく、更には、バイポーラトランジスタであってもよい。
また、スイッチ装置2,4,6が搭載される装置は降圧装置又は昇圧装置に限定されない。内部で電流、特に多量の電流が流れる電流経路の通電及び遮断を行う必要がある装置にスイッチ装置2,4,6を搭載してもよい。
Further, each of the plurality of semiconductor switches provided in the
Further, the device on which the
開示された実施の形態1〜3は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The disclosed first to third embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
2,4,6 スイッチ装置
10,30 降圧装置
20 切替え回路
50 昇圧装置
A1,A2,・・・,Am 半導体スイッチ
L1,L2 コイル
2, 4, 6
Claims (4)
該複数の半導体スイッチ夫々におけるオフからオンへの遷移期間は、他の半導体スイッチの遷移期間の少なくとも1つと異なっており、
前記複数の半導体スイッチをオフからオンに切替える場合に、該複数の半導体スイッチの中で、前記遷移期間が最も短い半導体スイッチの少なくとも1つをオンに切替えた後、他の半導体スイッチをオンに切替えるように構成してあること
を特徴とするスイッチ装置。 In a switch device comprising a plurality of semiconductor switches connected in parallel,
The transition period from OFF to ON in each of the plurality of semiconductor switches is different from at least one of the transition periods of the other semiconductor switches,
When switching the plurality of semiconductor switches from off to on, after switching on at least one of the semiconductor switches having the shortest transition period among the plurality of semiconductor switches, the other semiconductor switches are switched on. A switch device characterized by being configured as follows.
該複数の半導体スイッチ夫々におけるオンからオフへの遷移期間は、他の半導体スイッチの遷移期間の少なくとも1つと異なっており、
前記複数の半導体スイッチをオンからオフに切替える場合に、該複数の半導体スイッチの中で、前記遷移期間が最も短い半導体スイッチの少なくとも1つを除く他の半導体スイッチをオフに切替えた後、前記遷移期間が最も短い半導体スイッチをオフに切替えるように構成してあること
を特徴とするスイッチ装置。 In a switch device comprising a plurality of semiconductor switches connected in parallel,
The transition period from on to off in each of the plurality of semiconductor switches is different from at least one of the transition periods of the other semiconductor switches,
When switching the plurality of semiconductor switches from on to off, among the plurality of semiconductor switches, after switching off other semiconductor switches except at least one of the semiconductor switches having the shortest transition period, the transition A switch device characterized by being configured to switch off the semiconductor switch having the shortest period.
一端が前記複数の半導体スイッチ夫々の一端に接続されているコイルと
を備え、
前記複数の半導体スイッチにおけるオン/オフの切替えを繰り返すことによって、前記複数の半導体スイッチの他端に入力されている電圧を降圧し、降圧した電圧を前記コイルの他端から出力するように構成してあること
を特徴とする降圧装置。 The switch device according to claim 1 or 2,
A coil having one end connected to one end of each of the plurality of semiconductor switches,
By repeating ON / OFF switching in the plurality of semiconductor switches, the voltage input to the other end of the plurality of semiconductor switches is stepped down, and the stepped down voltage is output from the other end of the coil. A step-down device characterized by that.
一端が前記複数の半導体スイッチ夫々の一端に接続されているコイルと
を備え、
前記複数の半導体スイッチにおけるオン/オフの切替えを繰り返すことによって、前記コイルの他端に入力されている電圧を昇圧し、昇圧した電圧を該コイルの一端から出力するように構成してあること
を特徴とする昇圧装置。 The switch device according to claim 1 or 2,
A coil having one end connected to one end of each of the plurality of semiconductor switches,
By repeating ON / OFF switching in the plurality of semiconductor switches, the voltage input to the other end of the coil is boosted, and the boosted voltage is output from one end of the coil. A step-up device characterized.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2014096207A JP2015216420A (en) | 2014-05-07 | 2014-05-07 | Switch device, step-down device and step-up device |
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JP2020088964A (en) * | 2018-11-20 | 2020-06-04 | 三菱電機株式会社 | Energization control circuit unit for switching control element and on-vehicle electronic control device including the same |
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-
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- 2014-05-07 JP JP2014096207A patent/JP2015216420A/en active Pending
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