JPH0213115A - 電力用電界効果トランジスタ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、一般的に駆動回路に関し、ざらに詳しくは、
大電流駆動能力を提供するとともに、負または正の過電
圧から電力用電界効果トランジスタを保護し、さらに電
源の変動あるいは、誤配線または振動などによるアース
ターミナルの接続不良による疑似動作を防止する金Ｂ酸
化膜半導体（ＭＯＳ）の電力用電界効果トランジスタ駆
動回路に関する。

（従来の技術および発明が解決しようとする課題）電力
用電界効果トランジスタ駆動回路は、一般的に分数馬力
直流電動機（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ　ｈｏｒｓｅｐｏｗ
ｅｒＤＣｍｏｔｏｒｓ）およびソレノイドを駆動するた
めに使用される。低電圧の分数馬力直流電動機およびソ
レノイドの使用を必要とする用途には、電動燃料ポンプ
、アンチスキッドブレーキ・システム、自動変速機制御
装置、ロボットの機構制御装置、および小型の産業機械
等がある。今日まで、従来のバイポーラ・デバイスが、
このような負荷を駆動する回路に使用されてきた。しか
し、従来のバイポーラを用いる設計では、大きなベース
電流が必要でありかつバイポーラ・トランジスタの高い
電力消費のためあまり有用ではなかった。ベース電流に
対する要求を軽減し、これに対する電力上の要求を少な
くするダーリントン・トランジスタが従来のバイポーラ
・トランジスタに取って代わった。しかし、ダーリント
ン・トランジスタによって得られる特性には、特に低電
圧高電流の用途において、デバイスの両端で大きな順方
向の電圧降下があるという問題がおった。この順方向の
電圧降下によって、直流モータの使用可能な電圧が低減
され、その結果電動機の速度が減少する。電動機の駆動
回路にグーリン１〜ン・トランジスタを使用することは
、供給電圧か固定されかつ最適な電動機の速度を必要と
する自動車における用途では、あまりに実用的なもので
はない。更に、従来のバイポーラ・デバイスおよびダー
リントン・トランジスタは、いずれも電動機の速度を制
御するためのＭＯ３マイクロプロセッサと簡単にインタ
ーフェースざＶることができない。

ごく最近になって、電力用電界効果１〜ランジスタで分
数馬力直流電動機を駆動する方法が明らかにされ、これ
らの方法は高いベース駆動に対する要求と順方向電圧の
低下の問題を解決している。

例えば、米国特許第４，４５４．４５４は、電力ＭＯ３
電界効果トランジスタを使用したｒＨＪ形と呼ばれるス
イッチ回路をｆｆｆｆ示しあり、これらのトランジスタ
は電力消費用が少なく、電圧降下が小さく、電動機の速
度制御の為のＭＯＳマイクロプロ゛レッサと容易にイン
タフェースすることができる。「Ｈ」形スイッチは、一
般的に正方向および逆方向に分数馬力直流電動機を駆動
することができる４つの電力用電界効果トランジスタに
よつて構成されている。１方向のみのトルクを必要とす
る用途には、単一の電力用電界効果トランジスタを有す
るＨ側駆動回路と呼ばれる回路が使用されている。自動
車およびその他の重要な用途で分数馬力直流電動機を駆
動するためにｒＨＪ形スイッチおよびＨ側駆動回路を使
用する場合、環境上困難な条件においても適切に動作す
ることが必要とされる。例えば自動車に対する用途の場
合、バッテリのジャンプ（ｊｕｍｐ）または交流発電機
の誤動作によって大きな正の電圧のスパイクが正のバッ
テリ・ターミナルに現れる可能性があり、また直流電動
機の誘導巻線中の崩壊電流（Ｃｏ　Ｉ　ｌ　ａｌ）Ｓ　
ｌ　ｎ（］ｃｕｒｒｅｎｔｓ）によって、駆動中の直流
モータに大きな負の電圧が現れる可能性があり、ざらに
バッテリ接地の損失が、アース端子の接続不良のために
断続的に発生する可能性がある。

従って、必要とされているものは、負または正の過電圧
から電力用電界効果トランジスタを保護し、ざらに電源
の変動あるいは、誤配線または撮動などによるアースタ
ーミナルの不良による疑似動作を防止しながら、分数馬
力直流電動機を駆動することができる電力用電界効果ト
ランジスタ駆動回路を提供することである。

そこで、本発明の目的は改善された電力用電界効果トラ
ンジスタ駆動回路を提供することである。

また、本発明の別の目的は、給電端子における供給過電
圧の変動からの保護を行う改善された電力用電界効果ト
ランジスタ駆動回路を提供することである。

ざらに、本発明の別の目的は、大きな負の負荷電圧状態
における保護を行う改善された電力用電界効果トランジ
スタ駆動回路を提供することである。

さらに、本発明の別の目的は、アース・ターミナルの接
続不良による疑似動作を防止する改善された電力用電界
効果トランジスタ駆動回路を提供覆ることである。

（課題を解決するための手段） 本発明の上記およびその他の目的を１つの形態で達成す
るため、電力用電界効果トランジスタが第１給電端子と
負荷端子の間に接続され、そのゲートには駆動電圧端子
が接続される。一般的には、直流電動機またはソレノイ
ドのような負荷は負荷端子とシャーシのアース・ターミ
ナルの間に接続される。駆動電圧端子と負荷端子の間に
接続される駆動回路は、第１抵抗によって電力用電界効
果トランジスタのゲートに接続されたドレイン、負荷端
子に接続されたソースおよび制御入力端子に接続された
ゲートを有する第１電界効果トランジスタによって構成
される。第２電界効果トランジスタは、第２給電喘子に
接続されたソース、制御入力端子に接続されたゲート、
および第２低杭によって第１ツエナー・ダイオードに接
続されたドレインを有し、この第１ツエナー・ダイオー
ドは、電力用電界効果トランジスタのゲートに接続され
る。第１ダイオードは、第２抵抗と並列に接続され、第
２ダイオードは、第２電界効果トランジスタのソースと
負荷端子の間に接続される。第２ツエナー・ダイオード
は、電力用電界効果トランジスタのゲートと負荷端子の
間に接続される。

本発明の上記およびその他の目的、特１？ｉ！および利
点は添付した図面と組合わせて以下の詳細な説明からよ
く理解されるであろう。

（実施例） 第１図を参照して、ＭＯ３工程で製作可能なＨ側駆動回
路として構成される電力用電界効果トランジスタ駆動回
路は、給電端子１に接続されたドレイン、負荷端子３に
接続されたソース、および駆動ノード６に接続されたゲ
ートを有する電力用電界効果トランジスタ８によって構
成される。この電力用電界効果トランジスタ８は、導通
状態（ｒｄｓｏｎ＞の場合、一般的に１オーム以下の非
常に低いチャンネル抵抗を示し、ここで貴簡電流（■１
ｏａｄ）を流入または流出している場合、はとんど電力
を（Ｐｄ）を消費しない。電力用電界効果トランジスタ
８の電力消費量は、下記の式によって計算される。

Ｐ−ｒｄＳＯｎ　ｘ　（■１ｏａｄ）２ｒｄｓｏｎが小
さいので、無視できる程度の電圧しか電力用電界効果ト
ランジスタ８のソースとドレインの間に生じない。いく
つかのＭＯ３電力用電界効果トランジスタがこの殿能の
ために適してｉ１５つ、これには水平ＤＭＯ３，垂直Ｄ
ＭＯ３，およびアップドレインＤＭＯＳデバイスかめる
。Ｈ側駆動回路によって駆動される負荷９は、−殻内に
負荷端子３とシャーシ・アース端子１１の間に接続され
た分数馬力直流電動機である。

ダイオード１２は給電端子１に接続されたアノードとツ
ェナー・ダイオード１３のカソードに接続されたカソー
ドを有している。このツェナー・ダイオード１３は、駆
動ノード６に接続されたアノードを有している。もし給
電端子１の正の供給電圧が、Ｈ側駆動回路の安全動作範
囲を超えれば（正の供給電圧の大きさは酸化ゲートを破
壊さけるのに十分大きくなる）、ツェナー・ダイオード
１３のツェナー降伏電圧がツェナー・ダイオード１３に
電子なだれを起こさせるに十分高くなり、電力用電界効
果トランジスタ８のゲートおよびドレイン両端の電圧を
制限する。ダイオード１２は、駆動電圧が正の場合駆動
ノード６の駆動電圧を給電端子１から分離し、駆動電圧
が負の場合ツェナー・ダイオード１３はさらに駆動電圧
が給電端子１にｊヱすることを阻止することを保障する
。

ツ１ナー・ダイオード１５は、負荷端子３に接続された
７ノードと駆動ノルトロに接続されたカソードを有して
いる。もし駆動電圧の大きさがツェナー・ダイオード１
５のツェナー降伏電圧を超えれば、電子なだれが発生し
、これによって、電力用電界効果トランジスタ８のゲー
ト酸化膜の破壊を阻止する。同様に、もし負荷電圧の大
きざが９でツェナー・ダイオード１５のツェナー降伏電
圧を超えれば、電子なだれが発生し、これによって電力
用電界効果トランジスタ８のゲート酸化膜をさらに保護
する。

グイオート１４は、負荷端子３に接続されたカソードと
ノート７に接続されたアノードを有している。電界効果
トランジスタ１６は、ノード７に接続されたソース、抵
抗１７を介して駆動ノード６に接続されたドレイン、お
よび抵抗１Ｂを介して制御入力端子５に接続されたゲー
トを有している。ツェナー・ダイオード１９は、ノード
７に接続されたアノードおよび電界効果トランジスタ１
６のゲートに接続されたカソードを有している。

ツェナー・ダイオード１９は、ゲートおよびソース両端
の電圧を負の方向のベース−エミッタ電圧（Ｖｂｏ）に
、および正の方向のこのツェナー降伏電圧に制限するこ
とによって、電界効果］ヘランジスタ１６のゲート酸化
膜の保護を行う。

電界効果トランジスタ２４は、給電端子２に接続された
ソース、制御入力端子５に接続されたゲート、および抵
抗２２を介してツェナー・ダイオード２１のカソードと
ダイオード２３のカソードの両方に接続され、ざらにダ
イオード２３のアノードに接続されたドレインを有して
いる。ツェナー・ダイオード２１は、駆動ノード６に接
続された７ノードを有している。ダイオード２５は、給
電端子２に接続されたアノード、および抵抗２６を介し
て負荷端子３に接続されたカソードを有している。電界
効果トランジスタ２７は、駆動電圧端子４に接続された
ソース、ダイオード２５のカソードに接続されたゲート
、および抵抗２８を介して駆動ノード６に接続されたド
レインを有している。

チャージ・ポンプ回路２９は、駆動電圧端子４と制御入
力端子５の間に接続されている。チャージ・ポンプは、
チＸ７−ジ・ポンプに供給する電圧よりも高いチャージ
・ポンプ電圧を発生させるために、電圧上昇技術を使用
する回路でおる。チＸ・−ジ・ポンプ回路２９は、駆動
電圧端子４でチャージ・ポンプ電圧を使用可能とし、こ
の場合、電界効果トランジスタ２７がオンのとき、チャ
ージ・ポンプ電圧の大きさは、正の供給電圧の大きさ以
上の電位に充電され、駆動電圧の大きさはチャージ・ポ
ンプ電圧の大きざと実質的に等しくなる。

電力用電界効果トランジスタ８はＮ−チャンネルのデバ
イスであるから、チャージ・ポンプ回路２９を使用する
ことが望ましい。これによって、電力用電界効果トラン
ジスタ８のゲート電位は、そのソースおよびドレイン電
位以上のおる電位に上界し、そのチＰンネルのｒｄｓｏ
ｎを減少させると共に、そのデバイスのソースおよびド
レイン端子両端に発生する電圧を最小にする。制御入力
端子５の制御電圧がローの場合、チャージ・ポンプ回路
２９はイネーブル（ｅｎａｂｌｅ）され（出力は低イン
ピーダンスの状態となり、チャージ・ポンプの電圧は正
となる）、制御電圧がハイの場合、チャージ・ポンプ回
路２９はディセーブル（ｄｉｓａｂｌｅ）される（出力
は高インピーダンスの状態となり、チャージ・ポンプの
電圧はゼロとなる）。

制御電圧がローでチャージ・ポンプ回路２９がイネーブ
ルされた場合、電界効果トランジスタ２７はその導通状
態におり、これによって駆動電圧をチャージ・ポンプ電
圧および抵抗２８と電界効果トランジスタ８と関連する
ゲート静電容量のＲＣ時間定数によって決められた速度
で上昇させる。電界効果トランジスタ２７は、チャージ
・ポンプ２９がイネーブルされている間、その導通状態
を保持する。その理由はそのソース電位がゲート電位以
上に上昇するチャージ・ポンプ電圧であるからである。

電界効果トランジスタ１６および２４はその非導通状態
にあり、駆動電圧およびチャージ・ポンプ回路２９を給
電端子２および負荷端子３から分離する。駆動電圧がＮ
−チャンネルのしきい値電圧以上に上昇するにつれて、
電力用電界効果トランジスタ８は導通して負荷電流を負
荷９に供給する。電力用電界効果トランジスタ８のソー
スおよびドレイン間の電圧降下は無視できる程度である
から、負荷端子３における負荷電圧は正の供給電圧にほ
ぼ等しい。

電力用電界効果トランジスタ８を一度導通状懇に保持す
るためには、そのソースを正の供給電圧にほぼ等しく、
ゲートにおける駆動電圧を少なくともソース以上のしき
い値電圧まで引き上げなければならない。これがチャー
ジ・ポンプ回路２９を使用する目的である。電力用電界
効果トランジスタ８の代わりにＰ−ヂャンネル電界効果
トランジスタを使用する電力用電界効果トランジスタ駆
動回路を製作することが可能である。Ｐ−チャンネルの
電界効果トランジスタを使用すると、チャージ・ポンプ
回路２９の必要がなくなる。Ｐ−チャンネル・デバイス
のソースがより正の電位となるに従って、このデバイス
は、ゲートにおける電圧が少なくともソース電位以下の
１つのしきい値電圧である限り、オンされたままとなる
。しかし、Ｎ−チャンネル電力用電界効果トランジスタ
８は、−殻内に所定領域のシリコンに対してＰ−チャン
ネル電力用電界効果トランジスタよりも優れた性能を発
揮する。

駆動電圧がこのピークの値に達したときＨ側駆動回路は
安定状態となり、一定の負荷電流が負荷９へ供給可能と
なる。もし負荷端子３が意思に反してシャーシのアース
端子１１または、給電端子２のＶｓｓと短絡すると、駆
動電圧の全電位が電力用電界効果トランジスタ８のゲー
トとソースの両端に現れる。ツェナー・ダイオード１５
は、電力用電界効果トランジスタ８のゲートおよびソー
ス両端の電圧をそのツェナー降伏電圧に制限し、ゲート
酸化膜を高電圧による破壊から保護する。

制御電圧がハイになると、チャージ・ポンプ回路２９が
ディセーブルされ、そのソースがゼロ電位となるので、
電界効果トランジスタ２７がオフされる。電界効果トラ
ンジスタ２４がオンとなり、これによって駆動電圧を抵
抗２２と電力用電界効果トランジスタ８のゲート静電容
量で定まるＲＣ時定数によって限定される速度で給電端
子２に放電させる。駆動電圧がＶｓに対して放電するに
したがって、電力用電界効果トランジスタ８は負荷電流
を負荷９に供給することを中断する。

もし負荷９が分数馬力直流電動機またはその他の誘導負
荷であれば、負荷電流の流れが停止するとぎ、負の負荷
電圧が現れる。これはキックパック（ｋｉｃｋｂａｃｋ
）として知られる誘導子内の崩壊フィールドの影響で必
る。電力用電界効果トランジスタ８はオンにターン・バ
ックすることを妨げられるが、この理由は、負荷電圧が
制御電圧以下のＮ−チャンネルしきい値電圧に到達した
場合、電界効果トランジスタ１６がオンし、電界効果ト
ランジスタ８のゲートをそのソースに事実上短絡させる
からでおる。ダイオード２５は、電界効果トランジスタ
２７のゲート電圧がＶｂｏよりも負にになることを制限
し、これをオフ状態に保持し、チャージ・ポンプ回路２
９が給電端子２および負荷端子３から分離された状態を
維持する。ツェナー・ダイオード２１のツェナー降伏よ
りもさらに負である負荷電圧は、電界効果トランジスタ
１６、抵抗１７、ツェナー・ダイオード２１およびダイ
オード２３を介して給電端子２に放電する。もし負荷電
圧がＶｂｏとツェナー・ダイオード２１のツェナー降伏
電圧よりも小さいＮ−チャンネルしぎい値電圧の合計以
上に負になれば、電力用電界効果１〜ランジスタ８は速
やかにオンに戻って、負荷電圧を給電端子１に放電する
。負荷電圧が放電されたとぎ、電力用電界効果トランジ
スタ８はオフし１−１側駆動回路はオフの安定した状態
となる。

分数馬力直流電動機の誘導巻線に蓄積されたエネルギー
によって、またはシステム・ノイズによって正または負
の電圧のスパイクが負荷端子に坦れる場合がある。オフ
の安定した状態の条件にある間、正の電圧のスパイクは
、ツェナー・ダイオード１５の動作によって電力用電界
効果トランジスタ８のゲー１〜において１ｖｂｏの電圧
に制限される。負荷端子３に現れる少なくとも制御電圧
以下のしきい値電圧である負の電圧のスパイクによって
、電界効果トランジスタ１６かオンし、これによって電
力用電界効果トランジスタ８が負荷端子３へ意に反して
電流を流さないことを保障する。

また、もし給電端子２の接続が破壊すれば、制御電圧は
供給電圧１に対して遊離し、ここで電力用電界効果トラ
ンジスタ８をオフに保持するが、この理由は、電界効果
トランジスタが導通して電力用電界効果ｉ・ランジスタ
８のゲー１〜をそのソースニ対してショートした状態に
保持するからである。

電力用電界効果トランジスタ駆動回路が第２図に示され
ているが、これはＬ副駆動回路として構成されている。

Ｌ副駆動回路を実行するためには、１」側駆動回路に比
べて変更が２つだけ必要である。

これらの変更には、負荷端子３をシャーシのアース端子
１１に接続することと、・給電端子１と電力用電界効果
トランジスタ８のドレインのドレインおよびダイオード
１２のアノードとの間に負荷９を接続することが含まれ
ている。制御電圧がローの場合に負荷電流は、負荷９に
供給可能であり、制御電圧がハイの場合に既述のように
負荷電流は遮断される。この構成では、電力用電界効果
トランジスタ８のソースかシャーシのアース端子１１に
接続されているので、チャージ・ポンプ回路２９を使用
することは強制されていない。しかし、チャージ・ポン
プ回路は、電力用電界効果トランジスタ８のゲートを他
に可能となるよりもより高い電位に駆動することによっ
て改善された特性を有する回路を提供する。

電力用電界効果トランジスタ駆動回路は、分数馬力直流
電動機を１方向に回転するために必要とする用途に限定
されるものではない。例えば、これらの４つの回路が「
ト１」形スイッチの駆動回路を構成するために共に使用
されることが可能であり、これによって、「ト１」形ス
イッチに特別の保護を与えることができる。ざらに、電
力用電界効果トランジスタ駆動回路は抵抗性、容量性、
誘導性またはこれらのある種の組合わゼである高電流駆
動と高電力消費を必要とするその他の負荷に対して駆動
を行うことか可能である。さらに、電力用電界効果１〜
ランジスタ駆動回路は、制御電圧かディジタル・ロジッ
ク・レベルで動作するので、負荷電流を制御するための
ＭＯＳマイクロプロセッ丈回路と容易にインターフェー
スすることか可能である。

（発明の効果） 以上述べたように、大きな電流駆動能力を与えながら、
同時に負または正の過電圧から電力用電界効果トランジ
スタを保護し、ざらに電源の変動あるいは、誤配線また
は振動などによるアースターミナルの不良による疑似動
作を防止する電界効果１ヘランジスタ駆動回路が提供さ
れることが理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例でおる回路図である。 第２図は、本発明の第２実施例である回路図である。 １・・・給電端子、３・・・負荷端子、４・・・駆動電
圧端子、５・・・制御入力端子、６・・・駆動ノード、
７・・・ノード、８．１６．２４．２７・・・電界効果
トランジスタ、９・・・負荷、１１・・・シト−シ・ア
ース端子、１２．１４．２５・・・ダイオード、１３．
１５．１９．２１・・・ツェナー・ダイオード、２９・
・・チャージ・ポンプ回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、負荷端子と、 第１給電端子と、 第２給電端子と、 駆動電圧を受電するための駆動電圧端子と、前記第１給
   電端子と前記負荷端子との間および前記駆動電圧端子に
   接続され、前記駆動電圧に応答して前記負荷端子に駆動
   電圧値に依存する大きさの電流を供給する第１手段と、 前記第２給電端子と前記駆動電圧端子との間および前記
   負荷端子に接続される第２手段であって、前記負荷端子
   の電圧値が前記第２給電端子の電圧値よりも小さい場合
   、または前記第２給電端子が前記第２手段から外れた場
   合、前記第１手段が電流を供給するのを阻止する第２手
   段とから構成されることを特徴とする電力用電界効果ト
   ランジスタ駆動回路。２、前記第２手段は、駆動電圧の
   大きさおよび変化の速度を制御することを特徴とする請
   求項１記載の電力用電界効果トランジスタ駆動回路。 ３、前記第２手段は、前記第１および第２給電端子での
   あらかじめ定める大きさを超える電圧によって前記第１
   手段が破壊されるのを防止することを特徴とする請求項
   １記載の電力用電界効果トランジスタ駆動回路。 ４、前記駆動電圧端子にチャージ・ポンプ電圧を選択的
   に印加するチャージ・ポンプ手段を含み、チャージ・ポ
   ンプ電圧値は正の供給電圧値よりも大きいことを特徴と
   する請求項１記載の電力用電界効果トランジスタ駆動回
   路。 ５、負荷端子と、 第１給電端子と、 第２給電端子と、 駆動電圧を受電するための駆動電圧端子と、制御電圧を
   受電するための制御入力端子と、第１抵抗と、 第２抵抗と、 前記第１給電端子と前記負荷端子との間および前記の駆
   動電圧端子に接続され、前記負荷端子に駆動電圧値に依
   存する電流を供給する第１手段と、前記負荷端子に接続
   されるソースと、前記制御入力端子に接続されるゲート
   と、前記第１抵抗によって前記駆動電圧端子に接続され
   るドレインとを有する第１電界効果トランジスタと、 前記第２給電端子に接続されるソースと、前記制御入力
   端子に接続されるゲートと、ドレインとを有する第２電
   界効果トランジスタと、 前記第２抵抗によって前記第２電界効果トランジスタの
   ドレインに接続されると共に前記駆動電圧端子に接続さ
   れ、ドレイン電圧値が第２給電端子の電圧値よりも大き
   い場合、前記第２電界効果トランジスタのドレインにド
   レイン電圧を印加し、ドレイン電圧が第２給電端子の電
   圧より小さいあらかじめ定める値に達するまで、前記第
   ２電界効果トランジスタのドレインからのドレイン電圧
   を阻止する第２手段と、 前記第２手段と前記第２電界効果トランジスタのドレイ
   ンの間に接続され、負荷電圧値が前記第２給電端子の電
   圧値より小さい場合、前記第２抵抗の両端に発生する負
   荷電圧の一部を制限する第３手段とから構成されること
   を特徴とする電力用電界効果トランジスタ駆動回路。