アクティブクランプ回路
【課題】アクティブクランプ動作期間を短縮するとともにＥＳＤ耐量を向上させたアクティブクランプ回路を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、第１のスイッチ素子と、第１のダイオードと、第１の抵抗と、第１および第２の制御回路と、を備えたことを特徴とするアクティブクランプ回路が提供される。前記第１のダイオードは、前記第１のスイッチ素子の両端にかかる過電圧によりブレークダウンする。前記第１の抵抗は、前記第１のダイオードの電流を検出する。前記第１の制御回路は、前記第１の抵抗の両端の電圧を増幅して前記第１のスイッチ素子の電流を制御する。前記第２の制御回路は、前記第１の抵抗の両端の電圧に応じて前記第１のスイッチ素子の導通を制御する。
【解決手段】実施形態によれば、第１のスイッチ素子と、第１のダイオードと、第１の抵抗と、第１および第２の制御回路と、を備えたことを特徴とするアクティブクランプ回路が提供される。前記第１のダイオードは、前記第１のスイッチ素子の両端にかかる過電圧によりブレークダウンする。前記第１の抵抗は、前記第１のダイオードの電流を検出する。前記第１の制御回路は、前記第１の抵抗の両端の電圧を増幅して前記第１のスイッチ素子の電流を制御する。前記第２の制御回路は、前記第１の抵抗の両端の電圧に応じて前記第１のスイッチ素子の導通を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、アクティブクランプ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁弁やモータなどの誘導性負荷をオンまたはオフに駆動する場合、オフ時に誘導性負荷に蓄積されたエネルギーにより誘起電圧が発生する。この誘起電圧によりスイッチ素子などが破壊されることを防止するために、誘起電圧を規定値にクランプして誘導性負荷に蓄積されたエネルギーを吸収するアクティブクランプ回路が用いられる。
【０００３】
しかし、クランプ電圧は、アクティブクランプ回路を流れる電流の大きさに依存し、クランプ動作の開始時は高く、時間の経過とともに減少する。また、例えばツェナーダイオードをブレークダウンさせてクランプする場合、クランプ電圧は、ツェナーダイオードの電流・電圧特性などのばらつきにより変化する。
【０００４】
アクティブクランプ動作期間は、誘導性負荷を駆動できない無駄時間となるため、短い方が望ましい。
【０００５】
更に、アクティブクランプ回路に電源電圧が供給されていないときは、アクティブクランプ回路が動作しないので、ＥＳＤ（Electric Static Discharge）によりスイッチ素子などが破壊されるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２８９３号公報
【特許文献２】特開２００８−３５０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、アクティブクランプ動作期間を短縮するとともにＥＳＤ耐量を向上させたアクティブクランプ回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一つの実施形態によれば、アクティブクランプ回路は、第１のスイッチ素子と、第１のダイオードと、第１の抵抗と、第１および第２の制御回路を備えている。前記第１のダイオードは、前記第１のスイッチ素子の両端にかかる過電圧によりブレークダウンする。前記第１の抵抗は、前記第１のダイオードの電流を検出する。前記第１の制御回路は、前記第１の抵抗の両端の電圧を増幅して前記第１のスイッチ素子の電流を制御する。前記第２の制御回路は、前記第１の抵抗の両端の電圧に応じて前記第１のスイッチ素子の導通を制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１に係るアクティブクランプ回路を含む駆動回路の構成を示す回路図。
【図２】実施例１に係るアクティブクランプ回路の動作を示すタイミングチャート。
【図３】実施例１に係る比較例のアクティブクランプ回路の動作を示すタイミングチャート。
【図４】実施例１に係るアクティブクランプ回路の別の動作を示すタイミングチャート。
【図５】実施例２に係るアクティブクランプ回路を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
本実施例に係るアクティブクランプ回路について、図１乃至図４を参照して説明する。図１は本実施例のアクティブクランプ回路を示す回路図、図２はアクティブクランプ回路の動作を示すタイミングチャート、図３は比較例のアクティブクランプ回路の動作を示すタイミングチャート、図４はアクティブクランプ回路の別の動作を示すタイミングチャートである。
【００１２】
図１は、第１の実施形態に係るアクティブクランプ回路を含む駆動回路の構成を例示する回路図である。図１においては、アクティブクランプ回路１を駆動回路２に適用した場合の構成を例示している。
【００１３】
図２（ａ）は制御信号Ｉｎ、図２（ｂ）は駆動信号Ｄｒｖ２、図２（ｃ）は駆動信号Ｄｒｖ１、図２（ｄ）は第１のスイッチ素子の電流Ｉｄ、図２（ｅ）は第１のスイッチ素子の両端の電圧Ｏｕｔを示している。
【００１４】
アクティブクランプ回路１は、制御信号Ｉｎのレベルにより第１のスイッチ素子Ｍ１をオンまたはオフに切り換える。また、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端にかかる過電圧により第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンし、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは規定値のクランプ電圧にクランプされる。第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１は、第１の抵抗Ｒ１で検出される。第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１は、制御回路３（第１の制御回路）で増幅されて、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄが制御される。
【００１５】
更に、アクティブクランプ回路１は、電源電圧Ｖｄｄが印加されていないときまたはＧｎｄ電位に接地されているときに、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端にサージが印加された場合、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１に応じて制御回路５（第２の制御回路）であるダイオードＤｆ１１（第２のダイオード）を介して、第１のスイッチ素子Ｍ１をオンさせるように構成されている。
【００１６】
第１のスイッチ素子Ｍ１は、Ｎチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ（以下、ＮＭＯＳ）で構成される。
【００１７】
第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートには、抵抗Ｒ４、及びインバータＩｎｖ１、Ｉｎｖ２を介して制御信号Ｉｎが入力される。インバータＩｎｖ１は制御信号Ｉｎを反転した駆動信号Ｄｒｖ２を出力する。インバータＩｎｖ２は、駆動信号Ｄｒｖ２を反転した駆動信号Ｄｒｖ１を出力する。駆動信号Ｄｒｖ１は制御信号Ｉｎと同相である。駆動信号Ｄｒｖ１は、抵抗Ｒ４を介して第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに入力される。第１のスイッチ素子Ｍ１は、制御信号Ｉｎのレベルに応じてオンまたはオフに切りかわる。
【００１８】
第１のスイッチ素子Ｍ１のドレインに第１のダイオードＤｚ１のカソードが接続される。第１のダイオードＤｚ１のアノードにダイオードＤｆ１（第４のダイオード）のアノードが接続され、ダイオードＤｆ１のカソードは第１の抵抗Ｒ１の一端に接続される。第１の抵抗Ｒ１の他端は、接地Ｇｎｄに接続される。
【００１９】
第１のダイオードＤｚ１は、過電圧によりブレークダウンする。そのため、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧は、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンする電圧にクランプされる。そのとき、第１のダイオードＤｚ１には、電流Ｉｚ１が流れる。
【００２０】
第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンする電圧をＶｚ１、ダイオードＤｆ１の順方向電圧をＶｆ１、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧をＶｒ１とすると、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔがクランプされる電圧Ｖｃｌａｍｐは、Ｖｚ１＋Ｖｆ１＋Ｖｒ１となる。
【００２１】
第１のダイオードＤｚ１は、例えばツェナーダイオードにより構成される。図１においては、第１のダイオードＤｚ１として、１つのツェナーダイオードによる構成を例示している。しかし、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔをクランプする電圧に応じて、任意数のツェナーダイオードを直列に接続して構成することもできる。
【００２２】
また、ダイオードＤｆ１は、第１のダイオードＤｚ１の温度補償および第１のスイッチ素子Ｍ１がオンした時の逆流防止のために用いられる。
【００２３】
第１の抵抗Ｒ１は、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンしたときに流れる電流Ｉｚ１を検出する。すなわち、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンしたとき、第１の抵抗Ｒ１には電流Ｉｚ１が流れ、第１の抵抗Ｒ１の両端に電圧Ｖｒ１が出力される。
【００２４】
制御回路３は、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を増幅して電流を出力する増幅回路Ｎ２と、増幅回路Ｎ２の出力電流を入力して第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄを制御するカレントミラー４とを有する。
【００２５】
増幅回路Ｎ２は、ｎｐｎトランジスタで構成される。増幅回路Ｎ２のベースには、抵抗Ｒ３を介して第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１が入力される。抵抗Ｒ３は、増幅回路Ｎ２のベースに入力される電圧を遅延させて、タイミングを調整するために挿入されている。
【００２６】
また、第１の抵抗Ｒ１の両端の間には、増幅回路Ｎ２のベース・エミッタ間を保護するためにダイオードＤｆ２、Ｄｆ３（第３のダイオード）が接続されている。ダイオードＤｆ２、Ｄｆ３により第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１は、Ｖｆ２＋Ｖｆ３以下に抑制される。ここで、Ｖｆ２、Ｖｆ３は、それぞれダイオードＤｆ２、Ｄｆ３の順方向電圧である。ただし、増幅回路Ｎ２のベース・エミッタ間電圧をＶｂｅＮ２、抵抗Ｒ３の両端の電圧をＶｒ３とすると、Ｖｆ２＋Ｖｆ３＞Ｖｒ３＋ＶｂｅＮ２を満たす必要がある。
【００２７】
増幅回路Ｎ２のコレクタは、カレントミラー４の基準側に接続される。カレントミラー４の出力側は、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに接続される。増幅回路Ｎ２の出力電流は、カレントミラー４により折り返され、第１のスイッチ素子Ｍ１を制御する。
【００２８】
カレントミラー４は、抵抗Ｒ５〜Ｒ７、トランジスタＰ１〜Ｐ３で構成されている。トランジスタＰ１〜Ｐ３は、ｐｎｐトランジスタである。トランジスタＰ１のエミッタには、抵抗Ｒ５を介して電源電圧Ｖｄｄが供給される。トランジスタＰ２のエミッタには、抵抗Ｒ６を介して電源電圧Ｖｄｄが供給される。トランジスタＰ１、Ｐ２のそれぞれのベースには、抵抗Ｒ７を介して電源電圧Ｖｄｄが供給される。
【００２９】
また、トランジスタＰ３のコレクタは、トランジスタＰ１、Ｐ２のベースに接続される。トランジスタＰ３のベースはトランジスタＰ１のコレクタに接続され、トランジスタＰ３のコレクタは接地Ｇｎｄに接続される。
【００３０】
トランジスタＰ１のコレクタ及びトランジスタＰ３のベースは、カレントミラー４の基準側として、増幅回路Ｎ２のコレクタに接続される。トランジスタＰ２のコレクタは、出力側として第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに接続される。
【００３１】
さらに、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートと接地との間に第２のスイッチ素子Ｍ２が接続される。第２のスイッチ素子Ｍ２のゲートは、インバータＩｎｖ１の出力に接続される。第２のスイッチ素子Ｍ２のゲートには、制御信号Ｉｎを反転した駆動信号Ｄｒｖ２が入力される。
【００３２】
また、第２のスイッチ素子Ｍ２のゲートと接地Ｇｎｄとの間には、トランジスタＮ１が接続される。トランジスタＮ１はｎｐｎトランジスタである。トランジスタＮ１のコレクタは、第２のスイッチ素子Ｍ２のゲートに接続される。トランジスタＮ１のエミッタは、接地Ｇｎｄに接続される。トランジスタＮ１のベースには、抵抗Ｒ２を介して第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１が入力される。
【００３３】
抵抗Ｒ２は、トランジスタＮ１のベースに入力される電圧を遅延させて、タイミングを調整するために挿入されている。
【００３４】
ダイオードＤｆ２、Ｄｆ３は、トランジスタＮ１も保護している。トランジスタＮ１のベース・エミッタ間電圧をＶｂｅＮ１、抵抗Ｒ２の両端の電圧をＶｒ２とすると、Ｖｆ２＋Ｖｆ３＞Ｖｒ２＋ＶｂｅＮ１を満たす必要がある。
【００３５】
駆動回路２は、誘導性負荷Ｌを上記のアクティブクランプ回路１により駆動する回路である。誘導性負荷Ｌの一端には、電圧Ｖｂａｔが供給され、他端はアクティブクランプ回路１を介して接地Ｇｎｄに接続される。
【００３６】
アクティブクランプ回路１の制御信号Ｉｎのレベルに応じて、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンまたはオフに切り替わり、誘導性負荷Ｌを流れる電流が制御される。この誘導性負荷Ｌを流れる電流は、アクティブクランプ回路１の第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄと、第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１と、の合成電流である。
【００３７】
図２は、図１に表したアクティブクランプ回路の主要な信号の波形図であり、（ａ）は制御信号Ｉｎ、（ｂ）は駆動信号Ｄｒｖ２、（ｃ）は駆動信号Ｄｒｖ１、（ｄ）は第１のスイッチ素子の電流Ｉｄ、（ｅ）は第１のスイッチ素子の両端の電圧Ｏｕｔである。
【００３８】
図２においては、アクティブクランプ回路１の制御信号Ｉｎとして、ハイレベルとローレベルとに変化する矩形波が入力されたときの主要な信号の波形図を模式的に表している。
【００３９】
次に、図１、図２（ａ）〜図２（ｅ）を参照しつつ、アクティブクランプ回路１の動作について説明する。
【００４０】
図２（ａ）、図２（ｃ）に表したように、制御信号Ｉｎがハイレベルのとき、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに入力される駆動信号Ｄｒｖ１は、ハイレベルである。また、第２のスイッチ素子Ｍ２のゲートに入力される駆動信号Ｄｒｖ２は、ローレベルである（図２（ｂ））。第２のスイッチ素子Ｍ２はオフの状態になる。また、第１のスイッチ素子Ｍ１は、オンの状態になり、第１のスイッチ素子Ｍ１には電流Ｉｄが流れる（図２（ｄ））。また、誘導性負荷Ｌには、電圧Ｖｂａｔが供給され、電流が流れる。誘導性負荷Ｌは駆動される。第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは、ほぼ０Ｖになる（図２（ｅ））。
【００４１】
制御信号Ｉｎがハイレベルからローレベルに切り替わると（図２（ａ））、駆動信号Ｄｒｖ１はローレベルになる（図２（ｃ））。駆動信号Ｄｒｖ２はハイレベルになり（図２（ｂ））、第２のスイッチ素子Ｍ２はオンの状態になる。また、第１のスイッチ素子Ｍ１は、オフの状態になり、誘導性負荷Ｌには、誘起電圧が発生する。
【００４２】
第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔが、規定値を超えたとき、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンする。第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは、第１のダイオードＤｚ１のブレークダウンにより、次式に示すクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐにクランプされる（図２（ｅ））。
【００４３】
Ｖｃｌａｍｐ＝Ｖｚ１＋Ｖｆ１＋Ｖｒ１ （１）
第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１は第１の抵抗Ｒ１により検出され、第１の抵抗Ｒ１の両端に電流Ｉｚ１に応じた電圧を発生する。
【００４４】
第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１は、増幅回路Ｎ２で増幅され、その出力電流は、カレントミラー４で折り返されて、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに入力される。第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄは、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧を増幅する制御回路３により制御される。
【００４５】
第１のスイッチ素子Ｍ１がオンからオフに切り替わったとき、誘導性負荷Ｌによる誘起電圧のため、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは上昇する。誘導性負荷Ｌによる誘起電圧は、誘導性負荷Ｌの電流の時間に対する変化率と、誘導性負荷Ｌのインダクタンスとの積に比例する。
【００４６】
第１のスイッチ素子Ｍ１がオンからオフに切り替わった直後、誘導性負荷Ｌの電流が急変するため、誘導性負荷Ｌにより高い誘起電圧が発生する。そのため、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンした直後の電流Ｉｚ１は大きく、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧も高くなる。
【００４７】
また、誘導性負荷Ｌの電流は、誘導性負荷Ｌに蓄積されたエネルギーにより流れる。そのため、誘導性負荷Ｌの電流は、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンからオフに切り替わってからの時間経過とともに、減少する（図２（ｄ））。
【００４８】
制御回路３においては、第１の抵抗Ｒ１の両端の間にダイオードＤｆ２、Ｄｆ３が接続されている。そのため、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１は、ダイオードＤｆ２、Ｄｆ３の順方向電圧Ｖｆ２＋Ｖｆ３に抑制される。制御回路３は、この抑制された電圧を増幅して第１のスイッチ素子Ｍ１を制御するため、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンした直後に流れる第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄも抑制される。
【００４９】
また、制御回路３は、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を増幅して第１のスイッチ素子Ｍ１を制御している。そのため、第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１が減少しても、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄを制御することができる。
【００５０】
このように、制御回路３においては、誘導性負荷Ｌの、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンからオフに切り替わった直後の誘導性負荷Ｌの電流の急変を抑制し、さらに、誘導性負荷Ｌの電流の減少率を抑制する。
【００５１】
従って、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンからオフに切り替わった直後の誘導性負荷Ｌの誘起電圧の急上昇を抑制し、さらに、時間の経過とともに減少する誘起電圧の減少率を抑制することができる（図２（ｅ））。
【００５２】
誘導性負荷Ｌに蓄積されたエネルギーが消費されると、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄは０になる（図２（ｄ））。誘起電圧も０になり、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは、誘導性負荷Ｌに供給された電圧Ｖｂａｔになる（図２（ｅ））。
【００５３】
このように、アクティブクランプ回路１においては、制御回路３により、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を増幅して、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄを制御しているため、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐの減少を抑制して一定値にすることができる。
【００５４】
そのため、第１のスイッチ素子Ｍ１に電流Ｉｄが流れている、アクティブクランプ動作期間を減少することができる。
【００５５】
アクティブクランプ回路１の制御回路３の作用については、制御回路３が無い場合の動作を考えることにより、さらに詳細に理解することができる。
【００５６】
図３は、制御回路が無い場合のアクティブクランプ回路の主要な信号の波形図であり、（ａ）は制御信号Ｉｎ、（ｂ）は第１のスイッチ素子の電流Ｉｄ、（ｃ）は第１のスイッチ素子の両端の電圧Ｏｕｔである。
【００５７】
図３（ａ）〜図３（ｃ）においては、図１に表したアクティブクランプ回路１の制御回路３を取り去り、第１のスイッチ素子Ｍ１を第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧により制御した場合の波形を模式的に表している。
【００５８】
図３（ａ）〜図３（ｃ）に表したように、制御信号Ｉｎがハイレベルのときの第１のスイッチ素子の電流Ｉｄ、第１のスイッチ素子の両端の電圧Ｏｕｔは、それぞれ図２（ｄ）、図２（ｅ）と同様である。
【００５９】
制御信号Ｉｎがハイレベルからローレベルに切り替わると、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンする。第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは、クランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）にクランプされる（図３（ｃ））。
【００６０】
制御回路３が無い場合、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンした直後のクランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）は、第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１が大きいため高い。
【００６１】
誘導性負荷Ｌに蓄積されたエネルギーの消費にともない、誘導性負荷Ｌの電流は減少し、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄが減少する（図３（ｂ））。第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１も減少し、クランプ電圧も減少していく（図３ｃ））。
【００６２】
第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄが０になってアクティブクランプ動作が終了すると（図３（ｂ））、第１の両端の電圧Ｏｕｔのクランプが解除され、第１の両端の電圧Ｏｕｔは誘導性負荷Ｌに供給された電圧Ｖｂａｔになる（図３（ｃ））。
【００６３】
アクティブクランプ動作が終了する直前のクランプ電圧（ｆｉｎａｌ）は、アクティブクランプ動作の開始時のクランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）と比較して低電圧になっている。
【００６４】
アクティブクランプ動作期間は、誘導性負荷Ｌに蓄積されたエネルギーを消費する期間であり、誘導性負荷Ｌの電流、クランプ電圧で決まる。アクティブクランプ動作期間を短くするためには、誘導性負荷Ｌの電流を大きくし、クランプ電圧を高くする必要がある。
【００６５】
上記のとおり、アクティブクランプ動作の開始時のクランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）は高くなる。また、第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１は大きくなるため、第１のダイオードＤｚ１の特性、例えば電圧に対する電流特性などのばらつきによるクランプ電圧の変動も大きくなる。
【００６６】
そのため、制御回路３が無い場合に、アクティブクランプ動作の開始時のクランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）を耐圧などで制限された値に設定すると、アクティブクランプ動作の終了直前のクランプ電圧（ｆｉｎａｌ）は低い値になってしまう。
【００６７】
このように、制御回路３が無い場合、アクティブクランプ動作期間は、クランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）で制限され、短くすることができない。
【００６８】
これに対して、第１の実施形態に係るアクティブクランプ回路１においては、制御回路３により、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐの低下を抑制して、一定にできる。また、第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１を小さくできるため、第１のダイオードＤｚ１の特性のばらつきによるクランプ電圧の変動を小さくできる。
【００６９】
従って、アクティブクランプ回路１によれば、アクティブクランプ動作期間を短縮することができる。
【００７０】
次に、アクティブクランプ回路１に電源電圧Ｖｄｄが供給されていないときまたはＧｎｄ電位に接地されているときの動作について説明する。
【００７１】
アクティブクランプ回路１に電源電圧Ｖｄｄが供給されていないときとは、半導体基板にモノリシックに形成されたアクティブクランプ回路１がオンウェーハ状態のとき、アクティブクランプ回路１が形成された半導体チップをパッケージに組み込み中のとき、パッケージに組み立てられたアクティブクランプ回路１を回路基板に実装中のときなどがある。
【００７２】
アクティブクランプ回路１は、電源電圧Ｖｄｄが供給されていないとき、即ち電源電圧端子がオープンのときは、インバータＩｎｖ１から抵抗Ｒ２、Ｒ３までの回路が第１のスイッチ素子Ｍ１からダイオードＤｆ２、Ｄｆ３までの回路と電気的に切り離された状態になり、動作しない。
【００７３】
このとき、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端にサージが印加された場合、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンして電流Ｉｚ１が流れて第１の抵抗Ｒ１の両端に電圧Ｖｒ１が発生する。
【００７４】
電圧Ｖｒ１はＶｆ２＋Ｖｆ３でクランプされるが、サージを逃がす経路がない場合、第１のスイッチ素子Ｍ１のドレイン電圧はさらに上昇する。それにより、ドレイン・ソース間耐圧を越えて第１のスイッチ素子Ｍ１が破壊される現象が生じる。
【００７５】
図４は電源電圧Ｖｄｄが供給されていないときのアクティブクランプ回路１の動作を示すタイミングチャートである。図４（ａ）は第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔ、図４（ｂ）は第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート電圧Ｖｇ１を示している。
【００７６】
図４に示すように、時間ｔ１でサージが第１のスイッチ素子Ｍ１の両端に印加されたとする。第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔはサージ電圧に従って上昇する。
【００７７】
時間ｔ２で第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔが第１のダイオードＤｚ１のブレークダウン電圧Ｖｚ１とダイオードＤｆ１の順方向電圧Ｖｆ１の和（Ｖｚ１＋Ｖｆ１）になると、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンし、電流Ｉｚ１が流れる。電流Ｉｚ１は第１の抵抗Ｒ１に流れ、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を発生させる。
【００７８】
第１のダイオードＤｚ１のブレークダウンにより、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧ＯｕｔはＶｚ１＋Ｖｆ１＋Ｖｒ１になる。
【００７９】
電流Ｉｚ１はサージ電圧に従って増加するので、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１は電流Ｉｚ１に応じて増加する。第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１がダイオードＤｆ１１の順方向電圧Ｖｆ１１より大きくなると、ダイオードＤｆ１１が導通し、ダイオードＤｆ１１を流れる電流Ｉｚ２により第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート容量が充電され、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート電圧Ｖｇ１が上昇する。
【００８０】
時間ｔ３で第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１がダイオードＤｆ１１の順方向電圧Ｖｆ１１と第１のスイッチ素子Ｍ１のしきい値Ｖｔｈ１の和（Ｖｆ１１＋Ｖｔｈ１）より大きくなると、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンになり、サージを接地Ｇｎｄに逃がすことが可能である。このとき、Ｖｃｌａｍｐ＝Ｖｚ１＋Ｖｆ１＋Ｖｒ１、且つ、Ｖｒ１≧Ｖｆ１１＋Ｖｔｈ１である。
【００８１】
従って、サージにより、制御回路３が損傷を受けるのを未然に防止することができる。第１のスイッチ素子Ｍの両端の電圧Ｏｕｔが第１のスイッチ素子Ｍ１のドレイン・ソース間耐圧Ｖｄｓｍａｘを越えることで、第１のスイッチ素子Ｍ１が破壊される現象を未然に防止することができる。
【００８２】
第１の抵抗Ｒ１にはダイオードＤｆ２、Ｄｆ３の直列回路が並列接続されているので、Ｖｆ２＋Ｖｆ３＞Ｖｒ１＞Ｖｔｈ１＋Ｖｆ１１の関係を満たす必要がある。
【００８３】
サージを接地Ｇｎｄに逃がした後は、第１のスイッチ素子Ｍ１が速やかにオフすることが望ましい。
【００８４】
第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートと接地Ｇｎｄの間に接続された抵抗Ｒ８は、第１のスイッチ素子Ｍ１をオフするため、または電源電圧Ｖｄｄが供給されていないときに第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート電圧を安定させるためのプルダウン抵抗である。
【００８５】
抵抗Ｒ８により、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート容量に充電されている電荷が速やかに放電されるので、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート電位が低下し第１のスイッチ素子Ｍ１を速やかにオフすることが可能である。
【００８６】
なお、アクティブクランプ回路１に電源電圧Ｖｄｄが供給されているときは、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１がダイオードＤｆ１１の順方向電圧Ｖｆ１１と第１のスイッチ素子Ｍ１のしきい値Ｖｔｈ１より大きくなることはなく、ダイオードＤｆ１１は動作しない。第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を増幅回路Ｎ２で増幅して、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄを制御しているためである。
【００８７】
抵抗Ｒ８は制御回路３の動作に影響を及ぼすことはなく、特にアクティブクランプ回路１の通常動作に支障をきたす恐れはない。
【００８８】
以上説明したように、本実施例のアクティブクランプ回路１は、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を増幅して第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄを制御する制御回路３を有している。
【００８９】
更に、電源電圧Ｖｄｄが印加されていないときまたはＧｎｄ電位に接地されているときに第１のスイッチ素子Ｍ１の両端にサージが印加された場合、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１に応じて第１のスイッチ素子Ｍ１をオンさせるダイオードＤｆ１１を有している。
【００９０】
その結果、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐの減少を抑制して一定値に保つことができる。電電電圧Ｖｄｄが供給されていないとき、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端に印加されたサージを接地Ｇｎｄに逃がすことができる。
【００９１】
従って、アクティブクランプ動作期間を短縮するとともにＥＳＤ耐量を向上させたアクティブクランプ回路が得られる。
【００９２】
ここでは、カレントミラー４がバイポーラトランジスタと抵抗で構成されているばあいについて説明したが、一対のＰチャネルＭＯＳトランジスタで構成しても構わない。更に、増幅回路Ｎ２のトランジスタ、トランジスタＮ１をＮチャネルＭＯＳトランジスタに置き換えても構わない。ダイオードＤｆ２、Ｄｆ３をツェナーダイオードに置き換えても構わない。同様にアクティブクランプ動作期間を短縮することが可能である。
【００９３】
第２のスイッチ素子Ｍ２のドレインに直列的に抵抗を挿入しても構わない。抵抗は第２のスイッチ素子Ｍ２のターンオンを遅延させる。第１のスイッチ素子Ｍ１のターンオフが遅延し、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄの変化が緩和される。
【００９４】
そして、誘導性負荷Ｌの電流の変化も緩和され、誘起電圧の急変が緩和される。また、誘起電圧の立上がり時に生じる可能性のあるリンギング、及びリンギングによる誘起電圧のピークが低減される。
【００９５】
従って、耐圧などで制限されるクランプ電圧の設定を高くすることができる。第１のスイッチ素子Ｍ１に電流Ｉｄが流れているアクティブクランプ動作期間をさらに減少することができる。
【実施例２】
【００９６】
本実施例に係るアクティブクランプ回路について図５を用いて説明する。図５はアクティブクランプ回路を示す回路図である。
【００９７】
本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、複数のアクティブクランプ電圧を有することにある。
【００９８】
即ち、図５に示すように、アクティブクランプ回路１０は、第１のダイオードＤｚ１とダイオードＤｆ１の間にダイオードＤｚ２が接続されている。ダイオードＤｚ２は、第１のダイオードＤｚ１に対しては順方向に接続され、ダイオードＤｆ１に対しては逆方向に接続されている。ダイオードＤｚ２は、第１のダイオードＤｚ１と同じくツェナーダイオードである。
【００９９】
第１のダイオードＤｚ１とダイオードＤｚ２の接続ノードと接地Ｇｎｄとの間に、ダイオードＤｆ１３（第５のダイオード）、抵抗Ｒ１４、抵抗Ｒ１３が直列に接続されている。
【０１００】
ダイオードＤｆ１とダイオードＤｆ１１の接続ノードと接地Ｇｎｄとの間に、ダイオードＤｆ１２（第５のダイオード）、抵抗Ｒ１２、抵抗Ｒ１１が直列に接続されている。
【０１０１】
抵抗Ｒ３は抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２の接続ノードに接続されている。抵抗Ｒ２は抵抗Ｒ１３と抵抗Ｒ１４の接続ノードに接続されている。
【０１０２】
ダイオードＤｆ１３は第１のダイオードＤｚ１の温度補償のために用いられている。ダイオードＤｆ１２はダイオードＤｆ１とともに第１のダイオードＤｚ１、Ｄｚ２の温度補償および第１のスイッチ素子Ｍ１がオンした時の逆流防止のために用いられている
なお、制御回路３０は、図１に示す制御回路３からダイオードＤｆ２、Ｄｆ３を除いたものであり、その他の構成は制御回路３と同様である。
【０１０３】
第１のスイッチ素子Ｍ１の電圧Ｏｕｔが規定値を超えたとき、第１のダイオードＤｚ１およびダイオードＤｚ２がブレークダウンする。第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１は、ダイオードＤｚ２、Ｄｆ１、Ｄｆ１２、抵抗Ｒ１２、Ｒ１１を通る第１電流路を流れる電流Ｉｚ１ａと、ダイオードＤｆ１３、抵抗Ｒ１４、Ｒ１３を通る第２電流路を流れる電流Ｉｚ１ｂに分流される。
【０１０４】
電流Ｉｚ１ａは抵抗Ｒ１１により検出され、抵抗Ｒ１１の両端に電流Ｉｚ１ａに応じた電圧を発生する。電流Ｉｚ１ｂは抵抗Ｒ１３により検出され、抵抗Ｒ１３の両端に電流Ｉｚ１ｂに応じた電圧を発生する。
【０１０５】
第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは、第１のダイオードＤｚ１およびダイオードＤｚ２のブレークダウンにより、第１のスイッチ素子Ｍ１をオンさせるための第１電流路のアクティブクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐ２、第２電流路のアクティブクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐ３はそれぞれ次式で表わされる。
【０１０６】
Ｖｃｌａｍｐ２＝２Ｖｚ＋２Ｖｆ＋Ｉｚ１ａ（Ｒ１１＋Ｒ１２） （２）
Ｖｃｌａｍｐ３＝Ｖｚ＋Ｖｆ＋Ｉｚ１ｂ（Ｒ１３＋Ｒ１４） （３）
ここで、第１のダイオードＤｚ１、Ｄｚ２のブレークダウン電圧は等しくＶｚであり、ダイオードＤｆ１、Ｄｆ１２、Ｄｆ１３の順方向電圧は等しくＶｆであるとしている。
【０１０７】
抵抗Ｒ１１の両端に発生する電圧は、増幅回路Ｎ２で増幅され、その出力電流はカレントミラー４で折り返されて、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに入力される。増幅回路Ｎ２のトランジスタがオンするのに必要な電流は、Ｉｚ１ａ＝Ｖｂｅ／Ｒ１１で表わされる。
【０１０８】
抵抗Ｒ１３の両端に発生する電圧は、トランジスタＮ１をオンさせ、第２のスイッチ素子Ｍ２をオフさせる。トランジスタＮ１がオンするのに必要な電流は、Ｉｚ１ｂ＝Ｖｂｅ／Ｒ１３で表わされる。
【０１０９】
アクティブクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐ２は次式で表わされる。
Ｖｃｌａｍｐ２＝２Ｖｚ＋２Ｖｆ＋Ｖｂｅ（Ｒ１１＋Ｒ１２）／Ｒ１１ （４）
【０１１０】
アクティブクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐ３は次式で表わされる。
Ｖｃｌａｍｐ３＝Ｖｚ＋Ｖｆ＋Ｖｂｅ（Ｒ１３＋Ｒ１４）／Ｒ１３ （５）
【０１１１】
アクティブクランプ回路１０の電流Ｉｚ１の電流路を第１および第２電流路に分けることにより、第１スイッチ素子Ｍ１をオンさせる電圧Ｖｃｌａｍｐ２と、第２スイッチ素子Ｍ２をオフさせる電圧Ｖｃｌａｍｐ３を個別に設定することができる。
【０１１２】
図１に示すアクティブクランプ回路１では、抵抗Ｒ２、Ｒ３により第１スイッチ素子Ｍ１をオンさせる電圧と、第２スイッチ素子Ｍ２をオフさせる電圧を変えることができるが、ダイオードＤｆ２、Ｄｆ３の抑制電圧で制限される。
【０１１３】
具体的には、抵抗Ｒ２の両端の電圧をＶｒ２、抵抗Ｒ３の両端の電圧をＶｒ３とすると、Ｖｆ２＋Ｖｆ３＞Ｖｒ２＋ＶｂｅＮ１かつＶｆ２＋Ｖｆ３＞Ｖｒ３＋ＶｂｅＮ２を満たす必要がある。第１スイッチ素子Ｍ１をオンさせる電圧と第２スイッチ素子Ｍ２をオフさせる電圧間に、Ｖｆ２＋Ｖｆ３以上の差をつけることができない。
【０１１４】
一方、アクティブクランプ回路１０では、Ｖｃｌａｍｐ２とＶｃｌａｍｐ３間に、Ｖｆ２＋Ｖｆ３以上の差をつけることができるので、アクティブクランプ回路１０をＶｃｌａｍｐ２よりも低い電圧から動作させることができる。
【０１１５】
それにより、第２スイッチ素子Ｍ２がオフしてプルダウン抵抗Ｒ８に切り替えることでＶｃｌａｍｐ３からＶｃｌａｍｐ２に至るまでの電圧が緩やかになり、さらに電圧Ｏｕｔでの急峻なピーク電圧の発生を抑えることができる。
【０１１６】
次に、アクティブクランプ回路１０に電源電圧Ｖｄｄが供給されていないときまたは接地Ｇｎｄに接地されているときの動作については、図１に示すアクティブクランプ回路１と基本的に同様であるが、以下に簡単に説明する。
【０１１７】
第１のスイッチ素子Ｍ１の両端にサージが印加されると、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔはサージ電圧に従って上昇する。第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔの上昇により、第１のダイオードＤｚ１およびダイオードＤｚ２がブレークダウンし、電流Ｉｚ１が流れる。第１電流路を流れる電流Ｉｚ１ａにより、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の両端に電圧Ｉｚ１ａ（Ｒ１１＋Ｒ１２）が発生する。
【０１１８】
電流Ｉｚ１はサージ電圧に従って増加するので、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の両端の電圧は電流Ｉｚ１に応じて増加する。抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の両端の電圧とダイオードＤｆ１２の順方向電圧Ｖｆ１２の和がダイオードＤｆ１１の順方向電圧Ｖｆ１１より大きくなると、ダイオードＤｆ１１が導通し、ダイオードＤｆ１１を流れる電流Ｉｚ２により第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート容量が充電され、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート電圧Ｖｇ１が上昇する。
【０１１９】
抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の両端の電圧とダイオードＤｆ１２の順方向電圧Ｖｆ１２の和がダイオードＤｆ１１の順方向電圧Ｖｆ１１と第１のスイッチ素子Ｍ１のしきい値Ｖｔｈ１の和より大きくなると、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンになり、サージを接地Ｇｎｄに逃がすことが可能である。
【０１２０】
このときの電圧Ｏｕｔは式２に示す電圧でクランプされ、且つ、Ｉｚ１ａ×（Ｒ１１＋Ｒ１２）≧Ｖｔｈ１である。
【０１２１】
以上説明したように、本実施例のアクティブクランプ回路１０は、第１および第２電流路を有し、第１スイッチ素子Ｍ１をオンさせるアクティブクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐ２と、第２スイッチ素子Ｍ２をオフさせるＶｃｌａｍｐ３を個別に発生させている。
【０１２２】
これにより、第１スイッチ素子Ｍ１をオンさせるタイミングと第２スイッチ素子Ｍ２をオフさせるタイミングの調整幅が広がるので、更にアクティブクランプ動作期間を短縮することができるとともに電圧Ｏｕｔに急峻なピーク電圧が発生するのを抑えることができる利点がある。
【０１２３】
ここでは、第１のダイオードＤｚ１とダイオードＤｆ１の間にダイオードＤｚ２が接続されている場合について説明したが、ダイオードＤｚ２はなくても、本実施例の効果を得ることは可能である。その場合は、ダイオードＤｆ１３のアノードを第１のダイオードＤｚ１とダイオードＤｆ１２の接続ノードに接続する。
【０１２４】
なお、アクティブクランプ回路１、１０を駆動回路２に適用した場合を例に説明したが、アクティブクランプ回路１、１０は、駆動回路２以外の構成でも誘導性負荷を駆動することができる。例えば、ハイサイドスイッチと、ローサイドスイッチとで構成されるスイッチング回路のローサイドスイッチとして、アクティブクランプ回路１、１０を用いることができる。
【０１２５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１２６】
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
（付記１） 前記第１の制御回路は、前記第１の抵抗の両端の電圧の上昇を抑制する第３のダイオードをさらに備えた請求項１に記載のアクティブクランプ回路。
【０１２７】
（付記２） 前記第１のダイオードに、前記第１のダイオードの温度特性を補償する第４のダイオードが直列に接続されている請求項１に記載のアクティブクランプ回路。
【０１２８】
（付記３） 前記第１の電流を検出する抵抗および前記第２の電流を検出する抵抗に、前記第１のダイオードの温度特性を補償する第５のダイオードが直列に接続されている請求項３に記載のアクティブクランプ回路。
【０１２９】
（付記４） 前記第１のスイッチ素子の制御端子と接地端子の間に接続された抵抗を有する請求項１に記載のアクティブクランプ回路。
【符号の説明】
【０１３０】
１、１０ アクティブクランプ回路
２ 駆動回路
３、５、３０ 制御回路
４ カレントミラー
Ｄｚ１ 第１のダイオード
Ｄｚ２、Ｄｆ１、Ｄｆ２、Ｄｆ３、Ｄｆ１１、Ｄｆ１２、Ｄｆ１３ ダイオード
Ｉｎｖ１、Ｉｎｖ２ インバータ
Ｌ 誘導性負荷
Ｍ１ 第１のスイッチ素子
Ｍ２ 第２のスイッチ素子
Ｎ１、Ｐ１〜Ｐ３ トランジスタ
Ｎ２ 増幅回路
Ｒ１ 第１の抵抗
Ｒ２〜Ｒ８、Ｒ１１〜Ｒ１４ 抵抗
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、アクティブクランプ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁弁やモータなどの誘導性負荷をオンまたはオフに駆動する場合、オフ時に誘導性負荷に蓄積されたエネルギーにより誘起電圧が発生する。この誘起電圧によりスイッチ素子などが破壊されることを防止するために、誘起電圧を規定値にクランプして誘導性負荷に蓄積されたエネルギーを吸収するアクティブクランプ回路が用いられる。
【０００３】
しかし、クランプ電圧は、アクティブクランプ回路を流れる電流の大きさに依存し、クランプ動作の開始時は高く、時間の経過とともに減少する。また、例えばツェナーダイオードをブレークダウンさせてクランプする場合、クランプ電圧は、ツェナーダイオードの電流・電圧特性などのばらつきにより変化する。
【０００４】
アクティブクランプ動作期間は、誘導性負荷を駆動できない無駄時間となるため、短い方が望ましい。
【０００５】
更に、アクティブクランプ回路に電源電圧が供給されていないときは、アクティブクランプ回路が動作しないので、ＥＳＤ（Electric Static Discharge）によりスイッチ素子などが破壊されるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２８９３号公報
【特許文献２】特開２００８−３５０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、アクティブクランプ動作期間を短縮するとともにＥＳＤ耐量を向上させたアクティブクランプ回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一つの実施形態によれば、アクティブクランプ回路は、第１のスイッチ素子と、第１のダイオードと、第１の抵抗と、第１および第２の制御回路を備えている。前記第１のダイオードは、前記第１のスイッチ素子の両端にかかる過電圧によりブレークダウンする。前記第１の抵抗は、前記第１のダイオードの電流を検出する。前記第１の制御回路は、前記第１の抵抗の両端の電圧を増幅して前記第１のスイッチ素子の電流を制御する。前記第２の制御回路は、前記第１の抵抗の両端の電圧に応じて前記第１のスイッチ素子の導通を制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１に係るアクティブクランプ回路を含む駆動回路の構成を示す回路図。
【図２】実施例１に係るアクティブクランプ回路の動作を示すタイミングチャート。
【図３】実施例１に係る比較例のアクティブクランプ回路の動作を示すタイミングチャート。
【図４】実施例１に係るアクティブクランプ回路の別の動作を示すタイミングチャート。
【図５】実施例２に係るアクティブクランプ回路を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
本実施例に係るアクティブクランプ回路について、図１乃至図４を参照して説明する。図１は本実施例のアクティブクランプ回路を示す回路図、図２はアクティブクランプ回路の動作を示すタイミングチャート、図３は比較例のアクティブクランプ回路の動作を示すタイミングチャート、図４はアクティブクランプ回路の別の動作を示すタイミングチャートである。
【００１２】
図１は、第１の実施形態に係るアクティブクランプ回路を含む駆動回路の構成を例示する回路図である。図１においては、アクティブクランプ回路１を駆動回路２に適用した場合の構成を例示している。
【００１３】
図２（ａ）は制御信号Ｉｎ、図２（ｂ）は駆動信号Ｄｒｖ２、図２（ｃ）は駆動信号Ｄｒｖ１、図２（ｄ）は第１のスイッチ素子の電流Ｉｄ、図２（ｅ）は第１のスイッチ素子の両端の電圧Ｏｕｔを示している。
【００１４】
アクティブクランプ回路１は、制御信号Ｉｎのレベルにより第１のスイッチ素子Ｍ１をオンまたはオフに切り換える。また、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端にかかる過電圧により第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンし、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは規定値のクランプ電圧にクランプされる。第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１は、第１の抵抗Ｒ１で検出される。第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１は、制御回路３（第１の制御回路）で増幅されて、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄが制御される。
【００１５】
更に、アクティブクランプ回路１は、電源電圧Ｖｄｄが印加されていないときまたはＧｎｄ電位に接地されているときに、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端にサージが印加された場合、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１に応じて制御回路５（第２の制御回路）であるダイオードＤｆ１１（第２のダイオード）を介して、第１のスイッチ素子Ｍ１をオンさせるように構成されている。
【００１６】
第１のスイッチ素子Ｍ１は、Ｎチャンネル形ＭＯＳＦＥＴ（以下、ＮＭＯＳ）で構成される。
【００１７】
第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートには、抵抗Ｒ４、及びインバータＩｎｖ１、Ｉｎｖ２を介して制御信号Ｉｎが入力される。インバータＩｎｖ１は制御信号Ｉｎを反転した駆動信号Ｄｒｖ２を出力する。インバータＩｎｖ２は、駆動信号Ｄｒｖ２を反転した駆動信号Ｄｒｖ１を出力する。駆動信号Ｄｒｖ１は制御信号Ｉｎと同相である。駆動信号Ｄｒｖ１は、抵抗Ｒ４を介して第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに入力される。第１のスイッチ素子Ｍ１は、制御信号Ｉｎのレベルに応じてオンまたはオフに切りかわる。
【００１８】
第１のスイッチ素子Ｍ１のドレインに第１のダイオードＤｚ１のカソードが接続される。第１のダイオードＤｚ１のアノードにダイオードＤｆ１（第４のダイオード）のアノードが接続され、ダイオードＤｆ１のカソードは第１の抵抗Ｒ１の一端に接続される。第１の抵抗Ｒ１の他端は、接地Ｇｎｄに接続される。
【００１９】
第１のダイオードＤｚ１は、過電圧によりブレークダウンする。そのため、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧は、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンする電圧にクランプされる。そのとき、第１のダイオードＤｚ１には、電流Ｉｚ１が流れる。
【００２０】
第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンする電圧をＶｚ１、ダイオードＤｆ１の順方向電圧をＶｆ１、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧をＶｒ１とすると、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔがクランプされる電圧Ｖｃｌａｍｐは、Ｖｚ１＋Ｖｆ１＋Ｖｒ１となる。
【００２１】
第１のダイオードＤｚ１は、例えばツェナーダイオードにより構成される。図１においては、第１のダイオードＤｚ１として、１つのツェナーダイオードによる構成を例示している。しかし、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔをクランプする電圧に応じて、任意数のツェナーダイオードを直列に接続して構成することもできる。
【００２２】
また、ダイオードＤｆ１は、第１のダイオードＤｚ１の温度補償および第１のスイッチ素子Ｍ１がオンした時の逆流防止のために用いられる。
【００２３】
第１の抵抗Ｒ１は、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンしたときに流れる電流Ｉｚ１を検出する。すなわち、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンしたとき、第１の抵抗Ｒ１には電流Ｉｚ１が流れ、第１の抵抗Ｒ１の両端に電圧Ｖｒ１が出力される。
【００２４】
制御回路３は、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を増幅して電流を出力する増幅回路Ｎ２と、増幅回路Ｎ２の出力電流を入力して第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄを制御するカレントミラー４とを有する。
【００２５】
増幅回路Ｎ２は、ｎｐｎトランジスタで構成される。増幅回路Ｎ２のベースには、抵抗Ｒ３を介して第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１が入力される。抵抗Ｒ３は、増幅回路Ｎ２のベースに入力される電圧を遅延させて、タイミングを調整するために挿入されている。
【００２６】
また、第１の抵抗Ｒ１の両端の間には、増幅回路Ｎ２のベース・エミッタ間を保護するためにダイオードＤｆ２、Ｄｆ３（第３のダイオード）が接続されている。ダイオードＤｆ２、Ｄｆ３により第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１は、Ｖｆ２＋Ｖｆ３以下に抑制される。ここで、Ｖｆ２、Ｖｆ３は、それぞれダイオードＤｆ２、Ｄｆ３の順方向電圧である。ただし、増幅回路Ｎ２のベース・エミッタ間電圧をＶｂｅＮ２、抵抗Ｒ３の両端の電圧をＶｒ３とすると、Ｖｆ２＋Ｖｆ３＞Ｖｒ３＋ＶｂｅＮ２を満たす必要がある。
【００２７】
増幅回路Ｎ２のコレクタは、カレントミラー４の基準側に接続される。カレントミラー４の出力側は、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに接続される。増幅回路Ｎ２の出力電流は、カレントミラー４により折り返され、第１のスイッチ素子Ｍ１を制御する。
【００２８】
カレントミラー４は、抵抗Ｒ５〜Ｒ７、トランジスタＰ１〜Ｐ３で構成されている。トランジスタＰ１〜Ｐ３は、ｐｎｐトランジスタである。トランジスタＰ１のエミッタには、抵抗Ｒ５を介して電源電圧Ｖｄｄが供給される。トランジスタＰ２のエミッタには、抵抗Ｒ６を介して電源電圧Ｖｄｄが供給される。トランジスタＰ１、Ｐ２のそれぞれのベースには、抵抗Ｒ７を介して電源電圧Ｖｄｄが供給される。
【００２９】
また、トランジスタＰ３のコレクタは、トランジスタＰ１、Ｐ２のベースに接続される。トランジスタＰ３のベースはトランジスタＰ１のコレクタに接続され、トランジスタＰ３のコレクタは接地Ｇｎｄに接続される。
【００３０】
トランジスタＰ１のコレクタ及びトランジスタＰ３のベースは、カレントミラー４の基準側として、増幅回路Ｎ２のコレクタに接続される。トランジスタＰ２のコレクタは、出力側として第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに接続される。
【００３１】
さらに、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートと接地との間に第２のスイッチ素子Ｍ２が接続される。第２のスイッチ素子Ｍ２のゲートは、インバータＩｎｖ１の出力に接続される。第２のスイッチ素子Ｍ２のゲートには、制御信号Ｉｎを反転した駆動信号Ｄｒｖ２が入力される。
【００３２】
また、第２のスイッチ素子Ｍ２のゲートと接地Ｇｎｄとの間には、トランジスタＮ１が接続される。トランジスタＮ１はｎｐｎトランジスタである。トランジスタＮ１のコレクタは、第２のスイッチ素子Ｍ２のゲートに接続される。トランジスタＮ１のエミッタは、接地Ｇｎｄに接続される。トランジスタＮ１のベースには、抵抗Ｒ２を介して第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１が入力される。
【００３３】
抵抗Ｒ２は、トランジスタＮ１のベースに入力される電圧を遅延させて、タイミングを調整するために挿入されている。
【００３４】
ダイオードＤｆ２、Ｄｆ３は、トランジスタＮ１も保護している。トランジスタＮ１のベース・エミッタ間電圧をＶｂｅＮ１、抵抗Ｒ２の両端の電圧をＶｒ２とすると、Ｖｆ２＋Ｖｆ３＞Ｖｒ２＋ＶｂｅＮ１を満たす必要がある。
【００３５】
駆動回路２は、誘導性負荷Ｌを上記のアクティブクランプ回路１により駆動する回路である。誘導性負荷Ｌの一端には、電圧Ｖｂａｔが供給され、他端はアクティブクランプ回路１を介して接地Ｇｎｄに接続される。
【００３６】
アクティブクランプ回路１の制御信号Ｉｎのレベルに応じて、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンまたはオフに切り替わり、誘導性負荷Ｌを流れる電流が制御される。この誘導性負荷Ｌを流れる電流は、アクティブクランプ回路１の第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄと、第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１と、の合成電流である。
【００３７】
図２は、図１に表したアクティブクランプ回路の主要な信号の波形図であり、（ａ）は制御信号Ｉｎ、（ｂ）は駆動信号Ｄｒｖ２、（ｃ）は駆動信号Ｄｒｖ１、（ｄ）は第１のスイッチ素子の電流Ｉｄ、（ｅ）は第１のスイッチ素子の両端の電圧Ｏｕｔである。
【００３８】
図２においては、アクティブクランプ回路１の制御信号Ｉｎとして、ハイレベルとローレベルとに変化する矩形波が入力されたときの主要な信号の波形図を模式的に表している。
【００３９】
次に、図１、図２（ａ）〜図２（ｅ）を参照しつつ、アクティブクランプ回路１の動作について説明する。
【００４０】
図２（ａ）、図２（ｃ）に表したように、制御信号Ｉｎがハイレベルのとき、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに入力される駆動信号Ｄｒｖ１は、ハイレベルである。また、第２のスイッチ素子Ｍ２のゲートに入力される駆動信号Ｄｒｖ２は、ローレベルである（図２（ｂ））。第２のスイッチ素子Ｍ２はオフの状態になる。また、第１のスイッチ素子Ｍ１は、オンの状態になり、第１のスイッチ素子Ｍ１には電流Ｉｄが流れる（図２（ｄ））。また、誘導性負荷Ｌには、電圧Ｖｂａｔが供給され、電流が流れる。誘導性負荷Ｌは駆動される。第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは、ほぼ０Ｖになる（図２（ｅ））。
【００４１】
制御信号Ｉｎがハイレベルからローレベルに切り替わると（図２（ａ））、駆動信号Ｄｒｖ１はローレベルになる（図２（ｃ））。駆動信号Ｄｒｖ２はハイレベルになり（図２（ｂ））、第２のスイッチ素子Ｍ２はオンの状態になる。また、第１のスイッチ素子Ｍ１は、オフの状態になり、誘導性負荷Ｌには、誘起電圧が発生する。
【００４２】
第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔが、規定値を超えたとき、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンする。第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは、第１のダイオードＤｚ１のブレークダウンにより、次式に示すクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐにクランプされる（図２（ｅ））。
【００４３】
Ｖｃｌａｍｐ＝Ｖｚ１＋Ｖｆ１＋Ｖｒ１ （１）
第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１は第１の抵抗Ｒ１により検出され、第１の抵抗Ｒ１の両端に電流Ｉｚ１に応じた電圧を発生する。
【００４４】
第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１は、増幅回路Ｎ２で増幅され、その出力電流は、カレントミラー４で折り返されて、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに入力される。第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄは、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧を増幅する制御回路３により制御される。
【００４５】
第１のスイッチ素子Ｍ１がオンからオフに切り替わったとき、誘導性負荷Ｌによる誘起電圧のため、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは上昇する。誘導性負荷Ｌによる誘起電圧は、誘導性負荷Ｌの電流の時間に対する変化率と、誘導性負荷Ｌのインダクタンスとの積に比例する。
【００４６】
第１のスイッチ素子Ｍ１がオンからオフに切り替わった直後、誘導性負荷Ｌの電流が急変するため、誘導性負荷Ｌにより高い誘起電圧が発生する。そのため、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンした直後の電流Ｉｚ１は大きく、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧も高くなる。
【００４７】
また、誘導性負荷Ｌの電流は、誘導性負荷Ｌに蓄積されたエネルギーにより流れる。そのため、誘導性負荷Ｌの電流は、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンからオフに切り替わってからの時間経過とともに、減少する（図２（ｄ））。
【００４８】
制御回路３においては、第１の抵抗Ｒ１の両端の間にダイオードＤｆ２、Ｄｆ３が接続されている。そのため、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１は、ダイオードＤｆ２、Ｄｆ３の順方向電圧Ｖｆ２＋Ｖｆ３に抑制される。制御回路３は、この抑制された電圧を増幅して第１のスイッチ素子Ｍ１を制御するため、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンした直後に流れる第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄも抑制される。
【００４９】
また、制御回路３は、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を増幅して第１のスイッチ素子Ｍ１を制御している。そのため、第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１が減少しても、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄを制御することができる。
【００５０】
このように、制御回路３においては、誘導性負荷Ｌの、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンからオフに切り替わった直後の誘導性負荷Ｌの電流の急変を抑制し、さらに、誘導性負荷Ｌの電流の減少率を抑制する。
【００５１】
従って、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンからオフに切り替わった直後の誘導性負荷Ｌの誘起電圧の急上昇を抑制し、さらに、時間の経過とともに減少する誘起電圧の減少率を抑制することができる（図２（ｅ））。
【００５２】
誘導性負荷Ｌに蓄積されたエネルギーが消費されると、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄは０になる（図２（ｄ））。誘起電圧も０になり、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは、誘導性負荷Ｌに供給された電圧Ｖｂａｔになる（図２（ｅ））。
【００５３】
このように、アクティブクランプ回路１においては、制御回路３により、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を増幅して、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄを制御しているため、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐの減少を抑制して一定値にすることができる。
【００５４】
そのため、第１のスイッチ素子Ｍ１に電流Ｉｄが流れている、アクティブクランプ動作期間を減少することができる。
【００５５】
アクティブクランプ回路１の制御回路３の作用については、制御回路３が無い場合の動作を考えることにより、さらに詳細に理解することができる。
【００５６】
図３は、制御回路が無い場合のアクティブクランプ回路の主要な信号の波形図であり、（ａ）は制御信号Ｉｎ、（ｂ）は第１のスイッチ素子の電流Ｉｄ、（ｃ）は第１のスイッチ素子の両端の電圧Ｏｕｔである。
【００５７】
図３（ａ）〜図３（ｃ）においては、図１に表したアクティブクランプ回路１の制御回路３を取り去り、第１のスイッチ素子Ｍ１を第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧により制御した場合の波形を模式的に表している。
【００５８】
図３（ａ）〜図３（ｃ）に表したように、制御信号Ｉｎがハイレベルのときの第１のスイッチ素子の電流Ｉｄ、第１のスイッチ素子の両端の電圧Ｏｕｔは、それぞれ図２（ｄ）、図２（ｅ）と同様である。
【００５９】
制御信号Ｉｎがハイレベルからローレベルに切り替わると、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンする。第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは、クランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）にクランプされる（図３（ｃ））。
【００６０】
制御回路３が無い場合、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンした直後のクランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）は、第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１が大きいため高い。
【００６１】
誘導性負荷Ｌに蓄積されたエネルギーの消費にともない、誘導性負荷Ｌの電流は減少し、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄが減少する（図３（ｂ））。第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１も減少し、クランプ電圧も減少していく（図３ｃ））。
【００６２】
第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄが０になってアクティブクランプ動作が終了すると（図３（ｂ））、第１の両端の電圧Ｏｕｔのクランプが解除され、第１の両端の電圧Ｏｕｔは誘導性負荷Ｌに供給された電圧Ｖｂａｔになる（図３（ｃ））。
【００６３】
アクティブクランプ動作が終了する直前のクランプ電圧（ｆｉｎａｌ）は、アクティブクランプ動作の開始時のクランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）と比較して低電圧になっている。
【００６４】
アクティブクランプ動作期間は、誘導性負荷Ｌに蓄積されたエネルギーを消費する期間であり、誘導性負荷Ｌの電流、クランプ電圧で決まる。アクティブクランプ動作期間を短くするためには、誘導性負荷Ｌの電流を大きくし、クランプ電圧を高くする必要がある。
【００６５】
上記のとおり、アクティブクランプ動作の開始時のクランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）は高くなる。また、第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１は大きくなるため、第１のダイオードＤｚ１の特性、例えば電圧に対する電流特性などのばらつきによるクランプ電圧の変動も大きくなる。
【００６６】
そのため、制御回路３が無い場合に、アクティブクランプ動作の開始時のクランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）を耐圧などで制限された値に設定すると、アクティブクランプ動作の終了直前のクランプ電圧（ｆｉｎａｌ）は低い値になってしまう。
【００６７】
このように、制御回路３が無い場合、アクティブクランプ動作期間は、クランプ電圧（ｉｎｉｔｉａｌ）で制限され、短くすることができない。
【００６８】
これに対して、第１の実施形態に係るアクティブクランプ回路１においては、制御回路３により、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐの低下を抑制して、一定にできる。また、第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１を小さくできるため、第１のダイオードＤｚ１の特性のばらつきによるクランプ電圧の変動を小さくできる。
【００６９】
従って、アクティブクランプ回路１によれば、アクティブクランプ動作期間を短縮することができる。
【００７０】
次に、アクティブクランプ回路１に電源電圧Ｖｄｄが供給されていないときまたはＧｎｄ電位に接地されているときの動作について説明する。
【００７１】
アクティブクランプ回路１に電源電圧Ｖｄｄが供給されていないときとは、半導体基板にモノリシックに形成されたアクティブクランプ回路１がオンウェーハ状態のとき、アクティブクランプ回路１が形成された半導体チップをパッケージに組み込み中のとき、パッケージに組み立てられたアクティブクランプ回路１を回路基板に実装中のときなどがある。
【００７２】
アクティブクランプ回路１は、電源電圧Ｖｄｄが供給されていないとき、即ち電源電圧端子がオープンのときは、インバータＩｎｖ１から抵抗Ｒ２、Ｒ３までの回路が第１のスイッチ素子Ｍ１からダイオードＤｆ２、Ｄｆ３までの回路と電気的に切り離された状態になり、動作しない。
【００７３】
このとき、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端にサージが印加された場合、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンして電流Ｉｚ１が流れて第１の抵抗Ｒ１の両端に電圧Ｖｒ１が発生する。
【００７４】
電圧Ｖｒ１はＶｆ２＋Ｖｆ３でクランプされるが、サージを逃がす経路がない場合、第１のスイッチ素子Ｍ１のドレイン電圧はさらに上昇する。それにより、ドレイン・ソース間耐圧を越えて第１のスイッチ素子Ｍ１が破壊される現象が生じる。
【００７５】
図４は電源電圧Ｖｄｄが供給されていないときのアクティブクランプ回路１の動作を示すタイミングチャートである。図４（ａ）は第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔ、図４（ｂ）は第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート電圧Ｖｇ１を示している。
【００７６】
図４に示すように、時間ｔ１でサージが第１のスイッチ素子Ｍ１の両端に印加されたとする。第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔはサージ電圧に従って上昇する。
【００７７】
時間ｔ２で第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔが第１のダイオードＤｚ１のブレークダウン電圧Ｖｚ１とダイオードＤｆ１の順方向電圧Ｖｆ１の和（Ｖｚ１＋Ｖｆ１）になると、第１のダイオードＤｚ１がブレークダウンし、電流Ｉｚ１が流れる。電流Ｉｚ１は第１の抵抗Ｒ１に流れ、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を発生させる。
【００７８】
第１のダイオードＤｚ１のブレークダウンにより、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧ＯｕｔはＶｚ１＋Ｖｆ１＋Ｖｒ１になる。
【００７９】
電流Ｉｚ１はサージ電圧に従って増加するので、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１は電流Ｉｚ１に応じて増加する。第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１がダイオードＤｆ１１の順方向電圧Ｖｆ１１より大きくなると、ダイオードＤｆ１１が導通し、ダイオードＤｆ１１を流れる電流Ｉｚ２により第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート容量が充電され、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート電圧Ｖｇ１が上昇する。
【００８０】
時間ｔ３で第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１がダイオードＤｆ１１の順方向電圧Ｖｆ１１と第１のスイッチ素子Ｍ１のしきい値Ｖｔｈ１の和（Ｖｆ１１＋Ｖｔｈ１）より大きくなると、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンになり、サージを接地Ｇｎｄに逃がすことが可能である。このとき、Ｖｃｌａｍｐ＝Ｖｚ１＋Ｖｆ１＋Ｖｒ１、且つ、Ｖｒ１≧Ｖｆ１１＋Ｖｔｈ１である。
【００８１】
従って、サージにより、制御回路３が損傷を受けるのを未然に防止することができる。第１のスイッチ素子Ｍの両端の電圧Ｏｕｔが第１のスイッチ素子Ｍ１のドレイン・ソース間耐圧Ｖｄｓｍａｘを越えることで、第１のスイッチ素子Ｍ１が破壊される現象を未然に防止することができる。
【００８２】
第１の抵抗Ｒ１にはダイオードＤｆ２、Ｄｆ３の直列回路が並列接続されているので、Ｖｆ２＋Ｖｆ３＞Ｖｒ１＞Ｖｔｈ１＋Ｖｆ１１の関係を満たす必要がある。
【００８３】
サージを接地Ｇｎｄに逃がした後は、第１のスイッチ素子Ｍ１が速やかにオフすることが望ましい。
【００８４】
第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートと接地Ｇｎｄの間に接続された抵抗Ｒ８は、第１のスイッチ素子Ｍ１をオフするため、または電源電圧Ｖｄｄが供給されていないときに第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート電圧を安定させるためのプルダウン抵抗である。
【００８５】
抵抗Ｒ８により、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート容量に充電されている電荷が速やかに放電されるので、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート電位が低下し第１のスイッチ素子Ｍ１を速やかにオフすることが可能である。
【００８６】
なお、アクティブクランプ回路１に電源電圧Ｖｄｄが供給されているときは、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１がダイオードＤｆ１１の順方向電圧Ｖｆ１１と第１のスイッチ素子Ｍ１のしきい値Ｖｔｈ１より大きくなることはなく、ダイオードＤｆ１１は動作しない。第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を増幅回路Ｎ２で増幅して、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄを制御しているためである。
【００８７】
抵抗Ｒ８は制御回路３の動作に影響を及ぼすことはなく、特にアクティブクランプ回路１の通常動作に支障をきたす恐れはない。
【００８８】
以上説明したように、本実施例のアクティブクランプ回路１は、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１を増幅して第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄを制御する制御回路３を有している。
【００８９】
更に、電源電圧Ｖｄｄが印加されていないときまたはＧｎｄ電位に接地されているときに第１のスイッチ素子Ｍ１の両端にサージが印加された場合、第１の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖｒ１に応じて第１のスイッチ素子Ｍ１をオンさせるダイオードＤｆ１１を有している。
【００９０】
その結果、クランプ電圧Ｖｃｌａｍｐの減少を抑制して一定値に保つことができる。電電電圧Ｖｄｄが供給されていないとき、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端に印加されたサージを接地Ｇｎｄに逃がすことができる。
【００９１】
従って、アクティブクランプ動作期間を短縮するとともにＥＳＤ耐量を向上させたアクティブクランプ回路が得られる。
【００９２】
ここでは、カレントミラー４がバイポーラトランジスタと抵抗で構成されているばあいについて説明したが、一対のＰチャネルＭＯＳトランジスタで構成しても構わない。更に、増幅回路Ｎ２のトランジスタ、トランジスタＮ１をＮチャネルＭＯＳトランジスタに置き換えても構わない。ダイオードＤｆ２、Ｄｆ３をツェナーダイオードに置き換えても構わない。同様にアクティブクランプ動作期間を短縮することが可能である。
【００９３】
第２のスイッチ素子Ｍ２のドレインに直列的に抵抗を挿入しても構わない。抵抗は第２のスイッチ素子Ｍ２のターンオンを遅延させる。第１のスイッチ素子Ｍ１のターンオフが遅延し、第１のスイッチ素子Ｍ１の電流Ｉｄの変化が緩和される。
【００９４】
そして、誘導性負荷Ｌの電流の変化も緩和され、誘起電圧の急変が緩和される。また、誘起電圧の立上がり時に生じる可能性のあるリンギング、及びリンギングによる誘起電圧のピークが低減される。
【００９５】
従って、耐圧などで制限されるクランプ電圧の設定を高くすることができる。第１のスイッチ素子Ｍ１に電流Ｉｄが流れているアクティブクランプ動作期間をさらに減少することができる。
【実施例２】
【００９６】
本実施例に係るアクティブクランプ回路について図５を用いて説明する。図５はアクティブクランプ回路を示す回路図である。
【００９７】
本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、複数のアクティブクランプ電圧を有することにある。
【００９８】
即ち、図５に示すように、アクティブクランプ回路１０は、第１のダイオードＤｚ１とダイオードＤｆ１の間にダイオードＤｚ２が接続されている。ダイオードＤｚ２は、第１のダイオードＤｚ１に対しては順方向に接続され、ダイオードＤｆ１に対しては逆方向に接続されている。ダイオードＤｚ２は、第１のダイオードＤｚ１と同じくツェナーダイオードである。
【００９９】
第１のダイオードＤｚ１とダイオードＤｚ２の接続ノードと接地Ｇｎｄとの間に、ダイオードＤｆ１３（第５のダイオード）、抵抗Ｒ１４、抵抗Ｒ１３が直列に接続されている。
【０１００】
ダイオードＤｆ１とダイオードＤｆ１１の接続ノードと接地Ｇｎｄとの間に、ダイオードＤｆ１２（第５のダイオード）、抵抗Ｒ１２、抵抗Ｒ１１が直列に接続されている。
【０１０１】
抵抗Ｒ３は抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２の接続ノードに接続されている。抵抗Ｒ２は抵抗Ｒ１３と抵抗Ｒ１４の接続ノードに接続されている。
【０１０２】
ダイオードＤｆ１３は第１のダイオードＤｚ１の温度補償のために用いられている。ダイオードＤｆ１２はダイオードＤｆ１とともに第１のダイオードＤｚ１、Ｄｚ２の温度補償および第１のスイッチ素子Ｍ１がオンした時の逆流防止のために用いられている
なお、制御回路３０は、図１に示す制御回路３からダイオードＤｆ２、Ｄｆ３を除いたものであり、その他の構成は制御回路３と同様である。
【０１０３】
第１のスイッチ素子Ｍ１の電圧Ｏｕｔが規定値を超えたとき、第１のダイオードＤｚ１およびダイオードＤｚ２がブレークダウンする。第１のダイオードＤｚ１の電流Ｉｚ１は、ダイオードＤｚ２、Ｄｆ１、Ｄｆ１２、抵抗Ｒ１２、Ｒ１１を通る第１電流路を流れる電流Ｉｚ１ａと、ダイオードＤｆ１３、抵抗Ｒ１４、Ｒ１３を通る第２電流路を流れる電流Ｉｚ１ｂに分流される。
【０１０４】
電流Ｉｚ１ａは抵抗Ｒ１１により検出され、抵抗Ｒ１１の両端に電流Ｉｚ１ａに応じた電圧を発生する。電流Ｉｚ１ｂは抵抗Ｒ１３により検出され、抵抗Ｒ１３の両端に電流Ｉｚ１ｂに応じた電圧を発生する。
【０１０５】
第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔは、第１のダイオードＤｚ１およびダイオードＤｚ２のブレークダウンにより、第１のスイッチ素子Ｍ１をオンさせるための第１電流路のアクティブクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐ２、第２電流路のアクティブクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐ３はそれぞれ次式で表わされる。
【０１０６】
Ｖｃｌａｍｐ２＝２Ｖｚ＋２Ｖｆ＋Ｉｚ１ａ（Ｒ１１＋Ｒ１２） （２）
Ｖｃｌａｍｐ３＝Ｖｚ＋Ｖｆ＋Ｉｚ１ｂ（Ｒ１３＋Ｒ１４） （３）
ここで、第１のダイオードＤｚ１、Ｄｚ２のブレークダウン電圧は等しくＶｚであり、ダイオードＤｆ１、Ｄｆ１２、Ｄｆ１３の順方向電圧は等しくＶｆであるとしている。
【０１０７】
抵抗Ｒ１１の両端に発生する電圧は、増幅回路Ｎ２で増幅され、その出力電流はカレントミラー４で折り返されて、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲートに入力される。増幅回路Ｎ２のトランジスタがオンするのに必要な電流は、Ｉｚ１ａ＝Ｖｂｅ／Ｒ１１で表わされる。
【０１０８】
抵抗Ｒ１３の両端に発生する電圧は、トランジスタＮ１をオンさせ、第２のスイッチ素子Ｍ２をオフさせる。トランジスタＮ１がオンするのに必要な電流は、Ｉｚ１ｂ＝Ｖｂｅ／Ｒ１３で表わされる。
【０１０９】
アクティブクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐ２は次式で表わされる。
Ｖｃｌａｍｐ２＝２Ｖｚ＋２Ｖｆ＋Ｖｂｅ（Ｒ１１＋Ｒ１２）／Ｒ１１ （４）
【０１１０】
アクティブクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐ３は次式で表わされる。
Ｖｃｌａｍｐ３＝Ｖｚ＋Ｖｆ＋Ｖｂｅ（Ｒ１３＋Ｒ１４）／Ｒ１３ （５）
【０１１１】
アクティブクランプ回路１０の電流Ｉｚ１の電流路を第１および第２電流路に分けることにより、第１スイッチ素子Ｍ１をオンさせる電圧Ｖｃｌａｍｐ２と、第２スイッチ素子Ｍ２をオフさせる電圧Ｖｃｌａｍｐ３を個別に設定することができる。
【０１１２】
図１に示すアクティブクランプ回路１では、抵抗Ｒ２、Ｒ３により第１スイッチ素子Ｍ１をオンさせる電圧と、第２スイッチ素子Ｍ２をオフさせる電圧を変えることができるが、ダイオードＤｆ２、Ｄｆ３の抑制電圧で制限される。
【０１１３】
具体的には、抵抗Ｒ２の両端の電圧をＶｒ２、抵抗Ｒ３の両端の電圧をＶｒ３とすると、Ｖｆ２＋Ｖｆ３＞Ｖｒ２＋ＶｂｅＮ１かつＶｆ２＋Ｖｆ３＞Ｖｒ３＋ＶｂｅＮ２を満たす必要がある。第１スイッチ素子Ｍ１をオンさせる電圧と第２スイッチ素子Ｍ２をオフさせる電圧間に、Ｖｆ２＋Ｖｆ３以上の差をつけることができない。
【０１１４】
一方、アクティブクランプ回路１０では、Ｖｃｌａｍｐ２とＶｃｌａｍｐ３間に、Ｖｆ２＋Ｖｆ３以上の差をつけることができるので、アクティブクランプ回路１０をＶｃｌａｍｐ２よりも低い電圧から動作させることができる。
【０１１５】
それにより、第２スイッチ素子Ｍ２がオフしてプルダウン抵抗Ｒ８に切り替えることでＶｃｌａｍｐ３からＶｃｌａｍｐ２に至るまでの電圧が緩やかになり、さらに電圧Ｏｕｔでの急峻なピーク電圧の発生を抑えることができる。
【０１１６】
次に、アクティブクランプ回路１０に電源電圧Ｖｄｄが供給されていないときまたは接地Ｇｎｄに接地されているときの動作については、図１に示すアクティブクランプ回路１と基本的に同様であるが、以下に簡単に説明する。
【０１１７】
第１のスイッチ素子Ｍ１の両端にサージが印加されると、第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔはサージ電圧に従って上昇する。第１のスイッチ素子Ｍ１の両端の電圧Ｏｕｔの上昇により、第１のダイオードＤｚ１およびダイオードＤｚ２がブレークダウンし、電流Ｉｚ１が流れる。第１電流路を流れる電流Ｉｚ１ａにより、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の両端に電圧Ｉｚ１ａ（Ｒ１１＋Ｒ１２）が発生する。
【０１１８】
電流Ｉｚ１はサージ電圧に従って増加するので、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の両端の電圧は電流Ｉｚ１に応じて増加する。抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の両端の電圧とダイオードＤｆ１２の順方向電圧Ｖｆ１２の和がダイオードＤｆ１１の順方向電圧Ｖｆ１１より大きくなると、ダイオードＤｆ１１が導通し、ダイオードＤｆ１１を流れる電流Ｉｚ２により第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート容量が充電され、第１のスイッチ素子Ｍ１のゲート電圧Ｖｇ１が上昇する。
【０１１９】
抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の両端の電圧とダイオードＤｆ１２の順方向電圧Ｖｆ１２の和がダイオードＤｆ１１の順方向電圧Ｖｆ１１と第１のスイッチ素子Ｍ１のしきい値Ｖｔｈ１の和より大きくなると、第１のスイッチ素子Ｍ１がオンになり、サージを接地Ｇｎｄに逃がすことが可能である。
【０１２０】
このときの電圧Ｏｕｔは式２に示す電圧でクランプされ、且つ、Ｉｚ１ａ×（Ｒ１１＋Ｒ１２）≧Ｖｔｈ１である。
【０１２１】
以上説明したように、本実施例のアクティブクランプ回路１０は、第１および第２電流路を有し、第１スイッチ素子Ｍ１をオンさせるアクティブクランプ電圧Ｖｃｌａｍｐ２と、第２スイッチ素子Ｍ２をオフさせるＶｃｌａｍｐ３を個別に発生させている。
【０１２２】
これにより、第１スイッチ素子Ｍ１をオンさせるタイミングと第２スイッチ素子Ｍ２をオフさせるタイミングの調整幅が広がるので、更にアクティブクランプ動作期間を短縮することができるとともに電圧Ｏｕｔに急峻なピーク電圧が発生するのを抑えることができる利点がある。
【０１２３】
ここでは、第１のダイオードＤｚ１とダイオードＤｆ１の間にダイオードＤｚ２が接続されている場合について説明したが、ダイオードＤｚ２はなくても、本実施例の効果を得ることは可能である。その場合は、ダイオードＤｆ１３のアノードを第１のダイオードＤｚ１とダイオードＤｆ１２の接続ノードに接続する。
【０１２４】
なお、アクティブクランプ回路１、１０を駆動回路２に適用した場合を例に説明したが、アクティブクランプ回路１、１０は、駆動回路２以外の構成でも誘導性負荷を駆動することができる。例えば、ハイサイドスイッチと、ローサイドスイッチとで構成されるスイッチング回路のローサイドスイッチとして、アクティブクランプ回路１、１０を用いることができる。
【０１２５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１２６】
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
（付記１） 前記第１の制御回路は、前記第１の抵抗の両端の電圧の上昇を抑制する第３のダイオードをさらに備えた請求項１に記載のアクティブクランプ回路。
【０１２７】
（付記２） 前記第１のダイオードに、前記第１のダイオードの温度特性を補償する第４のダイオードが直列に接続されている請求項１に記載のアクティブクランプ回路。
【０１２８】
（付記３） 前記第１の電流を検出する抵抗および前記第２の電流を検出する抵抗に、前記第１のダイオードの温度特性を補償する第５のダイオードが直列に接続されている請求項３に記載のアクティブクランプ回路。
【０１２９】
（付記４） 前記第１のスイッチ素子の制御端子と接地端子の間に接続された抵抗を有する請求項１に記載のアクティブクランプ回路。
【符号の説明】
【０１３０】
１、１０ アクティブクランプ回路
２ 駆動回路
３、５、３０ 制御回路
４ カレントミラー
Ｄｚ１ 第１のダイオード
Ｄｚ２、Ｄｆ１、Ｄｆ２、Ｄｆ３、Ｄｆ１１、Ｄｆ１２、Ｄｆ１３ ダイオード
Ｉｎｖ１、Ｉｎｖ２ インバータ
Ｌ 誘導性負荷
Ｍ１ 第１のスイッチ素子
Ｍ２ 第２のスイッチ素子
Ｎ１、Ｐ１〜Ｐ３ トランジスタ
Ｎ２ 増幅回路
Ｒ１ 第１の抵抗
Ｒ２〜Ｒ８、Ｒ１１〜Ｒ１４ 抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子の両端にかかる過電圧によりブレークダウンする第１のダイオードと、
前記第１のダイオードの電流を検出する第１の抵抗と、
前記第１の抵抗の両端の電圧を増幅して前記第１のスイッチ素子の電流を制御する第１の制御回路と、
前記第１の抵抗の両端の電圧に応じて前記第１のスイッチ素子の導通を制御する第２の制御回路と、
を備えたことを特徴とするアクティブクランプ回路。
【請求項２】
前記第１の制御回路は、
前記第１の抵抗の両端の電圧を増幅して電流を出力する増幅回路と、
前記増幅回路の出力電流を入力して前記第１のスイッチ素子の電流を制御するカレントミラー回路と、
前記第１の抵抗の両端の電圧で制御され、前記第１のスイッチ素子の電流を制御する第２のスイッチ素子と、
を有することを特徴とする請求項１記載のアクティブクランプ回路。
【請求項３】
前記第１のダイオードの電流を第１の電流および第２の電流に分流し、
前記増幅回路は、前記第１の電流を検出する抵抗の両端の電圧を増幅しで電流を出力し、
前記第２のスイッチ素子は、前記第２の電流を検出する抵抗の両端の電圧で制御される
ことを特徴とする請求項２に記載のアクティブクランプ回路。
【請求項４】
前記第２の制御回路は、前記第１のダイオードと前記第１のスイッチ素子の制御端子の間に接続され、前記第１の抵抗の両端の電圧に応じて導通する第２のダイオードを有することを特徴とする請求項１に記載のアクティブクランプ回路。
【請求項５】
前記第１の制御回路が非動作のときに、前記第２のダイオードに印加される電圧が前記第２のダイオードの順方向電圧と前記第１のスイッチ素子のしきい値の和より大きくなると前記第１のスイッチ素子が導通することを特徴とする請求項４に記載のアクティブクランプ回路。
【請求項１】
第１のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子の両端にかかる過電圧によりブレークダウンする第１のダイオードと、
前記第１のダイオードの電流を検出する第１の抵抗と、
前記第１の抵抗の両端の電圧を増幅して前記第１のスイッチ素子の電流を制御する第１の制御回路と、
前記第１の抵抗の両端の電圧に応じて前記第１のスイッチ素子の導通を制御する第２の制御回路と、
を備えたことを特徴とするアクティブクランプ回路。
【請求項２】
前記第１の制御回路は、
前記第１の抵抗の両端の電圧を増幅して電流を出力する増幅回路と、
前記増幅回路の出力電流を入力して前記第１のスイッチ素子の電流を制御するカレントミラー回路と、
前記第１の抵抗の両端の電圧で制御され、前記第１のスイッチ素子の電流を制御する第２のスイッチ素子と、
を有することを特徴とする請求項１記載のアクティブクランプ回路。
【請求項３】
前記第１のダイオードの電流を第１の電流および第２の電流に分流し、
前記増幅回路は、前記第１の電流を検出する抵抗の両端の電圧を増幅しで電流を出力し、
前記第２のスイッチ素子は、前記第２の電流を検出する抵抗の両端の電圧で制御される
ことを特徴とする請求項２に記載のアクティブクランプ回路。
【請求項４】
前記第２の制御回路は、前記第１のダイオードと前記第１のスイッチ素子の制御端子の間に接続され、前記第１の抵抗の両端の電圧に応じて導通する第２のダイオードを有することを特徴とする請求項１に記載のアクティブクランプ回路。
【請求項５】
前記第１の制御回路が非動作のときに、前記第２のダイオードに印加される電圧が前記第２のダイオードの順方向電圧と前記第１のスイッチ素子のしきい値の和より大きくなると前記第１のスイッチ素子が導通することを特徴とする請求項４に記載のアクティブクランプ回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−２６８３８（Ｐ２０１３−２６８３８Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５９９７４（Ｐ２０１１−１５９９７４）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９１０１６３５８）東芝情報システム株式会社 (149)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９１０１６３５８）東芝情報システム株式会社 (149)
【Ｆターム（参考）】
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