説明

駆動回路

【課題】本発明は、ターンオン時及びターンオフ時の過渡時、消費電力のロスを低減でき、且つ出力電流の高周波成分によるEMIノイズの発生を低減することができる駆動回路を提供する。
【解決手段】一方の端子に負荷が接続されたドライバ素子2のオン/オフを制御する駆動回路であって、ドライバ素子2の制御端子に電流を流し込むスイッチ素子4と、ドライバ素子2の制御端子から電流を引き出すスイッチ素子3とを有するスイッチング回路1と、ドライバ素子2の制御端子と他方の端子との間に設けられた容量素子8とを備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、駆動回路に係る発明であって、特に、ドライバ素子をPWM(Pulse Width Modulation)制御する駆動回路に関するものである。
【背景技術】
【0002】
負荷(例えば、ソレノイドコイルなど)が接続されたドライブ素子に対してPWM制御を行うには、駆動回路が、ドライブ素子のオン/オフを高速に切り替える必要がある。しかし、ドライブ素子のオン/オフを行うことで、オンからオフへ、またはオフからオンへの過渡時に消費電力のロスが発生する。そのため、駆動回路は、ドライブ素子のオン/オフの切り替え速度(以下、スイッチング速度ともいう)をより速くすることで、過渡時に発生する消費電力のロスを低減している。但し、ドライブ素子のスイッチング速度をより速くすることで、出力電流の高周波成分によるEMI(Electro Magnetic Interference)ノイズが発生する問題があった。
【0003】
これに対して、出力駆動回路の過渡特性に起因して、信号の伝送系に派生し、信号動作の誤動作を招く各種ノイズを低減するための出力駆動回路が特許文献1に開示されている。この特許文献1では、p−MOSとn−MOSからなるトライステート出力駆動回路において、n−MOSのゲートとドレイン間に容量素子が設けられている。
【0004】
また、ターンオン時間及びターンオフ時間を所定時間で略同一とすることにより、ラジオノイズの発生を防止し、且つターンオフ時のスイッチング損失の増大を防止する駆動回路が特許文献2に開示されている。この特許文献2では、スイッチング素子としてnチャネルMOSが用いられ、当該nチャネルMOSのゲート−ドレイン間にスイッチング時間延長用のコンデンサが接続されている。
【0005】
また、オンする時にソフトで且つすばやくオンすることができ、オフする時にもソフトで且つオフするまでの遅延時間を短くすることができる電界効果型トランジスタの駆動回路が特許文献3に開示されている。この特許文献3では、電界効果型トランジスタのゲートとドレインの間に電界効果型トランジスタのオン,オフ動作時における緩衛用コンデンサが接続され、当該緩衛用コンデンサがミラー効果によるミラー容量を見かけ上増す働きを有している。
【0006】
さらに、電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオン時に生じるノイズを抑制しながら、ターンオンの遅れや損失を低減し得ると共に、負荷短絡状態でのターンオン時の保護も容易なドライブ回路が特許文献4に開示されている。この特許文献4では、駆動対象の電圧駆動型半導体スイッチング素子に電流を流し込む手段が、電圧駆動型半導体スイッチング素子の制御端子にドレインが接続された電圧駆動型トランジスタを持ち、該電圧駆動型トランジスタのゲート−ドレイン間にコンデンサが接続されている。
【0007】
【特許文献1】特開昭60−141015号公報
【特許文献2】特開平 7−240676号公報
【特許文献3】特開昭61−237513号公報
【特許文献4】特開2001−94406号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかし、特許文献1及び特許文献2は、ドライブ素子の出力電圧のスイッチング速度を鈍らせることで、発生する電圧ノイズを低減することを目的としている。そのため、特許文献1及び特許文献2では、本発明の解決課題である、出力電流の高周波成分によるEMIノイズの発生を低減することはできない。また、特許文献3は、ドライブ素子であるパワーMOSのスイッチングをスムーズにすることを目的としている。そのため、特許文献3も、本発明の解決課題である、出力電流の高周波成分によるEMIノイズの発生を低減することはできない。
【0009】
さらに、特許文献4は、ドライブ素子であるIGBTのターンオン時に生じるノイズを抑制することを目的としている。そのため、特許文献4では、本発明の解決課題である、ターンオン時及びターンオフ時の過渡時での、出力電流の高周波成分によるEMIノイズの発生を低減することはできない。
【0010】
そこで、本発明は、ターンオン時及びターンオフ時の過渡時、消費電力のロスを低減でき、且つ出力電流の高周波成分によるEMIノイズの発生を低減することができる駆動回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明に係る解決手段は、一方の端子に負荷が接続されたドライバ素子のオン/オフを制御する駆動回路であって、ドライバ素子の制御端子に電流を流し込む供給部と、ドライバ素子の制御端子から電流を引き出す引出部とを有するスイッチング回路と、ドライバ素子の制御端子と他方の端子との間に設けられた容量素子とを備える。
【発明の効果】
【0012】
本発明に記載の駆動回路は、ドライバ素子の制御端子と他方の端子との間に容量素子を備えるので、ターンオン時及びターンオフ時の過渡時、消費電力のロスを低減でき、且つ出力電流の高周波成分によるEMIノイズの発生を低減することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
(実施の形態1)
図5に、PWM制御を行う、この発明の前提としての駆動回路の回路図を示す。図5に示す駆動回路は、nチャネルMOSFETのドライバ素子2のゲート端子に接続され、ドライバ素子2のオン/オフを制御している。ここで、駆動回路は、スイッチング回路1を有し、このスイッチング回路1には、ドライバ素子2のゲート端子から電流I_Gを引き出すnチャネルMOSFETのスイッチ素子3と、ドライバ素子2のゲート端子に電流I_Gを流し込むpチャネルMOSFETのスイッチ素子4とが設けられている。そして、スイッチ素子3のゲート端子とスイッチ素子4のゲート端子とが接続され、スイッチ素子3のドレイン端子とスイッチ素子4のソース端子とが接続されている。
【0014】
スイッチ素子3及びスイッチ素子4のゲート端子は入力端子5と接続され、スイッチ素子3のドレイン端子とスイッチ素子4のソース端子とはドライバ素子2のゲート端子と接続されている。また、スイッチ素子4のドレイン端子は、電源VDDと接続している。
【0015】
上記のように接続したスイッチ素子3及びスイッチ素子4を制御することで、ドライバ素子2のオン/オフを切り替えている。ドライバ素子2のスイッチング速度は、スイッチ素子3がドライバ素子2のゲート端子から引き出す電流I1と、スイッチ素子4がドライバ素子2のゲート端子に流し込む電流I2との大小関係で決定される。
【0016】
図5では、ドライバ素子2のドレイン端子に、コイル負荷としてソレノイドコイル6が接続されている。また、ソレノイドコイル6は、ドライバ素子2のドレイン端子と接続した逆の端子に電源Vsが接続されている。このソレノイドコイル6は、ドライバ素子2が高周波でオン/オフの切り替えを行うPWM制御しているので、仮想的に定電流源として振る舞うことになる。さらに、ドライバ素子2のドレイン端子には、クランプ素子7が接続されている。このクランプ素子7は、正方向に対して低インピーダンス、負方向に対して高インピーダンスとなる特徴を有するダイオードである。
【0017】
このような構成において、図5に示すドライバ素子2の出力電圧V_Qと出力電流I_Dとの関係は、図6及び図7に示すような関係となる。図6及び図7には、出力電圧V_Qが大きくなると急激に出力電流I_Dが大きくなり、所定の電流値まで達すると出力電圧V_Qが大きくなっても変化しない関係が示されている。
【0018】
また、図6には、ドライバ素子2がオフからオンに切り替わるターンオフ時の出力電圧V_Q及び出力電流I_Dの変化が破線の矢印(負荷線)で示されている。つまり、図6に示す破線の矢印は、ドライバ素子2がオフ状態の出力電圧V_Q及び出力電流I_Dから、まず出力電流I_Dのみが増加し、所定の電流値に達すると出力電圧V_Qのみが減少し、オン状態の出力電圧V_Q及び出力電流I_Dに至る。なお、オフ状態の出力電圧V_Q及び出力電流I_Dは、出力電圧V_Qが所定の電圧値を有し、出力電流I_Dがゼロである。オン状態の出力電圧V_Q及び出力電流I_Dは、出力電流I_Dが所定の電流値を有し、出力電圧V_Qが、所定の電流値を維持できる最小の電圧値(以下、最小電圧値ともいう)である。
【0019】
一方、図7には、ドライバ素子2がオンからオフに切り替わるターンオン時の出力電圧V_Q及び出力電流I_Dの変化が破線の矢印(負荷線)で示されている。つまり、図7に示す破線の矢印は、ドライバ素子2がオン状態の出力電圧V_Q及び出力電流I_Dから、まず出力電圧V_Qのみが増加し、所定の電圧値に達すると出力電流I_Dのみが減少し、オフ状態の出力電圧V_Q及び出力電流I_Dに至る。
【0020】
図6及び図7において、出力電圧V_Qが所定の電圧値から最小電圧値まで、または最小電圧値から所定の電圧値まで変化する時間を切り替え時間Vtと呼ぶ。また、図6及び図7において、出力電流I_Dがゼロから所定の電流値まで、または所定の電流値からゼロまで変化する時間を切り替え時間Itと呼ぶ。以下に、切り替え時間Vt及びItを示す。
【0021】
Vt≒Cgq×(V_QH−V_QL)/I_G ・・・(1)
It≒(Cgs+Cgq)×(I_DH−I_DL)/(β×I_G) ・・・(2)
【0022】
ここで、(V_QH−V_QL)は出力電圧V_Qの範囲を示し、(I_DH−I_DL)は出力電流I_Dの範囲を示す。また、I_Gは、ドライバ素子2のゲート端子に流し込むまたは引き出す電流であり、I1またはI2である。Cgqは、ドライバ素子2のゲート端子とドレイン端子との間の容量であり、Cgsは、ドライバ素子2のゲート端子とソース端子との間の容量である。さらに、βは、ドライバ素子2の素子特性である。
【0023】
次に、図8(a)に、スイッチング回路1の入力端子5に供給される電圧INの波形を示す。図8(b)に、ドライバ素子2のゲート端子に供給される電圧V_Gの波形を示す。図8(c)に、ドライバ素子2の出力電圧V_Qの波形を示す。図8(d)に、ドライバ素子2の出力電流I_Dの波形を示す。図8(e)に、ドライバ素子2の出力電力Pdを示す。図8(a)から図8(e)までの波形のうち実線は、ドライバ素子2のスイッチング速度が高速の場合を示し、破線は低速の場合を示す。なお、スイッチング速度が高速の場合と低速の場合とで波形が比較しやすいように、図8(c)に示す出力電圧V_Qの立ち上がり時点Aと立ち下がった時点Bで、実線と破線とが一致するようなタイミングで駆動している。図8(a)に示す電圧INの波形で、実線と破線とが一致していないのはそのためである。
【0024】
また、図8(a)〜図8(e)の波形は、オン状態のドライバ素子2をオフ状態にし、その後再びオン状態に切り替えるパターンを示している。ここで、ドライバ素子2をオン状態からオフ状態に切り替える過渡時、出力電圧V_Qの実線と破線とを比較すると、実線の方が速く立ち上がり、出力電流I_Dの実線と破線とを比較すると、実線の方が速く立ち下がっている。つまり、切り替え時間Vt及び切り替え時間Itは、実線の方が短い。
【0025】
同様に、ドライバ素子2をオフ状態からオン状態に切り替える過渡時、出力電圧V_Qの実線と破線とを比較すると、実線の方が速く立ち下がり、出力電流I_Dの実線と破線とを比較すると、実線の方が速く立ち上がっている。つまり、切り替え時間Vt及び切り替え時間Itは、実線の方が短い。
【0026】
そのため、ドライバ素子2をオン状態からオフ状態またはオフ状態からオン状態に切り替える過渡時、消費電力のロスは、スイッチング速度が高速の場合(実線)の方が低速の場合(破線)より小さくなる。しかし、ドライバ素子2をオン状態からオフ状態またはオフ状態からオン状態に切り替える過渡時、図8(e)に示すように、出力電力Pdは、スイッチング速度が高速の場合(実線)の方が低速の場合(破線)に比べ短い期間に存在することになる。そのため、スイッチング速度が高速の場合(実線)の方が低速の場合(破線)に比べ、ドライバ素子2から発生する高周波成分のノイズが大きくなる。
【0027】
なお、ドライバ素子2のスイッチング速度を高速にするには、電流I1及び電流I2を大きくする。逆に、ドライバ素子2のスイッチング速度を低速にするには、電流I1及び電流I2を小さくする。
【0028】
上記のように、この発明の前提としての駆動回路では、ドライブ素子2のオン/オフを高速に切り替えると、過渡時に発生する消費電力のロスは低減するが、出力電流I_Dの高周波成分によるEMIノイズが大きくなる問題があった。そこで、本実施の形態では、図1に示す駆動回路を用いて、ターンオン時及びターンオフ時の過渡時、消費電力のロスを低減でき、且つ出力電流の高周波成分によるEMIノイズの発生を低減する。
【0029】
図1に、本実施の形態に係る駆動回路の回路図を示す。図1において、図5と同じ部分には同一の符号を付している。駆動回路は、nチャネルMOSFETのドライバ素子2のゲート端子に接続し、ドライバ素子2のオン/オフを制御している。ここで、駆動回路には、ドライバ素子2のゲート端子から電流I_Gを引き出すnチャネルMOSFETのスイッチ素子3と、ドライバ素子2のゲート端子に電流I_Gを流し込むpチャネルMOSFETのスイッチ素子4とを有するスイッチング回路1と、nチャネルMOSFETのゲート容量を用いた容量素子8とが設けられている。なお、ドライバ素子2は、nチャネルMOSFETに限定されず、pチャネルMOSFETやIGBT等であっても良い。
【0030】
容量素子8のゲート端子がドライバ素子2のゲート端子に、容量素子8のドレイン端子及びソース端子がドライバ素子2のソース端子(負荷であるソレノイドコイル6が接続されていない端子)にそれぞれ接続されている。図1に示す駆動回路を用いてドライブ素子2を駆動した場合の各波形を図2(a)から図2(e)に示す。
【0031】
図2(a)に、スイッチング回路1の入力端子5に供給される電圧INの波形を示す。図2(b)に、ドライバ素子2のゲート端子に供給される電圧V_Gの波形を示す。図2(c)に、ドライバ素子2の出力電圧V_Qの波形を示す。図2(d)に、ドライバ素子2の出力電流I_Dの波形を示す。図2(e)に、ドライバ素子2の出力電圧Pdの波形を示す。図2(a)から図2(e)までの波形のうち実線は、ドライバ素子2のスイッチング速度が高速の場合を示し、破線は低速の場合を示す。なお、スイッチング速度が高速の場合と低速の場合とで波形が比較しやすいように、図2(c)に示す出力電圧V_Qの立ち上がり時点Aと立ち下がった時点Bで、実線と破線とが一致するようなタイミングで駆動している。
【0032】
次に、ドライバ素子2のEMIノイズを低減するには、EMIノイズの要因である出力電流I_Dの高周波成分を下げる必要がある。そのためには、図2(d)に示すように出力電流I_Dの切り替え時間Itを長くする必要がある。
【0033】
また、ドライバ素子2の消費電力を低減するには、出力電流I_Dの切り替え時間Itを長くした分、図2(d)に示すように出力電圧V_Qの切り替え時間Vtを短くする必要がある。
【0034】
出力電流I_Dの切り替え時間Itを長くするには、式(2)に示すように、容量素子8を付加してドライバ素子2のゲート端子とソース端子との間の容量Cgsを大きくすることで可能である。一方、出力電圧V_Qの切り替え時間Vtを短くするには、式(1)に示すように、ドライバ素子2のゲート端子に流し込むまたは引き出す電流I_G、つまりI1またはI2を大きくすることにより可能である。なお、電流I_Gを大きくすると、式(2)より出力電流I_Dの切り替え時間Itが短くなるが、容量素子8を付加したことで容量Cgsが大きくなるのを考慮すると、トータル的に出力電流I_Dの切り替え時間Itは長くなる。
【0035】
容量Cgsを増加させる素子は、出力電流I_Dの切り替え時間Itに影響を与えるため、ドライバ素子2がオフからオンまでの遅延時間(以下、オン遅延時間ともいう)やドライバ素子2がオンからオフまでの遅延時間(以下、オフ遅延時間ともいう)にも影響を与える。
【0036】
そのため、本実施の形態では、容量Cgsを増加させる容量素子8をドライバ素子2と同じ構成のnチャネルMOSFETとすることで、ドライバ素子2のオフ時には、容量素子8の容量(容量素子8のゲート端子とソース端子との間の容量及び容量素子8のゲート端子とドレイン端子との間の容量)を小さくすることができる。そのため、本実施の形態では、オン遅延時間の増加を防止している。
【0037】
一方、オフ遅延時間は、ドライバ素子2のゲート端子に供給される電圧V_Gに電圧リミットを設けることで、遅延時間の増加を防いでいる。
【0038】
以上のように、本実施の形態に係る駆動回路は、ドライバ素子2のゲート端子とソース端との間に容量素子8を設けることで、単純な回路構成であるがドライバ素子2の消費電力のロスを低減し、且つ高周波成分のEMIノイズを低減することができる。
【0039】
なお、ドライバ素子2において消費電力のロスが生じる期間は、出力電流I_Dの切り替え時間Itと出力電圧V_Qの切り替え時間Vtを合わせた時間である。しかし、ドライバ素子2において高周波成分のEMIノイズが発生する期間は、出力電流I_Dの切り替え時間Itのみである。そのため、出力電流I_Dの切り替え時間Itを長くすることで、高周波成分のEMIノイズを低減する。一方で、出力電流I_Dの切り替え時間Itを長くした分、出力電圧V_Qの切り替え時間Vtを短くして消費電力のロスが増加するのを防止している。
【0040】
(実施の形態2)
図3に、本実施の形態に係る駆動回路の回路図を示す。図3において、図5と同じ部分には同一の符号を付している。駆動回路は、nチャネルMOSFETのドライバ素子2のゲート端子に接続し、ドライバ素子2のオン/オフを制御している。ここで、駆動回路には、ドライバ素子2のゲート端子から電流I_Gを引き出すnチャネルMOSFETのスイッチ素子3と、ドライバ素子2のゲート端子に電流I_Gを流し込むpチャネルMOSFETのスイッチ素子4とを有するスイッチング回路1と、nチャネルMOSFETで構成された増幅素子9とが設けられている。なお、ドライバ素子2は、nチャネルMOSFETに限定されず、pチャネルMOSFETやIGBT等であっても良い。
【0041】
増幅素子9は、ゲート端子がドライバ素子2のゲート端子に、ドレイン端子が抵抗RLを介してドライバ素子2のドレイン端子(負荷であるソレノイドコイル6が接続されている端子)に、ソース端子がドライバ素子2のソース端子(負荷であるソレノイドコイル6が接続されていない端子)にそれぞれ接続されている。図3に示す駆動回路を用いてドライブ素子2を駆動した場合の各波形を図4(a)から図4(f)に示す。
【0042】
図4(a)に、スイッチング回路1の入力端子5に供給される電圧INの波形を示す。図4(b)に、ドライバ素子2のゲート端子に供給される電圧V_Gの波形を示す。図4(c)に、増幅素子9のドレイン電圧V_aの波形を示す。図4(d)に、ドライバ素子2の出力電圧V_Qの波形を示す。図4(e)に、ドライバ素子2の出力電流I_Dの波形を示す。図4(f)に、ドライバ素子2の出力電力Pdの波形を示す。
【0043】
本実施の形態でも、ドライバ素子2のEMIノイズを低減するために、出力電流I_Dの切り替え時間Itを長くして、EMIノイズの要因である出力電流I_Dの高周波成分を低減している。但し、本実施の形態では、実施の形態1と異なり容量素子8を設ける代わりに増幅素子9を設けている。容量素子8も増幅素子9もnチャネルMOSFETで構成されているが、増幅素子9は、ゲインによるゲート−ドレイン間のミラー容量を利用することができるので、容量素子8と同じ容量を得るのに必要な面積を小さくすることができる。
【0044】
次に、出力電圧V_Qの切り替え時間Vtの間、図4(b)に示すようにドライバ素子2に供給される電圧V_Gは変化することはない。ここで、増幅素子9は、ドライバ素子2と同じnチャネルMOSFETで構成されているので、出力電圧V_Qの切り替え時間Vtの間にオン状態である。そのため、当該期間、増幅素子9のドレイン電圧V_aはLowレベルのまま変化しないことになる。
【0045】
次に、出力電流I_Dの切り替え時間Itの間は、図4(e)に示すように出力電流I_Dが変化するので、増幅素子9のドレイン電圧V_aも変化する(図4(c))。このとき、増幅素子9は、抵抗RLを負荷として反転増幅動作を行うため、増幅素子9のゲート−ドレイン間容量に電流I_Gの一部が流れる。この電流は、反転増幅のミラー効果によるミラー容量に流れるため、見かけ上大きな容量がドライバ素子2のゲート−ソース間に接続されていることと等価となる。よって、増幅素子9は、容量素子8に比べて占有面積を小さくしても実施の形態1と同様の効果が得られる。
【0046】
以上のように、本実施の形態に係る駆動回路は、増幅素子9を備えるので、出力電流I_Dの切り替え時間Itを、容量素子8を設けた場合と同じ程度の長さにするのであれば、増幅素子9の占有面積を容量素子8の占有面積より小さくすることができ、駆動回路の小型化が可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0047】
【図1】本発明の実施の形態1に係る駆動回路の回路図である。
【図2】本発明の実施の形態1に係る駆動回路の動作の波形図である。
【図3】本発明の実施の形態2に係る駆動回路の回路図である。
【図4】本発明の実施の形態2に係る駆動回路の動作の波形図である。
【図5】この発明の前提としての駆動回路の回路図である。
【図6】出力電流I_Dと出力電圧V_Qとの関係を示す図である。
【図7】出力電流I_Dと出力電圧V_Qとの関係を示す図である。
【図8】この発明の前提としての駆動回路の動作の波形図である。
【符号の説明】
【0048】
1 スイッチ回路、2 ドライバ素子、3,4 スイッチ素子、5 入力端子、6 ソレノイドコイル、7 クランプ素子、8 容量素子、9 増幅素子。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
一方の端子に負荷が接続されたドライバ素子のオン/オフを制御する駆動回路であって、
前記ドライバ素子の制御端子に電流を流し込む供給部と、前記ドライバ素子の前記制御端子から電流を引き出す引出部とを有するスイッチング回路と、
前記ドライバ素子の前記制御端子と他方の端子との間に設けられた容量素子とを備える駆動回路。
【請求項2】
請求項1に記載の駆動回路であって、
前記容量素子は、トランジスタのゲート容量を用いることを特徴とする駆動回路。
【請求項3】
一方の端子に負荷が接続されたドライバ素子のオン/オフを制御する駆動回路であって、
前記ドライバ素子の制御端子に電流を流し込む供給部と、前記ドライバ素子の前記制御端子から電流を引き出す引出部と有するスイッチング回路と、
ゲート端子が前記ドライバ素子の前記制御端子と、ソース端子が前記ドライバ素子の他方の端子と、ドレイン端子が抵抗を介して前記ドライバ素子の前記一方の端子とそれぞれ接続された増幅素子とを備える駆動回路。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2006−165947(P2006−165947A)
【公開日】平成18年6月22日(2006.6.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−353634(P2004−353634)
【出願日】平成16年12月7日(2004.12.7)
【出願人】(503121103)株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Fターム(参考)】