JP2004147452A - ゲートドライブ回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】オープンコレクタ、若しくはオープンドレインのスイッチング素子を用いて、PチャネルMOSFETのゲートを駆動する回路において、ターンオフ時のスイッチング速度を安価に改善する。特に、非連続動作のチョッパ電源において、変換効率の改善に寄与する。
【解決手段】PチャネルMOSFET Q11と、MOSFETやバイポーラトランジスタ等の制御端子付スイッチング素子Q12と、NPNトランジスタQ13と3ヶの抵抗R11、R12、R13を備える。Q11のソース電極とQ13のコレクタ電極とR12が接続され、R12の他端とQ13のベース電極とR13が接続され、R13の他端とQ12のドレイン電極、若しくはコレクタコレクタ電極とR11が接続され、R11の他端とQ13のエミッタ電極とQ11のゲート電極が接続される。
【選択図】 図1
【解決手段】PチャネルMOSFET Q11と、MOSFETやバイポーラトランジスタ等の制御端子付スイッチング素子Q12と、NPNトランジスタQ13と3ヶの抵抗R11、R12、R13を備える。Q11のソース電極とQ13のコレクタ電極とR12が接続され、R12の他端とQ13のベース電極とR13が接続され、R13の他端とQ12のドレイン電極、若しくはコレクタコレクタ電極とR11が接続され、R11の他端とQ13のエミッタ電極とQ11のゲート電極が接続される。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電子機器に用いられるPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路に関する。特に、非連続動作チョッパ電源の主スイッチング素子として用いられるMOSFET用のゲートドライブ回路として有効である。
【0002】
【従来の技術】
スイッチング素子としてのMOSFETは、そのスイッチング速度が高速であること、静的にはドライブ電流がほとんど不要であることに利点がある。ただし、MOSFETにはゲート容量が存在するため、高速スイッチングさせるためにはゲート容量へのチャージ、ディスチャージを急速に行う必要がある。
【0003】
図6に最も簡単なPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路を示す。
【0004】
また、図7に図6のゲートドライブ回路を用いた非連続動作降圧チョッパ電源の回路図を示す。
【0005】
図7において、Q21は主スイッチング素子であるPチャネルMOSFET、L21はチョークコイル、D22は回生用のショットキーダイオード、ZD21は基準電源であるツェナダイオード、201はオープンコレクタ出力のコンパレータである。図4のオープンコレクタトランジスタQ22は201のコンパレータに内蔵されていることになる。
【0006】
図8は図7の回路の動作波形を示しており、(A)はMOSFETのドレイン電流、(B)はドレインソース間電圧、(C)はゲートソース間電圧、(D)は201のコンパレータの出力電圧である。
【0007】
201のコンパレータの出力がオンすることによりQ21のPチャネルMOSFETのゲート電圧は24VをR21とR22で分圧した電圧となり、ゲートソース間電圧の閾値を越えてQ21のPチャネルMOSFETはオンする。
【0008】
また、201のコンパレータの出力がオフすることによりQ21のPチャネルMOSFETのゲート電圧は24Vとなり、ゲートソース間電圧が0VとなることによりQ21のPチャネルMOSFETはオフする。
【0009】
Q21のPチャネルMOSFETがオフするとき、Q21のPチャネルMOSFETのゲート容量に蓄えられた電荷はR22をとおり放電する。R22とR21の分圧比は、Q21のPチャネルMOSFETのゲートソース間電圧の閾値で決まる。またこれら2ヶの抵抗値の和を下げると201の出力電流が大きくなるため抵抗値を小さくするにも限界がある。したがって、R22の抵抗値はあまり小さなものにできない。
【0010】
したがって、ゲート容量に蓄積された電荷の放電スピードはあまり速くできない。このため、第8図(D)の201のコンパレータ出力電圧が上がりきることができず、大きな肩を持ってしまう。この部分はドレイン電流が大きく、ドレインソース間電圧も大きいため損失が大きくなってしまう。
【0011】
この問題を解決するためには、201の出力をプシュプルにする、あるいは特開平5−153773に示された手法を用いることができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プシュプル出力にするとゲートドライブ回路が複雑になる、安価でない等の問題が発生する。
【0013】
また、特開平5−153773の回路はかなり回路は簡素化されてはいるが、未だ部品定数が多く、また追加されたダイオードのスイッチング速度の影響を受けてしまう。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明においては下記構成のゲートドライブ回路を提案する。
【0015】
PチャネルMOSFET Q11とMOSFETやバイポーラトランジスタ等の制御端子付スイッチング素子Q12とNPNトランジスタQ13と3ヶの抵抗R11、R12、R13を備え、Q11のソース電極とQ13のコレクタ電極とR12が接続され、R12の他端とQ13のベース電極とR13が接続され、R13の他端とQ12のドレイン電極、若しくはコレクタコレクタ電極とR11が接続され、R11の他端とQ13のエミッタ電極とQ11のゲート電極が接続される。
【0016】
また、PチャネルMOSFETオフ時の速度を制御する場合は、Q13のコレクタ、若しくはQ11のゲートに抵抗を追加することもできる。
【0017】
【発明の実施の形態】
(第1実施例)
図1に本発明の第1実施例のゲートドライブ回路の回路図を示す。
【0018】
図1において、Q11はPチャネルMOSFET、Q12、Q13はNPNトランジスタである。
【0019】
Q12はスイッチング素子として動作し、Q12がオンのときQ11はオン、Q12がオフのときQ11もオフである。
【0020】
抵抗R12、R13はQ13のベース電圧を決定するための分圧抵抗である。Q11のゲートソース間の閾値電圧をVthとすると、Q12がオンしたときR12の両端電圧がVth以上、R13×Vth/(R13+R12)が0.7V以上となるようR12とR13の抵抗値の比は設定される。
【0021】
Q12がオンしているとき、R12に流れる電流はR13に流れる電流とQ13のベース電流に分かれる。Q13のベース電流はQ13のコレクタ電流の1/hfeとなる。Q13のコレクタ電流はR11によって制限される。R11の抵抗値を適当に選択し、十分大きなhfeのトランジスタを選べば、Q13のベース電流はR13に流れる電流に比べて小さく無視できる。Q13のエミッタ電圧はベース電圧からおおよそ0.7V程度低下した電圧になるため、Q11のゲートソース間電圧は少なくともVth+0.7Vとなり、Q11はオン状態となる。
【0022】
Q12がオフに移行すると、Q12のコレクタ電圧は上昇するが、Q11のゲートソース間電圧は0Vにはならない。Q11のゲート容量にたまっている電荷があるためVth以上となる。そのため、Q13はオフとならず、Q13のエミッタ電流によりQ11のゲート容量にたまっている電荷は急速に放電されて0VとなりQ11はオフする。
【0023】
Q12がオンに移行すると、Q11のゲート容量はR11を介して充電され、Q11はオンする。
【0024】
一連の動作において、Q13はエミッタホロワ動作をしているため、Q13の動作は速い。
【0025】
図2に本ゲートドライブ回路を適用した非連続動作降圧チョッパ電源の回路図を示す。
【0026】
図2において、Q11は主スイッチング素子であるPチャネルMOSFET、L11はチョークコイル、D12は回生用のショットキーダイオード、ZD11は基準電源であるツェナダイオード、101はオープンコレクタ出力のコンパレータである。図1のオープンコレクタトランジスタQ12は101のコンパレータに内蔵されていることになる。
【0027】
図3に図2の回路の動作波形を示す。(A)はMOSFETのドレイン電流、(B)はドレインソース間電圧、(C)はゲートソース間電圧、(D)は201のコンパレータの出力電圧である。
【0028】
図8の波形と比べると主スイッチング素子であるPチャネルMOSFETのオフの速度が格段に速くなっていることがわかる。
【0029】
非連続動作のチョッパ電源においては、主スイッチング素子のターンオフの速度が効率に大きな影響を与える。本発明のゲートドライブ回路を用いることにより、非連続動作のチョッパ電源の効率を容易に改善することができる。
【0030】
(第2実施例)
図4に本発明の第2実施例のゲートドライブ回路の回路図を示す。
【0031】
本回路は、図1の回路にゲート電流制限抵抗R14をQ13のコレクタに付与したものである。
【0032】
第1実施例はQ11のPチャネルMOSFETをこの回路構成において最大限速く動作させることができるが、ゲート容量放電時の電流制限抵抗がなく、スイッチングの速度が速くなりすぎる場合がある。スイッチングが早くなれば損失は減るが、ノイズの放出、回路の誤動作などの弊害が発生する場合がある。この場合は本実施例のように抵抗を付与し、スイッチングスピードをコントロールすることができる。
【0033】
また、図5に示すようにQ11のゲートにゲート電流制限抵抗R15を挿入しても同じ効果が得られる。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本特許を用いれば数点の部品を追加することでPチャネルMOSFETのターンオフ時の速度を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示すPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路図とする。
【図2】本発明の第1実施例のゲートドライブ回路を施した非連続降圧チョッパ電源回路図とする。
【図3】図2の回路の動作波形とする。
【図4】本発明の第2実施例を示すPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路図その1とする。
【図5】本発明の第2実施例を示すPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路図その2とする。
【図6】従来のPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路図とする。
【図7】従来のゲートドライブ回路を施した非連続降圧チョッパ電源回路図とする。
【図8】図7の回路の動作波形とする。
【符号の説明】
101,201−オープンコレクタ出力コンパレータ
Q11,Q21−PチャネルMOSFET
Q12,Q13,Q21,Q22−NPNトランジスタ
D11,D21−ショットキーダイオード
D12,D22−小信号ダイオード
C11,C12,C21,C22−電解コンデンサ
L11,L12−チョークコイル
ZD11,21−ツェナダイオード
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電子機器に用いられるPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路に関する。特に、非連続動作チョッパ電源の主スイッチング素子として用いられるMOSFET用のゲートドライブ回路として有効である。
【0002】
【従来の技術】
スイッチング素子としてのMOSFETは、そのスイッチング速度が高速であること、静的にはドライブ電流がほとんど不要であることに利点がある。ただし、MOSFETにはゲート容量が存在するため、高速スイッチングさせるためにはゲート容量へのチャージ、ディスチャージを急速に行う必要がある。
【0003】
図6に最も簡単なPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路を示す。
【0004】
また、図7に図6のゲートドライブ回路を用いた非連続動作降圧チョッパ電源の回路図を示す。
【0005】
図7において、Q21は主スイッチング素子であるPチャネルMOSFET、L21はチョークコイル、D22は回生用のショットキーダイオード、ZD21は基準電源であるツェナダイオード、201はオープンコレクタ出力のコンパレータである。図4のオープンコレクタトランジスタQ22は201のコンパレータに内蔵されていることになる。
【0006】
図8は図7の回路の動作波形を示しており、(A)はMOSFETのドレイン電流、(B)はドレインソース間電圧、(C)はゲートソース間電圧、(D)は201のコンパレータの出力電圧である。
【0007】
201のコンパレータの出力がオンすることによりQ21のPチャネルMOSFETのゲート電圧は24VをR21とR22で分圧した電圧となり、ゲートソース間電圧の閾値を越えてQ21のPチャネルMOSFETはオンする。
【0008】
また、201のコンパレータの出力がオフすることによりQ21のPチャネルMOSFETのゲート電圧は24Vとなり、ゲートソース間電圧が0VとなることによりQ21のPチャネルMOSFETはオフする。
【0009】
Q21のPチャネルMOSFETがオフするとき、Q21のPチャネルMOSFETのゲート容量に蓄えられた電荷はR22をとおり放電する。R22とR21の分圧比は、Q21のPチャネルMOSFETのゲートソース間電圧の閾値で決まる。またこれら2ヶの抵抗値の和を下げると201の出力電流が大きくなるため抵抗値を小さくするにも限界がある。したがって、R22の抵抗値はあまり小さなものにできない。
【0010】
したがって、ゲート容量に蓄積された電荷の放電スピードはあまり速くできない。このため、第8図(D)の201のコンパレータ出力電圧が上がりきることができず、大きな肩を持ってしまう。この部分はドレイン電流が大きく、ドレインソース間電圧も大きいため損失が大きくなってしまう。
【0011】
この問題を解決するためには、201の出力をプシュプルにする、あるいは特開平5−153773に示された手法を用いることができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プシュプル出力にするとゲートドライブ回路が複雑になる、安価でない等の問題が発生する。
【0013】
また、特開平5−153773の回路はかなり回路は簡素化されてはいるが、未だ部品定数が多く、また追加されたダイオードのスイッチング速度の影響を受けてしまう。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明においては下記構成のゲートドライブ回路を提案する。
【0015】
PチャネルMOSFET Q11とMOSFETやバイポーラトランジスタ等の制御端子付スイッチング素子Q12とNPNトランジスタQ13と3ヶの抵抗R11、R12、R13を備え、Q11のソース電極とQ13のコレクタ電極とR12が接続され、R12の他端とQ13のベース電極とR13が接続され、R13の他端とQ12のドレイン電極、若しくはコレクタコレクタ電極とR11が接続され、R11の他端とQ13のエミッタ電極とQ11のゲート電極が接続される。
【0016】
また、PチャネルMOSFETオフ時の速度を制御する場合は、Q13のコレクタ、若しくはQ11のゲートに抵抗を追加することもできる。
【0017】
【発明の実施の形態】
(第1実施例)
図1に本発明の第1実施例のゲートドライブ回路の回路図を示す。
【0018】
図1において、Q11はPチャネルMOSFET、Q12、Q13はNPNトランジスタである。
【0019】
Q12はスイッチング素子として動作し、Q12がオンのときQ11はオン、Q12がオフのときQ11もオフである。
【0020】
抵抗R12、R13はQ13のベース電圧を決定するための分圧抵抗である。Q11のゲートソース間の閾値電圧をVthとすると、Q12がオンしたときR12の両端電圧がVth以上、R13×Vth/(R13+R12)が0.7V以上となるようR12とR13の抵抗値の比は設定される。
【0021】
Q12がオンしているとき、R12に流れる電流はR13に流れる電流とQ13のベース電流に分かれる。Q13のベース電流はQ13のコレクタ電流の1/hfeとなる。Q13のコレクタ電流はR11によって制限される。R11の抵抗値を適当に選択し、十分大きなhfeのトランジスタを選べば、Q13のベース電流はR13に流れる電流に比べて小さく無視できる。Q13のエミッタ電圧はベース電圧からおおよそ0.7V程度低下した電圧になるため、Q11のゲートソース間電圧は少なくともVth+0.7Vとなり、Q11はオン状態となる。
【0022】
Q12がオフに移行すると、Q12のコレクタ電圧は上昇するが、Q11のゲートソース間電圧は0Vにはならない。Q11のゲート容量にたまっている電荷があるためVth以上となる。そのため、Q13はオフとならず、Q13のエミッタ電流によりQ11のゲート容量にたまっている電荷は急速に放電されて0VとなりQ11はオフする。
【0023】
Q12がオンに移行すると、Q11のゲート容量はR11を介して充電され、Q11はオンする。
【0024】
一連の動作において、Q13はエミッタホロワ動作をしているため、Q13の動作は速い。
【0025】
図2に本ゲートドライブ回路を適用した非連続動作降圧チョッパ電源の回路図を示す。
【0026】
図2において、Q11は主スイッチング素子であるPチャネルMOSFET、L11はチョークコイル、D12は回生用のショットキーダイオード、ZD11は基準電源であるツェナダイオード、101はオープンコレクタ出力のコンパレータである。図1のオープンコレクタトランジスタQ12は101のコンパレータに内蔵されていることになる。
【0027】
図3に図2の回路の動作波形を示す。(A)はMOSFETのドレイン電流、(B)はドレインソース間電圧、(C)はゲートソース間電圧、(D)は201のコンパレータの出力電圧である。
【0028】
図8の波形と比べると主スイッチング素子であるPチャネルMOSFETのオフの速度が格段に速くなっていることがわかる。
【0029】
非連続動作のチョッパ電源においては、主スイッチング素子のターンオフの速度が効率に大きな影響を与える。本発明のゲートドライブ回路を用いることにより、非連続動作のチョッパ電源の効率を容易に改善することができる。
【0030】
(第2実施例)
図4に本発明の第2実施例のゲートドライブ回路の回路図を示す。
【0031】
本回路は、図1の回路にゲート電流制限抵抗R14をQ13のコレクタに付与したものである。
【0032】
第1実施例はQ11のPチャネルMOSFETをこの回路構成において最大限速く動作させることができるが、ゲート容量放電時の電流制限抵抗がなく、スイッチングの速度が速くなりすぎる場合がある。スイッチングが早くなれば損失は減るが、ノイズの放出、回路の誤動作などの弊害が発生する場合がある。この場合は本実施例のように抵抗を付与し、スイッチングスピードをコントロールすることができる。
【0033】
また、図5に示すようにQ11のゲートにゲート電流制限抵抗R15を挿入しても同じ効果が得られる。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本特許を用いれば数点の部品を追加することでPチャネルMOSFETのターンオフ時の速度を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示すPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路図とする。
【図2】本発明の第1実施例のゲートドライブ回路を施した非連続降圧チョッパ電源回路図とする。
【図3】図2の回路の動作波形とする。
【図4】本発明の第2実施例を示すPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路図その1とする。
【図5】本発明の第2実施例を示すPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路図その2とする。
【図6】従来のPチャネルMOSFETのゲートドライブ回路図とする。
【図7】従来のゲートドライブ回路を施した非連続降圧チョッパ電源回路図とする。
【図8】図7の回路の動作波形とする。
【符号の説明】
101,201−オープンコレクタ出力コンパレータ
Q11,Q21−PチャネルMOSFET
Q12,Q13,Q21,Q22−NPNトランジスタ
D11,D21−ショットキーダイオード
D12,D22−小信号ダイオード
C11,C12,C21,C22−電解コンデンサ
L11,L12−チョークコイル
ZD11,21−ツェナダイオード
Claims (3)
- PチャネルMOSFET Q11と、
MOSFETやバイポーラトランジスタ等の制御端子付スイッチング素子Q12と、
NPNトランジスタQ13と、
3ヶの抵抗R11、R12、R13を備え、
Q11のソース電極とQ13のコレクタ電極とR12が接続され、
R12の他端とQ13のベース電極とR13が接続され、
R13の他端とQ12のドレイン電極、若しくはコレクタコレクタ電極とR11が接続され、
R11の他端とQ13のエミッタ電極とQ11のゲート電極が接続され、
Q12のベース電流、あるいはソースゲート間電圧によりQ11のソースドレイン間の導通遮断を制御することを特徴とするゲートドライブ回路。 - 請求項1の回路構成において、
抵抗R14を一端をQ13のコレクタ電極に、他端をR12とQ11のソース電極の接続点に挿入することを特徴とするゲートドライブ回路。 - 請求項1の回路構成において、
抵抗R15を一端をQ13のエミッタ電極とR11の接続点に、他端をQ11のゲート電極に挿入することを特徴とするゲートドライブ回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002311000A JP2004147452A (ja) | 2002-10-25 | 2002-10-25 | ゲートドライブ回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002311000A JP2004147452A (ja) | 2002-10-25 | 2002-10-25 | ゲートドライブ回路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004147452A true JP2004147452A (ja) | 2004-05-20 |
Family
ID=32456358
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002311000A Pending JP2004147452A (ja) | 2002-10-25 | 2002-10-25 | ゲートドライブ回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004147452A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006141124A (ja) * | 2004-11-11 | 2006-06-01 | Canon Inc | チョッパ電源装置 |
| CN103095144A (zh) * | 2013-01-07 | 2013-05-08 | 苏州佳世达光电有限公司 | 具有电压加速补偿的供电电路 |
| CN116916491A (zh) * | 2023-06-29 | 2023-10-20 | 珠海市圣昌电子有限公司 | 一种基于高频pwm的低亮无频闪led调光电源控制电路及方法 |
-
2002
- 2002-10-25 JP JP2002311000A patent/JP2004147452A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006141124A (ja) * | 2004-11-11 | 2006-06-01 | Canon Inc | チョッパ電源装置 |
| CN103095144A (zh) * | 2013-01-07 | 2013-05-08 | 苏州佳世达光电有限公司 | 具有电压加速补偿的供电电路 |
| CN116916491A (zh) * | 2023-06-29 | 2023-10-20 | 珠海市圣昌电子有限公司 | 一种基于高频pwm的低亮无频闪led调光电源控制电路及方法 |
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