JPH0279770A - パワーmosトランジスタブリッジ駆動用ポンプ式充電回路 - Google Patents

パワーmosトランジスタブリッジ駆動用ポンプ式充電回路

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JPH0279770A
JPH0279770A JP1184863A JP18486389A JPH0279770A JP H0279770 A JPH0279770 A JP H0279770A JP 1184863 A JP1184863 A JP 1184863A JP 18486389 A JP18486389 A JP 18486389A JP H0279770 A JPH0279770 A JP H0279770A
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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、誘導子及びコンデンサを組み合せたパワーM
OSトランジスタブリッジ駆動用ポンプ式充電回路に関
する。
〔従来の技術〕
周知のように、ブリッジ回路はトランジスタを2つずつ
有する2つのハーフブリッジで構成されている。そして
、この2つのトランジスタは、電源側にあるかまたはア
ース側にあるかに応じて、高位辺即ち高圧辺及び下位辺
即ち低圧辺とそれぞれ称する位置に直列に接続されてい
る。2つのトランジスタにそれぞれ関連する駆動段には
、同じ方式で名称が付けられている。
トランジスタとしてパワーMOS形特にN形DMOSト
ランジスタを使用するとき、このトランジスタの駆動に
は、トランジスタが三極管特性領域で動作するとき最小
抵抗を保証するようにゲート・ソースにIOVの電圧を
生ずることができなければならない。このことは、低圧
側トランジスタのゲートには10■の電圧を加える必要
があるが、高圧側トランジスタのゲートにはブリッジ電
源電圧よりもIOV高い電圧を加えなければならないこ
とを意味している。
ブリッジに加わる電源電圧が比較的高ければ(10ない
し12Vの範囲)、低圧側MOS  l−ランジスタを
駆動するのに必要なIOVの電圧を得るのが容易なこと
は明らかである。しかしながら、高圧側トランジスタを
駆動するには、電圧を所要値まで昇圧するポンプ式充電
回路を使用する必要がある。
低電源電圧(例えば、5V)の場合には、低圧側トラン
ジスタの駆動もうまく行かない。このため、2つのポン
プ式充電回路が必要となり、一方は低圧側トランジスタ
用のポンプコンデンサに設けられ、他方は高圧側トラン
ジスタ用のポンプコンデンサに必要とされる。
ポンプ式充電回路は通常、所要出力電圧に応じて1つ以
上設けられるポンプコンデンサ(例えば、前述の場合、
低圧側トランジスタ駆動用のものと高圧側トランジスタ
駆動用のものとで合計2つ)、被駆動トランジスタの等
個入力容量によって多くの場合構成されるタンクコンデ
ンサと、固定周波数で発振して、ポンプコンデンサへま
たはそれからタンクコンデンサへの電荷転送を走査する
固定周波数発振器とを備えている。
〔発明が解決しようとする課題〕
多数のコンデンサを使用することによって、この種部品
を集積回路に外付けで使用しない限り、現存のポンプ式
充電回路を完全なモノリシック形式として使用すること
はできない。
その上、同様にこの種コンデンサを使用するため、所要
最大出力電圧に達するのに要求されるある程度の緩速の
度合いは、この種コンデンサの特性に左右されよう。大
きさのオーダーとして、発振周波数500KHzの発振
器の場合には、IOないし50回の発振器クロック信号
繰返し数に応じて、IOVに達するのに20ないし10
0μsec。
の時間が要求される。
このことから、例えばパルス幅変調方式(PWM)電流
制御リングに使用するブリッジ回路に用いる上で、代表
的にIOないし50KHzの動作周波数を有する誘導性
負荷には更に重大な制限が課せられる。この理由は、こ
の種周波数(100ないし20μsec、の周期にそれ
ぞれ対応している)には、はるかに短い付勢時間及び消
勢時間が要求されることによる。
切り換え時間の短縮化にはブーストラップ容量性技術を
使用することが要求されるが、同技術は多くの場合駆動
回路に負担をかけ、このため低電圧駆動に関する諸問題
を解消するものではなく、しかも結論的にはモノリシッ
ク形式に集積化を達成できるものではない。
最後に、既に指摘したように、低電圧電源の場合、1つ
ではなく2つのポンプ式充電回路が必要であり、このた
め前述の諸問題を解決できないことは勿論のこと、この
種問題を複雑化するだけであることに注意すべきである
従って、かかる従来の諸問題に鑑み、本発明の目的は、
動作速度が比較的速く、モノリシック形式で容易に集積
化が図れ、しかも特に単一回路として使用して、高電源
電圧と同様に低電源電圧を用いて低圧側トランジスタ及
び高圧側トランジスタの双方を駆動するようにした、ポ
ンプ式充電回路を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明によれば、前述の目的は、所要駆動電圧に対応し
て電荷を蓄積するタンクコンデンサと、ブリッジ電源電
圧が加えられる、前記タンクコンデンサの充電回路とを
周知のようにして備えたポンプ式充電回路において、前
記充電回路が誘導子と、前記誘導子より前記タンクコン
デンサに充電電流が放出される状態から、前記誘導子か
らの前記充電電流の放出及び前記電荷蓄積の双方が中断
される状態へと周期的に切り換わるように動作する制御
用トランジスタとを具備し、この際、プリセット周波数
が設定された発振器と、前記タンクコンデンサ端子間の
電圧と前記電源電圧との間の差分を検出することができ
るようにした比較器とを備えた制御回路を前記制御用ト
ランジスタに設けて、前記差分がプリセット最大値以上
のとき前記制御用トランジスタを前記充電電流放出状態
に固定し、前記差分がプリセット最小値以下のとき前記
制御用トランジスタを非固定にし周期的切り換え動作を
再始動させて制御するようにしたことを特徴とするポン
プ式充電回路によって達成される。
〔作 用] このように、本発明によるポンプ式充電回路はコンデン
サの使用を前記タンクコンデンサのみに限定している。
このため充電時間が十分に短縮化されるので、前記ブリ
ッジの付勢及び消勢を高速に行うことができ、かつ種々
の応用分野に使用できるという利点を有する。更に、低
電源電圧及び高電源電圧を用いて、単一回路で低圧側M
OS  )ランジスタ及び高圧倒MO5)ランジスタの
双方を駆動することができ、このためこの種トランジス
タ駆動に必要な所望電圧に応じて、この種トランジスタ
を自由に配置することができる。  、 〔実施例〕 本発明の範囲を限定する意味ではなく、その−層の理解
をはかる目的で、添付図面に本発明の実施例を示す。
第1図は電源電圧V、が加わる給電端子とアースとの間
に接続されたハーフブリッジ回路を示している。このハ
ーフブリッジ回路は、低位辺即ち低圧辺及び高位辺即ち
高圧辺にそれぞれ設けられた、2つのパワーMOS  
l−ランジスタMl及びM2を備えている。また、これ
らのMOSトランジスタはN形DMOSで構成されてい
ることが好ましい。2つのダイオードDI及びD2は2
つのMOSトランジスタMl及びM2のソース端子とド
レイン端子とをプッシュプル関係に接続しである。また
、このハーフブリッジ回路の出力信号は記号011Tで
示しである。
前記2つのMOS  )ランジスタh1及びM2には、
この種の実質的に既知の駆動段DSI及びDS2がそれ
ぞれ接続されている。これらの駆動段はそれぞれのトラ
ンジスタのゲート端子に電圧を印加するためのもので、
この結果、例えばゲート・ソース間電圧V□を少なくと
もIOVに設定するようにしている。
このために、前記2つの駆動段DSL及びDS2には、
ポンプ式充電回路CPCによって電圧が供給される。そ
しt、このポンプ式充電回路にはハーフブリッジと同一
の電源電圧V、が供給され、同回路はこの電源電圧v3
に比して約15Vだけ高い駆動電圧V、をその出力端子
に出力する。この駆動電圧VPは高圧側駆動段DS2に
は直接印加されるが、低圧側駆動段DSLに対しては、
10ないし12Vの範囲に電圧を設定するようにした電
圧調整器RTを介して印加される。
前記ポンプ式充電回路cpcは実質的に、誘導子り、N
PN形バイポーラトランジスタT、ダイオードD、タン
クコンデンサC及び制御回路CCを備えている。
前記誘導子りは電源電圧ν、が加わる給電端子と前記バ
イポーラトランジスタTのコレクタとの間に接続されて
いる。また、バイポーラトランジスタTのコレクタは抵
抗器を介してアースされている。バイポーラトランジス
タTのコレクタはまた直列接続のダイオードD及びタン
クコンデンサCを介してアースされている。また、この
タンクコンデンサCには電流源回路Gが並列に接続され
ている。ダイオードDとコンデンサCとの間の中間ブラ
ンチはポンプ式充電回路cpcの出力端子VCを構成し
ており、この出力端子VCには前記駆動電圧VPが出力
される。
前記バイポーラトランジスタTのベースには前記制御回
路CCの出力端子が接続されている。
制御回路CCは第2図にその構成を詳細に示しである。
前記制御回路は主として、クロック信号SCを一定の周
波数で連続的に発生ずる発振器0SC1過電圧比較器C
Pl、及び過電流比較器CP2を備えている。
前記過電圧比較器CPIはヒステリシス比較器であって
、電源電圧ν、が加わる給電端子に接続された負極入力
端子と、前記チャージポンプ回路の出力端子VCに接続
された正極入力端子とを有している。従って、この比較
器CPIは2つの電圧V、及びV、を比較することによ
って、差分(VP −V3 )がプリセット最大値VL
hh、例えば15Vを上回れば、出力電圧Vlを論理レ
ベル「1」に設定し、差分(VP −vs )がプリセ
ット最小値νい3、例えば14Vを下回れば、出力電圧
Vlを論理レベル「0」に設定する。
次に比較器CP2は前記バイポーラトランジスタTのコ
レクタに接続された正極入力端子と、しきい価基準電圧
Vいが加わる端子に接続された負極入力端子とを有して
いる。このため、この比較器CP2は抵抗器Rの正極側
端子の電圧V。
と前記しきい価基準電圧Vthとを比較して、V。
がVtbを上回っていれば出力電圧v2を論理レベルr
1.に設定し、これの逆の場合には出力電圧v2に論理
レベル「0」を設定する。
前記発振器OSC並びに前記比較器CPI及びCF2か
らのそれぞれの出力信号は、リセット優先型の二安定マ
ルチパイプレークFFの入力端子に加えられる。また、
この双安定マルチバイブレークFFの出力信号Q及びQ
′を使用して、抵抗器R1及びN型DMOS l−ラン
ジスタM3によりバイポーラトランジスタTのベースを
制御する。この双安定マルチパイプレークFFは3つの
NAND論理ゲートNl、N2及びN3を備えており、
このうち最初のNANロ論理ゲートNlは、インバータ
INVを介して発振器OSCの出力端子に接続された一
方の入力端子と、NOR論理ゲー)N4の出力端子に接
続された他方の入力端子とを有している。また、このN
OR論理ゲートN4は、発振器OSCの出力端子と、比
較器CPIの出力端子と、比較器CP2の出力端子とに
それぞれ接続された3つの入力端子を有している。次に
前記論理ゲートN2及びN3は、前記論理ゲー1−Nl
及びN4の出力端子にそれぞれ接続された一方の入力端
子と、これらの論理ゲー)N3及びN2の出力端子にそ
れぞれ接続された他方の入力端子とを有している。論理
ゲー)N2の出力信号、即ち双安定マルチバイブレータ
FFの出力信号Qは抵抗器R1を介してトランジスタT
のベースに加えられる。次いで論理ゲートN3の出力信
号、即ち双安定マルチバイブレータFFの反転出力信号
Qは0MO5)ランジスタM3のゲートに加えられる。
また、このトランジスタM3はトランジスタTのベース
に接続されたドレインと、アースに接続されたソースと
を有してている。
以上に説明した回路全体は、誘導子り及びコンデンサC
を除いて、単一モノリシック構造体に集積化することが
できる。バイポーラトランジスタ及びMOS  )ラン
ジスタを同一基板に作り込むのに、集積化技術が必要と
されるのは勿論である。
第2図に示すポンプ式充電回路を、第1図に示したよう
なパワーMOSトランジスタ式ハーフブリッジを駆動す
るのに使用するとすれば、前述の回路構成に基づいて、
このポンプ式駆動回路の動作モードは以下のように説明
される。
即ち、既述したように、発振器O3Cは一定の周波数で
クロック信号SCを発生し、このクロック信号は次にイ
ンバータINVによって対応反転クロック信号SC′に
変換される。この反転クロック信号sc’の波形は、第
3図及び第4図の波形曲線a)にそれぞれ図示しである
。これらの図中、X軸は時間tを表わしている。
反転クロック信号SC′が論理レベル「0」のとき、双
安定マルチバイブレークFFの出力信号Qは第3図及び
第4図(波形曲線d))における論理レベル「1」をと
り、このためバイポーラトランジスタTは導通状態とな
る。従って、電流Iハ誘導子り及びトランジスタTを流
れ、法則I= v、/ (lxt)に応じて増加する。
電源電圧v3が低く、例えばv、=5Vの場合、電流I
の増加曲線の勾配は第3図の波形曲線e)に図示しであ
る。この電流の曲線勾配は十分に大きいものではなく、
このため反転クロック信号SC′が論理レベル「1」に
切り換わる前に電圧vrが比較器CP2のしきい価基準
電圧Vthに達することはない。この結果、双安定マル
チバイブレータFFの出力信号Qは論理レベル「0」に
切り換えられる。このようにして、比較器CP2の出力
電圧v2は論理レベル「0」のままとなる(第3図の波
形曲線b)参照)。
トランジスタTが非導通状態になると、出力電圧V、が
増大する結果、誘導子りに蓄積されたエネルギーはコン
デンサCへと転送される。
トランジスタTの非導通時間を十分に長くして、誘導子
りからコンデンサCへ全蓄積電荷を転送できるようにす
る必要があることは勿論である。以上のように思量した
場合、ポンプ式充電回路CPCの出力電圧は、v、=5
Vにおける等式VP = Vs +15Vを満たす必要
があることから、電荷転送の際に誘導子りからコンデン
サCへと流れる充電電流の勾配が3倍大きくなって、ト
ランジスタTの非導通時間が導通状態の場合の1/3倍
またはそれ以上であることが要求される。第3図に示す
ように、反転クロック信号SC′のデユーティサイクル
が50%またはそれ以下であるとすれば、こういった動
作が生じる。
反転クロック信号sc’が再度論理レベル「0」になる
と、トランジスタTによって誘導子りは再び付勢される
が、コンデンサCは駆動段051及びDS2に一部の電
荷を放電する(第3図の波形曲線f)参照)。
電圧V、が比較器CPIの上限トリップしきい値、即ち
(vs + Vいh)に達しない間は、前述のサイクル
が繰り返される。電圧vPが一旦このしきい値を上回る
と、比較器CPIの出力電圧v1は論理レベル「1」を
とり(第3図の波形曲線C)参照)、このため双安定マ
ルチバイブレークFFはリセット状態に切り換えられて
、回路がクロック信号に応答しなくなり、トランジスタ
Tが非導通状態のままとなる。
このとき、電圧vPがヒステリシス比較器CI’1の下
限トリップしきい値、即ち(VS− + Vtht )
に達するまで、コンデンサCは徐々に放電する。
この放電時間が駆動段DSI及びDS2の両特性に依存
するのは明らかである。
電圧V、が一旦前述の下限トリップしきい値に達すると
、比較器CPIの出力電圧v1は論理レベル「0」に戻
り、双安定マルチバイブレークFFがリセット状態から
解放され、クロック信号SCによりトランジスタTが制
御されて導通状態と非導通状態とを交互にとり、この結
果、誘導子りからコンデンサCへのエネルギー転送が周
期的に繰り返される。
従って、ポンプ式充電回路CPCからの出力電圧V、は
、上限トリップしきい値(VS− + Vthh)と下
限トリップしきい値(VS− + VLht ) との
間のレベル、即ち前述の場合には(vs+15V)と(
VS− +14V)との間のレベルで出力される。こう
いった電圧は低圧側MOSトランジスタM1を駆動する
には大きすぎるので、電圧調整器RTによって電圧レベ
ルを調整する。一方、この種電圧レベルは高圧側?lO
S  トランジスタM2を駆動するのに十分である。
電源電圧V、が更に高くなって、例えばり。
=12Vの場合、ポンプ式充電回路cpcの動作は基本
的には変わらないが、トランジスタTが導通状態にある
とき電流Iが増大して、その曲線勾配は一層大きくなる
(第4図の波形曲線e)参照)。このようにしてこの回
路では電流レベルの増大とこれに伴う誘導子りにおける
蓄積エネルギーの増大とをきたし、この結果、例えばト
ランジスタTの次の非導通状態の際、蓄積エネルギーが
コンデンサCへと完全に転送できなくなる。このため、
誘導子りにはエネルギーが累積的に蓄積されてゆき、ト
ランジスタTを流れる電流が増大し、この結果、例えば
ポンプ式充電回路における電力損失が増大し、かつチャ
ージポンプ効率が低下する。
こういった欠点を解消するために、比較器CP2が設け
られて、誘導子りを流れる電流をトリップしきい値Vt
hに対応するレベル値に制限するようになっている。電
流■がこのレベル値に達すると直ちに、比較器CP2の
出力電圧v2は論理レベル「l」をとり、この結果、双
安定マルチパイプレークFFが瞬間的にリセットされ、
相応してトランジスタTが瞬間的に非導通状態となる。
このようにして、インパルスQの持続時間が短縮化され
、かつトランジスタTの導通時間が相応して短かくなる
。また、トランジスタTの非導通時間内に誘導子りから
コンデンサCへ全エネルギーの転送が確実に行われるよ
うに、電流の制限値を設定する必要があることは勿論で
ある。
この場合、ポンプ式充電回路CPCはまたその出力端子
に、(VS− +Vthh)と(vs 十Vtht)と
の間のレベル、即ら前述のように例示的に思量した場合
には(vs +15V)と(VP +14V)との間の
レベルで出力電圧VPを出力する。
〔発明の効果〕
従って、本発明による単一のポンプ式充電回路は誘導子
り及びコンデンサCを除いて完全に集積化することがで
きて、高圧側MOSトランジスタ及び低圧側MOS)ラ
ンジスタ用の所要駆動電圧として高圧及び低圧電源電圧
V、をそれぞれ確実に供給することは明らかである。一
方、使用するコンデンサの容量を低減することによって
トリップ時間が短縮化されるので、パワートランジスタ
の導通及び非導通時間の短縮化が要求される種々の応用
分野に、ポンプ式充電回路とハーフブリッジとを使用す
ることができる。
このために、トランジスタTをバイポーラトランジスタ
形式で構成して、MOS  )ランジスタに比して低い
トリップしきい値を設けることによりMOS )ランジ
スタの導通の場合に比して低い電源電圧が切り換えでき
るようにしたことは特に重要である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるポンプ式充電回路によって給電さ
れる、駆動段を備えたパワーMOSトランジスタのハー
フブリッジを示す回路図、第2図は第1図のポンプ式充
電回路の回路構成を具体的に示す回路図、また第3図及
び第4図はそれぞれ低電源電圧及び高電源電圧の場合に
おいて、第2図の回路に現われるそれぞれの主要信号の
波形を示すタイムチャート図である。 CPC・・・ポンプ式充電回路、C・・・タンクコンデ
ンサ、L・・・誘導子、T・・・NPN型バイポーラト
ランジスタ、CC・・・制御回路、OSC・・・発振器
、cpi・・・ヒステリシス比較器、vP・・・駆動電
圧、V、・・・電源電圧、Vいゎ・・・プリセット最大
値、Vい、・・・プリセット最小値。 代理人 弁理士 小 川 信 −

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、所要駆動電圧(V_P)に対応して電荷を蓄積する
    タンクコンデンサ(C)と、ブリッジ電源電圧(V_S
    )が加えられる、前記タンクコンデンサ(C)の充電回
    路とを備えたパワーMOSトランジスタブリッジ駆動用
    ポンプ式充電回路において、前記充電回路が誘導子(L
    )と、前記誘導子(L)より前記タンクコンデンサ(C
    )に充電電流が放出される状態から、前記誘導子(L)
    からの前記充電電流の放出及び前記電荷蓄積の双方が中
    断される状態へと周期的に切り換わるように動作する制
    御用トランジスタ(T)とを具備し、この際、プリセッ
    ト周波数が設定された発振器(OSC)と、前記タンク
    コンデンサ(C)端子間の電圧(V_P)と前記電源電
    圧(V_S)との間の差分(V_S−V_P)を検出す
    ることができるようにした比較器(CP1)とを備えた
    制御回路(CC)を前記制御用トランジスタに設けて、
    前記差分(V_S−V_P)がプリセット最大値(V_
    t_h_h)以上のとき前記制御用トランジスタ(T)
    を前記充電電流放出状態に固定し、前記差分(V_S−
    V_P)がプリセット最小値(V_t_h_l)以下の
    とき前記制御用トランジスタを非固定にし周期的切り換
    え動作を再始動させて制御するようにしたことを特徴と
    するパワーMOSトランジスタブリッジ駆動用ポンプ式
    充電回路。 2、前記制御用トランジスタ(T)がバイポーラトラン
    ジスタである請求項1記載のポンプ式充電回路。 3、前記制御用トランジスタ(T)が前記タンクコンデ
    ンサ(C)に対して前記誘導子(L)とアースとの間に
    分岐して接続されている請求項1記載のポンプ式充電回
    路。 4、前記制御回路(CC)が前記誘導子から放出される
    充電電流を検出することができるようにした比較器(C
    P2)を更に備えて、前記充電電流がプリセットしきい
    値(V_t_h)以上のとき、前記制御用トランジスタ
    (T)を前記充電電流放出状態に直ちに固定し、前記発
    振器(OSC)の制御によって前記誘導子(L)の次の
    充電サイクルが開始されるまで前記状態を維持するよう
    に制御した請求項1記載のポンプ式充電回路。 5、前記比較器(CP2)がヒステリシス比較器である
    請求項1記載のポンプ式充電回路。
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