JPH11219222A - スイッチングd.c.電圧制御回路 - Google Patents

スイッチングd.c.電圧制御回路

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JPH11219222A
JPH11219222A JP10321397A JP32139798A JPH11219222A JP H11219222 A JPH11219222 A JP H11219222A JP 10321397 A JP10321397 A JP 10321397A JP 32139798 A JP32139798 A JP 32139798A JP H11219222 A JPH11219222 A JP H11219222A
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/18Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using Zener diodes

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  • Power Conversion In General (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 入出力端子の間に半導体素子が挿入される電
圧安定回路において、電圧制御特性を改善する。 【解決手段】 入力端子と出力端子と基準端子と制御端
子とを有するスイッチングD.C.電圧制御回路におい
て、主端子が入出力端子に結合するゲートターンオフサ
イリスタと、入力端子とサイリスタのカソードゲートの
間に結合する抵抗と、サイリスタのカソードゲートと基
準端子に主端子を結合するトランジスタと、出力端子と
トランジスタのベースの間に結合するアバランシェダイ
オードとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はスイッチングD.
C.電圧制御回路に関する。
【0002】
【従来の技術】そのような回路を図1に1で示す。入力
はD.C.電圧Vinに結合し、出力VoutはVin
が変化したとき又は負荷Lの電流Ioutが変化したと
き可能な限定一定でなければならない。この回路は制御
入力CTRLを有し、出力をVout又は0にする。こ
の回路の応用は、自動車分野では、LED(発光ダイオ
ード)の供給電源である。LEDは、例えば、自動車の
第3テールライトとして用いられる。従って、電圧Vi
nは自動車の電池電圧で、従って大きく変動する。
【0003】下記では、簡単のため、電圧VinとVo
utは接地に対して正であると仮定する。
【0004】図2は電圧制御回路の基本回路を示す。電
圧制御はアバランシェダイードZにより行われ、そのア
ノードは接地され、カソードは制御された出力電圧端子
Voutと、抵抗R1を介して入力端子Vinに結合す
る。トランジスタTR1によるスイッチが端子Vout
と接地との間にもうけられる。このトランジスタのベー
スは制御電圧CTRLを受け取る。従って、トランジス
タがオフのとき、電圧Voutはアバランシェダイオー
ドZのアバランシェ電圧にほぼ等しく、出力に現れる。
【0005】この回路はいくつかの欠点を有する。第1
の欠点は電力抵抗R1の存在である。例えば、出力電圧
Voutが10Vに制御されるとき、電圧Vinが30
Vに上昇すると、抵抗の両端の電圧降下は20Vであ
り、抵抗が50オームの場合、消費電力は1ワットとな
る。そのような電力抵抗は高価である。図2の回路の別
の欠点は、アバランシェダイオードZの電流が、電圧V
inが変化したとき、大きく変化することである。その
結果、出力電圧の変動が大きくなる。
【0006】別の直列抵抗回路を図3に示す。抵抗R1
は図2と同様にVinとVoutの間に接続される。ア
バランシェダイオードZはトランジスタTR1のベース
とコレクタの間に接続される。そのトランジスタ自身は
Voutと接地の間に接続される。バイアス抵抗R2が
トランジスタTR1のベースとエミッタの間に接続され
る。この場合、公称制御電圧はアバランシェダイオード
の電圧にトランジスタTR1のベース/エミッタ電圧を
加えたものである。この回路も主電流回路に直列抵抗が
使用される欠点がある。図2の回路の利点は電圧Vin
の変動に伴う電圧Voutの変動が小さいことである。
【0007】直列抵抗をもった回路の欠点を避けるため
の従来の技術として、入力端子Vinと出力端子Vou
tの間に直列に電力抵抗より安価な半導体素子を挿入す
る回路が知られている。この半導体素子は電力回路の電
流を遮断することができ、従って、0出力電圧が所望の
ときの損失は限定される。
【0008】図4はゲートターンオフ(GTO)サイリ
スタをもつ回路の例である。GTOサイリスタTh1は
アノードが端子Vinに、カソードが端子Voutに接
続される。抵抗R3はアノードゲートとカソードゲート
の間に接続される。カソードゲートはアバランシェダイ
オードZと、必要により、温度補償用の順方向バイアス
されたダイオードdを介して接地される。トランジスタ
TR2はサイリスタTh1のカソードゲートと接地の間
に接続される。トランジスタTR2のベースは制御端子
とCTRLに接続される。トランジスタがオフのとき、
抵抗R3によるゲートバイアスのためサイリスタは通常
オンである。出力電圧Voutはカソード/ゲート電圧
降下とアバランシェダイオードの電圧に制御される。ト
ランジスタTR2がオンになると、サイリスタはオフに
なり電圧Voutはほぼ0になる。アノードゲートは使
用せずに、抵抗R3をサイリスタのアノードに直接接続
してもよい。図示の回路は電圧源が自動車のバッテリの
ときに起こりがちな、電圧Vinのバイアスが逆転した
ときの保護が可能である利点がある。
【0009】図5に半導体素子を使用した別の回路を示
す。サイリスタTh1はトランジスタTR3に置換され
ている。その他の回路素子は図4と同じである。この回
路はゲインの高いトランジスタを必要とするという欠点
を有し、このようなトランジスタは高い直流ブレイクダ
ウン電圧のパワートランジスタの場合は入手困難であ
る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は入出力
間に半導体素子をもつ図4、図5のファミリー回路で、
電圧制御特性を改善することにある。
【0011】本発明の別の目的は、そのような回路の、
単一の半導体素子の形態での集積回路化にある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明によるスイッチン
グD.C.電圧制御回路は、入力端子と、出力端子と、
基準端子と、制御端子とを有し、主端子を各々入出力端
子の間に結合するゲートターンオフサイリスタと、入力
端子とサイリスタのカソードゲートの間に結合する抵抗
と、主端子をサイリスタのカソードゲートと基準端子の
間に結合するトランジスタと、出力端子とトランジスタ
のベースの間に結合するアバランシェダイオードとを有
する。
【0013】本発明の実施例によると、抵抗はサイリス
タのアノードゲートとカソードゲートの間に結合され
る。
【0014】本発明は又上記回路を実現するモノリシッ
ク素子を提供する。該回路は、P型絶縁壁により2つの
ウェルに分割されるN型基板を有し、サイリスタは第1
のウェルに横型に形成され、トランジスタは第2のウェ
ルにたて型に形成される。アバランシェダイオードはN
+ 型領域とトランジスタのベース領域の間に形成され
る。
【0015】本発明の実施例によると、サイリスタを含
むウェルの裏面はP+ 型拡散領域を含む。
【0016】本発明の実施例によると、素子は、裏側
に、絶縁壁の下の絶縁層を含む。
【0017】本発明の実施例によると、抵抗はカソード
ゲート領域と接触する軽くドープされたP型層を有す
る。
【0018】
【発明の実施の形態】図6に示すように、本発明による
制御回路は直列半導体素子を有し、この素子はGTO型
のサイリスタである。
【0019】電圧VinとVoutが正のときは、サイ
リスタアノードは端子Vinに、サイリスタカソードは
端子Voutに接続される。サイリスタのアノード、又
はアノードゲート、はバイアス抵抗Rによりカソードゲ
ートに接続される。サイリスタThのカソードゲートは
NPNトランジスタTのコレクタに接続され、このトラ
ンジスタのエミッタは接地される。出力端子Vout
は、アバランシェダイオードZを介してトランジスタT
のベースに接続される。トランジスタTのベースは制御
端子CTRLに結合し、GTOサイリスタTh1をオフ
にしたいときはトランジスタを飽和させる。
【0020】この回路は従来の回路に比べて少なくとも
次の3つの利点のひとつを有する。 (a)自然に温度制御される。 (b)出力電圧はより安定である。 (c)集積回路化が容易である。
【0021】第1の利点、つまり温度制御は、アバラン
シェダイオードZが、トランジスタTのベース/エミッ
タ接合と直列接続されることによりもたらされる。
【0022】第2の利点、つまり入力電圧が変化したと
きの出力電圧の安定性は、実験により確認され、次の表
により図4と図6の比較を示す。
【0023】表1は室温での特性を示し、表2は100
℃での動作を示す。これらの表で、IinとIoutは
各々入力電流と出力電流であり(mA)、電圧はボルト
である。アバランシェダイオードZのアバランシェ電圧
は10Vである。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】これらの表から、入力電圧が十分であれ
ば、出力電圧Vout及び出力電流Ioutは、本発明
の装置の方が図4の装置より安定であることがわかる。
同様の比較は他の従来技術との間でも可能である。図4
が本発明に最も近いので、図4との比較を更に行う。
【0027】表3は、入力電圧Vinが一定(20V)
で負荷が変動したときの出力電圧Voutの安定性を示
す。負荷の抵抗はRoutで示す。Vzはアバランシェ
ダイオード(公称電圧10V)の両端の実効電圧を示
し、VbeはトランジスタTの実効ベース−エミッタ電
圧を示す。
【0028】
【表3】
【0029】さらに、前述のごとく、本発明の別の利点
は、図6の回路が、パワートランジスタのゲインが低い
従来のサイリスタ集積技術を使用した集積化に適してい
ることである。
【0030】図7は集積構造の例である。この構造はN
型基板10を有し、P型拡散壁12で分離された2つの
ウェルを有する。
【0031】GTO型サイリスタは図7の左側のウェル
に構成される横型サイリスタである。トランジスタTと
アバランシェダイオードZは図7の右側のウェルに構成
される。
【0032】横型サイリスタThは参照番号14、1
0、15、16で示されるPNPN領域を有する。領域
14はサイリスタアノードに対応し領域10は半導体基
板に対応し、領域15はカソードゲート領域に対応し、
領域16はカソードに対応する。好ましくは、裏側に、
+ 型領域をもうけ、GTOサイリスタの感度を改善す
る。
【0033】アノードゲートとカソードゲートの間の抵
抗Rは集積形態で実現され、カソードゲート領域15と
領域19とのコンタクトを提供する金属20との間の軽
くドープしたP型領域19と、基板10(アノードゲー
ト領域に対応)に対応する。
【0034】図7の右側のウェルには、トランジスタT
が垂直形態で実現される。このトランジスタは裏側のN
+ 型コレクタ領域21と、表側表面のP型ベース領域2
2を有し、後者22の中にN+ 型エミッタ拡散23が作
られる。ベース領域22にはN+ 型領域25が形成さ
れ、このベース領域と共にアバランシェダイオードZに
対応する。
【0035】出力端子及び別の素子との結合のための金
属も図示されている。裏側表面で絶縁壁12の下に、P
+ 領域18とN+ 領域21に達する絶縁層30がもうけ
られ、裏側金属は裏側表面全体とコンタクト領域18、
21の上に一様にもうけられる。絶縁層30はサイリス
タとトランジスタの接続を防止する。ゲート端子Gはワ
イヤにより裏側金属に接続される。
【図面の簡単な説明】
【図1】制御回路のブロック図である。
【図2】従来のスイッチング制御回路である。
【図3】従来のスイッチング制御回路である。
【図4】従来のスイッチング制御回路である。
【図5】従来のスイッチング制御回路である。
【図6】本発明によるスイッチング制御回路である。
【図7】図6の回路を実現する素子の断面図である。
【符号の説明】
Th サイリスタ T トランジスタ Z アバランシェダイオード R 抵抗 CTRL 制御端子

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力端子(Vin)と、出力端子(Vo
    ut)と、基準端子と、制御端子(CTRL)とを有
    し、 主端子を各々前記入力端子と前記出力端子に接続するゲ
    ートターン−オフサイリスタ(Th)と、 前記入力端子と前記サイリスタのカソードゲートの間に
    接続される抵抗Rと、 主端子を各々前記サイリスタのカソードゲートと前記基
    準端子の間に接続するトランジスタ(T)と、 前記出力端子と前記トランジスタのベースとの間に接続
    されるアバランシェダイオード(Z)とを有することを
    特徴とするスイッチングD.C.電圧制御回路。
  2. 【請求項2】 前記抵抗(R)が前記サイリスタのアノ
    ードゲートとカソードゲートの間に接続される請求項1
    記載のスイッチングD.C.電圧制御回路。
  3. 【請求項3】 P型絶縁壁(12)により2つのウェル
    に分割されるN型基板(10)を含み、サイリスタが第
    1のウェルに横型に形成され、トランジスタが第2のウ
    ェルにたて型に形成され、アバランシェダイオードが前
    記トランジスタのN+ 型領域(25)とベース領域(2
    2)の間に接合により実現される、請求項1の制御回路
    を実施するためのモノリシック素子。
  4. 【請求項4】 サイリスタを含むウェルの裏側表面がP
    + 型拡散領域(18)を含む請求項3記載の素子。
  5. 【請求項5】 裏側表面に、絶縁壁の下の絶縁層(3
    0)を含む請求項3記載の素子。
  6. 【請求項6】 抵抗(R)がカソードゲート領域(1
    5)に接触する軽くドープされたP型層(19)から形
    成される請求項3記載の素子。
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