DC-DCコンバータ｜基礎編

昇圧電源の負荷短絡によるトラブルと保護回路 昇圧電源の負荷短絡時の過電流によるトラブルの発生

2023.03.21

この記事のポイント

・ダイオード整流方式の昇圧型DC-DCコンバータは出力短絡時、VIN→インダクタ→ダイオード→VOUTの電流経路があり、電流制限が効かず焼損に至る可能性がある。

・ハイサイドスイッチにFETを使用した同期整流方式でも、FETには寄生ダイオードがあり、寄生ダイード経由の電流経路により電流を遮断できないので問題となる。

・ハイサイドスイッチを内蔵した電源ICではFETのバックゲートにスイッチを付けることが可能、寄生ダイオードを経由する電流経路を遮断して出力短絡保護機能を実現できる。

・短絡による過電流状態でもローサイドスイッチは電流検出できずオンを繰り返し、ダメージの蓄積によりローサイドスイッチも破壊に至る場合がある。

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まず、最初の「昇圧電源の負荷短絡時の過電流によるトラブルの発生」についてです。

　昇圧電源での出力短絡によるトラブルの例として、「ダイオード整流方式での出力短絡」、「同期整流方式での出力短絡」、「バックゲート制御の場合」、「ローサイドスイッチの過電流制限動作」について説明します。

ダイオード整流方式での出力短絡

降圧型DC-DCコンバータでは、ほとんどの電源ICは出力の過負荷や短絡に対して過電流制限回路が動作して電源ICの破壊を防止することができます。これに対してほとんどの昇圧コンバータでは、定格以上の負荷電流を流した時や出力を短絡した時に問題が発生します。定格電流以上の負荷電流を取ると出力電圧を維持できなくなり、出力電圧の低下が始まります。この時、ローサイドスイッチは低下した出力電圧を回復しようとしてローサイドスイッチの過電流制限値まで電流を増加させますが、電流制限により最大出力電流以上の負荷電流が流れると定入力電力状態となり出力電圧は低下してゆきます。さらに負荷インピーダンスが低下して出力電圧VOUTが入力電圧VINから整流ダイオードのVFを引いた電圧より低くなると、電源からインダクタ、整流ダイオードを直接通る電流経路ができてしまいます。この状態ではローサイドスイッチの過電流制限は無効となり、入出力間の電位差÷抵抗（主にインダクタの直流抵抗DCR）による電流が流れます。負荷インピーダンスがさらに低下し短絡状態のVOUT=0Vとなると、短絡電流ISHORTは、ISHORT=(VIN-VF)÷DCR　となり、定格電流をはるかに超える数10Aのレベルまで増加してインダクタや整流ダイオードが焼損に至る可能性があります。

整流ダイオードを経由する制御不能な短絡電流

同期整流方式での出力短絡

ハイサイドスイッチがFETによる同期整流の場合、過電流を検出した時、FETスイッチをオフにして電流を遮断できれば良いのですが、FETをオフにしてもFETにはソースとドレイン間のPN接合による寄生ダイオードが存在するので、FETがオフになっていてもインダクタからFETの寄生ダイオードを経由する経路ができてしまい、電流が流れるのを阻止できません。したがって、電源ICの制御では短絡電流を制御することができず、ハイサイドスイッチであるFETもダメージを受ける可能性があります。

FETの寄生ダイオードによる制御不能な電流経路

バックゲート制御の場合

ハイサイドスイッチが外付のFETの場合、構造がバーチカル型なので寄生ダイオードが必ず存在するので、寄生ダイオードによる電流経路の発生を防止することはできません。しかし電源ICにFETスイッチ素子を内蔵した製品の場合、使用するFETはラテラル型となるので、FETのバックゲート部分にバイアス印加することにより寄生ダイオードをキャンセルすることが可能となります。このバイアス回路にスイッチを追加することによりバックゲート制御を行い、寄生ダイオードを必要に応じて遮断することができるようにした製品もあります。この場合は出力の短絡を検出した場合、寄生ダイオードを非導通状態にすることにより焼損トラブルを防止することができます。

バックゲート制御による寄生ダイオードの制御

同期整流ではローサイドスイッチとハイサイドスイッチが同時オンして出力を短絡しないように両方オフとなるデッドタイムという時間を設けます。しかし、両方のスイッチがオフになるとインダクタの出力側が解放状態となり逆起電力により非常に高い電圧が発生してしまいます。この高電圧の発生を防止するために、FETが持っている寄生ダイオードを有効利用して、デッドタイム時にダイオード整流動作を行うので、整流FETの寄生ダイオードはこの動作に必須となります。このため、通常動作時には寄生ダイオードを導通状態に制御するためにバックゲートのオン/オフ制御が必要となります。また、過電流状態を検出したタイミングで高速にFETとバックゲートを同時にオフすると、インダクタに電流が流れている状態でインダクタ出力が開放状態になります。インダクタの解放で逆起電力による高電圧が発生し、ローサイドスイッチの耐圧を超えて過電圧破壊に至る可能性があります。寄生ダイオードはオフしても整流FETとしてはリニア領域動作による電流の制御を行い、インダクタのエネルギーを消費させてからオフに移行するなどの制御が必要となります。

ローサイドスイッチの過電流制限動作

出力短絡により過大な電流が流れている時、出力電圧は設定電圧より低くなっているので、負帰還制御系は出力電圧を上昇させるために、ローサイドスイッチをオンさせてエネルギーを増加させようとします。ローサイドスイッチには過電流制限機能が付いていますが、これはスイッチに流れる電流を検出し、設定電流に達した時点でスイッチをオフにすることによりスイッチ電流を制御するためのものです。しかしローサイドスイッチがオンしていない状態では電流が流れていないので、出力短絡により大幅な過電流状態となっていることは検出できません。このため、次のクロックによるオン信号でローサイドスイッチはオンします。インダクタにはすでに制限電流以上の大電流が流れている状態なので、ローサイドスイッチがオンした直後に大幅な過電流状態が検出され、ローサイドスイッチは最短の時間でオフに移行しますが、短時間ですがパルス状の過大な電流が流れてしまいます。

短絡時のローサイドスイッチの過電流制限の動作

最大定格の何倍ものパルス状の大電流を毎秒スイッチング周波数の回数繰り返し流すことになり、大電流によるダメージの蓄積によりローサイドスイッチも破壊に至ることになります。トラブルの拡大を防止するためにはローサイドスイッチの過電流制限ではない別の保護機能が必要となります。

【資料ダウンロード】 スイッチングレギュレータの基礎

降圧型スイッチングレギュレータを題材とし、その動作や機能などの基礎を解説しています。リニアレギュレータとの比較、同期整流とダイオード整流、制御方式、補助機能なども併せて説明しています。

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