JP2006173717A - 半導体スイッチ回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体スイッチのオン・オフ時に過渡的に発生する電力を抑圧すると共に、発熱を減少させて、素子冷却のための放熱装置を小型化し材料費の低減と信頼性が向上できる半導体スイッチ回路を提供する。
【解決手段】半導体スイッチに並列に過渡電流用スイッチとコンデンサを直列に接続し、さらに並列に過渡電流スイッチとコイルの直列接続回路を接続する。スイッチ開閉時における負荷電流の急激な不連続を発生させない回路である。負荷電流値Ｉｘを通電スイッチで遮断する過渡的な時間Δｔ０に対して過渡的に増大する電圧Ｖｘの値を、コンデンサＣの値で制御する。Ｃ≧Δｔ０×Ｉｘ／Ｖｘの値で半導体スイッチの動作時のスイッチ部の電圧を定格電圧以下に抑えることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体スイッチのスイッチング電力抑圧に関するものである。
半導体スイッチにおいては、半導体材料固有の導電性の温度特性に起因するアバランシェ現象が起こるので、使用する場合には、電流開閉時の発熱抑制のために、オン・オフする電流、電圧値の制限がある。その許容範囲を拡大するために、放熱板や送風器が用いられることが多い。半導体スイッチ時のオン・オフ時に電流をゼロまたは電圧をゼロに設定しようとする試みは多い。交流であれば、電圧ゼロ時にスイッチをオン・オフする回路が用いられている。一方、デバイスや負荷のインダクタンス値と容量値を組合せてゼロ電流やゼロ電圧を実現し、その瞬間に回路をオン・オフする回路は共振形と呼ばれて多用されている。
長谷川彰、１９９７年、"改訂 スイッチングレギュレータ設計ノウハウ"、ＣＱ出版社発行 トランジスタ技術、２００４年８月号、"特集、パワーデバイス活用入門"、Ｐ１２３〜Ｐ２０２、ＣＱ出版社発行
半導体スイッチ時のオン・オフ時に電流をゼロまたは電圧をゼロに設定しようとする試みは多い。交流に対するゼロクロス回路や共振形回路は、回路電流の特性や、スイッチデバイスの特性に大きく関係している。半導体スイッチの種類や回路定数に依存せず、電源やスイッチの開閉速度のみに依存して、半導体スイッチ時のオン時オフ時に電流をゼロかで電圧をゼロに近づけたい。
電源回路と負荷回路と複雑な等価回路を持つ半導体スイッチを、鳳―テブナンの定理によりスイッチ部から見れば、図１のような、電源１と、等価直列インピーダンス２を有する単純な直列回路とみなせる。このスイッチ部３に並列に、スイッチのオン時、オフ時の過渡電流変化時にのみ動作する回路を配置する。すなわち、図２に示すようにスイッチ部３に並列に、過渡電流用スイッチ５とコンデンサ７を直列に接続し、さらに並列に過渡電流スイッチ４とコイル６を直列に接続した回路を用いる。コンデンサ７には並列に抵抗８やスイッチ９が接続される。
スイッチ電流開閉前後に過渡電流スイッチ４、５をオン・オフして、その瞬間での電源からの負荷電流に急激な不連続を発生させない回路である。誘導性の負荷であってもスイッチング時の電流変化をコンデンサの容量によっては小さくできるので、電磁誘導によるノイズが抑えられる。
電源１と負荷２に直列に接続されて電流を開閉し、開閉時に連続的な抵抗変化のある半導体スイッチ３と、そのスイッチに並列に過渡電流用スイッチ５とコンデンサ７を直列に接続した回路であって、図３に示す負荷電流値Ｉｘを通電スイッチで遮断する過渡的な時間Δｔ０に対して過渡的に増大する電圧Ｖｘの値を、コンデンサＣの値で制御する。
過渡電流スイッチと直列のコンデンサをスイッチの開閉ごとに抵抗８と直列のスイッチ９により初期値に戻すことができる。
通電電流を通電スイッチで開離する過渡的な時間Δｔ０後においても、負荷電流を連続させ、過渡的に増大する電圧Ｖｘの値は、電源から負荷を通してコンデンサに流入する電荷量で決まり、Ｖｘ＝Δｔ０×Ｉｘ／Ｃとコンデンサの値で制御する回路である。すなわち電流開離時の過渡的な時間Δｔ０後における電流値Ｉｘに対する過渡的に増大する電圧Ｖｘの値を、Ｃ＝Δｔ０×Ｉｘ／Ｖｘの値で制御することのできる回路である。
電源１と負荷２に直列に接続されて電流を開閉する半導体スイッチ３と、そのスイッチに並列に過渡電流用スイッチ５とコンデンサ７を直列に接続し、さらに並列に過渡電流スイッチ４とコイル６を直列に接続した回路は、インダクタンス６が直列に接続された過渡電流スイッチ４が電流値ゼロ時にオンして通電スイッチの電圧を下げた直後に通電半導体スイッチ３をオンさせ、オン時は低抵抗状態でありスイッチで電圧は当然低く、オンからオフへの移行時間内には上記のコンデンサの効果によってスイッチ両端の電圧上昇を抑圧し定格電力以下に抑えることができる。半導体スイッチ３の動作時のスイッチ部の消費電力を定格消費電力以下に抑えることのできる回路である。
本発明によれば、半導体スイッチのオン・オフ時に過渡的に発生する電力を抑圧すると共に、発熱の減少による素子冷却のための放熱装置が小型化でき、材料費の低減と信頼性の向上が提供できる。
図２、は本発明の最良の形態を示す。鳳―テブナン定理により単純化した回路で電源１と、等価直列インピーダンス２を有する単純な直列回路とみなしたとき、このスイッチ部３に並列に、スイッチのオン時、オフ時の過渡電流変化時にのみ動作する回路を配置する。すなわち、図２に示すようにスイッチ部３に並列に、過渡電流用スイッチ５とコンデンサ７を直列に接続し、さらに並列に過渡電流スイッチ４とコイル６を直列に接続した回路を用いる。コンデンサ７には並列に抵抗８が接続される。
図４は本発明をＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチに利用した実施例の回路図である。電源１０、負荷抵抗１１、通電半導体スイッチ１２、および過渡電流半導体スイッチ１３、１４、コンデンサ１７、抵抗１６、コイル１５の組み合わせからなる。
図５はオン動作時の過渡電流スイッチ１４の動作の確認例である。図５（ａ）は過渡電流スイッチ１４を使用しないときの通電半導体スイッチ１２のドレイン−ソース間電流（上）、ドレイン−ソース間電圧（下）である。図５（ｂ）は過渡電流スイッチ１４を使用したときの通電半導体スイッチ１２のドレイン−ソース間電流（上）、ドレイン−ソース間電圧（下）である。オン時の電圧変化が抑えられている事が確認できる。
図５（ｃ）は通電半導体スイッチ１２の消費電力の比較を示す。過渡電流スイッチを使用しないときは１．５５Ｗの消費電力が発生しているが、過渡電流スイッチを使用したときは消費電力は０．０５Ｗに抑圧できている。
図６はオフ動作時の過渡電流スイッチ１３の動作の確認例である。図６（ａ）は過渡電流スイッチ１３を使用しないときの通電半導体スイッチ１２のドレイン−ソース間電流（上）、ドレイン−ソース間電圧（下）である。図６（ｂ）は過渡電流スイッチ１３を使用したときの通電半導体スイッチ１２のドレイン−ソース間電流（上）、ドレイン−ソース間電圧（下）である。オフ時の電圧上昇が抑えられている事が確認できる。
図６（ｃ）は通電半導体スイッチ１２の消費電力の比較を示す。過渡電流スイッチを使用しないときは２７Ｗの消費電力が発生しているが、過渡電流スイッチを使用したときは消費電力は１２Ｗに抑圧できている。
半導体スイッチのオン・オフ時に過渡的に発生する電力が抑圧できるため、高速スイッチング回路における発熱損失と放熱機構の信頼性が問題となるスイッチング電源回路、モータインバータ回路に利用されるであろう。また半導体スイッチングデバイスのサージからの保護が必要な回路において利用されるであろう。
鳳−テブナンの定理により単純化した半導体スイッチ回路の等価回路 本発明のスイッチ回路の形態を示す回路図 半導体スイッチオフ時の電流Ｉｘと電圧Ｖｘの過渡電流スイッチによる制御 ＭＯＳＦＥＴによる実施例の回路図 ＭＯＳＦＥＴによる実施例のオン動作時電流、電圧波形 ＭＯＳＦＥＴによる実施例のオフ動作時電流、電圧波形

Claims (5)

  1. 電源と負荷に直列に接続されて電流を開閉する半導体スイッチと、そのスイッチに並列に過渡電流用スイッチとコンデンサを直列に接続し、さらに並列に過渡電流スイッチとコイルを直列に接続した回路であって、スイッチ電流開閉前後のみに過渡電流スイッチをオン・オフして、半導体スイッチのオン・オフ時に電源からの負荷電流に不連続を発生させない回路。
  2. 電源と負荷に直列に接続されて電流Ixを開閉し、開閉時に連続的な抵抗変化のある半導体スイッチと、そのスイッチに並列に過渡電流用スイッチとコンデンサCを直列に接続した回路であって、電流開離時の過渡的な時間Δｔ０におけるスイッチ間の電圧Ｖｘの値を、Ｃ≧Δｔ０×Ｉｘ／Ｖｘの値で制御する回路。
  3. 電源と負荷に直列に接続されて電流を開閉する半導体スイッチと、そのスイッチに並列に過渡電流用スイッチとコンデンサを直列に接続し、さらに並列に過渡電流スイッチとコイルを直列に接続した回路であって、半導体スイッチのオン状態からオフ状態への動作時に、半導体スイッチを流れる電流が遮断されないうちは半導体スイッチの消費電力を定格消費電力以下に抑える回路。
  4. 電源と負荷に直列に接続されて電流を開閉する半導体スイッチと、そのスイッチに並列に過渡電流用スイッチとコンデンサを直列に接続し、さらに並列に過渡電流スイッチとコイルを直列に接続した回路であって、電源の内部等価抵抗での電流スイッチ時の電圧変化（ΔＶ）を設定値以下に設計するために、コンデンサの容量値を制御した回路
  5. 電源と負荷に直列に接続されて電流を開閉する半導体スイッチと、そのスイッチに並列に過渡電流用スイッチとコンデンサを直列に接続し、さらに並列に過渡電流スイッチとコイルを直列に接続した回路であって、コンデンサの過渡状態を初期化するための抵抗またはスイッチと抵抗の直列接続をコンデンサに並列に接続した回路。
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