JP2010057263A - Gate drive circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ゲート信号に制御により4つの状態を有する双方向スイッチを直列接続したハーフブリッジ回路を構成した際のゲート駆動回路に関する。 The present invention relates to a gate drive circuit when a half-bridge circuit in which bidirectional switches having four states are connected in series to a gate signal is configured.
近年、電子機器の普及がさらに拡大傾向にあるが、同時に電子機器の消費電力増加、引いては地球温暖化などが発生しており、社会的な問題と認識されている。このような社会的背景から、電子機器の低消費電力化の要求も高くなっており、根幹となる電源回路、あるいは電子機器の主たる機能を実現するためのアクチュエータなど待機電力、運転のための電力の何れの電力消費についても技術革新による消費削減が期待されている。 In recent years, the spread of electronic devices has tended to expand further. At the same time, however, the power consumption of electronic devices has increased, and global warming has occurred, which is recognized as a social problem. Due to this social background, there is an increasing demand for low power consumption of electronic devices. Standby power, such as actuators for realizing the main functions of the main power supply circuit or electronic devices, and power for operation Any power consumption is expected to be reduced by technological innovation.
従来、この種の低消費電力化のための技術としては、使用する電圧に応じて、適宜半導体デバイスをMOSFETあるいはIGBTの使い分ける、あるいは新しい半導体デバイスとして、双方向性スイッチを利用した電力変換回路が提案されている。そういった背景のもと、双方向性スイッチを利用した電力変換回路におけるゲート駆動回路では、駆動のための電源を小型化するために種々の電源回路が提案されている。 Conventionally, as a technology for reducing the power consumption of this type, there is a power conversion circuit using a bidirectional switch as a new semiconductor device, depending on a voltage to be used. Proposed. Under such circumstances, various power supply circuits have been proposed for reducing the power supply for driving in the gate drive circuit in the power conversion circuit using the bidirectional switch.
以下、そのゲート駆動回路について、特許文献1を一例として説明する。
Hereinafter, the gate drive circuit will be described using
図8に示すように、特許文献1における電力変換装置に適用したゲート駆動回路では、各スイッチング素子T1〜T15のスイッチングに応じて、電流経路が形成され、コンデンサC1〜C12に充電することが示されている。具体的には、コンデンサC1、C3、C5、C7、C9、C11はスイッチング素子T5、T10、T15が各オンした際に電源EdrvからダイオードD1、D3、D5、D7、D9、D11を介して充電することになる。また、コンデンサC2、C4、C6、C8、C10、C12は、スイッチング素子T2、T4、T7、T9、T12、T14が各オンした際に、コンデンサC1、C3、C5、C7、C9、C11からダイオードD2、D4、D6、D8、D10、D12を介して充電することになる。
As shown in FIG. 8, in the gate drive circuit applied to the power converter in
また、特許文献1以外では、各双方向スイッチの各ゲート端子に対して、絶縁電源を形成して駆動電源を供給するものや、ブートストラップ回路を構成し、直流部の電圧を基準としてゲート端子を駆動するゲート端子のみチャージポンプ回路を採用して駆動するものなどが提案されている。
このような従来の電力変換回路のゲート駆動回路では、スイッチング素子のゲート駆動による消費と充電とのバランスが崩れ、ゲート電源部の電圧が変動し、その際にスイッチング素子の特性が変化したことによる出力リプルの増大やスイッチング素子の損失増加につながることになるという課題があった。また、ブートストラップ回路のコンデンサから逆方向のスイッチング素子の駆動用コンデンサを充電する際には、ダイオードを経由して直接接続された構成であり、急峻な充電電流が流れ、スイッチング素子のゲート端子を揺さぶり意図しないターンオンを発生させ、短絡故障を発生させる、あるいは外部への雑音障害に影響を及ぼすという課題があった。 In such a conventional gate drive circuit of a power conversion circuit, the balance between consumption and charging due to the gate drive of the switching element is lost, the voltage of the gate power supply section fluctuates, and the characteristics of the switching element change at that time There existed a subject that it will lead to the increase in an output ripple and the increase in the loss of a switching element. In addition, when charging the capacitor for driving the switching element in the reverse direction from the capacitor of the bootstrap circuit, it is configured to be connected directly via a diode, a steep charging current flows, and the gate terminal of the switching element is connected. There has been a problem of causing an unintended turn-on, causing a short-circuit failure, or affecting an external noise disturbance.
また、特許文献1以外の絶縁電源を採用した駆動電源や、ブートストラップ回路とチャージポンプ回路を組み合わせた構成では、回路規模が大きく電子部品の点数増加によるプリント配線板の大型化など、装置全体が大型化するという課題があった。
In addition, the drive power supply that employs an insulating power supply other than
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、ゲート電源部の電圧変動の抑制と、ブートストラップ回路のコンデンサから逆方向のスイッチング素子の駆動用コンデンサへのラッシュ電流を緩和と、回路構成の簡略化では唯一の制御電源で構成するもので、低コストかつ小型軽量のゲート駆動回路を提供することを目的としている。 The present invention solves such a conventional problem, suppressing the voltage fluctuation of the gate power supply unit, and relaxing the rush current from the capacitor of the bootstrap circuit to the driving capacitor of the switching element in the reverse direction, In the simplification of the circuit configuration, the only control power source is used, and the object is to provide a low-cost, small and light gate drive circuit.
本発明のゲート駆動回路は、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第1のオーミック電極及び第2のオーミック電極と、前記第1のオーミック電極と前記第2のオーミック電極との間に、前記第1のオーミック電極側から順に形成された、第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、前記半導体層積層体と第1のゲート電極との間に形成された第1のp型半導体層と、前記半導体層積層体と第2のゲート電極との間に形成された第2のp型半導体とを有し、前記第1のオーミック電極と前記第1のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第2のオーミック電極と前記第2のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第1のオーミック電極に接続されたドレイン端子と、前記第2のオーミック電極に接続されたソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチを高電位側に接続したハイサイドスイッチと低電圧側に接続したローサイドスイッチとして直列に接続してハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路を並列に配してなる単相あるいは三相インバータの前記双方向スイッチのゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子は常時オン状態となるようにオン電圧を保持する保持回路を備える構成としたものである。 The gate drive circuit of the present invention includes a semiconductor layer stack having a channel formed on a substrate, a first ohmic electrode and a second ohmic formed on the semiconductor layer stack at a distance from each other. A first gate electrode and a second gate electrode formed in order from the first ohmic electrode side between the electrode, the first ohmic electrode and the second ohmic electrode; and the semiconductor layer A first p-type semiconductor layer formed between the stacked body and the first gate electrode; and a second p-type semiconductor formed between the semiconductor layer stacked body and the second gate electrode. A first gate terminal for inputting a gate drive signal between the first ohmic electrode and the first gate electrode; and a gate between the second ohmic electrode and the second gate electrode. Second gate to input drive signal A drain terminal connected to the first ohmic electrode, and a source terminal connected to the second ohmic electrode. When only the first gate terminal is turned on, the drain terminal is connected to the source terminal. A first mode in which a bidirectional device that is turned on and a reverse diode operate as a semiconductor connected in series, and when only the second gate terminal is turned on, a forward diode from the drain terminal toward the source terminal And the second mode in which the bidirectional device in the on state operates as a semiconductor connected in series, when the first gate terminal and the second gate terminal are turned on, the diode does not pass between the drain terminal and the source terminal In order to turn off the first gate terminal and the second gate terminal. A half-bridge circuit is configured by connecting a bidirectional switch having a fourth mode that cuts off current in both directions in series as a high-side switch connected to the high potential side and a low-side switch connected to the low voltage side. A gate drive circuit for the bidirectional switch of a single-phase or three-phase inverter in which bridge circuits are arranged in parallel, the first gate terminal having a holding circuit for holding an on-voltage so as to be always on It is a configuration.
この手段により、双方向スイッチの2つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサから周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチを駆動することができる。 By this means, the gate signal for driving the two gate terminals of the bidirectional switch can be the only signal, and the ON signal can be held. The bidirectional switch can be driven with a simple configuration without requiring a special signal output.
また、保持回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を備える構成としたものである。 The holding circuit is configured to include a parallel circuit of a constant voltage diode and a capacitor.
この手段により、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せのため、外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチを駆動することができる。 By this means, since a general-purpose component configuration and a combination of passive components, no external signal is required, and the bidirectional switch can be easily driven.
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力を蓄積する電力蓄積部から供給する構成としたものである。 Furthermore, the power to the holding circuit of the high side switch is supplied from a power storage unit that stores the driving power of the second gate terminal of the high side switch.
この手段により、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチの保持回路の専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができる。 This means eliminates the need for a dedicated power source for the holding circuit of the high-side switch, which normally requires a higher voltage than the high-potential side voltage, making it cheaper and reducing the overall size and weight of the apparatus.
また、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものである。 Further, the power to the holding circuit of the high side switch is supplied during the period when the second gate terminal of the high side switch is turned on.
この手段により、通常PWM制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。 By this means, since the supply is performed during the ON period of the second gate terminal that is normally performing PWM control, the supply is not interrupted for a long time, so a large-capacity power storage element is not required, and space saving can be achieved. The entire apparatus can be reduced in size and weight.
さらに、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、交流電源より変換した制御電源より直接供給する構成としたものである。 Further, the power to the holding circuit of the low side switch is directly supplied from the control power source converted from the AC power source.
この手段により、保持回路への電力搬送中の損失の低減が図れると同時に、中間の回路が不要となることから、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。 By this means, loss during power transfer to the holding circuit can be reduced, and at the same time, an intermediate circuit is not required, so that space can be saved and the entire apparatus can be reduced in size and weight. .
また、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものである。 Further, the power to the holding circuit of the low side switch is supplied during the period when the second gate terminal of the low side switch is turned on.
この手段により、通常PWM制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。 By this means, since the supply is performed during the ON period of the second gate terminal that is normally performing PWM control, the supply is not interrupted for a long time, so a large-capacity power storage element is not required, and space saving can be achieved. The entire apparatus can be reduced in size and weight.
さらに、ローサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、常時供給する構成としたものである。 Further, the driving power for the second gate terminal of the low-side switch is always supplied.
この手段により、装置の起動時やリスタート時などにおいて、ローサイドスイッチの第二ゲート端子から順に起動することが可能とすることができることとなる。 By this means, it is possible to sequentially start from the second gate terminal of the low-side switch at the time of starting or restarting the device.
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がオン状態の時に供給する構成としたものである。 The driving power for the second gate terminal of the high side switch is supplied when the second gate terminal of the low side switch is in the ON state.
この手段により、ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチの各ゲート端子の駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。 By this means, the driving power for the gate terminals of the high-side switch and the low-side switch can be supplied from a single power source, space can be saved, and the entire apparatus can be reduced in size and weight.
さらに、保持回路への電力供給を制限する制限部を備える構成としたものである。 In addition, a limiting unit that limits power supply to the holding circuit is provided.
この手段により、装置の起動時などにおいて、電力蓄積素子へのラッシュ電流を回避することができ、装置全体がより安定した立ち上がりを行なうことができる。 By this means, it is possible to avoid a rush current to the power storage element at the time of starting up the apparatus, and the entire apparatus can start up more stably.
また、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの各制限部は互いに相違なる制限値とする構成としたものである。 Further, the limiting portions of the high side switch and the low side switch are configured to have different limiting values.
この手段により、保持回路の電力蓄積素子の容量やハイサイドスイッチとローサイドスイッチの変調方法に応じた制限が可能となり、インバータの用途に応じた供給制限を行なうことができ、制限部の損失の最小化を図ることができる。 By this means, it is possible to limit the capacity according to the capacity of the power storage element of the holding circuit and the modulation method of the high-side switch and the low-side switch, it is possible to limit the supply according to the application of the inverter, and to minimize the loss of the limiting unit Can be achieved.
さらに、保持回路の電力蓄積部とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、互いに相違なる容量とする構成としたものである。 Furthermore, the storage capacitors of the power storage unit of the holding circuit and the power storage unit of the second gate terminal of the high-side switch are configured to have different capacities.
この手段により、保持回路への電力供給周期とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能となるため、各ゲート端子のより安定した駆動を行なうことができる。 By this means, even if the power supply cycle to the holding circuit and the power supply cycle to the power storage unit of the second gate terminal of the high-side switch are different, it is possible to store power according to the cycle, More stable driving of the gate terminal can be performed.
また、制限部は、抵抗で制限する構成としたものである。 The limiting unit is configured to be limited by resistance.
この手段により、特殊な能動素子、受動素子を利用せずに構成でき、より簡易な構成でかつ省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。 By this means, it is possible to configure without using a special active element or passive element, a simpler configuration and space saving can be achieved, and the entire apparatus can be reduced in size and weight.
さらに、制限部は、第一ゲート端子を常時駆動するための電力を供給することができる制限値である構成としたものである。 Furthermore, the limiting unit is configured to have a limiting value that can supply power for constantly driving the first gate terminal.
この手段により、商用電源側で電圧ディップが発生し、マイクロプロセッサが検出して各ゲート端子をオフするまでの間であっても、安定した停止シーケンスを簡易な構成で行なうことができ、装置全体をより安価に構成することができる。 By this means, a stable stop sequence can be performed with a simple configuration even during the period from when a voltage dip occurs on the commercial power supply side until the microprocessor detects and each gate terminal is turned off. Can be configured at a lower cost.
また、ハイサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ハイサイドスイッチのオフ期間に前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものである。 Further, the power storage unit of the holding circuit of the high side switch is configured to have a storage capacitor capable of holding the first gate terminal of the high side switch in the ON state during the OFF period of the high side switch. .
この手段により、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。 By this means, the minimum necessary power storage can be achieved, and the power storage element can be further miniaturized, so that space can be saved during mounting, and the entire apparatus can be reduced in size and weight. Become.
さらに、ローサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ローサイドスイッチのオフ期間に前記ローサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものである。 Further, the power storage unit of the holding circuit of the low side switch is configured to be a storage capacitor capable of holding the first gate terminal of the low side switch in the ON state during the OFF period of the low side switch.
この手段により、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。 By this means, the minimum necessary power storage can be achieved, and the power storage element can be further miniaturized, so that space can be saved during mounting, and the entire apparatus can be reduced in size and weight. Become.
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、少なくとも前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子を常時オンおよび第二ゲート端子を駆動するために必要な蓄積容量である構成としたものである。 In addition, the storage capacity of the power storage unit of the second gate terminal of the high side switch is a storage capacity necessary to always turn on at least the first gate terminal of the high side switch and drive the second gate terminal. It is a thing.
この手段により、第一ゲート端子を常時オンするための電力蓄積部への搬送電力分を加味した容量となるため、第二ゲート端子のPWM制御を行う際に、より安定したスイッチングを可能とすることができる。 By this means, since the capacity takes into account the amount of carrier power to the power storage unit for always turning on the first gate terminal, more stable switching is possible when performing PWM control of the second gate terminal. be able to.
さらに、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給を制限する充電制限部を備える構成としたものである。 Furthermore, it is set as the structure provided with the charge limiting part which restrict | limits the electric power supply to the electric power storage part of the 2nd gate terminal of a high side switch.
この手段により、装置全体が通電開始される際に、第二ゲート端子の電力蓄積部へのラッシュ電流を回避することができ、より安定した装置を構成することができる。 By this means, when energization of the entire apparatus is started, a rush current to the power storage unit of the second gate terminal can be avoided, and a more stable apparatus can be configured.
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部から制御電源への電流の逆流を防止する逆流防止部を備える構成としたものである。 In addition, a backflow prevention unit for preventing a backflow of current from the power storage unit of the second gate terminal of the high side switch to the control power supply is provided.
この手段により、双方向スイッチのスイッチングに応じて電力蓄積部の負側の電位が上昇した際にも、電流が逆流することを防止することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができる。 By this means, even when the potential on the negative side of the power storage unit rises according to the switching of the bidirectional switch, it is possible to prevent the current from flowing backward and to enable more stable switching. .
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路から、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流を防止する第二逆流防止部を備える構成としたものである。 In addition, a second backflow prevention unit that prevents backflow from the holding circuit of the high side switch to the power storage unit of the second gate terminal of the high side switch is provided.
この手段により、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができる。 By this means, when the second gate terminal of the high-side switch is turned off, backflow from the holding circuit to the power storage unit of the second gate terminal can be prevented, and the power storage element of the holding circuit of the first gate terminal Can be maintained, and more stable switching can be achieved.
また、ローサイドスイッチの保持回路から、制御電源への逆流を防止する第三逆流防止部を備える構成としたものである。 In addition, a third backflow prevention unit for preventing backflow from the holding circuit of the low side switch to the control power supply is provided.
この手段により、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から制御電源への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができる。 By this means, when the second gate terminal of the low-side switch is turned off, backflow from the holding circuit to the control power supply can be prevented, and the potential of the power storage element of the holding circuit of the first gate terminal can be held. And more stable switching can be achieved.
本発明によれば、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第1のオーミック電極及び第2のオーミック電極と、前記第1のオーミック電極と前記第2のオーミック電極との間に、前記第1のオーミック電極側から順に形成された、第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、前記半導体層積層体と第1のゲート電極との間に形成された第1のp型半導体層と、前記半導体層積層体と第2のゲート電極との間に形成された第2のp型半導体とを有し、前記第1のオーミック電極と前記第1のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第2のオーミック電極と前記第2のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第1のオーミック電極に接続されたドレイン端子と、前記第2のオーミック電極に接続されたソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチを高電位側に接続したハイサイドスイッチと低電圧側に接続したローサイドスイッチとして直列に接続してハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路を並列に配してなる単相あるいは三相インバータの前記双方向スイッチのゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子は常時オン状態となるようにオン電圧を保持する保持回路を備える構成とすることで、双方向スイッチの2つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサから周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチを駆動することができるゲート駆動回路が提供できる。 According to the present invention, a semiconductor layer stack having a channel formed on a substrate, and a first ohmic electrode and a second ohmic electrode formed on the semiconductor layer stack at a distance from each other; A first gate electrode and a second gate electrode formed in order from the first ohmic electrode side between the first ohmic electrode and the second ohmic electrode, and the semiconductor layer stack And a first p-type semiconductor layer formed between the semiconductor layer stack and the second gate electrode. , A first gate terminal for inputting a gate drive signal between the first ohmic electrode and the first gate electrode, and a gate drive signal between the second ohmic electrode and the second gate electrode. Input the second gate terminal and the front A drain terminal connected to the first ohmic electrode; and a source terminal connected to the second ohmic electrode; when only the first gate terminal is turned on, the drain terminal is turned on between the source terminals. The first mode in which the bidirectional device in the state and the reverse diode operate as a semiconductor connected in series, when only the second gate terminal is turned on, the forward diode and the on-state are turned from the drain terminal to the source terminal A second mode in which the bidirectional device operates as a semiconductor connected in series, and when the first gate terminal and the second gate terminal are turned on, the bidirectional connection is established between the drain terminal and the source terminal without a diode. The third mode that operates in the forward and reverse directions when the first gate terminal and the second gate terminal are turned off A half-bridge circuit is formed by connecting a bidirectional switch having a fourth mode that cuts off the current in series as a high-side switch connected to the high-potential side and a low-side switch connected to the low-voltage side. A gate driving circuit for the bidirectional switch of a single-phase or three-phase inverter arranged in parallel, wherein the first gate terminal includes a holding circuit for holding an on-voltage so that the on-voltage is always on. Therefore, the gate signal for driving the two gate terminals of the bidirectional switch can be the only signal, and the ON signal can be held. Therefore, a gate drive circuit that can drive the bidirectional switch with a simple configuration without requiring a simple signal output can be provided.
また、保持回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を備える構成とすることで、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せのため、外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチを駆動することができるゲート駆動回路が提供できる。 In addition, the holding circuit has a configuration including a parallel circuit of a constant voltage diode and a capacitor, and since it is a general-purpose component configuration and a combination of passive components, no external signal is required, and the bidirectional switch can be easily Can be provided.
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力を蓄積する電力蓄積部から供給する構成とすることで、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチの保持回路の専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。 Further, the power to the holding circuit of the high side switch is supplied from the power storage unit that stores the driving power of the second gate terminal of the high side switch, so that it is usually higher than the voltage on the high potential side. A dedicated power source for the holding circuit of the high-side switch that requires voltage is not necessary, and a gate driving circuit that can be reduced in price and reduced in size and weight of the entire device can be provided.
また、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成とすることで、通常PWM制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。 In addition, the power to the holding circuit of the high-side switch is supplied during the period when the second gate terminal of the high-side switch is turned on, so that the second gate terminal that normally performs PWM control is turned on. Since supply is not interrupted for a long time, a large-capacity power storage element is not required, space saving can be achieved, and a gate drive circuit capable of reducing the size and weight of the entire apparatus can be provided.
さらに、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、交流電源より変換した制御電源より直接供給する構成とすることで、保持回路への電力搬送中の損失の低減が図れると同時に、中間の回路が不要となることから、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。 In addition, the power to the holding circuit of the low-side switch is supplied directly from the control power supply converted from the AC power supply, so that loss during power transfer to the holding circuit can be reduced and no intermediate circuit is required. Therefore, it is possible to provide a gate drive circuit that can save space and can be reduced in size and weight of the entire apparatus.
また、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成とすることで、通常PWM制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。 In addition, the power to the holding circuit of the low-side switch is supplied during the period when the second gate terminal of the low-side switch is turned on, so that the power is supplied during the ON period of the second gate terminal that is normally performing PWM control. Since the supply is not interrupted for a long time, a large-capacity power storage element is not required, space can be saved, and a gate drive circuit capable of reducing the size and weight of the entire apparatus can be provided.
さらに、ローサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、常時供給する構成とすることで、装置の起動時やリスタート時などにおいて、ローサイドスイッチの第二ゲート端子から順に起動することが可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。 Furthermore, the drive power for the second gate terminal of the low-side switch is always supplied, so that the device can be started sequentially from the second gate terminal of the low-side switch when the device is started or restarted. A gate driving circuit that can be provided can be provided.
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がオン状態の時に供給する構成とすることで、ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチの各ゲート端子の駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。 In addition, the driving power for the second gate terminal of the high-side switch is supplied when the second gate terminal of the low-side switch is on, so that the driving power for each gate terminal of the high-side switch and the low-side switch is unique. Thus, it is possible to provide a gate drive circuit that can be supplied from a power source, can save space, and can reduce the size and weight of the entire device.
さらに、保持回路への電力供給を制限する制限部を備える構成とすることで、装置の起動時などにおいて、電力蓄積素子へのラッシュ電流を回避することができ、装置全体がより安定した立ち上がりを行なうことができるゲート駆動回路が提供できる。 Furthermore, by providing a configuration that includes a limiting unit that limits power supply to the holding circuit, a rush current to the power storage element can be avoided at the time of startup of the device, and the entire device can be more stably started up. A gate drive circuit that can be performed can be provided.
また、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの各制限部は互いに相違なる制限値とする構成とすることで、保持回路の電力蓄積素子の容量やハイサイドスイッチとローサイドスイッチの変調方法に応じた制限が可能となり、インバータの用途に応じた供給制限を行なうことができ、制限部の損失の最小化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。 In addition, each limiter of the high-side switch and low-side switch is configured to have a different limit value, so that it can be limited according to the capacity of the power storage element of the holding circuit and the modulation method of the high-side switch and low-side switch. Thus, it is possible to provide a gate drive circuit that can perform supply restriction according to the use of the inverter and can minimize loss of the restriction unit.
さらに、保持回路の電力蓄積部とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、互いに相違なる容量とする構成とすることで、保持回路への電力供給周期とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能となるため、各ゲート端子のより安定した駆動を行なうことができるゲート駆動回路が提供できる。 Furthermore, the storage capacity of the power storage unit of the holding circuit and the power storage unit of the second gate terminal of the high-side switch are configured to be different from each other, so that the power supply cycle to the holding circuit and the high-side switch Even when the power supply cycle to the power storage unit of the second gate terminal is different, it is possible to store power according to the cycle, and therefore a gate drive circuit capable of more stable driving of each gate terminal is provided. Can be provided.
また、制限部は、抵抗で制限する構成とすることで、特殊な能動素子、受動素子を利用せずに構成でき、より簡易な構成でかつ省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。 In addition, the limiting unit can be configured without using a special active element or passive element by limiting the resistance with a resistor. The simpler configuration and space saving can be achieved, and the entire device can be reduced in size and weight. A gate driving circuit capable of achieving the above can be provided.
さらに、制限部は、第一ゲート端子を常時駆動するための電力を供給することができる制限値である構成とすることで、商用電源側で電圧ディップ等が発生し、マイクロプロセッサが検出して各ゲート端子をオフするまでの間であっても、安定した停止シーケンスを簡易な構成で行なうことができ、装置全体をより安価に構成することができるゲート駆動回路が提供できる。 Furthermore, the limiting unit is configured to have a limiting value that can supply power for constantly driving the first gate terminal, so that a voltage dip or the like is generated on the commercial power source side and is detected by the microprocessor. Even during the period until each gate terminal is turned off, a stable stop sequence can be performed with a simple configuration, and a gate drive circuit capable of configuring the entire apparatus at a lower cost can be provided.
また、ハイサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ハイサイドスイッチのオフ期間に前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成とすることで、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。 In addition, the power storage unit of the holding circuit of the high side switch is configured to be a storage capacitor that can hold the first gate terminal of the high side switch in the on state during the off period of the high side switch. Provided with a gate drive circuit that can achieve the minimum required power storage and the power storage element can be made smaller, saving space during mounting and reducing the overall size and weight of the device. it can.
さらに、ローサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ローサイドスイッチのオフ期間に前記ローサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成とすることで、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。 Further, the power storage unit of the holding circuit of the low side switch is configured to be a storage capacitor capable of holding the first gate terminal of the low side switch in the ON state during the OFF period of the low side switch. Since the power storage element can be further miniaturized, a space can be saved at the time of mounting, and a gate driving circuit capable of reducing the size and weight of the entire device can be provided.
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、少なくとも前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子を常時オンおよび第二ゲート端子を駆動するために必要な蓄積容量である構成とすることで、第一ゲート端子を常時オンするための電力蓄積部への搬送電力分を加味した容量となるため、第二ゲート端子のPWM制御を行う際に、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。 In addition, the storage capacity of the power storage unit of the second gate terminal of the high side switch is a storage capacity necessary to always turn on at least the first gate terminal of the high side switch and drive the second gate terminal. As a result, the capacity takes into account the amount of carrier power to the power storage unit for always turning on the first gate terminal, so that more stable switching is possible when performing PWM control of the second gate terminal. A gate driving circuit that can be provided can be provided.
さらに、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給を制限する充電制限部を備える構成とすることで、装置全体が通電開始される際に、第二ゲート端子の電力蓄積部へのラッシュ電流を回避することができ、より安定した装置を構成することができるゲート駆動回路が提供できる。 Furthermore, the power storage unit of the second gate terminal is configured to include a charge limiting unit that limits power supply to the power storage unit of the second gate terminal of the high-side switch when the entire apparatus is energized. A gate drive circuit that can avoid a rush current and can constitute a more stable device can be provided.
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部から制御電源への逆流を防止する逆流防止部を備える構成とすることで、双方向スイッチのスイッチングに応じて電力蓄積部の負側の電位が上昇した際にも、逆流することを防止することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。 In addition, by including a backflow prevention unit that prevents backflow from the power storage unit of the second gate terminal of the high-side switch to the control power supply, the potential on the negative side of the power storage unit according to switching of the bidirectional switch Even when the voltage rises, it is possible to prevent a reverse flow, and it is possible to provide a gate drive circuit capable of more stable switching.
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路から、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流を防止する第二逆流防止部を備える構成とすることで、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。 Further, the second gate terminal of the high side switch includes a second backflow prevention unit that prevents backflow from the holding circuit of the high side switch to the power storage unit of the second gate terminal of the high side switch. When the device is turned off, backflow from the holding circuit to the power storage unit of the second gate terminal can be prevented, the potential of the power storage element of the holding circuit of the first gate terminal can be held, and more stable A gate driving circuit capable of switching can be provided.
また、ローサイドスイッチの保持回路から、制御電源への逆流を防止する第三逆流防止部を備える構成とすることで、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から制御電源への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。 In addition, when the second gate terminal of the low-side switch is turned off, the third reverse-flow prevention unit that prevents the back-flow from the holding circuit of the low-side switch to the control power supply is provided. A backflow can be prevented, the potential of the power storage element of the holding circuit of the first gate terminal can be held, and a gate drive circuit that can enable more stable switching can be provided.
本発明の請求項1記載の発明は、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第1のオーミック電極及び第2のオーミック電極と、前記第1のオーミック電極と前記第2のオーミック電極との間に、前記第1のオーミック電極側から順に形成された、第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、前記半導体層積層体と第1のゲート電極との間に形成された第1のp型半導体層と、前記半導体層積層体と第2のゲート電極との間に形成された第2のp型半導体とを有し、前記第1のオーミック電極と前記第1のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第2のオーミック電極と前記第2のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第1のオーミック電極に接続されたドレイン端子と、前記第2のオーミック電極に接続されたソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチを高電位側に接続したハイサイドスイッチと低電圧側に接続したローサイドスイッチとして直列に接続してハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路を並列に配してなる単相あるいは三相インバータの前記双方向スイッチのゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子は常時オン状態となるようにオン電圧を保持する保持回路を備える構成としたものであり、双方向スイッチの2つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサから周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチを駆動することができるという作用を有する。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor layer stack having a channel formed on a substrate, a first ohmic electrode and a first ohmic electrode formed on the semiconductor layer stack at a distance from each other. A first gate electrode and a second gate electrode formed in order from the first ohmic electrode side between the two ohmic electrodes, the first ohmic electrode, and the second ohmic electrode; A first p-type semiconductor layer formed between the semiconductor layer stack and a first gate electrode; and a second p-type formed between the semiconductor layer stack and a second gate electrode. A first gate terminal that inputs a gate drive signal between the first ohmic electrode and the first gate electrode, and the second ohmic electrode and the second gate electrode. The second gate that inputs the gate drive signal between A drain terminal connected to the first ohmic electrode, and a source terminal connected to the second ohmic electrode, when only the first gate terminal is turned on, the drain terminal to the source terminal A first mode in which a bidirectional device that is in an on state and a reverse diode operate as a semiconductor connected in series, and when only the second gate terminal is turned on, forward direction from the drain terminal to the source terminal A second mode in which a diode and an on-state bidirectional device operate as a semiconductor connected in series, and when both the first gate terminal and the second gate terminal are turned on, no diode is interposed between the drain terminal and the source terminal The third mode operating to conduct in the direction, turning off the first gate terminal and the second gate terminal A half-bridge circuit is constructed by connecting a bidirectional switch having a fourth mode that cuts off current in both forward and reverse directions in series as a high-side switch connected to the high potential side and a low-side switch connected to the low voltage side. A gate driving circuit for the bidirectional switch of a single-phase or three-phase inverter in which half-bridge circuits are arranged in parallel, and a holding circuit for holding an on-voltage so that the first gate terminal is always on. Since the gate signal for driving the two gate terminals of the bidirectional switch can be the only signal and the ON signal can be held, a period from the microprocessor can be maintained. A special signal output according to the phase is not required, and the bidirectional switch can be driven with a simple configuration.
また、保持回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を備える構成としたものであり、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せのため、外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチを駆動することができるという作用を有する。 In addition, the holding circuit has a configuration including a parallel circuit of a constant voltage diode and a capacitor, and since it is a general-purpose component configuration and a combination of passive components, no external signal is required, and it is easily bidirectional. The switch can be driven.
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力を蓄積する電力蓄積部から供給する構成としたものであり、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチの保持回路の専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。 Further, the power to the holding circuit of the high-side switch is supplied from a power storage unit that stores the driving power of the second gate terminal of the high-side switch, which is usually higher than the voltage on the high potential side. There is no need for a dedicated power supply for the holding circuit of the high-side switch that requires a high voltage, so that it is more inexpensive and the entire device can be reduced in size and weight.
また、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものであり、通常PWM制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。 Further, the power to the holding circuit of the high side switch is supplied during the period when the second gate terminal of the high side switch is turned on, and the on period of the second gate terminal that is normally performing PWM control. Therefore, a large-capacity power storage element is not necessary, space can be saved, and the entire apparatus can be reduced in size and weight.
さらに、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、交流電源より変換した制御電源より直接供給する構成としたものであり、保持回路への電力搬送中の損失の低減が図れると同時に、中間の回路が不要となることから、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。 Furthermore, the power to the holding circuit of the low-side switch is directly supplied from the control power source converted from the AC power source, and at the same time the loss during the power transfer to the holding circuit can be reduced. Since it becomes unnecessary, space saving can be achieved and the entire apparatus can be reduced in size and weight.
また、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものであり、通常PWM制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。 The power to the holding circuit of the low-side switch is supplied during the period when the second gate terminal of the low-side switch is turned on, and is supplied during the ON period of the second gate terminal that is normally performing PWM control. Therefore, since the supply is not interrupted for a long time, a large-capacity power storage element is not required, space can be saved, and the entire apparatus can be reduced in size and weight.
さらに、ローサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、常時供給する構成としたものであり、装置の起動時やリスタート時などにおいて、ローサイドスイッチの第二ゲート端子から順に起動することが可能とすることができるという作用を有する。 Furthermore, the drive power of the second gate terminal of the low side switch is configured to be constantly supplied, and can be started in order from the second gate terminal of the low side switch at the time of starting or restarting the device. It has the effect of being able to.
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がオン状態の時に供給する構成としたものであり、ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチの各ゲート端子の駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。 The driving power of the second gate terminal of the high side switch is configured to be supplied when the second gate terminal of the low side switch is in the ON state. The driving power of each gate terminal of the high side switch and the low side switch is Since it can be supplied from a single power source, space can be saved, and the entire apparatus can be reduced in size and weight.
さらに、保持回路への電力供給を制限する制限部を備える構成としたものであり、装置の起動時などにおいて、電力蓄積素子へのラッシュ電流を回避することができ、装置全体がより安定した立ち上がりを行なうことができるという作用を有する。 In addition, it has a configuration that includes a limiting unit that limits the power supply to the holding circuit, so that the rush current to the power storage element can be avoided at the start-up of the device, etc. It has the effect | action that can be performed.
また、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの各制限部は互いに相違なる制限値とする構成としたものであり、保持回路の電力蓄積素子の容量やハイサイドスイッチとローサイドスイッチの変調方法に応じた制限が可能となり、インバータの用途に応じた供給制限を行なうことができ、制限部の損失の最小化を図ることができるという作用を有する。 The limiting parts of the high-side switch and the low-side switch are configured to have different limiting values, and there are restrictions depending on the capacity of the power storage element of the holding circuit and the modulation method of the high-side switch and the low-side switch. This makes it possible to limit the supply according to the use of the inverter and to minimize the loss of the limiting portion.
さらに、保持回路の電力蓄積部とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、互いに相違なる容量とする構成としたものであり、保持回路への電力供給周期とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能となるため、各ゲート端子のより安定した駆動を行なうことができるという作用を有する。 Furthermore, the storage capacity of the power storage unit of the holding circuit and the power storage unit of the second gate terminal of the high-side switch are configured to have different capacities, and the power supply cycle to the holding circuit and the high-side switch Even when the power supply cycle to the power storage unit of the second gate terminal is different, it is possible to store power according to the cycle, so that each gate terminal can be driven more stably. Have.
また、制限部は、抵抗で制限する構成としたものであり、特殊な能動素子、受動素子を利用せずに構成でき、より簡易な構成でかつ省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。 In addition, the limiting unit is configured to be limited by resistance, and can be configured without using special active elements and passive elements. It is simpler and can save space, and the entire device is small and lightweight. It has the effect | action that can be achieved.
さらに、制限部は、第一ゲート端子を常時駆動するための電力を供給することができる制限値である構成としたものであり、商用電源側で電圧ディップ等が発生し、マイクロプロセッサが検出して各ゲート端子をオフするまでの間であっても、安定した停止シーケンスを簡易な構成で行なうことができ、装置全体をより安価に構成することができるという作用を有する。 Furthermore, the limiting unit is configured to have a limiting value that can supply power for constantly driving the first gate terminal. A voltage dip or the like occurs on the commercial power source side, and is detected by the microprocessor. Even during the period until each gate terminal is turned off, a stable stop sequence can be performed with a simple configuration, and the entire apparatus can be configured at a lower cost.
また、ハイサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ハイサイドスイッチのオフ期間に前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものであり、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。 The power storage unit of the holding circuit of the high-side switch is configured to have a storage capacitor that can hold the first gate terminal of the high-side switch in the ON state during the OFF period of the high-side switch. The power storage element can be reduced to the minimum necessary, and the power storage element can be further reduced in size, so that space can be saved during mounting, and the entire apparatus can be reduced in size and weight. .
さらに、ローサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ローサイドスイッチのオフ期間に前記ローサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものであり、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。 Further, the power storage unit of the holding circuit of the low side switch is configured to have a storage capacity capable of holding the first gate terminal of the low side switch in the ON state during the OFF period of the low side switch, and the minimum necessary Since the power storage element can be limited, and the power storage element can be further reduced in size, space can be saved at the time of mounting, and the entire apparatus can be reduced in size and weight.
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、少なくとも前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子を常時オンおよび第二ゲート端子を駆動するために必要な蓄積容量である構成としたものであり、第一ゲート端子を常時オンするための電力蓄積部への搬送電力分を加味した容量となるため、第二ゲート端子のPWM制御を行う際に、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。 In addition, the storage capacity of the power storage unit of the second gate terminal of the high side switch is a storage capacity necessary to always turn on at least the first gate terminal of the high side switch and drive the second gate terminal. This is a capacity that takes into account the amount of carrier power to the power storage unit for always turning on the first gate terminal, so that more stable switching is possible when PWM control of the second gate terminal is performed. It has the effect of being able to.
さらに、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給を制限する充電制限部を備える構成としたものであり、装置全体が通電開始される際に、第二ゲート端子の電力蓄積部へのラッシュ電流を回避することができ、より安定した装置を構成することができるという作用を有する。 Furthermore, it is configured to include a charge limiting unit that limits power supply to the power storage unit of the second gate terminal of the high-side switch, and when the entire apparatus starts energization, the power storage of the second gate terminal A rush current to the part can be avoided, and a more stable device can be configured.
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部から制御電源への逆流を防止する逆流防止部を備える構成としたものであり、双方向スイッチのスイッチングに応じて電力蓄積部の負側の電位が上昇した際にも、逆流することを防止することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。 The high-side switch has a backflow prevention unit that prevents backflow from the power storage unit of the second gate terminal of the high-side switch to the control power source, and the negative side of the power storage unit is switched according to the switching of the bidirectional switch. Even when the potential rises, it is possible to prevent backflow, and to perform more stable switching.
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路から、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流を防止する第二逆流防止部を備える構成としたものであり、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。 And a second backflow prevention unit for preventing backflow from the holding circuit of the high side switch to the power storage unit of the second gate terminal of the high side switch. When the terminal is turned off, backflow from the holding circuit to the power storage unit of the second gate terminal can be prevented, and the potential of the power storage element of the holding circuit of the first gate terminal can be held, making it more stable Switching can be performed.
また、ローサイドスイッチの保持回路から、制御電源への逆流を防止する第三逆流防止部を備える構成としたものであり、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から制御電源への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。 In addition, it is configured to include a third backflow prevention unit that prevents backflow from the holding circuit of the low-side switch to the control power supply, and when the second gate terminal of the low-side switch is turned off, the holding circuit to the control power supply. Backflow can be prevented, the potential of the power storage element of the holding circuit of the first gate terminal can be held, and more stable switching can be achieved.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
まずは、双方向スイッチ1について、図1を参照しながら構成について説明する。図1に示すように、双方向スイッチ1は、第一ゲート端子2と第二ゲート端子3とドレイン端子4とソース端子5により構成されている。双方向スイッチ1は、シリコン(Si)からなる基板6の上に厚さが10nm窒化アルミニウム(AlN)と厚さが10nmの窒化ガリウム(GaN)とが交互に積層されてなる厚さが1μmのバッファ層7が形成され、その上に半導体層積層体8が形成されている。半導体層積層体8は、第1の半導体層とこの第1の半導体層と比べてバンドギャップが大きい第2の半導体層とが基板側から順次積層されている。第1の半導体層は、厚さが2μmのGaN(アンドープの窒化ガリウム)層9であり、第2の半導体層は、厚さが20nmのn型のAlGaN(窒化アルミニウムガリウム)層10である。GaN層9のAlGaN層10とのヘテロ界面近傍には、自発分極及びピエゾ分極による電荷が生じる。これにより、シートキャリア濃度が1×1013cm―2以上で且つ移動度が1000cm2V/sec以上の2次元電子ガス(2DEG)層であるチャネル領域が生成されている。半導体層積層体8の上には、互いに間隔をおいて第1のオーミック電極11Aと第2のオーミック電極11Bとが形成されている。第1のオーミック電極11A及び第2のオーミック電極11Bは、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)とが積層されており、チャネル領域とオーミック接合を形成している。また、コンタクト抵抗を低減するために、AlGaN層10の一部を除去すると共にGaN層9を40nm程度掘り下げて、第1のオーミック電極11A及び第2のオーミック電極11BがAlGaN層10とGaN層9との界面に接するように形成した例を示している。なお、第1のオーミック電極11A及び第2のオーミック電極11Bは、AlGaN層10の上に形成してもよい。n型のAlGaN層10の上における第1のオーミック電極11Aと第2のオーミック電極11Bとの間の領域には、第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bが互いに間隔をおいて選択的に形成されている。第1のp型半導体層12Aの上には第1のゲート電極13Aが形成され、第2のp型半導体層12Bの上には第2のゲート電極13Bが形成されている。第1のゲート電極13A及び第2のゲート電極13Bは、それぞれパラジウム(Pd)と金(Au)とが積層されており、第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bとオーミック接触している。AlGaN層10及び第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bを覆うように窒化シリコン(SiN)からなる保護膜14が形成されている。保護膜14を形成することで、いわゆる電流コラプスの原因となる欠陥を保障し、電流コラプスを改善することが可能となる。第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bは、それぞれ厚さが300nmで、マグネシウム(Mg)がドープされたp型のGaNからなる。第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bと、AlGaN層10とによりPN接合がそれぞれ形成される。これにより、第1のオーミック電極11Aと第1のゲート電極13Aとの間の電圧が例えば0Vでは、第1のp型GaN層からチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができ、同様に、第2のオーミック電極11Bと第2のゲート電極13Bとの間の電圧が例えば0V以下のときには、第2のp型GaN層からチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができ、いわゆるノーマリーオフ動作をする半導体素子を実現している。第1のオーミック電極11Aの電位をV1、第1のゲート電極13Aの電位をV2、第2のゲート電極13Bの電位をV3、第2のオーミック電極11Bの電位をV4とする。この場合において、V2がV1より1.5V以上高ければ、第1のp型半導体層12Aからチャネル領域中に広がる空乏層が縮小するため、チャネル領域に電流を流すことができる。同様にV3がV4より1.5V以上高ければ、第2のp型半導体層12Bからチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができる。つまり、第1のゲート電極13Aのいわゆる閾値電圧及び第2のゲート電極13Bのいわゆる閾値電圧は共に1.5Vである。以下においては、第1のゲート電極13Aの下側においてチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができるようになる第1のゲート電極13Aの閾値電圧を第1の閾値電圧とし、第2のゲート電極13Bの下側においてチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができるようになる第2のゲート電極13Bの閾値電圧を第2の閾値電圧とする。また、第1のp型半導体層12Aと第2のp型半導体層12Bとの間の距離は、第1のオーミック電極11A及び第2のオーミック電極11Bに印加される最大電圧に耐えられるように構成する。第1のオーミック電極11Aと第1のゲート電極13Aとの間にゲート駆動信号(すなわち、第一ゲート端子2への制御信号)を入力するようになっている。第2のオーミック電極11Bと第2のゲート電極13Bとの間も同様にゲート駆動信号(すなわち、第二ゲート端子3への制御信号)を入力するようになっている。なお、ソース端子5は第1のオーミック電極11Aに接続され、ドレイン端子4は第2のオーミック電極11Bに接続され、第一ゲート端子2は第1のゲート電極13Aに接続され、第二ゲート端子3は第2のゲート電極13Bに接続されている。
(Embodiment 1)
First, the configuration of the
次に、双方向スイッチ1の動作について説明する。説明のため、第1のオーミック電極11Aの電位を0Vとし、第一ゲート端子2に印加する電圧をVg1、第二ゲート端子3に印加する電圧をVg2、第2のオーミック電極11Bと第1のオーミック電極11Aとの間の電圧をVs2s1、第2のオーミック電極11Bと第1のオーミック電極11Aとの間に流れる電流をIs2s1とする。
Next, the operation of the
V4がV1よりも高い場合、例えば、V4が+100Vで、V1が0Vの場合において、第一ゲート端子2と第二ゲート端子3の入力電圧であるVg1及びVg2をそれぞれ第1の閾値電圧及び第2の閾値電圧以下の電圧、例えば0Vとする。これにより、第1のp型半導体層12Aから広がる空乏層が、チャネル領域中を第2のp型GaN層の方向へ向けて広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができる。従って、V4が正の高電圧であっても、第2のオーミック電極11Bから第1のオーミック電極11Aへ流れる電流を遮断する遮断状態を実現できる。一方、V4がV1よりも低い場合、例えばV4が−100Vで、V1が0Vの場合においても、第2のp型半導体層12Bから広がる空乏層が、チャネル領域中を第1のp型半導体層12Aの方向へ向けて広がり、チャネルに流れる電流を遮断することができる。このため、第2のオーミック電極11Bに負の高電圧が印加されている場合においても、第1のオーミック電極11Aから第2のオーミック電極11Bへ流れる電流を遮断することができる。すなわち、双方向スイッチ1の双方向の電流を遮断することが可能となる。
When V4 is higher than V1, for example, when V4 is + 100V and V1 is 0V, the input voltages Vg1 and Vg2 of the
以上のような構造及び動作において、耐圧を確保するためのチャネル領域を第1のゲート電極13Aと第2のゲート電極13Bとが共有する。この素子は、1素子分のチャネル領域の面積で双方向スイッチ1が実現可能であり、双方向スイッチ1全体を考えると、2つのダイオードと2つのノーマリーオフ型のAlGaN/GaN−HFETとを用いた場合と比べてチップ面積をより少なくすることができ、双方向スイッチ1の低コスト化及び小型化が可能となる。
In the structure and operation as described above, the
次に、第一ゲート端子2、第二ゲート端子3の入力電圧であるVg1及びVg2が、それぞれ第1の閾値電圧及び第2の閾値電圧よりも高い電圧、例えば5Vの場合には、第1のゲート電極13A及び第2のゲート電極13Bに印加される電圧は、共に閾値電圧よりも高くなる。従って、第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bからチャネル領域に空乏層が広がらないため、チャネル領域は第1のゲート電極13Aの下側においても、第2のゲート電極13Bの下側においてもピンチオフされない。その結果、第1のオーミック電極11Aと第2のオーミック電極11Bとの間に双方向に電流が流れる導通状態を実現できる。
Next, when the input voltages Vg1 and Vg2 of the
次に、Vg1を第1の閾値電圧よりも高い電圧とし、Vg2を第2の閾値電圧以下とした場合の動作について説明する。第一ゲート端子2、第二ゲート端子3を備えた双方向スイッチ1を等価回路で表すと図2(a)に示すように第1のトランジスタ15と第2のトランジスタ16とが直列に接続された回路とみなすことができる。この場合、第1のトランジスタ15のソース(S)が第1のオーミック電極11A、第1のトランジスタ15のゲート(G)が第1のゲート電極13Aに対応し、第2のトランジスタ16のソース(S)が第2のオーミック電極11B、第2のトランジスタ16のゲート(G)が第2のゲート電極13Bに対応する。このような回路において、例えば、Vg1を5V、Vg2を0Vとした場合、Vg2が0Vであるということは第2のトランジスタ16のゲートとソースが短絡されている状態と等しいため、双方向スイッチ1は図2(b)に示すような回路とみなすことができる。
Next, the operation when Vg1 is higher than the first threshold voltage and Vg2 is equal to or lower than the second threshold voltage will be described. When the
さらに、図2(b)に示す第2のトランジスタ16のソース(S)をA端子、ドレイン(D)をB端子、ゲート(G)をC端子として説明を行う。図に示すB端子の電位がA端子の電位よりも高い場合には、A端子がソースでB端子がドレインであるトランジスタとみなすことができ、このような場合、C端子(ゲート)とA端子(ソース)との間の電圧は0Vであり、閾値電圧以下のため、B端子(ドレイン)からA端子(ソース)に電流は流れない。一方、A端子の電位がB端子の電位よりも高い場合には、B端子がソースでA端子がドレインのトランジスタとみなすことができる。このような場合、C端子(ゲート)とA端子(ドレイン)との電位が同じであるため、A端子の電位がB端子を基準として閾値電圧以下の場合にはA端子(ドレイン)からB端子(ソース)へ電流を通電しない。A端子の電位がB端子を基準として閾値電圧以上となると、ゲートにB端子(ソース)を基準として閾値電圧以上の電圧が印加され、A端子(ドレイン)からB端子(ソース)へ電流を流すことができる。つまり、トランジスタのゲートとソースとを短絡させた場合、ドレインがカソードでソースがアノードのダイオードとして機能し、その順方向立上り電圧はトランジスタの閾値電圧となる。そのため、図2(a)に示す第2のトランジスタ16の部分は、ダイオードとみなすことができ、図2(c)に示すような等価回路となる。図2(c)に示す等価回路において、双方向スイッチ1のドレイン端子4の電位がソース端子5の電位よりも高い場合、第1のトランジスタ15の第一ゲート端子2に5Vが印加されている場合には、第1のトランジスタ15はオン状態であり、S2からS1へ電流を流すことが可能となる。ただし、ダイオードの順方向立上り電圧によるオン電圧が発生する。また、双方向スイッチ1のS1の電位がS2の電位よりも高い場合、その電圧は第2のトランジスタ16からなるダイオードが担い、双方向スイッチ1のS1からS2へ流れる電流を阻止する。つまり、第一ゲート端子2に閾値電圧以上の電圧を与え、第二ゲート端子3に閾値電圧以下の電圧を与えることにより、いわゆる双方向素子をオンした状態とドレイン側にダイオードのカソード側を直列接続した動作が可能なスイッチが実現できる。
Further, description will be made assuming that the source (S) of the
図3は、双方向スイッチ1のVs2s1とIs2s1との関係であり、(a)は、Vg1とVg2とを同時に変化させた場合を示し、(b)はVg2を第2の閾値電圧以下の0Vとし、Vg1を変化させた場合を示し、(c)はVg1を第1の閾値電圧以下の0VとしてVg2を変化させた場合を示している。なお、図3において横軸であるS2−S1間電圧(Vs2s1)は、第1のオーミック電極11Aを基準とした電圧であり、縦軸であるS2−S1間電流(Is2s1)は第2のオーミック電極11Bから第1のオーミック電極11Aへ流れる電流を正としている。図3(a)に示すように、Vg1及びVg2が0Vの場合及び1Vの場合には、Vs2s1が正の場合にも負の場合にもIs2s1は流れず、双方向スイッチ1は遮断状態となる。また、Vg1とVg2とが共に閾値電圧よりも高くなると、Vs2s1に応じてIs2s1が双方向に流れる導通状態となる。一方、図3(b)に示すように、Vg2を第2の閾値電圧以下の0Vとし、Vg1を第1の閾値電圧以下の0Vとした場合には、Is2s1は双方向に遮断される。しかし、Vg1を第1の閾値電圧以上の2V〜5Vとした場合には、Vs2s1が1.5V未満の場合にはIs2s1が流れないが、Vs2s1が1.5V以上になるとIs2s1が流れる。つまり、第2のオーミック電極11Bから第1のオーミック電極11Aにのみに電流が流れ、第1のオーミック電極11Aから第2のオーミック電極11Bには電流が流れない逆阻止状態となる。また、Vg1を0Vとし、Vg2を変化させた場合には図3(c)に示すように、第1のオーミック電極11Aから第2のオーミック電極11Bにのみに電流が流れ、第2のオーミック電極11Bから第1のオーミック電極11Aには電流が流れない逆阻止状態となる。
FIG. 3 shows the relationship between Vs2s1 and Is2s1 of the
以上より、双方向スイッチ1は、そのゲートバイアス条件により、双方向の電流を遮断・通電する機能を有すると共に、ダイオード動作も可能であり、そのダイオードの電流が通電する方向も切り換えることができる。以上、説明したように双方向スイッチ1の第一ゲート端子2と第二ゲート端子3のオンあるいはオフ条件に応じて、図4に示す4つの動作モードで動作することができる。すなわち、前記第一ゲート端子2のみをオンすると、前記ドレイン端子4から前記ソース端子5間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子3のみをオンすると、前記ドレイン端子4から前記ソース端子5間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子2および前記第二ゲート端子3をオンすると、前記ドレイン端子4から前記ソース端子5間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子2および前記第二ゲート端子3をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有するものである。本構造はJFETに類似しているが、キャリア注入を意図的に行うという点で、ゲート電界によりチャネル領域内のキャリア変調を行うJFETとは全く異なった動作原理により動作する。具体的には、ゲート電圧が3VまではJFETとして動作するが、pn接合のビルトインポテンシャルを超える3V以上のゲート電圧が印加された場合には、ゲートに正孔が注入され、前述したメカニズムにより電流が増加し、大電流且つ低オン抵抗の動作が可能となる。
As described above, the
また、双方向スイッチ1は、第1のゲート電極13Aがp型の導電性を有する第1のp型半導体層12Aの上に形成され、第2のゲート電極13Bがp型の導電性を有する第2のp型半導体層12Bの上に形成されている。このため、第1の半導体層と第2の半導体層との界面領域に生成されるチャネル領域に対して、第1のゲート電極13A及び第2のゲート電極13Bから順方向のバイアスを印加することにより、チャネル領域内に正孔を注入することができる。窒化物半導体においては正孔の移動度は、電子の移動度よりもはるかに低いため、チャネル領域に注入された正孔は電流を流す担体としてほとんど寄与しない。このため、第1のゲート電極13A及び第2のゲート電極13Bから注入された正孔は同量の電子をチャネル領域内に発生させるので、チャネル領域内に電子を発生させる効果が高くなり、ドナーイオンのような機能を発揮する。つまり、チャネル領域内においてキャリア濃度の変調を行うことが可能となるため、動作電流が大きいノーマリオフ型の窒化物半導体層双方向スイッチを実現することが可能となる。
In the
次に双方向スイッチ1を使用した単相インバータ17について、図5を参照しながら説明する。図に示すように、単相インバータ17は、図1および図2に示す双方向スイッチ1を高電位側に接続したハイサイドスイッチ1aおよび1cと低電圧側に接続したローサイドスイッチ1bおよび1dとして直列に接続したハーフブリッジ回路18aおよび18bを備える。
Next, a single-
また、この双方向スイッチ1の第一ゲート端子2a〜2dを常時オン状態となるように保持回路19a〜19dを備えており、第二ゲート端子3a〜3dをPWM変調する制御手段としてのマイクロプロセッサ20を備えている。また、第二ゲート端子3a〜3dを駆動するための制御電源21を備えている。また、ハーフブリッジ回路18a、18bの中間接続点18c、18dには、例えば負荷として単相モータが接続されている。さらに、ハーフブリッジ回路18(図示せず)を一回路設けた三相インバータの場合には三相モータが接続される構成となる。さらに、定電圧ダイオード22a〜22dとコンデンサ23a〜23dの並列回路を有した保持回路19a〜19dについて説明する。ハイサイドスイッチ1a、1cの保持回路19a、19cへの電力は、ハイサイドスイッチ1a、1cの第二ゲート端子3a、3cの駆動電力を蓄積する電力蓄積部としてのコンデンサ24a、24bから供給するように配置している。
Further, a holding
次に、保持回路19a〜19dの電力供給と、ハイサイドスイッチ1a、1cの第二ゲート端子3a、3cをオンするためのコンデンサ24a、24bへの充電について図6を参照しながら説明する。図6では、ローサイドスイッチ1bとハイサイドスイッチ1cがオンした期間を示しており、ハイサイドスイッチ1a、1cとローサイドスイッチ1b、1dのうち、ローサイドスイッチ1dをオンした期間については、対称形のため、詳細な説明は省略する。ローサイドスイッチ1bの第二ゲート端子3bがオンすることで、ローサイドスイッチ1bは中間接続点18cからGND側に電流を流すことが可能となる。この際、中間接続点18cの電位はGND電位とほぼ等しくなり、これに伴い、充電電流iaが制御電源21から電力供給を制限する充電制限部としての抵抗25aと逆流防止部としての逆流防止ダイオード26aを経由して、コンデンサ24aへ充電される。一方、ローサイドスイッチ1bの第一ゲート端子2bをオンするためのコンデンサ23bは、同様に中間接続点18cの電位がGND電位とほぼ等しくなったことから、充電電流ibが制御電源21から電力供給を制限する充電制限部としての抵抗25aと逆流防止部としての逆流防止ダイオード26a、さらにコンデンサ23aへの電流を制限する制限部としての抵抗25c、またさらに第三逆流防止部としての逆流防止ダイオード26fを経由してコンデンサ23bに充電される。また、ハイサイドスイッチ1cの保持回路19cへの電力供給は、ハイサイドスイッチ1cがオンした状態の際、中間接続点の電位がVdcとなり、その電位に対してコンデンサ24bの電位を加算されるため、コンデンサ24bから抵抗25dとコンデンサ23cから第二ゲート端子3cの駆動電力を蓄積する電力蓄積部としてのコンデンサ24bへの逆流を防止する第二逆流防止部としての逆流防止ダイオード26gを経由して充電電流icがコンデンサ24cに充電される。さらに、ローサイドスイッチ1b、1dの第二ゲート端子3b、3dの駆動電力は、制御電源21から常時供給するように構成している。
Next, the power supply of the holding
以上のように、双方向スイッチ1を駆動するゲート駆動回路において、双方向スイッチ1の2つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサ20から周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチ1を駆動することができる。
As described above, in the gate drive circuit for driving the
また、定電圧ダイオード22a〜22dとコンデンサ23a〜23dの組合せで保持回路19a〜19dを形成したため、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せで、かつ外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチ1を駆動することができる。
In addition, since the holding
さらに、ハイサイドスイッチ1a、1cの第二ゲート端子3a、3cの駆動電力を蓄積する電力蓄積部としてのコンデンサ24a、24bからハイサイドスイッチ1a、1cの第一ゲート端子2a、2cの保持回路19a、19cへの電力を供給するように構成しているため、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチ1a、1cの保持回路19a、19cの専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができる。
Furthermore, a holding
また、ハイサイドスイッチ1a、1c、ローサイドスイッチ1b、1dの第一ゲート端子2a〜2d、第二ゲート端子3a〜3dの駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができる。
In addition, the driving power for the
なお、保持回路19a〜19dの電圧を保持するために、定電圧ダイオード22a〜22dを使用したが、シャントレギュレータを使用するなど他の方法であっても良い。
Although the
また、ゲート駆動用ICとして、上下スイッチ駆動用の専用ICを使用したが、その他の部品、例えばディスクリート部品を組み合わせて生成しても作用効果に差異はない。 Further, although a dedicated IC for driving the upper / lower switch is used as the gate driving IC, there is no difference in operation and effect even when other parts such as discrete parts are generated in combination.
(実施の形態2)
以下、実施の形態2について、図7を参照しながら説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to FIG.
なお、実施の形態1と同一機能を有するものは、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
In addition, what has the same function as
図7に示すように、抵抗25cから逆流防止ダイオード26dとの間に抵抗25eを挿入している。単相インバータ17や三相インバータでは、上下の双方向スイッチ1をPWM制御しない場合も多く、特にローサイドスイッチ1b、1d(三相用ではさらにもう一つの双方向スイッチ1)を負荷の位相に合わせて120度オン状態とする等の制御方法が採用される。例えば、この周波数の3分の1の時間の間、ハイサイドスイッチ1a、1cの第二ゲート端子3a、3cはオンできないため、ハイサイドスイッチ1a、1cの第一ゲート端子2a、2cの保持回路19a、19cへの電力供給は途絶することとなる。逆に3分の2の時間の間は、ローサイドスイッチ1b、1dの第二ゲート端子3b、3dがオンしないため、ローサイドスイッチ1b、1dの第一ゲート端子2b、2dの保持回路19b、19dは充電することができない。従って、相対的に充電頻度が低いのは、ローサイドスイッチ1b、1dの第一ゲート端子2b、2dの保持回路19b、19dとなる。そのため、コンデンサ23b、23dの電圧が低下しないように、充電制限レベルを下げ、コンデンサ23b、23dの容量をコンデンサ23a、23cの容量に対して大きくする必要がある。すなわち、ハイサイドスイッチ1a、1c側の保持回路19a、19cの制限値をより厳しくするためにローサイドスイッチ1b、1d側と分岐した後に抵抗25eを挿入し、またコンデンサ23b、23dの容量をコンデンサ23a、23cの容量に対して大きくする(例えば、第一ゲート端子2a〜2dの保持回路に常時駆動するための電力を供給する、あるいはハイサイドスイッチ1a、1cの第二ゲート端子3a〜3dがオフの期間に第一ゲート端子2a、2cをオン状態に保つための抵抗値として10Ω、コンデンサ23b、23dの容量を47μF、コンデンサ23a、23cの容量を22μFなどに設定する)。また、ハイサイドスイッチ1a、1cの第二ゲート端子3a、3cのコンデンサ24a、24bの容量は、ハイサイドスイッチ1a、1cの第一ゲート端子2a、2cおよび第二ゲート端子3a、3cを駆動するために100μFなどに設定する。
As shown in FIG. 7, a
以上にように、保持回路19a〜19dのコンデンサ23a〜23dの容量やハイサイドスイッチ1a、1cとローサイドスイッチ1b、1dの変調方法に応じた制限が可能となり、単相インバータ17(あるいは三相インバータ)の用途に応じた供給制限を行なうことができる。
As described above, it is possible to limit the capacity according to the capacitance of the
また、保持回路19a〜19dへの電力供給周期とハイサイドスイッチ1a、1cの第二ゲート端子3a、3cのコンデンサ24a、24cへの電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能とすることができる。
Even if the power supply cycle to the holding
本発明は、ゲート信号に制御により4つの状態を有する双方向スイッチを利用した電力変換回路として高効率かつ低コストなコンバータ装置のゲート駆動回路に適用できる。 The present invention can be applied to a gate drive circuit of a converter device with high efficiency and low cost as a power conversion circuit using a bidirectional switch having four states by controlling the gate signal.
1 双方向スイッチ
1a ハイサイドスイッチ
1b ローサイドスイッチ
1c ハイサイドスイッチ
1d ローサイドスイッチ
2 第一ゲート端子
2a〜2d 第一ゲート端子
3 第二ゲート端子
3a〜3d 第二ゲート端子
4 ドレイン端子
5 ソース端子
6 基板
7 バッファ層
8 半導体層積層体
9 GaN層
10 AlGaN層
11A 第1のオーミック電極
11B 第2のオーミック電極
12A 第1のp型半導体層
12B 第2のp型半導体層
13A 第1のゲート電極
13B 第2のゲート電極
14 保護膜
15 第1のトランジスタ
16 第2のトランジスタ
17 単相インバータ
18a、18b ハーフブリッジ回路
18c、18d 中間接続点
19a〜19d 保持回路
20 マイクロプロセッサ
21 制御電源
22a〜22d 定電圧ダイオード
23a〜23d コンデンサ
24a〜24b コンデンサ
25a〜25e 抵抗
26a〜26h 逆流防止ダイオード
DESCRIPTION OF
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- 2008-08-28 JP JP2008219167A patent/JP2010057263A/en active Pending
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