JP2010094006A - Gate drive circuit and inverter circuit using the same - Google Patents

Gate drive circuit and inverter circuit using the same Download PDF

Info

Publication number
JP2010094006A
JP2010094006A JP2009096850A JP2009096850A JP2010094006A JP 2010094006 A JP2010094006 A JP 2010094006A JP 2009096850 A JP2009096850 A JP 2009096850A JP 2009096850 A JP2009096850 A JP 2009096850A JP 2010094006 A JP2010094006 A JP 2010094006A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gate
terminal
voltage
gate terminal
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009096850A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Morimoto
篤史 森本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2009096850A priority Critical patent/JP2010094006A/en
Publication of JP2010094006A publication Critical patent/JP2010094006A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gate drive circuit and an inverter circuit using the same, which have a circuit configuration for securing a voltage deviation regarding a reference potential as a negative voltage so as to obtain a redundant operation and prevent short-circuit faults due to misoperations, or the like, even in cases where there is a possibility of causing the short-circuit fault, by deviating gate potential by external noise and noise, or the like, during switching and by generating the incorrect operation, when a threshold voltage is lowered because a bidirectional switch is required to lower the gate threshold voltage so as to reduce the on-resistance. <P>SOLUTION: The gate drive circuit applies the bidirectional switch 1 having 4 operation modes, by turning each of a first gate terminal 2 and a second gate terminal 3 on and off to a half-bridge circuit is connected in series, and includes an optimum voltage generator for securing a deviation between the ON-voltage and the OFF-voltage of the first gate terminal 2 or the second gate terminal 3, lowers the on-resistance by lowering the gate threshold voltage, and circumvent unnecessary turn-ons or turn-offs, even when noise is supeirmposed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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およびそれを用いたインバータ回路に関する。   The present invention relates to a gate drive circuit and an inverter circuit using the gate drive circuit when a half bridge circuit in which bidirectional switches having four states are connected in series to a gate signal is connected in series.

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 Patent Document 1 as an example.

図9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. 9, in the gate drive circuit applied to the power converter in Patent Document 1, current paths are formed according to switching of the switching elements T1 to T15, and the capacitors C1 to C12 are charged. Has been. Specifically, the capacitors C1, C3, C5, C7, C9, and C11 are charged from the power supply Edrv through the diodes D1, D3, D5, D7, D9, and D11 when the switching elements T5, T10, and T15 are turned on. Will do. The capacitors C2, C4, C6, C8, C10, and C12 are diodes from the capacitors C1, C3, C5, C7, C9, and C11 when the switching elements T2, T4, T7, T9, T12, and T14 are turned on. Charging is performed via D2, D4, D6, D8, D10, and D12.

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。
特開2006−246617号公報
Other than Patent Document 1, the gate terminal of each bidirectional switch is formed with an insulated power supply to supply driving power, or a bootstrap circuit is configured with the DC terminal voltage as a reference. For example, there has been proposed a device that uses only a charge pump circuit to drive only the gate terminal for driving.
JP 2006-246617 A

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 Patent Document 1 or the configuration that combines the bootstrap circuit and the charge pump circuit has a large circuit scale, and the entire apparatus has a large printed wiring board due to an increase in the number of electronic components. There was a problem of increasing the size.

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に適用するゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオン電圧とオフ電圧との偏差を確保する最適電圧生成部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 gate drive circuit applied to a bidirectional switch having a fourth mode for interrupting a current in both directions, and an optimum voltage for ensuring a deviation between an ON voltage and an OFF voltage of the first gate terminal or the second gate terminal It is set as the structure provided with a production | generation part.

この手段により、第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオン電圧を低下させて、オン抵抗を下げることができ、第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子にノイズが重畳した際であっても、不要なターンオンあるいはターンオフを回避することができることとなる。   By this means, the on-voltage of the first gate terminal or the second gate terminal can be lowered to reduce the on-resistance, and it is not necessary even when noise is superimposed on the first gate terminal or the second gate terminal. Therefore, it is possible to avoid a serious turn-on or turn-off.

また、最適電圧生成部は、第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオンする際に、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子に正の電圧を印加する正電圧印加回路と、オフする際に、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子に負の電圧を印加する負電圧印加回路を備える構成としたものである。   In addition, the optimum voltage generator is configured to apply a positive voltage application circuit that applies a positive voltage to the first gate terminal or the second gate terminal when the first gate terminal or the second gate terminal is turned on, and A negative voltage application circuit for applying a negative voltage to the first gate terminal or the second gate terminal is provided.

この手段により、第一ゲート端子とドレイン端子間、第二ゲート端子とソース端子間のオン電圧とオフ電圧の偏差の確保が可能となり、内外のノイズに対する耐性を向上することができ、また各オン電圧を下げることにより、ドレイン端子とソース端子間のオン抵抗を下げることができるため、低損失に双方向スイッチを駆動することができることとなる。   By this means, it is possible to secure a deviation between the on-voltage and off-voltage between the first gate terminal and the drain terminal, and between the second gate terminal and the source terminal, and it is possible to improve resistance to internal and external noise, and each on-state. By reducing the voltage, the on-resistance between the drain terminal and the source terminal can be lowered, so that the bidirectional switch can be driven with low loss.

さらに、負電圧印加回路は、正電圧印加回路と電源を共用する構成としたものである。   Further, the negative voltage application circuit is configured to share the power supply with the positive voltage application circuit.

この手段により、負電圧印加回路を個別に構成する必要がなく、より低コストな回路とすることができることとなる。   By this means, it is not necessary to individually configure the negative voltage application circuit, and a circuit with lower cost can be achieved.

また、負電圧印加回路は、正電圧印加回路からの逆流を防止する逆流防止部を介して接続するような構成としたものである。   The negative voltage application circuit is configured to be connected via a backflow prevention unit that prevents backflow from the positive voltage application circuit.

この手段により、正電圧印加回路、負電圧印加回路の各電圧の安定化を図ることができ、誤動作の防止、ゲート駆動のオン抵抗の変動抑制を可能とすることができることとなる。   By this means, it is possible to stabilize each voltage of the positive voltage application circuit and the negative voltage application circuit, and it is possible to prevent malfunction and suppress fluctuations in the on-resistance of the gate drive.

さらに、負電圧印加回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を有した安定化回路で電圧を安定化するような構成としたものである。   Furthermore, the negative voltage application circuit is configured to stabilize the voltage with a stabilization circuit having 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、より簡単な構成で低コストかつ小型化を図ることができることとなる。   By this means, since it is a general-purpose component configuration and a combination of passive components, it is possible to reduce the cost and size with a simpler configuration.

また、インバータ回路に第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオン電圧とオフ電圧との偏差を確保する最適電圧生成部を備えたゲート駆動回路を備える構成としたものである。   Further, the inverter circuit includes a gate driving circuit including an optimum voltage generating unit that ensures a deviation between the on-voltage and off-voltage of the first gate terminal or the second gate terminal.

この手段により、インバータに誘導負荷が接続された場合であっても、オン電圧とオフ電圧との偏差が確保できるため、より安定した起動、運転を行なうことができることとなる。   By this means, even when an inductive load is connected to the inverter, a deviation between the on-voltage and the off-voltage can be ensured, so that more stable start-up and operation can be performed.

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に適用するゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオン電圧とオフ電圧との偏差を確保する最適電圧生成部を備える構成とすることで、第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオン電圧を低下させて、オン抵抗を下げることができ、第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子にノイズが重畳した際であっても、不要なターンオンあるいはターンオフを回避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 gate drive circuit applied to a bidirectional switch having a fourth mode for cutting off a current, wherein an optimum voltage generator for ensuring a deviation between an ON voltage and an OFF voltage of the first gate terminal or the second gate terminal By having the configuration, the on-voltage of the first gate terminal or the second gate terminal can be lowered, the on-resistance can be lowered, and noise is superimposed on the first gate terminal or the second gate terminal. However, a gate driving circuit that can avoid unnecessary turn-on or turn-off can be provided.

また、最適電圧生成部は、第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオンする際に、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子に正の電圧を印加する正電圧印加回路と、オフする際に、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子に負の電圧を印加する負電圧印加回路を備える構成とすることで、第一ゲート端子とドレイン端子間、第二ゲート端子とソース端子間のオン電圧とオフ電圧の偏差の確保が可能となり、内外のノイズに対する耐性を向上することができ、また各オン電圧を下げることにより、ドレイン端子とソース端子間のオン抵抗を下げることができるため、低損失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 optimum voltage generator is configured to apply a positive voltage application circuit that applies a positive voltage to the first gate terminal or the second gate terminal when the first gate terminal or the second gate terminal is turned on, and The on-voltage between the first gate terminal and the drain terminal and between the second gate terminal and the source terminal by comprising a negative voltage application circuit that applies a negative voltage to the first gate terminal or the second gate terminal. It is possible to ensure the deviation of the off-state voltage, improve the resistance to internal and external noise, and reduce the on-resistance between the drain terminal and the source terminal by reducing each on-voltage, resulting in low loss. In addition, a gate driving circuit capable of driving the bidirectional switch can be provided.

さらに、負電圧印加回路は、正電圧印加回路と電源を共用する構成とすることで、負電圧印加回路を個別に構成する必要がなく、より低コストな回路とすることができるゲート駆動回路が提供できる。   Furthermore, the negative voltage application circuit is configured to share the power supply with the positive voltage application circuit, so that the negative voltage application circuit does not need to be individually configured, and a gate drive circuit that can be a lower cost circuit is provided. Can be provided.

また、負電圧印加回路は、正電圧印加回路からの逆流を防止する逆流防止部を介して接続するような構成とすることで、正電圧印加回路、負電圧印加回路の各電圧の安定化を図ることができ、誤動作の防止、ゲート駆動のオン抵抗の変動抑制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 negative voltage application circuit is configured to be connected via a backflow prevention unit that prevents backflow from the positive voltage application circuit, thereby stabilizing each voltage of the positive voltage application circuit and the negative voltage application circuit. Therefore, it is possible to provide a gate drive circuit that can prevent malfunction and suppress variation in on-resistance of the gate drive.

さらに、負電圧印加回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を有した安定化回路で電圧を安定化するような構成とすることで、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せのため、より簡単な構成で低コストかつ小型化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。   Furthermore, the negative voltage application circuit is configured to stabilize the voltage with a stabilization circuit having a parallel circuit of a constant voltage diode and a capacitor, so that it is a general-purpose component configuration and a combination of passive components. A gate drive circuit that can be reduced in cost and size with a simpler configuration can be provided.

また、インバータ回路に第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオン電圧とオフ電圧との偏差を確保する最適電圧生成部を備えたゲート駆動回路を備える構成とすることで、インバータに誘導負荷が接続された場合であっても、オン電圧とオフ電圧との偏差が確保できるため、より安定した起動、運転を行なうことができるインバータ回路が提供できる。   In addition, an inductive load is connected to the inverter by providing the inverter circuit with a gate drive circuit having an optimum voltage generator that ensures a deviation between the ON voltage and the OFF voltage of the first gate terminal or the second gate terminal. Even in such a case, a deviation between the on-voltage and the off-voltage can be ensured, so that an inverter circuit that can perform more stable start-up and operation 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に適用するゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオン電圧とオフ電圧との偏差を確保する最適電圧生成部を備える構成としたものであり、第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオン電圧を低下させて、オン抵抗を下げることができ、第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子にノイズが重畳した際であっても、不要なターンオンあるいはターンオフを回避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 gate drive circuit applied to a bidirectional switch having a fourth mode that cuts off current in both forward and reverse directions, and is optimal for ensuring a deviation between the on-voltage and off-voltage of the first gate terminal or the second gate terminal The voltage generator is configured to reduce the on-voltage of the first gate terminal or the second gate terminal to reduce the on-resistance, and noise is superimposed on the first gate terminal or the second gate terminal. Even when the operation is performed, an unnecessary turn-on or turn-off can be avoided.

また、最適電圧生成部は、第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオンする際に、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子に正の電圧を印加する正電圧印加回路と、オフする際に、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子に負の電圧を印加する負電圧印加回路を備える構成としたものであり、第一ゲート端子とドレイン端子間、第二ゲート端子とソース端子間のオン電圧とオフ電圧の偏差の確保が可能となり、内外のノイズに対する耐性を向上することができ、また各オン電圧を下げることにより、ドレイン端子とソース端子間のオン抵抗を下げることができるため、低損失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 optimum voltage generator is configured to apply a positive voltage application circuit that applies a positive voltage to the first gate terminal or the second gate terminal when the first gate terminal or the second gate terminal is turned on, and And a negative voltage application circuit for applying a negative voltage to the first gate terminal or the second gate terminal, and between the first gate terminal and the drain terminal and between the second gate terminal and the source terminal. It is possible to secure a deviation between the voltage and off-voltage, improve resistance to internal and external noise, and lower the on-resistance between the drain and source terminals by lowering each on-voltage. It has the effect that the bidirectional switch can be driven to the loss.

さらに、負電圧印加回路は、正電圧印加回路と電源を共用する構成としたものであり、負電圧印加回路を個別に構成する必要がなく、より低コストな回路とすることができるという作用を有する。   Furthermore, the negative voltage application circuit is configured to share the power supply with the positive voltage application circuit, and there is no need to individually configure the negative voltage application circuit, and the circuit can be reduced in cost. Have.

また、負電圧印加回路は、正電圧印加回路からの逆流を防止する逆流防止部を介して接続するような構成としたものであり、正電圧印加回路、負電圧印加回路の各電圧の安定化を図ることができ、誤動作の防止、ゲート駆動のオン抵抗の変動抑制を可能とすることができるという作用を有する。   In addition, the negative voltage application circuit is configured to be connected via a backflow prevention unit that prevents backflow from the positive voltage application circuit, and each voltage of the positive voltage application circuit and the negative voltage application circuit is stabilized. Thus, it is possible to prevent malfunctions and to suppress fluctuations in the on-resistance of the gate drive.

さらに、負電圧印加回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を有した安定化回路で電圧を安定化するような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、より簡単な構成で低コストかつ小型化を図ることができるという作用を有する。   Furthermore, the negative voltage application circuit is configured to stabilize the voltage with a stabilization circuit having a parallel circuit of a constant voltage diode and a capacitor, and is a general-purpose component configuration for combining passive components. Thus, it has an effect that it can be reduced in cost and size with a simpler configuration.

また、インバータ回路に第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオン電圧とオフ電圧との偏差を確保する最適電圧生成部を備えたゲート駆動回路を備える構成としたものであり、インバータに誘導負荷が接続された場合であっても、オン電圧とオフ電圧との偏差が確保できるため、より安定した起動、運転を行なうことができるという作用を有する。   In addition, the inverter circuit is configured to include a gate drive circuit including an optimum voltage generation unit that ensures a deviation between the on-voltage and the off-voltage of the first gate terminal or the second gate terminal, and the inverter has an inductive load. Even when they are connected, the deviation between the on-voltage and the off-voltage can be ensured, so that more stable start-up and operation can be performed.

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 bidirectional switch 1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the bidirectional switch 1 includes a first gate terminal 2, a second gate terminal 3, a drain terminal 4, and a source terminal 5. The bidirectional switch 1 has a thickness of 1 μm formed by alternately laminating 10 nm thick aluminum nitride (AlN) and 10 nm thick gallium nitride (GaN) on a substrate 6 made of silicon (Si). A buffer layer 7 is formed, and a semiconductor layer stack 8 is formed thereon. In the semiconductor layer stacked body 8, a first semiconductor layer and a second semiconductor layer having a band gap larger than that of the first semiconductor layer are sequentially stacked from the substrate side. The first semiconductor layer is a GaN (undoped gallium nitride) layer 9 having a thickness of 2 μm, and the second semiconductor layer is an n-type AlGaN (aluminum gallium nitride) layer 10 having a thickness of 20 nm. In the vicinity of the hetero interface between the GaN layer 9 and the AlGaN layer 10, charges are generated due to spontaneous polarization and piezoelectric polarization. Accordingly, and mobility 1 × 1013cm- 2 or sheet carrier concentration channel region is generated a 1000 cm 2 V / sec or more two-dimensional electron gas (2DEG) layer. On the semiconductor layer stacked body 8, a first ohmic electrode 11A and a second ohmic electrode 11B are formed at a distance from each other. The first ohmic electrode 11A and the second ohmic electrode 11B are formed by stacking titanium (Ti) and aluminum (Al), and form an ohmic junction with the channel region. Further, in order to reduce the contact resistance, a part of the AlGaN layer 10 is removed and the GaN layer 9 is dug down by about 40 nm, so that the first ohmic electrode 11A and the second ohmic electrode 11B become the AlGaN layer 10 and the GaN layer 9. The example formed so that it may contact | connect an interface with is shown. Note that the first ohmic electrode 11 </ b> A and the second ohmic electrode 11 </ b> B may be formed on the AlGaN layer 10. In the region between the first ohmic electrode 11A and the second ohmic electrode 11B on the n-type AlGaN layer 10, the first p-type semiconductor layer 12A and the second p-type semiconductor layer 12B are spaced from each other. And selectively formed. A first gate electrode 13A is formed on the first p-type semiconductor layer 12A, and a second gate electrode 13B is formed on the second p-type semiconductor layer 12B. The first gate electrode 13A and the second gate electrode 13B are each formed by stacking palladium (Pd) and gold (Au), and the first p-type semiconductor layer 12A and the second p-type semiconductor layer 12B. Ohmic contact. A protective film 14 made of silicon nitride (SiN) is formed so as to cover the AlGaN layer 10, the first p-type semiconductor layer 12A, and the second p-type semiconductor layer 12B. By forming the protective film 14, it is possible to ensure a defect that causes so-called current collapse and to improve current collapse. The first p-type semiconductor layer 12A and the second p-type semiconductor layer 12B each have a thickness of 300 nm and are made of p-type GaN doped with magnesium (Mg). The first p-type semiconductor layer 12A, the second p-type semiconductor layer 12B, and the AlGaN layer 10 form PN junctions. As a result, when the voltage between the first ohmic electrode 11A and the first gate electrode 13A is 0 V, for example, the depletion layer spreads from the first p-type GaN layer into the channel region, so that the current flowing through the channel is cut off. Similarly, when the voltage between the second ohmic electrode 11B and the second gate electrode 13B is, for example, 0 V or less, a depletion layer spreads from the second p-type GaN layer into the channel region. Thus, a semiconductor element capable of interrupting a current flowing through the channel and performing a so-called normally-off operation is realized. The potential of the first ohmic electrode 11A is V1, the potential of the first gate electrode 13A is V2, the potential of the second gate electrode 13B is V3, and the potential of the second ohmic electrode 11B is V4. In this case, if V2 is higher than V1 by 1.5V or more, the depletion layer extending from the first p-type semiconductor layer 12A into the channel region is reduced, so that a current can flow in the channel region. Similarly, if V3 is higher than V4 by 1.5V or more, the depletion layer extending from the second p-type semiconductor layer 12B into the channel region is reduced, and current can flow through the channel region. That is, the so-called threshold voltage of the first gate electrode 13A and the so-called threshold voltage of the second gate electrode 13B are both 1.5V. In the following, the threshold voltage of the first gate electrode 13A at which the depletion layer extending in the channel region below the first gate electrode 13A is reduced and current can flow through the channel region is set to the first threshold voltage. The threshold voltage is set to the second gate electrode 13B so that the depletion layer extending in the channel region on the lower side of the second gate electrode 13B is reduced and current can flow in the channel region. The threshold voltage is used. The distance between the first p-type semiconductor layer 12A and the second p-type semiconductor layer 12B can withstand the maximum voltage applied to the first ohmic electrode 11A and the second ohmic electrode 11B. Constitute. A gate drive signal (that is, a control signal to the first gate terminal 2) is input between the first ohmic electrode 11A and the first gate electrode 13A. Similarly, a gate drive signal (that is, a control signal to the second gate terminal 3) is input between the second ohmic electrode 11B and the second gate electrode 13B. The source terminal 5 is connected to the first ohmic electrode 11A, the drain terminal 4 is connected to the second ohmic electrode 11B, the first gate terminal 2 is connected to the first gate electrode 13A, and the second gate terminal. 3 is connected to the second gate electrode 13B.

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 bidirectional switch 1 will be described. For explanation, the potential of the first ohmic electrode 11A is set to 0V, the voltage applied to the first gate terminal 2 is Vg1, the voltage applied to the second gate terminal 3 is Vg2, and the second ohmic electrode 11B and the first The voltage between the ohmic electrode 11A is Vs2s1, and the current flowing between the second ohmic electrode 11B and the first ohmic electrode 11A is Is2s1.

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 first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 are set to the first threshold voltage and the first threshold voltage, respectively. The voltage is equal to or lower than the threshold voltage of 2, for example, 0V. As a result, the depletion layer extending from the first p-type semiconductor layer 12A extends in the channel region toward the second p-type GaN layer, so that the current flowing through the channel can be blocked. Therefore, even when V4 is a positive high voltage, it is possible to realize a cut-off state in which a current flowing from the second ohmic electrode 11B to the first ohmic electrode 11A is cut off. On the other hand, when V4 is lower than V1, for example, even when V4 is −100 V and V1 is 0 V, the depletion layer extending from the second p-type semiconductor layer 12B is in the channel region in the first p-type semiconductor layer. The current spreads in the direction of 12A and can flow through the channel. For this reason, even when a negative high voltage is applied to the second ohmic electrode 11B, the current flowing from the first ohmic electrode 11A to the second ohmic electrode 11B can be blocked. That is, the bidirectional current of the bidirectional switch 1 can be cut off.

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 first gate electrode 13A and the second gate electrode 13B share a channel region for ensuring a withstand voltage. In this device, the bidirectional switch 1 can be realized with the area of the channel region for one device. Considering the entire bidirectional switch 1, two diodes and two normally-off type AlGaN / GaN-HFETs are provided. The chip area can be reduced as compared with the case where it is used, and the bidirectional switch 1 can be reduced in cost and size.

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 first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 are higher than the first threshold voltage and the second threshold voltage, respectively, for example, 5V, the first voltage Both of the voltages applied to the gate electrode 13A and the second gate electrode 13B are higher than the threshold voltage. Accordingly, since the depletion layer does not extend from the first p-type semiconductor layer 12A and the second p-type semiconductor layer 12B to the channel region, the channel region is also formed below the first gate electrode 13A. It is not pinched off on the lower side of 13B. As a result, it is possible to realize a conductive state in which a current flows bidirectionally between the first ohmic electrode 11A and the second ohmic electrode 11B.

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 bidirectional switch 1 having the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 is represented by an equivalent circuit, a first transistor 15 and a second transistor 16 are connected in series as shown in FIG. It can be regarded as a circuit. In this case, the source (S) of the first transistor 15 corresponds to the first ohmic electrode 11A, the gate (G) of the first transistor 15 corresponds to the first gate electrode 13A, and the source ( S) corresponds to the second ohmic electrode 11B, and the gate (G) of the second transistor 16 corresponds to the second gate electrode 13B. In such a circuit, for example, when Vg1 is 5V and Vg2 is 0V, the fact that Vg2 is 0V is equivalent to the state where the gate and the source of the second transistor 16 are short-circuited. Can be regarded as a circuit as shown in FIG.

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 second transistor 16 shown in FIG. 2B is the A terminal, the drain (D) is the B terminal, and the gate (G) is the C terminal. When the potential of the B terminal shown in the figure is higher than the potential of the A terminal, it can be regarded as a transistor in which the A terminal is a source and the B terminal is a drain. In such a case, the C terminal (gate) and the A terminal Since the voltage between the source and the source is 0 V and is equal to or lower than the threshold voltage, no current flows from the B terminal (drain) to the A terminal (source). On the other hand, when the potential of the A terminal is higher than the potential of the B terminal, the transistor can be regarded as a transistor in which the B terminal is a source and the A terminal is a drain. In such a case, since the potentials of the C terminal (gate) and the A terminal (drain) are the same, when the potential of the A terminal is equal to or lower than the threshold voltage with respect to the B terminal, the A terminal (drain) to the B terminal Do not supply current to the (source). When the potential of the A terminal becomes equal to or higher than the threshold voltage with reference to the B terminal, a voltage higher than the threshold voltage is applied to the gate with reference to the B terminal (source), and current flows from the A terminal (drain) to the B terminal (source). be able to. That is, when the gate and the source of the transistor are short-circuited, the transistor functions as a diode having a drain as a cathode and a source as an anode, and the forward rising voltage becomes the threshold voltage of the transistor. Therefore, the portion of the second transistor 16 shown in FIG. 2A can be regarded as a diode, and an equivalent circuit as shown in FIG. In the equivalent circuit shown in FIG. 2C, when the potential of the drain terminal 4 of the bidirectional switch 1 is higher than the potential of the source terminal 5, 5 V is applied to the first gate terminal 2 of the first transistor 15. In this case, the first transistor 15 is in an on state, and a current can flow from S2 to S1. However, an on-voltage is generated due to the forward rising voltage of the diode. Further, when the potential of S1 of the bidirectional switch 1 is higher than the potential of S2, the voltage is carried by the diode composed of the second transistor 16, and the current flowing from S1 to S2 of the bidirectional switch 1 is blocked. That is, by applying a voltage equal to or higher than the threshold voltage to the first gate terminal 2 and applying a voltage equal to or lower than the threshold voltage to the second gate terminal 3, a so-called bidirectional device is turned on and the cathode side of the diode is connected in series to the drain side. A switch capable of connected operation can be realized.

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 bidirectional switch 1. FIG. 3A shows a case where Vg1 and Vg2 are changed simultaneously, and FIG. 3B shows a case where Vg2 is 0 V that is equal to or lower than the second threshold voltage. (C) shows a case where Vg2 is changed with Vg1 being 0 V which is equal to or lower than the first threshold voltage. In FIG. 3, the horizontal axis S2-S1 voltage (Vs2s1) is a voltage based on the first ohmic electrode 11A, and the vertical axis S2-S1 current (Is2s1) is the second ohmic voltage. The current flowing from the electrode 11B to the first ohmic electrode 11A is positive. As shown in FIG. 3A, when Vg1 and Vg2 are 0 V and 1 V, Is2s1 does not flow regardless of whether Vs2s1 is positive or negative, and the bidirectional switch 1 is cut off. . Further, when both Vg1 and Vg2 become higher than the threshold voltage, a conductive state in which Is2s1 flows bidirectionally according to Vs2s1 is established. On the other hand, as shown in FIG. 3B, when Vg2 is set to 0 V that is equal to or lower than the second threshold voltage and Vg1 is set to 0 V that is equal to or lower than the first threshold voltage, Is2s1 is blocked in both directions. However, when Vg1 is 2V to 5V that is equal to or higher than the first threshold voltage, Is2s1 does not flow when Vs2s1 is less than 1.5V, but Is2s1 flows when Vs2s1 becomes 1.5V or higher. That is, a reverse blocking state is reached in which current flows only from the second ohmic electrode 11B to the first ohmic electrode 11A, and no current flows from the first ohmic electrode 11A to the second ohmic electrode 11B. When Vg1 is set to 0 V and Vg2 is changed, as shown in FIG. 3C, a current flows only from the first ohmic electrode 11A to the second ohmic electrode 11B, and the second ohmic electrode A reverse blocking state in which no current flows from 11B to the first ohmic electrode 11A is obtained.

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 bidirectional switch 1 has a function of interrupting and energizing the bidirectional current according to the gate bias condition, and can also operate as a diode, and can also switch the direction in which the current of the diode is energized. As described above, the operation can be performed in the four operation modes shown in FIG. 4 according to the ON or OFF condition of the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 of the bidirectional switch 1. That is, when only the first gate terminal 2 is turned on, the first mode operates as a semiconductor in which a bidirectional device and a reverse diode are connected in series from the drain terminal 4 to the source terminal 5; When only the second gate terminal 3 is turned on, the first gate operates as a semiconductor in which a forward diode and an on-state bidirectional device operate in series from the drain terminal 4 to the source terminal 5. When the terminal 2 and the second gate terminal 3 are turned on, the third mode operates so as to conduct in a bidirectional manner without a diode between the drain terminal 4 and the source terminal 5, the first gate terminal 2 and the first gate terminal 3. When the two-gate terminal 3 is turned off, it has a fourth mode in which current is cut off in both forward and reverse directions. This structure is similar to a JFET, but operates on a completely different operating principle from a JFET that performs carrier modulation in a channel region by a gate electric field in that carrier injection is intentionally performed. Specifically, it operates as a JFET up to a gate voltage of 3V. However, when a gate voltage of 3V or more exceeding the built-in potential of the pn junction is applied, holes are injected into the gate, and the current flows through the mechanism described above. Increases, and a large current and low on-resistance operation becomes possible.

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 bidirectional switch 1, the first gate electrode 13A is formed on the first p-type semiconductor layer 12A having p-type conductivity, and the second gate electrode 13B has p-type conductivity. It is formed on the second p-type semiconductor layer 12B. For this reason, a forward bias is applied from the first gate electrode 13A and the second gate electrode 13B to the channel region generated in the interface region between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Thus, holes can be injected into the channel region. In a nitride semiconductor, the mobility of holes is much lower than the mobility of electrons, so that holes injected into the channel region hardly contribute as carriers for passing current. For this reason, holes injected from the first gate electrode 13A and the second gate electrode 13B generate the same amount of electrons in the channel region, so that the effect of generating electrons in the channel region is increased, and the donor is increased. It functions like an ion. That is, since the carrier concentration can be modulated in the channel region, it is possible to realize a normally-off type nitride semiconductor layer bidirectional switch with a large operating current.

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。また、このハイサイドスイッチ1a、1cとローサイドスイッチ1b、1d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。さらに、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。保持回路19a、19cへの電力は、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。すなわち、コンデンサ24a、24bから抵抗25c、25d、および逆流防止ダイオード26d、26gを介して供給するように配置している。   Next, a single-phase inverter 17 using the bidirectional switch 1 will be described with reference to FIG. As shown in the figure, the single-phase inverter 17 is connected in series as a high-side switch 1a and 1c connected to the high-potential side of the bidirectional switch 1 shown in FIGS. 1 and 2 and a low-side switch 1b and 1d connected to the low-voltage side. Half-bridge circuits 18a and 18b connected to each other. Also, holding circuits 19a to 19d are provided so that the first gate terminals 2a to 2d of the high-side switches 1a and 1c and the low-side switches 1b and 1d are always on, and the second gate terminals 3a to 3d are connected to the PWM. A microprocessor 20 is provided as control means for modulating. Moreover, the control power supply 21 for driving the second gate terminals 3a to 3d is provided. Furthermore, for example, a single-phase motor is connected to the intermediate connection points 18c and 18d of the half-bridge circuits 18a and 18b as a load. Further, in the case of a three-phase inverter provided with one half-bridge circuit 18 (not shown), a three-phase motor is connected. Further, holding circuits 19a to 19d having parallel circuits of constant voltage diodes 22a to 22d and capacitors 23a to 23d will be described. The power to the holding circuits 19a and 19c is arranged so as to be supplied from capacitors 24a and 24b as power storage units that store the driving power of the second gate terminals 3a and 3c. That is, it arrange | positions so that it may supply via resistance 25c, 25d and backflow prevention diode 26d, 26g from capacitor | condenser 24a, 24b.

また、保持回路19bあるいは19dへの電力は、制御電源21から抵抗25aあるいは抵抗25b、逆流防止ダイオード26aあるいは逆流防止ダイオード26b、抵抗25cあるいは抵抗25d、逆流防止ダイオード26fあるいは逆流防止ダイオード26h、ローサイドスイッチ1bあるいはローサイドスイッチ1dを介して供給するように配置している。   The power to the holding circuit 19b or 19d is supplied from the control power source 21 to the resistor 25a or resistor 25b, the backflow prevention diode 26a or backflow prevention diode 26b, the resistor 25c or resistor 25d, the backflow prevention diode 26f or backflow prevention diode 26h, and the low side switch. It arrange | positions so that it may supply via 1b or the low side switch 1d.

次に、ハイサイドスイッチ1a、1cとローサイドスイッチ1b、1dの保持回路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。図では、ハイサイドスイッチ1cとローサイドスイッチ1bにおいて、第二ゲート端子3bと3cがオンした期間を示している。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。   Next, the power supply to the holding circuits 19a to 19d of the high-side switches 1a and 1c and the low-side switches 1b and 1d and to the capacitors 24a and 24b for turning on the second gate terminals 3a and 3c of the high-side switches 1a and 1c. The charging will be described with reference to FIG. The figure shows a period in which the second gate terminals 3b and 3c are turned on in the high-side switch 1c and the low-side switch 1b. When the second gate terminal 3b is turned on, the low-side switch 1b can flow a current from the intermediate connection point 18c to the GND side. At this time, the potential of the intermediate connection point 18c is substantially equal to the GND potential, and accordingly, the resistor 25a serving as a charge limiting unit that restricts the supply of power from the control power supply 21 and the backflow preventing diode serving as a backflow preventing unit. The capacitor 24a is charged via 26a.

そして、ローサイドスイッチ1bの保持回路19bへの電力供給は、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、コンデンサ23aの電圧の安定化を図るために、定電圧ダイオード22bが接続されており、コンデンサ23aの電圧が所定値を超える場合、定電圧ダイオード22b側を経由して電流が流れることとなる。   The power supply to the holding circuit 19b of the low-side switch 1b is that the capacitor 23b for turning on the first gate terminal 2b of the low-side switch 1b similarly has the potential at the intermediate connection point 18c substantially equal to the GND potential. From the above, the resistor 25a as a charge limiting unit that limits the power supply from the control power supply 21 and the backflow preventing diode 26a as the backflow preventing unit, the resistor 25c as a limiting unit that limits the current to the capacitor 23a, Further, the capacitor 23b is charged via a backflow prevention diode 26f as a third backflow prevention unit. In order to stabilize the voltage of the capacitor 23a, a constant voltage diode 22b is connected. When the voltage of the capacitor 23a exceeds a predetermined value, a current flows through the constant voltage diode 22b side. .

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18d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とを経由して充電電流icがコンデンサ23cに充電される。   The power supply to the holding circuit 19c of the high side switch 1c is such that when the high side switch 1c is turned on, the potential of the intermediate connection point 18d becomes Vdc, and the potential of the capacitor 24b is added to the potential. Therefore, the capacitor 23c is charged with the charging current ic via the resistor 25d from the capacitor 24b and the backflow prevention diode 26g as a second backflow prevention unit that prevents backflow from the capacitor 23c to the capacitor 24b.

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。   Further, the driving power for the second gate terminals 3 b and 3 d of the low-side switches 1 b and 1 d is configured to be constantly supplied from the control power supply 21.

なお、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、第二ゲート端子3aと3dをオンした期間については、前記ハイサイドスイッチ1cとローサイドスイッチ1bに対してハイサイドスイッチ1aとローサイドスイッチ1dの回路構成が対称形のため、詳細な説明は省略する。   Of the high-side switches 1a and 1c and the low-side switches 1b and 1d, the high-side switch 1a and the low-side switch are compared with the high-side switch 1c and the low-side switch 1b during the period when the second gate terminals 3a and 3d are turned on. Since the circuit configuration of 1d is symmetrical, detailed description is omitted.

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 bidirectional switch 1, the gate signal for driving the two gate terminals of the bidirectional switch 1 can be the only signal, and the ON signal can be held. Therefore, the bidirectional switch 1 can be driven with a simple configuration without requiring a special signal output from the microprocessor 20 according to the period and phase.

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 circuits 19a to 19d are formed by the combination of the constant voltage diodes 22a to 22d and the capacitors 23a to 23d, it is a general-purpose component configuration and a combination of passive components, and an external signal is not required. The bidirectional switch 1 can be driven.

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 circuit 19a for the first gate terminals 2a and 2c of the high-side switches 1a and 1c is provided from the capacitors 24a and 24b as power storage units for storing the driving power of the second gate terminals 3a and 3c of the high-side switches 1a and 1c. , 19c is configured to supply power to the holding circuits 19a, 19c of the high-side switches 1a, 1c, which normally require a higher voltage than the high potential side voltage, It is cheaper and the entire apparatus can be reduced in size and weight.

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 first gate terminals 2a to 2d and the second gate terminals 3a to 3d of the high side switches 1a and 1c and the low side switches 1b and 1d can be supplied from a single power source, thereby saving space. Thus, the entire apparatus can be reduced in size and weight.

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 constant voltage diodes 22a to 22d are used to hold the voltages of the holding circuits 19a to 19d, other methods such as using a shunt regulator may be used.

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 Embodiment 1 attaches | subjects the same code | symbol, and abbreviate | omits detailed description.

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。   As shown in FIG. 7, a resistor 25e is inserted between the resistor 25c and the backflow prevention diode 26d. In the single-phase inverter 17 and the three-phase inverter, the upper and lower bidirectional switches 1 are often not PWM-controlled. In particular, the low-side switches 1b and 1d (another bidirectional switch 1 for three-phase) are matched to the load phase. For example, a control method such as turning on 120 degrees is adopted. For example, since the second gate terminals 3a and 3c of the high-side switches 1a and 1c cannot be turned on for a time of one third of the frequency, the holding circuit for the first gate terminals 2a and 2c of the high-side switches 1a and 1c. The power supply to 19a and 19c will be interrupted.

一方、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、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、ハイサイドスイッチ1a、1bの第一ゲート端子2a、2cの保持回路19a、19bに比べて充電頻度が低くなる。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して1周期間に充電する充電量を保持回路19a,19c側と保持回路19b、19d側それぞれに確保する。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、3c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。   On the other hand, since the second gate terminals 3b and 3d of the low-side switches 1b and 1d are not turned on during the two-thirds time, the holding circuits 19b and 19d of the first gate terminals 2b and 2d of the low-side switches 1b and 1d are I can't charge. Therefore, the holding circuits 19b and 19d of the first gate terminals 2b and 2d of the low-side switches 1b and 1d are less charged than the holding circuits 19a and 19b of the first gate terminals 2a and 2c of the high-side switches 1a and 1b. Become. Therefore, it is necessary to lower the charge limit level and increase the capacitance of the capacitors 23b and 23d with respect to the capacitance of the capacitors 23a and 23c so that the voltage of the capacitors 23b and 23d does not decrease. That is, in order to tighten the limit values of the holding circuits 19a and 19c on the high side switches 1a and 1c, the resistor 25e is inserted after branching to the low side switches 1b and 1d, and the capacitances of the capacitors 23b and 23d are changed to the capacitor 23a. , 23c, and the amount of charge to be charged in one cycle is ensured on the holding circuits 19a, 19c side and the holding circuits 19b, 19d side. For example, the first gate terminals 2a and 2c are supplied during the period when the power for constantly driving the holding circuits of the first gate terminals 2a to 2d is supplied or the second gate terminals 3a and 3c of the high-side switches 1a and 1c are off. Is set to 10Ω, the capacitances of the capacitors 23b and 23d are set to 47 μF, and the capacitances of the capacitors 23a and 23c are set to 22 μF. The capacitances of the capacitors 24a and 24b of the second gate terminals 3a and 3c of the high-side switches 1a and 1c drive the first gate terminals 2a and 2c and the second gate terminals 3a and 3c of the high-side switches 1a and 1c. Therefore, it is set to 100 μF or the like.

以上にように、保持回路19a〜19dのコンデンサ23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 capacitor 23 of the holding circuits 19a to 19d and the modulation method of the high-side switches 1a and 1c and the low-side switches 1b and 1d, and the single-phase inverter 17 (or three-phase inverter) Supply restriction according to the application can be performed.

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、24b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 circuits 19a to 19d and the power supply cycle to the capacitors 24a and 24b of the second gate terminals 3a and 3c of the high-side switches 1a and 1c are different, the power corresponding to the cycle Accumulation can be possible.

(実施の形態3)
以下、実施の形態3について、図8を参照しながら説明する。
(Embodiment 3)
The third embodiment will be described below with reference to FIG.

なお、実施の形態1あるいは2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 Embodiment 1 or 2 attaches | subjects the same code | symbol, and abbreviate | omits detailed description.

図8に示すように、第二ゲート端子3aをオフする際に負の電圧を印加する最適電圧生成部27aは、制御電源21から抵抗25aと逆流防止ダイオード26a、さらに抵抗25gを介してコンデンサ23eに充電し、第二ゲート端子3aがオフ状態にある際に、中間接続点18cからコンデンサ23fは充電される。またこの時、コンデンサ23fの充電電圧は定電圧ダイオード22eにより制限される。本回路構成により、コンデンサ23eは、中間接続点18cを基準に考えると正電圧に充電され、コンデンサ23fの負側の端子は中間接続点18cよりも低電位となる。従って、ゲート駆動回路は、第二ゲート端子3aをオンさせる際には、コンデンサ23eの正電圧が印加され、オフさせる際には、基準電位である中間接続点18cよりも低電位である負電圧が印加されることになる。従って、ゲート駆動回路部の電源には、第二ゲート端子3aの基準電位である中間接続点18cを基準に正負両電源とすることができ、オン時の電圧を正電圧、オフ時の電圧を負電圧とすることができ、オン電圧とオフ電圧の偏差を確保していることとなる。第二ゲート端子3b、3c、3dについても同様のため、詳細な説明は省略する。   As shown in FIG. 8, the optimum voltage generator 27a that applies a negative voltage when the second gate terminal 3a is turned off includes a capacitor 23e from the control power source 21 via a resistor 25a, a backflow prevention diode 26a, and a resistor 25g. When the second gate terminal 3a is in the OFF state, the capacitor 23f is charged from the intermediate connection point 18c. At this time, the charging voltage of the capacitor 23f is limited by the constant voltage diode 22e. With this circuit configuration, the capacitor 23e is charged to a positive voltage when the intermediate connection point 18c is taken as a reference, and the negative terminal of the capacitor 23f has a lower potential than the intermediate connection point 18c. Therefore, the gate drive circuit applies the positive voltage of the capacitor 23e when turning on the second gate terminal 3a, and the negative voltage that is lower than the intermediate connection point 18c, which is the reference potential, when turning off. Will be applied. Therefore, the power source of the gate drive circuit unit can be a positive and negative power source with reference to the intermediate connection point 18c which is the reference potential of the second gate terminal 3a. The on-state voltage is positive and the off-state voltage is It can be a negative voltage, and a deviation between the on-voltage and the off-voltage is ensured. Since the same applies to the second gate terminals 3b, 3c, and 3d, detailed description thereof is omitted.

以上のように、第二ゲート端子3a〜3dの駆動電源に負電源を備えることが可能となり、オン時に正電圧を供給する正電圧印加回路と制御電源を共用しつつ、ゲート閾値電圧が低い双方向スイッチ1であっても、オフ時の電圧を相対的に低い電圧とすることが可能となり、外来ノイズなどによる誤動作発生で短絡故障などを引き起こす可能性を低減することができる。   As described above, it is possible to provide a negative power source for the driving power source of the second gate terminals 3a to 3d, and both have a low gate threshold voltage while sharing a positive voltage application circuit that supplies a positive voltage when on and a control power source. Even in the direction switch 1, it is possible to set the voltage at the time of OFF to a relatively low voltage, and it is possible to reduce the possibility of causing a short-circuit failure or the like due to a malfunction caused by external noise or the like.

なお、本実施の形態では、正電源、負電源共に同一の制御電源を電力源としたが、互いに独立した電源から供給する構成としても作用効果に差異はない。   In this embodiment, the same control power supply is used as the power source for both the positive power supply and the negative power supply. However, there is no difference in operation and effect even when the power supplies are independent from each other.

また、本実施の形態における回路構成は一実施例であり、発明を限定するものではない。   In addition, the circuit configuration in this embodiment mode is an example and does not limit the invention.

さらに、本実施の形態では、単相インバータを一例としたが、三相用のインバータであってもよい。   Furthermore, in the present embodiment, a single-phase inverter is taken as an example, but a three-phase inverter may be used.

また、電圧を安定化する方法として、定電圧ダイオードを使用する構成としたが、その他のレギュレーション回路であってもよい。   Further, as a method for stabilizing the voltage, a constant voltage diode is used, but other regulation circuits may be used.

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.

本発明の実施の形態1の双方向スイッチの構成図Configuration diagram of bidirectional switch according to Embodiment 1 of the present invention 同双方向スイッチの等価回路図Equivalent circuit diagram of the bidirectional switch 同双方向スイッチの電圧・電流の相関図Correlation diagram of voltage and current of the bidirectional switch 同双方向スイッチの動作モードを示す図Diagram showing the operation mode of the bidirectional switch 同単相インバータの構成図Configuration diagram of the same single-phase inverter 同ゲート駆動回路の動作説明図Operation explanatory diagram of the gate drive circuit 本発明の実施の形態2における単相インバータの構成図Configuration diagram of single-phase inverter according to Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態3における単相インバータの構成図Configuration diagram of single-phase inverter according to Embodiment 3 of the present invention 従来の特許文献1におけるゲート駆動回路を示す図The figure which shows the gate drive circuit in the conventional patent document 1

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〜22h 定電圧ダイオード
23a〜23L コンデンサ
24a〜24b コンデンサ
25a〜25h 抵抗
26a、26b、26d、26f〜26h 逆流防止ダイオード
27a〜27d 最適電圧生成部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Bidirectional switch 1a High side switch 1b Low side switch 1c High side switch 1d Low side switch 2 1st gate terminal 2a-2d 1st gate terminal 3 2nd gate terminal 3a-3d 2nd gate terminal 4 Drain terminal 5 Source terminal 6 Substrate 7 Buffer layer 8 Semiconductor layer stack 9 GaN layer 10 AlGaN layer 11A First ohmic electrode 11B Second ohmic electrode 12A First p-type semiconductor layer 12B Second p-type semiconductor layer 13A First gate electrode 13B First 2 gate electrode 14 protective film 15 first transistor 16 second transistor 17 single phase inverter 18a, 18b half bridge circuit 18c, 18d intermediate connection point 19a-19d holding circuit 20 microprocessor 21 control power supply 22a-22h constant voltage diode De 23a~23L capacitor 24a~24b capacitor 25a~25h resistor 26a, 26b, 26d, 26f~26h blocking diode 27a~27d optimum voltage generator

Claims (6)

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に適用するゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオン電圧とオフ電圧との偏差を確保する最適電圧生成部を備えたゲート駆動回路。 A semiconductor layer stack having a channel formed on a substrate; a first ohmic electrode and a second ohmic electrode formed on the semiconductor layer stack spaced apart from each other; and the first ohmic electrode. A first gate electrode, a second gate electrode, and the semiconductor layer stack and the first gate electrode, which are sequentially formed from the first ohmic electrode side between the electrode and the second ohmic electrode; And a first p-type semiconductor layer formed between the semiconductor layer stack and the second gate electrode, and the first ohmic contact. A first gate terminal for inputting a gate drive signal between an electrode and the first gate electrode; and a second gate for inputting a gate drive signal between the second ohmic electrode and the second gate electrode A terminal and the first ohmic A drain terminal connected to the electrode and a source terminal connected to the second ohmic electrode, and when only the first gate terminal is turned on, the bidirectional state is turned on between the drain terminal and the source terminal A first mode in which a device and a reverse diode operate as a semiconductor connected in series, when only the second gate terminal is turned on, a forward diode and an on-state bidirectional device from the drain terminal to the source terminal A second mode that operates as a semiconductor connected in series, and when the first gate terminal and the second gate terminal are turned on, the second mode operates to conduct in both directions without a diode between the drain terminal and the source terminal. When the three-mode, the first gate terminal and the second gate terminal are turned off, the current is cut off in both forward and reverse directions. A gate drive circuit applied to a bidirectional switch having a mode, the gate drive circuit with an optimum voltage generator to ensure the deviation between the ON voltage and the OFF voltage of the first gate terminal or the second gate terminal. 最適電圧生成部は、第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオンする際に、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子に正の電圧を印加する正電圧印加回路と、オフする際に、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子に負の電圧を印加する負電圧印加回路を備えたことを特徴とする請求項1記載のゲート駆動回路。 The optimum voltage generator is configured to apply a positive voltage to the first gate terminal or the second gate terminal when the first gate terminal or the second gate terminal is turned on, and 2. The gate drive circuit according to claim 1, further comprising a negative voltage application circuit for applying a negative voltage to the first gate terminal or the second gate terminal. 負電圧印加回路は、正電圧印加回路と電源を共用することを特徴とする請求項2記載のゲート駆動回路。 3. The gate drive circuit according to claim 2, wherein the negative voltage application circuit shares a power source with the positive voltage application circuit. 負電圧印加回路は、正側の電圧印加回路からの逆流を防止する逆流防止部を介して接続することを特徴とする請求項2乃至3記載のゲート駆動回路。 4. The gate drive circuit according to claim 2, wherein the negative voltage application circuit is connected via a backflow prevention unit for preventing backflow from the positive voltage application circuit. 負電圧印加回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を有した安定化回路で電圧を安定化することを特徴とする請求項2〜4何れかに記載のゲート駆動回路。 5. The gate drive circuit according to claim 2, wherein the negative voltage application circuit stabilizes the voltage with a stabilization circuit having a parallel circuit of a constant voltage diode and a capacitor. 請求項1〜5何れかに記載のゲート駆動回路を用いたことを特徴とするインバータ回路。 An inverter circuit using the gate drive circuit according to claim 1.
JP2009096850A 2008-09-10 2009-04-13 Gate drive circuit and inverter circuit using the same Pending JP2010094006A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009096850A JP2010094006A (en) 2008-09-10 2009-04-13 Gate drive circuit and inverter circuit using the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008231733 2008-09-10
JP2009096850A JP2010094006A (en) 2008-09-10 2009-04-13 Gate drive circuit and inverter circuit using the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010094006A true JP2010094006A (en) 2010-04-22

Family

ID=42256155

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009096850A Pending JP2010094006A (en) 2008-09-10 2009-04-13 Gate drive circuit and inverter circuit using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2010094006A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012004253A (en) * 2010-06-15 2012-01-05 Panasonic Corp Bidirectional switch, two-wire ac switch, switching power circuit, and method for driving bidirectional switch
JP2012199548A (en) * 2011-03-21 2012-10-18 Internatl Rectifier Corp Composite semiconductor device with turn-on prevention
US8766375B2 (en) 2011-03-21 2014-07-01 International Rectifier Corporation Composite semiconductor device with active oscillation prevention
US9859882B2 (en) 2011-03-21 2018-01-02 Infineon Technologies Americas Corp. High voltage composite semiconductor device with protection for a low voltage device
JP7320789B2 (en) 2018-06-29 2023-08-04 パナソニックIpマネジメント株式会社 Control system, switch system, power converter, control method and program for bidirectional switch element

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012004253A (en) * 2010-06-15 2012-01-05 Panasonic Corp Bidirectional switch, two-wire ac switch, switching power circuit, and method for driving bidirectional switch
JP2012199548A (en) * 2011-03-21 2012-10-18 Internatl Rectifier Corp Composite semiconductor device with turn-on prevention
US8766375B2 (en) 2011-03-21 2014-07-01 International Rectifier Corporation Composite semiconductor device with active oscillation prevention
US9362905B2 (en) 2011-03-21 2016-06-07 Infineon Technologies Americas Corp. Composite semiconductor device with turn-on prevention control
US9859882B2 (en) 2011-03-21 2018-01-02 Infineon Technologies Americas Corp. High voltage composite semiconductor device with protection for a low voltage device
JP7320789B2 (en) 2018-06-29 2023-08-04 パナソニックIpマネジメント株式会社 Control system, switch system, power converter, control method and program for bidirectional switch element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8299737B2 (en) Motor driving circuit
JP5262101B2 (en) Power conversion circuit
US8957642B2 (en) Enhancement mode III-nitride switch with increased efficiency and operating frequency
US9083257B2 (en) Power conversion circuit, multiphase voltage regulator, and power conversion method
JP5386246B2 (en) Power converter
WO2009153965A1 (en) Gate drive technique for bidirectional switches and power converter that uses the same
US9350342B2 (en) System and method for generating an auxiliary voltage
JP2008153748A (en) Bidirectional switch and method of driving bidirectional switch
JP6658021B2 (en) Semiconductor device
KR20150010634A (en) Semiconductor device and driving system
US10090761B2 (en) Power conversion apparatus
JP2010004588A (en) Method of driving gate of bidirectional switch, and power converter using it
JP2010094006A (en) Gate drive circuit and inverter circuit using the same
JP2010057263A (en) Gate drive circuit
JP2010004697A (en) Method of driving gate of bidirectional switch and power conversion equipment using it
JP2011087368A (en) Power converting module, power converter using the same or, motor driver or air conditioner
JP5440201B2 (en) Gate driver for bidirectional switch
JP2011109761A (en) Power conversion module, and power converter, motor drive or air conditioner each using the same
JP2011160559A (en) Single phase or three-phase inverter, and air conditioner using the same
JP2010068606A (en) Single phase-three phase matrix converter
JP2011151905A (en) Gate driving device for bidirectional switches
JP5423450B2 (en) Gate driver for bidirectional switch
US11271547B2 (en) Gate drive circuit, drive device, semiconductor device, and gate drive method
JP6950495B2 (en) Power converter
JP2011258686A (en) Mosfet module