JP2010166301A - スイッチ回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】オンオフ制御信号(CS)に応じて2つの端子(T1,T2)間のオンオフ状態が切り替わるスイッチ回路において、端子(T1,T2)間に接続されたデュアルゲート型スイッチング素子(11)を有したスイッチ部(10)を設ける。また、デュアルゲート型スイッチング素子(11)のオンオフ状態を制御する制御部(20)を設ける。そして、デュアルゲート型スイッチング素子(11)のゲートをオフにすることによって該デュアルゲート型スイッチング素子(11)のドレイン・ソース間に所定以上の逆電圧(0Vを含む)が印加されることとなる場合には、オンオフ制御信号(CS)にかかわらず、制御部(20)によって、そのドレイン・ソースに対応したゲートをオンにする。
【選択図】図2
Description
町田修,金子信男,岩上信一,柳原将貴,後藤博一,岩渕昭夫、「GaN双方向スイッチ」、平成20年電気学会全国大会、第4分冊、p.269
オンオフ制御信号(CS)に応じて2つの端子(T1,T2)間のオンオフ状態が切り替わるスイッチ回路であって、
ゲート(G1,G2)とソース(S1,S2)をそれぞれ2つずつ有しドレイン(D)を共有して同一基板上に形成されたデュアルゲート型スイッチング素子(11)、又はそれぞれがゲート(G1,G2)を有して直列接続された2つのスイッチング素子(11a,11b)を有したスイッチ部(10)と、
前記端子(T1,T2)間をオフ状態からオン状態に切り替える場合には、2つのドレイン(D)・ソース(S1,S2)のうち、逆電圧が印加されている側のドレイン(D)・ソース(S1,S2)に対応したゲート(G1,G2)を、もう一方のゲート(G1,G2)よりも先にオン状態にし、前記端子(T1,T2)間をオン状態からオフ状態に切り替える場合には、逆電圧が印加されている側のソース(S1,S2)に対応したゲート(G1,G2)を、もう一方のゲート(G1,G2)よりも遅れてオフ状態にする制御部(50)と、
を備えたことを特徴とする。
第1の発明のスイッチ回路において、
前記制御部(50)は、前記スイッチング素子(11,11a,11b)のドレイン・ソース間に逆電圧が印加されるか否かを、前記端子(T1,T2)間に印加される電圧値により判別する極性判別部(21)を備えていることを特徴とする。
オンオフ制御信号(CS)に応じて2つの端子(T1,T2)間のオンオフ状態が切り替わるスイッチ回路であって、
前記端子(T1,T2)間に接続されたスイッチング素子(11)を有したスイッチ部(10)と、
前記スイッチング素子(11)のゲートをオフ状態にすることによって該スイッチング素子(11)のドレイン・ソース間に所定以上の逆電圧(0Vを含む)が印加されることとなる場合には、前記オンオフ制御信号(CS)にかかわらず該ゲートをオン状態にする制御部(20)と、
を備えたことを特徴とする。
第3の発明のスイッチ回路において、
前記スイッチ部(10)は、前記スイッチング素子(11)として、ゲート(G1,G2)とソース(S1,S2)をそれぞれ2つずつ有しドレイン(D)を共有して同一基板上に形成されたデュアルゲート型スイッチング素子(11)、又はそれぞれがゲート(G1,G2)を有して直列接続された2つのスイッチング素子(11a,11b)を有し、
前記制御部(20)は、オフ状態に切り替える前記オンオフ制御信号(CS)が入力された場合には、前記スイッチ部(10)における2つのゲート(G1,G2)のうち、オフ状態にすると前記所定以上の逆電圧が印加されることとなるドレイン・ソースに対応する方のゲートをオン状態にし、他方のゲートをオフ状態にすることを特徴とする。
第3又は第4の発明のスイッチ回路において、
前記制御部(20)は、前記スイッチング素子(11)のドレイン・ソース間に前記所定以上の逆電圧が印加されるか否かを、前記端子(T1,T2)間に印加される電圧値により判別する極性判別部(21)を備えていることを特徴とする。
第1から第5の発明のうちの何れか1つのスイッチ回路において、
前記スイッチング素子(11,11a,11b)は、
接合型電界効果トランジスタ、
静電誘導トランジスタ、
金属半導体電界効果型トランジスタ、
ヘテロ接合電界効果トランジスタ、及び
高電子移動度トランジスタのうちの何れかであることを特徴とする。
本発明に係るスイッチ回路は、例えばマトリックスコンバータ回路に使用される。図1は、本発明の実施形態1に係るスイッチ回路(5)を用いたマトリクスコンバータ回路(1)の構成を示すブロック図である。このマトリクスコンバータ回路(1)は、三相交流電源(2)から供給された電力を所定の周波数に変換して、電動機(3)(三相モーター)に供給する。
図2は、上記スイッチ回路(5)の構成を示すブロック図である。このスイッチ回路(5)は、同図に示すように、スイッチ部(10)、制御部(20)、及び2つのゲート駆動回路(30,31)を備えている。このスイッチ回路(5)は、入力されたオンオフ制御信号(CS)に応じて端子(T1,T2)間のオンオフ状態を切り替える。本実施形態では、オンオフ制御信号(CS)がハイレベル(以下、Hレベルと略記)の場合にスイッチ回路(5)がオン状態に切り替わり、ローレベル(以下、Lレベルと略記)の場合にオフ状態に切り替わるものとする。また、スイッチ回路(5)は双方向スイッチであり、上記端子(T1,T2)に印加される電圧の極性は任意である。すなわち、端子(T1)側を端子(T2)側よりも高電位にしてもよいし、その逆でもよい。
次に、スイッチ回路(5)のオン状態及びオフ状態の動作について説明する。
スイッチ回路(5)をオン状態にする場合には、Hレベルのオンオフ制御信号(CS)を制御部(20)に入力する。制御部(20)では、このオンオフ制御信号(CS)が2つのOR回路(22,23)にそれぞれ入力される。これにより、2つのOR回路(22,23)がそれぞれ出力する駆動回路制御信号(SIG1,SIG2)は、極性判別部(21)の出力する極性判定信号(SIG3)にかかわらず、何れもHレベルとなる。その結果、2つのゲート駆動回路(30,31)は、それぞれが対応したゲート(G1,G2)をオンにする。これにより、端子(T1,T2)間が導通してスイッチ回路(5)がオン状態になる。
スイッチ回路(5)をオフ状態にする場合には、Lレベルのオンオフ制御信号(CS)を制御部(20)に入力する。
例えば、端子(T1)の電位が端子(T2)よりも高い場合には、ドレイン(D)とソース(S1)の間には逆方向の電圧が印加され、ドレイン(D)とソース(S2)の間には順方向の電圧が印加される。このときは、制御部(20)の極性判別部(21)がHレベルの極性判定信号(SIG3)を出力する。
また、端子(T1)の電位が端子(T2)よりも低い場合には、ドレイン(D)とソース(S1)の間には順方向の電圧が印加され、ドレイン(D)とソース(S2)の間には逆方向の電圧が印加される。このときは、制御部(20)の極性判別部(21)がLレベルの極性判定信号(SIG3)を出力する。
図6は、本発明の実施形態2に係るスイッチ回路(6)の構成を示すブロック図である。このスイッチ回路(6)は、オンオフ切り替えの論理が実施形態1のスイッチ回路(5)とは逆であり、オンオフ制御信号(CS)がHレベルの場合にスイッチ回路(6)はオフ状態に切り替わり、Lレベルの場合にオン状態に切り替わるようになっている。
次に、スイッチ回路(6)の動作について説明する。
スイッチ回路(6)をオン状態にする場合には、Lレベルのオンオフ制御信号(CS)を制御部(40)に入力する。これにより、制御部(40)の2つのAND回路(44,45)がそれぞれ出力する駆動回路制御信号(SIG1,SIG2)は、極性判別部(41)が出力する極性判定信号(SIG4,SIG5)のレベルにかかわらずLレベルになる。その結果、2つのゲート駆動回路(30,31)は、それぞれが対応したゲート(G1,G2)をオンにする。これにより、端子(T1,T2)間が導通してスイッチ回路(6)がオン状態になる。
スイッチ回路(6)をオフ状態にする場合には、Hレベルのオンオフ制御信号(CS)を制御部(40)に入力する。
例えば、端子(T1)の電位が端子(T2)よりも高い場合には、ドレイン(D)とソース(S1)の間には逆方向の電圧が印加され、ドレイン(D)とソース(S2)の間には順方向の電圧が印加される。このとき、端子(T1)の電圧がツェナー電圧を超えると、極性判別部(41)は、Lレベルの極性判定信号(SIG4)と、Hレベルの極性判定信号(SIG5)を出力する。
また、端子(T1)の電位が端子(T2)よりも低い場合には、ドレイン(D)とソース(S1)の間には順方向の電圧が印加され、ドレイン(D)とソース(S2)の間には逆方向の電圧が印加される。このときは、端子(T2)の電圧がツェナー電圧を超えると、極性判別部(41)は、Hレベルの極性判定信号(SIG4)と、Lレベルの極性判定信号(SIG5)を出力する。
図7は、本発明の実施形態3に係るスイッチ回路(7)の構成を示すブロック図である。このスイッチ回路(7)は、実施形態1のスイッチ回路(5)の制御部(20)を制御部(50)に変更したものである。具体的には、スイッチ回路(7)の制御部(50)は、図7に示すように、極性判別部(21)と遅延制御部(25)とを備えている。なお、極性判別部(21)は、実施形態1のものと同じ構成である。
次に、スイッチ回路(7)の動作について説明する。
〈スイッチ回路(7)をオフ状態からオン状態にする場合〉
図8は、端子(T1)の方が端子(T2)よりも電圧が高い場合、すなわち、ドレイン(D)とソース(S1)の間に逆電圧が印加され、ドレイン(D)とソース(S2)の間に順方向電圧が印加されている場合の遅延制御部(25)の動作を示すタイミングチャートである。
スイッチ回路(7)をオン状態からオフ状態にする場合には、オンオフ制御信号(CS)をLレベルに立ち下げる。オンオフ制御信号(CS)がLレベルになると、遅延制御部(25)は、駆動回路制御信号(SIG2)を直ちにLレベルに立ち下げる。駆動回路制御信号(SIG2)がLレベルになると、ゲート駆動回路(31)は、ゲート(G2)にオフ電圧を印加する。これにより、デュアルゲート型スイッチング素子(11)のドレイン(D)・ソース(S2)間がオフ状態になる。このタイミングで、スイッチ回路(7)全体としてもオフ状態となる。
図9は、端子(T2)の方が端子(T1)よりも電圧が高い場合、すなわち、ドレイン(D)とソース(S2)の間に逆電圧が印加され、ドレイン(D)とソース(S1)の間に順方向電圧が印加されている場合の遅延制御部(25)の動作を示すタイミングチャートである。ドレイン(D)とソース(S1)の間に逆電圧が印加されている場合には、図9に示すように、極性判別部(21)は、Lレベルの極性判定信号(SIG3)を出力する。
ここで、オンオフ制御信号(CS)をHレベルに立ち上げると、遅延制御部(25)は、駆動回路制御信号(SIG2)を直ちにHレベルに立ち上げる。駆動回路制御信号(SIG2)がHレベルになると、ゲート駆動回路(31)は、ゲート(G2)にオン電圧を印加する。これにより、デュアルゲート型スイッチング素子(11)のドレイン(D)・ソース(S2)間がオン状態になる。ただし、このタイミングでは、スイッチ回路(7)全体としてはオフ状態である。
スイッチ回路(7)をオン状態からオフ状態にする場合には、オンオフ制御信号(CS)をLレベルに立ち下げる。オンオフ制御信号(CS)がLレベルになると、遅延制御部(25)は、駆動回路制御信号(SIG1)を直ちにLレベルに立ち下げる。駆動回路制御信号(SIG1)がLレベルになると、ゲート駆動回路(30)は、ゲート(G1)にオフ電圧を印加する。これにより、デュアルゲート型スイッチング素子(11)のドレイン(D)・ソース(S1)間がオフ状態になる。このタイミングで、スイッチ回路(7)全体としてもオフ状態となる。
〈1〉実施形態1では、端子(T1,T2)間に印加される電圧の極性に応じてデュアルゲート型スイッチング素子(11)を制御したが、このようなスイッチング素子は一般的にはある程度の逆電圧は印加可能なので、逆耐圧より小さな逆電圧の印加は許容して、ある閾値を超えた時点で、逆電圧となる側のゲートを、制御部によってオンに制御してもよい。このようにすることで、ノイズマージンを設けることが可能になる。
10 スイッチ部
11 デュアルゲート型スイッチング素子(スイッチング素子)
11a 第1スイッチング素子
11b 第2スイッチング素子
20,40 制御部
21,41 極性判別部
CS オンオフ制御信号
T1,T2 端子
Claims (6)
- オンオフ制御信号(CS)に応じて2つの端子(T1,T2)間のオンオフ状態が切り替わるスイッチ回路であって、
ゲート(G1,G2)とソース(S1,S2)をそれぞれ2つずつ有しドレイン(D)を共有して同一基板上に形成されたデュアルゲート型スイッチング素子(11)、又はそれぞれがゲート(G1,G2)を有して直列接続された2つのスイッチング素子(11a,11b)を有したスイッチ部(10)と、
前記端子(T1,T2)間をオフ状態からオン状態に切り替える場合には、2つのドレイン(D)・ソース(S1,S2)のうち、逆電圧が印加されている側のドレイン(D)・ソース(S1,S2)に対応したゲート(G1,G2)を、もう一方のゲート(G1,G2)よりも先にオン状態にし、前記端子(T1,T2)間をオン状態からオフ状態に切り替える場合には、逆電圧が印加されている側のソース(S1,S2)に対応したゲート(G1,G2)を、もう一方のゲート(G1,G2)よりも遅れてオフ状態にする制御部(50)と、
を備えたことを特徴とするスイッチ回路。 - 請求項1のスイッチ回路において、
前記制御部(50)は、前記スイッチング素子(11,11a,11b)のドレイン・ソース間に逆電圧が印加されるか否かを、前記端子(T1,T2)間に印加される電圧値により判別する極性判別部(21)を備えていることを特徴とするスイッチ回路。 - オンオフ制御信号(CS)に応じて2つの端子(T1,T2)間のオンオフ状態が切り替わるスイッチ回路であって、
前記端子(T1,T2)間に接続されたスイッチング素子(11)を有したスイッチ部(10)と、
前記スイッチング素子(11)のゲートをオフ状態にすることによって該スイッチング素子(11)のドレイン・ソース間に所定以上の逆電圧(0Vを含む)が印加されることとなる場合には、前記オンオフ制御信号(CS)にかかわらず該ゲートをオン状態にする制御部(20)と、
を備えたことを特徴とするスイッチ回路。 - 請求項3のスイッチ回路において、
前記スイッチ部(10)は、前記スイッチング素子(11)として、ゲート(G1,G2)とソース(S1,S2)をそれぞれ2つずつ有しドレイン(D)を共有して同一基板上に形成されたデュアルゲート型スイッチング素子(11)、又はそれぞれがゲート(G1,G2)を有して直列接続された2つのスイッチング素子(11a,11b)を有し、
前記制御部(20)は、オフ状態に切り替える前記オンオフ制御信号(CS)が入力された場合には、前記スイッチ部(10)における2つのゲート(G1,G2)のうち、オフ状態にすると前記所定以上の逆電圧が印加されることとなるドレイン・ソースに対応する方のゲートをオン状態に制御し、他方のゲートをオフ状態に制御することを特徴とするスイッチ回路。 - 請求項3又は請求項4のスイッチ回路において、
前記制御部(20)は、前記スイッチング素子(11)のドレイン・ソース間に前記所定以上の逆電圧が印加されるか否かを、前記端子(T1,T2)間に印加される電圧値により判別する極性判別部(21)を備えていることを特徴とするスイッチ回路。 - 請求項1から請求項5のうちの何れか1つのスイッチ回路において、
前記スイッチング素子(11,11a,11b)は、
接合型電界効果トランジスタ、
静電誘導トランジスタ、
金属半導体電界効果型トランジスタ、
ヘテロ接合電界効果トランジスタ、及び
高電子移動度トランジスタのうちの何れかであることを特徴とするスイッチ回路。
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