JP2011139290A - 双方向スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な回路で、双方向の過電圧を緩和できる双方向スイッチ。
【解決手段】ドレインとソースとゲートとを有し、ドレインとソースとの電位の低い主電極を仮想ソースとしドレインとソースとの電位の高い主電極を仮想ドレインとしたＨＥＭＴ構造をなし、ゲートと仮想ソースとの間に印加されるゲート信号により双方向に電流をオン・オフする半導体スイッチＱ３と、半導体スイッチＱ３のゲートと仮想ソースとの間に接続され、ゲート信号をゲートに印加するゲート信号部１３と、半導体スイッチＱ３の仮想ドレインとゲートとの間に接続され、抵抗１６と定電圧ダイオード１５とを有する過電圧保護回路とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、双方向に電流をオン・オフすることができる双方向スイッチに関し、特に、双方向の過電圧を簡単な追加回路で抑制する技術に関する。

電力用半導体スイッチのスイッチングを利用して、交流電力又は直流電力をレベルの異なる交流電力又は直流電力に変換する電力変換装置は、例えば、無停電電源装置やモーター用インバータ、通信用直流電源などに利用される。

一般に、電力用半導体スイッチは過電圧に弱く、サージ電圧などで一瞬でも端子に耐圧を越える過電圧が重畳すると、電力用半導体スイッチは破壊する。この過電圧を防止する手段として、半導体スイッチのドレインとゲートとの間に、定電圧ダイオードと抵抗とを直列に接続した直列回路を接続する方法がある。

図２は従来の半導体スイッチの一例を示す回路構成図である（特許文献１）。図２に示す半導体スイッチは、過電圧保護回路を付加した電力用半導体スイッチである。図２において、ＦＥＴＱ１のドレインとソースとは、端子１１，１２を介して図示しない主回路に接続されている。ＦＥＴＱ１のドレインにはダイオード１７のアノードが接続され、ダイオード１７のカソードは、抵抗１６を介して定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）１５のカソードに接続されている。定電圧ダイオード１５の降伏電圧は、ＦＥＴＱ１の耐圧よりも低い。

定電圧ダイオード１５のアノードはＦＥＴＱ１のゲートと抵抗１４の一端とに接続されている。ゲート信号部１３は、抵抗１４の他端とＦＥＴＱ１のソースとに接続されている。ダイオード１７と抵抗１６と定電圧ダイオード１５との直列回路は、ＦＥＴＱ１のドレイン−ゲートとの間に接続され、過電圧保護回路を構成する。

ゲート信号部１３は、図示しない制御回路からのオン信号によりＦＥＴＱ１がオンして、端子１２に陽極電圧が出力され、制御回路からのオフ信号によりＦＥＴＱ１がオフして、端子１２に陰極電圧が出力される。

次に、ＦＥＴＱ１のドレイン−ソース間に過電圧が発生したときの動作を説明する。

まず、ゲート信号部１３が、陰極電圧を抵抗１４を介してＦＥＴＱ１のゲートに印加すると、ＦＥＴＱ１はオフし、ＦＥＴＱ１のドレインの電位が上昇する。そして、ＦＥＴＱ１のドレイン−ゲート間の電圧が定電圧ダイオード１５の降伏電圧よりも高くなると、ＦＥＴＱ１のドレインからダイオード１７、抵抗１６、定電圧ダイオード１５を介してゲート信号部１３に電流が流れる。この電流によってＦＥＴＱ１のゲートの電位が上昇する。

ＦＥＴＱ１のゲートの電位の上昇により、ゲート−ソース間電圧がＦＥＴＱ１のゲートしきい値電圧以上になると、ＦＥＴＱ１がオンして、ドレイン−ソース間に電流が流れ、ドレイン電位が下降する。この通電によってＦＥＴＱ１のドレイン−ソース間の過電圧を防止することができる。

また、従来の技術として、交流信号をオン／オフ制御させる交流スイッチ（双方向スイッチ）が知られている（特許文献２）。この交流スイッチは炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ)等の化合物半導体からなり、図３に示すように、端子１１と端子１２との両端に、ノーマリオンＦＥＴＱ２が接続され、主電極２１と主電極２２とゲートＧとで構成されている。ノーマリオンＦＥＴＱ２は、ドレインとソースとが対称に形成されているので、端子１１と端子１２との内の電位の高い端子に接続された主電極２１又は主電極２２がドレインになり、電位の低い端子に接続された他方の主電極がソースとなる。

ゲート信号部１３の一端は、ＦＥＴＱ２のゲートに接続され、ＦＥＴＱ２の主電極２１にはダイオードＤ１のカソードが接続され、ＦＥＴＱ２の主電極２２にはダイオードＤ２のカソードが接続されている。ダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ２のアノードとはゲート信号部１３の他端に接続されている。

このように構成された交流スイッチによれば、端子１１及び端子１２間に交流信号が入力されると、端子１１の電位が高く端子１２の電位が低い場合には、ＦＥＴＱ２の主電極２１がドレインとなり、主電極２２がソースとなる。ソースである主電極２２の電位に対してゲートを高い電位又は零電位とするゲート信号が入力されると、ＦＥＴＱ２がオンし、ダイオードＤ２がオンする。また、ダイオードＤ１は逆バイアスとなるので、オフとなる。

次に、端子１２の電位が高く端子１１の電位が低い場合には、ＦＥＴＱ２の主電極２１がソースとなり、主電極２２がドレインとなる。ソースである主電極２１の電位に対してゲートを高い電位又は零電位とするゲート信号が入力されると、ＦＥＴＱ２がオンし、ダイオードＤ１がオンする。また、ダイオードＤ２は逆バイアスとなるので、オフとなる。

さらに、端子１１の電位が高く端子１２の電位が低い場合、及び端子１２の電位が高く端子１１の電位が低い場合でも、ソースとなる主電極の電位に対してゲートを低い電位とするゲート信号が入力されると、ＦＥＴＱ２はオフする。

また、従来の技術として、例えば、特許文献３に記載された半導体スイッチが知られている。

特許第３８７９６２６号公報 特許第４１２３２７４号公報 特許第３５２９２３８号公報

しかしながら、図３に示す交流スイッチやＧａＮ，ＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体を用いたＧａＮによる高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ；High Electron Mobility Transistor）からなる双方向スイッチにあっては、過電圧に対する耐圧が小さい。この双方向スイッチの場合には、双方向に過電圧がかかるため、図２に示す過電圧保護回路を２つ設けなければならず、過電圧保護回路が複雑化していた。

本発明は、簡単な回路で、双方向の過電圧を緩和できる双方向スイッチを提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、ドレインとソースとゲートとを有し、前記ドレインと前記ソースとの電位の低い主電極を仮想ソースとし前記ドレインと前記ソースとの電位の高い主電極を仮想ドレインとしたＨＥＭＴ構造をなし、前記ゲートと前記仮想ソースとの間に印加されるゲート信号により双方向に電流をオン・オフする半導体スイッチと、前記半導体スイッチの仮想ドレインとゲートとの間に接続され、抵抗と定電圧ダイオードとを有する過電圧保護回路とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、半導体スイッチの仮想ドレインとゲートとの間に抵抗と定電圧ダイオードとを接続したので、１つの定電圧ダイオードで、即ち、簡単な回路で、双方向スイッチに発生する双方向の過電圧を緩和できる。

実施例１の双方向スイッチを示す回路構成図である。 従来の半導体スイッチの一例を示す回路構成図である。 従来の交流スイッチの一例を示す回路構成図である。

以下、本発明の双方向スイッチの実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は実施例１の双方向スイッチを示す回路構成図である。図１に示す実施例１の双方向スイッチは、ＧａＮやＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体からなる双方向ＨＥＭＴＱ３を用いたことを特徴とする。

双方向ＨＥＭＴＱ３は、ゲートＧとドレインとソースとを有し、ドレインとソースとの電位の低い主電極を仮想ソースとしドレインとソースとの電位の高い主電極を仮想ドレインとしたＨＥＭＴ構造をなし、ゲートと仮想ソースとの間に印加されるゲート信号により双方向に電流をオン・オフする双方向の半導体スイッチからなる。

端子１１とダイオード１７のアノードとに接続された双方向ＨＥＭＴＱ３の仮想ドレイン又は仮想ソースにはダイオードＤ３（第１ダイオード）のカソードが接続され、ダイオードＤ３のアノードはダイオードＤ４（第２ダイオード）のアノードとゲート信号部１３の一端とが接続されている。

ダイオードＤ４のカソードは、端子１２とダイオード１８のアノードとに接続され、ダイオード１８のカソードはダイオード１７のカソードと抵抗１６の一端とに接続されている。抵抗１６の他端は定電圧ダイオード１５のカソードに接続され、定電圧ダイオード１５のアノードは抵抗１４の一端と双方向ＨＥＭＴＱ３のゲートとに接続されている。ダイオード１７（及びダイオード１８）と抵抗１６と定電圧ダイオード１５との直列回路は、過電圧保護回路を構成する。

ゲート信号部１３は、抵抗１４を介して双方向ＨＥＭＴＱ３のゲートにゲート信号を印加する。

次にこのように構成された実施例１の双方向スイッチの動作を説明する。まず、交流信号が双方向ＨＥＭＴＱ３に入力されたときの動作を説明する。端子１１及び端子１２間に交流信号が入力されると、端子１１の電位が高く端子１２の電位が低い場合には、双方向ＨＥＭＴＱ３の主電極２１がドレインとなり、主電極２２がソースとなる。ソースである主電極２２の電位に対してゲートを高い電位又は零電位とするゲート信号が入力されると、双方向ＨＥＭＴＱ３がオンする。

次に、端子１２の電位が高く端子１１の電位が低い場合には、双方向ＨＥＭＴＱ３の主電極２１がソースとなり、主電極２２がドレインとなる。ソースである主電極２１の電位に対してゲートを高い電位又は零電位とするゲート信号が入力されると、双方向ＨＥＭＴＱ３がオンする。

さらに、端子１１の電位が高く端子１２の電位が低い場合、及び端子１２の電位が高く端子１１の電位が低い場合でも、ソースとなる主電極の電位に対してゲートを低い電位とするゲート信号が入力されると、双方向ＨＥＭＴＱ３はオフする。

次に、双方向ＨＥＭＴＱ３の双方向、即ち、主電極２１と主電極２２とに過電圧が発生したときの動作を説明する。

まず、主電極２１に陽極性の過電圧が発生した場合には、主電極２１が仮想ドレインとなり、主電極２２が仮想ソースとなる。このとき、主電極２１に発生した過電圧により、双方向ＨＥＭＴＱ３のドレイン−ゲート間の電圧が定電圧ダイオード１５の降伏電圧よりも高くなると、双方向ＨＥＭＴＱ３のドレインからダイオード１７、抵抗１６、定電圧ダイオード１５、ゲート信号部１３、ダイオードＤ４を介して端子１２に電流が流れる。この電流によって双方向ＨＥＭＴＱ３のゲートの電位が上昇する。

双方向ＨＥＭＴＱ３のゲートの電位の上昇により、ゲート−ソース間電圧が双方向ＨＥＭＴＱ３のゲートしきい値電圧以上になると、双方向ＨＥＭＴＱ３がオンして、ドレイン−ソース間に電流が流れ、ドレイン電位が下降する。この通電によって双方向ＨＥＭＴＱ３のドレイン−ソース間の過電圧を防止することができる。

次に、主電極２２に陽極性の過電圧が発生した場合には、主電極２２が仮想ドレインとなり、主電極２１が仮想ソースとなる。このとき、主電極２２に発生した過電圧により、双方向ＨＥＭＴＱ３のドレイン−ゲート間の電圧が定電圧ダイオード１５の降伏電圧よりも高くなると、双方向ＨＥＭＴＱ３のドレインからダイオード１８、抵抗１６、定電圧ダイオード１５、ゲート信号部１３、ダイオードＤ３を介して端子１１に電流が流れる。この電流によって双方向ＨＥＭＴＱ３のゲートの電位が上昇する。

双方向ＨＥＭＴＱ３のゲートの電位の上昇により、ゲート−ソース間電圧が双方向ＨＥＭＴＱ３のゲートしきい値電圧以上になると、双方向ＨＥＭＴＱ３がオンして、ドレイン−ソース間に電流が流れ、ドレイン電位が下降する。この通電によって双方向ＨＥＭＴＱ３のドレイン−ソース間の過電圧を防止することができる。

このように実施例１の双方向スイッチによれば、双方向ＨＥＭＴＱ３の仮想ドレインとゲートとの間にダイオード１７（ダイオード１８）と抵抗１６と定電圧ダイオード１５とを接続したので、１つの定電圧ダイオード１５で、即ち、簡単な回路で、双方向ＨＥＭＴＱ３に発生する双方向の過電圧を緩和できる。また、双方向ＨＥＭＴＱ３は１つの半導体素子であるので、安価となる。

本発明は、無停電電源装置、モーター用インバータ、通信用直流電源等に適用可能である。

１１，１２ 端子
１３ ゲート信号部
１４，１６ 抵抗
１５ 定電圧ダイオード
１７，１８，Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
２１，２２ 主電極
Ｑ１ ＦＥＴ
Ｑ２ ノーマリオンＦＥＴ
Ｑ３ 双方向ＨＥＭＴ

Claims (2)

1. ドレインとソースとゲートとを有し、前記ドレインと前記ソースとの電位の低い主電極を仮想ソースとし前記ドレインと前記ソースとの電位の高い主電極を仮想ドレインとしたＨＥＭＴ構造をなし、前記ゲートと前記仮想ソースとの間に印加されるゲート信号により双方向に電流をオン・オフする半導体スイッチと、
   前記半導体スイッチの仮想ドレインとゲートとの間に接続され、抵抗と定電圧ダイオードとを有する過電圧保護回路と、
   を備えることを特徴とする双方向スイッチ。
2. 前記半導体スイッチの仮想ドレインにカソードが接続され、前記ゲート信号が出力される一端にアノードが接続された第１ダイオードと、
   前記ゲート信号が出力される一端と前記第１ダイオードのアノードとにアノードが接続され、前記半導体スイッチの仮想ソースにカソードが接続された第２ダイオードとを備え、
   前記過電圧保護回路は、第３ダイオードと前記抵抗と前記定電圧ダイオードとの直列回路を有することを特徴とする請求項１記載の双方向スイッチ。

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