JP2013013224A - 双方向スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧で動作可能であると共に、スイッチング時の損失を低減可能な双方向スイッチを提供する。
【解決手段】一実施形態に係る双方向スイッチ１は、第１及び第２の端子１a,１bの間に流れる電流の向きを双方向にスイッチする双方向スイッチであって、逆方向に耐性を有しない第１の半導体スイッチ素子２０Ａと、第１の半導体スイッチ素子２０Ａと順方向で直列接続される第１の逆流阻止ダイオード部３０Ａとを有する第１の直列回路部１０Ａと、逆方向に耐性を有しない第２半導体スイッチ素子２０Ｂと、第２の半導体スイッチ素子２０Ｂと順方向で直列接続される第２の逆流阻止ダイオード部３０Ｂとを有する第２の直列回路部１０Ｂと、を備える。第１の直列回路部１０Ａと第２の直列回路部１０Ｂとは、第１及び第２の端子１a,１bの間に、第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０Ｂの順方向が反対向きになるように並列接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、双方向スイッチに関する。

双方向スイッチは、双方向スイッチの両端子間の電流の向きがスイッチされ得るスイッチであり、２つの半導体スイッチ素子を含んで構成される。双方向スイッチは、インバータより更に効率が高いことが期待されるマトリクスコンバータに必須のデバイスとして知られている。特許文献１，２には、半導体スイッチ素子としてＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴを採用した双方向スイッチが開示されている。特許文献１には、ＳｉＣのダイオードがＭＯＳＦＥＴに順方向で直列接続された２つの直列回路部がＭＯＳＦＥＴに流れる電流の向きが互いに反対向きになるように並列接続された双方向スイッチが開示されている。一方、特許文献２には、ＳｉＣのダイオードがＭＯＳＦＥＴに対して逆方向で並列接続された２つの並列回路部が、互いに反対向きになるように直列接続されて構成された双方向スイッチが開示されている。

特開２０１０−１６１８８７号公報 特開２００９−２１９２６７号公報

双方向スイッチが主に利用され得るマトリクスコンバータは電源に適用される。そのため、双方向スイッチは高電圧での動作が期待されている。ＳｉＣを利用したダイオードは高電圧でも動作可能、すなわち、大電流を流し得る。しかしながら、ＳｉＣを利用したダイオードはオン電圧が高く、スイッチング損失が増加する。

そこで、本発明は、高電圧で動作可能であると共に、スイッチング時の損失を低減可能な双方向スイッチを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る双方向スイッチは、第１及び第２の端子の間に流れる電流の向きを双方向にスイッチする双方向スイッチであって、逆方向に耐性を有しない第１の半導体スイッチ素子と、第１の半導体スイッチ素子と順方向で直列接続される第１の逆流阻止ダイオード部とを有する第１の直列回路部と、逆方向に耐性を有しない第２の半導体スイッチ素子と、第２の半導体スイッチ素子と順方向で直列接続される第２の逆流阻止ダイオード部とを有する第２の直列回路部と、を備える。上記第１の直列回路部と第２の直列回路部とは、第１及び第２の端子の間に、第１及び第２の半導体スイッチ素子の順方向が反対向きになるように並列接続されている。上記第１及び第２の逆流阻止ダイオード部の各々は、ＧａＮを半導体材料とするダイオードとＳｉＣを半導体材料とするダイオードとが並列接続されて構成されている。

上記構成では、第１及び第２の端子の一方の電位が他方の電位より高くても、第１及び第２の半導体スイッチ素子がともにＯＦＦ状態のときに第１及び第２の半導体スイッチ素子を介して電流が流れないので、第１及び第２の端子間には電流は流れない。一方、第１及び第２の半導体スイッチ素子がともにＯＮ状態のときに第１及び第２の端子のうちの一方の電位が他方の電位より高いと、第１及び第２の直列回路部の一方に順方向電圧が印加され、他方に逆方向電圧が印加される。そのため、第１及び第２の直列回路部のうち順方向電圧が印加された方を介して第１及び第２の端子の間に電流が流れる。第１及び第２の直列回路部は、第１及び第２の半導体スイッチ素子の順方向が互いに反対向きになるように並列接続されているので、第１及び第２の直列回路部に流れる電流の向きは互いに反対である。従って、第２の端子の電位に対する第１の端子の電位の高/低に応じて、第１及び第２の端子の間に流れる電流の向きをスイッチ可能である。このスイッチングに応じて、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部に印加される電圧が順方向及び逆方向にスイッチされるが、順方向電圧が第１及び第２の逆流阻止ダイオードの各々を構成するダイオードのオン電圧を超えなければ電流の流れは生じない。ＧａＮを半導体材料として有するダイオードのオン電圧は、ＳｉＣを半導体材料として有するダイオードのオン電圧より小さい。そのため、それら２つのダイオードが並列接続された第１及び第２の逆流阻止ダイオード部では、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部に印加される順方向電圧が小さいときは、ＧａＮを半導体材料として有するダイオードを通して電流が流れ、順方向電圧が大きくなれば、ＳｉＣを半導体材料として有するダイオードを通して電流が流れる。従って、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部のオン電圧が小さくなっているので、スイッチング損失を低減できる。また、順方向電圧が大きくなれば、ＳｉＣを半導体材料として有するダイオードを通して流れ得ることから、双方向スイッチは、高電圧が印加される場合にも使用可能である。

本発明の他の側面に係る双方向スイッチは、第１及び第２の端子の間に流れる電流の向きを双方向にスイッチする双方向スイッチであって、逆方向に耐性を有しない第１の半導体スイッチ素子と、第１の半導体スイッチ素子と逆方向で並列接続される第１の逆流阻止ダイオード部とを有する第１の並列回路部と、逆方向に耐性を有しない第２の半導体スイッチ素子と、第２の半導体スイッチ素子と逆方向で並列接続される第２の逆流阻止ダイオード部とを有する第２の並列回路部とを備える。上記第１の並列回路部と第２の並列回路部とは、第１及び第２の端子の間に、第１及び第２の半導体スイッチ素子の順方向が反対向きになるように直列接続されている。上記第１及び第２の逆流阻止ダイオード部の各々は、ＧａＮを半導体材料とするダイオードとＳｉＣを半導体材料とするダイオードとが並列接続されて構成されている。

この形態では、第１の半導体スイッチ素子及び第２の逆流阻止ダイオード部は順方向が一致するように直列接続されており、第２の半導体スイッチ素子及び第１の逆流阻止ダイオード部は順方向が一致するように直列接続されている。そして、第１の半導体スイッチ素子及び第２の逆流阻止ダイオード部の順方向に対して、第２の半導体スイッチ素子及び第１の逆流阻止ダイオード部の順方向は反対向きである。そのため、第１及び第２の半導体スイッチ素子がともにＯＦＦ状態のときには、第１及び第２の端子の一方の電位が他方の電位より高くても、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部の一方に必ず逆方向電圧が印加されるので、電流は流れない。一方、第１及び第２の半導体スイッチ素子がともにＯＮ状態のときに第１及び第２の端子の一方の電位が他方の電位より高いと、第１の半導体スイッチ素子及び第２の逆流阻止ダイオード部に順方向電圧が印加されると共に、第２の半導体スイッチ素子及び第１の逆流阻止ダイオード部に逆方向電圧が印加されるか、又は、第１の半導体スイッチ素子及び第２の逆流阻止ダイオード部に逆方向電圧が印加されると共に、第２の半導体スイッチ素子及び第１の逆流阻止ダイオード部に順方向電圧が印加される。従って、第２の端子の電位に対する第１の端子の電位の高/低に応じて、順方向電圧が印加される第１の半導体スイッチ素子及び第２の逆流阻止ダイオード部を介して、又は、第２の半導体スイッチ素子及び第１の逆流阻止ダイオード部を介して、第１及び第２の端子間に電流が流れる。この際、第１の半導体スイッチ素子及び第２の逆流阻止ダイオード部の順方向に対して、第２の半導体スイッチ素子及び第１の逆流阻止ダイオード部の順方向は反対向きであることから、第２の端子の電位に対する第１の端子の電位の高/低の変動に応じて、第１及び第２の端子の間に流れる電流の向きをスイッチ可能である。このスイッチングに応じて、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部に印加される電圧が順方向及び逆方向にスイッチされるが、順方向電圧が第１及び第２の逆流阻止ダイオードの各々を構成するダイオードのオン電圧を超えなければ電流の流れは生じない。ＧａＮを半導体材料として有するダイオードのオン電圧は、ＳｉＣを半導体材料として有するダイオードのオン電圧より小さい。そのため、それら２つのダイオードが並列接続された第１及び第２の逆流阻止ダイオード部では、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部に印加される順方向電圧が小さいときは、ＧａＮを半導体材料として有するダイオードを通して電流が流れ、順方向電圧が大きくなれば、ＳｉＣを半導体材料として有するダイオードを通して電流が流れる。従って、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部のオン電圧が小さくなっているので、スイッチング損失を低減できる。また、順方向電圧が大きくなれば、ＳｉＣを半導体材料として有するダイオードを通して流れ得るので、双方向スイッチは、高電圧が印加される場合にも使用可能である。

上記一側面及び他の側面に係る双方向スイッチにおいて、ＧａＮを半導体材料とするダイオードとＳｉＣを半導体材料とするダイオードとは、いずれもショットキーバリアダイオードであり得る。ショットキーバリアダイオードは、ｐｎ界面を有さないので、ｐｎ界面に蓄積された電荷が放電されるまでに要する時間が存在しない。従って、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部の各々を構成する２つのダイオードがショットキーバリアダイオードであることによって、逆回復時間、すなわちリカバリ時間が低減されることから、スイッチング損失を更に低減し得る。

本発明によれば、高電圧で動作可能であると共に、スイッチング時の損失を低減可能な双方向スイッチを提供し得る。

第１の実施形態に係る双方向スイッチの概略構成を示す回路図である。 （ａ），（ｂ）は、図１に示した双方向スイッチの動作の一例を示す図面である。 逆電流を阻止するデバイスの順方向電圧に対する電流特性を示す図面である。 図１に示した双方向スイッチの損失のスイッチング周波数依存製を示す図面である。 第２の実施形態に係る双方向スイッチの概略構成を示す回路図である。 （ａ），（ｂ）は、図５に示した双方向スイッチの動作の一例を示す図面である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

（第１の実施形形態）
図１は、一実施形態に係る双方向スイッチの概略構成を示す回路図である。図１に示した双方向スイッチ１は、第１の端子１ａと第２の端子１ｂとの間で電流が流れる方向が双方向にスイッチ可能なデバイスである。双方向スイッチ１は、マトリックスコンバーター等に適用され得る。この場合、第１の端子１ａは交流電圧を供給する交流電源に電気的に接続され、第２の端子１ｂは負荷回路に接続される。負荷回路の例はモータである。以下では、第１の端子１ａに交流電源から交流電圧が供給され、第２の端子１ｂは負荷回路に接続されている場合を例にして説明する。

双方向スイッチ１は、逆方向に耐性を有さない第１の半導体スイッチ素子２０Ａ及び第１の半導体スイッチ素子２０Ａに順方向で直列接続される第１の逆流阻止ダイオードを有する第１の直列回路部１０Ａと、逆方向に耐性を有さない第２の半導体スイッチ素子２０Ｂ及び第２の半導体スイッチ素子２０Ｂに順方向で直列接続される第２の逆流阻止ダイオード部３０Ｂを有する第２の直列回路部１０Ｂとを備える。

第１の半導体スイッチ素子２０Ａは、第１及び第２の主端子２１Ａ，２２Ａと制御端子２３Ａとを備える。第１の半導体スイッチ素子２０Ａにおいて、第１の主端子２１Ａから第２の主端子２２Ａに向かう方向が順方向である。同様に、第２の半導体スイッチ素子２０Ｂは、第１及び第２の主端子２１Ｂ，２２Ｂと制御端子２３Ｂとを備える。第２の半導体スイッチ素子２０Ｂにおいて、第１の主端子２１Ｂから第２の主端子２２Ｂに向かう方向が順方向である。

制御端子２３Ａ，２３Ｂの各々には、第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０Ｂをそれぞれ駆動するための信号源から、第２の主端子２２Ａ，２２Ｂの電位を基準としたパルス状の信号が入力される。すなわち、制御端子２３Ａ及び第２の主端子２２Ａとの間にパルス状の信号が入力され、制御端子２３Ｂ及び第２の主端子２２Ｂとの間にパルス状の信号が入力される。パルス状の信号の例は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号である。

第１の半導体スイッチ素子２０Ａは、制御端子２３Ａに入力される信号に応じて第１及び第２の主端子２１Ａ，２２Ａ間の導通状態がＯＮ／ＯＦＦ制御される。第１及び第２の主端子２１Ａ，２２Ａ間の導通状態がＯＮ状態のとき、第１の主端子２１Ａから第２の主端子２２Ａに電流が流れ得る。同様に、第２の半導体スイッチ素子２０Ｂは、制御端子２３Ｂに入力される信号に応じて第１及び第２の主端子２１Ｂ，２２Ｂ間の導通状態がＯＮ／ＯＦＦ制御される。第１及び第２の主端子２１Ｂ，２２Ｂ間の導通状態がＯＮ状態のとき、第１の主端子２１Ｂから第２の主端子２２Ｂに電流が流れ得る。

第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０Ｂの制御端子２３Ａ，２３Ｂには、同相のパルス状信号が同期して入力される。従って、第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０Ｂは、同時にＯＮ／ＯＦＦされ得る。すなわち、第１の半導体スイッチ素子２０ＡがＯＮ状態のとき第２の半導体スイッチ素子２０ＢもＯＮ状態であり、第１の半導体スイッチ素子２０ＡがＯＦＦ状態のとき第２の半導体スイッチ素子２０ＢもＯＦＦ状態である。

第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０Ｂの一例は、ワイドバンドギャップ半導体を含んで構成されるＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor）である。ワイドバンドギャップ半導体の例は、ＳｉＣ又はＧａＮである。従って、第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０Ｂは、ＳｉＣを主成分とするＭＯＳＦＥＴであり得る。ＭＯＳＦＥＴである第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０Ｂでは、第１の主端子２１Ａ，２１Ｂは、ドレインであり、第２の主端子２２Ａ，２２Ｂはソースであり、制御端子２３Ａ，２３Ｂはゲートである。

第１の逆流阻止ダイオード部３０Ａは、２つのダイオード３１Ａとダイオード３２Ａとが並列接続されて構成されている。ダイオード３１Ａは、半導体材料がＳｉＣであるショットキーバリアダイオード（Schottky Barrier diode: SBD)であり、ダイオード３２Ａは、半導体材料がＧａＮであるＳＢＤである。ダイオード３１Ａのアノード端子３１Ａａとダイオード３２Ａのアノード端子３２Ａａとは共通接続されている。ダイオード３１Ａのカソード端子３１Ａｂとダイオード３２Ａのカソード端子３２Ａｂとは共通接続されると共に、カソード端子３１Ａｂ，３１Ａｂは、第１の半導体スイッチ素子２０Ａの第１の主端子２１Ａに接続されている。

同様に、第２の逆流阻止ダイオード部３０Ｂは、２つのダイオード３１Ｂとダイオード３２Ｂとが並列接続されて構成されている。ダイオード３１Ｂは、ＳｉＣを半導体材料とするＳＢＤであり、ダイオード３２Ｂは、ＧａＮを半導体材料とするＳＢＤである。ダイオード３１Ｂのアノード端子３１Ｂａとダイオード３２Ｂのアノード端子３２Ｂａは共通接続されている。ダイオード３１Ｂのカソード端子３１Ｂｂとダイオード３２Ｂのカソード端子３２Ｂｂは共通接続されると共に、カソード端子３１Ｂｂ，３２Ｂｂは、第２の半導体スイッチ素子２０Ｂの第１の主端子２２Ｂに接続されている。

第１及び第２の直列回路部１０Ａ，１０Ｂは、第１及び第２の端子１ａ，１ｂの間に、第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０Ｂの順方向が互いに反対向きになるように並列接続されている。具体的には、第１の逆流阻止ダイオード部３０Ａが有するダイオード３１Ａ，３２Ａのアノード端子３１Ａａ，３２Ａａと第２の半導体スイッチ素子２０Ｂの第２の主端子２２Ｂとが接続されている。アノード端子３１Ａａ，３２Ａａと第２の主端子２２Ｂとの接続点が第１の端子１ａに対応する。第２の逆流阻止ダイオード部３０Ｂが有するダイオード３１Ｂ，３２Ｂのアノード端子３１Ｂａ，３２Ｂａと第１の半導体スイッチ素子２０Ａの第２の主端子２２Ａとが接続されている。アノード端子３１Ｂａ，３２Ｂａと第２の主端子２２Ａとの接続点が第２の端子１ｂに対応する。

上記構成の双方向スイッチ１では、第１の端子１ａに交流電圧が印加されることによって、第２の端子１ｂの電位からみて第１の端子１ａの電位の高/低が変動する。このように、第２の端子１ｂの電位からみて第１の端子１ａの電位の高/低が変動しても、第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０ＢがともにＯＦＦ状態のとき、第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０Ｂに電流が流れないので、第１及び第２の端子１ａ，１ｂ間には電流は流れない。一方、第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０ＢがともにＯＮ状態のとき、第２の端子１ｂからみた第１の端子１ａの電位の高/低の変動に応じて、第１及び第２の端子１ａ，１ｂ間に流れる電流の向きが切り換えられる。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の端子と第２の端子との間の電位差に応じた双方向スイッチのスイッチング状態を示す図面である。図２（ａ）及び図２（ｂ）において、第１の端子１ａが接続されるライン４０は、交流電源に接続された電源ラインを示している。第２の端子１ｂが基準電位であることを示すために、図２（ａ）及び図２（ｂ）では、第２の端子１ｂは、便宜的に接地している。図２（ａ）中の「＋」は、第１の端子１ａが第２の端子１ｂに対してより高い電位であることを示し、図２（ｂ）中の「−」は、第１の端子１ａが第２の端子１ｂに対してより低い電位であることを示す。

図２（ａ）に示すように、第１の端子１ａの電位が第２の端子１ｂの電位より高い場合、第１の直列回路部１０Ａに順方向電圧が印加される一方、第２の直列回路部１０Ｂに逆方向電圧が印加される。この場合、第２の半導体スイッチ素子２０Ｂにおいて第１及び第２の主端子２１Ｂ，２２Ｂの間のボディダイオードは導通するが、第２の逆流阻止ダイオード部３０Ｂにより逆電流は流れない。従って、第１の直列回路部１０Ａを介して、第１の端子１ａから第２の端子１ｂに向けて（図２（ａ）中の矢印Ａの方向に）電流が流れる。

逆に、図２（ｂ）に示すように、第２の端子１ｂの電位が第１の端子１ａの電位より高い場合、第２の直列回路部１０Ｂに順方向電圧が印加される一方、第１の直列回路部１０Ａに逆方向電圧が印加される。そのため、図２（ａ）の場合と同様の理由により、第２の直列回路部１０Ｂを介して第２の端子１ｂから第１の端子１ａに向けて（図２（ｂ）中の矢印Ｂの方向に）電流が流れる。

従って、双方向スイッチ１では、前述したように、第１及び第２の端子１ａ，１ｂ間において、双方向に電流の流れる向きがスイッチされ得る。

図１に示した双方向スイッチ１では、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部３０Ａ，３０Ｂを備えることによって、スイッチング損失を低減し得る。この点について説明する。以下の説明では、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部３０Ａ，３０Ｂを逆流阻止ダイオード部３０とも称し、ＳｉＣのダイオード３１Ａ，３１Ｂをダイオード３１とも称し、ＧａＮのダイオード３２Ａ，３２Ｂをダイオード３２とも称す。ダイオード３１，３２は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）である。

図３は、半導体材料としてＧａＮを有するショットキーバリアダイオード及び半導体材料としてＳｉＣを有するショットキーバリアダイオードの順方向電圧と電流との関係を示す図面である。図３の横軸は順方向電圧（Ｖ）を表し、縦軸は電流（Ａ）を表す。図３中の一点鎖線及び破線は、夫々ＳｉＣのＳＢＤ及びＧａＮのＳＢＤの特性を示す。図中の実線は、ＳｉＣのＳＢＤとＧａＮのＳＢＤとを並列接続した回路の特性を示す。また、図中のＶｎＳｉＣは、ＳｉＣのＳＢＤのオン電圧を示し、ＶｎＧａＮは、ＧａＮのＳＢＤのオン電圧を示す。

ＳｉＣのＳＢＤ及びＧａＮのＳＢＤは、順方向に電流が導通し始めるオン電圧が何れも０．９Ｖ以下である。ただし、図３に示すように、ＧａＮのＳＢＤのオン電圧は、ＳｉＣのＳＢＤのオン電圧より低い。逆流阻止ダイオード部３０は、ＳｉＣのＳＢＤであるダイオード３１とＧａＮのＳＢＤであるダイオード３２とが並列接続されて構成されている。従って、図中の実線で示すように、順方向電圧がＳｉＣのＳＢＤのオン電圧より低い場合には、ダイオード３２を介して電流が流れる一方、順方向電圧がＳｉＣのオン電圧より高くなってくれば、ダイオード３１を介してより多くの電流が流れる。そのため、ダイオード３１，３２が並列接続された逆流阻止ダイオード部３０のオン電圧は、例えば、逆流阻止ダイオード部をＳｉＣのダイオード３１のみから構成した場合より小さくなる。このように、逆流阻止ダイオード部３０の構成では、逆流を阻止するデバイス（以下、逆流阻止デバイスとも称す）として単一のＳｉＣのダイオード３１を使用した場合と比較して、より低いオン電圧で電流が流れる。その結果、双方向スイッチ１のスイッチング時のスイッチング損失を低減できる。また、スイッチング速度の高速化も図れ得る。

更に、ＳＢＤはｐｎ界面を有さないので、ｐｎ界面に蓄積された電荷が放電されるまでに要する時間が存在しない。従って、逆流阻止ダイオード部３０で使用しているダイオード３１，３２がＳＢＤであることによって、逆回復時間Ｔｒｒ、すなわち、リカバリ時間が低減されることから、スイッチング損失を更に低減し得る。

ところで、ＧａＮのダイオード３２のオン電圧は、ＳｉＣのダイオード３１のオン電圧より小さいので、逆流阻止デバイスとして、単一のダイオード３２から構成することも考えられ得る。しかしながら、ＧａＮのＳＢＤは、大電流に対応できていない。そこで、双方向スイッチ１では、ＧａＮのＳＢＤであるダイオード３２をＳｉＣのＳＢＤであるダイオード３１に並列接続して逆流阻止ダイオード部３０を構成している。これにより、図３の実線で示したように、順方向電圧が高くなり大電流が流れる場合には、ダイオード３１を介してより多くの電流を流すことを可能としている。その結果、双方向スイッチ１では、オン電圧を低くすることを実現しながら、更に２００Ｖを越える高電圧のスイッチングが可能である。更に、前述したようにオン電圧が低く、スイッチング損失が低減されているので、高い周波数領域までスイッチング損失が低減される。

図４は、双方向スイッチのスイッチングに基づく損失を示す説明図である。図４の横軸はスイッチングの周波数（Ｈｚ）を表し、縦軸は双方向スイッチがスイッチングする電力に対する双方向スイッチの損失（％）を表す。図４中の実線は、双方向スイッチの逆流を阻止する逆流阻止デバイスとして、逆流阻止ダイオード部３０を備えた場合の双方向スイッチの損失を示す。図４中の破線は、双方向スイッチの逆流阻止デバイスとして逆流阻止ダイオード部３０の代わりにＳｉＣのＳＢＤを採用した場合の双方向スイッチの損失を示す。ここでの双方向スイッチがスイッチングする電力は、約２ｋＷ（２００Ｖ×１０Ａ）を想定している。図４において、実線及び破線で示される損失には、スイッチングの都度発生する電流が逆流阻止デバイスを導通する際の導通損失と、双方向スイッチに含まれる半導体スイッチング素子及び逆流阻止デバイスのスイッチングの際に過渡的に発生する損失とが含まれている。そのため、双方向スイッチの損失は、スイッチングの周波数の増大と共に増加する傾向にある。この場合においても、逆流阻止ダイオード部３０を用いた場合は、ＳｉＣのＳＢＤを単独で用いたときと比較して、スイッチング損失が少ないため、図４の実線で示されるように損失が低減される。

以上述べたように、双方向スイッチ１では、より低いオン電圧を実現することによってスイッチング損失の低減を図りながら、高電圧のスイッチングが可能である。更に、ＳＢＤを利用することでリカバリ時間が短くなっているので、スイッチング損失が更に低減され得る。上記のように、スイッチング損失が存在することにより、スイッチング周波数が高くなるにつれて増大する双方向スイッチ１の損失も大きくなる傾向にあるが、スイッチング損失が低減されているので、スイッチング周波数が高くなっても、双方向スイッチ１全体の損失も低減可能である。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る双方向スイッチの構成を示す模式図である。図５に示した双方向スイッチ２は、第１及び第２の端子２ａ，２ｂの間に、第１の並列回路部１１Ａと、第２の並列回路部１１Ｂとを有する。第１及び第２の端子２ａ，２ｂは、双方向スイッチ１の第１及び第２の端子１ａ，１ｂに対応する。すなわち、第１の端子２ａは、交流電源に接続され、第２の端子２ｂは、負荷回路に接続される。

第１の並列回路部１１Ａは、第１の半導体スイッチ素子２０Ａと、第1の半導体スイッチ素子２０Ａと逆方向に並列接続された第１の逆流阻止ダイオード部３０Ａとを有する。第２の並列回路部１１Ｂは、第２の半導体スイッチ素子２０Ｂと、第２の半導体スイッチ素子２０Ｂと逆方向に並列接続された第２の逆流阻止ダイオード部３０Ｂとを有する。第１，２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０Ｂの構成並びに第１及び第２の逆流阻止ダイオード部３０Ａ，３０Ｂの構成は、第１の実施形態の場合と同様であるため、説明を省略する。

第１の並列回路部１１Ａにおける第１の半導体スイッチ素子２０Ａと第１の逆流阻止ダイオード部３０Ａとの接続関係を具体的に説明する。第１の半導体スイッチ素子２０Ａの第１の主端子２１Ａと、第１の逆流阻止ダイオード部３０Ａが有するダイオード３１Ａ，３２Ａのカソード端子３１Ａｂ，３２Ａｂとが接続されている。第１の半導体スイッチ素子２０Ａの第２の主端子２２Ａと、ダイオード３１Ａ，３２Ａのアノード端子３１Ａａ，３２Ａａとが電気的に接続されている。第１の主端子２１Ａとカソード端子３１Ａｂ，３２Ａｂとの接続点が、第１の端子２ａに対応する。

次に、第２の並列回路部１１Ｂにおける第２の半導体スイッチ素子２０Ｂと第２の逆流阻止ダイオード部３０Ｂとの接続関係を具体的に説明する。第２の半導体スイッチ素子２０Ｂの第２の主端子２２Ｂと、第２の逆流阻止ダイオード部３０Ｂが有するダイオード３１Ｂ，３２Ｂのアノード端子３１Ｂａ，３２Ｂａとが接続されている。第２の半導体スイッチ素子２０Ｂの第１の主端子２１Ｂと、ダイオード３１Ｂ，３２Ｂのカソード端子３１Ｂｂ，３２Ｂｂとが接続されている。第１の主端子２１Ｂとカソード端子３１Ｂｂ，３２Ｂｂとの接続点が、第２の端子２ｂに対応する。

第１及び第２の並列回路部１１Ａ，１１Ｂは、第１及び第２の端子２ａ，２ｂの間に、第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０Ｂの順方向が互いに反対向きになるように直列接続されている。すなわち、第２の主端子２２Ａとアノード端子３１Ａａ，３２Ａａとの接続点と、第２の端子２２Ｂとアノード端子３１Ｂａ，３２Ｂａとの接続点とが接続されている。

双方向スイッチ２においても、第１の端子２ａに交流電圧が印加されることによって、第２の端子２ｂの電位からみて第１の端子２ａの電位の高/低が変動する。第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０ＢがともにＯＦＦ状態の場合、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部３０Ａ，３０Ｂの順方向が互いに反対向きであることから、第１及び第２の端子２ａ，２ｂ間には電流は流れない。一方、第１及び第２の半導体スイッチ素子２０Ａ，２０ＢがともにＯＮ状態のとき、第２の端子２ｂからみた第１の端子２ａの電位の高/低の変動に応じて、双方向スイッチ１の場合と同様に、第１及び第２の端子１ａ，１ｂ間に流れる電流の向きが切り換えられる。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の端子と第２の端子との間の電位差に応じたスイッチング状態を示す図面である。図６（ａ）及び図６（ｂ）において、第１の端子２ａが接続されるライン４０は、図２（ａ）及び図２（ｂ）の場合と同様に、交流電源に接続された電源ラインを示している。第２の端子２ｂは、図２（ａ）及び図２（ｂ）の場合と同様に便宜的に接地されているとする。図６（ａ）中の「＋」は、第１の端子１ａが第２の端子１ｂに対してより高い電位であることを示し、図６（ｂ）中の「−」は、第１の端子１ａが第２の端子１ｂに対してより低い電位であることを示す。

図６（ａ）に示すように、第１の端子２ａの電位が第２の端子２ｂの電位より高い場合、第１の半導体スイッチ素子２０Ａ及び第２の逆流阻止ダイオード部３０Ａに順方向電圧が印加される一方、第２の半導体スイッチ素子２０Ｂ及び第１の逆流阻止ダイオード部３０Ａに逆方向電圧が印加される。従って、第１の半導体スイッチ素子２０Ａ及び第２の逆流阻止ダイオード部３０Ｂを介して、第１の端子２ａから第２の端子２ｂに向けて（図中の矢印Ｃ方向に）電流が流れる。

逆に、図６（ｂ）に示すように、第１の端子２ａの電位が第２の端子２ｂの電位より低い場合、第２の半導体スイッチ素子２０Ｂ及び第１の逆流阻止ダイオード部３０Ａに順方向電圧が印加される一方、第１の半導体スイッチ素子２０Ａ及び第２の逆流阻止ダイオード部３０Ｂに逆方向電圧が印加される。そのため、図６（ａ）の場合と同様の理由により、第２の半導体スイッチ素子２０Ｂ及び第１の逆流阻止ダイオード部３０Ａ側を介して第２の端子１ｂから第１の端子１ａに向けて（図６（ｂ）中の矢印Ｄ方向に）電流が流れる。

以上のように、双方向スイッチ２では、第１及び第２の端子２ａ，２ｂ間において、双方向に電流の流れる向きがスイッチされ得る。

双方向スイッチ２においても、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部３０Ａ，３０Ｂを備えるため、双方向スイッチ２も第１の実施形態の双方向スイッチ１と同様の作用効果を有する。すなわち、第１及び第２の逆流阻止ダイオード部３０Ａ，３０Ｂの各々のオン電圧は、例えば、ＳｉＣのダイオード３１Ａ，３１Ｂのみの場合より小さくなる。そのため、双方向スイッチ２では、逆流を阻止するデバイスである逆流阻止デバイスとしてＳｉＣのダイオード３１Ａ，３１Ｂを単独で使用した場合より低いオン電圧で電流が流れ得る。その結果、双方向スイッチ２のスイッチング時のスイッチング損失を低減できる。また、スイッチング速度の高速化も図れ得る。更に、ダイオード３１Ａ，３２Ａ，３１Ｂ，３２ＢがＳＢＤであることによって、逆回復時間Ｔｒｒ（リカバリ時間）が低減されることから、スイッチング損失を更に低減し得る。そのため、双方向スイッチ２においても、より高い周波数領域までスイッチング損失が低減される。更に、ＳｉＣのダイオード３１ＡとＧａＮのダイオード３２Ａとが並列接続されており、ＳｉＣのダイオード３１ＢとＧａＮのダイオード３２Ｂとが並列接続されていることから、２００Ｖを越える高電圧のスイッチングが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した種々の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。第１及び第２の逆流阻止ダイオード部を構成するダイオードは、それぞれショットキーバリアダイオードに限らず、ｐｎ接合型のダイオードであってもよい。ｐｎ接合型ダイオードであっても、ＧａＮを利用したダイオードでは、ＳｉＣを利用したダイオードよりオン電圧が小さいので、スイッチング損失を低減し得る。ただし、第１の逆流阻止ダイオード部を構成する２つのダイオードの種類、すなわち、ｐｎ接合型ダイオードかショットキーバリアダイオードとは同じである。この点は、第２の逆流阻止ダイオード部についても同様である。

また、第１及び第２の半導体スイッチ素子は、半導体を利用したスイッチ素子であって、逆方向に耐性を有さない、すなわち、一方向に電流を流すためのデバイスであればよく、ＭＯＳＦＥＴに限定されない。例えば、第１及び第２の半導体スイッチ素子は、逆方向に耐性を有さないトランジスタであり得る。このようなトランジスタの例は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、接合型電界効果トランジスタ及び接合型バイポーラトランジスタを含み得る。第１及び第２の半導体スイッチ素子が絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ又は接合型バイポーラトランジスタである場合、半導体スイッチ素子の制御端子は、ゲートであり、第１の主端子はコレクタであり、第２の主端子はエミッタである。第１及び第２の半導体スイッチ素子が接合型電界トランジスタの場合、ＭＯＳ型電界効果トランジスタの場合と同様に、第１及び第２の半導体スイッチ素子の制御端子は、ゲートであり、第１の主端子はドレインであり、第２の主端子はソースである。また、第１及び第２の半導体スイッチ素子は、３端子型に限らず。４端子型の素子でもよい。

１，２…双方向スイッチ、１ａ，２ａ…第１の端子、１ｂ，２ｂ…第２の端子、１０Ａ…第１の直列回路部、１０Ｂ…第２の直列回路部、１１Ａ…第１の並列回路部、１１Ｂ…第２の並列回路部、２０Ａ…第１の半導体スイッチ素子、２０Ｂ…第２の半導体スイッチ素子、３０…逆流阻止ダイオード部、３０Ａ…第１の逆流阻止ダイオード部、３０Ｂ…第２の逆流阻止ダイオード部、３１，３１Ａ，３１Ｂ…ダイオード（半導体材料がＳｉＣであるダイオード）、３２，３１Ｂ，３２Ｂ…ダイオード（半導体材料がＧａＮであるダイオード）。

Claims (3)

1. 第１及び第２の端子の間に流れる電流の向きを双方向にスイッチする双方向スイッチであって、
   逆方向に耐性を有しない第１の半導体スイッチ素子と、前記第１の半導体スイッチ素子と順方向で直列接続される第１の逆流阻止ダイオード部とを有する第１の直列回路部と、
   逆方向に耐性を有しない第２の半導体スイッチ素子と、前記第２の半導体スイッチ素子と順方向で直列接続される第２の逆流阻止ダイオード部とを有する第２の直列回路部と、
   を備え、
   前記第１の直列回路部と前記第２の直列回路部とは、前記第１及び第２の端子の間に、前記第１及び第２の半導体スイッチ素子の順方向が反対向きになるように並列接続されており、
   前記第１及び第２の逆流阻止ダイオード部の各々は、ＧａＮを半導体材料とするダイオードとＳｉＣを半導体材料とするダイオードとが並列接続されて構成されている、
   双方向スイッチ。
2. 第１及び第２の端子の間に流れる電流の向きを双方向にスイッチする双方向スイッチであって、
   逆方向に耐性を有しない第１の半導体スイッチ素子と、前記第１の半導体スイッチ素子と逆方向で並列接続される第１の逆流阻止ダイオード部とを有する第１の並列回路部と、
   逆方向に耐性を有しない第２の半導体スイッチ素子と、前記第２の半導体スイッチ素子と逆方向で並列接続される第２の逆流阻止ダイオード部とを有する第２の並列回路部と、
   を備え、
   前記第１の並列回路部と前記第２の並列回路部とは、前記第１及び第２の端子の間に、前記第１及び第２の半導体スイッチ素子の順方向が反対向きになるように直列接続されており、
   前記第１及び第２の逆流阻止ダイオード部の各々は、ＧａＮを半導体材料とするダイオードとＳｉＣを半導体材料とするダイオードとが並列接続されて構成されている、
   双方向スイッチ。
3. 前記ＧａＮを半導体材料とするダイオードと前記ＳｉＣを半導体材料とするダイオードとは、いずれもショットキーバリアダイオードである、請求項１又は２記載の双方向スイッチ。

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