JP2014014213A - 同期整流回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電流値や電圧、温度等の影響を受けにくく、安定してデッドタイムの短縮が可能になる同期整流回路を得ることを目的とする。
【解決手段】スイッチング素子の順方向に電流を流す期間は、制御回路へ入力される所定の入力信号に基づいてスイッチング素子を制御し、スイッチング素子の逆方向に電流を流す期間は、半導体素子の動作中のパラメータの値を検出し、この検出されたパラメータの値に基づいて作成された制御信号によりスイッチング素子を制御するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、同期整流回路において、センススイッチング素子を備えた電力用半導体素子のダイオードの順方向に電流が流れる場合に、ダイオードと並列に接続されたスイッチング素子をオンするための同期整流回路に関するものである。

従来の同期整流回路としては、例えば特許文献１に示されたものがある。同期整流方式はデッドタイムを挟んで上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子を、それぞれのオンオフタイミングの入力信号を用いて交互にオンさせる方式である。この同期整流方式において、順方向、及び、逆方向にスイッチング可能なスイッチング素子を用いる場合、逆方向に電流が流れる場合にもスイッチング素子をオンさせることで損失を極力低減することが可能になる。しかしながら、デッドタイムが短い場合には上下アームのスイッチング素子が同時にオンし、損失の増大や最悪の場合には素子が破壊する場合もある。また、デッドタイムが長すぎる場合はその期間の電圧降下が大きくなり、損失の増大を招く等の問題があり、デッドタイムを最適にすることが必要である。

特許文献１は、同期整流方式におけるデッドタイムの最適化に関するもので、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴに流れる電流を検出する第１の電流検出手段と、寄生ダイオードに流れる電流を検出する第２の電流検出手段を備え、第１の電流検出手段により検出される貫通電流と第２の電流検出手段により検出されるリカバリー電流がいずれも小さくなるようにデッドタイムを設定する方式が示されている。

また、特許文献２には、ワイドバンドギャップ半導体である炭化珪素を用いた場合に、スイッチング素子に内在するボディダイオードを還流ダイオードとして用いた場合に劣化や破壊を招くという問題を解決する技術が記載されている。スイッチング素子であるＳｉＣ−ＦＥＴに並列にショットキーバリアダイオードを接続した構成で、ショットキーバリアダイオードの電圧を検出してその電圧に応じてＳｉＣ−ＦＥＴをオン、オフする方式や、電流・電流変化率を検出し、還流期間中にスイッチング素子をオン、オフする方式が記載されている。

さらに、特許文献３には、同期整流回路において、センススイッチング素子を用いて、負荷から逆流する電流、すなわちスイッチング素子に流れる順方向の電流を検知して、出力端に接続されたコンデンサの電荷を放電させる技術が開示されている。その他、センススイッチング素子に関し、スイッチング素子の順方向の電流を検出するために用いられている従来技術が多く存在する（例えば特許文献４）。

特開２００７−１４０５９号公報 特開２００８−１７２３７号公報 特開２００７−２４４１５６号公報 特開平７−１４６７２２号公報

特許文献１ではＭＯＳＦＥＴに流れる電流とＭＯＳＦＥＴと並列に接続された寄生ダイオードに流れる電流を別々に検出し、デッドタイムの調整を行うが、スイッチング速度は電流、電圧、温度等に依存するため、それらが変動する場合にはデッドタイムの調整は困難となる。また、２つの電流検出手段が必要なことより、回路構成が複雑となり、回路の大型化等を招く可能性がある。また、特許文献２は還流モードにおいてボディダイオードが通電しないようにスイッチング素子をオン、オフする方式であり、必ずしもデッドタイムを短縮するものではない。また、電流や電流変化率の検出には半導体に流れる全電流を検出しており、装置の大型化を招く可能性がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、同期整流回路において、比較的簡単な回路構成で、安定してデッドタイムを極力短縮し、また、ＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体を用いる場合に、ボディダイオードの劣化や破壊を抑制する同期整流回路を得ることを目的としている。

この発明は、並列にボディダイオードを有し、順方向と逆方向との双方向の電流をスイッチングできるスイッチング素子を備えた半導体素子と、スイッチング素子のオン−オフを制御するための制御回路とを備えた電力用スイッチング回路を、直流電源の出力に直列に接続し、この接続点を出力端子とし、直列接続された電力用スイッチング回路のスイッチング素子を交互にオン・オフすることにより前記出力端子から誘導性負荷に電流を流すように構成された同期整流回路において、半導体素子は、並列にメインボディダイオードを有するメインスイッチング素子から成るメインセルと、並列にセンスボディダイオードを有するセンススイッチング素子から成るセンスセルとを備え、電力用スイッチング回路においてスイッチング素子の順方向に電流を流す期間は、当該電力用スイッチング回路の制御回路は、この制御回路へ入力される所定の入力信号に基づいて当該電力用スイッチング回路におけるスイッチング素子を制御し、電力用スイッチング回路においてスイッチング素子の逆方向に電流を流す期間は、当該電力用スイッチング回路の制御回路は、センスセルを流れる全電流を用い、当該電力用スイッチング回路の半導体素子の動作中のパラメータの値を検出し、この検出されたパラメータの値に基づいて作成された制御信号により当該電力用スイッチング回路のスイッチング素子を制御するようにしたものである。

この発明によれば、スイッチング素子の逆方向に電流を流す期間は、半導体素子の動作中のパラメータの値を検出して、その検出したパラメータの値に基づいてスイッチング素子を制御するため、電流値や電圧、温度等の影響を受けにくく、安定してデッドタイムの短縮が可能になる。

この発明の実施の形態１による同期整流回路に用いる電力用スイッチング回路を示す回路図である。 この発明による同期整流回路を適用する電力変換装置の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１による同期整流回路の動作を説明するタイムチャートである。 この発明の実施の形態２による同期整流回路に用いる電力用スイッチング回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態３による同期整流回路に用いる電力用スイッチング回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態４による同期整流回路に用いる電力用スイッチング回路を示す回路図である。

特許文献３、４に示すように、センススイッチング素子は、メインスイッチング素子に流れる電流、すなわち順方向に流れる電流を検出するために用いられることが多い。これに対し、本発明者らは、電力用スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴのように寄生ダイオードを有する素子である場合、センススイッチング素子を用いて、この寄生ダイオードの順方向電流を測定することができる点に着目した。この寄生ダイオードの順方向に流れる電流を、センススイッチング素子により検出し、制御信号として利用することにより、デッドタイムの短い同期整流回路が実現できることを見出した。以下、本発明を実施の形態に従って説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による同期整流回路に用いる電力用スイッチング回路１００を示す回路図である。ここでは、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いた電力用スイッチング回路１００を例として説明する。半導体素子１０を構成するスイッチング素子は、メインスイッチング素子であるメインＭＯＳＦＥＴ１とセンススイッチング素子であるセンスＭＯＳＦＥＴ２とで構成されている。それぞれのＭＯＳＦＥＴは、それぞれ並列にボディダイオードを備えている。ここで、メインＭＯＳＦＥＴ１とこれに並列なメインボディダイオード３とを合わせてメインセル２０、センスＭＯＳＦＥＴ２とこれに並列なセンスボディダイオード４を合わせてセンスセル３０と呼ぶ。なお、ボディダイオードはＭＯＳＦＥＴに寄生されたものであるが、理解の容易さから並列と記載している。駆動回路はメインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２のオン、オフ動作を行う制御回路５、センスＭＯＳＦＥＴ２とこれに並列なセンスボディダイオード４をあわせた電流、すなわち、センスセル３０に流れる全電流、およびその電流変化率を検出するためのセンス抵抗６、電流検出回路７、電流変化率検出回路８より構成される。

メインセル２０はセンスセル３０に比べて多数のセルより構成されており、その比は例えば数千〜数万対１である。そのため、半導体素子１０を流れる電流はその比に応じてメインセル２０とセンスセル３０に分流して流れる。センスセル３０に直列に接続されたセンス抵抗６の電圧および電圧変化率より、センスセル３０に流れる電流および電流変化率を検出し、セル比に応じた分流比から、メインセル２０に流れる電流および電流変化率を検出することができる。また、メインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２はそれぞれメインボディダイオード３、センスボディダイオード４を備えているため、メインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２がオフ状態でも、センスセル３０の電流を検出することによりボディダイオードの電流、電流変化率も検出することができる。

図２に、本発明の同期整流回路を用いた電力変換装置の例を示す。図２は、図１に示す電力用スイッチング回路１００を６個、すなわち電力用スイッチング回路１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆを用いて、三相インバータを構成し、直流電源９からの直流を交流に変換し、誘導性負荷１４に電流を供給する同期整流回路による電力変換装置の例である。図２に示したような直列に電力用スイッチング回路を配置（例えば電力用スイッチング回路１００ａ、１００ｂ）し、その接続点に誘導性負荷を接続する配置では、あるスイッチング素子の順方向に電流が流れている状態から、スイッチング素子をオフし、再度、オンすると、オフからオンするまでの期間、直列接続の逆側の電力用スイッチング回路にはスイッチング素子の順方向とは逆方向（ダイオードの順方向）に電流が流れる。このダイオードの順方向に電流が流れている期間中にダイオードと並列に接続されたスイッチング素子をオンすることが、重要となる。なお、図２の三相インバータは、本発明を適用する電力変換装置の一例として示したものであり、本発明は、コンバータやチョッパ等、インバータ以外の同期整流回路に適用することもできる。

本実施の形態１による同期整流回路の動作について、図３に示す簡略化した電圧、電流波形、および制御回路への入力信号を交えながら説明する。ここでは、図２において直列に２個接続されている電力用スイッチング回路１００ａと電力用スイッチング回路１００ｂとの組の動作を例に説明する。なお、図２において直列に２個接続されている電力用スイッチング回路１００ｃと電力用スイッチング回路１００ｄとの組の動作、および直列に２個接続されている電力用スイッチング回路１００ｅと電力用スイッチング回路１００ｆとの組の動作も、電力用スイッチング回路１００ａと電力用スイッチング回路１００ｂとの組の動作と位相が異なるだけで全く同じ動作を行う。図３は図２に示す三相インバータにおいて、上アームの電力用スイッチング回路１００ａにおいてスイッチング素子の順方向に電流が流れている状態から、スイッチング素子をオフし、その後、再度オンする場合を示している。電流はスイッチング素子の順方向に流れる場合を正、電流変化率dI/dtはスイッチング素子の順方向電流が増加する場合を正として記載している。

以下、電力用スイッチング回路１００ａにおける、図１の各部分に相当する部分は図１の符号にａを付加して説明する。同様に、電力用スイッチング回路１００ｂにおける各部分には符号にｂを付加して説明する。まず電力用スイッチング回路１００ａの制御回路５ａの入力端子５０ａへの入力信号がオフとなった時刻ｔ１からスイッチング素子のオフ動作が開始される。この状態を詳しく見ると、入力信号がオンからオフに切り替わって、若干の遅れを持って時刻ｔ２から電力用スイッチング回路１００ａの電流Ｉｄ１は減少し始め、下アームの電力用スイッチング回路１００ｂに負の電流Ｉｄ２（ダイオードの順方向の電流）が流れ始める。電力用スイッチング回路１００ｂの動作を、図１に示す回路から説明すると、ダイオードの順方向に流れる電流はメインボディダイオード３ｂとセンスボディダイオード４ｂに流れ始める。電流が流れ始めると、電流値に応じた電圧がセンス抵抗６ｂに発生する。センス抵抗６ｂの電圧は電流変化率ｄＩｄ２/ｄｔに応じて変動するため、電流変化率検出回路８ｂはセンス抵抗６ｂの電圧変化から、電流変化率が所定の値以下（絶対値では所定の値以上）であることを検出し、制御回路５ｂに検出信号を出力する。その信号により、制御回路５ｂはメインＭＯＳＦＥＴ１ｂ、センスＭＯＳＦＥＴ２ｂをオンする。これにより、電流はメインＭＯＳＦＥＴ１ｂ、メインボディダイオード３ｂに分流して流れるため、オン電圧は低下する。なお、特性によってはボディダイオードに流れず、ＭＯＳＦＥＴにのみ流れる場合もある。

ダイオードの順方向に電流が流れている期間中は、電流検出回路７ｂがセンス抵抗６ｂの電圧より、電流の通電を検出し、制御回路５ｂに検出信号を出力することでオン状態を保つ。その後、上アームの電力用スイッチング回路１００ａのメインＭＯＳＦＥＴ１ａ、センスＭＯＳＦＥＴ２ａが、制御回路５ａの入力信号がオンになる時刻ｔ５より若干遅れた時刻ｔ６以降にオンすると、下アームの電力用スイッチング回路１００ｂの電流は増加（絶対値は低下）し始める。電流変化率検出回路８ｂは、センス抵抗６ｂの電圧変化より、電流変化率が所定の値以上であることを検出し、制御回路５ｂに検出信号を出力し、制御回路５ｂは、メインＭＯＳＦＥＴ１ｂ、センスＭＯＳＦＥＴ２ｂをオフする。

従来の同期整流回路での下アームの電力用スイッチング回路１００ｂのスイッチング素子の制御は、制御回路５ｂへの予め定めた入力信号に基づいて行っていた。この入力信号を図３では１００ｂの入力信号として破線で示している。この入力信号は、上下アームのスイッチング素子が同時にオンしないように、電流値や素子の温度変化などによって素子のスイッチング特性に変化があってもデッドタイムが確保できるよう、十分なデッドタイムを設けたタイミングで制御するように予め定めた入力信号となっている。例えば、上アームの入力信号がオンからオフに変化する時刻ｔ１から下アームの入力信号がオフからオンに変化する時刻ｔ３までが、入力信号としてのデッドタイムである。このように、所定の入力信号によりスイッチング素子を制御する場合、十分なデッドタイムを確保する必要がある。

これに対し、本実施の形態１による同期整流回路では、電流の変化率を検出し、スイッチング素子をオン、オフするため、電流値や素子の温度変化などにより特性変化があっても、その時々の特性に応じたオン、オフができることにより、予め定めた入力信号によりオン、オフする場合に比較して、上下アームのスイッチング素子ともにオフするデッドタイムを短縮することができる。なお、ここでは上アームの電力用スイッチング回路１００ａに順方向電流が流れている状態から電力用スイッチング回路１００ａをオフ、オンさせる場合を例に説明したが、逆に下アームの電力用スイッチング回路１００ｂに順方向電流が流れている状態から電力用スイッチング回路１００ｂをオフ、オンする場合も、上アームの電力用スイッチング回路１００ａが、上記で説明した電力用スイッチング回路１００ｂと同様な動作を行う。

電流検出回路７はセンス抵抗６の電圧により、電流が流れているか否かを検出するものであり、例えば基準電圧とセンス抵抗の電圧を比較するコンパレータ等で構成することができる。基準電圧としては０Ｖ以下（絶対値としては０Ｖ以上）でよいが、ノイズによる誤動作等を考慮して設定される。また、電流変化率検出回路８はセンス抵抗６の電圧変動により、正、負の電流変化率が基準値以上か以下かを検出するもので、例えば、センス電圧を微分するためのオペアンプを用いた微分回路の出力と正、負の基準電圧とそれらを比較するコンパレータ等より構成することができる。基準電圧はスイッチングをともなわない場合の電流変化では検出せず、スイッチング時の電流変化にて検出するように設定される。また、ノイズに対する誤動作防止のため、フィルタ等を設けても良い。また、ダイオードのリカバリー動作による電流変化が大きい場合には正の電流変化直後の負の電流変化は無視するようなフィルタを設けても良い。

また、図３のｄＩｄ１/ｄｔに示すようにスイッチング素子の順方向に電流が流れている場合からのオフ、順方向に電流を流す場合のオンにおいても電流変化が生じる。制御回路５がこの電流変化では動作しないように、入力信号からオフ信号が入力された場合にその直後はオンしない、入力信号からオン信号が入力された場合その直後はオフしない等のフィルタ回路を設けても良い。また、電流検出回路７の出力とあわせ、電流検出回路７がダイオードの順方向の電流、すなわちスイッチング素子の逆方向の電流を検出している場合のみ、オン、オフ動作を行うようにしても良い。また、ダイオードの順方向への流れ始めを検出するために、電流変化率検出回路８を用いているが、電流検出回路７を用いて、電流検出回路７が電流通電を検出した場合にスイッチング素子をオンしても良い。要するに、電力用スイッチング回路１００のスイッチング素子に逆方向の電流を流すための制御信号は、当該制御対象のスイッチング素子を有する半導体素子１０のセンスセル３０に流れる、スイッチング素子についての逆方向の電流を検出し、この検出された電流値や、この検出された電流から求められる電流変化率に基づいて作成する。なお、ここではセンスボディダイオードを流れる電流を電圧に変換するためにセンス抵抗を用いているが、センスボディダイオードに流れる電流、電流変化率を検出できればよく、必ずしもセンス抵抗を用いた回路である必要はない。

本発明ではダイオードの順方向に流れる電流、電流の変化率によってスイッチング素子をオンするため、同期整流を行う場合にスイッチング素子をオンする予め定めた入力信号が遅れて入力される場合でも、その前にスイッチング素子をオンするため、デッドタイムを短縮することができる。オフ動作においてもスイッチング素子をオフする入力信号が先に入力されてもダイオード順方向電圧が変化するまでオン状態を保つため、デッドタイムを短縮することができる。同期整流を考慮しない入力信号が入る場合でも、スイッチング素子はオンするため、損失低減等の効果がある。また、電流、電流の変化率によってスイッチング素子をオン、オフするため、電流値や電圧、温度等の影響を受けにくく、安定してデッドタイムの短縮が可能になる。

以上では、ダイオードの順方向に流れる電流、電流の変化率によってスイッチング素子をオン、オフする方式を示したが、オンまたはオフの一方は予め定めた入力信号に従って制御し、他方のみに上記の制御を適用する場合であってもデッドタイム短縮の効果はある。この方式は、本実施の形態１だけではなく、他の実施の形態にも適用できる。

実施の形態２．
図４に本発明の実施の形態２による同期整流回路に用いる電力用スイッチング回路の回路図を示す。特許文献１では貫通電流とリカバリー電流がいずれも小さくなるようにデッドタイムを調整していくが、本発明では電流や電流変化率に基づいて、オン、オフ動作を行うため、スイッチング素子のスイッチング速度が速い場合にはボディダイオードに電流が流れている側のスイッチング素子のオン、オフが遅れる可能性がある。本実施の形態２はそのような場合に対応するもので、実施の形態１とは、制御回路５がスイッチング速度調節回路１１を備えている点が異なっている。

スイッチング速度調節回路１１はスイッチング素子の逆方向に電流が流れる場合にスイッチング素子をオン、オフする場合と、予め定めた入力信号に基づいてスイッチング素子をオン、オフする場合とで、スイッチング速度を切り換えるものである。すなわち、スイッチング速度調節回路１１は、電流検出回路７、電流変化率検出回路８の出力に基づいてオン、オフのスイッチングを行う場合には、入力端子５０に入力される入力信号に基づいてオン、オフする場合に比べ、速い速度でスイッチングを行うよう調節するものである。回路としては例えば、入力端子５０からの入力信号に基づいてスイッチングを行うためのゲート抵抗と、電流検出回路７、電流変化率検出回路８の出力に基づいてスイッチングを行うためのゲート抵抗と、ゲート抵抗切り換えスイッチ等により構成される。オン用のゲート抵抗とオフ用のゲート抵抗は同一でも、別々のものを用いても良い。ゲート抵抗を切り換えスイッチで切り換えることにより、スイッチング速度は調節され、遅れることなく、スイッチングすることが可能となる。

実施の形態３．
図５に本発明の実施の形態３による同期整流回路に用いる電力用スイッチング回路の回路図を示す。半導体素子１０にＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体を用いる場合、ボディダイオードに通電すると劣化や破壊を引き起こす可能性がある。本実施の形態３はそのような場合にも対応するもので、実施の形態２、すなわち図４の回路に還流ダイオード１２を追加したものである。

実施の形態１、２では、ダイオードの順方向に電流が流れる場合にスイッチング素子をオンする半導体素子、及びその駆動回路について記載しているが、スイッチング素子、ボディダイオードの特性によってはスイッチング素子をオンしてもボディダイオードには電流が流れる。本発明では還流ダイオード１２が半導体素子１０と並列に接続されているため、電流は還流ダイオード１２にも並列に流れ、ボディダイオードに流れる電流をさらに低減し、ボディダイオードの劣化や破壊を抑制することが可能である。また、文献２にはＳｉＣ−ＦＥＴ、ショットキーバリアダイオード、ボディダイオードの電流−電圧特性例が記載されているが、スイッチング素子をオンした状態ではボディダイオードに通電しないように、スイッチング素子、還流ダイオード、ショットキーバリアダイオードの特性を設定しても良い。その場合にはさらにボディダイオードの劣化や破壊を抑制する効果が高くなる。

実施の形態４．
図６に本発明の実施の形態４による同期整流回路に用いる電力用スイッチング回路の回路図を示す。実施の形態３では還流ダイオード１２を備えているが、還流ダイオード１２の特性と、ボディダイオードの特性によっては、ダイオードの順方向電流が流れ始める場合に、還流ダイオード１２のみに流れ、ボディダイオードに流れない場合も考えられる。
本実施の形態４はそのような場合にも対応するもので、実施の形態３の電流検出回路７に換えて、電圧検出回路１３を備えている。電圧検出回路１３は、メインスイッチング素子１、メインボディダイオード３、還流ダイオード１２の並列体の電圧がある値以下になった場合に検出信号を出力するものである。還流ダイオード１２を追加した場合でも、図２と同様に、上アームの電力用スイッチング回路１００ａをスイッチングすると、下アームの電力用スイッチング回路１００ｂの電圧Ｖｄｓ２は低下し、ダイオードの順方向に電流が流れ始める。電圧が低下し、所定の値以下になると、電圧検出回路１３は制御回路５に検出信号を出力し、制御回路５がメインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２をオンする。電圧検出回路１３は電圧が所定の値以下の期間は検出信号を出力し、メインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２のオン状態が保たれる。なお、別途、電流検出回路も設け、オン状態を保つには電流検出回路の出力を用いても良い。

また、電流が増加（絶対値としては低下）し始めると、電流変化率検出回路８が、電流変化率が所定の値以上であることを検出し、制御回路５に検出信号を出力し、制御回路５は、メインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２をオフする。実施の形態１では、電流検出回路の出力とあわせ（例えばＡＮＤ回路）、電流検出回路がスイッチング素子の逆方向（ダイオードの順方向）の通電を検出している場合のみ、オフ動作を行うよう例を示したが、電圧検出回路１３の出力とあわせ、電圧検出回路１３が電圧低下を検出している場合のみ、オフ動作を行うようしても良い。

電圧検出回路１３は、例えば、分圧回路と、基準電圧と、分圧回路の出力と基準電圧を比較するコンパレータ等より構成される。基準電圧は０Ｖ以下が望ましいが、ノイズや運転条件等を考慮して設定される。このような回路構成とすることにより、ダイオードの順方向電流が流れ始める場合に、還流ダイオード１２のみに流れ、ボディダイオードに流れない場合においても、還流ダイオード１２の通電を検出し、スイッチング素子をオンすることが可能となる。

なお、本方式の、制御対象のスイッチング素子を有する半導体素子に発生する電圧を検出する電圧検出回路１３を付加した構成は、還流ダイオードの有無や、ボディダイオードに電流が流れる、流れないにかかわらず、適用可能である。

以上の実施の形態１〜４において、スイッチング素子としてはＭＯＳＦＥＴを用いた例を示したが、スイッチング素子は双方向にスイッチング可能な素子であれば良く、必ずしもＭＯＳＦＥＴである必要はない。また、スイッチング素子は珪素によって形成されたものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成しても良い。ワイドバンドギャップ半導体の材料としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体素子を用いた装置の小型化が可能となる。また、スイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、ＭＯＳＦＥＴ等、双方向にスイッチング可能な素子の耐電圧が上がり、高電圧領域まで適用が可能となる。また、ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合で、ボディダイオードに通電した場合に劣化や破壊を引き起こす可能性がある場合には、その抑制が可能となり、特に本発明の効果は大きい。

以上、本発明は、実施の形態１〜４で説明したように、同期整流回路において、スイッチング素子の逆方向に電流を流す期間におけるスイッチング素子の制御信号を、センスセルに流れる電流を検出し、その電流値や電流値の微分値である電流変化率に基づいて作成し、あるいは半導体素子の電圧を検出し、その検出された電圧に基づいて作成することを特徴とする。すなわち、半導体素子の動作中のパラメータの値を検出して、その検出したパラメータの値に基づいてスイッチング素子を制御するため、電流値や電圧、温度等の影響を受けにくく、安定してデッドタイムの短縮が可能になる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせ、あるいは各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：メインＭＯＳＦＥＴ（メインスイッチング素子）
２：センスＭＯＳＦＥＴ（センススイッチング素子）
３：メインボディダイオード ４：センスボディダイオード
５：制御回路 ６：センス抵抗
７：電流検出回路 ８：電流変化率検出回路
９：直流電源 １０：電力用半導体素子
１１：スイッチング速度調節回路 １２：還流ダイオード
１３：電圧検出回路 １４：誘導性負荷
２０：メインセル ３０：センスセル
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ：電力用スイッチング回路

Claims (9)

1. 並列にボディダイオードを有し、順方向と逆方向との双方向の電流をスイッチングできるスイッチング素子を備えた半導体素子と、前記スイッチング素子のオン−オフを制御するための制御回路とを備えた電力用スイッチング回路を直列接続し、この接続点を出力端子とし、前記電力用スイッチング回路の他方の端子を直流電源に接続される入力端子とし、前記直列接続された電力用スイッチング回路のスイッチング素子を交互にオン・オフすることにより前記出力端子から誘導性負荷に電流を流すように構成された同期整流回路において、
   前記半導体素子は、並列にメインボディダイオードを有するメインスイッチング素子から成るメインセルと、並列にセンスボディダイオードを有するセンススイッチング素子から成るセンスセルとを備え、
   前記電力用スイッチング回路においてスイッチング素子の順方向に電流を流す期間は、当該電力用スイッチング回路の制御回路は、この制御回路へ入力される所定の入力信号に基づいて当該電力用スイッチング回路におけるスイッチング素子を制御し、
   前記電力用スイッチング回路においてスイッチング素子の逆方向に電流を流す期間は、当該電力用スイッチング回路の制御回路は、前記センスセルを流れる全電流を用い、当該電力用スイッチング回路の半導体素子の動作中のパラメータの値を検出し、この検出されたパラメータの値に基づいて作成された制御信号により当該電力用スイッチング回路のスイッチング素子を制御することを特徴とする同期整流回路。
2. 前記制御回路は、前記スイッチング素子の逆方向に電流を流すスイッチング素子を制御する制御信号を、当該制御対象のスイッチング素子を有する半導体素子の前記センスセルに流れる電流を検出し、この検出された電流に基づいて作成することを特徴とする請求項１に記載の同期整流回路。
3. 前記制御回路は、前記スイッチング素子の逆方向に電流を流すスイッチング素子を制御する制御信号を、当該制御対象のスイッチング素子を有する半導体素子の前記センスセルに流れる電流を検出し、この検出した電流の変化率に基づいて作成することを特徴とする請求項１または２に記載の同期整流回路。
4. 前記半導体素子と並列に還流ダイオードを備えたことを特徴とする請求項１に記載の同期整流回路。
5. 前記制御回路は、前記スイッチング素子の逆方向に電流を流すスイッチング素子を制御する制御信号を、当該制御対象のスイッチング素子を有する半導体素子に発生する電圧に基づいて作成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の同期整流回路。
6. 前記制御回路は、前記スイッチング素子の逆方向に電流を流すために作成する制御信号のうち、オンまたはオフのいずれか一方の信号を、前記制御回路へ入力される所定の入力信号に基づいて作成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の同期整流回路。
7. 前記制御回路は、当該制御対象のスイッチング素子を備えた半導体素子における検出された動作パラメータの値に基づいて作成された制御信号により前記スイッチング素子を制御する場合には、所定の入力信号に基づいて前記スイッチング素子を制御する場合よりも制御対象のスイッチング素子をオン・オフさせるスイッチング速度を早くするためのスイッチング速度調節回路を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の同期整流回路。
8. 前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の同期整流回路。
9. 前記ワイドバンドギャップ半導体の材料は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドのいずれかの材料であることを特徴とする請求項８に記載の同期整流回路。

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