JP2016127686A - スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】逆方向電流の導通時の損失を低減するスイッチング装置を提供する。【解決手段】順方向と逆方向に電流を導通可能なスイッチング素子１と、スイッチング素子に対して並列に接続され、逆方向に導通可能なダイオード２とを有する主回路と、スイッチング素子をオンにする期間をオン指令期間として設定し、オン指令期間を示す信号により、スイッチング素子を制御するコントローラ８とを備え、順方向の電流が主回路に流れている状態で、オン指令期間を所定期間とするスイッチング信号に基づき、スイッチング素子がオン状態になる場合には、スイッチング素子は、第１のオン期間、オン状態となり、逆方向の電流が主回路に流れている状態で、オン指令期間を所定期間と同じ長さにするスイッチング信号に基づき、スイッチング素子がオン状態になる場合には、スイッチング素子は、第２のオン期間、オン状態となり、第２のオン期間は第１のオン期間より長い。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング装置に関するものである。

従来より、半導体スイッチング素子の駆動制御装置として、特許文献１に開示されたものが知られている。この駆動制御装置は、半導体スイッチング素子とフリーホールダイオードとを並列に接続し、半導体スイッチング素子のターンオン指令時には、電流指令値に基づいて通電電流Ｉｃを推定するとともに、低電流領域での動作と推定されるときには低速スイッチングによりターンオンを開始する一方で、高電流領域での動作と推定されるときには高速スイッチングによりターンオンを実行する。また低電流領域では、ターンオン開始から所定時間が経過して、サージ電圧のピークが過ぎたと推定されると低速スイッチングから高速スイッチングへ切換える。この切換タイミングも、電流指令値に基づいて推定された通電電流に応じて設定される。

特開２００９−２７８８１号公報

しかしながら、上記従来の駆動制御装置では、半導体スイッチング素子に順方向の電流が流れている場合に、スイッチング速度を制御するものであって、フリーホールダイオードに逆方向の電流が流れている場合のスイッチング制御については特に規定されていない。そのため、当該駆動制御装置では、逆方向の電流がフリーホールダイオードのみに流れる時間が長くなる場合に、損失が大きいという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、逆方向電流の導通時の損失を低減するスイッチング装置を提供することである。

本発明は、順方向の電流が前記主回路に流れている状態で、オン指令期間を所定期間とするスイッチング信号に基づき、スイッチング素子をオン状態にする場合には、スイッチング素子のオン状態の期間を、第１のオン期間とし、逆方向の電流が主回路に流れている状態で、オン指令期間を当該所定期間と同じ長さにするスイッチング信号に基づき、スイッチング素子をオン状態にする場合には、スイッチング素子のオン状態の期間を、第２のオン期間とし、当該第２のオン期間を当該第１のオン期間より長くすることによって上記課題を解決する。

本発明は、主回路に含まれるダイオードに逆方向電流が導通する場合には、スイッチング素子のオン期間が長いため、ダイオードのみに逆方向電流が流れている期間が短くなり、その結果として、逆方向電流の導通時の損失を低減することができる。

図１は本実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。 図２（ａ）はスイッチング信号のタイムチャートを示すグラフであり、図２（ｂ）は順方向導通時のゲート電圧（Ｖ_ｇ）のタイムチャートを示すグラフであり、図２（ｃ）は逆方向導通時のゲート電圧（Ｖ_ｇ）のタイムチャートを示すグラフである。 図３は、本発明の変形例に係るスイッチング装置の回路図である。 図４は、本発明の変形例に係るスイッチング装置の回路図である。 図５は他の実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。 図６（ａ）はスイッチング信号のタイムチャートを示すグラフであり、図６（ｂ）は順方向導通時のゲート電圧（Ｖ_ｇ）のタイムチャートを示すグラフであり、図６（ｃ）は逆方向導通時のゲート電圧（Ｖ_ｇ）のタイムチャートを示すグラフである。 図７は他の実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。 図８は他の実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》

図１は、本発明の実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。本実施形態に係るスイッチング装置は、例えば電力変換装置を構成するインバータ回路の一部に用いられる。電力変換装置は、例えば直流電源の直流を交流に変換しつつ、負荷に出力する装置である。電力変換装置のインバータ回路は、例えば、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子とダイオードとを並列に接続した並列回路をアーム状に接続し、アーム状に接続された複数の回路を三相に接続した回路である。スイッチング素子とダイオードは、電流の導通方向が互いに逆方向になるように、接続されている。スイッチング装置をインバータ回路に適用する場合には、図１に示すスイッチング装置は、上アーム又は下アームの回路に相当する。なお、スイッチング装置は、ＡＣＤＣの電力変換装置に限らず、他の電力変換装置に適用されてもよく、また電力変換装置に限らず他の装置に適用されてもよい。

図１に示すように、スイッチング装置は、スイッチング素子１、ダイオード２、トランジスタ３Ａ、３Ｂ、信号発生器４、駆動電源５Ａ、５Ｂ、可変抵抗６Ａ、６Ｂ、ダイオード７Ａ、７Ｂ、制御回路８、及び電圧センサ９を備えている。スイッチング素子１とダイオード２との並列回路が主回路Ｍである。

スイッチング素子１は、順方向と逆方向に電流を導通可能な半導体素子である。スイッチング素子１は、ＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタである。スイッチング素子１には、Ｓｉ、ＳiＣ、ＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体材料を用いた逆耐圧機能のないユニポーラまたはバイポーラ構造をもつ素子としてもよい。スイッチング素子１は、例えばＩＧＢＴ等のトランジスタでもよい。スイッチング素子１は、複数のトランジスタを、互いの電流の導通方向を逆向きにしつつ、並列に接続した回路であってもよい。

ダイオード２は、スイッチング素子１の逆方向と同方向に電流を導通可能な素子である。ダイオード２はスイッチング素子１に対して並列に接続されている。ダイオード２は、スイッチング素子１に対して並列に接続されている。スイッチング素子１のドレインがダイオード２のカソードに接続され、スイッチング素子１のソースがダイオード２のアノードに接続されている。

なお、スイッチング素子１に含まれる寄生ダイオードを、スイッチング素子１に並列に接続されるダイオード２としてもよい。すなわち、スイッチング素子１及びダイオード２を有する主回路Ｍは、ダイオード機能を有した半導体素子で構成されていてもよい。

また、主回路Ｍは、スイッチング素子１及びダイオード２をそれぞれ複数並列に接続した回路であってもよい。これにより、主回路Ｍの電流経路に大電流を流すことができるため、主回路Ｍの容量を高めることができる。

トランジスタ３Ａは、スイッチング素子１をターンオンするために、スイッチング素子１のゲートに駆動電圧又は駆動電流を供給するための素子である。トランジスタ３Ａはｎｐｎ側のトランジスタである。トランジスタ３Ａのベースは信号発生器４に接続され、トランジスタ３Ａのコレクタは駆動電源５Ａに接続され、トランジスタ３Ａのエミッタはトランジスタ３Ｂのエミッタ及びダイオード７Ａのアノードに接続されている。

トランジスタ３Ｂは、スイッチング素子１をターンオフするために、スイッチング素子１のゲート電圧又はゲート電流を制御するための素子である。トランジスタ３Ｂはｐｎｐ側のトランジスタである。トランジスタ３Ｂのベースは信号発生器４に接続され、トランジスタ３Ｂのコレクタはトランジスタ３Ａのエミッタ及びダイオード７Ｂのカソードに接続され、トランジスタ３Ｂのエミッタは駆動電源５Ｂに接続されている。

信号発生器４は、スイッチング素子１のオン、オフを切り換えるスイッチング信号を発生し、当該スイッチング信号をトランジスタ３Ａ、３Ｂにそれぞれ出力する。スイッチング信号には、スイッチング素子をオンにするオン指令期間が設定されている。オン指令期間は、スイッチング素子１のゲート電圧の立ち上がりのタイミングと、ゲート電圧の立ち下がりのタイミングを定めている。

駆動電源５Ａ、５Ｂは、トランジスタ３Ａ、３Ｂに対して、駆動電圧を供給するための電源である。駆動電源５Ａ、５Ｂは出力電圧を変更可能な電源である。駆動電源５Ａ、５Ｂの出力電圧は制御回路８により制御される。

ダイオード７Ａは、電流をトランジスタ３Ａのエミッタから可変抵抗６Ａに電流を流すように整流作用もつ素子である。ダイオード７Ｂは、電流を可変抵抗６Ｂからトランジスタ３Ｂのエミッタに流すように整流作用をもつ素子である。ダイオード７Ａはトランジスタ３Ａと可変抵抗６Ａとの間に接続されている。ダイオード７Ｂはトランジスタ３Ｂと可変抵抗６Ｂとの間に接続されている。

可変抵抗６Ａは、スイッチング素子１がターンオンする際に、スイッチング素子１のゲート電圧の立ち上がり時間を変更するための抵抗である。主回路Ｍに順方向電流が導通している状態で、スイッチング素子１をターンオンさせる場合には、可変抵抗６Ａは、基準抵抗に設定されている。そして、主回路Ｍに逆方向電流が導通している状態で、スイッチング素子１をターンオンさせる場合には、可変抵抗６Ａは、基準抵抗より抵抗の低い抵抗（低抵抗）に設定されている。可変抵抗６Ａの抵抗は、制御回路８の制御信号によって切り替わる。

可変抵抗６Ｂは、スイッチング素子１がターンオフする際に、スイッチング素子１のゲート電圧の立ち下がり時間を変更するための抵抗である。主回路Ｍに順方向電流が導通している状態で、スイッチング素子１をターンオフさせる場合には、可変抵抗６Ｂは、基準抵抗に設定されている。そして、主回路Ｍに逆方向電流が導通している状態で、スイッチング素子１をターンオフさせる場合には、可変抵抗６Ｂは、基準抵抗より抵抗の高い抵抗（高抵抗）に設定されている。可変抵抗６Ｂの抵抗は、制御回路８の制御信号によって切り替わる。

制御回路８は、電圧センサ９の検出値に基づき、主回路Ｍに順方向電流が流れるか、逆方向電流が流れるかを判定する。制御回路８は、主回路Ｍの電流の導通方向の判定結果に基づき、駆動電源５Ａ、５Ｂ及び可変抵抗６Ａ、６Ｂを制御する。また、制御回路８は、電圧センサ９の検出電圧と、外部から入力される電流指令値に基づき、検出電流を電流指令値に追随するよう、スイッチング素子１のオン、オフを切り換えるための制御信号を生成し、信号発生器４に出力する。

電圧センサ９は、主回路Ｍに流れる電流の導通方向を検出するためのセンサであって、スイッチング素子１のドレイン−ソース間の電圧を検出する。ダイオード２のバイアス電圧（Ｖｆ）の特性、スイッチング素子１のオン抵抗の影響によって、順方向の電流が主回路Ｍに流れている場合には、スイッチング素子１のドレイン電位がスイッチング素子１のソース電位より高くなる。一方、逆方向の電流が主回路Ｍに流れている場合には、スイッチング素子１のドレイン電位がスイッチング素子１のソース電位より低くなる。すなわち、電圧センサ９により、スイッチング素子１のドレインとソースの電位差を検出することで、主回路Ｍの電流導通方向を検出することができる。

次に、本実施形態に係るスイッチング装置の回路動作を、図２を用いて説明する。図２は、スイッチング信号（図２（ａ））、順方向導通時のゲート電圧（Ｖｇ）（図２（ｂ））、逆方向導通時のゲート電圧（Ｖ_ｇ）（図２（ｃ））のタイムチャートを示すグラフである。スイッチング信号は、トランジスタ３Ａ、３Ｂの入力信号に相当する。図２（ａ）において、Ｖ_ｓｉｇ１は、トランジスタ３Ａをオフにトランジスタ３Ｂをオンにする入力信号であり、Ｖ_ｓｉｇ２は、トランジスタ３Ａをオンにトランジスタ３Ｂをオフにする入力信号である。そして、図２（ａ）のＴｏｎからＴｏｆｆまでが、オン指令期間となる。

スイッチング素子１には、オン、オフを切り換える閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）が予め設定されている。スイッチング素子１のゲート電圧が閾値電圧以上である場合には、スイッチング素子１はオン状態になり、ゲート電圧が閾値電圧未満である場合には、スイッチング素子１はオフ状態になる。

スイッチング素子１のオフ状態のゲート電圧（ゲートオフ電圧：Ｖ_ｇＬ）は、閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）よりも低く、スイッチング素子１のオン状態のゲート電圧（ゲートオン電圧：Ｖ_ｇＨ）は、閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）よりも高い。スイッチング素子のゲート電圧（Ｖ_ｇＬ、Ｖ_ｇＨ）は、スイッチング素子の閾値電圧特性に応じて、予め調整されている。

まず、順方向の電流が主回路Ｍに流れている状態で、スイッチング信号に基づき、スイッチング素子がオン状態になる場合（以下、「順方向の場合」とも称する）の回路動作を、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照しつつ説明する。

可変抵抗６Ａ、６Ｂは、基準抵抗に設定されている。

時間０から時間ｔ_１までは、トランジスタ３Ａはオフ状態で、トランジスタ３Ｂはオン状態になる。スイッチング素子１のゲート電圧は、Ｖ_ｇＬ（＜Ｖ_ｇＨ）である。ゲート電圧（Ｖ_ｇＬ）は閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）より低いため、スイッチング素子１はオフ状態となる。

時間ｔ_１の時点で、トランジスタ３Ａ、３Ｂのオン、オフの状態が切り替わり、トランジスタ３Ａはオン状態に、トランジスタ３Ｂはオフ状態になる。トランジスタ３Ａがオンになることで、スイッチング素子１のゲート電圧が所定の傾きで上昇し、スイッチング素子１のターンオンが開始する。なお、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）未満であるため、スイッチング素子１の状態はオフ状態である。

時間ｔ_ａ１で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）に達するため、スイッチング素子１はオフからオンに切り替わる。ゲート電圧（Ｖ_ｇ）は、時間ｔ_１から時間ｔ_ａ１までの傾きと同じ傾きで上昇を続ける。そして、時間ｔ_２で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）がＶ_ｇＨに達すると、スイッチング素子１のターンオン動作が終了する。すなわち、スイッチング素子１のターンオン期間は、時間ｔ_１から時間ｔ_２までの期間である。またターンオン期間中、スイッチング素子１が実際にオフからオンに切り替わるタイミング（スイッチング素子１のオン期間の開始時間）は、時間ｔ_ａ１である。

時間ｔ_２から時間ｔ_３までの間は、トランジスタ３Ａのオン状態、トランジス３Ｂのオフ状態が継続され、スイッチング素子１のオン状態が継続する。

時間ｔ_３の時点で、トランジスタ３Ａ、３Ｂのオン、オフの状態が切り替わり、トランジスタ３Ａはオフ状態に、トランジスタ３Ｂはオン状態になる。トランジスタ３Ｂがオンになることで、スイッチング素子１のゲート電圧が所定の傾きで下降し、スイッチング素子１のターンオフが開始する。なお、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）は閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）以上であるため、スイッチング素子１はオン状態である。

時間ｔ_ａ２の時点で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）未満まで下がるため、スイッチング素子１はオンからオフに切り替わる。ゲート電圧（Ｖ_ｇ）は、時間ｔ_３から時間ｔ_ａ２までの傾きと同じ傾きで下降を続ける。そして、時間ｔ_４の時点で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）がＶ_ｇＬまで下がると、スイッチング素子１のターンオフ動作が終了する。すなわち、スイッチング素子１のターンオフ期間は、時間ｔ_３から時間ｔ_４までの期間である。またターンオフ期間中、スイッチング素子１が実際にオンからオフに切り替わるタイミング（スイッチング素子１のオン期間の終了時間）は、時間ｔ_ａ２である。そして、スイッチング素子１のオン期間の長さは、時間ｔ_ａ１から時間ｔ_ａ２までの期間の長さである。

次に、逆方向の電流が主回路Ｍに流れている状態で、スイッチング信号に基づき、スイッチング素子がオン状態になる場合（以下、「逆方向の場合」とも称する。）の回路動作を、図２（ａ）及び図２（ｃ）を参照しつつ説明する。

可変抵抗６Ａは低抵抗に設定され、可変抵抗６Ｂは高抵抗に設定されている。

時間０から時間ｔ_１までは、トランジスタ３Ａはオフ状態で、トランジスタ３Ｂはオン状態になる。スイッチング素子１のゲート電圧（Ｖ_ｇＬ）は閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）より低いため、スイッチング素子１はオフ状態となる。

時間ｔ_１で、トランジスタ３Ａ、３Ｂのオン、オフの状態が切り替わり、トランジスタ３Ａはオン状態に、トランジスタ３Ｂはオフ状態になる。トランジスタ３Ａがオンになることで、スイッチング素子１のゲート電圧が上昇する。このとき、可変抵抗６Ａは低抵抗に設定されているため、スイッチング素子１のゲートに流れる電流が、順方向の場合と比べて高くなり、ゲート電圧が上昇する際の傾きが、順方向の場合よりも大きくなる。

時間ｔ_ｂ１で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）に達するため、スイッチング素子１はオフからオンに切り替わる。ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が上昇する際の傾きが、順方向の場合よりも大きいため、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）は、順方向の場合よりも早く閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）に達する。そのため、スイッチング素子１が実際にオフからオンに切り替わるタイミング（時間ｔ_ｂ１：スイッチング素子１のオン期間の開始時間）は、順方向の場合のタイミング（ｔ_ａ１）よりも早くなる。そして、時間ｔ_５の時点で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）がＶ_ｇＨに達すると、スイッチング素子１のターンオン動作が終了する。スイッチング素子１のターンオン期間は、時間ｔ_１から時間ｔ_５までの期間である。

すなわち、逆方向の場合のターンオン期間（時間ｔ_１から時間ｔ_５までの時間）は、順方向の場合のターンオン時間（時間ｔ_１から時間ｔ_２までの時間）よりも短くなる。スイッチング素子１がターンオンする際に、スイッチング素子１の逆方向に電流が流れ出すタイミングが、順方向の場合と比較して、逆方向の方が早くなる。そのため、オン指令期間が、順方向の場合と、逆方向の場合とで同じ長さにして、スイッチング動作を行うと、逆方向の場合のオン期間が、順方向の場合のオン期間よりも長くなり、逆方向の場合には、ダイオード２のみに電流が流れる期間が、順方向の場合より短くなる。その結果として、本実施形態は損失を低減できる。

時間ｔ_２から時間ｔ_３までの間は、トランジスタ３Ａのオン状態、トランジス３Ｂのオフ状態が継続され、スイッチング素子１のオン状態が継続する。

時間ｔ_３の時点で、トランジスタ３Ａ、３Ｂのオン、オフの状態が切り替わり、トランジスタ３Ａはオフ状態に、トランジスタ３Ｂはオン状態になる。トランジスタ３Ｂがオンになることで、スイッチング素子１のゲート電圧の降下が開始する。このとき、可変抵抗６Ｂは高抵抗に設定されているため、スイッチング素子１のゲート−ソース間に蓄積された電荷が、順方向の場合と比べて、可変抵抗６Ｂに放出されにくくなる。そのため、ゲート電圧が下降する際の傾きが、順方向の場合よりも小さくなる。

時間ｔ_ｂ２で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）未満まで下がるため、スイッチング素子１はオンからオフに切り替わる。ゲート電圧（Ｖ_ｇ）は、時間ｔ_３から時間ｔ_ｂ２までの傾きと同じ傾きで下降を続ける。

逆方向の場合には、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が下降する際の傾きが、順方向の場合よりも小さいため、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）は、順方向の場合よりも遅いタイミングで、閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）に達する。そのため、スイッチング素子１が実際にオンからオフに切り替わるタイミング（時間ｔ_ｂ２：スイッチング素子１のオン期間の終了時間）は、順方向の場合のタイミング（ｔ_ａ２）よりも遅くなる。そして、時間ｔ_６の時点で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）がＶ_ｇＬまで下がると、スイッチング素子１のターンオフ動作が終了する。スイッチング素子１のターンオフ期間は、時間ｔ_３から時間ｔ_６までの期間である。

すなわち、逆方向の場合のターンオフ期間（時間ｔ_３から時間ｔ_６までの時間）は、順方向の場合のターンオン時間（時間ｔ_３から時間ｔ_４までの時間）よりも長くなる。スイッチング素子１がターンオフする際に、スイッチング素子１の逆方向への電流が停止するタイミングが、順方向の場合と比較して、逆方向の方が遅くなる。そのため、オン指令期間が、順方向の場合と、逆方向の場合とで同じ長さにして、スイッチング動作を行うと、逆方向の場合のオン期間が、順方向の場合のオン期間よりも長くなり、逆方向の場合には、ダイオード２のみに電流が流れる期間が、順方向の場合より短くなる。その結果として、本実施形態では損失を低減できる。

順方向の場合に、スイッチング素子１をオンにする際には、通常、オン時に主回路Ｍに加わるサージ電圧を抑制するために、スイッチング速度の高速化には限界がある。一方、逆方向の場合には、オン時に主回路Ｍに加わるサージ電圧の影響が少ないため、スイッチング速度の高速が可能である。そのため、本実施形態では、逆方向の場合に、スイッチング素子１をターンオンする際には、スイッチング速度を、順方向の場合と比較して高速にすることができる。

上記のように、本実施形態では、順方向の電流が主回路Ｍに流れている状態で、オン指令期間を所定期間（時間ｔ_１から時間ｔ_３までの間）とするスイッチング信号に基づき、スイッチング素子１をオン状態にする場合には、スイッチング素子１のオン状態の期間を、時間ｔ_ａ１から時間ｔ_ａ２までのオン期間とし、逆方向の電流が主回路に流れている状態で、オン指令期間を当該所定期間と同じ長さにするスイッチング信号に基づき、スイッチング素子１をオン状態にする場合には、スイッチング素子１のオン状態の期間を、時間ｔ_ｂ１から時間ｔ_ｂ２までのオン期間とし、逆方向の場合のオン時間を、順方向の場合のオン時間より長くする。これにより、逆方向の場合には、ダイオード２のみを介して電流が流れる期間が短くなるため、主回路Ｍで発生する損失を低減できる。

また本実施形態では、スイッチング素子１は、スイッチング素子１をターンオンさせるスイッチング信号の入力時からターンオン期間を経て、オフからオンに切り替わり、逆方向の場合のターンオン期間は、順方向の場合のターンオン期間より短い。これにより、逆方向の場合には、ダイオード２のみを介して電流が流れる期間が短くなるため、主回路Ｍで発生する損失を低減できる。

また本実施形態では、スイッチング素子１は、スイッチング素子１をターンオフさせるスイッチング信号の入力時からターンオフ期間を経て、オンからオフに切り替わり、逆方向の場合のターンオフ期間が、順方向の場合のターンオフ期間より長い。これにより、逆方向の場合には、ダイオード２のみを介して電流が流れる期間が短くなるため、主回路Ｍで発生する損失を低減できる。

また本実施形態では、逆方向の場合のターンオン期間における制御電圧（ゲート電圧：Ｖ_ｇ）の傾きは、順方向の場合のターンオン期間における制御電圧（ゲート電圧：Ｖ_ｇ）の傾きより大きい。これにより、逆方向の場合には、ダイオード２のみを介して電流が流れる期間が短くなるため、主回路Ｍで発生する損失を低減できる。

また本実施形態では、逆方向の場合のターンオフ期間における制御電圧（ゲート電圧：Ｖ_ｇ）の傾きは、順方向の場合のターンオフ期間における制御電圧（ゲート電圧：Ｖ_ｇ）の傾きより小さい。これにより、逆方向の場合には、ダイオード２のみを介して電流が流れる期間が短くなるため、主回路Ｍで発生する損失を低減できる。

また本実施形態では、可変抵抗６Ａ、６Ｂの抵抗を切り換えることで、スイッチング素子１の制御電圧を調整し、スイッチング素子１のターンオン期間、及び、スイッチング素子１のターンオフ期間を設定する。これにより、逆方向の場合には、ダイオード２のみを介して電流が流れる期間が短くなるため、主回路Ｍで発生する損失を低減できる。

また本実施形態では、可変抵抗６Ａ、６Ｂの抵抗を切り換えることで、スイッチング素子１の制御電圧を調整し、スイッチング素子１のターンオン期間における制御電圧の傾き、及び、スイッチング素子１のターンオフ期間における制御電圧の傾きを設定する。これにより、逆方向の場合には、ダイオード２のみを介して電流が流れる期間が短くなるため、主回路Ｍで発生する損失を低減できる。

なお、本実施形態では、スイッチング素子１のゲート電圧に限らず、スイッチング素子１のゲート電流を調整することで、ターンオン期間及びターンオフ期間をそれぞれ設定してもよい。また、本実施形態では、ターンオン期間及びターンオフ期間のうちいずれか一方の期間を設定することで、逆方向の場合のオン時間を順方向の場合のオン時間より長くしてもよい。

なお、本発明の変形例として、スイッチング装置は、電圧センサ９の代わりに、電流センサ１０を備えてもよい。図３は、変形例に係るスイッチング装置の回路図である。電流センサ１０はスイッチング素子１のソース端子に接続されている。電流センサ１０は、スイッチング素子１のソース電流を検出する。制御回路８は、電流センサ１０の検出電流に基づき、主回路Ｍに順方向の電流が流れているか、逆方向の電流が流れているか判定する。これにより、ダイオード２のバイアス電圧（Ｖｆ）が低い場合や、スイッチング素子１のＯＮ抵抗が低い条件で、電圧でのセンシング困難な場合でも、電流センサ１０により電流の導通方向を判定できる。

なお、本発明の変形例として、スイッチング装置は、電圧センサ９の代わりに、信号発生器４で発生したスイッチング信号に基づいて、主回路Ｍに順方向の電流が流れているか、逆方向の電流が流れているか判定してもよい。図４は、変形例に係るスイッチング装置の回路図である。信号発生器４は、制御回路８以外の制御部（図示しない）からの信号に基づき、スイッチング素子１のオン、オフを切り換えるスイッチング信号を生成し、トランジスタ３Ａ、３Ｂ及び制御回路８に出力する。制御回路８は、スイッチング信号からスイッチング素子１のオン、オフの切り替えのタイミングを把握することができるため、スイッチング信号に基づき、主回路Ｍに順方向の電流が流れているか、逆方向の電流が流れているか判定する。これにより、主回路Ｍの電流の導通方向を判定するために、センサを設ける必要性がないため、コストを抑制できる。

上記の信号発生器４及び制御回路８が本発明に係る「コントローラ」に相当する。

《第２実施形態》
本発明の他の実施形態に係るスイッチング装置を説明する。図５は、他の実施形態に係るスイッチング装置のブロック図である。本実施形態では、第１実施形態に対して、駆動電源５Ａ、５Ｂの電圧を変更することで、スイッチング素子１のオン期間を調整する点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１実施形態の記載を適宜、援用する。

図５に示すように、制御回路８は、電圧センサ９の検出値を用いて、主回路Ｍに流れている電流を検出する。また制御回路８は、外部から入力される電流指令値と、主回路Ｍの検出電流から、スイッチング素子１のオン、オフを切り替えるタイミングを管理している。例えば、スイッチング素子１がオフからオンに切り替わる場合に、制御回路８は、スイッチング素子１が実際に切り替わる前に、スイッチング素子１の切替タイミングを把握している。

制御回路８は、主回路Ｍに逆方向の電流が流れている状態で、スイッチング素子１がオフからオンに切り替わる場合には、スイッチング素子１の切り替わるタイミングよりも前に、スイッチング素子１のゲート電圧が電圧（Ｖ_ｇ１）になるように、駆動電源５Ｂの電圧を設定する。電圧（Ｖ_ｇ１）は、スイッチング素子１のゲートオフ電圧（Ｖ_ｇＬ）よりも高く、かつ、閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）よりも低い電圧である。

制御回路８は、主回路Ｍに逆方向の電流が流れている状態で、スイッチング素子１がオンからオフに切り替わる場合には、ゲート電圧が段階的に減少するように、駆動電源５Ｂの電圧を設定する。具体的には、ゲート電圧が、ゲートオン電圧（Ｖ_ｇＨ）から電圧（Ｖ_ｇ２）に下がり、電圧の一定な期間を経過した後に、電圧（Ｖ_ｇ２）からゲートオン電圧（Ｖ_ｇＬ）に下がる。電圧（Ｖ_ｇ２）は、スイッチング素子１のゲートオン電圧（Ｖ_ｇＨ）よりも低く、かつ、閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）よりも低い電圧である。

次に、本実施形態に係るスイッチング装置の回路動作を、図６を用いて説明する。図６は、スイッチング信号（図６（ａ））、順方向導通時のゲート電圧（Ｖｇ）（図６（ｂ））、逆方向導通時のゲート電圧（Ｖ_ｇ）（図６（ｃ））のタイムチャートを示すグラフである。スイッチング信号は、トランジスタ３Ａ、３Ｂの入力信号に相当する。図６（ａ）において、Ｖ_ｓｉｇ１は、トランジスタ３Ａをオフにトランジスタ３Ｂをオンにする入力信号であり、Ｖ_ｓｉｇ２は、トランジスタ３Ａをオンにトランジスタ３Ｂをオフにする入力信号である。そして、図６（ａ）のＴｏｎからＴｏｆｆまでが、オン指令期間となる。

順方向の電流が主回路Ｍに流れている状態で、スイッチング信号に基づき、スイッチング素子がオン状態になる場合（以下、「順方向の場合」とも称する）の回路動作は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

次に、逆方向の電流が主回路Ｍに流れている状態で、スイッチング信号に基づき、スイッチング素子がオン状態になる場合（以下、「逆方向の場合」とも称する。）の回路動作を、図６（ａ）及び図６（ｃ）を参照しつつ説明する。

時間ｔ_７の時点で、制御回路８は、駆動電源５Ｂの電圧を調整して、スイッチング素子１のゲート電圧を、ゲートオフ電圧（Ｖ_ｇＬ）から上昇させる。時間ｔ_７は、スイッチング信号で示されるスイッチング素子１のオフからオンへの切替タイミング（時間ｔ_１）より所定時間前の時間である。

時間ｔ_８で、スイッチング素子１のゲート電圧が電圧（Ｖ_ｇ１）に達する。

時間ｔ_１で、トランジスタ３Ａ、３Ｂのオン、オフの状態が切り替わり、トランジスタ３Ａはオン状態に、トランジスタ３Ｂはオフ状態になる。トランジスタ３Ａがオンになることで、スイッチング素子１のゲート電圧が上昇する。順方向の場合には、時間ｔ_１で、ゲート電圧はゲートオフ電圧（Ｖ_ｇＬ）から立ち上がった。一方、逆方向の場合には、時間ｔ_１で、ゲート電圧は、ゲートオフ電圧（Ｖ_ｇＬ）より高い電圧（Ｖ_ｇ１）から立ち上がる。

時間ｔ_ｂ１の時点で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）に達するため、スイッチング素子１はオフからオンに切り替わる。時間（ｔ_１）で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）は、順方向の場合よりも逆方向の場合の方が高いため、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）は、順方向の場合よりも早く閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）に達する。そのため、スイッチング素子１が実際にオフからオンに切り替わるタイミング（時間ｔ_ｂ１：スイッチング素子１のオン期間の開始時間）は、順方向の場合のタイミング（ｔ_ａ１）よりも早くなる。そして、時間ｔ_５の時点で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）がＶ_ｇＨに達すると、スイッチング素子１のターンオン動作が終了する。スイッチング素子１のターンオン期間は、時間ｔ_１から時間ｔ_５までの期間である。

このように、本実施形態では、逆方向の場合のターンオン期間（時間ｔ_１から時間ｔ_５までの時間）は、順方向の場合のターンオン時間（時間ｔ_１から時間ｔ_２までの時間）よりも短くなる。そして、オン指令期間が、順方向の場合と、逆方向の場合とで同じ長さにして、スイッチング動作を行うと、逆方向の場合のオン期間が、順方向の場合のオン期間よりも長くなり、逆方向の場合には、ダイオード２のみに電流が流れる期間が、順方向の場合より短くなる。その結果として、損失を低減することができる。

時間ｔ_２から時間ｔ_３までの間は、トランジスタ３Ａのオン状態、トランジス３Ｂのオフ状態が継続され、スイッチング素子１のオン状態が継続する。時間ｔ_３の時点で、トランジスタ３Ａ、３Ｂのオン、オフの状態が切り替わり、トランジスタ３Ａはオフ状態に、トランジスタ３Ｂはオン状態になる。

時間ｔ_９で、制御回路８は、スイッチング素子１のゲート電圧がゲート電圧（Ｖ_ｇ２）になるように、駆動電源５Ｂの電圧を設定する。時間ｔ_９から時間ｔ_１０までの間、スイッチング素子１のゲート電圧は、閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）よりも高い電圧（Ｖ_ｇ２）で維持される。時間ｔ_１０で、制御回路８は、スイッチング素子１のゲート電圧がゲート電圧（Ｖ_ｇ２）から所定の傾きで下降するように、駆動電源５Ｂの電圧を、基準電圧に戻す。基準電圧は、順方向の場合に、トランジスタ３Ｂを駆動した際の電圧である。

時間ｔ_ｂ２の時点で、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）未満まで下がるため、スイッチング素子１はオンからオフに切り替わる。ゲート電圧（Ｖ_ｇ）は、時間ｔ_１０から時間ｔ_ｂ２までの傾きと同じ傾きで下降を続ける。時間ｔ_６で、ゲート電圧が電圧（Ｖ_ｇＬ）に達する。

逆方向の場合には、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が、閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）よりも高い電圧（Ｖ_ｇ２）となった状態で、ゲート電圧が、所定時間維持される。当該所定時間の経過後に、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が電圧（Ｖ_ｇ２）から下降する。そして、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）は、順方向の場合よりも遅いタイミングで、閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）に達する。そのため、スイッチング素子１が実際にオンからオフに切り替わるタイミング（時間ｔ_ｂ２：スイッチング素子１のオン期間の終了時間）は、逆方向の場合のタイミング（ｔ_ａ２）よりも遅くなる。

このように、本実施形態では、逆方向の場合のターンオフ期間（時間ｔ_３から時間ｔ_６までの時間）は、順方向の場合のターンオン時間（時間ｔ_３から時間ｔ_４までの時間）よりも長くなる。そして、オン指令期間が、順方向の場合と、逆方向の場合で同じ長さにして、スイッチング動作を行うと、逆方向の場合のオン期間が、順方向の場合のオン期間よりも長くなり、逆方向の場合には、ダイオード２のみに電流が流れる期間が、順方向の場合と短くなる。その結果として、損失を低減することができる。

《第３実施形態》
本発明の他の実施形態に係るスイッチング装置を説明する。図７は、他の実施形態に係るスイッチング装置のブロック図である。本実施形態では、第１実施形態に対して、可変抵抗６Ａ、６Ｂの代わりに固定抵抗１１Ａ、１１Ｂを接続しつつ、固定抵抗１１Ｃ、１１Ｄを備えている点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１実施形態の記載を適宜、援用する。

図７に示すように、固定抵抗１１Ａは、ダイオード７Ａのカソードとスイッチング素子１のゲートとの間に接続されている。固定抵抗１１Ｂは、ダイオード７Ｂのアノードとスイッチング素子１のゲートとの間に接続されている。

固定抵抗１１Ｃは、信号発生器４とトランジスタ３Ａのベースとの間に接続されている。固定抵抗１１Ｄは、信号発生器４とトランジスタ３Ｂのベースとの間に接続されている。

信号発生器４は、順方向の場合に、スイッチング素子１をオフからオンに切り換える際には、信号線ｆ_１を介して、トランジスタ３Ａをオンにする信号を発信する。また、信号発生器４は、逆方向の場合に、スイッチング素子１をオフからオンに切り換える際には、信号線ｂ_１を介して、トランジスタ３Ａをオンにする信号を発信する。順方向の場合には、オン信号が固定抵抗１１Ｃを介して、トランジスタ３Ａのベースに入力されるため、ベース電流が制限され、スイッチング素子１のゲート電圧は、小さな傾きで上昇する。一方、逆方向の場合には、オン信号が抵抗を介することなく、トランジスタ３Ａのベースに入力されるため、ベース電流が制限されず、スイッチング素子１のゲート電圧は、順方向の場合よりも大きな傾きで上昇する。これにより、逆方向の場合には、スイッチング素子１をターンオンする際のスイッチング速度を、順方向の場合と比較して、高速にすることができる。

信号発生器４は、順方向の場合に、スイッチング素子１をオフからオンに切り換える場合には、信号線ｆ_２を介して、トランジスタ３Ｂをオンにする信号を発信する。また、信号発生器４は、逆方向の場合に、スイッチング素子１をオフからオンに切り換える場合には、信号線ｂ_２を介して、トランジスタ３Ｂをオンにする信号を発信する。トランジスタ３Ｂは、ｐｎｐ型のトランジスタであるため、オン信号の入力に対して、トランジスタ３Ａ（ｎｐｎ型のトランジスタ）とは逆の特性となる。そのため、順方向の場合には、スイッチング素子１のゲート電圧は、大きな傾きで下降する。一方、逆方向の場合には、スイッチング素子１のゲート電圧は、順方向の場合よりも小さな傾きで下降する。これにより、逆方向の場合には、スイッチング素子１をターンオフする際のスイッチング速度を、順方向の場合と比較して、低速にすることができる。

《第４実施形態》
本発明の他の実施形態に係るスイッチング装置を説明する。図８は、他の実施形態に係るスイッチング装置のブロック図である。本実施形態では、第１実施形態に対して、可変抵抗６Ａ、６Ｂの代わりに固定抵抗１１Ａ、１１Ｂを接続しつつ、トランジスタ３Ｃ、３Ｄ、ダイオード７Ｃ、７Ｄ及び固定抵抗１１Ｃ、１１Ｄを備えている点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１実施形態の記載を適宜、援用する。

図８に示すように、固定抵抗１１Ａは、ダイオード７Ａのカソードとスイッチング素子１のゲートとの間に接続されている。固定抵抗１１Ｂは、ダイオード７Ｂのアノードとスイッチング素子１のゲートとの間に接続されている。

トランジスタ３Ｃはｎｐｎ型のトランジスタであり、トランジスタ３Ｄはｐｎｐ型のトランジスタである。トランジスタ３Ｃとトランジスタ３Ｄは直列に接続されている。またトランジスタ３Ａ、３Ｂの直列回路と、トランジスタ３Ｃ、３Ｄの直列回路が並列に接続されている。

固定抵抗１１Ｃは、ダイオード７Ｃのカソードとスイッチング素子１のゲートとの間に接続されている。固定抵抗１１Ｄは、ダイオード７Ｄのアノードとスイッチング素子１のゲートとの間に接続されている。固定抵抗１１Ａの抵抗は固定抵抗１１Ｃの抵抗よりも高く、固定抵抗１１Ｂの抵抗は固定抵抗１１Ｄよりも低い。

信号発生器４は、順方向の場合に、スイッチング素子１をオフからオンに切り換える際には、信号線ｆ_１を介して、トランジスタ３Ａをオンにする信号を発信する。また、信号発生器４は、逆方向の場合に、スイッチング素子１をオフからオンに切り換える際には、信号線ｂ_１を介して、トランジスタ３Ｃをオンにする信号を発信する。順方向の場合には、ゲート電流は、高抵抗である固定抵抗１１Ａを介して、供給される。そのため、スイッチング素子１のゲート電圧は、小さな傾きで上昇する。一方、逆方向の場合には、ゲート電流は、低抵抗である固定抵抗１１Ｃを介して、供給される。そのため、逆方向の場合のスイッチング素子１のゲート電圧は、順方向の場合よりも大きな傾きで上昇する。これにより、逆方向の場合には、スイッチング素子１をターンオンする際のスイッチング速度を、順方向の場合と比較して、高速にすることができる。

信号発生器４は、逆方向の場合に、スイッチング素子１をオンからオフに切り換える際には、信号線ｆ_２を介して、トランジスタ３Ｂをオンにする信号を発信する。また、信号発生器４は、逆方向の場合に、スイッチング素子１をオンからオフに切り換える際には、信号線ｂ_２を介して、トランジスタ３Ｄをオンにする信号を発信する。順方向の場合には、ゲート電流は、低抵抗である固定抵抗１１Ｂを介して、供給される。そのため、スイッチング素子１のゲート電圧は、大きな傾きで下降する。一方、逆方向の場合には、ゲート電流は、高抵抗である固定抵抗１１Ａを介して、供給される。そのため、逆方向の場合のスイッチング素子１のゲート電圧は、順方向の場合よりも小さな傾きで下降する。これにより、逆方向の場合には、スイッチング素子１をターンオフする際のスイッチング速度を、順方向の場合と比較して、低速にすることができる。

１…スイッチング素子
２…ダイオード
３Ａ トランジスタ
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ…トランジスタ
４…信号発生器
５Ａ、５Ｂ…駆動電源
６Ａ、６Ｂ…可変抵抗
７Ａ、７Ｂ…ダイオード
８…制御回路
９…電圧センサ
１０…電流センサ
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ…固定抵抗
Ｍ…主回路

Claims (7)

1. 順方向と逆方向に電流を導通可能なスイッチング素子と、前記スイッチング素子に対して並列に接続され、前記逆方向に導通可能なダイオードとを有する主回路と、
   前記スイッチング素子を、一定の時間、オンにする期間をオン指令期間として設定し、前記オン指令期間を示すスイッチング信号により、前記スイッチング素子を制御するコントローラとを備え、
   前記順方向の電流が前記主回路に流れている状態で、前記オン指令期間を所定期間とするスイッチング信号に基づき、前記スイッチング素子がオン状態になる場合（以下、「順方向の場合」と称す）には、前記スイッチング素子は、第１のオン期間、オン状態となり、
   前記逆方向の電流が前記主回路に流れている状態で、前記オン指令期間を前記所定期間と同じ長さにするスイッチング信号に基づき、前記スイッチング素子がオン状態になる場合（以下、「逆方向の場合」と称す）には、前記スイッチング素子は、第２のオン期間、オン状態となり、
   前記第２のオン期間は前記第１のオン期間より長い
   スイッチング装置。
2. 前記スイッチング素子は、前記スイッチング素子をターンオンさせるスイッチング信号の入力時からターンオン期間を経て、オフからオンに切り替わり、
   前記逆方向の場合の前記ターンオン期間は、前記順方向の場合の前記ターンオン期間より短い
   請求項１記載のスイッチング装置。
3. 前記スイッチング素子は、前記スイッチング素子をターンオフさせるスイッチング信号の入力時からターンオフ期間を経て、オンからオフに切り替わり、
   前記逆方向の場合の前記ターンオフ期間は、前記順方向の場合の前記ターンオフ期間より長い
   請求項１又は２記載のスイッチング装置。
4. 前記コントローラは前記スイッチング素子の制御電圧又は制御電流を制御し、
   前記スイッチング素子は、前記スイッチング素子をターンオンさせるスイッチング信号の入力時からターンオン期間を経て、オフからオンに切り替わり、
   前記逆方向の場合の前記ターンオン期間における前記制御電圧の傾きは、前記順方向の場合の前記ターンオン期間における前記制御電圧の傾きより大きく、又は、
   前記逆方向の場合の前記ターンオン期間における前記制御電流の傾きは、前記順方向の場合の前記ターンオン期間における前記制御電流の傾きより大きい
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のスイッチング装置。
5. 前記コントローラは前記スイッチング素子の制御電圧又は制御電流を制御し、
   前記スイッチング素子は、前記スイッチング素子をターンオフさせるスイッチング信号の入力時からターンオフ期間を経て、オンからオフに切り替わり、
   前記逆方向の場合の前記ターンオフ期間における前記制御電圧の傾きは、前記順方向の場合の前記ターンオフ期間における前記制御電圧の傾きより小さく、又は、
   前記逆方向の場合の前記ターンオフ期間における前記制御電流の傾きは、前記順方向の場合の前記ターンオフ期間における前記制御電流の傾きより小さい
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のスイッチング装置。
6. 前記コントローラは、
   前記スイッチング素子の制御電圧又は制御電流の少なくともいずれか一方の値を調整することで、前記スイッチング素子のターンオン期間、又は、前記スイッチング素子のターンオフ期間を設定する
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のスイッチング装置。
7. 前記コントローラは、
   前記スイッチング素子の制御電圧又は制御電流の少なくともいずれか一方の値を調整することで、前記スイッチング素子のターンオン期間における前記制御電圧の傾き、前記スイッチング素子のターンオン期間における前記制御電流の傾き、前記スイッチング素子のターンオフ期間における前記制御電圧の傾き、及び、前記スイッチング素子のターンオフ期間における前記制御電流の傾きのうち、少なくとも一つの傾きを設定する
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のスイッチング装置。

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