JP2016174354A - 電力半導体スイッチをオンにする制御回路及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力半導体スイッチのスイッチングの挙動を向上させるための制御回路の損失発生を低減する。
【解決手段】電力半導体スイッチＱ１〜Ｑ４をオンに切り替える制御回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号を受信するように構成された入力と、電力半導体スイッチをスイッチオンするため、電力半導体スイッチの制御入力に可変レベルで電流を供給するように構成された可変電流源１０２、１０４とを備える。制御回路が、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号に応答して、閉制御ループ内で可変電流源を制御するように構成されている。
【選択図】図３

Description

電力半導体スイッチ（例えば、ＩＧＢＴなど）のスイッチングの挙動を向上させるため、従来技術の制御回路は、外部抵抗を使用する。スイッチオン動作中、その外部抵抗が電力半導体スイッチの制御端子に接続され、その結果、電力半導体スイッチをスイッチオンするため、スイッチオン電流が制御入力に流れ込み得る。いくつかの例において、外部抵抗は、８Ω以上の抵抗値をもち得、このことが、特定の状況で特定の損失を発生させ得る。

第１の概括的な態様において、電力半導体スイッチをオンに切り替える制御回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号を受信するように構成された入力と、半導体スイッチをスイッチオンするため、電力半導体スイッチの制御入力に可変レベルで電流を供給するように構成された可変電流源とを備え、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号に応答して、制御回路が、閉制御ループ内で可変電流源を制御するように構成されている。

第１の態様に従った第２の態様において、制御回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号に基づいて電力半導体スイッチのスイッチオン動作の過程で２つ以上の相を検出することと、相信号を生成することとを行うように構成された相検出回路をさらに備え、相信号は、電力半導体スイッチが２つ以上の相のいずれを現在通っているか示し、可変電流源は、電力半導体スイッチをスイッチオンするため、相信号に応答して、電力半導体スイッチの制御入力に可変電流強度で電流を供給するように構成されている。

第３の概括的な態様において、電力半導体スイッチをオンに切り替える制御回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号を受信するように構成された入力、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号に基づいて電力半導体スイッチのスイッチオン動作の過程で２つ以上の相を検出することと、電力半導体スイッチが２つ以上の相のいずれを現在通っているか示す相信号を生成することとを行うように構成された相検出回路、及び、電力半導体スイッチをスイッチオンするため、相信号に応答して、電力半導体スイッチの制御入力に可変電流強度で電流を供給するように構成された可変電流源とを備える。

可変電流源の使用は、制御回路が可変相互コンダクタンスをもつことを可能にする。これは、（例えば、スイッチオン動作中の損失を減らすため）回路の様々なパラメータを最適化するのに役立ち得る。同じことが、閉制御ループ内の可変電流源の制御に当てはまる。さらに、いくつかの例において、可変電流源は、外部抵抗をもつ回路より、製造に起因した変動及び温度変動に関連する高い安定性をもち得る。電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号に基づく相の検出は、（特に、制御入力電圧が使用される場合）比較的低い回路費用で実行され得る。これは、複雑さを減らし得、それにより、制御回路の価格を低減し得る。さらに、いくつかの例において、相検出回路を備える制御回路は、比較的簡単な方法で、様々な電力半導体スイッチに適応され得る。さらに、いくつかの例において、中程度または高いゲート電荷をもつ電力半導体スイッチの場合、応答時間は、短くなり得る。

第２または第３の態様に従った第４の態様において、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号は、電力半導体スイッチの制御入力に現れる制御入力電圧である。

第４の態様に従った第５の態様において、制御入力電圧は、ベース−エミッタ電圧またはゲート−ソース電圧である。

第２から第５の態様のいずれかに従った第６の態様において、相検出回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号の特徴に基づいて、スイッチオン動作の過程で２つ以上の相を識別する。

第２から第６の態様のいずれかに従った第７の態様において、相検出回路は、１つまたは複数の比較器を含み、１つまたは複数の比較器の各々は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号を、１つ以上の基準信号の１つと比較するように構成されている。

第７の態様に従った第８の態様において、相検出回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号がそれぞれの基準信号を上回ると、電力半導体スイッチのスイッチオン動作の過程で１つまたは複数の相の間の遷移を検出する。

第２から第８の態様のいずれかに従った第９の態様において、相検出回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号におけるピークの時点を識別するように構成されたピークタイミング検出回路を備える。

第９の態様に従った第１０の態様において、相検出回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号がピークに達すると、第１の相と第２の相との間の遷移を検出するように構成されている。

第２から第１０の態様のいずれかに従った第１１の態様において、相検出回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン動作の過程で、少なくとも４つの相を検出するように構成されている。

第１１の態様に従った第１２の態様において、電力半導体スイッチがスイッチオンされることが意図されることを、電力半導体スイッチの制御回路のスイッチオン信号が示すと、第１の相が始まり、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号が第１の閾値を上回ると、第１の相が終わる。

第１２の態様に従った第１３の態様において、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号が第１の閾値を上回ると、第２の相が始まり、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号がピークに達すると、第２の相が終わる。

第１３の態様に従った第１４の態様において、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号がピークに達すると、第３の相が始まり、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号が第２の閾値を上回ると、第３の相が終わり、第２の閾値が、第１の閾値より大きい。

第１４の態様に従った第１５の態様において、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号が第２の閾値を上回ると、第４の相が始まる。

第２から第１５の態様のいずれかに従った第１６の態様において、電力半導体スイッチがスイッチオンされることが意図されることを、電力半導体スイッチの制御回路のスイッチオン信号が示すと、第１の相が始まる。

第２から第１６の態様のいずれかに従った第１７の態様において、電力半導体スイッチが導通し始めると、第２の相が始まる。

第２から第１１、第１６または第１７の態様のいずれかに従った第１８の態様において、電力半導体スイッチを通る動作電流がピークに達すると、第３の相が始まる。

第２から第１１、第１６、第１７または第１８の態様のいずれかに従った第１９の態様において、電力半導体スイッチが活性領域に入ると、第４の相が始まる。

第２から第１９の態様のいずれかに従った第２０の態様において、可変電流源は、複数の離散レベルの電流強度を供給し得る。

第２から第２０の態様のいずれかに従った第２１の態様において、可変電流源は、複数の並列駆動段を備える。

第２１の態様に従った第２２の態様において、複数の駆動段の各々は、電力半導体スイッチの制御入力に所定の電流を供給するように構成されている。

第２２の態様に従った第２３の態様において、複数の駆動段の各々は、特定の倍数で所定の入力電流を増幅するように構成されている。

第２３の態様に従った第２４の態様において、制御回路は、より高い電圧レベルをとる領域と、より低い電圧レベルをとる領域とを備え、入力電流が、より低い電圧レベルをとる領域における電流源により供給され、所定の入力電流が、より高い電圧レベルをとる領域内に、追加的なレベルシフタを使用せずに供給される。

第２１から第２４の態様のいずれかに従った第２５の態様において、制御回路は、相検出信号に応答して、所定の入力電流を供給する１つまたは複数の駆動段を選択するように構成された選択回路をさらに備える。

第２１から第２５の態様のいずれかに従った第２６の態様において、駆動段が、電流ミラー回路を備える。

第２６の態様に従った第２７の態様において、各駆動段内の電流ミラー回路は、カスコード回路を備える。

第２から第２７の態様のいずれかに従った第２８の態様において、可変電流源は、少なくとも４つの異なるレベルの入力電流を使用して電流を生成し得る。

第２８の態様に従った第２９の態様において、電力半導体スイッチの制御入力に供給される電流は、電力半導体スイッチのスイッチオン動作の過程における第１の相での第１のレベルと、電力半導体スイッチのスイッチオン動作の過程における第２の相の過程での第２のレベルと、電力半導体スイッチのスイッチオン動作の過程における第３の相での第３のレベルとを含み、第３のレベルは、第１のレベルより小さく、第２のレベルよりより大きい。

第２９の態様に従った第３０の態様において、電流が、第１から第２のレベルに次第に減らされる。

第２９または第３０の態様に従った第３１の態様において、第４の相において、電流が、電力半導体スイッチをスイッチオン状態に維持するのにちょうど十分な所定の最小電流に設定される。

第２から第３１の態様のいずれかに従った第３２の態様において、相検出回路が、１つまたは複数の比較器により出力された内部信号を、制御回路内の高電圧レベルから制御回路内の低電圧レベルに変換するように構成された１つまたは複数のレベルシフタを備える。

第２または第３の態様に従った第３３の態様において、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号が、電力半導体スイッチの電力端子間に現れる電圧である。

第３３の態様に従った第３４の態様において、電圧が、コレクタ−エミッタ電圧またはドレイン−ソース電圧である。

第２から第３３の態様のいずれかに従った第３５の態様において、制御回路は、チャージポンプ回路及びブートストラップ回路を備える。

上記の態様のいずれかに従った第３６の態様において、電力半導体スイッチは、ＩＧＢＴである。

上記の態様のいずれかに従った第３７の態様において、制御回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号が最大であると、スイッチオン動作の２相間の遷移を識別する。

第３７の態様に従った第３８の態様において、最大であることを検出する回路が、複数の遅延回路を備え、その遅延が、それぞれの電力半導体スイッチに適応される。

第２または第３の態様に従った第３９の態様において、電力半導体スイッチのスイッチオン動作の過程における２つ以上の相が、電力半導体スイッチの制御入力に現れる制御入力電圧に基づいて、及び、さらに、電力半導体スイッチの電力端子間に現れる電圧に基づいて検出される。

上記の態様のいずれかに従った第４０の態様において、制御回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン動作の過程で、制御回路の相互コンダクタンスが変更され得るように構成されている。

上記の態様のいずれかに従った第４１の態様において、制御回路は、電力半導体スイッチをスイッチオンするのに外部抵抗が必要ないように構成されている。

第４２の態様において、電力半導体スイッチをスイッチオンする方法は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号を受信することと、電力半導体スイッチをスイッチオンするため、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号に基づいて閉制御ループ内で電力半導体スイッチの制御入力への電流を制御することとを含む。

第４２の態様に従った第４３の態様において、方法は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号における２つ以上の相を検出することをさらに含み、電力半導体スイッチの制御入力への電流を制御することは、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号における２つ以上の相を検出したことに応答して、電流を変化させることを含む。

第３から第３９の態様及び第４２の態様のいずれかに従った第４４の態様において、制御回路は、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号に応答して、閉制御ループ内で可変電流源を制御するように構成されている。

本発明の非限定的かつ非網羅的で例示的な実施形態を、以下の図を参照しながら説明し、同一の参照符号は、別段の指定がない限り、異なる図で同一の構成要素を示す。

図１は、可変電流源と相検出回路とを備える例示的な制御回路を示す。 図２は、可変電流源と相検出回路とを備える制御回路を備えるＩＧＢＴドライバにおける例示的な信号の様相を示す。 図３は、例示的な可変電流源及び相検出回路を示す。 図４は、制御回路の例示的な状態遷移図を示す。 図５は、相検出に電力半導体スイッチのコレクタ−エミッタ電圧を使用する例示的な相検出回路を示す。

以下の説明は、本発明の十分な理解を可能にするための多くの詳細事項を提示する。しかし、本発明を実施するために具体的な詳細事項が必要なわけではないことが当業者には明らかである。別の場所で、よく知られた装置及び方法については、本発明の理解を不必要に妨げないように、詳細に説明しない。

本説明において、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一構成（ｏｎｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）」、「一例（ｏｎｅ ｅｘａｍｐｌｅ）」または「例（ｅｘａｍｐｌｅ）」という言及は、本実施形態に関連して説明されている特定の特徴、構造または性質が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。この点で、本説明中の様々な位置における「一実施形態における（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一例（ｏｎｅ ｅｘａｍｐｌｅ）」または「一例において（ｉｎ ｏｎｅ ｅｘａｍｐｌｅ）」という語句は、必ずしも、すべてが同じ実施形態または同じ例に関するわけではない。さらに、１つ以上の実施形態または例において、特定の特徴、構造または性質が、任意の適切な組み合わせ、及び／または、部分的組み合せで組み合わされ得る。特異な特徴、構造または性質が、集積回路に、電子回路に、回路論理に、または説明されている機能を提供する他の適切な構成要素に、含まれ得る。さらに、図面が当業者に対する説明の目的を果たすこと、及び、図面が必ずしも正確な寸法で描かれていないことが指摘される。

まず、図１を参照して、例示的な制御回路の概略構造について説明する。次に、例示的な制御回路を備える回路における例示的な信号の様相について、図２を参照して説明する。以下、制御回路の例示的な構成と任意選択的な構成要素とについて説明する。図３及び図５は、このような例示的な構成を示す。

まず、図１を参照して、例示的な制御回路１００の要素の機能について説明する。図１は、電力半導体スイッチ１０８のための例示的な制御回路１００を示す。図１の制御回路１００は、半導体スイッチ１０８の制御入力に可変電流を供給することにより、電力半導体スイッチ１０８のスイッチオン動作を制御するように構成されている。以下、スイッチオン動作の制御のみを説明する。しかし、本明細書に開示される制御回路は、電力半導体スイッチのオフ切り替え動作を制御するためにも使用され得る（特に、可変電流源と相検出回路とを備える制御回路）。一般的に、オフ切り替え動作は、半導体スイッチをスイッチオン状態（「オン状態」）からスイッチオフ状態（オフ状態）に導く。この場合、オン切り替え状態では電流が流れるが、スイッチオフ状態では電流が流れない。

図１からわかるように、電力半導体スイッチ１０８は、制御入力Ｇと２つのさらなる入力Ｃ、Ｅとを有し、さらなる入力Ｃ、Ｅを通る電流、及び／または、さらなる入力Ｃ、Ｅ間の電圧は、制御入力Ｇにおける信号によって制御される。

以下、装置及び方法を、例示的なＩＧＢＴに基づいて説明する。しかし、制御回路及び制御方法は、ＩＧＢＴと組み合わせた使用に限定されない。むしろ、それらは、他の電力半導体スイッチと組み合わせても使用され得る。例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ；ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタ、ＩＥＧＴ（「注入促進ゲートトランジスタ；ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｇａｔｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ」）及びＧＴＯ（「ゲートターンオフサイリスタ」；ｇａｔｅ ｔｕｒｎ−ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）を制御回路と共に使用することが可能である。さらに、電力半導体スイッチにかかる電圧の様相を検出する装置、制御回路及び電気エネルギーを提供する装置は、窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体または炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体系の電力半導体スイッチと共に使用され得る。

スイッチオフ状態における電力半導体スイッチの最大公称コレクタ−エミッタ、アノード−カソードまたはドレイン−ソース電圧は、５００Ｖを上回り得、好ましくは、２ｋＶを上回り得る。

さらに、制御回路は、電力半導体スイッチに限定されない。この点で、他の半導体スイッチを制御回路と共に使用することもできる。本明細書で説明する効果及び利点は、少なくとも部分的に他の半導体スイッチを備えるシステムでも得られる。

以下、ＩＧＢＴについて説明するので、電力半導体スイッチの端子は、「コレクタ」、「ゲート」及び「エミッタ」と呼ばれる。しかし、以上で既に説明したように、装置及び方法は、ＩＧＢＴに限定されない。不必要に長い説明とならないように、本明細書における「エミッタ」という記載は、「ソース」または「カソード」と呼ばれるような、対応する電力半導体スイッチの端子も包含する。同様に、本明細書における「コレクタ」という用語は、「ドレイン」または「アノード」と呼ばれるような、対応する電力半導体スイッチの端子も包含し、「ゲート」という用語は、「ベース」と呼ばれるような、対応する電力半導体スイッチの端子を包含する。以下、「コレクタ−エミッタ電圧」という用語は、「ドレイン−ソース電圧」及び「カソード−アノード電圧」も包含し、「コレクタ電圧」及び「エミッタ電圧」という用語は、「ドレイン電圧」または「アノード電圧」、及び、それぞれ、「ソース電圧」または「カソード電圧」も包含する。

図１の制御回路は、可変電流源１０２、１０４及び相検出回路１１８を備える。可変電流源１０２、１０４は、電力半導体スイッチ１０８をスイッチオンするため、相信号（Ｕ_ＰＳ）１２０に応答して、電力半導体スイッチ１０８の制御入力Ｇに可変電流（Ｉ_Ｇ）１０６を印加するように構成されている。この場合、可変電流（Ｉ_Ｇ）１０６は、スイッチオン動作の過程で、２つ以上の（例えば、５つを上回る）離散値をとり得る（可変電流の例示的な様相が、図２の上から４番目の曲線に示されている）。他の例において、可変電流源１０２、１０４は、可変電流（Ｉ_Ｇ）１０６を連続的に変化させる。

図１の例において、可変電流源１０２、１０４は、電流源回路１０２及び複数の半導体スイッチ（Ｑ_１）１０４を備える。複数の半導体スイッチ（Ｑ_１）１０４の電力端子が、第１の基準電圧（Ｖ_１）１２４と半導体スイッチ１０８の制御端子Ｇとの間に並列接続されている。従って、複数の半導体スイッチ（Ｑ_１）１０４が、電力半導体スイッチの制御端子Ｇに可変電流を伝導し得る。例えば、複数の半導体スイッチ１０４の一部のみがオン状態であり得、それにより、所定の電流を制御端子Ｇに伝導し得る。代替的または追加的に、半導体スイッチは、（例えば、半導体スイッチの可変な寸法決定によって）様々な大きさの電流を伝達するように選択され得る。図１の例において、複数の半導体スイッチ１０４は、ＭＯＳＦＥＴである。他の例において、他の半導体スイッチが選択され得る。

複数の半導体スイッチ１０４に加えて、図１の可変電流源は、電流源回路１０２を備える。電流源回路１０２は、相信号（Ｕ_ＰＳ）１２０を受信するように、及び、この信号に応答して、電力半導体スイッチのスイッチオン動作のそれぞれの相に応じて、特定のレベルをとる電流が制御端子Ｇに供給されるように、複数の半導体スイッチ１０４を切り替えるように構成されている。図３を参照して、例示的な可変電流源１０２、１０４について、さらに後述する。

相信号（Ｕ_ＰＳ）１２０は、相検出回路１１８により生成される。図１の例において、相検出回路１１８は、電力半導体スイッチ１０８の制御入力Ｇに現れる制御電圧（Ｖ_Ｇ）１１４を受信する。電圧の様相に基づいて、相検出回路１１８は、電力半導体スイッチがスイッチオン動作のどの相に属するか判定し得、及び、対応する相信号（Ｕ_ＰＳ）１２０を生成し得る。スイッチオン動作の相を検出するための制御電圧（Ｖ_Ｇ）１１４（すなわち、ＩＧＢＴの場合、ゲート−エミッタ電圧）の使用は、いくつかの回路に利点を与え得る。まず、制御電圧は、スイッチオン動作の相に関する情報を含有する。加えて、制御電圧は、制御回路で他の信号より簡単に検出され得る。この点で、例えば、高電圧（例えば、コレクタ−エミッタ電圧）は、特定の状況において、まず、より低い電圧レベルにされなければならない。それは、回路に関する特定の費用と関連付けられ得る。同じことが、電力半導体スイッチの動作電流（例えばコレクタ−エミッタ電流）に当てはまる。それにもかかわらず、他の例において、高電圧入力にかかる電圧（例えばコレクタ−エミッタ電圧）または動作電流（例えばコレクタ−エミッタ電流）を相検出のための検出信号として使用することもできる。これらの信号も、スイッチオン動作の相に関する必要な情報を含有する。

相検出回路１１８は、電力半導体スイッチのための制御信号（Ｕ_ＣＭＤ）１１６を受信し得る入力をさらに備え得る。制御信号（Ｕ_ＣＭＤ）１１６は、例えば、電力半導体スイッチがオンに切り替えられることが意図されている場合に、第１のレベルをもち得、電力半導体スイッチがスイッチオフされることが意図されている場合に、第２のレベルをもち得る。この理由により、制御信号（Ｕ_ＣＭＤ）１１６のエッジが、電力半導体スイッチが切り替えられることが意図されていることを伝達し得る。相検出回路１１８は、電力半導体スイッチのスイッチオン動作がいつ始まるか、制御信号（Ｕ_ＣＭＤ）１１６に基づいて検出し得る。この時点は、同時に、スイッチオン動作の第１の相の開始時（可変電流源が制御入力Ｇに第１のレベルの電流を供給するとき）であり得る。

図１の制御回路は、電力半導体スイッチ１０８のスイッチオン動作を制御するための閉制御ループを形成する。制御される変数は、制御入力Ｇに供給される電流である。図１の場合、測定変数は、制御入力（Ｖ_Ｇ）における電圧である。スイッチオン動作の現在の相は、制御電圧から判定される。制御回路は、続いて、電力半導体スイッチが現在属する相に応じて、固定または可変電流を選択する。このそれぞれの電流が、（制御ループを「閉じる」）電力半導体スイッチの制御入力に供給される。従来技術の多くの制御回路が、フィードバックのない制御（すなわち、開制御ループ）を使用する。電力半導体スイッチの現在の状態が、スイッチオン動作に影響を与え得るので、図１の制御回路は、従来の回路と比べてより良好な結果を達成し得る。さらに、図１の制御は、外部の制御端子の抵抗を使用せずに実現し得る。

図１を参照して、例示的な制御回路が示されてきたが、以下、図２の曲線を参照して、制御回路が検出する（及び、検出に応答して電力半導体スイッチの制御入力への電流を変化させる）電力半導体スイッチのスイッチオン動作の相について説明する。

図２は、５つの理想的で例示的な曲線を示す。いちばん上の曲線２０２は、電力半導体スイッチのコレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）を示し、第２の曲線２０４は、コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）２０４を示す。第３の曲線２１４により、ゲート電圧（Ｖ_Ｇ）（すなわち、ＩＧＢＴの制御端子の電圧）の様相が、概略的に描かれている。第４の曲線２０６は、可変電流源から電力半導体スイッチの制御入力に供給される電流（Ｉ_Ｇ）の例示的な様相を示す。最後に、いちばん下の曲線２１６が、電力半導体スイッチの切り替えのための例示的な制御信号（Ｕ_ＣＭＤ）である。

図２に描かれているように、電力半導体スイッチのスイッチオン動作は、様々な相（Ａ０、Ａ、Ｂ及びＣ）に分割され得る。電力半導体スイッチは、特定の期間にわたって各場合において１つの相に属する。電力半導体スイッチは、相の各々において特定の状態をとる。相の長さ及び発現は、とりわけ、電力半導体スイッチのパラメータ、制御回路のパラメータ及び負荷に依存し、並びに、動作パラメータにも依存する。上で既に説明したように、本明細書に記載される制御回路は、スイッチオン動作の現在の相を識別するように、及び、この識別に基づいて可変制御電流を適応するように構成される。

図２に示す曲線は、ＩＧＢＴのスイッチオン挙動を示す。しかし、他の半導体スイッチも、少なくとも部分的に同様のスイッチオン挙動を示す。この点で、パワーＭＯＳＦＥＴの、または、電力バイポーラトランジスタのスイッチオン挙動においても、様々な相が識別され得る。すなわち、本明細書に記載される制御回路は、他の電力半導体スイッチにも使用され得る。

さらに、制御回路が、図２に示す４つの相Ａ０、Ａ、Ｂ、Ｃを検出すること、及び、検出に応答して電流を変化させることは必須ではない。むしろ、いくつかの例において、図２に示す、選ばれた相（例えば２または３）のみを検出することも可能である。さらなる例において、相の区切りは、図２に示す区切りとは異なり得る。この点で、いくつかの制御回路において、第１の相と第２の相との間の遷移が、図２に示すものとは異なる位置で発生し得る。しかし、この例でも、本明細書に記載される制御回路は、スイッチオン動作のそれぞれの現在の相に応答して、電力半導体スイッチの制御入力に導入される電流を変化させ得る。

以下、図２に示す制御回路の制御信号の例示的な様相について説明し、この制御回路が、電力半導体スイッチをスイッチオンするため、電力半導体スイッチのスイッチオン動作の検出された相に基づいて、閉制御ループ内で制御入力（Ｉ_Ｇ）への電流を変化させる。

スイッチオン動作は、時点ｔ０に（図２の例における低電圧レベルから高電圧レベルへの）制御信号Ｕ_ＣＭＤの状態変化で始まる。それにより、電力半導体スイッチの制御装置は、電力半導体スイッチがスイッチオンされることを通知する。相検出回路は、制御信号（Ｕ_ＣＭＤ）における、この状態変化を検出し得る。スイッチオン動作の第１の相Ａ０は、この状態変化で始まる。図２の例では（曲線２０６からわかるように）、相Ａ０において、電力半導体スイッチの制御入力に定電流（Ｉ_Ｇ）が導入される。

第１の相において、電力半導体スイッチは、まだ導通していない（コレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）は、約ゼロである）。従って、コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）は、電力半導体スイッチのスイッチオフ状態中にとる、その（高）レベルのまま残る。制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）（ゲート−エミッタ電圧）の様相は、電力半導体スイッチの様々な静電容量の充電過程により決定される。例えば、ＩＧＢＴの場合、ＭＯＳＦＥＴ制御ヘッドのゲートとソースとの間に様々な静電容量（例えば、酸化物の静電容量、空乏領域の静電容量、ゲート電極とエミッタ電極との間の静電容量など）が発生し得る。これらの静電容量は、相Ａ０において、制御入力に印加される電流により充電される。電力半導体スイッチの制御入力における電圧は、続いて、電力半導体スイッチの内部静電容量によって定まる時定数で立ち上がる。

電力半導体スイッチのスイッチオン動作の第２の相は、ＩＧＢＴが導通し始める時点ｔ１に始まる。これは、制御電圧Ｖ_ＧがＩＧＢＴのＭＯＳＦＥＴの閾値電圧に達すると起こる。次に、コレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）が、大幅に立ち上がる（この相において、高いコレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）がＩＧＢＴに現れる。従って、コレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）の立ち上がりは、ＩＧＢＴの飽和領域における電流勾配により決定される）。（例えば、ＩＧＢＴの還流ダイオードは、まだ、電圧を消費することができないので）コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）は、まだ大幅に減少しない。制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）は、さらに、ＩＧＢＴの静電容量によって定まる速度で増加する。

相検出回路は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）に基づいて第２の相Ａの開始を検出し得る。例えば、相検出回路は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が所定の閾値を上回ると、第２の相Ａの開始を検出するように構成され得る。この点で、いくつかの例が、以下でさらに示される。既に言及したように、相検出は、他の信号に基づいても実行され得る。この点で、図２からわかるように、コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）の、及び、コレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）の特性は、時点ｔ１において変化する。この理由により、他の例において、相検出回路は、コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）またはコレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）に基づいて第２の相Ａの開始を識別し得る。

第２の相Ａの開始の検出に応答して、制御回路の可変電流源が、電力半導体スイッチの制御入力に伝導される電流のレベルを変化させる。図２の例において、電力半導体スイッチの制御入力に伝導される電流は、第１の相Ａ０において段階的に（例えば、３または４つの段階で）その値から低減される。個々の段階の長さは、予め定められ得、及び、それぞれの電力半導体スイッチに適応され得る。この目的において、制御回路は、ユーザーにより選択され得る所定の組みの遅延を規定し得る。代替的に、個々の相の長さは、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）による閾値電圧への到達に応答して、設定され得る。いくつかの例において、第２の相Ａの最後の副相における電流レベルは、電力半導体スイッチの公称エネルギーに対応するように選択される。図２において、電力半導体スイッチの制御入力に伝導される電流は、段階的に低減される。一例において、電力半導体スイッチを通る負荷電流が、スイッチオン動作のミラープラトー中の負荷電流のレベルに対応するレベルに達すると、通常動作中に第２の相Ａの最後の副相への遷移が発生するように、段階の長さが選択され得る。他の例において、電流は、連続的にも低減され得る。

電力半導体スイッチの制御入力に伝導される電流の、図２に示すような段階的な減少は、電力半導体スイッチのコレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）の電流勾配の増加を引き起こし得る。その結果、段階的な制御入力電流の減少を使用しない回路の場合より早く、コレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）の最大値に達する。このことが、スイッチオン動作中のエネルギー損を低減する効果をもたらし得る。

電力半導体スイッチのコレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）が（図２の時点ｔ２において）その最大値に達すると、スイッチオン動作の第３の相Ｂが始まる。その後、ＩＧＢＴの還流ダイオードが電圧を消費し、それにより、コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）が減少し、及び、コレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）が、一定の負荷電流値に落ちる。図２からわかるように、第３の相の開始も、コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）またはコレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）に基づいて検出され得る。

制御回路の相検出回路は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）がピークに達することに応答して、第３の相の開始を検出し得る。第３の相Ｂの開始の識別に応答して、制御回路は、再度、制御入力に導入される電流（Ｉ_Ｇ）のレベルを変化させる。一例において、制御回路は、電流（Ｉ_Ｇ）のレベルを、第２の相Ａの最後の副相からの値と第１の相Ａ０の値（またはその値の最小値）との間の値まで増加させる。制御入力に流れ込む電流（Ｉ_Ｇ）は、第３の相Ｂにおいて、電力半導体スイッチの内部静電容量を放電させる。コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）の急落の結果として、及び、電力半導体スイッチの内部静電容量の増加の結果として、この相において、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が、実質的に平坦な様相を示す。

図２に示すように、制御回路は、さらに、第３の相Ｂにおける様々な副相で、制御入力に導入される電流（Ｉ_Ｇ）を変化させ得る。この点で、図２の例において、まず、電流（Ｉ_Ｇ）が一定値をとった後、時点ｔ３において、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）の立ち上がりに伴って電流（Ｉ_Ｇ）が低下する。

スイッチオン動作における第４の最後の相Ｃは、時点ｔ４で始まる。コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）が非常に大きく低下したので、ＩＧＢＴが、その活性領域に達する。コレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）は、スイッチオン状態において、その公称値に達している。制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）は、その定常状態値に向かう。第４の相Ｃの開始は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）がさらなる（第２の）所定の閾値を上回ると、相検出回路により識別され得る。

第４の相Ｃの開始の検出に応答して、制御回路は、再度、制御入力に伝導される電流（Ｉ_Ｇ）のレベルを変化させ得る。図２の例において、制御回路は、電流（Ｉ_Ｇ）を一定レベルに設定する。その一定レベルは、すべての先行する相Ａ０、Ａ、Ｂにおける可変電流（Ｉ_Ｇ）のレベルより小さい。一例において、電流（Ｉ_Ｇ）は、それが動作時にＩＧＢＴを維持するための最小電流に対応するように（適切な場合には、所定の安全裕度を考慮して）選択される。これらの回路は、ＩＧＢＴの全スイッチオン期間中に電力を消費するので、この選択は、いくつかの形態の可変電流源を使用すると有益であり得る。従って、電流（Ｉ_Ｇ）のとりえる最も小さなレベルは、ＩＧＢＴのスイッチオン期間中の制御回路の電力損失を低減し得る。

直前のセクションでは、例示的な制御回路が、電力半導体スイッチのスイッチオン動作の過程で、制御入力に供給される電流をどのように変化させるかについて説明している。既に言及したように、制御回路は、図２における４つの相の一部のみも検出し得、これに対応して、電流（Ｉ_Ｇ）を変化させ得る（例えば、第１、第２及び第３の相Ａ０、Ａ、Ｂのみ、第２、第３及び第４の相Ａ、Ｂ、Ｃのみ、または、第２及び第４の相Ａ、Ｃのみ）。

直前のセクションでは、図２を参照して、例示的な制御回路を機能的に説明した。次のセクションでは、図３〜５に関連した、制御回路を実装するための例示的な回路について説明する。

図１を参照して既に説明したように、制御回路は、可変電流源と相検出回路とを備え得る。これらの２つの構成要素の例示的な構成が、図３に示される。可変電流源１０２、１０４は、電流源回路１０２と複数の半導体スイッチ（Ｑ_１）１０４とを備える。相検出回路１１８は、電力半導体スイッチが現在、スイッチオン動作のどの相に属するか検出するための様々な構成要素を備える。以下、両方の構成要素（可変電流源１０２、１０４及び相検出回路１１８）について、より正確かつ詳細に説明する。

まず、可変電流源１０２、１０４について、説明する。図３からわかるように、一例において、可変電流源１０２、１０４は、複数の並列な電流源ステージを有する。ステージの各々が、電力半導体スイッチの制御入力Ｇに電流を供給し得る電流増幅器１０２と半導体スイッチ１０４とを備える。スイッチオン及びオフの結果、制御回路により必要とされる様々な電流レベルが利用可能であるように、並列な電流源ステージの出力電流が選択され得る。この方法で、可変電流が、スイッチオン動作中、電力半導体スイッチの制御入力Ｇに印加され得る。

一例において、電流増幅器１０２は、相信号（Ｕ_ＰＳ）１２０と基準電流信号（Ｕ_ＣＳ）とを受信するように構成され得る。以下、基準電流信号（Ｕ_ＣＳ）は、基準電流であると仮定する。他の例において、基準電流信号（Ｕ_ＣＳ）は、基準電圧であり得る。可変電流源１０２、１０４は、相信号（Ｕ_ＰＳ）１２０に応答して、１つまたは複数の並列な電流源ステージを起動し得る。次に、（１つ以上の電流源ステージの出力電流に応じて決まる）所定の電流が、制御入力に伝達される。電流源ステージは、異なる、または同一の出力電流を供給し得る。図３に、４つの並列な電流源ステージが概略的に描かれている。しかし、他の例において、電流源ステージの数が異なり得る（例えば２つ（以上）、３つ、または４つを上回る）。可変電流源が、（１つまたは複数の電流源ステージの起動により）必要な出力電流の大部分を提供し得るように、電流源ステージの数と出力電流とが選択され得る。

この場合、相検出信号は、電力半導体スイッチが図２を参照して既に説明した相の１つ（相Ａ０、Ａ、ＢまたはＣ）に入った、という情報を含み得る。可変電流源１０２、１０４は、例えば、図２を参照して同様に説明した性質（レベル及び期間）をもつ出力電流を供給し得る。

それぞれの出力電流を提供するため、並列な電流源ステージの各々が、基準電流を所定の倍数で増幅し得る。一例において、基準電流は、より低い電圧レベル（例えば、４〜６Ｖ）をとる制御回路の領域から受信される。その一方で、可変電流源１０２、１０４の半導体スイッチ１０４は、電力半導体スイッチの制御入力Ｇと、より高い電圧レベルＶ_１（例えば２４〜２６Ｖ）をとる制御回路の領域の基準電圧との間に接続されている。この理由により、半導体スイッチ１０４は、より高い電圧レベルＶ_１をとる制御回路の領域から制御入力に、可変電流源１０２、１０４の可変出力電流を伝達する。一例において、可変電流源１０２、１０４は、レベルシフタを使用せずに、低電圧レベルをとる領域から、より高い電圧レベルをとる領域への上記の変換を達成する。

一例において、並列な電流源ステージの各々が、基準電流をそれぞれの出力電流まで増幅する電流ミラー回路を含む。一例において、各電流ミラー回路は、それぞれの出力電流を提供する規模をもつ複数のＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチを備え得る。加えて、１つ以上の並列な電流源ステージの半導体スイッチは、カスコード方式で配設され得る。それにより、電流源ステージの出力抵抗を改善し得る。加えて、または代替的に、並列な電流源ステージの各々の半導体スイッチは、異なるように設計され得る。この点で、一例において、公称電圧の低い半導体スイッチと公称電圧のより高い半導体スイッチとを使用することが可能である。

可変電流源における出力電流を生成するための電流ミラー回路の使用は、様々な利点をもたらし得る。まず、回路の相互コンダクタンスが、所望の電流の入力により変化し得る。さらに、可変相互コンダクタンスが、電力半導体スイッチをスイッチオンするときに、閉制御ループを実現可能にし得る。さらに、電流ミラー回路で、工程及び温度の変動が（少なくとも部分的に）補償され得る。さらに、可変電流源の応答時間は、（例えば、インバーター回路をもつ回路と比べて）減少し得る。

既に言及したように、可変電流源１０２、１０４は、複数の半導体スイッチを備え得る。一例において、半導体スイッチは、離間したソースウェルと一体化され得る（ＭＯＳＦＥＴの場合）。これにより、温度に伴う出力電流の変動を低減することができる。

他の例において、（電流源ステージにおける）半導体スイッチの活性領域は、複数の基準半導体スイッチの整数倍として選択され得る。これにより、製造中の工程に起因した変動による出力電流の変動を低減することができる。

可変電流源が、相内で様々なレベルをとる出力電流を提供し得ることは、図２を参照して既に説明した（例えば、図２における第２の相Ａを参照）。一例において、出力電流の２つ以上のステージは、パルス生成回路の出力パルスに応答して生成され得る。パルス生成回路は、相信号（Ｕ_ＰＳ）が特定相の開始を通知する時点で始まる、所定の長さの１つ以上のパルスを生成し得る。可変電流源は、各々のパルスの状態変化から始まる所定の電流を生成し得る。この理由により、パルス生成回路は、発振器などを使用せずに、様々な副相の期間を達成し得る。可変電流の多ステージ構成を、図２における第２の相Ａについてのみ説明した。しかし、（パルス生成回路を使用した）この技術は、スイッチオン動作の他の相にも使用され得る。

これまでのセクションでは、可変電流源１０２、１０４の実施態様のいくつかの例について説明した。以下のセクションでは、図３及び５の例に基づいて、再度、相検出回路１１８の実施態様に関する種々の態様について説明する。相検出回路が検出し得る、電力半導体スイッチのスイッチオン動作の相については、図２を参照して既に説明した。

図３の相検出回路１１８は、状態回路３０２、ピークタイミング検出回路３０４、複数の比較器３１０、３１２、３１４、及び複数の任意選択的なレベルシフタ３１６、３１８、３２０を含む。これらの構成要素によって、相検出回路は、電力半導体スイッチが現在属するスイッチオン動作の相を判定し得る。

図３において、相検出回路１１８は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）と制御信号（Ｕ_ＣＭＤ）とを受信する。これらの信号に基づいて、相検出回路１１８は、スイッチオン動作のどの相を現在通っているか判定し得る。既に言及したように、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）の代わりに、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付けるいくつかの他の信号（例えば、コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）またはコレクタ−エミッタ電流（Ｖ_ＣＥ））を使用することもできる。図５を参照して後でさらに説明するように、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）に加えて、電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける１つまたは複数の、さらなる他の信号（例えばコレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）またはコレクタ−エミッタ電流（Ｖ_ＣＥ））をさらに使用することが可能である。

相検出回路は、それぞれの相（及び／または２相間の遷移）を示す相検出信号（Ｕ_ＰＳ）１２０を生成する。いくつかの例において、相信号（Ｕ_ＰＳ）１２０は、各々が１つの特定相の存在または２つの特定相間の遷移の時点を示す複数のチャンネルを含み得る。上でさらに説明したように、相信号（Ｕ_ＰＳ）１２０が可変電流源１０２、１０４により受信され、相信号（Ｕ_ＰＳ）１２０に応答して、可変電流源１０２、１０４が、対応する電流を出力する。

相検出回路１１８は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）の２つの異なる特性を検出するように構成されている。第１に、相検出回路１１８は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が１つまたは複数の所定の閾値を上回った（または下回るように低下した）ときを検出し得る。第２に、相検出回路１１８は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）がピークをとるときを検出し得る。これらの２つの検出ステップは、半導体スイッチのスイッチオン動作中に複数の相遷移を識別するのに十分であり得ることについては、図２を参照して既に説明した。

以下、まず、複数の比較器３１０、３１２、３１４について説明しており、これらにより、相検出回路１１８は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が特定の閾値を上回るときを把握し得る。図３の例において、比較回路は、フラッシュＡＤＣ方式で構成されている（すなわち複数の比較器３１０、３１２、３１４が並列に動作する）。制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）は、それぞれ、並列比較器３１０、３１２、３１４の基準電圧ＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨＮと比較される。従って、相検出回路１１８は、特定の限界値ＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨＮを上回るときを判定し得る。図２の例において、第１から第２の相への相遷移（Ａ０→Ａ）の識別に、及び、第３から第４の相への遷移（Ｂ→Ｃ）の識別には、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）と閾値との比較が必要であり得る。これらの比較は、各場合において、複数の並列比較器３１０、３１２、３１４の１つにより実行される。

さらに、図３の例において、複数の並列比較器３１０、３１２、３１４は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）がピークに達する時点の検出にも使用される。従って、これらの比較値は、図２に従って、第２から第３の相への遷移（Ａ→Ｂ）の検出に使用され得る。以下、これについて、ピーク検出回路３０４との関係で、さらに詳細に説明する。

一例において、基準電圧ＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨＮは、第１の基準電圧（Ｖ_１）を基準として生成され得る。例えば、第１の基準電圧（Ｖ_１）は、１つまたは複数の分圧器（例えば、比較器３１０、３１２、３１４ごとに１つの分圧器）により、所望の基準電圧ＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨＮまで低く分圧され得る。

図３におけるフラッシュＡＤＣ方式の比較回路は、高い入力インピーダンスをもち得るので、入力信号の相を検出するために制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が使用される場合、図３におけるフラッシュＡＤＣ方式の比較回路が、有益であり得る。制御入力Ｇは、高い出力抵抗をもち得、それにより、低い入力抵抗をもつ検出回路を使用することをより困難にする（なぜなら、そうでなければ、制御入力から離れるように電荷が流れ得、それにより、測定される信号を乱し得るからである）。

一例において、１つまたは複数の比較器３１０、３１２、３１４は、プッシュプル出力ステージをもつフォールデッド相互コンダクタンス増幅器として構成されている。さらなる例において、１つまたは複数の比較器３１０、３１２、３１４は、プッシュプル出力ステージをもつラッチ回路として構成されている。両方の代替例は、大きなコモンモード範囲をもち得、このことが、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）がピークに達する時点を検出するために必要であり得る（制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）のピークにおける電圧は、例えば、第１の基準電圧Ｖ_１の９６％であり得る）。この場合、プッシュプル出力ステージをもつラッチ回路を使用した解決策では、プッシュプル出力ステージをもつ相互コンダクタンス増幅器を使用した解決策と比べて、より小さな構造的寸法の出力ステージを使用し得、より急速な立ち上がりを示し得る。

図３の例において、状態回路３０２は、より小さな電圧をとる領域に配設されており、比較器３１０、３１２、３１４の出力信号は、対応するレベルシフタ３１６、３１８、３２０により低減される。結果として得られる信号ＣＯ_１、ＣＯ_２、ＣＯ_Ｎは、状態回路３０２とピーク検出回路３０４とにより受信されて、さらに処理され得る。

ここで、以下のセクションで、例示的なピークタイミング検出回路３０４について、さらに詳細に説明する。

一例において、ピークタイミング検出回路３０４は、複数の比較器３１０、３１２、３１４から出力信号ＣＯ_Ｎ、ＣＯ_Ｎ−１…ＣＯ_３を入力信号として受信し得る。ピークタイミング検出回路３０４は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が、出力信号ＣＯ_Ｎ、ＣＯ_Ｎ−１…ＣＯ_３を供給する比較器３１０、３１２、３１４の部分集合（例えば１つまたは２つの比較器）のすべての閾値電圧を上回り、再度、最も高い閾値電圧をとる部分集合の比較器の閾値電圧未満に低下すると、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）のピークを識別するように構成され得る。この場合、ピークタイミング検出回路３０４は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）がピークに達したことを、検出信号（Ｕ_ＤＴ）３０６により、状態回路３０２に通知する。この例では、ピーク検出は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）の最大電圧の大きさとは無関係に実行される。

場合によっては、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）は、明確なピークをもたない。さらに、前述のピークタイミング検出回路は、第２の相Ａから第３の相Ｂへの遷移中、振動により乱され得る。従って、ピークタイミング検出回路３０４（前述のピークタイミング検出回路に加えて、または、代えて）は、さらなる回路を備え得る。以下、例示的なさらなる回路について、説明する。

さらなる例示的なピークタイミング検出回路も、比較器３１０、３１２、３１４の部分集合の出力信号を入力信号とする。加えて、比較器３１０、３１２、３１４の部分集合の各々について、所定の遅延ぶん遅延したさらなる信号が生成される。各比較器３１０、３１２、３１４の遅延した、及び遅延していない出力信号が、ＯＲゲートに印加される。従って、各場合において、各閾値電圧について、最も早く発生する信号が決定される。ピークの時点は、ＯＲゲートの出力信号のＡＮＤ演算により判定される。この場合、それぞれの種類の電力半導体スイッチに対し、（例えば、スイッチオン動作の開始後の、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）の立ち上がりの傾きを考慮して）個別の遅延を選択することが可能である。

これまでのセクションでは、相検出回路が、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）の様々な特徴をどのように検出し得るかについて説明した。以下のセクションでは、スイッチオン動作が現在通っている相が、比較器３１０、３１２、３１４の出力信号、制御信号（Ｕ_ＣＭＤ）１１６、及びピークタイミング検出回路３０４の出力信号から、どのように検出され得るかについて説明する。

この機能は、状態回路３０２により実行され、状態回路３０２の機能について、図４を参照して説明する。図４からわかるように、状態回路３０２は、状態機械を備え得る。図４の例において、状態回路３０２は、スイッチオン動作の４つの相のいずれに、電力半導体スイッチが現在属するか、識別し得る。この４つの相は、図２を参照して説明される４つの相（すなわち、相Ａ０、Ａ、Ｂ、及びＣ）に対応する。

既に言及したように、半導体スイッチのための制御信号（Ｕ_ＣＭＤ）１１６に基づいて、スイッチオン動作の開始が検出され得る。一例において、制御信号（Ｕ_ＣＭＤ）１１６が立ち上がり、または立ち下がりエッジにあると、電力半導体スイッチのスイッチオン動作の開始が検出され得る。制御信号（Ｕ_ＣＭＤ）１１６の状態変化に応答して、状態回路３０２は、電力半導体スイッチがスイッチオン動作の相４０２（Ａ０）に入ったことを識別し得る。

さらに、状態回路３０２は、第１の比較器の出力信号（ＣＯ_１）に基づいて、第１の相４０２（Ａ０）から第２の相４０４（Ａ）への遷移が起こったか、決定し得る。制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が、第１の比較器の閾値電圧を上回ると、第１の比較器の出力信号ＣＯ_１が、第１の状態（例えば、高レベル）をとる。制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が、第１の比較器の閾値電圧未満に低下すると、第１の比較器の出力信号ＣＯ_１が、第１の状態（例えば、低レベル:

）
をとる。いくつかの例において、比較器は、相変化が検出される前、所定期間にわたって、特定の状態を維持しなければならない。

いくつかの例において、それぞれの比較器（例えば、相Ａ０から相Ａへの遷移の場合は第１の比較器）は、相遷移が検出された所定期間（例えば２０ｎｓ〜８０ｎｓ）後、オフに切り替えられ得る。その結果、回路の電力消費が、減少し得る。

既に説明したように、第３の相（Ｂ）４０８への遷移は、ピークタイミング検出回路の（検出信号（Ｕ_ＤＴ）３０６に対応する）出力信号４０６に基づいて識別され得る。制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）がピーク（または、最大値）に達したことを、出力信号４０６が通知すると、状態回路３０２が現在の相を第２の相（Ｂ）４０６に変える。既に言及したように、ピーク検出回路の出力信号４０６は、複数の比較器の出力信号に基づいて、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）のピークの時点を判定し得る。複数の比較器も、第２から第３の相への相遷移（Ａ→Ｂ）の識別の所定期間（例えば２０ｎｓ〜８０ｎｓ）後、オフに切り替えられ得る。

相Ｂ４０８（第３の相）から相Ｃ４１０（第４の相）への遷移は、第２の比較器の出力信号ＣＯ_２に反応して起こり得る。従って、状態回路３０２は、第３の相（Ｂ）４０８から第４の相（Ｃ）４１０への遷移が起こったか、識別し得る。制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が第２の比較器の閾値電圧を上回ると、第２の比較器の出力信号ＣＯ_２が、第１の状態（例えば、高レベル）をとる。制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が第２の比較器の閾値電圧未満に立ち下がると、第２の比較器の出力信号ＣＯ_２が、第１の状態（例えば低レベル：

）
をとる。

第４の相（Ｃ）４１０に入ることが、状態回路３０２により識別される最後の相遷移である。他の例において、スイッチオン動作は、制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）の様相に基づいて検出され得る、さらに多くの相（例えば、５、６若しくは７、または、それより多くの相）に分割され得る。さらなる他の例において、スイッチオン動作は、より少ない（例えば、２つ、または３つの）相に分割され得る制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）の様相に基づいて検出され得る。すべての場合において、スイッチオン動作の４つの相の場合に関して上で詳しく説明したような種類の相検出回路及び可変電流源を使用することが可能である。

特定相に入ったことが識別されるとすぐに、状態回路３０２は、対応する相信号（Ｕ_ＰＳ）１２０を生成する。次に、この相信号（Ｕ_ＰＳ）１２０は、前述のとおり、可変電流源により受信され得る。続いて、可変電流源は、電力半導体スイッチをスイッチオンするため、それぞれの相に対ついて予め決められた出力電流（一定または可変）を、電力半導体スイッチの制御入力に伝達し得る。

これまでのセクションでは、図３及び図４を参照して、制御回路の例示的な可変電流源及び相検出回路について説明した。これらの回路の他の変形例について、以下、説明する。

図５は、第２の相から第３の相への遷移（Ａ→Ｂ）（すなわち、コレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）が最大値をとる時点）を識別するための、図３におけるピークタイミング検出回路の代替例を示す。図５における相回路１１８は、相遷移回路５０４を含み、相遷移回路５０４は、コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）に基づく信号（Ｖ_ＣＥＦ）５３６を入力信号として受信し、この信号に基づいて相遷移を検出する。

コレクタ−エミッタ電圧（Ｖ_ＣＥ）に基づく信号（Ｖ_ＣＥＦ）５３６は、静電容量Ｃ_１及び抵抗素子Ｒ_１を含むフィルタ５３０により生成され、静電容量Ｃ_１及び抵抗素子Ｒ_１は、電力半導体スイッチのコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間に接続されている。

一例において、ＩＧＢＴの制御回路は、並列接続された静電容量と抵抗素子との直列回路を備え得、この直列回路は、（例えば、アクティブクランプ機能を提供するため）電力半導体スイッチのコレクタ端子に接続されている。フィルタ５３０は、並列接続された静電容量と抵抗素子との直列回路の最後の静電容量と、基準電圧レベル１１２との間に接続され得る。

フィルタ５３０は、コレクタ−エミッタ電流のピークが上回ると、電圧スパイクを生成するように構成され得る。この信号（Ｖ_ＣＥＦ）５３６は、相遷移回路５０４に転送される。一例において、相遷移回路５０４において、コレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）のピークの時点は、信号（Ｖ_ＣＥＦ）５３６から判定され得る。この情報は、スイッチオン動作の第２の相（Ａ）から第３の相（Ｂ）への相遷移を検出するため、相遷移回路５０４により使用され得る。続いて、対応する検出信号（Ｕ_ＤＴ）５０６が、状態検出回路５０２に通信され得る。

一例において、相遷移回路５０４は、信号（Ｖ_ＣＥＦ）５３６を増幅し得、増幅信号を差動増幅器に印加し得る。結果として得られる信号は、コレクタ−エミッタ電流（Ｉ_ＣＥ）のピークの時点において、立ち下がりエッジをもち得、その結果、第２から第３の相への相遷移（Ａ→Ｂ）を示す。例えば、この目的において、結果として得られる信号の立ち下がりエッジが検出され得る。

一例において、相遷移回路５０４は、３つの増幅器ステージで信号（Ｖ_ＣＥＦ）５３６を増幅し得る。まず、バッファ増幅器は、Ｖ_ＣＥノードで検出されることになる信号の出力インピーダンスを低減することができる。その後、非反転増幅の後、信号の差動増幅が実行され得る。

本発明の示されている例についての上記の説明は、網羅的であることも、例に限定することも意味しない。本発明の特定の実施形態及び例が、例示を目的として本明細書に記載されるが、本発明から逸脱することなく、様々な変形が可能である。具体的で例示的な電圧、電流、周波数、電力、範囲の値、時間などは、例示にすぎないので、本発明は、これらの変数に対する他の値を使用しても実現され得る。

これらの変更は、上記の詳細な説明を考慮して、本発明の例に対して実行され得る。後述の請求項で使用される用語は、本発明が、説明及び請求項に開示されている特定の実施形態に限定されるように解釈されてはならない。本説明及び図は、例示とみなされなければならず、限定とみなされてはならない。

相Ｂ４０８（第３の相）から相Ｃ４１０（第４の相）への遷移は、第２の比較器の出力信号ＣＯ_２に反応して起こり得る。従って、状態回路３０２は、第３の相（Ｂ）４０８から第４の相（Ｃ）４１０への遷移が起こったか、識別し得る。制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が第２の比較器の閾値電圧を上回ると、第２の比較器の出力信号ＣＯ_２が、第１の状態（例えば、高レベル）をとる。制御入力電圧（Ｖ_Ｇ）が第２の比較器の閾値電圧未満に立ち下がると、第２の比較器の出力信号ＣＯ_２が、第１の状態（例えば低レベル：

）
をとる。

Claims (15)

1. 電力半導体スイッチをオンに切り替える制御回路であって、
   前記電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号を受信するように構成された入力、
   前記電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける前記信号に基づいて、前記電力半導体スイッチのスイッチオン動作の過程で２つ以上の相を検出することと、前記電力半導体スイッチが前記２つ以上の相のいずれを現在通っているかを示す相検出信号を生成することとを行うように構成された相検出回路、及び
   前記電力半導体スイッチをスイッチオンするため、前記相検出信号に応答して、前記電力半導体スイッチの制御入力に可変電流強度で電流を供給するように構成された可変電流源、
   を備え、
   前記制御回路が、前記電力半導体スイッチの前記スイッチオン挙動を特徴付ける前記信号に応答して、閉制御ループ内で前記可変電流源を制御するように構成されている、
   電力半導体スイッチをオンに切り替える制御回路。
2. 前記電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける前記信号が、前記電力半導体スイッチの前記制御入力に現れる制御入力電圧である、
   請求項１の制御回路。
3. 前記相検出回路が、前記電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける前記信号の特徴に基づいて、スイッチオン動作の前記過程で前記２つ以上の相を識別する、
   請求項１または請求項２の制御回路。
4. 前記相検出回路が、１つまたは複数の比較器を含み、
   前記１つまたは前記複数の比較器の各々が、前記電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける前記信号と１つ以上の基準信号の１つとを比較するように構成され、及び、
   前記電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける前記信号がそれぞれの基準信号を上回ると、前記相検出回路が、前記電力半導体スイッチのスイッチオン動作の前記過程で、１つまたは複数の前記相の間の遷移を検出する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項の制御回路。
5. 前記相検出回路が、前記電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける前記信号におけるピークの時点を識別するように構成されたピークタイミング検出回路を備え、及び、
   前記相検出回路が、前記電力半導体スイッチの前記スイッチオン挙動を特徴付ける前記信号が前記ピークに達すると、２相間の遷移を検出するように構成されている、
   請求項２から請求項４のいずれか一項の制御回路。
6. 前記相検出回路が、前記電力半導体スイッチの前記スイッチオン動作の前記過程で、少なくとも４つの相を検出するように構成されている、
   請求項１から請求項４のいずれか一項の制御回路。
7. 前記可変電流源が、複数の並列駆動段を備える、
   請求項１から請求項６のいずれか一項の制御回路。
8. 前記複数の駆動段の各々が、特定の倍数で所定の入力電流を増幅するように構成されている、
   請求項７の制御回路。
9. 前記制御回路が、より高い電圧レベルをとる領域と、より低い電圧レベルをとる領域とを備え、及び、
   前記入力電流が、前記より低い電圧レベルをとる領域における電流源により供給され、及び、
   前記所定の入力電流が、前記より高い電圧レベルをとる領域内に、追加的なレベルシフタを使用せずに供給される、
   請求項１から請求項８のいずれか一項の制御回路。
10. 前記駆動段が、電流ミラー回路を備える、
    請求項７から請求項９のいずれか一項の制御回路。
11. 前記電力半導体スイッチの前記制御入力に供給される前記電流が、前記電力半導体スイッチの前記スイッチオン動作の前記過程における第１の相で、第１のレベルをもち、
    前記電流が、前記電力半導体スイッチの前記スイッチオン動作の前記過程における第２の相の過程で、第２のレベルをもち、
    前記電流が、前記電力半導体スイッチの前記スイッチオン動作の前記過程における第３の相において、第３のレベルをもち、
    前記第３のレベルが、前記第１のレベルより小さく、かつ、前記第２のレベルよりより大きい、
    請求項１から請求項１０のいずれか一項の制御回路。
12. 前記相検出回路が、１つまたは複数の比較器により出力される内部信号を、前記制御回路内の高電圧レベルから前記制御回路内の低電圧レベルに変換するように構成されている、１つまたは複数のレベルシフタを備える、
    請求項１から請求項１１のいずれか一項の制御回路。
13. 前記電力半導体スイッチのスイッチオン動作の前記過程における前記２つ以上の相が、前記電力半導体スイッチの前記制御入力に現れる制御入力電圧に基づいて、及び、前記電力半導体スイッチの前記電力端子間に現れる電圧にさらに基づいて、検出される、
    請求項１から請求項１２のいずれか一項の制御回路。
14. 前記制御回路の相互コンダクタンスが、前記電力半導体スイッチの前記スイッチオン動作の前記過程で変更される、
    請求項１から請求項１３のいずれか一項の制御回路。
15. 電力半導体スイッチをスイッチオンする方法であって、
    前記電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける信号を受信することと、
    前記電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける前記信号における２つ以上の相を検出することと、
    前記電力半導体スイッチをスイッチオンするため、前記電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける前記信号に基づいて、閉制御ループ内で前記電力半導体スイッチの制御入力への電流を制御すること、
    を含み、
    前記電力半導体スイッチの前記制御入力への前記電流を制御することが、
    前記電力半導体スイッチのスイッチオン挙動を特徴付ける前記信号における２つ以上の相を検出したことに応答して、前記電流を変化させること、を含む、
    電力半導体スイッチをスイッチオンする方法。

Images