JP2017017917A - スイッチ回路、インバータおよび電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング時の上下のスイッチ間に流れる短絡電流を抑制できる、低損失で高速スイッチング動作可能な高品質のスイッチ回路、およびこのスイッチ回路を適用したインバータおよび電源回路を提供する。
【解決手段】スイッチ回路６Ｕ・６Ｄは、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３と、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３に直列接続され、かつ主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３とゲートが共通接続された補助スイッチ素子Ｑ２・Ｑ４と、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３と補助スイッチ素子Ｑ２・Ｑ４との直列回路に並列接続された逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２とを備える。
【選択図】図１

Description

本実施の形態は、スイッチ回路、インバータおよび電源回路に関する。

例えば、直交変換回路の一種であるハーフブリッジ回路は、直流電源と、ハイサイドスイッチと、ローサイドスイッチと、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを制御するドライブ回路とを備える。さらに、負荷としての、例えばモータと、出力電流を平均化するコイルおよびコンデンサを備える。ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチのそれぞれのスイッチ素子のドレイン・ソース間には、逆並列にボディーダイオードと呼ばれる寄生ダイオードが接続されている。

また、直交変換回路用のハーフブリッジ回路において、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチをそれぞれ２個直列接続された主および補助用のスイッチ素子により構成し、かつボディーダイオードを双方向に接続する構成例も開示されている。

特開２０１４−１４７２２４号公報 特開２００３−３０４６８０号公報

上記のハーフブリッジ回路では、一方のスイッチをオンし、他方のスイッチをオフする際、補助用のスイッチ素子を流れる逆電流によって、上下のスイッチ間に短絡電流が流れる。この短絡電流は、主スイッチ素子の寄生ダイオードによって遮断されるまで流れ続けるため、電力損失を招き、電力変換効率を低下させると共に、信頼性を損う場合がある。

本実施の形態は、スイッチング時の上下のスイッチ間に流れる短絡電流を抑制できる、低損失で高速スイッチング動作可能な高品質のスイッチ回路、およびこのスイッチ回路を適用したインバータおよび電源回路を提供する。

本実施の形態の一態様によれば、主スイッチ素子と、前記主スイッチ素子に直列接続され、かつ前記主スイッチ素子とゲートが共通接続された補助スイッチ素子と、前記主スイッチ素子と前記補助スイッチ素子との直列回路に並列接続された逆電圧阻止ダイオードとを備えるスイッチ回路が提供される。

本実施の形態の他の態様によれば、ハイサイド主スイッチ素子と、前記ハイサイド主スイッチ素子に直列接続され、かつ前記ハイサイド主スイッチ素子とゲートが共通接続されたハイサイド補助スイッチ素子と、前記ハイサイド主スイッチ素子と前記ハイサイド補助スイッチ素子との直列回路に並列接続されたハイサイド逆電圧阻止ダイオードとを有するハイサイドスイッチ回路と、ローサイド主スイッチ素子と、前記ローサイド主スイッチ素子に直列接続され、かつ前記ローサイド主スイッチ素子とゲートが共通接続されたローサイド補助スイッチ素子と、前記ローサイド主スイッチ素子と前記ローサイド補助スイッチ素子との直列回路に並列接続されたローサイド逆電圧阻止ダイオードとを有するローサイドスイッチ回路とを備え、前記ハイサイドスイッチ回路と前記ローサイドスイッチ回路とは直列接続されると共に、直流電圧間に並列接続され、前記ハイサイドスイッチ回路と前記ローサイドスイッチ回路との接続点から負荷に交流電力が供給可能であるインバータが提供される。

本実施の形態のさらに別の態様によれば、上記のインバータを備え、前記負荷としてのモータを備えるモータ駆動用の電源回路が提供される。

本実施の形態のまた別の態様によれば、上記のスイッチ回路を適用した電源回路が提供される。

本実施の形態によれば、スイッチング時の上下のスイッチ間に流れる短絡電流を抑制できる、低損失で高速スイッチング動作可能な高品質のスイッチ回路、およびこのスイッチ回路を適用したインバータおよび電源回路を提供することができる。

実施の形態に係るスイッチ回路およびこのスイッチ回路を適用したインバータの構成図。 実施の形態に係るスイッチ回路のオン・オフ動作を説明するために、（ａ）流れる電流が転流される出力コイルの概略図、（ｂ）上スイッチ回路のオン・オフ動作を示すタイミング図、（ｃ）下スイッチ回路のオン・オフ動作を示すタイミング図。 実施の形態に係るスイッチ回路において、逆電流を下スイッチ回路の逆電圧阻止ダイオードに流す場合を例に説明するためのもので、（ａ）上スイッチ回路のオン・オフ動作を示すタイミング図、（ｂ）上スイッチ回路の逆電圧阻止ダイオードの動作を示すタイミング図、（ｃ）下スイッチ回路の逆電圧阻止ダイオードの動作を示すタイミング図、（ｄ）下スイッチ回路のオン・オフ動作を示すタイミング図。 実施の形態に係るインバータにおけるスイッチ回路の動作を、上下のスイッチ回路をオン・オフ動作させる場合を例に説明するためのもので、（ａ）上スイッチ回路のオン・オフ動作を示すタイミング図、（ｂ）上スイッチ回路の逆電圧阻止ダイオードの動作を示すタイミング図、（ｃ）下スイッチ回路のオン・オフ動作を示すタイミング図、（ｄ）下スイッチ回路の逆電圧阻止ダイオードの動作を示すタイミング図。 実施の形態に係るインバータにおけるスイッチ回路において、（ａ）上スイッチ回路のオン・オフ動作を示すタイミング図、（ｂ）上スイッチ回路の逆電圧阻止ダイオードの動作を示すタイミング図、（ｃ）下スイッチ回路の逆電圧阻止ダイオードの動作を示すタイミング図、（ｄ）下スイッチ回路のオン・オフ動作を示すタイミング図、（ｅ）上下のスイッチ回路をオン・オフ動作させる場合の、上スイッチ回路のオン・オフ動作を示すタイミング図、（ｆ）上下のスイッチ回路をオン・オフ動作させる場合を例に、上スイッチ回路の逆電圧阻止ダイオードの動作を示すタイミング図。 実施の形態に係るスイッチ回路を適用したモータ駆動用の電源回路の構成図。 実施の形態に係るハイサイドスイッチ回路の変形例１の構成図。 実施の形態に係るローサイドスイッチ回路の変形例の構成図。 実施の形態に係るハイサイドスイッチ回路の変形例２の構成図。 実施の形態に係るハイサイドスイッチ回路の変形例３の構成図。

次に、図面を参照して、本実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本実施の形態においては、各構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。

本実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（実施の形態）
（スイッチ回路の基本構成）
本実施の形態に係るハイサイドスイッチ回路（上スイッチ回路）６Ｕ・ローサイドスイッチ回路（下スイッチ回路）６Ｄの構成は、図１に示すように表される。また、本実施の形態に係るハイサイドスイッチ回路６Ｕの変形例１の構成は、図７に示すように表され、本実施の形態に係るローサイドスイッチ回路６Ｄの変形例の構成は、図８に示すように表される。また、本実施の形態に係るハイサイドスイッチ回路６Ｕの変形例２および変形例３の構成は、図９および図１０に示すように表される。

本実施の形態に係る各スイッチ回路６Ｕ・６Ｄは、図１に示すように、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３と、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３に直列接続され、かつ主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３とゲートが共通接続された補助スイッチ素子Ｑ２・Ｑ４と、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３と補助スイッチ素子Ｑ２・Ｑ４との直列回路に並列接続された逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２とを備える。主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３および補助スイッチ素子Ｑ２・Ｑ４には、図１に示すように、それぞれドレイン・ソース間にボディーダイオード（寄生ダイオード）ＢＤ１・ＢＤ３およびボディーダイオード（寄生ダイオード）ＢＤ２・ＢＤ４が内蔵される。

また、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３のソースは、図１に示すように、補助スイッチ素子Ｑ２・Ｑ４のソースに接続されていても良い。

また、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３のソースは、図７および図８に示すように、補助スイッチ素子Ｑ２・Ｑ４のドレインに接続されていても良い。

また、図９に示すように、補助スイッチ素子Ｑ２に直列に接続された追加補助スイッチ素子ＱＥを備えていても良い。ここで、図９に示すように、追加補助スイッチ素子ＱＥのドレイン・ソース間には、ボディーダイオード（寄生ダイオード）ＢＤＥが内蔵される。

また、図１０に示すように、補助スイッチ素子Ｑ２に直列に接続された追加補助スイッチ素子ＱＥ₁ ・…・ＱＥ_n を備えていても良い。すなわち、追加補助スイッチ素子ＱＥは、複数個直列構成に配置されていても良い。ここで、図１０に示すように、追加補助スイッチ素子ＱＥ₁ ・…・ＱＥ_nのそれぞれのドレイン・ソース間には、ボディーダイオード（寄生ダイオード）ＢＤＥ₁ ・…・ＢＤＥ_n が内蔵される。

本実施の形態に係るハイサイドスイッチ回路６Ｕにおいては、主スイッチ素子Ｑ１に対して、スイッチングの際（オン・オフ時）の転流時に発生する短絡電流を抑制するための補助スイッチ素子Ｑ２を直列に接続している。

同様に、本実施の形態に係るローサイドスイッチ回路６Ｄにおいては、主スイッチ素子Ｑ３に対して、スイッチングの際（オン・オフ時）の転流時に発生する短絡電流を抑制するための補助スイッチ素子Ｑ４を直列に接続している。

主スイッチ素子Ｑ１と補助スイッチ素子Ｑ２との直列回路に対して並列に高速動作可能な逆電圧阻止ダイオードＤ１を接続することで、主スイッチ素子Ｑ１の寄生ダイオードであるボディーダイオードＢＤ１の蓄積効果による短絡電流を抑制して、低損失で高速スイッチング動作可能なハイサイドスイッチ回路６Ｕが得られる。

同様に、主スイッチ素子Ｑ３と補助スイッチ素子Ｑ４との直列回路に対して並列に高速動作可能な逆電圧阻止ダイオードＤ２を接続することで、主スイッチ素子Ｑ３の寄生ダイオードであるボディーダイオードＢＤ３の蓄積効果による短絡電流を抑制して、低損失で高速スイッチング動作可能なローサイドスイッチ回路６Ｄが得られる。

ここで、通常の電流は、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３と補助スイッチ素子Ｑ２・Ｑ４とを介して導通し、逆電流は、並列に接続された逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２を介して導通する。よって、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３のボディーダイオードＢＤ１・ＢＤ３には、逆電流が導通することが抑制されるため、低損失で高速スイッチング動作可能な高品質のスイッチ回路６Ｕ・６Ｄを提供することができる。

このように、ハイサイドスイッチ回路６Ｕおよびローサイドスイッチ回路６Ｄは、逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２によって、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３の寄生ダイオードであるボディーダイオードＢＤ１・ＢＤ３の蓄積効果による短絡電流を抑制することができるので、その結果として、スイッチ回路６Ｕ・６Ｄを直列接続した場合におけるスイッチング時の上下のスイッチ回路６Ｕ・６Ｄ間に流れる短絡電流を抑制可能である。

すなわち、本実施の形態に係るスイッチ回路６Ｕ・６Ｄによれば、各々の主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３の逆電流は、逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２によって、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３のボディーダイオードＢＤ１・ＢＤ３を導通することが抑制される。このため、スイッチ回路６Ｕ・６Ｄのオン・オフ時、ボディーダイオードＢＤ１・ＢＤ３の蓄積効果による短絡電流が抑制されるので、ハイサイド・ローサイドスイッチ回路６Ｕ・６Ｄ間の短絡電流による電力損失および電力変換効率の低下を抑制することができ、高品質の直流交流変換装置（直交変換回路）用のスイッチ回路６Ｕ・６Ｄとすることができる。

なお、補助スイッチ素子Ｑ２・Ｑ４の耐圧は、逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２のＶＦ（順方向電圧）値以上であれば充分である。このため、補助スイッチ素子Ｑ２・Ｑ４は、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３に比較して相対的に小型化可能である。

このように、本実施の形態に係るスイッチ回路６Ｕ・６Ｄを適用すれば、複数のスイッチ回路を有するブリッジ方式のスイッチ回路や、ハーフブリッジ方式の直交スイッチ回路などにおいて、簡単な回路構成で、スイッチ素子の寄生ダイオードの蓄積効果による転流時の無効電流（短絡電流）を抑制することができる。

（スイッチ回路の基本動作）
ここで、スイッチ回路６Ｕ・６Ｄのスイッチング時のオン・オフ動作によって、出力コイルＬに流れる電流の転流について説明する。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、スイッチ回路６Ｕ・６Ｄのオン・オフ動作によって、出力コイルＬに流れる電流の向きを切り替える場合の例を示すものである。

図２（ａ）に示すように、出力コイルＬに図示矢印Ａ方向の向きの電流を流す場合、図２（ｂ）に示すように、スイッチ回路６Ｕがオンされ、図２（ｃ）に示すように、スイッチ回路６Ｄがオフされる。

逆に、図２（ａ）に示すように、出力コイルＬに図示矢印Ｂ方向の向きの電流を流す場合、図２（ｂ）に示すように、スイッチ回路６Ｕがオフされ、図２（ｃ）に示すように、スイッチ回路６Ｄがオンされる。

このように、出力コイルＬに流れる電流は、スイッチ回路６Ｕ・６Ｄのオン・オフを切り替え制御することによって転流させることが可能であり、転流を繰り返しながら流れ続ける。

また、図３（ａ）〜図３（ｄ）には、電流を図示矢印Ａ方向または図示矢印Ｂ方向のいずれか一方にのみ流すようにした場合における、逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２の動作の例として、電流を図示矢印Ａ方向に流すようにした場合の逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２の動作が示されている。

図３（ａ）〜図３（ｄ）に示すように、ハイサイドスイッチ回路６Ｕがオン（ローサイドスイッチ回路６Ｄのローサイド主スイッチ素子Ｑ３およびローサイド補助スイッチ素子Ｑ４はオフのまま）のとき、電流は、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１およびハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２を流れ、逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２には流れない。

ところが、ハイサイドスイッチ回路６Ｕがオフ（ローサイド主スイッチ素子Ｑ３およびローサイド補助スイッチ素子Ｑ４はオフのまま）になると、電流は、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１・ハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２および逆電圧阻止ダイオードＤ１には流れないが、逆電流となって逆電圧阻止ダイオードＤ２を流れるようになる。

つまり、ハイサイドスイッチ回路６Ｕがオンからオフに切り替わると、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１の逆電流が逆電圧阻止ダイオードＤ２に流れ、これにより、逆電流がローサイドスイッチ回路６Ｄのローサイド主スイッチ素子Ｑ３およびローサイド補助スイッチ素子Ｑ４のボディーダイオードＢＤ３・ＢＤ４を導通するのを抑制できる。

したがって、ハイサイドスイッチ回路６Ｕをオンからオフおよびオフからオンに切り替えるスイッチングの際には、意図的に逆電流を逆電圧阻止ダイオードＤ２へ流すように制御することにより、ローサイドスイッチ回路６Ｄのローサイド主スイッチ素子Ｑ３およびローサイド補助スイッチ素子Ｑ４が逆電流の導通により発熱したりするのを防止できる。

（インバータの基本構成）
本実施の形態に係るスイッチ回路６Ｕ・６Ｄを適用したインバータ８の構成は、図１に示すように表される。図１には、スイッチ回路６Ｕ・６Ｄを適用したハーフブリッジ回路構成のスイッチ回路ブロック１７・１８が示されている。スイッチ回路ブロック１８は、スイッチ回路ブロック１７と同様の構成を備える。

本実施の形態に係るインバータ８において、スイッチ回路ブロック１７は、図１に示すように、ハイサイドスイッチ回路６Ｕとローサイドスイッチ回路６Ｄとを備え、ハイサイドスイッチ回路６Ｕとローサイドスイッチ回路６Ｄとは直列接続されると共に、直流電源Ｅ間に並列接続され、ハイサイドスイッチ回路６Ｕとローサイドスイッチ回路６Ｄとの接続点から負荷１５に交流電力が供給可能である。

ハイサイドスイッチ回路６Ｕは、図１に示すように、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１と、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１に直列接続され、かつハイサイド主スイッチ素子Ｑ１とゲートが共通接続されたハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２と、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１とハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２との直列回路に並列接続されたハイサイド逆電圧阻止ダイオードＤ１とを備える。

同様に、ローサイドスイッチ回路６Ｄは、図１に示すように、ローサイド主スイッチ素子Ｑ３と、ローサイド主スイッチ素子Ｑ３に直列接続され、かつローサイド主スイッチ素子Ｑ３とゲートが共通接続されたローサイド補助スイッチ素子Ｑ４と、ローサイド主スイッチ素子Ｑ３とローサイド補助スイッチ素子Ｑ４との直列回路に並列接続されたローサイド逆電圧阻止ダイオードＤ２とを備える。

ここで、図１に示すように、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１のソースは、ハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２のソースに接続され、ローサイド主スイッチ素子Ｑ３のソースは、ローサイド補助スイッチ素子Ｑ４のソースに接続されていても良い。

また、図７および図８と同様に、ハイサイドスイッチ回路６Ｕにおいて、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１のソースは、ハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２のドレインに接続され、ローサイドスイッチ回路６Ｄにおいて、ローサイド主スイッチ素子Ｑ３のソースは、ローサイド補助スイッチ素子Ｑ４のドレインに接続されていても良い。

また、図９および図１０と同様に、ハイサイドスイッチ回路６Ｕにおいて、ハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２に直列に接続された追加補助スイッチ素子ＱＥを備えていても良く、この追加補助スイッチ素子ＱＥは、複数個直列に配置されていても良い。図示していないが、ローサイドスイッチ回路６Ｄの場合も同様である。

本実施の形態に係るスイッチ回路６Ｕ・６Ｄを適用したインバータ８は、図１に示すように、ハイサイドスイッチ（ゲート）ドライブ回路２と、ローサイドスイッチ（ゲート）ドライブ回路４と、制御回路２０とを備えていても良い。

ここで、ハイサイドスイッチドライブ回路２は、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１およびハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２の各ゲートに接続され、ローサイドスイッチドライブ回路４は、ローサイド主スイッチ素子Ｑ３およびローサイド補助スイッチ素子Ｑ４の各ゲートに接続される。

制御回路２０は、ハイサイドスイッチドライブ回路２とローサイドスイッチドライブ回路４とに接続され、ハイサイドスイッチ回路６Ｕおよびローサイドスイッチ回路６Ｄを制御可能である。

ハイサイドスイッチ回路６Ｕとローサイドスイッチ回路６Ｄとの接続点は、出力コイルＬと平均化用のコンデンサＣからなるローパスフィルタを介して負荷１５に接続され、負荷１５に交流電力が供給可能である。

スイッチ回路ブロック１７・１８は、スイッチ回路６Ｕ・６Ｄを適用したハーフブリッジ回路を備え、このハーフブリッジ回路の出力は負荷１５に接続されて、図１に示すように、全体としてフルブリッジ回路のインバータ８が構成されている。

本実施の形態に係るスイッチ回路６Ｕ・６Ｄを適用したインバータ８によれば、簡単な回路構成で、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３の寄生ダイオードＢＤ１・ＢＤ３の蓄積効果による転流時の無効電流（短絡電流）を抑制することができるので、オン・オフ時の上下のスイッチ回路６Ｕ・６Ｄ間の短絡電流による電力損失および電力変換効率の低下を抑制することができ、高品質のインバータ８とすることができる。

（インバータにおけるスイッチ回路の基本動作）
図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、制御回路２０によってハイサイドスイッチドライブ回路２がオンされると、ハイサイドスイッチ回路６Ｕがオンとなり、電流は、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１およびハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２を通って負荷１５へと流れる。

一方、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、ローサイドスイッチ回路６Ｄをオンさせる際には、制御回路２０によってハイサイドスイッチドライブ回路２をオフさせて、ハイサイドスイッチ回路６Ｕをオフさせるが、所定時間が経過するまでの間、制御回路２０によってローサイドスイッチドライブ回路４をオフさせたままとし、ローサイドスイッチ回路６Ｄをオンさせるタイミングを所定時間の分だけ遅らせる。

ここで、上記の所定時間とは、例えば主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３の寄生ダイオードＢＤ１・ＢＤ３が遮断するまでの時間である。

これにより、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、ローサイドスイッチ回路６Ｄがオンするまでの間、逆電流は逆電圧阻止ダイオードＤ２に流れ、この逆電流が流れることによって、ローサイド主スイッチ素子Ｑ３およびローサイド補助スイッチ素子Ｑ４が発熱したりするのを防止できる。

そして、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、所定時間が経過した後、制御回路２０によってローサイドスイッチドライブ回路４がオンされることにより、ローサイドスイッチ回路６Ｄがオンとなり、電流は、負荷１５を通ってローサイド主スイッチ素子Ｑ３およびローサイド補助スイッチ素子Ｑ４へと流れる。

同様に、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、ハイサイドスイッチ回路６Ｕをオンさせる際には、制御回路２０によってローサイドスイッチドライブ回路４をオフさせて、ローサイドスイッチ回路６Ｄをオフさせるが、ハイサイドスイッチ回路６Ｕをオンさせるよりも所定時間だけ早く、制御回路２０によってローサイドスイッチドライブ回路４をオフさせることにより、ローサイドスイッチ回路６Ｄをオフさせるタイミングを所定時間の分だけ早くする。

これにより、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、ハイサイドスイッチ回路６Ｕがオンするまでの間、逆電流は逆電圧阻止ダイオードＤ２に流れ、この逆電流が流れることによって、ローサイド主スイッチ素子Ｑ３およびローサイド補助スイッチ素子Ｑ４が発熱したりするのを防止できる。

また、図５（ａ）〜図５（ｄ）には、電流を図示矢印Ａ方向または図示矢印Ｂ方向のいずれか一方にのみ流すようにした場合における、逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２の動作の例として、電流を図示矢印Ｂ方向に流すようにした場合の逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２の動作が示されている。

図５（ａ）〜図５（ｄ）に示すように、ローサイドスイッチ回路６Ｄがオン（ハイサイドスイッチ回路６Ｕのハイサイド主スイッチ素子Ｑ１およびハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２はオフのまま）のとき、電流は、ローサイド主スイッチ素子Ｑ３およびローサイド補助スイッチ素子Ｑ４を流れ、逆電圧阻止ダイオードＤ１・Ｄ２には流れない。

ところが、ローサイドスイッチ回路６Ｄがオフ（ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１およびハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２はオフのまま）になると、電流は、ローサイド主スイッチ素子Ｑ３・ローサイド補助スイッチ素子Ｑ４および逆電圧阻止ダイオードＤ２には流れないが、逆電流となって逆電圧阻止ダイオードＤ１を流れるようになる。

つまり、ローサイドスイッチ回路６Ｄがオンからオフに切り替わると、ローサイド主スイッチ素子Ｑ３の逆電流が逆電圧阻止ダイオードＤ１に流れ、これにより、逆電流がハイサイドスイッチ回路６Ｕのハイサイド主スイッチ素子Ｑ１およびハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２のボディーダイオードＢＤ１・ＢＤ２を導通するのを抑制できる。

したがって、ローサイドスイッチ回路６Ｄをオンからオフおよびオフからオンに切り替えるスイッチングの際には、意図的に逆電流を逆電圧阻止ダイオードＤ１へ流すように制御することにより、ハイサイドスイッチ回路６Ｕのハイサイド主スイッチ素子Ｑ１およびハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２が逆電流の導通により発熱したりするのを防止できる。

すなわち、図５（ｅ）および図５（ｆ）に示すように、ハイサイドスイッチ回路６Ｕをオンさせる際には、所定時間が経過するまでの間、制御回路２０によってハイサイドスイッチドライブ回路２をオフさせたままとし、ハイサイドスイッチ回路６Ｕをオンさせるタイミングを所定時間の分だけ遅らせるようにしても良い。これにより、ハイサイドスイッチ回路６Ｕがオンするまでの間、流れる逆電流を逆電圧阻止ダイオードＤ１へと導くことによって、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１およびハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２が発熱したりするのを防止できる。

同様に、図５（ｅ）〜図５（ｆ）に示すように、ローサイドスイッチ回路６Ｄをオンさせる際には、制御回路２０によってハイサイドスイッチドライブ回路２をオフさせて、ハイサイドスイッチ回路６Ｕをオフさせるが、ローサイドスイッチ回路６Ｄをオンさせるよりも所定時間だけ早く、制御回路２０によってハイサイドスイッチドライブ回路２をオフさせることにより、ハイサイドスイッチ回路６Ｕをオフさせるタイミングを所定時間の分だけ遅くする。

これにより、図５（ｅ）〜図５（ｆ）に示すように、ローサイドスイッチ回路６Ｄがオンするまでの間、逆電流は逆電圧阻止ダイオードＤ１に流れ、この逆電流が流れることによって、ハイサイド主スイッチ素子Ｑ１およびハイサイド補助スイッチ素子Ｑ２が発熱したりするのを防止できる。

このように、ハイサイドスイッチ回路６Ｕをオンからオフおよびオフからオンに切り替えるスイッチングの際には、意図的に逆電流を逆電圧阻止ダイオードＤ２へ流すように制御することにより、ローサイドスイッチ回路６Ｄのローサイド主スイッチ素子Ｑ３およびローサイド補助スイッチ素子Ｑ４が逆電流の導通により発熱したりするのを防止できる。

（モータ電源）
本実施の形態に係るスイッチ回路６Ｕ・６Ｄを適用したモータ駆動用の電源回路１０は、図６に示すように表される。

図６には、スイッチ回路６Ｕ・６Ｄを適用したハーフブリッジ回路構成のスイッチ回路ブロック１７Ｍ・１８Ｍ・１９Ｍが示されている。スイッチ回路ブロック１８Ｍ・１９Ｍは、スイッチ回路ブロック１７Ｍと同様の構成を備える。

ハイサイドスイッチ回路６Ｕとローサイドスイッチ回路６Ｄとの接続点は、モータ（Ｍ）１６に接続され、モータ１６に３相交流電力が供給可能である。

スイッチ回路ブロック１７Ｍ・１８Ｍ・１９Ｍは、スイッチ回路６Ｕ・６Ｄを適用したハーフブリッジ回路を備え、このハーフブリッジ回路の出力はモータ（Ｍ）１６に接続され、図６に示すように、全体としてモータ駆動用の電源回路１０が構成されている。

また、直流電源Ｅには、モータ駆動用の電源回路１０の導通電流を検出するための電流検出素子２２を接続しても良い。

その他の構成は、図１のインバータ８と同様であるため、重複説明は省略する。

本実施の形態に係るスイッチ回路６Ｕ・６Ｄを適用したモータ駆動用の電源回路１０によれば、簡単な回路構成で、主スイッチ素子Ｑ１・Ｑ３の寄生ダイオードＢＤ１・ＢＤ３の蓄積効果による転流時の無効電流（短絡電流）を抑制することができるので、オン・オフ時の上下のスイッチ回路６Ｕ・６Ｄ間の短絡電流による電力損失および電力変換効率の低下を抑制することができ、高品質の電源回路１０とすることができる。

（電子機器）
本実施の形態に係るスイッチ回路６Ｕ・６Ｄを適用した電源回路としては、ブリッジ方式のスイッチ回路やハーフブリッジ方式の直交スイッチ回路などの、直流電圧から交流電圧を発生させる直交変換回路などが構成可能であり、様々な電子機器に内蔵可能である。電子機器としては、例えば、スマートホン、ラップトップＰＣ、タブレットＰＣ、モニタもしくはＴＶ、外部ハードディスクドライブ、セットトップボックス、掃除機、冷蔵庫、洗濯機、電話器、ファクシミリ、プリンタ、レーザディスプレイ、通信機器、サーバなどがあげられる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、スイッチング時の上下のスイッチ間に流れる短絡電流を抑制できる、低損失で高速スイッチング動作可能な高品質のスイッチ回路、およびこのスイッチ回路を適用したインバータおよび電源回路を提供することができる。

[その他の実施の形態]
上記のように、本実施の形態について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、実施の各形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。

本実施の形態に係るスイッチ回路は、ブリッジ方式のスイッチ回路や、ハーフブリッジ方式の直交スイッチ回路など、直流電圧から交流電圧を発生させる直交変換回路、家電機器、モバイル機器など幅広い分野に適用可能である。

２、４…スイッチドライブ回路
６Ｕ、６Ｄ…スイッチ回路
８…インバータ
１０…モータ駆動用の電源回路
１５…負荷
１６…モータ（Ｍ）
１７、１７Ｍ、１８、１８Ｍ、１９Ｍ…スイッチ回路ブロック
２０…制御回路
２２…電流検出素子
Ｅ…直流電源
Ｑ１、Ｑ３…主スイッチ素子
Ｑ２、Ｑ４…補助スイッチ素子
Ｄ１、Ｄ２…逆電圧阻止ダイオード
Ｌ…出力コイル
Ｃ…コンデンサ
ＢＤ１、ＢＤ２、ＢＤ３、ＢＤ４、ＢＤＥ、ＢＤＥ₁ 、…、ＢＤＥ_n …ボディーダイオード
ＱＥ、ＱＥ₁ 、…、ＱＥ_n …追加補助スイッチ素子

Claims (14)

1. 主スイッチ素子と、
   前記主スイッチ素子に直列接続され、かつ前記主スイッチ素子とゲートが共通接続された補助スイッチ素子と、
   前記主スイッチ素子と前記補助スイッチ素子との直列回路に並列接続された逆電圧阻止ダイオードとを備えることを特徴とするスイッチ回路。
2. 前記主スイッチ素子のソースは、前記補助スイッチ素子のソースに接続されたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ回路。
3. 前記主スイッチ素子のソースは、前記補助スイッチ素子のドレインに接続されたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ回路。
4. 前記補助スイッチ素子に直列に接続された追加補助スイッチ素子を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスイッチ回路。
5. 前記追加補助スイッチ素子は、複数であることを特徴とする請求項４に記載のスイッチ回路。
6. ハイサイド主スイッチ素子と、前記ハイサイド主スイッチ素子に直列接続され、かつ前記ハイサイド主スイッチ素子とゲートが共通接続されたハイサイド補助スイッチ素子と、前記ハイサイド主スイッチ素子と前記ハイサイド補助スイッチ素子との直列回路に並列接続されたハイサイド逆電圧阻止ダイオードとを有するハイサイドスイッチ回路と、
   ローサイド主スイッチ素子と、前記ローサイド主スイッチ素子に直列接続され、かつ前記ローサイド主スイッチ素子とゲートが共通接続されたローサイド補助スイッチ素子と、前記ローサイド主スイッチ素子と前記ローサイド補助スイッチ素子との直列回路に並列接続されたローサイド逆電圧阻止ダイオードとを有するローサイドスイッチ回路と
   を備え、
   前記ハイサイドスイッチ回路と前記ローサイドスイッチ回路とは直列接続されると共に、直流電圧間に並列接続され、前記ハイサイドスイッチ回路と前記ローサイドスイッチ回路との接続点から負荷に交流電力が供給可能であることを特徴とするインバータ。
7. 前記ハイサイド主スイッチ素子のソースは、前記ハイサイド補助スイッチ素子のソースに接続され、前記ローサイド主スイッチ素子のソースは、前記ローサイド補助スイッチ素子のソースに接続されたことを特徴とする請求項６に記載のインバータ。
8. 前記ハイサイド主スイッチ素子のソースは、前記ハイサイド補助スイッチ素子のドレインに接続され、前記ローサイド主スイッチ素子のソースは、前記ローサイド補助スイッチ素子のドレインに接続されたことを特徴とする請求項６に記載のインバータ。
9. 前記補助スイッチ素子に直列に接続された追加補助スイッチ素子を備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のインバータ。
10. 前記追加補助スイッチ素子は、複数であることを特徴とする請求項９に記載のインバータ。
11. 前記ハイサイド主スイッチ素子および前記ハイサイド補助スイッチ素子の各ゲートに接続されたハイサイドスイッチドライブ回路と、
    前記ローサイド主スイッチ素子および前記ローサイド補助スイッチ素子の各ゲートに接続されたローサイドスイッチドライブ回路と、
    前記ハイサイドスイッチドライブ回路と前記ローサイドスイッチドライブ回路とに接続され、前記ハイサイドスイッチ回路および前記ローサイドスイッチ回路を制御する制御回路と
    を備えることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載のインバータ。
12. 請求項１１に記載のインバータを備えることを特徴とするフルブリッジ構成のインバータ。
13. 請求項１１に記載のインバータを備え、
    前記負荷としてのモータを備えることを特徴とするモータ駆動用の電源回路。
14. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のスイッチ回路を搭載したことを特徴とする電源回路。

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