JP2017521982A - 動的タイミングでの多ステージゲートオフ切り替え - Google Patents

Abstract

電力半導体スイッチをオフに切り替える回路が、電力半導体スイッチの制御端子における、電力半導体スイッチをオフに切り替える信号をスイッチングするように接続されたオフ切り替えトランジスタと、オフ切り替え中に電力半導体スイッチの制御端子における電圧を制御するフィードバック制御ループと、を含む。フィードバックループが、電力半導体スイッチの制御端子の電圧の測定結果をフィードバックするフィードバック経路と、時間依存基準電圧を生成する制御端子基準電圧生成器と、制御端子の電圧と時間依存基準電圧との間の差分を表すエラー信号を生成するエラー増幅器と、オフ切り替えトランジスタにより電力半導体スイッチの制御端子における電力半導体スイッチをオフに切り替える信号のスイッチングを制御するエラー信号を前方に伝達するフォワード経路と、を含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、発明の名称を「動的タイミングでの多ステージゲートオフ切り替え」とする２０１４年７月０９日に出願された米国仮特許出願第６２／０２２，３０４号の優先権を主張する。

本出願は、発明の名称を「動的タイミングでの多ステージゲートオフ切り替え」とする２０１５年６月１９日に出願された米国特許出願第１４／７４４，８６２号の優先権を主張する。

本発明は、半導体スイッチのオフ切り替え回路と、半導体スイッチのオフ切り替え回路とアクティブクランプ回路とを備えるシステムと、半導体スイッチをオフに切り替える方法に関する。

短絡状態及び／または過電流状態が発生した場合に半導体スイッチ（及び、特に電力半導体スイッチ）をオフに切り替えるいくつかの方法がよく知られている。一例において、半導体スイッチの制御入力（例えば、ゲート端子）は、第１の抵抗と第２の抵抗とに接続され得、第１の抵抗は、通常動作中、半導体スイッチの制御入力を基準電位（例えば、半導体スイッチのエミッタ電圧）に接続することにより、半導体スイッチをオフに切り替えるように配置されている。短絡及び／または過電流状態が発生すると、より大きな第２の抵抗が、この時点で、半導体スイッチの制御入力と基準電位との間に接続され得る。その結果、半導体スイッチの制御入力を放電する電流が低減する。半導体スイッチの制御入力における電圧が、通常動作中より低速で低減される。従って、半導体スイッチの出力における負荷に加わる寄生インダクタンスによって定まる、半導体スイッチ内の危険な過電圧状態をもたらし得る過度に急激なオフ切り替え動作を防止することができる。

半導体スイッチの第１のオフ切り替え回路は、可変抵抗を有する要素であって、当該要素が、半導体スイッチの制御入力に接続されている、当該要素と、制御入力基準信号を生成する回路と、半導体スイッチをオフに切り替えるため閉制御ループ内で制御入力基準信号に応答して可変抵抗を有する要素の抵抗を調節するように設計された制御回路とを備える。

閉制御ループ内での可変抵抗を有する要素の調整は、様々な異なる半導体スイッチで満足のゆく結果を達成する動的オフ切り替え回路を提供することを可能にする。半導体スイッチの制御入力（例えば、ゲート入力を通る）を通る電流は、可変抵抗を有する要素の調節された抵抗を介して調節され得るので、オフ切り替え回路は、それぞれの半導体スイッチに動的に適合することが可能である。従来の引用文献でのいくつかのオフ切り替え回路において、制御入力電圧の満足のゆく波形を確実にするため、異なる半導体スイッチに対して異なる構成要素を使用する必要がある。例えば、上記の例において、異なる種類の半導体スイッチに対して異なる寸法の抵抗を使用することが示され得る。この適合が発生しない場合、短絡状態がより長く続くこと（抵抗が必要より大きい場合）、または、半導体スイッチの出力における負荷にかかる電圧が十分に低減されないことが発生し得る。他のより複雑なオフ切り替え回路は、より多くの、及び／または、高価な構成要素を必要とする。

半導体スイッチの第２のオフ切り替え回路は、可変抵抗を有する要素であって、が半導体スイッチの制御入力に接続されている、当該要素と、半導体スイッチの制御入力電圧または対応する制御入力電流におけるミラープラトーの終端を検出するように設計された検出回路と、半導体スイッチの制御入力に現れる電圧がミラープラトーの終端の後、所定の速度で低減されるような方法で、可変抵抗を有する要素の抵抗値を制御するように設計された制御回路と、を備える。

半導体スイッチのオフ切り替え波形をミラープラトーの終端の検出に結び付けることにより、第２のオフ切り替え回路は、同様に異なる半導体スイッチに動的に適合され得る。ミラープラトー（すなわち、半導体スイッチの制御入力と半導体スイッチのソース、エミッタまたはカソード入力との間の電圧が実質的に一定に留まるように、制御入力を通る全電流が制御入力と半導体スイッチのドレイン入力、コレクタ入力またはアノード入力との間の寄生容量の充電に実質的に寄与する領域）は、異なる半導体スイッチに対して（多くの場合、幅広い温度と工程パラメータに対してさえ）、同様の電圧範囲内であり得る。例えば、多くのＩＧＢＴにおいて、ミラープラトーは、９．５ボルトから１１．５ボルトの間であり得る。さらに、ミラープラトーの終端は、短絡及び／または過電流が発生した場合に半導体スイッチのドレイン電流、コレクタ電流またはアノード電流が、安全なレベルまで低減される時間を示し得、その一方で、オフ切り替え動作の継続は、半導体スイッチの出力にかかる高い過電圧をもたらさない場合があり得る。従って、半導体スイッチのオフ切り替え特性における変化に対する有益な動的スイッチング点が選択され得る。

第１の実施形態において、半導体スイッチのオフ切り替え回路は、可変抵抗を有する要素であって、当該要素が半導体スイッチの制御入力に接続されている、当該要素と、制御入力基準信号を生成する回路と、半導体スイッチをオフに切り替えるため閉制御ループ内で制御入力基準信号に応答して可変抵抗を有する要素の抵抗を調節するように設計された制御回路と、を含む。

このオフ切り替え回路は、以下の特徴の１つ以上をもち得る。例えば、可変抵抗を有する要素は、半導体スイッチである。さらなる例において、可変抵抗を有する要素は、ＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチである。さらに、可変抵抗を有する要素の可変抵抗は、半導体スイッチのドレイン、アノードまたはコレクタ端子とソース、カソードまたはエミッタ端子との間に形成されている。さらに、可変抵抗を有する要素は、さらなる抵抗半導体スイッチの制御入力と基準電位との間に直列に接続されている。例えば、制御入力基準信号は、第１の速度での第１の低減と、実質的に一定の信号レベルである領域と、第２の速度での第２の低減とを伴う。他の例として、第２の速度は、第１の速度より大きい。さらに、第１速度と第２の速度とは、時間的に変化する。さらなる例において、オフ切り替え回路は、半導体スイッチの制御入力電圧または制御入力電流におけるミラープラトーの終端を検出するように設計された検出回路をさらに含み、制御入力基準信号を生成する回路は、所定の速度でのミラープラトーの終端の検出に応答して、制御入力基準信号のレベルを低減するように設計されている。さらに、ミラープラトーの終端は、可変抵抗を有する要素の制御入力における電圧に基づいて検出される。さらに、ミラープラトーの終端は、可変抵抗を有する要素の制御入力における電圧が、所定の信号レベル未満に立ち下がったときに検出される。例えば、所定の信号レベルは、可変抵抗を有する要素の予定ゲート閾値電圧の５０％から１５０％の範囲にある。他の例において、所定の信号レベルは、０．３から２ボルトの範囲にある。さらに、所定の信号レベルは、可変抵抗を有する要素と同じ技術に基づいて、基準電流によって、及び第２の要素によって決定される。場合によっては、第２の要素の面積またはゲート幅は、可変抵抗を有する要素の領域またはゲート幅のＫ倍であり、基準電流は、ミラープラトーの終端に対して設計されている可変抵抗を有する要素の出力電流の閾値のＫ倍であるように選択される。例えば、基準電流は、可変抵抗を有する第２の要素の制御入力、特にゲートと、可変抵抗を有する第２の要素の出力、特にドレインとに接続されている。さらに、基準電流は、１００マイクロアンペア未満であるように選択され、Ｋは、１％未満であるように選択される。場合によっては、ミラープラトーの終端に達する前における制御入力基準信号のレベルは、実質的に一定であり、ミラープラトーの終端の検出に応答して、制御入力基準信号の信号レベルは、所定の速度で低減される。さらに、オフ切り替え回路は、半導体スイッチの制御入力における電圧を検出する回路をさらに備える。他の例と同様に、制御回路は、制御入力基準信号と半導体スイッチの制御入力における電圧とに応答して、可変抵抗を有する要素の抵抗を調節するように設計されている。さらに、制御回路は、制御入力基準信号を半導体スイッチの制御入力における電圧と比較するため第１の比較回路を備える。例えば、第１の比較回路の出力に応答して、可変抵抗を有する要素に対する制御信号を生成する回路である。例えば、制御信号を生成する回路は、第１の比較回路の出力と半導体スイッチの異常状態を示す異常信号との比較に応答して、可変抵抗を有する要素に対する制御信号を生成するように設計された第２の比較回路を備える。さらに、オフ切り替え回路は、半導体スイッチの異常状態を示す異常信号を受信するように設計されている。さらに、半導体スイッチの異常状態は、短絡状態及び／または過電流状態である。他の例において、半導体スイッチは、電力半導体スイッチである。さらなる例として、電力半導体スイッチは、ＩＧＢＴ、ＩＥＧＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、または電力バイポーラトランジスタである。場合によっては、オフ切り替え回路は、アクティブクランプ回路をさらに備える。例えば、ミラープラトーの終端は、可変抵抗を有する要素にかかる電圧に基づいて検出される。さらに、ミラープラトーの終端は、半導体スイッチの制御入力における電流に基づいて検出される。さらに、ミラープラトーの終端は、半導体スイッチにかかる電圧に基づいて検出される。場合によっては、ミラープラトーの終端は、半導体スイッチを通る有用電流に基づいて検出される。例えば、制御回路は、制御入力基準信号と、可変抵抗を有する要素にかかる電圧、半導体スイッチの制御入力における電流、半導体スイッチにかかる電圧、または半導体スイッチを通る有用電流とに基づいて、可変抵抗を有する要素の抵抗を検出するように設計されている。他の例において、制御入力基準信号を生成する回路は、２つ以上の電流源とキャパシタンスとを備え、キャパシタンスは、異常が発生した場合に２つ以上の電流源から放電されるように配置されている。さらに、キャパシタンスは、半導体スイッチのオン切り替え動作後、所定の電圧に接続される。さらに、２つ以上の電流源のうちの第１のものは、ミラープラトーの終端が検出された時点の後、キャパシタンスを放電するように設計されている。場合によっては、２つ以上の電流源のうちの第２のものは、キャパシタンスに閾値電圧がかかる時点までキャパシタンスを放電するように設計されている。例えば、オフ切り替え回路は、無効化信号に応答して、制御回路が制御入力基準信号に応答して可変抵抗を有する要素の抵抗を調節することを防止する、無効化回路をさらに備える。

第２の実施形態において、オフ切り替えシステムは、第１の実施形態のオフ切り替え回路の１つと、オフ切り替え回路の１つ以上の特徴と、半導体スイッチの出力電圧を所定の閾値電圧未満に維持するために必要な程度まで、半導体スイッチの駆動回路の出力電圧を能動的に増加させるように設計されたアクティブクランプ回路と、選択信号に応答して、異常が発生した場合に半導体スイッチをオフに切り替えるためオフ切り替え回路とアクティブクランプ回路とのいずれかを有効化する選択回路と、を含む。

オフ切り替えシステムは、以下の特徴の１つ以上をもち得る。例えば、アクティブクランプ回路の出力は、可変抵抗を有する要素の制御入力に接続されている。さらに、アクティブクランプ回路は、可変抵抗を有する要素の制御入力と半導体スイッチのソース入力、コレクタ入力またはカソード入力との間の電圧が、所定の閾値電圧に近づいたとき、可変抵抗を有する要素の制御入力における電圧を低減する。さらに、オフ切り替えシステムは、アクティブクランプ回路が有効化された場合に、可変抵抗を有する要素の制御入力に対する制御入力基準信号の結合が防止されるように設計されている。

第３の実施形態において、半導体スイッチのオフ切り替え回路は、可変抵抗を有する要素であって、当該要素が半導体スイッチの制御入力に接続されている、当該要素と、半導体スイッチの制御入力電圧または制御入力電流におけるミラープラトーの終端を検出するように設計された検出回路と、半導体スイッチの制御入力に現れる電圧が、ミラープラトーの終端後に所定の速度で低減されるような方法で可変抵抗を有する要素の抵抗値を制御するように設計された制御回路とを含む。

オフ切り替え回路は、以下の特徴の１つ以上をもち得る。例えば、ミラープラトーの終端は、可変抵抗を有する要素の制御入力における電圧に基づいて検出される。場合によっては、ミラープラトーの終端は、可変抵抗を有する要素の制御入力における電圧が所定の信号レベル未満に立ち下がったときに検出される。さらに、所定の信号レベルは、可変抵抗を有する要素の予定ゲート閾値電圧の５０％から１５０％の範囲にある。さらに、所定の信号レベルは、０．３から２ボルトの間である。例えば、ミラープラトーの終端に達する前における制御入力基準信号のレベルは、実質的に一定であり、ミラープラトーの終端の検出に応答して、制御入力基準信号の信号レベルは低減される。

第４の実施形態において、半導体スイッチをオフに切り替える方法は、制御入力基準信号を生成することと、可変抵抗を有する要素の抵抗を調節することとを含み、閉制御ループ内で制御入力基準信号に応答してその要素が半導体スイッチの制御入力に接続される。

第５の実施形態において、電力スイッチを制御するためにスイッチ制御装置において使用する駆動回路は、オン信号を受信するように接続されたオン状態駆動装置であって、オン状態駆動装置が、オン信号に応答して、第１の制御信号を出力して電力スイッチをオンに切り替え、第１の制御信号が、高閾値に実質的に等しい、当該オン状態駆動装置と、オフ信号を受信するように接続されたオフ状態駆動装置であって、当該オフ状態駆動装置が、オフ信号に応答して、第１の制御信号を出力して電力スイッチをオフに切り替え、第１の制御信号が低閾値に実質的に等しい、当該オフ状態駆動装置と、第１の制御信号を受信するように接続されたソフト遮断回路であって、当該ソフト遮断回路が、異常状態に応答して、閉ループにおいて第１の制御信号を調節し、当該ソフト遮断回路が、ある期間にわたって第１の制御信号を高閾値から中閾値まで低減した後、第１の制御信号を低閾値まで低減し、その期間が、電力スイッチのミラープラトーの終端に応答して、終わる。当該ソフト遮断回路と、を含む。

駆動回路は、以下の特徴の１つ以上をもち得る。例えば、ソフト遮断回路は、オフ信号が第１の閾値に達したときに、電力スイッチのミラープラトーの終端を検出する。他の例において、オフ状態駆動装置は、トランジスタをさらに含み、ソフト遮断回路は、トランジスタのゲート電流またはゲート電圧を表すゲート信号を受信して、トランジスタのゲート信号が第１の閾値に達したときに、電力スイッチのミラープラトーの終端を検出するように接続されている。電力スイッチのミラープラトーの終端は、空白時間の後、トランジスタのゲート信号が第１の閾値に達したときに検出される。さらに、遮断回路は、第１の制御信号と基準信号とを受信するように接続された増幅器を含み、基準信号は、ある期間にわたって高閾値から中閾値まで低減した後、異常状態と電力スイッチのミラープラトーの終端とに応答して、低閾値まで低減する。場合によっては、電力スイッチのミラープラトーの終端は、空白時間の後、トランジスタのゲート信号が第１の閾値に達したときに検出され、空白時間は、基準信号が中閾値に実質的に等しいときに終わり得る。例えば、異常状態がない場合、基準信号は、その期間にわたって中閾値に実質的に等しくない。他の例として、駆動回路は、アクティブクランプ信号を受信し得、ソフト遮断回路は、アクティブクランプ信号が第１の閾値と第２の閾値との間である場合、無効化される。アクティブクランプ信号は、第１の制御信号が電力スイッチをオフに切り替える前、別の電流を含む。さらに、異常状態は、電力スイッチにおける過電流状態であり得る。

第６の実施形態において、電力半導体スイッチをオフに切り替える回路は、電力半導体スイッチの制御端子に対する電力半導体スイッチをオフに切り替える信号をスイッチングするように接続されたオフ切り替えトランジスタと、フィードバック制御ループのオフ切り替え中、電力半導体スイッチの制御端子における電圧を制御するフィードバック制御ループと、を含む。フィードバック制御ループは、電力半導体スイッチの制御端子の電圧の測定結果をフィードバックするフィードバック経路と、時間依存基準電圧を生成する制御端子基準電圧生成器と、制御端子の電圧と時間依存基準電圧との間の差分を表すエラー信号を生成するエラー増幅器と、オフ切り替えトランジスタにより電力半導体スイッチの制御端子に対する電力半導体スイッチをオフに切り替える信号のスイッチングを制御するためエラー信号を前方に伝達する転送経路と、を含む。

回路は、以下の特徴の１つ以上をもち得る。例えば、回路は、電力半導体スイッチの制御端子の電圧が電力半導体スイッチのミラープラトー近傍における電圧レベル未満であることを検出して、それを示す信号を出力するように接続されたミラープラトー検出回路をさらに含む。他の例として、制御端子基準電圧生成器は、電力半導体スイッチの制御端子がミラープラトー近傍における電圧レベル未満であることを示す信号に応答して、時間依存基準電圧の時間変化率を増加させる。場合によっては、ミラープラトー検出回路は、電力半導体スイッチの制御端子への電流を検出するように接続された制御端子電流検出回路を備える。さらに、ミラープラトー検出回路は、電力半導体スイッチの制御端子を基準電圧と比較するように接続された電圧比較器を備える。さらに、制御端子基準電圧生成器は、時間依存基準電圧を、電力半導体スイッチがオンである第１の値から電力半導体スイッチのミラープラトー近傍における第２の値まで変化させる第１の回路と、時間依存基準電圧を、電力半導体スイッチのミラー電圧近傍における第３の値から電力半導体スイッチがオフである第４の値まで変化させる第２の回路と、を含む。例えば、第１の回路は、第２の回路が基準電圧を変化させる時間変化率未満である時間変化率で、時間依存基準電圧を変化させる。他の例として、第１の回路は、第１の値から第２の値まで、４００ナノ秒から４０００ナノ秒の間で時間依存基準電圧を変化させる。場合によっては、第２の回路は、第３の値から第４の値まで、１００ナノ秒から２０００ナノ秒の間で時間依存基準電圧を変化させる。他の例において、第２の回路は、第３の値から第４の値まで、１０ナノ秒から１００ナノ秒の間で時間依存基準電圧を変化させる。さらに、第２の値は、電力半導体スイッチのミラープラトーを上回っており、第３の値は、電力半導体スイッチのミラープラトー未満である。さらに、制御端子基準電圧生成器は、時間依存基準電圧を第２の値と第３の値との間で一定に保持する回路を備える。いくつかの例において、異常検出回路は、電力半導体スイッチを通る電流の伝導における異常の検出に応答して異常信号を出力するように接続されており、制御端子基準電圧生成器は、異常信号に応答して、基準電圧を電力半導体スイッチが開いている値から変化させ始める。他の例として、異常検出回路は、電力半導体スイッチのコレクタ・エミッタ電圧を検出する回路を備える。さらに、電力半導体スイッチをオフに切り替える信号は、電流であり、回路は、オフ切り替えゲート抵抗器をさらに備える。さらに、電力半導体スイッチは、ＩＧＢＴである。場合によっては、オフ切り替えトランジスタは、ＮＭＯＳトランジスタである。

本発明の非限定的かつ非網羅的で例示的な実施形態について、以下の図を参照しながら説明しており、異なる図における同じ参照符号は、そうでないという指定がない限り、同じ構成要素に関する。

図１Ａは、消費装置に電気エネルギーを提供する例示的な装置を示し、本装置は、本明細書で説明するオフ切り替え回路をもつ半導体スイッチの制御回路を有する。 図１Ｂは、例示的な、半導体スイッチの制御端子にかかる電圧の信号波形と、通常動作中における、または短絡が発生した場合における半導体スイッチにかかる電圧の信号波形を示す。 図２は、本明細書で説明するオフ切り替え回路とアクティブクランプ回路とを有する半導体スイッチの例示的な制御回路を示す。 図３は、例示的なオフ切り替え回路を示す。 図４は、本明細書で説明するオフ切り替え回路をもつ半導体スイッチの制御回路を有するシステムにおける例示的な信号波形を示す。 図５は、アクティブクランプ回路と組み合わせた例示的なオフ切り替え回路を示す。 図６は、例示的なオフ切り替え回路におけるシミュレーションした信号波形を示す。 図７は、ミラープラトーの終端を検出する回路内の閾値電圧を生成する例示的な回路を示す。

以下の説明では、本発明を深く理解できるように多くの詳細事項について説明する。しかし、本発明を実施する際に特定の詳細事項が必要とは限らないことが当業者には明らかである。本発明の理解を不必要に妨げないように、よく知られた装置と方法とについては、別の位置で詳細には説明していない。

本説明における、「実装例（ａｎ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）」、「構成（ａ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）」、「例（ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ）」または「例（ｅｘａｍｐｌｅ）」という言及は、本実施形態との関連で説明する特定の特徴、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。従って、本説明中の様々な位置における「一実装例において（ｉｎ ｏｎｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）」、「一実施形態において（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。

加えて、１つ以上の実施形態または例において、特定の特徴、構造または性質は、あらゆる所望の適切な組み合わせ及び／または部分的組み合わせで組み合わされ得る。特定の特徴、構造または性質は、集積回路、電子回路、論理回路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、当業者に対する説明を目的として図面を使用するということと、図面が必ずしも正確な寸法で示されているわけではないこととを述べておく。

図１Ａは、消費装置１１０に電気エネルギーを提供する装置１００（電力変換装置とも呼ばれる）を示し、本装置は、本明細書で説明するオフ切り替え回路をもつ半導体スイッチの制御回路を有する。しかし、エネルギーの流れは、また、逆方向を向き得る。この場合、要素１１０は、発電装置である。他の装置において、要素１１０は、消費装置と発電装置との両方として様々な動作状態で動作し得る。以下の説明において、エネルギーを提供する装置についてのみ説明し、ここには、上述の例のすべてを含む（エネルギーは、異なる出力において提供され得る）。装置は、互いに接続された２つの電力半導体スイッチ１０４、１０６を備える。加えて、装置１００は、直流入力電圧１０２（Ｕ_ＩＮ）を受信し得る。装置は、電力半導体スイッチ１０４、１０６を制御することにより、電気エネルギーを入力から、消費装置１１０が接続されている出力まで（または、逆方向に）伝達するように設計されている。この場合、電気エネルギーを提供する装置は、電圧レベル、電流レベルまたはその２つの変数の組み合わせを制御し得、これらは、消費装置に出力される。図１Ａに示す例において、電力半導体スイッチ１０４、１０６は、ＩＧＢＴである。

以下の説明では、ＩＧＢＴの例を使用して装置と方法とを説明する。しかし、本明細書で説明するオフ切り替え装置は、ＩＧＢＴと共に使用するものに限定されない。その代わり、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（ＢＪＴ：ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、注入促進ゲートトランジスタ（ＩＥＧＴ：ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ−ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｇａｔｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）及びゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ：ｇａｔｅ ｔｕｒｎ−ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）は、本明細書で説明するオフ切り替え装置と共に使用され得る。本明細書で説明するオフ切り替え装置は、窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体または炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体を基材とする電力半導体スイッチと共に使用されてもよい。

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・エミッタ電圧、アノード・カソード電圧またはドレイン・ソース電圧は、５００Ｖを上回る、好ましくは、２ｋＶを上回る値であり得る。

加えて、本明細書で説明するオフ切り替え装置は、電力半導体スイッチと共に使用するものに限定されない。従って、他の半導体スイッチが、本明細書で説明するオフ切り替え装置と共に使用されてもよい。本明細書で言及する効果と利点とは、また、他の半導体スイッチをもつシステムにおいて少なくとも部分的に発生する。

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、既に説明したとおり、装置と方法とは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」という名称は、「ソース」または「カソード」と表記する対応する電力半導体スイッチの端子をさらに含む。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」と表記する端子も含み、「ゲート」という用語は、「ベース」と表記する対応する電力半導体スイッチの端子を表す。以下の説明では、「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」と「カソード・アノード電圧」とをさらに含み、「コレクタ電圧」という用語と「エミッタ電圧」という用語とは、それぞれ、「ドレイン電圧」または「アノード電圧」と「ソース電圧」または「カソード電圧」とをさらに含む。

電力半導体スイッチ１０４、１０６は、各々、第１の制御回路１１８と第２の制御回路１２０とにより制御される。制御回路は、第１のＩＧＢＴと第２のＩＧＢＴとのスイッチング時間を制御するため第１のゲート・エミッタドライバ信号１３０（Ｕ_ＧＥ１）と第２のゲート・エミッタドライバ信号１３２（Ｕ_ＧＥ２）とを提供する。さらに、制御回路１１８と制御回路１２０との両方は、任意選択的に、システム制御装置１１４により制御される。システム制御装置１１４は、システム入力信号１１６を受信する入力を有し得る。図１Ａに示す例において、ハーフブリッジ構成をとる２つの電力半導体スイッチ１０４、１０６を示す。しかし、オフ切り替え装置は、他の形態でも使用され得る。例えば、制御回路の、または電力半導体スイッチにかかる電圧の波形を検出する装置を有する単一の電力半導体スイッチ（例えば、単一のＩＧＢＴ）が接続され得る。他の例において、６つの電力半導体スイッチまたは１２個の電力半導体スイッチを有する三相システムにおいて、電力半導体スイッチの各々は、電力半導体スイッチにかかる電圧の波形を検出する装置を有し得る。

ゲート・エミッタドライバ信号の出力に加えて、制御回路１１８、１２０は、電力半導体スイッチ１０４、１０６にかかる電圧を表す信号を受信する。信号は、電圧信号または電流信号であり得る。図１Ａに示す例において、各制御回路１１８、１２０は、各場合において、コレクタ・エミッタ電圧を表した、コレクタ・エミッタ電圧信号１２２、１２４（Ｕ_ＣＥ１、Ｕ_ＣＥ２）と表される１つの信号をもつ。

図１Ａは、別々の制御回路として制御回路１１８、１２０を示す。しかし、２つの制御回路１１８、１２０は、また、単一の回路に一体化され得る。この場合、単一の制御回路が、２つの電力半導体スイッチ１０４、１０６を制御する。さらに、第２のゲート・エミッタドライバ信号１３２（Ｕ_ＧＥ２）は、第１のゲート・エミッタドライバ信号１３０（Ｕ_ＧＥ１）を反転させたものであり得る。

２つの制御回路１１８、１２０は、本明細書で説明するオフ切り替え装置の１つを備える。短絡状態及び／または過電流状態の成立に応答して、それぞれの電力半導体スイッチ１０４、１０６が、本明細書で説明するオフ切り替え装置の支援によりオフに切り替えられ得る。

図１Ｂは、例示的な、半導体スイッチの制御端子にかかる電圧の信号波形と、通常動作中と短絡が発生した場合とにおいて半導体スイッチにかかる電圧の信号波形とを示す。ゲート端子とエミッタ端子との間の電圧１３０（Ｕ_ＧＥ）の信号波形を、図１Ｂの上半分に示す。電圧１３０（Ｕ_ＧＥ）は、第１の信号レベル（Ｖ_ＯＮ）と第２の異なる信号レベル（Ｖ_ＯＦＦ）として示されている。ゲート端子が、第１の信号レベル（Ｖ_ＯＮ）にあるとき（期間ｔ_ＯＮ１３１にわたって）、半導体スイッチがオンに切り替えられる。半導体スイッチがオンに切り替えられるときの、通常時（左側）と、例示的な短絡事象及び／または過電流事象（右側）との場合における、半導体スイッチにかかるコレクタ・エミッタ電圧１２５の信号波形を、図１Ｂの下半分に示す。示した短絡事象において、コレクタ・エミッタ電圧１２５は、オン切り替え後、比較的低い値まで急激には低減しない（しかし、コレクタ・エミッタ電圧が他の特徴的な波形をとることを想定した、さらに別の短絡事例がある）。これにより、半導体スイッチや負荷に損傷をもたらし得る。従って、半導体スイッチは、急速にオフに切り替えられなければならない。しかし、これが過度に急速に発生した場合、負荷に過電圧が発生し得る。これを防ぐため、本明細書で説明するオフ切り替え回路が使用され得る。

図２は、本明細書で説明するオフ切り替え回路２４２と（任意選択的な）アクティブクランプ回路２３６とを備える半導体スイッチの例示的な制御回路２１８を示す。制御回路は、システム制御装置２１４から制御コマンドを受信する（制御コマンドは、システム入力信号２１６に応答して生成される）。ドライバインターフェース２２６において、これらの制御コマンドが制御信号２５０（Ｕ_ＣＭＤ）に変換され、制御信号２５０は、絶縁変圧器２３２を介して駆動回路２２８に送信される。駆動回路２２８は、絶縁変圧器２３２を介して受信された制御信号２５０（Ｕ_ＣＭＤ）に応答して、半導体スイッチ２０４を制御する。この目的のため、駆動回路２２８は、半導体スイッチ２０４の制御入力に（例えば、ゲート入力に）接続されている。

図２に示す例示的な駆動回路２２８は、半導体スイッチのオン状態用の駆動装置２４４とオフ状態用の駆動装置２４６とを有する。駆動装置２４４、２４６は、各々、半導体スイッチ２０４のドライバ信号２３０（Ｕ_ＧＥ）を生成する。２つの駆動装置２４４、２４６は、ドライバ信号処理装置２３８を介して制御され、ドライバ信号処理装置２３８は、絶縁変圧器２３２から制御信号２５０（Ｕ_ＣＭＤ）を受信（して、それらを、それぞれの駆動装置２４４、２４６に対するオン信号２５４（Ｕ_ＯＮ）とオフ信号２５８（Ｕ_ＯＦＦ）とに変換）する。

本明細書で説明するオフ切り替え回路２４２は、ドライバ信号処理装置２３８とオフ状態用の駆動装置２４６との間に接続されている。オフ切り替え回路２４２は、短絡事象及び／または過電流事象においてオフ切り替え動作を確実なものにでき、その場合において、オフ切り替え動作中、半導体スイッチを通るスイッチ電流２４０（この例では、コレクタ・エミッタ電流Ｉ_ＣＥ）の減少は、通常動作中ほどには急激ではない（「ソフト遮断」と呼ばれる）。その結果、半導体スイッチの出力にかかる危険な過電圧の発生を防止することが可能である。図３と図４と図５とを参照して、様々なオフ切り替え回路の性質に関する詳細について説明する。

オフ切り替え回路２４２は、オフ状態用の駆動装置２４６に対するオフ信号２５２（Ｕ_ＯＦＦ）と、短絡事象及び／または過電流事象の存在を示す異常信号２４８と、半導体スイッチ２３０の制御端子に現れる信号（例えば、ゲート・エミッタ電圧Ｕ_ＧＥ）とを受信する。これらの信号に基づいて、オフ切り替え回路２４２は、半導体スイッチ２０４のオフ切り替え動作を動的に制御し得る。一例において、半導体スイッチ２３０の制御端子に現れる信号の波形は、半導体スイッチ２０４をオフに切り替えるため閉制御ループ内で調節され得る。図２に示す例において、調整は、変更されたオフ信号２５６（Ｕ_ＯＦＦ＊）の生成を含み、変更されたオフ信号２５６は、オフ切り替え回路２４２からオフ状態用の駆動装置２４６に送信され得る。この変更されたオフ信号２５６（Ｕ_ＯＦＦ＊）は、一例において、オフ状態用の駆動装置２４６における可変抵抗を有する要素の可変抵抗を変化させて、その結果、半導体スイッチ２３０の制御端子に現れる信号の波形（例えばゲート・エミッタ電圧Ｕ_ＧＥ）に影響を与え得る。言い換えると、変更されたオフ信号２５６（Ｕ_ＯＦＦ＊）は、制御ループの操作された変数であり得る。図２に示す例において、半導体スイッチ２３０の制御端子に現れる信号（例えば、ゲート・エミッタ電圧Ｕ_ＧＥ）は、制御ループのフィードバックパラメータである。しかし、フィードバックパラメータとして、他のパラメータが使用されてもよい。

加えて、または代替的に、オフ状態用の駆動装置２４６は、半導体スイッチ２３０の制御入力に現れる電圧（例えば、ゲート・エミッタ電圧Ｕ_ＧＥ）が、ミラープラトーの終端後に所定の速度で低減されるように制御され得る。この方法で、動的オフ切り替え回路２４２は、様々な半導体スイッチに対する適切な「ソフト遮断」を確実なものにできる。一例において、半導体スイッチ２０４の制御入力電圧または制御入力電流におけるミラープラトーの終端は、オフ状態用の駆動装置２４６における可変抵抗を有する要素の制御入力における電圧の波形２５８（Ｕ_{Ｇ＿ＯＦＦ}）に基づいて検出され得る。

制御回路２１８は、異常信号２４８（Ｕ_ＦＬＴ）を生成する短絡及び／または過電圧検出回路２３４を含む。一例において、短絡及び／または過電圧保護回路２３４は、半導体スイッチ２０４のコレクタ・エミッタ電圧２２２（Ｕ_ＣＥ）を監視し得る。図１Ｂを参照して説明したように、コレクタ・エミッタ電圧２２２（Ｕ_ＣＥ）は、短絡事象及び／または過電流事象における特徴的な波形をとり得、短絡及び／または過電圧保護回路２３４が、この特徴的な波形を検出し得る。

任意選択的に、制御回路２１８は、アクティブクランプ回路２３６を備え得る。これは、異常が発生した場合に、「ソフト遮断」のための第２の回路を提供し得、第２の回路は、オフ切り替え回路２４２の代替例として使用され得る。

図２を参照して、本明細書で説明するオフ切り替え回路２４２とアクティブクランプ回路２３６とを有する半導体スイッチの例示的な制御回路について説明してきたので、図３を参照して、例示的なオフ切り替え回路について説明する。

図３は、オン状態用の駆動装置３４４とオフ状態用の駆動装置３４６とオフ切り替え回路３４２と半導体スイッチ３０４とを示す。駆動装置３４４、３４６は、各々可変抵抗を有する要素３６１、３６４を（図３に示す例において、ＮＭＯＳ半導体スイッチとして）含む（が、可変抵抗を有する他のスイッチング可能な半導体スイッチまたは他の要素が使用されてもよい）。可変抵抗を有する要素３６１、３６４は、各々、任意選択的な抵抗３６２、３６３と直列に接続されている。

オン状態用の駆動装置３４４の可変抵抗を有する要素３６１（と抵抗３６２と）は、半導体スイッチ３０４の制御入力（図３に示す例におけるゲート入力）と第１の基準電位３６０（Ｖ_ＤＤ）との間に接続されている。加えて、可変抵抗を有する要素３６１は、可変抵抗を有する要素３６１の制御端子（例えば、ＮＭＯＳ３６１のゲート入力）において制御回路のオン信号３５４（Ｕ_ＯＮ）を受信し得るように配置されている。従って、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、半導体スイッチをオンに切り替えるのに十分高い電位（例えば、図３における第１の基準電位３６０Ｖ_ＤＤ）に半導体スイッチ３０４の制御入力（例えば、ＩＧＢＴ３０４のゲート端子）が接続されるように、可変抵抗を有する要素３６１の抵抗が低減される（例えば、ＮＭＯＳ半導体スイッチ３６１がオンに切り替えられる）。

同様に、オフ状態用の駆動装置３４６の可変抵抗を有する要素３６４（と抵抗３６３と）は、半導体スイッチ３０４の制御入力（図３に示す例におけるＩＧＢＴのゲート入力）と第２の基準電位３１２との間に接続されている。加えて、可変抵抗を有する要素３６４は、制御端子３６４（ＮＭＯＳ３６４のゲート端子として示されている）において、制御回路の変更されたオフ信号３５６（Ｕ_ＯＦＦ＊）を受信し得るように配置されている。従って、半導体スイッチ３０４がスイッチオフされることが目標とされる場合、半導体スイッチがスイッチオフされるのに十分低い電位（例えば、第２の基準電位３１２）に半導体スイッチ３０４の制御入力（ＩＧＢＴ３０４のゲート端子）が接続されるように、可変抵抗を有する要素３６４の抵抗が低減される（例えば、ＮＭＯＳ半導体スイッチ３６４がオンに切り替えられる）。制御端子（ＩＧＢＴのゲート端子）をすぐに第２の基準電位まで引くことによる半導体スイッチ３０４のスイッチオフは、半導体スイッチ３０４のコレクタ・エミッタ電流の比較的急速な低減をもたらす。しかし、短絡事象が存在する場合、寄生結合により、コレクタ・エミッタ電流の急速な低減は、危険となり得る過電圧の生成をもたらし得る。その影響を防ぐため、短絡事象及び／または過電流事象でオフ切り替え回路３４２が使用されて、ソフト遮断を実装し得る。

図３に示す例において、スイッチ３６６（Ｓ３）は、異常があるとき（例えば、対応する検出回路が異常を特定したとき）にスイッチ３６６（Ｓ３）が開くように、異常信号３４８（Ｕ_ＦＬＴ）により制御される。その結果、異常がある場合、オフ切り替え回路３４２により（元の）オフ信号３５２（Ｕ_ＯＦＦ）が変更される。その一方で、通常動作中、スイッチＳ３ ３６６が閉じて、オフ切り替え回路３４２がオフ状態用の駆動装置３４６の可変抵抗を有する要素３６４に影響を与えないように、固定の基準電位３１２に接続される。

オフ切り替え回路３４２は、制御入力基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）を生成する回路と、半導体スイッチの制御入力電圧または対応する制御入力電流におけるミラープラトーの終端を検出するように設計された検出回路３６９と、制御入力基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）を半導体スイッチの制御入力における電圧３３０（Ｕ_ＧＥ）と比較するための第１の比較回路３６８とを含む。

まず、制御入力基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）を生成する回路について説明する。この回路は、キャパシタンスを含み、基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）は、キャパシタンスにかかる電圧によって形成される。図３に示す例において、キャパシタンスは、２つの電流源３７２、３７３（Ｉ_１、Ｉ_２）に接続され得、第１の速度または第２の速度で基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）の信号レベルを低減するため電流源３７２、３７３（Ｉ_１、Ｉ_２）を通して放電され得る。第１速度と第２の速度とは、電流源３７２、３７３（Ｉ_１、Ｉ_２）とキャパシタンスとの値に比例し得る。まず、キャパシタンスの第１の端子は、オン信号３５４（Ｕ_ＯＮ）に応答して半導体スイッチ３０４がオンに切り替わると、所定の基準電位３６０（Ｖ_ＤＤ）に接続され得る。これは、図３に示す例において、オン状態において半導体スイッチ３０４の制御入力が接続される第１の基準電位３６０に対応する。キャパシタンスの第２の端子が、低いほうの電位（これは、図３に示す例において、オフ状態において半導体スイッチ３０４の制御入力が接続される第２の基準電位３１２に対応する）にあるので、半導体スイッチ３０４のオン状態中、キャパシタンスが所定の電圧に充電され、その結果、オン切り替えの開始直前は静的である。その結果、制御入力基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）が、所定の基準電位３６０（Ｖ_ＤＤ）に対応する所定の信号レベルにおいて「開始」される。

第１の電流源３７３は、スイッチ３７７（Ｓ１）を介して第２の基準電位３１２に接続されている。スイッチ３７７（Ｓ１）が閉じると、第１の電流源３７３が、キャパシタンスを第１の速度（電流Ｉ_１に対応）で放電する。スイッチ３７７（Ｓ１）の制御回路は、短絡事象及び／または過電流事象が検出された時点から（または、短絡事象及び／または過電流事象の検出から所定の期間後に）、半導体スイッチ３０４の制御入力における電圧３３０が半導体スイッチのミラープラトーに対応する電圧（信号Ｕ_Ｍ３７５として示されている）に達する時点まで、スイッチ３７７（Ｓ１）が閉状態に維持されるように設計され得る。従って、この期間において、キャパシタンスが第１の速度で放電される。

図３に示す例において、スイッチ３７７（Ｓ１）の制御回路は、キャパシタンスにかかる電圧（すなわち、基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ））を閾値３７５（Ｕ_Ｍ）と比較する比較回路３７４を含む。この閾値３７５（Ｕ_Ｍ）は、半導体スイッチのミラープラトーに対応する電圧を反映するように選択され得る。多くのＩＧＢＴにおいて、この電圧は、９．５ボルトから１１．５ボルトの間であり得る。基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）の信号レベルが閾値３７５（Ｕ_Ｍ）に達すると、スイッチ３７７（Ｓ１）が開く。キャパシタンスは、これ以降、電流源３７３により放電されない。これは、基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）の信号レベルが所定の期間にわたって実質的に（例えば、初期信号レベルの１０％の最大の変化で）一定に留まることをもたらし得る。この期間は、スイッチ３７６（Ｓ２）が閉じることにより終了し、それにより、第２の電流源３７２によりキャパシタンスの放電動作が再開される。

さらなるスイッチ３７６（Ｓ２）のこの閉じる時点は、検出回路３６９により決定され得、検出回路３６９は、半導体スイッチ３０４の制御入力電流または制御入力電圧におけるミラープラトーの終端を検出するように設計されている。図３に示す例において、ミラープラトーの終端は、オフ状態用の駆動装置の可変抵抗を有する要素３６４の制御入力における電圧３５８（Ｕ_{Ｇ＿ＯＦＦ}）（例えば、可変抵抗を有する要素３６４のゲート電圧）に基づいて決定される。この電圧が所定の閾値Ｕ_ＴＨ未満に立ち下がった場合、これがミラープラトーの終端を示し得る（この場合、ミラープラトーの終端とアンダーシュートされている閾値との一致は完全ではない可能性があるが、アンダーシュートされている閾値は、ミラープラトーの終端の時点に対する良好な推定を提供する）。

図７に、閾値Ｕ_ＴＨを生成する例示的な回路を示す。一例において、閾値Ｕ_ＴＨは、可変抵抗を有する要素３６４の予定ゲート閾値電圧の５０％から１５０％の範囲にある。他の例において、閾値Ｕ_ＴＨは、０．３から２ボルトの範囲であり得る。図７に示す例において、閾値Ｕ_ＴＨを生成する回路は、オフ状態用の駆動装置の可変抵抗を有する要素７６４と同じ技術に基づく、可変抵抗を有する第２の要素７９９（図７に示す例におけるＮＭＯＳ半導体スイッチ）を含む。基準電流７８５（Ｉ_ＲＥＦ）は、第２の要素７９９の制御入力（例えば、ゲート端子）と、第２の要素７９９の第１の端子（例えば、ドレイン端子）とに接続され得る。第２の要素７９９の面積またはゲート幅は、オフ状態用の駆動装置の可変抵抗を有する要素７６４の面積またはゲート幅のＫ倍であり得、基準電流７８５（Ｉ_ＲＥＦ）は、ミラープラトーの終端に対して設計されている可変抵抗を有する要素７６４の出力電流の閾値のＫ倍であるように選択される。一例において、基準電流７８５（Ｉ_ＲＥＦ）は、１００マイクロアンペア未満であり、Ｋは１％未満である。このような回路を備えることにより、閾値Ｕ_ＴＨは、可変抵抗を有する第２の要素７９９の制御入力における電圧に対応し得る。

図３に示す例において、オフ状態用の駆動装置３４６の可変抵抗を有する要素３６４の制御入力における電圧（ＮＭＯＳ３６４のゲート電圧）は、ミラープラトーの終端の時点を検出するのに使用され得る。しかし、この時点は、さらに、他の信号に基づいて決定され得る。他の例において、オフ状態用の駆動装置の可変抵抗を有する要素３６４の制御入力における電流がミラープラトーの終端を決定するため使用される。例えば、オフ状態用の駆動装置３４６の可変抵抗を有する要素３６４の制御入力における電流は、ミラープラトーの終端に達したとき、ゼロに向かう傾向があり得る。さらに別の例において、半導体スイッチ３０４の制御電圧または制御電流が使用され得る。さらなる例において、ミラープラトーの終端を検出するため、半導体スイッチのコレクタ・エミッタ電圧または半導体スイッチのスイッチ電流が検出され得る。

スイッチ３７６（Ｓ２）を閉じることにより、キャパシタンスは、ミラープラトーの終端から始まって、第２の速度で放電される。この放電動作は、キャパシタンスが完全に放電されるまで（または、所定の最小値までキャパシタンスが放電されるまで）続き得る。従って、基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）は、図４に示すような、信号レベルが立ち下がる２つの領域をもつ波形をとり得る。この場合、所望の値として第１速度と第２の速度とが設定され得る。例えば、第２の速度は、第１の速度の２倍の大きさであり得るか、または、第１の速度より大きいものであり得る。他の例において、第１の速度と第２の速度とは、同じである。

図３に示す制御入力基準信号を生成する回路により生成された基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）は、信号レベルが立ち下がる２つの領域を含み得、その領域の間に、実質的に一定の信号レベルである領域が組み込まれている。しかし、領域のこの順序は、重要ではない。例えば、第１の速度及び／または第２の速度は、経時的に異なり得る。他の例において、基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）は、信号が異なる速度で低減する、信号レベルが立ち下がる３つ以上の領域を有し得る。実質的に一定の信号レベルをとるさらなる領域が、これらの領域の間に組み込まれ得る。

ここまでの段落で、基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）の生成について説明してきたので、「ソフト遮断」を達成するこの基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）の使用について以下で説明する。この点で、基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）は、第１の比較回路３６８により、半導体スイッチの制御入力における電圧３３０（Ｕ_ＧＥ）と比較され得る。この比較に応答して、オフ状態用の駆動装置３４６の可変抵抗を有する要素３６４に対する、変更された制御信号３５６（Ｕ_ＯＦＦ＊）が生成され得る。図３に示す例において、オフ信号３５２（Ｕ_ＯＦＦ）は、この目的において、変更されたオフ信号３５６（Ｕ_ＯＦＦ＊）に変換される。これは、減算回路３６５において行われ得る。

このようにして、可変抵抗を有する要素３６４の可変抵抗は、基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）の波形に対応した、半導体スイッチの制御入力における電圧３３０（Ｕ_ＧＥ）の波形を達成するため、閉制御ループ内で調節され得る。このようにして、半導体スイッチは、「ソフト遮断」を受ける。

他の例において、閉制御ループのフィードバック変数は、半導体スイッチの制御入力における電圧３３０（Ｕ_ＧＥ）とは異なる信号であり得、これに基づいて、半導体スイッチのオフ切り替え動作が監視され得る（例えば、半導体スイッチの制御入力における電流または半導体スイッチのコレクタ・エミッタ電圧）。これらの場合において、基準信号３７０（Ｕ_ＲＥＦ）に、図３の例に示す波形とは異なる波形を与えることが必要であり得る。しかし、これらの例においても、閉制御ループの操作を受ける変数は、オフ状態用の駆動装置３４６の可変抵抗を有する要素３６４の抵抗（または、可変抵抗を有する要素３６４の抵抗を変化させる制御信号）であり得る。

図４は、本明細書で説明するオフ切り替え回路をもつ半導体スイッチの制御回路を含むシステムにおける例示的な信号波形を示す。図４における信号は、半導体スイッチの２つの例示的なスイッチングサイクルを示す。第１のスイッチングサイクル（ページの左側の曲線）は、通常の波形であり、第２のスイッチングサイクル（ページの右側の曲線）では短絡事象または過電流事象が発生する。第１の曲線は、例えば、図２におけるドライバインターフェース２２６から制御回路２２８に送信される制御信号４５０（Ｕ_ＣＭＤ）を示す。これらの制御信号４５０（Ｕ_ＣＭＤ）から、オン信号４５２（Ｕ_ＯＮ）とオフ信号４５４（Ｕ_ＯＦＦ）とが生成され得る。第５の曲線は、半導体スイッチのコレクタ・エミッタ電圧４２２（Ｖ_ＣＥ）の波形と、半導体スイッチのコレクタ・エミッタ電流４２３（Ｉ_ＣＥ）の波形とを示す。これらの波形のいくつかの特性については、図１Ｂを参照して既に説明した。第２のオン期間の始めに、異常が発生する。コレクタ・エミッタ電圧４２２（Ｖ_ＣＥ）は、通常時に想定される程には大幅に減少しない。加えて、コレクタ・エミッタ電流４２３（Ｉ_ＣＥ）は、通常時より大きな値まで増加する（高い異常電流４４９（Ｉ_ＦＴ）が流れている）。これは、短絡及び／または過電圧検出回路により検出され得、短絡及び／または過電圧検出回路は、その結果、図４において第６の曲線として示す異常信号４４８（Ｕ_ＦＬＴ）を出力する。その結果、「ソフト遮断」を確実なものとするため、オフ切り替え回路が有効化され得る。

この目的において、制御入力基準信号４７０（Ｕ_ＲＥＦ）が生成され得る。図４における例示的な基準信号４７０（Ｕ_ＲＥＦ）は、まず、所定のレベルから第１の速度で減少し、次に、ある期間にわたって実質的に一定に留まり、この期間は、半導体スイッチのミラープラトーの終端により終わる。次に、基準信号４７０（Ｕ_ＲＥＦ）の信号レベルは、第２の速度で減少する。図４に示すように、過電流及び／または短絡が検出されると、オフ切り替え回路は、半導体スイッチのゲート・エミッタ電圧４３０（下から３番目の曲線として示すＵ_ＧＥ）を基準信号４７０（Ｕ_ＲＥＦ）に調節する。これは、半導体スイッチのオフ切り替え動作が、通常動作中の「ハード遮断」と比べて延長されるという結果をもたらし得る。図４において、この延長は、第１のスイッチングサイクルにおけるゲート・エミッタ電圧４３０の立ち下がりエッジと、第２のスイッチングサイクルにおけるゲート・エミッタ電圧４３０の立ち下がりエッジとの比較により確認され得る。オフ切り替え動作の遅延は、この場合、半導体スイッチのミラープラトーの終端の検出に結びついている。すなわち、半導体スイッチは、ミラープラトーの終端に既に達している場合にのみ最終的にオフに切り替えられる。従って、負荷にかかる危険なほどに高い電圧が防止され得る。

図４における第４の曲線は、オフ切り替え回路（例えば、図３に示すオフ切り替え回路）により変更された例示的なオフ信号４５６（Ｕ_ＯＦＦ＊）を示す。この信号は、半導体スイッチのオフ切り替え動作を調節するため、半導体スイッチのオフ状態用の駆動装置の可変抵抗を有する要素の制御入力に供給され得る。図４に示す例において、変更されたオフ信号４５６（Ｕ_ＯＦＦ＊）の立ち上がりエッジは、オフ信号４５４（Ｕ_ＯＦＦ）の立ち上がりエッジより長い。これは、「ソフト遮断」を可能にするため、オフ状態用の駆動装置における半導体スイッチ（例えば、図３におけるＮＭＯＳ３６４）のオン切り替え動作と、従って、半導体スイッチ（例えば、図３におけるＩＧＢＴ３０４）のオフ切り替え動作とが、時間的に伸長されることをもたらし得る。図４における一番下の曲線は、半導体スイッチの制御入力電圧または対応する制御入力電流におけるミラープラトーの終端を検出するように設計された検出回路３６９に対する検出信号４５８（Ｕ_{Ｇ＿ＯＦＦ}）を示す。検出信号４５８（Ｕ_{Ｇ＿ＯＦＦ}）は、変更されたオフ信号４５６（Ｕ_ＯＦＦ＊）に対応するか、または、変更されたオフ信号４５６（Ｕ_ＯＦＦ＊）に基づいて生成され得る。

図６は、図４の信号に対応した、オフ切り替え回路に対するシミュレーションした信号の波形を示す。特に、スイッチングされる電力半導体スイッチ（Ｕ_ＧＥ）のゲートにおける電圧の波形が、例示的なオフ切り替え回路により、どのようにしてゲート基準信号（Ｖ_Ｇｒｅｆ）に調節されるのかが、上から４番目の曲線に見られ得る。

図５は、アクティブクランプ回路と組み合わせた例示的なオフ切り替え回路５４２を示す。この場合における、オフ切り替え回路とオン状態用の駆動装置とオフ状態用の駆動装置との要素は、図３に示す各要素に対応する。オフ切り替え回路５４２は、比較器５６８の非反転入力に接続されているスイッチＳ３ ５６６と制御入力基準信号（Ｕ_ＲＥＦ）を伴うキャパシタンス５７０とをさらに含む。異常が検出されない（異常信号Ｕ_ＦＬＴ５４８が論理ローであり、反転した異常信号が論理ハイである）場合、スイッチＳ３ ５６６が閉じて、比較器５６８の非反転入力における電圧は、戻り５１２に実質的に等しい。従って、図３と同様に、変更されたオフ信号５５６（Ｕ_ＯＦＦ＊）は、実質的にオフ信号５５２（Ｕ_ＯＦＦ）である。異常が検出された（異常信号Ｕ_ＦＬＴ５４８が論理ハイであり、スイッチＳ４Ｂ ５７６がオンである）場合、制御入力基準信号５７０（Ｕ_ＲＥＦ）は、所定の信号レベルにおいて「開始」され、これは、所定の基準電位５６０（Ｖ_ＤＤ）に対応する。スイッチＳ４Ａがオンである場合（すなわち、Ｕ_ＯＮ５５４が論理ハイである場合）、制御入力基準信号５７０（Ｕ_ＲＥＦ）が所定の基準電位５６０（Ｖ_ＤＤ）まで充電される。しかし、加えて、対応する信号５６０（Ｕ_ＡＣＬ）がこれを示す場合、図５におけるオフ切り替え回路が無効化され得る。これは、図５の例を使用して、オフ切り替え回路が有効になる必要がないように、アクティブクランプ回路が「ソフト遮断」を確実なものとすることを意味する。

図５に示す例において、約ゼロの信号５６０（Ｕ_ＡＣＬ）の信号レベルは、アクティブクランプ回路が無効であることを意味する。アクティブクランプ回路が有効な場合、信号５６０（Ｕ_ＡＣＬ）は、正のレベルまたは負のレベルをとる。この状態は、比較回路５７８、５７９により（例えば、信号５６０（Ｕ_ＡＣＬ）の信号レベルと、第１の（より小さい）閾値（Ｅ１）と第２の（より上方の）閾値（Ｅ２）との比較により）検出される。信号５６０（Ｕ_ＡＣＬ）の信号レベルが第２の閾値（Ｅ２）を上回っている状態と、第１の閾値（Ｅ１）を下回っている状態とのいずれでもないことが検出されるように、比較回路がＮＯＲ回路５８０に接続されている。その結果、オフ切り替え回路に対する、対応する有効化信号５７７（ＳＳＤ＿ＥＮ）が生成され得る。例えば、ＮＯＲ回路５８０の出力は、Ｄフリップフロップ５８１のデータ入力に接続され得、その出力に応答して、有効化信号５６６（ＳＳＤ＿ＥＮ）が生成される。この場合、異常信号５４８（Ｕ_ＦＬＴ）は、Ｄフリップフロップ５８１のクロック入力に接続され得る。これは、オフ切り替え回路の第１の比較回路５６８の出力信号に接続されている。従って、有効化信号５６６（ＳＳＤ＿ＥＮ）が高信号レベルをとる場合、上でさらに説明したように、オフ切り替え回路がオフ切り替え動作に従事する。その一方で、有効化信号５６６（ＳＳＤ＿ＥＮ）が低信号レベル（アクティブクランプ回路の動作を示す）をとる場合、オフ切り替え回路の影響が抑制される。この場合、アクティブクランプ回路が、「ソフト遮断」を確実なものとする。アクティブクランプ回路の存在とは無関係に、オフ切り替え装置を有効化する装置が提供され得る。それに伴い、所定の制御回路において、アクティブクランプ回路が提供される場合、オフ切り替え装置を有効化する装置は、対応する回路を有し得る。

他の例において、オフ切り替え回路とアクティブクランプ回路との間で選択する選択回路は、さらに別の要素を備え得る。例えば、各オフ切り替え動作の前に、電流が、信号５６０（Ｕ_ＡＣＬ）に対する入力に供給され得る。内部回路により提供され、同じネットワークに対する源となるさらなる電流（すなわち、図５におけるＵ_ＡＣＬ）は、このネットワークに提供される電流が、ネットワークにおける電圧をもたらすか試験するのに使用され得る。その場合、アクティブクランプ信号が効果的であり得る。加えて、フリップフロップ５８１の出力パルスの持続期間であって、この持続期間に応答して有効化信号５６６（ＳＳＤ＿ＥＮ）が生成される持続期間が、所定の最小持続期間まで延長され得る。代替的に、比較回路５７８、５７９の出力パルスの持続期間が、所定の最小持続期間まで延長され得る。これらの方策により、選択回路の異常による影響の受けやすさが低減し得る。本発明に関して示した例に対する上記の説明は、網羅的であることも、その例に限定することも意図していない。本発明の特定の実施形態と例とは、本明細書において例示を目的として説明しており、本発明から逸脱することなく様々な変形が可能である。電圧、電流、周波数、電力、範囲の値、時間などの特定の例は、例示にすぎないため、本発明は、これらの変数に他の値を使用しても実装され得る。

これらの変更は、上記の詳細な説明を踏まえて、本発明の例を使用して実現され得る。後述の請求項で使用する用語は、本発明を説明と請求項とに開示した特定の実施形態に限定するように解釈してはならない。本説明と図面とは、例示的とみなされ、限定的とはみなされない。

Claims (23)

1. 電力半導体スイッチをオフに切り替える回路であって、
   前記電力半導体スイッチの制御端子への前記電力半導体スイッチをオフに切り替える信号をスイッチングするように接続されたオフ切り替えトランジスタと、
   オフ切り替え中に前記電力半導体スイッチの前記制御端子における電圧を制御するフィードバック制御ループと、
   を備え、
   前記フィードバック制御ループが、
   前記電力半導体スイッチの前記制御端子の前記電圧の測定結果をフィードバックするフィードバック経路と、
   時間依存基準電圧を生成する制御端子基準電圧生成器と、
   前記制御端子の前記電圧と前記時間依存基準電圧との間の差分を表すエラー信号を生成するエラー増幅器と、
   前記オフ切り替えトランジスタによる前記電力半導体スイッチの前記制御端子への前記電力半導体スイッチをオフに切り替える前記信号の前記スイッチングを制御する前記エラー信号を前方に伝達するフォワード経路と、
   を含む、
   電力半導体スイッチをオフに切り替える回路。
2. 前記電力半導体スイッチの前記制御端子の前記電圧が前記電力半導体スイッチのミラープラトー近傍の電圧レベル未満であることを検出することと、それを示す信号を出力することとを行うように接続されたミラープラトー検出回路をさらに備える、
   請求項１の回路。
3. 前記制御端子基準電圧生成器は、前記電力半導体スイッチの前記制御端子が前記ミラープラトー近傍の前記電圧レベル未満であることを示す前記信号に応答して、前記時間依存基準電圧の時間変化率を増加させる、
   請求項２の回路。
4. 前記ミラープラトー検出回路が、前記電力半導体スイッチの前記制御端子への電流を検出するように接続された制御端子電流検出回路を備える、
   請求項２または請求項３の回路。
5. 前記ミラープラトー検出回路が、前記電力半導体スイッチの前記制御端子を基準電圧と比較するように接続された電圧比較器を備える、
   請求項２または請求項３の回路。
6. 前記ミラープラトー検出回路が、前記オフ切り替えトランジスタの制御入力を使用して、前記電力半導体スイッチの前記制御端子の前記電圧が前記電力半導体スイッチの前記ミラープラトー近傍における前記電圧レベル未満であることを検出する、
   請求項２の回路。
7. 前記制御端子基準電圧生成器が、
   前記時間依存基準電圧を、前記電力半導体スイッチがオンである第１の値から、前記電力半導体スイッチの前記ミラープラトー近傍における第２の値に変化させる第１の回路と、
   前記時間依存基準電圧を、前記電力半導体スイッチのミラー電圧近傍における第３の値から、前記電力半導体スイッチがオフである第４の値に変化させる第２の回路と、
   を備える、
   先行する請求項のいずれか一項の回路。
8. 前記第１の回路は、前記第２の回路が前記基準電圧を変化させる時間変化率未満の時間変化率で、前記時間依存基準電圧を変化させる、
   請求項７の回路。
9. 前記第１の回路が、４００ナノ秒から４０００ナノ秒の間に、前記第１の値から前記第２の値まで前記時間依存基準電圧を変化させる、
   請求項７または請求項８の回路。
10. 前記第２の回路が、１００ナノ秒から２０００ナノ秒の間に、前記第３の値から前記第４の値まで前記時間依存基準電圧を変化させる、
    請求項７または請求項８の回路。
11. 前記第２の回路が、１０ナノ秒から１００ナノ秒の間に、前記第３の値から前記第４の値まで前記時間依存基準電圧を変化させる、
    請求項７または請求項８の回路。
12. 前記第２の値が、前記電力半導体スイッチの前記ミラープラトーを上回っており、
    前記第３の値が、前記電力半導体スイッチの前記ミラープラトー未満である、
    請求項７から請求項９のいずれか一項の回路。
13. 前記制御端子基準電圧生成器が、前記時間依存基準電圧を前記第２の値と前記第３の値との間で一定に保持する回路を備える、
    請求項７から請求項９のいずれか一項の回路。
14. 前記電力半導体スイッチを通る電流の伝導における異常の検出に応答して、異常信号を出力するように接続された異常検出回路をさらに備え、
    前記制御端子基準電圧生成器が、前記異常信号に応答して、前記電力半導体スイッチが開いている値から前記基準電圧を変化させ始める、
    先行する請求項のいずれか一項の回路。
15. 前記異常検出回路が、前記電力半導体スイッチのコレクタ・エミッタ電圧を検出する回路を備える、
    請求項１４の回路。
16. 前記電力半導体スイッチをオフに切り替える信号が、電流であり、
    前記回路が、オフ切り替えゲート抵抗器をさらに備える、
    先行する請求項のいずれか一項の回路。
17. 前記電力半導体スイッチが、ＩＧＢＴである、
    先行する請求項のいずれか一項の回路。
18. 前記オフ切り替えトランジスタが、ＮＭＯＳトランジスタである、
    先行する請求項のいずれか一項の回路。
19. 半導体スイッチのオフ切り替え回路であって、
    可変抵抗を有する要素であって、
    当該要素が、前記半導体スイッチの制御入力に接続されている、
    当該要素と、
    前記半導体スイッチの制御入力電圧または制御入力電流におけるミラープラトーの終端を検出するように設計された検出回路と、
    前記半導体スイッチの前記制御入力に現れる電圧が前記ミラープラトーの前記終端後に所定の速度で低減されるように、前記可変抵抗を有する要素の抵抗値を制御するように設計された制御回路と、
    を備える、半導体スイッチのオフ切り替え回路。
20. ミラープラトーの終端が、前記可変抵抗を有する要素の制御入力における電圧に基づいて検出される、
    請求項１９のオフ切り替え回路。
21. ミラープラトーの終端は、前記可変抵抗を有する要素の前記制御入力における前記電圧が所定の信号レベル未満に立ち下がったときに検出される、
    請求項２０のオフ切り替え回路。
22. 前記所定の信号レベルが、前記可変抵抗を有する要素の予定ゲート閾値電圧の５０％から１５０％の範囲にある、
    請求項２１のオフ切り替え回路。
23. ミラープラトーの終端に達する前における前記制御入力基準信号のレベルが、実質的に一定であり、前記ミラープラトーの前記終端の検出に応答して、前記制御入力基準信号の前記信号レベルが低減する、
    請求項１９のオフ切り替え回路。