JP6390959B2 - 駆動装置、電力変換装置 - Google Patents

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Description

本開示は、制御端子を備えるスイッチング素子を駆動する駆動装置、その駆動装置を備えた電力変換装置に関する。
近年、ゲート容量が大きい高出力用のパワースイッチング素子を駆動する駆動装置は、低損失化とスイッチング速度の向上とが求められている。
スイッチング素子の駆動方式の代表的なものにＲＣ方式とＬＣ方式がある。ＲＣ方式は電源とゲート端子の間に設けられる電流制御素子に抵抗を用いる方式である。ＬＣ方式は電流制御素子にコイルを用いる方式である（例えば、特許文献１参照）。ＲＣ方式の駆動装置の電力損失は、ゲート容量が大きいほど、ゲート電圧が高いほど、またはスイッチング周波数が高いほど、大きくなる。ＬＣ方式の駆動装置の電力損失は、ＬＣ共振でゲート電圧を上げ、下げするため、ゲート容量が大きい場合でも低減されうる。
特表２００７−５０１５４４号公報
従来の駆動装置において、効率的なスイッチングが望まれている。
本開示は、効率的なスイッチングを実現できる駆動装置を提供する。
本開示の一態様の駆動装置は、制御端子を備えるスイッチング素子を駆動する駆動装置であって、第一電位を与える第一電位線と、前記第一電位よりも小さい第二電位を与える第二電位線と、第一端子と第二端子とを有し、前記第二端子が前記スイッチング素子の制御端子に接続されるコイルと、前記第一電位線と前記コイルの前記第一端子との間に接続され、前記第一電位線と前記コイルとの間の通電をオンオフする充電用スイッチと、前記第一電位線と前記コイルの前記第二端子との間に設けられ、前記第一電位線と前記スイッチング素子の前記制御端子との間の通電をオンオフするクランプスイッチと、前記第一電位線と前記コイルの前記第二端子との間において前記クランプスイッチに直列に接続され、前記コイルの前記第二端子から前記第一電位線に向かう電流を阻止する逆流阻止ダイオードと、前記充電用スイッチおよび前記クランプスイッチを制御する制御回路とを備える。
これらの包括的または具体的な態様は、電力変換装置、モータ駆動システム、車両、蓄電システム、制御回路または制御方法として実現されてもよく、それらの任意の組み合わせで実現されてもよい。
本開示によれば、効率的なスイッチングを実現できる。
図１は、実施の形態１に係るゲート駆動装置の構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１に係る制御方法１における、制御信号のタイミングチャートとシミュレーションの結果とを例示する図である。 図３は、図２に示される制御方法１による電流経路を示す図である。 図４は、図２に示される制御方法１による電流経路を示す図である。 図５は、実施の形態１に係る制御方法１における、制御信号のタイミングチャートとシミュレーションの結果とを例示する図である。 図６は、図５に示される制御方法１による電流経路を示す図である。 図７は、図５に示される制御方法１による電流経路を示す図である。 図８は、実施の形態１に係る制御方法２における、制御信号のタイミングチャートとシミュレーションの結果とを例示する図である。 図９は、実施の形態１に係る制御方法２における、制御信号のタイミングチャートとシミュレーションの結果とを例示する図である。 図１０は、図８および図９に示される制御方法２による電流経路を示す図である。 図１１は、検討例に係るゲート駆動装置の構成を示す図である。 図１２は、検討例に係る、制御信号のタイミングチャートとシミュレーションの結果とを示す図である。 図１３は、図１２に示される制御方法による電流経路を示す図である。 図１４は、検討例に係る実験結果を示す図である。 図１５は、実施の形態１の実施例に係る実験結果を示す図である。 図１６は、実施の形態１の変形例１に係るゲート駆動装置の構成を示す図である。 図１７は、実施の形態１の変形例２に係るゲート駆動装置の構成を示す図である。 図１８は、実施の形態１の変形例３に係るゲート駆動装置の構成を示す図である。 図１９は、実施の形態１の変形例４に係るゲート駆動装置の構成を示す図である。 図２０は、実施の形態１の変形例５に係るゲート駆動装置の構成を示す図である。 図２１は、実施の形態１の変形例５に係る制御方法の一例を模式的に示す図である。 図２２は、実施の形態１の変形例６に係るゲート駆動装置の構成を示す図である。 図２３は、実施の形態１の変形例６に係るゲート駆動装置の構成を示す図である。 図２４は、実施の形態１の変形例７に係るゲート駆動装置の構成を示す図である。 図２５は、実施の形態１の変形例７に係る制御方法の一例を模式的に示す図である。 図２６は、実施の形態２に係るモータ駆動システムの第１構成例を示す図である。 図２７は、実施の形態２に係るモータ駆動システムの第２構成例を示す図である。 図２８は、実施の形態２に係る車両の構成例を示す図である。 図２９は、実施の形態２に係る蓄電システムの構成例を示す図である。
（本開示に至った経緯）
本発明者らは、効率的なスイッチングを実現できる駆動装置について鋭意検討を行った。
スイッチング素子のゲート端子に供給されるゲート電流が増加することによって、ゲート容量の充電速度が向上し、スイッチング素子のスイッチング損失を低減することができる。そのため、本発明者らは、ＬＣ方式の駆動装置のゲート電流を増加させるべく、スイッチング素子のゲート端子にゲート電流を供給する前にコイルをプリチャージする方法に着目した。その結果、本発明者らは、プリチャージ方式の駆動装置においてスイッチング特性を向上させる技術として、本開示の一態様を得るに至った。
（実施の形態の概要）
本開示の一態様に係る駆動装置は、例えば、制御端子を備えるスイッチング素子を駆動する駆動装置であって、第一電位を与える第一電位線と、前記第一電位よりも小さい第二電位を与える第二電位線と、第一端子と第二端子とを有し、前記第二端子が前記スイッチング素子の制御端子に接続されるコイルと、前記第一電位線と前記コイルの前記第一端子との間に接続され、前記第一電位線と前記コイルとの間の通電をオンオフする充電用スイッチと、前記第一電位線と前記コイルの前記第二端子との間に設けられ、前記第一電位線と前記スイッチング素子の前記制御端子との間の通電をオンオフするクランプスイッチと、前記第一電位線と前記コイルの前記第二端子との間において前記クランプスイッチに直列に接続され、前記コイルの前記第二端子から前記第一電位線に向かう電流を阻止する逆流阻止ダイオードと、前記充電用スイッチおよび前記クランプスイッチを制御する制御回路とを備える。
逆流阻止ダイオードが、コイルの第二端子から第一電位線に向かう電流を阻止することにより、コイルの第一端子から第二端子に流れる電流が、効率的にスイッチング素子の制御端子に供給される。これにより、スイッチング素子の制御端子に供給される電流が増加し、スイッチング素子のスイッチング速度が向上する。また、コイルの第二端子から第一電位線に向かう電流が阻止されることにより、駆動装置内での電力の損失が低減される。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記スイッチング素子は、第一導通端子と第二導通端子とをさらに備え、前記制御端子と前記第一導通端子との間に容量を有し、前記コイルと前記容量との間に共振電流が流れてもよい。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記制御回路は、前記駆動装置から前記スイッチング素子の前記制御端子に電流が流れる前に、前記コイルにエネルギーを蓄積させてもよい。
スイッチング素子の制御端子に電流が流れる前にコイルがプリチャージされることにより、スイッチング素子の制御端子に流れる電流量が増加し、スイッチング効率が向上しうる。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記制御回路は、前記充電用スイッチをターンオンさせ、前記コイルにエネルギーが蓄積された後で前記充電用スイッチをターンオフさせる制御信号を出力してもよい。
スイッチング素子の制御端子に電流が流れる前にコイルがプリチャージされることにより、スイッチング素子の制御端子に流れる電流量が増加し、スイッチング効率が向上しうる。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記制御信号は、さらに、前記充電用スイッチをターンオフさせた後であって、前記スイッチング素子の前記制御端子の電位が前記第一電位に到達した後に前記クランプスイッチをターンオンさせてもよい。
クランプスイッチがターンオンされることにより、スイッチング素子の制御端子が第一電位に固定されうる。これにより、スイッチング素子を流れる電流が安定化されうる。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記クランプスイッチは、前記コイルの前記第二端子から前記第一電位線に向かう電流を通電する寄生ダイオードを含んでもよい。
クランプスイッチが寄生ダイオードを含む場合、逆流阻止ダイオードが、寄生ダイオードを流れ込む電流を阻止できる。これにより、コイルの第一端子から第二端子に流れる電流が、効率的にスイッチング素子の制御端子に供給される。これにより、スイッチング素子のスイッチング速度が向上し、駆動装置内での電力の損失が低減される。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記クランプスイッチは、第一クランプスイッチであり、前記駆動装置は、前記第二電位線と前記コイルの前記第一端子との間に接続され、前記第二電位線から前記コイルの前記第一端子に電流を流す充電用ダイオードと、前記第二電位線と前記コイルの前記第二端子との間に設けられ、前記第二電位線と前記スイッチング素子の前記制御端子との間の通電をオンオフする第二クランプスイッチと、をさらに備え、前記制御回路は、前記第二クランプスイッチをさらに制御してもよい。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記制御回路は、前記充電用スイッチ及び前記第二クランプスイッチをターンオンさせ、前記コイルにエネルギーが蓄積された後で前記充電用スイッチ及び前記第二クランプスイッチをターンオフさせる制御信号を出力してもよい。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記スイッチング素子は、第一導通端子と第二導通端子とをさらに備え、前記制御端子と前記第一導通端子との間に容量を有し、前記充電用スイッチ及び前記第二クランプスイッチがオンである状態において、前記第一電位線から、前記充電用スイッチ、前記コイル、および前記第二クランプスイッチを介して、前記第二電位線に電流が流れ、前記充電用スイッチ及び前記第二クランプスイッチがオフである状態において、前記コイルを流れる電流によって前記容量が充電されてもよい。
充電用スイッチ及び第二クランプスイッチがターンオンされることにより、コイルにエネルギーがプリチャージされる。その結果、スイッチング素子の制御端子に流れる電流量が増加し、スイッチング効率が向上しうる。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、制御信号は、さらに、前記充電用スイッチ及び第二クランプスイッチをターンオフさせた後であって、かつ、前記スイッチング素子の前記制御端子の電位が前記第一電位に到達した後に前記第一クランプスイッチをターンオンさせてもよい。
クランプスイッチがターンオンされることにより、スイッチング素子の制御端子が第一電位に固定されうる。これにより、スイッチング素子を流れる電流が安定化されうる。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記逆流阻止ダイオードは、第一逆流阻止ダイオードであり、前記駆動装置は、前記第二電位線と前記コイルの前記第一端子との間に接続され、前記第二電位線と前記コイルとの間の通電をオンオフする放電用スイッチと、前記第一電位線と前記コイルの前記第一端子との間に接続され、前記コイルの前記第一端子から前記第一電位線に電流を流す放電用ダイオードと、前記第二電位線と前記コイルの前記第二端子との間において前記第二クランプスイッチに直列に接続され、前記第二電位線から前記コイルの前記第二端子に向かう電流を阻止する第二逆流阻止ダイオードと、をさらに備え、前記制御回路は、前記放電用スイッチをさらに制御してもよい。
第二逆流阻止ダイオードが、第二電位線からコイルの第二端子に向かう電流を阻止することにより、コイルの第二端子から第一端子に流れる電流によって、効率的にスイッチング素子の制御端子から電流が引き抜かれる。これにより、スイッチング素子の制御端子から引き抜かれる電流量が増加し、スイッチング素子のスイッチング速度が向上する。また、第二電位線からコイルの第二端子に向かう電流が阻止されることにより、駆動装置内での電力の損失が低減される。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記制御回路は、前記スイッチング素子の前記制御端子から前記駆動装置に電流が流れる前に、前記コイルにエネルギーを蓄積させてもよい。
スイッチング素子の制御端子から駆動装置に電流が流れる前にコイルがプリチャージされることにより、スイッチング素子の制御端子から駆動装置に流れる電流量が増加し、スイッチング効率が向上しうる。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記制御回路は、前記放電用スイッチ及び前記第一クランプスイッチをターンオンさせ、前記コイルにエネルギーが蓄積された後で前記放電用スイッチ及び前記第一クランプスイッチをターンオフさせる制御信号を出力してもよい。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記スイッチング素子は、第一導通端子と第二導通端子とをさらに備え、前記制御端子と前記第一導通端子との間に容量を有し、前記放電用スイッチ及び前記第一クランプスイッチがオンである状態において、前記第一電位線から、前記第一クランプスイッチ、前記コイル、および前記放電用スイッチを介して、前記第二電位線に電流が流れ、前記放電用スイッチ及び前記第一クランプスイッチがオフである状態において、前記コイルを流れる電流によって前記容量が放電されてもよい。
放電用スイッチ及び第一クランプスイッチがターンオンされることにより、コイルにエネルギーがプリチャージされる。その結果、スイッチング素子の制御端子から駆動装置に流れる電流量が増加し、スイッチング効率が向上しうる。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、制御信号は、さらに、前記放電用スイッチ及び第一クランプスイッチをターンオフさせた後であって、かつ、前記スイッチング素子の前記制御端子の電位が前記第二電位に到達した後に前記第二クランプスイッチをターンオンさせてもよい。
第二クランプスイッチがターンオンされることにより、スイッチング素子の制御端子が第二電位に固定されうる。これにより、スイッチング素子を流れる電流が安定化されうる。
本開示の一態様に係る駆動装置において、例えば、前記スイッチング素子は、第一導通端子と第二導通端子とをさらに備え、前記第二電位線と前記スイッチング素子の前記第一導通端子の間に、前記スイッチング素子の前記第一導通端子の電位を前記第二電位線の電位よりも高くする補助電源をさらに備えてもよい。
これにより、スイッチング素子の制御端子と第二電位線とが通電したときに、スイッチング素子の制御端子と第一導通端子との間に負の電圧が印加されうる。
本開示の一態様に係る電力変換装置は、例えば、入力される電力を変換して出力する電力変換装置であって、前記スイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する上記のいずれか１つの駆動装置とを備える。
本開示の別の態様に係る駆動装置は、制御端子を備えるスイッチング素子を駆動する駆動装置であって、第一電位を与える第一電位線と、前記第一電位よりも小さい第二電位を与える第二電位線と、第一端子と第二端子とを有し、前記第二端子が前記スイッチング素子の制御端子に接続されるコイルと、前記第二電位線と前記コイルの前記第一端子との間に接続され、前記第二電位線と前記コイルとの間の通電をオンオフする放電用スイッチと、前記第二電位線と前記コイルの前記第二端子との間に設けられ、前記第二電位線と前記スイッチング素子の前記制御端子との間の通電をオンオフするクランプスイッチと、前記第二電位線と前記コイルの前記第二端子との間において前記クランプスイッチに直列に接続され、前記第二電位線から前記コイルの前記第二端子に向かう電流を阻止する逆流阻止ダイオードと、前記放電用スイッチおよび前記クランプスイッチを制御する制御回路とを備える。
逆流阻止ダイオードが、第二電位線からコイルの第二端子に向かう電流を阻止することにより、コイルの第二端子から第一端子に流れる電流によって、効率的にスイッチング素子の制御端子から電流が引き抜かれる。これにより、スイッチング素子の制御端子から引き抜かれる電流量が増加し、スイッチング素子のスイッチング速度が向上する。また、第二電位線からコイルの第二端子に向かう電流が阻止されることにより、駆動装置内での電力の損失が低減される。
本開示の別の態様に係る駆動装置において、例えば、前記制御回路は、前記スイッチング素子の前記制御端子から前記駆動装置へ電流が流れる前に、前記コイルにエネルギーを蓄積させてもよい。
スイッチング素子の制御端子から駆動装置に電流が流れる前にコイルがプリチャージされることにより、スイッチング素子の制御端子から駆動装置に流れる電流量が増加し、スイッチング効率が向上しうる。
本開示のさらに別の態様に係る駆動装置は、制御端子を備えるスイッチング素子を駆動する駆動装置であって、第一電位を与える第一電位線と、前記第一電位よりも小さい第二電位を与える第二電位線と、前記第一電位よりも小さく前記第二電位よりも大きい第三電位を与える第三電位線と、第一端子と第二端子とを有し、前記第二端子が前記スイッチング素子の制御端子に接続されるコイルと、前記第三電位線と前記コイルの前記第一端子との間に設けられ、前記第三電位線と前記コイルとの間の通電をオンオフする充電用スイッチと、前記第一電位線と前記コイルの前記第二端子との間に設けられ、前記第一電位線と前記スイッチング素子の前記制御端子との間の通電をオンオフするクランプスイッチと、前記第一電位線と前記コイルの前記第二端子との間において前記クランプスイッチに直列に接続され、前記コイルの前記第二端子から前記第一電位線に向かう電流を阻止する逆流阻止ダイオードと、前記充電用スイッチ及び前記クランプスイッチを制御する制御回路とを備える。
逆流阻止ダイオードが、コイルの第二端子から第一電位線に向かう電流を阻止することにより、コイルの第一端子から第二端子に流れる電流が、効率的にスイッチング素子の制御端子に供給される。これにより、スイッチング素子の制御端子に供給される電流が増加し、スイッチング素子のスイッチング速度が向上する。また、コイルの第二端子から第一電位線に向かう電流が阻止されることにより、駆動装置内での電力の損失が低減される。
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には、同一の符号が付され、重複する説明は省略される場合がある。
また、以下で説明される実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置、接続形態、波形などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
（実施の形態１）
［ゲート駆動装置の全体構成］
図１は、実施の形態１に係るゲート駆動装置１００の構成例を示す。ゲート駆動装置１００は、電圧制御型のパワースイッチング素子Ｐを、共振により発生する制御信号をもとに駆動する。電圧制御型のパワースイッチング素子Ｐは、ゲートを容量とみなせるパワースイッチング素子である。パワースイッチング素子Ｐは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等であってもよい。図３以降では、電圧制御型のパワースイッチング素子Ｐのうち、入力容量Ｃｉｓｓに相当する部分を、等価回路で容量Ｃ１として描く場合がある。なお、後述のとおり、容量Ｃ１は、パワースイッチング素子Ｐの入力容量Ｃｉｓｓと、その他の寄生容量とから構成されてもよい。
パワースイッチング素子Ｐは、制御端子と、第一導通端子と、第二導通端子とを備える。例えば、パワースイッチング素子ＰがＭＯＳＦＥＴである場合、制御端子はゲート端子であり、第一導通端子及び第二導通端子の一方はソース端子であり、他方はドレイン端子である。例えば、パワースイッチング素子ＰがＩＧＢＴである場合、制御端子はゲート端子であり、第一導通端子及び第二導通端子の一方はコレクタ端子であり、他方はエミッタ端子である。また、第一導通端子及び第二導通端子の一方は、制御端子の電圧の基準となる基準端子となる。以下では、パワースイッチング素子ＰがＭＯＳＦＥＴであり、制御端子はゲート端子であり、第一導通端子がソース端子であり、第二導通端子がドレイン端子であり、ソース端子が基準端子である例について説明する。また、ゲート端子とソース端子の間の電圧を、ゲート電圧と呼ぶ場合がある。ドレイン端子とソース端子の間の電圧をドレイン電圧と呼ぶ場合がある。ただし、パワースイッチング素子Ｐはこれに限定されず、上記の通り適宜読み替えることによって他の形態も説明される。
ゲート駆動装置１００は、ゲート駆動部１０及び制御回路２０を備える。ゲート駆動部１０と制御回路２０は同一基板に実装されてもよいし、別々の基板に実装されてもよい。ゲート駆動部１０は、電源Ｅ１、共振回路部１１及びクランプ部１２を有する。共振回路部１１は、コイルＬ１及び回収部を有する。回収部は、第１回収スイッチＳＷ１、第２回収スイッチＳＷ２、第１回収ダイオードＤ１及び第２回収ダイオードＤ２を含む。クランプ部１２は、第１クランプスイッチＳＷ３及び第２クランプスイッチＳＷ４を含む。
共振回路部１１のコイルＬ１の入力側端子は、第１回収スイッチＳＷ１を介して電源Ｅ１の第１基準電位線と接続可能な構成である。第１基準電位線は、第１基準電位Ｖｃｃを与える。共振回路部１１のコイルＬ１の入力側端子は、第２回収スイッチＳＷ２を介して電源Ｅ１の第２基準電位線と接続可能な構成である。第２基準電位線は、第２基準電位Ｖｓｓを与える。第１基準電位Ｖｃｃは、第２基準電位Ｖｓｓよりも高い。コイルＬ１の出力側端子は、パワースイッチング素子Ｐの制御端子であるゲート端子に直列に接続される。電源Ｅ１の第２基準電位Ｖｓｓと、パワースイッチング素子Ｐのソース電位は共通する。従ってコイルＬ１と容量Ｃ１はＬＣ直列共振回路を構成する。
なお、第１基準電位Ｖｃｃは第一電位の一例であり、第二基準電位Ｖｓｓは第二電位の一例である。第１基準電位線は第一電位線の一例であり、第二基準電位線は第二電位線の一例である。また、本開示において、第一電位線は、第一電位を有する電流経路であればよく、配線でなくてもよい。同様に、第二電位線は、第二電位を有する電流経路であればよく、配線でなくてもよい。例えば、配線でない電流経路は、回路素子の端子同士を接続することによって形成される電流経路であってもよい。
本開示において第１回収スイッチが充電用スイッチと呼ばれ、第２回収スイッチが放電用スイッチと呼ばれることがある。本開示において、後述する実施の形態１の変形例６の場合を除いて、第１回収ダイオードが放電用ダイオードと呼ばれ、第２回収ダイオードが充電用ダイオードと呼ばれることがある。本開示において、コイルの入力側端子が第一端子と呼ばれ、出力側端子が第二端子と呼ばれることがある。
電源Ｅ１は、パワースイッチング素子Ｐのゲート端子に第１基準電位Ｖｃｃまたは第２基準電位Ｖｓｓを供給する。例えば、電源Ｅ１は、パワースイッチング素子Ｐがオン状態のとき、パワースイッチング素子Ｐのゲート電位を第１基準電位Ｖｃｃと同電位に固定し、パワースイッチング素子Ｐがオフ状態のとき、ゲート電位を第２基準電位Ｖｓｓと同電位に固定する。換言すれば、電源Ｅ１は、パワースイッチング素子Ｐのスイッチングが完了した後の安定した状態において、パワースイッチング素子Ｐのゲート端子及びソース端子間に、固定電圧を印加する。
図１に示される例では、第２基準電位Ｖｓｓとパワースイッチング素子Ｐのソース端子とが同電位である。そのため、パワースイッチング素子Ｐのゲート電位が第１基準電位Ｖｃｃに固定されるとき、パワースイッチング素子Ｐのソース端子を基準とするゲート端子の電圧は、Ｖｃｃ−Ｖｓｓ、すなわち電源Ｅ１の電圧と等しい。パワースイッチング素子Ｐのゲート電位が第２基準電位Ｖｓｓに固定されるとき、パワースイッチング素子Ｐのソース端子を基準とするゲート端子の電圧は、０Ｖである。なお、本開示において、「ＡとＢが同じ電位である」「Ａの電位がＢの電位に到達する」とは、Ａの電位とＢの電位との間に、例えば配線抵抗、トランジスタのオン抵抗、及び電気素子の寄生抵抗に由来する微小な電位差が生じる場合をも含む。なお、電源Ｅ１は、ゲート駆動装置１００の外部に配置されてもよい。
第１回収スイッチＳＷ１は、第１基準電位線とコイルＬ１の入力側端子の間に設けられる。第２回収スイッチＳＷ２は、第２基準電位線とコイルＬ１の入力側端子の間に設けられる。図１は、第１回収スイッチＳＷ１がｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴであり、第２回収スイッチＳＷ２がｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴである例を示す。ｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴには、ドレインからソース方向を順方向とする寄生ダイオードが形成される。ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴには、ソースからドレイン方向を順方向とする寄生ダイオードが形成される。なお、第１回収スイッチＳＷ１および第２回収スイッチＳＷ２は、例えば、バイポーラトランジスタ、リレー等の他のスイッチング素子であってもよい。
第１回収ダイオードＤ１は、第１基準電位線とコイルＬ１の入力側端子の間に逆方向に設けられる。逆方向とは、第１基準電位Ｖｃｃ側から第２基準電位Ｖｓｓ側の方向に電流が流れている状態で、電位が高い方の端子にカソード端子が接続され、電位が低い方の端子にアノード端子が接続される方向である。すなわち、第１回収ダイオードＤ１は、第１基準電位線とコイルＬ１の入力側端子の間に逆バイアスで接続される。第２回収ダイオードＤ２は、コイルＬ１の入力側端子と第２基準電位線の間に逆方向に設けられる。すなわち、第２回収ダイオードＤ２は、コイルＬ１の入力側端子と第２基準電位線の間に逆バイアスで接続される。図面上では、ダイオードが接続される２点のうち、上側の点にカソード端子が接続され、下側の点にアノード端子が接続されている。後述するように、回生電流または循環電流が発生すると、第２基準電位線側から第１基準電位線側の方向に電流が流れる場合がある。その場合、逆方向に設けられた第１回収ダイオードＤ１及び第２回収ダイオードＤ２は通電する。第１回収ダイオードＤ１のカソード端子は、１基準電位線に接続され、第２回収ダイオードＤ２のアノード端子は第２基準電位線に接続される。第１回収ダイオードＤ１及び第２回収ダイオードＤ２は、例えば、ショットキーバリアダイオードであってもよい。
第１クランプスイッチＳＷ３は、第１基準電位線とコイルＬ１の出力側端子の間に設けられる。第２クランプスイッチＳＷ４は、第２基準電位線とコイルＬ１の出力側端子の間に設けられる。図１は、第１クランプスイッチＳＷ３がｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴであり、第２クランプスイッチＳＷ４がｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴである例を示す。
第１逆流阻止ダイオードＤ３は、第１クランプスイッチＳＷ３とコイルＬ１の出力側端子の間に順方向に挿入される。なお、順方向とは、第１基準電位Ｖｃｃ側から第２基準電位Ｖｓｓ側の方向に電流が流れている状態で電位が高い方の端子にアノード端子が接続され、電位が低い方の端子にカソード端子が接続される方向である。図面上では、ダイオードが接続される２点のうち、上側の点にアノード端子が接続され、下側の点にカソード端子が接続される方向である。すなわち、第１逆流阻止ダイオードＤ３は、第１クランプスイッチＳＷ３とコイルＬ１の出力側端子の間に順バイアスで接続される。第２逆流阻止ダイオードＤ４は、コイルＬ１の出力側端子と第２クランプスイッチＳＷ４の間に順方向に挿入される。すなわち、第２逆流阻止ダイオードＤ４は、コイルＬ１の出力側端子と第２クランプスイッチＳＷ４の間に順バイアスで接続される。
以上のように、ゲート駆動部１０は、コイルＬ１、４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４、及び４つのダイオードＤ１〜Ｄ４を含むブリッジ回路を有する。
第１クランプスイッチＳＷ３は、オン状態になることによって、パワースイッチング素子Ｐのゲート電位を第１基準電位Ｖｃｃにクランプさせる。パワースイッチング素子Ｐのゲート電位が第１基準電位Ｖｃｃより低い場合、第１基準電位線から第１クランプスイッチＳＷ３を介してパワースイッチング素子Ｐのゲート端子に、電流が供給される。
このように、第１基準電位線からコイルＬ１の出力側端子に向かう電流経路に、クランプ電流が流れる。なお、コイルＬ１の出力側端子は、駆動対象であるパワースイッチング素子Ｐのゲート端子に接続されるため、ゲート駆動装置１００の出力端子でもあってもよい。第１基準電位線とコイルＬ１の出力側端子との間の電流経路には、第１逆流阻止ダイオードＤ３が挿入されている。そのため、第１クランプスイッチＳＷ３がオン状態であっても、オフ状態であっても、コイルＬ１の出力側端子から第１基準電位線に向かう方向に電流は流れない。
第１逆流阻止ダイオードＤ３を備えないゲート駆動装置では、第１クランプスイッチＳＷ３の寄生ダイオードを通じて、コイルＬ１の出力側端子から第１基準電位線に向かう方向に電流が流れうる。一方、第１逆流阻止ダイオードＤ３を備えるゲート駆動装置１００では、第１クランプスイッチＳＷ３がオン状態のとき、第１基準電位線からコイルＬ１の出力側端子へ向かう方向に電流が流れ、第１クランプスイッチＳＷ３がオフ状態のとき、第１基準電位線とコイルＬ１の出力側端子との間には、何れの方向にも電流が流れない。
第２クランプスイッチＳＷ４は、オン状態になることによって、パワースイッチング素子Ｐのゲート電位を第２基準電位Ｖｓｓにクランプさせる。パワースイッチング素子Ｐのゲート電位が第２基準電位Ｖｓｓより高い場合、パワースイッチング素子Ｐのゲート端子から第２クランプスイッチＳＷ４を介して第２基準電位線に、電流が引き抜かれる。
このように、第２基準電位線からコイルＬ１の出力側端子に向かう電流経路に、クランプ電流が流れる。第２基準電位線とコイルＬ１の出力側端子との間の電流経路には、第２逆流阻止ダイオードＤ４が挿入されている。そのため、第２クランプスイッチＳＷ４がオン状態であっても、オフ状態であっても、第２基準電位線からコイルＬ１の出力側端子に向かう方向に電流は流れない。
第２逆流阻止ダイオードＤ４を備えないゲート駆動装置では、第２クランプスイッチＳＷ４の寄生ダイオードを通じて、第２基準電位線からコイルＬ１の出力側端子に向かう方向に電流が流れうる。一方、第２逆流阻止ダイオードＤ４を備えるゲート駆動装置１００では、第２クランプスイッチＳＷ４がオン状態のとき、コイルＬ１の出力側端子から第２基準電位線に向かう方向に電流が流れ、第２クランプスイッチＳＷ４がオフ状態のとき、第２基準電位線とコイルＬ１の出力側端子との間には、何れの方向にも電流が流れない。
制御回路２０は、第１回収スイッチＳＷ１、第２回収スイッチＳＷ２、第１クランプスイッチＳＷ３及び第２クランプスイッチＳＷ４を制御する。具体的には、制御回路２０は、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の制御端子にパルス信号を入力することによって、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン／オフ状態を制御する。第１回収スイッチＳＷ１、第２回収スイッチＳＷ２、第１クランプスイッチＳＷ３及び第２クランプスイッチＳＷ４が、ＭＯＳＦＥＴである場合、各スイッチの制御端子はゲート端子である。
実施の形態１では、制御回路２０はゲート駆動部１０をプリチャージ方式で制御する。
パワースイッチング素子Ｐがターンオンされる場合について説明する。制御回路２０は、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４がオンであって、かつ第２回収スイッチＳＷ２及び第１クランプスイッチＳＷ３がオフである状態に制御することによって、コイルＬ１にエネルギーをプリチャージさせる。第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４は、同時にターンオンされてもよいし、第２クランプスイッチＳＷ４が先にターンオンされて、その後に第１回収スイッチＳＷ１がターンオンされてもよい。
なお、本開示において、プリチャージとは、ゲート駆動装置からスイッチング素子の制御端子に電流が流れる前、または、スイッチング素子の制御端子からゲート駆動装置に電流が流れる前に、コイルにエネルギーが蓄積されることを意味する。また、本開示において、「スイッチＡ及びスイッチＢがターンオンされる」とは、スイッチＡとスイッチＢとが同時にターンオンされるもの、スイッチＡがターンオンされた後にスイッチＢがターンオンされるもの、スイッチＢがターンオンされた後にスイッチＡがターンオンされるものを含む。「スイッチＡ及びスイッチＢがターンオフされる」についても同様である。
その後、制御回路２０は、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４をターンオフさせる。これにより容量Ｃ１、コイルＬ１、第２回収ダイオードＤ２により閉ループが形成され、コイルＬ１に蓄積されたエネルギーによって、容量Ｃ１が充電される。なお、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４は、同時にターンオフされてもよいし、第２クランプスイッチＳＷ４が先にターンオフされて、その後に第１回収スイッチＳＷ１がターンオフされてもよい。
パワースイッチング素子Ｐがターンオフされる場合について説明する。制御回路２０は、第２回収スイッチＳＷ２及び第１クランプスイッチＳＷ３がオンであって、かつ、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４がオフである状態に制御することによって、コイルＬ１にエネルギーをプリチャージさせる。第２回収スイッチＳＷ２及び第１クランプスイッチＳＷ３は、同時にターンオンされてもよいし、第１クランプスイッチＳＷ３が先にターンオンされて、その後に第２回収スイッチＳＷ２がターンオンされてもよい。
その後、制御回路２０は、第２回収スイッチＳＷ２及び第１クランプスイッチＳＷ３をターンオフさせる。これにより、コイルＬ１及び容量Ｃ１に蓄積されたエネルギーが、第１回収ダイオードＤ１を介して電源Ｅ１に回生される。なお、第２回収スイッチＳＷ２及び第１クランプスイッチＳＷ３は、同時にターンオフされてもよく、第１クランプスイッチＳＷ３が先にターンオフされて、その後に第２回収スイッチＳＷ２がターンオフされてもよい。
［制御方法１］
以下、実施の形態１に係る制御方法１の一例について説明する。
図２は、パワースイッチング素子Ｐをターンオンする場合における、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４に入力される制御信号の波形と、ゲート電圧Ｖｇｓ、コイル電流ＩＬ、及びゲート電流Ｉｇのシミュレーション結果の一例とを示す。ゲート電圧Ｖｇｓは、パワースイッチング素子Ｐのゲート端子とソース端子の間に印加される電圧である。コイル電流ＩＬはコイルＬ１に流れる電流である。ゲート電流Ｉｇはゲート駆動部１０からパワースイッチング素子Ｐのゲート端子に流れる電流である。なお、ゲート電圧Ｖｇｓは、ソース端子を基準としたときの、ゲート端子の電圧である。ゲート電流Ｉｇは、ゲート駆動部１０からパワースイッチング素子Ｐのゲート端子に流れる方向を正方向とする。
実験の前提条件は以下の通りであった。駆動対象のパワースイッチング素子Ｐは、ドレイン電流Ｉｄが１００Ａクラスのパワーモジュールであった。第１基準電位Ｖｃｃが２０Ｖ、第２基準電位Ｖｓｓが−５Ｖに設定された。コイルＬ１のインダクタンス値が数１００ｎＨ、ゲート抵抗の抵抗値が数Ω、容量Ｃ１の容量値が数１０ｎＦにそれぞれ設定された。第１基準電位Ｖｃｃが２５Ｖ、第２基準電位Ｖｓｓが０Ｖに設定された。コイルＬ１のインダクタンス値が４０〜５００ｎＨ、容量Ｃ１の容量値が１０〜３５ｎＦにそれぞれ設定された。以下の説明では、ゲート電圧Ｖｇｓがローレベルからハイレベルに立ち上がることによりターンオンし、ハイレベルからローレベルに立ち下がることによりターンオフするタイプのパワースイッチング素子Ｐを採用することを前提とする。以下に説明される例では、パワースイッチング素子Ｐがターンオンするとき、ゲート電位が第２基準電位Ｖｓｓから第１基準電位Ｖｃｃに変化する。また、パワースイッチング素子Ｐがターンオフするとき、ゲート電位が第１基準電位Ｖｃｃから第２基準電位Ｖｓｓに変化する。
図３の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図２に示される第１状態（i）および第２状態（ii）において、ゲート駆動部１０内とパワースイッチング素子Ｐの入力容量とを流れる電流経路を示す。図４の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図２に示される第３状態（iii）および第４状態（iv）において、ゲート駆動部１０内とパワースイッチング素子Ｐの入力容量とを流れる電流経路を示す。図３及び図４において、回路構成を分かりやすくするために、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、ＭＯＳＦＥＴの記号ではなくスイッチの記号で描かれている。
第２クランプスイッチＳＷ４がオンであって、かつ、第１回収スイッチＳＷ１、第２回収スイッチＳＷ２、及び第１クランプスイッチＳＷ３がオフである状態を初期状態として、パワースイッチング素子Ｐがターンオンされる例について説明する。
まず、制御回路２０は、第１回収スイッチＳＷ１をターンオンさせることによって、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４がオンであって、かつ、第２回収スイッチＳＷ２及び第１クランプスイッチＳＷ３がオフである第１状態（i）にする。図３（ａ）に示すように、第１状態（i）では、ゲート端子に正方向のゲート電流Ｉｇが流れる前に、電源Ｅ１によって、第１基準電位線から、第１回収スイッチＳＷ１、コイルＬ１及び第２クランプスイッチＳＷ４を介して、第２基準電位線に向かう経路で電流が流れる。この電流によってコイルＬ１にエネルギーがプリチャージされる。図２に示すように、第１状態（i）では、コイル電流ＩＬは増加するが、ゲート電流Ｉｇは増加していなかった。コイルＬ１には、ゲート電位を第１基準電位Ｖｃｃに到達させるのに十分なエネルギーがプリチャージされる。
次に、制御回路２０は、設定されたプリチャージ期間が経過した後に、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４をターンオフさせることによって、第１回収スイッチＳＷ１、第１クランプスイッチＳＷ３、第２回収スイッチＳＷ２及び第２クランプスイッチＳＷ４がオフである第２状態（ii）にする。図３（ｂ）に示すように、第２状態（ii）では、コイルＬ１、容量Ｃ１、第２回収ダイオードＤ２を含む閉ループが形成され、コイルＬ１にプリチャージされたエネルギーによって電流が流れ、この電流によって容量Ｃ１が充電される。すなわち、コイルＬ１から容量Ｃ１の方向に共振電流が流れる。コイルＬ１にプリチャージされたエネルギーがなくなり、かつ、ゲート電位が第１基準電位Ｖｃｃより高くなると、図４（ａ）に示すように、負方向の電流が発生する。図４（ａ）に示すように、第３状態（iii）では、容量Ｃ１から、コイルＬ１、第１回収ダイオードＤ１を介して、電源Ｅ１に向かう経路で電流が回生される。
次に、制御回路２０は、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４がターンオフされてから設定された期間が経過した後に第１クランプスイッチＳＷ３をターンオンさせることによって、第１クランプスイッチＳＷ３がオンであって、かつ、第１回収スイッチＳＷ１、第２回収スイッチＳＷ２、及び第２クランプスイッチＳＷ４がオフである第４状態（iv）にする。第４状態（iv）では、第１基準電位線とコイルＬ１の出力側端子とが、第１クランプスイッチＳＷ３及び第１逆流阻止ダイオードＤ３を介して導通する。ゲート電位が第１基準電位Ｖｃｃに既に到達している場合、図４（ｂ）に示されるようにクランプ電流はほとんど流れず、ゲート電位が第１基準電位Ｖｃｃに固定される。なお、第１クランプスイッチＳＷ３がターンオンされた時点でゲート電位が第１基準電位Ｖｃｃに到達していない場合、第１基準電位線から、第１クランプスイッチＳＷ３及び第１逆流阻止ダイオードＤ３を介して、パワースイッチング素子Ｐのゲート端子にクランプ電流が流れる。
図５は、パワースイッチング素子Ｐをターンオフする場合における、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４に入力される制御信号の波形と、ゲート電圧Ｖｇｓ、コイル電流ＩＬ、ゲート電流Ｉｇのシミュレーション結果の一例とを示す。なお、ゲート電圧Ｖｇｓは、ソース端子を基準としたときの、ゲート端子の電圧である。ゲート電流Ｉｇは、ゲート駆動部１０からパワースイッチング素子Ｐのゲート端子に流れる方向を正方向とする。実験の前提条件は、図２に示されるシミュレーションと同様であった。
図６の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図５に示される第５状態（v）および第６状態（vi）において、ゲート駆動部１０内とパワースイッチング素子Ｐの入力容量とを流れる電流経路を示す。図７の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図５に示される第７状態（vii）および第８状態（viii）において、ゲート駆動部１０内とパワースイッチング素子Ｐの入力容量とを流れる電流経路を示す。図６及び図７において、回路構成を分かりやすくするために、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、ＭＯＳＦＥＴの記号ではなくスイッチの記号で描かれている。
第１クランプスイッチＳＷ３がオンであって、かつ、第１回収スイッチＳＷ１、第２回収スイッチＳＷ２、および第２クランプスイッチＳＷ４がオフである状態を初期状態として、パワースイッチング素子Ｐがターンオフされる例について説明する。
まず、制御回路２０は、第２回収スイッチＳＷ２をターンオンさせることによって、第２回収スイッチＳＷ２及び第１クランプスイッチＳＷ３がオンであって、かつ、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４がオフである第５状態（v）にする。図６（ａ）に示すように、第５状態（v）では、ゲート端子に負方向のゲート電流Ｉｇが流れる前に、電源Ｅ１によって、第１基準電位線から、第１クランプスイッチＳＷ３、コイルＬ１、及び第２回収スイッチＳＷ２を介して、第２基準電位線に向かう経路で電流が流れる。この電流によってコイルＬ１にエネルギーがプリチャージされる。図５に示すように、第５状態（v）では、コイル電流ＩＬは負方向に増加するが、ゲート電流Ｉｇは増加していなかった。コイルＬ１には、ゲート電位を第２基準電位Ｖｓｓに到達させるのに十分なエネルギーがプリチャージされる。
次に、制御回路２０は、設定されたプリチャージ期間が経過した後に、第２回収スイッチＳＷ２及び第１クランプスイッチＳＷ３をターンオフさせることによって、第１回収スイッチＳＷ１、第１クランプスイッチＳＷ３、第２回収スイッチＳＷ２及び第２クランプスイッチＳＷ４がオフである第６状態（vi）にする。図６（ｂ）に示すように、第６状態（vi）では、コイルＬ１及び容量Ｃ１に蓄積されたエネルギーが、第１回収ダイオードＤ１を介して電源Ｅ１に回生される。コイルＬ１にエネルギーがプリチャージされているため、容量Ｃ１から電源Ｅ１に向かう負方向に、立ち上がりが急峻な電流が流れる。コイルＬ１にプリチャージされたエネルギーがなくなり、かつ、ゲート電位が第２基準電位Ｖｓｓより低くなると、図７（ａ）に示すように、正方向の電流が流れる。図７（ａ）に示すように、第７状態（vii）では、コイルＬ１、容量Ｃ１、第２回収ダイオードＤ２を含む閉ループが形成され、コイルＬ１から容量Ｃ１に電流が流れる。
次に、制御回路２０は、第２回収スイッチＳＷ２及び第１クランプスイッチＳＷ３がターンオフされてから設定された期間が経過した後に第２クランプスイッチＳＷ４をターンオンさせることによって、第２クランプスイッチＳＷ４がオンであって、かつ、第１回収スイッチＳＷ１、第２回収スイッチＳＷ２及び第１クランプスイッチＳＷ３がオフである第８状態（viii）になる。第８状態（viii）では、第２基準電位線とコイルＬ１の出力側端子とが、第２逆流阻止ダイオードＤ４及び第２クランプスイッチＳＷ４を介して導通する。ゲート電位が第２基準電位Ｖｓｓに既に到達している場合、図７（ｂ）に示されるようにクランプ電流はほとんど流れず、ゲート電位が第２基準電位Ｖｓｓに固定される。なお、第２クランプスイッチＳＷ４がターンオンされた時点でゲート電位が第２基準電位Ｖｓｓに到達していない場合、パワースイッチング素子Ｐのゲート端子から、第２逆流阻止ダイオードＤ４及び第２クランプスイッチＳＷ４を介して、第２基準電位線にクランプ電流が流れる。
［制御方法２］
以下、実施の形態１に係る制御方法２の一例について説明する。
図８は、パワースイッチング素子Ｐをターンオンする場合における、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４に入力される制御信号の波形と、ゲート電圧Ｖｇｓ、コイル電流ＩＬ、及びゲート電流Ｉｇのシミュレーション結果の一例とを示す。
図９は、パワースイッチング素子Ｐをターンオフする場合における、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４に入力される制御信号の波形と、ゲート電圧Ｖｇｓ、コイル電流ＩＬ、及びゲート電流Ｉｇのシミュレーション結果の一例とを示す。ゲート電圧Ｖｇｓは、パワースイッチング素子Ｐのゲート端子とソース端子の間に印加される電圧である。コイル電流ＩＬはコイルＬ１に流れる電流である。ゲート電流Ｉｇはゲート駆動部１０からパワースイッチング素子Ｐのゲート端子に流れる電流である。なお、ゲート電圧Ｖｇｓは、ソース端子を基準としたときの、ゲート端子の電圧である。ゲート電流Ｉｇは、ゲート駆動部１０からパワースイッチング素子Ｐのゲート端子に流れる方向を正方向とする。
パワースイッチング素子Ｐをターンオンする場合、制御方法２に係る制御信号は、制御方法１に係る制御信号と比較して、第１状態（i）と第２状態（ii）との間に第１．１状態（i.i）が設けられる点で相違する。パワースイッチング素子Ｐをターンオフする場合、制御方法２に係る制御信号は、制御方法１に係る制御信号と比較して、第５状態（v）と第６状態（vi）との間に第５．１状態（v.i）が設けられる点で相違する。図１０の（ａ）は、図８の第１．１状態（i.i）において、ゲート駆動部１０内とパワースイッチング素子Ｐの入力容量とを流れる電流経路を示す。図１０の（ｂ）は、図９の第５．１状態（v.i）において、ゲート駆動部１０内とパワースイッチング素子Ｐの入力容量とを流れる電流経路を示す。以下では、制御方法２のうち、第１．１状態（i.i）および第５．１状態（v.i）について説明する。その他の制御方法１と重複する部分については、説明が省略される。
制御回路２０は、第２クランプスイッチＳＷ４をターンオフすることによって、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４がオンであって、かつ、第２回収スイッチＳＷ２及び第１クランプスイッチＳＷ３がオフである第１状態（i）から、第１回収スイッチＳＷ１がオンであって、かつ、第１クランプスイッチＳＷ３、第２回収スイッチＳＷ２、及び第２クランプスイッチＳＷ４がオフである第１．１状態（i.i）に遷移させる。図１０（ａ）に示すように、第１．１状態（i.i）状態では、電源Ｅ１から、第１回収スイッチＳＷ１、及びコイルＬ１を介して、容量Ｃ１に電流が流れる。この電流によって、コイルＬ１にエネルギーが蓄積され、容量Ｃ１が充電される。図８に示すように、第１．１状態（i.i）状態では、電源Ｅ１からコイルＬ１にエネルギーが供給され続けるため、コイル電流ＩＬは、減少することなく、ほぼ同じ水準で維持される。
制御回路２０は、第１クランプスイッチＳＷ３をターンオフすることによって、第２回収スイッチＳＷ２、及び第１クランプスイッチＳＷ３がオンであって、かつ、第１回収スイッチＳＷ１、及び第２クランプスイッチＳＷ４がオフである第５状態（v）から、第２回収スイッチＳＷ２がオンであって、かつ、第１回収スイッチＳＷ１、第１クランプスイッチＳＷ３、及び第２クランプスイッチＳＷ４がオフである第５．１状態（v.i）に遷移させる。図１０（ｂ）に示すように、５．１状態（v.i）状態では、容量Ｃ１から流れる電流によってコイルＬ１にエネルギーが蓄積される。図９に示すように、第５．１状態（v.i）状態では、コイルＬ１から第１回収スイッチＳＷ１を介して電源Ｅ１にエネルギーが回生されないため、コイル電流ＩＬは、減少することなく、ほぼ同じ水準で維持される。
［検討例と制御方法１の実施例との比較］
図１１は、検討例に係るゲート駆動部１０の構成を示す。検討例に係るゲート駆動部１０は、図１に示されるゲート駆動部１０から第１逆流阻止ダイオードＤ３及び第２逆流阻止ダイオードＤ４が省略されている。図１２は、検討例に係る、パワースイッチング素子Ｐをターンオンする場合における、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４に入力される制御信号の波形と、ゲート電圧Ｖｇｓ、コイル電流ＩＬ、及びゲート電流Ｉｇの実験結果を示す。図１３は、図１２に示される第２状態（ii）における、ゲート駆動部１０内とパワースイッチング素子Ｐの入力容量とを流れる電流経路を示す。
図１３に示すように、典型的には、ゲート駆動装置１００の出力端子と、パワースイッチング素子Ｐのゲート端子との間に、配線などによる寄生インダクタンスＬｇが存在する。なお、図３、４、６、７、１０、１１、１２には図示されていないが、典型的には、同様の寄生インダクタンスＬｇが存在する。この寄生インダクタンスは、ゲート電圧Ｖｇｓに影響を及ぼす。具体的には、ゲート駆動装置１００の出力電圧Ｖｏを高速で立ち上げるためにコイル電流ＩＬを大きくすると、寄生インダクタンスＬｇによってゲート電圧Ｖｇｓの立ち上がりが遅れる。寄生インダクタンスＬｇが存在する場合、ゲート電圧Ｖｇｓは下記式（１）で定義される。
Ｖｇｓ＝Ｖｏ−（Ｌｇ・ΔＩｇ／Δｔ） ・・・式（１）
ΔＩｇ／Δｔはゲート電流Ｉｇの時間変化率を示す。
従って、寄生インダクタンスＬｇが大きいほど、または、ゲート電流Ｉｇの時間変化率が高いほど、ゲート駆動装置１００の出力電圧Ｖｏと、パワースイッチング素子Ｐのゲート電圧Ｖｇｓとの差が大きくなる。例えば、パワースイッチング素子Ｐをターンオンする場合、上述の制御方法１の例と同様、コイルＬ１がプリチャージされた後に、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４がターンオフされ、容量Ｃ１への充電が開始される。しかし、ゲート駆動装置１００の出力電圧Ｖｏが第１基準電位Ｖｃｃに到達した時点で、電源Ｅ１に回生電流が流れる場合がある。この回生電流は、図１３に示すような、第２基準電位線から、第２回収ダイオードＤ２、コイルＬ１、及び第１クランプスイッチＳＷ３の寄生ダイオードを介して第１基準電位線に向かう経路で流れる。この場合、コイル電流ＩＬの一部がゲート端子に供給されるため、ゲート電流Ｉｇは、コイル電流ＩＬより小さい。すなわち、コイル電流ＩＬがゲート電圧Ｖｇｓの立ち上がりに対して有効に使われない。そのため、ゲート電圧Ｖｇｓの立ち上がりが遅くなる。この回生電流によって電力損失が発生する。
これに対して実施の形態１のゲート駆動装置１００は、コイルＬ１の出力側端子と第１基準電位線との間の経路に第１逆流阻止ダイオードＤ３を備える。従って、コイルＬ１の出力側端子から第１基準電位線に向かう回生電流を阻止でき、コイル電流ＩＬの全てがゲート端子に供給されうる。図２に示されるシミュレーション結果において、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４がターンオフされてから、ゲート電位が第１基準電位Ｖｃｃに到達するまでの間、コイル電流ＩＬとゲート電流Ｉｇは一致している。また、図８に示されるシミュレーション結果において、第１回収スイッチＳＷ１及び第２クランプスイッチＳＷ４がターンオフされてから、ゲート電位が第１基準電位Ｖｃｃに到達するまでの間、コイル電流ＩＬとゲート電流Ｉｇは一致している。これに対して、図１２に示される検討例に係るシミュレーション結果では、ゲート電流Ｉｇがコイル電流ＩＬより少なくなっている。
図２および図８に示される例では、ゲート電流Ｉｇの絶対値は、ゲート電位が第１基準電位Ｖｃｃに到達する前に最大ピーク値を示し、ゲート電位が第１基準電位Ｖｃｃに到達した時点において最大ピーク値よりも小さくなっている。なお、ゲート電位が固定電圧レベルに到達したときのゲート電流Ｉｇの絶対値は、最大ピーク値の２／３より小さくてもよい。ゲート電位が固定電圧レベルに到達したときのゲート電流Ｉｇの絶対値は、１／２より小さくてもよい。ゲート電位が固定電圧レベルに到達したときのゲート電流Ｉｇの絶対値は、実質的にゼロであってもよい。この場合、回生電流が完全に抑制される。
実施の形態１において、制御回路２０は、第１回収スイッチＳＷ１、第２回収スイッチＳＷ２、第１クランプスイッチＳＷ３及び第２クランプスイッチＳＷ４のオン／オフを制御する。これにより、ゲート電圧Ｖｇｓ及びゲート電流Ｉｇが発生し、パワースイッチング素子Ｐのゲート端子に供給される。なお、第１回収スイッチＳＷ１、第２回収スイッチＳＷ２、第１クランプスイッチＳＷ３、及び第２クランプスイッチＳＷ４がオンまたはオフされるタイミングは、理論値、又は実験もしくはシミュレーションにより得られた値にもとづき決定されてもよい。それらのタイミングの情報は制御回路２０内に予め記録されていてもよい。なお、例えば、ゲート駆動装置１００が、ゲート電圧Ｖｇｓ及び／又はゲート電流Ｉｇを検出する検出部を備え、検出部によって検出された検出値が制御回路２０にフィードバックされてもよい。この場合、制御回路２０が、検出値にもとづいて、各スイッチのオン／オフのタイミングを決定してもよい。
図１４は、検討例の実験結果を詳細に示す。図１５は、実施の形態１に係る制御方法１の実施例の実験結果を詳細に示す。図１４および図１５では、ゲート電圧Ｖｇｓ、コイル電流ＩＬ、およびゲート電流Ｉｇに加えて、ドレイン電圧Ｖｄｓ、ドレイン電流Ｉｄ、およびターンオン損失Ｅｏｎの関係を示している。
図１４に示す検討例に係る実験結果と、図１５に示す実施例に係る実験結果を比較すると、実施例のドレイン電圧の時間変化率ΔＶｄｓ／Δｔは、検討例に比べて顕著に大きかった。実施例のターンオン損失Ｅｏｎは、検討例に比べて顕著に小さかった。実施例のゲート−ソース間のリンギング電圧は、検討例とほぼ同じだった。実施例のドライバ損失Ｐｄｒｖは、検討例よりも小さかった。実施例の場合、コイル電流ＩＬがほぼ全てゲートに流入するが、検討例の場合、コイル電流ＩＬのうち、一部が回生電流となり、残部がゲートに流入する。従って、実施例のドレイン電圧の時間変化率ΔＶｄｓ／Δｔは、検討例に比べて、ゲート端子に供給される電流が多い分、高くなったと考えられる。
［まとめ］
実施の形態１に係るゲート駆動装置１００は、第１逆流阻止ダイオードＤ３及び第２逆流阻止ダイオードＤ４を備えるため、パワースイッチング素子Ｐのゲート端子に、効率的にコイル電流ＩＬを流入させることができる。これにより、ゲート駆動装置１００は、パワースイッチング素子Ｐのスイッチング特性を向上させることができる。すなわち、ゲート駆動装置１００は、スイッチング速度を向上させ、スイッチング損失を低減させることができる。ゲート駆動装置１００は、ゲート駆動装置１００内の無駄な回生電流および循環電流を抑制できるため、ゲート駆動装置１００内での電力損失が低減されうる。ゲート駆動装置１００は、コイルＬ１に過剰なエネルギーが蓄積されることがないため、ゲート電圧の波形を安定化できる。なお、実施の形態１に係る制御方法２は、制御方法１に比べて、ゲート電流Ｉｇを増加させることができる。そのため、実施の形態１に係る制御方法２は、パワースイッチング素子Ｐのスイッチング速度をさらに向上させることができる。
（実施の形態１の種々の変形例）
以下、実施の形態１に係るゲート駆動装置１００の変形例について説明する。なお以下の説明において、図１に示されるゲート駆動装置１００、ならびに、図２、５、８および９に示される制御方法と重複する部分については、説明および図示が省略される場合がある。例えば、図１６〜２０、２２〜２４は、ゲート駆動部１０およびパワースイッチング素子Ｐの入力容量Ｃ１のみを例示する。例えば、図１５〜１９、２２、２３に示されるゲート駆動装置１００は、例えば図２および図５、または、図８および図９に示される制御方法によって駆動されうる。
図１６は、変形例１に係るゲート駆動装置１００の構成を示す。変形例１に係るゲート駆動装置１００は、第１回収スイッチＳＷ１及び第１クランプスイッチＳＷ３が、ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴである。
図１７は、変形例２に係るゲート駆動装置１００の構成を示す。変形例２に係るゲート駆動装置１００は、電源Ｅ１の第２基準電位Ｖｓｓが負電位に設定されている。パワースイッチング素子Ｐのソース端子と第２基準電位線との間に補助電源Ｅ２が設けられている。そのため、パワースイッチング素子Ｐのソース端子には、第２基準電位線から第２基準電位Ｖｓｓが供給されず、補助電源Ｅ３の電位が供給される。図１７の例において、電源Ｅ１の第１基準電位Ｖｃｃが２０Ｖ、第２基準電位Ｖｓｓが−５Ｖ、補助電源Ｅ２が供給する電圧は５Ｖであってもよい。この場合、変形例２に係るゲート駆動装置１００は、パワースイッチング素子Ｐのゲート−ソース間に−５Ｖのゲート電圧を印加できる。変形例２に係るゲート駆動装置１００は、例えば、パワースイッチング素子Ｐがノーマリーオンのパワーデバイスまたは閾値の低いパワーデバイスである場合に、パワースイッチング素子Ｐのゲート−ソース間に負バイアスを印加することができる。すなわち、変形例２に係るゲート駆動装置１００は、パワースイッチング素子Ｐをターンオフした後に、パワースイッチング素子Ｐのゲート−ソース間の電圧を負電圧に固定できる。
図１８は、変形例３に係るゲート駆動装置１００の構成を示す。変形例３に係るゲート駆動装置１００は、第１回収スイッチＳＷ１とコイルＬ１の入力側端子との間に設けられた逆流防止用のダイオードＤ５と、第２回収スイッチＳＷ２とコイルＬ１の入力側端子との間に設けられた逆流防止用のダイオードＤ６とを備える。逆流防止用のダイオードＤ５は、第１回収スイッチＳＷ１のボディダイオードに電流が流れることを阻止でき、その電流を専ら第１回収ダイオードＤ１に流すことができる。逆流防止用のダイオードＤ６は、第２回収スイッチＳＷ２のボディダイオードに電流が流れることを阻止でき、その電流を専ら第２回収ダイオードＤ２に流すことができる。
図１９は、変形例４に係るゲート駆動装置１００の構成を示す。変形例４に係るゲート駆動装置１００は、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２とを備える。これにより、ゲート電圧Ｖｇｓの立ち上がり波形と、立ち下がり波形とが異なる形状になりうる。具体的には、第１コイルＬ１の入力側端子と第１基準電位線の間に第１回収スイッチＳＷ１が接続され、第１コイルＬ１の入力側端子と第２基準電位線の間に逆方向に第２回収ダイオードＤ２が接続される。第１コイルＬ１の出力側端子はパワースイッチング素子Ｐのゲート端子に接続される。第２コイルＬ２の入力側端子と第１基準電位線の間に逆方向に第１回収ダイオードＤ１が接続され、第２コイルＬ２の入力側端子と第２基準電位線の間に第２回収スイッチＳＷ２が接続される。第２コイルＬ２の出力側端子はパワースイッチング素子Ｐのゲート端子に接続される。この構成において、コイルＬ１とコイルＬ２のインダクタンス値が異なる場合、ゲート電圧Ｖｇｓの立ち上がり波形の形状と、立ち下がり波形の形状とが異なる。
図２０は、変形例５に係るゲート駆動装置１００の構成を示。変形例５に係るゲート駆動装置１００は、図１に示されるゲート駆動装置１００に対して、第２逆流阻止ダイオードＤ４が省略されている。図２１は、変形例５に係る、スイッチＳＷ１〜ＳＷ２に入力される制御信号の波形、ゲート電圧Ｖｇｓ、およびゲート電流Ｉｇの波形の一例を模式的に示す。図２１における、第１回収スイッチＳＷ１および第１クランプスイッチＳＷ３に入力される制御信号の波形、ゲート電圧Ｖｇｓの立ち上がり波形、および立ち上がり時のゲート電流Ｉｇの波形は、図２に示される例と同様である。一方、図２１における、第２クランプスイッチＳＷ４に入力される制御信号の波形、ゲート電圧Ｖｇｓの立ち下がり波形、および立ち下がり時のゲート電流Ｉｇの波形は、図２に示される例と異なる。図２１に示される例では、ゲート電圧Ｖｇｓの立ち上がり前にコイルＬ１がプリチャージされるが、立ち下がり前にはコイルＬ１がプリチャージされない。このような場合であっても、第２回収スイッチＳＷ２のターンオフタイミングが適切に設定されれば、無駄な回生電流または循環電流が抑制されうる。
図２２は、変形例６に係るゲート駆動装置１００の構成を示す。図２２に示されるゲート駆動部１０は、図１に示されるゲート駆動部１０に対して、補助電源Ｅ３、第１クランプダイオードＤ７及び第２クランプダイオードＤ８が追加されている。補助電源Ｅ３は、電源Ｅ１により生成される第１基準電位Ｖｃｃの１／２の電位を生成する。以下、補助電源Ｅ２が生成する電位を第３基準電位と呼び、第３基準電位を供給する電流経路を第３基準電位線と呼ぶ場合がある。図２２に示される例において、補助電源Ｅ３の低電位側の基準電位は、第２基準電位Ｖｓｓと共通である。
第１回収スイッチＳＷ１と第２回収スイッチＳＷ２の接続点に第３基準電位線が接続され、補助電源Ｅ３が共振用電源となる。第１回収スイッチＳＷ１の一端は第３基準電位線に接続され、他端は第１回収ダイオードＤ１のアノード端子に接続される。第１回収ダイオードＤ１のカソード端子は、コイルＬ１の入力側端子に接続される。図２２は、第１回収スイッチＳＷ１がｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴであり、ｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴのソース端子が第３基準電位線に接続され、ドレイン端子が第１回収ダイオードＤ１のアノード端子に接続される例を示す。第１回収ダイオードＤ１のアノード端子は、ｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴのドレイン端子に接続され、カソード端子はコイルＬ１の入力側端子に接続される。
第２回収スイッチＳＷ２の一端は第３基準電位線に接続され、他端は第２回収ダイオードＤ２のカソード端子に接続される。第２回収ダイオードＤ２のアノード端子は、コイルＬ１の入力側端子に接続される。図２２は第２回収スイッチＳＷ２がｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴであり、ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴのソース端子が第３基準電位線に接続され、ドレイン端子が第２回収ダイオードＤ２のカソード端子に接続される。第２回収ダイオードＤ２のカソード端子は、ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴのドレイン端子に接続され、アノード端子はコイルＬ１の入力側端子に接続される。
第１クランプダイオードＤ７は、第１基準電位ＶｃｃとコイルＬ１の入力側端子の間に、逆方向に接続される。第２クランプダイオードＤ８は、コイルＬ１の入力側端子と第２基準電位Ｖｓｓとの間に、逆方向に接続される。
なお、第１回収スイッチＳＷ１と第１回収ダイオードＤ１は第３基準電位線とコイルＬ１の入力側端子との間に直列に設けられればよい。例えば、第１回収スイッチＳＷ１と第３基準電位線との間に第１回収ダイオードＤ１が設けられてもよい。第２回収スイッチＳＷ２と第２回収ダイオードＤ２は第３基準電位線とコイルＬ１の入力端子との間に直列に設けられればよい。例えば、第２回収スイッチＳＷ２と第３基準電位線との間に第２回収ダイオードＤ２が設けられてもよい。中点方式のゲート駆動部において、第１回収ダイオードが充電用ダイオードと呼ばれ、第２回収ダイオードが放電用ダイオードと呼ばれることがある。
図２３は、変形例６に係るゲート駆動装置１００の別の構成を示す。図２３のゲート駆動装置１００において、電源Ｅ１の第２基準電位Ｖｓｓが負電位に設定されている。パワースイッチング素子Ｐのソース端子と第２基準電位線との間に、補助電源Ｅ３が設けられている。そのため、パワースイッチング素子Ｐのソース端子には、第２基準電位線から第２基準電位Ｖｓｓが供給されず、補助電源Ｅ３の電位が供給される。また、第３基準電位線は、補助電源Ｅ３およびソース端子に接続されている。図２３の例において、電源Ｅ１の第１基準電位Ｖｃｃが２０Ｖ、第２基準電位Ｖｓｓが−５Ｖ、補助電源Ｅ３が供給する電圧は５Ｖであってもよい。この場合、変形例６に係るゲート駆動装置１００は、パワースイッチング素子Ｐのゲート−ソース間に−５Ｖのゲート電圧を印加できる
図２４は、変形例７に係るゲート駆動装置１００の構成を示す。変形例７に係るゲート駆動装置１００は、図１に示されるゲート駆動装置１００に対して、第２回収スイッチＳＷ２、第１回収ダイオードＤ１及び第２逆流阻止ダイオードＤ４が省略されている。
図２５は、変形例７に係る、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ４に入力される制御信号の波形、ゲート電圧Ｖｇｓ、およびゲート電流Ｉｇの波形の一例を模式的に示す。図２５における、第１回収スイッチＳＷ１および第１クランプスイッチＳＷ３に入力される制御信号の波形、ゲート電圧Ｖｇｓの立ち上がり波形、および立ち上がり時のゲート電流Ｉｇの波形は、図２に示される例と同様である。一方、図２５における、第２クランプスイッチＳＷ４に入力される制御信号の波形、ゲート電圧Ｖｇｓの立ち下がり波形、および立ち下がり時のゲート電流Ｉｇの波形は、図２に示される例と異なる。具体的には、変形例７において、ゲート電圧Ｖｇｓの立ち下がり波形は、第２クランプスイッチＳＷ４がターンオンされてから、ＲＣ時定数に従って減少する。なお、変形例７に係るゲート駆動装置１００は、図１に示されるゲート駆動装置１００に対して、第１回収スイッチＳＷ１及び第２回収ダイオードＤ２が省略されてもよい。この場合、ゲート電圧Ｖｇｓの立ち上がり波形がＲＣ時定数に従い増加する。
変形例１〜７に係るゲート駆動装置１００のうち、図１に示されるゲート駆動装置１００から少なくとも一つの電気素子が省略されるものは、図１に示される例と比較して、回路面積およびコストが削減されうる。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る電力変換回路は、実施の形態１に係るゲート駆動装置１００と、パワースイッチング素子Ｐとを含む。以下では、電力変換回路が、ＤＣ−ＤＣコンバータである例、インバータである例について説明する。特に、ＤＣ−ＤＣコンバータまたはインバータは、例えば、車両または蓄電システムに搭載される。
図２６は、実施の形態１に係るゲート駆動装置１００を含むモータ駆動システム６００の第１構成例を示す。モータ駆動システム６００は、バッテリ２００、ＤＣ−ＤＣコンバータ３００、インバータ（ＤＣ−ＡＣコンバータ）４００及びモータ５００を備える。
ＤＣ−ＤＣコンバータ３００は、コイル３１０、容量３２０、ハイサイドパワースイッチング素子Ｐ１、ローサイドパワースイッチング素子Ｐ２、容量３３０、及び、ゲート駆動装置１００ａを備える。ハイサイドパワースイッチング素子Ｐ１及びローサイドパワースイッチング素子Ｐ２は、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴで構成される。ハイサイドパワースイッチング素子Ｐ１及びローサイドパワースイッチング素子Ｐ２は、それぞれゲート駆動装置１００ａにより駆動される。ゲート駆動装置１００ａは、例えば、上述の実施の形態１に係るゲート駆動装置１００である。
まず、昇圧動作について説明する。ゲート駆動装置１００ａがローサイドパワースイッチング素子Ｐ２をオン／オフ制御することにより、バッテリ２００のエネルギーは、コイル３１０を介して容量３３０に移動する。容量３３０の電圧は、バッテリ２００の電圧に対して昇圧されている。この昇圧された電圧はインバータ４００で交流電圧に変換され、その交流電圧でモータ５００が駆動される。
次に、降圧動作について説明する。モータ５００で発電された交流電力は、インバータ４００で直流電力に変換され、直流電力が容量３３０に蓄えられる。ゲート駆動装置１００ａがハイサイドパワースイッチング素子Ｐ１をオン／オフ制御することにより、容量３３０に蓄えられたエネルギーが、コイル３１０を介してバッテリ２００に移動する。バッテリ２００の電圧は、容量３３０の電圧に対して降圧されている。
ゲート駆動装置１００ａは、制御回路２０からの制御信号を受けて、ハイサイドパワースイッチング素子Ｐ１及びローサイドパワースイッチング素子Ｐ２のゲート端子に駆動信号を供給する。ハイサイドパワースイッチング素子Ｐ１及びローサイドパワースイッチング素子Ｐ２は、例えばＰＷＭ制御によってオンオフされる。
図２７は、実施の形態１に係るゲート駆動装置１００を含むモータ駆動システム６００の第２構成例を示す。第２構成例において、実施の形態１に係るゲート駆動装置１００は、インバータ４００に含まれる。
図２７は、レグが３個並列接続された３相インバータの例を示している。図２７に示すインバータ４００は、Ｕ相ハイサイドパワースイッチング素子Ｐ３、Ｕ相ローサイドパワースイッチング素子Ｐ４、Ｖ相ハイサイドパワースイッチング素子Ｐ５、Ｖ相ローサイドパワースイッチング素子Ｐ６、Ｗ相ハイサイドパワースイッチング素子Ｐ７、Ｗ相ローサイドパワースイッチング素子Ｐ８、およびゲート駆動装置１００ｂを備える。６個のパワースイッチング素子Ｐ３〜Ｐ８は３相ブリッジ接続される。ブリッジ接続された６個のパワースイッチング素子Ｐ３〜Ｐ８は、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴで構成される。パワースイッチング素子Ｐ３〜Ｐ８は、それぞれゲート駆動装置１００ｂにより駆動される。ゲート駆動装置１００ｂは、例えば、上述の実施の形態１に係るゲート駆動装置１００である。
３相ブリッジ接続された６個のパワースイッチング素子Ｐ３〜Ｐ８は、ゲート駆動装置１００ｂから供給される駆動信号に応じて、スイッチングされる。これにより、３相ブリッジ接続された６個のパワースイッチング素子Ｐ３〜Ｐ８は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３００から与えられる直流電力を可変電圧および可変周波数の交流電力に変換して、交流電力をモータ５００に供給する。
ゲート駆動装置１００ｂは、制御回路２０からのＰＷＭ制御信号を受けて、３相ブリッジ接続された６個のパワースイッチング素子Ｐ３〜Ｐ８のゲート端子に駆動信号を供給する。６個のパワースイッチング素子Ｐ３〜Ｐ８は、例えば、ＰＷＭ制御によってオンオフされる。
図２６に示される第１構成例と図２７に示される第２構成例とは、組み合わせて使用されうる。すなわち、モータ駆動システム６００のうち、ＤＣ−ＤＣコンバータ３００とインバータ４００とのそれぞれが、実施の形態１に係るゲート駆動装置１００を備えてもよい。なお、バッテリ２００の電圧とインバータ４００の電圧とが同じに設計される場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ３００が省略されてもよい。
図２８は、図２６または図２７のモータ駆動システム６００を搭載する車両７００の構成例を示す。図２８に示される車両７００は、走行用のモータ５００を搭載するハイブリッドカー（ＨＶ）、プラグインハイブリッドカー（ＰＨＶ）または電気自動車（ＥＶ）である。なおモータ５００は自走可能な高出力モータに限らず、マイルドハイブリッドカーに搭載される走行アシストモータであってもよい。モータ５００は、例えば交流同期モータである。
図２８に示す車両７００は、バッテリ２００、ＤＣ−ＤＣコンバータ３００、インバータ４００、及びモータ５００を備える。バッテリ２００は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの蓄電池であってもよい。バッテリ２００、ＤＣ−ＤＣコンバータ３００、インバータ４００、及びモータ５００は、図２６または図２７に示される構成であってもよい。なお、車両７００が減速時のエネルギー回生機能を搭載している場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ３００及びインバータ４００は、双方向のＤＣ−ＤＣコンバータ及びインバータであってもよい。
車両７００において、図２６及び図２７のゲート駆動装置１００ａ、１００ｂに、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）からＣＡＮ（Controller Area Network）を介して制御信号が供給されてもよい。
図２９は、実施の形態１に係るゲート駆動装置１００を含む蓄電システム８００の構成例を示す。図２９に示す蓄電システム８００は、太陽電池２００ａ、蓄電池２００ｂ、ＤＣ−ＤＣコンバータ３００ａ、ＤＣ−ＤＣコンバータ３００ｂ、およびインバータ４００を備える。太陽電池２００ａにより発電された直流電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３００ａによって所定電圧の直流電力に変換される。直流電力は、インバータ４００によって交流電力に変換されて系統９００に出力される。または、直流電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３００ｂによって蓄電用電圧の直流電力に変換されて、蓄電池２００ｂに蓄積される。
ＤＣ−ＤＣコンバータ３００ａ及びＤＣ−ＤＣコンバータ３００ｂの少なくとも一方は、図２６に示される構成のＤＣ−ＤＣコンバータ３００であってもよい。またインバータ４００には、図２７に示される構成のインバータ４００であってもよい。
なお、蓄電池２００ｂ及びＤＣ−ＤＣコンバータ３００ｂは省略されてもよい。すなわち、実施の形態１に係るゲート駆動装置１００は、蓄電機能のない太陽光発電システムに適用されうる。また、太陽電池２００ａ及びＤＣ−ＤＣコンバータ３００ａは省略されてもよい。すなわち、実施の形態１または実施の形態２に係るゲート駆動装置１００は、発電機能のない蓄電システムに適用されうる。
モータ駆動システム６００、車両７００または蓄電システム８００は、実施の形態１に係るゲート駆動装置１００を備えることにより、それらのシステムまたは装置に含まれるパワースイッチング素子のスイッチング特性が改善される。そのため、モータ駆動システム６００、車両７００または蓄電システム８００全体の動作特性が向上する。
以上、本開示を実施の形態をもとに説明した。実施の形態１および２は例示である。実施の形態１および２で説明された、各構成要素や各制御プロセスは、いろいろな変形例が可能である。そうした変形例も本開示の範囲に含まれる。
例えば、コイルＬ１は、ゲート端子に接続される配線の寄生インダクタンスで代替されうる。この場合も、直列共振回路が構成される。
第１回収スイッチＳＷ１及び第２回収スイッチＳＷ２は、ワンチップのＩＣで構成されてもよい。第１回収スイッチＳＷ１、第２回収スイッチＳＷ２及びコイルＬ１は、ワンチップのＩＣで構成されてもよい。
本開示は、上記回路構成と同様に、本開示の特徴的な機能を実現できる回路も含む。例えば、上記回路構成と同様の機能を実現できる範囲で、ある素子に対して、直列または並列に、スイッチング素子（トランジスタ）、抵抗素子、または容量素子等の素子を接続したものも本開示に含まれる。言い換えれば、本開示における「接続される」は、２つの端子（ノード）が直接接続される場合に限定されるものではなく、同様の機能が実現できる範囲において、当該２つの端子（ノード）が、素子を介して接続される場合が含まれる。
駆動装置は、例えば、電圧制御型のスイッチング素子を、共振により発生する信号をもとに駆動する駆動装置であって、前記スイッチング素子の制御端子に電流を流す前にプリチャージされる共振コイルと、前記制御端子に接続されるべき前記共振コイルの出力側端子と、基準電位の間に設けられる経路に順方向に挿入されるダイオードと、を備えてもよい。
駆動装置は、例えば、前記制御端子の電圧が、スイッチング後に固定されるべき固定電圧に到達する前に、前記制御端子に流れる電流の絶対値がその増加方向のピーク値に到達しているよう、前記制御端子に信号を入力してもよい。
駆動装置は、例えば、前記基準電位から前記共振コイルに電流を流して当該共振コイルをプリチャージするとともに、前記基準電位と前記共振コイルの出力側端子を、前記経路を介して導通させてもよい。
駆動装置は、例えば、電圧制御型のスイッチング素子を、共振により発生する信号をもとに駆動する駆動装置であって、前記スイッチング素子の制御端子に電流を流す前にプリチャージされる共振コイルと、前記制御端子に接続されるべき前記共振コイルの出力側端子と、高電位側基準電位の間に設けられる経路に、コイル側をカソード側として挿入される第１ダイオードと、前記制御端子に接続されるべき前記共振コイルの出力側端子と、低電位側基準電位の間に設けられる経路に、コイル側をアノード側として挿入される第２ダイオードと、を備えてもよい。
駆動装置は、例えば、電圧制御型のスイッチング素子の制御端子に直列に接続されるコイルと、本駆動装置の電源の一方の電位である第１電位と、前記コイルの入力側端子の間に設けられる第１スイッチと、前記電源の他方の電位である第２電位と、前記コイルの入力側端子の間に逆方向に設けられる第１ダイオードと、前記第２電位と、前記コイルの出力側端子の間に設けられる第２スイッチと、前記第１電位と、前記コイルの出力側端子の間に設けられる第３スイッチと、前記第３スイッチと前記コイルの出力側端子の間に順方向に挿入される第２ダイオードと、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第３スイッチを制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記スイッチング素子のスイッチング前に、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチがオン、並びに前記第３スイッチがオフの状態を作り出してもよい。
駆動装置は、例えば、前記制御回路は、前記制御端子の電圧が、スイッチング後に固定されるべき固定電圧に到達する前に、前記制御端子に流れる電流の絶対値がその増加方向のピーク値に到達しているよう、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第３スイッチを制御してもよい。
駆動装置は、例えば、前記スイッチング素子のスイッチング後に前記制御端子を負電圧に固定してもよい。
駆動装置は、例えば、入力電力を別の出力電力に変換する電力変換装置であって、少なくとも一つの電圧制御型のスイッチング素子と、前記電圧制御型のスイッチング素子を駆動してもよい。
本開示は、ＤＣ−ＤＣコンバータ、インバータに使用されるパワースイッチング素子の駆動装置に利用可能である。
１００，１００ａ，１００ｂ ゲート駆動装置
１０ ゲート駆動部
２０ 制御回路
Ｅ１ 電源
Ｅ２，Ｅ３ 補助電源
１１ 共振回路部
１２ クランプ部
Ｌ１，Ｌ２ コイル
Ｃ１ 容量
ＳＷ１ 第１回収スイッチ
ＳＷ２ 第２回収スイッチ
Ｄ１ 第１回収ダイオード
Ｄ２ 第２回収ダイオード
ＳＷ３ 第１クランプスイッチ
ＳＷ４ 第２クランプスイッチ
Ｄ３ 第１逆流阻止ダイオード
Ｄ４ 第２逆流阻止ダイオード
Ｄ７ 第１クランプダイオード
Ｄ８ 第２クランプダイオード
Ｐ パワースイッチング素子
Ｐ１ ハイサイドパワースイッチング素子
Ｐ２ ローサイドパワースイッチング素子
Ｐ３ Ｕ相ハイサイドパワースイッチング素子
Ｐ４ Ｕ相ローサイドパワースイッチング素子
Ｐ５ Ｖ相ハイサイドパワースイッチング素子
Ｐ６ Ｖ相ローサイドパワースイッチング素子
Ｐ７ Ｗ相ハイサイドパワースイッチング素子
Ｐ８ Ｗ相ローサイドパワースイッチング素子
２００ バッテリ
２００ａ 太陽電池
２００ｂ 蓄電池
３００，３００ａ，３００ｂ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３１０ コイル
３２０，３３０ 容量
４００ インバータ
５００ モータ
６００ モータ駆動システム
７００ 車両
８００ 蓄電システム
９００ 系統

Claims (19)

  1. 制御端子を備えるスイッチング素子を駆動する駆動装置であって、
    第一電位を与える第一電位線と、
    前記第一電位よりも小さい第二電位を与える第二電位線と、
    第一端子と第二端子とを有し、前記第二端子が前記スイッチング素子の制御端子に接続されるコイルと、
    前記第一電位線と前記コイルの前記第一端子との間に接続され、前記第一電位線と前記コイルとの間の通電をオンオフする充電用スイッチと、
    前記第一電位線と前記コイルの前記第二端子との間に設けられ、前記第一電位線と前記スイッチング素子の前記制御端子との間の通電をオンオフする第一クランプスイッチと、
    前記第二電位線と前記コイルの前記第一端子との間に接続され、前記第二電位線から前記コイルの前記第一端子に電流を流す充電用ダイオードと、
    前記第二電位線と前記コイルの前記第二端子との間に設けられ、前記第二電位線と前記スイッチング素子の前記制御端子との間の通電をオンオフする第二クランプスイッチと、
    前記第一電位線と前記コイルの前記第二端子との間において前記第一クランプスイッチに直列に接続され、前記コイルの前記第二端子から前記第一電位線に向かう電流を阻止する第一逆流阻止ダイオードと、
    前記第二電位線と前記コイルの前記第一端子との間に接続され、前記第二電位線と前記コイルとの間の通電をオンオフする放電用スイッチと、
    前記第一電位線と前記コイルの前記第一端子との間に接続され、前記コイルの前記第一端子から前記第一電位線に電流を流す放電用ダイオードと、
    前記第二電位線と前記コイルの前記第二端子との間において前記第二クランプスイッチに直列に接続され、前記第二電位線から前記コイルの前記第二端子に向かう電流を阻止する第二逆流阻止ダイオードと、
    前記充電用スイッチ、前記放電用スイッチ、前記第一クランプスイッチ、および前記第二クランプスイッチを制御する制御回路とを備え、
    前記制御回路は、
    前記充電用スイッチと前記第二クランプスイッチとをターンオンさせて前記コイルにエネルギーを蓄積させ、
    前記第二クランプスイッチをターンオフし、
    前記第二クランプスイッチのターンオフと同時に、もしくは、前記第二クランプスイッチのターンオフの時間の後から前記スイッチング素子のゲート電圧と前記第一電位とが等しくなる時間よりも前までに、前記充電用スイッチをターンオフする、
    駆動装置。
  2. 前記スイッチング素子は、第一導通端子と第二導通端子とをさらに備え、前記制御端子と前記第一導通端子との間に容量を有し、
    前記コイルと前記容量との間に共振電流が流れる、
    請求項１に記載の駆動装置。
  3. 前記制御回路は、
    前記駆動装置から前記スイッチング素子の前記制御端子に電流が流れる前に、前記コイルにエネルギーを蓄積させる、
    請求項１または２に記載の駆動装置。
  4. 前記制御回路は、
    前記充電用スイッチをターンオンさせ、前記コイルにエネルギーが蓄積された後で前記充電用スイッチをターンオフさせる制御信号を出力する、
    請求項１に記載の駆動装置。
  5. 前記制御信号は、さらに、前記充電用スイッチをターンオフさせた後であって、前記スイッチング素子の前記制御端子の電位が前記第一電位に到達した後に前記第一クランプスイッチをターンオンさせる、
    請求項４に記載の駆動装置。
  6. 前第一記クランプスイッチは、前記コイルの前記第二端子から前記第一電位線に向かう電流を通電する寄生ダイオードを含む、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の駆動装置。
  7. 前記制御回路は、
    前記充電用スイッチ及び前記第二クランプスイッチをターンオンさせ、前記コイルにエネルギーが蓄積された後で前記充電用スイッチ及び前記第二クランプスイッチをターンオフさせる制御信号を出力する、
    請求項１に記載の駆動装置。
  8. 前記スイッチング素子は、第一導通端子と第二導通端子とをさらに備え、前記制御端子と前記第一導通端子との間に容量を有し、
    前記充電用スイッチ及び前記第二クランプスイッチがオンである状態において、前記第一電位線から、前記充電用スイッチ、前記コイル、および前記第二クランプスイッチを介して、前記第二電位線に電流が流れ、
    前記充電用スイッチ及び前記第二クランプスイッチがオフである状態において、前記コイルを流れる電流によって前記容量が充電される、
    請求項７に記載の駆動装置。
  9. 制御信号は、さらに、前記充電用スイッチ及び第二クランプスイッチをターンオフさせた後であって、かつ、前記スイッチング素子の前記制御端子の電位が前記第一電位に到達した後に前記第一クランプスイッチをターンオンさせる、
    請求項７または８に記載の駆動装置。
  10. 前記制御回路は、
    前記スイッチング素子の前記制御端子から前記駆動装置に電流が流れる前に、前記コイルにエネルギーを蓄積させる、
    請求項１に記載の駆動装置。
  11. 前記制御回路は、
    前記放電用スイッチ及び前記第一クランプスイッチをターンオンさせ、前記コイルにエネルギーが蓄積された後で前記放電用スイッチ及び前記第一クランプスイッチをターンオフさせる制御信号を出力する、
    請求項１に記載の駆動装置。
  12. 前記スイッチング素子は、第一導通端子と第二導通端子とをさらに備え、前記制御端子と前記第一導通端子との間に容量を有し、
    前記放電用スイッチ及び前記第一クランプスイッチがオンである状態において、前記第一電位線から、前記第一クランプスイッチ、前記コイル、および前記放電用スイッチを介して、前記第二電位線に電流が流れ、
    前記放電用スイッチ及び前記第一クランプスイッチがオフである状態において、前記コイルを流れる電流によって前記容量が放電される、
    請求項１１に記載の駆動装置。
  13. 制御信号は、さらに、前記放電用スイッチ及び第一クランプスイッチをターンオフさせた後であって、かつ、前記スイッチング素子の前記制御端子の電位が前記第二電位に到達した後に前記第二クランプスイッチをターンオンさせる、
    請求項１１または１２に記載の駆動装置。
  14. 前記スイッチング素子は、第一導通端子と第二導通端子とをさらに備え、
    前記第二電位線と前記スイッチング素子の前記第一導通端子の間に、前記スイッチング素子の前記第一導通端子の電位を前記第二電位線の電位よりも高くする補助電源をさらに備える、
    請求項１から１３のいずれか一項に記載の駆動装置。
  15. 前記制御回路は、前記第二クランプスイッチのターンオフの時間の後から前記スイッチング素子のゲート電圧と前記第一電位とが等しくなる時間よりも前までに、前記充電用スイッチをターンオフする、
    請求項１に記載の駆動装置。
  16. 前記制御回路は、
    前記放電用スイッチと前記第一クランプスイッチとをターンオンさせて前記コイルにエネルギーを蓄積させ、
    前記第一クランプスイッチをターンオフし、
    前記第一クランプスイッチのターンオフと同時に、もしくは、前記第一クランプスイッチのターンオフの時間の後から前記スイッチング素子のゲート電圧と前記第二電位とが等しくなる時間よりも前までに、前記放電用スイッチをターンオフする、
    請求項１に記載の駆動装置。
  17. 前記制御回路は、前記第一クランプスイッチのターンオフの時間の後から前記スイッチング素子のゲート電圧と前記第二電位とが等しくなる時間よりも前までに、前記放電用スイッチをターンオフする、
    請求項１６に記載の駆動装置。
  18. 入力される電力を変換して出力する電力変換装置であって、
    前記スイッチング素子と、
    前記スイッチング素子を駆動する請求項１から１７のいずれか一項に記載の駆動装置とを備える、
    電力変換装置。
  19. 制御端子を備えるスイッチング素子を駆動する駆動装置であって、
    第一電位を与える第一電位線と、
    前記第一電位よりも小さい第二電位を与える第二電位線と、
    前記第一電位よりも小さく前記第二電位よりも大きい第三電位を与える第三電位線と、
    第一端子と第二端子とを有し、前記第二端子が前記スイッチング素子の制御端子に接続されるコイルと、
    前記第三電位線と前記コイルの前記第一端子との間に設けられ、前記第三電位線と前記コイルとの間の通電をオンオフする充電用スイッチと、
    前記第一電位線と前記コイルの前記第二端子との間に設けられ、前記第一電位線と前記スイッチング素子の前記制御端子との間の通電をオンオフするクランプスイッチと、
    前記第一電位線と前記コイルの前記第二端子との間において前記クランプスイッチに直列に接続され、前記コイルの前記第二端子から前記第一電位線に向かう電流を阻止する逆流阻止ダイオードと、
    前記充電用スイッチ及び前記クランプスイッチを制御する制御回路とを備える、駆動装置。
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