JP6477244B2 - スイッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング装置に関するものである。

従来、インバータやコンバータなどの電力変換装置を構成するスイッチング素子が知られている。このようなスイッチング素子において、ターンオン時のサージ電圧やノイズの発生を抑制するために、スイッチング素子をターンオンさせる際に、スイッチング素子のゲート電圧が所定の設定値に達した時点で、スイッチング素子をターンオンさせるためのオン電圧を低くする技術が知られている（たとえば、特許文献１）。

特開２００１−３５２７４８号公報

しかしながら、従来技術では、スイッチング素子のターンオン期間を短くすることはできず、スイッチング損失が増大してしまう場合があった。

本発明が解決しようとする課題は、スイッチング素子のターンオン時またはターンオフ時において、スイッチング損失の低減が可能なスイッチング装置を提供することである。

本発明は、スイッチング素子を有する主回路と、スイッチング素子の制御端子に電気的に接続する第１トランジスタおよび第２トランジスタを有するプッシュプル回路と、を備えたスイッチング装置において、スイッチング素子の制御端子と第１トランジスタの制御端子との間、及び、スイッチング素子の制御端子と第２トランジスタの制御端子との間のうち少なくとも何れか一方に、バイパス回路を電気的に接続することで、上記課題を解決する。

本発明では、スイッチング素子のターンオン時またはターンオフ時に、プッシュプル回路が動作する前から、スイッチング素子の制御電流をバイパス回路を介して流すことができるため、スイッチング素子のターンオン時またはターンオフ時の初期に、スイッチング素子の制御電圧を急峻に変化させることができ、これにより、スイッチング損失の低減を図ることができる。

第１実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。 スイッチング素子のターンオフ時のゲート電圧（Ｖ_ｇ）のタイムチャートを示すグラフである。 第２実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。 第３実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。 第４実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。 第５実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。 第６実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。 第７実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。 第８実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、第１実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。第１実施形態に係るスイッチング装置１００は、例えば電力変換装置を構成するインバータ回路の一部に用いられる。電力変換装置は、例えば直流電源の直流を交流に変換しつつ、負荷に出力する装置である。スイッチング装置１００をインバータ回路に適用する場合には、図１に示すスイッチング装置１００は、上アーム又は下アームの回路に相当する。なお、スイッチング装置１００は、ＡＣＤＣの電力変換装置に限らず、他の電力変換装置に適用されてもよく、また電力変換装置に限らず他の装置に適用されてもよい。

図１に示すように、スイッチング装置１００は、スイッチング素子１、プッシュプル回路２、駆動電源３Ａ、信号発生器４、コンデンサ５Ａ、およびダイオード６Ａを備えている。また、スイッチング素子１は、スイッチング装置１００の主回路Ｍを構成している。

スイッチング素子１としては、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのトランジスタが挙げられる。スイッチング素子１として、Ｓｉ、ＳiＣ、ＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体材料を用いた、逆耐圧機能のないユニポーラまたはバイポーラ構造をもつ素子を用いることができる。

また、主回路Ｍにおいては、還流動作を実現するために、スイッチング素子１の導通方向とは逆方向に、還流ダイオードを並列に接続する構成としてもよい。さらに、主回路Ｍを、スイッチング素子１およびダイオードをそれぞれ複数並列に接続した回路としてもよい。これにより、主回路Ｍの電流経路に大電流を流すことができるため、主回路Ｍの容量を高めることができる。

プッシュプル回路２は、ＮＰＮ型のトランジスタである第１トランジスタ２１と、ＰＮＰ型のトランジスタである第２トランジスタ２２とを有する。第１トランジスタ２１は、ベースが信号発生器４に接続され、コレクタが駆動電源３Ａに接続され、エミッタが第２トランジスタ２２のエミッタおよびスイッチング素子１のゲートに接続されている。また、第２トランジスタ２２は、ベースが信号発生器４に接続され、エミッタが第１トランジスタ２１のエミッタおよびスイッチング素子１のゲートに接続され、コレクタが駆動電源３Ａ、信号発信機４、およびスイッチング素子１のソースに接続されている。なお、第１トランジスタ２１および第２トランジスタ２２は、バイポーラ構造を有する素子に限らず、ユニポーラ構造を有する素子を用いることもできる。

駆動電源３Ａは、出力電圧を変更可能な電源である。駆動電源３Ａは、第１トランジスタ２１を介して、スイッチング素子１のゲートと接続している。これにより、駆動電源３Ａは、第１トランジスタ２１がオン状態である場合に、第１トランジスタ２１を介して、スイッチング素子１のゲートに電流を供給することができる。

信号発生器４は、スイッチング素子１のオン、オフを切り換えるスイッチング信号を発生し、当該スイッチング信号を第１トランジスタ２１および第２トランジスタ２２にそれぞれ出力する。

具体的には、信号発生器４は、スイッチング素子１をオン状態に切り替える場合には、第２トランジスタ２２がオフ状態である場合に、スイッチング信号のオン信号として、第１トランジスタ２１のベースに電流を出力する。これにより、第１トランジスタのベース電圧が上昇し、第１トランジスタ２１はオフ状態からオン状態へと変化する。そして、第１トランジスタ２１のエミッタ−コレクタ間の通電が行われ、第１トランジスタ２１を介して、駆動電源３Ａからスイッチング素子１のゲートに電流が流される。その結果、スイッチング素子１のゲート電圧が上昇し、スイッチング素子１をオフ状態からオン状態に変化させるターンオン動作が行われる。

また、信号発生器４は、スイッチング素子１をオフ状態に切り替える場合には、第１トランジスタ２１のベースへの電流の供給を停止する。これにより、第１トランジスタ２１がオフ状態に変化し、駆動電源３Ａからスイッチング素子１のゲートへの電流の供給が停止する。また、信号発生器４は、スイッチング信号のオフ信号として、第２トランジスタ２２のベース電位がエミッタ電位よりも低くなるように、第２トランジスタ２２に負方向の電流を出力する。これにより、第２トランジスタ２２がオフ状態からオン状態へと変化し、スイッチング素子１のゲート電流が、第２トランジスタ２２のエミッタ−コレクタ間を流れる。その結果、スイッチング素子１のゲート電圧が低下し、スイッチング素子１がオン状態からオフ状態へと変化するターンオフ動作が行われる。

また、本実施形態では、スイッチング素子１のゲートと、第２トランジスタ２２のベースとの間に、コンデンサ５Ａとダイオード６Ａとが直列に接続されている。

コンデンサ５Ａは、スイッチング素子１のゲートと、ダイオード６Ａのアノードとにそれぞれ接続している。スイッチング素子１のターンオフ時には、スイッチング素子１のゲート電位が第２トランジスタ２２のベース電位よりも高くなるため、スイッチング素子１のゲート電流は、コンデンサ５Ａに出力され、コンデンサ５Ａの充電に用いられる。また、コンデンサ５Ａの充電が行われるまでの間、コンデンサ５Ａから、第２トランジスタ２２のベースに電流が流れる。なお、図示していないが、コンデンサ５Ａに、コンデンサ５Ａで充電した電荷を放電するための放電回路を設けることができ、第２トランジスタ２２のターンオン後に、コンデンサ５Ａに充電された電荷を放電することもできる。

ダイオード６Ａは、コンデンサ５Ａから第２トランジスタ２２のベースへの電流を流す整流作用をもつ素子である。ダイオード６Ａのアノードはコンデンサ５Ａに接続しており、ダイオード６Ａのカソードは第２トランジスタ２２のベースに接続している。これにより、ダイオード６Ａは、スイッチング素子１のゲート電位が第２トランジスタ２２のベース電位よりも高い場合、すなわち、スイッチング素子１のターンオフ時に、コンデンサ５Ａから第２トランジスタ２２のベースに電流を流す。

次に、本実施形態に係るスイッチング装置１００の回路動作を、図２を用いて説明する。図２は、スイッチング素子１のターンオフ時のゲート電圧の一例を示すタイムチャートである。

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

時間０から時間ｔ_１までは、信号発信器４により、第１トランジスタ２１がオン状態、第２トランジスタ２２がオフ状態に制御されている。これにより、第１トランジスタ２１を介して、駆動電源３Ａからスイッチング素子１にゲート電流が供給され、スイッチング素子１のゲート電圧はＶ_ｇＨ（＞ＶｇＬ）となる。この場合、ゲート電圧（Ｖ_ｇＨ）は閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）より高くなり、スイッチング素子１はオン状態となる。

時間ｔ_１の時点で、信号発生器４により、第１トランジスタ２１および第２トランジスタ２２のオン、オフ状態の切り替えが行われる。すなわち、信号発生器４は、第１トランジスタ２１のベースへの電流の供給を停止することで、第１トランジスタ２１をオフ状態に変化させる。これにより、駆動電源３Ａからスイッチング素子１のゲートへの電流の供給が停止される。また、信号発生器４は、第２トランジスタ２２のベース電位が低下するように、第２トランジスタ２２のベースに負方向の電流を出力する。これにより、第２トランジスタ２２のベース電位がスイッチング素子１のゲート電位よりも低くなり、スイッチング素子１のゲート電流がコンデンサ５Ａおよび第２トランジスタ２２のエミッタに出力される。

ここで、時刻ｔ_１において、信号発信器４により第２トランジスタ２２のベースに負方向の電流が出力された場合でも、第２トランジスタ２２のベース電圧が所定の閾値未満となり、第２トランジスタ２２がオフ状態からオン状態へと変化するまでには、所定のターンオン時間がかかる。そのため、信号発信機４から第２トランジスタ２２に負方向の電流が出力された直後は、第２トランジスタ２２のエミッタ−コレクタ間の通電は行われず、スイッチング素子１のゲート電流を、第２トランジスタ２２を介して、第２トランジスタ２２のコレクタ側に流すことはできない。

これに対して、時刻ｔ_１において、スイッチング素子１のゲート電流がコンデンサ５Ａに出力されると、コンデンサ５Ａは、第２トランジスタ２２がオン状態に変化する前から、スイッチング素子１のゲート電流をコンデンサ５Ａの充電に用いる。これにより、図２に示すように、スイッチング素子１のターンオンの初期（たとえば、図２中の期間Ｔ１）において、スイッチング素子１のゲート電圧を急峻に下降させることができる。そして、ゲート電圧（Ｖ_ｇ）が閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）未満となり、スイッチング素子１がオフ状態となる。このように、本実施形態に係るスイッチング装置１００は、スイッチング素子１のターンオフの初期において、スイッチング素子１のゲート電流をコンデンサ５Ａの充電に用いることで、スイッチング素子１のゲート電圧を急峻に下降させることができ、スイッチング素子１のスイッチング損失を低減させることができる。

また、コンデンサ５Ａの充電が行われるターンオフの初期Ｔ１では、ダイオード６Ａを介して、コンデンサ５Ａから第２トランジスタ２２のベースに電流が流れる。そのため、信号発信器４により第２トランジスタ２２のベースに負方向の電流が出力されていても、コンデンサ５Ａから第２トランジスタ２２のベースに出力される電流により、第２トランジスタ２２のベース電位の低下が抑制される。その結果、スイッチング素子１のターンオフの初期では、スイッチング素子１のゲート電流の、第２トランジスタ２２のエミッタ−コレクタ間の通電が抑制される。

また、ターンオフの終期（たとえば、図２に示す期間Ｔ２）では、コンデンサ５Ａの充電が進み、ダイオード６Ａを介してコンデンサ５Ａから第２トランジスタ２２のベースに出力される電流が徐々に減少する。一方、スイッチング素子１のターンオフの終期Ｔ２では、信号発信器４から第２トランジスタ２２のベースに出力された負方向の電流により、第２トランジスタ２２のベース電位が徐々に低下し、スイッチング素子１のゲート電流が第２トランジスタ２２のエミッタ−コレクタ間を徐々に流れるようになる。これにより、スイッチング素子１のターンオフの終期Ｔ２では、図２に示すように、スイッチング素子１のゲート電圧が緩やかに下降し、その結果、スイッチング素子１のターンオフ時におけるサージ電圧の発生を抑制することができる。

なお、図２は、スイッチング素子１のゲート電圧の一例を示す図であり、これに限定されるものではない。また、スイッチング素子１のターンオフの初期Ｔ１および後期Ｔ２の長さ（ゲート電圧の変化速度）も、図２に示す例に限定されるものではない。

以上のように、第１実施形態に係るスイッチング装置１００は、スイッチング素子１を有する主回路Ｍと、スイッチング素子１のゲートに電気的に接続する第１トランジスタ２１および第２トランジスタ２２を有するプッシュプル回路２と、第１トランジスタ２１のベースおよび第２トランジスタ２２のベースに電気的に接続し、第１トランジスタ２１および第２トランジスタ２２を制御することで、スイッチング素子１のスイッチング動作を制御する制御装置４と、を備えている。そして、スイッチング素子１のゲートと第２トランジスタ２２のベースとの間に、コンデンサ５Ａおよびダイオード６Ａが直列に接続されている。これにより、第１実施形態では、スイッチング素子１のターンオフの初期Ｔ１からスイッチング素子１のゲート電流をコンデンサ５Ａの充電に用いることができるため、図２に示すように、スイッチング素子１のターンオフの初期Ｔ１において、スイッチング素子１のゲート電圧を急峻に下降させることができ、スイッチング素子１のターンオフ時におけるスイッチング損失を低減させることができる。

また、スイッチング素子１のターンオフの終期Ｔ２では、コンデンサ５Ａの充電が進み、コンデンサ５Ａからダイオード６Ａを介して第２トランジスタ２２のベースに出力される電流が減少する。一方、信号発信器４から第２トランジスタ２２のベースに出力される負方向の電流により、第２トランジスタ２２のベース電圧は徐々に低下し、第２トランジスタ２２のエミッタ−コレクタ間の通電が徐々に行われる。その結果、スイッチング素子１のターンオフの終期Ｔ２では、図２に示すように、スイッチング素子１のゲート電圧は緩やかに下降し、スイッチング素子１のターンオフ時におけるサージ電圧の発生を抑制することができる。

《第２実施形態》
次に、第２実施形態に係るスイッチング装置を説明する。図３は、第２実施形態に係るスイッチング装置１００ａのブロック図である。図３に示すように、第２実施形態では、コンデンサ５Ａおよびダイオード６Ａに代えて、スイッチング素子１のゲートと第１トランジスタ２１のベースとの間に、コンデンサ５Ｂおよびダイオード６Ｂが直列に接続していること以外は、第１実施形態に係るスイッチング装置１００と同じ構成を有する。

コンデンサ５Ｂは、スイッチング素子１のゲートと、ダイオード６Ｂのカソードとにそれぞれ接続している。また、ダイオード６Ｂは、アノードが第１トランジスタ２１のベースおよび信号発信機４に接続しており、カソードがコンデンサ５Ｂに接続している。

スイッチング素子１のターンオン時には、信号発信器４から第１トランジスタ２１のベースに電流が出力される。これにより、第１トランジスタ２１のベース電圧が高くなり、第１トランジスタ２１のコレクタ−エミッタ間の通電が行われる。その結果、第１トランジスタ２１を介して、駆動電源３Ａからスイッチング素子１のゲートに電流が供給される。

また、信号発信器４から第１トランジスタ２１のベースに電流が出力されると、第１トランジスタ２１のベース電位がスイッチング素子１のゲート電位よりも高くなる。これにより、信号発信器４から出力された電流は、ダイオード６Ｂを介して、コンデンサ５Ｂに入力される。また、コンデンサ５Ｂは、第１トランジスタ２１のベース電位がスイッチング素子１のゲート電位よりも高い場合に、コンデンサ５Ｂが充電するまでの間、コンデンサ５Ｂの容量に応じた電流を、スイッチング素子１のゲートに流す。

ここで、信号発信器４から第１トランジスタ２１のベースに電流を出力し、第１トランジスタ２１がオフ状態からオン状態に変化するまでに、所定のターンオン時間がかかる。一方、コンデンサ５Ｂは、第１トランジスタ２１のベース電位がスイッチング素子１のゲート電位よりも高くなると、第１トランジスタ２１がオン状態に変化する前から、スイッチング素子１のゲートに電流を流すことができる。このように、スイッチング素子１のゲートと第１トランジスタ２１のベースとの間に、コンデンサ５Ｂおよびダイオード６Ｂを直列に配置することで、スイッチング素子１のターンオン時の初期において、スイッチング素子１に電流を迅速に供給することができ、スイッチング素子１のゲート電圧を急峻に上昇させることができる。その結果、スイッチング素子１のターンオン時のスイッチング損失を低減することができる。

また、スイッチング素子１のターンオン時の終期では、コンデンサ５Ｂの充電が進み、コンデンサ５Ｂからスイッチング素子１のゲートに出力される電流は徐々に減少する。一方、第１トランジスタ２１のベース電位は徐々に上昇し、第１トランジスタ２１がオフ状態からオン状態へと徐々に変化する。その結果、駆動電源３Ａから第１トランジスタ２１を介してスイッチング素子１のゲートに電流が緩やかに流れ、スイッチング素子１のターンオン時の終期において、スイッチング素子１のゲート電圧を緩やかに上昇させることができる。これにより、スイッチング素子１のターンオン時におけるサージ電圧の発生を抑制することができる。

以上のように、第２実施形態に係るスイッチング装置１００ａは、スイッチング素子１のゲートと第１トランジスタ２１のベースとの間に、コンデンサ５Ｂおよびダイオード６Ｂを直列に接続している。これにより、第２実施形態では、スイッチング素子１のターンオン時の初期において、コンデンサ５Ｂからスイッチング素子１のゲートに電流を供給することができ、スイッチング素子１のターンオン時のスイッチング損失を低減することができる。また、第２実施形態では、スイッチング素子１のターンオン時の終期においては、コンデンサ５Ｂの充電が進み、コンデンサ５Ｂからスイッチング素子１のゲートに出力される電流は減少する。一方で、信号発信器４から出力された電流により、第１トランジスタ２１のベース電圧は徐々に上昇する。これにより、駆動電源３Ａからスイッチング素子１のゲートに流れる電流が徐々に増え、スイッチング素子１のゲート電圧を緩やかに上昇させることができる。その結果、スイッチング素子１のターンオン時におけるサージ電圧の発生を抑制することができる。

《第３実施形態》
次に、第３実施形態に係るスイッチング装置を説明する。図４は、第３実施形態に係るスイッチング装置１００ｂのブロック図である。第３実施形態では、第１実施形態と同様に、スイッチング素子１のゲートと第２トランジスタ２２のベースとの間に、コンデンサ５Ａおよびダイオード６Ａが直列に接続されており、また、第２実施形態と同様に、スイッチング素子１のゲートと第１トランジスタ２１のベースとの間に、コンデンサ５Ｂおよびダイオード６Ｂが直列に接続されていること以外は、第１実施形態に係るスイッチング装置１００と同じ構成を有する。

すなわち、第３実施形態では、第１実施形態と同様に、スイッチング素子１のゲートと第２トランジスタ２２のベースとの間に、コンデンサ５Ａおよびダイオード６Ａが直列に接続されている。これにより、スイッチング素子１のターンオフの初期では、第２トランジスタ２２がオン状態に変化する前から、コンデンサ５Ａの容量に応じた電流が、コンデンサ５Ａから第２トランジスタ２２のベースに流される。その結果、スイッチング素子１のターンオンの初期において、スイッチング素子１のゲート電圧を急峻に下降させることができ、スイッチング素子１のターンオフによるスイッチング損失を低減することができる。

また、スイッチング素子１のターンオフ時の終期では、コンデンサ５Ａの充電が進み、コンデンサ５Ａから第２トランジスタ２２のベースに出力される電流が減少する。一方、信号発信器４から出力される負方向の電流により、第２トランジスタ２２のベース電位は徐々に低くなり、第２トランジスタ２２のエミッタ−コレクタ間の通電が徐々に行われる。これにより、スイッチング素子１のゲート電流が、第２トランジスタ２２のエミッタ−コレクタ間を通り、第２トランジスタ２２のコレクタ側へと流される。その結果、スイッチング素子１のターンオフ時の終期では、スイッチング素子１のゲート電圧が緩やかに低下し、スイッチング素子１のターンオフ時のサージ電圧の発生を抑制することができる。

さらに、第３実施形態では、第２実施形態と同様に、スイッチング素子１のゲートと第１トランジスタ２１のベースとの間に、コンデンサ５Ｂおよびダイオード６Ｂが直列に接続されている。これにより、スイッチング素子１のターンオンの初期においては、第１トランジスタ２１がオン状態に変化する前から、コンデンサ５Ｂからスイッチング素子１のゲートに電流を供給することができる。その結果、スイッチング素子１のゲート電圧を急峻に上昇させることができ、スイッチング素子１のターンオン時におけるスイッチング損失を低減することができる。

また、スイッチング素子１のターンオンの終期においては、コンデンサ５Ｂの充電が進み、コンデンサ５Ｂからスイッチング素子１のゲートに出力される電流は徐々に減少する。一方、信号発信器４から出力された電流により、第１トランジスタ２１のベース電位は徐々に上昇し、第１トランジスタ２１がオフ状態からオン状態へと徐々に変化する。これにより、駆動電源３Ａからスイッチング素子１のゲートに電流が緩やかに流れ、スイッチング素子１のゲート電圧を緩やかに上昇させることができる。その結果、スイッチング素子１のターンオン時におけるサージ電圧を低減することができる。

《第４実施形態》
次に、第４実施形態に係るスイッチング装置を説明する。図５は、第４実施形態に係るスイッチング装置１００ｃのブロック図である。第４実施形態では、図５に示すように、第１トランジスタ２１のベースと信号発信器４との間の配線７１、および、第２トランジスタ２２のベースと信号発信器４との間の配線７２を結合していること以外は、第１実施形態に係るスイッチング装置１００と同じ構成を有する。

このように、第４実施形態では、第１トランジスタ２１のベースと信号発信器４との間の配線７１、および、第２トランジスタ２２のベースと信号発信器４との間の配線７２を結合している。そして、スイッチング素子１のターンオン時には、第１トランジスタ２１のベース電圧を上昇させるために、信号発信器４によりベース電流が出力される。信号発信器４により出力された電流は、配線７１を介して、第１トランジスタ２１のベースに出力され、第１トランジスタ２１のターンオン動作が行われる。そして、第１トランジスタ２１がターンオンすることで、第１トランジスタ２１を介して、駆動電源３Ａからスイッチング素子１のゲートに電流が供給され、スイッチング素子１のターンオン動作が行われる。なお、信号発信器４から電流が出力されると、第２トランジスタ２２のベース電圧が高くなるため、第２トランジスタ２２のターンオフが促進され、第２トランジスタ２２のターンオフ時間を短くすることができる。

また、スイッチング素子１のターンオフ時には、第２トランジスタ２２のベース電圧を低下させるために、信号発信器４により負方向の電流が出力される。信号発信器４により出力された負方向の電流は、配線７２を介して、第２トランジスタ２２のベースに出力され、第２トランジスタ２２のターンオン動作が行われる。そして、第２トランジスタ２２がターンオンすることで、スイッチング素子１のゲート電流が、第２トランジスタ２２を介して、第２トランジスタ２２のコレクタ側へと流され、スイッチング素子１のターンオフ動作が行われる。なお、信号発信器４から負方向の電流が出力されると、第１トランジスタ２１のベース電圧が低くなるため、第１トランジスタ２１のターンオフが促進され、第１トランジスタ２１のターンオフ時間を短くすることができる。

さらに、第４実施形態では、第１実施形態と同様に、スイッチング素子１のゲートと第２トランジスタ２２のベースとの間に、コンデンサ５Ａおよびダイオード６Ａを直列に接続している。そのため、第１実施形態と同様に、スイッチング素子１のターンオフの初期には、スイッチング素子１のゲート電圧を急峻に下降させることができ、スイッチング素子１のスイッチング損失を低減させることができる。また、スイッチング素子１のターンオフの終期では、スイッチング素子１のゲート電圧を緩やかに下降させることができ、その結果、スイッチング素子１のターンオフ時におけるサージ電圧の発生を抑制することができる。

以上のように、第４実施形態に係るスイッチング装置１００ｃは、第１トランジスタ２１のベースと信号発信器４との間の配線７１、および、第２トランジスタ２２のベースと信号発信器４との間の配線７２を結合することで、第１実施形態の効果に加えて、信号発信器１から出力するスイッチング信号を１つに纏めることができるため、スイッチング装置１００ｃのコスト低減を図ることができる。

《第５実施形態》
次に、第５実施形態に係るスイッチング装置を説明する。図６は、第５実施形態に係るスイッチング装置１００ｄのブロック図である。第５実施形態では、図６に示すように、第１トランジスタ２１のベースと信号発信器４との間の配線７１、および、第２トランジスタ２２のベースと信号発信器４との間の配線７２を結合していること以外は、第２実施形態に係るスイッチング装置１００ａと同じ構成を有する。

図６に示すように、第５実施形態では、第１トランジスタ２１のベースと信号発信器４との間の配線７１、および、第２トランジスタ２２のベースと信号発信器４との間の配線７２を結合している。これにより、第５実施形態では、スイッチング素子１のターンオン時には、配線７１を介して、信号発信器４から第１トランジスタ２１のベースに電流が出力され、第１トランジスタ２１のターンオン動作が行われる。そして、第１トランジスタ２１がターンオンすることで、第１トランジスタ２１を介して、駆動電源３Ａからスイッチング素子１のゲートに電流が供給され、スイッチング素子１のターンオン動作が行われる。また、信号発信器４から電流が出力されると、第２トランジスタ２２のベース電圧が高くなるため、第２トランジスタ２２のターンオフが促進され、第２トランジスタ２２のターンオフ時間を短くすることができる。

また、スイッチング素子１のターンオフ時には、配線７２を介して、信号発信器４から第２トランジスタ２２のベースに負方向の電流が出力され、第２トランジスタ２２のターンオン動作が行われる。そして、第２トランジスタ２２がターンオンすることで、第２トランジスタ２２を介して、スイッチング素子１のゲートから第２トランジスタ２２のコレクタ側に電流が流れ、スイッチング素子１のターンオフ動作が行われる。また、信号発信器４から負方向の電流が出力されると、第１トランジスタ２１のベース電圧が低くなるため、第１トランジスタ２１のターンオフが促進され、第１トランジスタ２１のターンオフ時間を短くすることができる。

さらに、第５実施形態では、第２実施形態と同様に、スイッチング素子１のゲートと第１トランジスタ２１のベースとの間に、コンデンサ５Ｂおよびダイオード６Ｂを直列に接続している。これにより、第２実施形態と同様に、スイッチング素子１のターンオンの初期には、スイッチング素子１のゲート電圧を急峻に上昇させることができるため、スイッチング素子１のターンオン時におけるスイッチング素子１のスイッチング損失を低減させることができる。また、スイッチング素子１のターンオンの終期では、スイッチング素子１のゲート電圧を緩やかに上昇させることができるため、スイッチング素子１のターンオン時におけるサージ電圧の発生を抑制することができる。

以上のように、第５実施形態に係るスイッチング装置１００ｄは、第１トランジスタ２１のベースと信号発信器４との間の配線７１、および、第２トランジスタ２２のベースと信号発信器４との間の配線７２を結合している。これにより、第５実施形態では、第２実施形態の効果に加えて、信号発信器１から出力するスイッチング信号を１つに纏めることができるため、スイッチング装置１００ｄのコスト低減を図ることができる。

《第６実施形態》
次に、第６実施形態に係るスイッチング装置を説明する。図７は、第６実施形態に係るスイッチング装置１００ｅのブロック図である。第６実施形態では、図７に示すように、第１トランジスタ２１のベースと信号発信器４との間の配線７１、および、第２トランジスタ２２のベースと信号発信器４との間の配線７２を結合していること以外は、第３実施形態に係るスイッチング装置１００ｂと同じ構成を有する。

図７に示すように、第６実施形態では、第１トランジスタ２１のベースと信号発信器４との間の配線７１、および、第２トランジスタ２２のベースと信号発信器４との間の配線７２を結合している。これにより、第６実施形態では、スイッチング素子１のターンオン時には、配線７１を介して、信号発信器４から第１トランジスタ２１に電流が出力され、第１トランジスタ２１のターンオン動作が行われる。そして、第１トランジスタ２１がターンオンすることで、第１トランジスタ２１を介して、駆動電源３Ａからスイッチング素子１のゲートに電流が供給され、スイッチング素子１のターンオン動作が行われる。なお、信号発信器４から電流が出力されると、第２トランジスタ２２のベース電圧は高くなるため、第２トランジスタ２２のターンオフが促進され、第２トランジスタ２２のターンオフ時間を短くすることができる。

また、スイッチング素子１のターンオフ時には、配線７２を介して、信号発信器４から第２トランジスタ２２に負方向の電流が出力され、第２トランジスタ２２のターンオン動作が行われる。そして、第２トランジスタ２２がターンオンすることで、第２トランジスタ２２を介して、スイッチング素子１のゲートから第２トランジスタ２２のコレクタ側に電流が流れることで、スイッチング素子１のターンオフ動作が行われる。なお、信号発信器４から負方向の電流が出力されると、第１トランジスタ２１のベース電圧は低くなるため、第１トランジスタ２１のターンオフが促進され、第１トランジスタ２１のターンオフ時間を短くすることができる。

さらに、第５実施形態では、第３実施形態と同様に、スイッチング素子１のゲートと第２トランジスタ２２のベースとの間に、コンデンサ５Ａおよびダイオード６Ａが直列に接続されており、スイッチング素子１のゲートと第１トランジスタ２１のベースとの間に、コンデンサ５Ｂおよびダイオード６Ｂが直列に接続されている。

そのため、スイッチング素子１のターンオフの初期では、スイッチング素子１のゲート電流をコンデンサ５Ａの充電に用いることで、スイッチング素子１のゲート電圧を急峻に下降させることができ、スイッチング素子１のターンオフ時におけるスイッチング損失を低減することができる。また、スイッチング素子１のターンオフの終期では、コンデンサ５Ａから第２トランジスタ２２のベースに出力される電流が減少するとともに、信号発信器４から第２トランジスタ２２のベースに負方向の電流が出力される。これにより、第２トランジスタ２２のベース電圧が低下し、スイッチング素子１のゲート電流が第２トランジスタ２２のコレクタ側に徐々に流れる。その結果、スイッチング素子１のターンオフの終期において、スイッチング素子１のゲート電圧を緩やかに下降させることができ、スイッチング素子１のターンオフ時におけるサージ電圧の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態では、ダイオード６Ｂのアノードと第１トランジスタ２１のベースとを電気的に接続しているため、スイッチング素子１のターンオフ時に、コンデンサ５Ｂから出力された電流はダイオード６Ｂを通過することができない。そのため、スイッチング素子１のターンオフ時に、コンデンサ５Ｂおよびダイオード６Ｂを介して、スイッチング素子１のゲート電流は流れない。

また、スイッチング素子１のターンオンの初期では、信号発信器４により出力された電流が、ダイオード６Ｂを介してコンデンサ５Ｂに入力されるとともに、コンデンサ５Ｂからスイッチング素子１のゲートに電流が流れる。これにより、スイッチング素子１のターンオンの初期において、スイッチング素子１のゲート電圧を急峻に上昇させることができ、スイッチング素子１のターンオン時におけるスイッチング損失を低減することができる。また、スイッチング素子１のターンオンの終期では、コンデンサ５Ｂからスイッチング素子１へと出力される電流は減少する一方、第１トランジスタ２１を介して、駆動電源３Ａからスイッチング素子１のゲートに電流が徐々に供給される。これにより、スイッチング素子１のゲート電圧を緩やかに上昇させることができるため、スイッチング素子１のターンオン時におけるサージ電圧の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態では、ダイオード６Ａのカソードと第２トランジスタ２２のベースとを電気的に接続しているため、スイッチング素子１のターンオン時に、信号発信器４により出力された電流はダイオード６Ａを通過することができない。そのため、スイッチング素子１のターンオン時に、コンデンサ５Ａおよびダイオード６Ａを介して、スイッチング素子１のゲートに電流は流れない。

以上のように、第６実施形態では、第１トランジスタ２１のベースと信号発信器４との間の配線７１、および、第２トランジスタ２２のベースと信号発信器４との間の配線７２を結合している。これにより、第６実施形態では、第３実施形態の効果に加えて、信号発信器１から出力するスイッチング信号を１つに纏めることができ、スイッチング装置１００ｅのコスト低減を図ることができる。

《第７実施形態》
次に、第７実施形態に係るスイッチング装置を説明する。図８は、第７実施形態に係るスイッチング装置１００ｆのブロック図である。第７実施形態では、図８に示すように、駆動電源３Ｂを有すること以外は、第３実施形態に係るスイッチング装置１００ｂと同じ構成を有する。

駆動電源３Ｂは、駆動電源３Ａと同じく、出力電圧を変更可能な電源である。駆動電源３Ｂは、第２トランジスタ２２のコレクタに接続している。駆動電源３Ｂは、スイッチング素子１のターンオフ時に、第２トランジスタ２２のコレクタ電圧を制御することで、スイッチング素子１のゲート電流の第２トランジスタ２２のエミッタ−コレクタ間の通電を制御し、これにより、スイッチング素子１のゲート電圧を調整することができる。たとえば、駆動電源３Ｂは、第２トランジスタ２２のコレクタ電圧が低下するように動作することで、スイッチング素子１のゲート電流の第２トランジスタ２２のエミッタ−コレクタ間の通電を促進することができ、これにより、スイッチング素子１のゲート電圧の低下を促進することができる。

以上のように、第７実施形態では、第２トランジスタ２２のコレクタに接続する駆動電源３Ｂを有する。これにより、第７実施形態では、第３実施形態の効果に加えて、スイッチング素子１のターンオフ時に、第２トランジスタ２２を介して、スイッチング素子１のゲート電圧をより確実に低下させることができ、スイッチング素子１のターンオフ時に、スイッチング素子１が誤ってターンオンしてしまうことを有効に防止することができる。

《第８実施形態》
次に、第８実施形態に係るスイッチング装置を説明する。図９は、第８実施形態に係るスイッチング装置１００ｇのブロック図である。第８実施形態では、図９に示すように、抵抗７Ａ〜７Ｄおよびダイオード６Ｃ，６Ｄを有すること以外は、第７実施形態に係るスイッチング装置１００ｆと同じ構成を有する。

抵抗７Ａは、スイッチング素子１のゲートとコンデンサ５Ａとの間に接続されている。抵抗７Ａの抵抗値を適宜設計することで、スイッチング素子１のターンオフ時に、スイッチング素子１のゲートからコンデンサ５Ａへと流れるゲート電流を調整することができる。これにより、スイッチング素子１のターンオフの初期における、スイッチング素子１のゲート電圧の変化速度（下降速度）を調整することができる。

抵抗７Ｂは、コンデンサ５Ｂとスイッチング素子１のゲートとの間に接続されている。抵抗７Ｂの抵抗値を適宜設定することで、スイッチング素子１のターンオン時に、コンデンサ５Ｂからスイッチング素子１のゲートへと流れる電流を調整することができる。これにより、スイッチング素子１のターンオンの初期における、スイッチング素子１のゲート電圧の変化速度（上昇速度）を調整することができる。

抵抗７Ｃおよびダイオード６Ｃは、スイッチング素子１のゲートと第２トランジスタ２２のエミッタとの間に直列に接続されている。具体的には、抵抗７Ｃは、スイッチング素子１のゲートとダイオード６Ｃのアノードとにそれぞれ接続されている。また、ダイオード６Ｃは、アノードが抵抗７Ｃと接続しており、カソードが第２トランジスタ２２のエミッタに接続している。これにより、スイッチング素子１のターンオフの終期において、スイッチング素子１のゲートから、第２トランジスタ２２のコレクタ−エミッタ間を流れるゲート電流を調整することができる。その結果、スイッチング素子１のターンオフの終期における、スイッチング素子１のゲート電圧の変化速度（下降速度）を調整することができる。

抵抗７Ｄおよびダイオード６Ｄは、第１トランジスタ２１のエミッタとスイッチング素子１のゲートとの間に直列に接続されている。また、抵抗７Ｄおよびダイオード６Ｄは、抵抗７Ｃおよびダイオード６Ｃの導通方向とは逆方向に、抵抗７Ｃおよびダイオード６Ｃに並行して接続されている。

抵抗７Ｄは、ダイオード６Ｄのカソードとスイッチング素子１のゲートとにそれぞれ接続されている。また、ダイオード６Ｄは、アノードが第１トランジスタ２１のエミッタと接続しており、カソードがコンデンサ７Ｄに接続している。これにより、スイッチング素子１のターンオンの終期において、駆動電源３Ａから、第１トランジスタ２１のコレクタ−エミッタ間を流れ、スイッチング素子１のゲートへと流れる電流を調整することができる。その結果、スイッチング素子１のターンオンの終期における、スイッチング素子１のゲート電圧の変化速度（上昇速度）を調整することができる。

また、第８実施形態においては、抵抗７Ａ，７Ｂの抵抗値は、抵抗７Ｃ，７Ｄの抵抗値よりも大きくなるように、各抵抗７Ａ〜７Ｄの抵抗値が設計されている。これにより、スイッチング素子１のターンオフの初期またはターンオンの初期におけるゲート電圧をより急峻に変化させることができ、あるいは、スイッチング素子１のターンオフの終期またはターンオンの終期におけるゲート電圧をより緩やかに変化させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

上述した実施形態では、スイッチング素子１のゲートと第２トランジスタ２２のベースとの間に、コンデンサ５Ａおよびダイオード６Ａを直列に接続する構成、または、スイッチング素子１のゲートと第１トランジスタ２１のベースとの間に、コンデンサ５Ｂおよびダイオード６Ｂを直列に接続する構成を例示したが、コンデンサ５Ａ，５Ｂおよびダイオード６Ａ，６Ｂに代えて、スイッチ回路を接続する構成としてもよい。

１００，１００ａ〜１００ｇ…スイッチング装置
Ｍ…主回路
１…スイッチング素子
２…プッシュプル回路
２１…第１トランジスタ
２２…第２トランジスタ
３Ａ，３Ｂ…駆動電源
４…信号発生器
５Ａ，５Ｂ…コンデンサ
６Ａ〜６Ｄ…ダイオード
７Ａ〜７Ｄ…抵抗

Claims (6)

1. スイッチング素子を有する主回路と、
   前記スイッチング素子の制御端子に電気的に接続する第１トランジスタおよび第２トランジスタを有するプッシュプル回路と、
   前記第１トランジスタの制御端子および前記第２トランジスタの制御端子に電気的に接続し、前記第１トランジスタおよび前記第２トランジスタを制御することで、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記スイッチング素子の制御端子と前記第１トランジスタの制御端子との間、及び、前記スイッチング素子の制御端子と前記第２トランジスタの制御端子との間のうち少なくとも何れか一方に、バイパス回路を電気的に接続し、
   前記バイパス回路は、直列に接続されたダイオードおよびコンデンサを有することを特徴とするスイッチング装置。
2. 請求項１に記載のスイッチング装置であって、
   前記スイッチング素子の制御端子と前記第１トランジスタの制御端子との間に前記ダイオードを配置する場合には、前記ダイオードのアノード端子と前記第１トランジスタの制御端子とを電気的に接続することを特徴とするスイッチング装置。
3. 請求項１に記載のスイッチング装置であって、
   前記第２トランジスタはＰＮＰ型のトランジスタであり、
   前記スイッチング素子の制御端子と前記第２トランジスタの制御端子との間に前記ダイオードを配置する場合には、前記ダイオードのカソード端子と前記第２トランジスタの制御端子とを電気的に接続することを特徴とするスイッチング装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のスイッチング装置であって、
   前記コンデンサに第１抵抗を直列に接続することを特徴とするスイッチング装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のスイッチング装置であって、
   前記第１トランジスタはＮＰＮ型のトランジスタであり、
   前記第２トランジスタはＰＮＰ型のトランジスタであり、
   前記第１トランジスタの低電位側の端子と前記スイッチング素子の制御端子との間、または、前記第２トランジスタの高電位側の端子と前記スイッチング素子の制御端子との間に、第２抵抗を接続することを特徴とするスイッチング装置。
6. 請求項４に従属する請求項５に記載のスイッチング装置であって、
   前記第２抵抗の抵抗値は、前記第１抵抗の抵抗値よりも大きいことを特徴とするスイッチング装置。

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