JP6575230B2 - 半導体素子の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に適用される半導体素子の駆動装置に関する。

従来、電圧駆動型半導体素子であるＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用した電圧形インバータが知られている（例えば特許文献１）。このような電圧形インバータは、ＭＯＳＦＥＴ及びこのＭＯＳＦＥＴに逆並列接続された還流用ダイオードを内蔵する半導体モジュールと、この半導体モジュールを駆動するゲート駆動装置（Ｇａｔｅ Ｄｒｉｖｅｒ Ｕｎｉｔ：ＧＤＵ）との組を複数個備え、直流電力を交流電力に変換してモータ負荷に出力するようになっている。電圧形インバータに用いられるゲート駆動装置は、例えば特許文献２に開示されている。

電圧形インバータとして、同期整流方式を採用したインバータが知られている（例えば特許文献３及び４）。同期整流方式では、半導体モジュールに内蔵されたＭＯＳＦＥＴなどのユニポーラ型のパワー半導体素子の双方向性を活かし、還流用ダイオードの通流するタイミングでＭＯＳＦＥＴを導通させることにより、半導体モジュールのオン電圧を下げることができる。これにより、半導体モジュールの導通損失が低減される。このことから、特許文献３及び４には、同期整流方式を採用したインバータは、電力変換効率の向上が図れるという利点があることが開示されている。

特開２００５−３０４１４３号公報 特開２０１４−７９０８６号公報 特開２００８−６１４０３号公報 特許第５１０８９９６号公報

しかしながら、インバータでは、電力変換効率のより一層の向上が望まれている。
本発明は、半導体素子の導通損失を低減し、インバータの電力変換効率の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様による半導体素子の駆動装置は、電圧駆動型半導体素子及びこの電圧駆動型半導体素子に逆並列に接続された還流用ダイオードを有するスイッチングアームに流れる主電流を検出する電流検出部と、電流検出部で検出された主電流の極性を判別する極性判別部と、極性判別部で判別された判別結果に応じて電源電圧値を選定する電源電圧制御部とを有し、極性判別部は、電圧駆動型半導体素子のドレイン端子からソース端子に向かう方向に流れる主電流の極性を正と判別し、電圧駆動型半導体素子のソース端子からドレイン端子に向かう方向に流れる主電流の極性を負と判別し、駆動電圧制御部は、電圧駆動型半導体素子をオン状態とするために制御端子に供給する電圧として、判別結果が正のときに第１電源電圧を選定し、判別結果が負のときに第１電源電圧よりも電圧値の高い第２電源電圧を選定することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、半導体素子の導通損失を低減し、インバータの電力変換効率の向上を図ることができる。

本発明の第１の実施形態による半導体素子のゲート駆動装置を備えたインバータの概略構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態による半導体素子のゲート駆動装置の一例を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態による半導体素子のゲート駆動装置を備えたインバータの動作波形を示すタイムチャートである。 本発明の第１の実施形態による半導体素子のゲート駆動装置を備えたインバータの半導体モジュールの動作を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態による半導体素子のゲート駆動装置を説明する図であって、ＭＯＳＦＥＴのオン電圧対ドレイン電流の特性を示す図である。 従来の半導体素子のゲート駆動装置の概略構成を示す回路図である。 従来の半導体素子のゲート駆動装置を備えたインバータの動作波形を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態による半導体素子のゲート駆動装置の一例を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態による半導体素子のゲート駆動装置を備えたインバータの動作波形を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態による半導体素子のゲート駆動装置を説明する図であって、ＭＯＳＦＥＴ及び還流用ダイオードのオン電圧対ドレイン電流の特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態の変形例を示す回路図である。

本発明の一実施形態による半導体素子の駆動装置について図１から図７を用いて説明する。本実施形態では、半導体素子として電圧駆動型半導体素子を例にとり、半導体素子の駆動装置として半導体素子のゲート駆動装置を例にとって説明する。なお、以下、電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置を「半導体素子のゲート駆動装置」又は「ゲート駆動装置」と略記する場合がある。まず、本実施形態による半導体素子のゲート駆動装置１を備えたインバータ（電力変換回路）５０について図１を用いて説明する。
図１に示すように、インバータ５０は、三相交流電源１４に接続されている。インバータ５０は、三相交流電源１４から入力する三相交流電力を全波整流する整流回路１５と、整流回路１５で整流された電力を平滑化する平滑用コンデンサ１６とを有している。図示は省略するが、整流回路１５は、６つのダイオードをフルブリッジ接続して構成するかまたは６つのスイッチング素子をフルブリッジ接続している。整流回路１５の正極出力端子に正極側ラインＬｐが接続され、負極出力端子に負極側ラインＬｎが接続されている。これら正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に平滑用コンデンサ１６が接続されている。

また、インバータ５０は、正極側ラインＬｐに接続されたアーム部を構成する半導体モジュール２ａ，２ｃ，２ｅと、負極側ラインＬｎに接続されたアーム部を構成する半導体モジュール２ｂ，２ｄ，２ｆとを有している。
半導体モジュール２ａ及び半導体モジュール２ｂは、ラインＬｐと負極側ラインＬｎとの間に直列に接続されて出力アームを構成している。半導体モジュール２ｃ及び半導体モジュール２ｄは、正極側ラインＬｐと負極側ラインＬｎとの間に直列に接続されて出力アームを構成している。半導体モジュール２ｅ及び半導体モジュール２ｆは、正極側ラインＬｐと負極側ラインＬｎとの間に直列に接続されて出力アームを構成している。

そして、半導体モジュール２ａ及び半導体モジュール２ｂの接続部と、半導体モジュール２ｃ及び半導体モジュール２ｄの接続部と、半導体モジュール２ｅ及び半導体モジュール２ｆの接続部は、誘導性負荷となるモータ１９にそれぞれ接続されている。
半導体モジュール２ａは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（半導体素子の一例）３ａと、ＭＯＳＦＥＴ３ａに逆並列接続された還流用ダイオード４ａとを有してアーム部を構成している。ＭＯＳＦＥＴ３ａのドレイン端子Ｄに還流用ダイオード４ａの陰極が接続され、ＭＯＳＦＥＴ３ａのソース端子Ｓに還流用ダイオード４ａの陽極が接続されている。

半導体モジュール２ｂは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（半導体素子の一例）３ｂと、ＭＯＳＦＥＴ３ｂに逆並列接続された還流用ダイオード４ｂとを有してアーム部を構成している。ＭＯＳＦＥＴ３ｂのドレイン端子Ｄに還流用ダイオード４ｂの陰極が接続され、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓに還流用ダイオード４ｂの陽極が接続されている。
半導体モジュール２ｃは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（半導体素子の一例）３ｃと、ＭＯＳＦＥＴ３ｃに逆並列接続された還流用ダイオード４ｃとを有してアーム部を構成している。ＭＯＳＦＥＴ３ｃのドレイン端子Ｄに還流用ダイオード４ｃの陰極が接続され、ＭＯＳＦＥＴ３ｃのソース端子Ｓに還流用ダイオード４ｃの陽極が接続されている。

半導体モジュール２ｄは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（半導体素子の一例）３ｄと、ＭＯＳＦＥＴ３ｄに逆並列接続された還流用ダイオード４ｄとを有してアーム部を構成している。ＭＯＳＦＥＴ３ｄのドレイン端子Ｄに還流用ダイオード４ｄの陰極が接続され、ＭＯＳＦＥＴ３ｄのソース端子Ｓに還流用ダイオード４ｄの陽極が接続されている。
半導体モジュール２ｅは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（半導体素子の一例）３ｅと、ＭＯＳＦＥＴ３ｅに逆並列接続された還流用ダイオード４ｅとを有してアーム部を構成している。ＭＯＳＦＥＴ３ｅのドレイン端子Ｄに還流用ダイオード４ｅの陰極が接続され、ＭＯＳＦＥＴ３ｅのソース端子Ｓに還流用ダイオード４ｅの陽極が接続されている。

半導体モジュール２ｆは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（半導体素子の一例）３ｆと、ＭＯＳＦＥＴ３ｆに逆並列接続された還流用ダイオード４ｆとを有してアーム部を構成している。ＭＯＳＦＥＴ３ｆのドレイン端子Ｄに還流用ダイオード４ｆの陰極が接続され、ＭＯＳＦＥＴ３ｆのソース端子Ｓに還流用ダイオード４ｆの陽極が接続されている。
ＭＯＳＦＥＴ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆは、ユニポーラ型のパワー半導体素子であり、双方向性を有している。ここで、アーム部を構成するスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ３ａ〜３ｆのようにＳｉ系の半導体素子だけでなく、炭化ケイ素、窒化ガリウム及びダイアモンドの少なくとも１つを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子であってもよい。また、還流用ダイオード４ａ〜４ｆもＳｉ系の半導体素子だけでなく、炭化ケイ素、窒化ガリウム及びダイアモンドの少なくとも１つを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子であってもよい。ワイドバンドギャップ半導体素子はＳｉ素子よりも高温，高電圧動作に優れ、低損失である。なお、還流用ダイオード４ａ〜４ｆとして、ＭＯＳＦＥＴ３ａ〜３ｆのボディダイオードを利用してもよい。

また、インバータ５０は、半導体モジュール２ａのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置（ＧＤＵ）１ａと、半導体モジュール２ｂのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置（ＧＤＵ）１ｂと、半導体モジュール２ｃのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置（ＧＤＵ）１ｃと、半導体モジュール２ｄのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置（ＧＤＵ）１ｄと、半導体モジュール２ｅのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置（ＧＤＵ）１ｅと、半導体モジュール２ｆのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置（ＧＤＵ）１ｆとを有している。

各ゲート駆動装置１ａ〜１ｆの出力端子は、ＭＯＳＦＥＴ３ａ〜３ｆの制御端子となるゲート端子Ｇに接続されている。
半導体モジュール２ａ及び半導体モジュール２ｂは、例えばＵ相アームを構成し、半導体モジュール２ｃ及び半導体モジュール２ｄは、例えばＶ相アームを構成し、半導体モジュール２ｅ及び半導体モジュール２ｆは、例えばＷ相アームを構成している。したがって、インバータ５０は、これらのＵ相アーム、Ｖ相アーム及びＷ相アームが並列接続された三相フルブリッジ回路と、Ｕ相アームのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置１ａ，１ｂと、Ｖ相アームのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置１ｃ，１ｄと、Ｗ相アームのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置１ｅ，１ｆとを有している。半導体モジュール２ａ，２ｃ，２ｅはハイサイドスイッチングアームを構成し、半導体モジュール２ｂ，２ｃ，２ｆはローサイドスイッチングアームを構成する。

次に、本実施形態による駆動装置についてゲート駆動装置１ｂを例にとり、図１を参照しつつ図２から図５を用いて説明する。なお、ゲート駆動装置１ａ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆは、ゲート駆動装置１ｂと同様の構成を有している。
図２に示すように、ゲート駆動装置１ｂは、ＭＯＳＦＥＴ３ｂに流れるドレイン電流（主電流の一例）Ｉｄ（ｂ）を検出する電流検出器（電流検出部の一例）９と、電流検出器９で検出したドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の電流値を検出する電流値検出回路（電流検出部の一例）１０と、電流値検出回路１０で検出されたドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の電流値の極性を判別する極性判別回路（極性判別部の一例）１１と、極性判別回路１１で判別された判別結果に応じて電源電圧値を選定する駆動電圧制御回路（駆動電圧制御部の一例）１２とを有している。

駆動電圧制御回路１２は、第１電源電圧Ｐ１が入力される第１スイッチ素子６と、第１電源電圧Ｐ１よりも電圧値の高い第２電源電圧Ｐ２が入力される第２スイッチ素子１３とが並列に接続されている。駆動電圧制御回路１２、第１スイッチ素子６及び第２スイッチ素子１３によって駆動電圧制御部が構成される。
ゲート駆動装置１ｂは、第１及び第２スイッチ素子６，１３に接続された第３スイッチ素子７と、第１から第３スイッチ素子６，１３，７のスイッチング動作を制御する制御信号が入力されるインターフェイス回路（インターフェイス部の一例）８とを有している。

第１及び第２スイッチ素子６，１３は、例えばＮＰＮバイポーラトランジスタで構成され、第３スイッチ素子７は、例えばＰＮＰバイポーラトランジスタで構成されている。第１スイッチ素子６のコレクタ端子Ｃは、第１電源電圧Ｐ１（例えば、２０ボルト（Ｖ））が入力する端子に接続されている。第１スイッチ素子６のエミッタ端子Ｅは、第２及び第３スイッチ素子１３，７のエミッタ端子Ｅに接続されている。第１スイッチ素子６のベース端子Ｂは、駆動電圧制御回路１２の出力端子に接続されている。
第２スイッチ素子１３のコレクタ端子Ｃは、第２電源電圧Ｐ２（例えば、２０＋α（Ｖ）、αは、０より大きい値）が入力する端子に接続されている。第２スイッチ素子１３のベース端子Ｂは、第１スイッチ素子６のベース端子Ｂが接続された出力端子とは異なる駆動電圧制御回路１２の出力端子に接続されている。

第３スイッチ素子７のコレクタ端子Ｃは、基準電位（例えば０（Ｖ））よりも低い負の電圧（以下、「負電圧」と称する）Ｎ１（例えば−５（Ｖ））が入力する端子に接続されている。第３スイッチ素子７のベース端子Ｂは、インターフェイス回路８の出力端子に接続されている。インターフェイス回路８のこの出力端子は駆動電圧制御回路１２の入力端子に接続されている。したがって、インターフェイス回路８は、制御回路から入力される制御信号を駆動電圧制御回路１２及び第３スイッチ素子７のベース端子Ｂに出力するようになっている。

ゲート駆動装置１ｂは、第１から第３スイッチ素子６，１３，７のそれぞれのエミッタ端子Ｅに接続された一方の端子と、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート端子Ｇに接続された他方の端子とを備えたゲート駆動抵抗５とを有している。また、ゲート駆動装置１ｂにおいて、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓ及び還流用ダイオード４ｂの陽極は、基準電位Ｍが入力する端子に接続されている。
駆動電圧制御回路１２は、ゲート駆動装置１ｂに入力する第１電源電圧Ｐ１及び第２電源電圧Ｐ２のうち、極性判別回路１１による判別結果としてドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の極性が負のときに第２電源電圧Ｐ２を選定し、この判別結果が正のときに第１電源電圧Ｐ１を選定するようになっている。ＭＯＳＦＥＴ３ｂは、双方向性を有するため、ドレイン端子Ｄからソース端子Ｓに向かう方向と、ソース端子Ｓからドレイン端子Ｄに向かう方向の双方にドレイン電流を流すことができる。本実施形態では、ドレイン端子Ｄからソース端子Ｓに向かう方向に流れるドレイン電流Ｉｄ（ｂ）を「正」とし、ソース端子Ｓからドレイン端子Ｄに向かう方向に流れるドレイン電流Ｉｄ（ｂ）を「負」とする。また、ドレイン電流Ｉｄ（ｂ）が流れていない状態は「正」とする。

より具体的に、駆動電圧制御回路１２は、極性判別回路１１での判別結果が「Ｉｄ（ｂ）＜０アンペア（Ａ）」である場合には、第２電源電圧Ｐ２を選定するために、インターフェイス回路８から入力される制御信号を第２スイッチ素子１３のベース端子Ｂに出力する。このとき、駆動電圧制御回路１２は、第１スイッチ素子６がオフ状態となる信号を第１スイッチ素子６のベース端子Ｂに出力する。また、駆動電圧制御回路１２は、極性判別回路１１での判別結果が「Ｉｄ（ｂ）≧０（Ａ）」である場合には、第１電源電圧Ｐ１を選定するために、インターフェイス回路８から入力する制御信号を第１スイッチ素子６のベース端子Ｂに出力する。このとき、駆動電圧制御回路１２は、第２スイッチ素子１３がオフ状態となる信号を第２スイッチ素子１３のベース端子Ｂに出力する。詳細は後述するが、第１及び第２スイッチ素子６，１３は、駆動電圧制御回路１２によって選定されたとしてもＭＯＳＦＥＴ３ｂの動作モードによってはオン状態とならない場合がある。

次に、インバータ５０の一相分（例えばＵ相アーム）について、ゲート駆動装置１ｂを適用したときの動作について説明する。なお、以下で説明する一相以外の他の２つの相（例えばＶ相及びＷ相）もこの一相と同様に動作する。インバータ５０の一相分の整流動作は、モードＭＤ１、モードＭＤ２及びモードＭＤ３の３つの動作に区分される。
モードＭＤ１の動作では、ＭＯＳＦＥＴ３ａのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ａ）は、図３（Ｃ）に示すように、第１電源電圧Ｐ１と同電圧となり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）は、負電圧Ｎ１と同電圧となる。このため、図４（Ｃ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ａはオン状態となり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂはオフ状態となり、ＭＯＳＦＥＴ３ａのドレイン電流Ｉｄ（ａ）が出力電流Ｉｕとしてモータ１９（図１参照）のＵ相コイルに流れる。このため、図３（Ｆ）及び（Ｇ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ａのドレイン電流Ｉｄ（ａ）が増加するとともに、出力電流Ｉｕも徐々に増加する。また、出力電流Ｉｕは正の値となる。

モードＭＤ１では、図３（Ｇ）及び図４（Ａ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ｂは、オフ状態であってドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の値は０〔Ａ〕となる。このため、電流値検出回路１０は、電流検出器９で検知されたドレイン電流Ｉｄ（ｂ）に基づいてドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の電流値を０〔Ａ〕と検出し、検出結果を極性判別回路１１に出力する。極性判別回路１１は、ドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の電流値が０〔Ａ〕であってドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の極性が正方向であることを判別し、この判別結果を駆動電圧制御回路１２に出力する。

駆動電圧制御回路１２は、極性判別回路１１から入力した判別結果（ドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の極性が「正」）に基づいて、第１電源電圧Ｐ１を選定するために、インターフェイス回路８から入力した制御信号を第１スイッチ素子６のベース端子Ｂに出力する。このときインターフェイス回路８から入力する制御信号は、第１及び第２スイッチ素子６，１３をオフ状態にするためのオフ信号であるため、第１スイッチ素子６はオン状態にならずオフ状態を維持する。
一方、第１及び第２スイッチ素子６，１３をオフ状態にするためのオフ信号は、第３スイッチ素子７をオン状態とするためのオン信号となる。これにより、第３スイッチ素子７はオン状態となり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート端子Ｇには、負電圧Ｎ１が印加される。ＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓには基準電位Ｍ（例えば０〔Ｖ〕）が印加されているため、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）は負電圧Ｎ１となる。このため、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）に順バイアス電圧は出力されず、ＭＯＳＦＥＴ３ｂはオフ状態を維持したままとなる。

次いで、時点ｔ２でインバータ５０の一相分の整流動作がモードＭＤ１からモードＭＤ２に切り替わる。モードＭＤ２は、ＭＯＳＦＥＴ３ａ及びＭＯＳＦＥＴ３ｂが同時にオン状態になってＭＯＳＦＥＴ３ａ及びＭＯＳＦＥＴ３ｂ間に貫通電流が流れるのを防止するデッドタイムを形成ために、ＭＯＳＦＥＴ３ａをオン状態からオフ状態に切り替えて、ＭＯＳＦＥＴ３ａ，３ｂを両方ともオフ状態にするモードである。
モードＭＤ２の動作では、ＭＯＳＦＥＴ３ａのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ａ）及びＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）は、図３（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、負電圧Ｎ１と同電圧となる。このため、図４（Ｂ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ａはオン状態からオフ状態に切り替わり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂはオフ状態を維持する。

このため、ＭＯＳＦＥＴ３ａ，３ｂは、両方ともオフ状態になる。このとき、図４（Ｂ）で破線矢印で示すように、半導体モジュール２ｂに内蔵された還流用ダイオード４ｂを介してモータ１９から還流電流が出力電流Ｉｕとしてモータ１９に流れる。この還流電流は、モータ１９に充電されていた電荷の放電に基づく電流であるため、図３（Ｅ）に示すように、出力電流Ｉｕは正の値は維持しつつ徐々に低下する。また、モードＭＤ２では、ＭＯＳＦＥＴ３ａはオフ状態となるため、図３（Ｆ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ａのドレイン電流Ｉｄ（ａ）は、０〔Ａ〕となる。

図３（Ｇ）及び図４（Ｂ）に示すように、還流電流は、還流用ダイオード４ｂを介してＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓからドレイン端子Ｄに向かって流れる負の電流である。このため、電流値検出回路１０は、電流検出器９で検知されるドレイン電流Ｉｄ（ｂ）に基づいてドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の電流値を負の値（Ｉｄ（ｂ）＜０〔Ａ〕）と検出し、検出結果を極性判別回路１１に出力する。
極性判別回路１１は、ドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の電流値が負の値であってドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の極性が負方向であると判別し、この判別結果を駆動電圧制御回路１２に出力する。駆動電圧制御回路１２は、極性判別回路１１から入力した判別結果（ドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の極性が「負」）に基づいて、第２電源電圧Ｐ２を選定するために、インターフェイス回路８から入力した制御信号を第２スイッチ素子１３のベース端子Ｂに出力する。

これにより、駆動電圧制御回路１２は、モードＭＤ２において、通常の第１電源電圧Ｐ１よりも高い第２電源電圧Ｐ２を選定する。このときインターフェイス回路８から入力する制御信号ＣＳ（ｂ）は、図３（Ｂ）に示すように、ローレベルであって、第１及び第２スイッチ素子６，１３をオフ状態にするためのオフ信号であるため、第１スイッチ素子６はオン状態にならずオフ状態を維持する。
一方、第１及び第２スイッチ素子６，１３をオフ状態にするためのオフ信号は、第３スイッチ素子７をオン状態とするためのオン信号となる。これにより、第３スイッチ素子７はオン状態となり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート端子Ｇには、負電圧Ｎ１が印加される。ＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓには基準電位Ｍ（例えば０〔Ｖ〕）が印加されているため、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）は負電圧Ｎ１となる。このため、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）に順バイアス電圧は出力されず、ＭＯＳＦＥＴ３ｂはオフ状態を維持したままとなる。

その後、時点ｔ３でインバータ５０の一相分の整流動作がモードＭＤ２からモードＭＤ３に切り替わる。モードＭＤ３は、ＭＯＳＦＥＴ３ｂがオフ状態からオン状態に切り替わり、還流電流がＭＯＳＦＥＴ３ｂ及び還流用ダイオード４ｂに並列に流れるモードである。
モードＭＤ３では、インターフェイス回路８に入力される制御信号ＣＳ（ｂ）が図３（Ｂ）に示すように、ローレベルからハイレベルに反転し、第１及び第２スイッチ素子６，１３をオン状態にするためのオン信号としてインターフェイス回路８から駆動電圧制御回路１２に入力される。

これにより、モードＭＤ３では、ＭＯＳＦＥＴ３ｂがオン状態となって、還流電流は並列接続されたＭＯＳＦＥＴ３ｂ及び還流用ダイオード４ｂに流れる。このため、モードＭＤ３における半導体モジュール２ｂは、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのオン抵抗と還流用ダイオード４ｂのオン抵抗が並列に接続されることになり、還流電流が還流用ダイオード４ｂのみを流れるモードＭＤ２と比較して低抵抗となる。なお、モードＭＤ３では、ＭＯＳＦＥＴ３ａはオフ状態を維持する。
駆動電圧制御回路１２は、モードＭＤ２において、第２スイッチ素子１３を選定し、インターフェイス回路８から入力する制御信号を第２スイッチ素子１３のベース端子Ｂに入力している。この状態でモードＭＤ３になって、不図示の制御回路からインターフェイス回路８に入力する制御信号ＣＳ（ｂ）が図３（Ｂ）に示すように、ハイレベルとなって、第１及び第２スイッチ素子６，１３をオン状態とするオン信号に切り替わると、駆動電圧制御回路１２は、このオン信号を第２スイッチ素子１３のベース端子Ｂに入力する。このため、第２スイッチ素子１３はオフ状態からオン状態に切り替わる。

また、このオン信号は、第３スイッチ素子７をオフ状態とするためのオフ信号となる。これにより、第３スイッチ素子７はオフ状態に切り替わる。また、駆動電圧制御回路１２は、選定していない第１スイッチ素子６のベース端子Ｂに、第１スイッチ素子６がオフ状態となるオフ信号を入力し続ける。これにより、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート端子Ｇには、第２電源電圧Ｐ２が印加される。
ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート端子Ｇに第２電源電圧Ｐ２が印加され、ソース端子Ｓに基準電位Ｍが印加されるので、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）は第２電源電圧Ｐ２となる。これにより、図３（Ｄ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）には順バイアス電圧が出力されるので、ＭＯＳＦＥＴ３ｂはオフ状態からオン状態に切り替わる。

したがって、図３（Ｇ）及び図４（Ｃ）に示すように、還流電流は、ＭＯＳＦＥＴ３ｂ及び還流用ダイオード４ｂを介してＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓからドレイン端子Ｄに向かって流れる。
なお、図４（Ｃ）では、還流電流は破線矢印によって図示されている。このため、モードＭＤ３においても、電流値検出回路１０は、電流検出器９で検知されるドレイン電流Ｉｄ（ｂ）に基づいてドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の電流値を負の値（Ｉｄ（ｂ）＜０〔Ａ〕）と検出し、検出結果を極性判別回路１１に出力する。

極性判別回路１１は、ドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の電流値が負の値であってドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の極性が負方向であることを判別し、この判別結果を駆動電圧制御回路１２に出力する。駆動電圧制御回路１２は、極性判別回路１１から入力した判別結果（ドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の極性が「負」）に基づいて、第２電源電圧Ｐ２を選定するために、インターフェイス回路８から入力した制御信号を第２スイッチ素子１３のベース端子Ｂに出力する。これにより、駆動電圧制御回路１２は、モードＭＤ３において、通常の第１電源電圧Ｐ１よりも高い第２電源電圧Ｐ２を選定する。

モードＭＤ３では、インターフェイス回路８から入力する制御信号は、第２スイッチ素子１３をオン状態にするためのオン信号であり、第３スイッチ素子７をオフ状態にするオフ信号である。また、駆動電圧制御回路１２は、第１スイッチ素子６がオフ状態となるオフ信号を第１スイッチ素子６のベース端子Ｂに入力する。
このため、第２スイッチ素子１３はオン状態を維持し、第１及び第３スイッチ素子６，７はオフ状態を維持する。これにより、モードＭＤ３では、モードＭＤ１においてＭＯＳＦＥＴ３ａのゲート端子Ｇに印加される第１電源電圧Ｐ１よりも電圧値の高い第２電源電圧Ｐ２をＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート端子Ｇに印加した状態でＭＯＳＦＥＴ３ｂをオン状態にできる。
モードＭＤ３における還流電流は、モードＭＤ２の場合と同様に、モータ１９に充電されていた電荷の放電に基づく電流であるため、図３（Ｇ）に示すように、還流電流の電流値は徐々に０（Ａ）に近付く。これに伴い、図３（Ｅ）に示すように、出力電流Ｉｕは正の値を維持しつつ徐々に低下する。

図５に示すように、一般的なＭＯＳＦＥＴは、オン電圧が増加するとドレイン電流が線形増加する特性を有している。また、ＭＯＳＦＥＴは、ゲートソース間電圧Ｖｇｓが高い方がオン電圧の増加に対するドレイン電流の増加率が大きくなる。このため、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流Ｉｄにおいて、ゲートソース間電圧Ｖｇｓが第１電源電圧Ｐ１ではオン電圧Ｖ１となり、ゲートソース間電圧Ｖｇｓが第２電源電圧Ｐ２（＞Ｐ１）ではオン電圧Ｖ２（＜Ｖ１）となる。このように、同じ電流値のドレイン電流を流すためのオン電圧は、ゲートソース間電圧Ｖｇｓが高い方が低くなる。

本実施形態おけるモードＭＤ３の動作は、ＭＯＳＦＥＴのこの特性に着目し利用しており、ＭＯＳＦＥＴのゲートソース間電圧Ｖｇｓを高くすることによってオン電圧を低くし、還流電流が流れる同期整流動作においてＭＯＳＦＥＴの導通損失を小さくすることが可能となる。
その後、時点ｔ４でモードＭＤ３からモードＭＤ２に切り替わり、次いで点ｔ５でモードＭＤ２からモードＭＤ１に切り替わる。
ここで、比較例としての従来の半導体素子のゲート駆動装置について図１及び図４を参照しつつ図６及び図７を用いて説明する。なお、従来のインバータは、ゲート駆動装置の構成が異なる点を除いて、本実施形態におけるインバータ５０と同様の構成を有しているため、以下、図１に示すインバータ５０の参照符号を用いつつ説明する。

図６に示すように、従来のゲート駆動装置１０１は、電流検出器９、電流値検出回路１０、極性判別回路１１、駆動電圧制御回路１２、第２スイッチ素子１３及び第２電源電圧Ｐ２が入力する端子を有していない点を除いて、ゲート駆動装置１ｂと同様の構成を有している。ゲート駆動装置１０１は、第１電源電圧Ｐ１が入力する第１スイッチ素子１０６と、第１スイッチ素子１０６に接続された第２スイッチ素子１０７と、第１及び第２スイッチ素子１０６，１０７のスイッチング動作を制御する制御信号が入力するインターフェイス回路１０８とを有している。

第１スイッチ素子１０６は、例えばＮＰＮバイポーラトランジスタで構成され、第２スイッチ素子１０７は、例えばＰＮＰバイポーラトランジスタで構成されている。第１スイッチ素子１０６のコレクタ端子Ｃは、第１電源電圧Ｐ１が入力する端子に接続されている。第１スイッチ素子１０６のエミッタ端子Ｅは、第２スイッチ素子１０７のエミッタ端子Ｅに接続されている。第１スイッチ素子１０６のベース端子Ｂは、第２スイッチ素子１０７のベース端子Ｂ及びインターフェイス回路１０８の出力端子に接続されている。
第２スイッチ素子１０７のコレクタ端子Ｃは、基準電位（例えば０〔Ｖ〕）よりも低い負電圧Ｎ１に接続されている。

ゲート駆動装置１０１は、第１及び第２スイッチ素子１０６，１０７のそれぞれのエミッタ端子Ｅに接続された一方の端子と、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート端子Ｇに接続された他方の端子とを備えたゲート駆動抵抗１０５を有している。ゲート駆動抵抗１０５は、ゲート駆動装置１０１を保護するために備えられている。また、ゲート駆動装置１０１において、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓ及び還流用ダイオード４ｂの陽極は基準電位Ｍが入力する端子に接続されている。

次に、従来のインバータの一相分（例えばＵ相アーム）について、ゲート駆動装置１０１を適用したときの動作について説明する。従来のインバータの一相分の整流動作は、本実施形態におけるインバータ５０と同様に、モードＭＤ１、モードＭＤ２及びモードＭＤ３の３つの動作に区分される。
時点ｔ１１〜時点ｔ１２間のモードＭＤ１の動作では、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ａのゲート駆動装置１０１に入力される制御信号ＣＳ（ａ）がハイレベルとなり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート駆動装置１０１に入力される制御信号ＣＳ（ｂ）がローレベルとなる。

このため、ＭＯＳＦＥＴ３ａのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ａ）は、図７（Ｃ）に示すように、第１電源電圧Ｐ１と同電圧となり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）は、図７（Ｄ）に示すように、負電圧Ｎ１と同電圧となる。このため、図４（Ａ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ａはオン状態となり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂはオフ状態となり、ＭＯＳＦＥＴ３ａのドレイン電流Ｉｄ（ａ）が出力電流Ｉｕとしてモータ１９（図１参照）のＵ相コイルに流れる。このため、ＭＯＳＦＥＴ３ａのドレイン電流Ｉｄ（ａ）が図７（Ｆ）に示すように増加するとともに、出力電流Ｉｕは図７（Ｅ）に示すように徐々に増加する。また、出力電流Ｉｕは正の値となる。

モードＭＤ１では、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート駆動装置１０１に入力される制御信号ＣＳ（ｂ）が図７（Ｂ）に示すようにローレベルとなるので、第１スイッチ素子１０６はオフ状態となり、第２スイッチ素子１０７はオン状態となる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート端子Ｇには、負電圧Ｎ１が印加される。ＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓには基準電位Ｍ（例えば０（Ｖ））が印加されているため、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）は図７（Ｄ）に示すように負電圧Ｎ１となる。このため、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）に順バイアス電圧が出力されず、ＭＯＳＦＥＴ３ｂはオフ状態を維持する。

その後、時点ｔ１２でインバータの一相分の整流動作がモードＭＤ１からモードＭＤ２に切り替わる。モードＭＤ２は、ＭＯＳＦＥＴ３ａ及びＭＯＳＦＥＴ３ｂが同時にオン状態になってＭＯＳＦＥＴ３ａ及びＭＯＳＦＥＴ３ｂ間に貫通電流が流れるのを防止するデッドタイムを形成するために、ＭＯＳＦＥＴ３ａをオン状態からオフ状態に切り替えてＭＯＳＦＥＴ３ａ，３ｂを両方ともオフ状態にするモードである。このとき、ＭＯＳＦＥＴ３ａのゲート駆動装置１０１に入力される制御信号ＣＳ（ａ）は図７（Ａ）に示すようにハイレベルからローレベルに切換えられ、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート駆動装置１０１に入力される制御信号ＣＳ（ｂ）は図７（Ｂ）に示すようにローレベルを維持する。

モードＭＤ２の動作では、ＭＯＳＦＥＴ３ａのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ａ）及びＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）は、図７（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、負電圧Ｎ１と同電圧となる。このため、図４（Ｂ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ａはオン状態からオフ状態に切り替わり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂはオフ状態を維持する。このため、ＭＯＳＦＥＴ３ａ，３ｂは、両方ともオフ状態になる。
このとき、図４（Ｂ）において破線矢印で示すように、半導体モジュール２ｂに内蔵された還流用ダイオード４ｂを介してモータ１９から還流電流が出力電流Ｉｕとしてモータ１９に流れる。この還流電流は、モータ１９のコイルに充電されていた電荷の放電に基づく電流であるため、図７（Ｇ）に示すように、還流電流の電流値Ｉｄ（ｂ）は徐々に０（Ａ）に近付く。これに伴い、図７（Ｅ）に示すように、出力電流Ｉｕの電流値は徐々に低下する。また、モードＭＤ２では、ＭＯＳＦＥＴ３ａはオフ状態となるため、図７（Ｆ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ａのドレイン電流Ｉｄ（ａ）は０（Ａ）となる。

モードＭＤ２では、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート駆動装置１０１に入力される制御信号ＣＳ（ｂ）が図７（Ｂ）に示すようにローレベルであるので、第１スイッチ素子１０６はオフ状態となり、第２スイッチ素子１０７はオン状態となるので、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート端子Ｇには、負電圧Ｎ１が印加される。
ＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓには基準電位Ｍ（例えば０（Ｖ））が印加されているため、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）に順バイアス電圧は出力されず、ＭＯＳＦＥＴ３ｂは、モードＭＤ１からモードＭＤ２を通してオフ状態を維持する。モードＭＤ２における還流電流は、モータ１９に充電されていた電荷の放電に基づく電流であるため、図７（Ｅ）に示すように、出力電流Ｉｕは正の値を維持しつつ徐々に低下する。

インバータ５０の一相分の整流動作が時点ｔ１３でモードＭＤ２からモードＭＤ３に切り替わる。モードＭＤ３は、ＭＯＳＦＥＴ３ｂがオフ状態からオン状態に切り替わり、還流電流がＭＯＳＦＥＴ３ｂ及び還流用ダイオード４ｂに並列に流れるモードである。
このモードＭＤ３では、ＭＯＳＦＥＴ３ａのゲート駆動装置１０１に入力される制御信号ＣＳ（ａ）が図７（Ａ）に示すようにローレベルを維持し、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート駆動装置１０１に入力される制御信号ＣＳ（ｂ）が図７（Ｂ）に示すようにローレベルからハイレベルに切換わる。

したがって、モードＭＤ３では、ＭＯＳＦＥＴ３ｂがオン状態となって、還流電流が並列接続されたＭＯＳＦＥＴ３ｂ及び還流用ダイオード４ｂに流れる。このため、モードＭＤ３における半導体モジュール２ｂは、還流電流が還流用ダイオード４ｂのみを流れるモードＭＤ２と比較して低抵抗となる。なお、モードＭＤ３では、ＭＯＳＦＥＴ３ａはオフ状態を維持する。
すなわち、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート駆動装置１０１の第１スイッチ素子１０６がオン状態となり、第２スイッチ素子１０７はオフ状態となるので、図７（Ｄ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート端子Ｇには、第１電源電圧Ｐ１が印加される。また、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓには基準電位Ｍ（例えば０（Ｖ））が印加されている。これにより、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）に順バイアス電圧が出力されるので、ＭＯＳＦＥＴ３ｂはオフ状態からオン状態に切り替わる。

したがって、図７（Ｇ）及び図４（Ｃ）に示すように、還流電流は、ＭＯＳＦＥＴ３ｂ及び還流用ダイオード４ｂを介してＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓからドレイン端子Ｄに向かって流れる。しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）は、第１電源電圧Ｐ１である。このため、従来のゲート駆動装置１０１は、本実施形態によるゲート駆動装置１ｂと比較して、同じドレイン電流Ｉ（ｂ）を流すためのＭＯＳＦＥＴのオン電圧が高くなり（図５参照）、ＭＯＳＦＥＴ３ｂの導通損失を十分に低減することができない。

これに対し、本実施形態によるゲート駆動装置１ｂは、モードＭＤ３において、第１電源電圧Ｐ１よりも高い第２電源電圧Ｐ２をＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート端子Ｇに印加することができる。これにより、ゲート駆動装置１ｂは、還流電流が流れているときのＭＯＳＦＥＴ３ｂのオン電圧を低くしてＭＯＳＦＥＴ３ｂの導通損失を低減できる。その結果、本実施形態によるゲート駆動装置１ｂを備えたインバータ５０の電力変換効率を向上できる。
同期整流方式を採用したインバータは、ＭＯＳＦＥＴの並列接続数を増やして半導体モジュールのオン電圧を下げることにより、電力変換効率の向上を図ることができる。しかしながら、この方法では、ＭＯＳＦＥＴの使用個数が増えるため，インバータやこのインバータを備える装置が大形化してしまったり高価格化してしまったりする可能性がある。本実施形態によるゲート駆動装置１は、電流検出器９、電流値検出回路１０、極性判別回路１１、駆動電圧制御回路１２及び第２スイッチ素子１３を有しているため、従来のゲート駆動装置１０１と比較すると回路規模が増大する。

しかしながら、従来のゲート駆動装置１０１に対してゲート駆動装置１に付加されるこれらの回路は、半導体モジュールに内蔵されるＭＯＳＦＥＴと比較すると低電圧駆動が可能である。このため、これらの回路は、トランジスタサイズの小さいトランジスタで構成できるため、インバータ５０は、ＭＯＳＦＥＴの並列接続数を増加させたインバータと比較して、回路規模を小さくすることができる。
また、通常の順バイアス電圧は、一般的にＭＯＳＦＥＴのスイッチング特性（スイッチング損失やスイッチング波形の挙動）から最適な電圧値が決定される。本実施形態において、通常よりも高い順バイアス電圧でＭＯＳＦＥＴを駆動するのは、還流電流が流れるモードＭＤ３の動作時だけである。このため、通常よりも高い順バイアス電圧でＭＯＳＦＥＴを駆動しても、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング特性への影響はほとんどない。

以上説明したように、本実施形態による半導体素子の駆動装置は、半導体モジュールに内蔵されたＭＯＳＦＥＴに流れる主電流を検出する電流検出器と、電流検出器で検出したドレイン電流の電流値を検出する電流値検出回路と、電流値検出回路で検出されたドレイン電流の電流値の極性を判別する極性判別回路と、極性判別回路で判別された判別結果に応じて電源電圧値を選定する電源電圧制御回路とを有している。さらに、半導体素子の駆動装置は、ドレイン電流の極性が負であると判別された場合に選定されて通常動作時よりも高い電圧が入力する第２スイッチ素子を有している。
これにより、半導体素子の駆動装置は、インバータに還流電流が流れる動作モードのときに、半導体モジュールに内蔵されたＭＯＳＦＥＴを、通常よりも電圧値の高いゲートソース間電圧で駆動できるので、ＭＯＳＦＥＴのオン電圧を低減することができる。これにより、ゲート駆動装置は、ＭＯＳＦＥＴの使用個数を増やさずにＭＯＳＦＥＴの導通損失を低減し、インバータの電力変換効率の向上を図ることができる。

次に、本発明に係る半導体素子の駆動装置の第２の実施形態を図８及び図９を用いて説明する。この第２の実施形態でも、半導体素子として電圧駆動型半導体素子を例にとり、半導体素子の駆動装置として半導体素子のゲート駆動装置を例にとって説明する。
この第２の実施形態では、ゲート駆動装置１ｂが、図８に示すように、構成されている。すなわち、図８に示すゲート駆動装置１ｂは、前述した第１の実施形態における第２スイッチ素子１３が省略されているとともに、電源電圧制御回路の構成が変更されていることを除いては前述した第１の実施形態と同様の構成を有し、図２との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

ゲート駆動装置１ｂは、図８に示すように、第１の実施形態における第１スイッチ素子６及び第３スイッチ素子７に対応する第４スイッチ素子２６及び第５スイッチ素子２７を備えている。
第４スイッチ素子２６は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタで構成され、コレクタが第１電源電圧Ｐ１（例えば２０〔Ｖ〕）が入力される正電源端子に接続され、エミッタが第５スイッチ素子２７のエミッタに接続され、ベースが電源電圧制御回路２０に接続されている。

第５スイッチ素子２７は、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタで構成され、エミッタが第４スイッチ素子２６のエミッタに接続され、コレクタが基準電位（例えば０〔Ｖ〕）より低い負電圧Ｎ１（例えば−５〔Ｖ〕）が入力される負電源端子に接続され、ベースがインターフェイス回路８に接続されている。
第４スイッチ素子２６のエミッタ及び第５スイッチ素子２７のエミッタの接続点がゲート駆動抵抗５を介して半導体モジュール２ｂのＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートに接続されている。
また、ゲート駆動装置１ｂは、インターフェイス回路８、電流値検出回路１０、極性判別回路１１及び駆動電圧制御回路２０を備えている。インターフェイス回路８、電流値検出回路１０及び極性判別回路１１は、前述した第１の実施形態と同様の構成を有する。

駆動電圧制御回路２０は、図８に示すように、パルス形成回路２１及びオアゲート２２とで構成されている。パルス形成回路２１は、極性判別回路１１から出力される極性判別結果を表す極性判別信号Ｓｐｄが入力される単安定マルチバイブレータで構成されている。このパルス形成回路２１は極性判別信号Ｓｐｄが正極性を表すローレベルから負極性を表すハイレベルに判定したときに、デッドタイムＴｄ以上の時間Ｔａだけオン状態を継続するパルス信号ＰＳをオアゲート２２の一方の入力側に出力する。
オアゲート２２は、一方の入力側にパルス形成回路２１から出力されるパルス信号ＰＳが入力され、他方の入力側にインターフェイス回路８から出力されるゲートパルス信号ＧＰが入力され、出力側が第４スイッチ素子２６のベースに接続されている。
ここで、駆動電圧制御回路２０、第４スイッチ素子２６および第５スイッチ素子２７で駆動電圧制御部が構成されている。

次に、第２の実施形態の動作を図９に示すタイミングチャートを伴って説明する。
第２の実施形態でも時点ｔ２１及びｔ２２間のモードＭＤ１、時点ｔ２２及びｔ２３間のモードＭＤ２、時点ｔ２３及びｔ２４間のモードＭＤ３、時点ｔ２４及びｔ２５間のモードＭＤ２、時点ｔ２４以降のモードＭＤ１となることは第１の実施形態と同様である。
したがって、ハイサイドアーム側のゲート駆動装置１ａに入力される制御信号ＣＳ（ａ）は、第１の実施形態と同様に、時点ｔ１から時点ｔ２までハイレベルとなり、時点ｔ２でローレベルに反転してから時点ｔ５で再度ハイレベルに反転する。

一方、ローサイドアーム側のゲート駆動装置１ｂに入力される制御信号ＣＳ（ｂ）は、図９（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様に、時点ｔ１から時点３までローレベルとなり、時点ｔ３でハイレベルに反転してから時点ｔ４で再度ローレベルに反転する。
したがって、ハイサイドアーム側の半導体モジュール２ａのＭＯＦＥＴ３ａはモードＭＤ１でオン状態となり、モードＭＤ２及びＭＤ３でオフ状態となる。このため、ハイサイドアーム側の半導体モジュール２ａのＭＯＳＦＥＴ３ａのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ａ）は、図９（Ｅ）に示すように、時点ｔ１から時点ｔ２までは正電圧Ｐ１を維持し、時点ｔ２で負電圧Ｎ１に反転し、この負電圧Ｎ１が時点ｔ５にまで継続し、時点ｔ５で再度正電圧Ｐ１に復帰する。

また、半導体モジュール２ａを流れる主電流であるドレイン電流Ｉｄ（ａ）は図９（Ｈ）に示すように、時点ｔ１から時点ｔ２まで正方向で増加し、時点ｔ２から時点ｔ４間で０〔Ａ〕となり、時点ｔ５で正の所定電流から増加する。
逆に、ローサイドアーム側の半導体モジュール２ｂのＭＯＳＦＥＴ３ｂはモードＭＤ１でオフ状態となり、モードＭＤ２及びＭＤ３でオン状態となる。このため、ローサイドアーム側の半導体モジュール２ｂのＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）は、図９（Ｆ）で一点鎖線図示のように、時点ｔ１から時点ｔ３までは負電圧Ｎ１を維持し、時点ｔ３で正電圧Ｐ１に反転し、この負電圧Ｎ１が時点ｔ５にまで継続し、時点ｔ５で再度正電圧Ｐ１に復帰する。

また、半導体モジュール２ｂを流れる主電流であるドレイン電流Ｉｄ（ｂ）は図９（Ｉ）に示すように、時点ｔ１から時点ｔ２まで０〔Ａ〕を維持し、時点ｔ２で負電圧となり、その後時点ｔ５間での間０〔Ａ〕に向かって徐々に減少し、時点ｔ２５以降は０〔Ａ〕となる。
ところで、ローサイドアーム側のゲート駆動装置１ｂでは、モードＭＤ１からモードＭＤ２に切り替わる時点ｔ２では、図４（Ｂ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ａがオン状態からオフ状態となり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂがオフ状態を継続している。このため、モータ１９のコイルに充電された電流による還流電流が還流用ダイオード４ｂを介して正の出力電流Ｉｕとしてモータ１９に流れる。この還流電流は、図４（Ｂ）及び図９（Ｉ）に示すように、還流用ダイオード４ｂを介してＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子Ｓからドレイン端子Ｄに向かって流れる負の電流である。

このため、電流値検出回路１０で検出される電流値が負の値（Ｉｄ（ｂ）＜０〔Ａ〕）となるので、極性判別回路１１は、図９（Ｃ）に示すように、時点ｔ２でローレベルから負極性を表すハイレベルに反転する極性判別信号Ｓｐｄを駆動電圧制御回路２０出力する。
駆動電圧制御回路２０では、極性判別信号Ｓｐｄがパルス形成回路２１に入力されて、このパルス形成回路２１が、極性判別信号Ｓｐｄのローレベルからハイレベルへの立ち上がりでトリガされる。したがって、パルス形成回路２１から、図９（Ｄ）に示すように、ハイレベルをデッドタイムＴｄ以上の時間Ｔａだけ継続するパルス信号ＰＳがオアゲート２２に出力される。

このため、オアゲート２２からハイレベルのパルス信号が第４スイッチ素子２６のベースに供給されるとともに、第５スイッチ素子２７のベースに供給され、第４スイッチ素子２６がオン状態となり、第５スイッチ素子２７がオフ状態となる。
これにより、正の電源電圧Ｐ１が第４スイッチ素子２６を介してＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲートに再度供給開始され、ＭＯＳＦＥＴ３ｂが一旦オフ状態となった後、還流用ダイオード４ｂを介して還流電流が流れ始めた直後にオン状態に復帰する。
このように、還流電流が還流用ダイオード４ｂとＭＯＳＦＥＴ３ｂとの双方を通じて並列に流れることにより、還流用ダイオード４ｂのオン抵抗とＭＯＳＦＥＴ３ｂのオン抵抗とが並列となり、双方の合成抵抗が、還流電流が還流用ダイオード４ｂのみを流れる第１の実施形態のモードＭＤ２と比較して低抵抗となる。

したがって、本願発明の第２の実施形態によれば、モードＭＤ１からモードＭＤ２に切り替わった状態で、還流用ダイオード４ｂと並列にＭＯＳＦＥＴ３ｂがターンオン状態となり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂがターンオンするタイミングが第１の実施形態に比較して早められることになる。
そして、ＭＯＳＦＥＴ３ｂは、図１０で一点鎖線図示の特性線Ｌ１１で表される電圧の増加に比例して電流が増加する定抵抗特性を示し、還流用ダイオード４ｂは図１０で実線図示の特性線Ｌ１２で表されるように立ち上がり電圧（オン電圧）がＳｉＣ−ＳＢＤ（ショットキーバリヤダイオード）で約１〔Ｖ〕となり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂに対して急峻な抵抗特性となる。

したがって、従来例のようにモードＭＤ２において還流電流を還流用ダイオード４ｂのみを通過させる場合には、特性線Ｌ１１がドレイン電流Ｉｄに到達したときの電圧がＭＯＳＦＥＴ３ｂのドレイン電流Ｉｄを流すために必要なオン電圧Ｖ３となる。
これに対して、第２の実施形態では、還流用ダイオード４ｂが導通して極性判別回路１１で負極性と判別したときに、ＭＯＳＦＥＴ３ｂをターンオン状態とするので、還流用ダイオード４ｂが導通したときに、図１０で実線図示の特性線Ｌ１３で示すように、還流用ダイオードの抵抗特性にＭＯＳＦＥＴ３ｂの定抵抗特性が加えられた抵抗特性となり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのドレイン電流Ｉｄを流すために必要なオン電圧Ｖ４はオン電圧Ｖ３より低い電圧となり、この分還流電流が流れる同期整流動作においてＭＯＳＦＥＴの導通損失をより小さくすることが可能となる。

このとき、デッドタイムＴｄの期間中にＭＯＳＦＥＴ３ｂをオン状態とすることにより、ＭＯＳＦＥＴ３ａがオン状態からオフ状態となる際に、ＭＯＳＦＥＴ３ｂがオン状態となって短絡電流が流れることが懸念される。
しかしながら、第２の実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのドレインに印加される電圧が零になって、還流用ダイオード４ｂが導通し、この還流用ダイオード４ｂを通じて還流電流が流れ始めることにより、ドレイン電流Ｉｄ（ｂ）が初めて負極性となる。そして、極性判別回路１１は、ドレイン電流Ｉｄ（ｂ）の負極性を判別したときに、極性判別信号Ｓｐｄをローレベルからハイレベルに反転させる。したがって、ＭＯＳＦＥＴ３ｂはＭＯＳＦＥＴ３ａがオフ状態となってからオン状態となり、アーム短絡の発生を確実に防止することができる。

その後、時点ｔ３で、ローサイド側のゲート駆動装置１ｂに入力される制御信号ＣＳ（ｂ）が、図９（Ｂ）に示すように、ローレベルからハイレベルに反転し、その直後の時点ｔ３′でパルス形成回路２１から出力されるパルス信号ＰＳが図９（Ｄ）に示すようにハイレベルからローレベルに反転する。
この時点ｔ３から時点ｔ３′の間では、オアゲート２２に供給されるインターフェイス回路８からの出力信号とパルス形成回路２１から出力されるパルス信号ＰＳとがともにハイレベルとなっているので、オアゲート２２の出力はハイレベルを維持し、第４スイッチ素子２６がオン状態を継続し、第５スイッチ素子２７がオフ状態を継続し、ＭＯＳＦＥＴ３ｂがオン状態を継続する。このため、還流電流がＭＯＳＦＥＴ３ｂ及び還流用ダイオード４ｂを並列に流れて出力電流Ｉｕとしてモータ１９に出力される。

その後、時点ｔ４で第１の実施形態におけるモードＭＤ２と同様のモードＭＤ４となる。このモードＭＤ４では、制御信号ＣＳ（ｂ）が、図９（Ｂ）に示すように、ハイレベルからローレベルに反転する。このため、インターフェイス回路８からローレベルの出力信子ヴがオアゲート２２に出力される。
このとき、ドレイン電流Ｉｄ（ｂ）は図９（Ｉ）に示すように負極性を継続しているので、極性判別回路１１からはハイレベルの極性判別信号Ｓｐｄが図９（Ｃ）に示すように継続して出力されており、ローレベルからハイレベルは立ち上がることはないので、パルス形成回路２１はトリガされることなくローレベルのパルス信号ＰＳをオアゲート２２に出力している。

このため、オアゲート２２の出力信号はハイレベルからローレベルに復帰することになり、第４スイッチ素子２６がオフ状態となり、第５スイッチ素子２７がオン状態となることにより、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのゲート−ソース間電圧Ｖｇｓ（ｂ）が図９（Ｆ）に示すように正の電源電圧Ｐ１から負の電源電圧Ｎ１に復帰する。
したがって、モードＭＤ４では、還流電流が還流用ダイオード４ｂのみを通って出力電流Ｉｕとしてモータ１９に出力される
その後、時点ｔ５で、ハイサイド側のゲート駆動装置１ａに対する制御信号ＣＳ（ａ）が、図９（Ａ）に示すように、ローレベルからハイレベルに復帰することにより、
図４（Ａ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３ａがオン状態なり、ＭＯＳＦＥＴ３ｂがオフ状態を継続し、さらに還流用ダイオード４ｂが逆バイアス状態となって非導通状態となる。このため、正極ラインＬｐからＭＯＳＦＥＴ３ａを介してモータ１９へ出力される。

このように、第２の実施形態によると、モードＭＤ３よりも前のモードＭＤ２でモータ１９からの還流電流をローサイド側のＭＯＳＦＥＴ３ｂと還流用ダイオード４ｂとの双方を通ってモータ１９への出力電流Ｉｕとして出力する同期整流動作を行うことができ、還流用ダイオード４ｂの抵抗特性にＭＯＳＦＥＴ３ｂの抵抗特性を加えた抵抗特性としてモードＭＤ２でもドレイン電流Ｉｄに対するオン電圧を低くしてＭＯＳＦＥＴ３ｂの導通損失を低減できる。その結果、本実施形態によるゲート駆動装置１ｂを備えたインバータ５０の電力変換効率を向上できる。

なお、上記第２の実施形態においては、駆動電圧制御回路２０のオアゲート２２から出力される出力信号を第４スイッチ素子２６及び第５スイッチ素子２７のベースに供給する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１１に示すように構成することもできる。すなわち、第５スイッチ素子２７を第４スイッチ素子２６と同じＮＰＮバイポーラトランジスタで構成し、インターフェイス回路８から入力される制御信号ＣＳに基づいて互い逆位相となる第４スイッチ素子２６に対する制御信号及び第５スイッチ素子２７に対する制御信号を個別に出力するように構成し、インターフェイス回路８と第４スイッチ素子２６との間にオアゲート２２を接続するとともに、インターフェイス回路８と第５スイッチ素子２７との間にパルス形成回路２１のパルス信号ＰＳを論理反転回路３１を介して反転させた出力信号を供給したアンドゲート３２を接続するようにしてもよい。なお、第５スイッチ素子２７をＰＮＰバイポーラトランジスタで構成する場合には、インターフェイス回路８から出力される第５スイッチ素子２７に対する制御信号を第４スイッチ素子２６に対する制御信号と同相にするとともに、このインターフェイス回路８の制御信号とパルス形成回路２１の出力とをオアゲートを介して第５スイッチ素子２７のベースに供給すればよい。

本発明は、上記各実施形態によらず種々の変形が可能である。上記実施形態による半導体素子の駆動装置は、ＰＮＰバイポーラトランジスタで構成された第３スイッチ素子及び第５スイッチ素子を有しているが、本発明はこれに限られない。例えば、半導体素子の駆動装置は、ＮＰＮバイポーラトランジスタで構成された第３スイッチ素子及び第５スイッチ素子と、これら第３スイッチ素子及び第５スイッチ素子のベース端子とインターフェイス回路の出力端子との間に論理反転回路とを有していても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の技術的範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の技術的範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

１，１ａ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ ゲート駆動装置
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ 半導体モジュール
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ ＭＯＳＦＥＴ
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ 還流用ダイオード
５ ゲート駆動抵抗
６ 第１スイッチ素子
７ 第３スイッチ素子
８ インターフェイス回路
９ 電流検出器
１０ 電流値検出回路
１１ 極性判別回路
１２ 駆動電圧制御回路
１３ 第２スイッチ素子
１４ 三相交流電源
１５ 整流回路
１６ 平滑用コンデンサ
１９ モータ
２０ 駆動電圧制御回路
２１ パルス形成回路
２２ オアゲート
２６ 第４スイッチ素子
２７ 第５スイッチ素子
５０ インバータ

Claims (6)

1. 電圧駆動型半導体素子及び該電圧駆動型半導体素子に逆並列に接続された還流用ダイオードを有するアーム部に流れる主電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部で検出された主電流の極性を判別する極性判別部と、
   前記極性判別部で判別された判別結果に応じて前記電圧駆動型半導体素子の制御端子に供給する駆動電圧値を選定する駆動電圧制御部と
   を有し、
   前記極性判別部は、前記電圧駆動型半導体素子のドレイン端子からソース端子に向かう方向に流れる前記主電流の極性を正と判別し、前記電圧駆動型半導体素子のソース端子からドレイン端子に向かう方向に流れる前記主電流の極性を負と判別し、
   前記駆動電圧制御部は、前記電圧駆動型半導体素子をオン状態とするために前記制御端子に供給する電圧として、前記判別結果が前記正のときに第１電源電圧を選定し、前記判別結果が前記負のときに前記第１電源電圧よりも電圧値の高い第２電源電圧を選定すること
   を特徴とする半導体素子の駆動装置。
2. 前記駆動電圧制御部は、
   前記第１電源電圧が入力される第１スイッチ素子と、
   前記第２電源電圧が入力される第２スイッチ素子とを有すること
   を特徴とする請求項１記載の半導体素子の駆動装置。
3. 前記第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子に接続された第３スイッチ素子と、
   前記第１スイッチ素子、第２スイッチ素子及び第３スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号が入力されるインターフェイス部とを有し、
   前記インターフェイス部は、前記制御信号を前記駆動電圧制御部及び前記第３スイッチ素子に出力すること
   を特徴とする請求項２記載の半導体素子の駆動装置。
4. 前記駆動電圧制御部は、入力される前記制御信号を、前記第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子の選定した一方に出力すること
   を特徴とする請求項３記載の半導体素子の駆動装置。
5. 正極側ライン及び負極側ライン間に、２つの前記電圧駆動型半導体素子が直列に接続されて出力アームが形成され、２つの前記電圧駆動型半導体素子の接続部が誘導性負荷の一端に接続され、２つの前記電圧駆動型半導体素子の一方に供給される第１制御信号と他方に供給される第２制御信号との双方は一方がオン状態であるときに他方がオフ状態とされ、オン状態及びオフ状態の反転時に前記第１制御信号及び前記第２制御信号がともにオフ状態となるデッドタイム区間が形成されていること
   を特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体素子の駆動装置。
6. 前記電圧駆動型半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウム及びダイアモンドの少なくとも１つを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子であること
   を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体素子の駆動装置。

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