JP6834013B2 - スイッチング素子制御回路及びパワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子制御回路及びパワーモジュールに関する。

従来、スイッチング素子のオン／オフ動作を制御するスイッチング素子制御回路が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

従来のスイッチング素子制御回路９００は、図１２に示すように、スイッチング素子８００のオン／オフ動作を制御するためにゲート電圧を制御するゲート電圧制御部９１０を備える。

従来のスイッチング素子制御回路９００によれば、ゲート電圧を制御することによってスイッチング素子８００のオン／オフ動作を制御することができる。

国際公開第２０１２／１５３４５９号

ところで、近年、スイッチング速度を速くすることによりスイッチング損失を小さくすることが可能なスイッチング素子制御回路が求められている。これを実現するための方法の一つとして、閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加してターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることにより、スイッチング速度を速くし、スイッチング損失を小さくすることが考えられる（図３参照。）。

しかしながら、スイッチング素子の動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子に流すと閾値電圧が初期閾値電圧（出荷時の閾値電圧）から変動するため（図４参照。）、動作時の閾値電圧をわずかに超える電圧をゲート電極に印加してターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることが難しく、スイッチング損失を小さくすることが難しい、という問題がある。

そこで、本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、動作時の閾値電圧が初期閾値電圧から変動する場合でも、スイッチング損失を小さくすることが可能なスイッチング素子制御回路を提供することを目的とする。また、このようなスイッチング素子制御回路を備えるパワーモジュールを提供することを目的とする。

［１］本発明のスイッチング素子制御回路は、第１電極と、第２電極と、第３電極とを備えるスイッチング素子のオン／オフ動作を制御するスイッチング素子制御回路であって、
前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御するために第３電極電圧を制御する第３電極電圧制御部と、前記スイッチング素子を流れる第１電極電流を検出する第１電極電流検出部と、前記スイッチング素子の初期閾値電圧、及び、前記初期閾値電圧を測定したときに前記スイッチング素子を流れる初期第１電極電流を含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性に関する情報を記憶する記憶部と、前記初期閾値電圧、前記初期第１電極電流、及び、前記第１電極電流検出部によって検出された第１電極電流を含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性に関する情報に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出する閾値電圧算出部とを備え、前記第３電極電圧制御部は、前記スイッチング素子をオン状態とするときに、前記閾値電圧算出部によって算出された前記動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいて前記第３電極電圧を制御することを特徴とする。

［２］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性は、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流係数をβとし、前記動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、前記初期閾値電圧をＶｔｈ_０とし_、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流をＩｄとし、前記初期第１電極電流をＩｄ_０としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０＋β（Ｉｄ−Ｉｄ_ｏ）の関係を満たす特性式で表されることが好ましい。

［３］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記初期閾値電圧、及び、前記初期第１電極電流を含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性に関する情報は、あらかじめ前記記憶部に記憶されていることが好ましい。

［４］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子制御回路は、前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧を測定する初期閾値電圧測定モードと、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御モードとを実施するスイッチング素子制御回路であって、前記スイッチング素子の前記第１電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定するオン／オフ状態判定部とをさらに備え、前記初期閾値電圧測定モードにおいては、前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を前記初期第1電極電流として記憶するとともに、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧として記憶することが好ましい。

［５］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子制御回路は、前記制御モードを所定時間実施した後に、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を測定する第１電極電流特性測定モードをさらに実施するスイッチング素子制御回路であって、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を算出する第１電極電流特性算出部をさらに備え、前記第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を記憶するとともに、前記第３電極に印加した第３電極電圧を前記スイッチング素子の第１電極電流特性測定時閾値電圧として記憶し、前記第１電極電流特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期第１電極電流、前記第１電極電流特性測定モードにおいて前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流、及び、前記第１電極電流特性測定時閾値電圧を含む情報に基づいて前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を算出することが好ましい。

［６］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記第３電極電圧制御部は、前記初期閾値電圧測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるように前記第３電極電圧を制御することが好ましい。

［７］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記第３電極電圧制御部は、前記初期閾値電圧測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるように、前記第３電極電圧を制御することが好ましい。

［８］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子制御回路は、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御モードを所定時間実施した後に、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を測定する第１電極電流特性測定モードを実施するスイッチング素子制御回路であって、前記スイッチング素子の前記第１電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定するオン／オフ状態判定部と、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を算出する第１電極電流特性算出部とをさらに備え、前記第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記スイッチング素子を流れる前記第１電極電流を記憶し、かつ、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を前記スイッチング素子の第１電極電流特性測定時閾値電圧として記憶し、前記第１電極電流特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期第１電極電流、前記第１電極電流特性測定モードにおいて前記スイッチング素子を流れる前記第１電極電流、及び、前記第１電極電流特性測定時閾値電圧を含む情報に基づいて前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を算出することが好ましい。

［９］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記第３電極電圧制御部は、前記第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるように前記第３電極電圧を制御することが好ましい。

［１０］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記第３電極電圧制御部は、前記第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧が、時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるように、前記第３電極電圧を制御することが好ましい。

［１１］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性に関する情報は、前記第１電極電流と前記第１電極電流に対応する閾値電圧とが組となったデータを含むことが好ましい。

［１２］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はＨＥＭＴであることが好ましい。

［１３］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子は、ＧａＮ、ＳｉＣ又はＧａ_２Ｏ_３を含む材料により形成されたものであることが好ましい。

［１４］本発明のパワーモジュールは、第１電極と、第２電極と、第３電極とを備えるスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する、［１］〜［１３］のいずれかに記載のスイッチング素子制御回路とを備えることを特徴とする。

本発明のスイッチング素子制御回路及びパワーモジュールによれば、閾値電圧算出部は、第１電極電流検出部によって検出された第１電極電流を含む情報に基づいてスイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出し、第３電極電圧制御部は、スイッチング素子をオン状態とするときに、閾値電圧算出部によって算出された動作時の閾値電圧に基づいて第３電極電圧を制御するため、動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子に流して閾値電圧が初期閾値電圧から変動する場合でも(図４参照。)、動作時の閾値電圧をわずかに超える電圧を第３電極に印加することができる（図３（ｂ）参照。）。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。

実施形態１に係るパワーモジュール１及びスイッチング素子制御回路１００を示す回路図である。 実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００を説明するために示すブロック図である。 閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加する場合の効果について説明するために示す図である。図３（ａ）は比較例に係るスイッチング素子制御回路においてゲート電極にゲート電圧を印加する場合のゲート・ソース間電圧の時間変化を示すグラフの模式図であり、図３（ｂ）は実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００において閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加する場合のゲート・ソース間電圧の時間変化を示すグラフの模式図である。 スイッチング素子の閾値電圧Ｖｔｈとドレイン電流Ｉｄの関係を示すグラフの模式図である。 実施形態２に係るパワーモジュール２及びスイッチング素子制御回路１０２を示す回路図である。 実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２の初期閾値電圧測定モードを説明するために示すブロック図である。 実施形態２における初期閾値電圧測定モードを説明するために示すグラフの模式図である。 実施形態３におけるドレイン電流特性測定モードを説明するために示すブロック図である。 実施形態３に係るスイッチング素子制御回路における、スイッチング素子の閾値電圧Ｖｔｈとドレイン電流Ｉｄの関係を示すグラフの模式図である。 変形例１における初期閾値電圧測定モード（及び／又はドレイン電流特性測定モード）を説明するために示すグラフの模式図である。 変形例２に係るスイッチング素子制御回路における、スイッチング素子の閾値電圧Ｖｔｈとドレイン電流Ｉｄの関係を示すグラフの模式図である。 従来のスイッチング素子制御回路９００を説明するために示す図である。

以下、本発明のスイッチング素子制御回路及びパワーモジュールについて、図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、各図面は模式図であり、必ずしも実際の回路構成やグラフを厳密に反映したものではない。

［実施形態１］
１．実施形態１に係るパワーモジュール１及びスイッチング素子制御回路１００の構成
実施形態１に係るパワーモジュール１は、図１に示すように、スイッチング素子２００と、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を制御する実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００とを備える。実施形態１に係るパワーモジュール１は、高耐熱性・高絶縁性の樹脂やセラミックス等により形成されたパッケージで覆われている。実施形態１に係るパワーモジュール１には、直流の電源電圧Ｖ_ＤＤを入力する（＋）側入力端子Ｔ１、接地側の（−）側入力端子Ｔ２、（＋）側出力端子Ｔ３、接地側の（−）側出力端子Ｔ４、及び、駆動信号（例えば、ゲートパルス）Ｐｇを入力する制御端子Ｔ５が設けられている。

（＋）側入力端子Ｔ１と（−）側入力端子Ｔ２との間には、電源電圧Ｖ_ＤＤを印加するためのゲートドライブ用電源３００が接続されている。ゲートドライブ用電源３００は、ゲート電圧制御部１０を介してスイッチング素子２００のゲート電極と接続されており、ゲート電極に電圧を供給する。（＋）側出力端子Ｔ３及び（−）側出力端子Ｔ４には、負荷回路４００が接続されている。負荷回路４００は、例えば、負荷抵抗４１０及び直流の駆動電源４２０を有し、これらが（＋）側出力端子Ｔ３と（−）側出力端子Ｔ４との間に直列に接続されている。なお、（−）側出力端子Ｔ４は接地されている。

スイッチング素子２００は、ソース電極（第２電極）、ドレイン電極（第１電極）及びゲート電極（第３電極）を備えるＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子２００は、ゲート電極に閾値電圧を超えるゲート電圧（第３電極電圧）を印加するとオン状態となり、ゲート電圧が閾値電圧を下回るとオフ状態となる。ゲート電圧は、電源電圧Ｖ_ＤＤから供給され、後述するゲート電圧制御部１０（第３電極電圧制御部）によって制御される。なお、スイッチング素子２００は、ＧａＮを含む材料により形成されたものである。この場合、ゲート電極の絶対最大定格電圧と閾値電圧との差が小さくなる。

スイッチング素子２００のドレイン電極は、（＋）側出力端子Ｔ３を介して負荷回路４００と接続されている。スイッチング素子２００のゲート電極は、ゲート電圧制御部１０と接続されている。スイッチング素子２００のソース電極は抵抗を介して（−）側出力端子Ｔ４と接続されている。

実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００は、ゲート電圧制御部１０（第３電極電圧制御部）と、ドレイン電流検出部２０（第１電極電流検出部）と、記憶部３０と、閾値電圧算出部４０とを備える（図１参照。）。
ゲート電圧制御部１０は、閾値電圧算出部４０と接続されている。ゲート電圧制御部１０は、入力された駆動信号（例えば、ゲートパルス）Ｐｇに基づいてスイッチング素子２００のオン／オフを制御するためにゲート電圧を制御する。
ドレイン電流検出部２０は、ドレイン電流検出素子を有し、閾値電圧算出部４０と接続されている。ドレイン電流検出素子としては、抵抗やロゴスキーコイル等適宜の電流検出素子を用いることができる。
記憶部３０は、閾値電圧算出部４０と接続されている。記憶部３０においては、スイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ_０（あらかじめ設定した、使用するスイッチング素子２００の閾値電圧の下限値）、及び、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定したときにスイッチング素子２００を流れる初期ドレイン電流Ｉｄ_０（初期第１電極電流）を含む情報、並びにスイッチング素子２００における閾値電圧のドレイン電流特性（第１電極電流特性）に関する情報が、あらかじめ記憶されている。このため、スイッチング素子２００をスイッチング素子制御回路１００に組み込んだ後に初期閾値電圧Ｖｔｈ_０、及び、初期ドレイン電流Ｉｄ_０を計測する必要がない。

スイッチング素子２００における閾値電圧のドレイン電流特性は、図４に示すように、ドレイン電流が大きくなるに従って閾値電圧が大きくなる。実施形態１においては、スイッチング素子における閾値電圧のドレイン電流特性は、スイッチング素子２００における閾値電圧のドレイン電流係数（第１電極電流係数）をβとし、動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、初期閾値電圧をＶｔｈ_０とし_、ドレイン電流検出部２０によって検出されたドレイン電流をＩｄとし、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定したときにスイッチング素子２００を流れるドレイン電流をＩｄ_０としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０＋β（Ｉｄ−Ｉｄ_ｏ）の関係を満たす特性式で表される（図４の点線で表される直線参照。）。すなわち、スイッチング素子２００における閾値電圧のドレイン電流特性を、傾きが正の１次関数に近似している。

実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００は、スイッチング素子２００をオン状態とするとき、ゲート電極に印加するゲート電圧を以下のようにして決定する（図２参照。）。
まず、ドレイン電流検出部２０によってスイッチング素子２００を流れるドレイン電流Ｉｄを検出する。
次に、閾値電圧算出部４０は、記憶部３０から、スイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ_０（あらかじめ設定した、使用するスイッチング素子２００の閾値電圧の下限値）、及び、初期ドレイン電流Ｉｄ_０を含む情報、並びに、スイッチング素子２００における閾値電圧のドレイン電流特性に関する情報を読み取るとともに、ドレイン電流検出部２０からスイッチング素子２００を流れるドレイン電流Ｉｄを読み取り、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０＋β（Ｉｄ−Ｉｄ_ｏ）の特性式に代入し、動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出する（図４参照。）。
次に、ゲート電圧制御部１０は、閾値電圧算出部４０で算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいて（図３（ｂ）参照。）、当該閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加する。このようにして、ゲート電極に印加するゲート電圧を決定する。

なお、実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００においては、常にスイッチング素子２００のドレイン電流に追従してゲート電圧を制御してもよいし、所定時間ごとにスイッチング素子２００のドレイン電流を検出して動作時の閾値電圧を算出し、当該動作時の閾値電圧に基づいてゲート電圧を制御してもよい。

２．実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００及びパワーモジュール１の効果
実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００及びパワーモジュール１によれば、閾値電圧算出部４０は、ドレイン電流検出部２０によって検出されたドレイン電流を含む情報に基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、閾値電圧算出部４０によって算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するため、動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子２００に流して閾値電圧Ｖｔｈが初期閾値電圧Ｖｔｈ_０から変動する場合でも(図４参照。)、動作時の閾値電圧をわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる（図３（ｂ）参照。）。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。

実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００によれば、スイッチング素子２００における閾値電圧のドレイン電流特性は、スイッチング素子２００における閾値電圧のドレイン電流係数をβとし、動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、初期閾値電圧をＶｔｈ_０とし_、ドレイン電流検出部２０によって検出されたドレイン電流をＩｄとし、初期ドレイン電流をＩｄ_０としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０＋β（Ｉｄ−Ｉｄ_ｏ）の関係を満たす特性式で表されるため、比較的容易にスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出することができる。

実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００によれば、ＧａＮを含む材料により形成されたスイッチング素子のようにゲート電極の絶対最大定格電圧と閾値電圧との差が小さい場合であっても、動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。また、閾値電圧（設計上の閾値電圧）をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加してもスイッチング素子２００がオン状態にならない現象が発生することを防ぐことができ、その結果、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を確実に制御することができる。

また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、スイッチング素子２００がＧａＮを含む材料により形成されたものであるため、スイッチング素子２００のオン抵抗が低くなり、導通損失が小さいパワーモジュールとすることができる。

［実施形態２］
実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２は、基本的には実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００と同様の構成を有するが、閾値電圧測定用電源及びオン／オフ状態判定部をさらに備える点で実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合とは異なる。すなわち、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２は、スイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定する初期閾値電圧測定モードと、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を制御する制御モードとを切り替えて実施するスイッチング素子制御回路である（図５参照。）。

閾値電圧測定用電源５０は、スイッチング素子２００のドレイン電極と接続されており、初期閾値電圧測定モードにおいては、閾値電圧測定用スイッチ５２をオンすることにより、スイッチング素子２００のドレイン電極（第１電極）に閾値電圧測定用電流を供給する。
閾値電圧測定用スイッチ５２としては、適宜のスイッチを用いることができ、例えば、フォトカプラを用いることができる。
オン／オフ状態判定部６０は、初期閾値電圧測定モードにおいて、ドレイン電流検出部２０から受信した検出結果に基づいてスイッチング素子２００のオン／オフ状態を判定する。オン／オフ状態判定部６０は、ドレイン電流検出部２０及びゲート電圧制御部１０と接続されている。
記憶部３０は、閾値電圧算出部４０だけでなく、ゲート電圧制御部１０及びドレイン電流検出部２０とも接続されている。

実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２は、以下のような動作を行う。

（１）初期閾値電圧測定モードについて
初期閾値電圧測定モードは、スイッチング素子制御回路１０２に接続されたスイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定するモードである。このモードは、スイッチング素子制御回路１０２及びスイッチング素子２００を駆動させる前に行う。

まず、駆動電源４２０から電流供給をしない状態で閾値電圧測定用電源５０からスイッチング素子２００のドレイン電極に閾値電圧測定用電流を供給する（図６参照。）。
次に、ゲート電圧制御部１０は、想定されている初期閾値電圧よりも低い電圧をゲート電極に印加するようにゲート電圧を制御する。このとき、ドレイン電流検出部２０によってドレイン電流は検出されない（ドレイン電流の値が０である）ため、オン／オフ状態判定部６０は、スイッチング素子２００がオフ状態であると判定する。オン／オフ状態判定部６０によってスイッチング素子２００がオフ状態であると判定すると、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が一段階高くなるようにゲート電圧を制御する(図７参照。)。
これを繰り返してゲート電圧を段階的に高くしていき（具体的には階段状に高くしていき）、ドレイン電流検出部２０によってドレイン電流が検出されたとき（ドレイン電流の値が０でなくなったとき）、オン／オフ状態判定部６０は、スイッチング素子２００がオン状態であると判定する。このとき、ドレイン電流検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００を流れるドレイン電流を記憶部３０へ送信するとともに、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電極に印加したゲート電圧Ｖｇｓを記憶部３０へ送信する。そして、記憶部３０では、当該ドレイン電流を初期ドレイン電流Ｉｄ_０として記憶するとともに当該ゲート電圧Ｖｇｓを初期閾値電圧Ｖｔｈ_０として記憶する。

（２）制御モードについて
制御モードにおいては、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、初期閾値電圧測定モードにおいて測定された初期閾値電圧Ｖｔｈ_０及び初期ドレイン電流Ｉｄ_０、ドレイン電流検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００を流れるドレイン電流Ｉｄ、及び、あらかじめ記憶部３０に記憶されているスイッチング素子における閾値電圧のドレイン電流特性に関する情報（ドレイン電流係数β）に基づいて（Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０＋β（Ｉｄ−Ｉｄ_０）の特性式に代入して）動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し（図４参照。）。、ゲート電圧制御部１０は、閾値電圧算出部４０で算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加する。

このように、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２は、閾値電圧測定用電源及びオン／オフ状態判定部をさらに備える点で実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合とは異なるが、実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合と同様に、閾値電圧算出部４０は、ドレイン電流検出部２０によって検出されたドレイン電流を含む情報に基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、閾値電圧算出部４０によって算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するため、動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子２００に流して閾値電圧Ｖｔｈが初期閾値電圧Ｖｔｈ_０から変動する場合でも(図４参照。)、動作時の閾値電圧をわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる（図３（ｂ）参照。）。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。

また、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２及びパワーモジュール２によれば、初期閾値電圧測定モードにおいて、スイッチング素子制御回路１０２に実際に接続されたスイッチング素子２００の実際の閾値電圧を測定することができるため、実際の閾値電圧がスイッチング素子２００の製造バラツキによって設計上の閾値電圧から変動していた場合でも、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、実際の閾値電圧に基づいて実際の閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をスイッチング素子２００のゲート電極に印加することができる。従って、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を確実に制御するために閾値電圧を大きく超えるゲート電圧をスイッチング素子２００のゲート電極に印加する場合（比較例。図３（ａ）参照。）と比較して、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができるため、スイッチング速度を速くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。

また、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２及びパワーモジュール２によれば、上記したようにスイッチング素子２００をオン状態とするときに、実際の閾値電圧に基づいて実際の閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加することができるため、実際の閾値電圧がスイッチング素子２００の製造バラツキによって設計上の閾値電圧よりも高くなる方向に変動していた場合であっても、実際の閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加することができる。従って、閾値電圧（設計上の閾値電圧）をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加してもスイッチング素子２００がオン状態にならない現象が発生することを防ぐことができ、その結果、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を確実に制御することができる。
特に、スイッチング素子２００が（ＧａＮを含む場合のように）ゲート電極の絶対最大定格電圧と閾値電圧との差が小さい場合であっても、実際の閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加することができるため、閾値電圧（設計上の閾値電圧）をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加してもスイッチング素子２００がオン状態にならない現象が発生することを防ぐことができ、その結果、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を確実に制御することができる。

また、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２及びパワーモジュール２によれば、初期閾値電圧測定モードにおいて、実際の閾値電圧を測定することができ、制御モードにおいては、スイッチング素子をオン状態とするときに、実際の閾値電圧を含む情報に基づいてゲート電極に印加するゲート電圧を制御することができるため、スイッチング素子２００を大量生産したとしても、スイッチング素子制御回路１０２にスイッチング素子２００を接続する前に、製造されたスイッチング素子それぞれの閾値電圧を測定する必要がない。従って、作業が煩雑にならず、生産性を高くすることが容易となる。

また、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２によれば、ゲート電圧制御部１０は、初期閾値電圧測定モードにおいては、ゲート電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるようにゲート電圧を制御するため、スイッチング素子２００の閾値電圧を効率的に、かつ、確実に測定することができる。

なお、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２は、閾値電圧測定用電源及びオン／オフ状態判定部をさらに備える点以外の点においては実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００と同様の構成を有するため、実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００が有する効果のうち該当する効果を有する。

［実施形態３］
実施形態３に係るスイッチング素子制御回路は、基本的には実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２と同様の構成を有するが、ドレイン電流特性算出部（第１電極電流特性算出部）をさらに備える点で実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２の場合とは異なる。すなわち、実施形態３に係るスイッチング素子制御回路は、制御モードを所定時間実施した後に、スイッチング素子２００における閾値電圧のドレイン電流特性を測定するドレイン電流特性測定モード（第１電極電流特性測定モード）を実施するスイッチング素子制御回路である。

ドレイン電流特性算出部７０は、記憶部３０と接続されており（図８参照。）、スイッチング素子２００における閾値電圧のドレイン電流特性を算出する。

ドレイン電流特性測定モードにおいては、以下のような動作を行う。
制御モードを所定時間実施した後に、駆動電源４２０から電流供給をしない状態で閾値電圧測定用電源５０からスイッチング素子２００のドレイン電極に閾値電圧測定用電流を供給する（図８参照。）。
次に、ゲート電圧制御部１０は、想定されている（動作時の）閾値電圧よりも低い電圧をゲート電極に印加するようにゲート電圧を制御する。このとき、ドレイン電流検出部２０によってドレイン電流は検出されない（ドレイン電流の値が０である）ため、オン／オフ状態判定部６０は、スイッチング素子２００がオフ状態であると判定する。オン／オフ状態判定部６０によってスイッチング素子２００がオフ状態であると判定すると、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が一段階高くなるようにゲート電圧を制御する(図７参照。)。
これを繰り返してゲート電圧が段階的に高くなるように（具体的には階段状に高くなるように）していき、ドレイン電流検出部２０によってドレイン電流が検出されたとき（ドレイン電流の値が０でなくなったとき）、オン／オフ状態判定部６０は、スイッチング素子２００がオン状態であると判定する。また、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電極に印加したゲート電圧Ｖｇｓをドレイン電流特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ_１（第１電極電流特性測定時閾値電圧）として記憶部３０へ送信し、記憶部３０は、当該ゲート電圧Ｖｇｓをドレイン電流特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ_１として記憶する。

次に、ドレイン電流特性算出部７０は、記憶部３０から、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０、初期ドレイン電流Ｉｄ_０、及び、ドレイン電流特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ_１を含む情報を読み取るとともに、ドレイン電流特性測定モードにおいてドレイン電流検出部２０によって検出されたドレイン電流Ｉｄ_１を読み取り、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０＋β（Ｉｄ−Ｉｄ_ｏ）の特性式にＶｔｈ＝Ｖｔｈ_１、及び、Ｉｄ＝Ｉｄ_１をそれぞれ代入して、ドレイン電流特性（具体的にはドレイン電流係数β）を算出する（図９参照。）。算出されたドレイン電流係数βは記憶部３０に記憶される。

制御モードにおいては、閾値電圧算出部４０は、ドレイン電流特性測定モードで算出されたドレイン電流係数β、動作時にドレイン電流検出部２０で検出されたスイッチング素子２００を流れるドレイン電流Ｉｄ、記憶部３０に記憶されている初期閾値電圧Ｖｔｈ_０及び初期ドレイン電流Ｉｄ_０に基づいて閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、当該閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御する。

このように、実施形態３に係るスイッチング素子制御回路は、ドレイン電流特性算出部をさらに備える点で実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２の場合とは異なるが、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２の場合と同様に、閾値電圧算出部４０は、ドレイン電流検出部２０によって検出されたドレイン電流を含む情報に基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、閾値電圧算出部４０によって算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するため、動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子２００に流して動作時の閾値電圧Ｖｔｈが初期閾値電圧Ｖｔｈ_０から変動する場合でも(図４参照。)、動作時の閾値電圧をわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる（図３参照。）。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。

また、実施形態３に係るスイッチング素子制御回路によれば、ドレイン電流特性算出部７０を備えるため、異なるドレイン電流で測定された閾値電圧（複数の点で測定した閾値電圧）に基づいてドレイン電流特性を算出することができる。従って、スイッチング素子制御回路に実際に接続されたスイッチング素子のドレイン電流特性が、製造バラツキによって設計上のドレイン電流特性から変動した場合であっても、スイッチング素子における閾値電圧のドレイン電流特性（ドレイン電流係数）をより正確に算出することができる。従って、実際の閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加することができる。

なお、実施形態３に係るスイッチング素子制御回路は、ドレイン電流特性算出部をさらに備える点以外の点においては実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２と同様の構成を有するため、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２が有する効果のうち該当する効果を有する。

以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。

（１）上記実施形態において記載した構成要素の数等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。

（２）上記実施形態３においては、スイッチング素子制御回路を、初期閾値電圧測定モードと、ドレイン電流特性測定モードと、制御モードとを実施するスイッチング素子制御回路としたが、本発明はこれに限定されるものではない。スイッチング素子制御回路を、例えば、ドレイン電流特性測定モード及び制御モードのみを実施するスイッチング素子制御回路としてもよい。このとき、初期閾値電圧及び初期ドレイン電流はあらかじめ記憶部に記憶されている。

（３）上記実施形態２及び３においては、初期閾値電圧測定モードにおいて、実施形態３においては、ドレイン電流特性測定モードにおいて、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるようにゲート電圧を制御したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、初期閾値電圧測定モード及びドレイン電流特性測定モードにおいて、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるようにゲート電圧を制御してもよい（図１０参照。）。

（４）上記各実施形態においては、スイッチング素子における閾値電圧のドレイン電流特性に関する情報は、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０＋β（Ｉｄ−Ｉｄ_ｏ）の関係を満たす特性式であるとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、スイッチング素子における閾値電圧のドレイン電流特性に関する情報を、より実際のグラフに近い（多次元の）特性式としてもよいし（図４の実線参照。）、ドレイン電流と当該ドレイン電流に対応する閾値電圧とが組となったデータを含むこととしてもよい（図１１参照。）。この場合、ドレイン電流を検出したときに当該ドレイン電流に対応する閾値電圧を動作時の閾値電圧とする。

（５）上記各実施形態においては、記憶部３０に１つの特性式を用意し、動作時の閾値電圧を算出したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、記憶部３０に複数の特性式を用意しておき、ドレイン電流検出部２０によってドレイン電流を検出することで特性式を特定し、動作時のドレイン電流を検出することにより特定された特性式を用いて閾値電圧を算出することとしてもよい。

（６）上記各実施形態において、スイッチング素子制御回路が１つのスイッチング素子を制御したが、本発明はこれに限定されるものではない。スイッチング素子制御回路が複数のスイッチング素子を制御してもよい。

（７）上記各実施形態において、スイッチング素子は、ＧａＮを含む材料により形成されたものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。スイッチング素子は、ＳｉＣやＧａ_２Ｏ_３等のワイドギャップ半導体を含む材料や、シリコンを含む材料により形成されたものであってもよい。

（８）上記実施形態においては、スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチング素子(例えば、ＨＥＭＴ、ＩＧＢＴ等)を用いてもよい。

（９）上記各実施形態において、スイッチング素子制御回路とスイッチング素子とが別々の半導体基体に形成されていてもよいし、スイッチング素子制御回路とスイッチング素子（例えば、ＧａＮの横型構造の半導体素子）とが同一の半導体基体に形成されていてもよい。

１，２…パワーモジュール、１０…ゲート電圧制御部、２０…ドレイン電流検出部、３０…記憶部、４０…閾値電圧算出部、５０…閾値電圧測定用電源、５２…閾値電圧測定用スイッチ、６０…オン／オフ状態判定部、７０…ドレイン電流特性算出部、１００，１０２，９００…スイッチング素子制御回路、２００，８００…スイッチング素子、３００…ゲートドライブ用電源、４００…負荷回路、４１０…負荷抵抗、４２０…駆動電源、Ｔ１…（＋）側入力端子、Ｔ２…（−）側入力端子、Ｔ３…（＋）側出力端子、Ｔ４…（−）側出力端子、Ｔ５…制御端子、Ｖ_ＤＤ…電源電圧、Ｖｔｈ…閾値電圧、Ｖｔｈ_０…初期閾値電圧、Ｖｔｈ_１…ドレイン電流特性測定時閾値電圧、Ｉｄ…ドレイン電流、Ｉｄ_０…初期ドレイン電流、Ｉｄ_１…（ドレイン電流特性測定時）ドレイン電流

Claims (14)

1. 第１電極と、第２電極と、第３電極とを備えるスイッチング素子のオン／オフ動作を制御するスイッチング素子制御回路であって、
   前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御するために第３電極電圧を制御する第３電極電圧制御部と、
   前記スイッチング素子を流れる第１電極電流を検出する第１電極電流検出部と、
   前記スイッチング素子の初期閾値電圧、及び、前記初期閾値電圧を測定したときに前記スイッチング素子を流れる初期第１電極電流を含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性に関する情報を記憶する記憶部と、
   前記初期閾値電圧、前記初期第１電極電流、及び、前記第１電極電流検出部によって検出された第１電極電流を含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性に関する情報に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出する閾値電圧算出部とを備え、
   前記第３電極電圧制御部は、前記スイッチング素子をオン状態とするときに、前記閾値電圧算出部によって算出された前記動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいて前記第３電極電圧を制御することを特徴とするスイッチング素子制御回路。
2. 前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性は、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流係数をβとし、前記動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、前記初期閾値電圧をＶｔｈ_０とし_、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流をＩｄとし、前記初期第１電極電流をＩｄ_０としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０＋β（Ｉｄ−Ｉｄ_ｏ）の関係を満たす特性式で表されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子制御回路。
3. 前記初期閾値電圧、及び、前記初期第１電極電流を含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性に関する情報は、あらかじめ前記記憶部に記憶されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング素子制御回路。
4. 前記スイッチング素子制御回路は、前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧を測定する初期閾値電圧測定モードと、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御モードとを実施するスイッチング素子制御回路であって、
   前記スイッチング素子の前記第１電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、
   前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定するオン／オフ状態判定部とをさらに備え、
   前記初期閾値電圧測定モードにおいては、
   前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、
   前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、
   前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を前記初期第１電極電流として記憶するとともに、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧として記憶することを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング素子制御回路。
5. 前記スイッチング素子制御回路は、前記制御モードを所定時間実施した後に、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を測定する第１電極電流特性測定モードをさらに実施するスイッチング素子制御回路であって、
   前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を算出する第１電極電流特性算出部をさらに備え、
   前記第１電極電流特性測定モードにおいては、
   前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、
   前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、
   前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を記憶するとともに、前記第３電極に印加した第３電極電圧を前記スイッチング素子の第１電極電流特性測定時閾値電圧として記憶し、
   前記第１電極電流特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期第１電極電流、前記第１電極電流特性測定モードにおいて前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流、及び、前記第１電極電流特性測定時閾値電圧を含む情報に基づいて前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を算出することを特徴とする請求項４に記載のスイッチング素子制御回路。
6. 前記第３電極電圧制御部は、前記初期閾値電圧測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるように前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項４又は５に記載のスイッチング素子制御回路。
7. 前記第３電極電圧制御部は、前記初期閾値電圧測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるように、前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項４又は５に記載のスイッチング素子制御回路。
8. 前記スイッチング素子制御回路は、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御モードを所定時間実施した後に、前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を測定する第１電極電流特性測定モードを実施するスイッチング素子制御回路であって、
   前記スイッチング素子の前記第１電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、
   前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定するオン／オフ状態判定部と、
   前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を算出する第１電極電流特性算出部とをさらに備え、
   前記第１電極電流特性測定モードにおいては、
   前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、
   前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、
   前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記スイッチング素子を流れる前記第１電極電流を記憶し、かつ、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を前記スイッチング素子の第１電極電流特性測定時閾値電圧として記憶し、
   前記第１電極電流特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期第１電極電流、前記第１電極電流特性測定モードにおいて前記スイッチング素子を流れる前記第１電極電流、及び、前記第１電極電流特性測定時閾値電圧を含む情報に基づいて前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング素子制御回路。
9. 前記第３電極電圧制御部は、前記第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるように前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項８に記載のスイッチング素子制御回路。
10. 前記第３電極電圧制御部は、前記第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧が、時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるように、前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項８に記載のスイッチング素子制御回路。
11. 前記スイッチング素子における閾値電圧の第１電極電流特性に関する情報は、前記第１電極電流と前記第１電極電流に対応する閾値電圧とが組となったデータを含むことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子制御回路。
12. 前記スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はＨＥＭＴであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のスイッチング素子制御回路。
13. 前記スイッチング素子は、ＧａＮ、ＳｉＣ又はＧａ_２Ｏ_３を含む材料により形成されたものであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のスイッチング素子制御回路。
14. 第１電極と、第２電極と、第３電極とを備えるスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する、請求項１〜１３のいずれかに記載のスイッチング素子制御回路とを備えることを特徴とするパワーモジュール。

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