JP6856640B2

JP6856640B2 - 並列駆動回路

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Publication number: JP6856640B2
Application number: JP2018523167A
Authority: JP
Inventors: 西尾　直樹; 直樹西尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2021-04-07
Anticipated expiration: 2036-06-20
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Description

本発明は、並列に接続された複数の半導体スイッチ素子を有する並列駆動回路に関する。

従来、インバータ又はコンバータにおいて、並列に接続された複数の半導体スイッチ素子が用いられている。複数の半導体スイッチ素子の電気的特性は、たとえ複数の半導体スイッチ素子が同じ製造方法によって製造されても、同一ではない。そのため、複数の半導体スイッチ素子のうちの特定の半導体スイッチ素子に流れる電流がその他の半導体スイッチ素子に流れる電流より多くなり、特定の半導体スイッチ素子での発熱量がその他の半導体スイッチ素子での発熱量より多くなる。その結果、特定の半導体スイッチ素子の寿命はその他の半導体スイッチ素子の寿命より短くなる。

複数の半導体スイッチ素子のうちの特定の半導体スイッチ素子に流れる電流がその他の半導体スイッチ素子に流れる電流より多くなり続けることを抑制することを目的として、複数の半導体スイッチ素子の各々の温度を検出し、相対的に低温の半導体スイッチ素子に相対的に多くの電流を流す技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１３５６２６号公報

しかしながら、従来の技術では、複数の半導体スイッチ素子の各々に温度を検出するセンサを取り付ける必要があるので、並列駆動回路の規模が大きくなると共に製造コストが上昇するという課題がある。加えて、従来の技術では、複数の半導体スイッチ素子の各々に流れる電流の量を制御する制御回路が必要になるという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、並列に接続された複数の半導体スイッチ素子の各々の温度を検出することなく、複数の半導体スイッチ素子の各々の寿命を長くする並列駆動回路を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の半導体スイッチ素子を有し、前記複数の半導体スイッチ素子の各々は、ゲート端子、ドレイン端子及びソース端子を有する。前記複数の半導体スイッチ素子における複数の前記ドレイン端子は、並列に接続されており、前記複数の半導体スイッチ素子における複数の前記ソース端子は、並列に接続されている。本発明は、複数の駆動回路を更に有する。前記複数の駆動回路の各々は、前記複数の半導体スイッチ素子のうちのいずれかひとつに対応していて、対応する前記半導体スイッチ素子の前記ゲート端子と接続されており、前記対応する前記半導体スイッチ素子の動作を制御する。前記複数の半導体スイッチ素子の各々の動作は、前記複数の駆動回路のいずれかによって制御される。前記複数の駆動回路の入力は同一の信号で駆動するように構成される。前記複数の半導体スイッチ素子及び前記複数の駆動回路は、ひとつのモジュールに集積されている。前記複数の半導体スイッチ素子の各々において、前記半導体スイッチ素子のオン状態の抵抗は、１００℃以上１５０℃以下の温度範囲の中の少なくとも一部分において、前記半導体スイッチ素子の温度が上昇すると上昇する特性を有する。前記複数の半導体スイッチ素子のうちの第１半導体スイッチ素子のオン状態の抵抗である第１オン抵抗と、前記複数の半導体スイッチ素子のうちの第２半導体スイッチ素子のオン状態の抵抗である第２オン抵抗との差は、１００℃以上１５０℃以下の各温度において、前記第１オン抵抗の２０％以内である。

本発明にかかる並列駆動回路は、並列に接続された複数の半導体スイッチ素子の各々の温度を検出することなく、複数の半導体スイッチ素子の各々の寿命を長くすることができるという効果を奏する。

実施の形態１及び２にかかる並列駆動回路を示す図実施の形態１の並列駆動回路において、第１半導体スイッチ素子のオン状態における温度と第１オン抵抗との関係と、第２半導体スイッチ素子のオン状態における温度と第２オン抵抗との関係とを示す図実施の形態２の並列駆動回路において、第１半導体スイッチ素子の温度と第１閾値電圧との関係と、第２半導体スイッチ素子の温度と第２閾値電圧との関係とを示す図実施の形態２において、半導体スイッチ素子を動作させるための制御信号の一例と、半導体スイッチ素子のオン状態及びオフ状態の一例とを示す図実施の形態３にかかる並列駆動回路を示す図実施の形態３において、半導体スイッチ素子を動作させるための制御信号の一例と、半導体スイッチ素子のオン状態及びオフ状態の一例とを示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる並列駆動回路を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態では複数の半導体スイッチ素子として、２素子の例を示すが、複数の半導体スイッチ素子が３素子以上である場合においても複数の半導体スイッチ素子が２素子である場合に得られる効果と同様の効果が得られる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる並列駆動回路５０を示す図である。並列駆動回路５０は、第１ゲート端子１ａ、第１ドレイン端子１ｂ及び第１ソース端子１ｃを有する第１半導体スイッチ素子１と、第２ゲート端子２ａ、第２ドレイン端子２ｂ及び第２ソース端子２ｃを有する第２半導体スイッチ素子２とを有する。実施の形態１では、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２はいずれも、金属酸化物半導体電界効果トランジスタによって構成されている。以下では、金属酸化物半導体電界効果トランジスタを、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)と記載する。

第１半導体スイッチ素子１の第１ドレイン端子１ｂは第２半導体スイッチ素子２の第２ドレイン端子２ｂと並列に接続されており、第１半導体スイッチ素子１の第１ソース端子１ｃは第２半導体スイッチ素子２の第２ソース端子２ｃと並列に接続されている。すなわち、第１半導体スイッチ素子１と第２半導体スイッチ素子２とは並列に接続されている。

第１半導体スイッチ素子１のオン状態の抵抗である第１オン抵抗は、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると上昇し、第２半導体スイッチ素子２のオン状態の抵抗である第２オン抵抗は、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると上昇する。第１オン抵抗及び第２オン抵抗については、後に図２を用いて説明する。

並列駆動回路５０は、第１半導体スイッチ素子１の動作及び第２半導体スイッチ素子２の動作を制御する駆動回路５と、第１抵抗３と、第２抵抗４とを更に有する。第１抵抗３の一方の端部は第１半導体スイッチ素子１の第１ゲート端子１ａに接続されており、第１抵抗３の他方の端部は駆動回路５に接続されている。第２抵抗４の一方の端部は第２半導体スイッチ素子２の第２ゲート端子２ａに接続されており、第２抵抗４の他方の端部は駆動回路５に接続されている。第１抵抗３の他方の端部は、第２抵抗４の他方の端部にも接続されている。

つまり、駆動回路５は、第１抵抗３を介して第１半導体スイッチ素子１の第１ゲート端子１ａと接続されており、かつ第２抵抗４を介して第２半導体スイッチ素子２の第２ゲート端子２ａと接続されている。駆動回路５は、並列駆動回路５０の外部から制御信号６を受信し、制御信号６にしたがって、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２をオンさせると共に、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２をオフさせる。

第１半導体スイッチ素子１、第２半導体スイッチ素子２、駆動回路５、第１抵抗３及び第２抵抗４は、ひとつのモジュール１０として集積されている。

次に、第１オン抵抗及び第２オン抵抗について説明する。第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２は同じ製造方法によって製造されるが、第１半導体スイッチ素子１の電気的特性と第２半導体スイッチ素子２の電気的特性とは異なる。つまり、第１半導体スイッチ素子１のオン状態の抵抗である第１オン抵抗は、第２半導体スイッチ素子２のオン状態の抵抗である第２オン抵抗と異なる。

図２は、実施の形態１の並列駆動回路５０において、第１半導体スイッチ素子１のオン状態における温度と第１オン抵抗との関係と、第２半導体スイッチ素子２のオン状態における温度と第２オン抵抗との関係とを示す図である。図２では、第１半導体スイッチ素子１についての温度と第１オン抵抗との関係は第１曲線Ｃ１によって示されており、第２半導体スイッチ素子２についての温度と第２オン抵抗との関係は第２曲線Ｃ２によって示されている。

図２の第１曲線Ｃ１及び第２曲線Ｃ２が示す通り、第１半導体スイッチ素子１のオン状態における温度と第１オン抵抗との関係は、第２半導体スイッチ素子２のオン状態における温度と第２オン抵抗との関係と異なる。

さらに、第１オン抵抗は第１半導体スイッチ素子１の温度によって異なり、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると、第１オン抵抗は上昇する。さらにまた、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上である場合、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、第２オン抵抗は上昇する。以下では、第１半導体スイッチ素子１の放熱条件と第２半導体スイッチ素子２の放熱条件とは等しいと仮定する。

図２において、１００℃では、第１半導体スイッチ素子１の第１オン抵抗は第１値Ｒ１ａであって、第２半導体スイッチ素子２の第２オン抵抗は第２値Ｒ２ａであり、第１値Ｒ１ａは第２値Ｒ２ａより大きい。１１０℃における第２半導体スイッチ素子２の第２オン抵抗は第３値Ｒ２ｂであって第２値Ｒ２ａより大きいことから明らかな通り、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上である場合、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、第２オン抵抗は上昇する。

図１に示す通り、第１半導体スイッチ素子１の第１ドレイン端子１ｂは第２半導体スイッチ素子２の第２ドレイン端子２ｂと並列に接続されており、第１半導体スイッチ素子１の第１ソース端子１ｃは第２半導体スイッチ素子２の第２ソース端子２ｃと並列に接続されている。そのため、第１半導体スイッチ素子１の第１ドレイン端子１ｂにおける電圧は第２半導体スイッチ素子２の第２ドレイン端子２ｂにおける電圧と等しく、第１半導体スイッチ素子１の第１ソース端子１ｃにおける電圧は第２半導体スイッチ素子２の第２ソース端子２ｃにおける電圧と等しい。

第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々について、ドレイン端子とソース端子との間の電圧をＶｏｎと仮定すると、１００℃では、第１半導体スイッチ素子１の電力損失Ｐ１と第２半導体スイッチ素子２の電力損失Ｐ２とは以下の通りに表現される。
Ｐ１＝（Ｖｏｎ）^２／Ｒ１ａ
Ｐ２＝（Ｖｏｎ）^２／Ｒ２ａ

ところで、第１半導体スイッチ素子１の第１オン抵抗及び第２半導体スイッチ素子２の第２オン抵抗のいずれもが温度に依存せずに一定である場合、上記の二つの式から理解できる通り、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇しても、第１半導体スイッチ素子１の電力損失Ｐ１及び第２半導体スイッチ素子２の電力損失Ｐ２は変化しない。

つまり、第１半導体スイッチ素子１の第１オン抵抗及び第２半導体スイッチ素子２の第２オン抵抗のいずれもが温度に依存せずに一定である場合、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇しても、電力損失Ｐ１と電力損失Ｐ２との差は変わらない。第１半導体スイッチ素子１の温度と第２半導体スイッチ素子２の温度との差は、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の電力損失の差と各々の放熱条件とにより決まる値に収束する。すなわち、第１オン抵抗及び第２オン抵抗のいずれもが温度に依存せずに一定である場合、第１半導体スイッチ素子１の温度と第２半導体スイッチ素子２の温度との差は抑制されない。

実施の形態１では、図２に示す通り、第１半導体スイッチ素子１の温度が１００℃以上である場合、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると、第１オン抵抗は上昇する。つまり、第１半導体スイッチ素子１の温度が１００℃以上である場合、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると、電力損失Ｐ１は小さくなる。第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上である場合、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、第２オン抵抗は上昇する。つまり、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上である場合、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、電力損失Ｐ２は小さくなる。

図２において、１００℃では、第１半導体スイッチ素子１の第１オン抵抗は第１値Ｒ１ａであって、第２半導体スイッチ素子２の第２オン抵抗は第２値Ｒ２ａであり、第１値Ｒ１ａは第２値Ｒ２ａより大きい。第１半導体スイッチ素子１のオン状態における温度と第１オン抵抗との関係と、第２半導体スイッチ素子２のオン状態における温度と第２オン抵抗との関係とのいずれもが図２に示されている関係である場合、温度が１００℃以上で上昇すると、第１半導体スイッチ素子１の電力損失Ｐ１と第２半導体スイッチ素子２の電力損失Ｐ２との差は小さくなる。ひいては、第１半導体スイッチ素子１の温度と第２半導体スイッチ素子２の温度との差は小さくなる。

つまり、第１半導体スイッチ素子１の第１オン抵抗が、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると上昇し、第２半導体スイッチ素子２の第２オン抵抗が、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると上昇するので、温度が上昇すると、第１半導体スイッチ素子１の電力損失Ｐ１と第２半導体スイッチ素子２の電力損失Ｐ２との差は小さくなる。ひいては、第１半導体スイッチ素子１の温度と第２半導体スイッチ素子２の温度との差は小さくなる。

ここで、いずれの温度においても、第１オン抵抗は第２オン抵抗より大きく、かつ、各温度において、第１オン抵抗の温度に対する増加率は第２オン抵抗の温度に対する増加率と同じもしくは小さい。又は、第１半導体スイッチ素子１の第１オン抵抗と第２半導体スイッチ素子２の第２オン抵抗との差は、各温度において、第１オン抵抗の２０％以内である。第１オン抵抗と第２オン抵抗との差が各温度において第１オン抵抗の２０％以内である場合、電力損失はその逆数となるので、第１半導体スイッチ素子１の電力損失Ｐ１と第２半導体スイッチ素子２の電力損失Ｐ２との差は電力損失Ｐ１の２５％以内となる。

第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２が取り付けられている放熱板の温度が９０℃であり、第１半導体スイッチ素子１の温度が１４０℃であると仮定する。第２半導体スイッチ素子２の第２オン抵抗が第１半導体スイッチ素子１の第１オン抵抗の８０％より小さい場合、第２半導体スイッチ素子２の温度は１５０℃より高くなって、一般的に半導体を使用することができる上限温度１５０℃を超える可能性がある。以上のことから、第１オン抵抗と第２オン抵抗との差を各温度において第１オン抵抗の２０％以内にすることで、第１半導体スイッチ素子１の温度と第２半導体スイッチ素子２の温度との差が著しく大きくなることを防止することができる。

上述の通り、第１半導体スイッチ素子１の温度が１００℃以上である場合、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると、第１オン抵抗は上昇し、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上である場合、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、第２オン抵抗は上昇する。そのため、第１半導体スイッチ素子１のオン状態における温度と第１オン抵抗との関係と、第２半導体スイッチ素子２のオン状態における温度と第２オン抵抗との関係とのいずれもが図２に示されている関係である場合、温度が１００℃以上で上昇すると、第１半導体スイッチ素子１の電力損失Ｐ１と第２半導体スイッチ素子２の電力損失Ｐ２との差は小さくなる。ひいては、第１半導体スイッチ素子１の温度と第２半導体スイッチ素子２の温度との差は小さくなる。

すなわち、第１半導体スイッチ素子１の温度と第２半導体スイッチ素子２の温度との一方が他方に比べて高くなりすぎることが抑制され、第１半導体スイッチ素子１での発熱量と第２半導体スイッチ素子２での発熱量との一方が他方に比べて多くなりすぎることが抑制される。そのため、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の寿命を長くすることができる。したがって、実施の形態１の並列駆動回路５０は、並列に接続された第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の温度を検出することなく、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の寿命を長くすることができる。

加えて、第１半導体スイッチ素子１と第２半導体スイッチ素子２との一方の温度が他方の温度に比べて高くなりすぎることが抑制されるので、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々に流れる電流を大きくすることができる。つまり、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の性能をより大きく発揮させることができる。

並列駆動回路５０の製造者は、第１半導体スイッチ素子１の第１オン抵抗が、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると上昇し、第２半導体スイッチ素子２の第２オン抵抗が、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると上昇するという第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２を用いればよい。その場合、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の温度を検出することなく、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の寿命を長くすることができる。

なお、図２では、第１半導体スイッチ素子１の温度が１００℃以上である場合、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると、第１オン抵抗は上昇し、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上である場合、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、第２オン抵抗は上昇する。しかしながら、上記の１００℃という温度は一例であって、温度は１００℃以上に限定されない。

ただ一般的には、インバータ又はコンバータにおいて使用される場合の第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の温度の上限は半導体ごとに１５０℃から２００℃の間で設定されており、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々は以下の特性を有していればよい。すなわち、第１半導体スイッチ素子１の温度が１００℃以上半導体使用温度上限以下である場合、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると、第１オン抵抗は上昇し、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上半導体使用温度上限以下である場合、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、第２オン抵抗は上昇する。

更に言うと、第１オン抵抗は、第１半導体スイッチ素子１の温度が１００℃以上２００℃以下の温度範囲の中の少なくとも一部分において、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると上昇する特性を有する。第２オン抵抗は、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上２００℃以下の温度範囲の中の少なくとも一部分において、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると上昇する特性を有する。

一般的に、並列駆動回路５０の製造者は、１００℃以上半導体使用温度上限以下における特性に着目して第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２を用いればよいので、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２を選定する際の自由度は広がる。半導体使用温度上限は、例えば２００℃である。

実施の形態１では、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２はひとつのモジュール１０として集積されている。そのため、モジュール１０を小さくすることにより並列駆動回路５０を小さくすることができる。実施の形態１では、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２と共に駆動回路５もひとつのモジュール１０として集積されている。そのため、駆動回路５がモジュール１０の外部に設けられている場合に比べて、並列駆動回路５０を小さくすることができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２の並列駆動回路５０を説明する。実施の形態２の並列駆動回路５０の構成は、実施の形態１の並列駆動回路５０の構成と同じである。そのため、実施の形態２の並列駆動回路５０を、図１を用いて説明する。なお、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の特性は、実施の形態１と実施の形態２とで異なる。実施の形態２では、実施の形態１と相違する点について説明する。

第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２は同じ製造方法によって製造されるが、第１半導体スイッチ素子１の電気的特性と第２半導体スイッチ素子２の電気的特性とは異なる。つまり、第１半導体スイッチ素子１の第１ゲート端子１ａに印加される電圧であって第１半導体スイッチ素子１をオフの状態からオンの状態に変化させるための第１閾値電圧は、第２半導体スイッチ素子２の第２ゲート端子２ａに印加される電圧であって第２半導体スイッチ素子２をオフの状態からオンの状態に変化させるための第２閾値電圧と異なる。

実施の形態２では、第１半導体スイッチ素子１の第１閾値電圧は第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると上昇し、第２半導体スイッチ素子２の第２閾値電圧は第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると上昇する。図３は、実施の形態２の並列駆動回路５０において、第１半導体スイッチ素子１の温度と第１閾値電圧との関係と、第２半導体スイッチ素子２の温度と第２閾値電圧との関係とを示す図である。図３では、第１半導体スイッチ素子１についての温度と第１閾値電圧との関係は第３曲線Ｄ１によって示されており、第２半導体スイッチ素子２についての温度と第２閾値電圧との関係は第４曲線Ｄ２によって示されている。

図３の第３曲線Ｄ１及び第４曲線Ｄ２が示す通り、第１半導体スイッチ素子１の温度と第１閾値電圧との関係は、第２半導体スイッチ素子２の温度と第２閾値電圧との関係と異なる。第１閾値電圧は第１半導体スイッチ素子１の温度によって異なり、第１半導体スイッチ素子１の温度が１００℃以上である場合、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると、第１閾値電圧は上昇する。さらにまた、第２閾値電圧は第２半導体スイッチ素子２の温度によって異なり、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上である場合、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、第２閾値電圧は上昇する。以下では、第１半導体スイッチ素子１の放熱条件と第２半導体スイッチ素子２の放熱条件とは等しいと仮定する。

一般的に、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２がオフ状態からオン状態に変化する場合又はオン状態からオフ状態に変化する場合、第１半導体スイッチ素子１の抵抗と第２半導体スイッチ素子２の抵抗とには差が生じる。第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２がオフ状態からオン状態に変化する場合又はオン状態からオフ状態に変化する場合、第１半導体スイッチ素子１の変化のタイミングと第２半導体スイッチ素子２の変化のタイミングとには差が生じる。

上述の抵抗に関する差と変化のタイミングに関する差との一方又は双方により、第１半導体スイッチ素子１の電力損失と第２半導体スイッチ素子２の電力損失とに差が生じる。電力損失の差により、第１半導体スイッチ素子１の温度と第２半導体スイッチ素子２の温度とに差が発生する。

図１に示す通り、第１半導体スイッチ素子１の第１ドレイン端子１ｂは第２半導体スイッチ素子２の第２ドレイン端子２ｂと並列に接続されており、第１半導体スイッチ素子１の第１ソース端子１ｃは第２半導体スイッチ素子２の第２ソース端子２ｃと並列に接続されている。そのため、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２のいずれか一方がオンすると、第１半導体スイッチ素子１の第１ドレイン端子１ｂと第１半導体スイッチ素子１の第１ソース端子１ｃとは電気的に接続され、第２半導体スイッチ素子２の第２ドレイン端子２ｂと第２半導体スイッチ素子２の第２ソース端子２ｃとは電気的に接続される。

図４は、実施の形態２において、半導体スイッチ素子を動作させるための制御信号の一例と、半導体スイッチ素子のオン状態及びオフ状態の一例とを示す図である。図４（Ａ）は半導体スイッチ素子を動作させるための制御信号の一例を示しており、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）は半導体スイッチ素子のオン状態及びオフ状態の一例を示している。

図４（Ａ）から図４（Ｃ）に示す通り、半導体スイッチ素子をオフ状態からオン状態に変化させるための閾値電圧が相対的に高い閾値電圧ＳＶＨである場合、半導体スイッチ素子は、閾値電圧が相対的に低い閾値電圧ＳＶＬである場合に比べて、時刻ｔｓ１と時刻ｔｓ２との差の時間だけ遅くオフ状態からオン状態に変化する。加えて、半導体スイッチ素子は、時刻ｔｔ１と時刻ｔｔ２との差の時間だけ早くオン状態からオフ状態に変化する。

つまり、図３の特性を有する第１半導体スイッチ素子１と第２半導体スイッチ素子２とを図４（Ａ）の制御信号で動作させる場合、第１半導体スイッチ素子１と第２半導体スイッチ素子２とでは、オフ状態からオン状態に変化するタイミングも、オン状態からオフ状態に変化するタイミングも異なる。

上述の通り、第１半導体スイッチ素子１の第１ドレイン端子１ｂは第２半導体スイッチ素子２の第２ドレイン端子２ｂと並列に接続されており、第１半導体スイッチ素子１の第１ソース端子１ｃは第２半導体スイッチ素子２の第２ソース端子２ｃと並列に接続されている。そのため、第１ドレイン端子１ｂと第１ソース端子１ｃとの電気的接続も、第２ドレイン端子２ｂと第２ソース端子２ｃとの電気的接続も、閾値電圧が第１半導体スイッチ素子１の閾値電圧より低い第２半導体スイッチ素子２の動作に依存する。つまり、スイッチ動作において、閾値電圧が相対的に低い第２半導体スイッチ素子２の電力損失は、閾値電圧が相対的に高い第１半導体スイッチ素子１の電力損失より大きい。

図３において、１００℃では、第１半導体スイッチ素子１の第１閾値電圧は第４値Ｖ１ａであって、第２半導体スイッチ素子２の第２閾値電圧は第５値Ｖ２ａであり、第４値Ｖ１ａは第５値Ｖ２ａより大きい。図３に示す通り、第１半導体スイッチ素子１の温度が１００℃以上である場合、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると、第１閾値電圧は上昇する。１１０℃における第２半導体スイッチ素子２の第２閾値電圧が第６値Ｖ２ｂであって第５値Ｖ２ａより大きいことから明らかな通り、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上である場合、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、第２閾値電圧は上昇する。

第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると第２閾値電圧が上昇するので、図４に示す通り、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、第２半導体スイッチ素子２がオフ状態からオン状態に変化するタイミングは遅くなる。加えて、第２半導体スイッチ素子２がオン状態からオフ状態に変化するタイミングは早くなる。そのため、温度が１００℃以上で上昇すると、第２半導体スイッチ素子２の電力損失は小さくなり、第１半導体スイッチ素子１の電力損失と第２半導体スイッチ素子２の電力損失との差が小さくなる。その結果、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の温度との差は小さくなる。

つまり、第１半導体スイッチ素子１の第１閾値電圧が第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると上昇し、第２半導体スイッチ素子２の第２閾値電圧が第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると上昇するので、温度が上昇すると、第１半導体スイッチ素子１の電力損失と第２半導体スイッチ素子２の電力損失との差は小さくなる。ひいては、第１半導体スイッチ素子１の温度と第２半導体スイッチ素子２の温度との差は小さくなる。

すなわち、第１半導体スイッチ素子１の温度と第２半導体スイッチ素子２の温度との一方が他方に比べて高くなりすぎることが抑制され、第１半導体スイッチ素子１での発熱量と第２半導体スイッチ素子２での発熱量との一方が他方に比べて多くなりすぎることが抑制される。そのため、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の寿命を長くすることができる。したがって、実施の形態２の並列駆動回路５０は、並列に接続された第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の温度を検出することなく、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の寿命を長くすることができる。

並列駆動回路５０の製造者は、第１半導体スイッチ素子１の第１閾値電圧が、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると上昇し、第２半導体スイッチ素子２の第２閾値電圧が、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると上昇するという第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２を用いればよい。その場合、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の温度を検出することなく、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の寿命を長くすることができる。

なお、図３では、第１半導体スイッチ素子１の温度が１００℃以上である場合、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると、第１閾値電圧は上昇し、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上である場合、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、第２閾値電圧は上昇する。しかしながら、上記の１００℃という温度は一例であって、温度は１００℃以上に限定されない。

ただ一般的には、インバータ又はコンバータにおいて使用されるときの第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の温度の上限は１５０℃から２００℃の間で設定されており、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々は以下の特性を有していればよい。すなわち、第１半導体スイッチ素子１の温度が１００℃以上半導体使用温度上限以下である場合、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると、第１閾値電圧は上昇し、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上半導体使用温度上限以下である場合、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると、第２閾値電圧は上昇する。

更に言うと、第１閾値電圧は、第１半導体スイッチ素子１の温度が１００℃以上２００℃以下の温度範囲の中の少なくとも一部分において、第１半導体スイッチ素子１の温度が上昇すると上昇する特性を有する。第２閾値電圧は、第２半導体スイッチ素子２の温度が１００℃以上２００℃以下の温度範囲の中の少なくとも一部分において、第２半導体スイッチ素子２の温度が上昇すると上昇する特性を有する。

実施の形態１の第１半導体スイッチ素子１は実施の形態２の第１半導体スイッチ素子１の特性を併せ持ち、かつ実施の形態１の第２半導体スイッチ素子２は実施の形態２の第２半導体スイッチ素子２の特性を併せ持つことが好ましい。その場合、実施の形態１において説明した効果と実施の形態２において説明した効果とにより、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の寿命をより長くすることができる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３の並列駆動回路５１を説明する。図５は、実施の形態３にかかる並列駆動回路５１を示す図である。実施の形態３の並列駆動回路５１の構成は、実施の形態１又は２の並列駆動回路５０の構成と類似しているが、実施の形態３の並列駆動回路５１は、実施の形態１又は２の並列駆動回路５０が有する駆動回路５を有しておらず、第１駆動回路５ａ及び第２駆動回路５ｂを有する。実施の形態３では、実施の形態１又は２と相違する点について説明する。

第１駆動回路５ａは、第１半導体スイッチ素子１に対応している。第１駆動回路５ａは、第１抵抗３の他方の端部と接続されている。つまり、第１駆動回路５ａは、第１抵抗３を介して第１半導体スイッチ素子１の第１ゲート端子１ａと接続されている。第１駆動回路５ａは、並列駆動回路５１の外部から制御信号６を受信し、制御信号６にしたがって、第１半導体スイッチ素子１の動作を制御する。第２駆動回路５ｂは、第２半導体スイッチ素子２に対応している。第２駆動回路５ｂは、第２抵抗４の他方の端部と接続されている。つまり、第２駆動回路５ｂは、第２抵抗４を介して第２半導体スイッチ素子２の第２ゲート端子２ａと接続されている。第２駆動回路５ｂは、並列駆動回路５１の外部から制御信号６を受信し、制御信号６にしたがって、第２半導体スイッチ素子２の動作を制御する。

第１半導体スイッチ素子１、第２半導体スイッチ素子２、第１駆動回路５ａ、第２駆動回路５ｂ、第１抵抗３及び第２抵抗４は、ひとつのモジュール１０として集積されている。実施の形態３の第１半導体スイッチ素子１は、実施の形態１又は２の第１半導体スイッチ素子１である。実施の形態３の第２半導体スイッチ素子２は、実施の形態１又は２の第２半導体スイッチ素子２である。

図６は、実施の形態３において、半導体スイッチ素子を動作させるための制御信号の一例と、半導体スイッチ素子のオン状態及びオフ状態の一例とを示す図である。図６（Ａ）は半導体スイッチ素子を動作させるための制御信号の一例を示しており、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）は半導体スイッチ素子のオン状態及びオフ状態の一例を示している。

図６（Ａ）から図６（Ｃ）に示す通り、半導体スイッチ素子をオフ状態からオン状態に変化させるための閾値電圧が５Ｖである場合、半導体スイッチ素子は、閾値電圧が４Ｖである場合に比べてオフ状態からオン状態に遅く変化し、オン状態からオフ状態に早く変化する。つまり、閾値電圧が１Ｖ異なるだけで、半導体スイッチ素子がスイッチするタイミングは異なる。

オン又はオフの信号が半導体スイッチ素子のゲート端子に入力されてからドレイン端子及びソース端子が動作するまでの時間は、半導体スイッチ素子毎に異なる。つまり、複数の半導体スイッチ素子の各々では、オン又はオフの信号が制御端子に入力されてから出力端子が動作するまでの時間は異なる。当該時間の相違が０．１μｓであって、かつ閾値電圧の変動幅が１Ｖである場合を想定する。変動幅の１Ｖを当該時間の相違である０．１μｓで除算した１０Ｖ／μｓが図６（Ａ）の制御信号の傾きである場合、閾値電圧が１Ｖ変化すると、半導体スイッチ素子がオンの状態からオフの状態又はオフの状態からオンの状態に切り替わるタイミングは０．１μｓ変わる。

すなわち、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２を駆動するための信号の傾きは、第１半導体スイッチ素子１をオンの状態からオフの状態に変化させる又はオフの状態からオンの状態に変化させる第１閾値電圧と第２半導体スイッチ素子２をオンの状態からオフの状態に変化させる又はオフの状態からオンの状態に変化させる第２閾値電圧との差の絶対値を、第１半導体スイッチ素子１がオンの状態からオフの状態に変化するまでの時間もしくはオフの状態からオンの状態に変化するまでの時間と第２半導体スイッチ素子２がオンの状態からオフの状態に変化するまでの時間もしくはオフの状態からオンの状態に変化するまでの時間との差の絶対値で除算した値以下であることが好ましい。その場合、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々はスイッチ動作を余裕をもって行うことができる。

なお、上述した実施の形態１から３では、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２はいずれも、ＭＯＳＦＥＴによって構成されている。第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２が絶縁ゲートバイポーラトランジスタによって構成されている場合よりも、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２がＭＯＳＦＥＴによって構成されている場合の方が、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々に流れる電流を比較的バランスさせることができる。

第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２はいずれも、ワイドバンドギャップ半導体によって構成されていてもよい。その場合、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２がオン状態であるときの抵抗値が比較的に小さく、かつオン状態とオフ状態との切り替えが比較的に早いことから、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２がワイドバンドギャップ半導体ではない半導体によって構成されている場合よりも、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の各々の電力損失を比較的バランスさせやすくなる。

ワイドバンドギャップ半導体の一例は、ＳｉＣ半導体である。ワイドバンドギャップ半導体によって構成された第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の小型化が可能である。小型化された第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２を用いることにより、第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。

また、ワイドバンドギャップ半導体によって構成された第１半導体スイッチ素子１及び第２半導体スイッチ素子２の耐熱性は高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略又は変更することも可能である。

１第１半導体スイッチ素子、１ａ第１ゲート端子、１ｂ第１ドレイン端子、１ｃ第１ソース端子、２第２半導体スイッチ素子、２ａ第２ゲート端子、２ｂ第２ドレイン端子、２ｃ第２ソース端子、３第１抵抗、４第２抵抗、５駆動回路、５ａ第１駆動回路、５ｂ第２駆動回路、６制御信号、１０モジュール、５０，５１並列駆動回路。

Claims

複数の半導体スイッチ素子を備え、
前記複数の半導体スイッチ素子の各々は、ゲート端子、ドレイン端子及びソース端子を有し、
前記複数の半導体スイッチ素子における複数の前記ドレイン端子は、並列に接続されており、
前記複数の半導体スイッチ素子における複数の前記ソース端子は、並列に接続されており、
複数の駆動回路を更に備え、
前記複数の駆動回路の各々は、前記複数の半導体スイッチ素子のうちのいずれかひとつに対応していて、対応する前記半導体スイッチ素子の前記ゲート端子と接続されており、前記対応する前記半導体スイッチ素子の動作を制御し、
前記複数の半導体スイッチ素子の各々の動作は、前記複数の駆動回路のいずれかによって制御され、
前記複数の駆動回路の入力は同一の信号で駆動するように構成され、
前記複数の半導体スイッチ素子及び前記複数の駆動回路は、ひとつのモジュールに集積されており、
前記複数の半導体スイッチ素子の各々において、前記半導体スイッチ素子のオン状態の抵抗は、１００℃以上１５０℃以下の温度範囲の中の少なくとも一部分において、前記半導体スイッチ素子の温度が上昇すると上昇する特性を有し、
前記複数の半導体スイッチ素子のうちの第１半導体スイッチ素子のオン状態の抵抗である第１オン抵抗と、前記複数の半導体スイッチ素子のうちの第２半導体スイッチ素子のオン状態の抵抗である第２オン抵抗との差は、１００℃以上１５０℃以下の各温度において、前記第１オン抵抗の２０％以内である
ことを特徴とする並列駆動回路。
前記複数の半導体スイッチ素子の各々において、前記半導体スイッチ素子の前記ゲート端子に印加される電圧であって前記半導体スイッチ素子をオフの状態からオンの状態に変化させるための閾値電圧は、１００℃以上１５０℃以下の温度範囲の中の少なくとも一部分において、前記半導体スイッチ素子の温度が上昇すると上昇する
ことを特徴とする請求項１に記載の並列駆動回路。
前記複数の半導体スイッチ素子の各々は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタによって構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の並列駆動回路。
前記複数の半導体スイッチ素子の各々は、ワイドバンドギャップ半導体によって構成されている
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の並列駆動回路。
前記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ半導体である
ことを特徴とする請求項４に記載の並列駆動回路。