JP7131978B2 - 電力用半導体駆動装置及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力用半導体駆動装置及び電力変換装置に関する。

電力用スイッチング素子（電力用半導体）を応用した電力変換装置は、電力用スイッチング素子の大容量化、高速化が進んでいる。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などのトランジスタは、電力用スイッチング素子の一例である。上記の電力用スイッチング素子には、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）を用いたユニポーラトランジスタ（ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ）が含まれる。

電力用スイッチング素子を高速で動作させることで、電力用スイッチング素子が発生する損失を低減させて、電力変換装置全体の効率を向上させることが可能になる。しかし、高速で動作させることで電力用スイッチング素子の損失を低減することができても、高速で動作させる程スイッチング時に発生するサージ電圧が高くなる。そのため、このサージ電圧が電力用スイッチング素子の耐圧を超えると電力用スイッチング素子が破壊されることがある。

従来、スイッチング素子を低速にターンオフさせてサージ電圧を抑制する方法が提案されている。しかし、低速で動作させるため損失が高くなり電力変換装置全体の効率が低下する。これに対して高速で動作させながらサージ電圧を抑制する方式として、ターンオフ中の電力用スイッチング素子のゲートに電流を注入させて電力用スイッチング素子を半オン状態にすることでサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制方法がある。

近年、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴが電力変換装置に使われている。単独のＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴの許容容量より大容量化させるために、複数のＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴを接続したものを一つのモジュール内に収めるものがある。このようなモジュールの中には、その内部のＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ同士のバランスを保つために各ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴのゲートに抵抗を接続しているものがある。上記のサージ電圧抑制方法における電力用スイッチング素子のゲートに電流を注入する方式では、モジュール内部のゲート抵抗があることによって、ゲートに注入すべき電流がモジュール外部に流れることがある。そのような場合にはサージ電圧抑制効果が低減する。

また、モジュール内部のゲート抵抗が比較的大きくなる傾向があるＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴは、外付けのゲート抵抗を増加させることでゲート電流を減少させ、スイッチング速度を低下させサージ電圧を抑制する方式が効果的である。

ただし、近年、ＳｉＣ―ＭＯＳＦＥＴを代表とした電力用スイッチング素子のスイッチング動作の高速化の傾向があり、上記のように外付けのゲート抵抗を増加させてスイッチング速度を低下させる方法は適さないことがある。仮に、スイッチング動作の高速化を優先して外付けのゲート抵抗を小さくするとサージ電圧が超過する恐れがある。

特開２０１３－２２３２６５号公報

本発明が解決しようとする課題は、電力用スイッチング素子の耐圧を超過しないよう保護することが可能な電力用半導体駆動装置及び電力変換装置を提供することである。

実施形態の電力用半導体駆動装置は、第一ゲート抵抗と、第二ゲート抵抗と、電圧検出回路と、スイッチ部とを持つ。第一ゲート抵抗は、電力用スイッチング素子の状態を制御するための信号を出力するゲートドライブ回路と前記電力用スイッチング素子のゲートとの間を接続する接続導体に設けられる。第二ゲート抵抗は、前記接続導体に設けられ、前記第一ゲート抵抗に直列に接続される。電圧検出回路は、前記電力用スイッチング素子のドレイン・ソース間の過電圧状態を検出する。スイッチ部は、前記第二ゲート抵抗の迂回経路側に設けられ、前記ゲートドライブ回路が前記電力用スイッチング素子をオン状態に制御するためのオン状態指令信号を出力する場合に前記迂回経路を経て前記オン状態指令信号を前記電力用スイッチング素子のゲートに供給し、前記ゲートドライブ回路が前記電力用スイッチング素子をオフ状態に制御するためのオフ状態指令信号を出力している間に前記過電圧状態が検出されない場合に前記迂回経路を経て前記オフ状態指令信号を前記電力用スイッチング素子のゲートへ供給し、前記ゲートドライブ回路が前記オフ状態指令信号を出力している間に前記過電圧状態が検出された場合に前記第二ゲート抵抗を経て前記オフ状態指令信号を前記電力用スイッチング素子のゲートへ供給させる。さらに、前記スイッチ部は、前記電圧検出回路によって前記過電圧状態が検出されるとオン状態になる第１切替スイッチと、前記第二ゲート抵抗には並列回路があり、前記第１切替スイッチがオン状態になることにより前記並列回路をオフ状態にする第２切替スイッチと、を備える。前記第２切替スイッチは、前記並列回路を遮断するように設けられたスイッチング素子を含む。前記第１切替スイッチは、前記スイッチング素子を制御するための制御用スイッチング素子と、アノード側が前記制御用スイッチング素子のソース側に接続され、カソード側が前記電圧検出回路との接続点に接続される第２定電圧ダイオードと、前記制御用スイッチング素子のゲートに第１端が接続され第２端が前記接続点に接続される第１抵抗と、前記制御用スイッチング素子のゲート・ソース間に接続される第２抵抗と、を備える。

実施形態の電力変換装置の構成例を示す図。 第１の実施形態のゲート駆動装置の構成例を示す図。 実施形態の電力用半導体の駆動装置の動作説明図である。 第２の実施形態のゲート駆動装置の構成例を示す図。 第３の実施形態のゲート駆動装置の構成例を示す図。 第４の実施形態のゲート駆動装置の構成例を示す図。 実施形態の変形例のモジュールＭＰの構成例を示す図。 実施形態の変形例のモジュールＭ２の構成例を示す図。

以下、実施形態の電力用半導体駆動装置及び電力変換装置を、図面を参照して説明する。なお以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それらの構成の重複する説明は省略する場合がある。

実施形態のゲート駆動装置は、電力用半導体駆動装置の一例である。実施形態における「接続」とは、電気的な接続のことを含む。実施形態において半導体スイッチが「オン動作する」とは、当該半導体スイッチが電流を遮断していたオフ状態から、電流を流すオン状態に遷移すること、及びそのオン状態を保持することの両方の場合を含む。実施形態において半導体スイッチが「オフ動作する」とは、当該半導体スイッチが電流を流していたオン状態から、電流を遮断するオフ状態に遷移すること、及びそのオフ状態を保持することである。

（第１の実施形態）
図１は、実施形態の電力変換装置の構成例を示す図である。図２は、第１の実施形態のゲート駆動装置の構成例を示す図である。

図１に示す電力変換装置１００は、モジュールＭ１とゲート駆動装置１０とを備える。
モジュールＭ１は、ゲート駆動装置１０により駆動される電力用スイッチング素子１（図２）を含む。電力変換装置１００は、ゲート駆動装置１０により駆動されるモジュールＭ１を用いて、電源ＰＳから供給される電力を所望の電力に変換して、変換した電力を負荷ＬＤに供給する。例えば、電力変換装置１００は、インバータであり、負荷ＬＤに対する電力の供給を調整する。

以下、図２を参照して、電力変換装置１００の一例について、モジュールＭ１とゲート駆動装置１０とに分けて説明する。

最初に、実施形態のモジュールＭ１について説明する。
モジュールＭ１は、１又は複数の電力用スイッチング素子１を備える。図２に示すモジュールＭ１は、例えば、電力用スイッチング素子１と、ゲート抵抗２とを含む。

電力用スイッチング素子１は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＳｉＣを使用したＭＯＳＦＥＴ（ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ）などのユニポーラトランジスタ型の電力用半導体である。電力用スイッチング素子１は、例えば還流ダイオードを含む。図２中のＧは電力用スイッチング素子１のゲートである。Ｓはソースである。Ｄはドレインである。なお、電力用スイッチング素子１の正極Ｐと負極Ｎには、図２には示されない電源ＰＳと負荷ＬＤとが接続される。平常時には、電力用スイッチング素子１の正極Ｐの電位であるドレインＤの電位は、負極Ｎの電位であるソースＳの電位より高く設定されている。

例えば、モジュールＭ１は、電力用スイッチング素子１とゲート抵抗２を共通の筐体内に収めて形成される。モジュールＭ１には、例えば、電力用スイッチング素子１に接続されるゲート端子ＧＴとソース端子ＳＴが設けられている。ゲート端子ＧＴは、例えば、モジュールＭ１の内部でゲート抵抗２を介して電力用スイッチング素子１のゲートＧに接続されている。ソース端子ＳＴは、モジュールＭ１の内部で電力用スイッチング素子１のソースＳに接続されている。

次に、実施形態のゲート駆動装置１０について説明する。
ゲート駆動装置１０は、例えば、電圧検出回路２０と、切替スイッチ３０（第１切替スイッチ）と、切替スイッチ４０（第２切替スイッチ）と、ゲート抵抗１１（第１ゲート抵抗）と、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２（第２ゲート抵抗）と、ゲートドライブ回路１３と、正バイアスゲート電圧源１５と、負バイアスゲート電圧源１６とを備える。

ゲート駆動装置１０には、例えば、ゲート信号出力端子ＯＴ１と基準電位端子ＯＴ２とが設けられている。ゲート信号出力端子ＯＴ１は、ゲート駆動装置１０が信号を出力するための出力端子である。ゲート信号出力端子ＯＴ２の電位は、モジュールＭ１内でゲート駆動装置１０における基準電位に設定される。ゲート信号出力端子ＯＴ１とゲート信号出力端子ＯＴ２は、対にして利用される。例えば、ゲート信号出力端子ＯＴ１は、モジュールＭ１のゲート端子ＧＴに接続される。ゲート信号出力端子ＯＴ２は、モジュールＭ１のソース端子ＳＴに接続される。

ゲート抵抗１１は、ゲート信号出力端子ＯＴ１に接続される接続導体に設けられる。つまり、ゲート抵抗１１は、電力用スイッチング素子１のゲート端子ＧＴに接続される接続導体に設けられる。ゲート抵抗１１の第１端は、ゲート信号出力端子ＯＴ１に接続される。

サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２は、上記の接続導体に設けられ、ゲート抵抗１１に直列に接続される。サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２の第１端は、ゲート抵抗１１の第２端に接続される。

ゲートドライブ回路１３は、電力用スイッチング素子１の状態を制御するための信号を出力する。例えば、ゲートドライブ回路１３は、ＯＮ／ＯＦＦ制御部１４を含めて構成してもよい。ゲートドライブ回路１３は、ＯＮ／ＯＦＦ制御部１４が生成する電力用スイッチング素子１の状態を制御するための信号を、所定の電圧に変換して出力する。

例えば、ゲートドライブ回路１３の出力端子には、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２の第２端が接続される。つまり、ゲートドライブ回路１３の出力端子は、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２とゲート抵抗１１とを介してゲート信号出力端子ＯＴ１に接続される。これにより、ゲートドライブ回路１３の出力端子と電力用スイッチング素子１のゲートＧとが電気的に接続され、ゲートドライブ回路１３の出力信号により電力用スイッチング素子１を駆動することができる。

なお、ＯＮ／ＯＦＦ制御部１４は、ゲートドライブ回路１３の外部に設けられていてもよい。その場合、ゲートドライブ回路１３は、ＯＮ／ＯＦＦ制御部１４により生成された電力用スイッチング素子１の状態を制御するための信号を受け、所定の電圧に変換して出力する。

正バイアスゲート電圧源１５と負バイアスゲート電圧源１６は、ゲート駆動装置１０の電源である。正バイアスゲート電圧源１５と負バイアスゲート電圧源１６は、直列に接続されている。正バイアスゲート電圧源１５と負バイアスゲート電圧源１６の接続点の電位を基準電位にして、正バイアスゲート電圧源１５の正極側から正の電圧がゲートドライブ回路１３に供給され、負バイアスゲート電圧源１６の負極側から負の電圧がゲートドライブ回路１３に供給される。例えば、上記のようにゲート信号出力端子ＯＴ２がモジュールＭ１のソース端子ＳＴに接続されることにより、電力用スイッチング素子１のソースＳの電位がゲート駆動装置１０の基準電位に等しくなる。ゲート駆動装置１０は、電力用スイッチング素子１のゲートＧに、正のバイアスを掛けて電力用スイッチング素子１をオン動作させたり、負のバイアスを掛けて電力用スイッチング素子１をオフ動作させたりする。

電圧検出回路２０は、例えば、定電圧ダイオード２１と、抵抗２２とを備える。定電圧ダイオード２１のカソードは、電力用スイッチング素子１のドレインＤに接続される。定電圧ダイオード２１のアノードは、抵抗２２の第１端に接続される。

例えば、電圧検出回路２０は、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間に定電圧ダイオード２１のブレークダウン電圧を超える電圧が印加される場合を電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間の過電圧状態として検出する。定電圧ダイオード２１のブレークダウン電圧は、例えば、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間の許容電圧に基づいて決定されている。上記の場合、電圧検出回路２０が上記の過電圧状態を検出するための検知電圧は、定電圧ダイオード２１のブレークダウン電圧になる。

例えば、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間に定電圧ダイオード２１のブレークダウン電圧に満たない電圧が印加されている間は、定電圧ダイオード２１は、アバランシブレークダウンを開始することなく、電流を流さない。これにより、電流が供給されない切替スイッチ３０はオフ動作になる。これに対し、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間に定電圧ダイオード２１のブレークダウン電圧を超える電圧が印加されると、定電圧ダイオード２１は、アバランシブレークダウンを開始して、抵抗２２を経て切替スイッチ３０に電流を流す。定電圧ダイオード２１に所定の電流が流れると、切替スイッチ３０がオン動作する。これについては後述する。

上記のアバランシ電圧は、定電圧ダイオード２１の直列数などに依存する。例えば、定電圧ダイオード２１の直列数を増加させることで、定電圧ダイオード２１としてのアバランシ電圧が増加する。このように定電圧ダイオード２１の直列数の調整により、サージ電圧の抑制を開始する電圧（制限電圧）を調整できる。

例えば、電力用スイッチング素子１のドレインＤの電圧（正極Ｐの電圧）は、平常時には、負バイアスゲート電圧源１６の電位より高くなるように調整されている。変動により、電力用スイッチング素子１のドレインＤの電圧が負バイアスゲート電圧源１６の電位より下がる場合には、電圧検出回路２０に、負バイアスゲート電圧源１６から電力用スイッチング素子１のドレインＤに向けて電流が流れる。この場合の電流は、抵抗２２によって制限される。

切替スイッチ３０は、例えば、スイッチング素子３１と、抵抗３２とを備える。

スイッチング素子３１は、例えば、ユニポーラトランジスタである。スイッチング素子３１には、スイッチング素子３１に逆並列に接続される還流ダイオードが内蔵されている。スイッチング素子３１のソースは、負バイアスゲート電圧源１６の負極に接続される。スイッチング素子３１のドレインは、後述する切替スイッチ４０に接続される。抵抗３２は、スイッチング素子３１のゲート・ソース間に接続される。例えば、スイッチング素子３１のゲートは、電圧検出回路２０と切替スイッチ３０との接続点に接続される。

切替スイッチ３０（スイッチング素子３１）は、電圧検出回路２０から電流が流れ込んだ際に、スイッチング素子３１のゲートに電荷が注入されてオン動作する。抵抗３２は、電圧検出回路２０から電流が流れない状態になると、スイッチング素子３１のゲート・ソース間に充電されている電荷を引き抜くための放電抵抗になる。

切替スイッチ４０は、例えば、スイッチング素子４１と、抵抗４２と、抵抗４３と、定電圧ダイオード４６と、抵抗４７とを備える。

スイッチング素子４１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴなどのユニポーラトランジスタである。スイッチング素子４１には、スイッチング素子４１の逆並列に接続される還流ダイオード４１Ｄが内蔵されている。スイッチング素子４１のソースは、ゲートドライブ回路１３の出力端子に接続されている。スイッチング素子４１のドレイン・ソース間に、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２が並列に接続される。スイッチング素子４１とスイッチング素子４１の還流ダイオードは、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２の迂回経路の一例である。つまり、スイッチング素子４１は、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２側に接続される。

定電圧ダイオード４６は、正バイアスゲート電圧源１５の正極にカソード側が接続されている。定電圧ダイオード４６のアノード側は、直列に接続されている抵抗４７、抵抗４２、及び抵抗４３を介して、ゲートドライブ回路１３の出力端子に接続されている。抵抗４７と抵抗４２の接続点は、スイッチング素子３１のドレインに接続される。抵抗４２と抵抗４３の接続点は、スイッチング素子４１のゲートに接続される。

なお、定電圧ダイオード４６、抵抗４２、抵抗４３、及び抵抗４７の各定数は、所望の条件を満たすことによりスイッチング素子４１の導通状態を決定させる。例えば、上記の各定数は、スイッチング素子４１をオン動作させるために必要とされるスイッチング素子４１のゲート・ソース間電圧が、スイッチング素子４１をオン動作させる際にスイッチング素子４１のゲート・ソース間に掛かり、スイッチング素子４１をオフ動作させる際にスイッチング素子４１のゲート・ソース間に掛からないように決定される。例えば、定電圧ダイオード４６のブレークダウン電圧を、基準電位に対する正バイアスゲート電圧源１５の電圧と同じにする。なお、抵抗４２と抵抗４７の値は、切替スイッチ４０がオフする際のスイッチング素子４１のターンオフ速度を決定する。

切替スイッチ４０の状態は、ゲートドライブ回路１３が出力する信号と、切替スイッチ３０の状態とに依存する。切替スイッチ３０の状態は、電圧検出回路２０による電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間電圧の検出結果に依存する。例えば、切替スイッチ４０の状態は、ゲートドライブ回路１３が出力する制御信号と、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間電圧の過電圧状態の検出結果とに基づいて決定される。

以下、ゲート駆動装置１０の状態について複数に場合分けして各部の動作について説明する。

前述の通り定電圧ダイオード４６のブレークダウン電圧が基準電位に対する正バイアスゲート電圧源１５の電圧と同じに設定されている。定電圧ダイオード４６が正バイアスゲート電圧源１５にカソードが接続されたままアバランシブレークダウンすると、定電圧ダイオード４６のアノードの電位が基準電位になる。

（第１状態）
第１状態は、ゲートドライブ回路１３が電力用スイッチング素子１のＯＮ/ＯＦＦ制御信号ＣＳとして、電力用スイッチング素子１をオフ状態にするための信号（オフ状態指令信号）を出力している期間に、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間電圧が電圧検出回路２０の検知電圧以下の場合に生じる。上記の場合、切替スイッチ３０がオフ状態を維持することにより、スイッチング素子４１がオン状態になる。これにより、切替スイッチ４０はオン状態になる。

上記の第１状態の各部の動作について説明する。
ゲートドライブ回路１３が出力端子からオフ状態指令信号を出力すると、その出力端子の電位は、例えば、負バイアスゲート電圧源１６と同等の電位（以下、単に同電位という。）になる。上記の場合、スイッチング素子４１のソースが負バイアスゲート電圧源１６と同電位になり、かつ、定電圧ダイオード４６が正バイアスゲート電圧源でアバランシブレークダウンすることで、基準電位に対する負バイアスゲート電圧源１６の電圧が、抵抗４７、抵抗４２、及び抵抗４３によって分圧される。スイッチング素子４１のゲート・ソース間に上記の抵抗４３の両端に生じる電圧が掛ることで、スイッチング素子４１がオン動作する。

上記のように、電圧検出回路２０の検知電圧以下の状態にあるため切替スイッチ４０がオン状態にあり、かつゲートドライブ回路１３がオフの場合、電力用スイッチング素子１のゲート電流は、ゲート抵抗１１を通流して、さらにオン状態にあるスイッチング素子４１のドレイン・ソース間を通る。つまり電圧検出回路２０の検知電圧以下の状態の場合、電力用スイッチング素子１のターンオフゲート電流は、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を流れない為、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２によって制限されない。その為、電力用スイッチング素子１のスイッチング速度は遅くならない。

（第２状態）
この第２状態は、ゲートドライブ回路１３が電力用スイッチング素子１のＯＮ/ＯＦＦ制御信号ＣＳとして、電力用スイッチング素子１をオン状態にするための信号（オン状態指令信号）を出力している期間に生じる。上記の場合、下記のように切替スイッチ３０とスイッチング素子４１の状態によらずに、切替スイッチ４０は、オン状態になる。

上記の第２状態の各部の動作について説明する。
ゲートドライブ回路１３がオン状態指令信号を出力すると、その電位は、例えば、正バイアスゲート電圧源１５と同電位になる。上記の場合、スイッチング素子４１のソースが正バイアスゲート電圧源１５と同電位になり、スイッチング素子４１のゲート・ソース間の電位差が無くなり、スイッチング素子４１がオフ状態になる。

なお、切替スイッチ３０は、第２状態の場合も第１状態と同様に、電力用スイッチング素子１の過電圧状態が検出されていない場合にオフ状態を維持する。

なお、上述したようにスイッチング素子４１がオフ状態であったとしても、ゲートドライブ回路１３がオン状態指令信号を出力している期間の場合には、スイッチング素子４１の還流ダイオード４１Ｄが作用する。電力用スイッチング素子１のゲート電流は、スイッチング素子４１の還流ダイオード４１Ｄを通って電力用スイッチング素子１のゲートに注入されることにより、切替スイッチ４０は、オン状態になる。

（第３状態）
この第３状態は、ゲートドライブ回路１３がオフ状態指令信号を出力している期間に電圧検出回路２０が検知電圧以上を検出した場合に生じる。上記の場合、切替スイッチ４０は、上記の第１状態とは異なりオフ状態になる。

上記の第３状態の各部の動作について説明する。
ゲートドライブ回路１３がオフ状態指令信号を出力している期間に、電圧検出回路２０が検知電圧以上を検出する場合、スイッチング素子３１がオン状態になるため、切替スイッチ３０はオン状態になる。これにより、スイッチング素子４１がオフ状態になる。

これは、ゲートドライブ回路１３がオフ状態指令信号を出力することでスイッチング素子４１のソースが負バイアスゲート電圧源１６と同電位になる。また、スイッチング素子３１がオンすることでスイッチング素子４１のゲートも負バイアスゲート電圧源１６と同電位になることにより、切替スイッチ４０は、オフ状態になる。

（第４状態）
この第４状態は、ゲートドライブ回路１３がオン状態指令信号を出力している期間に、電力用スイッチング素子１の過電圧状態が検出された場合に生じる。つまり、この第４の状態は、第２状態で電力用スイッチング素子１の過電圧状態が発生した際に生じる。上記の場合、切替スイッチ４０は、下記のように切替スイッチ３０の状態によらずに、上記の第２状態と同様にオン状態になる。

上記の第４状態の各部の動作について説明する。
なお、第４状態も第２状態と同様に、ゲートドライブ回路１３がオン状態指令信号を出力している期間にあたる。上記の場合、電力用スイッチング素子１のゲート電流は、スイッチング素子４１の還流ダイオード４１Ｄを通って電力用スイッチング素子１のゲートに注入される。
なお、スイッチング素子４１は、ゲートドライブ回路１３がオン状態指令信号を出力しているためオフ状態になる。また、切替スイッチ３０は、第４状態の場合も第３状態と同様にオン状態を維持するが、そもそもスイッチング素子４１が上記の通りオフ状態になるため、スイッチング素子４１の状態を切り替えるように作用することはない。

これにより、ゲートドライブ回路１３がオン状態指令信号を出力している期間の場合、スイッチング素子４１の還流ダイオードの作用により、切替スイッチ４０は、オン状態になる。

以上、第１状態から第４状態に分けて説明した。上記の第１状態から第４状態のうち第３状態の場合には、電力用スイッチング素子１のゲート電流は、ゲート抵抗１１を通ってサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を流れる。電力用スイッチング素子１のゲート電流がサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を流れるため、その電力用スイッチング素子１のゲート電流を減少させることができ、電力用スイッチング素子１のターンオフ速度を低下させることでサージ電圧を抑制する。

なお、上記の切替スイッチ３０と切替スイッチ４０との機能を纏めて、スイッチ部６０として構成してもよい。例えば、スイッチ部６０は、ゲートドライブ回路１３が電力用スイッチング素子１をオン状態に制御するためのオン状態指令信号を出力する場合に、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２の迂回経路ＤＲを経てオン状態指令信号を電力用スイッチング素子１のゲートＧに供給する。つまり、オン状態指令信号が出力されている場合には、切替スイッチ４０は、電圧検出回路２０の動作に関係なく、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を迂回する迂回経路ＤＲに電流を流す。さらに、スイッチ部６０は、ゲートドライブ回路１３が電力用スイッチング素子１をオフ状態に制御するためのオフ状態指令信号を出力している間に、過電圧状態が検出された場合にサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を経てオフ状態指令信号を電力用スイッチング素子１のゲートＧへ供給させる。

上述した状態の場合、電力用スイッチング素子１のゲート電流は、ゲート抵抗１１を通ってサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を流れる。ゲート電流は、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を流れるため、ゲート電流を減少させることができ、電力用スイッチング素子１のターンオフ速度を低下させることでサージ電圧を抑制する。

以下、実施形態のゲート駆動装置の動作について図３を用いて説明する。図３は、実施形態のゲート駆動装置の動作を説明するための図である。

図３において、電力用スイッチング素子１のゲート・ソース間電圧（ゲート電圧）をＶｇｓ、ドレイン電流をＩｄ、ドレイン・ソース間電圧をＶｄｓで示す。スイッチング素子３１のゲート・ソース間電圧（ゲート電圧）をＶｇｓ３で示す。スイッチング素子４１のゲート・ソース間電圧（ゲート電圧）をＶｇｓ４で示す。ＯＮ/ＯＦＦ制御信号ＣＳは、ゲートドライブ回路１３が電力用スイッチング素子１を制御するための制御信号である。ＯＮ/ＯＦＦ制御信号ＣＳが「Ｈ」レベルである場合が、電力用スイッチング素子１をオン状態に制御するためのオン状態指令信号（単に「オン」という）を示し、「Ｌ」レベル（ローレベル）である場合が、電力用スイッチング素子１をオフ状態に制御するためのオフ状態指令信号（単に「オフ」という）を示す。

例えば、この図に示す時刻ｔ１に達するまでの初期状態では、ＯＮ/ＯＦＦ制御信号ＣＳが「Ｈ」レベル（ハイレベル）である。この状況のゲートドライブ回路１３の出力電圧が正バイアスゲート電圧源１５と同電位であり、電力用スイッチング素子１のゲート電圧Ｖｇｓは、電力用スイッチング素子１をオン状態にさせる「Ｈ」レベルになる。この時、電力用スイッチング素子１がオン状態にあるため、電力用スイッチング素子１のＶｄｓは、電圧検出回路２０の電圧検出閾値電圧ＶＴＨ以下になる。その結果、スイッチング素子３１のゲート電圧Ｖｇｓ３は、スイッチング素子３１をオフ状態にさせる「Ｌ」レベル（ローレベル）になる。これにより、スイッチング素子３１がオフ状態になっている。スイッチング素子４１のゲート電圧Ｖｇｓ４は、スイッチング素子４１をオフ状態にさせるローレベル（Ｌ）になることにより、スイッチング素子４１がオフ状態になっている。

次に、時刻ｔ１において、ゲートドライブ回路１３は、ＯＮ/ＯＦＦ制御信号ＣＳをオンからオフに切り替える。例えば、ゲートドライブ回路１３は、負バイアスゲート電圧源１６の電位と同電位を出力する。この時、スイッチング素子４１のソース電位は、負バイアスゲート電圧源１６の電位と同電位になる。定電圧ダイオード４６のカソード側が正バイアスゲート電圧源１５の正極に接続されているため、スイッチング素子４１のゲート・ソース間に電位差が発生し、そのゲート電圧Ｖｇｓ４がハイレベルになり、スイッチング素子４１はオン状態になる。

これにより、電力用スイッチング素子１をターンオフさせるようにゲート電流が流れて、ゲート電圧Ｖｇｓが徐々に低下する。スイッチング素子４１がオン状態となったことで、ゲート電流は、サージ電圧抑制抵抗１２を迂回してスイッチング素子４１に流れる。なお、このゲート電流が流れる経路により、ゲート電圧Ｖｇｓが低下する速度が決定される。上記の場合、ゲート電流は、モジュールＭ１内のゲート抵抗２とゲート抵抗１１を通り、スイッチング素子４１のドレイン・ソース間を通って、ゲートドライブ回路１３の出力端子に流れる。なお、上記のゲート電流は、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を通らない為、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を通る場合に比べてその電流値が大きな値になる。これにより、電力用スイッチング素子１のスイッチングスピードを低下させることがなく、ドレイン電流Ｉｄを比較速やかに減少させることができ、電力用スイッチング素子１のＶｄｓが徐々に上昇するが、電力用スイッチング素子１の損失を増加させることもない。

時刻ｔ２において、電力用スイッチング素子１のＶｄｓは、極大値をとるが、その時点の値が電圧検出閾値電圧ＶＴＨ以下であるため、電圧検出回路２０が過電圧状態を検出しないため、切替スイッチ３０はオフ状態を維持する。

時刻ｔ３において、ゲートドライブ回路１３は、ＯＮ/ＯＦＦ制御信号ＣＳをオフからオンに切り替える。スイッチング素子４１のソースが正バイアスゲート電圧源１５と同電位になるため、スイッチング素子４１はオフ状態になる。
また、ゲート電圧Ｖｇｓが増加するにつれて、ドレイン電流Ｉｄが増加する。それにつれて、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが低下する。

時刻ｔ４において、ゲートドライブ回路１３は、ＯＮ/ＯＦＦ制御信号ＣＳを再びオンからオフに切り替える。電力用スイッチング素子１のゲート電圧Ｖｇｓは、徐々に低下する、ゲート電流Ｉｄも、それに伴い減少する。一方、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓは、増加する。なお、ＯＮ/ＯＦＦ制御信号ＣＳがオフになったことにより、スイッチング素子４１のゲート電圧Ｖｇｓ４がハイレベルになり、スイッチング素子４１はオン状態になる。

時刻ｔ５において、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが電圧検出閾値電圧ＶＴＨを超過する。電圧検出回路２０の作用により、スイッチング素子３１のゲート電圧Ｖｇｓ３がハイレベルになり、切替スイッチ３０は、オン状態となる。切替スイッチ３０がオン状態となることで、スイッチング素子４１のゲート電圧Ｖｇｓ４が「Ｌ」レベルになり、スイッチング素子４１はオフ状態になる。この場合、ＯＮ/ＯＦＦ制御信号ＣＳがオフであることから、切替スイッチ４０は、オフ状態になる。

切替スイッチ４０がオフ状態となったため、電力用スイッチング素子１のゲート電流は、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を経て流れるようになる。電力用スイッチング素子１のゲート抵抗に、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２が増加されるため、ゲート電流が減少する。

電力用スイッチング素子１のゲート電流が減少する影響で、時刻ｔ６から電力用スイッチング素子１のドレイン電流Ｉｄの電流変化率（ｄｉ/ｄｔ）が低下する。ドレイン電流Ｉｄの電流変化率（ｄｉ/ｄｔ）が低いほど、サージ電圧を抑制できる。上記により、ドレイン電流Ｉｄの電流変化率（ｄｉ/ｄｔ）を低くしたことにより、サージ電圧を抑制することができる。

また、時刻ｔ５から時刻ｔ６の間は、電力用スイッチング素子１のゲート抵抗の大きさを切り替えてから、ゲート電流を減少させたことの効果が、電力用スイッチング素子１のスイッチング速度の変化として現れるまでの時間差である。

時刻ｔ６以降、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが電圧検出閾値電圧ＶＴＨ以下になり過電圧状態が解消した状況になると、スイッチング素子４１のゲート・ソース間の電荷が徐々に抜け切替スイッチ４０はオフ状態となる。その後、切替スイッチ４０のスイッチング素子４１もオン状態となり通常動作の状態に戻る。

上記の実施形態よれば、ゲート駆動装置１０のゲート抵抗１１は、電力用スイッチング素子１の状態を制御するための信号を出力するゲートドライブ回路１３と電力用スイッチング素子１のゲートＧとの間を接続する接続導体に設けられる。サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２は、前記接続導体に設けられ、ゲート抵抗１１に直列に接続される。電圧検出回路２０は、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間の過電圧状態を検出する。

ゲート駆動装置１０は、スイッチ部６０により、ゲートドライブ回路１３が電力用スイッチング素子１をオン状態に制御するためのオン状態指令信号を出力する場合に迂回経路ＤＲを経てオン状態指令信号を電力用スイッチング素子１のゲートＧに供給する。また、ゲート駆動装置１０は、ゲートドライブ回路１３が電力用スイッチング素子１をオフ状態に制御するためのオフ状態指令信号を出力している間に過電圧状態が検出されない場合に迂回経路ＤＲを経てオフ状態指令信号を電力用スイッチング素子１のゲートＧへ供給する。また、ゲート駆動装置１０は、ゲートドライブ回路１３が電力用スイッチング素子１をオフ状態に制御するためのオフ状態指令信号を出力している間に過電圧状態が検出された場合にサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を経てオフ状態指令信号を電力用スイッチング素子１のゲートＧへ供給させることにより、電力用スイッチング素子１の耐圧を超過しないよう保護することが可能になる。

また、電圧検出回路２０は、電力用スイッチング素子１のドレインＤ（ドレイン端子）に接続されていてもよい。定電圧ダイオード２１は、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間の電圧Ｖｄｓが電圧検出閾値電圧ＶＴＨ（閾値とした電圧）を超えた時にカソードからアノードへ向かう方向に電流を流すように形成されていてもよい。このような電圧検出回路２０により、ドレイン・ソース間の電圧Ｖｄｓが電圧検出閾値電圧ＶＴＨを超える過電圧状態を検出したことを、電圧検出回路２０から出力される電流により識別することができる。

また、スイッチ部６０は、少なくとも切替スイッチ３０と、切替スイッチ４０とを備えるものであってよい。切替スイッチ３０は、電圧検出回路２０によって過電圧状態が検出されるとオン状態になるものであってよい。例えば、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２にはサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を迂回するように設けられた並列回路がある。切替スイッチ４０は、切替スイッチ３０がオン状態になることにより上記の並列回路をオフ状態にしてもよい。これにより、電力用スイッチング素子１のゲート電流の流れを上記のサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２と並列回路の２つの経路を切り替えることができる。

また、切替スイッチ４０がオフ状態になることで電力用スイッチング素子１のゲート抵抗の抵抗値がサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２の抵抗値分増加するようにしてもよい。

また、電圧検出回路２０により過電圧状態が検知されない場合、切替スイッチ３０はオフ状態になるものであってよい。このような電圧検出回路２０により過電圧状態が検出されなかったことを、切替スイッチ３０がオフ状態になることにより識別することができる。

また、切替スイッチ４０は、ゲートドライブ回路１３が電力用スイッチング素子１をターンオンさせる際にオン状態になる。なお、上記の切替スイッチ４０のオン状態とは、スイッチング素子４１のオン状態とオフ状態とに関わらず、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を迂回して、ゲート電流がスイッチング素子４１を通る状態のことをいう。また、切替スイッチ４０は、電圧検出回路２０により過電圧状態が検出されなければ、電力用スイッチング素子１をターンオフさせる際にオン状態になるものであってよい。これにより、平常時には、電力用スイッチング素子１のゲート電流がサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を流れないため、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２によって電力用スイッチング素子１のスイッチング速度を低速化せずに利用することができる。

また、切替スイッチ４０は、並列回路を遮断するように設けられたスイッチング素子４１を含むものであってよい。さらに、スイッチング素子４１のドレイン側がゲート抵抗１１の第１端子に接続されていてもよい。これにより、ゲート抵抗１１と迂回経路ＤＲのスイッチング素子４１とを通じて流れるゲート電流を遮断することができ、その遮断により、ゲート電流を流す経路をサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２側に切り替えることができる。

また、過電圧が検出された際には、電力用スイッチング素子１のゲート電流をサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２に流すことにより、電力用スイッチング素子１のゲート電流を、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２によって制限して、電力用スイッチング素子１のスイッチング速度を低速化することができる。

なお、上記の実施形態を別の観点で整理する。上記の実施形態よれば、ゲート駆動装置１０は、少なくともゲート信号出力端子ＯＴ１と、ゲート抵抗１１と、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２と、電圧検出回路と、切替スイッチ３０と、切替スイッチ４０と、を持つものであってよい。例えば、ゲート信号出力端子ＯＴ１は、電力用スイッチング素子１のゲートＧに電気的に接続される。ゲート抵抗１１は、電力用スイッチング素子１のゲート信号出力端子ＯＴ１と接続される。サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２は、ゲート抵抗１１と電力用スイッチング素子１のスイッチングを制御するゲートドライブ回路１３との間に接続される。電圧検出回路２０は、電力用スイッチング素子１のドレインＤに接続され、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間の電圧Ｖｄｓが電圧検出閾値電圧ＶＴＨを超えた時にカソードからアノードへ向かう方向に電流を流す定電圧ダイオード２１を含む。切替スイッチ３０は、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間の電圧が電圧検出閾値電圧ＶＴＨを超える場合にアノードへ向かう電流によってオン動作するスイッチング素子３１を含む。切替スイッチ４０は、切替スイッチ３０がオン動作することでオフ動作するスイッチング素子４１を含み、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２に並列に接続され、ゲート抵抗１２にソースＳ側が接続されている。切替スイッチ４０がオフ動作することで電力用スイッチング素子１のゲート抵抗の抵抗値がサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２の抵抗値分増加する。これにより、ゲート駆動装置１０は、電力用スイッチング素子１のゲート電流を減少させてターンオフ速度を遅くすることで、電力用スイッチング素子のドレイン・ソース間のサージ電圧を低減することにより、電力用スイッチング素子１の耐圧を超過しないよう保護することが可能になる。

例えば、ゲート駆動装置１０において、制御信号がオフの場合、電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが電圧検出閾値電圧ＶＴＨを超えたことを、電圧検出回路２０が検知し、切替スイッチ３０と切替スイッチ４０とを動作させる。これにより、電力用スイッチング素子１のゲート抵抗を増加させて、電力用スイッチング素子１のゲート電流を減少させることができる。そのゲート電流を減少させると、電力用スイッチング素子１のターンオフ速度を低下させ電力用スイッチング素子１のサージ電圧を低減させることができ、電力用スイッチング素子１の耐圧を超過しないよう保護することができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態のゲート駆動装置１０Ａの構成例を示す図である。本実施形態のゲート駆動装置１０Ａは、上述の第１の実施形態の切替スイッチ３０に代えて、切替スイッチ３０Ａを備える点が異なる。

次に、実施形態のゲート駆動装置１０Ａについて説明する。
ゲート駆動装置１０ＡとモジュールＭ１は、電力変換装置１００Ａに含まれる。ゲート駆動装置１０Ａは、電圧検出回路２０と、切替スイッチ３０Ａ（第１切替スイッチ）と、切替スイッチ４０（第２切替スイッチ）と、ゲート抵抗１１（第１ゲート抵抗）と、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２（第２ゲート抵抗）と、ゲートドライブ回路１３と、正バイアスゲート電圧源１５と、負バイアスゲート電圧源１６とを備える。なおスイッチ部６０Ａは、切替スイッチ３０Ａと、切替スイッチ４０とを含む。

切替スイッチ３０Ａは、例えば、スイッチング素子３１と、抵抗３２とを備えるとともに、抵抗３３と、定電圧ダイオード３４を更に備えている。

ゲート駆動装置１０Ａは、抵抗３３と定電圧ダイオード３４を新たに備えたことで、切替スイッチ３０Ａのスイッチング素子３１に印加するゲート・ソース間電圧Ｖｇｓ３の過電圧を抑制することで、スイッチング素子３１を保護することができる。また、サージ電圧抑制後に、ゲート電流がサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を経由して流れる状態から、ゲート電流がサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２を経由せずに切替スイッチ４０を経由して流れる状態になり、ゲート抵抗の大きさを切り替える動作を早めることができる。

抵抗３３が新たに備えられたことにより、スイッチング素子３１のゲート・ソース間に印加する電圧（ゲート電圧Ｖｇｓ３）は、電圧検出回路２０と切替スイッチ３０Ａとの接続点の電圧を抵抗３２と抵抗３３によって分圧した電圧になる。また、定電圧ダイオード３４は、抵抗３２と抵抗３３の合計電圧を定電圧ダイオード３４のアバランシ電圧以下に抑制する役割を持つため、スイッチング素子３１のゲート・ソース間に印加する電圧を抑制することでスイッチング素子３１を保護する。

スイッチング素子３１のゲート電圧Ｖｇｓ３は、抵抗３２と抵抗３３の分圧となるため、第１の実施形態の場合に比べても低減される。そのため、サージ電圧抑制後にスイッチング素子３１がオフする動作が早くなる。また、スイッチング素子３１の動作の開始は、電圧検出回路２０からのアバランシ電流の通流経路は変わっていない為、抵抗３３の電圧降下分の作動電圧が上昇するだけでありほぼ変化は無い。

（第３の実施形態）
図５は第３実施形態の電力用半導体駆動装置の構成例を示す図である。本実施形態の電力用半導体駆動装置Ｂは、上述の第２の実施形態の電力用半導体駆動装置Ａに対して、ダイオード１７を備える点が異なり、定電圧ダイオード３４を保護すること、負バイアスゲート電圧源１６の破壊を防止することなどを可能にする。

実施形態のゲート駆動装置１０Ｂについて説明する。
ゲート駆動装置１０ＢとモジュールＭ１は、電力変換装置１００Ｂに含まれる。ゲート駆動装置１０Ｂは、電圧検出回路２０と、切替スイッチ３０Ａ（第１切替スイッチ）と、切替スイッチ４０（第２切替スイッチ）と、ゲート抵抗１１（第１ゲート抵抗）と、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２（第２ゲート抵抗）と、ゲートドライブ回路１３と、正バイアスゲート電圧源１５と、負バイアスゲート電圧源１６と、ダイオード１７とを備える。なおスイッチ部６０Ａは、切替スイッチ３０Ａと、切替スイッチ４０とを含む。

ゲート駆動装置１０Ｂには、例えば、ゲート信号出力端子ＯＴ１と基準電位端子ＯＴ２と端子ＯＴ３とが設けられている。

ダイオード１７は、アノードが電圧検出回路２０と切替スイッチ３０Ａとの接続点に接続され、カソードが端子ＯＴ３に接続される。端子ＯＴ３は、例えば、基準電位端子ＯＴ２とともに、モジュールＭ１のソース端子ＳＴに接続される。

電力用スイッチング素子１のドレイン・ソース間の電圧Ｖｄｓが平常時の電圧範囲にあり、電圧検出回路２０から切替スイッチ３０Ａに電流が流れない場合には、定電圧ダイオード３４のカソード・アノード間には、電圧が発生しない。

また、定電圧ダイオード３４が逆バイアスされて、電圧検出回路２０から切替スイッチ３０Ａに電流が流れる場合には、その電流によって定電圧ダイオード３４のカソード・アノード間にアバランシ電圧が発生することがある。

なお、負バイアスゲート電圧源１６の電圧以下の電圧が定電圧ダイオード３４に印加された場合などに定電圧ダイオード３４が順バイアスされ、定電圧ダイオード３４に順方向電流が流れる場合がある。上記の場合は、正極Ｐの電圧が過度に低下した場合などに生じ得る。

ゲート駆動装置１０Ｂは、上記の場合になると、ダイオード１７がオン状態になり、電圧検出回路２０と切替スイッチ３０Ａとの接続点の電位が電力用スイッチング素子１のソースＳの電位と同等の電位に制限される。さらに、ダイオード１７は、端子ＯＴ３を介して電力用スイッチング素子１のソースＳ側に余剰電流を流す。これにより、定電圧ダイオード３４と負バイアスゲート電圧源１６に対する負荷を低減できる。

ダイオード１７のカソード側を電力用スイッチング素子１のソースに接続することで、電圧検出回路２０が切替スイッチ３０に流す電流を電力用スイッチング素子１のソースに流すことが可能となる。これにより、定電圧ダイオード３４に印加する電圧を抑制して定電圧ダイオード３４を保護することができる。

（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態のゲート駆動装置１０Ｃの構成例を示す図である。本実施形態のゲート駆動装置１０Ｃは、上述の第１実施形態のゲート駆動装置１０に、ショットキーバリアダイオード４８を新たに備える。

次に、実施形態のゲート駆動装置１０Ｃについて説明する。
ゲート駆動装置１０ＣとモジュールＭ１は、電力変換装置１００Ｃに含まれる。ゲート駆動装置１０Ｃは、電圧検出回路２０と、切替スイッチ３０（第１切替スイッチ）と、切替スイッチ４０Ｃ（第２切替スイッチ）と、ゲート抵抗１１（第１ゲート抵抗）と、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２（第２ゲート抵抗）と、ゲートドライブ回路１３と、正バイアスゲート電圧源１５と、負バイアスゲート電圧源１６とを備える。

切替スイッチ４０Ｃは、例えば、スイッチング素子４１と、抵抗４２と、抵抗４３と、定電圧ダイオード４６と、抵抗４７と、ショットキーバリアダイオード４８とを備える。

上記の通りスイッチング素子４１には還流ダイオード４１Ｄが内蔵されている。ショットキーバリアダイオード４８は、還流ダイオード４１Ｄに並列に、互いに同じ極性になるように接続される。例えば、ショットキーバリアダイオード４８は、還流ダイオード４１Ｄに並列に接続され、アノード側がゲートドライブ回路１３に、カソード側がゲート抵抗１１とサージ電圧抑制用ゲート抵抗１２との間の接続導体に接続される。

切替スイッチ４０Ｃの論理的作用と切替スイッチ４０の論理的作用とを比較すると、切替スイッチ４０Ｃの論理的作用において、切替スイッチ４０Ｃがショットキーバリアダイオード４８を有することによって、切替スイッチ４０の論理的作用に差が生じることはない。ショットキーバリアダイオード４８の順方向電圧は、スイッチング素子４１には還流ダイオードの順方向電圧より小さい。これにより、ゲート電流は、スイッチング素子４１の還流ダイオード４１Ｄに流れずに、ショットキーバリアダイオード４８に流れる。

上記の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏することのほか、スイッチング素子４１の還流ダイオードの特性劣化を防止することができる。

（実施形態に共通する第１変形例）
実施形態に共通する第１変形例について説明する。
図７は、実施形態の変形例のモジュールＭＰの構成例を示す図である。本実施形態のモジュールＭＰは、上述の第１実施形態のゲート駆動装置１０などにより駆動される。

モジュールＭＰは、電力用スイッチング素子１Ａと、電力用スイッチング素子１Ｂと、ゲート抵抗２Ａと、ゲート抵抗２Ｂとを備える。モジュールＭＰには、電力用スイッチング素子１Ａと、電力用スイッチング素子１Ｂとに共通のゲート端子ＧＴとソース端子ＳＴとが設けられている。

例えば、電力用スイッチング素子１Ａと電力用スイッチング素子１Ｂは、電力用スイッチング素子１と同様のものであってよい。例えば、電力用スイッチング素子１Ａと電力用スイッチング素子１Ｂは、複数のユニポーラトランジスタを電気的に接続したものの一例である。

電力用スイッチング素子１Ａと電力用スイッチング素子１Ｂは、夫々のソースとドレインが、互いに並列に接続されている。このように並列に接続することにより、モジュールＭＰとしての許容電流容量を、同種の電力用スイッチング素子を単独で用いる場合に比べて増やすことができる。

上記のように、複数の電力用スイッチング素子を並列に接続する場合、夫々の電力用スイッチング素子の特性のばらつきを吸収するために、モジュールＭＰ内部に、ゲート抵抗としてゲート抵抗２Ａとゲート抵抗２Ｂをそれぞれ独立に設けることがある。

例えば、ゲート端子ＧＴは、モジュールＭＰの内部で、ゲート抵抗２Ａを介して電力用スイッチング素子１ＡのゲートＧと、ゲート抵抗２Ｂを介して電力用スイッチング素子１ＢのゲートＧとに接続されている。ソース端子ＳＴは、モジュールＭＰの内部で電力用スイッチング素子１Ａと電力用スイッチング素子１ＢのソースＳに接続されている。ゲート抵抗２Ａとゲート抵抗２Ｂは、前述のゲート抵抗２に相当する。

ゲート駆動装置１０であれば、第１変形例としてのモジュールＭＰを駆動する場合においても、並列に接続された電力用スイッチング素子のドレイン電圧を判定することにより、電力用スイッチング素子のドレイン・ソース間の過電圧を検出することができ、電力用スイッチング素子の耐圧を超過しないよう保護することができる。

（実施形態に共通する第２変形例）
実施形態に共通する第２変形例について説明する。
図８は、実施形態の変形例のモジュールＭ２の構成例を示す図である。
電力変換装置１００Ｄは、モジュールＭ２とゲート駆動装置１０Ｐとゲート駆動装置１０Ｎを備える。電力変換装置１００Ｄは、例えば、ハーフブリッジ型のインバータである。

モジュールＭ２は、電力用スイッチング素子１Ｐと、電力用スイッチング素子１Ｎと、ゲート抵抗２Ｐと、ゲート抵抗２Ｎとを備える。モジュールＭ２は、さらに、ゲート端子ＧＴＰとソース端子ＳＴＰの対と、ゲート端子ＧＴＮとソース端子ＳＴＮの対とを備える。ゲート端子ＧＴＰとソース端子ＳＴＰの対と、ゲート端子ＧＴＮとソース端子ＳＴＮの対のそれぞれは、ゲート端子ＧＴとソース端子ＳＴの対に相当する。

電力用スイッチング素子１Ｐと電力用スイッチング素子１Ｎのそれぞれは、電力用スイッチング素子１と同様のものであってよい。電力用スイッチング素子１Ｐと電力用スイッチング素子１Ｎは、図示されない電源の正極Ｐと負極Ｎとの間に、電力用スイッチング素子１Ｐのソースと電力用スイッチング素子１Ｎのドレインを繋いで接続され、レグを形成する。上記の電力用スイッチング素子１Ｐと電力用スイッチング素子１Ｎの接続点は、図示されない負荷に接続される。例えば、電力用スイッチング素子１Ｐと電力用スイッチング素子１Ｎは、電気的に接続された複数のユニポーラトランジスタの一例である。

ゲート抵抗２Ｐは、ゲート端子ＧＴＰと電力用スイッチング素子１Ｐのゲートとの間に接続される。ソース端子ＳＴＰは、モジュールＭ２の内部で電力用スイッチング素子１ＰのソースＳに接続されている。ゲート抵抗２Ｎは、ゲート端子ＧＴＮと電力用スイッチング素子１Ｎのゲートとの間に接続される。ソース端子ＳＴＮは、モジュールＭ２の内部で電力用スイッチング素子１ＮのソースＳに接続されている。ゲート抵抗２Ｐとゲート抵抗２Ｎは、前述のゲート抵抗２に相当する。

上記の電力用スイッチング素子１Ｐとゲート駆動装置１０Ｐとの関係と、電力用スイッチング素子１Ｎとゲート駆動装置１０Ｎとの関係は、前述の電力用スイッチング素子１とゲート駆動装置１０との関係に夫々対応する。

例えば、ゲート駆動装置１０Ｐには、ゲート信号出力端子ＯＴ１Ｐと基準電位端子ＯＴ２Ｐとが設けられている。ゲート信号出力端子ＯＴ１Ｐは、ゲート駆動装置１０Ｐが信号を出力するための出力端子である。ゲート信号出力端子ＯＴ２Ｐは、ゲート駆動装置１０Ｐにおける基準電位に設定される。ゲート信号出力端子ＯＴ１Ｐとゲート信号出力端子ＯＴ２Ｐは、対にして利用され、それぞれが、ゲート端子ＧＴＰとソース端子ＳＴＰとに接続される。電力用スイッチング素子１Ｐは、ゲート駆動装置１０Ｐにより駆動される。

また、例えば、ゲート駆動装置１０Ｎには、ゲート信号出力端子ＯＴ１Ｎと基準電位端子ＯＴ２Ｎとが設けられている。ゲート駆動装置１０Ｎにおけるゲート信号出力端子ＯＴ１Ｎと基準電位端子ＯＴ２Ｎは、ゲート駆動装置１０Ｐにおけるゲート信号出力端子ＯＴ１Ｐとゲート信号出力端子ＯＴ２Ｐと同様にゲート端子ＧＴＮとソース端子ＳＴＮとに接続される。電力用スイッチング素子１Ｎは、ゲート駆動装置１０Ｎにより駆動される。

ゲート駆動装置１０Ｐが出力するゲート制御信号による制御量と、ゲート駆動装置１０Ｎが出力するゲート制御信号による制御量は、所定の規則によりそれぞれ決定される。

つまり、ゲート駆動装置１０Ｐとゲート駆動装置１０Ｎは、それぞれ独立にゲート制御信号を出力し、電力用スイッチング素子１Ｐと電力用スイッチング素子１Ｎに生じ得る過電圧状態を独立に抑制するように機能する。

このように、互いに直列に接続された電力用スイッチング素子を制御対象にする事例についても、実施形態と同様の効果を奏する。

（実施形態に共通する第３変形例）
実施形態に共通する第３変形例について説明する。

本変形例のゲート駆動装置１０により駆動されるモジュールＭ１には、モジュールＭ１の内部に形成されるユニポーラトランジスタのゲート抵抗の抵抗値が、ゲート抵抗１１の抵抗値より大きいことがある。

ゲート駆動装置１０は、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２と、サージ電圧抑制用ゲート抵抗１２の迂回経路の導通状態を上記のように切り替えることにより、このようなゲート抵抗の抵抗値を示すモジュールＭ１であっても、そのモジュールＭ１を駆動することができ、懸念されるサージ電圧の発生を抑制することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、実施形態の電力用半導体駆動装置は、第一ゲート抵抗と、第二ゲート抵抗と、電圧検出回路と、スイッチ部とを持つ。第一ゲート抵抗は、電力用スイッチング素子の状態を制御するための信号を出力するゲートドライブ回路と前記電力用スイッチング素子のゲートとの間を接続する接続導体に設けられる。第二ゲート抵抗は、前記接続導体に設けられ、前記第一ゲート抵抗に直列に接続される。電圧検出回路は、前記電力用スイッチング素子のドレイン・ソース間の過電圧状態を検出する。スイッチ部は、前記第二ゲート抵抗の迂回経路側に設けられ、前記ゲートドライブ回路が前記電力用スイッチング素子をオン状態に制御するためのオン状態指令信号を出力する場合に前記迂回経路を経て前記オン状態指令信号を前記電力用スイッチング素子のゲートに供給し、前記ゲートドライブ回路が前記電力用スイッチング素子をオフ状態に制御するためのオフ状態指令信号を出力している間に前記過電圧状態が検出されない場合に前記迂回経路を経て前記オフ状態指令信号を前記電力用スイッチング素子のゲートへ供給し、前記ゲートドライブ回路が前記オフ状態指令信号を出力している間に前記過電圧状態が検出された場合に前記第二ゲート抵抗を経て前記オフ状態指令信号を前記電力用スイッチング素子のゲートへ供給させる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｎ、１Ｐ…電力用スイッチング素子 ２、２Ａ、２Ｂ、２Ｎ、２Ｐ…ゲート抵抗 ＧＴ、ＧＴＮ、ＧＴＰ…ゲート端子 １０、１０Ｎ、１０Ｐ…ゲート駆動装置 １１…ゲート抵抗 １２…サージ電圧抑制用ゲート抵抗 １３…ゲートドライブ回路 １４…ＯＮ/ＯＦＦ制御部 １５…正バイアスゲート電圧源 １６…負バイアスゲート電圧源 １７…ダイオード ２０…電圧検出回路 ２１…定電圧ダイオード ２２…抵抗 ３０…切替スイッチ ３１…スイッチング素子 ３２…抵抗 ３３…抵抗 ３４…定電圧ダイオード ４０…切替スイッチ ４１…スイッチング素子 ４２…抵抗 ４３…抵抗 ４６…定電圧ダイオード ４７…抵抗 ４８…ショットキーバリアダイオード ６０…スイッチ部 Ｍ１、Ｍ２、ＭＰ…モジュール ＯＴ１、ＯＴ１Ｎ、ＯＴ１Ｐ…ゲート信号出力端子 ＯＴ２、ＯＴ２Ｎ、ＯＴ２Ｐ…基準電位端子 ＯＴ３…端子

Claims (12)

1. 電力用スイッチング素子の状態を制御するための信号を出力するゲートドライブ回路と前記電力用スイッチング素子のゲートとの間を接続する接続導体に設けられる第一ゲート抵抗と、
   前記接続導体に設けられ、前記第一ゲート抵抗に直列に接続される第二ゲート抵抗と、
   前記電力用スイッチング素子のドレイン・ソース間の過電圧状態を検出する電圧検出回路と、
   前記第二ゲート抵抗の迂回経路側に設けられ、前記ゲートドライブ回路が前記電力用スイッチング素子をオン状態に制御するためのオン状態指令信号を出力する場合に前記迂回経路を経て前記オン状態指令信号を前記電力用スイッチング素子のゲートに供給し、前記ゲートドライブ回路が前記電力用スイッチング素子をオフ状態に制御するためのオフ状態指令信号を出力している間に前記過電圧状態が検出されない場合に前記迂回経路を経て前記オフ状態指令信号を前記電力用スイッチング素子のゲートへ供給し、前記ゲートドライブ回路が前記オフ状態指令信号を出力している間に前記過電圧状態が検出された場合に前記第二ゲート抵抗を経て前記オフ状態指令信号を前記電力用スイッチング素子のゲートへ供給させるスイッチ部と
   を備え、
   前記スイッチ部は、
   前記電圧検出回路によって前記過電圧状態が検出されるとオン状態になる第１切替スイッチと、
   前記第二ゲート抵抗には並列回路があり、前記第１切替スイッチがオン状態になることにより前記並列回路をオフ状態にする第２切替スイッチと、
   を備え、
   前記第２切替スイッチは、
   前記並列回路を遮断するように設けられたスイッチング素子を含み、
   前記第１切替スイッチは、
   前記スイッチング素子を制御するための制御用スイッチング素子と、
   アノード側が前記制御用スイッチング素子のソース側に接続され、カソード側が前記電圧検出回路との接続点に接続される第２定電圧ダイオードと、
   前記制御用スイッチング素子のゲートに第１端が接続され第２端が前記接続点に接続される第１抵抗と、
   前記制御用スイッチング素子のゲート・ソース間に接続される第２抵抗と、
   を備える電力用半導体駆動装置。
2. 前記電圧検出回路は、
   前記電力用スイッチング素子のドレイン端子に接続され、前記電力用スイッチング素子のドレイン・ソース間の電圧が閾値とした電圧を超えた時にカソードからアノードへ向かう方向に電流を流す第１定電圧ダイオード
   を備える請求項１に記載の電力用半導体駆動装置。
3. 前記第２切替スイッチがオフ状態になることで前記電力用スイッチング素子のゲート抵抗の抵抗値が前記第二ゲート抵抗の抵抗値分増加する、
   請求項１に記載の電力用半導体駆動装置。
4. 前記電圧検出回路により前記過電圧状態が検知されない場合、前記第１切替スイッチはオフ状態になる、
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の電力用半導体駆動装置。
5. 前記第２切替スイッチは、
   前記過電圧状態が検出されずに前記ゲートドライブ回路が前記電力用スイッチング素子をターンオンさせる際、及び前記過電圧状態が検出されずに前記電力用スイッチング素子をターンオフさせる際にオン状態になる、
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載の電力用半導体駆動装置。
6. 前記接続点にアノード側が接続され、カソード側が前記電力用スイッチング素子のソースに接続される第１ダイオード
   を備える請求項１に記載の電力用半導体駆動装置。
7. 前記第２切替スイッチのスイッチング素子に並列に接続され、アノード側が前記ゲートドライブ回路に、カソード側が前記第一ゲート抵抗と前記第二ゲート抵抗との間の前記接続導体に接続される第２ダイオード
   を備える請求項１から請求項６の何れか１項に記載の電力用半導体駆動装置。
8. 前記電力用スイッチング素子は、
   複数のユニポーラトランジスタを電気的に接続したものである、
   請求項１から請求項７の何れか１項に記載の電力用半導体駆動装置。
9. 前記複数のユニポーラトランジスタは、
   互いに並列に接続されている、
   請求項８に記載の電力用半導体駆動装置。
10. 前記電力用スイッチング素子を含むモジュールの内部に形成される前記電力用スイッチング素子のゲート抵抗の抵抗値が、前記第一ゲート抵抗の抵抗値より大きい、
    請求項１から請求項９の何れか１項に記載の電力用半導体駆動装置。
11. 電力用スイッチング素子のゲートに電気的に接続されるゲート信号出力端子と、
    前記電力用スイッチング素子のゲート信号出力端子と接続される第一ゲート抵抗と、
    前記第一ゲート抵抗と前記電力用スイッチング素子のスイッチングを制御するゲートドライブ回路との間に接続される第二ゲート抵抗と、
    前記電力用スイッチング素子のドレイン端子に接続され、前記電力用スイッチング素子のドレイン・ソース間の電圧が閾値電圧を超えた時にカソードからアノードへ向かう方向に電流を流す第１定電圧ダイオードを含む電圧検出回路と、
    前記電力用スイッチング素子のドレイン・ソース間の電圧が前記電圧検出回路の閾値電圧を超える場合にアノードへ向かう電流によってオン動作する第１スイッチング素子を含む第１切替スイッチと、
    前記第１切替スイッチがオン動作することでオフ動作する第２スイッチング素子を含み、前記第二ゲート抵抗に並列に接続され、前記第一ゲート抵抗にソース側が接続されている第２切替スイッチと、
    を備え、
    前記第１切替スイッチは、さらに
    アノード側が前記第１スイッチング素子のソース側に接続され、カソード側が前記電圧検出回路との接続点に接続される第２定電圧ダイオードと、
    前記第１スイッチング素子のゲートに第１端が接続され第２端が前記接続点に接続される第１抵抗と、
    前記第１スイッチング素子のゲート・ソース間に接続される第２抵抗と、
    を備え、
    前記第２切替スイッチがオフ動作することで前記電力用スイッチング素子のゲート抵抗の抵抗値が前記第二ゲート抵抗の抵抗値分増加する、
    電力用半導体駆動装置。
12. 請求項１から請求項１１の何れか１項に記載の電力用半導体駆動装置と、
    前記電力用スイッチング素子と、
    を備える電力変換装置。

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