JPWO2018150789A1

JPWO2018150789A1 - スイッチ回路

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Publication number: JPWO2018150789A1
Application number: JP2018568050A
Authority: JP
Inventors: 高野　洋; 洋高野
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2019-12-12
Also published as: US10608520B2; US20190363626A1; WO2018150789A1

Abstract

スイッチ回路は、直流電源の第１電極端子と第１接続点との間に直列に接続されるように第１接続点に接続された第１スイッチと、直流電源の第２電極端子に接続される第２接続点と第１接続点との間に直列に接続された第２スイッチと、ソフトスイッチ回路と、パワースイッチ素子と、制御部とを備える。ソフトスイッチ回路は、第１と第２接続点のうちの一方と第３接続点との間に直列に接続されたコンデンサと、第１と第２接続点のうちの他方と第３接続点との間に直列に接続された充放電スイッチと、充放電スイッチに並列に接続された充放電抵抗とを有する。パワースイッチ素子は、ドレイン端子と、第１接続点に接続されたゲート端子と、第２接続点に接続されたソース端子とを有する。制御部は、第１スイッチがオンであるときにパワースイッチ素子のドレイン端子とソース端子とに流れる電流が所定の閾値以上であることを検出した時点に第１スイッチをオフにしてかつ第２スイッチ素オフにしてかつ充放電スイッチをオフからオンへと切り換える。

Description

本発明は、パワースイッチ素子を備えたスイッチ回路に関する。

図８は従来のスイッチ回路１の回路ブロック図であり、図９Ａと図９Ｂは従来のスイッチ回路１の動作を示すタイミングチャートである。

スイッチ回路１は駆動回路２にパワー半導体３が接続されている。スイッチ回路１は直流電源４に接続されたスイッチ５、６を有し、パワー半導体３のゲート端子７へターンオン信号とターンオフ信号とを交互に供給する。駆動回路２には制御部８が設けられ、ゲート端子７へターンオン信号を供給するために、制御部８は制御信号ＳＡＡ、ＳＢＢをスイッチ５、６にそれぞれ入力することによりスイッチ５をオンさせると同時にスイッチ６をオフさせる。同様に、ゲート端子７へターンオフ信号を供給するために、制御部８は制御信号ＳＡＡ、ＳＢＢをスイッチ５、６にそれぞれ入力することによりスイッチ５をオフさせると同時にスイッチ６をオンさせる。図９Ａは上記の動作を示す通常時のタイミングチャートである。

また、ゲート端子７には、スイッチ６に接続されたスイッチ９が設けられている。スイッチ９は、パワー半導体３に過電流が流れたときにパワー半導体３をソフトターンオフさせるために設けられている。図９Ｂは上記のトライステート動作である過電流を検出した時の動作を示すタイミングチャートである。ここで、パワー半導体３のゲート端子７へターンオン信号が供給され、パワー半導体３のドレイン端子とソース端子とに電流Ｉｄｓが流れる。電流Ｉｄｓが流れているときに、時点ｔ１ｓで電流Ｉｄｓが何らかの原因によって過大になると、制御部８は制御信号ＳＡＡ、ＳＣＣをスイッチ５、９にそれぞれ入力することによりスイッチ５をオフさせるとともにスイッチ９をオンさせる。

スイッチ５、６に比較してスイッチ９はオン状態でのインピーダンスが高い。パワー半導体３のゲート端子７とソース端子の間には寄生容量が存在する。このため、上記のように電流Ｉｄｓが過大になりスイッチ５がオフされてスイッチ９がオンされると、寄生容量に蓄えられていた電荷がスイッチ９のインピーダンスを流れることによって、ゲート端子７の電圧は徐々に低下する。これに伴い、電流Ｉｄｓも突然に低下するのではなく徐々に低下する。これにより、駆動回路２内に存在するリアクタンス成分に起因するサージ電圧がドレイン端子とソース端子の間に生じることを抑制する。

スイッチ回路１に類似する従来のスイッチ回路は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００９−２１３３０５号公報

スイッチ回路は、直流電源の第１電極端子と第１接続点との間に直列に接続されるように第１接続点に接続された第１スイッチと、直流電源の第２電極端子に接続される第２接続点と第１接続点との間に直列に接続された第２スイッチと、ソフトスイッチ回路と、パワースイッチ素子と、制御部とを備える。ソフトスイッチ回路は、第１と第２接続点のうちの一方と第３接続点との間に直列に接続されたコンデンサと、第１と第２接続点のうちの他方と第３接続点との間に直列に接続された充放電スイッチと、充放電スイッチに並列に接続された充放電抵抗とを有する。パワースイッチ素子は、ドレイン端子と、第１接続点に接続されたゲート端子と、第２接続点に接続されたソース端子とを有する。制御部は、第１スイッチをオンにしていると同時に第２スイッチをオフにしており、その後、第１スイッチをオフにしていると同時に第２スイッチをオンにしている第１制御を反復して実行する。制御部は、第１制御において第２スイッチをオフからオンへと切り換えた時点から所定の期間だけ経過した時点で充放電スイッチをオフからオンへと切り換え、その後、第１制御において第２スイッチをオンからオフへと切り換えると同時に充放電スイッチをオンからオフへと切り換える第２制御を反復して実行する。制御部は、第１スイッチがオンであるときにパワースイッチ素子のドレイン端子とソース端子とに流れる電流が所定の閾値以上であることを検出した時点に第１スイッチをオフにしてかつ第２スイッチをオフにしてかつ充放電スイッチをオフからオンへと切り換える。

このスイッチ回路は、簡単な制御によってドレイン端子とソース端子との間の過電流を抑制することができる。

図１は実施の形態におけるスイッチ回路の回路ブロック図である。図２は実施の形態におけるスイッチ回路を用いたインバータ回路の回路ブロック図である。図３は実施の形態におけるスイッチ回路の通常時の動作を示す図である。図４は実施の形態におけるスイッチ回路の過電流を検出した時の動作を示す図である。図５は実施の形態における他のスイッチ回路の回路ブロック図である。図６は実施の形態におけるさらに他のスイッチ回路の回路ブロック図である。図７は実施の形態におけるさらに他のスイッチ回路の回路ブロック図である。図８は従来のスイッチ回路の回路ブロック図である。図９Ａは従来のスイッチ回路の動作を示す図である。図９Ｂは従来のスイッチ回路の動作を示す図である。

図１は実施の形態におけるスイッチ回路１０の回路ブロック図である。スイッチ回路１０は、直流電源１１と、スイッチ１２と、スイッチ１３と、ソフトスイッチ回路１４と、パワースイッチ素子１５と、制御部１６とを含む。直流電源１１は互いに反対の極性を有する電極端子１１Ａ、１１Ｂを有し、電極端子１１Ａ、１１Ｂの間に直流電圧を出力する。スイッチ１２とスイッチ１３とソフトスイッチ回路１４と制御部１６とはパワースイッチ素子１５を駆動するパワースイッチ素子駆動回路１００Ａを構成する。スイッチ回路１０は直流電源１１と共に用いられる。直流電源１１は電極端子１１Ａと電極端子１１Ｂとを有し、電極端子１１Ａと電極端子１１Ｂとの間に直流電圧を供給する。スイッチ１２は端１２Ａ、１２Ｂと制御端１２Ｃとを有する。制御端１２Ｃに入力された制御信号ＳＡに応じて、端１２Ａ、１２Ｂの間が接続されてスイッチ１２がオンされ、端１２Ａ、１２Ｂの間が開放されてオフされる。同様に、スイッチ１３は端１３Ａ、１３Ｂと制御端１３Ｃとを有する。制御端１３Ｃに入力された制御信号ＳＢに応じて、端１３Ａ、１３Ｂの間が接続されてスイッチ１３がオンされ、端１３Ａ、１３Ｂの間が開放されてオフされる。図１に示すスイッチ回路１０では、パワースイッチ素子１５はｎチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴである。また、直流電源１１の電極端子１１Ａは正極であり、電極端子１１Ｂは負極である。すなわち、直流電源１１は電極端子１１Ａの電位が電極端子１１Ｂでの電位より高くなるように電極端子１１Ａ、１１Ｂの間に直流電圧を供給する。

スイッチ１２の端１２Ａは直流電源１１の電極端子１１Ａに接続され、スイッチ１３の端１３Ｂは直流電源１１の電極端子１１Ｂに接続される接続点１３Ｐに接続されている。図１に示すスイッチ回路１０では、直流電源１１の正極である電極端子１１Ａに接続されるスイッチ１２は正極側スイッチとして機能し、負極である電極端子１１Ｂに接続されるスイッチ１３は負極側スイッチとして機能する。スイッチ１２の端１２Ｂは接続点１７でスイッチ１３の端１３Ａに接続されている。ソフトスイッチ回路１４は接続点１７と接続点１３Ｐとに接続されている。ソフトスイッチ回路１４は、互いに並列に接続された充放電スイッチ１８と充放電抵抗１９とを有する並列部２０と、並列部２０に直列に接続されたコンデンサ２１とを有する。並列部２０は接続点１７に接続されており、コンデンサ２１は直流電源１１の電極端子１１Ｂに接続される接続点１３Ｐに接続されている。パワースイッチ素子１５は、ドレイン端子１５Ｄとゲート端子１５Ｇとソース端子１５Ｓとを有する。ゲート端子１５Ｇは接続点１７に接続され、ソース端子１５Ｓは直流電源１１の電極端子１１Ｂに接続される接続点１３Ｐに接続されている。制御部１６は、パワースイッチ素子１５におけるドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓに流れる電流Ｉｄｓを検出するとともに、スイッチ１２の制御端１２Ｃとスイッチ１３の制御端１３Ｃと充放電スイッチ１８の制御端１８Ｃを介してこれらのスイッチの動作を直接的あるいは間接的に制御する。

ソフトスイッチ回路１４では、並列部２０はコンデンサ２１と直列に接続されている。したがって、並列部２０とコンデンサ２１とは互いに置き換えてよい。すなわち、並列部２０は直流電源１１の電極端子１１Ｂに接続される接続点１３Ｐに接続されていてもよく、コンデンサ２１は接続点１７に接続されていてもよい。このように、ソフトスイッチ回路１４では、コンデンサ２１は接続点１３Ｐ、１７のうちの一方と接続点１４Ｐとの間に直列に接続されている。充放電スイッチ１８は、接続点１３Ｐ、１７のうちの他方と接続点１４Ｐとの間に直列に接続されている。充放電抵抗１９は、充放電スイッチ１８に並列に接続されている。

制御部１６は通常時の動作として第１制御を反復して実行し、第２制御を反復して実行する。第１制御は、スイッチ１２とスイッチ１３とに対する制御であり、制御部１６はスイッチ１２とスイッチ１３とを相補的にオン、オフする。第２制御は、充放電スイッチ１８に対する制御であり、制御部１６は第１制御においてスイッチ１３をオフからオンへと切り換えた時点から所定の期間だけ経過した時点で充放電スイッチ１８をオフからオンへと切り換えるとともに、第１制御においてスイッチ１３をオンからオフへと切り換えると同時に充放電スイッチ１８をオンからオフへと切り換える。

制御部１６は、過電流を検出した異常時の動作として、スイッチ１２がオンの状態であるときに突入電流などがパワースイッチ素子１５に流れて電流Ｉｄｓが所定の閾値以上であることを検出した時点にスイッチ１２をオフにしてスイッチ１３をオンにするとともに充放電スイッチ１８をオフからオンへと切り換える。

以上の構成および動作により、ゲート端子１５Ｇとソース端子１５Ｓとの間の電圧Ｖｇｓが電極端子１１Ａに接続されるプルアップ状態から電極端子１１Ｂに接続されるプルダウン状態へと向かう。これにより、コンデンサ２１に蓄えられていた電荷が放出されるので、パワースイッチ素子１５のゲート端子１５Ｇへ印加される電圧はハイレベルから、ハイレベルより低いローレベルへと漸減する。これに伴ってパワースイッチ素子１５に流れる電流Ｉｄｓも漸減する。

以上のことから、スイッチ１２とスイッチ１３とは常に相補的に反転動作する簡単な制御が維持されたうえで、パワースイッチ素子１５に流れる電流Ｉｄｓが過大になる過電流を抑制し、および電流Ｉｄｓの急変によりリアクタンス成分１００Ｌの両端に発生するサージ電圧を抑制することが可能となる。この結果、パワースイッチ素子１５への過電圧の印加が抑制され、パワースイッチ素子１５の高信頼性および長寿命化を維持することができる。

以下でスイッチ回路１０の構成および動作について詳しく説明する。図２はスイッチ回路１０を用いたインバータ回路２２の回路ブロック図である。

インバータ回路２２は、正電位側給電部２３と、負電位側給電部２４と、パルス波形出力部２５と、正電位側給電部２３とパルス波形出力部２５との間に設けられた上側アームのスイッチ回路１０Ａと、負電位側給電部２４とパルス波形出力部２５との間に設けられた下側アームのスイッチ回路１０Ｂとを有する。スイッチ回路１０Ａ、１０Ｂのそれぞれは図１に示すスイッチ回路１０と同じ構成を有する。スイッチ回路１０Ａは、上側アームにおけるパワースイッチ素子１５のオンデューティに応じた電圧＋Ｖをパルス波形出力部２５へ出力する。スイッチ回路１０Ｂは、下側アームにおけるパワースイッチ素子１５のオンデューティに応じた電圧−Ｖをパルス波形出力部２５へ出力する。これにより、パルス波形出力部２５からは電圧＋Ｖと電圧−Ｖとが交互に交流電圧として出力される。

スイッチ回路１０Ａ、１０Ｂは、動作のタイミングと出力電圧の極性とが反転している点を除いては、同じ構成を有して同様に動作する。電源制御回路２２Ａがスイッチ回路１０Ａ、１０Ｂの双方に接続されて、スイッチ回路１０Ａ、１０Ｂの動作のタイミングや、先に説明したパワースイッチ素子１５のデューティを制御する。

次に、上記の動作を説明する。図３は図２に示すスイッチ回路１０Ａ（１０）の通常時の動作を示すタイミングチャートである。

図３は、スイッチ１２の制御端１２Ｃに入力される制御信号ＳＡと、スイッチ１３の制御端１３Ｃに入力される制御信号ＳＢと、充放電スイッチ１８の制御端１８Ｃに入力される制御信号ＳＣと、パワースイッチ素子１５のゲート端子１５Ｇとソース端子１５Ｓとの間の電圧Ｖｇｓと、スイッチ回路１０Ａ（１０）の出力電圧Ｖ２３を示す。図３において、縦軸は制御信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣと電圧Ｖｇｓと出力電圧Ｖ２３とを示し、横軸は時間を示す。出力電圧Ｖ２３は実施の形態ではパワースイッチ素子１５のドレイン端子１５Ｄの電圧である。制御信号ＳＡがＯＮレベルであるときはスイッチ１２の端１２Ａ、１２Ｂを導通させてスイッチ１２をオンにし、制御信号ＳＡがＯＦＦレベルであるときはスイッチ１２の端１２Ａ、１２Ｂを開放してスイッチ１２をオフにする。同様に、制御信号ＳＢがＯＮレベルであるときはスイッチ１３の端１３Ａ、１３Ｂを導通させてスイッチ１３をオンにし、制御信号ＳＢがＯＦＦレベルであるときはスイッチ１３の端１３Ａ、１３Ｂを開放してスイッチ１３をオフにする。制御信号ＳＣがＯＮレベルであるときは充放電スイッチ１８の端１８Ａ、１８Ｂを導通させて充放電スイッチ１８をオンにし、制御信号ＳＣがＯＦＦレベルであるときは充放電スイッチ１８の端１８Ａ、１８Ｂを開放して充放電スイッチ１８をオフにする。電圧Ｖｇｓは、パワースイッチ素子１５をオンするすなわちドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓとの間を導通状態にするハイレベルと、パワースイッチ素子１５をオフするすなわちドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓとの間を非導通状態にするローレベルとに切り替えられる。

まず、スイッチ回路１０が通常に動作しているとき、言い換えると、パワースイッチ素子１５に過電流が流れずに、ドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓに流れる電流Ｉｄｓが所定の閾値Ｉｓより小さいときのスイッチ回路１０の動作について説明する。制御部１６は通常の動作として、第１制御を反復して実行しながら第２制御を反復して実行する。

第１制御は、スイッチ１２とスイッチ１３とに対する制御であり、スイッチ１２とスイッチ１３とを交互にオン、オフさせる。すなわち、スイッチ１２がオンしているときにはスイッチ１３はオフであり、スイッチ１２がオフしているときにはスイッチ１３はオンしており、このように制御部１６はスイッチ１２とスイッチ１３とを相補的にオン、オフさせる。スイッチ１２の制御端１２Ｃは信号反転回路２６を介してスイッチ１３の制御端１３Ｃと接続されている。図１に示す実施の形態におけるスイッチ回路１０では、スイッチ１２の制御端１２Ｃへ入力される制御信号ＳＡが信号反転回路２６によってＯＮレベルとＯＦＦレベルとを反転されて制御信号ＳＢとしてスイッチ１３の制御端１３Ｃへ入力される。スイッチ１３の制御端１３Ｃへ入力される制御信号ＳＢが信号反転回路２６によってＯＮレベルとＯＦＦレベルとを反転されたうえで制御信号ＳＡとしてスイッチ１２の制御端１２Ｃへ入力されてもよい。具体的には、制御部１６は、時点ｔ０にスイッチ１２をオンにしてスイッチ１３をオフにし、時点ｔ０から時点ｔ１までの期間Ｔｃ１においてスイッチ１２を継続してオンにしてスイッチ１３を継続的にオフにする。制御部１６は、時点ｔ１にスイッチ１２をオフにしてスイッチ１３をオンにし、時点ｔ１から時点ｔ２までの期間Ｔｋ１においてスイッチ１２を継続してオフにしてスイッチ１３を継続的にオンにする。制御部１６は、時点ｔ２にスイッチ１２をオンにしてスイッチ１３をオフにし、時点ｔ２から時点ｔ３までの期間Ｔｃ２においてスイッチ１２を継続してオンにしてスイッチ１３を継続的にオフにする。制御部１６は、時点ｔ３にスイッチ１２をオフにしてスイッチ１３をオンにし、時点ｔ３から時点ｔ４までの期間Ｔｋ２においてスイッチ１２を継続してオフにしてスイッチ１３を継続的にオンにする。時点ｔ４以後も同様に、制御部１６はスイッチ１２とスイッチ１３とを交互に相補的に交互にオン、オフさせる。このように、制御部１６は、制御端１２Ｃ、１３Ｃのうちの一方のみに単一の制御信号を入力することで制御を実行する。

第２制御は、充放電スイッチ１８に対する制御である。制御部１６は上記の第１制御においてスイッチ１２がオンでありかつスイッチ１３がオフである期間Ｔｃ１（Ｔｃ２）は充放電スイッチ１８を継続してオフにする。制御部１６は上記の第１制御においてスイッチ１３をオフからオンへと切り換えた時点ｔ１（ｔ３）から所定の期間Ｔｄだけ経過した時点ｔｇ１（ｔｇ２）に充放電スイッチ１８をオフからオンへと切り換える。その後、時点ｔ２（ｔ４）においてスイッチ１３をオンからオフへと切り換えると同時に充放電スイッチ１８をオンからオフへと切り換える。また、制御部１６が充放電スイッチ１８をオフからオンへと切り換えた時点から所定の期間Ｔｐ１（Ｔｐ２）だけ経過した時点でスイッチ１３をオンからオフへと切り換えると同時に充放電スイッチ１８をオンからオフへと切り換える。したがって、期間Ｔｄと期間Ｔｐ１（Ｔｐ２）とを合計した期間Ｔｋ１（Ｔｋ２）にスイッチ１３が継続してオンされておりかつスイッチ１２が継続してオフされている。期間Ｔｃ１（Ｔｃ２）においてスイッチ１２が継続してオンされかつスイッチ１３が継続してオフされている。

期間Ｔｃ１（Ｔｃ２）では、パワースイッチ素子１５のゲート端子１５Ｇへ印加される電圧はプルアップされていてパワースイッチ素子１５のドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓとの間は導通状態となっている。このとき充放電スイッチ１８はオフとなっているので、充放電抵抗１９を通じてコンデンサ２１は充電される。

つぎに期間Ｔｄでは、パワースイッチ素子１５のゲート端子１５Ｇへ印加される電圧はプルダウンされていてパワースイッチ素子１５のドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓとの間は非導通状態となっている。このとき充放電スイッチ１８はオフとなっているので、充放電抵抗１９を通じてコンデンサ２１は放電する。

この後、期間Ｔｐ１（Ｔｐ２）では、パワースイッチ素子１５のゲート端子１５Ｇへ印加される電圧はプルダウンされていてパワースイッチ素子１５のドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓとの間は継続して非導通状態となっている。期間Ｔｐ１（Ｔｐ２）では充放電スイッチ１８はオンとなっていて、コンデンサ２１は期間Ｔｄにおいて概ね蓄電していない状態となっている。

充放電抵抗１９の値により期間Ｔｄの長さを調整することができる。ここで、充放電抵抗１９の値が大きくなるとともに期間Ｔｄは長くなる一方で、スイッチ１３がオンされている期間Ｔｋ１（Ｔｋ２）よりは短くなるように設定される。そして、充放電抵抗１９の値が調節されることによって、期間Ｔｄは期間Ｔｐ１（Ｔｐ２）に比較して短くすることが可能である。

また、期間Ｔｐ１（Ｔｐ２）では充放電スイッチ１８がオンとなっているので、コンデンサ２１とパワースイッチ素子１５のゲート端子１５Ｇとソース端子１５Ｓ間の寄生容量とが互いに並列に接続された状態となる。したがって、スイッチ１３がオンされてパワースイッチ素子１５が非導通状態であり、かつ、充放電スイッチ１８がオンとなっている期間Ｔｐ１（Ｔｐ２）では、パワースイッチ素子１５のゲート端子１５Ｇに外部から突発的なノイズが侵入しても、ゲート端子１５Ｇとソース端子１５Ｓとの間には互いに並列に接続された寄生容量とコンデンサ２１との大きい容量が接続されているので、パワースイッチ素子１５は誤って導通状態になり難い。

制御部１６は上述の第１制御と第２制御とをパルス波形出力部２５の出力電圧に対応した期間Ｔｃ１（Ｔｃ１）と期間Ｔｋ１（Ｔｋ２）との比であるデューティ比で反復して実行する。

制御部１６は、スイッチ１２がオンであるときに所定の閾値Ｉｓ以上であることを検出しない間には、制御を反復して実行しかつ制御を反復して実行する。制御部１６は、スイッチ１２がオンであるときに電流Ｉｄｓが所定の閾値Ｉｓ以上であることを検出しない間には、制御においてスイッチ１３をオフからオンへと切り換えた時点ｔ３では充放電スイッチ１８をオフにし続ける、すなわち、制御部１６は、時点ｔ０から時点ｔｇ１まで充放電スイッチ１８を継続してオフし、時点ｔ２から時点ｔｇ２まで充放電スイッチ１８を継続してオフする。

ここまでは、制御部１６が通常の動作として反復している第１制御と第２制御とについて説明した。以下では、制御部１６がパワースイッチ素子１５に流れる電流が過大となる過電流を検出したとき、言い換えると、パワースイッチ素子１５のドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓに流れる電流Ｉｄｓが所定の閾値Ｉｓを超えたときの動作について説明する。

図４は、スイッチ回路１０の過電流検出時の動作を示すタイミングチャートである。図４において、図３と同じ項目には同じ参照番号を付す。図４は、パワースイッチ素子１５のドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓとを流れる電流Ｉｄｓをさらに示す。

図４に示す動作では、制御部１６は時点ｔｓで電流Ｉｄｓが閾値Ｉｓを超えたことを検出する。時点ｔｓ以前では、制御部１６は上述の第１制御と第２制御とをパルス波形出力部２５の出力電圧に対応したデューティ比応じて反復して実行する。

制御部１６は時点ｔｓで電流Ｉｄｓが閾値Ｉｓを超えたことを検出すると、時点ｔｓでパワースイッチ素子１５を導通状態としているオン状態のスイッチ１２をオフへと切り換えると同時に、オフ状態であるスイッチ１３をオンへ切り換える。制御部１６は時点ｔｓでオフ状態の充放電スイッチ１８をオンへ切り換える。

時点ｔｓまでスイッチ１２はオン状態でかつ充放電スイッチ１８がオフ状態であったので、コンデンサ２１は充電された状態となっている。ここで、スイッチ１２がオフからオンへと切り換えられてから、コンデンサ２１が後の放電動作に対して十分な充電状態あるいは満充電状態となるまでの期間Ｔｆは充放電抵抗１９の抵抗値とコンデンサ２１の容量値とによって決定される。期間Ｔｆは先に述べた期間Ｔｄと期間Ｔｐ１（Ｔｐ２）とにより決定してもよい。期間Ｔｆは期間Ｔｃ１（Ｔｃ２）よりも短い。時点ｔｓではコンデンサ２１は十分な充電状態あるいは満充電状態となっている。

コンデンサ２１が十分な充電状態あるいは満充電状態となっている時点ｔｓで、制御部１６はスイッチ１２をオンからオフへ切り替えかつスイッチ１３をオフからオンへ切り換えプルダウン状態となり、かつオフであった充放電スイッチ１８をオンに切り換える。時点ｔｓの直前では、先に述べた期間Ｔｄが存在しないので、コンデンサ２１を放電する放電期間が存在しない。このため、時点ｔｓまでにプルアップ状態の電圧もしくはその電圧に近い値の電圧まで充電されていたコンデンサ２１が時点ｔｓで放電し始める。そして、放電されているコンデンサ２１の両端の電圧が電圧Ｖｇｓとしてパワースイッチ素子１５のゲート端子１５Ｇとソース端子１５Ｓとの間に印加される。言い換えると、時点ｔｓまでは、スイッチ１２がオン、オフすることに同期していた電圧Ｖｇｓのハイレベル、ローレベルの切り換えが、時点ｔｓ以降では完全な同期した状態にはならない。

コンデンサ２１に蓄えられていた電荷が放出されている期間ではコンデンサ２１とパワースイッチ素子１５との間に接続されている充放電スイッチ１８はオン状態である。つまり、パワースイッチ素子１５のゲート端子１５Ｇとソース端子１５Ｓとの間の寄生容量とコンデンサ２１とが並列に接続された状態となる。このため、パワースイッチ素子１５のゲート端子１５Ｇへ印加される電圧Ｖｇｓはハイレベルからローレベルへと直ちに切り換わらずにハイレベルからローレベルに徐々に変化して漸減する。これにより時点ｔｓ以降では、スイッチ１２と電圧Ｖｇｓとは完全に同期しなくなる。これに伴ってパワースイッチ素子１５のドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓに流れる電流Ｉｄｓも閾値Ｉｓを超えた値から漸減する。パワースイッチ素子１５のドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓに流れる電流Ｉｄｓが漸減することにより、急激な電流の変化に伴って電流Ｉｄｓが流れる回路に存在するリアクタンス成分１００Ｌで生じるサージ電圧の発生は抑制される。

図８に示す従来のスイッチ回路１では、制御部８は、スイッチ５をオンさせてスイッチ６をオフさせたうえでスイッチ９をオフさせる動作と、スイッチ５をオフさせてスイッチ６をオンさせたうえでスイッチ９をオフさせる動作とに加えて、パワー半導体３のドレイン端子とソース端子とに流れる電流Ｉｄｓが突然に遮断されることを抑制するためにスイッチ５、６を共にオフさせたうえでスイッチ９をオンさせる動作との、３つの動作に対する複雑な制御を行う必要がある。

実施形態におけるスイッチ回路１０では、上記の構成および動作により、スイッチ１２とスイッチ１３とは常に相補的に切り換えられる容易な第１制御が維持された状態でパワースイッチ素子１５のドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓに流れる電流Ｉｄｓに対する過電流抑制、および電流Ｉｄｓの急変によるサージ電圧の発生を抑制することが可能となる。

またこの結果、パワースイッチ素子１５への過電圧の印加が抑制され、パワースイッチ素子１５の高信頼性および長寿命化を維持することができる。

またさらに、上記のようにスイッチ１２とスイッチ１３とは常に相補的な動作で制御され、図２に示す上側アームとしてのスイッチ回路１０Ａと下側アームとしてのスイッチ回路１０Ｂとも交互に電圧を出力する。したがって、単一のクロック信号によって、上側アームのスイッチ回路１０Ａと下側アームのスイッチ回路１０Ｂとを容易に制御することも可能となる。

上記の動作では、制御部１６は時点ｔｓで過大電流が検出することによって、パワースイッチ素子１５のゲート端子１５Ｇへ印加される電圧Ｖｇｓは漸減しつつプルダウンされ始める。時点ｔｓ以降、制御部１６は電圧Ｖｇｓをプルダウンしたハイレベルの状態を維持してもよい。あるいは、制御部１６は時点ｔｓから所定の期間だけ経過した時点ｔ５で電圧Ｖｇｓを再びプルアップしてハイレベルにしてもよい。

電圧Ｖｇｓが再びプルアップされる場合、時点ｔ５は、図３と図４の時点ｔ０に相当し、時点ｔ５以降、制御部１６は改めて先に述べた第１制御と第２制御とを反復して実行する。

図１に示すスイッチ回路１０では、直流電源１１と制御部１６は説明の便宜上、単独でスイッチ回路１０に配置されている。しかしながら、直流電源１１は他の回路と共用で配置されてもよく、制御部１６は図２に示す上側アームのスイッチ回路１０Ａと下側アームのスイッチ回路１０Ｂとの双方を制御してもよい。またさらに、制御部１６は、スイッチ回路１０を含む電源回路全般を制御する制御回路の一部として設けられてもよい。

図５は実施の形態における他のスイッチ回路１０Ｃの回路ブロック図である。図５において、図１に示すスイッチ回路１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。スイッチ回路１０Ｃでは、図１に示すスイッチ回路１０の信号反転回路２６の出力と入力とが置き換わっており、制御部１６は制御信号ＳＡの代わりに、スイッチ１３の制御端１３Ｃに入力される制御信号ＳＢを出力する。信号反転回路２６は制御信号ＳＡを反転して制御信号ＳＡを発生してスイッチ１２の制御端１２Ｃに出力する。スイッチ回路１０Ｃは図１に示すスイッチ回路１０と同じように動作して同じ効果を有する。

図６は実施の形態におけるさらに他のスイッチ回路１０Ｄの回路ブロック図である。図６において、図１に示すスイッチ回路１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図６に示すスイッチ回路１０Ｄでは、パワースイッチ素子１５はｐチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴである。また、直流電源１１の電極端子１１Ａは負極であり、電極端子１１Ｂは正極である。すなわち、直流電源１１は電極端子１１Ｂの電位が電極端子１１Ａでの電位より高くなるように電極端子１１Ａ、１１Ｂの間に直流電圧を供給する。図６に示すスイッチ回路１０Ｄでは、直流電源１１の負極である電極端子１１Ａに接続されるスイッチ１２は負極側スイッチとして機能し、正極である電極端子１１Ｂに接続されるスイッチ１３は正極側スイッチとして機能する。スイッチ回路１０Ｄは、図３と図４に示す電圧Ｖｇｓの極性が逆になるものの、図１に示すスイッチ回路１０と同じように動作して同じ効果を有する。

図７は実施の形態における他のスイッチ回路１０Ｅの回路ブロック図である。図７において、図６に示すスイッチ回路１０Ｄと同じ部分には同じ参照番号を付す。スイッチ回路１０Ｅでは、図６に示すスイッチ回路１０Ｄの信号反転回路２６の出力と入力とが置き換わっており、制御部１６は制御信号ＳＡの代わりに、スイッチ１３の制御端１３Ｃに入力される制御信号ＳＢを出力する。信号反転回路２６は制御信号ＳＡを反転して制御信号ＳＡを発生してスイッチ１２の制御端１２Ｃに出力する。スイッチ回路１０Ｅは図６に示すスイッチ回路１０Ｄと同じように動作して同じ効果を有する。

上述のように、スイッチ回路１０は、電極端子１１Ａと電極端子１１Ｂとを有する直流電源１１と共に用いられる。スイッチ回路１０は、スイッチ１２は、前記直流電源１１の前記電極端子１１Ａと接続点１７との間に直列に接続されるように接続点１７に接続されている。スイッチ１３は、直流電源１１の電極端子１１Ｂに接続される接続点１３Ｐと接続点１７との間に直列に接続されている。コンデンサ２１は、接続点１３Ｐ、１７のうちの一方と接続点１４Ｐとの間に直列に接続されている。充放電スイッチ１８は、接続点１３Ｐ、１７のうちの他方と接続点１４Ｐとの間に直列に接続されている。充放電抵抗１９は、充放電スイッチ１８に並列に接続されている。パワースイッチ素子１５は、ドレイン端子１５Ｄと、接続点１７に接続されたゲート端子１５Ｇと、接続点１３Ｐに接続されたソース端子１５Ｓとを有する。制御部１６は、パワースイッチ素子１５のドレイン端子１５Ｄとソース端子１５Ｓに流れる電流Ｉｄｓを検出する。制御部１６は、スイッチ１２をオンにしていると同時にスイッチ１３をオフにしており、その後、スイッチ１２をオフにしていると同時にスイッチ１３をオンにしている第１制御を反復して実行する。制御部１６は、第１制御においてスイッチ１３をオフからオンへと切り換えた時点ｔ３から所定の期間Ｔｄだけ経過した時点ｔｇ２で充放電スイッチ１８をオフからオンへと切り換え、その後、第１制御においてスイッチ１３をオンからオフへと切り換えると同時に充放電スイッチ１８をオンからオフへと切り換える第２制御を反復して実行する。制御部１６は、スイッチ１２がオンであるときに電流Ｉｄｓが所定の閾値Ｉｓ以上であることを検出した時点ｔｓにスイッチ１２をオフにしてかつスイッチ１３素オフにしてかつ充放電スイッチ１８をオフからオンへと切り換える。

信号反転回路２６が制御端１２Ｃ、１３Ｃの間に接続されていてもよい。この場合、制御部１６は、制御端１２Ｃ、１３Ｃのうちの一方のみに単一の制御信号を入力することで第１制御を実行する。

制御部１６は、スイッチ１２がオンであるときに所定の閾値Ｉｓ以上であることを検出しない間には、第１制御を反復して実行しかつ第２制御を反復して実行してもよい。

制御部１６は、スイッチ１２がオンであるときに電流Ｉｄｓが所定の閾値Ｉｓ以上であることを検出しない間には、第１制御においてスイッチ１３をオフからオンへと切り換えた時点ｔ３では充放電スイッチ１８をオフにし続けてもよい。

１０スイッチ回路
１１直流電源
１２スイッチ（第１スイッチ）
１２Ｃ制御端（第１制御端）
１３スイッチ（第２スイッチ）
１３Ｃ制御端（第２制御端）
１３Ｐ接続点（第２接続点）
１４ソフトスイッチ回路
１４Ｐ接続点（第３接続点）
１５パワースイッチ素子
１６制御部
１７接続点（第１接続点）
１８充放電スイッチ
１９充放電抵抗
２０並列部
２１コンデンサ
２２インバータ回路
２３正電位側給電部
２４負電位側給電部
２５パルス波形出力部
２６信号反転回路

Claims

互いに反対の極性を有する第１電極端子と第２電極端子とを有する直流電源と共に用いられるスイッチ回路であって、
前記直流電源の前記第１電極端子と第１接続点との間に直列に接続されるように前記第１接続点に接続された第１スイッチと、
前記直流電源の前記第２電極端子に接続される第２接続点と前記第１接続点との間に直列に接続された第２スイッチと、
前記第１接続点と前記第２接続点とのうちの一方と第３接続点との間に直列に接続されたコンデンサと、
前記第１接続点と前記第２接続点とのうちの他方と前記第３接続点との間に直列に接続された充放電スイッチと、
前記充放電スイッチに並列に接続された充放電抵抗と、
を有するソフトスイッチ回路と、
ドレイン端子と、前記第１接続点に接続されたゲート端子と、前記第２接続点に接続されたソース端子とを有するパワースイッチ素子と、
前記パワースイッチ素子の前記ドレイン端子と前記ソース端子に流れる電流を検出するとともに、前記第１スイッチと前記第２スイッチと前記充放電スイッチとを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１スイッチをオンにしていると同時に前記第２スイッチをオフにしており、その後、前記第１スイッチをオフにしていると同時に前記第２スイッチをオンにしている第１制御を反復して実行し、
前記第１制御において前記第２スイッチをオフからオンへと切り換えた時点から所定の期間だけ経過した時点で前記充放電スイッチをオフからオンへと切り換え、その後、前記第１制御において前記第２スイッチをオンからオフへと切り換えると同時に前記充放電スイッチをオンからオフへと切り換える第２制御を反復して実行し、
前記第１スイッチがオンであるときに前記パワースイッチ素子の前記ドレイン端子と前記ソース端子とに流れる前記電流が所定の閾値以上であることを検出した時点に前記第１スイッチをオフにしてかつ前記第２スイッチ素オフにしてかつ前記充放電スイッチをオフからオンへと切り換える、
ように構成されている、スイッチ回路。
前記第１スイッチと前記第２スイッチとに接続された信号反転回路をさらに備え、
前記第１スイッチは、前記第１スイッチをオンにしてかつオフにする制御信号が入力される第１制御端を有し、
前記第２スイッチは、前記第２スイッチをオンにしてかつオフにする制御信号が入力される第２制御端を有し、
前記信号反転回路は前記第１制御端と前記第２制御端の間に接続されており、
前記制御部は、前記第１制御端と前記第２制御端のうちの一方のみに単一制御信号を入力することで前記第１制御を実行する、請求項１に記載のスイッチ回路。
前記制御部は、前記第１スイッチがオンであるときに前記パワースイッチ素子の前記ドレイン端子と前記ソース端子とに流れる前記電流が前記所定の閾値以上であることを検出しない間には、前記第１制御を反復して実行しかつ前記第２制御を反復して実行する、請求項１に記載のスイッチ回路。
前記制御部は、前記第１スイッチがオンであるときに前記パワースイッチ素子の前記ドレイン端子と前記ソース端子とに流れる前記電流が前記所定の閾値以上であることを検出しない間には、前記第１制御において前記第２スイッチをオフからオンへと切り換えた前記時点では前記充放電スイッチをオフにし続ける、請求項３に記載のスイッチ回路。