ゲート駆動回路
【課題】双方向スイッチを採用したインバータでは、ゲート駆動回路を形成する際に基準電位が互いのゲート端子で異なる。特にハイサイド側のゲート駆動回路を簡易な回路構成で基準電位をバス電圧を上回る電位とすることを目的とする。
【解決手段】第一ゲート端子２、第二ゲート端子３を各オンオフすることで４つの動作モードを有する双方向スイッチ１を直列接続したハーフブリッジ回路に適用するゲート駆動回路であり、第一ゲート端子２を常時オンとする保持回路１９を備え、簡易な回路構成、かつ低コストで第一ゲート端子２を常時オン、第二ゲート端子３をＰＷＭ制御する低損失な駆動を可能としたゲート駆動回路を実現することができる。
【解決手段】第一ゲート端子２、第二ゲート端子３を各オンオフすることで４つの動作モードを有する双方向スイッチ１を直列接続したハーフブリッジ回路に適用するゲート駆動回路であり、第一ゲート端子２を常時オンとする保持回路１９を備え、簡易な回路構成、かつ低コストで第一ゲート端子２を常時オン、第二ゲート端子３をＰＷＭ制御する低損失な駆動を可能としたゲート駆動回路を実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート信号に制御により４つの状態を有する双方向スイッチを直列接続したハーフブリッジ回路を構成した際のゲート駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の普及がさらに拡大傾向にあるが、同時に電子機器の消費電力増加、引いては地球温暖化などが発生しており、社会的な問題と認識されている。このような社会的背景から、電子機器の低消費電力化の要求も高くなっており、根幹となる電源回路、あるいは電子機器の主たる機能を実現するためのアクチュエータなど待機電力、運転のための電力の何れの電力消費についても技術革新による消費削減が期待されている。
【０００３】
従来、この種の低消費電力化のための技術としては、使用する電圧に応じて、適宜半導体デバイスをＭＯＳＦＥＴあるいはＩＧＢＴの使い分ける、あるいは新しい半導体デバイスとして、双方向性スイッチを利用した電力変換回路が提案されている。そういった背景のもと、双方向性スイッチを利用した電力変換回路におけるゲート駆動回路では、駆動のための電源を小型化するために種々の電源回路が提案されている。
【０００４】
以下、そのゲート駆動回路について、特許文献１を一例として説明する。
【０００５】
図８に示すように、特許文献１における電力変換装置に適用したゲート駆動回路では、各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ１５のスイッチングに応じて、電流経路が形成され、コンデンサＣ１〜Ｃ１２に充電することが示されている。具体的には、コンデンサＣ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７、Ｃ９、Ｃ１１はスイッチング素子Ｔ５、Ｔ１０、Ｔ１５が各オンした際に電源ＥｄｒｖからダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ７、Ｄ９、Ｄ１１を介して充電することになる。また、コンデンサＣ２、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０、Ｃ１２は、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ７、Ｔ９、Ｔ１２、Ｔ１４が各オンした際に、コンデンサＣ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７、Ｃ９、Ｃ１１からダイオードＤ２、Ｄ４、Ｄ６、Ｄ８、Ｄ１０、Ｄ１２を介して充電することになる。
【０００６】
また、特許文献１以外では、各双方向スイッチの各ゲート端子に対して、絶縁電源を形成して駆動電源を供給するものや、ブートストラップ回路を構成し、直流部の電圧を基準としてゲート端子を駆動するゲート端子のみチャージポンプ回路を採用して駆動するものなどが提案されている。
【特許文献１】特開２００６−２４６６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような従来の電力変換回路のゲート駆動回路では、スイッチング素子のゲート駆動による消費と充電とのバランスが崩れ、ゲート電源部の電圧が変動し、その際にスイッチング素子の特性が変化したことによる出力リプルの増大やスイッチング素子の損失増加につながることになるという課題があった。また、ブートストラップ回路のコンデンサから逆方向のスイッチング素子の駆動用コンデンサを充電する際には、ダイオードを経由して直接接続された構成であり、急峻な充電電流が流れ、スイッチング素子のゲート端子を揺さぶり意図しないターンオンを発生させ、短絡故障を発生させる、あるいは外部への雑音障害に影響を及ぼすという課題があった。
【０００８】
また、特許文献１以外の絶縁電源を採用した駆動電源や、ブートストラップ回路とチャージポンプ回路を組み合わせた構成では、回路規模が大きく電子部品の点数増加によるプリント配線板の大型化など、装置全体が大型化するという課題があった。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、ゲート電源部の電圧変動の抑制と、ブートストラップ回路のコンデンサから逆方向のスイッチング素子の駆動用コンデンサへのラッシュ電流を緩和と、回路構成の簡略化では唯一の制御電源で構成するもので、低コストかつ小型軽量のゲート駆動回路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のゲート駆動回路は、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に、前記第１のオーミック電極側から順に形成された、第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、前記半導体層積層体と第１のゲート電極との間に形成された第１のｐ型半導体層と、前記半導体層積層体と第２のゲート電極との間に形成された第２のｐ型半導体とを有し、前記第１のオーミック電極と前記第１のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第２のオーミック電極と前記第２のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第１のオーミック電極に接続されたドレイン端子と、前記第２のオーミック電極に接続されたソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチを高電位側に接続したハイサイドスイッチと低電圧側に接続したローサイドスイッチとして直列に接続してハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路を並列に配してなる単相あるいは三相インバータの前記双方向スイッチのゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子は常時オン状態となるようにオン電圧を保持する保持回路を備える構成としたものである。
【００１１】
この手段により、双方向スイッチの２つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサから周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチを駆動することができる。
【００１２】
また、保持回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を備える構成としたものである。
【００１３】
この手段により、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せのため、外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチを駆動することができる。
【００１４】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力を蓄積する電力蓄積部から供給する構成としたものである。
【００１５】
この手段により、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチの保持回路の専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができる。
【００１６】
また、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものである。
【００１７】
この手段により、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００１８】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、交流電源より変換した制御電源より直接供給する構成としたものである。
【００１９】
この手段により、保持回路への電力搬送中の損失の低減が図れると同時に、中間の回路が不要となることから、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００２０】
また、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものである。
【００２１】
この手段により、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００２２】
さらに、ローサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、常時供給する構成としたものである。
【００２３】
この手段により、装置の起動時やリスタート時などにおいて、ローサイドスイッチの第二ゲート端子から順に起動することが可能とすることができることとなる。
【００２４】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がオン状態の時に供給する構成としたものである。
【００２５】
この手段により、ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチの各ゲート端子の駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００２６】
さらに、保持回路への電力供給を制限する制限部を備える構成としたものである。
【００２７】
この手段により、装置の起動時などにおいて、電力蓄積素子へのラッシュ電流を回避することができ、装置全体がより安定した立ち上がりを行なうことができる。
【００２８】
また、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの各制限部は互いに相違なる制限値とする構成としたものである。
【００２９】
この手段により、保持回路の電力蓄積素子の容量やハイサイドスイッチとローサイドスイッチの変調方法に応じた制限が可能となり、インバータの用途に応じた供給制限を行なうことができ、制限部の損失の最小化を図ることができる。
【００３０】
さらに、保持回路の電力蓄積部とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、互いに相違なる容量とする構成としたものである。
【００３１】
この手段により、保持回路への電力供給周期とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能となるため、各ゲート端子のより安定した駆動を行なうことができる。
【００３２】
また、制限部は、抵抗で制限する構成としたものである。
【００３３】
この手段により、特殊な能動素子、受動素子を利用せずに構成でき、より簡易な構成でかつ省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００３４】
さらに、制限部は、第一ゲート端子を常時駆動するための電力を供給することができる制限値である構成としたものである。
【００３５】
この手段により、商用電源側で電圧ディップが発生し、マイクロプロセッサが検出して各ゲート端子をオフするまでの間であっても、安定した停止シーケンスを簡易な構成で行なうことができ、装置全体をより安価に構成することができる。
【００３６】
また、ハイサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ハイサイドスイッチのオフ期間に前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものである。
【００３７】
この手段により、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００３８】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ローサイドスイッチのオフ期間に前記ローサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものである。
【００３９】
この手段により、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００４０】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、少なくとも前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子を常時オンおよび第二ゲート端子を駆動するために必要な蓄積容量である構成としたものである。
【００４１】
この手段により、第一ゲート端子を常時オンするための電力蓄積部への搬送電力分を加味した容量となるため、第二ゲート端子のＰＷＭ制御を行う際に、より安定したスイッチングを可能とすることができる。
【００４２】
さらに、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給を制限する充電制限部を備える構成としたものである。
【００４３】
この手段により、装置全体が通電開始される際に、第二ゲート端子の電力蓄積部へのラッシュ電流を回避することができ、より安定した装置を構成することができる。
【００４４】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部から制御電源への電流の逆流を防止する逆流防止部を備える構成としたものである。
【００４５】
この手段により、双方向スイッチのスイッチングに応じて電力蓄積部の負側の電位が上昇した際にも、電流が逆流することを防止することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができる。
【００４６】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路から、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流を防止する第二逆流防止部を備える構成としたものである。
【００４７】
この手段により、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができる。
【００４８】
また、ローサイドスイッチの保持回路から、制御電源への逆流を防止する第三逆流防止部を備える構成としたものである。
【００４９】
この手段により、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から制御電源への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に、前記第１のオーミック電極側から順に形成された、第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、前記半導体層積層体と第１のゲート電極との間に形成された第１のｐ型半導体層と、前記半導体層積層体と第２のゲート電極との間に形成された第２のｐ型半導体とを有し、前記第１のオーミック電極と前記第１のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第２のオーミック電極と前記第２のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第１のオーミック電極に接続されたドレイン端子と、前記第２のオーミック電極に接続されたソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチを高電位側に接続したハイサイドスイッチと低電圧側に接続したローサイドスイッチとして直列に接続してハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路を並列に配してなる単相あるいは三相インバータの前記双方向スイッチのゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子は常時オン状態となるようにオン電圧を保持する保持回路を備える構成とすることで、双方向スイッチの２つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサから周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチを駆動することができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５１】
また、保持回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を備える構成とすることで、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せのため、外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチを駆動することができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５２】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力を蓄積する電力蓄積部から供給する構成とすることで、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチの保持回路の専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５３】
また、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成とすることで、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５４】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、交流電源より変換した制御電源より直接供給する構成とすることで、保持回路への電力搬送中の損失の低減が図れると同時に、中間の回路が不要となることから、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５５】
また、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成とすることで、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５６】
さらに、ローサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、常時供給する構成とすることで、装置の起動時やリスタート時などにおいて、ローサイドスイッチの第二ゲート端子から順に起動することが可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５７】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がオン状態の時に供給する構成とすることで、ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチの各ゲート端子の駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５８】
さらに、保持回路への電力供給を制限する制限部を備える構成とすることで、装置の起動時などにおいて、電力蓄積素子へのラッシュ電流を回避することができ、装置全体がより安定した立ち上がりを行なうことができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５９】
また、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの各制限部は互いに相違なる制限値とする構成とすることで、保持回路の電力蓄積素子の容量やハイサイドスイッチとローサイドスイッチの変調方法に応じた制限が可能となり、インバータの用途に応じた供給制限を行なうことができ、制限部の損失の最小化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６０】
さらに、保持回路の電力蓄積部とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、互いに相違なる容量とする構成とすることで、保持回路への電力供給周期とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能となるため、各ゲート端子のより安定した駆動を行なうことができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６１】
また、制限部は、抵抗で制限する構成とすることで、特殊な能動素子、受動素子を利用せずに構成でき、より簡易な構成でかつ省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６２】
さらに、制限部は、第一ゲート端子を常時駆動するための電力を供給することができる制限値である構成とすることで、商用電源側で電圧ディップ等が発生し、マイクロプロセッサが検出して各ゲート端子をオフするまでの間であっても、安定した停止シーケンスを簡易な構成で行なうことができ、装置全体をより安価に構成することができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６３】
また、ハイサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ハイサイドスイッチのオフ期間に前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成とすることで、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６４】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ローサイドスイッチのオフ期間に前記ローサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成とすることで、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６５】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、少なくとも前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子を常時オンおよび第二ゲート端子を駆動するために必要な蓄積容量である構成とすることで、第一ゲート端子を常時オンするための電力蓄積部への搬送電力分を加味した容量となるため、第二ゲート端子のＰＷＭ制御を行う際に、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６６】
さらに、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給を制限する充電制限部を備える構成とすることで、装置全体が通電開始される際に、第二ゲート端子の電力蓄積部へのラッシュ電流を回避することができ、より安定した装置を構成することができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６７】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部から制御電源への逆流を防止する逆流防止部を備える構成とすることで、双方向スイッチのスイッチングに応じて電力蓄積部の負側の電位が上昇した際にも、逆流することを防止することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６８】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路から、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流を防止する第二逆流防止部を備える構成とすることで、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６９】
また、ローサイドスイッチの保持回路から、制御電源への逆流を防止する第三逆流防止部を備える構成とすることで、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から制御電源への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７０】
本発明の請求項１記載の発明は、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に、前記第１のオーミック電極側から順に形成された、第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、前記半導体層積層体と第１のゲート電極との間に形成された第１のｐ型半導体層と、前記半導体層積層体と第２のゲート電極との間に形成された第２のｐ型半導体とを有し、前記第１のオーミック電極と前記第１のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第２のオーミック電極と前記第２のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第１のオーミック電極に接続されたドレイン端子と、前記第２のオーミック電極に接続されたソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチを高電位側に接続したハイサイドスイッチと低電圧側に接続したローサイドスイッチとして直列に接続してハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路を並列に配してなる単相あるいは三相インバータの前記双方向スイッチのゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子は常時オン状態となるようにオン電圧を保持する保持回路を備える構成としたものであり、双方向スイッチの２つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサから周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチを駆動することができるという作用を有する。
【００７１】
また、保持回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を備える構成としたものであり、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せのため、外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチを駆動することができるという作用を有する。
【００７２】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力を蓄積する電力蓄積部から供給する構成としたものであり、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチの保持回路の専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００７３】
また、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものであり、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００７４】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、交流電源より変換した制御電源より直接供給する構成としたものであり、保持回路への電力搬送中の損失の低減が図れると同時に、中間の回路が不要となることから、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００７５】
また、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものであり、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００７６】
さらに、ローサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、常時供給する構成としたものであり、装置の起動時やリスタート時などにおいて、ローサイドスイッチの第二ゲート端子から順に起動することが可能とすることができるという作用を有する。
【００７７】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がオン状態の時に供給する構成としたものであり、ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチの各ゲート端子の駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００７８】
さらに、保持回路への電力供給を制限する制限部を備える構成としたものであり、装置の起動時などにおいて、電力蓄積素子へのラッシュ電流を回避することができ、装置全体がより安定した立ち上がりを行なうことができるという作用を有する。
【００７９】
また、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの各制限部は互いに相違なる制限値とする構成としたものであり、保持回路の電力蓄積素子の容量やハイサイドスイッチとローサイドスイッチの変調方法に応じた制限が可能となり、インバータの用途に応じた供給制限を行なうことができ、制限部の損失の最小化を図ることができるという作用を有する。
【００８０】
さらに、保持回路の電力蓄積部とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、互いに相違なる容量とする構成としたものであり、保持回路への電力供給周期とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能となるため、各ゲート端子のより安定した駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００８１】
また、制限部は、抵抗で制限する構成としたものであり、特殊な能動素子、受動素子を利用せずに構成でき、より簡易な構成でかつ省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００８２】
さらに、制限部は、第一ゲート端子を常時駆動するための電力を供給することができる制限値である構成としたものであり、商用電源側で電圧ディップ等が発生し、マイクロプロセッサが検出して各ゲート端子をオフするまでの間であっても、安定した停止シーケンスを簡易な構成で行なうことができ、装置全体をより安価に構成することができるという作用を有する。
【００８３】
また、ハイサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ハイサイドスイッチのオフ期間に前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものであり、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００８４】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ローサイドスイッチのオフ期間に前記ローサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものであり、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００８５】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、少なくとも前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子を常時オンおよび第二ゲート端子を駆動するために必要な蓄積容量である構成としたものであり、第一ゲート端子を常時オンするための電力蓄積部への搬送電力分を加味した容量となるため、第二ゲート端子のＰＷＭ制御を行う際に、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。
【００８６】
さらに、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給を制限する充電制限部を備える構成としたものであり、装置全体が通電開始される際に、第二ゲート端子の電力蓄積部へのラッシュ電流を回避することができ、より安定した装置を構成することができるという作用を有する。
【００８７】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部から制御電源への逆流を防止する逆流防止部を備える構成としたものであり、双方向スイッチのスイッチングに応じて電力蓄積部の負側の電位が上昇した際にも、逆流することを防止することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。
【００８８】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路から、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流を防止する第二逆流防止部を備える構成としたものであり、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。
【００８９】
また、ローサイドスイッチの保持回路から、制御電源への逆流を防止する第三逆流防止部を備える構成としたものであり、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から制御電源への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。
【００９０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００９１】
（実施の形態１）
まずは、双方向スイッチ１について、図１を参照しながら構成について説明する。図１に示すように、双方向スイッチ１は、第一ゲート端子２と第二ゲート端子３とドレイン端子４とソース端子５により構成されている。双方向スイッチ１は、シリコン（Ｓｉ）からなる基板６の上に厚さが１０ｎｍ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と厚さが１０ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）とが交互に積層されてなる厚さが１μｍのバッファ層７が形成され、その上に半導体層積層体８が形成されている。半導体層積層体８は、第１の半導体層とこの第１の半導体層と比べてバンドギャップが大きい第２の半導体層とが基板側から順次積層されている。第１の半導体層は、厚さが２μｍのＧａＮ（アンドープの窒化ガリウム）層９であり、第２の半導体層は、厚さが２０ｎｍのｎ型のＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層１０である。ＧａＮ層９のＡｌＧａＮ層１０とのヘテロ界面近傍には、自発分極及びピエゾ分極による電荷が生じる。これにより、シートキャリア濃度が１×１０１３ｃｍ―2以上で且つ移動度が１０００ｃｍ2Ｖ／ｓｅｃ以上の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層であるチャネル領域が生成されている。半導体層積層体８の上には、互いに間隔をおいて第１のオーミック電極１１Ａと第２のオーミック電極１１Ｂとが形成されている。第１のオーミック電極１１Ａ及び第２のオーミック電極１１Ｂは、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とが積層されており、チャネル領域とオーミック接合を形成している。また、コンタクト抵抗を低減するために、ＡｌＧａＮ層１０の一部を除去すると共にＧａＮ層９を４０ｎｍ程度掘り下げて、第１のオーミック電極１１Ａ及び第２のオーミック電極１１ＢがＡｌＧａＮ層１０とＧａＮ層９との界面に接するように形成した例を示している。なお、第１のオーミック電極１１Ａ及び第２のオーミック電極１１Ｂは、ＡｌＧａＮ層１０の上に形成してもよい。ｎ型のＡｌＧａＮ層１０の上における第１のオーミック電極１１Ａと第２のオーミック電極１１Ｂとの間の領域には、第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂが互いに間隔をおいて選択的に形成されている。第１のｐ型半導体層１２Ａの上には第１のゲート電極１３Ａが形成され、第２のｐ型半導体層１２Ｂの上には第２のゲート電極１３Ｂが形成されている。第１のゲート電極１３Ａ及び第２のゲート電極１３Ｂは、それぞれパラジウム（Ｐｄ）と金（Ａｕ）とが積層されており、第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂとオーミック接触している。ＡｌＧａＮ層１０及び第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂを覆うように窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる保護膜１４が形成されている。保護膜１４を形成することで、いわゆる電流コラプスの原因となる欠陥を保障し、電流コラプスを改善することが可能となる。第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂは、それぞれ厚さが３００ｎｍで、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされたｐ型のＧａＮからなる。第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂと、ＡｌＧａＮ層１０とによりＰＮ接合がそれぞれ形成される。これにより、第１のオーミック電極１１Ａと第１のゲート電極１３Ａとの間の電圧が例えば０Ｖでは、第１のｐ型ＧａＮ層からチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができ、同様に、第２のオーミック電極１１Ｂと第２のゲート電極１３Ｂとの間の電圧が例えば０Ｖ以下のときには、第２のｐ型ＧａＮ層からチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができ、いわゆるノーマリーオフ動作をする半導体素子を実現している。第１のオーミック電極１１Ａの電位をＶ１、第１のゲート電極１３Ａの電位をＶ２、第２のゲート電極１３Ｂの電位をＶ３、第２のオーミック電極１１Ｂの電位をＶ４とする。この場合において、Ｖ２がＶ１より１．５Ｖ以上高ければ、第１のｐ型半導体層１２Ａからチャネル領域中に広がる空乏層が縮小するため、チャネル領域に電流を流すことができる。同様にＶ３がＶ４より１．５Ｖ以上高ければ、第２のｐ型半導体層１２Ｂからチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができる。つまり、第１のゲート電極１３Ａのいわゆる閾値電圧及び第２のゲート電極１３Ｂのいわゆる閾値電圧は共に１．５Ｖである。以下においては、第１のゲート電極１３Ａの下側においてチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができるようになる第１のゲート電極１３Ａの閾値電圧を第１の閾値電圧とし、第２のゲート電極１３Ｂの下側においてチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができるようになる第２のゲート電極１３Ｂの閾値電圧を第２の閾値電圧とする。また、第１のｐ型半導体層１２Ａと第２のｐ型半導体層１２Ｂとの間の距離は、第１のオーミック電極１１Ａ及び第２のオーミック電極１１Ｂに印加される最大電圧に耐えられるように構成する。第１のオーミック電極１１Ａと第１のゲート電極１３Ａとの間にゲート駆動信号（すなわち、第一ゲート端子２への制御信号）を入力するようになっている。第２のオーミック電極１１Ｂと第２のゲート電極１３Ｂとの間も同様にゲート駆動信号（すなわち、第二ゲート端子３への制御信号）を入力するようになっている。なお、ソース端子５は第１のオーミック電極１１Ａに接続され、ドレイン端子４は第２のオーミック電極１１Ｂに接続され、第一ゲート端子２は第１のゲート電極１３Ａに接続され、第二ゲート端子３は第２のゲート電極１３Ｂに接続されている。
【００９２】
次に、双方向スイッチ１の動作について説明する。説明のため、第１のオーミック電極１１Ａの電位を０Ｖとし、第一ゲート端子２に印加する電圧をＶｇ１、第二ゲート端子３に印加する電圧をＶｇ２、第２のオーミック電極１１Ｂと第１のオーミック電極１１Ａとの間の電圧をＶｓ２ｓ１、第２のオーミック電極１１Ｂと第１のオーミック電極１１Ａとの間に流れる電流をＩｓ２ｓ１とする。
【００９３】
Ｖ４がＶ１よりも高い場合、例えば、Ｖ４が＋１００Ｖで、Ｖ１が０Ｖの場合において、第一ゲート端子２と第二ゲート端子３の入力電圧であるＶｇ１及びＶｇ２をそれぞれ第１の閾値電圧及び第２の閾値電圧以下の電圧、例えば０Ｖとする。これにより、第１のｐ型半導体層１２Ａから広がる空乏層が、チャネル領域中を第２のｐ型ＧａＮ層の方向へ向けて広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができる。従って、Ｖ４が正の高電圧であっても、第２のオーミック電極１１Ｂから第１のオーミック電極１１Ａへ流れる電流を遮断する遮断状態を実現できる。一方、Ｖ４がＶ１よりも低い場合、例えばＶ４が−１００Ｖで、Ｖ１が０Ｖの場合においても、第２のｐ型半導体層１２Ｂから広がる空乏層が、チャネル領域中を第１のｐ型半導体層１２Ａの方向へ向けて広がり、チャネルに流れる電流を遮断することができる。このため、第２のオーミック電極１１Ｂに負の高電圧が印加されている場合においても、第１のオーミック電極１１Ａから第２のオーミック電極１１Ｂへ流れる電流を遮断することができる。すなわち、双方向スイッチ１の双方向の電流を遮断することが可能となる。
【００９４】
以上のような構造及び動作において、耐圧を確保するためのチャネル領域を第１のゲート電極１３Ａと第２のゲート電極１３Ｂとが共有する。この素子は、１素子分のチャネル領域の面積で双方向スイッチ１が実現可能であり、双方向スイッチ１全体を考えると、２つのダイオードと２つのノーマリーオフ型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴとを用いた場合と比べてチップ面積をより少なくすることができ、双方向スイッチ１の低コスト化及び小型化が可能となる。
【００９５】
次に、第一ゲート端子２、第二ゲート端子３の入力電圧であるＶｇ１及びＶｇ２が、それぞれ第１の閾値電圧及び第２の閾値電圧よりも高い電圧、例えば５Ｖの場合には、第１のゲート電極１３Ａ及び第２のゲート電極１３Ｂに印加される電圧は、共に閾値電圧よりも高くなる。従って、第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂからチャネル領域に空乏層が広がらないため、チャネル領域は第１のゲート電極１３Ａの下側においても、第２のゲート電極１３Ｂの下側においてもピンチオフされない。その結果、第１のオーミック電極１１Ａと第２のオーミック電極１１Ｂとの間に双方向に電流が流れる導通状態を実現できる。
【００９６】
次に、Ｖｇ１を第１の閾値電圧よりも高い電圧とし、Ｖｇ２を第２の閾値電圧以下とした場合の動作について説明する。第一ゲート端子２、第二ゲート端子３を備えた双方向スイッチ１を等価回路で表すと図２（ａ）に示すように第１のトランジスタ１５と第２のトランジスタ１６とが直列に接続された回路とみなすことができる。この場合、第１のトランジスタ１５のソース（Ｓ）が第１のオーミック電極１１Ａ、第１のトランジスタ１５のゲート（Ｇ）が第１のゲート電極１３Ａに対応し、第２のトランジスタ１６のソース（Ｓ）が第２のオーミック電極１１Ｂ、第２のトランジスタ１６のゲート（Ｇ）が第２のゲート電極１３Ｂに対応する。このような回路において、例えば、Ｖｇ１を５Ｖ、Ｖｇ２を０Ｖとした場合、Ｖｇ２が０Ｖであるということは第２のトランジスタ１６のゲートとソースが短絡されている状態と等しいため、双方向スイッチ１は図２（ｂ）に示すような回路とみなすことができる。
【００９７】
さらに、図２（ｂ）に示す第２のトランジスタ１６のソース（Ｓ）をＡ端子、ドレイン（Ｄ）をＢ端子、ゲート（Ｇ）をＣ端子として説明を行う。図に示すＢ端子の電位がＡ端子の電位よりも高い場合には、Ａ端子がソースでＢ端子がドレインであるトランジスタとみなすことができ、このような場合、Ｃ端子（ゲート）とＡ端子（ソース）との間の電圧は０Ｖであり、閾値電圧以下のため、Ｂ端子（ドレイン）からＡ端子（ソース）に電流は流れない。一方、Ａ端子の電位がＢ端子の電位よりも高い場合には、Ｂ端子がソースでＡ端子がドレインのトランジスタとみなすことができる。このような場合、Ｃ端子（ゲート）とＡ端子（ドレイン）との電位が同じであるため、Ａ端子の電位がＢ端子を基準として閾値電圧以下の場合にはＡ端子（ドレイン）からＢ端子（ソース）へ電流を通電しない。Ａ端子の電位がＢ端子を基準として閾値電圧以上となると、ゲートにＢ端子（ソース）を基準として閾値電圧以上の電圧が印加され、Ａ端子（ドレイン）からＢ端子（ソース）へ電流を流すことができる。つまり、トランジスタのゲートとソースとを短絡させた場合、ドレインがカソードでソースがアノードのダイオードとして機能し、その順方向立上り電圧はトランジスタの閾値電圧となる。そのため、図２（ａ）に示す第２のトランジスタ１６の部分は、ダイオードとみなすことができ、図２（ｃ）に示すような等価回路となる。図２（ｃ）に示す等価回路において、双方向スイッチ１のドレイン端子４の電位がソース端子５の電位よりも高い場合、第１のトランジスタ１５の第一ゲート端子２に５Ｖが印加されている場合には、第１のトランジスタ１５はオン状態であり、Ｓ２からＳ１へ電流を流すことが可能となる。ただし、ダイオードの順方向立上り電圧によるオン電圧が発生する。また、双方向スイッチ１のＳ１の電位がＳ２の電位よりも高い場合、その電圧は第２のトランジスタ１６からなるダイオードが担い、双方向スイッチ１のＳ１からＳ２へ流れる電流を阻止する。つまり、第一ゲート端子２に閾値電圧以上の電圧を与え、第二ゲート端子３に閾値電圧以下の電圧を与えることにより、いわゆる双方向素子をオンした状態とドレイン側にダイオードのカソード側を直列接続した動作が可能なスイッチが実現できる。
【００９８】
図３は、双方向スイッチ１のＶｓ２ｓ１とＩｓ２ｓ１との関係であり、（ａ）は、Ｖｇ１とＶｇ２とを同時に変化させた場合を示し、（ｂ）はＶｇ２を第２の閾値電圧以下の０Ｖとし、Ｖｇ１を変化させた場合を示し、（ｃ）はＶｇ１を第１の閾値電圧以下の０ＶとしてＶｇ２を変化させた場合を示している。なお、図３において横軸であるＳ２−Ｓ１間電圧（Ｖｓ２ｓ１）は、第１のオーミック電極１１Ａを基準とした電圧であり、縦軸であるＳ２−Ｓ１間電流（Ｉｓ２ｓ１）は第２のオーミック電極１１Ｂから第１のオーミック電極１１Ａへ流れる電流を正としている。図３（ａ）に示すように、Ｖｇ１及びＶｇ２が０Ｖの場合及び１Ｖの場合には、Ｖｓ２ｓ１が正の場合にも負の場合にもＩｓ２ｓ１は流れず、双方向スイッチ１は遮断状態となる。また、Ｖｇ１とＶｇ２とが共に閾値電圧よりも高くなると、Ｖｓ２ｓ１に応じてＩｓ２ｓ１が双方向に流れる導通状態となる。一方、図３（ｂ）に示すように、Ｖｇ２を第２の閾値電圧以下の０Ｖとし、Ｖｇ１を第１の閾値電圧以下の０Ｖとした場合には、Ｉｓ２ｓ１は双方向に遮断される。しかし、Ｖｇ１を第１の閾値電圧以上の２Ｖ〜５Ｖとした場合には、Ｖｓ２ｓ１が１．５Ｖ未満の場合にはＩｓ２ｓ１が流れないが、Ｖｓ２ｓ１が１．５Ｖ以上になるとＩｓ２ｓ１が流れる。つまり、第２のオーミック電極１１Ｂから第１のオーミック電極１１Ａにのみに電流が流れ、第１のオーミック電極１１Ａから第２のオーミック電極１１Ｂには電流が流れない逆阻止状態となる。また、Ｖｇ１を０Ｖとし、Ｖｇ２を変化させた場合には図３（ｃ）に示すように、第１のオーミック電極１１Ａから第２のオーミック電極１１Ｂにのみに電流が流れ、第２のオーミック電極１１Ｂから第１のオーミック電極１１Ａには電流が流れない逆阻止状態となる。
【００９９】
以上より、双方向スイッチ１は、そのゲートバイアス条件により、双方向の電流を遮断・通電する機能を有すると共に、ダイオード動作も可能であり、そのダイオードの電流が通電する方向も切り換えることができる。以上、説明したように双方向スイッチ１の第一ゲート端子２と第二ゲート端子３のオンあるいはオフ条件に応じて、図４に示す４つの動作モードで動作することができる。すなわち、前記第一ゲート端子２のみをオンすると、前記ドレイン端子４から前記ソース端子５間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子３のみをオンすると、前記ドレイン端子４から前記ソース端子５間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子２および前記第二ゲート端子３をオンすると、前記ドレイン端子４から前記ソース端子５間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子２および前記第二ゲート端子３をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有するものである。本構造はＪＦＥＴに類似しているが、キャリア注入を意図的に行うという点で、ゲート電界によりチャネル領域内のキャリア変調を行うＪＦＥＴとは全く異なった動作原理により動作する。具体的には、ゲート電圧が３ＶまではＪＦＥＴとして動作するが、ｐｎ接合のビルトインポテンシャルを超える３Ｖ以上のゲート電圧が印加された場合には、ゲートに正孔が注入され、前述したメカニズムにより電流が増加し、大電流且つ低オン抵抗の動作が可能となる。
【０１００】
また、双方向スイッチ１は、第１のゲート電極１３Ａがｐ型の導電性を有する第１のｐ型半導体層１２Ａの上に形成され、第２のゲート電極１３Ｂがｐ型の導電性を有する第２のｐ型半導体層１２Ｂの上に形成されている。このため、第１の半導体層と第２の半導体層との界面領域に生成されるチャネル領域に対して、第１のゲート電極１３Ａ及び第２のゲート電極１３Ｂから順方向のバイアスを印加することにより、チャネル領域内に正孔を注入することができる。窒化物半導体においては正孔の移動度は、電子の移動度よりもはるかに低いため、チャネル領域に注入された正孔は電流を流す担体としてほとんど寄与しない。このため、第１のゲート電極１３Ａ及び第２のゲート電極１３Ｂから注入された正孔は同量の電子をチャネル領域内に発生させるので、チャネル領域内に電子を発生させる効果が高くなり、ドナーイオンのような機能を発揮する。つまり、チャネル領域内においてキャリア濃度の変調を行うことが可能となるため、動作電流が大きいノーマリオフ型の窒化物半導体層双方向スイッチを実現することが可能となる。
【０１０１】
次に双方向スイッチ１を使用した単相インバータ１７について、図５を参照しながら説明する。図に示すように、単相インバータ１７は、図１および図２に示す双方向スイッチ１を高電位側に接続したハイサイドスイッチ１ａおよび１ｃと低電圧側に接続したローサイドスイッチ１ｂおよび１ｄとして直列に接続したハーフブリッジ回路１８ａおよび１８ｂを備える。
【０１０２】
また、この双方向スイッチ１の第一ゲート端子２ａ〜２ｄを常時オン状態となるように保持回路１９ａ〜１９ｄを備えており、第二ゲート端子３ａ〜３ｄをＰＷＭ変調する制御手段としてのマイクロプロセッサ２０を備えている。また、第二ゲート端子３ａ〜３ｄを駆動するための制御電源２１を備えている。また、ハーフブリッジ回路１８ａ、１８ｂの中間接続点１８ｃ、１８ｄには、例えば負荷として単相モータが接続されている。さらに、ハーフブリッジ回路１８（図示せず）を一回路設けた三相インバータの場合には三相モータが接続される構成となる。さらに、定電圧ダイオード２２ａ〜２２ｄとコンデンサ２３ａ〜２３ｄの並列回路を有した保持回路１９ａ〜１９ｄについて説明する。ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの保持回路１９ａ、１９ｃへの電力は、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃの駆動電力を蓄積する電力蓄積部としてのコンデンサ２４ａ、２４ｂから供給するように配置している。
【０１０３】
次に、保持回路１９ａ〜１９ｄの電力供給と、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃをオンするためのコンデンサ２４ａ、２４ｂへの充電について図６を参照しながら説明する。図６では、ローサイドスイッチ１ｂとハイサイドスイッチ１ｃがオンした期間を示しており、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃとローサイドスイッチ１ｂ、１ｄのうち、ローサイドスイッチ１ｄをオンした期間については、対称形のため、詳細な説明は省略する。ローサイドスイッチ１ｂの第二ゲート端子３ｂがオンすることで、ローサイドスイッチ１ｂは中間接続点１８ｃからＧＮＤ側に電流を流すことが可能となる。この際、中間接続点１８ｃの電位はＧＮＤ電位とほぼ等しくなり、これに伴い、充電電流ｉａが制御電源２１から電力供給を制限する充電制限部としての抵抗２５ａと逆流防止部としての逆流防止ダイオード２６ａを経由して、コンデンサ２４ａへ充電される。一方、ローサイドスイッチ１ｂの第一ゲート端子２ｂをオンするためのコンデンサ２３ｂは、同様に中間接続点１８ｃの電位がＧＮＤ電位とほぼ等しくなったことから、充電電流ｉｂが制御電源２１から電力供給を制限する充電制限部としての抵抗２５ａと逆流防止部としての逆流防止ダイオード２６ａ、さらにコンデンサ２３ａへの電流を制限する制限部としての抵抗２５ｃ、またさらに第三逆流防止部としての逆流防止ダイオード２６ｆを経由してコンデンサ２３ｂに充電される。また、ハイサイドスイッチ１ｃの保持回路１９ｃへの電力供給は、ハイサイドスイッチ１ｃがオンした状態の際、中間接続点の電位がＶｄｃとなり、その電位に対してコンデンサ２４ｂの電位を加算されるため、コンデンサ２４ｂから抵抗２５ｄとコンデンサ２３ｃから第二ゲート端子３ｃの駆動電力を蓄積する電力蓄積部としてのコンデンサ２４ｂへの逆流を防止する第二逆流防止部としての逆流防止ダイオード２６ｇを経由して充電電流ｉｃがコンデンサ２４ｃに充電される。さらに、ローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの第二ゲート端子３ｂ、３ｄの駆動電力は、制御電源２１から常時供給するように構成している。
【０１０４】
以上のように、双方向スイッチ１を駆動するゲート駆動回路において、双方向スイッチ１の２つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサ２０から周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチ１を駆動することができる。
【０１０５】
また、定電圧ダイオード２２ａ〜２２ｄとコンデンサ２３ａ〜２３ｄの組合せで保持回路１９ａ〜１９ｄを形成したため、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せで、かつ外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチ１を駆動することができる。
【０１０６】
さらに、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃの駆動電力を蓄積する電力蓄積部としてのコンデンサ２４ａ、２４ｂからハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第一ゲート端子２ａ、２ｃの保持回路１９ａ、１９ｃへの電力を供給するように構成しているため、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの保持回路１９ａ、１９ｃの専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができる。
【０１０７】
また、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃ、ローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの第一ゲート端子２ａ〜２ｄ、第二ゲート端子３ａ〜３ｄの駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができる。
【０１０８】
なお、保持回路１９ａ〜１９ｄの電圧を保持するために、定電圧ダイオード２２ａ〜２２ｄを使用したが、シャントレギュレータを使用するなど他の方法であっても良い。
【０１０９】
また、ゲート駆動用ＩＣとして、上下スイッチ駆動用の専用ＩＣを使用したが、その他の部品、例えばディスクリート部品を組み合わせて生成しても作用効果に差異はない。
【０１１０】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２について、図７を参照しながら説明する。
【０１１１】
なお、実施の形態１と同一機能を有するものは、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１１２】
図７に示すように、抵抗２５ｃから逆流防止ダイオード２６ｄとの間に抵抗２５ｅを挿入している。単相インバータ１７や三相インバータでは、上下の双方向スイッチ１をＰＷＭ制御しない場合も多く、特にローサイドスイッチ１ｂ、１ｄ（三相用ではさらにもう一つの双方向スイッチ１）を負荷の位相に合わせて１２０度オン状態とする等の制御方法が採用される。例えば、この周波数の３分の１の時間の間、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃはオンできないため、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第一ゲート端子２ａ、２ｃの保持回路１９ａ、１９ｃへの電力供給は途絶することとなる。逆に３分の２の時間の間は、ローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの第二ゲート端子３ｂ、３ｄがオンしないため、ローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの第一ゲート端子２ｂ、２ｄの保持回路１９ｂ、１９ｄは充電することができない。従って、相対的に充電頻度が低いのは、ローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの第一ゲート端子２ｂ、２ｄの保持回路１９ｂ、１９ｄとなる。そのため、コンデンサ２３ｂ、２３ｄの電圧が低下しないように、充電制限レベルを下げ、コンデンサ２３ｂ、２３ｄの容量をコンデンサ２３ａ、２３ｃの容量に対して大きくする必要がある。すなわち、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃ側の保持回路１９ａ、１９ｃの制限値をより厳しくするためにローサイドスイッチ１ｂ、１ｄ側と分岐した後に抵抗２５ｅを挿入し、またコンデンサ２３ｂ、２３ｄの容量をコンデンサ２３ａ、２３ｃの容量に対して大きくする（例えば、第一ゲート端子２ａ〜２ｄの保持回路に常時駆動するための電力を供給する、あるいはハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ〜３ｄがオフの期間に第一ゲート端子２ａ、２ｃをオン状態に保つための抵抗値として１０Ω、コンデンサ２３ｂ、２３ｄの容量を４７μＦ、コンデンサ２３ａ、２３ｃの容量を２２μＦなどに設定する）。また、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃのコンデンサ２４ａ、２４ｂの容量は、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第一ゲート端子２ａ、２ｃおよび第二ゲート端子３ａ、３ｃを駆動するために１００μＦなどに設定する。
【０１１３】
以上にように、保持回路１９ａ〜１９ｄのコンデンサ２３ａ〜２３ｄの容量やハイサイドスイッチ１ａ、１ｃとローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの変調方法に応じた制限が可能となり、単相インバータ１７（あるいは三相インバータ）の用途に応じた供給制限を行なうことができる。
【０１１４】
また、保持回路１９ａ〜１９ｄへの電力供給周期とハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃのコンデンサ２４ａ、２４ｃへの電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明は、ゲート信号に制御により４つの状態を有する双方向スイッチを利用した電力変換回路として高効率かつ低コストなコンバータ装置のゲート駆動回路に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の実施の形態１の双方向スイッチの構成図
【図２】同双方向スイッチの等価回路図
【図３】同双方向スイッチの電圧・電流の相関図
【図４】同双方向スイッチの動作モードを示す図
【図５】同単相インバータの構成図
【図６】同ゲート駆動回路の動作説明図
【図７】本発明の実施の形態２における単相インバータの構成図
【図８】従来の特許文献１におけるゲート駆動回路を示す図
【符号の説明】
【０１１７】
１ 双方向スイッチ
１ａ ハイサイドスイッチ
１ｂ ローサイドスイッチ
１ｃ ハイサイドスイッチ
１ｄ ローサイドスイッチ
２ 第一ゲート端子
２ａ〜２ｄ 第一ゲート端子
３ 第二ゲート端子
３ａ〜３ｄ 第二ゲート端子
４ ドレイン端子
５ ソース端子
６ 基板
７ バッファ層
８ 半導体層積層体
９ ＧａＮ層
１０ ＡｌＧａＮ層
１１Ａ 第１のオーミック電極
１１Ｂ 第２のオーミック電極
１２Ａ 第１のｐ型半導体層
１２Ｂ 第２のｐ型半導体層
１３Ａ 第１のゲート電極
１３Ｂ 第２のゲート電極
１４ 保護膜
１５ 第１のトランジスタ
１６ 第２のトランジスタ
１７ 単相インバータ
１８ａ、１８ｂ ハーフブリッジ回路
１８ｃ、１８ｄ 中間接続点
１９ａ〜１９ｄ 保持回路
２０ マイクロプロセッサ
２１ 制御電源
２２ａ〜２２ｄ 定電圧ダイオード
２３ａ〜２３ｄ コンデンサ
２４ａ〜２４ｂ コンデンサ
２５ａ〜２５ｅ 抵抗
２６ａ〜２６ｈ 逆流防止ダイオード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート信号に制御により４つの状態を有する双方向スイッチを直列接続したハーフブリッジ回路を構成した際のゲート駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の普及がさらに拡大傾向にあるが、同時に電子機器の消費電力増加、引いては地球温暖化などが発生しており、社会的な問題と認識されている。このような社会的背景から、電子機器の低消費電力化の要求も高くなっており、根幹となる電源回路、あるいは電子機器の主たる機能を実現するためのアクチュエータなど待機電力、運転のための電力の何れの電力消費についても技術革新による消費削減が期待されている。
【０００３】
従来、この種の低消費電力化のための技術としては、使用する電圧に応じて、適宜半導体デバイスをＭＯＳＦＥＴあるいはＩＧＢＴの使い分ける、あるいは新しい半導体デバイスとして、双方向性スイッチを利用した電力変換回路が提案されている。そういった背景のもと、双方向性スイッチを利用した電力変換回路におけるゲート駆動回路では、駆動のための電源を小型化するために種々の電源回路が提案されている。
【０００４】
以下、そのゲート駆動回路について、特許文献１を一例として説明する。
【０００５】
図８に示すように、特許文献１における電力変換装置に適用したゲート駆動回路では、各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ１５のスイッチングに応じて、電流経路が形成され、コンデンサＣ１〜Ｃ１２に充電することが示されている。具体的には、コンデンサＣ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７、Ｃ９、Ｃ１１はスイッチング素子Ｔ５、Ｔ１０、Ｔ１５が各オンした際に電源ＥｄｒｖからダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ７、Ｄ９、Ｄ１１を介して充電することになる。また、コンデンサＣ２、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０、Ｃ１２は、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ７、Ｔ９、Ｔ１２、Ｔ１４が各オンした際に、コンデンサＣ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７、Ｃ９、Ｃ１１からダイオードＤ２、Ｄ４、Ｄ６、Ｄ８、Ｄ１０、Ｄ１２を介して充電することになる。
【０００６】
また、特許文献１以外では、各双方向スイッチの各ゲート端子に対して、絶縁電源を形成して駆動電源を供給するものや、ブートストラップ回路を構成し、直流部の電圧を基準としてゲート端子を駆動するゲート端子のみチャージポンプ回路を採用して駆動するものなどが提案されている。
【特許文献１】特開２００６−２４６６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような従来の電力変換回路のゲート駆動回路では、スイッチング素子のゲート駆動による消費と充電とのバランスが崩れ、ゲート電源部の電圧が変動し、その際にスイッチング素子の特性が変化したことによる出力リプルの増大やスイッチング素子の損失増加につながることになるという課題があった。また、ブートストラップ回路のコンデンサから逆方向のスイッチング素子の駆動用コンデンサを充電する際には、ダイオードを経由して直接接続された構成であり、急峻な充電電流が流れ、スイッチング素子のゲート端子を揺さぶり意図しないターンオンを発生させ、短絡故障を発生させる、あるいは外部への雑音障害に影響を及ぼすという課題があった。
【０００８】
また、特許文献１以外の絶縁電源を採用した駆動電源や、ブートストラップ回路とチャージポンプ回路を組み合わせた構成では、回路規模が大きく電子部品の点数増加によるプリント配線板の大型化など、装置全体が大型化するという課題があった。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、ゲート電源部の電圧変動の抑制と、ブートストラップ回路のコンデンサから逆方向のスイッチング素子の駆動用コンデンサへのラッシュ電流を緩和と、回路構成の簡略化では唯一の制御電源で構成するもので、低コストかつ小型軽量のゲート駆動回路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のゲート駆動回路は、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に、前記第１のオーミック電極側から順に形成された、第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、前記半導体層積層体と第１のゲート電極との間に形成された第１のｐ型半導体層と、前記半導体層積層体と第２のゲート電極との間に形成された第２のｐ型半導体とを有し、前記第１のオーミック電極と前記第１のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第２のオーミック電極と前記第２のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第１のオーミック電極に接続されたドレイン端子と、前記第２のオーミック電極に接続されたソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチを高電位側に接続したハイサイドスイッチと低電圧側に接続したローサイドスイッチとして直列に接続してハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路を並列に配してなる単相あるいは三相インバータの前記双方向スイッチのゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子は常時オン状態となるようにオン電圧を保持する保持回路を備える構成としたものである。
【００１１】
この手段により、双方向スイッチの２つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサから周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチを駆動することができる。
【００１２】
また、保持回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を備える構成としたものである。
【００１３】
この手段により、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せのため、外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチを駆動することができる。
【００１４】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力を蓄積する電力蓄積部から供給する構成としたものである。
【００１５】
この手段により、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチの保持回路の専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができる。
【００１６】
また、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものである。
【００１７】
この手段により、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００１８】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、交流電源より変換した制御電源より直接供給する構成としたものである。
【００１９】
この手段により、保持回路への電力搬送中の損失の低減が図れると同時に、中間の回路が不要となることから、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００２０】
また、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものである。
【００２１】
この手段により、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００２２】
さらに、ローサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、常時供給する構成としたものである。
【００２３】
この手段により、装置の起動時やリスタート時などにおいて、ローサイドスイッチの第二ゲート端子から順に起動することが可能とすることができることとなる。
【００２４】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がオン状態の時に供給する構成としたものである。
【００２５】
この手段により、ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチの各ゲート端子の駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００２６】
さらに、保持回路への電力供給を制限する制限部を備える構成としたものである。
【００２７】
この手段により、装置の起動時などにおいて、電力蓄積素子へのラッシュ電流を回避することができ、装置全体がより安定した立ち上がりを行なうことができる。
【００２８】
また、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの各制限部は互いに相違なる制限値とする構成としたものである。
【００２９】
この手段により、保持回路の電力蓄積素子の容量やハイサイドスイッチとローサイドスイッチの変調方法に応じた制限が可能となり、インバータの用途に応じた供給制限を行なうことができ、制限部の損失の最小化を図ることができる。
【００３０】
さらに、保持回路の電力蓄積部とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、互いに相違なる容量とする構成としたものである。
【００３１】
この手段により、保持回路への電力供給周期とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能となるため、各ゲート端子のより安定した駆動を行なうことができる。
【００３２】
また、制限部は、抵抗で制限する構成としたものである。
【００３３】
この手段により、特殊な能動素子、受動素子を利用せずに構成でき、より簡易な構成でかつ省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００３４】
さらに、制限部は、第一ゲート端子を常時駆動するための電力を供給することができる制限値である構成としたものである。
【００３５】
この手段により、商用電源側で電圧ディップが発生し、マイクロプロセッサが検出して各ゲート端子をオフするまでの間であっても、安定した停止シーケンスを簡易な構成で行なうことができ、装置全体をより安価に構成することができる。
【００３６】
また、ハイサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ハイサイドスイッチのオフ期間に前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものである。
【００３７】
この手段により、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００３８】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ローサイドスイッチのオフ期間に前記ローサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものである。
【００３９】
この手段により、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができることとなる。
【００４０】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、少なくとも前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子を常時オンおよび第二ゲート端子を駆動するために必要な蓄積容量である構成としたものである。
【００４１】
この手段により、第一ゲート端子を常時オンするための電力蓄積部への搬送電力分を加味した容量となるため、第二ゲート端子のＰＷＭ制御を行う際に、より安定したスイッチングを可能とすることができる。
【００４２】
さらに、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給を制限する充電制限部を備える構成としたものである。
【００４３】
この手段により、装置全体が通電開始される際に、第二ゲート端子の電力蓄積部へのラッシュ電流を回避することができ、より安定した装置を構成することができる。
【００４４】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部から制御電源への電流の逆流を防止する逆流防止部を備える構成としたものである。
【００４５】
この手段により、双方向スイッチのスイッチングに応じて電力蓄積部の負側の電位が上昇した際にも、電流が逆流することを防止することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができる。
【００４６】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路から、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流を防止する第二逆流防止部を備える構成としたものである。
【００４７】
この手段により、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができる。
【００４８】
また、ローサイドスイッチの保持回路から、制御電源への逆流を防止する第三逆流防止部を備える構成としたものである。
【００４９】
この手段により、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から制御電源への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に、前記第１のオーミック電極側から順に形成された、第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、前記半導体層積層体と第１のゲート電極との間に形成された第１のｐ型半導体層と、前記半導体層積層体と第２のゲート電極との間に形成された第２のｐ型半導体とを有し、前記第１のオーミック電極と前記第１のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第２のオーミック電極と前記第２のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第１のオーミック電極に接続されたドレイン端子と、前記第２のオーミック電極に接続されたソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチを高電位側に接続したハイサイドスイッチと低電圧側に接続したローサイドスイッチとして直列に接続してハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路を並列に配してなる単相あるいは三相インバータの前記双方向スイッチのゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子は常時オン状態となるようにオン電圧を保持する保持回路を備える構成とすることで、双方向スイッチの２つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサから周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチを駆動することができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５１】
また、保持回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を備える構成とすることで、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せのため、外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチを駆動することができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５２】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力を蓄積する電力蓄積部から供給する構成とすることで、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチの保持回路の専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５３】
また、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成とすることで、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５４】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、交流電源より変換した制御電源より直接供給する構成とすることで、保持回路への電力搬送中の損失の低減が図れると同時に、中間の回路が不要となることから、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５５】
また、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成とすることで、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５６】
さらに、ローサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、常時供給する構成とすることで、装置の起動時やリスタート時などにおいて、ローサイドスイッチの第二ゲート端子から順に起動することが可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５７】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がオン状態の時に供給する構成とすることで、ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチの各ゲート端子の駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５８】
さらに、保持回路への電力供給を制限する制限部を備える構成とすることで、装置の起動時などにおいて、電力蓄積素子へのラッシュ電流を回避することができ、装置全体がより安定した立ち上がりを行なうことができるゲート駆動回路が提供できる。
【００５９】
また、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの各制限部は互いに相違なる制限値とする構成とすることで、保持回路の電力蓄積素子の容量やハイサイドスイッチとローサイドスイッチの変調方法に応じた制限が可能となり、インバータの用途に応じた供給制限を行なうことができ、制限部の損失の最小化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６０】
さらに、保持回路の電力蓄積部とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、互いに相違なる容量とする構成とすることで、保持回路への電力供給周期とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能となるため、各ゲート端子のより安定した駆動を行なうことができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６１】
また、制限部は、抵抗で制限する構成とすることで、特殊な能動素子、受動素子を利用せずに構成でき、より簡易な構成でかつ省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６２】
さらに、制限部は、第一ゲート端子を常時駆動するための電力を供給することができる制限値である構成とすることで、商用電源側で電圧ディップ等が発生し、マイクロプロセッサが検出して各ゲート端子をオフするまでの間であっても、安定した停止シーケンスを簡易な構成で行なうことができ、装置全体をより安価に構成することができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６３】
また、ハイサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ハイサイドスイッチのオフ期間に前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成とすることで、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６４】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ローサイドスイッチのオフ期間に前記ローサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成とすることで、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６５】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、少なくとも前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子を常時オンおよび第二ゲート端子を駆動するために必要な蓄積容量である構成とすることで、第一ゲート端子を常時オンするための電力蓄積部への搬送電力分を加味した容量となるため、第二ゲート端子のＰＷＭ制御を行う際に、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６６】
さらに、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給を制限する充電制限部を備える構成とすることで、装置全体が通電開始される際に、第二ゲート端子の電力蓄積部へのラッシュ電流を回避することができ、より安定した装置を構成することができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６７】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部から制御電源への逆流を防止する逆流防止部を備える構成とすることで、双方向スイッチのスイッチングに応じて電力蓄積部の負側の電位が上昇した際にも、逆流することを防止することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６８】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路から、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流を防止する第二逆流防止部を備える構成とすることで、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。
【００６９】
また、ローサイドスイッチの保持回路から、制御電源への逆流を防止する第三逆流防止部を備える構成とすることで、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から制御電源への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるゲート駆動回路が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７０】
本発明の請求項１記載の発明は、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に、前記第１のオーミック電極側から順に形成された、第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、前記半導体層積層体と第１のゲート電極との間に形成された第１のｐ型半導体層と、前記半導体層積層体と第２のゲート電極との間に形成された第２のｐ型半導体とを有し、前記第１のオーミック電極と前記第１のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第２のオーミック電極と前記第２のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第１のオーミック電極に接続されたドレイン端子と、前記第２のオーミック電極に接続されたソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチを高電位側に接続したハイサイドスイッチと低電圧側に接続したローサイドスイッチとして直列に接続してハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路を並列に配してなる単相あるいは三相インバータの前記双方向スイッチのゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子は常時オン状態となるようにオン電圧を保持する保持回路を備える構成としたものであり、双方向スイッチの２つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサから周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチを駆動することができるという作用を有する。
【００７１】
また、保持回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を備える構成としたものであり、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せのため、外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチを駆動することができるという作用を有する。
【００７２】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力を蓄積する電力蓄積部から供給する構成としたものであり、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチの保持回路の専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００７３】
また、ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものであり、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００７４】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、交流電源より変換した制御電源より直接供給する構成としたものであり、保持回路への電力搬送中の損失の低減が図れると同時に、中間の回路が不要となることから、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００７５】
また、ローサイドスイッチの保持回路への電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給する構成としたものであり、通常ＰＷＭ制御を行っている第二ゲート端子のオン期間に供給するため、長時間供給が途絶することがないため、大容量の電力蓄積素子が不要となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００７６】
さらに、ローサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、常時供給する構成としたものであり、装置の起動時やリスタート時などにおいて、ローサイドスイッチの第二ゲート端子から順に起動することが可能とすることができるという作用を有する。
【００７７】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がオン状態の時に供給する構成としたものであり、ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチの各ゲート端子の駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００７８】
さらに、保持回路への電力供給を制限する制限部を備える構成としたものであり、装置の起動時などにおいて、電力蓄積素子へのラッシュ電流を回避することができ、装置全体がより安定した立ち上がりを行なうことができるという作用を有する。
【００７９】
また、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの各制限部は互いに相違なる制限値とする構成としたものであり、保持回路の電力蓄積素子の容量やハイサイドスイッチとローサイドスイッチの変調方法に応じた制限が可能となり、インバータの用途に応じた供給制限を行なうことができ、制限部の損失の最小化を図ることができるという作用を有する。
【００８０】
さらに、保持回路の電力蓄積部とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、互いに相違なる容量とする構成としたものであり、保持回路への電力供給周期とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能となるため、各ゲート端子のより安定した駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００８１】
また、制限部は、抵抗で制限する構成としたものであり、特殊な能動素子、受動素子を利用せずに構成でき、より簡易な構成でかつ省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００８２】
さらに、制限部は、第一ゲート端子を常時駆動するための電力を供給することができる制限値である構成としたものであり、商用電源側で電圧ディップ等が発生し、マイクロプロセッサが検出して各ゲート端子をオフするまでの間であっても、安定した停止シーケンスを簡易な構成で行なうことができ、装置全体をより安価に構成することができるという作用を有する。
【００８３】
また、ハイサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ハイサイドスイッチのオフ期間に前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものであり、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００８４】
さらに、ローサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ローサイドスイッチのオフ期間に前記ローサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量である構成としたものであり、必要最小限の電力蓄積とすることができ、電力蓄積素子はより小型化することができるため、実装時に省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができるという作用を有する。
【００８５】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、少なくとも前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子を常時オンおよび第二ゲート端子を駆動するために必要な蓄積容量である構成としたものであり、第一ゲート端子を常時オンするための電力蓄積部への搬送電力分を加味した容量となるため、第二ゲート端子のＰＷＭ制御を行う際に、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。
【００８６】
さらに、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給を制限する充電制限部を備える構成としたものであり、装置全体が通電開始される際に、第二ゲート端子の電力蓄積部へのラッシュ電流を回避することができ、より安定した装置を構成することができるという作用を有する。
【００８７】
また、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部から制御電源への逆流を防止する逆流防止部を備える構成としたものであり、双方向スイッチのスイッチングに応じて電力蓄積部の負側の電位が上昇した際にも、逆流することを防止することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。
【００８８】
さらに、ハイサイドスイッチの保持回路から、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流を防止する第二逆流防止部を備える構成としたものであり、ハイサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から第二ゲート端子の電力蓄積部への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。
【００８９】
また、ローサイドスイッチの保持回路から、制御電源への逆流を防止する第三逆流防止部を備える構成としたものであり、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がターンオフした際に、保持回路から制御電源への逆流が防止することができ、第一ゲート端子の保持回路の電力蓄積素子の電位を保持することができ、より安定したスイッチングを可能とすることができるという作用を有する。
【００９０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００９１】
（実施の形態１）
まずは、双方向スイッチ１について、図１を参照しながら構成について説明する。図１に示すように、双方向スイッチ１は、第一ゲート端子２と第二ゲート端子３とドレイン端子４とソース端子５により構成されている。双方向スイッチ１は、シリコン（Ｓｉ）からなる基板６の上に厚さが１０ｎｍ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と厚さが１０ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）とが交互に積層されてなる厚さが１μｍのバッファ層７が形成され、その上に半導体層積層体８が形成されている。半導体層積層体８は、第１の半導体層とこの第１の半導体層と比べてバンドギャップが大きい第２の半導体層とが基板側から順次積層されている。第１の半導体層は、厚さが２μｍのＧａＮ（アンドープの窒化ガリウム）層９であり、第２の半導体層は、厚さが２０ｎｍのｎ型のＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層１０である。ＧａＮ層９のＡｌＧａＮ層１０とのヘテロ界面近傍には、自発分極及びピエゾ分極による電荷が生じる。これにより、シートキャリア濃度が１×１０１３ｃｍ―2以上で且つ移動度が１０００ｃｍ2Ｖ／ｓｅｃ以上の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層であるチャネル領域が生成されている。半導体層積層体８の上には、互いに間隔をおいて第１のオーミック電極１１Ａと第２のオーミック電極１１Ｂとが形成されている。第１のオーミック電極１１Ａ及び第２のオーミック電極１１Ｂは、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とが積層されており、チャネル領域とオーミック接合を形成している。また、コンタクト抵抗を低減するために、ＡｌＧａＮ層１０の一部を除去すると共にＧａＮ層９を４０ｎｍ程度掘り下げて、第１のオーミック電極１１Ａ及び第２のオーミック電極１１ＢがＡｌＧａＮ層１０とＧａＮ層９との界面に接するように形成した例を示している。なお、第１のオーミック電極１１Ａ及び第２のオーミック電極１１Ｂは、ＡｌＧａＮ層１０の上に形成してもよい。ｎ型のＡｌＧａＮ層１０の上における第１のオーミック電極１１Ａと第２のオーミック電極１１Ｂとの間の領域には、第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂが互いに間隔をおいて選択的に形成されている。第１のｐ型半導体層１２Ａの上には第１のゲート電極１３Ａが形成され、第２のｐ型半導体層１２Ｂの上には第２のゲート電極１３Ｂが形成されている。第１のゲート電極１３Ａ及び第２のゲート電極１３Ｂは、それぞれパラジウム（Ｐｄ）と金（Ａｕ）とが積層されており、第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂとオーミック接触している。ＡｌＧａＮ層１０及び第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂを覆うように窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる保護膜１４が形成されている。保護膜１４を形成することで、いわゆる電流コラプスの原因となる欠陥を保障し、電流コラプスを改善することが可能となる。第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂは、それぞれ厚さが３００ｎｍで、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされたｐ型のＧａＮからなる。第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂと、ＡｌＧａＮ層１０とによりＰＮ接合がそれぞれ形成される。これにより、第１のオーミック電極１１Ａと第１のゲート電極１３Ａとの間の電圧が例えば０Ｖでは、第１のｐ型ＧａＮ層からチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができ、同様に、第２のオーミック電極１１Ｂと第２のゲート電極１３Ｂとの間の電圧が例えば０Ｖ以下のときには、第２のｐ型ＧａＮ層からチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができ、いわゆるノーマリーオフ動作をする半導体素子を実現している。第１のオーミック電極１１Ａの電位をＶ１、第１のゲート電極１３Ａの電位をＶ２、第２のゲート電極１３Ｂの電位をＶ３、第２のオーミック電極１１Ｂの電位をＶ４とする。この場合において、Ｖ２がＶ１より１．５Ｖ以上高ければ、第１のｐ型半導体層１２Ａからチャネル領域中に広がる空乏層が縮小するため、チャネル領域に電流を流すことができる。同様にＶ３がＶ４より１．５Ｖ以上高ければ、第２のｐ型半導体層１２Ｂからチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができる。つまり、第１のゲート電極１３Ａのいわゆる閾値電圧及び第２のゲート電極１３Ｂのいわゆる閾値電圧は共に１．５Ｖである。以下においては、第１のゲート電極１３Ａの下側においてチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができるようになる第１のゲート電極１３Ａの閾値電圧を第１の閾値電圧とし、第２のゲート電極１３Ｂの下側においてチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができるようになる第２のゲート電極１３Ｂの閾値電圧を第２の閾値電圧とする。また、第１のｐ型半導体層１２Ａと第２のｐ型半導体層１２Ｂとの間の距離は、第１のオーミック電極１１Ａ及び第２のオーミック電極１１Ｂに印加される最大電圧に耐えられるように構成する。第１のオーミック電極１１Ａと第１のゲート電極１３Ａとの間にゲート駆動信号（すなわち、第一ゲート端子２への制御信号）を入力するようになっている。第２のオーミック電極１１Ｂと第２のゲート電極１３Ｂとの間も同様にゲート駆動信号（すなわち、第二ゲート端子３への制御信号）を入力するようになっている。なお、ソース端子５は第１のオーミック電極１１Ａに接続され、ドレイン端子４は第２のオーミック電極１１Ｂに接続され、第一ゲート端子２は第１のゲート電極１３Ａに接続され、第二ゲート端子３は第２のゲート電極１３Ｂに接続されている。
【００９２】
次に、双方向スイッチ１の動作について説明する。説明のため、第１のオーミック電極１１Ａの電位を０Ｖとし、第一ゲート端子２に印加する電圧をＶｇ１、第二ゲート端子３に印加する電圧をＶｇ２、第２のオーミック電極１１Ｂと第１のオーミック電極１１Ａとの間の電圧をＶｓ２ｓ１、第２のオーミック電極１１Ｂと第１のオーミック電極１１Ａとの間に流れる電流をＩｓ２ｓ１とする。
【００９３】
Ｖ４がＶ１よりも高い場合、例えば、Ｖ４が＋１００Ｖで、Ｖ１が０Ｖの場合において、第一ゲート端子２と第二ゲート端子３の入力電圧であるＶｇ１及びＶｇ２をそれぞれ第１の閾値電圧及び第２の閾値電圧以下の電圧、例えば０Ｖとする。これにより、第１のｐ型半導体層１２Ａから広がる空乏層が、チャネル領域中を第２のｐ型ＧａＮ層の方向へ向けて広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができる。従って、Ｖ４が正の高電圧であっても、第２のオーミック電極１１Ｂから第１のオーミック電極１１Ａへ流れる電流を遮断する遮断状態を実現できる。一方、Ｖ４がＶ１よりも低い場合、例えばＶ４が−１００Ｖで、Ｖ１が０Ｖの場合においても、第２のｐ型半導体層１２Ｂから広がる空乏層が、チャネル領域中を第１のｐ型半導体層１２Ａの方向へ向けて広がり、チャネルに流れる電流を遮断することができる。このため、第２のオーミック電極１１Ｂに負の高電圧が印加されている場合においても、第１のオーミック電極１１Ａから第２のオーミック電極１１Ｂへ流れる電流を遮断することができる。すなわち、双方向スイッチ１の双方向の電流を遮断することが可能となる。
【００９４】
以上のような構造及び動作において、耐圧を確保するためのチャネル領域を第１のゲート電極１３Ａと第２のゲート電極１３Ｂとが共有する。この素子は、１素子分のチャネル領域の面積で双方向スイッチ１が実現可能であり、双方向スイッチ１全体を考えると、２つのダイオードと２つのノーマリーオフ型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴとを用いた場合と比べてチップ面積をより少なくすることができ、双方向スイッチ１の低コスト化及び小型化が可能となる。
【００９５】
次に、第一ゲート端子２、第二ゲート端子３の入力電圧であるＶｇ１及びＶｇ２が、それぞれ第１の閾値電圧及び第２の閾値電圧よりも高い電圧、例えば５Ｖの場合には、第１のゲート電極１３Ａ及び第２のゲート電極１３Ｂに印加される電圧は、共に閾値電圧よりも高くなる。従って、第１のｐ型半導体層１２Ａ及び第２のｐ型半導体層１２Ｂからチャネル領域に空乏層が広がらないため、チャネル領域は第１のゲート電極１３Ａの下側においても、第２のゲート電極１３Ｂの下側においてもピンチオフされない。その結果、第１のオーミック電極１１Ａと第２のオーミック電極１１Ｂとの間に双方向に電流が流れる導通状態を実現できる。
【００９６】
次に、Ｖｇ１を第１の閾値電圧よりも高い電圧とし、Ｖｇ２を第２の閾値電圧以下とした場合の動作について説明する。第一ゲート端子２、第二ゲート端子３を備えた双方向スイッチ１を等価回路で表すと図２（ａ）に示すように第１のトランジスタ１５と第２のトランジスタ１６とが直列に接続された回路とみなすことができる。この場合、第１のトランジスタ１５のソース（Ｓ）が第１のオーミック電極１１Ａ、第１のトランジスタ１５のゲート（Ｇ）が第１のゲート電極１３Ａに対応し、第２のトランジスタ１６のソース（Ｓ）が第２のオーミック電極１１Ｂ、第２のトランジスタ１６のゲート（Ｇ）が第２のゲート電極１３Ｂに対応する。このような回路において、例えば、Ｖｇ１を５Ｖ、Ｖｇ２を０Ｖとした場合、Ｖｇ２が０Ｖであるということは第２のトランジスタ１６のゲートとソースが短絡されている状態と等しいため、双方向スイッチ１は図２（ｂ）に示すような回路とみなすことができる。
【００９７】
さらに、図２（ｂ）に示す第２のトランジスタ１６のソース（Ｓ）をＡ端子、ドレイン（Ｄ）をＢ端子、ゲート（Ｇ）をＣ端子として説明を行う。図に示すＢ端子の電位がＡ端子の電位よりも高い場合には、Ａ端子がソースでＢ端子がドレインであるトランジスタとみなすことができ、このような場合、Ｃ端子（ゲート）とＡ端子（ソース）との間の電圧は０Ｖであり、閾値電圧以下のため、Ｂ端子（ドレイン）からＡ端子（ソース）に電流は流れない。一方、Ａ端子の電位がＢ端子の電位よりも高い場合には、Ｂ端子がソースでＡ端子がドレインのトランジスタとみなすことができる。このような場合、Ｃ端子（ゲート）とＡ端子（ドレイン）との電位が同じであるため、Ａ端子の電位がＢ端子を基準として閾値電圧以下の場合にはＡ端子（ドレイン）からＢ端子（ソース）へ電流を通電しない。Ａ端子の電位がＢ端子を基準として閾値電圧以上となると、ゲートにＢ端子（ソース）を基準として閾値電圧以上の電圧が印加され、Ａ端子（ドレイン）からＢ端子（ソース）へ電流を流すことができる。つまり、トランジスタのゲートとソースとを短絡させた場合、ドレインがカソードでソースがアノードのダイオードとして機能し、その順方向立上り電圧はトランジスタの閾値電圧となる。そのため、図２（ａ）に示す第２のトランジスタ１６の部分は、ダイオードとみなすことができ、図２（ｃ）に示すような等価回路となる。図２（ｃ）に示す等価回路において、双方向スイッチ１のドレイン端子４の電位がソース端子５の電位よりも高い場合、第１のトランジスタ１５の第一ゲート端子２に５Ｖが印加されている場合には、第１のトランジスタ１５はオン状態であり、Ｓ２からＳ１へ電流を流すことが可能となる。ただし、ダイオードの順方向立上り電圧によるオン電圧が発生する。また、双方向スイッチ１のＳ１の電位がＳ２の電位よりも高い場合、その電圧は第２のトランジスタ１６からなるダイオードが担い、双方向スイッチ１のＳ１からＳ２へ流れる電流を阻止する。つまり、第一ゲート端子２に閾値電圧以上の電圧を与え、第二ゲート端子３に閾値電圧以下の電圧を与えることにより、いわゆる双方向素子をオンした状態とドレイン側にダイオードのカソード側を直列接続した動作が可能なスイッチが実現できる。
【００９８】
図３は、双方向スイッチ１のＶｓ２ｓ１とＩｓ２ｓ１との関係であり、（ａ）は、Ｖｇ１とＶｇ２とを同時に変化させた場合を示し、（ｂ）はＶｇ２を第２の閾値電圧以下の０Ｖとし、Ｖｇ１を変化させた場合を示し、（ｃ）はＶｇ１を第１の閾値電圧以下の０ＶとしてＶｇ２を変化させた場合を示している。なお、図３において横軸であるＳ２−Ｓ１間電圧（Ｖｓ２ｓ１）は、第１のオーミック電極１１Ａを基準とした電圧であり、縦軸であるＳ２−Ｓ１間電流（Ｉｓ２ｓ１）は第２のオーミック電極１１Ｂから第１のオーミック電極１１Ａへ流れる電流を正としている。図３（ａ）に示すように、Ｖｇ１及びＶｇ２が０Ｖの場合及び１Ｖの場合には、Ｖｓ２ｓ１が正の場合にも負の場合にもＩｓ２ｓ１は流れず、双方向スイッチ１は遮断状態となる。また、Ｖｇ１とＶｇ２とが共に閾値電圧よりも高くなると、Ｖｓ２ｓ１に応じてＩｓ２ｓ１が双方向に流れる導通状態となる。一方、図３（ｂ）に示すように、Ｖｇ２を第２の閾値電圧以下の０Ｖとし、Ｖｇ１を第１の閾値電圧以下の０Ｖとした場合には、Ｉｓ２ｓ１は双方向に遮断される。しかし、Ｖｇ１を第１の閾値電圧以上の２Ｖ〜５Ｖとした場合には、Ｖｓ２ｓ１が１．５Ｖ未満の場合にはＩｓ２ｓ１が流れないが、Ｖｓ２ｓ１が１．５Ｖ以上になるとＩｓ２ｓ１が流れる。つまり、第２のオーミック電極１１Ｂから第１のオーミック電極１１Ａにのみに電流が流れ、第１のオーミック電極１１Ａから第２のオーミック電極１１Ｂには電流が流れない逆阻止状態となる。また、Ｖｇ１を０Ｖとし、Ｖｇ２を変化させた場合には図３（ｃ）に示すように、第１のオーミック電極１１Ａから第２のオーミック電極１１Ｂにのみに電流が流れ、第２のオーミック電極１１Ｂから第１のオーミック電極１１Ａには電流が流れない逆阻止状態となる。
【００９９】
以上より、双方向スイッチ１は、そのゲートバイアス条件により、双方向の電流を遮断・通電する機能を有すると共に、ダイオード動作も可能であり、そのダイオードの電流が通電する方向も切り換えることができる。以上、説明したように双方向スイッチ１の第一ゲート端子２と第二ゲート端子３のオンあるいはオフ条件に応じて、図４に示す４つの動作モードで動作することができる。すなわち、前記第一ゲート端子２のみをオンすると、前記ドレイン端子４から前記ソース端子５間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子３のみをオンすると、前記ドレイン端子４から前記ソース端子５間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子２および前記第二ゲート端子３をオンすると、前記ドレイン端子４から前記ソース端子５間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子２および前記第二ゲート端子３をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有するものである。本構造はＪＦＥＴに類似しているが、キャリア注入を意図的に行うという点で、ゲート電界によりチャネル領域内のキャリア変調を行うＪＦＥＴとは全く異なった動作原理により動作する。具体的には、ゲート電圧が３ＶまではＪＦＥＴとして動作するが、ｐｎ接合のビルトインポテンシャルを超える３Ｖ以上のゲート電圧が印加された場合には、ゲートに正孔が注入され、前述したメカニズムにより電流が増加し、大電流且つ低オン抵抗の動作が可能となる。
【０１００】
また、双方向スイッチ１は、第１のゲート電極１３Ａがｐ型の導電性を有する第１のｐ型半導体層１２Ａの上に形成され、第２のゲート電極１３Ｂがｐ型の導電性を有する第２のｐ型半導体層１２Ｂの上に形成されている。このため、第１の半導体層と第２の半導体層との界面領域に生成されるチャネル領域に対して、第１のゲート電極１３Ａ及び第２のゲート電極１３Ｂから順方向のバイアスを印加することにより、チャネル領域内に正孔を注入することができる。窒化物半導体においては正孔の移動度は、電子の移動度よりもはるかに低いため、チャネル領域に注入された正孔は電流を流す担体としてほとんど寄与しない。このため、第１のゲート電極１３Ａ及び第２のゲート電極１３Ｂから注入された正孔は同量の電子をチャネル領域内に発生させるので、チャネル領域内に電子を発生させる効果が高くなり、ドナーイオンのような機能を発揮する。つまり、チャネル領域内においてキャリア濃度の変調を行うことが可能となるため、動作電流が大きいノーマリオフ型の窒化物半導体層双方向スイッチを実現することが可能となる。
【０１０１】
次に双方向スイッチ１を使用した単相インバータ１７について、図５を参照しながら説明する。図に示すように、単相インバータ１７は、図１および図２に示す双方向スイッチ１を高電位側に接続したハイサイドスイッチ１ａおよび１ｃと低電圧側に接続したローサイドスイッチ１ｂおよび１ｄとして直列に接続したハーフブリッジ回路１８ａおよび１８ｂを備える。
【０１０２】
また、この双方向スイッチ１の第一ゲート端子２ａ〜２ｄを常時オン状態となるように保持回路１９ａ〜１９ｄを備えており、第二ゲート端子３ａ〜３ｄをＰＷＭ変調する制御手段としてのマイクロプロセッサ２０を備えている。また、第二ゲート端子３ａ〜３ｄを駆動するための制御電源２１を備えている。また、ハーフブリッジ回路１８ａ、１８ｂの中間接続点１８ｃ、１８ｄには、例えば負荷として単相モータが接続されている。さらに、ハーフブリッジ回路１８（図示せず）を一回路設けた三相インバータの場合には三相モータが接続される構成となる。さらに、定電圧ダイオード２２ａ〜２２ｄとコンデンサ２３ａ〜２３ｄの並列回路を有した保持回路１９ａ〜１９ｄについて説明する。ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの保持回路１９ａ、１９ｃへの電力は、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃの駆動電力を蓄積する電力蓄積部としてのコンデンサ２４ａ、２４ｂから供給するように配置している。
【０１０３】
次に、保持回路１９ａ〜１９ｄの電力供給と、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃをオンするためのコンデンサ２４ａ、２４ｂへの充電について図６を参照しながら説明する。図６では、ローサイドスイッチ１ｂとハイサイドスイッチ１ｃがオンした期間を示しており、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃとローサイドスイッチ１ｂ、１ｄのうち、ローサイドスイッチ１ｄをオンした期間については、対称形のため、詳細な説明は省略する。ローサイドスイッチ１ｂの第二ゲート端子３ｂがオンすることで、ローサイドスイッチ１ｂは中間接続点１８ｃからＧＮＤ側に電流を流すことが可能となる。この際、中間接続点１８ｃの電位はＧＮＤ電位とほぼ等しくなり、これに伴い、充電電流ｉａが制御電源２１から電力供給を制限する充電制限部としての抵抗２５ａと逆流防止部としての逆流防止ダイオード２６ａを経由して、コンデンサ２４ａへ充電される。一方、ローサイドスイッチ１ｂの第一ゲート端子２ｂをオンするためのコンデンサ２３ｂは、同様に中間接続点１８ｃの電位がＧＮＤ電位とほぼ等しくなったことから、充電電流ｉｂが制御電源２１から電力供給を制限する充電制限部としての抵抗２５ａと逆流防止部としての逆流防止ダイオード２６ａ、さらにコンデンサ２３ａへの電流を制限する制限部としての抵抗２５ｃ、またさらに第三逆流防止部としての逆流防止ダイオード２６ｆを経由してコンデンサ２３ｂに充電される。また、ハイサイドスイッチ１ｃの保持回路１９ｃへの電力供給は、ハイサイドスイッチ１ｃがオンした状態の際、中間接続点の電位がＶｄｃとなり、その電位に対してコンデンサ２４ｂの電位を加算されるため、コンデンサ２４ｂから抵抗２５ｄとコンデンサ２３ｃから第二ゲート端子３ｃの駆動電力を蓄積する電力蓄積部としてのコンデンサ２４ｂへの逆流を防止する第二逆流防止部としての逆流防止ダイオード２６ｇを経由して充電電流ｉｃがコンデンサ２４ｃに充電される。さらに、ローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの第二ゲート端子３ｂ、３ｄの駆動電力は、制御電源２１から常時供給するように構成している。
【０１０４】
以上のように、双方向スイッチ１を駆動するゲート駆動回路において、双方向スイッチ１の２つのゲート端子を駆動するためのゲート信号を唯一の信号とすることができ、またオン信号を保持することが可能なため、マイクロプロセッサ２０から周期、位相に応じた特別な信号出力を必要とせず、簡単な構成で双方向スイッチ１を駆動することができる。
【０１０５】
また、定電圧ダイオード２２ａ〜２２ｄとコンデンサ２３ａ〜２３ｄの組合せで保持回路１９ａ〜１９ｄを形成したため、汎用的な部品構成でかつ受動部品の組合せで、かつ外部からの信号が不要であり、容易に双方向スイッチ１を駆動することができる。
【０１０６】
さらに、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃの駆動電力を蓄積する電力蓄積部としてのコンデンサ２４ａ、２４ｂからハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第一ゲート端子２ａ、２ｃの保持回路１９ａ、１９ｃへの電力を供給するように構成しているため、通常高電位側の電圧よりも更に高い電圧が必要となるハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの保持回路１９ａ、１９ｃの専用電源が不要となり、より安価で、かつ装置全体の小型・軽量化を図ることができる。
【０１０７】
また、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃ、ローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの第一ゲート端子２ａ〜２ｄ、第二ゲート端子３ａ〜３ｄの駆動電力は唯一の電源より供給することが可能となり、省スペース化が図れ、装置全体の小型・軽量化を図ることができる。
【０１０８】
なお、保持回路１９ａ〜１９ｄの電圧を保持するために、定電圧ダイオード２２ａ〜２２ｄを使用したが、シャントレギュレータを使用するなど他の方法であっても良い。
【０１０９】
また、ゲート駆動用ＩＣとして、上下スイッチ駆動用の専用ＩＣを使用したが、その他の部品、例えばディスクリート部品を組み合わせて生成しても作用効果に差異はない。
【０１１０】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２について、図７を参照しながら説明する。
【０１１１】
なお、実施の形態１と同一機能を有するものは、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１１２】
図７に示すように、抵抗２５ｃから逆流防止ダイオード２６ｄとの間に抵抗２５ｅを挿入している。単相インバータ１７や三相インバータでは、上下の双方向スイッチ１をＰＷＭ制御しない場合も多く、特にローサイドスイッチ１ｂ、１ｄ（三相用ではさらにもう一つの双方向スイッチ１）を負荷の位相に合わせて１２０度オン状態とする等の制御方法が採用される。例えば、この周波数の３分の１の時間の間、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃはオンできないため、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第一ゲート端子２ａ、２ｃの保持回路１９ａ、１９ｃへの電力供給は途絶することとなる。逆に３分の２の時間の間は、ローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの第二ゲート端子３ｂ、３ｄがオンしないため、ローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの第一ゲート端子２ｂ、２ｄの保持回路１９ｂ、１９ｄは充電することができない。従って、相対的に充電頻度が低いのは、ローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの第一ゲート端子２ｂ、２ｄの保持回路１９ｂ、１９ｄとなる。そのため、コンデンサ２３ｂ、２３ｄの電圧が低下しないように、充電制限レベルを下げ、コンデンサ２３ｂ、２３ｄの容量をコンデンサ２３ａ、２３ｃの容量に対して大きくする必要がある。すなわち、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃ側の保持回路１９ａ、１９ｃの制限値をより厳しくするためにローサイドスイッチ１ｂ、１ｄ側と分岐した後に抵抗２５ｅを挿入し、またコンデンサ２３ｂ、２３ｄの容量をコンデンサ２３ａ、２３ｃの容量に対して大きくする（例えば、第一ゲート端子２ａ〜２ｄの保持回路に常時駆動するための電力を供給する、あるいはハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ〜３ｄがオフの期間に第一ゲート端子２ａ、２ｃをオン状態に保つための抵抗値として１０Ω、コンデンサ２３ｂ、２３ｄの容量を４７μＦ、コンデンサ２３ａ、２３ｃの容量を２２μＦなどに設定する）。また、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃのコンデンサ２４ａ、２４ｂの容量は、ハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第一ゲート端子２ａ、２ｃおよび第二ゲート端子３ａ、３ｃを駆動するために１００μＦなどに設定する。
【０１１３】
以上にように、保持回路１９ａ〜１９ｄのコンデンサ２３ａ〜２３ｄの容量やハイサイドスイッチ１ａ、１ｃとローサイドスイッチ１ｂ、１ｄの変調方法に応じた制限が可能となり、単相インバータ１７（あるいは三相インバータ）の用途に応じた供給制限を行なうことができる。
【０１１４】
また、保持回路１９ａ〜１９ｄへの電力供給周期とハイサイドスイッチ１ａ、１ｃの第二ゲート端子３ａ、３ｃのコンデンサ２４ａ、２４ｃへの電力供給周期が異なる場合であっても、周期に応じた電力蓄積が可能とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明は、ゲート信号に制御により４つの状態を有する双方向スイッチを利用した電力変換回路として高効率かつ低コストなコンバータ装置のゲート駆動回路に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の実施の形態１の双方向スイッチの構成図
【図２】同双方向スイッチの等価回路図
【図３】同双方向スイッチの電圧・電流の相関図
【図４】同双方向スイッチの動作モードを示す図
【図５】同単相インバータの構成図
【図６】同ゲート駆動回路の動作説明図
【図７】本発明の実施の形態２における単相インバータの構成図
【図８】従来の特許文献１におけるゲート駆動回路を示す図
【符号の説明】
【０１１７】
１ 双方向スイッチ
１ａ ハイサイドスイッチ
１ｂ ローサイドスイッチ
１ｃ ハイサイドスイッチ
１ｄ ローサイドスイッチ
２ 第一ゲート端子
２ａ〜２ｄ 第一ゲート端子
３ 第二ゲート端子
３ａ〜３ｄ 第二ゲート端子
４ ドレイン端子
５ ソース端子
６ 基板
７ バッファ層
８ 半導体層積層体
９ ＧａＮ層
１０ ＡｌＧａＮ層
１１Ａ 第１のオーミック電極
１１Ｂ 第２のオーミック電極
１２Ａ 第１のｐ型半導体層
１２Ｂ 第２のｐ型半導体層
１３Ａ 第１のゲート電極
１３Ｂ 第２のゲート電極
１４ 保護膜
１５ 第１のトランジスタ
１６ 第２のトランジスタ
１７ 単相インバータ
１８ａ、１８ｂ ハーフブリッジ回路
１８ｃ、１８ｄ 中間接続点
１９ａ〜１９ｄ 保持回路
２０ マイクロプロセッサ
２１ 制御電源
２２ａ〜２２ｄ 定電圧ダイオード
２３ａ〜２３ｄ コンデンサ
２４ａ〜２４ｂ コンデンサ
２５ａ〜２５ｅ 抵抗
２６ａ〜２６ｈ 逆流防止ダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に、前記第１のオーミック電極側から順に形成された、第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、前記半導体層積層体と第１のゲート電極との間に形成された第１のｐ型半導体層と、前記半導体層積層体と第２のゲート電極との間に形成された第２のｐ型半導体とを有し、前記第１のオーミック電極と前記第１のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第２のオーミック電極と前記第２のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第１のオーミック電極に接続されたドレイン端子と、前記第２のオーミック電極に接続されたソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチを高電位側に接続したハイサイドスイッチと低電圧側に接続したローサイドスイッチとして直列に接続してハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路を並列に配してなる単相あるいは三相インバータの前記双方向スイッチのゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子は常時オン状態となるようにオン電圧を保持する保持回路を備えたことを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項２】
保持回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を備えたことを特徴とする請求項１記載のゲート駆動回路。
【請求項３】
ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力を蓄積する電力蓄積部から供給することを特徴とする請求項１あるいは２記載のゲート駆動回路。
【請求項４】
ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給することを特徴とする請求項１〜３何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項５】
ローサイドスイッチの保持回路への電力は、交流電源より変換した制御電源より直接供給することを特徴とする請求項１〜４何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項６】
ローサイドスイッチの保持回路への電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給することを特徴とする請求項１〜５何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項７】
ローサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、常時供給することを特徴とする請求項１〜６何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項８】
ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がオン状態の時に供給することを特徴とする請求項１〜７何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項９】
保持回路への電力供給を制限する制限部を備えたことを特徴とする請求項１〜８何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１０】
ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの各制限部は互いに相違なる制限値であることを特徴とする請求項１〜９何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１１】
保持回路の電力蓄積部とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、互いに相違なる容量であることを特徴とする請求項３〜１０何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１２】
制限部は、抵抗で制限することを特徴とする請求項９〜１１何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１３】
制限部は、第一ゲート端子を常時オンするための電力を供給することができる制限値であることを特徴とする請求項１０〜１２何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１４】
ハイサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ハイサイドスイッチのオフ期間に前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量であることを特徴とする請求項１１〜１３何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１５】
ローサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ローサイドスイッチのオフ期間に前記ローサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量であることを特徴とする請求項１１〜１４何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１６】
ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、少なくとも前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子を常時オンおよび第二ゲート端子を駆動するために必要な蓄積容量であることを特徴とする請求項３〜１５何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１７】
ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給を制限する充電制限部を備えたことを特徴とする請求項３〜１６何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１８】
ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部から制御電源への電流の逆流を防止する逆流防止部を備えたことを特徴とする請求項３〜１７何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１９】
ハイサイドスイッチの保持回路から、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電流の逆流を防止する第二逆流防止部を備えたことを特徴とする請求項３〜１８何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項２０】
ローサイドスイッチの保持回路から、制御電源への電流の逆流を防止する第三逆流防止部を備えたことを特徴とする請求項３〜１９何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１】
基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に、前記第１のオーミック電極側から順に形成された、第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、前記半導体層積層体と第１のゲート電極との間に形成された第１のｐ型半導体層と、前記半導体層積層体と第２のゲート電極との間に形成された第２のｐ型半導体とを有し、前記第１のオーミック電極と前記第１のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第２のオーミック電極と前記第２のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第１のオーミック電極に接続されたドレイン端子と、前記第２のオーミック電極に接続されたソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記ドレイン端子から前記ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチを高電位側に接続したハイサイドスイッチと低電圧側に接続したローサイドスイッチとして直列に接続してハーフブリッジ回路を構成し、このハーフブリッジ回路を並列に配してなる単相あるいは三相インバータの前記双方向スイッチのゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子は常時オン状態となるようにオン電圧を保持する保持回路を備えたことを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項２】
保持回路は、定電圧ダイオードとコンデンサの並列回路を備えたことを特徴とする請求項１記載のゲート駆動回路。
【請求項３】
ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力を蓄積する電力蓄積部から供給することを特徴とする請求項１あるいは２記載のゲート駆動回路。
【請求項４】
ハイサイドスイッチの保持回路への電力は、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給することを特徴とする請求項１〜３何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項５】
ローサイドスイッチの保持回路への電力は、交流電源より変換した制御電源より直接供給することを特徴とする請求項１〜４何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項６】
ローサイドスイッチの保持回路への電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子をオンした期間に供給することを特徴とする請求項１〜５何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項７】
ローサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、常時供給することを特徴とする請求項１〜６何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項８】
ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の駆動電力は、ローサイドスイッチの第二ゲート端子がオン状態の時に供給することを特徴とする請求項１〜７何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項９】
保持回路への電力供給を制限する制限部を備えたことを特徴とする請求項１〜８何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１０】
ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの各制限部は互いに相違なる制限値であることを特徴とする請求項１〜９何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１１】
保持回路の電力蓄積部とハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、互いに相違なる容量であることを特徴とする請求項３〜１０何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１２】
制限部は、抵抗で制限することを特徴とする請求項９〜１１何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１３】
制限部は、第一ゲート端子を常時オンするための電力を供給することができる制限値であることを特徴とする請求項１０〜１２何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１４】
ハイサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ハイサイドスイッチのオフ期間に前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量であることを特徴とする請求項１１〜１３何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１５】
ローサイドスイッチの保持回路の電力蓄積部は、前記ローサイドスイッチのオフ期間に前記ローサイドスイッチの第一ゲート端子をオン状態に保持することができる蓄積容量であることを特徴とする請求項１１〜１４何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１６】
ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部の蓄積容量は、少なくとも前記ハイサイドスイッチの第一ゲート端子を常時オンおよび第二ゲート端子を駆動するために必要な蓄積容量であることを特徴とする請求項３〜１５何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１７】
ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電力供給を制限する充電制限部を備えたことを特徴とする請求項３〜１６何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１８】
ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部から制御電源への電流の逆流を防止する逆流防止部を備えたことを特徴とする請求項３〜１７何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項１９】
ハイサイドスイッチの保持回路から、前記ハイサイドスイッチの第二ゲート端子の電力蓄積部への電流の逆流を防止する第二逆流防止部を備えたことを特徴とする請求項３〜１８何れかに記載のゲート駆動回路。
【請求項２０】
ローサイドスイッチの保持回路から、制御電源への電流の逆流を防止する第三逆流防止部を備えたことを特徴とする請求項３〜１９何れかに記載のゲート駆動回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−５７２６３（Ｐ２０１０−５７２６３Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１９１６７（Ｐ２００８−２１９１６７）
【出願日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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