スイッチング回路
【課題】従来の電力用半導体装置では、還流ダイオードが発生する逆回復電流により、回路内で電流、電圧の振動現象が生じるおそれがあったため、電流電圧の振動現象を抑制するスイッチング回路を提供する
【解決手段】ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２とが同じ方向に並列接続された並列回路と、前記並列回路に接続されたスイッチング素子１０３とを備える
【解決手段】ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２とが同じ方向に並列接続された並列回路と、前記並列回路に接続されたスイッチング素子１０３とを備える
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
還流ダイオードにキャパシタを並列接続させ、還流ダイオードの発振現象を抑制する電力用半導体装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２８１４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の電力用半導体装置では、振動現象の発生自体を抑制することができないため、発生した振動現象が減衰するまでは、周辺回路への悪影響を与える虞があった。
【０００５】
そこで、本発明は、振動現象の発生を抑制するスイッチング回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ユニポーラダイオードとバイポーラダイオードを並列接続させたスイッチング回路によって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ユニポーラダイオードとバイポーラダイオードの並列回路にスイッチング素子を接続させ、当該ユニポーラダイオードとバイポーラダイオードに電流を流すことで、逆回復電荷を少なく保ちつつ、電流、電圧の振動現象の発生を抑制し、周辺回路への悪影響を抑制することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】発明の実施形態に係る駆動回路を示す回路図である。
【図２】比較例１における、ユニポーラダイオード及びスイッチング素子の時間―電流特性を示す図である。
【図３】比較例２における、バイポーラダイオード及びスイッチング素子の時間―電流特性を示す図である。
【図４】図１のユニポーラダイオードとバイポーラダイオードとの並列回路及びスイッチング素子の時間―電流特性を示す図である。
【図５】図１のユニポーラダイオードとバイポーラダイオードの電圧―電流特性を示す図である。
【図６】発明の他の実施形態に係る駆動回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
図１は、誘導性負荷を持つスイッチング測定回路である。誘導性負荷を持つ実用回路としては、モータを接続したインバータ回路や、ＤＣ／ＤＣコンバータなどが挙げられる。図２に示すスイッチング測定回路は、それらの実用回路に用いられる半導体デバイスのスイッチング特性を測定するためのものであり、実用回路における半導体デバイスや回路の動作を、単純な回路で再現できるものである。図２は比較例１の駆動回路における、ユニポーラダイオード及びスイッチング素子の時間に対する電流特性を説明するための図であり、図３は比較例２の駆動回路における、パイポーラダイオード及びスイッチング素子の時間に対する電流特性を説明するための図である。図４は、本例の駆動回路におけるユニポーラダイオードとバイポーラダイオードとの並列回路及びスイッチング素子の時間に対する電流特性を説明するための図である。
【００１０】
図１に示す駆動回路は、ユニポーラダイオード１０１と、ユニポーラダイオード１０１に並列接続されたバイポーラダイオード１０２と、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２に接続されるスイッチング素子１０３と、負荷インダクタンス２１と、パルスジェネレータ２２と、スイッチング素子１０３の開閉により負荷インダクタンス２１に電流を供給する直流電源２４と、平滑コンデンサ２５とを有する。またスイッチング回路１０は、ユニポーラダイオード１０１と、バイポーラダイオード１０２と、スイッチング素子１０３により形成される。
【００１１】
ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２は同じ方向を向いて並列に接続され、負荷インダクタンス２１は当該ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２との並列回路に並列接続される。本例のスイッチング素子１０３はＩＧＢＴを用いており、スイッチング素子１０３のコレクタ端子は、ユニポーラダイオード１０１のアノード端子及びバイポーラダイオード１０２のアノード端子に接続される。またスイッチング素子１０３のゲート端子は、スイッチング素子１０３にＯＮ・ＯＦＦ動作をさせるためのパルスジェネレータ２２が接続される。スイッチング素子１０３とパルスジェネレータ２２との間の抵抗２３は、ゲート抵抗である。直流電源２４の正極端子と負極端子の間に平滑コンデンサ２５が接続される。直流電源２４の正極端子は、ユニポーラダイオード１０１のカソード端子及びバイポーラダイオード１０２のカソード端子に接続され、直流電源２４の負極端子は、スイッチング素子のエミッタ端子に接続される。図１に示す駆動回路の各素子間は寄生インダクタンス２６を有する。
【００１２】
次に、本例の駆動回路の動作を説明する。パルスジェネレータ２２の信号に応じて、電圧がスイッチング素子１０３のゲートーエミッタ間に加わると、スイッチング素子１０３がＯＮ状態となり、直流電源２４からの電流がスイッチング回路１０及び負荷インダクタンス２１へ流れ出す。ここで、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２は当該直流電源２４からの電流に対して逆方向に接続されているため、直流電電２４からの電流は、負荷インダクタンス２１を経由して、スイッチング素子１０３を流れる。
【００１３】
スイッチング素子１０３がＯＮ状態からＯＦＦ状態となると、負荷インダクタンス２１は、蓄積されたエネルギーによって電流を流し続けるようとする。この時、スイッチング素子１０３はオフ状態のため、当該電流は、スイッチング素子１０３のコレクタ−エミッタ間には電流は流れず、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２へ還流電流として流れ出し、当該還流電流がユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２と、負荷インダクタンス２１との閉回路に流れる。
【００１４】
次に、還流電流が流れている状態で、スイッチング素子１０３をオフ状態からオン状態にした時の、スイッチング回路１０の動作を、比較例１として図２を、比較例２として図３を、本例として図４を参照しつつ説明する。
【００１５】
比較例１の駆動回路は、図１に示す本例のスイッチング回路１０においてユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路の代わりにユニポーラダイオード１０１のみを接続した場合の駆動回路である。そして、図２は比較例１の駆動回路のユニポーラダイオード１０１及びスイッチング素子１０３の時間―電流特性を示し、（ａ）はユニポーラダイオード１０１に流れる電流を、（ｂ）はスイッチング素子１０３に流れる電流を示す。
【００１６】
比較例１の駆動回路において、ユニポーラダイオード１０１に還流電流が流れている状態で、スイッチング素子１０３がＯＦＦ状態からＯＮ状態になると、直流電源２４からの電流がスイッチング素子１０３に流れ出し、ユニポーラダイオード１０１に流れていた還流電流はゼロに向かう（時間ｔ１）。当該還流電流が導通から遮断する過程において、空乏層の伸びに従いユニポーラダイオード１０１内部の多数キャリアが電荷として排出される（以下、逆回復電荷と称す）。その結果、ユニポーラダイオード１０１に対して逆方向の電流が流れる（以下、逆回復電流と称す。）なお図２に示す（q）の斜線部が逆回復電荷に相当する。
【００１７】
ユニポーラダイオード１０１は多数キャリアのみで逆回復電荷を形成するため、バイポーラダイオードと比較して、逆回復電荷は少ない。しかしユニポーラダイオード１０１の逆回復電荷はバイポーラダイオードと比較して早く排出されるため、逆回復電流のピーク値（時間ｔ２）からゼロ（時間ｔ３）に向かうまでの遮断速度（ｄＩｒ／ｄｔ）が大きくなる。そして、逆回復電流の遮断速度と、駆動回路内の寄生インダクタンス２６のインダクタンス成分（Ｌｐ）により、サージ電圧（Ｌｐ×ｄＩｒ／ｄｔ）が発生する。これにより、当該サージ電圧はユニポーラダイオード１０１に印加される、比較例１の駆動回路において、ユニポーラダイオード１０１に過度な負荷がかかる。
【００１８】
またユニポーラダイオード１０１がオフ状態になると、ユニポーラダイオード１０１のドリフト層に空乏層が広がり、空乏容量が発生するため、ユニポーラダイオード１０１はコンデンサとして動作する。当該コンデンサと、寄生インダクタンス２６のインダクタンス成分により、ＬＣ共振回路が形成され、ＬＣ共振が発生する。このＬＣ共振が電流、電圧の振動現象の原因である。この電流、電圧の振動現象はノイズの発生源となり、周辺回路の誤作動の原因となる。
【００１９】
比較例２の駆動回路は、図１に示す本例のスイッチング回路１０においてユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路の代わりにバイポーラダイオード１０２のみを接続した場合の駆動回路である。そして、図３は比較例２の駆動回路のバイポーラダイオード１０２及びスイッチング素子１０３の時間―電流特性を示し、（ａ）はバイポーラダイオード１０２に流れる電流を、（ｂ）はスイッチング素子１０３に流れる電流を示す。
【００２０】
比較例１と同様に、バイポーラダイオード１０２に還流電流が流れている状態で、スイッチング素子１０３がＯＦＦ状態からＯＮ状態になると（時間ｔ１）、還流電流はゼロに向かう。バイポーラダイオードは導通状態において、少数キャリアがドリフト層中に注入されている。従って、当該還流電流が導通から遮断する過程において、少数キャリアと多数キャリアの両方が逆回復電荷として排出される。
【００２１】
このようにバイポーラダイオード１０２は小数キャリア及び多数キャリアで逆回復電荷を形成するため、逆回復電荷が比較例１のユニポーラダイオード１０１で形成される逆回復電荷の量に比べて多くなる。図３において（ｑ）の部分が逆回復電荷を示すが、 図３の（ｑ）の部分が図２の（ｑ）の部分と比較して大きくなっている。そして、図３（ｂ）に示すように、スイッチング素子１０３に流れる逆回復電流のピーク値は比較例１と比較して高くなり、スイッチング素子１０３に損失が発生してしまう。バイポーラダイオード１０２から排出される逆回復電荷の量は、バイポーラダイオード１０２に流れる還流電流の電流密度が高い場合により増加するため、損失も増加する。
【００２２】
一方、逆回復電流のピーク値（時間ｔ２）からゼロ（時間ｔ３）に向かうまでの遮断速度（ｄＩｒ／ｄｔ）は、比較例１のユニポーラダイオード１０１の場合と比べ、遅いため、比較例１のような電流、電圧の振動現象は生じにくい（図２の（ａ）を参照）。
【００２３】
このように、電流・電圧の振動現象の発生を抑制するには、逆回復電流の遮断速度ｄＩｒ／ｄｔを緩和することが重要であるが、逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度ｄＩｒ／ｄｔを緩和することは困難であった。
【００２４】
本例の駆動回路は、同一方向であるユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路を有するため、スイッチング素子１０３をオンからオフ状態（時間ｔ１）にすることにより発生する還流電流は、ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２の両方に流れる。そして、スイッチング素子１０３がＯＮ状態になり、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２が遮断されると、逆回復電流が、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路から流れる。逆回復電荷は、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の両方からから排出されるため、ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２に流れる電流の割合を調節したり、バイポーラダイオード１０２のチップ面積を調節することで、比較例２のようにバイポーラダイオード１０２のみを接続する場合と比較して、逆回復電荷の量を少なくすることが出来る（図４の（ｑ）を参照）。そのため、スイッチング素子に流れる逆回復電流も抑制することができる（図４の（ｂ）を参照）。
【００２５】
また、逆回復電流の遮断速度が小さいバイポーラダイオード１０２から排出される逆回復電荷が、逆回復電流の遮断速度が大きいユニポーラダイオード１０１から排出される逆回復電荷に足し合わされるため、寄生インダクタンス２６に流れ込む逆回復電流の遮断速度は、バイポーラダイオード１０２により律速され、図４の（ａ）に示すように緩やかになる。そして、図４に示すように、スイッチング素子１０３とユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に流れる逆回復電流のピーク値（時間ｔ２）は抑えられ、またピーク値に達し減少する過程において、逆回復電流は緩やかにゼロ（時間ｔ３）に向かって収束する。これにより、本例の駆動回路は、逆回復電流の遮断による電流、電圧の振動現象を抑制しつつ、スイッチング素子１０３を含む各回路素子の損失を抑制できる。
【００２６】
本例において、バイポーラダイオードの代わりにソフトリカバリダイオードを用いることも出来る。ソフトリカバリダイオードはバイポーラダイオードの一種であり、逆回復電荷が緩やかに切れ、逆回復電流の遮断速度が緩和されるようにドリフト層中の少数キャリアライフタイムが制御されているため、ｄＩｒ／ｄｔが緩和された電流波形となり、サージ電圧の発生も小さく、電流、電圧の振動現象の発生をさらに抑制することが出来る。
【００２７】
次に、本例のスイッチング回路１０において、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧と、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に流れる電流との関係を、図５を用いて説明する。
【００２８】
図５（ａ）〜（ｆ）において、（Ｉ）はユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に流れる還流電流を、（ＩＩ）はユニポーラダイオード１０１に流れる還流電流を、（ＩＩＩ）はバイポーラダイオード１０２に流れる還流電流を示す。またＩｍａｘは、本例の駆動回路を設計する際に考慮される、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に流れる最大電流値を示す。ダイオードは、ある程度の順方向電圧を印加すると、急激に電流が立ち上がる電圧が存在する。本例ではその電圧を立ち上がり電圧と呼ぶ。またダイオードに立ち上がり電圧以上の順方向電圧が印加された場合を、そのダイオードが導通状態であると呼ぶ。
【００２９】
ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２の電流電圧特性の関係にはさまざまな組み合わせが存在するが、図５（ａ）〜（ｆ）に示す関係であれば、逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度ｄＩｒ／ｄｔを緩和する効果を発揮することができる。図５（ａ）〜（ｆ）に共通しているのは、ユニポーラダイオード１０１およびバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧が、並列回路が最大電流に達したときの電圧降下値より低い点である。
【００３０】
図５（ａ）は、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧をバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧よりも低く設定した例である。図５（ａ）の場合、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧以上の電圧領域において、逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流・電圧の振動現象を抑制することができる。
【００３１】
図５（ｂ）は、上述した図５（ａ）に対して、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧がバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧よりも低い点に変わりはないが、バイポーラダイオード１０２の電圧―電流特性の傾きをユニポーラダイオード１０１の電圧―電流特性の傾きより大きく設定した点が異なる。
【００３２】
これにより、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２に流れる還流電流が大きい時、ユニポーラダイオード１０１よりバイポーラダイオード１０２の方がより大きな電流が流れるため、バイポーラダイオード１０２による逆回復電流の緩やかな遮断によって、本例は電流、電圧の振動現象を抑制できる。
【００３３】
図５（ｃ）及び（ｄ）は、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧がユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧と同じ電圧に設定した例であり、これによればユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に還流電流が流れる時、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２に還流電流が流れる。そのため、本例によれば、還流電流が所定の最大電流（Ｉｍａｘ）以下の全領域において、逆回復電流による電流、電圧の振動現象を抑えつつ、逆回復電荷の量を低減することができる。
【００３４】
また、図５（ｃ）に示す本例のスイッチング回路１０において、還流電流が多く流れるとバイポーラダイオード１０２よりユニポーラダイオード１０１の方に多く電流が流れるため、より逆回復電荷の量を抑制することができる。
【００３５】
また図５（ｄ）示す本例のスイッチング回路１０において、還流電流が多く流れるとユニポーラダイオード１０１よりバイポーラダイオード１０２の方に多く電流が流れるため、逆回復電流の遮断速度を緩和する効果が大きくなり、より電流、電圧の振動現象を抑制することができる。
【００３６】
図５（ｅ）は、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧が ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧よりも低く設定した例であり、これによりユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に還流電流が流れる時には、少なくともバイポーラダイオード１０２に還流電流が流れる。そのため、本例によれば、還流電流が所定の最大電流（Ｉｍａｘ）以下の全領域において、電流、電圧の振動現象を抑えつつ、逆回復電荷の量を低減することができる。また還流電流が大きい時、本例によれば、ユニポーラダイオード１０１の方に多く還流電流を流すため、より逆回復電荷の量を抑え、逆回復電流を抑制できる。
【００３７】
また、ユニポーラダイオード１０１の電圧が立ち上がる時点で、バイポーラダイオード１０２が、高注入状態になるように、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧を設定することで、より逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流、電圧の振動現象を抑制することができる。バイポーラダイオード、特にソフトリカバリダイオードは、少数キャリアがドリフト層中に高濃度に注入されることで逆回復電流の遮断速度を緩和している。したがって、ある程度の電流密度に達し、少数キャリアが高注入状態になることで、より効果的に逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流・電圧の振動現象を抑制することができる。ここでの高注入状態とは、ドリフト層中の少数キャリア濃度が、ドリフト層の不純物濃度以上になることである。
【００３８】
図５（ｆ）は、上述した図５（ｅ）に対して、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧がユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧よりも低い点に変わりはないが、バイポーラダイオード１０２の電圧―電流特性の傾きがユニポーラダイオード１０１の電圧―電流特性の傾きより大きく設定した点が異なる。
【００３９】
これにより、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２に流れる還流電流が大きい時、ユニポーラダイオード１０１よりバイポーラダイオード１０２の方がより大きな電流が流れるため、バイポーラダイオード１０２により逆回復電流の遮断速度を緩和できるため、本例のスイッチング回路１０は電流、電圧の振動現象をより抑制できる。
【００４０】
図５（ａ）〜（ｆ）に示すそれぞれの特性は、本例のスイッチング回路１０が組み込まれる駆動回路、測定回路の有するインダクタンス特性や、還流電流の大きさ等により適宜選択され、本例のスイッチング回路１０に組み込まれる。
【００４１】
バイポーラダイオード１０２をＰＮダイオードとした場合、ＰＮダイオードの立ち上がり電圧はバンドギャップに依存する。したがって、バイポーラダイオード１０２を形成する半導体材料を、ユニポーラダイオード１０１を形成する半導体材料よりバンドギャップが狭い材料にすることで、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧を、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧より低く設定することが出来る。このように、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧を、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧より低く設定することによって、全電流域において逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流・電圧の振動現象を抑制することができる。 本例のスイッチング回路１０のユニポーラダイオード１０１は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンドの基体材料に金属を接合したショットキーダイオードにより形成することができる。これらの基体材料は、通常用いられるシリコンよりバンドギャップが広く、より高耐圧で低損失なスイッチング回路を提供することができる。
【００４２】
また本例のユニポーラダイオード１０１は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンド基体上にそれらの基体材料よりバンドギャップが狭いヘテロ半導体を接合した、ヘテロ接合ダイオードにより形成されてもよい。これらの基体は、通常用いられるシリコンよりバンドギャップが広く、より高耐圧で低損失なスイッチング回路を提供することができる。また、ヘテロ接合ダイオードは、ヘテロ半導体材料の種類や、ヘテロ半導体中の不純物濃度を制御することで、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧を制御することができるため、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧をバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧より高く設定することができる。これにより、本例のスイッチング回路１０は、全電流域において逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流・電圧の振動現象を抑制できる。
【００４３】
なお、ヘテロ接合ダイオードのヘテロ半導体として、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素などを用いてもよい。
【００４４】
また本例のバイポーラダイオード１０２は、シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウムのＰＮダイオードにより形成される。これらの材料は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどの材料に比べてバンドギャップが狭いため、よりバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧を下げることができる。これにより、本例のスイッチング回路１０は、全電流域において逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流・電圧の振動現象を抑制できる。
【００４５】
《第２実施形態》
図６は、発明の他の実施形態に係る駆動回路である。本例では上述した第１実施形態に対して、本例のスイッチング回路１０〜６０を用いて三相インバータ回路を形成し駆動回路とする。
【００４６】
図６に示す三相インバータ回路は、本例のスイッチング回路１０及びスイッチング回路２０を直列接続した上下アーム回路と、スイッチング回路３０及びスイッチング回路４０を直列接続した上下アーム回路と、スイッチング回路５０及びスイッチング回路６０を直列接続した上下アーム回路と、直流電源２４と、三相同期モータ２７と、平滑コンデンサ２５と、リレースイッチ２８とを有している。スイッチング回路１０は、スイッチング素子２０３のドレイン端子に、ユニポーラダイオード１０１のアノード端子およびバイポーラダイオード１０２のアノード端子が接続されているのに対して、スイッチング回路２０は、スイッチング素子１０３のソース端子に、ユニポーラダイオード２０１のカソード端子およびバイポーラダイオード２０２のカソード端子が接続されている点が異なるが、基本的な動作は同じである。スイッチング素子３０〜６０に関しても同様である。
【００４７】
３個の上下アーム回路は並列に接続され、当該三並列させた上下アーム回路と平滑コンデンサ２５は直流電源２４の正極端子と負極端子の間にリレースイッチ２８を介して接続され、三相同期モータ２５の三相の端子が三並列された上下アーム回路の中間接続点にそれぞれ接続される。これにより、本例のスイッチング回路１０〜６０は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路を形成し、三相同期モータ２７にＰＷＭ信号を出力する。なお、本例の三相同期モータ２７が本発明の負荷インダクタンスに相当する。
【００４８】
またスイッチング素子１０３、２０３（他のスイッチング回路３０〜６０も同じ）はシリコン、ゲルマニウム又はシリコンゲルマニウムを含むＭＯＳＦＥＴにより形成されており、当該ＭＯＳＦＥＴに内蔵される寄生ＰＮダイオードをバイポーラダイオード１０２、２０２に利用している。ユニポーラダイオード１０１、２０１は、スイッチング素子１０３、２０３とそれぞれ並列に接続されて、スイッチング素子１０３、２０３の寄生ダイオードであるバイポーラダイオード１０２、２０２とそれぞれ同じ向きで接続される。
【００４９】
本例の駆動回路において、スイッチング回路４０及びスイッチング回路１０のスイッチング素子がＯＮ状態になると、直流電源２４より電流が、Ｖ−Ｕ相で流れ出す。次にスイッチング回路１０のスイッチング素子２０３がＯＦＦ状態になると、三相モータ２７が有するインダクタンス成分により、還流電流がユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２に流れる。そして、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２が通電から遮断状態になると、逆回復電流が発生するが、本例のスイッチング回路１０〜６０は、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路を有するため、当該逆回復電流による電流、電圧の振動現象を抑制でき、また逆回復電荷の量を少なくし、回路素子への損失を軽減できる。
【００５０】
また、本例のスイッチング回路１０〜６０は、スイッチング素子の寄生ダイオードをバイポーラダイオードとしているため、別途バイポーラダイオードを設けなくてよく、ダイオードのチップを削減でき、低コスト化、小型化を図ることができる。
【００５１】
また本例の駆動回路において、ユニポーラダイオード１０１を複数チップで形成し、その複数のユニポーラダイオードチップの間にバイポーラダイオード１０２を配置することができる。ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２では、電流電圧特性や逆回復電荷の量が異なるため、発熱に差が出る。このような配置にすることによって、駆動回路の熱分布をより均一化することができ、より信頼性が高い駆動回路を提供することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０、２０、３０、４０、５０、６０…スイッチング回路
１０１、２０１…ユニポーラダイオオード
１０２、２０２…バイポーラダイオード
１０３、２０３…スイッチング素子
２１…負荷インダクタンス
２２…パルスジェネレータ
２３…ゲート抵抗
２４…直流電源
２５…平滑コンデンサ
２６…寄生インダクタンス
２７…三相モータ
２８…リレースイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
還流ダイオードにキャパシタを並列接続させ、還流ダイオードの発振現象を抑制する電力用半導体装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２８１４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の電力用半導体装置では、振動現象の発生自体を抑制することができないため、発生した振動現象が減衰するまでは、周辺回路への悪影響を与える虞があった。
【０００５】
そこで、本発明は、振動現象の発生を抑制するスイッチング回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ユニポーラダイオードとバイポーラダイオードを並列接続させたスイッチング回路によって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ユニポーラダイオードとバイポーラダイオードの並列回路にスイッチング素子を接続させ、当該ユニポーラダイオードとバイポーラダイオードに電流を流すことで、逆回復電荷を少なく保ちつつ、電流、電圧の振動現象の発生を抑制し、周辺回路への悪影響を抑制することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】発明の実施形態に係る駆動回路を示す回路図である。
【図２】比較例１における、ユニポーラダイオード及びスイッチング素子の時間―電流特性を示す図である。
【図３】比較例２における、バイポーラダイオード及びスイッチング素子の時間―電流特性を示す図である。
【図４】図１のユニポーラダイオードとバイポーラダイオードとの並列回路及びスイッチング素子の時間―電流特性を示す図である。
【図５】図１のユニポーラダイオードとバイポーラダイオードの電圧―電流特性を示す図である。
【図６】発明の他の実施形態に係る駆動回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
図１は、誘導性負荷を持つスイッチング測定回路である。誘導性負荷を持つ実用回路としては、モータを接続したインバータ回路や、ＤＣ／ＤＣコンバータなどが挙げられる。図２に示すスイッチング測定回路は、それらの実用回路に用いられる半導体デバイスのスイッチング特性を測定するためのものであり、実用回路における半導体デバイスや回路の動作を、単純な回路で再現できるものである。図２は比較例１の駆動回路における、ユニポーラダイオード及びスイッチング素子の時間に対する電流特性を説明するための図であり、図３は比較例２の駆動回路における、パイポーラダイオード及びスイッチング素子の時間に対する電流特性を説明するための図である。図４は、本例の駆動回路におけるユニポーラダイオードとバイポーラダイオードとの並列回路及びスイッチング素子の時間に対する電流特性を説明するための図である。
【００１０】
図１に示す駆動回路は、ユニポーラダイオード１０１と、ユニポーラダイオード１０１に並列接続されたバイポーラダイオード１０２と、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２に接続されるスイッチング素子１０３と、負荷インダクタンス２１と、パルスジェネレータ２２と、スイッチング素子１０３の開閉により負荷インダクタンス２１に電流を供給する直流電源２４と、平滑コンデンサ２５とを有する。またスイッチング回路１０は、ユニポーラダイオード１０１と、バイポーラダイオード１０２と、スイッチング素子１０３により形成される。
【００１１】
ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２は同じ方向を向いて並列に接続され、負荷インダクタンス２１は当該ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２との並列回路に並列接続される。本例のスイッチング素子１０３はＩＧＢＴを用いており、スイッチング素子１０３のコレクタ端子は、ユニポーラダイオード１０１のアノード端子及びバイポーラダイオード１０２のアノード端子に接続される。またスイッチング素子１０３のゲート端子は、スイッチング素子１０３にＯＮ・ＯＦＦ動作をさせるためのパルスジェネレータ２２が接続される。スイッチング素子１０３とパルスジェネレータ２２との間の抵抗２３は、ゲート抵抗である。直流電源２４の正極端子と負極端子の間に平滑コンデンサ２５が接続される。直流電源２４の正極端子は、ユニポーラダイオード１０１のカソード端子及びバイポーラダイオード１０２のカソード端子に接続され、直流電源２４の負極端子は、スイッチング素子のエミッタ端子に接続される。図１に示す駆動回路の各素子間は寄生インダクタンス２６を有する。
【００１２】
次に、本例の駆動回路の動作を説明する。パルスジェネレータ２２の信号に応じて、電圧がスイッチング素子１０３のゲートーエミッタ間に加わると、スイッチング素子１０３がＯＮ状態となり、直流電源２４からの電流がスイッチング回路１０及び負荷インダクタンス２１へ流れ出す。ここで、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２は当該直流電源２４からの電流に対して逆方向に接続されているため、直流電電２４からの電流は、負荷インダクタンス２１を経由して、スイッチング素子１０３を流れる。
【００１３】
スイッチング素子１０３がＯＮ状態からＯＦＦ状態となると、負荷インダクタンス２１は、蓄積されたエネルギーによって電流を流し続けるようとする。この時、スイッチング素子１０３はオフ状態のため、当該電流は、スイッチング素子１０３のコレクタ−エミッタ間には電流は流れず、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２へ還流電流として流れ出し、当該還流電流がユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２と、負荷インダクタンス２１との閉回路に流れる。
【００１４】
次に、還流電流が流れている状態で、スイッチング素子１０３をオフ状態からオン状態にした時の、スイッチング回路１０の動作を、比較例１として図２を、比較例２として図３を、本例として図４を参照しつつ説明する。
【００１５】
比較例１の駆動回路は、図１に示す本例のスイッチング回路１０においてユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路の代わりにユニポーラダイオード１０１のみを接続した場合の駆動回路である。そして、図２は比較例１の駆動回路のユニポーラダイオード１０１及びスイッチング素子１０３の時間―電流特性を示し、（ａ）はユニポーラダイオード１０１に流れる電流を、（ｂ）はスイッチング素子１０３に流れる電流を示す。
【００１６】
比較例１の駆動回路において、ユニポーラダイオード１０１に還流電流が流れている状態で、スイッチング素子１０３がＯＦＦ状態からＯＮ状態になると、直流電源２４からの電流がスイッチング素子１０３に流れ出し、ユニポーラダイオード１０１に流れていた還流電流はゼロに向かう（時間ｔ１）。当該還流電流が導通から遮断する過程において、空乏層の伸びに従いユニポーラダイオード１０１内部の多数キャリアが電荷として排出される（以下、逆回復電荷と称す）。その結果、ユニポーラダイオード１０１に対して逆方向の電流が流れる（以下、逆回復電流と称す。）なお図２に示す（q）の斜線部が逆回復電荷に相当する。
【００１７】
ユニポーラダイオード１０１は多数キャリアのみで逆回復電荷を形成するため、バイポーラダイオードと比較して、逆回復電荷は少ない。しかしユニポーラダイオード１０１の逆回復電荷はバイポーラダイオードと比較して早く排出されるため、逆回復電流のピーク値（時間ｔ２）からゼロ（時間ｔ３）に向かうまでの遮断速度（ｄＩｒ／ｄｔ）が大きくなる。そして、逆回復電流の遮断速度と、駆動回路内の寄生インダクタンス２６のインダクタンス成分（Ｌｐ）により、サージ電圧（Ｌｐ×ｄＩｒ／ｄｔ）が発生する。これにより、当該サージ電圧はユニポーラダイオード１０１に印加される、比較例１の駆動回路において、ユニポーラダイオード１０１に過度な負荷がかかる。
【００１８】
またユニポーラダイオード１０１がオフ状態になると、ユニポーラダイオード１０１のドリフト層に空乏層が広がり、空乏容量が発生するため、ユニポーラダイオード１０１はコンデンサとして動作する。当該コンデンサと、寄生インダクタンス２６のインダクタンス成分により、ＬＣ共振回路が形成され、ＬＣ共振が発生する。このＬＣ共振が電流、電圧の振動現象の原因である。この電流、電圧の振動現象はノイズの発生源となり、周辺回路の誤作動の原因となる。
【００１９】
比較例２の駆動回路は、図１に示す本例のスイッチング回路１０においてユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路の代わりにバイポーラダイオード１０２のみを接続した場合の駆動回路である。そして、図３は比較例２の駆動回路のバイポーラダイオード１０２及びスイッチング素子１０３の時間―電流特性を示し、（ａ）はバイポーラダイオード１０２に流れる電流を、（ｂ）はスイッチング素子１０３に流れる電流を示す。
【００２０】
比較例１と同様に、バイポーラダイオード１０２に還流電流が流れている状態で、スイッチング素子１０３がＯＦＦ状態からＯＮ状態になると（時間ｔ１）、還流電流はゼロに向かう。バイポーラダイオードは導通状態において、少数キャリアがドリフト層中に注入されている。従って、当該還流電流が導通から遮断する過程において、少数キャリアと多数キャリアの両方が逆回復電荷として排出される。
【００２１】
このようにバイポーラダイオード１０２は小数キャリア及び多数キャリアで逆回復電荷を形成するため、逆回復電荷が比較例１のユニポーラダイオード１０１で形成される逆回復電荷の量に比べて多くなる。図３において（ｑ）の部分が逆回復電荷を示すが、 図３の（ｑ）の部分が図２の（ｑ）の部分と比較して大きくなっている。そして、図３（ｂ）に示すように、スイッチング素子１０３に流れる逆回復電流のピーク値は比較例１と比較して高くなり、スイッチング素子１０３に損失が発生してしまう。バイポーラダイオード１０２から排出される逆回復電荷の量は、バイポーラダイオード１０２に流れる還流電流の電流密度が高い場合により増加するため、損失も増加する。
【００２２】
一方、逆回復電流のピーク値（時間ｔ２）からゼロ（時間ｔ３）に向かうまでの遮断速度（ｄＩｒ／ｄｔ）は、比較例１のユニポーラダイオード１０１の場合と比べ、遅いため、比較例１のような電流、電圧の振動現象は生じにくい（図２の（ａ）を参照）。
【００２３】
このように、電流・電圧の振動現象の発生を抑制するには、逆回復電流の遮断速度ｄＩｒ／ｄｔを緩和することが重要であるが、逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度ｄＩｒ／ｄｔを緩和することは困難であった。
【００２４】
本例の駆動回路は、同一方向であるユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路を有するため、スイッチング素子１０３をオンからオフ状態（時間ｔ１）にすることにより発生する還流電流は、ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２の両方に流れる。そして、スイッチング素子１０３がＯＮ状態になり、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２が遮断されると、逆回復電流が、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路から流れる。逆回復電荷は、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の両方からから排出されるため、ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２に流れる電流の割合を調節したり、バイポーラダイオード１０２のチップ面積を調節することで、比較例２のようにバイポーラダイオード１０２のみを接続する場合と比較して、逆回復電荷の量を少なくすることが出来る（図４の（ｑ）を参照）。そのため、スイッチング素子に流れる逆回復電流も抑制することができる（図４の（ｂ）を参照）。
【００２５】
また、逆回復電流の遮断速度が小さいバイポーラダイオード１０２から排出される逆回復電荷が、逆回復電流の遮断速度が大きいユニポーラダイオード１０１から排出される逆回復電荷に足し合わされるため、寄生インダクタンス２６に流れ込む逆回復電流の遮断速度は、バイポーラダイオード１０２により律速され、図４の（ａ）に示すように緩やかになる。そして、図４に示すように、スイッチング素子１０３とユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に流れる逆回復電流のピーク値（時間ｔ２）は抑えられ、またピーク値に達し減少する過程において、逆回復電流は緩やかにゼロ（時間ｔ３）に向かって収束する。これにより、本例の駆動回路は、逆回復電流の遮断による電流、電圧の振動現象を抑制しつつ、スイッチング素子１０３を含む各回路素子の損失を抑制できる。
【００２６】
本例において、バイポーラダイオードの代わりにソフトリカバリダイオードを用いることも出来る。ソフトリカバリダイオードはバイポーラダイオードの一種であり、逆回復電荷が緩やかに切れ、逆回復電流の遮断速度が緩和されるようにドリフト層中の少数キャリアライフタイムが制御されているため、ｄＩｒ／ｄｔが緩和された電流波形となり、サージ電圧の発生も小さく、電流、電圧の振動現象の発生をさらに抑制することが出来る。
【００２７】
次に、本例のスイッチング回路１０において、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧と、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に流れる電流との関係を、図５を用いて説明する。
【００２８】
図５（ａ）〜（ｆ）において、（Ｉ）はユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に流れる還流電流を、（ＩＩ）はユニポーラダイオード１０１に流れる還流電流を、（ＩＩＩ）はバイポーラダイオード１０２に流れる還流電流を示す。またＩｍａｘは、本例の駆動回路を設計する際に考慮される、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に流れる最大電流値を示す。ダイオードは、ある程度の順方向電圧を印加すると、急激に電流が立ち上がる電圧が存在する。本例ではその電圧を立ち上がり電圧と呼ぶ。またダイオードに立ち上がり電圧以上の順方向電圧が印加された場合を、そのダイオードが導通状態であると呼ぶ。
【００２９】
ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２の電流電圧特性の関係にはさまざまな組み合わせが存在するが、図５（ａ）〜（ｆ）に示す関係であれば、逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度ｄＩｒ／ｄｔを緩和する効果を発揮することができる。図５（ａ）〜（ｆ）に共通しているのは、ユニポーラダイオード１０１およびバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧が、並列回路が最大電流に達したときの電圧降下値より低い点である。
【００３０】
図５（ａ）は、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧をバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧よりも低く設定した例である。図５（ａ）の場合、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧以上の電圧領域において、逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流・電圧の振動現象を抑制することができる。
【００３１】
図５（ｂ）は、上述した図５（ａ）に対して、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧がバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧よりも低い点に変わりはないが、バイポーラダイオード１０２の電圧―電流特性の傾きをユニポーラダイオード１０１の電圧―電流特性の傾きより大きく設定した点が異なる。
【００３２】
これにより、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２に流れる還流電流が大きい時、ユニポーラダイオード１０１よりバイポーラダイオード１０２の方がより大きな電流が流れるため、バイポーラダイオード１０２による逆回復電流の緩やかな遮断によって、本例は電流、電圧の振動現象を抑制できる。
【００３３】
図５（ｃ）及び（ｄ）は、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧がユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧と同じ電圧に設定した例であり、これによればユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に還流電流が流れる時、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２に還流電流が流れる。そのため、本例によれば、還流電流が所定の最大電流（Ｉｍａｘ）以下の全領域において、逆回復電流による電流、電圧の振動現象を抑えつつ、逆回復電荷の量を低減することができる。
【００３４】
また、図５（ｃ）に示す本例のスイッチング回路１０において、還流電流が多く流れるとバイポーラダイオード１０２よりユニポーラダイオード１０１の方に多く電流が流れるため、より逆回復電荷の量を抑制することができる。
【００３５】
また図５（ｄ）示す本例のスイッチング回路１０において、還流電流が多く流れるとユニポーラダイオード１０１よりバイポーラダイオード１０２の方に多く電流が流れるため、逆回復電流の遮断速度を緩和する効果が大きくなり、より電流、電圧の振動現象を抑制することができる。
【００３６】
図５（ｅ）は、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧が ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧よりも低く設定した例であり、これによりユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路に還流電流が流れる時には、少なくともバイポーラダイオード１０２に還流電流が流れる。そのため、本例によれば、還流電流が所定の最大電流（Ｉｍａｘ）以下の全領域において、電流、電圧の振動現象を抑えつつ、逆回復電荷の量を低減することができる。また還流電流が大きい時、本例によれば、ユニポーラダイオード１０１の方に多く還流電流を流すため、より逆回復電荷の量を抑え、逆回復電流を抑制できる。
【００３７】
また、ユニポーラダイオード１０１の電圧が立ち上がる時点で、バイポーラダイオード１０２が、高注入状態になるように、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧を設定することで、より逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流、電圧の振動現象を抑制することができる。バイポーラダイオード、特にソフトリカバリダイオードは、少数キャリアがドリフト層中に高濃度に注入されることで逆回復電流の遮断速度を緩和している。したがって、ある程度の電流密度に達し、少数キャリアが高注入状態になることで、より効果的に逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流・電圧の振動現象を抑制することができる。ここでの高注入状態とは、ドリフト層中の少数キャリア濃度が、ドリフト層の不純物濃度以上になることである。
【００３８】
図５（ｆ）は、上述した図５（ｅ）に対して、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧がユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧よりも低い点に変わりはないが、バイポーラダイオード１０２の電圧―電流特性の傾きがユニポーラダイオード１０１の電圧―電流特性の傾きより大きく設定した点が異なる。
【００３９】
これにより、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２に流れる還流電流が大きい時、ユニポーラダイオード１０１よりバイポーラダイオード１０２の方がより大きな電流が流れるため、バイポーラダイオード１０２により逆回復電流の遮断速度を緩和できるため、本例のスイッチング回路１０は電流、電圧の振動現象をより抑制できる。
【００４０】
図５（ａ）〜（ｆ）に示すそれぞれの特性は、本例のスイッチング回路１０が組み込まれる駆動回路、測定回路の有するインダクタンス特性や、還流電流の大きさ等により適宜選択され、本例のスイッチング回路１０に組み込まれる。
【００４１】
バイポーラダイオード１０２をＰＮダイオードとした場合、ＰＮダイオードの立ち上がり電圧はバンドギャップに依存する。したがって、バイポーラダイオード１０２を形成する半導体材料を、ユニポーラダイオード１０１を形成する半導体材料よりバンドギャップが狭い材料にすることで、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧を、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧より低く設定することが出来る。このように、バイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧を、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧より低く設定することによって、全電流域において逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流・電圧の振動現象を抑制することができる。 本例のスイッチング回路１０のユニポーラダイオード１０１は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンドの基体材料に金属を接合したショットキーダイオードにより形成することができる。これらの基体材料は、通常用いられるシリコンよりバンドギャップが広く、より高耐圧で低損失なスイッチング回路を提供することができる。
【００４２】
また本例のユニポーラダイオード１０１は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンド基体上にそれらの基体材料よりバンドギャップが狭いヘテロ半導体を接合した、ヘテロ接合ダイオードにより形成されてもよい。これらの基体は、通常用いられるシリコンよりバンドギャップが広く、より高耐圧で低損失なスイッチング回路を提供することができる。また、ヘテロ接合ダイオードは、ヘテロ半導体材料の種類や、ヘテロ半導体中の不純物濃度を制御することで、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧を制御することができるため、ユニポーラダイオード１０１の立ち上がり電圧をバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧より高く設定することができる。これにより、本例のスイッチング回路１０は、全電流域において逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流・電圧の振動現象を抑制できる。
【００４３】
なお、ヘテロ接合ダイオードのヘテロ半導体として、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素などを用いてもよい。
【００４４】
また本例のバイポーラダイオード１０２は、シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウムのＰＮダイオードにより形成される。これらの材料は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどの材料に比べてバンドギャップが狭いため、よりバイポーラダイオード１０２の立ち上がり電圧を下げることができる。これにより、本例のスイッチング回路１０は、全電流域において逆回復電荷の量を少なく保ちつつ、逆回復電流の遮断速度を緩和し、電流・電圧の振動現象を抑制できる。
【００４５】
《第２実施形態》
図６は、発明の他の実施形態に係る駆動回路である。本例では上述した第１実施形態に対して、本例のスイッチング回路１０〜６０を用いて三相インバータ回路を形成し駆動回路とする。
【００４６】
図６に示す三相インバータ回路は、本例のスイッチング回路１０及びスイッチング回路２０を直列接続した上下アーム回路と、スイッチング回路３０及びスイッチング回路４０を直列接続した上下アーム回路と、スイッチング回路５０及びスイッチング回路６０を直列接続した上下アーム回路と、直流電源２４と、三相同期モータ２７と、平滑コンデンサ２５と、リレースイッチ２８とを有している。スイッチング回路１０は、スイッチング素子２０３のドレイン端子に、ユニポーラダイオード１０１のアノード端子およびバイポーラダイオード１０２のアノード端子が接続されているのに対して、スイッチング回路２０は、スイッチング素子１０３のソース端子に、ユニポーラダイオード２０１のカソード端子およびバイポーラダイオード２０２のカソード端子が接続されている点が異なるが、基本的な動作は同じである。スイッチング素子３０〜６０に関しても同様である。
【００４７】
３個の上下アーム回路は並列に接続され、当該三並列させた上下アーム回路と平滑コンデンサ２５は直流電源２４の正極端子と負極端子の間にリレースイッチ２８を介して接続され、三相同期モータ２５の三相の端子が三並列された上下アーム回路の中間接続点にそれぞれ接続される。これにより、本例のスイッチング回路１０〜６０は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路を形成し、三相同期モータ２７にＰＷＭ信号を出力する。なお、本例の三相同期モータ２７が本発明の負荷インダクタンスに相当する。
【００４８】
またスイッチング素子１０３、２０３（他のスイッチング回路３０〜６０も同じ）はシリコン、ゲルマニウム又はシリコンゲルマニウムを含むＭＯＳＦＥＴにより形成されており、当該ＭＯＳＦＥＴに内蔵される寄生ＰＮダイオードをバイポーラダイオード１０２、２０２に利用している。ユニポーラダイオード１０１、２０１は、スイッチング素子１０３、２０３とそれぞれ並列に接続されて、スイッチング素子１０３、２０３の寄生ダイオードであるバイポーラダイオード１０２、２０２とそれぞれ同じ向きで接続される。
【００４９】
本例の駆動回路において、スイッチング回路４０及びスイッチング回路１０のスイッチング素子がＯＮ状態になると、直流電源２４より電流が、Ｖ−Ｕ相で流れ出す。次にスイッチング回路１０のスイッチング素子２０３がＯＦＦ状態になると、三相モータ２７が有するインダクタンス成分により、還流電流がユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２に流れる。そして、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２が通電から遮断状態になると、逆回復電流が発生するが、本例のスイッチング回路１０〜６０は、ユニポーラダイオード１０１及びバイポーラダイオード１０２の並列回路を有するため、当該逆回復電流による電流、電圧の振動現象を抑制でき、また逆回復電荷の量を少なくし、回路素子への損失を軽減できる。
【００５０】
また、本例のスイッチング回路１０〜６０は、スイッチング素子の寄生ダイオードをバイポーラダイオードとしているため、別途バイポーラダイオードを設けなくてよく、ダイオードのチップを削減でき、低コスト化、小型化を図ることができる。
【００５１】
また本例の駆動回路において、ユニポーラダイオード１０１を複数チップで形成し、その複数のユニポーラダイオードチップの間にバイポーラダイオード１０２を配置することができる。ユニポーラダイオード１０１とバイポーラダイオード１０２では、電流電圧特性や逆回復電荷の量が異なるため、発熱に差が出る。このような配置にすることによって、駆動回路の熱分布をより均一化することができ、より信頼性が高い駆動回路を提供することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０、２０、３０、４０、５０、６０…スイッチング回路
１０１、２０１…ユニポーラダイオオード
１０２、２０２…バイポーラダイオード
１０３、２０３…スイッチング素子
２１…負荷インダクタンス
２２…パルスジェネレータ
２３…ゲート抵抗
２４…直流電源
２５…平滑コンデンサ
２６…寄生インダクタンス
２７…三相モータ
２８…リレースイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユニポーラダイオードとバイポーラダイオードとが同じ方向に並列接続された並列回路と、
前記並列回路に接続されたスイッチング素子とを備えた
スイッチング回路。
【請求項２】
前記スイッチング素子がオンからオフになることで発生する還流電流は、前記並列回路に流れ、前記ユニポーラダイオード及び前記バイポーラダイオードを導通状態にすることを特徴とする
請求項１記載のスイッチング回路。
【請求項３】
前記バイポーラダイオードの立ち上がり電圧は、前記ユニポーラダイオードの立ち上がり電圧以下であることを特徴とする
請求項１又は２記載のスイッチング回路。
【請求項４】
前記ユニポーラダイオード及び前記バイポーラダイオードが導通状態の時、
前記ユニポーラダイオードに流れる電流は、前記バイポーラダイオードに流れる電流より大きいことを特徴とする
請求項１〜３のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項５】
前記バイポーラダイオードは、ソフトリカバリダイオードであることを特徴とする
請求項１〜４のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項６】
前記バイポーラダイオードを形成する半導体材料は、
前記ユニポーラダイオードを形成する半導体材料よりバンドギャップが狭い
ことを特徴とする
請求項１〜５のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項７】
前記ユニポーラダイオードは、炭化珪素もしくは窒化ガリウムの基体材料に金属を接合したショットキーダイオードであることを特徴とする
請求項１〜６のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項８】
前記ユニポーラダイオードは、炭化珪素もしくは窒化ガリウムの基体材料に前記基体材料よりバンドギャップが狭い半導体をヘテロ接合したヘテロ接合ダイオードであることを特徴とする
請求項１〜６のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項９】
前記バイポーラダイオードは、シリコン、シリコンゲルマニウム又はゲルマニウム材料を含むＰＮダイオードであることを特徴とする
請求項７〜８のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項１０】
前記バイポーラダイオードはシリコン、もしくはシリコンゲルマニウムもしくはゲルマニウムのＭＯＳＦＥＴに内蔵された寄生ＰＮダイオードであることを特徴とする
請求項１〜８いずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項１１】
多数キャリアが逆回復電荷となる第１のダイオードと多数キャリアと小数キャリアの両方が逆方向電荷となるダイオードとが同じ方向に並列接続された並列回路と、
前記並列回路に接続されたスイッチング素子とを備えた
スイッチング回路。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスイッチング回路と、
前記スイッチング回路に接続された負荷インダクタンスとを備えた駆動回路において、
前記スイッチング回路がオンになることにより、直流電流が前記負荷インダクタンスに流れ、
前記スイッチング回路がオフになると、前記並列回路が導通し前記負荷インダクタンスと閉回路を形成することを特徴とする
駆動回路。
【請求項１】
ユニポーラダイオードとバイポーラダイオードとが同じ方向に並列接続された並列回路と、
前記並列回路に接続されたスイッチング素子とを備えた
スイッチング回路。
【請求項２】
前記スイッチング素子がオンからオフになることで発生する還流電流は、前記並列回路に流れ、前記ユニポーラダイオード及び前記バイポーラダイオードを導通状態にすることを特徴とする
請求項１記載のスイッチング回路。
【請求項３】
前記バイポーラダイオードの立ち上がり電圧は、前記ユニポーラダイオードの立ち上がり電圧以下であることを特徴とする
請求項１又は２記載のスイッチング回路。
【請求項４】
前記ユニポーラダイオード及び前記バイポーラダイオードが導通状態の時、
前記ユニポーラダイオードに流れる電流は、前記バイポーラダイオードに流れる電流より大きいことを特徴とする
請求項１〜３のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項５】
前記バイポーラダイオードは、ソフトリカバリダイオードであることを特徴とする
請求項１〜４のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項６】
前記バイポーラダイオードを形成する半導体材料は、
前記ユニポーラダイオードを形成する半導体材料よりバンドギャップが狭い
ことを特徴とする
請求項１〜５のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項７】
前記ユニポーラダイオードは、炭化珪素もしくは窒化ガリウムの基体材料に金属を接合したショットキーダイオードであることを特徴とする
請求項１〜６のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項８】
前記ユニポーラダイオードは、炭化珪素もしくは窒化ガリウムの基体材料に前記基体材料よりバンドギャップが狭い半導体をヘテロ接合したヘテロ接合ダイオードであることを特徴とする
請求項１〜６のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項９】
前記バイポーラダイオードは、シリコン、シリコンゲルマニウム又はゲルマニウム材料を含むＰＮダイオードであることを特徴とする
請求項７〜８のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項１０】
前記バイポーラダイオードはシリコン、もしくはシリコンゲルマニウムもしくはゲルマニウムのＭＯＳＦＥＴに内蔵された寄生ＰＮダイオードであることを特徴とする
請求項１〜８いずれか一項に記載のスイッチング回路。
【請求項１１】
多数キャリアが逆回復電荷となる第１のダイオードと多数キャリアと小数キャリアの両方が逆方向電荷となるダイオードとが同じ方向に並列接続された並列回路と、
前記並列回路に接続されたスイッチング素子とを備えた
スイッチング回路。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスイッチング回路と、
前記スイッチング回路に接続された負荷インダクタンスとを備えた駆動回路において、
前記スイッチング回路がオンになることにより、直流電流が前記負荷インダクタンスに流れ、
前記スイッチング回路がオフになると、前記並列回路が導通し前記負荷インダクタンスと閉回路を形成することを特徴とする
駆動回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２００５８５（Ｐ２０１０−２００５８５Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４５８５２（Ｐ２００９−４５８５２）
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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