(57)【要約】【課題】トランスレスで駆動装置全体の小型化や軽量化が可能な半導体スイッチ素子の駆動装置を提供する。【解決手段】半導体スイッチ素子３のスイッチング動作を制御する制御信号Ｓ１を制御信号Ｓ１の周波数よりも高い周波数の信号Ｓ３に変調する信号変調部１と、信号変調部１からの信号Ｓ３を出力する出力端子と信号変調部１のグランド側との間に第１の容量素子５１と誘導素子５３と第２の容量素子５２とを直列接続した共振回路を備えたＬＣ共振部５と、誘導素子５３の端子間の電圧を整流した駆動信号Ｓ４を半導体スイッチ素子３の制御端子に供給する駆動部６とを有する半導体スイッチ素子３の駆動装置１０である。【選択図】図１
2014171296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号を該制御信号の周波数よりも高い周波数の信号に変調する信号変調部と、該信号変調部からの前記信号を出力する出力端子と前記信号変調部のグランド側との間に第１の容量素子と誘導素子と第２の容量素子とを直列接続した共振回路を備えたＬＣ共振部と、該ＬＣ共振部における前記誘導素子の端子間の電圧を整流した駆動信号を前記半導体スイッチ素子の制御端子に供給する駆動部とを有することを特徴とする半導体スイッチ素子の駆動装置。
【請求項２】
前記ＬＣ共振部は、前記共振回路のインピーダンスの値を、前記制御端子に所定の電流を超える過電流が流れることを抑制する所定値にしていることを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチ素子の駆動装置。
【請求項３】
前記信号変調部は、前記信号の周波数を前記共振回路の共振周波数に一致させていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体スイッチ素子の駆動装置。
【請求項４】
前記半導体スイッチ素子は、前記制御端子を各々設けた一対のトランジスタを直列接続した双方向に導通可能な双方向スイッチ素子であり、前記ＬＣ共振部と前記駆動部とは、前記トランジスタ毎に設けていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体スイッチ素子の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチ素子を駆動する駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、商用電力などから各種の電気機器や電子機器へ給電するコンバータやインバータの電力変換装置などには、半導体スイッチ素子が利用されている。半導体スイッチ素子は、駆動装置により、半導体スイッチ素子のオンとオフとのスイッチング動作の駆動が制御される。
【０００３】
この種の駆動装置としては、図５に示す、駆動トランスＴｃを介して、スイッチング回路１００６側と、半導体スイッチ素子たるスイッチング素子１００３側とを電気的に絶縁するドライブ回路が知られている（たとえば、特許文献１を参照）。
【０００４】
特許文献１のドライブ回路は、低周波の矩形波を出力する信号源１０４１と、高周波の矩形波を出力する信号源１０４２とに接続している。ドライブ回路は、信号源１０４１の出力と信号源１０４２の出力をともにアンドゲート１０４ｄ１に入力している。ドライブ回路は、信号源１０４１の出力を反転回路１０４ｅ１で反転させた後、信号源１０４２の出力ともにアンドゲート１０４ｄ２に入力している。ドライブ回路は、アンドゲート１０４ｄ１の出力により、トランジスタＱＣ２をオン・オフしている。ドライブ回路は、アンドゲート１０４ｄ２の出力により、トランジスタＱＣ１をオン・オフしている。ドライブ回路は、駆動トランスＴｃの１次巻線ｎ１２の一端をトランジスタＱＣ１のコレクタに直列接続している。ドライブ回路は、駆動トランスＴｃの１次巻線ｎ１１の一端をトランジスタＱＣ２のコレクタに直列接続している。ドライブ回路は、駆動トランスＴｃのセンタタップ、１次巻線ｎ１２、トランジスタＱＣ１のコレクタ−エミッタの直列回路を直流電源Ｅの両端間に接続している。ドライブ回路は、駆動トランスＴｃのセンタタップ、１次巻線ｎ１１、トランジスタＱＣ２のコレクタ−エミッタの直列回路を直流電源Ｅの両端間に接続している。
【０００５】
特許文献１のドライブ回路は、駆動トランスＴｃの２次巻線ｎ２の出力をダイオードＤＣ１，ＤＣ２で整流し、コンデンサＣＣ１，ＣＣ２にそれぞれ充電する。ドライブ回路は、信号源１０４１からの矩形波のオン期間とオフ期間とに応じて、コンデンサＣＣ１，ＣＣ２の両端電圧の大小関係を入れ換える。ドライブ回路は、コンパレータＣＰ１により、コンデンサＣＣ１，ＣＣ２の両端電圧の大小関係を比較する。ドライブ回路は、コンプリメンタリ接続されたトランジスタＱａ，ＱｂをコンパレータＣＰ１の出力で駆動することにより、スイッチング素子１００３のスイッチング動作を制御する。
【０００６】
特許文献１のドライブ回路は、コンデンサＣＣ１，ＣＣ２の直列回路の両端電圧を抵抗ＲＣ１，ＲＣ２を介してトランジスタＱａ，Ｑｂの電源としている。ドライブ回路は、駆動トランスＴｃにより、スイッチング回路１００６側の直流電源Ｅと、トランジスタＱａ，Ｑｂの電源とを電気的に絶縁している。特許文献１のドライブ回路は、上述の構成により、スイッチング回路１００６側とスイッチング素子１００３側とを電気的に絶縁する駆動トランスＴｃを小型化することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２４２５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１のドライブ回路は、駆動トランスＴｃを小型化することが可能なものの、駆動トランスＴｃを有している。トランスを有する駆動装置は、駆動装置全体の更なる小型化が難しく、駆動装置の重量を軽量化することも難しい傾向にある。駆動装置は、より小型化や軽量化が望まれており、上述のドライブ回路を用いた駆動装置の構成だけでは十分ではなく、更なる改良が求められている。
【０００９】
本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、トランスレスで駆動装置全体の小型化や軽量化が可能な半導体スイッチ素子の駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体スイッチ素子の駆動装置は、半導体スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号を該制御信号の周波数よりも高い周波数の信号に変調する信号変調部と、該信号変調部からの上記信号を出力する出力端子と上記信号変調部のグランド側との間に第１の容量素子と誘導素子と第２の容量素子とを直列接続した共振回路を備えたＬＣ共振部と、該ＬＣ共振部における上記誘導素子の端子間の電圧を整流した駆動信号を上記半導体スイッチ素子の制御端子に供給する駆動部とを有することを特徴とする。
【００１１】
この半導体スイッチ素子の駆動装置において、上記ＬＣ共振部は、上記共振回路のインピーダンスの値を、上記制御端子に所定の電流を超える過電流が流れることを抑制する所定値にしていることが好ましい。
【００１２】
この半導体スイッチ素子の駆動装置において、上記信号変調部は、上記信号の周波数を上記共振回路の共振周波数に一致させていることが好ましい。
【００１３】
この半導体スイッチ素子の駆動装置において、上記半導体スイッチ素子は、上記制御端子を各々設けた一対のトランジスタを直列接続した双方向に導通可能な双方向スイッチ素子であり、上記ＬＣ共振部と上記駆動部とは、上記トランジスタ毎に設けていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体スイッチ素子の駆動装置は、半導体スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号を、よりも高い周波数の信号に変調する信号変調部と、信号変調部から信号を出力する出力端子とグランド側との間に第１の容量素子と誘導素子と第２の容量素子とを直列接続した共振回路を備えたＬＣ共振部と、誘導素子の端子間の電圧を整流した駆動信号を半導体スイッチ素子の制御端子に供給する駆動部とを有する構成により、トランスレスで駆動装置全体の小型化や軽量化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１の半導体スイッチ素子の駆動装置を示す回路図である。
【図２】実施形態１の半導体スイッチ素子の駆動装置を用いた電力変換装置を示す回路図である。
【図３】実施形態２の半導体スイッチ素子の駆動装置を示す回路図である。
【図４】実施形態３の半導体スイッチ素子の駆動装置を示す回路図である。
【図５】従来の電力変換回路に用いるドライブ回路である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施形態１）
以下、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０を図１に基づいて説明する。
【００１７】
本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、図１に示すように、半導体スイッチ素子３のスイッチング動作を制御する制御信号Ｓ１を制御信号Ｓ１の周波数よりも高い周波数の信号Ｓ３に変調する信号変調部１を有している。駆動装置１０は、信号変調部１からの信号Ｓ３を出力する出力端子と信号変調部１のグランド側との間に第１の容量素子５１と誘導素子５３と第２の容量素子５２とを直列接続した共振回路を備えたＬＣ共振部５を有している。駆動装置１０は、ＬＣ共振部５における誘導素子５３の端子間の電圧を整流した駆動信号Ｓ４を半導体スイッチ素子３の制御端子に供給する駆動部６とを有している。
【００１８】
これにより、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、トランスレスで駆動装置全体の小型化や軽量化が可能となる。また、駆動装置１０は、トランスを備えた駆動装置と比較して、トランスを備えていない分だけ低コスト化を図ることも可能となる。
【００１９】
本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、たとえば、車両用の灯具を点灯させるＤＣ-ＡＣコンバータなどに利用することができる。以下、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０を、直流電力を交流電力に変換するＤＣ-ＡＣコンバータとして、電力変換装置２０に用いる場合について説明する。
【００２０】
電力変換装置２０は、たとえば、図２に示す、フライバック型のＤＣ-ＤＣコンバータ回路２６と、インバータ回路２７とを備えた構成とすることができる。ＤＣ-ＤＣコンバータ回路２６は、直流電源Ｅの電圧を昇圧する。直流電源Ｅは、たとえば、車載のバッテリーである。インバータ回路２７は、ＤＣ-ＤＣコンバータ回路２６で昇圧した昇圧後の直流電圧を交流電圧に変換する。
【００２１】
より具体的には、ＤＣ-ＤＣコンバータ回路２６は、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)のようなスイッチング素子２１とトランス２２の１次巻線ｎ１との直列回路を、直流電源Ｅの両端間に接続している。ＤＣ-ＤＣコンバータ回路２６は、ダイオード２３を介して、トランス２２の２次巻線ｎ２の両端をコンデンサ２４に接続している。ＤＣ-ＤＣコンバータ回路２６は、高周波の矩形波信号を出力する信号制御回路２５により、スイッチング素子２１のオン状態とオフ状態とを適宜に制御している。ＤＣ-ＤＣコンバータ回路２６は、スイッチング素子２１のオン時にトランス２２にエネルギを蓄積する。ＤＣ-ＤＣコンバータ回路２６は、スイッチング素子２１のオフ時にトランス２２からエネルギを放出する。ＤＣ-ＤＣコンバータ回路２６は、ダイオード２３を介して、トランス２２から放出されるエネルギをコンデンサ２４に充電する。ＤＣ-ＤＣコンバータ回路２６は、トランス２２の構成を適宜に設定することより、コンデンサ２４の両端電圧を直流電源Ｅに対して昇圧ないし降圧した所定の電圧とすることができる。
【００２２】
インバータ回路２７は、ＭＯＳＦＥＴよりなる４個の半導体スイッチ素子３を備えている。半導体スイッチ素子３は、たとえば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などのトランジスタを用いることができる。以下、４個の半導体スイッチ素子３は、それぞれ第１半導体スイッチ素子３１ないし第４半導体スイッチ素子３４としても説明する（図２を参照）。
【００２３】
インバータ回路２７は、第１半導体スイッチ素子３１と第２半導体スイッチ素子３２とを直列接続している。インバータ回路２７は、第３半導体スイッチ素子３３と第４半導体スイッチ素子３４とを直列接続している。インバータ回路２７は、第１半導体スイッチ素子３１と第２半導体スイッチ素子３２との直列回路と、第３半導体スイッチ素子３３と第４半導体スイッチ素子３４との直列回路とをそれぞれコンデンサ２４の両端間に接続した構成としている。言い換えれば、インバータ回路２７は、第１半導体スイッチ素子３１ないし第４半導体スイッチ素子３４をブリッジ状に接続した構成としている。電力変換装置２０は、第１半導体スイッチ素子３１と第２半導体スイッチ素子３２との接続点を、電力変換装置２０の第１出力端子ｔ１としている。電力変換装置２０は、第３半導体スイッチ素子３３と第４半導体スイッチ素子３４との接続点を第２出力端子ｔ２としている。インバータ回路２７は、各半導体スイッチ素子３ごとに半導体スイッチ素子３を駆動する駆動装置１０を備えている。
【００２４】
インバータ回路２７は、直列接続された第１半導体スイッチ素子３１と第２半導体スイッチ素子３２とが同時にオンとならいないように、駆動装置１０が半導体スイッチ素子３のオン状態とオフ状態とを制御している。同様に、インバータ回路２７は、直列接続された第３半導体スイッチ素子３３と第４半導体スイッチ素子３４とが同時にオンとならいないように、駆動装置１０が半導体スイッチ素子３のオン状態とオフ状態とを制御している。また、インバータ回路２７は、第１半導体スイッチ素子３１と第４半導体スイッチ素子３４とが同時にオン状態となる期間が設けられるように、駆動装置１０が半導体スイッチ素子３を制御している。同様に、インバータ回路２７は、第２半導体スイッチ素子３２と第３半導体スイッチ素子３３とが同時にオン状態となる期間が設けられるように、駆動装置１０が半導体スイッチ素子３を制御している。インバータ回路２７では、第１半導体スイッチ素子３１と第４半導体スイッチ素子３４とが同時にオン状態となる期間と、第２半導体スイッチ素子３２と第３半導体スイッチ素子３３とが同時にオン状態となる期間とを交互に生じさせる。インバータ回路２７は、第１半導体スイッチ素子３１ないし第４半導体スイッチ素子３４を、各駆動装置１０それぞれが制御することにより、電圧を交番させることができる。
【００２５】
これにより、電力変換装置２０は、直流電源Ｅからの直流電圧を所定の交流電圧に変換した電力を、第１出力端子ｔ１と第２出力端子ｔ２とから電力変換装置２０の外部の負荷へ出力することができる。
【００２６】
ここで、電力変換装置２０は、半導体スイッチ素子３に矩形波の駆動信号Ｓ４を出力する複数個（ここでは、４個）の駆動装置１０を備えている。電力変換装置２０は、第１半導体スイッチ素子３１ないし第４半導体スイッチ素子３４の各別に駆動装置１０を接続している。電力変換装置２０は、第１半導体スイッチ素子３１と第４半導体スイッチ素子３４とのオン時において、第２半導体スイッチ素子３２と第３半導体スイッチ素子３３とがオフとなるように、駆動装置１０からの駆動信号Ｓ４により第１半導体スイッチ素子３１と第４半導体スイッチ素子３４とを駆動する。また、電力変換装置２０は、第２半導体スイッチ素子３２と第３半導体スイッチ素子３３とのオン時において、第１半導体スイッチ素子３１と第４半導体スイッチ素子３４とがオフとなるように、駆動装置１０からの駆動信号Ｓ４により第２半導体スイッチ素子３２と第３半導体スイッチ素子３３とを駆動する。
【００２７】
駆動装置１０は、信号変調部１と、ＬＣ共振部５と、駆動部６とを少なくとも備えている。信号変調部１は、所定の周波数ｆ２（たとえば、１０ＭＨｚ）の発振信号Ｓ２を生成する発振器２を備えている。信号変調部１は、発振器２からの発振信号Ｓ２と、半導体スイッチ素子３のスイッチング動作を制御する制御信号Ｓ１との乗算を行う乗算器４とを備えている。乗算器４は、たとえば、２つの異なる周波数をヘテロダインの原理により混合して出力可能なアナログ乗算器により構成することができる。信号変調部１は、発振器２からの発振信号Ｓ２に基づいて、信号変調部１の外部からの制御信号Ｓ１を、制御信号Ｓ１の周波数ｆ１（たとえば、１２０Ｈｚ）よりも高い周波数の信号Ｓ３に変調して出力する。
【００２８】
信号変調部１は、乗算器４により発振器２からの発振信号Ｓ２と制御信号Ｓ１とを乗算した新たな周波数の信号Ｓ３をＬＣ共振部５に出力する。信号変調部１は、制御信号Ｓ１がハイレベルの場合、周波数ｆ２のパルスとして信号Ｓ３を出力することができる。なお、駆動装置１０は、半導体スイッチ素子３を制御するための制御信号Ｓ１を生成する発振回路部を備えていてもよい。
【００２９】
ＬＣ共振部５は、信号変調部１の出力端子と信号変調部１の基準電位となるグランド側との間に共振回路を備えている。共振回路は、第１の容量素子５１と第２の容量素子５２との間に誘導素子５３を挟んで直列接続した構成としている。第１の容量素子５１は、コンデンサを用いている。誘導素子５３は、インダクタとしてコイルを用いている。第２の容量素子５２は、コンデンサを用いている。言い換えると、ＬＣ共振部５は、２つのコンデンサと１つのインダクタとを直列接続し接続形態がギリシャ文字のパイの字形に見えるパイ型整合器を構成している。駆動装置１０は、信号変調部１から周波数ｆ２の信号Ｓ３がＬＣ共振部５に入力されるとＬＣ共振部５における誘導素子５３の両端間に、第１の容量素子５１と誘導素子５３と第２の容量素子５２とに応じた次式で示される電圧Ｖ１が生ずる。
【００３０】
【数１】
2014171296.tif 000003
【００３１】
なお、Ｃｘは、第１の容量素子５１と第２の容量素子５２との合成インピーダンスを示している。また、Ｖｉｎは、信号変調部１で生成されたパルスの信号Ｓ３の基本周波数における振幅値を示している。さらに、ωは、周波数ｆ２における角速度を示している。
【００３２】
したがって、ＬＣ共振部５は、パイ型整合器の第１の容量素子５１や第２の容量素子５２の静電容量Ｃの値を適宜に変えることで、信号変調部１の出力インピーダンスに、ＬＣ共振部５の入力インピーダンスを整合させることが可能となる。同様に、ＬＣ共振部５は、パイ型整合器の誘導素子５３のインダクタンスＬの値を適宜に変えることで、信号変調部１の出力インピーダンスに、ＬＣ共振部５の入力インピーダンスを整合させることが可能となる。ＬＣ共振部５は、信号変調部１からの信号Ｓ３を効率よく駆動部６側に伝送し、それ以外の電流や電圧を遮蔽することが可能となる。駆動装置１０では、信号Ｓ３の周波数が上がれば上がるほど信号Ｓ３以外の電流が駆動部６側に流れることを抑制することができるが、駆動装置１０の構成や駆動装置１０が用いられる機器の特性に合わせて信号Ｓ３の周波数の基準となる発振器２の周波数ｆ２を適宜に設定すればよい。
【００３３】
次に、駆動部６は、ＬＣ共振部５における誘導素子５３の端子間の電圧Ｖ１を整流した駆動信号Ｓ４を半導体スイッチ素子３の制御端子に供給する。駆動部６は、たとえば、ダイオード６１からの出力を、コンデンサ６２と抵抗器６３との並列回路で受けるダイオード検波回路を構成をしている。駆動部６は、ダイオード検波回路を構成することにより、ＬＣ共振部５で発生した電圧Ｖ１をダイオード検波して、コンデンサ６２に蓄電する。駆動装置１０は、コンデンサ６２に蓄電した電圧を半導体スイッチ素子３の制御端子たるゲートに印加することにより、半導体スイッチ素子３をオン状態にすることができる。また、駆動装置１０は、信号変調部１から出力される信号Ｓ３が停止すると、コンデンサ６２に蓄積された電荷が抵抗６３を介して放電される。駆動装置１０は、コンデンサ６２に蓄積された電荷が抵抗６３を介して放電されると、半導体スイッチ素子３がオフ状態となる。
【００３４】
駆動部６は、ダイオード６１を介して、誘導素子５３の端子間の電圧をコンデンサ６２と抵抗器６３との並列回路で受けている。駆動部６は、コンデンサ６２と抵抗器６３との時定数を適宜に設定することで、高周波成分を取り除き、入力波形の包絡線に近い波形の信号に検波して出力することができる。言い換えれば、駆動部６は、信号変調部１側からの比較的に高い周波数の信号Ｓ３を、制御信号Ｓ１と同期し信号Ｓ３よりも低い周波数の駆動信号Ｓ４として出力することができる。
【００３５】
これにより、駆動装置１０は、制御信号Ｓ１に基づいて、半導体スイッチ素子３のスイッチング動作を制御することが可能となる。また、信号変調部１は、ＬＣ共振部５の第１の容量素子５１と第２の容量素子５２とにより、信号変調部１と半導体スイッチ素子３側とが電気的に絶縁されたような状態とすることができる。そのため、駆動装置１０は、半導体スイッチ素子３のソース電位やエミッタ電位などと、信号変調部１における電位とが異なっていても、トランスレスで半導体スイッチ素子３を駆動することが可能となる。
【００３６】
なお、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、上述の式１におけるインダクタンスＬの値や静電容量Ｃの値を適宜に設定することにより、共振回路のインピーダンスＺ＝ｊ（ωＬ−１/（ωＣｘ））の値を変えることができる。駆動装置１０は、インピーダンスＺを変えることにより、誘導素子５３に流れる電流を制限することができる。駆動装置１０は、誘導素子５３に流れる電流を制限することで、半導体スイッチ素子３へのゲート電流を制限することができる。言い換えれば、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、ＬＣ共振部５は、共振回路のインピーダンスＺの値を、半導体スイッチ素子３の制御端子に所定の電流を超える過電流が流れることを抑制する所定値とすることができる。また、駆動装置１０は、誘導素子５３に流れる電流を制限することで、半導体スイッチ素子３の制御端子に過電圧が印加されることを抑制することができる。
【００３７】
本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、信号変調部１は、信号変調部１が出力する信号Ｓ３の周波数をＬＣ共振部５の共振回路の共振周波数に一致するように設定している。駆動装置１０は、ＬＣ共振部５の共振周波数を信号変調部１が出力する信号Ｓ３の周波数に一致させることで、インダクタＬに電流を流したときの電圧値を最大とすることができる。これにより駆動装置１０は、より大きな出力電力を半導体スイッチ素子３の制御端子に供給することが可能となる。本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、ＬＣ共振部５の共振周波数を信号変調部１が出力する信号Ｓ３の周波数に一致させることで、効率よく半導体スイッチ素子３の制御端子に駆動信号Ｓ４を供給することができる。
【００３８】
駆動装置１０を用いた電力変換装置２０は、負荷への電力供給の導通と遮断とを切り替える半導体スイッチ素子３のスイッチング動作を制御することで、トランスを用いた絶縁型のＤＣ-ＡＣコンバータと同様に直流電力を交流電力に変換することができる。
【００３９】
なお、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、電力変換装置２０に用いるものだけに限られず、モーター制御装置およびプラズマディスプレイの駆動装置などに利用することもできる。
【００４０】
（実施形態２）
図３に示す本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、図１に示す実施形態１の半導体スイッチ素子３の代わりに、双方向に導通可能な双方向スイッチ素子３０を駆動するため、ＬＣ共振部５と駆動部６とを一対設けている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して適宜に説明を省略する。
【００４１】
本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、図３に示すように、半導体スイッチ素子３は、制御端子を各々設けた一対のトランジスタ３ａ，３ｂを接続した双方向に導通可能な双方向スイッチ素子３０を構成している。半導体スイッチ素子３は、双方向に流れる電流の通電を制御し、正負両方の電圧に対して耐圧を有する構成としている。双方向スイッチ素子３０は、たとえば、ＩＧＢＴたるトランジスタ３ａと、ダイオード３１ｂとの第１直列回路を備えている。また、双方向スイッチ素子３０は、ＩＧＢＴたるトランジスタ３ｂと、ダイオード３１ａとの第２直列回路を備えている。双方向スイッチ素子３０は、トランジスタ３ａとトランジスタ３ｂとが互いに逆方向となるように、第１直列回路と第２直列回路とを並列接続して構成している。ＩＧＢＴは、一般に逆方向の耐圧が低いので、双方向スイッチ素子３０では、ダイオード３１ｂ，３１ｂを用いて、逆方向の耐圧を向上させている。以下、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、便宜上、一対のトランジスタ３ａ，３ｂのうち、一方を第１トランジスタ３ａとし、他方を第２トランジスタ３ｂともいう。
【００４２】
駆動装置１０は、半導体スイッチ素子３のスイッチング動作を制御する制御信号Ｓ１を、制御信号Ｓ１の周波数ｆ１（たとえば、１２０Ｈｚ）よりも高い周波数ｆ２（たとえば、１０ＭＨｚ）に変調する信号変調部１を備えている。駆動装置１０は、信号変調部１からの信号Ｓ３を出力する出力端子と信号変調部１の基準電位となるグランド側との間にＬＣ共振部５を備えている。本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、ＬＣ共振部５は、第１のＬＣ共振部５ａと、第２のＬＣ共振部５ｂとを備えている。第１のＬＣ共振部５ａは、第１の容量素子５１ａと誘導素子５３ａと第２の容量素子５２ａとを直列接続した共振回路を構成している。第２のＬＣ共振部５ｂは、第１のＬＣ共振部５ａと同様に、第１の容量素子５１ｂと誘導素子５３ｂと第２の容量素子５２ｂとを直列接続した共振回路を構成している。ＬＣ共振部５は、第１のＬＣ共振部５ａの第１の容量素子５１ａと、第２のＬＣ共振部５ｂの第１の容量素子５１ｂとの接続点に信号変調部１の出力端子を共通に接続している。駆動装置１０は、第１のＬＣ共振部５ａの誘導素子５３ａの端子間の電圧を整流した駆動信号Ｓ４を双方向スイッチ素子３０の第１トランジスタ３ａの制御端子に供給する第１の駆動部６ａを備えている。駆動装置１０は、第１の駆動部６ａが第１トランジスタ３ａのゲート−エミッタ間に電圧を印加することで、第１トランジスタ３ａの駆動を制御することができる。また、駆動装置１０は、第２のＬＣ共振部５ｂの誘導素子５３ｂの端子間の電圧を整流した駆動信号Ｓ４を双方向スイッチ素子３０の第２トランジスタ３ｂの制御端子に供給する第２の駆動部６ｂを備えている。駆動装置１０は、第２の駆動部６ｂが第２トランジスタ３ｂのゲート−エミッタ間に電圧を印加することで、第２トランジスタ３ｂの駆動を制御することができる。本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、ＬＣ共振部５と駆動部６とを、信号変調部１と双方向スイッチ素子３０とに対して、それぞれ２つ設けた比較的に簡単な構成で双方向スイッチ素子３０の駆動を行うことができる。
【００４３】
本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、トランスレスで駆動装置全体の小型化や軽量化が可能な双方向スイッチ素子３０の駆動回路を構成することが可能となる。本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、トランスを備えた駆動装置と比較して、トランスを備えていない分だけ低コスト化を図ることが可能となる。本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、双方向スイッチ素子３０を駆動する場合、第１トランジスタ３ａや第２トランジスタ３ｂの電気特性に合わせた駆動信号Ｓ４を供給することができる。また、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、制御信号Ｓ１を送信する回路側と、第１トランジスタ３ａ側とをトランスを設けて絶縁する必要もなく、より駆動装置の小型化や軽量化に寄与することが可能となる。同様に、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、制御信号Ｓ１を送信する回路側と、第２トランジスタ３ｂ側とをトランスを設けて絶縁する必要もなく、より駆動装置の小型化や軽量化に寄与することが可能となる。
【００４４】
なお、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、実施形態１と同様に、ＬＣ共振部５は、共振回路のインピーダンスＺの値を、制御端子に所定の電流を超える過電流が流れることを抑制する所定値にすることができる。本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、第１のＬＣ共振部５ａと、第２のＬＣ共振部５ｂとを同じインピーダンスＺの値に設定することができる。本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、双方向スイッチ素子３０を構成する第１トランジスタ３ａや第２トランジスタ３ｂの特性ごとにＬＣ共振部５のインピーダンスＺの値を個別に設定することもできる。また、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、実施形態１と同様に、信号変調部１は、信号Ｓ３の周波数を共振回路の共振周波数に一致させることができる。本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、信号変調部１は、信号Ｓ３の周波数を、第１のＬＣ共振部５ａの共振回路および第２のＬＣ共振部５ｂの共振回路それぞれの共振周波数に一致させることができる。本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、信号変調部１は、信号Ｓ３の周波数を、第１のＬＣ共振部５ａか第２のＬＣ共振部５ｂかのいずれか一方の共振回路の共振周波数に一致させてもよい。
【００４５】
（実施形態３）
図４に示す本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、実施形態２と略同一であり、半導体スイッチ素子３として、双方向スイッチ素子３０の構成が主として相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には、同一の符号を付して適宜に説明を省略する。
【００４６】
本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、図４に示すように、半導体スイッチ素子３のスイッチング動作を制御する制御信号Ｓ１を、制御信号Ｓ１の周波数ｆ１（たとえば、１２０Ｈｚ）よりも高い周波数ｆ２（たとえば、１０ＭＨｚ）に変調する信号変調部１を備えている。駆動装置１０は、信号変調部１からの信号Ｓ３を出力する出力端子と信号変調部１の基準電位となるグランド側との間にＬＣ共振部５を備えている。ＬＣ共振部５は、第１のＬＣ共振部５ａと、第２のＬＣ共振部５ｂとを備えている。第１のＬＣ共振部５ａは、第１の容量素子５１ａと誘導素子５３ａと第２の容量素子５２ａとを直列接続した共振回路を構成している。第２のＬＣ共振部５ｂは、第１のＬＣ共振部５ａと同様に、第１の容量素子５１ｂと誘導素子５３ｂと第２の容量素子５２ｂとを直列接続した共振回路を構成している。ＬＣ共振部５は、第１のＬＣ共振部５ａの第１の容量素子５１ａと、第２のＬＣ共振部５ｂの第１の容量素子５１ｂとの接続点に信号変調部１の出力端子を共通に接続している。駆動装置１０は、第１のＬＣ共振部５ａの誘導素子５３ａの端子間の電圧を整流した駆動信号Ｓ４を双方向スイッチ素子３０の一方の制御端子に供給する第１の駆動部６ａを備えている。また、駆動装置１０は、第２のＬＣ共振部５ｂの誘導素子５３ｂの端子間の電圧を整流した駆動信号Ｓ４を双方向スイッチ素子３０の他方の制御端子に供給する第２の駆動部６ｂを備えている。双方向スイッチ素子３０は、双方向スイッチ素子３０の両端間に電源８および負荷として照明用の照明負荷７などを接続している。
【００４７】
本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、ＬＣ共振部５と駆動部６とを、信号変調部１と双方向スイッチ素子３０とに対して、それぞれ２つ設けた比較的に簡単な構成で双方向スイッチ素子３０の駆動を行うことができる。これにより駆動装置１０は、照明負荷７の動作を容易に制御することが可能となる。
【００４８】
本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、窒化物半導体を用いた双方向スイッチ素子３０を利用することができる。双方向スイッチ素子３０は、異なる窒化物半導体材料を接合させた窒化物半導体層を有するヘテロ接合電界効果トランジスタを用いることができる。ヘテロ接合電界効果トランジスタは、図示していないが、第１の絶縁膜を介して上記窒化物半導体層上に形成させた一方のゲート電極と、一方のゲート電極と間隔を空け第２の絶縁膜を介して上記窒化物半導体層上に形成させた他方のゲート電極とを有した構成とすることができる。
【００４９】
駆動装置１０は、第１の駆動部６ａにより双方向スイッチ素子３０の一方のゲート電極に電圧を印加することができる。駆動装置１０は、第２の駆動部６ｂにより他方のゲート電極に電圧を印加することができる。駆動装置１０は、双方向スイッチ素子３０の一方のゲート電極および他方のゲート電極に電圧を印加してスイッチング動作を制御することができる。なお、駆動装置１０は、駆動部６の第１の駆動部６ａと第２の駆動部６ｂとの制御信号Ｓ４を異ならせるために、反転回路を備えた構成としてもよい。
【００５０】
駆動装置１０は、一方のゲート電極と他方のゲート電極とに供給する駆動信号Ｓ４を適宜に供給することで、双方向スイッチ素子３０に双方向に電流を流す双方向の導通動作と、双方向の電流を遮断する双方向の電流遮断動作とを切り替えることができる。また、駆動装置１０は、一方のゲート電極と他方のゲート電極とに供給する駆動信号Ｓ４を適宜に供給することで、双方向スイッチ素子３０の一方向に電流を流し、一方向とは反対の他方向への電流を遮断する動作を行うことができる。さらに、駆動装置１０は、一方のゲート電極と他方のゲート電極とに供給する駆動信号Ｓ４を適宜に供給することで、他方向に電流を流し、一方向への電流を遮断する動作へ切り換えることもできる。
【００５１】
本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、駆動装置１０を備えて構成する照明器具に利用することがきる。照明器具は、たとえば、半導体スイッチ素子３のスイッチングにより高周波電圧に変換するインバータ回路を備えた構成することができる。半導体スイッチ素子３の駆動装置１０は、図示していないインバータ回路の出力端間に、高周波電力を照明負荷７たる放電灯へ供給する共振用のチョークコイルおよび共振用のコンデンサを備えた共振回路を構成する負荷回路を電気的に接続して構成することができる。なお、照明装置では、駆動装置１０が、インバータ回路の半導体スイッチ素子３のスイッチング周波数を変えることにより、照明負荷７を所定の調光させた光で点灯させることができる。
【００５２】
本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、実施形態２と同様に、ＬＣ共振部５は、共振回路のインピーダンスＺの値を、制御端子に所定の電流を超えるか電流が流れることを抑制する所定値にすることができる。また、本実施形態の半導体スイッチ素子３の駆動装置１０では、実施形態２と同様に、信号変調部１は、信号Ｓ３の周波数を共振回路の共振周波数に一致させることができる。
【符号の説明】
【００５３】
Ｓ１  制御信号
Ｓ３  信号
Ｓ４  駆動信号
１  信号変調部
３  半導体スイッチ素子
５  ＬＣ共振部
６  駆動部
１０  駆動装置
３０  双方向スイッチ素子
５１  第１の容量素子
５２  第２の容量素子
５３  誘導素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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