(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動部と、
前記スイッチング素子がターンオフする以前の前記スイッチング素子に流れる電流に応じて変化するパラメータを測定する測定部と、
前記パラメータに基づいて、前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降における前記ゲート駆動部による前記スイッチング素子のゲート電圧の変化速度を切り替える切替部と
を備えるゲート駆動装置。
【請求項２】
前記切替部は、前記スイッチング素子のターンオフ期間中における前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降での前記ゲート電圧の変化速度を切り替える、請求項１に記載のゲート駆動装置。
【請求項３】
前記切替部は、前記スイッチング素子のターンオフ期間中における前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降での前記ゲート電圧の変化速度を小さくする、請求項２に記載のゲート駆動装置。
【請求項４】
前記切替部は、前記スイッチング素子の一のターンオフ期間中における前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降での前記ゲート電圧の変化速度を、他のターンオフ期間中における前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降での前記ゲート電圧の変化速度に対して変更する、請求項２または３に記載のゲート駆動装置。
【請求項５】
前記切替部は、前記スイッチング素子の前回以前のスイッチング周期において測定された前記パラメータに基づいて、前記スイッチング素子の次回以降のターンオフ期間における前記スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降での前記ゲート電圧の変化速度を切り替える、請求項１から４のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
【請求項６】
前記第１基準時間は、前記スイッチング素子のターンオフ開始から、遅くとも当該スイッチング素子の主端子間に生じる電圧がピークとなるタイミングまでの時間である、請求項１から５のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
【請求項７】
前記第１基準時間は、前記スイッチング素子のターンオフ開始から、ゲート電圧のミラー期間が終了するタイミングまでの時間である、請求項１から５のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
【請求項８】
前記切替部は、前記パラメータと基準値との比較結果に応じて前記ゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定する切替判定部を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
【請求項９】
前記パラメータは、前記スイッチング素子がオン状態の場合の前記電流を示す、請求項１から８のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
【請求項１０】
前記パラメータは、前記スイッチング素子のターンオフ開始から前記スイッチング素子の主端子間に加わる電圧が基準電圧となるまでの時間を示す、請求項１から８のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
【請求項１１】
前記パラメータは、前記スイッチング素子のターンオフ開始から第２基準時間後において前記スイッチング素子に加わる電圧を示す、請求項１から８のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
【請求項１２】
前記パラメータは、前記スイッチング素子をターンオフした場合に生じるサージ電圧を示し、
前記切替部は、前記パラメータと、当該パラメータが測定されたスイッチング周期において前記ゲート電圧の変化速度を切り替えたか否かとに基づいて前記ゲート電圧の変化速度を切り替える、請求項１から８のいずれか一項に記載のゲート駆動装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載のゲート駆動装置と、
前記ゲート駆動装置によってゲートが駆動される前記スイッチング素子と、
を備えるスイッチング装置。
【請求項１４】
前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子である請求項１３に記載のスイッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート駆動装置、スイッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動装置では、ターンオフ時のサージ電圧を低減するべくゲート電圧の変化速度を小さくしている（例えば、特許文献１〜３参照）。
特許文献１  特許第６２９０１１８号明細書
特許文献２  特許第６２６６４７８号明細書
特許文献３  特許第４９３５２６６号明細書
【解決しようとする課題】
【０００３】
一律にゲート電圧の変化速度を小さくすると、ターンオフ損失が大きくなってしまう場合がある。
【一般的開示】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、ゲート駆動装置が提供される。ゲート駆動装置は、スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動部を備えてよい。ゲート駆動装置は、スイッチング素子に流れる電流に応じて変化するパラメータを測定する測定部を備えてよい。ゲート駆動装置は、パラメータに基づいて、スイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降におけるゲート駆動部によるスイッチング素子のゲート電圧の変化速度を切り替える切替部を備えてよい。
【０００５】
切替部は、スイッチング素子のターンオフ期間中におけるスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降でのゲート電圧の変化速度を切り替えてよい。
【０００６】
切替部は、スイッチング素子のターンオフ期間中におけるスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降でのゲート電圧の変化速度を小さくしてよい。
【０００７】
切替部は、スイッチング素子の一のターンオフ期間中におけるスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降でのゲート電圧の変化速度を、他のターンオフ期間中におけるスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降でのゲート電圧の変化速度に対して変更してよい。
【０００８】
切替部は、スイッチング素子の前回以前のスイッチング周期において測定されたパラメータに基づいて、スイッチング素子の次回以降のターンオフ期間におけるスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間以降でのゲート電圧の変化速度を切り替えてよい。
【０００９】
第１基準時間は、スイッチング素子のターンオフ開始から、遅くとも当該スイッチング素子の主端子間に生じる電圧がピークとなるタイミングまでの時間であってよい。
【００１０】
第１基準時間は、スイッチング素子のターンオフ開始から、ゲート電圧のミラー期間が終了するタイミングまでの時間であってよい。
【００１１】
切替部は、パラメータと基準値との比較結果に応じてゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定する切替判定部を有してよい。
【００１２】
パラメータは、スイッチング素子がオン状態の場合の電流を示してよい。
パラメータは、スイッチング素子のターンオフ開始からスイッチング素子の主端子間に加わる電圧が基準電圧となるまでの時間を示してよい。
パラメータは、スイッチング素子のターンオフ開始から第２基準時間後においてスイッチング素子に加わる電圧を示してよい。
【００１３】
パラメータは、スイッチング素子をターンオフした場合に生じるサージ電圧を示してよい。切替部は、パラメータと、当該パラメータが測定されたスイッチング周期においてゲート電圧の変化速度を切り替えたか否かとに基づいてゲート電圧の変化速度を切り替えてよい。
【００１４】
本発明の第２の態様においては、スイッチング装置が提供される。スイッチング装置は、第１の態様におけるゲート駆動装置を備えてよい。スイッチング装置は、ゲート駆動装置によってゲートが駆動されるスイッチング素子を備えてよい。
【００１５】
スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子であってよい。
【００１６】
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係るスイッチング装置１００を示す。
【図２】スイッチング装置１００の動作を示す。
【図３】主スイッチング素子２をターンオフする場合の動作波形を示す。
【図４】スイッチング装置１００によるターンオフ時の動作波形を示す。
【図５】スイッチング装置１００によるターンオフ時の他の動作波形を示す。
【図６】変形例に係るスイッチング装置１００Ａを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
【００１９】
［１．スイッチング装置１００の構成］
図１は、本実施形態に係るスイッチング装置１００を示す。なお、図中、白抜きの矢印記号は電圧を示す。
【００２０】
スイッチング装置１００は、一例としてモータ駆動用または電力供給用に用いられる電力変換装置の１相分を示したものであり、正側電源線１０１および負側電源線１０２と、電源出力端子１０５との接続を切り換えて電源出力端子１０５から変換した電圧を出力する。
【００２１】
ここで、正側電源線１０１および負側電源線１０２の間には例えば６００〜８００Ｖの直流電圧Ｅｄが印加され、負側電源線１０２はスイッチング装置１００の全体の基準電位（一例としてグランド電位）に接続される。電源出力端子１０５には誘導負荷１０６が接続されてよい。スイッチング装置１００は、正側の主スイッチング素子１および負側の主スイッチング素子２と、主スイッチング素子１、２に逆並列に接続された還流ダイオード３、４と、正側のゲート駆動装置５および負側のゲート駆動装置６とを備える。
【００２２】
［１−１．主スイッチング素子１，２］
主スイッチング素子１、２は、それぞれスイッチング素子の一例であり、ドレイン端子およびソース端子の間を電気的に接続または切断する。例えば、主スイッチング素子１、２は、後述のゲート駆動装置５、６によってオン（接続とも称する）／オフ（切断とも称する）を切り換える。ここで、本実施形態では一例として、主スイッチング素子１、２は負側電源線１０２および正側電源線１０１の間に直列に順次接続され、電力変換装置における上アームおよび下アームを構成している。主スイッチング素子１、２の中点には電源出力端子１０５が接続される。
【００２３】
主スイッチング素子１、２は、シリコンを基材としたシリコン半導体素子である。これに代えて、主スイッチング素子１、２の少なくとも一方はワイドバンドギャップ半導体素子であってもよい。ワイドバンドギャップ半導体素子とは、シリコン半導体素子よりもバンドギャップが大きい半導体素子であり、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド、窒化ガリウム系材料、酸化ガリウム系材料、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、または、ＺｎＯなどを含む半導体素子である。ワイドバンドギャップ半導体素子は、シリコン半導体素子よりもスイッチング速度を向上させることが可能である。なお、本実施例では主スイッチング素子１、２はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、正側電源線１０１の側がカソードである寄生ダイオード（図示せず）を有してよい。
【００２４】
［１−２．還流ダイオード３，４］
還流ダイオード３、４は、主スイッチング素子１、２に逆並列に接続される。還流ダイオード３、４は、ショットキーバリアダイオードでもよいし、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードでもよい。還流ダイオード３、４は、シリコン半導体素子でもよいし、ワイドバンドギャップ半導体素子でもよい。
【００２５】
［１−３．ゲート駆動装置５，６］
ゲート駆動装置５、６は、外部から入力される入力信号に基づいて、対応する主スイッチング素子１、２のゲートを駆動する。入力信号は、ＰＷＭ制御により主スイッチング素子１、２を制御して、電源出力端子１０５から概ね正弦波の交流電流を出力させてよい。入力信号は主スイッチング素子１と、主スイッチング素子２とに対して別々に入力されてよい。なお、本実施形態では一例として、入力信号はハイ（オン指令信号）の場合に主スイッチング素子２をオン状態にすることを指示し、ロー（オフ指令信号）の場合に主スイッチング素子２をオフ状態にすることを指示する。
【００２６】
正側のゲート駆動装置５は主スイッチング素子１のゲートを駆動し、負側のゲート駆動装置６は主スイッチング素子２のゲートを駆動する。なお、ゲート駆動装置５、６は同様の構成であるため、本実施形態では負側のゲート駆動装置６について説明を行い、正側のゲート駆動装置５については説明を省略する。
【００２７】
ゲート駆動装置６は、ゲート駆動部６１と、測定部６２と、切替部６３とを有する。本実施形態においては一例として、ゲート駆動装置６の各部をアナログ回路として説明する。
【００２８】
［１−３−１．ゲート駆動部６１］
ゲート駆動部６１は、外部からの入力信号に含まれるターンオン信号およびターンオフ信号に基づいて、主スイッチング素子２のゲートを駆動する。ゲート駆動部６１は、主スイッチング素子２のゲート端子にオン／オフを指示するゲート駆動信号（オン指令信号／オフ指令信号）を供給する。ゲート駆動部６１は、ゲート駆動信号を測定部６２および切替部６３にも供給してよい。ゲート駆動部６１は、主スイッチング素子２のソース端子に接続され、ソース端子の電位をゲート駆動信号の基準電位として用いてよい。
【００２９】
［１−３−２．測定部６２］
測定部６２は、主スイッチング素子２に流れる電流（例えばドレイン端子に流れる電流Ｉｄ）に応じて変化するパラメータを測定する。本実施形態では一例として、パラメータは、主スイッチング素子２のターンオフ開始から主スイッチング素子２の主端子間に加わる電圧（本実施形態では一例としてソース端子およびドレイン端子の間に加わる電圧Ｖｄｓ）が基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴを示してよい。主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄが大きくなると時間ΔＴは短くなる。基準電圧Ｖｒｅｆは、直流電圧Ｅｄと、主スイッチング素子２のターンオフ期間におけるソースドレイン電圧Ｖｄｓのピーク電圧との間で予め定められた電圧であってよい。測定部６２は、電圧検出回路６２０と、比較部６２１と、パラメータ測定部６２３とを有する。
【００３０】
［１−３−２−１．電圧検出回路６２０］
電圧検出回路６２０は、電圧Ｖｄｓを検出する。例えば、電圧検出回路６２０は、電圧Ｖｄｓを分圧する抵抗６２０１、６２０２を有する。抵抗６２０１、６２０２の中点は比較部６２１に接続されており、検出される電圧を比較部６２１に供給する。なお、本実施形態では、検出電圧はソース端子側よりもドレイン端子側の電位が高い場合の電圧を正電圧とする。
【００３１】
［１−３−２−２．比較部６２１］
比較部６２１は、電圧検出回路６２０により検出された電圧Ｖｄｓと、基準電圧Ｖｒｅｆとを比較する。例えば、比較部６２１はコンパレータでよく、非反転入力端子には電圧Ｖｄｓが入力され、反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが入力されてよい。比較部６２１は、電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きくなったことに応じてパラメータ測定部６２３にトリガ信号を供給する。
【００３２】
［１−３−２−３．パラメータ測定部６２３］
パラメータ測定部６２３は、比較部６２１による比較結果に基づいてパラメータを測定する。測定部６２は、主スイッチング素子２のターンオフ期間中にパラメータを測定してよい。例えば、パラメータ測定部６２３は、ゲート駆動部６１からのゲート駆動信号に含まれるオフ指令信号の受信タイミングを主スイッチング素子２のターンオフの開始タイミングとして検出してよい。パラメータ測定部６２３は、検出した開始タイミングからトリガ信号を受信するまでの経過時間をパラメータとして測定してよい。パラメータ測定部６２３は、測定したパラメータを示すパラメータ信号を切替判定部６３２に供給する。パラメータ測定部６２３は、オフ指令信号を受信する毎にリセットされてよい。
【００３３】
［１−３−３．切替部６３］
切替部６３は、測定部６２から供給されるパラメータ信号に基づいて、主スイッチング素子２のターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降のゲート駆動部６１による主スイッチング素子２のゲート電圧の変化速度を切り替える。切替部６３は、主スイッチング素子２のターンオフ期間中における第１基準時間ΔＴｒｅｆ１の経過以降でのゲート電圧の変化速度を切り替えてよく、一例として変化速度を小さくしてよい。
【００３４】
第１基準時間ΔＴｒｅｆ１は、主スイッチング素子２のターンオフ開始から、遅くとも当該主スイッチング素子２の電圧Ｖｄｓがピークとなるタイミングまでの時間であってよい。切替部６３は、ゲート抵抗６３０と、接続切替部６３１と、切替判定部６３２とを有する。また、第１基準時間ΔＴｒｅｆ１の終了タイミングは、ゲート電圧のミラー期間の終了タイミングと同じであってもよい。
【００３５】
［１−３−３−１．ゲート抵抗６３０］
ゲート抵抗６３０は、互いに抵抗値の異なる２つのゲート抵抗６３０１，６３０２を有する。ゲート抵抗６３０１の抵抗値は、ゲート抵抗６３０２の抵抗値よりも大きくてよい。本実施形態では一例として、ゲート抵抗６３０１，６３０２は、それぞれ一端が主スイッチング素子２のゲートに接続され、他端が接続切替部６３１に接続されている。なお、ゲート抵抗６３０は、主スイッチング素子２のターンオフ期間中に抵抗値を変更できる限りにおいて他の構成でもよい。
【００３６】
［１−３−３−２．接続切替部６３１］
接続切替部６３１は、ゲート抵抗６３０の抵抗値を切り替える。これにより、ゲート電圧の変化速度が切り換えられる。本実施形態では一例として接続切替部６３１は、２つのゲート抵抗６３０１，６３０２の何れか一方を択一的にゲートに電気的に接続する。接続切替部６３１は、切替判定部６３２からの指示信号に従ってゲート抵抗６３０１，６３０２の何れかの他端（ゲート側とは反対側の端部）をゲート駆動部６１に電気的に接続してよい。なお、接続切替部６３１は、ゲート抵抗６３０１，６３０２にそれぞれオンオフ可能なスイッチを備える構成でもよい。この場合、切替判定部６３２によりそれぞれのスイッチのオンオフが制御されてもよい。一例として、ゲート電圧の変化速度を切り替える場合には、ゲート抵抗６３０１，６３０２に対応するスイッチがそれぞれオンされている状態から、いずれか一方がオフされてよい。
【００３７】
［１−３−３−３．切替判定部６３２］
切替判定部６３２は、測定部６２から供給されるパラメータ（本実施形態では一例として主スイッチング素子２のターンオフ開始から電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴ）と基準値との比較結果に応じてゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定する。基準値は、主スイッチング素子２のターンオフにより生じるサージ電圧がスイッチング装置１００における各素子の素子耐圧のうち最も低い素子耐圧となる場合のパラメータの値であってよい。本実施形態では一例として、基準値は、素子耐圧のサージ電圧が生じる場合にターンオフ開始から電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間（第３基準時間ΔＴｒｅｆ３とも称する）であってよい。切替判定部６３２は、時間ΔＴが第３基準時間ΔＴｒｅｆ３よりも短いことに応じて、ゲート電圧の変化速度を切り替えると判定してよい。これにより、素子耐圧よりも大きいサージ電圧が生じる場合に切り替えが行われる。なお、第３基準時間ΔＴｒｅｆ３は第１基準時間ΔＴｒｅｆ１と同じであってもよいし、異なってもよい。第３基準時間ΔＴｒｅｆ３と第１基準時間ΔＴｒｅｆ１とが異なる場合には、第３基準時間ΔＴｒｅｆ３は第１基準時間ΔＴｒｅｆ１より長くてもよいし、短くてもよい。
【００３８】
切替判定部６３２は、切り替えを行うか否かを指示する指示信号を接続切替部６３１に供給する。切替判定部６３２は、ゲート駆動部６１からのゲート駆動信号に基づき、主スイッチング素子２のターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１が経過するタイミングで指示信号を出力してよい。
【００３９】
なお、切替判定部６３２は、ゲートへの接続対象がゲート抵抗６３０１に切り替えられた場合には、遅くとも次のターンオフ開始までにゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０２に戻してよい。一例として、切替判定部６３２は、ターンオフ完了から予め定められた時間の経過後にゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０２に戻してもよいし、ゲート駆動信号に含まれるオン指令信号を受信したことに応じてゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０２に戻してもよい。
【００４０】
以上のスイッチング装置１００によれば、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄに応じて変化するパラメータに基づいて主スイッチング素子２のターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降における主スイッチング素子２のゲート電圧の変化速度が切り替えられる。従って、主スイッチング素子２のターンオフによりサージ電圧が素子耐圧よりも高く生じる場合にはゲート電圧の変化を遅くすることができるため、サージ電圧による素子破壊を防止することができる。また、主スイッチング素子２のターンオフによりサージ電圧が素子耐圧よりも低く生じる場合にはゲート電圧の変化を速くすることができるため、ターンオフ損失を低減することができる。よって、一律にゲート電圧を遅くする場合と異なり、サージ電圧を不必要に低減することによるターンオフ損失の増加を防止することができる。
【００４１】
また、主スイッチング素子２のターンオフ開始から電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴをパラメータとして測定するので、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄを間接的に測定することができる。従って、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄを直接測定する場合と比較して、スイッチング装置１００のコストを低減することができる。
【００４２】
また、主スイッチング素子２のターンオフ期間中における主スイッチング素子２のターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降でのゲート電圧の変化速度が切り替えられるので、確実にターンオフ時のサージ電圧による素子破壊を防止するとともに、ターンオフ損失を低減することができる。
【００４３】
また、第１基準時間ΔＴｒｅｆ１は主スイッチング素子２のターンオフ開始から遅くとも電圧Ｖｄｓがピークとなるタイミングまでの時間、或いはゲート電圧のミラー期間が終了するタイミングまでの時間であるので、主端子間に生じるピーク電圧、ひいてはサージ電圧を低減することができる。従って、サージ電圧による素子破壊を確実に防止することができる。
【００４４】
また、互いに抵抗値が異なる２つのゲート抵抗６３０１，６３０２の何れか一方が択一的に主スイッチング素子２のゲートに接続されるので、ゲート電圧の変化速度を確実に切り替えることができる。
【００４５】
［２．動作］
図２は、スイッチング装置１００の動作を示す。スイッチング装置１００は、ステップＳ１０１〜Ｓ１１１の処理を行うことにより主スイッチング素子２のターンオフ期間に駆動条件を変更する。
【００４６】
ステップＳ１０１においてゲート駆動部６１は、外部からの入力信号に含まれるオフ指令信号を受信する。ステップＳ１０３においてゲート駆動部６１は、ターンオフを指示するゲート駆動信号を出力して主スイッチング素子２のターンオフを開始する。
【００４７】
ステップＳ１０５において切替判定部６３２は、測定部６２から供給されるパラメータと基準値との比較結果に応じてゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定する。切替判定部６３２は、前回のスイッチング周期において測定されたパラメータに基づいて、次のターンオフ期間におけるゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定してよい。本実施形態においては一例として切替判定部６３２は、パラメータが基準値よりも大きい場合にはゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０１に維持し、パラメータが基準値よりも小さい場合にゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０２からゲート抵抗６３０１に切り替えるよう判定する。切替判定部６３２は、切り替えを行うと判定した場合（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）には処理をステップＳ１０７に移行し、切り替えを行わないと判定した場合（ステップＳ１０５；Ｎｏ）には処理をステップＳ１０９に移行する。
【００４８】
ステップＳ１０７において切替部６３は、ゲート電圧の変化速度を切り替える。本実施形態では一例として、切替判定部６３２がゲート電圧の変化速度を小さくするように切り替える旨の指示信号、つまりゲートへの接続対象をゲート抵抗６３０２からゲート抵抗６３０１に切り替える旨の指示信号を出力して接続切替部６３１に切り替えを実行させる。これにより、ゲート抵抗６３０２がゲートに接続される場合と比較して主スイッチング素子２のゲートに対する電荷の注入速度、ひいてはゲートの変化速度が小さくなり、ターンオフに伴うサージ電圧が低減される。切替部６３は、ターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１の経過タイミングで切り替えを行ってよい。一例として切替部６３は、今回のターンオフの開始タイミングから、今回のターンオフ期間において主スイッチング素子２の電圧Ｖｄｓがピークとなるタイミングまでの何れかのタイミングで切り替えを行ってよい。
【００４９】
このように、ステップＳ１０５での判定結果が肯定的であった場合（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）には主スイッチング素子２のターンオフ期間中におけるゲート電圧の変化速度が変更され、判定結果が否定的であった場合（ステップＳ１０５；Ｎｏ）には変化速度が変更されない。そのため、主スイッチング素子２の一のターンオフ期間中におけるターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降でのゲート電圧の変化速度が、他のターンオフ期間中におけるターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降でのゲート電圧の変化速度に対して変更されることとなる。
【００５０】
ステップＳ１０９において測定部６２はパラメータを測定する。本実施形態では一例として、測定部６２は、主スイッチング素子２のターンオフ開始から電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴをパラメータとして測定する。
【００５１】
そして、ステップＳ１１１において主スイッチング素子２のターンオフが完了すると、スイッチング装置１００はターンオフに関する動作を終了する。なお、パラメータを測定するステップＳ１０９の処理は、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０７の間の何れかのタイミングで行われてもよい。また、ステップＳ１０７でゲート抵抗の変化速度を切り替えた場合には、切替部６３は次回のターンオフ開始までに変化速度を切り替え前の状態に戻してもよい。
【００５２】
以上の動作によれば、主スイッチング素子２の一のターンオフ期間中におけるゲート電圧の変化速度が他のターンオフ期間中におけるゲート電圧の変化速度に対して変更されるので、各ターンオフ期間においてサージ電圧による素子破壊を防止するとともに、ターンオフ損失を低減することができる。
【００５３】
また、主スイッチング素子２の前回のスイッチング周期において測定されたパラメータに基づいて、次のターンオフ期間におけるゲート電圧の変化速度が切り替えられる。従って、同じスイッチング周期内に測定されたパラメータに基づいてゲート電圧の変化速度が切り換えられる場合と異なり、スイッチング周期が短い場合であっても、確実に切り替えを行うことができる。
【００５４】
［３．動作波形］
［３−１．電流Ｉｄと時間ΔＴとの関係］
図３は、主スイッチング素子２をターンオフする場合の動作波形を示す。図中、実線で示されたゲートソース電圧Ｖｇｓ１，ドレインソース電圧Ｖｄｓ１，ドレイン電流Ｉｄ１のグラフは、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄが大きい場合の動作波形を示す。破線で示されたゲートソース電圧Ｖｇｓ２，ドレインソース電圧Ｖｄｓ２，ドレイン電流Ｉｄ２のグラフは主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄが小さい場合の動作波形を示す。なお、図中の横軸は時間を示し、縦軸は主スイッチング素子２のゲートソース間電圧Ｖｇｓ、ドレインソース間電圧Ｖｄｓ、ドレイン電流Ｉｄを示す。なお、ドレイン電流Ｉｄは、主スイッチング素子２の定格電流値に対して、５０％以上の値であれば大きい、５０％以下であれば小さいとしてよいが、これに限らない。また、定格電流値に対してドレイン電流Ｉｄは実際の動作におけるサージ電圧値から決定してもよい。
【００５５】
主スイッチング素子２に対する入力信号がハイ（オン指令）からロー（オフ指令）に切り替わることに応じてゲート駆動部６１からのゲート駆動信号がローとなり、負のゲート電流Ｉｇが流れ始めると、主スイッチング素子２にゲート電荷の逆バイアス方向への注入が開始される。そして、主スイッチング素子２のゲート入力容量Ｃｇｓが逆バイアス方向に充電され、ゲートソース電圧Ｖｇｓが減少し始める（時点ｔ１）。
【００５６】
続いて、ゲートソース電圧Ｖｇｓがミラー電圧まで減少すると（時点ｔ２）、帰還容量（ゲートドレイン容量）Ｃｇｄの充電が始まり、ゲートソース電圧Ｖｇｓの変化がフラットとなり（いわゆるミラー期間）、主スイッチング素子２のドレインソース電圧Ｖｄｓが急激に増加する。これに伴い、主スイッチング素子２と対向する主スイッチング素子１のドレインソース間電圧Ｖｄｓが低下し、その寄生容量Ｃｄｓから放電電流が流れるため、主スイッチング素子２のドレイン電流Ｉｄが減少する。
【００５７】
次に、時点ｔ３，ｔ３'において主スイッチング素子２ではミラー期間が終了して、ドレイン電流Ｉｄが急激に減少する。これにより、正側電源線１０１の配線インダクタンスに印加される電圧が瞬間的に増加して、主スイッチング素子２のドレインソース間電圧Ｖｄｓは時点ｔ４、ｔ４'で基準電圧Ｖｒｅｆを超えてピーク電圧Ｖｐ，Ｖｐ'まで増加する。その後、ドレインソース間電圧Ｖｄｓは減少して直流電圧Ｅｄとなり、ゲートソース電圧Ｖｇｓがゲート閾値電圧Vthを下回る。そして、主スイッチング素子２のゲート入力容量Ｃｇｓへの逆バイアス方向への充電が終了して、主スイッチング素子２のターンオフが完了する。
【００５８】
ここで、ターンオフ開始から電圧Ｖｄｓ２が基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴ２は、ターンオフ開始から電圧Ｖｄｓ１が基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴ１よりも長い。このことから分かるように、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄが小さいと、主スイッチング素子２のターンオフ開始から電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴは長くなる。また、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄが小さいと、ピーク電圧は小さくなる。
【００５９】
［３−２．実施形態のスイッチング装置１００による動作波形（１）］
図４は、スイッチング装置１００によるターンオフ時の動作波形を示す。
【００６０】
第ｎ回目のスイッチング周期における時点ｔ１１において主スイッチング素子２に対する入力信号がハイ（オン指令）からロー（オフ指令）に切り替わると、電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴｎ（本動作例では時点ｔ１１〜ｔ１２の期間）がパラメータとして測定される。この動作例では、素子耐圧よりも大きいサージ電圧が生じ得る程度に電流Ｉｄが大きく、時間ΔＴｎは第３基準時間ΔＴｒｅｆ３よりも短くなっている。これにより、第ｎ＋１回目のスイッチング周期では、切替判定部６３２からの指示信号によりターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降のゲート電圧の変化速度が切り替えられて小さくなる。このように、ターンオフによりサージ電圧が素子耐圧よりも高く生じ得る場合にはゲート電圧の変化が遅くなり、サージ電圧による素子破壊が防止される。
【００６１】
なお、本動作例では一例として、指示信号は第１基準時間ΔＴｒｅｆ１の経過タイミングからターンオフ完了後までハイレベルに維持されている。また、第ｎ−１周期、第ｎ＋１周期でも、パラメータとしての時間ΔＴｎ−１，ΔＴｎ＋１は第３基準時間ΔＴｒｅｆ３よりも短くなっている。
【００６２】
［３−２．実施形態のスイッチング装置１００による動作波形（２）］
図５は、スイッチング装置１００によるターンオフ時の他の動作波形を示す。
【００６３】
第ｎ回目のスイッチング周期における時点ｔ１１において主スイッチング素子２に対する入力信号がハイ（オン指令）からロー（オフ指令）に切り替わると、電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間ΔＴｎ（本動作例では時点ｔ１１〜ｔ１２'の期間）がパラメータとして測定される。この動作例では、素子耐圧よりも大きいサージ電圧が生じない程度に電流Ｉｄが小さく、時間ΔＴｎは第３基準時間ΔＴｒｅｆ３よりも長くなっている。これにより、第ｎ＋１回目のスイッチング周期ではターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降でもゲート電圧の変化速度が切り替えられずに大きく維持される。このように、ターンオフによりサージ電圧が素子耐圧よりも高く生じない場合にはゲート電圧の変化が早く維持され、ターンオフ損失が低減される。なお、本動作例では一例として、第ｎ−１周期、第ｎ＋１周期でも、パラメータとしての時間ΔＴｎ−１，ΔＴｎ＋１は第３基準時間ΔＴｒｅｆ３よりも長くなっている。
【００６４】
［４．変形例］
図６は、変形例に係るスイッチング装置１００Ａを示す。スイッチング装置１００Ａは測定部６２Ａと、切替部６３Ａとを備える。本実施形態においては一例として、測定部６２Ａおよび切替部６３Ａの各部をアナログ回路として説明する。
【００６５】
測定部６２Ａは、主スイッチング素子２に流れる電流Ｉｄに応じて変化するパラメータとして、主スイッチング素子２がオン状態の場合の電流Ｉｄを示す値を測定する。測定部６２Ａは電流センサ６２０Ａと、パラメータ測定部６２３Ａと、電圧検出回路６２０Ａとを有する。
【００６６】
電流センサ６２０Ａは電流Ｉｄを測定する。本変形例においては一例として、電流センサ６２０Ａは主スイッチング素子２のドレイン端子側に設けられているが、ソース端子側に設けられてもよい。電流センサ６２０Ａは、測定した電流値をパラメータ測定部６２３Ａに供給してよい。
【００６７】
パラメータ測定部６２３Ａは、電流センサ６２０Ａからの電流値に基づいてパラメータを測定する。例えば、パラメータ測定部６２３Ａは、ゲート駆動信号に含まれるオフ指令信号を受信したタイミングでの電流Ｉｄをパラメータとして測定してよい。
【００６８】
電圧検出回路６２０Ａは、電圧検出回路６２０と同様の抵抗６２０１、６２０２を有する。電圧検出回路６２０Ａは、抵抗６２０１、６２０２により検出される電圧を切替部６３Ａに供給する。
【００６９】
切替部６３Ａの切替判定部６３２Ａは、測定部６２から供給されるパラメータ（本変形例では一例として主スイッチング素子２がオン状態の場合の電流Ｉｄ）と基準値との比較結果に応じてゲート電圧の変化速度を切り替えるか否かを判定する。基準値は、主スイッチング素子２のターンオフにより生じるサージ電圧がスイッチング装置１００における最も低い素子耐圧となる場合のパラメータ（電流Ｉｄ）の値であってよい。切替部６３Ａは、ターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１の経過タイミングで切り替えを行ってよい。一例として切替部６３Ａは、電圧検出回路６２０Ａから供給される電圧に基づいて、今回のターンオフの開始タイミングから、今回のターンオフ期間において主スイッチング素子２の電圧Ｖｄｓがピークとなるタイミングまでの何れかのタイミングで切り替えを行ってよい。
【００７０】
以上のスイッチング装置１００Ａによっても、サージ電圧による素子破壊を防止するとともに、ターンオフ損失を低減することができる。
【００７１】
［５．その他の変形例］
なお、上記の実施形態においては、切替部６３はゲート抵抗６３０の抵抗値を切り替えることでゲート電圧の変化速度を切り替えることとして説明したが、他の手法によって切り換えを行ってもよい。例えば、切替部６３は、ゲート駆動信号の電流を小さくしてもよい。ゲート駆動信号の電流を小さくするには、例えば、ゲートに向かうゲート駆動信号の内部経路を分岐させて分流すればよい。
【００７２】
また、電流Ｉｄに応じて変化するパラメータを時間ΔＴ等として説明したが、他の値としてもよい。例えば、パラメータは、主スイッチング素子２のターンオフ開始から第２基準時間ΔＴｒｅｆ２後において主スイッチング素子２に加わる電圧を示してよい。第２基準時間ΔＴｒｅｆ２は、ターンオフ開始からターンオフ完了までの時間以下の長さであってよい。この場合、切替部６３は電圧を示すパラメータが基準値より大きいことに応じてスイッチング素子のターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降におけるゲート電圧の変化速度を切り替えてよい。この場合であっても、サージ電圧による素子破壊を防止するとともに、ターンオフ損失を低減することができる。なお、第２基準時間ΔＴｒｅｆ２は、第１基準時間ΔＴｒｅｆ１と同じであってもよいし、異なってもよい。第２基準時間ΔＴｒｅｆ２と第１基準時間ΔＴｒｅｆ１とが異なる場合には、第２基準時間ΔＴｒｅｆ２は第１基準時間ΔＴｒｅｆ１より長くてもよいし、短くてもよい。
【００７３】
また、パラメータは、主スイッチング素子２をターンオフした場合に生じるサージ電圧を示してもよい。サージ電圧は一例として電圧検出回路６２０により検出されてよい。この場合には、切替部６３は、サージ電圧を示すパラメータと、当該パラメータが測定されたスイッチング周期においてゲート電圧の変化速度を切り替えたか否かとに基づいてゲート電圧の変化速度を切り替えてよい。例えば、切替部６３は、次の表１に示すように、前回のスイッチング周期でサージ電圧を示すパラメータが基準値より大きかったか否かと、ゲート電圧の変化速度を切り替えたか否かとに基づいて、次のスイッチング周期におけるターンオフ開始から第１基準時間ΔＴｒｅｆ１以降での変化速度を切り替えてよい。この場合であっても、サージ電圧による素子破壊を防止するとともに、ターンオフ損失を低減することができる。また、サージ電圧を示すパラメータのみに基づいて切り替えを実行するか否かを判断する場合と異なり、１つのスイッチング周期おきに素子耐圧を超えるサージ電圧が生じてしまうのを防止することができる。
【００７４】
【表１】
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【００７５】
また、前回のスイッチング周期において測定されたパラメータに基づいて次のターンオフ期間におけるゲート電圧の変化速度を切り替えることとして説明したが、前々回以前のスイッチング周期において測定されたパラメータに基づいて次回以降のターンオフ期間における変化速度の切り換えを行ってもよい。この場合には、測定部６２は、パラメータ測定部６２３により測定されたパラメータをラッチするｎ個のパラメータ記憶部を有してよい。ｎ個のパラメータ記憶部は測定されたパラメータを順に記憶して切替判定部６３２に供給してよい。パラメータ記憶部の個数ｎは、パラメータを測定した周期から、変化速度を切り替える周期までの周期数と等しくてよい。
【００７６】
また、パラメータに基づいてゲート電圧の変化速度を小さくするか、維持することとして説明したが、変化速度を維持せずに大きくしてもよい。この場合には、ターンオフ損失をいっそう低減することができる。
【００７７】
また、スイッチング装置１００、１００Ａは正側の主スイッチング素子１およびゲート駆動装置５の組と、負側の主スイッチング素子２およびゲート駆動装置６の組とを備えることとして説明したが、何れか一方の組のみを備えることとしてもよい。
【００７８】
また、ゲート駆動装置６の各部をアナログ回路として説明したが、比較部６２１、パラメータ測定部６２３、切替判定部６３２の少なくとも１つがデジタル回路であってもよい。同様に、測定部６２Ａおよび切替部６３Ａの各部をアナログ回路として説明したが、パラメータ測定部６２３Ａおよび切替判定部６３２Ａの少なくとも１つがデジタル回路であってもよい。
【００７９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
【００８０】
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００８１】
１  主スイッチング素子、  ２  主スイッチング素子、  ３  還流ダイオード、  ４  還流ダイオード、  ５  ゲート駆動装置、  ６  ゲート駆動装置、  ６１  ゲート駆動部、  ６２  測定部、  ６３  切替部、  １００  スイッチング装置、  １０１  正側電源線、  １０２  負側電源線、  １０５  電源出力端子、  １０６  誘導負荷、  ６２０  電圧検出回路、  ６２１  比較部、  ６２３  パラメータ測定部、  ６３０  ゲート抵抗、  ６３１  接続切替部、  ６３２  切替判定部、  ６２０１  抵抗、  ６２０２  抵抗、  ６３０１  ゲート抵抗、  ６３０２  ゲート抵抗
【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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【図６】
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