(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子を駆動する絶縁型のゲート駆動回路であって、
第一入力信号に応じて第一高周波を変調した第一の被変調信号と、前記第一入力信号とは異なる第二入力信号に応じて前記第一高周波を変調した第二の被変調信号とを生成する変調回路と、
前記第一の被変調信号を絶縁伝送する第一の電磁界共鳴結合器、および、前記第二の被変調信号を絶縁伝送する第二の電磁界共鳴結合器を含む複数の電磁界共鳴結合器から構成される、絶縁伝送部と、
前記第一の電磁界共鳴結合器により絶縁伝送された前記第一の被変調信号を整流することによって、第一信号を生成する第一の整流回路と、
前記第二の電磁界共鳴結合器により絶縁伝送された前記第二の被変調信号を整流することによって、第二信号を生成する第二の整流回路と、
前記複数の電磁界共鳴結合器のうちの１つにより絶縁伝送された第二高周波を整流することによって、充電用電圧を生成する第三の整流回路と、
前記充電用電圧に応じて充電されるキャパシタと、
前記第一信号及び前記第二信号の少なくとも一方に応じて、前記キャパシタに充電された電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するか否かを選択する出力回路と、を備える、
ゲート駆動回路。
【請求項２】
前記絶縁伝送部は、
前記第二高周波を絶縁伝送する第三の電磁界共鳴結合器をさらに含む、
請求項１に記載のゲート駆動回路。
【請求項３】
前記第二高周波の振幅の最大値は、前記第一の被変調信号及び前記第二の被変調信号の振幅の最大値よりも大きい、
請求項２に記載のゲート駆動回路。
【請求項４】
前記第一高周波と前記第二高周波とを生成する高周波生成器を、さらに備える、
請求項２または３に記載のゲート駆動回路。
【請求項５】
前記高周波生成器は、高周波を基本波成分と高調波成分とに分離して、前記基本波成分を前記第二高周波として出力し、前記高調波成分を前記第一高周波として出力する、周波数分配フィルタを含む、
請求項４に記載のゲート駆動回路。
【請求項６】
前記高周波生成器は、前記第二高周波の振幅を変化させる増幅回路を含む、
請求項４または５に記載のゲート駆動回路。
【請求項７】
前記増幅回路は、制御端子に入力される信号に応じて、前記第二高周波の振幅を変化させ、
前記第三の整流回路は、前記出力回路が前記電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給しないときに、前記充電用電圧を出力し、前記出力回路が前記電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するときに、前記充電用電圧を出力しない、
請求項６に記載のゲート駆動回路。
【請求項８】
前記第二の被変調信号は、前記第二高周波を含み、
前記第三の整流回路は、前記第二の電磁界共鳴結合器により絶縁伝送された前記第二の被変調信号を整流することによって、前記充電用電圧を生成する、
請求項１に記載のゲート駆動回路。
【請求項９】
前記第二の被変調信号の振幅の最大値は、前記第一の被変調信号振幅の最大値よりも大きい、
請求項８に記載のゲート駆動回路。
【請求項１０】
さらに、前記変調回路と前記第二の電磁界共鳴結合器との間に設けられ、前記第二の被変調信号を増幅させる増幅回路を備える、
請求項８に記載のゲート駆動回路。
【請求項１１】
さらに、前記第一高周波を生成する高周波発振回路を備える、
請求項８から１０のいずれか一項に記載のゲート駆動回路。
【請求項１２】
前記第三の整流回路は、前記出力回路が前記電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給しないときに、前記充電用電圧を出力し、前記出力回路が前記電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するときに、前記充電用電圧を出力しない、
請求項８から１１のいずれか一項に記載のゲート駆動回路。
【請求項１３】
前記出力回路は、
前記第一信号に応じて、前記キャパシタに充電された電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給させる第一のスイッチング素子と、
前記第二信号に応じて、前記半導体スイッチング素子の前記ゲート端子から電荷を引き抜く第二のスイッチング素子とを含む、
請求項１から１２のいずれか一項に記載のゲート駆動回路。
【請求項１４】
前記出力回路は、
前記第一信号に応じて、前記キャパシタに充電された電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給させる第一のスイッチング素子及び第四のスイッチング素子と、
前記第二信号に応じて、前記ゲート端子から電荷を引き抜いて、当該電荷を前記キャパシタに充電する第二のスイッチング素子及び第三のスイッチング素子とを含む、
請求項１から１２のいずれか一項に記載のゲート駆動回路。
【請求項１５】
前記変調回路は、前記第一入力信号と前記第一高周波とを混合することによって前記第一の被変調信号を生成し、前記第二入力信号と前記第一高周波とを混合することによって前記第二の被変調信号を生成する混合回路である
請求項１から１４のいずれか一項に記載のゲート駆動回路。
【請求項１６】
前記第二入力信号は、前記第一入力信号の反転信号である、
請求項１から１５のいずれか一項に記載のゲート駆動回路。
【請求項１７】
前記変調回路は、前記第一入力信号および前記第二入力信号に応じて、前記第一高周波を前記第一の電磁界共鳴結合器に出力するか前記第二の電磁界共鳴結合器に出力するかを切り替えることによって、前記第一の被変調信号および前記第二の被変調信号を生成するスイッチ回路である
請求項１から１４のいずれか一項に記載のゲート駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体スイッチング素子を駆動する絶縁型のゲート駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境意識の高まりから、あらゆる電気機器で省電力化が求められている。とりわけ、電気機器の省電力化の大きなポイントとして、電力をスイッチするインバータシステムが注目されている。インバータは、エアコン、洗濯機、冷蔵庫といった身近な電気機器、太陽電池に搭載されているパワーコンディショナーといった産業用の電気機器、または、電気自動車といった車載用の電気機器に幅広く使用される。【０００３】
このようなインバータは、電力をスイッチングする半導体スイッチング素子とこれを駆動するためのゲート駆動回路とから構成されている。パワーデバイスである半導体スイッチング素子は、典型的に、数十Ｖ〜数千Ｖという高電圧で動作する。【０００４】
これに対し、半導体スイッチング素子をオン・オフするための制御信号は、数Ｖ以下で動作する制御回路（制御ＩＣ）から供給される。よって、このような場合、ゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子が設けられる出力側と、制御回路が設けられる入力側との間で電気的な絶縁を確保しながら、半導体スイッチング素子へ駆動信号を供給する。また、このような絶縁型のゲート駆動回路として、電磁界共鳴結合器を用いたゲート駆動回路が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１２―５２２４７７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】S. Nagai et al., “A DC-Isolated Gate Drive IC with Drive-by-Microwave Technology for Power Switching Devices”, 2012 IEEE ISSCC Digest of Technical Papers, Vol.65, pp.404-405, Feb 2012.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ゲート駆動回路において、半導体スイッチング素子を高速にオンするために、瞬時に大電流を半導体スイッチング素子のゲート端子に供給することが望まれている。【０００８】
そこで本開示は、半導体スイッチング素子へ大電流を供給することができるゲート駆動回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子を駆動する絶縁型のゲート駆動回路であって、第一入力信号に応じて第一高周波を変調した第一の被変調信号と、前記第一入力信号とは異なる第二入力信号に応じて前記第一高周波を変調した第二の被変調信号とを生成する変調回路と、前記第一の被変調信号を絶縁伝送する第一の電磁界共鳴結合器、および、前記第二の被変調信号を絶縁伝送する第二の電磁界共鳴結合器を含む複数の電磁界共鳴結合器から構成される、絶縁伝送部と、前記第一の電磁界共鳴結合器により絶縁伝送された前記第一の被変調信号を整流することによって、第一信号を生成する第一の整流回路と、前記第二の電磁界共鳴結合器により絶縁伝送された前記第二の被変調信号を整流することによって、第二信号を生成する第二の整流回路と、前記複数の電磁界共鳴結合器のうちの１つにより絶縁伝送された第二高周波を整流することによって、充電用電圧を生成する第三の整流回路と、前記充電用電圧に応じて充電されるキャパシタと、前記第一信号及び前記第二信号の少なくとも一方に応じて、前記キャパシタに充電された電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するか否かを選択する出力回路と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本開示に係るゲート駆動回路によれば、半導体スイッチング素子に大電流を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施の形態１に係るゲート駆動回路の一例を示すシステムブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係るゲート駆動回路における、入力信号の一例を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態１に係るゲート駆動回路における、電磁界共鳴結合器の構成例を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態１に係るゲート駆動回路における、ハーフブリッジ回路の動作例を説明するための図である。
【図７】図７は、実施の形態１に係るゲート駆動回路における、ハーフブリッジ回路を構成するトランジスタのゲート・ソース間電圧と、キャパシタに充電される電荷との関係の一例を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態１に係るゲート駆動回路における、出力端子から出力される出力波形のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態１に係るゲート駆動回路における、出力端子から出力される出力波形の実測結果を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態１に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図１１】図１１は、実施の形態１に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態２に係るゲート駆動回路の一例を示すシステムブロック図である。
【図１３】図１３は、実施の形態２に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図１４】図１４は、実施の形態２に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図１５】図１５は、実施の形態３に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図１６】図１６は、実施の形態３に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図１７】図１７は、実施の形態４に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図１８】図１８は、実施の形態４に係るゲート駆動回路の動作例を示す図である。
【図１９】図１９は、実施の形態４に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図２０】図２０は、実施の形態５に係るゲート駆動回路の一例を示すシステムブロック図である。
【図２１】図２１は、実施の形態５に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図２２】図２２は、実施の形態５に係るゲート駆動回路における、ハーフブリッジ回路を構成するトランジスタのゲート・ソース間電圧と、キャパシタに充電される電荷との関係の一例を示す図である。
【図２３】図２３は、実施の形態５に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【図２４】図２４は、実施の形態５に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（本開示の基礎となった知見）
半導体スイッチング素子のスイッチングには、典型的に、入力側と出力側とが絶縁された絶縁型のゲート駆動回路が用いられる。
【００１３】
絶縁型のゲート駆動回路は、出力側に接続される高電圧回路と、入力側に接続される低電圧回路とが絶縁される。これにより、絶縁型のゲート駆動回路は、低電圧回路の誤動作や故障を防ぐことができる。
【００１４】
また、絶縁型のゲート駆動回路は、高電圧回路のグランド・ループと低電圧回路のグランド・ループとが分離されるため、一方の回路で誤作動等が生じた場合に、他方の回路に過剰電圧が印加されることを防ぐことができる。
【００１５】
ここで、絶縁型のゲート駆動回路の一例として、フォトカプラを備えるゲート駆動回路が知られている。このようなゲート駆動回路では、制御信号はフォトカプラで絶縁伝送される。一方、電圧源から供給される駆動電力は、トランスの電磁誘導を用いて絶縁伝送される。そして、ゲート駆動回路は、制御信号と駆動電力とを合成することによって駆動信号を生成し、半導体スイッチング素子に駆動信号を供給する。
【００１６】
しかし、フォトカプラを用いたゲート駆動回路は、部品点数が多いため、回路規模（実装面積）が大きく、コストが高いという課題があった。
【００１７】
これに対し、非特許文献１には、マイクロ波を利用する絶縁型のゲート駆動回路が提案されている。このようなゲート駆動回路は、マイクロ波を用いて駆動信号と駆動電力とを半導体スイッチング素子に供給する。具体的には、ゲート駆動回路は、駆動電力であるマイクロ波を制御信号に応じて変調し、変調されたマイクロ波を電磁界共鳴結合器と呼ばれる絶縁素子を用いて絶縁伝送する。その後、ゲート駆動回路は、変調されたマイクロ波を整流することで駆動信号を生成する。
【００１８】
このような、マイクロ波を利用するゲート駆動回路は、フォトカプラとトランスという複数の部品に代えて、小型の単一素子である電磁界共鳴結合器を備える。このため、マイクロ波を用いたゲート駆動回路は、超小型化が可能である。
【００１９】
ところで、ゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子を高速にオンするために、半導体スイッチング素子のゲート容量（Ｃｉｓｓ）に短時間で十分な電荷を充電できることが望まれる。特に、大電力・大電流を扱うパワーデバイスの半導体スイッチング素子は、ゲート幅（Ｗｇ）が大きいため、ゲート容量も大きい。
【００２０】
半導体スイッチング素子の動作は、近年更なる高速化が望まれている。ゲート駆動回路が、パワーデバイスの半導体スイッチング素子を、ゲート幅の小さい半導体スイッチング素子と同等の速度、あるいはそれ以上の速度で動作させるためには、瞬時に大電流を半導体スイッチング素子のゲートへ流す必要がある。このため、ゲート駆動回路の出力の大電流化が、望まれている。
【００２１】
しかし、マイクロ波を利用するゲート駆動回路は、マイクロ波を用いて、半導体スイッチング素子のゲート端子に駆動電力を供給するため、従来のフォトカプラとトランスとを用いたゲート駆動回路と比較して、半導体スイッチング素子のゲート端子に大きな駆動電力を供給することが難しい。すなわち、マイクロ波を利用するゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子のゲート端子に大電流を供給することが困難であるという課題があった。
【００２２】
この課題を解決するために、ゲート駆動回路の出力部にバッファ回路を追加し、ゲート駆動回路から出力される出力電流を増加させる方法が知られている。この方法では、電源からの電流をトランジスタで構成されたスイッチ回路を用いて切り替えることにより、半導体スイッチング素子のゲート端子に大電流を供給する。
【００２３】
特許文献１は、スイッチ回路としてブリッジ回路を備えるとともに、電源としてキャパシタを備える回路を開示している。特許文献１の回路は、具体的には、キャパシタの電荷の状態を浮動ブリッジ回路で切り替えることによって、負荷に電力を供給している。
【００２４】
しかし、上記いずれの場合においても、電源（キャパシタ）を絶縁させるための構成によって、回路が大規模化してしまうことが課題である。
【００２５】
そこで、本発明者らは、回路規模が小さく、なおかつ、半導体スイッチング素子へ大電流を供給できる絶縁型ゲート駆動回路を検討し、本開示に至った。
【００２６】
（実施の形態の概要）
本開示の一態様（aspect）に係るゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子を駆動する絶縁型のゲート駆動回路であって、第一入力信号に応じて第一高周波を変調した第一の被変調信号と、前記第一入力信号とは異なる第二入力信号に応じて前記第一高周波を変調した第二の被変調信号とを生成する変調回路と、前記第一の被変調信号を絶縁伝送する第一の電磁界共鳴結合器、および、前記第二の被変調信号を絶縁伝送する第二の電磁界共鳴結合器を含む複数の電磁界共鳴結合器から構成される、絶縁伝送部と、前記第一の電磁界共鳴結合器により絶縁伝送された前記第一の被変調信号を整流することによって、第一信号を生成する第一の整流回路と、前記第二の電磁界共鳴結合器により絶縁伝送された前記第二の被変調信号を整流することによって、第二信号を生成する第二の整流回路と、前記複数の電磁界共鳴結合器のうちの１つにより絶縁伝送された第二高周波を整流することによって、充電用電圧を生成する第三の整流回路と、前記充電用電圧に応じて充電されるキャパシタと、前記第一信号及び前記第二信号の少なくとも一方に応じて、前記キャパシタに充電された電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するか否かを選択する出力回路と、を備える。
【００２７】
これにより、ゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子に大電流を供給することができる。また、第二高周波を整流することによって充電用電圧が得られるため、キャパシタを充電するための絶縁電源を別途設けることなく、キャパシタを充電することができる。
【００２８】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記絶縁伝送部は、前記第二高周波を絶縁伝送する第三の電磁界共鳴結合器をさらに含んでもよい。
これにより、被変調信号を絶縁伝送する電磁界共鳴結合器と、第二高周波を絶縁伝送する電磁界共鳴結合器とを分けることができる。そのため、第二高周波は、第三の電磁界共鳴結合器で伝送された後に、分配されることなく第三の整流回路に入力されうる。したがって、半導体スイッチング素子のゲート端子に、より大きな電流を供給することが可能となる。
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記第二高周波の振幅の最大値は、前記第一の被変調信号及び前記第二の被変調信号の振幅の最大値よりも大きくてもよい。
これにより、キャパシタを充電するための第二高周波の電力を大きくすることができる。
【００２９】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路は、例えば、前記第一高周波と前記第二高周波とを生成する高周波生成器を、さらに備えてもよい。
【００３０】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記高周波生成器は、高周波を基本波成分と高調波成分とに分離して、前記基本波成分を前記第二高周波として出力し、前記高調波成分を前記第一高周波として出力する、周波数分配フィルタを含んでもよい。
【００３１】
これにより、高調波成分を出力回路のスイッチング制御に利用することができる。よって、キャパシタを充電するための電力効率を向上させることができる。したがって、キャパシタの充電に用いる電力量を増加させることが可能となり、半導体スイッチング素子のスイッチングをさらに高速化することができる。
【００３２】
また、さらに、本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記高周波生成器は、前記第二高周波の振幅を変化させる増幅回路を含んでもよい。
【００３３】
これにより、キャパシタの充電に用いる電力量をさらに増加させることが可能となり、半導体スイッチング素子のスイッチングを非常に高速化することができる。
【００３４】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記増幅回路は、制御端子に入力される信号に応じて、前記第二高周波の振幅を変化させ、前記第三の整流回路は、前記出力回路が前記電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給しないときに、前記充電用電圧を出力し、前記出力回路が前記電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するときに、前記充電用電圧を出力しなくてもよい。
【００３５】
これにより、例えば、キャパシタを充電する期間のみ高周波発振回路から高周波を出力することができ、ゲート駆動回路を省電力化することが可能となる。
【００３６】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記第二の被変調信号は、前記第二高周波を含み、前記第三の整流回路は、前記第二の電磁界共鳴結合器により絶縁伝送された前記第二の被変調信号を整流することによって、前記充電用電圧を生成してもよい。
【００３７】
これにより、充電用電圧の基となる第二高周波が、第二の被変調信号を絶縁伝送する第二の電磁界共鳴結合器によって絶縁伝送されるため、ゲート駆動回路の簡略化を行うことができる。
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記第二の被変調信号の振幅の最大値は、前記第一の被変調信号振幅の最大値よりも大きくてもよい。
これにより、キャパシタを充電するための第二高周波の電力を大きくすることができる。
【００３８】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路は、例えば、さらに、前記変調回路と前記第二の電磁界共鳴結合器との間に設けられ、前記第二の被変調信号を増幅させる増幅回路を備えてもよい。
【００３９】
これにより、キャパシタの充電に用いる電力量を増加させることが可能となり、半導体スイッチング素子のスイッチングをさらに高速化することができる。
【００４０】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路は、例えば、さらに、前記第一高周波を生成する高周波発振回路を備えてもよい。
【００４１】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記第三の整流回路は、前記出力回路が前記電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給しないときに、前記充電用電圧を出力し、前記出力回路が前記電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するときに、前記充電用電圧を出力しなくてもよい。
これにより、例えば、キャパシタを充電する期間のみ高周波発振回路から高周波を出力することができ、ゲート駆動回路を省電力化することが可能となる。
【００４２】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記出力回路は、前記第一信号に応じて、前記キャパシタに充電された電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給させる第一のスイッチング素子と、前記第二信号に応じて、前記半導体スイッチング素子の前記ゲート端子から電荷を引き抜く第二のスイッチング素子とを含んでもよい。
【００４３】
このように、出力回路をいわゆるハーフブリッジ回路の構成とすることにより、ゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子に大電流を供給することができる。
【００４４】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記出力回路は、前記第一信号に応じて、前記キャパシタに充電された電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給させる第一のスイッチング素子及び第四のスイッチング素子と、前記第二信号に応じて、前記ゲート端子から電荷を引き抜いて、当該電荷を前記キャパシタに充電する第二のスイッチング素子及び第三のスイッチング素子とを含んでもよい。
【００４５】
このように、駆動回路をいわゆるＨブリッジ回路の構成とすることにより、ゲート駆動回路は、一度半導体スイッチング素子のゲートに供給した電荷を回収し、再度キャパシタに充電することが可能となる。
【００４６】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記変調回路は、前記第一入力信号と前記第一高周波とを混合することによって前記第一の被変調信号を生成し、前記第二入力信号と前記第一高周波とを混合することによって前記第二の被変調信号を生成する混合回路であってもよい。
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記第二入力信号は、前記第一入力信号の反転信号であってもよい。
【００４７】
本開示の一態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記変調回路は、前記第一入力信号および前記第二入力信号に応じて、前記第一高周波を前記第一の電磁界共鳴結合器に出力するか前記第二の電磁界共鳴結合器に出力するかを切り替えることによって、前記第一の被変調信号および前記第二の被変調信号を生成するスイッチ回路であってもよい。
【００４８】
本開示の他の態様に係るゲート駆動回路は、例えば、半導体スイッチング素子を駆動する絶縁型のゲート駆動回路であって、入力信号に応じて第一高周波を変調した被変調信号を生成する変調回路と、前記被変調信号を絶縁伝送する電磁界共鳴結合器を含む絶縁伝送部と、前記電磁界共鳴結合器により絶縁伝送された前記被変調信号を整流することによって、信号を生成する整流回路と、前記絶縁伝送部により絶縁伝送された第二高周波を整流することによって、充電用電圧を生成する別の整流回路と、前記充電用電圧に応じて充電されるキャパシタと、前記信号に応じて、前記キャパシタに充電された電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するか否かを選択する出力回路と、を備える。
これにより、ゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子に大電流を供給することができる。また、第二高周波を整流することによって充電用電圧が得られるため、キャパシタを充電するための絶縁電源を別途設けることなく、キャパシタを充電することができる。
【００４９】
本開示の他の態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記被変調信号は前記第二高周波を含み、前記別の整流回路は、前記電磁界共鳴結合器により絶縁伝送された前記第二高周波を整流することによって、前記充電用電圧を生成してもよい。
本開示の他の態様に係るゲート駆動回路において、例えば、前記絶縁伝送部は、さらに、前記第二高周波を絶縁伝送する別の電磁界共鳴結合器を含んでもよい。
【００５０】
以下、実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化する場合がある。
【００５１】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、波形、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００５２】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。
【００５３】
図１は、実施の形態１に係るゲート駆動回路の一例を示すシステムブロック図である。
【００５４】
図２は、図１に示されるゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【００５５】
ゲート駆動回路１０００は、直流電源１００と、信号発生器３とを備える。また、ゲート駆動回路１０００は、高周波発振回路１０と、変調回路３０と、第一の電磁界共鳴結合器２０ａと、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂと、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃとを備える。また、ゲート駆動回路１０００は、第一の整流回路４０ａと、第二の整流回路４０ｂと、第三の整流回路４０ｃと、キャパシタ５０と、ハーフブリッジ回路６０と、出力端子７１と、出力基準端子７２とを備える。
なお、キャパシタ５０は、例えば、容量素子であり、寄生容量ではない。キャパシタ５０は、例えば、容量が１０ｐＦ以上の素子である。
【００５６】
なお、実施の形態１において、ハーフブリッジ回路６０は、例えば、第一のスイッチング素子６１およびトランジスタ６２から構成される。第一のスイッチング素子６１は、例えば、トランジスタ６１であってもよい。第二のスイッチング素子６２は、例えば、トランジスタ６２であってもよい。
なお、ハーフブリッジ回路６０は、出力回路６０の一例である。以下では、出力回路６０が、トランジスタ６１とトランジスタ６２とから構成されるハーフブリッジ回路６０である例について説明する。
【００５７】
ゲート駆動回路１０００は、半導体スイッチング素子１を駆動する絶縁型のゲート駆動回路である。
本開示において、半導体スイッチング素子１は、半導体スイッチング素子に流れる電流を制御する端子、例えば、ゲート端子を有する。半導体スイッチング素子１は、例えば、ゲート端子と、第一端子と、第二端子とを備える、半導体スイッチング素子である。この場合、ゲート端子に入力される信号に応じて、第一端子と第二端子との間の導通状態が制御される。第一端子及び第二端子の一方はソース端子であり、他方はドレイン端子であってもよい。第一端子及び第二端子の一方はエミッタ端子であり、他方はコレクタ端子であってもよい。半導体スイッチング素子１は、例えば、パワーデバイスの一種であり、１００Ｖ以上の電圧、１Ａ以上の電流を扱う。
【００５８】
半導体スイッチング素子１は、例えば、ゲート端子と、ソース端子と、ドレイン端子を備える。例えば、半導体スイッチング素子１のゲート端子は、ゲート駆動回路１０００の出力端子７１に接続され、半導体スイッチング素子１のソース端子は、ゲート駆動回路１０００の出力基準端子７２に接続される。半導体スイッチング素子１は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）やＳｉＣ  ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタであってもよい。図１に示される例では、半導体スイッチング素子１と直列に負荷２が接続される。具体的には、負荷２の一端が半導体スイッチング素子１のソース端子に接続される。また、直流電源１０１の正の端子は、半導体スイッチング素子１のドレイン端子に接続され、直流電源１０１の負の端子は、負荷２の他端に接続されている。
【００５９】
直流電源１００は、例えば、高周波発振回路１０および変調回路３０のそれぞれが動作するための電力を供給する電源である。なお、図１では、直流電源１００は、ゲート駆動回路１０００の内部に設けられているが、ゲート駆動回路１０００の外部に設けられてもよい。すなわち、ゲート駆動回路１０００は、直流電源１００を備えなくてもよい。
【００６０】
信号発生器３は、入力信号を生成し、変調回路３０に出力する。入力信号は制御信号に相当し、半導体スイッチング素子１を駆動するための駆動信号は制御信号に基づいて生成される。信号発生器３は、例えば、ロジックＩＣからなる。入力信号は、図２に示される波形５０１および波形５０２のように、ハイレベルと、ローレベルとからなる、２値の信号である。
入力信号は、第一入力信号と第二入力信号とから構成されてもよい。図２に示される例では、波形５０１が第一入力信号であり、波形５０２が第二入力信号である。第一入力信号は、例えば、第一ローレベル電圧と、第一ローレベル電圧よりも大きい第一ハイレベル電圧とを含む。第二入力信号は、例えば、第二ローレベル電圧と、第二ローレベル電圧よりも大きい第二ハイレベル電圧とを含む。第一入力信号が第一ハイレベル電圧を示す期間において、第二入力信号が第二ローレベル電圧を示してもよい。第二入力信号が第二ハイレベル電圧を示す期間において、第一入力信号が第一ローレベル電圧を示してもよい。第二入力信号は、第一の入力信号を反転させた信号であってもよい。例えば、第二入力信号は、第一の入力信号を、第一ハイレベル電圧と第二ハイレベル電圧の中間値を基準に反転させた信号であってもよい。この場合、図２に示されるように、第一入力信号と第二入力信号とは相補的（コンプリメンタリ）な関係となりうる。第一ローレベル電圧および／または第二ローレベル電圧は、例えば、０Ｖであってもよい。
【００６１】
なお、図１および図２では、信号発生器３は、ゲート駆動回路１０００の内部に設けられているが、ゲート駆動回路１０００の外部に設けられてもよい。この場合、ゲート駆動回路１０００は、入力信号が入力される第一の入力端子を備える。すなわち、ゲート駆動回路１０００は、信号発生器３を備えなくてもよい。
【００６２】
高周波発振回路１０は、高周波を生成する。高周波は、マイクロ波であってもよい。高周波は、電力を伝送する役割を果たす。高周波発振回路１０は、少なくとも２系統の出力を備える。高周波発振回路１０は、変調回路３０および第三の電磁界共鳴結合器２０ｃのそれぞれに生成した高周波を出力する。高周波は、例えば、図２に示される波形５０３および波形５０４のような波形である。高周波の周波数は、例えば、低出力であれば免許不要で使用できるＩＳＭバンドである２．４ＧＨｚまたは５．８ＧＨｚであってもよいし、その他の周波数であってもよい。高周波発振回路１０は、具体的には、コルピッツ発振器、もしくは、ハートレー発振器、または、マイクロ波を発生させるその他の発振器であってもよい。高周波発振回路１０は、高周波の周波数が変動した場合のために、周波数調整機構を備えていてもよい。なお、高周波発振回路１０が生成する高周波は、例えば、一定の振幅および一定の周波数を有する。
本開示において、第一入力信号および／または第二入力信号によって変調される高周波、すなわち第一入力信号および／または第二入力信号の搬送波である高周波が、第一高周波と呼ばれ、充電用の電力を供給するための高周波が第二高周波と呼ばれる場合がある。図２に示される例では、波形５０３が第一高周波であり、波形５０４が第二高周波である。なお、実施の形態１において、第二高周波は、第三の電磁界共鳴結合器に入力される高周波である。この場合、第二高周波は、一定の振幅を有していてもよいし、複数の振幅を有していてもよい。すなわち、第二高周波は、異なる複数の振幅に基づく信号成分を有していてもよい。第一高周波と第二高周波とは、同じ振幅を有してもいいし、異なる振幅を有してもよい。ただし、第二高周波が第一高周波よりも大きな振幅を有する場合、後述するように、キャパシタに充電される電荷量を大きくすることができる。第一高周波と第二高周波とは、同じ周波数を有してもいいし、異なる周波数を有してもよい。
【００６３】
なお、図１および図２では、高周波発振回路１０は、ゲート駆動回路１０００の内部に設けられているが、ゲート駆動回路１０００の外部に設けられてもよい。この場合、ゲート駆動回路１０００は、高周波が入力される第二の入力端子を備える。すなわち、ゲート駆動回路１０００は、高周波発振回路１０を備えてもよい。
後述するように、高周波発振回路１０は高周波生成器に含まれうる。
【００６４】
変調回路３０は、信号発生器３が出力する第一入力信号に応じて高周波を変調することによって、第一の被変調信号を生成し、第一の電磁界共鳴結合器２０ａに出力する。図２に示されるように、変調回路３０が混合回路である場合、変調回路３０は、第一入力信号と高周波とを混合することによって、第一の被変調信号を生成する。第一の被変調信号は、例えば、図２に示される波形５０５のような波形となる。
【００６５】
また、変調回路３０は、信号発生器３が出力し、第一入力信号とは別の第二入力信号に応じて高周波を変調することによって、第二の被変調信号を生成し、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂに出力する。図２に示されるように、変調回路３０が混合回路である場合、具体的には、第二入力信号と、高周波とを混合することによって、第二の被変調信号を生成する。第二の被変調信号は、例えば、図２に示される波形５０６のような波形となる。第二入力信号が第一入力信号を反転させた信号である場合、第一の被変調信号と、第二の被変調信号とは、相補的（コンプリメンタリ）な関係となる。
第一の被変調信号は、例えば、第一振幅と、第一振幅よりも大きい第二振幅とを含む。第一の被変調信号の第一振幅は、例えば、第一入力信号の第一ローレベル電圧に対応し、第一の被変調信号の第二振幅は、例えば、第一入力信号の第一ハイレベル電圧に対応する。第二の被変調信号は、例えば、第三振幅と、第三振幅よりも大きい第四振幅とを含む。第二の被変調信号の第三振幅は、例えば、第二入力信号の第二ローレベル電圧に対応し、第二の被変調信号の第四振幅は、例えば、第二入力信号の第二ハイレベル電圧に対応する。第一被変調信号が第二振幅を示す期間において、第二被変調信号が第三振幅を示してもよい。第二被変調信号が第四振幅を示す期間において、第一被変調信号が第一振幅を示してもよい。第一振幅と第三振幅、および／または、第二振幅と第四振幅は、同じ値であってもよい。第一振幅および／または第三振幅は、０であってもよい。
【００６６】
図２に示される例では第一の被変調信号と、第二の被変調信号とは、相補的な関係としたが、入力信号は、より最適な別の波形であってもよい。
【００６７】
図２に示される例では、変調回路３０は、混合回路であり、具体的には、いわゆる差動ミキサである。差動ミキサは、高周波を低損失で変調可能であり、なおかつ複数の入出力端子を備えることができる。
【００６８】
なお、変調回路３０は、スイッチ回路であってもよい。図３は、変調回路としてスイッチ回路を備えるゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【００６９】
図３に示されるゲート駆動回路１０００ａにおいて、スイッチ回路３０ａは、入力信号に応じて高周波を第一の電磁界共鳴結合器２０ａに出力するか、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂに出力するかを切り替えることによって、第一の被変調信号および第二の被変調信号を生成する。
【００７０】
なお、この場合、入力信号は、例えば、図４の（ａ）および（ｂ）に示されるようなコンプリメンタリな信号である。このような信号は、例えば、Ｓｉ−ＣＭＯＳまたは化合物半導体を含むロジックＩＣによって構成された信号発生器３によって生成される。なお、入力信号は、例えば、デューティが一定でないＰＷＭ信号のようなものでも構わない。
図４に示される例において、例えば、図４の（ａ）に示される信号が第一入力信号であり、図４の（ｂ）に示される信号が第二入力信号であってもよい。
【００７１】
変調回路３０ａとしてスイッチ回路が用いられる場合、変調回路３０ａの各出力端子間のアイソレーションが向上する。また、変調回路３０ａは、インダクタ等の整合回路が不要であるため、ゲート駆動回路１０００のサイズを小型にすることが可能となる。
【００７２】
第一の電磁界共鳴結合器２０ａは、変調回路３０が生成した第一の被変調信号を絶縁伝送する。
【００７３】
第二の電磁界共鳴結合器２０ｂは、変調回路３０が生成した第二の被変調信号を絶縁伝送する。
【００７４】
第三の電磁界共鳴結合器２０ｃは、高周波発振回路１０が生成した高周波を絶縁伝送する。
【００７５】
本開示では、第一の電磁界共鳴結合器２０ａと第二の電磁界共鳴結合器２０ｂと第三の電磁界共鳴結合器２０ｃとの少なくとも１つから構成されるグループを、絶縁伝送部と呼ぶ場合がある。なお、絶縁伝送部は、１以上の電磁界共鳴結合器の総称であり、それぞれの電磁界共鳴結合器の配置や構造を限定するものではない。例えば、絶縁伝送部が複数の電磁界共鳴結合気を備える場合、それらの電磁界共鳴結合器は、構造上、１つのユニットとして配置されていなくてもよい。実施の形態１において、絶縁伝送部は、第一の電磁界共鳴結合器２０ａと第二の電磁界共鳴結合器２０ｂと第三の電磁界共鳴結合器２０ｃとを含む。
ここで、電磁界共鳴結合器２０の構成例について詳細に説明する。電磁界共鳴結合器２０は、第一の電磁界共鳴結合器２０ａ、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂ、および第三の電磁界共鳴結合器２０ｃとして用いられうる。
【００７６】
図５は、電磁界共鳴結合器の構成例を示す図である。
【００７７】
図５に示されるように、電磁界共鳴結合器２０は、第一の共振器２０００と、第二の共振器２００３とを有する。電磁界共鳴結合器２０は、伝送対象の信号を絶縁伝送（非接触伝送）する、いわゆるオープンリング形の電磁界共鳴結合器である。
【００７８】
第一の共振器２０００は、金属配線によって形成された周回形状の伝送線路であり、伝送線路内の任意の位置に開放部２００２を有している。第二の共振器２００３は、金属配線によって形成された周回形状の伝送線路であり、伝送線路内の任意の位置に開放部２００５を有している。第一の共振器２０００と第二の共振器２００３とに用いられる金属配線は、例えば、銅から構成されてもよいし、金などその他の金属から構成されてもよい。
【００７９】
第一の共振器２０００と、第二の共振器２００３とは、一定の距離だけ離れて対向して設けられる。第一の共振器２０００および第二の共振器２００３は、言い換えれば、高周波用のアンテナが周回形状となったものである。第一の共振器２０００および第二の共振器２００３の線路長は、例えば、伝送対象の信号の約２分の１波長の長さとする。
【００８０】
第一の入出力端子２００１は、第一の共振器２０００へ伝送対象の信号の入出力を行う金属配線であり、第一の共振器２０００の任意の位置に配置されている。同様に、第二の入出力端子２００４は、第二の共振器２００３へ伝送対象の信号の入出力を行い、第二の共振器２００３の任意の位置に配置されている。
【００８１】
電磁界共鳴結合器２０において、第一の入出力端子２００１に入力された伝送対象の信号は、第二の入出力端子２００４に出力され、第二の入出力端子２００４に入力された伝送対象の信号は、第一の入出力端子２００１に出力される。第一の入出力端子２００１と第二の入出力端子２００４とに用いられる金属配線は、例えば、銅から構成されてもよいし、金などその他の金属から構成されてもよい。
【００８２】
電磁界共鳴結合器２０は、低損失の絶縁伝送が可能であり、共振器間の距離を大きく離すことができる。また、上述のように共振器の長さ（伝送線路の長さ）は、伝送対象の信号の周波数に依存し、高い周波数の信号であるほど、共振器は小型化される。
【００８３】
なお、電磁界共鳴結合器２０は、例えば、輪郭が矩形状であってもよい。電磁界共鳴結合器２０は、電磁界共鳴結合を用いて信号を非接触で伝送可能なものであればどのようなものであっても構わない。
なお、第一の電磁界共鳴結合器２０ａ、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂ、および第三の電磁界共鳴結合器２０ｃは、それぞれ別個の素子でなくてもよい。例えば、単一の絶縁素子が、第一の電磁界共鳴結合器２０ａと第二の電磁界共鳴結合器２０ｂとを機能として含んでいてもよい。言い換えると、単一の絶縁素子が、第一の被変調信号と第二の被変調信号とを分離して伝送できればよい。
【００８４】
第一の整流回路４０ａは、第一の電磁界共鳴結合器２０ａにより絶縁伝送された第一の被変調信号を整流することによって、第一信号を生成する。第一の整流回路４０ａは、例えば、ダイオード４１ａ、インダクタ４２ａおよびキャパシタ４３ａから構成される。第一信号は、例えば、図２の波形５０８のような波形の信号となる。第一信号は、第一の整流回路４０ａから出力され、例えばトランジスタ６１のゲート端子に入力される。
【００８５】
第二の整流回路４０ｂは、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂにより絶縁伝送された第二の被変調信号を整流することによって、第二信号を生成する。第二の整流回路４０ｂは、例えば、ダイオード４１ｂ、インダクタ４２ｂおよびキャパシタ４３ｂから構成される。第二信号は、例えば、図２の波形５０９のような波形の信号となる。第二信号は、第二の整流回路４０ｂから出力され、例えばトランジスタ６２のゲート端子に入力される。
第一信号は、例えば、第一オフ電圧と、第一オフ電圧と異なる第一オン電圧とを含む。トランジスタ６１がＮ型トランジスタである場合、第一オン電圧は第一オフ電圧よりも大きい。トランジスタ６１がＰ型トランジスタである場合、第一オン電圧は第一オフ電圧よりも小さい。トランジスタ６１がノーマリオフ型トランジスタである場合、第一信号の第一オフ電圧は、例えば、第一の被変調信号の第一振幅に対応し、第一信号の第一オン電圧は、例えば、第一の被変調信号の第二振幅に対応する。この場合、第一信号の第一オフ電圧は、例えば、第一入力信号の第一ローレベル電圧に対応し、第一信号の第一オン電圧は、例えば、第一入力信号の第一ハイレベル電圧に対応する。トランジスタ６１がノーマリオン型トランジスタである場合、第一信号の第一オフ電圧は、例えば、第一の被変調信号の第二振幅に対応し、第一信号の第一オン電圧は、例えば、第一の被変調信号の第一振幅に対応する。この場合、第一信号の第一オフ電圧は、例えば、第一入力信号の第一ハイレベル電圧に対応し、第一信号の第一オン電圧は、例えば、第一入力信号の第一ローレベル電圧に対応する。
第二信号は、例えば、第二オフ電圧と、第二オフ電圧と異なる第二オン電圧とを含む。トランジスタ６２がＮ型トランジスタである場合、第二オン電圧は第二オフ電圧よりも大きい。トランジスタ６１がＰ型トランジスタである場合、第二オン電圧は第二オフ電圧よりも小さい。トランジスタ６１がノーマリオフ型トランジスタである場合、第二信号の第二オフ電圧は、例えば、第二の被変調信号の第三振幅に対応し、第二信号の第二オン電圧は、例えば、第二の被変調信号の第四振幅に対応する。この場合、第二信号の第二オフ電圧は、例えば、第二入力信号の第二ローレベル電圧に対応し、第二信号の第二オン電圧は、例えば、第二入力信号の第二ハイレベル電圧に対応する。トランジスタ６２がノーマリオン型トランジスタである場合、第二信号の第二オフ電圧は、例えば、第二の被変調信号の第四振幅に対応し、第二信号の第二オン電圧は、例えば、第二の被変調信号の第三振幅に対応する。この場合、第二信号の第二オフ電圧は、例えば、第二入力信号の第二ハイレベル電圧に対応し、第二信号の第二オン電圧は、例えば、第二入力信号の第二ローレベル電圧に対応する。
第一信号が第一オン電圧を示す期間において、第二信号が第二オフ電圧を示してもよい。第二信号が第二オン電圧を示す期間において、第一信号が第一オフ電圧を示してもよい。第一信号と、第二信号とは、相補的（コンプリメンタリ）な関係であってもよいし、それ以外の関係であってもよい。第一オフ電圧と第二オフ電圧、および／または、第一オン電圧と第二オン電圧は、同じ値であってもよい。
以下では、特に断りの無い限り、トランジスタ６１およびトランジスタ６２がノーマリオン型かつＮ型である例について説明する。具体的には、例えば図２に示されるように、第一オン電圧および第二オン電圧は０であり、第一オフ電圧および第二オフ電圧は負の値を有する例について説明する。
【００８６】
第三の整流回路４０ｃは、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃにより絶縁伝送された第二高周波を整流することによって、第三信号を生成する。第三信号は、図２の波形５０７のような波形の信号となる。第三の整流回路４０ｃは、生成した第三信号によってキャパシタ５０を充電する。第三信号は、直流電圧成分を有する。
図２に示されるように、第三信号は、一定の電圧値であってもよい。言い換えると、第三信号は、複数の電圧値から構成されていなくてもよい。すなわち、第三信号は、信号成分を有していなくてもよい。第三信号は、少なくともキャパシタを充電するための電力を有していればよい。本開示では、キャパシタを充電するための電圧を、充電用電圧と呼ぶ場合がある。第三信号は、図２に示されるように充電用電圧のみから構成されてもよいし、充電用電圧と充電用電圧よりも小さい別の電圧とを含んでもよい。充電用電圧は、第一信号の第一オン電圧および第二信号の第二オン電圧よりも大きくてもよい。この場合、キャパシタに充電される電荷量が大きくなる。第三信号は、第二信号が第二オン電圧を示す期間に充電用電圧を示してもよく、図２に示されるように、さらに、第一信号が第一オン電圧を示す期間にも充電用電圧を示してもよい。
【００８７】
ここで、整流回路４０の構成例について詳細に説明する。整流回路４０は、第一の整流回路４０ａ、第二の整流回路４０ｂ、および第三の整流回路４０ｃとして用いられうる。なお、以下では、整流回路４０の一例として、第三の整流回路４０ｃの具体例を説明する。ただし、以下に説明される具体例は、第一の整流回路４０ａおよび第二の整流回路４０ｂについても同様に適用されうる。
【００８８】
第三の整流回路４０ｃは、ダイオード４１ｃ、インダクタ４２ｃおよびキャパシタ４３ｃから構成される。第三の整流回路４０ｃは、いわゆるレクテナ（rectenna; rectifying antenna）と呼ばれる回路に似た構成となっている。
第三の整流回路４０ｃにおいて、例えば、インダクタ４２ｃの一端がダイオード４１ｃの一端に接続され、インダクタ４２ｃの他端がキャパシタ４３ｃの一端に接続され、ダイオード４１ｃの他端およびキャパシタ４３ｃの他端が第三の整流回路４０ｃの出力基準端子に接続されている。インダクタ４２ｃの一端とダイオード４１ｃの一端との接続点は、第三の整流回路４０ｃの入力端子として機能し、インダクタ４２ｃの他端とキャパシタ４３ｃの一端との接続点は、第三の整流回路４０ｃの出力端子として機能する。
図２に示される例において、第三の整流回路４０ｃの入力端子には、ダイオード４１ｃのカソードが接続されている。これにより、第三の整流回路４０ｃは、第二高周波のうち正の電圧成分を整流する。一方、第一の整流回路４０ａの入力端子には、ダイオード４１ａのアノードが接続されており、第二の整流回路４０ｂの入力端子には、ダイオード４１ｂのアノードが接続されている。これにより、第一の整流回路４０ａ及び第二の整流回路４０ｂは、被変調信号のうち負の電圧成分を整流する。なお、各整流回路が整流する電圧成分が正であるか負であるかは、特に限定されない。それらの極性は、出力回路６０の特性に応じて適宜設定されうる。それらの極性は、例えば、出力回路６０を構成するトランジスタ６１およびトランジスタ６２が、ノーマリオフ型かノーマリオン型か、および、Ｎ型がＰ型かに応じて、適宜設定されうる。
【００８９】
ここで、第三の整流回路４０ｃの出力端子は、インダクタ４２ｃおよびキャパシタ４３ｃによって、高周波の周波数のショート点となるように調整されている。したがって、第三の整流回路４０ｃの入力端子から入力された高周波は、第三の整流回路４０ｃの出力端子付近において反射される。そのため、第三の整流回路４０ｃの入力端子における高周波の振幅（電圧値）は、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃから入力される元の高周波の振幅（電圧値）の約２倍となる。このような構成とすることで、１つのダイオード４１ｃで高周波を高効率に整流することが可能となる。
なお、第三の整流回路４０ｃは、その出力端子が正確に高周波の周波数のショート点となっていなくとも、所定の周波数のローパスフィルターとして作用すれば、高効率な整流を行うことができる。
【００９０】
第三の整流回路４０ｃは、例えば、マイクロ波帯での整流特性を備える。この場合、例えば、ダイオード４１ｃには、ショットキーバリアダイオードが使用される。例えば、ダイオード４１ｃがＧａＮ（ガリウムナイトライド）を用いたショットキーバリアダイオードである場合、高周波特性、低Ｖｆ、低オン抵抗を実現できる。当然ながら、ダイオード４１ｃは、Ｓｉやその他のデバイスであってもよい。
【００９１】
後述するシミュレーションおよび測定において、高周波の周波数は、２．４ＧＨｚとした。ダイオード４１ｃは、アノード幅が１００μｍのＧａＮショットキーバリアダイオードとした。インダクタ４２ｃのインダクタンスは５ｎＨとし、キャパシタ４３ｃのキャパシタンスは１０ｐＦとした。
【００９２】
ハーフブリッジ回路６０は、トランジスタ６１およびトランジスタ６２を含む。トランジスタ６１は、第一信号に応じて、キャパシタ５０に充電された電荷を、半導体スイッチング素子１のゲート端子に供給する。トランジスタ６２は、第二信号に応じて、半導体スイッチング素子１のゲート端子の電荷を引き抜く。
【００９３】
トランジスタ６１は、第一信号に応じて、キャパシタ５０に充電された電荷を半導体スイッチング素子１のゲート端子に供給する。トランジスタ６１のドレイン端子は、キャパシタ５０の一端に接続され、トランジスタ６１のソース端子は、出力端子７１、トランジスタ６２のドレイン端子、および第一の整流回路４０ａの出力基準端子に接続される。トランジスタ６１のゲート端子は、第一の整流回路４０ａの出力端子に接続される。
トランジスタ６１は、例えば、ゲート端子に第一信号の第一オン電圧が入力されたときに、ドレイン端子とソース端子との間を導通することによって、キャパシタ５０の一端と、出力端子７１との間を導通させる。トランジスタ６１は、例えば、ゲート端子に第一信号の第一オフ電圧が入力されたときに、ドレイン端子とソース端子との間を絶縁することによって、キャパシタ５０の一端と、出力端子７１との間を絶縁させる。
【００９４】
トランジスタ６２は、第二信号に応じて半導体スイッチング素子１のゲート端子の電荷を引き抜く。トランジスタ６２のドレイン端子は、出力端子７１およびトランジスタ６１のソース端子に接続され、トランジスタ６２のソース端子は、出力基準端子７２、キャパシタ５０の他端、および第二の整流回路４０ｂの出力基準端子に接続される。トランジスタ６２のゲート端子は、第二の整流回路４０ｂの出力端子に接続される。
トランジスタ６２は、例えば、ゲート端子に第二信号の第二オン電圧が入力されたときに、ドレイン端子とソース端子との間を導通することによって、出力端子７１と出力基準端子７２との間を導通させる。トランジスタ６２は、例えば、ゲート端子に第二信号の第二オフ電圧が入力されたときに、ドレイン端子とソース端子との間を絶縁することによって、出力端子７１と出力基準端子７２との間を絶縁させる。
【００９５】
ここで、ハーフブリッジ回路６０の動作について詳細に説明する。
【００９６】
図６は、ハーフブリッジ回路６０の動作例を説明するための図である。
【００９７】
図７は、トランジスタ６１およびトランジスタ６２のゲート・ソース間電圧と、キャパシタ５０に充電される電荷との関係を示す図である。なお、ゲート・ソース間電圧とは、各トランジスタのソース端子を基準としたときのゲート端子の電圧である。なお、図７では、高周波発振回路１０の第三の電磁界共鳴結合器２０ｃへの出力、すなわち第二高周波の振幅も併せて図示されている。
【００９８】
図７の（ａ）および（ｂ）に示されるように、ハーフブリッジ回路６０は、第一信号および第二信号に応じて、トランジスタ６１がオンであってトランジスタ６２がオフである状態と、トランジスタ６１がオフであってトランジスタ６２がオンである状態とを、交互に繰り返す。これにより、ハーフブリッジ回路６０は、半導体スイッチング素子１をスイッチングする。すなわち、ハーフブリッジ回路６０は、入力信号に応じて、キャパシタ５０に充電された電荷（すなわち駆動電力）を半導体スイッチング素子１に供給する。
【００９９】
図６の（ａ）は、トランジスタ６１がオフであり、トランジスタ６２がオンである場合を示す図である。すなわち、図６の（ａ）は、トランジスタ６１のゲート・ソース間にオフ電圧が印加され、トランジスタ６２のゲート・ソース間にオン電圧が印加されている場合を示す図である。
【０１００】
図６の（ａ）の状態では、キャパシタ５０に電荷が充電されるが、トランジスタ６１がオフ状態であるため、半導体スイッチング素子１に電流は供給されない。
【０１０１】
一方、図６の（ｂ）は、トランジスタ６１がオンであり、トランジスタ６２がオフである場合を示す図である。すなわち、図６の（ｂ）は、トランジスタ６１のゲート・ソース間にオン電圧が印加され、トランジスタ６２のゲート・ソース間にオフ電圧が印加されている場合を示す図である。
【０１０２】
図６の（ｂ）の状態では、図６の（ａ）の状態においてキャパシタ５０に充電された電荷が半導体スイッチング素子１のゲート端子に供給される。
【０１０３】
図６の（ｂ）の状態から、トランジスタ６１がオフであってトランジスタ６２がオンである状態に切り替わった場合、図６（ａ）に示されるように、再度キャパシタ５０が充電され、半導体スイッチング素子１のゲート端子に蓄積した電荷は、トランジスタ６２によって出力基準端子７２に放電される。
【０１０４】
以上のような動作により、ゲート駆動回路１０００は、半導体スイッチング素子１に瞬時に大電流を供給することができる。
【０１０５】
図８は、出力端子７１から出力される出力波形のシミュレーション結果を示す図である。すなわち、ゲート駆動回路１０００が半導体スイッチング素子１に対して出力する駆動信号の波形の一例である。
【０１０６】
シミュレーション条件は次の通りとした。トランジスタ６１およびトランジスタ６２は、ゲート幅４．８ｍｍ、ゲート長０．７μｍのＧａＮのＨＦＥＴ（Ｈｅｔｅｒｏ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とした。キャパシタ５０は、２００ｎＦの容量を有するキャパシタとした。入力信号は、２ＭＨｚの矩形波とした。シミュレーションは負荷として半導体スイッチング素子１に替えて、１０００ｐＦの容量を有する容量素子と、１ｋΩの抵抗を有する抵抗素子とを並列に接続した。
【０１０７】
図８に示されるように、ゲート駆動回路１０００のシミュレーションによれば、出力信号の電圧（すなわち、半導体スイッチング素子１のゲート端子に入力される電圧）は、０〜１０Ｖであった。また、出力信号によって半導体スイッチング素子１のゲート端子に供給される電流のピーク値は、０．８Ａであった。従来のマイクロ波を用いたゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子１のゲート端子に０．１Ａ以下の電流しか供給できなかった。すなわち、このシミュレーション結果は、ゲート駆動回路１０００によれば、従来の８倍以上の電流を出力できることを示している。
【０１０８】
図９は、実際に、ゲート駆動回路１０００を駆動させた場合における、出力端子７１から出力される出力波形の実測結果を示す図である。この実測定において、半導体スイッチング素子１は、ＧａＮパワートランジスタとした。
【０１０９】
図９に示されるように、実際の測定結果についても、ゲート駆動回路１０００が、大きなゲート電流を出力させることができるという結果が得られた。
【０１１０】
なお、半導体スイッチング素子１のゲート端子への供給電流をさらに増やすために、ゲート駆動回路は、増幅回路を備えてもよい。
【０１１１】
図１０は、増幅回路が追加されたゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【０１１２】
図１０に示されるように、ゲート駆動回路１００１は、ゲート駆動回路１０００に、増幅回路７０が追加されたものである。
【０１１３】
増幅回路７０は、高周波発振回路１０が生成した高周波を増幅して第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに出力する。そして、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃは、増幅回路７０から出力された高周波を絶縁伝送する。増幅回路７０は、例えば、高周波用のパワーアンプである。
【０１１４】
このように増幅回路７０が追加されることでキャパシタ５０により多くの電荷を充電することが可能になる、増幅回路７０によれば、キャパシタ５０をより高速に充電することができる。つまり、ゲート駆動回路１００１は、半導体スイッチング素子１に瞬時に大きな電流を供給することが可能であり、半導体スイッチング素子１の高速動作が実現される。
このような増幅回路７０は追加されることにより、例えば、第二高周波の振幅の最大値は、第一の被変調信号及び第二の被変調信号の振幅の最大値よりも大きくなってもよい。具体的には、第二高周波の振幅が、第一の被変調信号の第二振幅及び第二の被変調信号の第四振幅よりも大きくなってもよい。
なお、本開示において、増幅回路７０は、高周波生成器の一部と見なすことができる。すなわち、図１０に示される例では、高周波生成器は、高周波発振回路１０と、増幅回路７０とを含む。なお、前述の通り、ゲート駆動回路１００１は、高周波発振回路１０を備えなくてもよい。
【０１１５】
なお、ゲート駆動回路１０００の少なくとも一部は、集積回路として実現されてもよい。
【０１１６】
図１１は、集積回路として実現されるゲート駆動回路１０００の具体的な構成例を示す図である。
【０１１７】
図１１に示されるように、ゲート駆動回路１０００の少なくとも一部は、半導体チップ２０１として集積化されても構わない。半導体チップ２０１は、Ｓｉ基板、または、サファイア基板上にＧａＮ半導体等が設けられたIII―Ｖ属半導体基板であってもよい。ゲート駆動回路１０００が集積化されることにより、ゲート駆動回路１０００が含まれるモジュールの組立てが簡略化できる。
【０１１８】
（実施の形態２）
実施の形態１に係るゲート駆動回路１０００は、キャパシタ５０に電荷を充電し、スイッチング素子の切り替えによって半導体スイッチング素子１に大電流を供給することができる。
【０１１９】
実施の形態１に係るゲート駆動回路１０００は、３つの電磁界共鳴結合器を備える。
【０１２０】
これに対して、実施の形態２に係るゲート駆動回路は、電磁界共鳴結合器の数を減らし、より単純化された構成で半導体スイッチング素子に大電流を供給することができる。
【０１２１】
以下、実施の形態２に係るゲート駆動回路について、図面を参照しながら説明する。実施の形態２では、実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と実質的に同一の構成要素については説明が省略される場合がある。
【０１２２】
図１２は、実施の形態２に係るゲート駆動回路の一例を示すシステムブロック図である。
【０１２３】
図１３は、図１２に示されるゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【０１２４】
ゲート駆動回路１００２は、直流電源１００と、信号発生器３とを備える。また、ゲート駆動回路１００２は、高周波発振回路１０と、変調回路３０と、第一の電磁界共鳴結合器２０ａと、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂとを備える。また、ゲート駆動回路１００２は、第一の整流回路４０ａと、第二の整流回路４０ｂと、第三の整流回路４０ｃと、キャパシタ５０と、ハーフブリッジ回路６０と、出力端子７１と、出力基準端子７２とを備える。ハーフブリッジ回路６０は、第一のスイッチング素子６１と第二のスイッチング素子６２とから構成される。以下、第一のスイッチング素子６１がトランジスタ６１であり、第二のスイッチング素子６２がトランジスタ６２である例について説明する。
【０１２５】
信号発生器３は、入力信号を生成し、変調回路３０に出力する。入力信号は制御信号に相当し、半導体スイッチング素子１を駆動するための駆動信号は制御信号に基づいて生成される。信号発生器３は、例えば、ロジックＩＣからなる。入力信号は、例えば、図１３に示される波形６０１および波形６０２のように、ハイレベルと、ローレベルとからなる、２値の信号である。
【０１２６】
高周波発振回路１０は、高周波を生成し、生成した高周波を変調回路３０へ出力する。高周波は、例えば、周波数が２．４ＧＨｚまたは５．８ＧＨｚであってもよいし、その他の値であってもよい。高周波は、例えば、図１３に示される波形６０３のような波形である。高周波発振回路１０は、例えば、コルピッツ発振器、ハートレー発振器、または、マイクロ波を発生させるその他の発振器であってもよい。高周波発振回路１０は、高周波の周波数が変動した場合のために、周波数調整機構を備えていてもよい。
【０１２７】
変調回路３０は、第一の被変調信号と、第二の被変調信号とを生成する。第一の被変調信号は、例えば、図１３に示される波形６０５のような波形になる。第二の被変調信号は、例えば、図１３に示される波形６０４のような波形になる。変調回路３０は、例えば、差動ミキサ回路やスイッチ回路であってもよい。
実施の形態２において、第二の被変調信号は、第二高周波を含む。第二高周波は、例えば、第二の被変調信号のうち、充電用電圧を生成するための振幅を有する部分である。第二の被変調信号が、第一高周波を振幅変調することによって生成される場合、第二の高周波は第一の高周波と同等の周波数を有する。
【０１２８】
変調回路３０は、第一の被変調信号を第一の電磁界共鳴結合器２０ａに出力し、第二の被変調信号を第二の電磁界共鳴結合器２０ｂに出力する。第一の電磁界共鳴結合器２０ａおよび第二の電磁界共鳴結合器２０ｂの具体的な構成については、説明を省略する。
実施の形態２において、絶縁伝送部は、第一の電磁界共鳴結合器２０ａと第二の電磁界共鳴結合器２０ｂとを含む。
【０１２９】
ここで、第二の被変調信号は、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂによって絶縁伝送された後、さらに分配される。
【０１３０】
具体的には、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂによって絶縁伝送された第二の被変調信号のうちの一方は、第三の整流回路４０ｃによって整流される。言い換えれば、第三の整流回路４０ｃは、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂにより絶縁伝送された第二の被変調信号を整流することによって第三信号を生成する。生成された第三信号によってキャパシタ５０を充電する。第三信号は、例えば、図１３の波形６０６のような波形となる。
図１３に示される例では、第三信号は、第三オン電圧と第三オフ電圧とを含み、第三オン電圧が充電用電圧に相当する。図１３に示されるように、第二の被変調信号が第三振幅と、第三振幅よりも大きい第四振幅とを含む場合、第三信号の第三オン電圧は第二の被変調信号の第四振幅に対応し、第三信号の第三オフ電圧は第二の被変調信号の第三振幅に対応する。この場合、第二の被変調信号のうち第四振幅の期間が第二高周波に相当し、この第二高周波が整流されて第三オン電圧、すなわち充電用電圧となる。なお、第三信号は、例えば、第三オン電圧以外に、充電用電圧となりうる他の電圧を含んでいてもよい。その場合、第二高周波は、異なる複数の振幅に基づく信号成分を有する。
【０１３１】
第二の電磁界共鳴結合器２０ｂによって絶縁伝送された第二の被変調信号のうちの他方は、第二の整流回路４０ｂによって整流される。第二の整流回路４０ｂは、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂにより絶縁伝送された第二の被変調信号を整流することによって第二信号を生成する。第二信号は、例えば、図１３に示される波形６０８のような波形である。第二信号は、ハーフブリッジ回路６０を構成するトランジスタ６２に入力され、トランジスタ６２を駆動させる。
すなわち、実施の形態２において、第二の被変調信号は、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂから出力され、第二の整流回路４０ｂと第三の整流回路４０ｃとに入力される。そのため、出力回路６０を動作させるための第二信号、および、キャパシタ５０を充電させるための第三信号は、いずれも第二の被変調信号に基づいて生成される。
【０１３２】
第一の被変調信号は、第一の電磁界共鳴結合器２０ａによって絶縁伝送され、第一の整流回路４０ａに入力される。第一の整流回路４０ａは、第二の整流回路４０ｂと概して等しい構造であってもよい。
【０１３３】
第一の整流回路４０ａは、第一の被変調信号を整流することによって、第一信号を生成する。第一信号は、例えば、図１３に示される波形６０７のような波形である。第一信号は、ハーフブリッジ回路６０を構成するトランジスタ６１に入力され、トランジスタ６１を駆動させる。
【０１３４】
そして、実施の形態１と同様に、ハーフブリッジ回路６０は、第一信号および第二信号に応じて、トランジスタ６１がオンであってトランジスタ６２がオフである状態と、トランジスタ６１がオフであってトランジスタ６２がオンである状態とを、交互に繰り返す。これにより、ハーフブリッジ回路６０は、キャパシタ５０に充電された電荷を半導体スイッチング素子１に供給する。
【０１３５】
以上説明したように、実施の形態２に係るゲート駆動回路１００２は、ゲート駆動回路１００２内において占有面積が大きい電磁界共鳴結合器の数を減らすことができる。したがって、ゲート駆動回路１００２は、回路面積を大幅に低減させることができ、回路構成も簡単になる。このため、ゲート駆動回路１００２は、回路部品の実装が単純化される。
【０１３６】
実施の形態１に係るゲート駆動回路１０００では、図７の（ｃ）に示されるように、トランジスタ６１がオンであってトランジスタ６２がオフである期間か、トランジスタ６１がオフであってトランジスタ６２がオンである期間かに関わらず、高周波発振回路１０が、定常的に第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに第二高周波を出力する。しかしながら、トランジスタ６２がオフの期間、すなわちキャパシタ５０に充電された電荷が出力端子７１から出力される期間において、キャパシタ５０が充電されない。そのため、この期間において、高周波発振回路１０は、キャパシタ５０の充電用電圧の基である第二高周波を、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに、出力しなくてもよい。
【０１３７】
実施の形態２に係るゲート駆動回路１００２において、キャパシタ５０は、第二の被変調信号に基づく第三信号によって充電される。このため、ゲート駆動回路１００２では、トランジスタ６２がオフの期間、すなわちキャパシタ５０に充電された電荷が出力端子７１から出力される期間においては、キャパシタ５０の充電が行われない。そのため、実施の形態２に係るゲート駆動回路１００２は、効率的に充電できる。
すなわち、第三の信号が、第二信号と同じく、第二の被変調信号に基づいて生成される。そのため、例えば、第二信号の第二オン電圧に応じてトランジスタ６２がオンになる期間と、第三信号の第三オン電圧に応じてキャパシタ５０が充電される期間とが同期しうる。同様に、第二信号の第二オフ電圧に応じてトランジスタ６２がオフになる期間と、第三信号の第三オフ電圧に応じてキャパシタ５０が放電する期間とが同期しうる。これにより、キャパシタ５０に充電された電荷が出力端子７１から出力される期間に、キャパシタ５０に充電用電圧を供給せず、キャパシタ５０に充電された電荷が出力端子７１から出力されない期間に、キャパシタ５０に充電用電圧を供給することができる。言い換えると、第三の整流回路４０ｃは、出力回路６０が電荷を半導体スイッチング素子１のゲート端子に供給しないときに、充電用電圧を出力し、出力回路６０が電荷を半導体スイッチング素子１のゲート端子に供給するときに、充電用電圧を出力しないように制御されうる。
【０１３８】
なお、半導体スイッチング素子１のゲート端子への供給電流をさらに増やすために、ゲート駆動回路は、増幅回路を備えてもよい。
【０１３９】
図１４は、増幅回路が追加されたゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【０１４０】
図１４に示されるように、ゲート駆動回路１００３は、ゲート駆動回路１００２に、増幅回路７０が追加されたものである。
【０１４１】
増幅回路７０は、第二の被変調信号を増幅して第二の電磁界共鳴結合器２０ｂに出力する。そして、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂは、増幅回路７０から出力された第二の被変調信号を絶縁伝送する。増幅回路７０は、例えば、高周波用のパワーアンプである。
【０１４２】
このように増幅回路７０が追加されることでキャパシタ５０に、より多くの電荷を充電することが可能になる。増幅回路７０によれば、キャパシタ５０をより高速に充電することができる。ゲート駆動回路１００３は、半導体スイッチング素子１に大電流を供給することが可能であり、半導体スイッチング素子１の高速動作が実現される。
このような増幅回路７０は追加されることにより、例えば、第二の被変調信号の振幅の最大値は、第一の被変調信号の振幅の最大値よりも大きくなってもよい。具体的には、第二の被変調信号の第四振幅が、第一の被変調信号の第二振幅よりも大きくなってもよい。
【０１４３】
（実施の形態３）
実施の形態１および２に係るゲート駆動回路は、出力回路がハーフブリッジ回路であったが、実施の形態３に係るゲート駆動回路は、出力回路がＨブリッジ回路（フルブリッジ回路）である。以下、実施の形態３に係るゲート駆動回路について、図面を参照しながら説明する。
【０１４４】
図１５は、実施の形態３に係るゲート駆動回路１００６の具体的な構成例を示す回路図である。ゲート駆動回路１００６は、図２に示されるゲート駆動回路１０００に対して、出力回路６０ａがＨブリッジ回路である点が異なる。
【０１４５】
図１６は、実施の形態３に係るゲート駆動回路１００７の具体的な構成例を示す回路図である。ゲート駆動回路１００７は、図１３に示されるゲート駆動回路１００２に対して、出力回路６０ａがＨブリッジ回路である点が異なる。
【０１４６】
なお、実施の形態３に係るゲート駆動回路１００６および１００７において、Ｈブリッジ回路以外の構成は、実施の形態１および２とそれぞれ同様であるため、一部説明が省略される。
【０１４７】
例えば、半導体スイッチング素子１が、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴの場合、キャパシタ５０から半導体スイッチング素子１に供給された電力がゲート電流として消費されることはほとんどない。つまり、半導体スイッチング素子１が、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴの場合、半導体スイッチング素子１のゲート容量が、電荷の充放電を繰り返す。
【０１４８】
しかしながら、ハーフブリッジ回路６０を備えるゲート駆動回路１０００および１００２において、キャパシタ５０の放電時（図６の（ｂ）の状態）にゲート容量に充電された電荷は、その後のキャパシタ５０の充電時（図６の（ａ）の状態）に、負荷２を通ってグランドに放電される。
【０１４９】
これに対し、ゲート駆動回路１００６および１００７は、Ｈブリッジ回路６０ａを備えるため、ゲート容量に充電された電荷が、再度キャパシタ５０に充電される。
【０１５０】
図１５および図１６に示されるＨブリッジ回路６０ａは、第一のスイッチング素子６１と、第二のスイッチング素子６２と、第三のスイッチング素子６３と、第四のスイッチング素子６４とを含む。第一のスイッチング素子６１と、第二のスイッチング素子６２と、第三のスイッチング素子６３と、第四のスイッチング素子６４とは、それぞれ、トランジスタ６１と、トランジスタ６２と、トランジスタ６３と、トランジスタ６４とであってもよい。以下では、この場合について説明する。
【０１５１】
トランジスタ６２は、第二信号に応じて半導体スイッチング素子１のゲート端子の電荷を引き抜く。
トランジスタ６２のドレイン端子は、出力端子７１およびトランジスタ６１のソース端子に接続され、トランジスタ６２のソース端子は、トランジスタ６４のソース端子、キャパシタ５０の他端、第一の整流回路４０ａの出力基準端子および第二の整流回路４０ｂの出力基準端子に接続される。トランジスタ６２のゲート端子は、第一の整流回路４０ａの出力端子に接続される。
【０１５２】
トランジスタ６３は、第二信号に応じて動作し、トランジスタ６２と連動して半導体スイッチング素子１のゲート端子から電荷を引き抜き、引き抜いた電荷をキャパシタ５０に充電する。
トランジスタ６３のドレイン端子は、キャパシタ５０の一端およびトランジスタ６１のドレイン端子に接続され、トランジスタ６３のソース端子は、出力基準端子７２、トランジスタ６４のドレイン端子に接続される。トランジスタ６３のゲート端子は、第一の整流回路４０ａの出力端子およびトランジスタ６２のゲート端子に接続される。
【０１５３】
トランジスタ６１は、第一信号に応じて、キャパシタ５０に充電された電荷を半導体スイッチング素子１のゲート端子に供給する。
トランジスタ６１のドレイン端子は、キャパシタ５０の一端およびトランジスタ６３のドレイン端子に接続され、トランジスタ６１のソース端子は、出力端子７１、トランジスタ６２のドレイン端子に接続される。トランジスタ６１のゲート端子は、第二の整流回路４０ｂの出力端子およびトランジスタ６４のゲート端子に接続される。
【０１５４】
トランジスタ６４は、第一信号に応じて動作し、トランジスタ６１と連動して、キャパシタ５０に充電された電荷を半導体スイッチング素子１のゲート端子に供給する。
トランジスタ６４のドレイン端子は、出力端子７１およびトランジスタ６３のソース端子に接続され、トランジスタ６４のソース端子は、トランジスタ６２のソース端子、キャパシタ５０の他端、第一の整流回路４０ａの出力基準端子および第二の整流回路４０ｂの出力基準端子に接続される。トランジスタ６４のゲート端子は、第二の整流回路４０ｂの出力端子およびトランジスタ６１のゲート端子に接続される。
【０１５５】
以下、より具体的に説明する。
【０１５６】
Ｈブリッジ回路６０ａでは、トランジスタ６１およびトランジスタ６４が同時にオンまたはオフされ、トランジスタ６２およびトランジスタ６３が同時にオンまたはオフされる。
例えば、第一信号の第一オン電圧が、トランジスタ６１のゲート端子と、トランジスタ６４のゲート端子とに入力されることによって、トランジスタ６１とトランジスタ６４とがオンになる。これにより、キャパシタ５０、トランジスタ６１、出力端子７１、半導体スイッチング素子１のゲート容量、出力基準端子７２、トランジスタ６４を含む経路が形成される。例えば、第二信号の第二オン電圧が、トランジスタ６２のゲート端子と、トランジスタ６３のゲート端子とに入力されることによって、トランジスタ６２とトランジスタ６３とがオンになる。これにより、キャパシタ５０、トランジスタ６３、出力基準端子７２、半導体スイッチング素子１のゲート容量、出力端子７１、トランジスタ６２を含む経路が形成される。
【０１５７】
トランジスタ６１およびトランジスタ６４がオンである場合、キャパシタ５０から放電された電荷が、半導体スイッチング素子１のゲート容量に充電される。なお、このとき、トランジスタ６２およびトランジスタ６３は、オフである。
【０１５８】
一方、トランジスタ６２およびトランジスタ６３がオンである場合、半導体スイッチング素子１のゲート容量から電荷が引きぬかれる。しかしながら、ハーフブリッジ回路の場合とは異なり、Ｈブリッジ回路６０ａの場合、トランジスタ６２およびトランジスタ６３がオンとなることにより、キャパシタ５０とゲート容量とが接続される。このとき、キャパシタ５０の極性とゲート容量の極性とは反対であるため、ゲート容量からキャパシタ５０に急速に電荷が移動する。つまり、ゲート容量に充電されていた電荷は、再度キャパシタ５０に回収され、キャパシタ５０に充電される。
【０１５９】
このように、Ｈブリッジ回路６０ａを用いたゲート駆動回路１００６および１００７は、一度キャパシタ５０を充電した電力を使い続けることができる。したがって、ゲート駆動回路１００６および１００７は、無駄な電力を使用することなく、半導体スイッチング素子１に大電流を供給することが可能となる。すなわち、ゲート駆動回路１００６および１００７は、消費電力をさらに低減させることができる。
【０１６０】
なお、トランジスタ６１〜６４は、例えば、ゲート幅４．８ｍｍ、ゲート長０．７μｍのガリウムナイトライドＨＦＥＴであってもよい。キャパシタ５０は、２００ｎＦの容量を有するキャパシタであってもよい。入力信号は、２ＭＨｚの矩形波であってもよい。
【０１６１】
（実施の形態４）
実施の形態１〜３のゲート駆動回路において、キャパシタ５０に充電用電圧を供給するための第二高周波の周波数と、出力回路に第一信号および第二信号を送るための搬送波である第一高周波の周波数は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【０１６２】
これに対して、実施の形態４のゲート駆動回路は、高周波のうち、基本波成分を、キャパシタ５０に充電用電圧を供給するために使用し、高調波成分を、出力回路を制御するために使用する。これにより、キャパシタ５０の充電効率を向上させ、かつ小型化が可能なゲート駆動回路が実現される。
すなわち、実施の形態４のゲート駆動回路において、高周波の基本波成分が第二高周波であり、高周波の高調波成分が第一高周波である。
以下、実施の形態４に係るゲート駆動回路について、図面を参照しながら説明する。
【０１６３】
図１７は、実施の形態４に係るゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【０１６４】
ゲート駆動回路１００８は、高周波発振回路１０と、周波数分配フィルタ９０と、変調回路３０と、第一の電磁界共鳴結合器２０ａと、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂと、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃとを備える。また、ゲート駆動回路１００８は、第一の整流回路４０ａと、第二の整流回路４０ｂと、第三の整流回路４０ｃと、キャパシタ５０と、ハーフブリッジ回路６０と、出力端子７１と、出力基準端子７２とを備える。
【０１６５】
高周波発振回路１０は、高周波を生成する。高周波発振回路１０は、例えば、コルピッツ発振器、ハートレー発振器、またはマイクロ波を発生させるその他の発振器であってもよい。高周波発振回路１０から出力される高周波は、所望の周波数の単一の正弦波でない限り、二倍波（第二高調波）、三倍波（第三高調波）等の高調波を含み歪んだ波形となっている。
【０１６６】
周波数分配フィルタ９０は、高周波発振回路１０が生成した高周波を、基本波成分と、高調波成分とに分離する。周波数分配フィルタ９０は、例えば、インダクタとキャパシタとを用いて構成される。周波数分配フィルタ９０は、例えば、入力された高周波を基本波成分と二倍波成分とに分離する。高調波成分は、典型的に、基本波成分と比較して小電力である。
そのため、周波数分配フィルタ９０が、基本波成分を第二高周波として出力し、高調波成分を第一高周波として出力する場合、第二高周波の振幅は、例えば、第一高周波の振幅よりも大きい。以下では、高調波成分が、二倍波成分である例について説明する。
なお、本開示において、周波数分配フィルタ９０は、高周波生成器の一部と見なすことができる。すなわち、図１７に示される例では、高周波生成器は、高周波発振回路１０と、周波数分配フィルタ９０とを含む。なお、前述の通り、ゲート駆動回路１００８は、高周波発振回路１０を備えなくてもよい。
【０１６７】
ここで、トランジスタ６１およびトランジスタ６２は、半導体スイッチング素子１と比較してゲート幅が小さく、ゲート容量も小さい。このため、トランジスタ６１およびトランジスタ６２をオンするために必要な電荷は、半導体スイッチング素子１をオンするために必要な電荷より少ない。よって、トランジスタ６１およびトランジスタ６２は、基本波成分よりも電力が小さい二倍波成分を用いて駆動することができる。
【０１６８】
そこで、ゲート駆動回路１００８は、キャパシタ５０を充電するための第二高周波に基本波成分を使用し、トランジスタ６１およびトランジスタ６２に小電流を供給するための第一高周波に二倍波成分を使用する。
【０１６９】
二倍波成分は、実施の形態１〜３で例示したゲート駆動回路では、使用されていなかった電力である。なぜなら、電磁界共鳴結合器が所定の周波数帯域のみを伝送するために、高周波の二倍波成分は、基本波成分を伝送するように周波数帯域が設定された電磁界共鳴結合器によって、フィルタリングされるからである。
【０１７０】
ゲート駆動回路１００８は、このように、通常は使用しない電力を有効活用することでキャパシタ５０への充電効率を向上させる。高周波の基本波成分の周波数は、例えば、２．４ＧＨｚとしてもよい。そのため、二倍波成分の周波数は、４．８ＧＨｚとなる。なお、高周波の周波数はこのような周波数に限定されるものではない。また、高調波成分として、二倍波成分以外の高調波成分（三倍波成分など）が使用されてもよい。
【０１７１】
基本波成分は、例えば、図１７の波形７０１のような波形である。周波数分配フィルタ９０によって分離された基本波成分は、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃによって絶縁伝送される。言い換えれば、ゲート駆動回路１００８において、第三の電磁界共鳴結合器が絶縁伝送する第二高周波は、周波数分配フィルタ９０によって分離された基本波成分である。
【０１７２】
一方、二倍波成分は、例えば、図１７の波形７０２のような波形である。周波数分配フィルタ９０によって分離された高調波成分は、変調回路３０によって入力信号に応じて変調される。言い換えれば、ゲート駆動回路１００８において、変調回路３０が変調する高周波は、周波数分配フィルタ９０によって分離された高調波成分である。
すなわち、第一入力信号（図１７の波形７０４）に応じて高調波成分が変調されることにより、第一の被変調信号（図１７の波形７０５）が生成される。第二入力信号（図１７の波形７０３）に応じて高調波成分が変調されることにより、第二の被変調信号（図１７の波形７０６）が生成される。
【０１７３】
そして、変調回路３０によって生成された第一の被変調信号は、第一の電磁界共鳴結合器２０ａによって絶縁伝送され、変調回路３０によって生成された第二の変調信号は、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂによって絶縁伝送される。
他方、第二高周波である基本波成分は、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃによって絶縁伝送される。
すなわち、実施の形態４において、絶縁伝送部は、第一の電磁界共鳴結合器２０ａと、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂと、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃとを備える。
【０１７４】
ここで、前述したように、電磁界共鳴結合器２０において、共鳴器の線路長は伝送対象の信号の周波数に依存し、伝送対象の信号の周波数が高くなるほど、線路長は短くなる。
【０１７５】
このため、基本波成分を絶縁伝送する第三の電磁界共鳴結合器２０ｃと、高調波成分から生成された第一の被変調信号を絶縁伝送する第一の電磁界共鳴結合器２０ａ、および、高調波成分から生成された第二の被変調信号を絶縁伝送する第二の電磁界共鳴結合器２０ｂとは、共鳴器のサイズが大きく異なる。以下、具体的な共鳴器のサイズの一例について説明する。
【０１７６】
例えば、比誘電率が１０の基板上に、電磁界共鳴結合器２０が作成されてもよい。基本波を伝送する第三の電磁界共鳴結合器の共鳴器の線路長は、１６ｍｍとしてもよい。一方、高調波成分を伝送する第一の電磁界共鳴結合器２０ａおよび第二の電磁界共鳴結合器２０ｂ各々の共鳴器の線路長は、８ｍｍとしてもよい。また、各電磁界共鳴結合器２０において、共鳴器間の絶縁距離は、０．３ｍｍとしてもよい。
【０１７７】
このように、ゲート駆動回路１００８は、高調波成分を用いるため、第一の電磁界共鳴結合器２０ａおよび第二の電磁界共鳴結合器２０ｂを小型化することができる。なお、ゲート駆動回路１００８において、高調波成分として三倍波以上の高調波成分を用いた場合、第一の電磁界共鳴結合器２０ａおよび第二の電磁界共鳴結合器２０ｂのサイズをさらに小さくすることが可能となる。しかしながら、三倍波成分は、二倍波成分よりもさらに電力が小さいことから、三倍波成分を用いて駆動できるトランジスタは、限定される場合がある。この場合、例えば、三倍波成分を用いてハーフブリッジ回路６０をスイッチングできるように、ハーフブリッジ回路６０のトランジスタ６１およびトランジスタ６２の大きさは小さくてもよい。
【０１７８】
第一の整流回路４０ａは、第一の被変調信号（図１７の波形７０５）を整流することによって、第一信号（図１７の波形７０８）を生成し、第二の整流回路４０ｂは、第二の被変調信号（図１７の波形７０６）を整流することによって、第二信号（図１７の波形７０９）を生成する。第一信号および第二信号により、ハーフブリッジ回路６０のスイッチングが制御される。第三の整流回路４０ｃは、基本波成分（図１７の波形７０１）を整流することによって、第三信号（図１７の波形７０７）を生成する。第三信号は、キャパシタ５０の充電に用いられる。
【０１７９】
第一の整流回路４０ａ、第二の整流回路４０ｂ、および第三の整流回路４０ｃの回路構成は、実施の形態１と同様であってもよい。ただし、第一の整流回路４０ａおよび第二の整流回路４０ｂと、第三の整流回路４０ｃとは、整流対象となる高周波の周波数が異なるため、回路部品の特性に関する定数が異なる。
【０１８０】
例えば、インダクタ４２ａおよび４２ｂのインダクタンスは６ｎＨであり、インダクタ４２ｃのインダクタンスは３ｎＨであってもよい。また、キャパシタ４３ａ、４３ｂ、および４３ｃのキャパシタンスは、いずれも１０ｐＦであってもよい。なお、インダクタおよびキャパシタの定数は、第一の整流回路４０ａ、第二の整流回路４０ｂ、および第三の整流回路４０ｃのそれぞれの出力端子にショート点が作成できれば、その他の値であってもよい。
【０１８１】
図１８は、ゲート駆動回路１００８が動作することを確認したシミュレーション結果を示す図である。
【０１８２】
図１８の（ａ）は、ゲート駆動回路１００８において、ハーフブリッジ回路６０のトランジスタ６１に入力される第一信号の波形を示す図である。図１８の（ａ）のうち、実線が電圧波形であり、破線が電流波形である。なお、ハーフブリッジ回路６０のトランジスタ６２に入力される第二信号も、オンオフのタイミングは異なるものの、同様の波形を示す。図１８の（ａ）に示される波形は、ゲート駆動回路１００８の負荷として１０００ｐＦの容量を有する容量素子が接続されている場合のものである。
【０１８３】
図１８の（ａ）は、ゲート駆動回路１００８において、電力が微弱な高調波成分に基づく第一信号および第二信号が、ハーフブリッジ回路６０のスイッチングを制御できることを示している。
【０１８４】
また、図１８の（ｂ）は、ゲート駆動回路１００８において、基本波成分に基づく第三信号によってキャパシタ５０を充電した場合の、キャパシタ５０の両端の電圧およびキャパシタ５０に流れ込む電流を示す図である。図１８の（ｂ）のうち、７Ｖに近づくように増加する曲線が電圧の時間変化を示しており、０．１μｓｅｃ程度で立ち上がり、以降は０ｍＡに近づくように減少する曲線が電流の時間変化を示す。
【０１８５】
図１８の（ｂ）は、ゲート駆動回路１００８においては、基本波成分に基づく第三信号によって、キャパシタ５０に７Ｖの電圧が印加され、なおかつキャパシタ５０に７ｎＣの電荷を充電できることを示している。
【０１８６】
なお、半導体スイッチング素子１のゲート端子への供給電流をさらに増やすために、ゲート駆動回路は、増幅回路を備えてもよい。
【０１８７】
図１９は、増幅回路が追加されたゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【０１８８】
図１９に示されるように、ゲート駆動回路１００９は、ゲート駆動回路１００８に、増幅回路７０ａが追加されたものである。
【０１８９】
増幅回路７０ａは、高周波発振回路１０が生成した高周波を増幅して周波数分配フィルタ９０に出力する。増幅回路７０ａは、例えば非線形性を有する増幅器であってもよい。これにより、増幅回路７０ａは、基本波成分のみならず高調波成分も増幅することができるため、高調波成分に基づく第一信号および第二信号がハーフブリッジ回路６０のスイッチングを制御できる。増幅回路７０ａは、例えば、Ｃ級アンプのような非線形性の大きな増幅器であってもよい。
【０１９０】
このような構成により、増幅回路７０ａは、キャパシタ５０を充電するための基本波成分だけでなく、ハーフブリッジ回路６０のスイッチングを制御するための高調波成分についても増幅することができる。これにより、例えば、ハーフブリッジ回路６０を構成するトランジスタ６１およびトランジスタ６２のゲート幅を大きくすることができる。すなわち、トランジスタ６１およびトランジスタ６２のオン抵抗を低減することが可能となる。したがって、ゲート駆動回路１００９は、増幅回路７０ａによって基本波成分が増幅されることにより、さらに大きな電流を半導体スイッチング素子１へ供給することができる。また、増幅回路７０ａによって基本波成分だけでなく高調波成分が増幅される場合には、さらに、ハーフブリッジ回路６０におけるスイッチング損失が低減されうる。
なお、本開示において、増幅回路７０ａは、高周波生成器の一部と見なすことができる。すなわち、図１９に示される例では、高周波生成器は、高周波発振回路１０と、増幅回路７０ａと、周波数分配フィルタ９０とを含む。なお、前述の通り、ゲート駆動回路１００１は、高周波発振回路１０を備えなくてもよい。
【０１９１】
（実施の形態５）
実施の形態１に係るゲート駆動回路１０００は、キャパシタ５０を充電し、ハーフブリッジ回路６０をスイッチングすることで半導体スイッチング素子１に大電流を供給する。
【０１９２】
ここで、実施の形態１に係るゲート駆動回路１０００では、図７の（ｃ）に示されるように、トランジスタ６１がオンであってトランジスタ６２がオフである期間か、トランジスタ６１がオフであってトランジスタ６２がオンである期間かに関わらず、高周波発振回路１０が、定常的に第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに第二高周波を出力する。しかしながら、トランジスタ６２がオフの期間、すなわちキャパシタ５０に充電された電荷が出力端子７１から出力される期間において、キャパシタ５０が充電されない。そのため、この期間において、高周波発振回路１０は、キャパシタ５０の充電用電圧の基である第二高周波を、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに、出力しなくてもよい。
【０１９３】
そこで、実施の形態５に係るゲート駆動回路は、回路の省電力化を行うために、高周波発振回路を入力信号に同期させて動作させる。以下、実施の形態５に係るゲート駆動回路について、図面を参照しながら説明する。
【０１９４】
図２０は、実施の形態５に係るゲート駆動回路の一例を示すシステムブロック図である。
【０１９５】
図２１は、図２０に示されるゲート駆動回路の具体的な構成例を示す回路図である。
【０１９６】
ゲート駆動回路１０１０は、実施の形態１に係るゲート駆動回路１０００と同様の構成であるため、相違点を中心に説明する。
【０１９７】
高周波発振回路１０は、さらに、制御端子７３を有し、制御端子７３に入力される信号に応じて第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに対して生成する第二高周波の振幅を調整する。図２０および図２１に示される例では、入力信号が信号発生器３から制御端子７３に入力される。そして、高周波発振回路１０は、制御端子７３に入力される入力信号に応じて、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに対して出力する第二高周波の振幅を調整する。
【０１９８】
上述の通り、半導体スイッチング素子１がオンとなる期間に、キャパシタ５０の充電は行われない。したがって、高周波発振回路１０は、この期間において、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに対して出力する第二高周波の振幅を例えば０Ｖに調整する。この場合、高周波発振回路１０は、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに対して第二高周波を出力しない。なお、半導体スイッチング素子１がオンとなる期間は、例えば、第一入力信号が第一ハイレベル電圧を示す期間に対応する。
【０１９９】
一方、半導体スイッチング素子１がオフとなる期間に、キャパシタ５０の充電が行われる。したがって、高周波発振回路１０は、この期間において、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに対して出力する第二高周波の振幅を０Ｖでない所定値に調整する。この場合、高周波発振回路１０は、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに対して所定の振幅を有する第二高周波を出力する。なお、半導体スイッチング素子１がオンとなる期間は、例えば、第一入力信号が第一ローレベル電圧を示す期間に対応する。
【０２００】
図２２は、ゲート駆動回路１０１０における、トランジスタ６１およびトランジスタ６２のゲート・ソース間電圧と、キャパシタ５０に充電される電荷との関係を示す図である。なお、図２２の（ｃ）は、高周波発振回路１０が、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに対して出力する電力を示している。
【０２０１】
図２２に示されるように、トランジスタ６１がオンであってトランジスタ６２がオフの期間においては、高周波発振回路１０は、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに電力を供給しない。このため、ゲート駆動回路１０１０では、回路が省電力化される。
図２２に示されるように、高周波発振回路１０は、トランジスタ６２がオンとなるときに、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに対して電力を出力し、トランジスタ６２がオフとなるときに、第三の電磁界共鳴結合器２０ｃに対して電力を出力しない。そのため、高周波発振回路１０は、トランジスタ６２のオンオフを制御する第二信号の基である第二入力信号に応じて、第二高周波の振幅を調整してもよい。
【０２０２】
なお、図１０で説明したゲート駆動回路１００１、または、図１４で説明したゲート駆動回路１００３など、増幅回路７０を備えるゲート回路であれば、増幅回路７０に制御端子７３が設けられる。これにより、ゲート駆動回路は、図２２に示されるように高周波発振回路１０を制御できる。
【０２０３】
図２３は、図１０に示されるゲート駆動回路１００１の増幅回路に制御端子７３が設けられた場合の回路構成例を示す図である。
この場合、増幅回路７０が、高周波発振回路１０と第三の電磁界共鳴結合器２０ｃとの間に設けられるため、増幅回路７０は、高周波発振回路１０から変調回路３０に出力される第一高周波に影響を及ぼさない。そのため、ハーフブリッジ回路６０を制御するための信号を搬送する第一高周波に影響を及ぼすことなく、キャパシタ５０に電力を供給するための第二高周波をオンオフすることができる。
【０２０４】
図２４は、図１４に示されるゲート駆動回路１００３の増幅回路に制御端子７３が設けられた場合の回路構成例を示す図である。
【０２０５】
図２３に示されるゲート駆動回路１０１２および図２４に示されるゲート駆動回路１０１１も、不要な電力を抑制することができる。
【０２０６】
（その他の変形例）
上記実施の形態１〜５において例示される絶縁伝送部は、第一信号の基となる第一の被変調信号と、第二信号の基となる第二の被変調信号とが絶縁伝送されるために、少なくとも第一の電磁界共鳴結合器と、第二の電磁界共鳴結合器とを備える。
しかし、ゲート駆動回路において、被変調信号を絶縁伝送する電磁界共鳴結合器の数は減らすことができる。
【０２０７】
例えば、ゲート駆動回路が、入力信号に応じて第一高周波を変調した被変調信号を生成する変調回路と、被変調信号を絶縁伝送する電磁界共鳴結合器と、第二高周波を絶縁伝送する別の電磁界共鳴結合器と、被変調信号を整流することによって信号を生成する整流回路と、第二高周波を整流することによって、充電用電圧を生成する別の整流回路と、充電用電圧に応じて充電されるキャパシタと、信号に応じて、キャパシタに充電された電荷を半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するか否かを選択する出力回路と、を備えてもよい。
このような回路は、例えば、図２に示されるゲート駆動回路１０００に対して、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂを有さない構成とすることによって実現される。以下、このような構成を備えるゲート駆動回路の一例について、説明する。第一の被変調信号は、第一の電磁界共鳴結合器２０ａによって絶縁伝送された後、さらに分配されて、第一の整流回路４０ａと第二の整流回路４０ｂとに入力される。第一の整流回路４０ａは、第一の被変調信号のうち正の電圧成分を整流し、第二の整流回路４０ｂは第一の被変調信号のうち負の電圧成分を整流する。正の電圧成分を整流する第一の整流回路４０ａは、例えば、図２に示される第一の整流回路４０ａに対して、ダイオード４１ａが反対向きに接続されたものであってもよい。第一の整流回路４０ａによって生成された第一信号は、正の電圧成分を有し、第二の整流回路４０ｂによって生成された第二信号は、負の電圧成分を有する。第一信号と第二信号とは、互いに極性が異なるものの、絶対値の大きさが同期している。第一信号は、例えばノーマリオフ型のトランジスタ６１に入力され、第二信号は、例えば、ノーマリオン型のトランジスタ６２に入力される。これにより、トランジスタ６１およびトランジスタ６２に所定の電圧が入力される期間は、トランジスタ６１がオンに、トランジスタ６２がオフになる。反対に、トランジスタ６１およびトランジスタ６２に所定の電圧が入力されない期間は、トランジスタ６１がオフに、トランジスタ６２がオンになる。これにより、ハーフブリッジ回路６０は、図１に示されるハーフブリッジ回路６０と同様の機能を果たす。
このようなゲート駆動回路であっても、キャパシタ５０に電荷を充電し、スイッチング素子の切り替えによって半導体スイッチング素子１に大電流を供給することができる。
【０２０８】
例えば、ゲート駆動回路が、入力信号に応じて第一高周波を変調した被変調信号を生成する変調回路と、被変調信号を絶縁伝送する電磁界共鳴結合器と、被変調信号を整流することによって信号を生成する整流回路と、被変調信号に含まれる第二高周波を整流することによって、充電用電圧を生成する別の整流回路と、充電用電圧に応じて充電されるキャパシタと、信号に応じて、キャパシタに充電された電荷を半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するか否かを選択する出力回路と、を備えてもよい。
このような回路は、例えば、図１３に示されるゲート駆動回路１０００に対して、第二の電磁界共鳴結合器２０ｂ、および第二の整流回路４０ｂを有さない構成とすることによって実現される。その場合、例えば、第一の被変調信号は、第一の電磁界共鳴結合器２０ａによって絶縁伝送された後、分配されて、第一の整流回路４０ａと第三の整流回路４０ｃとに入力されてもよい。また、例えば、出力回路６０のトランジスタ６１とトランジスタ６２とは、入力される１つの信号に応じて相補的にオンオフする構成であってもよい。例えば、トランジスタ６１がノーマリオフ型かつＰ型のトランジスタであって、トランジスタ６２がノーマリオン型かつＮ型のトランジスタ６２であってもよい。
このようなゲート駆動回路であっても、キャパシタ５０に電荷を充電し、スイッチング素子の切り替えによって半導体スイッチング素子１に大電流を供給することができる。
なお、本変形例は、上記実施の形態１〜５において説明された他のゲート駆動回路にも適宜組み合わせることができる。
【０２０９】
（まとめ）
以上、各実施の形態に係るゲート駆動回路について説明した。
【０２１０】
上記実施の形態１〜５に係るゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子に瞬時に大電流を供給することができる。これにより、従来、電磁界共鳴結合器を用いたゲート駆動回路では駆動することが困難であった半導体スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ、またはＳｉＣ  ＦＥＴ）を駆動することができる。
【０２１１】
なお、上記ブロック図および回路図に示される回路構成は、一例であり、本開示は上記回路構成に限定されない。つまり、上記回路構成と同様に、本開示の特徴的な機能を実現できる回路も本開示に含まれる。例えば、上記回路構成と同様の機能を実現できる範囲で、ある素子に対して、直列または並列に、スイッチング素子（トランジスタ）、抵抗素子、または容量素子等の素子を接続したものも本開示に含まれる。言い換えれば、上記実施の形態における「接続される」は、２つの端子（ノード）が直接接続される場合に限定されない。上記実施の形態における「接続される」は、同様の機能が実現できる範囲において、当該２つの端子（ノード）が、素子を介して接続される場合が含まれる。
また、本開示において、信号の入出力に関する表現は、その信号が直接的に入出力される場合に限らず、間接的に入出力される場合をも含む。例えば「信号がＡからＢに出力される」、「信号がＡからＢに入力される」、「信号がＡから出力されＢに入力される」などの表現は、ＡとＢの間にその他の素子または回路を含む構成をも含む。また、それらの表現は、Ａから出力された信号が、その他の素子または回路を通って変化した後に、Ｂに入力されるものを含む。
【０２１２】
なお、本開示は、これらの実施の形態またはその変形例に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態またはその変形例に施したもの、あるいは異なる実施の形態またはその変形例における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
【０２１３】
上記実施の形態１〜５において、被変調信号の基となる入力信号が電圧値の差異に情報を有する例について説明した。しかし、入力信号はこれに限定されない。入力信号は、例えば、パルス波のデューティ比の差異として情報を有してもよい。例えば、入力信号はＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号であってもよい。ＰＷＭ信号とは、入力信号の基となる所定の波形（例えば正弦波）の電圧振幅の大小がパルス幅の大小に変換された信号である。ＰＷＭ信号は、電圧振幅が一定で、デューティ比が異なる。なお、ＰＭＷ動作は、電源の制御等で公知の技術が適用されうる。
【０２１４】
上記実施の形態１〜５において、変調回路が差動ミキサまたはスイッチ回路である例について説明した。しかし、変調回路は、これらに限定されない。変調回路は、高周波と入力信号を合成できるもの、または、高周波を入力信号で変調できるものであれば、他の構成であっても構わない。
【０２１５】
例えば、ゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子を駆動する絶縁型のゲート駆動回路であって、入力信号に応じて高周波を変調した第一の被変調信号と、前記入力信号とは別の信号に応じて高周波を変調した第二の被変調信号とを生成する変調回路と、前記第一の被変調信号を絶縁伝送する第一の電磁界共鳴結合器と、前記第二の被変調信号を絶縁伝送する第二の電磁界共鳴結合器と、前記第一の電磁界共鳴結合器によって絶縁伝送された前記第一の被変調信号を整流した第一信号を生成する第一の整流回路と、前記第二の電磁界共鳴結合器によって絶縁伝送された前記第二の被変調信号を整流した第二信号を生成する第二の整流回路と、キャパシタと、前記ゲート駆動回路が備える電磁界共鳴結合器によって絶縁伝送された高周波を整流した第三信号を生成し、生成した前記第三信号によって前記キャパシタを充電する第三の整流回路と、前記第一信号および前記第二信号に応じて、前記キャパシタに充電された電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給するスイッチング素子を少なくとも一つ含む駆動回路とを備えてもよい。
【０２１６】
これにより、別途絶縁電源を設けることなく、キャパシタを充電することができ、駆動回路によって、半導体スイッチング素子に大電流を供給することができる。
【０２１７】
例えば、前記ゲート駆動回路は、さらに、第三の電磁界共鳴結合器を備え、前記電磁界共鳴結合器は、前記第三の電磁界共鳴結合器であり、前記第三の整流回路は、前記第三の電磁界共鳴結合器によって絶縁伝送された高周波を整流した前記第三信号を生成してもよい。
【０２１８】
例えば、さらに、高周波を、当該高周波の基本波成分からなる基本波信号と、当該高周波の高調波成分からなる高調波信号とに分離する周波数分配フィルタを備え、前記変調回路が変調する高周波は、前記周波数分配フィルタによって分離された前記高調波信号であり、前記第三の電磁界共鳴結合器が絶縁伝送する高周波は、前記周波数分配フィルタによって分離された前記基本波信号であってもよい。
【０２１９】
これにより、従来は使用されていなかった高調波信号を駆動回路のスイッチング制御に利用することができる。よって、キャパシタを充電するための電力効率を向上させることができる。したがって、キャパシタの充電に用いる電力量を増加させることが可能となり、半導体スイッチング素子のスイッチングをさらに高速化することができる。
【０２２０】
例えば、さらに、高周波を増幅して前記第三の電磁界共鳴結合器に出力する増幅回路を備え、前記第三の電磁界共鳴結合器は、前記第一の増幅回路から出力された高周波を絶縁伝送してもよい。
【０２２１】
これにより、キャパシタの充電に用いる電力量をさらに増加させることが可能となり、半導体スイッチング素子のスイッチングを非常に高速化することができる。
【０２２２】
例えば、さらに、前記変調回路が変調する高周波と、前記第三の電磁界共鳴結合器が絶縁伝送する高周波とを生成する高周波発振回路を備えてもよい。
【０２２３】
例えば、前記高周波発振回路は、さらに、制御端子を有し、前記制御端子に入力される信号に応じて前記第三の電磁界共鳴結合器に対して生成する高周波の振幅を調整してもよい。
【０２２４】
例えば、前記制御端子には前記入力信号が入力され、前記高周波発振回路は、前記制御端子に入力される前記入力信号に応じて前記第三の電磁界共鳴結合器に対して生成する高周波の振幅を調整してもよい。
【０２２５】
これにより、キャパシタを充電する期間のみ高周波発振回路から高周波を出力することができ、ゲート駆動回路を省電力化することが可能となる。
【０２２６】
例えば、前記電磁界共鳴結合器は、前記第二の電磁界共鳴結合器であり、前記第三の整流回路は、前記第二の被変調信号を整流することによって前記第三信号を生成してもよい。
【０２２７】
これにより、電磁界共鳴結合器の数が２つとなり、ゲート駆動回路の簡略化を行うことができる。
【０２２８】
例えば、さらに、前記第二の被変調信号を増幅して前記第二の電磁界共鳴結合器に出力する増幅回路を備え、前記第二の電磁界共鳴結合器は、前記第一の増幅回路から出力された前記第二の被変調信号を絶縁伝送してもよい。
【０２２９】
これにより、キャパシタの充電に用いる電力量を増加させることが可能となり、半導体スイッチング素子のスイッチングをさらに高速化することができる。
【０２３０】
例えば、さらに、前記変調回路が変調する高周波を生成する高周波発振回路を備えてもよい。
【０２３１】
例えば、前記駆動回路は、前記第一信号に応じて、前記キャパシタに充電された電荷を前記半導体スイッチング素子のゲート端子に供給する第一のスイッチング素子、および、前記第二信号に応じて、前記ゲート端子から電荷を引き抜く第二のスイッチング素子を少なくとも含んでもよい。
【０２３２】
例えば、駆動回路をいわゆるハーフブリッジ回路の構成とすることにより、半導体スイッチング素子に大電流を供給することができる。
【０２３３】
例えば、前記駆動回路は、さらに前記第二信号に応じて動作し、前記第二のスイッチング素子と連動して、前記ゲート端子から電荷を引き抜き、引き抜いた電荷を前記キャパシタに充電する第三のスイッチング素子と、前記第一信号に応じて動作し、前記第一のスイッチング素子と連動して、前記キャパシタに充電された電荷を前記ゲート端子に供給する第四のスイッチング素子とを含んでもよい。
【０２３４】
このように、駆動回路をいわゆるＨブリッジ回路の構成とすることにより、一度半導体スイッチング素子のゲートに供給した電荷を回収し、再度キャパシタに充電することが可能となる。
【０２３５】
例えば、前記変調回路は、前記入力信号と高周波とを混合することによって当該高周波を変調した前記第一の被変調信号を生成し、前記入力信号を反転させた信号と高周波とを混合することによって当該高周波を変調した前記第二の被変調信号を生成する混合回路であってもよい。
【０２３６】
例えば、前記変調回路は、前記入力信号に応じて高周波を前記一の電磁界共鳴結合器に出力するか前記第二の電磁界共鳴結合器に出力するかを切り替えることによって、当該高周波を変調した第一の被変調信号および当該高周波を変調した前記第二の被変調信号を生成するスイッチ回路であってもよい。
【０２３７】
例えば、前記ゲート駆動回路の少なくとも一部は、集積回路として実現されてもよい。
【０２３８】
これにより、ゲート駆動回路を小型化し、回路の実装工数を低減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０２３９】
本開示は、例えば、大電力を扱うＩＧＢＴやＳｉＣ  ＦＥＴといった半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路として有用である。
【符号の説明】
【０２４０】
１  半導体スイッチング素子
２  負荷
３  信号発生器
１０  高周波発振回路
２０  電磁界共鳴結合器
２０ａ  第一の電磁界共鳴結合器
２０ｂ  第二の電磁界共鳴結合器
２０ｃ  第三の電磁界共鳴結合器
３０  変調回路（混合回路）
３０ａ  変調回路（スイッチ回路）
４０  整流回路
４０ａ  第一の整流回路
４０ｂ  第二の整流回路
４０ｃ  第三の整流回路
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ  ダイオード
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ  インダクタ
４３ａ，４３ｂ，４３ｃ  キャパシタ
５０  キャパシタ
６０  ハーフブリッジ回路（出力回路）
６０ａ  Ｈブリッジ回路（出力回路）
６１  トランジスタ（第一のスイッチング素子）
６２  トランジスタ（第二のスイッチング素子）
６３  トランジスタ（第三のスイッチング素子）
６４  トランジスタ（第四のスイッチング素子）
７０，７０ａ  増幅回路
７１  出力端子
７２  出力基準端子
７３  制御端子
９０  周波数分配フィルタ
１００，１０１  直流電源
５０１〜５０９，６０１〜６０８，７０１〜７０９  波形
１０００〜１００３，１００６〜１０１２，１０００ａ  ゲート駆動回路
２０００  第一の共振器
２００１  第一の入出力端子
２００２，２００５  開放部
２００３  第二の共振器
２００４  第二の入出力端子
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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