(57)【要約】【課題】負荷駆動装置自体の小型化を図りつつ半導体スイッチング素子に大電流が流れる場合の放熱対策が適度で済み、さらに設置場所の自由度を確保することができる負荷駆動装置を提供する。【解決手段】負荷を直接駆動する半導体スイッチング素子を備えた負荷駆動装置であって、半導体スイッチング素子としてバンドギャップエネルギーの大きさが１．９ｅＶ以上の半導体材料、望ましくはさらに第２周期の元素を含む半導体材料により構成されたものを用いる。この半導体材料として、例えばＧａＮ系半導体、ＡｌＮ系半導体、ＳｉＣ系半導体、ダイヤモンド系半導体などが挙げられる。また、負荷は、車両に搭載されたモータのような誘導性負荷とすることもできる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷を直接駆動する半導体スイッチング素子を備えた負荷駆動装置であって、前記半導体スイッチング素子は、バンドギャップエネルギーの大きさが１．９ｅＶ以上の半導体材料により構成されていることを特徴とする負荷駆動装置。
【請求項２】
前記半導体材料は、第２周期の元素を含むことを特徴とする、請求項１記載の負荷駆動装置。
【請求項３】
前記負荷は、車両に搭載されていることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷を直接駆動する半導体スイッチング素子を備えた負荷駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の負荷駆動装置、例えば自動車用ワイパの駆動装置については、リレーにより負荷を駆動するもの（特許文献１参照）や半導体スイッチング素子により負荷を駆動するもの（特許文献２参照）が知られている。
【０００３】
ところで、自動車用のワイパを駆動する場合、ワイパがロックされてリレーまたは半導体スイッチング素子にワイパの通常動作時の数倍程度の大電流が流れ続けることがある。
【０００４】
特許文献２のように半導体スイッチング素子としてＭＯＳ型電界効果トランジスタ（以下、ＭＯＳ−ＦＥＴとする）を用いたものにおいては、ワイパがロックされた場合にはＭＯＳ−ＦＥＴがそのドレイン−ソース間に流れる電流により発熱するため、ＭＯＳ−ＦＥＴの放熱効率を向上させる必要があった。また、ＭＯＳ−ＦＥＴの発熱を抑制するためにはそのＯＮ抵抗（ＦＥＴのドレイン−ソース間に電流が流れているときの抵抗値を意味する）を小さくすることが有効であるが、ＯＮ抵抗の値は主に使用する半導体材料に依存するため、一般的なシリコン（Ｓｉ）系半導体材料製のものを用いる場合には改善の余地がない。さらに、半導体スイッチング素子の放熱効率を向上させるため、駆動装置の設置場所が限られるという問題点もあった。
【０００５】
この問題点を解決するものとしては、ワイパがロックされたことを検知してワイパ駆動用スイッチング素子を強制的にＯＦＦにする技術が知られている（特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１９３７４９号公報
【特許文献２】特開平９−１９３７４８号公報
【特許文献３】特開２０００−３３５３７４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の各特許文献に示された技術には、下記のような解決すべき課題がある。
【０００８】
特許文献１に示された技術は、ワイパモータを駆動するためにリレーを用いており、リレーを用いることによる以下の課題、すなわち、（１）スイッチング時に音が出る、（２）一般にサイズが大きくなる、（３）リレー動作時には励磁コイルに常時励磁電流を流す必要があるため消費電力および発熱が大きくなる、という課題を解消することは本質的に不可能である。
【０００９】
また、特許文献２および特許文献３に示された技術は、半導体スイッチング素子の材料としてＭＯＳ−ＦＥＴを用いており、一時的に半導体スイッチング素子に大電流が流れること自体を防止するものではない。すなわち、ＭＯＳ−ＦＥＴが一般的なＳｉ系半導体材料製の場合には、１５０℃以上の高温では動作不能となるため、半導体スイッチング素子の放熱効率を向上させる必要があり、またそのために駆動装置の設置場所が限られるという事実上回避不可能な課題を有する。
【００１０】
そこで、本発明では、負荷駆動装置自体の小型化を図りつつ半導体スイッチング素子に大電流が流れる場合の放熱対策が適度で済み、さらに設置場所の自由度を確保することができる負荷駆動装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、負荷を直接駆動する半導体スイッチング素子を備えた負荷駆動装置であって、前記半導体スイッチング素子は、バンドギャップエネルギーの大きさが１．９ｅＶ以上の半導体材料により構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記半導体材料は、第２周期の元素を含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記負荷は、車両に搭載されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００１５】
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の負荷駆動装置に用いられる駆動回路の一部の一例を概略的に示した説明図であって、（イ）は負荷を半導体スイッチング素子の接地側に接続した図、（ロ）は負荷を半導体スイッチング素子の電源側に接続した図である。図１は負荷および半導体スイッチング素子の周辺を示す図であって、１は制御回路、２は半導体スイッチング素子、３は負荷である。
【００１６】
図１における制御回路１は、その入力側から送られる制御信号に基づいて半導体スイッチング素子２のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御する機能を有する。なお、図１において、半導体スイッチング素子２としてＦＥＴが図示されているが、例えばバイポーラトランジスタ（絶縁ゲート型を含む）、サイリスタ（ゲートターンオフ：ＧＴＯ型を含む）などの素子であってもよいことはいうまでもない。
【００１７】
本実施形態における最大の特徴は、半導体スイッチング素子としてバンドギャップエネルギーの大きさ（禁制帯幅ともいう）が１．９ｅＶ以上の半導体材料、さらに望ましくは第２周期の元素を含む半導体材料により構成されたものを用いることである。ここで、主な半導体材料のバンドギャップを表１に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
また、本実施形態の負荷駆動装置は、半導体スイッチング素子として表１に例示されたような半導体材料により構成されたものを用いることにより、従来技術、例えば表１の従来例の半導体材料を用いた場合と比較して下記の利点を有する負荷駆動装置となる。もちろん、半導体スイッチング素子を構成する材料は、表１に例示されたものに限らず、例えばＡｌＧａＮ（バンドギャップエネルギーの大きさが１．９ｅＶ以上でありかつ第２周期の元素を含む）、ＡｌＧａＰ（バンドギャップエネルギーの大きさが１．９ｅＶ以上）などの半導体材料を用いてもよいことはいうまでもない。
【００２０】
（１）半導体スイッチング素子における導通時の抵抗値（ＦＥＴにおけるＯＮ抵抗に相当）が従来の半導体材料（Ｓｉ系など）より小さくなるため、ドレイン−ソース間の電流が同じであれば発熱は小さくなる。このため、使用環境によっては半導体スイッチング素子の放熱を向上させる必要がなくなり、負荷駆動装置が小型化されるとともに、設置場所の自由度が確保される。
【００２１】
（２）これらの半導体材料による半導体スイッチング素子は、例えば５００℃程度あるいはそれ以上の高温でも動作可能であり、半導体スイッチング素子の放熱効率を向上させることが難しい状況（例えば自動車等の車両などのように放熱器の大きさが制約される状況や設置場所が高温となるような状況）でも使用可能となる。このため、上記（１）と同様に、設置場所の自由度が確保される。
【００２２】
（３）半導体スイッチング素子の動作許容温度範囲が広がるため、基本的には制御装置と半導体スイッチング素子のみで負荷を制御する負荷制御装置を構成することが可能となる。また、負荷が誘導性負荷（モータ、コイル、トランス等）である場合でもサージ電流の影響を大きく受けることが少なくなり、負荷駆動装置における保護回路の省略または簡略化が可能となり、負荷の種類にかかわらず負荷駆動装置の小型化およびコストダウンが可能となる。
【００２３】
すなわち、本実施形態の負荷駆動装置は、従来技術と比較して上記（１）〜（３）の利点を有するため、例えば負荷が自動車用ワイパ制御装置のようにロック時に定常動作時の数倍の電流が流れる場合であっても、半導体スイッチング素子が熱的要因により破壊されるおそれがきわめて小さくなるため、保護回路の省略または簡略化を図ることが可能となり、負荷駆動装置自体の小型化を図ることが可能となり、さらに負荷駆動装置の設置場所の自由度を確保することが可能となる。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態の負荷駆動装置に用いられる駆動回路の一部の一例を概略的に示した説明図である。図２は、負荷が誘導性負荷（モータ、コイル、トランス等）である場合に適用される駆動回路の一例を示すものであって、制御回路２１と、第１の半導体スイッチング素子２２と、負荷２３と、負荷２３と並列に接続され負荷２３を停止させる場合にその両端を実質的に短絡状態とするための第２の半導体スイッチング素子２４とを有する。
【００２５】
本実施形態における最大の特徴は、前述の第１の実施形態と同様に、半導体スイッチング素子として、バンドギャップエネルギーの大きさが１．９ｅＶ以上の半導体材料、さらに望ましくは第２周期の元素を含む半導体材料により構成されたものを用いることであるが、本実施形態においては、少なくとも第１の半導体スイッチング素子２２について適用される。なお、第２の半導体スイッチング素子２４を構成する半導体材料については、実際の使用条件に適合する範囲で適宜選択することができ、第１の半導体スイッチング素子２２と同様にすることも異なるようにすることもできる。
【００２６】
図２における制御回路２１は、その入力側から送られる制御信号に基づいて第１の半導体スイッチング素子２２のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御する機能と、負荷２３を停止させるための第２の半導体スイッチング素子２４のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御する機能とを有する。ここで、制御回路２１の具体的な動作について説明する。
【００２７】
負荷２３を動作させる場合：まず、第２の半導体スイッチング素子２４をＯＦＦにして、その後第１の半導体スイッチング素子２２をＯＮにする。すると、第１の半導体スイッチング素子２２を流れる電流が負荷２３に流れ、負荷２３が動作する。
【００２８】
負荷２３を停止させる場合：まず、第１の半導体スイッチング素子２２をＯＦＦにする。このまま放置すると負荷２３は動作時に発生した逆起電力（モータの場合は動力により発生した逆起電力、コイルやトランスの場合は磁界により発生した逆起電力）により動作時とは逆方向の電流を発生するため、次に第２の半導体スイッチング素子２４をＯＮにし、負荷２３において発生した逆起電力を消滅させ、負荷２３を停止させる。
【００２９】
このように、図２における制御回路２１は、第１の半導体スイッチング素子２２および第２の半導体スイッチング素子２４の両方をＯＮ状態にするような制御をすることはない。したがって、第２の半導体スイッチング素子２４については、負荷２３において発生した逆起電力を消滅させて負荷２３を停止させるために十分な特性であればよく、一般に第１の半導体スイッチング素子２２より要求特性が厳しくなることはない。
【００３０】
なお、図２に示された駆動回路を自動車用ワイパの駆動に用いた場合には、ワイパがロックしたときの電流が第１の半導体スイッチング素子２２に流れても、第１の半導体スイッチング素子２２が熱的要因により破壊されるおそれはきわめて小さいので、制御回路２１に半導体スイッチング素子２２の保護を目的とする機能を設ける必要がなくなり、負荷駆動装置としての機能を簡略化してコストダウンを図ることができる。
【００３１】
このように、上記各実施形態の負荷駆動装置は、保護回路の省略または簡略化を図ることが可能となり、負荷駆動装置自体の小型化を図ることが可能となり、さらに負荷駆動装置の設置場所の自由度を確保することが可能となるものとなる。なお、本発明の実施形態は上述のものに限られないことはいうまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、負荷駆動装置の半導体スイッチング素子をバンドギャップエネルギーの大きさが１．９ｅＶ以上の半導体材料、さらに望ましくは半導体材料を第２周期の元素を含む半導体材料により構成されたものとするため、半導体スイッチング素子における導通時の抵抗値が小さくなるとともに高温動作可能となり、負荷駆動装置自体の小型化を図りつつ半導体スイッチング素子に大電流が流れる場合の放熱対策が適度で済み、負荷駆動装置の設置場所の自由度を確保することができる。
【００３３】
さらに、負荷が車両に搭載されている場合であっても、負荷駆動装置自体の小型化を図りつつ半導体スイッチング素子に大電流が流れる場合の放熱対策が適度で済み、負荷駆動装置の設置場所の自由度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の負荷駆動装置に用いられる駆動回路の一部を概略的に示した説明図であって、（イ）は負荷を半導体スイッチング素子の接地側に接続した図、（ロ）は負荷を半導体スイッチング素子の電源側に接続した図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の負荷駆動装置に用いられる駆動回路の一部の一例を概略的に示した説明図である。
【符号の説明】
１、２１  制御回路
２  半導体スイッチング素子
３、２３  負荷
２２  第１の半導体スイッチング素子
２４  第２の半導体スイッチング素子
【図１】
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【図２】
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