(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのゲート端子を持ち、ゲート駆動に２つの駆動電源をそれぞれ必要とする半導体双方向スイッチを２つ直列に接続し、第１の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極と、第２の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極とを同電位となるように接続するとともに、第１の抵抗，第１のダイオードおよび第１のトランジスタの直列回路からなる第１の信号伝送回路を、第１の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の正極と第１の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極との間に接続し、前記第１の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極を基準とする信号を前記第１のトランジスタに入力し、前記第１の抵抗と前記第１のダイオードとの接続点から前記第１の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極側に伝送し、
第２の抵抗，第２のダイオードおよび第２のトランジスタの直列回路からなる第２の信号伝送回路を、第１の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極と第２の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の正極との間に接続し、前記第１の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極を基準とする信号を前記第２のトランジスタに入力し、前記第２の抵抗と前記第２のダイオードとの接続点から前記第１の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極側に伝送し、
第３の抵抗，第３のダイオードおよび第３のトランジスタの直列回路からなる第３の信号伝送回路を、第２の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の正極と第２の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極との間に接続し、前記第２の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極を基準とする信号を前記第３のトランジスタに入力し、前記第３の抵抗と前記第３のダイオードとの接続点から前記第２の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極側に伝送し、
第４の抵抗，第４のダイオードおよび第４のトランジスタの直列回路からなる第４の信号伝送回路を、第２の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極と第１の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の正極との間に接続し、前記第２の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極を基準とする信号を前記第４のトランジスタに入力し、前記第４の抵抗と前記第４のダイオードとの接続点から前記第２の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極側に伝送することを特徴とする半導体双方向スイッチ用信号伝送回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体双方向スイッチ（単に双方向スイッチとも言う）の信号伝送回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３〜図５に双方向スイッチの例を示す。
図３ではトランジスタとダイオードが逆並列に接続された半導体スイッチのコレクタ端子を共通として、逆直列に２つ接続して構成され、図４ではトランジスタとダイオードが直列に接続された半導体スイッチを逆並列に２つ接続して構成され、図５ではトランジスタのみを逆並列に２つ接続して構成されている。図５では、トランジスタは逆耐圧がある（或る程度の逆電圧に耐えられる）ものとする。
このような双方向スイッチでは、ゲート信号の基準電位は２つ存在し、それらの電位は異なることから、ゲート駆動に２つの駆動電源を必要とする。
【０００３】
図６に双方向スイッチを用いた回路例としての交流チョッパ回路を示す。図示のものは、エネルギー蓄積用のリアクトルＬと、双方向スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、交流負荷と並列に接続されたコンデンサＣとから構成されている。同図において、例えば双方向スイッチＳＷ２がオンすると、電源はリアクトルＬを介して短絡し、リアクトルＬにエネルギーが蓄積される。その後、双方向スイッチＳＷ２をオフし、双方向スイッチＳＷ１をオンすると、コンデンサＣに電源とリアクトルＬに蓄積されたエネルギーの和が印加される。このような動作を繰り返すことで、交流負荷には電源と同期した振幅の大きな電圧が印加されることになる。
【０００４】
上述のように、双方向スイッチのゲート信号の基準電位となるエミッタ電位は、双方向スイッチ１つに付き２つあり、これら２つの電位は互いに異なっている。さらに、図６のような回路構成では、双方向スイッチが２つあり、ゲート信号の基準電位は３つ存在することになる。また、図６でエミッタ端子Ｅ２（またはＥ３）を基準電位とした場合、エミッタ端子Ｅ１およびエミッタ端子Ｅ４の電位は、コンデンサＣの電圧の変化に伴い正負に変動する。そこで、従来はフォトカプラなどでゲート信号と主回路の絶縁を行ない、双方向スイッチのゲート駆動を行なうようにしている。
【０００５】
図７に双方向スイッチのゲート駆動回路の従来例を示す。
図示のように、信号発生回路ＰＧＵ、４つのフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ４および４つのゲート駆動回路ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４により構成されている。
いま、例えば双方向スイッチＳＷ１のゲート信号がＨ（ハイ）レベルになったとする。すると図７のＴｒ２がオンとなり、フォトカプラＰＣ２のＴｒ５がオン、次いで、ゲート駆動回路ＧＤＵ２のＴｒ７がオンとなる。これにより、双方向スイッチＳＷ１のゲート端子Ｇ２に電流を流すことができる。
一方、双方向スイッチＳＷ１のゲート信号がＬレベルになったとすると、フォトカプラＰＣ２のＴｒ６がオンとなり、ゲート駆動回路ＧＤＵ２のＴｒ８がオンとなる。これにより、双方向スイッチＳＷ１のゲートＧ２の電荷を引き抜くことができる。
他の双方向スイッチのゲート駆動も、上記と同様に行なわれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来技術では、絶縁のための絶縁距離が増大し、回路が大型化するという問題が生じる。また、一般に光絶縁部品や磁気絶縁部品はコストが高く、装置が高価になるという問題もある。
したがって、この発明の課題は双方向スイッチのゲート駆動装置の小型化，低コスト化を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、２つのゲート端子を持ち、ゲート駆動に２つの駆動電源をそれぞれ必要とする半導体双方向スイッチを２つ直列に接続し、第１の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極と、第２の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極とを同電位となるように接続するとともに、第１の抵抗，第１のダイオードおよび第１のトランジスタの直列回路からなる第１の信号伝送回路を、第１の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の正極と第１の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極との間に接続し、前記第１の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極を基準とする信号を前記第１のトランジスタに入力し、前記第１の抵抗と前記第１のダイオードとの接続点から前記第１の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極側に伝送し、
第２の抵抗，第２のダイオードおよび第２のトランジスタの直列回路からなる第２の信号伝送回路を、第１の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極と第２の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の正極との間に接続し、前記第１の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極を基準とする信号を前記第２のトランジスタに入力し、前記第２の抵抗と前記第２のダイオードとの接続点から前記第１の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極側に伝送し、
第３の抵抗，第３のダイオードおよび第３のトランジスタの直列回路からなる第３の信号伝送回路を、第２の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の正極と第２の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極との間に接続し、前記第２の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極を基準とする信号を前記第３のトランジスタに入力し、前記第３の抵抗と前記第３のダイオードとの接続点から前記第２の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極側に伝送し、
第４の抵抗，第４のダイオードおよび第４のトランジスタの直列回路からなる第４の信号伝送回路を、第２の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極と第１の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の正極との間に接続し、前記第２の半導体双方向スイッチの第１の駆動電源の負極を基準とする信号を前記第４のトランジスタに入力し、前記第４の抵抗と前記第４のダイオードとの接続点から前記第２の半導体双方向スイッチの第２の駆動電源の負極側に伝送することを特徴とする。
【０００９】
図１はこの発明の原理を示す回路図である。
同図において、信号伝送回路１は、抵抗Ｒ１，ダイオードＤ１，Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ（Ｎチャンネル金属酸化物電界効果トランジスタ）Ｑ１および抵抗Ｒ２を直列に接続した構成とする。ここで、抵抗Ｒ１は双方向スイッチの第１の駆動電源Ｅｄ１の正極に、抵抗Ｒ２は双方向スイッチの第２の駆動電源Ｅｄ２の負極およびエミッタ端子Ｅ２にそれぞれ接続する。また、ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートには、駆動電源Ｅｄ２の負極を基準電位とする双方向スイッチＳＷのゲート信号を入力する。
【００１０】
一方、信号伝送回路２は、抵抗Ｒ４，ダイオードＤ２，Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴＱ２および抵抗Ｒ３を直列に接続した構成とする。ここで、抵抗Ｒ３は駆動電源Ｅｄ２の正極に、抵抗Ｒ４は駆動電源Ｅｄ１の負極に、抵抗Ｒ４とダイオードＤ２の接続点は、駆動電源Ｅｄ１で駆動するノアゲートＮＯＲの入力２にそれぞれ接続する。さらに、駆動電源Ｅｄ２の負極を基準電位とする双方向スイッチＳＷのゲート信号を、駆動電源Ｅｄ２で駆動するノットゲートＮＯＴ３に入力し、ＮＯＴ３の出力はＰｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ（Ｐチャンネル金属酸化物電界効果トランジスタ）Ｑ２のゲートに接続する。
【００１１】
また、図１におけるＮＯＴ２の出力は、駆動電源Ｅｄ１で駆動するＮＯＲの入力１に、ＮＯＲの出力はＰｃｈ−ＭＯＳＦＥＴＱ６およびＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴＱ５のゲート端子に、Ｑ５とＱ６のドレイン端子は双方向スイッチＳＷのゲート端子Ｇ１に、Ｑ６のソース端子は駆動電源Ｅｄ１の正極に、Ｑ５のソース端子は駆動電源Ｅｄ１の負極および双方向スイッチＳＷのエミッタ端子Ｅ１にそれぞれ接続する。さらに、双方向スイッチＳＷのゲート信号は駆動電源Ｅｄ２で駆動するＮＯＴ１の入力に、ＮＯＴ１の出力はＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴＱ３およびＰｃｈ−ＭＯＳＦＥＴＱ４のゲート端子に、Ｑ３とＱ４のドレイン端子は双方向スイッチＳＷのゲート端子Ｇ２に、Ｑ４のソース端子は駆動電源Ｅｄ２の正極に、Ｑ３のソース端子は駆動電源Ｅｄ２の負極および双方向スイッチＳＷのエミッタ端子Ｅ２にそれぞれ接続する。
【００１２】
図１において、双方向スイッチＳＷがオフしている状態で、Ｅ２に対するＥ１の電位が正の場合を考える。
いま、双方向スイッチＳＷのゲート信号がＨレベルになると、Ｑ１およびＱ２はオン状態となり、図示の経路１（Ｅ１→Ｅｄ１→Ｒ１→Ｄ１→Ｑ１→Ｒ２→Ｅ２）で電流が流れる（経路２では、ダイオードＤ２が逆バイアスとなり、電流は流れない）。このとき、抵抗Ｒ２によりＱ１のゲート電圧は自動制御されるため、Ｑ１は活性状態で定電流動作を行なう。電流が流れることで、抵抗Ｒ１に電圧降下が生じ、ＮＯＴ２の入力がＬレベルとなる。これにより、ＮＯＲの出力はＬレベルとなることから、Ｑ６がオンとなり、双方向スイッチＳＷのゲートＧ１に電流を流すことができる。
また、双方向スイッチＳＷがオンの状態になると、Ｅ２に対するＥ１の電位差は０Ｖとなる。このとき、Ｑ１は飽和状態で動作を行ない、駆動電源Ｅｄ１を抵抗Ｒ１およびＲ２で分圧した電圧が抵抗Ｒ１に生じる。これにより、ＮＯＴ２の入力がＬレベルとなり、双方向スイッチＳＷのゲートＧ１に電流を流すことができる。
【００１３】
次に、双方向スイッチＳＷがオフしている状態で、Ｅ２に対するＥ１の電位が負の場合を考える。
いま、双方向スイッチＳＷのゲート信号が入力されると、Ｑ１およびＱ２はオン状態となり、図示の経路２（Ｅ２→Ｅｄ２→Ｒ３→Ｑ２→Ｄ２→Ｒ４→Ｅ１）で電流が流れる（経路１では、ダイオードＤ１が逆バイアスとなり、電流は流れない）。このとき、抵抗Ｒ３によりＱ２のゲート電圧は自動制御されるため、Ｑ２は活性状態で定電流動作を行なう。電流が流れることで、抵抗Ｒ４の両端に電圧が生じ、ＮＯRの入力２がＨレベルとなる。これにより、ＮＯＲの出力がＬレベルとなることから、Ｑ６がオンとなり、双方向スイッチＳＷのゲートＧ１に電流を流すことができる。
また、双方向スイッチＳＷがオンの状態になると、Ｑ２は飽和状態で動作を行なう。したがって、駆動電源Ｅｄ２を抵抗Ｒ３およびＲ４で分圧した電圧が抵抗Ｒ４に生じる。これにより、ＮＯＲの入力２がＨレベルとなり、双方向スイッチＳＷのゲートＧ１に電流を流すことができる。
【００１４】
一方、ＳＷのゲート信号がＬレベルになるとＱ１，Ｑ２はオフとなり、電流が流れないことから、抵抗Ｒ１およびＲ４の両端には電圧が生じない。したがって、ＮＯＲの出力はＨレベルとなってＱ５がオンとなり、これによりゲートＧ１の電荷を引き抜くことができる。
以上のように、駆動電源Ｅｄ２の負極を基準とする信号を、駆動電源Ｅｄ２に対し電位が正負に変動する駆動電源Ｅｄ１の負極側に伝送することができ、ゲート駆動回路への適用が可能となる。
【００１５】
図２はこの発明の実施の形態を示す回路図である。
同図では、第１の双方向スイッチＳＷ１のエミッタ端子Ｅ２と、第２の双方向スイッチＳＷ２のエミッタ端子Ｅ３とを接続し、双方向スイッチＳＷ１の第２の駆動電源Ｅｄ２の負極と、双方向スイッチＳＷ２の第１の駆動電源Ｅｄ３の負極を同電位とする。
信号伝送回路１は、抵抗Ｒ１，ダイオードＤ１，Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴＱ１および抵抗Ｒ２を直列に接続した構成とする。ここで、抵抗Ｒ１は第１の双方向スイッチＳＷ１の第１の駆動電源Ｅｄ１の正極に、抵抗Ｒ２は第１の双方向スイッチＳＷ１の第２の駆動電源Ｅｄ２の負極およびエミッタ端子Ｅ２に、抵抗Ｒ１とダイオードＤ１の接続点は駆動電源Ｅｄ１で駆動されるノット回路ＮＯＴ２の入力部にそれぞれ接続する。また、ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートには、駆動電源Ｅｄ２の負極およびエミッタ端子Ｅ２を基準電位とする双方向スイッチＳＷ１のゲート信号を入力する。
【００１６】
一方、信号伝送回路２は、抵抗Ｒ４，ダイオードＤ２，Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴＱ２および抵抗Ｒ３を直列に接続した構成とする。ここで、抵抗Ｒ３は第２の双方向スイッチＳＷ２の第１の駆動電源Ｅｄ３の正極に、抵抗Ｒ４は駆動電源Ｅｄ１の負極に、抵抗Ｒ４とダイオードＤ２の接続点は、駆動電源Ｅｄ１で駆動されるノアゲートＮＯＲ１の入力２にそれぞれ接続する。さらに、駆動電源Ｅｄ２の負極およびエミッタ端子Ｅ２を基準電位とする双方向スイッチＳＷ１のゲート信号を、駆動電源Ｅｄ２で駆動されるノットゲートＮＯＴ３に入力し、ＮＯＴ３の出力はＰｃｈ−ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートに入力する。
【００１７】
また、図2のＮＯＲ１の出力端子は、Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴＱ５およびＰｃｈ−ＭＯＳＦＥＴＱ６のゲート端子に、ＭＯＳＦＥＴＱ５とＱ６のドレイン端子は双方向スイッチＳＷ１のゲート端子Ｇ１に、Ｑ６のソース端子は電源Ｅｄ１の正極に、Ｑ５のソース端子は電源Ｅｄ１の負極および双方向スイッチＳＷ１のエミッタ端子Ｅ１にそれぞれ接続する。さらに、双方向スイッチＳＷ１のゲート信号を、電源Ｅｄ２で駆動されるＮＯＴ１の入力に、ＮＯＴ１の出力はＭＯＳＦＥＴＱ３とＱ４のゲートに、ＭＯＳＦＥＴＱ３とＱ４のドレイン端子は双方向スイッチＳＷ１のゲート端子Ｇ２に、Ｑ４のソース端子は電源Ｅｄ２の正極に、Ｑ３のソース端子は電源Ｅｄ２の負極および双方向スイッチＳＷ１のエミッタ端子Ｅ２にそれぞれ接続する。
【００１８】
図２において、双方向スイッチＳＷ１がオフしている状態で、Ｅ２に対するＥ１の電位が正の場合を考える。
いま、双方向スイッチＳＷのゲート信号がＨレベルになると、Ｑ１およびＱ２はオン状態となり、図示の経路１（Ｅ１→Ｅｄ１→Ｒ１→Ｄ１→Ｑ１→Ｒ２→Ｅ２）で電流が流れる（経路２では、ダイオードＤ２が逆バイアスとなり、電流は流れない）。このとき、抵抗Ｒ２によりＱ１のゲート電圧は自動制御されるため、Ｑ１は活性状態で定電流動作を行なう。電流が流れることで、抵抗Ｒ１に電圧降下が生じ、ＮＯＴ２の入力がＬレベルとなる。これにより、ＮＯＲ１の出力はＬレベルとなることから、Ｑ６がオンとなり、双方向スイッチＳＷ１のゲートＧ１に電流を流すことができる。
また、双方向スイッチＳＷ１がオンの状態になると、Ｅ２に対するＥ１の電位差は０Ｖとなる。このとき、Ｑ１は飽和状態で動作を行ない、駆動電源Ｅｄ１を抵抗Ｒ１およびＲ２で分圧した電圧が抵抗Ｒ１に生じる。これにより、ＮＯＴ２の入力がＬレベルとなり、双方向スイッチＳＷ１のゲートＧ１に電流を流すことができる。
【００１９】
次に、双方向スイッチＳＷ１がオフしている状態で、Ｅ２に対するＥ１の電位が負の場合を考える。
いま、双方向スイッチＳＷ１のゲート信号が入力されると、Ｑ１およびＱ２はオン状態となり、図示の経路２（Ｅ２→Ｅｄ３→Ｒ３→Ｑ２→Ｄ２→Ｒ４→Ｅ１）で電流が流れる（経路１では、ダイオードＤ１が逆バイアスとなり、電流は流れない）。このとき、抵抗Ｒ３によりＱ２のゲート電圧は自動制御されるため、Ｑ２は活性状態で定電流動作を行なう。電流が流れることで、抵抗Ｒ４の両端に電圧が生じ、ＮＯＲ１の入力２がＨレベルとなる。これにより、ＮＯＲ１の出力がＬレベルとなることから、Ｑ６がオンとなり、双方向スイッチＳＷのゲートＧ１に電流を流すことができる。
また、双方向スイッチＳＷ１がオンの状態になると、Ｑ２は飽和状態で動作を行なう。したがって、駆動電源Ｅｄ３を抵抗Ｒ３およびＲ４で分圧した電圧が抵抗Ｒ４に生じる。これにより、ＮＯＲ１の入力２がＨレベルとなり、双方向スイッチＳＷのゲートＧ１に電流を流すことができる。
【００２０】
一方、ＳＷ１のゲート信号がＬレベルになるとＱ１，Ｑ２はオフとなり、電流が流れないことから、抵抗Ｒ１およびＲ４の両端には電圧が生じない。したがって、ＮＯＲ１の出力はＨレベルとなってＱ５がオンとなり、これによりゲートＧ１の電荷を引き抜くことができる。
以上のように、駆動電源Ｅｄ２の負極を基準とする信号を、駆動電源Ｅｄ２に対し電位が正負に変動する駆動電源Ｅｄ１の負極側に伝達することができ、ゲート駆動回路への適用が可能となる。
【００２１】
【発明の効果】
この発明によれば、信号の基準電位を2つ持つ半導体双方向スイッチにおいて、第1の基準電位を基準とする信号を第２の基準電位に、絶縁部品を用いることなく伝送することが可能となる。特に、ウエハーのチップ上に伝送回路を構成できるため、光絶縁部品や磁気絶縁部品を用いる従来例に比べて絶縁距離を数十分の１にでき、小型化できる。また、この発明をゲート駆動回路等に用いれば、そこで用いられるトランジスタや抵抗、さらには主回路のデバイス等を同一のウエハー上で構成できるため、回路の集積化や小型化が達成できる。その結果、装置の大幅な小型，低価格化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    この発明の原理を示す回路図である。
【図２】    この発明の実施の形態を示す回路図である。
【図３】半導体双方向スイッチの第1の例を示す回路図である。
【図４】半導体双方向スイッチの第２の例を示す回路図である。
【図５】半導体双方向スイッチの第３の例を示す回路図である。
【図６】半導体双方向スイッチの適用例を示す回路図である。
【図７】ゲート駆動回路の従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｅｄ１〜Ｅｄ４…駆動電源、Ｒ１〜Ｒ４…抵抗、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード、ＮＯＴ１〜ＮＯＴ３…ノットゲート、Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５…Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ、Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６…Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ、ＮＯＲ，ＮＯＲ１…ノアゲート、ＳＷ，ＳＷ１，ＳＷ２…半導体双方向スイッチ、Ｇ１〜Ｇ４…ゲート端子、Ｅ１〜Ｅ４…エミッタ端子、Ｃ１〜Ｃ４…コレクタ端子。
【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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