(57)【要約】  スイッチング素子（１）をスイッチングさせる駆動回路（２−４）と、スイッチング素子の制御端子（Ｇ）と駆動回路（２−４）の間に接続され、少なくとも第１の容量値と第１の容量値と異なる第２の容量値に変更することが可能な可変容量回路（６Ａ）と、を備え、可変容量回路への制御を介して、制御端子と駆動回路の間の容量値を制御する。
2019171509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を駆動するスイッチング装置であって、
前記スイッチング素子の制御端子にかかる制御電圧を制御することで、前記スイッチング素子をスイッチングさせる駆動回路と、
前記制御端子と前記駆動回路の間に接続され、少なくとも第１の容量値と前記第１の容量値とは異なる第２の容量値に変更することが可能な可変容量回路と、
前記可変容量回路への制御を介して、前記制御端子と前記駆動回路の間の容量値を制御するコントローラと、を備えるスイッチング装置。
【請求項２】
請求項１記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、単位時間あたりに前記スイッチング素子に流れる電流の電流値の変化、及び単位時間あたりに前記スイッチング素子の両端電圧の電圧値の変化のうち少なくとも何れか一方に基づいて、前記容量値を制御するスイッチング装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、単位時間あたりに前記スイッチング素子に流れる電流の電流値の変化、及び単位時間あたりに前記スイッチング素子の両端電圧の電圧値の変化のうち少なくとも何れか一方のパラメータが、前記コントローラにより制御が停止した際の前記パラメータよりも大きくなるように、前記容量値を制御するスイッチング装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記スイッチング素子に流れる電流を検出する電流センサを備え、
前記コントローラは、
前記電流センサから、前記スイッチング素子がオンした状態での前記電流の電流値を取得し、
前記電流値に基づいて、前記容量値を制御するスイッチング装置。
【請求項５】
請求項４記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、前記電流値が大きいほど前記容量値を小さくし、前記電流値が小さいほど前記容量値を大きくするスイッチング装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記スイッチング素子の両端子にかかる電圧を検出する電圧センサを備え、
前記コントローラは、
前記電圧センサから、前記スイッチング素子がオフした状態での前記電圧の電圧値を取得し、
前記電圧値に基づいて、前記容量値を制御するスイッチング装置。
【請求項７】
請求項６記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、前記電圧値が高いほど前記容量値を小さくし、前記電圧値が低いほど前記容量値を大きくするスイッチング装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記可変容量回路に並列接続するコンデンサを備えるスイッチング装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、前記スイッチング素子がターンオフした際に、前記制御電圧が前記スイッチング素子をオンさせるための閾値電圧よりも低くなるように、前記容量値を設定し、
前記制御電圧は、前記駆動回路の出力電圧を前記容量値と前記スイッチング素子の寄生容量の容量値により分圧した電圧であるスイッチング装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、前記スイッチング素子がターンオンした際に、前記制御電圧が前記スイッチング素子をオンさせるための閾値電圧よりも高くなるように、前記容量値を設定し、
前記制御電圧は、前記駆動回路の出力電圧を前記容量値と前記スイッチング素子の寄生容量の容量値により分圧した電圧であるスイッチング装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れ一項に記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、前記スイッチング素子がターンオンする際に設定する前記容量値と、前記スイッチング素子がターンオフする際に設定する前記容量値とが異なるように、それぞれの前記容量値を設定するスイッチング装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記駆動回路と前記制御端子の間に設けられ、前記制御端子から前記駆動回路の方向に流れる電流を遮断する第１のダイオード、及び前記駆動回路から前記制御端子の方向に流れる電流を遮断する第２のダイオードと、
前記第１のダイオードのカソード端子に接続され、少なくとも２つの異なる容量値に変更することが可能な第１の可変容量回路と、
前記第２のダイオードのアノード端子に接続され、少なくとも２つの異なる容量値に変更することが可能な第２の可変容量回路と、を備え、
前記コントローラは、前記スイッチング素子がターンオンする際に、前記第１の可変容量回路への制御を行い、前記スイッチング素子がターンオフする際に、前記第２の可変容量回路への制御を行うスイッチング装置。
【請求項１３】
スイッチング素子の制御端子にかかる電圧を制御することで、スイッチング素子をスイッチングさせる駆動回路と、を備えたスイッチング装置の制御方法であって、
前記制御端子と前記駆動回路の間に接続され、少なくとも第１の容量値と第２の容量値に変更することが可能な可変容量回路への制御を介して、前記制御端子と前記駆動回路の間の容量値を制御する制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング装置及びスイッチング装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体スイッチング素子を駆動するための駆動制御信号を生成する駆動制御信号生成部と、正電位と負電位との間に順に直列に接続されており、駆動制御信号に応じて、交互にオン状態となる第１及び第２のトランジスタと、第１及び第２トランジスタの接続点と半導体スイッチング素子の制御端子との間に接続された抵抗素子と、抵抗素子に対して並列に接続されたコンデンサと、抵抗素子に対して並列に接続されていると共に、コンデンサに対して直列に接続されたスイッチとを備える半導体スイッチング素子の駆動回路が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−７７０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では、コンデンサの容量の値が固定されているため、例えば、オン状態の時にスイッチング素子に流れる電流の電流値が変化する等、スイッチング素子の動作条件が変更されると、スイッチング損失が増加する、という問題がある。【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、スイッチング素子の動作条件に応じて、適切にスイッチング損失を低減させることが可能なスイッチング装置及びスイッチング装置の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、スイッチング素子をスイッチングさせる駆動回路と、スイッチング素子の制御端子と駆動回路の間に接続され、少なくとも第１の容量値と第１の容量値と異なる第２の容量値に変更することが可能な可変容量回路と、を備え、可変容量回路への制御を介して、制御端子と駆動回路の間の容量値を制御する、ことで、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、スイッチング素子の動作条件に応じて、適切にスイッチング損失を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。
【図２】図２は、ターンオフ動作によるエネルギー損失と、電流値の変化との関係の一例である。
【図３】図３は、ターンオン動作によるエネルギー損失と、電圧値の変化との関係の一例である。
【図４】図４は、第２実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。
【図５】図５は、第３実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。
【図６】図６は、第４実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。
【図７】図７は、第５実施形態に係るスイッチング装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
≪第１実施形態≫
図１は、第１実施形態に係るスイッチング装置１００の回路図である。本実施形態に係るスイッチング装置１００は、電力変換回路等に含まれるスイッチング素子を駆動するための駆動回路であって、例えば、電力変換装置を構成するインバータ回路の一部に用いられる。
【００１１】
スイッチング装置１００は、スイッチング素子１、プッシュプル回路を構成するトランジスタ２及びトランジスタ３、信号発生器４、駆動用電源５Ａ、可変静電容量装置６Ａ、コントローラ７、電流センサ８を備えている。
【００１２】
スイッチング素子１は、主回路を構成する回路素子である。主回路は、スイッチング装置に適用される装置のうち主要部分の回路である。例えば、スイッチング装置を電力変換装置に適用した場合には、スイッチング素子１は、電力変換装置に含まれるスイッチング素子に相当する。
【００１３】
スイッチング素子１は、制御端子、高電位側端子、及び低電位側端子を有している。スイッチング素子１には、いわゆるパワー半導体と呼ばれる半導体素子が用いられる。スイッチング素子１としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等が挙げられる。特に、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体を用いるのが好ましい。これにより、高速スイッチング動作を可能にするとともに、スイッチング損失を低減させることができる。本実施形態では、スイッチング素子１にはＭＯＳＦＥＴが用いられており、制御端子はゲート端子Ｇに相当し、高電位側端子はドレイン端子Ｄに相当し、低電位側端子はソース端子Ｓに相当する。
【００１４】
スイッチング素子１には、オン及びオフを切り替えるための閾値電圧（Ｖｔｈ）が予め設定されている。閾値電圧は、スイッチング素子１の内部構造に起因して変化する電圧である。スイッチング素子１のゲート電圧が閾値電圧よりも高い場合には、スイッチング素子１はオン状態になり、ゲート電圧が閾値電圧よりも低い場合には、スイッチング素子１はオフ状態になる。説明の便宜上、スイッチング素子１のゲート端子に印加される電圧を、ゲート電圧と称する。
【００１５】
トランジスタ２、３は、プッシュプル回路を構成するトランジスタである。トランジスタ２は、ＰＮＰ型トランジスタであり、トランジスタ３は、ＮＰＮ型トランジスタである。トランジスタ２及びトランジスタ３は、それぞれベース端子、コレクタ端子、エミッタ端子を有している。トランジスタ２のベース端子は信号発生器４に接続され、トランジスタ２のコレクタ端子は駆動用電源５Ａの高電位側に接続され、トランジスタ２のエミッタ端子は抵抗Ｒ１を介してスイッチング素子１のゲート端子に接続されている。また、トランジスタ３のベース端子は信号発生器４に接続され、トランジスタ３のコレクタ端子は駆動用電源５Ａの低電位側、信号発生器４と接続されている。また、トランジスタ３のコレクタ端子は電流センサ８を介してスイッチング素子１のソース端子と接続されている。トランジスタ３のエミッタ端子はトランジスタ２のエミッタ端子に接続されているとともに、抵抗Ｒ１を介してスイッチング素子１のゲート端子に接続されている。
【００１６】
トランジスタ２及びトランジスタ３は、信号発生器４からベース端子に入力される信号に応じて、エミッタ端子とコレクタ端子間を導通及び遮断させる。トランジスタ２の導通状態及び遮断状態と、トランジスタ３の導通状態及び遮断状態の組み合わせに応じて、スイッチング素子１はオン状態又はオフ状態になる。
【００１７】
例えば、信号発生器４からの信号に応じて、トランジスタ２が導通状態、トランジスタ３が遮断状態になると、駆動用電源５Ａとスイッチング素子１のゲート端子が導通する。駆動用電源５Ａの出力電圧がスイッチング素子１の閾値電圧よりも高い場合には、ゲート電圧は閾値電圧よりも高くなり、スイッチング素子１はオン状態になる。反対に、信号発生器４からの信号に応じてトランジスタ２が遮断状態、トランジスタ３が導通状態になると、駆動用電源５Ａとスイッチング素子１のゲート端子が遮断し、ゲート電圧は閾値電圧よりも低い場合には、スイッチング素子１はオフ状態になる。トランジスタ２、３には、上記のようなスイッチング機能を有しているものが好ましく、例えば、バイポーラトランジスタ、ユニバイポーラトランジスタが挙げられる。
【００１８】
信号発生器４は、トランジスタ２の導通及び遮断と、トランジスタ３の導通及び遮断とを制御することで、スイッチング素子１のオン及びオフを切り替える。スイッチング素子１がオン状態からオフ状態に切り替わる動作、又はスイッチング素子１がオフ状態からオン状態に切り替わる動作を、説明の便宜上、スイッチング動作とういう。信号発生器４は、スイッチング素子１をスイッチングさせるためのスイッチング信号を発生し、当該スイッチング信号をトランジスタ２及びトランジスタ３にそれぞれ出力する。
【００１９】
具体的には、信号発生器４は、スイッチング素子１をオフ状態からオン状態に切り替える場合には、トランジスタ２のベース端子に電流を出力し、トランジスタ３のベース端子に対しては電流を出力しない。これにより、トランジスタ２が導通状態、トランジスタ３が遮断状態となり、上述の通り、スイッチング素子１がオフ状態からオン状態に切り替わる。説明の便宜上、スイッチング素子１がオフ状態からオン状態に切り替わる動作を、ターンオン動作と称して説明する。
【００２０】
反対に、信号発生器４は、スイッチング素子１をオン状態からオフ状態に切り替える場合には、トランジスタ２のベース端子に電流を出力せず、トランジスタ３のベース端子に電流を出力する。これにより、トランジスタ２が遮断状態、トランジスタ３が導通状態となり、上述の通り、スイッチング素子１がオン状態からオフ状態に切り替わる。説明の便宜上、スイッチング素子１がオン状態からオフ状態に切り替わる動作を、ターンオフ動作と称して説明する。
【００２１】
駆動用電源５Ａは、出力電圧を変更可能な電源である。駆動用電源５Ａの高電位側の端子は、トランジスタ２及び抵抗Ｒ１を介してスイッチング素子１のゲート端子に接続されている。
【００２２】
抵抗Ｒ１は、スイッチング素子１をスイッチングさせる駆動回路と、スイッチング素子１のゲート端子の間に接続されている。本実施形態では、スイッチング素子１をスイッチングさせる駆動回路は、トランジスタ２及びトランジスタ３で構成されるプッシュプル回路、信号発生器４、駆動用電源５Ａに相当する。以降では、説明の便宜上、スイッチング素子１をスイッチングさせる駆動回路を、単に駆動回路と称する。また、駆動回路の出力端子は、図１に示すように、トランジスタ２とトランジスタ３の接続点Ｐに相当する。以降では、説明の便宜上、接続点Ｐを駆動回路の出力端子と称する。
【００２３】
抵抗Ｒ１は、いわゆるゲート抵抗と呼ばれるものであり、ゲート電圧の立ち上がり時間を遅延させるための抵抗である。例えば、抵抗Ｒ１がない場合には、ゲート電圧の立ち上がり時間が短く、立ち上がりが急峻な波形が入力されると、出力端子であるスイッチング素子１のソース端子には、リンギングと呼ばれる波形の歪みが発生じる。抵抗Ｒ１をゲート端子とトランジスタ２及びトランジスタ３の間に挿入することで、ゲート電圧の立ち上がり時間を遅延させることができ、その結果、スイッチング素子１がスイッチングしても、リンギングを抑制することができる。抵抗Ｒ１の抵抗値は、スイッチング素子１の構造に起因して設計される値である。例えば、スイッチング素子１のゲート電極に存在するゲート抵抗の抵抗値や、ゲート端子及びソース端子間に存在する寄生容量の容量値Ｃｇに応じて、適宜設定される。
【００２４】
可変静電容量装置６Ａは、駆動回路とスイッチング素子１のゲート端子の間に接続されている。また、可変静電容量装置６Ａは、抵抗Ｒ１に対して並列に接続されている。
【００２５】
可変静電容量装置６Ａには、コントローラ７から制御信号が入力される。可変静電容量装置６Ａは、コントローラ７からの制御信号に応じて、駆動回路の出力端子とスイッチング素子１のゲート端子の間の容量値を変更することができる装置である。可変静電容量装置６Ａとしては、例えば、電気的に容量値を制御可能な半導体デバイスであってもよいし、電極の対向面積に応じて容量値を変更することが可能なコンデンサ（例えば、トリマコンデンサ）とコンデンサの回転機構を制御するモータとの組み合わせであってもよい。可変静電容量装置６Ａの構成は特に限定されない。なお、容量値とは静電容量の値を示している。
【００２６】
また、本実施形態では、可変静電容量装置６Ａは、少なくともデフォルト条件での容量値と、この容量値とは異なる他の容量値に変更することができる。デフォルト条件とは、コントローラ７から可変静電容量装置６Ａに対して制御信号が入力されていない場合や、可変静電容量装置６Ａが何らかの原因で制御信号に対して反応できない場合が該当する。また、デフォルト条件には、コントローラ７が意図的に可変静電容量装置６Ａへの制御を停止した場合も含まれる。
【００２７】
例えば、可変静電容量装置６Ａが不揮発性メモリを有する半導体デバイスの場合、可変静電容量装置６Ａは、不揮発性メモリに予めデフォルト条件での容量値を記憶させておく。そして、可変静電容量装置６Ａは、デフォルト条件に該当すると、予め設定された容量値を読み込むことで、デフォルト条件での容量値に変更することができる。なお、デフォルト条件での容量値に変更する方法は、一例であって特に限定されるものではない。
【００２８】
また、本実施形態では、可変静電容量装置６Ａは、デフォルト条件での容量値として２種類の容量値を有しており、いずれか一方の容量値が有効になる。一方の容量値は、スイッチング素子１がターンオフする際に有効なデフォルト条件での容量値であり、他方の容量値は、スイッチング素子１がターンオンする際に有効なデフォルト条件での容量値である。これらの容量値を決定する方法については、後述する。以降では、説明の便宜上、スイッチング素子１がターンオフする際に有効なデフォルト条件での容量値を、ターンオフ時のデフォルト条件での容量値と称し、スイッチング素子１がターンオンする際に有効なデフォルト条件での容量値を、ターンオン時のデフォルト条件での容量値と称す。
【００２９】
また、可変静電容量装置６Ａは、コントローラ７からの制御信号に応じて、デフォルト条件での容量値とは異なる容量値に変更することができる。例えば、可変静電容量装置６Ａが半導体デバイスの場合、可変静電容量装置６Ａは、コントローラ７から出力される電圧に応じて容量値を変更する。可変静電容量装置６Ａは、段階的な値で容量値を増減させたり、連続的な値で容量値を増減させたりすることができる。可変静電容量装置６Ａにより設定される容量値の具体的な説明については、後述する。
【００３０】
電流センサ８は、スイッチング素子１に流れる電流のうち、ドレイン端子からソース端子の方向に流れる電流を検出する。電流センサ８は、検出した電流値を、コントローラ７に出力する。
【００３１】
コントローラ７は、可変静電容量装置６Ａを制御する制御回路である。コントローラ７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを備える。コントローラ７には、電流センサ８から、スイッチング素子１に流れる電流の電流値が入力される。コントローラ７は、スイッチング素子１に流れる電流の電流値に基づいて、可変静電容量装置６Ａを制御する。そして、可変静電容量装置６Ａは、制御信号に応じて容量値を変更させる。これにより、駆動回路の出力端子とゲート端子の間の経路の容量値を変更させることができる。
【００３２】
次に、図２、３を参照しながら、コントローラ７により変更される可変静電容量装置６Ａの容量値について説明する。まず、スイッチング素子１がターンオフする際の可変静電容量装置６Ａの容量値について説明する。
【００３３】
図２は、スイッチング素子１のターンオフ動作によるエネルギー損失と、スイッチング素子１に流れる電流の電流値の変化（ｄＩ／ｄｔ）との関係の一例である。図２では、スイッチング素子１のターンオフ動作によるエネルギー損失を、ターンオフ損失として示す。電流値の変化は、単位時間当たりにスイッチング素子１に流れる電流の電流値の変化を示す。
【００３４】
また、図２は、図１に示す回路構成において、駆動回路とゲート端子の間の静電容量の値を、Ｃ０〜Ｃ６（単位：ｐＦ）の範囲で変化させた場合のターンオフ損失と電流値の変化との関係を示している。Ｃ０は最小の容量値であり、Ｃ６が最大の容量値である。また、Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６の順序で段階的に容量値が大きいものとする（Ｃ０＜Ｃ１・・・＜Ｃ５＜Ｃ６）。
【００３５】
次に、図２を参照しながら、ターンオフ時のデフォルト条件での容量値について説明する。本実施形態では、ターンオフ時のデフォルト条件での容量値は、ターンオフする際にスイッチング素子１に流れる電流の電流値の変化が最小となるような値に設定される。図２の例では、ターンオフ時のデフォルト条件での容量値は、Ｃ３に設定される。
【００３６】
次に、コントローラ７による可変静電容量装置６Ａの容量値の制御方法について説明する。本実施形態では、コントローラ７は、電流センサ８が検出する電流値に基づいて、言い換えると、スイッチング素子１に流れる電流の電流値に基づいて、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。スイッチング素子１に流れる電流の電流値とは、スイッチング素子１がオンした状態で、スイッチング素子１の高電位側の端子であるドレイン端子から、低電位側の端子であるソース端子へ流れる電流の電流値である。
【００３７】
また、本実施形態では、コントローラ７は、容量値がターンオフ時のデフォルト条件での容量値よりも大きくなるように、可変静電容量装置６Ａを制御する。言い換えると、コントローラ７は、電流値の変化がデフォルト条件での電流値の変化よりも大きくなる方向に、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。図２の例を用いると、コントローラ７は、Ｃ３よりも大きい容量値の範囲で、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。
【００３８】
具体的な制御方法について説明する。コントローラ７は、スイッチング素子１に流れる電流の電流値が大きいほど、可変静電容量装置６Ａの容量値が小さくなるように制御する。反対に、コントローラ７は、スイッチング素子１に流れる電流の電流値が小さいほど、可変静電容量装置６Ａの容量値が大きくなるように制御する。
【００３９】
例えば、スイッチング素子１の所定の動作条件では、スイッチング素子１に流れる電流の電流値がＡ１（単位：Ａ）であり、コントローラ７は、この電流値に対してターンオフする際の容量値がＣ５になるように可変静電容量装置６Ａを制御したとする。
【００４０】
このような条件のもとで、スイッチング素子１の動作条件が何らかの原因で変更されて、スイッチング素子１に流れる電流の電流値がＡ２（＞Ａ１）に増加したとする。この場合、コントローラ７は、容量値がＣ５よりも小さくなるように可変静電容量装置６Ａを制御する。図２の例を用いると、コントローラ７は、電流値がＡ１からＡ２に増加したことを検出すると、例えば、容量値がＣ５からＣ４に減少するように可変静電容量装置６Ａを制御する。スイッチング素子１の動作条件が変更される原因としては、例えば、車両に搭載されたモータを駆動する電力変換装置に用いられた場合、モータの回転数が変わったこと等が挙げられる。なお、容量値をＣ４へ減少させることは一例であって、Ｃ５よりも小さい他の容量値であってもよい。
【００４１】
反対に、スイッチング素子１の動作条件が何らかの原因で変更されて、スイッチング素子１に流れる電流の電流値がＡ３（＜Ａ１）に減少したとする。この場合、コントローラ７は、容量値がＣ５よりも大きくなるように可変静電容量装置６Ａを制御する。図２の例を用いると、コントローラ７は、電流値がＡ１からＡ３に減少したことを検出すると、例えば、容量値がＣ５からＣ６へ増加するように可変静電容量装置６Ａを制御する。なお、容量値をＣ６へ増加させることは一例であって、Ｃ５よりも大きい他の容量値であってもよい。
【００４２】
次に、スイッチング素子１がターンオンする際の可変静電容量装置６Ａの容量値について説明する。
【００４３】
図３は、スイッチング素子１のターンオン動作によるエネルギー損失と、スイッチング素子１の両端子にかかる電圧の電圧値の変化（ｄＶ／ｄｔ）との関係の一例である。なお、図３では、スイッチング素子１のターンオン動作によるエネルギー損失を、ターンオン損失として示す。電圧値の変化は、単位時間当たりにスイッチング素子１のドレイン端子とソース端子の間の電圧の電圧値の変化を示す。
【００４４】
また、図３は、図１に示す回路構成において、駆動回路とゲート端子の間の静電容量の値を、Ｃ０’〜Ｃ４’（単位：ｐＦ）の範囲で変化させた場合のターンオン損失と電圧値の変化との関係を示している。Ｃ０’は最小の容量値であり、Ｃ４’が最大の容量値である。また、Ｃ０’、Ｃ１’、Ｃ２’、Ｃ３’、Ｃ４’の順序で段階的に容量値が大きいものとする（Ｃ０’＜Ｃ１’＜Ｃ２’＜Ｃ３’＜Ｃ４’）。これらの容量値は、図２に示すＣ０〜Ｃ６とは異なる容量値である。本実施形態では、コントローラ７は、スイッチング素子１がターンオンする際に設定する容量値と、スイッチング素子１がターンオフする際に設定する容量値とが異なるように、それぞれの容量値を設定する。なお、ターンオンする際に設定する容量値とターンオフする際に設定する容量値は、異なる容量値に限られず、同一の容量値であってもよい。
【００４５】
次に、コントローラ７による可変静電容量装置６Ａの容量値の制御方法について説明する。本実施形態では、コントローラ７は、ターンオン時についてもターンオフ時と同様に、電流センサ８が検出する電流値に基づいて、可変静電容量装置６Ａの容量値を変更する。
【００４６】
具体的な制御方法について説明する。コントローラ７は、スイッチング素子１に流れる電流の電流値が大きいほど、可変静電容量装置６Ａの容量値が小さくなるように制御する。反対に、コントローラ７は、スイッチング素子１に流れる電流の電流値が小さいほど、可変静電容量装置６Ａの容量値が大きくなるように制御する。
【００４７】
例えば、スイッチング素子１の所定の動作条件では、スイッチング素子１に流れる電流の電流値がＡ１（単位：Ａ）であり、コントローラ７は、この電流値に対してターンオンする際の容量値がＣ３’になるように可変静電容量装置６Ａを制御したとする。
【００４８】
このような条件のもとで、スイッチング素子１の動作条件が何らかの原因で変更されて、スイッチング素子１に流れる電流の電流値がＡ２（＞Ａ１）に増加したとする。この場合、コントローラ７は、容量値がＣ３’よりも小さくなるように可変静電容量装置６Ａを制御する。図３の例を用いると、コントローラ７は、電流値がＡ１からＡ２に増加したことを検出すると、例えば、容量値がＣ３’から減少するように可変静電容量装置６Ａを制御する。
【００４９】
反対に、スイッチング素子１の動作条件が何らかの原因で変更されて、スイッチング素子１に流れる電流の電流値がＡ３（＜Ａ１）に減少したとする。この場合、コントローラ７は、容量値がＣ３’よりも大きくなるように可変静電容量装置６Ａを制御する。図３の例を用いると、コントローラ７は、電流値がＡ１からＡ３に減少したことを検出すると、例えば、容量値がＣ３’からＣ４’へ増加するように可変静電容量装置６Ａを制御する。なお、容量値をＣ４’へ増加させることは一例であって、Ｃ３’よりも大きい他の容量値であってもよい。
【００５０】
このように、コントローラ７による制御によって、スイッチング素子１がオンした際にスイッチング素子１に流れる電流の電流値が大きくなるほど、駆動回路の出力端子とゲート端子の間の容量値は小さくなる。これにより、導通状態から遮断状態へ移行する際の電流値の変化は小さくなり、スイッチング素子１がターンオフする際にスイッチング素子１で発生するサージ電圧を抑制することができる。また、遮断状態から導通状態へ移行する際の電圧値の変化は小さくなり、スイッチング素子１がターンオンする際にスイッチング素子１で発生するサージ電流を抑制することができる。
【００５１】
反対に、スイッチング素子１がオンした際にスイッチング素子１に流れる電流の電流値が小さくなるほど、駆動回路の出力端子とゲート端子の間の容量値は大きくなる。これにより、ターンオフ損失及びターンオン損失を低減させることができる。また、導通状態から遮断状態へ移行する際の電流値の変化は大きくなるが、スイッチング素子１のオン状態で流れる電流値そのものは小さいため、当該電流値の変化の最大値（電流値の変化のピークともいう。）を抑制することができ、スイッチング素子１の耐圧を超えるようなサージ電圧の発生を抑制することができる。また、遮断状態から導通状態へ移行する際の電圧値の変化は大きくなるが、スイッチング素子１がオン状態で流れる電流の電流値そのものは小さいため、当該電圧値の変化の最大値（電圧値の変化のピークともいう。）を抑制することができ、スイッチング素子１の許容電流を超えるようなサージ電流の発生を抑制することができる。
【００５２】
また、コントローラ７は、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御するにあたり、スイッチング素子１の寄生容量を考慮して、可変静電容量装置６Ａの容量値を設定する。図１に示す回路では、スイッチング素子１のゲート電圧は、駆動回路の出力電圧を可変静電容量装置６Ａの容量値とスイッチング素子１の寄生容量の容量値Ｃｇにより分圧した電圧になる。このため、スイッチング素子１がターンオフする際に、コントローラ７は、ゲート電圧がスイッチング素子１の閾値電圧よりも高くなるように、可変静電容量装置６Ａの容量値を設定する。また、スイッチング素子１がターンオンする際には、コントローラ７は、ゲート電圧がスイッチング素子１の閾値電圧よりも低くなるように、可変静電容量装置６Ａの容量値を設定する。言い換えると、コントローラ７は、スイッチング素子１がターンオフできるような容量値の範囲内で、ターンオフの際の可変静電容量装置６Ａの容量値を設定する。また、コントローラ７は、スイッチング素子１がターンオンできるような容量値の範囲内で、ターンオンの際の可変静電容量装置６Ａの容量値を設定する。
【００５３】
また、コントローラ７は、ターンオフする際に設定する容量値と、ターンオンする際に設定する容量値とが異なる場合、スイッチング周期のうち所定のタイミングにて、可変静電容量装置６Ａの容量値をそれぞれの容量値に切替える。容量値を切り替えるタイミングの一例としては、スイッチング素子１がターンオフする直前及びターンオンする直前のタイミングが挙げられる。例えば、コントローラ７は、スイッチング素子１がターンオフする直前に、可変静電容量装置６Ａの容量値を、ターンオンする際の容量値からターンオフする際の容量値へ切り替える。反対に、例えば、コントローラ７は、スイッチング素子１がターンオンする直前に、可変静電容量装置６Ａの容量値を、ターンオフする際の容量値からターンオンする際の容量値へ切り替える。コントローラ７は、スイッチング素子１のスイッチング周期を確認したり、予め推定したりことで、容量値を変更するタイミングを設定することができる。スイッチング周期の確認方法としては、例えば、信号発生器４から出力される信号をモニタリングする方法が挙げられる。なお、スイッチング周期の確認方法は一例であって、特に限定されるものではない。
【００５４】
また、コントローラ７は、電流センサ８から入力される電流値が変化したことを検出すると、所定のタイミングにて、可変静電容量装置６Ａの容量値を増加又は減少させる。容量値を変更するタイミングは特に限定されない。例えば、電流値の変化を検出してから所定のスイッチング周期が経過した後、スイッチング素子１がターンオフ又はターンオンする直前に、可変静電容量装置６Ａの容量値を増加又は減少させる。なお、容量値を変更するタイミングは一例であって特に限定されるものではなく、他のタイミングで容量値を変更してもよい。
【００５５】
以上のように、本実施形態に係るスイッチング装置１００は、スイッチング素子１のゲート電圧を制御することで、スイッチング素子１をスイッチングさせる駆動回路（プッシュプル回路及び信号発生器４）を備えている。また、スイッチング装置１００は、ゲート端子と駆動回路の間に接続され、少なくともデフォルト条件での容量値とこの容量値とは異なる容量値に変更することが可能な可変静電容量装置６Ａとを備えている。また、スイッチング装置１００は、可変静電容量装置６Ａの制御を介して、ゲート端子と駆動回路の間の静電容量の容量値を制御するコントローラ７を備えている。これにより、スイッチング素子１に流れる電流の電流値が変化する等のスイッチング素子１の動作条件が変更される場合であっても、スイッチング素子１の動作条件に応じた適切な容量値に変更することができる。その結果、スイッチング動作の条件に応じて、適切にスイッチング素子１のスイッチング損失を低減させることができる。
【００５６】
また、本実施形態では、コントローラ７は、単位時間あたりにスイッチング素子１に流れる電流の電流値の変化を検出すると、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。これにより、スイッチング素子１の動作条件が変更された場合でも、適切にスイッチング素子１で発生するサージ電圧及びサージ電流の低減を図るとともに、スイッチング素子１のスイッチング損失を低減させることができる。
【００５７】
また、本実施形態では、コントローラ７は、単位時間あたりにスイッチング素子１に流れる電流の電流値の変化が、デフォルト条件での電流値の変化よりも大きくなるように、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。これにより、コントローラ７が可変静電容量装置６Ａを制御できない場合には、コントローラ７が可変静電容量装置６Ａを制御している場合に比べて、スイッチング素子１で発生するサージ電圧及びサージ電流を低減させることができる。その結果、スイッチング素子１にかかる負荷を低減させることができる。
【００５８】
さらに、本実施形態に係るスイッチング装置１００は、スイッチング素子１に流れる電流を検出する電流センサ８を備えている。コントローラ７は、電流センサ８から、スイッチング素子１がオンした状態での電流値を取得し、取得した電流値に基づいて、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。これにより、スイッチング素子１に流れる電流の電流値に応じて、適切に駆動回路とゲート端子間の容量値を制御することができる。
【００５９】
加えて、本実施形態では、コントローラ７は、スイッチング素子１に流れる電流の電流値が大きいほど可変静電容量装置６Ａの容量値を小さくし、電流値が小さいほど可変静電容量装置６Ａの容量値を大きくするように制御する。これにより、電流値が小さい場合には、スイッチング損失を低減させることができ、電力変換の高効率化を図ることができる。また、電流値そのものが小さいため、スイッチング素子１の耐圧を超えるようなサージ電圧の発生及びスイッチング素子１の許容電流を超えるようなサージ電流の発生を抑制することができる。
【００６０】
また、本実施形態では、スイッチング素子１がターンオフした際に、ゲート電圧がスイッチング素子１の閾値電圧よりも低くなるように、可変静電容量装置６Ａの容量値を設定する。このゲート電圧は、駆動回路の出力電圧を可変静電容量装置６Ａの容量値とスイッチング素子１の寄生容量の容量値により分圧した電圧である。寄生容量を考慮して可変静電容量装置６Ａの容量値を設定するため、可変静電容量装置６Ａの制御により、スイッチング素子１がターンオフしないような状況を防ぐことができる。
【００６１】
さらに、本実施形態では、スイッチング素子１がターンオンした際に、ゲート電圧がスイッチング素子１の閾値電圧よりも高くなるように、可変静電容量装置６Ａの容量値を設定する。寄生容量を考慮して可変静電容量装置６Ａの容量値を設定するため、可変静電容量装置６Ａの制御により、スイッチング素子１がターンオンしないような状況を防ぐことができる。
【００６２】
加えて、本実施形態では、コントローラ７は、スイッチング素子１がターンオンする際に設定する容量値と、スイッチング素子１がターンオフする際に設定する容量値とが異なるように、それぞれの容量値を設定する。これにより、ターンオフする際に発生するエネルギー損失を適切に低減させることができるとともに、ターンオンする際に発生するエネルギー損失を適切に低減させることができる。その結果、スイッチング損失を低減させ、電力変換の高効率化を図ることができる。
【００６３】
≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係るスイッチング装置１００ａについて説明する。図４は、第１実施形態に係るスイッチング装置１００ａの回路図である。本実施形態のスイッチング装置１００ａは、電圧センサ９を備えている点及びコントローラ７による可変静電容量装置６Ａへの制御方法以外は、上述した実施形態に係るスイッチング装置１００と同様の構成を有している。このため、図４では、スイッチング装置１００と共通する構成については、同じ符号を付し、上述の実施形態で用いた説明を援用する。
【００６４】
電圧センサ９は、スイッチング素子１のドレイン端子とソース端子の間の電圧を検出する電圧センサである。電圧センサ９は、検出した電圧値を、コントローラ７に出力する。
【００６５】
本実施形態では、コントローラ７は、電圧センサ９が検出する電圧値に基づいて、言い換えると、スイッチング素子１の両端にかかる電圧の電圧値に基づいて、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。スイッチング素子１の両端にかかる電圧の電圧値とは、スイッチング素子１がオンした状態での、スイッチング素子１のドレイン端子とソース端子間の電圧の電圧値である。
【００６６】
コントローラ７によるターンオフ時の制御方法について説明する。コントローラ７は、上述した実施形態と同様に、容量値がターンオフ時のデフォルト条件での容量値よりも大きくなるように、可変静電容量装置６Ａを制御する。
【００６７】
具体的には、コントローラ７は、スイッチング素子１の両端電圧の電圧値が高いほど、可変静電容量装置６Ａの容量値が小さくなるように制御する。反対に、コントローラ７は、スイッチング素子１の両端電圧の電圧値が低いほど、可変静電容量装置６Ａの容量値が大きくなるように制御する。
【００６８】
図２の例を再び用いると、例えば、スイッチング素子１の所定の動作条件では、スイッチング素子１の両端電圧の電圧値がＶ１（単位：Ｖ）であり、コントローラ７は、この電圧値に対してターンオフする際の容量値がＣ５になるように可変静電容量装置６Ａを制御したとする。
【００６９】
このような条件のもとで、スイッチング素子１の動作条件が何らかの原因で変更されて、スイッチング素子１の両端電圧の電圧値がＶ２（＞Ｖ１）に上昇したとする。この場合、コントローラ７は、容量値がＣ５よりも小さくなるように可変静電容量装置６Ａを制御する。
【００７０】
反対に、スイッチング素子１の動作条件が何らかの原因で変更されて、スイッチング素子１の両端電圧の電圧値がＶ３（＜Ｖ１）に低下したとする。この場合、コントローラ７は、容量値がＣ５よりも大きくなるように可変静電容量装置６Ａを制御する。
【００７１】
コントローラ７によるターンオン時の制御方法について説明する。コントローラ７は、スイッチング素子１の両端電圧の電圧値が高いほど、可変静電容量装置６Ａの容量値が小さくなるように制御する。反対に、コントローラ７は、スイッチング素子１の両端電圧の電圧値が低いほど、可変静電容量装置６Ａの容量値が大きくなるように制御する。
【００７２】
図３の例を再び用いると、例えば、スイッチング素子１の所定の動作条件では、スイッチング素子１の両端電圧の電圧値がＶ１’（単位：Ｖ）であり、コントローラ７は、この電圧値に対してターンオフする際の容量値がＣ３’になるように可変静電容量装置６Ａを制御したとする。
【００７３】
このような条件のもとで、スイッチング素子１の動作条件が何らかの原因で変更されて、スイッチング素子１の両端電圧の電圧値がＶ２（＞Ｖ１）に上昇したとする。この場合、コントローラ７は、容量値がＣ３’よりも小さくなるように可変静電容量装置６Ａを制御する。
【００７４】
反対に、スイッチング素子１の動作条件が何らかの原因で変更されて、スイッチング素子１の両端電圧の電圧値がＶ３（＜Ｖ１）に低下したとする。この場合、コントローラ７は、容量値がＣ３’よりも大きくなるように可変静電容量装置６Ａを制御する。
【００７５】
以上のように、本実施形態に係るスイッチング装置１００ａは、スイッチング素子１の両端子にかかる電圧を検出する電圧センサ９を備えている。コントローラ７は、電圧センサ９から、スイッチング素子１がオンした状態での電圧値を取得し、取得した電圧値に基づいて、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。これにより、スイッチング素子１の両端子にかかる電圧の電圧値に応じて、適切に駆動回路とゲート端子間の容量値を制御することができる。
【００７６】
また、本実施形態では、コントローラ７は、単位時間当たりにスイッチング素子１の両端電圧の電圧値の変化を検出すると、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。これにより、スイッチング素子１の動作条件が変更された場合でも、適切にスイッチング素子１で発生するサージ電圧及びサージ電流の低減を図るとともに、スイッチング素子１のスイッチング損失を低減させることができる。
【００７７】
加えて、本実施形態では、コントローラ７は、スイッチング素子１の両端子にかかる電圧の電圧値が高いほど可変静電容量装置６Ａの容量値を小さくし、電圧値が低いほど可変静電容量装置６Ａの容量値を大きくするように制御する。これにより、電圧値が小さい場合には、スイッチング損失を低減させることができ、電力変換の高効率化を図ることができる。また、電圧値そのものが小さいため、スイッチング素子１の耐圧を超えるようなサージ電圧の発生及びスイッチング素子１の許容電流を超えるようなサージ電流の発生を抑制することができる。
【００７８】
≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係るスイッチング装置１００ｂについて説明する。図５は、第３実施形態に係るスイッチング装置１００ｂの回路図である。本実施形態のスイッチング装置１００ｂは、コンデンサＣｆｉｘを備えている点以外は、上述した実施形態に係るスイッチング装置１００又はスイッチング装置１００ａと同様の構成を有している。このため、図５では、スイッチング装置１００及びスイッチング装置１００ａと共通する構成については、同じ符号を付し、上述の実施形態で用いた説明を援用する。
【００７９】
コンデンサＣｆｉｘは、可変静電容量装置６Ａと同様に、駆動回路とゲート端子の間の容量値を構成するコンデンサである。図５に示すように、コンデンサＣｆｉｘは、抵抗Ｒ１及び可変静電容量装置６Ａに対して、並列に接続されている。コンデンサＣｆｉｘの容量値は、スイッチング装置１００ｂの設計に応じて適宜設定される。
【００８０】
本実施形態では、コントローラ７は、コンデンサＣｆｉｘの容量値を考慮して、可変静電容量装置６Ａを制御する。可変静電容量装置６ＡとコンデンサＣｆｉｘが並列接続されている場合、一般的には、可変静電容量装置６Ａの容量値とコンデンサＣｆｉｘの容量値の合計値を、並列回路における容量値とみなすことができる。言い換えると、このため、コントローラ７は、可変静電容量装置６Ａの容量値とコンデンサＣｆｉｘの容量値の合計値を、駆動回路とゲート端子の間の容量値として扱いながら、可変静電容量装置６Ａの制御を行う。なお、制御方法については、上述した実施形態に係るスイッチング装置１００又はスイッチング装置１００ａと同様の制御方法が用いられる。
【００８１】
以上のように、本実施形態に係るスイッチング装置１００ｂは、可変静電容量装置６Ａに並列接続するコンデンサＣｆｉｘを備えている。これにより、可変静電容量装置６Ａがコンデンサとして機能せず、可変静電容量装置６Ａの容量値がゼロになった場合においても、スイッチング素子１で発生するサージ電圧及びサージ電流を抑制させることができる。例えば、コンデンサＣｆｉｘの容量値としては、可変静電容量装置６Ａのデフォルト条件での容量値（ターンオフ時の容量値又はターンオン時の容量値のいずれか一方）が挙げられる。
【００８２】
≪第４実施形態≫
次に、第４実施形態に係るスイッチング装置１００ｃについて説明する。図６は、第４実施形態に係るスイッチング装置１００ｃの回路図である。本実施形態のスイッチング装置１００ｃは、駆動回路からゲート端子への経路がターンオンする際の経路とターンオフする際の２種類の経路がある点、及びコントローラ１７の制御方法が異なる点以外は、上述した実施形態に係るスイッチング装置１００、スイッチング装置１００ａ、スイッチング装置１００ｂと同様の構成を有している。このため、図６では、スイッチング装置１００、スイッチング装置１００ａ、及びスイッチング装置１００ｂと共通する構成については、同じ符号を付し、上述の実施形態で用いた説明を援用する。
【００８３】
まず、駆動回路からゲート端子への経路のうち、ターンオンする際の経路について説明する。この経路は、ダイオードＤ１、可変静電容量装置６Ａ、抵抗Ｒ１、及びコンデンサＣｆｉｘ１で構成される。
【００８４】
ダイオードＤ１は、駆動回路の出力端子に接続されている。具体的には、ダイオードＤ１のアノード端子は、トランジスタ２のエミッタ端子とトランジスタ３のエミッタ端子の接続点と接続されている。ダイオードＤ１のカソード端子は、可変静電容量装置６Ａ、抵抗Ｒ１、コンデンサＣｆｉｘ１と接続されている。このような接続により、ゲート端子から駆動回路に流れる電流は遮断され、ターンオンする際に有効な経路を形成することができる。
【００８５】
コンデンサＣｆｉｘ１は、上述した第３実施形態に係るスイッチング装置１００ｂが備えるコンデンサＣｆｉｘに対応するコンデンサである。図６に示すように、コンデンサＣｆｉｘ１は、抵抗Ｒ１及び可変静電容量装置６Ａに対して、並列に接続されている。コンデンサＣｆｉｘ１の容量値は、スイッチング装置１００ｃの設計に応じて適宜設定される。
【００８６】
本実施形態では、可変静電容量装置６Ａは、スイッチング素子１がターンオンする際に有効な容量値を変更することができる。可変静電容量装置６Ａは、デフォルト条件での容量値として、ターンオン時の容量値を有している。ターンオン時のデフォルト条件での容量値は、電圧値の変化が最小となる容量値に設定される。図３の例では、ターンオン時のデフォルト条件での容量値は、Ｃ２’に設定される。
【００８７】
次に、駆動回路からゲート端子への経路のうち、ターンオフする際の経路について説明する。この経路は、ダイオードＤ２、可変静電容量装置６Ｂ、抵抗Ｒ２、及びコンデンサＣｆｉｘ２で構成される。可変静電容量装置６Ｂは可変静電容量装置６Ａに、抵抗Ｒ２は抵抗Ｒ１に、コンデンサＣｆｉｘ２はコンデンサＣｆｉｘ１にそれぞれ対応しているため、各構成の説明についてはそれぞれの説明を援用する。また、本実施形態では、抵抗Ｒ１の抵抗値は抵抗Ｒ２の抵抗値と異なり、またコンデンサＣｆｉｘ２の容量値はコンデンサＣｆｉｘ１の容量値と異なるものとする。
【００８８】
ダイオードＤ２は、駆動回路の出力端子に接続されている。具体的には、ダイオードＤ２のアノード端子は、トランジスタ２のエミッタ端子とトランジスタ３のエミッタ端子の接続点と接続されている。ダイオードＤ２のカソード端子は、可変静電容量装置６Ｂ、抵抗Ｒ２、コンデンサＣｆｉｘ２と接続されている。このような接続により、駆動回路からゲート端子に流れる電流は遮断され、ターンオフする際に有効な経路を形成することができる。
【００８９】
駆動用電源５Ｂは、出力電圧を変更可能な電源である。駆動用電源５Ｂの低電位側の端子は、トランジスタ３、ダイオードＤ２、及び抵抗Ｒ２を介してスイッチング素子１のゲート端子に接続されている。駆動用電源５Ｂの高電位側の端子は、駆動用電源５Ａの低電位側の端子、信号発生器４、及び電流センサ８と接続されている。本実施形態では、駆動用電源５Ａは、スイッチング素子１をターンオンさせるための電源であり、駆動用電源５Ｂは、スイッチング素子１をターンオフさせるための電源である。
【００９０】
可変静電容量装置６Ｂは、スイッチング素子１がターンオフする際に有効な容量値を変更することができる。可変静電容量装置６Ｂは、デフォルト条件での容量値として、ターンオフ時の容量値を有している。ターンオフ時のデフォルト条件での容量値は、電流値の変化が最小となる容量値に設定される。図２の例では、ターンオフ時のデフォルト条件での容量値は、Ｃ３に設定される。
【００９１】
可変静電容量装置６Ｂは、可変静電容量装置６Ａと同様の回路構成であってもよいし、異なる回路であってもよい。可変静電容量装置６Ｂには、コントローラ１７から、可変静電容量装置６Ａへの制御信号とは異なる制御信号が入力される。
【００９２】
本実施形態のコントローラ１７は、スイッチング素子１がターンオンする際には、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御し、スイッチング素子１がターンオフする際には、可変静電容量装置６Ｂの容量値を制御する。例えば、コントローラ１７は、電流センサ８の電流値が変化したことを検出すると、ターンオンする際に有効な経路の容量値を変更させるために、可変静電容量装置６Ａの容量値を変更するとともに、ターンオフする際に有効な経路の容量値を変更させるために、可変静電容量装置６Ｂの容量値を変更する。なお、電流値の変更に伴って、容量値をどのように変更させるかについては、上述した実施形態に係るコントローラ７の制御方法が用いられる。また、電流値の変化に応じて、可変静電容量装置６Ａ及び可変静電容量装置６Ｂの容量値をともに制御させる構成は一例であって、電圧センサ９が検出する電圧値の変化に応じて、可変静電容量装置６Ａ及び可変静電容量装置６Ｂの容量値をともに制御させてもよい。また、例えば、電流値の変化に応じて、一方の可変静電容量装置の容量値を制御し、電圧値の変化に応じて、他方の可変静電容量装置の容量値を制御してもよい。
【００９３】
また、コントローラ１７は、容量値がターンオン時のデフォルト条件での容量値よりも大きくなるように、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。言い換えると、コントローラ１７は、電流値の変化がデフォルト条件での電流値の変化よりも大きくなる方向に、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。図３の例を用いると、コントローラ１７は、Ｃ２’よりも大きい容量値の範囲で、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。
【００９４】
また、コントローラ１７は、容量値がターンオフ時のデフォルト条件での容量値よりも大きくなるように、可変静電容量装置６Ｂの容量値を制御する。言い換えると、コントローラ１７は、電圧値の変化がデフォルト条件での電圧値の変化よりも大きくなる方向に、可変静電容量装置６Ｂの容量値を制御する。図２の例を用いると、コントローラ１７は、Ｃ３よりも大きい容量値の範囲で、可変静電容量装置６Ｂの容量値を制御する。
【００９５】
以上のように、本実施形態に係るスイッチング装置１００ｃは、駆動回路とゲート端子の間に設けられ、ゲート端子から駆動回路の方向に流れる電流を遮断するダイオードＤ１、及び駆動回路からゲート端子の方向に流れる電流を遮断するダイオードＤ２を備えている。また、スイッチング装置１００ｃは、ダイオードＤ１のアノード端子に接続された可変静電容量装置６Ａと、ダイオードＤ２のカソード端子に接続された可変静電容量装置６Ｂと、を備えている。そして、コントローラ１７は、スイッチング素子１がターンオンする際には、可変静電容量装置６Ａへの制御を実行し、スイッチング素子１がターンオフする際には、可変静電容量装置６Ｂへの制御を実行する。駆動回路からゲート端子への電流経路は、ターンオン時の電流経路とターンオフ時の電流経路が分けられる。このため、ターンオン時のデフォルト条件での容量値と、ターンオフ時のデフォルト条件での容量値とを異なる値に設定することができる。また、コンデンサＣｆｉｘ１の容量値とコンデンサＣｆｉｘ２の容量値も異なる値に設定することができる。これにより、コントローラ１７が可変静電容量装置６Ａを制御できない場合には、コントローラ１７が可変静電容量装置６Ａを制御している場合に比べて、スイッチング素子１で発生するサージ電流を低減させることができる。また、コントローラ１７が可変静電容量装置６Ｂを制御できない場合には、コントローラ７が可変静電容量装置６Ｂを制御している場合に比べて、スイッチング素子１で発生するサージ電圧を低減させることができる。その結果、スイッチング素子１にかかる負荷を低減させることができる。
【００９６】
≪第５実施形態≫
次に、第５実施形態に係るスイッチング装置１００ｄについて説明する。図７は、第５実施形態に係るスイッチング装置１００ｄの回路図である。本実施形態のスイッチング装置１００ｄは、ダイオードではなく配線により、ターンオン時の電流経路とターンオフ時の電流経路を分けている点以外は、上述した第４実施形態に係るスイッチング装置１００ｃと同様の構成を有している。このため、図７では、スイッチング装置１００ｃと共通する構成については、同じ符号を付し、上述の実施形態で用いた説明を援用する。
【００９７】
具体的に、スイッチング装置１００ｄは、スイッチング装置１００ｃと比べて、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２を備えておらず、またトランジスタ２のエミッタ端子とトランジスタ３のエミッタ端子が接続されていない。本実施形態では、トランジスタ２がオンし、トランジスタ３がオフした場合、駆動用電源５Ａの電圧によりゲート電圧は上昇し、ゲート電圧がスイッチング素子１の閾値電圧よりも高くなると、スイッチング素子１はターンオンする。反対に、トランジスタ２がオフし、トランジスタ３がオンした場合、駆動用電源５Ｂの電圧によりゲート電圧は下降し、ゲート電圧がスイッチング素子１の閾値電圧よりも高くなると、スイッチング素子１はターンオンする。このように、本実施形態では、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２を備えることなく、ターンオン時の電流経路とターンオフ時の電流経路を分断することができるため、第４実施形態に係るスイッチング装置１００ｃよりも部品数を削減することができる。また、スイッチング装置１００ｃと同様に、ターンオン時に最適な容量値とターンオフ時に最適な容量値を設定することができる。
【００９８】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００９９】
例えば、上述した第１実施形態では、可変静電容量装置６Ａは、ターンオフ時のデフォルト条件での容量値を有している構成を例に挙げて説明したが、ターンオン時のデフォルト条件での容量値を有していてもよい。この場合、ターンオン時のデフォルト条件での容量値は、電圧値の変化が最小となる容量値に設定される。図３の例では、ターンオン時のデフォルト条件での容量値は、Ｃ２’に設定される。また、コントローラ７は、容量値がターンオフ時のデフォルト条件での容量値よりも大きくなるように、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。図３の例を用いると、コントローラ７は、Ｃ２’よりも大きい容量値の範囲で、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。これにより、コントローラ７が可変静電容量装置６Ａを制御できない場合には、コントローラ７が可変静電容量装置６Ａを制御している場合に比べて、スイッチング素子１で発生するサージ電流を低減させることができる。
【０１００】
また、例えば、上述した実施形態では、コントローラ７がターンオフする際の可変静電容量装置６Ａの容量値と、ターンオンする際の可変静電容量装置６Ａの容量値とを、異なる値に設定する構成を例に挙げて説明したが、これに限られない。例えば、コントローラ７は、いずれか一方のスイッチング動作のときにのみ可変静電容量装置６Ａの容量値を制御してもよい。例えば、スイッチング素子１に流れる電流の変化を検出すると、コントローラ７は、ターンオフする際の可変静電容量装置６Ａの容量値のみを制御してもよいし、ターンオンする際の可変静電容量装置６Ａの容量値のみを制御してもよい。
【０１０１】
また、例えば、上述した実施形態では、電流センサ８の検出結果や電圧センサ９の検出結果に基づいて、スイッチング素子１に流れる電流の電流値の変化や、スイッチング素子１の両端電子にかかる電圧の電圧値の変化を検出する構成を例に挙げたが、スイッチング素子１の動作条件の変更を検出する手段はこれに限られない。例えば、スイッチグ装置の出力側に負荷が接続されており、この負荷への供給電力を制御する制御装置があるとする。この場合、コントローラ７は、この制御装置から、負荷への供給電力を制御する信号を取得することで、予めスイッチング素子１の動作条件が変更されるタイミングを取得することができる。そして、コントローラ７は、スイッチング素子１の動作条件が変更されるタイミングにあわせて、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御してもよい。これにより、スイッチング素子１の周辺に電流センサや電圧センサを設けることなく、スイッチング素子１の動作条件が変更されるタイミングを取得することができ、スイッチング素子１の動作条件に応じて適切にスイッチング素子１のスイッチング損失を低減させることができる。
【０１０２】
また、例えば、本明細書では、本発明に係るスイッチング装置を、スイッチング装置１００、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄを例に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１０３】
また、例えば、本明細書では、本発明に係る駆動回路を、トランジスタ２及びトランジスタ３で構成するプッシュプル回路と、信号発生器４の組み合わせを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。スイッチング素子１をスイッチングさせることができる装置や回路であればよい。
【０１０４】
また、例えば、本明細書では、本発明に係る第１の容量値を、デフォルト条件での容量値を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。また本発明に係る第２の容量値を、可変静電容量装置を制御する際の容量値を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１０５】
また、例えば、本明細書では、本発明に係る可変容量回路を、可変静電容量装置６Ａ又は可変静電容量装置６Ｂを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１０６】
１００…スイッチング装置
１…スイッチング素子
２…トランジスタ
３…トランジスタ
４…信号発生器
５Ａ…駆動用電源
６Ａ…可変静電容量装置
７…コントローラ
８…電流センサ
【図１】
2019171509.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成30年9月10日(2018.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を駆動するスイッチング装置であって、
前記スイッチング素子の制御端子にかかる制御電圧を制御することで、前記スイッチング素子をスイッチングさせる駆動回路と、
前記制御端子と前記駆動回路の間に接続され、少なくとも第１の容量値と前記第１の容量値とは異なる第２の容量値に変更することが可能な可変容量回路と、
前記可変容量回路への制御を介して、前記制御端子と前記駆動回路の間の容量値を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記スイッチング素子に流れる電流の電流値、及び前記スイッチング素子の両端子にかかる電圧の電圧値のうち少なくとも何れか一方に基づいて、前記制御端子と前記駆動回路の間の前記容量値を制御するスイッチング装置。
【請求項２】
請求項１記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、単位時間あたりに前記スイッチング素子に流れる電流の電流値の変化、及び単位時間あたりに前記スイッチング素子の両端子にかかる電圧の電圧値の変化のうち少なくとも何れか一方に基づいて、前記容量値を制御するスイッチング装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、単位時間あたりに前記スイッチング素子に流れる電流の電流値の変化、及び単位時間あたりに前記スイッチング素子の両端子にかかる電圧の電圧値の変化のうち少なくとも何れか一方のパラメータが、前記コントローラにより制御が停止した際の前記パラメータよりも大きくなるように、前記容量値を制御するスイッチング装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記スイッチング素子に流れる電流を検出する電流センサを備え、
前記コントローラは、
前記電流センサから、前記スイッチング素子がオンした状態での前記電流の電流値を取得し、
前記電流値に基づいて、前記容量値を制御するスイッチング装置。
【請求項５】
請求項４記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、前記電流値が大きいほど前記容量値を小さくし、前記電流値が小さいほど前記容量値を大きくするスイッチング装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記スイッチング素子の両端子にかかる電圧を検出する電圧センサを備え、
前記コントローラは、
前記電圧センサから、前記スイッチング素子がオフした状態での前記電圧の電圧値を取得し、
前記電圧値に基づいて、前記容量値を制御するスイッチング装置。
【請求項７】
請求項６記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、前記電圧値が高いほど前記容量値を小さくし、前記電圧値が低いほど前記容量値を大きくするスイッチング装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記可変容量回路に並列接続するコンデンサを備えるスイッチング装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、前記スイッチング素子がターンオフした際に、前記制御電圧が前記スイッチング素子をオンさせるための閾値電圧よりも低くなるように、前記容量値を設定し、
前記制御電圧は、前記駆動回路の出力電圧を前記容量値と前記スイッチング素子の寄生容量の容量値により分圧した電圧であるスイッチング装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、前記スイッチング素子がターンオンした際に、前記制御電圧が前記スイッチング素子をオンさせるための閾値電圧よりも高くなるように、前記容量値を設定し、
前記制御電圧は、前記駆動回路の出力電圧を前記容量値と前記スイッチング素子の寄生容量の容量値により分圧した電圧であるスイッチング装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れ一項に記載のスイッチング装置であって、
前記コントローラは、前記スイッチング素子がターンオンする際に設定する前記容量値と、前記スイッチング素子がターンオフする際に設定する前記容量値とが異なるように、それぞれの前記容量値を設定するスイッチング装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載のスイッチング装置であって、
前記駆動回路と前記制御端子の間に設けられ、前記制御端子から前記駆動回路の方向に流れる電流を遮断する第１のダイオード、及び前記駆動回路から前記制御端子の方向に流れる電流を遮断する第２のダイオードと、
前記第１のダイオードのカソード端子に接続され、少なくとも２つの異なる容量値に変更することが可能な第１の可変容量回路と、
前記第２のダイオードのアノード端子に接続され、少なくとも２つの異なる容量値に変更することが可能な第２の可変容量回路と、を備え、
前記コントローラは、前記スイッチング素子がターンオンする際に、前記第１の可変容量回路への制御を行い、前記スイッチング素子がターンオフする際に、前記第２の可変容量回路への制御を行うスイッチング装置。
【請求項１３】
スイッチング素子の制御端子にかかる電圧を制御することで、スイッチング素子をスイッチングさせる駆動回路、を備えたスイッチング装置の制御方法であって、
前記スイッチング素子に流れる電流の電流値、及び前記スイッチング素子の両端子にかかる電圧の電圧値のうち少なくとも何れか一方に基づいて、前記制御端子と前記駆動回路の間に接続され、少なくとも第１の容量値と第２の容量値に変更することが可能な可変容量回路を制御することで、前記制御端子と前記駆動回路の間の容量値を制御する制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
の電圧値を取得し、取得した電圧値に基づいて、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。これにより、スイッチング素子１の両端子にかかる電圧の電圧値に応じて、適切に駆動回路とゲート端子間の容量値を制御することができる。
［００７６］
また、本実施形態では、コントローラ７は、単位時間当たりにスイッチング素子１の両端子にかかる電圧の電圧値の変化を検出すると、可変静電容量装置６Ａの容量値を制御する。これにより、スイッチング素子１の動作条件が変更された場合でも、適切にスイッチング素子１で発生するサージ電圧及びサージ電流の低減を図るとともに、スイッチング素子１のスイッチング損失を低減させることができる。
［００７７］
加えて、本実施形態では、コントローラ７は、スイッチング素子１の両端子にかかる電圧の電圧値が高いほど可変静電容量装置６Ａの容量値を小さくし、電圧値が低いほど可変静電容量装置６Ａの容量値を大きくするように制御する。これにより、電圧値が小さい場合には、スイッチング損失を低減させることができ、電力変換の高効率化を図ることができる。また、電圧値そのものが小さいため、スイッチング素子１の耐圧を超えるようなサージ電圧の発生及びスイッチング素子１の許容電流を超えるようなサージ電流の発生を抑制することができる。
［００７８］
≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係るスイッチング装置１００ｂについて説明する。図５は、第３実施形態に係るスイッチング装置１００ｂの回路図である。本実施形態のスイッチング装置１００ｂは、コンデンサＣｆｉｘを備えている点以外は、上述した実施形態に係るスイッチング装置１００又はスイッチング装置１００ａと同様の構成を有している。このため、図５では、スイッチング装置１００及びスイッチング装置１００ａと共通する構成については、同じ符号を付し、上述の実施形態で用いた説明を援用する。
［００７９］
コンデンサＣｆｉｘは、可変静電容量装置６Ａと同様に、駆動回路とゲート端子の間の容量値を構成するコンデンサである。図５に示すように、コンデン
【国際調査報告】
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