(57)【要約】  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（１）は、半導体スイッチング素子のゲート駆動の基礎となる電力信号を生成する送信部（１０）と、電力信号を電気的に絶縁された状態で伝送する第１絶縁素子（３）と、第１絶縁素子(３)から出力される電力信号により、半導体スイッチング素子のゲート駆動を行う受信部（１２）と、受信部側で検出した状態を送信部側に伝達する伝達回路とを備え、伝達回路は、第１絶縁素子（３）上の電力信号を伝送する経路とは別の絶縁経路（３ｃ）を用いて、電力信号の一部を分岐させることにより上記の状態を伝達する。
2020137826.tif 000002
【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、
前記半導体スイッチング素子のゲート駆動の基礎となる電力信号を生成する送信部と、
前記電力信号を電気的に絶縁された状態で伝送する第１絶縁素子と、
前記第１絶縁素子から出力される電力信号により、前記半導体スイッチング素子のゲート駆動を行う受信部と、
受信部側で検出した状態を送信部側に伝達する伝達回路とを備え、
前記伝達回路は、
前記第１絶縁素子上の前記電力信号を伝送する経路とは別の絶縁経路を用いて、
前記電力信号の一部を分岐させることにより前記状態を伝達する
ゲート駆動回路。
【請求項２】
請求項１に記載のゲート駆動回路において、
前記伝達回路は、前記受信部側において、前記電力信号の前記一部を分岐させる
ゲート駆動回路。
【請求項３】
請求項２に記載のゲート駆動回路において、
前記伝達回路は、前記受信部側に、前記第１絶縁素子から出力される前記電力信号の前記一部を分岐させる方向性結合器を有する
ゲート駆動回路。
【請求項４】
請求項３に記載のゲート駆動回路において、
前記方向性結合器は、前記電力信号の前記一部を出力する結合端子を有し、
前記伝達回路は、前記結合端子に接続された回路素子を有し、
前記回路素子の導通状態を、受信部側で検出した前記状態に応じて切り替えることにより、前記電力信号の前記一部の強度を変化させる
ゲート駆動回路。
【請求項５】
請求項３に記載のゲート駆動回路において、
前記方向性結合器は、
前記第１絶縁素子から入力される前記電力信号を伝送するための主経路と、
前記主経路に伝送される前記電力信号の前記一部を分岐させる副経路と、
前記副経路の一端に接続された結合端子と、
前記副経路の他端に接続されたアイソレーション端子とを有し、
前記アイソレーション端子は、終端処理され、
前記結合端子は、前記電力信号の前記一部を出力し、
前記伝達回路は、
前記結合端子に接続され、前記状態に応じて導通状態を切り替えることにより前記電力信号の前記一部の強度を変化させる、前記受信部側に設けられた回路素子と、
前記他の絶縁経路の一部を構成し、前記結合端子から前記回路素子を介して入力される前記電力信号の前記一部を、前記受信部側から前記送信部側へ電気的に絶縁された状態で伝送する第２絶縁素子と、を有する
ゲート駆動回路。
【請求項６】
請求項３に記載のゲート駆動回路において、
前記方向性結合器は、
結合端子と、
前記電力信号の前記一部を出力するアイソレーション端子とを有し、
前記伝達回路は、前記結合端子に接続されたインピーダンス素子を有し、
前記インピーダンス素子のインピーダンスを、受信部側で検出した前記状態に応じて切り替えることにより、前記アイソレーション端子から出力される前記電力信号の前記一部の強度を変化させる
ゲート駆動回路。
【請求項７】
請求項３に記載のゲート駆動回路において、
前記方向性結合器は、
前記第１絶縁素子からの前記電力信号を伝送するための主経路と、
前記主経路に伝送される前記電力信号の前記一部を分岐させる副経路と、
前記副経路の一端に接続され、前記電力信号の前記一部を出力するアイソレーション端子と、
前記副経路の他端に接続された結合端子とを有し、
前記伝達回路は、
前記結合端子に接続され、前記受信部側で検出した前記状態に応じてインピーダンスを変化させるインピーダンス素子と、
前記他の絶縁経路の一部を構成し、前記アイソレーション端子から出力される前記電力信号の前記一部を、前記受信部側から前記送信部側へ電気的に絶縁された状態で伝送する第２絶縁素子と、を有する
ゲート駆動回路。
【請求項８】
請求項１に記載のゲート駆動回路において、
前記伝達回路は、前記送信部側に、前記第１絶縁素子に入力される前記電力信号の前記一部を分岐させる方向性結合器を有する
ゲート駆動回路。
【請求項９】
請求項８に記載のゲート駆動回路において、
前記方向性結合器は、
前記電力信号を伝送して前記第１絶縁素子に出力する主経路と、
前記主経路に伝送される前記電力信号の前記一部を分岐させる副経路と、
前記副経路の一端に接続され、前記電力信号の前記一部を出力するアイソレーション端子と、
前記副経路の他端に接続された結合端子とを有し、
前記伝達回路は、
前記受信部側に設けられ、前記受信部側で検出した前記状態に応じてインピーダンスを変化させるインピーダンス素子と、
前記送信部側の第１端子と、前記受信部側の第２端子とを有し、前記他の絶縁経路の一部を構成する第２絶縁素子とを備え、
前記第１端子は、前記結合端子に接続され、
前記第２端子は、前記インピーダンス可変素子に接続される
ゲート駆動回路。
【請求項１０】
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、
前記半導体スイッチング素子のゲート駆動の基礎となる電力信号を生成する送信部と、
前記電力信号を電気的に絶縁された状態で伝送する第１絶縁素子と、
前記第１絶縁素子から出力される電力信号により、前記半導体スイッチング素子のゲート駆動を行う受信部と、
受信部側で検出した状態を送信部側に伝達する伝達回路とを備え、
前記伝達回路は、
前記電力信号の一部を分岐させる方向性結合器を有し、
前記電力信号の前記一部によって前記状態を伝達する
ゲート駆動回路。
【請求項１１】
請求項１０に記載のゲート駆動回路において、
前記方向性結合器は、
前記電力信号を伝送して前記第１絶縁素子に出力する主経路と、
前記主経路に伝送される前記電力信号の前記一部を分岐させる副経路と、
前記副経路の一端に接続され、前記電力信号の前記一部を出力するアイソレーション端子と、
前記副経路の他端に接続され、終端処理された結合端子とを有し、
前記伝達回路は、
前記受信部側で検出した前記状態に応じてインピーダンスを変化させ、前記受信部側で前記第１絶縁素子に接続されたインピーダンス素子を備える
ゲート駆動回路。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載のゲート駆動回路において、
前記電力信号の前記一部を整流することにより前記状態に応じた電圧をもつ信号を出力する整流回路を前記送信部側に備える
ゲート駆動回路。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載のゲート駆動回路において、
前記受信部側で検知した状態に応じて、前記受信部の前記ゲート駆動を停止する
ゲート駆動回路。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載のゲート駆動回路において、
前記第１絶縁素子は、電磁界共鳴結合素子である
ゲート駆動回路。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項に記載のゲート駆動回路と、
前記ゲート駆動回路で駆動される半導体スイッチング素子とを備える
スイッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、パワー半導体デバイスのゲート駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクス技術により、民生用、産業用を問わず電気機器の小型化が進んでいる。このような機器で用いられるインバータ回路では、半導体スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））を用いて、数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の周波数で大電力をスイッチングする。ゲート駆動回路は、上記半導体スイッチング素子のゲートを駆動する回路である。【０００３】
上記のようなインバータ回路では、ゲート駆動回路の制御信号と、半導体スイッチング素子の動作電圧との差が大きい。そのため、ゲート駆動回路の入力側（以下、一次側という）と出力側（以下、二次側という）とを電気的に絶縁する必要がある。すなわち、一次側の信号および電力は、一次側から絶縁部を介して二次側に伝達される。このようなゲート駆動回路を用いたスイッチング装置においては、二次側で検出したゲート駆動回路自身の出力異常や半導体スイッチング素子６０の動作異常が発生した場合、異常を示す信号を二次側から絶縁部を介して一次側にフィードバックする必要がある。【０００４】
特許文献１では、一般的な絶縁型のゲート駆動回路において、二次側異常を一次側にフィードバックする構成が示されている。具体的には、絶縁素子としてのトランスと、異常の有無を示す交流信号を、トランスを介して一次側に送信する二次側の送信回路と、トランスから交流信号を受信する一次側の受信回路を備え、二次側で生じた異常を一次側にフィードバックする。【０００５】
特許文献２では、絶縁素子として電磁界共鳴結合器を用いた絶縁型のゲート駆動回路におけるフィードバックする構成が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５３０３１６７号公報
【特許文献２】特許第５８６１０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、このような絶縁型のゲート駆動回路は、一次側と二次側の間は、数ｋＶ程度の高耐圧の絶縁素子を用いて絶縁されている。特許文献１においては、二次側異常を一次側にフィードバックするために、二次側の送信回路、トランス、および一次側の受信回路を備える。そのため、回路規模が増大し、回路構成が複雑となる。【０００８】
より簡易な方法として、特許文献２では、一次側の送信回路の負荷状態を二次側で変化させることにより生じる反射電力を一次側で検出することで、二次側の状態をフィードバックする方法が示されている。この方式を二次側への電力供給のための伝送電力の大きい経路に用いた場合、インピーダンス素子の挿入損失が問題になる。さらには、通常動作時と異常検出時のしきい値を十分確保するため、インピーダンス素子のインピーダンス変化を大きくして、反射電力の変化を大きくすると二次側への電力伝送量が減少するだけでなく、送信回路の消費電流の増大や過負荷による送信回路での半導体デバイスの一次側の破壊が問題になる。【０００９】
本発明は係る点に鑑みてなされたもので、回路規模の増大を抑制し、回路構成の複雑さを低減し、伝送電力への影響を低減する絶縁型のゲート駆動回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明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、前記半導体スイッチング素子のゲート駆動の基礎となる電力信号を生成する送信部と、前記電力信号を電気的に絶縁された状態で伝送する第１絶縁素子と、前記第１絶縁素子から出力される電力信号により、前記半導体スイッチング素子のゲート駆動を行う受信部と、受信部側で検出した状態を送信部側に伝達する伝達回路とを備え、前記伝達回路は、前記第１絶縁素子上の前記電力信号を伝送する経路とは別の絶縁経路を用いて、前記電力信号の一部を分岐させることにより前記状態を伝達する。
【発明の効果】
【００１１】
本開示に係るゲート駆動回路によれば、回路規模の増大を抑制し、回路構成の複雑さを低減し、送信経路の特性への影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１実施形態のゲート駆動回路を含むスイッチング装置の構成例を示すブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第１実施形態の方向性結合器の結合端子に接続される回路素子の第１例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第１実施形態の方向性結合器の結合端子に接続される回路素子の第２例を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、第１実施形態の方向性結合器の結合端子に接続される回路素子の第３例を示す図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、第１実施形態の方向性結合器の結合端子に接続される回路素子の第４例を示す図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、第１実施形態の方向性結合器の結合端子に接続される回路素子の第５例を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、方向性結合器の動作説明図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、方向性結合器のＳパラメータ表記の通過特性を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、方向性結合器の出力端子の反射係数を変化させたときの結合端子およびアイソレーション端子で観測される電力を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態のフィードバック動作の電力レベルの説明図である。
【図５】図５は、第２実施形態のゲート駆動回路を含むスイッチング装置の構成例を示すブロック図である。
【図６Ａ】図６Ａは、第２実施形態の方向性結合器の結合端子に接続されるインピーダンス可変素子の第１例を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、第２実施形態の方向性結合器の結合端子に接続されるインピーダンス可変素子の第２例を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、第２実施形態の方向性結合器の結合端子に接続されるインピーダンス可変素子の第３例を示す図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、第２実施形態の方向性結合器の結合端子に接続されるインピーダンス可変素子の第４例を示す図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、第２実施形態の方向性結合器の結合端子に接続されるインピーダンス可変素子の第５例を示す図である。
【図７】図７は、第２実施形態のフィードバック動作の電力レベルの説明図である。
【図８】図８は、第３実施形態のゲート駆動回路を含むスイッチング装置の構成例を示すブロック図である。
【図９】図９は、第４実施形態のゲート駆動回路を含むスイッチング装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、整流回路の第１の構成例を示す回路図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、整流回路の第２の構成例を示す回路図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、整流回路の第３の構成例を示す回路図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、整流回路の第４の構成例を示す回路図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、整流回路の第５の構成例を示す回路図である。
【図１１】図１１は、変形例におけるゲート駆動回路を含むスイッチング装置を示すブロック図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、変形例におけるゲート駆動回路のフィードバック動作の電力レベル説明図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、変形例におけるゲート駆動回路の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１４】
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、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、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。
【００１５】
＜第１実施形態＞
［１．１  ゲート駆動回路の構成］
図１は、本実施形態のゲート駆動回路を含むスイッチング装置Ａの構成を示す概略図である。図１に示すように、スイッチング装置Ａは、電源１００と、ＰＷＭ電源１０１と、コンデンサ７４と、半導体スイッチング素子６０と、負荷電源１０２と、半導体スイッチング素子６０を駆動する絶縁型のゲート駆動回路１とを備える。
【００１６】
以下の説明では、絶縁型のゲート駆動回路１の絶縁状態を説明するため、送信部のみ、あるいはスイッチング装置Ａの送信部用の電源１００まで含めて一次側と呼び、受信部のみ、あるいはスイッチング装置Ａの半導体スイッチング素子６０や受信部用の電源１０２まで含めて二次側と呼ぶ場合がある。
【００１７】
ゲート駆動回路１は、送信部１０と、絶縁部１１と、受信部１２とを備える。送信部１０は、発振器５０、増幅器５１、ミキサー５２、および整流回路８２を備える。絶縁部１１は、絶縁素子３、３ａ、３ｂ、３ｃを備える。受信部１２は、受信回路１３ａ、受信回路１３ｂ、整流回路２０、方向性結合器７０、回路素子８０、終端素子８１、および異常検知部８３を備える。
【００１８】
図１では、受信部１２が、電源用の整流回路２０と、カスコード接続された２つの受信回路１３ａ、１３ｂとを備える例を示している。そして、受信回路１３ａ、１３ｂ間を接続する接続ノードＮ１が、半導体スイッチング素子６０のゲートに接続されている。
【００１９】
以下の説明では、高電位側に接続される受信回路１３ａを第１受信回路１３ａと呼び、低電位側に接続される受信回路１３ｂを第２受信回路１３ｂと呼ぶ場合がある。
【００２０】
そして、ゲート駆動回路１は、制御信号に応じて第１及び第２受信回路１３ａ、１３ｂを交互にスイッチングさせることで、出力パルス電圧を発生し、半導体スイッチング素子６０のゲートを駆動する。これにより、ゲート駆動回路１は、負荷電源１０２によって供給される電圧のスイッチングを行う。
【００２１】
送信部１０は、半導体スイッチング素子６０の駆動の基礎となる電力信号としての第１、第２ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号Ｒ１１、Ｒ１２を生成する機能を有する。具体的に、送信部１０は、電源１００からの電源電圧Ｖｉを受けて発振する発振器５０と、発振器５０の出力を受けるミキサー５２を備える。ミキサー５２は、ＰＷＭ電源１０１からのＰＷＭ電圧Ｖｍに応じて発振器５０の出力を変調し、第１及び第２ＰＷＭ制御信号Ｒ１１、Ｒ１２として絶縁部１１に出力する。さらに、送信部１０は、ゲート駆動回路１の駆動電力を供給する経路に設けられた増幅器５１を備えている。増幅器５１は、送信部１０の発振器５０の出力を受け、それを増幅した電力信号を、高周波信号Ｒ１３として出力する。
【００２２】
絶縁部１１は、電源用の絶縁素子３と、絶縁素子３ａと、絶縁素子３ｂと、フィードバック用の絶縁素子３ｃを備える。電源用の絶縁素子３、絶縁素子３ａ、絶縁素子３ｂと、フィードバック用の絶縁素子３ｃには、例えば、従来から知られている電磁界共鳴結合素子を適用することができる。電源用の絶縁素子３、絶縁素子３ａ、３ｂ、フィードバック用の絶縁素子３ｃは、同じ構成を採用することが可能である。電源用の絶縁素子３は第１絶縁素子３と呼び、フィードバック用の絶縁素子３ｃを第２絶縁素子３ｃと呼ぶことがある。
【００２３】
電源用の絶縁素子３は、ゲート駆動回路１の駆動電力を供給する経路に設けられており、増幅器５１から出力された電力信号としての高周波信号Ｒ１３を受け、電気的に絶縁された状態で、後段の方向性結合器７０の入力端子Ｄ１に入力する。電力信号は、さらに、方向性結合器７０の出力端子Ｄ２から電源用の整流回路２０に伝送される。なお、電気的に絶縁された状態とは、交流的（特に高周波信号）には導通するが、直流的には導通しない分離された状態であり、一次側接地２００と二次側接地２０１とが分離されている状態を言う。
【００２４】
絶縁素子３ａは、第１ＰＷＭ制御信号Ｒ１１を受け、この信号を電気的に絶縁された状態で伝送する。絶縁素子３ｂは、第２ＰＷＭ制御信号Ｒ１２を受け、この信号を電気的に絶縁された状態で伝送する。絶縁素子３ａ、３ｂの出力には、それぞれ、受信回路１３ａ、１３ｂが接続されている。
【００２５】
フィードバック用の絶縁素子３ｃは、他の絶縁素子とは逆方向に受信部１２の高周波信号Ｒ１４を送信部１０にフィードバックする経路である。高周波信号Ｒ１４は、方向性結合器７０において電力信号の一部を分岐させた信号である。
【００２６】
方向性結合器７０の結合端子Ｄ３の出力には、回路素子８０を介してフィードバック用の絶縁素子３ｃに接続される。回路素子８０は、その導通状態を、異常検知部８３からの異常状態を示す制御信号Ｃ１１に応じて切り替える。これにより、回路素子８０を通過する電力信号の一部の強度を変化させることができる。
【００２７】
図１のゲート駆動回路１において次の回路部分は、受信部側で検出した異常状態を送信部側に伝達する伝達回路として設けられる。すなわち、伝達回路は、方向性結合器７０、回路素子８０、終端素子８１、異常検知部８３、絶縁素子３ｃ、整流回路８２を備える回路部分である。この伝達回路は、絶縁素子３上の電力信号を伝送する経路とは別の絶縁経路（絶縁素子３ｃ）を用いて、電力信号の一部を分岐させることにより異常状態を伝達するように構成されている。
【００２８】
整流回路８２は高周波電力信号であるフィードバック信号Ｒ１４を受けて、電圧に変換する回路である。言い換えれば、方向性結合器７０によって分岐された電力信号の一部であるフィードバック信号Ｒ１４を整流することにより、異常状態の有無または異常状態の種類を示す電圧を有する直流信号に変換する。この直流信号は、異常状態の有無を示す２つの電圧値を取り得る二値信号でもよいし、異常状態の種類を示す３以上の電圧値を取り得る多値信号であってもよいし、連続的に変化するアナログ信号であってもよい。
【００２９】
方向性結合器７０のアイソレーション端子Ｄ４は、終端素子８１により一定インピーダンス（例えば５０ｏｈｍ）で終端されている。
【００３０】
受信部１２に設けられた異常検知部８３は、二次側の異常状態Ｅ１１を検出し、制御信号Ｃ１１を生成する回路であり、その制御信号Ｃ１１により回路素子８０の導通状態を制御する。
【００３１】
整流回路２０は、電源用の絶縁素子３の出力を正電圧に直流変換し、コンデンサ７４を充電することで、ゲート駆動回路の電源を供給する。コンデンサ７４の容量の大きさは、特に限定されないが、例えば、数μＦ程度である。
【００３２】
受信回路１３ａは、整流回路２ａと、対応して設けられた駆動トランジスタ５ａとを有する。
【００３３】
受信回路１３ｂは、整流回路２ｂと、対応して設けられた駆動トランジスタ５ｂとを有する。
【００３４】
なお、電源用の整流回路２０と、複数の整流回路２ａ、２ｂには、発生させる電圧の極性によりダイオード部の方向は異なるが、同じ構成の回路を適用することが可能であり、これらを総称して、単に「整流回路２」という場合がある。
【００３５】
整流回路２ａは、入力端子、出力端子、及び接地端子を有する。入力端子と出力端子との間に、入力コンデンサＣａとインダクタＬ１が直列に接続される。そして、入力コンデンサＣａとインダクタＬ１との間の中間ノードが、順方向のダイオードｄ１を介して接地端子に接続される。さらに、出力端子と接地端子との間に出力コンデンサＣ１が設けられている。整流回路２ｂ、２０、８２も整流回路２ａと同様の構成でよい。
【００３６】
第１受信回路１３ａの整流回路２ａでは、絶縁素子３ａを介して送信部１０から受けた第１ＰＷＭ制御信号Ｒ１１を整流し、電圧パルス信号として第１駆動トランジスタ５ａのゲートに出力する。整流回路２ａの接地端子は、駆動トランジスタ５ａのソースに接続され、駆動トランジスタ５ａのゲート−ソース間に抵抗素子４ａが設けられている。
【００３７】
同様に、第２受信回路１３ｂの整流回路２ｂでは、絶縁素子３ｂを介して送信部１０から受けた第２ＰＷＭ制御信号Ｒ１２を整流し、電圧パルス信号として駆動トランジスタ５ｂのゲートに出力する。整流回路２ｂの接地端子は、駆動トランジスタ５ｂのソースに接続され、駆動トランジスタ５ｂのゲート−ソース間に抵抗素子４ｂが設けられている。
【００３８】
本実施例においては、駆動トランジスタ５ａ、５ｂはともにＮチャネルのディプレション型ＦＥＴを用いているため、整流回路２ａ、２ｂは負電圧を生成する。
【００３９】
なお、言うまでもなく、一次側接地２００と二次側接地２０１は絶縁部１１により、互いに電気的に分離されている。
【００４０】
［１．２  フィードバック動作］
次に、本実施形態に係るゲート駆動回路１のフィードバック動作について、図２Ａ〜図４を参照しつつ具体的に説明する。図２Ａ〜図２Ｅは、第１実施形態の方向性結合器７０の結合端子Ｄ３に接続される回路素子の第１例〜第５例を示す図である。
【００４１】
ゲート駆動回路１が通常に動作している場合、回路素子８０は非導通状態であるが、二次側の異常状態Ｅ１１が異常検知部８３により検出されると、制御信号Ｃ１１により回路素子８０が導通状態となる。
【００４２】
本実施例において、図２Ａのように記載した回路素子８０は制御端子Ｖｃｔｌに制御信号を印加することで導通状態を変化させる素子であり、例えば図２Ｂのような制御信号でオンオフするスイッチ素子である。
【００４３】
より具体的には、図２Ｃのように、半導体ＦＥＴを用いたスイッチ回路であり、オンオフ間の信号変化を大きくするため、図２Ｄのように半導体ＦＥＴスイッチを直列接続する場合ある。
【００４４】
さらには、図２ＥのようなＳＰＤＴ(Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｏｌｅ−Ｄｏｕｂｌｅ−Ｔｈｒｏｗ）構成の半導体スイッチ構成もとりうる。５０３は制御信号を反転するインバータ反転回路である。５００は、非道通状態時に方向性結合器の終端インピーダンスを５０オームに設定する経路であるが、省略することもできる。５０２は直流カットした５０オーム抵抗である。また、５０１はオフ状態のアイソレーションを改善するシャントＳＷ部分であり、省略することもできる。
【００４５】
なお、図２Ａ〜図２Ｄに示した回路素子８０の構成例において、各スイッチ素子は、オンおよびオフするスイッチ動作に加えて、制御端子Ｖｃｔｌに入力される制御信号Ｃ１１に応じて、導通量を連続的に変化させてもよい。
【００４６】
また、図３Ａは、方向性結合器７０の動作説明図である。図３Ｂは、方向性結合器７０のＳパラメータ表記の通過特性を示す図である。方向性結合器は、図３Ａに示すように４端子の素子であり、主信号を伝送する主経路（入力端子Ｄ１−出力端子Ｄ２）と主経路の一部の電力を取り出す副経路(結合端子Ｄ３−アイソレーション端子Ｄ４)を有する。結合端子Ｄ３は入力端子Ｄ１に入射する電力の一部を取り出す端子であり、アイソレーション端子Ｄ４は出力端子Ｄ２で反射する電力の一部を取り出す端子である。
【００４７】
図３Ｂは、送信周波数２．４５ＧＨｚにおいて結合端子Ｄ３の終端インピーダンスを変化させた場合の方向性結合器のＳパラメータ表記での通過特性Ｓ２１、Ｓ３１、Ｓ４１のシミュレーション結果を示す。なお、この例では、結合端子Ｄ３以外の端子は５０オーム終端である。通常、方向性結合器は５０オーム系で設計され、結合端子Ｄ３が５０オームの場合、Ｓ３１は−１８ｄＢ程度に対し、Ｓ４１は−４０ｄＢ以下と良好な方向性を示している。結合端子Ｄ３の終端インピーダンスを例えば５００オームの場合、Ｓ２１やＳ３１の変化量は小さいが、Ｓ４１は−２０ｄＢと大きく変化し、アイソレーション端子Ｄ４の電力が増加する。
【００４８】
前述で説明したＳＰＤＴ構成の片側を省略することが可能であるのは、Ｓ２１やＳ３１特性に対し、Ｓ３１の結合端子Ｄ３の終端インピーダンス依存性が小さいためである。
【００４９】
また、Ｓ４１の結合端子Ｄ３の終端インピーダンス依存性が大きいことを利用したフィードバック方式も実現可能であるので、後述の第２実施形態で説明する。
【００５０】
図３Ｃは、方向性結合器の出力端子の反射係数を変化させたときの結合端子およびアイソレーション端子で観測される電力を示す図である。図３Ｃは、５０オーム系において、送信周波数２．４５ＧＨｚ、電力２７ｄＢｍの信号を方向性結合器の入力端子Ｄ１に入力し、出力端子Ｄ２の反射係数を変化させた場合の結合端子Ｄ３、アイソレーション端子Ｄ４で観測した電力の変化を表すシミュレーション結果である。
【００５１】
出力端子Ｄ２の反射係数変化に対し、結合端子Ｄ３の電力は殆ど変化しないが、アイソレーション端子Ｄ４で観測した電力は大きく変化している。
【００５２】
本実施例では、異常状態の検出前後において、回路素子８０の状態が変化した場合でも、前述のとおり方向性結合器のＳ２１特性や、送信部１０の増幅器５１の負荷インピーダンスは殆ど変化しないため、受信部１２に伝送される第１ＰＷＭ制御信号Ｓ１１もほとんど不変である。
【００５３】
さらに実際の動作においては、図１のゲート駆動回路１の負荷となる半導体スイッチング素子６０の駆動状態が変動すると、方向性結合器７０の出力端から半導体スイッチング素子６０側をみた反射係数が変化する場合がある。本実施例では、フィードバック信号として結合端子出力を用いているため、図３Ｃを用いて説明した通り、反射係数が変化してもフィードバック信号の強度は変化しないという利点を有する。
【００５４】
これに対し、本実施形態のスイッチング装置Ａでは、方向性結合器７０の主経路は電力伝送のみに用い、方向性結合器７０の結合端子出力を回路素子８０で伝送状態を変化させるため、二次側への電力伝送が劣化することが無く、送信部１０の増幅器５１の過電流やデバイス破壊を防止できるという利点がある。また、前述の通り、結合端子からの電力量は、出力端子の負荷変動に影響されないため、ゲート駆動回路１の負荷変動による異常状態の誤伝送も防止することが可能である。
【００５５】
図４は、第１実施形態のフィードバック動作の電力レベルの説明図である。図４は本実施例におけるゲート駆動回路のフィードバック動作における通常動作状態、異常検出状態での各ノードにおける電力のシミュレーション結果である。
【００５６】
一次側のノードＰ５において、１５ｄＢ程度と十分なオンオフ差が得られており、フィードバック動作としては問題ない上に、二次側の整流回路直前のノードＰ３においても、伝送電力量の変化はなく、二次側への十分な電力伝送が実現できる。
【００５７】
以上のように第１実施形態に係るゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子６０を駆動する絶縁型のゲート駆動回路１であって、半導体スイッチング素子６０のゲート駆動の基礎となる電力信号を生成する送信部１０と、電力信号を電気的に絶縁された状態で伝送する第１絶縁素子３と、第１絶縁素子３から出力される電力信号により、半導体スイッチング素子６０のゲート駆動を行う受信部１２と、受信部１２側で検出した状態を送信部１０側に伝達する伝達回路とを備え、伝達回路は、第１絶縁素子３上の電力信号を伝送する経路とは別の絶縁素子３ｃを用いて、電力信号の一部を分岐させることにより前記状態を伝達する。
【００５８】
これによれば、回路規模の増大を抑制し、回路構成の複雑さを低減し、送信経路の特性への影響を低減することができる。例えば、電力伝送、消費電流、破壊等の観点において送信部の特性に影響を与えることなく、また、二次側に異常状態を示す信号を変調する送信回路を用いることなく、電力信号を利用することにより、二次側の異常状態を一次側に安定して伝達できるゲート駆動回路を実現することができ、回路規模の増大を抑制し、回路構成の複雑さを低減することができる。
【００５９】
ここで、伝達回路は、受信部１２側において、電力信号の一部を分岐させてもよい。
【００６０】
ここで、伝達回路は、受信部１２側に、第１絶縁素子３から出力される電力信号の一部を分岐させる方向性結合器７０を有していてもよい。
【００６１】
ここで、方向性結合器７０は、電力信号の一部を出力する結合端子Ｄ３を有し、伝達回路は、結合端子Ｄ３に接続された回路素子８０を有し、回路素子８０の導通状態を、受信部１２側で検出した状態に応じて切り替えることにより、電力信号の一部の強度を変化させてもよい。
【００６２】
ここで、方向性結合器７０は、第１絶縁素子３から入力される電力信号を伝送するための主経路と、主経路に伝送される電力信号の一部を分岐させる副経路と、副経路の一端に接続された結合端子Ｄ３と、副経路の他端に接続されたアイソレーション端子Ｄ４とを有し、アイソレーション端子Ｄ４は、終端処理され、結合端子Ｄ３は、電力信号の一部を出力し、伝達回路は、結合端子Ｄ３に接続され、状態に応じて導通状態を切り替えることにより電力信号の一部の強度を変化させる、受信部１２側に設けられた終端素子８１と、他の絶縁経路の一部を構成し、結合端子Ｄ３から終端素子８１を介して入力される電力信号の一部を、受信部側から送信部側へ電気的に絶縁された状態で伝送する第２絶縁素子３ｃと、を有していてもよい。
【００６３】
これによれば、方向性結合器７０の主経路は電力伝送のみに用い、方向性結合器７０の結合端子Ｄ３からの出力強度を回路素子８０の導通状態によって変化させるため、二次側への電力伝送用の高周波信号Ｒ１３が劣化することが無く、送信部１０の増幅器５１の過電流やデバイス破壊を防止できるという利点がある。また、結合端子Ｄ３からの電力量は、出力端子Ｄ２の負荷変動に影響されないため、ゲート駆動回路１の負荷変動による異常状態の誤伝送も防止することが可能である。
【００６４】
ここで、ゲート駆動回路１において、電力信号の一部を整流することにより状態に応じた電圧をもつ信号を出力する整流回路８２を送信部側に備えてもよい。
【００６５】
これによれば、受信部側で検出された異常状態を、異常状態に応じた電圧をもつ信号として送信部側で検出することができる。
【００６６】
ここで、第１絶縁素子３は、電磁界共鳴結合素子であってもよい。
【００６７】
また、第１実施形態に係るスイッチング装置Ａは、上記のゲート駆動回路１と、ゲート駆動回路１で駆動される半導体スイッチング素子６０とを備える。
【００６８】
＜第２実施形態＞
第１実施形態では、受信部１２側に方向性結合器７０を備えるゲート駆動回路１の構成例について説明した。これに対して、第２実施形態では、送信部１０側に方向性結合器７０を備えるゲート駆動回路１の構成例について説明する。
【００６９】
［２．１  ゲート駆動回路の構成］
図５は、本実施形態のゲート駆動回路を含むスイッチング装置Ａの構成を示す概略図である。図５において、図１と共通（同一又は類似の機能を有する）の構成要素には、同じ符号を付している。以下の説明では、図１との相違点であるゲート駆動回路１について詳細に説明するものとし、図１との共通部分についての説明を省略する場合がある。
【００７０】
図５において、異常検知部８３、インピーダンス可変素子８４、絶縁素子３ｃ、方向性結合器７０および整流回路８２を含む回路部分は、受信部１２側で検出した異常状態を送信部１０側に伝達する伝達回路として設けられている。
【００７１】
方向性結合器７０は、電力信号を伝送して第１絶縁素子３に出力する主経路と、主経路に伝送される電力信号の一部を分岐させる副経路と、副経路の一端に接続され、電力信号の一部を出力するアイソレーション端子Ｄ４と、副経路の他端に接続された結合端子Ｄ３とを有する。
【００７２】
インピーダンス可変素子８４は、受信部１２側に設けられ、受信部側で検出した異常状態に応じてインピーダンスを変化させる。
【００７３】
絶縁素子３ｃは、送信部側の第１端子と、受信部側の第２端子とを有し、他の絶縁経路の一部を構成する。第１端子は、結合端子Ｄ３に接続され、第２端子は、インピーダンス可変素子８４に接続される。この絶縁素子３ｃは、フィードバック用である点で伝送方向が他の絶縁素子とは違い、受信部１２で検出された異常状態をインピーダンス変化として送信部１０にフィードバックする経路である。送信部１０に設けられた方向性結合器７０の結合端子Ｄ３の出力は、フィードバック用の絶縁素子３ｃに接続され、受信部１２側に設けられたインピーダンス可変素子８４に接続されている。
【００７４】
方向性結合器７０のアイソレーション端子Ｄ４は、整流回路８２に接続されている。整流回路８２は高周波電力信号であるフィードバック信号Ｒ１４を受けて、電圧に変換する回路である。
【００７５】
受信部１２に設けられた異常検知部８３は、二次側の異常状態Ｅ１１を検出し、制御信号Ｃ１１を生成する回路であり、その制御信号Ｃ１１によりインピーダンス可変素子８４のインピーダンス値を制御する。
【００７６】
［２．２  フィードバック動作］
次に、本実施形態に係るゲート駆動回路１のフィードバック動作について、図６Ａ〜図７を参照しつつ具体的に説明する。図６Ａ〜図６Ｅは、第２実施形態の方向性結合器７０の結合端子Ｄ３に接続されるインピーダンス可変素子８４の第１例〜第５例を示す図である。
【００７７】
ゲート駆動回路１が通常に動作している場合、インピーダンス可変素子８４は方向性結合器７０の方向性が良い状態、たとえば５０オームに設定される。
【００７８】
二次側の異常状態Ｅ１１が異常検知部８３により検出されると、制御信号Ｃ１１によりインピーダンス可変素子８４は、方向性結合器７０の方向性を劣化させる状態、例えば５００オームに設定される。先に図３Ｂを用いて説明したように、方向性結合器７０の結合端子Ｄ３の終端インピーダンスを変化させると、方向結合器のアイソレーション端子Ｄ４から出力される電力量が変化する。本実施例は、係る方向性結合器の特性を利用して絶縁素子３を介したインピーダンス終端条件の変化により、二次側から一次側への信号のやりとりを行うことを特徴とする。
【００７９】
本実施形態のスイッチング装置Ａでは、方向性結合器７０の主経路は電力伝送のみに用い、送信部１０に設けた方向性結合器７０の結合端子出力をインピーダンス可変素子８４で終端状態を変化させるため、二次側への電力伝送が劣化することが無く、送信部１０の増幅器５１の過電流やデバイス破壊を防止できるという利点がある。
【００８０】
なお、図６Ａ〜図６Ｅに示したインピーダンス可変素子８４の構成例において、制御端子Ｖｃｔｌに入力される制御信号Ｃ１１に応じて変化させるインピーダンス状態は、多値であってもよく、連続的に変化させてもよい。
【００８１】
なお、方向性結合器７０の方向性を変化させるためのインピーダンス可変素子８４の値としては、実抵抗である必要はなく、リアクタンス成分を含んでも良い。
【００８２】
図７は、第２実施形態のフィードバック動作の電力レベルの説明図である。図７は本実施例におけるゲート駆動回路のフィードバック動作における通常動作状態、異常検出状態での各ノードにおける電力のシミュレーション結果である。
【００８３】
一次側のノードＰ５において、２０ｄＢ程度と十分なオンオフ差が得られており、フィードバック動作としては問題ない上に、二次側の整流回路直前のノードＰ３においても、伝送電力量の変化はなく、二次側への十分な電力伝送が実現できる。
【００８４】
本実施形態は、第１実施形態のように受信部に用いる半導体チップにおいて、高周波で良好に動作するスイッチ素子や厚膜配線を使った方向性結合器を作成する必要がなく、より汎用的な安価な半導体プロセスを利用でき、ゲート駆動回路を構成する際のプロセス選択の自由度が増えるという利点がある。
【００８５】
以上のように第２実施形態に係るゲート駆動回路において、伝達回路は、送信部１０側に、第１絶縁素子３に入力される電力信号の一部を分岐させる方向性結合器７０を有する。
【００８６】
これによれば、例えば、方向性結合器７０を送信部１０に備え受信部１２には備えないので、例えば、受信部１２を半導体チップとして構成する場合に、厚膜配線を使った方向性結合器を作成する必要がなく、より汎用的な安価な半導体プロセスを利用でき、プロセス選択の自由度が増えるという利点がある。
【００８７】
ここで、方向性結合器７０は、電力信号を伝送して第１絶縁素子３に出力する主経路と、主経路に伝送される電力信号の一部を分岐させる副経路と、副経路の一端に接続され、電力信号の一部を出力するアイソレーション端子Ｄ４と、副経路の他端に接続された結合端子Ｄ３とを有し、伝達回路は、受信部１２側に設けられ、受信部１２側で検出した状態に応じてインピーダンスを変化させるインピーダンス可変素子８４と、送信部１０側の第１端子と、受信部１２側の第２端子とを有し、上記他の絶縁経路の一部を構成する第２絶縁素子３ｃとを備え、第１端子は、結合端子Ｄ３に接続され、第２端子は、インピーダンス可変素子８４に接続されてもよい。
【００８８】
＜第３実施形態＞
第３実施形態では、第１実施形態の図１における回路素子８０および終端素子８１の代わりに、インピーダンス可変素子８４を備える構成例について説明する。
【００８９】
［３．１  ゲート駆動回路の構成］
図８は、本実施形態のスイッチング装置Ａの構成を示す概略図である。図８において、図１と共通（同一又は類似の機能を有する）の構成要素には、同じ符号を付している。以下の説明では、図１との相違点であるゲート駆動回路１について詳細に説明するものとし、図１との共通部分についての説明を省略する場合がある。図８のゲート駆動回路１は、図１と比べて、方向性結合器７０の接続関係と、回路素子８０および終端素子８１の代わりにインピーダンス可変素子８４を備える点とが異なっている。
【００９０】
図８において、異常検知部８３、インピーダンス可変素子８４、方向性結合器７０、絶縁素子３ｃ、整流回路８２を含む回路部分は、受信部１２側で検出した異常状態を送信部１０側に伝達する伝達回路として設けられている。
【００９１】
方向性結合器７０は、第１絶縁素子３からの電力信号を伝送するための主経路と、主経路に伝送される電力信号の一部を分岐させる副経路と、副経路の一端に接続され、電力信号の一部を出力するアイソレーション端子Ｄ４と、副経路の他端に接続された結合端子Ｄ３とを有する。
【００９２】
インピーダンス可変素子８４は、結合端子Ｄ３に接続され、受信部１２側で検出した異常状態に応じてインピーダンスを変化させる。
【００９３】
絶縁素子３ｃは、絶縁素子３とは異なる他の絶縁経路の一部を構成し、アイソレーション端子Ｄ４から出力される電力信号の一部を、受信部１２側から送信部１０側へ電気的に絶縁された状態で伝送する。この絶縁素子３ｃは、フィードバック用であり、他の絶縁素子とは逆方向に受信部１２のフィードバック信号Ｒ１４を送信部１０にフィードバックする経路である。受信部に設けられた方向性結合器７０の結合端子Ｄ３の出力は、インピーダンス可変素子８４に接続されている。
【００９４】
方向性結合器７０のアイソレーション端子Ｄ４は、絶縁素子３ｃに接続されており、フィードバック素子３ｃの送信部側は、整流回路８２に接続され電圧として検出される。整流回路８２は高周波電力信号であるフィードバック信号Ｒ１４を受けて、電圧に変換する回路である。
【００９５】
受信部１２に設けられた異常検知部８３は、二次側の異常状態Ｅ１１を検出し、制御信号Ｃ１１を生成する回路であり、その制御信号Ｃ１１によりインピーダンス可変素子８４のインピーダンス値を制御する。
【００９６】
［３．２  フィードバック動作］
次に、本実施形態に係るゲート駆動回路１のフィードバック動作について、図６Ａ〜図７を参照しつつ具体的に説明する。
【００９７】
ゲート駆動回路１が通常に動作している場合、インピーダンス可変素子８４は方向性結合器７０の方向性が良い状態、たとえば５０オームに設定される。
【００９８】
二次側の異常状態Ｅ１１が異常検知部８３により検出されると、制御信号Ｃ１１によりインピーダンス可変素子８４は、方向性結合器７０の方向性を劣化させる状態、例えば５００オームに設定される。先に図３Ｂを用いて説明したように、方向性結合器７０の結合端子Ｄ３の終端インピーダンスを変化させると、方向結合器のアイソレーション端子Ｄ４から出力される電力量が変化する。本実施例は、係る方向性結合器の特性を利用して絶縁素子３を介したインピーダンス終端条件の変化により、二次側から一次側への信号のやりとりを行うことを特徴とする。
【００９９】
本実施形態のスイッチング装置Ａでは、方向性結合器７０の主経路は電力伝送のみに用い、送信部１０に設けた方向性結合器７０の結合端子出力をインピーダンス可変素子８４で終端状態を変化させるため、二次側への電力伝送用の高周波信号Ｒ１３が劣化することが無く、送信部１０の増幅器５１の過電流やデバイス破壊を防止できるという利点がある。
【０１００】
なお、本実施形態のインピーダンス可変素子８４において、制御端子Ｖｃｔｌに入力される制御信号Ｃ１１に応じて変化させるインピーダンス状態は、多値であってもよく、連続的に変化させてもよい。
【０１０１】
なお、方向性結合器７０の方向性を変化させるためのインピーダンス可変素子８４の値としては、実抵抗である必要はなく、リアクタンス成分を含んでも良い。
【０１０２】
本実施形態は、第１実施形態のように受信部に用いる半導体チップにおいて、高周波で良好に動作するスイッチ素子を作成する必要がなく、送信部に用いる半導体チップにおいても、厚膜配線を使った方向性結合器を作成する必要がないなど、より汎用的な安価な半導体プロセスを利用でき、ゲート駆動回路を構成する際のプロセス選択の自由度が増える利点がある。
【０１０３】
以上のように第３実施形態に係るゲート駆動回路において、方向性結合器７０は、結合端子Ｄ３と、電力信号の一部を出力するアイソレーション端子Ｄ４とを有し、伝達回路は、結合端子Ｄ３に接続されたインピーダンス可変素子８４を有し、インピーダンス可変素子８４のインピーダンスを、受信部１２側で検出した状態に応じて切り替えることにより、アイソレーション端子Ｄ４から出力される電力信号の一部の強度を変化させる。
【０１０４】
ここで、方向性結合器７０は、第１絶縁素子３からの電力信号を伝送するための主経路と、主経路に伝送される電力信号の一部を分岐させる副経路と、副経路の一端に接続され、電力信号の一部を出力するアイソレーション端子Ｄ４と、副経路の他端に接続された結合端子Ｄ３とを有し、伝達回路は、結合端子Ｄ３に接続され、受信部側で検出した状態に応じてインピーダンスを変化させるインピーダンス素子８４と、他の絶縁経路の一部を構成し、アイソレーション端子Ｄ４から出力される記電力信号の一部を、受信部１２側から送信部１０側へ電気的に絶縁された状態で伝送する第２絶縁素子３ｃと、を有していてもよい。
【０１０５】
＜第４実施形態＞
第４実施形態では、第１実施形態の構成に加えて、受信部１２側で異常状態を検知した場合に、受信部１２のゲート駆動を停止する構成例について説明する。
【０１０６】
［４．１  ゲート駆動回路の構成］
図９は、本実施形態のゲート駆動回路を含むスイッチング装置Ａの構成例を示す概略図である。図９において、図１と共通（同一又は類似の機能を有する）の構成要素には、同じ符号を付している。以下の説明では、図１との相違点であるゲート駆動回路１について詳細に説明するものとし、図１との共通部分についての説明を省略する場合がある。図９は、図１と比べて、ドライバ部８５が追加されている点と、インピーダンス可変素子８４がさらに異常を示す信号ｄｉｓを出力する点とが異なっている。以下、異なる点を中心に説明する。
【０１０７】
ドライバ部８５は、駆動トランジスタ５ｃ、５ｄを駆動する回路であり、ディスエーブル端子を有する。ディスエーブル端子に入力される信号ｄｉｓが異常を示す場合、ドライバ部８５は駆動トランジスタ５ｃ、５ｄの駆動を停止し、ディスエーブル端子に入力される信号ｄｉｓが異常を示さない場合、ドライバ部８５は駆動トランジスタ５ｃ、５ｄの駆動を停止しない。
【０１０８】
フィードバック用の絶縁素子３ｃは、他の絶縁素子とは逆方向に受信部１２のフィードバック信号Ｒ１４を送信部１０にフィードバックする経路である。方向性結合器７０の結合端子Ｄ３の出力には、回路素子８０が接続されており、その出力がフィードバック素子３ｃに接続されており、フィードバック素子３ｃの送信部側は、整流回路８２に接続され電圧として検出される。整流回路８２は高周波電力信号であるフィードバック信号Ｒ１４を受けて、電圧に変換する回路である。
【０１０９】
方向性結合器７０のアイソレーション端子Ｄ４は、終端素子８１で一定インピーダンス（例えば５０ｏｈｍ）に終端されている。
【０１１０】
増幅器５５は、ＰＷＭ電源１０１からのＰＷＭ電圧Ｖｍに応じて発振器５０の出力を振幅変調し、ＰＷＭ制御信号Ｒ１５として絶縁部１１に出力する。
【０１１１】
増幅器５５の構成は特に限定されないが、例えば、増幅器５５を構成するトランジスタのベースまたはゲートの電位を変化させてバイアス状態を変化させる方法や、トランジスタのコレクタやドレインに供給する電源を変化させる方法がある。また、アッテネータやＳＷを単体で、あるいは増幅器と組み合わせて減衰量を切り替えることにより、同様の機能を実現するようにしてもよい。
【０１１２】
整流回路２ｃでは、絶縁素子３ａを介して送信部１０から受けたＰＷＭ制御信号Ｒ１５を整流し、電圧パルス信号としてドライバ部８５に出力する。整流回路２ｃの接地端子は、二次側接地２０１に接続されている。本実施例においては、整流回路２ｃはドライバ部８５を駆動するため正電圧を発生する。
【０１１３】
ドライバ部８５は、駆動トランジスタ５ｃ、５ｄを駆動する回路であり、駆動トランジスタ５ｃ、５ｄは例えば高耐圧のＣＭＯＳトランジスタであり、５ｃにｐＭＯＳ、５ｄにｎＭＯＳを使用し、半導体スイッチング素子６０のゲートを駆動する。
【０１１４】
ゲート駆動回路１が通常に動作している場合、回路素子８０は非導通状態であるが、二次側の異常状態Ｅ１１が異常検知部８３により検出されると、制御信号Ｃ１１により回路素子８０が導通状態となり、一次側に異常状態を高周波電力信号でフィードバックするとともに、制御信号Ｃ１２によりドライバ部８５をオフ状態とし、半導体スイッチング素子６０をオフ状態とし、二次側での保護動作を行う。
【０１１５】
本実施形態は、第１実施形態に比べて絶縁素子の数が少なく構成でき、小型化を実現できるとともに、一次側への異常状態のフィードバックだけでなく、二次側の保護動作も同時に行うことが可能である。
【０１１６】
以上のように第４実施形態に係るゲート駆動回路は、受信部１２側で検知した状態に応じて、受信部１２のゲート駆動を停止する。
【０１１７】
これによれば、受信部１２側に異常状態が生じたときに、受信部１２の動作を停止するのでゲート駆動回路１を保護することができる。
【０１１８】
［４．２  変形例］
次に、ゲート駆動回路の変形例について説明する。
【０１１９】
図１１は、変形例におけるゲート駆動回路の構成を含むスイッチング装置を示すブロック図である。図１１のゲート駆動回路１は、方向性結合器７０が送信部１０側に設けられる点が、第２実施形態の図５と類似している。けれども、図１１のゲート駆動回路１は、図５と比べて、方向性結合器７０の接続関係と、第２絶縁素子３ｃを備えない点と、インピーダンス素子９００が追加された点とが異なっている。また、変形例のゲート駆動回路においても、半導体スイッチング素子６０のゲートを駆動する動作は、第１実施形態と同じであるが、フィードバックの動作は異なっている。以下、異なる点を中心に説明する。
【０１２０】
図１１において、異常検知部８３、インピーダンス素子９００、絶縁素子３、方向性結合器７０、終端素子８１および整流回路８２を含む回路部分を伝達回路として設けられている。
【０１２１】
方向性結合器７０は、電力信号を伝送して第１絶縁素子３に出力する主経路と、主経路に伝送される電力信号の一部を分岐させる副経路と、副経路の一端に接続され、電力信号の一部を出力するアイソレーション端子Ｄ４と、副経路の他端に接続され、終端処理された結合端子Ｄ３とを有する。
【０１２２】
インピーダンス素子９００は、受信部側で検出した異常状態に応じてインピーダンスを変化させ、受信部側で第１絶縁素子３に接続される。具体的には、受信部に設けられた異常検知部８３は、二次側の異常状態Ｅ１１を検出し、制御信号Ｃ１１を生成する回路であり、その制御信号Ｃ１１によりインピーダンス素子９００の状態を制御する。具体的には、インピーダンス素子９００は、通常動作時には高インピーダンスであり主経路の電力伝送に影響しないが、異常検出時は低インピーダンスとなる。
【０１２３】
このインピーダンス変化により送信部の方向性結合器７０の出力端子Ｄ２の反射係数が増大し、アイソレーション端子Ｄ４の出力が増大し、整流回路８２への入力電力が増大する。
【０１２４】
図１２Ａは、変形例におけるゲート駆動回路のフィードバック動作の電力レベル説明図である。図１２Ａは、フードバック動作において通常動作時と異常検出時における方向性結合器７０の出力端子Ｄ２から半導体スイッチング素子６０側をみた負荷インピーダンスの変化を示す。通常動作時は、インピーダンス素子９００が高インピーダンスとなり、反射係数は殆どゼロ(５０オーム系に殆ど影響しない)であるが、異常検出時には、インピーダンス素子が低インピーダンスとなり、反射係数が０．７程度まで増大している。
【０１２５】
この方式において、安定したフィードバックを行うためには、反射係数の変動を大きくし、整流回路８２への入力電力の差異を大きくする必要がある。ただし、電力伝送用の高周波信号Ｒ１３による二次側電源のための受信側への電力伝送量が減少するので、バランスをとる必要がある。
【０１２６】
図１２Ｂは、変形例のゲート駆動回路における通常動作状態、異常検出状態での各ノードにおける電力のシミュレーション結果である。
【０１２７】
一次側のノードＰ５において、１０ｄＢ程度と十分なオンオフ差が得られており、フィードバック動作としては問題ない。
【０１２８】
以上のように変形例に係るゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子６０を駆動する絶縁型のゲート駆動回路であって、半導体スイッチング素子６０のゲート駆動の基礎となる電力信号を生成する送信部１０と、電力信号を電気的に絶縁された状態で伝送する第１絶縁素子３と、第１絶縁素子３から出力される電力信号により、半導体スイッチング素子６０のゲート駆動を行う受信部１２と、受信部１２側で検出した状態を送信部側に伝達する伝達回路とを備え、伝達回路は、電力信号の一部を分岐させる方向性結合器７０を有し、電力信号の一部によって状態を伝達する。
【０１２９】
ここで、方向性結合器７０は、電力信号を伝送して第１絶縁素子３に出力する主経路と、主経路に伝送される電力信号の一部を分岐させる副経路と、副経路の一端に接続され、電力信号の一部を出力するアイソレーション端子Ｄ４と、副経路の他端に接続され、終端処理された結合端子Ｄ３とを有し、伝達回路は、受信部１２側で検出した状態に応じてインピーダンスを変化させ、受信部１２側で第１絶縁素子３に接続されたインピーダンス素子９００を備えてもよい。
【０１３０】
一つまたは複数の態様に係るゲート駆動回路１について、実施形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態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に施したものや、異なる実施の形態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。
【０１３１】
たとえば、上記第１〜第３実施形態において、ミキサー５２に代えて、発振器５０の出力を増幅する増幅器と、増幅器の出力を切り替えて第１及び第２ＰＷＭ制御信号Ｒ１１、Ｒ１２として絶縁部１１に出力するＳＰＤＴスイッチとを備える構成にしてもよい。
【０１３２】
上記第１〜第４実施形態において、方向性結合器７０は５０オーム設計としたが、挿入箇所に応じたインピーダンス設計、または半導体プロセスの層間膜で設計可能なインピーダンス設計としてもよく、それぞれのインピーダンスに応じて、アイソレーション端子を終端するとよい。
【０１３３】
また、半導体スイッチング素子６０の駆動状態に対する誤検出を防止するためには、方向性結合器７０は方向性の良いものが望ましいが、方向性が悪い方向性結合器や、ひいては方向性のない容量による疎結合を用いることも可能である。
【０１３４】
また、第１〜第４実施形態においては、異常検知部８３、インピーダンス可変素子８４は、一般的なゲート駆動回路の保護機能として用いられるＤＥＳＡＴ(スイッチング素子のDesaturation状態を検出)やＵＶＬＯ（Under Voltage Lock Out）などの方式での異常状態を検出し、電圧に変換する回路であり、比較器やバンドギャップレギュレータなど一般的なアナログ回路の組み合わせにより、容易に実現可能である。
【０１３５】
また、第１〜第４実施形態では、回路素子８０はオンオフの２値制御としたが、２次側での異なる異常状態を区別するため、あるいは、２次側で検出したアナログ信号そのものを１次側でモニタするために、多値制御や連続的なアナログ制御での二次側から一次側へのフィードバックも実現可能である。
【０１３６】
なお、第１〜第４実施形態における異常状態Ｅ１１は、異常な状態に限らず、正常な状態でもよいし、正常か異常かを直接的に示さない何らかの状態であってもよい。例えば、異常状態Ｅ１１は、受信部１２側で検出した状態として、電圧値または温度であってもよい。
【０１３７】
また、上記第１〜第４実施形態では、受信回路１３の整流回路２やフィードバック部の整流回路８２の構成として、シングルシャント型の回路を例示したがこれに限定されない。例えば、ダイオードのアノードとカソードを反対に接続することで正電圧を生成できるので、そのような構成の整流回路を適用するようにしてもよい。また、倍電圧型やブリッジ型などの、他の整流方式を適用してもよい。
【０１３８】
図１０Ａ〜図１０Ｅは、整流回路２の第１〜第５の構成例を示している。ここで整流回路２は、整流回路２０と、２ａ、２ｂ、８２の総称である。図１０Ａ〜図１０Ｅでは、すべての回路において、接地端子に対して負電位を生成する回路を例示している。なお、ダイオードの向きを反対にすることで、正電位を発生することができる。
【０１３９】
上記実施形態では、整流回路２の構成として、図１０Ａに示すシングルシャント型を用いているが、これに限定されない。例えば、図１０Ｂに示すシングルシリーズ型、図１０Ｃに示す倍電圧型、図１０Ｄに示す倍電流型、図１０Ｅに示すブリッジ型等の異なる回路トポロジーからなる整流回路を用いて構成することも可能である。
【０１４０】
また、ダイオード以外のＬ、Ｃ素子について、入力信号の周波数に対して、整流回路２で発生する電圧を最大化するために、図１０Ａ〜図１０Ｅで示した回路トポロジーに対し、新たに素子を付加する形態としてもよいし、逆に一部を削除する形態としてもよい。
【０１４１】
図１０Ｅのブリッジ型においては、シングルエンド型の信号入力の場合の回路を示しており、左下の容量素子は削除することができる。また、入力信号が差動信号となる場合は、接地接続部を差動信号入力端子のひとつとして使用するとよい。
【０１４２】
また、図１０Ａ〜図１０Ｅの例においては、各整流回路のトポロジーを集中定数素子で示したが、マイクロストリップライン等の分布定数素子を使い、同様の効果を得ることも可能である。
【０１４３】
また、上記第１〜第４実施形態では、絶縁素子３として、電磁界共鳴結合素子を用いる例を示したが、容量素子やトランス等を用いるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本開示にかかるゲート駆動回路は、インバータ、電力変換器やパワーシステム等に利用され得る。
【符号の説明】
【０１４５】
１  ゲート駆動回路
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２０  整流回路
３，３ａ，３ｂ，３ｃ  絶縁素子
５，５ａ，５ｂ  駆動トランジスタ
５ｃ  駆動トランジスタ（Ｐチャネル）
５ｄ  駆動トランジスタ（Ｎチャネル）
１０  送信部
１２  受信部
６０  半導体スイッチング素子
７０  方向性結合器
８２  整流回路（フィードバック用）
８３  異常検知部
８４  インピーダンス可変素子
８５  ドライバ部
１００  電源１
１０１  ＰＷＭ電源
１０２  電源２
２００  一次側接地
２０１  二次側接地
３００  ＦＬＴ端子
５００  ＳＰＤＴスイッチの片側経路
５０１  アイソレーションＳＷ
５０２  ５０オーム終端
５０３  インバータ反転回路
９００  インピーダンス素子
Ａ  スイッチング装置
Ｃ１１，Ｃ１２  制御信号
Ｄ１  入力端子
Ｄ２  出力端子
Ｄ３  結合端子
Ｄ４  アイソレーション端子
Ｅ１１  異常状態
Ｒ１１  第１ＰＷＭ制御信号（高周波電力信号）
Ｒ１２  第２ＰＷＭ制御信号（高周波電力信号）
Ｒ１３  電源用電力（高周波電力信号）
Ｒ１４  フィードバック信号（高周波電力信号）
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【国際調査報告】
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