JP2019054349A - ゲート駆動回路、および、パワースイッチングシステム - Google Patents

ゲート駆動回路、および、パワースイッチングシステム Download PDF

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Shuichi Nagai
秀一 永井
榎本　真悟
Shingo Enomoto
真悟 榎本
昇 根来
Noboru Negoro
昇 根来
康史 河井
Yasushi Kawai
康史 河井
成伯 崔
Seihaku Sai
成伯 崔
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Osamu Tabata
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Abstract

【課題】ゲート駆動回路について、ゲート抵抗を設けずに、スイッチング動作におけるスルーレートを調整可能にする。【解決手段】スイッチング素子１を制御するゲート駆動回路１００は、ゲート電圧源５と出力端子１０２との間に設けられた立ち上がりスイッチ１１と、出力端子１０２と出力グランド端子１０１との間に設けられた立ち下がりスイッチ１２と、立ち上がりスイッチ１１のゲート・ソース間に接続された立ち上がり抵抗１３と、立ち下がりスイッチ１２のゲート・ソース間に接続された立ち下がり抵抗１４とを備える。立ち上がり抵抗１３および立ち下がり抵抗１４のうち少なくともいずれか一方は、抵抗値が調整可能なように、構成されている。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路に関する。
電力をスイッチするインバータは、エアコン、洗濯機、冷蔵庫といった身近な電気機器、パワーコンディショナ等の産業用の電気機器、または、電気自動車等に、幅広く使用されている。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（以下、単に「スイッチング素子」ともいう。）と、これを駆動するためのゲート駆動回路とを備えている。スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの高耐圧のパワー半導体（パワーデバイス）が用いられる。ゲート駆動回路は、スイッチング素子のゲート端子にゲート電圧を印加することによって、そのオン／オフを制御する。
ここで、スイッチング素子は、典型的には、数十Ｖ〜数千Ｖという高電圧で動作する。これに対して、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から供給される。この場合、ゲート駆動回路は、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つつ、スイッチング素子へ駆動信号を供給する必要がある（これを非接触電力伝送という）。このため、ゲート駆動回路では、出力側と入力側との間に、絶縁信号伝送素子（あるいは非接触信号伝送素子）が設けられる。
例えば特許文献１では、このような絶縁信号伝送素子として、オープンリング型の電磁共鳴結合器を用いた電力伝送装置が提案されている。
特開２００８−６７０１２号公報
従来の構成では、ゲート駆動回路とスイッチング素子との間にゲート抵抗を設けて、このゲート抵抗によって、スイッチング動作におけるスルーレートの調整を行っていた。ところが、ゲート抵抗を設けることによって、次のような問題がある。
まず、ゲート抵抗を設けることによって、ゲート駆動回路とスイッチング素子との間に大きな電気的距離が生じてしまい、大きな寄生インダクタが存在することになる。このため、ゲート駆動信号にリンギングが発生してしまう。
また、ゲート抵抗を設けたことにより、いわゆるセルフターンオンが発生し、誤動作を起こしてしまうおそれがある。セルフターンオンを抑えるために、オフ時に負のゲート電圧を印加すると、立ち上がり時間や立ち下がり時間が長くなってしまい、また、大きな駆動電力を必要とする。
さらに、ゲート抵抗には大電流が流れるため、耐大電流の大きなサイズの抵抗を、ゲート抵抗として用いる必要があった。
本開示は、かかる点に鑑みてなされたもので、ゲート駆動回路について、ゲート抵抗を設けずに、スイッチング動作におけるスルーレートの調整を可能とすることを目的とする。
本開示の一態様に係る、スイッチング素子を制御するゲート駆動回路は、出力グランド端子と、前記スイッチング素子に与えるゲート駆動信号を出力する出力端子と、ゲート電圧源と前記出力端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち上がりスイッチと、前記出力端子と前記出力グランド端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち下がりスイッチと、前記立ち上がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち上がり抵抗と、前記立ち下がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち下がり抵抗とを備え、前記立ち上がり抵抗および前記立ち下がり抵抗のうち少なくともいずれか一方は、抵抗値が調整可能なように、構成されている。
本開示によって、ゲート駆動回路について、ゲート抵抗を設けずに、スイッチング動作におけるスルーレートの調整を可能とすることができる。
第１実施形態に係るゲート駆動回路を有するパワースイッチングシステムの構成 立ち上がり抵抗の抵抗値と立ち上がり時間および遅延時間との関係を示すグラフ 立ち上がり抵抗および立ち下がり抵抗の他の構成例 （ａ）〜（ｃ）は立ち下がり抵抗に容量素子が付された構成例 複数のトランジスタによって構成された立ち下がりスイッチの構成例 図１の構成の変形例 非接触電力伝送以外の構成におけるゲート駆動回路の構成例 第２実施形態に係るゲート駆動回路を有するパワースイッチングシステムの構成 第３実施形態に係るゲート駆動回路を有するパワースイッチングシステムの構成 実施形態に係るゲート駆動回路においてスルーレートを調整する方法を示すフローチャート
（概要）
本開示の第１態様に係る、スイッチング素子を制御するゲート駆動回路は、出力グランド端子と、前記スイッチング素子に与えるゲート駆動信号を出力する出力端子と、ゲート電圧源と前記出力端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち上がりスイッチと、前記出力端子と前記出力グランド端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち下がりスイッチと、前記立ち上がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち上がり抵抗と、前記立ち下がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち下がり抵抗とを備え、前記立ち上がり抵抗および前記立ち下がり抵抗のうち少なくともいずれか一方は、抵抗値が調整可能なように、構成されている。
これにより、ゲート駆動回路において、立ち上がり抵抗の抵抗値を調整することによって、ゲート駆動信号の立ち上がり時間を短くしたり長くしたりすることができる。また、立ち下がり抵抗の抵抗値を調整することによって、ゲート駆動信号の立ち下がり時間を短くしたり長くしたりすることができる。したがって、ゲート駆動回路とスイッチング素子との間にゲート抵抗を設けなくても、スイッチング素子のターンオンやターンオフにおけるスルーレートを調整することができる。
第１態様に係るゲート駆動回路において、前記立ち上がり抵抗および前記立ち下がり抵抗のうち少なくともいずれか一方は、可変抵抗を含む、としてもよい。
これにより、立ち上がり抵抗および立ち下がり抵抗のうち少なくともいずれか一方について、抵抗値が調整可能な構成とすることができる。
第１態様に係るゲート駆動回路において、前記立ち上がり抵抗および前記立ち下がり抵抗のうち少なくともいずれか一方は、外付け抵抗が付加可能なように、構成されている、としてもよい。
これにより、立ち上がり抵抗および立ち下がり抵抗のうち少なくともいずれか一方について、抵抗値が調整可能な構成とすることができる。また、外付け抵抗が付加される外部端子から、立ち上がりスイッチまたは立ち下がりスイッチのゲート電圧をモニタすることが可能になる。モニタしたゲート電圧を基にして、外付け抵抗を選択することができる。
第１態様に係るゲート駆動回路において、前記立ち上がり抵抗および前記立ち下がり抵抗のうち少なくともいずれか一方は、並列に容量素子が設けられている、としてもよい。
本開示の第２態様に係る、スイッチング素子を制御するゲート駆動回路であって、高周波信号であり、振幅が２値変調された第１信号および第２信号を送信するものであり、前記第１信号と前記第２信号は相補に変調されている、送信回路と、前記第１信号を絶縁伝送する第１結合器と、前記第２信号を絶縁伝送する第２結合器と、出力グランド端子と、前記スイッチング素子に与えるゲート駆動信号を出力する出力端子と、ゲート電圧源と前記出力端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち上がりスイッチと、前記出力端子と前記出力グランド端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち下がりスイッチと、前記立ち上がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち上がり抵抗と、前記立ち下がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち下がり抵抗と、前記第１結合器の出力を整流し、前記立ち上がりスイッチを駆動する電圧を出力する第１整流器と、前記第２結合器の出力を整流し、前記立ち下がりスイッチを駆動する電圧を出力する第２整流器とを備えており、前記第１結合器と前記第２結合器との間のクロストーク量を調整するクロストーク量調整手段が、設けられている。
これにより、ゲート駆動回路において、クロストーク量調整手段によって、第１結合器と第２結合器との間のクロストーク量を調整することによって、ゲート駆動信号の立ち上がり時間や立ち下がり時間を短くしたり長くしたりすることができる。したがって、ゲート駆動回路とスイッチング素子との間にゲート抵抗を設けなくても、スイッチング素子のターンオンやターンオフにおけるスルーレートを調整することができる。
本開示の第３態様に係る、スイッチング素子を制御するゲート駆動回路は、高周波信号であり、振幅が２値変調された第１信号および第２信号を送信するものであり、前記第１信号と前記第２信号は相補に変調されている、送信回路と、前記第１信号を絶縁伝送する第１結合器と、前記第２信号を絶縁伝送する第２結合器と、出力グランド端子と、前記スイッチング素子に与えるゲート駆動信号を出力する出力端子と、ゲート電圧源と前記出力端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち上がりスイッチと、前記出力端子と前記出力グランド端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち下がりスイッチと、前記立ち上がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち上がり抵抗と、前記立ち下がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち下がり抵抗と、前記第１結合器の出力を整流し、前記立ち上がりスイッチを駆動する電圧を出力する第１整流器と、前記第２結合器の出力を整流し、前記立ち下がりスイッチを駆動する電圧を出力する第２整流器とを備えており、前記送信回路は、前記第１および第２信号のうち少なくともいずれか一方について、２値の振幅のうち小さい方の振幅を、調整可能なように構成されている。
これにより、ゲート駆動回路において、送信回路が、第１信号の小さい方の振幅を調整することによって、ゲート駆動信号の立ち上がり時間を調整することができる。また、送信回路が、第２信号の小さい方の振幅を調整することによって、ゲート駆動信号の立ち下がり時間を調整することができる。したがって、ゲート駆動回路とスイッチング素子との間にゲート抵抗を設けなくても、送信回路の出力によって、スイッチング素子のターンオンやターンオフにおけるスルーレートを調整することができる。
第２または第３態様に係るゲート駆動回路において、前記第１および第２結合器は、電磁界共鳴結合器である、としてもよい。
また、本開示の一態様に係るパワースイッチングシステムは、スイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する第１〜第３態様のうちのいずれかのゲート駆動回路とを備え、前記ゲート駆動回路の前記出力端子は、前記スイッチング素子のゲートと、ゲート抵抗を介さずに、接続されている。
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。
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。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係るゲート駆動回路１００を含むパワースイッチングシステムの構成例を示す図である。図１の構成は、非接触電力伝送を行うものである。図１において、ゲート駆動回路１００は、パワーデバイスと呼ばれる高耐圧のスイッチング素子１のゲートにゲート電圧ＶＧ（ゲート駆動信号）を印加することによって、スイッチング素子１のオン／オフを制御する。ゲート駆動回路１００は、出力グランド端子１０１と、ゲート電圧ＶＧを出力する出力端子１０２と、ゲート電圧源端子１０３，１０４とを備える。出力端子１０２は、駆動するスイッチング素子１のゲートに接続され、出力グランド端子１０１はスイッチング素子１のソースに接続される。ゲート電圧源端子１０３，１０４に、ゲート電圧源となるコンデンサ５が接続されている。
図１の構成では、ゲート駆動回路１００とスイッチング素子１との間に、ゲート抵抗が設けられていない。すなわち、ゲート回路１００の出力端子１０２は、スイッチング素子１のゲートと、ゲート抵抗を介さずに、接続されている。
また、ゲート駆動回路１００は、立ち上がりスイッチ１１と、立ち下がりスイッチ１２と、第１、第２、第３整流回路２１，２２，２３と、送信回路１５０と、第１、第２、第３結合器１６１，１６２，１６３とを備える。
立ち上がりスイッチ１１および立ち下がりスイッチ１２は、ここでは、ノーマリーオン型のトランジスタによって構成されている。立ち上がりスイッチ１１は、ドレインがゲート電圧源端子１０３と接続され、ソースが出力端子１０２と接続されている。立ち下がりスイッチ１２は、ドレインが出力端子１０２と接続され、ソースが出力グランド端子１０１と接続されている。ノーマリーオン型のトランジスタは、ゲート電圧が０Ｖのときにドレイン・ソース間が低抵抗になってドレイン・ソース間に電流を流すものであり、これをオフするためには、ゲートに負電圧を供給する必要がある。なお、立ち上がりスイッチ１１および立ち下がりスイッチ１２は、ノーマリーオン型のトランジスタ以外のトランジスタであってもよい。
第１、第２、第３整流回路２１，２２，２３は、入力された高周波信号を整流し、整流した電力及び電圧を生成する回路である。第１整流回路２１は、立ち上がりスイッチ１１を駆動する電圧を出力し、第２整流回路２２は、立ち下がりスイッチ１２を駆動する電圧を出力する。ここでは、第１整流回路２１は、出力が立ち上がりスイッチ１１のゲートに接続され、入力端子１１１に高周波信号が入力されたとき、立ち上がりスイッチ１１をオフする負電圧を供給する。第２整流回路２２は、出力が立ち下がりスイッチ１２のゲートに接続され、入力端子１１２に高周波信号が入力されたとき、立ち下がりスイッチ１２をオフする負電圧を供給する。一方、第３整流回路２３は、出力がゲート電圧源端子１０３，１０４に接続されており、入力端子１１３に高周波信号が入力されたとき、ゲート電圧源端子１０３，１０４に接続されたコンデンサ５に電力を供給する。充電されたコンデンサ５が、ゲート電圧源となる。
ここでは、第１、第２、第３整流回路２１，２２，２３はそれぞれ、２個のコンデンサ、インダクタおよびダイオードからなるシングルシャント型整流回路としている。例えば、第１整流回路２１では、入力と出力との間に第１コンデンサとインダクタが直列に挿入されており、ダイオードは、アノードが第１コンデンサとインダクタとの間に接続され、カソードはグランドに接続されている。第２コンデンサは、インダクタの他端とグランドとの間に接続されている。第２整流回路２２は、第１整流回路２１と同一構成であり、第３整流回路２３は、ダイオードの向きが異なっている以外は第１整流回路２１と同一構成である。なお、第１、第２、第３整流回路２１，２２，２３は、シングルシャント型整流回路に限られるものではなく、その他の形式の倍電圧型、倍電流型、シングルシリーズ型等の整流回路であっても良い。
また、立ち上がりスイッチ１１のゲート・ソース間に立ち上がり抵抗１３が設けられており、立ち下がりスイッチ１２のゲート・ソース間に立ち下がり抵抗１４が設けられている。本開示では、立ち上がり抵抗１３及び立ち下がり抵抗１４は、抵抗値を調整可能なように構成されている。ここでは具体的には、立ち上がり抵抗１３及び立ち下がり抵抗１４は、可変抵抗を含むものとしている。
送信回路１５０は、高周波信号である第１、第２、第３信号Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を出力する。第１信号Ｓ１１と第２信号Ｓ１２はいずれも、オン状態とオフ状態との振幅変調（２値変調）がなされており、オン状態のとき高調波が出力され、オフ状態のとき高調波が出力されない。そして第１信号Ｓ１１と第２信号Ｓ１２は、オン／オフが相補の関係となっている。第３信号Ｓ１３は無変調連続波である。なお、ここでは、高周波信号の周波数は例えば２．４ＧＨｚであるものとする。ただし、他の周波数であっても良い。
第１、第２、第３結合器１６１，１６２，１６３は、高周波信号を伝達し、かつ、入力と出力が絶縁分離された伝送素子であり、例えば電磁界共鳴結合器によって実現される。第１、第２、第３結合器１６１，１６２，１６３は、入力と出力との間で直流成分の絶縁（信号グランドの絶縁）がなされている。耐圧は、例えば１ｋＶ以上である。第１信号Ｓ１１は、第１結合器１６１を介して、第１整流器２１に入力される。第２信号Ｓ１２は、第２結合器１６２を介して、第２整流器２２に入力される。第３信号Ｓ１３は、第３結合器１６３を介して、第３整流器２３に入力される。
第１整流器２１は、第１信号Ｓ１１がオン状態のとき、入力された高周波信号を整流することによって負電圧を出力する。第２整流器２２は、第２信号Ｓ１２がオン状態のとき、入力された高周波信号を整流することによって負電圧を出力する。第３整流器２３は、第３信号Ｓ１３の高周波信号を受けて正電圧を出力する。第３整流器２３から出力される正電圧は、コンデンサ５に与えられる。
（動作）
図１の構成の動作について説明する。第１整流回路２１は、第１信号Ｓ１１がオン状態のとき、立ち上がりスイッチ１１のゲートに負電圧を供給し、立ち上がりスイッチ１１をオフにする。このとき、第２信号Ｓ１２はオフ状態のため、第２整流回路２２は電力を出力しない。このため、立ち下がりスイッチ１２は、ゲートが立ち下がり抵抗１４によって短絡されているため、オン状態である。この状態では、出力端子１０２と出力グランド端子１０１とが立下がりスイッチ１２によって短絡されているため、ゲート駆動回路１００の出力はなく、スイッチング素子１をオフにする。また、このとき第３整流回路２３は、第３信号Ｓ１３を受け、ゲート電圧源端子１０３，１０４に正電圧を供給し、コンデンサ５に電力を蓄える。
次に、ゲート駆動回路１００がスイッチング素子１をオフからオンにする動作について説明する。
第２信号Ｓ１２がオン状態になり第２整流回路２２に高周波信号が入力されると、第２整流回路２２は負電圧を生成し、立ち下がりスイッチ１２は、ゲートに負電圧が印加されるためオフになる。このとき、第２整流回路２２で生成された電力は、立ち下がりスイッチ１２のゲートへのチャージと、立ち下がり抵抗１４に流れる電力として使用される。つまり、立ち下がり抵抗１４の値が小さいと（例えば数百Ω）、ほとんどの電力が立ち下がり抵抗１４で費やされ、立ち下がりスイッチ１２のゲートに電圧が印加されず、このため、立ち下がりスイッチ１２がオフするまでに長い時間を要する。一方、立ち下がり抵抗１４の値が大きいと（例えば数ｋΩ）、立ち下がり抵抗１４で費やされる電力は小さく、立ち下がりスイッチ１２は速やかにオフになる。
またこのとき、第１信号Ｓ１１はオフ状態であるので、第１整流回路２１は電力を出力しない。このため、立ち上がりスイッチ１１は、ゲートが立ち上がり抵抗１３を介して短絡されるため、オン状態すなわち電流を流す状態になる。このとき、立ち上がりスイッチ１１のゲート電荷は立ち上がり抵抗１３を介して消滅するが、立ち上がり抵抗１３が大きいと（例えば数ｋΩ）、立ち上がりスイッチ１１は、ゲート電荷がゆっくりと消滅するため、ゆっくりとオン状態になる。逆に、立ち上がり抵抗１３が小さいと（例えば数百Ω）、立ち上がりスイッチ１１は速やかにオン状態になり、電流を流す。
立ち上がりスイッチ１１がオン状態になると、立ち上がりスイッチ１１を介して、ゲート電圧源端子１０３，１０４に接続されたコンデンサ５から、スイッチング素子１のゲートにゲート電圧ＶＧが印加される。これにより、スイッチング素子１はオン状態となる。このとき、立ち上がりスイッチ１１を流れる電流は立ち上がり抵抗１３の抵抗値によって決まり、立ち上がりスイッチ１１を流れる電流は、スイッチング素子１をオンする速度、すなわち、ターンオン時間を決定する。このように、立ち上がり抵抗１３の抵抗値は、スイッチング素子１のターンオンにおけるスルーレートを決定する。
またこの際、立ち上がりスイッチ１１と立ち下がりスイッチ１２のオン／オフが切り替わるタイミングが重要であり、このタイミングはスイッチング動作のスルーレートにも影響する。例えば、立ち下がりスイッチ１２がオンからオフになる時間が遅いと、ゲート電圧源となるコンデンサ５の電力のかなりの部分が、スイッチング素子１の駆動に用いられずに、立ち下がりスイッチ１２を介して出力グランド端子１０１から消費されてしまう。
次に、ゲート駆動回路１００がスイッチング素子１をオンからオフにする動作について説明する。
第１信号Ｓ１１がオン状態になり第１整流回路２１に高周波信号が入力されると、第１整流回路２１は負電圧を生成し、立ち上がりスイッチ１１は、ゲートに負電圧が印加されるためオフ状態になる。このとき、立ち上がり抵抗１３の値が大きいと（例えば数ｋΩ）、立ち上がりスイッチ１１はゆっくりとオフ状態になり、逆に、立ち上がり抵抗１３の値が小さいと（例えば数百Ω）、立ち上がりスイッチ１１は速やかにオフ状態となる。
またこのとき、第２信号Ｓ１２がオン状態になり、第２整流回路２２は負電圧を生成しなくなる。これにより、立ち下がりスイッチ１２は、ゲートが立ち下がり抵抗１４を介して短絡され、オン状態になる。このとき、立ち下がり抵抗１４が大きいと（例えば数ｋΩ）、立ち下がりスイッチ１２はゆっくりとオン状態となり、逆に、立ち下がり抵抗１４が小さいと（例えば数百Ω）、立ち下がりスイッチ１２は速やかにオン状態となる。
これにより、出力グランド端子１０１と出力端子１０２とが短絡され、スイッチング素子１はオフ状態となる。このとき、立ち下がりスイッチ１２がゆっくりとオン状態となる場合は、立ち下がりスイッチ１２に小さな電流が流れ、スイッチング素子１は、ゲート電荷がゆっくりと消失するため、ゆっくりとオフになる。逆に立ち下がりスイッチ１２が速やかにオン状態になると、立ち下がりスイッチ１２に大きな電流が流れ、スイッチング素子１は高速にオフになる。このように、立ち下がりスイッチ１２に流れる電流は立ち下がり抵抗１４の値で決定される。そして、立ち下がりスイッチ１２に流れる電流は、スイッチング素子１に溜まっているゲート電荷を抜く速度を決めるため、スイッチング素子１のターンオフ時の時間、すなわち、スイッチング素子１のターンオフにおけるスルーレートを決定する。
図２は本願発明者らによって得られた測定データの例である。図２のグラフは、立ち上がり抵抗１３の抵抗値とスイッチング素子１の立ち上がり時間及び遅延時間との関係を示している。図２から分かるように、立ち上がり抵抗１３の抵抗値を調整することによって、スイッチング素子１の立ち上がり時間を短くして、ターンオン時のスルーレートを高くしたり、一方で、立ち上がり時間を長くして、ターンオン時のスルーレートを低くしたりすることができる。同様に、立ち上がり抵抗１３の抵抗値を調整することによって、遅延時間も調整することができる。ここでの遅延時間は、ゲート駆動回路１００に入力される入力信号が、ゲート駆動回路１００から出力信号として出力されるまでの時間である。
以上のように本実施形態によると、ゲート駆動回路１００において、立ち上がりスイッチ１１のゲート・ソース間に設けられた立ち上がり抵抗１３、および、立ち下がりスイッチ１２のゲート・ソース間に設けられた立ち下がり抵抗１４について、抵抗値を調整可能なようにしている。これにより、スイッチング素子１に与えるゲート駆動信号ＶＧの立ち上がり時間や立ち下がり時間を、短くしたり長くしたりすることができる。したがって、従来の構成ではゲート駆動回路とスイッチング素子との間に設けていたゲート抵抗を設けることなく、スイッチング素子１のターンオン及びターンオフにおけるスルーレートを調整することができる。
なお、図１の構成では、立ち上がり抵抗１３および立ち下がり抵抗１４の両方について、抵抗値が調整可能な構成としているが、立ち上がり抵抗１３および立ち下がり抵抗１４のいずれか一方について、抵抗値が調整可能な構成としてもよい。立ち上がり抵抗１３の抵抗値が調整可能な場合には、スイッチング素子１のターンオンのスルーレートを調整することができる。また、立ち上がり抵抗１４の抵抗値が調整可能な場合には、スイッチング素子１のターンオフのスルーレートを調整することができる。
（変形例）
（その１）
図３は立ち上がり抵抗および立ち下がり抵抗の他の構成例である。図３の構成では、立ち下がり抵抗１４は、抵抗値を調整可能とするための構成が図１と異なっている。すなわち、図３の構成では、立ち下がりスイッチ１２のゲート・ソース間に、直列に接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２が設けられている。そして、抵抗Ｒ１，Ｒ２の間の接続端と出力グランド端子１０１との間に外付け抵抗ＲＡが接続可能なように、外部端子１２１，１２２が設けられている。この構成により、立ち下がり抵抗１４の抵抗値は、抵抗Ｒ１，Ｒ２と外付け抵抗ＲＡとの合成抵抗の抵抗値になる。すなわち、外付け抵抗ＲＡの選択によって、立ち下がり抵抗１４の抵抗値を調整することができる。
なお、図３の構成のように、外付け抵抗ＲＡを接続するための外部端子１２１，１２２が設けられている場合には、この外部端子１２１，１２２から、立ち下がりスイッチ１２のゲート電圧をモニタすることができる。モニタしたゲート電圧を基にして、外付け抵抗ＲＡを選択することができるし、抵抗ＲＡの値を随時変更することができる。
なお、図３の構成では、立ち上がり抵抗１３は固定抵抗としている。ただし、立ち上がり抵抗１３についても、抵抗値を調整可能な構成としてもよい。この場合、図１のように可変抵抗を含む構成としてもよいし、図３の立ち下がり抵抗１４と同様に、外付け抵抗の選択によって抵抗値を調整可能な構成としてもよい。
（その２）
立ち上がり抵抗１３または立ち下がり抵抗１４と並列に、容量素子が設けられていてもよい。図４は立ち下がり抵抗１４に並列に容量素子が接続された構成の例である。図４（ａ）では、立ち下がり抵抗１４と並列に、容量値が固定である容量素子Ｃ１が設けられている。図４（ｂ）では、立ち下がり抵抗１４と並列に、容量値が可変である容量素子Ｃ２が設けられている。図４（ｃ）では、図３の立ち下がり抵抗１４において、外付け抵抗ＲＡと並列に、容量ＣＡが設けられている。図４（ｂ），（ｃ）の構成では、立ち下がり抵抗１４の抵抗値に加えて、容量値も調整することができる。
（その３）
立ち上がりスイッチ１１または立ち下がりスイッチ１２は、直列に接続された複数のトランジスタによって構成されていてもよい。図５は立ち下がりスイッチ１２の他の構成例である。図５では、立ち下がりスイッチ１２は２段に縦積みされたトランジスタ１２１，１２２によって構成されている。そして、トランジスタ１２１のゲート・ソース間に固定抵抗１４１が設けられ、トランジスタ１２２のゲート・ソース間に可変抵抗１４２が設けられている。このように、複数のトランジスタで構成されたスイッチでは、一部のトランジスタについて、ゲート・ソース間に設けられた抵抗の抵抗値を調整可能な構成としてもよい。
（その４）
図６は図１の構成の変形例である。図６の構成では、送信回路１５０Ａは第３信号Ｓ１３を出力せず、また、ゲート駆動回路１００Ａから第３結合器１６３が省かれている。そして、ゲート駆動回路１００Ａは、第３整流回路２３に代えて、整流器２３ａ，２３ｂを備えている。整流器２３ａは、入力端子１１３ａに第１結合器１６１の出力を受け、第１信号Ｓ１１がオン状態のとき、入力された高周波信号を整流することによって、正電圧を出力する。整流器２３ｂは、入力端子１１３ｂに第２結合器１６２の出力を受け、第２信号Ｓ１２がオン状態のとき、入力された高周波信号を整流することによって、正電圧を出力する。整流器２３ａ，２３ｂから出力される正電圧は、コンデンサ５に与えられる。図６の構成でも、図１の構成と同様の作用効果が得られる。
（その５）
上述の実施形態では、非接触電力伝送を行う構成を例にとって説明を行ったが、それ以外の構成であっても、本開示は適用可能である。
図７は非接触電力伝送以外の構成におけるゲート駆動回路の構成例である。図７のゲート駆動回路２００は、スイッチング素子２のゲートにゲート電圧を印加することによって、スイッチング素子２のオン／オフを制御する。ゲート駆動回路２００は、出力グランド端子２０１と、ゲート電圧を出力する出力端子２０２とを備える。出力端子２０２は、駆動するスイッチング素子２のゲートに接続され、出力グランド端子２０１はスイッチング素子２のソースに接続される。ゲート駆動回路２００とスイッチング素子２との間に、ゲート抵抗は設けられていない。
また、ゲート駆動回路２００は、立ち上がりスイッチ２１１と、立ち下がりスイッチ２１２と、第１、第２駆動回路２２１，２２２とを備える。立ち上がりスイッチ２１１は、ドレインがゲート電圧源２１５と接続され、ソースが出力端子２０２と接続されている。立ち下がりスイッチ２１２は、ドレインが出力端子２０２と接続され、ソースが出力グランド端子２０１と接続されている。第１駆動回路２２１は、出力が立ち上りスイッチ２１１のゲートに接続され、入力として立ち上り信号Ｓ２１を受ける。第２駆動回路２２２は、出力が立ち下がりスイッチ２１２のゲートに接続され、入力として立ち下がり信号Ｓ２２を受ける。
そして、立ち上がりスイッチ２１１のゲート・ソース間に立ち上がり抵抗２１３が設けられており、立ち下がりスイッチ２１２のゲート・ソース間に立ち下がり抵抗２１４が設けられている。ここで、上の実施形態と同様に、立ち上がり抵抗２１３及び立ち下がり抵抗２１４は、抵抗値を調整可能なように構成されている。ここでは具体的には、立ち上がり抵抗２１３及び立ち下がり抵抗２１４は、可変抵抗を含む。
図７のような構成でも、上の実施形態と同様の作用効果が得られる。すなわち、立ち上がり抵抗２１３や立ち下がり抵抗２１４の抵抗値を調整することによって、スイッチング素子２に与えるゲート電圧の立ち上がり時間や立ち下がり時間を、短くしたり長くしたりすることができる。したがって、従来の構成ではゲート駆動回路とスイッチング素子との間に設けていたゲート抵抗を設けることなく、スイッチング素子２のターンオン及びターンオフのスルーレートを調整することができる。
（第２実施形態）
図８は第２実施形態に係るゲート駆動回路を含むパワースイッチングシステムの構成例を示す図である。図８の構成は、図１の構成とほぼ同様であり、共通の構成要素には図１と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する場合がある。
図８のゲート駆動回路１００Ｂでは、第１結合器１６１と第２結合器１６２の間のクロストーク量を調整するクロストーク量調整手段５０が設けられている。クロストーク量調整手段５０によって、第１結合器１６１と第２結合器１６２の間のクロストーク量、言い換えると、第１結合器１６１による信号伝達と第２結合器１６２による信号伝達との間のアイソレーションの度合いが調整可能になっている。クロストーク量調整手段５０は、例えば、容量素子や、反射板等によって、実現される。
この構成により、第１結合器１６１の出力は、大部分は第１整流回路２１に入力されるが、クロストーク調整手段５０によって調整されたクロストーク量に応じて、その一部が第２整流回路２２に入力される。一方、第２結合器１６２の出力は、大部分は第２整流回路２２に入力されるが、クロストーク調整手段５０によって調整されたクロストーク量に応じて、その一部が第１整流回路２１に入力される。
第１信号Ｓ１１がオフであり立ち上がりスイッチ１１がオン状態のとき、クロストーク量に応じた電力によって、立ち上がりスイッチ１１のゲートにわずかな電力が供給される。このため、立ち上がりスイッチ１１のオン抵抗が高くなるので、立ち上がりスイッチ１１を流れる電流が、通常のオン状態よりも小さくなる。同様に、第２信号Ｓ１２がオフであり立ち下がりスイッチ１２がオン状態のとき、クロストーク量に応じた電力によって、立ち下がりスイッチ１２のゲートにわずかな電力が供給される。このため、立ち下がりスイッチ１２のオン抵抗が高くなるので、立ち下がりスイッチ１２を流れる電流が、通常のオン状態よりも小さくなる。
したがって、クロストーク調整手段５０によって第１結合器１６１と第２結合器１６２との間のクロストーク量を調整することによって、スイッチング素子１に与えるゲート電圧ＶＧの立ち上がり時間や立ち下がり時間を調整することができる。すなわち、クロストーク調整手段５０によって、スイッチング素子１のターンオンやターンオフにおけるスルーレートを調整することができる。
なお、本実施形態では、立ち上がり抵抗１３および立ち下がり抵抗１４は、抵抗値が調整可能な構成を有していなくてもかまわない。
（第３実施形態）
図９は第３実施形態に係るゲート駆動回路を含むパワースイッチングシステムの構成例を示す図である。図９の構成は、図１の構成とほぼ同様であり、共通の構成要素には図１と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する場合がある。
図９のゲート回路１００Ｃでは、送信回路１５０は、第１信号Ｓ１１Ａとして、オフ時に小さな振幅Ａ１１の高周波信号を出力する。また、第２信号Ｓ１２Ａとして、オフ時に小さな振幅Ａ１２の高周波信号を出力する。
このような第１信号Ｓ１１Ａによって、第１信号Ｓ１１Ａがオフであり立ち上がりスイッチ１１がオン状態のとき、立ち上がりスイッチ１１のゲートにわずかな電力が供給される。このため、立ち上がりスイッチ１１のオン抵抗が高くなるので、立ち上がりスイッチ１１を流れる電流が、通常のオン状態よりも小さくなる。同様に、このような第２信号Ｓ１２Ａによって、第２信号Ｓ１２Ａがオフであり立ち下がりスイッチ１２がオン状態のとき、立ち下がりスイッチ１２のゲートにわずかな電力が供給される。このため、立ち下がりスイッチ１２のオン抵抗が高くなるので、立ち下がりスイッチ１２を流れる電流が、通常のオン状態よりも小さくなる。
したがって、送信回路１５０が、第１信号Ｓ１１Ａにおける振幅Ａ１１および第２信号Ｓ１１Ｂにおける振幅Ａ１２を調整することによって、スイッチング素子１に与えるゲート電圧ＶＧの立ち上がり時間や立ち下がり時間を調整することができる。すなわち、送信回路１５０の出力によって、スイッチング素子１のターンオンやターンオフにおけるスルーレートを調整することができる。
なお、本実施形態では、送信回路１５０は、第１信号Ｓ１１Ａおよび第２信号Ｓ１１Ｂの両方について、オフ時の振幅を調整するものとしたが、第１信号Ｓ１１Ａおよび第２信号Ｓ１１Ｂのいずれか一方について、オフ時の振幅を調整するものとしてもよい。また、立ち上がり抵抗１３および立ち下がり抵抗１４は、抵抗値が調整可能な構成を有していなくてもかまわない。
図１０は上述した各実施形態に係るゲート駆動回路を用いた構成において、スイッチング素子のスイッチング動作におけるスルーレートを調整する方法を示すフローチャートである。まず、所定の装置、例えば車両等に、ゲート駆動回路を設置する（Ｓ１１）。そして、ゲート駆動回路を動作させて（Ｓ１２）、スイッチング素子のスイッチング波形を確認する（Ｓ１３）。スイッチング動作におけるスルーレートが所定の条件を満たしているときは（Ｓ１４でＹＥＳ）、処理を終了する。一方、スルーレートが所定の条件を満たしていないときは（Ｓ１４でＮＯ）、第１実施形態に係るゲート駆動回路であれば、立ち上がり抵抗１３や立ち下がり抵抗１４の抵抗値を調整する（Ｓ１５）。そして、再度、ゲート駆動回路を動作させて、スイッチング素子のスイッチング波形を確認する（Ｓ１２，Ｓ１３）。
なお、ステップＳ１５では、第２実施形態に係るゲート駆動回路であれば、クロストーク量調整手段５０によってクロストーク量を調整すればよい。また、第３実施形態に係るゲート駆動回路であれば、送信回路１５０の出力における振幅Ａ１１および振幅Ａ１２を調整すればよい。
本発明に係るゲート駆動回路は、ゲート抵抗を設けずに、スイッチング動作におけるスルーレートの調整が可能となるので、例えば、パワースイッチングシステムの小型化に有用である。
１，２ スイッチング素子
５ キャパシタ（ゲート電圧源）
１１ 立ち上がりスイッチ
１２ 立ち下がりスイッチ
１３ 立ち上がり抵抗
１４ 立ち下がり抵抗
２１ 第１整流器
２２ 第２整流器
５０ クロストーク量調整手段
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ ゲート駆動回路
１０１ 出力グランド端子
１０２ 出力端子
１５０，１５０Ａ 送信回路
１６１ 第１結合器
１６２ 第２結合器
２００ ゲート駆動回路
２０１ 出力グランド端子
２０２ 出力端子
２１１ 立ち上がりスイッチ
２１２ 立ち下がりスイッチ
２１３ 立ち上がり抵抗
２１４ 立ち下がり抵抗
Ａ１１，Ａ１２ 振幅
ＲＡ 外付け抵抗
Ｓ１１，Ｓ１１Ａ 第１信号
Ｓ１２，Ｓ１２Ａ 第２信号
ＶＧ ゲート駆動信号

Claims (8)

  1. スイッチング素子を制御するゲート駆動回路であって、
    出力グランド端子と、
    前記スイッチング素子に与えるゲート駆動信号を出力する出力端子と、
    ゲート電圧源と前記出力端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち上がりスイッチと、
    前記出力端子と前記出力グランド端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち下がりスイッチと、
    前記立ち上がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち上がり抵抗と、
    前記立ち下がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち下がり抵抗とを備え、
    前記立ち上がり抵抗および前記立ち下がり抵抗のうち少なくともいずれか一方は、抵抗値が調整可能なように、構成されている
    ことを特徴とするゲート駆動回路。
  2. 請求項１記載のゲート駆動回路において、
    前記立ち上がり抵抗および前記立ち下がり抵抗のうち少なくともいずれか一方は、可変抵抗を含む
    ことを特徴とするゲート駆動回路。
  3. 請求項１記載のゲート駆動回路において、
    前記立ち上がり抵抗および前記立ち下がり抵抗のうち少なくともいずれか一方は、外付け抵抗が付加可能なように、構成されている
    ことを特徴とするゲート駆動回路。
  4. 請求項１のゲート駆動回路において、
    前記立ち上がり抵抗および前記立ち下がり抵抗のうち少なくともいずれか一方は、並列に、容量素子が設けられている
    ことを特徴とするゲート駆動回路。
  5. スイッチング素子を制御するゲート駆動回路であって、
    高周波信号であり、振幅が２値変調された第１信号および第２信号を送信するものであり、前記第１信号と前記第２信号は相補に変調されている、送信回路と、
    前記第１信号を絶縁伝送する第１結合器と、
    前記第２信号を絶縁伝送する第２結合器と、
    出力グランド端子と、
    前記スイッチング素子に与えるゲート駆動信号を出力する出力端子と、
    ゲート電圧源と前記出力端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち上がりスイッチと、
    前記出力端子と前記出力グランド端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち下がりスイッチと、
    前記立ち上がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち上がり抵抗と、
    前記立ち下がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち下がり抵抗と、
    前記第１結合器の出力を整流し、前記立ち上がりスイッチを駆動する電圧を出力する第１整流器と、
    前記第２結合器の出力を整流し、前記立ち下がりスイッチを駆動する電圧を出力する第２整流器とを備えており、
    前記第１結合器と前記第２結合器との間のクロストーク量を調整するクロストーク量調整手段が、設けられている
    ことを特徴とするゲート駆動回路。
  6. スイッチング素子を制御するゲート駆動回路であって、
    高周波信号であり、振幅が２値変調された第１信号および第２信号を送信するものであり、前記第１信号と前記第２信号は相補に変調されている、送信回路と、
    前記第１信号を絶縁伝送する第１結合器と、
    前記第２信号を絶縁伝送する第２結合器と、
    出力グランド端子と、
    前記スイッチング素子に与えるゲート駆動信号を出力する出力端子と、
    ゲート電圧源と前記出力端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち上がりスイッチと、
    前記出力端子と前記出力グランド端子との間に設けられ、１つまたは複数のトランジスタを含む立ち下がりスイッチと、
    前記立ち上がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち上がり抵抗と、
    前記立ち下がりスイッチに含まれるトランジスタのゲート・ソース間に設けられた、立ち下がり抵抗と、
    前記第１結合器の出力を整流し、前記立ち上がりスイッチを駆動する電圧を出力する第１整流器と、
    前記第２結合器の出力を整流し、前記立ち下がりスイッチを駆動する電圧を出力する第２整流器とを備えており、
    前記送信回路は、前記第１および第２信号のうち少なくともいずれか一方について、２値の振幅のうち小さい方の振幅を、調整可能なように構成されている
    ことを特徴とするゲート駆動回路。
  7. 請求項５または６記載のゲート駆動回路において、
    前記第１および第２結合器は、電磁界共鳴結合器である
    ことを特徴とするゲート駆動回路。
  8. スイッチング素子と、
    前記スイッチング素子を制御する、請求項１〜７のうちいずれか１項記載のゲート駆動回路とを備え、
    前記ゲート駆動回路の前記出力端子は、前記スイッチング素子のゲートと、ゲート抵抗を介さずに、接続されている
    ことを特徴とするパワースイッチングシステム。
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