JP4893819B2 - 双方向スイッチ - Google Patents

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本発明は、双方向に電流をオン・オフすることができる双方向スイッチに関し、特に、双方向の過電圧を簡単な追加回路で抑制する技術に関する。
電力用半導体スイッチのスイッチングを利用して、交流電力又は直流電力をレベルの異なる交流電力又は直流電力に変換する電力変換装置は、例えば、無停電電源装置やモーター用インバータ、通信用直流電源などに利用される。
一般に、電力用半導体スイッチは過電圧に弱く、サージ電圧などで一瞬でも端子に耐圧を越える過電圧が重畳すると、電力用半導体スイッチは破壊する。この過電圧を防止する手段として、半導体スイッチのドレインとゲートとの間に、定電圧ダイオードと抵抗とを直列に接続した直列回路を接続する方法がある。
図2は従来の半導体スイッチの一例を示す回路構成図である(特許文献1)。図2に示す半導体スイッチは、過電圧保護回路を付加した電力用半導体スイッチである。図2において、FETQ1のドレインとソースとは、端子11,12を介して図示しない主回路に接続されている。FETQ1のドレインにはダイオード17のアノードが接続され、ダイオード17のカソードは、抵抗16を介して定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)15のカソードに接続されている。定電圧ダイオード15の降伏電圧は、FETQ1の耐圧よりも低い。
定電圧ダイオード15のアノードはFETQ1のゲートと抵抗14の一端とに接続されている。ゲート信号部13は、抵抗14の他端とFETQ1のソースとに接続されている。ダイオード17と抵抗16と定電圧ダイオード15との直列回路は、FETQ1のドレイン−ゲートとの間に接続され、過電圧保護回路を構成する。
ゲート信号部13は、図示しない制御回路からのオン信号によりFETQ1がオンして、端子12に陽極電圧が出力され、制御回路からのオフ信号によりFETQ1がオフして、端子12に陰極電圧が出力される。
次に、FETQ1のドレイン−ソース間に過電圧が発生したときの動作を説明する。
まず、ゲート信号部13が、陰極電圧を抵抗14を介してFETQ1のゲートに印加すると、FETQ1はオフし、FETQ1のドレインの電位が上昇する。そして、FETQ1のドレイン−ゲート間の電圧が定電圧ダイオード15の降伏電圧よりも高くなると、FETQ1のドレインからダイオード17、抵抗16、定電圧ダイオード15を介してゲート信号部13に電流が流れる。この電流によってFETQ1のゲートの電位が上昇する。
FETQ1のゲートの電位の上昇により、ゲート−ソース間電圧がFETQ1のゲートしきい値電圧以上になると、FETQ1がオンして、ドレイン−ソース間に電流が流れ、ドレイン電位が下降する。この通電によってFETQ1のドレイン−ソース間の過電圧を防止することができる。
また、従来の技術として、交流信号をオン/オフ制御させる交流スイッチ(双方向スイッチ)が知られている(特許文献2)。この交流スイッチは炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)等の化合物半導体からなり、図3に示すように、端子11と端子12との両端に、ノーマリオンFETQ2が接続され、主電極21と主電極22とゲートGとで構成されている。ノーマリオンFETQ2は、ドレインとソースとが対称に形成されているので、端子11と端子12との内の電位の高い端子に接続された主電極21又は主電極22がドレインになり、電位の低い端子に接続された他方の主電極がソースとなる。
ゲート信号部13の一端は、FETQ2のゲートに接続され、FETQ2の主電極21にはダイオードD1のカソードが接続され、FETQ2の主電極22にはダイオードD2のカソードが接続されている。ダイオードD1のアノードとダイオードD2のアノードとはゲート信号部13の他端に接続されている。
このように構成された交流スイッチによれば、端子11及び端子12間に交流信号が入力されると、端子11の電位が高く端子12の電位が低い場合には、FETQ2の主電極21がドレインとなり、主電極22がソースとなる。ソースである主電極22の電位に対してゲートを高い電位又は零電位とするゲート信号が入力されると、FETQ2がオンし、ダイオードD2がオンする。また、ダイオードD1は逆バイアスとなるので、オフとなる。
次に、端子12の電位が高く端子11の電位が低い場合には、FETQ2の主電極21がソースとなり、主電極22がドレインとなる。ソースである主電極21の電位に対してゲートを高い電位又は零電位とするゲート信号が入力されると、FETQ2がオンし、ダイオードD1がオンする。また、ダイオードD2は逆バイアスとなるので、オフとなる。
さらに、端子11の電位が高く端子12の電位が低い場合、及び端子12の電位が高く端子11の電位が低い場合でも、ソースとなる主電極の電位に対してゲートを低い電位とするゲート信号が入力されると、FETQ2はオフする。
また、従来の技術として、例えば、特許文献3に記載された半導体スイッチが知られている。
特許第3879626号公報 特許第4123274号公報 特許第3529238号公報
しかしながら、図3に示す交流スイッチやGaN,SiCなどのワイドバンドギャップ半導体を用いたGaNによる高電子移動度トランジスタ(HEMT;High Electron Mobility Transistor)からなる双方向スイッチにあっては、過電圧に対する耐圧が小さい。この双方向スイッチの場合には、双方向に過電圧がかかるため、図2に示す過電圧保護回路を2つ設けなければならず、過電圧保護回路が複雑化していた。
本発明は、簡単な回路で、双方向の過電圧を緩和できる双方向スイッチを提供することにある。
前記課題を解決するために、請求項1の発明は、ドレインとソースとゲートとを有し、前記ドレインと前記ソースとの電位の低い主電極を仮想ソースとし前記ドレインと前記ソースとの電位の高い主電極を仮想ドレインとしたHEMT構造をなし、前記ゲートと前記仮想ソースとの間に印加されるゲート信号により双方向に電流をオン・オフする半導体スイッチと、前記半導体スイッチの仮想ドレインにカソードが接続され、前記ゲート信号が出力される一端にアノードが接続された第1ダイオードと、前記ゲート信号が出力される一端と前記第1ダイオードのアノードとにアノードが接続され、前記半導体スイッチの仮想ソースにカソードが接続された第2ダイオードと、前記半導体スイッチの仮想ドレインとゲートとの間に接続され、抵抗と定電圧ダイオードとを有する過電圧保護回路と、前記半導体スイッチの仮想ドレインにアノードが接続され、カソードが前記過電圧保護回路に接続された第3ダイオードと、前記第3ダイオードのカソードにカソードが接続され、前記半導体スイッチの仮想ソースにアノードが接続された第4ダイオードとを備えることを特徴とする。
本発明によれば、半導体スイッチの仮想ドレインとゲートとの間に抵抗と定電圧ダイオードとを接続し、第3ダイオードのアノード側に過電圧が発生した場合には、第3ダイオード、抵抗、定電圧ダイオード、ゲート信号部、第2ダイオードに電流が流れ、第4ダイオードのアノード側に過電圧が発生した場合には、第4ダイオード、抵抗、定電圧ダイオード、ゲート信号部、第1ダイオードに電流が流れて半導体スイッチのゲート電位が上昇しゲート−ソース間電圧が半導体スイッチのゲートしきい値電圧以上になると、半導体スイッチがオンしてドレイン電位が下降するので、1つの定電圧ダイオードで、即ち、簡単な回路で、双方向スイッチに発生する双方向の過電圧を緩和できる。
実施例1の双方向スイッチを示す回路構成図である。 従来の半導体スイッチの一例を示す回路構成図である。 従来の交流スイッチの一例を示す回路構成図である。
以下、本発明の双方向スイッチの実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は実施例1の双方向スイッチを示す回路構成図である。図1に示す実施例1の双方向スイッチは、GaNやSiCなどのワイドバンドギャップ半導体からなる双方向HEMTQ3を用いたことを特徴とする。
双方向HEMTQ3は、ゲートGとドレインとソースとを有し、ドレインとソースとの電位の低い主電極を仮想ソースとしドレインとソースとの電位の高い主電極を仮想ドレインとしたHEMT構造をなし、ゲートと仮想ソースとの間に印加されるゲート信号により双方向に電流をオン・オフする双方向の半導体スイッチからなる。
端子11とダイオード17のアノードとに接続された双方向HEMTQ3の仮想ドレイン又は仮想ソースにはダイオードD3(第1ダイオード)のカソードが接続され、ダイオードD3のアノードはダイオードD4(第2ダイオード)のアノードとゲート信号部13の一端とが接続されている。
ダイオードD4のカソードは、端子12とダイオード18のアノードとに接続され、ダイオード18のカソードはダイオード17のカソードと抵抗16の一端とに接続されている。抵抗16の他端は定電圧ダイオード15のカソードに接続され、定電圧ダイオード15のアノードは抵抗14の一端と双方向HEMTQ3のゲートとに接続されている。ダイオード17(及びダイオード18)と抵抗16と定電圧ダイオード15との直列回路は、過電圧保護回路を構成する。
ゲート信号部13は、抵抗14を介して双方向HEMTQ3のゲートにゲート信号を印加する。
次にこのように構成された実施例1の双方向スイッチの動作を説明する。まず、交流信号が双方向HEMTQ3に入力されたときの動作を説明する。端子11及び端子12間に交流信号が入力されると、端子11の電位が高く端子12の電位が低い場合には、双方向HEMTQ3の主電極21がドレインとなり、主電極22がソースとなる。ソースである主電極22の電位に対してゲートを高い電位又は零電位とするゲート信号が入力されると、双方向HEMTQ3がオンする。
次に、端子12の電位が高く端子11の電位が低い場合には、双方向HEMTQ3の主電極21がソースとなり、主電極22がドレインとなる。ソースである主電極21の電位に対してゲートを高い電位又は零電位とするゲート信号が入力されると、双方向HEMTQ3がオンする。
さらに、端子11の電位が高く端子12の電位が低い場合、及び端子12の電位が高く端子11の電位が低い場合でも、ソースとなる主電極の電位に対してゲートを低い電位とするゲート信号が入力されると、双方向HEMTQ3はオフする。
次に、双方向HEMTQ3の双方向、即ち、主電極21と主電極22とに過電圧が発生したときの動作を説明する。
まず、主電極21に陽極性の過電圧が発生した場合には、主電極21が仮想ドレインとなり、主電極22が仮想ソースとなる。このとき、主電極21に発生した過電圧により、双方向HEMTQ3のドレイン−ゲート間の電圧が定電圧ダイオード15の降伏電圧よりも高くなると、双方向HEMTQ3のドレインからダイオード17、抵抗16、定電圧ダイオード15、ゲート信号部13、ダイオードD4を介して端子12に電流が流れる。この電流によって双方向HEMTQ3のゲートの電位が上昇する。
双方向HEMTQ3のゲートの電位の上昇により、ゲート−ソース間電圧が双方向HEMTQ3のゲートしきい値電圧以上になると、双方向HEMTQ3がオンして、ドレイン−ソース間に電流が流れ、ドレイン電位が下降する。この通電によって双方向HEMTQ3のドレイン−ソース間の過電圧を防止することができる。
次に、主電極22に陽極性の過電圧が発生した場合には、主電極22が仮想ドレインとなり、主電極21が仮想ソースとなる。このとき、主電極22に発生した過電圧により、双方向HEMTQ3のドレイン−ゲート間の電圧が定電圧ダイオード15の降伏電圧よりも高くなると、双方向HEMTQ3のドレインからダイオード18、抵抗16、定電圧ダイオード15、ゲート信号部13、ダイオードD3を介して端子11に電流が流れる。この電流によって双方向HEMTQ3のゲートの電位が上昇する。
双方向HEMTQ3のゲートの電位の上昇により、ゲート−ソース間電圧が双方向HEMTQ3のゲートしきい値電圧以上になると、双方向HEMTQ3がオンして、ドレイン−ソース間に電流が流れ、ドレイン電位が下降する。この通電によって双方向HEMTQ3のドレイン−ソース間の過電圧を防止することができる。
このように実施例1の双方向スイッチによれば、双方向HEMTQ3の仮想ドレインとゲートとの間にダイオード17(ダイオード18)と抵抗16と定電圧ダイオード15とを接続したので、1つの定電圧ダイオード15で、即ち、簡単な回路で、双方向HEMTQ3に発生する双方向の過電圧を緩和できる。また、双方向HEMTQ3は1つの半導体素子であるので、安価となる。
本発明は、無停電電源装置、モーター用インバータ、通信用直流電源等に適用可能である。
11,12 端子
13 ゲート信号部
14,16 抵抗
15 定電圧ダイオード
17,18,D1〜D4 ダイオード
21,22 主電極
Q1 FET
Q2 ノーマリオンFET
Q3 双方向HEMT

Claims (1)

  1. ドレインとソースとゲートとを有し、前記ドレインと前記ソースとの電位の低い主電極を仮想ソースとし前記ドレインと前記ソースとの電位の高い主電極を仮想ドレインとしたHEMT構造をなし、前記ゲートと前記仮想ソースとの間に印加されるゲート信号により双方向に電流をオン・オフする半導体スイッチと、
    前記半導体スイッチの仮想ドレインにカソードが接続され、前記ゲート信号が出力される一端にアノードが接続された第1ダイオードと、
    前記ゲート信号が出力される一端と前記第1ダイオードのアノードとにアノードが接続され、前記半導体スイッチの仮想ソースにカソードが接続された第2ダイオードと、
    前記半導体スイッチの仮想ドレインとゲートとの間に接続され、抵抗と定電圧ダイオードとを有する過電圧保護回路と、
    前記半導体スイッチの仮想ドレインにアノードが接続され、カソードが前記過電圧保護回路に接続された第3ダイオードと、
    前記第3ダイオードのカソードにカソードが接続され、前記半導体スイッチの仮想ソースにアノードが接続された第4ダイオードと、
    を備えることを特徴とする双方向スイッチ。
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