JP5392291B2 - 半導体スイッチング素子駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体スイッチング素子の制御端子に駆動電流を印加することにより半導体スイッチング素子を駆動する半導体スイッチング素子駆動装置に関する。

従来より、ＩＧＢＴを駆動する駆動回路が、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、ＩＧＢＴの制御端子（ゲート）に、第１の電流を供給する第１の駆動回路と、第２の電流を供給する第２の駆動回路と、制御端子の電圧値を検知する電圧モニターと、が接続された駆動回路が提案されている
このような駆動回路は、ＩＧＢＴの制御端子の電圧が閾値電圧よりも低い場合、第１の駆動回路のみが制御端子に第１の電流を供給し、制御端子の電圧が閾値電圧に達すると第１の電流に加えて第２の電流を制御端子に供給する。これにより、ＩＧＢＴのターンオン時のコレクタ−エミッタ間の電流の電流変化が小さく抑えられ、かつ、制御端子の電圧が一定となるミラー領域の期間が短くなる。

また、特許文献１では、温度モニターおよびその周辺回路部品が同一の半導体モジュール内に設けられる構成が提案されている。このように温度をモニターする構成とすることで、高温使用時のスイッチング損失を小さく抑えている。

特開２００８−２９０５９号公報

しかしながら、上記従来の技術では、温度モニターで温度を検出しているものの、ＩＧＢＴの温度変化により、スイッチング時に発生するサージ電圧が変動するため、温度変化時に過電圧となり、ＩＧＢＴが破壊する可能性がある。

ここで、ＩＧＢＴの制御端子に印加する駆動電流を増加させることにより、制御端子電圧の立ち上がりスルーレートは増加し、スイッチング速度は速くなることが一般的に知られている。そして、特開２００１−１６９４０７号公報では、ＩＧＢＴ温度と許容サージ耐圧との関係は、比較的低温領域では比較的高温領域よりも許容サージ耐圧が小さいことが示されている。

これに従い、ＩＧＢＴの温度変化時のサージ電圧を見込んで立ち上がりスルーレートを小さくするために、駆動電流を予め小さく設定することが考えられる。しかし、制御端子に流す駆動電流を小さくするとスイッチング速度が低下し、スイッチング損失が増加してしまうという問題がある。

なお、上記では、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを駆動する駆動回路について述べたが、もちろんＩＧＢＴは素子の一例であり、他の半導体スイッチング素子についても上記と同様の問題が生じる。

本発明は上記点に鑑み、半導体スイッチング素子の温度変化によるサージ電圧の発生および変動を抑制すると共にスイッチング損失を低下させることができる半導体スイッチング素子駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、制御端子（１１）を有する半導体スイッチング素子（１０）と、半導体スイッチング素子（１０）の制御端子（１１）に駆動電流を供給するものであり、半導体スイッチング素子（１０）がオンするまでのオン時間は駆動電流の大きさが大きくなるほど短くなるように設定された駆動手段（４０）と、を備えている。

また、駆動信号に従って、駆動手段（４０）による制御端子（１１）への駆動電流の印加を許可するまたは許可しないことにより、半導体スイッチング素子（１０）のオン／オフを制御する制御手段（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ）と、半導体スイッチング素子（１０）の素子温度または半導体スイッチング素子（１０）の動作環境温度を検出する温度検出手段（２０、２１）と、を備えている。

そして、駆動手段（４０）は、温度検出手段（２０、２１）によって検出された素子温度または動作環境温度に従って制御端子（１１）に印加する駆動電流の大きさを変更することを特徴とする。

これによると、サージが発生しやすい低温時では駆動電流を小さくしてスルーレートを低くすることができるので、半導体スイッチング素子（１０）の温度変化によるサージ電圧の発生および変動を抑制することができる。一方、サージが発生しにくい高温時では駆動電流を大きくしてスルーレートを高くすることができるので、半導体スイッチング素子（１０）のスイッチング速度が速くなり、ひいてはスイッチング損失を低下させることができる。

以上のように、温度検出手段（２０、２１）から検出結果を入力すると、温度の変化に従って駆動電流の大きさを変更できるので、半導体スイッチング素子（１０）の温度変化によるサージ電圧の発生および変動を抑制すると共にスイッチング損失を低下させることができる。

また、請求項１に記載の発明では、温度検出手段（２０、２１）から検出結果を入力すると、この検出結果に応じて半導体スイッチング素子（１０）の制御端子（１１）に印加する駆動電流を変更するための電流制御信号を出力する信号生成手段（３０）を備えている。そして、駆動手段（４０）は、可変の参照電流を流す電流源（４７）と、制御端子（１１）に印加する駆動電流と参照電流とを比較する電流比較手段（４５）と、を有し、電流制御信号に従って参照電流を変化させて電流比較手段（４５）の出力を変化させることで制御端子（１１）に印加する駆動電流を変化させる。さらに、信号生成手段（３０）は、駆動信号が駆動手段（４０）による制御端子（１１）への駆動電流の印加を許可するものであるときに、電流制御信号による参照電流の変化を許容し、駆動信号が駆動手段（４０）による制御端子（１１）への駆動電流の印加を許可しないものであるときには、電流制御信号による参照電流の変化を禁止する手段（３１ｃ）を備えていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、信号生成手段（３０）は、温度検出手段（２０、２１）の検出結果と、少なくとも１つ設定された温度閾値と、を比較してこの比較結果を出力する温度比較手段（３１ａ）を有している。そして、駆動手段（４０）は、温度比較手段（３１ａ）の比較結果に基づいて制御端子（１１）に印加する駆動電流を変化させることを特徴とする。これにより、温度閾値の数に応じて駆動電流を階段状に段階的に変更することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の概念図である。 図１に示される温度検出手段として感温素子を用いた場合の概念図である。 図１に示される半導体スイッチング素子駆動装置の具体的な回路構成図である。 半導体スイッチング素子の温度と駆動電流との関係を示した図である。 半導体スイッチング素子駆動装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の回路構成図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の回路構成図である。 本発明の第４実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の回路構成図である。 第４実施形態において、半導体スイッチング素子の温度と駆動電流との関係を示した図である。 本発明の第５実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の回路構成図である。 第５実施形態において、半導体スイッチング素子の温度と駆動電流との関係を示した図である。 本発明の第６実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の概念図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態で示される半導体スイッチング素子駆動装置は、例えばＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を定電流で駆動する装置である。

図１は、本実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の概念図である。この図に示されるように、半導体スイッチング素子駆動装置は、半導体スイッチング素子１０と、温度検出手段２０と、信号生成手段３０と、駆動手段４０と、を備えている。

半導体スイッチング素子１０は、図示しない負荷を駆動するためのスイッチング素子である。本実施形態では、半導体スイッチング素子１０としてＮｃｈ型のＩＧＢＴが採用されている。半導体スイッチング素子１０はゲートである制御端子１１を有し、この制御端子１１は駆動手段４０に接続されている。なお、図示しない負荷は半導体スイッチング素子１０のソース側もしくはドレイン側のいずれかに接続されている。このような半導体スイッチング素子１０は、制御端子１１に印加される駆動電流（ｉ）に従って駆動される。

温度検出手段２０は、半導体スイッチング素子１０の素子温度または半導体スイッチング素子１０の動作環境温度を検出するものである。本実施形態では、図２に示されるように、温度検出手段２０として、半導体スイッチング素子１０に内蔵された感温素子（図２の「感温Ｄｉ」）が採用されている。ＩＧＢＴ等のパワー素子はその作動温度を検出する感温素子を備えることができ、感温素子は例えばＩＧＢＴの絶縁膜上に形成されたダイオードから成る。温度検出手段２０が感温素子の場合、ＩＧＢＴの作動温度が上がるとダイオードの出力（順方向電圧）が下がる。

そして、温度検出手段２０は温度に応じた電圧を検出結果（温度情報Ｖａ）として信号生成手段３０に出力する。本実施形態では、半導体スイッチング素子１０の温度が上がれば温度情報Ｖａの値も上がるとする。

信号生成手段３０は、温度検出手段２０から検出結果を入力し、この検出結果に応じて半導体スイッチング素子１０の制御端子１１に印加する駆動電流を変更するための電流制御信号を生成および出力するものである。

駆動手段４０は、半導体スイッチング素子１０の制御端子１１に印加するための駆動電流ｉを生成し、この駆動電流ｉを制御端子１１に印加することにより半導体スイッチング素子１０を駆動するものである。この駆動電流ｉは、駆動手段４０の能力すなわちスイッチング速度を決定する電流である。半導体スイッチング素子１０がオンするまでのオン時間は駆動電流の大きさが大きくなるほど短くなるように設定されている。このオン時間が短いほど、スイッチング速度が速い。

以上が半導体スイッチング素子駆動装置の概略である。続いて、半導体スイッチング素子駆動装置の具体的な回路構成について、図３を参照して説明する。

まず、図２に示されるように、温度検出手段２０は感温素子として構成され、半導体スイッチング素子１０に内蔵されている。

また、信号生成手段３０は、コンパレータ３１ａと、基準電圧源３１ｂと、ＡＮＤ回路３１ｃと、を備えている。コンパレータ３１ａは、温度検出手段２０の検出結果（温度情報Ｖａ）と、この検出結果に対して設定された温度閾値と、を比較してこの比較結果を比較信号（Ｓ）として出力する。基準電圧源３１ｂは、温度閾値となる基準電圧を発生させる。コンパレータ３１ａの非反転入力端子（＋）には温度検出手段２０から温度に応じた電圧が印加されると共に、反転入力端子（−）には温度閾値としての基準電圧が印加される。そして、Ｖａが温度閾値を超えるとコンパレータ３１ａはハイレベルの比較信号を出力し、Ｖａが温度閾値を下回るとコンパレータ３１ａはローレベルの比較信号を出力する。

ＡＮＤ回路３１ｃは、駆動信号と比較信号とが共にハイレベルの場合にハイレベルの電流制御信号を出力し、駆動信号と比較信号とのいずれか一方がローレベルの場合にローレベルの電流制御信号を出力する。

駆動手段４０は、可変定電流回路４１、第１切替スイッチ４２ａ、および第２切替スイッチ４２ｂを備えている。このうちの可変定電流回路４１は、第１抵抗４３（図３のＲ１）と、第２抵抗４４（図３のＲ２）と、オペアンプ４５と、スイッチング素子４６と、定電流源４７と、を備えている。

第１抵抗４３は、半導体スイッチング素子１０の制御端子１１に流れる駆動電流ｉに対応する電流が流れるセンシング用の抵抗である。第１抵抗４３の一端側は電源６０（図３のＶＢ）に接続され、他端側はスイッチング素子４６に接続されている。また、第２抵抗４４は一端側が電源６０に接続され、他端側が定電流源４７に接続されている。

オペアンプ４５は、第２抵抗４４の他端側の電圧に基づいて第１抵抗４３に流れる電流をフィードバック制御することで、半導体スイッチング素子１０の制御端子１１に流す駆動電流ｉの大きさを調整する役割を果たすものである。

また、オペアンプ４５の非反転入力端子（＋）は第２抵抗４４の他端側と定電流源４７との接続点に接続されている。これにより、オペアンプ４５の非反転入力端子には第２抵抗４４の他端側に対応する第１電圧が印加される。すなわち、電源６０の電圧をＶＢとし、第２抵抗４４に流れる電流をＩａとし、第２抵抗４４の抵抗値をＲ２とすると、第１電圧は電源６０の電源電圧から基準電圧が差し引かれた電圧（ＶＢ−Ｉａ×Ｒ２）に相当する。

一方、オペアンプ４５の反転入力端子（−）は第１抵抗４３の他端側に接続されている。これにより、オペアンプ４５の反転入力端子には第１抵抗４３の他端側に対応する第２電圧が印加される。すなわち、第１抵抗４３に流れる電流をｉとし、第１抵抗４３の抵抗値をＲ１とすると、第２電圧は電源６０の電源電圧から第１抵抗４３の電圧降下分が差し引かれた電圧（ＶＢ−ｉ×Ｒ１）に相当する。

スイッチング素子４６は、オペアンプ４５の出力によって駆動される半導体素子である。本実施形態では、スイッチング素子４６としてＰｃｈ型のＭＯＳＦＥＴが用いられている。そして、スイッチング素子４６のゲートはオペアンプ４５の出力端子に接続され、ソースは第１抵抗４３の他端側に接続されている。さらに、スイッチング素子４６のドレインは半導体スイッチング素子１０の制御端子１１に接続されている。

定電流源４７は第２抵抗４４に流れる参照電流（Ｉａ）の電流量を可変できる電流源であり、第２抵抗４４の他端側とグランドとの間に接続されている。この定電流源４７は、第１定電流源４８と、第２定電流源４９ａと、スイッチ４９ｂと、を備えている。

第２定電流源４９ａはスイッチ４９ｂを介して第２抵抗４４の他端側に接続されている。また、第１定電流源４８は第２抵抗４４の他端側に直接接続されている。スイッチ４９ｂは、信号生成手段３０から入力される電流制御信号に従ってオン／オフされる。本実施形態では、ハイレベルの電流制御信号でスイッチ４９ｂがオンし、ローレベルの電流制御信号でスイッチ４９ｂがオフする。

なお、第１定電流源４８と第２定電流源４９ａの電流能力とは同じでも良いし、異なっていても良い。スイッチ４９ｂのオン／オフによって第２抵抗４４に流す電流の大きさをどのように設計するかによって各定電流源４８、４９ａの電流能力を設定すれば良い。

このような構成により、電流制御信号によってスイッチ４９ｂがオンされると第２抵抗４４には第２定電流源４９ａに流れる電流と第１定電流源４８に流れる電流とが足し合わされた第１電流値の電流が流れる。一方、電流制御信号によってスイッチ４９ｂがオフされると第２定電流源４９ａに流れる電流は電源６０とグランドとの間の経路から切り離されるので、第２抵抗４４には第１定電流源４８に流れる電流のみが流れる。すなわち、第１定電流源４８に流れる電流の電流値を第２電流値とすると、スイッチ４９ｂがオフの場合、第２抵抗４４には第１電流値よりも小さい第２電流値の電流が流れる。言い換えると、温度検出手段２０による検出結果が温度閾値を超える高温になると定電流源４７は第１電流値の電流を流す。一方、温度検出手段２０による検出結果が温度閾値を下回る温度になると定電流源４７は第１電流値よりも小さい第２電流値の電流を流す。以上が、可変定電流回路４１の構成である。

また、第１切替スイッチ４２ａおよび第２切替スイッチ４２ｂは、駆動信号に従って、駆動手段４０による制御端子１１への駆動電流ｉの印加を「許可する」または「許可しない」ことにより、半導体スイッチング素子１０のオン／オフを制御するスイッチである。本実施形態では、「許可する」が第１切替スイッチ４２ａおよび第２切替スイッチ４２ｂのオフに対応し、「許可しない」が第１切替スイッチ４２ａおよび第２切替スイッチ４２ｂのオンに対応している。

第１切替スイッチ４２ａは電源６０とオペアンプ４５の出力端子との間に接続されている。本実施形態では、第１切替スイッチ４２ａとしてＰｃｈ型のＭＯＳＦＥＴが採用される。したがって、第１切替スイッチ４２ａのソースが電源６０に接続され、ドレインがオペアンプ４５の出力端子に接続されている。

一方、第２切替スイッチ４２ｂは制御端子１１とグランドとの間に接続されている。本実施形態では、第２切替スイッチ４２ｂとしてＮｃｈ型のＭＯＳＦＥＴが採用される。したがって、第２切替スイッチ４２ｂのソースが半導体スイッチング素子１０の制御端子１１に接続され、ドレインがグランドに接続されている。

さらに、第２切替スイッチ４２ｂのゲートにはインバータ４２ｃが接続されている。したがって、第２切替スイッチ４２ｂにはインバータ４２ｃを介して駆動信号が入力され、第１切替スイッチ４２ａには駆動信号が直接入力される。すなわち、各切替スイッチ４２ａ、４２ｂには一方に入力される信号に対して他方に入力される信号が反転する。なお、図１および図２では第２切替スイッチ４２ｂのみ示してある。

以上が、本実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の全体構成である。本実施形態では、駆動信号は外部のＥＣＵ等から入力される。本実施形態ではハイレベルの駆動信号で半導体スイッチング素子１０をオンする。

次に、図１〜図３に示される半導体スイッチング素子駆動装置の作動について、図４および図５を参照して説明する。なお、以下では「温度検出手段２０によって検出された素子温度または動作環境温度」を単に半導体スイッチング素子１０の温度という。

まず、上記各構成によると、駆動手段４０は、温度検出手段２０によって検出された半導体スイッチング素子１０の温度に従って制御端子１１に印加する駆動電流ｉの大きさを変更する。具体的には、半導体スイッチング素子１０の温度が高いほど駆動電流ｉは大きくなる。これは、低温時ではサージが発生しやすいので、サージの発生および変動を抑制するために駆動電流ｉを小さくするためである。一方、高温時ではサージが発生しにくいので、スイッチング速度を速くするために駆動電流ｉを大きくするためである。

図４は、半導体スイッチング素子１０の温度と駆動電流ｉとの関係を示した図である。この図に示される「Ｔ１」は上述の温度閾値である。そして、半導体スイッチング素子１０の温度が温度閾値Ｔ１を超えると、駆動電流ｉは一段階大きくなる。温度閾値Ｔ１以下では駆動電流ｉは定電流源４７の第２電流値に対応した大きさであり、温度閾値Ｔ１以上では駆動電流ｉは定電流源４７の第１電流値に対応した大きさである。

続いて、図５のタイミングチャートを参照して説明する。図５に示される時点Ｘ１０において、駆動手段４０に入力される駆動信号がローレベルからハイレベルに切り替わることにより、第１切替スイッチ４２ａおよび第２切替スイッチ４２ｂがオフし、スイッチング素子４６がオペアンプ４５によって駆動される。そして、半導体スイッチング素子１０の制御端子１１に駆動電流ｉが流れる。

ここで、可変定電流回路４１は、第１抵抗４３の他端側に対応する第１電圧と第２抵抗４４の他端側に対応する第２電圧とが等しくなるように第１抵抗４３に流れる電流の大きさをフィードバック制御している。

具体的には、可変定電流回路４１のオペアンプ４５の各入力端子の電位は同電位となるため、第１抵抗４３の他端側に対応する第１電圧（ＶＢ−ｉ×Ｒ１）と第２抵抗４４の他端側に対応する第２電圧（ＶＢ−Ｉａ×Ｒ２）とが等しくなるようにオペアンプ４５がスイッチング素子４６を制御する。したがって、第１抵抗４３に流れる駆動電流ｉはｉ＝（Ｉａ×Ｒ２）／Ｒ１となり、第１抵抗４３に流れる参照電流Ｉａが一定の駆動電流ｉとして半導体スイッチング素子１０の制御端子１１に印加される。すなわち、ｉ＝（Ｉａ×Ｒ２）／Ｒ１に表されるように、第１抵抗４３には第２抵抗４４に流れる参照電流Ｉａの大きさに比例した電流が制御端子１１に流れるようになっている。

言い換えると、オペアンプ４５は制御端子１１に印加する駆動電流ｉと参照電流Ｉａとを比較し、電流制御信号に従って変化する参照電流Ｉａに応じて出力を変化させることで制御端子１１に印加する駆動電流ｉを変化させている。

そして、時点Ｘ１０後では、温度情報Ｖａは温度閾値Ｔ１よりも低いため、信号生成手段３０のコンパレータ３１ａから出力される比較信号Ｓはローレベルとなり、ＡＮＤ回路３１ｃから出力される電流制御信号もローレベルとなり、定電流源４７のスイッチ４９ｂがオフされる。したがって、第２抵抗４４には第１電流値よりも小さい第２電流値の電流すなわち第１定電流源４８に流れる電流のみが参照電流Ｉａとして流れる。

続いて、時点Ｘ１１で温度情報Ｖａが温度閾値Ｔ１を超える。これにより、信号生成手段３０のコンパレータ３１ａから出力される比較信号Ｓはハイレベルとなり、ＡＮＤ回路３１ｃから出力される電流制御信号もハイレベルとなり、定電流源４７のスイッチ４９ｂがオンされる。したがって、第２抵抗４４には、第２定電流源４９ａに流れる電流と第１定電流源４８に流れる電流とが足し合わされた第１電流値の電流が参照電流Ｉａとして流れるので、第１抵抗４３には当該第１電流値に比例した電流が流れる。このため、図５に示されるように、時点Ｘ１１で駆動電流ｉが大きくなる。このように、駆動手段４０は、コンパレータ３１ａの比較結果に基づいて制御端子１１に印加する駆動電流を変化させている。すなわち、サージが発生しにくい高温時では駆動電流ｉを大きくして半導体スイッチング素子１０のスルーレートを高くすることができるので、半導体スイッチング素子１０のスイッチング速度を速くすることができる。

この後、時点Ｘ１２で駆動手段４０に入力される駆動信号がハイレベルからローレベルに切り替わる。つまり、半導体スイッチング素子１０をオフする指令により、第１切替スイッチ４２ａおよび第２切替スイッチ４２ｂがオンし、スイッチング素子４６がオフされる。これにより、制御端子１１に蓄積された電荷が第２切替スイッチ４２ｂを介してグランドに放出されるため、制御端子１１のゲート電圧が閾値電圧を下回り、半導体スイッチング素子１０はオフされる。

このように、半導体スイッチング素子１０がオンしている期間において半導体スイッチング素子１０の温度が高くなると駆動電流ｉを大きくする。上記のタイミングチャートには示されていないが、温度情報Ｖａが温度閾値Ｔ１を下回ることがあればそのタイミングで参照電流Ｉａの値は小さくなり、駆動電流ｉも一段階小さくなる。

以上説明したように、本実施形態では、半導体スイッチング素子１０の温度に応じて制御端子１１に印加する駆動電流ｉを変化させることが特徴となっている。これにより、サージが発生しやすい低温時では駆動電流を小さくしてスルーレートを低くすることができる。このため、半導体スイッチング素子１０の温度変化によるサージ電圧の発生および変動を抑制することができる。一方、サージが発生しにくい高温時では駆動電流を大きくしてスルーレートを高くすることができる。このため、半導体スイッチング素子１０のスイッチング速度が速くなり、ひいてはスイッチング損失を低下させることができる。したがって、半導体スイッチング素子１０の温度変化によるサージ電圧の発生および変動を抑制すると共にスイッチング損失を低下させることができる
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、コンパレータ３１ａが特許請求の範囲の「温度比較手段」に対応し、定電流源４７が特許請求の範囲の「電流源」に対応する。また、オペアンプ４５が特許請求の範囲の「電流比較手段」に対応し、第１切替スイッチ４２ａ、第２切替スイッチ４２ｂ、およびインバータ４２ｃが特許請求の範囲の「制御手段」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。上記第１実施形態では、駆動手段４０の定電流源４７の電流能力を調整することで半導体スイッチング素子１０の制御端子１１に流す駆動電流ｉの電流量を調整していたが、本実施形態では、第２抵抗４４の抵抗値を調整することで半導体スイッチング素子１０の制御端子１１に流す駆動電流ｉの電流量を調整することが特徴となっている。

図６は、本実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の具体的な回路図である。この図に示されるように、可変定電流回路４１に設けられた第２抵抗４４は、抵抗４４ａ（図６のＲ２１）および抵抗４４ｂ（図６のＲ２２）が直列に接続されて構成されている。抵抗４４ｂの一端側は電源６０に接続され、他端側は抵抗４４ａの一端側に接続されている。抵抗４４ａの他端側はオペアンプ４５の非反転入力端子（＋）に接続されている。

このような第２抵抗４４では、抵抗４４ｂには信号生成手段３０から出力された電流制御信号によってオン／オフされるスイッチ４９ｂが並列に接続されている。これにより、スイッチ４９ｂがオンされると第２抵抗４４の抵抗値は抵抗４４ａのみの抵抗値となる。一方、スイッチ４９ｂがオフされると第２抵抗４４の抵抗値は抵抗４４ａと抵抗４４ｂの合成抵抗値となる。

なお、信号生成手段３０の構成は第１実施形態で示された構成と同じである。但し、本実施形態では、ローレベルの電流制御信号でスイッチ４９ｂがオンし、ハイレベルの電流制御信号でスイッチ４９ｂがオフする。

また、駆動手段４０は、一定の参照電流Ｉａを流す定電流源４７を有している。本実施形態では、オペアンプ４５は制御端子１１に印加される駆動電流ｉと参照電流Ｉａとの比較または差分を出力し、電流制御信号に従って第２抵抗４４の抵抗値を変化させてオペアンプ４５の出力を変化させることで制御端子１１に印加する駆動電流を変化させる。すなわち、第１抵抗４３の他端側に対応する第１電圧と第２抵抗４４の他端側つまり抵抗４４ａの他端側に対応する第２電圧とがオペアンプ４５に印加されると共に、第１電圧と第２電圧とが等しくなるようにオペアンプ４５がスイッチング素子４６を駆動する。

具体的に、信号生成手段３０において温度情報Ｖａが温度閾値Ｔ１を下回ると判定されると、ローレベルの電流制御信号によってスイッチ４９ｂがオンされる。これにより、抵抗４４ａのみに参照電流Ｉａが流れる。抵抗４４ａの抵抗をＲ２１とすると、第１抵抗４３に流れる駆動電流ｉは上述のようにｉ＝（Ｉａ×Ｒ２１）／Ｒ１として表され、第１抵抗４３には抵抗４４ａの抵抗値Ｒ２１に比例した電流が流れる。

一方、信号生成手段３０において温度情報Ｖａが温度閾値Ｔ１を超えたと判定されると、ハイレベルの電流制御信号によってスイッチ４９ｂがオフされる。これにより、抵抗４４ａおよび抵抗４４ｂの両方に参照電流Ｉａが流れる。抵抗４４ｂの抵抗値をＲ２２とすると、第１抵抗４３に流れる駆動電流ｉはｉ＝（Ｉａ×（Ｒ２１＋Ｒ２２））／Ｒ１として表され、第１抵抗４３には抵抗４４ａの抵抗値Ｒ２１および抵抗４４ｂの抵抗値Ｒ２２の和に比例した電流が流れる。

したがって、駆動手段４０は電流制御信号に従って（つまりスイッチ４９ｂがオフされて）参照電流Ｉａが流れる第２抵抗４４の抵抗値が大きくなったことによりオペアンプ４５の出力を変化させることで制御端子１１に印加する駆動電流ｉを増加させることができる。

以上説明したように、第２抵抗４４の抵抗値を調整することにより半導体スイッチング素子１０の制御端子１１に印加する駆動電流ｉを増減させることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第２抵抗４４が特許請求の範囲の「可変抵抗」に対応し、オペアンプ４５が特許請求の範囲の「出力手段」に対応する。

（第３実施形態）
本実施形態では、第２実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、信号生成手段３０の電流値や第２抵抗４４の抵抗値を変化させることで制御端子１１に印加する駆動電流ｉを変化させていたが、本実施形態では第１抵抗４３の抵抗値を変化させることにより駆動電流ｉを変化させることが特徴となっている。

図７は、本実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の具体的な回路図である。この図に示されるように、可変定電流回路４１に設けられた第１抵抗４３は、抵抗４３ａ（図７のＲ１１）および抵抗４３ｂ（図７のＲ１２）が直列に接続されて構成されている。抵抗４３ｂの一端側は電源６０に接続され、他端側は抵抗４３ａの一端側に接続されている。抵抗４３ａの他端側はスイッチング素子４６に接続されている。

このような第１抵抗４３では、抵抗４３ｂには信号生成手段３０から出力された電流制御信号によってオン／オフされるスイッチ４９ｂが並列に接続されている。これにより、スイッチ４９ｂがオンされると第１抵抗４３の抵抗値は抵抗４３ａのみの抵抗値となる。一方、スイッチ４９ｂがオフされると第１抵抗４３の抵抗値は抵抗４３ａと抵抗４３ｂの合成抵抗値となる。本実施形態では、ローレベルの電流制御信号でスイッチ４９ｂがオフし、ハイレベルの電流制御信号でスイッチ４９ｂがオンする。

なお、信号生成手段３０の構成は第１実施形態で示された構成と同じである。また、第２実施形態と同様に、駆動手段４０は、一定の参照電流Ｉａを流す定電流源４７を有している。

本実施形態では、信号生成手段３０において温度情報Ｖａが温度閾値Ｔ１を下回ると判定されると、ローレベルの電流制御信号によってスイッチ４９ｂがオフされる。これにより、第１抵抗４３は抵抗４３ａおよび抵抗４３ｂの両方で構成される。抵抗４３ａの抵抗をＲ１１とすると共に抵抗４３ｂの抵抗値をＲ１２とすると、第１抵抗４３に流れる駆動電流ｉはｉ＝（Ｉａ×（Ｒ２））／（Ｒ１１＋Ｒ１２）として表され、第１抵抗４３には抵抗４３ａの抵抗値Ｒ１１および抵抗４４ｂの抵抗値Ｒ１２の和に反比例した駆動電流ｉが流れる。分母が大きくなるため、駆動電流ｉは小さくなる。

一方、信号生成手段３０において温度情報Ｖａが温度閾値Ｔ１を超えたと判定されると、ハイレベルの電流制御信号によってスイッチ４９ｂがオンされる。これにより、第１抵抗４３は抵抗４３ａのみで構成される。このため、第１抵抗４３に流れる駆動電流ｉはｉ＝（Ｉａ×Ｒ２）／Ｒ１１として表され、第１抵抗４３には抵抗４３ａの抵抗値Ｒ１１に比例した電流が流れる。このように、分母が小さくなるため、駆動電流ｉは大きくなる。

以上説明したように、駆動手段４０は、電流制御信号に従って第１抵抗４３の抵抗値を変化させることにより制御端子１１に印加する駆動電流ｉの大きさを変更することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第１抵抗が特許請求の範囲の「可変抵抗」に対応する。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、信号生成手段３０に設定された１つの温度閾値に基づいて駆動電流ｉを変化させていたが、本実施形態では複数の温度閾値に基づいて駆動電流ｉを段階的に変化させることが特徴となっている。

図８は、本実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の具体的な回路図である。この図に示されるように、信号生成手段３０は、３つのコンパレータ３１ａ〜３３ａと、各コンパレータ３１ａ〜３３ａに対応する基準電圧源３１ｂ〜３３ｂおよびＡＮＤ回路３１ｃ〜３３ｃを備えている。基準電圧源３１ｂには温度閾値Ｔ１となる基準電圧が設定され、基準電圧源３２ｂには温度閾値Ｔ２となる基準電圧が設定され、基準電圧源３３ｂには温度閾値Ｔ３となる基準電圧が設定されている。本実施形態では、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３となるようにそれぞれ閾値が設定されている。各ＡＮＤ回路３１ｃ〜３３ｃからそれぞれ電流制御信号が出力される。

また、駆動手段４０の定電流源４７は、上記の各ＡＮＤ回路３１ｃ〜３３ｃに対応した第２〜第４定電流源４９ａ〜５１ａを備えており、各定電流源４９ａ〜５１ａにそれぞれスイッチ４９ｂ〜５１ｂが接続されている。なお、各定電流源４９ａ〜５１ａの電流能力とは同じでも良いし、異なっていても良い。

図９は、半導体スイッチング素子１０の温度と駆動電流ｉとの関係を示した図である。まず、温度情報Ｖａが温度閾値Ｔ１を下回る場合にはすべてのスイッチ４９ｂ〜５１ｂはオフされているので、第２定電流源４９ａの電流のみが参照電流Ｉａとなる。したがって、駆動電流ｉはｉ＝（Ｉａ×Ｒ２）／Ｒ１に従って流れる。

続いて、温度情報Ｖａが温度閾値Ｔ１を超えると、コンパレータ３１ａおよびＡＮＤ回路３１ｃの出力がハイレベルとなるので、このハイレベルの電流制御信号によってスイッチ４９ｂがオンされる。これにより、第２定電流源４９ａの電流と第１定電流源４８の電流との和が参照電流Ｉａとなる。このように、参照電流Ｉａが第１定電流源４８の電流分だけ増加するので、駆動電流ｉも参照電流Ｉａに比例して増加する。

この後、温度情報Ｖａが温度閾値Ｔ２を超えると、コンパレータ３１ａ、３２ａおよびＡＮＤ回路３１ｃ、３２ｃの出力がハイレベルとなり、このハイレベルの電流制御信号によってスイッチ４９ｂ、５０ｂがオンされる。これにより、第１定電流源４８の電流と第２定電流源４９ａの電流と第３定電流源５０ａの電流の和が参照電流Ｉａとなる。このように、参照電流Ｉａが第１定電流源４８および第３定電流源５０ａの電流分だけ増加し、駆動電流ｉも参照電流Ｉａに比例して増加する。

さらに、温度情報Ｖａが温度閾値Ｔ３を超えると、コンパレータ３１ａ〜３３ａおよびＡＮＤ回路３１ｃ〜３３ｃの出力が全てハイレベルとなり、このハイレベルの電流制御信号によってスイッチ４９ｂ〜５１ｂがオンされる。これにより、全ての定電流源４８、４９ａ〜５１ａの電流の和が参照電流Ｉａとなり、駆動電流ｉはこの参照電流Ｉａに比例して増加する。

このように、半導体スイッチング素子１０の温度すなわち温度情報Ｖａが温度閾値を順に超えていくと、参照電流Ｉａは各定電流源４９ａ〜５１ａの電流分が順に増加するため、図９に示されるように駆動電流ｉは階段状に段階的に増加していく。もちろん、半導体スイッチング素子１０の温度が下がってくれば、温度情報ＶａがＴ３→Ｔ２→Ｔ１という順に下回り、駆動電流ｉも階段状に減少する。

以上説明したように、温度情報Ｖａに対する温度閾値を複数設定し、駆動電流ｉを階段状に段階的に変更することもできる。なお、上記では定電流源４７の電流量を変更する構成について説明したが、第２実施形態や第３実施形態のように、抵抗値を変更する構成に対しても温度情報Ｖａに対する温度閾値を複数設定しても良い。この場合は第１抵抗４３や第２抵抗４４を複数の抵抗で直列接続すると共に各抵抗に並列接続したスイッチを順にオン／オフすることで抵抗値を段階的に変化させることで駆動電流ｉを段階的に変化させることとなる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１〜第４実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、電流量や抵抗値をスイッチの切り替えにより増減させることで駆動電流ｉを段階的に変化させていたが、本実施形態では駆動電流ｉを連続的に変化させることが特徴となっている。

図１０は、本実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の具体的な回路図である。この図に示されるように、信号生成手段３０は、トランジスタ３４と、抵抗３５と、差動増幅器３６と、を備えて構成されている。

トランジスタ３４は、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタであり、エミッタが駆動手段４０の第２抵抗４４の他端側に接続され、コレクタが抵抗３５に接続されている。トランジスタ３４のベースは差動増幅器３６の出力端子に接続されている。抵抗３５はトランジスタ３４とグランドとの間に接続されている。

差動増幅器３６は、温度検出手段２０から出力された温度情報Ｖａを参照電圧として非反転入力端子（＋）に入力し、トランジスタ３４のエミッタ側の電圧を反転入力端子（−）に入力し、これらの差動増幅を出力することでトランジスタ３４を駆動するものである。

このような信号生成手段３０の構成によると、トランジスタ３４のエミッタ側の電圧が電流制御信号に対応する。言い換えると、信号生成手段３０は、温度検出手段２０から検出結果を入力し、この検出結果に基づいて大きさが連続的に変化する電流制御信号を出力するように構成されている。

また、駆動手段４０の構成は、例えば第１実施形態で示された図３の構成に対して定電流源４７が無く、第２抵抗４４およびオペアンプ４５に上記の信号生成手段３０が接続された構成になっている。

上記のような半導体スイッチング素子駆動装置の構成では、温度情報Ｖａが連続的に変化することで差動増幅器３６の出力も連続的に変化する。これにより、温度情報Ｖａに対して連続的に参照電圧Ｉａが変化する。このため、駆動電流ｉのｉ＝（Ｉａ×Ｒ２）／Ｒ１のＩａの値が連続的に変化するので、駆動電流ｉも連続的に変化する。具体的には、温度情報Ｖａが上昇すると、差動増幅器３６の出力も増加する。これにより、参照電流Ｉａが増加する。

図１１は、半導体スイッチング素子１０の温度と駆動電流ｉとの関係を示した図である。この図に示されるように、半導体スイッチング素子１０の温度と駆動電流ｉとは比例の関係になっており、半導体スイッチング素子１０の温度の上昇に伴って駆動電流ｉが所定の傾きで上昇する。

以上説明したように、本実施形態では、温度検出手段２０によって得られた温度情報Ｖａを参照電圧とし、差動増幅器３６の出力をトランジスタ３４のゲートで受けて、そのソース側を差動増幅器３６の入力に帰還させる。これにより、参照電流Ｉａが連続的に変化するので、駆動手段４０は大きさが連続的に変化する電流制御信号に基づいて制御端子１１に印加する駆動電流ｉを連続的に変化させることができる。これにより、きめ細かく駆動電流ｉを制御することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、差動増幅器３６が特許請求の範囲の「出力手段」に対応する。

（第６実施形態）
本実施形態では、第１〜第５実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、温度検出手段２０として感温素子を用いていたが、本実施形態では冷却構造を用いることが特徴となっている。

半導体スイッチング素子１０のような発熱するスイッチングデバイスでは、冷却構造を備えることで半導体スイッチング素子１０の放熱を行い、半導体スイッチング素子１０が過熱状態になることを抑制する構造が採用される。

図１２は、本実施形態に係る半導体スイッチング素子駆動装置の概念図である。この図に示されるように、半導体スイッチング素子駆動装置は冷却構造２１を備えている。この冷却構造２１には図示しない温度センサが備えられており、この温度センサから出力される検出信号を温度情報Ｖａとして用いることができる。すなわち、半導体スイッチング素子１０の温度を直接検出するのではなく、冷却構造２１の温度を検出することにより、間接的に半導体スイッチング素子１０の温度を検出する。

冷却構造２１としては、水冷による冷却を行うものであれば温度センサによって水温を検出すれば良く、空冷による冷却を行うものであれば温度センサによって気温を検出すれば良い。つまり、冷却に用いられる冷媒の温度を温度センサで検出すれば良い。

以上のように、半導体スイッチング素子１０の温度検出は感温素子に限らず、冷却構造２１を利用することもできる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、冷却構造２１が特許請求の範囲の「温度検出手段」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された半導体スイッチング素子駆動装置の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記各実施形態では、半導体スイッチング素子１０の温度を検出するものとして感温素子や冷却構造２１を一例として説明したが、サーミスタのように抵抗を用いても良い。

また、上記各実施形態では、第１切替スイッチ４２ａおよび第２切替スイッチ４２ｂは駆動手段４０に含まれた構成になっているが、これは駆動手段４０をどのように構成するかの一例であり、駆動手段４０と各切替スイッチ４２ａ、４２ｂはそれぞれ異なる構成とされていても良い。

そして、上記各実施形態で示された各スイッチが信号のどのようなレベル（例えばローレベルやハイレベル）でオン／オフするかについても適宜設定することができる。もちろん、各信号においてどのようなレベルに意味を持たせるかについても同様に適宜設定すれば良い。

１０ 半導体スイッチング素子
１１ 制御端子
２０ 温度検出手段
２１ 冷却構造
３０ 信号生成手段
３１ａ コンパレータ
３６ 差動増幅器
４０ 駆動手段
４２ａ 第１切替スイッチ
４２ｂ 第２切替スイッチ
４２ｃ インバータ
４３ 第１抵抗
４４ 第２抵抗
４５ オペアンプ
４７ 定電流源
６０ 電源

Claims (2)

1. 制御端子（１１）を有する半導体スイッチング素子（１０）と、
   前記半導体スイッチング素子（１０）の前記制御端子（１１）に駆動電流を供給するものであり、前記半導体スイッチング素子（１０）がオンするまでのオン時間は前記駆動電流の大きさが大きくなるほど短くなるように設定された駆動手段（４０）と、
   駆動信号に従って、前記駆動手段（４０）による前記制御端子（１１）への前記駆動電流の印加を許可するまたは許可しないことにより、前記半導体スイッチング素子（１０）のオン／オフを制御する制御手段（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ）と、
   前記半導体スイッチング素子（１０）の素子温度または前記半導体スイッチング素子（１０）の動作環境温度を検出する温度検出手段（２０、２１）と、を備え、
   前記駆動手段（４０）は、前記温度検出手段（２０、２１）によって検出された前記素子温度または前記動作環境温度に従って前記制御端子（１１）に印加する駆動電流の大きさを変更しており、
   前記温度検出手段（２０、２１）から検出結果を入力すると、この検出結果に応じて前記半導体スイッチング素子（１０）の前記制御端子（１１）に印加する駆動電流を変更するための電流制御信号を出力する信号生成手段（３０）を備えており、
   前記駆動手段（４０）は、可変の参照電流を流す電流源（４７）と、前記制御端子（１１）に印加する駆動電流と前記参照電流とを比較する電流比較手段（４５）と、を有し、前記電流制御信号に従って前記参照電流を変化させて前記電流比較手段（４５）の出力を変化させることで前記制御端子（１１）に印加する駆動電流を変化させるように構成されており、
   前記信号生成手段（３０）は、前記駆動信号が前記駆動手段（４０）による前記制御端子（１１）への前記駆動電流の印加を許可するものであるときに、前記電流制御信号による前記参照電流の変化を許容し、前記駆動信号が前記駆動手段（４０）による前記制御端子（１１）への前記駆動電流の印加を許可しないものであるときには、前記電流制御信号による前記参照電流の変化を禁止する手段（３１ｃ）を備えていることを特徴とする半導体スイッチング素子駆動装置。
2. 前記信号生成手段（３０）は、前記温度検出手段（２０、２１）の検出結果と、少なくとも１つ設定された温度閾値と、を比較してこの比較結果を出力する温度比較手段（３１ａ）を有しており、
   前記駆動手段（４０）は、前記温度比較手段（３１ａ）の比較結果に基づいて前記制御端子（１１）に印加する駆動電流を変化させることを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチング素子駆動装置。

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