JP2018064148A - スイッチング回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 モニタダイオードのアノードで生じるノイズを抑制するとともに、スイッチング回路で生じる損失を抑制する。
【解決手段】 スイッチング素子と、スイッチング素子のゲートの電位を制御するゲート駆動回路と、ゲート駆動回路の正極電源端子と負極電源端子の間に電圧を印加する電源と、正極電源端子と負極電源端子の間に接続されている平滑化コンデンサと、カソードがスイッチング素子の高電位側主端子に接続されているとともにアノードがゲート駆動回路のモニタ端子に接続されているモニタダイオードと、アノードがモニタダイオードのアノードに接続されているとともにカソードが平滑化コンデンサの正極電源端子側の端子に接続されている回生ダイオードを備えている。ゲート駆動回路が、モニタ端子の電位に基づいてゲートの電位を制御するスイッチング回路。
【選択図】図３

Description

本明細書に開示の技術は、ゲート型のスイッチング素子をスイッチングさせるスイッチング回路に関する。

特許文献１に、ゲート型のスイッチング素子をスイッチングさせるスイッチング回路が開示されている。このスイッチング回路は、カソードがスイッチング素子の高電位側主端子に接続されているモニタダイオードを有している。モニタダイオードのアノードは、スイッチング素子のゲートの電位を制御するゲート駆動回路に接続されている。スイッチング素子に過電流が流れると、高電位側主端子の電位が上昇する。その結果、モニタダイオードのアノードの電位が上昇する。ゲート駆動回路は、モニタダイオードのアノードの電位が上昇すると、スイッチング素子のゲートの電位を低下させてスイッチング素子をオフさせさせる。これにより、スイッチング素子に流れる過電流を停止させる。

また、特許文献２に、ゲート型のスイッチング素子をスイッチングさせる別のスイッチング回路が開示されている。このスイッチング回路は、カソードがスイッチング素子の高電位側主端子に接続されているモニタダイオードを有している。モニタダイオードのアノードは、スイッチング素子のゲートの電位を制御するゲート駆動回路に接続されている。スイッチング素子がオフしているか否か、及び、フリーホイーリングダイオードがオンしているか否かに応じて、スイッチング素子の高電位側主端子の電位が変化する。高電位側主端子の電位の変化に応じて、モニタダイオードのアノードの電位が変化する。ゲート駆動回路は、モニタダイオードのアノードの電位に応じて、スイッチング素子のゲートの電位を制御する。これにより、状況に応じてスイッチング素子を制御することができる。

以上に説明したように、スイッチング素子の高電位側主端子にモニタダイオードを接続することで、スイッチング素子の動作状態に応じてスイッチング素子を制御することができる。

特開２００７−１０４８０５号公報 特開２０１６−１４９７１５号公報

ゲート型のスイッチング素子をターンオフするときに、高電位側主端子の電位が急激に上昇する。すると、モニタダイオードがオフする。しかしながら、モニタダイオードが有する容量の影響により、高電位側主端子の電位が上昇するのと略同じタイミングで、モニタダイオードのアノードの電位が瞬間的に上昇する。すなわち、モニタダイオードのアノードにノイズが生じる。このノイズがゲート駆動回路に印加されると、ゲート駆動回路に過電圧が印加されるおそれがある。ノイズを抑制するために、モニタダイオードのアノードをバイパス素子（抵抗やツェナーダイオード等）を介して低電位に接続することができる。バイパス素子を設けることで、ノイズ発生時に電流が低電位側に流れるので、ノイズを抑制することができる。しかしながら、バイパス素子を設けると、スイッチング素子がターンオフする度にバイパス素子で損失が発生し、スイッチング回路で生じる損失が大きくなる。したがって、本明細書では、モニタダイオードのアノードで生じるノイズを抑制するとともに、スイッチング回路で生じる損失を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示するスイッチング回路は、ゲート型のスイッチング素子と、前記スイッチング素子のゲートの電位を制御するゲート駆動回路と、前記ゲート駆動回路の正極電源端子と負極電源端子の間に電圧を印加する電源と、前記正極電源端子と前記負極電源端子の間に接続されている平滑化コンデンサと、カソードが前記スイッチング素子の高電位側主端子に接続されているとともにアノードが前記ゲート駆動回路のモニタ端子に接続されているモニタダイオードと、アノードが前記モニタダイオードの前記アノードに接続されているとともにカソードが前記平滑化コンデンサの前記正極電源端子側の端子に接続されている回生ダイオードを備えている。前記ゲート駆動回路が、前記モニタ端子の電位に基づいて前記ゲートの電位を制御する。

このスイッチング回路は、回生ダイオードを備えている。スイッチング素子がターンオフするときにモニタダイオードのアノードでノイズが生じると、回生ダイオードを通ってモニタダイオードのアノードから平滑化コンデンサに向かって電流が流れる。このように電流が流れることによって、モニタダイオードのアノードで生じるノイズが抑制される。さらに、回生ダイオードを通って平滑化コンデンサに向かって流れる電流によって、平滑化コンデンサが充電される。平滑化コンデンサを充電することで得られたエネルギーは、ゲート駆動回路を動作させるためのエネルギーとなる。このように、このスイッチング回路では、ノイズを抑制するために生じる電流を無駄に消費させることなく、この電流をゲート駆動回路用のエネルギーとして平滑化コンデンサに蓄える。これによって、スイッチング回路で生じる損失を抑制することができる。

モータ駆動回路の回路図。 電源装置と各ゲート駆動ＩＣと各ＩＧＢＴの接続関係を示す回路図。 実施例１のスイッチング回路の詳細を示す回路図。 各部の電流、電圧を示すグラフ。 実施例２のスイッチング回路の詳細を示す回路図。 実施例３のスイッチング回路の詳細を示す回路図。 実施例４のスイッチング回路の詳細を示す回路図。

図１に示すモータ駆動回路１０は、バッテリ１２の直流電力を三相交流電力に変換してモータ１４、１６に供給する。モータ駆動回路１０は、コンバータ回路２０、第１インバータ回路２１、第２インバータ回路２２を有している。バッテリ１２とコンバータ回路２０は、第１高電位配線２６と低電位配線２８によって接続されている。コンバータ回路２０と第１インバータ回路２１は、第２高電位配線３０と低電位配線２８によって接続されている。コンバータ回路２０と第２インバータ回路２２は、第２高電位配線３０と低電位配線２８によって接続されている。

コンバータ回路２０は、平滑化コンデンサ３２、リアクトル３４、２つのＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）３６、平滑化コンデンサ３８を有している。リアクトル３４は、第１高電位配線２６に介装されている。平滑化コンデンサ３２は、リアクトル３４よりもバッテリ１２側の部分の第１高電位配線２６と低電位配線２８の間に接続されている。各ＲＣ−ＩＧＢＴ３６は、ＩＧＢＴ３６ａとダイオード３６ｂによって構成されている。ＩＧＢＴ３６ａのコレクタがダイオード３６ｂのカソードに接続されており、ＩＧＢＴ３６ａのエミッタがダイオード３６ｂのアノードに接続されている。２つのＲＣ−ＩＧＢＴ３６は、コレクタが第２高電位配線３０側を向く向きで、第２高電位配線３０と低電位配線２８の間に直列に接続されている。２つのＲＣ−ＩＧＢＴ３６の間の配線に、リアクトル３４よりも下流側の部分の第１高電位配線２６が接続されている。平滑化コンデンサ３８は、第２高電位配線３０と低電位配線２８の間に接続されている。コンバータ回路２０は、各ＲＣ−ＩＧＢＴ３６（すなわち、各ＩＧＢＴ３６ａ）をスイッチングさせることで、バッテリ１２の直流電圧を昇圧して、第２高電位配線３０と低電位配線２８の間に出力する。

第１インバータ回路２１は、ＲＣ−ＩＧＢＴ３６の直列回路を３つ有している。各直列回路は、第２高電位配線３０と低電位配線２８の間に直列に接続された２つのＲＣ−ＩＧＢＴ３６を備えている。各ＲＣ−ＩＧＢＴ３６は、コレクタが第２高電位配線３０側を向く向きで接続されている。なお、第１インバータ回路２１の各ＲＣ−ＩＧＢＴ３６の構成は、コンバータ回路２０の各ＲＣ−ＩＧＢＴ３６の構成と等しい。各直列回路において、２つのＲＣ−ＩＧＢＴ３６の間の配線に、出力配線３１が接続されている。各出力配線３１は、モータ１４に接続されている。第１インバータ回路２１は、各ＲＣ−ＩＧＢＴ３６（すなわち、各ＩＧＢＴ３６ａ）をスイッチングさせることで、第２高電位配線３０と低電位配線２８の間の直流電力（コンバータ回路２０の出力電力）を三相交流電力に変換する。三相交流電力は、出力配線３１によってモータ１４に供給される。

第２高電位配線３０と低電位配線２８は、一部で分岐しており、その分岐した部分に第２インバータ回路２２が設置されている。第２インバータ回路２２の構成は、第１インバータ回路２１の構成と等しい。第２インバータ回路２２は、各ＲＣ−ＩＧＢＴ３６（すなわち、各ＩＧＢＴ３６ａ）をスイッチングさせることで、三相交流電力をモータ１６に供給する。

各ＲＣ−ＩＧＢＴ３６のＩＧＢＴ３６ａのゲートに、ゲート駆動ＩＣ４０が接続されている。ゲート駆動ＩＣ４０は、ＩＧＢＴ３６ａ毎に設けられている。図１に示すようにモータ駆動回路１０が１４個のＩＧＢＴ３６ａを有しているので、モータ駆動回路１０は１４個のゲート駆動ＩＣ４０を有している。各ゲート駆動ＩＣ４０は、ＩＧＢＴ３６ａのゲートの電位を制御することで、ＩＧＢＴ３６ａをスイッチングさせる。なお、図１では、各ゲート駆動ＩＣ４０の周辺回路の図示を省略している。ゲート駆動ＩＣ４０の周辺回路の詳細は、図２、３に示されている。

図２に示すように、各ゲート駆動ＩＣ４０は、抵抗４２を介してＩＧＢＴ３６ａのゲートに接続されている。各ゲート駆動ＩＣ４０は、抵抗４２を介してＩＧＢＴ３６ａのゲートを充放電することで、ゲートの電位を制御する。ＩＧＢＴ３６ａは、ゲートの電位に応じてスイッチングする。各ゲート駆動ＩＣ４０は、正極電源端子Ｔ１と負極電源端子Ｔ２を有する。各ゲート駆動ＩＣ４０の正極電源端子Ｔ１と負極電源端子Ｔ２には、電源装置５０が接続されている。

電源装置５０は、直流電源５２、絶縁トランス６０、ＭＯＳＦＥＴ５４及び制御装置５６を有している。直流電源５２は、直流電圧を出力する。絶縁トランス６０は、一次コイル６０ａと複数の二次コイル６０ｂを有している。一次コイル６０ａに対して、各二次コイル６０ｂが、磁性体コアによって磁気的に接続されている。一次コイル６０ａは、各二次コイル６０ｂから絶縁されている。一次コイル６０ａの一端は直流電源５２の正極端子に接続されている。一次コイル６０ａの他端は、ＭＯＳＦＥＴ５４のドレインに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ５４のソースは、直流電源５２の負極に接続されている。すなわち、直流電源５２、一次コイル６０ａ及びＭＯＳＦＥＴ５４によって、閉回路が構成されている。また、直流電源５２の負極は、基準電位ＧＮＤ１に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ５４のゲートに、制御装置５６が接続されている。制御装置５６は、ＭＯＳＦＥＴ５４をスイッチングさせる。各二次コイル６０ｂは、対応するゲート駆動ＩＣ４０の正極電源端子Ｔ１と負極電源端子Ｔ２の間に接続されている。以下では、絶縁トランス６０の一次コイル６０ａ側の回路（直流電源５２、一次コイル６０ａ、ＭＯＳＦＥＴ５４等を備える回路）を一次回路５０ａという。また、絶縁トランスの二次コイル６０ｂ側の各回路（ゲート駆動ＩＣ４０、抵抗４２等を備える各回路）を二次回路５０ｂという。後に詳述するが、絶縁トランス６０を介して、一次回路５０ａから二次回路５０ｂに電力が供給される。

図３は、１つの二次回路５０ｂの詳細を示している。なお、二次回路５０ｂのそれぞれが、図３に示す構造を有する。図３に示すようにＩＧＢＴ３６ａと、ＩＧＢＴ３６ａをスイッチングさせるゲート駆動ＩＣ４０と、ゲート駆動ＩＣ４０に電力を供給する電源装置５０とを備える回路を、以下では、スイッチング回路という。上述したように、二次コイル６０ｂの一端がゲート駆動ＩＣ４０の正極電源端子Ｔ１に接続されている。より詳細には、二次コイル６０ｂの一端は、ダイオード７２を介して正極電源端子Ｔ１に接続されている。ダイオード７２のアノードが二次コイル６０ｂの一端に接続されており、ダイオード７２のカソードが正極電源端子Ｔ１に接続されている。二次コイル６０ｂの他端は、ゲート駆動ＩＣ４０の負極電源端子Ｔ２に直接接続されている。正極電源端子Ｔ１と負極電源端子Ｔ２の間に、平滑化コンデンサ７０が接続されている。以下では、平滑化コンデンサ７０の正極電源端子Ｔ１側の端子を、高電位端子７０ａという。高電位端子７０ａの電位は正極電源端子Ｔ１の電位と等しい。ゲート駆動ＩＣ４０の負極電源端子Ｔ２は、基準電位ＧＮＤ２に接続されている。基準電位ＧＮＤ２は、ＩＧＢＴ３６ａのエミッタと略同じ電位である。二次回路５０ｂの基準電位ＧＮＤ２は、一次回路５０ａの基準電位ＧＮＤ１よりも高い。

ゲート駆動ＩＣ４０は、ゲート信号端子Ｇ、モニタ端子Ｍ、信号受信端子Ｓ１を有している。ゲート信号端子Ｇは、上述した抵抗４２を介してＩＧＢＴ３６ａのゲートに接続されている。モニタ端子Ｍは、モニタダイオード７４を介してＩＧＢＴ３６ａのコレクタに接続されている。モニタダイオード７４のアノードがモニタ端子Ｍに接続されており、モニタダイオード７４のカソードがＩＧＢＴ３６ａのコレクタに接続されている。モニタダイオード７４は、ＩＧＢＴ３６ａと同じ半導体チップに形成されている。モニタ端子Ｍと正極電源端子Ｔ１の間に、回生ダイオード７６が接続されている。より詳細には、回生ダイオード７６のアノードがモニタ端子Ｍ（すなわち、モニタダイオード７４のアノード）に接続されており、回生ダイオード７６のカソードが正極電源端子Ｔ１（すなわち、平滑化コンデンサ７０の高電位端子７０ａ）に接続されている。また、回生ダイオード７６に対して並列に、抵抗７９が接続されている。抵抗７９の一端が回生ダイオード７６のアノードに接続されており、抵抗７９の他端が回生ダイオード７６のカソードに接続されている。信号受信端子Ｓ１には、図示しない信号生成回路からＰＷＭ信号が送信される。信号生成回路の基準電位は、一次回路５０ａの基準電位ＧＮＤ１と等しい。二次回路５０ｂの基準電位ＧＮＤ２が信号生成回路の基準電位ＧＮＤ１よりも高いので、信号生成回路からゲート駆動ＩＣ４０にフォトカプラ７８ａを介してＰＷＭ信号が送信される。ＰＷＭ信号は、ＩＧＢＴ３６ａのスイッチングタイミングを示す信号である。ゲート駆動ＩＣ４０は、信号受信端子Ｓ１で受信されるＰＷＭ信号、モニタ端子Ｍに印加される電位（モニタダイオード７４のアノードの電位）等に基づいて、ゲート信号端子Ｇの電位を変化させる。これによって、ＩＧＢＴ３６ａのゲートの電位が変化し、ＩＧＢＴ３６ａがスイッチングする。

次に、図３に示すスイッチング回路の動作について説明する。まず、電源装置５０の動作について説明する。一次回路５０ａの制御装置５６は、ＭＯＳＦＥＴ５４を一定の周期で繰り返しスイッチングさせる。このため、一次コイル６０ａに、一定周期で変動する変動電流が流れる。一次コイル６０ａに変動電流が流れると、二次コイル６０ｂにも変動電流が流れる。二次コイル６０ｂの変動電流は、二次コイル６０ｂからダイオード７２に向かう向きに流れる。二次コイル６０ｂの変動電流は、二次コイル６０ｂ、ダイオード７２及び平滑化コンデンサ７０により構成される閉回路に流れる。これによって、平滑化コンデンサ７０が充電される。これによって、平滑化コンデンサ７０の両端の間に、直流電圧（本実施形態では、約１８Ｖ）が生じる。このように、電源装置５０によって、直流電圧が出力される。電源装置５０が出力する電源電圧は、ゲート駆動ＩＣ４０の正極電源端子Ｔ１と負極電源端子Ｔ２の間に印加される。言い換えると、正極電源端子Ｔ１に、負極電源端子Ｔ２の電位よりも高い固定電位が印加される。このようにして、ゲート駆動ＩＣ４０に電源電圧が供給される。

次に、ゲート駆動ＩＣ４０の動作について説明する。ゲート駆動ＩＣ４０は、信号受信端子Ｓ１で受信されるＰＷＭ信号とモニタ端子Ｍの電位に基づいて、ＩＧＢＴ３６ａのゲートの電位を制御する。以下、ゲート駆動ＩＣ４０の動作について説明する。

ＰＷＭ信号は周期的に変化する。ゲート駆動ＩＣ４０は、信号受信端子Ｓ１で受信されるＰＷＭ信号に応じて、ゲート信号端子Ｇの電位を変化させる。これによって、ＩＧＢＴ３６ａのゲート電位Ｖｇが、図４に示すように変化する。すなわち、ゲート電位Ｖｇが、高電位Ｈ１と低電位Ｌ１の間で変化する。高電位Ｈ１はＩＧＢＴ３６ａのゲート閾値よりも高い電位であり、低電位Ｌ１はＩＧＢＴ３６ａのゲート閾値よりも低い電位である。

ゲート電位Ｖｇが低電位Ｌ１であるオフ期間Ｔｏｆｆでは、ＩＧＢＴ３６ａがオフしている。このため、ＩＧＢＴ３６ａのコレクタ‐エミッタ間の電圧Ｖｃｅが高電圧（約６５０Ｖ）となり、ＩＧＢＴ３６ａのコレクタ‐エミッタ間に流れる電流Ｉｃｅ（主電流）が略０アンペアとなる。オフ期間Ｔｏｆｆにおいては、電圧Ｖｃｅ（すなわち、ＩＧＢＴ３６ａのコレクタの電位）が高いので、モニタダイオード７４がオフしている。このため、モニタダイオード７４のアノードに、抵抗７９を介して電源装置５０の出力電位（約１８Ｖ）が印加される。したがって、オフ期間Ｔｏｆｆでは、モニタ端子Ｍの電位Ｖｍが高電位Ｈ２（約１８Ｖ）となる。

ゲート電位Ｖｇが高電位Ｈ１であるオン期間Ｔｏｎでは、ＩＧＢＴ３６ａがオンしている。このため、ＩＧＢＴ３６ａのコレクタ‐エミッタ間の電圧Ｖｃｅが低電圧（略０Ｖ）となり、ＩＧＢＴ３６ａのコレクタ‐エミッタ間に流れる電流Ｉｃｅが高くなる。オン期間Ｔｏｎにおいては、電圧Ｖｃｅ（すなわち、ＩＧＢＴ３６ａのコレクタの電位）が低いので、モニタダイオード７４がオンしている。このため、オン期間Ｔｏｎでは、モニタダイオード７４のアノードの電位（すなわち、モニタ端子Ｍの電位Ｖｍ）が、低電位Ｌ２（略０Ｖ）となる。

オン期間Ｔｏｎからオフ期間Ｔｏｆｆに移行するタイミングで、ＩＧＢＴ３６ａがターンオフする（すなわち、ＩＧＢＴ３６ａが、オン状態からオフ状態に切り換わる）。すると、このタイミングで、電圧Ｖｃｅが急激に上昇する。また、モニタダイオード７４は、アノードとカソードの間に寄生容量を有している。このため、電圧Ｖｃｅ（すなわち、ＩＧＢＴ３６ａのコレクタの電位）が急激に上昇すると、モニタダイオード７４の寄生容量を介した容量結合により、モニタダイオード７４のアノードの電位（すなわち、モニタ端子Ｍの電位Ｖｍ）が瞬間的に上昇する。このため、図４に示すように、オン期間Ｔｏｎからオフ期間Ｔｏｆｆに移行するタイミングで、モニタ端子Ｍの電位ＶｍにノイズＮが生じる。ノイズＮが生じると、モニタ端子Ｍの電位Ｖｍが電源装置５０の出力電位（すなわち、平滑化コンデンサ７０の高電位端子７０ａの電位）よりも高くなる。すると、回生ダイオード７６がオンし、モニタ端子Ｍから回生ダイオード７６を介して平滑化コンデンサ７０へ回生電流Ｉｒ（図３参照）が流れる。回生電流Ｉｒが流れることで、モニタ端子Ｍの電位Ｖｍがそれ以上上昇することが抑制される。したがって、モニタ端子Ｍに生じるノイズＮが抑制される。さらに、平滑化コンデンサ７０へ流れる回生電流Ｉｒによって、平滑化コンデンサ７０が充電される。これによって、平滑化コンデンサ７０にエネルギーが蓄えられる。平滑化コンデンサ７０に蓄えられたエネルギーは、ゲート駆動ＩＣ４０を駆動するために用いられる。このように、このスイッチング回路では、ノイズＮを抑制するために生じる回生電流Ｉｒによって平滑化コンデンサ７０を充電するので、回生電流Ｉｒによって生じる損失が極めて小さい。したがって、スイッチング回路で生じる損失を低減することができる。

また、誤動作等により、第２高電位配線３０と低電位配線２８の間に直列に接続された２つのＩＧＢＴ３６ａ（図１参照）の両方が同時にオンし、第２高電位配線３０と低電位配線２８が短絡する場合がある。短絡が生じると、電流Ｉｃｅとして極めて高い過電流が流れ、ＩＧＢＴ３６ａが飽和状態となる。飽和状態においては、ＩＧＢＴ３６ａがオンしているにもかかわらず、そのコレクタ‐エミッタ間電圧Ｖｃｅが高くなる。このため、モニタダイオード７４がオフし、モニタ端子Ｍの電位Ｖｍが高電位Ｈ２となる。ゲート駆動ＩＣ４０は、オン期間Ｔｏｎの間にモニタ端子Ｍの電位Ｖｍが高くなると、直ちにＩＧＢＴ３６ａのゲート電位Ｖｇを低電位Ｌ１まで低下させて、ＩＧＢＴ３６ａをオフさせる。これによって、ＩＧＢＴ３６ａに長時間にわたって飽和電流が流れることを防止する。これにより、ＩＧＢＴ３６ａに過度に高い負荷が加わることが防止することができる。

以上に説明したように、実施例１のスイッチング回路では、モニタダイオード７４のアノードの電位（すなわち、モニタ端子Ｍの電位Ｖｍ）に応じてＩＧＢＴ３６ａのゲート電位Ｖｇを制御することで、ＩＧＢＴ３６ａを過電流から保護することができる。また、実施例１のスイッチング回路では、通常動作においてＩＧＢＴ３６ａをターンオフさせるときに、回生電流Ｉｒが流れることでノイズＮが抑制される。したがって、高いノイズがゲート駆動ＩＣ４０に印加されることを防止することができる。また、実施例１のスイッチング回路では、回生電流Ｉｒによって平滑化コンデンサ７０が充電される。したがって、スイッチング回路で生じる損失が抑制される。

なお、回生電流Ｉｒによって平滑化コンデンサ７０が充電されるので、電源装置５０によって平滑化コンデンサ７０に供給する電力を低減することができる。このため、絶縁トランス６０に流れる電流を少なくすることができ、絶縁トランス６０のサイズを小型化することができる。絶縁トランス６０のサイズは他の電子部品に比べて大きいので、絶縁トランス６０を小型化することでスイッチング回路を効果的に小型化することができる。特に、図２に示すように、ＩＧＢＴ３６ａ毎に絶縁トランス６０（二次コイル６０ｂ）が設けられているので、絶縁トランス６０を小型化することで、スイッチング回路を大幅に小型化することができる。

図５は、実施例２のスイッチング回路を示している。実施例２のスイッチング回路は、モニタダイオード７４に対して並列に接続されたモニタコンデンサ９０を有する。実施例２のスイッチング回路のその他の構成は、実施例１のスイッチング回路の構成と等しい。モニタコンデンサ９０の一方の端子は、モニタダイオード７４のカソード（すなわち、ＩＧＢＴ３６ａのコレクタ）に接続されている。モニタコンデンサ９０の他方の端子は、モニタダイオード７４のアノードに接続されている。

実施例２のスイッチング回路では、モニタダイオード７４のアノードとカソードの間に、モニタダイオード７４の寄生容量に加えて、モニタコンデンサ９０の容量が存在する。このため、ＩＧＢＴ３６ａがターンオフするときに、図５に示すように、より高い回生電流Ｉｒを生じさせることができる。このため、より効率的に平滑化コンデンサ７０を充電することができる。

図６は、実施例３のスイッチング回路を示している。実施例３のスイッチング回路は、回生ダイオード７６に代えて、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２を有している。また、実施例３のスイッチング回路は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４と抵抗９６を有している。実施例３のスイッチング回路のその他の構成は、実施例１のスイッチング回路の構成と等しい。

ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２のソースは、平滑化コンデンサ７０の高電位端子７０ａ（すなわち、正極電源端子Ｔ１）に接続されている。ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２のドレインは、モニタダイオード７４のアノード（すなわち、モニタ端子Ｍ）に接続されている。ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２は、ｐ型ソース領域、ｎ型ボディ領域、及びｐ型ドレイン領域の少なくとも３つの半導体領域を有する素子であり、ゲート電極に所定電圧を印加することでソース領域とドレイン領域間が導通するスイッチング素子である。ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２のソース（ソース電極）は、ｐ型ソース領域とｎ型ボディ領域に接続されている。ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２のドレイン（ドレイン電極）は、ｐ型ドレイン領域に接続されており、ｎ型ボディ領域には接続されていない。したがって、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２のソースとドレインの間に、ｎ型ボディ領域とｐ型ドレイン領域とによって構成される寄生ダイオードが形成されている。ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２のソースは寄生ダイオードのカソードとしても機能し、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２のドレインは寄生ダイオードのアノードとしても機能する。ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２のゲートは、ゲート駆動ＩＣ４０に接続されている。ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２のゲートの電位は、ゲート駆動ＩＣ４０によって制御される。

ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４と抵抗９６は、モニタダイオード７４のアノードと基準電位ＧＮＤ２の間に直列に接続されている。ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４のドレインは、モニタダイオード７４のアノード（すなわち、モニタ端子Ｍ）に接続されている。ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４のソースは、抵抗９６の一端に接続されている。抵抗９６の他端は、基準電位ＧＮＤ２が印加されている端子に接続されている。ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４のゲートは、ゲート駆動ＩＣ４０に接続されている。ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４のゲートの電位は、ゲート駆動ＩＣ４０によって制御される。

ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２がオフしていると、そのソースからそのドレインに向かう方向においてはｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２に電流は流れない。他方、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２がオフしていても、寄生ダイオードが存在するため、そのドレインからそのソースに向かう方向（すなわち、モニタ端子Ｍから正極電源端子Ｔ１に向かう方向）にはｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２に電流が流れる。すなわち、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２がオフしている状態においては、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２は実質的に回生ダイオードとして機能する。平滑化コンデンサ７０が過度に充電されている場合を除いて、ゲート駆動ＩＣ４０は、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４をオフ状態に制御する。したがって、上述した実施例１のスイッチング回路と同様に、実施例３のスイッチング回路は、回生電流によってノイズＮを抑制することができるとともに、回生電流によって平滑化コンデンサ７０を充電することができる。また、ＩＧＢＴ３６ａを過電流から保護することができる。

回生電流によって平滑化コンデンサ７０が過度に充電される場合がある。すると、平滑化コンデンサ７０の高電位端子７０ａの電位（すなわち、正極電源端子Ｔ１の電位）が高くなる。ゲート駆動ＩＣ４０は、正極電源端子Ｔ１の電位が所定値よりも高くなると、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４をオンさせる。すると、図６に示すように、平滑化コンデンサ７０から、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４及び抵抗９６を介して基準電位ＧＮＤ２に向かって電流Ｉｄ１が流れる。これによって、平滑化コンデンサ７０が放電される。また、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４をオンさせると、ＩＧＢＴ３６ａのターンオフ時に回生電流が流れず、代わりに図６に示す電流Ｉｄ２が流れる。このため、回生電流による平滑化コンデンサ７０の充電が停止される。電流Ｉｄ２が流れることで、ノイズＮが抑制される。このように、実施例３のスイッチング回路では、平滑化コンデンサ７０が過度に充電された場合に、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４をオンさせることで回生電流を停止（すなわち、平滑化コンデンサ７０の充電を停止）するとともに、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２をオンさせることで平滑化コンデンサ７０を放電させる。これによって、ゲート駆動ＩＣ４０に過度に高い電源電圧が印加されることを防止することができる。ゲート駆動ＩＣ４０は、正極電源端子Ｔ１の電位が適正値まで低下したら、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４をオフさせて、回生電流が流れる動作を再開する。

なお、上述した実施例３のスイッチング回路において、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４及び抵抗９６に代えて、別の放電経路を使用してもよい。

また、上述した実施例３のスイッチング回路において、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９２を実施例１、２の回生ダイオード７６に置き換えてもよい。この場合でも、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９４をオンさせることで、回生電流を停止させることができる。過度に充電された平滑化コンデンサ７０の電荷はゲート駆動ＩＣ４０で消費されるので、回生電流を停止させるだけでも、正極電源端子Ｔ１の電位を適正値まで緩やかに低下させることができる。

図７に示す実施例４のスイッチング回路は、ゲート駆動ＩＣ４０の内部に上述した特許文献２と同様の回路が設けられている。ゲート駆動ＩＣ４０の内部には、電位ＶＢが印加されている端子、抵抗１２４、コンパレータ１２２、閾値電圧生成部１２３、判定部１３１及び駆動部１２７を有している。この構成によれば、ＩＧＢＴ３６ａがオフしているか否か、及び、ＩＧＢＴ３６ａに並列に接続されているダイオード３６ｂ（フリーホイーリングダイオード）がオンしているか否か等に応じて、ＩＧＢＴ３６ａを制御することができる。また、実施例４の構成でも、ノイズＮを抑制できるとともに、回生電流によって平滑化コンデンサ７０を充電することができる。

また、上述した実施例１〜４の構成を組み合わせてもよい。また、実施例１〜４において、ＩＧＢＴ３６ａの代わりに、他のゲート型のスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ等）を用いてもよい。また、上述した実施例１〜３では、抵抗７９の一端（モニタダイオード７４のアノードと反対側の端部）が正極電源端子Ｔ１（すなわち、電源装置５０の出力電圧（約１８Ｖ）が印加される端子）に接続されていた。しかしながら、抵抗７９の上記一端は、モニタダイオード７４の順方向電圧降下より高く、かつ、オフ期間Ｔｏｆｆ中におけるＩＧＢＴ３６ａのコレクタの電位Ｖｃｅよりも低い電位であれば、どのような電位に接続されていてもよい。このような電位に抵抗７９の上記一端が接続されていれば、モニタダイオード７４は上述した実施例と同様に動作することができる。

上述した実施例の構成要素と請求項の構成要素との関係について以下に説明する。実施例１〜４のゲート駆動ＩＣ４０は、請求項の「ゲート駆動回路」の一例である。実施例１〜４の電源装置５０は、請求項の「電源」の一例である。実施例１〜４の平滑化コンデンサ７０の高電位端子７０ａは、請求項の「平滑化コンデンサの正極電源端子側の端子」の一例である。実施例１〜４のＩＧＢＴ３６ａのコレクタは、請求項の「高電位側主端子」の一例である。実施例３の抵抗９６に接続されている基準電位ＧＮＤ２が印加されている端子は、請求項の「低電位端子」の一例である。実施例３のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ９６は、請求項の「制御スイッチング素子」の一例である。

本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

本明細書が開示する一例の構成では、モニタダイオードに対して並列に接続されているモニタコンデンサをさらに有していてもよい。

この構成によれば、回生ダイオードにより大きい電流を流すことができ、平滑化コンデンサをより効率的に充電することができる。

本明細書が開示する一例の構成では、ドレインがモニタダイオードのアノードに接続されており、ソースが平滑化コンデンサの正極電源端子側の端子に接続されているｐチャネルＭＯＳＦＥＴをさらに備えていてもよい。この場合、回生ダイオードが、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードであってもよい。

なお、本明細書では、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴの一対の主電極のうち、寄生ダイオードのカソードに接続されている方をソースといい、他方をドレインという。

この構成によれば、平滑化コンデンサの電圧が過度に高くなったときに、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴをオンさせることで、平滑化コンデンサを放電させてその電圧を低下させることができる。

本明細書が開示する一例の構成では、スイッチング回路が、正極電源端子よりも低い電位が印加される低電位端子と、モニタダイオードのアノードと低電位端子との間に接続されている制御スイッチング素子をさらに備えていてもよい。

この構成によれば、平滑化コンデンサの電圧が過度に高くなったときに、制御スイッチング素子をオンさせることで、回生ダイオードに電流が流れることを防止することができる。これによって、平滑化コンデンサがさらに充電されることを防止することができる。

本明細書が開示する一例の構成では、電源が一次コイルと二次コイルを有するトランスを備えており、二次コイルが正極電源端子と負極電源端子の間に接続されていてもよい。

この構成では、トランスの一次コイルから二次コイルに電力が供給され、二次コイルに供給された電力によって平滑化コンデンサが充電される。回生ダイオードによっても平滑化コンデンサが充電されるので、一次コイルから二次コイルに供給する電力を小さくすることが可能であり、トランスを小型化することができる。トランスのサイズは他の電子部品に比べて大きい場合が多いので、トランスを小型化することによって、スイッチング回路全体を効果的に小型化することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０ ：モータ駆動回路
１２ ：バッテリ
１４ ：モータ
１６ ：モータ
２０ ：コンバータ回路
２１ ：第１インバータ回路
２２ ：第２インバータ回路
４２ ：抵抗
５０ ：電源装置
５０ａ：一次回路
５０ｂ：二次回路
５２ ：直流電源
５４ ：ＭＯＳＦＥＴ
５６ ：制御装置
６０ ：絶縁トランス
６０ａ：一次コイル
６０ｂ：二次コイル
７０ ：平滑化コンデンサ
７２ ：ダイオード
７４ ：モニタダイオード
７６ ：回生ダイオード
９０ ：モニタコンデンサ

Claims (5)

1. ゲート型のスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子のゲートの電位を制御するゲート駆動回路と、
   前記ゲート駆動回路の正極電源端子と負極電源端子の間に電圧を印加する電源と、
   前記正極電源端子と前記負極電源端子の間に接続されている平滑化コンデンサと、
   カソードが前記スイッチング素子の高電位側主端子に接続されており、アノードが前記ゲート駆動回路のモニタ端子に接続されているモニタダイオードと、
   アノードが前記モニタダイオードの前記アノードに接続されており、カソードが前記正極電源端子側の前記平滑化コンデンサの端子に接続されている回生ダイオード、
   を備えており、
   前記ゲート駆動回路が、前記モニタ端子の電位に基づいて前記ゲートの電位を制御するスイッチング回路。
2. 前記モニタダイオードに対して並列に接続されているモニタコンデンサをさらに有する請求項１のスイッチング回路。
3. ドレインが前記モニタダイオードの前記アノードに接続されており、ソースが前記正極電源端子側の前記平滑化コンデンサの前記端子に接続されているｐチャネルＭＯＳＦＥＴをさらに備えており、
   前記回生ダイオードが、前記ｐチャネルＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードである請求項１または２のスイッチング回路。
4. 前記正極電源端子よりも低い電位が印加される低電位端子と、
   前記モニタダイオードの前記アノードと前記低電位端子との間に接続されている制御スイッチング素子、
   をさらに有する請求項１〜３のいずれか一項のスイッチング回路。
5. 前記電源が、一次コイルと二次コイルを有するトランスを備えており、
   前記二次コイルが、前記正極電源端子と前記負極電源端子の間に接続されている請求項１〜４のいずれか一項のスイッチング回路。

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