JP6295268B2

JP6295268B2 - 半導体駆動装置

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Publication number: JP6295268B2
Application number: JP2015546164A
Authority: JP
Inventors: 尊衛嶋田; 庄司　浩幸; 浩幸庄司
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: JPWO2015068194A1; WO2015068194A1

Description

本発明は、スイッチング素子の駆動信号と駆動電力を光で伝達する絶縁性を備えた半導体駆動装置に関する。

近年，電力変換機器には小型化，高効率化が求められており，ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子を用いた電源装置が開発されている。このような電源装置では，制御系から絶縁しつつスイッチング素子を駆動しなければならない場合があり，光起電力素子を用いてスイッチング素子を駆動する方法が，従来から広く検討されている。

しかしながら，光起電力素子の光起電流によりスイッチング素子のゲート容量を充電してターンオンし，放電抵抗によりスイッチング素子のゲート容量を放電してターンオフする方法では，ゲート容量の充放電に要する時間が長くなり，ターンオン時間やターンオフ時間が長くなりやすいという課題がある。

そこで，〔特許文献１〕には，ＦＥＴを用いた回路が開示されている。この回路では，ＦＥＴによりゲート容量を放電することで，ターンオン時間とターンオフ時間を短くすることを目的としている。

また，〔特許文献２〕には，コンデンサを用いた回路が開示されている。この回路では，コンデンサを用いてゲート容量を充電することで，ターンオン時間とターンオフ時間を短くしている。

他にも，〔特許文献３〕，〔特許文献４〕に，負荷側の電圧を用いてターンオン時間を短くした回路が開示されている。

特許第２５２１６６３号公報特開平２−２５６３１５号公報特許第２８１８６１１号公報特開平８−３２１７６２号公報

しかしながら，従来の〔特許文献１〕に記載された回路では，光起電力素子の光起電流によりスイッチング素子のゲート容量を充電してターンオンするため，ターンオン時間を更に短くすることが難しいという課題があった。

また，従来の〔特許文献２〕に記載された回路では，放電抵抗によりスイッチング素子のゲート容量を放電してターンオフするため，ターンオフ時間を更に短くすることは，やはり難しいという課題があった。

また，〔特許文献３〕，〔特許文献４〕に記載された回路では，負荷側の電圧により適用範囲が制限されるという課題があった。

本発明の目的は，ターンオン時間とターンオフ時間の両方が短い半導体駆動装置を提供することである。

前記目的を達成するために本発明は，１次端子間に入力した電力により発光する第１の発光素子と，第１の発光素子が放出した光を受けて起電する第１の光起電力素子と，一つ又は複数の光起電力素子を接続して成り，かつ第１のコンデンサを充電する第１の光起電力アレイとを備え，第１の光起電力素子の起電状態に基づいて，第１のコンデンサの電圧を２次端子間に印加することを特徴とする。

本発明によれば，ターンオン時間とターンオフ時間の両方が短い半導体駆動装置を提供することが実現できる。

実施例１の半導体駆動装置の回路構成図。実施例１の半導体駆動装置の動作を説明する図。実施例２の半導体駆動装置の回路構成図。

以下，本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は，本発明の実施例１による半導体駆動装置の回路構成図である。この半導体駆動装置は，１次端子１１，１２間に入力した電力により，２次端子２１，２２間に接続されたスイッチング素子Ｑ３を駆動する。

この半導体駆動装置は，１次端子１１，１２間に接続された発光素子ＬＥＤ１と，この発光素子ＬＥＤ１が放出した光を受けて起電する光起電力素子ＰＤ１と，複数の光起電力素子を接続して成る光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２を直列接続した光起電力レッグと，トランジスタＱ１，Ｑ２を直列接続したトランジスタレッグを備えている。この光起電力レッグとトランジスタレッグは並列に接続されている。

光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２には，コンデンサＣ１，Ｃ２がそれぞれ並列接続されている。トランジスタＱ１，Ｑ２の接続点と，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２の接続点との間を２次端子２１，２２間としている。

光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２には，これらの光起電流と逆向きの電流を阻止する向きにダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ直列接続されている。また，光起電力素子ＰＤ１の起電状態に基づいてトランジスタＱ１，Ｑ２のオンオフ状態を制御する制御手段１を備えている。

１次端子１１，１２間には，制限抵抗Ｒ１を介してパルス電源Ｅ１が接続されている。また，２次端子２１にはゲート抵抗Ｒｇを介してスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ素子）Ｑ３の制御端子（ゲート）が接続され，２次端子２２にはスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ素子）Ｑ３の基準端子（エミッタ）が接続されている。

制御手段１は，光起電力素子ＰＤ１に電圧が生じていない場合には，トランジスタＱ１をオフ状態，トランジスタＱ２をオン状態にする。一方，光起電力素子ＰＤ１に電圧が生じている場合には，光起電力素子ＰＤ１に電圧が生じる前の状態が所定の期間よりも長い場合は引き続きトランジスタＱ１をオフ状態，トランジスタＱ２をオン状態にし，光起電力素子ＰＤ１に電圧が生じる前の状態が所定の期間よりも短い場合はトランジスタＱ１をオン状態，トランジスタＱ２をオフ状態にする。

以下，図２を用いて本実施例の半導体駆動装置の動作を説明する。図２において，Ｉ１は発光素子ＬＥＤ１の電流，Ｖ１は光起電力素子ＰＤ１の電圧，ＶＣ１はコンデンサＣ１の電圧，ＶＣ２はコンデンサＣ２の電圧，Ｖ２は２次端子２１，２２間の電圧，Ｖｇｅはスイッチング素子Ｑ３のゲート−エミッタ間電圧を表している。また，＜Ｑ１＞，＜Ｑ２＞は，それぞれトランジスタＱ１，Ｑ２のオンオフ状態を示しており，ハイレベルがオン状態，ローレベルがオフ状態を表している。
（期間Ｔ０）
期間Ｔ０では，発光素子ＬＥＤ１の電流Ｉ１が流れておらず，光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１は生じていない。したがって，トランジスタＱ１はオフ状態，トランジスタＱ２はオン状態である。ただし，コンデンサＣ１，Ｃ２が充電されていないため，実際にはトランジスタＱ２はオン状態を維持できない場合がある。２次端子２１，２２間，ゲート−エミッタ間には電圧が印加されていない。したがって，スイッチング素子Ｑ３はオフ状態である。
（期間Ｔ１）
発光素子ＬＥＤ１の電流Ｉ１が流れると，光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じ，期間Ｔ１の状態になる。光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じる前の状態，すなわち期間Ｔ０の状態が所定の期間Ｔｔｈよりも長いため，期間Ｔ１では引き続きトランジスタＱ１はオフ状態，トランジスタＱ２はオン状態を維持している。光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２には光起電力が生じ，この光起電流によりコンデンサＣ１，Ｃ２が充電され，コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２は徐々に上昇していく。２次端子２１，２２間にはコンデンサＣ２の電圧が印加され，２次端子２１，２２間の電圧Ｖ２はコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２の逆極性となる。この２次端子２１，２２間の電圧Ｖ２がゲート抵抗Ｒｇを介してゲート−エミッタ間に電圧が印加され，ゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅは負となる。したがって，スイッチング素子Ｑ３は引き続きオフ状態を維持する。
（期間Ｔ２）
発光素子ＬＥＤ１の電流Ｉ１が流れなくなり，光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じなくなると，期間Ｔ２の状態になる。光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じていないため，トランジスタＱ１はオフ状態，トランジスタＱ２はオン状態である。光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２には光起電力が生じなくなるため，コンデンサＣ１，Ｃ２は充電されなくなるが，ダイオードＤ１，Ｄ２が，コンデンサＣ１，Ｃ２から光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２への電流の逆流を阻止するため，コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２は維持されている。２次端子２１，２２間の電圧Ｖ２はコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２の逆極性となり，ゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅは負となる。したがって，スイッチング素子Ｑ３はオフ状態を維持する。
（期間Ｔ３）
発光素子ＬＥＤ１の電流Ｉ１が流れると，光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じ，期間Ｔ３の状態になる。光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じる前の状態，すなわち期間Ｔ２の状態が所定の期間Ｔｔｈよりも短いため，期間Ｔ３ではトランジスタＱ１がオン状態，トランジスタＱ２がオフ状態になる。２次端子２１，２２間にはコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１が印加され，この２次端子２１，２２間の電圧Ｖ２がゲート抵抗Ｒｇを介してゲート−エミッタ間に印加され，ゲート−エミッタ間容量が充電されて，ゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅが急速に上昇している。

したがって，スイッチング素子Ｑ３はターンオンする。このとき，コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１は，電荷の放電に伴い一時的に低下することがあるが，光起電力アレイＰＤ２１の光起電流によりコンデンサＣ１が充電されるため，コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１は徐々に上昇し回復していく。また，コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が低下している場合には，光起電力アレイＰＤ２２の光起電流によりコンデンサＣ２が充電されるため，コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２も徐々に上昇し回復していく。
（期間Ｔ４）
発光素子ＬＥＤ１の電流Ｉ１が流れなくなり，光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じなくなると，期間Ｔ４の状態になる。光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じていないため，トランジスタＱ１はオフ状態，トランジスタＱ２はオン状態になる。２次端子２１，２２間にはコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が逆極性に印加され，この２次端子２１，２２間の電圧Ｖ２がゲート抵抗Ｒｇを介してゲート−エミッタ間に印加され，ゲート−エミッタ間容量が放電されて，ゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅが急速に下降している。したがって，スイッチング素子Ｑ３はターンオフする。このとき，コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２は，電荷の放電に伴い低下することがある。また，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２には光起電力が生じず，ダイオードＤ１，Ｄ２が，コンデンサＣ１，Ｃ２から光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２への放電を阻止する。
（期間Ｔ５）（期間Ｔ６）
期間Ｔ５，Ｔ６の動作は，それぞれ期間Ｔ３，Ｔ４の動作と同様であり，以降，期間Ｔ３，Ｔ４と同様の動作を繰り返している。

以上のように，本実施例の半導体駆動装置では，発光素子ＬＥＤ１に電流が流れるとコンデンサＣ１，Ｃ２が充電される。発光素子ＬＥＤ１に電流が流れると２次端子２１，２２間の電圧が正になる向きにコンデンサＣ１の電圧を出力してスイッチング素子Ｑ３をオン状態にし，発光素子ＬＥＤ１に電流が流れないと２次端子２１，２２間の電圧が負になる向きにコンデンサＣ２の電圧を出力してスイッチング素子Ｑ３をオフ状態にする動作を基本としている。

ただし，発光素子ＬＥＤ１に電流が流れない期間が所定の期間Ｔｔｈより長い場合には，次に発光素子ＬＥＤ１に電流が流れても２次端子２１，２２間の電圧が負になる向きにコンデンサＣ２の電圧を継続して出力し，スイッチング素子Ｑ３をオフ状態に保つ。これにより，本実施例の半導体駆動装置では，スイッチング素子Ｑ３をオフ状態に保ちつつコンデンサＣ１，Ｃ２を充電し，コンデンサＣ１，Ｃ２を十分に充電してからスイッチング素子Ｑ３のスイッチング動作を開始することが可能である。

このように，本実施例の半導体駆動装置では，予めコンデンサＣ１に充電した電圧を用いて，スイッチング素子Ｑ３のゲート−エミッタ間容量を急速に充電するため，スイッチング素子Ｑ３のターンオンに要する時間を短くすることが可能である。また，予めコンデンサＣ２に充電した電圧を用いて，スイッチング素子Ｑ３のゲート−エミッタ間容量を急速に放電するため，スイッチング素子Ｑ３のターンオフに要する時間も短くすることが可能である。

もっとも，光起電力アレイＰＤ２２，ダイオードＤ２，コンデンサＣ２を省略し，トランジスタＱ２のコレクタ−エミッタ間を２次端子２１，２２間に変更しても，スイッチング素子Ｑ３のゲート−エミッタ間容量を比較的速く放電することは可能であり，スイッチング素子Ｑ３のターンオフに要する時間も比較的短くすることが可能である。しかしながら，光起電力アレイＰＤ２２，ダイオードＤ２，コンデンサＣ２を備えた実施例１の半導体駆動装置は，より短い時間で確実にターンオフすることが可能である。また，ゲート−エミッタ間電圧のしきい値が負のスイッチング素子にも適用が可能である。

図３は，本発明の実施例２による半導体駆動装置の回路構成図である。この半導体駆動装置は，実施例１による半導体駆動装置と比較して，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２を起電するための発光素子ＬＥＤ２を備えた点が異なっている。発光素子ＬＥＤ２は，複数の発光素子を接続して構成され，１次端子１３，１４間に接続されている。１次端子１３，１４間には，制限抵抗Ｒ２を介して直流電源Ｅ２が接続されている。

この実施例２の半導体駆動装置では，発光素子ＬＥＤ２は，発光素子ＬＥＤ１が放出する光とは異なる波長の光を放出するようにしている。さらに，光起電力素子ＰＤ１の分光感度特性は，発光素子ＬＥＤ１が放出する光の波長に対する受光感度が，発光素子ＬＥＤ２が放出する光の波長に対する受光感度よりも高くなるようにしている。このようにすることにより，コンデンサＣ１，Ｃ２を充電するために発光素子ＬＥＤ２に電流を流して点灯させた状態においても，スイッチング素子Ｑ３のオンオフ状態を制御するＰＤ１の起電状態に影響を与えず，発光素子ＬＥＤ１の電流によりスイッチング素子Ｑ３のオンオフ状態を制御することが可能になる。もちろん，発光素子ＬＥＤ２が放出する光が光起電力素子ＰＤ１に入射しないように，発光素子ＬＥＤ２と光起電力素子ＰＤ１との間に光入射遮断用のシールド等を備えてもよい。

このように実施例２の半導体駆動装置では，スイッチング素子Ｑ３のオンオフ状態を制御する発光素子ＬＥＤ１とは別に，コンデンサＣ１，Ｃ２を充電する発光素子ＬＥＤ２を新たに備えた。これにより，スイッチング素子Ｑ３のオン時間比率が低い場合にも，コンデンサＣ１，Ｃ２を十分に充電することが可能になり，安定にスイッチング素子Ｑ３のオンオフ状態を制御することができる。

以上，本発明の半導体駆動装置の実施例について説明した。本明細書ではスイッチング素子Ｑ３をＩＧＢＴとして説明したが，スイッチング素子Ｑ３はＭＯＳＦＥＴでも実現できる。スイッチング素子Ｑ３がＭＯＳＦＥＴの場合，この基準端子はソースとなる。

また，発光素子ＬＥＤ１，ＬＥＤ２，光起電力素子ＰＤ１，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２，トランジスタＱ１，Ｑ２，制御手段１，ダイオードＤ１，Ｄ２は，１つのパッケージに納めることができる。これにより，スイッチング素子Ｑ３のオンオフ状態を制御するゲート信号の伝達と，ゲート−エミッタ間容量を充電する駆動電力の伝達をワンパッケージで実現でき，小型な半導体駆動装置を提供することが可能になる。

また，発光素子ＬＥＤ１，ＬＥＤ２としてレーザー光を放出する発光素子を用いれば，発光素子ＬＥＤ１，ＬＥＤ２と，光起電力素子ＰＤ１，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２との間の距離を長くすることができる。これにより，発光素子ＬＥＤ１，ＬＥＤ２と，光起電力素子ＰＤ１，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２との間の耐電圧を高くすることができるため，高耐圧な半導体駆動装置を提供することが可能になる。

ＬＥＤ１，ＬＥＤ２…発光素子、
ＰＤ１…光起電力素子、
ＰＤ２１，ＰＤ２２…光起電力アレイ、
Ｑ１，Ｑ２…トランジスタ、
Ｑ３…スイッチング素子、
Ｄ１，Ｄ２…ダイオード、
Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ、
Ｅ１…パルス電源、
Ｅ２…直流電源、Ｒ１，Ｒ２…制限抵抗、Ｒｇ…ゲート抵抗、１…制御手段、１０〜１４…１次端子、２１〜２２…２次端子。

Claims

１次端子間に入力した電力により２次端子間に接続されたスイッチング素子を駆動する半導体駆動装置において，
１次端子間に接続された第１の発光素子と，
前記第１の発光素子が放出した光を受けて起電する第１の光起電力素子と，
一つ又は複数の光起電力素子を接続して成り、かつ前記第１の発光素子が放出した光を受けて起電する第１の光起電力アレイと第２の光起電力アレイを直列接続した光起電力レッグと，
第１のトランジスタと第２のトランジスタを直列接続し，かつ前記光起電力レッグに並列接続したトランジスタレッグと，
前記第１の光起電力アレイに並列接続した第１のコンデンサと，
前記第２の光起電力アレイに並列接続した第２のコンデンサと，
前記第１の光起電力素子の起電状態に基づいて前記第１，第２のトランジスタのオンオフ状態を制御する制御手段とを備え，
前記第１の光起電力アレイと前記第２の光起電力アレイの接続点と，前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタの接続点との間を前記第２次端子間とし、
前記第１の発光素子が所定の期間よりも短い消灯期間の後に発光した場合は前記第１のコンデンサの電圧を前記２次端子間に印加し、
前記第１の発光素子が前記所定の期間よりも長い消灯期間の後に発光した場合は引き続き前記第２のコンデンサの電圧を前記２次端子間に印加することを特徴とする半導体駆動装置。
請求項１の半導体駆動装置において，
前記第１，第２の光起電力アレイのそれぞれに，前記第１，第２の光起電力アレイの光起電流と逆向きの電流を阻止する向きに直列接続された第１，第２のダイオードを備えたことを特徴とする半導体駆動装置。
請求項２の半導体駆動装置において，
前記第１の発光素子と，前記第１の光起電力素子と，前記第１、第２の光起電力アレイと，前記第１，第２のトランジスタと，前記制御手段と，前記第１，第２のダイオードと，をワンパッケージに納めたことを特徴とする半導体駆動装置。
請求項１〜３のいずれかの半導体駆動装置において，前記第１の発光素子が放出する光をレーザー光としたことを特徴とする半導体駆動装置。