WO2020004030A1 - 制御システム、スイッチシステム、電力変換装置、双方向スイッチ素子の制御方法及びプログラム - Google Patents

制御システム、スイッチシステム、電力変換装置、双方向スイッチ素子の制御方法及びプログラム Download PDF

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nitride semiconductor
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switch element
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雄介 木下
山田　康博
英和 梅田
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present disclosure relates to a control system, a switch system, a power conversion device, a control method and a program of a bidirectional switch element, and more particularly, to a control system that controls a bidirectional switch element including two gate electrodes, and a control system thereof.
  • the present invention relates to a switch system including the same, a power converter including the switch system, a method for controlling a bidirectional switch element, and a program.
  • Patent Document 1 a bidirectional switch element that is a double gate (dual gate) semiconductor element has been proposed.
  • a semiconductor layer laminate is formed on a conductive substrate made of silicon with a buffer layer made of AlN interposed therebetween.
  • a first layer (GaN layer) made of undoped GaN and a second layer (first AlGaN layer) made of undoped AlGaN are sequentially stacked from below.
  • a channel region which is a two-dimensional electron gas layer is generated.
  • first source electrode On the semiconductor layer laminate, a first ohmic electrode (first source electrode) and a second ohmic electrode (second source electrode) are formed at an interval from each other.
  • the first p-type nitride semiconductor layer was formed in the region between the first ohmic electrode and the second ohmic electrode on the semiconductor layer laminate, in order from the first ohmic electrode side, with the first p-type nitride semiconductor layer interposed therebetween.
  • a first gate electrode and a second gate electrode formed with a second p-type nitride semiconductor layer interposed therebetween are arranged.
  • a purpose of the present disclosure is to provide a control system, a switch system, a power conversion device, a control method of a bidirectional switch element, and a program capable of improving a switching speed when a bidirectional switch element is turned on.
  • a control system is a system that controls a bidirectional switch element.
  • the bidirectional switch element includes a substrate, a first nitride semiconductor layer, a second nitride semiconductor layer, a first source electrode, a first gate electrode, a second gate electrode, 2 source electrodes, a first p-type nitride semiconductor layer, and a second p-type nitride semiconductor layer.
  • the first nitride semiconductor layer is formed on the substrate.
  • the second nitride semiconductor layer is formed on the first nitride semiconductor layer.
  • the band gap of the second nitride semiconductor layer is larger than the band gap of the first nitride semiconductor layer.
  • the first source electrode, the first gate electrode, the second gate electrode, and the second source electrode are formed on the second nitride semiconductor layer.
  • the first p-type nitride semiconductor layer is interposed between the first gate electrode and the second nitride semiconductor layer.
  • the second p-type nitride semiconductor layer is interposed between the second gate electrode and the second nitride semiconductor layer.
  • the control system includes a control unit. When the bidirectional switch element is turned on, the control unit may be the first gate electrode or the second gate electrode, and the lower potential side of the first source electrode and the second source electrode.
  • a switch system includes the control system and the bidirectional switch element.
  • a power conversion device includes the switch system.
  • the bidirectional switch element includes a substrate, a first nitride semiconductor layer, a second nitride semiconductor layer, a first source electrode, , A first gate electrode, a second gate electrode, a second source electrode, a first p-type nitride semiconductor layer, and a second p-type nitride semiconductor layer.
  • the first nitride semiconductor layer is formed on the substrate.
  • the second nitride semiconductor layer is formed on the first nitride semiconductor layer.
  • the band gap of the second nitride semiconductor layer is larger than the band gap of the first nitride semiconductor layer.
  • the first source electrode, the first gate electrode, the second gate electrode, and the second source electrode are formed on the second nitride semiconductor layer.
  • the first p-type nitride semiconductor layer is interposed between the first gate electrode and the second nitride semiconductor layer.
  • the second p-type nitride semiconductor layer is interposed between the second gate electrode and the second nitride semiconductor layer.
  • the method for controlling the bidirectional switch element may be configured such that when the bidirectional switch element is turned on, the first gate electrode or the second gate electrode is the first source electrode and the second source electrode.
  • the bidirectional switch element is controlled so as to cause a time difference.
  • a program including a substrate, a first nitride semiconductor layer, a second nitride semiconductor layer, a first source electrode, a first gate electrode, and a second gate electrode.
  • a threshold voltage is applied to a gate electrode corresponding to the lower-potential side source electrode of the first gate electrode or the second gate electrode, which is the lower potential side of the first source electrode and the second source electrode.
  • a program for executing a delay process that causes a time difference between a first timing for applying the above voltage and a second timing for applying a voltage equal to or higher than the threshold voltage to the gate electrode corresponding to the source electrode on the high potential side. It is a non.
  • the first nitride semiconductor layer is formed on the substrate.
  • the second nitride semiconductor layer is formed on the first nitride semiconductor layer.
  • the band gap of the second nitride semiconductor layer is larger than the band gap of the first nitride semiconductor layer.
  • the first source electrode, the first gate electrode, the second gate electrode, and the second source electrode are formed on the second nitride semiconductor layer.
  • the first p-type nitride semiconductor layer is interposed between the first gate electrode and the second nitride semiconductor layer.
  • the second p-type nitride semiconductor layer is interposed between the second gate electrode and the second nitride semiconductor layer.
  • FIG. 1A is a circuit block diagram of a switch system including the control system according to the embodiment.
  • FIG. 1B is a circuit configuration diagram of a part of the above control system.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a bidirectional switch element in a switch system including the above control system.
  • FIG. 3 is an operation explanatory diagram when the bidirectional switch element is turned on in the control system of the above.
  • FIG. 4 is a comparison diagram between a turn-on waveform of a bidirectional switch element in a switch system including the control system and a turn-on waveform of a bidirectional switch element in a switch system according to a comparative example.
  • FIG. 1A is a circuit block diagram of a switch system including the control system according to the embodiment.
  • FIG. 1B is a circuit configuration diagram of a part of the above control system.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a bidirectional switch element in a switch system including the above control system.
  • FIG. 3 is an
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the switching speed of the bidirectional switch element in the switch system including the control system according to the embodiment and the switching speed in the comparative example.
  • FIG. 6 is an operation explanatory diagram when the bidirectional switch element is turned off in the control system of the above.
  • FIG. 7 is a circuit block diagram of a switch system including the control system according to the first modification of the embodiment.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of a power conversion device including a control system according to a second modification of the embodiment.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of a power conversion device including a control system according to a third modification of the embodiment.
  • FIG. 2 described in the following embodiments and the like is a schematic diagram, and the ratio of the size and thickness of each component in FIG. 2 does not necessarily reflect the actual dimensional ratio. .
  • the switch system 200 includes the bidirectional switch element 1 and the above-described control system 100 that controls the bidirectional switch element 1.
  • the bidirectional switch element 1 will be described based on FIG. 2, and then the control system 100 will be described.
  • Bidirectional switch element 1 (1.1) Configuration of bidirectional switch element
  • the bidirectional switch element 1 includes a substrate 2, a first nitride semiconductor layer 4, a second nitride semiconductor layer 5, 1st source electrode S1, 1st gate electrode G1, 2nd gate electrode G2, 2nd source electrode S2, 1st p-type nitride semiconductor layer 61, 2nd p-type nitride A semiconductor layer 62.
  • the first nitride semiconductor layer 4 is formed on the substrate 2.
  • the second nitride semiconductor layer 5 is formed on the first nitride semiconductor layer 4.
  • the second nitride semiconductor layer 5 has a larger band gap than the first nitride semiconductor layer 4.
  • the first source electrode S1 is formed on the second nitride semiconductor layer 5.
  • the first gate electrode G1 is formed on the second nitride semiconductor layer 5, and is separated from the first source electrode S1.
  • the second gate electrode G2 is formed on the second nitride semiconductor layer 5, and on the opposite side of the first source electrode S1 from the first gate electrode G1 when viewed from the first gate electrode G1. is seperated.
  • the second source electrode S2 is formed on the second nitride semiconductor layer 5, and is opposite to the first gate electrode G1 when viewed from the second gate electrode G2. is seperated.
  • the first p-type nitride semiconductor layer 61 is interposed between the first gate electrode G1 and the second nitride semiconductor layer 5.
  • the second p-type nitride semiconductor layer 62 is interposed between the second gate electrode G2 and the second nitride semiconductor layer 5.
  • the first nitride semiconductor layer 4, the second nitride semiconductor layer 5, the first p-type nitride semiconductor layer 61, and the second p-type nitride semiconductor layer are formed on the substrate 2. 62 are formed.
  • bidirectional switch element 1 will be described in more detail.
  • the bidirectional switch element 1 is a dual-gate GaN-based GIT (Gate Injection Transistor).
  • the first nitride semiconductor layer 4 is a GaN layer
  • the second nitride semiconductor layer 5 is an AlGaN layer.
  • the second nitride semiconductor layer 5 is formed on the first nitride semiconductor layer 4, and forms a heterojunction HJ together with the first nitride semiconductor layer 4.
  • a two-dimensional electron gas (Two-Dimensional Electron Gas) is generated near the heterojunction HJ.
  • a region containing a two-dimensional electron gas (hereinafter, also referred to as a “two-dimensional electron gas layer”) can function as an n-channel layer (electron conductive layer).
  • a two-dimensional electron gas layer can function as an n-channel layer (electron conductive layer).
  • each of the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 is a p-type AlGaN layer.
  • the substrate 2 is a conductive silicon substrate. Therefore, the substrate 2 is a kind of a conductive substrate.
  • the substrate 2 has a first main surface 21 and a second main surface 22.
  • the first main surface 21 and the second main surface 22 of the substrate 2 are orthogonal to the thickness direction of the substrate 2.
  • the term “orthogonal” is not limited to the case of strictly orthogonal, but is substantially orthogonal (the angle between the thickness direction and the first main surface 21 or the second main surface 22 is, for example, 90 ° ⁇ 5 °). May be.
  • the second main surface 22 is located on the opposite side of the first main surface 21 in the thickness direction of the substrate 2.
  • the multilayer body 10 is formed on the first main surface 21 of the substrate 2.
  • the first main surface 21 of the substrate 2 is, for example, a (111) plane.
  • the first main surface 21 of the substrate 2 may be, for example, a crystal plane having an off angle (hereinafter, referred to as “first off angle”) from the (111) plane that is greater than 0 ° and 5 ° or less.
  • first off angle is the inclination angle of the first main surface 21 with respect to the (111) plane. Therefore, if the off angle is 0 °, the first main surface 21 is a (111) plane.
  • the (111) plane is a crystal plane represented by a Miller index (Miller Index) in which three indices are put in parentheses.
  • the thickness of the substrate 2 is, for example, not less than 100 ⁇ m and not more than 1000 ⁇ m.
  • the first nitride semiconductor layer 4 is formed on the substrate 2 via the buffer layer 3.
  • the above-described laminate 10 includes the buffer layer 3.
  • the buffer layer 3, the first nitride semiconductor layer 4, and the second nitride semiconductor layer 5 are arranged in this order from the substrate 2 side.
  • the stacked body 10 includes a first p-type nitride semiconductor layer 61 and a second p-type nitride semiconductor layer 62 formed on the second nitride semiconductor layer 5.
  • the multilayer body 10 is an epitaxial growth layer grown on the substrate 2 by, for example, MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy).
  • MOVPE Metal Organic Vapor Phase Epitaxy
  • TMAl trimethyl aluminum
  • TMGa trimethylgallium
  • NH 3 NH 3
  • Cp 2 Mg Biscyclopentadienyl magnesium
  • H 2 gas is preferably used as the carrier gas for each source gas.
  • Each source gas is not particularly limited.
  • triethyl gallium (TEGa) may be used as a source gas for Ga
  • a hydrazine derivative may be used as a source gas for N.
  • the buffer layer 3 is, for example, an undoped GaN layer.
  • the buffer layer 3 improves the crystallinity of the first nitride semiconductor layer 4, the second nitride semiconductor layer 5, the first p-type nitride semiconductor layer 61, and the second p-type nitride semiconductor layer 62. It is a layer provided for the purpose.
  • Buffer layer 3 is formed directly on first main surface 21 of substrate 2.
  • the undoped GaN layer constituting the buffer layer 3 may contain impurities such as Mg, H, Si, C, and O which are inevitably mixed during the growth.
  • the thickness of the buffer layer 3 is, for example, 100 nm or more and 3000 nm or less.
  • the first nitride semiconductor layer 4 is an undoped GaN layer.
  • the undoped GaN layer that forms the first nitride semiconductor layer 4 may contain impurities such as Mg, H, Si, C, and O that are inevitably mixed during the growth.
  • the thickness of the first nitride semiconductor layer 4 is, for example, not less than 100 nm and not more than 700 nm.
  • the second nitride semiconductor layer 5 is an undoped AlGaN layer.
  • the undoped AlGaN layer constituting the second nitride semiconductor layer 5 may contain impurities such as Mg, H, Si, C, and O which are inevitably mixed during the growth.
  • the Al composition ratio of the undoped AlGaN layer forming the second nitride semiconductor layer 5 is, for example, 0.2. In this specification, the Al composition ratio is a value of x when the AlGaN layer is represented by an Al x Ga 1 -xN layer. That is, the second nitride semiconductor layer 5 is an undoped Al 0.2 Ga 0.8 N layer.
  • the composition ratio is, for example, a value obtained by a composition analysis using EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy).
  • EDX Electronic Dispersive X-ray Spectroscopy
  • the composition ratios are not limited to EDX, but are determined by, for example, composition analysis using Auger Electron Spectroscopy, or SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy). It may be a value.
  • the thickness of the second nitride semiconductor layer 5 is, for example, not less than 20 nm and not more than 100 nm.
  • Each of the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 is a p-type AlGaN layer.
  • the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 cover only a part of the surface 51 of the second nitride semiconductor layer 5. Therefore, the surface 51 of the second nitride semiconductor layer 5 has a region covered with the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 and a first p-type nitride semiconductor layer 62. And a region that is not covered with the semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62.
  • the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 are apart from each other.
  • the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 are doped with Mg during their growth and contain Mg.
  • the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 are formed from the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 by MOVPE. Is formed by growing a p-type nitride semiconductor layer on the second nitride semiconductor layer 5 and then patterning the p-type nitride semiconductor layer using a photolithography technique and an etching technique.
  • the Al composition ratio of each of the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 is the same as the Al composition ratio of the AlGaN layer forming the second nitride semiconductor layer 5 (For example, 0.2), but may be different from the Al composition ratio of the AlGaN layer constituting the second nitride semiconductor layer 5.
  • the thickness of each of the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 is, for example, not less than 50 nm and not more than 300 nm.
  • the first source electrode S1 and the second source electrode S2 cover the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 on the surface 51 of the second nitride semiconductor layer 5. It is formed in a region that is not covered.
  • the first source electrode S1 and the second source electrode S2 are separated from each other.
  • the first source electrode S1 and the second source electrode S2 are electrically connected to the hetero junction HJ.
  • “electrically connected” means that they are in ohmic contact.
  • Each of the first source electrode S1 and the second source electrode S2 contains, for example, Ti and Al.
  • the first gate electrode G1 is formed on the second nitride semiconductor layer 5 with the first p-type nitride semiconductor layer 61 interposed therebetween. Further, the second gate electrode G2 is formed on the second nitride semiconductor layer 5 via the second p-type nitride semiconductor layer 62. The distance between the first gate electrode G1 and the second gate electrode G2 is longer than the distance between the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62. Each of first gate electrode G1 and second gate electrode G2 corresponds to a corresponding first source electrode S1 and second source electrode S2 in a direction along surface 51 of second nitride semiconductor layer 5, respectively.
  • the first gate electrode G1 and the second gate electrode G2 are in ohmic contact with, for example, a first p-type nitride semiconductor layer 61 and a second p-type nitride semiconductor layer 62, respectively.
  • Each of the first gate electrode G1 and the second gate electrode G2 includes, for example, Pd and Au.
  • the first source electrode S1, the first gate electrode G1, the second gate electrode G2, and the second source The electrodes S2 are arranged in this order.
  • the first source electrode S1, the first gate electrode G1, the second gate electrode G2, and the second source electrode S2 are separated from each other in the one direction.
  • the first gate electrode G1 is also referred to as an off state. Further, a state in which a voltage equal to or higher than a first threshold voltage is applied between the first gate electrode G1 and the first source electrode S1 with the first gate electrode G1 being on the high potential side is referred to as a first gate.
  • the electrode G1 is also called an ON state.
  • a state in which a voltage equal to or higher than the second threshold voltage is not applied between the second gate electrode G2 and the second source electrode S2 is also referred to as a state in which the second gate electrode G2 is off. Further, a state in which a voltage equal to or higher than a second threshold voltage is applied between the second gate electrode G2 and the second source electrode S2 with the second gate electrode G2 being on the high potential side is referred to as a second gate.
  • the electrode G2 is also called an ON state.
  • the bidirectional switch element 1 includes the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 to realize a normally-off transistor.
  • the first p-type nitride semiconductor layer 61 is formed between the second p-type nitride semiconductor layer 5 and the second p-type nitride semiconductor layer 5 immediately below the first p-type nitride semiconductor layer 61.
  • a depletion layer is formed with the first nitride semiconductor layer 4.
  • the second p-type nitride semiconductor layer 62 is formed between the second p-type nitride semiconductor layer 5 and the first nitride semiconductor layer 5 immediately below the second p-type nitride semiconductor layer 62.
  • a depletion layer is formed with the semiconductor layer 4.
  • the first gate electrode G1 and the first source electrode S1 can be connected by a two-dimensional electron gas layer.
  • the two-dimensional electron gas layer is blocked by the depletion layer between the first gate electrode G1 and the first source electrode S1.
  • the bidirectional switch element 1 when the second gate electrode G2 is in the ON state, the second gate electrode G2 and the second source electrode S2 can be connected by a two-dimensional electron gas layer. In other words, in the bidirectional switch element 1, when the second gate electrode G2 is on, the two-dimensional electron gas layer is blocked by the depletion layer between the second gate electrode G2 and the second source electrode S2. Gone.
  • the first source electrode S1 and the second No current can flow in any direction between the source electrode S2 and the source electrode S2. More specifically, in the case of the first operation mode, a current flowing from the first source electrode S1 to the second source electrode S2 when the first source electrode S1 has a higher potential than the second source electrode S2. When the current is cut off and the second source electrode S2 has a higher potential than the first source electrode S1, the current flowing from the second source electrode S2 to the first source electrode S1 is cut off.
  • the first source electrode S1 and the second A current can flow bidirectionally between the source electrode S2 and the source electrode S2. More specifically, in the case of the second operation mode, a current flows from the first source electrode S1 to the second source electrode S2 when the first source electrode S1 has a higher potential than the second source electrode S2. When the second source electrode S2 has a higher potential than the first source electrode S1, a current flows from the second source electrode S2 to the first source electrode S1.
  • the bidirectional switch element 1 functions as a diode when the first gate electrode G1 is on and the second gate electrode G2 is off (in the third operation mode). More specifically, in the third operation mode, when the first source electrode S1 has a higher potential than the second source electrode S2, the current flowing from the first source electrode S1 to the second source electrode S2 is cut off. When the second source electrode S2 is at a higher potential than the first source electrode S1 by a second threshold voltage or higher, a current flows from the second source electrode S2 to the first source electrode S1.
  • the bidirectional switch element 1 functions as a diode when the first gate electrode G1 is off and the second gate electrode G2 is on (fourth operation mode). More specifically, in the fourth operation mode, when the second source electrode S2 has a higher potential than the first source electrode S1, the current flowing from the second source electrode S2 to the first source electrode S1 is cut off. When the first source electrode S1 is higher than the second source electrode S2 by a first threshold voltage or higher and has a higher potential, a current flows from the first source electrode S1 to the second source electrode S2.
  • the first threshold voltage and the second threshold voltage have the same value, but may have different values.
  • the first threshold voltage is a threshold value below which the depletion layer extending so as to block the two-dimensional electron gas layer below the first gate electrode G1 is reduced so that current can flow through the two-dimensional electron gas layer.
  • the second threshold voltage is a threshold value below which the depletion layer extending so as to block the two-dimensional electron gas layer under the second gate electrode G2 is reduced so that current can flow through the two-dimensional electron gas layer. Voltage.
  • the control system 100 includes a control unit 101 as shown in FIG. 1A.
  • the control system 100 includes a first gate drive circuit 102 and a second gate drive circuit 103 in addition to the control unit 101.
  • a series circuit of an AC power supply 211 and a load 212 is connected between a first source electrode S1 and a second source electrode S2 of the bidirectional switch element 1. Used in the state that is being done.
  • the control unit 101, the first gate drive circuit 102, and the second gate drive circuit 103 are supplied with a DC voltage from the power supply circuit 110.
  • the power supply circuit 110 includes, for example, a diode bridge that full-wave rectifies the output voltage of an AC power supply (for example, a commercial power supply) 211, a smoothing capacitor that smoothes the output voltage of the diode bridge, and an output voltage of the smoothing capacitor that is a DC voltage. And a step-down chopper circuit.
  • the power supply circuit 110 is not a component of the control system 100.
  • the circuit configuration of the power supply circuit 110 is not particularly limited.
  • the first gate drive circuit 102 applies a first gate voltage Vg1 (see FIG. 3) based on the first source electrode S1 between the first gate electrode G1 and the first source electrode S1. Circuit.
  • the first gate drive circuit 102 is controlled by a control signal from the control unit 101 to set the first gate voltage Vg1 to a voltage V1 (for example, 5 V) higher than the first threshold voltage or a voltage higher than the first threshold voltage.
  • V1 for example, 5 V
  • a small voltage for example, 0 V
  • the second gate drive circuit 103 applies a second gate voltage Vg2 (see FIG. 3) based on the second source electrode S2 between the second gate electrode G2 and the second source electrode S2. Circuit.
  • the second gate drive circuit 103 is controlled by a control signal from the control unit 101 to set the second gate voltage Vg2 to a voltage V2 (for example, 5 V) higher than the second threshold voltage or higher than the second threshold voltage.
  • V2 for example, 5 V
  • a small voltage for example, 0 V
  • the control unit 101 determines whether the first gate electrode G1 or the second gate electrode G2 is the lower potential side of the first source electrode S1 and the second source electrode S2.
  • a time difference ⁇ t between a first timing of applying a voltage equal to or higher than the threshold voltage to the gate electrode corresponding to the source electrode and a second timing of applying a voltage equal to or higher than the threshold voltage to the gate electrode corresponding to the source electrode on the high potential side. (See FIG. 3) to control the bidirectional switch element 1.
  • the time difference ⁇ t is preferably, for example, 50 nsec or more in consideration of the margin of the control system 100. Thereby, ⁇ t can be set to 10 nsec or more even if there is fluctuation, variation, or the like of the control system 100.
  • the control unit 101 causes the bidirectional switch element 1 to operate as a diode during a period between the first timing and the second timing.
  • the bidirectional switch element 1 operates as a diode during this period, the first source electrode S1 and the second source electrode S2 move from a relatively low potential source electrode to a relatively high potential source electrode. No current flows, and current flows from a relatively high potential source electrode to a relatively low potential source electrode.
  • the control unit 101 When turning on the bidirectional switch element 1 in a state where the second source electrode S2 is at a higher potential than the first source electrode S1, the control unit 101, as shown in FIG.
  • the first gate voltage Vg1 between the second gate electrode G2 and the second source electrode S2 after setting the first gate voltage Vg1 between the second gate electrode G2 and the second source electrode S2 to a value equal to or higher than the first threshold voltage.
  • the voltage Vg2 is set to a value equal to or higher than the second threshold voltage.
  • the control unit 101 applies the first gate voltage Vg1 between the first gate electrode G1 and the first source electrode S1 (corresponding to the first timing) and the second gate voltage Vg2.
  • the bidirectional switch element 1 is set in the third operation mode. Operate as a diode. Thereby, the bidirectional switch element 1 cuts off the current flowing from the first source electrode S1 to the second source electrode S2 when the first source electrode S1 has a higher potential than the second source electrode S2, and When the second source electrode S2 is at a higher potential than the first source electrode S1 by a second threshold voltage or more, a current flows from the second source electrode S2 to the first source electrode S1.
  • the execution subject of the control unit 101 includes a computer system.
  • the computer system has one or more computers.
  • the computer system mainly has a processor and a memory as hardware.
  • the processor executes the program recorded in the memory of the computer system, a function as an execution subject of the control unit 101 in the present disclosure is realized.
  • the program may be recorded in the memory of the computer system in advance, or may be provided through an electric communication line, or may be provided in a non-temporary storage medium such as a memory card, an optical disk, or a hard disk drive (magnetic disk) readable by the computer system. May be provided by being recorded on a dynamic recording medium.
  • a processor of a computer system includes one or more electronic circuits including a semiconductor integrated circuit (IC) or a large-scale integrated circuit (LSI).
  • IC semiconductor integrated circuit
  • LSI large-scale integrated circuit
  • a plurality of electronic circuits may be integrated on one chip, or may be provided separately on a plurality of chips.
  • a plurality of chips may be integrated in one device, or may be provided separately in a plurality of devices.
  • the control system 100 controls the resistance division circuit 105 as shown in FIG. 1B so that the control unit 101 can determine which of the first source electrode S1 and the second source electrode S2 has the higher potential.
  • a detection circuit 104 including a first operational amplifier OP1, a second operational amplifier OP2, a first photocoupler PC1, and a second photocoupler PC2.
  • the resistor voltage dividing circuit 105 is a series circuit of a first resistor R1 and a second resistor R2, and is connected between the first source electrode S1 and the second source electrode S2 of the bidirectional switch element 1.
  • the non-inverting input terminal of the first operational amplifier OP1 and the inverting input terminal of the second operational amplifier OP2 are connected to a connection point between the first resistor R1 and the second resistor R2 of the resistor voltage dividing circuit 105.
  • the voltage between the first source electrode S1 and the second source electrode S2 is applied to the non-inverting input terminal of the first operational amplifier OP1 and the inverting input terminal of the second operational amplifier OP2.
  • the inverting input terminal of the first operational amplifier OP1 and the non-inverting input terminal of the second operational amplifier OP2 are connected to the first source electrode S1, and are grounded.
  • the output terminal of the first operational amplifier OP1 is connected to the anode terminal of the LED (Light Emitting Diode) of the first photocoupler PC1 via the fourth resistor R4, and the output terminal of the second operational amplifier OP2 is connected to the fifth terminal. Is connected to the anode terminal of the LED of the second photocoupler PC2 via the resistor R5.
  • the cathode terminal of the LED of the first photocoupler PC1 and the cathode terminal of the LED of the second photocoupler PC2 are connected to the first source electrode S1 and are grounded.
  • the phototransistor of the first photocoupler PC1 and the phototransistor of the second photocoupler PC2 are connected to the control unit 101.
  • the control unit 101 determines which of the first source electrode S1 and the second source electrode S2 has a higher potential. Can be determined. Note that the configuration of the detection circuit 104 is not limited to the example in FIG. 1B.
  • FIG. 4 shows a case where the bidirectional switch element 1 is turned on with a series circuit of a DC power supply and a load connected between the first source electrode S1 and the second source electrode S2 of the bidirectional switch element 1.
  • FIG. 4 shows the voltage when the bidirectional switch element 1 is turned on with the positive electrode of the DC power supply connected to the second source electrode S2 and the negative electrode of the DC power supply connected to the first source electrode S1. It is a waveform.
  • the vertical axis in FIG. 4 is the voltage Vs2 between the second source electrode S2 and the first source electrode S1, and the horizontal axis is time.
  • the right side is “positive” and the left side is “negative ( ⁇ sign)” with reference to time 0 nsec, but “positive” and “negative ( ⁇ sign)” This is a code added to distinguish whether the time is after or before.
  • the substrate OPEN (VG2 OFF) in FIG. 4 is Vs2 when the control system 100 according to the first embodiment turns on the bidirectional switch element 1 in a state where the substrate 2 of the bidirectional switch element 1 is electrically floating.
  • the “state in which the substrate 2 is electrically floating” means that the substrate 2 is connected to all of the first source electrode S1, the second source electrode S2, the first gate electrode G1, and the second gate electrode G2. On the other hand, it is in a state of being electrically insulated.
  • the substrate OPEN (VG2 OFF) in FIG. 4 shows the time change of each Vs2 when the load current is different, and the switching speed increases as the load current decreases.
  • the substrate GND in FIG. 4 has the first gate electrode G1 of the bidirectional switch element 1 that is larger than the first threshold voltage when the substrate 2 of the bidirectional switch element 1 is grounded to the ground.
  • the timing of applying the gate voltage and the timing of applying the second gate voltage larger than the second threshold voltage to the second gate electrode G2 are the same, and Vs2 when turning on the bidirectional switch element 1 is determined. The time change is shown.
  • the substrate 2 of the bidirectional switch element 1 is electrically floating, and the first gate electrode G1 of the bidirectional switch element 1 has a first gate electrode G1 larger than the first threshold voltage. 1 and the timing of applying the second gate voltage larger than the second threshold voltage to the second gate electrode G2 at the same time when the bidirectional switch element 1 is turned on. The time change of Vs2 is shown. Further, the substrate OPEN in FIG. 4 shows the time change of each Vs2 when the load current is different, and the switching speed is faster as the load current is smaller.
  • FIG. 5 shows the relationship between the load current and the switching speed of the bidirectional switch element 1.
  • the horizontal axis of FIG. 5 is the load current
  • the vertical axis is the absolute value of dV / dt corresponding to the switching speed of the bidirectional switch element 1 at turn-on.
  • the load current is a current flowing through the load.
  • dV / dt is a value obtained by dividing a voltage change when the voltage Vs2 decreases from a value of 90% of the maximum value to a value of 10% by time.
  • the timing at which the first gate voltage Vg1 is changed from the voltage V1 to 0V and the timing at which the second gate voltage Vg2 is changed from the voltage V2 to 0V are:
  • the relationship is not particularly limited. However, from the viewpoint of reducing the loss in the bidirectional switch element 1, when the control unit 101 of the control system 100 turns off the bidirectional switch element 1, it is preferable not to operate the bidirectional switch element 1 as a diode.
  • the control unit 101 changes the timing at which the first gate voltage Vg1 is changed from the voltage V1 to 0V and the time at which the second gate voltage Vg2 is changed to the voltage V2.
  • the bidirectional switch element 1 is not operated as a diode by aligning the timing of changing the voltage from 0 V to 0 V.
  • the control method of the bidirectional switch element 1 is the first gate electrode G1 or the second gate electrode G2 and the first source electrode S1 and the second source electrode S2.
  • a first timing of applying a voltage higher than a threshold voltage to a gate electrode corresponding to a source electrode on a lower potential side, and a second timing of applying a voltage higher than the threshold voltage to a gate electrode corresponding to a source electrode on a higher potential side is controlled so as to cause a time difference ⁇ t.
  • the above-mentioned program causes the computer system that controls the bidirectional switch element 1 to turn on the bidirectional switch element 1 when the first gate electrode G1 or the second gate electrode G2 and the first source electrode S1
  • This is a program for executing a delay process that causes a time difference ⁇ t between the second timing for applying the voltage and the second timing for applying the voltage.
  • FIG. 7 is a circuit block diagram of a switch system 200a including the control system 100a according to the first modification of the embodiment.
  • the same components as those of the switch system 200 including the control system 100 (see FIG. 1A) according to the embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. I do.
  • the control unit 101a when the bidirectional switch element 1 is turned on, the control unit 101a is the first gate electrode G1 or the second gate electrode G2 and the first source electrode A first timing of applying a voltage equal to or higher than a threshold voltage to a gate electrode corresponding to a source electrode on a lower potential side of S1 and a second source electrode S2, and a threshold voltage being applied to a gate electrode corresponding to a source electrode on a higher potential side
  • the bidirectional switch element 1 is controlled so as to cause a time difference ⁇ t (see FIG. 3) between the above-described second timing of applying the voltage.
  • control unit 101a is configured by an analog circuit, and includes a delay circuit 111 that generates a time difference ⁇ t.
  • a switch system 200b including the control system 100b according to the second modification of the embodiment and a power conversion device 300b including the switch system 200b will be described with reference to FIG.
  • the power converter 300b is a matrix converter that performs AC-AC power conversion.
  • the power converter 300b converts the first AC voltage of the first frequency into a second AC voltage of a second frequency different from the first frequency.
  • the second frequency is lower than the first frequency.
  • the power conversion device 300b includes two input terminals T1 and T2 for inputting the first AC voltage. Further, the power conversion device 300b includes three output terminals T3, T4, and T5 for outputting the second AC voltage.
  • the first AC voltage is a single-phase AC voltage
  • the second AC voltage is a three-phase AC voltage.
  • the power conversion device 300b includes six switching elements Q1 to Q6 each including the bidirectional switch element 1. Note that, for example, a three-phase AC motor is connected as a load to the three output terminals T3, T4, and T5.
  • a series circuit of the switching elements Q1 and Q2, a series circuit of the switching elements Q3 and Q4, and a series circuit of the switching elements Q5 and Q6 are connected in parallel. Each series circuit is connected between two input terminals T1 and T2.
  • One output terminal T3 of the three output terminals T3, T4, T5 is connected to a connection point of the switching elements Q1, Q2, and another output terminal T4 is connected to a connection point of the switching elements Q3, Q4. Is connected to a connection point of the switching elements Q5 and Q6.
  • the power conversion unit that performs power conversion includes six switching elements Q1 to Q6.
  • the power conversion device 300b includes a power conversion unit that includes the bidirectional switch element 1 and performs power conversion, and a control system 100b.
  • the control unit 101b in the control system 100b included in the power conversion device 300b controls the plurality of bidirectional switch elements 1 (switching elements Q1 to Q6).
  • the control unit 101b is the first gate electrode G1 or the second gate electrode G2, and the first source electrode S1 and the second source electrode
  • the bidirectional switch element 1 is controlled so as to cause a time difference ⁇ t (FIG. 3) between the two timings.
  • a switch system 200c including the control system 100c according to Modification 3 of the embodiment and a power conversion device 300c including the switch system 200c will be described with reference to FIG.
  • the power converter 300c is a T-type three-level inverter.
  • the power conversion device 300c includes a series circuit of two switching elements Q11 and Q12, a diode D1 connected in antiparallel to the switching element Q11, a diode D2 connected in antiparallel to the switching element Q12, A bidirectional switch element 1 connected to a connection point between the two switching elements Q11 and Q12.
  • Each of the two switching elements Q11 and Q12 is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • the power conversion unit that performs power conversion includes a series circuit of the two switching elements Q11 and Q12, a diode D1 connected in antiparallel to the switching element Q11, and an antiparallel to the switching element Q12. It includes a connected diode D2 and a bidirectional switch element 1 connected to a connection point between two switching elements Q11 and Q12.
  • the power conversion device 300c includes a power conversion unit that includes the bidirectional switch element 1 and performs power conversion, and a control system 100c.
  • the control unit 101c in the control system 100c included in the power conversion device 300c controls the bidirectional switch element 1.
  • the control unit 101c determines whether the first gate electrode G1 or the second gate electrode G2 is the first source electrode S1 and the second source electrode S2.
  • the bidirectional switch element 1 is controlled so as to cause a time difference ⁇ t (FIG. 3).
  • the control unit 101c controls not only the bidirectional switch element 1 but also the two switching elements Q11 and Q12, but may be configured to control only the bidirectional switch element 1.
  • the above embodiment is just one of various embodiments of the present disclosure.
  • the above embodiment can be variously modified according to the design and the like as long as the object of the present disclosure can be achieved.
  • each of the first p-type nitride semiconductor layer 61 and the second p-type nitride semiconductor layer 62 is not limited to the p-type AlGaN layer, but may be, for example, a p-type GaN layer.
  • the bidirectional switch element 1 may include one or more nitride semiconductor layers between the buffer layer 3 and the first nitride semiconductor layer 4. Further, the buffer layer 3 is not limited to a single-layer structure, and may have, for example, a superlattice structure.
  • the substrate 2 is not limited to a silicon substrate, but may be, for example, a GaN substrate, a SiC substrate, a sapphire substrate, or the like.
  • the control system 100 may include a first power supply and a second power supply controlled by the control unit 101 instead of the first gate drive circuit 102 and the second gate drive circuit 103.
  • the first power supply outputs the first gate voltage Vg1 under the control of the control unit 101
  • the second power supply outputs the second gate voltage Vg2 under the control of the control unit 101.
  • the power converter may have a configuration other than the power converters 300b and 300c described above.
  • the control system (100; 100a; 100b; 100c) is a system that controls the bidirectional switch element (1).
  • the bidirectional switch element (1) includes a substrate (2), a first nitride semiconductor layer (4), a second nitride semiconductor layer (5), a first source electrode (S1), A first gate electrode (G1), a second gate electrode (G2), a second source electrode (S2), a first p-type nitride semiconductor layer (61), and a second p-type nitride.
  • the first nitride semiconductor layer (4) is formed on the substrate (2).
  • the second nitride semiconductor layer (5) is formed on the first nitride semiconductor layer (4).
  • the band gap of the second nitride semiconductor layer (5) is larger than the band gap of the first nitride semiconductor layer (4).
  • the first source electrode (S1), the first gate electrode (G1), the second gate electrode (G2), and the second source electrode (S2) are formed on the second nitride semiconductor layer (5). Is formed.
  • the first p-type nitride semiconductor layer (61) is interposed between the first gate electrode (G1) and the second nitride semiconductor layer (5).
  • the second p-type nitride semiconductor layer (62) is interposed between the second gate electrode (G2) and the second nitride semiconductor layer (5).
  • the control system (100; 100a; 100b; 100c) includes a control unit (101; 101a; 101b; 101c).
  • the control unit (101; 101a; 101b; 101c) is the first gate electrode (G1) or the second gate electrode (G2) and is the first source electrode.
  • the bidirectional switch element (1) is controlled so as to cause a time difference ( ⁇ t) between the second timing of applying a voltage equal to or higher than the threshold voltage to the electrode.
  • the control system (100; 100a; 100b; 100c) according to the first aspect can improve the switching speed when turning on the bidirectional switch element (1).
  • the control unit (101; 101a; 101b; 101c) sets a period between the first timing and the second timing.
  • the bidirectional switch element (1) is operated as a diode.
  • the bidirectional switch element (1) has a relatively high potential from a relatively low potential of the first source electrode (S1) and the second source electrode (S2). No current flows to the source electrode, and current flows from a source electrode having a relatively high potential to a source electrode having a relatively low potential.
  • the switching speed when turning on the bidirectional switch element (1) can be more reliably improved.
  • the time difference ( ⁇ t) is 50 nsec or more.
  • a time difference ( ⁇ t) can be ensured even if system fluctuations or variations occur.
  • the substrate (2) includes a first source electrode (S1) and a second source electrode (S1).
  • the source electrode (S2), the first gate electrode (G1), and the second gate electrode (G2) are all electrically insulated.
  • the substrate (2) includes the first source electrode (S1), the second source electrode (S2), and the first gate electrode (G1).
  • the substrate (2) includes the first source electrode (S1), the second source electrode (S2), and the first gate electrode (G1).
  • the second gate electrodes (G2) are electrically insulated, it is possible to more reliably improve the switching speed when turning on the bidirectional switch element (1).
  • control section (101a) includes a delay circuit (111) for generating a time difference ( ⁇ t).
  • control unit (101; 101a; 101b; 101c) includes a bidirectional switch element ( When turning off 1), the bidirectional switch element (1) is not operated as a diode.
  • the control system (100; 100a; 100b; 100c) according to the sixth aspect can suppress loss in the bidirectional switch element (1) when the bidirectional switch element (1) is turned off.
  • a switch system (200; 200a; 200b; 200c) according to a seventh aspect includes a control system (100; 100a; 100b; 100c) according to any one of the first to sixth aspects, and a bidirectional switch element (1).
  • the switch system (200; 200a; 200b; 200c) according to the seventh aspect can improve the switching speed when turning on the bidirectional switch element (1).
  • the power converter (300b; 300c) according to the eighth aspect includes the switch system (200b; 200c) according to the seventh aspect.
  • the power conversion device (300b; 300c) according to the eighth aspect can improve the switching speed when turning on the bidirectional switch element (1).
  • the bidirectional switch element (1) includes a substrate (2), a first nitride semiconductor layer (4), and a second nitride.
  • the semiconductor device includes a p-type nitride semiconductor layer (61) and a second p-type nitride semiconductor layer (62).
  • the first nitride semiconductor layer (4) is formed on the substrate (2).
  • the second nitride semiconductor layer (5) is formed on the first nitride semiconductor layer (4).
  • the band gap of the second nitride semiconductor layer (5) is larger than the band gap of the first nitride semiconductor layer (4).
  • the first source electrode (S1), the first gate electrode (G1), the second gate electrode (G2), and the second source electrode (S2) are formed on the second nitride semiconductor layer (5). Is formed.
  • the first p-type nitride semiconductor layer (61) is interposed between the first gate electrode (G1) and the second nitride semiconductor layer (5).
  • the second p-type nitride semiconductor layer (62) is interposed between the second gate electrode (G2) and the second nitride semiconductor layer (5).
  • the control method of the bidirectional switch element (1) is the first gate electrode (G1) or the second gate electrode (G2) and the first source electrode (G2).
  • the bidirectional switch element (1) is controlled so as to cause a time difference ( ⁇ t) between the second timing at which a voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied.
  • the control method of the bidirectional switch element according to the ninth aspect makes it possible to improve the switching speed when turning on the bidirectional switch element (1).
  • the program according to the tenth aspect includes a substrate (2), a first nitride semiconductor layer (4), a second nitride semiconductor layer (5), a first source electrode (S1), A first gate electrode (G1), a second gate electrode (G2), a second source electrode (S2), a first p-type nitride semiconductor layer (61), and a second p-type nitride.
  • the threshold voltage of the gate electrode corresponding to the source electrode on the high potential side is higher than the threshold voltage
  • a second timing of applying the voltage, to two hours difference delay processing to cause (Delta] t) is executed, a program for.
  • the first nitride semiconductor layer (4) is formed on the substrate (2).
  • the second nitride semiconductor layer (5) is formed on the first nitride semiconductor layer (4).
  • the band gap of the second nitride semiconductor layer (5) is larger than the band gap of the first nitride semiconductor layer (4).
  • the first source electrode (S1), the first gate electrode (G1), the second gate electrode (G2), and the second source electrode (S2) are formed on the second nitride semiconductor layer (5). Is formed.
  • the first p-type nitride semiconductor layer (61) is interposed between the first gate electrode (G1) and the second nitride semiconductor layer (5).
  • the second p-type nitride semiconductor layer (62) is interposed between the second gate electrode (G2) and the second nitride semiconductor layer (5).
  • the program according to the tenth aspect makes it possible to improve the switching speed when turning on the bidirectional switch element (1).

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Abstract

本開示の課題は、双方向スイッチ素子をターンオンさせるときのスイッチング速度を向上させることである。制御システム（１００）は、制御部（１０１）を備える。制御部（１０１）は、双方向スイッチ素子（１）をターンオンさせる場合、第１のゲート電極（Ｇ１）又は第２のゲート電極（Ｇ２）であって第１のソース電極（Ｓ１）と第２のソース電極（Ｓ２）とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差を生じさせるように双方向スイッチ素子（１）を制御する。

Description

制御システム、スイッチシステム、電力変換装置、双方向スイッチ素子の制御方法及びプログラム
　本開示は、制御システム、スイッチシステム、電力変換装置、双方向スイッチ素子の制御方法及びプログラムに関し、より詳細には、２つのゲート電極を備える双方向スイッチ素子を制御する制御システム、その制御システムを備えるスイッチシステム、そのスイッチシステムを備える電力変換装置、双方向スイッチ素子の制御方法、及びプログラムに関する。
　従来、ダブルゲート（デュアルゲート）の半導体素子である双方向スイッチ素子が提案されている（特許文献１）。
　特許文献１に記載された双方向スイッチ素子は、シリコンからなる導電性の基板上にＡｌＮからなるバッファ層を介在させて、半導体層積層体が形成されている。半導体層積層体は、アンドープのＧａＮからなる第１の層（ＧａＮ層）と、アンドープのＡｌＧａＮからなる第２の層（第１のＡｌＧａＮ層）とが下側から順次積層されている。
　第１の層の第２の層とのヘテロ界面近傍には、２次元電子ガス層であるチャネル領域が生成されている。
　半導体層積層体の上には、互いに間隔をおいて第１のオーミック電極（第１のソース電極）及び第２のオーミック電極（第２のソース電極）が形成されている。半導体層積層体の上における第１のオーミック電極と第２のオーミック電極との間の領域に、第１のオーミック電極側から順に、第１のｐ型窒化物半導体層を介在させて形成された第１のゲート電極と、第２のｐ型窒化物半導体層を介在させて形成された第２のゲート電極と、が並んでいる。
　特許文献１に記載の双方向スイッチ素子では、例えば基板を電気的にフローティングにした状態で使用された場合に、基板を接地して使用した場合と比べて、ターンオン時のスイッチング速度が遅くなってしまうという課題があった。
特開２０１１－２０４９９３号公報
　本開示の目的は、双方向スイッチ素子をターンオンさせるときのスイッチング速度を向上させることが可能な制御システム、スイッチシステム、電力変換装置、双方向スイッチ素子の制御方法及びプログラムを提供することにある。
　本開示に係る一態様の制御システムは、双方向スイッチ素子を制御するシステムである。前記双方向スイッチ素子は、基板と、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、第１のソース電極と、第１のゲート電極と、第２のゲート電極と、第２のソース電極と、第１のｐ型窒化物半導体層と、第２のｐ型窒化物半導体層と、を備える。前記第１の窒化物半導体層は、前記基板上に形成されている。前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層上に形成されている。前記第２の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きい。前記第１のソース電極、前記第１のゲート電極、前記第２のゲート電極、及び前記第２のソース電極は、前記第２の窒化物半導体層上に形成されている。前記第１のｐ型窒化物半導体層は、前記第１のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している。前記第２のｐ型窒化物半導体層は、前記第２のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している。前記制御システムは、制御部を備える。前記制御部は、前記双方向スイッチ素子をターンオンさせる場合、前記第１のゲート電極又は前記第２のゲート電極であって前記第１のソース電極と前記第２のソース電極とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差を生じさせるように前記双方向スイッチ素子を制御する。
　本開示に係る一態様のスイッチシステムは、前記制御システムと、前記双方向スイッチ素子と、を備える。
　本開示に係る一態様の電力変換装置は、前記スイッチシステムを備える。
　本開示に係る一態様の双方向スイッチ素子の制御方法では、前記双方向スイッチ素子は、基板と、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、第１のソース電極と、第１のゲート電極と、第２のゲート電極と、第２のソース電極と、第１のｐ型窒化物半導体層と、第２のｐ型窒化物半導体層と、を備える。前記第１の窒化物半導体層は、前記基板上に形成されている。前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層上に形成されている。前記第２の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きい。前記第１のソース電極、前記第１のゲート電極、前記第２のゲート電極、及び前記第２のソース電極は、前記第２の窒化物半導体層上に形成されている。前記第１のｐ型窒化物半導体層は、前記第１のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している。前記第２のｐ型窒化物半導体層は、前記第２のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している。前記双方向スイッチ素子の制御方法は、前記双方向スイッチ素子をターンオンさせる場合、前記第１のゲート電極又は前記第２のゲート電極であって前記第１のソース電極と前記第２のソース電極とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差を生じさせるように前記双方向スイッチ素子を制御する。
　本開示に係る一態様のプログラムは、基板と、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、第１のソース電極と、第１のゲート電極と、第２のゲート電極と、第２のソース電極と、第１のｐ型窒化物半導体層と、第２のｐ型窒化物半導体層と、を備える双方向スイッチ素子を制御するコンピュータシステムに、前記双方向スイッチ素子をターンオンさせる場合、前記第１のゲート電極又は前記第２のゲート電極であって前記第１のソース電極と前記第２のソース電極とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差を生じさせる遅延処理を実行させる、ためのプログラムである。前記第１の窒化物半導体層は、前記基板上に形成されている。前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層上に形成されている。前記第２の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きい。前記第１のソース電極、前記第１のゲート電極、前記第２のゲート電極、及び前記第２のソース電極は、前記第２の窒化物半導体層上に形成されている。前記第１のｐ型窒化物半導体層は、前記第１のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している。前記第２のｐ型窒化物半導体層は、前記第２のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している。
図１Ａは、実施形態に係る制御システムを備えるスイッチシステムの回路ブロック図である。図１Ｂは、同上の制御システムの一部の回路構成図である。 図２は、同上の制御システムを備えるスイッチシステムにおける双方向スイッチ素子の断面図である。 図３は、同上の制御システムにおいて双方向スイッチ素子をターンオンさせるときの動作説明図である。 図４は、同上の制御システムを備えるスイッチシステムにおける双方向スイッチ素子のターンオン波形と比較例に係るスイッチシステムにおける双方向スイッチ素子のターンオン波形との比較図である。 図５は、実施形態に係る制御システムを備えるスイッチシステムにおける双方向スイッチ素子のスイッチング速度と比較例におけるスイッチング速度の説明図である。 図６は、同上の制御システムにおいて双方向スイッチ素子をターンオフさせるときの動作説明図である。 図７は、実施形態の変形例１に係る制御システムを備えるスイッチシステムの回路ブロック図である。 図８は、実施形態の変形例２に係る制御システムを備える電力変換装置の回路図である。 図９は、実施形態の変形例３に係る制御システムを備える電力変換装置の回路図である。
　下記の実施形態等において説明する図２は、模式的な図であり、図２中の各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。
　（実施形態）
　以下では、実施形態に係る制御システム１００を備えるスイッチシステム２００について、図１Ａ及び１Ｂに基づいて説明する。
　スイッチシステム２００は、双方向スイッチ素子１と、双方向スイッチ素子１を制御する、上述の制御システム１００と、を備える。
　以下では、まず双方向スイッチ素子１について、図２に基づいて説明してから制御システム１００について説明する。
　（１）双方向スイッチ素子
　（１．１）双方向スイッチ素子の構成
　双方向スイッチ素子１は、基板２と、第１の窒化物半導体層４と、第２の窒化物半導体層５と、第１のソース電極Ｓ１と、第１のゲート電極Ｇ１と、第２のゲート電極Ｇ２と、第２のソース電極Ｓ２と、第１のｐ型窒化物半導体層６１と、第２のｐ型窒化物半導体層６２と、を備える。
　第１の窒化物半導体層４は、基板２上に形成されている。第２の窒化物半導体層５は、第１の窒化物半導体層４上に形成されている。第２の窒化物半導体層５は、第１の窒化物半導体層４よりもバンドギャップが大きい。第１のソース電極Ｓ１は、第２の窒化物半導体層５上に形成されている。第１のゲート電極Ｇ１は、第２の窒化物半導体層５上に形成されており、第１のソース電極Ｓ１から離れている。第２のゲート電極Ｇ２は、第２の窒化物半導体層５上に形成されており、第１のゲート電極Ｇ１から見て第１のソース電極Ｓ１とは反対側において第１のゲート電極Ｇ１から離れている。第２のソース電極Ｓ２は、第２の窒化物半導体層５上に形成されており、第２のゲート電極Ｇ２から見て第１のゲート電極Ｇ１とは反対側において第２のゲート電極Ｇ２から離れている。第１のｐ型窒化物半導体層６１は、第１のゲート電極Ｇ１と第２の窒化物半導体層５との間に介在している。第２のｐ型窒化物半導体層６２は、第２のゲート電極Ｇ２と第２の窒化物半導体層５との間に介在している。双方向スイッチ素子１では、基板２上に、第１の窒化物半導体層４と第２の窒化物半導体層５と第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２とを含む積層体１０が形成されている。
　以下、双方向スイッチ素子１について、より詳細に説明する。
　双方向スイッチ素子１は、デュアルゲート型のＧａＮ系ＧＩＴ（Gate Injection Transistor）である。ここにおいて、双方向スイッチ素子１では、第１の窒化物半導体層４がＧａＮ層であり、第２の窒化物半導体層５がＡｌＧａＮ層である。第２の窒化物半導体層５は、第１の窒化物半導体層４上に形成されており、第１の窒化物半導体層４と共にヘテロ接合部ＨＪを構成する。第１の窒化物半導体層４においては、ヘテロ接合部ＨＪの近傍に、２次元電子ガス（Two-Dimensional Electron Gas）が発生している。２次元電子ガスを含む領域（以下、「２次元電子ガス層」ともいう）は、ｎチャネル層（電子伝導層）として機能することが可能である。また、双方向スイッチ素子１では、第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２の各々がｐ型ＡｌＧａＮ層である。
　基板２は、導電性のシリコン基板である。したがって、基板２は、導電性基板の一種である。基板２は、第１主面２１及び第２主面２２を有する。基板２の第１主面２１及び第２主面２２は、基板２の厚さ方向に直交する。ここにおいて、「直交」とは、厳密に直交する場合のみに限定されず、略直交（厚さ方向と第１主面２１又は第２主面２２とのなす角度が例えば９０°±５°）でもよい。第２主面２２は、基板２の厚さ方向において第１主面２１の反対側に位置している。双方向スイッチ素子１では、積層体１０は、基板２の第１主面２１上に形成されている。基板２の第１主面２１は、例えば、（１１１）面である。基板２の第１主面２１は、例えば、（１１１）面からのオフ角（以下、「第１オフ角」という）が０°よりも大きく５°以下の結晶面でもよい。ここにおいて、「第１オフ角」とは、（１１１）面に対する第１主面２１の傾斜角である。したがって、オフ角が０°であれば、第１主面２１は、（１１１）面である。（１１１）面は、３つの指数を括弧のなかに入れて表記したミラー指数（Miller Index）による結晶面である。基板２の厚さは、例えば、１００μｍ以上１０００μｍ以下である。
　第１の窒化物半導体層４は、バッファ層３を介して基板２上に形成されている。ここにおいて、上述の積層体１０は、バッファ層３を含む。積層体１０では、バッファ層３、第１の窒化物半導体層４及び第２の窒化物半導体層５は、基板２側からこの順に並んでいる。また、積層体１０は、第２の窒化物半導体層５上に形成されている第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２を含んでいる。
　積層体１０は、基板２上に例えばＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）によって成長されたエピタキシャル成長層である。基板２上に積層体１０を成長させるエピタキシャル成長装置としてＭＯＶＰＥ装置を採用する場合、Ａｌの原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を採用するのが好ましい。また、Ｇａの原料ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を採用するのが好ましい。Ｎの原料ガスとしては、ＮＨ3を採用するのが好ましい。ｐ型導電性に寄与する不純物であるＭｇの原料ガスとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を採用するのが好ましい。各原料ガスそれぞれのキャリアガスとしては、例えば、Ｈ2ガスを採用するのが好ましい。各原料ガスは、特に限定されず、例えば、Ｇａの原料ガスとしてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｎの原料ガスとしてヒドラジン誘導体を採用してもよい。
　バッファ層３は、例えば、アンドープのＧａＮ層である。バッファ層３は、第１の窒化物半導体層４、第２の窒化物半導体層５、第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２の結晶性の向上を目的として設けた層である。バッファ層３は、基板２の第１主面２１上に直接形成されている。バッファ層３を構成するアンドープのＧａＮ層は、その成長時に不可避的に混入されるＭｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ等の不純物が存在してもよい。バッファ層３の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。
　第１の窒化物半導体層４は、アンドープのＧａＮ層である。第１の窒化物半導体層４を構成するアンドープのＧａＮ層は、その成長時に不可避的に混入されるＭｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ等の不純物が存在してもよい。第１の窒化物半導体層４の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。
　第２の窒化物半導体層５は、アンドープのＡｌＧａＮ層である。第２の窒化物半導体層５を構成するアンドープのＡｌＧａＮ層は、その成長時に不可避的に混入されるＭｇ、Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ等の不純物が存在してもよい。第２の窒化物半導体層５を構成するアンドープのＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比は、例えば、０．２である。本明細書において、Ａｌの組成比とは、ＡｌＧａＮ層をＡｌxＧａ1-xＮ層で表したときのｘの値である。つまり、第２の窒化物半導体層５は、アンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層である。組成比は、例えば、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）による組成分析で求めた値である。組成比の相対的な大小関係を議論する上では、組成比は、ＥＤＸに限らず、例えば、オージェ電子分光（Auger Electron Spectroscopy）による組成分析、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）による組成分析で求めた値でもよい。第２の窒化物半導体層５の厚さは、例えば、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
　第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２の各々は、ｐ型ＡｌＧａＮ層である。
　第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２は、第２の窒化物半導体層５の表面５１の一部のみを覆っている。したがって、第２の窒化物半導体層５の表面５１は、第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２に覆われている領域と、第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２に覆われていない領域と、を含む。第１のｐ型窒化物半導体層６１と第２のｐ型窒化物半導体層６２とは、互いに離れている。第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２は、その成長時にＭｇがドーピングされており、Ｍｇを含有している。第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２は、ＭＯＶＰＥ装置によって第１のｐ型窒化物半導体層６１と第２のｐ型窒化物半導体層６２との元になるｐ型窒化物半導体層を第２の窒化物半導体層５上に成長させた後に、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してｐ型窒化物半導体層をパターニングすることによって形成されている。
　第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２の各々のＡｌの組成比は、第２の窒化物半導体層５を構成するＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比と同じ（例えば、０．２）であるが、第２の窒化物半導体層５を構成するＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比と異なっていてもよい。第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２の各々の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
　第１のソース電極Ｓ１及び第２のソース電極Ｓ２は、第２の窒化物半導体層５の表面５１において第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２に覆われていない領域に形成されている。第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２とは、互いに離れている。第１のソース電極Ｓ１及び第２のソース電極Ｓ２は、ヘテロ接合部ＨＪと電気的に接続されている。ここにおいて、「電気的に接続されている」とはオーミック接触していることを意味する。第１のソース電極Ｓ１及び第２のソース電極Ｓ２の各々は、例えば、ＴｉとＡｌとを含んでいる。
　第１のゲート電極Ｇ１は、第１のｐ型窒化物半導体層６１を介して第２の窒化物半導体層５上に形成されている。また、第２のゲート電極Ｇ２は、第２のｐ型窒化物半導体層６２を介して第２の窒化物半導体層５上に形成されている。第１のゲート電極Ｇ１と第２のゲート電極Ｇ２との距離は、第１のｐ型窒化物半導体層６１と第２のｐ型窒化物半導体層６２との距離よりも長い。第１のゲート電極Ｇ１及び第２のゲート電極Ｇ２の各々は、第２の窒化物半導体層５の表面５１に沿った方向において、対応する第１のソース電極Ｓ１及び第２のソース電極Ｓ２それぞれから離れている。第１のゲート電極Ｇ１及び第２のゲート電極Ｇ２は、例えば、第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２にそれぞれオーミック接触している。第１のゲート電極Ｇ１及び第２のゲート電極Ｇ２の各々は、例えば、ＰｄとＡｕとを含んでいる。
　双方向スイッチ素子１では、第２の窒化物半導体層５の表面５１に沿った一方向において、第１のソース電極Ｓ１、第１のゲート電極Ｇ１、第２のゲート電極Ｇ２及び第２のソース電極Ｓ２が、この順に並んでいる。第１のソース電極Ｓ１、第１のゲート電極Ｇ１、第２のゲート電極Ｇ２及び第２のソース電極Ｓ２は、上記一方向において互いに離れている。
　（１．２）双方向スイッチ素子の動作
　以下では、説明の便宜上、第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間に第１の閾値電圧以上の電圧が印加されていない状態を、第１のゲート電極Ｇ１がオフ状態ともいう。また、第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間に第１のゲート電極Ｇ１を高電位側として第１の閾値電圧以上の電圧が印加されている状態を、第１のゲート電極Ｇ１がオン状態ともいう。また、第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間に第２の閾値電圧以上の電圧が印加されていない状態を、第２のゲート電極Ｇ２がオフ状態ともいう。また、第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間に第２のゲート電極Ｇ２を高電位側として第２の閾値電圧以上の電圧が印加されている状態を、第２のゲート電極Ｇ２がオン状態ともいう。
　双方向スイッチ素子１は、上述の第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２を備えることにより、ノーマリオフ型のトランジスタを実現している。ここにおいて、第１のｐ型窒化物半導体層６１は、第１のゲート電極Ｇ１がオフ状態のときに、第１のｐ型窒化物半導体層６１直下において第２の窒化物半導体層５と第１の窒化物半導体層４とに空乏層を形成する。第２のｐ型窒化物半導体層６２は、第２のゲート電極Ｇ２がオフ状態のときに、第２のｐ型窒化物半導体層６２直下において第２の窒化物半導体層５と第１の窒化物半導体層４とに空乏層を形成する。双方向スイッチ素子１では、第１のゲート電極Ｇ１がオン状態のときには、第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間を２次元電子ガス層でつなげることができる。言い換えれば、双方向スイッチ素子１では、第１のゲート電極Ｇ１がオン状態のときには、第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間で２次元電子ガス層が空乏層により遮られなくなる。また、双方向スイッチ素子１では、第２のゲート電極Ｇ２がオン状態のときには、第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間を２次元電子ガス層でつなげることができる。言い換えれば、双方向スイッチ素子１では、第２のゲート電極Ｇ２がオン状態のときには、第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間で２次元電子ガス層が空乏層により遮られなくなる。
　双方向スイッチ素子１では、第１のゲート電極Ｇ１がオフ状態で、かつ第２のゲート電極Ｇ２がオフ状態である場合（第１の動作モードの場合）、第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２との間において、いずれの方向にも電流を流すことができない。より詳細には、第１の動作モードの場合、第１のソース電極Ｓ１が第２のソース電極Ｓ２よりも高電位のときに第１のソース電極Ｓ１から第２のソース電極Ｓ２へ流れる電流が遮断され、かつ、第２のソース電極Ｓ２が第１のソース電極Ｓ１よりも高電位のときに第２のソース電極Ｓ２から第１のソース電極Ｓ１へ流れる電流が遮断される。
　双方向スイッチ素子１では、第１のゲート電極Ｇ１がオン状態で、かつ第２のゲート電極Ｇ２がオン状態である場合（第２の動作モードの場合）、第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２との間において、双方向に電流を流すことができる。より詳細には、第２の動作モードの場合、第１のソース電極Ｓ１が第２のソース電極Ｓ２よりも高電位のときに第１のソース電極Ｓ１から第２のソース電極Ｓ２へ電流が流れ、かつ、第２のソース電極Ｓ２が第１のソース電極Ｓ１よりも高電位のときに第２のソース電極Ｓ２から第１のソース電極Ｓ１へ電流が流れる。
　双方向スイッチ素子１では、第１のゲート電極Ｇ１がオン状態で、かつ第２のゲート電極Ｇ２がオフ状態である場合（第３の動作モードの場合）、ダイオードとして機能する。より詳細には、第３の動作モードの場合、第１のソース電極Ｓ１が第２のソース電極Ｓ２よりも高電位のときには第１のソース電極Ｓ１から第２のソース電極Ｓ２へ流れる電流が遮断され、かつ、第２のソース電極Ｓ２が第１のソース電極Ｓ１よりも第２の閾値電圧以上、高電位のときには第２のソース電極Ｓ２から第１のソース電極Ｓ１へ電流が流れる。
　双方向スイッチ素子１では、第１のゲート電極Ｇ１がオフ状態で、かつ第２のゲート電極Ｇ２がオン状態である場合（第４の動作モードの場合）、ダイオードとして機能する。より詳細には、第４の動作モードの場合、第２のソース電極Ｓ２が第１のソース電極Ｓ１よりも高電位のときには第２のソース電極Ｓ２から第１のソース電極Ｓ１へ流れる電流が遮断され、かつ、第１のソース電極Ｓ１が第２のソース電極Ｓ２よりも第１の閾値電圧以上、高電位のときには第１のソース電極Ｓ１から第２のソース電極Ｓ２へ電流が流れる。
　双方向スイッチ素子１では、第１の閾値電圧と第２の閾値電圧とが同じ値であるが、互いに異なる値であってもよい。第１の閾値電圧は、第１のゲート電極Ｇ１の下側において２次元電子ガス層を遮るように広がっている空乏層が縮小し２次元電子ガス層に電流を流すことができるようになる閾値電圧である。第２の閾値電圧は、第２のゲート電極Ｇ２の下側において２次元電子ガス層を遮るように広がっている空乏層が縮小し２次元電子ガス層に電流を流すことができるようになる閾値電圧である。
　（２）制御システム
　制御システム１００は、図１Ａに示すように、制御部１０１を備える。制御システム１００は、制御部１０１の他に、第１のゲート駆動回路１０２と、第２のゲート駆動回路１０３と、を備える。制御システム１００は、例えば、図１Ａに示すように、双方向スイッチ素子１の第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２との間に、交流電源２１１と負荷２１２との直列回路が接続されている状態で使用される。
　制御部１０１、第１のゲート駆動回路１０２及び第２のゲート駆動回路１０３は、電源回路１１０から直流電圧を供給される。電源回路１１０は、例えば、交流電源（例えば、商用電源）２１１の出力電圧を全波整流するダイオードブリッジと、ダイオードブリッジの出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの出力電圧を上記直流電圧に降圧する降圧チョッパ回路と、を含む。なお、電源回路１１０は、制御システム１００の構成要素ではない。電源回路１１０の回路構成は特に限定されない。
　第１のゲート駆動回路１０２は、第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間に第１のソース電極Ｓ１を基準とする第１のゲート電圧Ｖｇ１（図３参照）を印加する回路である。第１のゲート駆動回路１０２は、制御部１０１からの制御信号により制御されて第１のゲート電圧Ｖｇ１を第１の閾値電圧よりも大きな電圧Ｖ１（例えば、５Ｖ）又は第１の閾値電圧よりも小さな電圧（例えば、０Ｖ）とする。
　第２のゲート駆動回路１０３は、第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間に第２のソース電極Ｓ２を基準とする第２のゲート電圧Ｖｇ２（図３参照）を印加する回路である。第２のゲート駆動回路１０３は、制御部１０１からの制御信号により制御されて第２のゲート電圧Ｖｇ２を第２の閾値電圧よりも大きな電圧Ｖ２（例えば、５Ｖ）又は第２の閾値電圧よりも小さな電圧（例えば、０Ｖ）とする。
　制御部１０１は、双方向スイッチ素子１をターンオンさせる場合、第１のゲート電極Ｇ１又は第２のゲート電極Ｇ２であって第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差Δｔ（図３参照）を生じさせるように双方向スイッチ素子１を制御する。時間差Δｔは、例えば、制御システム１００のマージンを考慮して５０ｎｓｅｃ以上であるのが好ましい。これにより、制御システム１００のシステムのゆらぎ、ばらつき等があってもΔｔを１０ｎｓｅｃ以上とすることが可能となる。
　制御部１０１は、第１タイミングと第２タイミングとの間の期間に、双方向スイッチ素子１をダイオードとして動作させる。双方向スイッチ素子１は、この期間にダイオードとして動作するとき、第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２とのうち相対的に電位の低いソース電極から相対的に電位の高いソース電極へ電流を流さず、かつ相対的に電位の高いソース電極から相対的に電位の低いソース電極へ電流を流す。
　制御部１０１は、第２のソース電極Ｓ２が第１のソース電極Ｓ１よりも高電位である状態で双方向スイッチ素子１をターンオンさせるときに、図３に示すように、第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間の第１のゲート電圧Ｖｇ１を第１の閾値電圧以上の値としてから、第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間の第２のゲート電圧Ｖｇ２を第２の閾値電圧以上の値とする。ここにおいて、制御部１０１は、第１のゲート電圧Ｖｇ１を第１のゲート電極Ｇ１と第１のソース電極Ｓ１との間に印加するタイミング（第１タイミングに相当）と、第２のゲート電圧Ｖｇ２を第２のゲート電極Ｇ２と第２のソース電極Ｓ２との間に印加するタイミング（第２タイミングに相当）との間の期間には、双方向スイッチ素子１を上述の第３の動作モードのダイオードとして動作させる。これにより、双方向スイッチ素子１は、第１のソース電極Ｓ１が第２のソース電極Ｓ２よりも高電位のときには第１のソース電極Ｓ１から第２のソース電極Ｓ２へ流れる電流が遮断され、かつ、第２のソース電極Ｓ２が第１のソース電極Ｓ１よりも第２の閾値電圧以上、高電位のときには第２のソース電極Ｓ２から第１のソース電極Ｓ１へ電流が流れる。
　制御部１０１の実行主体は、コンピュータシステムを含んでいる。コンピュータシステムは、１又は複数のコンピュータを有している。コンピュータシステムは、ハードウェアとしてのプロセッサ及びメモリを主構成とする。コンピュータシステムのメモリに記録されたプログラムをプロセッサが実行することによって、本開示における制御部１０１の実行主体としての機能が実現される。プログラムは、コンピュータシステムのメモリに予め記録されていてもよいが、電気通信回線を通じて提供されてもよいし、コンピュータシステムで読み取り可能なメモリカード、光学ディスク、ハードディスクドライブ（磁気ディスク）等の非一時的記録媒体に記録されて提供されてもよい。コンピュータシステムのプロセッサは、半導体集積回路（ＩＣ）又は大規模集積回路（ＬＳＩ）を含む１乃至複数の電子回路で構成される。複数の電子回路は、１つのチップに集約されていてもよいし、複数のチップに分散して設けられていてもよい。複数のチップは、１つの装置に集約されていてもよいし、複数の装置に分散して設けられていてもよい。
　制御システム１００は、制御部１０１において第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２とのどちらが高電位であるかを判定できるように、例えば、図１Ｂに示すように、抵抗分圧回路１０５と、第１のオペアンプＯＰ１と、第２のオペアンプＯＰ２と、第１のフォトカプラＰＣ１と、第２のフォトカプラＰＣ２と、を含む検出回路１０４を備えている。抵抗分圧回路１０５は、第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２との直列回路であり、双方向スイッチ素子１の第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２との間に接続される。
　第１のオペアンプＯＰ１の非反転入力端子及び第２のオペアンプＯＰ２の反転入力端子は、抵抗分圧回路１０５の第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２との接続点に接続されている。これにより、第１のオペアンプＯＰ１の非反転入力端子及び第２のオペアンプＯＰ２の反転入力端子には、第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２との間の電圧を第１の抵抗Ｒ１及び第２の抵抗Ｒ２により分圧した電圧が印加される。第１のオペアンプＯＰ１の反転入力端子及び第２のオペアンプＯＰ２の非反転入力端子は、第１のソース電極Ｓ１と接続されており、接地されている。第１のオペアンプＯＰ１の出力端子は、第４の抵抗Ｒ４を介して第１のフォトカプラＰＣ１のＬＥＤ（Light Emitting Diode）のアノード端子と接続され、第２のオペアンプＯＰ２の出力端子は、第５の抵抗Ｒ５を介して第２のフォトカプラＰＣ２のＬＥＤのアノード端子と接続されている。第１のフォトカプラＰＣ１のＬＥＤのカソード端子及び第２のフォトカプラＰＣ２のＬＥＤのカソード端子は、第１のソース電極Ｓ１と接続されており、接地されている。第１フォトカプラＰＣ１のフォトトランジスタ及び第２のフォトカプラＰＣ２のフォトトランジスタは、制御部１０１に接続されている。
　検出回路１０４では、第２のソース電極Ｓ２の電位が第１のソース電極Ｓ１の電位よりも高電位の場合には、第１のフォトカプラＰＣ１がオン状態、第２のフォトカプラＰＣ２がオフ状態となる。また、検出回路１０４では、第２のソース電極Ｓ２の電位が第１のソース電極Ｓ１の電位よりも低電位の場合には、第１のフォトカプラＰＣ１がオフ状態、第２のフォトカプラＰＣ２がオン状態となる。よって、制御部１０１は、検出回路１０４の第１のフォトカプラＰＣ１の状態及び第２のフォトカプラＰＣ２の状態に基づいて、第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２とのどちらが高電位であるかを判定できる。なお、検出回路１０４の構成は、図１Ｂの例に限定されない。
　次に、制御システム１００によって双方向スイッチ素子１をターンオンさせたときの波形について図４に基づいて説明する。
　図４は、双方向スイッチ素子１の第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２との間に直流電源と負荷との直列回路を接続した状態で双方向スイッチ素子１をターンオンさせたときの電圧波形である。ここにおいて、図４は、直流電源の正極を第２のソース電極Ｓ２に接続し、直流電源の負極を第１のソース電極Ｓ１に接続した状態で双方向スイッチ素子１をターンオンさせたときの電圧波形である。図４の縦軸は第２のソース電極Ｓ２と第１のソース電極Ｓ１との間の電圧Ｖｓ２であり、横軸は時間である。なお、横軸の時間に関して、時間０nsecを基準として右側が「正」、左側が「負（－符号）」となっているが、「正」と「負（－符号）」は、時間０nsecの時点に対して以後か以前かを区別するために付した符号である。
　図４中の基板ＯＰＥＮ（ＶＧ２　ＯＦＦ）は、双方向スイッチ素子１の基板２を電気的にフローティングした状態で、実施形態１に係る制御システム１００によって双方向スイッチ素子１をターンオンさせたときのＶｓ２の時間変化を示している。ここにおいて、「基板２を電気的にフローティングした状態」とは、基板２が第１のソース電極Ｓ１、第２のソース電極Ｓ２、第１のゲート電極Ｇ１及び第２のゲート電極Ｇ２の全てに対して電気的に絶縁された状態である。また、図４中の基板ＯＰＥＮ（ＶＧ２　ＯＦＦ）では、負荷電流を異ならせた場合それぞれのＶｓ２の時間変化を示してあり、負荷電流が小さいほどスイッチング速度が速い。
　また、図４中の基板ＧＮＤは、双方向スイッチ素子１の基板２をグランドに接地した状態で、双方向スイッチ素子１の第１のゲート電極Ｇ１に第１の閾値電圧よりも大きな第１のゲート電圧を印加するタイミングと、第２のゲート電極Ｇ２に第２の閾値電圧よりも大きな第２のゲート電圧を印加するタイミングと、を同じとして双方向スイッチ素子１をターンオンさせたときのＶｓ２の時間変化を示している。
　また、図４中の基板ＯＰＥＮは、双方向スイッチ素子１の基板２を電気的にフローティングにした状態で、双方向スイッチ素子１の第１のゲート電極Ｇ１に第１の閾値電圧よりも大きな第１のゲート電圧を印加するタイミングと、第２のゲート電極Ｇ２に第２の閾値電圧よりも大きな第２のゲート電圧を印加するタイミングと、を同じとして双方向スイッチ素子１をターンオンさせたときのＶｓ２の時間変化を示している。また、図４中の基板ＯＰＥＮでは、負荷電流を異ならせた場合それぞれのＶｓ２の時間変化を示してあり、負荷電流が小さいほどスイッチング速度が速い。
　また、図５は、負荷電流と双方向スイッチ素子１のスイッチング速度との関係を示している。図５の横軸は負荷電流であり、縦軸はターンオン時の双方向スイッチ素子１のスイッチング速度に対応するｄＶ／ｄｔの絶対値である。ここにおいて、負荷電流は、負荷に流れる電流である。ｄＶ／ｄｔは、電圧Ｖｓ２が最大値の９０％の値から１０％の値まで低下するときの電圧変化分を時間で除した値である。
　図４及び図５から、実施形態１に係る制御システム１００を採用することにより、双方向スイッチ素子１の基板２を電気的にフローティングした状態で、双方向スイッチ素子１をターンオンさせるときのスイッチング速度を向上できることが分かる。
　制御システム１００では、双方向スイッチ素子１をターンオフさせる場合、第１のゲート電圧Ｖｇ１を電圧Ｖ１から０Ｖに変化させるタイミングと、第２のゲート電圧Ｖｇ２を電圧Ｖ２から０Ｖに変化させるタイミングと、の関係は特に限定されない。しかしながら、双方向スイッチ素子１での損失を低減する観点から、制御システム１００の制御部１０１は、双方向スイッチ素子１をターンオフさせる場合、双方向スイッチ素子１をダイオードとして動作させないのが好ましい。制御部１０１では、双方向スイッチ素子１をターンオフさせる場合、例えば、図６に示すように、第１のゲート電圧Ｖｇ１を電圧Ｖ１から０Ｖに変化させるタイミングと、第２のゲート電圧Ｖｇ２を電圧Ｖ２から０Ｖに変化させるタイミングと、を揃えることにより、双方向スイッチ素子１をダイオードとして動作させない。
　双方向スイッチ素子１の制御方法は、双方向スイッチ素子１をターンオンさせる場合、第１のゲート電極Ｇ１又は第２のゲート電極Ｇ２であって第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差Δｔを生じさせるように双方向スイッチ素子１を制御する。
　上述のプログラムは、双方向スイッチ素子１を制御するコンピュータシステムに、双方向スイッチ素子１をターンオンさせる場合、第１のゲート電極Ｇ１又は第２のゲート電極Ｇ２であって第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差Δｔを生じさせる遅延処理を実行させる、ためのプログラムである。
　図７は、実施形態の変形例１に係る制御システム１００ａを備えるスイッチシステム２００ａの回路ブロック図である。変形例１に係る制御システム１００ａを備えるスイッチシステム２００ａに関し、実施形態に係る制御システム１００（図１Ａ参照）を備えるスイッチシステム２００と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
　制御部１０１ａは、実施形態に係る制御システム１００の制御部１０１と同様、双方向スイッチ素子１をターンオンさせる場合、第１のゲート電極Ｇ１又は第２のゲート電極Ｇ２であって第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差Δｔ（図３参照）を生じさせるように双方向スイッチ素子１を制御する。
　変形例１に係る制御システム１００ａでは、制御部１０１ａは、アナログ回路により構成されており、時間差Δｔを生じさせる遅延回路１１１を含む。
　実施形態の変形例２に係る制御システム１００ｂを備えるスイッチシステム２００ｂと、そのスイッチシステム２００ｂを備える電力変換装置３００ｂと、について、図８に基づいて説明する。
　電力変換装置３００ｂは、交流－交流電力変換を行うマトリクスコンバータである。ここにおいて、電力変換装置３００ｂは、第１周波数の第１交流電圧を、第１周波数とは異なる第２周波数の第２交流電圧に変換する。第２周波数は、第１周波数よりも低い周波数である。電力変換装置３００ｂは、第１交流電圧を入力するための２つの入力端子Ｔ１，Ｔ２を備えている。また、電力変換装置３００ｂは、第２交流電圧を出力するための３つの出力端子Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５を備えている。ここにおいて、第１交流電圧は、単相交流電圧であり、第２交流電圧は、三相交流電圧である。また、電力変換装置３００ｂは、各々が双方向スイッチ素子１からなる６つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を備えている。なお、３つの出力端子Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５には、負荷として、例えば、三相交流モータが接続される。
　電力変換装置３００ｂでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路と、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の直列回路と、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の直列回路と、が並列接続されている。各直列回路は、２つの入力端子Ｔ１，Ｔ２の間に接続されている。３つの出力端子Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５のうち１つの出力端子Ｔ３は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に接続され、別の出力端子Ｔ４は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の接続点に接続され、残りの１つの出力端子Ｔ５は、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の接続点に接続されている。なお、電力変換装置３００ｂでは、電力変換を行う電力変換部が、６つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を含んでいる。電力変換装置３００ｂは、双方向スイッチ素子１を含み電力変換を行う電力変換部と、制御システム１００ｂと、を備える。
　電力変換装置３００ｂの備える制御システム１００ｂにおける制御部１０１ｂは、複数の双方向スイッチ素子１（スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６）を制御する。ここにおいて、制御部１０１ｂは、複数の双方向スイッチ素子１の各々をターンオンさせる場合、第１のゲート電極Ｇ１又は第２のゲート電極Ｇ２であって第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差Δｔ（図３）を生じさせるように双方向スイッチ素子１を制御する。
　実施形態の変形例３に係る制御システム１００ｃを備えるスイッチシステム２００ｃと、そのスイッチシステム２００ｃを備える電力変換装置３００ｃと、について、図９に基づいて説明する。
　電力変換装置３００ｃは、Ｔ型の３レベルインバータである。ここにおいて、電力変換装置３００ｃは、２つのスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の直列回路と、スイッチング素子Ｑ１１に逆並列に接続されたダイオードＤ１と、スイッチング素子Ｑ１２に逆並列に接続されたダイオードＤ２と、２つのスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の接続点に接続された双方向スイッチ素子１と、を備える。２つのスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の各々は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。なお、電力変換装置３００ｃでは、電力変換を行う電力変換部が、２つのスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の直列回路と、スイッチング素子Ｑ１１に逆並列に接続されたダイオードＤ１と、スイッチング素子Ｑ１２に逆並列に接続されたダイオードＤ２と、２つのスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の接続点に接続された双方向スイッチ素子１と、を含んでいる。電力変換装置３００ｃは、双方向スイッチ素子１を含み電力変換を行う電力変換部と、制御システム１００ｃと、を備える。
　電力変換装置３００ｃの備える制御システム１００ｃにおける制御部１０１ｃは、双方向スイッチ素子１を制御する。ここにおいて、制御部１０１ｃは、双方向スイッチ素子１をターンオンさせる場合、第１のゲート電極Ｇ１又は第２のゲート電極Ｇ２であって第１のソース電極Ｓ１と第２のソース電極Ｓ２とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差Δｔ（図３）を生じさせるように双方向スイッチ素子１を制御する。なお、制御部１０１ｃは、双方向スイッチ素子１だけでなく、２つのスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２も制御するが、双方向スイッチ素子１のみを制御するように構成されていてもよい。
　上記の実施形態は、本開示の様々な実施形態の一つに過ぎない。上記の実施形態は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
　例えば、第１のｐ型窒化物半導体層６１及び第２のｐ型窒化物半導体層６２の各々は、ｐ型ＡｌＧａＮ層に限らず、例えば、ｐ型ＧａＮ層であってもよい。
　双方向スイッチ素子１は、バッファ層３と第１の窒化物半導体層４との間に、１層以上の窒化物半導体層を含んでいてもよい。また、バッファ層３は、単層構造に限らず、例えば、超格子構造を有していてもよい。
　また、基板２は、シリコン基板に限らず、例えば、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、サファイア基板等であってもよい。
　また、制御システム１００は、第１のゲート駆動回路１０２及び第２のゲート駆動回路１０３の代わりに、制御部１０１により制御される第１の電源及び第２の電源を備えていてもよい。この場合、第１の電源は、制御部１０１により制御されて第１のゲート電圧Ｖｇ１を出力し、第２の電源は、制御部１０１により制御されて第２のゲート電圧Ｖｇ２を出力する。
　また、電力変換装置は、上述の電力変換装置３００ｂ，３００ｃ以外の構成であってもよい。
　（まとめ）
　以上説明した実施形態等から本明細書には以下の態様が開示されている。
　第１の態様に係る制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）は、双方向スイッチ素子（１）を制御するシステムである。双方向スイッチ素子（１）は、基板（２）と、第１の窒化物半導体層（４）と、第２の窒化物半導体層（５）と、第１のソース電極（Ｓ１）と、第１のゲート電極（Ｇ１）と、第２のゲート電極（Ｇ２）と、第２のソース電極（Ｓ２）と、第１のｐ型窒化物半導体層（６１）と、第２のｐ型窒化物半導体層（６２）と、を備える。第１の窒化物半導体層（４）は、基板（２）上に形成されている。第２の窒化物半導体層（５）は、第１の窒化物半導体層（４）上に形成されている。第２の窒化物半導体層（５）のバンドギャップは、第１の窒化物半導体層（４）のバンドギャップよりも大きい。第１のソース電極（Ｓ１）、第１のゲート電極（Ｇ１）、第２のゲート電極（Ｇ２）、及び第２のソース電極（Ｓ２）は、第２の窒化物半導体層（５）上に形成されている。第１のｐ型窒化物半導体層（６１）は、第１のゲート電極（Ｇ１）と第２の窒化物半導体層（５）との間に介在している。第２のｐ型窒化物半導体層（６２）は、第２のゲート電極（Ｇ２）と第２の窒化物半導体層（５）との間に介在している。制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）は、制御部（１０１；１０１ａ；１０１ｂ；１０１ｃ）を備える。制御部（１０１；１０１ａ；１０１ｂ；１０１ｃ）は、双方向スイッチ素子（１）をターンオンさせる場合、第１のゲート電極（Ｇ１）又は第２のゲート電極（Ｇ２）であって第１のソース電極（Ｓ１）と第２のソース電極（Ｓ２）とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差（Δｔ）を生じさせるように双方向スイッチ素子（１）を制御する。
　第１の態様に係る制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）は、双方向スイッチ素子（１）をターンオンさせるときのスイッチング速度を向上させることが可能となる。
　第２の態様に係る制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）では、第１の態様において、制御部（１０１；１０１ａ；１０１ｂ；１０１ｃ）は、第１タイミングと第２タイミングとの間の期間に、双方向スイッチ素子（１）をダイオードとして動作させる。双方向スイッチ素子（１）は、ダイオードとして動作するとき、第１のソース電極（Ｓ１）と第２のソース電極（Ｓ２）とのうち相対的に電位の低いソース電極から相対的に電位の高いソース電極へ電流を流さず、かつ相対的に電位の高いソース電極から相対的に電位の低いソース電極へ電流を流す。
　第２の態様に係る制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）では、双方向スイッチ素子（１）をターンオンさせるときのスイッチング速度をより確実に向上させることが可能となる。
　第３の態様に係る制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）では、第１又は２の態様において、時間差（Δｔ）は、５０ｎｓｅｃ以上である。
　第３の態様に係る制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）では、システムのゆらぎやばらつき等が発生しても時間差（Δｔ）を確保することができる。
　第４の態様に係る制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）では、第１～３の態様のいずれか一つにおいて、基板（２）は、第１のソース電極（Ｓ１）、第２のソース電極（Ｓ２）、第１のゲート電極（Ｇ１）及び第２のゲート電極（Ｇ２）の全てに対して電気的に絶縁されている。
　第４の態様に係る制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）では、基板（２）が第１のソース電極（Ｓ１）、第２のソース電極（Ｓ２）、第１のゲート電極（Ｇ１）及び第２のゲート電極（Ｇ２）の全てに対して電気的に絶縁されている状態において、双方向スイッチ素子（１）をターンオンさせるときのスイッチング速度をより確実に向上させることが可能となる。
　第５の態様に係る制御システム（１００ａ）では、第１～４の態様のいずれか一つにおいて、制御部（１０１ａ）は、時間差（Δｔ）を生じさせる遅延回路（１１１）を含む。
　第５の態様に係る制御システム（１００ａ）では、時間差（Δｔ）のばらつきを抑制することが可能となる。
　第６の態様に係る制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）では、第１～５の態様のいずれか一つにおいて、制御部（１０１；１０１ａ；１０１ｂ；１０１ｃ）は、双方向スイッチ素子（１）をターンオフさせる場合、双方向スイッチ素子（１）をダイオードとして動作させない。
　第６の態様に係る制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）は、双方向スイッチ素子（１）をターンオフさせる場合における双方向スイッチ素子（１）での損失を抑制することができる。
　第７の態様に係るスイッチシステム（２００；２００ａ；２００ｂ；２００ｃ）は、第１～６の態様のいずれか一つの制御システム（１００；１００ａ；１００ｂ；１００ｃ）と、双方向スイッチ素子（１）と、を備える。
　第７の態様に係るスイッチシステム（２００；２００ａ；２００ｂ；２００ｃ）は、双方向スイッチ素子（１）をターンオンさせるときのスイッチング速度を向上させることが可能となる。
　第８の態様に係る電力変換装置（３００ｂ；３００ｃ）は、第７の態様に係るスイッチシステム（２００ｂ；２００ｃ）を備える。
　第８の態様に係る電力変換装置（３００ｂ；３００ｃ）は、双方向スイッチ素子（１）をターンオンさせるときのスイッチング速度を向上させることが可能となる。
　第９の態様に係る双方向スイッチ素子（１）の制御方法では、双方向スイッチ素子（１）は、基板（２）と、第１の窒化物半導体層（４）と、第２の窒化物半導体層（５）と、第１のソース電極（Ｓ１）と、第１のゲート電極（Ｇ１）と、第２のゲート電極（Ｇ２）と、第２のソース電極（Ｓ２）と、第１のｐ型窒化物半導体層（６１）と、第２のｐ型窒化物半導体層（６２）と、を備える。第１の窒化物半導体層（４）は、基板（２）上に形成されている。第２の窒化物半導体層（５）は、第１の窒化物半導体層（４）上に形成されている。第２の窒化物半導体層（５）のバンドギャップは、第１の窒化物半導体層（４）のバンドギャップよりも大きい。第１のソース電極（Ｓ１）、第１のゲート電極（Ｇ１）、第２のゲート電極（Ｇ２）、及び第２のソース電極（Ｓ２）は、第２の窒化物半導体層（５）上に形成されている。第１のｐ型窒化物半導体層（６１）は、第１のゲート電極（Ｇ１）と第２の窒化物半導体層（５）との間に介在している。第２のｐ型窒化物半導体層（６２）は、第２のゲート電極（Ｇ２）と第２の窒化物半導体層（５）との間に介在している。双方向スイッチ素子（１）の制御方法は、双方向スイッチ素子（１）をターンオンさせる場合、第１のゲート電極（Ｇ１）又は第２のゲート電極（Ｇ２）であって第１のソース電極（Ｓ１）と第２のソース電極（Ｓ２）とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差（Δｔ）を生じさせるように双方向スイッチ素子（１）を制御する。
　第９の態様に係る双方向スイッチ素子の制御方法は、双方向スイッチ素子（１）をターンオンさせるときのスイッチング速度を向上させることが可能となる。
　第１０の態様に係るプログラムは、基板（２）と、第１の窒化物半導体層（４）と、第２の窒化物半導体層（５）と、第１のソース電極（Ｓ１）と、第１のゲート電極（Ｇ１）と、第２のゲート電極（Ｇ２）と、第２のソース電極（Ｓ２）と、第１のｐ型窒化物半導体層（６１）と、第２のｐ型窒化物半導体層（６２）と、を備える双方向スイッチ素子（１）を制御するコンピュータシステムに、双方向スイッチ素子（１）をターンオンさせる場合、第１のゲート電極（Ｇ１）又は第２のゲート電極（Ｇ２）であって第１のソース電極（Ｓ１）と第２のソース電極（Ｓ２）とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差（Δｔ）を生じさせる遅延処理を実行させる、ためのプログラムである。第１の窒化物半導体層（４）は、基板（２）上に形成されている。第２の窒化物半導体層（５）は、第１の窒化物半導体層（４）上に形成されている。第２の窒化物半導体層（５）のバンドギャップは、第１の窒化物半導体層（４）のバンドギャップよりも大きい。第１のソース電極（Ｓ１）、第１のゲート電極（Ｇ１）、第２のゲート電極（Ｇ２）、及び第２のソース電極（Ｓ２）は、第２の窒化物半導体層（５）上に形成されている。第１のｐ型窒化物半導体層（６１）は、第１のゲート電極（Ｇ１）と第２の窒化物半導体層（５）との間に介在している。第２のｐ型窒化物半導体層（６２）は、第２のゲート電極（Ｇ２）と第２の窒化物半導体層（５）との間に介在している。
　第１０の態様に係るプログラムは、双方向スイッチ素子（１）をターンオンさせるときのスイッチング速度を向上させることが可能となる。
　１　双方向スイッチ素子
　２　基板
　４　第１の窒化物半導体層
　５　第２の窒化物半導体層
　６１　第１のｐ型窒化物半導体層
　６２　第２のｐ型窒化物半導体層
　Ｇ１　第１のゲート電極
　Ｇ２　第２のゲート電極
　Ｓ１　第１のソース電極
　Ｓ２　第２のソース電極
　１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ　制御システム
　１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ　制御部
　１１１　遅延回路
　２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ　スイッチシステム
　３００ｂ、３００ｃ　電力変換装置
　Δｔ　時間差

Claims (10)

  1. 　双方向スイッチ素子を制御する制御システムであって、
    　前記双方向スイッチ素子は、
    　　基板と、
    　　前記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
    　　前記第１の窒化物半導体層上に形成されており、前記第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップの大きな第２の窒化物半導体層と、
    　　前記第２の窒化物半導体層上に形成されている第１のソース電極、第１のゲート電極、第２のゲート電極、及び第２のソース電極と、
    　　前記第１のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している第１のｐ型窒化物半導体層と、
    　　前記第２のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している第２のｐ型窒化物半導体層と、を備え、
    　前記制御システムは、制御部を備え、
    　前記制御部は、前記双方向スイッチ素子をターンオンさせる場合、前記第１のゲート電極又は前記第２のゲート電極であって前記第１のソース電極と前記第２のソース電極とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差を生じさせるように前記双方向スイッチ素子を制御する、
    　制御システム。
  2. 　前記制御部は、前記第１タイミングと前記第２タイミングとの間の期間に、前記双方向スイッチ素子をダイオードとして動作させ、
    　前記双方向スイッチ素子は、前記ダイオードとして動作するとき、前記第１のソース電極と前記第２のソース電極とのうち相対的に電位の低いソース電極から相対的に電位の高いソース電極へ電流を流さず、かつ相対的に電位の高いソース電極から相対的に電位の低いソース電極へ電流を流す、
    　請求項１に記載の制御システム。
  3. 　前記時間差は、５０ｎｓｅｃ以上である、
    　請求項１又は２に記載の制御システム。
  4. 　前記基板は、前記第１のソース電極、前記第２のソース電極、前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極の全てに対して電気的に絶縁されている、
    　請求項１～３のいずれか一項に記載の制御システム。
  5. 　前記制御部は、前記時間差を生じさせる遅延回路を含む、
    　請求項１～４のいずれか一項に記載の制御システム。
  6. 　前記制御部は、前記双方向スイッチ素子をターンオフさせる場合、前記双方向スイッチ素子をダイオードとして動作させない、
    　請求項１～５のいずれか一項に記載の制御システム。
  7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の制御システムと、前記双方向スイッチ素子と、を備える、
    　スイッチシステム。
  8. 　請求項７に記載のスイッチシステムを備える、
    　電力変換装置。
  9. 　双方向スイッチ素子の制御方法であって、
    　前記双方向スイッチ素子は、
    　　基板と、
    　　前記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
    　　前記第１の窒化物半導体層上に形成されており、前記第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップの大きな第２の窒化物半導体層と、
    　　前記第２の窒化物半導体層上に形成されている第１のソース電極、第１のゲート電極、第２のゲート電極、及び第２のソース電極と、
    　　前記第１のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している第１のｐ型窒化物半導体層と、
    　　前記第２のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している第２のｐ型窒化物半導体層と、を備え、
    　前記双方向スイッチ素子をターンオンさせる場合、前記第１のゲート電極又は前記第２のゲート電極であって前記第１のソース電極と前記第２のソース電極とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差を生じさせるように前記双方向スイッチ素子を制御する、
    　双方向スイッチ素子の制御方法。
  10. 　基板と、
    　前記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
    　前記第１の窒化物半導体層上に形成されており、前記第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップの大きな第２の窒化物半導体層と、
    　前記第２の窒化物半導体層上に形成されている第１のソース電極、第１のゲート電極、第２のゲート電極、及び第２のソース電極と、
    　前記第１のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している第１のｐ型窒化物半導体層と、
    　前記第２のゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に介在している第２のｐ型窒化物半導体層と、を備える双方向スイッチ素子を制御するコンピュータシステムに、
    　前記双方向スイッチ素子をターンオンさせる場合、前記第１のゲート電極又は前記第２のゲート電極であって前記第１のソース電極と前記第２のソース電極とのうち低電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第１タイミングと、高電位側のソース電極に対応するゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加する第２タイミングと、に時間差を生じさせる遅延処理を実行させる、
    　ためのプログラム。
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