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JP2011172425A - Gate drive circuit for bidirectional switch, and inverter or matrix converter using the same - Google Patents

Gate drive circuit for bidirectional switch, and inverter or matrix converter using the same Download PDF

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JP2011172425A
JP2011172425A JP2010035578A JP2010035578A JP2011172425A JP 2011172425 A JP2011172425 A JP 2011172425A JP 2010035578 A JP2010035578 A JP 2010035578A JP 2010035578 A JP2010035578 A JP 2010035578A JP 2011172425 A JP2011172425 A JP 2011172425A
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JP
Japan
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gate
terminal
source terminal
drive circuit
bidirectional switch
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Pending
Application number
JP2010035578A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Morimoto
篤史 森本
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gate drive circuit used for a GaN bidirectional switch having a double gate, in which shift to a reverse blocking mode (first mode or second mode) enabling conduction in only one or only the another out of the bidirections is speeded up. <P>SOLUTION: The gate drive circuit has a configuration in which at least either a first source terminal 4 or a second source terminal 5 is connected in series to a first gate resistance 18A (18B) and a second gate resistance 19A (19B) respectively, and a diode 21A (21B) as a bypass member capable of applying current to a connection point 20A (20B) when difference between source potentials occurs between a connection point 20A of the first gate resistances 18A and the second gate resistance 19A and a connection point 20B of the first gate resistance 18B and the second gate resistance 19B is provided. Thus, the gate drive circuit is obtained in which electricity conduction in the reverse blocking mode is achieved by applying a gate current via the diodes 21A or 21B when the potential of either the first source terminal 4 or the second source terminal 5 increases. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、モータ駆動装置の半導体として使用される双方向スイッチのゲート駆動回路およびそれを用いたインバータあるいはマトリックスコンバータに関するものである。   The present invention relates to a gate drive circuit of a bidirectional switch used as a semiconductor of a motor drive device, and an inverter or matrix converter using the same.

従来、この種のゲート駆動回路ではないが、双方向スイッチ用のスパイク電圧抑制回路としてツェナーダイオードの逆直列回路を接続されたものが知られている。(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, although this type of gate drive circuit is not used, a circuit in which an anti-series circuit of Zener diodes is connected as a spike voltage suppression circuit for a bidirectional switch is known. (For example, refer to Patent Document 1).

以下、そのスパイク電圧抑制回路について図11を参照しながら説明する。   The spike voltage suppression circuit will be described below with reference to FIG.

図11に示すように、トランジスタ101Aとトランジスタ101Bを逆直列に接続した半導体双方向スイッチ102の各トランジスタ101A、101Bの各ゲート103A、103Bと各コレクタ104A、104Bの間にツェナーダイオード105A、105Bと、ダイオード106A、106Bの逆直列回路を接続している。この半導体双方向スイッチ102をコレクタ104Aあるいは104Bの何れかが誘導性負荷等に接続された場合、コレクタ104A、あるいは104Bにスパイク電圧が発生することとなるが、コレクタ104Aあるいは104Bの端子電圧が上昇を開始すると同時に、ツェナーダイオード105Aあるいは105Bの電圧も上昇する。さらに半導体双方向スイッチ102の端子電圧も上昇を続けることとなる。その後、ツェナーダイオード105Aあるいは105Bの電圧が、ツェナー電圧に達すると、ツェナーダイオード105Aあるいは105Bが導通し、トランジスタ101Aあるいは101Bのゲート103Aあるいは103Bに電流が流れる。これによりトランジスタ101Aあるいは101Bは活性状態で再びオンすることとなる。以上により、トランジスタ101Aあるいは101Bの電圧は、ツェナーダイオード105A、あるいは105Bのツェナー電圧でクランプされることからスパイク電圧を抑制することができる。   As shown in FIG. 11, Zener diodes 105A and 105B are connected between the gates 103A and 103B and the collectors 104A and 104B of the transistors 101A and 101B of the semiconductor bidirectional switch 102 in which the transistors 101A and 101B are connected in reverse series. The anti-series circuit of the diodes 106A and 106B is connected. If either of the collectors 104A or 104B is connected to the inductive load or the like of the semiconductor bidirectional switch 102, a spike voltage is generated in the collector 104A or 104B, but the terminal voltage of the collector 104A or 104B increases. At the same time, the voltage of the Zener diode 105A or 105B increases. Further, the terminal voltage of the semiconductor bidirectional switch 102 continues to rise. Thereafter, when the voltage of the Zener diode 105A or 105B reaches the Zener voltage, the Zener diode 105A or 105B becomes conductive, and a current flows through the gate 103A or 103B of the transistor 101A or 101B. As a result, the transistor 101A or 101B is turned on again in the active state. As described above, since the voltage of the transistor 101A or 101B is clamped by the Zener voltage of the Zener diode 105A or 105B, the spike voltage can be suppressed.

また、この種のゲート駆動回路は、CMOSドライバからゲート抵抗を介して半導体スイッチに接続されたものもある。(例えば、特許文献2参照)。   Some of these types of gate drive circuits are connected from a CMOS driver to a semiconductor switch via a gate resistor. (For example, refer to Patent Document 2).

以下、そのゲート駆動回路について図12を参照しながら説明する。   The gate drive circuit will be described below with reference to FIG.

図12に示すように、逆阻止IGBT107A、107Bを互いに逆並列に接続した双方向スイッチ108をスイッチング素子とする電力変換装置は、逆阻止IGBT107A、107Bのゲート端子109A、109Bの電流検出手段110A、110Bと、検出された電流値を比較する比較手段111とを設けており、逆電圧が印加されている逆阻止IGBT107Aあるいは107Bを検出して、そのゲート端子109A、あるいは109Bをオンとするような構成となっている。   As shown in FIG. 12, the power conversion device using the bidirectional switch 108 in which the reverse blocking IGBTs 107A and 107B are connected in antiparallel to each other as the switching element includes the current detection means 110A of the gate terminals 109A and 109B of the reverse blocking IGBTs 107A and 107B. 110B and a comparison means 111 for comparing the detected current value are provided to detect the reverse blocking IGBT 107A or 107B to which the reverse voltage is applied and to turn on the gate terminal 109A or 109B. It has a configuration.

特開2001−111398号公報JP 2001-111398 A 特開2006−166582号公報JP 2006-166582 A

このような特許文献1における従来のスパイク電圧抑制回路においては、ツェナー電圧に到達すると、ツェナーダイオードを介してゲート端子に電流が流れ、トランジスタの導通を開始することができるが、ツェナー電圧に到達するまでの時間は、トランジスタがオフ状態を保持することとなり、トランジスタの導通開始までの時間は、より長くなることとなる。近年、SiCやGaNなど高速スイッチングデバイスが普及し始めている中、そのポテンシャルを最大限に引き出すためには、このツェナーダイオードを介してゲート電流を流すまでの時間を短縮する必要がある。この状態では、例えば、負荷として誘導負荷が接続され、トランジスタのターンオンまでの時間が長い場合、誘導負荷からの還流電流が流れる経路を確保できず、トランジスタのエミッタ端子あるいはコレクタ端子の電位が急激に上昇し、信頼性が低下する可能性が発生することとなるという課題を有していた。   In such a conventional spike voltage suppression circuit in Patent Document 1, when the Zener voltage is reached, a current flows to the gate terminal via the Zener diode, and the transistor can be turned on, but the Zener voltage is reached. The time until the transistor keeps the off state, and the time until the transistor starts to become conductive becomes longer. In recent years, while high-speed switching devices such as SiC and GaN have begun to spread, it is necessary to shorten the time until the gate current flows through the Zener diode in order to maximize the potential. In this state, for example, when an inductive load is connected as a load and the time until the transistor turns on is long, a path through which the return current from the inductive load flows cannot be secured, and the potential of the emitter terminal or collector terminal of the transistor suddenly increases. It had the subject that it will raise | generate and reliability may fall.

また、特許文献2における従来のゲート駆動回路では、同様に誘導負荷が接続された場合、ゲート端子に電流が流れ、逆阻止IGBTがオンする状態とする場合には、アクティブにゲート端子の駆動を行なう複雑、かつ高速なシーケンスを構成するか、あるいはCMOS、ゲート抵抗を介してゲート端子に電流を流す経路を確保する必要がある。この時、CMOS内部の寄生ダイオード、ゲート抵抗を経由して流す、すなわち寄生ダイオードを積極的に使用する必要があり、この種のゲート駆動回路では、装置の信頼性を悪化させるという課題を有していた。また、唯一のゲート抵抗、あるいは直列に接続されていた場合は、複数本のゲート抵抗を経由してゲート端子に電流を通電することから、ゲート駆動のための電流値に基づいた電流までしか通電できず、応答性を悪化させるという課題を有していた。   Further, in the conventional gate drive circuit in Patent Document 2, when an inductive load is connected in the same manner, when the current flows to the gate terminal and the reverse blocking IGBT is turned on, the gate terminal is actively driven. It is necessary to construct a complicated and high-speed sequence to be performed, or to secure a path for passing a current to the gate terminal via the CMOS and gate resistance. At this time, it is necessary to actively use the parasitic diode, that is, the parasitic diode inside the CMOS, that is, the parasitic diode, and this type of gate drive circuit has a problem of deteriorating the reliability of the device. It was. Also, if it is connected to only one gate resistor or connected in series, the current is supplied to the gate terminal via multiple gate resistors, so only the current based on the current value for driving the gate is supplied. It was not possible and had the subject of deteriorating responsiveness.

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、第一ソース端子あるいは第二ソース端子の少なくとも何れか一方と第一ゲート抵抗、第二ゲート抵抗を直列に接続し、第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の直列接続した中点との間にソース電位の変動が発生した際に第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の接続点側へ電流を流すことのできるバイパス手段を設ける構成とすることで、通常のゲート駆動のためのゲート電流の通電経路と異なる低インピーダンス回路を形成することができ、ターンオンまでの時間を短く、すなわち双方向スイッチの損失の増加防止、信頼性確保、また高速スイッチングデバイスのポテンシャルを最大限引き出すことができる双方向スイッチのゲート駆動回路を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention solves the above-described conventional problems, and connects at least one of the first source terminal or the second source terminal, the first gate resistance, and the second gate resistance in series, and the first gate resistance A bypass means capable of allowing a current to flow to the connection point side of the first gate resistor and the second gate resistor when a source potential fluctuation occurs between the intermediate point connected in series with the second gate resistor, and By doing so, it is possible to form a low-impedance circuit different from the current path for gate current for normal gate driving, shortening the time until turn-on, that is, preventing increase in loss of the bidirectional switch, ensuring reliability, An object of the present invention is to provide a bidirectional switch gate drive circuit capable of maximizing the potential of a high-speed switching device.

そして、この目的を達成するために、本発明は、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第1のオーミック電極及び第2のオーミック電極と、前記第1のオーミック電極と前記第2のオーミック電極との間に、前記第1のオーミック電極側から順に形成された、第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、前記半導体層積層体と第1のゲート電極との間に形成された第1のp型半導体層と、前記半導体層積層体と第2のゲート電極との間に形成された第2のp型半導体とを有し、前記第1のオーミック電極と前記第1のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第2のオーミック電極と前記第2のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第1のオーミック電極に接続された第一ソース端子と、前記第2のオーミック電極に接続された第二ソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチに適用するゲート駆動回路であって、前記第一ソース端子あるいは第二ソース端子の少なくとも何れか一方と第一ゲート抵抗、第二ゲート抵抗を直列に接続し、前記第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の直列接続した中点との間にソース電位の変動が発生した際に前記第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の接続点側へ電流を流すことのできるバイパス手段を設ける構成としたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。   In order to achieve this object, the present invention provides a semiconductor layer stack having a channel formed on a substrate and a first ohmic formed on the semiconductor layer stack at a distance from each other. A first gate electrode and a second gate formed in order from the first ohmic electrode side between the electrode and the second ohmic electrode, and between the first ohmic electrode and the second ohmic electrode; An electrode, a first p-type semiconductor layer formed between the semiconductor layer stack and the first gate electrode, and a second formed between the semiconductor layer stack and the second gate electrode. A first gate terminal for inputting a gate drive signal between the first ohmic electrode and the first gate electrode, the second ohmic electrode, and the second gate. Gate drive signal between electrodes A second source terminal connected to the first ohmic electrode, a second source terminal connected to the second ohmic electrode, and turning on only the first gate terminal. The first mode in which the bidirectional device in the ON state and the reverse diode are connected in series from the first source terminal to the second source terminal and operating as a semiconductor connected in series, turning on only the second gate terminal, A second mode in which a forward diode and an on-state bidirectional device operate as a semiconductor connected in series from the first source terminal to the second source terminal, the first gate terminal and the second gate terminal are turned on. Then, the third mode, which operates so as to conduct in a bidirectional manner without a diode between the first source terminal and the second source terminal, the first gate A gate drive circuit applied to a bidirectional switch having a fourth mode that cuts off current in both forward and reverse directions when the child and the second gate terminal are turned off, and at least one of the first source terminal and the second source terminal One of the first gate resistor and the second gate resistor is connected in series, and when the source potential fluctuates between the first gate resistor and the middle point of the second gate resistor connected in series, the first Bypass means capable of allowing current to flow to the connection point side of the gate resistance and the second gate resistance is provided, thereby achieving the intended purpose.

本発明によれば、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第1のオーミック電極及び第2のオーミック電極と、前記第1のオーミック電極と前記第2のオーミック電極との間に、前記第1のオーミック電極側から順に形成された、第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、前記半導体層積層体と第1のゲート電極との間に形成された第1のp型半導体層と、前記半導体層積層体と第2のゲート電極との間に形成された第2のp型半導体とを有し、前記第1のオーミック電極と前記第1のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第2のオーミック電極と前記第2のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第1のオーミック電極に接続された第一ソース端子と、前記第2のオーミック電極に接続された第二ソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチに適用するゲート駆動回路であって、前記第一ソース端子あるいは第二ソース端子の少なくとも何れか一方と第一ゲート抵抗、第二ゲート抵抗を直列に接続し、前記第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の直列接続した中点との間にソース電位の変動が発生した際に前記第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の接続点側へ電流を流すことのできるバイパス手段を設ける構成にしたことにより、誘導負荷が接続され、誘導負荷からの還流電流を双方向スイッチの第一モードあるいは第二モードの状態にて通電する場合であっても、第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子のオフしている何れか一方のゲート端子に対して微小な電流を流し、ゲート端子とソース端子と間の寄生容量への充電を行い、ゲート端子とソース端子間の電圧をより高速に上昇させることでゲートが開くまでの時間を短くし、還流電流をより高速に通電できるため、第一ソース端子と第二ソース端子間に対して並列に特別な電流を通電する経路を設ける必要がなく、簡単な構成でより安価なゲート駆動回路を形成することができるという効果を得ることができる。   According to the present invention, a semiconductor layer stack having a channel formed on a substrate, and a first ohmic electrode and a second ohmic electrode formed on the semiconductor layer stack at a distance from each other; A first gate electrode and a second gate electrode formed in order from the first ohmic electrode side between the first ohmic electrode and the second ohmic electrode, and the semiconductor layer stack And a first p-type semiconductor layer formed between the semiconductor layer stack and the second gate electrode. , A first gate terminal for inputting a gate drive signal between the first ohmic electrode and the first gate electrode, and a gate drive signal between the second ohmic electrode and the second gate electrode. Input the second gate terminal and the front A first source terminal connected to the first ohmic electrode; and a second source terminal connected to the second ohmic electrode; when only the first gate terminal is turned on, the first source terminal A first mode in which an on-state bidirectional device and a reverse diode operate as a semiconductor connected in series toward two source terminals. When only the second gate terminal is turned on, the first source terminal to the second source A second mode in which a forward diode and an on-state bidirectional device operate as a semiconductor connected in series toward the terminals, when the first gate terminal and the second gate terminal are turned on, from the first source terminal A third mode that operates to conduct in both directions without a diode between the second source terminals, the first gate terminal and the second gate terminal A gate drive circuit applied to a bidirectional switch having a fourth mode that cuts off current in both forward and reverse directions when turned off, comprising at least one of the first source terminal or the second source terminal and a first gate resistor, A second gate resistor is connected in series, and when a source potential fluctuation occurs between the first gate resistor and the middle point of the second gate resistor connected in series, the first gate resistor and the second gate resistor By providing a bypass means capable of flowing current to the connection point side, the inductive load is connected, and the return current from the inductive load is energized in the state of the first mode or the second mode of the bidirectional switch. Even if the first gate terminal or the second gate terminal is turned off, a small current is passed through the gate terminal and the parasitic capacitance between the gate terminal and the source terminal. The amount of time required to open the gate by increasing the voltage between the gate terminal and the source terminal at a higher speed and charging the reflux current at a higher speed can be achieved. There is no need to provide a path for supplying a special current in parallel between the source terminals, and it is possible to obtain an effect that an inexpensive gate driving circuit can be formed with a simple configuration.

本発明の実施の形態1の双方向スイッチの構成を示す図The figure which shows the structure of the bidirectional | two-way switch of Embodiment 1 of this invention. 同双方向スイッチの等価回路図((a)第1、第2のトランジスタで構成する等価回路図、(b)第2のトランジスタの等価回路図、(c)第2のトランジスタをダイオードとみなした場合の等価回路図)Equivalent circuit diagram of the bidirectional switch ((a) Equivalent circuit diagram composed of first and second transistors, (b) Equivalent circuit diagram of the second transistor, (c) The second transistor is regarded as a diode. Equivalent circuit diagram) 同双方向スイッチの電圧・電流の相関図((a)Vg1とVg2とを同時に変化させた場合を示す図、(b)Vg2を第2の閾値電圧以下の0VとしVg1を変化させた場合を示す図、(c)Vg1を第1の閾値電圧以下の0VとしてVg2を変化させた場合を示す図)Voltage / current correlation diagram of the bidirectional switch ((a) A diagram showing a case where Vg1 and Vg2 are changed simultaneously, (b) A case where Vg2 is changed to 0 V below the second threshold voltage and Vg1 is changed. (C) The figure which shows the case where Vg2 is changed by setting Vg1 to 0 V below the first threshold voltage) 同双方向スイッチの動作モードを示す図Diagram showing the operation mode of the bidirectional switch 同ゲート駆動回路の構成図Configuration diagram of the gate drive circuit 本発明の実施の形態2のゲート駆動回路の構成図Configuration diagram of a gate drive circuit according to a second embodiment of the present invention 本発明の実施の形態3のゲート駆動回路の構成図Configuration diagram of the gate drive circuit of Embodiment 3 of the present invention 本発明の実施の形態4のゲート駆動回路の構成図Configuration diagram of a gate drive circuit according to a fourth embodiment of the present invention 本発明の実施の形態5のバイパス手段を備えたゲート駆動回路を用いたインバータの構成図The block diagram of the inverter using the gate drive circuit provided with the bypass means of Embodiment 5 of this invention 本発明の実施の形態6のバイパス手段を備えたゲート駆動回路を用いたマトリックスコンバータの構成図The block diagram of the matrix converter using the gate drive circuit provided with the bypass means of Embodiment 6 of this invention 従来の特許文献1におけるスパイク電圧抑制(ゲート駆動)回路を示す図The figure which shows the spike voltage suppression (gate drive) circuit in the conventional patent document 1 従来の特許文献2におけるゲート駆動回路を示す図The figure which shows the gate drive circuit in the conventional patent document 2

本発明の請求項1記載の双方向スイッチのゲート駆動回路は、基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第1のオーミック電極及び第2のオーミック電極と、前記第1のオーミック電極と前記第2のオーミック電極との間に、前記第1のオーミック電極側から順に形成された、第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、前記半導体層積層体と第1のゲート電極との間に形成された第1のp型半導体層と、前記半導体層積層体と第2のゲート電極との間に形成された第2のp型半導体とを有し、前記第1のオーミック電極と前記第1のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第2のオーミック電極と前記第2のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第1のオーミック電極に接続された第一ソース端子と、前記第2のオーミック電極に接続された第二ソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチに適用するゲート駆動回路であって、前記第一ソース端子あるいは第二ソース端子の少なくとも何れか一方と第一ゲート抵抗、第二ゲート抵抗を直列に接続し、前記第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の直列接続した中点との間にソース電位の変動が発生した際に前記第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の接続点側へ電流を流すことのできるバイパス手段を設ける構成を有する。これにより、双方向スイッチが第一モードあるいは第二モード、すなわち第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子の何れか一方がオフ状態であり、オフ状態である第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子に対応する第一ソース端子あるいは第二ソース端子側の電位が上昇した際に、電位の上昇に応じてバイパス手段を通じて第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の接続点側へ電流を流すことができることとなるので、第一ゲート端子と第一ソース端子間の寄生容量、あるいは第二ゲート端子と第二ソース端子間の寄生容量に対してより高速に充電することができ、双方向スイッチが第一モードあるいは第二モードであっても第三モードと同等の導通速度を確保することができるという効果を奏する。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a bidirectional switch gate drive circuit comprising: a semiconductor layer stack having a channel formed on a substrate; and a semiconductor layer stack formed on the semiconductor layer stack at a distance from each other. A first gate electrode and a second ohmic electrode, and a first gate electrode and a second ohmic electrode, which are sequentially formed from the first ohmic electrode side between the first ohmic electrode and the second ohmic electrode. Two gate electrodes, a first p-type semiconductor layer formed between the semiconductor layer stack and the first gate electrode, and between the semiconductor layer stack and the second gate electrode. A first gate terminal for inputting a gate drive signal between the first ohmic electrode and the first gate electrode, the second ohmic electrode, and the first ohmic electrode. Between the two gate electrodes A second gate terminal for inputting a driving signal; a first source terminal connected to the first ohmic electrode; and a second source terminal connected to the second ohmic electrode, wherein only the first gate terminal is provided. When ON is turned on, only the second gate terminal is turned on in the first mode in which the bidirectional device and the reverse diode are connected in series from the first source terminal to the second source terminal. Then, a second mode in which a forward diode and an on-state bidirectional device operate as a semiconductor connected in series from the first source terminal to the second source terminal, the first gate terminal and the second gate When the terminal is turned on, the third mode, which operates so as to conduct in a bidirectional manner without a diode between the first source terminal and the second source terminal, A gate driving circuit applied to a bidirectional switch having a fourth mode that cuts off current in both forward and reverse directions when the first gate terminal and the second gate terminal are turned off, wherein the first source terminal or the second source terminal When at least one of the first gate resistance and the second gate resistance is connected in series, and a source potential fluctuation occurs between the first gate resistance and the middle point of the second gate resistance connected in series A configuration is provided in which bypass means capable of flowing a current to the connection point side of the first gate resistor and the second gate resistor is provided. As a result, the bidirectional switch is in the first mode or the second mode, that is, either the first gate terminal or the second gate terminal is in the off state, and corresponds to the first gate terminal or the second gate terminal in the off state. When the potential on the first source terminal or the second source terminal side that rises, current can flow to the connection point side of the first gate resistance and the second gate resistance through the bypass means according to the rise in potential. Therefore, the parasitic capacitance between the first gate terminal and the first source terminal or the parasitic capacitance between the second gate terminal and the second source terminal can be charged faster, and the bidirectional switch can be Even in the second mode, the same conduction speed as that in the third mode can be secured.

また、請求項2記載の双方向スイッチのゲート駆動回路は、バイパス手段は、第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の接続点側からソース端子側に対する電流を流すこともできるような構成を有する。これにより、誘導負荷が接続されて、インダクタンス成分により連続的に引かれることでソース端子側の電位が低下した場合にゲート端子側からソース端子側へ電流を流すことができることとなるので、より安定したゲート駆動を行なうことができるという効果を奏する。   According to a second aspect of the present invention, the bypass means has a configuration in which the bypass means can flow a current from the connection point side of the first gate resistor and the second gate resistor to the source terminal side. As a result, when an inductive load is connected and the potential on the source terminal side decreases due to continuous pulling by the inductance component, current can flow from the gate terminal side to the source terminal side, which is more stable. The gate driving can be performed.

また、請求項3記載の双方向スイッチのゲート駆動回路は、バイパス手段は、ダイオードによる構成を有する。これにより、ゲート端子からソース端子側への電流を阻止しつつ、ソース端子側の電位が上昇した際にはダイオードを介して電流を流すことができることとなるので、簡単な構成でバイパスすることができ、より簡単かつ低コストな回路構成で実現することができるという効果を奏する。   In the bidirectional switch gate drive circuit according to claim 3, the bypass means has a configuration of a diode. As a result, while the current from the gate terminal to the source terminal side is blocked, the current can flow through the diode when the potential on the source terminal side rises. This is advantageous in that it can be realized with a simpler and lower cost circuit configuration.

また、請求項4記載の双方向スイッチのゲート駆動回路は、バイパス手段は、定電流ダイオードによる構成を有する。これにより、ゲート端子からソース端子側への電流を阻止しつつ、ソース端子側の電位が上昇した際には定電流ダイオードを介して電流を流すことができることとなるので、ゲート端子側への電流制限をしつつ、簡単な構成でバイパスすることができ、より安定したゲート駆動、および簡単かつ低コストな回路構成で実現することができるという効果を奏する。   According to another aspect of the gate drive circuit of the bidirectional switch, the bypass means is constituted by a constant current diode. As a result, when the potential on the source terminal side rises while blocking the current from the gate terminal to the source terminal side, the current can flow through the constant current diode. While limiting, the bypass can be achieved with a simple configuration, and an effect is achieved that a more stable gate drive and a simple and low-cost circuit configuration can be realized.

また、請求項5記載の双方向スイッチのゲート駆動回路は、バイパス手段は、定電圧ダイオードによる構成を有する。これにより、ゲート端子からソース端子側への電流は、ツェナー電圧を超えた場合にのみ流れ、また、ソース端子からゲート端子側への電流は、ソース端子の電位の上昇に応じて電流を流すことができることとなるので、ゲート端子側へ印加される電圧を制限しつつ、第一ゲート端子と第一ソース端子間の寄生容量、あるいは第二ゲート端子と第二ソース端子間の寄生容量に対してより高速に充電することができ、双方向スイッチが第一モードあるいは第二モードであっても第三モードと同等の導通速度を確保することができるという効果を奏する。   In the bidirectional switch gate drive circuit according to claim 5, the bypass means includes a constant voltage diode. As a result, the current from the gate terminal to the source terminal flows only when the Zener voltage is exceeded, and the current from the source terminal to the gate terminal flows the current according to the increase in the potential of the source terminal. Therefore, while limiting the voltage applied to the gate terminal side, the parasitic capacitance between the first gate terminal and the first source terminal or the parasitic capacitance between the second gate terminal and the second source terminal is limited. The battery can be charged at a higher speed, and even when the bidirectional switch is in the first mode or the second mode, the same conduction speed as that in the third mode can be secured.

また、請求項6記載の双方向スイッチのゲート駆動回路は、バイパス手段は、低電位側の第一ソース端子あるいは第二ソース端子に対応する第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子にのみ接続する構成を有する。これにより、インバータ等のように入力電圧の正負が逆転せず極性が固定であった場合に、部品が不要となるので、より安価な回路構成で実現することができるという効果を奏する。   In the bidirectional switch gate drive circuit according to claim 6, the bypass means is connected only to the first gate terminal or the second gate terminal corresponding to the first source terminal or the second source terminal on the low potential side. Have As a result, when the polarity of the input voltage is not reversed and the polarity is fixed as in an inverter or the like, parts are not required, so that an effect can be realized with a cheaper circuit configuration.

また、請求項7記載の双方向スイッチのゲート駆動回路は、バイパス手段は、第一ゲート端子および第二ゲート端子の双方に接続する構成を有する。これにより、マトリックスコンバータ等のように入力電圧の正負が逆転して極性が反転することで、交互に第一ソース端子あるいは第二ソース端子側の電位が上昇した際に、電位の上昇に応じてバイパス手段を通じて第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の接続点側へ電流を流すことができることとなるので、第一ゲート端子と第一ソース端子間の寄生容量、あるいは第二ゲート端子と第二ソース端子間の寄生容量に対してより高速に充電することができ、双方向スイッチが第一モードあるいは第二モードであっても第三モードと同等の導通速度を確保することができるという効果を奏する。   The bidirectional switch gate drive circuit according to claim 7 has a configuration in which the bypass means is connected to both the first gate terminal and the second gate terminal. As a result, the polarity of the input voltage is reversed by reversing the polarity of the input voltage as in a matrix converter, etc., so that when the potential on the first source terminal or second source terminal side rises alternately, Since the current can flow to the connection point side of the first gate resistor and the second gate resistor through the bypass means, the parasitic capacitance between the first gate terminal and the first source terminal or the second gate terminal and the second source The parasitic capacitance between the terminals can be charged faster, and even when the bidirectional switch is in the first mode or the second mode, the same conduction speed as the third mode can be secured. .

また、請求項8記載の双方向スイッチのゲート駆動回路は、バイパス手段は、ゲート駆動電源電圧を所望の電圧とする定電圧ダイオードと共用する構成を有する。これにより、定電圧ダイオードによりゲート駆動電源電圧を制限することと、第一ソース端子あるいは第二ソース端子側の電位が上昇した際に、電位の上昇に応じてバイパス手段を通じて第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の接続点側へ電流を流すことができることとなるので、第一ゲート端子と第一ソース端子間の寄生容量、あるいは第二ゲート端子と第二ソース端子間の寄生容量に対してより高速に充電することができ、双方向スイッチが第一モードあるいは第二モードであっても第三モードと同等の導通速度を確保することができると同時により安価な回路構成で実現することができるという効果を奏する。   In the bidirectional switch gate drive circuit according to claim 8, the bypass means has a configuration shared with a constant voltage diode having a gate drive power supply voltage as a desired voltage. As a result, the gate drive power supply voltage is limited by the constant voltage diode, and when the potential at the first source terminal or the second source terminal rises, the first gate resistor and the second gate through the bypass means according to the rise in potential. Since current can flow to the connection point side of the two-gate resistor, the parasitic capacitance between the first gate terminal and the first source terminal or the parasitic capacitance between the second gate terminal and the second source terminal is more It is possible to charge at high speed, and even if the bidirectional switch is in the first mode or the second mode, it is possible to ensure the same conduction speed as the third mode, and at the same time, it can be realized with a cheaper circuit configuration There is an effect.

また、請求項9記載の双方向スイッチのゲート駆動回路は、ソース端子側に接続した第一ゲート抵抗は、双方向スイッチのリードのインダクタンスと寄生容量による発振周波数を変更する抵抗と共用する構成を有する。これにより、第一ゲート抵抗でゲート電流を制限することと、双方向スイッチのリードのインダクタンスと寄生容量による発振周波数を変更することに2つの目的で共用することとなるので、より安価な回路構成で実現することができるという効果を奏する。   The gate drive circuit of the bidirectional switch according to claim 9 is configured such that the first gate resistor connected to the source terminal side is shared with a resistor that changes the oscillation frequency due to the inductance and parasitic capacitance of the lead of the bidirectional switch. Have. As a result, the gate current is limited by the first gate resistor and the oscillation frequency due to the inductance and parasitic capacitance of the bidirectional switch lead is shared for two purposes. There is an effect that can be realized.

また、請求項10記載の双方向スイッチのゲート駆動回路は、第二ゲート抵抗と並列にターンオフ速度を向上するスピードアップ回路を備える構成を有する。これにより、ターンオフ時間を短縮することとなるので、通常スイッチング時間の短いターンオン時間とのバランスがとれ、より安定したシステムとすることができるという効果を奏する。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a bidirectional switch gate drive circuit including a speed-up circuit for improving a turn-off speed in parallel with the second gate resistor. As a result, the turn-off time is shortened, so that the balance with the turn-on time having a short switching time is achieved, and the system can be more stable.

また、請求項11記載の双方向スイッチのゲート駆動回路は、スピードアップ回路は、第三ゲート抵抗とダイオードの直列回路とする構成を有する。これにより、簡単な構成でスピードアップ回路を構成することができることとなるので、より安価な構成で実現することができるという効果を奏する。   In the bidirectional switch gate drive circuit according to claim 11, the speed-up circuit has a configuration in which a third gate resistor and a diode are connected in series. As a result, the speed-up circuit can be configured with a simple configuration, so that an effect can be realized with a more inexpensive configuration.

また、請求項12記載の双方向スイッチのゲート駆動回路を用いたインバータは、バイパス手段を備えた双方向スイッチのゲート駆動回路を用いた構成を有する。これにより、インバータの各双方向スイッチのゲート駆動をより高速化を図ることとなるので、低損失かつ、低損失化による小型化を実現することができるという効果を奏する。   According to a twelfth aspect of the present invention, an inverter using the bidirectional switch gate drive circuit has a configuration using a bidirectional switch gate drive circuit including a bypass means. As a result, the speed of the gate drive of each bidirectional switch of the inverter is further increased, so that there is an effect that a reduction in size and a reduction in size due to a reduction in loss can be realized.

また、請求項13記載の双方向スイッチのゲート駆動回路を用いたマトリックスコンバータは、バイパス手段を備えた双方向スイッチのゲート駆動回路を用いた構成を有する。これにより、マトリックスコンバータの各双方向スイッチのゲート駆動をより高速化を図ることとなるので、低損失かつ、低損失化による小型化、また、誘導負荷が接続された時、短絡防止のために設けたデッドタイムによる誘導負荷端電圧の上昇を防止するクランプ回路内部のコンデンサ容量低減による小型化を実現することができるという効果を奏する。   A matrix converter using a bidirectional switch gate drive circuit according to claim 13 has a configuration using a bidirectional switch gate drive circuit including a bypass means. As a result, the gate drive of each bidirectional switch of the matrix converter can be speeded up, so that the loss can be reduced and the size can be reduced by reducing the loss, and when an inductive load is connected, the short circuit can be prevented. There is an effect that downsizing can be realized by reducing the capacitance of the capacitor inside the clamp circuit which prevents the increase of the inductive load terminal voltage due to the provided dead time.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
はじめに、双方向スイッチ1について、図1を参照しながら構成について説明する。図1に示すように、双方向スイッチ1は、第一ゲート端子2と第二ゲート端子3と第一ソース端子4と第二ソース端子5により構成されている。双方向スイッチ1は、シリコン(Si)からなる基板6の上に厚さが10nm窒化アルミニウム(AlN)と厚さが10nmの窒化ガリウム(GaN)とが交互に積層されてなる厚さが1μmのバッファ層7が形成され、その上に半導体層積層体8が形成されている。半導体層積層体8は、第1の半導体層とこの第1の半導体層と比べてバンドギャップが大きい第2の半導体層とが基板側から順次積層されている。第1の半導体層は、厚さが2μmのGaN(アンドープの窒化ガリウム)層9であり、第2の半導体層は、厚さが20nmのn型のAlGaN(窒化アルミニウムガリウム)層10である。GaN層9のAlGaN層10とのヘテロ界面近傍には、自発分極及びピエゾ分極による電荷が生じる。これにより、シートキャリア濃度が1×1013cm―2以上で且つ移動度が1000cm2V/sec以上の2次元電子ガス(2DEG)層であるチャネル領域が生成されている。つまり、半導体層積層体8は、2次元電子ガス(2DEG)層であるチャネル領域を有し、基板の上に形成されている。半導体層積層体8の上には、互いに間隔をおいて第1のオーミック電極11Aと第2のオーミック電極11Bとが形成されている。第1のオーミック電極11A及び第2のオーミック電極11Bは、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)とが積層されており、チャネル領域とオーミック接合を形成している。また、コンタクト抵抗を低減するために、AlGaN層10の一部を除去すると共にGaN層9を40nm程度掘り下げて、第1のオーミック電極11A及び第2のオーミック電極11BがAlGaN層10とGaN層9との界面に接するように形成した例を示している。なお、第1のオーミック電極11A及び第2のオーミック電極11Bは、AlGaN層10の上に形成してもよい。n型のAlGaN層10の上における第1のオーミック電極11Aと第2のオーミック電極11Bとの間の領域には、第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bが互いに間隔をおいて選択的に形成されている。第1のp型半導体層12Aの上には第1のゲート電極13Aが形成され、第2のp型半導体層12Bの上には第2のゲート電極13Bが形成されている。第1のゲート電極13A及び第2のゲート電極13Bは、それぞれパラジウム(Pd)と金(Au)とが積層されており、第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bとオーミック接触している。AlGaN層10及び第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bを覆うように窒化シリコン(SiN)からなる保護膜14が形成されている。保護膜14を形成することで、いわゆる電流コラプスの原因となる欠陥を保障し、電流コラプスを改善することが可能となる。第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bは、それぞれ厚さが300nmで、マグネシウム(Mg)がドープされたp型のGaNからなる。第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bと、AlGaN層10とによりPN接合がそれぞれ形成される。これにより、第1のオーミック電極11Aと第1のゲート電極13Aとの間の電圧が例えば0Vでは、第1のp型GaN層からチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができ、同様に、第2のオーミック電極11Bと第2のゲート電極13Bとの間の電圧が例えば0V以下のときには、第2のp型GaN層からチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができ、いわゆるノーマリーオフ動作をする半導体素子を実現している。第1のオーミック電極11Aの電位をV1、第1のゲート電極13Aの電位をV2、第2のゲート電極13Bの電位をV3、第2のオーミック電極11Bの電位をV4とする。この場合において、V2がV1より1.5V以上高ければ、第1のp型半導体層12Aからチャネル領域中に広がる空乏層が縮小するため、チャネル領域に電流を流すことができる。同様にV3がV4より1.5V以上高ければ、第2のp型半導体層12Bからチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができる。つまり、第1のゲート電極13Aのいわゆる閾値電圧及び第2のゲート電極13Bのいわゆる閾値電圧は共に1.5Vである。以下においては、第1のゲート電極13Aの下側においてチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができるようになる第1のゲート電極13Aの閾値電圧を第1の閾値電圧とし、第2のゲート電極13Bの下側においてチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができるようになる第2のゲート電極13Bの閾値電圧を第2の閾値電圧とする。また、第1のp型半導体層12Aと第2のp型半導体層12Bとの間の距離は、第1のオーミック電極11A及び第2のオーミック電極11Bに印加される最大電圧に耐えられるように構成する。
(Embodiment 1)
First, the configuration of the bidirectional switch 1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the bidirectional switch 1 includes a first gate terminal 2, a second gate terminal 3, a first source terminal 4, and a second source terminal 5. The bidirectional switch 1 has a thickness of 1 μm formed by alternately laminating 10 nm thick aluminum nitride (AlN) and 10 nm thick gallium nitride (GaN) on a substrate 6 made of silicon (Si). A buffer layer 7 is formed, and a semiconductor layer stack 8 is formed thereon. In the semiconductor layer stacked body 8, a first semiconductor layer and a second semiconductor layer having a band gap larger than that of the first semiconductor layer are sequentially stacked from the substrate side. The first semiconductor layer is a GaN (undoped gallium nitride) layer 9 having a thickness of 2 μm, and the second semiconductor layer is an n-type AlGaN (aluminum gallium nitride) layer 10 having a thickness of 20 nm. In the vicinity of the hetero interface between the GaN layer 9 and the AlGaN layer 10, charges are generated due to spontaneous polarization and piezoelectric polarization. Accordingly, and mobility 1 × 1013cm- 2 or sheet carrier concentration channel region is generated a 1000 cm 2 V / sec or more two-dimensional electron gas (2DEG) layer. That is, the semiconductor layer stack 8 has a channel region that is a two-dimensional electron gas (2DEG) layer and is formed on the substrate. On the semiconductor layer stacked body 8, a first ohmic electrode 11A and a second ohmic electrode 11B are formed at a distance from each other. The first ohmic electrode 11A and the second ohmic electrode 11B are formed by stacking titanium (Ti) and aluminum (Al), and form an ohmic junction with the channel region. Further, in order to reduce the contact resistance, a part of the AlGaN layer 10 is removed and the GaN layer 9 is dug down by about 40 nm, so that the first ohmic electrode 11A and the second ohmic electrode 11B become the AlGaN layer 10 and the GaN layer 9. The example formed so that it may contact | connect an interface with is shown. Note that the first ohmic electrode 11 </ b> A and the second ohmic electrode 11 </ b> B may be formed on the AlGaN layer 10. In the region between the first ohmic electrode 11A and the second ohmic electrode 11B on the n-type AlGaN layer 10, the first p-type semiconductor layer 12A and the second p-type semiconductor layer 12B are spaced from each other. And selectively formed. A first gate electrode 13A is formed on the first p-type semiconductor layer 12A, and a second gate electrode 13B is formed on the second p-type semiconductor layer 12B. The first gate electrode 13A and the second gate electrode 13B are each formed by stacking palladium (Pd) and gold (Au), and the first p-type semiconductor layer 12A and the second p-type semiconductor layer 12B. Ohmic contact. A protective film 14 made of silicon nitride (SiN) is formed so as to cover the AlGaN layer 10, the first p-type semiconductor layer 12A, and the second p-type semiconductor layer 12B. By forming the protective film 14, it is possible to ensure a defect that causes so-called current collapse and to improve current collapse. The first p-type semiconductor layer 12A and the second p-type semiconductor layer 12B each have a thickness of 300 nm and are made of p-type GaN doped with magnesium (Mg). The first p-type semiconductor layer 12A, the second p-type semiconductor layer 12B, and the AlGaN layer 10 form PN junctions. As a result, when the voltage between the first ohmic electrode 11A and the first gate electrode 13A is 0 V, for example, the depletion layer spreads from the first p-type GaN layer into the channel region, so that the current flowing through the channel is cut off. Similarly, when the voltage between the second ohmic electrode 11B and the second gate electrode 13B is, for example, 0 V or less, a depletion layer spreads from the second p-type GaN layer into the channel region. Thus, a semiconductor element capable of interrupting a current flowing through the channel and performing a so-called normally-off operation is realized. The potential of the first ohmic electrode 11A is V1, the potential of the first gate electrode 13A is V2, the potential of the second gate electrode 13B is V3, and the potential of the second ohmic electrode 11B is V4. In this case, if V2 is higher than V1 by 1.5V or more, the depletion layer extending from the first p-type semiconductor layer 12A into the channel region is reduced, so that a current can flow in the channel region. Similarly, if V3 is higher than V4 by 1.5V or more, the depletion layer extending from the second p-type semiconductor layer 12B into the channel region is reduced, and current can flow through the channel region. That is, the so-called threshold voltage of the first gate electrode 13A and the so-called threshold voltage of the second gate electrode 13B are both 1.5V. In the following, the threshold voltage of the first gate electrode 13A at which the depletion layer extending in the channel region below the first gate electrode 13A is reduced and current can flow through the channel region is set to the first threshold voltage. The threshold voltage is set to the second gate electrode 13B so that the depletion layer extending in the channel region on the lower side of the second gate electrode 13B is reduced and current can flow in the channel region. The threshold voltage is used. The distance between the first p-type semiconductor layer 12A and the second p-type semiconductor layer 12B can withstand the maximum voltage applied to the first ohmic electrode 11A and the second ohmic electrode 11B. Constitute.

つまり、双方向スイッチ1は、チャネル領域を有する半導体層積層体8と、この半導体層積層体8の上に互いに間隔をおいて形成した第1のオーミック電極11A及び第2のオーミック電極11Bと、第1のオーミック電極11Aと前記第2のオーミック電極11Bとの間に前記第1のオーミック電極11A側から順に形成した第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bと、第1のp型半導体層12Aの上に形成した第1のゲート電極13Aと、第2のp型半導体層12Bの上に形成した第2のゲート電極13Bとを備えた基板と、前記第1のオーミック電極11Aに接続した第一ソース端子4と、前記第2のオーミック電極11Bに接続した第二ソース端子5と、前記第1のゲート電極13Aに接続した第一ゲート端子2と、前記第2のゲート電極13Bに接続した第二ゲート端子3とで構成される。   That is, the bidirectional switch 1 includes a semiconductor layer stack 8 having a channel region, a first ohmic electrode 11A and a second ohmic electrode 11B formed on the semiconductor layer stack 8 with a space therebetween, A first p-type semiconductor layer 12A and a second p-type semiconductor layer 12B formed in order from the first ohmic electrode 11A side between the first ohmic electrode 11A and the second ohmic electrode 11B; A substrate comprising a first gate electrode 13A formed on one p-type semiconductor layer 12A and a second gate electrode 13B formed on a second p-type semiconductor layer 12B; A first source terminal 4 connected to the ohmic electrode 11A; a second source terminal 5 connected to the second ohmic electrode 11B; a first gate terminal 2 connected to the first gate electrode 13A; Composed of the second gate terminal 3 connected to the second gate electrode 13B.

次に、双方向スイッチ1の動作について説明する。説明のため、第1のオーミック電極11Aの電位を0Vとし、第一ゲート端子2に印加する電圧をVg1、第二ゲート端子3に印加する電圧をVg2、第2のオーミック電極11Bと第1のオーミック電極11Aとの間の電圧をVs2s1、第2のオーミック電極11Bと第1のオーミック電極11Aとの間に流れる電流をIs2s1とする。   Next, the operation of the bidirectional switch 1 will be described. For explanation, the potential of the first ohmic electrode 11A is set to 0V, the voltage applied to the first gate terminal 2 is Vg1, the voltage applied to the second gate terminal 3 is Vg2, and the second ohmic electrode 11B and the first The voltage between the ohmic electrode 11A is Vs2s1, and the current flowing between the second ohmic electrode 11B and the first ohmic electrode 11A is Is2s1.

V4がV1よりも高い場合、例えば、V4が+100Vで、V1が0Vの場合において、第一ゲート端子2と第二ゲート端子3の入力電圧であるVg1及びVg2をそれぞれ第1の閾値電圧及び第2の閾値電圧以下の電圧、例えば0Vとする。これにより、第1のp型半導体層12Aから広がる空乏層が、チャネル領域中を第2のp型GaN層の方向へ向けて広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができる。従って、V4が正の高電圧であっても、第2のオーミック電極11Bから第1のオーミック電極11Aへ流れる電流を遮断する遮断状態を実現できる。一方、V4がV1よりも低い場合、例えばV4が−100Vで、V1が0Vの場合においても、第2のp型半導体層12Bから広がる空乏層が、チャネル領域中を第1のp型半導体層12Aの方向へ向けて広がり、チャネルに流れる電流を遮断することができる。このため、第2のオーミック電極11Bに負の高電圧が印加されている場合においても、第1のオーミック電極11Aから第2のオーミック電極11Bへ流れる電流を遮断することができる。すなわち、双方向スイッチ1の双方向の電流を遮断することが可能となる。   When V4 is higher than V1, for example, when V4 is + 100V and V1 is 0V, the input voltages Vg1 and Vg2 of the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 are set to the first threshold voltage and the first threshold voltage, respectively. A voltage equal to or lower than a threshold voltage of 2, for example, 0V. As a result, the depletion layer extending from the first p-type semiconductor layer 12A extends in the channel region toward the second p-type GaN layer, so that the current flowing through the channel can be blocked. Therefore, even when V4 is a positive high voltage, it is possible to realize a cut-off state in which a current flowing from the second ohmic electrode 11B to the first ohmic electrode 11A is cut off. On the other hand, when V4 is lower than V1, for example, even when V4 is −100 V and V1 is 0 V, the depletion layer extending from the second p-type semiconductor layer 12B is in the channel region in the first p-type semiconductor layer. The current spreads in the direction of 12A and can flow through the channel. For this reason, even when a negative high voltage is applied to the second ohmic electrode 11B, the current flowing from the first ohmic electrode 11A to the second ohmic electrode 11B can be blocked. That is, the bidirectional current of the bidirectional switch 1 can be cut off.

以上のような構造及び動作において、耐圧を確保するためのチャネル領域を第1のゲート電極13Aと第2のゲート電極13Bとが共有する。この素子は、1素子分のチャネル領域の面積で双方向スイッチ1が実現可能であり、双方向スイッチ1全体を考えると、2つのダイオードと2つのノーマリーオフ型のAlGaN/GaN−HFETとを用いた場合と比べてチップ面積をより少なくすることができ、双方向スイッチ1の低コスト化及び小型化が可能となる。   In the structure and operation as described above, the first gate electrode 13A and the second gate electrode 13B share a channel region for ensuring a withstand voltage. In this device, the bidirectional switch 1 can be realized with the area of the channel region for one device. Considering the entire bidirectional switch 1, two diodes and two normally-off type AlGaN / GaN-HFETs are provided. The chip area can be reduced as compared with the case where it is used, and the bidirectional switch 1 can be reduced in cost and size.

次に、第一ゲート端子2、第二ゲート端子3の入力電圧であるVg1及びVg2が、それぞれ第1の閾値電圧及び第2の閾値電圧よりも高い電圧、例えば5Vの場合には、第1のゲート電極13A及び第2のゲート電極13Bに印加される電圧は、共に閾値電圧よりも高くなる。従って、第1のp型半導体層12A及び第2のp型半導体層12Bからチャネル領域に空乏層が広がらないため、チャネル領域は第1のゲート電極13Aの下側においても、第2のゲート電極13Bの下側においてもピンチオフされない。その結果、第1のオーミック電極11Aと第2のオーミック電極11Bとの間に双方向に電流が流れる導通状態を実現できる。   Next, when the input voltages Vg1 and Vg2 of the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 are higher than the first threshold voltage and the second threshold voltage, respectively, for example, 5V, the first voltage Both of the voltages applied to the gate electrode 13A and the second gate electrode 13B are higher than the threshold voltage. Accordingly, since the depletion layer does not extend from the first p-type semiconductor layer 12A and the second p-type semiconductor layer 12B to the channel region, the channel region is also formed below the first gate electrode 13A. It is not pinched off on the lower side of 13B. As a result, it is possible to realize a conductive state in which a current flows bidirectionally between the first ohmic electrode 11A and the second ohmic electrode 11B.

次に、Vg1を第1の閾値電圧よりも高い電圧とし、Vg2を第2の閾値電圧以下とした場合の動作について説明する。第一ゲート端子2、第二ゲート端子3を備えた双方向スイッチ1を等価回路で表すと図2(a)に示すように第1のトランジスタ15と第2のトランジスタ16とが直列に接続された回路とみなすことができる。この場合、第1のトランジスタ15のソース(S)が第1のオーミック電極11A、第1のトランジスタ15のゲート(G)が第1のゲート電極13Aに対応し、第2のトランジスタ16のソース(S)が第2のオーミック電極11B、第2のトランジスタ16のゲート(G)が第2のゲート電極13Bに対応する。このような回路において、例えば、Vg1を5V、Vg2を0Vとした場合、Vg2が0Vであるということは第2のトランジスタ16のゲートとソースが短絡されている状態と等しいため、双方向スイッチ1は図2(b)に示すような回路とみなすことができる。   Next, the operation when Vg1 is higher than the first threshold voltage and Vg2 is equal to or lower than the second threshold voltage will be described. When the bidirectional switch 1 having the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 is represented by an equivalent circuit, a first transistor 15 and a second transistor 16 are connected in series as shown in FIG. It can be regarded as a circuit. In this case, the source (S) of the first transistor 15 corresponds to the first ohmic electrode 11A, the gate (G) of the first transistor 15 corresponds to the first gate electrode 13A, and the source ( S) corresponds to the second ohmic electrode 11B, and the gate (G) of the second transistor 16 corresponds to the second gate electrode 13B. In such a circuit, for example, when Vg1 is 5V and Vg2 is 0V, the fact that Vg2 is 0V is equivalent to the state where the gate and the source of the second transistor 16 are short-circuited. Can be regarded as a circuit as shown in FIG.

さらに、図2(b)に示す第2のトランジスタ16のソース(S)をA端子、ドレイン(D)をB端子、ゲート(G)をC端子として説明を行う。図に示すB端子の電位がA端子の電位よりも高い場合には、A端子がソースでB端子がドレインであるトランジスタとみなすことができ、このような場合、C端子(ゲート)とA端子(ソース)との間の電圧は0Vであり、閾値電圧以下のため、B端子(ドレイン)からA端子(ソース)に電流は流れない。一方、A端子の電位がB端子の電位よりも高い場合には、B端子がソースでA端子がドレインのトランジスタとみなすことができる。このような場合、C端子(ゲート)とA端子(ドレイン)との電位が同じであるため、A端子の電位がB端子を基準として閾値電圧以下の場合にはA端子(ドレイン)からB端子(ソース)へ電流を通電しない。A端子の電位がB端子を基準として閾値電圧以上となると、ゲートにB端子(ソース)を基準として閾値電圧以上の電圧が印加され、A端子(ドレイン)からB端子(ソース)へ電流を流すことができる。つまり、トランジスタのゲートとソースとを短絡させた場合、ドレインがカソードでソースがアノードのダイオードとして機能し、その順方向立上り電圧はトランジスタの閾値電圧となる。そのため、図2(a)に示す第2のトランジスタ16の部分は、ダイオードとみなすことができ、図2(c)に示すような等価回路となる。図2(c)に示す等価回路において、双方向スイッチ1の第一ソース端子4の電位が第二ソース端子5の電位よりも高い場合、第1のトランジスタ15の第一ゲート端子2に5Vが印加されている場合には、第1のトランジスタ15はオン状態であり、S2からS1へ電流を流すことが可能となる。ただし、ダイオードの順方向立上り電圧によるオン電圧が発生する。また、双方向スイッチ1のS1の電位がS2の電位よりも高い場合、その電圧は第2のトランジスタ16からなるダイオードが担い、双方向スイッチ1のS1からS2へ流れる電流を阻止する。つまり、第一ゲート端子2に閾値電圧以上の電圧を与え、第二ゲート端子3に閾値電圧以下の電圧を与えることにより、いわゆる双方向素子をオンした状態とドレイン側(第一ソース側)にダイオードのカソード側を直列接続した動作が可能なスイッチが実現できる。   Further, description will be made assuming that the source (S) of the second transistor 16 shown in FIG. 2B is the A terminal, the drain (D) is the B terminal, and the gate (G) is the C terminal. When the potential of the B terminal shown in the figure is higher than the potential of the A terminal, it can be regarded as a transistor in which the A terminal is a source and the B terminal is a drain. In such a case, the C terminal (gate) and the A terminal Since the voltage between the source and the source is 0 V and is equal to or lower than the threshold voltage, no current flows from the B terminal (drain) to the A terminal (source). On the other hand, when the potential of the A terminal is higher than the potential of the B terminal, the transistor can be regarded as a transistor in which the B terminal is a source and the A terminal is a drain. In such a case, since the potentials of the C terminal (gate) and the A terminal (drain) are the same, when the potential of the A terminal is equal to or lower than the threshold voltage with respect to the B terminal, the A terminal (drain) to the B terminal Do not supply current to the (source). When the potential of the A terminal becomes equal to or higher than the threshold voltage with reference to the B terminal, a voltage higher than the threshold voltage is applied to the gate with reference to the B terminal (source), and current flows from the A terminal (drain) to the B terminal (source). be able to. That is, when the gate and the source of the transistor are short-circuited, the transistor functions as a diode having a drain as a cathode and a source as an anode, and the forward rising voltage becomes the threshold voltage of the transistor. Therefore, the portion of the second transistor 16 shown in FIG. 2A can be regarded as a diode, and an equivalent circuit as shown in FIG. In the equivalent circuit shown in FIG. 2C, when the potential of the first source terminal 4 of the bidirectional switch 1 is higher than the potential of the second source terminal 5, 5V is applied to the first gate terminal 2 of the first transistor 15. When the voltage is applied, the first transistor 15 is in an on state, and a current can flow from S2 to S1. However, an on-voltage is generated due to the forward rising voltage of the diode. Further, when the potential of S1 of the bidirectional switch 1 is higher than the potential of S2, the voltage is carried by the diode composed of the second transistor 16, and the current flowing from S1 to S2 of the bidirectional switch 1 is blocked. That is, by applying a voltage equal to or higher than the threshold voltage to the first gate terminal 2 and applying a voltage equal to or lower than the threshold voltage to the second gate terminal 3, the so-called bidirectional element is turned on and the drain side (first source side). A switch that can operate by connecting the cathode side of the diode in series can be realized.

図3は、双方向スイッチ1のVs2s1とIs2s1との関係であり、(a)は、Vg1とVg2とを同時に変化させた場合を示し、(b)はVg2を第2の閾値電圧以下の0Vとし、Vg1を変化させた場合を示し、(c)はVg1を第1の閾値電圧以下の0VとしてVg2を変化させた場合を示している。なお、図3において横軸であるS2−S1間電圧(Vs2s1)は、第1のオーミック電極11Aを基準とした電圧であり、縦軸であるS2−S1間電流(Is2s1)は第2のオーミック電極11Bから第1のオーミック電極11Aへ流れる電流を正としている。図3(a)に示すように、Vg1及びVg2が0Vの場合及び1Vの場合には、Vs2s1が正の場合にも負の場合にもIs2s1は流れず、双方向スイッチ1は遮断状態となる。また、Vg1とVg2とが共に閾値電圧よりも高くなると、Vs2s1に応じてIs2s1が双方向に流れる導通状態となる。一方、図3(b)に示すように、Vg2を第2の閾値電圧以下の0Vとし、Vg1を第1の閾値電圧以下の0Vとした場合には、Is2s1は双方向に遮断される。しかし、Vg1を第1の閾値電圧以上の2V〜5Vとした場合には、Vs2s1が1.5V未満の場合にはIs2s1が流れないが、Vs2s1が1.5V以上になるとIs2s1が流れる。つまり、第2のオーミック電極11Bから第1のオーミック電極11Aにのみに電流が流れ、第1のオーミック電極11Aから第2のオーミック電極11Bには電流が流れない逆阻止状態となる。また、Vg1を0Vとし、Vg2を変化させた場合には図3(c)に示すように、第1のオーミック電極11Aから第2のオーミック電極11Bにのみに電流が流れ、第2のオーミック電極11Bから第1のオーミック電極11Aには電流が流れない逆阻止状態となる。   FIG. 3 shows the relationship between Vs2s1 and Is2s1 of the bidirectional switch 1. FIG. 3A shows a case where Vg1 and Vg2 are changed simultaneously, and FIG. 3B shows a case where Vg2 is 0 V that is equal to or lower than the second threshold voltage. (C) shows a case where Vg2 is changed with Vg1 being 0 V which is equal to or lower than the first threshold voltage. In FIG. 3, the voltage between S2 and S1 (Vs2s1), which is the horizontal axis in FIG. 3, is a voltage based on the first ohmic electrode 11A, and the current between S2 and S1 (Is2s1), which is the vertical axis, is the second ohmic. The current flowing from the electrode 11B to the first ohmic electrode 11A is positive. As shown in FIG. 3A, when Vg1 and Vg2 are 0 V and 1 V, Is2s1 does not flow regardless of whether Vs2s1 is positive or negative, and the bidirectional switch 1 is cut off. . Further, when both Vg1 and Vg2 become higher than the threshold voltage, a conductive state in which Is2s1 flows bidirectionally according to Vs2s1 is established. On the other hand, as shown in FIG. 3B, when Vg2 is set to 0 V that is equal to or lower than the second threshold voltage and Vg1 is set to 0 V that is equal to or lower than the first threshold voltage, Is2s1 is blocked in both directions. However, when Vg1 is 2V to 5V that is equal to or higher than the first threshold voltage, Is2s1 does not flow when Vs2s1 is less than 1.5V, but Is2s1 flows when Vs2s1 becomes 1.5V or higher. That is, a reverse blocking state is reached in which current flows only from the second ohmic electrode 11B to the first ohmic electrode 11A, and no current flows from the first ohmic electrode 11A to the second ohmic electrode 11B. Further, when Vg1 is set to 0V and Vg2 is changed, as shown in FIG. 3C, a current flows only from the first ohmic electrode 11A to the second ohmic electrode 11B, and the second ohmic electrode A reverse blocking state in which no current flows from 11B to the first ohmic electrode 11A is obtained.

以上より、双方向スイッチ1は、そのゲートバイアス条件により、双方向の電流を遮断・通電する機能を有すると共に、ダイオード動作も可能であり、そのダイオードの電流が通電する方向も切り換えることができる。   As described above, the bidirectional switch 1 has a function of interrupting and energizing the bidirectional current according to the gate bias condition, and can also operate as a diode, and can also switch the direction in which the current of the diode is energized.

以上、説明したように双方向スイッチ1の第一ゲート端子2と第二ゲート端子3のオンあるいはオフ条件に応じて、図4に示す4つの動作モードで動作することができる。つまり、双方向スイッチ1は、前記第一ゲート端子2と第一ソース端子4間のみにゲート駆動信号を入力する(簡略化して言うと、第一ゲート端子2のみをオンする)と、前記第一ソース端子4から前記第二ソース端子5間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モードと、前記第二ゲート端子3と前記第二ソース端子5間のみにゲート駆動信号を入力する(簡略化して言うと、第二ゲート端子3のみをオンする)と、前記第一ソース端子4から前記第二ソース端子5間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モードと、前記第一ゲート端子2と第一ソース端子4間および前記第二ゲート端子3と前記第二ソース端子5間にゲート駆動信号を入力(簡略化して言うと、第一ゲート端子2および前記第二ゲート端子3をオンする信号を入力)して前記第一ソース端子4から前記第二ソース端子5間に順方向ダイオードおよび逆方向ダイオードのいずれも介さない双方向に導通する動作する第三モードと、前記第一ゲート端子2と第一ソース端子4間および前記第二ゲート端子3と前記第二ソース端子5間のいずれにもゲート駆動信号を加えないで(簡略化して言うと、第一ゲート端子2および前記第二ゲート端子3をオフして)順逆双方向の電流を遮断する第四モードとを有するものである。   As described above, the operation can be performed in the four operation modes shown in FIG. 4 according to the ON or OFF condition of the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 of the bidirectional switch 1. That is, when the bidirectional switch 1 inputs a gate drive signal only between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 (in short, only the first gate terminal 2 is turned on), A first mode in which an on-state bidirectional device and a reverse diode are connected in series from one source terminal 4 to the second source terminal 5; and the second gate terminal 3 and the second source When a gate drive signal is inputted only between the terminals 5 (in short, only the second gate terminal 3 is turned on), a forward diode is directed from the first source terminal 4 to the second source terminal 5. And a second mode in which a bidirectional device in an on state operates as a semiconductor connected in series, between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 and between the second gate terminal 3 and the second source terminal 5 A gate drive signal is input (in short, a signal for turning on the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 is input), and a forward direction is applied between the first source terminal 4 and the second source terminal 5. A third mode which operates in both directions without passing through either a diode or a reverse diode; and between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 and between the second gate terminal 3 and the second source terminal 5 No gate drive signal is applied to any of the above (in a simplified manner, the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 are turned off) and a fourth mode for blocking forward and reverse currents It is.

本構造はJFETに類似しているが、キャリア注入を意図的に行うという点で、ゲート電界によりチャネル領域内のキャリア変調を行うJFETとは全く異なった動作原理により動作する。具体的には、ゲート電圧が3VまではJFETとして動作するが、pn接合のビルトインポテンシャルを超える3V以上のゲート電圧が印加された場合には、ゲートに正孔が注入され、前述したメカニズムにより電流が増加し、大電流且つ低オン抵抗の動作が可能となる。   This structure is similar to a JFET, but operates on a completely different operating principle from a JFET that performs carrier modulation in a channel region by a gate electric field in that carrier injection is intentionally performed. Specifically, it operates as a JFET up to a gate voltage of 3V. However, when a gate voltage of 3V or more exceeding the built-in potential of the pn junction is applied, holes are injected into the gate, and the current flows through the mechanism described above. Increases, and a large current and low on-resistance operation becomes possible.

また、双方向スイッチ1は、第1のゲート電極13Aがp型の導電性を有する第1のp型半導体層12Aの上に形成され、第2のゲート電極13Bがp型の導電性を有する第2のp型半導体層12Bの上に形成されている。このため、第1の半導体層と第2の半導体層との界面領域に生成されるチャネル領域に対して、第1のゲート電極13A及び第2のゲート電極13Bから順方向のバイアスを印加することにより、チャネル領域内に正孔を注入することができる。窒化物半導体においては正孔の移動度は、電子の移動度よりもはるかに低いため、チャネル領域に注入された正孔は電流を流す担体としてほとんど寄与しない。このため、第1のゲート電極13A及び第2のゲート電極13Bから注入された正孔は同量の電子をチャネル領域内に発生させるので、チャネル領域内に電子を発生させる効果が高くなり、ドナーイオンのような機能を発揮する。つまり、チャネル領域内においてキャリア濃度の変調を行うことが可能となるため、動作電流が大きいノーマリーオフ型の窒化物半導体層双方向スイッチを実現することが可能となる。   In the bidirectional switch 1, the first gate electrode 13A is formed on the first p-type semiconductor layer 12A having p-type conductivity, and the second gate electrode 13B has p-type conductivity. It is formed on the second p-type semiconductor layer 12B. For this reason, a forward bias is applied from the first gate electrode 13A and the second gate electrode 13B to the channel region generated in the interface region between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Thus, holes can be injected into the channel region. In a nitride semiconductor, the mobility of holes is much lower than the mobility of electrons, so that holes injected into the channel region hardly contribute as carriers for passing current. For this reason, holes injected from the first gate electrode 13A and the second gate electrode 13B generate the same amount of electrons in the channel region, so that the effect of generating electrons in the channel region is increased, and the donor is increased. It functions like an ion. That is, since the carrier concentration can be modulated in the channel region, it is possible to realize a normally-off type nitride semiconductor layer bidirectional switch having a large operating current.

次に、双方向スイッチ1を駆動するためのゲート駆動回路17について、図5を参照しながら説明する。図5に示すように、ゲート駆動回路17は、第二ゲート端子3と第一ゲート抵抗18A、第二ゲート抵抗19Aを直列に接続し、第一ゲート抵抗18Aと第二ゲート抵抗19Aの直列接続した接続点20Aとの間に第二ゲート端子3から接続点20Aへ電流を流すことのできるバイパス手段としてのダイオード21Aと、第一ソース端子4と第一ゲート抵抗18B、第二ゲート抵抗19Bを直列に接続し、第一ゲート抵抗18Bと第二ゲート抵抗19Bの直列接続した接続点20Bとの間に第一ソース端子4から接続点20Bへ電流を流すことのできるバイパス手段としてのダイオード21Bを備えている。このダイオード21Bは、双方向スイッチ1が逆阻止状態でオフしている、すなわち、第一ゲート端子2と第一ソース端子4の間の寄生容量に対して充電されていない際に、第一ソース端子4の電位が上昇した場合、第一ソース端子4からダイオード21B、第一ゲート抵抗18Bを介して第一ゲート端子2へ電流を流すことができ、第一ゲート端子2と第一ソース端子4の間の寄生容量に対して充電することができることとなる。また、第一ゲート抵抗18A、18Bは、双方向スイッチ1のリードのインダクタンスと寄生容量による発振周波数を変更する抵抗と共用する構成となっており、また、第二ゲート抵抗19A、19Bと並列にターンオフ速度を向上するスピードアップ回路としての第三ゲート抵抗22A、22Bとダイオード23A、23Bのそれぞれ直列回路となっている。   Next, the gate drive circuit 17 for driving the bidirectional switch 1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5, the gate drive circuit 17 connects the second gate terminal 3, the first gate resistor 18A, and the second gate resistor 19A in series, and the first gate resistor 18A and the second gate resistor 19A are connected in series. A diode 21A as a bypass means capable of flowing a current from the second gate terminal 3 to the connection point 20A between the connected node 20A, the first source terminal 4, the first gate resistor 18B, and the second gate resistor 19B. A diode 21B serving as a bypass means that is connected in series and can flow current from the first source terminal 4 to the connection point 20B between the connection point 20B of the first gate resistor 18B and the second gate resistor 19B connected in series. I have. The diode 21B is connected to the first source when the bidirectional switch 1 is turned off in the reverse blocking state, that is, when the parasitic capacitance between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 is not charged. When the potential of the terminal 4 rises, current can flow from the first source terminal 4 to the first gate terminal 2 via the diode 21B and the first gate resistor 18B, and the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 It is possible to charge the parasitic capacitance between the two. The first gate resistors 18A and 18B are configured to be shared with resistors for changing the oscillation frequency due to the inductance and parasitic capacitance of the lead of the bidirectional switch 1, and in parallel with the second gate resistors 19A and 19B. Each of the third gate resistors 22A and 22B and the diodes 23A and 23B as a speed-up circuit for improving the turn-off speed is a series circuit.

上記構成において、図示したフォトカプラよりゲート入力信号は、オフからオンに切換る際、第二ゲート抵抗19A、19B、第一ゲート抵抗18A、18Bを介してターンオンすることができる。また、オフ信号が入力された際には、第一ゲート端子2と第一ソース端子4間、あるいは第二ゲート端子3と第二ソース端子5間に蓄積された電荷を第一ゲート抵抗18A、18B、第三ゲート抵抗22A、22B、ダイオード23A、23Bを介して引き抜くこと、すなわちターンオフすることができる。また、第二ソース端子5の電位が上昇した際に、ダイオード21B、第一ゲート抵抗18Bを介して、第一ゲート端子2と第二ゲート端子3の間の寄生容量、および第一ゲート端子2と第一ソース端子4の間の寄生容量へ第二ゲート抵抗19A、19Bを介さずに、高速に充電することができる。   In the above configuration, the gate input signal from the illustrated photocoupler can be turned on via the second gate resistors 19A and 19B and the first gate resistors 18A and 18B when switching from OFF to ON. When an off signal is input, the charge accumulated between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 or between the second gate terminal 3 and the second source terminal 5 is transferred to the first gate resistor 18A, 18B, the third gate resistors 22A and 22B, and the diodes 23A and 23B can be pulled out, that is, turned off. When the potential of the second source terminal 5 rises, the parasitic capacitance between the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 and the first gate terminal 2 via the diode 21B and the first gate resistor 18B. And the first source terminal 4 can be charged at high speed without passing through the second gate resistors 19A and 19B.

(実施の形態2)
図6において、図1〜図5と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Embodiment 2)
In FIG. 6, the same components as those in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図6は、本実施の形態におけるゲート駆動回路17Bは、接続点20A、20Bから第一ソース端子4、第二ソース端子5へ電流を流すことができるように、バイパス手段としての定電圧ダイオード24A、24Bを有している。定電圧ダイオード24A、24Bはゲート駆動電源電圧を所望の電圧(例えば5V)とする手段と共用する構成となっている。定電圧ダイオード24A、24Bは、第一ソース端子4、第二ソース端子5の何れかの電位が上昇した際には順方向に電流が流れ、第一ゲート端子2、あるいは第二ゲート端子3へ電流が流れる。また、第一ソース端子4、第二ソース端子5の何れかの電位が低下してツェナー電圧を上回った時、逆方向に電流が流れ、誤点弧を防止、あるいは第一ゲート端子2、あるいは第二ゲート端子3の保護を行なう。さらに、定電圧ダイオード24A、24Bは、ゲート信号がHiとなった際に、駆動電源電圧を所望の電圧(ツェナー電圧)にクランプすることとなる。   FIG. 6 shows a constant voltage diode 24A as a bypass means so that the gate drive circuit 17B in this embodiment can pass a current from the connection points 20A and 20B to the first source terminal 4 and the second source terminal 5. , 24B. The constant voltage diodes 24A and 24B are configured to be shared with means for setting the gate drive power supply voltage to a desired voltage (for example, 5V). The constant voltage diodes 24 </ b> A and 24 </ b> B cause a current to flow in the forward direction when the potential of either the first source terminal 4 or the second source terminal 5 rises, to the first gate terminal 2 or the second gate terminal 3. Current flows. Also, when the potential of either the first source terminal 4 or the second source terminal 5 drops and exceeds the Zener voltage, a current flows in the reverse direction to prevent false firing, or the first gate terminal 2 or The second gate terminal 3 is protected. Furthermore, the constant voltage diodes 24A and 24B clamp the drive power supply voltage to a desired voltage (zener voltage) when the gate signal becomes Hi.

上記構成において、ゲート入力信号がオフからオンに切換る際、第二ゲート抵抗19A、19B、第一ゲート抵抗18A、18Bを介してターンオンすることができ、また、オフ信号が入力された際には、第一ゲート端子2と第一ソース端子4間、あるいは第二ゲート端子3と第二ソース端子5間に蓄積された電荷を第一ゲート抵抗18A、18B、第三ゲート抵抗22A、22B、ダイオード23A、23Bを介して引き抜くこと、すなわちターンオフすることができる。また、第二ソース端子5の電位が上昇した際に、定電圧ダイオード24B、第一ゲート抵抗18Bを介して、第一ゲート端子2と第二ゲート端子3の間の寄生容量、および第一ゲート端子2と第一ソース端子4の間の寄生容量へ第二ゲート抵抗19A、19Bを介さずに、高速に充電することができ、さらに、第一ソース端子4、第二ソース端子5の何れかの電位が低下してツェナー電圧を上回った時、逆方向に電流が流れ、誤点弧を防止することができる。   In the above configuration, when the gate input signal is switched from OFF to ON, it can be turned on via the second gate resistors 19A and 19B and the first gate resistors 18A and 18B, and when the OFF signal is input. The charge accumulated between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 or between the second gate terminal 3 and the second source terminal 5 is transferred to the first gate resistors 18A and 18B, the third gate resistors 22A and 22B, It can be pulled out through the diodes 23A and 23B, that is, turned off. Further, when the potential of the second source terminal 5 rises, the parasitic capacitance between the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 and the first gate via the constant voltage diode 24B and the first gate resistor 18B. The parasitic capacitance between the terminal 2 and the first source terminal 4 can be charged at high speed without passing through the second gate resistors 19A and 19B, and either the first source terminal 4 or the second source terminal 5 can be charged. When the potential of the current drops and exceeds the zener voltage, a current flows in the reverse direction, and erroneous firing can be prevented.

(実施の形態3)
図7において、図1〜図6と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Embodiment 3)
In FIG. 7, the same components as those in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図7は、本実施の形態におけるゲート駆動回路17Cは、第一ソース端子4、第二ソース端子5から接続点20A、20Bへ電流を流す際の電流を定電流とすることができるように、バイパス手段としての定電流ダイオード25A、25Bを有している。定電流ダイオード25A、25Bは、第一ソース端子4あるいは第二ソース端子5の電位が上昇した際に第一ゲート端子2、あるいは第二ゲート端子3へ流れようとする電流を制限することとなる。   FIG. 7 shows that the gate drive circuit 17C in the present embodiment can make the current when the current flows from the first source terminal 4 and the second source terminal 5 to the connection points 20A and 20B constant current. Constant current diodes 25A and 25B are provided as bypass means. The constant current diodes 25 </ b> A and 25 </ b> B limit the current that tends to flow to the first gate terminal 2 or the second gate terminal 3 when the potential of the first source terminal 4 or the second source terminal 5 rises. .

上記構成において、ゲート入力信号がオフからオンに切換る際、第二ゲート抵抗19A、19B、第一ゲート抵抗18A、18Bを介してターンオンすることができ、また、オフ信号が入力された際には、第一ゲート端子2と第一ソース端子4間、あるいは第二ゲート端子3と第二ソース端子5間に蓄積された電荷を第一ゲート抵抗18A、18B、第三ゲート抵抗22A、22B、ダイオード23A、23Bを介して引き抜くこと、すなわちターンオフすることができる。また、第二ソース端子5の電位が上昇した際に、定電流ダイオード25B、第一ゲート抵抗18Bを介して、第一ゲート端子2と第二ゲート端子3の間の寄生容量、および第一ゲート端子2と第一ソース端子4の間の寄生容量へ第二ゲート抵抗19A、19Bを介さずに、高速に充電することができ、さらに、定電流ダイオード25A、25Bにより、第一ゲート端子2、第二ゲート端子3への電流を制限することができ、第一ゲート端子2、第二ゲート端子3を保護することができる。   In the above configuration, when the gate input signal is switched from OFF to ON, it can be turned on via the second gate resistors 19A and 19B and the first gate resistors 18A and 18B, and when the OFF signal is input. The charge accumulated between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 or between the second gate terminal 3 and the second source terminal 5 is transferred to the first gate resistors 18A and 18B, the third gate resistors 22A and 22B, It can be pulled out through the diodes 23A and 23B, that is, turned off. Further, when the potential of the second source terminal 5 rises, the parasitic capacitance between the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 and the first gate via the constant current diode 25B and the first gate resistor 18B. The parasitic capacitance between the terminal 2 and the first source terminal 4 can be charged at high speed without passing through the second gate resistors 19A and 19B, and further, the first gate terminal 2, The current to the second gate terminal 3 can be limited, and the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 can be protected.

(実施の形態4)
図8において、図1〜図7と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Embodiment 4)
8, the same components as those in FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図8は、本実施の形態におけるゲート駆動回路17Dは、低電位側を第二ソース端子5として説明する。第二ソース端子5から接続点20Bへ電流を流すバイパス手段としてのダイオード21Bを備えており、双方向スイッチ1がインバータ回路の上アームとし、また、誘導負荷が接続されていた場合、対向する下アームがターンオフした際、誘導負荷からの還流電流により第二ソース端子5の電位が上昇することとなる。ここで、双方向スイッチ1は、上下アーム短絡を防止しつつ、上アームに還流電流を流すことができる状態とするため、第一モードとなっている。その時、第二ゲート端子3と第一ゲート端子2間の寄生容量と、第一ゲート端子2と第一ソース端子4間の寄生容量に対して、ダイオード21B、第一ゲート抵抗18Bを介して充電することができることとなる。また、低電位側を第二ソース端子5として説明したが、低電位側が第一ソース端子4の場合も、双方向スイッチ1は双方向に電流を制御することができるため、同様の動作となるため、詳細な説明は省略する。   FIG. 8 illustrates the gate drive circuit 17D in the present embodiment with the low potential side as the second source terminal 5. A diode 21B is provided as a bypass means for passing a current from the second source terminal 5 to the connection point 20B. When the bidirectional switch 1 is an upper arm of the inverter circuit and an inductive load is connected, the lower When the arm is turned off, the potential of the second source terminal 5 rises due to the return current from the inductive load. Here, the bidirectional switch 1 is in the first mode in order to prevent the upper and lower arms from being short-circuited and to allow a reflux current to flow through the upper arm. At that time, the parasitic capacitance between the second gate terminal 3 and the first gate terminal 2 and the parasitic capacitance between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 are charged via the diode 21B and the first gate resistor 18B. Will be able to. Although the low potential side has been described as the second source terminal 5, even when the low potential side is the first source terminal 4, the bidirectional switch 1 can control the current in both directions, so the same operation is performed. Therefore, detailed description is omitted.

上記構成において、ゲート入力信号がオフからオンに切換る際、第二ゲート抵抗19A、19B、第一ゲート抵抗18A、18Bを介してターンオンすることができる。また、オフ信号が入力された際には、第一ゲート端子2と第一ソース端子4間、あるいは第二ゲート端子3と第二ソース端子5間に蓄積された電荷を第一ゲート抵抗18A、18B、第三ゲート抵抗22A、22B、ダイオード23A、23Bを介して引き抜くこと、すなわちターンオフすることができる。また、インバータなどを構成した際に、低電位側に接続した例えば第二ソース端子5の電位が上昇した際に、ダイオード21B、第一ゲート抵抗18Bを介して、第一ゲート端子2と第二ゲート端子3の間の寄生容量、および第一ゲート端子2と第一ソース端子4の間の寄生容量へ第二ゲート抵抗19A、19Bを介さずに、高速に充電することができ、誘導負荷等が負荷として接続された際に電位が上昇する低電位側の第二ソース端子5にのみバイパス手段としてのダイオード21Bを追加したため、低コスト化を図ることができる。   In the above configuration, when the gate input signal is switched from OFF to ON, it can be turned on via the second gate resistors 19A and 19B and the first gate resistors 18A and 18B. When an off signal is input, the charge accumulated between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 or between the second gate terminal 3 and the second source terminal 5 is transferred to the first gate resistor 18A, 18B, the third gate resistors 22A and 22B, and the diodes 23A and 23B can be pulled out, that is, turned off. Further, when the inverter is configured, for example, when the potential of the second source terminal 5 connected to the low potential side rises, the first gate terminal 2 and the second gate terminal 2 are connected via the diode 21B and the first gate resistor 18B. The parasitic capacitance between the gate terminal 3 and the parasitic capacitance between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 can be charged at high speed without passing through the second gate resistors 19A and 19B, and an inductive load or the like. Since the diode 21B as the bypass means is added only to the second source terminal 5 on the low potential side where the potential rises when is connected as a load, the cost can be reduced.

(実施の形態5)
図9において、図1〜図8と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Embodiment 5)
9, the same components as those in FIGS. 1 to 8 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施の形態におけるインバータ26は、バイパス手段として低電位側の第二ソース端子に対応する第二ゲート端子にダイオード21A〜21Fを備えたゲート駆動回路17A〜17Fを実施の形態1で説明した双方向スイッチ1をインバータ26の各アームに配置した双方向スイッチ1a〜1fに接続しており、負荷としてブラシレスDCモータ27が接続されている。ブラシレスDCモータ27は、例えば各相の下アームがターンオフした際であっても、相電流は連続して流れようとするため、ダイオード21A〜21Fを備えたゲート駆動回路17A〜17Fにより、導通速度を高め、双方向スイッチ1a〜1fが第一モードあるいは第二モードで通電を開始するまでの時間を短縮することができる。   In the inverter 26 in the present embodiment, both the gate drive circuits 17A to 17F having the diodes 21A to 21F at the second gate terminals corresponding to the second source terminals on the low potential side as bypass means are described in the first embodiment. The directional switch 1 is connected to bidirectional switches 1a to 1f arranged on each arm of the inverter 26, and a brushless DC motor 27 is connected as a load. In the brushless DC motor 27, for example, even when the lower arm of each phase is turned off, the phase current tends to flow continuously. Therefore, the conduction speed is increased by the gate drive circuits 17A to 17F including the diodes 21A to 21F. And the time until the bidirectional switches 1a to 1f start energization in the first mode or the second mode can be shortened.

上記構成において、ゲート入力信号がオフからオンに切換る際、第二ゲート抵抗19A〜19L、第一ゲート抵抗18A〜18Lを介してターンオンすることができる。また、オフ信号が入力された際には、第一ゲート端子2と第一ソース端子4間、あるいは第二ゲート端子3と第二ソース端子5間に蓄積された電荷を第一ゲート抵抗18A〜18L、第三ゲート抵抗22A〜22L、ダイオード23A〜23Lを介して引き抜くこと、すなわちターンオフすることができる。また、ブラシレスDCモータ27からの還流電流により、低電位側に接続した第二ソース端子5の電位が上昇した際に、ダイオード21A〜21F、第一ゲート抵抗18G〜18Lを介して、第一ゲート端子2と第二ゲート端子3の間の寄生容量、および第一ゲート端子2と第一ソース端子4の間の寄生容量へ第二ゲート抵抗19G〜19Lを介さずに、高速に充電することができ、双方向スイッチ1は高速に導通を開始することができるため、ブラシレスDCモータ27の相電流の落ち込みを抑制することができると同時に各相電圧の過渡的な上昇を防止することができる。   In the above configuration, when the gate input signal is switched from OFF to ON, the gate input signal can be turned on via the second gate resistors 19A to 19L and the first gate resistors 18A to 18L. When an off signal is input, the charge accumulated between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 or between the second gate terminal 3 and the second source terminal 5 is transferred to the first gate resistors 18A to 18A. 18L, the third gate resistors 22A to 22L, and the diodes 23A to 23L can be pulled out, that is, turned off. Further, when the potential of the second source terminal 5 connected to the low potential side is increased by the reflux current from the brushless DC motor 27, the first gate is connected via the diodes 21A to 21F and the first gate resistors 18G to 18L. The parasitic capacitance between the terminal 2 and the second gate terminal 3 and the parasitic capacitance between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 can be charged at high speed without passing through the second gate resistors 19G to 19L. In addition, since the bidirectional switch 1 can start conducting at high speed, it is possible to suppress a drop in the phase current of the brushless DC motor 27 and to prevent a transient increase in the voltage of each phase.

(実施の形態6)
図10において、図1〜図9と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Embodiment 6)
10, the same components as those in FIGS. 1 to 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施の形態におけるマトリックスコンバータ28は、バイパス手段として第一ゲート端子および第二ゲート端子の双方に接続したダイオード21A〜21Lを備えたゲート駆動回路17A〜17Fを実施の形態1で説明した双方向スイッチ1をマトリックスコンバータ28の各アームに配置した双方向スイッチ1a〜1fに接続しており、負荷としてブラシレスDCモータ27が接続されている。ブラシレスDCモータ27は、例えば各相の何れか低電位側のアームがターンオフした際であっても、相電流は連続して流れようとするため、ダイオード21A〜21Lを備えたゲート駆動回路17A〜17Fにより、導通速度を高め、双方向スイッチ1a〜1fが第一モードあるいは第二モードで通電を開始するまでの時間を短縮することができる。   The matrix converter 28 in the present embodiment includes the bidirectional drive described in the first embodiment with the gate drive circuits 17A to 17F having diodes 21A to 21L connected to both the first gate terminal and the second gate terminal as bypass means. The switch 1 is connected to bidirectional switches 1a to 1f arranged on each arm of the matrix converter 28, and a brushless DC motor 27 is connected as a load. In the brushless DC motor 27, for example, even when any of the low-potential side arms of each phase is turned off, the phase current tends to continuously flow, and thus the gate drive circuits 17A to 17L having diodes 21A to 21L. With 17F, the conduction speed can be increased, and the time until the bidirectional switches 1a to 1f start energization in the first mode or the second mode can be shortened.

上記構成において、ゲート入力信号がオフからオンに切換る際、第二ゲート抵抗19A〜19L、第一ゲート抵抗18A〜18Lを介してターンオンすることができる。また、オフ信号が入力された際には、第一ゲート端子2と第一ソース端子4間、あるいは第二ゲート端子3と第二ソース端子5間に蓄積された電荷を第一ゲート抵抗18A〜18L、第三ゲート抵抗22A〜22L、ダイオード23A〜23Lを介して引き抜くこと、すなわちターンオフすることができる。また、ブラシレスDCモータ27からの還流電流により、例えば、交流電源29の電源電圧の0〜πまでの周期の際に、双方向スイッチ1b、1d、あるいは1fがターンオフした際に双方向スイッチ1a、1c、あるいは1eの第二ソース端子5の電位が上昇するため、ダイオード21A〜21F、第一ゲート抵抗18A〜18Fを介して、第一ゲート端子2と第二ゲート端子3の間の寄生容量、および第一ゲート端子2と第一ソース端子4の間の寄生容量へ第二ゲート抵抗19A〜19Fを介さずに、高速に充電することができ、双方向スイッチ1は高速に導通を開始することができるため、ブラシレスDCモータ27の相電流の落ち込みを抑制することができると同時に各相電圧の過渡的な上昇を防止することができる。交流電源29の電源電圧のπ〜2πまでの周期の際には、同様に双方向スイッチ1a、1c、あるいは1eがターンオフした際に双方向スイッチ1b、1d、あるいは1fの第一ソース端子4の電位が上昇するため、ダイオード21G〜21L、第一ゲート抵抗18A〜18Fを介して、第一ゲート端子2と第二ゲート端子3の間の寄生容量、および第二ゲート端子3と第二ソース端子5の間の寄生容量へ第二ゲート抵抗19A〜19Fを介さずに、高速に充電することができる。   In the above configuration, when the gate input signal is switched from OFF to ON, the gate input signal can be turned on via the second gate resistors 19A to 19L and the first gate resistors 18A to 18L. When an off signal is input, the charge accumulated between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 or between the second gate terminal 3 and the second source terminal 5 is transferred to the first gate resistors 18A to 18A. 18L, the third gate resistors 22A to 22L, and the diodes 23A to 23L can be pulled out, that is, turned off. Further, due to the return current from the brushless DC motor 27, for example, when the bidirectional switch 1b, 1d, or 1f is turned off during the period from 0 to π of the power supply voltage of the AC power supply 29, the bidirectional switch 1a, Since the potential of the second source terminal 5 of 1c or 1e rises, the parasitic capacitance between the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 through the diodes 21A to 21F and the first gate resistors 18A to 18F, In addition, the parasitic capacitance between the first gate terminal 2 and the first source terminal 4 can be charged at high speed without going through the second gate resistors 19A to 19F, and the bidirectional switch 1 starts to conduct at high speed. Therefore, a drop in the phase current of the brushless DC motor 27 can be suppressed, and at the same time, a transient increase in each phase voltage can be prevented. Similarly, during the period of π to 2π of the power supply voltage of the AC power supply 29, when the bidirectional switch 1a, 1c, or 1e is turned off, the first source terminal 4 of the bidirectional switch 1b, 1d, or 1f is turned on. Since the potential rises, the parasitic capacitance between the first gate terminal 2 and the second gate terminal 3 and the second gate terminal 3 and the second source terminal via the diodes 21G to 21L and the first gate resistors 18A to 18F. 5 can be charged at high speed without passing through the second gate resistors 19A to 19F.

本発明にかかる発明は、モータ駆動装置の半導体として使用される双方向スイッチのゲート駆動回路についての発明であり、ダブルゲートを有したGaN双方向スイッチに使用されるゲート駆動回路において、何れか一方向にのみ通電可能な逆阻止モード(第一モードおよび第二モード)への移行の高速化を図るものであり、モータ駆動用のインバータあるいはマトリックスコンバータ装置に適用できる。   The invention according to the present invention is an invention relating to a gate drive circuit of a bidirectional switch used as a semiconductor of a motor drive device, and any one of the gate drive circuits used in a GaN bidirectional switch having a double gate. It is intended to speed up the transition to the reverse blocking mode (first mode and second mode) in which current can be supplied only in the direction, and can be applied to an inverter for driving a motor or a matrix converter device.

1 双方向スイッチ
1a〜1f 双方向スイッチ
2 第一ゲート端子
3 第二ゲート端子
4 第一ソース端子
5 第二ソース端子
6 基板
7 バッファ層
8 半導体層積層体
9 GaN層
10 AlGaN層
11A 第1のオーミック電極
11B 第2のオーミック電極
12A 第1のp型半導体層
12B 第2のp型半導体層
13A 第1のゲート電極
13B 第2のゲート電極
14 保護膜
15 第1のトランジスタ
16 第2のトランジスタ
17 ゲート駆動回路
17A〜17F ゲート駆動回路
18A、18B 第一ゲート抵抗
18A〜18L 第一ゲート抵抗
19A、19B 第二ゲート抵抗
19A〜19L 第二ゲート抵抗
20A、20B 接続点
21A、21B ダイオード
21A〜21L ダイオード
22A、22B 第三ゲート抵抗
22A〜22L 第三ゲート抵抗
23A、23B ダイオード
23A〜23L ダイオード
24A、24B 定電圧ダイオード
25A、25B 定電流ダイオード
26 インバータ
27 ブラシレスDCモータ
28 マトリックスコンバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Bidirectional switch 1a-1f Bidirectional switch 2 1st gate terminal 3 2nd gate terminal 4 1st source terminal 5 2nd source terminal 6 Substrate 7 Buffer layer 8 Semiconductor layer laminated body 9 GaN layer 10 AlGaN layer 11A 1st Ohmic electrode 11B Second ohmic electrode 12A First p-type semiconductor layer 12B Second p-type semiconductor layer 13A First gate electrode 13B Second gate electrode 14 Protective film 15 First transistor 16 Second transistor 17 Gate drive circuits 17A to 17F Gate drive circuits 18A and 18B First gate resistors 18A to 18L First gate resistors 19A and 19B Second gate resistors 19A to 19L Second gate resistors 20A and 20B Connection points 21A and 21B Diodes 21A to 21L Diodes 22A, 22B Third gate resistance 22A-2 L third gate resistor 23A, 23B diode 23A~23L diodes 24A, 24B constant voltage diode 25A, 25B constant current diode 26 inverter 27 Brushless DC motor 28 matrix converter

Claims (13)

基板の上に形成されたチャネルを有する半導体層積層体と、前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第1のオーミック電極及び第2のオーミック電極と、前記第1のオーミック電極と前記第2のオーミック電極との間に、前記第1のオーミック電極側から順に形成された、第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、前記半導体層積層体と第1のゲート電極との間に形成された第1のp型半導体層と、前記半導体層積層体と第2のゲート電極との間に形成された第2のp型半導体とを有し、前記第1のオーミック電極と前記第1のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第一ゲート端子と、前記第2のオーミック電極と前記第2のゲート電極との間にゲート駆動信号を入力する第二ゲート端子と、前記第1のオーミック電極に接続された第一ソース端子と、前記第2のオーミック電極に接続された第二ソース端子を備え、前記第一ゲート端子のみをオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間に向けてオン状態の双方向デバイスと逆方向ダイオードが直列接続された半導体として動作する第一モード、前記第二ゲート端子のみをオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間に向けて順方向ダイオードとオン状態の双方向デバイスが直列接続された半導体として動作する第二モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオンすると、前記第一ソース端子から前記第二ソース端子間にダイオードを介さない双方向に導通するように動作する第三モード、前記第一ゲート端子および前記第二ゲート端子をオフすると順逆双方向に電流を遮断する第四モードを有した双方向スイッチに適用するゲート駆動回路であって、前記第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子の少なくとも何れか一方と第一ゲート抵抗、第二ゲート抵抗を直列に接続し、前記第一ソース端子あるいは第二ソース端子の電位変動が発生した際に、前記第一ソース端子あるいは第二ソース端子から前記第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の接続点側へ電流を流すことのできるバイパス手段を設けたことを特徴とする双方向スイッチのゲート駆動回路。 A semiconductor layer stack having a channel formed on a substrate; a first ohmic electrode and a second ohmic electrode formed on the semiconductor layer stack spaced apart from each other; and the first ohmic electrode. A first gate electrode, a second gate electrode, and the semiconductor layer stack and the first gate electrode, which are sequentially formed from the first ohmic electrode side between the electrode and the second ohmic electrode; A first p-type semiconductor layer formed between the semiconductor layer stack and a second gate electrode, and the first ohmic contact. A first gate terminal for inputting a gate drive signal between an electrode and the first gate electrode; and a second gate for inputting a gate drive signal between the second ohmic electrode and the second gate electrode A terminal and the first ohmic A first source terminal connected to the electrode and a second source terminal connected to the second ohmic electrode; when only the first gate terminal is turned on, the first source terminal to the second source terminal A first mode in which a bidirectional device that is in an on state and a reverse diode operate as a semiconductor connected in series, and when only the second gate terminal is turned on, between the first source terminal and the second source terminal A second mode in which a forward diode and an on-state bidirectional device operate as a semiconductor connected in series, and when the first gate terminal and the second gate terminal are turned on, the first source terminal to the second source terminal Third mode, which operates to conduct in both directions without a diode in between, forward and reverse when the first gate terminal and the second gate terminal are turned off A gate driving circuit applied to a bidirectional switch having a fourth mode for cutting off a current in a direction, wherein at least one of the first gate terminal or the second gate terminal, a first gate resistance, and a second gate resistance Are connected in series, and when the potential fluctuation of the first source terminal or the second source terminal occurs, the connection point side of the first gate resistance and the second gate resistance from the first source terminal or the second source terminal A bidirectional drive gate drive circuit, characterized in that a bypass means is provided to allow a current to flow through. バイパス手段は、第一ゲート抵抗と第二ゲート抵抗の接続点側からソース端子側に対する電流を流すこともできるように構成したことを特徴とする請求項1記載の双方向スイッチのゲート駆動回路。 2. The gate drive circuit for a bidirectional switch according to claim 1, wherein the bypass means is configured to allow a current to flow from the connection point side of the first gate resistor and the second gate resistor to the source terminal side. バイパス手段は、ダイオードであることを特徴とする請求項1記載の双方向スイッチのゲート駆動回路。 2. The bidirectional switch gate drive circuit according to claim 1, wherein the bypass means is a diode. バイパス手段は、定電流ダイオードであることを特徴とする請求項1記載の双方向スイッチのゲート駆動回路。 2. A bidirectional switch gate drive circuit according to claim 1, wherein the bypass means is a constant current diode. バイパス手段は、定電圧ダイオードであることを特徴とする請求項1あるいは2記載の双方向スイッチのゲート駆動回路。 3. The bidirectional switch gate drive circuit according to claim 1, wherein the bypass means is a constant voltage diode. バイパス手段は、低電位側の第一ソース端子あるいは第二ソース端子に対応する第一ゲート端子あるいは第二ゲート端子にのみ接続したことを特徴とする請求項1から5何れかに記載の双方向スイッチのゲート駆動回路。 6. The bidirectional device according to claim 1, wherein the bypass means is connected only to the first gate terminal or the second gate terminal corresponding to the first source terminal or the second source terminal on the low potential side. Switch gate drive circuit. バイパス手段は、第一ゲート端子および第二ゲート端子の双方に接続したことを特徴とする請求項1から5何れかに記載の双方向スイッチのゲート駆動回路。 6. The bidirectional gate drive circuit according to claim 1, wherein the bypass means is connected to both the first gate terminal and the second gate terminal. バイパス手段は、ゲート駆動電源電圧を所望の電圧とする定電圧ダイオードと共用することを特徴とする請求項5記載の双方向スイッチのゲート駆動回路。 6. The bidirectional drive gate drive circuit according to claim 5, wherein the bypass means is shared with a constant voltage diode having a gate drive power supply voltage as a desired voltage. ゲート端子側に接続した第一ゲート抵抗は、双方向スイッチのリードのインダクタンスと寄生容量による発振周波数を変更する抵抗と共用することを特徴とする請求項1から8何れかに記載の双方向スイッチのゲート駆動回路。 9. The bidirectional switch according to claim 1, wherein the first gate resistor connected to the gate terminal side is shared with a resistor for changing an oscillation frequency due to inductance and parasitic capacitance of a lead of the bidirectional switch. Gate drive circuit. 第二ゲート抵抗と並列にターンオフ速度を向上するスピードアップ回路を備えたことを特徴とする請求項1から9何れかに記載の双方向スイッチのゲート駆動回路。 10. The bidirectional switch gate drive circuit according to claim 1, further comprising a speed-up circuit for improving a turn-off speed in parallel with the second gate resistor. スピードアップ回路は、第三ゲート抵抗とダイオードの直列回路であることを特徴とする請求項1から10何れかに記載の双方向スイッチのゲート駆動回路。 11. The bidirectional switch gate drive circuit according to claim 1, wherein the speed-up circuit is a series circuit of a third gate resistor and a diode. 請求項1から11何れかに記載の双方向スイッチのゲート駆動回路を用いたインバータ。 An inverter using the bidirectional switch gate drive circuit according to claim 1. 請求項1から5あるいは請求項7から11何れかに記載の双方向スイッチのゲート駆動回路を用いたマトリックスコンバータ。 A matrix converter using the bidirectional switch gate drive circuit according to any one of claims 1 to 5 or claims 7 to 11.
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EP4049364A1 (en) * 2019-10-22 2022-08-31 Signify Holding B.V. Inverter circuit and method, for example for use in power factor correction

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