スイッチ装置
【課題】オン抵抗を小さく抑えながらも、スイッチ素子の駆動に必要な電力を小さく抑えることができるスイッチ装置を提供する。
【解決手段】スイッチ装置１は、スイッチ素子１０のドレイン電極１２とソース電極１３との間を流れるドレイン電流Ｉｄｓを計測する電流モニタ部２３を駆動回路２０に備えている。制御部２２は、スイッチ素子１０がオンしている状態において、スイッチ素子１０のオン抵抗が規定値以下になるように電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）に応じてゲート電圧Ｖｇｓの下限値を設定する。制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で、電圧印加部２１から印加可能な最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節する。電圧印加部２１は、制御部２２に制御され、制御部２２で決定された大きさのゲート電圧Ｖｇｓをスイッチ素子１０に印加する。
【解決手段】スイッチ装置１は、スイッチ素子１０のドレイン電極１２とソース電極１３との間を流れるドレイン電流Ｉｄｓを計測する電流モニタ部２３を駆動回路２０に備えている。制御部２２は、スイッチ素子１０がオンしている状態において、スイッチ素子１０のオン抵抗が規定値以下になるように電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）に応じてゲート電圧Ｖｇｓの下限値を設定する。制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で、電圧印加部２１から印加可能な最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節する。電圧印加部２１は、制御部２２に制御され、制御部２２で決定された大きさのゲート電圧Ｖｇｓをスイッチ素子１０に印加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子からなるスイッチ素子を備えたスイッチ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、トライアックやサイリスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field-EffectTransistor）などの無接点スイッチ素子からなるスイッチ素子を備え、スイッチ素子を開閉（非導通・導通）させるように構成されたスイッチ装置が提供されている。このスイッチ装置は、たとえば照明装置等の負荷と電源との間にスイッチ素子が挿入されることにより、電源から負荷に供給される電力のスイッチングを行う。
【０００３】
近年では、この種のスイッチ装置に用いられるスイッチ素子として、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）等の窒化系物系半導体や炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子が注目されている。この種の半導体素子の一例として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層をチャネル層に利用した素子がある（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１記載のスイッチ素子では、ＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層が積層され、ＡｌＧａＮ層の表面に、第１電極および第２電極と中間電位部とが形成されている。さらに中間電位部上にはゲート（制御電極）が形成されている。この構成により、スイッチ素子は、第１電極−第２電極間に電圧が印加された状態で、ゲートに印加されるゲート電圧（制御信号）によって、第１電極−第２電極間の経路に流れる電流が変化する。要するに、このスイッチ素子は、ゲート電圧が所定の閾値を下回るときには第１電極−第２電極間の電流経路が非導通になり、ゲート電圧が閾値を超えるときには第１電極−第２電極間の電流経路が導通するノーマリオフ型のスイッチ素子を構成する。
【０００５】
上記構成のスイッチ素子を用いたスイッチ装置は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-SemiconductorFET）やＩＧＢＴ（Insulated-Gate-Bipolar-Transistor）等を用いる場合に比べ、導通状態での電流経路に存在する電気抵抗であるオン抵抗を小さく抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１７６８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１においては、スイッチ素子の導通時のゲート電圧（制御信号）は固定であるため、スイッチ素子に流すことのできる電流の許容値を大きくするには高いゲート電圧が必要になり、スイッチ素子を駆動するのに必要な電力が増加する。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みて為されており、オン抵抗を小さく抑えながらも、スイッチ素子の駆動に必要な電力を小さく抑えることができるスイッチ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のスイッチ装置は、第１電極と第２電極と制御電極とを有し前記第１電極と前記第２電極との間の電流経路をオンオフするスイッチ素子と、前記スイッチ素子の前記制御電極に制御電圧を印加して前記スイッチ素子のオンオフを切り替える駆動回路とを備え、前記駆動回路は、前記スイッチ素子に前記制御電圧を印加する電圧印加部と、前記電圧印加部を制御し前記制御電圧の大きさを決定する制御部と、前記第１電極と前記第２電極との間のオン抵抗を反映する計測値を計測する計測部とを有し、前記制御部は、前記スイッチ素子がオンしている状態において、前記オン抵抗が規定値以下になるように前記計測値に応じて前記制御電圧の下限値を設定し、当該下限値を下回らない範囲で前記電圧印加部から印加可能な最小の大きさに前記制御電圧を調節することを特徴とする。
【００１０】
このスイッチ装置において、前記計測部は、前記スイッチ素子の前記第１電極と前記第２電極との間を流れる電流を素子電流として計測し、前記制御部は、前記計測部で計測された前記素子電流が大きくなるほど前記下限値を大きくするように、前記計測部で計測された前記素子電流と既知である前記スイッチ素子の特性とに基づいて前記下限値を設定することが望ましい。
【００１１】
このスイッチ装置において、前記計測部は、前記スイッチ素子の両端にかかる電圧を素子電圧として計測し、前記制御部は、前記計測部で計測された前記素子電圧が大きくなるほど前記下限値を大きくするように、前記計測部で計測された前記素子電圧と既知である前記スイッチ素子の特性とに基づいて前記下限値を設定することがより望ましい。
【００１２】
このスイッチ装置において、前記計測部は、前記スイッチ素子の前記第１電極と前記第２電極との間を流れる電流を素子電流として計測し、前記スイッチ素子の両端にかかる電圧を素子電圧として計測し、前記計測部で計測された前記素子電流と前記素子電圧とから前記オン抵抗を算出する抵抗算出部が設けられており、前記制御部は、前記抵抗算出部で算出された前記オン抵抗が増加して前記規定値に達すると前記下限値を大きくするように、前記抵抗算出部で算出された前記オン抵抗に基づいて前記下限値を設定することがより望ましい。
【００１３】
このスイッチ装置において、前記制御部は、予め設定されている複数段階の電圧値の中から前記制御電圧の大きさを選択することがより望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、制御部が、計測部の計測値に応じて制御電圧の下限値を設定し、下限値を下回らない範囲で電圧印加部から印加可能な最小の大きさに制御電圧を調節するので、オン抵抗を小さく抑えながらもスイッチ素子の駆動に必要な電力を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１に係るスイッチ装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】実施形態１に係るスイッチ装置に用いるスイッチ素子の動作を示す説明図である。
【図３】実施形態１に係るスイッチ装置に用いるスイッチ素子のＶｄｓ−Ｉｄｓ特性図である。
【図４】一般的なＭＯＳＦＥＴのＶｄｓ−Ｉｄｓ特性図である。
【図５】実施形態１に係るスイッチ装置の動作を示す説明図である。
【図６】実施形態１に係るスイッチ装置の構成を示す回路図である。
【図７】実施形態１に係るスイッチ装置の動作を示す説明図である。
【図８】実施形態２に係るスイッチ装置の概略構成を示す説明図である。
【図９】実施形態２に係るスイッチ装置の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施形態１）
本実施形態のスイッチ装置１は、図１に示すように、半導体素子からなるスイッチ素子１０と、スイッチ素子１０にゲート電圧を印加してスイッチ素子１０の導通（オン）・遮断（オフ）を切り替える駆動回路２０とを備えている。図１の例では、スイッチ装置１は、直流電源（図示せず）から負荷（電気機器等）３１への供給電力のスイッチングに用いられており、スイッチ素子１０が直流電源と負荷３１との間に挿入される。
【００１７】
スイッチ素子１０は、制御電極としてのゲート電極１１と、第１電極、第２電極としてのドレイン電極１２、ソース電極１３とを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field-EffectTransistor）からなる。詳しい構成については後述するが、スイッチ素子１０は、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）等の窒化物系半導体や炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドバンドギャップの半導体材料を用いた素子からなる。ワイドバンドギャップとは、たとえばシリコン（Ｓｉ）のバンドギャップ（１．１ｅＶ）の２倍以上のバンドギャップ（２．２ｅＶ以上）をいう。これにより、スイッチ素子１０は、導通（オン）状態での電流経路に存在する電気抵抗であるオン抵抗が比較的低く且つ大電流にも対応可能であって高耐圧のパワーデバイスを実現することが可能になる。ここでいうワイドバンドギャップ半導体とは、たとえば周期律表第２周期の軽元素を構成要素とする半導体と定義されている。
【００１８】
スイッチ素子１０は、負荷３１と直流電源との直列回路にドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路が挿入されるように、負荷３１および直流電源に対して接続されている。ここでは、直流電源の正極側にドレイン電極１２が接続され、負極側にソース電極１３が接続されている。
【００１９】
駆動回路２０は、スイッチ素子１０のゲート電極１１およびソース電極１３に接続されており、ゲート電極１１−ソース電極１３間に制御電圧としてのゲート電圧Ｖｇｓを印加する。駆動回路２０は、ゲート電圧Ｖｇｓを制御することにより、ドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路の導通・遮断を切り替える。スイッチ素子１０は、ゲート電圧Ｖｇｓが所定の閾値を下回る場合にドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路が遮断され、ゲート電圧Ｖｇｓが閾値を超える場合にドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路が導通するノーマリオフ型のスイッチを構成する。
【００２０】
ここで、駆動回路２０は、スイッチ素子１０に制御電圧としてのゲート電圧Ｖｇｓを印加する電圧印加部２１と、電圧印加部２１の動作を制御してゲート電圧Ｖｇｓの大きさを決定する制御部２２とを有している。電圧印加部２１は、出力電圧（ゲート電圧）の大きさが可変である直流電圧源からなる。制御部２２は、外部からのオンオフ信号を受け、オンオフ信号が「Ｈ」レベルの期間にスイッチ素子１０にゲート電圧Ｖｇｓが印加されスイッチ素子１０がオンするように、電圧印加部２１に対して駆動信号を出力する。駆動信号を受けた電圧印加部２１は、駆動信号によって決まる大きさのゲート電圧Ｖｇｓをスイッチ素子１０に印加する。なお、図１では、トランスの記号を用いて電圧印加部２１を表している。
【００２１】
次に、本実施形態におけるスイッチ素子１０の基本的な構成および動作について図２を参照して簡単に説明する。なお、図２では、駆動回路２０を電源およびスイッチの等価回路で表している。
【００２２】
スイッチ素子１０は、基板（図示せず）上に、バッファ層（図示せず）を介して形成されたアンドープＧａＮ層からなる第１の半導体層１０１と、第１の半導体層１０１上に形成されたアンドープＡｌＧａＮ層からなる第２の半導体層１０２とを有している。基板は、シリコン（Ｓｉ）、あるいは窒化物系半導体が成長可能なサファイアや炭化珪素（ＳｉＣ）、あるいは窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる。さらに、スイッチ素子１０は、第２の半導体層１０２上の一部に形成されたコントロール層１０３を有している。コントロール層１０３は、不純物がドープされたｐ型のＡｌＧａＮからなる。
【００２３】
ゲート電極１１は、コントロール層１０３上に形成されており、また、ドレイン電極１２およびソース電極１３は、互いに離間して第２の半導体層１０２上であってコントロール層１０３を挟む位置に形成されている。つまり、ゲート電極１１は第２の半導体層１０２の上方における、ドレイン電極１２とソース電極１３との間に形成されている。ここでは、ゲート電極１１は、ドレイン電極１２とソース電極１３との中間位置よりもソース電極１３寄りの位置に配置されている。
【００２４】
ここにおいて、第２の半導体層１０２のバンドギャップは、第１の半導体層１０１のバンドギャップよりも大きく、第１の半導体層１０１と第２の半導体層１０２との界面にはヘテロ障壁が形成されている。第１の半導体層１０１と第２の半導体層１０２とのヘテロ接合界面近傍には、自発分極とピエゾ分極との影響によって、動作時にチャネル領域となる高濃度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ：2 Dimensional ElectronGas）層が形成される。つまり、第１の半導体層１０１には、不純物がドープされていないにもかかわらず、第２の半導体層１０２との界面に沿って電子が移動するチャネル領域が形成される。ドレイン電極１２およびソース電極１３は、いずれも２次元電子ガス層とオーミック接合されている。ゲート電極１１は、ｐ型の半導体層からなるコントロール層１０３とオーミック接合されており、ジャンクションゲート構造を成している。
【００２５】
上述した構成により、スイッチ素子１０は、ドレイン電極１２−ソース電極１３間に電圧が印加された状態で、ゲート電圧Ｖｇｓが変化すると、以下に説明する原理でドレイン電極１２−ソース電極１３間に流れるドレイン電流が変化する。
【００２６】
すなわち、スイッチ素子１０は、ゲート電圧Ｖｇｓが０Ｖであれば、図２（ａ）に示すようにゲート電極１１の直下のチャネル領域が空乏化しているため、ドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路が遮断され、ドレイン電流が流れない。チャネル領域の空乏化は、ゲート電極１１と第２の半導体層１０２との間に形成されているｐ型のコントロール層１０３が、チャネル領域のポテンシャルを持ち上げることに起因して発生する。つまり、ゲート電圧Ｖｇｓが０Ｖではチャネル領域の２次元電子ガスが正孔（ホール）により相殺され、ノーマリオフ特性が実現される。
【００２７】
一方、スイッチ素子１０は、ゲート電圧Ｖｇｓが所定の閾値を超えるときには、図２（ｂ）に示すようにドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路が導通し、ドレイン電流が流れる。つまり、スイッチ素子１０は、駆動回路２０からゲート電圧Ｖｇｓが印加されることにより、ゲート電極１１の直下のチャネル領域のポテンシャルが下がり、チャネル領域に電子４１が発生して電流経路が導通する。
【００２８】
本実施形態においては、ゲート電圧Ｖｇｓの閾値は、コントロール層１０３とチャネル領域との間に形成されるｐｎ接合の順方向オン電圧に設定されている。ここで、ゲート電極１１はジャンクションゲート構造であるので、ゲート電圧Ｖｇｓが閾値を超えると、ゲート電極１１からチャネル領域に正孔（ホール）４２が注入される。チャネル領域に正孔４２が注入されると、注入された正孔４２と同量の電子４１がソース電極１３から引き寄せられ、発生した電子４１がドレイン電圧によりドレイン電極１２に向かって高速で移動するため、ドレイン電流は増大する。このとき、第１の半導体層１０１中の正孔４２の移動度は電子４１の移動度に比べて極めて小さいので、殆どの正孔４２はゲート電極１１付近に留まることになる。
【００２９】
スイッチ装置１は、上述した構成のスイッチ素子１０を用いていることにより、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等を用いる場合に比べ、導通（オン）状態での電流経路に存在する電気抵抗であるオン抵抗を小さく抑えることができる。
【００３０】
なお、第１の半導体層１０１と第２の半導体層１０２とコントロール層１０３とを構成する半導体材料は、窒化物系半導体に限らず、たとえば炭化珪素（ＳｉＣ）であってもよい。また、スイッチ素子１０は、ゲート電極１１とコントロール層１０３とがオーミック接合された構成を採用しているが、この構成に限らず、ゲート電極１１が第２の半導体層１０２とショットキー接触した構成であってもよい。さらにまた、コントロール層１０３はアンドープＡｌＧａＮ、あるいはアンドープＧａＮであってもよい。
【００３１】
ところで、上記構成のスイッチ素子１０は、図３に示すようにゲート電圧Ｖｇｓの大きさに応じてドレイン電流Ｉｄｓの飽和値（最大値）が決まる。図３では、ゲート電圧Ｖｇｓが２Ｖ，３Ｖ，４Ｖ，５Ｖである各場合について、スイッチ素子１０のドレイン電極１２−ソース電極１３間電圧（以下、「ドレイン電圧」という）Ｖｄｓ（横軸）と、ドレイン電流Ｉｄｓ（縦軸）との関係を表している。つまり、ドレイン電圧Ｖｄｓはスイッチ素子１０の両端にかかる素子電圧であり、ドレイン電流Ｉｄｓはスイッチ素子１０を流れる素子電流である。
【００３２】
図３のように、スイッチ素子１０は、ゲート電圧Ｖｇｓが高くなるほど、ドレイン電極１２−ソース電極１３間に流せるドレイン電流Ｉｄｓが大きくなる。ただし、スイッチ素子１０は、ジャンクションゲート構造を持ち、ゲート電圧Ｖｇｓが大きくなるほどゲート電極１１から流れ込むゲート電流が増加する。そのため、ゲート電圧Ｖｇｓが大きくなれば、スイッチ素子１０のオン時に駆動回路２０の電圧印加部２１からスイッチ素子１０に供給される電力（ゲート電圧×ゲート電流）も大きくなり、駆動回路２０の消費電力が増加することになる。
【００３３】
ここにおいて、上記構成のスイッチ素子１０は、図３のように、ドレイン電圧Ｖｄｓに対するドレイン電流Ｉｄｓを表すＶｄｓ−Ｉｄｓ特性の傾きαが、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずに略一定である（つまり、Ｉｄｓ≒α×Ｖｄｓ）という特性を持つ。すなわち、スイッチ素子１０は、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの領域（線形領域）においては、ドレイン電圧Ｖｄｓに略比例してドレイン電流Ｉｄｓが変化する線形特性を示し、その比例定数はゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずに略一定である。ここで、ドレイン電圧Ｖｄｓをドレイン電流Ｉｄｓで除した値（Ｖｄｓ−Ｉｄｓ特性の傾きαの逆数）はオン抵抗を表す。したがって、スイッチ素子１０は、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域においては、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずにオン抵抗は規定値以下の低抵抗になる。
【００３４】
一方、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-SemiconductorFET）やＭＩＳＦＥＴ（Metal-Insulator-SemiconductorFET）、ＭＥＳＦＥＴ（Metal-SemiconductorFET）やＪＦＥＴ（junction FET）などの素子においては、図４に例示するような特性がある。図４では、ゲート電圧Ｖｇｓが２Ｖ，３Ｖ，４Ｖ，５Ｖである各場合について、素子のドレイン電圧Ｖｄｓ（横軸）と、ドレイン電流Ｉｄｓ（縦軸）との関係を表している。
【００３５】
すなわち、ＭＯＳＦＥＴなどの素子では、図４に示すように、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの領域（線形領域）においても、ドレイン電圧Ｖｄｓに対するドレイン電流Ｉｄｓの傾きがゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依存しゲート電圧Ｖｇｓに依って変化する。言い換えれば、ＭＯＳＦＥＴなどの素子では、スイッチ素子として用いられる場合のオン抵抗は、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域においても、一定ではなくゲート電圧Ｖｄｓの大きさに依って変化する。したがって、ＭＯＳＦＥＴなどの素子がスイッチ素子として用いられる場合、オン抵抗を小さくするためには、ゲート電圧Ｖｇｓは比較的高めに設定される。
【００３６】
これに対して、本実施形態のスイッチ素子１０は、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域においては、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずにオン抵抗が規定値以下の低抵抗になる。つまり、このスイッチ素子１０は、線形領域で動作している限りはゲート電圧Ｖｇｓが低下してもオン抵抗が殆ど変わらないので、駆動回路２０の消費電力を考慮すれば、線形領域で動作する範囲内でゲート電圧Ｖｇｓを極力小さく抑えることが望ましい。そこで、本実施形態に係るスイッチ装置１は、オン抵抗が規定値以下の低抵抗になる線形領域でスイッチ素子１０を動作させつつゲート電圧Ｖｇｓが極力小さくなるように、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさを変化させる機能を備えている。
【００３７】
すなわち、本実施形態のスイッチ装置１は、ドレイン電極１２とソース電極１３との間のオン抵抗を反映する計測値を計測する計測部を、駆動回路２０に備えている。本実施形態では、計測部は、図１に示すように、スイッチ素子１０と負荷３１と直流電源との直列回路を流れる電流を計測する電流モニタ部２３からなる。
【００３８】
電流モニタ部２３は、負荷３１とスイッチ素子１０のドレイン電極１２との間に挿入されており、スイッチ素子１０のドレイン電極１２とソース電極１３との間を流れるドレイン電流Ｉｄｓを計測して、計測値を駆動回路２０の制御部２２へ入力する。ここで、スイッチ素子１０のＶｄｓ−Ｉｄｓ特性（図３参照）は既知であるため、ドレイン電流Ｉｄｓが特定されれば、それに対応するドレイン電圧Ｖｄｓが特定され、ドレイン電流Ｉｄｓとドレイン電圧Ｖｄｓとの関係からスイッチ素子１０のオン抵抗が求まる。したがって、ドレイン電流Ｉｄｓはオン抵抗を反映する計測値となる。なお、電流モニタ部２３は、ドレイン電流Ｉｄｓを計測できればよく、負荷３１とスイッチ素子１０のドレイン電極１２との間に挿入される構成に限らず、たとえばスイッチ素子１０のソース電極１３と直流電源のグランド（負極）との間に挿入されていてもよい。
【００３９】
制御部２２は、外部から入力されるオンオフ信号と、電流モニタ部２３から入力される計測値（ドレイン電流Ｉｄｓの値）との両方に基づいて、電圧印加部２１に出力させるゲート電圧Ｖｇｓの大きさを決定する。つまり、制御部２２は、オンオフ信号が「Ｈ」レベルの期間において、ドレイン電流Ｉｄｓの大きさに応じたゲート電圧Ｖｇｓがスイッチ素子１０に印加されるように、電圧印加部２１に与える駆動信号を調節する。ただし、オンオフ信号が「Ｈ」レベルの期間においては、スイッチ素子１０がオンすることが前提であるから、制御部２２は、上述した閾値（コントロール層１０３とチャネル領域との間のｐｎ接合の順方向オン電圧）を超える範囲でゲート電圧Ｖｇｓを決定する。
【００４０】
ここで、制御部２２は、スイッチ素子１０がオンしている状態において、スイッチ素子１０のオン抵抗が規定値以下になるように電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）に応じてゲート電圧Ｖｇｓの下限値を設定する。このとき、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されたドレイン電流Ｉｄｓが大きくなるほどゲート電圧Ｖｇｓの下限値を大きくするように、電流モニタ部２３で計測されたドレイン電流Ｉｄｓと既知であるスイッチ素子１０の特性とに基づいて下限値を設定する。
【００４１】
ここでいう規定値は、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずにオン抵抗が略一定であるとき、つまりドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域でスイッチ素子１０が動作するときのオン抵抗とする。言い換えれば、オン抵抗は規定値以下にあるとき、スイッチ素子１０はドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域で動作していることになる。制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で、電圧印加部２１から印加可能な最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節する。
【００４２】
本実施形態においては、電圧印加部２１からスイッチ素子１０に印加可能なゲート電圧Ｖｇｓとして予め２Ｖ，３Ｖ，４Ｖ，５Ｖの４段階の電圧値が設定されており、制御部２２は、これら４段階の電圧値の中からゲート電圧Ｖｇｓを択一的に選択する。制御部２２は、これら４段階のゲート電圧Ｖｇｓとドレイン電流Ｉｄｓとの対応関係をメモリ（図示せず）に予め記憶しており、電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）に対応するゲート電圧Ｖｇｓを、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値に設定する。
【００４３】
ドレイン電流Ｉｄｓとゲート電圧Ｖｇｓとの対応関係については、スイッチ素子１０の特性（図３参照）に基づいて、オン抵抗が規定値以下になるように予め定められている。ここで、オン抵抗が規定値以下になるのは、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域でスイッチ素子１０が動作している間であり、ゲート電圧Ｖｇｓが大きいほどドレイン電流Ｉｄｓの飽和値は大きくなる。したがって、ドレイン電流Ｉｄｓとゲート電圧Ｖｇｓとの対応関係は、基本的にはドレイン電流Ｉｄｓが大きくなるほど、対応するゲート電圧Ｖｇｓが大きくなるように設定されることになる。
【００４４】
より詳しく説明すると、図３において、Ｖｄｓ−Ｉｄｓ特性の傾きαの逆数はスイッチ素子１０のオン抵抗を表すので、この傾きαが所定の許容範囲に収まるように、ドレイン電流Ｉｄｓに対応するゲート電圧Ｖｇｓが設定される。図３の例では、Ｉｄｓ＝α１×Ｖｄｓを表す直線Ｌ１と、Ｉｄｓ＝α２×Ｖｄｓを表す直線Ｌ２との間を許容範囲として（ただし、α１＞α２）、ドレイン電流Ｉｄｓに対応するゲート電圧Ｖｇｓの下限値が設定される。
【００４５】
これにより、制御部２２は、ドレイン電流Ｉｄｓが図３中のＩ４≦Ｉｄｓ＜Ｉ５の範囲内にあれば、この範囲においてＶｄｓ−Ｉｄｓ特性が直線Ｌ１，Ｌ２間を通るゲート電圧Ｖｇｓ＝５Ｖを、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値に設定する。制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で最小の電圧値（５Ｖ）にゲート電圧Ｖｇｓを調節する。また、制御部２２は、ドレイン電流Ｉｄｓが図３中のＩ３≦Ｉｄｓ＜Ｉ４の範囲内にあれば、この範囲においてＶｄｓ−Ｉｄｓ特性が直線Ｌ１，Ｌ２間を通るゲート電圧Ｖｇｓ＝４Ｖを、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値に設定する。制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で最小の電圧値（４Ｖ）にゲート電圧Ｖｇｓを調節する。同様に、制御部２２は、ドレイン電流Ｉｄｓが図３中のＩ２≦Ｉｄｓ＜Ｉ３の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖに調節し、ドレイン電流Ｉｄｓが図３中のＩｄｓ＜Ｉ２の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを２Ｖに調節する。
【００４６】
このように、本実施形態のスイッチ装置１は、図３の特性に基づいて予め定められたドレイン電流Ｉｄｓとゲート電圧Ｖｇｓとの対応関係に従って、電流モニタ部２３の計測値に対応するゲート電圧Ｖｇｓの下限値を制御部２２で設定している。制御部２２は、この下限値を下回らない範囲で最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節する。スイッチ素子１０は、制御部２２で調節された大きさのゲート電圧Ｖｇｓにて駆動されるので、オン抵抗が規定値以下となる中で最小のゲート電圧Ｖｇｓにて駆動されることになる。
【００４７】
次に、本実施形態のスイッチ装置１の動作について図５のタイムチャートを参照して説明する。なお、図５中（ａ）はオンオフ信号、（ｂ）はゲート電圧Ｖｇｓ、（ｃ）はドレイン電流Ｉｄｓを表している。
【００４８】
図５（ａ）に示すオンオフ信号が「Ｈ」レベルになると、制御部２２からの駆動信号により電圧印加部２１が駆動され、電圧印加部２１からのゲート電圧Ｖｇｓ（図５（ｂ））によりスイッチ素子１０がオンしてドレイン電流Ｉｄｓ（図５（ｃ））が流れ始める。ここで、制御部２２は、オンオフ信号が「Ｈ」レベルに切り替わった直後にはゲート電圧Ｖｇｓを２〜５Ｖのうち最も低い２Ｖに調節する。したがって、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流ＩｄｓがＩ２以下であれば、ゲート電圧Ｖｇｓを初期値（２Ｖ）から変化させないように駆動信号を固定する（図５の「Ｔ１」の期間）。
【００４９】
ドレイン電流Ｉｄｓが増加してＩ２に達すると、制御部２２は、ゲート電圧Ｖｇｓを２Ｖから３Ｖに変化させるように、電圧印加部２１に与える駆動信号を変化させる。その後、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流ＩｄｓがＩ２≦Ｉｄｓ＜Ｉ３の範囲内にある間は、ゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖから変化させないように駆動信号を固定する（図５の「Ｔ２」の期間）。
【００５０】
ドレイン電流Ｉｄｓがさらに増加してＩ３に達すると、制御部２２は、ゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖから４Ｖに変化させるように、電圧印加部２１に与える駆動信号を変化させる。その後、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流ＩｄｓがＩ３≦Ｉｄｓ＜Ｉ４の範囲内にある間は、ゲート電圧Ｖｇｓを４Ｖから変化させないように駆動信号を固定する（図５の「Ｔ３」の期間）。
【００５１】
その後、ドレイン電流Ｉｄｓが減少してＩ３を下回ると、制御部２２は、ゲート電圧Ｖｇｓを４Ｖから３Ｖに変化させるように、電圧印加部２１に与える駆動信号を変化させる。その後、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流ＩｄｓがＩ２≦Ｉｄｓ＜Ｉ３の範囲内にある間は、ゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖから変化させないように駆動信号を固定する（図５の「Ｔ４」の期間）。
【００５２】
ドレイン電流Ｉｄｓがさらに減少してＩ２を下回ると、制御部２２は、ゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖから２Ｖに変化させるように、電圧印加部２１に与える駆動信号を変化させる。その後、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流ＩｄｓがＩ２以下にある間は、ゲート電圧Ｖｇｓを２Ｖから変化させないように駆動信号を固定する（図５の「Ｔ５」の期間）。
【００５３】
その後、オンオフ信号が「Ｌ」レベルになると、制御部２２からの出力が停止して電圧印加部２１の動作が停止し、ゲート電圧Ｖｇｓがゼロになることによりスイッチ素子１０がオフしてドレイン電流Ｉｄｓが停止する。再びオンオフ信号が「Ｈ」レベルになると、制御部２２からの駆動信号により電圧印加部２１が再駆動され、電圧印加部２１からのゲート電圧Ｖｇｓ（＝２Ｖ）によりスイッチ素子１０がオンしてドレイン電流Ｉｄｓが流れ始める。
【００５４】
すなわち、駆動回路２０は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流Ｉｄｓが増加して判定値（Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５）に達する度に、スイッチ素子１０に印加されるゲート電圧Ｖｇｓを順次高くする。また、駆動回路２０は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流Ｉｄｓが減少して判定値を下回る度に、スイッチ素子１０に印加されるゲート電圧Ｖｇｓを順次低くする。
【００５５】
次に、本実施形態のスイッチ装置１の具体的な構成について図６を参照して説明する。
【００５６】
本実施形態のスイッチ装置１は、電圧印加部２１が、トランス２１０と、トランス２１０の一次巻線２１１に直列に接続されたスイッチ要素としてのトランジスタ（ここではＭＯＳＦＥＴ）２１３とを有するフライバックコンバータから構成されている。
【００５７】
一次巻線２１１とトランジスタ２１３との直列回路には、直流電源（図示せず）から一定の直流電圧Ｖｄｄが印加されており、トランジスタ２１３のゲート電極には制御部２２から周期的な矩形波からなる駆動信号が入力されている。これにより、駆動信号が「Ｈ」レベル、「Ｌ」レベルを交互に繰り返すことによって一次巻線２１１に間欠的に電流が流れ、トランス２１０の二次巻線２１２に電圧が発生する。
【００５８】
二次巻線２１２は、両端間にダイオード２１４を介してコンデンサ２１５が接続されており、電圧発生時にダイオード２１４を介してコンデンサ２１５を充電する。コンデンサ２１５の両端は、スイッチ素子１０のゲート電極１１、ソース電極１３に接続されている。これにより、電圧印加部２１は、コンデンサ２１５の両端に生じる電圧をゲート電圧Ｖｇｓとしてスイッチ素子１０に印加する。
【００５９】
一方、制御部２２は、正弦波を発生する発振器２２０と、電圧印加部２１に対して駆動信号を出力するコンパレータ２２１とを有している。
【００６０】
発振器２２０は、外部からのオンオフ信号を入力とし、オンオフ信号が「Ｈ」レベルの期間に正弦波を出力し、オンオフ信号が「Ｌ」レベルの期間には正弦波の出力を停止する。コンパレータ２２１の一方の入力には発振器２２０の出力が接続され、他方の入力には電流モニタ部２３の出力が比較部２３０およびＤ／Ａ変換器２３１を介して接続されている。
【００６１】
比較部２３０には、電流モニタ部２３からドレイン電流Ｉｄｓの計測値が入力される。比較部２３０は、電流モニタ部２３から入力された計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）を、駆動回路２０がゲート電圧Ｖｇｓを切り替えるときの判定基準となる各判定値Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５と比較する。Ｄ／Ａ変換器２３１は、比較部２３０の比較結果に応じた大きさの参照電圧Ｖ１０をコンパレータ２２１の基準電圧として出力する。
【００６２】
コンパレータ２２１は、参照電圧Ｖ１０と発振器２２０の出力とを比較することにより、参照電圧Ｖ１０の大きさに応じてオンデューティが決まる矩形波を、駆動信号として電圧印加部２１に出力する。これにより、電圧印加部２１は、参照電圧Ｖ１０の大きさに応じたオンデューティにてＰＷＭ（Pulse WidthModulation）制御され、下記数１の式で表されるゲート電圧Ｖｇｓを発生することになる。数１では、Ｄは駆動信号のオンデューティ、Ｎｓはトランス２１０の二次巻線２１２の巻数、Ｎｐは一次巻線２１１の巻数、Ｖｄｄは一次巻線２１１とトランジスタ２１３との直列回路に印加される直流電圧を表している。
【００６３】
【数１】
【００６４】
したがって、電圧印加部２１からスイッチ素子１０に印加されるゲート電圧Ｖｇｓは、駆動信号のオンデューティが大きくなるほど高くなるように、駆動信号に応じて変化する。本実施形態では、コンパレータ２２１の基準電圧（Ｖ１０）が大きくなるほど、コンパレータ２２１から出力される駆動信号のオンデューティが大きくなってゲート電圧Ｖｇｓが高くなるように、コンパレータ２２１が動作する。
【００６５】
次に、上記構成の駆動回路２０の動作について図７を参照して説明する。なお、図７中（ａ）はオンオフ信号、（ｂ）は発振器２２０の出力、（ｃ）はコンパレータ２２１の出力（駆動信号）、（ｄ）はゲート電圧Ｖｇｓを表している。
【００６６】
図７（ａ）に示すオンオフ信号が「Ｈ」レベルになると、制御部２２の発振器２２０が正弦波の出力（図７（ｂ））を開始し、コンパレータ２２１は参照電圧Ｖ１０（図７（ｂ）参照）と発振器２２０の出力との比較結果を出力する（図７（ｃ））。電圧印加部２１は、コンパレータ２２１の出力する駆動信号を受けてトランジスタ２１３をスイッチングすることにより、駆動信号のオンデューティが反映された大きさのゲート電圧Ｖｇｓ＝２Ｖをスイッチ素子１０に印加する（図７（ｄ））。その後、ドレイン電流ＩｄｓがＩ２未満である間は、コンパレータ２２１の基準電圧（Ｖ１０）は変化せず、駆動信号のオンデューティは一定に維持されるので、ゲート電圧Ｖｇｓは初期値（２Ｖ）に維持される（図７の「Ｔ１」の期間）。
【００６７】
ドレイン電流Ｉｄｓが増加しＩ２に達すると、コンパレータ２２１の基準電圧（Ｖ１０）が高くなり、コンパレータ２２１から出力される駆動信号のオンデューティが大きくなるので、ゲート電圧Ｖｇｓは２Ｖから３Ｖに変化する。その後、ドレイン電流ＩｄｓがＩ２≦Ｉｄｓ＜Ｉ３の範囲内にある間は、コンパレータ２２１の基準電圧（Ｖ１０）は変化せず、駆動信号のオンデューティは一定に維持されるので、ゲート電圧Ｖｇｓは３Ｖに維持される（図７の「Ｔ２」の期間）。
【００６８】
その後、オンオフ信号が「Ｌ」レベルになると、制御部２２の発振器２２０が出力を停止し、コンパレータ２２１の出力が停止して電圧印加部２１の動作が停止し、ゲート電圧Ｖｇｓがゼロになる。
【００６９】
以上説明した構成によれば、スイッチ装置１は、スイッチ素子１０のオン抵抗を反映する計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）を計測する電流モニタ部２３を備え、制御部２２は、オン抵抗が規定値以下になるように計測値に応じてゲート電圧Ｖｇｓの下限値を設定する。さらに、制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で電圧印加部２１から印加可能な最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節する。これにより、スイッチ装置１は、オン抵抗が規定値以下となる線形領域でスイッチ素子１０を動作させつつ、ゲート電圧Ｖｇｓが極力小さくなるように、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさを調節することができる。
【００７０】
すなわち、スイッチ装置１の駆動回路２０は、ゲート電圧Ｖｇｓを一定値に固定するのではなく、スイッチ素子１０を流れるドレイン電流Ｉｄｓの大きさに応じてゲート電圧Ｖｇｓを変化させるので、適切なゲート電圧Ｖｇｓでスイッチ素子１０を駆動できる。ここで、本実施形態におけるスイッチ素子１０は、オン抵抗が比較的低く、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域においては、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずにオン抵抗が規定値以下の低抵抗になるという特性を持つ。これにより、スイッチ装置１は、スイッチ素子１０のオン抵抗を小さく抑えながらも、スイッチ素子１０の駆動に必要な電力を小さく抑えることができるという効果を奏する。
【００７１】
要するに、スイッチ装置１は、スイッチ素子１０に流すことのできるドレイン電流Ｉｄｓの許容値が大きく設定されている場合でも、実際のドレイン電流Ｉｄｓが小さいときにはスイッチ素子１０に印加されるゲート電圧Ｖｇｓを低く抑えることができる。そのため、スイッチ装置１は、ゲート電極１１から流れ込むゲート電流も小さく抑えることができ、スイッチ素子１０を駆動するために駆動回路２０からスイッチ素子１０に供給される電力、つまり駆動回路２０の消費電力も比較的小さく抑えることができる。
【００７２】
しかも、本実施形態のスイッチ装置１は、既知であるスイッチ素子１０の特性（図３参照）に基づいて、ドレイン電流Ｉｄｓとゲート電圧Ｖｇｓとの対応関係が予め定められている。したがって、スイッチ装置１は、ゲート電圧Ｖｇｓを決定する際には、制御部２２がドレイン電流Ｉｄｓに対応するゲート電圧Ｖｇｓを読み出すだけでよく、複雑な演算を行う必要がないので、ドレイン電流Ｉｄｓに対するゲート電圧Ｖｇｓの追従性が向上する。
【００７３】
また、本実施形態では、駆動回路２０は、ドレイン電流Ｉｄｓの増加に伴いゲート電圧Ｖｇｓを高くするだけでなく、ドレイン電流Ｉｄｓの減少に伴いゲート電圧Ｖｇｓを低下させるので、ドレイン電流Ｉｄｓが減少した場合でも消費電力を低減することができる。そのため、スイッチ装置１は、スイッチ素子１０がオンした直後に突入電流が生じるような負荷３１に用いられる場合でも、突入電流で一時的に増加したドレイン電流Ｉｄｓが減少した後には、ゲート電圧Ｖｇｓを低くして駆動回路２０の消費電力を低減できる。
【００７４】
ここにおいて、スイッチ装置１は、上述したような突入電流に対応するため、オンオフ信号が「Ｈ」レベルに切り替わってから所定の始動期間に亘っては、ドレイン電流Ｉｄｓに依らずにゲート電圧Ｖｇｓを最大値（５Ｖ）に維持するように構成されていてもよい。すなわち、始動期間には突入電流によって大きなドレイン電流Ｉｄｓが流れることがあるため、制御部２２は、スイッチ素子１０がオンした直後の所定時間（始動期間）には、ゲート電圧Ｖｇｓを最大値に固定して大きなドレイン電流Ｉｄｓを流せる状態とする。この始動期間においては、制御部２２は、電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）が変化しても、ゲート電圧Ｖｇｓの切り替えは行わない。始動期間が経過すると、スイッチ装置１は、上述したようにドレイン電流Ｉｄｓに応じてゲート電圧Ｖｇｓを切り替える動作に移行する。
【００７５】
この構成によれば、スイッチ素子１０がオンした直後に、ゲート電圧Ｖｇｓが最大値に固定されるので、ゲート電圧Ｖｇｓが２Ｖから３Ｖ、３Ｖから４Ｖへと段階的に切り替えられる場合に比べ、ゲート電圧Ｖｇｓの切り替えに伴う損失を小さく抑えることができる。しかも、始動期間の経過後には、ゲート電圧Ｖｇｓを低下させることができるので、駆動回路２０の消費電力を低減することができる。
【００７６】
また、本実施形態の他の例として、スイッチ装置１は、ゲート電圧Ｖｇｓを上昇させた後の一定時間はゲート電圧Ｖｇｓを低下させる動作を行わないように構成されていてもよい。すなわち、制御部２２は、ゲート電圧Ｖｇｓを上昇させた時点から一定時間の不感期間を設定し、この不感期間には電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓの値）が減少しても、ゲート電圧Ｖｇｓを低下させる動作は行わない。ただし、不感期間においても、制御部２２は、ドレイン電流Ｉｄｓの増加に伴ってゲート電圧Ｖｇｓを上昇させる動作については行う。不感期間が経過すると、駆動回路２０は、その時点でのドレイン電流Ｉｄｓに応じてゲート電圧Ｖｇｓを切り替える動作に移行する。この機能は、たとえばピークホールド回路を用いて、不感期間の間はゲート電圧Ｖｇｓがピーク値に保持されるように駆動回路２０を構成することにより実現される。
【００７７】
この構成では、負荷電流のリンギングなどによりドレイン電流Ｉｄｓが頻繁に変動する場合に、一旦上がったゲート電圧Ｖｇｓは不感期間が経過するまでは低下させられることがなく、ゲート電圧Ｖｇｓの頻繁な切り替えに伴い生じる損失を低減することができる。
【００７８】
また、上記実施形態では、駆動回路２０は、ドレイン電流Ｉｄｓの判定値Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５を用いてゲート電圧Ｖｇｓを段階的に変化させているが、この例に限らず、ドレイン電流Ｉｄｓの大きさに応じてゲート電圧Ｖｇｓを連続的に変化させてもよい。すなわち制御部２２は、オン抵抗が規定値以下の低抵抗になる線形領域でスイッチ素子１０を動作させつつ、ゲート電圧Ｖｇｓが極力小さくなるように、ゲート電圧Ｖｇｓをドレイン電流Ｉｄｓに応じて連続的に変化させる構成であってもよい。この場合、制御部２２は、まず、スイッチ素子１０のオン抵抗が規定値以下になるように電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）に応じてゲート電圧Ｖｇｓの下限値を設定する。それから、制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で、電圧印加部２１から印加可能な最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節する。
【００７９】
（実施形態２）
本実施形態のスイッチ装置１は、スイッチ素子１０の両端にかかるドレイン電圧（素子電圧）Ｖｄｓの大きさに応じてゲート電圧Ｖｇｓの大きさを変化させる点が、実施形態１のスイッチ装置１と相違する。以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。
【００８０】
本実施形態では、スイッチ装置１は、電流モニタ部に代えて、図８に示すようにドレイン電圧Ｖｄｓを計測する電圧モニタ部２４を計測部として駆動回路２０に備え、電圧モニタ部２４が制御部２２に接続されている。ここで、スイッチ素子１０のＶｄｓ−Ｉｄｓ特性（図３参照）は既知であるため、ドレイン電圧Ｖｄｓが特定されれば、それに対応するドレイン電流Ｉｄｓが特定され、ドレイン電流Ｉｄｓとドレイン電圧Ｖｄｓとの関係からスイッチ素子１０のオン抵抗が求まる。したがって、ドレイン電圧Ｖｄｓはオン抵抗を反映する計測値となる。なお、図８では、トランスの記号を用いて電圧印加部２１を表している。
【００８１】
電圧モニタ部２４は、スイッチ素子１０のドレイン電極１２とソース電極１３とに接続されており、スイッチ素子１０の両端間（ドレイン電極１２−ソース電極１３間）にかかるドレイン電圧Ｖｄｓを計測し、計測値を制御部２２へ入力する。ドレイン電圧Ｖｄｓの値は、スイッチ素子１０の導通（オン）状態におけるスイッチ素子１０のオン抵抗とドレイン電流Ｉｄｓとの積である。そのため、オン抵抗が略一定である線形領域でスイッチ素子１０が動作している状態では、ドレイン電圧Ｖｄｓは、ドレイン電流Ｉｄｓの大きさに略比例し、ドレイン電流Ｉｄｓの大きさを反映することになる。
【００８２】
制御部２２は、ドレイン電圧Ｖｄｓの大きさに応じて、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値を選択する。ドレイン電圧Ｖｄｓとゲート電圧Ｖｇとの対応関係は、オン抵抗が規定値以下となるように、スイッチ素子１０の特性（図３参照）に基づいて予め定められてメモリ（図示せず）に記憶されている。ここで、オン抵抗が規定値以下になるのは、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域でスイッチ素子１０が動作している間であり、ゲート電圧Ｖｇｓが大きいほどドレイン電流Ｉｄｓの飽和値は大きくなる。したがって、ドレイン電圧Ｖｄｓとゲート電圧Ｖｇｓとの対応関係は、基本的にはドレイン電圧Ｖｄｓが大きくなるほど、対応するゲート電圧Ｖｇｓが大きくなるように設定されることになる。
【００８３】
具体的には、実施形態１と同様に、図３におけるＩｄｓ＝α１×Ｖｄｓを表す直線Ｌ１と、Ｉｄｓ＝α２×Ｖｄｓを表す直線Ｌ２との間を許容範囲として、ドレイン電圧Ｖｄｓに対応するゲート電圧Ｖｇｓが設定される。これにより、制御部２２は、ドレイン電圧Ｖｄｓが図３中のＶ４≦Ｖｄｓ＜Ｖ５の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを５Ｖに調節し、ドレイン電圧Ｖｄｓが図３中のＶ３≦Ｖｄｓ＜Ｖ４の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを４Ｖに調節する。同様に、制御部２２は、ドレイン電圧Ｖｄｓが図３中のＶ２≦Ｖｄｓ＜Ｖ３の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖに調節し、ドレイン電圧Ｖｄｓが図３中のＶｄｓ＜Ｖ２の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを２Ｖに調節する。
【００８４】
以上説明した構成によれば、スイッチ装置１は、実施形態１と同様に、スイッチ素子１０のオン抵抗を小さく抑えながらも、スイッチ素子１０の駆動に必要な電力を小さく抑えることができるという効果を奏する。また、駆動回路２０は、ドレイン電流Ｉｄｓに代えてスイッチ素子１０にかかるドレイン電圧Ｖｄｓの大きさに応じて、ゲート電圧Ｖｇｓを変化させるので、負荷３１とスイッチ素子１０との間に挿入される電流モニタ部が不要になる。したがって、電流モニタ部に電流が流れることによる電流モニタ部での電力損失が発生しないので、スイッチ装置１全体としてより低損失な構成を実現することができる。
【００８５】
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【００８６】
（実施形態３）
本実施形態のスイッチ装置１は、スイッチ素子１０のドレイン電流Ｉｄｓとドレイン電圧Ｖｄｓとの両方に応じてゲート電圧Ｖｇｓの大きさを変化させる点が、実施形態１のスイッチ装置１と相違する。以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。
【００８７】
本実施形態では、スイッチ装置１は、図９に示すように、電流モニタ部２３に加え、ドレイン電圧Ｖｄｓを計測する電圧モニタ部２４を計測部として駆動回路２０に備えている。さらに、駆動回路２０は、電流モニタ部２３および電圧モニタ部２４に接続された抵抗算出部２５を具備している。電圧モニタ部２４については、実施形態２で説明した電圧モニタ部２４と同様の構成であるから、ここでは説明を省略する。なお、図９では、トランスの記号を用いて電圧印加部２１を表している。
【００８８】
抵抗算出部２５は、電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）と電圧モニタ部２４の計測値（ドレイン電圧Ｖｄｓ）とを用いて、スイッチ素子１０のオン抵抗を算出する。すなわち、ドレイン電圧Ｖｄｓをドレイン電流Ｉｄｓで除した値はオン抵抗を表すから、抵抗算出部２５は、電流モニタ部２３および電圧モニタ部２４の計測値を用いて、スイッチ素子１０のオン抵抗を算出し、算出したオン抵抗の値を制御部２２に出力する。
【００８９】
制御部２２は、抵抗算出部２５で算出されたオン抵抗の大きさを用いて、オン抵抗が規定値以下の低抵抗になる線形領域でスイッチ素子１０が動作する範囲内でゲート電圧Ｖｇｓが最小となるように、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさを選択する。要するに、制御部２２は、スイッチ素子１０の特性（図３参照）に基づいてゲート電圧Ｖｇｓを決定するのではなく、ドレイン電流Ｉｄｓおよびドレイン電圧Ｖｄｓの実測値から求められたオン抵抗の大きさに基づいてゲート電圧Ｖｇｓの大きさを決定する。
【００９０】
具体的には、制御部２２は、図３におけるＩｄｓ＝α２×Ｖｄｓを表す直線Ｌ２の傾きα２の逆数（１／α２）を規定値として、抵抗算出部２５の算出値（オン抵抗）が規定値以下となるようにゲート電圧Ｖｇｓの下限値を設定する。この場合、制御部２２は、抵抗算出部２５で算出されたオン抵抗が増加して規定値に達すると下限値を大きくするように、抵抗算出部２５で算出されたオン抵抗に基づいて下限値を設定する。制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で、電圧印加部２１から印加可能な最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節とする。
【００９１】
たとえば、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさを２Ｖ，３Ｖ，４Ｖ，５Ｖの４段階で変化させる場合、駆動回路２０は、抵抗算出部２５の算出値（オン抵抗）が大きくなって規定値（１／α２）に達する度に、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値を２Ｖから順に大きくする。一方、駆動回路２０は、抵抗算出部２５の算出値（オン抵抗）が小さくなって規定値（１／α２）を下回る度に、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値を順に小さくする。
【００９２】
このように、本実施形態のスイッチ装置１は、ドレイン電流Ｉｄｓおよびドレイン電圧Ｖｄｓの実測値から求められたオン抵抗の大きさに基づいて、制御部２２がゲート電圧Ｖｇｓの大きさを決定している。スイッチ素子１０は、制御部２２で決定された大きさのゲート電圧Ｖｇｓにて駆動されるので、オン抵抗が規定値以下の低抵抗になる線形領域で動作しつつ、ゲート電圧Ｖｇｓを極力小さく抑えることができる。
【００９３】
以上説明した構成によれば、スイッチ装置１は、実施形態１と同様に、スイッチ素子１０のオン抵抗を小さく抑えながらも、スイッチ素子１０の駆動に必要な電力を小さく抑えることができるという効果を奏する。また、駆動回路２０は、ドレイン電流Ｉｄｓおよびドレイン電圧Ｖｄｓの実測値から求まるオン抵抗の大きさに応じてゲート電圧Ｖｇｓを変化させるので、たとえスイッチ素子１０の特性にばらつきがあっても、オン抵抗を規定値以下の低抵抗に保つことができる。要するに、本実施形態では、スイッチ装置１は、スイッチ素子１０の特性に依らずオン抵抗の実測値に基づいてゲート電圧Ｖｇｓを決定するので、スイッチ素子１０の周辺温度変化等により特性がばらついても、オン抵抗を規定値以下の低抵抗に保つことができる。
【００９４】
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【符号の説明】
【００９５】
１ スイッチ装置
１０ スイッチ素子
１１ ゲート電極（制御電極）
１２ ドレイン電極（第１電極）
１３ ソース電極（第２電極）
２０ 駆動回路
２１ 電圧印加部
２２ 制御部
２３ 電流モニタ部（計測部）
２４ 電圧モニタ部（計測部）
２５ 抵抗算出部
Ｉｄｓ ドレイン電流（素子電流）
Ｖｇｓ ゲート電圧（制御電圧）
Ｖｄｓ ドレイン電圧（素子電圧）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子からなるスイッチ素子を備えたスイッチ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、トライアックやサイリスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field-EffectTransistor）などの無接点スイッチ素子からなるスイッチ素子を備え、スイッチ素子を開閉（非導通・導通）させるように構成されたスイッチ装置が提供されている。このスイッチ装置は、たとえば照明装置等の負荷と電源との間にスイッチ素子が挿入されることにより、電源から負荷に供給される電力のスイッチングを行う。
【０００３】
近年では、この種のスイッチ装置に用いられるスイッチ素子として、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）等の窒化系物系半導体や炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子が注目されている。この種の半導体素子の一例として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層をチャネル層に利用した素子がある（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１記載のスイッチ素子では、ＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層が積層され、ＡｌＧａＮ層の表面に、第１電極および第２電極と中間電位部とが形成されている。さらに中間電位部上にはゲート（制御電極）が形成されている。この構成により、スイッチ素子は、第１電極−第２電極間に電圧が印加された状態で、ゲートに印加されるゲート電圧（制御信号）によって、第１電極−第２電極間の経路に流れる電流が変化する。要するに、このスイッチ素子は、ゲート電圧が所定の閾値を下回るときには第１電極−第２電極間の電流経路が非導通になり、ゲート電圧が閾値を超えるときには第１電極−第２電極間の電流経路が導通するノーマリオフ型のスイッチ素子を構成する。
【０００５】
上記構成のスイッチ素子を用いたスイッチ装置は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-SemiconductorFET）やＩＧＢＴ（Insulated-Gate-Bipolar-Transistor）等を用いる場合に比べ、導通状態での電流経路に存在する電気抵抗であるオン抵抗を小さく抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１７６８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１においては、スイッチ素子の導通時のゲート電圧（制御信号）は固定であるため、スイッチ素子に流すことのできる電流の許容値を大きくするには高いゲート電圧が必要になり、スイッチ素子を駆動するのに必要な電力が増加する。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みて為されており、オン抵抗を小さく抑えながらも、スイッチ素子の駆動に必要な電力を小さく抑えることができるスイッチ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のスイッチ装置は、第１電極と第２電極と制御電極とを有し前記第１電極と前記第２電極との間の電流経路をオンオフするスイッチ素子と、前記スイッチ素子の前記制御電極に制御電圧を印加して前記スイッチ素子のオンオフを切り替える駆動回路とを備え、前記駆動回路は、前記スイッチ素子に前記制御電圧を印加する電圧印加部と、前記電圧印加部を制御し前記制御電圧の大きさを決定する制御部と、前記第１電極と前記第２電極との間のオン抵抗を反映する計測値を計測する計測部とを有し、前記制御部は、前記スイッチ素子がオンしている状態において、前記オン抵抗が規定値以下になるように前記計測値に応じて前記制御電圧の下限値を設定し、当該下限値を下回らない範囲で前記電圧印加部から印加可能な最小の大きさに前記制御電圧を調節することを特徴とする。
【００１０】
このスイッチ装置において、前記計測部は、前記スイッチ素子の前記第１電極と前記第２電極との間を流れる電流を素子電流として計測し、前記制御部は、前記計測部で計測された前記素子電流が大きくなるほど前記下限値を大きくするように、前記計測部で計測された前記素子電流と既知である前記スイッチ素子の特性とに基づいて前記下限値を設定することが望ましい。
【００１１】
このスイッチ装置において、前記計測部は、前記スイッチ素子の両端にかかる電圧を素子電圧として計測し、前記制御部は、前記計測部で計測された前記素子電圧が大きくなるほど前記下限値を大きくするように、前記計測部で計測された前記素子電圧と既知である前記スイッチ素子の特性とに基づいて前記下限値を設定することがより望ましい。
【００１２】
このスイッチ装置において、前記計測部は、前記スイッチ素子の前記第１電極と前記第２電極との間を流れる電流を素子電流として計測し、前記スイッチ素子の両端にかかる電圧を素子電圧として計測し、前記計測部で計測された前記素子電流と前記素子電圧とから前記オン抵抗を算出する抵抗算出部が設けられており、前記制御部は、前記抵抗算出部で算出された前記オン抵抗が増加して前記規定値に達すると前記下限値を大きくするように、前記抵抗算出部で算出された前記オン抵抗に基づいて前記下限値を設定することがより望ましい。
【００１３】
このスイッチ装置において、前記制御部は、予め設定されている複数段階の電圧値の中から前記制御電圧の大きさを選択することがより望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、制御部が、計測部の計測値に応じて制御電圧の下限値を設定し、下限値を下回らない範囲で電圧印加部から印加可能な最小の大きさに制御電圧を調節するので、オン抵抗を小さく抑えながらもスイッチ素子の駆動に必要な電力を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１に係るスイッチ装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】実施形態１に係るスイッチ装置に用いるスイッチ素子の動作を示す説明図である。
【図３】実施形態１に係るスイッチ装置に用いるスイッチ素子のＶｄｓ−Ｉｄｓ特性図である。
【図４】一般的なＭＯＳＦＥＴのＶｄｓ−Ｉｄｓ特性図である。
【図５】実施形態１に係るスイッチ装置の動作を示す説明図である。
【図６】実施形態１に係るスイッチ装置の構成を示す回路図である。
【図７】実施形態１に係るスイッチ装置の動作を示す説明図である。
【図８】実施形態２に係るスイッチ装置の概略構成を示す説明図である。
【図９】実施形態２に係るスイッチ装置の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施形態１）
本実施形態のスイッチ装置１は、図１に示すように、半導体素子からなるスイッチ素子１０と、スイッチ素子１０にゲート電圧を印加してスイッチ素子１０の導通（オン）・遮断（オフ）を切り替える駆動回路２０とを備えている。図１の例では、スイッチ装置１は、直流電源（図示せず）から負荷（電気機器等）３１への供給電力のスイッチングに用いられており、スイッチ素子１０が直流電源と負荷３１との間に挿入される。
【００１７】
スイッチ素子１０は、制御電極としてのゲート電極１１と、第１電極、第２電極としてのドレイン電極１２、ソース電極１３とを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field-EffectTransistor）からなる。詳しい構成については後述するが、スイッチ素子１０は、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）等の窒化物系半導体や炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドバンドギャップの半導体材料を用いた素子からなる。ワイドバンドギャップとは、たとえばシリコン（Ｓｉ）のバンドギャップ（１．１ｅＶ）の２倍以上のバンドギャップ（２．２ｅＶ以上）をいう。これにより、スイッチ素子１０は、導通（オン）状態での電流経路に存在する電気抵抗であるオン抵抗が比較的低く且つ大電流にも対応可能であって高耐圧のパワーデバイスを実現することが可能になる。ここでいうワイドバンドギャップ半導体とは、たとえば周期律表第２周期の軽元素を構成要素とする半導体と定義されている。
【００１８】
スイッチ素子１０は、負荷３１と直流電源との直列回路にドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路が挿入されるように、負荷３１および直流電源に対して接続されている。ここでは、直流電源の正極側にドレイン電極１２が接続され、負極側にソース電極１３が接続されている。
【００１９】
駆動回路２０は、スイッチ素子１０のゲート電極１１およびソース電極１３に接続されており、ゲート電極１１−ソース電極１３間に制御電圧としてのゲート電圧Ｖｇｓを印加する。駆動回路２０は、ゲート電圧Ｖｇｓを制御することにより、ドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路の導通・遮断を切り替える。スイッチ素子１０は、ゲート電圧Ｖｇｓが所定の閾値を下回る場合にドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路が遮断され、ゲート電圧Ｖｇｓが閾値を超える場合にドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路が導通するノーマリオフ型のスイッチを構成する。
【００２０】
ここで、駆動回路２０は、スイッチ素子１０に制御電圧としてのゲート電圧Ｖｇｓを印加する電圧印加部２１と、電圧印加部２１の動作を制御してゲート電圧Ｖｇｓの大きさを決定する制御部２２とを有している。電圧印加部２１は、出力電圧（ゲート電圧）の大きさが可変である直流電圧源からなる。制御部２２は、外部からのオンオフ信号を受け、オンオフ信号が「Ｈ」レベルの期間にスイッチ素子１０にゲート電圧Ｖｇｓが印加されスイッチ素子１０がオンするように、電圧印加部２１に対して駆動信号を出力する。駆動信号を受けた電圧印加部２１は、駆動信号によって決まる大きさのゲート電圧Ｖｇｓをスイッチ素子１０に印加する。なお、図１では、トランスの記号を用いて電圧印加部２１を表している。
【００２１】
次に、本実施形態におけるスイッチ素子１０の基本的な構成および動作について図２を参照して簡単に説明する。なお、図２では、駆動回路２０を電源およびスイッチの等価回路で表している。
【００２２】
スイッチ素子１０は、基板（図示せず）上に、バッファ層（図示せず）を介して形成されたアンドープＧａＮ層からなる第１の半導体層１０１と、第１の半導体層１０１上に形成されたアンドープＡｌＧａＮ層からなる第２の半導体層１０２とを有している。基板は、シリコン（Ｓｉ）、あるいは窒化物系半導体が成長可能なサファイアや炭化珪素（ＳｉＣ）、あるいは窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる。さらに、スイッチ素子１０は、第２の半導体層１０２上の一部に形成されたコントロール層１０３を有している。コントロール層１０３は、不純物がドープされたｐ型のＡｌＧａＮからなる。
【００２３】
ゲート電極１１は、コントロール層１０３上に形成されており、また、ドレイン電極１２およびソース電極１３は、互いに離間して第２の半導体層１０２上であってコントロール層１０３を挟む位置に形成されている。つまり、ゲート電極１１は第２の半導体層１０２の上方における、ドレイン電極１２とソース電極１３との間に形成されている。ここでは、ゲート電極１１は、ドレイン電極１２とソース電極１３との中間位置よりもソース電極１３寄りの位置に配置されている。
【００２４】
ここにおいて、第２の半導体層１０２のバンドギャップは、第１の半導体層１０１のバンドギャップよりも大きく、第１の半導体層１０１と第２の半導体層１０２との界面にはヘテロ障壁が形成されている。第１の半導体層１０１と第２の半導体層１０２とのヘテロ接合界面近傍には、自発分極とピエゾ分極との影響によって、動作時にチャネル領域となる高濃度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ：2 Dimensional ElectronGas）層が形成される。つまり、第１の半導体層１０１には、不純物がドープされていないにもかかわらず、第２の半導体層１０２との界面に沿って電子が移動するチャネル領域が形成される。ドレイン電極１２およびソース電極１３は、いずれも２次元電子ガス層とオーミック接合されている。ゲート電極１１は、ｐ型の半導体層からなるコントロール層１０３とオーミック接合されており、ジャンクションゲート構造を成している。
【００２５】
上述した構成により、スイッチ素子１０は、ドレイン電極１２−ソース電極１３間に電圧が印加された状態で、ゲート電圧Ｖｇｓが変化すると、以下に説明する原理でドレイン電極１２−ソース電極１３間に流れるドレイン電流が変化する。
【００２６】
すなわち、スイッチ素子１０は、ゲート電圧Ｖｇｓが０Ｖであれば、図２（ａ）に示すようにゲート電極１１の直下のチャネル領域が空乏化しているため、ドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路が遮断され、ドレイン電流が流れない。チャネル領域の空乏化は、ゲート電極１１と第２の半導体層１０２との間に形成されているｐ型のコントロール層１０３が、チャネル領域のポテンシャルを持ち上げることに起因して発生する。つまり、ゲート電圧Ｖｇｓが０Ｖではチャネル領域の２次元電子ガスが正孔（ホール）により相殺され、ノーマリオフ特性が実現される。
【００２７】
一方、スイッチ素子１０は、ゲート電圧Ｖｇｓが所定の閾値を超えるときには、図２（ｂ）に示すようにドレイン電極１２−ソース電極１３間の電流経路が導通し、ドレイン電流が流れる。つまり、スイッチ素子１０は、駆動回路２０からゲート電圧Ｖｇｓが印加されることにより、ゲート電極１１の直下のチャネル領域のポテンシャルが下がり、チャネル領域に電子４１が発生して電流経路が導通する。
【００２８】
本実施形態においては、ゲート電圧Ｖｇｓの閾値は、コントロール層１０３とチャネル領域との間に形成されるｐｎ接合の順方向オン電圧に設定されている。ここで、ゲート電極１１はジャンクションゲート構造であるので、ゲート電圧Ｖｇｓが閾値を超えると、ゲート電極１１からチャネル領域に正孔（ホール）４２が注入される。チャネル領域に正孔４２が注入されると、注入された正孔４２と同量の電子４１がソース電極１３から引き寄せられ、発生した電子４１がドレイン電圧によりドレイン電極１２に向かって高速で移動するため、ドレイン電流は増大する。このとき、第１の半導体層１０１中の正孔４２の移動度は電子４１の移動度に比べて極めて小さいので、殆どの正孔４２はゲート電極１１付近に留まることになる。
【００２９】
スイッチ装置１は、上述した構成のスイッチ素子１０を用いていることにより、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等を用いる場合に比べ、導通（オン）状態での電流経路に存在する電気抵抗であるオン抵抗を小さく抑えることができる。
【００３０】
なお、第１の半導体層１０１と第２の半導体層１０２とコントロール層１０３とを構成する半導体材料は、窒化物系半導体に限らず、たとえば炭化珪素（ＳｉＣ）であってもよい。また、スイッチ素子１０は、ゲート電極１１とコントロール層１０３とがオーミック接合された構成を採用しているが、この構成に限らず、ゲート電極１１が第２の半導体層１０２とショットキー接触した構成であってもよい。さらにまた、コントロール層１０３はアンドープＡｌＧａＮ、あるいはアンドープＧａＮであってもよい。
【００３１】
ところで、上記構成のスイッチ素子１０は、図３に示すようにゲート電圧Ｖｇｓの大きさに応じてドレイン電流Ｉｄｓの飽和値（最大値）が決まる。図３では、ゲート電圧Ｖｇｓが２Ｖ，３Ｖ，４Ｖ，５Ｖである各場合について、スイッチ素子１０のドレイン電極１２−ソース電極１３間電圧（以下、「ドレイン電圧」という）Ｖｄｓ（横軸）と、ドレイン電流Ｉｄｓ（縦軸）との関係を表している。つまり、ドレイン電圧Ｖｄｓはスイッチ素子１０の両端にかかる素子電圧であり、ドレイン電流Ｉｄｓはスイッチ素子１０を流れる素子電流である。
【００３２】
図３のように、スイッチ素子１０は、ゲート電圧Ｖｇｓが高くなるほど、ドレイン電極１２−ソース電極１３間に流せるドレイン電流Ｉｄｓが大きくなる。ただし、スイッチ素子１０は、ジャンクションゲート構造を持ち、ゲート電圧Ｖｇｓが大きくなるほどゲート電極１１から流れ込むゲート電流が増加する。そのため、ゲート電圧Ｖｇｓが大きくなれば、スイッチ素子１０のオン時に駆動回路２０の電圧印加部２１からスイッチ素子１０に供給される電力（ゲート電圧×ゲート電流）も大きくなり、駆動回路２０の消費電力が増加することになる。
【００３３】
ここにおいて、上記構成のスイッチ素子１０は、図３のように、ドレイン電圧Ｖｄｓに対するドレイン電流Ｉｄｓを表すＶｄｓ−Ｉｄｓ特性の傾きαが、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずに略一定である（つまり、Ｉｄｓ≒α×Ｖｄｓ）という特性を持つ。すなわち、スイッチ素子１０は、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの領域（線形領域）においては、ドレイン電圧Ｖｄｓに略比例してドレイン電流Ｉｄｓが変化する線形特性を示し、その比例定数はゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずに略一定である。ここで、ドレイン電圧Ｖｄｓをドレイン電流Ｉｄｓで除した値（Ｖｄｓ−Ｉｄｓ特性の傾きαの逆数）はオン抵抗を表す。したがって、スイッチ素子１０は、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域においては、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずにオン抵抗は規定値以下の低抵抗になる。
【００３４】
一方、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-SemiconductorFET）やＭＩＳＦＥＴ（Metal-Insulator-SemiconductorFET）、ＭＥＳＦＥＴ（Metal-SemiconductorFET）やＪＦＥＴ（junction FET）などの素子においては、図４に例示するような特性がある。図４では、ゲート電圧Ｖｇｓが２Ｖ，３Ｖ，４Ｖ，５Ｖである各場合について、素子のドレイン電圧Ｖｄｓ（横軸）と、ドレイン電流Ｉｄｓ（縦軸）との関係を表している。
【００３５】
すなわち、ＭＯＳＦＥＴなどの素子では、図４に示すように、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの領域（線形領域）においても、ドレイン電圧Ｖｄｓに対するドレイン電流Ｉｄｓの傾きがゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依存しゲート電圧Ｖｇｓに依って変化する。言い換えれば、ＭＯＳＦＥＴなどの素子では、スイッチ素子として用いられる場合のオン抵抗は、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域においても、一定ではなくゲート電圧Ｖｄｓの大きさに依って変化する。したがって、ＭＯＳＦＥＴなどの素子がスイッチ素子として用いられる場合、オン抵抗を小さくするためには、ゲート電圧Ｖｇｓは比較的高めに設定される。
【００３６】
これに対して、本実施形態のスイッチ素子１０は、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域においては、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずにオン抵抗が規定値以下の低抵抗になる。つまり、このスイッチ素子１０は、線形領域で動作している限りはゲート電圧Ｖｇｓが低下してもオン抵抗が殆ど変わらないので、駆動回路２０の消費電力を考慮すれば、線形領域で動作する範囲内でゲート電圧Ｖｇｓを極力小さく抑えることが望ましい。そこで、本実施形態に係るスイッチ装置１は、オン抵抗が規定値以下の低抵抗になる線形領域でスイッチ素子１０を動作させつつゲート電圧Ｖｇｓが極力小さくなるように、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさを変化させる機能を備えている。
【００３７】
すなわち、本実施形態のスイッチ装置１は、ドレイン電極１２とソース電極１３との間のオン抵抗を反映する計測値を計測する計測部を、駆動回路２０に備えている。本実施形態では、計測部は、図１に示すように、スイッチ素子１０と負荷３１と直流電源との直列回路を流れる電流を計測する電流モニタ部２３からなる。
【００３８】
電流モニタ部２３は、負荷３１とスイッチ素子１０のドレイン電極１２との間に挿入されており、スイッチ素子１０のドレイン電極１２とソース電極１３との間を流れるドレイン電流Ｉｄｓを計測して、計測値を駆動回路２０の制御部２２へ入力する。ここで、スイッチ素子１０のＶｄｓ−Ｉｄｓ特性（図３参照）は既知であるため、ドレイン電流Ｉｄｓが特定されれば、それに対応するドレイン電圧Ｖｄｓが特定され、ドレイン電流Ｉｄｓとドレイン電圧Ｖｄｓとの関係からスイッチ素子１０のオン抵抗が求まる。したがって、ドレイン電流Ｉｄｓはオン抵抗を反映する計測値となる。なお、電流モニタ部２３は、ドレイン電流Ｉｄｓを計測できればよく、負荷３１とスイッチ素子１０のドレイン電極１２との間に挿入される構成に限らず、たとえばスイッチ素子１０のソース電極１３と直流電源のグランド（負極）との間に挿入されていてもよい。
【００３９】
制御部２２は、外部から入力されるオンオフ信号と、電流モニタ部２３から入力される計測値（ドレイン電流Ｉｄｓの値）との両方に基づいて、電圧印加部２１に出力させるゲート電圧Ｖｇｓの大きさを決定する。つまり、制御部２２は、オンオフ信号が「Ｈ」レベルの期間において、ドレイン電流Ｉｄｓの大きさに応じたゲート電圧Ｖｇｓがスイッチ素子１０に印加されるように、電圧印加部２１に与える駆動信号を調節する。ただし、オンオフ信号が「Ｈ」レベルの期間においては、スイッチ素子１０がオンすることが前提であるから、制御部２２は、上述した閾値（コントロール層１０３とチャネル領域との間のｐｎ接合の順方向オン電圧）を超える範囲でゲート電圧Ｖｇｓを決定する。
【００４０】
ここで、制御部２２は、スイッチ素子１０がオンしている状態において、スイッチ素子１０のオン抵抗が規定値以下になるように電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）に応じてゲート電圧Ｖｇｓの下限値を設定する。このとき、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されたドレイン電流Ｉｄｓが大きくなるほどゲート電圧Ｖｇｓの下限値を大きくするように、電流モニタ部２３で計測されたドレイン電流Ｉｄｓと既知であるスイッチ素子１０の特性とに基づいて下限値を設定する。
【００４１】
ここでいう規定値は、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずにオン抵抗が略一定であるとき、つまりドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域でスイッチ素子１０が動作するときのオン抵抗とする。言い換えれば、オン抵抗は規定値以下にあるとき、スイッチ素子１０はドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域で動作していることになる。制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で、電圧印加部２１から印加可能な最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節する。
【００４２】
本実施形態においては、電圧印加部２１からスイッチ素子１０に印加可能なゲート電圧Ｖｇｓとして予め２Ｖ，３Ｖ，４Ｖ，５Ｖの４段階の電圧値が設定されており、制御部２２は、これら４段階の電圧値の中からゲート電圧Ｖｇｓを択一的に選択する。制御部２２は、これら４段階のゲート電圧Ｖｇｓとドレイン電流Ｉｄｓとの対応関係をメモリ（図示せず）に予め記憶しており、電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）に対応するゲート電圧Ｖｇｓを、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値に設定する。
【００４３】
ドレイン電流Ｉｄｓとゲート電圧Ｖｇｓとの対応関係については、スイッチ素子１０の特性（図３参照）に基づいて、オン抵抗が規定値以下になるように予め定められている。ここで、オン抵抗が規定値以下になるのは、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域でスイッチ素子１０が動作している間であり、ゲート電圧Ｖｇｓが大きいほどドレイン電流Ｉｄｓの飽和値は大きくなる。したがって、ドレイン電流Ｉｄｓとゲート電圧Ｖｇｓとの対応関係は、基本的にはドレイン電流Ｉｄｓが大きくなるほど、対応するゲート電圧Ｖｇｓが大きくなるように設定されることになる。
【００４４】
より詳しく説明すると、図３において、Ｖｄｓ−Ｉｄｓ特性の傾きαの逆数はスイッチ素子１０のオン抵抗を表すので、この傾きαが所定の許容範囲に収まるように、ドレイン電流Ｉｄｓに対応するゲート電圧Ｖｇｓが設定される。図３の例では、Ｉｄｓ＝α１×Ｖｄｓを表す直線Ｌ１と、Ｉｄｓ＝α２×Ｖｄｓを表す直線Ｌ２との間を許容範囲として（ただし、α１＞α２）、ドレイン電流Ｉｄｓに対応するゲート電圧Ｖｇｓの下限値が設定される。
【００４５】
これにより、制御部２２は、ドレイン電流Ｉｄｓが図３中のＩ４≦Ｉｄｓ＜Ｉ５の範囲内にあれば、この範囲においてＶｄｓ−Ｉｄｓ特性が直線Ｌ１，Ｌ２間を通るゲート電圧Ｖｇｓ＝５Ｖを、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値に設定する。制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で最小の電圧値（５Ｖ）にゲート電圧Ｖｇｓを調節する。また、制御部２２は、ドレイン電流Ｉｄｓが図３中のＩ３≦Ｉｄｓ＜Ｉ４の範囲内にあれば、この範囲においてＶｄｓ−Ｉｄｓ特性が直線Ｌ１，Ｌ２間を通るゲート電圧Ｖｇｓ＝４Ｖを、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値に設定する。制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で最小の電圧値（４Ｖ）にゲート電圧Ｖｇｓを調節する。同様に、制御部２２は、ドレイン電流Ｉｄｓが図３中のＩ２≦Ｉｄｓ＜Ｉ３の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖに調節し、ドレイン電流Ｉｄｓが図３中のＩｄｓ＜Ｉ２の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを２Ｖに調節する。
【００４６】
このように、本実施形態のスイッチ装置１は、図３の特性に基づいて予め定められたドレイン電流Ｉｄｓとゲート電圧Ｖｇｓとの対応関係に従って、電流モニタ部２３の計測値に対応するゲート電圧Ｖｇｓの下限値を制御部２２で設定している。制御部２２は、この下限値を下回らない範囲で最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節する。スイッチ素子１０は、制御部２２で調節された大きさのゲート電圧Ｖｇｓにて駆動されるので、オン抵抗が規定値以下となる中で最小のゲート電圧Ｖｇｓにて駆動されることになる。
【００４７】
次に、本実施形態のスイッチ装置１の動作について図５のタイムチャートを参照して説明する。なお、図５中（ａ）はオンオフ信号、（ｂ）はゲート電圧Ｖｇｓ、（ｃ）はドレイン電流Ｉｄｓを表している。
【００４８】
図５（ａ）に示すオンオフ信号が「Ｈ」レベルになると、制御部２２からの駆動信号により電圧印加部２１が駆動され、電圧印加部２１からのゲート電圧Ｖｇｓ（図５（ｂ））によりスイッチ素子１０がオンしてドレイン電流Ｉｄｓ（図５（ｃ））が流れ始める。ここで、制御部２２は、オンオフ信号が「Ｈ」レベルに切り替わった直後にはゲート電圧Ｖｇｓを２〜５Ｖのうち最も低い２Ｖに調節する。したがって、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流ＩｄｓがＩ２以下であれば、ゲート電圧Ｖｇｓを初期値（２Ｖ）から変化させないように駆動信号を固定する（図５の「Ｔ１」の期間）。
【００４９】
ドレイン電流Ｉｄｓが増加してＩ２に達すると、制御部２２は、ゲート電圧Ｖｇｓを２Ｖから３Ｖに変化させるように、電圧印加部２１に与える駆動信号を変化させる。その後、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流ＩｄｓがＩ２≦Ｉｄｓ＜Ｉ３の範囲内にある間は、ゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖから変化させないように駆動信号を固定する（図５の「Ｔ２」の期間）。
【００５０】
ドレイン電流Ｉｄｓがさらに増加してＩ３に達すると、制御部２２は、ゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖから４Ｖに変化させるように、電圧印加部２１に与える駆動信号を変化させる。その後、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流ＩｄｓがＩ３≦Ｉｄｓ＜Ｉ４の範囲内にある間は、ゲート電圧Ｖｇｓを４Ｖから変化させないように駆動信号を固定する（図５の「Ｔ３」の期間）。
【００５１】
その後、ドレイン電流Ｉｄｓが減少してＩ３を下回ると、制御部２２は、ゲート電圧Ｖｇｓを４Ｖから３Ｖに変化させるように、電圧印加部２１に与える駆動信号を変化させる。その後、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流ＩｄｓがＩ２≦Ｉｄｓ＜Ｉ３の範囲内にある間は、ゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖから変化させないように駆動信号を固定する（図５の「Ｔ４」の期間）。
【００５２】
ドレイン電流Ｉｄｓがさらに減少してＩ２を下回ると、制御部２２は、ゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖから２Ｖに変化させるように、電圧印加部２１に与える駆動信号を変化させる。その後、制御部２２は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流ＩｄｓがＩ２以下にある間は、ゲート電圧Ｖｇｓを２Ｖから変化させないように駆動信号を固定する（図５の「Ｔ５」の期間）。
【００５３】
その後、オンオフ信号が「Ｌ」レベルになると、制御部２２からの出力が停止して電圧印加部２１の動作が停止し、ゲート電圧Ｖｇｓがゼロになることによりスイッチ素子１０がオフしてドレイン電流Ｉｄｓが停止する。再びオンオフ信号が「Ｈ」レベルになると、制御部２２からの駆動信号により電圧印加部２１が再駆動され、電圧印加部２１からのゲート電圧Ｖｇｓ（＝２Ｖ）によりスイッチ素子１０がオンしてドレイン電流Ｉｄｓが流れ始める。
【００５４】
すなわち、駆動回路２０は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流Ｉｄｓが増加して判定値（Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５）に達する度に、スイッチ素子１０に印加されるゲート電圧Ｖｇｓを順次高くする。また、駆動回路２０は、電流モニタ部２３で計測されるドレイン電流Ｉｄｓが減少して判定値を下回る度に、スイッチ素子１０に印加されるゲート電圧Ｖｇｓを順次低くする。
【００５５】
次に、本実施形態のスイッチ装置１の具体的な構成について図６を参照して説明する。
【００５６】
本実施形態のスイッチ装置１は、電圧印加部２１が、トランス２１０と、トランス２１０の一次巻線２１１に直列に接続されたスイッチ要素としてのトランジスタ（ここではＭＯＳＦＥＴ）２１３とを有するフライバックコンバータから構成されている。
【００５７】
一次巻線２１１とトランジスタ２１３との直列回路には、直流電源（図示せず）から一定の直流電圧Ｖｄｄが印加されており、トランジスタ２１３のゲート電極には制御部２２から周期的な矩形波からなる駆動信号が入力されている。これにより、駆動信号が「Ｈ」レベル、「Ｌ」レベルを交互に繰り返すことによって一次巻線２１１に間欠的に電流が流れ、トランス２１０の二次巻線２１２に電圧が発生する。
【００５８】
二次巻線２１２は、両端間にダイオード２１４を介してコンデンサ２１５が接続されており、電圧発生時にダイオード２１４を介してコンデンサ２１５を充電する。コンデンサ２１５の両端は、スイッチ素子１０のゲート電極１１、ソース電極１３に接続されている。これにより、電圧印加部２１は、コンデンサ２１５の両端に生じる電圧をゲート電圧Ｖｇｓとしてスイッチ素子１０に印加する。
【００５９】
一方、制御部２２は、正弦波を発生する発振器２２０と、電圧印加部２１に対して駆動信号を出力するコンパレータ２２１とを有している。
【００６０】
発振器２２０は、外部からのオンオフ信号を入力とし、オンオフ信号が「Ｈ」レベルの期間に正弦波を出力し、オンオフ信号が「Ｌ」レベルの期間には正弦波の出力を停止する。コンパレータ２２１の一方の入力には発振器２２０の出力が接続され、他方の入力には電流モニタ部２３の出力が比較部２３０およびＤ／Ａ変換器２３１を介して接続されている。
【００６１】
比較部２３０には、電流モニタ部２３からドレイン電流Ｉｄｓの計測値が入力される。比較部２３０は、電流モニタ部２３から入力された計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）を、駆動回路２０がゲート電圧Ｖｇｓを切り替えるときの判定基準となる各判定値Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５と比較する。Ｄ／Ａ変換器２３１は、比較部２３０の比較結果に応じた大きさの参照電圧Ｖ１０をコンパレータ２２１の基準電圧として出力する。
【００６２】
コンパレータ２２１は、参照電圧Ｖ１０と発振器２２０の出力とを比較することにより、参照電圧Ｖ１０の大きさに応じてオンデューティが決まる矩形波を、駆動信号として電圧印加部２１に出力する。これにより、電圧印加部２１は、参照電圧Ｖ１０の大きさに応じたオンデューティにてＰＷＭ（Pulse WidthModulation）制御され、下記数１の式で表されるゲート電圧Ｖｇｓを発生することになる。数１では、Ｄは駆動信号のオンデューティ、Ｎｓはトランス２１０の二次巻線２１２の巻数、Ｎｐは一次巻線２１１の巻数、Ｖｄｄは一次巻線２１１とトランジスタ２１３との直列回路に印加される直流電圧を表している。
【００６３】
【数１】
【００６４】
したがって、電圧印加部２１からスイッチ素子１０に印加されるゲート電圧Ｖｇｓは、駆動信号のオンデューティが大きくなるほど高くなるように、駆動信号に応じて変化する。本実施形態では、コンパレータ２２１の基準電圧（Ｖ１０）が大きくなるほど、コンパレータ２２１から出力される駆動信号のオンデューティが大きくなってゲート電圧Ｖｇｓが高くなるように、コンパレータ２２１が動作する。
【００６５】
次に、上記構成の駆動回路２０の動作について図７を参照して説明する。なお、図７中（ａ）はオンオフ信号、（ｂ）は発振器２２０の出力、（ｃ）はコンパレータ２２１の出力（駆動信号）、（ｄ）はゲート電圧Ｖｇｓを表している。
【００６６】
図７（ａ）に示すオンオフ信号が「Ｈ」レベルになると、制御部２２の発振器２２０が正弦波の出力（図７（ｂ））を開始し、コンパレータ２２１は参照電圧Ｖ１０（図７（ｂ）参照）と発振器２２０の出力との比較結果を出力する（図７（ｃ））。電圧印加部２１は、コンパレータ２２１の出力する駆動信号を受けてトランジスタ２１３をスイッチングすることにより、駆動信号のオンデューティが反映された大きさのゲート電圧Ｖｇｓ＝２Ｖをスイッチ素子１０に印加する（図７（ｄ））。その後、ドレイン電流ＩｄｓがＩ２未満である間は、コンパレータ２２１の基準電圧（Ｖ１０）は変化せず、駆動信号のオンデューティは一定に維持されるので、ゲート電圧Ｖｇｓは初期値（２Ｖ）に維持される（図７の「Ｔ１」の期間）。
【００６７】
ドレイン電流Ｉｄｓが増加しＩ２に達すると、コンパレータ２２１の基準電圧（Ｖ１０）が高くなり、コンパレータ２２１から出力される駆動信号のオンデューティが大きくなるので、ゲート電圧Ｖｇｓは２Ｖから３Ｖに変化する。その後、ドレイン電流ＩｄｓがＩ２≦Ｉｄｓ＜Ｉ３の範囲内にある間は、コンパレータ２２１の基準電圧（Ｖ１０）は変化せず、駆動信号のオンデューティは一定に維持されるので、ゲート電圧Ｖｇｓは３Ｖに維持される（図７の「Ｔ２」の期間）。
【００６８】
その後、オンオフ信号が「Ｌ」レベルになると、制御部２２の発振器２２０が出力を停止し、コンパレータ２２１の出力が停止して電圧印加部２１の動作が停止し、ゲート電圧Ｖｇｓがゼロになる。
【００６９】
以上説明した構成によれば、スイッチ装置１は、スイッチ素子１０のオン抵抗を反映する計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）を計測する電流モニタ部２３を備え、制御部２２は、オン抵抗が規定値以下になるように計測値に応じてゲート電圧Ｖｇｓの下限値を設定する。さらに、制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で電圧印加部２１から印加可能な最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節する。これにより、スイッチ装置１は、オン抵抗が規定値以下となる線形領域でスイッチ素子１０を動作させつつ、ゲート電圧Ｖｇｓが極力小さくなるように、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさを調節することができる。
【００７０】
すなわち、スイッチ装置１の駆動回路２０は、ゲート電圧Ｖｇｓを一定値に固定するのではなく、スイッチ素子１０を流れるドレイン電流Ｉｄｓの大きさに応じてゲート電圧Ｖｇｓを変化させるので、適切なゲート電圧Ｖｇｓでスイッチ素子１０を駆動できる。ここで、本実施形態におけるスイッチ素子１０は、オン抵抗が比較的低く、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域においては、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさに依らずにオン抵抗が規定値以下の低抵抗になるという特性を持つ。これにより、スイッチ装置１は、スイッチ素子１０のオン抵抗を小さく抑えながらも、スイッチ素子１０の駆動に必要な電力を小さく抑えることができるという効果を奏する。
【００７１】
要するに、スイッチ装置１は、スイッチ素子１０に流すことのできるドレイン電流Ｉｄｓの許容値が大きく設定されている場合でも、実際のドレイン電流Ｉｄｓが小さいときにはスイッチ素子１０に印加されるゲート電圧Ｖｇｓを低く抑えることができる。そのため、スイッチ装置１は、ゲート電極１１から流れ込むゲート電流も小さく抑えることができ、スイッチ素子１０を駆動するために駆動回路２０からスイッチ素子１０に供給される電力、つまり駆動回路２０の消費電力も比較的小さく抑えることができる。
【００７２】
しかも、本実施形態のスイッチ装置１は、既知であるスイッチ素子１０の特性（図３参照）に基づいて、ドレイン電流Ｉｄｓとゲート電圧Ｖｇｓとの対応関係が予め定められている。したがって、スイッチ装置１は、ゲート電圧Ｖｇｓを決定する際には、制御部２２がドレイン電流Ｉｄｓに対応するゲート電圧Ｖｇｓを読み出すだけでよく、複雑な演算を行う必要がないので、ドレイン電流Ｉｄｓに対するゲート電圧Ｖｇｓの追従性が向上する。
【００７３】
また、本実施形態では、駆動回路２０は、ドレイン電流Ｉｄｓの増加に伴いゲート電圧Ｖｇｓを高くするだけでなく、ドレイン電流Ｉｄｓの減少に伴いゲート電圧Ｖｇｓを低下させるので、ドレイン電流Ｉｄｓが減少した場合でも消費電力を低減することができる。そのため、スイッチ装置１は、スイッチ素子１０がオンした直後に突入電流が生じるような負荷３１に用いられる場合でも、突入電流で一時的に増加したドレイン電流Ｉｄｓが減少した後には、ゲート電圧Ｖｇｓを低くして駆動回路２０の消費電力を低減できる。
【００７４】
ここにおいて、スイッチ装置１は、上述したような突入電流に対応するため、オンオフ信号が「Ｈ」レベルに切り替わってから所定の始動期間に亘っては、ドレイン電流Ｉｄｓに依らずにゲート電圧Ｖｇｓを最大値（５Ｖ）に維持するように構成されていてもよい。すなわち、始動期間には突入電流によって大きなドレイン電流Ｉｄｓが流れることがあるため、制御部２２は、スイッチ素子１０がオンした直後の所定時間（始動期間）には、ゲート電圧Ｖｇｓを最大値に固定して大きなドレイン電流Ｉｄｓを流せる状態とする。この始動期間においては、制御部２２は、電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）が変化しても、ゲート電圧Ｖｇｓの切り替えは行わない。始動期間が経過すると、スイッチ装置１は、上述したようにドレイン電流Ｉｄｓに応じてゲート電圧Ｖｇｓを切り替える動作に移行する。
【００７５】
この構成によれば、スイッチ素子１０がオンした直後に、ゲート電圧Ｖｇｓが最大値に固定されるので、ゲート電圧Ｖｇｓが２Ｖから３Ｖ、３Ｖから４Ｖへと段階的に切り替えられる場合に比べ、ゲート電圧Ｖｇｓの切り替えに伴う損失を小さく抑えることができる。しかも、始動期間の経過後には、ゲート電圧Ｖｇｓを低下させることができるので、駆動回路２０の消費電力を低減することができる。
【００７６】
また、本実施形態の他の例として、スイッチ装置１は、ゲート電圧Ｖｇｓを上昇させた後の一定時間はゲート電圧Ｖｇｓを低下させる動作を行わないように構成されていてもよい。すなわち、制御部２２は、ゲート電圧Ｖｇｓを上昇させた時点から一定時間の不感期間を設定し、この不感期間には電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓの値）が減少しても、ゲート電圧Ｖｇｓを低下させる動作は行わない。ただし、不感期間においても、制御部２２は、ドレイン電流Ｉｄｓの増加に伴ってゲート電圧Ｖｇｓを上昇させる動作については行う。不感期間が経過すると、駆動回路２０は、その時点でのドレイン電流Ｉｄｓに応じてゲート電圧Ｖｇｓを切り替える動作に移行する。この機能は、たとえばピークホールド回路を用いて、不感期間の間はゲート電圧Ｖｇｓがピーク値に保持されるように駆動回路２０を構成することにより実現される。
【００７７】
この構成では、負荷電流のリンギングなどによりドレイン電流Ｉｄｓが頻繁に変動する場合に、一旦上がったゲート電圧Ｖｇｓは不感期間が経過するまでは低下させられることがなく、ゲート電圧Ｖｇｓの頻繁な切り替えに伴い生じる損失を低減することができる。
【００７８】
また、上記実施形態では、駆動回路２０は、ドレイン電流Ｉｄｓの判定値Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５を用いてゲート電圧Ｖｇｓを段階的に変化させているが、この例に限らず、ドレイン電流Ｉｄｓの大きさに応じてゲート電圧Ｖｇｓを連続的に変化させてもよい。すなわち制御部２２は、オン抵抗が規定値以下の低抵抗になる線形領域でスイッチ素子１０を動作させつつ、ゲート電圧Ｖｇｓが極力小さくなるように、ゲート電圧Ｖｇｓをドレイン電流Ｉｄｓに応じて連続的に変化させる構成であってもよい。この場合、制御部２２は、まず、スイッチ素子１０のオン抵抗が規定値以下になるように電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）に応じてゲート電圧Ｖｇｓの下限値を設定する。それから、制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で、電圧印加部２１から印加可能な最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節する。
【００７９】
（実施形態２）
本実施形態のスイッチ装置１は、スイッチ素子１０の両端にかかるドレイン電圧（素子電圧）Ｖｄｓの大きさに応じてゲート電圧Ｖｇｓの大きさを変化させる点が、実施形態１のスイッチ装置１と相違する。以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。
【００８０】
本実施形態では、スイッチ装置１は、電流モニタ部に代えて、図８に示すようにドレイン電圧Ｖｄｓを計測する電圧モニタ部２４を計測部として駆動回路２０に備え、電圧モニタ部２４が制御部２２に接続されている。ここで、スイッチ素子１０のＶｄｓ−Ｉｄｓ特性（図３参照）は既知であるため、ドレイン電圧Ｖｄｓが特定されれば、それに対応するドレイン電流Ｉｄｓが特定され、ドレイン電流Ｉｄｓとドレイン電圧Ｖｄｓとの関係からスイッチ素子１０のオン抵抗が求まる。したがって、ドレイン電圧Ｖｄｓはオン抵抗を反映する計測値となる。なお、図８では、トランスの記号を用いて電圧印加部２１を表している。
【００８１】
電圧モニタ部２４は、スイッチ素子１０のドレイン電極１２とソース電極１３とに接続されており、スイッチ素子１０の両端間（ドレイン電極１２−ソース電極１３間）にかかるドレイン電圧Ｖｄｓを計測し、計測値を制御部２２へ入力する。ドレイン電圧Ｖｄｓの値は、スイッチ素子１０の導通（オン）状態におけるスイッチ素子１０のオン抵抗とドレイン電流Ｉｄｓとの積である。そのため、オン抵抗が略一定である線形領域でスイッチ素子１０が動作している状態では、ドレイン電圧Ｖｄｓは、ドレイン電流Ｉｄｓの大きさに略比例し、ドレイン電流Ｉｄｓの大きさを反映することになる。
【００８２】
制御部２２は、ドレイン電圧Ｖｄｓの大きさに応じて、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値を選択する。ドレイン電圧Ｖｄｓとゲート電圧Ｖｇとの対応関係は、オン抵抗が規定値以下となるように、スイッチ素子１０の特性（図３参照）に基づいて予め定められてメモリ（図示せず）に記憶されている。ここで、オン抵抗が規定値以下になるのは、ドレイン電流Ｉｄｓが飽和するまでの線形領域でスイッチ素子１０が動作している間であり、ゲート電圧Ｖｇｓが大きいほどドレイン電流Ｉｄｓの飽和値は大きくなる。したがって、ドレイン電圧Ｖｄｓとゲート電圧Ｖｇｓとの対応関係は、基本的にはドレイン電圧Ｖｄｓが大きくなるほど、対応するゲート電圧Ｖｇｓが大きくなるように設定されることになる。
【００８３】
具体的には、実施形態１と同様に、図３におけるＩｄｓ＝α１×Ｖｄｓを表す直線Ｌ１と、Ｉｄｓ＝α２×Ｖｄｓを表す直線Ｌ２との間を許容範囲として、ドレイン電圧Ｖｄｓに対応するゲート電圧Ｖｇｓが設定される。これにより、制御部２２は、ドレイン電圧Ｖｄｓが図３中のＶ４≦Ｖｄｓ＜Ｖ５の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを５Ｖに調節し、ドレイン電圧Ｖｄｓが図３中のＶ３≦Ｖｄｓ＜Ｖ４の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを４Ｖに調節する。同様に、制御部２２は、ドレイン電圧Ｖｄｓが図３中のＶ２≦Ｖｄｓ＜Ｖ３の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを３Ｖに調節し、ドレイン電圧Ｖｄｓが図３中のＶｄｓ＜Ｖ２の範囲内にあればゲート電圧Ｖｇｓを２Ｖに調節する。
【００８４】
以上説明した構成によれば、スイッチ装置１は、実施形態１と同様に、スイッチ素子１０のオン抵抗を小さく抑えながらも、スイッチ素子１０の駆動に必要な電力を小さく抑えることができるという効果を奏する。また、駆動回路２０は、ドレイン電流Ｉｄｓに代えてスイッチ素子１０にかかるドレイン電圧Ｖｄｓの大きさに応じて、ゲート電圧Ｖｇｓを変化させるので、負荷３１とスイッチ素子１０との間に挿入される電流モニタ部が不要になる。したがって、電流モニタ部に電流が流れることによる電流モニタ部での電力損失が発生しないので、スイッチ装置１全体としてより低損失な構成を実現することができる。
【００８５】
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【００８６】
（実施形態３）
本実施形態のスイッチ装置１は、スイッチ素子１０のドレイン電流Ｉｄｓとドレイン電圧Ｖｄｓとの両方に応じてゲート電圧Ｖｇｓの大きさを変化させる点が、実施形態１のスイッチ装置１と相違する。以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。
【００８７】
本実施形態では、スイッチ装置１は、図９に示すように、電流モニタ部２３に加え、ドレイン電圧Ｖｄｓを計測する電圧モニタ部２４を計測部として駆動回路２０に備えている。さらに、駆動回路２０は、電流モニタ部２３および電圧モニタ部２４に接続された抵抗算出部２５を具備している。電圧モニタ部２４については、実施形態２で説明した電圧モニタ部２４と同様の構成であるから、ここでは説明を省略する。なお、図９では、トランスの記号を用いて電圧印加部２１を表している。
【００８８】
抵抗算出部２５は、電流モニタ部２３の計測値（ドレイン電流Ｉｄｓ）と電圧モニタ部２４の計測値（ドレイン電圧Ｖｄｓ）とを用いて、スイッチ素子１０のオン抵抗を算出する。すなわち、ドレイン電圧Ｖｄｓをドレイン電流Ｉｄｓで除した値はオン抵抗を表すから、抵抗算出部２５は、電流モニタ部２３および電圧モニタ部２４の計測値を用いて、スイッチ素子１０のオン抵抗を算出し、算出したオン抵抗の値を制御部２２に出力する。
【００８９】
制御部２２は、抵抗算出部２５で算出されたオン抵抗の大きさを用いて、オン抵抗が規定値以下の低抵抗になる線形領域でスイッチ素子１０が動作する範囲内でゲート電圧Ｖｇｓが最小となるように、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさを選択する。要するに、制御部２２は、スイッチ素子１０の特性（図３参照）に基づいてゲート電圧Ｖｇｓを決定するのではなく、ドレイン電流Ｉｄｓおよびドレイン電圧Ｖｄｓの実測値から求められたオン抵抗の大きさに基づいてゲート電圧Ｖｇｓの大きさを決定する。
【００９０】
具体的には、制御部２２は、図３におけるＩｄｓ＝α２×Ｖｄｓを表す直線Ｌ２の傾きα２の逆数（１／α２）を規定値として、抵抗算出部２５の算出値（オン抵抗）が規定値以下となるようにゲート電圧Ｖｇｓの下限値を設定する。この場合、制御部２２は、抵抗算出部２５で算出されたオン抵抗が増加して規定値に達すると下限値を大きくするように、抵抗算出部２５で算出されたオン抵抗に基づいて下限値を設定する。制御部２２は、設定した下限値を下回らない範囲で、電圧印加部２１から印加可能な最小の大きさにゲート電圧Ｖｇｓを調節とする。
【００９１】
たとえば、ゲート電圧Ｖｇｓの大きさを２Ｖ，３Ｖ，４Ｖ，５Ｖの４段階で変化させる場合、駆動回路２０は、抵抗算出部２５の算出値（オン抵抗）が大きくなって規定値（１／α２）に達する度に、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値を２Ｖから順に大きくする。一方、駆動回路２０は、抵抗算出部２５の算出値（オン抵抗）が小さくなって規定値（１／α２）を下回る度に、ゲート電圧Ｖｇｓの下限値を順に小さくする。
【００９２】
このように、本実施形態のスイッチ装置１は、ドレイン電流Ｉｄｓおよびドレイン電圧Ｖｄｓの実測値から求められたオン抵抗の大きさに基づいて、制御部２２がゲート電圧Ｖｇｓの大きさを決定している。スイッチ素子１０は、制御部２２で決定された大きさのゲート電圧Ｖｇｓにて駆動されるので、オン抵抗が規定値以下の低抵抗になる線形領域で動作しつつ、ゲート電圧Ｖｇｓを極力小さく抑えることができる。
【００９３】
以上説明した構成によれば、スイッチ装置１は、実施形態１と同様に、スイッチ素子１０のオン抵抗を小さく抑えながらも、スイッチ素子１０の駆動に必要な電力を小さく抑えることができるという効果を奏する。また、駆動回路２０は、ドレイン電流Ｉｄｓおよびドレイン電圧Ｖｄｓの実測値から求まるオン抵抗の大きさに応じてゲート電圧Ｖｇｓを変化させるので、たとえスイッチ素子１０の特性にばらつきがあっても、オン抵抗を規定値以下の低抵抗に保つことができる。要するに、本実施形態では、スイッチ装置１は、スイッチ素子１０の特性に依らずオン抵抗の実測値に基づいてゲート電圧Ｖｇｓを決定するので、スイッチ素子１０の周辺温度変化等により特性がばらついても、オン抵抗を規定値以下の低抵抗に保つことができる。
【００９４】
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【符号の説明】
【００９５】
１ スイッチ装置
１０ スイッチ素子
１１ ゲート電極（制御電極）
１２ ドレイン電極（第１電極）
１３ ソース電極（第２電極）
２０ 駆動回路
２１ 電圧印加部
２２ 制御部
２３ 電流モニタ部（計測部）
２４ 電圧モニタ部（計測部）
２５ 抵抗算出部
Ｉｄｓ ドレイン電流（素子電流）
Ｖｇｓ ゲート電圧（制御電圧）
Ｖｄｓ ドレイン電圧（素子電圧）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と第２電極と制御電極とを有し前記第１電極と前記第２電極との間の電流経路をオンオフするスイッチ素子と、前記スイッチ素子の前記制御電極に制御電圧を印加して前記スイッチ素子のオンオフを切り替える駆動回路とを備え、
前記駆動回路は、前記スイッチ素子に前記制御電圧を印加する電圧印加部と、前記電圧印加部を制御し前記制御電圧の大きさを決定する制御部と、前記第１電極と前記第２電極との間のオン抵抗を反映する計測値を計測する計測部とを有し、
前記制御部は、前記スイッチ素子がオンしている状態において、前記オン抵抗が規定値以下になるように前記計測値に応じて前記制御電圧の下限値を設定し、当該下限値を下回らない範囲で前記電圧印加部から印加可能な最小の大きさに前記制御電圧を調節することを特徴とするスイッチ装置。
【請求項２】
前記計測部は、前記スイッチ素子の前記第１電極と前記第２電極との間を流れる電流を素子電流として計測し、
前記制御部は、前記計測部で計測された前記素子電流が大きくなるほど前記下限値を大きくするように、前記計測部で計測された前記素子電流と既知である前記スイッチ素子の特性とに基づいて前記下限値を設定することを特徴とする請求項１に記載のスイッチ装置。
【請求項３】
前記計測部は、前記スイッチ素子の両端にかかる電圧を素子電圧として計測し、
前記制御部は、前記計測部で計測された前記素子電圧が大きくなるほど前記下限値を大きくするように、前記計測部で計測された前記素子電圧と既知である前記スイッチ素子の特性とに基づいて前記下限値を設定することを特徴とする請求項１に記載のスイッチ装置。
【請求項４】
前記計測部は、前記スイッチ素子の前記第１電極と前記第２電極との間を流れる電流を素子電流として計測し、前記スイッチ素子の両端にかかる電圧を素子電圧として計測し、
前記計測部で計測された前記素子電流と前記素子電圧とから前記オン抵抗を算出する抵抗算出部が設けられており、
前記制御部は、前記抵抗算出部で算出された前記オン抵抗が増加して前記規定値に達すると前記下限値を大きくするように、前記抵抗算出部で算出された前記オン抵抗に基づいて前記下限値を設定することを特徴とする請求項１に記載のスイッチ装置。
【請求項５】
前記制御部は、予め設定されている複数段階の電圧値の中から前記制御電圧の大きさを選択することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のスイッチ装置。
【請求項１】
第１電極と第２電極と制御電極とを有し前記第１電極と前記第２電極との間の電流経路をオンオフするスイッチ素子と、前記スイッチ素子の前記制御電極に制御電圧を印加して前記スイッチ素子のオンオフを切り替える駆動回路とを備え、
前記駆動回路は、前記スイッチ素子に前記制御電圧を印加する電圧印加部と、前記電圧印加部を制御し前記制御電圧の大きさを決定する制御部と、前記第１電極と前記第２電極との間のオン抵抗を反映する計測値を計測する計測部とを有し、
前記制御部は、前記スイッチ素子がオンしている状態において、前記オン抵抗が規定値以下になるように前記計測値に応じて前記制御電圧の下限値を設定し、当該下限値を下回らない範囲で前記電圧印加部から印加可能な最小の大きさに前記制御電圧を調節することを特徴とするスイッチ装置。
【請求項２】
前記計測部は、前記スイッチ素子の前記第１電極と前記第２電極との間を流れる電流を素子電流として計測し、
前記制御部は、前記計測部で計測された前記素子電流が大きくなるほど前記下限値を大きくするように、前記計測部で計測された前記素子電流と既知である前記スイッチ素子の特性とに基づいて前記下限値を設定することを特徴とする請求項１に記載のスイッチ装置。
【請求項３】
前記計測部は、前記スイッチ素子の両端にかかる電圧を素子電圧として計測し、
前記制御部は、前記計測部で計測された前記素子電圧が大きくなるほど前記下限値を大きくするように、前記計測部で計測された前記素子電圧と既知である前記スイッチ素子の特性とに基づいて前記下限値を設定することを特徴とする請求項１に記載のスイッチ装置。
【請求項４】
前記計測部は、前記スイッチ素子の前記第１電極と前記第２電極との間を流れる電流を素子電流として計測し、前記スイッチ素子の両端にかかる電圧を素子電圧として計測し、
前記計測部で計測された前記素子電流と前記素子電圧とから前記オン抵抗を算出する抵抗算出部が設けられており、
前記制御部は、前記抵抗算出部で算出された前記オン抵抗が増加して前記規定値に達すると前記下限値を大きくするように、前記抵抗算出部で算出された前記オン抵抗に基づいて前記下限値を設定することを特徴とする請求項１に記載のスイッチ装置。
【請求項５】
前記制御部は、予め設定されている複数段階の電圧値の中から前記制御電圧の大きさを選択することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のスイッチ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２４４６１３（Ｐ２０１２−２４４６１３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６３１２（Ｐ２０１１−１１６３１２）
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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