特許 5711040 双方向スイッチおよびそれを利用した充放電保護装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5711040

(24)【登録日】2015年3月13日

(45)【発行日】2015年4月30日

(54)【発明の名称】双方向スイッチおよびそれを利用した充放電保護装置

(51)【国際特許分類】

   H03K 17/687 20060101AFI20150409BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20150409BHJP

【ＦＩ】

   H03K17/687 G

   H02J7/00 A

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2011-100356(P2011-100356)

(22)【出願日】2011年4月28日

(65)【公開番号】特開2012-235181(P2012-235181A)

(43)【公開日】2012年11月29日

【審査請求日】2014年1月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】514107233

【氏名又は名称】トランスフォーム・ジャパン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100144325

【弁理士】

【氏名又は名称】小澁 高弘

(72)【発明者】

【氏名】庄野 健

【審査官】 栗栖 正和

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００７−５２６６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１０２１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２４６６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｋ １７／００−１７／７０

Ｈ０２Ｊ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＨＥＭＴを有する双方向スイッチと、
第１の条件時に前記ＨＥＭＴのソースまたはドレインの一方の端子とゲートとの間に閾値電圧未満の第１の電圧を印加して前記ソースまたはドレインの他方の端子から前記一方の端子への第１の電流パスをオフにし、第２の条件時に前記他方の端子とゲートとの間に前記閾値電圧未満の第２の電圧を印加して前記一方の端子から他方の端子への第２の電流パスをオフにし、第３の条件時に前記ＨＥＭＴのソース及びドレインとゲートとの間に前記閾値電圧より高い第３の電圧を印加して前記第１、第２の電流パスをオンにする制御回路とを有する双方向スイッチ装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記双方向スイッチは、双方向の電流経路に設けられ、
前記双方向スイッチは、単一の前記ＨＥＭＴを有する双方向スイッチ装置。

【請求項3】

電池セルの２端子のいずれかの電流経路に設けられ、ＨＥＭＴを有する双方向スイッチと、
前記電池セルが第１の充電電圧を超える時に、前記ＨＥＭＴのソースまたはドレインの一方の端子とゲートとの間に閾値電圧未満の第１の電圧を印加して前記ＨＥＭＴの充電電流パス方向をオフにし、前記前記第１の充電電圧より低い第２の充電電圧未満の時に、前記ＨＥＭＴのソースまたはドレインの他方の端子とゲートとの間に前記閾値電圧未満の第２の電圧を印加して前記ＨＥＭＴの放電電流パス方向をオフにし、前記第１の充電電圧より低く前記第２の充電電圧より高い時に、前記ＨＥＭＴのソース及びドレインとゲートとの間に前記閾値電圧より高い第３の電圧を印加し前記ＨＥＭＴの充電電流パスと放電電流パスの双方向パスをオンにする制御回路とを有する充放電保護装置。

【請求項4】

ＨＥＭＴを有する双方向スイッチと、
第１の条件時に前記ＨＥＭＴのソースまたはドレインの一方の端子とゲートとの間に閾値電圧以上の第１の電圧を印加して前記ソースまたはドレインの他方の端子から前記一方の端子への第１の電流パスをオンにし、第２の条件時に前記一方の端子とゲートとの間と前記他方の端子とゲートとの間とに前記閾値電圧未満の第２の電圧を印加して前記第１の電流パスと前記一方の端子から他方の端子への第２の電流パスとをオフにし、第３の条件時に前記ＨＥＭＴのソース及びドレインとゲートとの間に前記閾値電圧より高い第３の電圧を印加して前記第１、第２の電流パスをオンにする制御回路とを有する双方向スイッチ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は，双方向スイッチ装置およびそれを利用した充放電保護装置に関する。

【背景技術】

【0002】

パワーＭＯＳＦＥＴは，半導体基板のチャネル領域内に形成されたソース，ドレイン領域と，それらの間に形成されたゲート電極とを有する。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴの場合，チャネル領域は最も低い電位のソース領域に接続され，フローティング状態にならないようにされている。そのため，ソース領域及びそれに接続されたチャネル領域からドレイン領域へに向かって寄生的なボディ・ダイオードが形成される。つまり，通常の回路において，Ｎ型ＭＯＳＦＥＴは，ドレイン領域からソース領域方向の電流パスがオンオフ制御されるが，ソース領域からドレイン領域へ向かう電流パスは，ボディ・ダイオードにより常時形成されており，遮断されることはない。

【0003】

したがって，パワーＭＯＳＦＥＴにより双方向スイッチを構成するためには，２個のパワーＭＯＳＦＥＴを組み合わせる必要があり，コストアップになる。

【0004】

一方，Ｌｉイオン電池は，過充電や過放電を防止するために，電池パック内に電池のセルに加えて，その過充電や過放電を防止する充放電保護装置を有する。この充放電保護装置は，双方向スイッチを有する。この双方向性スイッチは，双方向の電流についてオンオフ制御を行う必要があり，２個のパワーＭＯＳＦＥＴで構成される。

【0005】

そこで，ＳＩＴ（ＳＴＡＴＩＣ ＩＮＤＵＣＴＩＯＮ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）を双方向スイッチ素子に利用して，双方向の電流をオンオフ制御することが提案されている。たとえば，特許文献１などである。しかし，この双方向スイッチ素子は，双方向の電流をオンにするかオフにするかの２つの状態しか取りえない。

【0006】

また，ＵＳＢ機器では，自身の内部電源に加えて，ＵＳＢバス経由の電源供給も行われる。そのため，内部電源とＵＳＢバス電源とを切り替える必要があり，双方向スイッチ素子が必要になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００１−２５１７７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ＳＩＴを双方向スイッチにした場合は，双方向の電流パスをオンにするかオフにするかしかできず，一方向は導通し，他の方向は遮断するといった制御はできない。

【0009】

そこで，本発明の目的は，少ない素子で構成できる双方向スイッチ装置およびそれを利用した充放電保護装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

双方向スイッチ装置の第１の側面は，ＨＥＭＴを有する双方向スイッチと，第１の条件時に前記ＨＥＭＴのソースまたはドレインの一方の端子とゲートとの間に閾値電圧未満の第１の電圧を印加して前記ソースまたはドレインの他方の端子から前記一方の端子への第１の電流パスをオフにし，第２の条件時に前記他方の端子とゲートとの間に前記閾値電圧未満の第２の電圧を印加して前記一方の端子から他方の端子への第２の電流パスをオフにし，第３の条件時に前記ＨＥＭＴのソース及びドレインとゲートとの間に前記閾値電圧より高い第３の電圧を印加して前記第１，第２の電流パスをオンにする制御回路とを有する。

【発明の効果】

【0011】

第１の側面によれば，少ないトランジスタ数で構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】二次電池とそれに接続される負荷または充電器の構成を示す図である。

【図2】パワーＭＯＳＦＥＴの断面構造を示す図である。

【図3】本実施の形態における二次電池とそれに接続される負荷または充電器の構成を示す図である。

【図4】ＨＥＭＴの断面図である。

【図5】本実施の形態における制御回路１１０の回路の一例を示す図である。

【図6】本実施の形態における双方向スイッチの動作特性を示す図である。

【図7】第２の実施の形態における双方向スイッチ装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

二次電池は自動車や，ノートパソコンや携帯電話などさまざまな機器に利用される蓄電池または充電式電池である。

【0014】

図１は，二次電池とそれに接続される負荷または充電器の構成を示す図である。二次電池１００内には，電池を蓄積する電池セルＣＥＬＬと，その電池セルＣＥＬＬの２端子Ｖ１＋，Ｖ１−と外部端子１０１，１０２のいずれかの端子との間の電流路（図１の例では電池セルＣＥＬＬの負端子Ｖ１−と外部端子１０２との間の電流路）に設けられた双方向スイッチＱ１０，Ｑ１１と，それを制御する制御回路１１０とを有する。双方向スイッチは，２つのＭＯＳＦＥＴであるトランジスタＱ１０，Ｑ１１を有し，それらのソース・ドレイン端子Ｓ，Ｄが逆方向になるように直列に接続されている。

【0015】

二次電池１００の外部端子１０１，１０２が充電器２００に接続されると，正の外部端子１０１から負の外部端子１０２に向かう充電電流パスに充電電流が流れて，電池セルＣＥＬＬに充電が行われ，充電電圧Ｖ１（２端子Ｖ１＋，Ｖ１−間の電圧）が上昇する。一方，二次電池１００の外部端子１０１，１０２が負荷２００に接続されると，負の外部端子１０２から正の外部端子１０１に向かう放電電流パスに放電電流が流れて，電池セルＣＥＬＬが放電され，充電電圧Ｖ１が低下する。

【0016】

リチウムイオン電池の場合，規格上，２端子間の充電電圧Ｖ１が第１の電圧（例えば４．３Ｖ）を超えて充電することと，第１の電圧より低い第２の電圧（例えば２．３Ｖ）未満に放電することが禁止されている。そこで，制御回路１１０は，電池セルＣＥＬＬの両端子間の充電電圧Ｖ１を監視し，（１）Ｖ１＞４．３Ｖの場合は，トランジスタＱ１１のゲートの電圧Ｃｏｕｔを閾値電圧未満のＬレベルにしてトランジスタＱ１１をオフにして充電パスを遮断し，（２）Ｖ１＜２．３Ｖの場合は，トランジスタＱ１０のゲート電圧Ｄｏｕｔを閾値電圧未満のＬレベルにしてトランジスタＱ１０をオフにして放電パスを遮断する。さらに，制御回路１１０は，（３）２．３Ｖ＜Ｖ１＜４．３Ｖの場合は，両トランジスタＱ１０，Ｑ１１のゲート電圧Ｄｏｕｔ，Ｃｏｕｔを閾値電圧以上のＨレベルにし，両トランジスタを導通状態にして，充電パスも放電パスも導通状態にする。

【0017】

上記（１）Ｖ１＞４．３Ｖの場合は，トランジスタＱ１０のゲート電圧Ｄｏｕｔは閾値電圧以上のＨレベルでありトランジスタＱ１０はオンとなり，トランジスタＱ１１の寄生ダイオードＤ１１とトランジスタＱ１０のドレイン・ソース間のオンにより，放電パスは導通状態になる。ただし，トランジスタＱ１１は，ゲート電圧Ｃｏｕｔが閾値電圧未満となりドレイン・ソース間がオフになり，充電パスは非導通状態になる。

【0018】

同様に，（２）Ｖ１＜２．３Ｖの場合は，トランジスタＱ１１のゲート電圧Ｃｏｕｔは閾値電圧以上のＨレベルでありトランジスタＱ１１はオンとなり，トランジスタＱ１０の寄生ダイオードＤ１０とトランジスタＱ１１のドレイン・ソース間のオンにより，充電パスは導通状態になる。ただし，トランジスタＱ１０は，ゲート電圧Ｄｏｕｔが閾値電圧未満となりドレイン・ソース間がオフになり，放電パスは非導通状態になる。

【0019】

このように，パワーＭＯＳＦＥＴには，ソース，ドレイン領域とチャネル領域間にＰＮ接合があるので，ソースからドレイン方向に寄生のボディ・ダイオードが形成される。そして，この寄生ボディ・ダイオードが存在するため，パワーＭＯＳＦＥＴは，ドレインからソース方向の電流パスのオンオフしか制御できない。パワーＭＯＳＦＥＴだけでなく，高耐圧ではない通常のＭＯＳＦＥＴも同様である。

【0020】

図２は，パワーＭＯＳＦＥＴの断面構造を示す図である。このパワーＭＯＳＦＥＴは，Ｐ型のシリコン基板１０の表面部に形成されたＰ型のチャネル領域１１と，チャネル領域１１内に設けられたＮ型のソース領域１２と，Ｎ型のドレイン領域１４と，ドレイン領域１４の周りのＮ型の低濃度ドレイン領域１３と，ゲート電極１６と，ソース電極１５と，ドレイン電極１７と，絶縁膜１８とを有する。

【0021】

チャネル領域１１は，フローティング状態にならないように，最も電位が低いソース電極１５に接続されている。そのため，ソース電極１５からドレイン電極１５との間に，ＰＮ接合からなるボディ・ダイオードＤ１０が形成されている。このボディ・ダイオードＤ１０により，ＭＯＳＦＥＴは，ソースからドレイン方向の電流パスをゲート電圧によって制御することはできない。ゲート電圧で制御できるのは，ドレインからソース方向の電流パスだけである。

【0022】

このような，パワーＭＯＳＦＥＴの構造上の理由から形成されているボディ・ダイオードＤ１０の存在に起因して，図１のように，双方向スイッチは，２個のパワーＭＯＳＦＥＴを直列に接続して構成することが必要になる。

【0023】

［本実施の形態］
図３は，本実施の形態における二次電池とそれに接続される負荷または充電器の構成を示す図である。二次電池１００内には，電池を蓄積する電池セルＣＥＬＬと，その電池セルＣＥＬＬの２端子Ｖ１＋，Ｖ１−のいずれかの電流路（図３の例では電池セルＣＥＬＬの負端子Ｖ１−と外部端子１０２との間の電流路）に設けられた双方向スイッチＱ０と，それを制御する制御回路１１０とを有する。双方向スイッチＱ０は，電池セルＣＥＬＬの正端子Ｖ１＋と外部端子１０１との間の電流路に設けられてもよい。

【0024】

外部端子１０１，１０２に充電器２００が接続されると，外部端子１０１から電池セルＣＥＬＬ，外部端子１０２の充電電流パスにより電池セルＣＥＬＬに電荷が充電され，外部端子１０１，１０２に負荷回路が接続されると，外部端子１０２から電池セルＣＥＬＬ，外部端子１０１の放電電流パスにより電池セルＣＥＬＬ内の電荷が放電される。

【0025】

双方向スイッチＱ０は，１個のノーマリオフ型のＮチャネルＨＥＭＴを有する。そして，このＨＥＭＴＱ０のゲートＧ，ソースＳ，ドレインＤが制御回路１２０に接続され，制御回路１２０は，電池セルＣＥＬＬの両端子間の充電電圧にしたがって，ＨＥＭＴＱ０のゲート・ソース間電圧，ゲート・ドレイン間電圧を制御する。

【0026】

図４は，ＨＥＭＴの断面図である。このＨＥＭＴは，シリコン基板２０上にバッファ層２１を介してノンドープＧａＮ層を有する電子走行層２２と，電子走行層２２とヘテロ接合されたｎ型のＡｌＧａＮ層を有する電子供給層２３と，ｎ型のＧａＮ層を有するキャップ層２４と，ノンドープのＳｉＮ層を有する絶縁層２５とを有する。そして，ゲート電極Ｇがキャップ層２４上に，ソース，ドレイン電極Ｓ，Ｄが電子供給層２３上にそれぞれ設けられている。そして，電子供給層２３と電子走行層２２とのヘテロ接合の電子走行層２２内に電子のチャネル層が形成される。

【0027】

通常はゲート・ソース間よりもゲート・ドレイン間のほうが大きな電圧が印加されるので，ゲート電極はソース側に偏って設けられている。ただし，双方向の電流パスを利用する場合は，必ずしもゲート電極がソース側に偏って設けられる必要はない。

【0028】

このＨＥＭＴは，ゲート・ソース間電圧を閾値電圧未満にするとドレインＤからソースＳ方向の電流パスが遮断され，ゲート・ドレイン間電圧を閾値電圧未満にするとソースＳからドレインＤ方向の電流パスが遮断される。また，ゲート・ソース間電圧を閾値電圧以上にするとドレインＤからソースＳ方向の電流が流れ，ゲート・ドレイン間電圧を閾値電圧以上にするとソースＳからドレインＤ方向の電流が流れる。そして，ゲート・ソース間とゲート・ドレイン間の両方を閾値電圧以上にすると双方向に電流が流れる。

【0029】

そこで，図３における制御回路１２０は，電池セルＣＥＬＬの２端子間の充電電圧Ｖ１を監視し，（１）Ｖ１＜２．３Ｖの時は，ゲートＧとソースＳ間電圧を閾値電圧未満にして，ドレインＤからソースＳ方向の放電パスを遮断し，ゲートＧとドレインＤ間電圧を閾値電圧以上にしてソースＳからドレインＤ方向の充電パスは導通状態にする。また，制御回路１２０は，（２）４．３Ｖ＜Ｖ１の時は，ゲートＧとドレインＤとの間の電圧を閾値電圧未満にして，ソースＳからドレインＤ方向の充電パスを遮断し，ゲートＧとソースＳ間電圧を閾値電圧以上にして，ドレインＤからソースＳ方向の放電パスを導通状態にする。さらに，制御回路１２０は，（３）２．３Ｖ＜Ｖ１＜４．３Ｖの時は，ゲート・ソース間電圧とゲート・ドレイン間電圧を閾値電圧以上にして，放電パス，充電パスの両方の電流パスをオン（導通状態）にする。

【0030】

図４が示すとおり，Ｎ型のＨＥＭＴにはＰ型層がないので，パワーＭＯＳＦＥＴのような寄生のボディ・ダイオードを構成するＰＮ接合を有していない。したがって，１個のＨＥＭＴは，一方向の電流パスだけをオフ，オンする動作ではなく，両方向の電流パスに対して，個別にオン，オフにすることができ，さらに両方向の電流パスをオン，オフにすることができる。

【0031】

さらに，ＨＥＭＴの場合は，双方向の電流パスのオンとオフとを制御できるため，ソースをドレインより高い電位側に接続すると，電流パスがソースからドレイン方向に形成される。このように，ソース領域が常にトランジスタのソースになるわけではなく，ソースとドレインは，電位の状態に応じて，ソースおよびドレインの一方がドレインとして機能し，他方がソースとして機能したり，一方がソースとして機能し，他方がドレインとして機能したりする。以下は，便宜的にソースおよびドレインの一方をソースＳ，他方をドレインＤと称する。

【0032】

図５は，本実施の形態における制御回路１１０の回路の一例を示す図である。ＮＰＮトランジスタＱ１は，ソースＳに接続された定電圧ＶａとゲートＧとの間を接続または非接続するスイッチング素子であり，コンパレータＣＭＰ１の出力がＨレベルの時にオンし，ＨＥＭＴＱ０のゲート・ソース間をその閾値電圧Ｖｔｈ（例えば１．５Ｖ）より低いＶａ＝１．１Ｖにクランプし，Ｌレベルの時にオフになる。

【0033】

コンパレータＣＭＰ１は，ツェナーダイオードＺ１のカソードが正極入力に接続され，電池セルＣＥＬＬの両端子間の電圧Ｖ１（（Ｖ１＋）−（Ｖ１−））を抵抗Ｒ１，Ｒ２で抵抗分割したノードＮ１が負極入力に接続される。そして，抵抗Ｒ１，Ｒ２は，電池セルＣＥＬＬの両端子間電圧Ｖ１が２．３Ｖを超えるとノードＮ１がツェナーダイオードの電圧を超えるようにその抵抗値が設定されている。したがって，コンパレータＣＭＰ１の出力は，電池セルの両端子間電圧Ｖ１がＶ１＜２．３ＶになるとＨレベルになり，トランジスタＱ１を導通させ，ＨＥＭＴＱ０のゲート・ソース間電圧を定電圧Ｖａ＝１．１Ｖにクランプする。その結果，ＨＥＭＴのドレインＤからソースＳ方向の放電パスは遮断される。

【0034】

ただし，トランジスタＱ２はオフ状態であり，ゲートＧとドレインＤ間には閾値電圧Ｖｔｈより高い低電圧Ｖｃ＝３．５Ｖが印加されて，ソースＳからドレインＤ方向の充電パスはオン状態である。

【0035】

一方，ＮＰＮトランジスタＱ２は，ドレインＤに接続された定電圧ＶｂとゲートＧとの間を接続，非接続するスイッチング素子であり，コンパレータＣＭＰ２の出力がＨレベルの時にオンし，ＨＥＭＴＱ０のゲート・ドレイン間をその閾値電圧Ｖｔｈより低いＶｂ＝１．１Ｖにクランプし，Ｌレベルの時にオフになる。

【0036】

コンパレータＣＭＰ２は，ツェナーダイオードＺ２のカソードが負極入力に接続され，電池セルＣＥＬＬの両端子間の電圧Ｖ１（（Ｖ１＋）−（Ｖ１−））を抵抗Ｒ３，Ｒ４で抵抗分割したノードＮ２が正極入力に接続される。そして，抵抗Ｒ３，Ｒ４は，電池セルＣＥＬＬの両端子間電圧Ｖ１が４．３Ｖを超えるとノードＮ２がツェナーダイオードの電圧を超えるようにその抵抗値が設定されている。したがって，コンパレータＣＭＰ２の出力は，電池セルの両端子間電圧Ｖ１が４．３Ｖ＜Ｖ１になるとＨレベルになり，トランジスタＱ２を導通させ，ＨＥＭＴＱ０のゲート・ドレイン間電圧を定電圧Ｖａ＝１．１Ｖにクランプする。その結果，ＨＥＭＴのソースＳからドレインＤ方向の充電パスは遮断される。

【0037】

ただし，トランジスタＱ１はオフ状態であり，ゲートＧとソースＳ間には閾値電圧Ｖｔｈより高い低電圧Ｖｃ＝３．５Ｖが印加されて，ドレインＤからソースＳ方向の放電パスはオン状態である。

【0038】

そして，電池セルＣＥＬＬの両端子間の電圧Ｖ１が２．３Ｖ＜Ｖ１＜４．３Ｖの場合は，コンパレータＣＭＰ１，ＣＭＰ２の出力が共にＬレベルになる。その結果，トランジスタＱ１，Ｑ２は共にオフになり，ゲートＧには抵抗Ｒ５，Ｒ６を介して定電圧Ｖｃ（＝３．５Ｖ）が印加される。そのため，ソースＳ，ドレインＤがグランド電位ＶＳＳ近傍であれば，ＨＥＭＴＱ０は，充電パス方向も放電パス方向も導通する双方向導通状態になる。つまり，電池セルＣＥＬＬは，充電器による充電パスも，負荷機器に対する放電パスも両方オン状態になる。

【0039】

なお，コンパレータＣＭＰ１，ＣＭＰ２の電源は，図示しない定電圧が使用される。

【0040】

また，ＧａＮのＨＥＭＴは，オフ状態における逆方向，つまりオフ状態のソース・ドレイン間またはドレイン・ソース間とは逆方向の電圧降下が大きい。このような大きな電圧降下はスイッチトしては好ましくない。そこで，ゲート電圧をソースまたはドレインに対してゼロ電圧まで下げるのではなく，閾値電圧Ｖｔｈよりもやや低い電圧（Ｖａ，Ｖｂ＝１．１Ｖ）までしか下げないようにして，オフ状態とは逆方向の電圧降下を小さくしている。もし，低電圧Ｖａ，ＶｂがゼロＶとすると，オフ状態と逆方向の電圧差が大きくなりすぎるからである。

【0041】

双方向スイッチのＨＥＭＴは，電子走行層がＧａＮに限定されず，ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓであっても同様に，寄生ボディ・ダイオードを有していないので，本実施の形態に適用できる。ただし，ＧａＮの場合は，そのバンドギャップが大きく，高耐圧であるので，パワートランジスタとして適している。

【0042】

図６は，本実施の形態における双方向スイッチの動作特性を示す図である。横軸は二次電池１００の外部端子１０１に接続される負荷／充電器２００の電圧Ｖｄｄを，縦軸は，二次電池１００に流れる充電および放電電流を示す。縦軸の０．０Ａよりプラス側が充電電流を，マイナス側が放電電流を示している。そして，Ｖｓｓは０Ｖとする。また，図６には，二次電池内の電池セルＣＥＬＬの２端子間電圧Ｖ１が，２．３Ｖの場合，３．０Ｖの場合，４．０Ｖの場合，４．３Ｖの場合について，それぞれの充放電電流特性が示されている。

【0043】

Ｖ１＝３．０Ｖの場合は，双方向スイッチのＨＥＭＴＱ０が双方向に導通状態にあるので，負荷／充電器２００の電圧Ｖｄｄが３．０Ｖを超えると充電電流が流れ，３．０Ｖ未満だと放電電流が流れる。Ｖ２＝４．０Ｖの場合も，ＨＥＭＴＱ０が双方向に導通状態にあるので，同様である。

【0044】

Ｖ１が２．３Ｖの場合は，双方向スイッチのＨＥＭＴＱ０は，放電パスがオフになり，充電パスはオンになっている。すなわち，ゲート・ソース間はＶａ＝１．１Ｖでクランプされているが，充電パスではゲート・ドレイン間がＶｃ＝３．５Ｖと閾値電圧Ｖｔｈを越えてオンする。よって，電圧Ｖｄｄが２．３Ｖを超えれば充電電流が流れ，２．３Ｖ未満では放電電流は流れない。Ｖ１が２．３Ｖ未満の場合は，電圧Ｖｄｄに係わらず充電電流は流れるが放電電流は流れない。

【0045】

逆に，Ｖ１が４．３Ｖの場合は，双方向スイッチのＨＥＭＴＱ０は，充電パスがオフになり，放電パスはオンになっている。すなわち，ゲート・ドレイン間はＶｂ＝１．１Ｖでクランプされているが，放電パスではゲート・ソース間はＶｃ＝３．５Ｖと閾値電圧を越えてオンする。よって，電圧Ｖｄｄが４．３Ｖを超えれば充電電流は流れず，４．３Ｖ未満では放電電流が流れる。Ｖ１が４．３Ｖを超える場合は，電圧Ｖｄｄに係わらず充電電流は流れず放電電流は流れる。

【0046】

このように，本実施の形態の双方向スイッチは，双方向に電流パスがオンする状態と，ソースからドレインの一方向のみの電流パスがオフになる状態と，ドレインからソースの一方向のみの電流パスがオフになる状態の３つの状態を有する。もちろん，ゲート・ソース間とゲート・ドレイン間を１．１Ｖでクランプすることで，双方向の電流パスを共にオフにすることもできる。

【0047】

本実施の形態では，双方向スイッチを構成する１個のＨＥＭＴは，一方方向の電流を遮断して過充電を防止し，他方方向の電流を遮断して過放電を防止し，双方向の電流を流して充電と放電を許可する。

【0048】

図７は，第２の実施の形態における双方向スイッチ装置を示す図である。この例では，ＵＳＢ接続可能なＵＳＢ機器３００が，ＵＳＢバスの電流パスと内部電源の電流パスとを制御するために双方向スイッチＱ２１，Ｑ２２を有する。

【0049】

ＵＳＢ機器３００の内部回路３０２は，電源ＶｄｄをＵＳＢバス電源端子３０６または内部電源端子３０８のいずれから供給される。内部電源は，例えばＡＣアダプタや内蔵電池の電源である。そのために，１個のＨＥＭＴからなる双方向スイッチＱ２１，Ｑ２２が両電源端子３０６，３０８と電源Ｖｄｄとの間に設けられ，制御回路３０４によりそれらのＨＥＭＴのゲート・ソース間電圧及びゲート・ドレイン間電圧が制御される。

【0050】

ＵＳＢ機器では，２つの電源端子３０６，３０８のうち，例えば，内部電源端子３０８の電源が優先される。つまり，（１）内部電源端子３０８に規定の電圧が印加されている場合は，ＵＳＢバス電源端子３０６の電圧状態にかかわらず内部電源端子３０８側の電圧が内部回路３０２の電源Ｖｄｄに供給される。一方，（２）内部電源端子３０８に規定の電圧が印加されておらず（０Ｖまたはオープン），ＵＳＢバス電源端子３０６に規定の電圧が印加されている場合は，ＵＳＢバス電源端子３０６の電圧が内部回路３０２の電源Ｖｄｄに供給される。

【0051】

したがって，上記の（１）の場合は，ＨＥＭＴＱ２２の少なくともドレインＤからソースＳ方向の電流パスはオンにされ，ＨＥＭＴＱ２１は双方向の電流パスがオフにされる。これにより，内部電源端子３０８からの電源電流がＵＳＢバス電源端子３０６側に流れないようにされる。ＨＥＭＴＱ２２の少なくともドレインＤからソースＳ方向の電流パスをオンにするため，制御回路３０４は，ゲート・ソース間電圧を閾値電圧以上に制御する。また，制御回路３０４は，ＨＥＭＴＱ２１のゲート・ソース間及びゲート・ドレイン間電圧を閾値電圧未満に制御する。この閾値電圧未満の電圧は，前述のとおり，閾値電圧Ｖｔｈよりやや低い低電圧，例えば１．１Ｖにすることが望ましい。それにより，オフ状態における逆方向の電圧降下を小さくすることができる。

【0052】

また，上記の（２）の場合は，ＨＥＭＴＱ２１の少なくともドレインＤからソースＳ方向の電流パスはオンにされ，ＨＥＭＴＱ２２は双方向の電流パスがオフにされる。これにより，ＵＳＢバス電源端子３０６からの電源電流が内部電源端子３０８側に流れないようにされる。ＨＥＭＴＱ２１の少なくともドレインＤからソースＳ方向の電流パスをオンにするため，制御回路３０４は，ゲート・ソース間電圧を閾値電圧以上に制御する。また，制御回路３０４は，ＨＥＭＴＱ２２のゲート・ソース間及びゲート・ドレイン間電圧を閾値電圧未満に制御する。

【0053】

第２の実施の形態においても，双方向の電流パスを制御可能なスイッチとしてＨＥＭＴを使用して，スイッチ素子の数を減らしている。

【0054】

以上の実施の形態をまとめると，次の付記のとおりである。

【0055】

（付記１）
ＨＥＭＴを有する双方向スイッチと，
第１の条件時に前記ＨＥＭＴのソースまたはドレインの一方の端子とゲートとの間に閾値電圧未満の第１の電圧を印加して前記ソースまたはドレインの他方の端子から前記一方の端子への第１の電流パスをオフにし，第２の条件時に前記他方の端子とゲートとの間に前記閾値電圧未満の第２の電圧を印加して前記一方の端子から他方の端子への第２の電流パスをオフにし，第３の条件時に前記ＨＥＭＴのソース及びドレインとゲートとの間に前記閾値電圧より高い第３の電圧を印加して前記第１，第２の電流パスをオンにする制御回路とを有する双方向スイッチ装置。

【0056】

（付記２）
付記１において，
前記双方向スイッチは，双方向の電流経路に設けられ，
前記双方向スイッチは，単一の前記ＨＥＭＴを有する双方向スイッチ装置。

【0057】

（付記３）
電池セルの２端子のいずれかの電流経路に設けられ，ＨＥＭＴを有する双方向スイッチと，
前記電池セルが第１の充電電圧を超える時に，前記ＨＥＭＴのソースまたはドレインの一方の端子とゲートとの間に閾値電圧未満の第１の電圧を印加して前記ＨＥＭＴの充電電流パス方向をオフにし，前記前記第１の充電電圧より低い第２の充電電圧未満の時に，前記ＨＥＭＴのソースまたはドレインの他方の端子とゲートとの間に前記閾値電圧未満の第２の電圧を印加して前記ＨＥＭＴの放電電流パス方向をオフにし，前記第１の充電電圧より低く前記第２の充電電圧より高い時に，前記ＨＥＭＴのソース及びドレインとゲートとの間に前記閾値電圧より高い第３の電圧を印加し前記ＨＥＭＴの充電電流パスと放電電流パスの双方向パスをオンにする制御回路とを有する充放電保護装置。

【0058】

（付記４）
付記３において，
前記制御回路は，前記電池セルの２端子間の充電電圧を監視する回路を有する充放電保護装置。

【0059】

（付記５）
ＨＥＭＴを有する双方向スイッチと，
第１の条件時に前記ＨＥＭＴのソースまたはドレインの一方の端子とゲートとの間に閾値電圧以上の第１の電圧を印加して前記ソースまたはドレインの他方の端子から前記一方の端子への第１の電流パスをオンにし，第２の条件時に前記一方の端子とゲートとの間と前記他方の端子とゲートとの間とに前記閾値電圧未満の第２の電圧を印加して前記第１の電流パスと前記一方の端子から他方の端子への第２の電流パスとをオフにする制御回路とを有する双方向スイッチ装置。

【0060】

（付記６）
外部バス電源と内部回路との間に設けられ第１のＨＥＭＴを有する第１の双方向スイッチと，
内部電源と前記内部回路との間に設けられ第２のＨＥＭＴを有する第２の双方向スイッチと，
前記外部バス電源が規定の電圧を有し，前記内部電源が規定の電圧を有さない第１の条件のときに，前記第１のＨＥＭＴのソースまたはドレインの一方の端子とゲートとの間に閾値電圧以上の第１の電圧を印加して前記第１のＨＥＭＴのソースまたはドレインの他方の端子から前記一方の端子への電流パスをオンにし，前記第２のＨＥＭＴのソース及びドレインとゲートとの間に閾値電圧未満の電圧を印加して双方向の電流パスをオフにし，前記内部電源が規定の電圧を有する第２の条件のときに，前記第１のＨＥＭＴのソース及びドレインとゲートとの間に閾値電圧未満の電圧を印加して双方向の電流パスをオフにし，前記第２のＨＥＭＴのソースまたはドレインの一方の端子とゲートとの間に閾値電圧以上の第１の電圧を印加して前記第２のＨＥＭＴのソースまたはドレインの他方の端子から前記一方の端子への電流パスをオンにする制御回路とを有する双方向スイッチ装置。

【0061】

（付記７）
付記６において，
前記外部バス電源は，ＵＳＢバスの電源である双方向スイッチ装置。

【0062】

（付記８）
付記１〜７のいずれかにおいて，
前記閾値電圧未満の第１または第２の定電圧は，ゼロ電圧より高く前記閾値電圧よりも低い電圧である双方向スイッチ装置。

【0063】

（付記９）
付記１〜７のいずれかにおいて，
前記ＨＥＭＴは，ＧａＮ半導体層の電子走行層を有する双方向スイッチ装置。

【符号の説明】

【0064】

１００：二次電池 １２０：制御回路
Ｑ０：双方向スイッチ，ＨＥＭＴ ＣＥＬＬ：電池セル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】