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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023020572
(43)【公開日】2023-02-09
(54)【発明の名称】保護回路及びスイッチ制御装置
(51)【国際特許分類】
H03K 17/0812 20060101AFI20230202BHJP
H03K 17/60 20060101ALI20230202BHJP
H02H 7/00 20060101ALI20230202BHJP
【ＦＩ】
H03K17/0812
H03K17/60 A
H02H7/00 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021126000
(22)【出願日】2021-07-30
(71)【出願人】
【識別番号】390005175
【氏名又は名称】株式会社アドバンテスト
(74)【代理人】
【識別番号】110000486
【氏名又は名称】弁理士法人とこしえ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】笠原 清貴
【テーマコード（参考）】
5G053
5J055
【Ｆターム（参考）】
5G053AA14
5G053BA06
5G053CA01
5J055AX44
5J055BX16
5J055DX07
5J055DX61
5J055EY04
5J055EY16
5J055EZ03
5J055GX01
5J055GX06
(57)【要約】
【課題】シンプルな回路構成で過加熱を防止できる保護回路を提供する。
【解決手段】保護回路３０は、入力及び出力の少なくともいずれか一方を複数とした入出力端子（Ｉ１、Ｉ２、Ｏ１）と、複数の入出力端子（Ｉ１、Ｉ２、Ｏ１）のいずれか一方に接続されて、第１抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第１抵抗回路３１а、３２аと、複数の入出力端子（Ｉ１、Ｉ２、Ｏ１）のいずれか他方に接続されて、第１抵抗温度係数と温度特性が異なる第２抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第２抵抗回路３１ｂ、３２ｂとを有する。保護回路３０は、メインスイッチＱ２７の制御端子（ゲート端子）に電気的に接続され、メインスイッチＱ２７の温度が所定温度（電流遮断温度）以上の場合に、メインスイッチＱ２７の通過電流を遮断する。
【選択図】図１
【解決手段】保護回路３０は、入力及び出力の少なくともいずれか一方を複数とした入出力端子（Ｉ１、Ｉ２、Ｏ１）と、複数の入出力端子（Ｉ１、Ｉ２、Ｏ１）のいずれか一方に接続されて、第１抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第１抵抗回路３１а、３２аと、複数の入出力端子（Ｉ１、Ｉ２、Ｏ１）のいずれか他方に接続されて、第１抵抗温度係数と温度特性が異なる第２抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第２抵抗回路３１ｂ、３２ｂとを有する。保護回路３０は、メインスイッチＱ２７の制御端子（ゲート端子）に電気的に接続され、メインスイッチＱ２７の温度が所定温度（電流遮断温度）以上の場合に、メインスイッチＱ２７の通過電流を遮断する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体スイッチを保護する保護回路であって、
入力及び出力の少なくともいずれか一方を複数とした入出力端子と、
前記複数の入出力端子のいずれか一方に接続されて、第１抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第１抵抗回路と、
前記複数の入出力端子のいずれか他方に接続されて、前記第１抵抗温度係数と温度特性が異なる第２抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第２抵抗回路とを有し、
前記保護回路は
前記半導体スイッチの制御端子に電気的に接続され、
前記半導体スイッチの温度が所定温度以上の場合に、前記半導体スイッチの通過電流を遮断する保護回路。
入力及び出力の少なくともいずれか一方を複数とした入出力端子と、
前記複数の入出力端子のいずれか一方に接続されて、第１抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第１抵抗回路と、
前記複数の入出力端子のいずれか他方に接続されて、前記第１抵抗温度係数と温度特性が異なる第２抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第２抵抗回路とを有し、
前記保護回路は
前記半導体スイッチの制御端子に電気的に接続され、
前記半導体スイッチの温度が所定温度以上の場合に、前記半導体スイッチの通過電流を遮断する保護回路。
【請求項2】
請求項１記載の保護回路であって、
前記第１抵抗温度係数及び前記第２抵抗温度係数の特性は、温度に対する抵抗の特性で、正、負、及びフラットのいずれかの特性となり、かつ、互いに異なる特性である保護回路。
前記第１抵抗温度係数及び前記第２抵抗温度係数の特性は、温度に対する抵抗の特性で、正、負、及びフラットのいずれかの特性となり、かつ、互いに異なる特性である保護回路。
【請求項3】
請求項１又は２記載の保護回路であって、
前記第１抵抗回路は、第１負荷抵抗と第１電流源用抵抗を有し、
前記第２抵抗回路は、第２負荷抵抗と第２電流源用抵抗を有し、
前記第１負荷抵抗、前記第１電流源用抵抗、前記第２負荷抵抗、及び前記第２電流源用抵抗のうち、一の抵抗がもつ抵抗温度係数は、他の抵抗がもつ抵抗温度係数と異なる保護回路。
前記第１抵抗回路は、第１負荷抵抗と第１電流源用抵抗を有し、
前記第２抵抗回路は、第２負荷抵抗と第２電流源用抵抗を有し、
前記第１負荷抵抗、前記第１電流源用抵抗、前記第２負荷抵抗、及び前記第２電流源用抵抗のうち、一の抵抗がもつ抵抗温度係数は、他の抵抗がもつ抵抗温度係数と異なる保護回路。
【請求項4】
請求項３に記載の保護回路であって、
前記第１抵抗回路及び前記第２抵抗回路に含まれるスイッチング素子は化合物半導体で形成され、
前記一の抵抗及び前記他の抵抗のいずれか一方の抵抗は窒化材料で形成されている保護回路。
前記第１抵抗回路及び前記第２抵抗回路に含まれるスイッチング素子は化合物半導体で形成され、
前記一の抵抗及び前記他の抵抗のいずれか一方の抵抗は窒化材料で形成されている保護回路。
【請求項5】
請求項１～４のいずれか１項に記載の保護回路であって、
前記第１抵抗回路の出力電圧と前記第２抵抗回路の出力電圧との電圧差は温度に応じて変化する保護回路。
前記第１抵抗回路の出力電圧と前記第２抵抗回路の出力電圧との電圧差は温度に応じて変化する保護回路。
【請求項6】
請求項１～５のいずれか一項に記載の保護回路を有するスイッチ制御装置であって、
前記半導体スイッチのオン、オフを切り替えるための閾値電圧を選択する電圧選択回路を有し、
前記保護回路は前記電圧選択回路に接続され、
前記電圧選択回路は、前記半導体スイッチの温度が前記所定温度以上の場合に、前記スイッチ制御装置の入力電圧の大きさに関わらずに、前記半導体スイッチがオフになるように前記閾値電圧を設定するスイッチ制御装置。
前記半導体スイッチのオン、オフを切り替えるための閾値電圧を選択する電圧選択回路を有し、
前記保護回路は前記電圧選択回路に接続され、
前記電圧選択回路は、前記半導体スイッチの温度が前記所定温度以上の場合に、前記スイッチ制御装置の入力電圧の大きさに関わらずに、前記半導体スイッチがオフになるように前記閾値電圧を設定するスイッチ制御装置。
【請求項7】
請求項１～５のいずれか一項に記載の保護回路を有するスイッチ制御装置であって、
前記所定温度を調整するための可変抵抗を有するスイッチ制御装置。
前記所定温度を調整するための可変抵抗を有するスイッチ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体スイッチを保護する保護回路及びスイッチ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、高電圧ＧａＮパワーＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）用に提案されたＰＴＡＴベースの温度遮断回路が知られている（例えば非特許文献１）。例えば、非特許文献１記載の温度遮断回路は、ＧａＮパワーＨＥＭＴの温度を感知し、温度を反映させた電圧を生成して出力する。ＧａＮパワーＨＥＭＴで生成された、温度に応じた電圧はコンパレータに入力されて、入力電圧と固定の基準電圧と比較して、所定の温度条件に達したときにフラグを立て、ＧａＮパワーＨＥＭＴを遮断させる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】D. Risbud, K. Pedrotti, "Analog and digital cell library in high voltage GaN-on-Si Schottky power semiconductor technology", WiPD.4, Fayetteville, AR, USA, (2016)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記温度遮断回路を基板に実装した場合には、回路構造が複雑で、基板上における温度遮断回路の専有面積が大きいという問題がある。
【0005】
本発明が解決しようとする課題は、シンプルな回路構成で過加熱を防止できる保護回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
［１］本発明に係る保護回路は、半導体スイッチを保護する保護回路であって、入力及び出力の少なくともいずれか一方を複数とした入出力端子と、前記複数の入出力端子のいずれか一方に接続されて、第１抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第１抵抗回路と、前記複数の入出力端子のいずれか他方に接続されて、前記第１抵抗温度係数と温度特性が異なる第２抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第２抵抗回路とを有し、前記保護回路は、前記半導体スイッチの制御端子に電気的に接続され、前記半導体スイッチの温度が所定温度以上の場合に、前記半導体スイッチの通過電流を遮断する。
［２］上記発明において前記保護回路は、前記第１抵抗温度係数及び前記第２抵抗温度係数の特性は、温度に対する抵抗の特性で、正、負、及びフラットのいずれかの特性となり、かつ、互いに異なる特性である。
［３］上記発明において前記保護回路は、前記第１抵抗回路は、第１負荷抵抗と第１電流源用抵抗を有し、前記第２抵抗回路は、第２負荷抵抗と第２電流源用抵抗を有し、
前記第１負荷抵抗、前記第１電流源用抵抗、前記第２負荷抵抗、及び前記第２電流源用抵抗のうち、一の抵抗がもつ抵抗温度係数は、他の抵抗がもつ抵抗温度係数と異なる。
［４］上記発明において前記保護回路は、前記第１抵抗回路及び前記第２抵抗回路に含まれるスイッチング素子は化合物半導体で形成され、前記一の抵抗及び前記他の抵抗のいずれか一方の抵抗は窒化材料で形成されている。
［５］上記発明において前記保護回路は、前記第１抵抗回路の出力電圧と前記第２抵抗回路の出力電圧との電圧差は温度に応じて変化する。
［６］本発明に係るスイッチ制御装置は、上記保護回路を有し、前記半導体スイッチのオン、オフを切り替えるための閾値電圧を選択する電圧選択回路を有し、前記保護回路は前記電圧選択回路に接続され、前記電圧選択回路は、前記半導体スイッチの温度が前記所定温度以上の場合に、前記スイッチ制御装置の入力電圧の大きさに関わらずに、前記半導体スイッチがオフになるように前記閾値電圧を設定する。
［７］上記発明において前記スイッチ制御装置は、前記所定温度を調整するための可変抵抗を有する。
［２］上記発明において前記保護回路は、前記第１抵抗温度係数及び前記第２抵抗温度係数の特性は、温度に対する抵抗の特性で、正、負、及びフラットのいずれかの特性となり、かつ、互いに異なる特性である。
［３］上記発明において前記保護回路は、前記第１抵抗回路は、第１負荷抵抗と第１電流源用抵抗を有し、前記第２抵抗回路は、第２負荷抵抗と第２電流源用抵抗を有し、
前記第１負荷抵抗、前記第１電流源用抵抗、前記第２負荷抵抗、及び前記第２電流源用抵抗のうち、一の抵抗がもつ抵抗温度係数は、他の抵抗がもつ抵抗温度係数と異なる。
［４］上記発明において前記保護回路は、前記第１抵抗回路及び前記第２抵抗回路に含まれるスイッチング素子は化合物半導体で形成され、前記一の抵抗及び前記他の抵抗のいずれか一方の抵抗は窒化材料で形成されている。
［５］上記発明において前記保護回路は、前記第１抵抗回路の出力電圧と前記第２抵抗回路の出力電圧との電圧差は温度に応じて変化する。
［６］本発明に係るスイッチ制御装置は、上記保護回路を有し、前記半導体スイッチのオン、オフを切り替えるための閾値電圧を選択する電圧選択回路を有し、前記保護回路は前記電圧選択回路に接続され、前記電圧選択回路は、前記半導体スイッチの温度が前記所定温度以上の場合に、前記スイッチ制御装置の入力電圧の大きさに関わらずに、前記半導体スイッチがオフになるように前記閾値電圧を設定する。
［７］上記発明において前記スイッチ制御装置は、前記所定温度を調整するための可変抵抗を有する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、保護回路は、入力及び出力の少なくともいずれか一方を複数とした入出力端子と、複数の入出力端子のいずれか一方に接続されて、第１抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第１抵抗回路と、複数の入出力端子のいずれか他方に接続されて、第１抵抗温度係数と温度特性が異なる第２抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第２抵抗回路とを有し、保護回路は、半導体スイッチの制御端子に電気的に接続され、半導体スイッチの温度が所定温度以上の場合に、半導体スイッチの通過電流を遮断する。これにより、シンプルな回路構成で半導体スイッチの過加熱を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0010】
本実施形態に係るスイッチ制御装置１０について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るスイッチ制御装置１０の回路図である。なお、図１に示す、スイッチ制御装置１０に含まれる入力信号増幅回路２０等の回路構成及び接続形態は一例にすぎず、他の回路構成でもよい。また図１に示す、抵抗値、電圧値、及び電流値も一例にすぎない。
【0011】
スイッチ制御装置１０は、入力信号に基づきメインスイッチＱ２７のオン及びオフを切り替えるための制御回路である。入力信号は外部から入力されるスイッチング信号であって、入力信号の波形は、ハイレベル（オン電圧）及びローレベル（オフ電圧）のオンオフ波形である。スイッチ制御装置１０は、入力信号の電圧差でメインスイッチＱ２７のオンオフを切り替えるために、入力信号の電圧を増幅し、電圧レベルをシフトさせる（電圧レベルを変換している）。入力信号の電圧差は、オン状態を示すハイレベルの電圧と、オフ状態を示すローレベルの電圧の差に相当する。
【0012】
メインスイッチＱ２７は、ＧａＮ半導体スイッチである。ゲート電圧選択回路４０で選択されたゲート電圧以上の入力電圧がスイッチ制御装置１０に入力されると、メインスイッチＱ２７はオンになり、メインスイッチＱ２７のドレインソース間で通過電流が流れる。
【0013】
スイッチ制御装置１０は、入力信号増幅回路２０、保護回路３０、ゲート電圧選択回路４０、トラッキング回路５０、電流源６０を有している。各回路に含まれるスイッチング素子（スイッチングトランジスタ）は、例えばＧａＮ半導体等の化合物半導体で形成されている。
【0014】
ここで、化合物半導体の素子特性について、シリコンプロセスの素子特性と比較しつつ説明する。化合物半導体は、絶縁破壊強度、熱伝導率、及び高温状態での動作性等で優れた特性をもっており、材料としての物性特性で優位な点が多い。その一方で、化合物半導体として例えばＧａＮ系のプロセス（製造工程、市場への汎用性）は、Ｓｉ系のプロセスと比べて成熟していないため素子のばらつきが大きく、また化合物半導体はＳｉ系プロセスと比較して素子サイズが大きいという問題がある。さらに、化合物半導体は、電圧レファレンスや温度特性を容易に得ることができないと問題点もある。そのため、従来は、過加熱から保護する回路を化合物半導体で構成した場合に、回路構成が複雑な構成になり易く、回路構成の煩雑さ及び化合物半導体の素子自体の大きさから、シンプルな回路構成や省面積化が困難である。
【0015】
本実施形態に係るスイッチ制御装置１０は、メインスイッチのオン、オフを切り替えるために、化合物半導体を含んだ、モノリシック化した制御回路（ＩＣ回路）であって、図１に示すような回路構成をとることで、ばらつきの大きい化合物半導体を使用しつつ、シンプルな回路構成／省面積で、過加熱に伴う熱暴走及び過電流を抑制できる。なお、図１に示す回路構成は一例にすぎず、入力信号の電圧レンジ又はメインスイッチの動作電圧のレンジに応じて、電源電圧、抵抗、又は各回路素子の接続形態を変更してもよい。
【0016】
図１に示すように、スイッチ制御装置１０の入力側には、入力信号増幅回路２０が設けられている。入力信号増幅回路２０は、片側入力差動回路を含み、入力信号に対する差分を増幅する。入力信号増幅回路２０は、片側入力差動回路の他にゲート抵抗及び分圧抵抗等を含んでいる。入力信号（Ｖｉｎ）は、０Ｖをローレベルとし、＋３．３Ｖをハイレベルとしたスイッチング信号である。片側入力差動回路は、対称に接続された複数のスイッチング素子Ｑ１０、Ｑ１１、抵抗Ｒ４０～Ｒ４１を有している。スイッチング素子Ｑ１０のドレイン端子は抵抗Ｒ４０を介して基準電源に接続され、スイッチング素子Ｑ１１のドレイン端子は抵抗Ｒ４１を介して電源に接続されている。スイッチング素子Ｑ１０のゲート端子は、ゲート抵抗Ｒ１９を介して入力端子に接続され、スイッチング素子Ｑ１１のゲート端子は、分圧抵抗Ｒ２０を介して基準電源に接続されている。スイッチング素子Ｑ１０の特性及びスイッチング素子Ｑ１１の特性は同一である。スイッチング素子Ｑ１０のゲート端子（制御端子）には入力信号が入力され、スイッチング素子Ｑ１１のゲート端子には参照電圧が入力される。スイッチング素子Ｑ１０のソース端子及びスイッチング素子Ｑ１１のソース端子は、１つの電流源に共通して接続されている。
【0017】
図１に示すように、入力信号増幅回路２０は、片側入力差動回路の他に、差動増幅回路、分圧抵抗等を含んでいる。入力信号増幅回路２０の出力ラインは、ゲート電圧選択回路４０に含まれるスイッチング素子Ｑ１９のソース端子に接続されている。また、入力信号増幅回路２０の片側入力差動回路及び差動増幅回路において、対になって接続されているスイッチング素子Ｑ１０、Ｑ１１とスイッチング素子Ｑ１６、Ｑ１７は、それぞれ１つの電流源に共通して接続されている。
【0018】
保護回路３０は、ゲート電圧選択回路４０を介して、メインスイッチＱ２７のゲート端子に電気的に接続されている。保護回路３０は、メインスイッチＱ２７の温度が所定温度（電流遮断温度）以上の場合に、メインスイッチＱ２７の通過電流を遮断する回路である。保護回路３０は、ゲート電圧選択回路４０に含まれるスイッチング素子Ｑ１９のゲート端子に接続されている。
【0019】
図２は保護回路３０の回路図である。図２に示す保護回路３０が図１の点線部分に接続される。保護回路３０は、第１レベルシフタ回路３１、第２レベルシフタ回路３２、電流源３３、入力端子Ｉ１、Ｉ２、及び出力端子Ｏ１を有している。保護回路３０は、入力及び出力の少なくともいずれか一方を複数とした入出力端子（Ｉ１、Ｉ２、Ｏ１）を有している。図２の例では、入力端子（Ｉ１、Ｉ２）が複数端子である。図２の例では、出力端子Ｏ１は共通端子である。なお、保護回路３０の入出力端子は、図２の例に限らず、出力端子を複数にしてもよい。
【0020】
第１レベルシフタ回路３１は、負荷抵抗Ｒ３１と電流源とを直列に接続した第１抵抗回路３１аと、負荷抵抗Ｒ３４と電流源とを直列に接続した第２抵抗回路３１ｂを有している。負荷抵抗Ｒ３１と電流源との接続点が入力端子Ｉ１に相当し、負荷抵抗Ｒ３４と電流源との接続点が入力端子Ｉ２に相当する。第１抵抗回路３１аに含まれる電流源は、スイッチング素子Ｑ３１及び抵抗（電流源用抵抗）Ｒ３２、Ｒ３３を有している。抵抗Ｒ３２はスイッチング素子Ｑ３１のゲート－ソース間に接続されている。抵抗Ｒ３３は、抵抗Ｒ３２と並列に接続され、スイッチング素子Ｑ３１のソース端子に接続されている。第２抵抗回路３１ｂに含まれる電流源は、スイッチング素子Ｑ３２及び抵抗（電流源用抵抗）Ｒ３５、Ｒ３６を有している。第２抵抗回路３１ｂに含まれる電流源の接続形態は、第１抵抗回路３１аに含まれる電流源の接続形態と同様である。
【0021】
第１抵抗回路３１аに含まれる負荷抵抗Ｒ３１と電流源の接続点は、スイッチング素子Ｑ３３のゲート端子に接続されている。第２抵抗回路３１ｂに含まれる負荷抵抗Ｒ３４と電流源の接続点は、スイッチング素子Ｑ３４のゲート端子に接続されている。
【0022】
第２レベルシフタ回路３２は、負荷抵抗Ｒ３７、Ｒ３８及びスイッチング素子Ｑ３３を直列に接続した第１抵抗回路３２аと、負荷抵抗Ｒ３９、Ｒ４０及びスイッチング素子Ｑ３４を直列に接続した第２抵抗回路３２ｂを有している。第２レベルシフタ回路３２の入力端子はスイッチング素子Ｑ３３、Ｑ３４のゲート端子であり、入力端子Ｉ１、Ｉ２に相当する。スイッチング素子Ｑ３３のドレイン端子は負荷抵抗Ｒ３７に接続されており、スイッチング素子Ｑ３３のソース端子は負荷抵抗Ｒ３８に接続されている。また、スイッチング素子Ｑ３４のドレイン端子は負荷抵抗Ｒ３９に接続されており、スイッチング素子Ｑ３４のソース端子は負荷抵抗Ｒ４０に接続されている。抵抗Ｒ３８と抵抗Ｒ４０の低電圧側の端子は出力端子（Ｏ１）に接続されている。
【0023】
電流源３３は、第２レベルシフタ回路３２の低電流側に接続されており、第２レベルシフタ回路３２に定電流を流すための電流源となる。電流源３３は、スイッチング素子Ｑ３５及び抵抗Ｒ４１、Ｒ４２を有している。抵抗Ｒ４１はスイッチング素子Ｑ３５のゲート－ソース間に接続されている。抵抗Ｒ４２は、抵抗Ｒ４１と並列に接続され、スイッチング素子Ｑ３５のソース端子に接続されている。
【0024】
図１に示すように、ゲート電圧選択回路４０は、保護回路３０とメインスイッチＱ２７の間に接続されている。ゲート電圧選択回路４０は、メインスイッチＱ２７をオンにするための閾値電圧（ゲート閾値電圧）を選択する回路である。メインスイッチＱ２７は、ゲート電圧選択回路４０で選択された電圧をベースにして、入力信号（Ｖｉｎ）に基づく入力電圧の高低でオン、オフを切り替える。
【0025】
ゲート電圧選択回路４０は、スイッチング素子Ｑ１９、Ｑ２０及び抵抗Ｒ２８、Ｒ２９、Ｒ５３を備えている。スイッチング素子Ｑ１９のドレイン端子は抵抗Ｒ２９、Ｒ５３に接続され、スイッチング素子Ｑ１９のゲート端子は抵抗Ｒ２８を介して保護回路３０の出力端子（Ｏ１）に接続され、スイッチング素子Ｑ１９のソース端子は、電流源６０に接続されている。抵抗Ｒ２９はスイッチング素子Ｑ２０のゲート－ソース間に接続されている。抵抗Ｒ５３は、抵抗Ｒ２９と並列に接続され、スイッチング素子Ｑ２０のソース端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ１９のドレイン端子は抵抗Ｒ２９、Ｒ５３に接続されている。スイッチング素子Ｑ１９のドレイン端子はメインスイッチＱ２７のゲート端子に接続されている。
【0026】
トラッキング回路５０は、入力電圧をゲート電圧に追随させることで、ゲート電圧を安定化するための回路である。トラッキング回路５０に含まれる回路素子及び回路構成は図１に示す通りである。
【0027】
電流源６０は、複数の定電流回路を備えている。複数の定電流回路は、入力信号増幅回路２０及びトラッキング回路５０の低電流側にそれぞれ接続されており、各回路に定電流を流すための電流源となる。各定電流回路に回路素子及び回路構成は図１に示す通りである。
【0028】
次に、保護回路３０に使用される抵抗と、保護回路３０に含まれる抵抗回路の組み合わせについて説明する。
【0029】
第１抵抗回路３１а及び第２抵抗回路３１ｂは、２種の抵抗を用いたレベルシフタ回路である。第１抵抗回路３１а及び第２抵抗回路３１ｂは、負荷抵抗Ｒ３１、電流源で用いる抵抗Ｒ３２、Ｒ３３、負荷抵抗Ｒ３４、及び電流源で用いる抵抗Ｒ３５、Ｒ３６の間で、異なる抵抗温度係数をもつ抵抗を含んでいる。言い換えると、第１抵抗回路３１а及び第２抵抗回路３１ｂに含まれる、負荷抵抗Ｒ３１、電流源で用いる抵抗Ｒ３２、Ｒ３３、負荷抵抗Ｒ３４、及び電流源で用いる抵抗Ｒ３５、Ｒ３６のうち、少なくとも一の抵抗の抵抗温度係数は、他の抵抗の抵抗温度係数と異なる。
【0030】
図３は、一般的な抵抗と、窒化材料を用いた抵抗の温度特性を示す。図３において、グラフаは一般的な抵抗の特性を、グラフｂは窒化材料を用いた抵抗の特性を示す。一般的な抵抗は、GaN-on-SiCエピタキシャル基板のシート抵抗を利用した抵抗（Epi-R）である。窒化材料を用いた抵抗は、窒化ジルコニウム薄膜を利用した抵抗（ZrN-R）である。窒化材料は、窒化ジルコニウムの他に、窒化チタン（TiN）、窒化ジルコニウム（ZrN）、窒化タンタル（TaN）又は窒化ハフニウム（HfN）でもよい。
【0031】
図３に示すように、一般的な抵抗の温度特性は、温度に対して正の傾きになっている。一方、窒化材料を用いた抵抗（以下、窒化抵抗とも称す）の温度特性は、温度に対して負の傾きになっている。つまり、一般的な抵抗と窒化抵抗は異なる抵抗温度係数をもつことになる。本実施形態では、第１レベルシフタ回路３１に含まれる抵抗は２種類のものを用いている。第１レベルシフタ回路３１に含まれる抵抗のうち、一の抵抗を一般的な抵抗と窒化抵抗のいずれか一方の抵抗とし、他の抵抗を一般的な抵抗と窒化抵抗のいずれか他方の抵抗とする。２種の抵抗は、第１抵抗回路３１аに含まれる複数の抵抗の間で異なる種類としてもよく、あるいは、第１抵抗回路３１аに含まれる抵抗と第２抵抗回路３１ｂに含まれる抵抗との間でなる種類としてもよい。
【0032】
図４は、２種の抵抗を用いたレベルシフタ回路の組み合わせを説明するための回路図である。点線の枠では一般的な抵抗が使用され、実線の枠では窒化抵抗が使用される。図４（а）に示すように、Ｃａｓｅ１の抵抗回路は、負荷抵抗に一般的な抵抗を使用し、電流源に含まれる抵抗に窒化抵抗を使用する。図４（ｂ）に示すように、Ｃａｓｅ２の抵抗回路は、負荷抵抗に一般的な抵抗を使用し、電流源に含まれる抵抗に一般的な抵抗を使用する。図４（ｃ）に示すように、Ｃａｓｅ３の抵抗回路は、負荷抵抗に窒化抵抗を使用し、電流源に含まれる抵抗に窒化抵抗を使用する。図４（ｄ）に示すように、Ｃａｓｅ４の抵抗回路は、負荷抵抗に窒化抵抗を使用し、電流源に含まれる抵抗に一般的な抵抗を使用する。
【0033】
Ｃａｓｅ１及びＣａｓｅ４では、１つの抵抗回路内で異なる種類の抵抗を用いているため、各抵抗の温度抵抗係数の特性は、温度に対する抵抗の特性で、正、負、及びフラットのいずれかの特性となり、かつ、互いに異なる特性となる。例えば、Ｃａｓｅ１の第１抵抗回路３１аでは、抵抗Ｒ３１の温度抵抗係数は正の特性となり、抵抗Ｒ３２、Ｒ３３の温度抵抗係数は負又はフラットの特性となる。なお、フラットの特性は、所定の温度帯域で抵抗係数がほぼ一定になる特性である。
【0034】
図５は、図４（а）～（ｄ）に示したＣａｓｅ１～４の出力電圧温度特性を示すグラフである。図５に示すように、レベルシフタ回路に含まれる抵抗回路の出力電圧温度特性は、使用される抵抗の種類によって異なっている。そして、本実施形態では、Ｃａｓｅ１～４を組み合わせてレベルシフタ回路を構成して、出力電圧の差を利用して、メインスイッチＱ２７の温度が所定の設定温度（電流遮断温度）以上になった場合に通過電流を遮断するような回路を実現している。
【0035】
具体的には、例えば第１抵抗回路３１аにＣａｓｅ１の回路を使用し、第２抵抗回路３１ｂにＣａｓｅ４の回路を使用する。Ｃａｓｅ１とＣａｓｅ４との組み合わせでレベルシフタ回路を構成した場合に、温度が２５℃程度を境に、温度が高くなるほど抵抗回路の出力電圧の差が大きくなる。すなわち、抵抗回路の出力電圧の差は温度に応じて変化する。通過電流を遮断させる設定温度を１００度とした場合に、図５に示すように、Ｃａｓｅ１の抵抗回路の出力電圧は約－１０Ｖとなり、Ｃａｓｅ４の抵抗回路の出力電圧は約－２２Ｖとなる。そして、設定温度（１００度）の時に出力電圧の差が生じた場合に、保護回路３０からゲート電圧選択回路４０に出力される電圧によって、ゲート電圧選択回路４０によるゲート閾値電圧の調整機能が作用し、メインスイッチＱ２７が入力信号の入力電圧（Ｖｉ）の大きさに関わらずオフになるようにする。またスイッチング素子Ｑ２７の温度と保護回路３０の温度は相関性を有しており、メインスイッチＱ２７の温度が上昇すると、保護回路３０に含まれる抵抗の温度は、メインスイッチＱ２７の温度と同じように上昇する。スイッチング素子Ｑ２７の温度上昇により、保護回路３０に含まれる抵抗の温度が設定温度（１００度）以上になった場合に、メインスイッチＱ２７が強制的にオフになるよう、保護回路３０及びゲート電圧選択回路４０に含まれる回路パラメータを設定する。
【0036】
図６は、本実施形態におけるスイッチ制御装置の温度特性を示すグラフである。（а）はメインスイッチＱ２７のオン抵抗の電圧温度特性を、（ｂ）はメインスイッチＱ２７の通過電流温度特性を示す。図６（а）に示すように、温度が１００度以上になると、メインスイッチＱ２７のオン抵抗が急峻に上がる。また温度が１００度以上になると、通過電流は急峻に下がりゼロアンペアになる。これにより、スイッチング素子Ｑ２７の温度が設定温度（１００度）以上になると、メインスイッチＱ２７は、入力信号の入力電圧の大きさに関わらずオフになり、通過電流が遮断される。
【0037】
なお、本実施形態において、第２レベルシフタ回路３２に含まれる第２抵抗回路３２аと第２抵抗回路３２ｂを、２種の抵抗を用いた回路としてもよい。例えば、抵抗Ｒ３７～４０のうち、一の抵抗を一般的な抵抗とし、他の抵抗を窒化抵抗としてもよい。また、第２抵抗回路３２аに含まれる負荷抵抗と、電流源３３で用いる抵抗との間で、２種の抵抗としてもよい。第２抵抗回路３２ｂに含まれる負荷抵抗と、電流源３３で用いる抵抗との間で、２種の抵抗としてもよい。
【0038】
以上のように、本実施形態に係る保護回路３０は、入力及び出力の少なくともいずれか一方を複数とした入出力端子（Ｉ１、Ｉ２、Ｏ１）と、複数の入出力端子（Ｉ１、Ｉ２、Ｏ１）のいずれか一方に接続されて、第１抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第１抵抗回路３１а、３２аと、複数の入出力端子（Ｉ１、Ｉ２、Ｏ１）のいずれか他方に接続されて、第１抵抗温度係数と温度特性が異なる第２抵抗温度係数をもつ抵抗を含む第２抵抗回路３１ｂ、３２ｂとを有する。保護回路３０は、メインスイッチＱ２７の制御端子（ゲート端子）に電気的に接続され、メインスイッチＱ２７の温度が所定温度（電流遮断温度）以上の場合に、メインスイッチＱ２７の通過電流を遮断する。これにより、シンプルな回路構成で過加熱を防止できる。また省面積でフェールセーフ機能(オーバーヒートプロテクション, オーバーカレントプロテクション)を実現できる。また、抵抗温度係数の異なる複数種類の抵抗で、過加熱を防止する回路を実現できる。
【0039】
また本実施形態に係る保護回路３０において、第１抵抗温度係数及び第２抵抗温度係数の特性は、温度に対する抵抗の特性で、正、負、及びフラットのいずれかの特性となり、かつ、互いに異なる特性である。これにより、抵抗温度係数の異なる複数種類の抵抗で、過加熱を防止する回路を実現できる。
【0040】
また本実施形態に係る保護回路３０において、第１抵抗回路３１а、３２аは抵抗Ｒ３１、Ｒ３７（本発明の「負荷抵抗」に相当）と抵抗Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ４１、Ｒ４２（本発明の「電流源用抵抗」に相当）を有し、第２抵抗回路３１ｂ、３２ｂは抵抗Ｒ３４、Ｒ３９（本発明の「負荷抵抗」に相当）と抵抗Ｒ３５、Ｒ３６、Ｒ４１、Ｒ４２（本発明の「電流源用抵抗」に相当）を有し、抵抗Ｒ３１、Ｒ３７、抵抗Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ４１、Ｒ４２、抵抗Ｒ３４、Ｒ３９、及び抵抗Ｒ３５、Ｒ３６、Ｒ４１、Ｒ４２のうち、一の抵抗がもつ抵抗温度係数は他の抵抗がもつ抵抗温度係数と異なる。これにより、抵抗温度係数の異なる複数種類の抵抗で、過加熱を防止する回路を実現できる。なお、本実施形態において、第１抵抗回路３２аと電流源３３を含む抵抗回路が本発明の「第１抵抗回路」に相当し、第２抵抗回路３２ｂと電流源３３を含む抵抗回路が本発明の「第２抵抗回路」に相当する。
【0041】
また本実施形態に係る保護回路３０において、第１抵抗回路３１а、３２а及び第２抵抗回路３１ｂ、３２ｂに含まれるスイッチング素子は化合物半導体で形成され、上記一の抵抗及び上記他の抵抗のいずれか一方の抵抗は窒化材料で形成されている。これにより、抵抗温度係数の異なる複数種類の抵抗で、過加熱を防止する回路を実現できる。
【0042】
また本実施形態に係る保護回路３０において、第１抵抗回路３１а、３２аの出力電圧と第２抵抗回路３１ｂ、３２ｂの出力電圧との電圧差は温度に応じて変化する。これにより、任意に電流遮断温度を設定できるため、回路の拡張性を確保できる。
【0043】
また本実施形態に係るスイッチ制御装置１０は、メインスイッチＱ２７のオン、オフを切り替える閾値電圧を選択するゲート電圧選択回路４０を備え、保護回路３０はゲート電圧選択回路４０に接続され、ゲート電圧選択回路４０は、メインスイッチＱ２７の温度が所定温度以上の場合に、スイッチ制御装置１０の入力電圧の大きさに関わらずに、メインスイッチＱ２７がオフになるように閾値電圧を設定する。これにより、シンプルな回路構成で過加熱を防止できる。また省面積でフェールセーフ機能(オーバーヒートプロテクション、オーバーカレントプロテクション)を実現できる。
【0044】
なお本実施形態の変形例として、入力信号増幅回路２０に含まれる抵抗Ｒ７０を可変抵抗にして、抵抗Ｒ７０の抵抗値を変更することで、通過電流を遮断する温度を任意に設定してもよい。図７は、抵抗Ｒ７０の抵抗値を変化させた場合の、メインスイッチＱ２７の通過電流温度特性を示す。図７に示すように、抵抗Ｒ７０の抵抗値を高くした場合（例えば２２０ｋΩ）には、メインスイッチＱ２７の電流遮断温度が１２０度ぐらいの時に通過電流はゼロになる。そして、抵抗Ｒ７０の抵抗値を低くなるにつれて、電流遮断温度は高くなり、抵抗Ｒ７０の抵抗値を１８０（ｋΩ）に設定すると、メインスイッチＱ２７の電流遮断温度は１６５度ぐらいになる。このように、抵抗Ｒ７０の回路パラメータを変えることで、メインスイッチＱ２７の電流遮断温度を任意の値に設定できる。変形例に係るスイッチ制御装置１０は、電流遮断温度を調整するための可変抵抗を有する。これにより、回路パラメータの変更で任意に電流遮断温度を設定できる。なお、電流遮断温度を調整する抵抗は、抵抗Ｒ７０に限らず、スイッチ制御装置１０に含まれる他の抵抗でもよい。
【0045】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【符号の説明】
【0046】
１０ スイッチ制御装置
２０ 入力信号増幅回路
３０ 保護回路
３１ 第１レベルシフタ回路
３１а 第１抵抗回路
３１ｂ 第２抵抗回路
３２ 第２レベルシフタ回路
３２а 第１抵抗回路
３２ｂ 第２抵抗回路
３３ 電流源
４０ ゲート電圧選択回路
５０ トラッキング回路
６０ 電流源
２０ 入力信号増幅回路
３０ 保護回路
３１ 第１レベルシフタ回路
３１а 第１抵抗回路
３１ｂ 第２抵抗回路
３２ 第２レベルシフタ回路
３２а 第１抵抗回路
３２ｂ 第２抵抗回路
３３ 電流源
４０ ゲート電圧選択回路
５０ トラッキング回路
６０ 電流源
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
