JP2001274663A - Power semiconductor device - Google Patents

Power semiconductor device

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JP2001274663A
JP2001274663A JP2000087654A JP2000087654A JP2001274663A JP 2001274663 A JP2001274663 A JP 2001274663A JP 2000087654 A JP2000087654 A JP 2000087654A JP 2000087654 A JP2000087654 A JP 2000087654A JP 2001274663 A JP2001274663 A JP 2001274663A
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gate
capacitance
electrode
resistance
main electrode
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JP2000087654A
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Japanese (ja)
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Yoko Nakada
陽子 中田
Toshiyuki Mitsuyanagi
俊之 三柳
Ichiro Omura
一郎 大村
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem of a conventional power semiconductor device that has had difficulties of improving the element breaking capability, a high switching speed and a switching loss. SOLUTION: A snubber capacitor 15 is connected between a collector electrode and an emitter electrode of an IGBT 11 and a gate resistor 12 is connected to its gate electrode. The power semiconductor device is characterized in that an expression of Rg<(16,000×Cs/(A×Ic)+750)/Cg holds among a resistance Rg (ohms) of the gate resistor 12, a capacitance Cs (nF) of the snubber capacitor 15, a gate capacitance Cg (nF), an element valid area A (cm2) and a current Ic (A) flowing through between the collector and emitter electrodes.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁ゲート型のバ
イポーラトランジスタに係り、例えばIGBT等の大電
力を制御する電力用半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an insulated gate bipolar transistor, and more particularly to a power semiconductor device such as an IGBT for controlling large power.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来IGBT等のMOSゲート素子は、
例えば600V、1000A程度の容量であったため、
充放電型スナバ回路は一般に用いられていなかった。し
かし、IGBTの大容量化、高耐圧化が進み、その利用
範囲が、高電圧モータを駆動するインバータや送配電な
ど、従来GTOが利用されていた応用分野に広がってい
る。このような分野では、4kV以上の高耐圧を必要と
するため、従来の中容量のインバータと異なり、充放電
型スナバ回路が用いられるようになっている。このスナ
バ回路を構成するスナバキャパシタCsは、ターンオフ
時に素子に流れる電流を転流することにより、主電極間
の電圧の上昇速度を抑える。その結果、素子のターンオ
フ過程が安全動作領域内に収まり、素子の破壊を防止す
ることができる。
2. Description of the Related Art Conventionally, MOS gate devices such as IGBTs are
For example, since the capacity was about 600 V and 1000 A,
Charge / discharge type snubber circuits have not been generally used. However, IGBTs have been increased in capacity and withstand voltage, and their use has been extended to applications where GTO was conventionally used, such as inverters for driving high-voltage motors and power transmission and distribution. In such a field, since a high withstand voltage of 4 kV or more is required, a charge / discharge type snubber circuit has been used unlike a conventional medium-capacity inverter. The snubber capacitor Cs constituting the snubber circuit commutates a current flowing through the element at the time of turn-off, thereby suppressing a rising speed of a voltage between the main electrodes. As a result, the turn-off process of the element falls within the safe operation area, and the element can be prevented from being destroyed.

【0003】一方、この種のMOS系パワー素子におい
て、ゲート電極にはゲート抵抗が接続されている。この
ゲート抵抗は、素子のターンオフ時にターンオフ動作を
遅らせ、結果として安全動作領域を広げる働きがある。
すなわち、素子のターンオフ中、主電極間の電圧が上昇
しても、電子をMOSトランジスタのチャネル領域から
注入することにより、電子の負電荷が、素子内部の高電
界を緩和し、安全動作領域を広げることができる。この
目的のため、比較的大きな抵抗値を有するゲート抵抗が
用いられている。
On the other hand, in this type of MOS power device, a gate resistor is connected to a gate electrode. The gate resistance delays the turn-off operation when the device is turned off, and as a result, has a function of expanding a safe operation area.
In other words, even when the voltage between the main electrodes increases during the turn-off of the element, the negative charge of the electrons reduces the high electric field inside the element and injects the safe operation area by injecting electrons from the channel region of the MOS transistor. Can be spread. For this purpose, a gate resistor having a relatively large resistance value is used.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来、充放
電型スナバ回路をIGBTに用いる場合にも、充放電型
スナバ回路を用いない場合と同じ抵抗値のゲート抵抗を
用いていた。これは、1チップ当りの遮断能力とスイッ
チング損失を最適化してきた結果である。
Conventionally, even when a charge / discharge type snubber circuit is used for an IGBT, a gate resistor having the same resistance value as that when no charge / discharge type snubber circuit is used has been used. This is a result of optimizing the cutoff capability and switching loss per chip.

【0005】しかし、近時大容量化に伴い、素子のマル
チチップ化、あるいは複数の素子を直列又は並列接続し
たマルチパッケージが進んでいる。このため、従来と同
様に比較的大きな抵抗値のゲート抵抗を使用した場合、
必ずしも予想した遮断能力が得られず、遮断能力が低下
していた。
However, with the recent increase in capacity, a multi-package of elements or a multi-package in which a plurality of elements are connected in series or in parallel has been developed. For this reason, when a gate resistor having a relatively large resistance value is used as in the related art,
The expected breaking ability was not always obtained, and the breaking ability was reduced.

【0006】また、ゲート抵抗の抵抗値が大きいため、
ゲート電極に信号が入力されてから、ターンオン、ター
ンオフが始まるまでの時間が長くなる。このため、スイ
ッチングのタイミングが直列又は並列接続された複数の
素子間でばらつきやすくなっている。しかも、最小ター
ンオン、ターンオフ時間も長くなってしまうため、装置
の出力が低下し、スイッチング損失が大きくなるという
問題を有している。
Further, since the resistance value of the gate resistor is large,
The time from when a signal is input to the gate electrode until the start of turn-on and turn-off increases. For this reason, switching timing tends to vary among a plurality of elements connected in series or in parallel. In addition, since the minimum turn-on and turn-off times are prolonged, there is a problem that the output of the device is reduced and the switching loss is increased.

【0007】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的とするところは、素子の遮断
能力を向上することができるとともに、スイッチングを
高速化することができ、スイッチング損失を低減可能な
電力用半導体装置を提供しようとするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to improve the cutoff capability of an element, speed up switching, and reduce switching loss. It is an object of the present invention to provide a power semiconductor device capable of reducing power consumption.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の電力用半導体装
置は、上記課題を解決するため、高圧側主電極、低圧側
主電極及び制御電極を有する絶縁ゲート型のバイポーラ
トランジスタと、前記バイポーラトランジスタの低圧側
主電極と高圧側主電極間に接続されたキャパシタ素子を
有するスナバ回路と、前記バイポーラトランジスタのゲ
ート電極に接続されたゲート抵抗とを具備し、前記ゲー
ト抵抗値Rg(Ω)と前記キャパシタ素子の容量Cs
(nF)とゲート容量Cg(nF)と素子有効面積A
(/cm2)と前記高圧側主電極間を流れる電流Ic
(A)の関係がRg<(16000×Cs/(A×I
c)+750)/Cgを満たすことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a power semiconductor device according to the present invention comprises an insulated gate bipolar transistor having a high voltage side main electrode, a low voltage side main electrode, and a control electrode, and the bipolar transistor. A snubber circuit having a capacitor element connected between the low voltage side main electrode and the high voltage side main electrode, and a gate resistor connected to the gate electrode of the bipolar transistor. The gate resistance Rg (Ω) Capacitance Cs of capacitor element
(NF), gate capacitance Cg (nF) and element effective area A
(/ Cm 2 ) and the current Ic flowing between the high-voltage side main electrodes.
The relation of (A) is Rg <(16000 × Cs / (A × I
c) +750) / Cg is satisfied.

【0009】また、本発明の電力用半導体装置は、高圧
側主電極、低圧側主電極及び制御電極を有し、高圧側主
電極と低圧側主電極が直列又は並列に接続された複数の
絶縁ゲート型のバイポーラトランジスタと、前記各バイ
ポーラトランジスタの低圧側主電極と高圧側主電極間に
接続されたキャパシタ素子を有するスナバ回路と、前記
各バイポーラトランジスタのゲート電極に接続されたゲ
ート抵抗とを具備し、前記ゲート抵抗値Rg(Ω)と前
記キャパシタ素子の容量Cs(nF)とゲート容量Cg
(nF)と素子有効面積A(/cm2)と前記高圧側主
電極間を流れる電流Ic(A)の関係がRg<(160
00×Cs/(A×Ic)+750)/Cgを満たすこ
とを特徴とする。
The power semiconductor device of the present invention has a high-voltage main electrode, a low-voltage main electrode, and a control electrode, and includes a plurality of insulating devices in which the high-voltage main electrode and the low-voltage main electrode are connected in series or in parallel. A gate-type bipolar transistor, a snubber circuit having a capacitor element connected between the low-voltage main electrode and the high-voltage main electrode of each of the bipolar transistors, and a gate resistor connected to the gate electrode of each of the bipolar transistors. The gate resistance Rg (Ω), the capacitance Cs (nF) of the capacitor element, and the gate capacitance Cg
(NF), the element effective area A (/ cm 2 ), and the current Ic (A) flowing between the high-voltage-side main electrodes is Rg <(160).
It is characterized by satisfying 00 × Cs / (A × Ic) +750) / Cg.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0011】(第1の実施例)図1は、本発明の第1の
実施例に係るプレーナ型IGBTの駆動回路を示してい
る。IGBT11は、ゲート容量がCg(nF)、素子
有効面積がA(cm2)のプレーナ型IGBTである。
このIGBT11のゲート電極とエミッタ電極の相互間
には、抵抗値Rg(Ω)のゲート抵抗12、ゲートドラ
イブ回路13が直列接続されている。前記IGBTのエ
ミッタ電極は接地され、コレクタ電極とエミッタ電極の
相互間には、スナバ回路SNBを構成するスナバダイオ
ード14、及び容量Cs(nF)のスナバキャパシタ1
5が直列接続され、スナバダイオード14には、抵抗1
6が並列接続されている。さらに、前記IGBT11の
コレクタ電極には、負荷回路を構成する例えばリアクト
ル17を介して電源18が接続され、前記リアクトル1
7にはダイオード19が接続されている。
(First Embodiment) FIG. 1 shows a driving circuit of a planar IGBT according to a first embodiment of the present invention. The IGBT 11 is a planar IGBT having a gate capacitance of Cg (nF) and an element effective area of A (cm 2 ).
A gate resistor 12 having a resistance value Rg (Ω) and a gate drive circuit 13 are connected in series between the gate electrode and the emitter electrode of the IGBT 11. The emitter electrode of the IGBT is grounded, and a snubber diode 14 forming a snubber circuit SNB and a snubber capacitor 1 having a capacitance Cs (nF) are provided between the collector electrode and the emitter electrode.
5 are connected in series, and the snubber diode 14 has a resistor 1
6 are connected in parallel. Further, a power supply 18 is connected to the collector electrode of the IGBT 11 via, for example, a reactor 17 constituting a load circuit.
7 is connected to a diode 19.

【0012】尚、前記ゲート容量Cg(nF)は、ゲー
トのターンオフ電荷をターンオフ前後のゲート電圧の差
で割ったものである。
The gate capacitance Cg (nF) is obtained by dividing the turn-off charge of the gate by the difference between the gate voltages before and after the turn-off.

【0013】上記構成において、実験を行い図2に示す
ゲート抵抗12の抵抗値、スナバキャパシタ15の容
量、コレクタ電極とエミッタ電極間の電圧上昇速度、す
なわち、主電極間の電圧上昇速度dVce/dtとの関
係を得た。
In the above configuration, an experiment was conducted to show the resistance value of the gate resistor 12, the capacitance of the snubber capacitor 15, the rate of voltage rise between the collector electrode and the emitter electrode, that is, the rate of voltage rise dVce / dt between the main electrodes shown in FIG. Got a relationship with.

【0014】従来のプレーナ型IGBTの駆動回路で
は、ゲート電圧がゲート閾値電圧Vthを下回る以前に
主電極としてのコレクタ電極とエミッタ電極間の電圧上
昇が始まり、例えばN型ソース層からチャネルを通って
流れ込む電子電流のための空乏層の拡大が抑制され、主
電極間の電圧上昇速度dVce/dtが遅く、ターンオ
フ損失が大きかった。
In a conventional planar IGBT drive circuit, before the gate voltage falls below the gate threshold voltage Vth, the voltage between the collector electrode and the emitter electrode as a main electrode starts to rise, for example, from the N-type source layer through the channel. The expansion of the depletion layer due to the flowing electron current was suppressed, the voltage rise speed dVce / dt between the main electrodes was slow, and the turn-off loss was large.

【0015】これに対して、図1に示す回路において、
ゲート抵抗15の抵抗値Rg(Ω)を小さくすると、ゲ
ート電圧を下げ始めてゲートからの電子電流の遮断が完
了するまでの時間が短くなり、主電極間の電圧上昇が速
くなる。さらに、ゲート抵抗15の抵抗値を小さくする
と、MOSトランジスタのチャネル領域からの電子電流
が遮断され、ゲート電圧が閾値電圧Vthを下回ってか
ら、主電極間の電圧上昇が開始される。この場合、主電
極間の電圧上昇は最も速く、その速度はスナバキャパシ
タの容量Csとスナバ回路に流れる電流Is=Cs×
(dVcc/dt)により決まる。
On the other hand, in the circuit shown in FIG.
When the resistance value Rg (Ω) of the gate resistor 15 is reduced, the time from when the gate voltage starts to be reduced to when the interruption of the electron current from the gate is completed is shortened, and the voltage rise between the main electrodes is increased. Furthermore, when the resistance value of the gate resistor 15 is reduced, the electron current from the channel region of the MOS transistor is cut off, and after the gate voltage falls below the threshold voltage Vth, the voltage between the main electrodes starts to rise. In this case, the voltage rise between the main electrodes is the fastest, and the speed is the capacitance Cs of the snubber capacitor and the current Is = Cs ×
(DVcc / dt).

【0016】また、主電極間の電圧上昇開始以前にエミ
ッタ電極から高抵抗層としてのバルクへの電子の供給が
完全に止まることにより、IGBT11の主電極間を流
れる電流Icが速やかに遮断される。このため、IGB
T11で生じるターンオフ損失∫(Ic×Vce)dt
は最小になる。
Further, since the supply of electrons from the emitter electrode to the bulk as the high resistance layer is completely stopped before the voltage rise between the main electrodes starts, the current Ic flowing between the main electrodes of the IGBT 11 is quickly cut off. . For this reason, IGB
Turn-off loss generated at T11c (Ic × Vce) dt
Is minimized.

【0017】図2は、ゲート容量Cgが600(nF)
で、素子有効面積Aが24.6(cm2)であるプレー
ナ型IGBTを電流Ic=1000(A)の状態からタ
ーンオフした場合のゲート抵抗の抵抗値Rg、スナバキ
ャパシタの容量Cs、電圧上昇速度dVce/dtの関
係を示している。図2から明らかなように、コレクタ電
流1(kA)において、容量300(nF)のスナバキ
ャパシタに対して、ゲート抵抗の抵抗値Rgを小さくし
て行くと、電圧上昇速度dVce/dtは上昇し、抵抗
値Rgが8(Ω)で2.6(kV/μs)となり飽和す
る。
FIG. 2 shows that the gate capacitance Cg is 600 (nF).
When the planar IGBT having an element effective area A of 24.6 (cm 2 ) is turned off from the state of the current Ic = 1000 (A), the resistance value Rg of the gate resistance, the capacitance Cs of the snubber capacitor, and the voltage rising speed The relationship of dVce / dt is shown. As is clear from FIG. 2, at a collector current of 1 (kA), as the resistance value Rg of the gate resistance decreases with respect to the snubber capacitor having a capacity of 300 (nF), the voltage rise rate dVce / dt increases. When the resistance value Rg is 8 (Ω), it becomes 2.6 (kV / μs) and is saturated.

【0018】同様に、容量660(nF)のスナバキャ
パシタに対して、ゲート抵抗の抵抗値Rgを小さくして
行くと、電圧上昇速度dVce/dtは上昇し、抵抗値
Rgが15.8(Ω)で1.35(kV/μs)となり
飽和する。
Similarly, for a snubber capacitor having a capacitance of 660 (nF), when the resistance value Rg of the gate resistance is reduced, the voltage rise rate dVce / dt increases, and the resistance value Rg becomes 15.8 (Ω). ) To 1.35 (kV / μs) and saturates.

【0019】容量136(nF)のスナバキャパシタに
対して、ゲート抵抗の抵抗値Rgを小さくして行くと、
電圧上昇速度dVce/dtは上昇し、抵抗値Rgが
4.5(Ω)で4.55(kV/μs)となり飽和す
る。
When the resistance value Rg of the gate resistance is reduced for a snubber capacitor having a capacitance of 136 (nF),
The voltage rising speed dVce / dt increases, and the resistance value Rg becomes 4.55 (kV / μs) at 4.5 (Ω) and saturates.

【0020】容量66(nF)のスナバキャパシタに対
して、ゲート抵抗の抵抗値Rgを小さくして行くと、電
圧上昇速度dVce/dtは上昇し、抵抗値Rgが3.
0(Ω)で7.4(kV/μs)となり飽和する。
When the resistance Rg of the gate resistor is reduced for a snubber capacitor having a capacitance of 66 (nF), the voltage rising rate dVce / dt increases, and the resistance Rg becomes 3.
At 0 (Ω), it becomes 7.4 (kV / μs) and saturates.

【0021】ちなみに、スナバキャパシタがない場合、
ゲート抵抗の抵抗値Rgが1.5(Ω)で飽和し、電圧
上昇速度dVce/dtは7.4(kV/μs)とな
る。
By the way, when there is no snubber capacitor,
The resistance value Rg of the gate resistor saturates at 1.5 (Ω), and the voltage rise rate dVce / dt becomes 7.4 (kV / μs).

【0022】上記結果より、ゲート容量Cgが600
(nF)で、素子有効面積Aが24.6(cm2)であ
るプレーナ型IGBTを電流Ic=1000(A)の状
態からターンオフした場合、電圧上昇速度dVce/d
tが最大となる領域のゲート抵抗の抵抗値Rgは、式
(1)を満足する。
From the above results, the gate capacitance Cg is 600
(NF), when the planar type IGBT having the element effective area A of 24.6 (cm 2 ) is turned off from the state of the current Ic = 1000 (A), the voltage rise rate dVce / d
The resistance value Rg of the gate resistance in the region where t is the maximum satisfies Expression (1).

【0023】 Rg<0.022×Cs+1.25 …(1) 図3は、ゲート容量Cgが600(nF)で、素子有効
面積Aが24.6(cm2)であるプレーナ型IGBT
を電流Ic=1000(A)の状態からターンオフした
場合のゲート抵抗値、スナバキャパシタの容量Csと、
ターンオフ損失の関係を表している。同図より、同じ容
量のスナバキャパシタに対して、ゲート抵抗の抵抗値R
gを小さくすると、ターンオフ損失が減少し、電圧上昇
速度dVce/dtは、先の条件で飽和したときにター
ンオフ損失は最小値で飽和している。
Rg <0.022 × Cs + 1.25 (1) FIG. 3 shows a planar IGBT having a gate capacitance Cg of 600 (nF) and an element effective area A of 24.6 (cm 2 ).
Is turned off from the state of the current Ic = 1000 (A), the capacitance Cs of the snubber capacitor,
It shows the relationship of turn-off loss. From the figure, the resistance value R of the gate resistance is obtained for the snubber capacitor having the same capacitance.
When g is reduced, the turn-off loss is reduced, and the turn-off loss is saturated at the minimum value when the voltage rise rate dVce / dt is saturated under the above conditions.

【0024】上記実験より、ゲート抵抗の抵抗値Rg
(Ω)、キャパシタの容量Cs(nF)、ゲート容量C
g(nF)及び素子有効面積A(/cm2)と、主電極
間電流Icの関係が、式(2)を満足すれば、スナバキ
ャパシタの容量に対して最大の主電極間の電圧上昇速度
dVce/dtで遮断できることが判明した。
From the above experiment, the resistance value Rg of the gate resistance was obtained.
(Ω), capacitor capacitance Cs (nF), gate capacitance C
If the relationship between g (nF), the element effective area A (/ cm 2 ), and the current Ic between the main electrodes satisfies the expression (2), the maximum voltage rise rate between the main electrodes with respect to the capacitance of the snubber capacitor. It turned out that it can be shut off by dVce / dt.

【0025】 Rg<(16000×Cs/(A×Ic)+750)/Cg …(2) ここで、式(2)の数値は、図2の斜線より求められて
いる。
Rg <(16000 × Cs / (A × Ic) +750) / Cg (2) Here, the numerical value of the expression (2) is obtained from the oblique lines in FIG.

【0026】図4は、例えば20個のIGBTチップが
パッケージに収容されて構成された装置を想定したもの
であり、主電極間電流が1000(A)で素子面積が2
4.6(cm2)の場合のスナバキャパシタの容量とゲ
ート抵抗の抵抗値との関係を説明する図である。ここ
で、上記式(1)を満足するゲート抵抗とスナバキャパ
シタの組合せを用いることにより、素子でのターンオフ
損失を最小とすることができる。
FIG. 4 assumes an apparatus in which, for example, 20 IGBT chips are housed in a package, and the current between the main electrodes is 1000 (A) and the element area is 2
It is a figure explaining the relation between the capacity of the snubber capacitor and the resistance value of the gate resistance in the case of 4.6 (cm 2 ). Here, by using a combination of the gate resistance and the snubber capacitor satisfying the above equation (1), the turn-off loss in the element can be minimized.

【0027】図5は、例えば1チップのIGBTを想定
したものであり、素子面積が1.23(cm2)で、主
電極間電流が50(A)場合のスナバキャパシタの容量
とゲート抵抗の抵抗値との関係を示している。図5にお
いて、斜線で示す領域がターンオフ損失を最小とするこ
とが可能なゲート抵抗Rgの領域であり、この領域は式
(3)を満足する。
FIG. 5 shows an example of a one-chip IGBT, in which the element area is 1.23 (cm 2 ) and the current between the main electrodes is 50 (A). The relationship with the resistance value is shown. In FIG. 5, a region indicated by oblique lines is a region of the gate resistance Rg in which the turn-off loss can be minimized, and this region satisfies Expression (3).

【0028】 Rg<8.7×Cs+25 …(3) 上記第1の実施例によれば、ゲート抵抗の抵抗値Rg、
スナバキャパシタの容量Cs、ゲート容量Cg、素子有
効面積A、及び主電極間電流Icの関係が、式(2)に
示す、Rg<(16000×Cs/(A×Ic)+75
0)/Cgを満足するように設定している。このため、
ゲート抵抗の抵抗値を従来に比べて小さくすることがで
き、電流遮断の安定性を向上することができる。しか
も、ゲート抵抗の抵抗値を小さくすることができるた
め、素子のスイッチングを高速化することができ、且
つ、ターンオフ損失を低減することができる。
Rg <8.7 × Cs + 25 (3) According to the first embodiment, the gate resistance Rg,
The relationship among the capacitance Cs of the snubber capacitor, the gate capacitance Cg, the element effective area A, and the current Ic between the main electrodes is represented by the following equation (2): Rg <(16000 × Cs / (A × Ic) +75)
0) / Cg. For this reason,
The resistance value of the gate resistor can be reduced as compared with the related art, and the stability of current interruption can be improved. Moreover, since the resistance value of the gate resistor can be reduced, the switching speed of the element can be increased, and the turn-off loss can be reduced.

【0029】尚、ゲート抵抗は1つの抵抗素子により構
成される場合に限らず、複数の抵抗素子を直列又は並列
接続して構成してもよい。また、これらの抵抗は、パッ
ケージの外部又は内部のいずれか或いは両方に設けても
よい。複数の抵抗を直列又は並列接続してゲート抵抗を
構成する場合における抵抗値の換算方法は次の通りであ
る。この換算方法は、通常の抵抗の直列又は並列接続の
計算と同様である。すなわち、直列に接続されている抵
抗は、抵抗値の和が合成抵抗の抵抗値とされる。
The gate resistance is not limited to the case of being constituted by one resistance element, but may be constituted by connecting a plurality of resistance elements in series or in parallel. Further, these resistors may be provided on either or both of the outside and inside of the package. The method of converting the resistance value when a plurality of resistors are connected in series or in parallel to form a gate resistor is as follows. This conversion method is the same as the calculation of a series or parallel connection of ordinary resistors. That is, for the resistors connected in series, the sum of the resistance values is the resistance value of the combined resistance.

【0030】並列接続されている抵抗は、抵抗値の逆数
の和を求め、さらにその逆数を求めて合成抵抗の値とす
る。合成抵抗と通常の抵抗の合成抵抗、又は合成抵抗同
士の合成抵抗は抵抗同士の合成抵抗の算出方法と同様で
ある。この操作を再帰的に行い、最終的に全ての抵抗値
の合計を求めてゲート抵抗の抵抗値Rgとされる。
For the resistors connected in parallel, the sum of the reciprocals of the resistance values is obtained, and the reciprocal thereof is obtained to obtain the value of the combined resistance. The combined resistance of the combined resistance and the normal resistance or the combined resistance of the combined resistances is the same as the method of calculating the combined resistance of the resistors. This operation is performed recursively, and finally, the sum of all the resistance values is obtained and set as the resistance value Rg of the gate resistance.

【0031】また、IGBTなどのMOSゲート素子
は、従来のGTOなどのバイポーラ駆動素子に比べて動
作が高速であるため、スナバキャパシタの容量が大きい
と、装置の損失の殆どがスナバキャパシタを含むスナバ
回路の損失となってしまう。このため、スナバキャパシ
タの容量は素子が破壊せず、素子での損失が十分小さい
範囲に設定することが、装置設計において重要である。
このスナバキャパシタの容量の範囲は、主電極間電流I
c=1000(A)に対してのスナバキャパシタの容量
Cs(nF)の値を1(μF)以下として使用すべきで
あり、特に、0.6(μF)以下で装置損失が最小化さ
れる。
Since the operation of a MOS gate element such as an IGBT is faster than that of a conventional bipolar drive element such as a GTO, if the capacitance of the snubber capacitor is large, most of the loss of the device is caused by the snubber including the snubber capacitor. This results in loss of the circuit. For this reason, it is important in device design to set the capacitance of the snubber capacitor within a range where the element does not break down and the loss in the element is sufficiently small.
The range of the capacitance of this snubber capacitor is determined by the current I
The value of the capacitance Cs (nF) of the snubber capacitor for c = 1000 (A) should be used as 1 (μF) or less, and particularly, the device loss is minimized at 0.6 (μF) or less. .

【0032】(第2の実施例)図6は、図1に示す回路
を単相インバータに適用した例を示しており、図1と同
一部分には、同一符号に添え字を付し、異なる部分につ
いてのみ説明する。
(Second Embodiment) FIG. 6 shows an example in which the circuit shown in FIG. 1 is applied to a single-phase inverter. In FIG. 6, the same parts as those in FIG. Only the parts will be described.

【0033】図6に示す各IGBTユニット611〜6
4において、IGBT111〜114のコレクタ電極及
びエミッタ電極の相互間にはフリー・ホイール・ダイオ
ード201〜204が接続されている。IGBT111
112のコレクタ電極にはアノードリアクトル21の一
端が接続され、IGBT113、114のエミッタ電極に
はアノードリアクトル22の一端が接続されている。こ
れらアノードリアクトル21、22の他端部相互間には
キャパシタ23と、電源24が並列接続されている。さ
らに、IGBT111のエミッタ電極とIGBT114
コレクタ電極の相互間には、誘導性負荷25が接続され
ている。また、各ゲート抵抗121〜124は、図示せぬ
ドライブ回路にそれぞれ接続されている。
Each of the IGBT units 61 1 to 61 shown in FIG.
In 1 4, free wheel diodes 20 1 to 20 4 are connected between each other IGBT 11 1 to 11 4 of the collector electrode and the emitter electrode. IGBT11 1 ,
11 The second collector electrode is connected to one end of the anode reactor 21, IGBT 11 3, 11 to the emitter electrode 4 is connected to one end of the anode reactor 22. A capacitor 23 and a power supply 24 are connected in parallel between the other ends of the anode reactors 21 and 22. Furthermore, between each other IGBT 11 1 of emitter electrode and the IGBT 11 4 of the collector electrode, the inductive load 25 is connected. Also, the gate resistors 12 1 to 12 4 are connected to a drive circuit (not shown).

【0034】上記単相インバータにおいても、ゲート抵
抗の抵抗値を第1の実施例と同様に定めることが可能で
ある。第1の実施例に示すゲート抵抗値の設定条件は、
図6に示す各IGBTユニット611〜614を複数個ず
つ配置し、これらを直列接続或いは並列接続した場合に
も有効である。この理由は、上記のように各ゲート抵抗
の抵抗値を設定することにより、各IGBTのゲート電
極に信号が供給されてから、素子がターンオフするまで
の時間が短くなるため、直列又は並列接続されたIGB
Tユニット611の相互間で電流遮断タイミングのずれ
が生じにくいからである。これは直列又は並列接続され
た他のIGBTユニット612の相互間、IGBTユニ
ット613の相互間、及びIGBTユニット614の相互
間でも同様である。各IGBTの電流遮断タイミングが
揃うことにより、直列接続された素子間では電圧分担が
均一化され、並列接続された素子間では電流分担が均一
化される。このため、装置設計のマージンを狭めること
ができる。
In the single-phase inverter, the resistance value of the gate resistor can be determined in the same manner as in the first embodiment. The setting conditions of the gate resistance value shown in the first embodiment are as follows.
Place each IGBT unit 61 1 to 61 4 by a plurality as shown in FIG. 6, it is these series connections or effective when connected in parallel. The reason for this is that by setting the resistance value of each gate resistor as described above, the time from when a signal is supplied to the gate electrode of each IGBT to when the element is turned off is shortened, so that the connection is made in series or in parallel. IGB
Deviation of the current cutoff timing between each other of T units 61 1 is less likely to occur. This series or parallel connected another IGBT unit 61 2 of the mutual, between mutual IGBT unit 61 3, and is the same between each other of the IGBT unit 61 4. By aligning the current cutoff timings of the IGBTs, the voltage sharing is uniform between the elements connected in series, and the current sharing is uniform between the elements connected in parallel. For this reason, the margin of the device design can be narrowed.

【0035】この結果、同じ設計の装置でも、出力電圧
を上げることができ、実質的な出力を向上できる。ま
た、スナバキャパシタの容量を削減することができるた
め、素子の損失を低減できる。
As a result, even with a device having the same design, the output voltage can be increased, and the substantial output can be improved. Further, since the capacity of the snubber capacitor can be reduced, the loss of the element can be reduced.

【0036】第1の実施例で説明したIGBTの破壊を
防止し、且つIGBTでの損失を十分低減できるスナバ
キャパシタの容量に関する見地は、複数のIGBTを直
列接続した場合にも有効である。実験によれば、主電極
間電流Ic=1000(A)に対して、スナバキャパシ
タの容量Csが0.2(μF)から0.3(μF)にお
いて、直列接続での電圧分担の偏りがなく、損失低減に
有効であった。
The viewpoint of the capacity of the snubber capacitor which can prevent the IGBT from being destroyed and sufficiently reduce the loss in the IGBT described in the first embodiment is also effective when a plurality of IGBTs are connected in series. According to the experiment, when the capacitance Cs of the snubber capacitor is 0.2 (μF) to 0.3 (μF) with respect to the main electrode current Ic = 1000 (A), there is no bias in voltage sharing in series connection. And was effective in reducing loss.

【0037】上記第2の実施例によれば、複数のIGB
Tにより構成されたインバータにおいても、ゲート抵抗
の抵抗値Rg、スナバキャパシタの容量Cs、ゲート容
量Cg、素子有効面積A、及び主電極間電流Icの関係
が、式(2)を満足するように定めている。このため、
素子の遮断能力を向上することができるとともに、スイ
ッチングを高速化することができ、スイッチング損失を
低減できる。
According to the second embodiment, a plurality of IGBs
Also in the inverter constituted by T, the relationship among the resistance value Rg of the gate resistance, the capacitance Cs of the snubber capacitor, the gate capacitance Cg, the element effective area A, and the current Ic between the main electrodes satisfies the expression (2). It has established. For this reason,
The switching capability can be increased, and the switching loss can be reduced, while the cutoff capability of the element can be improved.

【0038】しかも、直列又は並列接続されている素子
の相互間でスイッチングのタイミングを揃えることがで
きるため、装置の出力を向上できる。
Furthermore, since the switching timing can be made uniform between the elements connected in series or in parallel, the output of the device can be improved.

【0039】尚、上記第1、第2の実施例は、IGBT
に本発明を適用した場合について説明したが、これに限
らず、例えば電子注入促進型トランジスタ(IEGT;
Injection Enhanced Gate Transistor)等に適用するこ
とも可能である。
The first and second embodiments are IGBTs.
Although the case where the present invention is applied has been described, the present invention is not limited to this. For example, an electron injection promoting transistor (IEGT;
Injection Enhanced Gate Transistor) can also be applied.

【0040】その他、本発明の要旨を変えない範囲にお
いて種々変形実施可能なことは勿論である。
Of course, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上、詳述したように本発明によれば、
素子の遮断能力を向上することができるとともに、スイ
ッチングを高速化することができ、スイッチング損失を
低減可能な電力用半導体装置を提供できる。
As described in detail above, according to the present invention,
It is possible to provide a power semiconductor device capable of improving the cutoff capability of the element, increasing the switching speed, and reducing the switching loss.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を示す回路図。FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の動作を示すものであり、コレクタ電流を
一定とした場合におけるゲート抵抗値と主電極間の電圧
上昇速度dVce/dtとの関係を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing the operation of FIG. 1 and showing a relationship between a gate resistance value and a voltage rising speed dVce / dt between main electrodes when a collector current is fixed.

【図3】図1の動作を示すものであり、スナバキャパシ
タの容量、ゲート抵抗値、及びIGBTのターンオフ損
失の関係を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing the operation of FIG. 1 and showing the relationship among the capacitance of the snubber capacitor, the gate resistance value, and the turn-off loss of the IGBT.

【図4】図1の動作を示すものであり、コレクタ電流を
一定とした場合におけるスナバキャパシタの容量、ゲー
ト抵抗値の関係を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing the operation of FIG. 1 and showing the relationship between the capacitance of the snubber capacitor and the gate resistance value when the collector current is constant.

【図5】図1の動作を示すものであり、コレクタ電流を
一定とした場合におけるスナバキャパシタの容量、ゲー
ト抵抗値の関係を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing the operation of FIG. 1 and showing the relationship between the capacitance of the snubber capacitor and the gate resistance value when the collector current is constant.

【図6】本発明の第2の実施例を示すものであり、本発
明を単相のインバータに適用した場合を示す回路図。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention and showing a case where the present invention is applied to a single-phase inverter.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11、111〜114…IGBT、 12、121〜124…ゲート抵抗、 SNB…スナバ回路、 15、151〜154…スナバキャパシタ。11, 11 1 to 11 4 ... IGBT, 12, 12 1 to 12 4 ... gate resistance, SNB ... snubber circuit, 15, 15 1 to 15 4 ... snubber capacitor.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大村 一郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 Fターム(参考) 5F038 AC00 AR00 AV06 AV20 BB02 CA01 EZ08 EZ20 5J055 AX02 AX06 AX12 AX55 AX56 AX64 BX16 CX00 CX07 DX09 EX04 EY01 EY05 EY10 EY12 EZ17 GX01 GX06  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Ichiro Omura 1 Tokoba Toshiba-cho, Komukai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa F-term in the Toshiba Microelectronics Center Co., Ltd. AX02 AX06 AX12 AX55 AX56 AX64 BX16 CX00 CX07 DX09 EX04 EY01 EY05 EY10 EY12 EZ17 GX01 GX06

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高圧側主電極、低圧側主電極及び制御電
極を有する絶縁ゲート型のバイポーラトランジスタと、 前記バイポーラトランジスタの低圧側主電極と高圧側主
電極間に接続されたキャパシタ素子を有するスナバ回路
と、 前記バイポーラトランジスタのゲート電極に接続された
ゲート抵抗とを具備し、 前記ゲート抵抗値Rg(Ω)と前記キャパシタ素子の容
量Cs(nF)とゲート容量Cg(nF)と素子有効面
積A(/cm2)と前記高圧側主電極間を流れる電流I
c(A)の関係が Rg<(16000×Cs/(A×Ic)+750)/
Cg を満たすことを特徴とする電力用半導体装置。
An insulated gate bipolar transistor having a high voltage side main electrode, a low voltage side main electrode, and a control electrode, and a snubber having a capacitor element connected between the low voltage side main electrode and the high voltage side main electrode of the bipolar transistor. A circuit, and a gate resistor connected to the gate electrode of the bipolar transistor. The gate resistance Rg (Ω), the capacitance Cs (nF) of the capacitor element, the gate capacitance Cg (nF), and the element effective area A (/ Cm 2 ) and the current I flowing between the high-voltage side main electrode
The relationship of c (A) is Rg <(16000 × Cs / (A × Ic) +750) /
A power semiconductor device satisfying Cg.
【請求項2】 高圧側主電極、低圧側主電極及び制御電
極を有し、高圧側主電極と低圧側主電極が直列又は並列
に接続された複数の絶縁ゲート型のバイポーラトランジ
スタと、 前記各バイポーラトランジスタの低圧側主電極と高圧側
主電極間に接続されたキャパシタ素子を有するスナバ回
路と、 前記各バイポーラトランジスタのゲート電極に接続され
たゲート抵抗とを具備し、 前記ゲート抵抗値Rg(Ω)と前記キャパシタ素子の容
量Cs(nF)とゲート容量Cg(nF)と素子有効面
積A(/cm2)と前記高圧側主電極間を流れる電流I
c(A)の関係が Rg<(16000×Cs/(A×Ic)+750)/
Cg を満たすことを特徴とする電力用半導体装置。
2. A plurality of insulated gate bipolar transistors having a high voltage side main electrode, a low voltage side main electrode, and a control electrode, wherein the high voltage side main electrode and the low voltage side main electrode are connected in series or in parallel. A snubber circuit having a capacitor element connected between the low-voltage main electrode and the high-voltage main electrode of the bipolar transistor; and a gate resistor connected to the gate electrode of each of the bipolar transistors. The gate resistance Rg (Ω ), The capacitance Cs (nF) of the capacitor element, the gate capacitance Cg (nF), the element effective area A (/ cm 2 ), and the current I flowing between the high-voltage side main electrodes.
The relationship of c (A) is Rg <(16000 × Cs / (A × Ic) +750) /
A power semiconductor device satisfying Cg.
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