JP2002135973A - Overvoltage protective circuit - Google Patents

Overvoltage protective circuit

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JP2002135973A
JP2002135973A JP2000320678A JP2000320678A JP2002135973A JP 2002135973 A JP2002135973 A JP 2002135973A JP 2000320678 A JP2000320678 A JP 2000320678A JP 2000320678 A JP2000320678 A JP 2000320678A JP 2002135973 A JP2002135973 A JP 2002135973A
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gate
electrode
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overvoltage protection
insulated gate
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Koichi Sugiyama
公一 杉山
Hideaki Ninomiya
英彰 二宮
Tsuneo Ogura
常雄 小倉
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Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To protect the main switching element from excessive surge voltage and excessive voltage change. SOLUTION: In parallel with the main switching element, this overvoltage protective circuit has an insulated gate semiconductor which changes its gate voltage following the voltage change across the main switching element.

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、電力用半導体装置
の過電圧保護技術に関し、特に、MOSFET、絶縁ゲ
ート型トランジスタ(IGBT)、電子注入促進型ゲート
トランジスタ(IEGT)などの絶縁ゲート型半導体素子
を用いた過電圧保護回路、及び保護手法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an overvoltage protection technique for a power semiconductor device, and more particularly to an insulated gate semiconductor element such as a MOSFET, an insulated gate transistor (IGBT), and an electron injection promoting gate transistor (IEGT). The present invention relates to an overvoltage protection circuit and a protection method used.

【0002】[0002]

【従来の技術】電力エネルギーの有効利用のために、電
力用半導体素子を用いたインバータなどの電力変換装置
が広く使用されており、近年、その適用分野は更なる拡
がりを見せている。
2. Description of the Related Art Power converters such as inverters using power semiconductor elements have been widely used for effective use of power energy. In recent years, their application fields have been further expanded.

【0003】その流れの中で、電力用半導体素子を用い
て、より高速に電流をスイッチングさせる等して、より
高電圧・大電流を制御する装置が増えている。これらの
装置では、半導体素子のスイッチング時に大きな電流変
化(以下、電流変化の程度を電流変化率:dI/dtを用いて
表す)が発生するため、回路の浮遊インダクタンスに起
因する大きなサージ電圧が半導体素子に印加される。こ
のサージ電圧により、スイッチング時の電流・電圧軌跡
が半導体素子の安全動作領域(SOA)を超えると素子破
壊が起こる。また、高速スイッチング時の大きな電圧変
化(以下、電圧変化の程度を電圧変化率:dV/dtを用いて
表す)によっても素子破壊が起こりやすくなることが知
られている。
[0003] In the flow, devices for controlling a higher voltage and a larger current by using a power semiconductor element to switch a current at a higher speed have been increasing. In these devices, a large current change (hereinafter, the degree of the current change is expressed by using a current change rate: dI / dt) occurs at the time of switching of the semiconductor element, so that a large surge voltage caused by a stray inductance of the circuit is generated. Applied to the device. If the current / voltage locus at the time of switching exceeds the safe operation area (SOA) of the semiconductor device due to the surge voltage, device breakdown occurs. It is also known that a large voltage change at the time of high-speed switching (hereinafter, the degree of the voltage change is expressed by using a voltage change rate: dV / dt) easily causes element destruction.

【0004】従来、サージ電圧による素子破壊を抑制す
るために、スナバ回路が広く使用されている。特に、I
GBT等のRBSOAが広い半導体素子に対しては、ク
ランプ型スナバ回路(充電型RCDスナバ回路)が使用
されている。これは、電源電圧に充電された状態のコン
デンサを有し、半導体素子に電源電圧以上の電圧が印加
されたときに、回路の浮遊インダクタンスに蓄えられた
エネルギーをスナバ回路で吸収するものである。しか
し、高耐圧コンデンサが必要であるために、装置容積及
びコストが増大するという問題がある。また、たすき掛
け状の構成であるため、直列接続された各半導体素子に
接続することができないという問題がある。これを解決
する技術として、特開2000−12780、特開20
00-92817に開示されている技術が挙げられる。
これらは、サージ電圧をある所定の電圧にクランプする
と同時に、回路の浮遊インダクタンスに蓄えられたエネ
ルギーを吸収する半導体スナバ回路を主スイッチング素
子と並列に接続するものである。これらの半導体スナバ
回路は小型であり、主スイッチング素子と同一のパッケ
ージに挿入することも可能であるし、直列接続された半
導体素子の各々を過電圧から保護することが可能であ
る。
Conventionally, snubber circuits have been widely used to suppress element destruction due to surge voltage. In particular, I
A clamp-type snubber circuit (charge-type RCD snubber circuit) is used for a semiconductor element having a wide RBSOA such as a GBT. This has a capacitor charged to a power supply voltage, and absorbs energy stored in a floating inductance of a circuit by a snubber circuit when a voltage equal to or higher than the power supply voltage is applied to a semiconductor element. However, since a high-voltage capacitor is required, there is a problem that the volume and cost of the apparatus increase. In addition, because of the cross-shaped configuration, there is a problem that it cannot be connected to each semiconductor element connected in series. As techniques for solving this, JP-A-2000-12780, JP-A-20
The technology disclosed in 00-92817 is exemplified.
These clamp a surge voltage to a predetermined voltage and, at the same time, connect a semiconductor snubber circuit that absorbs energy stored in the floating inductance of the circuit in parallel with the main switching element. These semiconductor snubber circuits are small in size, can be inserted into the same package as the main switching element, and can protect each of the semiconductor elements connected in series from overvoltage.

【0005】しかしながら、これらは過電圧クランプ動
作を行うときのみ浮遊インダクタンスに蓄えられたエネ
ルギーをバイパスするものであり、電圧がある所定のク
ランプ電圧に達する以前には何ら保護動作を行わない。
即ち、半導体素子のスイッチング時の大きな電圧変化
(率)(=dV/dt)による破壊から主スイッチング素子を
保護することができない。
However, these devices bypass the energy stored in the floating inductance only when performing the overvoltage clamping operation, and do not perform any protection operation before the voltage reaches a predetermined clamp voltage.
That is, the main switching element cannot be protected from destruction due to a large voltage change (rate) (= dV / dt) during switching of the semiconductor element.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
過電圧保護回路では、過大なサージ電圧による破壊と過
大な電圧変化(率)による破壊の双方を防ぐことができ
ないという問題があった。本発明は、過大な電圧変化
(率)(=dV/dt)による破壊にも効果のある過電圧保
護回路を提供することを目的とする。
As described above, the conventional overvoltage protection circuit has a problem that it is impossible to prevent both destruction due to an excessive surge voltage and destruction due to an excessive voltage change (rate). SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an overvoltage protection circuit that is effective for destruction due to an excessive voltage change (rate) (= dV / dt).

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、主スイッチング素子の電圧変化によっ
てゲート電圧が変化する絶縁ゲート型半導体素子を主ス
イッチング素子と並列に接続することで、過電圧や過大
な電圧変化(率)(=dV/dt)が発生したときに、前記
絶縁ゲート型半導体素子に電流をバイパスさせて主スイ
ッチング素子を保護することができる。
According to the present invention, there is provided an insulated gate semiconductor device in which a gate voltage changes according to a voltage change of a main switching element, in parallel with the main switching element. When an overvoltage or an excessive voltage change (rate) (= dV / dt) occurs, the main switching element can be protected by making the insulated gate semiconductor element bypass the current.

【0008】即ち、本発明に係わる過電圧保護回路は、
高電圧側主電極と低電圧側主電極とゲート電極を有する
絶縁ゲート型半導体素子からなり、主スイッチング素子
と並列に接続される過電圧保護回路であって、前記ゲー
ト電極−低電圧側主電極間にゲート抵抗を具備してなる
ことを特徴とする。
That is, the overvoltage protection circuit according to the present invention comprises:
An overvoltage protection circuit comprising an insulated gate semiconductor element having a high voltage side main electrode, a low voltage side main electrode, and a gate electrode, connected in parallel with a main switching element, wherein the gate electrode and the low voltage side main electrode And a gate resistor.

【0009】また、前記ゲート抵抗と直列に、前記ゲー
ト電極に負バイアスを与える直流電源が接続されたこと
を特徴とする。
Further, a DC power supply for applying a negative bias to the gate electrode is connected in series with the gate resistor.

【0010】また、前記ゲート抵抗、あるいは、直列接
続した前記ゲート抵抗と前記直流電源と並列に、前記絶
縁ゲート型半導体素子のゲート電極−低電圧側主電極間
に、極性を逆に直列接続されたツェナーダイオードが接
続されたことを特徴とする。
In addition, the gate resistor or the gate resistor connected in series and the DC power supply are connected in series between the gate electrode and the low-voltage side main electrode of the insulated gate semiconductor device with the polarities reversed. Wherein the Zener diode is connected.

【0011】また、前記主スイッチング素子、その制御
電極に入力信号を供給する制御回路の少なくとも一方が
装置電流検出機能を有し、検出された装置電流値に基づ
いて保護回路内の前記ゲート抵抗、前記負バイアスの少
なくとも一方を制御する保護回路用制御回路を有するこ
とを特徴とする。
At least one of the main switching element and a control circuit for supplying an input signal to a control electrode thereof has a device current detecting function, and the gate resistance in the protection circuit is determined based on the detected device current value. A protection circuit control circuit for controlling at least one of the negative bias is provided.

【0012】また、前記絶縁ゲート型半導体素子の高電
圧側主電極、ゲート電極に、それぞれ、高電圧側主電
極、低電圧側主電極を接続した第2の絶縁ゲート型半導
体素子を有し、第2の絶縁ゲート型半導体素子のゲート
電極−低電圧側主電極間に第2のゲート抵抗が接続され
たことを特徴とする。
A second insulated gate semiconductor element having a high voltage side main electrode and a low voltage side main electrode connected to the high voltage side main electrode and the gate electrode of the insulated gate type semiconductor element, respectively; A second gate resistor is connected between the gate electrode and the low-voltage-side main electrode of the second insulated gate semiconductor device.

【0013】また、前記第2のゲート抵抗と直列に、第
2の絶縁ゲート型半導体素子のゲート電極に負バイアス
を与える直流電源が接続されたことを特徴とする。
A DC power supply for applying a negative bias to a gate electrode of the second insulated gate semiconductor device is connected in series with the second gate resistor.

【0014】また、前記主スイッチング素子、その制御
電極に入力信号を供給する制御回路の少なくとも一方が
装置電流検出機能を有し、検出された装置電流値に基づ
いて保護回路内の前記第1の絶縁ゲート型半導体素子の
ゲート抵抗、負バイアス、前記第2の絶縁ゲート型半導
体素子のゲート抵抗、負バイアスの少なくとも一つを制
御する保護回路用制御回路を有することを特徴とする。
At least one of the main switching element and a control circuit for supplying an input signal to a control electrode thereof has a device current detecting function, and the first circuit in the protection circuit based on the detected device current value. A protection circuit control circuit controls at least one of a gate resistance and a negative bias of the insulated gate semiconductor element, and a gate resistance and a negative bias of the second insulated gate semiconductor element.

【0015】また、前記第1の絶縁ゲート型半導体素子
の通電部面積が、第2の絶縁ゲート型半導体素子の通電
部面積より大きいことを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that the area of the current-carrying part of the first insulated gate semiconductor element is larger than the area of the current-carrying part of the second insulated gate semiconductor element.

【0016】また、前記第1及び第2の絶縁ゲート型半
導体素子が同一基板内に形成されたことを特徴とする。
Further, the first and second insulated gate semiconductor elements are formed in the same substrate.

【0017】また、前記第1の絶縁ゲート型半導体素子
のゲート電極構造と、前記第2の絶縁ゲート型半導体素
子のゲート電極構造とが異なることを特徴とする。
Further, the gate electrode structure of the first insulated gate semiconductor device is different from the gate electrode structure of the second insulated gate semiconductor device.

【0018】また、前記第1の絶縁ゲート型半導体素子
の、高電圧側主電極−ゲート電極間寄生容量(キャパシ
タンス)の低電圧側主電極−ゲート電極間寄生容量に対
する比の値が、前記第2の絶縁ゲート型半導体素子の高
電圧側主電極−ゲート電極間寄生容量の低電圧側主電極
−ゲート電極間寄生容量に対する比の値より、大きいこ
とを特徴とする。
The value of the ratio of the parasitic capacitance (capacitance) between the high-voltage side main electrode and the gate electrode to the low-voltage side main electrode and the gate electrode of the first insulated gate semiconductor device is the same as that of the first insulated gate semiconductor device. 2 is characterized in that the ratio of the parasitic capacitance between the high voltage side main electrode and the gate electrode to the parasitic capacitance between the low voltage side main electrode and the gate electrode of the insulated gate type semiconductor element is larger than the value of the ratio.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の各実施の形態を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0020】(第1の実施の形態)図1は本発明の実施
の形態の一例である。主スイッチング素子1であるIG
BTは、ゲート電極端子G−エミッタ電極端子E間に接
続された制御回路2によってスイッチング動作を行って
いる(以下、主スイッチング素子1をIGBT1とす
る)。IGBT1の2つの主電極(C(コレクタ電極端
子)及びE)間に、絶縁ゲート型半導体素子10を含む
過電圧保護回路100が接続されている。絶縁ゲート型
半導体素子10は主スイッチング素子1と同等の耐圧を
有するものであり、ここではIGBTを用いる(以下、
絶縁ゲート型半導体素子10をIGBT10とする)。
IGBT10のコレクタ電極、エミッタ電極は、それぞ
れ、IGBT1のコレクタ電極端子C、エミッタ電極端
子Eに接続され、IGBT10のゲート電極はゲート抵
抗11と直流電源12を介してエミッタ電極に接続され
ている。ただし、直流電源12はゲート電極を逆バイア
スする方向である。さらに、IGBT10のゲート電極
−エミッタ電極間には、極性を逆に直列接続されたツェ
ナーダイオード13、14が接続されている。
(First Embodiment) FIG. 1 shows an example of an embodiment of the present invention. IG which is the main switching element 1
The BT performs a switching operation by the control circuit 2 connected between the gate electrode terminal G and the emitter electrode terminal E (hereinafter, the main switching element 1 is referred to as IGBT1). An overvoltage protection circuit 100 including an insulated gate semiconductor element 10 is connected between two main electrodes (C (collector electrode terminal) and E) of the IGBT 1. The insulated gate semiconductor element 10 has a withstand voltage equivalent to that of the main switching element 1 and uses an IGBT here (hereinafter, referred to as an IGBT).
The insulated gate semiconductor element 10 is referred to as IGBT 10).
The collector electrode and the emitter electrode of the IGBT 10 are connected to the collector electrode terminal C and the emitter electrode terminal E of the IGBT 1, respectively, and the gate electrode of the IGBT 10 is connected to the emitter electrode via a gate resistor 11 and a DC power supply 12. However, the DC power supply 12 is in the direction of reversely biasing the gate electrode. Further, zener diodes 13 and 14 connected in series with opposite polarities are connected between the gate electrode and the emitter electrode of the IGBT 10.

【0021】続いて、図2、図3を用いて本実施の形態
における過電圧保護回路100の動作を説明する。図3
は過電圧保護回路100に用いられるIGBT10の単
位セル断面図を模式的に表したものである。低濃度のn
型ベース層21の一方の面に、高濃度のp型エミッタ層
22とコレクタ電極23が形成されている。低濃度のn
型ベース層21の他方の面には、選択的にp型ベース層
24が形成され、p型ベース層24の表面には選択的に
高濃度のn型ソース層25が形成されている。低濃度の
n型ベース層21と高濃度のn型ソース層25に挟まれ
たp型ベース層24の表面と、低濃度のn型ベース層2
1の表面にはゲート絶縁膜26を介してゲート電極27
が形成され、さらに、p型ベース層24と高濃度のn型
ソース層25の双方に接するようにエミッタ電極28が
形成されている。
Next, the operation of the overvoltage protection circuit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG.
1 schematically shows a unit cell cross-sectional view of the IGBT 10 used in the overvoltage protection circuit 100. Low concentration of n
A high concentration p-type emitter layer 22 and a collector electrode 23 are formed on one surface of the mold base layer 21. Low concentration of n
A p-type base layer 24 is selectively formed on the other surface of the mold base layer 21, and a high-concentration n-type source layer 25 is selectively formed on the surface of the p-type base layer 24. The surface of the p-type base layer 24 sandwiched between the low-concentration n-type base layer 21 and the high-concentration n-type source layer 25 and the low-concentration n-type base layer 2
The gate electrode 27 is provided on the surface of
Are formed, and an emitter electrode 28 is formed so as to be in contact with both the p-type base layer 24 and the high-concentration n-type source layer 25.

【0022】このIGBT10において、コレクタ電極
23にエミッタ電極28に対して正電圧を印加すると、
p型ベース層24と低濃度のn型ベース層21との接合
から空乏層が拡がるが、これとゲート絶縁膜26を電極
間隔として、コレクタ電極23−ゲート電極27間、ゲ
ート電極27−エミッタ電極28間に、それぞれ、寄生
容量Ccg、Cgeが存在する。
In the IGBT 10, when a positive voltage is applied to the collector electrode 23 and the emitter electrode 28,
A depletion layer expands from the junction between the p-type base layer 24 and the low-concentration n-type base layer 21, but with this and the gate insulating film 26 interposed between the collector electrode 23 and the gate electrode 27, the gate electrode 27 and the emitter electrode. 28, there are parasitic capacitances Ccg and Cge, respectively.

【0023】通電状態にあるIGBT10が零または負
の制御信号によりコレクタ電流Icを遮断するとき、回
路の浮遊インダクタンスLsにおいて、誘導起電力Ls・dI
c/dtが発生する。過電圧保護回路100がない場合、
この誘導起電力が、IGBT1にサージ電圧として印加
され、電流・電圧軌跡が逆バイアス安全動作領域(RB
SOA)を超えると素子破壊が起こる。また、電圧変化
(率)(=dV/dt)が素子の許容値を超えると素子破壊
が起こる。
When the IGBT 10 in the energized state interrupts the collector current Ic by a zero or negative control signal, the induced electromotive force Ls · dI in the floating inductance Ls of the circuit.
c / dt occurs. If there is no overvoltage protection circuit 100,
This induced electromotive force is applied to the IGBT 1 as a surge voltage, and the current / voltage trajectory has a reverse bias safe operation area (RB
If SOA) is exceeded, device destruction occurs. If the voltage change (rate) (= dV / dt) exceeds the allowable value of the element, the element is destroyed.

【0024】しかし、本実施の形態では、図2に示した
ように、電圧上昇における電圧変化率(=dV/dt)の値
によりIGBT10のCcgに変位電流が発生し、ゲート
抵抗11と寄生容量Cgeに流入する。これによりゲート
電圧Vgeが上昇し、閾値Vthに達するとIGBT10がオ
ン状態になる。このため、IGBT1に流れていた電流
の一部がIGBT10にバイパスされるので、ゲート抵
抗11を十分大きくしておくことにより、低い電圧変化
(率)(=dV/dt)での遮断動作(電圧クランプ動作)
が得られ、小さなサージ電圧で電流を遮断することがで
きる。
However, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, a displacement current is generated in Ccg of the IGBT 10 due to the value of the voltage change rate (= dV / dt) in the voltage rise, and the gate resistance 11 and the parasitic capacitance are generated. Flow into Cge. As a result, the gate voltage Vge increases, and when the gate voltage Vge reaches the threshold value Vth, the IGBT 10 is turned on. For this reason, a part of the current flowing through the IGBT 1 is bypassed to the IGBT 10. Therefore, by making the gate resistance 11 sufficiently large, the cutoff operation (voltage) at a low voltage change (rate) (= dV / dt) is performed. Clamp operation)
And the current can be cut off with a small surge voltage.

【0025】ただし、ゲート抵抗11は、例えば、数k
Ωという大きさであり、寄生容量Ccgの変位電流によ
り、IGBT10のゲート耐圧を超える可能性がある。
そこで、ゲート−エミッタ間に数ボルトから数十ボルト
のツェナー電圧を有するツェナーダイオード13を接続
することにより、必要以上の変位電流をバイパスさせて
いる。また、逆直列のツェナ−ダイオード14は、直流
電源12による逆バイアス値より若干大きなツェナー電
圧を有しており、IGBT1のターンオン時にIGBT
10のゲート電極に逆方向の過電圧が印加されるのを防
ぐためのものである。
However, the gate resistance 11 is, for example, several k
Ω and may exceed the gate breakdown voltage of the IGBT 10 due to the displacement current of the parasitic capacitance Ccg.
Therefore, by connecting a Zener diode 13 having a Zener voltage of several volts to several tens of volts between the gate and the emitter, unnecessary displacement current is bypassed. Further, the zener diode 14 in the anti-series has a zener voltage slightly larger than the reverse bias value by the DC power supply 12, and the IGBT 1 is turned on when the IGBT 1 is turned on.
This is for preventing the overvoltage in the reverse direction from being applied to the ten gate electrodes.

【0026】また、直流電源12はゲート電圧Vgeが閾
値Vthに達するまでの時間を制御するためのものであ
る。なぜなら、ゲートを逆バイアスすることにより、コ
レクタ電圧が小さいターンオフ直後において、ゲート絶
縁膜26直下にある低濃度のn型ベース層21中にp型
の反転層が形成され、ゲート電極27をコレクタ電圧変
化から遮蔽することができるからである。
The DC power supply 12 controls the time until the gate voltage Vge reaches the threshold value Vth. This is because, by reverse biasing the gate, a p-type inversion layer is formed in the low-concentration n-type base layer 21 immediately below the gate insulating film 26 immediately after the turn-off when the collector voltage is small, and the gate electrode 27 This is because it can be shielded from change.

【0027】図4は、本実施の形態を適用したときの波
形例である。過電圧が抑制されるとともに、電流が(過
電圧)保護回路100にバイパスされるため、主スイッ
チング素子1(=IGBT1)のRBSOA内で電流遮
断を行うことができた。また、ターンオフ時のサージ電
圧が大きいときと、電圧変化(率)(=dV/dt)が大き
いときほど、確実に過電圧保護動作を行うことを確認で
きた。
FIG. 4 is a waveform example when this embodiment is applied. Since the overvoltage is suppressed and the current is bypassed to the (overvoltage) protection circuit 100, the current can be interrupted in the RBSOA of the main switching element 1 (= IGBT1). Further, it was confirmed that the overvoltage protection operation was more reliably performed when the surge voltage at the time of turn-off was larger and when the voltage change (rate) (= dV / dt) was larger.

【0028】(第2の実施の形態)図5は、第2の実施
の形態を表す回路図である。第1の実施の形態と同一の
構成要素には同一の番号を記している。第1の実施の形
態と異なるのは、直流電源12がない点であり、そのた
めにツェナーダイオード14も必要としない。ただし、
絶縁ゲート型半導体素子10(=IGBT10)におい
て、図6に示すように、ゲート絶縁膜26直下にある低
濃度のn型ベース層21中に、低濃度のp型シールド層
29を形成することが望ましい。
(Second Embodiment) FIG. 5 is a circuit diagram showing a second embodiment. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. The difference from the first embodiment is that the DC power supply 12 is not provided, and therefore, the Zener diode 14 is not required. However,
In the insulated gate semiconductor element 10 (= IGBT 10), as shown in FIG. 6, a low-concentration p-type shield layer 29 may be formed in a low-concentration n-type base layer 21 immediately below a gate insulating film 26. desirable.

【0029】(第3の実施の形態)図7は、第3の実施
の形態を表す回路構成図である。本実施の形態では、主
スイッチング素子1であるIGBT1の遮断電流に応じ
て、過電圧保護回路100内のゲート抵抗11、直流電
源12の逆バイアス値の少なくとも1つを制御可能な過
電圧保護回路用制御回路200を有する。遮断電流値
は、制御回路2のプログラムから与えられ、その遮断電
流値が小さく過電圧保護が不要な場合には、直流電源1
2による逆バイアスを大きくすることにより、IGBT
10のゲート電圧が閾値Vthに達しないようにして、電
圧クランプ動作を起こさせないように制御することがで
きる。あるいは、ゲート抵抗11を小さくして、IGB
T10に電流がバイパスされても、電圧変化(率)(=
dV/dt)が低下しないように制御することができる。
(Third Embodiment) FIG. 7 is a circuit diagram showing a third embodiment. In the present embodiment, control for the overvoltage protection circuit that can control at least one of the gate resistance 11 in the overvoltage protection circuit 100 and the reverse bias value of the DC power supply 12 according to the cutoff current of the IGBT 1 that is the main switching element 1 The circuit 200 is provided. The breaking current value is given from a program of the control circuit 2. If the breaking current value is small and overvoltage protection is not required, the DC power supply 1
IGBT by increasing the reverse bias due to
It is possible to control so that the gate voltage of No. 10 does not reach the threshold value Vth so that the voltage clamping operation does not occur. Alternatively, the gate resistance 11 is reduced and the IGB
Even if the current is bypassed at T10, the voltage change (rate) (=
dV / dt) can be controlled so as not to decrease.

【0030】(第4の実施の形態)図8は、第4の実施
の形態を表す回路構成図である。本実施の形態は、第3
の実施の形態の変形例であり、主スイッチング素子1で
あるIGBT1の遮断電流に応じて、過電圧保護回路1
00内のゲート抵抗11、直流電源12の逆バイアス値
の少なくとも1つを制御可能な過電圧保護回路用制御回
路200を有する点、及び過電圧保護回路用制御回路2
00による制御方法は同じである。ただし、主スイッチ
ング素子1(=IGBT1)がエミッタセンス電極端子
ESを有し、電流検出抵抗3の電圧降下によって、遮断
電流値が過電圧保護回路用制御回路200に与えられる
ことが特徴である。
(Fourth Embodiment) FIG. 8 is a circuit diagram showing a fourth embodiment. In the present embodiment, the third
Is a modification of the embodiment, wherein the overvoltage protection circuit 1 is switched in accordance with the breaking current of the IGBT 1 which is the main switching element 1.
00, a control circuit 200 for an overvoltage protection circuit capable of controlling at least one of a reverse bias value of the DC power supply 12 and a gate resistance 11 in the DC power supply 00, and a control circuit 2 for the overvoltage protection circuit.
The control method by 00 is the same. However, it is characterized in that the main switching element 1 (= IGBT1) has the emitter sense electrode terminal ES, and the cutoff current value is given to the overvoltage protection circuit control circuit 200 by the voltage drop of the current detection resistor 3.

【0031】(第5の実施の形態)図9は、第5の実施
の形態を表す回路図である。過電圧保護回路100は2
つの絶縁ゲート型半導体素子、即ちIGBT10a、I
GBT10bから構成されている。IGBT10aのコ
レクタ電極、エミッタ電極は、それぞれ、主スイッチン
グ素子1であるIGBT1のコレクタ電極、エミッタ電
極に接続され、IGBT10aのゲート電極−エミッタ
電極間にはゲート抵抗11aが接続されている。そし
て、IGBT10bのコレクタ電極、エミッタ電極は、
それぞれ、IGBT10aのコレクタ電極、ゲート電極
に接続され、IGBT10bのゲート電極−エミッタ電
極間には、直列接続されたゲート抵抗11b、直流電源
12bと、極性を逆に直列接続されたツェナーダイオー
ド13b、14bとが並列に接続されている。ただし、
直流電源12bはIGBT10bのゲート電極を逆バイ
アスする方向であり、ツェナーダイオード13bのツェ
ナー電圧はIGBT10bのゲート閾値電圧Vthより若
干大きな値に、ツェナーダイオード14bのツェナー電
圧は直流電源12bによる逆バイアス値より若干大きな
値に設定される。また、ゲート抵抗11aに対し、ゲー
ト抵抗11bは数桁大きな抵抗値である。
(Fifth Embodiment) FIG. 9 is a circuit diagram showing a fifth embodiment. The overvoltage protection circuit 100 is 2
Two insulated gate semiconductor devices, ie, IGBTs 10a, I
It is composed of a GBT 10b. The collector electrode and the emitter electrode of the IGBT 10a are connected to the collector electrode and the emitter electrode of the IGBT 1 as the main switching element 1, respectively, and the gate resistor 11a is connected between the gate electrode and the emitter electrode of the IGBT 10a. The collector electrode and the emitter electrode of the IGBT 10b are
Each is connected to a collector electrode and a gate electrode of the IGBT 10a, and between a gate electrode and an emitter electrode of the IGBT 10b, a series-connected gate resistor 11b and a DC power supply 12b, and zener diodes 13b and 14b connected in series with opposite polarities. And are connected in parallel. However,
The DC power supply 12b is in the direction of reverse biasing the gate electrode of the IGBT 10b, the Zener voltage of the Zener diode 13b is slightly larger than the gate threshold voltage Vth of the IGBT 10b, and the Zener voltage of the Zener diode 14b is smaller than the reverse bias value of the DC power supply 12b. Set to a slightly larger value. Further, the gate resistance 11b has a resistance value several orders of magnitude larger than the gate resistance 11a.

【0032】以下に、本実施の形態に用いる回路の動作
を説明する。
The operation of the circuit used in this embodiment will be described below.

【0033】主スイッチング素子1であるIGBT1が
電流Icをターンオフするとき、コレクタ電圧の上昇(=
dV/dtの発生)により、IGBT10aとIGBT10
bのコレクタ−ゲート間寄生容量Ccgに変位電流が発生
し、それぞれのゲート−エミッタ間寄生容量Cgeが充電
される。IGBT10aとIGBT10bのゲート電圧
のどちらが先に閾値Vthに達するかは、ゲート抵抗11
a、11b、直流電源12bによる逆バイアス、さらに
は、ゲート抵抗10a、10bの各素子構造に依る。仮
に、IGBT10aのゲート電圧が先に閾値Vthに達し
たとすると、IGBT1の電流の一部がIGBT10a
にバイパスされる。しかし、ゲート抵抗11aは大きな
値ではないため、コレクタ電圧はクランプされずに上昇
を続ける。遮断電流Icが大きいなど、大きなサージ電圧
が発生する条件では、IGBT10bのゲート電圧も閾
値Vthに達し、大きなゲート抵抗11bの存在により、
低い電圧変化(率)(=dV/dt)での遮断動作(電圧ク
ランプ動作)が得られる。このとき、IGBT1はCcg
には十分な変位電流が発生しないためオフ状態になるの
に対し、IGBT10aはIGBT10bのエミッタ電
流がゲート電流として供給されるためオン状態を保ち続
け、大部分の電流をバイパスすることになる。即ち、本
実施の形態では、IGBT10aがIGBT1の電流を
バイパスする役割を果たし、IGBT10bが電圧をク
ランプする役割を果たす。
When the IGBT 1 as the main switching element 1 turns off the current Ic, the collector voltage rises (=
dV / dt), the IGBT 10a and the IGBT 10
A displacement current is generated in the collector-gate parasitic capacitance Ccg of b, and the respective gate-emitter parasitic capacitances Cge are charged. Which of the gate voltages of the IGBT 10a and the IGBT 10b first reaches the threshold value Vth depends on the gate resistance 11
a, 11b, reverse bias by the DC power supply 12b, and furthermore, the element structure of the gate resistors 10a, 10b. Assuming that the gate voltage of the IGBT 10a first reaches the threshold value Vth, a part of the current of the IGBT 1
Is bypassed. However, since the gate resistance 11a is not a large value, the collector voltage continues to rise without being clamped. Under conditions in which a large surge voltage occurs, such as when the cutoff current Ic is large, the gate voltage of the IGBT 10b also reaches the threshold Vth, and the presence of the large gate resistance 11b causes
A cutoff operation (voltage clamp operation) with a low voltage change (rate) (= dV / dt) can be obtained. At this time, IGBT1 is Ccg
Does not generate a sufficient displacement current, the IGBT 10a is kept off because the emitter current of the IGBT 10b is supplied as the gate current, and the IGBT 10a bypasses most of the current. That is, in the present embodiment, the IGBT 10a plays a role of bypassing the current of the IGBT1, and the IGBT 10b plays a role of clamping the voltage.

【0034】また、直流電源12bにより、クランプ電
圧をIGBT10aのバイパス動作とは独立に設定する
ことができる。
Further, the clamp voltage can be set by the DC power supply 12b independently of the bypass operation of the IGBT 10a.

【0035】(第6の実施の形態)図10は第6の実施
の形態を表す回路図である。本実施の形態は、第5の実
施の形態の変形例であり、過電圧保護回路100が2つ
の絶縁ゲート型半導体素子IGBT10a、IGBT1
0bから構成されている点は同じである。異なる点は、
IGBT10bのゲート電極を逆バイアスする直流電源
12bと、IGBT10bのゲート−エミッタ間に接続
されていた2つのツェナーダイオードとがない点であ
る。直流電源12bによるクランプ電圧の設定が行えな
いため、IGBT10bは、図6に示したように、ゲー
ト絶縁膜26直下の低濃度のn型ベース層21中に低濃
度のp型シールド層29を形成することが望ましい。p
シールド層29のアクセプタ濃度によりクランプ電圧を
設定することが可能である。また、先に述べたように、
IGBT10bの電流容量はIGBT10aのゲート電
流を供給するに足りればよい。即ち、IGBT10bの
面積はIGBT10aの面積より遥かに小さくてよい。
従って、IGBT10bの変位電流も小さいため、ゲー
ト過電圧を抑制するツェナーダイオード13b、14b
を不要とすることができる。このことは、先の実施の形
態においても同じであり、図9に示されているツェナー
ダイオード13b、14bも用いなくてもよい。
(Sixth Embodiment) FIG. 10 is a circuit diagram showing a sixth embodiment. This embodiment is a modification of the fifth embodiment, and the overvoltage protection circuit 100 includes two insulated gate semiconductor devices IGBT10a and IGBT1.
0b is the same. The difference is
The point is that there is no DC power supply 12b for reverse-biasing the gate electrode of the IGBT 10b, and there are no two Zener diodes connected between the gate and the emitter of the IGBT 10b. Since the clamp voltage cannot be set by the DC power supply 12b, the IGBT 10b forms the low-concentration p-type shield layer 29 in the low-concentration n-type base layer 21 immediately below the gate insulating film 26, as shown in FIG. It is desirable to do. p
The clamp voltage can be set by the acceptor concentration of the shield layer 29. Also, as mentioned earlier,
The current capacity of the IGBT 10b may be sufficient to supply the gate current of the IGBT 10a. That is, the area of the IGBT 10b may be much smaller than the area of the IGBT 10a.
Accordingly, since the displacement current of the IGBT 10b is also small, the Zener diodes 13b, 14b
Can be eliminated. This is the same in the previous embodiment, and the zener diodes 13b and 14b shown in FIG. 9 need not be used.

【0036】(第7の実施の形態)図11は、第7の実
施の形態を表す回路構成図である。本実施の形態では、
主スイッチング素子1であるIGBT1の遮断電流に応
じて、過電圧保護回路100内のゲート抵抗11a、1
1b、直流電源12bの逆バイアス値の少なくとも1つ
を制御可能な過電圧保護回路用制御回路200を有す
る。遮断電流値は、制御回路2のプログラムから与えら
れ、その遮断電流値が小さく過電圧保護が不要な場合に
は、直流電源12bによる逆バイアスを大きくすること
により、IGBT10aのゲート電圧が閾値Vthに達し
なくして、電圧クランプ動作を起こさせないように制御
することができる。あるいは、ゲート抵抗11a、11
bを小さくして、IGBT10aに電流がバイパスされ
た状態でも、電圧変化(率)(=dV/dt)が低下しない
ように制御することができる。
(Seventh Embodiment) FIG. 11 is a circuit diagram showing a seventh embodiment. In the present embodiment,
The gate resistances 11a, 11a, 1
1b, a control circuit 200 for an overvoltage protection circuit capable of controlling at least one of the reverse bias values of the DC power supply 12b. The cutoff current value is given from a program of the control circuit 2. When the cutoff current value is small and overvoltage protection is not necessary, the reverse bias by the DC power supply 12b is increased so that the gate voltage of the IGBT 10a reaches the threshold value Vth. Therefore, control can be performed so that the voltage clamp operation does not occur. Alternatively, the gate resistors 11a, 11
By making b small, it is possible to control so that the voltage change (rate) (= dV / dt) does not decrease even when the current is bypassed to the IGBT 10a.

【0037】(第8の実施の形態)図12は、第8の実
施の形態を表す回路構成図である。本実施の形態は、第
7の実施の形態の変形例であり、IGBT1の遮断電流
に応じて、過電圧保護回路100内のゲート抵抗11
a、11b、直流電源12bの逆バイアス値の少なくと
も1つを制御可能な過電圧保護回路用制御回路200を
有する点、及び、過電圧保護回路用制御回路200によ
る制御方法は同じである。ただし、主スイッチング素子
1であるIGBT1がエミッタセンス電極端子ESを有
し、電流検出抵抗3の電圧降下によって、遮断電流値が
過電圧保護回路用制御回路200に与えられることが特
徴である。
(Eighth Embodiment) FIG. 12 is a circuit diagram showing an eighth embodiment. This embodiment is a modification of the seventh embodiment. The gate resistor 11 in the overvoltage protection circuit 100 is changed according to the cutoff current of the IGBT 1.
a, 11b and the control circuit 200 for the overvoltage protection circuit capable of controlling at least one of the reverse bias values of the DC power supply 12b, and the control method by the control circuit 200 for the overvoltage protection circuit is the same. However, the IGBT 1 serving as the main switching element 1 has an emitter sense electrode terminal ES, and a cutoff current value is given to the overvoltage protection circuit control circuit 200 by a voltage drop of the current detection resistor 3.

【0038】(第9の実施の形態)図13は、第9の実
施の形態に用いる絶縁ゲート型半導体素子の断面模式図
であり、図10の過電圧保護回路100に対応する。I
GBT10a、IGBT10bが同一半導体基板上に形
成されており、図13の中央部点線の右側が10a、左
側が10bを構成している。それぞれのゲート抵抗11
a、11bは、外部回路によって接続してもよいし、半
導体基板上に多結晶シリコンなどで形成してもよい。ま
た、先に述べたように、IGBT10bの電流容量はI
GBT10aのゲート電流を供給するに足りればよく、
IGBT10bは半導体基板上の一部分のみに形成され
ている。
Ninth Embodiment FIG. 13 is a schematic sectional view of an insulated gate semiconductor device used in a ninth embodiment, and corresponds to the overvoltage protection circuit 100 in FIG. I
The GBT 10a and the IGBT 10b are formed on the same semiconductor substrate, and the right side of the center dotted line in FIG. 13 constitutes 10a and the left side constitutes 10b. Each gate resistance 11
a and 11b may be connected by an external circuit, or may be formed of polycrystalline silicon or the like on a semiconductor substrate. As described above, the current capacity of the IGBT 10b is I
It only needs to supply the gate current of the GBT 10a,
The IGBT 10b is formed only on a part of the semiconductor substrate.

【0039】(第10の実施の形態)図14は、第10
の実施の形態に用いる絶縁ゲート型半導体素子の断面模
式図であり、例えば、図10の過電圧保護回路100に
対応する。本実施の形態では、同一半導体基板上に形成
されたIGBT10a、IGBT10bそれぞれのゲー
ト幅Lg1、Lg2が異なるのが特徴である。ゲート幅を大き
くすると、コレクタ−ゲート間寄生容量Ccg、即ち、コ
レクタ電圧の上昇(=dV/dtの発生)により発生する変
位電流が大きくなる。ゲート−エミッタ間寄生容量Cge
を充電する速さは、ゲート抵抗にも依存するが、寄生容
量の比Ccg/Cgeが大きいほど速いということができるの
で、IGBT10a、IGBT10bのゲート幅を異な
る値に設計することにより、過電圧保護回路の動作を細
かく設定することができる。
(Tenth Embodiment) FIG. 14 shows a tenth embodiment.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an insulated gate semiconductor element used in the embodiment, and corresponds to, for example, the overvoltage protection circuit 100 in FIG. This embodiment is characterized in that the IGBTs 10a and 10b formed on the same semiconductor substrate have different gate widths Lg1 and Lg2. When the gate width is increased, the parasitic capacitance Ccg between the collector and the gate, that is, the displacement current generated by an increase in the collector voltage (= dV / dt) is increased. Gate-emitter parasitic capacitance Cge
The charging speed depends on the gate resistance, but it can be said that the larger the ratio Ccg / Cge of the parasitic capacitance, the higher the speed. Therefore, by designing the gate widths of the IGBTs 10a and 10b to different values, the overvoltage protection circuit can be designed. Can be set in detail.

【0040】特に、ターンオフ時の過大な電圧変化
(率)(=dV/dt)から主スイッチング素子を保護する
場合には、電圧クランプ動作が開始される以前に、主ス
イッチング素子に流れていた電流の一部がIGBT10
aにバイパスされることが好ましい。このためには、I
GBT10aのCcg/CgeをIGBT10bのCcg/Cgeより
大きくすればよい。ただし、これはIGBT10bの面
積がIGBT10aの面積に比べて無視できる場合であ
り、無視できない場合には、IGBT10a のCcgにI
GBT10bのCcg、Cceを加える必要がある。
In particular, when protecting the main switching element from an excessive voltage change (rate) (= dV / dt) at the time of turn-off, the current flowing through the main switching element before the voltage clamping operation is started. Part of IGBT10
a. For this, I
Ccg / Cge of the GBT 10a may be made larger than Ccg / Cge of the IGBT 10b. However, this is the case where the area of the IGBT 10b is negligible compared to the area of the IGBT 10a, and if it cannot be ignored, the Ccg of the IGBT 10a is
It is necessary to add Ccg and Cce of GBT 10b.

【0041】また、IGBT10bが先にオンすると、
それによる急激なゲート電流の供給により、IGBT1
0aも瞬時にオンする。このとき、主スイッチング素子
とIGBT10a間で大きな電流変化(率)(=dI/d
t)が発生するが、それに伴ってノイズが発生しやすい
という問題があり、IGBT10aのCcg/CgeをIGB
T10bのCcg/Cgeより大きくすることはノイズ低減に
も効果的である。このためには、図14に示すように、
IGBT10a、IGBT10bそれぞれのゲート幅Lg
1、Lg2を、Lg1>Lg2となるように形成すればよい。
When the IGBT 10b is turned on first,
As a result, the IGBT 1
0a is also instantly turned on. At this time, a large current change (rate) between the main switching element and the IGBT 10a (= dI / d
t) occurs, but there is a problem that noise is apt to occur with the occurrence of C), and Ccg / Cge of the IGBT 10a is changed to IGB.
Making it larger than Ccg / Cge of T10b is also effective for noise reduction. To do this, as shown in FIG.
Gate width Lg of each of IGBT 10a and IGBT 10b
1. Lg2 may be formed such that Lg1> Lg2.

【0042】(第11の実施の形態)図15は、第11
の実施の形態を表す絶縁ゲート型半導体素子の断面模式
図であり、例えば、図10の過電圧保護回路100に対
応する。また、図14に示した第10の実施の形態と同
一の効果を有する。図15の中央部点線より左側のIG
BT10bのゲート絶縁膜(=ゲート酸化膜)に関し、
チャネル形成に寄与しない低濃度のn型ベース層21表
面上の部分において、酸化膜が厚く形成されている。こ
れにより、IGBT10bのCcg、引いては寄生容量の
比Ccg/Cgeが小さくなる。
(Eleventh Embodiment) FIG.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an insulated gate semiconductor device illustrating the embodiment, and corresponds to, for example, the overvoltage protection circuit 100 in FIG. 10. Further, it has the same effect as the tenth embodiment shown in FIG. IG on the left side of the center dotted line in FIG.
Regarding the gate insulating film (= gate oxide film) of the BT 10b,
A thick oxide film is formed in a portion on the surface of the low-concentration n-type base layer 21 that does not contribute to channel formation. As a result, the Ccg of the IGBT 10b, and consequently, the ratio Ccg / Cge of the parasitic capacitance is reduced.

【0043】また、これらのIGBTに埋め込み型のト
レンチゲート構造を用いることにより、より広い範囲内
でCcg/Cgeを設計することも可能である。
By using a buried trench gate structure for these IGBTs, it is possible to design Ccg / Cge within a wider range.

【0044】以上述べた各実施の形態では、主スイッチ
ング素子、過電圧保護回路内の絶縁ゲート型半導体素子
としてIGBTを用いて説明した。しかし、例えば、主
スイッチング素子に高耐圧IGBT、電子注入促進型ゲ
ートトランジスタ(IEGT)などの高耐圧素子を用い
た場合においても、過電圧保護回路内の絶縁ゲート型半
導体素子として、図16に示すように、高耐圧のパワー
MOSFET10cを用いてもよい。一般に、高耐圧の
パワーMOSFET10cは飽和電圧がIGBTより遥
かに大きく、1kVを超える耐圧領域では殆ど用いられ
ることはない。しかし、本発明においては、絶縁ゲート
型半導体素子10は飽和領域ではなく活性領域で用いら
れるので、飽和電圧の高いパワーMOSFET10cを
用いることができる。これにより、コストを削減するこ
とができる。
In each of the embodiments described above, the IGBT has been described as the main switching element and the insulated gate semiconductor element in the overvoltage protection circuit. However, for example, even when a high withstand voltage element such as a high withstand voltage IGBT or an electron injection promoting gate transistor (IEGT) is used as the main switching element, as shown in FIG. 16 as an insulated gate semiconductor element in the overvoltage protection circuit. Alternatively, a high breakdown voltage power MOSFET 10c may be used. In general, the power MOSFET 10c with a high withstand voltage has a saturation voltage much larger than that of the IGBT and is hardly used in a withstand voltage region exceeding 1 kV. However, in the present invention, since the insulated gate semiconductor device 10 is used not in the saturation region but in the active region, the power MOSFET 10c having a high saturation voltage can be used. Thereby, cost can be reduced.

【0045】また、本発明の各実施の形態において、過
電圧保護回路には、例えば図17に示すように主スイッ
チング素子1としてGTOサイリスタなどの電流駆動型
素子を用いた場合、あるいは、MOSゲートサイリスタ
などの複合型素子を用いた場合にも適用可能である。
In each of the embodiments of the present invention, the overvoltage protection circuit uses a current-driven element such as a GTO thyristor as the main switching element 1 as shown in FIG. The present invention is also applicable to a case where a composite element such as the above is used.

【0046】(第12の実施の形態)図18は、第12
の実施の形態を表す回路構成図である。制御端子に制御
回路が接続された主スイッチング素子1と並列に、還流
ダイオード(以下、FWDとする)4が接続されてい
る。さらに、主スイッチング素子1、FWD4と並列
に、先の実施の形態で示したものと同様の過電圧保護回
路100が接続されている。
(Twelfth Embodiment) FIG.
FIG. 3 is a circuit configuration diagram illustrating the embodiment. A freewheeling diode (hereinafter referred to as FWD) 4 is connected in parallel with the main switching element 1 whose control terminal is connected to a control circuit. Further, an overvoltage protection circuit 100 similar to that shown in the above embodiment is connected in parallel with the main switching element 1 and the FWD 4.

【0047】FWD4が負荷電流を還流している状態に
おいて、図示されない別アームの主スイッチング素子を
ターンオンさせると、FWD4はリバースリカバリー動
作を行う。このとき、回路の浮遊インダクタンスLsに起
因するサージ電圧がFWD4に印加されるが、その電圧
上昇(=dV/dtの発生)によって過電圧保護回路100
内の絶縁ゲート型半導体素子が動作し、主スイッチング
素子1の保護と同様に、FWD4を過電圧から保護する
ことができる。図19は、FWD4のリバースリカバリ
ー時の電圧、電流波形を模式的に表したものである。た
だし、(過電圧)保護回路ありの場合の電流波形はFW
D4の電流と(過電圧)保護回路100の電流との和で
ある。このように、FWD4のリバースリカバリー電流
がピーク値を超えた後に電圧クランプ動作させることに
より、安定な保護動作を得ることができた。
When the main switching element of another arm (not shown) is turned on while the FWD 4 is circulating the load current, the FWD 4 performs a reverse recovery operation. At this time, a surge voltage caused by the stray inductance Ls of the circuit is applied to the FWD 4, and the voltage rise (= dV / dt generation) causes the overvoltage protection circuit 100.
The insulated gate type semiconductor element in the inside operates, and the FWD 4 can be protected from overvoltage similarly to the protection of the main switching element 1. FIG. 19 schematically shows voltage and current waveforms at the time of reverse recovery of the FWD 4. However, the current waveform with (overvoltage) protection circuit is FW
This is the sum of the current of D4 and the current of the (overvoltage) protection circuit 100. As described above, by performing the voltage clamping operation after the reverse recovery current of the FWD 4 exceeds the peak value, a stable protection operation can be obtained.

【0048】(第13の実施の形態)図20は、本発明
の過電圧保護回路を3層インバータ回路に適用した第1
3の実施の形態を表す回路図である。主スイッチング素
子1のターンオフ時と、FWD4のリバースリカバリー
時に、それぞれに並列接続された過電圧保護回路100
が動作し、過大なサージ電圧と過大な電圧変化(率)
(=dV/dt)から半導体素子を保護することができる。
(Thirteenth Embodiment) FIG. 20 shows a first embodiment in which the overvoltage protection circuit of the present invention is applied to a three-layer inverter circuit.
FIG. 14 is a circuit diagram illustrating a third embodiment. When the main switching element 1 is turned off and when the FWD 4 is subjected to reverse recovery, the overvoltage protection circuits 100 connected in parallel to each other.
Operates, excessive surge voltage and excessive voltage change (rate)
(= DV / dt).

【0049】[0049]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
主スイッチング素子のスイッチング時に発生する過大な
サージ電圧と過大な電圧変化(率)から、主スイッチン
グ素子及び還流ダイオード等を保護することが可能な過
電圧保護回路を提供することができる。
As described above, according to the present invention,
An overvoltage protection circuit capable of protecting the main switching element, the freewheeling diode, and the like from an excessive surge voltage and an excessive voltage change (rate) generated at the time of switching of the main switching element can be provided.

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

【図1】本発明の実施の形態を表す回路図。FIG. 1 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の過電圧保護回路の動作を説明するため
の回路図。
FIG. 2 is a circuit diagram for explaining the operation of the overvoltage protection circuit of the present invention.

【図3】本発明の過電圧保護回路の動作を説明するため
の素子断面図。
FIG. 3 is an element cross-sectional view for explaining the operation of the overvoltage protection circuit of the present invention.

【図4】本発明の過電圧保護回路を適用したときの波形
例。
FIG. 4 is a waveform example when the overvoltage protection circuit of the present invention is applied.

【図5】本発明の実施の形態を表す回路図。FIG. 5 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施の形態を表す素子断面図。FIG. 6 is an element cross-sectional view illustrating an embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施の形態を表す回路図。FIG. 7 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施の形態を表す回路図。FIG. 8 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図9】本発明の実施の形態を表す回路図。FIG. 9 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図10】本発明の実の施形態を表す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図11】本発明の実施の形態を表す回路図。FIG. 11 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図12】本発明の実施の形態を表す回路図。FIG. 12 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図13】本発明の実施の形態を表す素子断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view of an element showing an embodiment of the present invention.

【図14】本発明の実施の形態を表す素子断面図。FIG. 14 is an element cross-sectional view illustrating an embodiment of the present invention.

【図15】本発明の実施の形態を表す素子断面図。FIG. 15 is an element cross-sectional view illustrating an embodiment of the present invention.

【図16】本発明の実施の形態を表す回路図。FIG. 16 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図17】本発明の実施の形態を表す回路図。FIG. 17 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図18】本発明の実施の形態を表す回路図。FIG. 18 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図19】本発明の過電圧保護回路を適用したときの波
形例。
FIG. 19 is a waveform example when the overvoltage protection circuit of the present invention is applied.

【図20】本発明の実施の形態を表す回路図。FIG. 20 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the present invention.

【図21】従来のクランプ型スナバ回路を表す回路図。FIG. 21 is a circuit diagram showing a conventional clamp-type snubber circuit.

【図22】従来の過電圧保護回路を表す回路図。FIG. 22 is a circuit diagram illustrating a conventional overvoltage protection circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…主スイッチング素子 2…制御回路 3…電流検出抵抗 4…還流ダイオード 10、10a、10b…絶縁ゲート型半導体素子 10c…パワーMOSFET 11、11a、11b…ゲート抵抗 12、12b…直流電源 13、13b、14、14b…ツェナーダイオード 21…n型ベース層 22…p型エミッタ層 23…コレクタ電極 24…p型ベース層 25…n型ソース層 26…ゲート絶縁膜 27…ゲート電極 28…エミッタ電極 29…p型シールド層 100…過電圧保護回路 200…過電圧保護回路用制御回路 C…コレクタ電極端子 E…エミッタ電極端子 ES…エミッタセンス電極端子 G…ゲート電極端子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Main switching element 2 ... Control circuit 3 ... Current detection resistance 4 ... Reflux diode 10, 10a, 10b ... Insulated gate semiconductor element 10c ... Power MOSFET 11, 11a, 11b ... Gate resistance 12, 12b ... DC power supply 13, 13b , 14, 14b Zener diode 21 n-type base layer 22 p-type emitter layer 23 collector electrode 24 p-type base layer 25 n-type source layer 26 gate insulating film 27 gate electrode 28 emitter electrode 29 p-type shield layer 100: overvoltage protection circuit 200: control circuit for overvoltage protection circuit C: collector electrode terminal E: emitter electrode terminal ES: emitter sense electrode terminal G: gate electrode terminal

フロントページの続き (72)発明者 小倉 常雄 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) 5G013 AA02 AA16 BA02 CB02 DA05 DA10 DA11 5G053 AA09 BA04 CA05 EA09 EB02 EC03 5H007 CA01 CB02 CB05 CB06 FA01 FA13 FA20 5H740 BA11 BA16 BB01 BB05 BB07 BB08 BB10 MM01 Continuing from the front page (72) Inventor Tsuneo Ogura 1-term, Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa F-term in Toshiba Microelectronics Center Co., Ltd. 5G013 AA02 AA16 BA02 CB02 DA05 DA10 DA11 5G053 AA09 BA04 CA05 EA09 EB02 EC03 5H007 CA01 CB02 CB05 CB06 FA01 FA13 FA20 5H740 BA11 BA16 BB01 BB05 BB07 BB08 BB10 MM01

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】高電圧側主電極と低電圧側主電極とゲート
電極を有する絶縁ゲート型半導体素子からなり、主スイ
ッチング素子と並列に接続される過電圧保護回路であっ
て、前記ゲート電極と低電圧側主電極との間にゲート抵
抗が接続されたことを特徴とする過電圧保護回路。
1. An overvoltage protection circuit comprising an insulated gate semiconductor element having a high voltage side main electrode, a low voltage side main electrode and a gate electrode, connected in parallel with a main switching element. An overvoltage protection circuit, wherein a gate resistor is connected between the overvoltage protection circuit and a voltage side main electrode.
【請求項2】前記ゲート抵抗と直列に、前記ゲート電極
に負バイアスを与える直流電源が接続されたことを特徴
とする請求項1に記載の過電圧保護回路。
2. The overvoltage protection circuit according to claim 1, wherein a DC power supply for applying a negative bias to said gate electrode is connected in series with said gate resistor.
【請求項3】前記絶縁ゲート型半導体素子のゲート電極
と低電圧側主電極との間に、極性を逆に直列接続された
ツェナーダイオードが接続されたことを特徴とする請求
項1または請求項2に記載の過電圧保護回路。
3. A zener diode connected in series with a reverse polarity is connected between a gate electrode of the insulated gate semiconductor device and the low voltage side main electrode. 3. The overvoltage protection circuit according to 2.
【請求項4】前記主スイッチング素子、その制御電極に
入力信号を供給する制御回路の少なくとも一方が装置電
流検出機能を有し、検出された装置電流値に基づいて保
護回路内の前記ゲート抵抗、前記負バイアスの少なくと
も一方を制御する保護回路用制御回路を有することを特
徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記載の過電圧
保護回路。
4. At least one of the main switching element and a control circuit for supplying an input signal to a control electrode thereof has a device current detection function, and the gate resistance in the protection circuit is determined based on the detected device current value. 4. The overvoltage protection circuit according to claim 1, further comprising a protection circuit control circuit for controlling at least one of the negative bias.
【請求項5】前記絶縁ゲート型半導体素子の高電圧側主
電極、ゲート電極に、それぞれ、高電圧側主電極、低電
圧側主電極を接続した第2の絶縁ゲート型半導体素子を
有し、第2の絶縁ゲート型半導体素子のゲート電極と低
電圧側主電極との間に第2のゲート抵抗が接続されたこ
とを特徴とする請求項1または請求項2に記載の過電圧
保護回路。
5. A second insulated gate semiconductor device having a high voltage side main electrode and a low voltage side main electrode connected to a high voltage side main electrode and a gate electrode of the insulated gate semiconductor device, respectively. 3. The overvoltage protection circuit according to claim 1, wherein a second gate resistor is connected between the gate electrode of the second insulated gate semiconductor device and the low voltage side main electrode.
【請求項6】前記第2のゲート抵抗と直列に、第2の絶
縁ゲート型半導体素子のゲート電極に負バイアスを与え
る直流電源が接続されたことを特徴とする請求項5に記
載の過電圧保護回路。
6. The overvoltage protection according to claim 5, wherein a DC power supply for applying a negative bias to a gate electrode of the second insulated gate semiconductor device is connected in series with the second gate resistor. circuit.
【請求項7】前記主スイッチング素子、その制御電極に
入力信号を供給する制御回路の少なくとも一方が装置電
流検出機能を有し、検出された装置電流値に基づいて保
護回路内の前記第1の絶縁ゲート型半導体素子のゲート
抵抗、負バイアス、前記第2の絶縁ゲート型半導体素子
のゲート抵抗、負バイアスの少なくとも一つを制御する
保護回路用制御回路を有することを特徴とする請求項5
または請求項6に記載の過電圧保護回路。
7. At least one of the main switching element and a control circuit for supplying an input signal to a control electrode thereof has a device current detecting function, and the first switching device in the protection circuit is provided based on a detected device current value. 6. A protection circuit control circuit for controlling at least one of a gate resistance and a negative bias of the insulated gate semiconductor device and a gate resistance and a negative bias of the second insulated gate semiconductor device.
Or the overvoltage protection circuit according to claim 6.
【請求項8】前記第1の絶縁ゲート型半導体素子の通電
部面積が、第2の絶縁ゲート型半導体素子の通電部面積
より大きいことを特徴とする請求項5乃至請求項7の何
れかに記載の過電圧保護回路。
8. The semiconductor device according to claim 5, wherein a current-carrying area of the first insulated gate semiconductor element is larger than a current-carrying area of the second insulated gate semiconductor element. The overvoltage protection circuit as described.
【請求項9】前記第1、及び第2の絶縁ゲート型半導体
素子が同一基板内に形成されたことを特徴とする請求項
5乃至請求項8の何れかに記載の過電圧保護回路。
9. The overvoltage protection circuit according to claim 5, wherein said first and second insulated gate semiconductor devices are formed in the same substrate.
【請求項10】前記第1の絶縁ゲート型半導体素子のゲ
ート電極構造と、前記第2の絶縁ゲート型半導体素子の
ゲート電極構造とが異なることを特徴とする請求項5乃
至請求項9の何れかに記載の過電圧保護回路。
10. The semiconductor device according to claim 5, wherein a gate electrode structure of said first insulated gate semiconductor device is different from a gate electrode structure of said second insulated gate semiconductor device. An overvoltage protection circuit according to any of the above.
【請求項11】前記第1の絶縁ゲート型半導体素子の、
高電圧側主電極とゲート電極との間の静電容量の、低電
圧側主電極とゲート電極との間の静電容量に対する比の
値が、前記第2の絶縁ゲート型半導体素子の高電圧側主
電極とゲート電極との間の静電容量の、低電圧側主電極
とゲート電極との間の静電容量に対する比の値より、大
きいことを特徴とする請求項10に記載の過電圧保護回
路。
11. The first insulated gate semiconductor device,
The value of the ratio of the capacitance between the high-voltage side main electrode and the gate electrode to the capacitance between the low-voltage side main electrode and the gate electrode is higher than the high voltage of the second insulated gate semiconductor device. The overvoltage protection according to claim 10, wherein a value of a ratio of a capacitance between the side main electrode and the gate electrode to a capacitance between the low voltage side main electrode and the gate electrode is larger. circuit.
【請求項12】前記主スイッチング素子と並列に、主ス
イッチング素子と逆方向に電流を流すことが可能なダイ
オードを接続したことを特徴とする請求項1乃至請求項
11の何れかに記載の過電圧保護回路。
12. The overvoltage according to claim 1, wherein a diode capable of flowing a current in a direction opposite to the main switching element is connected in parallel with said main switching element. Protection circuit.
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