JP2008029059A - 半導体装置の駆動回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置の駆動回路において、ターンオン時のEMIノイズ耐性を高く保ちながら、スイッチング損失を小さく抑える。
【解決手段】IGBTのゲート端子2に、第1の電流Iを供給する第1の駆動回路6、第2の電流Iを供給する第2の駆動回路7、ゲート端子2の電圧値を検知する電圧モニター8が接続されている。ゲート端子2の電圧値が、IGBTの閾値電圧Vよりも低い間は、第1の駆動回路6のみが、ゲート端子2に第1の電流Iを供給する。ゲート端子2の電圧値がVに達すると、Iに加えてIをゲート端子2に供給する。これにより、ターンオン時のコレクタ−エミッタ間の電流の電流変化率di/dtが小さく抑えられ、かつ、ゲート端子2の電圧値が一定となるミラー領域の期間を短くできる。従って、ターンオン時のEMIノイズ耐性を高く保ちながら、スイッチング損失を小さく抑えることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は半導体装置の駆動回路に関し、特に、パワー半導体素子等のターンオン時の電力損失を小さくするための駆動回路に関するものである。
パワー半導体素子として、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)が広く用いられている。IGBTはゲート端子、エミッタ端子およびコレクタ端子を有し、ゲート端子には、IGBTをターンオンさせるための駆動回路が接続されている。IGBTをターンオンさせる際には、駆動回路からゲート端子に電流が流れる。そして、ゲート端子の電圧値が所定値以上になると、コレクタ端子−エミッタ端子間に電流が流れる。
IGBTの駆動回路として、定電圧駆動回路を用いた例を図9(a)に示す。また、図9(a)のIGBTゲート電圧、IGBTゲート電流のタイミングチャートを図9(b)に示す。図9(b)に示すように、IGBTゲート電圧には、ミラー領域と呼ばれる電圧が一定となる期間が存在する。この期間の長さは、IGBTのコレクタ−ゲート間、ゲート−エミッタ間、コレクタ−エミッタ間の各容量により決まる。
IGBTの駆動回路として、定電流駆動回路を用いた例を図10(a)に示す。また、図10(a)のIGBTゲート電流、IGBTコレクタ−エミッタ間電圧、IGBTコレクタ電流のタイミングチャートを図10(b)に示す。図10(b)に示すように、IGBTがターンオンし、IGBTコレクタ電流が立ち上がった後に、EMI(Electromagnetic Interference)ノイズが発生することがある(例えば、特許文献1参照)。従来は、このEMIノイズの発生を抑制するため、IGBTのゲート端子と駆動回路との間にゲート抵抗を設け、この抵抗値を大きくしていた。
特開平6−97439号公報
IGBTの駆動回路として図9(a)に示した定電圧駆動回路を用いた場合、EMIノイズの発生を防止するためにゲート抵抗の抵抗値を大きくすると、上述したミラー領域の期間が長くなり、ターンオン時のスイッチング損失が大きくなるという問題があった。また、図10(a)に示した定電流駆動回路を用いた場合は、ゲート端子に一定の電流を流すことができるため、図9(a)の回路を用いた場合と比較すると、ミラー領域の期間を短くすることが可能である。しかし、一定以上の電流を流すとIGBTコレクタ電流の電流変化率(di/dt)が大きくなるためEMIノイズ耐性が劣化する。このため、EMIノイズ耐性を考慮すると、一定量以上の損失低減は実現できないという問題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、半導体装置の駆動回路において、ターンオン時のEMIノイズ耐性を高く保ちながら、スイッチング損失を小さく抑えることを目的とする。
本発明に係る半導体装置の駆動回路は、入力端子、当該入力端子に接続された第1の端子および第2の端子を有し、前記入力端子の電圧値が第1の電圧以上のとき、前記第1の端子と前記第2の端子との間に電流が流れる第1の素子の前記入力端子に接続され、前記入力端子に第1の電流を供給する第1の駆動回路と、前記第1の駆動回路と前記入力端子との間に接続され、前記入力端子に第2の電流を供給する第2の駆動回路と、前記入力端子および前記第2の駆動回路に接続され、前記入力端子の電圧値を検知する電圧モニターとを有し、前記第1の駆動回路から前記入力端子に前記第1の電流が供給されて前記入力端子の電圧値が上昇し、前記電圧モニターにより検知される前記入力端子の電圧値が前記第1の電圧未満である第1の期間は、前記第1の駆動回路のみが前記入力端子に前記第1の電流を供給し、前記第1の期間の終了後、前記電圧モニターにより検知される前記入力端子の電圧値が前記第1の電圧以上となり、かつ前記第1の電圧よりも高い第2の電圧未満である第2の期間は、前記第1の駆動回路が前記入力端子に前記第1の電流を供給し、前記第2の駆動回路が前記入力端子に前記第2の電流を供給し、前記第2の期間の終了後、前記電圧モニターにより検知される前記入力端子の電圧値が前記第2の電圧に到達すると、前記第1の駆動回路および前記第2の駆動回路から前記入力端子への電流の供給を停止することを特徴とする。本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。
本発明によれば、半導体装置の駆動回路において、ターンオン時のEMIノイズ耐性を高く保ちながら、スイッチング損失を小さく抑えることができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。
実施の形態1.
本実施の形態1に係る半導体装置の駆動回路を図1に示す。ここでは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;以下、「IGBT」という)を駆動するための駆動回路の例について説明する。
図1に示すように、駆動回路により駆動される第1の素子として、IGBT1が配置されている。IGBT1は入力端子としてのゲート端子2、この端子に接続された第1の端子(コレクタ端子)3および第2の端子(エミッタ端子)4を有している。IGBT1は、ゲート端子2の電圧値が閾値電圧(第1の電圧)V以上であるとき、第1の端子3と第2の端子4との間に電流が流れる素子である。IGBT1と並列に、ダイオード5が接続されている。ダイオード5のアノードは、第2の端子4に接続され、ダイオード5のカソードは、第1の端子3に接続されている。
IGBT1のゲート端子2には、ゲート端子2に所定の定電流(第1の電流I)を供給する第1の駆動回路6が接続されている。この第1の駆動回路6は、一定の電流を供給できる定電流回路である。第1の駆動回路6とゲート端子2との間には、ゲート端子2に所定の定電流(第2の電流I)を供給する第2の駆動回路7が接続されている。この第2の駆動回路7は、第1の駆動回路6と同様に、一定の電流を供給できる定電流回路である。ゲート端子2、第1の駆動回路6および第2の駆動回路7には、ゲート端子2の電圧値を検知するための電圧モニター8が接続されている。電圧モニター8は、論理素子9、10を介して、インテリジェントパワーモジュール(以下、「IPM」という)の入出力部11に接続されている。さらに論理素子10は、第2の駆動回路7に接続されている。
次に、図1の駆動回路の動作について説明する。図1のIGBT1のゲート電圧、ゲート電流、コレクタ電流、コレクタ−エミッタ間電圧のタイミングチャートを、図2に示す。図2に示すように、IGBT1のゲート電圧値の立ち上がり開始時を起点として、順に第1の期間T、第2の期間T、第3の期間Tが存在する。以下、各期間の駆動回路およびIGBTの動作について説明する。
まず、第1の期間Tの動作について説明する。第1の期間T開始後、第1の駆動回路6が、IGBT1のゲート端子2に、一定の第1の電流(I)を供給する。すると、時間の経過とともにゲート端子2の電圧値が上昇する。この電圧値は、電圧モニター8により検知される。第1の期間Tでは、電圧モニター8により検知されるゲート端子2の電圧値は第1の電圧(V)未満であり、この期間では、第1の駆動回路6のみがゲート端子2に一定電流(第1の電流I)を供給する。そして、IGBT1のゲート−コレクタ間、およびゲート−エミッタ間が充電される。
次に、第2の期間Tの動作について説明する。第1の期間Tの終了後、ゲート端子2の電圧値はVに到達する。ゲート端子2には、第1の駆動回路6から供給される第1の電流Iに加えて、第2の駆動回路7から第2の電流Iが供給される。第2の期間Tの初期段階T2aでは、ゲート−コレクタ間の容量が増加する。このため、IGBT1のゲート電圧は、この段階では、ほぼ一定の値であり殆んど上昇しない。すなわち、第2の期間Tの初期段階には、ゲート端子2の電圧値がVで一定の値となる電圧値一定期間(ミラー領域)T2aが存在する。
さらに、第2の期間Tにおいて、ゲート−コレクタ間、およびゲート−エミッタ間が充電されると、電圧値一定期間T2aに引き続き、ゲート端子2の電圧値が上昇する電圧値上昇期間T2bに移行する。そしてこの期間では、ゲート端子2の電圧値は、第1の電圧Vよりも高い第2の電圧Vの近傍まで上昇する。
すなわち、第2の期間Tでは、電圧モニター8により検知されるゲート端子2の電圧値は第1の電圧V以上、かつ第2の電圧V未満である。この期間では、第1の駆動回路6がゲート端子2に第1の電流Iを供給し、これに加えて、第2の駆動回路7(定電流回路)が、ゲート端子2に第2の電流Iを供給する。
次に、電圧モニター8により検知されるゲート端子2の電圧値が第2の電圧Vに到達すると、第2の期間Tが終了し、引き続き第3の期間Tに移行する。この期間に移行すると、第1の駆動回路6および第2の駆動回路7は、ゲート端子2への電流の供給を停止する。
以上説明したように、本実施の形態1に係る駆動回路は、ゲート端子2に接続される第1の駆動回路6および第2の駆動回路7を設け、これらの駆動回路として、定電流回路を用いるようにしたものである。そして、IGBT1の立ち上がり電圧を電圧モニター8により検知し、IGBT1のゲート端子2の電圧値が第1の電圧V未満のときは、第1の駆動回路6のみによりゲート端子2に第1の電流Iを供給する。さらに、ゲート端子2の電圧値が第1の電圧Vに達すると、第1の駆動回路6が第1の電流Iを供給するのに加えて、第2の駆動回路7が第2の電流Iを供給するようにした。
上記構成とすることにより、ゲート端子2に電流を供給する初期段階では、従来技術と同様にゲート端子2に供給する電流を小さく抑えられるので、図2に示すように、IGBTのコレクタ電流の傾き12を小さくすることができる。これにより、IGBTコレクタ電流の電流変化率(di/dt)を小さく抑え、EMIノイズ耐性を高く保つことができる。
さらに、ゲート端子2の電圧値がVに到達した後は、第1の駆動回路6から供給される電流に加えて第2の駆動回路7からゲート端子2に電流を供給するようにしたので、ゲート−コレクタ間、およびゲート−エミッタ間の充電時間を従来技術と比較して短くできる。これにより、図2に示すように、IGBTコレクタ−エミッタ間の電圧の傾き13が大きくなり、ゲート端子2の電圧値が一定の値となるミラー領域の期間を短くすることができる。従って、IGBT1のターンオン時のスイッチング損失を小さく抑えることができる。
本実施の形態1によれば、半導体装置のターンオン時のEMIノイズ耐性を高く保ちながら、スイッチング損失を小さく抑えることができる。
実施の形態2.
本実施の形態2に係る半導体装置の駆動回路を図3に示す。ここでは、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。本実施の形態2では、第1の駆動回路6および第2の駆動回路7にIGBT14が接続され、IGBT14にはダイオード5が接続されている。IGBT14とダイオード5は、同一チップ上に設けられた構成(IGBTとダイオードのマルチチップ)とする。
すなわち、本実施の形態2では、IGBT14が第1の端子3および第2の端子4を有し、第1の端子3と第2端子4との間にはダイオード5が接続され、このIGBT14およびダイオード5は、同一のチップ15に設けられた構成とした。このチップは、RC(Reverse-Condutive)−IGBT、すなわち逆導通型のIGBTである。その他の構成については、実施の形態1と同様である。
上記構成とすることにより、IGBTとダイオードを別々のチップに設ける場合と比較して、半導体モジュールを安価に作製できる。従って、本実施の形態2によれば、実施の形態1で得られる効果に加えて、半導体モジュールの製造コストを低減させることができる。
実施の形態3.
本実施の形態3に係る半導体装置の駆動回路を図4に示す。ここでは、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。実施の形態1では、駆動回路により駆動される第1の素子としてIGBT1が配置されるようにした(図1参照)。これに対して本実施の形態3では、図4に示すように、第1の素子としてバイポーラトランジスタ16が配置されるようにした。
バイポーラトランジスタ16は、入力端子としてのベース端子17、これに接続された第1の端子(コレクタ端子)18および第2の端子(エミッタ端子)19を有している。バイポーラトランジスタ16には、ダイオード5が接続されている。ダイオード5のアノードにはエミッタ端子19が接続され、ダイオード5のカソードにはコレクタ端子18が接続されている。その他の構成については、実施の形態1と同様である。
第1の素子としてバイポーラトランジスタを配置した場合、IGBTを配置した場合と比較して、高温使用時のスイッチング損失を効果的に低減できる。また、バイポーラトランジスタの製造工程は、IGBTの製造工程よりも単純であるため、半導体モジュールの製造コストを低減できる。
本実施の形態3によれば、実施の形態1の効果に加えて、高温使用時のスイッチング損失を効果的に低減し、半導体モジュールの製造コストを低減させることができる。
実施の形態4.
本実施の形態4に係る半導体装置の駆動回路を図5に示す。ここでは、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。実施の形態1では、駆動回路により駆動される第1の素子としてIGBTが配置されるようにした(図1参照)。これに対して本実施の形態4では、図5に示すように、第1の素子として金属酸化膜半導体を用いた電界効果トランジスタ(MOSトランジスタ)20が配置されるようにした。ここでは、P型のMOSトランジスタ(以下、「PMOSトランジスタ」という)を用いた例を示す。
MOSトランジスタ20は、入力端子としてのゲート端子21、これに接続された第1の端子(ソース端子)22および第2の端子(ドレイン端子)23を有している。MOSトランジスタ20には、ダイオード5が接続されている。ダイオード5のアノードにはドレイン端子23が接続され、ダイオード5のカソードにはソース端子22が接続されている。なお、図5ではPMOSトランジスタである例を示したが、N型のNMOSトランジスタ(以下、「NMOSトランジスタ」という)であっても同様の効果を奏する。その他の構成については、実施の形態1と同様である。
第1の素子としてMOSトランジスタを用いた場合、IGBTを用いた場合と比較してターンオンする際の第1の端子−第2の端子間の電圧値(この場合は、ソース・ドレイン間のオン電圧Vds(ON))を小さくすることができる。これにより、実施の形態1と比較して、ターンオン時の電力損失を小さくすることができる。
本実施の形態4によれば、実施の形態1で得られる効果に加えて、ターンオン時の電力損失をさらに小さくすることができる。
実施の形態5.
本実施の形態5に係る半導体装置の駆動回路を図6に示す。ここでは、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。図6に示すように、第2の駆動回路として定電流回路24が用いられ、この定電流回路24は、ゲート端子2に第2の電流Iを供給するための出力トランジスタ25を有している。そして、この出力トランジスタ25としてバイポーラトランジスタが用いられている。その他の構成については、実施の形態1と同様である。
上記構成とすることにより、駆動対象のIGBTのゲート容量が大きい場合や、駆動対象の素子の定格電流値が大きい場合であっても、ゲート端子2(入力端子)に大電流を供給することができる。また、バイポーラトランジスタを半導体チップ上に形成する際、MOSトランジスタを形成する場合と比較して、所定電流を流すための面積を小さくできる。これにより、駆動回路を構成する半導体チップのチップサイズを小さくでき、半導体モジュールの製造コストを低減させることができる。
本実施の形態5によれば、実施の形態1で得られる効果に加えて、駆動対象となる素子の入力端子に大電流を供給することができる。また、半導体モジュールの製造コストを低減させることができる。
実施の形態6.
本実施の形態6に係る半導体装置の駆動回路を図7に示す。ここでは、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。図7に示すように、第2の駆動回路として定電流回路26が用いられ、この定電流回路26は、ゲート端子2に第2の電流Iを供給するための出力トランジスタ27を有している。そして、この出力トランジスタ27は、金属酸化膜半導体を用いた電界効果トランジスタ(MOSトランジスタ)である。ここでは、PMOSトランジスタを用いた例を示したが、NMOSトランジスタを用いても良い。その他の構成については、実施の形態1と同様である。
上記構成とすることにより、第2の駆動回路から第1の素子に供給される電流のドライブ損失を低減できる。従って、本実施の形態6によれば、実施の形態1で得られる効果に加えて、駆動回路のドライブ損失を低減することができる。
実施の形態7.
本実施の形態7に係る半導体装置の駆動回路を図8に示す。ここでは、実施の形態1〜6と異なる点を中心に説明する。実施の形態1で示したIGBTは、制御回路(図示しない)により制御され、この制御回路は、制御回路チップ(制御IC)に搭載されている。本実施の形態7では、第2の駆動回路(出力トランジスタ)が、この制御回路チップに内蔵された構成とする。
例えば、図8(a)に示すように、温度モニター28およびその周辺回路部品29が同一の半導体モジュール内に設けられ、温度モニター28が制御回路チップ30に接続されていると仮定する。このような半導体モジュールにおいて、本実施の形態7では、図8(b)に示すように、温度モニター28およびその周辺回路部品29が、制御回路チップ30に内蔵された構成とする。この場合、制御回路チップ30本体が温度モニターとなる。その他の構成については、実施の形態1〜6と同様である。
上記構成とすることにより、高温使用時のスイッチング損失を小さく抑えることができる。また、電子部品点数を削減でき、手直しする対象が少なくなる。このため、部品全体としての不良率を低減させ、加工時間を短縮できる。従って、高温使用時のスイッチング損失を小さく抑え、半導体モジュールの製造コストを低減できる。
本実施の形態7によれば、実施の形態1〜6で得られる効果に加えて、高温使用時のスイッチング損失を小さく抑え、半導体モジュールの製造コストを低減できる。
実施の形態1に係る半導体装置の駆動回路を示す図である。 実施の形態1に係る半導体装置の駆動回路のタイミングチャートである。 実施の形態2に係る半導体装置の駆動回路を示す図である。 実施の形態3に係る半導体装置の駆動回路を示す図である。 実施の形態4に係る半導体装置の駆動回路を示す図である。 実施の形態5に係る半導体装置の駆動回路を示す図である。 実施の形態6に係る半導体装置の駆動回路を示す図である。 実施の形態7に係る半導体装置の駆動回路を示す図である。 従来の半導体装置の駆動回路を示す図である。 従来の半導体装置の駆動回路を示す図である。
符号の説明
1 IGBT、2 ゲート端子、3 第1の端子(コレクタ端子)、4 第2の端子(エミッタ端子)、5 ダイオード、6 第1の駆動回路、7 第2の駆動回路、8 電圧モニター、9、10 論理素子、11 IPMの入出力部、14 IGBT、15 IGBTとダイオードのマルチチップ、16 バイポーラトランジスタ、20 MOSトランジスタ、25、27 出力トランジスタ、28 温度モニター、29 周辺回路、30 制御回路チップ。

Claims (10)

  1. 入力端子、当該入力端子に接続された第1の端子および第2の端子を有し、前記入力端子の電圧値が第1の電圧以上のとき、前記第1の端子と前記第2の端子との間に電流が流れる第1の素子の前記入力端子に接続され、前記入力端子に第1の電流を供給する第1の駆動回路と、
    前記第1の駆動回路と前記入力端子との間に接続され、前記入力端子に第2の電流を供給する第2の駆動回路と、
    前記入力端子および前記第2の駆動回路に接続され、前記入力端子の電圧値を検知する電圧モニターとを有し、
    前記第1の駆動回路から前記入力端子に前記第1の電流が供給されて前記入力端子の電圧値が上昇し、前記電圧モニターにより検知される前記入力端子の電圧値が前記第1の電圧未満である第1の期間は、前記第1の駆動回路のみが前記入力端子に前記第1の電流を供給し、
    前記第1の期間の終了後、前記電圧モニターにより検知される前記入力端子の電圧値が前記第1の電圧以上となり、かつ前記第1の電圧よりも高い第2の電圧未満である第2の期間は、前記第1の駆動回路が前記入力端子に前記第1の電流を供給し、前記第2の駆動回路が前記入力端子に前記第2の電流を供給し、
    前記第2の期間の終了後、前記電圧モニターにより検知される前記入力端子の電圧値が前記第2の電圧に到達すると、前記第1の駆動回路および前記第2の駆動回路から前記入力端子への電流の供給を停止することを特徴とする半導体装置の駆動回路。
  2. 前記第1の駆動回路および前記第2の駆動回路は、定電流回路であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の駆動回路。
  3. 前記第2の期間は、
    前記入力端子の電圧値が一定値である電圧値一定期間と、
    前記電圧値一定期間に引き続き、前記入力端子の電圧値が上昇する電圧値上昇期間と、
    を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の駆動回路。
  4. 前記第1の素子は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置の駆動回路。
  5. 前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは、前記第1の端子および前記第2の端子を有し、
    前記第1の端子と前記第2端子との間にはダイオードが接続され、
    前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタおよび前記ダイオードは、同一のチップに設けられていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の駆動回路。
  6. 前記第1の素子は、バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置の駆動回路。
  7. 前記第1の素子は、金属酸化膜半導体を用いた電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置の駆動回路。
  8. 前記第2の駆動回路は、前記入力端子に前記第2の電流を供給するための出力トランジスタを有し、
    前記出力トランジスタは、バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の半導体装置の駆動回路。
  9. 前記第2の駆動回路は、前記入力端子に前記第2の電流を供給するための出力トランジスタを有し、
    前記出力トランジスタは、金属酸化膜半導体を用いた電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の半導体装置の駆動回路。
  10. 前記第1の素子は、制御回路により制御され、
    前記制御回路は、制御回路チップに搭載され、
    前記第2の駆動回路は、前記制御回路チップに内蔵されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の半導体装置の駆動回路。
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