JP2011015136A - Semiconductor circuit - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、パワートランジスタを駆動する半導体回路に関し、特に、低電位側からの入力信号のレベルシフトを行なって高電位側に配置されるパワートランジスタをオン・オフ駆動するための回路に関する。 The present invention relates to a semiconductor circuit for driving a power transistor, and more particularly to a circuit for performing on / off driving of a power transistor disposed on a high potential side by performing level shift of an input signal from the low potential side.
アクチュエータまたはモータを駆動する電力装置においては、交流電圧を整流した数百Vの直流電圧を電源とするインバータ装置が用いられることが多い。このような高圧電力装置においては、同じパワースイッチングトランジスタを高圧側および低圧側に配置し、交互にオンおよびオフ状態に設定するトーテムポール型回路が単位回路として用いられる。 In an electric power device that drives an actuator or a motor, an inverter device that uses a DC voltage of several hundred volts obtained by rectifying an AC voltage as a power source is often used. In such a high-voltage power device, a totem pole type circuit in which the same power switching transistors are arranged on the high-voltage side and the low-voltage side and are alternately set to the on and off states is used as the unit circuit.
出力段のスイッチングパワートランジスタ(高圧トランジスタ)をオン・オフ動作させるために、スイッチングパワートランジスタに対しオン/オフの指令信号を与え、正しい順序でオン・オフ動作させる。このオン・オフ指令信号は、駆動制御回路などの低電圧で動作する回路から与えられ、数Vから10V程度の低電圧の信号である。この様な低電圧の指令信号は、電力装置の低電圧側に配置されるスイッチングパワートランジスタに対してはレベル変換することなく与えることができる。しかしながら、高圧側に配置されるスイッチングパワートランジスタのオン・オフ制御のためには、オン・オフ指令信号を高圧側電源電圧までレベルシフトさせる必要がある。このため、低圧側の入力信号をレベルシフトして、高圧側のスイッチングパワートランジスタに伝達することが行なわれる。 In order to turn on / off the switching power transistor (high voltage transistor) in the output stage, an on / off command signal is given to the switching power transistor, and the switching power transistor is turned on / off in the correct order. This on / off command signal is given from a circuit operating at a low voltage such as a drive control circuit, and is a low voltage signal of several volts to 10 volts. Such a low voltage command signal can be applied to the switching power transistor arranged on the low voltage side of the power device without level conversion. However, for on / off control of the switching power transistor arranged on the high voltage side, it is necessary to shift the level of the on / off command signal to the high voltage side power supply voltage. For this reason, the input signal on the low voltage side is level-shifted and transmitted to the switching power transistor on the high voltage side.
このような電力装置におけるスイッチングパワートランジスタ駆動のためのレベルシフト回路の構成が、従来、種々提案されている。 Various configurations of level shift circuits for driving switching power transistors in such power devices have been proposed.
特許文献1(特開平11−74779号公報)においては、カレントミラー回路のミラー電流を抵抗素子により電圧に変換してレベルシフトされた指令信号を生成する。このカレントミラー回路のマスタトランジスタと直列にドライブトランジスタが配置され、低圧側の入力信号に従って、ドライブトランジスタが選択的にオン/オフ状態に駆動され、応じてカレントミラー回路に電流が流れる。 In Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-74779), a mirror signal of a current mirror circuit is converted into a voltage by a resistance element to generate a level-shifted command signal. A drive transistor is arranged in series with the master transistor of the current mirror circuit, and the drive transistor is selectively driven to an on / off state in accordance with an input signal on the low voltage side, and a current flows through the current mirror circuit accordingly.
この特許文献1は、ドライブトランジスタのゲートに対しソフトスイッチ回路を設け、ドライブトランジスタのゲート電圧の立上がり速度を遅くする。これにより、カレントミラー回路のマスタ段を流れるレベルシフト電流が急激に変化する際の素子破壊を防止するとともに、ノイズによる誤動作の発生を防止することを図る。
In this
特許文献2(特開2002−300018号公報)は、同様に、カレントミラー回路およびドライブトランジスタを有するレベルシフト回路を開示する。レベルシフト回路および指令信号生成用のドライバに対してはフローティング電源が設けられ、出力ノード(高圧側および低圧側スイッチングトランジスタの接続ノード)の電圧がドライバのロー側電源電圧として利用される。 Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-300018) similarly discloses a level shift circuit having a current mirror circuit and a drive transistor. A floating power supply is provided for the level shift circuit and the command signal generation driver, and the voltage of the output node (the connection node of the high-voltage side and low-voltage side switching transistors) is used as the low-side power supply voltage of the driver.
この特許分家n2においては、出力ノードの電圧レベル変化時におけるフローティング電源電圧の変動による誤動作を防止するために、以下の構成を利用する。カレントミラー回路のミラー比を1より小さくする。ミラー電流を抵抗素子により電圧信号に変換してオン・オフ指令信号を生成する。カレントミラー回路のマスタ側の電流およびスレーブ側のミラー電流における正規の制御電流Icとこのフローティング電源の変動に伴う誤差電流Ieの比、Ic/Ieは、同じとなる。ドライバの入力論理しきい値を、誤差電流が流れた場合に、ドライバの出力信号が変化しないレベルに設定する。 This patent branch n2 uses the following configuration in order to prevent malfunction due to fluctuations in the floating power supply voltage when the voltage level of the output node changes. The mirror ratio of the current mirror circuit is made smaller than 1. The mirror current is converted into a voltage signal by a resistance element to generate an on / off command signal. The ratio, Ic / Ie, between the normal control current Ic in the current on the master side of the current mirror circuit and the mirror current on the slave side and the error current Ie accompanying the fluctuation of this floating power supply is the same. The input logic threshold value of the driver is set to a level at which the driver output signal does not change when an error current flows.
特許文献3(特開平7−297698号公報)は、抵抗素子とドライブトランジスタとの直列体によりレベルシフト回路を構成する。ドライブトランジスタのソース抵抗として、2つの抵抗素子を直列に接続し、スイッチングパワートランジスタのオン/オフ指令値に応じてドライブトランジスタのソース抵抗値を調整する。具体的に、ドライブトランジスタをソースフォロワ態様で動作させ、ソース抵抗に対するドライブトランジスタのソース電圧を一定にする。これにより、電流/電圧変換用の抵抗素子の生成する等価電圧レベルを変更し、オン/オフ指令信号を生成する。 In Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-297698), a level shift circuit is configured by a serial body of a resistance element and a drive transistor. Two source elements are connected in series as the source resistance of the drive transistor, and the source resistance value of the drive transistor is adjusted according to the on / off command value of the switching power transistor. Specifically, the drive transistor is operated in a source follower mode, and the source voltage of the drive transistor with respect to the source resistance is made constant. Thus, the equivalent voltage level generated by the resistance element for current / voltage conversion is changed, and an on / off command signal is generated.
この特許文献3には、レベルシフト回路のトランジスタ数を低減するとともに、ドライブトランジスタをワンショットパルスで駆動し、消費電流を低減する。この場合、電流/電圧変換用の抵抗素子により生成されるパルス状の信号に従ってフリップフロップをセットまたはリセットして、スイッチングパワートランジスタに対するオン/オフ制御信号を生成する。 In Patent Document 3, the number of transistors in the level shift circuit is reduced, and the drive transistor is driven with a one-shot pulse to reduce current consumption. In this case, the flip-flop is set or reset in accordance with the pulse-like signal generated by the current / voltage conversion resistance element to generate an on / off control signal for the switching power transistor.
特許文献4(特開平9−200020号公報)は、ゲートおよびドレインが交差結合されたトランジスタを有するラッチ型レベルシフト回路を開示する。交差結合されたトランジスタに対し、それぞれドライブトランジスタが設けられる。ドライブトランジスタのゲートには、抵抗素子(ソース抵抗)と並列に、抵抗および容量素子が直列に接続されるCR直列回路が接続される。レベルシフトされた信号に従ってオン/オフ指令信号を生成するドライブ回路は、高圧側基準電圧(VH)に結合されるフローティング電源が用いられる。フローティング電源のロー側電極は、電力装置の出力ノードと分離される。交差結合されたラッチ型レベルシフト回路の出力電圧レベルが変化するとき、大きなピーク電流が流れ、CR直列回路の容量素子に充電される。この容量素子の充電電位が、対応のドライブトランジスタのゲート入力電圧としきい値電圧の差よりも高くなると、ドライブトランジスタがオフする。 Japanese Patent Laid-Open No. 9-200020 discloses a latch type level shift circuit having a transistor whose gate and drain are cross-coupled. A drive transistor is provided for each of the cross-coupled transistors. A CR series circuit in which a resistor and a capacitor element are connected in series is connected to the gate of the drive transistor in parallel with the resistor element (source resistor). A drive circuit that generates an on / off command signal in accordance with the level-shifted signal uses a floating power supply coupled to a high-voltage side reference voltage (VH). The low-side electrode of the floating power supply is separated from the output node of the power device. When the output voltage level of the cross-coupled latch type level shift circuit changes, a large peak current flows and charges the capacitive element of the CR series circuit. When the charging potential of this capacitive element becomes higher than the difference between the gate input voltage and the threshold voltage of the corresponding drive transistor, the drive transistor is turned off.
特許文献4は、ドライブトランジスタをソースフォロワ態様で動作させ、ピーク電流が流れた後、バイアストランジスタのソースフォロワモード動作により、バイアス抵抗(ソース抵抗)に対して微小電流を流す。これにより、ラッチ型レベルシフト回路の消費電流を低減するとともに、高速で、ラッチ型レベルシフト回路のラッチ状態を反転して、高速スイッチング動作を保障することを図る。 In Patent Document 4, a drive transistor is operated in a source follower mode, and after a peak current flows, a minute current is supplied to a bias resistor (source resistor) by a source follower mode operation of the bias transistor. As a result, the current consumption of the latch type level shift circuit is reduced, and the latch state of the latch type level shift circuit is inverted at a high speed to ensure a high speed switching operation.
特許文献1(特開平11−74779号公報)に示される構成においては、ドライブトランジスタのゲート電圧の立上がり速度が遅くされている。従って、カレントミラー回路の動作状態移行時における過電流を抑制して、カレントミラー回路のピーク電流に起因するノイズを抑制することは可能である。しかしながら、ドライブトランジスタはMOSトランジスタ(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)で構成されており、ドレイン−ソース間に寄生容量が存在する。したがって、この寄生容量を介してピーク電流が流れ、ピーク電流を十分に抑制するのが困難となる。また、このドライブトランジスタがオン状態の間カレントミラー回路から常時電流が流れ、消費電流を低減することができず、小消費電力用途に適用できない。 In the configuration disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-74779), the rising speed of the gate voltage of the drive transistor is slowed down. Therefore, it is possible to suppress noise caused by the peak current of the current mirror circuit by suppressing overcurrent at the time of transition of the operation state of the current mirror circuit. However, the drive transistor is composed of a MOS transistor (insulated gate field effect transistor), and a parasitic capacitance exists between the drain and the source. Therefore, a peak current flows through this parasitic capacitance, and it becomes difficult to sufficiently suppress the peak current. In addition, a current always flows from the current mirror circuit while the drive transistor is in an on state, so that the current consumption cannot be reduced and cannot be applied to a low power consumption application.
また、ドライブトランジスタのゲート電圧が抑制されて、カレントミラー回路の電流が制限されている。従って、このカレントミラー回路のミラー電流により抵抗素子を用いてレベルシフト信号を生成する場合、このレベルシフト信号を高速で変化させることができず、出力段のスイッチングトランジスタを、高速でスイッチング動作させることができなくなるという問題生じる。 Further, the gate voltage of the drive transistor is suppressed, and the current of the current mirror circuit is limited. Therefore, when a level shift signal is generated using a resistance element by the mirror current of this current mirror circuit, the level shift signal cannot be changed at high speed, and the switching transistor in the output stage is switched at high speed. The problem arises that it becomes impossible.
特許文献2(特開2002−300018号公報)においては、レベルシフト用のカレントミラー回路のミラー比を1よりも小さくし、指令信号生成用の抵抗素子に流れる電流による損失を抑制するとともに、高圧側フローティング源オフセット電圧(出力ノードの電圧)の変動による誤差電流による誤動作を防止することを図る。しかしながら、この特許文献2の構成においては、カレントミラー回路のマスタ段と共通電源(COM)との間にドライブトランジスタが配置されているだけであり、カレントミラー回路から流れるピーク電流を抑制することができない。特に、そのミラー比を1よりも小さくしており、マスタトランジスタからの電流が大きくなり、ピーク電流の影響が大きくなり、電流消費を低減することが困難である。
In Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-300018), the mirror ratio of the current mirror circuit for level shift is made smaller than 1, so that loss due to the current flowing through the resistance element for generating the command signal is suppressed and high voltage is applied. It is intended to prevent a malfunction due to an error current due to a fluctuation of the side floating source offset voltage (voltage of the output node). However, in the configuration of
特許文献3(特開平7−297698号公報)は、高耐圧入力トランジスタのソース抵抗を、第1および第2の抵抗素子の直列体で構成し、高耐圧入力トランジスタのオンおよびオフ時にソース抵抗の抵抗値を変更する。このソース抵抗の変更は、第2の抵抗素子と並列に接続される短絡用トランジスタを選択的にオン状態に設定する。 Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-297698) discloses that the source resistance of a high-breakdown-voltage input transistor is configured by a series body of first and second resistance elements, and the source resistance is reduced when the high-breakdown-voltage input transistor is turned on and off. Change the resistance value. This change in the source resistance selectively sets the short-circuit transistor connected in parallel with the second resistance element to the on state.
この特許文献3においては、高耐圧入力トランジスタおよび短絡用トランジスタのゲート電圧の制御のために入力信号の立上がりエッジおよび立下がりエッジそれぞれにワンショットのパルス信号を発生する2つのパルス発生回路を設け、これらの2つのパルス信号のOR信号により高耐圧入力トランジスタのゲート電圧を生成し、一方、1つのパルス発生回路からのパルスにより短絡用トランジスタのゲートを駆動する。この構成の場合、高耐圧入力トランジスタおよび短絡用トランジスタのオン状態のタイミングを正確に設定するのが困難となる。電流/電圧変換用の抵抗素子により十分な電圧レベルの差があるオン/オフ指令電圧を生成するためには、これらのトランジスタのオン状態へのタイミングマージンを十分確保する必要があり、高速で出力段のトランジスタをスイッチング動作させるのが困難となる。 In this Patent Document 3, two pulse generation circuits for generating a one-shot pulse signal at each of a rising edge and a falling edge of an input signal are provided for controlling the gate voltage of a high-voltage input transistor and a short-circuit transistor, The gate voltage of the high withstand voltage input transistor is generated by the OR signal of these two pulse signals, while the gate of the shorting transistor is driven by the pulse from one pulse generation circuit. In this configuration, it is difficult to accurately set the on-state timing of the high-voltage input transistor and the short-circuit transistor. In order to generate an on / off command voltage having a sufficient voltage level difference by a resistance element for current / voltage conversion, it is necessary to ensure a sufficient timing margin for the on state of these transistors, and output at high speed It becomes difficult to switch the stage transistors.
特許文献4(特開平9−200020号公報)においては、入力トランジスタをソースフォロアモードで動作させてCR直列回路の容量素子にラッチ型レベルシフト回路のピーク電流を充電して、この充電電流を抑制するとともに、入力信号のオン指令持続期間、ソース抵抗を介して微小電流を流し、全体としての電力消費を低減することを図る。入力トランジスタがオフ状態の間、CR回路の容量素子の充電電流が、CR直列回路の抵抗素子および対応のソース抵抗(バイアス抵抗)を介して放電される。したがって、RC時定数で決定される期間が、対応の入力トランジスタをオフ状態に維持するために必要とされる。高速動作時において、入力信号が高速に変化する場合、このCR直列回路の容量素子の充電電荷をすべて放電できず、対応の入力トランジスタがオフ状態からオン状態へ移行するタイミングが遅れ、出力スイッチングトランジスタを高速でスイッチング動作させるのが困難となるという問題が生じる。 In Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 9-200020), the input transistor is operated in the source follower mode, and the capacitor of the CR series circuit is charged with the peak current of the latch type level shift circuit to suppress this charging current. At the same time, a small current is passed through the source resistance during the ON command duration of the input signal, thereby reducing the overall power consumption. While the input transistor is in the OFF state, the charging current of the capacitive element of the CR circuit is discharged through the resistance element of the CR series circuit and the corresponding source resistance (bias resistance). Therefore, a period determined by the RC time constant is required to keep the corresponding input transistor off. When the input signal changes at high speed during high-speed operation, the charge charge of the capacitive element of this CR series circuit cannot be completely discharged, the timing at which the corresponding input transistor shifts from the off state to the on state is delayed, and the output switching transistor This makes it difficult to perform switching operation at high speed.
また、レベルシフトの回路構成としては、フローティング電源のロー側電極が、出力ノード(フローティングノード)に接続されることが多い。この場合、フローティング電圧(出力ノードの電圧)の変動により、ラッチ型レベルシフト回路に電流が流れた場合、入力トランジスタのドレイン−ソース間寄生容量を介して電流が流れ、この電流により、CR直列回路の容量素子が充電される。この容量素子の充電電位が高くなると、入力トランジスタが、ソースフォロアモードで動作できず、より深いオフ状態となることが考えられる。この場合、CR直列回路の容量素子の充電電荷をバイアス抵抗を介して放電するまで、入力トランジスタをオン状態に移行させることができず、高速スイッチング動作を実現するのが、より困難となるという問題が生じる。 As a level shift circuit configuration, the low-side electrode of the floating power supply is often connected to an output node (floating node). In this case, when a current flows through the latch-type level shift circuit due to a change in the floating voltage (voltage of the output node), a current flows through the drain-source parasitic capacitance of the input transistor. The capacitive element is charged. When the charge potential of this capacitive element increases, it is conceivable that the input transistor cannot operate in the source follower mode and goes into a deeper off state. In this case, the input transistor cannot be turned on until the charge of the capacitive element of the CR series circuit is discharged through the bias resistor, and it is more difficult to realize a high-speed switching operation. Occurs.
それゆえ、この発明の目的は、低消費電流かつ高速でスイッチング指令信号を生成することのできるノイズ耐性に優れたレベルシフト信号を生成することのできる半導体回路を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor circuit capable of generating a level shift signal excellent in noise resistance capable of generating a switching command signal with low current consumption and high speed.
この発明に係る半導体回路は、入力信号の第1の論理状態への遷移に応答して第1の入力信号の第1の論理状態の期間よりも短いパルス幅のワンショットのパルス信号を生成するワンショットパルス発生回路と、この入力信号に従って第1の内部ノードに電流を供給する第1の電流供給部と、ワンショットパルス信号に従って第1の内部ノードに電流を供給する第2の電流供給部と、第1の内部ノードに流れる電流に応じた電流を第2の内部ノードに流すシフト電流生成回路と、高電位側基準電源と第2の内部ノードとの間に結合され、第2の内部ノードを流れる電流に応じた信号を生成する電流検出手段と、この電流検出手段の出力信号に従って半導体スイッチングトランジスタを選択的にオン状態に設定するスイッチ駆動回路を備える。 The semiconductor circuit according to the present invention generates a one-shot pulse signal having a shorter pulse width than the period of the first logic state of the first input signal in response to the transition of the input signal to the first logic state. One-shot pulse generation circuit, a first current supply unit that supplies current to the first internal node according to the input signal, and a second current supply unit that supplies current to the first internal node according to the one-shot pulse signal And a shift current generating circuit for passing a current corresponding to a current flowing through the first internal node to the second internal node, and a second internal node coupled between the high potential side reference power source and the second internal node. Current detection means for generating a signal corresponding to the current flowing through the node, and a switch drive circuit for selectively setting the semiconductor switching transistor to an on state in accordance with an output signal of the current detection means.
第1の内部ノードに対し第1および第2の電流供給部を設け、第2の電流供給部をワンショット駆動している。したがって、高速で電流変化を生じさせてさせて出力トランジスタのオン・オフを制御信号を生成することができる。また、ワンショット駆動であり、電流消費の増大は抑制される。 First and second current supply units are provided for the first internal node, and the second current supply unit is driven one-shot. Therefore, it is possible to generate a control signal for turning on / off the output transistor by causing a current change at a high speed. Further, since it is one-shot driving, an increase in current consumption is suppressed.
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1に従う半導体回路の全体の構成を示す図である。図1において、この発明の実施の形態1に従う半導体回路は、低圧側(低電位側)入力信号HINおよびLINに従って出力パワートランジスタQ1およびQ2を駆動する高圧ゲート駆動回路HVICである。出力パワートランジスタQ1およびQ2は、一例として、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)で構成され、出力ノード27に接続される負荷回路30に対し正および負の電流を供給する。すなわち、出力パワートランジスタQ1は、導通時、高圧側電源ノードVMから出力ノード27を介して負荷回路30に正の電流を供給する。出力パワートランジスタQ2は、導通時、出力ノード27から共通電源ノードCOMへ電流を流し、負荷回路30に負の電流を供給する。
[Embodiment 1]
FIG. 1 shows an overall configuration of a semiconductor circuit according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the semiconductor circuit according to the first embodiment of the present invention is a high-voltage gate drive circuit HVIC that drives output power transistors Q1 and Q2 according to low-voltage (low-potential) input signals HIN and LIN. Output power transistors Q1 and Q2 are formed of IGBTs (insulated gate bipolar transistors), for example, and supply positive and negative currents to load
高圧ゲート駆動回路HVICは、低圧側入力信号HINに従って出力パワートランジスタQ1を駆動する高電位側駆動回路1と、低圧側入力信号LINに従って出力パワートランジスタQ2を駆動する低電位側駆動回路2とを含む。低圧側入力信号HINおよびLINは、低圧側電源電圧VCCの振幅の低電圧の入力信号である。また、これらの低圧側入力信号HINおよびLINは、図示しない制御回路から生成され、それぞれ、出力パワートランジスタQ1およびQ2のオンおよびオフを指令するパルス状の指令信号である。
The high voltage gate drive circuit HVIC includes a high potential
低電位側駆動回路2は、低圧側電源電圧VCCと共通電源COMの電圧とを両動作電源電圧として受け、低圧側入力信号LINに従って電圧VCCの振幅のゲート駆動信号OUTLを生成して、出力パワートランジスタQ2のゲートへ与える。低電位側駆動回路2の内部構成は、単に出力パワートランジスタQ1およびQ2のデッドタイムを考慮して、低圧側入力信号LINの立上がりおよび立下がりに応答してゲート駆動信号OUTLを生成する構成を有し、レベルシフト動作は行わない。この低電位側駆動回路2は、内部に遅延回路およびバッファ回路を有しており、その内部構成については、ここでは、説明しない。
The low potential
高電位側駆動回路1は、低圧側入力信号HINをオン/オフ指令信号ON_Aとして受けるインバータ10と、低圧側入力信号HINの立上がりに応答してワンショットのパルス信号ON_Bを生成するワンショット回路11と、このワンショットパルス信号ON_Bを受けるインバータ12と、インバータ10の出力信号に従って内部ノード15に電流を供給する第1の電流供給部14と、インバータ12の出力信号に従って内部ノード15へ電流を供給する第2の電流供給部16とを含む。
The high-potential
第1の電流供給部14は、低圧側電源電圧VCCを供給する電源ノードVCCと内部ノード15の間に直列に接続されるPチャネルMOSトランジスタ(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)PT1と、抵抗素子R1とを含む。ここで、ノードとその上の電圧を同一符号で示す。
The first
第2の電流供給部16は、電源ノードVCCと内部ノード15の間に直列に接続されるPチャネルMOSトランジスタPT2および抵抗素子R2を含む。第1の電流供給部14が供給する電流I1は、第2の電流供給部16が供給する電流I2よりも小さくされる。また、I1・R1=I2・R2の関係を満たす。ここで、抵抗素子R1およびR2は、抵抗値R1およびR2をそれぞれ有する。
Second
高電位側駆動回路1は、さらに、内部ノード15と共通電源COMの間に接続されるNチャネルMOSトランジスタNT1と、第1および第2の電流供給部14および16から供給される電流に応じた電流を流すウイルソンカレントミラー回路20と、ウイルソンカレントミラー回路20を流れる電流(シフト電流)に応じた電圧信号を発生して高圧側ゲート駆動信号OUT1を生成する高電位側フローティング部22を含む。
High potential
NチャネルMOSトランジスタNT1は、インバータ10から与えられるオン/オフ指令信号ON_Aの反転信号がHレベル(論理ハイレベル)のとき導通し、内部ノード15と共通電源COMとを電気的に結合する。
N channel MOS transistor NT1 conducts when an inverted signal of on / off command signal ON_A applied from
ウイルソンカレントミラー回路20は、レベルシフトに必要な電流を生成するシフト電流生成回路として機能し、高耐圧NチャネルMOSトランジスタHNT1と、2つのNPNバイポーラトランジスタBP1およびBP2とを含む。高耐圧MOSトランジスタHNT1は、そのゲートが内部ノード15に接続され、そのドレインが内部ノード21に接続される。バイポーラトランジスタBP1は、そのベースおよびコレクタが高耐圧MOSトランジスタHNT1のソースに接続され、そのエミッタが共通電源COMに結合される。バイポーラトランジスタBP2は、そのコレクタが内部ノード15に接続され、そのベースがバイポーラトランジスタBP1のベースに接続され、そのエミッタが共通電源COMに接続される。バイポーラトランジスタBP1およびBP2は、カレントミラー回路を構成し、バイポーラトランジスタBP1がマスタとして機能する。
Wilson
高電位側フローティング部22は、フローティング電源ノードVBと内部ノード21の間に接続される抵抗素子R3と、出力ノード27と内部ノード21の間に接続されるダイオード素子DDと、内部ノード21上の信号に従って高圧側ゲート駆動信号OUTHを生成するゲートドライバDRVを含む。
High potential
抵抗素子R3は、シフト電流Ioが流れると電圧降下を生じさせ、内部ノード21にシフト電流に応じた電圧信号を生成する電流検出手段として機能する。
The resistance element R3 functions as a current detection unit that causes a voltage drop when the shift current Io flows and generates a voltage signal corresponding to the shift current at the
ダイオード素子DDは、そのカソードが内部ノード21に接続され、アノードが出力ノード27に接続される。このダイオードDDは、出力ノード27が共通電源COMの電圧レベルに駆動されるときに内部ノード21から出力ノード27へ電流が流れ出力ノード27の電位変化に悪影響を及ぼすのを防止する。
Diode element DD has its cathode connected to
ゲートドライバDRVは、インバータ回路で構成され、内部ノード21の電圧が、自身の入力論理しきい値よりも低くなると、ゲート駆動信号OUTHをHレベルに駆動する。
The gate driver DRV is composed of an inverter circuit, and drives the gate drive signal OUTH to H level when the voltage of the
出力ノード27とフローティング電源ノードVBの間に、フローティング電源25が接続される。フローティング電源25は、正極がフローティング電源ノードVBに接続され、負極が出力ノード27に接続され、フローティング電源ノードVBと出力ノード27の間に電圧EVを生成する。フローティング電源25により、フローティング電源ノードVBと出力ノード27の電圧(フローティング電圧)VSの差を一定値に維持する。
A floating
図2は、図1に示す半導体回路HVICの高電位側駆動回路1の動作を示すタイミング図である。以下、図2を参照して、図1に示す高圧駆動回路HVICの高電位側駆動回路1の動作について説明する。
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the high potential
オン/オフ指令信号ON_Aが、低圧側入力信号HINに応じてHレベルに立上がると、ワンショット回路11がワンショットパルスのワンショットオン/オフ指令信号ON_Bを発生する。このワンショットオン/オフ指令信号ON_Bは、低圧側入力信号HIN(オン/オフ指令信号ON_A)のHレベル期間よりも短い期間Hレベルとなる信号である。
When the on / off command signal ON_A rises to the H level in response to the low-voltage side input signal HIN, the one-
オン/オフ指令信号ON_AおよびON_BがともにHレベルとなると、インバータ10および12の出力信号がLレベルとなり、MOSトランジスタPT1およびPT2がオン状態、MOSトランジスタNT1がオフ状態となり、低圧側電源ノードVCCから電流I1およびI2が、それぞれ、電流供給部14および16を介して内部ノード15に供給される。MOSトランジスタNT1はオフ状態であり、電流I1およびI2の合成電流、I1+I2が、ウイルソンカレントミラー回路20に供給される。
When both on / off command signals ON_A and ON_B are at H level, the output signals of
ウイルソンカレントミラー回路20においては、内部ノード15への電流供給による電圧レベルの上昇に応じて、高耐圧MOSトランジスタHNT1がオン状態となり、フローティング電源25からフローティング電源ノードVBおよび抵抗素子R3を介して電流Ioが、高耐圧MOSトランジスタHNT1を介して流れる。高耐圧MOSトランジスタHNT1は、ゲートが電圧駆動のトランジスタであり、電流IrがバイポーラトランジスタBP2を介して流れる。
In Wilson
この高電位側フローティング部22からの電流Ioは、MOSトランジスタHNT1を介して、バイポーラトランジスタBP1およびBP2のベースに供給されるとともに、バイポーラトランジスタBP1を介してエミッタ電流として共通電源COMに放電される。バイポーラトランジスタBP1およびBP2は、サイズが同じである。従って、バイポーラトランジスタBP1のベース電流Ibe(BP1)とバイポーラトランジスタBP2のベース電流Ibe(BP2)とは、互いに等しく、また、バイポーラトランジスタBP1およびBP2のエミッタ電流Ie(BP1)およびIe(BP2)も等しくなる。この場合、次式が成立する:
Ie(BP1)=Ibe(BP1)+Io、
Ie(BP2)=Ibe(BP2)+Ir、
従って、Io=Ir
すなわち、ウイルソンカレントミラー回路20において、高電位側フローティング部22から、供給される電流Ioは、電流供給部14および16が供給する電流Irに等しくなる。これにより、高電位側フローティング部22においては、抵抗素子R3における電圧降下により、内部ノード21の電圧レベルが、ゲートドライバDRVの入力論理しきい値Vthよりも低くなり、このゲートドライバDRVの出力するハイ側ゲート駆動信号OUTHが高速でHレベルのオン状態(ON)へ移行する。応じて、出力パワートランジスタQ1がオン状態となり、出力ノード27へ高電圧源VMから電流が供給される。
The current Io from the high potential
Ie (BP1) = Ibe (BP1) + Io,
Ie (BP2) = Ibe (BP2) + Ir,
Therefore, Io = Ir
That is, in the Wilson
このとき、出力ノード27が、ダイオード素子DDを介して高電位側フローティング部22の内部ノード21に結合されており、内部ノード21は、高圧側電源電圧VMレベルにまで上昇する。しかしながら、フローティング電源25により、フローティング電源ノードVDの電圧は、出力ノード27の電圧よりもフローティング電源25の電圧EVだけ高い電圧レベルに駆動され、ゲートドライバDRVの出力信号OUTHは、Hレベルに維持される。
At this time, the
また、高耐圧MOSトランジスタHNT1は、そのゲート電圧よりもドレイン電圧が高くなり、ソースフォロワモードで動作し、高圧VMがバイポーラトランジスタBP1およびBP2へ供給されるのを防止するとともに、電流供給源14および16から供給される電流Irに等しい電流を高電位側フローティング部22から引抜く。
High breakdown voltage MOS transistor HNT1 has a drain voltage higher than its gate voltage, operates in a source follower mode, prevents high voltage VM from being supplied to bipolar transistors BP1 and BP2, and supplies
ワンショット回路11からのワンショットオン/オフ指令信号ON_BがLレベルに低下すると、第2の電流供給部16においてMOSトランジスタPT2がオフ状態となる。応じて、第2の電流供給部16からの電流I2の供給が停止され、第1の電流供給部14からMOSトランジスタPT1を介して電流I1がウィルソンカレントミラー回路20に供給される。
When the one-shot on / off command signal ON_B from the one-
抵抗素子R3には、ウイルソンカレントミラー回路20を介して電流I1に等しい電流が流れる。この状態においても、内部ノード21の電圧VB−I1・R3は、ゲートドライバDRVの入力論理しきい値Vth+Vsよりも低く、ゲートドライバDRVの出力信号OUTHはHレベルに維持される。ここで、ゲートドライバDRVのロー側電源電圧は、フローティング電圧VSとしている。
A current equal to the current I1 flows through the resistance element R3 via the Wilson
出力パワートランジスタQ1のオン状態への駆動時、短い期間大きな電流が流れるだけであり、高圧側出力パワートランジスタQ1のオン状態のときの消費電流を低減することができる。この場合、電流I1は、電流I2よりも小さくされており、より消費電流を低減することができる。電流I1が満たす条件としては、次式で表わされる。 When the output power transistor Q1 is driven to the on state, only a large current flows for a short period of time, and the current consumption when the high voltage side output power transistor Q1 is in the on state can be reduced. In this case, the current I1 is smaller than the current I2, and the current consumption can be further reduced. The condition that the current I1 satisfies is expressed by the following equation.
VB−I1・R3<Vth+Vs、
EV−I1・R3<Vth、
従って、I1>(EV−Vth)/R3.
オン/オフ指令信号ON_Aがオフ状態(OFF)へ移行すると、MOSトランジスタPT1がオフ状態となり、MOSトランジスタNT1がオン状態となる。このときワンショット回路11からのワンショットオン/オフ指令信号ON_Bはオフ状態(Lレベル)に維持されており、MOSトランジスタPT2はオフ状態である。従って、内部ノード15は、MOSトランジスタNT1により共通電源COMの電圧レベルに移行し、高耐圧MOSトランジスタHNT1がオフ状態となる。応じて、内部ノード21の電圧が、ゲートドライバDRVの入力論理しきい値よりも上昇し、ゲートドライバDRVからのゲート駆動信号OUTHがLレベルとなり、出力パワートランジスタQ1がオフ状態となる。
VB−I1 · R3 <Vth + Vs,
EV-I1 · R3 <Vth,
Therefore, I1> (EV−Vth) / R3.
When the on / off command signal ON_A shifts to the off state (OFF), the MOS transistor PT1 is turned off and the MOS transistor NT1 is turned on. At this time, the one-shot on / off command signal ON_B from the one-
高耐圧MOSトランジスタHNT1から供給される電流は、バイポーラトランジスタBP1により共通電源COMへ放電される。したがって、高耐圧MOSトランジスタHNT1がオフ状態のときに、フローティング電源ノードVBに電圧変動が生じ、高耐圧MOSトランジスタHNT1のドレイン−ソース間寄生容量を介してノイズ電流が流れても、バイポーラトランジスタBP1により放電され、高耐圧MOSトランジスタHNT1のソース電位がノイズまたは電源変動に起因してその電圧レベルが大きく上昇するのは防止される。これにより、高耐圧MOSトランジスタHNT1は、電流供給部14および16からの電流供給に従って高速でオン状態へ移行することができる。
The current supplied from the high voltage MOS transistor HNT1 is discharged to the common power supply COM by the bipolar transistor BP1. Therefore, when the high voltage MOS transistor HNT1 is in the off state, voltage fluctuation occurs in the floating power supply node VB, and even if a noise current flows through the drain-source parasitic capacitance of the high voltage MOS transistor HNT1, the bipolar transistor BP1 It is prevented that the source voltage of the high voltage MOS transistor HNT1 is discharged and its voltage level is greatly increased due to noise or power supply fluctuation. Thereby, high voltage MOS transistor HNT1 can be turned on at high speed in accordance with the current supply from
また、高耐圧MOSトランジスタHNT1は、ゲートがMOSトランジスタNT1を介して共通電源COMに結合され、オフ状態移行時、そのゲート容量に蓄積される電荷はMOSトランジスタNT1によりすべて放電され、高速にオン状態からオフ状態へ移行することができる。 The high breakdown voltage MOS transistor HNT1 has a gate coupled to the common power supply COM via the MOS transistor NT1, and at the time of transition to the off state, all the charge accumulated in the gate capacitance is discharged by the MOS transistor NT1 and is turned on at high speed. To the off state.
また、ウイルソンカレントミラー回路20を利用しているだけであり、フリップフロップなどの論理状態記憶回路は利用されていないため、ノイズが発生しても、そのノイズの影響は確実に抑制することができる。
Further, since only the Wilson
以上のように、この発明の実施の形態1に従えば、ワンショット回路によるワンショットパルスのオン指令信号に従って、ゲート駆動信号をオン状態に設定している。これによい理、出力パワートランジスタ駆動時に大きな電流が流れる期間を短縮することができ、消費電流を低減することができる。また、ウイルソンカレントミラー回路により、正確に、一定の電流を流しており、ノイズの影響を抑制して、ゲートドライバに対して高速かつ低消費電流でレベルシフトされたゲート駆動信号を生成することができる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, the gate drive signal is set to the on state in accordance with the one-shot pulse on command signal from the one-shot circuit. For this reason, the period during which a large current flows when the output power transistor is driven can be shortened, and the current consumption can be reduced. In addition, the Wilson current mirror circuit can generate a gate drive signal that is accurately and constantly flowing, suppresses the influence of noise, and is level-shifted at a high speed with low current consumption for the gate driver. it can.
[実施の形態2]
図3は、この発明の実施の形態2に従う半導体回路の構成を概略的に示す図である。図3に示す半導体回路は、以下の点で、図1に示す半導体回路とその構成が異なる。すなわち、高電位側フローティング部22において、ウイルソンカレントミラー回路20に供給される電流Ioのミラー電流を生成するカレントミラー回路が設けられる。このカレントミラー回路は、PチャネルMOSトランジスタPT3およびPT4を含む。MOSトランジスタPT3がそのゲートおよびドレインが相互接続され、ソースがフローティング電源ノードVBに接続される。MOSトランジスタPT4が、フローティング電源ノードVBと内部ノード30の間に接続されかつそのゲートがMOSトランジスタPT3のゲートに接続される。MOSトランジスタPT3およびPT4のサイズ(ゲート幅とゲート長の比)の比は、n:1に設定され、従って、MOSトランジスタPT4には、電流Io/nが流れる。
[Embodiment 2]
FIG. 3 schematically shows a structure of a semiconductor circuit according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor circuit shown in FIG. 3 differs from the semiconductor circuit shown in FIG. 1 in the following points. That is, in the high potential
内部ノード30と出力ノード27の間に抵抗素子R4が接続される。ゲートドライバZDRVは、内部ノード30の電圧レベルがHレベルとなると、ゲート駆動信号OUTHをHレベルに駆動するバッファで構成される。
Resistive element R 4 is connected between
図3に示す半導体回路の他の構成は、図1に示す半導体回路の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。 The other configuration of the semiconductor circuit shown in FIG. 3 is the same as that of the semiconductor circuit shown in FIG. 1, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
この図3に示す半導体回路の動作タイミングは、図2に示すタイミング図と同じである。オン/オフ指令信号ON_AおよびON_BがHレベルとなると、ウィルソンカレントミラー回路20に電流Ioが流れ、応じて、MOSトランジスタPT3およびPT4のカレントミラー動作により、抵抗素子R4に電流Io/nが流れる。この内部ノード30の電圧Io・R4(=(I1+I2))が、ゲートドライバZDRVの入力論理しきい値VTHよりも高くなると、ゲートドライバZDRVからのゲート駆動信号OUTHがHレベルとなる。ここで、抵抗素子R4の抵抗値をR4としている。
The operation timing of the semiconductor circuit shown in FIG. 3 is the same as the timing diagram shown in FIG. When the on / off command signals ON_A and ON_B are at the H level, the current Io flows through the Wilson
ワンショット回路11からのワンショットオン/オフ指令信号ON_BがLレベルとなると、抵抗素子R4を流れる電流は、I1/nとなる。このとき抵抗素子R4に印加される電圧は、I1・R4/nは、ゲートドライバZDRVの入力論理しきい値VTHよりも高い電圧レベルであり、ゲート駆動信号OUTHは、Hレベルに維持される。従って、この場合、電流I1は以下の関係を満たす必要がある:
I1・R4/n>VTH、
従って、I1>n・VTH/R4.
フローティング電源ノードVBにおける変動により、またはノイズにより、フローティング電源ノードから誤差電流が流れる可能性がある。この場合、MOSトランジスタPT3を流れる正規電流Ioと誤差電流Ierの比、Io/Ierは、MOSトランジスタPT4を介して流れる電流においても同じ比が維持される。この誤差電流IerがMOSトランジスタPT3を流れた場合、抵抗素子R4の電圧降下は、Ier・R4/nであり、ゲートドライバZDRVの入力論理しきい値VTHよりも十分に低い電圧レベルである。従って、誤差電流Ierが流れても、ゲートドライバZDRVは、誤差電流による入力信号がLレベルであると判定することができ、誤差電流による誤動作を防止することができる。従って、入力論理しきい値VTH、抵抗素子R4の抵抗値R4、電流I1およびIerは以下の関係を満たす:
I1・R4/n>VTH、かつ
Ier・R4/n<VTH.
上述の関係を満たすように、ゲートドライバZDRVの入力論理しきい値、電流I1および抵抗素子R4の抵抗値を設定する。
When the one-shot on / off command signal ON_B from the one-
I1 · R4 / n> VTH,
Therefore, I1> n · VTH / R4.
An error current may flow from the floating power supply node due to fluctuations in the floating power supply node VB or noise. In this case, the ratio between the normal current Io flowing through the MOS transistor PT3 and the error current Ier, Io / Ier, is maintained even in the current flowing through the MOS transistor PT4. When the error current Ier flows through the MOS transistor PT3, the voltage drop of the resistance element R4 is Ier · R4 / n, which is a voltage level sufficiently lower than the input logic threshold value VTH of the gate driver ZDRV. Therefore, even if the error current Ier flows, the gate driver ZDRV can determine that the input signal due to the error current is at the L level, and can prevent malfunction due to the error current. Therefore, the input logic threshold value VTH, the resistance value R4 of the resistance element R4, the currents I1 and Ier satisfy the following relationship:
I1 · R4 / n> VTH and Ier · R4 / n <VTH.
The input logic threshold value of the gate driver ZDRV, the current I1, and the resistance value of the resistance element R4 are set so as to satisfy the above relationship.
ウイルソンカレントミラー回路20において電流が流れない場合、高電位側フローティング部22においても、MOSトランジスタPT3およびPT4はオフ状態であり、内部ノード30の電位は、出力ノード27の電圧(フローティング電圧)VSに等しく、ゲートドライバZDRVにより、Lレベルと判定され、出力されるゲート駆動信号OUTHはLレベルに維持される。
When no current flows in the Wilson
以上のように、この発明の実施の形態2に従えば、高電位側フローティング部22においてカレントミラー回路を配置し、ウィルソンカレントミラー回路を流れる電流よりも小さな電流によりゲートドライバに対する入力信号を生成している。従って、電流/電圧変換用の抵抗素子R4を流れる電流は、小さく、抵抗素子R4における電力損失を低減することができる。また、電源変動などのノイズが発生して誤差電流が流れても、ゲートドライバン入力論理しきい値により正規制御信号およびノイズによる誤差信号を識別することができ、確実にノイズによる誤動作を防止することができる。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, the current mirror circuit is arranged in the high-potential
この発明に係る半導体回路は、低圧側入力信号をレベルシフトして高圧側スイッチングトランジスタのオン/オフを制御する構成の回路に対し適用することにより、高速かつ低消費電流で動作するノイズ耐性の優れた高圧側スイッチングパワートランジスタを駆動する回路を実現することができる。 The semiconductor circuit according to the present invention is applied to a circuit configured to control the on / off of the high-voltage side switching transistor by level-shifting the low-voltage side input signal. A circuit for driving the high-voltage side switching power transistor can be realized.
この出力部のトランジスタとしては、IGBTに限定されず、パワーMOSトランジスタであってもよい。また、この出力部のパワートランジスタQ1およびQ2は、図1および3においてはハーフブリッジ構成に接続される構成を示すが、フルブリッジ構成の出力トランジスタ接続であってもよい。また、負荷回路30は、アクチュエータおよびモータのいずれであってもよい。
The transistor of the output unit is not limited to the IGBT but may be a power MOS transistor. Further, the power transistors Q1 and Q2 of the output unit are shown as being connected in a half-bridge configuration in FIGS. 1 and 3, but may be output transistors connected in a full-bridge configuration. Further, the
1 高電位側駆動回路、2 低電位側駆動回路、11 ワンショット回路、14 第1の電流供給部、16 第2の電流供給部、20 ウイルソンカレントミラー回路、22 高電位側フローティング部、R1−R4 抵抗素子、HNT1 高耐圧MOSトランジスタ、BP1,BP2 バイポーラトランジスタ、DRV,ZDRV ゲートドライバ、Q1,Q2 出力パワートランジスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記入力信号の第1の状態への遷移に応答して前記第1の入力信号の第1の論理状態の期間よりも短いパルス幅のワンショットのパルス信号を生成するワンショットパルス発生回路、
前記入力信号に従って第1の内部ノードに電流を供給する第1の電流供給部、
前記ワンショットパルス信号に従って前記第1の内部ノードに電流を供給する第2の電流供給部、
前記第1の内部ノードに流れる電流に応じた電流を第2の内部ノードに流すシフト電流生成回路、
高電位側基準電源と前記第2の内部ノードの間に結合され、前記第2の内部ノードを流れる電流に応じたレベルの電圧信号を生成する電流検出手段、および
前記電流検出手段の出力信号に従って前記半導体スイッチングトランジスタを選択的にオン状態に設定するスイッチ駆動回路を備える、半導体回路。 A semiconductor circuit for controlling on and off of a semiconductor switching transistor for driving an output node to a voltage level higher than a voltage on the low voltage side according to an input signal from the low voltage side;
A one-shot pulse generation circuit for generating a one-shot pulse signal having a pulse width shorter than a period of a first logic state of the first input signal in response to a transition of the input signal to a first state;
A first current supply unit for supplying a current to a first internal node according to the input signal;
A second current supply unit for supplying a current to the first internal node according to the one-shot pulse signal;
A shift current generating circuit for causing a current corresponding to a current flowing through the first internal node to flow through the second internal node;
A current detection unit coupled between a high-potential-side reference power supply and the second internal node, and generating a voltage signal having a level corresponding to a current flowing through the second internal node; and according to an output signal of the current detection unit A semiconductor circuit comprising a switch drive circuit that selectively sets the semiconductor switching transistor to an on state.
前記第1の内部ノードにゲートが結合され、前記第1の内部ノードの電圧に応じて前記第2の内部ノードから電流を選択的に流す絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、
前記第1の内部ノードと共通電源との間に接続される第1のバイポーラトランジスタと、
前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタと前記共通電源との間に接続されかつそのベースが前記第1のバイポーラトランジスタのベースに接続されかつ前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタからの電流を受ける第2のバイポーラトランジスタとを備える、請求項1記載の半導体回路。 The shift current generation circuit includes:
An insulated gate field effect transistor having a gate coupled to the first internal node and selectively allowing a current to flow from the second internal node in accordance with a voltage of the first internal node;
A first bipolar transistor connected between the first internal node and a common power source;
A second bipolar transistor connected between the insulated gate field effect transistor and the common power source and having a base connected to a base of the first bipolar transistor and receiving a current from the insulated gate field effect transistor The semiconductor circuit according to claim 1, comprising:
nを1よりも大きな実数として、ミラー比がn:1のミラー電流を生成するカレントミラー回路と、前記カレントミラー回路のミラー電流を電圧信号に変換する抵抗素子とを備え、前記第2の内部ノードを流れる電流の1/n倍の電流に応じた電圧が電流検出信号として生成される、請求項1に記載の半導体回路。 The current detection means includes
a current mirror circuit that generates a mirror current having a mirror ratio of n: 1, where n is a real number greater than 1, and a resistance element that converts the mirror current of the current mirror circuit into a voltage signal, The semiconductor circuit according to claim 1, wherein a voltage corresponding to a current that is 1 / n times the current flowing through the node is generated as a current detection signal.
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