JP2014187736A

JP2014187736A - 半導体駆動装置

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Publication number: JP2014187736A
Application number: JP2013059091A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Osanai; 洋介長内; Ayuki Koishi; 歩生小石
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: JP5994697B2

Abstract

【課題】ミラー期間が存在しても、スイッチング素子のターンオフを高速化できる、半導体駆動装置を提供すること。
【解決手段】制御電極（ゲート電極G）と、第１の主電極（エミッタ電極E）と、第２の主電極（コレクタ電極C）とを有し、前記制御電極と前記第１の主電極との間に印加される制御電圧（ゲート電圧Vge）の低下によってターンオフするスイッチング素子１０と、前記スイッチング素子のターンオフ時に前記第２の主電極に流れる電流（コレクタ電流Ic）を増やす付加電流Iaを前記第２の主電極に付加する付加手段(ミラー期間検出部４０，制御回路３０及びターンオフ時スイッチSWoff2)とを備える、半導体駆動装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、IGBT等のスイッチング素子を備える半導体駆動装置に関する。

従来、IGBTのゲートオフ時にゲートの放電電流を増大させることによって、IGBTのオフ動作の応答性を向上させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−０４５５９０号公報

しかしながら、IGBT等のスイッチング素子がターンオフする際にはミラー期間が存在するため、上述の従来技術では、ターンオフの高速化に限界がある。本発明は、ミラー期間が存在しても、スイッチング素子のターンオフを高速化できる、半導体駆動装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、
制御電極と、第１の主電極と、第２の主電極とを有し、前記制御電極と前記第１の主電極との間に印加される制御電圧の低下によってターンオフするスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のターンオフ時に前記第２の主電極に流れる電流を増やす付加電流を前記第２の主電極に付加する付加手段とを備える、半導体駆動装置を提供するものである。

本発明によれば、ミラー期間が存在しても、スイッチング素子のターンオフを高速化できる。

第１の実施形態である半導体駆動装置の構成を示した図第１の実施形態である半導体駆動装置の動作波形を示したタイムチャート第２の実施形態である半導体駆動装置の構成を示した図第２の実施形態である半導体駆動装置の動作波形を示したタイムチャート第３の実施形態である半導体駆動装置の構成を示した図

＜半導体駆動装置１の構成＞
図１は、第１の実施形態である半導体駆動装置１の構成を示した図である。半導体駆動装置１は、集積回路によって構成された半導体デバイスでもよいし、ディスクリート部品によって構成された半導体デバイスでもよい。また、半導体駆動装置１は、そのような半導体デバイスを筐体に内蔵した電子制御ユニット（いわゆる、ECU）でもよい。

半導体駆動装置１は、スイッチング素子１０と、スイッチング素子２０と、制御回路３０とを備え、負荷M（例えば、モータ）を駆動する半導体回路である。スイッチング素子１０，２０は、制御回路３０と共通の基板上の半導体素子でもよいし、制御回路３０とは別の基板上の半導体素子でもよい。また、スイッチング素子１０は、スイッチング素子２０と共通の基板上の半導体素子でもよいし、スイッチング素子２０とは別の基板上の半導体素子でもよい。

スイッチング素子１０，２０は、絶縁ゲート型電圧制御半導体素子であって、オンオフ動作する素子である。スイッチング素子１０，２０は、制御電極と、第１の主電極と、第２の主電極とを有する素子であり、その具体例として、IGBT，MOSFETなどのパワートランジスタ素子が挙げられる。図１には、スイッチング素子１０，２０の一例として、IGBTが図示されている。以下、説明の便宜上、スイッチング素子１０，２０がIGBTであるとして、説明する。MOSFETの場合であれば、「コレクタ」を「ドレイン」に、「エミッタ」を「ソース」に置き換えて読むとよい。

スイッチング素子１０のゲート電極Gは、例えば、ゲート電極Gに直列接続されたゲートオン抵抗Rgon及びゲートオンスイッチSWon1を介して、電源電圧V1の第１の電源電位部６１に接続される制御電極である。また、ゲート電極Gは、例えば、ゲート電極Gに直列接続されたゲートオフ抵抗Rgoff及びゲートオフスイッチSWoff1を介して、電源電圧V1よりも低いグランド電圧のグランド電位部GNDに接続される制御電極である。ゲート電極Gは、例えば、ゲートオン抵抗Rgonとゲートオフ抵抗Rgoffとが接続される中間ノードに接続される。

スイッチング素子１０のエミッタ電極Eは、例えば、グランド電位部GNDに接続される第１の主電極である。スイッチング素子１０のコレクタ電極Cは、例えば、スイッチング素子２０又は負荷Mを介して、電源電圧V1よりも高い電源電圧V2の第２の電源電位部６２に接続される第２の主電極である。

スイッチング素子１０のコレクタ電極Cとエミッタ電極Eとの間には、ダイオードD1が構成されている。ダイオードD1は、スイッチング素子１０に並列に追加接続されたダイオードでもよいし、コレクタ電極Cとエミッタ電極Eとの間に形成される寄生素子であるボディダイオードでもよい。逆導通IGBTのダイオード部をダイオードD1として用いることも可能である。

スイッチング素子１０は、電極間に寄生容量を有している。スイッチング素子１０には、ゲート電極Gとエミッタ電極Eとの間に寄生する入力容量と、ゲート電極Gとコレクタ電極Cとの間に寄生する帰還容量と、コレクタ電極Cとエミッタ電極Eとの間に寄生する出力容量とが、存在する。また、ダイオードD1にも、アノードとカソードとの間に寄生するダイオード容量が存在する。図１には、スイッチング素子１０の寄生容量の一部が図示され、スイッチング素子１０のゲート電極Gとコレクタ電極Cとの間に寄生する帰還容量Cresが図示されている。

制御回路３０は、外部から供給される制御信号Sに従って、ゲートオン抵抗Rgon又はゲートオフ抵抗Rgoffを介して、スイッチング素子１０のゲート電極Gのゲート電圧Vgeを、スイッチング素子１０をオン又はオフさせる電圧に制御する制御部である。ゲート電圧Vgeは、ゲート電極Gとエミッタ電極Eとの間に印加される制御電圧である。スイッチング素子１０は、ゲート電圧Vgeの値に応じて、オン又はオフする。

制御回路３０は、例えば、CPU等を備えるマイクロコンピュータから供給される制御信号Sに従って、ゲート電圧Vgeを制御する回路である。なお、制御回路３０自体が、マイクロコンピュータであってもよい。

制御回路３０は、制御信号Sに従って、ターンオン信号AをアクティブレベルにすることによりゲートオンスイッチSWon1をオンするとともに、ターンオフ信号Bを非アクティブレベルにすることによりゲートオフスイッチSWoff1をオフする。ゲートオンスイッチSWon1がオンし且つゲートオフスイッチSWoff1がオフすることにより、ゲート電極Gはゲートオン抵抗Rgonを介して電源電圧V1にプルアップされる。これにより、ゲート電圧Vgeは、スイッチング素子１０の閾値電圧Vthよりも大きな電源電圧V1に上昇するため、スイッチング素子１０はターンオンする。

一方、制御回路３０は、制御信号Sに従って、ターンオン信号Aを非アクティブレベルにすることによりゲートオンスイッチSWon1をオフするとともに、ターンオフ信号BをアクティブレベルにすることによりゲートオフスイッチSWoff1をオンする。ゲートオンスイッチSWon1がオフし且つゲートオフスイッチSWoff1がオンすることにより、ゲート電極Gはゲートオフ抵抗Rgoffを介してグランド電圧にプルダウンされる。これにより、ゲート電圧Vgeは、スイッチング素子１０の閾値電圧Vthよりも小さなグランド電圧に低下するため、スイッチング素子１０はターンオフする。

ここで、スイッチング素子１０がオン状態で安定している状態では、帰還容量Cresのゲート電極G側の電圧は、電源電圧V1であり、帰還容量Cresのコレクタ電極C側の電圧は、スイッチング素子１０のオン電圧（オン抵抗）を無視すれば、グランド電圧である。逆に、スイッチング素子１０がオフ状態で安定している状態では、帰還容量Cresのゲート電極G側の電圧は、グランド電圧であり、帰還容量Cresのコレクタ電極C側の電圧は、スイッチング素子２０のオン電圧（オン抵抗）を無視すれば、電源電圧V2である。

したがって、スイッチング素子１０がオン状態からオフ状態にターンオフする場合、帰還容量Cresのゲート電極G側の電圧は、電源電圧V1からグランド電圧に低下するのに対して、帰還容量Cresのコレクタ電極C側の電圧は、グランド電圧から電源電圧V2に上昇する。

そこで、半導体駆動装置１は、スイッチング素子１０のターンオフを高速化するため、スイッチング素子１０のターンオフ時にゲート電圧Vgeを低下させる手段だけでなく、スイッチング素子１０のターンオフ時にコレクタ電圧Vceを上昇させる手段を有している。コレクタ電圧Vceは、スイッチング素子１０のコレクタ電極Cとエミッタ電極Eとの間の電圧である。

半導体駆動装置１は、スイッチング素子１０のターンオフ時にゲート電圧Vgeを低下させる主要な構成として、ゲートオフ抵抗Rgoffを介してゲート端子Gをグランド電位部GNDに接続するゲートオフスイッチSWoff1を備えている。ただし、ゲートオフスイッチSWoff1は、ゲート電圧Vgeが低下するように、帰還容量Cresのゲート電極G側の電荷を引き抜くものである。

これに対し、半導体駆動装置１は、スイッチング素子１０のターンオフ時にコレクタ電圧Vceを上昇させる構成として、スイッチング素子１０のターンオフ時にコレクタ電極Cに流れるコレクタ電流Icを増やす付加電流Iaを、コレクタ電極Cに一時的に付加する付加手段を備えている。

このような付加手段によって、帰還容量Cresのコレクタ電極C側に電荷Q（すなわち、付加電流Ia）を付加的に注入することができるため、付加的に注入しない場合に比べて、スイッチング素子１０のターンオフ時のコレクタ電圧Vceの上昇速度を上げることができる。スイッチング素子１０のターンオフ時のコレクタ電圧Vceの上昇速度が上がると、スイッチング素子１０のターンオフ時のミラー期間Tmを短縮できる。ミラー期間Tmは、ゲート電圧Vgeがターンオフ時に一時的に一定になる期間である。

このように、半導体駆動装置１は、上述のような付加手段を備えることにより、スイッチング素子１０のターンオフ時のミラー期間Tmを短縮できるので、ミラー期間Tmが存在しても、スイッチング素子１０のターンオフを高速化でき、スイッチング素子１０のスイッチング時のオフ損失を低減できる。

帰還容量Cresのゲート電極G側の電荷を引き抜くことで、ゲート電圧Vgeの低下が促進する一方で、帰還容量Cresのコレクタ電極C側に電荷を注入することで、コレクタ電圧Vceの上昇が促進する。そのため、スイッチング素子１０のターンオフ時間の短縮効果が高くなる。

図１には、スイッチング素子１０のターンオフ時にコレクタ電極Cに流れるコレクタ電流Icを増やす付加電流Iaを、コレクタ電極Cに一時的に付加する付加手段として、ミラー期間検出部４０と、制御回路３０と、ターンオフ時スイッチSWoff2とが例示されている。

ミラー期間検出部４０は、スイッチング素子１０のターンオフ時のミラー期間Tmを検出する手段である。ミラー期間検出部４０は、ミラー期間Tmの開始タイミングを検出するミラー期間開始検出部と、ミラー期間Tmの終了タイミングを検出するミラー期間終了検出部とを備えている。ミラー期間検出部４０は、ミラー期間Tmの開始又は終了を検出すると、トリガー信号を制御回路３０に対して出力する。

ミラー期間検出部４０は、例えば、ゲート電圧モニタ回路４１と、ミラー期間判定回路４２とを備えた回路である。

ゲート電圧モニタ回路４１は、ゲート電極Gのモニタ信号Fに基づいて、ゲート電圧Vgeを検出する電圧検出回路である。ミラー期間判定回路４２は、ゲート電圧Vgeの低下を検知することによってミラー期間Tmの開始又は終了を検出し、ミラー期間Tmの開始又は終了を検出すると、トリガー信号を制御回路３０に対して出力する回路である。

ミラー期間判定回路４２は、例えば、ゲート電圧モニタ回路４１によって検出されたゲート電圧Vgeを微分する微分回路を有する。ミラー期間判定回路４２は、微分回路がゲート電圧Vgeを微分して得られた値（微分値）が所定値未満の負の値になることが検出されると、ミラー期間Tmの開始又は終了を検出したことを表すトリガー信号を出力する。微分値が所定値未満の負の値になるとは、ゲート電圧Vgeが所定の速度を超えた速度で低下することを表している。

制御回路３０は、ミラー期間検出部４０からのトリガー信号の受信をトリガーに、ターンオフ時スイッチSWoff2をオン又はオフする。制御回路３０は、ターンオフ信号Bをアクティブレベルにしている状態で、最初のトリガー信号を受信することにより、ターンオフ時スイッチSWoff2をオフからオンに切り替える。ターンオフ時スイッチSWoff2がオフからオンに切り替わることにより、付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加されることが開始する。そして、制御回路３０は、ターンオフ信号Bをアクティブレベルにしている状態で、トリガー信号を再び受信することにより、ターンオフ時スイッチSWoff2をオンからオフに切り替える。ターンオフ時スイッチSWoff2がオンからオフに切り替わることにより、付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加されることが終了する。

ターンオフ時スイッチSWoff2は、例えば、コレクタ電極Cを第３の電源電位部６３にスイッチング素子１０のターンオフ時に一時的に接続する手段である。第３の電源電位部６３は、電源電圧V1よりも高い電源電圧V3を有している。ターンオフ時スイッチSWoff２がオンすることにより、コレクタ電流Icが流れる電流経路５１に電源電位部６３が接続されるため、付加電流Iaが流れる電流経路５２が、電流経路５１を介して、コレクタ電極Cに接続される。

図２は、半導体駆動装置１の動作波形を示したタイムチャートである。

制御回路３０は、タイミングｔ１で制御信号Sを介したマイクロコンピュータ等の指示により、スイッチング素子１０のターンオフ動作を開始する。制御回路３０は、ゲートオンスイッチSWon1をオン状態からオフ状態にタイミングｔ２で切り替えてから、ゲートオフスイッチSWoff1をオフ状態からオン状態にタイミングｔ３に切り替える。これにより、タイミングｔ４で、スイッチング素子１０のゲート電圧Vgeが低下し始め、スイッチング素子１０のターンオフ動作が開始する。

制御回路３０は、ミラー期間検出部４０からのトリガー信号を受信することにより、ミラー期間Tmの開始が検出されたとして、ターンオフ時スイッチSWoff2をタイミングｔ５でオフからオンに切り替える。これにより、付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加されるため、コレクタ電圧Vceが上昇する速度は、付加電流Iaが付加されない場合よりも高くなる。

ミラー期間Tmが開始する前に付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加されると、付加電流Iaはコレクタ電極Cからエミッタ電極Eに流れるため、付加電流Iaはコレクタ電極C側からの帰還容量Cresの充電に寄与できない。よって、付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加される開始タイミングは、ミラー期間Tmの開始が検出されたタイミング以後であることが好ましい。

ミラー期間Tｍが終了すると、ゲート電圧Vgeがタイミングｔ６で再び低下し始める。ミラー期間検出部４０は、ゲート電圧Vgeが再低下したことを表すトリガー信号を出力する。

制御回路３０は、付加電流Iaを付加することを開始してから、ミラー期間検出部４０からのトリガー信号を再び受信することにより、ミラー期間Tmの終了が検出されたとして、ターンオフ時スイッチSWoff2をオンからオフにタイミングｔ７で切り替える。コレクタ電流Icの低下が止まり及びコレクタ電圧Vcの上昇が止まるタイミングｔ８で、スイッチング素子１０のターンオフ動作は終了する。

なお、ミラー期間Tmが終了してからゲート電圧Vgeがスイッチング素子１０の閾値電圧Vth以下になるまでに（スイッチング素子１０がオフ状態になるまでに）、付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加されると、コレクタ電圧Vceの上昇が加速される。これは、オフサージとノイズが増大する要因となる。よって、ミラー期間Tmの終了が検出されたタイミング以後速やかに、付加電流Iaをコレクタ電極Cに付加することを終了させることが好ましい。

図３は、第２の実施形態である半導体駆動装置２の構成を示した図である。上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、省略する。図３の半導体駆動装置２は、図１の半導体駆動装置１に対して、ダイオードDcが追加されている。ダイオードDcは、アノードがターンオフ時スイッチSWoff2側に接続されカソードがコレクタ電極C側に接続されるように、ターンオフ時スイッチSWoff2と電流経路５１との間に挿入されている。なお、図３の場合、電源電圧V3は、電源電圧V2よりも低い電圧である。

ダイオードDcは、コレクタ電極Cのコレクタ電圧Vceの変化を利用して、付加電流Iaをコレクタ電極Cに付加することを停止させる停止手段である。ダイオードDcは、コレクタ電圧Vceが電源電圧V3よりも高くなると、帰還容量Cresのコレクタ電極C側から付加電流Iaで付加的に充電することを停止させることができる素子である。

ダイオードDcのような停止手段を備えることにより、ミラー期間検出部４０によってミラー期間Tmの終了が検出されてからターンオフ時スイッチSWoff2をオフさせるまでの回路遅延の考慮が不要となる。そのため、ミラー期間Tｍの終了後にコレクタ電圧Vceが急速に上昇すると、付加電流Iaをコレクタ電極Cに付加することを速やかに終了させることができる。

図４は、半導体駆動装置２の動作波形を示したタイムチャートである。図４において、タイミングｔ６までの動作は、図２と同様のため、その説明を省略する。

ミラー期間Tmがタイミングｔ６で終了してから上昇するコレクタ電圧Vceが電源電圧V3をタイミングｔ７で超えると、ターンオフ時スイッチSWoff2のオンオフにかかわらず、付加電流Iaをコレクタ電極Cに付加することを速やかに終了させることができる。したがって、この場合、ターンオフ時スイッチSWoff2をミラー期間検出部４０からのトリガー信号をトリガーにオフさせなくてもよく、スイッチング素子１０が次のターンオフを開始するまでの間にオフさせればよい。

このように、ダイオードDcがあることによって、コレクタ電圧Vceがミラー期間Tmの終了後に上昇すると、付加電流Iaをコレクタ電極Cに付加することを速やかに終了させることができる。そのため、ターンオフ時スイッチSWoff2のオフが遅れることによるオフサージの増大を防止できる。また、オフサージの増大を防止できることにより、例えば、ゲートオフ抵抗Rgoffの抵抗値を大きくする必要もなくなるので、スイッチング素子１０のターンオフ時間を効果的に短縮できる。

以上、半導体駆動装置を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

例えば、ミラー期間Tmの開始及び終了を検出するための手段は、ゲート電圧Vgの低下を検出する上述のような手段に限られない。例えば、ゲート電極Gからゲートオフ抵抗Rgoffに流れる放電電流の発生を検出することによって、ミラー期間Tmの開始及び終了が検出されてもよい。

また、例えば、半導体駆動装置に構成されるスイッチング素子は、ハイサイドとローサイドに対向して直列に配置されるアームのうち、上述の実施形態で示したローサイドアームに限らず、ハイサイドアーム（図１の場合、スイッチング素子２０に相当）であってもよい。

また、例えば、スイッチング素子は、IGBTに限らず、Nチャネル型のMOSFETでもよいし、Pチャネル型のMOSFETでもよい。図５には、スイッチング素子がPチャネル型のMOSFET（スイッチング素子１１）を備えた半導体駆動装置３が例示されている。スイッチング素子１１は、制御電極としてのゲート電極Gと、第１の主電極としてのソース電極Sと、第２の主電極としてのドレイン電極Dとを有する素子である。

半導体駆動装置３は、スイッチング素子１１のターンオフ時にドレイン電圧Vdsを上昇させる構成として、スイッチング素子１１のターンオフ時にドレイン電極Dに流れるドレイン電流Iｄを増やす付加電流Iaをドレイン電極Dに一時的に付加する付加手段を備えている。

このような付加手段によって、帰還容量Cresのドレイン電極D側から電荷Q（すなわち、付加電流Ia）を強制的に引き抜くことができるため、スイッチング素子１１のターンオフ時のドレイン電圧Vdsの上昇速度を上げることができる。スイッチング素子１１のターンオフ時のドレイン電圧Vdsの上昇速度が上がると、スイッチング素子１１のターンオフ時のミラー期間Tmを短縮できる。

このように、半導体駆動装置３は、上述のような付加手段を備えることにより、スイッチング素子１１のターンオフ時のミラー期間Tmを短縮できるので、ミラー期間Tmが存在しても、スイッチング素子１１のターンオフを高速化でき、スイッチング素子１１のスイッチング時のオフ損失を低減できる。

１，２，３半導体駆動装置
１０，１１，２０スイッチング素子
３０制御回路
４０ミラー期間検出部
４１ゲート電圧モニタ回路
４２ミラー期間判定回路
５１，５２電流経路
６１，６２，６３電源電位部
G ゲート電極（制御電極の一例）
E エミッタ電極（第１の主電極の一例）
C コレクタ電極（第２の主電極の一例）
Dc ダイオード
M 負荷
SWon1 ゲートオンスイッチ
SWoff1 ゲートオフスイッチ
SWoff2 ターンオフ時スイッチ

Claims

制御電極と、第１の主電極と、第２の主電極とを有し、前記制御電極と前記第１の主電極との間に印加される制御電圧の低下によってターンオフするスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のターンオフ時に前記第２の主電極に流れる電流を増やす付加電流を前記第２の主電極に付加する付加手段とを備える、半導体駆動装置。
前記付加手段は、前記付加電流を、前記ターンオフ時のミラー期間に付加する、請求項１に記載の半導体駆動装置。
前記付加手段は、前記ミラー期間の開始が検出されると前記付加電流を付加することを開始し、前記ミラー期間の終了が検出されると前記付加電流を付加することを終了する、請求項２に記載の半導体駆動装置。
前記付加手段は、前記制御電圧の低下が検出されると前記付加電流を付加することを開始し、前記制御電圧の低下が再び検出されると前記付加電流を付加することを終了する、請求項３に記載の半導体駆動装置。
前記付加手段は、前記制御電圧を微分した値が所定値未満の負の値になることが検出されると前記付加電流を付加することを開始し、前記制御電圧を微分した値が所定値未満の負の値になることが再び検出されると前記付加電流を付加することを終了する、請求項３又は４に記載の半導体駆動装置。
前記付加手段は、前記付加電流が流れる電流経路を前記第２の主電極に接続する、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体駆動装置。
前記第２の主電極の電圧変化を利用して、前記付加電流を付加することを停止させる停止手段を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体駆動装置。
前記停止手段は、ダイオードである、請求項７に記載の半導体駆動装置。
前記付加手段は、前記第２の主電極に電荷を入れる、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体駆動装置。
前記付加手段は、前記第２の主電極から電荷を抜く、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体駆動装置。
前記制御電圧を低下させる手段を備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体駆動装置。