JP2015089051A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トランジスタに流れる電流の検出感度と、トランジスタに逆並列に接続されたダイオードに流れる電流の検出感度とを独立に調整できる、半導体装置を提供すること。【解決手段】トランジスタと、前記トランジスタと逆並列に接続されたダイオードと、前記トランジスタに流れる電流に応じたセンス電流を生成するセンストランジスタと、前記ダイオードに流れる電流に応じたセンスダイオード電流を生成するセンスダイオードと、前記センストランジスタのエミッタと前記センスダイオードのアノードに接続された一端と、前記トランジスタのエミッタと前記ダイオードのアノードに接続された他端とを有し、前記センス電流又は前記センスダイオード電流が流れる抵抗部と、前記センス電流が前記抵抗部を流れるときと前記センスダイオード電流が前記抵抗部を流れるときとで、前記抵抗部の抵抗値を異ならせる抵抗値制御手段とを備える、半導体装置。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来、トランジスタに流れる電流と、トランジスタに逆並列に接続されたダイオードに流れる電流とを、共通のセンス抵抗で検出する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００９−２６８０５４号公報

しかしながら、トランジスタに流れる電流と、トランジスタに逆並列に接続されたダイオードに流れる電流とを、共通のセンス抵抗で検出する場合、従来技術のセンス抵抗では、それらの電流それぞれの検出感度を独立に調整することが難しい。

そこで、トランジスタに流れる電流の検出感度と、トランジスタに逆並列に接続されたダイオードに流れる電流の検出感度とを独立に調整できる、半導体装置の提供を目的とする。

一つの案では、
トランジスタと、
前記トランジスタと逆並列に接続されたダイオードと、
前記トランジスタに流れる電流に応じたセンス電流を生成するセンストランジスタと、
前記ダイオードに流れる電流に応じたセンスダイオード電流を生成するセンスダイオードと、
前記センストランジスタのエミッタと前記センスダイオードのアノードに接続された一端と、前記トランジスタのエミッタと前記ダイオードのアノードに接続された他端とを有し、前記センス電流又は前記センスダイオード電流が流れる抵抗部と、
前記センス電流が前記抵抗部を流れるときと前記センスダイオード電流が前記抵抗部を流れるときとで、前記抵抗部の抵抗値を異ならせる抵抗値制御手段とを備える、半導体装置が提供される。

一態様によれば、トランジスタに流れる電流の検出感度と、トランジスタに逆並列に接続されたダイオードに流れる電流の検出感度とを独立に調整できる。

半導体装置における一実施例の構成図である。 半導体装置の動作波形の一例を示したタイミングチャートである。 半導体装置における一実施例の構成図である。 半導体装置における一実施例の構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。

図１は、半導体装置の一例である駆動装置１の構成例を示した図である。駆動装置１は、集積回路により形成された構成を有する半導体デバイスでもよいし、ディスクリート部品により形成された構成を有する半導体デバイスでもよい。

駆動装置１は、トランジスタ部１１のメイントランジスタ１２をオンオフ駆動することによって、第１の導電部６１又は第２の導電部６２に接続される誘導性の負荷（例えば、インダクタ、モータなど）を駆動する手段を備えた半導体回路である。駆動装置１が単数又は複数使用される装置として、例えば、直流電圧を昇圧又は降圧又は昇降圧するコンバータ、直流電力と交流電力との間で電力変換するインバータなどが挙げられる。

例えば、駆動装置１が複数使用される装置では、誘導性の負荷が接続される中間ノードに対してハイサイドとローサイドのそれぞれに設けられたスイッチング素子１０が直列に接続されたスイッチング回路が設けられる。例えば、駆動装置１が複数使用される装置の一例である三相インバータは、当該スイッチング回路を３個並列に備えている。

導電部６１は、電源の正極等の高電源電位部に導電的に接続される電流経路であり、高電源電位部に他のスイッチング素子又は負荷を介して間接的に接続されてもよい。導電部６２は、電源の負極等の低電源電位部（例えば、グランド電位部）に導電的に接続される電流経路であり、低電源電位部に他のスイッチング素子又は負荷を介して間接的に接続されてもよい。

駆動装置１は、スイッチング素子１０を備えている。スイッチング素子１０は、電流センス機能付きの絶縁ゲート型電圧制御半導体素子である。スイッチング素子１０は、トランジスタ部１１と、ダイオード部１４とを有している。

スイッチング素子１０は、例えば、トランジスタ部１１がInsulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ）である場合、トランジスタ部１１とダイオード部１４とが共通の半導体基板に設けられたダイオード内蔵ＩＧＢＴである。ダイオード内蔵ＩＧＢＴは、ダイオードのアノード電極とＩＧＢＴのエミッタ電極とを共通電極とし、ダイオードのカソード電極とＩＧＢＴのコレクタ電極とを共通電極とした構造を有している。ダイオード内蔵ＩＧＢＴは、逆導通ＩＧＢＴ（Reverse Conducting（ＲＣ）‐ＩＧＢＴ）とも称される。

トランジスタ部１１の具体例として、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのパワートランジスタ素子が挙げられる。図１には、トランジスタ部１１の一例であるＩＧＢＴが図示されている。以下、説明の便宜上、トランジスタ部１１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。

トランジスタ部１１のゲート端子Ｇは、例えば、ゲート端子Ｇに直列接続されたゲート抵抗を介して、制御回路４０の駆動回路４３に接続される制御端子である。トランジスタ部１１のコレクタ端子Ｃは、例えば、接続点ｃに接続され、接続点ｃを介して導電部６１に接続される第１の主端子である。トランジスタ部１１のエミッタ端子Ｅは、例えば、接続点ｄに接続され、接続点ｄを介して導電部６２に接続される第２の主端子である。トランジスタ部１１のセンスエミッタ端子ＳＥは、例えば、接続点ｂに接続され、接続点ｂを介して抵抗回路２０の一端に接続されるセンス端子である。センスエミッタ端子ＳＥは、抵抗回路２０の他端が接続される接続点ｄを介して、導電部６２に接続される。

トランジスタ部１１は、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３を含んで構成されている。メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子である。センストランジスタ１３は、メイントランジスタ１２に並列に接続されている。メイントランジスタ１２とセンストランジスタ１３は、それぞれ、複数のセルトランジスタから構成されてよい。

メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３のそれぞれのゲート電極ｇは、トランジスタ部１１のゲート端子Ｇに共通接続される制御電極である。メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３のそれぞれのコレクタ電極ｃは、トランジスタ部１１のコレクタ端子Ｃに共通接続される第１の主電極である。メイントランジスタ１２のエミッタ電極ｅは、トランジスタ部１１のエミッタ端子Ｅに接続される第２の主電極である。センストランジスタ１３のセンスエミッタ電極ｓｅは、トランジスタ部１１のセンスエミッタ端子ＳＥに接続されるセンス電極である。

センストランジスタ１３は、メイントランジスタ１２に流れる電流に応じた電流を生成するセンストランジスタの一例であり、メイントランジスタ１２に流れる電流が大きいほど大きな電流が流れるセンス素子である。センストランジスタ１３は、例えば、メイントランジスタ１２に流れる主電流Ｉｅに比例したセンス電流Ｉｓｅを出力する。

例えば、コレクタ端子Ｃからトランジスタ部１１に流入するコレクタ電流は、メイントランジスタ１２を流れる主電流Ｉｅとセンストランジスタ１３を流れるセンス電流Ｉｓｅとにセンス比ｎで分割される。センス電流Ｉｓｅは、主電流Ｉｅに応じてセンス比ｎの割合で流れる電流であり、主電流Ｉｅよりも電流値がセンス比ｎによって小さくされた電流である。センス比ｎは、例えば、メイントランジスタ１２のエミッタ電極ｅの面積と、センストランジスタ１３のセンスエミッタ電極ｓｅの面積との比に応じて決定される。

主電流Ｉｅは、メイントランジスタ１２におけるコレクタ電極ｃとエミッタ電極ｅとを流れ、エミッタ端子Ｅから出力される。エミッタ端子Ｅから出力された主電流Ｉｅは、接続点ｄを介して、導電部６２を流れる。センス電流Ｉｓｅは、センストランジスタ１３におけるコレクタ電極ｃとセンスエミッタ電極ｓｅとを流れ、センスエミッタ端子ＳＥから出力される。センスエミッタ端子ＳＥから出力されたセンス電流Ｉｓｅは、抵抗回路２０及び接続点ｄを経由して、導電部６２を流れる。

一方、ダイオード部１４は、メインダイオード１５及びセンスダイオード１６を含んで構成されている。

メインダイオード１５は、メイントランジスタ１２に逆並列に接続されたダイオードの一例であり、エミッタ端子Ｅに接続されたアノードと、コレクタ端子Ｃに接続されたカソードとを有する逆導通素子である。メインダイオード１５のアノード電極は、エミッタ端子Ｅが接続された接続点ｄに接続され、接続点ｄを介して導電部６２に接続されたＰ型電極である。メインダイオード１５のカソード電極は、コレクタ端子Ｃが接続された接続点ｃに接続され、接続点ｃを介して導電部６１に接続されたＮ型電極である。

センスダイオード１６は、メインダイオード１５に流れる電流に応じた電流を生成するセンスダイオードの一例であり、メインダイオード１５に流れる電流が大きいほど大きな電流が流れるセンス素子である。センスダイオード１６は、例えば、メインダイオード１５に流れるダイオード電流Ｉｄに比例したセンスダイオード電流Ｉｓｄを出力する。

センスダイオード電流Ｉｓｄは、ダイオード電流Ｉｄに応じてセンス比ｍの割合で流れる電流であり、ダイオード電流Ｉｄよりも電流値がセンス比ｍによって小さくされた電流である。

センスダイオード１６のアノード電極は、センスエミッタ端子ＳＥが接続された接続点ｂに接続され、抵抗回路２０及び接続点ｄを介して導電部６２に接続されたＰ型電極である。センスダイオード１６のカソード電極は、コレクタ端子Ｃが接続された接続点ｃに接続され、接続点ｃを介して導電部６１に接続されたＮ型電極である。

駆動装置１は、センスエミッタ端子ＳＥとエミッタ端子Ｅとの間に設けられた抵抗回路２０を有している。抵抗回路２０は、センストランジスタ１３のセンスエミッタ電極ｓｅとセンスダイオード１６のアノード電極とに共通に接続された接続点ｂに接続される一端と、メイントランジスタ１２のエミッタ電極ｅとメインダイオード１５のアノード電極とに共通に接続された接続点ｄに接続される他端とを有する抵抗部の一例である。

抵抗回路２０は、複数のセンス抵抗２１，２２を並列に有している。センス抵抗２１は、接続点ｂに接続された一端と、接続点ｄに接続された他端とを有する第１の抵抗素子である。センス抵抗２２は、接続点ｂに接続された一端と、トランジスタ３１を介して接続点ｄに接続された他端とを有する第２の抵抗素子である。

駆動装置１は、センス抵抗２２と、センス抵抗２２に直列に接続されたトランジスタ３１とを有する直列回路を備えている。当該直列回路は、センス抵抗２１に並列に接続されている。トランジスタ３１は、抵抗回路２０により発生するセンス電圧Ｖｓｅの検出結果に基づいて、抵抗回路２０の抵抗値を変化させる抵抗値制御部の一例である。

センス電圧Ｖｓｅは、例えば、抵抗回路２０の両端電圧であり、接続点ｂと接続点ｄとの電位差に等しい。センス電圧Ｖｓｅは、センスダイオード１６の順方向と同方向のセンスダイオード電流Ｉｓｄが抵抗回路２０に流れているとき、負の電圧値であり、センスダイオード１６の順方向とは逆方向のセンス電流Ｉｓｅが抵抗回路２０に流れているとき、正の電圧値である。また、センス電圧Ｖｓｅは、センスダイオード電流Ｉｓｄ又はセンス電流Ｉｓｅが抵抗回路２０に流れていないとき、零である。

抵抗回路２０の抵抗値は、センス抵抗２１とセンス抵抗２２の合成抵抗値Ｒａに等しい値である。なお、合成抵抗値Ｒａは、トランジスタ３１のオン抵抗も含めて合成された抵抗値であってもよい。

トランジスタ３１は、センス電圧Ｖｓｅの検出結果に基づいてコンパレータ４９から出力された出力信号Ｓ６が入力される制御電極と、センス抵抗２２を介して接続点ｂに接続された第１の主電極と、接続点ｄに接続された第２の主電極とを有している。センス抵抗２２とトランジスタ３１の配置位置は、互いに置換されてもよい。

図１には、トランジスタ３１がＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴである場合が例示されている。この場合、トランジスタ３１は、出力信号Ｓ６が入力されるゲート電極と、センス抵抗２２を介して接続点ｂに接続されたドレイン電極と、接続点ｄに接続されたソース電極とを有している。なお、トランジスタ３１は、バイポーラトランジスタ等の他のスイッチング素子でもよい。

トランジスタ３１は、センスダイオード電流Ｉｓｄが抵抗回路２０を流れることにより発生する負のセンス電圧Ｖｓｅの検出結果に基づいてローレベルの出力信号Ｓ６が出力されているとき、オフしている。つまり、センス電圧Ｖｓｅが負の値であるとき、トランジスタ３１はオフしている。トランジスタ３１がオフのときの合成抵抗値Ｒａは、センス抵抗２１の抵抗値に等しく、トランジスタ３１がオンのときよりも大きな抵抗値である。

一方、トランジスタ３１は、センス電流Ｉｓｅが抵抗回路２０を流れることにより発生する正のセンス電圧Ｖｓｅの検出結果に基づいてハイレベルの出力信号Ｓ６が出力されているとき、オンしている。つまり、センス電圧Ｖｓｅが正の値であるとき、トランジスタ３１はオンしている。トランジスタ３１がオンのときの合成抵抗値Ｒａの逆数は、センス抵抗２１の抵抗値の逆数とセンス抵抗２２の抵抗値の逆数との和に等しい。つまり、トランジスタ３１がオンのときの合成抵抗値Ｒａは、トランジスタ３１がオフのときよりも小さな抵抗値である。

このように、トランジスタ３１はセンス電圧Ｖｓｅの検出結果に基づいて合成抵抗値Ｒａを変化させることができる。そのため、主電流Ｉｅの検出とダイオード電流Ｉｄの検出とに抵抗回路２０を共用していても、主電流Ｉｅの検出感度とダイオード電流Ｉｄの検出感度とを独立に調整できる。

例えば、トランジスタ３１は、センス電圧Ｖｓｅが、抵抗回路２０を流れるセンス電流Ｉｓｅにより発生する電圧であるか、抵抗回路２０を流れるセンスダイオード電流Ｉｓｄにより発生する電圧であるかで、合成抵抗値Ｒａを異ならせる。これにより、トランジスタ３１は、合成抵抗値Ｒａを、主電流Ｉｅを検出するときとダイオード電流Ｉｄを検出するときとで異なる値に設定できるので、主電流Ｉｅの検出感度とダイオード電流Ｉｄの検出感度とを独立に調整できる。

例えば、抵抗回路２０を流れるセンス電流Ｉｓｅにより発生するときのセンス電圧Ｖｓｅを電圧Ｖｓ１とし、抵抗回路２０を流れるセンスダイオード電流Ｉｓｄにより発生するときのセンス電圧Ｖｓｅを電圧Ｖｓ２とする。例えば、電圧Ｖｓ１は、正の電圧値であり、電圧Ｖｓ２は、負の電圧値である。

トランジスタ３１は、センス電圧Ｖｓｅが電圧Ｖｓ２であるとき、センス電圧Ｖｓｅが電圧Ｖｓ１であるときよりも合成抵抗値Ｒａを大きくすることにより、センスダイオード電流Ｉｓｄの検出感度を上げることができる。これにより、微小なセンスダイオード電流Ｉｓｄを精度良く検出できるので、ダイオード電流Ｉｄの検出感度も上がる。したがって、零よりも僅かに大きなダイオード電流Ｉｄがメインダイオード１５に流れていることを、センス電圧Ｖｓｅによって高精度に検出できる。

一方、トランジスタ３１は、センス電圧Ｖｓｅが電圧Ｖｓ１であるとき、センス電圧Ｖｓｅが電圧Ｖｓ２であるときよりも合成抵抗値Ｒａを小さくすることにより、センス電流Ｉｄの検出感度を下げることができる。これにより、主電流Ｉｅが所定値以上の比較的大きな電流（例えば、過電流）であっても、そのような大きな電流をセンス電圧Ｖｓｅによって検出できる。また、センス電圧Ｖｓｅが過大になることを防止でき、抵抗回路２０で発生する損失を抑えることができる。

駆動装置１は、制御回路４０を備えている。制御回路４０は、センス電圧Ｖｓｅの検出結果に基づいて、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３の駆動を制御する制御部の一例である。

制御回路４０は、センスダイオード電流Ｉｓｄが抵抗回路２０を流れることにより発生する負のセンス電圧Ｖｓｅが検出されるとき、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３をオフさせる。これにより、ダイオード電流Ｉｄが流れているときに、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３がオンすることを防止できる。また、ダイオード電流Ｉｄが流れているときに、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３がオンすることによって、ダイオード部１４の損失が増大することを防止できる。

例えば、制御回路４０は、センス電圧Ｖｓｅが所定の閾値（例えば、零又は所定の負の電圧値）以下であることが検出されるとき、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３をオフさせる。

制御回路４０は、コンパレータ４９と、コンパレータ４６と、ＡＮＤ回路４２と、駆動回路４３とを有している。

コンパレータ４９は、センス電流Ｉｓｅが抵抗回路２０に流れているときかセンスダイオード電流Ｉｓｄが抵抗回路２０に流れているときかを判定する判定回路の一例である。コンパレータ４９は、センスダイオード電流Ｉｓｄの流れが終わること又はセンス電流Ｉｓｅの流れが始まることを検出することができ、センス電流Ｉｓｅの流れが終わること又はセンスダイオード電流Ｉｓｄの流れが始まることを検出することができる。

コンパレータ４９は、センス電圧Ｖｓｅが所定の閾値Ｖｔｈを跨ぐことを検出したタイミングで、出力信号Ｓ６の電圧レベルを反転させる。例えば、コンパレータ４９は、接続点ｂに接続された非反転入力部と、接続点ｄに接続される反転入力部とを有している。この場合、閾値Ｖｔｈは零に設定される。

コンパレータ４９の出力信号Ｓ６は、ＡＮＤ回路４８とトランジスタ３１とに入力される。

ダイオード電流Ｉｄが流れているとき、センスダイオード電流Ｉｓｄも流れているため、センス電圧Ｖｓｅは負電圧である。コンパレータ４９は、センス電圧Ｖｓｅが負の値から零以上の値（すなわち、零又は正の値）に変化することを検出した時、出力信号Ｓ６をローレベルからハイレベルに切り替える。

出力信号Ｓ６がローレベルからハイレベルに切り替わると、トランジスタ３１はオンする。トランジスタ３１のオンによって、合成抵抗値Ｒａは小さくなる。トランジスタ３１のオンのとき、センス電流Ｉｓｅは、トランジスタ３１及びセンス抵抗２２、並びにセンス抵抗２１を流れる。

一方、主電流Ｉｅが流れているとき、センス電流Ｉｓｅも流れているため、センス電圧Ｖｓｅは正電圧である。コンパレータ４９は、センス電圧Ｖｓｅが正の値から零以下の値（すなわち、零又は負の値）に変化することを検出した時、出力信号Ｓ６をハイレベルからローレベルに切り替える。

出力信号Ｓ６がハイレベルからローレベルに切り替わると、トランジスタ３１はオフする。トランジスタ３１のオフによって、合成抵抗値Ｒａは大きくなる。トランジスタ３１のオフのとき、センスダイオード電流Ｉｓｄは、トランジスタ３１及びセンス抵抗２２を流れずに、センス抵抗２１を流れる。

コンパレータ４６は、抵抗回路２０にセンス電流Ｉｓｅが流れることにより発生したセンス電圧Ｖｓｅに基づいて、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３をオフさせる過電流検出回路の一例である。コンパレータ４６は、抵抗回路２０の一端に接続される反転入力部と、一定の基準電圧ＶＲ２を出力する基準電圧部４７に接続される非反転入力部とを有している。基準電圧ＶＲ２は、主電流Ｉｅが過電流であるか否かを判定するための閾値電圧である。

コンパレータ４６は、ダイオード電流Ｉｄが流れているとき、センス電圧Ｖｓｅは基準電圧ＶＲ２よりも低いため、ハイレベルの出力信号Ｓ４を出力する。また、コンパレータ４６は、過電流よりも小さな通常の主電流Ｉｅがメイントランジスタ１２に流れているとき、センス電圧Ｖｓｅは基準電圧ＶＲ２よりも低いため、ハイレベルの出力信号Ｓ４を出力する。また、コンパレータ４６は、所定値以上の過大な主電流Ｉｅがメイントランジスタ１２に流れると、センス電圧Ｖｓｅは基準電圧ＶＲ２よりも高くなるため、ローレベルの出力信号Ｓ４を出力する。

制御回路４０は、コンパレータ４９の出力信号Ｓ６とコンパレータ４６の出力信号Ｓ４が入力されるＡＮＤ回路４８を有している。ＡＮＤ回路４８は、出力信号Ｓ４の電圧レベルと出力信号Ｓ６の電圧レベルとに基づいて、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３をオンさせるかオフさせるかを判定する判定部の一例である。ＡＮＤ回路４８は、出力信号Ｓ４と出力信号Ｓ６との論理積を演算して出力信号Ｓ５を出力する。

ＡＮＤ回路４２は、指令信号Ｓ１の電圧レベルと出力信号Ｓ５の電圧レベルとに基づいて、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３をオンさせるかオフさせるかを判定する判定部の一例である。ＡＮＤ回路４２は、指令信号Ｓ１と出力信号Ｓ５との論理積を演算してプレ駆動信号Ｓ２を出力する。指令信号Ｓ１は、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３のオンオフを指令する信号であり、マイクロコンピュータ等の外部装置から供給される信号（例えば、パルス幅変調信号）である。

ＡＮＤ回路４２は、指令信号Ｓ１と指令信号Ｓ５の少なくとも一方がメイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３のオフを指示するローレベルの信号である場合、ローレベルのプレ駆動信号Ｓ２を出力する。ローレベルのプレ駆動信号Ｓ２は、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３をオフさせるための信号である。つまり、ＡＮＤ回路４２は、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３のオンを指示するハイレベルの指令信号Ｓ１を受けても、指令信号Ｓ５がローレベルであるとき、ローレベルのプレ駆動信号Ｓ２を出力する。

一方、ＡＮＤ回路４２は、指令信号Ｓ１と指令信号Ｓ５のいずれも、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３のオンを指示するハイレベルの信号である場合、ハイレベルのプレ駆動信号Ｓ２を出力する。ハイレベルのプレ駆動信号Ｓ２は、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３をオンさせるための信号である。

駆動回路４３は、ＡＮＤ回路４２から出力されるプレ駆動信号Ｓ２と同位相のゲート駆動信号Ｓ３を出力する。駆動回路４３は、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３を駆動できるように、プレ駆動信号Ｓ２の電圧レベルを高くシフトして、プレ駆動信号Ｓ２の電圧レベルよりも大きなゲート駆動信号Ｓ３を出力する。

これにより、制御回路４０は、ダイオード電流Ｉｄがメインダイオード１５に流れることと過大な主電流Ｉｅがメイントランジスタ１２に流れることとの少なくとも一方が検出されたとき、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３をオフできる。一方、通常の主電流Ｉｅがメイントランジスタ１２に流れていることが検出されているとき、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３をオンできる。

図２は、駆動装置１の動作波形の一例を示したタイミングチャートである。指令信号Ｓ１は、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３のオンオフを指令する信号である。電流Ｉｓｗは、導電部６２を流れる電流であり、主電流Ｉｅとダイオード電流Ｉｄとの和にほぼ等しい。なお、センス電流Ｉｓｅは主電流Ｉｅよりも十分小さく、センスダイオード電流Ｉｓｄはダイオード電流Ｉｄよりも十分小さいため、センス電流Ｉｓｅ及びセンスダイオード電流Ｉｓｄは、電流Ｉｓｗに対して無視できる大きさである。

電流Ｉｓｗが負の値である期間は、電流Ｉｓｗが、メインダイオード１５及びセンスダイオード１６の順方向と同方向に流れていることを表す。メインダイオード１５及びセンスダイオード１６の順方向とは、アノード電極からカソード電極に向かう方向である。一方、電流Ｉｓｗが正の値である期間は、電流Ｉｓｗが、メインダイオード１５及びセンスダイオード１６の順方向とは逆向きの方向に流れていることを表す。メインダイオード１５及びセンスダイオード１６の順方向とは逆向きの方向とは、コレクタ端子Ｃからエミッタ端子Ｅ又はセンスエミッタ端子ＳＥに向かう方向である。

ダイオード電流Ｉｄが流れているとき、センスダイオード電流Ｉｓｄが流れているため、センス電圧Ｖｓｅはローレベルの負電圧である。センス電圧Ｖｓｅがローレベルの負電圧であるとき、出力信号Ｓ６はローレベルである。よって、指令信号Ｓ１がハイレベルであり且つ出力信号Ｓ６がローレベルであるとき、ゲート駆動信号Ｓ３はローレベルになるため、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３は共にオフする。メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３が共にオフすることにより、主電流Ｉｅ及びセンス電流Ｉｓｅの流れは遮断される。出力信号Ｓ６はローレベルであるとき、トランジスタ３１はオフしている。したがって、主電流Ｉｅ及びセンス電流Ｉｓｅの流れが遮断されているとき、電流Ｉｓｗは、ダイオード電流Ｉｄとセンス抵抗２１に流れる抵抗電流Ｉ１との和にほぼ等しい。

ダイオード電流Ｉｄが減少するにつれて、センスダイオード電流Ｉｓｄも減少する。センスダイオード電流Ｉｓｄは、抵抗電流Ｉ１にほぼ等しい。ダイオード電流Ｉｄが零アンペアまで減少すると、電流Ｉｓｗもほぼ零アンペアになる。電流Ｉｓｗが負から正に切り替わる零アンペア付近で、出力信号Ｓ６はローレベルからハイレベルに切り替わる（タイミングｔ１，ｔ４を参照）。これにより、ゲート駆動信号Ｓ３はハイレベルになる。

よって、指令信号Ｓ１がハイレベルであり且つ出力信号Ｓ６がハイレベルであるとき、ゲート駆動信号Ｓ３はハイレベルになるため、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３は共にオンする。メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３が共にオンすることにより、主電流Ｉｅ及びセンス電流Ｉｓｅは漸増するため、電流Ｉｓｗも漸増する（期間ｔ１−ｔ２及び期間ｔ４−ｔ５参照）。

合成抵抗値Ｒａは、センスダイオード電流Ｉｓｄの流れが終わる又は主電流Ｉｓｅの流れが始まるタイミングｔ１又はｔ３で、センスダイオード電流Ｉｓｄが流れている期間よりも、トランジスタ３１によって大きくなる。これにより、センス電圧Ｖｓｅが上昇する傾きは緩やかになる（期間ｔ１−ｔ２及び期間ｔ４−ｔ５参照）。

指令信号Ｓ１がハイレベルからローレベルに切り替わると、ゲート駆動信号Ｓ３はハイレベルからローレベルに切り替わるため（タイミングｔ２，ｔ５参照）、メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３は共にオフする。メイントランジスタ１２及びセンストランジスタ１３が共にオフすることにより、主電流Ｉｅ及びセンス電流Ｉｓｅの流れは遮断される（期間ｔ２−ｔ３参照）。

主電流Ｉｅが減少するにつれて、センス電流Ｉｓｅも減少する。センス電流Ｉｓｅは、抵抗電流Ｉ１と抵抗電流Ｉ２との和にほぼ等しい。抵抗電流Ｉ２は、センス抵抗２２に流れる電流である。主電流Ｉｅが零アンペアまで減少すると、電流Ｉｓｗもほぼ零アンペアになる。電流Ｉｓｗが正から負に切り替わる零アンペア付近で、出力信号Ｓ６はハイレベルからローレベルに切り替わる（タイミングｔ２，ｔ５を参照）。これにより、ゲート駆動信号Ｓ３はローレベルになる。

合成抵抗値Ｒａは、センス電流Ｉｓｅの流れが終わるタイミングｔ２又はｔ５で、センス電流Ｉｓｅが流れている期間よりも、トランジスタ３１によって大きくなる。なお、合成抵抗値Ｒａは、センスダイオード電流Ｉｓｄの流れが始まるタイミングｔ３又はｔ６で、センス電流Ｉｓｅが流れている期間よりも、トランジスタ３１によって大きくなってもよい。

図３は、半導体装置の一例である駆動装置２の構成例を示した図である。上述の駆動装置の構成例と同一の構成及び効果についての説明は省略する。駆動装置２は、ＲＳフリップフロップ３２を有している。ＲＳフリップフロップ３２は、指令信号Ｓ１の立ち下がりエッジでトランジスタ３１をオンからオフに切り替え、センス電圧Ｖｓｅが閾値を上回ったタイミングでトランジスタ３１をオフからオンに切り替える。図２の場合、指令信号Ｓ１の立ち下がりエッジは、タイミングｔ２，ｔ５に相当し、センス電圧Ｖｓｅが閾値を上回ったタイミングは、タイミングｔ１，ｔ４に相当する。

このようなＲＳフリップフロップ３２により、コンパレータ４９の出力信号Ｓ６のチャタリングを除去できるため、トランジスタ３１のオンオフ動作を安定化できる。

図４は、半導体装置の一例である駆動装置３の構成例を示した図である。上述の駆動装置の構成例と同一の構成及び効果についての説明は省略する。駆動装置３は、センスエミッタ端子ＳＥとエミッタ端子Ｅとの間に設けられた抵抗回路２５を有している。抵抗回路２５は、センストランジスタ１３のセンスエミッタ電極ｓｅとセンスダイオード１６のアノード電極とに共通に接続された接続点ｂに接続される一端と、メイントランジスタ１２のエミッタ電極ｅとメインダイオード１５のアノード電極とに共通に接続された接続点ｄに接続される他端とを有する抵抗部の一例である。

抵抗回路２５は、複数のセンス抵抗２３，２４を直列に有している。センス抵抗２３は、接続点ｂに接続された一端と、接続点ｅに接続された他端とを有する第１の抵抗素子である。センス抵抗２４は、接続点ｅに接続された一端と、接続点ｄに接続された他端とを有する第２の抵抗素子である。

駆動装置３は、センス抵抗２４と、センス抵抗２４に並列に接続されたトランジスタ３４とを有する並列回路を備えている。当該並列回路は、センス抵抗２３に直列に接続されている。トランジスタ３４は、抵抗回路２５により発生するセンス電圧Ｖｓｅの検出結果に基づいて、抵抗回路２５の抵抗値を変化させる抵抗値制御部の一例である。

抵抗回路２５の抵抗値は、センス抵抗２３とセンス抵抗２４の合成抵抗値Ｒｂに等しい値である。なお、合成抵抗値Ｒｂは、トランジスタ３４のオン抵抗も含めて合成された抵抗値であってもよい。

トランジスタ３４は、センス電圧Ｖｓｅの検出結果に基づいてコンパレータ４９から出力された出力信号Ｓ６が入力される制御電極と、センス抵抗２３を介して接続点ｂに接続された第１の主電極と、接続点ｄに接続された第２の主電極とを有している。トランジスタ３４は、センス抵抗２３に並列に接続されてもよい。

図４には、トランジスタ３４がＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴである場合が例示されている。この場合、トランジスタ３４は、出力信号Ｓ６が入力されるゲート電極と、センス抵抗２３を介して接続点ｂに接続されたドレイン電極と、接続点ｄに接続されたソース電極とを有している。なお、トランジスタ３４は、バイポーラトランジスタ等の他のスイッチング素子でもよい。

トランジスタ３４は、センスダイオード電流Ｉｓｄが抵抗回路２５を流れることにより発生する負のセンス電圧Ｖｓｅの検出結果に基づいてローレベルの出力信号Ｓ６が出力されているとき、オフしている。つまり、センス電圧Ｖｓｅが負の値であるとき、トランジスタ３４はオフしている。トランジスタ３４がオフのときの合成抵抗値Ｒｂは、センス抵抗２３の抵抗値とセンス抵抗２４の抵抗値との和に等しく、トランジスタ３４がオンのときよりも大きな抵抗値である。

一方、トランジスタ３４は、センス電流Ｉｓｅが抵抗回路２０を流れることにより発生する正のセンス電圧Ｖｓｅの検出結果に基づいてハイレベルの出力信号Ｓ６が出力されているとき、オンしている。つまり、センス電圧Ｖｓｅが正の値であるとき、トランジスタ３４はオンしている。トランジスタ３４がオンのときの合成抵抗値Ｒｂは、センス抵抗２３の抵抗値に等しく、トランジスタ３４がオフのときよりも小さな抵抗値である。

このように、トランジスタ３４はセンス電圧Ｖｓｅの検出結果に基づいて合成抵抗値Ｒｂを変化させることができる。そのため、主電流Ｉｅの検出とダイオード電流Ｉｄの検出とに抵抗回路２５を共用していても、主電流Ｉｅの検出感度とダイオード電流Ｉｄの検出感度とを独立に調整できる。

以上、半導体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、トランジスタ等の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。

また、例えば、センス抵抗の数は２つに限らず、３つ以上あってもよい。センス抵抗は、抵抗値が変化する可変抵抗であってもよい。

１，２，３ 駆動装置（半導体装置の例）
１０ スイッチング素子
１１ トランジスタ部
１２ メイントランジスタ
１３ センストランジスタ
１４ ダイオード部
１５ メインダイオード
１６ センスダイオード
２０，２５ 抵抗回路（抵抗部の例）
２１，２２，２３，２４ センス抵抗
３１，３４ トランジスタ（抵抗値制御手段の例）
３２ ＲＳフリップフロップ回路（抵抗値制御手段の例）
４０ 制御回路
４７ 基準電圧部
６１，６２ 導電部

Claims (12)

1. トランジスタと、
   前記トランジスタと逆並列に接続されたダイオードと、
   前記トランジスタに流れる電流に応じたセンス電流を生成するセンストランジスタと、
   前記ダイオードに流れる電流に応じたセンスダイオード電流を生成するセンスダイオードと、
   前記センストランジスタのエミッタと前記センスダイオードのアノードに接続された一端と、前記トランジスタのエミッタと前記ダイオードのアノードに接続された他端とを有し、前記センス電流又は前記センスダイオード電流が流れる抵抗部と、
   前記センス電流が前記抵抗部を流れるときと前記センスダイオード電流が前記抵抗部を流れるときとで、前記抵抗部の抵抗値を異ならせる抵抗値制御手段とを備える、半導体装置。
2. 前記抵抗値制御手段は、前記センスダイオード電流の流れが終わることが検出されたとき、又は、前記センス電流の流れが始まることが検出されたとき、前記抵抗値を変化させる、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記抵抗値制御手段は、前記センス電流の流れが終わることが検出されたとき、又は、前記センスダイオード電流の流れが始まることが検出されたとき、前記抵抗値を変化させる、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記抵抗値は、前記センスダイオード電流が前記抵抗部を流れるとき、前記センス電流が前記抵抗部を流れるときよりも大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記抵抗部は、複数の抵抗を有し、
   前記抵抗値制御手段は、前記複数の抵抗の合成抵抗値を変化させる、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記抵抗値制御手段は、前記抵抗部により発生するセンス電圧の検出結果に基づいて、前記抵抗値を変化させる、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記抵抗値制御手段は、前記センス電圧が閾値を跨ぐことが検出されたとき、前記抵抗値を変化させる、請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記抵抗値制御手段は、前記センス電圧が負の値から零以上の値に変化することが検出されたとき、又は、前記センス電圧が正の値から零以下の値に変化することが検出されたとき、前記抵抗値を変化させる、請求項６又は７に記載の半導体装置。
9. 前記センス電圧の検出結果に基づいて前記トランジスタの駆動を制御する制御部を備える、請求項６から８のいずれか一項に記載の半導体装置。
10. 前記制御部は、前記ダイオードに電流が流れているとき、前記トランジスタをオフさせる、請求項９に記載の半導体装置。
11. 前記制御部は、前記トランジスタのオン指令を受けても、前記ダイオードに電流が流れているとき、前記トランジスタをオフさせる、請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記制御部は、前記ダイオードに電流が流れることと前記トランジスタに所定値以上の電流が流れることとの少なくとも一方が検出されたとき、前記トランジスタをオフさせる、請求項９から１１のいずれか一項に記載の半導体装置。

Images