JP2016127435A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、互いに並列接続した複数の絶縁ゲート型半導体素子を有する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a plurality of insulated gate semiconductor elements connected in parallel to each other.
電力用半導体装置(パワーモジュール)に使用される絶縁ゲート型半導体素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、およびそれらに類似した構造を持つ各種の半導体素子が知られている。以下では、主にIGBTを例に挙げて説明する。 Insulated gate semiconductor elements used in power semiconductor devices (power modules) include IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), and various semiconductor elements having structures similar to them. It has been known. Hereinafter, an IGBT will be mainly described as an example.
パワーモジュールに使用されるIGBTチップには、サイズの制約から電流定格に上限がある。IGBTチップの上限よりも大きな電流定格のパワーモジュールは、そのパッケージの内部で複数のIGBTチップを並列接続させることによって実現されている。例えば、定格1200V/200Aのパワーモジュールは、電流定格が100Aのチップを2個並列に接続させることで実現できる。 The IGBT chip used in the power module has an upper limit on the current rating due to size restrictions. A power module having a current rating larger than the upper limit of the IGBT chip is realized by connecting a plurality of IGBT chips in parallel inside the package. For example, a power module with a rating of 1200 V / 200 A can be realized by connecting two chips with a current rating of 100 A in parallel.
並列接続した2つのチップのゲート電極には同じ駆動信号が入力されるので、両チップのしきい値電圧(Vge(th))が等しければ、両チップは同時にオン/オフする。この場合、両チップのスイッチング損失は等しくなるので、両チップの温度も等しくなる。しかし、2つのチップのしきい値電圧に差があると、2つのチップが異なるタイミングでオン/オフする(オンする期間の長さに差が生じる)。この場合、しきい値電圧の低い方のチップが、しきい値電圧の高い方のチップより早いタイミングでオンして、より多くスイッチング損失を受け持つことになる。よって、低しきい値電圧のチップは、高しきい値電圧のチップも高温になる。 Since the same drive signal is input to the gate electrodes of the two chips connected in parallel, both chips are simultaneously turned on / off if the threshold voltages (Vge (th)) of both chips are equal. In this case, since the switching losses of both chips are equal, the temperatures of both chips are also equal. However, if there is a difference between the threshold voltages of the two chips, the two chips are turned on / off at different timings (a difference occurs in the length of the on period). In this case, the chip with the lower threshold voltage is turned on at an earlier timing than the chip with the higher threshold voltage and is responsible for more switching loss. Therefore, a chip with a low threshold voltage has a higher temperature than a chip with a high threshold voltage.
パワーモジュールの寿命は温度の振幅と相関があり、温度変化が大きいほど寿命が短くなる。そのため、複数のチップを並列接続して構成されるパワーモジュールにおいて、それらのチップのしきい値電圧にバラツキがあると、当該パワーモジュールの寿命は、1つのチップのみ有するパワーモジュールよりも短くなる。 The life of the power module correlates with the temperature amplitude, and the life is shortened as the temperature change increases. Therefore, in a power module configured by connecting a plurality of chips in parallel, if the threshold voltages of these chips vary, the life of the power module becomes shorter than that of a power module having only one chip.
また、複数のチップを並列接続して構成されるパワーモジュールにおいて、それらのチップのコレクタ・エミッタ間飽和電圧(Vce(sat))にバラツキがある場合も、一部のチップに多くの電流が流れ、複数のチップの温度にバラツキが生じるため、上記と同様にパワーモジュールの寿命が短くなる。 In addition, in a power module configured by connecting a plurality of chips in parallel, even if the collector-emitter saturation voltage (Vce (sat)) of these chips varies, a large amount of current flows in some chips. Since the temperature of the plurality of chips varies, the life of the power module is shortened as described above.
この問題を解決する方法として、しきい値電圧やコレクタ・エミッタ間飽和電圧などの電気的特性に基づきチップをランク分けして管理する方法がある。複数のチップを用いてパワーモジュールを構成するときに、同じランクのチップを選択することによって、パワーモジュールの複数のチップの電気的特性を揃えることができる。 As a method for solving this problem, there is a method in which chips are ranked and managed based on electrical characteristics such as a threshold voltage and a collector-emitter saturation voltage. When a power module is configured using a plurality of chips, the electrical characteristics of the plurality of chips of the power module can be made uniform by selecting chips of the same rank.
また、下記の特許文献1には、しきい値電圧の異なる複数のチップが用いられた場合でも、見掛け上のしきい値電圧が同一になるように、ターンオン時のゲート電圧をチップ毎に補正できるゲート駆動回路が提案されている。
Further, in
IGBTチップをランク分けして管理する方法では、IGBTチップを各ランクに振り分ける選別工程が必要になる他、パワーモジュールの生産、出荷、在庫管理などを、パワーモジュールに用いられているIGBTチップのランク毎に行う必要がある。そのため、パワーモジュールの製造コストは上昇する。 In the method of managing the IGBT chips by ranking, it is necessary to perform a sorting process for allocating the IGBT chips to each rank, as well as the power module production, shipping, inventory management, etc. Must be done every time. Therefore, the manufacturing cost of the power module increases.
また、特許文献1の技術では、各チップのターンオン時のしきい値電圧を、見掛け上、同一にできるが、ターンオフ時の電流アンバランスや、コレクタ・エミッタ間飽和電圧特性が影響する定常時の電流アンバランスには対応できない。
Further, in the technique of
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、複数の半導体素子を並列接続して構成される半導体装置において、各半導体素子の温度の均等化を低コストで実現することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a semiconductor device configured by connecting a plurality of semiconductor elements in parallel, temperature equalization of each semiconductor element is realized at low cost. With the goal.
本発明に係る半導体装置は、絶縁ゲート型の半導体素子と、前記半導体素子の温度を検出する温度検出回路と、前記半導体素子のゲート抵抗を調整するゲート抵抗調整回路と、を備え、前記ゲート抵抗調整回路は、前記半導体素子の温度が規定の温度よりも高くなると、前記半導体素子のゲート抵抗を増加させ、前記半導体素子の温度が前記規定の温度よりも低くなると、前記半導体素子のゲート抵抗を減少させる。 A semiconductor device according to the present invention includes an insulated gate semiconductor element, a temperature detection circuit that detects a temperature of the semiconductor element, and a gate resistance adjustment circuit that adjusts a gate resistance of the semiconductor element. The adjustment circuit increases the gate resistance of the semiconductor element when the temperature of the semiconductor element becomes higher than a specified temperature, and increases the gate resistance of the semiconductor element when the temperature of the semiconductor element becomes lower than the specified temperature. Decrease.
本発明によれば、半導体素子の温度が規定の温度となるように、当該半導体素子のゲート抵抗が調整される。規定の温度を、当該半導体素子に並列接続する他の半導体素子の温度として定めたり、それらの半導体装置の温度の平均値として定めたりすれば、並列接続した複数の半導体素子の温度を均等化できる。また、複数の半導体素子の特性を揃える必要がなくなるため、半導体素子を特性ごとランク分けして管理しなくてよく、製造コストの上昇も抑えられる。 According to the present invention, the gate resistance of the semiconductor element is adjusted so that the temperature of the semiconductor element becomes a specified temperature. If the prescribed temperature is determined as the temperature of other semiconductor elements connected in parallel to the semiconductor element or the average value of the temperatures of those semiconductor devices, the temperatures of the plurality of semiconductor elements connected in parallel can be equalized. . Further, since it is not necessary to make the characteristics of a plurality of semiconductor elements uniform, it is not necessary to manage the semiconductor elements by ranking according to the characteristics, and an increase in manufacturing cost can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態に係る半導体装置(パワーモジュール)について説明する。本発明はIGBTやMOSFETなどの絶縁ゲート型半導体素子を用いて構成される半導体装置に広く適用可能であるが、以下の実施の形態では、IGBTを用いた例を示す。 Hereinafter, a semiconductor device (power module) according to an embodiment of the present invention will be described. The present invention is widely applicable to semiconductor devices configured using insulated gate semiconductor elements such as IGBTs and MOSFETs, but the following embodiments show examples using IGBTs.
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1に係る半導体装置であるパワーモジュール100の構成を示す図である。大容量のパワーモジュールのなかには、30個以上のIGBTチップを並列に接続した製品もあるが、ここでは説明の簡単のため、2つのIGBTチップを備えるパワーモジュール100を示す。
<
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a
パワーモジュール100は、主端子であるコレクタ端子102およびエミッタ端子103と、制御端子であるゲート端子101と、接地電圧(GS)を供給するための接地端子104とを備えている。実使用時には、コレクタ端子102およびコレクタ端子102に、不図示の電源および負荷が接続され、ゲート端子101に、ゲート駆動回路201が外部ゲート抵抗202を介して接続される。ゲート駆動回路201が出力される駆動信号(G)に従って、パワーモジュール100がスイッチング動作(オン/オフ動作)を行うと、当該スイッチング動作によって変調制御された主電流が負荷へと供給される。
The
図1のように、パワーモジュール100は、2つのIGBTチップ1a,1bと、IGBTチップ1aのゲート抵抗を構成する基準ゲート抵抗回路2aと、IGBTチップ1bのゲート抵抗を構成するゲート抵抗調整回路2bと、IGBTチップ1aの温度を検出する温度検出回路3aと、IGBTチップ1bの温度を検出する温度検出回路3bとを備えている。
As shown in FIG. 1, the
IGBTチップ1a,1bの各コレクタ電極はコレクタ端子102に接続され、IGBTチップ1a,1bの各エミッタ電極はエミッタ端子103に接続されている。つまり、IGBTチップ1a,1bは、コレクタ端子102とエミッタ端子103との間に、互いに並列に接続されている。なお、エミッタ端子103は、パワーモジュール100の内部で接地端子104に接続している。
The collector electrodes of the
IGBTチップ1aのゲート電極は、基準ゲート抵抗回路2aを介してゲート端子101に接続されている。IGBTチップ1bのゲート電極は、ゲート抵抗調整回路2bを介してゲート端子101に接続されている。基準ゲート抵抗回路2aおよびゲート抵抗調整回路2bの構成については後述する。
The gate electrode of the
温度検出回路3aは、IGBTチップ1aの温度を検出し、その温度に応じた電圧を出力する。温度検出回路3aは、チップ上ダイオード31a、定電流回路32aおよび電圧検出回路33aから構成される。チップ上ダイオード31aは、IGBTチップ1aの表面上に絶縁層を介して形成されている。定電流回路32aは、チップ上ダイオード31aに一定の電流を流し、電圧検出回路33aは、チップ上ダイオード31aのアノード・カソード間電圧を検出して、それに応じた電圧を出力する。ダイオードのアノード・カソード間電圧は温度に比例する特性を持つため、電圧検出回路33aの出力電圧は、チップ上ダイオード31aの温度すなわちIGBTチップ1aの温度に対応した値となる。
The
温度検出回路3bは、IGBTチップ1bの温度を検出し、その温度に応じた電圧を出力する。温度検出回路3bの構成は、温度検出回路3aと同様であり、チップ上ダイオード31b、定電流回路32bおよび電圧検出回路33bから構成される。チップ上ダイオード31bは、IGBTチップ1bの表面上に絶縁層を介して形成されている。定電流回路32bは、チップ上ダイオード31bに一定の電流を流し、電圧検出回路33bは、チップ上ダイオード31bのアノード・カソード間電圧を検出して、それに応じた電圧を出力する。電圧検出回路33bの出力電圧は、チップ上ダイオード31bの温度すなわちIGBTチップ1bの温度に対応した値となる。
The
基準ゲート抵抗回路2aは、IGBTチップ1aのゲート抵抗を構成する。基準ゲート抵抗回路2aは、メインゲート抵抗21a、オン導通ダイオード22aおよびサブゲート抵抗23aから構成される。メインゲート抵抗21aとサブゲート抵抗23aは、チップ上ダイオード31aと同様にIGBTチップ1aの表面上に絶縁層を介して形成されており、それぞれIGBTチップ1aのゲート電極に接続している。
The reference
メインゲート抵抗21aは、ゲート端子101とIGBTチップ1aのゲート電極との間に接続されている。また、メインゲート抵抗21aと並列に、オン導通ダイオード22aとサブゲート抵抗23aの直列回路が接続されている。オン導通ダイオード22aは、パワーモジュール100のターンオン時(IGBTチップ1aのゲート電極の充電時)するときにのみサブゲート抵抗23aに電流を流し、ターンオフ時(IGBTチップ1aのゲート電極の放電時)にはサブゲート抵抗23aを非活性にするように機能する。
The
ゲート抵抗調整回路2bは、IGBTチップ1bのゲート抵抗を構成し、且つ、その抵抗値を調整可能な回路である。ゲート抵抗調整回路2bは、メインゲート抵抗21b、オン導通ダイオード22b、MOSFET24bおよび比較回路25bから構成される。メインゲート抵抗21bは、チップ上ダイオード31bと同様にIGBTチップ1bの表面上に絶縁層を介して形成されており、IGBTチップ1bのゲート電極に接続している。
The gate
メインゲート抵抗21bは、ゲート端子101とIGBTチップ1bのゲート電極との間に接続されている。また、メインゲート抵抗21bと並列に、オン導通ダイオード22bとMOSFET24bの直列回路が接続されている。オン導通ダイオード22bは、パワーモジュール100がターンオン時(IGBTチップ1bのゲート電極の充電時)にのみMOSFET24bに電流を流し、ターンオフ時(IGBTチップ1bのゲート電極の放電時)にはMOSFET24bを非活性にするように機能する。
The
MOSFET24bのゲート電極には、比較回路25bの出力電圧が印加される。比較回路25bは、温度検出回路3aの出力電圧(電圧検出回路33aの出力電圧)と、温度検出回路3bの出力電圧(電圧検出回路33bの出力電圧)とが入力され、両者の差分に対応する電圧を出力する。従って、比較回路25bの出力電圧は、IGBTチップ1a,1bの温度差に対応するものとなる。
The output voltage of the
ここで、メインゲート抵抗21aとメインゲート抵抗21bは抵抗値が互いに等しく設定され、メインゲート抵抗21aとオン導通ダイオード22bはオン抵抗値が互いに等しく設定されている。また、比較回路25bの出力電圧は、2つの入力電圧が等しいときに、MOSFET24bの抵抗値がサブゲート抵抗23aの抵抗値と同じになるようにバイアスされている(この電圧を「バイアス電圧」という)。従って、温度検出回路3aの出力電圧と温度検出回路3bの出力電圧との差分が0の状態、すなわちIGBTチップ1a,1bの温度が互いに等しい状態では、基準ゲート抵抗回路2aによって構成されるIGBTチップ1aのゲート抵抗と、ゲート抵抗調整回路2bよって構成されるIGBTチップ1bのゲート抵抗とは等しくなる。
Here, the
例えば、パワーモジュール100をオンさせたとき(ゲート駆動回路201が駆動信号を活性化させたとき)に、サブゲート抵抗23aに250mAの電流が流れると仮定する。また、MOSFET24bは、しきい値電圧が3Vであり、ゲート電圧が4Vのときにドレイン電流が250mAとなり、ゲート電圧が5Vのときドレイン電流が500mAとなる、という特性を有するものと仮定する。そのような場合、温度検出回路3aの出力電圧と温度検出回路3bの出力電圧との差分が0のときに、比較回路25bの出力電圧(MOSFET24bのゲート電圧)が4Vになるように、比較回路25bの出力電圧をバイアスするとよい(バイアス電圧=4V)。更に、MOSFET24bの定格電流が500mAであれば、温度検出回路3aの出力電圧と温度検出回路3bの出力電圧との差分に応じて、比較回路25bの出力電圧が3V〜5Vの範囲で変化するように、比較回路25bの入出力特性を調整するとよい。
For example, it is assumed that when the
本実施の形態に係るパワーモジュール100では、IGBTチップ1a(特定の半導体素子)の温度を基準(規定の温度)にして、IGBTチップ1bの温度がIGBTチップ1aの温度に近づくように、ゲート抵抗調整回路2bの抵抗値すなわちIGBTチップ1bのゲート抵抗の大きさが制御される。
In the
まず、IGBTチップ1a,1bの温度が互いに等しいときは、温度検出回路3aの出力電圧と温度検出回路3bの出力電圧とが等しくなる。この場合、ゲート抵抗調整回路2bの抵抗値は基準ゲート抵抗回路2aの抵抗値と等しくなるため、IGBTチップ1a,1bのゲート抵抗は互いに等しくなる。
First, when the temperatures of the
例えば、IGBTチップ1bの温度がIGBTチップ1aの温度(規定の温度)よりも低くなると、比較回路25bの出力電圧が大きくなり、MOSFET24bのドレイン電流が増大する。それにより、ゲート抵抗調整回路2bの抵抗値が下がり、IGBTチップ1bのゲート抵抗が小さくなる。その結果、IGBTチップ1bがターンオンするタイミングが早くなり、パワーモジュール100のターンオン時にIGBTチップ1bに流れる電流が増加する。応じて、IGBTチップ1bのターンオン損失が増えるため、IGBTチップ1bの温度が上昇し、IGBTチップ1aとの温度差が小さくなる。
For example, when the temperature of the
逆に、IGBTチップ1bの温度がIGBTチップ1aの温度(規定の温度)よりも高くなると、比較回路25bの出力電圧が小さくなり、MOSFET24bのドレイン電流が減少する。それにより、ゲート抵抗調整回路2bの抵抗値が上がり、IGBTチップ1bのゲート抵抗が大きくなる。その結果、IGBTチップ1bがターンオンするタイミングが遅くなり、パワーモジュール100のターンオン時にIGBTチップ1bに流れる電流が減少する。応じて、IGBTチップ1bのターンオン損失が増えるため、IGBTチップ1bの温度が下がり、IGBTチップ1aとの温度差が小さくなる。
On the other hand, when the temperature of the
このように、本実施の形態に係るパワーモジュール100では、IGBTチップ1a,1bに温度差が生じると、不帰還がかかって、その温度差を小さくするようにゲート抵抗調整回路2bの抵抗値が補正される。よって、IGBTチップ1a,1bの温度は等しくなるように制御される。従って、例えばIGBTチップ1a,1bのしきい値電圧やコレクタ・エミッタ間飽和電圧などの特性が互いに異なっていても、IGBTチップ1a,1bに温度差が生じることが抑制される。よって、IGBTチップ1a,1bの寿命の差を小さく抑えることができ、パワーモジュール100の長寿命化に寄与できる。
As described above, in the
また、IGBTチップおよびパワーモジュールをランク分けして管理する必要がないため、パワーモジュールの製造コストの削減に寄与できる。さらに、IGBTチップのゲート抵抗の制御は、IGBTチップの温度差の検出結果に基づいて行われるため、温度差が生じる原因にかかわらず、上記の効果を得ることができる。例えば、コレクタ・エミッタ間飽和電圧特性が影響する定常時の電流アンバランスによってIGBTチップの温度差が生じるケースにも対応できる。 Further, since it is not necessary to manage the IGBT chip and the power module by ranking them, it is possible to contribute to the reduction of the manufacturing cost of the power module. Furthermore, since the gate resistance of the IGBT chip is controlled based on the detection result of the temperature difference of the IGBT chip, the above effect can be obtained regardless of the cause of the temperature difference. For example, it is possible to cope with a case where a temperature difference of the IGBT chip occurs due to a current imbalance in a steady state that is affected by a collector-emitter saturation voltage characteristic.
図2〜図4は、2つのIGBTチップを並列接続して構成されるパワーモジュールにおけるターンオン時の動作をシミュレーションした結果である。これらの図には、2つのIGBTチップのターンオン電流波形およびターンオン損失波形を示している。 2 to 4 are results of simulating the operation at the time of turn-on in a power module configured by connecting two IGBT chips in parallel. In these figures, the turn-on current waveform and the turn-on loss waveform of two IGBT chips are shown.
図2は、しきい値電圧が同一の2つのIGBTチップから成る理想的なパワーモジュールにおける、各IGBTチップのターンオン電流波形およびターンオン損失波形である。2つのIGBTチップで、ターンオン電流波形およびターンオン損失波形は同じになる(図2のターンオン電流波形およびターンオン損失波形は、それぞれ2つの波形が重なっている)。 FIG. 2 shows a turn-on current waveform and a turn-on loss waveform of each IGBT chip in an ideal power module composed of two IGBT chips having the same threshold voltage. The two IGBT chips have the same turn-on current waveform and turn-on loss waveform (the turn-on current waveform and the turn-on loss waveform in FIG. 2 overlap each other).
図3は、従来のパワーモジュールにおいて、しきい値電圧が互いに異なる2つのIGBTチップが用いられた場合における、各IGBTチップのターンオン電流波形およびターンオン損失波形である。一方のIGBTチップ(実線)では図2の場合に対して損失が+34%となり、もう一方のIGBTチップ(点線)では図2の場合に対して損失が−28%となった。この損失の差によって、2つのIGBTチップで温度のアンバランスが生じる。 FIG. 3 shows a turn-on current waveform and a turn-on loss waveform of each IGBT chip when two IGBT chips having different threshold voltages are used in the conventional power module. One IGBT chip (solid line) had a loss of + 34% with respect to FIG. 2, and the other IGBT chip (dotted line) had a loss of −28% with respect to FIG. This difference in loss causes a temperature imbalance between the two IGBT chips.
図4は、実施の形態1のパワーモジュールにおいて、しきい値電圧が互いに異なる2つのIGBTチップが用いられた場合における、各IGBTチップのターンオン電流波形およびターンオン損失波形である。各IGBTチップの特性は、図3の場合と同じに設定している。各IGBTチップの損失は、図2の場合とほぼ同じ(±1%以下の差)になることが確認できた。損失の差が抑えられることで、2つのIGBTチップで温度はほぼ同じになる。 FIG. 4 shows a turn-on current waveform and a turn-on loss waveform of each IGBT chip when two IGBT chips having different threshold voltages are used in the power module of the first embodiment. The characteristics of each IGBT chip are set to be the same as in the case of FIG. It was confirmed that the loss of each IGBT chip was almost the same as the case of FIG. 2 (difference of ± 1% or less). By suppressing the difference in loss, the temperatures are almost the same between the two IGBT chips.
<実施の形態2>
実施の形態2では、基準ゲート抵抗回路2aおよび温度検出回路3aをIGBTチップ1aと一体的に形成する。同様に、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3bをIGBTチップ1bと一体的に形成する。
<
In the second embodiment, the reference
図1のパワーモジュール100が備える定電流回路32a,32bは、オペアンプ(演算増幅器)を用いて構成することができる。また、電圧検出回路33a,33bも、オペアンプを用いたバッファ回路として構成できる。さらに、比較回路25bも、オペアンプを用いた差動増幅回路として構成できる。
The constant
また、チップ上ダイオード31a,31bに流す電流はマイクロアンペアの単位でよく、MOSFET24bは、サブゲート抵抗23aを流れる電流と同程度の電流を制御するだけなので、基準ゲート抵抗回路2a、ゲート抵抗調整回路2b、温度検出回路3aおよび温度検出回路3bでの消費電力は合計しても電圧5〜10V、電流1mA程度である。
Further, the current flowing through the on-
以上より、基準ゲート抵抗回路2aおよび温度検出回路3aのIC(Integrated Circuit)の形成に必要な面積、並びに、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3bのICの形成に必要な面積は、それぞれ2mm〜3mm角程度と見込まれる。これらは、IGBTチップ1aまたはIGBTチップ1bとの面積比で5〜15%程度である。
From the above, the area required for forming the IC (Integrated Circuit) of the reference
基準ゲート抵抗回路2aおよび温度検出回路3aをIGBTチップ1aと一体化する方法としては、例えば、IGBTチップ1aの製造工程で基準ゲート抵抗回路2aおよび温度検出回路3aのICをIGBTチップ1a上に作り込む方法でもよいし、基準ゲート抵抗回路2aおよび温度検出回路3aのICが形成されたチップをIGBTチップ1aに貼り合わせる方法でもよい。同様に、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3bをIGBTチップ1bと一体化する方法も、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3bのICをIGBTチップ1b上に作り込む方法でもよいし、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3bのICが形成されたチップをIGBTチップ1bに貼り合わせる方法でもよい。
As a method of integrating the reference
基準ゲート抵抗回路2aおよび温度検出回路3aがIGBTチップ1aと一体化され、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3bがIGBTチップ1bと一体的されることにより、従来のパワーモジュールと同じパッケージに適用できるという利点が得られる。
The reference
<実施の形態3>
図1から分かるように、実施の形態1で説明した基準ゲート抵抗回路2aとゲート抵抗調整回路2bとは互いに異なる構成を有している。そのため、実施の形態2のように、基準ゲート抵抗回路2aおよび温度検出回路3aをIGBTチップ1aと一体化し、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3bをIGBTチップ1bと一体化する場合、基準ゲート抵抗回路2aを搭載するIGBTチップ1aとゲート抵抗調整回路2bを搭載するIGBTチップ1bとは、互いに異なる構成となる。つまり、2種類のIGBTチップを用意する必要が生じる。
<Embodiment 3>
As can be seen from FIG. 1, the reference
ここで、図1のゲート抵抗調整回路2bは、IGBTチップ1a,1bの温度差に応じて抵抗値を変化させる必要があるが、基準ゲート抵抗回路2aの抵抗値はその温度差にかかわらず一定でよい。また、基準ゲート抵抗回路2aの抵抗値は、IGBTチップ1a,1bの温度差が0のときのゲート抵抗調整回路2bと等しくなるように設定される。
Here, the gate
図5は、実施の形態3に係る半導体装置であるパワーモジュール100の構成を示す図である。当該パワーモジュール100は、図1の構成に対して、基準ゲート抵抗回路2aのサブゲート抵抗23aを、MOSFET24aおよび比較回路25aに置き換えた構成となっている。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a
MOSFET24aおよび比較回路25aは、それぞれゲート抵抗調整回路2bのMOSFET24bおよび比較回路25bと同じ電気的特性を有するものである。ただし、比較回路25aの2つの入力端子は短絡されている。ここでは、比較回路25aの2つの入力端子は共に温度検出回路3aの出力端子(電圧検出回路33aの出力端子)に接続されている。そのため、比較回路25aからは一定の電圧(バイアス電圧)が出力される。また、比較回路25aのバイアス電圧は、比較回路25bのバイアス電圧と同じ値に設定されている。
The
その結果、基準ゲート抵抗回路2aの抵抗値は一定であり、その値はIGBTチップ1a,1bの温度差が0のときのゲート抵抗調整回路2bと同じになる。つまり、図5の基準ゲート抵抗回路2aは、図1の基準ゲート抵抗回路2aと等価である。
As a result, the resistance value of the reference
図5から分かるように、実施の形態3のパワーモジュール100では、基準ゲート抵抗回路2aとゲート抵抗調整回路2bとでは、比較回路25aの入力端子の結線を除いて、同じ回路構成である。従って、実施の形態3のパワーモジュール100に実施の形態2を適用する場合、基準ゲート抵抗回路2aを搭載するIGBTチップ1aとゲート抵抗調整回路2bを搭載するIGBTチップ1bとを、同じ回路構成のIGBTチップで実現できる。それにより、生産工程、在庫管理などを簡素化でき、製造コストの削減を図ることができる。
As can be seen from FIG. 5, in the
<実施の形態4>
実施の形態1〜3で示したパワーモジュール100では、ゲート抵抗調整回路2bの抵抗値の制御は、パワーモジュール100のターンオン時にのみ行われる。また、実施の形態2のように基準ゲート抵抗回路2a、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3a,3bをIC化すると、低消費電力化が期待できる。
<Embodiment 4>
In the
そこで、実施の形態4では、外部ゲート駆動回路201が出力する駆動信号を、基準ゲート抵抗回路2a、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3a,3bのICの電源として用いる。図6は、実施の形態4に係る半導体装置であるパワーモジュール100の構成を示す図である。
Therefore, in the fourth embodiment, the drive signal output from the external
基準ゲート抵抗回路2aおよび温度検出回路3aはIC40aとして実現されており、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3bはIC40bとして実現されている。ここでは実施の形態3を適用し、IC40a,40bを同じ回路構成としている。IC40aでは、比較回路25aの2つの入力端子を短絡するように結線されている。IC40bでは、比較回路25bの2つの入力端子に温度検出回路3a,3bの各出力電圧が入力されるように結線されている。
The reference
図6のように、IC40a,40bの電源(Vdd)をゲート端子101からとる。この場合、ゲート駆動回路201がIGBTチップ1a,1bのゲート電極を充電する電流の一部が、IC40a,40bに供給されることになる。この構成では、IC40a,40bに外部から電源を供給する必要がないため、パワーモジュール100を、従来のパワーモジュールと同様のシンプルな構成にできる。
As shown in FIG. 6, the power (Vdd) of the
なお、本実施の形態のように、IGBTチップ1a,1bのゲート電極を充電するための電流の一部をIC40a,40bに供給しても、IC40a,40bへ流れ込む電流は微小であるため、IGBTチップ1a,1bの動作への影響は小さい。仮にIGBTチップ1a,1bの動作に影響したとしても、その影響は外部ゲート抵抗202によって補正できる程度であるため問題とはならない。
Note that even if a part of the current for charging the gate electrodes of the
<実施の形態5>
複数のIGBTチップを並列接続することで個々のIGBTチップの定格電流を超える電流を制御するパワーモジュールを実現できるのと同じように、複数のパワーモジュールを並列に接続すれば、個々のパワーモジュールの定格電流を超える電流の制御が可能になる。
<Embodiment 5>
Just as a power module that controls a current exceeding the rated current of each IGBT chip can be realized by connecting a plurality of IGBT chips in parallel, if a plurality of power modules are connected in parallel, Control of current exceeding the rated current becomes possible.
実施の形態1のパワーモジュール100は、内部のIGBTチップ1a,1bにおける温度のアンバランスを解消することができるが、パワーモジュール100を複数個並列接続した場合に、複数のパワーモジュール100間の温度のアンバランスは解消できない。実施の形態5では、それを可能とするパワーモジュール100を提案する。
The
図7は、実施の形態5に係る半導体装置であるパワーモジュール100の構成を示す図である。当該パワーモジュール100は、図5の構成に対し、比較回路25aの2つの入力端子間を解放した構成となっている。よって、IGBTチップ1aのゲート抵抗を構成する回路2aと、IGBTチップ1bのゲート抵抗を構成する回路2bとは、全く同じ構成となっている。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a
また、パワーモジュール100の外部端子として、基準温度入力端子105および内部温度出力端子106が追加されている。内部温度出力端子106は、温度検出回路3bの出力電圧を外部へ出力するためのものである。また、基準温度入力端子105は、基準となる温度(規定の温度)に対応する電圧を入力するためのものである。
Further, a reference
図7のように、比較回路25aの片方の入力端子は基準温度入力端子105に接続しており、もう片方の入力端子は温度検出回路3aに接続すると共に内部温度出力端子106にしている。比較回路25bの片方の入力端子は基準温度入力端子105に接続しており、もう片方の入力端子は温度検出回路3bに接続している。
As shown in FIG. 7, one input terminal of the
基準温度入力端子105と内部温度出力端子106との間が短絡されると、比較回路25aの2つの入力端子が短絡され、図5と同じ構成となる。しかし、基準温度入力端子105と内部温度出力端子106との間が解放されていると、基準温度入力端子105と内部温度出力端子106との電圧差に応じて比較回路25aの出力電圧が変化するので、メインゲート抵抗21a、オン導通ダイオード22aおよびMOSFET24aから成る回路2aの抵抗値は変動する。つまり、回路2aは、基準温度入力端子105と内部温度出力端子106との間が短絡された状態では、抵抗値が一定の「基準ゲート抵抗回路」として機能し、基準温度入力端子105と内部温度出力端子106との間が解放された状態では、抵抗値が可変の「ゲート抵抗調整回路」として機能する。
When the reference
図8は、実施の形態5に係るパワーモジュール100を複数個並列接続する場合の結線を示す図である。複数のパワーモジュール100を並列接続する場合、その全てのパワーモジュール100の基準温度入力端子105を互いに接続する。そして、特定の1つのパワーモジュール100(以下、「特定のパワーモジュール100」という)の内部温度出力端子106を基準温度入力端子105に接続させ、その他のパワーモジュール100の内部温度出力端子106には何も接続させない。
FIG. 8 is a diagram showing a connection when a plurality of
その結果、特定のパワーモジュール100の回路2aが「基準ゲート抵抗回路」となる。また、特定のパワーモジュール100の温度検出回路3aの出力電圧は、その内部温度出力端子106から出力され、全てのパワーモジュール100の基準温度入力端子105に、基準となる温度(規定の温度)に対応する電圧として入力される。
As a result, the
一方、特定のパワーモジュール100以外のパワーモジュール100の回路2aと、全てのパワーモジュール100の回路2bは、「ゲート抵抗調整回路」となり、基準温度入力端子105に入力された電圧(特定のパワーモジュール100の温度検出回路3aの出力電圧)と、温度検出回路3aまたは3bの出力電圧との差分が小さくなるように、その抵抗値が変化する。その結果、全てのパワーモジュール100のIGBTチップ1a,1bの温度が、特定のパワーモジュール100のIGBTチップ1aの温度(規定の温度)と等しくなるように制御される。
On the other hand, the
このように実施の形態5のパワーモジュール100によれば、内部のIGBTチップ1a,1bにおける温度のアンバランスを解消できるのに加え、複数のパワーモジュール100間の温度のアンバランスも解消することができる。
As described above, according to the
<実施の形態6>
実施の形態1では、ゲート抵抗調整回路2bによりIGBTチップ1bのゲート抵抗を補正するタイミングを、パワーモジュール100のターンオン時としたが、ターンオフ時であってもよい。その場合は、ゲート抵抗調整回路2bを図9のように構成すればよい。図9のゲート抵抗調整回路2bは、図1の構成に対し、オン導通ダイオード22bをアノード・カソードが逆のオフ導通ダイオード26bに置き換え、MOSFET24bをドレイン・ソースが逆のMOSFET27bに置き換えたものである。MOSFET27bのゲートに接続する比較回路28bの2つの入力端子には、図1の比較回路25bと同様に、温度検出回路3a,3bの各出力電圧が入力される。
<Embodiment 6>
In the first embodiment, the timing at which the gate resistance of the
さらに、図示は省略するが、基準ゲート抵抗回路2aのダイオード22aとサブゲート抵抗23aとの直列回路において、ダイオード22aのアノード・カソードを図1とは逆にする。あるいは、実施の形態3〜5(図5〜図8)を応用して、基準ゲート抵抗回路2aも図9と同じ回路構成にしてもよい。
Further, although not shown, in the series circuit of the
また、IGBTチップ1bのゲート抵抗を補正するタイミングをターンオン時とターンオフ時の両方にしてもよい。その場合は、ゲート抵抗調整回路2bを図10のように構成すればよい。図10のゲート抵抗調整回路2bは、図1の構成に対し、図9に示したオフ導通ダイオード26b、MOSFET27bおよび比較回路28bを追加したものである。
Further, the timing for correcting the gate resistance of the
さらに、図示は省略するが、基準ゲート抵抗回路2aにダイオード22aとサブゲート抵抗23aとの直列回路を2つ設け、その片方のダイオード22aのアノード・カソードを図1とは逆にする。あるいは、実施の形態3〜5(図5〜図8)を応用して、基準ゲート抵抗回路2aも図10と同じ回路構成にしてもよい。
Further, although not shown, two series circuits of a
共振モード電源などの分野では、ターンオン時のスイッチング損失がない場合がある。その場合には、ターンオフ時、またはターンオフ時とターンオン時の両方でIGBTチップ1bのゲート抵抗の補正を行うことが有効である。
In fields such as resonant mode power supplies, there may be no switching loss at turn-on. In that case, it is effective to correct the gate resistance of the
<実施の形態7>
実施の形態7では、本発明に係るパワーモジュール100のIGBTチップ1a,1b、基準ゲート抵抗回路2a、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3a,3bを、炭化珪素(SiC)を用いた素子で構成する。
<Embodiment 7>
In the seventh embodiment, the
炭化珪素を素材としたIGBTチップを用いたパワーモジュールは、200℃以上の温度条件でも動作でき、シリコン(Si)を素材としたIGBTチップを用いたパワーモジュールに比べて温度範囲が広い。しかし、200℃を超えるような高温条件では、IGBTチップの電気的特性のバラツキが150℃以下の温度条件の時より大きくなり、並列に接続した場合のIGBTチップ間の電流アンバランスが悪化する。そのため、本発明は炭化珪素を素材としたIGBTチップを有するパワーモジュールに適用すると特に効果的である。 A power module using an IGBT chip made of silicon carbide can operate under a temperature condition of 200 ° C. or higher, and has a wider temperature range than a power module using an IGBT chip made of silicon (Si). However, under a high temperature condition exceeding 200 ° C., the variation in the electrical characteristics of the IGBT chip becomes larger than that under the temperature condition of 150 ° C. or less, and current imbalance between the IGBT chips when connected in parallel deteriorates. Therefore, the present invention is particularly effective when applied to a power module having an IGBT chip made of silicon carbide.
また、基準ゲート抵抗回路2a、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3a,3bを、高温条件で動作させるIGBTチップ1a,1b上に形成する場合、それらも同様の高温条件に適応できる必要がある。そのため、基準ゲート抵抗回路2a、ゲート抵抗調整回路2bおよび温度検出回路3a,3bも、炭化珪素を用いた素子で構成するとよい。
Further, when the reference
<変形例>
以上の実施の形態では、2つのIGBTチップが並列接続して成るパワーモジュールを示したが、本発明は、3つ以上のIGBTチップが並列接続して成るパワーモジュールにも適用可能である。その場合、複数のIGBTチップのうちの一つを、ゲート電極に基準ゲート抵抗回路2aが接続したIGBTチップとし、それ以外の全てのものを、ゲート電極にゲート抵抗調整回路2bが接続したIGBTチップとすればよい。
<Modification>
In the above embodiment, a power module in which two IGBT chips are connected in parallel is shown. However, the present invention is also applicable to a power module in which three or more IGBT chips are connected in parallel. In that case, one of the plurality of IGBT chips is an IGBT chip having the gate electrode connected to the reference
実施の形態1において、基準ゲート抵抗回路2aのサブゲート抵抗23aは省略してもよい。すなわち、メインゲート抵抗21aのみで基準ゲート抵抗回路2aを構成してもよい。また、サブゲート抵抗23aは、IGBTチップ1aのゲート・エミッタ間に接続させてもよい。その場合、外部ゲート抵抗202から流れ込むゲート電流が分流される。
In the first embodiment, the
実施の形態1〜7において、ゲート抵抗調整回路2bのオン導通ダイオード22bとMOSFET24bの直列回路を、IGBTチップ1bのゲート・エミッタ間に接続させてもよい。その場合も、MOSFET24bを制御してメインゲート抵抗21aに流れる電流値を制御できため、IGBTの見かけ上のオン抵抗を制御することができる。同様に、実施の形態3〜7において、基準ゲート抵抗回路2aのオン導通ダイオード22aとMOSFET24aの直列回路を、IGBTチップ1aのゲート・エミッタ間に接続させてもよい。
In the first to seventh embodiments, a series circuit of the on-
実施の形態1〜7では、並列接続した複数のIGBTチップのうちの1つ(特定の半導体素子)の温度を基準として、他のIGBTチップの温度を制御する構成としたが、基準とする温度は、例えば、全てのIGBTチップの温度の平均値としてもよい。例えば、パワーモジュール100を図7のように構成し、さらにパワーモジュール100が備える全てのIGBTチップの温度の平均値に対応する電圧を生成する回路を設け、その電圧を基準温度入力端子105に供給することによって実現可能である。その場合、全てのIGBTチップのゲート抵抗の大きさが制御されることになる(パワーモジュール100が「基準ゲート抵抗回路」を有しない構成となる)。
In the first to seventh embodiments, the temperature of one of the plurality of IGBT chips connected in parallel (specific semiconductor element) is used as a reference to control the temperature of the other IGBT chip. May be, for example, an average temperature value of all IGBT chips. For example, the
実施の形態1〜7では、パワーモジュール100を構成する半導体素子をIGBTとした例を示したが、本発明はMOSFETなどの絶縁ゲート型半導体素子に広く適用可能である。
In Embodiments 1-7, although the semiconductor element which comprises the
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
100 パワーモジュール、1a,1b IGBTチップ、2a 基準ゲート抵抗回路、2b ゲート抵抗調整回路、21a,21b メインゲート抵抗、22a,22b オン導通ダイオード、23a サブゲート抵抗、24a,24b,27b MOSFET、25a,25b,28b 比較回路、26b オフ導通ダイオード、3a,3b 温度検出回路、31a,31b チップ上ダイオード、32a,32b 定電流回路、33a,33b 電圧検出回路、101 ゲート端子、102 コレクタ端子、103 エミッタ端子、104 接地端子、105 基準温度入力端子、106 内部温度出力端子、201 ゲート駆動回路、202 外部ゲート抵抗、40a,40b IC。 100 power module, 1a, 1b IGBT chip, 2a reference gate resistance circuit, 2b gate resistance adjustment circuit, 21a, 21b main gate resistance, 22a, 22b ON conduction diode, 23a sub-gate resistance, 24a, 24b, 27b MOSFET, 25a, 25b , 28b comparison circuit, 26b off-conduction diode, 3a, 3b temperature detection circuit, 31a, 31b on-chip diode, 32a, 32b constant current circuit, 33a, 33b voltage detection circuit, 101 gate terminal, 102 collector terminal, 103 emitter terminal, 104 ground terminal, 105 reference temperature input terminal, 106 internal temperature output terminal, 201 gate drive circuit, 202 external gate resistance, 40a, 40b IC.
Claims (9)
前記半導体素子の温度を検出する温度検出回路と、
前記半導体素子のゲート抵抗を調整するゲート抵抗調整回路と、を備え、
前記ゲート抵抗調整回路は、前記半導体素子の温度が規定の温度よりも高くなると、前記半導体素子のゲート抵抗を増加させ、前記半導体素子の温度が前記規定の温度よりも低くなると、前記半導体素子のゲート抵抗を減少させる
ことを特徴とする半導体装置。 An insulated gate semiconductor element;
A temperature detection circuit for detecting the temperature of the semiconductor element;
A gate resistance adjustment circuit for adjusting the gate resistance of the semiconductor element,
The gate resistance adjusting circuit increases the gate resistance of the semiconductor element when the temperature of the semiconductor element becomes higher than a specified temperature, and increases the gate resistance of the semiconductor element when the temperature of the semiconductor element becomes lower than the specified temperature. A semiconductor device characterized by reducing gate resistance.
請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the prescribed temperature is a temperature of a specific semiconductor element connected in parallel to the semiconductor element.
複数の前記半導体素子は互いに並列に接続しており、
前記特定の半導体素子は、前記複数の半導体素子のうちの1つである
請求項2に記載の半導体装置。 A plurality of the semiconductor elements;
The plurality of semiconductor elements are connected in parallel to each other,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the specific semiconductor element is one of the plurality of semiconductor elements.
請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the prescribed temperature is an average value of all temperatures of the semiconductor element and other semiconductor elements connected in parallel to the semiconductor element.
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体装置。 5. The temperature detection circuit and the gate resistance adjustment circuit are integrally formed with the semiconductor element by being disposed on a chip of the semiconductor element. 6. Semiconductor device.
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein a drive signal input to a gate electrode of the semiconductor element is used as a power source for the temperature detection circuit and the gate resistance adjustment circuit.
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。 6. The semiconductor device according to claim 1, wherein a timing at which the gate resistance adjusting circuit adjusts a gate resistance of the semiconductor element is one or both of when the semiconductor element is turned on and turned off. 6. .
前記規定の温度に対応する電圧を入力するための基準温度入力端子と、をさらに備える
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の半導体装置。 An internal temperature output terminal from which the output voltage of the temperature detection circuit is output;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a reference temperature input terminal for inputting a voltage corresponding to the prescribed temperature.
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor element, the temperature detection circuit, and the gate resistance adjustment circuit are configured using silicon carbide.
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