JP2017208949A - 遅延時間補正回路、半導体デバイス駆動回路および半導体装置 - Google Patents

遅延時間補正回路、半導体デバイス駆動回路および半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】入力信号の信号幅に対する半導体スイッチング素子からの出力の信号幅のずれを、簡素な構成を用いつつ精密に補正すること。【解決手段】遅延時間補正回路601は、入力信号INを遅延させることによって、駆動信号VGを生成する駆動部500へのプリドライブ信号VPDを生成する。過渡変化検知部2は、ターンオン動作およびターンオフ動作のうちの一方の動作の過渡変化を検知する。補正信号生成部3は、過渡変化検知部2によって検知された過渡変化と入力信号INとに基づいて補正信号ASを生成する。遅延出力部4は、補正信号ASを用いて入力信号INを遅延させることにより、プリドライブ信号VPDに対応する出力信号を生成する。遅延出力部4において、ターンオン動作およびターンオフ動作のうち一方の動作と異なる他方の動作を指示する出力信号は、直前に行われた一方の動作の過渡変化の期間の長さに応じて入力信号INから遅延される。【選択図】図1

Description

本発明は、遅延時間補正回路、半導体デバイス駆動回路および半導体装置に関し、特に、半導体スイッチング素子を有する半導体装置と、当該半導体装置のための半導体デバイス駆動回路と、当該半導体デバイス駆動回路のための遅延時間補正回路とに関するものである。
外部からの入力信号に応じて正弦波などの出力を発生するインバータ装置は、半導体スイッチング素子と、駆動回路とを有している。半導体スイッチング素子は、駆動回路が生成する駆動信号によって駆動される。駆動信号は、典型的には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)またはMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などのゲート電圧を制御するゲート信号である。駆動信号は、駆動回路に入力される信号(以下、「プリドライブ信号」とも称する)に同期して発生するパルス信号である。単純な構成においては、プリドライブ信号として、インバータ装置への入力信号がそのまま用いられ得る。
インバータ装置において、半導体スイッチング素子が不適切にオン状態とされると、望ましくない短絡が生じることがある。この場合、半導体スイッチング素子に過電流が流れ得る。よって、このような状態を避けるための技術が、たとえば、以下のように検討されている。
特開2015−33190号公報(特許文献1)によれば、逆並列に接続されたスイッチング素子およびダイオードを含む半導体モジュールの直列体により構成された電力変換回路のスイッチングを制御するスイッチング制御装置が開示されている。スイッチング制御装置は、信号生成手段と、検出手段とを有している。信号生成手段は、スイッチング素子のオンおよびオフを指令する駆動信号を生成する。駆動信号は、上記直列体の各スイッチング素子を同時にオフ状態にするデッドタイムを含む。デッドタイムが設けられることにより、直列体における上下のスイッチング素子が同時にオン状態となることが避けられる。これにより、意図しない短絡の発生が防止される。検出手段は、半導体モジュールを流れる相電流を検出するものである。信号生成手段は、検出手段により検出された相電流の値に基づいて上記デッドタイムを設定する。これにより、半導体モジュールの状態に応じてデッドタイムが設定される。
特開2005−348429号公報(特許文献2)によれば、半導体スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出手段からの検出信号が規定のトリップレベルを上回ったとき、半導体スイッチング素子の動作が停止させられる。電流検出手段のばらつきによるトリップレベルの変動は、特性補正手段によって補正される。特性補正手段は不揮発性メモリによって構成される。不揮発性メモリは駆動回路に集積化されてもよい。
半導体スイッチング素子を並列接続することにより大容量の電力変換装置が構成される場合、半導体スイッチング素子、または、その駆動回路に用いられる電子部品の特性の相違に起因して、半導体スイッチング素子間でスイッチング動作のタイミングにずれが生じることがある。よって、このような状態を避けるための技術が、たとえば、以下のように検討されている。
特開2005−295661号公報(特許文献3)によれば、駆動回路は、電流検知手段と、駆動指令発生手段と、電流検出期間設定手段と、タイミング補正要否判定手段と、ラッチ手段と、遅延時間決定手段とを有している。電流検知手段は、電力用半導体素子を流れる電流を検出する。駆動指令発生手段は電力用半導体素子に駆動指令を出力する。電流検出期間設定手段は、駆動指令発生手段からの出力信号に基づき電流検出期間設定信号を出力する。タイミング補正要否判定手段は、電流検出期間設定信号によってそれぞれ異なるタイミングで取り込まれた電流検知手段からの複数の出力信号に基づきターンオフまたはターンオン動作のタイミングの補正の要否を判定する。ラッチ手段はタイミング補正要否判定手段の出力を保持する。遅延時間決定手段は、ラッチ手段によって保持された信号に基づきターンオフまたはターンオン動作のタイミングの補正量を決定する。
特開2015−33190号公報 特開2005−348429号公報 特開2005−295661号公報
半導体スイッチング素子のターンオン動作およびターンオフ動作の各々は、瞬間的なものではなく、過渡現象をともなう。言い換えれば、各動作は、オン状態からオフ状態への変化またはその逆の変化のための過渡期間(以下、「過渡変化期間」とも称する)を伴う。ターンオン動作の過渡変化期間と、ターンオフ動作の過渡変化期間とは、一般に同じではない。さらに、過渡変化期間には、素子特性のばらつきなどの内部要因、または、環境などの外部要因など、様々な要因により、ばらつきが生じ得る。このため、インバータ装置への入力信号の信号幅と、半導体スイッチング素子から得られる出力の信号幅との間に、ずれが生じ得る。言い換えれば、インバータ装置への入力信号の信号幅と、インバータ装置の最終的な出力の信号幅との間に、ずれが生じ得る。特にインバータ装置が正弦波を生成するものである場合、信号幅のずれは、波形の歪みの原因となり得る。
このような信号幅のずれは、上述した各技術によって抑制され得る場合がある。しかしながら、上記特開2015−33190号公報の技術では、検出された相電流の値に基づいてデッドタイムが設定され、この設定のためには、一般に、複雑な制御が必要となる。複雑な制御は、通常、マイコンなどの複雑な構成を必要とする。このような構成を駆動回路内に集積化することは困難である。それに比べれば、上記特開2005−348429号公報または上記特開2005−295661号公報の技術は、比較的簡素な構成を用い得る。しかしながら、これらの技術において行われる補正は、あらかじめ決められた範囲または幅で行われるものである。このため、上述した信号幅のずれに応じた精密な微調整を行うことは困難である。
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、その目的は、半導体スイッチング素子の過渡変化期間の変動に起因しての、入力信号の信号幅に対する半導体スイッチング素子からの出力の信号幅のずれを、比較的簡素な構成を用いつつ精密に補正することができる、遅延時間補正回路、半導体デバイス駆動回路および半導体装置を提供することである。
本発明の遅延時間補正回路は、外部からの入力信号を遅延させることによって、半導体スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動部へのプリドライブ信号を生成するものである。遅延時間補正回路は、半導体スイッチング素子のターンオン動作およびターンオフ動作のうちの一方の動作の過渡変化を検知する過渡変化検知部と、過渡変化検知部によって検知された過渡変化と入力信号とに基づいて補正信号を生成する補正信号生成部と、補正信号を用いて入力信号を遅延させることにより、プリドライブ信号に対応する出力信号を生成する遅延出力部と、を有している。遅延出力部において、ターンオン動作およびターンオフ動作のうち一方の動作と異なる他方の動作を指示する出力信号は、直前に行われた一方の動作の過渡変化の期間の長さに応じて入力信号から遅延される。
本発明によれば、ターンオン動作およびターンオフ動作を交互に繰り返す半導体スイッチング素子の駆動において、上記両動作のうちの一方の動作における過渡変化期間の変動に基づいて、その直後の他方の動作における遅延時間が補正される。これにより、過渡変化についての複雑な解析およびその結果に応じた複雑な調整を必要とせずに、過渡変化期間の変動に応じた補正が行われる。よって、過渡変化期間の変動に起因しての、入力信号の信号幅に対する半導体スイッチング素子からの出力の信号幅のずれを、比較的簡素な構成を用いつつ精密に補正することができる。
本発明の実施の形態1における半導体装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図1の半導体装置の実施例を示す回路図である。 図2の半導体装置の動作を説明するタイムチャートである。 本発明の実施の形態2における半導体装置が有する遅延補正回路の構成を概略的に示すブロック図である。 図4の遅延補正回路の実施例を示す回路図である。 図5の半導体装置の動作を説明するタイムチャートである。 本発明の実施の形態3における半導体装置が有する遅延補正回路の実施例を示す回路図である。 本発明の実施の形態4における半導体装置が有する遅延補正回路の実施例を示す回路図である。 本発明の実施の形態5における半導体装置が有する遅延補正回路の構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態6における半導体装置が有する遅延補正回路の実施例を示す回路図である。 本発明の実施の形態7における半導体装置の構成を概略的に示すブロック図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
<実施の形態1>
(概要)
図1は、本実施の形態におけるインバータ装置901(半導体装置)の構成を概略的に示すブロック図である。インバータ装置901は半導体デバイス駆動回路801およびIGBT101(半導体スイッチング素子)を有している。インバータ装置901は、外部からの入力信号INに基づいて生成される駆動信号によってIGBT101のスイッチング動作を行うものである。入力信号INは、IGBT101のオン状態およびオフ状態に対応するデジタル信号であり、ハイまたはローを表す二値信号である。上記の駆動信号は、具体的には、IGBT101のゲートに印加されるゲート信号VG(駆動信号、ゲート電圧)である。
半導体デバイス駆動回路801は、駆動部500と、遅延時間補正回路601とを有している。遅延時間補正回路601は、駆動部500を含まない1つのIC(Integrated Cricuit)内に集積化されていてもよい。あるいは、遅延時間補正回路601は、駆動部500と共に1つのIC内に集積化されていてもよい。あるいは、遅延時間補正回路601は、駆動部500およびIGBT101と共に1つのIC内に集積化されてもよい。後述する他の実施の形態の遅延時間補正回路についても同様である。
駆動部500はゲート信号VGをプリドライブ信号VPDに基づいて生成する。プリドライブ信号VPDは、典型的にはデジタル信号である。具体的には、プリドライブ信号VPDは、IGBT101のオン状態およびオフ状態に対応する二値信号である。ゲート信号VGおよびプリドライブ信号VPDの各々の変化の開始のタイミングは実質的に同じである。言い換えれば、ゲート信号VGの変化は、プリドライブ信号VPDの変化に対して、実質的に、位相差なく同期して開始される。一方で、ゲート信号VGはIGBT101へ直接入力されるものであることから、その変化開始後の波形は、IGBT101の過渡変化の影響を受ける。
遅延時間補正回路601は、過渡変化検知部2と、補正信号生成部3と、遅延出力部4とを有している。遅延時間補正回路601は、入力信号INとゲート信号VGとの各々を受ける端子と、駆動部500を駆動するプリドライブ信号VPDを出力する端子とを有している。遅延時間補正回路601は、外部からの入力信号INを遅延させることによって、駆動部500へのプリドライブ信号VPDを生成する。付与される遅延時間は、入力信号INと、IGBT101の過渡変化とに基づいて補正される。この補正のために考慮される過渡変化は、本実施の形態においては、ターンオン動作およびターンオフ動作のいずれかである。ターンオン動作の過渡変化が考慮される場合、当該過渡変化期間の長さに応じて、その直後のターンオフ動作の開始が遅延される。ターンオフ動作の過渡変化が考慮される場合、当該過渡変化期間の長さに応じて、その直後のターンオン動作の開始が遅延される。
過渡変化検知部2は、IGBT101の過渡変化を検知する回路である。具体的には、過渡変化検知部2は、プリドライブ信号VPDの変化がゲート信号VGの変化としてIGBT101に伝達されてから、IGBT101の過渡変化が所定の変化を完了するまでの期間、言い換えれば過渡変化期間、を検知する回路である。過渡変化検知部2は、検知結果に対応した過渡変化検知信号GTMを生成する。
過渡変化期間は、典型的には、IGBT101に流れる電流が所定の値に変化するまでの期間に対応するものである。ターンオン動作の過渡変化期間は、たとえば、IGBT101のゲート・エミッタ間の電圧が増大され始めてから、コレクタ電流が最大値の10%を上回るまでにかかる時間として定義され得る。また、ターンオフ動作の過渡変化期間は、たとえば、IGBT101のゲート・エミッタ間の電圧が低減され始めてから、コレクタ電流が最大値の90%を下回るまでにかかる時間として定義され得る。このような電流の変化は、たとえば、エミッタセンスにより検知され得る。ただし過渡変化期間の検知方法は、必ずしも電流検知によるものである必要はなく、電流変化に伴って変化する電圧の検知による間接的な方法が用いられ得る。検知される電圧は、たとえば、IGBT101のコレクタ・エミッタ間電圧(より一般的には主端子間電圧)、または、ゲート電圧VGである。ゲート電圧VGの検知を用いる方法は、比較的容易であり、本実施の形態においてはこの方法について特に詳しく説明する。
なお、過渡変化検知部2によって検知される過渡変化は、本実施の形態においては、IGBT101のターンオン動作およびターンオフ動作のうちの一方の動作のみであってもよい。
補正信号生成部3は、過渡変化検知部2によって検知された過渡変化の期間と、入力信号INとに基づいて、補正信号ASを生成する回路である。詳しくは図3のタイムチャートを参照して後述するが、ターンオン動作の開始の遅延が補正される形態においては、入力信号INがターンオフ指令に対応するもの(ロー)であり、かつ、過渡変化検知信号GTMがオン状態に対応するもの(ハイ)にあるときに、補正信号生成部3は補正信号ASを生成する。ここでのオン状態とは、定常オン状態だけでなく、ターンオフ動作の開始により過渡変化が生じているオン状態をも含む。よって、補正信号ASが生成される期間は、入力信号INがハイからローへ変化する時点からそれがプリドライブ信号VPDの変化に伝達される時点までの所定の遅延時間と、プリドライブ信号VPDの変化をきっかけとして開始されるターンオフ動作の過渡変化期間の時間との和に対応する。
なお、ターンオフ動作の開始の遅延が補正される形態においては、入力信号INがターンオン指令に対応するもの(ハイ)であって、かつ、IGBT101が定常オフ状態またはターンオン動作の過渡変化にあるときに、補正信号生成部3は補正信号ASを生成する。よって、補正信号ASが生成される期間は、入力信号INがローからハイへ変化する時点からそれがプリドライブ信号VPDの変化に伝達される時点までの所定の遅延時間と、プリドライブ信号VPDの変化をきっかけとして開始されるターンオン動作の過渡変化期間の時間との和に対応する。
遅延出力部4は、直前の過渡変化において補正信号生成部3が補正信号ASを生成していた期間に応じて、入力信号INの遅延時間を補正する回路である。この目的のため、遅延出力部4は、直前の過渡変化期間の長さに対応した時間を、一時的に記憶しておくことができるように構成されている。この記憶には、メモリ装置のような複雑な構成は必ずしも必要ではなく、詳しくは後述するが、記憶内容は、たとえば、容量の充電量によって表され得る。遅延された入力信号INは、プリドライブ信号VPDとして出力される。よって、入力信号INの遅延時間とは、言い換えれば、入力信号INの変化がプリドライブ信号VPDの変化に反映されるまでの時間のことである。
ターンオン動作の遅延時間が補正される場合は、上記でいう「直前の過渡変化」は、ターンオフ動作の過渡変化である。つまり、補正信号生成部3が補正信号ASを生成していた期間の長さには、直前のターンオフ動作の過渡変化期間の長さの変動が反映されている。このため、補正信号ASが生成されていた期間の長さの変動に応じてターンオン動作の遅延時間が補正されることにより、直前のターンオフ動作の過渡変化期間の長さに応じてターンオン動作の遅延時間が補正される。
ターンオフ動作の遅延時間が補正される場合は、上記でいう「直前の過渡変化」は、ターンオン動作の過渡変化である。つまり、補正信号生成部3が補正信号ASを生成していた期間の長さには、直前のターンオン動作の過渡変化期間の長さの変動が反映されている。このため、補正信号ASが生成されていた期間の長さの変動に応じてターンオフ動作の遅延時間が補正されることにより、直前のターンオン動作の過渡変化期間の長さに応じてターンオフ動作の遅延時間が補正される。
上述したように、遅延出力部4は、補正信号ASを用いて入力信号INを遅延させることにより、プリドライブ信号VPDに対応する出力信号を生成する回路である。ターンオン動作の開始の遅延が補正される場合は、遅延出力部4において、ターンオン動作を指示する出力信号は、直前に行われたターンオフ動作の過渡変化の期間の長さに応じて入力信号INから遅延される。ターンオフ動作の開始の遅延が補正される場合は、遅延出力部4において、ターンオフ動作を指示する出力信号は、直前に行われたターンオン動作の過渡変化の期間の長さに応じて入力信号INから遅延される。
本実施の形態によれば、ターンオン動作およびターンオフ動作を交互に繰り返すIGBT101の駆動において、上記両動作のうちの一方の動作における過渡変化期間の変動に基づいて、その直後の他方の動作における遅延時間が補正される。これにより、過渡変化についての複雑な解析およびその結果に応じた複雑な調整を必要とせずに、過渡変化期間の変動に応じた補正が行われる。よって、過渡変化期間の変動に起因しての、入力信号INの信号幅に対するIGBT101からの出力の信号幅のずれを、比較的簡素な構成を用いつつ精密に補正することができる。
特に、本実施の形態のように、過渡変化期間の変動が考慮されるのがターンオン動作およびターンオフ動作のうちの一方のみである場合は、後述する実施の形態2のようにその両方が考慮される場合に比して、遅延時間補正回路の構成を、より簡素なものとすることができる。
過渡変化検知部2は、IGBT101の過渡変化を、IGBT101に加わっているゲート電圧VGの変化に基づいて検知する。検知が容易なゲート電圧VGを利用することで、過渡変化を容易に検知することができる。なお、過渡変化検知部2は、IGBT101の過渡変化を、IGBT101の主端子間の電圧、すなわちコレクタ・エミッタ間電圧、の変化に基づいて検知してもよい。これにより、過渡変化検知部2が、他の目的で端子間電圧を検知する回路、たとえばデサット検知回路、を兼ねることができる。あるいは、過渡変化検知部2は、IGBT101の過渡変化を、IGBT101の主端子間の電流の変化に基づいて検知してもよい。これにより、IGBT101の過渡変化を、より直接的に検知することができる。
なお上記実施の形態では半導体スイッチング素子としてIGBT101が用いられているが、変形例としてIGBT以外の半導体スイッチング素子が用いられてもよく、例えばMOSFETなどのMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられてもよい。半導体スイッチング素子は、その半導体領域として、シリコンからなる部分を含んでもよい。半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体からなる部分を含んでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンのバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する半導体であり、たとえば、SiC(炭化珪素)、GaN(窒化ガリウム)、またはダイヤモンドである。ワイドバンドギャップ半導体を用いることで、半導体スイッチングデバイスの高速スイッチングが可能となる。高速スイッチングが行われる場合、デッドタイムを抑制する要求が厳しくなる。本実施の形態によれば、遅延時間を精密に補正することで、この要求に対応することができる。
(実施例)
図2は、上述したインバータ装置901を構成する回路の実施例である。なお本実施例は、ターンオフ動作の過渡変化に応じてターンオン動作の遅延時間が補正される形態に対応するものである。また本実施例においては、過渡変化がゲート電圧VGの変化に基づいて検知される。よって、ゲート信号VGが、IGBT101のゲートだけでなく、遅延時間補正回路601にも入力される。
はじめに駆動部500について説明する。駆動部500は、PMOS(Pチャネル型MOSFET)501と、NMOS(Nチャネル型MOSFET)502とを有している。PMOS501のドレインとNMOS502のドレインとが互いに接続されることにより、PMOS501およびNMOS502の直列構造が構成されている。この直列構造の一方端であるPMOS501のソースには電源電圧VCCが印加されており、他方端であるNMOS502のソースは接地されている。PMOS501およびNMOS502の各々のゲートには、遅延時間補正回路601によって生成されたプリドライブ信号VPDが入力される。PMOS501およびNMOS502の間からIGBT101へゲート信号VGが出力される。
次に遅延時間補正回路601について、以下に説明する。
過渡変化検知部2は、コンパレータ201と、所定の電圧Vrefgを発生する定電圧源202とを有している。過渡変化検知部2が生成する過渡変化検知信号GTMは、駆動部500からのゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgを超えた際に反転する二値信号である。電圧Vrefgは、ゲート電圧VGを参照して過渡変化の完了を判定する際のしきい値である。本実施例においては、ゲート電圧VGが電圧Vrefgを下回った時点で、ターンオフ動作の過渡変化が完了したと判定される。好ましくは、この所定の電圧Vrefgは、IGBT101のミラー期間におけるゲート電圧値以下に設定され、たとえば、IGBT101のしきい値と同程度に設定される。なお、ミラー期間とは、IGBT101がスイッチングされる際のゲート電圧の変化の途中において、ゲート電圧が一時的にほぼ一定となる期間のことである。図3に示されたゲート電圧VGの波形にも、このような期間が含まれている。
補正信号生成部3は、NOT回路およびAND回路を有している。NOT回路は、入力信号INの反転信号を出力する。AND回路は、入力信号INの反転信号と、過渡変化検知信号GTMとが入力されることで、補正信号ASを出力する。よって、入力信号INがローであって、かつ、過渡変化検知信号GTMがハイ、つまりゲート信号VGが所定の電圧Vrefg以上であるときに、補正信号ASはハイとなる。言い換えれば、入力信号INが立ち下がってから、IGBT101のゲート電圧が所定の電圧Vrefgを下回るまでの期間、補正信号ASがハイとなる。
遅延出力部4は、容量403と、定電流源409と、定電流源411と、NMOS413と、NMOS415とを有している。定電流源409および定電流源411の各々の定電流は同程度であることが好ましい。容量403は、一方端が接地されており、他方端が端子電圧AIを有している。容量403は、NMOS413がオン状態の際に定電流源409によって充電され、NMOS415がオン状態の際に定電流源411によって放電される。NMOS413およびNMOS415の両方がオフ状態の間は、端子電圧AIが一定に保持される。NMOS413は補正信号ASによってスイッチングされる。NMOS415は入力信号INによってスイッチングされる。
以上の構成により、入力信号INがローでありかつ補正信号ASがハイの期間、言い換えれば、入力信号INがローへと変化させられてからゲート信号VGが所定の電圧Vrefgを下回るまでの期間、容量403が充電される。その後、IGBT101が定常オフ状態となると、NMOS413がオフ状態となることにより、充電が停止され、その時点での端子電圧AIが保持される。よって容量403は、IGBT101の過渡変化の期間に応じて充電される。その後、入力信号INがハイへと変化させられると、NMOS413がオフ状態かつNMOS415がオン状態となる。これにより、容量403が放電される。電荷が完全に放電されると、端子電圧AIはゼロとなる。その後、入力信号INがローへと変化させられると、再び上述した充電が開始される。
遅延出力部4はさらに、コンパレータ401と、所定の電圧Vrefaを発生する定電圧源405とを有している。コンパレータ401は、容量403の端子電圧AIが電圧Vrefaを上回るとプリドライブ信号VPDをハイとし、下回るとプリドライブ信号VPDをローとする。この構成により、容量403の端子電圧AIの値と、所定の電圧Vrefa(容量電圧しきい値)との比較によって、遅延出力部4からの出力信号が決定される。放電によって容量403の端子電圧AIが電圧Vrefaを下回ると、この出力信号がローに変化する。すなわちプリドライブ信号VPDがローに変化する。これによりIGBT101のターンオン動作が開始される。
前述したように、容量403が充電される期間は、入力信号INがローへと変化させられてからゲート信号VGが所定の電圧Vrefgを下回るまでの期間である。この期間は、言い換えれば、ターンオフ動作の過渡変化期間である。よって、ターンオフ動作の過渡変化期間の長さに応じて、容量403に充電される電荷量(充電量)が決定される。この充電量の大きさに依存して、放電によって容量403の端子電圧AIが電圧Vrefaを下回るまでの時間、すなわちプリドライブ信号VPDがローに変化するまでの時間、が決定される。言い換えれば、ターンオン動作の開始が遅延される。よって、ターンオン動作の遅延時間は、ターンオフ動作の過渡変化期間の長さに応じて補正される。
図3は、インバータ装置901の動作を説明するタイムチャートである。インバータ装置901の動作においては、期間(a)〜(d)が順に繰り返される。
期間(a)は、入力信号INがハイかつゲート電圧VGがハイの期間、すなわち定常オン状態の期間である。ゲート電圧VGがハイであるため過渡変化検知信号GTMもハイであるが、入力信号INの反転信号はローである。このため、補正信号ASはローであり、よってNMOS413はオフ状態にある。また、入力信号INがハイであるため、NMOS415はオン状態にある。よって容量403は定電流源411により放電されている。したがって容量403の端子電圧AIはローとなっている。
期間(b)は、入力信号INが立ち下がってから、ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgに到達するまでの期間である。入力信号INが立ち下がると、入力信号INの立ち下りに同期してNMOS415がオフ状態となる。また、補正信号ASがハイとなることで、NMOS413がオン状態となる。これにより、容量403が定電流源409により充電され始める。よって、容量403の端子電圧AIが上昇し始める。端子電圧AIが所定の電圧Vrefaよりも高くなると、プリドライブ信号VPDがハイとなる。これにより、駆動部500において、PMOS501がオフ状態かつNMOS502がオン状態となる。その結果、ゲート電圧VGの立ち下げが開始される。この時点までが、期間(b)の前半部分であり、それに要する時間を時間td1と定義する。その後、ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgを下回ると、過渡変化検知信号GTMがローとなる。よって補正信号ASがローとなる。よってNMOS413がオフ状態とされる。これにより容量403の充電が停止される。よって端子電圧AIの増加が停止する。この時点までが、期間(b)の後半部分であり、それに要する時間を時間td2と定義する。容量403の充電時間は、時間td1および時間td2の合計時間である。よって、端子電圧AIは、この合計時間に応じた値となり、具体的には、この合計時間に比例した値となる。
期間(c)は、入力信号INがローかつゲート電圧VGがローの期間、すなわち定常オフ状態の期間である。NMOS413およびNMOS415がともにオフ状態であるため、端子電圧AIは充電停止時の値に維持される。
期間(d)は、入力信号INが立ち上がってから、ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgを上回るまでの期間である。入力信号INの立ち上がりに同期してNMOS415がオン状態となる。これにより、容量403が定電流源411により放電され始める。よって、容量403の端子電圧AIが下降し始める。端子電圧AIが所定の電圧Vrefaよりも低くなると、プリドライブ信号VPDがローとなる。この時点までが、期間(d)の前半部分であり、それに要する時間を時間td3と定義する。時間td3は、入力信号INがローからハイへと変化してから、それに対応してプリドライブ信号VPDがハイからローへと変化するまでの時間である。よって時間td3は、ターンオン動作における、入力信号INに対するプリドライブ信号VPDの遅延時間である。ここで、容量403の放電によって端子電圧AIが所定の電圧Vrefaまで低下させられる時間td3は、容量403の充電によって端子電圧AIが所定の電圧Vrefaからさらに増加させられる時間td2に比例する。特に、容量403の充電および放電の速度(単位:V/s)が同等とされている場合は、時間td3は時間td2と同等である。
プリドライブ信号VPDが立ち下がることで、ゲート電圧VGが上昇し始める。ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgを上回ると、過渡変化検知信号GTMがハイへと変化する。このとき、入力信号INがハイ、すなわちその反転信号がロー、であるため、過渡変化検知信号GTMの変化は補正信号ASに影響しない。すなわち、補正信号ASはローのまま維持される。この時点までが、期間(d)の後半部分であり、それに要する時間を時間td4と定義する。
期間(d)の経過により、入力信号INがハイかつゲート電圧VGがハイの状態、すなわち、定常オン状態、が再び得られる。言い換えれば、期間(a)が再び開始される。このようにして期間(a)〜(d)が繰り返される。
本実施例によれば、上述したように、時間td2に比例して時間td3が定まる。ここで、時間td2はIGBT101のターンオフ動作における過渡変化期間の長さである。また時間td3は、入力信号INのローからハイへの変化によるターンオン動作の指示がプリドライブ信号VPDに反映されるまでの時間である。よって、ターンオフ動作における過渡変化期間が意図せず変動することでより長くなった場合、それに応じて、IGBT101にターンオン動作をさせるための信号の伝達の遅延時間が長くされる。言い換えれば、過渡変化期間の変動に起因してのターンオフ動作の完了の遅れに応じて、その後のターンオン動作の開始が遅らされる。逆に、ターンオフ動作における過渡変化期間が意図せず変動することでより短くなった場合、それに応じて、IGBT101にターンオン動作をさせるための信号の伝達の遅延時間が短くされる。言い換えれば、過渡変化期間の変動に起因してのターンオフ動作の完了の早まりに応じて、その後のターンオン動作の開始が早められる。
以上のように、ターンオフ動作における過渡変化期間の変動に基づいて、その直後のターンオン動作における遅延時間が補正される。これにより、過渡変化についての複雑な解析およびその結果に応じた複雑な調整を必要とせずに、過渡変化期間の変動に応じた補正が行われる。よって、過渡変化期間の変動に起因しての、入力信号INの信号幅に対するIGBT101からの出力の信号幅のずれを、比較的簡素な構成を用いつつ精密に補正することができる。
特に、時間td2と時間td3とが同等とされることで、出力の信号幅への時間td2のずれの影響を、より精度よく相殺することができる。さらに、時間td1と時間td4とが同等となるように、所定の電圧VrefgおよびVrefaおよび容量403の充電電流値を設定することで、ターンオン動作時の遅延とターンオフ動作時の遅延とを同等とすることができる。
(変形例)
上記実施例においては、ターンオフ動作における過渡変化期間の変動に基づいて、その直後のターンオン動作における遅延時間が補正される場合について説明した。逆に、同様の方法によって、ターンオン動作における過渡変化期間の変動に基づいて、その直後のターンオフ動作における遅延時間が補正されてもよい。具体的には、時間td4に比例して時間td1が定められてもよい。なおこの場合、電圧Vrefgは、ゲート電圧VGが電圧Vrefgを上回った時点でターンオン動作の過渡変化が完了したと判定することができるように設定される。特に、時間td4と時間td1とが同等とされることで、出力の信号幅への時間td4のずれの影響を、より精度よく相殺することができる。
<実施の形態2>
(概要)
図4は、本実施の形態における遅延時間補正回路602の構成を概略的に示すブロック図である。遅延時間補正回路602は、半導体装置901(図1)において、遅延時間補正回路601の代わりに使用し得るものである。後述する他の実施の形態の遅延時間補正回路も同様である。
実施の形態1においては、遅延出力部4によって、直前のターンオフ動作の過渡変化期間の長さに対応した時間が記憶される場合について詳述した。本実施の形態においては、遅延出力部4によって、直前のターンオン動作の過渡変化期間の長さに対応した時間が記憶される場合について詳述する。なお、これに対応して、入力信号INの端子と遅延出力部4との間に、図示されているように、NOT回路が挿入されている。
本実施の形態においては、過渡変化検知部2は、IGBT101のターンオン動作およびターンオフ動作の各々の過渡変化を検知する。また遅延出力部4は補正出力信号AOを生成する。補正出力信号AOは、プリドライブ信号VPDに対応する信号であって、プリドライブ信号VPDと実質的に同じであってよい。言い換えれば、補正出力信号AOは、プリドライブ信号VPDと同一タイミングで変化するものであってよく、たとえば、プリドライブ信号VPDと同様の信号、またはその反転信号であってよい。補正出力信号AO、言い換えればプリドライブ信号VPD、を参照することで、IGBT101(図1)が、ターンオン動作の過渡変化期間もしくは定常オン状態にあるのか、または、ターンオフ動作の過渡変化期間もしくは定常オフ状態にあるのかを判別することができる。
本実施の形態においては、補正信号生成部3は、内部出力部6と、補正信号制御部5とを有している。
内部出力部6は、直前のターンオフ動作の過渡変化期間の長さに対応した時間を一時的に記憶しておくことができるように構成されている。また内部出力部6は補正出力信号BOを生成する。補正出力信号BOは、ターンオン動作の開始を指示する入力信号INの変化を起点として、上述したように記憶されていた時間が経過した時点で変化する信号である。よって、補正出力信号BOを参照することで、入力信号INによるターンオン動作の指示の時点から、ターンオン動作を実際に開始させるタイミングを、直前のターンオフ動作の過渡変化期間に応じて遅延させることができる。
補正信号制御部5は、補正出力信号AOおよび過渡変化検知信号GTMに基づいて補正信号BSを生成する。補正信号BSは、ターンオフ動作の過渡変化期間に応じた時間にわたって生じる信号である。補正信号BSは、ターンオフ動作の過渡変化期間と同期して発生する信号であってよい。補正信号BSを受けることにより内部出力部6は、ターンオフ動作の過渡変化期間の長さに対応した時間の情報を得ることができる。この情報を用いて内部出力部6はターンオン動作における遅延時間を補正する。
また補正信号制御部5は、補正出力信号BOおよび過渡変化検知信号GTMに基づいて、補正信号ASを生成する。補正信号ASは、ターンオン動作の過渡変化期間に応じた時間にわたって生じる信号である。よって、補正信号ASを受けることにより遅延出力部4は、ターンオン動作の過渡変化期間の長さに対応した時間の情報を得ることができる。この情報を用いて遅延出力部4はターンオフ動作における遅延時間を補正する。補正信号ASが生成され始めるタイミングは、上述した補正出力信号BOを参照して定められる。よって、補正信号ASを受けることにより遅延出力部4は、入力信号INによるターンオン動作の開始指示の時点を起点として、直前のターンオフ動作の過渡変化期間の長さに対応した時間が経過したタイミングを把握することができる。
以上の構成から、遅延出力部4において、ターンオン動作を指示する補正出力信号AOは、直前に行われたターンオフ動作の過渡変化の期間の長さに応じて入力信号INから遅延される。さらに、遅延出力部4において、ターンオフ動作を指示する補正出力信号AOは、直前に行われたターンオン動作の過渡変化の期間の長さに応じて入力信号INから遅延される。このように遅延された補正出力信号AOを用いてプリドライブ信号VPDを出力することにより、ターンオン動作およびターンオフ動作の各々における遅延時間を補正することができる。
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、ターンオン動作およびターンオフ動作を交互に繰り返すIGBT101(図1)の駆動において、ターンオフ動作における過渡変化期間の変動に基づいて、その直後のターンオン動作における遅延時間が補正される。さらに、このターンオン動作における過渡変化期間の変動に基づいて、その直後のターンオフ動作における遅延時間が補正される。これにより、過渡変化についての複雑な解析およびその結果に応じた複雑な調整を必要とせずに、ターンオフ動作およびターンオン動作の各々の過渡変化期間の変動に応じた補正が行われる。よって、過渡変化期間の変動に起因しての、入力信号の信号幅に対するIGBT101からの出力の信号幅のずれを、比較的簡素な構成を用いつつ、より精密に補正することができる。
なお本実施の形態においては、遅延出力部4が直前のターンオン動作の過渡変化期間の長さを記憶し、内部出力部6が直前のターンオフ動作の過渡変化期間長さを記憶するが、変形例として、遅延出力部4が直前のターンオフ動作の過渡変化期間の長さを記憶し、内部出力部6が直前のターンオン動作の過渡変化期間長さを記憶してもよい。
(実施例)
図5は、上述した遅延時間補正回路602の実施例を示す回路図である。図6は、遅延時間補正回路602の動作を説明するタイムチャートである。
補正信号制御部5は、ラッチ回路301およびラッチ回路302を有している。ここでラッチ回路301およびラッチ回路302の各々は、SR−FF(Set−Reset Flip−Flop:セット・リセット−フリップ・フロップ)である。図中、「R」、「S」および「Q」のそれぞれが、リセット(R)信号、セット(S)信号および出力(Q)信号を表している。
遅延出力部4は、実施の形態1におけるもの(図2)と同様の回路を有している。内部出力部6は、遅延出力部4(図2)とおおよそ同様の回路構成を有していてよい。具体的には、遅延出力部4における、容量413と、定電流源409と、定電流源411と、NMOS413と、NMOS415と、コンパレータ401と、定電圧源405とのそれぞれに対応して、内部出力部6は、容量413bと、定電流源409bと、定電流源411bと、NMOS413bと、NMOS415bと、コンパレータ401bと、定電圧源405bとを有している。定電圧源405bは所定の電圧Vrefbを発生するものである。容量413bの電圧を端子電圧BIと定義する。また本実施例においては、電圧Vrefgは、ターンオン動作およびターンオフ動作の各々の過渡変化の完了を判定する際のしきい値として、共通して用いられるものとする。
ラッチ回路301には、内部出力部6からの補正出力信号BOの反転信号がS信号として入力され、過渡変化検知信号GTMがR信号として入力される。この構造により、ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgより大きい場合は、補正出力信号BOに依存せずに補正信号ASがローとされる。ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgより小さい場合においては、補正出力信号BOがローのときに補正信号ASがハイとされ補正出力信号BOがハイのときに補正信号ASがローとされる。入力信号INの立ち上がりにおいてはゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgより小さいので、端子電圧BIが所定の電圧Vrefbを下回ったときに、補正出力信号BOがローとなることで補正信号ASがハイとなる。その後、ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgを上回ると、補正信号ASがローとなる。
ラッチ回路302には、遅延出力部4からの補正出力信号AOの反転信号がS信号として入力され、過渡変化検知信号GTMの反転信号がR信号として入力される。この構造により、ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgより小さい場合は、補正出力信号AOに依存せずに補正信号BSがローとされる。ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgより大きい場合においては、補正出力信号AOがローのときに補正信号BSがハイとされ補正出力信号AOがハイのときに補正信号BSがローとされる。入力信号INの立ち下がりにおいてはゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgより大きいので、端子電圧AIが所定の電圧Vrefaを下回ったときに、補正出力信号AOがローとなることで補正信号BSがハイとなる。その後、ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgを下回ると、補正信号BSがローとなる。
遅延出力部4は、補正信号ASを受けて、ターンオフ動作時の遅延時間を補正するための動作を行う。具体的には、ターンオン動作時に補正信号ASにしたがって容量403が充電され、その直後のターンオフ動作時に容量403が放電される。放電時の容量403の端子電圧AIが所定の電圧Vrefaを下回るまでは、入力信号INの変化によるターンオフ指令が補正出力信号AOの変化に反映されることが抑制される。これにより、補正出力信号AOの反転信号であるプリドライブ信号VPDの、ターンオフ動作に対応した変化は、ターンオン動作時の遅延に対応した時間だけ遅延される。よって、補正出力信号AOは、ターンオン動作時の遅延のずれに対応して補正される。よって、ターンオン動作時の遅延のずれに対応して、ターンオフ動作時の遅延時間が補正される。
内部出力部6は、補正信号BSを受けて、ターンオン動作時の遅延時間を補正するための動作を行う。具体的には、ターンオフ動作時に補正信号BSにしたがって容量403bが充電され、その直後のターンオフ動作時に容量403bが放電される。放電時の容量403bの端子電圧BIが所定の電圧Vrefbを下回るまでは、入力信号INの変化によるターンオン指令が補正出力信号BOの変化に反映されることが抑制される。これにより、補正信号ASの、ターンオン動作に対応した変化は、ターンオフ動作時の遅延に対応した時間だけ遅延される。よって、容量403の充電開始が、ターンオフ動作時の遅延に対応した時間だけ遅延される。よって、容量403の端子電圧AIが所定の電圧Vrefaを上回るタイミングが、ターンオフ動作時の遅延に対応した時間だけ遅延される。よって、補正出力信号AOの反転信号であるプリドライブ信号VPDの、ターンオン動作に対応した変化は、ターンオフ動作時の遅延に対応した時間だけ遅延される。これにより、補正出力信号AOは、ターンオフ動作時の遅延のずれに対応して補正される。よって、ターンオフ動作時の遅延のずれに対応して、ターンオン動作時の遅延時間が補正される。
次に、遅延時間補正回路602(図5)の動作について、タイムチャート(図6)に沿って、以下に説明する。遅延時間補正回路602の動作においては、下記の期間(a)〜(f)が順に繰り返される。
期間(a)は、入力信号INがハイかつゲート電圧VGがハイの期間、すなわち定常オン状態の期間である。ゲート電圧VGがハイであるため補正信号ASはローである。このためNMOS413はオフ状態にある。また、入力信号INの反転信号がローであるため、NMOS415もオフ状態にある。これにより、容量403の端子電圧AIは、直前のターンオン動作時に容量403が充電された際の値を維持している。よって、補正出力信号AOの反転信号はローである。よって補正信号BSはローである。よってNMOS413bはオフ状態にある。また、入力信号INがハイであるため、NMOS415bはオン状態にある。これにより、容量403bは、定電流源411bにより放電された状態を維持している。言い換えれば、容量403bの端子電圧BIは、ゼロに維持されている。
期間(b)は、入力信号INが立ち下がってから、端子電圧AIが所定の電圧Vrefaに到達するまでの、時間td1’にわたる期間である。入力信号INの立ち下がりに同期して、NMOS415はオン状態となる。これにより容量403の放電が開始される。その結果、容量403の端子電圧AIは、下降し始めて、やがて所定の電圧Vrefaに到達する。なお入力信号INの立ち下がりに同期してNMOS415bはオフ状態となる。
期間(c)は、端子電圧AIが所定の電圧Vrefaを下回ってから、ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgを下回るまでの期間である。端子電圧AIが所定の電圧Vrefaを下回ると、コンパレータ401からの補正出力信号AOがローとなる。これにより、プリドライブ信号VPDがハイとなり、また補正信号BSがハイとなる。プリドライブ信号VPDがハイとなることで、駆動部500(図2)からのゲート電圧VGが下降し始める。補正信号BSがハイとなることで、NMOS413bがオン状態となり、よって容量403bが充電され始める。その結果、容量403bの端子電圧BIは、上昇し始めて、やがて所定の電圧Vrefbに達する。この時点までが、期間(c)の前半部分であり、それに要する時間を時間td2’と定義する。その後、ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgを下回ると、過渡変化検知信号GTMがローとなる。これにより過渡変化検知信号GTMの反転信号がハイとなるので、補正信号BSがローとなる。これによりNMOS413bがオフ状態となるので、容量403bの充電が停止する。この時点までが、期間(c)の後半部分であり、それに要する時間を時間td3’と定義する。
期間(d)は、入力信号INがローかつゲート電圧VGがローの期間、すなわち定常オフ状態の期間である。期間(d)においては、端子電圧BIは、期間(c)にて充電された容量403bの電圧に維持される。また端子電圧AIは、放電された状態に維持される。
期間(e)は、入力信号INが立ち上がってから、端子電圧AIが所定の電圧Vrefaに到達するまでの期間である。入力信号INの立ち上がりに同期して、NMOS415はオフ状態となり、NMOS415bはオン状態となる。NMOS415bがオン状態となることで、容量403bの放電が開始される。その結果、容量403bの端子電圧BIは、下降し始めて、やがて所定の電圧Vrefbに到達する。この時点までが、期間(e)の前半部分であり、それに要する時間を時間td4’と定義する。端子電圧BIが所定の電圧Vrefbを下回ると、コンパレータ401bからの補正出力信号BOの反転信号がハイとなる。これにより補正信号ASがハイとなる。よってNMOS413がオン状態となる。よって容量403が充電され始める。その結果、容量403の端子電圧AIが上昇し始めて、やがて所定の電圧Vrefaに到達する。この時点までが、期間(e)の後半部分であり、それに要する時間を時間td5’と定義する。
期間(f)は、端子電圧AIが所定の電圧Vrefaを上回ってから、ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgを上回るまでの、時間td6’にわたる期間である。端子電圧AIが所定の電圧Vrefaを上回ると、コンパレータ401からの補正出力信号AOがハイとなる。これにより、プリドライブ信号VPDがローとなる。よって、駆動部500(図2)からのゲート電圧VGが上昇し始める。ゲート電圧VGが所定の電圧Vrefgを上回ると、過渡変化検知信号GTMがハイとなる。これにより補正信号ASがローとなる。よってNMOS413がオフ状態となる。よって容量403の充電が停止する。
期間(f)の経過により、入力信号INがハイかつゲート電圧VGがハイの状態、すなわち、定常オン状態、が再び得られる。言い換えれば、期間(a)が再び開始される。このようにして期間(a)〜(f)が繰り返される。
ターンオン動作時の遅延時間は、期間(e)および期間(f)の総時間、すなわちtd4’+td5’+td6’、である。ターンオフ動作時の遅延時間は、期間(b)および期間(c)の総時間、すなわちtd1’+td2’+td3’である。容量403bの充電速度および放電速度を同等に設定することで、時間td3’と時間td4’とが同等となる。また容量403bの充電速度および放電速度を同等に設定することで、時間td1’と時間td6’とが概ね同等となる。ここで、図6に示されているように、端子電圧AIは、通常、周期的に同一の最大電圧を取り、その場合、時間td1’と時間td6’とが同等となる。よって、ターンオン動作の遅延時間とターンオフ動作の遅延時間との差異は、時間td2’と時間td5’との差分である。よって、時間td2’と時間td5’とを同等とすることで、ターンオン動作の遅延時間とターンオフ動作の遅延時間とを同等とする補正が可能となる。なお時間td2’と時間td5’とを同等とするためには、端子電圧BIが所定の電圧Vrefbに達するのに要する容量403bの充電時間と、端子電圧AIが所定の電圧Vrefaに達するのに要する容量403の充電時間とが同じになるようにすればよい。そのためには、たとえば、容量403および容量403bを同等とし、かつ、定電流源409および定電流源409bを同等とすればよい。
<実施の形態3>
図7は、本実施の形態における遅延時間補正回路603の実施例を示す回路図である。本実施の形態においては、遅延時間補正回路603は、遅延時間補正回路602(図5)における遅延出力部4および内部出力部6のそれぞれに代わり、遅延出力部4cおよび内部出力部6cを有している。遅延出力部4cおよび内部出力部6cのそれぞれは、遅延出力部4および内部出力部6にクランプ回路が付されたものである。以下、具体的な構成について説明する。
遅延出力部4は、コンパレータ401の+入力端子にクランプ回路417を有している。内部出力部6cは、コンパレータ401bの+入力端子にクランプ回路417bを有している。クランプ回路417および417bのそれぞれにより、放電時の端子電圧AIおよび端子電圧BIは所定のクランプ電圧にクランプされる。クランプ回路417のクランプ電圧は、所定の電圧Vrefaより小さく設定され、かつ、容量充電時に端子電圧AIが上昇することで所定の電圧Vrefaを上回るまでの遅延が小さくなるように設定される。よって、容量403の電圧の下限値は、所定の電圧Vrefaと電圧ゼロとの間の値にクランプされる。言い換えれば、容量403の電圧の下限値は、電圧ゼロよりも大きく、所定の電圧Vrefaよりも小さい。具体的には、この下限値が、所定の電圧Vrefaに対して、誤動作が生じない程度に若干小さくされればよい。同様に、クランプ回路417bのクランプ電圧は、所定の電圧Vrefbより小さく設定され、かつ、容量充電時に端子電圧BIが上昇することで所定の電圧Vrefbを上回るまでの遅延が小さくなるように設定される。
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態2の実施例の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、放電時の端子電圧AIおよび端子電圧BIがクランプされる。これにより、容量充電時に端子電圧AIおよび端子電圧BIが上昇することで所定の電圧VrefaおよびVrefbを上回るまでの遅延を短縮することができる。つまり、図6における期間(c)において、端子電圧BIが下限値から所定の電圧Vrefbまで上昇するのに要する時間td2’を短縮することができる。また、期間(e)において、端子電圧AIが下限値から所定の電圧Vrefaまで上昇するのに要する時間td5’を短縮することができる。よって、ターンオン動作およびターンオフ動作の遅延時間の総和を短縮することができる。またこれら遅延時間の差異を抑制することができる。
<実施の形態4>
図8は、本実施の形態における遅延時間補正回路604の実施例を示す回路図である。本実施の形態においては、遅延時間補正回路604は、過渡変化検知部2(図5)に代わり、過渡変化検知部2sを有している。
過渡変化検知部2sは、過渡変化検知部2と同様に、IGBT101(図2)に対する測定値と、測定しきい値との比較によって過渡変化を検知する。ただし過渡変化検知部2sにおいては、検知される過渡変化がターンオン動作およびターンオフ動作のいずれのものであるかに応じて、測定しきい値として、異なる値が用いられる。この目的で、過渡変化検知部2sは、過渡変化検知部2の定電圧源202に代わり、定電圧源203および204と、そのいずれが用いられるかを選択するためのスイッチ205とを有している。
定電圧源203および204のそれぞれは、所定の電圧Vrefgrおよび所定の電圧Vrefgfを発生する。電圧Vrefgrは、ゲート電圧VGを参照してターンオン動作の過渡変化の完了を判定する際のしきい値として用いられる。電圧Vrefgfは、ゲート電圧VGを参照してターンオフ動作の過渡変化の完了を判定する際のしきい値として用いられる。よって、ターンオン動作時には定電圧源203が用いられ、ターンオフ動作時には定電圧源204が用いられるように、スイッチ205が制御される。この制御は、スイッチ205が補正出力信号AOを参照することによって行い得る。具体的には、スイッチ205はコンパレータ201の−入力端子を、補正出力信号AOがハイのときに定電圧源203に接続し、補正出力信号AOがローのときに定電圧源204に接続する。
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態2の実施例の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、ゲート電圧VGを参照して過渡変化の完了を判定する際のしきい値を、ターンオン動作およびターンオフ動作について個別に設定することができる。これにより、遅延時間の補正をより精度よく行うことができる。たとえば、ターンオフ動作時の所定の電圧Vrefgfが相対的に高めに設定される。これにより、ターンオフ動作時のテイル電圧の影響を抑制することができる。
<実施の形態5>
上述した実施の形態1〜4によれば、IGBT101(図1)の過渡変化期間の変動に起因しての、入力信号INの信号幅に対するIGBT101からの出力の信号幅のずれが、スイッチング毎に補正される。この補正に付随して、入力信号INに対するプリドライブ信号VPDの遅延時間が変動し得る。すなわち、信号幅の精度は確保されるものの、信号の全体的な遅延時間が変動し得る。すなわち、入力信号INの波形がプリドライブ信号VPDの波形に高精度で反映されるものの、入力信号IPとプリドライブ信号VPDとの間の位相差が変動し得る。このような変動は、用途によっては許容されない場合がある。そこで、本実施の形態においては、入力信号INの変化がプリドライブ信号VPDの変化として伝達されるまでの遅延時間を一定にするための構成が設けられる。
図9は、本実施の形態における遅延時間補正回路605の構成を概略的に示すブロック図である。遅延時間補正回路605は、遅延時間補正回路602(図4:実施の形態2)の構成に加えて、入出力遅延調整部510を有している。本実施の形態においては、入力信号INが、入出力遅延調整部510によって調整されてから用いられる。この調整は、入力信号INのハイおよびローの各々の期間をパルス毎に補正するものではなく、入力信号INに対して、設定された時間だけ単純な遅延を与えるものである。この設定時間を変更することにより、入力信号INに対するプリドライブ信号VPDの遅延時間を調整することができる。
入出力遅延調整部510は、遅延出力部4によって遅延された時間に応じて、入力信号INに対する出力信号の遅延を調整する。遅延時間の調整は、たとえば、端子電圧AIおよび端子電圧BI(図6)の少なくともいずれかをモニタすることにより行い得る。端子電圧AIをモニタすることで、入力信号INのローへの変化がプリドライブ信号VPDのハイへの変化へと伝達されるのに要する遅延時間(時間td1’)を把握し得る。また端子電圧BIをモニタすることで、入力信号INのハイへの変化がプリドライブ信号VPDのローへの変化へと伝達される遅延時間(時間td4’+td5’)を把握し得る。入出力遅延調整部510は、上記のように把握された遅延時間と所望の遅延時間との間の差異を小さくするように、入力信号INに対して遅延を与える。これにより遅延時間をほぼ一定とすることができる。
<実施の形態6>
上述した遅延時間補正回路601〜605のいずれかが集積化されたICにおいて、何かしらの保護動作が必要とされる場合がある。たとえば、電源電圧の立ち上がり時、または、電源電圧の異常低下時に、このような保護が必要とされる。適切な保護動作を欠くと誤作動が生じることある。たとえば遅延時間補正回路602(図5)において、電源電圧立ち上がり時には、入力信号INがローの場合、NMOS413bおよび415bの入力が両方ともローとなるので、端子電圧BIの端子はハイインピーダンスである。よって端子電圧BIが不定となるため、誤動作が生じる可能性がある。端子電圧AIの端子にも同様の状況が生じ得る。これに対応するには、保護動作により、端子電圧AIおよび端子電圧BIを所定の初期状態に戻すことが好ましい。本実施の形態においては、そのための構成が設けられる。
図10は、本実施の形態における遅延時間補正回路606の実施例を示す回路図である。遅延時間補正回路606は、遅延時間補正回路602(図4:実施の形態2)の構成に加えて、保護回路520および初期化回路530を有している。
保護回路520は、遅延時間補正回路606のICを保護するためのものであり、当該IC内に設けられることが好ましい。保護回路520は、保護動作時に保護信号FOを発する。具体的には、保護信号FOが所定の期間ハイとされる。保護回路520は、たとえば、電源電圧立ち上がり保護回路、または、電源電圧低下保護回路などである。
補正信号生成部3は、前述したように、ターンオン動作時に補正信号ASを生成し、ターンオフ動作時に補正信号BSを生成する。本実施の形態においては、さらに、保護信号FOがハイのときに補正信号ASおよびBSをローとする。この目的で、補正信号制御部5が有するラッチ回路301および302の各々のR信号端子に保護信号FOが入力される。
初期化回路530は、保護信号FOを受け、遅延出力部4および内部出力部6を所定の初期状態とする信号を生成する回路である。OR回路531およびOR回路531bのそれぞれは、入力信号INまたはその反転信号と、保護信号FOとの論理和を、NMOS415およびNMOS415bのゲートへ出力する。よって保護信号FOがハイのときは、NMOS415およびNMOS415bはオン状態とされる。これにより、端子電圧AIおよび端子電圧BIが所定の状態とされ、特に本例においてはローとされる。なお変形例として、同様の構成が遅延時間補正回路603に適用された場合、端子電圧AIおよび端子電圧BIは、所定の電圧にクランプされる。
以上の構成により、保護回路520は、容量403の電圧を所定の電圧とする保護動作を行うことができる。
また遅延時間補正回路606においては、遅延時間補正回路601〜605と異なり、補正信号ASとして、補正信号制御部5のラッチ回路301からの補正信号ASiがそのままは用いられず、補正信号ASiと入力信号INとの論理積が用いられる。そのためにAND回路533が設けられる。よって、入力信号INがハイかつ補正信号ASiがハイのときのみ、補正信号ASはハイとなる。また、補正信号BSとして、補正信号制御部5のラッチ回路302からの補正信号BSiがそのままは用いられず、補正信号BSiと入力信号INの反転信号との論理積が用いられる。そのためにAND回路533bが設けられる。入力信号INがローかつ補正信号BSiがハイのときのみ、補正信号BSはハイとなる。
AND回路533が設けられることで、保護動作によって遅延時間補正回路606が初期状態とされた後に、NMOS413およびNMOS415が同時にオン状態となることに起因した短絡が発生することが防止される。このことについて、以下に説明する。
保護動作によって設定される端子電圧AIおよび端子電圧BIのそれぞれの所定の初期状態は、所定の電圧Vrefaおよび所定の電圧Vrefbよりも低い状態であることが好ましい。この場合、補正出力信号BOはローとなる。このため、保護動作が解除された直後、すなわち保護信号FOがローとなった直後、過渡変化検知信号GTMがローであると、補正信号ASiはハイとなる。仮にこの補正信号ASiがそのままNMOS413のゲートに入力されると、NMOS413はオン状態となる。このとき、入力信号INがローであれば、NMOS415もオン状態となるので、短絡が生じる。本実施の形態によれば、NMOS413のゲートに入力される補正信号ASは、補正信号ASiと入力信号INとの論理積である。このため、入力信号INがローであれば、補正信号ASはローとなる。これにより、上述した短絡を防止することができる。同様に、NMOS413bおよびNMOS415bが同時にオン状態となることに起因した短絡が、AND回路533bによって防止される。
特に保護回路520が電源電圧低下保護回路である場合、保護回路520による保護動作は、遅延時間補正回路606に供給される電源電圧VCCが電源電圧しきい値を下回った場合に行われる。この場合、容量403が充電されることにより生じる端子電圧AIの最大値は、電源電圧しきい値よりも低く設定されることが好ましい。仮に電源電圧VCCが端子電圧AI未満に低下したとすると、寄生素子などの予期せぬ経路に電流が流れることで、ラッチアップなどの誤動作が生じることがある。端子電圧AIの充電電圧を電源電圧低下保護しきい値よりも低く設定することで、電源電圧VCCが端子電圧AIよりも低くなる前に、保護動作による初期化が実施される。これにより、上述したような誤動作を防止することができる。なお、端子電圧BIの最大値も、同様の理由で、電源電圧しきい値よりも低く設定されることが好ましい。
<実施の形態7>
図11は、本実施の形態におけるインバータ装置907(半導体装置)の構成を概略的に示すブロック図である。インバータ装置901は、並列接続されたIGBT101mおよび101n(半導体スイッチング素子)と、それらを駆動するための半導体デバイス駆動回路807とを有している。
半導体デバイス駆動回路807は、共通の入力信号INに基づいて、IGBT101mへのゲート信号VGmと、IGBT101nへのゲート信号VGnとを、個別に生成するものである。半導体デバイス駆動回路807は、駆動回路部800mおよび800nを有している。駆動回路部800mおよび駆動回路部800nの各々は、半導体デバイス駆動回路801(図1)と同様の構成を有している。なお半導体デバイス駆動回路801に含まれる遅延時間補正回路601に代わり、遅延時間補正回路602〜606のいずれかが用いられてもよい。
駆動回路部800mへの入力信号INの経路と、駆動回路部800nへの入力信号INの経路とは、互いに短絡されていてよい。これにより、半導体デバイス駆動回路807の1つの端子から、駆動回路部800mおよび駆動回路部800nの両方へ入力信号INを供給することができる。
駆動回路部800mおよび駆動回路部800nは、IGBT101mおよびIGBT101nに個別に接続されている。これにより、駆動回路部800mによって生成されたゲート信号VGは、ゲート信号VGmとしてIGBT101mへ出力される。また、駆動回路部800nによって生成されたゲート信号VGは、ゲート信号VGnとしてIGBT101nへ出力される。
本実施の形態によれば、ゲート信号VGmおよびゲート信号VGnの遅延時間のずれが個別に補正される。よって、IGBT101mおよびIGBT101nの過渡変化に相違があっても、高い精度での補正が可能である。
なお上記においては、並列接続される半導体スイッチング素子が2つのIGBT101mおよびIGBT101nである場合について説明したが、半導体スイッチング素子の数は任意である。半導体スイッチング素子の数に対応して、駆動回路部の数が決定され得る。
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、省略したりすることが可能である。
AI,BI 端子電圧、AO,BO 補正出力信号、AS,BS,ASi,BSi 補正信号、FO 保護信号、IN 入力信号、VG,VGm,VGn ゲート信号(ゲート電圧,駆動信号)、GTM 過渡変化検知信号、VPD プリドライブ信号、2,2s 過渡変化検知部、3 補正信号生成部、4,4c 遅延出力部、5 補正信号制御部、6,6c 内部出力部、101,101m,101n IGBT(半導体スイッチング素子)、500 駆動部、510 入出力遅延調整部、520 保護回路、530 初期化回路、601〜606 遅延時間補正回路、800m,800n 駆動回路部、801,807 半導体デバイス駆動回路、901,907 インバータ装置(半導体装置)。

Claims (16)

  1. 外部からの入力信号を遅延させることによって、半導体スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動部へのプリドライブ信号を生成する遅延時間補正回路であって、
    前記半導体スイッチング素子のターンオン動作およびターンオフ動作のうちの一方の動作の過渡変化を検知する過渡変化検知部と、
    前記過渡変化検知部によって検知された過渡変化と前記入力信号とに基づいて補正信号を生成する補正信号生成部と、
    前記補正信号を用いて前記入力信号を遅延させることにより、前記プリドライブ信号に対応する出力信号を生成する遅延出力部と、
    を備え、
    前記遅延出力部において、ターンオン動作およびターンオフ動作のうち前記一方の動作と異なる他方の動作を指示する前記出力信号は、直前に行われた前記一方の動作の過渡変化の期間の長さに応じて前記入力信号から遅延される、遅延時間補正回路。
  2. 前記過渡変化検知部は、前記半導体スイッチング素子の過渡変化を、前記半導体スイッチング素子に加わっているゲート電圧の変化に基づいて検知する、請求項1に記載の遅延時間補正回路。
  3. 前記過渡変化検知部は、前記半導体スイッチング素子の過渡変化を、前記半導体スイッチング素子の主端子間の電圧の変化に基づいて検知する、請求項1に記載の遅延時間補正回路。
  4. 前記過渡変化検知部は、前記半導体スイッチング素子の過渡変化を、前記半導体スイッチング素子の主端子間の電流の変化に基づいて検知する、請求項1に記載の遅延時間補正回路。
  5. 前記一方の動作はターンオン動作である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の遅延時間補正回路。
  6. 前記一方の動作はターンオフ動作である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の遅延時間補正回路。
  7. 前記過渡変化検知部は、前記半導体スイッチング素子のターンオン動作およびターンオフ動作のうちの前記他方の動作の過渡変化も検知し、
    前記遅延出力部において、ターンオン動作およびターンオフ動作のうち前記一方の動作を指示する前記出力信号は、直前に行われた前記他方の動作の過渡変化の期間の長さに応じて前記入力信号から遅延される、
    請求項1から6のいずれか1項に記載の遅延時間補正回路。
  8. 前記遅延出力部は、前記半導体スイッチング素子の過渡変化の期間に応じて充電される容量を有しており、前記容量の電圧値と、所定の容量電圧しきい値との比較によって前記出力信号が決定され、
    前記容量の電圧の下限値は、前記容量電圧しきい値と電圧ゼロとの間の値にクランプされる、
    請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の遅延時間補正回路。
  9. 前記過渡変化検知部は、前記半導体スイッチング素子に対する測定値と、測定しきい値との比較によって過渡変化を検知し、
    検知される過渡変化がターンオン動作およびターンオフ動作のいずれのものであるかに応じて、前記測定しきい値として、異なる値が用いられる、
    請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の遅延時間補正回路。
  10. 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の遅延時間補正回路と、前記駆動部とを備える、半導体デバイス駆動回路。
  11. 前記遅延出力部によって遅延された時間に応じて、前記入力信号に対する前記出力信号の遅延を調整する入出力遅延調整部をさらに備える、請求項10に記載の半導体デバイス駆動回路。
  12. 前記遅延出力部は、前記半導体スイッチング素子の過渡変化の期間に応じて充電される容量を有しており、
    前記半導体デバイス駆動回路は、前記容量の電圧を所定の電圧とする保護動作を行うことができる保護回路をさらに備える、
    請求項10または請求項11に記載の半導体デバイス駆動回路。
  13. 前記保護回路による保護動作は、前記遅延時間補正回路に供給される電源の電圧が電源電圧しきい値を下回った場合に行われ、
    前記遅延出力部の前記容量が充電されることにより生じる電圧の最大値は、前記電源電圧しきい値よりも低くされる、
    請求項12に記載の半導体デバイス駆動回路。
  14. 請求項10から請求項13のいずれか1項に記載の半導体デバイス駆動回路と、前記半導体スイッチング素子とを備える、半導体装置。
  15. 前記半導体スイッチング素子は、炭化珪素からなる部分を含む、請求項14に記載の半導体装置。
  16. 並列接続された複数の半導体スイッチング素子を駆動する半導体デバイス駆動回路であって、
    前記複数の半導体スイッチング素子に個別に接続される複数の駆動回路部を備え、
    前記複数の駆動回路部の各々は、駆動信号を生成する駆動部と、外部からの入力信号を遅延させることによって前記駆動部へのプリドライブ信号を生成する遅延時間補正回路とを含み、
    前記遅延時間補正回路は、前記半導体スイッチング素子のターンオン動作およびターンオフ動作のうちの一方の動作の過渡変化を検知する過渡変化検知部と、前記過渡変化検知部によって検知された過渡変化と前記入力信号とに基づいて補正信号を生成する補正信号生成部と、前記補正信号を用いて前記入力信号を遅延させることにより、前記プリドライブ信号に対応する出力信号を生成する遅延出力部と、を含み、
    前記遅延出力部において、ターンオン動作およびターンオフ動作のうち前記一方の動作と異なる他方の動作を指示する前記出力信号は、直前に行われた前記一方の動作の過渡変化の期間の長さに応じて前記入力信号から遅延される、
    半導体デバイス駆動回路。
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