JP2023166747A - Semiconductor device and power conversion device - Google Patents

Semiconductor device and power conversion device Download PDF

Info

Publication number
JP2023166747A
JP2023166747A JP2022077488A JP2022077488A JP2023166747A JP 2023166747 A JP2023166747 A JP 2023166747A JP 2022077488 A JP2022077488 A JP 2022077488A JP 2022077488 A JP2022077488 A JP 2022077488A JP 2023166747 A JP2023166747 A JP 2023166747A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
stage
gate
switching element
drive circuit
elements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022077488A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
和樹 谷
Kazuki Tani
賢志 原
Kenji Hara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Original Assignee
Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Power Semiconductor Device Ltd filed Critical Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Priority to JP2022077488A priority Critical patent/JP2023166747A/en
Publication of JP2023166747A publication Critical patent/JP2023166747A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

To provide a semiconductor device constituted by connecting a plurality of power transistors in series which can reduce conduction loss in reverse conduction operation, and a power conversion device using the same.SOLUTION: A signal independent from a gate drive circuit of a first gate drive circuit 3 is input to a drive circuit 5 from a second gate drive circuit 4, when a switching element QN1 of a first stage is in an off state and is reverse conduction operated, switching elements QN2 and QN3 of second and subsequent stages are controlled to be in on states.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体装置および電力変換装置に関し、特に、複数の低圧素子を直列接続して構成する高圧素子に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a power conversion device, and particularly relates to a technique that is effective when applied to a high voltage element configured by connecting a plurality of low voltage elements in series.

パワー半導体デバイスの開発では、高い耐圧を備えつつ、オン抵抗が低く、スイッチング損失が小さいデバイスを実現することが重要な課題である。 In the development of power semiconductor devices, it is important to realize devices with high breakdown voltage, low on-resistance, and low switching loss.

通常、パワートランジスタはボディ領域とドレイン領域との間に配置されたドリフト領域を持つ。ドリフト領域のドーピング濃度はドレイン領域よりも低い。 Typically, a power transistor has a drift region located between a body region and a drain region. The doping concentration of the drift region is lower than that of the drain region.

従来のパワートランジスタのオン抵抗は、電流が流れる方向のドリフト領域の長さとドリフト領域のドーピング濃度に依存し、ドリフト領域の長さを短くするか、もしくはドリフト領域のドーピング濃度を高くするとオン抵抗が低下する。 The on-resistance of a conventional power transistor depends on the length of the drift region in the direction of current flow and the doping concentration of the drift region.If the length of the drift region is shortened or the doping concentration of the drift region is increased, the on-resistance increases. descend.

しかしながら、ドリフト領域の長さを短くするか、もしくはドリフト領域のドーピング濃度を高くすると、デバイスの耐圧が低下するという問題がある。 However, if the length of the drift region is shortened or the doping concentration of the drift region is increased, there is a problem that the breakdown voltage of the device decreases.

所定の耐圧を持つパワートランジスタのオン抵抗を低減する方法として、ドリフト領域に相補的にドーピングされた補償領域を設ける技術や、ドリフト領域から誘電体で絶縁され、例えばトランジスタのゲートまたはソース端子に接続されるフィールドプレートをドリフト領域に設ける技術等が良く知られている。 As a method to reduce the on-resistance of a power transistor with a given withstand voltage, there is a technique of providing a complementary doped compensation region in the drift region, or a compensation region that is insulated from the drift region with a dielectric material and connected to, for example, the gate or source terminal of the transistor. Techniques for providing field plates in the drift region are well known.

これらのタイプのパワートランジスタでは、補償ゾーンまたはフィールドプレートは、デバイスがオフ状態の時は空乏化によりドリフト領域のドーピング電荷を部分的に保障するため、ドリフト領域への高濃度なドーピングが可能になり、耐圧を低下させることなくオン抵抗の低減が可能である。 In these types of power transistors, the compensation zone or field plate partially guarantees the doping charge in the drift region by depletion when the device is in the off-state, thus allowing heavy doping of the drift region. , on-resistance can be reduced without reducing breakdown voltage.

但し、これらのデバイスの出力容量は大きくなる傾向にある。 However, the output capacitance of these devices tends to increase.

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。 As background technology in this technical field, there is a technology such as that disclosed in Patent Document 1, for example.

特許文献1には、複数のパワートランジスタをカスコード接続で自律的に制御することによって耐圧を向上するとともに出力容量を小さくできる半導体素子が開示されている。 Patent Document 1 discloses a semiconductor element that can improve breakdown voltage and reduce output capacitance by autonomously controlling a plurality of power transistors in a cascode connection.

特許文献1の技術は、耐圧向上、オン抵抗の低減、スイッチング損失の低減といったパワートランジスタの性能面でのメリットのみならず、カスコードの接続段数により耐圧を変化することができるという設計容易化のメリットもある。 The technology disclosed in Patent Document 1 not only has advantages in terms of power transistor performance such as improved breakdown voltage, reduced on-resistance, and reduced switching loss, but also has the advantage of ease of design in that the breakdown voltage can be changed depending on the number of cascode connection stages. There is also.

米国特許出願公開第2012/0175635号明細書US Patent Application Publication No. 2012/0175635

しかしながら、上記特許文献1で開示されている技術は、ゲート電極を1つ前の段のソース電極と接続するカスコード接続を用いているために、次のような課題を有する。 However, since the technique disclosed in Patent Document 1 uses a cascode connection in which the gate electrode is connected to the source electrode of the previous stage, it has the following problems.

(課題1)2段目以降のパワートランジスタはゲート電圧が0Vで導通するノーマリオン型のパワートランジスタを用いる必要があるため、パワートランジスタの設計や製造プロセスの自由度が低くなる。また、パワートランジスタをオン(導通)するとき、ゲート-ソース間電圧を0V以上にできないため、チャネル抵抗を十分に小さくできないという問題がある。また、還流動作時にパワートランジスタを逆導通するとき、ゲート-ソース間電圧は0Vに近いため、チャネル抵抗を十分に小さくできないという問題がある。 (Problem 1) Since it is necessary to use normally-on type power transistors that are conductive when the gate voltage is 0V for the power transistors in the second and subsequent stages, the degree of freedom in the design and manufacturing process of the power transistors is reduced. Furthermore, when the power transistor is turned on (conducted), the voltage between the gate and the source cannot be made higher than 0V, so there is a problem that the channel resistance cannot be made sufficiently small. Furthermore, when the power transistor is reversely conductive during freewheeling operation, the gate-source voltage is close to 0V, so there is a problem that the channel resistance cannot be made sufficiently small.

(課題2)特許文献1では、2段目以降のパワートランジスタの耐圧はゲート酸化膜の耐圧で制限され、個別のパワートランジスタの耐圧は通常20V程度に制限される。また、高い耐圧を得るためにはカスコード接続の段数を増やす必要があるが、段数が増加するにつれてパワートランジスタのチャネルやパワートランジスタ同士を接続するコンタクトの直列数が増加し、寄生抵抗が大きくなるという問題がある。 (Problem 2) In Patent Document 1, the breakdown voltage of the second and subsequent power transistors is limited by the breakdown voltage of the gate oxide film, and the breakdown voltage of each individual power transistor is usually limited to about 20V. In addition, in order to obtain high withstand voltage, it is necessary to increase the number of cascode connection stages, but as the number of stages increases, the number of power transistor channels and the number of series contacts that connect power transistors increases, and parasitic resistance increases. There's a problem.

(課題3)複数のパワートランジスタを直列接続して構成するため、信頼性が低下する。例えば、特許文献1では、直列接続されたパワートランジスタのうち、1つでもパワートランジスタのソース-ドレイン間が破壊された場合、当該破壊されたパワートランジスタの次段以降のパワートランジスタは全てオフすることができなくなるため、耐圧が著しく低下するという問題がある。 (Problem 3) Reliability decreases because a plurality of power transistors are connected in series. For example, in Patent Document 1, if even one of the power transistors connected in series is destroyed between its source and drain, all power transistors in the next stage after the destroyed power transistor are turned off. As a result, there is a problem in that the withstand voltage is significantly lowered.

そのため、上記の課題1に対して、直列接続された複数のパワートランジスタのうち2段目以降のパワートランジスタがノーマリオフ型でも初段のパワートランジスタに連動して自律的に制御可能な回路構成、すなわち初段のパワートランジスタがオンの時に2段目以降のパワートランジスタに正のゲート-ソース間電圧を印加できる回路構成を有する半導体装置の実現が望まれる。また、逆導通動作時の導通損失を低減するために、逆導通動作時は2段目以降のパワートランジスタに常に正のゲート-ソース間電圧を印加できる回路構成を有する半導体装置の実現が望まれる。 Therefore, in response to problem 1 above, even if the power transistors in the second and subsequent stages of a plurality of power transistors connected in series are normally-off types, the circuit configuration is such that the power transistors in the first stage can be autonomously controlled in conjunction with the power transistors in the first stage. It is desired to realize a semiconductor device having a circuit configuration that can apply a positive gate-source voltage to the power transistors in the second and subsequent stages when the power transistors in the second and subsequent stages are on. Furthermore, in order to reduce conduction loss during reverse conduction operation, it is desired to realize a semiconductor device having a circuit configuration that can always apply a positive gate-source voltage to the power transistors in the second and subsequent stages during reverse conduction operation. .

また、上記の課題2に対して、2段目以降のパワートランジスタの耐圧がゲート酸化膜の耐圧で制限されない半導体装置の実現が望まれる。また、パワートランジスタの持つ抵抗成分の内、チャネル抵抗やコンタクト抵抗等の寄生抵抗の比率を適正に設計し、ある目標耐圧に対して、直列接続の2段目以降のパワートランジスタの直列接続の段数を自由に設計できることが重要である。 Furthermore, in response to the above problem 2, it is desired to realize a semiconductor device in which the breakdown voltage of the power transistors in the second and subsequent stages is not limited by the breakdown voltage of the gate oxide film. In addition, among the resistance components of power transistors, the ratio of parasitic resistances such as channel resistance and contact resistance is appropriately designed, and the number of series-connected power transistors from the second stage onwards for a certain target breakdown voltage. It is important to be able to design freely.

さらに、上記の課題3に対して、直列接続された複数のパワートランジスタのうち一部のパワートランジスタがソース-ドレイン間耐圧不良(ショート)になってもその他のパワートランジスタをオフすることができ、直列接続された一連のパワートランジスタ全体としての耐圧が著しく低下しない半導体装置の実現が望まれる。 Furthermore, in response to the above problem 3, even if some of the power transistors connected in series have a source-drain breakdown voltage failure (short circuit), the other power transistors can be turned off. It is desired to realize a semiconductor device in which the withstand voltage of a series of power transistors connected in series does not drop significantly as a whole.

そこで、本発明の目的は、複数のパワートランジスタを直列接続して構成する半導体装置であって、個々のパワートランジスタにノーマリオフ型のパワートランジスタを用いることができ、なおかつ、逆導通動作時には常に2段目以降のパワートランジスタのゲートに正のゲート-ソース間電圧を印加して逆導通動作時の導通損失を低減することができ、一部のパワートランジスタのソース-ドレイン間が耐圧不良になった場合であっても半導体装置全体として著しく耐圧が低下しない、信頼性の高い半導体装置と、それを用いた電力変換装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device configured by connecting a plurality of power transistors in series, which can use a normally-off type power transistor for each power transistor, and which always has two stages during reverse conduction operation. By applying a positive gate-source voltage to the gates of the power transistors after the first one, it is possible to reduce conduction loss during reverse conduction operation, and if some power transistors have a breakdown voltage failure between the source and drain. It is an object of the present invention to provide a highly reliable semiconductor device in which the withstand voltage of the semiconductor device as a whole does not drop significantly even when the semiconductor device is in the same state, and a power conversion device using the same.

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、例えば、多段に直列接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子を駆動するための駆動回路とを備えた半導体装置において、mを3以上の整数としたとき、前記多段に直列接続された複数のスイッチング素子は、互いに直列接続された1段目からm段目までのスイッチング素子を有し、前記駆動回路は、次段の前記スイッチング素子を駆動するための1段目からm-1段目までの複数の素子を有し、1段目の前記スイッチング素子のゲートには第1のゲート駆動回路から1段目の前記スイッチング素子のオンオフを制御するゲート駆動信号が入力され、前記駆動回路の1段目の前記素子には前記ゲート駆動信号からは独立した信号であって第2のゲート駆動回路から2段目以降の前記スイッチング素子を駆動するための信号が入力され、前記駆動回路は、1段目の前記スイッチング素子がオン状態のとき、2段目以降の前記スイッチング素子も連動してオン状態とし、1段目の前記スイッチング素子がオフ状態かつ電圧ブロッキング状態のとき、2段目以降の前記スイッチング素子も連動してオフ状態かつ電圧ブロッキング状態とし、1段目の前記スイッチング素子がオフ状態かつ逆導通動作中のとき、2段目以降の前記スイッチング素子をオン状態とするように、前記複数のスイッチング素子を制御することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a semiconductor device of the present invention includes, for example, a plurality of switching elements connected in series in multiple stages and a drive circuit for driving the plurality of switching elements. is an integer of 3 or more, the plurality of switching elements connected in series in multiple stages has switching elements from the first stage to the mth stage connected in series with each other, and the drive circuit is connected to the next stage. It has a plurality of elements from a first stage to an m-1 stage for driving the switching element, and a gate of the switching element in the first stage is connected to a first gate driving circuit to drive the switching element in the first stage. A gate drive signal that controls the on/off of an element is input to the element in the first stage of the drive circuit, and a signal independent from the gate drive signal is input to the element in the first stage of the drive circuit. A signal for driving a switching element is input, and when the switching element in the first stage is in an on state, the driving circuit also turns on the switching elements in the second stage and subsequent stages in conjunction with the switching element in the first stage. When the switching element is in the off state and in the voltage blocking state, the switching elements in the second and subsequent stages are also in the off state and in the voltage blocking state, and when the switching element in the first stage is in the off state and in reverse conduction operation. , the plurality of switching elements are controlled so that the switching elements in the second and subsequent stages are turned on.

また、本発明の電力変換装置は、上記した半導体装置をスイッチング素子として用いることを特徴とする。 Further, the power conversion device of the present invention is characterized in that the above-described semiconductor device is used as a switching element.

本発明によれば、複数のパワートランジスタを直列して構成する半導体装置であって、個々のパワートランジスタにノーマリオフ型のパワートランジスタを用いることができ、なおかつ、逆導通動作時には常に2段目以降のパワートランジスタのゲートに正のゲート-ソース間電圧を印加して逆導通動作時の導通損失を低減することができ、一部のパワートランジスタのソース-ドレイン間が耐圧不良になった場合であっても半導体装置全体として著しい耐圧が低下しない、信頼性の高い半導体装置と、それを用いた電力変換装置を実現することができる。 According to the present invention, there is provided a semiconductor device configured by connecting a plurality of power transistors in series, in which normally-off type power transistors can be used for each power transistor, and in addition, during reverse conduction operation, the semiconductor device is always connected to the second and subsequent stages. By applying a positive gate-source voltage to the gate of a power transistor, it is possible to reduce conduction loss during reverse conduction operation, even when the source-drain voltage of some power transistors is poor. Also, it is possible to realize a highly reliable semiconductor device in which the withstand voltage of the semiconductor device as a whole does not drop significantly, and a power conversion device using the same.

実施例1の半導体装置の構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 1. FIG. 実施例2の半導体装置の構成を示す回路図である。3 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 2. FIG. 実施例3の半導体装置の構成を示す回路図である。3 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 3. FIG. 実施例4の半導体装置の構成を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device according to a fourth embodiment. 実施例5の半導体装置の構成を示す回路図である。12 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 5. FIG. 実施例6の半導体装置の構成を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 6. 実施例7の半導体装置の構成を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 7.

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。各図、各実施例において、同一または類似の構成要素については同じ符号を付け、重複する説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure and each embodiment, the same or similar components are denoted by the same reference numerals, and overlapping explanations will be omitted.

図1は、実施例1の半導体装置の構成を示す回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 1.

図1に示すように、実施例1の半導体装置10は、多段に直列接続された複数のスイッチング素子QN1、QN2、QN3と、複数のスイッチング素子QN1、QN2、QN3を駆動するための駆動回路5とを備えている。また、半導体装置10は、ソース端子1と、ドレイン端子2とを有している。 As shown in FIG. 1, the semiconductor device 10 of the first embodiment includes a plurality of switching elements QN1, QN2, QN3 connected in series in multiple stages, and a drive circuit 5 for driving the plurality of switching elements QN1, QN2, QN3. It is equipped with Further, the semiconductor device 10 has a source terminal 1 and a drain terminal 2.

図1では、半導体装置10を構成するパワートランジスタ(複数のスイッチング素子QN1、QN2、QN3や駆動回路5に用いられる素子)としてMOSFETを用いた例を示しているが、多段に直列接続された複数のスイッチング素子QN1、QN2、QN3に用いられるパワートランジスタとしてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いてもよいし、窒化ガリウム(GaN)等の材料を用いたHEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)を用いても良い。なお、スイッチング素子QN1、QN2、QN3としてIGBTを用いる場合は、IGBTに対して逆並列に接続されたダイオードをさらに備える構成とすればよい。また、IGBTを用いる場合は、ソース端子1はエミッタ端子と読み替え、ドレイン端子2はコレクタ端子と読み替えればよい。 FIG. 1 shows an example in which MOSFETs are used as power transistors (elements used in the plurality of switching elements QN1, QN2, QN3 and the drive circuit 5) constituting the semiconductor device 10. An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) may be used as the power transistor used in the switching elements QN1, QN2, and QN3, or a HEMT (High Electron Mobility Transistor) using a material such as gallium nitride (GaN) may be used. transistor) may also be used. Note that when IGBTs are used as the switching elements QN1, QN2, and QN3, a configuration may further include a diode connected antiparallel to the IGBTs. Furthermore, when using an IGBT, the source terminal 1 may be read as an emitter terminal, and the drain terminal 2 may be read as a collector terminal.

半導体装置10は、第1のゲート駆動回路3と第2のゲート駆動回路4とに接続されている。ここでは、第1のゲート駆動回路3と第2のゲート駆動回路4とが半導体装置10の外部に設けられている場合を例にして説明しているが、これに限られず、半導体装置10が第1のゲート駆動回路3と第2のゲート駆動回路4とのうち一方または両方を内蔵して備えている構成としてもよい。 The semiconductor device 10 is connected to a first gate drive circuit 3 and a second gate drive circuit 4. Here, the case where the first gate drive circuit 3 and the second gate drive circuit 4 are provided outside the semiconductor device 10 is described as an example, but the present invention is not limited to this. A configuration may also be adopted in which one or both of the first gate drive circuit 3 and the second gate drive circuit 4 are built-in.

多段に直列接続された複数のスイッチング素子QN1、QN2、QN3として、図1では3段の例を示しているが、これに限られず、mを3以上の整数としたとき、互いに直列接続された1段目からm段目までのスイッチング素子を有する構成としてもよい。この場合、1段目のスイッチング素子QN1のソース(s、以下符号省略)にソース端子1が接続され、m段目のスイッチング素子QNm(m=3の場合はQN3)のドレイン(d、以下符号省略)にドレイン端子2が接続され、2段目以降のスイッチング素子のソースが前段のスイッチング素子のドレインに接続された構成とすればよい。直列数として、2段(m=2)とすることを妨げるものではないが、3段以上(m≧3)であった方が高耐圧化に適するため望ましい。 As for the plurality of switching elements QN1, QN2, and QN3 connected in series in multiple stages, an example of three stages is shown in FIG. It is also possible to have a configuration having switching elements from the first stage to the mth stage. In this case, the source terminal 1 is connected to the source (s, hereinafter the reference numeral is omitted) of the first-stage switching element QN1, and the drain (d, the following reference numeral is omitted) of the m-stage switching element QNm (QN3 when m=3). (omitted) may be connected to the drain terminal 2, and the sources of the switching elements in the second and subsequent stages may be connected to the drains of the switching elements in the previous stage. Although it is not prohibited to set the number of series in two stages (m=2), it is preferable to have three or more stages (m≧3) because it is suitable for increasing the withstand voltage.

複数のスイッチング素子QN1、QN2、QN3は、第1の導電型を有するトランジスタであり、実施例1では第1の導電型としてn型の例で説明する。 The plurality of switching elements QN1, QN2, and QN3 are transistors having a first conductivity type, and in Example 1, an example will be described in which the first conductivity type is n-type.

実施例1では、複数のスイッチング素子QN1、QN2、QN3のうち、少なくとも2段目以降のスイッチング素子QN2、QN3は、ノーマリオフ型のトランジスタを用いている。1段目のスイッチング素子QN1は、ノーマリオフ型、ノーマリオン型の何れでもよい。 In the first embodiment, among the plurality of switching elements QN1, QN2, and QN3, at least the second-stage and subsequent switching elements QN2 and QN3 use normally-off transistors. The first stage switching element QN1 may be either a normally-off type or a normally-on type.

駆動回路5は、次段のスイッチング素子QN2~QNmを駆動するための1段目からm-1段目までの複数の素子を有する。 The drive circuit 5 has a plurality of elements from the first stage to the m-1th stage for driving the next stage switching elements QN2 to QNm.

図1に示すように、実施例1の駆動回路5は、第2の導電型を有するノーマリオフ型のトランジスタAP1、AP2、BP1、BP2を有している。トランジスタAP1、BP1が1段目の素子を構成し、トランジスタAP2、BP2が2段目の素子を構成している。 As shown in FIG. 1, the drive circuit 5 of the first embodiment includes normally-off transistors AP1, AP2, BP1, and BP2 having a second conductivity type. Transistors AP1 and BP1 constitute a first stage element, and transistors AP2 and BP2 constitute a second stage element.

1段目のスイッチング素子QN1のゲート(g、以下符号省略)には、第1のゲート駆動回路3から1段目のスイッチング素子QN1のオンオフを制御するゲート駆動信号が入力される。 A gate drive signal for controlling on/off of the first-stage switching element QN1 is input from the first gate drive circuit 3 to the gate (g, hereinafter reference numeral is omitted) of the first-stage switching element QN1.

駆動回路5の1段目の素子AP1、BP1には、第1のゲート駆動回路3のゲート駆動信号からは独立した信号であって第2のゲート駆動回路4から2段目以降のスイッチング素子QN2、QN3を駆動するための信号が入力される。 The elements AP1 and BP1 in the first stage of the drive circuit 5 are supplied with a signal independent from the gate drive signal of the first gate drive circuit 3, and are supplied from the second gate drive circuit 4 to the switching elements QN2 in the second and subsequent stages. , QN3 are input.

そして、駆動回路5は、1段目のスイッチング素子QN1がオン状態のとき、2段目以降のスイッチング素子QN2、QN3も連動してオン状態とし、1段目のスイッチング素子QN1がオフ状態かつ電圧ブロッキング状態のとき、2段目以降のスイッチング素子QN2、QN3も連動してオフ状態かつ電圧ブロッキング状態とし、1段目のスイッチング素子QN1がオフ状態かつ逆導通動作中のとき、2段目以降のスイッチング素子QN2、QN3をオン状態とするように、複数のスイッチング素子QN2、QN3を制御する。 When the first-stage switching element QN1 is in the on-state, the drive circuit 5 also turns on the second-stage and subsequent switching elements QN2 and QN3, so that the first-stage switching element QN1 is in the off-state and the voltage When in the blocking state, the switching elements QN2 and QN3 in the second and subsequent stages are also in the off state and voltage blocking state, and when the first stage switching element QN1 is in the off state and in reverse conduction operation, the switching elements in the second and subsequent stages The plurality of switching elements QN2 and QN3 are controlled so that the switching elements QN2 and QN3 are turned on.

実施例1の半導体装置10によれば、第1のゲート駆動回路3のゲート駆動信号からは独立した信号が第2のゲート駆動回路4から駆動回路5に入力され、1段目のスイッチング素子QN1がオフ状態かつ逆導通動作中のとき、2段目以降のスイッチング素子QN2、QN3をオン状態とするように制御することで、逆導通動作中でも2段目以降のスイッチング素子QN2、QN3ではオン状態でチャネルを介して電流が流れるため、2段目以降のスイッチング素子QN2、QN3の還流ダイオード(MOSFETに内蔵されたダイオードや、IGBTに逆並列に接続されたダイオード)による電圧降下を避けることができ、逆導通動作中の導通損失を低減できる効果がある。 According to the semiconductor device 10 of the first embodiment, a signal independent from the gate drive signal of the first gate drive circuit 3 is inputted from the second gate drive circuit 4 to the drive circuit 5, and the signal is inputted to the drive circuit 5 from the second gate drive circuit 4, and the signal is input to the drive circuit 5 from the second gate drive circuit 4. By controlling the switching elements QN2 and QN3 in the second and subsequent stages to be in the on state when the is in the off state and in reverse conduction operation, the switching elements QN2 and QN3 in the second and subsequent stages are in the on state even during reverse conduction operation. Since current flows through the channel in the second and subsequent stages, voltage drops due to freewheeling diodes (diodes built into MOSFETs and diodes connected in anti-parallel to IGBT) of switching elements QN2 and QN3 can be avoided. This has the effect of reducing conduction loss during reverse conduction operation.

第2のゲート駆動回路4からの信号としては、少なくとも1段目のスイッチング素子QN1がオン状態または逆導通動作中のときは、第2のゲート駆動回路4からオン信号が入力されることが望ましい。また、複数のスイッチング素子QN1、QN2、QN3の正常動作中は第2のゲート駆動回路4から常にオン信号が入力されるようにしてもよい。例えば、第2のゲート駆動回路4として、定電圧源を用いることができる。定電圧源を用いることで、第2のゲート駆動回路4を簡易な構成とすることができる。 As the signal from the second gate drive circuit 4, it is preferable that an on signal is inputted from the second gate drive circuit 4 when at least the first stage switching element QN1 is in the on state or in reverse conduction operation. . Further, the on signal may always be inputted from the second gate drive circuit 4 during normal operation of the plurality of switching elements QN1, QN2, and QN3. For example, a constant voltage source can be used as the second gate drive circuit 4. By using a constant voltage source, the second gate drive circuit 4 can have a simple configuration.

次に、実施例1の半導体装置10における駆動回路5の具体的な構成の一例を説明する。 Next, an example of a specific configuration of the drive circuit 5 in the semiconductor device 10 of the first embodiment will be described.

駆動回路5は、第2の導電型を有するノーマリオフ型のトランジスタAP1、AP2で構成された1段目からm-1段目までの第1の素子と、第2の導電型を有するノーマリオフ型のトランジスタBP1、BP2で構成された1段目からm-1段目までの第2の素子とを有する。ここではm=3なので1段目から2段目であるが、以下の説明ではmが4以上の場合も想定して説明する。 The drive circuit 5 includes first elements from the first stage to the (m-1) stage which are composed of normally-off transistors AP1 and AP2 having a second conductivity type, and normally-off transistors having a second conductivity type. It has second elements from the first stage to the m-1th stage, which are composed of transistors BP1 and BP2. Here, since m=3, it is the first stage to the second stage, but in the following explanation, it is also assumed that m is 4 or more.

1段目の第1の素子であるトランジスタAP1は、ドレインに第2のゲート駆動回路4からの信号が入力され、ゲートが次段のスイッチング素子QN2のソースに接続され、ソースが次段のスイッチング素子QN2のゲートに接続されている。 The transistor AP1, which is the first element in the first stage, has a drain connected to the signal from the second gate drive circuit 4, a gate connected to the source of the next stage switching element QN2, and a source connected to the next stage switching element QN2. Connected to the gate of element QN2.

1段目の第2の素子であるトランジスタBP1は、ドレインが次段のスイッチング素子QN1のソースに接続され、ゲートに第2のゲート駆動回路4からの信号が入力され、ソースが次段のスイッチング素子QN2のゲートに接続されている。 The transistor BP1, which is the second element in the first stage, has its drain connected to the source of the next stage switching element QN1, its gate receives the signal from the second gate drive circuit 4, and its source connects to the next stage switching element QN1. Connected to the gate of element QN2.

2段目からm-1段目までの第1の素子であるトランジスタAP2は、ドレインが同じ段のスイッチング素子QN2のゲートに接続され、ゲートが次段のスイッチング素子QN3のソースに接続され、ソースが次段の前記スイッチング素子QN3のゲートに接続されている。 The transistor AP2, which is the first element from the second stage to the m-1th stage, has its drain connected to the gate of the switching element QN2 in the same stage, its gate connected to the source of the switching element QN3 in the next stage, and its source connected to the gate of the switching element QN3 in the next stage. is connected to the gate of the switching element QN3 in the next stage.

2段目からm-1段目までの第2の素子であるトランジスタBP2は、ドレインが次段のスイッチング素子QN3のソースに接続され、ゲートが同じ段のスイッチング素子QN2のゲートに接続され、ソースが次段のスイッチング素子QN3のゲートに接続されている。 The transistor BP2, which is the second element from the second stage to the m-1th stage, has its drain connected to the source of the switching element QN3 in the next stage, its gate connected to the gate of the switching element QN2 in the same stage, and its source connected to the gate of the switching element QN2 in the same stage. is connected to the gate of the next stage switching element QN3.

次に、実施例1の半導体装置10の動作の一例を説明する。 Next, an example of the operation of the semiconductor device 10 of the first embodiment will be described.

ここでは、スイッチング素子QN1、QN2、QN3と、トランジスタAP1、AP2、BP1、BP2のドレイン-ソース間耐圧が20Vであるとし、これらを接続して1つの半導体装置10として動作させる。したがって、半導体装置10のゲートは1段目のスイッチング素子QN1のゲート、ソースは1段目のトランジスタQN1のソース、ドレインは最終段である3段目のスイッチング素子QN3のドレインとなる。 Here, it is assumed that the drain-source breakdown voltage of the switching elements QN1, QN2, QN3 and the transistors AP1, AP2, BP1, BP2 is 20V, and these are connected to operate as one semiconductor device 10. Therefore, the gate of the semiconductor device 10 becomes the gate of the first-stage switching element QN1, the source becomes the source of the first-stage transistor QN1, and the drain becomes the drain of the third-stage switching element QN3, which is the final stage.

また、第2のゲート駆動回路4は少なくとも半導体装置10が導通動作(オン状態)または逆導通動作中はオン信号(例えばソース端子1の電位に対して+15Vの信号)を出力するものであり、実施例1では一例として、ソース端子1の電位に対して常に+15Vのオン信号を出力する定電圧源を用いている。 Further, the second gate drive circuit 4 outputs an on signal (for example, a signal of +15 V with respect to the potential of the source terminal 1) at least when the semiconductor device 10 is in conduction operation (on state) or reverse conduction operation, In the first embodiment, as an example, a constant voltage source is used that always outputs an on signal of +15V with respect to the potential of the source terminal 1.

まずは、ブロッキング時の動作について説明する。 First, we will explain the operation during blocking.

ブロッキング時の動作の一例として、ドレイン端子2に電圧が印加され、第1のゲート駆動回路3がオフ信号(例えば0V以下)を出力している状態を例に説明する。 As an example of the operation during blocking, a state will be described in which a voltage is applied to the drain terminal 2 and the first gate drive circuit 3 outputs an off signal (for example, 0 V or less).

第1のゲート駆動回路3のオフ信号によってスイッチング素子QN1はオフ状態であり、スイッチング素子QN1のドレイン電位は上昇する。スイッチング素子QN1のドレイン電位が15V以上まで上昇するとトランジスタAP1がオフ状態となり、さらにトランジスタBP1がオン状態となる。したがって、スイッチング素子QN2のゲートとソースが同電位になり、スイッチング素子QN2がオフ状態となり、スイッチング素子QN2のドレイン電圧が上昇する。 The switching element QN1 is turned off by the off signal from the first gate drive circuit 3, and the drain potential of the switching element QN1 rises. When the drain potential of the switching element QN1 rises to 15V or higher, the transistor AP1 is turned off, and the transistor BP1 is turned on. Therefore, the gate and source of switching element QN2 have the same potential, switching element QN2 is turned off, and the drain voltage of switching element QN2 increases.

同様に、トランジスタAP2がオフ状態となり、さらにトランジスタBP2がオン状態となる。したがって、スイッチング素子QN3のゲートとソースが同電位になり、スイッチング素子QN3がオフ状態となり、スイッチング素子QN3のドレイン電圧が上昇する。 Similarly, the transistor AP2 is turned off, and the transistor BP2 is turned on. Therefore, the gate and source of switching element QN3 are at the same potential, switching element QN3 is turned off, and the drain voltage of switching element QN3 increases.

上記の一連の動作によって、直列接続されたスイッチング素子QN1、QN2、QN3と直列接続されたトランジスタAP1、AP2が連動してオフ状態になり、高い耐電圧性能が発揮される。 Through the series of operations described above, the series-connected switching elements QN1, QN2, and QN3 and the series-connected transistors AP1 and AP2 are turned off in conjunction with each other, and high withstand voltage performance is exhibited.

次に、導通時の動作について説明する。 Next, the operation during conduction will be explained.

導通時の動作の一例として、負荷(図示せず)を介してドレイン端子2に電圧が印加され、第1のゲート駆動回路3がオン信号(例えば15V)を出力している状態を例に説明する。 As an example of the operation during conduction, a state in which a voltage is applied to the drain terminal 2 through a load (not shown) and the first gate drive circuit 3 outputs an on signal (for example, 15 V) will be explained. do.

第1のゲート駆動回路3のオン信号によってスイッチング素子QN1はオン状態になり、スイッチング素子QN1のドレイン電位は低下する。したがって、トランジスタAP1がオン状態となり、トランジスタBP1はオフ状態となる。すると、第2のゲート駆動回路4から供給される電荷がスイッチング素子QN2のゲートに蓄積され、スイッチング素子QN2がオン状態になり、スイッチング素子QN2のドレイン電位は低下する。 The switching element QN1 is turned on by the ON signal from the first gate drive circuit 3, and the drain potential of the switching element QN1 decreases. Therefore, transistor AP1 is turned on, and transistor BP1 is turned off. Then, the charge supplied from the second gate drive circuit 4 is accumulated in the gate of the switching element QN2, the switching element QN2 is turned on, and the drain potential of the switching element QN2 is lowered.

同様に、トランジスタAP2がオン状態となり、トランジスタBP2がオフ状態となる。すると、第2のゲート駆動回路4から供給される電荷がスイッチング素子QN3のゲートに蓄積され、スイッチング素子QN3がオン状態になり、ドレイン端子2の電位は低下する。 Similarly, transistor AP2 is turned on and transistor BP2 is turned off. Then, the charge supplied from the second gate drive circuit 4 is accumulated in the gate of the switching element QN3, the switching element QN3 is turned on, and the potential of the drain terminal 2 is lowered.

上記の一連の動作によって、直列接続されたスイッチング素子QN1、QN2、QN3が連動してオン状態となり、電流を導通させることができる。 Through the series of operations described above, the switching elements QN1, QN2, and QN3 connected in series are turned on in conjunction with each other, allowing current to flow.

次に、逆導通時の動作について説明する。 Next, the operation during reverse conduction will be explained.

逆導通時の動作の一例として、インバータの還流時に生じる、ソースからドレインに電流が流れる逆導通動作を想定し、第1のゲート駆動回路3がオフ信号(例えば0V以下)を出力している状態を例に説明する。 As an example of the operation during reverse conduction, assume a reverse conduction operation in which current flows from the source to the drain, which occurs when the inverter is freewheeling, and the first gate drive circuit 3 outputs an off signal (for example, 0 V or less). This will be explained using an example.

第1のゲート駆動回路3のオフ信号によってスイッチング素子QN1はオフ状態であり、電流は還流ダイオード(この場合はスイッチング素子QN1に内蔵されたPNダイオード)を介してソースからドレインに流れる。 The switching element QN1 is turned off by the off signal from the first gate drive circuit 3, and current flows from the source to the drain via the freewheeling diode (in this case, the PN diode built into the switching element QN1).

このとき、スイッチング素子QN1のドレイン電位はソース電位より低いため、トランジスタAP1はオン状態であり、トランジスタBP1はオフ状態である。したがって、第2のゲート駆動回路4から供給される電荷がスイッチング素子QN2のゲートに蓄積され、スイッチング素子QN2はオン状態であり、電流はスイッチング素子QN2のチャネルを介してソースからドレインに流れる。 At this time, since the drain potential of the switching element QN1 is lower than the source potential, the transistor AP1 is in an on state and the transistor BP1 is in an off state. Therefore, the charge supplied from the second gate drive circuit 4 is accumulated in the gate of the switching element QN2, the switching element QN2 is in an on state, and a current flows from the source to the drain through the channel of the switching element QN2.

同様に、スイッチング素子QN2のドレイン電位はソース電位より低いため、トランジスタAP2はオン状態であり、トランジスタBP2はオフ状態である。したがって、第2のゲート駆動回路4から供給される電荷がスイッチング素子QN3のゲートに蓄積され、スイッチング素子QN3はオン状態であり、電流はスイッチング素子QN3のチャネルを介してソースからドレインに流れる。 Similarly, since the drain potential of the switching element QN2 is lower than the source potential, the transistor AP2 is in the on state and the transistor BP2 is in the off state. Therefore, the charge supplied from the second gate drive circuit 4 is accumulated in the gate of the switching element QN3, the switching element QN3 is in an on state, and a current flows from the source to the drain through the channel of the switching element QN3.

上記の一連の動作によって、ソース端子1からドレイン端子2に向かって電流を逆導通することができる。この際、直列接続された2段目以降のスイッチング素子QN2、QN3がオン状態であり、チャネルを介して電流が流れるため、2段目以降のスイッチング素子QN2、QN3の還流ダイオード(この場合はスイッチング素子QN2、QN3に内蔵されたPNダイオード)による電圧降下を避けることができ、逆導通動作中の導通損失を低減できる。 Through the series of operations described above, current can be reversely conducted from the source terminal 1 to the drain terminal 2. At this time, the switching elements QN2 and QN3 in the second and subsequent stages connected in series are in the on state, and current flows through the channels, so the freewheeling diodes of the switching elements QN2 and QN3 in the second and subsequent stages (in this case, the switching A voltage drop caused by the PN diodes built into elements QN2 and QN3 can be avoided, and conduction loss during reverse conduction operation can be reduced.

逆導通時の動作のもう一つの例として、第1のゲート駆動回路3がオン信号(例えば15V)を出力している状態を例に説明する。 As another example of the operation during reverse conduction, a state in which the first gate drive circuit 3 is outputting an on signal (for example, 15V) will be described.

第1のゲート駆動回路3のオン信号によってスイッチング素子QN1はオン状態であり、電流はスイッチング素子QN1のチャネルを介してソースからドレインに流れる。また、スイッチング素子QN2、QN3では、上記説明と同様にチャネルを介してソースからドレインに流れる。 The switching element QN1 is turned on by the ON signal from the first gate drive circuit 3, and current flows from the source to the drain through the channel of the switching element QN1. Furthermore, in the switching elements QN2 and QN3, the current flows from the source to the drain via the channel in the same manner as described above.

上記の一連の動作によって、ソース端子1からドレイン端子2に向かって電流を逆導通することができる。この際、直列接続されたスイッチング素子QN1、QN2、QN3がオン状態であり、チャネルを介して電流が流れるため、スイッチング素子QN1、QN2、QN3の還流ダイオード(この場合はスイッチング素子QN1、QN2、QN3に内蔵されたPNダイオード)による電圧降下を避けることができ、逆導通動作中の導通損失を低減できる。 Through the series of operations described above, current can be reversely conducted from the source terminal 1 to the drain terminal 2. At this time, the series-connected switching elements QN1, QN2, and QN3 are in the on state, and current flows through the channels, so the freewheeling diodes of the switching elements QN1, QN2, and QN3 (in this case, the switching elements QN1, QN2, and QN3 It is possible to avoid the voltage drop caused by the built-in PN diode (PN diode), and reduce conduction loss during reverse conduction operation.

次に、一部のスイッチング素子のドレイン-ソース間がショートする不良が発生した場合の動作について説明する。 Next, an explanation will be given of the operation when a fault occurs in which a short circuit occurs between the drain and source of some switching elements.

スイッチング素子のショート不良発生時の動作の一例として、スイッチング素子QN2のドレイン-ソース間がショートする不良が発生した場合を想定し、ドレイン端子2に電圧が印加され、第1のゲート駆動回路3がオフ信号(例えば0V以下)を出力している状態を例に説明する。 As an example of the operation when a short-circuit failure occurs in a switching element, suppose that a short-circuit occurs between the drain and source of the switching element QN2, a voltage is applied to the drain terminal 2, and the first gate drive circuit 3 is activated. A state in which an off signal (for example, 0V or less) is output will be explained as an example.

上述した通り、第1のゲート駆動回路3のオフ信号によってスイッチング素子QN1とトランジスタAP1はオフ状態、トランジスタBP1はオン状態になるが、スイッチング素子QN2のドレイン-ソース間はショートしているためスイッチング素子QN2のドレイン-ソース間の電位差は小さい。しかしながら、この電位差が数ボルト以上(トランジスタBP2のゲート閾値電圧の絶対値+トランジスタBP2に内蔵されるPNダイオードの内蔵電位以上)であれば、トランジスタBP2はオン状態となり、スイッチング素子QN3のゲート-ソースが同電位となり、スイッチング素子QN3はオフされる。 As described above, the switching element QN1 and the transistor AP1 are turned off and the transistor BP1 is turned on by the off signal of the first gate drive circuit 3, but since the drain and source of the switching element QN2 are short-circuited, the switching element QN1 and the transistor AP1 are turned on. The potential difference between the drain and source of QN2 is small. However, if this potential difference is several volts or more (absolute value of the gate threshold voltage of transistor BP2 + built-in potential of the PN diode built in transistor BP2), transistor BP2 is turned on, and the gate-source of switching element QN3 have the same potential, and switching element QN3 is turned off.

スイッチング素子QN2のドレイン-ソース間電位差が前記電位より小さい場合でも、トランジスタBP2のゲート閾値電圧の絶対値よりスイッチング素子QN3のゲート閾値電圧の絶対値が大きい場合はスイッチング素子QN3がオフ状態となる。したがって、第2の素子のゲート閾値の絶対値よりも次段のスイッチング素子のゲート閾値の絶対値よりも大きい構成とすることが望ましい。 Even if the drain-source potential difference of switching element QN2 is smaller than the above potential, switching element QN3 is turned off if the absolute value of the gate threshold voltage of switching element QN3 is greater than the absolute value of the gate threshold voltage of transistor BP2. Therefore, it is desirable that the absolute value of the gate threshold of the second element be larger than the absolute value of the gate threshold of the next-stage switching element.

また、スイッチング素子のショート不良発生時の動作のもう一つの例として、負荷(図示せず)を介してドレイン端子2に電圧が印加され、ゲート駆動回路3がオン信号(例えば15V)を出力している状態を例に説明する。 In addition, as another example of the operation when a short circuit failure occurs in a switching element, a voltage is applied to the drain terminal 2 through a load (not shown), and the gate drive circuit 3 outputs an on signal (for example, 15V). The following is an example of the state in which

スイッチング素子QN2のドレイン-ソース間がショートしていても、導通時にはスイッチング素子QN1、QN2、QN3のドレイン-ソース間に印加される電圧は正常動作時と同様であり、正常時と同様に動作可能である。 Even if the drain and source of switching element QN2 are short-circuited, the voltage applied between the drain and source of switching elements QN1, QN2, and QN3 is the same as during normal operation when conductive, and operation is possible in the same way as during normal operation. It is.

また、逆導通動作においても正常時と同様に動作可能である。 Further, it can operate in the same manner as in normal operation even in reverse conduction operation.

以上によって、スイッチング素子QN2のドレイン-ソース間がショートしている場合においても次段のスイッチング素子QN3(直列数が多い場合は次段以降の全てのスイッチング素子)をオフすることができるため、正常時と比較して耐電圧性能の劣化は本来スイッチング素子QN2が担う部分のみに限定される。また、導通動作及び逆導通動作に関しては正常時と同様に動作可能である。 As described above, even if there is a short circuit between the drain and source of switching element QN2, it is possible to turn off the next stage switching element QN3 (or all the switching elements from the next stage onwards if there are many series connections), so the operation is normal. The deterioration of the withstand voltage performance is originally limited to only the portion played by the switching element QN2. Furthermore, the conduction operation and reverse conduction operation can be performed in the same manner as in the normal state.

従って半導体装置10全体のうち一部のスイッチング素子がショートしても半導体装置10全体の動作を継続することができる。 Therefore, even if some of the switching elements in the entire semiconductor device 10 are short-circuited, the operation of the entire semiconductor device 10 can be continued.

以上説明したとおり、実施例1の半導体装置によれば、複数のパワートランジスタを直列して構成する半導体装置であって、個々のパワートランジスタにノーマリオフ型のパワートランジスタを用いることができ、なおかつ、逆導通動作時には常に2段目以降のパワートランジスタのゲートに正のゲート-ソース間電圧を印加して逆導通動作時の導通損失を低減することができ、一部のパワートランジスタのソース-ドレイン間が耐圧不良になった場合であっても半導体装置全体として著しい耐圧が低下しない、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。 As explained above, the semiconductor device of Example 1 is a semiconductor device configured by connecting a plurality of power transistors in series, in which a normally-off type power transistor can be used for each power transistor, and the reverse During conduction, a positive gate-source voltage is always applied to the gates of power transistors in the second and subsequent stages to reduce conduction loss during reverse conduction. It is possible to realize a highly reliable semiconductor device in which the breakdown voltage of the semiconductor device as a whole does not drop significantly even in the case of breakdown voltage failure.

図2は、実施例2の半導体装置の構成を示す回路図である。 FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 2.

実施例2は、実施例1の変形例であり、実施例1との違いは、駆動回路5の1段目の第1の素子を、ダイオードD1に置き換えた点である。第1の導電型がn型の場合は、ダイオードD1は、アノード(a、以下符号省略)に第2のゲート駆動回路4からの信号が入力され、カソード(k、以下符号省略)が2段目のスイッチング素子QN2のゲートに接続されている。実施例2の特徴は、オン状態からオフ状態へ遷移するターンオフ動作が高速な点である。これ以外は実施例1の構成、効果と同様であるため、実施例1と異なる点を中心に説明し、重複する説明を省略する。 Example 2 is a modification of Example 1, and differs from Example 1 in that the first element in the first stage of drive circuit 5 is replaced with diode D1. When the first conductivity type is n-type, the diode D1 has a signal from the second gate drive circuit 4 inputted to the anode (a, hereinafter omitted), and a cathode (k, hereinafter omitted) that has two stages. It is connected to the gate of the second switching element QN2. The feature of the second embodiment is that the turn-off operation for transitioning from the on state to the off state is fast. Other than this, the configuration and effects are the same as those of the first embodiment, so the explanation will focus on the points that are different from the first embodiment, and redundant explanations will be omitted.

まず、導通時の動作の一例として、負荷(図示せず)を介してドレイン端子2に電圧が印加され、第1のゲート駆動回路3がオン信号(例えば15V)を出力している状態を例に説明する。 First, as an example of the operation during conduction, a state in which a voltage is applied to the drain terminal 2 via a load (not shown) and the first gate drive circuit 3 outputs an on signal (for example, 15V) is taken as an example. Explain.

第1のゲート駆動回路3のオン信号によりスイッチング素子QN1はオン状態であり、スイッチング素子QN1のドレイン電位は低い。したがって、第2のゲート駆動回路の出力(15V)はダイオードD1を介してスイッチング素子QN2のゲートに入力され、スイッチング素子QN2がオン状態となり、スイッチング素子QN2のドレイン電圧が低下する。これ以降は、実施例1と同様に、スイッチング素子QN3もオン状態となり、結果として半導体装置10がオン状態となる。 The switching element QN1 is in the on state due to the on signal from the first gate drive circuit 3, and the drain potential of the switching element QN1 is low. Therefore, the output (15V) of the second gate drive circuit is input to the gate of switching element QN2 via diode D1, switching element QN2 is turned on, and the drain voltage of switching element QN2 is reduced. From this point on, similarly to the first embodiment, the switching element QN3 is also turned on, and as a result, the semiconductor device 10 is turned on.

次に、ブロッキング時の動作の一例として、第1のゲート駆動回路3の出力がオン信号からオフ信号(例えば0V以下)に変化する動作を例に説明する。 Next, as an example of the operation during blocking, an operation in which the output of the first gate drive circuit 3 changes from an on signal to an off signal (for example, 0 V or less) will be described.

まず、第1のゲート駆動回路3からのオフ信号によってスイッチング素子QN1がオフ状態となり、スイッチング素子QN1のドレイン電位が上昇する。すると容量結合によってスイッチング素子QN2のゲート電位がソース端子1に対して上昇する。実施例1の構成ではオン状態のトランジスタAP1を介して第2のゲート駆動回路4に電荷を放電することによってスイッチング素子QN2のゲート電位はソース端子1に対して15Vに保持されたが、実施例2ではダイオードD1が接続されているため第2のゲート駆動回路4への放電が防止されると共に、ダイオードD1のカソード-アノード間に正の電位差が生じてトランジスタBP1がオン状態となる。従ってスイッチング素子QN2のゲート電荷がスイッチング素子QN1のドレインに流入し、スイッチング素子QN1のドレイン電位上昇を加速させる。以降の動作は実施例1と同様である。 First, the switching element QN1 is turned off by the off signal from the first gate drive circuit 3, and the drain potential of the switching element QN1 rises. Then, the gate potential of switching element QN2 rises with respect to source terminal 1 due to capacitive coupling. In the configuration of Example 1, the gate potential of the switching element QN2 was maintained at 15V with respect to the source terminal 1 by discharging the charge to the second gate drive circuit 4 through the transistor AP1 in the on state. 2, since the diode D1 is connected, discharge to the second gate drive circuit 4 is prevented, and a positive potential difference is generated between the cathode and the anode of the diode D1, turning on the transistor BP1. Therefore, the gate charge of the switching element QN2 flows into the drain of the switching element QN1, accelerating the rise in the drain potential of the switching element QN1. The subsequent operations are the same as in the first embodiment.

実施例2によれば、スイッチング素子QN1のドレイン電位上昇の加速によって、半導体装置10全体としてのターンオフ動作が高速化する。 According to the second embodiment, the turn-off operation of the entire semiconductor device 10 is accelerated by accelerating the rise in drain potential of the switching element QN1.

図3は、実施例3の半導体装置の構成を示す回路図である。 FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 3.

実施例3は、実施例1の変形例であり、実施例1との違いは、1段目からm-1段目までの第2の素子であるトランジスタBP1、BP2のドレインが、同じ段のスイッチング素子QN1、QN2のソースに接続されている点である。実施例3の特徴は、2段目以降のスイッチング素子QN2、QN3が、ノーマリオフ型でもノーマリオン型でも良く、また、混在していても良い点である。これ以外は実施例1の構成、効果と同様であるため、実施例1と異なる点を中心に説明し、重複する説明を省略する。 Embodiment 3 is a modification of Embodiment 1, and the difference from Embodiment 1 is that the drains of transistors BP1 and BP2, which are the second elements from the 1st stage to m-1th stage, are in the same stage. This point is connected to the sources of switching elements QN1 and QN2. The feature of the third embodiment is that the switching elements QN2 and QN3 in the second and subsequent stages may be of a normally-off type or a normally-on type, or may be a mixture thereof. Other than this, the configuration and effects are the same as those of the first embodiment, so the explanation will focus on the points that are different from the first embodiment, and redundant explanations will be omitted.

まず、ブロッキング時の動作の一例として、ドレイン端子2に電圧が印加され、第1のゲート駆動回路3がオフ信号(例えば0V以下)を出力している状態を例に説明する。 First, as an example of the operation during blocking, a state will be described in which a voltage is applied to the drain terminal 2 and the first gate drive circuit 3 outputs an off signal (for example, 0 V or less).

第1のゲート駆動回路3のオフ信号によってスイッチング素子QN1はオフ状態であり、スイッチング素子QN1のドレイン電位は上昇する。スイッチング素子QN1のドレイン電位が15V以上まで上昇するとトランジスタAP1がオフ状態となり、さらにトランジスタBP1がオン状態となる。したがって、スイッチング素子QN2のゲートとソース端子1が同電位になり、スイッチング素子QN2のゲート-ソース間にはスイッチング素子QN1のドレイン-ソース間に印加されている電圧と同じ大きさの負電圧が印加されるため、スイッチング素子QN2がオフ状態となり、スイッチング素子QN2のドレイン電圧が上昇する。 The switching element QN1 is turned off by the off signal from the first gate drive circuit 3, and the drain potential of the switching element QN1 rises. When the drain potential of the switching element QN1 rises to 15V or higher, the transistor AP1 is turned off, and the transistor BP1 is turned on. Therefore, the gate and source terminal 1 of switching element QN2 have the same potential, and a negative voltage of the same magnitude as the voltage applied between the drain and source of switching element QN1 is applied between the gate and source of switching element QN2. Therefore, the switching element QN2 is turned off, and the drain voltage of the switching element QN2 increases.

同様に、トランジスタAP2がオフ状態となり、さらにトランジスタBP2がオン状態となる。したがって、スイッチング素子QN3のゲートとスイッチング素子QN2のソースが同電位になり、スイッチング素子QN3のゲート-ソース間にはスイッチング素子QN2のドレイン-ソース間に印加されている電圧と同じ大きさの負電圧が印加されるため、スイッチング素子QN3がオフ状態となり、スイッチング素子QN3のドレイン電圧が上昇する。 Similarly, the transistor AP2 is turned off, and the transistor BP2 is turned on. Therefore, the gate of switching element QN3 and the source of switching element QN2 have the same potential, and a negative voltage of the same magnitude as the voltage applied between the drain and source of switching element QN2 is applied between the gate and source of switching element QN3. is applied, the switching element QN3 is turned off, and the drain voltage of the switching element QN3 increases.

実施例3によれば、スイッチング素子QN2、QN3のゲート-ソース間に負電圧を印加できるため、スイッチング素子QN2、QN3がノーマリオフ型であってもオフすることが可能である。 According to the third embodiment, since a negative voltage can be applied between the gates and sources of the switching elements QN2 and QN3, even if the switching elements QN2 and QN3 are normally-off types, they can be turned off.

なお、実施例3の構成を、実施例2に適用してもよい。 Note that the configuration of the third embodiment may be applied to the second embodiment.

図4は、実施例4の半導体装置の構成を示す回路図である。 FIG. 4 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 4.

実施例4は、実施例1の変形例であり、実施例1との違いは、第1の導電型としてp型、第2の導電型としてn型を用いた点である。したがって、スイッチング素子QP1、QP2、QP3は、p型のトランジスタで構成され、トランジスタAN1、AN2、BN1、AN2は、n型のトランジスタで構成されている。したがって、ドレイン端子2はソース端子1より電位が低い構成となっている。実施例4の基本的な回路構成は、導電型が実施例1と入れ替わっただけで実施例1と同じである。これ以外は実施例1の構成、効果と同様であるため、実施例1と異なる点を中心に説明し、重複する説明を省略する。 Example 4 is a modification of Example 1, and differs from Example 1 in that p-type is used as the first conductivity type and n-type is used as the second conductivity type. Therefore, switching elements QP1, QP2, and QP3 are composed of p-type transistors, and transistors AN1, AN2, BN1, and AN2 are composed of n-type transistors. Therefore, the drain terminal 2 has a lower potential than the source terminal 1. The basic circuit configuration of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment, except that the conductivity type is replaced with that of the first embodiment. Other than this, the configuration and effects are the same as those of the first embodiment, so the explanation will focus on the points that are different from the first embodiment, and redundant explanations will be omitted.

第1のゲート駆動回路3からは、オン信号として例えば-15Vが、オフ信号として例えば0V以上が入力され、第2のゲート駆動回路4として、例えばソース端子1の電位に対して常に-15Vのオン信号が入力される定電圧源を用いることができるが、実施例1と同 様に、これに限られるものではない。 From the first gate drive circuit 3, for example, -15V is input as an ON signal, and 0V or more is input as an OFF signal. A constant voltage source to which an on signal is input can be used, but as in the first embodiment, the present invention is not limited to this.

実施例4の動作は、導電型が実施例1と入れ替わったことによる違いを除けば実施例1と同じであるため、説明を省略する。 The operation of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment except for the difference in that the conductivity type is replaced with that of the first embodiment, and therefore the description thereof will be omitted.

実施例4によれば、第1の導電型としてp型、第2の導電型としてn型を用いても、実施例1と同様の効果を得ることができる。 According to the fourth embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained even if the first conductivity type is p type and the second conductivity type is n type.

なお、実施例3の構成を、実施例4に適用してもよい。 Note that the configuration of the third embodiment may be applied to the fourth embodiment.

図5は、実施例5の半導体装置の構成を示す回路図である。 FIG. 5 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 5.

実施例5は、実施例4の変形例であり、実施例4と実施例2の組み合わせである。実施例4との違いは、実施例2と同様に、駆動回路5の1段目の第1の素子を、ダイオードD1に置き換えた点である。実施例2との違いは、第1の導電型がp型なので、ダイオードD1は、カソードに第2のゲート駆動回路4からの信号が入力され、アノードが2段目のスイッチング素子QP2のゲートに接続されている点である。実施例5の特徴は、実施例2と同様に、オン状態からオフ状態へ遷移するターンオフ動作が高速な点である。これ以外は実施例4の構成、効果と同様であるため、重複する説明を省略する。 Example 5 is a modification of Example 4, and is a combination of Example 4 and Example 2. The difference from the fourth embodiment is that, like the second embodiment, the first element in the first stage of the drive circuit 5 is replaced with a diode D1. The difference from Embodiment 2 is that the first conductivity type is p-type, so the cathode of the diode D1 receives the signal from the second gate drive circuit 4, and the anode connects to the gate of the second-stage switching element QP2. It is a connected point. The feature of the fifth embodiment is that, like the second embodiment, the turn-off operation for transitioning from the on state to the off state is fast. Other than this, the configuration and effects are the same as those of the fourth embodiment, so redundant explanation will be omitted.

なお、実施例3の構成を、実施例5に適用してもよい。 Note that the configuration of the third embodiment may be applied to the fifth embodiment.

図6は、実施例6の半導体装置の構成を示す回路図である。 FIG. 6 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 6.

実施例6は、実施例1の変形例であり、実施例1との違いは、半導体装置20のスイッチング素子QHN1、QHN2、QHN3として、実施例1の例えば耐圧20Vのスイッチング素子QN1、QN2、QN3よりも耐圧が高い、例えば耐圧が100Vのスイッチング素子を用いた点と、駆動回路5が、第3の素子として、例えば耐圧80VのトランジスタCP1、CP2を有する点である。実施例1では、ブロッキング状態においてスイッチング素子QN2のゲートからスイッチング素子QN3までの電圧、トランジスタAP2のソースからドレインまでの電圧、さらにトランジスタBP2のゲートからソースまでの電圧が等しいという関係があるため、スイッチング素子のドレイン-ソース間耐圧はトランジスタBP2のゲート-ソース間耐圧(一般的には20V程度)で制限される。これに対して、本実施例6では、スイッチング素子QHN1、QHN2、QHN3のドレイン-ソース間に印加できる電圧が駆動回路5の第2の素子であるトランジスタBP1、BP2のゲート-ソース間耐圧に制限されないことが特徴である。これ以外は実施例1の構成、効果と同様であるため、実施例1と異なる点を中心に説明し、重複する説明を省略する。 Embodiment 6 is a modification of Embodiment 1, and the difference from Embodiment 1 is that the switching elements QHN1, QHN2, and QHN3 of the semiconductor device 20 are replaced with switching elements QN1, QN2, and QN3 having a breakdown voltage of 20 V, for example, in Embodiment 1. The second advantage is that a switching element having a higher withstand voltage, for example, 100 V, is used, and the drive circuit 5 includes transistors CP1 and CP2, for example, with a withstand voltage of 80 V, as the third element. In the first embodiment, in the blocking state, the voltage from the gate of the switching element QN2 to the switching element QN3, the voltage from the source to the drain of the transistor AP2, and the voltage from the gate to the source of the transistor BP2 are equal. The drain-source breakdown voltage of the element is limited by the gate-source breakdown voltage (generally about 20V) of the transistor BP2. In contrast, in the sixth embodiment, the voltage that can be applied between the drains and sources of the switching elements QHN1, QHN2, and QHN3 is limited to the gate-source withstand voltage of the transistors BP1 and BP2, which are the second elements of the drive circuit 5. The characteristic is that it is not. Other than this, the configuration and effects are the same as those of the first embodiment, so the explanation will focus on the points that are different from the first embodiment, and redundant explanations will be omitted.

実施例6の半導体装置20は、基本的には実施例1の半導体装置10と同様であるが、駆動回路5は、1段目からm-1段目までの第3の素子として、第2の導電型を有するノーマリオフ型のトランジスタCP1、CP2を有する。1段目からm-1段目までの第3の素子であるトランジスタCP1、CP2は、ゲートが次段のスイッチング素子QN2、QN3のソースに接続され、2段目からm-1段目までの第3の素子であるトランジスタCP2は、ドレインが同じ段のスイッチング素子QHN2のゲートに接続され、2段目からm-1段目までの第1の素子であるトランジスタAP2は、ドレインが同じ段の第3の素子であるトランジスタCP2を介して同じ段のスイッチング素子QHN2のゲートに接続され、1段目の第3の素子であるトランジスタCP1は、ドレインに第2のゲート駆動回路4からの信号が入力され、1段目の第1の素子であるトランジスタAP1は、1段目の第3の素子であるトランジスタCP1を介して第2のゲート駆動回路4からの信号が入力され、1段目の第2の素子であるトランジスタBP1は、1段目の第3の素子であるトランジスタCP1を介してゲートに第2のゲート駆動回路4からの信号が入力されている。 The semiconductor device 20 of Example 6 is basically the same as the semiconductor device 10 of Example 1, but the drive circuit 5 includes a second element as the third element from the first stage to the m-1th stage. It has normally-off transistors CP1 and CP2 having a conductivity type. The gates of transistors CP1 and CP2, which are the third elements from the first stage to the m-1 stage, are connected to the sources of the switching elements QN2 and QN3 of the next stage, and the transistors from the second stage to the m-1 stage The transistor CP2, which is the third element, has a drain connected to the gate of the switching element QHN2 in the same stage, and the transistor AP2, which is the first element from the second stage to the m-1th stage, has a drain connected to the gate of the switching element QHN2 in the same stage. The transistor CP1, which is the third element in the first stage, is connected to the gate of the switching element QHN2 in the same stage through the transistor CP2, which is the third element, and the signal from the second gate drive circuit 4 is connected to the drain of the transistor CP1, which is the third element in the first stage. The transistor AP1, which is the first element in the first stage, receives the signal from the second gate drive circuit 4 through the transistor CP1, which is the third element in the first stage, and A signal from the second gate drive circuit 4 is input to the gate of the transistor BP1, which is the second element, through the transistor CP1, which is the third element in the first stage.

実施例1のように1段目の第1の素子がトランジスタAP1の場合は、トランジスタAP1のドレインが同じ段の第3の素子であるトランジスタCP1を介して第2のゲート駆動回路4に接続され、第2のゲート駆動回路4からの信号が入力される。 When the first element in the first stage is the transistor AP1 as in the first embodiment, the drain of the transistor AP1 is connected to the second gate drive circuit 4 via the transistor CP1, which is the third element in the same stage. , a signal from the second gate drive circuit 4 is input.

なお、実施例6は実施例2と組み合わせてもよく、実施例2のように1段目の第1の素子がダイオードD1の場合は、ダイオードD1のアノードが同じ段の第3の素子であるトランジスタCP1を介して第2のゲート駆動回路4に接続され、第2のゲート駆動回路4からの信号が入力されるようにすればよい。 Note that Embodiment 6 may be combined with Embodiment 2, and when the first element in the first stage is the diode D1 as in Embodiment 2, the anode of the diode D1 is the third element in the same stage. It may be connected to the second gate drive circuit 4 via the transistor CP1, and a signal from the second gate drive circuit 4 may be input.

実施例6では、スイッチング素子QHN1、QHN2、QHN3の耐圧を例えば100Vとしたが、任意の耐圧のスイッチング素子を用いてもよい。また、第3の素子であるトランジスタCP1、CP2の耐圧を例えば80Vとしたが、任意の耐圧のトランジスタを用いてもよい。 In the sixth embodiment, the breakdown voltage of the switching elements QHN1, QHN2, and QHN3 is set to 100V, for example, but switching elements having any breakdown voltage may be used. Furthermore, although the breakdown voltage of the transistors CP1 and CP2, which are the third elements, is set to 80V, for example, transistors having any breakdown voltage may be used.

次に、実施例6の半導体装置20の動作の一例を説明する。 Next, an example of the operation of the semiconductor device 20 of Example 6 will be described.

ブロッキング時の動作は、トランジスタCP1、CP2が、それぞれトランジスタAP1、AP2と同じタイミングでオフ状態となること以外は、実施例1と同じである。これによって、直列接続されたスイッチング素子QHN1、QHN2、QHN3と直列接続されたトランジスタCP1、AP1、CP2、AP2が連動してオフ状態になり、高い耐電圧性能が発揮される。 The operation during blocking is the same as in the first embodiment except that the transistors CP1 and CP2 are turned off at the same timing as the transistors AP1 and AP2, respectively. As a result, the switching elements QHN1, QHN2, and QHN3 connected in series and the transistors CP1, AP1, CP2, and AP2 connected in series are turned off in conjunction with each other, and high withstand voltage performance is exhibited.

実施例6ではスイッチング素子QHN1、QHN2、QHN3の耐圧がそれぞれ100 V、またトランジスタCP1、CP2の耐圧がそれぞれ80Vと高いため、半導体装置20としての耐圧は300Vと高い。 In the sixth embodiment, the breakdown voltages of the switching elements QHN1, QHN2, and QHN3 are each 100 V, and the breakdown voltages of the transistors CP1 and CP2 are each as high as 80 V, so that the breakdown voltage of the semiconductor device 20 is as high as 300 V.

導通時の動作は、トランジスタCP1、CP2が、それぞれトランジスタAP1、AP2と同じタイミングでオン状態となること以外は、実施例1と同じである。 The operation during conduction is the same as in the first embodiment except that the transistors CP1 and CP2 are turned on at the same timing as the transistors AP1 and AP2, respectively.

逆導通時の動作は、トランジスタCP1、CP2が、それぞれトランジスタAP1、AP2と同じタイミングでオン状態となること以外は、実施例1と同じである。 The operation during reverse conduction is the same as in the first embodiment except that the transistors CP1 and CP2 are turned on at the same timing as the transistors AP1 and AP2, respectively.

スイッチング素子のショート不良発生時の動作は、トランジスタCP1、CP2が、それぞれトランジスタAP1、AP2と同じタイミングでオフ状態となること以外は、実施例1と同じである。 The operation when a short circuit failure occurs in the switching element is the same as in the first embodiment except that the transistors CP1 and CP2 are turned off at the same timing as the transistors AP1 and AP2, respectively.

実施例6では、2段目のスイッチング素子QHN2の耐圧を、1段目の第3の素子であるトランジスタCP1の耐圧と1段目の第1の素子であるトランジスタAP1の耐圧との合計にすることができる。それ以降の段についても同様である。したがって、実施例6によれば、スイッチング素子QHN1、QHN2、QHN3のドレイン-ソース間に印加できる電圧が駆動回路5の第2の素子であるトランジスタBP1、BP2のゲート-ソース間耐圧に制限されないため、個々のパワートランジスタのソース-ドレイン間耐圧とゲート-ソース間耐圧を独立に設計可能であり、設計・製造上の自由度の高い半導体装置を実現することができる。 In the sixth embodiment, the breakdown voltage of the switching element QHN2 in the second stage is the sum of the breakdown voltage of the transistor CP1, which is the third element in the first stage, and the breakdown voltage of the transistor AP1, which is the first element in the first stage. be able to. The same applies to the subsequent stages. Therefore, according to the sixth embodiment, the voltage that can be applied between the drains and sources of the switching elements QHN1, QHN2, and QHN3 is not limited to the gate-source breakdown voltage of the transistors BP1 and BP2, which are the second elements of the drive circuit 5. , the source-drain breakdown voltage and gate-source breakdown voltage of each power transistor can be designed independently, and a semiconductor device with a high degree of freedom in design and manufacturing can be realized.

なお、実施例2との組み合わせに限られず、実施例3から5の構成を、実施例6に適用してもよい。 Note that the configurations of the third to fifth embodiments are not limited to the combination with the second embodiment, and the configurations of the third to fifth embodiments may be applied to the sixth embodiment.

図7は、実施例7の半導体装置の構成を示す回路図である。 FIG. 7 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor device of Example 7.

実施例7は、実施例6の変形例であり、実施例6との違いは、駆動回路5は、1段目からm-1段目までの第4の素子として、それぞれ互いに逆並列に接続されたダイオードE1、E2を有し、1段目からm-1段目までの第3の素子であるトランジスタCP1、CP2は、ゲートが同じ段の第4の素子である互いに逆並列に接続されたダイオードE1、E2を介して次段のスイッチング素子QHN2、QHN3のソースに接続されている点である。実施例7によれば、実施例6よりもターンオフ動作が高速になる。これ以外は実施例6の構成、効果と同様であるため、実施例6と異なる点を中心に説明し、重複する説明を省略する。 Embodiment 7 is a modification of Embodiment 6, and the difference from Embodiment 6 is that the drive circuit 5 is connected in antiparallel to each other as the fourth element from the 1st stage to the m-1th stage. Transistors CP1 and CP2, which are the third elements from the first stage to the m-1th stage, have diodes E1 and E2, which have gates connected in antiparallel to each other and are the fourth elements of the same stage. This point is connected to the sources of the next-stage switching elements QHN2 and QHN3 via diodes E1 and E2. According to the seventh embodiment, the turn-off operation is faster than that of the sixth embodiment. Other than this, the configuration and effects are the same as those of the sixth embodiment, so the explanation will focus on the points that are different from the sixth embodiment, and redundant explanation will be omitted.

実施例7の動作について、第1のゲート駆動回路3の出力がオン信号(例えば15V)からオフ信号(例えば0V以下)に変化する時の動作を例に説明する。 The operation of the seventh embodiment will be explained by taking as an example the operation when the output of the first gate drive circuit 3 changes from an on signal (for example, 15 V) to an off signal (for example, 0 V or less).

第1のゲート駆動回路3のオフ信号によってスイッチング素子QHN1はオン状態からオフ状態に遷移し、スイッチング素子QHN1のドレインの電位は上昇する。スイッチング素子QHN1のドレイン電位が15V以上まで上昇するとまずトランジスタAP1がオン状態からオフ状態に遷移し、トランジスタBP1がオフ状態からオン状態に遷移する。 The off signal from the first gate drive circuit 3 causes the switching element QHN1 to transition from the on state to the off state, and the potential of the drain of the switching element QHN1 increases. When the drain potential of the switching element QHN1 rises to 15 V or more, the transistor AP1 first transitions from the on state to the off state, and the transistor BP1 transitions from the off state to the on state.

このとき、トランジスタCP1のゲート電圧は互いに逆並列に接続されたダイオードE1の内蔵電位の分だけトランジスタAP1のゲート電位より低いため、まだオフ状態に遷移していない。したがって、スイッチング素子QHN2のゲートとソースが同電位になり、スイッチング素子QHN2がオフ状態となる。さらにスイッチング素子QHN1のドレイン電位が上昇するとトランジスタCP1がオン状態からオフ状態に遷移する。 At this time, the gate voltage of the transistor CP1 is lower than the gate voltage of the transistor AP1 by the built-in potential of the diodes E1 connected in antiparallel to each other, so that it has not yet transitioned to the off state. Therefore, the gate and source of switching element QHN2 are at the same potential, and switching element QHN2 is turned off. Further, when the drain potential of the switching element QHN1 increases, the transistor CP1 changes from the on state to the off state.

スイッチング素子QHN2はオフ状態に遷移したため、スイッチング素子QHN2のドレイン電位が上昇し、まずトランジスタAP2がオン状態からオフ状態に遷移し、トランジスタBP2がオフ状態からオン状態に遷移する。 Since the switching element QHN2 transitions to the OFF state, the drain potential of the switching element QHN2 increases, first the transistor AP2 transitions from the ON state to the OFF state, and the transistor BP2 transitions from the OFF state to the ON state.

このとき、トランジスタCP2のゲート電圧は互いに逆並列に接続されたダイオードE2の内蔵電位の分だけトランジスタAP2のゲート電位より低いため、まだオフ状態に遷移していない。したがってスイッチング素子QHN3のゲートとソースが同電位になり、スイッチング素子QHN3がオフ状態となる。さらにスイッチング素子QHN2のドレイン電位が上昇するとトランジスタCP2がオン状態からオフ状態に遷移する。 At this time, the gate voltage of the transistor CP2 is lower than the gate voltage of the transistor AP2 by the built-in potential of the diodes E2 connected in antiparallel to each other, so that it has not yet transitioned to the off state. Therefore, the gate and source of switching element QHN3 are at the same potential, and switching element QHN3 is turned off. Further, when the drain potential of the switching element QHN2 increases, the transistor CP2 changes from the on state to the off state.

スイッチング素子QHN3はオフ状態に遷移したため、スイッチング素子QHN3のドレイン電位が上昇する。 Since switching element QHN3 has transitioned to the off state, the drain potential of switching element QHN3 increases.

上記の一連の動作によって、直列接続されたスイッチング素子QHN1、QHN2、QHN3と直列接続されたトランジスタCP1、AP1、CP2、AP2が連動してオフ状態になり、高い耐電圧性能が発揮される。 Through the series of operations described above, the series-connected switching elements QHN1, QHN2, and QHN3 and the series-connected transistors CP1, AP1, CP2, and AP2 are turned off in conjunction with each other, and high withstand voltage performance is exhibited.

実施例7では、上記のとおりトランジスタAP1がトランジスタCP1より早くオフし、トランジスタAP2がトランジスタCP2より早くオフするため、オフ状態になったトランジスタAP1、AP2のソース-ドレイン間電圧の上昇が早くなり、結果としてトランジスタBP1、BP2のターンオンが早くなる。トランジスタBP1、BP2が早くターンオンすることによってスイッチング素子QHN2、QHN3のゲートに蓄積された電荷が早く放電されるため、スイッチング素子QHN2、QHN3のターンオフが高速になる。 In the seventh embodiment, as described above, the transistor AP1 is turned off earlier than the transistor CP1, and the transistor AP2 is turned off earlier than the transistor CP2, so that the source-drain voltage of the transistors AP1 and AP2 that are in the off state increases quickly. As a result, transistors BP1 and BP2 are turned on faster. Since the transistors BP1 and BP2 are turned on quickly, the charges accumulated in the gates of the switching elements QHN2 and QHN3 are quickly discharged, so that the switching elements QHN2 and QHN3 are turned off quickly.

なお、実施例6と同様に、実施例2から5の構成を、実施例7に適用してもよい。 Note that, similar to the sixth embodiment, the configurations of the second to fifth embodiments may be applied to the seventh embodiment.

実施例8は、実施例6および実施例7の変形例であり、実施例6との違いは、駆動回路5は、1段目からm-1段目までの第3の素子であるトランジスタCP1、CP2のゲート閾値の絶対値が、同じ段の第1の素子であるトランジスタAP1、AP2のゲート閾値の絶対値よりも小さい点である。実施例7との違いは、実施例7では互いに逆並列に接続されたダイオードE1、E2によって第3の素子であるトランジスタCP1、CP2がオフするタイミングを第1の素子であるトランジスタAP1、AP2よりも遅らせていたのに対して、実施例8ではゲート閾値の絶対値を調整することでこれを実現している点である。実施例8によれば、実施例7と同様に、実施例6よりもターンオフ動作が高速になる。 Embodiment 8 is a modification of Embodiments 6 and 7, and the difference from Embodiment 6 is that the drive circuit 5 includes a transistor CP1 which is the third element from the 1st stage to the m-1th stage. , CP2 is smaller than the absolute value of the gate thresholds of transistors AP1 and AP2, which are the first elements of the same stage. The difference from Embodiment 7 is that in Embodiment 7, the timing at which the third elements, transistors CP1 and CP2, are turned off is determined by the diodes E1 and E2, which are connected in antiparallel to each other, than the first element, transistors AP1 and AP2. However, in the eighth embodiment, this is achieved by adjusting the absolute value of the gate threshold value. According to the eighth embodiment, similar to the seventh embodiment, the turn-off operation is faster than the sixth embodiment.

実施例8の回路構成としては図6と同じである。なお、実施例8の構成を実施例7に適用し、図7の回路構成でさらにゲート閾値の絶対値を実施例8のようにしてもよい。 The circuit configuration of the eighth embodiment is the same as that in FIG. Note that the configuration of the eighth embodiment may be applied to the seventh embodiment, and the absolute value of the gate threshold value in the circuit configuration of FIG. 7 may be set as in the eighth embodiment.

これ以外は実施例6の構成、効果と同様であるため、重複する説明を省略する。 Other than this, the configuration and effects are the same as those of the sixth embodiment, so redundant explanation will be omitted.

実施例9は、電力変換装置の実施例である。 Example 9 is an example of a power conversion device.

実施例1から8の何れかに記載の半導体装置10、20、あるいは、実施例1から8を適宜組み合わせて適用した半導体装置を、電力変換装置のスイッチング素子として用いることができる。電力変換装置の構成は一般的なものであるため、詳細な説明は省略する。 The semiconductor device 10 or 20 described in any one of Examples 1 to 8, or a semiconductor device obtained by appropriately combining Examples 1 to 8, can be used as a switching element of a power conversion device. Since the configuration of the power conversion device is common, detailed explanation will be omitted.

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は実施例に記載された構成に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更が可能である。また、各実施例で説明した構成の一部または全部を組み合わせて適用してもよい。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations described in the embodiments, and various changes can be made within the scope of the technical idea of the present invention. Further, some or all of the configurations described in each embodiment may be combined and applied.

1…ソース端子
2…ドレイン端子
3…第1のゲート駆動回路
4…第2のゲート駆動回路
5…駆動回路
10、20…半導体装置
AP1、AP2、AN1、AN2…トランジスタ(第1の素子)
BP1、BP2、BN1、BN2…トランジスタ(第2の素子)
CP1、CP2…トランジスタ(第3の素子)
D1…ダイオード(第1の素子)
E1、E2…互いに逆並列に接続されたダイオード(第4の素子)
QN1、QN2、QN3、QP1、QP2、QP3、QHN1、QHN2、QHN3…スイッチング素子
1... Source terminal 2... Drain terminal 3... First gate drive circuit 4... Second gate drive circuit 5... Drive circuit 10, 20... Semiconductor device AP1, AP2, AN1, AN2... Transistor (first element)
BP1, BP2, BN1, BN2...Transistor (second element)
CP1, CP2...transistor (third element)
D1...diode (first element)
E1, E2...Diodes (fourth element) connected in antiparallel to each other
QN1, QN2, QN3, QP1, QP2, QP3, QHN1, QHN2, QHN3...switching element

Claims (17)

多段に直列接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子を駆動するための駆動回路とを備えた半導体装置において、
mを3以上の整数としたとき、前記多段に直列接続された複数のスイッチング素子は、互いに直列接続された1段目からm段目までのスイッチング素子を有し、
前記駆動回路は、次段の前記スイッチング素子を駆動するための1段目からm-1段目までの複数の素子を有し、
1段目の前記スイッチング素子のゲートには第1のゲート駆動回路から1段目の前記スイッチング素子のオンオフを制御するゲート駆動信号が入力され、
前記駆動回路の1段目の前記素子には前記ゲート駆動信号からは独立した信号であって第2のゲート駆動回路から2段目以降の前記スイッチング素子を駆動するための信号が入力され、
前記駆動回路は、
1段目の前記スイッチング素子がオン状態のとき、2段目以降の前記スイッチング素子も連動してオン状態とし、
1段目の前記スイッチング素子がオフ状態かつ電圧ブロッキング状態のとき、2段目以降の前記スイッチング素子も連動してオフ状態かつ電圧ブロッキング状態とし、
1段目の前記スイッチング素子がオフ状態かつ逆導通動作中のとき、2段目以降の前記スイッチング素子をオン状態とするように、
前記複数のスイッチング素子を制御することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a plurality of switching elements connected in series in multiple stages and a drive circuit for driving the plurality of switching elements,
When m is an integer of 3 or more, the plurality of switching elements connected in series in multiple stages have switching elements from the first stage to the mth stage connected in series with each other,
The drive circuit has a plurality of elements from a first stage to an m-1 stage for driving the switching element of the next stage,
A gate drive signal for controlling on/off of the switching element in the first stage is input from a first gate drive circuit to the gate of the switching element in the first stage,
A signal independent from the gate drive signal and for driving the switching elements in the second and subsequent stages is input from a second gate drive circuit to the element in the first stage of the drive circuit,
The drive circuit includes:
When the switching element in the first stage is in the on state, the switching elements in the second and subsequent stages are also in the on state,
When the switching element in the first stage is in the off state and in the voltage blocking state, the switching elements in the second and subsequent stages are also in the off state and in the voltage blocking state,
When the switching element in the first stage is in the off state and in reverse conduction operation, the switching elements in the second and subsequent stages are in the on state,
A semiconductor device that controls the plurality of switching elements.
請求項1において、
少なくとも1段目の前記スイッチング素子がオン状態または逆導通動作中のときは、前記第2のゲート駆動回路からオン信号が入力されることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
A semiconductor device, wherein an on signal is input from the second gate drive circuit when the switching element in at least the first stage is in an on state or in reverse conduction operation.
請求項2において、
前記複数のスイッチング素子の正常動作中は前記第2のゲート駆動回路から常にオン信号が入力されることを特徴とする半導体装置。
In claim 2,
A semiconductor device, wherein an on signal is always inputted from the second gate drive circuit during normal operation of the plurality of switching elements.
請求項1において、
前記複数のスイッチング素子は第1の導電型を有するトランジスタであり、
前記駆動回路は、少なくとも第2の導電型を有するノーマリオフ型のトランジスタを有することを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The plurality of switching elements are transistors having a first conductivity type,
A semiconductor device, wherein the drive circuit includes a normally-off transistor having at least a second conductivity type.
請求項4において、
少なくとも2段目以降の前記スイッチング素子は、ノーマリオフ型のトランジスタであることを特徴とする半導体装置。
In claim 4,
A semiconductor device, wherein at least the switching elements in the second and subsequent stages are normally-off transistors.
請求項4において、
少なくとも2段目以降の前記スイッチング素子は、ノーマリオン型のトランジスタであることを特徴とする半導体装置。
In claim 4,
A semiconductor device, wherein at least the switching elements in the second and subsequent stages are normally-on transistors.
請求項4において
前記第1の導電型はn型であり、前記第2の導電型はp型であることを特徴とする半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the first conductivity type is an n-type, and the second conductivity type is a p-type.
請求項4において
前記第1の導電型はp型であり、前記第2の導電型はn型であることを特徴とする半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the first conductivity type is a p-type, and the second conductivity type is an n-type.
請求項4において、
1段目の前記スイッチング素子のソースに接続されたソース端子と、
m段目の前記スイッチング素子のドレインに接続されたドレイン端子とを有し、
2段目以降の前記スイッチング素子のソースは前段の前記スイッチング素子のドレインに接続され、
前記駆動回路は、
前記第2の導電型を有するノーマリオフ型のトランジスタまたはダイオードで構成された1段目の第1の素子と、
前記第2の導電型を有するノーマリオフ型のトランジスタで構成された2段目からm-1段目までの第1の素子と、
前記第2の導電型を有するノーマリオフ型のトランジスタで構成された1段目からm-1段目までの第2の素子とを有し、
2段目からm-1段目までの前記第1の素子は、
ドレインが同じ段の前記スイッチング素子のゲートに接続され、
ゲートが次段の前記スイッチング素子のソースに接続され、
ソースが次段の前記スイッチング素子のゲートに接続され、
2段目からm-1段目までの前記第2の素子は、
ドレインが次段または同じ段の前記スイッチング素子のソースに接続され、
ゲートが同じ段の前記スイッチング素子のゲートに接続され、
ソースが次段の前記スイッチング素子のゲートに接続され、
1段目の前記第2の素子は、
ドレインが次段または同じ段の前記スイッチング素子のソースに接続され、
ゲートに前記第2のゲート駆動回路からの前記信号が入力され、
ソースが次段の前記スイッチング素子のゲートに接続され
ていることを特徴とする半導体装置。
In claim 4,
a source terminal connected to the source of the switching element in the first stage;
and a drain terminal connected to the drain of the m-th switching element,
The sources of the switching elements in the second and subsequent stages are connected to the drains of the switching elements in the previous stage,
The drive circuit includes:
a first stage first element configured with a normally-off transistor or diode having the second conductivity type;
first elements from the second stage to the m-1 stage, each of which is composed of normally-off transistors having the second conductivity type;
and second elements from the first stage to the m-1 stage, each of which is composed of normally-off transistors having the second conductivity type;
The first elements from the second stage to the m-1 stage are:
a drain is connected to the gate of the switching element in the same stage,
a gate is connected to a source of the switching element of the next stage,
a source is connected to the gate of the switching element of the next stage,
The second elements from the second stage to the m-1 stage are:
the drain is connected to the source of the switching element in the next stage or the same stage,
a gate is connected to the gate of the switching element in the same stage,
a source is connected to the gate of the switching element of the next stage,
The second element in the first stage is
the drain is connected to the source of the switching element in the next stage or the same stage,
the signal from the second gate drive circuit is input to the gate,
A semiconductor device characterized in that a source is connected to a gate of the switching element of the next stage.
請求項9において、
1段目の前記第1の素子は、前記第2の導電型を有するノーマリオフ型のトランジスタであって、
ドレインに前記第2のゲート駆動回路からの前記信号が入力され、
ゲートが次段の前記スイッチング素子のソースに接続され、
ソースが次段の前記スイッチング素子のゲートに接続され
ていることを特徴とする半導体装置。
In claim 9,
The first element in the first stage is a normally-off transistor having the second conductivity type,
The signal from the second gate drive circuit is input to the drain,
a gate is connected to a source of the switching element of the next stage,
A semiconductor device characterized in that a source is connected to a gate of the switching element of the next stage.
請求項9において、
1段目の前記第1の素子は、前記ダイオードであって、
前記第1の導電型がn型の場合はアノードに、前記第1の導電型がp型の場合はカソードに、前記第2のゲート駆動回路からの前記信号が入力され、
前記第1の導電型がn型の場合はカソードが、前記第1の導電型がp型の場合はアノードが、2段目の前記スイッチング素子のゲートに接続され
ていることを特徴とする半導体装置。
In claim 9,
The first element in the first stage is the diode,
The signal from the second gate drive circuit is input to the anode when the first conductivity type is n type, and to the cathode when the first conductivity type is p type,
A semiconductor characterized in that a cathode is connected to the gate of the second-stage switching element when the first conductivity type is n-type, and an anode is connected to the gate of the second-stage switching element when the first conductivity type is p-type. Device.
請求項9において、
1段目からm-1段目までの前記第2の素子は、ドレインが次段の前記スイッチング素子のソースに接続されていることを特徴とする半導体装置。
In claim 9,
A semiconductor device, wherein the drains of the second elements from the first stage to the m-1th stage are connected to the sources of the switching elements of the next stage.
請求項9において、
1段目からm-1段目までの前記第2の素子は、ドレインが同じ段の前記スイッチング素子のソースに接続されていることを特徴とする半導体装置。
In claim 9,
A semiconductor device characterized in that the drains of the second elements from the first stage to the m-1th stage are connected to the sources of the switching elements in the same stage.
請求項9において、
前記駆動回路は、前記第2の導電型を有するノーマリオフ型のトランジスタで構成された1段目からm-1段目までの第3の素子を有し、
1段目からm-1段目までの前記第3の素子は、ゲートが次段の前記スイッチング素子のソースに接続され、
2段目からm-1段目までの前記第3の素子は、ドレインが同じ段の前記スイッチング素子のゲートに接続され、
2段目からm-1段目までの前記第1の素子は、ドレインが同じ段の前記第3の素子を介して同じ段の前記スイッチング素子のゲートに接続され、
1段目の前記第3の素子は、ドレインに前記第2のゲート駆動回路からの前記信号が入力され、
1段目の前記第1の素子は、1段目の前記第3の素子を介して前記第2のゲート駆動回路からの前記信号が入力され、
1段目の前記第2の素子は、1段目の前記第3の素子を介してゲートに前記第2のゲート駆動回路からの前記信号が入力され
ていることを特徴とする半導体装置。
In claim 9,
The drive circuit includes third elements from a first stage to an m-1 stage that are composed of normally-off transistors having the second conductivity type, and
The third elements from the first stage to the m-1th stage have their gates connected to the sources of the switching elements of the next stage,
The third elements from the second stage to the m-1 stage have their drains connected to the gates of the switching elements in the same stage,
The drains of the first elements from the second stage to the m-1 stage are connected to the gates of the switching elements at the same stage via the third elements at the same stage,
The signal from the second gate drive circuit is input to the drain of the third element in the first stage, and
The first element in the first stage receives the signal from the second gate drive circuit via the third element in the first stage,
A semiconductor device, wherein the second element in the first stage has the signal from the second gate drive circuit inputted to the gate via the third element in the first stage.
請求項14において、
前記駆動回路は、それぞれ互いに逆並列に接続されたダイオードで構成された1段目からm-1段目までの第4の素子を有し、
1段目からm-1段目までの前記第3の素子は、ゲートが同じ段の前記第4の素子を介して次段の前記スイッチング素子のソースに接続されていることを特徴とする半導体装置。
In claim 14,
The drive circuit has fourth elements from a first stage to an m-1 stage each composed of diodes connected in antiparallel to each other,
A semiconductor characterized in that the third elements from the first stage to the m-1th stage have their gates connected to the source of the switching element at the next stage via the fourth element at the same stage. Device.
請求項14において、
1段目からm-1段目までの前記第3の素子のゲート閾値の絶対値が、同じ段の前記第1の素子のゲート閾値の絶対値よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
In claim 14,
A semiconductor device characterized in that the absolute value of the gate threshold value of the third element from the first stage to the m-1th stage is smaller than the absolute value of the gate threshold value of the first element at the same stage.
請求項1から16の何れかに記載の半導体装置をスイッチング素子として用いることを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device characterized in that the semiconductor device according to any one of claims 1 to 16 is used as a switching element.
JP2022077488A 2022-05-10 2022-05-10 Semiconductor device and power conversion device Pending JP2023166747A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022077488A JP2023166747A (en) 2022-05-10 2022-05-10 Semiconductor device and power conversion device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022077488A JP2023166747A (en) 2022-05-10 2022-05-10 Semiconductor device and power conversion device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023166747A true JP2023166747A (en) 2023-11-22

Family

ID=88836916

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022077488A Pending JP2023166747A (en) 2022-05-10 2022-05-10 Semiconductor device and power conversion device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2023166747A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9899998B2 (en) Bridge circuits and their components
US9690314B2 (en) Inductive load power switching circuits
US9362903B2 (en) Gate drivers for circuits based on semiconductor devices
EP2188842B1 (en) Iii-nitride bidirectional switches
US9007117B2 (en) Solid-state switching device having a high-voltage switching transistor and a low-voltage driver transistor
US20210218396A1 (en) Gate drive circuit for reducing reverse recovery current of power device
US8710541B2 (en) Bi-directional switch using series connected N-type MOS devices in parallel with series connected P-type MOS devices
CN103681666A (en) Circuit arrangement with first semiconductor device and with plurality of second semiconductor devices
US10523197B2 (en) Switch circuit, corresponding device and method
JP2023166747A (en) Semiconductor device and power conversion device
US11394372B2 (en) Wide band gap power semiconductor system and driving method thereof
WO2013052054A1 (en) System and method for providing bi-directional power flow and power conditioning
WO2022270168A1 (en) Semiconductor device and power conversion device
US11489521B2 (en) Power transistor module and controlling method thereof
JP7489252B2 (en) Semiconductor device and power conversion device
US20240178829A1 (en) Driving circuit
US20240022239A1 (en) Cascode device with one or more normally-on gates