JP3636140B2 - ゲート駆動回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、MOSFETやIGBTのゲートを駆動するゲート駆動回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図3は、従来のゲート駆動回路を示す回路図である。
パワーMOSFET(以下、単にMOSFETという)1のゲートを電圧駆動するためのモノリシックICがある。モノリシックICは、図3に示すように、例えば5個のNPN型トランジスタ11,12,13,14,15を備えている。
【0003】
トランジスタ11は、図示しない制御部から与えられた制御信号SCを増幅するものである。トランジスタ12は、トランジスタ11で増幅された制御信号に基づき、電源端子T1から与えられた電源電圧とMOSFET1のゲートとの間を開閉するものである。
トランジスタ13は、制御信号SCとは位相を反転させた制御信号SC/を生成するものである。トランジスタ14は、制御信号SC/を増幅するものである。トランジスタ15は、トランジスタ14で増幅された制御信号SC/に基づきグランド端子GNDとMOSFET1のゲートとの間をオン、オフするものである。
NPN型トランジスタ11と、トランジスタ11にダーリントン接続されたNPN型トランジスタ12とを備えている。
【0004】
このようなモノリシックICにおいて、制御部が制御信号SCを高レベル(以下、“H”という)にすると、制御信号SCをベースに入力するトランジスタ11,13がオンする。コレクタが電源電圧に接続されたトランジスタ11は、制御信号SCを増幅してトランジスタ12のベースに与え、トランジスタ12がオンして電源電圧とMOSFET1のゲートとを接続する。これにより、MOSFET1のゲートが“H”に駆動されてMOSFET1がオンする。
トランジスタ13がオンしている期間には、トランジスタ13のコレクタの電圧が下がり、制御信号SC/がローレベル(以下、“L”という)になっている。トランジスタ13のコレクタにベースが接続されたトランジスタ14は、オフしており、トランジスタ15がオフしている。
【0005】
制御部が制御信号SCを“L”にすると、制御信号SCをベースに入力するトランジスタ11,13がオフする。トランジスタ11がオフすることにより、トランジスタ12がオフし、MOSFET1のゲートが電源電圧から切り離される。
これに対し、トランジスタ13がオフしたことにより、トランジスタ13のコレクタの電圧が電流源16によって上昇し、制御信号SC/が“H”になる。MOSFET1のゲートにコレクタが接続されたトランジスタ14が、制御信号SC/を増幅してトランジスタ15のベースに与える。増幅された制御信号SC/が与えられたトランジスタ15がオンして、MOSFET1のゲートをグランドに接続する。これにより、MOSFET1のゲートが“L”になり、MOSFET1がオフする。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のモノリシックICには、次のような課題があった。
即ち、駆動対象のMOSFET1のゲートとソースと間には、寄生容量20があるとともに、配線パターンによるインダクタンス21等が接続されていると見なされる場合がある。この場合、MOSFET1がターンオフすると、インダクタンス21が誘導電圧を発生し、寄生容量20を介してMOSFET1のゲート、ソース間に電流が流れる。この電流により、MOSFET1のゲートの電圧が降下し、トランジスタ14のコレクタの電位がエミッタの電位よりも下がり、トランジスタ14に寄生するトランジスタ23が動作するようになる。
【0007】
図4は、寄生トランジスタ23の説明図である。
半導体基板上にNPN型トランジスタ14を形成する場合、例えばP型基板24の表面に、コレクタとなる不純物濃度の高いn+の埋め込み層25を形成し、基板24上に不純部濃度の薄いn−型のエピタキシャル層26を形成し、素子分離を行った後、エピタキシャル層26内に、P型のベース27、n+型のエミッタ28、及びコレクタを取り出すプラグ29を形成する。寄生トランジスタ23は、トランジスタ14のベース27をエミッタ、トランジスタ14のコレクタとなる埋込み層25をベース、グランドとなる基板24をコレクタとするPNP型トランジスタである。
【0008】
寄生トランジスタ23が動作すると、トランジスタ14の制御信号SC/をグランドに流す。よって、トランジスタ14はオフし、トランジスタ15のベースにベース電流が供給されなくなる。よって、本来、オンするはずのトランジスタ15がオフする。そして、MOSFET1のゲート電圧が、グランド電圧よりもさらに低下すると、トランジスタ14,15のコレクタ層をエミッタとするNPN型の寄生トランジスタ30がオンしてしまう。この寄生トランジスタ30のコレクタは、同一チップ上のエピタキシャル層26であり、他のPNP型トランジスタのベース電流や、他のNPN型トランジスタのコレクタ電流などを導いてしまうため、誤動作を起こすおそれがあった。
【0009】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、誤動作を防止することが可能なゲート駆動回路を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係るゲート駆動回路は、駆動対象トランジスタのゲートと第1の電圧源との間を開閉する開閉回路と、半導体基板上に形成され、第1電極と第2電極と制御電極とを有し、該制御電極に与えられた制御信号を増幅し該第2電極から出力するドライブ用バイポーラトランジスタと、前記ゲートと前記第1電極との間に接続され、前記ドライブ用バイポーラトランジスタに寄生する寄生トランジスタがオンすることを妨げ、前記制御信号が該ドライブ用バイポーラトランジスタの制御電極から第2の電圧源に流れることを防止する整流素子と、前記半導体基板上に形成され、前記第2電極に接続された制御電極と前記ゲートに接続された第3電極と前記第2の電圧源に接続された第4電極とを有し、前記増幅された制御信号に基づき該ゲートと該第2の電圧源との間を前記開閉回路とは相補的に開閉するスイッチングバイポーラトランジスタと、を備えることを特徴とする。
【0011】
このような構成を採用したことにより、開閉回路が駆動対象トランジスタのゲートと第1の電圧源との間を開閉し、スイッチングバイポーラトランジスタが第2の電圧源とゲートとの間を、開閉回路とは相補的に開閉する。ここで、開閉回路がゲートと第1の電圧源との間の開閉を切替える際にも、整流素子が寄生トランジスタをオンさせることを妨げるので、スイッチングバイポーラトランジスタが第2の電圧源とゲートとの間を確実に開閉できる。これにより、誤動作が防止される。
【0012】
なお、前記開閉回路は、前記半導体基板上に形成されていてもよい。
また、前記ドライブ用バイポーラトランジスタ周囲は、前記半導体基板上に形成されたプラグで囲まれていてもよい。
【0013】
また、前記スイッチングバイポーラトランジスタの及び前記整流素子の周囲は、前記半導体基板上のエピタキシャル成長層で囲まれるとともに、該エピタキシャル成長層は所定電圧でバイアスされていてもよい。
また、前記スイッチングバイポーラトランジスタの周囲は、前記半導体基板に形成されたプラグで囲まれていてもよい。
また、前記第1の電圧源は、電源電圧であり、前記第2の電圧源はグランド電圧であってもよい。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態に係るゲート駆動回路を示す構成図である。
MOSFET1のゲート駆動回路は、共通の半導体基板上に形成された第1の開閉回路40、第2の開閉回路50及び制御信号変成回路60を、備えている。
【0015】
第1の開閉回路40は、電源電圧VccとMOSFET1のゲートとの間を開閉する回路であり、ダーリントン接続された2個のNPN型トランジスタ41,42を備えている。トランジスタ41及び42のコレクタは、電源電圧Vccと接続され、トランジスタ41のベースには、図示しない制御部から制御信号SCが与えられる。トランジスタ41のエミッタは、トランジスタ42のベースに接続されている。トランジスタ42のエミッタが、MOSFET1のゲートに接続されている。
【0016】
第2の開閉回路50は、グランドとMOSFET1のゲートとの間を、第1の開閉回路40とは相補的に開閉するものであり、ダーリントン接続された2個のNPN型トランジスタ51,52と、ダイオード53とを備えている。トランジスタ51のコレクタは、ダイオード53のカソードと接続されている。ダイオード53のアノードとトランジスタ52のコレクタとが、MOSFET1のゲートに接続されている。トランジスタ51のエミッタは、トランジスタ52のベースに接続されている。トランジスタ52のエミッタが、グランドに接続されている。
【0017】
トランジスタ51には、前述した図3の寄生トランジスタ23が寄生するが、トランジスタ51は、その寄生トランジスタ23の増幅率を低下させるために、その周辺がプラグで囲まれている。また、レイアウト上、ダイオード53及びトランジスタ52と他の素子との距離は、大きくしてある。また、トランジスタ52の周囲をエピタキシャル層で囲んで適当な電圧でバイアスしている。
【0018】
制御信号変成回路60は、制御信号SCを変成する回路であり、電源電圧Vccに一端が接続された定電流源61と、定電流源61の他端にコレクタが接続されたNPN型トランジスタ62とを、備えている。トランジスタ62のベースには制御信号SCが与えられる。トランジスタ62のエミッタが、グランドに接続されている。トランジスタ62のコレクタが、制御信号SCの位相を反転した制御信号SC/を出力する端子となり、第2の開閉回路50中のトランジスタ51のベースに接続されている。
【0019】
駆動対象のMOSFET1のゲートとソース間には、寄生容量20が存在し、MOSFET1のソースには、配線等によるインダクタンス21が接続されているものとする。
【0020】
次に本実施の形態に係るゲート駆動回路の動作を説明する。
制御部が制御信号SCを高レベル(以下、“H”という)にすると、制御信号SCをベースに入力するトランジスタ41,62がオンする。コレクタが電源電圧Vccに接続されたトランジスタ41は、制御信号SCを増幅してトランジスタ42のベースに与え、トランジスタ42がオンして電源電圧VccとMOSFET1のゲートとを接続する。これにより、MOSFET1のゲートが“H”に駆動されてMOSFET1がオンする。
【0021】
トランジスタ62がオンしている期間には、トランジスタ62のコレクタの電圧が下がり、制御信号SC/がローレベル(以下、“L”という)になっている。トランジスタ62のコレクタにベースが接続されたトランジスタ51は、オフしており、トランジスタ52がオフしている。
【0022】
制御部が制御信号SCを“L”にすると、制御信号SCをベースに入力するトランジスタ41,62がオフする。
トランジスタ41がオフすることにより、トランジスタ42がオフし、MOSFET1のゲートが電源電圧Vccから切り離される。
【0023】
これに対し、トランジスタ62がオフしたことにより、トランジスタ62のコレクタの電圧が定電流源61によって上昇し、制御信号SC/が“H”になる。MOSFET1のゲートにダイオード53を介してコレクタが接続されたトランジスタ51が、制御信号SC/を増幅してトランジスタ52のベースに与える。増幅された制御信号SC/が与えられたトランジスタ52がオンし、MOSFET1のゲートをグランドに接続する。これにより、MOSFET1のゲートが“L”に駆動されて、MOSFET1がオフする。
【0024】
なお、MOSFET1がターンオフすると、インダクタンス21が誘導電圧を発生し、寄生容量20を介してMOSFET1のゲート、ソース間に電流が流れる。この電流により、MOSFET1のゲートの電圧が降下する。しかしながら、ダイオード53が、MOSFET1のゲートとトランジスタ51のコレクタとの間に接続されているので、寄生トランジスタ23がオンすることを妨げている。よって、トランジスタ51のベースに与えられた制御信号SC/がグランドに流れることが防止され、これがトランジスタ52のベース電流になる。トランジスタ52のコレクタは、エミッタよりも低くなるので、逆増幅率動作(逆トランジスタ動作)となり、トランジスタ52のコレクタ−エミッタ間には、ベース電流の増幅率倍まで、電流が流れる。
【0025】
図2は、図1のゲート駆動回路の効果を説明する図である。
トランジスタ52の逆増幅率動作をしている時(TERM1)には、MOSFET1のゲート電圧Vがトランジスタ52の飽和電圧VCE(SAT)までしか下がらない。このため、図3に示す寄生トランジスタ30は動作しない。さらに、寄生トランジスタ30の電流増幅率もレイアウト上の工夫で下げられているため、他のPNP型トランジスタの誤動作が防止される。
【0026】
以上説明したように、本実施の形態によれば、トランジスタ51のコレクタとMOSFET1のゲートとの間にダイオード53を接続するようにしたので、トランジスタ51のベース電流がグランドに流れなくなる。
【0027】
また、トランジスタ51をプラグで囲うことにより、寄生トランジスタ23のの増幅率が下がり、トランジスタ51のベース電流が一層グランドに流れ難くなる。従って、トランジスタ51のベース電流を、そのままトランジスタ52のベースに供給することができる。よって、トランジスタ52を確実にオンさせることができる。
【0028】
また、トランジスタ52の周囲をエピタキシャル層で囲んでバイアスすることにより、寄生トランジスタ30の電流増幅率が下がるので、誤動作する危険性をさらに低くできる。
【0029】
尚、本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施の形態に限られるものではない。例えば、NPN型トランジスタをPNP型トランジスタに変更して適切に接続したゲート駆動回路にも、本発明は適用できる。また、駆動対象トランジスタをIGBTとしたゲート駆動回路にも適用可能である。
【0030】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、誤動作を防止することが可能性なゲート駆動回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るゲート駆動回路を示す構成図である。
【図2】図1のゲート駆動回路の効果を説明する図である。
【図3】従来のゲート駆動回路を示す回路図である。
【図4】従来のゲート駆動回路の課題の説明図である。
【符号の説明】
1 MOSFET
40 第1の開閉回路
41,42,51,52,62 NPN型トランジスタ
50 第2の開閉回路
53 ダイオード
60 制御信号変成回路
23,30 寄生トランジスタ
Claims (6)
- 駆動対象トランジスタのゲートと第1の電圧源との間を開閉する開閉回路と、
半導体基板上に形成され、第1電極と第2電極と制御電極とを有し、該制御電極に与えられた制御信号を増幅し該第2電極から出力するドライブ用バイポーラトランジスタと、
前記ゲートと前記第1電極との間に接続され、前記ドライブ用バイポーラトランジスタに寄生する寄生トランジスタがオンすることを妨げ、前記制御信号が該ドライブ用バイポーラトランジスタの制御電極から第2の電圧源に流れることを防止する整流素子と、
前記半導体基板上に形成され、前記第2電極に接続された制御電極と前記ゲートに接続された第3電極と前記第2の電圧源に接続された第4電極とを有し、前記増幅された制御信号に基づき該ゲートと該第2の電圧源との間を前記開閉回路とは相補的に開閉するスイッチングバイポーラトランジスタと、
を備えることを特徴とするゲート駆動回路。 - 前記開閉回路は、前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のゲート駆動回路。
- 前記ドライブ用バイポーラトランジスタの周囲は、前記半導体基板上に形成されたプラグで囲まれていることを特徴とする請求項1または2に記載のゲート駆動回路。
- 前記スイッチングバイポーラトランジスタ及び前記整流素子の周囲は、前記半導体基板上のエピタキシャル成長層で囲まれるとともに、該エピタキシャル成長層は所定電圧でバイアスされていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のゲート駆動回路。
- 前記スイッチングバイポーラトランジスタの周囲は、前記半導体基板に形成されたプラグで囲まれていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のゲート駆動回路。
- 前記第1の電圧源は、電源電圧であり、前記第2の電圧源はグランド電圧であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のゲート駆動回路。
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