JP3659222B2 - Current control type drive circuit for semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御端子に流入する電流を制御してターンオン/ターンオフする電流制御型半導体素子に用いられる駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
誘導性負荷を駆動する電流制御型スイッチングトランジスタ素子として、たとえば、特開平6−252408号公報に開示されているものが知られている。図7は、このような電流制御型半導体素子を使用して誘導性負荷を駆動する従来の駆動回路を示している。トランジスタTr1は、駆動回路からベース端子に流される電流に応じてオン/オフされ、トランジスタTr1に接続されている不図示の誘導性負荷を駆動する。
【0003】
駆動回路は、パルス電源と、制御回路92と、N型MOSトランジスタ93および94とによって構成される。パルス電源は、パルス発生回路91と、直流電源Vsと、ダイオードDs1およびDs2と、スイッチSW1およびSW2と、トランスTとによって構成される。トランスTには、一次巻き線Pと二次巻き線Sとが巻かれている。
【0004】
トランスTの一次巻き線P側の回路には、直流電源Vsの電圧を一次巻き線Pに正の向き(図中ドットに向かう上向き)に印加するためにスイッチSW1およびSW2が直列に接続されている。また、一次巻き線Pに流れる電流を環流させる向きに、ダイオードDs1およびDs2が直列に接続されている。パルス発生回路91は、スイッチSW1およびSW2の組を所定の周期でオン/オフするようにパルス状の制御信号Vg91を出力する。
【0005】
トランスTの二次巻き線S側の回路には、内蔵されるボディダイオードの極性が互いに逆になるように、N型MOSトランジスタ93および94が直列に接続されている。ボディダイオードD93は、N型MOSトランジスタ93に内蔵される。ボディダイオードD94は、N型MOSトランジスタ94に内蔵される。制御回路92は、N型MOSトランジスタ93および94のいずれか一方をオンし、他方をオフするように制御信号Vg93およびVg94を出力する。なお、トランジスタTr1のベース端子に電流を供給する二次巻き線S側の電流経路には、寄生インダクタンスLsが存在する。
【0006】
上述した駆動回路の動作タイミングを説明する。図8は、図7の駆動回路各部の動作タイミングを説明するタイミングチャートである。図8において、パルス発生回路91から出力される制御信号Vg91、二次巻き線Sに誘起される電圧V2、N型MOSトランジスタ94のゲート端子に印加される制御信号Vg94、N型MOSトランジスタ93のゲート端子に印加される制御信号Vg93、トランジスタTr1のベース端子に流れ込む電流I2、トランジスタTr1のベース端子−エミッタ端子間電圧Vbe、およびトランジスタTr1のコレクタ端子−エミッタ端子間電圧Vceの波形がそれぞれ示されている。
【0007】
制御信号Vg91は、上述したように、所定の周期でオン/オフが繰り返される。制御信号Vg91がHレベルになると、スイッチSW1およびSW2がオンされる。このとき、トランスTの一次巻き線Pに流れる電流が増加し、二次巻き線Sに誘起される電圧V2は正の向きになる。制御信号Vg91がLレベルになると、スイッチSW1およびSW2がオフされる。このとき、トランスTの一次巻き線Pに流れる電流は、ダイオードDs1およびDs2を介して環流されて減少し、二次巻き線Sに誘起される電圧V2は負の向きになる。
【0008】
タイミングt1において、制御回路92が制御信号Vg94をHレベルにするとともに制御信号Vg93をLレベルにすると、N型MOSトランジスタ94がオン、N型MOSトランジスタ93がオフされる。二次巻き線S側の回路には、N型MOSトランジスタ93のボディダイオードD93で半波整流された電流が、N型MOSトランジスタ94を介してトランジスタTr1のベース端子へ流れ込む。これにより、トランジスタTr1は、トランジスタTr1内にキャリア注入されてターンオンする。上述した寄生インダクタンスLsの存在により、トランジスタTr1のベース端子に流れる電流I2は徐々に増加し、その波形は右上がりの傾きを有するパルス状波形になる。
【0009】
タイミングt2において、制御回路92が制御信号Vg94をLレベルにするとともに制御信号Vg93をHレベルにすると、N型MOSトランジスタ94がオフ、N型MOSトランジスタ93がオンされる。二次巻き線S側の回路には、N型MOSトランジスタ94のボディダイオードD94で半波整流された電流が、N型MOSトランジスタ93を介して二次巻き線Sのドット側(図7)へ流れる。これにより、トランジスタTr1はベース端子からキャリアを抜かれてターンオフする。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
トランジスタTr1がターンオフするとき、次の理由によりベース端子−エミッタ端子間電圧Vbeが図8に示すように振動し、トランジスタTr1が誤ってターンオンすることがある。一般に、ベース電流を流す電流経路には寄生インダクタンスLsの他、たとえばN型MOSトランジスタ93および94のオン抵抗や配線抵抗、および寄生の容量成分が存在する。トランジスタTr1が電流駆動型素子である場合は、大きなベース電流を流している状態から極めて短い時間でターンオフさせるため、寄生インダクタンスLsにたまったエネルギを急激に放出する必要がある。このエネルギ放出の際に寄生要素によるRLC共振現象が発生すると、ベース電圧端子−エミッタ端子間電圧Vbeが激しく振動する。ベース電圧がトランジスタTr1のオン電圧(約0.7V)まで上昇すると、トランジスタTr1は誤ってターンオンしてコレクタ電流を流す。この結果、コレクタ端子−エミッタ端子間電圧Vceも大きく振動する。図8において、電流I2はベース電流の波形を表し、+側はベース端子へ流れ込む電流、−側はベース端子からキャリアが引き抜かれるときに流れる電流である。
【0011】
なお、ベース端子からのキャリア引き抜きが急激に行われないように、N型MOSトランジスタ93のオン抵抗を大きくするとベース電圧の振動を抑制できるが、タイミングt2でトランジスタTr1のターンオフ制御を開始してから実際にトランジスタTr1がターンオフするまでの時間(ストレージ時間ts)が長くなってしまう。
【0012】
本発明の目的は、ストレージ時間を長くすることなくターンオフ時の制御端子の信号の振動を抑制し、誤ってターンオンすることを防止するようにした電流制御型半導体素子用駆動回路を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
(1)請求項1に記載の発明による電流制御型半導体素子用駆動回路は、正のパルス状電流および負のパルス状電流を交互に発生するパルス電流発生手段と、パルス電流発生手段と電流制御型トランジスタの制御端子との間に介挿され、制御端子に正のパルス状電流を供給する第1のスイッチ手段と、パルス電流発生手段と電流制御型トランジスタの制御端子との間に介挿され、制御端子に負のパルス状電流を供給するとともに、制御端子から電流制御型トランジスタ内の電荷を引き抜く第2のスイッチ手段と、電流制御型トランジスタの制御端子から第2のスイッチ手段を介さずに電流制御型トランジスタ内の電荷を引き抜く電荷引き抜き手段と、電流制御型トランジスタのターンオフの兆候を検出する検出手段と、(1)電流制御型トランジスタをオンする期間に、第1のスイッチ手段に正のパルス状電流の供給を指示し、(2)電流制御型トランジスタをオフする期間に、第2のスイッチ手段に負のパルス状電流の供給および電荷の引き抜きを指示するとともに、電荷引き抜き手段に電荷の引き抜きを指示し、検出手段で兆候が検出されたとき、第2のスイッチ手段に負のパルス電流の供給および電荷の引き抜きの停止を指示する制御回路とを備えることにより、上述した目的を達成する。
(2)請求項2に記載の発明による電流制御型半導体素子用駆動回路は、正のパルス状電流および負のパルス状電流を交互に発生するパルス電流発生手段と、パルス電流発生手段と電流制御型トランジスタの制御端子との間に介挿され、制御端子に正のパルス状電流を供給する第1のスイッチ手段と、パルス電流発生手段と電流制御型トランジスタの制御端子との間に介挿され、制御端子に負のパルス状電流を供給するとともに、制御端子から電流制御型トランジスタ内の電荷を引き抜く第2のスイッチ手段と、第2のスイッチ手段より高インピーダンスであって電流制御型トランジスタの制御端子から第2のスイッチ手段を介さずに電流制御型トランジスタ内の電荷を引き抜く電荷引き抜き手段と、電流制御型トランジスタのターンオフの兆候を検出する検出手段と、(1)電流制御型トランジスタをオンする期間に、第1のスイッチ手段に正のパルス状電流の供給を指示し、(2)電流制御型トランジスタをオフする期間に、第2のスイッチ手段に負のパルス状電流の供給および電荷の引き抜きを指示し、検出手段で兆候が検出されたとき、第2のスイッチ手段に負のパルス電流の供給および電荷の引き抜きの停止を指示するとともに、電荷引き抜き手段に電荷の引き抜きを指示する制御回路とを備えることにより、上述した目的を達成する。
(3)請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の電流制御型半導体素子用駆動回路において、検出手段は、電流制御型トランジスタの主電流端子の電圧もしくは電流に応じて兆候を検出することを特徴とする。
(4)請求項4に記載の発明は、請求項1または2に記載の電流制御型半導体素子用駆動回路において、検出手段は、電流制御型トランジスタの制御端子の電圧もしくは電流に応じて兆候を検出することを特徴とする。
【0014】
【発明の効果】
(1)請求項1、3、4に記載の発明によれば、正負のパルス状電流を交互に発生するパルス電流発生手段からのパルス状電流を、電流制御型トランジスタをオンする期間に第1のスイッチ手段で整流して電流制御型トランジスタの制御端子に正のパルス状電流を供給し、電流制御型トランジスタをオフする期間に第2のスイッチ手段で整流して電流制御型トランジスタの制御端子に負のパルス状電流を供給する。電流制御型トランジスタをオフする期間は、第2のスイッチ手段と電荷引き抜き手段とで電流制御型トランジスタの制御端子から電荷引き抜きを行い、電流制御型トランジスタのターンオフが検出されると、第2のスイッチ手段による負のパルス状電流の供給と第2のスイッチ手段による電荷引き抜きとを停止させる。この結果、電流制御型半導体素子の制御端子における振動を防止できる。
(2)請求項2〜4に記載の発明によれば、正負のパルス状電流を交互に発生するパルス電流発生手段からのパルス状電流を、電流制御型トランジスタをオンする期間に第1のスイッチ手段で整流して電流制御型トランジスタの制御端子に正のパルス状電流を供給し、電流制御型トランジスタをオフする期間に第2のスイッチ手段で整流して電流制御型トランジスタの制御端子に負のパルス状電流を供給する。電流制御型トランジスタをオフする期間は、第2のスイッチ手段で電流制御型トランジスタの制御端子から電荷引き抜きを行い、電流制御型トランジスタのターンオフが検出されると、第2のスイッチ手段による負のパルス状電流の供給と第2のスイッチ手段による電荷引き抜きとを停止させ、電荷引き抜き手段に電流制御型トランジスタの制御端子から電荷を引き抜かせる。この結果、電流制御型半導体素子の制御端子における振動を防止できる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
−第一の実施の形態−
図1は、本発明の第一の実施の形態による電流制御型半導体素子の駆動回路を示す図である。トランジスタTr1は、駆動回路からベース端子に流されるパルス電流IBに応じてオン/オフされ、トランジスタTr1に接続されている不図示の誘導性負荷を駆動する。駆動回路は、パルス電源と、制御回路12と、N型MOSトランジスタM21、M22およびM23と、Vce検知回路13とによって構成される。パルス電源は、パルス発生回路11と、直流電源Vsと、ダイオードDs1およびDs2と、スイッチSW1およびSW2と、トランスTとによって構成される。トランスTには、一次巻き線Pと二次巻き線Sとが巻かれている。
【0016】
トランスTの一次巻き線P側の回路には、直流電源Vsの電圧を一次巻き線Pに正の向き(図中ドットに向かう上向き)に印加するためにスイッチSW1およびSW2が一次巻き線Pと直列に接続されている。また、一次巻き線Pに流れる電流を環流させる向きに、ダイオードDs1およびDs2が一次巻き線Pと直列に接続されている。パルス発生回路11は、スイッチSW1およびSW2を所定の周期でオン/オフするようにパルス状の制御信号Vg11を出力する。
【0017】
トランスTの二次巻き線S側の回路には、内蔵されるボディダイオードの極性が互いに逆になるように、N型MOSトランジスタM21およびM22が直列に接続されている。ボディダイオードD21は、N型MOSトランジスタM21に内蔵される。ボディダイオードD22は、N型MOSトランジスタM22に内蔵される。トランジスタTr1のベース端子−エミッタ端子間には、抵抗器RおよびN型MOSトランジスタM23が直列に接続されている。制御回路12は、N型MOSトランジスタM21およびM22のいずれか一方をオンし、他方をオフするように制御信号Vg21およびVg22を出力する。制御回路12はさらに、N型MOSトランジスタM23をオン/オフする制御信号Vg23を出力する。Vce検知回路13は、トランジスタTr1のコレクタ端子−エミッタ端子間電圧Vceを検出する。なお、トランジスタTr1のベース端子に電流を供給する二次巻き線S側の電流経路には、寄生インダクタンスLsが存在する。
【0018】
上述した駆動回路の動作タイミングを説明する。図2は、図1の駆動回路各部の動作タイミングを説明するタイミングチャートである。図2において、パルス発生回路11から出力される制御信号Vg11、二次巻き線Sに誘起される電圧V2、N型MOSトランジスタM22のゲート端子に印加される制御信号Vg22、N型MOSトランジスタM23のゲート端子に印加される制御信号Vg23、N型MOSトランジスタM21のゲート端子に印加される制御信号Vg21、トランジスタTr1のベース端子に流れ込む電流IB、トランジスタTr1のベース端子−エミッタ端子間電圧Vbe、およびトランジスタTr1のコレクタ端子−エミッタ端子間電圧Vceの波形がそれぞれ示されている。
【0019】
制御信号Vg11は、上述したように、所定の周期でオン/オフが繰り返される。制御信号Vg11がHレベルになると、スイッチSW1およびSW2がオンされる。このとき、トランスTの一次巻き線Pに流れる電流が増加し、二次巻き線Sに誘起される電圧V2は正の向きになる。制御信号Vg11がLレベルになると、スイッチSW1およびSW2がオフされる。このとき、トランスTの一次巻き線Pに流れる電流は、ダイオードDs1およびDs2を介して環流されて減少し、二次巻き線Sに誘起される電圧V2は負の向きになる。
【0020】
タイミングt1において、制御回路12が制御信号Vg22をHレベルにするとともに、制御信号Vg23およびVg21をLレベルにすると、N型MOSトランジスタM22がオン、N型MOSトランジスタM23およびM21がそれぞれオフされる。二次巻き線S側の回路には、N型MOSトランジスタM21のボディダイオードD21で半波整流された電流が、N型MOSトランジスタM22を介してトランジスタTr1のベース端子へ流れ込む。この結果、トランジスタTr1はキャリア注入されてターンオンする。
【0021】
トランジスタTr1がターンオンして不図示の負荷に対する駆動電流がトランジスタTr1のコレクタ端子からエミッタ端子へ流れると、トランジスタTr1のコレクタ−エミッタ間電圧Vceが低下する。
【0022】
なお、上述した寄生インダクタンスLsの存在により、トランジスタTr1のベース端子に流れる電流IBは徐々に増加し、その波形は右上がりの傾きを有するパルス状波形になる。パルス発生回路11による制御信号Vg11のパルス周期は、トランジスタT1の中のキャリアのライフタイムより十分小さくされるので、トランジスタT1のベース端子に流れる電流IBがパルス状の駆動電流であっても、トランジスタT1をターンオンさせることができる。
【0023】
タイミングt2において、制御回路12が制御信号Vg22をLレベルにするとともに、制御信号Vg23およびVg21をHレベルにすると、N型MOSトランジスタM22がオフ、N型MOSトランジスタM23およびM21がオンされる。二次巻き線S側の回路には、N型MOSトランジスタM22のボディダイオードD22で半波整流された電流が、N型MOSトランジスタM21を介して二次巻き線Sのドット側(図1)へ流れる。これにより、トランジスタTr1のベース端子からトランジスタTr1内のキャリアの引き抜きが開始される。このとき、抵抗器RおよびN型MOSトランジスタM23を介する経路によるキャリア引き抜きも行われる。
【0024】
トランジスタTr1内のキャリアが枯渇してくると、トランジスタTr1のコレクタ端子−エミッタ端子間電圧Vceが徐々に上昇する。トランジスタTr1がターンオフする直前のタイミングt3において、Vce検知回路13は、コレクタ端子−エミッタ端子間電圧Vceが所定値まで上昇するとこれを検知して検出信号を制御回路12へ出力する。制御回路12が入力された検出信号に応じて制御信号Vg21をLレベルにすると、N型MOSトランジスタM21がオフされる。これにより、ボディダイオードD22およびN型MOSトランジスタM21を介する経路によるトランジスタTr1内のキャリア引き抜きが停止され、抵抗器RおよびN型MOSトランジスタM23を介する経路によるキャリア引き抜きが継続される。抵抗器RおよびN型MOSトランジスタM23を介するキャリア引き抜き経路のインピーダンスは、ボディダイオードD22およびN型MOSトランジスタM21を介するキャリア引き抜き経路のインピーダンスに比べて抵抗器Rによって高くされているので、ベース端子から流れ出る電流IBは、タイミングt3以前よりタイミングt3以降の方が小さく絞られる。
【0025】
タイミングt3以降にトランジスタTr1のベース端子から流れ出るキャリア引き抜き電流IBを制限することは、RLC共振現象のダンピングファクタのR成分を大きくしてベース端子における電圧振動を抑えることにつながる。これにより、トランジスタTr1は、ベース端子−エミッタ端子間電圧Vbeが徐々に低下してターンオフし、ターンオフ後に再び誤ってターンオンすることがない。
【0026】
以上説明した第一の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。
(1)トランジスタTr1をターンオンさせるとき、トランスTの二次巻き線Sのドット側から流れ出る正の向き(順バイアス方向)のパルス電流を用いて、トランジスタT1内にキャリアを注入する。トランジスタTr1をターンオフさせるとき、トランスTの二次巻き線Sのドット側に流れ込む負の向き(逆バイアス方向)のパルス電流を用いて、トランジスタT1内に蓄積されているキャリアを引き抜く。二次巻き線Sから正のパルス電流を出力させるには、N型MOSスイッチM22をオン、N型MOSスイッチM21をオフしてボディダイオードD21で半波整流する。二次巻き線Sから負のパルス電流を出力させるには、N型MOSスイッチM21をオン、N型MOSスイッチM22をオフしてボディダイオードD22で整流する。この結果、1組のトランスTおよび従出力回路から時分割で正負両方向のパルス電流を出力させることができるので、回路の小型化およびコスト削減の効果がある。
(2)トランジスタTr1のターンオフ直前の状態(タイミングt3)を、Vce検知回路13によってコレクタ端子−エミッタ端子間電圧Vceの上昇から検出する。トランジスタTr1をターンオフする際、タイミングt2からタイミングt3までの間、トランジスタTr1のベース端子から低インピーダンスのキャリア引き抜き経路(ボディダイオードD22およびN型MOSトランジスタM21を介する経路)を介してトランジスタTr1内のキャリアを抜き、タイミングt3以降は、トランジスタTr1のベース端子から高インピーダンスのキャリア引き抜き経路(抵抗器RおよびN型MOSトランジスタM23を介する経路)を介してトランジスタTr1内のキャリアを抜くようにした。したがって、タイミングt2からタイミングt3までの間にキャリア引き抜きを速やかに行い、タイミングt3以降はキャリア引き抜き電流IBを抑えてトランジスタTr1のベース端子における電圧振動を抑制できる。この結果、トランジスタTr1がターンオフするまでのストレージ時間Tsを長くすることなく、ターンオフ時の誤ターンオンを防止できる。
【0027】
抵抗器RおよびN型MOSトランジスタM23を介するキャリア引き抜き経路は、抵抗器Rによってインピーダンスを高めるようにしたが、抵抗器Rを省略してN型MOSトランジスタM23のオン抵抗を高めるようにしてもよい。N型MOSトランジスタM23のオン抵抗は、印加する制御信号Vg23のHレベル時の電圧値を下げることによって高められる。
【0028】
Vce検知回路13でコレクタ端子−エミッタ端子間電圧Vceを検知する代わりに、コレクタ電流を検知してトランジスタTr1のターンオフ直前の状態(タイミングt3)を検出するようにしてもよい。この場合には、トランジスタTr1のコレクタ端子に流れ込むコレクタ電流の値が所定値以下になると検出信号を制御回路12へ出力すればよい。
【0029】
タイミングt2からタイミングt3までの間、トランジスタTr1のベース端子から低インピーダンスのキャリア引き抜き経路(ボディダイオードD22およびN型MOSトランジスタM21を介する経路)と、高インピーダンスのキャリア引き抜き経路(抵抗器RおよびN型MOSトランジスタM23を介する経路)との両方を介してトランジスタTr1内のキャリアを抜くようにした。この代わりに、低インピーダンスのキャリア引き抜き経路のみを用いるようにしてもよい。この場合には、タイミングt2からタイミングt3までの間、低インピーダンスのキャリア引き抜き経路のみをオンさせ、タイミングt3以降、高インピーダンスのキャリア引き抜き経路のみをオンさせるようにキャリア引き抜き経路を切り換えてトランジスタTr1内のキャリアを抜くようにする。
【0030】
−第二の実施の形態−
図3は、第二の実施の形態による電流制御型半導体素子の駆動回路を示す図である。図3において、図1と共通するものは図1と同じ符号を記して説明を省略する。第二の実施の形態では、第一の実施の形態に比べてVce検知回路13が省略され、IB検知回路13Bが追加される。また、制御回路12の代わりに制御回路12Bが設けられる。IB検知回路13Bは、トランジスタTr1のベース端子から流れ出る負の向きの電流IBの減少を検出し、検出信号を制御回路12Bへ出力する。
【0031】
図4は、図3の駆動回路各部の動作タイミングを説明するタイミングチャートである。パルス発生回路11から出力される制御信号Vg11、二次巻き線Sに誘起される電圧V2、N型MOSトランジスタM22のゲート端子に印加される制御信号Vg22、N型MOSトランジスタM23のゲート端子に印加される制御信号Vg23、N型MOSトランジスタM21のゲート端子に印加される制御信号Vg21、トランジスタTr1のベース端子に流れ込む電流IB、トランジスタTr1のベース端子−エミッタ端子間電圧Vbe、およびトランジスタTr1のコレクタ端子−エミッタ端子間電圧Vceの波形がそれぞれ示されている。
【0032】
タイミングt1〜タイミングt2までは、上述した図2の場合と同じである。タイミングt2において、トランジスタTr1のベース端子からキャリアの引き抜きが開始され、トランジスタTr1内のキャリアが枯渇してくると、トランジスタTr1のベース端子から流れ出るベース電流IBが徐々に減少する。トランジスタTr1がターンオフする直前のタイミングt3において、IB検知回路13Bは、ベース電流IBが所定値まで減少するとこれを検知して検出信号を制御回路12Bへ出力する。制御回路12Bが入力された検出信号に応じて制御信号Vg21をLレベルにすると、N型MOSトランジスタM21がオフされる。これにより、トランジスタTr1のベース端子から流れ出る電流IBは、タイミングt3以前よりタイミングt3以降の方が小さく絞られる。
【0033】
以上説明したように第二の実施の形態によれば、トランジスタTr1をターンオフする際、ベース端子から流れ出る電流IBの減少をIB検知回路13Bで検出することにより、トランジスタTr1のターンオフ直前の状態(タイミングt3)を検出するようにした。この結果、第一の実施の形態と同様に、ストレージ時間Tsを長びかせることなく、ターンオフ時の誤ターンオンを防止できる。
【0034】
−第三の実施の形態−
図5は、第三の実施の形態による電流制御型半導体素子の駆動回路を示す図である。図5において、図1と共通するものは図1と同じ符号を記して説明を省略する。第三の実施の形態では、第一の実施の形態に比べてVce検知回路13が省略され、Vbe検知回路13Cが追加される。また、制御回路12の代わりに制御回路12Cが設けられる。Vbe検知回路13Cは、トランジスタTr1のベース端子−エミッタ端子間電圧Vbeの減少を検出し、検出信号を制御回路12Cへ出力する。
【0035】
図6は、図5の駆動回路各部の動作タイミングを説明するタイミングチャートである。パルス発生回路11から出力される制御信号Vg11、二次巻き線Sに誘起される電圧V2、N型MOSトランジスタM22のゲート端子に印加される制御信号Vg22、N型MOSトランジスタM23のゲート端子に印加される制御信号Vg23、N型MOSトランジスタM21のゲート端子に印加される制御信号Vg21、トランジスタTr1のベース端子−エミッタ端子間電圧Vbe、トランジスタTr1のベース端子に流れ込む電流IB、およびトランジスタTr1のコレクタ端子−エミッタ端子間電圧Vceの波形がそれぞれ示されている。
【0036】
タイミングt1〜タイミングt2までは、上述した図2の場合と同じである。タイミングt2において、トランジスタTr1のベース端子からキャリアの引き抜きが開始され、トランジスタTr1内のキャリアが枯渇してくると、トランジスタTr1のベース端子−エミッタ端子間電圧Vbeが徐々に減少する。トランジスタTr1がターンオフする直前のタイミングt3において、Vbe検知回路13Cは、ベース端子−エミッタ端子間電圧Vbeが所定値まで減少するとこれを検知して検出信号を制御回路12Cへ出力する。制御回路12Cが入力された検出信号に応じて制御信号Vg21をLレベルにすると、N型MOSトランジスタM21がオフされる。これにより、トランジスタTr1のベース端子から流れ出る電流IBは、タイミングt3以前よりタイミングt3以降の方が小さく絞られる。
【0037】
以上説明したように第三の実施の形態によれば、トランジスタTr1をターンオフする際、ベース端子−エミッタ端子間電圧Vbeの減少をVbe検知回路13Cで検出することにより、トランジスタTr1のターンオフ直前の状態(タイミングt3)を検出するようにした。この結果、第一の実施の形態および第二の実施の形態と同様に、ストレージ時間Tsを長びかせることなく、ターンオフ時の誤ターンオンを防止できる。
【0038】
本発明による駆動回路は、一般的なバイポーラトランジスタだけに使用されるものではなく、ベース端子からキャリアを引き抜いてターンオフさせるときに、キャリア引き抜き速度が速すぎてベース信号が振動を起こすような種々の半導体素子に適用できる。とくに、トランジスタの動作が速く、電流の時間的変化が大きいことによるサージが発生しやすい半導体素子に対して本発明による駆動方法が有効である。
【0039】
特許請求の範囲における各構成要素と、発明の実施の形態における各構成要素との対応について説明する。パルス電流発生手段は、たとえば、パルス発生回路11と、直流電源Vsと、ダイオードDs1およびDs2と、スイッチSW1およびSW2と、トランスTとによって構成される。制御端子は、たとえば、ベース端子が対応する。第1のスイッチ手段は、たとえば、ボディダイオードD21およびN型MOSトランジスタM22によって構成される。第2のスイッチ手段は、たとえば、ボディダイオードD22およびN型MOSトランジスタM21によって構成される。電荷は、キャリアが対応する。電荷引き抜き手段は、たとえば、抵抗器RおよびN型MOSトランジスタM23によって構成される。検出手段は、たとえば、Vce検知回路13(IB検知回路13BもしくはVbe検知回路13C)によって構成される。主電流端子は、たとえば、コレクタ端子が対応する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一の実施の形態による電流制御型半導体素子の駆動回路を示す図である。
【図2】図1の駆動回路各部の動作タイミングを説明するタイミングチャートである。
【図3】第二の実施の形態による電流制御型半導体素子の駆動回路を示す図である。
【図4】図3の駆動回路各部の動作タイミングを説明するタイミングチャートである。
【図5】第三の実施の形態による電流制御型半導体素子の駆動回路を示す図である。
【図6】図5の駆動回路各部の動作タイミングを説明するタイミングチャートである。
【図7】従来の技術による電流制御型半導体素子の駆動回路を示す図である。
【図8】図8の駆動回路各部の動作タイミングを説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
11…パルス発生回路、 12…制御回路、
13…Vce検知回路、 13B…IB検知回路、
13C…Vbe検知回路、 L…誘導性負荷、
M21〜M23…N型MOSトランジスタ、
Tr1…トランジスタ、 Vs…直流電源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a drive circuit used in a current control type semiconductor device that is turned on / off by controlling a current flowing into a control terminal.
[0002]
[Prior art]
As a current control type switching transistor element for driving an inductive load, for example, one disclosed in JP-A-6-252408 is known. FIG. 7 shows a conventional driving circuit for driving an inductive load using such a current control type semiconductor element. The transistor Tr1 is turned on / off according to a current flowing from the drive circuit to the base terminal, and drives an inductive load (not shown) connected to the transistor Tr1.
[0003]
The drive circuit includes a pulse power supply, a
[0004]
In the circuit on the primary winding P side of the transformer T, switches SW1 and SW2 are connected in series in order to apply the voltage of the DC power source Vs to the primary winding P in the positive direction (upward toward the dots in the figure). Yes. Further, diodes Ds1 and Ds2 are connected in series in a direction in which the current flowing through the primary winding P is circulated. The
[0005]
N-
[0006]
The operation timing of the drive circuit described above will be described. FIG. 8 is a timing chart for explaining the operation timing of each part of the drive circuit of FIG. In FIG. 8, the
[0007]
As described above, the control signal Vg91 is repeatedly turned on / off at a predetermined cycle. When the control signal Vg91 becomes H level, the switches SW1 and SW2 are turned on. At this time, the current flowing through the primary winding P of the transformer T increases, and the voltage V2 induced in the secondary winding S becomes positive. When the control signal Vg91 becomes L level, the switches SW1 and SW2 are turned off. At this time, the current flowing through the primary winding P of the transformer T is reduced by circulating through the diodes Ds1 and Ds2, and the voltage V2 induced in the secondary winding S is in a negative direction.
[0008]
At timing t1, when the
[0009]
At timing t2, when the
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
When the transistor Tr1 is turned off, the base terminal-emitter terminal voltage Vbe may oscillate as shown in FIG. 8 for the following reason, and the transistor Tr1 may be turned on by mistake. In general, in addition to the parasitic inductance Ls, for example, the on-resistance and wiring resistance of the N-
[0011]
Note that the base voltage oscillation can be suppressed by increasing the on-resistance of the N-
[0012]
An object of the present invention is to provide a drive circuit for a current control type semiconductor device that suppresses the oscillation of a signal at a control terminal at the time of turn-off without increasing the storage time and prevents the turn-on by mistake. is there.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
(1) A drive circuit for a current control type semiconductor device according to the first aspect of the invention comprises a pulse current generating means for alternately generating a positive pulse current and a negative pulse current, a pulse current generating means and a current control. A first switch means for supplying a positive pulsed current to the control terminal, and a pulse current generating means and a control terminal of the current control type transistor. A second switching means for supplying a negative pulsed current to the control terminal and extracting the charge in the current control type transistor from the control terminal; and a second switching means from the control terminal of the current control type transistor without passing through the second switching means. Charge extracting means for extracting charge in the current control type transistor, detection means for detecting an indication of turn-off of the current control type transistor, and (1) a current control type transistor. Instructing the first switch means to supply a positive pulsed current during the period when the switch is turned on, and (2) supplying the negative pulsed current to the second switch means during the period during which the current control type transistor is turned off. Instructing the charge extraction means to extract the charge, and when the detection means detects a sign, instructs the second switch means to supply a negative pulse current and stop the extraction of the charge. The above-described object is achieved by providing a control circuit that performs the above-described operation.
(2) A drive circuit for a current control type semiconductor device according to a second aspect of the invention comprises a pulse current generating means for alternately generating a positive pulse current and a negative pulse current, a pulse current generating means and a current control. A first switch means for supplying a positive pulsed current to the control terminal, and a pulse current generating means and a control terminal of the current control type transistor. , Supplying a negative pulsed current to the control terminal, and pulling out the charge in the current control type transistor from the control terminal, and controlling the current control type transistor having a higher impedance than the second switch means. A charge extracting means for extracting charge in the current control type transistor from the terminal without going through the second switch means, and a turn-off of the current control type transistor. Detecting means for detecting a symptom; (1) instructing the first switch means to supply a positive pulsed current during a period when the current control type transistor is turned on; and (2) during a period when the current control type transistor is turned off. Instructing the second switch means to supply a negative pulsed current and extracting the charge, and when the detecting means detects a sign, stops supplying the negative pulse current to the second switch means and removing the charge. And the control circuit for instructing the charge extraction means to extract the charge, the above-mentioned object is achieved.
(3) The invention according to claim 3 is the current control type semiconductor element drive circuit according to
(4) The invention according to claim 4 is the current control type semiconductor element drive circuit according to
[0014]
【The invention's effect】
(1) According to the first, third, and fourth aspects of the present invention, the pulsed current from the pulse current generating means for alternately generating positive and negative pulsed currents is applied to the first period during the period when the current control type transistor is turned on. Is rectified by the switching means, and a positive pulse current is supplied to the control terminal of the current control type transistor. Supply negative pulsed current. When the current control transistor is turned off, the second switch means and the charge extraction means perform charge extraction from the control terminal of the current control transistor, and when the turn-off of the current control transistor is detected, the second switch means The supply of the negative pulsed current by the means and the charge extraction by the second switch means are stopped. As a result, vibration at the control terminal of the current control type semiconductor element can be prevented.
(2) According to the invention described in
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
-First embodiment-
FIG. 1 is a diagram showing a drive circuit of a current control type semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The transistor Tr1 is turned on / off according to the pulse current IB flowing from the drive circuit to the base terminal, and drives an inductive load (not shown) connected to the transistor Tr1. The drive circuit includes a pulse power supply, a
[0016]
In the circuit on the primary winding P side of the transformer T, switches SW1 and SW2 are connected to the primary winding P in order to apply the voltage of the DC power source Vs to the primary winding P in the positive direction (upward toward the dots in the figure). Connected in series. Further, diodes Ds1 and Ds2 are connected in series with the primary winding P in a direction in which the current flowing through the primary winding P is circulated. The
[0017]
In the circuit on the secondary winding S side of the transformer T, N-type MOS transistors M21 and M22 are connected in series so that the polarities of the built-in body diodes are opposite to each other. The body diode D21 is built in the N-type MOS transistor M21. The body diode D22 is built in the N-type MOS transistor M22. A resistor R and an N-type MOS transistor M23 are connected in series between the base terminal and the emitter terminal of the transistor Tr1.
[0018]
The operation timing of the drive circuit described above will be described. FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation timing of each part of the drive circuit of FIG. In FIG. 2, the control signal Vg11 output from the
[0019]
As described above, the control signal Vg11 is repeatedly turned on / off at a predetermined cycle. When the control signal Vg11 becomes H level, the switches SW1 and SW2 are turned on. At this time, the current flowing through the primary winding P of the transformer T increases, and the voltage V2 induced in the secondary winding S becomes positive. When the control signal Vg11 becomes L level, the switches SW1 and SW2 are turned off. At this time, the current flowing through the primary winding P of the transformer T is reduced by circulating through the diodes Ds1 and Ds2, and the voltage V2 induced in the secondary winding S is in a negative direction.
[0020]
At timing t1, when the
[0021]
When the transistor Tr1 is turned on and a driving current for a load (not shown) flows from the collector terminal to the emitter terminal of the transistor Tr1, the collector-emitter voltage Vce of the transistor Tr1 decreases.
[0022]
Note that, due to the presence of the parasitic inductance Ls described above, the current IB flowing through the base terminal of the transistor Tr1 gradually increases, and the waveform thereof becomes a pulse-like waveform having an upward slope. Since the pulse period of the control signal Vg11 by the
[0023]
At timing t2, when
[0024]
When the carrier in the transistor Tr1 is depleted, the collector terminal-emitter terminal voltage Vce of the transistor Tr1 gradually increases. At timing t3 immediately before the transistor Tr1 is turned off, the
[0025]
Limiting the carrier extraction current IB flowing out from the base terminal of the transistor Tr1 after the timing t3 increases the R component of the damping factor of the RLC resonance phenomenon, thereby suppressing voltage oscillation at the base terminal. As a result, the transistor Tr1 is turned off when the voltage Vbe between the base terminal and the emitter terminal gradually decreases, and does not turn on again after turning off.
[0026]
According to the first embodiment described above, the following operational effects can be obtained.
(1) When the transistor Tr1 is turned on, carriers are injected into the transistor T1 using a pulse current in a positive direction (forward bias direction) flowing out from the dot side of the secondary winding S of the transformer T. When the transistor Tr1 is turned off, carriers accumulated in the transistor T1 are extracted using a negative-direction (reverse bias direction) pulse current that flows into the dot side of the secondary winding S of the transformer T. To output a positive pulse current from the secondary winding S, the N-type MOS switch M22 is turned on, the N-type MOS switch M21 is turned off, and half-wave rectification is performed by the body diode D21. In order to output a negative pulse current from the secondary winding S, the N-type MOS switch M21 is turned on, the N-type MOS switch M22 is turned off, and the body diode D22 is rectified. As a result, pulse currents in both positive and negative directions can be output in a time-sharing manner from a pair of transformers T and sub output circuits, so that there are effects of circuit miniaturization and cost reduction.
(2) The state immediately before the transistor Tr1 is turned off (timing t3) is detected by the
[0027]
In the carrier extraction path through the resistor R and the N-type MOS transistor M23, the impedance is increased by the resistor R. However, the resistor R may be omitted and the on-resistance of the N-type MOS transistor M23 may be increased. . The on-resistance of the N-type MOS transistor M23 is increased by lowering the voltage value at the H level of the applied control signal Vg23.
[0028]
Instead of detecting the collector terminal-emitter terminal voltage Vce by the
[0029]
Between timing t2 and timing t3, a low-impedance carrier extraction path (path through the body diode D22 and the N-type MOS transistor M21) and a high-impedance carrier extraction path (resistors R and N-type) from the base terminal of the transistor Tr1. The carrier in the transistor Tr1 is extracted through both of the above and the path through the MOS transistor M23. Instead, only a low-impedance carrier extraction path may be used. In this case, only the low-impedance carrier extraction path is turned on from timing t2 to timing t3, and after timing t3, the carrier extraction path is switched so as to turn on only the high-impedance carrier extraction path. Try to pull out the carrier.
[0030]
-Second embodiment-
FIG. 3 is a diagram showing a drive circuit for a current control type semiconductor device according to the second embodiment. In FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG. In the second embodiment, the
[0031]
FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation timing of each part of the drive circuit of FIG. Control signal Vg11 output from the
[0032]
The timing t1 to the timing t2 are the same as in the case of FIG. At timing t2, when the extraction of carriers starts from the base terminal of the transistor Tr1 and the carriers in the transistor Tr1 are exhausted, the base current IB flowing out from the base terminal of the transistor Tr1 gradually decreases. At timing t3 immediately before the transistor Tr1 is turned off, the IB detection circuit 13B detects that the base current IB has decreased to a predetermined value, and outputs a detection signal to the
[0033]
As described above, according to the second embodiment, when the transistor Tr1 is turned off, the decrease in the current IB flowing out from the base terminal is detected by the IB detection circuit 13B, so that the state immediately before the transistor Tr1 is turned off (timing). t3) was detected. As a result, similarly to the first embodiment, erroneous turn-on at turn-off can be prevented without increasing the storage time Ts.
[0034]
-Third embodiment-
FIG. 5 is a diagram showing a drive circuit for a current control type semiconductor device according to the third embodiment. In FIG. 5, the same reference numerals as those in FIG. In the third embodiment, the
[0035]
FIG. 6 is a timing chart for explaining the operation timing of each part of the drive circuit of FIG. Control signal Vg11 output from the
[0036]
The timing t1 to the timing t2 are the same as in the case of FIG. At timing t2, when the extraction of carriers starts from the base terminal of the transistor Tr1 and the carriers in the transistor Tr1 are exhausted, the base terminal-emitter terminal voltage Vbe of the transistor Tr1 gradually decreases. At timing t3 immediately before the transistor Tr1 is turned off, the
[0037]
As described above, according to the third embodiment, when the transistor Tr1 is turned off, the decrease in the base terminal-emitter terminal voltage Vbe is detected by the
[0038]
The drive circuit according to the present invention is not used only for a general bipolar transistor, but when the carrier is pulled out from the base terminal and turned off, the carrier signal is too fast and the base signal vibrates. It can be applied to semiconductor elements. In particular, the driving method according to the present invention is effective for a semiconductor element in which the operation of a transistor is fast and a surge is likely to occur due to a large temporal change in current.
[0039]
The correspondence between each component in the claims and each component in the embodiment of the invention will be described. The pulse current generating means includes, for example, a
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a drive circuit of a current control type semiconductor device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a timing chart for explaining operation timing of each part of the drive circuit in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing a drive circuit of a current control type semiconductor device according to a second embodiment.
4 is a timing chart for explaining the operation timing of each part of the drive circuit of FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram showing a drive circuit of a current control type semiconductor device according to a third embodiment.
6 is a timing chart for explaining the operation timing of each part of the drive circuit of FIG. 5;
FIG. 7 is a diagram showing a driving circuit for a current control type semiconductor device according to the prior art.
8 is a timing chart for explaining operation timing of each part of the drive circuit in FIG. 8;
[Explanation of symbols]
11 ... Pulse generation circuit, 12 ... Control circuit,
13 ... Vce detection circuit, 13B ... IB detection circuit,
13C ... Vbe detection circuit, L ... inductive load,
M21 to M23 ... N-type MOS transistor,
Tr1 ... transistor, Vs ... DC power supply
Claims (4)
前記パルス電流発生手段と電流制御型トランジスタの制御端子との間に介挿され、前記制御端子に前記正のパルス状電流を供給する第1のスイッチ手段と、
前記パルス電流発生手段と前記電流制御型トランジスタの制御端子との間に介挿され、前記制御端子に前記負のパルス状電流を供給するとともに、前記制御端子から前記電流制御型トランジスタ内の電荷を引き抜く第2のスイッチ手段と、
前記電流制御型トランジスタの制御端子から前記第2のスイッチ手段を介さずに前記電流制御型トランジスタ内の電荷を引き抜く電荷引き抜き手段と、
前記電流制御型トランジスタのターンオフの兆候を検出する検出手段と、
(1)前記電流制御型トランジスタをオンする期間に、前記第1のスイッチ手段に前記正のパルス状電流の供給を指示し、
(2)前記電流制御型トランジスタをオフする期間に、前記第2のスイッチ手段に前記負のパルス状電流の供給および前記電荷の引き抜きを指示するとともに、前記電荷引き抜き手段に前記電荷の引き抜きを指示し、前記検出手段で前記兆候が検出されたとき、前記第2のスイッチ手段に前記負のパルス電流の供給および前記電荷の引き抜きの停止を指示する制御回路とを備えることを特徴とする電流制御型半導体素子用駆動回路。Pulse current generating means for alternately generating a positive pulse current and a negative pulse current; and
First switch means interposed between the pulse current generating means and a control terminal of a current control type transistor to supply the positive pulsed current to the control terminal;
It is inserted between the pulse current generating means and the control terminal of the current control type transistor, supplies the negative pulsed current to the control terminal, and charges the current control type transistor from the control terminal. A second switch means for pulling out;
Charge extracting means for extracting charges in the current control type transistor from the control terminal of the current control type transistor without passing through the second switch means;
Detecting means for detecting a sign of turn-off of the current controlled transistor;
(1) Instructing the first switch means to supply the positive pulsed current during a period in which the current control type transistor is turned on,
(2) Instructing the second switch means to supply the negative pulse current and extracting the charge and instructing the charge extracting means to extract the charge during a period in which the current control transistor is turned off. And a control circuit for instructing the second switch means to stop supplying the negative pulse current and stopping the extraction of the charge when the sign is detected by the detecting means. Type semiconductor device drive circuit.
前記パルス電流発生手段と電流制御型トランジスタの制御端子との間に介挿され、前記制御端子に前記正のパルス状電流を供給する第1のスイッチ手段と、
前記パルス電流発生手段と前記電流制御型トランジスタの制御端子との間に介挿され、前記制御端子に前記負のパルス状電流を供給するとともに、前記制御端子から前記電流制御型トランジスタ内の電荷を引き抜く第2のスイッチ手段と、
前記第2のスイッチ手段より高インピーダンスであって前記電流制御型トランジスタの制御端子から前記第2のスイッチ手段を介さずに前記電流制御型トランジスタ内の電荷を引き抜く電荷引き抜き手段と、
前記電流制御型トランジスタのターンオフの兆候を検出する検出手段と、
(1)前記電流制御型トランジスタをオンする期間に、前記第1のスイッチ手段に前記正のパルス状電流の供給を指示し、
(2)前記電流制御型トランジスタをオフする期間に、前記第2のスイッチ手段に前記負のパルス状電流の供給および前記電荷の引き抜きを指示し、前記検出手段で前記兆候が検出されたとき、前記第2のスイッチ手段に前記負のパルス電流の供給および前記電荷の引き抜きの停止を指示するとともに、前記電荷引き抜き手段に前記電荷の引き抜きを指示する制御回路とを備えることを特徴とする電流制御型半導体素子用駆動回路。Pulse current generating means for alternately generating a positive pulse current and a negative pulse current; and
First switch means interposed between the pulse current generating means and a control terminal of a current control type transistor to supply the positive pulsed current to the control terminal;
It is inserted between the pulse current generating means and the control terminal of the current control type transistor, supplies the negative pulsed current to the control terminal, and charges the current control type transistor from the control terminal. A second switch means for pulling out;
A charge extracting means that has a higher impedance than the second switch means and extracts charges in the current control type transistor from the control terminal of the current control type transistor without passing through the second switch means;
Detecting means for detecting a sign of turn-off of the current controlled transistor;
(1) Instructing the first switch means to supply the positive pulsed current during a period in which the current control type transistor is turned on,
(2) Instructing the second switch means to supply the negative pulse current and pulling out the charge during a period in which the current control type transistor is turned off, and when the sign is detected by the detection means, And a control circuit for instructing the second switch means to supply the negative pulse current and to stop the charge extraction, and to instruct the charge extraction means to extract the charge. Type semiconductor device drive circuit.
前記検出手段は、前記電流制御型トランジスタの主電流端子の電圧もしくは電流に応じて前記兆候を検出することを特徴とする電流制御型半導体素子用駆動回路。In the current control type semiconductor element drive circuit according to claim 1 or 2,
The drive circuit for a current control type semiconductor element, wherein the detection means detects the sign according to a voltage or a current of a main current terminal of the current control type transistor.
前記検出手段は、前記電流制御型トランジスタの制御端子の電圧もしくは電流に応じて前記兆候を検出することを特徴とする電流制御型半導体素子用駆動回路。In the current control type semiconductor element drive circuit according to claim 1 or 2,
The drive circuit for a current control type semiconductor element, wherein the detection means detects the sign in accordance with a voltage or a current at a control terminal of the current control type transistor.
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