JP3788926B2 - 半導体装置及びトランジスタの駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置、特に絶縁ゲート型のトランジスタにおけるゲート入力容量に対して充放電を行う半導体装置、及びトランジスタの駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は第１の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。図１４に示すように、第１の従来技術における半導体装置は、絶縁ゲート型のトランジスタであるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）７と、ＩＧＢＴ７のエミッタとコレクタとの間に印加される逆電圧に対する保護ダイオード８と、ゲート駆動回路３と、＋１５Ｖを出力する制御電源１５ａと、−１５Ｖを出力する制御電源１５ｂと、コレクタが制御電源１５ａに接続されているトランジスタ４ａと、エミッタが制御電源１５ｂに接続されているトランジスタ４ｂと、抵抗５とを備えている。そして、ゲート入力容量６は、構造上、ＩＧＢＴ７のゲートとエミッタとの間に形成される寄生容量である。
【０００３】
図１４に示す半導体装置において、ＩＧＢＴ７をオンする際には、まず、ゲート駆動回路３がトランジスタ４ａをオン、かつトランジスタ４ｂをオフにする。トランジスタ４ａがオンすると、制御電源１５ａからＩＧＢＴ７のゲートに＋１５Ｖが供給される。このとき、ＩＧＢＴ７のゲートとエミッタとの間にはゲート入力容量６が存在するため、制御電源１５ａからゲート入力容量６へ電荷が供給され、ゲート電流が流れる。そして、ゲート入力容量６が充電されるにつれて、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が上昇し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上になるとＩＧＢＴ７がオンする。その後、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の充電が完了し、ゲート電圧は約＋１５Ｖとなり、ゲート電流がほとんど流れなくなる。なお、ゲート入力容量６の充電の開始から終了までに流れるゲート電流を単に「充電電流」と呼ぶ場合がある。
【０００４】
ＩＧＢＴ７をオフする際には、ゲート駆動回路３がトランジスタ４ａをオフ、かつトランジスタ４ｂをオンにする。トランジスタ４ｂがオンすると、制御電源１５ｂからＩＧＢＴ７のゲートへ−１５Ｖが供給される。このとき、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６には電荷が蓄積されているため、当該電荷は制御電源１５ｂによって取り出され、ＩＧＢＴ７をオンする場合とは逆方向のゲート電流が流れる。そして、ゲート入力容量６が放電されるにつれて、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が下降し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧未満になるとＩＧＢＴ７がオフする。その後、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の放電が完了し、ゲート電圧は約−１５Ｖとなり、ゲート電流がほとんど流れなくなる。なお、ゲート入力容量６の放電開始から終了までに流れるゲート電流を単に「放電電流」と呼ぶ場合がある。
【０００５】
図１５は、図１４に示すＩＧＢＴ７をオンする際のゲート電圧Ｖgeとゲート電流Ｉgeとコレクタ電流Ｉcとの関係を示した図であって、図１５に示すゲート電流ＩgeはＩＧＢＴ７の充電電流を示している。図１５に示すように、トランジスタ４ａをオンにすると、ゲート入力容量６を充電するゲート電流Ｉgeが大きく流れ、つまり充電電流が大きく流れ、その後ゲート入力容量６が充電されるにつれて、言い換えればゲート電圧Ｖgeが上昇するにつれてゲート電流Ｉgeは減少し、ゲート電圧Ｖgeが制御電源１５ａが出力する電圧とほぼ同じになると、ゲート電流Ｉgeがほとんど流れなくなる。
【０００６】
上述のように、制御電源１５ａから充電電流が供給されることによってＩＧＢＴ７はオンする。言い換えれば、制御電源１５ａは充電電流を供給できる電源容量が必要である。同様に、ＩＧＢＴ７をオフするために、制御電源１５ｂは放電電流を流すことができる電源容量が必要である。ここで、ＩＧＢＴ７のエミッタとコレクタとの間の定格電流を大きくするためには、通常そのチップサイズを大きくする必要があり、このことはゲート入力容量６の増加に繋がる。そのため、定格電流が大きいＩＧＢＴ７を駆動するためには、電源容量の大きい制御電源１５ａ，１５ｂが必要とされる。また、ＩＧＢＴ７をインバータ装置に使用した場合、インバータ装置の動作周波数、つまりＩＧＢＴ７のスイッチング周波数が大きくなるにつれて、単位時間当たりの充電電流は大きくなる。そのため、ＩＧＢＴ７を高速で駆動するためには、電源容量の大きい制御電源１５ａ，１５ｂが必要とされる。このように、ＩＧＢＴ７の定格電流が大きくなるにつれて、またＩＧＢＴ７を高速に駆動しようとするにつれて、当該ＩＧＢＴ７を駆動するために必要な制御電源１５ａ，１５ｂの電源容量は増加する。
【０００７】
上述のような制御電源１５ａ，１５ｂの電源容量の増加は、制御電源１５ａ，１５ｂのコストアップと実装体積の増加とに繋がる。そのため、半導体装置の低コスト化、小型化が望まれる近年において、制御電源１５ａ，１５ｂに必要とされる電源容量の低減が望まれている。
【０００８】
そこで、制御電源１５ａ，１５ｂに必要とされる電源容量を低減する第２の従来技術が提案されている。図１６は第２の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。第２の従来技術における半導体装置は、上述の第１の従来技術において、コンデンサ１１ａ，１１ｂを更に備えるものである。
【０００９】
図１６に示すように、トランジスタ４ａ，４ｂが共にオフであるとき、制御電源１５ａ，１５ｂによって、コンデンサ１１ａ，１１ｂは充電される。そして、ＩＧＢＴ７をオンするために、ゲート駆動回路３がトランジスタ４ａをオンし、かつトランジスタ４ｂをオフにすると、コンデンサ１１ａに蓄積されている電荷がトランジスタ４ａを通って、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６に供給され、当該電荷がゲ−ト入力容量６に蓄積される。ここで、図１５に示すように、ＩＧＢＴ７のゲート電流Ｉgeは、トランジスタ４ａをオンにすると最初に大きく流れ、その後、徐々に減少していく。つまり、第１の従来技術における制御電源１５ａには、図１５に示すゲート電流Ｉgeのピーク値を流すだけの電流供給能力が必要とされていた。上述のように第２の従来技術では、トランジスタ４ａがオンしたときには、コンデンサ１１ａに蓄積されていた電荷がゲート入力容量６に供給されるため、制御電源１５ａが直接ゲート入力容量６に供給する電流は低減する。そのため、第２の従来技術における制御電源１５ａには、図１５に示すゲート電流Ｉgeのピーク値を流すだけの電源供給能力は要求されない。つまり、制御電源１５ａに必要とされる電源容量を低減することができる。
【００１０】
また、ＩＧＢＴ７をオフするために、ゲート駆動回路３がトランジスタ４ａをオフし、かつトランジスタ４ｂをオンにすると、ゲート入力容量６に蓄積されていた電荷がトランジスタ４ｂを通って、コンデンサ１１ｂに供給される。そのため、制御電源１５ａと同様に、制御電源１５ｂに必要とされる電源容量を低減することができる。なお、図１６に示す第２の従来技術とほぼ同じ内容は、例えば特開平２−７６１７号公報に開示されている。
【００１１】
しかし、第２の従来技術では、コンデンサ１１ａ，１１ｂを充電するのは制御電源１５ａ，１５ｂであるため、ＩＧＢＴ７をオン／オフする際に、制御電源１５ａ，１５ｂが供給する電荷の総量は低減されない。つまり、図１６に示す半導体装置全体の消費電力を低減することはできない。
【００１２】
そこで、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６に蓄積されているエネルギーを有効利用することによって、半導体装置全体の省電力化を図る第３の従来技術が提案されている。図１７は第３の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。図１７に示すように、第３の従来技術における半導体装置は、絶縁ゲート型のトランジスタであるＭＯＳＦＥＴ１７と、ＭＯＳＦＥＴ１７のゲートにパルス信号を印加するパルス信号源２４と、ダイオード１８〜２０と、インダクタ２１と、負荷２３と、負荷２３にエネルギーを与えるコンデンサ２２とを備えている。
【００１３】
図１７に示す第３の従来技術では、パルス信号源２４からＭＯＳＦＥＴ１７のゲートにダイオード２０を介してパルス信号を印加し、ＭＯＳＦＥＴ１７をスイッチングする。ＭＯＳＦＥＴ１７がオフのときには、ＭＯＳＦＥＴ１７のゲート入力容量６とインダクタ２１とで共振し、ＭＯＳＦＥＴのオン時にゲート入力容量６に蓄積されたエネルギーをダイオード１９を介してコンデンサ２２に移す。そして、コンデンサ２２に蓄積されたエネルギーを負荷２３に供給する。このように、第３の従来技術では、ゲート入力容量６に蓄積されたエネルギーを再利用するため、半導体装置全体で損失となるエネルギーを低減することができ、結果、半導体装置全体の省電力化を図ることができる。なお、図１７に示す第３の従来技術とほぼ同じ内容は、例えば特開平８−１６３８６２号公報に開示されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の第３の従来技術は、第１，２の従来技術における制御電源１５ａ，１５ｂのようなＭＯＳＦＥＴ１７を駆動するための電源、例えばパルス信号源２４の電源に必要とされる電源容量を低減し、当該電源の小型化を図る技術ではない。また、ゲート入力容量６のエネルギーを素早くコンデンサ２２に移すためには、ゲート入力容量６とインダクタ２１とが共振する必要があり、そのためにはパルス信号源２４からＭＯＳＦＥＴ１７のゲートに供給される信号は、一定の周波数とデューティとを有する信号である必要がある。そのため、図１７に示す半導体装置では、任意のスイッチング周波数でＭＯＳＦＥＴ１７を動作させることができない。
【００１５】
そこで、本発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、絶縁ゲート型のトランジスタのゲート入力容量に蓄積された電荷を有効利用することにより、当該トランジスタを駆動するための電源に必要とされる電源容量を低減し、かつ装置全体の省電力化を図る半導体装置及びトランジスタの駆動方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明のうち請求項１に記載の半導体装置によれば、絶縁ゲート型のトランジスタと、前記トランジスタのゲート入力容量の充電及び放電を行う駆動部と、前記駆動部が行う前記充電及び前記放電に連動して、前記トランジスタのゲートに選択的に接続されるコンデンサとを備え、前記コンデンサが前記駆動部が行う前記放電に連動して前記ゲートに接続されて、前記ゲート入力容量は蓄積している電荷を前記コンデンサに供給し、前記コンデンサは前記ゲート入力容量から供給された前記電荷を蓄積し、前記コンデンサが前記駆動部が行う前記充電に連動して前記ゲートに接続されて、前記コンデンサは蓄積している前記電荷を前記ゲート入力容量に供給し、前記ゲート入力容量は前記コンデンサから供給された前記電荷を蓄積するものである。
【００１７】
また、この発明のうち請求項２に記載の半導体装置によれば、請求項１記載の半導体装置であって、前記コンデンサは、前記駆動部が行う前記放電に先立って前記ゲートに接続され、前記ゲート入力容量は蓄積している前記電荷を前記コンデンサに供給するものである。
【００１８】
また、この発明のうち請求項３に記載の半導体装置によれば、請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載の半導体装置であって、前記コンデンサは、前記駆動部が行う前記充電に先立って前記ゲートに接続され、前記ゲート入力容量は前記コンデンサから供給された前記電荷を蓄積するものである。
【００１９】
また、この発明のうち請求項４に記載の半導体装置によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の半導体装置であって、前記コンデンサが前記ゲート入力容量に供給する前記電荷によって、前記トランジスタのゲート電圧がしきい電圧以上となるものである。
【００２０】
また、この発明のうち請求項５に記載の半導体装置によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の半導体装置であって、前記ゲート入力容量が蓄積している前記電荷を前記コンデンサに供給することによって、前記トランジスタのゲート電圧がしきい電圧未満となるものである。
【００２１】
また、この発明のうち請求項６に記載の半導体装置によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の半導体装置であって、前記コンデンサの容量は、ミラー効果が生じた際の前記ゲート入力容量の２倍以上であるものである。
【００２２】
また、この発明のうち請求項７に記載のトランジスタの駆動方法によれば、（ａ）絶縁ゲート型のトランジスタにおけるゲート入力容量の放電を行う工程と、（ｂ）前記ゲート入力容量の充電を行う工程とを備え、前記工程（ａ）は、（ｃ）前記ゲート入力容量が蓄積している電荷をコンデンサに供給し、前記コンデンサが前記ゲート入力容量から供給された電荷を蓄積する工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）の後に、前記ゲート入力容量に残っている電荷を取り出す工程とを含み、前記工程（ｂ）は、（ｅ）前記工程（ｄ）の後に、前記コンデンサが蓄積している電荷を前記ゲート入力容量に供給し、前記ゲート入力容量が前記コンデンサから供給された電荷を蓄積する工程と、（ｆ）前記工程（ｅ）の後に、前記ゲート入力容量にさらに電荷の供給を行う工程とを含むものである。
【００２３】
また、この発明のうち請求項８に記載のトランジスタの駆動方法によれば、請求項７記載のトランジスタの駆動方法であって、前記工程（ｃ）において、前記トランジスタのゲートと前記コンデンサとを接続した後に、前記ゲート入力容量は蓄積している電荷をコンデンサに供給し、前記工程（ｄ）において、前記工程（ｃ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続を切り離した後に、前記ゲート入力容量に残っている電荷を取り出し、前記工程（ｅ）において、前記ゲートと前記コンデンサとを接続した後に、前記コンデンサが蓄積している電荷を前記ゲート入力容量に供給し、前記工程（ｆ）において、前記工程（ｅ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続を切り離した後に、前記ゲート入力容量にさらに電荷の供給を行うものである。
【００２４】
また、この発明のうち請求項９に記載のトランジスタの駆動方法によれば、請求項８記載のトランジスタの駆動方法であって、前記工程（ｃ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続から、前記工程（ｄ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続の切り離しまでの時間は、５μｓ以下であるものである。
【００２５】
また、この発明のうち請求項１０に記載のトランジスタの駆動方法によれば、請求項８及び請求項９のいずれか一つに記載のトランジスタの駆動方法であって、前記工程（ｅ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続から、前記工程（ｆ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続の切り離しまでの時間は、５μｓ以下であるものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明における実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係る半導体装置は、絶縁ゲート型のトランジスタであるＩＧＢＴ７と、ＩＧＢＴ７のエミッタとコレクタとの間に印加される逆電圧に対する保護ダイオード８と、ＩＧＢＴ７を駆動する駆動部１００と、半導体スイッチ２ａ〜２ｃと、タイミング制御回路１０と、ＩＧＢＴ７のゲートに選択的に接続されるコンデンサ１ａ，１ｂとを備えている。そして、ゲート入力容量６は、構造上、ＩＧＢＴ７のゲートとエミッタとの間に形成される寄生容量である。
【００２７】
駆動部１００は、ゲート駆動回路３と、＋１５Ｖを出力する制御電源１５ａと、−１５Ｖを出力する制御電源１５ｂと、トランジスタ４ａ，４ｂと、抵抗５とを備えている。ゲート駆動回路３は一つの入力端子と二つの出力端子とを有している。その入力端子はタイミング制御回路１０と接続されている。また、ゲート駆動回路３の一方の出力端子はトランジスタ４ａのゲートに、他方の出力端子はトランジスタ４ｂのゲートに接続されている。そして、ゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、互いに論理レベルが異なる２つの信号を出力し、トランジスタ４ａをオン、かつトランジスタ４ｂをオフにしたり、あるいはトランジスタ４ａをオフ、かつトランジスタ４ｂをオンにしたりする。また、ゲート駆動回路３はその出力端子をハイインピーダンスにし、トランジスタ４ａ，４ｂのそれぞれをオフにする。
【００２８】
トランジスタ４ａのコレクタには制御電源１５ａが接続されており、トランジスタ４ｂのエミッタには制御電源１５ｂが接続されている。そして、トランジスタ４ｂのコレクタとトランジスタ４ａのエミッタとは接続されている。また、トランジスタ４ｂのコレクタとトランジスタ４ａのエミッタとは抵抗５を介してＩＧＢＴ７のゲートに接続されている。
【００２９】
上述のような構成を成す駆動部１００は、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の充電及び放電を行い、ＩＧＢＴ７を駆動する。具体的には、ゲート駆動回路３がトランジスタ４ａをオン、トランジスタ４ｂをオフにすると、制御電源１５ａからゲート入力容量６に電荷が供給され、ゲート入力容量６が充電される。また、ゲート駆動回路３はトランジスタ４ａをオフ、トランジスタ４ｂをオンにすると、制御電源１５ｂによってゲート入力容量６に蓄積されている電荷が取り出され、ゲート入力容量６が放電される。
【００３０】
半導体スイッチ２ａは、駆動部１００の制御電源１５ａと、ＩＧＢＴ７のゲートと、コンデンサ１ａの一端と接続されている。半導体スイッチ２ｂは、コンデンサ１ａの他端と、半導体スイッチ２ｃと、グランドとに接続されている。そして、半導体スイッチ２ｃはＩＧＢＴ７のゲートと、コンデンサ１ｂの一端と、半導体スイッチ２ｂと接続されている。また、コンデンサ１ｂの他端はグランドに接続されている。ここで、コンデンサ１ａ，１ｂは半導体スイッチ２ａ〜２ｃが行う制御によって、駆動部１００が行うゲート入力容量６の充電及び放電に連動して、ＩＧＢＴ７のゲートに選択的に接続される。
【００３１】
タイミング制御回路１０は半導体スイッチ２ａ〜２ｃに接続されており、半導体スイッチ２ａ〜２ｃはタイミング制御回路１０から送られてくる信号によって制御される。具体的には、半導体スイッチ２ａはタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、制御電源１５ａをコンデンサ１ａの一端に接続したり、ＩＧＢＴ７のゲートをコンデンサ１ａの当該一端に接続したり、制御電源１５ａとＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａの当該一端とを互いに接続しなかったりする。また、半導体スイッチ２ｂはタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、コンデンサ１ａの他端をグランドに接続したり、コンデンサ１ａの当該他端を半導体スイッチ２ｃと接続したりする。そして、半導体スイッチ２ｃはタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、コンデンサ１ｂの一端に半導体スイッチ２ｂを接続したり、コンデンサ１ｂの当該一端にＩＧＢＴ７のゲートを接続したり、半導体スイッチ２ｂとＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ｂの当該一端とを互いに接続しなかったりする。
【００３２】
保護ダイオード８のアノードはＩＧＢＴ７のエミッタと接続されており、保護ダイオード８のカソードはＩＧＢＴ７のコレクタと接続されており、当該保護ダイオード８はＩＧＢＴ７のコレクタとエミッタとの間に印加される逆電圧に対する保護ダイオードの役割を荷っている。
【００３３】
次に、上述のような構成を成す本実施の形態に係る半導体装置の動作について図１〜図１０を参照して説明する。まず図１を参照して、タイミング制御回路１０からの信号に基づいて、半導体スイッチ２ａはコンデンサ１ａの一端と制御電源１５ａとを接続し、半導体スイッチ２ｂはコンデンサ１ａの他端と半導体スイッチ２ｃとを接続し、半導体スイッチ２ｃは、コンデンサ１ｂの一端と半導体スイッチ２ｂとを接続する。その結果、制御電源１５ａとグランドとの間で、コンデンサ１ａ，１ｂは直列に接続され、各コンデンサ１ａ，１ｂは充電される。また、このとき、ゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、トランジスタ４ａ，４ｂをともにオフにする。
【００３４】
図２〜図４はＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の充電を行う工程を示している。図２を参照して、コンデンサ１ａ，１ｂが制御電源１５ａによって充電された後に、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の充電が行われる際、半導体スイッチ２ａがタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、コンデンサ１ａの一端とＩＧＢＴ７のゲートとを接続する。そうすると、コンデンサ１ａ，１ｂは蓄積している電荷の一部をＩＧＢＴ７のゲート入力容量６に供給する。そして、ゲート入力容量６は当該電荷を蓄積する。ここで、コンデンサ１ａ，１ｂからゲート入力容量６への電荷の供給が終了した際、ゲート入力容量６が蓄積した電荷は、コンデンサ１ａとコンデンサ１ｂとの合成容量と、ゲート入力容量６との比でほぼ決定される。そして、コンデンサ１ａ，１ｂがゲート入力容量６に供給した電荷によって、言いかえればゲート入力容量６が蓄積した電荷によって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が上昇する。本実施の形態では、ゲート入力容量６による電荷の蓄積が終了したときのゲート電圧は例えばしきい電圧未満であり、ＩＧＢＴ７はゲート入力容量６が蓄積する電荷によってはオンしないものとする。
【００３５】
次に、図３を参照して、コンデンサ１ａとＩＧＢＴ７のゲートとの接続から所定時間後に、半導体スイッチ２ａはタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続を切り離す。このとき、制御電源１５ａと、ＩＧＢＴ７のゲートと、コンデンサ１ａの一端とは互いに接続されていない。そして、次に、図４を参照して、駆動部１００はゲート入力容量６にさらに電荷の供給を行い、ゲート入力容量を充電する。具体的には、ゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、トランジスタ４ａのみをオンにする。トランジスタ４ａがオンすると、制御電源１５ａからＩＧＢＴ７のゲートに＋１５Ｖが供給される。このとき、制御電源１５ａからゲート入力容量６へ電荷が供給され、ゲート電流が流れる。そして、ゲート入力容量６が駆動部１００によって充電されるにつれて、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が上昇し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上になるとＩＧＢＴ７がオンする。その後、ゲート入力容量６の充電が完了し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は約＋１５Ｖとなり、ゲート電流がほとんど流れなくなる。
【００３６】
次に、図５を参照して、駆動部１００のゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、トランジスタ４ａをオフにする。その結果、ＩＧＢＴ７のゲートには電圧が印加されなくなる。
【００３７】
図６〜８はＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の放電を行う工程を示している。図６を参照して、トランジスタ４ａ，４ｂをともにオフにした後に、ゲート入力容量６の放電を行う際には、タイミング制御回路１０からの信号に基づいて、半導体スイッチ２ａはコンデンサ１ａの一端をＩＧＢＴ７のゲートに接続し、半導体スイッチ２ｂはコンデンサ１ａの他端をグランドに接続し、半導体スイッチ２ｃは、コンデンサ１ｂの一端をＩＧＢＴ７のゲートに接続する。その結果、コンデンサ１ａ，１ｂは並列に接続され、各コンデンサ１ａ，１ｂの一端はＩＧＢＴ７のゲートに接続される。そして、ゲート入力容量６は蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給し、各コンデンサ１ａ，１ｂは当該電荷を蓄積する。ここで、ゲート入力容量６からコンデンサ１ａ，１ｂへの電荷の供給が終了した際、コンデンサ１ａ，１ｂが蓄積している電荷は、図２を参照して説明した本実施の形態に係る半導体装置の動作と同様に、コンデンサ１ａとコンデンサ１ｂとの合成容量と、ゲート入力容量６との比でほぼ決定される。そして、ゲート入力容量６がコンデンサ１ａ，１ｂへ蓄積している電荷を供給することによって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が下降する。本実施の形態では、このときのゲート電圧は例えばしきい電圧以上であり、ゲート入力容量６がコンデンサ１ａ，１ｂに蓄積している電荷を供給することによってはＩＧＢＴ７がオフしないものとする。
【００３８】
次に、図７を参照して、コンデンサ１ａ，１ｂとＩＧＢＴ７のゲートとの接続から所定時間後に、タイミング制御回路１０からの信号に基づいて、半導体スイッチ２ａはＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａの一端との接続を切り離し、半導体スイッチ２ｃはＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ｂの一端との接続を切り離す。このとき、制御電源１５ａと、ＩＧＢＴ７のゲートと、コンデンサ１ａの一端とは互いに接続されておらず、半導体スイッチ２ｂと、ＩＧＢＴ７のゲートと、コンデンサ１ｂの一端とは互いに接続されていない。
【００３９】
そして、次に、図８を参照して、駆動部１００はゲート入力容量６に残っている電荷を取り出し、ゲート入力容量６の放電を行う。具体的には、駆動部１００のゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、トランジスタ４ｂのみをオンにする。トランジスタ４ｂがオンになると、制御電源１５ｂからＩＧＢＴ７のゲートへ−１５Ｖが供給される。このとき、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６には電荷が蓄積されているため、当該電荷は制御電源１５ｂによって取り出され、ＩＧＢＴ７をオンする場合とは逆方向のゲート電流が流れる。そして、ゲート入力容量６が放電されるにつれて、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が下降し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧未満になるとＩＧＢＴ７がオフする。その後、ゲート入力容量６の放電が完了し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は約−１５Ｖとなり、ゲート電流がほとんど流れなくなる。
【００４０】
次に、図９を参照して、駆動部１００のゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、トランジスタ４ｂをオフにする。そして、図１０を参照して、半導体スイッチ２ａがタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、ゲート入力容量６から供給された電荷を蓄積しているコンデンサ１ａの一端とＩＧＢＴ７のゲートとを接続すると、コンデンサ１ａ，１ｂは蓄積している電荷の一部をＩＧＢＴ７のゲート入力容量６に供給する。そして、ゲート入力容量６は当該電荷を蓄積する。ゲート入力容量６が蓄積した電荷によって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が上昇するが、本実施の形態では、このときのゲート電圧は例えばしきい電圧未満であり、ＩＧＢＴ７はゲート入力容量６が蓄積する電荷によってはオンしないものとする。以後、図３〜図１０を参照して説明した上述の動作を本実施の形態に係る半導体装置が順次繰り返すことによって、ＩＧＢＴ７はスイッチング動作を行う。なお、図１０、図３及び図４に示す一連の工程は、図２〜図４に示される工程と同様に、ゲート入力容量６の充電を行う工程である。
【００４１】
上述のような動作を行う本実施の形態に係る半導体装置によれば、駆動部１００がＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の放電を行う際に（図８参照）、当該放電に先立って、コンデンサ１ａ，１ｂはＩＧＢＴ７のゲートに接続され、ゲート入力容量６は蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給し、コンデンサ１ａ，１ｂは当該電荷を蓄積する（図６参照）。そして、駆動部１００がゲート入力容量６の充電を行う際に（図４参照）、当該充電に先立って、コンデンサ１ａはＩＧＢＴ７のゲートに接続され、コンデンサ１ａ，１ｂは、ゲート入力容量６から供給された電荷であって、蓄積している電荷の一部をゲート入力容量６に供給し、ゲート入力容量６は当該電荷を蓄積する（図１０参照）。つまり、駆動部１００がゲート入力容量６の充電を行う際には、駆動部１００がゲート入力容量６の放電を行う際にゲート入力容量６が蓄積していた電荷の一部を、結果的にゲート入力容量６は蓄積している。そのため、駆動部１００がゲート入力容量６を充電しようとするときには、ゲート入力容量６にはある程度電荷が蓄積されているため、ゲート入力容量６の充電が完了するまで駆動部１００がゲート入力容量６に供給する電荷の量を低減することができる。その結果、駆動部１００がゲート入力容量６に電荷を供給するために必要な制御電源１５ａに必要とされる電源容量を低減することができる。
【００４２】
また、制御電源１５ｂに関して言えば、駆動部１００がゲート入力容量６を放電しようとするときには、ＩＧＢＴ７をオンした後にゲート入力容量６に蓄積されていた電荷の一部がコンデンサ１ａ，１ｂに蓄積されているため、制御電源１５ｂに流し込む電荷の量を低減することができる。その結果、制御電源１５ｂに必要な電源容量を低減することができる。
【００４３】
また、本実施の形態では、上述の第２の従来技術とは異なり、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６を放電する際に、ゲート入力容量６に蓄積されていた電荷の一部を、ゲート入力容量６の充電を行う際に活用しているため、つまりゲート入力容量６に蓄積されていた電荷を有効利用しているため、半導体装置の省電力化を図ることができる。
【００４４】
また、本実施の形態では、上述の第３の従来技術とは異なり、ゲート入力容量６に蓄積されている電荷を有効利用するために、ＩＧＢＴ７を常に一定のスイッチング周波数で動作させる必要は無く、任意のスイッチング周波数でＩＧＢＴ７を動作させた場合であっても、半導体装置の省電力化を図ることができる。
【００４５】
図１１は本実施の形態におけるＩＧＢＴ７の駆動電流Ｉ２と、第１の従来技術におけるＩＧＢＴ７の駆動電流Ｉ１との関係を示す図である。図１１に示す駆動電流Ｉ１，Ｉ２とは、ＩＧＢＴ７をオンする際に制御電源１５ａから供給されるゲート電流を示している。図１１に示すように、本実施の形態に係る半導体装置によれば、ＩＧＢＴ７の駆動電流のピーク値、及びＩＧＢＴ７がオンするまでの当該駆動電流の総和を第１の従来技術より低減する。このことは、制御電源１５ａに必要な電源容量を低減することができることと、半導体装置の省電力化を図ることができることとを示している。
【００４６】
本実施の形態では、上述の第１の従来技術に比べて、タイミング制御回路１０、半導体スイッチ２ａ〜２ｃ及びコンデンサ１ａ，１ｂが付加されているが、これらの付加回路は集積回路で実現することができる。そして、制御電源１５ａ，１５ｂの物理的な大きさを決定付けるのは、主にスイッチングトランスと電解コンデンサである。本実施の形態では、制御電源１５ａ，１５ｂに必要とされる電源容量を低減することができるため、スイッチングトランスと電解コンデンサとの物理的な大きさを低減することができる。通常、スイッチングトランス及び電解コンデンサの物理的な大きさの低減が半導体装置全体の物理的な大きさに与える影響は、上述の付加回路の増加が与える影響よりも大きい。そのため、本実施の形態に係る半導体装置によれば、制御電源１５ａ，１５ｂに必要な電源容量を低減することができるため、半導体装置全体を小型化にすることができる。
【００４７】
また、通常、スイッチングトランス及び電解コンデンサの物理的な大きさの低減が半導体装置全体のコストに与える影響は、上述の付加回路の増加が与える影響よりも大きいため、本実施の形態に係る半導体装置によれば、制御電源１５ａ，１５ｂに必要な電源容量を低減することができる。そのため、半導体装置全体のコストダウンを行うことができる。
【００４８】
また、本実施の形態によれば、コンデンサ１ａ，１ｂによってゲート入力容量６は充電されるため、当該コンデンサ１ａ，１ｂを一種の電源と見た場合、この電源の出力インピーダンスは、駆動部１００の出力インピーダンスよりも通常低い。そして、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電に先立って、コンデンサ１ａ，１ｂが蓄積している電荷をゲート入力容量６に供給しているため、言い換えれば、ゲート入力容量６の初期充電はコンデンサ１ａ，１ｂによって行われるため、ゲート入力容量６の充電のすべてを制御電源１５ａから行う第１の従来技術と比べて、ＩＧＢＴ７のゲート電圧の立上がり時間を低減することができる。そのため、ＩＧＢＴ７を第１の従来技術よりも高速にスイッチングすることができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、駆動部１００が行うゲート入力容量６の放電に先立ってコンデンサ１ａ，１ｂがＩＧＢＴ７のゲートに接続されることによって（図６参照）、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続が駆動部１００が行うゲート入力容量６の放電に連動しているが、駆動部１００によるゲート入力容量６の放電の途中でコンデンサ１ａ，１ｂがＩＧＢＴ７のゲートに接続されることによって、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続が駆動部１００が行うゲート入力容量６の放電に連動しても良い。また、本実施の形態では、駆動部１００が行うゲート入力容量６の充電に先立ってコンデンサ１ａがＩＧＢＴ７のゲートに接続されることによって（図２，図１０参照）、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続が駆動部１００が行うゲート入力容量６の充電に連動しているが、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電の途中で、コンデンサ１ａがＩＧＢＴ７のゲートに接続されることによって、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続が駆動部１００が行うゲート入力容量６の充電に連動しても良い。
【００５０】
具体的には、例えば、駆動部１００がゲート入力容量６の放電を行い、ゲート電圧がしきい電圧付近まで下がってきたときに、トランジスタ４ａ，４ｂともにオフにして、当該放電を中止する。そして、コンデンサ１ａ，１ｂとＩＧＢＴ７のゲートとを接続すると、ゲート入力容量６は蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給する。そして、コンデンサ１ａ，１ｂへの電荷の供給が終了すると、コンデンサ１ａ，１ｂとＩＧＢＴ７のゲートとの接続を切り離し、駆動部１００は再びゲート入力容量６の放電を行い、ゲート入力容量６の放電を完了させる。
【００５１】
また、駆動部１００がゲート入力容量６の充電を行い、ゲート電圧がしきい電圧付近まで上がってきたときに、トランジスタ４ａ，４ｂをともにオフにして、当該充電を中止する。そして、コンデンサ１ｂと直列接続されたコンデンサ１ａとＩＧＢＴ７のゲートとを接続すると、コンデンサ１ａ，１ｂは蓄積している電荷の一部をゲート容量６に供給し、ゲート入力容量６は当該電荷を蓄積する。そして、ゲート入力容量６における電荷の蓄積が終了すると、コンデンサ１ａとＩＧＢＴ７のゲートとの接続を切り離し、駆動部１００は再びゲート入力容量６の充電を行い、ゲート入力容量６の充電を完了させる。
【００５２】
しかし、駆動部１００によるゲート入力容量６の放電の途中で、ゲート入力容量６が電荷をコンデンサ１ａ，１ｂに供給する際、ゲート入力容量６の電荷は駆動部１００によってその一部が取り出されているため、本実施の形態と比べて、十分な電荷をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することができない。言い換えれば、本実施の形態では、駆動部１００が行うゲート入力容量６の放電に先立って、ゲート入力容量６は蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給するため、十分な電荷をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することができる。そのため、コンデンサ１ａ，１ｂは十分な電荷を蓄積することができ、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電が行われようとするときには、ゲート入力容量６には十分な電荷を蓄積することができる。その結果、ゲート入力容量６の充電が完了するまで駆動部１００がゲート入力容量６に供給する電荷の量を確実に低減することができ、制御電源１５ａに必要な電源容量を確実に低減することができる。
【００５３】
また、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電の途中で、ゲート入力容量６がコンデンサ１ａ，１ｂから供給された電荷を蓄積する際、ゲート入力容量６には駆動部１００によって電荷が供給されているため、本実施の形態と比べて、コンデンサ１ａ，１ｂからの電荷を十分に蓄積することができない。言い換えれば、本実施の形態では、駆動部１００が行うゲート入力容量６の充電に先立って、ゲート入力容量６はコンデンサ１ａ，１ｂから供給された電荷を蓄積するため、コンデンサ１ａ，１ｂからの電荷を十分に蓄積することができる。そのため、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電が行われようとするときには、ゲート入力容量６には十分な電荷が蓄積されており、その結果、ゲート入力容量６の充電が完了するまで駆動部１００がゲート入力容量６に供給する電荷の量を確実に低減することができ、制御電源１５ａに必要な電源容量を確実に低減することができる。
【００５４】
なお、上述の本実施の形態では、図３を参照して、ＩＧＢＴ７をオンする際、コンデンサ１ａとＩＧＢＴ７のゲートとの接続から所定時間後に、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続を切り離しているが、この所定時間は５μｓ以下が望ましい。言い換えれば、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続（図２，図１０参照）から、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続の切り離し（図３参照）までの時間は、５μｓ以下であることが望ましい。また、本実施の形態では、ＩＧＢＴ７をオフする際、図７を参照して、コンデンサ１ａ，１ｂとＩＧＢＴ７のゲートとの接続から所定時間後に、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続を切り離しているが、この所定時間も５μｓ以下が望ましい。言い換えれば、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続（図６参照）から、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続の切り離し（図７参照）までの時間は、５μｓ以下であることが望ましい。
【００５５】
通常、ＩＧＢＴ７のスイッチング周波数ｆｃは約２〜２０ｋＨｚであり、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴ７のゲート電圧の立上がり時間、あるいは立下り時間の要求仕様は５μｓ以下である。そのため、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続から、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続の切り離しまでの時間を、５μｓ以下に設定することによって、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴ７のゲート電圧の立上がり時間を、要求仕様に近づけることができる。また、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続から、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続の切り離しまでの時間を、５μｓ以下に設定することによって、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴ７のゲート電圧の立下り時間を、要求仕様に近づけることができる。
【００５６】
また、本実施の形態では、図２を参照して、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電に先立って、ゲート入力容量６はコンデンサ１ａ，１ｂから供給された電荷を蓄積する。そのため、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は上昇するが、ゲート入力容量６による電荷の蓄積が終了したときのゲート電圧はしきい電圧未満であった。言い換えれば、当該ゲート電圧によってＩＧＢＴ７はオンしなかった。しかし、省電力化の目的のためには、コンデンサ１ａ，１ｂがゲート入力容量６に供給する電荷によって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上となることが望ましい。
【００５７】
また、本実施の形態では、図６を参照して、駆動部１００によるゲート入力容量６の放電に先立って、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給する。そのため、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は下降するが、ゲート入力容量６によるコンデンサ１ａ，１ｂへの電荷の供給終了後におけるゲート電圧はしきい電圧以上であった。言い換えれば、当該ゲート電圧によってＩＧＢＴ７はオフしなかった。しかし、省電力化の目的のためには、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することによって、ゲート電圧がしきい電圧未満になることが望ましい。
【００５８】
ここで、通常、ＩＧＢＴ７の充電電流の総和の約９５％以上が、ＩＧＢＴ７にミラー効果が生じてゲート入力容量６が増加し始めた後のゲート電流の総和である。ミラー効果はＩＧＢＴ７がオンすることによって生じるため、ゲート入力容量６がコンデンサ１ａ，１ｂから供給された電荷を蓄積し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上となることによって、充電電流の大部分をコンデンサ１ａ，１ｂに蓄積されていた電荷によって補うことができる。そのため、コンデンサ１ａ，１ｂがゲート入力容量６に供給した電荷によって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上となることによって、さらに省電力化を図ることができる。
【００５９】
また、充電電流と同様に、通常、ＩＧＢＴ７の放電電流の総和の大部分は、ＩＧＢＴ７にミラー効果が生じている間、つまりＩＧＢＴ７がオフするまでに流れるゲート電流の総和が占める。そのため、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給し、ゲート電圧がしきい電圧未満になることによって、放電電流の大部分をコンデンサ１ａ，１ｂに蓄積することができる。そのため、ゲート入力容量６で蓄積していた電荷を有効利用することができるため、さらに省電力化を図ることができる。
【００６０】
そして、上述の内容を実現するためには、例えばコンデンサ１ａ，１ｂのそれぞれの容量を、ミラー効果が生じた際のゲート入力容量６の２倍に設定する。このように設定すると、本実施の形態において、駆動部１００によるＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の充電が完了した後に（図４参照）、ゲート入力容量６が蓄積している電荷をコンデンサ１ａ，１ｂに供給し、当該電荷をコンデンサ１ａ，１ｂが蓄積する際（図６参照）、コンデンサ１ａ，１ｂは並列接続されているため、その合成容量はミラー効果が生じた際のゲート入力容量の４倍となる。そのため、ＩＧＢＴ７がオフしても常にミラー効果が生じていると仮に考えた場合であっても、ゲート入力容量６からの電荷の供給が終了した際には、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は３Ｖとなる。通常、ゲート電圧のしきい電圧は約６Ｖであるため、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することによって、ゲート電圧がしきい電圧未満になる。
【００６１】
また、本実施の形態では、駆動部１００によるＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の放電が完了した後に（図８参照）、コンデンサ１ａ，１ｂは蓄積している電荷をゲート入力容量６に供給するが（図１０参照）、駆動部１００によるＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の放電が完了した後に、常にコンデンサ１ａ，１ｂを制御電源１５ａで充電しても良い。具体的には、図１を参照して説明したように、コンデンサ１ａに制御電源１５ａを接続し、制御電源１５ａとグランドとの間でコンデンサ１ａ，１ｂを直列に接続する。このようにコンデンサ１ａ，１ｂを充電した後に、コンデンサ１ａ，１ｂは蓄積している電荷をゲート入力容量６に供給し、当該電荷をゲート入力容量６が蓄積する際、コンデンサ１ａ，１ｂは直列接続されているため、その合成容量はミラー効果が生じた際のゲート入力容量６と等しくなる。そのため、ゲート入力容量６による電荷の蓄積が終了した際には、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は７．５Ｖとなる。上述のように、通常、ゲート電圧のしきい電圧は約６Ｖであるため、コンデンサ１ａ，１ｂがゲート入力容量６に供給した電荷よって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上となる。
【００６２】
なお、ゲート電圧がしきい電圧未満になることだけを考えれば、コンデンサ１ａ，１ｂの合成容量を、ミラー効果が生じた際のゲート入力容量の２倍以上に設定すると、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することによって、ゲート電圧はしきい電圧未満となる。具体的には、ＩＧＢＴ７がオフしても常にミラー効果が生じていると仮に考えた場合であっても、ゲート入力容量６からの電荷の供給が終了した際には、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は５Ｖ以下となり、ゲート電圧のしきい電圧未満となる。
【００６３】
また、ＩＧＢＴ７のスイッチング動作において、ゲート入力容量６がコンデンサ１ａ，１ｂから供給された電荷を蓄積することによってＩＧＢＴ７をオンにし、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することによってＩＧＢＴ７をオフにする際、ＩＧＢＴ７のゲートにはコンデンサ１ａ，１ｂが接続されているため、ＩＧＢＴ７の等価的なゲート入力容量６が増加する。そのため、ＩＧＢＴ７をオン／オフする際に発生するコレクタ電圧の変化が引き起こすゲート電圧の変化を小さくすることができる。その結果、安定した動作を行う半導体装置を提供することができる。
【００６４】
また、本実施の形態では、ゲート入力容量６で蓄積された電荷を蓄積するコンデンサとして、二つのコンデンサ１ａ，１ｂを使用したが、図１２，１３に示すように、一つのコンデンサを使用した半導体装置であっても、三つのコンデンサを使用した半導体装置であっても、タイミング制御回路１０が半導体スイッチ２ａ〜２ｅ及びゲート駆動回路３の制御を適切に行うことによって、本実施の形態と同様の動作を行うことができる。
【００６５】
また、本実施の形態では、駆動部１００がゲート入力容量６の充電を行う際、コンデンサ１ａ，１ｂは直列接続されており、駆動部１００がゲート入力容量６の放電を行う際、コンデンサ１ａ，１ｂは並列接続されているが、半導体装置の要求仕様に応じて、直列接続か並列接続かを選択しても良い。
【００６６】
また、コンデンサ１ａはゲート入力容量６に電荷を供給する制御電源１５ａに接続され、コンデンサ１ｂはグランドに接続されているが、コンデンサ１ａ，１ｂを制御電源１５ａとは異なった定電圧電源に接続しても良い。
【００６７】
【発明の効果】
この発明のうち請求項１に係る半導体装置によれば、コンデンサは駆動部が行うゲート入力容量の放電に連動してトランジスタのゲートに接続されるため、例えば、駆動部が行うゲート入力容量の放電に先行してコンデンサがトランジスタのゲートに接続されると、駆動部が行うゲート入力容量の充電に先行して、ゲート入力容量は蓄積している電荷をコンデンサに供給し、コンデンサはゲート入力容量から供給された電荷を蓄積する。また、コンデンサは駆動部が行うゲート入力容量の充電に連動してトランジスタのゲートに接続されるため、例えば、駆動部が行うゲート入力容量の充電に先行してコンデンサがトランジスタのゲートに接続されると、コンデンサは蓄積している電荷をゲート入力容量に供給し、ゲート入力容量はコンデンサから供給された電荷を蓄積する。その結果、トランジスタのゲート入力容量は、駆動部がゲート入力容量の放電を行う際に蓄積していた電荷を、駆動部がゲート入力容量の充電を行う際に結果的に蓄積する。そのため、駆動部がゲート入力容量を充電しようとするときには、ゲート入力容量にはある程度電荷が蓄積されているため、ゲート入力容量の充電が完了するまで駆動部がゲート入力容量に供給する電荷の量を低減することができる。その結果、駆動部がゲート入力容量に電荷を供給するために必要な電源の電源容量を低減することができる。
【００６８】
また、トランジスタのゲート入力容量を放電する際に、ゲート入力容量に蓄積されていた電荷の一部を、ゲート入力容量の充電を行う際に活用しているため、つまりゲート入力容量に蓄積されていた電荷を有効利用しているため、半導体装置の省電力化を図ることができる。
【００６９】
また、この発明のうち請求項２に係る半導体装によれば、駆動部が行うゲート入力容量の放電に先立って、ゲート入力容量は蓄積している電荷の一部をコンデンサに供給するため、十分な電荷をコンデンサに供給することができる。そのため、コンデンサは十分な電荷を蓄積することができ、駆動部によるゲート入力容量の充電が行われようとするときには、ゲート入力容量には十分な電荷を蓄積することができる。その結果、ゲート入力容量の充電が完了するまで駆動部がゲート入力容量に供給する電荷の量を確実に低減することができ、駆動部がゲート入力容量に電荷を供給するために必要な電源に必要な電源容量を確実に低減することができる。
【００７０】
また、この発明のうち請求項３に係る半導体装置によれば、駆動部が行うゲート入力容量の充電に先立って、ゲート入力容量はコンデンサから供給された電荷を蓄積するため、コンデンサからの電荷を十分に蓄積することができる。そのため、駆動部によるゲート入力容量の充電が行われようとするときには、ゲート入力容量には十分な電荷が蓄積されており、その結果、ゲート入力容量の充電が完了するまで駆動部がゲート入力容量に供給する電荷の量を確実に低減することができ、駆動部がゲート入力容量に電荷を供給するために必要な電源に必要な電源容量を確実に低減することができる。
【００７１】
また、この発明のうち請求項４に係る半導体装置によれば、コンデンサがゲート入力容量に供給する電荷によって、トランジスタのゲート電圧がしきい電圧以上となるため、トランジスタのゲート入力容量における充電電流の大部分をコンデンサに蓄積されていた電荷によって補うことができる。そのため、半導体装置全体の省電力化を図ることができる。
【００７２】
また、この発明のうち請求項５に係る半導体装置によれば、ゲート入力容量が蓄積している電荷の一部をコンデンサに供給することによって、ゲート電圧がしきい電圧未満になるため、トランジスタのゲート入力容量における放電電流の大部分をコンデンサに蓄積することができる。そのため、ゲート入力容量で蓄積していた電荷を有効利用することができる。その結果、半導体装置全体の省電力化を図ることができる。
【００７３】
また、この発明のうち請求項６に係る半導体装置によれば、コンデンサの容量は、ミラー効果が生じた際のゲート入力容量の２倍以上であるため、ゲート入力容量が蓄積している電荷の一部をコンデンサに供給することによって、ゲート電圧がしきい電圧未満になる。具体的には、例えば、ゲート入力容量が蓄積している電荷によって、ゲート電圧が１５Ｖになっていたとする。このとき、コンデンサの容量はミラー効果が生じた際のゲート入力容量の２倍以上であるため、トランジスタがオフしても常にミラー効果が生じていると仮に考えた場合であっても、ゲート入力容量によるコンデンサへの電荷の供給が終了したときには、トランジスタのゲート電圧は１５Ｖから５Ｖ以下になる。絶縁ゲート型のトランジスタとしてＩＧＢＴを使用した場合、通常、当該ＩＧＢＴのゲート電圧のしきい電圧は約６Ｖであるため、ゲート入力容量が蓄積している電荷の一部をコンデンサに供給することによって、ゲート電圧がしきい電圧未満になる。そのため、トランジスタのゲート入力容量における放電電流の大部分をコンデンサに蓄積することができ、ゲート入力容量で蓄積していた電荷を有効利用することができる。その結果、半導体装置全体の省電力化を図ることができる。
【００７４】
また、この発明のうち請求項７及び請求項８に係るトランジスタの駆動方法によれば、絶縁ゲート型のトランジスタのゲート入力容量は、ゲート入力容量の放電が行われる前に蓄積していた電荷を、結果的にゲート入力容量の充電が行われる前に蓄積する。そのため、ゲート入力容量の充電が行われるときには、ゲート入力容量にはある程度電荷が蓄積されているため、ゲート入力容量の充電が完了するまでゲート入力容量に供給する電荷の量を低減することができる。その結果、ゲート入力容量に電荷を供給するために必要な電源の電源容量を低減することができる。
【００７５】
また、トランジスタのゲート入力容量を放電する際に、ゲート入力容量に蓄積されていた電荷の一部を、ゲート入力容量の充電を行う際に活用しているため、ゲート入力容量に蓄積されていた電荷を有効利用することができる。
【００７６】
また、この発明のうち請求項９に係るトランジスタの駆動方法によれば、工程（ｃ）におけるゲートとコンデンサとの接続から、工程（ｄ）におけるゲートとコンデンサとの接続の切り離しまでの時間が５μｓ以下である。絶縁ゲート型のトランジスタとしてＩＧＢＴを使用した場合、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴのゲート電圧の立下がり時間の要求仕様は通常５μｓ以下である。そのため、工程（ｃ）におけるゲートとコンデンサとの接続から、工程（ｄ）におけるゲートとコンデンサとの接続の切り離しまでの時間を、５μｓ以下に設定することによって、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴのゲート電圧の立下り時間を、要求仕様に近づけることができる。
【００７７】
また、この発明のうち請求項１０に係るトランジスタの駆動方法によれば、工程（ｅ）におけるゲートとコンデンサとの接続から、工程（ｆ）におけるゲートとコンデンサとの接続の切り離しまでの時間が５μｓ以下である。絶縁ゲート型のトランジスタとしてＩＧＢＴを使用した場合、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴのゲート電圧の立上がり時間の要求仕様は通常５μｓ以下である。そのため、工程（ｅ）におけるトランジスタのゲートとコンデンサとの接続から、工程（ｆ）におけるゲートとコンデンサとの接続の切り離しまでの時間を、５μｓ以下に設定することによって、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴのゲート電圧の立上がり時間を、要求仕様に近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図４】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図５】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図６】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図７】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図８】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図９】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１０】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１１】 本発明の実施の形態に係る半導体装置におけるＩＧＢＴ７の駆動電流の特性を示す図である。
【図１２】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の構成を示す図である。
【図１３】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の構成を示す図である。
【図１４】 第１の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。
【図１５】 第１の従来技術における半導体装置の特性を示す図である。
【図１６】 第２の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。
【図１７】 第３の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｃ コンデンサ、６ ゲート入力容量、７ ＩＧＢＴ、１００ 駆動部。
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置、特に絶縁ゲート型のトランジスタにおけるゲート入力容量に対して充放電を行う半導体装置、及びトランジスタの駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は第１の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。図１４に示すように、第１の従来技術における半導体装置は、絶縁ゲート型のトランジスタであるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）７と、ＩＧＢＴ７のエミッタとコレクタとの間に印加される逆電圧に対する保護ダイオード８と、ゲート駆動回路３と、＋１５Ｖを出力する制御電源１５ａと、−１５Ｖを出力する制御電源１５ｂと、コレクタが制御電源１５ａに接続されているトランジスタ４ａと、エミッタが制御電源１５ｂに接続されているトランジスタ４ｂと、抵抗５とを備えている。そして、ゲート入力容量６は、構造上、ＩＧＢＴ７のゲートとエミッタとの間に形成される寄生容量である。
【０００３】
図１４に示す半導体装置において、ＩＧＢＴ７をオンする際には、まず、ゲート駆動回路３がトランジスタ４ａをオン、かつトランジスタ４ｂをオフにする。トランジスタ４ａがオンすると、制御電源１５ａからＩＧＢＴ７のゲートに＋１５Ｖが供給される。このとき、ＩＧＢＴ７のゲートとエミッタとの間にはゲート入力容量６が存在するため、制御電源１５ａからゲート入力容量６へ電荷が供給され、ゲート電流が流れる。そして、ゲート入力容量６が充電されるにつれて、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が上昇し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上になるとＩＧＢＴ７がオンする。その後、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の充電が完了し、ゲート電圧は約＋１５Ｖとなり、ゲート電流がほとんど流れなくなる。なお、ゲート入力容量６の充電の開始から終了までに流れるゲート電流を単に「充電電流」と呼ぶ場合がある。
【０００４】
ＩＧＢＴ７をオフする際には、ゲート駆動回路３がトランジスタ４ａをオフ、かつトランジスタ４ｂをオンにする。トランジスタ４ｂがオンすると、制御電源１５ｂからＩＧＢＴ７のゲートへ−１５Ｖが供給される。このとき、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６には電荷が蓄積されているため、当該電荷は制御電源１５ｂによって取り出され、ＩＧＢＴ７をオンする場合とは逆方向のゲート電流が流れる。そして、ゲート入力容量６が放電されるにつれて、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が下降し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧未満になるとＩＧＢＴ７がオフする。その後、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の放電が完了し、ゲート電圧は約−１５Ｖとなり、ゲート電流がほとんど流れなくなる。なお、ゲート入力容量６の放電開始から終了までに流れるゲート電流を単に「放電電流」と呼ぶ場合がある。
【０００５】
図１５は、図１４に示すＩＧＢＴ７をオンする際のゲート電圧Ｖgeとゲート電流Ｉgeとコレクタ電流Ｉcとの関係を示した図であって、図１５に示すゲート電流ＩgeはＩＧＢＴ７の充電電流を示している。図１５に示すように、トランジスタ４ａをオンにすると、ゲート入力容量６を充電するゲート電流Ｉgeが大きく流れ、つまり充電電流が大きく流れ、その後ゲート入力容量６が充電されるにつれて、言い換えればゲート電圧Ｖgeが上昇するにつれてゲート電流Ｉgeは減少し、ゲート電圧Ｖgeが制御電源１５ａが出力する電圧とほぼ同じになると、ゲート電流Ｉgeがほとんど流れなくなる。
【０００６】
上述のように、制御電源１５ａから充電電流が供給されることによってＩＧＢＴ７はオンする。言い換えれば、制御電源１５ａは充電電流を供給できる電源容量が必要である。同様に、ＩＧＢＴ７をオフするために、制御電源１５ｂは放電電流を流すことができる電源容量が必要である。ここで、ＩＧＢＴ７のエミッタとコレクタとの間の定格電流を大きくするためには、通常そのチップサイズを大きくする必要があり、このことはゲート入力容量６の増加に繋がる。そのため、定格電流が大きいＩＧＢＴ７を駆動するためには、電源容量の大きい制御電源１５ａ，１５ｂが必要とされる。また、ＩＧＢＴ７をインバータ装置に使用した場合、インバータ装置の動作周波数、つまりＩＧＢＴ７のスイッチング周波数が大きくなるにつれて、単位時間当たりの充電電流は大きくなる。そのため、ＩＧＢＴ７を高速で駆動するためには、電源容量の大きい制御電源１５ａ，１５ｂが必要とされる。このように、ＩＧＢＴ７の定格電流が大きくなるにつれて、またＩＧＢＴ７を高速に駆動しようとするにつれて、当該ＩＧＢＴ７を駆動するために必要な制御電源１５ａ，１５ｂの電源容量は増加する。
【０００７】
上述のような制御電源１５ａ，１５ｂの電源容量の増加は、制御電源１５ａ，１５ｂのコストアップと実装体積の増加とに繋がる。そのため、半導体装置の低コスト化、小型化が望まれる近年において、制御電源１５ａ，１５ｂに必要とされる電源容量の低減が望まれている。
【０００８】
そこで、制御電源１５ａ，１５ｂに必要とされる電源容量を低減する第２の従来技術が提案されている。図１６は第２の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。第２の従来技術における半導体装置は、上述の第１の従来技術において、コンデンサ１１ａ，１１ｂを更に備えるものである。
【０００９】
図１６に示すように、トランジスタ４ａ，４ｂが共にオフであるとき、制御電源１５ａ，１５ｂによって、コンデンサ１１ａ，１１ｂは充電される。そして、ＩＧＢＴ７をオンするために、ゲート駆動回路３がトランジスタ４ａをオンし、かつトランジスタ４ｂをオフにすると、コンデンサ１１ａに蓄積されている電荷がトランジスタ４ａを通って、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６に供給され、当該電荷がゲ−ト入力容量６に蓄積される。ここで、図１５に示すように、ＩＧＢＴ７のゲート電流Ｉgeは、トランジスタ４ａをオンにすると最初に大きく流れ、その後、徐々に減少していく。つまり、第１の従来技術における制御電源１５ａには、図１５に示すゲート電流Ｉgeのピーク値を流すだけの電流供給能力が必要とされていた。上述のように第２の従来技術では、トランジスタ４ａがオンしたときには、コンデンサ１１ａに蓄積されていた電荷がゲート入力容量６に供給されるため、制御電源１５ａが直接ゲート入力容量６に供給する電流は低減する。そのため、第２の従来技術における制御電源１５ａには、図１５に示すゲート電流Ｉgeのピーク値を流すだけの電源供給能力は要求されない。つまり、制御電源１５ａに必要とされる電源容量を低減することができる。
【００１０】
また、ＩＧＢＴ７をオフするために、ゲート駆動回路３がトランジスタ４ａをオフし、かつトランジスタ４ｂをオンにすると、ゲート入力容量６に蓄積されていた電荷がトランジスタ４ｂを通って、コンデンサ１１ｂに供給される。そのため、制御電源１５ａと同様に、制御電源１５ｂに必要とされる電源容量を低減することができる。なお、図１６に示す第２の従来技術とほぼ同じ内容は、例えば特開平２−７６１７号公報に開示されている。
【００１１】
しかし、第２の従来技術では、コンデンサ１１ａ，１１ｂを充電するのは制御電源１５ａ，１５ｂであるため、ＩＧＢＴ７をオン／オフする際に、制御電源１５ａ，１５ｂが供給する電荷の総量は低減されない。つまり、図１６に示す半導体装置全体の消費電力を低減することはできない。
【００１２】
そこで、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６に蓄積されているエネルギーを有効利用することによって、半導体装置全体の省電力化を図る第３の従来技術が提案されている。図１７は第３の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。図１７に示すように、第３の従来技術における半導体装置は、絶縁ゲート型のトランジスタであるＭＯＳＦＥＴ１７と、ＭＯＳＦＥＴ１７のゲートにパルス信号を印加するパルス信号源２４と、ダイオード１８〜２０と、インダクタ２１と、負荷２３と、負荷２３にエネルギーを与えるコンデンサ２２とを備えている。
【００１３】
図１７に示す第３の従来技術では、パルス信号源２４からＭＯＳＦＥＴ１７のゲートにダイオード２０を介してパルス信号を印加し、ＭＯＳＦＥＴ１７をスイッチングする。ＭＯＳＦＥＴ１７がオフのときには、ＭＯＳＦＥＴ１７のゲート入力容量６とインダクタ２１とで共振し、ＭＯＳＦＥＴのオン時にゲート入力容量６に蓄積されたエネルギーをダイオード１９を介してコンデンサ２２に移す。そして、コンデンサ２２に蓄積されたエネルギーを負荷２３に供給する。このように、第３の従来技術では、ゲート入力容量６に蓄積されたエネルギーを再利用するため、半導体装置全体で損失となるエネルギーを低減することができ、結果、半導体装置全体の省電力化を図ることができる。なお、図１７に示す第３の従来技術とほぼ同じ内容は、例えば特開平８−１６３８６２号公報に開示されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の第３の従来技術は、第１，２の従来技術における制御電源１５ａ，１５ｂのようなＭＯＳＦＥＴ１７を駆動するための電源、例えばパルス信号源２４の電源に必要とされる電源容量を低減し、当該電源の小型化を図る技術ではない。また、ゲート入力容量６のエネルギーを素早くコンデンサ２２に移すためには、ゲート入力容量６とインダクタ２１とが共振する必要があり、そのためにはパルス信号源２４からＭＯＳＦＥＴ１７のゲートに供給される信号は、一定の周波数とデューティとを有する信号である必要がある。そのため、図１７に示す半導体装置では、任意のスイッチング周波数でＭＯＳＦＥＴ１７を動作させることができない。
【００１５】
そこで、本発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、絶縁ゲート型のトランジスタのゲート入力容量に蓄積された電荷を有効利用することにより、当該トランジスタを駆動するための電源に必要とされる電源容量を低減し、かつ装置全体の省電力化を図る半導体装置及びトランジスタの駆動方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明のうち請求項１に記載の半導体装置によれば、絶縁ゲート型のトランジスタと、前記トランジスタのゲート入力容量の充電及び放電を行う駆動部と、前記駆動部が行う前記充電及び前記放電に連動して、前記トランジスタのゲートに選択的に接続されるコンデンサとを備え、前記コンデンサが前記駆動部が行う前記放電に連動して前記ゲートに接続されて、前記ゲート入力容量は蓄積している電荷を前記コンデンサに供給し、前記コンデンサは前記ゲート入力容量から供給された前記電荷を蓄積し、前記コンデンサが前記駆動部が行う前記充電に連動して前記ゲートに接続されて、前記コンデンサは蓄積している前記電荷を前記ゲート入力容量に供給し、前記ゲート入力容量は前記コンデンサから供給された前記電荷を蓄積するものである。
【００１７】
また、この発明のうち請求項２に記載の半導体装置によれば、請求項１記載の半導体装置であって、前記コンデンサは、前記駆動部が行う前記放電に先立って前記ゲートに接続され、前記ゲート入力容量は蓄積している前記電荷を前記コンデンサに供給するものである。
【００１８】
また、この発明のうち請求項３に記載の半導体装置によれば、請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載の半導体装置であって、前記コンデンサは、前記駆動部が行う前記充電に先立って前記ゲートに接続され、前記ゲート入力容量は前記コンデンサから供給された前記電荷を蓄積するものである。
【００１９】
また、この発明のうち請求項４に記載の半導体装置によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の半導体装置であって、前記コンデンサが前記ゲート入力容量に供給する前記電荷によって、前記トランジスタのゲート電圧がしきい電圧以上となるものである。
【００２０】
また、この発明のうち請求項５に記載の半導体装置によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の半導体装置であって、前記ゲート入力容量が蓄積している前記電荷を前記コンデンサに供給することによって、前記トランジスタのゲート電圧がしきい電圧未満となるものである。
【００２１】
また、この発明のうち請求項６に記載の半導体装置によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の半導体装置であって、前記コンデンサの容量は、ミラー効果が生じた際の前記ゲート入力容量の２倍以上であるものである。
【００２２】
また、この発明のうち請求項７に記載のトランジスタの駆動方法によれば、（ａ）絶縁ゲート型のトランジスタにおけるゲート入力容量の放電を行う工程と、（ｂ）前記ゲート入力容量の充電を行う工程とを備え、前記工程（ａ）は、（ｃ）前記ゲート入力容量が蓄積している電荷をコンデンサに供給し、前記コンデンサが前記ゲート入力容量から供給された電荷を蓄積する工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）の後に、前記ゲート入力容量に残っている電荷を取り出す工程とを含み、前記工程（ｂ）は、（ｅ）前記工程（ｄ）の後に、前記コンデンサが蓄積している電荷を前記ゲート入力容量に供給し、前記ゲート入力容量が前記コンデンサから供給された電荷を蓄積する工程と、（ｆ）前記工程（ｅ）の後に、前記ゲート入力容量にさらに電荷の供給を行う工程とを含むものである。
【００２３】
また、この発明のうち請求項８に記載のトランジスタの駆動方法によれば、請求項７記載のトランジスタの駆動方法であって、前記工程（ｃ）において、前記トランジスタのゲートと前記コンデンサとを接続した後に、前記ゲート入力容量は蓄積している電荷をコンデンサに供給し、前記工程（ｄ）において、前記工程（ｃ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続を切り離した後に、前記ゲート入力容量に残っている電荷を取り出し、前記工程（ｅ）において、前記ゲートと前記コンデンサとを接続した後に、前記コンデンサが蓄積している電荷を前記ゲート入力容量に供給し、前記工程（ｆ）において、前記工程（ｅ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続を切り離した後に、前記ゲート入力容量にさらに電荷の供給を行うものである。
【００２４】
また、この発明のうち請求項９に記載のトランジスタの駆動方法によれば、請求項８記載のトランジスタの駆動方法であって、前記工程（ｃ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続から、前記工程（ｄ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続の切り離しまでの時間は、５μｓ以下であるものである。
【００２５】
また、この発明のうち請求項１０に記載のトランジスタの駆動方法によれば、請求項８及び請求項９のいずれか一つに記載のトランジスタの駆動方法であって、前記工程（ｅ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続から、前記工程（ｆ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続の切り離しまでの時間は、５μｓ以下であるものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明における実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係る半導体装置は、絶縁ゲート型のトランジスタであるＩＧＢＴ７と、ＩＧＢＴ７のエミッタとコレクタとの間に印加される逆電圧に対する保護ダイオード８と、ＩＧＢＴ７を駆動する駆動部１００と、半導体スイッチ２ａ〜２ｃと、タイミング制御回路１０と、ＩＧＢＴ７のゲートに選択的に接続されるコンデンサ１ａ，１ｂとを備えている。そして、ゲート入力容量６は、構造上、ＩＧＢＴ７のゲートとエミッタとの間に形成される寄生容量である。
【００２７】
駆動部１００は、ゲート駆動回路３と、＋１５Ｖを出力する制御電源１５ａと、−１５Ｖを出力する制御電源１５ｂと、トランジスタ４ａ，４ｂと、抵抗５とを備えている。ゲート駆動回路３は一つの入力端子と二つの出力端子とを有している。その入力端子はタイミング制御回路１０と接続されている。また、ゲート駆動回路３の一方の出力端子はトランジスタ４ａのゲートに、他方の出力端子はトランジスタ４ｂのゲートに接続されている。そして、ゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、互いに論理レベルが異なる２つの信号を出力し、トランジスタ４ａをオン、かつトランジスタ４ｂをオフにしたり、あるいはトランジスタ４ａをオフ、かつトランジスタ４ｂをオンにしたりする。また、ゲート駆動回路３はその出力端子をハイインピーダンスにし、トランジスタ４ａ，４ｂのそれぞれをオフにする。
【００２８】
トランジスタ４ａのコレクタには制御電源１５ａが接続されており、トランジスタ４ｂのエミッタには制御電源１５ｂが接続されている。そして、トランジスタ４ｂのコレクタとトランジスタ４ａのエミッタとは接続されている。また、トランジスタ４ｂのコレクタとトランジスタ４ａのエミッタとは抵抗５を介してＩＧＢＴ７のゲートに接続されている。
【００２９】
上述のような構成を成す駆動部１００は、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の充電及び放電を行い、ＩＧＢＴ７を駆動する。具体的には、ゲート駆動回路３がトランジスタ４ａをオン、トランジスタ４ｂをオフにすると、制御電源１５ａからゲート入力容量６に電荷が供給され、ゲート入力容量６が充電される。また、ゲート駆動回路３はトランジスタ４ａをオフ、トランジスタ４ｂをオンにすると、制御電源１５ｂによってゲート入力容量６に蓄積されている電荷が取り出され、ゲート入力容量６が放電される。
【００３０】
半導体スイッチ２ａは、駆動部１００の制御電源１５ａと、ＩＧＢＴ７のゲートと、コンデンサ１ａの一端と接続されている。半導体スイッチ２ｂは、コンデンサ１ａの他端と、半導体スイッチ２ｃと、グランドとに接続されている。そして、半導体スイッチ２ｃはＩＧＢＴ７のゲートと、コンデンサ１ｂの一端と、半導体スイッチ２ｂと接続されている。また、コンデンサ１ｂの他端はグランドに接続されている。ここで、コンデンサ１ａ，１ｂは半導体スイッチ２ａ〜２ｃが行う制御によって、駆動部１００が行うゲート入力容量６の充電及び放電に連動して、ＩＧＢＴ７のゲートに選択的に接続される。
【００３１】
タイミング制御回路１０は半導体スイッチ２ａ〜２ｃに接続されており、半導体スイッチ２ａ〜２ｃはタイミング制御回路１０から送られてくる信号によって制御される。具体的には、半導体スイッチ２ａはタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、制御電源１５ａをコンデンサ１ａの一端に接続したり、ＩＧＢＴ７のゲートをコンデンサ１ａの当該一端に接続したり、制御電源１５ａとＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａの当該一端とを互いに接続しなかったりする。また、半導体スイッチ２ｂはタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、コンデンサ１ａの他端をグランドに接続したり、コンデンサ１ａの当該他端を半導体スイッチ２ｃと接続したりする。そして、半導体スイッチ２ｃはタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、コンデンサ１ｂの一端に半導体スイッチ２ｂを接続したり、コンデンサ１ｂの当該一端にＩＧＢＴ７のゲートを接続したり、半導体スイッチ２ｂとＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ｂの当該一端とを互いに接続しなかったりする。
【００３２】
保護ダイオード８のアノードはＩＧＢＴ７のエミッタと接続されており、保護ダイオード８のカソードはＩＧＢＴ７のコレクタと接続されており、当該保護ダイオード８はＩＧＢＴ７のコレクタとエミッタとの間に印加される逆電圧に対する保護ダイオードの役割を荷っている。
【００３３】
次に、上述のような構成を成す本実施の形態に係る半導体装置の動作について図１〜図１０を参照して説明する。まず図１を参照して、タイミング制御回路１０からの信号に基づいて、半導体スイッチ２ａはコンデンサ１ａの一端と制御電源１５ａとを接続し、半導体スイッチ２ｂはコンデンサ１ａの他端と半導体スイッチ２ｃとを接続し、半導体スイッチ２ｃは、コンデンサ１ｂの一端と半導体スイッチ２ｂとを接続する。その結果、制御電源１５ａとグランドとの間で、コンデンサ１ａ，１ｂは直列に接続され、各コンデンサ１ａ，１ｂは充電される。また、このとき、ゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、トランジスタ４ａ，４ｂをともにオフにする。
【００３４】
図２〜図４はＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の充電を行う工程を示している。図２を参照して、コンデンサ１ａ，１ｂが制御電源１５ａによって充電された後に、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の充電が行われる際、半導体スイッチ２ａがタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、コンデンサ１ａの一端とＩＧＢＴ７のゲートとを接続する。そうすると、コンデンサ１ａ，１ｂは蓄積している電荷の一部をＩＧＢＴ７のゲート入力容量６に供給する。そして、ゲート入力容量６は当該電荷を蓄積する。ここで、コンデンサ１ａ，１ｂからゲート入力容量６への電荷の供給が終了した際、ゲート入力容量６が蓄積した電荷は、コンデンサ１ａとコンデンサ１ｂとの合成容量と、ゲート入力容量６との比でほぼ決定される。そして、コンデンサ１ａ，１ｂがゲート入力容量６に供給した電荷によって、言いかえればゲート入力容量６が蓄積した電荷によって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が上昇する。本実施の形態では、ゲート入力容量６による電荷の蓄積が終了したときのゲート電圧は例えばしきい電圧未満であり、ＩＧＢＴ７はゲート入力容量６が蓄積する電荷によってはオンしないものとする。
【００３５】
次に、図３を参照して、コンデンサ１ａとＩＧＢＴ７のゲートとの接続から所定時間後に、半導体スイッチ２ａはタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続を切り離す。このとき、制御電源１５ａと、ＩＧＢＴ７のゲートと、コンデンサ１ａの一端とは互いに接続されていない。そして、次に、図４を参照して、駆動部１００はゲート入力容量６にさらに電荷の供給を行い、ゲート入力容量を充電する。具体的には、ゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、トランジスタ４ａのみをオンにする。トランジスタ４ａがオンすると、制御電源１５ａからＩＧＢＴ７のゲートに＋１５Ｖが供給される。このとき、制御電源１５ａからゲート入力容量６へ電荷が供給され、ゲート電流が流れる。そして、ゲート入力容量６が駆動部１００によって充電されるにつれて、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が上昇し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上になるとＩＧＢＴ７がオンする。その後、ゲート入力容量６の充電が完了し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は約＋１５Ｖとなり、ゲート電流がほとんど流れなくなる。
【００３６】
次に、図５を参照して、駆動部１００のゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、トランジスタ４ａをオフにする。その結果、ＩＧＢＴ７のゲートには電圧が印加されなくなる。
【００３７】
図６〜８はＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の放電を行う工程を示している。図６を参照して、トランジスタ４ａ，４ｂをともにオフにした後に、ゲート入力容量６の放電を行う際には、タイミング制御回路１０からの信号に基づいて、半導体スイッチ２ａはコンデンサ１ａの一端をＩＧＢＴ７のゲートに接続し、半導体スイッチ２ｂはコンデンサ１ａの他端をグランドに接続し、半導体スイッチ２ｃは、コンデンサ１ｂの一端をＩＧＢＴ７のゲートに接続する。その結果、コンデンサ１ａ，１ｂは並列に接続され、各コンデンサ１ａ，１ｂの一端はＩＧＢＴ７のゲートに接続される。そして、ゲート入力容量６は蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給し、各コンデンサ１ａ，１ｂは当該電荷を蓄積する。ここで、ゲート入力容量６からコンデンサ１ａ，１ｂへの電荷の供給が終了した際、コンデンサ１ａ，１ｂが蓄積している電荷は、図２を参照して説明した本実施の形態に係る半導体装置の動作と同様に、コンデンサ１ａとコンデンサ１ｂとの合成容量と、ゲート入力容量６との比でほぼ決定される。そして、ゲート入力容量６がコンデンサ１ａ，１ｂへ蓄積している電荷を供給することによって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が下降する。本実施の形態では、このときのゲート電圧は例えばしきい電圧以上であり、ゲート入力容量６がコンデンサ１ａ，１ｂに蓄積している電荷を供給することによってはＩＧＢＴ７がオフしないものとする。
【００３８】
次に、図７を参照して、コンデンサ１ａ，１ｂとＩＧＢＴ７のゲートとの接続から所定時間後に、タイミング制御回路１０からの信号に基づいて、半導体スイッチ２ａはＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａの一端との接続を切り離し、半導体スイッチ２ｃはＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ｂの一端との接続を切り離す。このとき、制御電源１５ａと、ＩＧＢＴ７のゲートと、コンデンサ１ａの一端とは互いに接続されておらず、半導体スイッチ２ｂと、ＩＧＢＴ７のゲートと、コンデンサ１ｂの一端とは互いに接続されていない。
【００３９】
そして、次に、図８を参照して、駆動部１００はゲート入力容量６に残っている電荷を取り出し、ゲート入力容量６の放電を行う。具体的には、駆動部１００のゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、トランジスタ４ｂのみをオンにする。トランジスタ４ｂがオンになると、制御電源１５ｂからＩＧＢＴ７のゲートへ−１５Ｖが供給される。このとき、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６には電荷が蓄積されているため、当該電荷は制御電源１５ｂによって取り出され、ＩＧＢＴ７をオンする場合とは逆方向のゲート電流が流れる。そして、ゲート入力容量６が放電されるにつれて、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が下降し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧未満になるとＩＧＢＴ７がオフする。その後、ゲート入力容量６の放電が完了し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は約−１５Ｖとなり、ゲート電流がほとんど流れなくなる。
【００４０】
次に、図９を参照して、駆動部１００のゲート駆動回路３はタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、トランジスタ４ｂをオフにする。そして、図１０を参照して、半導体スイッチ２ａがタイミング制御回路１０からの信号に基づいて、ゲート入力容量６から供給された電荷を蓄積しているコンデンサ１ａの一端とＩＧＢＴ７のゲートとを接続すると、コンデンサ１ａ，１ｂは蓄積している電荷の一部をＩＧＢＴ７のゲート入力容量６に供給する。そして、ゲート入力容量６は当該電荷を蓄積する。ゲート入力容量６が蓄積した電荷によって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧が上昇するが、本実施の形態では、このときのゲート電圧は例えばしきい電圧未満であり、ＩＧＢＴ７はゲート入力容量６が蓄積する電荷によってはオンしないものとする。以後、図３〜図１０を参照して説明した上述の動作を本実施の形態に係る半導体装置が順次繰り返すことによって、ＩＧＢＴ７はスイッチング動作を行う。なお、図１０、図３及び図４に示す一連の工程は、図２〜図４に示される工程と同様に、ゲート入力容量６の充電を行う工程である。
【００４１】
上述のような動作を行う本実施の形態に係る半導体装置によれば、駆動部１００がＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の放電を行う際に（図８参照）、当該放電に先立って、コンデンサ１ａ，１ｂはＩＧＢＴ７のゲートに接続され、ゲート入力容量６は蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給し、コンデンサ１ａ，１ｂは当該電荷を蓄積する（図６参照）。そして、駆動部１００がゲート入力容量６の充電を行う際に（図４参照）、当該充電に先立って、コンデンサ１ａはＩＧＢＴ７のゲートに接続され、コンデンサ１ａ，１ｂは、ゲート入力容量６から供給された電荷であって、蓄積している電荷の一部をゲート入力容量６に供給し、ゲート入力容量６は当該電荷を蓄積する（図１０参照）。つまり、駆動部１００がゲート入力容量６の充電を行う際には、駆動部１００がゲート入力容量６の放電を行う際にゲート入力容量６が蓄積していた電荷の一部を、結果的にゲート入力容量６は蓄積している。そのため、駆動部１００がゲート入力容量６を充電しようとするときには、ゲート入力容量６にはある程度電荷が蓄積されているため、ゲート入力容量６の充電が完了するまで駆動部１００がゲート入力容量６に供給する電荷の量を低減することができる。その結果、駆動部１００がゲート入力容量６に電荷を供給するために必要な制御電源１５ａに必要とされる電源容量を低減することができる。
【００４２】
また、制御電源１５ｂに関して言えば、駆動部１００がゲート入力容量６を放電しようとするときには、ＩＧＢＴ７をオンした後にゲート入力容量６に蓄積されていた電荷の一部がコンデンサ１ａ，１ｂに蓄積されているため、制御電源１５ｂに流し込む電荷の量を低減することができる。その結果、制御電源１５ｂに必要な電源容量を低減することができる。
【００４３】
また、本実施の形態では、上述の第２の従来技術とは異なり、ＩＧＢＴ７のゲート入力容量６を放電する際に、ゲート入力容量６に蓄積されていた電荷の一部を、ゲート入力容量６の充電を行う際に活用しているため、つまりゲート入力容量６に蓄積されていた電荷を有効利用しているため、半導体装置の省電力化を図ることができる。
【００４４】
また、本実施の形態では、上述の第３の従来技術とは異なり、ゲート入力容量６に蓄積されている電荷を有効利用するために、ＩＧＢＴ７を常に一定のスイッチング周波数で動作させる必要は無く、任意のスイッチング周波数でＩＧＢＴ７を動作させた場合であっても、半導体装置の省電力化を図ることができる。
【００４５】
図１１は本実施の形態におけるＩＧＢＴ７の駆動電流Ｉ２と、第１の従来技術におけるＩＧＢＴ７の駆動電流Ｉ１との関係を示す図である。図１１に示す駆動電流Ｉ１，Ｉ２とは、ＩＧＢＴ７をオンする際に制御電源１５ａから供給されるゲート電流を示している。図１１に示すように、本実施の形態に係る半導体装置によれば、ＩＧＢＴ７の駆動電流のピーク値、及びＩＧＢＴ７がオンするまでの当該駆動電流の総和を第１の従来技術より低減する。このことは、制御電源１５ａに必要な電源容量を低減することができることと、半導体装置の省電力化を図ることができることとを示している。
【００４６】
本実施の形態では、上述の第１の従来技術に比べて、タイミング制御回路１０、半導体スイッチ２ａ〜２ｃ及びコンデンサ１ａ，１ｂが付加されているが、これらの付加回路は集積回路で実現することができる。そして、制御電源１５ａ，１５ｂの物理的な大きさを決定付けるのは、主にスイッチングトランスと電解コンデンサである。本実施の形態では、制御電源１５ａ，１５ｂに必要とされる電源容量を低減することができるため、スイッチングトランスと電解コンデンサとの物理的な大きさを低減することができる。通常、スイッチングトランス及び電解コンデンサの物理的な大きさの低減が半導体装置全体の物理的な大きさに与える影響は、上述の付加回路の増加が与える影響よりも大きい。そのため、本実施の形態に係る半導体装置によれば、制御電源１５ａ，１５ｂに必要な電源容量を低減することができるため、半導体装置全体を小型化にすることができる。
【００４７】
また、通常、スイッチングトランス及び電解コンデンサの物理的な大きさの低減が半導体装置全体のコストに与える影響は、上述の付加回路の増加が与える影響よりも大きいため、本実施の形態に係る半導体装置によれば、制御電源１５ａ，１５ｂに必要な電源容量を低減することができる。そのため、半導体装置全体のコストダウンを行うことができる。
【００４８】
また、本実施の形態によれば、コンデンサ１ａ，１ｂによってゲート入力容量６は充電されるため、当該コンデンサ１ａ，１ｂを一種の電源と見た場合、この電源の出力インピーダンスは、駆動部１００の出力インピーダンスよりも通常低い。そして、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電に先立って、コンデンサ１ａ，１ｂが蓄積している電荷をゲート入力容量６に供給しているため、言い換えれば、ゲート入力容量６の初期充電はコンデンサ１ａ，１ｂによって行われるため、ゲート入力容量６の充電のすべてを制御電源１５ａから行う第１の従来技術と比べて、ＩＧＢＴ７のゲート電圧の立上がり時間を低減することができる。そのため、ＩＧＢＴ７を第１の従来技術よりも高速にスイッチングすることができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、駆動部１００が行うゲート入力容量６の放電に先立ってコンデンサ１ａ，１ｂがＩＧＢＴ７のゲートに接続されることによって（図６参照）、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続が駆動部１００が行うゲート入力容量６の放電に連動しているが、駆動部１００によるゲート入力容量６の放電の途中でコンデンサ１ａ，１ｂがＩＧＢＴ７のゲートに接続されることによって、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続が駆動部１００が行うゲート入力容量６の放電に連動しても良い。また、本実施の形態では、駆動部１００が行うゲート入力容量６の充電に先立ってコンデンサ１ａがＩＧＢＴ７のゲートに接続されることによって（図２，図１０参照）、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続が駆動部１００が行うゲート入力容量６の充電に連動しているが、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電の途中で、コンデンサ１ａがＩＧＢＴ７のゲートに接続されることによって、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続が駆動部１００が行うゲート入力容量６の充電に連動しても良い。
【００５０】
具体的には、例えば、駆動部１００がゲート入力容量６の放電を行い、ゲート電圧がしきい電圧付近まで下がってきたときに、トランジスタ４ａ，４ｂともにオフにして、当該放電を中止する。そして、コンデンサ１ａ，１ｂとＩＧＢＴ７のゲートとを接続すると、ゲート入力容量６は蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給する。そして、コンデンサ１ａ，１ｂへの電荷の供給が終了すると、コンデンサ１ａ，１ｂとＩＧＢＴ７のゲートとの接続を切り離し、駆動部１００は再びゲート入力容量６の放電を行い、ゲート入力容量６の放電を完了させる。
【００５１】
また、駆動部１００がゲート入力容量６の充電を行い、ゲート電圧がしきい電圧付近まで上がってきたときに、トランジスタ４ａ，４ｂをともにオフにして、当該充電を中止する。そして、コンデンサ１ｂと直列接続されたコンデンサ１ａとＩＧＢＴ７のゲートとを接続すると、コンデンサ１ａ，１ｂは蓄積している電荷の一部をゲート容量６に供給し、ゲート入力容量６は当該電荷を蓄積する。そして、ゲート入力容量６における電荷の蓄積が終了すると、コンデンサ１ａとＩＧＢＴ７のゲートとの接続を切り離し、駆動部１００は再びゲート入力容量６の充電を行い、ゲート入力容量６の充電を完了させる。
【００５２】
しかし、駆動部１００によるゲート入力容量６の放電の途中で、ゲート入力容量６が電荷をコンデンサ１ａ，１ｂに供給する際、ゲート入力容量６の電荷は駆動部１００によってその一部が取り出されているため、本実施の形態と比べて、十分な電荷をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することができない。言い換えれば、本実施の形態では、駆動部１００が行うゲート入力容量６の放電に先立って、ゲート入力容量６は蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給するため、十分な電荷をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することができる。そのため、コンデンサ１ａ，１ｂは十分な電荷を蓄積することができ、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電が行われようとするときには、ゲート入力容量６には十分な電荷を蓄積することができる。その結果、ゲート入力容量６の充電が完了するまで駆動部１００がゲート入力容量６に供給する電荷の量を確実に低減することができ、制御電源１５ａに必要な電源容量を確実に低減することができる。
【００５３】
また、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電の途中で、ゲート入力容量６がコンデンサ１ａ，１ｂから供給された電荷を蓄積する際、ゲート入力容量６には駆動部１００によって電荷が供給されているため、本実施の形態と比べて、コンデンサ１ａ，１ｂからの電荷を十分に蓄積することができない。言い換えれば、本実施の形態では、駆動部１００が行うゲート入力容量６の充電に先立って、ゲート入力容量６はコンデンサ１ａ，１ｂから供給された電荷を蓄積するため、コンデンサ１ａ，１ｂからの電荷を十分に蓄積することができる。そのため、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電が行われようとするときには、ゲート入力容量６には十分な電荷が蓄積されており、その結果、ゲート入力容量６の充電が完了するまで駆動部１００がゲート入力容量６に供給する電荷の量を確実に低減することができ、制御電源１５ａに必要な電源容量を確実に低減することができる。
【００５４】
なお、上述の本実施の形態では、図３を参照して、ＩＧＢＴ７をオンする際、コンデンサ１ａとＩＧＢＴ７のゲートとの接続から所定時間後に、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続を切り離しているが、この所定時間は５μｓ以下が望ましい。言い換えれば、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続（図２，図１０参照）から、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続の切り離し（図３参照）までの時間は、５μｓ以下であることが望ましい。また、本実施の形態では、ＩＧＢＴ７をオフする際、図７を参照して、コンデンサ１ａ，１ｂとＩＧＢＴ７のゲートとの接続から所定時間後に、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続を切り離しているが、この所定時間も５μｓ以下が望ましい。言い換えれば、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続（図６参照）から、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続の切り離し（図７参照）までの時間は、５μｓ以下であることが望ましい。
【００５５】
通常、ＩＧＢＴ７のスイッチング周波数ｆｃは約２〜２０ｋＨｚであり、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴ７のゲート電圧の立上がり時間、あるいは立下り時間の要求仕様は５μｓ以下である。そのため、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続から、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａとの接続の切り離しまでの時間を、５μｓ以下に設定することによって、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴ７のゲート電圧の立上がり時間を、要求仕様に近づけることができる。また、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続から、ＩＧＢＴ７のゲートとコンデンサ１ａ，１ｂとの接続の切り離しまでの時間を、５μｓ以下に設定することによって、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴ７のゲート電圧の立下り時間を、要求仕様に近づけることができる。
【００５６】
また、本実施の形態では、図２を参照して、駆動部１００によるゲート入力容量６の充電に先立って、ゲート入力容量６はコンデンサ１ａ，１ｂから供給された電荷を蓄積する。そのため、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は上昇するが、ゲート入力容量６による電荷の蓄積が終了したときのゲート電圧はしきい電圧未満であった。言い換えれば、当該ゲート電圧によってＩＧＢＴ７はオンしなかった。しかし、省電力化の目的のためには、コンデンサ１ａ，１ｂがゲート入力容量６に供給する電荷によって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上となることが望ましい。
【００５７】
また、本実施の形態では、図６を参照して、駆動部１００によるゲート入力容量６の放電に先立って、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給する。そのため、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は下降するが、ゲート入力容量６によるコンデンサ１ａ，１ｂへの電荷の供給終了後におけるゲート電圧はしきい電圧以上であった。言い換えれば、当該ゲート電圧によってＩＧＢＴ７はオフしなかった。しかし、省電力化の目的のためには、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することによって、ゲート電圧がしきい電圧未満になることが望ましい。
【００５８】
ここで、通常、ＩＧＢＴ７の充電電流の総和の約９５％以上が、ＩＧＢＴ７にミラー効果が生じてゲート入力容量６が増加し始めた後のゲート電流の総和である。ミラー効果はＩＧＢＴ７がオンすることによって生じるため、ゲート入力容量６がコンデンサ１ａ，１ｂから供給された電荷を蓄積し、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上となることによって、充電電流の大部分をコンデンサ１ａ，１ｂに蓄積されていた電荷によって補うことができる。そのため、コンデンサ１ａ，１ｂがゲート入力容量６に供給した電荷によって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上となることによって、さらに省電力化を図ることができる。
【００５９】
また、充電電流と同様に、通常、ＩＧＢＴ７の放電電流の総和の大部分は、ＩＧＢＴ７にミラー効果が生じている間、つまりＩＧＢＴ７がオフするまでに流れるゲート電流の総和が占める。そのため、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給し、ゲート電圧がしきい電圧未満になることによって、放電電流の大部分をコンデンサ１ａ，１ｂに蓄積することができる。そのため、ゲート入力容量６で蓄積していた電荷を有効利用することができるため、さらに省電力化を図ることができる。
【００６０】
そして、上述の内容を実現するためには、例えばコンデンサ１ａ，１ｂのそれぞれの容量を、ミラー効果が生じた際のゲート入力容量６の２倍に設定する。このように設定すると、本実施の形態において、駆動部１００によるＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の充電が完了した後に（図４参照）、ゲート入力容量６が蓄積している電荷をコンデンサ１ａ，１ｂに供給し、当該電荷をコンデンサ１ａ，１ｂが蓄積する際（図６参照）、コンデンサ１ａ，１ｂは並列接続されているため、その合成容量はミラー効果が生じた際のゲート入力容量の４倍となる。そのため、ＩＧＢＴ７がオフしても常にミラー効果が生じていると仮に考えた場合であっても、ゲート入力容量６からの電荷の供給が終了した際には、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は３Ｖとなる。通常、ゲート電圧のしきい電圧は約６Ｖであるため、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することによって、ゲート電圧がしきい電圧未満になる。
【００６１】
また、本実施の形態では、駆動部１００によるＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の放電が完了した後に（図８参照）、コンデンサ１ａ，１ｂは蓄積している電荷をゲート入力容量６に供給するが（図１０参照）、駆動部１００によるＩＧＢＴ７のゲート入力容量６の放電が完了した後に、常にコンデンサ１ａ，１ｂを制御電源１５ａで充電しても良い。具体的には、図１を参照して説明したように、コンデンサ１ａに制御電源１５ａを接続し、制御電源１５ａとグランドとの間でコンデンサ１ａ，１ｂを直列に接続する。このようにコンデンサ１ａ，１ｂを充電した後に、コンデンサ１ａ，１ｂは蓄積している電荷をゲート入力容量６に供給し、当該電荷をゲート入力容量６が蓄積する際、コンデンサ１ａ，１ｂは直列接続されているため、その合成容量はミラー効果が生じた際のゲート入力容量６と等しくなる。そのため、ゲート入力容量６による電荷の蓄積が終了した際には、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は７．５Ｖとなる。上述のように、通常、ゲート電圧のしきい電圧は約６Ｖであるため、コンデンサ１ａ，１ｂがゲート入力容量６に供給した電荷よって、ＩＧＢＴ７のゲート電圧がしきい電圧以上となる。
【００６２】
なお、ゲート電圧がしきい電圧未満になることだけを考えれば、コンデンサ１ａ，１ｂの合成容量を、ミラー効果が生じた際のゲート入力容量の２倍以上に設定すると、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することによって、ゲート電圧はしきい電圧未満となる。具体的には、ＩＧＢＴ７がオフしても常にミラー効果が生じていると仮に考えた場合であっても、ゲート入力容量６からの電荷の供給が終了した際には、ＩＧＢＴ７のゲート電圧は５Ｖ以下となり、ゲート電圧のしきい電圧未満となる。
【００６３】
また、ＩＧＢＴ７のスイッチング動作において、ゲート入力容量６がコンデンサ１ａ，１ｂから供給された電荷を蓄積することによってＩＧＢＴ７をオンにし、ゲート入力容量６が蓄積している電荷の一部をコンデンサ１ａ，１ｂに供給することによってＩＧＢＴ７をオフにする際、ＩＧＢＴ７のゲートにはコンデンサ１ａ，１ｂが接続されているため、ＩＧＢＴ７の等価的なゲート入力容量６が増加する。そのため、ＩＧＢＴ７をオン／オフする際に発生するコレクタ電圧の変化が引き起こすゲート電圧の変化を小さくすることができる。その結果、安定した動作を行う半導体装置を提供することができる。
【００６４】
また、本実施の形態では、ゲート入力容量６で蓄積された電荷を蓄積するコンデンサとして、二つのコンデンサ１ａ，１ｂを使用したが、図１２，１３に示すように、一つのコンデンサを使用した半導体装置であっても、三つのコンデンサを使用した半導体装置であっても、タイミング制御回路１０が半導体スイッチ２ａ〜２ｅ及びゲート駆動回路３の制御を適切に行うことによって、本実施の形態と同様の動作を行うことができる。
【００６５】
また、本実施の形態では、駆動部１００がゲート入力容量６の充電を行う際、コンデンサ１ａ，１ｂは直列接続されており、駆動部１００がゲート入力容量６の放電を行う際、コンデンサ１ａ，１ｂは並列接続されているが、半導体装置の要求仕様に応じて、直列接続か並列接続かを選択しても良い。
【００６６】
また、コンデンサ１ａはゲート入力容量６に電荷を供給する制御電源１５ａに接続され、コンデンサ１ｂはグランドに接続されているが、コンデンサ１ａ，１ｂを制御電源１５ａとは異なった定電圧電源に接続しても良い。
【００６７】
【発明の効果】
この発明のうち請求項１に係る半導体装置によれば、コンデンサは駆動部が行うゲート入力容量の放電に連動してトランジスタのゲートに接続されるため、例えば、駆動部が行うゲート入力容量の放電に先行してコンデンサがトランジスタのゲートに接続されると、駆動部が行うゲート入力容量の充電に先行して、ゲート入力容量は蓄積している電荷をコンデンサに供給し、コンデンサはゲート入力容量から供給された電荷を蓄積する。また、コンデンサは駆動部が行うゲート入力容量の充電に連動してトランジスタのゲートに接続されるため、例えば、駆動部が行うゲート入力容量の充電に先行してコンデンサがトランジスタのゲートに接続されると、コンデンサは蓄積している電荷をゲート入力容量に供給し、ゲート入力容量はコンデンサから供給された電荷を蓄積する。その結果、トランジスタのゲート入力容量は、駆動部がゲート入力容量の放電を行う際に蓄積していた電荷を、駆動部がゲート入力容量の充電を行う際に結果的に蓄積する。そのため、駆動部がゲート入力容量を充電しようとするときには、ゲート入力容量にはある程度電荷が蓄積されているため、ゲート入力容量の充電が完了するまで駆動部がゲート入力容量に供給する電荷の量を低減することができる。その結果、駆動部がゲート入力容量に電荷を供給するために必要な電源の電源容量を低減することができる。
【００６８】
また、トランジスタのゲート入力容量を放電する際に、ゲート入力容量に蓄積されていた電荷の一部を、ゲート入力容量の充電を行う際に活用しているため、つまりゲート入力容量に蓄積されていた電荷を有効利用しているため、半導体装置の省電力化を図ることができる。
【００６９】
また、この発明のうち請求項２に係る半導体装によれば、駆動部が行うゲート入力容量の放電に先立って、ゲート入力容量は蓄積している電荷の一部をコンデンサに供給するため、十分な電荷をコンデンサに供給することができる。そのため、コンデンサは十分な電荷を蓄積することができ、駆動部によるゲート入力容量の充電が行われようとするときには、ゲート入力容量には十分な電荷を蓄積することができる。その結果、ゲート入力容量の充電が完了するまで駆動部がゲート入力容量に供給する電荷の量を確実に低減することができ、駆動部がゲート入力容量に電荷を供給するために必要な電源に必要な電源容量を確実に低減することができる。
【００７０】
また、この発明のうち請求項３に係る半導体装置によれば、駆動部が行うゲート入力容量の充電に先立って、ゲート入力容量はコンデンサから供給された電荷を蓄積するため、コンデンサからの電荷を十分に蓄積することができる。そのため、駆動部によるゲート入力容量の充電が行われようとするときには、ゲート入力容量には十分な電荷が蓄積されており、その結果、ゲート入力容量の充電が完了するまで駆動部がゲート入力容量に供給する電荷の量を確実に低減することができ、駆動部がゲート入力容量に電荷を供給するために必要な電源に必要な電源容量を確実に低減することができる。
【００７１】
また、この発明のうち請求項４に係る半導体装置によれば、コンデンサがゲート入力容量に供給する電荷によって、トランジスタのゲート電圧がしきい電圧以上となるため、トランジスタのゲート入力容量における充電電流の大部分をコンデンサに蓄積されていた電荷によって補うことができる。そのため、半導体装置全体の省電力化を図ることができる。
【００７２】
また、この発明のうち請求項５に係る半導体装置によれば、ゲート入力容量が蓄積している電荷の一部をコンデンサに供給することによって、ゲート電圧がしきい電圧未満になるため、トランジスタのゲート入力容量における放電電流の大部分をコンデンサに蓄積することができる。そのため、ゲート入力容量で蓄積していた電荷を有効利用することができる。その結果、半導体装置全体の省電力化を図ることができる。
【００７３】
また、この発明のうち請求項６に係る半導体装置によれば、コンデンサの容量は、ミラー効果が生じた際のゲート入力容量の２倍以上であるため、ゲート入力容量が蓄積している電荷の一部をコンデンサに供給することによって、ゲート電圧がしきい電圧未満になる。具体的には、例えば、ゲート入力容量が蓄積している電荷によって、ゲート電圧が１５Ｖになっていたとする。このとき、コンデンサの容量はミラー効果が生じた際のゲート入力容量の２倍以上であるため、トランジスタがオフしても常にミラー効果が生じていると仮に考えた場合であっても、ゲート入力容量によるコンデンサへの電荷の供給が終了したときには、トランジスタのゲート電圧は１５Ｖから５Ｖ以下になる。絶縁ゲート型のトランジスタとしてＩＧＢＴを使用した場合、通常、当該ＩＧＢＴのゲート電圧のしきい電圧は約６Ｖであるため、ゲート入力容量が蓄積している電荷の一部をコンデンサに供給することによって、ゲート電圧がしきい電圧未満になる。そのため、トランジスタのゲート入力容量における放電電流の大部分をコンデンサに蓄積することができ、ゲート入力容量で蓄積していた電荷を有効利用することができる。その結果、半導体装置全体の省電力化を図ることができる。
【００７４】
また、この発明のうち請求項７及び請求項８に係るトランジスタの駆動方法によれば、絶縁ゲート型のトランジスタのゲート入力容量は、ゲート入力容量の放電が行われる前に蓄積していた電荷を、結果的にゲート入力容量の充電が行われる前に蓄積する。そのため、ゲート入力容量の充電が行われるときには、ゲート入力容量にはある程度電荷が蓄積されているため、ゲート入力容量の充電が完了するまでゲート入力容量に供給する電荷の量を低減することができる。その結果、ゲート入力容量に電荷を供給するために必要な電源の電源容量を低減することができる。
【００７５】
また、トランジスタのゲート入力容量を放電する際に、ゲート入力容量に蓄積されていた電荷の一部を、ゲート入力容量の充電を行う際に活用しているため、ゲート入力容量に蓄積されていた電荷を有効利用することができる。
【００７６】
また、この発明のうち請求項９に係るトランジスタの駆動方法によれば、工程（ｃ）におけるゲートとコンデンサとの接続から、工程（ｄ）におけるゲートとコンデンサとの接続の切り離しまでの時間が５μｓ以下である。絶縁ゲート型のトランジスタとしてＩＧＢＴを使用した場合、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴのゲート電圧の立下がり時間の要求仕様は通常５μｓ以下である。そのため、工程（ｃ）におけるゲートとコンデンサとの接続から、工程（ｄ）におけるゲートとコンデンサとの接続の切り離しまでの時間を、５μｓ以下に設定することによって、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴのゲート電圧の立下り時間を、要求仕様に近づけることができる。
【００７７】
また、この発明のうち請求項１０に係るトランジスタの駆動方法によれば、工程（ｅ）におけるゲートとコンデンサとの接続から、工程（ｆ）におけるゲートとコンデンサとの接続の切り離しまでの時間が５μｓ以下である。絶縁ゲート型のトランジスタとしてＩＧＢＴを使用した場合、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴのゲート電圧の立上がり時間の要求仕様は通常５μｓ以下である。そのため、工程（ｅ）におけるトランジスタのゲートとコンデンサとの接続から、工程（ｆ）におけるゲートとコンデンサとの接続の切り離しまでの時間を、５μｓ以下に設定することによって、スイッチング動作時におけるＩＧＢＴのゲート電圧の立上がり時間を、要求仕様に近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図４】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図５】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図６】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図７】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図８】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図９】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１０】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１１】 本発明の実施の形態に係る半導体装置におけるＩＧＢＴ７の駆動電流の特性を示す図である。
【図１２】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の構成を示す図である。
【図１３】 本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の構成を示す図である。
【図１４】 第１の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。
【図１５】 第１の従来技術における半導体装置の特性を示す図である。
【図１６】 第２の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。
【図１７】 第３の従来技術における半導体装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｃ コンデンサ、６ ゲート入力容量、７ ＩＧＢＴ、１００ 駆動部。
Claims (10)
- 絶縁ゲート型のトランジスタと、
前記トランジスタのゲート入力容量の充電及び放電を行う駆動部と、
前記駆動部が行う前記充電及び前記放電に連動して、前記トランジスタのゲートに選択的に接続されるコンデンサと
を備え、
前記コンデンサが前記駆動部が行う前記放電に連動して前記ゲートに接続されて、前記ゲート入力容量は蓄積している電荷を前記コンデンサに供給し、前記コンデンサは前記ゲート入力容量から供給された前記電荷を蓄積し、
前記コンデンサが前記駆動部が行う前記充電に連動して前記ゲートに接続されて、前記コンデンサは蓄積している前記電荷を前記ゲート入力容量に供給し、前記ゲート入力容量は前記コンデンサから供給された前記電荷を蓄積する、半導体装置。 - 前記コンデンサは、前記駆動部が行う前記放電に先立って前記ゲートに接続され、前記ゲート入力容量は蓄積している前記電荷を前記コンデンサに供給する、請求項１記載の半導体装置。
- 前記コンデンサは、前記駆動部が行う前記充電に先立って前記ゲートに接続され、前記ゲート入力容量は前記コンデンサから供給された前記電荷を蓄積する、請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記コンデンサが前記ゲート入力容量に供給する前記電荷によって、前記トランジスタのゲート電圧がしきい電圧以上となる、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記ゲート入力容量が蓄積している前記電荷を前記コンデンサに供給することによって、前記トランジスタのゲート電圧がしきい電圧未満となる、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記コンデンサの容量は、ミラー効果が生じた際の前記ゲート入力容量の２倍以上である、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の半導体装置。
- （ａ）絶縁ゲート型のトランジスタにおけるゲート入力容量の放電を行う工程と、
（ｂ）前記ゲート入力容量の充電を行う工程と
を備え、
前記工程（ａ）は、
（ｃ）前記ゲート入力容量が蓄積している電荷をコンデンサに供給し、前記コンデンサが前記ゲート入力容量から供給された電荷を蓄積する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後に、前記ゲート入力容量に残っている電荷を取り出す工程とを含み、
前記工程（ｂ）は、
（ｅ）前記工程（ｄ）の後に、前記コンデンサが蓄積している電荷を前記ゲート入力容量に供給し、前記ゲート入力容量が前記コンデンサから供給された電荷を蓄積する工程と、
（ｆ）前記工程（ｅ）の後に、前記ゲート入力容量にさらに電荷の供給を行う工程とを含む、トランジスタの駆動方法。 - 前記工程（ｃ）において、前記トランジスタのゲートと前記コンデンサとを接続した後に、前記ゲート入力容量は蓄積している電荷をコンデンサに供給し、
前記工程（ｄ）において、前記工程（ｃ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続を切り離した後に、前記ゲート入力容量に残っている電荷を取り出し、
前記工程（ｅ）において、前記ゲートと前記コンデンサとを接続した後に、前記コンデンサが蓄積している電荷を前記ゲート入力容量に供給し、
前記工程（ｆ）において、前記工程（ｅ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続を切り離した後に、前記ゲート入力容量にさらに電荷の供給を行う、請求項７記載のトランジスタの駆動方法。 - 前記工程（ｃ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続から、前記工程（ｄ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続の切り離しまでの時間は、５μｓ以下である、請求項８記載のトランジスタの駆動方法。
- 前記工程（ｅ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続から、前記工程（ｆ）における前記ゲートと前記コンデンサとの接続の切り離しまでの時間は、５μｓ以下である、請求項８及び請求項９のいずれか一つに記載のトランジスタの駆動方法。
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