JP5527187B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本願は、半導体装置、特に、整流素子として機能する半導体装置や、整流素子が並列に接続されたスイッチング素子として機能する半導体装置に関する。 The present application relates to a semiconductor device, in particular, a semiconductor device that functions as a rectifying element, and a semiconductor device that functions as a switching element in which rectifying elements are connected in parallel.
半導体のP型とN型とを接合させたダイオードは、整流素子として広く使われている。ダイオードは、一般に、約0.7Vの順方向電圧を必要とするため、電力損失が大きいという問題がある。 A diode in which a semiconductor P-type and an N-type are joined is widely used as a rectifying element. Since the diode generally requires a forward voltage of about 0.7 V, there is a problem that the power loss is large.
この問題に関して、ダイオードの端子間電圧を検出して順方向導通時に該端子間をスイッチで短絡することで、ダイオードの消費電力を低減させる技術が知られている。 Regarding this problem, a technique is known in which the power consumption of the diode is reduced by detecting the voltage between the terminals of the diode and short-circuiting the terminals with a switch during forward conduction.
ダイオードには、逆方向バイアスでの高耐圧特性が求められる。しかしながら、特許文献1に記載の構成では、逆方向に求められる高耐圧特性を実現することが困難である。 The diode is required to have a high breakdown voltage characteristic with a reverse bias. However, with the configuration described in Patent Document 1, it is difficult to achieve high breakdown voltage characteristics required in the reverse direction.
本発明は、上記の課題に鑑み提案されたものであって、高耐圧で低抵抗なダイオード及びスイッチを構成する電力用半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a power semiconductor device that constitutes a diode and a switch having a high breakdown voltage and a low resistance.
本願に開示されている半導体装置は、整流素子として機能する半導体装置であって、ソースが前記整流素子のアノードとなる第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタより高耐圧で、ソースが前記第1のトランジスタのドレインに接続され、ゲートが前記第1のトランジスタのソースに接続され、ドレインが前記整流素子のカソードとなるディプレッション型の第2のトランジスタと、前記第1のトランジスタより高耐圧で、ドレインが前記第2のトランジスタのドレインに接続されたディプレッション型の第3のトランジスタと、前記第1のトランジスタのソースの電圧と前記第3のトランジスタのソースの電圧とを比較し、前記第1のトランジスタのゲート電圧を制御する比較器と、を備える。 A semiconductor device disclosed in the present application is a semiconductor device functioning as a rectifying element, a source having a first transistor that serves as an anode of the rectifying element, a higher breakdown voltage than the first transistor, and a source having the first transistor A depletion type second transistor having a gate connected to the drain of the first transistor, a gate connected to the source of the first transistor, and a drain serving as a cathode of the rectifying element; and a higher breakdown voltage than the first transistor; A depletion-type third transistor having a drain connected to the drain of the second transistor, the source voltage of the first transistor and the source voltage of the third transistor are compared, and the first transistor A comparator for controlling a gate voltage of the transistor.
開示の半導体装置によれば、高耐圧のトランジスタと低耐圧のトランジスタとを組み合わせて、高耐圧で低抵抗なダイオード及びスイッチを実現することができる。 According to the disclosed semiconductor device, a high breakdown voltage and low resistance diode and switch can be realized by combining a high breakdown voltage transistor and a low breakdown voltage transistor.
図1は、第1実施形態の回路図を示す。本実施形態の電力用半導体装置は、トランジスタQ1、Q2、Q3、コンパレータ10、ダイオードD1、コンデンサC1、を備える。ここで、図2の特性図に示されるように、トランジスタQ1はノーマリーオフのエンハンスメント型トランジスタ、トランジスタQ2、Q3はノーマリーオンのディプレッション型トランジスタである。また、トランジスタQ2、Q3は、トランジスタQ1と比較して高耐圧(例えば、数100V〜1000V)のトランジスタとされる。例えば、本実施形態では、トランジスタQ1はnチャネルのシリコンMOSFET、トランジスタQ2、Q3はガリウムナイトライド(GaN)等のワイドバンドギャップ半導体で作製される高電子移動度トランジスタ(HEMT)である。また、コンパレータ10は非反転入力端子、反転入力端子を有し、反転入力端子に印加される電圧が非反転入力端子に印加される電圧に対して高い場合に低論理レベル信号を出力し、低い場合に高論理レベル信号を出力するコンパレータである。
FIG. 1 shows a circuit diagram of the first embodiment. The power semiconductor device of this embodiment includes transistors Q1, Q2, and Q3, a
トランジスタQ2は、ソースがトランジスタQ1のドレインに接続され、ゲートがトランジスタQ1のソースに接続され、ドレインがカソードKとなる。トランジスタQ3は、ドレイン、ゲートがそれぞれトランジスタQ2のドレイン、ゲートに接続され、ソースがダイオードD1のアノードとコンパレータ10の反転入力端子とに接続される。ダイオードD1のカソードは、コンパレータ10の電源端子とコンデンサC1とに接続される。トランジスタQ1のソースは、バックゲート、コンパレータ10の電源端子、コンパレータ10の非反転入力端子、コンデンサC1に接続され、アノードAとなる。コンパレータ10の出力端子は、トランジスタQ1のゲートに接続される。
The transistor Q2 has a source connected to the drain of the transistor Q1, a gate connected to the source of the transistor Q1, and a drain serving as the cathode K. The transistor Q3 has a drain and a gate connected to the drain and gate of the transistor Q2, respectively, and a source connected to the anode of the diode D1 and the inverting input terminal of the
上記のように構成された本実施形態の電力用半導体装置は、カソードK側に高い電圧が印加された場合には電流が流れるのを阻止し、アノードA側に高い電圧が印加された場合には電流を流す。この整流動作について説明する。ここでは、アノードAがグランドであるとする。カソードKに正の高電圧が印加された場合、ディプレッション型のトランジスタQ2、Q3のソースの電圧は上昇し、トランジスタQ2、Q3はドレイン電流IDを流さない方向に動作する。図2に示されるように、トランジスタQ2、Q3は負の閾値電圧Vth1を有し、ドレイン電流ID=0のとき、トランジスタQ2、Q3のソースから見たゲートの電圧は閾値電圧Vth1の絶対値|Vth1|だけ低い。トランジスタQ2、Q3のゲートはアノードAに接続され、グランドレベルであるため、結果としてトランジスタQ2、Q3のソースには、閾値電圧Vth1の絶対値|Vth1|まで上昇した電圧が発生する。そして、ダイオードD1を通してコンデンサC1が充電される。また、コンパレータ10の反転入力端子に正の電圧が印加されるため、コンパレータ10の出力はグランドレベルとなり、トランジスタQ1はオフ状態となる。
The power semiconductor device of the present embodiment configured as described above prevents current from flowing when a high voltage is applied to the cathode K side, and prevents a current from flowing when the high voltage is applied to the anode A side. Conducts current. This rectifying operation will be described. Here, it is assumed that the anode A is the ground. When a positive high voltage is applied to the cathode K, the source voltages of the depletion type transistors Q2 and Q3 rise, and the transistors Q2 and Q3 operate in a direction in which the drain current ID does not flow. As shown in FIG. 2, the transistors Q2 and Q3 have a negative threshold voltage Vth1, and when the drain current ID = 0, the gate voltage viewed from the sources of the transistors Q2 and Q3 is the absolute value of the threshold voltage Vth1 | Vth1 | is lower. Since the gates of the transistors Q2 and Q3 are connected to the anode A and are at the ground level, as a result, a voltage increased to the absolute value | Vth1 | of the threshold voltage Vth1 is generated at the sources of the transistors Q2 and Q3. The capacitor C1 is charged through the diode D1. Further, since a positive voltage is applied to the inverting input terminal of the
カソードKに負の電圧が印加された場合、ディプレッション型のトランジスタQ2、Q3のソースの電圧は負となり、トランジスタQ2、Q3はドレイン電流IDをより流す方向に動作する。コンパレータ10の反転入力端子に負の電圧が印加されるため、コンパレータ10の出力は正となり、トランジスタQ1はオン状態となる。このとき、トランジスタQ1をオン状態にするために必要な電荷はコンデンサC1から供給され、ダイオードD1によって逆流が阻止される。
When a negative voltage is applied to the cathode K, the source voltages of the depletion type transistors Q2 and Q3 become negative, and the transistors Q2 and Q3 operate in a direction in which the drain current ID flows more. Since a negative voltage is applied to the inverting input terminal of the
このように、本実施形態の電力用半導体装置は、カソードK側に負の電圧を印加した場合にだけ電流を流すダイオードとして機能する。トランジスタQ2、Q3には高耐圧特性を有する高電子移動度トランジスタ(HEMT)を使用することができるため、逆方向バイアスでの高耐圧特性を実現することができる。カソードKに正の高電圧が印加された逆方向バイアスにおいて、トランジスタQ2、Q3のソースに発生する電圧は、閾値電圧Vth1の絶対値|Vth1|まで上昇した電圧(例えば、2〜3V)である。そのため、トランジスタQ1は低耐圧のシリコンMOSFETであればよく、オン抵抗を小さくすることが可能である。その結果、順方向バイアスでの低抵抗を実現することができ、電力損失を抑制することができる。また、通常のダイオードと異なり、少数キャリアを使用することがないため、高速動作が可能であり、高周波の整流が可能である。 As described above, the power semiconductor device of this embodiment functions as a diode that allows current to flow only when a negative voltage is applied to the cathode K side. A high electron mobility transistor (HEMT) having a high breakdown voltage characteristic can be used for the transistors Q2 and Q3, so that a high breakdown voltage characteristic with a reverse bias can be realized. In the reverse bias in which a positive high voltage is applied to the cathode K, the voltage generated at the sources of the transistors Q2 and Q3 is a voltage (for example, 2 to 3 V) increased to the absolute value | Vth1 | of the threshold voltage Vth1. . Therefore, the transistor Q1 may be a low breakdown voltage silicon MOSFET, and the on-resistance can be reduced. As a result, a low resistance with a forward bias can be realized, and power loss can be suppressed. In addition, unlike ordinary diodes, since minority carriers are not used, high-speed operation is possible and high-frequency rectification is possible.
尚、トランジスタQ3を設けずにトランジスタQ2のソースをコンパレータ10の入力に用いることも考えられる。しかし、図1において、トランジスタQ3でなく、トランジスタQ2のソースをコンパレータ10に接続した場合、トランジスタQ1のオン抵抗が小さいと、コンパレータ10の各入力端子に入力される電圧のレベルが接近し、コンパレータ10の比較動作が不安定になるおそれがある。本実施形態では、モニタ用のトランジスタQ3を設けることで、コンパレータ10の動作を確実にし、安定性を確保している。また、トランジスタQ2には大電流(例えば、100A)が流れることもあるのに対して、トランジスタQ3については流れる電流はトランジスタQ2に比べて非常に少ない。そのため、トランジスタQ3はトランジスタQ2に比べて非常に小さくて済み、チップサイズ的な損失は無いに等しい。
It is also conceivable to use the source of the transistor Q2 as the input of the
また、カソードKに正の高電圧が印加された場合にコンデンサC1を充電し、カソードKに負の電圧が印加された場合にダイオードD1で逆流を防止してコンデンサC1からコンパレータ10に電荷を供給するようにしている。したがって、アノードA、カソードKに対する入力が正負を交互に繰り返す交流的な入力であれば、コンパレータ10の電源を別途供給する必要がなく、自立的な動作が可能である。
Further, when a positive high voltage is applied to the cathode K, the capacitor C1 is charged, and when a negative voltage is applied to the cathode K, a reverse flow is prevented by the diode D1 and a charge is supplied from the capacitor C1 to the
図3は、第2実施形態の回路図を示す。第2実施形態は、第1実施形態と比較すると、ダイオードD1をトランジスタQ4に置き換えた構成である。トランジスタQ4は、例えば、pチャネルのシリコンMOSFETであり、ドレインがトランジスタQ3のソースに接続され、ソースがコンパレータ10の電源端子とコンデンサC1とに接続され、ゲートがコンパレータ10の出力端子に接続される。
FIG. 3 shows a circuit diagram of the second embodiment. Compared with the first embodiment, the second embodiment has a configuration in which the diode D1 is replaced with a transistor Q4. The transistor Q4 is, for example, a p-channel silicon MOSFET, the drain is connected to the source of the transistor Q3, the source is connected to the power supply terminal of the
アノードAがグランドであるとすると、カソードKに正の高電圧が印加された場合、コンパレータ10の出力はグランドレベルとなるため、トランジスタQ4はオン状態となる。カソードKに負の電圧が印加された場合、コンパレータ10の出力は正となるため、トランジスタQ4はオフ状態となる。したがって、第2実施形態におけるトランジスタQ4は、第1実施形態におけるダイオードD1と同様の機能を果たす。第2実施形態では、ダイオードD1に代えてトランジスタQ4を用いることで、ダイオードD1の順方向電圧降下を無くすことができる。そのため、トランジスタQ3のソースに発生する電圧を、コンパレータ10の電源に無駄なく用いることができる。
Assuming that the anode A is ground, when a positive high voltage is applied to the cathode K, the output of the
図4は、第3実施形態の回路図を示す。第3実施形態は、第1実施形態と比較すると、トランジスタQ3のゲートがトランジスタQ2のソースに接続されている点で異なる。トランジスタQ3のゲートをトランジスタQ2のソースに接続すると、カソードKに正の高電圧が印加されてコンデンサC1を充電する際、トランジスタQ3のソースには、アノードAを基準に、閾値電圧Vth1の絶対値|Vth1|の2倍まで上昇した電圧が発生する。したがって、第3実施形態は、コンパレータ10が必要とする電圧を十分に確保することができない場合に有効であり、トランジスタQ1のドライブ能力を向上することができる。
FIG. 4 shows a circuit diagram of the third embodiment. The third embodiment is different from the first embodiment in that the gate of the transistor Q3 is connected to the source of the transistor Q2. When the gate of the transistor Q3 is connected to the source of the transistor Q2, when the positive voltage is applied to the cathode K to charge the capacitor C1, the absolute value of the threshold voltage Vth1 with respect to the anode A is applied to the source of the transistor Q3. A voltage that rises up to twice | Vth1 | is generated. Therefore, the third embodiment is effective when the voltage required by the
図5は、ダイオードをブリッジ回路に組み込んで交流電圧を全波整流する一般的なダイオードブリッジの整流回路を示す回路図である。図5において、交流電源ACの出力が正の半サイクルでは、ダイオードD30、D20が導通し、電流はダイオードD30、負荷R10、ダイオードD20を通る経路で流れる。交流電源ACの出力が負の半サイクルでは、ダイオードD10、D40が導通し、電流はダイオードD10、負荷R10、ダイオードD40を通る経路で流れる。また、コンデンサC10で電圧が平滑化される。このようにして、交流電源ACから負荷R10に供給する直流が得られる。 FIG. 5 is a circuit diagram showing a general diode bridge rectifier circuit in which a diode is incorporated in a bridge circuit and full-wave rectification of an AC voltage is performed. In FIG. 5, when the output of the AC power supply AC is a positive half cycle, the diodes D30 and D20 are turned on, and the current flows through a path through the diode D30, the load R10, and the diode D20. In the half cycle in which the output of the AC power supply AC is negative, the diodes D10 and D40 are turned on, and current flows through a path through the diode D10, the load R10, and the diode D40. Further, the voltage is smoothed by the capacitor C10. In this way, direct current supplied from the alternating current power supply AC to the load R10 is obtained.
ここで、前述のように、第1乃至第3実施形態の電力用半導体装置は、ダイオードとして機能し、また、電源を別途供給する必要がなく、自立的な動作が可能である。そのため、第1乃至第3実施形態の電力用半導体装置を、図5のダイオードD10〜D40に適用することが考えられる。その場合、コンパレータ10のオフセット電圧によっては、図5のダイオードD10とダイオードD20、あるいは、ダイオードD30とダイオードD40、が同時にオン状態となる結果、逆電流が流れて大きな電力損失が生じるおそれがある。
Here, as described above, the power semiconductor devices according to the first to third embodiments function as diodes and do not need to supply power separately, and can operate independently. Therefore, it can be considered that the power semiconductor devices of the first to third embodiments are applied to the diodes D10 to D40 in FIG. In this case, depending on the offset voltage of the
図6に示される第4実施形態は、上記の問題に対応した実施形態である。電圧V1を供給する電圧源の負極端子は、トランジスタQ1のソースに接続される。抵抗R1、R2は、電圧V1を供給する電圧源の正極端子とトランジスタQ3のソースとの間に直列に接続される。本実施形態では、コンパレータ10の非反転入力端子はトランジスタQ1のソースに、反転入力端子は抵抗R1、R2の分圧点に、それぞれ接続される。その他の構成は図3で説明した第2実施形態と同様であるため、図6において、図3と対応する各部に同一の符号を付して、説明を省略する。
The fourth embodiment shown in FIG. 6 is an embodiment corresponding to the above problem. The negative terminal of the voltage source that supplies the voltage V1 is connected to the source of the transistor Q1. The resistors R1 and R2 are connected in series between the positive terminal of the voltage source that supplies the voltage V1 and the source of the transistor Q3. In the present embodiment, the non-inverting input terminal of the
アノードAはグランドであるとして、本実施形態の動作を説明する。アノードAに対してカソードKが正の電圧である場合、コンパレータ10の反転入力端子に正の電圧が印加されるため、コンパレータ10はトランジスタQ1をオフ状態にする。一方、アノードAに対してカソードKに負の電圧が印加された場合、コンパレータ10は、反転入力端子が非反転入力端子と同じグランドレベルとなるよう動作する。カソードKの電圧をVkとし、電圧V1を供給する電圧源から抵抗R1、R2を介してトランジスタQ3のソースに向かう電流を考える。コンパレータ10の反転入力端子には電流は流れ込まないため、抵抗R1に流れる電流(V1−0)/R1と、抵抗R2に流れる電流(0−Vk)/R2と、が等しくなる。(V1−0)/R1=(0−Vk)/R2より、カソードKの電圧Vk=−V1×R2/R1となる。したがって、アノードAに対してカソードKに負の電圧が印加された場合、コンパレータ10は、カソードKの電圧が−V1×R2/R1となるようにトランジスタQ1をオン状態にし、カソードKの電圧が−V1×R2/R1より大きくなると、トランジスタQ1はオフ状態となる。
The operation of this embodiment will be described assuming that the anode A is the ground. When the cathode K has a positive voltage with respect to the anode A, a positive voltage is applied to the inverting input terminal of the
このように、第4実施形態の電力用半導体装置は、アノードAに対してカソードKの電圧が確実に負にならないと、オン状態とならない。その結果、図5のようなダイオードブリッジにおいても、ダイオードD10とダイオードD20、あるいは、ダイオードD30とダイオードD40、が同時にオン状態となるのを防止することができる。 As described above, the power semiconductor device according to the fourth embodiment is not turned on unless the voltage of the cathode K is surely negative with respect to the anode A. As a result, even in the diode bridge as shown in FIG. 5, it is possible to prevent the diode D10 and the diode D20 or the diode D30 and the diode D40 from being turned on simultaneously.
図7は、一般的な3相モータの駆動回路を示す回路図である。モータMに対してU相、V相、W相の各相に高電圧V10、又は、接地電圧を印加するために、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)が接続されている。PWM(Pulse Width Modulation、パルス幅変調)制御でIGBT1〜IGBT6の各制御端子に電圧V11〜V16が印加され、モータMの回転速度を制御する構成である。 FIG. 7 is a circuit diagram showing a drive circuit for a general three-phase motor. An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is connected to the motor M in order to apply a high voltage V10 or a ground voltage to the U phase, V phase, and W phase. In this configuration, voltages V11 to V16 are applied to the control terminals of the IGBT1 to IGBT6 by PWM (Pulse Width Modulation) control to control the rotation speed of the motor M.
図7において、IGBTがOFF状態となった場合、回転しているモータMは発電機として動作するため、IGBTがオン状態のときとは逆向きに電流が流れる必要がある。しかし、IGBTは、オフ状態においてエミッタEからコレクタCには電流が流せない。そのため、図8に示されるように、各IGBTと並列に、IGBTと同じ電流容量のダイオードDが必要である。 In FIG. 7, when the IGBT is in the OFF state, the rotating motor M operates as a generator, and thus it is necessary for the current to flow in a direction opposite to that when the IGBT is in the ON state. However, current cannot flow from the emitter E to the collector C in the off state. Therefore, as shown in FIG. 8, a diode D having the same current capacity as that of the IGBT is required in parallel with each IGBT.
図9に示される第5実施形態は、図8に示されるようなIGBTとダイオードとの並列接続として機能する。コンパレータ20の各電源端子は、コンパレータ10の各電源端子と共通に接続される。電圧V2を供給する電圧源の負極端子は、トランジスタQ1のソースに接続される。コンパレータ20の反転入力端子は電圧V2を供給する電圧源の正極端子に接続され、非反転入力端子は制御信号が入力される制御端子Contとなる。そして、コンパレータ20の出力端子がコンパレータ10の非反転入力端子に接続される。その他の構成は図6で説明した第4実施形態と同様であるため、図9において、図6と対応する各部に同一の符号を付して、説明を省略する。
The fifth embodiment shown in FIG. 9 functions as a parallel connection of an IGBT and a diode as shown in FIG. Each power supply terminal of the
本実施形態の動作を説明する。制御端子Contに入力される制御信号が低論理レベルの場合、コンパレータ20の出力は、エミッタEの電圧レベルとなる。したがって、電力用半導体装置は、図6の第4実施形態と同様にダイオードとして機能する。一方、制御端子Contに入力される制御信号が高論理レベルの場合、コンパレータ20の出力はHレベルとなって、コンパレータ10の非反転入力端子にHレベルが印加される。そのため、コンパレータ10は、トランジスタQ1をオン状態とする。したがって、電力用半導体装置は、コレクタCからエミッタEを導通させる。
The operation of this embodiment will be described. When the control signal input to the control terminal Cont is a low logic level, the output of the
この電力用半導体装置を図7に示した3相モータの駆動回路に適用すると以下の構成となる。すなわち、2つの電力用半導体装置を直列接続した直列回路を高電圧V10の電源間にブリッジ状に3つ接続する。そして、3つの直列回路における2つの電力用半導体装置間の各接続点に3相モータの各相(U相、V相、W相)のコイルを接続する。また、この駆動回路は、これらの電力用半導体装置のコンパレータ20の非反転入力端子に接続する制御端子Contに制御信号(外部制御信号)を出力する。なお、この電力用半導体装置を3相モータだけでなく様々な多相モータに適用できる。この場合、2つの電力用半導体装置を直列接続した直列回路を電源間にブリッジ状に前記多相に対応する複数分接続する。そして、この複数の直列回路における2つの電力用半導体装置間の各接続点に多相モータの各相のコイルを接続する。また、この多相モータの駆動回路は、これらの電力用半導体装置のコンパレータ20に制御信号を出力する。
When this power semiconductor device is applied to the drive circuit of the three-phase motor shown in FIG. 7, the following configuration is obtained. That is, three series circuits in which two power semiconductor devices are connected in series are connected in a bridge shape between the power supplies of the high voltage V10. Then, a coil of each phase (U phase, V phase, W phase) of the three-phase motor is connected to each connection point between the two power semiconductor devices in the three series circuits. In addition, the drive circuit outputs a control signal (external control signal) to a control terminal Cont connected to the non-inverting input terminal of the
このように、第5実施形態の電力用半導体装置は、制御端子Contに入力される制御信号が低論理レベルの場合はダイオードとして機能し、高論理レベルの場合は導通するため、図8に示されるようなIGBTとダイオードとの並列接続としての機能を実現することができる。ここで、図8では、電流は流れる方向によってIGBTを流れたり、ダイオードDを流れたりする。そのため、IGBTとダイオードDとのいずれにも、その許容電流に応じた素子サイズが必要である。また、図8では、IGBTのオフ状態における最大印加電圧に関し、IGBTとダイオードDとに同じ耐圧が必要である。その結果、IGBTとダイオードDとが共に大電流を流すことができ、高耐圧でなければならないため、全体の素子サイズが大きくなってしまう。これに対して、図9の第5実施形態では、高電圧が印加されるのは、高耐圧特性を有する高電子移動度トランジスタ(HEMT)であるトランジスタQ2、Q3のみであり、トランジスタQ1には低い電圧しか印加されない。また、電流は流れる方向によらず、トランジスタQ1、Q2を流れる。そのため、全体の素子サイズを小さくすることができる。また、図9の第5実施形態は、図8と比較して低抵抗であるため放熱を抑えることができる結果、例えば、ハイブリッド自動車のモータ駆動等に適用した場合、放熱システムを簡素化することが可能であると考えられ、重量的にも、スペース的にも有効である。 As described above, the power semiconductor device according to the fifth embodiment functions as a diode when the control signal input to the control terminal Cont is at a low logic level, and conducts when the control signal is at a high logic level. A function as a parallel connection of such an IGBT and a diode can be realized. Here, in FIG. 8, the current flows through the IGBT or the diode D depending on the flowing direction. Therefore, both the IGBT and the diode D need to have an element size corresponding to the allowable current. In FIG. 8, the same breakdown voltage is required for the IGBT and the diode D with respect to the maximum applied voltage in the off state of the IGBT. As a result, both the IGBT and the diode D can pass a large current and must have a high breakdown voltage, so that the overall element size becomes large. On the other hand, in the fifth embodiment of FIG. 9, the high voltage is applied only to the transistors Q2 and Q3, which are high electron mobility transistors (HEMT) having a high withstand voltage characteristic. Only a low voltage is applied. Further, the current flows through the transistors Q1 and Q2 regardless of the flowing direction. Therefore, the overall element size can be reduced. Further, the fifth embodiment of FIG. 9 has a lower resistance than that of FIG. 8 and can suppress heat dissipation. For example, when applied to a motor drive of a hybrid vehicle, the heat dissipation system is simplified. This is considered to be possible, and is effective in terms of weight and space.
図10は、第6実施形態を説明するための電源回路1の一例を示す回路図である。電源回路1は、昇圧用のスイッチングレギュレータ30と、スイッチングレギュレータ30が出力した電流の一部を電荷として蓄積するコンデンサ(キャパシタ)C2と、負荷40と接続する端子T1、T2とを備える。
FIG. 10 is a circuit diagram showing an example of a power supply circuit 1 for explaining the sixth embodiment. The power supply circuit 1 includes a step-up
スイッチングレギュレータ30は、電圧V20を供給する電圧源に接続したコイル(インダクタ)L1と、基準電源(基準電圧)例えばグランドGNDとコイルL1との間に設けられたトランジスタQ5と、コイルL1とトランジスタQ5との接続点N1にアノードが接続したダイオードD17と、トランジスタQ5を駆動するパルスを生成するパルス生成回路31とを備える。
The switching
トランジスタQ5は、例えば、NMOSトランジスタであり、以下の説明では、トランジスタQ5をNMOSトランジスタとして説明する。トランジスタQ5は、ドレインがコイルL1の他端に接続されソースがグランドGNDに接続する。パルス生成回路31は、トランジスタQ5を導通状態にするハイレベルの導通パルスとトランジスタQ5を非導通状態にするローレベルの非導通パルスとを交互に出力する。コイルL1は、トランジスタQ5の導通時に電圧V20を供給する電圧源から電流の供給を受けて磁気エネルギーを蓄積しトランジスタQ5の非導通時にこの蓄積した磁気エネルギーを電流として放出する。ダイオードD17は、整流用のダイオードであり、アノードが接続点N1に接続し、カソードが接続点N2に接続する。
The transistor Q5 is an NMOS transistor, for example, and in the following description, the transistor Q5 is described as an NMOS transistor. The transistor Q5 has a drain connected to the other end of the coil L1, and a source connected to the ground GND. The
図11は、図10の電源回路1の動作を説明する図で、上から順に、パルス生成回路31が出力する駆動パルスDpと、トランジスタQ5のオン、オフ状態と、接続点N1の電圧Vcと、ダイオードD17のオン、オフ状態と、コイルL1に流れる電流Icと、ダイオードD17に流れる電流Idと、トランジスタQ5に流れる電流Iqとを示す。
FIG. 11 is a diagram for explaining the operation of the power supply circuit 1 in FIG. 10. In order from the top, the drive pulse Dp output from the
以下、図10の電源回路1の動作を図11を参照しながら説明する。まず、図11の時間X0から時間X1の間における電源回路1の動作を説明する。パルス生成回路31が、ハイレベルの駆動パルスDpをトランジスタQ5に出力すると、トランジスタQ5は、このハイレベルの駆動パルスDpによりオン状態(導通状態)になる。このとき接続点N1における電圧Vcは、グランドGNDになる。また、端子T1における出力電圧Voutは、コンデンサC2に蓄積されていた電荷により接続点N1における電圧(グランドGND)よりも高電圧になる。その結果、ダイオードD17は逆バイアスとなり、ダイオードD17はオフ状態になる。また、トランジスタQ5がオン状態になると、電圧V20を供給する電圧源からコイルL1に電流が流れて、コイルL1は磁気エネルギーを蓄積する。この時、コイルL1の電流Icが上昇し、また、電流Idが0Aになり、電流Iqが上昇する。なお、トランジスタQ5がオン状態の間、即ち、電流Idが0Aの間、負荷40は、既にコンデンサC2に蓄積されていた電荷により動作する。
The operation of the power supply circuit 1 in FIG. 10 will be described below with reference to FIG. First, the operation of the power supply circuit 1 from time X0 to time X1 in FIG. 11 will be described. When the
次に、図11の時間X1から時間X2の間における動作を説明する。パルス生成回路31が、ローレベルの駆動パルスDpをトランジスタQ5に出力すると、トランジスタQ5は、このローレベルの駆動パルスDpによりオフ状態(非導通状態)になる。すると、コイルL1の両端に逆起電力E’が発生する。このとき接続点N1における電圧Vcは急激に上昇する(立ち上がる)。電圧Vcは、電圧V20の電圧をE、コイルL1の逆起電力をE’とすると「E+E’」である。
Next, the operation between time X1 and time X2 in FIG. 11 will be described. When the
この電圧Vcの上昇により、ダイオードD17がオン状態になり、ダイオードD17のアノードからカソードに向けて電流が流れはじめる。その結果、コイル電流Icが電流Idとして流れ、電流Iqが0Aになる。その後、コイルL1の逆起電力E’により生じるコイル電流Icは徐々に低下し、電流Idも低下する。このとき、電流Idは、コンデンサC2に電荷として蓄積されると共に端子T1を介して負荷40に供給される。なお、出力電圧Voutは、電圧V20の電圧をE、コイルL1の逆起電力をE’、ダイオードD17の順方向電圧降下をVfとすると、「E+E’−Vf」である。
As the voltage Vc rises, the diode D17 is turned on, and current starts to flow from the anode to the cathode of the diode D17. As a result, the coil current Ic flows as the current Id, and the current Iq becomes 0A. Thereafter, the coil current Ic generated by the counter electromotive force E ′ of the coil L1 gradually decreases, and the current Id also decreases. At this time, the current Id is accumulated as a charge in the capacitor C2 and supplied to the
このように、パルス生成回路31が、ハイレベルの導通パルス、ローレベルの非導通パルスをトランジスタQ5に出力することにより、トランジスタQ5の導通と非導通とを繰りかえさせ、コイルL1に蓄積する磁気エネルギーにより電流Idを出力端子T1側に供給し、出力電圧Voutを電圧V20の昇圧電圧にする。
In this way, the
図12は、図10の電源回路1に設けられたダイオードD17を図3で説明した半導体装置に置き換えた電源回路2の回路図を示す。このように置き換えるのは、ダイオードD17の順方向電圧降下による電力損失を防ぐためである。図12のスイッチングレギュレータ30’において、図3で説明した半導体装置のアノードAは接続点N1に接続され、カソードKは接続点N2に接続される。その他の構成は図10で説明した電源回路1と同様であるため、図12において、図10と対応する各部に同一の符号を付して、説明を省略する。
12 shows a circuit diagram of the
このようにダイオードD17を図3の半導体装置に置き換えた場合、この半導体装置がオン状態からオフ状態に変わる際に、カソードKからアノードA方向に逆電流が流れる。すると、この逆電流がグランドGNDに吸い取られて、コンデンサC2、負荷40に供給する電力が損失する。
When the diode D17 is replaced with the semiconductor device shown in FIG. 3, a reverse current flows from the cathode K to the anode A when the semiconductor device changes from the on state to the off state. Then, this reverse current is absorbed by the ground GND, and the power supplied to the capacitor C2 and the
図13は、この逆電流が流れる理由を説明する図で、上から順に、パルス生成回路31が出力する駆動パルスDpと、トランジスタQ5のオン、オフ状態と、接続点N1の電圧Vcと、コンパレータ10の反転入力端子に印加される電圧Vcmpinと、コンパレータ10が出力する比較信号CmpOutと、トランジスタQ1のオン、オフ状態と、電流Idとを示す。
FIG. 13 is a diagram for explaining the reason why the reverse current flows. From the top, the drive pulse Dp output from the
まず、図13の時間X0から時間X1の間における電源回路2の動作を説明する。図12のパルス生成回路31が、ハイレベルの駆動パルスDpをトランジスタQ5に出力すると、トランジスタQ5は、このハイレベルの駆動パルスDpによりオン状態になり、接続点N1における電圧Vcが、グランドGNDになる。また、接続点N2における電圧(出力電圧Vout)は、コンデンサC2に蓄積された電荷によりグランドGNDよりも高電圧になる。すなわち、接続点N1に接続するアノードAにはグランド電圧が印加され、接続点N2に接続するカソードKにはグランドGNDよりも高い電圧が印加される。
First, the operation of the
すると、図1で説明したように、図12のコンパレータ10の反転入力端子にトランジスタQ2、Q3の閾値電圧Vth1に対応する電圧Vcmpinが印加される。コンパレータ10は、反転入力端子に印加された電圧Vcmpinよりも非反転入力端子に印加された電圧(グランドGND)が低いので、ローレベルの比較信号CmpOutを出力する。
Then, as described in FIG. 1, the voltage Vcmpin corresponding to the threshold voltage Vth1 of the transistors Q2 and Q3 is applied to the inverting input terminal of the
しかし、このローレベルの比較信号CmpOutが出力されるタイミングは、コンパレータ10の反転入力端子に電圧Vcmpinが印加されるタイミングと同じではなく、符号DLYに示すように僅かながら遅れる。この遅れは時間にして約数十ns以上の遅れである。この遅れが生じるのは、アナログ回路であるコンパレータの特性上必然的に生じるものであり、この遅れを短くすることは極めて困難である。
However, the timing at which the low level comparison signal CmpOut is output is not the same as the timing at which the voltage Vcmpin is applied to the inverting input terminal of the
この遅れDLYの間、コンパレータ10は、図13に示すように、ハイレベルの比較信号CmpOutを出力し続け、トランジスタQ1はオン状態のままになる。この間、カソードKからアノードAに逆電流が流れる。この逆電流はグランドGNDに吸い取られ、その結果、コンデンサC2、負荷40に供給される電力が損失することになる。
During this delay DLY, the
僅か数十nsの間流れる逆電流であるが、以下の理由によりこの逆電流による電力損失は無視できない。すなわち、電気機器に搭載される電源回路を小型化する必要性が増している現在、電源回路の小型化を実現するためには、コイルL1を小型化する必要がある。コイルL1を小型化しかつ入力電圧を所定の出力電圧に昇圧するためには、パルス生成回路31が生成する駆動パルスDpの周波数を上げて駆動パルスDpの周期を短くする必要がある。そのため、駆動パルスDpの周波数を数百KHzから数MHzと高くして、駆動パルスDpの周期を短くしている。例えば、駆動パルスDpの周波数が1MHzとすると、駆動パルスDpの周期は1μsと短くなる。
Although the reverse current flows for only several tens of ns, the power loss due to the reverse current cannot be ignored for the following reason. That is, at present, there is an increasing need for downsizing the power supply circuit mounted on the electric device, and in order to realize downsizing of the power supply circuit, it is necessary to downsize the coil L1. In order to reduce the size of the coil L1 and boost the input voltage to a predetermined output voltage, it is necessary to increase the frequency of the drive pulse Dp generated by the
このように駆動パルスDpの周波数を高くして周期を短くすると、駆動パルスDpの1周期においてトランジスタQ1がオン状態からオフ状態に切り替わる際に、駆動パルスDpの1周期において、たとえ数十nsでも逆電流が流れて電力損失が生じると、電源回路が動作している間における逆電流による総電力損失量は無視できないほど大きくなる。そこで、第6実施形態では、この逆電流を確実に防止する技術的手段を図3の半導体装置に追加した。 When the frequency of the drive pulse Dp is increased and the cycle is shortened in this way, even when the transistor Q1 is switched from the on state to the off state in one cycle of the drive pulse Dp, even in several tens of ns in one cycle of the drive pulse Dp. When a reverse current flows and a power loss occurs, the total power loss due to the reverse current during the operation of the power supply circuit becomes so large that it cannot be ignored. Therefore, in the sixth embodiment, technical means for reliably preventing this reverse current is added to the semiconductor device of FIG.
図14は、第6実施形態の回路図を示す。第6実施形態は、前記した逆電流が流れるのを防止するため、コンパレータ10が出力する比較信号(制御信号)CmpOutの第1のレベルを外部回路から制御端子Contに入力される制御信号Ctrlに応答して第2のレベルに変更する論理回路、例えばAND回路50をコンパレータ10とトランジスタQ1のゲート間に設けた。第1のレベルはトランジスタQ1を導通するハイレベルであり、第2のレベルはトランジスタQ1を非導通にするローレベルである。
FIG. 14 shows a circuit diagram of the sixth embodiment. In the sixth embodiment, in order to prevent the reverse current from flowing, the first level of the comparison signal (control signal) CmpOut output from the
AND回路50は、コンパレータ10からの比較信号CmpOutと制御端子Contからの制御信号Ctrlとを入力とし、この比較信号CmpOutの電圧と制御信号Ctrlの電圧との論理積をとり、その結果を出力信号AndOutとしてトランジスタQ1のゲートに出力する。AND回路50が動作するために必要な電力は、図1で説明したようにコンデンサC1から供給される。その他の構成は図3で説明した半導体装置と同様であるため、図14において、図3と対応する各部に同一の符号を付して、説明を省略する。なお、上記の論理回路を、図3の半導体装置だけではなく、図1、図4などの半導体装置に追加してもよい。
The AND
図15は、図12の電源回路2における図3の半導体装置(高耐圧ダイオード)を図14の半導体装置に置き換えた構成を示す電源回路5の回路図である。電源回路5のスイッチングレギュレータ60においては、図14の半導体装置のアノードAが接続点N1に接続しカソードKが接続点N2に接続し、制御端子Contにはパルス生成回路31の駆動パルスDpの反転パルスがレベルコンバータ33を介して入力される。
15 is a circuit diagram of the power supply circuit 5 showing a configuration in which the semiconductor device (high voltage diode) of FIG. 3 in the
また、図15の電源回路5は、図12の電源回路2の構成に加え、さらに、パルス生成回路31が生成する駆動パルスDpを反転した反転パルスInvをレベルコンバータ33に出力するインバータ32と、反転パルスInvの電圧レベルをコンバートし(上げる)、制御信号Ctrlとして制御端子Contに出力するレベルコンバータ33を備える。すなわち、パルス生成回路31により生成される駆動パルスDpに基づく外部制御信号Ctrlが図14の半導体装置のAND回路50(論理回路)に入力される。
In addition to the configuration of the
なお、レベルコンバータ33を設ける理由を以下に説明する。コンパレータ10はコンデンサC1に蓄えられた電荷により動作し比較信号CmpOutを出力するが、この比較信号CmpOutの電圧レベルは、パルス生成回路31が生成する駆動パルスDpの電圧レベルよりも高い。そこで、レベルコンバータ33が、駆動パルスDpの反転パルスInvの電圧レベルを上げて制御信号CtrlとしてAND回路50に出力する。このようにすることにより、AND回路50は、比較信号CmpOutの電圧と制御信号Ctrlの電圧との論理積をとることができる。また、インバータ32には電圧V20を供給する電圧源から電圧が供給され、レベルコンバータ33には例えば図示しない電圧源から電圧が供給される。その他の構成は図10で説明した電源回路1と同様であるため、図15において、図10と対応する各部に同一の符号を付して、説明を省略する。
The reason why the
図16は、図15の電源回路5の動作を説明する図で、上から順に、パルス生成回路31が出力する駆動パルスDpと、トランジスタQ5のオン、オフ状態と、接続点N1の電圧Vcと、コンパレータ10の反転入力端子に印加される電圧Vcmpinと、コンパレータ10が出力する比較信号CmpOutと、制御信号Ctrlと、AND回路50の出力信号AndOutと、トランジスタQ1のオン、オフ状態とを示す。
FIG. 16 is a diagram for explaining the operation of the power supply circuit 5 of FIG. 15, in order from the top, the drive pulse Dp output from the
以下、図15の電源回路5の動作を図16を参照しながら説明する。まず、図16の時間X0から時間X1の間における電源回路5の動作を説明する。図13で説明したように、パルス生成回路31が、ハイレベルの駆動パルスDpをトランジスタQ5に出力すると、コンパレータ10の反転入力端子にトランジスタQ3の閾値電圧Vth1に対応する電圧Vcmpinが印加されるタイミングから遅延DLY後に、コンパレータ10はローレベルの比較信号CmpOutをAND回路50に出力する。しかし、パルス生成回路31がハイレベルの駆動パルスDpをトランジスタQ5に出力するタイミングで、ハイレベルの駆動パルスDpの反転パルスであるローレベルの外部制御信号CtrlがAND回路50に入力される。
The operation of the power supply circuit 5 in FIG. 15 will be described below with reference to FIG. First, the operation of the power supply circuit 5 between time X0 and time X1 in FIG. 16 will be described. As described with reference to FIG. 13, when the
AND回路50は、比較信号CmpOutの電圧と制御信号Ctrlの電圧(ローレベル)との論理積をとり、ローレベルの出力信号AndOutをトランジスタQ1のゲートに出力する。その結果、遅延時間DLYにおいてトランジスタQ1はオフ状態になるので、前記したカソードKからアノードAに向けて逆電流が流れるのを防止することができる。
The AND
このように、外部回路からの制御信号に基づいて強制的にトランジスタQ1をオフ状態にするので、整流素子として機能する半導体装置がオン状態からオフ状態に切り替わる際に流れる逆電流を防止することができる。 As described above, the transistor Q1 is forcibly turned off based on the control signal from the external circuit, so that it is possible to prevent a reverse current flowing when the semiconductor device functioning as a rectifying element is switched from the on state to the off state. it can.
次に、図16の時間X1から時間X2の間における動作を説明する。この場合も、図11で説明したように、パルス生成回路31が、ローレベルの駆動パルスDpをトランジスタQ5に出力すると、トランジスタQ5は、このローレベルの駆動パルスDpによりオフ状態(非導通状態)になり、電圧Vcは上昇する。すると、図15の半導体装置のアノードAに対してカソードKの電圧が低くなる。その結果、図1で説明したように、図15のコンパレータ10の反転入力端子に負の電圧Vcmpinが印加され、コンパレータ10はハイレベルの比較信号CmpOutをAND回路50に出力する。また、パルス生成回路31がローレベルの駆動パルスDpをトランジスタQ5に出力するタイミングで、ローレベルの駆動パルスDpの反転パルスであるハイレベルの外部制御信号CtrlがAND回路50に入力される。
Next, the operation between time X1 and time X2 in FIG. 16 will be described. Also in this case, as described with reference to FIG. 11, when the
そして、AND回路50は、ハイレベルの出力信号AndOutをトランジスタQ1のゲートに出力する。すると、トランジスタQ1はオン状態になり、電流Idが負荷40に流れる。なお、トランジスタQ1のオン状態の時間は遅延時間DLY分短くなるが、この短くなる時間は前述したように約数十nsと短いので負荷40に供給する電力が不安定になることは避けられる。
The AND
ここで、特許請求の範囲との対応は、以下の通りである。 Here, the correspondence with the claims is as follows.
トランジスタQ1、Q2、Q3、Q4、Q5は、それぞれ請求項に記載の第1、第2、第3、第4、第5のトランジスタの一例である。コンパレータ10は、請求項に記載の比較器の一例であり、コンパレータ20は、請求項に記載の比較器の一例である。
The transistors Q1, Q2, Q3, Q4, and Q5 are examples of the first, second, third, fourth, and fifth transistors recited in the claims, respectively. The
コンデンサC1は、請求項に記載のコンデンサの一例であり、ダイオードD1は、請求項に記載のダイオードの一例である。電圧V1を供給する電圧源は、第1電圧源の一例であり、電圧V2を供給する電圧源は、第2電圧源の一例である。電圧V20を供給する電圧源は、第3電圧源の一例である。抵抗R1、R2は、分圧抵抗の一例である。コイルL1は、請求項に記載のコイルの一例である。 The capacitor C1 is an example of a capacitor described in the claims, and the diode D1 is an example of a diode described in the claims. The voltage source that supplies the voltage V1 is an example of a first voltage source, and the voltage source that supplies the voltage V2 is an example of a second voltage source. The voltage source that supplies the voltage V20 is an example of a third voltage source. The resistors R1 and R2 are examples of voltage dividing resistors. The coil L1 is an example of a coil described in the claims.
以上、詳細に説明したように、前記各実施形態によれば、高耐圧のトランジスタQ2と低耐圧のトランジスタQ1とをカスコード構成により組み合わせて、高耐圧で低抵抗なダイオード及びスイッチを実現することができる。 As described above in detail, according to each of the embodiments, a high breakdown voltage and low resistance diode and switch can be realized by combining the high breakdown voltage transistor Q2 and the low breakdown voltage transistor Q1 in a cascode configuration. it can.
尚、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、前記各実施形態では、トランジスタQ2、Q3は、ガリウムナイトライド(GaN)等のワイドバンドギャップ半導体で作製される高電子移動度トランジスタ(HEMT)である、としたが、これに限定されない。高耐圧特性を有する他のディプレッション型のトランジスタであってもよい。 For example, in each of the above embodiments, the transistors Q2 and Q3 are high electron mobility transistors (HEMTs) made of a wide band gap semiconductor such as gallium nitride (GaN). However, the present invention is not limited to this. Other depletion type transistors having high breakdown voltage characteristics may be used.
また、コンパレータ10を演算増幅器(オペアンプ)にしてもよい。例えば、第4実施形態,第5実施形態のコンパレータ10をオペアンプにしてもよい。
The
また、図4の第3実施形態において、トランジスタQ3を多段に接続して、モニタ用のトランジスタQ3のソースの電圧を調整するようにしてもよい。 In the third embodiment of FIG. 4, the transistor Q3 may be connected in multiple stages to adjust the source voltage of the monitoring transistor Q3.
その他、各実施形態が適宜組み合わされて用いられてもよいことは言うまでもない。 In addition, it goes without saying that the embodiments may be appropriately combined and used.
以上の実施の形態をまとめると、次の付記のとおりである。 The above embodiment is summarized as follows.
(付記1)
整流素子として機能する半導体装置であって、
ソースが前記整流素子のアノードとなる第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタより高耐圧で、ソースが前記第1のトランジスタのドレインに接続され、ゲートが前記第1のトランジスタのソースに接続され、ドレインが前記整流素子のカソードとなるディプレッション型の第2のトランジスタと、
前記第1のトランジスタより高耐圧で、ドレインが前記第2のトランジスタのドレインに接続されたディプレッション型の第3のトランジスタと、
前記第1のトランジスタのソースの電圧と前記第3のトランジスタのソースの電圧とを比較し、前記第1のトランジスタのゲート電圧を制御する比較器と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
(Appendix 1)
A semiconductor device that functions as a rectifying element,
A first transistor whose source is the anode of the rectifying element;
A depletion type second having a higher breakdown voltage than the first transistor, a source connected to the drain of the first transistor, a gate connected to the source of the first transistor, and a drain serving as the cathode of the rectifier element. Transistors
A depletion-type third transistor having a higher breakdown voltage than the first transistor and having a drain connected to the drain of the second transistor;
A comparator that compares the source voltage of the first transistor with the source voltage of the third transistor and controls the gate voltage of the first transistor;
A semiconductor device comprising:
(付記2)
前記比較器の一方の電源端子が前記第1のトランジスタのソースに接続されており、
前記第3のトランジスタのソースと前記比較器の他方の電源端子との間に接続され、前記比較器によってゲート電圧が制御される第4のトランジスタと、
前記比較器の双方の電源端子の間に接続されたコンデンサと、
を備えることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Appendix 2)
One power supply terminal of the comparator is connected to a source of the first transistor;
A fourth transistor connected between the source of the third transistor and the other power supply terminal of the comparator, the gate voltage of which is controlled by the comparator;
A capacitor connected between both power supply terminals of the comparator;
The semiconductor device according to appendix 1, wherein:
(付記3)
前記比較器の一方の電源端子が前記第1のトランジスタのソースに接続されており、
前記第3のトランジスタのソースと前記比較器の他方の電源端子との間に接続されたダイオードと、
前記比較器の双方の電源端子の間に接続されたコンデンサと、
を備えることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Appendix 3)
One power supply terminal of the comparator is connected to a source of the first transistor;
A diode connected between the source of the third transistor and the other power supply terminal of the comparator;
A capacitor connected between both power supply terminals of the comparator;
The semiconductor device according to appendix 1, wherein:
(付記4)
前記第3のトランジスタのゲートが前記第2のトランジスタのソースに接続される
ことを特徴とする付記1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
(Appendix 4)
4. The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 3, wherein a gate of the third transistor is connected to a source of the second transistor.
(付記5)
前記第3のトランジスタのゲートが前記第2のトランジスタのゲートに接続される
ことを特徴とする付記1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
(Appendix 5)
The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 3, wherein a gate of the third transistor is connected to a gate of the second transistor.
(付記6)
負極端子が前記第1のトランジスタのソースに接続され、前記第1のトランジスタのソースの電圧に第1電圧を加えた電圧を正極端子に出力する第1電圧源と、
前記第3のトランジスタのソースと前記第1電圧源の正極端子との間に直列に接続された分圧抵抗と、
を備え、
前記比較器の一方の入力端子が前記分圧抵抗の分圧点に接続される
ことを特徴とする付記1乃至6のいずれかに記載の半導体装置。
(Appendix 6)
A first voltage source having a negative terminal connected to the source of the first transistor and outputting a voltage obtained by adding the first voltage to the source voltage of the first transistor to the positive terminal;
A voltage dividing resistor connected in series between the source of the third transistor and the positive terminal of the first voltage source;
With
The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 6, wherein one input terminal of the comparator is connected to a voltage dividing point of the voltage dividing resistor.
(付記7)
前記第1のトランジスタのソースが前記比較器の非反転入力端子に接続され、前記第3のトランジスタのソースが前記比較器の反転入力端子に接続される
ことを特徴とする付記1乃至6のいずれかに記載の半導体装置。
(Appendix 7)
The source of the first transistor is connected to a non-inverting input terminal of the comparator, and the source of the third transistor is connected to an inverting input terminal of the comparator. A semiconductor device according to claim 1.
(付記8)
整流素子が並列に接続されたスイッチング素子として機能する半導体装置であって、
ソースが前記スイッチング素子の一方の端子となる第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタより高耐圧で、ソースが前記第1のトランジスタのドレインに接続され、ゲートが前記第1のトランジスタのソースに接続され、ドレインが前記スイッチング素子の他方の端子となるディプレッション型の第2のトランジスタと、
前記第1のトランジスタより高耐圧で、ドレインが前記第2のトランジスタのドレインに接続されたディプレッション型の第3のトランジスタと、
負極端子が前記第1のトランジスタのソースに接続され、前記第1のトランジスタのソースの電圧に第1電圧を加えた電圧を正極端子に出力する第1電圧源と、
前記第3のトランジスタのソースと前記第1電圧源の正極端子との間に直列に接続された分圧抵抗と、
負極端子が前記第1のトランジスタのソースに接続され、前記第1のトランジスタのソースの電圧に第2電圧を加えた電圧を正極端子に出力する第2電圧源と、
前記スイッチング素子の制御信号の電圧と前記第2電圧源の出力電圧とを比較する比較器と、
前記比較器の出力電圧と前記分圧抵抗の分圧電圧とを比較し、前記第1のトランジスタのゲート電圧を制御する比較器と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
(Appendix 8)
A semiconductor device that functions as a switching element in which rectifying elements are connected in parallel,
A first transistor whose source is one terminal of the switching element;
A depletion type having a higher breakdown voltage than the first transistor, a source connected to the drain of the first transistor, a gate connected to the source of the first transistor, and a drain serving as the other terminal of the switching element. A second transistor;
A depletion-type third transistor having a higher breakdown voltage than the first transistor and having a drain connected to the drain of the second transistor;
A first voltage source having a negative terminal connected to the source of the first transistor and outputting a voltage obtained by adding the first voltage to the source voltage of the first transistor to the positive terminal;
A voltage dividing resistor connected in series between the source of the third transistor and the positive terminal of the first voltage source;
A second voltage source having a negative terminal connected to the source of the first transistor and outputting a voltage obtained by adding a second voltage to the voltage of the source of the first transistor to the positive terminal;
A comparator for comparing the voltage of the control signal of the switching element and the output voltage of the second voltage source;
A comparator that compares an output voltage of the comparator with a divided voltage of the voltage dividing resistor and controls a gate voltage of the first transistor;
A semiconductor device comprising:
(付記9)
さらに、前記比較器と前記第1のトランジスタのゲート間に、前記比較器が出力する制御信号の前記第1のトランジスタを導通する第1のレベルを外部制御信号に応答して前記第1のトランジスタを非導通にする第2のレベルにする論理回路を備えた、
ことを特徴とする付記1乃至5のいずれかに記載の半導体装置。
(Appendix 9)
Further, a first level for conducting the first transistor of the control signal output from the comparator between the gate of the comparator and the first transistor in response to the external control signal is set to the first transistor. A logic circuit for making the second level non-conductive,
The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 5, characterized in that:
(付記10)
前記第2のトランジスタと前記第3のトランジスタとが高電子移動度トランジスタ(HEMT)であり、前記第1のトランジスタが前記第1のトランジスタがシリコンMOSFETである
ことを特徴とする付記1乃至9のいずれかに記載の半導体装置。
(Appendix 10)
Additional notes 1 to 9, wherein the second transistor and the third transistor are high electron mobility transistors (HEMTs), and the first transistor is a silicon MOSFET. The semiconductor device according to any one of the above.
(付記11)
付記6に記載の半導体装置をブリッジ回路に組み込んで交流電圧を全波整流するブリッジ整流回路。
(Appendix 11)
A bridge rectifier circuit that full-wave rectifies an AC voltage by incorporating the semiconductor device according to appendix 6 into a bridge circuit.
(付記12)
付記8に記載の2つの半導体装置を直列接続した直列回路を電源間にブリッジ状に複数接続し、複数の直列回路における2つの半導体装置間の各接続点に多相モータの各相のコイルを接続し、これらの半導体装置の比較器に制御信号を出力する多相モータの駆動回路。
(Appendix 12)
A plurality of series circuits in which the two semiconductor devices according to appendix 8 are connected in series are connected in a bridge shape between the power supplies, and coils of each phase of the multiphase motor are connected to each connection point between the two semiconductor devices in the plurality of series circuits. A drive circuit for a multi-phase motor that connects and outputs a control signal to a comparator of these semiconductor devices.
(付記13)
第3電圧源に接続したコイルと、
基準電源と前記コイルとの間に設けられた第5のトランジスタと、
前記コイルと前記第5のトランジスタとの接続点にアノードが接続した付記9に記載の半導体装置と、
前記第5のトランジスタを駆動するパルスを生成するパルス生成回路と、
を備え、
前記パルス生成回路により生成される駆動パルスに基づく前記外部制御信号が前記半導体装置の論理回路に入力される
ことを特徴とするスイッチングレギュレータ。
(Appendix 13)
A coil connected to a third voltage source;
A fifth transistor provided between a reference power source and the coil;
The semiconductor device according to appendix 9, wherein an anode is connected to a connection point between the coil and the fifth transistor;
A pulse generation circuit for generating a pulse for driving the fifth transistor;
With
The switching regulator, wherein the external control signal based on the drive pulse generated by the pulse generation circuit is input to a logic circuit of the semiconductor device.
10 比較器(コンパレータ)
20 比較器(コンパレータ)
1、2、5 電源回路
30、30’、60 スイッチングレギュレータ
31 パルス生成回路
32 インバータ、
33 レベルコンバータ、
40 負荷、
50 AND回路、
C1 コンデンサ
D1 ダイオード
Q1〜Q5 トランジスタ
R1、R2 抵抗
L1 コイル
10 Comparator
20 Comparator
1, 2, 5
33 level converter,
40 load,
50 AND circuit,
C1 Capacitor D1 Diode Q1-Q5 Transistor R1, R2 Resistance L1 Coil
Claims (10)
ソースが前記整流素子のアノードとなる第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタより高耐圧で、ソースが前記第1のトランジスタのドレインに接続され、ゲートが前記第1のトランジスタのソースに接続され、ドレインが前記整流素子のカソードとなるディプレッション型の第2のトランジスタと、
前記第1のトランジスタより高耐圧で、ドレインが前記第2のトランジスタのドレインに接続されたディプレッション型の第3のトランジスタと、
前記第1のトランジスタのソースの電圧と前記第3のトランジスタのソースの電圧とを比較し、前記第1のトランジスタのゲート電圧を制御する比較器と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device that functions as a rectifying element,
A first transistor whose source is the anode of the rectifying element;
A depletion type second having a higher breakdown voltage than the first transistor, a source connected to the drain of the first transistor, a gate connected to the source of the first transistor, and a drain serving as the cathode of the rectifier element. Transistors
A depletion-type third transistor having a higher breakdown voltage than the first transistor and having a drain connected to the drain of the second transistor;
A comparator that compares the source voltage of the first transistor with the source voltage of the third transistor and controls the gate voltage of the first transistor;
A semiconductor device comprising:
前記第3のトランジスタのソースと前記比較器の他方の電源端子との間に接続され、前記比較器によってゲート電圧が制御される第4のトランジスタと、
前記比較器の双方の電源端子の間に接続されたコンデンサと、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 One power supply terminal of the comparator is connected to a source of the first transistor;
A fourth transistor connected between the source of the third transistor and the other power supply terminal of the comparator, the gate voltage of which is controlled by the comparator;
A capacitor connected between both power supply terminals of the comparator;
The semiconductor device according to claim 1, comprising:
前記第3のトランジスタのソースと前記比較器の他方の電源端子との間に接続されたダイオードと、
前記比較器の双方の電源端子の間に接続されたコンデンサと、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 One power supply terminal of the comparator is connected to a source of the first transistor;
A diode connected between the source of the third transistor and the other power supply terminal of the comparator;
A capacitor connected between both power supply terminals of the comparator;
The semiconductor device according to claim 1, comprising:
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a gate of the third transistor is connected to a source of the second transistor. 5.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein a gate of the third transistor is connected to a gate of the second transistor.
前記第3のトランジスタのソースと前記第1電圧源の正極端子との間に直列に接続された分圧抵抗と、
を備え、
前記比較器の一方の入力端子が前記分圧抵抗の分圧点に接続される
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体装置。 A first voltage source having a negative terminal connected to the source of the first transistor and outputting a voltage obtained by adding the first voltage to the source voltage of the first transistor to the positive terminal;
A voltage dividing resistor connected in series between the source of the third transistor and the positive terminal of the first voltage source;
With
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that one input terminal of the comparator is connected to the dividing point of the voltage dividing resistors.
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体装置。 The source of the first transistor is connected to a non-inverting input terminal of the comparator, and the source of the third transistor is connected to an inverting input terminal of the comparator. The semiconductor device according to any one of the above.
ソースが前記スイッチング素子の一方の端子となる第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタより高耐圧で、ソースが前記第1のトランジスタのドレインに接続され、ゲートが前記第1のトランジスタのソースに接続され、ドレインが前記スイッチング素子の他方の端子となるディプレッション型の第2のトランジスタと、
前記第1のトランジスタより高耐圧で、ドレインが前記第2のトランジスタのドレインに接続されたディプレッション型の第3のトランジスタと、
負極端子が前記第1のトランジスタのソースに接続され、前記第1のトランジスタのソースの電圧に第1電圧を加えた電圧を正極端子に出力する第1電圧源と、
前記第3のトランジスタのソースと前記第1電圧源の正極端子との間に直列に接続された分圧抵抗と、
負極端子が前記第1のトランジスタのソースに接続され、前記第1のトランジスタのソースの電圧に第2電圧を加えた電圧を正極端子に出力する第2電圧源と、
前記スイッチング素子の制御信号の電圧と前記第2電圧源の出力電圧とを比較する比較器と、
前記比較器の出力電圧と前記分圧抵抗の分圧電圧とを比較し、前記第1のトランジスタのゲート電圧を制御する比較器と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device that functions as a switching element in which rectifying elements are connected in parallel,
A first transistor whose source is one terminal of the switching element;
A depletion type having a higher breakdown voltage than the first transistor, a source connected to the drain of the first transistor, a gate connected to the source of the first transistor, and a drain serving as the other terminal of the switching element. A second transistor;
A depletion-type third transistor having a higher breakdown voltage than the first transistor and having a drain connected to the drain of the second transistor;
A first voltage source having a negative terminal connected to the source of the first transistor and outputting a voltage obtained by adding the first voltage to the source voltage of the first transistor to the positive terminal;
A voltage dividing resistor connected in series between the source of the third transistor and the positive terminal of the first voltage source;
A second voltage source having a negative terminal connected to the source of the first transistor and outputting a voltage obtained by adding a second voltage to the voltage of the source of the first transistor to the positive terminal;
A comparator for comparing the voltage of the control signal of the switching element and the output voltage of the second voltage source;
A comparator that compares an output voltage of the comparator with a divided voltage of the voltage dividing resistor and controls a gate voltage of the first transistor;
A semiconductor device comprising:
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体装置。 Further, a first level for conducting the first transistor of the control signal output from the comparator between the gate of the comparator and the first transistor in response to the external control signal is set to the first transistor. A logic circuit for making the second level non-conductive,
The semiconductor device according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の半導体装置。 10. The second transistor and the third transistor are high electron mobility transistors (HEMT), and the first transistor is a silicon MOSFET, and the first transistor is a silicon MOSFET. The semiconductor device according to any one of the above.
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