JP5772308B2 - Switching element protection circuit - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチング素子を破壊から保護するスイッチング素子の保護回路に関する。   The present invention relates to a protection circuit for a switching element that protects the switching element from destruction.

従来、高周波用デバイスや高耐圧パワーデバイスなどとして、例えば窒化ガリウム(GaN)と窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)とが積層された窒化物半導体層を備えた電界効果トランジスタ(以下、「窒化物FET」という)が実用化されている。例えば、窒化物半導体層にショットキー接合を形成して配置されたゲート電極を備える窒化物FET(ショットキーゲート型窒化物FET)や、窒化物半導体層上に絶縁膜を介して配置されたゲート電極を備えるMIS(Metal Insulator Semiconductor)構造の窒化物FET(MISゲート型窒化物FET)などを使用した種々の集積回路が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, a field effect transistor (hereinafter referred to as a “nitride FET”) including a nitride semiconductor layer in which gallium nitride (GaN) and aluminum gallium nitride (AlGaN) are stacked, for example, as a high frequency device or a high voltage power device. ) Has been put to practical use. For example, a nitride FET (Schottky gate type nitride FET) having a gate electrode arranged by forming a Schottky junction in a nitride semiconductor layer, or a gate arranged via an insulating film on the nitride semiconductor layer Various integrated circuits using MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure nitride FETs (MIS gate type nitride FETs) having electrodes have been proposed (for example, see Patent Document 1).

窒化物FETは、例えば特許文献2に示されているように、サージ耐量が低い。このため、図6に示すように、ドレイン−ゲート間に窒化物FETより耐圧の低い保護用ダイオードが配置されている。保護用のダイオードを配置した回路としては、半導体装置を高速サージから保護する保護機能を備えた半導体装置のための保護装置(特許文献3)やMOSトランジスタなどの電圧駆動型スイッチング素子を用いた電力変換装置(特許文献4)などが知られている。   Nitride FETs have a low surge resistance, as shown in Patent Document 2, for example. For this reason, as shown in FIG. 6, a protective diode having a lower withstand voltage than the nitride FET is disposed between the drain and the gate. As a circuit in which a protective diode is arranged, power using a protection device (Patent Document 3) for a semiconductor device having a protection function for protecting the semiconductor device from high-speed surges, or a voltage-driven switching element such as a MOS transistor A conversion device (Patent Document 4) and the like are known.

図6に示す回路において、ドレインにサージ等の過電圧が印加された時の基本動作は以下のようになる。即ち、スイッチング素子のドレインに過電圧が印加されると、クランプ用のダイオードがブレークしてスイッチング素子のゲートに電流が供給され、スイッチング素子がオンする。クランプ用のダイオードを使用することによって、そのブレークと同時にスイッチング素子がオンしてサージを吸収できるので、スイッチング素子が破壊されるのを防止できる。   In the circuit shown in FIG. 6, the basic operation when an overvoltage such as a surge is applied to the drain is as follows. That is, when an overvoltage is applied to the drain of the switching element, the clamping diode breaks and current is supplied to the gate of the switching element, and the switching element is turned on. By using the clamping diode, the switching element is turned on simultaneously with the break to absorb the surge, so that the switching element can be prevented from being destroyed.

ここで、ダイオードのブレーク時にゲート電圧がスイッチング素子をオンにできるまで高くなるのは、ゲート抵抗RGが挿入されているからである。ブレーク時のゲート電圧VGは、ダイオード電流I(diode)とゲート抵抗RGの積、つまり「VG=I(diode)*RG」になる。このゲート抵抗RGがある程度大きいためスイッチング素子をオンさせることができる。   Here, the reason why the gate voltage increases until the switching element can be turned on during the break of the diode is that the gate resistance RG is inserted. The gate voltage VG at the time of the break is a product of the diode current I (diode) and the gate resistance RG, that is, “VG = I (diode) * RG”. Since the gate resistance RG is large to some extent, the switching element can be turned on.

特開2008−187167号公報JP 2008-187167 A 特開2008−277641号公報JP 2008-276741 A 特開2001−44291号公報JP 2001-44291 A 特開2001−245466号公報JP 2001-245466 A

しかしながら、上述した従来のスイッチング素子の保護回路は、サージ電圧からスイッチング素子が破壊されるのを防ぐために、サージ電圧が印加された時にスイッチング素子をオンするためのゲート抵抗RGを大きくしている。ゲート抵抗RGは、発振及びノイズを防ぐ効果を有するが、スイッチング素子のスイッチング時の電流が制限されるのでスイッチング時間が大きくなり、スイッチング素子を高速で動作させることができないという問題がある。   However, the conventional switching element protection circuit described above increases the gate resistance RG for turning on the switching element when a surge voltage is applied in order to prevent the switching element from being destroyed from the surge voltage. Although the gate resistor RG has an effect of preventing oscillation and noise, there is a problem in that since the current during switching of the switching element is limited, the switching time becomes long and the switching element cannot be operated at high speed.

従来のBIP(Bipolar transistor)、MOS(Metal Oxide Semiconductor)またはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等をスイッチング素子として使用する場合は、ゲート抵抗が存在しても要求されるスイッチング速度が得られたが、窒化物FETに代表される化合物半導体素子では従来以上のスイッチング速度が求められている。スイッチング素子の特性を最大限に引き出すためにはゲート抵抗をゼロまたは可能な限り小さくすることが望ましい。ところが、従来のスイッチング素子の保護回路において、回路方式をそのまま使用してゲート抵抗を零または小さくした場合は、クランプ動作をさせることができない。これは、ゲート抵抗RGを使用してクランプ時のゲート電圧を持ち上げていることに起因する。   When a conventional BIP (Bipolar transistor), MOS (Metal Oxide Semiconductor), or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is used as a switching element, the required switching speed is obtained even when a gate resistance is present. A compound semiconductor device typified by a nitride FET is required to have a switching speed higher than the conventional one. In order to maximize the characteristics of the switching element, it is desirable to reduce the gate resistance to zero or as small as possible. However, in a conventional switching element protection circuit, if the circuit method is used as it is and the gate resistance is reduced to zero or small, the clamping operation cannot be performed. This is because the gate voltage at the time of clamping is raised using the gate resistance RG.

また、ゲート抵抗の前段のスイッチング素子の保護回路の特性も重要である。例えば、スイッチング素子の保護回路がICで構成されており、その内部のドライブ回路がMOS−FETで構成されている場合、一般的には、後に説明する図1に示すような回路構成になっている。この回路では、IC内部のトランジスタM2がオンすることによりスイッチング素子Tr1をオフさせているが、トランジスタM2のオン抵抗Ron(M2)も重要になる。スイッチング素子のオフ動作時には、トランジスタM2のオン抵抗Ron(M2)も抵抗分としてゲート抵抗RGに加わるため、高速スイッチングのためにはトランジスタM2のオン抵抗Ron(M2)も小さくする必要がある。   In addition, the characteristics of the protection circuit of the switching element before the gate resistance are also important. For example, when the protection circuit of the switching element is composed of an IC and the internal drive circuit is composed of a MOS-FET, the circuit configuration is generally as shown in FIG. Yes. In this circuit, the switching element Tr1 is turned off by turning on the transistor M2 in the IC, but the on-resistance Ron (M2) of the transistor M2 is also important. When the switching element is turned off, the on-resistance Ron (M2) of the transistor M2 is also added to the gate resistance RG as a resistance component. Therefore, it is necessary to reduce the on-resistance Ron (M2) of the transistor M2 for high-speed switching.

ここで、GaN−FETの閾値電圧Vthが1.5V,RG+Ron(M2)=1Ω程度と仮定すると、ゲート電圧VGを1.5Vにするためには1.5A程度の電流が必要になる。アンペアオーダーの電流を流す保護用ダイオードを採用することはコスト等の問題から現実的には不可能であり、IC内部でダイオードを作成する場合は特に難しい。RG+Ron(M2)=20Ωに設定すればダイオード電流が75mAになるが、GaN−FETに求められる高速スイッチングを実現することはできない。   Here, assuming that the threshold voltage Vth of the GaN-FET is about 1.5V and RG + Ron (M2) = 1Ω, a current of about 1.5 A is required to make the gate voltage VG 1.5V. It is practically impossible to employ a protective diode for passing an ampere-order current due to problems such as cost, and it is particularly difficult when a diode is created inside an IC. If RG + Ron (M2) = 20Ω is set, the diode current becomes 75 mA, but the high-speed switching required for the GaN-FET cannot be realized.

また、ゲート抵抗をゼロにした回路構成が望まれる他の理由として、窒化物FETの素子自体にダイオード的な回生動作を行わせることが可能になる点が挙げられる。窒化物FETのゲート−ソースをショートすると、図7に示すように、ソースがアノード端子、ドレインがカソード端子であって、窒化物FETの閾値電圧Vthを順方向電圧VFと見なすことができるダイオード的な特性になる。ゲート抵抗が存在すると回生動作時にゲート−ソース間電圧が開いてしまい、ドレイン−ソース間電圧も開いてしまう。   Another reason why a circuit configuration with zero gate resistance is desired is that the nitride FET element itself can perform a diode-like regenerative operation. When the gate-source of the nitride FET is short-circuited, as shown in FIG. 7, the source is the anode terminal, the drain is the cathode terminal, and the threshold voltage Vth of the nitride FET can be regarded as a forward voltage VF. It becomes a characteristic. When the gate resistance exists, the gate-source voltage is opened during the regenerative operation, and the drain-source voltage is also opened.

本発明の課題は、窒化物FETを高速スイッチング動作させることができ、且つ、サージ電圧から窒化物FETを保護することができるスイッチング素子の保護回路を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a protection circuit for a switching element that can perform a high-speed switching operation of a nitride FET and can protect the nitride FET from a surge voltage.

上記の課題を解決するために、本発明に係るスイッチング素子の保護回路は、直列に接続された高圧側素子及び低圧側素子と、高圧側素子をオンオフさせる信号を出力するハイサイドプリドライバと、高圧側素子と逆のオンオフ状態になるように前記低圧素子をオンオフさせる信号を出力するローサイドプリドライバと、高圧側素子と低圧側素子の接続点に制御端子が接続されたメインのスイッチング素子と、高圧側素子と低圧側素子の接続点に抵抗を介して制御端子が接続されたサブのスイッチング素子と、メインのスイッチング素子の一方の端子にカソードが接続されたダイオードと、ダイオードのアノードに入力端子が接続され、該ダイオードのブレーク時にサブのスイッチング素子の制御端子に電流を供給するとともに、低圧側素子のオフを指示する信号をローサイドプリドライバに供給する制御器とを備え、制御器からのローサイドオフ信号を受けたローサイドプリドライバによって低圧側素子をオフすることによりメインのスイッチング素子の制御端子に電流を供給することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a protection circuit for a switching element according to the present invention includes a high-voltage side element and a low-voltage side element connected in series, a high-side pre-driver that outputs a signal for turning on and off the high-voltage side element, A low-side pre-driver that outputs a signal for turning on and off the low-voltage element so as to be in an on / off state opposite to the high-voltage side element; a main switching element having a control terminal connected to a connection point between the high-voltage side element and the low-voltage side element; A sub switching element whose control terminal is connected to the connection point between the high-voltage side element and the low-voltage side element via a resistor, a diode having a cathode connected to one terminal of the main switching element, and an input terminal to the anode of the diode There are connected, supplies the current to the control terminal of the sub-switching element at a break of the diode, the low pressure side element A signal indicating off and a low side controller supplies the pre-driver, the current to the control terminal of the main switching element by turning off the low-pressure side element by the low-side pre-driver receiving a low-side off-signal from the controller It is characterized by supplying .

本発明に係るスイッチング素子の保護回路によれば、窒化物FETを高速スイッチング動作させることができ、且つ、サージ電圧から窒化物FETを保護することができる。   According to the protection circuit for a switching element according to the present invention, the nitride FET can be switched at a high speed, and the nitride FET can be protected from a surge voltage.

本発明の実施例1に係るスイッチング素子の保護回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the protection circuit of the switching element which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係るスイッチング素子の保護回路の変形例の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the modification of the protection circuit of the switching element which concerns on Example 1 of this invention. ハイサイドプリドライバ、ローサイドプリドライバ及び制御器の具体的な構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the specific structure of a high side predriver, a low side predriver, and a controller. 本発明の実施例2に係るスイッチング素子の保護回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the protection circuit of the switching element which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例3に係るスイッチング素子の保護回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the protection circuit of the switching element which concerns on Example 3 of this invention. 従来のスイッチング素子の保護回路を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the protection circuit of the conventional switching element. GAN−FETのドレイン−ソース間電圧とドレイン電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the drain-source voltage and drain current of GAN-FET.

以下、本発明の実施の形態に係るスイッチング素子の保護回路について、詳細に説明する。   Hereinafter, a protection circuit for a switching element according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、以下に示す実施例は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えてもよい。   However, it should be noted that the drawings are schematic. In addition, the examples shown below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention have various modifications within the scope of the claims. May be.

図1は、本発明の実施例1に係るスイッチング素子の保護回路の基本的な構成を示すブロック図である。スイッチング素子の保護回路は、トランジスタM1(PMOS)、トランジスタM2(NMOS)、ハイサイドプリドライバ11、ローサイドプリドライバ12、制御器21、ダイオードD1、トランジスタTr1、入力端子IN、高電圧端子VDD、低電圧端子VSS、ドレイン端子DRAIN及びゲート端子GATEを備えている。なお、トランジスタM1、トランジスタM2、ハイサイドプリドライバ11及びローサイドプリドライバ12が、図6に示した従来の駆動回路に相当する。   1 is a block diagram illustrating a basic configuration of a protection circuit for a switching element according to a first embodiment of the present invention. The protection circuit for the switching element includes a transistor M1 (PMOS), a transistor M2 (NMOS), a high-side predriver 11, a low-side predriver 12, a controller 21, a diode D1, a transistor Tr1, an input terminal IN, a high voltage terminal VDD, a low A voltage terminal VSS, a drain terminal DRAIN, and a gate terminal GATE are provided. Note that the transistor M1, the transistor M2, the high-side predriver 11 and the low-side predriver 12 correspond to the conventional drive circuit shown in FIG.

ハイサイドのトランジスタM1は、本発明の高圧側素子に対応する。トランジスタM1のドレインは高電圧端子VDDに接続され、ソースはトランジスタM2のドレインに接続され、ゲートはハイサイドプリドライバ11の出力端子に接続されている。   The high-side transistor M1 corresponds to the high-voltage side element of the present invention. The drain of the transistor M1 is connected to the high voltage terminal VDD, the source is connected to the drain of the transistor M2, and the gate is connected to the output terminal of the high side pre-driver 11.

ローサイドのトランジスタM2は、本発明の低圧側素子に対応する。トランジスタM2のドレインはトランジスタM1のソースに接続され、ソースは低電圧端子VSSに接続され、ゲートはローサイドプリドライバ12の出力端子に接続されている。   The low-side transistor M2 corresponds to the low-voltage side element of the present invention. The drain of the transistor M2 is connected to the source of the transistor M1, the source is connected to the low voltage terminal VSS, and the gate is connected to the output terminal of the low-side predriver 12.

ハイサイドプリドライバ11は、入力端子INから入力された信号に所定の処理を施してトランジスタM1のゲートに送る。ハイサイドプリドライバ11の詳細は後述する。   The high-side pre-driver 11 performs a predetermined process on the signal input from the input terminal IN and sends it to the gate of the transistor M1. Details of the high-side pre-driver 11 will be described later.

ローサイドプリドライバ12は、入力端子INから入力された信号に所定の処理を施した信号または制御器21から入力端子Loffに入力されたローサイドオフ信号をトランジスタM2のゲートに送る。ローサイドプリドライバ12の詳細は後述する。   The low-side pre-driver 12 sends a signal obtained by performing a predetermined process on a signal input from the input terminal IN or a low-side off signal input from the controller 21 to the input terminal Loff to the gate of the transistor M2. Details of the low-side pre-driver 12 will be described later.

制御器21の入力端子は、クランプ用のダイオードD1のアノードに接続され、ダイオードD1のカソードはドレイン端子DRAINに接続されている。制御器21の詳細は後述する。   The input terminal of the controller 21 is connected to the anode of the clamping diode D1, and the cathode of the diode D1 is connected to the drain terminal DRAIN. Details of the controller 21 will be described later.

制御器21の第1出力端子01は、トランジスタM1のソースとトランジスタM2のドレインの接続点と、トランジスタTr1のゲートとを結ぶゲート電流供給ラインに接続され、ゲート電流供給ラインにゲート電流を供給する。また、制御器21の第2出力端子02は、ローサイドプリドライバ12の入力端子Loffに接続され、ローサイドのトランジスタM2のみをオフにするためのローサイドオフ信号を出力する。さらに、制御器21の第3出力端子03は、負電源電圧端子VSSに接続されている。   The first output terminal 01 of the controller 21 is connected to a gate current supply line connecting the connection point between the source of the transistor M1 and the drain of the transistor M2 and the gate of the transistor Tr1, and supplies a gate current to the gate current supply line. . The second output terminal 02 of the controller 21 is connected to the input terminal Loff of the low-side pre-driver 12 and outputs a low-side off signal for turning off only the low-side transistor M2. Further, the third output terminal 03 of the controller 21 is connected to the negative power supply voltage terminal VSS.

負電源電圧端子VSSの電位は、接地電位や負電位など、高電圧端子VDDの電位よりも低く設定される。   The potential of the negative power supply voltage terminal VSS is set lower than the potential of the high voltage terminal VDD such as a ground potential or a negative potential.

トランジスタTr1は、本発明のスイッチング素子に対応し、例えば窒化物FETから構成されている。トランジスタTr1のドレインはドレイン端子DRAINに接続され、ソースは接地され、ゲートはゲート電流供給ラインに接続されている。ゲート電流供給ラインには、ゲート端子GATEが設けられている。   The transistor Tr1 corresponds to the switching element of the present invention, and is composed of, for example, a nitride FET. The drain of the transistor Tr1 is connected to the drain terminal DRAIN, the source is grounded, and the gate is connected to the gate current supply line. The gate current supply line is provided with a gate terminal GATE.

なお、図2に示すように、制御器21の第1出力端子01とゲート電流供給ラインとの間にダイオードD2を設けるように変形することもできる。この変形例の場合、ダイオードD2のアノードが制御器21の第1出力端子01に接続され、カソードがゲート電流供給ラインに接続される。また、ダイオードD2に代えて、抵抗を設けるように構成することもできる。   In addition, as shown in FIG. 2, it can also deform | transform so that the diode D2 may be provided between the 1st output terminal 01 of the controller 21, and a gate current supply line. In the case of this modification, the anode of the diode D2 is connected to the first output terminal 01 of the controller 21, and the cathode is connected to the gate current supply line. Further, a resistor may be provided instead of the diode D2.

図3は、ハイサイドプリドライバ11、ローサイドプリドライバ12及び制御器21の具体的な構成を示す回路図である。   FIG. 3 is a circuit diagram showing a specific configuration of the high-side predriver 11, the low-side predriver 12, and the controller 21.

ハイサイドプリドライバ11及びローサイドプリドライバ12は、トランジスタM1(PMOS)及びトランジスタM2(NMOS)に貫通電流が流れないように、トランジスタM1とトランジスタM2の切り替え時にデッドタイムを生成している。   The high-side pre-driver 11 and the low-side pre-driver 12 generate a dead time when switching between the transistor M1 and the transistor M2 so that no through current flows through the transistor M1 (PMOS) and the transistor M2 (NMOS).

具体的には、ハイサイドプリドライバ11は、入力端子INからの信号がインバータ31で反転された信号を入力し、この入力信号と、入力信号を2個のインバータ32,33の間に形成された抵抗R2とコンデンサC2から成る時定数回路で遅延させた信号とをノア回路34に入力する。   Specifically, the high-side pre-driver 11 inputs a signal obtained by inverting the signal from the input terminal IN by the inverter 31, and this input signal and the input signal are formed between the two inverters 32 and 33. The signal delayed by the time constant circuit composed of the resistor R2 and the capacitor C2 is input to the NOR circuit 34.

ノア回路34は、負論理でこれらの信号の論理積をとって出力する。ノア回路34から出力された信号は、インバータ35で反転された後にバッファ36を経由して外部に出力される。遅延時間は、抵抗R2とコンデンサC2による時定数に従って決定される。ハイサイドプリドライバ11から出力される信号がトランジスタM1のゲートに印加される。   The NOR circuit 34 takes the logical product of these signals with negative logic and outputs the result. The signal output from the NOR circuit 34 is inverted by the inverter 35 and then output to the outside via the buffer 36. The delay time is determined according to the time constant of the resistor R2 and the capacitor C2. A signal output from the high-side pre-driver 11 is applied to the gate of the transistor M1.

また、ローサイドプリドライバ12は、入力端子INからの信号がインバータ31で反転された信号を入力し、この入力信号と、入力信号を2個のインバータ37,38の間に形成された抵抗R3とコンデンサC3から成る時定数回路で遅延させた信号とをナンド回路39に入力する。ナンド回路39は、正論理でこれらの論理積をとって出力する。ナンド回路39から出力された信号は、ノア回路40で反転された後にバッファ41を経由して外部に出力される。遅延時間は、抵抗R3とコンデンサC3による時定数に従って決定される。ローサイドプリドライバ12から出力される信号がトランジスタM2のゲートに印加される。   The low-side pre-driver 12 receives a signal obtained by inverting the signal from the input terminal IN by the inverter 31, and inputs the input signal and a resistor R3 formed between the two inverters 37 and 38. The signal delayed by the time constant circuit composed of the capacitor C3 is input to the NAND circuit 39. The NAND circuit 39 takes the logical product of these in positive logic and outputs the result. The signal output from the NAND circuit 39 is inverted by the NOR circuit 40 and then output to the outside via the buffer 41. The delay time is determined according to the time constant of the resistor R3 and the capacitor C3. A signal output from the low-side pre-driver 12 is applied to the gate of the transistor M2.

ハイサイドプリドライバ11から出力される信号及びローサイドプリドライバ12から出力される信号の各々は、入力端子INに入力された信号が変化してから所定時間後に変化する。従って、ハイサイドプリドライバ11から出力される信号が変化を開始するタイミングとローサイドプリドライバ12から出力される信号が変化を開始するタイミングとは一定時間(デッドタイム)だけずれる。その結果、トランジスタM1とトランジスタM2とは同時にオンすることはないので、トランジスタM1及びトランジスタM2に貫通電流が流れることはない。なお、デッドタイムは、時定数回路の時定数によって調整することができる。   Each of the signal output from the high-side pre-driver 11 and the signal output from the low-side pre-driver 12 changes after a predetermined time from when the signal input to the input terminal IN changes. Therefore, the timing at which the signal output from the high-side pre-driver 11 starts changing and the timing at which the signal output from the low-side pre-driver 12 starts changing are shifted by a certain time (dead time). As a result, the transistor M1 and the transistor M2 are not turned on at the same time, so that no through current flows through the transistor M1 and the transistor M2. The dead time can be adjusted by the time constant of the time constant circuit.

制御器21では、スイッチング素子の保護回路に電源が入っていないときであっても、サージを保護するために、ダイオードの電流だけでもスイッチング素子Tr1のゲートに電流供給できる回路方式が採用されている。制御器21は、PNP型のトランジスタQ1とPNP型のトランジスタQ2とからなるカレントミラー回路を備える。   The controller 21 employs a circuit system that can supply a current to the gate of the switching element Tr1 using only a diode current in order to protect surges even when the switching element protection circuit is not powered. . The controller 21 includes a current mirror circuit including a PNP transistor Q1 and a PNP transistor Q2.

トランジスタQ1,Q2のエミッタはダイオードD1を介してドレイン端子DRAINに接続されている。トランジスタQ1,Q2のベースは接続され、トランジスタQ1のコレクタはベースに接続されている。トランジスタQ1のコレクタは、さらに、抵抗R1を介してゲート電流供給ラインに接続され、ゲート電流供給ラインは第1出力端子01に接続されている。   The emitters of the transistors Q1 and Q2 are connected to the drain terminal DRAIN via the diode D1. The bases of the transistors Q1 and Q2 are connected, and the collector of the transistor Q1 is connected to the base. The collector of the transistor Q1 is further connected to the gate current supply line via the resistor R1, and the gate current supply line is connected to the first output terminal 01.

また、トランジスタQ2のコレクタは、抵抗R4と抵抗R5との直列回路及び第3出力端子03を介して低電圧端子VSSに接続されている。制御器21には、トランジスタM3が設けられている。トランジスタM3のドレインは、抵抗R6を介して高電圧端子VDDに接続され、ソースは第3出力端子03を介して低電圧端子VSSに接続されている。トランジスタM3のゲートは、抵抗R4と抵抗R5との接続点に接続されている。トランジスタM3のドレインは、インバータ42を介して第2出力端子02に接続され、ローサイドオフ信号を出力する。第2出力端子02は、ローサイドプリドライバ12の入力端子Loff、具体的にはノア回路40の一方の入力端子に接続されている。   The collector of the transistor Q2 is connected to the low voltage terminal VSS via the series circuit of the resistors R4 and R5 and the third output terminal 03. The controller 21 is provided with a transistor M3. The drain of the transistor M3 is connected to the high voltage terminal VDD via the resistor R6, and the source is connected to the low voltage terminal VSS via the third output terminal 03. The gate of the transistor M3 is connected to a connection point between the resistor R4 and the resistor R5. The drain of the transistor M3 is connected to the second output terminal 02 via the inverter 42, and outputs a low side off signal. The second output terminal 02 is connected to the input terminal Loff of the low-side pre-driver 12, specifically, one input terminal of the NOR circuit 40.

次に、このように構成されるスイッチング素子の保護回路による窒化物FETのサージ保護動作を、図3に示す回路図を参照しながら説明する。   Next, the surge protection operation of the nitride FET by the protection circuit of the switching element configured as described above will be described with reference to the circuit diagram shown in FIG.

まず、高電圧端子VDDに電圧が供給されてスイッチング素子の保護回路が動作している時のクランプ動作について説明する。サージ電圧の印加によってダイオードD1が耐圧超過でブレークすると、制御器21の内部の抵抗R1から第1出力端子01を介してゲート電流供給ラインに電流が供給される。このとき、トランジスタQ1,Q2のミラー回路にも電流が流れるので、抵抗R4と抵抗R5との分圧電圧がトランジスタM3のゲートに印加される。このため、トランジスタM3がオンし、インバータ42の入力側はLレベルとなる。このLレベルはインバータ42により反転されてHレベルがローサイドオフ信号として、第2出力端子02を介してローサイドプリドライバ12の入力端子Loffに送られる。即ち、そのHレベルはノア回路40に入力されるので、ノア回路40の出力はLレベルとなり、バッファ41を介してLレベルの信号が、ローサイドプリドライバ12の出力端子からトランジスタM2のゲートに送られ、トランジスタM2はオフする。その結果、トランジスタTr1のゲートにHレベルの信号が供給され、トランジスタTr1はオンする。   First, a clamp operation when a voltage is supplied to the high voltage terminal VDD and the protection circuit of the switching element is operating will be described. When the diode D1 breaks due to the surge voltage being applied and the breakdown voltage is exceeded, current is supplied from the resistor R1 inside the controller 21 to the gate current supply line via the first output terminal 01. At this time, since a current also flows through the mirror circuit of the transistors Q1 and Q2, a divided voltage of the resistors R4 and R5 is applied to the gate of the transistor M3. For this reason, the transistor M3 is turned on, and the input side of the inverter 42 becomes L level. The L level is inverted by the inverter 42 and the H level is sent to the input terminal Loff of the low side pre-driver 12 via the second output terminal 02 as a low side off signal. That is, since the H level is input to the NOR circuit 40, the output of the NOR circuit 40 becomes the L level, and an L level signal is sent from the output terminal of the low-side predriver 12 to the gate of the transistor M2 via the buffer 41. The transistor M2 is turned off. As a result, an H level signal is supplied to the gate of the transistor Tr1, and the transistor Tr1 is turned on.

このように、制御器21は、ダイオードD1がブレークするとトランジスタM2をオフさせるためのローサイドオフ信号を出力するため、アクティブクランプ動作は問題なく行われる。   Thus, since the controller 21 outputs the low side off signal for turning off the transistor M2 when the diode D1 breaks, the active clamping operation is performed without any problem.

次に、高電圧端子VDDに電圧が供給されずにスイッチング素子の保護回路が動作していない時のクランプ動作について説明する。サージ電圧の印加によってダイオードD1が耐圧超過でブレークすると、制御器21の内部の抵抗R1から第1出力端子01を介してゲート電流供給ラインに電流が供給される。ところが、トランジスタM1,M2はオフしているため、トランジスタTr1のゲート電位が上昇してHレベルの電圧が印加される。これにより、トランジスタTr1はオンする。   Next, a clamp operation when a voltage is not supplied to the high voltage terminal VDD and the switching element protection circuit is not operating will be described. When the diode D1 breaks due to the surge voltage being applied and the breakdown voltage is exceeded, current is supplied from the resistor R1 inside the controller 21 to the gate current supply line via the first output terminal 01. However, since the transistors M1 and M2 are off, the gate potential of the transistor Tr1 rises and an H level voltage is applied. As a result, the transistor Tr1 is turned on.

このように、制御器21は、ダイオードD1のブレークとともに、ゲート電流供給ラインへの電流の供給とローサイドのトランジスタM2をオフさせるローサイドオフ信号を出力する。従って、スイッチング素子の保護回路の高電圧端子VDDに電圧が印加されていなくてもトランジスタQ1及び抵抗R1を介して電流が供給されるためクランプ動作が行われる。   Thus, the controller 21 outputs a low-side off signal for supplying current to the gate current supply line and turning off the low-side transistor M2 together with the break of the diode D1. Therefore, even when no voltage is applied to the high voltage terminal VDD of the protection circuit for the switching element, a current is supplied through the transistor Q1 and the resistor R1, so that the clamping operation is performed.

図3に示すスイッチング素子の保護回路は、以下の利点を有する。   The switching element protection circuit shown in FIG. 3 has the following advantages.

(1)トランジスタM1はオンしないので、ゲート低抗が存在しなくても過大なゲート電流が発生しない。そのため、トランジスタTr1はクランプ動作され、サージエネルギーを消費することができる。 (1) Since the transistor M1 is not turned on, an excessive gate current is not generated even if there is no gate resistance. Therefore, the transistor Tr1 is clamped and can consume surge energy.

(2)クランプ動作とともにローサイドオフ信号が出力されるので、貫通電流の発生が防止される。 (2) Since the low-side off signal is output together with the clamping operation, generation of a through current is prevented.

(3)クランプ時のローサイドプリドライバ12ヘのローサイドオフ信号は、デッドタイムの影響とは無関係に送ることができる。 (3) The low-side off signal to the low-side pre-driver 12 at the time of clamping can be sent regardless of the influence of dead time.

(4)スイッチング素子の保護回路に電源が供給されているか否かに拘わらずクランプ動作による保護を行わせることができる
(5)変形例ではゲート抵抗の代わりにダイオードD2で電流を制御している。なお、ダイオードD2はなくてもよいし、抵抗であってもよい。要は、回路構成次第である。
(4) Protection by clamping operation can be performed regardless of whether power is supplied to the protection circuit of the switching element. (5) In the modification, the current is controlled by the diode D2 instead of the gate resistance. . The diode D2 may be omitted or a resistor. In short, it depends on the circuit configuration.

また、ゲート抵抗をゼロにすることにより、高速スイッチング動作が可能であり、また、窒化物FETの素子自体にダイオード的な回生動作を行わせることが可能になる。窒化物FETのゲート−ソースをショートすると、ソースがアノード端子、ドレインがカソード端子であって、窒化物FETの閾値電圧Vthを順方向電圧VFと見なしたダイオード的な特性になるので、発明が解決しようとする課題の欄で述べたゲート抵抗が存在する場合の問題を回避できる。   Further, by setting the gate resistance to zero, a high-speed switching operation can be performed, and the nitride FET element itself can perform a diode-like regenerative operation. When the gate-source of the nitride FET is short-circuited, the source is the anode terminal, the drain is the cathode terminal, and the threshold voltage Vth of the nitride FET is regarded as a forward voltage VF. The problem when the gate resistance described in the column of the problem to be solved exists can be avoided.

本発明の実施例2に係るスイッチング素子の保護回路は、クランプ用のダイオードD1を具体化したことを特徴とする。ダイオードD1としては、図4(a)に示すように、高耐圧ダイオードを単体でクランプ用とすることができるが、図4(b)に示すように、アノード同士を接続した2個のダイオードD2,D3で構成することもできる。また、図4(c)に示すように、直列に接続した2個のダイオードD4,D5のうちの1個(上段)のダイオードD4にコンデンサC1を並列に接続して構成することもできる、この場合、サージ高dv/dt時に、遅延を発生させることなくクランプ動作を行うことができる。   The protection circuit for a switching element according to the second embodiment of the present invention is characterized in that a clamping diode D1 is embodied. As the diode D1, as shown in FIG. 4A, a high-breakdown-voltage diode can be used alone for clamping, but as shown in FIG. 4B, two diodes D2 having anodes connected to each other are used. , D3. Further, as shown in FIG. 4C, a capacitor C1 can be connected in parallel to one (upper stage) diode D4 of two diodes D4 and D5 connected in series. In this case, it is possible to perform the clamping operation without causing a delay when the surge is high dv / dt.

特に、図3に示すようなIC内にダイオードを使用する時、素子が制限されて単体の高耐圧ダイオードの使用が難しい場合がある。この場合、直列にツェナーダイオードを並べるなどして高耐圧を実現するように構成できる。   In particular, when a diode is used in an IC as shown in FIG. 3, there are cases in which it is difficult to use a single high voltage diode because of limited elements. In this case, a high breakdown voltage can be realized by arranging Zener diodes in series.

図5は、本発明の実施例3に係るスイッチング素子の保護回路の構成を示す回路図である。実施例3に係るスイッチング素子の保護回路は、GaN−FETをワンチップ内でメイン(MAIN)のトランジスタTr1とサブ(SUB)のトランジスタTr2に分け、制御器21とトランジスタM2との間に抵抗R7を接続して構成されている。サブのトランジスタTr2の面積(電流容量)は、例えば、メインのトランジスタTr1の半分以下とすることができる。メインのトランジスタTr1のゲートにはゲート端子GATE MAINが設けられ、サブのトランジスタTr2のゲートにはゲート端子GATE SUBが設けられる。   FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration of a protection circuit for a switching element according to the third embodiment of the present invention. In the protection circuit for a switching element according to the third embodiment, a GaN-FET is divided into a main (MAIN) transistor Tr1 and a sub (SUB) transistor Tr2 in one chip, and a resistor R7 is provided between the controller 21 and the transistor M2. Is connected. The area (current capacity) of the sub transistor Tr2 can be, for example, half or less of that of the main transistor Tr1. A gate terminal GATE MAIN is provided at the gate of the main transistor Tr1, and a gate terminal GATE SUB is provided at the gate of the sub transistor Tr2.

次に、このように構成される実施例3に係るスイッチング素子の保護回路による窒化物FETのサージ保護動作を説明する。   Next, the surge protection operation of the nitride FET by the protection circuit of the switching element according to the third embodiment configured as described above will be described.

ダイオードD1のブレーク電流が、制御器21→抵抗R7→トランジスタM2の経路で流れ、サブのトランジスタTr2がオンする。これにより、制御器21からトランジスタM2のオフを指示するローサイドオフ信号が出力されてローサイドプリドライバ12に供給される。その結果、メインのトランジスタTr1もオンする。   The break current of the diode D1 flows through the path of the controller 21, the resistor R7, and the transistor M2, and the sub transistor Tr2 is turned on. As a result, a low-side off signal that instructs the transistor M2 to be turned off is output from the controller 21 and supplied to the low-side pre-driver 12. As a result, the main transistor Tr1 is also turned on.

実施例3に係るスイッチング素子の保護回路によれば、サブのトランジスタTr2を素早くオンさせることにより、サージ保護動作の開始が早くなる。その後、メインのトランジスタTr1がオンするので、GaN−FETをサージ電圧から保護することができる。サブのトランジスタTr2のゲート抵抗R7が必要になるが、メインのトランジスタTr1のゲート抵抗は必要ないので、メインのトランジスタTr1のスイッチング速度を高速化できる。なお、制御器21とサブのトランジスタTr2のゲートとの間に抵抗またはダイオードを挿入するように構成することもできる。   According to the protection circuit for a switching element according to the third embodiment, the surge protection operation can be started quickly by quickly turning on the sub transistor Tr2. Thereafter, since the main transistor Tr1 is turned on, the GaN-FET can be protected from the surge voltage. Although the gate resistance R7 of the sub transistor Tr2 is required, the gate resistance of the main transistor Tr1 is not necessary, so that the switching speed of the main transistor Tr1 can be increased. Note that a resistor or a diode may be inserted between the controller 21 and the gate of the sub transistor Tr2.

本発明は、スイッチング素子の破壊防止と高速性が要求される種々の回路に適用可能である。   The present invention is applicable to various circuits that require prevention of switching element destruction and high speed.

11 ハイサイドプリドライバ
12 ローサイドプリドライバ
21 制御器
M1 ハイサイドのトランジスタ(PMOS)
M2 ローサイドのトランジスタ(NMOS)
M3 トランジスタ(NMOS)
Tr1,Tr2 トランジスタ(スイッチング素子)
D1〜D5 ダイオード
R1〜R7 抵抗
C1〜C3 コンデンサ
Q1,Q2 トランジスタ(PNP)
IN 入力端子
VDD 高電圧端子
VSS 低電圧端子
DRAIN ドレイン端子
GATE,GATE MAIN,GATE SUB ゲート端子
11 High-side pre-driver 12 Low-side pre-driver 21 Controller M1 High-side transistor (PMOS)
M2 Low side transistor (NMOS)
M3 transistor (NMOS)
Tr1, Tr2 transistors (switching elements)
D1-D5 Diode R1-R7 Resistor C1-C3 Capacitor Q1, Q2 Transistor (PNP)
IN input terminal VDD high voltage terminal VSS low voltage terminal DRAIN drain terminal GATE, GATE MAIN, GATE SUB gate terminal

Claims (1)

直列に接続された高圧側素子及び低圧側素子と、
前記高圧側素子をオンオフさせる信号を出力するハイサイドプリドライバと、
前記高圧側素子と逆のオンオフ状態になるように前記低圧素子をオンオフさせる信号を出力するローサイドプリドライバと、
前記高圧側素子と前記低圧側素子の接続点に制御端子が接続されたメインのスイッチング素子と、
前記高圧側素子と前記低圧側素子の接続点に抵抗を介して制御端子が接続されたサブのスイッチング素子と、
前記メインのスイッチング素子の一方の端子にカソードが接続されたダイオードと、
前記ダイオードのアノードに入力端子が接続され、該ダイオードのブレーク時に前記サブのスイッチング素子の制御端子に電流を供給するとともに、前記低圧側素子のオフを指示するローサイドオフ信号を前記ローサイドプリドライバに供給する制御器とを備え
前記制御器からのローサイドオフ信号を受けたローサイドプリドライバによって低圧側素子をオフすることにより前記メインのスイッチング素子の制御端子に電流を供給することを特徴とするスイッチング素子の保護回路。
A high voltage side element and a low voltage side element connected in series;
A high-side pre-driver that outputs a signal for turning on and off the high-voltage side element;
A low-side pre-driver that outputs a signal for turning on and off the low-voltage element so as to be in an on / off state opposite to the high-voltage side element;
A main switching element having a control terminal connected to a connection point between the high voltage side element and the low voltage side element;
A sub switching element having a control terminal connected to a connection point between the high-voltage side element and the low-voltage side element via a resistor;
A diode having a cathode connected to one terminal of the main switching element;
An input terminal is connected to the anode of the diode, and a current is supplied to the control terminal of the sub switching element when the diode breaks, and a low-side off signal for instructing the low-voltage side element to be turned off is supplied to the low-side predriver. and a controller for,
A switching element protection circuit , wherein a current is supplied to a control terminal of the main switching element by turning off a low-voltage side element by a low-side pre-driver that has received a low-side off signal from the controller .
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