JP5907102B2 - Semiconductor device - Google Patents

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本発明は、半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device.

最近、ハイブリッド自動車(Hybrid Vehicle)や電気自動車(Electric Vehicle)では、モータを駆動するのに、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのスイッチング素子が広く利用されている。   Recently, in hybrid vehicles and electric vehicles, switching elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are widely used to drive motors.

スイッチング素子でモータを駆動するには、通常、上アームと呼ばれるスイッチング素子と、上アームと対向する下アームと呼ばれるスイッチング素子とを上下直列に接続して、上下アームの接続点に負荷となるモータの巻き線を接続し、対向するアームを交互にONさせて巻き線に流す電流を制御している。   In order to drive a motor with a switching element, a switching element called an upper arm and a switching element called a lower arm facing the upper arm are usually connected in series in the vertical direction, and the motor becomes a load at the connection point of the upper and lower arms Are connected to each other and the opposing arms are alternately turned on to control the current flowing through the winding.

しかし、上下アームのいずれかがスイッチングONのときに、対向するアームが短絡故障を起こした場合、ONになっている素子のゲート電極の電圧が上昇し、過電流が流れて素子を損傷させてしまうことがあった。   However, when one of the upper and lower arms is switched on and the opposing arm causes a short-circuit failure, the voltage of the gate electrode of the turned-on element rises, overcurrent flows and damages the element. There was a case.

例えば、特許文献1には、IGBTのゲート端子の電圧に基づいてIGBTの短絡を検知してIGBTに流れる電流を遮断する技術が記載されている。   For example, Patent Document 1 describes a technique for detecting a short circuit of an IGBT based on a voltage at a gate terminal of the IGBT and cutting off a current flowing through the IGBT.

また、特許文献2には、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)のゲート電極にサイリスタを接続して、短絡電流からMOSFETを保護する技術が記載されている。   Patent Document 2 describes a technique for protecting a MOSFET from a short-circuit current by connecting a thyristor to a gate electrode of a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).

特開2011−29818号公報JP 2011-29818 A 特開平01−318430号公報Japanese Patent Laid-Open No. 01-318430

しかし、上記特許文献1に記載された従来の技術では、短絡を検知してから電流を遮断するまでに時間が掛かってしまい、スイッチング素子を損傷させてしまう場合があった。   However, in the conventional technique described in Patent Document 1, it takes time until the current is interrupted after the short circuit is detected, and the switching element may be damaged.

また、特許文献2に記載された従来の技術では、サイリスタをそのままゲートに接続するため、保護対象となるMOSFETの耐圧、電流特性にサイリスタ素子の特性を合わせるのが困難であった。   In the prior art described in Patent Document 2, since the thyristor is directly connected to the gate, it is difficult to match the characteristics of the thyristor element with the breakdown voltage and current characteristics of the MOSFET to be protected.

そこで、本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子のゲート電圧が急上昇した場合であっても、ゲート電圧を素早く低下させる半導体装置を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of quickly reducing the gate voltage even when the gate voltage of the switching element rapidly increases. To do.

上記課題に鑑み、本発明における半導体装置は、第1の駆動電極を有し、前記第1の駆動電極にて動作される第1のスイッチング部と、前記第1の駆動電極側に接続されて、前記第1のスイッチング部のGND側電極を基準とする前記第1の駆動電極の電圧が第1の電圧以上で導通して前記第1の電圧より低い第2の電圧で前記導通を保持するスナップバック特性を有する第2のスイッチング部と、前記第2のスイッチング部が導通することにより動作して、前記第1の駆動電極の電荷を吸引する第3のスイッチング部と、を備える。
In view of the above problems, a semiconductor device according to the present invention has a first drive electrode, and is connected to the first switching unit operated by the first drive electrode and the first drive electrode side. The voltage of the first drive electrode with respect to the GND-side electrode of the first switching unit becomes conductive when the voltage is equal to or higher than the first voltage, and the conductivity is maintained at a second voltage lower than the first voltage. A second switching unit having a snapback characteristic; and a third switching unit that operates when the second switching unit conducts and sucks the charge of the first drive electrode.

本発明の実施形態によれば、スイッチング素子のゲート電圧が急上昇した場合であっても、ゲート電圧を素早く低下させる半導体装置を提供することができる。   According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that can quickly decrease the gate voltage even when the gate voltage of the switching element rapidly increases.

第1の実施形態における回路図Circuit diagram in the first embodiment 第1の実施形態における、Vceのグラフ(a)、Vgeのグラフ(b)、Icのグラフ(c)Vce graph (a), Vge graph (b), Ic graph (c) in the first embodiment 第2の実施形態における回路図Circuit diagram in the second embodiment 第3の実施形態における回路図Circuit diagram in the third embodiment 第3の実施形態における、Vceのグラフ(a)、Vgeのグラフ(b)、Icのグラフ(c)Vce graph (a), Vge graph (b), Ic graph (c) in the third embodiment 第3の実施形態におけるVgeをシミュレーションしたグラフThe graph which simulated Vge in a 3rd embodiment

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を、実施形態1〜実施形態3の3つの態様により説明する。
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態における回路図の一例である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the three aspects of Embodiments 1 to 3 with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is an example of a circuit diagram in the first embodiment.

図1において、半導体装置1は、「第1のスイッチング部」として、IGBT素子Q1(以下、「Q1」と略す。)を備えている。本実施形態ではスイッチング素子としてIGBTを例示して説明するが、スイッチング素子は例えばMOSFETであっても良い。   In FIG. 1, the semiconductor device 1 includes an IGBT element Q1 (hereinafter abbreviated as “Q1”) as a “first switching unit”. In the present embodiment, an IGBT is described as an example of the switching element, but the switching element may be a MOSFET, for example.

Q1は、コレクタ、エミッタ及び「第1の駆動電極」としてゲートを備えている。また、Q1は、コレクタから流入するコレクタ電流Icの一部を分流させて電流を流すセンスエミッタ端子SEを備えており、センスエミッタ端子SEに接続されたセンス抵抗R1に流れる電流によって電圧に変換されて、過電流検知部12にて過電流を検出する。   Q1 includes a collector, an emitter, and a gate as a “first drive electrode”. Further, Q1 has a sense emitter terminal SE for flowing a current by dividing a part of the collector current Ic flowing from the collector, and is converted into a voltage by a current flowing through a sense resistor R1 connected to the sense emitter terminal SE. Thus, the overcurrent detector 12 detects an overcurrent.

Q1のコレクタとエミッタ間にはダイオードD1が接続されている。ダイオードD1は、Q1のエミッタからコレクタに向かう方向が順方向となるように接続されており、駆動するモータのコイルが電流遮断時に発生する逆起電力を逃してQ1の破損を防止している。なお、ダイオードD1は、スイッチング素子にMOSFETを使用する場合は不要である。   A diode D1 is connected between the collector and emitter of Q1. The diode D1 is connected so that the direction from the emitter to the collector of Q1 becomes a forward direction, and the coil of the motor to be driven misses back electromotive force generated when the current is interrupted to prevent Q1 from being damaged. The diode D1 is not necessary when a MOSFET is used as the switching element.

Q1のコレクタとゲートとの間には、容量性インピーダンスCgcが存在しており、コレクタの電圧の変動を、容量性インピーダンスCgcを通じてゲートGに伝達する。従って、Q1のコレクタの電圧が急上昇した場合、ゲートの電圧も急上昇しさせる。   A capacitive impedance Cgc exists between the collector and the gate of Q1, and the fluctuation of the collector voltage is transmitted to the gate G through the capacitive impedance Cgc. Accordingly, when the voltage at the collector of Q1 rises rapidly, the voltage at the gate also rises rapidly.

Q1のコレクタには、Q1と対向する図示しないIGBT素子(上アーム)のエミッタが直列に接続されており、上下アームの組を形成している。図示しているQ1は、下アームである。半導体装置によるモータ駆動は、モータが3相の巻き線で構成される場合には、通常3組の上下アームの組によって順次巻き線が駆動される。   An emitter of an IGBT element (upper arm) (not shown) facing Q1 is connected in series to the collector of Q1, forming a set of upper and lower arms. Q1 shown is a lower arm. In the motor driving by the semiconductor device, when the motor is constituted by three-phase windings, the windings are usually driven sequentially by a set of three upper and lower arms.

Q1を含む上下アームを形成するIGBTは、ゲートGに接続された駆動制御回路11によって順次駆動される。Q1は、駆動制御回路11によってゲート電極Gに電圧が加わることによりONとなり、ゲート電極Gに負の電圧が加わることによりOFFとなる。   The IGBTs forming the upper and lower arms including Q1 are sequentially driven by the drive control circuit 11 connected to the gate G. Q1 is turned on when a voltage is applied to the gate electrode G by the drive control circuit 11, and turned off when a negative voltage is applied to the gate electrode G.

第1の実施形態では、点線で囲ったダイナミッククランプ回路Aが「第1の駆動電極側」に接続されている。「ダイナミッククランプ回路」とは、サージなどにより発生した異常電圧を所定の電圧に戻して安定化させる回路であり、アクティブクランプと同じ意味である。本実施形態においては、Q1のゲート電圧を安定化させる。   In the first embodiment, the dynamic clamp circuit A surrounded by a dotted line is connected to the “first drive electrode side”. A “dynamic clamp circuit” is a circuit that stabilizes an abnormal voltage generated by a surge or the like by returning it to a predetermined voltage, and has the same meaning as an active clamp. In the present embodiment, the gate voltage of Q1 is stabilized.

ダイナミッククランプ回路Aにおいて、Q1のゲートには、Q1のゲートからGND(グランド)に向かう方向が逆方向となるように、ツェナーダイオードZ1(以下、「Z1」と略す。)のカソードを接続する。Z1のアノードには、Q1のゲートGからGNDに向かう方向が順方向になるように、「第2のスイッチング部」としてのサイリスタT1(以下、「T1」と略す。)のアノードを接続する。さらにT1のカソードには、抵抗R2(以下、「R2」と略す。)の一端を接続し、R2の他端はGNDに接続する。つまり、Q1のゲートからGNDの間に、逆方向のZ1、順方向のT1及びR2が直列に接続される。   In the dynamic clamp circuit A, the cathode of a Zener diode Z1 (hereinafter abbreviated as “Z1”) is connected to the gate of Q1 so that the direction from the gate of Q1 to GND (ground) is opposite. The anode of Z1 is connected to the anode of a thyristor T1 (hereinafter abbreviated as “T1”) as a “second switching unit” so that the direction from the gate G of Q1 toward GND is the forward direction. Further, one end of a resistor R2 (hereinafter abbreviated as “R2”) is connected to the cathode of T1, and the other end of R2 is connected to GND. In other words, Z1 in the reverse direction and T1 and R2 in the forward direction are connected in series between the gate of Q1 and GND.

Q1のゲートとGNDの間には、「第3のスイッチング部」としてnチャンネルのMOSFET素子M1(以下、「M1」と略す。)を、M1のドレインがQ1のゲートに、M1のソースがGNDに接続されるように接続する。M1のゲートは、T1のカソードと抵抗R2の間に接続する。T1は、R2に生じる電圧によって駆動される。   Between the gate of Q1 and GND, an n-channel MOSFET element M1 (hereinafter abbreviated as “M1”) is used as a “third switching unit”. The drain of M1 is the gate of Q1 and the source of M1 is the GND. Connect to be connected to. The gate of M1 is connected between the cathode of T1 and the resistor R2. T1 is driven by the voltage generated at R2.

なお、スイッチング素子が導通(ON)状態になる動作をターンオン、非導通(OFF)状態になる動作をターンオフという。   Note that an operation in which the switching element is in a conductive (ON) state is referred to as turn-on, and an operation in which the switching element is in a non-conductive (OFF) state is referred to as turn-off.

ここで、Q1がONのときに、上アームが短絡故障を起こした場合の動作を、図2を用いて説明する。図2は、第1の実施形態における、Vceのグラフの一例(a)、Vgeのグラフの一例(b)、及びIcのグラフの一例(c)である。ここで、Vceは、Q1のコレクタ−エミッタ間の電圧である。Vgeは、Q1のゲート−エミッタ間の電圧である。Icは、Q1のコレクタ電流である。   Here, an operation when the upper arm causes a short-circuit fault when Q1 is ON will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an example (a) of a Vce graph, an example (b) of a Vge graph, and an example (c) of an Ic graph in the first embodiment. Here, Vce is a voltage between the collector and emitter of Q1. Vge is the gate-emitter voltage of Q1. Ic is the collector current of Q1.

図2(a)において、時刻t<t1でVgeはターンオン電圧Vg_onが印加され、Q1がON状態になっている。   In FIG. 2A, the turn-on voltage Vg_on is applied to Vge at time t <t1, and Q1 is in the ON state.

時刻t=t1にて、上アームに短絡故障が発生したとすると、Q1のVceは、短絡電圧まで急上昇し一定値となる。Vceの上昇に対応して、Vgeは、図2(b)に示すとおり、容量性インピーダンスCgcの時定数によって上昇する。また、Vgeが上昇することにより、図2(c)に示すとおり、コレクタ電流Icも上昇する。   If a short circuit failure occurs in the upper arm at time t = t1, Vce of Q1 rises rapidly to the short circuit voltage and becomes a constant value. Corresponding to the increase in Vce, Vge increases with the time constant of the capacitive impedance Cgc, as shown in FIG. Further, as Vge increases, the collector current Ic also increases as shown in FIG.

図2(b)及び(c)の点線で示した部分は、第1の実施形態による動作が行われなかった場合のグラフである。VgeはQ1のターンオン電圧Vg_onを大きく超え、Icには大きな電流が流れ、Q1には電流量に応じた熱が発生し、Q1を損傷させてしまう場合がある。容量性インピーダンスCgcによる発生する電圧は、Vceの交流成分に応じて上昇し、直流成分に対しては電圧を発生しないため、Vceの値が一定値になることによりVgeの値は所定の上限値まで達し、その後はターンオン電圧までゆっくり戻される。また、Icの値もVgeの値の低下とともに徐々に低下していく。IcはQ1がONの時の内部抵抗値により熱となるため、例えば、Icの定格値の大きいスイッチング素子を使えば熱による損傷を防ぐことができる。しかし、定格電流が増えると素子が大型化してしまい、また大きな放熱部等を必要とするため、例えば車両などでの使用は難しい。本実施の形態においては、図2(b)及び(c)の点線で示したグラフから、実線で示したグラフにVge及びIcを低減させる。   The portions indicated by the dotted lines in FIGS. 2B and 2C are graphs when the operation according to the first embodiment is not performed. Vge greatly exceeds the turn-on voltage Vg_on of Q1, a large current flows through Ic, heat corresponding to the amount of current is generated in Q1, and Q1 may be damaged. Since the voltage generated by the capacitive impedance Cgc rises according to the AC component of Vce and does not generate a voltage for the DC component, the value of Vge becomes a predetermined upper limit when the value of Vce becomes a constant value. And then slowly returned to the turn-on voltage. Also, the value of Ic gradually decreases as the value of Vge decreases. Since Ic becomes heat due to the internal resistance value when Q1 is ON, for example, if a switching element having a large rated value of Ic is used, damage due to heat can be prevented. However, when the rated current increases, the element becomes larger, and a large heat radiating part is required, so that it is difficult to use it in a vehicle, for example. In the present embodiment, Vge and Ic are reduced from the graph indicated by the dotted line in FIGS. 2B and 2C to the graph indicated by the solid line.

ここで、Z1の降伏電圧をVz1、「第1の電圧」としてのT1のトリガ電圧をVtrig、さらに、「第2の電圧」としてのT1のホールド電圧をVholdとする。サイリスタのトリガ電圧とは、サイリスタのアノード−カソード間の電圧がこれ以上の値になるとサイリスタがターンオンする電圧であり、ホールド電圧とは、ターンオンしたサイリスタのオン状態を保持する保持電流Iholdにおけるアノード−カソード間の電圧である。サイリスタは、トリガ電圧でターンオンし、トリガ電圧より低い電圧であるホールド電圧にて導通状態を保持するスナップバック特性を備えている。R2を流れるIholdによって生じる電圧はM1のゲートに印加される。   Here, the breakdown voltage of Z1 is Vz1, the trigger voltage of T1 as “first voltage” is Vtrig, and the hold voltage of T1 as “second voltage” is Vhold. The trigger voltage of the thyristor is a voltage at which the thyristor is turned on when the voltage between the anode and the cathode of the thyristor becomes a value higher than this, and the hold voltage is the anode − at the holding current Ihold that holds the on state of the turned on thyristor This is the voltage between the cathodes. The thyristor has a snapback characteristic that is turned on with a trigger voltage and maintains a conductive state with a hold voltage that is lower than the trigger voltage. The voltage generated by Ihold flowing through R2 is applied to the gate of M1.

第1の実施形態では、Q1のゲートの電荷の引き抜きはM1によって行う。M1のゲート閾値電圧を、R2・Iholdとなるように設定する。   In the first embodiment, the charge of the gate of Q1 is extracted by M1. The gate threshold voltage of M1 is set to be R2 · Ihold.

図2(b)において、検出閾値Vg_hiは、Q1のゲート電圧がこれ以上となった場合に異常を検出する電圧である。また、クランプ電圧Vg_lowは、Q1のゲートの電荷を引き抜くためのクランプ電圧である。クランプ電圧Vg_lowは、Q1のターンオン電圧より低くすることにより、Icの流入を制限させることができる。検出閾値Vg_hi及びクランプ電圧Vg_lowは以下の式で表される。
Vg_hi=Vtrig+Vz1・・・(イ)
Vg_low=Vhold+Vz1+R2・Ihold・・・(ロ)
第1の実施形態では、上記式(イ)及び(ロ)によって、Vtrig、Vhold及びIholdの特性を有するT1、降伏電圧がVzのZ1、及びゲート閾値がR2・IholdのM1を選択することにより、所望するVg_hi及びVg_lowの特性を有する半導体装置を提供することができる。
In FIG. 2B, the detection threshold value Vg_hi is a voltage for detecting an abnormality when the gate voltage of Q1 exceeds this value. The clamp voltage Vg_low is a clamp voltage for extracting the charge of the gate of Q1. The inflow of Ic can be limited by making the clamp voltage Vg_low lower than the turn-on voltage of Q1. The detection threshold Vg_hi and the clamp voltage Vg_low are expressed by the following equations.
Vg_hi = Vtrig + Vz1 (B)
Vg_low = Vhold + Vz1 + R2 · Ihold (b)
In the first embodiment, T1 having the characteristics of Vtrig, Vhold, and Ihold, Z1 having a breakdown voltage of Vz, and M1 having a gate threshold of R2 · Ihold are selected by the above formulas (A) and (B). A semiconductor device having desired characteristics of Vg_hi and Vg_low can be provided.

図2(b)のt2にて、VgeがVg_hiとなると、T1がターンオンすることにより、R2に電流が流れてM1がONとなり、VgeはT1のホールド電圧Vhold及びホールド電流Iholdによって、t3にて、Vg_lowにクランプされる。また、図2(c)のt2にて、M1がONとなると、Q1のIcは、t3より、T1のホールド電流Iholdに応じてバランスすることになり安定してQ1のゲートに溜まった電荷を引き抜くことができる。これにより、単位時間あたりの発熱量を抑えてQ1の損傷を防止することができる。   When Vge becomes Vg_hi at t2 in FIG. 2B, when T1 is turned on, a current flows through R2 and M1 is turned ON, and Vge is at t3 by the hold voltage Vhold and hold current Ihold of T1. , Vg_low. Further, when M1 is turned on at t2 in FIG. 2C, Ic of Q1 is balanced according to the hold current Ihold of T1 from t3, and the charge accumulated in the gate of Q1 is stably stabilized. Can be pulled out. As a result, the amount of heat generated per unit time can be suppressed and damage to Q1 can be prevented.

また、本実施形態においては、対向アームの短絡によるゲート電極Gの電圧の上昇を、例えばコンパレータや制御回路などを用いることなく検知できるので、ゲート電極Gの電圧を素早く低下させることができる。   In the present embodiment, since the increase in the voltage of the gate electrode G due to the short circuit of the opposing arm can be detected without using, for example, a comparator or a control circuit, the voltage of the gate electrode G can be quickly reduced.

また、M1を駆動するホールド電流Iholdは小さい電流で良いため、ツェナーダイオードZ1やサイリスタT1等を小型化することが可能となる。
[第2の実施形態]
次に、図3を用いて第2の実施形態を説明する。図3は、第2の実施形態における回路図の一例である。
Further, since the hold current Ihold for driving M1 may be a small current, the Zener diode Z1, the thyristor T1, etc. can be downsized.
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an example of a circuit diagram according to the second embodiment.

図3において、点線部のダイナミッククランプ回路Bは、図1におけるダイナミッククランプ回路Aと等価な動作を行う。また、サイリスタ動作部Cは、図1におけるサイリスタT1と等価な動作を行う。図3で示す第2の実施形態の回路は、第1の実施形態における図1の回路をより実装に近い回路で例示したものである、第1の実施形態におけるサイリスタT1の特性を選択することに変えて、回路Cにおけるトランジスタ等の特性にてサイリスタT1と同等の特性を得ることができる。従って、図3の回路による第2の実施形態においても、動作は図2で説明した動作と同じである。なお、図1と重複する点線B以外の回路部分は記載を省略している。   In FIG. 3, the dynamic clamp circuit B in the dotted line portion performs an operation equivalent to the dynamic clamp circuit A in FIG. Further, the thyristor operation unit C performs an operation equivalent to the thyristor T1 in FIG. The circuit of the second embodiment shown in FIG. 3 is an example of the circuit of FIG. 1 in the first embodiment that is closer to the mounting, and selects the characteristics of the thyristor T1 in the first embodiment. Instead, the characteristics equivalent to those of the thyristor T1 can be obtained in the characteristics of the transistors and the like in the circuit C. Therefore, also in the second embodiment using the circuit of FIG. 3, the operation is the same as the operation described in FIG. Note that description of circuit portions other than the dotted line B overlapping with FIG. 1 is omitted.

図3において、Q1のゲートには、ダイナミッククランプ回路Bが接続される。ダイナミッククランプ回路Bには、第1の実施形態と同じM1が使用される。一方、第2の実施形態では、トランジスタQ3及びトランジスタQ4(以下、「Q3」及び「Q4」と略す。)を備える。また、ダイオードD2及びダイオードD3(以下、「D2」及び「D3」と略す。)を備える。また、ツェナーダイオードZ2、ツェナーダイオードZ3及びツェナーダイオードZ4(以下、「Z2」、「Z3」及び「Z4」と略す。)を備える。また、抵抗R2に加えて、抵抗R4及び抵抗R5(以下、「R4」及び「R5」と略す。)を備える。
さらに、コンデンサC2及びコンデンサC3(以下、「C2」及び「C3」と略す。)を備えている。Q1のゲートには、順方向のD2、逆方向のZ2及びZ3が直列に接続されて、Z3のアノードにはZ4のカソード、Q3のコレクタ及びR4一端が並列に接続される。Q3のエミッタとZ4のアノードは、R5の一端に接続される。また、Q4のベースは、Z4のアノードとR5の間に接続される。Q4のコレクタは、R4の他端とQ3のベースに接続される。Q4のエミッタは、R5の他端とともにR2の一端に接続されて、さらにR2の他端はGNDに接続される。
In FIG. 3, a dynamic clamp circuit B is connected to the gate of Q1. The same M1 as in the first embodiment is used for the dynamic clamp circuit B. On the other hand, the second embodiment includes a transistor Q3 and a transistor Q4 (hereinafter abbreviated as “Q3” and “Q4”). In addition, a diode D2 and a diode D3 (hereinafter abbreviated as “D2” and “D3”) are provided. In addition, a Zener diode Z2, a Zener diode Z3, and a Zener diode Z4 (hereinafter abbreviated as “Z2”, “Z3”, and “Z4”) are provided. In addition to the resistor R2, a resistor R4 and a resistor R5 (hereinafter abbreviated as “R4” and “R5”) are provided.
Furthermore, a capacitor C2 and a capacitor C3 (hereinafter abbreviated as “C2” and “C3”) are provided. A forward D2 and reverse Z2 and Z3 are connected in series to the gate of Q1, and a cathode of Z4, a collector of Q3, and one end of R4 are connected in parallel to the anode of Z3. The emitter of Q3 and the anode of Z4 are connected to one end of R5. The base of Q4 is connected between the anode of Z4 and R5. The collector of Q4 is connected to the other end of R4 and the base of Q3. The emitter of Q4 is connected to one end of R2 together with the other end of R5, and the other end of R2 is connected to GND.

ここで、Z2、Z3及びZ4の降伏電圧を、それぞれVz2、Vz3及びVz4とする。また、サイリスタ動作部Cのトリガ電圧をVtrig、トリガ電流をItrig、ホールド電圧をVholdとする。また、D2の順方向電圧をVd2とする。   Here, the breakdown voltages of Z2, Z3 and Z4 are Vz2, Vz3 and Vz4, respectively. The trigger voltage of the thyristor operation unit C is Vtrig, the trigger current is Itrig, and the hold voltage is Vhold. Further, the forward voltage of D2 is set to Vd2.

第2の実施形態において、Q1のゲートの電圧検出閾値Vg_hi及びクランプ電圧Vg_lowは以下の式で表される。
Vg_hi=Vtrig+Vd2+Vz2+Vz3+Vz4・・・(ハ)
(ただし、Vtrig=(R5+R2)・Itrig)
Vg_low=Vhold+Vd2+Vz2+Vz3+R2・Ihold・・・(ニ)
ここで、Q3オン時のコレクタ−エミッタ間の順方向電圧降下をVceQ3on、トランジスタQ4のベース−エミッタ間の電圧降下をVbeQ4とすると、
Vhold=VceQ3on+VbeQ4・・・(ホ)
である(ただし、R4、R5による分流は無視する。)。
In the second embodiment, the voltage detection threshold Vg_hi and the clamp voltage Vg_low of the gate of Q1 are expressed by the following equations.
Vg_hi = Vtrig + Vd2 + Vz2 + Vz3 + Vz4 (C)
(However, Vtrig = (R5 + R2) · Itrig)
Vg_low = Vhold + Vd2 + Vz2 + Vz3 + R2 / Ihold (D)
Here, when the forward voltage drop between the collector and the emitter when Q3 is on is VceQ3on and the voltage drop between the base and the emitter of the transistor Q4 is VbeQ4,
Vhold = VceQ3on + VbeQ4 ... (e)
(However, the diversion by R4 and R5 is ignored).

ここで、トリガ電圧をVtrigは、Q4のベースがオンとなる電圧であり、D2、Z2、Z3及びZ4、R5及びR2に流れるトリガ電流をItrigにより、R5及びR2に生じる電圧である。また、M1ゲート閾値は、第1の実施形態同様に、R2・Iholdとなるようにする。   Here, the trigger voltage Vtrig is a voltage at which the base of Q4 is turned on, and a trigger current flowing in D2, Z2, Z3 and Z4, R5 and R2 is a voltage generated in R5 and R2 by Itrig. Also, the M1 gate threshold is set to R2 · Ihold as in the first embodiment.

一般的に、サイリスタを用いた回路設計を行う場合には、所望する特性に近いサイリスタを選定し、そのサイリスタの特性に合わせるように回路設計を行う。一方、第2の実施形態では、サイリスタ動作を等価回路にて設計できるので、回路設計の自由度を大きくすることができる。また、サイリスタの特性の個体差の影響を受けにくくすることが可能となる。
[第3の実施形態]
次に、図5を用いて、第3の実施形態を説明する。図5は、第3の実施形態における回路図の一例である。
Generally, when designing a circuit using a thyristor, a thyristor close to a desired characteristic is selected, and the circuit design is performed so as to match the characteristic of the thyristor. On the other hand, in the second embodiment, since the thyristor operation can be designed with an equivalent circuit, the degree of freedom in circuit design can be increased. In addition, it is possible to make it less susceptible to individual differences in thyristor characteristics.
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an example of a circuit diagram according to the third embodiment.

第3の実施形態は、第2の実施形態に対して点線で囲った補償回路Dに追加したものである。一般的に、閾値電圧Vthのバラツキは、例えば、ゲート酸化膜内の固定電荷やトラップ電荷により生じる。M1ゲート閾値電圧(スレッシュホールド電圧)VM1thも温度によって変動することになる。例えば、温度が低下した場合、ゲート閾値電圧が降下し、R2を流れる電流が小さい場合であってもM1がオンになりクランプ状態となる。従って、温度が低下すると、クランプされるQ1のゲート電圧も低下することになる。   In the third embodiment, a compensation circuit D surrounded by a dotted line is added to the second embodiment. In general, the variation in the threshold voltage Vth is caused by, for example, a fixed charge or a trap charge in the gate oxide film. The M1 gate threshold voltage (threshold voltage) VM1th also varies with temperature. For example, when the temperature drops, the gate threshold voltage drops, and even when the current flowing through R2 is small, M1 turns on and enters a clamped state. Therefore, when the temperature is lowered, the gate voltage of Q1 to be clamped is also lowered.

補償回路Dは、Z2のアノードとZ3のカソードの間に、M1と同等の素子であるMOSFET素子M2(以下、「M2」と略す。)を、M2のソースをZ2のアノードに、M2のドレインをZ3のカソードに接続するように接続する。このとき、M2は、Q1のゲートに向かって順方向バイアスとなる。なお、「同等の素子」とは、スイッチング素子の特性値が同等である素子である。例えば、同じ型式の素子を選択することにより同等の素子を利用することができる。また、製造時期や製造ロットを合わすことにより、さらに互いの特性値の個体差が少ない素子の利用が期待できる。   The compensation circuit D includes a MOSFET element M2 (hereinafter abbreviated as “M2”) equivalent to M1 between the anode of Z2 and the cathode of Z3, the source of M2 as the anode of Z2, and the drain of M2 To be connected to the cathode of Z3. At this time, M2 becomes a forward bias toward the gate of Q1. The “equivalent element” is an element having the same characteristic value of the switching element. For example, equivalent elements can be used by selecting elements of the same type. Further, by combining the manufacturing time and the manufacturing lot, it is possible to expect the use of an element with less individual difference between the characteristic values.

M1のゲート電圧は、サイリスタが動作する前において、R2に流れる電流をI、Q1のゲート電圧をVQ1g、M2オン時の順方向バイアス電圧をVM2onとすると、
VQ1g=(R5+R2)・I+Vd2+Vz2−VM2on+Vz3+Vz4・・・(ヘ)
となる。ここでVQ1gが電圧検出閾値VQ1g_hiに達すると、サイリスタ動作部Cが動作し、M1のゲート電圧VgM1は、
VQ1g_hi=VgM1+Vd2+Vz2−VM2on+Vz3+VceQ3on+VbeQ4・・・(ト)
の関係となる。
As for the gate voltage of M1, the current flowing through R2 is I, the gate voltage of Q1 is VQ1g, and the forward bias voltage when M2 is on is VM2on before the thyristor operates.
VQ1g = (R5 + R2) · I + Vd2 + Vz2−VM2on + Vz3 + Vz4 (f)
It becomes. Here, when VQ1g reaches the voltage detection threshold VQ1g_hi, the thyristor operation unit C operates, and the gate voltage VgM1 of M1 is
VQ1g_hi = VgM1 + Vd2 + Vz2-VM2on + Vz3 + VceQ3on + VbeQ4 (G)
It becomes the relationship.

式(ト)で、VM2onは、M2がダイオード接続されているため、M2の閾値電圧をVM2thとすると、VM2on=VM2thである。   In Formula (g), since M2 is diode-connected, VM2on is VM2on = VM2th, where M2 is the threshold voltage VM2th.

ここで、M1のオーバードライブ電圧は、VM1g−VM1thであるが、MOSFET素子M1とM2は同じ温度特性を有するため、VM1th=VM2thである。従って、ダイオード接続されたM2によって、M1のオーバードライブ電圧はVthM1の影響を相殺できる。つまり、第3の実施形態においては、温度変化によってM1の閾値電圧が変化してR2に発生する電圧が変化する場合であっても、M2の閾値電圧(負の電圧)も低下するため、Q1のゲートのクランプ電圧の変動を補償することが可能となる。   Here, the overdrive voltage of M1 is VM1g−VM1th, but since MOSFET elements M1 and M2 have the same temperature characteristics, VM1th = VM2th. Therefore, the M1 overdrive voltage can cancel the influence of VthM1 by the diode-connected M2. That is, in the third embodiment, even when the threshold voltage of M1 changes due to a temperature change and the voltage generated in R2 changes, the threshold voltage of M2 (negative voltage) also decreases. It is possible to compensate for variations in the gate clamp voltage.

なお、補償回路DのR7は、M2のソース電圧を、VQ1g−Vd2−Vz1にクランプする。また、R6は、ダイオード接続したM2のドレイン電圧をVQ1g−Vd2−Vz1+VM2onにして、Z3より図4図示下側の回路に電流を提供する。   Note that R7 of the compensation circuit D clamps the source voltage of M2 to VQ1g-Vd2-Vz1. R6 sets the drain voltage of the diode-connected M2 to VQ1g-Vd2-Vz1 + VM2on, and supplies current to the lower circuit of FIG. 4 from Z3.

また、M1とM2を同じ部品とすることに、温度特性のみならず、製造プロセスによる特性のバラツキも低減させることが期待できる。   Further, by making M1 and M2 the same component, it can be expected that not only temperature characteristics but also variations in characteristics due to manufacturing processes are reduced.

次に、第3の実施形態による効果を、図5を用いて説明する。図5は、第3の実施形態における、Vceのグラフの一例(a)、Vgeのグラフの一例(b)、及びIcのグラフの一例(c)である。ここで、図5(a)のグラフは、図2(a)と同じであるので説明を省略する。   Next, the effect of the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an example (a) of a Vce graph, an example (b) of a Vge graph, and an example (c) of an Ic graph in the third embodiment. Here, the graph of FIG. 5A is the same as FIG.

図5(b)は、M1の閾値電圧VM1thのバラツキによるQ1のVgeの推移を説明している。M1の閾値電圧VM1thにバラツキが生じることにより、先ず、電圧検出閾値Vg_hiにバラツキが発生する。Vgeの上昇は、図1で説明したCgcの時定数によって決まるため、Vg_hiにバラツキが発生すると、Vg_hiに達する時間もt21〜t22の間でばらつくことになる。また、M1の閾値電圧VM1thにバラツキが生じると、クランプ電圧Vg_lowにもバラツキが生じる。また、図4(b)及び図4(c)に示すとおり、クランプ電圧になるまでの時間もt31〜t32の間でバラツキが生じることになる。   FIG. 5B illustrates the transition of Vge of Q1 due to variations in the threshold voltage VM1th of M1. When the threshold voltage VM1th of M1 varies, first, the voltage detection threshold Vg_hi varies. Since the rise of Vge is determined by the time constant of Cgc described in FIG. 1, when variation occurs in Vg_hi, the time to reach Vg_hi also varies between t21 and t22. Further, when the threshold voltage VM1th of M1 varies, the clamp voltage Vg_low also varies. Moreover, as shown in FIG.4 (b) and FIG.4 (c), the time until it becomes a clamp voltage also varies between t31-t32.

以上のバラツキは、全てQ1内部における発熱量の差となる。第3の実施形態では、補償回路Dによって、温度変化などの変動を補償することが可能となる。   All of the above variations are differences in the amount of heat generated within Q1. In the third embodiment, the compensation circuit D can compensate for variations such as temperature changes.

次に、第3の実施形態におけるシミュレーション結果を、図6を用いて説明する、図6は、第3の実施形態におけるVgeをシミュレーションしたグラフの一例である。   Next, a simulation result in the third embodiment will be described with reference to FIG. 6. FIG. 6 is an example of a graph in which Vge in the third embodiment is simulated.

図6において、Q1はゲート電圧Vg=約15Vがターンオン電圧である。約0.40μsecに対向アームの短絡が発生すると、ゲート電圧Vgが急上昇してターンオン電圧を超える。約0.55μsecにてサイリスタのトリガ電圧17Vに達すると急激にゲート電圧Vgが低下して、約12Vのホールド電圧を維持する。ホールド電圧はターンオン電圧より低い値にクランプされていることがわかる。   In FIG. 6, the gate voltage Vg = about 15V is the turn-on voltage for Q1. When the opposing arm is short-circuited at about 0.40 μsec, the gate voltage Vg rapidly rises and exceeds the turn-on voltage. When the thyristor trigger voltage of 17 V is reached in about 0.55 μsec, the gate voltage Vg rapidly decreases to maintain the hold voltage of about 12 V. It can be seen that the hold voltage is clamped to a value lower than the turn-on voltage.

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   As mentioned above, although the form for implementing this invention was explained in full detail, this invention is not limited to such specific embodiment, In the range of the summary of this invention described in the claim, Various modifications and changes are possible.

例えば、スイッチング素子を他の素子に変更することができる。   For example, the switching element can be changed to another element.

Claims (6)

第1の駆動電極を有し、前記第1の駆動電極にて動作される第1のスイッチング部と、
前記第1の駆動電極側に接続されて、前記第1のスイッチング部のGND側電極を基準とする前記第1の駆動電極の電圧が第1の電圧以上で導通して前記第1の電圧より低い第2の電圧で前記導通を保持するスナップバック特性を有する第2のスイッチング部と、
前記第2のスイッチング部が導通することにより導通して、前記第1の駆動電極の電荷を吸引する第3のスイッチング部と、を備えた半導体装置。
A first switching unit having a first drive electrode and operated by the first drive electrode;
Connected to the first drive electrode side, and the voltage of the first drive electrode with reference to the GND side electrode of the first switching unit becomes conductive when the voltage is equal to or higher than the first voltage. A second switching unit having a snapback characteristic for maintaining the conduction at a low second voltage;
A semiconductor device comprising: a third switching unit that conducts when the second switching unit conducts and sucks charges of the first drive electrode.
前記第2のスイッチング部と前記第3のスイッチング部は、前記第1のスイッチング部のGND側電極を基準とする前記第1の駆動電極の電圧を、前記第1のスイッチング部が動作する第3の電圧にクランプする、ダイナミッククランプ回路を形成する請求項1に記載の半導体装置。 The second switching unit and the third switching unit are configured such that the first switching unit operates with the voltage of the first drive electrode based on the GND-side electrode of the first switching unit. The semiconductor device according to claim 1, wherein a dynamic clamp circuit is formed that clamps to a voltage of 2. 前記第1の駆動電極側には、前記第1の駆動電極から前記第2のスイッチング部の方向に対して逆方向になるように接続されたツェナーダイオードをさらに備え、
前記第2のスイッチング部は、前記ツェナーダイオードと直列接続される請求項1又は2に記載の半導体装置。
The first drive electrode side further includes a Zener diode connected from the first drive electrode to be opposite to the direction of the second switching unit,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second switching unit is connected in series with the Zener diode.
前記第1の駆動電極側には、前記第1の駆動電極から前記第2のスイッチング部の方向に対して順方向バイアスになるように接続された、前記第3のスイッチング部と同等の第4のスイッチング部をさらに備え、
前記第2のスイッチング部は、前記第4のスイッチング部と直列接続される請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置。
On the first drive electrode side, a fourth equivalent to the third switching unit is connected so as to be forward biased from the first drive electrode to the direction of the second switching unit. The switching part is further provided,
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second switching unit is connected in series with the fourth switching unit. 5.
前記第2のスイッチング部は、サイリスタ動作回路である請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second switching unit is a thyristor operation circuit. 前記第3のスイッチング部は、前記第2のスイッチング部が第2の電圧で前記導通を保持しているときに前記第2のスイッチング部に流れる保持電流により導通する請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置。   6. The first switching unit according to claim 1, wherein the third switching unit is turned on by a holding current that flows through the second switching unit when the second switching unit holds the conduction at a second voltage. The semiconductor device according to one item.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017011348A (en) * 2015-06-17 2017-01-12 株式会社ノーリツ Drive controller for load and hot water supply device having the same
US10305362B2 (en) 2016-06-28 2019-05-28 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
US11652478B2 (en) * 2016-12-16 2023-05-16 Wolfspeed, Inc. Power modules having an integrated clamp circuit and process thereof
US11652473B2 (en) 2016-12-16 2023-05-16 Wolfspeed, Inc. Power modules having an integrated clamp circuit and process thereof
US20220278522A1 (en) * 2019-09-12 2022-09-01 Omron Corporation Overcurrent protection circuit for protecting overcurrent flowing through switching element and switching circuit with the overcurent protection circuit
WO2023145316A1 (en) * 2022-01-28 2023-08-03 ローム株式会社 Semiconductor device and semiconductor module

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8810750D0 (en) * 1988-05-06 1988-06-08 Salplex Ltd Mosfet power switch arrangements
JPH03117017A (en) * 1989-09-28 1991-05-17 Nec Corp Transistor output circuit
JPH0468562U (en) * 1990-10-26 1992-06-17
JP3265849B2 (en) * 1994-09-16 2002-03-18 富士電機株式会社 Self-extinguishing element with overheat protection device
JP4916860B2 (en) * 2006-12-08 2012-04-18 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Load driving circuit and method for manufacturing load driving circuit

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