JP5949727B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイオードを内蔵したトランジスタを含む電力変換装置に関するものである。

従来、インバータ、コンバータ等の電力変換装置には、トランジスタとダイオードとを同一基板上に設けたダイオード内蔵トランジスタが用いられる場合がある。

該ダイオード内蔵トランジスタでは、トランジスタのコレクタ電極とダイオードのカソード電極とが共通電極とされ、トランジスタのエミッタ電極とダイオードのアノード電極とが共通電極とされる。そのため、トランジスタにゲート信号が入力され、トランジスタがターンオンした場合、ダイオードのアノードとカソードとが同電位になろうとすることで、ダイオードが順方向動作しにくくなり、結果として、ダイオードの順方向電圧が増大するゲート干渉が発生する。よって、ダイオード通電時に、トランジスタにゲート信号が入力され、トランジスタがターンオンした場合、ダイオードの順方向損失が増大するという問題がある。

そこで、ダイオード内蔵トランジスタにおいて、ダイオードが通電しているか否かを判定し、ダイオードの通電時にはトランジスタへのゲート信号の入力を禁止する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。具体的には、ダイオード及びトランジスタに電流検出用のセンス素子を設け、各センス素子に接続されたセンス抵抗に流れる電流の方向、すなわち、センス抵抗の両端電圧が正値か負値かに基づき、ダイオードが通電しているか否かを判定する。これにより、ダイオード通電時にトランジスタがターンオンしないため、ダイオードの順方向損失の増大を防止することができる。

特開２０１２−０１９５５０号公報

ところで、ダイオード（以下、メインダイオードと呼ぶ）に対して、センス素子であるセンスダイオードは、サイズが小さく、流れる電流もメインダイオードに対して少なくなる。そのため、メインダイオードとセンスダイオードの電流密度が近しい値となる場合がある。

しかしながら、ダイオードは、一般に電流密度と順方向電圧とが比例するため、メインダイオードとセンスダイオードの電流密度が近しい値の場合、両者の順方向電圧の差が小さくなる。そのため、メインダイオードの通電時におけるセンス抵抗の両端電圧が略ゼロとなり、上述したセンス抵抗の両端電圧によるダイオードが通電しているか否かの判定の精度が低下するおそれがある。

そこで、上記課題に鑑み、ダイオード内蔵トランジスタを含む電力変換装置であって、ダイオード内蔵トランジスタ内のダイオードが通電しているか否かを精度良く判定することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、一実施形態において、電力変換装置は、
ゲートに入力される駆動信号により駆動されるトランジスタと、前記トランジスタと並列接続され、前記トランジスタのエミッタからコレクタに向かう方向を順方向とするダイオードと、前記ダイオードに流れる電流を検出するセンスダイオードであって、カソードが前記トランジスタのコレクタに接続されたセンスダイオードと、を含むダイオード内蔵トランジスタと、
前記ダイオードのアノードと前記センスダイオードのアノードとの間に電圧を発生させる電圧発生部であって、前記ダイオードが通電していない場合は、前記ダイオードが通電している場合に対して、所定以上の差を有する前記電圧を発生させる電圧発生部と、
前記ダイオードのアノードと前記センスダイオードのアノードとの間の電圧に基づいて、前記ダイオードが通電しているか否かを判定する判定部と、を備え、
前記電圧発生部は、前記センスダイオードのアノードと前記ダイオードのアノードとの間に設けられたセンス抵抗と、前記センスダイオードのアノード及び前記センス抵抗のそれぞれに分岐して接続される電流供給部を含むことを特徴とする。
また、他の実施形態において、電力変換装置は、
ゲートに入力される駆動信号により駆動されるトランジスタと、前記トランジスタと並列接続され、前記トランジスタのエミッタからコレクタに向かう方向を順方向とするダイオードと、前記ダイオードに流れる電流を検出するセンスダイオードであって、カソードが前記トランジスタのコレクタに接続されたセンスダイオードと、を含むダイオード内蔵トランジスタと、
前記ダイオードのアノードと前記センスダイオードのアノードとの間に電圧を発生させる電圧発生部であって、前記ダイオードが通電していない場合は、前記ダイオードが通電している場合に対して、所定以上の差を有する前記電圧を発生させる電圧発生部と、
前記ダイオードのアノードと前記センスダイオードのアノードとの間の電圧に基づいて、前記ダイオードが通電しているか否かを判定する判定部と、を備え、
前記電圧発生部は、前記センスダイオードのアノードに接続され、前記トランジスタが通電している場合において、前記センスダイオードを通電させる電流を供給することが可能な電流供給部を含むことを特徴とする。

本実施の形態によれば、ダイオード内蔵トランジスタを含む電力変換装置であって、ダイオード内蔵トランジスタ内のダイオードが通電しているか否かを精度良く判定することが可能な電力変換装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る電力変換装置に含まれる半導体装置１の回路図である。 第１の実施形態に係る半導体装置１の動作を説明する図である。 第２の実施形態に係る電力変換装置に含まれる半導体装置１の回路図である。 第３の実施形態に係る電力変換装置に含まれる半導体装置１の回路図である。 第３の実施形態に係る半導体装置１の動作を説明する図である。 第４の実施形態に係る電力変換装置に含まれる半導体装置１の回路図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る電力変換装置に含まれる半導体装置１の回路図である。なお、本実施形態に係る電力変換装置は、例えば、ハイブリッド車、電気自動車等においてバッテリの直流電力を三相交流電力に変換して三相交流モータに供給するインバータやバッテリの電圧を昇圧する昇圧コンバータ等であってよい。また、半導体装置１は、上記インバータ、昇圧コンバータに搭載されるパワースイッチング素子として用いられてよい。

半導体装置１は、駆動回路１０、ダイオード内蔵トランジスタ２０、センス抵抗３０、電流源４０、コンパレータ５０、基準電圧Ｖｒｅｆ１等を含む。

駆動回路１０は、電力変換装置を制御する制御装置（以下、単に制御装置と呼ぶ）からの制御信号に基づいて、後述するダイオード内蔵トランジスタ２０に含まれるトランジスタ２１ｍ、センストランジスタ２１ｓのゲートに駆動信号を出力可能に構成される。例えば、電力変換装置が昇圧コンバータの場合、所望の電圧に昇圧するためのデューティ比に対応するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を駆動信号として、トランジスタ２１ｍ、センストランジスタ２１ｓのゲートに出力してよい。また、駆動回路１０は、後述するコンパレータ５０からの判定信号が入力され、該判定信号に基づいて、駆動信号の出力を制限することが可能に構成される。コンパレータ５０からの判定信号に基づく、駆動信号の出力制限の詳細については、後述する。

ダイオード内蔵トランジスタ２０は、トランジスタ部２１とダイオード部２２とを含む。

トランジスタ部２１は、トランジスタ２１ｍとセンストランジスタ２１ｓとを含む。

トランジスタ２１ｍは、図示しない電源や負荷等と接続され、駆動回路１０からの駆動信号により電力変換装置の所定機能（例えば、上記昇圧コンバータにおける昇圧機能）を満足させるためのスイッチング動作を行うスイッチング素子である。センストランジスタ２１ｓは、トランジスタ２１ｍの電流検出用に設けられるスイッチング素子である。なお、トランジスタ２１ｍとセンストランジスタ２１ｓは、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であって、トレンチゲート構造により構成されるものであってよく、ゲートは、それぞれにおいて共通化されている。よって、センストランジスタ２１ｓは、トランジスタ２１ｍと同様のスイッチング動作（例えば、トランジスタ２１ｍがターンオンすると、センストランジスタ２１ｓもターンオンする）を行う。

トランジスタ２１ｍ、及びセンストランジスタ２１ｓのゲートは、駆動回路１０と接続される。また、トランジスタ２１ｍは、ダイオード２２ｍと並列接続され、センストランジスタ２１ｓは、センスダイオード２２ｓと並列接続される。具体的には、トランジスタ２１ｍとセンストランジスタ２１ｓのコレクタは、共通化され、ダイオード２２ｍ、及びセンスダイオード２２ｓのカソードと接続される。また、トランジスタ２１ｍのエミッタは、ダイオード２２ｍのアノードと接続され、センストランジスタ２１ｓのエミッタは、センスダイオード２２ｓのアノードと接続される。

また、トランジスタ２１ｍのコレクタは、半導体装置１のコレクタ端子２５ｃを介して、図示しない負荷や電源等と接続される。また、トランジスタ２１ｍのエミッタは、半導体装置１のエミッタ端子２５ｅを介して、図示しない負荷や電源等と接続される。

ダイオード部２２は、ダイオード２２ｍとセンスダイオード２２ｓとを含む。

ダイオード２２ｍは、トランジスタ２１ｍに流れる電流を転流させるための整流素子である。センスダイオード２２ｓは、ダイオード２２ｍの電流検出用に設けられる整流素子である。

ダイオード２２ｍ及びセンスダイオード２２ｓのカソードは、トランジスタ２１ｍのコレクタに接続される。また、ダイオード２２ｍのアノードは、トランジスタ２１ｍのエミッタに接続される。また、センスダイオード２２ｓのアノードは、センストランジスタ２１ｓのエミッタに接続される。

センス抵抗３０は、ダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向、即ち、トランジスタ２１ｍ（のコレクタからエミッタ）に電流が流れているのか、ダイオード２２ｍに電流が流れているのか、又は双方とも電流が流れていないのかを検出するために設けられる。センス抵抗３０の一端は、センストランジスタ２１ｓのエミッタ、及びセンスダイオード２２ｓのアノードに接続される。また、センス抵抗３０の他端は、トランジスタ２１ｍのエミッタ及びダイオード２２ｍのアノードに接続される。センス抵抗３０を用いたダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向の検出手法の詳細については、後述する。

電流源４０は、所定の電流を供給することができ、分岐して接続されるセンス抵抗３０とセンスダイオード２２ｓ（のアノード）とのいずれか一方に該所定の電流を供給することが可能に構成される。電流源４０の具体的な作用については、後述する。

コンパレータ５０は、エミッタ端子２５ｅ（トランジスタ２１ｍのエミッタ又はダイオード２２ｍのアノード）の電位を基準とするセンス抵抗３０の両端電圧（以下、単にセンス抵抗３０の両端電圧と呼ぶ）と、基準電圧Ｖｒｅｆ１とが入力され、両者の比較を行う。そして、比較結果に応じて、ダイオード内蔵トランジスタ２０のダイオード２２ｍが通電しているか否かを判定する。また、コンパレータ５０は、比較結果に応じて、ダイオード内蔵トランジスタ２０のダイオード２２ｍが通電しているか否かに対応する判定信号を駆動回路１０に出力する。具体的には、コンパレータ５０は、ダイオード２２ｍが通電していないと判定した場合に、駆動信号のトランジスタ２１ｍのゲートへの入力を許可する判定信号（許可信号）を駆動回路１０に出力する。また、ダイオード２２ｍが通電していると判定した場合に、駆動信号（のうち、少なくともオン信号）のトランジスタ２１ｍのゲートへの入力を禁止する判定信号（禁止信号）を駆動回路１０に出力する。具体的な動作については、後述する。

基準電圧Ｖｒｅｆ１は、コンパレータ５０において、センス抵抗３０の両端電圧と比較するための基準となるものである。基準電圧Vｒｅｆ１の詳細（決定手法）については、後述する。

次に、本実施形態に係る半導体装置１の具体的な動作について説明をする。

図２は、本実施形態に係る半導体装置１の動作を説明する図である。図２（ａ）は、トランジスタ２１ｍ及びダイオード２２ｍの双方に電流が流れていない場合における半導体装置１の動作を説明する図である。図２（ｂ）は、トランジスタ２１ｍに電流が流れている場合（ダイオード２２ｍには電流が流れていない場合）における半導体装置１の動作を説明する図である。図２（ｃ）は、ダイオード２２ｍに電流が流れている場合（トランジスタ２１ｍには電流が流れていない場合）における半導体装置１の動作を説明する図である。なお、以下、簡単のため、いくつかの記号の定義を行う。電流源４０から供給される電流をＩ１とする。また、センストランジスタ２１ｓのエミッタからセンス抵抗３０に流れる電流をＩｓとする。また、センス抵抗３０の抵抗値をＲｓとし、両端電圧をＶｓとする。また、ダイオード２２ｍ、及びセンスダイオード２２ｓの順方向電圧をそれぞれ、ＶＦｍ、及びＶＦｓとする。

図２（ａ）を参照するに、駆動回路からトランジスタ２１ｍ（センストランジスタ２１ｓ）のゲートにオン信号（Ｈｉ信号）が入力されず、トランジスタ２１ｍのコレクタ−エミッタ間に電流が流れていない。また、ダイオード２２ｍも通電していない。即ち、トランジスタ２１ｍのコレクタ（コレクタ端子２５ｃ）の電位は、エミッタ（エミッタ端子２５ｅ）の電位より高くなる。そのため、電流源４０から供給される電流Ｉ１は、センスダイオード２２ｓには流れず、センス抵抗３０に流れる（図中における点線矢印）。従って、センス抵抗３０の両端電圧Ｖｓは、Ｖｓ＝Ｉ１×Ｒｓとなる。

また、図２（ｂ）を参照するに、駆動回路１０からトランジスタ２１ｍのゲートにオン信号が入力され、トランジスタ２１ｍのコレクタ−エミッタ間（コレクタ端子２５ｃからエミッタ端子２５ｅ）に電流が流れている（図中太い矢印）。また、駆動回路１０からトランジスタ２１ｍのゲートと共通化されたセンストランジスタ２１ｓのゲートにもオン信号が入力され、センストランジスタ２１ｓのコレクタ−エミッタ間に電流が流れる。これにより、センストランジスタ２１ｓのエミッタからセンス抵抗３０に電流Ｉｓが流れる（図中点線矢印）。これに併せて、電流源４０から供給される電流Ｉ１もセンス抵抗３０に流れる（図中点線矢印）。従って、センス抵抗３０の両端電圧Ｖｓは、Ｖｓ＝（Ｉｓ＋Ｉ１）×Ｒｓとなる。

また、図２（ｃ）を参照するに、ダイオード２２ｍが通電し、エミッタ端子２５ｅからコレクタ端子２５ｃに向けて電流が流れている（図中太い矢印）。この場合、トランジスタ２１ｍのコレクタ（コレクタ端子２５ｃ）の電位は、トランジスタ２１ｍのエミッタ（エミッタ端子２５ｅ）の電位より低くなる。よって、センス抵抗３０からセンスダイオード２２ｓに電流が流れる（図中点線矢印）。また、電流源４０から供給される電流Ｉ１もセンスダイオード２２ｓに流れる（図中点線矢印）。このとき、センス抵抗３０の両端電圧Ｖｓは、ダイオード２２ｍ、及びセンスダイオード２２ｓの順方向電圧ＶＦｍ、及びＶＦｓによりクランプされ、Ｖｓ＝−ＶＦｍ＋ＶＦｓとなる。なお、ダイオード２２ｍは、大きな電流が流れ、それに応じてサイズもある程度大きなものが設定される。また、センスダイオード２２ｓは、電流検出用であり、小さな電流が流れ、サイズもある程度小さいものが設定される。よって、ダイオード２２ｍとセンスダイオード２２ｓの電流密度は比較的近しい値となる場合がある。また、一般的にダイオードの順方向電圧は、電流密度に比例するため、この場合、ダイオード２２ｍの順方向電圧ＶＦｍとセンスダイオード２２ｓの順方向電圧ＶＦｓとは、近しい値になる。そのため、ダイオード２２ｍが通電している場合におけるセンス抵抗３０の両端電圧Ｖｓ＝−ＶＦｍ＋ＶＦｓは、非常に小さい値（略ゼロ）となる場合がある。

ここで、ダイオード２２ｍが通電していない場合において、電流源４０からセンス抵抗３０に電流Ｉ１が流れることにより、ダイオード２２ｍが通電していない場合におけるセンス抵抗３０の両端電圧を大きくすることができる。従って、電流源４０によって、ダイオード２２ｍが通電している場合におけるセンス抵抗３０の両端電圧Ｖｓと通電していない場合におけるセンス抵抗３０の両端電圧Ｖｓとの差を明確にすることができる。即ち、センス抵抗３０の両端電圧に基づいて、ダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向（ダイオード２２ｍが通電しているか否か）を明確に判定することができる。

次に、センス抵抗３０の両端電圧Ｖｓに基づく、コンパレータ５０によるダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向の判定手法について説明をする。

上述したとおり、コンパレータ５０は、センス抵抗３０の両端電圧Ｖｓと基準電圧Ｖｒｅｆ１との比較結果に応じて、ダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向、即ち、ダイオード２２ｍが通電しているか否かを判定する。

ここで、上述したとおり、ダイオード２２ｍが通電していない場合のセンス抵抗３０の両端電圧Ｖｓは、トランジスタ２１ｍも通電していない場合には、Ｖｓ＝Ｉ１×Ｒｓであり、トランジスタ２１ｍが通電している場合には、Ｖｓ＝（Ｉｓ＋Ｉ１）×Ｒｓである。また、ダイオード２２ｍが通電している場合のセンス抵抗３０の両端電圧Ｖｓは、Ｖｓ＝−ＶＦｍ＋ＶＦｓである。従って、−ＶＦｍ＋ＶＦｓ＜Ｖｒｅｆ１＜Ｉ１×Ｒｓを満足するように、基準電圧Ｖｒｅｆ１を決定することによりコンパレータ５０は、センス抵抗３０の両端電圧Ｖｓと基準電圧Ｖｒｅｆ１との比較によりダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向を判定することができる。

また、電流源４０から供給される電流Ｉ１を適宜設定することにより、上述したとおり、ダイオード２２ｍが通電している場合におけるセンス抵抗３０の両端電圧Ｖｓ＝−ＶＦｍ＋ＶＦｓと、ダイオード２２ｍが通電していない場合における両端電圧Ｖｓ＝Ｉ１×Ｒｓとの差を大きくすることができる。従って、ダイオード２２ｍが通電している場合におけるセンス抵抗３０の両端電圧Ｖｓ＝−ＶＦｍ＋ＶＦｓと、ダイオード２２ｍが通電していない場合における両端電圧Ｖｓ＝Ｉ１×Ｒｓとの差を明確にすることができる。そのため、コンパレータ５０は、ダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向、即ち、ダイオード２２ｍが通電しているか否かを明確に判定することが可能となり、判定精度が高まる。

次に、コンパレータ５０からの判定信号に基づく、駆動信号の出力制限について説明をする。

コンパレータ５０は、ダイオード２２ｍが通電していないと判定した場合に、駆動信号のトランジスタ２１ｍのゲートへの入力を許可する判定信号（許可信号）を駆動回路１０に出力する。また、ダイオード２２ｍが通電していると判定した場合に、駆動信号のうち、少なくともオン信号のトランジスタ２１ｍのゲートへの入力を禁止する判定信号（禁止信号）を駆動回路１０に出力する。

駆動回路１０は、コンパレータ５０から判定信号として許可信号を受信した場合、制御装置からの制御信号に基づく、駆動信号をトランジスタ２１ｍのゲートに出力する。また、駆動回路１０は、コンパレータ５０から判定信号として禁止信号を受信した場合、駆動信号の出力を制限する。例えば、トランジスタ２１ｍをターンオンするオン信号（Ｈｉ信号）及びターンオフするオフ信号（Ｌｏ信号）の双方とも出力しないようにしてもよいし、トランジスタ２１ｍをターンオンするオン信号を出力しないようにしてもよい。これにより、ダイオード２２ｍが通電している場合に、トランジスタ２１ｍがターンオンされることがないため、ゲート干渉によるダイオード２２ｍの順方向損失を低減することができる。特に、上述したとおり、電流源４０からの電流Ｉ１によって、コンパレータ５０におけるダイオード２２ｍが通電しているか否かの判定精度が高まるため、より適切にゲート干渉によるダイオード２２ｍの順方向損失を低減することができる。

なお、コンパレータ５０からの判定信号（禁止信号）により駆動信号の出力を制限する具体構成としては、例えば、駆動回路１０の出力部を接地させるトランジスタを設け、禁止信号をオン信号（Ｈｉ信号）として該トランジスタのゲートに入力してターンオンする構成としてよい。これにより、駆動回路１０の出力部が接地され、駆動回路１０は、オン信号（Ｈｉ信号）を出力することができない。

［第２の実施形態］
次いで、第２の実施形態について説明をする。

本実施形態に係る電力変換装置に含まれる半導体装置１は、電流源４０の代わりにプルアップ抵抗４５が設けられる点において、第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付して、異なる部分を中心に説明をする。

図３は、本実施形態に係る電力変換装置に含まれる半導体装置１の回路図である。ここでは、第１の実施形態における図１と異なる部分であるプルアップ抵抗４５について説明をする。

プルアップ抵抗４５は、センス抵抗３０とセンスダイオード２２ｓ（のアノード）とに分岐して接続される。また、プルアップ抵抗４５のセンス抵抗３０側の一端の電位に対して、他端の電位が高くなるように、プルアップ抵抗４５は構成される。これにより、第１の実施形態における電流源と同様、センス抵抗３０とセンスダイオード２２ｓ（のアノード）とのいずれか一方に電流を供給することが可能となる。なお、以下において、簡単のため、プルアップ抵抗４５の抵抗値をＲｐ、センス抵抗側の一端を基準とするプルアップ抵抗４５の両端電圧（以下、単にプルアップ抵抗４５の両端電圧と呼ぶ）をＶｐ、プルアップ抵抗４５からセンス抵抗又はセンスダイオード２２ｓに流れる電流をＩｐ（＝Ｖｐ／Ｒｐ）とする。具体的には、ダイオード２２ｍが通電していない場合に、プルアップ抵抗４５からセンス抵抗３０に電流Ｉｐが流れ、ダイオード２２ｍが通電している場合に、プルアップ抵抗４５からダイオード２２ｍ（のアノード）に電流Ｉｐが流れる。以下、より具体的に説明をする。

トランジスタ２１ｍとダイオード２２ｍの双方が通電していない場合、トランジスタ２１ｍのコレクタ（コレクタ端子２５ｃ）の電位は、エミッタ（エミッタ端子２５ｅ）の電位より高くなる。そのため、プルアップ抵抗４５からセンスダイオード２２ｓには電流は流れず、プルアップ抵抗４５からセンス抵抗３０に電流Ｉｐが流れる。このとき、センス抵抗３０の両端電圧Ｖｓは、Ｖｓ＝Ｒｓ×Ｉｐ＝（Ｒｓ／Ｒｐ）×Ｖｐとなる。

また、トランジスタ２１ｍが通電している場合、駆動回路１０からトランジスタ２１ｍのゲートにオン信号が入力され、トランジスタ２１ｍのコレクタ−エミッタ間（コレクタ端子２５ｃからエミッタ端子２５ｅ）に電流が流れている（図中太い矢印）。また、駆動回路１０からトランジスタ２１ｍのゲートと共通化されたセンストランジスタ２１ｓのゲートにもオン信号が入力され、センストランジスタ２１ｓのコレクタ−エミッタ間に電流が流れる。これにより、センストランジスタ２１ｓのエミッタからセンス抵抗３０に電流Ｉｓが流れる。これに併せて、プルアップ抵抗４５から供給される電流Ｉｐもセンス抵抗３０に流れる。従って、センス抵抗３０の両端電圧Ｖｓは、Ｖｓ＝（Ｉｓ＋Ｉｐ）×Ｒｓ＝Ｉｓ×Ｒｓ＋（Ｒｓ／Ｒｐ）×Ｖｐとなる。

また、ダイオード２２ｍが通電している場合、トランジスタ２１ｍのコレクタ（コレクタ端子２５ｃ）の電位は、トランジスタ２１ｍのエミッタ（エミッタ端子２５ｅ）の電位より低くなる。よって、センス抵抗３０からセンスダイオード２２ｓに電流が流れる。また、プルアップ抵抗４５から供給される電流Ｉｐもセンスダイオード２２ｓに流れる。このとき、センス抵抗３０の両端電圧Ｖｓは、ダイオード２２ｍ、及びセンスダイオード２２ｓの順方向電圧ＶＦｍ、及びＶＦｓによりクランプされ、Ｖｓ＝−ＶＦｍ＋ＶＦｓとなる。

このように、第１の実施形態と同様、ダイオード２２ｍが通電していない場合において、プルアップ抵抗４５からセンス抵抗３０に電流Ｉｐが流れることにより、ダイオード２２ｍが通電していない場合におけるセンス抵抗３０の両端電圧を大きくすることができる。従って、プルアップ抵抗４５によって、ダイオード２２ｍが通電している場合におけるセンス抵抗３０の両端電圧Ｖｓと通電していない場合におけるセンス抵抗３０の両端電圧Ｖｓとの差を明確にすることができる。即ち、センス抵抗３０の両端電圧に基づいて、ダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向（ダイオード２２ｍが通電しているか否か）を明確に判定することができる。

また、センス抵抗３０の両端電圧Ｖｓに基づく、コンパレータ５０によるダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向の判定手法は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。第１の実施形態と同様に、基準電圧Ｖｒｅｆ１を決定することにより、コンパレータ５０は、該基準電圧Ｖｒｅｆ１に基づいて、ダイオード２２ｍが通電しているか否かを精度良く判定することができる。なお、本実施形態における基準電圧Ｖｒｅｆ１が満足すべき条件は、第１の実施形態における電流源４０の電流Ｉ１をプルアップ抵抗４５の電流Ｉｐ（＝Ｖｐ／Ｒｐ）に置き換えたものである。

また、コンパレータ５０からの判定信号に基づく、駆動信号の出力制限についても、第１の実施形態と同様であり、同様の作用・効果を奏するため、説明を省略する。

［第３の実施形態］
次いで、第３の実施形態について説明をする。

本実施形態に係る電力変換装置に含まれる半導体装置１は、センス抵抗３０を設けない点において、主に第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付して、異なる部分を中心に説明をする。

図４は、本実施形態に係る電力変換装置に含まれる半導体装置１の回路図である。

半導体装置１は、駆動回路１０、ダイオード内蔵トランジスタ２０、電流源４０、コンパレータ５０、基準電圧Vｒｅｆ１等を含む。第１の実施形態と異なる電流源４０、コンパレータ５０について説明をする。

電流源４０は、所定の電流を供給することができ、接続されるセンスダイオード２２ｓ（のアノード）に該所定の電流を供給することが可能に構成される。また、電流源４０は、後述するとおり、トランジスタ２１ｍが通電している場合において、センスダイオード２２ｓを通電させることが可能に構成される。電流源４０の具体的な作用については、後述する。

コンパレータ５０は、トランジスタ２１ｍのエミッタ（ダイオード２２ｍのアノード）に対するセンストランジスタ２１ｓのエミッタ（センスダイオード２２ｓのアノード）の電圧（以下、センスエミッタ電圧と呼ぶ）と基準電圧Ｖｒｅｆ１とが入力される。そして、センスエミッタ電圧と基準電圧Ｖｒｅｆ１との比較を行い、比較結果に応じて、ダイオード内蔵トランジスタ２０のダイオード２２ｍが通電しているか否かを判定する。また、コンパレータ５０は、比較結果に応じて、ダイオード内蔵トランジスタ２０のダイオード２２ｍが通電しているか否かに対応する判定信号を駆動回路１０に出力する。具体的には、コンパレータ５０は、ダイオード２２ｍが通電していないと判定した場合に、駆動信号のトランジスタ２１ｍのゲートへの入力を許可する判定信号（許可信号）を駆動回路１０に出力する。また、ダイオード２２ｍが通電していると判定した場合に、駆動信号（のうち、少なくともオン信号）のトランジスタ２１ｍのゲートへの入力を禁止する判定信号（禁止信号）を駆動回路１０に出力する。

次に、本実施形態に係る半導体装置１の具体的な動作について説明をする。

図５は、本実施形態に係る半導体装置１の動作を説明する図である。図５（ａ）は、トランジスタ２１ｍ及びダイオード２２ｍの双方に電流が流れていない場合における半導体装置１の動作を説明する図である。図５（ｂ）は、トランジスタ２１ｍに電流が流れている場合（ダイオード２２ｍには電流が流れていない場合）における半導体装置１の動作を説明する図である。図５（ｃ）は、ダイオード２２ｍに電流が流れている場合（トランジスタ２１ｍには電流が流れていない場合）における半導体装置１の動作を説明する図である。なお、以下、簡単のため、いくつかの記号の定義を行う。電流源４０から供給される電流をＩ１とし、トランジスタ２１ｍのエミッタ（ダイオード２２ｍのアノード）に対する電流源４０の上流側の一端の電圧（以下、電流源４０の電圧と呼ぶ）をＶ１とする。また、センスエミッタ電圧をＶｓｅとする。また、ダイオード２２ｍ、及びセンスダイオード２２ｓの順方向電圧をそれぞれ、ＶＦｍ、及びＶＦｓとする。また、トランジスタ２１ｍが通電している場合におけるトランジスタ２１ｍのコレクタ−エミッタ間電圧（以下、トランジスタ２１ｍのオン電圧と呼ぶ）をＶｏｎとする。

図５（ａ）を参照するに、駆動回路からトランジスタ２１ｍ（センストランジスタ２１ｓ）のゲートにオン信号（Ｈｉ信号）が入力されず、トランジスタ２１ｍのコレクタ−エミッタ間に電流が流れていない。また、ダイオード２２ｍも通電していない。即ち、トランジスタ２１ｍのコレクタ（コレクタ端子２５ｃ）の電位は、エミッタ（エミッタ端子２５ｅ）の電位より高くなる。そのため、電流源４０からセンスダイオード２２ｓに電流は流れない。従って、センスエミッタ電圧Ｖｓｅは、Ｖｓｅ＝Ｖ１となる。

また、図５（ｂ）を参照するに、駆動回路１０からトランジスタ２１ｍのゲートにオン信号が入力され、トランジスタ２１ｍのコレクタ−エミッタ間（コレクタ端子２５ｃからエミッタ端子２５ｅ）に電流が流れている（図中太い矢印）。これにより、トランジスタ２１ｍのコレクタ（コレクタ端子２５ｃ）の電位は、トランジスタ２１ｍがターンオンする前と比較して、低下する。ここで、電流源４０の電圧Ｖ１とトランジスタ２１ｍのオン電圧Ｖｏｎとの差がセンスダイオード２２ｓの順方向電圧ＶＦｓ以上となるように、電流源４０の電圧Ｖ１を設定するとよい。これにより、電流源４０から供給される電流Ｉ１がセンスダイオード２２ｓを介して、トランジスタ２１ｍのコレクタ−エミッタ間に流れる（図中点線矢印）。従って、センスエミッタ電圧Ｖｓｅは、Ｖｓｅ＝Ｖｏｎ＋ＶＦｓ（≦Ｖ１）となる。

また、図５（ｃ）を参照するに、ダイオード２２ｍが通電し、エミッタ端子２５ｅからコレクタ端子２５ｃに向けて電流が流れている（図中太い矢印）。この場合、トランジスタ２１ｍのコレクタ（コレクタ端子２５ｃ）の電位は、トランジスタ２１ｍのエミッタ（エミッタ端子２５ｅ）の電位より低くなる。よって、電流源４０から供給される電流Ｉ１は、センスダイオード２２ｓに流れる（図中点線矢印）。このとき、センスエミッタ電圧Ｖｓｅは、ダイオード２２ｍ、及びセンスダイオード２２ｓの順方向電圧ＶＦｍ、及びＶＦｓによりクランプされ、Ｖｓｅ＝−ＶＦｍ＋ＶＦｓとなる。

ここで、ダイオード２２ｍが通電していない場合とダイオード２２ｍが通電している場合との双方でのセンスエミッタ電圧Ｖｓｅの差ΔＶｓｅは、ΔＶｓｅ＝Ｖｏｎ＋ＶＦｍとなり、ダイオード２２ｍが通電しているか否かを明確に判別可能な差を有している。即ち、センスエミッタ電圧Ｖｓｅに基づいて、ダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向（ダイオード２２ｍが通電しているか否か）を判定することができる。このように、電流源４０（の電圧Ｖ１）によって、トランジスタ２１ｍの通電時にセンスエミッタ電圧Ｖｓｅ＝Ｖｏｎ＋ＶＦｍを発生させることにより、センスエミッタ電圧Ｖｓｅに基づくダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向を明確に判定することができる。

次に、センスエミッタ電圧Ｖｓｅに基づく、コンパレータ５０によるダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向の判定手法について説明をする。

上述したとおり、コンパレータ５０は、センスエミッタ電圧Ｖｓｅと基準電圧Vｒｅｆ１との比較結果に応じて、ダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向、即ち、ダイオード２２ｍが通電しているか否かを判定する。

ここで、上述したとおり、ダイオード２２ｍが通電していない場合のセンスエミッタ電圧Ｖｓｅは、トランジスタ２１ｍも通電していない場合には、Ｖｓｅ＝Ｖ１であり、トランジスタ２１ｍが通電している場合には、Ｖｓ＝Ｖｏｎ＋ＶＦｓ（≦Ｖ１）である。また、ダイオード２２ｍが通電している場合のセンスエミッタ電圧Ｖｓｅは、Ｖｓｅ＝−ＶＦｍ＋ＶＦｓである。従って、−ＶＦｍ＋ＶＦｓ＜Vｒｅｆ１＜Ｖｏｎ＋ＶＦｓを満足するように、基準電圧Vｒｅｆ１を決定することによりコンパレータ５０は、センスエミッタ電圧Ｖｓｅと基準電圧Vｒｅｆ１との比較によりダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向を判定することができる。

また、上述したとおり、電流源４０（の電圧Ｖ１）によって、トランジスタ２１ｍの通電時にセンスエミッタ電圧Ｖｓｅ＝Ｖｏｎ＋ＶＦｍを発生させることにより、ダイオード２２ｍが通電している場合と通電していない場合とにおけるセンスエミッタ電圧Ｖｓｅに明確に判別可能な差を生じさせることができる。そのため、コンパレータ５０は、センスエミッタ電圧Ｖｓｅに基づいて、ダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向、即ち、ダイオード２２ｍが通電しているか否かを明確に判定することが可能となり、判定精度が高まる。

また、コンパレータ５０からの判定信号に基づく、駆動信号の出力制限については、第１、２の実施形態と同様であり、同様の作用・効果を奏するため、説明を省略する。

なお、本実施形態においては、電流源４０を用いたが、第２の実施形態と同様、電流源４０に代えて、プルアップ抵抗を用いてもよい。

［第４の実施形態］
次いで、第４の実施形態について説明をする。

本実施形態は、センスエミッタ電圧Ｖｓｅに基づいて、トランジスタ２１ｍに異常な電流が流れているか否かを判定するコンパレータが追加されている点において、第３の実施形態と異なる。以下、第３の実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付して、異なる部分を中心に説明をする。

図６は、本実施形態に係る電力変換装置に含まれる半導体装置１の回路図である。

半導体装置１は、駆動回路１０、ダイオード内蔵トランジスタ２０、電流源４０、コンパレータ５０、基準電圧Vｒｅｆ１、異常検出用コンパレータ５１、異常検出用基準電圧Ｖｒｅｆ２等を含む。ここでは、第３の実施形態と異なる、駆動回路１０、異常検出用コンパレータ５１、異常検出用基準電圧Ｖｒｅｆ２について説明をする。

駆動回路１０は、ダイオード内蔵トランジスタ２０の通電方向を判定するコンパレータ５０からの判定信号に加えて、ダイオード内蔵トランジスタ２０に異常な電流が流れているか否かを判定する異常検出用コンパレータ５１からの異常判定信号が入力される。そして、駆動回路１０は、該異常判定信号に基づいて、駆動信号の出力を制限することが可能に構成される。詳細については、後述するが、駆動回路１０は、コンパレータ５０又は異常検出用コンパレータ５１のいずれか一方から駆動信号（のうち、少なくともオン信号）のトランジスタ２１ｍのゲートへの入力を禁止する禁止信号が入力された場合に、駆動信号の出力制限を行う。

異常検出用コンパレータ５１は、センストランジスタ２１ｓのエミッタ（センスダイオード２２ｓのアノード）とトランジスタ２１ｍのエミッタ（ダイオード２２ｍのアノード）との間の電圧（センスエミッタ電圧）と異常検出用基準電圧Ｖｒｅｆ２とが入力される。そして、センスエミッタ電圧と異常検出用基準電圧Ｖｒｅｆ２との比較を行い、比較結果に応じて、トランジスタ２１ｍに異常な電流が流れているか否かを判定する。また、異常検出用コンパレータ５１は、比較結果に応じて、トランジスタ２１ｍに異常電流が流れているか否かに対応する異常判定信号を駆動回路１０に出力する。具体的には、異常検出用コンパレータ５１は、トランジスタ２１ｍに異常な電流が流れていないと判定した場合に、駆動信号のトランジスタ２１ｍのゲートへの入力を許可する異常判定信号（許可信号）を駆動回路１０に出力する。また、トランジスタ２１ｍに異常な電流が流れていると判定した場合に、駆動信号のうち、少なくともオン信号のトランジスタ２１ｍのゲートへの入力を禁止する判定信号（禁止信号）を駆動回路１０に出力する。具体的な動作については、後述する。

異常検出用基準電圧Ｖｒｅｆ２は、異常検出用コンパレータ５１において、センスエミッタ電圧と比較するための基準となるものである。異常検出用基準電圧Ｖｒｅｆ２の詳細（決定手法）については、後述する。

次に、センスエミッタ電圧Ｖｓｅに基づく、異常検出用コンパレータ５１によるトランジスタ２１ｍに異常な電流が流れているか否かの判定手法について説明をする。

第３の実施形態において説明したとおり、トランジスタ２１ｍ及びダイオード２２ｍの双方が通電していない場合におけるセンスエミッタ電圧Ｖｓｅは、Ｖｓｅ＝Ｖ１である。また、トランジスタ２１ｍの正常通電時（トランジスタ２１ｍに正常な電流が流れている場合）におけるセンスエミッタ電圧Ｖｓｅは、Ｖｓｅ＝Ｖｏｎ＋ＶＦｓである。また、ダイオード２２ｍが通電している場合におけるセンスエミッタ電圧Ｖｓｅは、Ｖｓｅ＝−ＶＦｍ＋ＶＦｓである。

ここで、トランジスタ２１ｍに短絡などによる過電流等の異常な電流が流れている場合、トランジスタ２１ｍのコレクタ−エミッタ間の電圧は、正常通電時におけるコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖｏｎよりも大きい値となる。従って、Ｖｒｅｆ２＞Ｖｏｎ＋ＶＦｓを満足するように、異常検出用基準電圧Ｖｒｅｆ２を決定することにより、異常検出用コンパレータ５１は、トランジスタ２１ｍに異常な電流が流れているか否かを判定することができる。

次に、異常検出用コンパレータ５１からの異常判定信号に基づく、駆動信号の出力制限について説明をする。

異常検出用コンパレータ５１は、上述したとおり、トランジスタ２１ｍに異常な電流が流れていないと判定した場合に、駆動信号のトランジスタ２１ｍのゲートへの入力を許可する判定信号（許可信号）を駆動回路１０に出力する。また、トランジスタ２１ｍに異常な電流が流れていると判定した場合に、駆動信号のうち、少なくともオン信号のトランジスタ２１ｍのゲートへの入力を禁止する判定信号（禁止信号）を駆動回路１０に出力する。

駆動回路１０は、コンパレータ５０から判定信号として許可信号を受信し、かつ、異常検出用コンパレータ５１から異常判定信号として許可信号を受信した場合、制御装置からの制御信号に基づく、駆動信号をトランジスタ２１ｍのゲートに出力する。また、駆動回路１０は、コンパレータ５０から判定信号としての禁止信号、及び／又は、異常検出用コンパレータ５１からの異常判定信号としての禁止信号を受信した場合、駆動信号の出力を制限する。例えば、トランジスタ２１ｍをターンオンするオン信号（Ｈｉ信号）及びターンオフするオフ信号（Ｌｏ信号）の双方とも出力しないようにしてもよいし、トランジスタ２１ｍをターンオンするオン信号を出力しないようにしてもよい。これにより、ダイオード２２ｍが通電している場合に、トランジスタ２１ｍがターンオンされることがないため、ゲート干渉によるダイオード２２ｍの順方向損失を低減することができる。加えて、トランジスタ２１ｍに異常な電流が流れている場合に、トランジスタ２１ｍがターンオフされるので、異常電流によりトランジスタ２１ｍが破壊されることを防止することができる。

なお、本実施形態においては、第３の実施形態に係る半導体装置にトランジスタ２１ｍの異常電流を検出するための異常検出用コンパレータ５１を追加したが、第１、第２の実施形態に係る半導体装置に同様の異常検出用コンパレータを追加してもよい。

例えば、第１の実施形態に異常検出用コンパレータを追加する場合、当該異常検出用コンパレータは、第１の実施形態におけるセンス抵抗３０の両端電圧と異常検出用基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較するように構成するとよく、第２の実施形態についても同様である。この場合、第１の実施形態で説明したとおり、トランジスタ２１ｍの正常通電時におけるセンス抵抗３０の両端電圧は、（Ｉ１＋Ｉｓ）×Ｒｓであり、トランジスタ２１ｍに過電流等の異常な電流が流れた場合、センストランジスタ２１ｓのエミッタからセンス抵抗に流れる電流Ｉｓが増加する。従って、Ｖｒｅｆ２＞（Ｉ１＋Ｉｓ）×Ｒｓを満足するように異常検出用基準電圧Ｖｒｅｆ２を決定するとよい。これにより、当該異常検出用コンパレータは、トランジスタ２１ｍに異常な電流が流れているか否かを判定することができる。なお、当該異常検出用コンパレータから第１の実施形態における駆動回路１０に出力される異常判定信号、及び、該駆動回路１０の動作については、本実施形態と同様のものとすればよい。これにより、本実施形態と同様に、異常電流によりトランジスタ２１ｍが破壊されることを防止することができる。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はか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。

１ 半導体装置
１０ 駆動回路
２０ ダイオード内蔵トランジスタ
２１ トランジスタ部
２１ｍ トランジスタ
２１ｓ センストランジスタ
２２ ダイオード部
２２ｍ ダイオード
２２ｓ センスダイオード
２５ｃ コレクタ端子
２５ｅ エミッタ端子
３０ センス抵抗（電圧発生部）
４０ 電流源（電圧発生部）
４５ プルアップ抵抗（電圧発生部）
５０ コンパレータ（判定部）
５１ 異常検出用コンパレータ（判定部）
Ｖｒｅｆ１ 基準電圧
Ｖｒｅｆ２ 異常検出用基準電圧

Claims (7)

1. ゲートに入力される駆動信号により駆動されるトランジスタと、前記トランジスタと並列接続され、前記トランジスタのエミッタからコレクタに向かう方向を順方向とするダイオードと、前記ダイオードに流れる電流を検出するセンスダイオードであって、カソードが前記トランジスタのコレクタに接続されたセンスダイオードと、を含むダイオード内蔵トランジスタと、
   前記ダイオードのアノードと前記センスダイオードのアノードとの間に電圧を発生させる電圧発生部であって、前記ダイオードが通電していない場合は、前記ダイオードが通電している場合に対して、所定以上の差を有する前記電圧を発生させる電圧発生部と、
   前記ダイオードのアノードと前記センスダイオードのアノードとの間の電圧に基づいて、前記ダイオードが通電しているか否かを判定する判定部と、を備え、
   前記電圧発生部は、前記センスダイオードのアノードと前記ダイオードのアノードとの間に設けられたセンス抵抗と、前記センスダイオードのアノード及び前記センス抵抗のそれぞれに分岐して接続される電流供給部を含むことを特徴とする、
   電力変換装置。
2. ゲートに入力される駆動信号により駆動されるトランジスタと、前記トランジスタと並列接続され、前記トランジスタのエミッタからコレクタに向かう方向を順方向とするダイオードと、前記ダイオードに流れる電流を検出するセンスダイオードであって、カソードが前記トランジスタのコレクタに接続されたセンスダイオードと、を含むダイオード内蔵トランジスタと、
   前記ダイオードのアノードと前記センスダイオードのアノードとの間に電圧を発生させる電圧発生部であって、前記ダイオードが通電していない場合は、前記ダイオードが通電している場合に対して、所定以上の差を有する前記電圧を発生させる電圧発生部と、
   前記ダイオードのアノードと前記センスダイオードのアノードとの間の電圧に基づいて、前記ダイオードが通電しているか否かを判定する判定部と、を備え、
   前記電圧発生部は、前記センスダイオードのアノードに接続され、前記トランジスタが通電している場合において、前記センスダイオードを通電させる電流を供給することが可能な電流供給部を含むことを特徴とする、
   電力変換装置。
3. 前記電流供給部は、
   電流源、又はプルアップ抵抗であることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記判定部は、
   前記ダイオードが通電しているか否かを判定するための第１基準電圧であって、前記ダイオードの通電時における前記ダイオードのアノードに対する前記センスダイオードのアノードの電圧よりも大きく、かつ、前記トランジスタの正常な通電時における前記ダイオードのアノードに対する前記センスダイオードのアノードの電圧よりも小さい第１基準電圧を有し、
   前記ダイオードのアノードに対する前記センスダイオードのアノードの電圧が前記第１基準電圧よりも小さい場合に、前記ダイオードが通電していると判定することを特徴とする、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記判定部は、
   前記ダイオードが通電していると判定した場合、前記駆動信号のうち、少なくともオン信号の入力を禁止することを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記判定部は、
   前記ダイオードのアノードと前記センスダイオードのアノードとの間の電圧に基づいて、前記トランジスタに異常な電流が流れているか否かを判定し、前記トランジスタに異常な電流が流れていると判定した場合、前記駆動信号のうち、少なくともオン信号の入力を禁止することを特徴とする、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記判定部は、
   前記トランジスタに異常な電流が流れているか否かを判定するための第２基準電圧であって、前記トランジスタの正常な通電時における前記ダイオードのアノード対する前記センスダイオードのアノードの電圧よりも大きい第２基準電圧を有し、
   前記ダイオードのアノードに対する前記センスダイオードのアノードの電圧が前記第２基準電圧よりも大きい場合に、前記トランジスタに異常な電流が流れていると判定することを特徴とする、
   請求項６に記載の電力変換装置。
   

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