JP7233387B2 - semiconductor module - Google Patents
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Description
本開示は半導体モジュールに関し、特に、パワースイッチングデバイスを備えた半導体モジュールに関する。 The present disclosure relates to semiconductor modules, and more particularly to semiconductor modules with power switching devices.
パワースイッチングデバイスに対して、スイッチング動作時のサージ電圧とスイッチング損失のトレードオフを改善する技術として、ゲート電圧およびゲート電流を動的に制御するアクティブゲートコントロール技術が従来から提案されている。具体的には、特許文献1では、センス電流制御回路およびスイッチ回路と複数のMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタを有したパワースイッチングデバイスの駆動回路が提案されており、電源電圧および有効なトランジスタの数に依らず出力電流を高精度に制御する技術が開示されている。
Active gate control technology that dynamically controls gate voltage and gate current has been proposed as a technology for improving the trade-off between surge voltage and switching loss during switching operation for power switching devices. Specifically,
また、特許文献2には、逆導通スイッチングデバイスに設けられた複数のゲート電極に、それぞれ独立したゲート電圧を印加するダブルゲートIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の動作モードに応じた制御方法が開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses a control method according to the operation mode of a double gate IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) that applies independent gate voltages to a plurality of gate electrodes provided in a reverse conducting switching device. ing.
特許文献1および2を組み合わせることにより、ダブルゲートIGBTのアクティブゲートコントロールというアイデアには想到できるが、実用面で考えると、動作モードに応じたインバータ回路への複雑な制御の適用は困難である。なぜなら、インバータ回路は、高電位側(ハイサイド)のIGBTと低電位側(ローサイド)のIGBTを有し、ハイサイドのIGBTへのON、OFF信号は、ハイサイドのIGBTのエミッタ基準電位(VS基準電位)を基準として生成されるので、動作モードに応じた複雑なアクティブゲートコントロールを行うための制御信号は、全てVS基準電位を基準とする回路へと伝達しなければならない。VS基準電位を基準とするハイサイド回路への制御信号の伝達にはレベルシフト回路を使用することができるが、レベルシフト回路は高耐圧のMOSトランジスタを必要とし、また、複雑なアクティブゲートコントロールのためには制御信号の種類も増え、それに応じてレベルシフト回路も増えるので、回路規模が大幅に増大する。
By combining
本開示は上記のような問題を解決するものであり、トランジスタのアクティブゲートコントロールを回路規模を増大させることなく実現する半導体モジュールを提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to solve the above problems, and to provide a semiconductor module that realizes active gate control of transistors without increasing the circuit scale.
本開示による半導体モジュールは、第1の制御信号を第1のゲートに受けてスイッチング動作する第1の領域および第2の制御信号を第2のゲートに受けてスイッチング動作する第2の領域を有するダブルゲート構造のトランジスタと、前記トランジスタの駆動を制御する駆動制御回路と、を備え、前記駆動制御回路は、第1の入力信号に基づいて第1の駆動電流を出力する第1の駆動回路と、前記第1の入力信号と第2の入力信号に基づいて前記第1の駆動電流を増強する第2の駆動電流を出力する第2の駆動回路と、前記第1の入力信号と前記第2の入力信号に基づいて第3の駆動電流を出力する第3の駆動回路と、を有し、前記第1および第2の駆動回路の出力は、前記第1の制御信号として前記第1のゲートに与えられ、前記第3の駆動回路の出力は、前記第2の制御信号として前記第2のゲートに与えられる。 A semiconductor module according to the present disclosure has a first region that receives a first control signal at its first gate for switching operation and a second region that receives a second control signal for switching operation at its second gate. A transistor with a double-gate structure, and a drive control circuit that controls driving of the transistor, the drive control circuit including a first drive circuit that outputs a first drive current based on a first input signal. a second driving circuit for outputting a second driving current for enhancing the first driving current based on the first input signal and the second input signal; the first input signal and the second driving circuit; and a third drive circuit that outputs a third drive current based on the input signal of the first gate and the output of the first and second drive circuits as the first control signal. and the output of the third driving circuit is applied to the second gate as the second control signal.
上記半導体モジュールによれば、第1の駆動電流を第2の駆動電流で増強した第1の制御信号をトランジスタの第1のゲートに与えることで、第1のゲートに電荷が高速にチャージされ、トランジスタのスイッチングを高速で行うことができる。一方、第1の駆動電流を第2の駆動電流で増強しない場合は、第1のゲートへの電荷のチャージは低速となり、トランジスタのスイッチングを低速で行うことができる。そして、第2の駆動回路の出力の制御は第1の入力信号と第2の入力信号で行うので、トランジスタのアクティブゲートコントロールに必要な制御信号を低減でき、トランジスタのアクティブゲートコントロールを回路規模を増大させることなく実現することができる。 According to the above semiconductor module, the first control signal obtained by enhancing the first drive current with the second drive current is applied to the first gate of the transistor, whereby the first gate is charged at high speed, Transistor switching can be performed at high speed. On the other hand, if the first drive current is not augmented with the second drive current, charging of the charge to the first gate becomes slow, and the switching of the transistor can be performed at a slow speed. Since the output of the second drive circuit is controlled by the first input signal and the second input signal, the control signal required for active gate control of the transistor can be reduced, and the circuit scale of the active gate control of the transistor can be reduced. It can be realized without increasing.
<実施の形態1>
図1は実施の形態1に係る半導体モジュール100の構成を示す回路図である。図1に示す半導体モジュール100は、ダブルゲートIGBT10と、ダブルゲートIGBT10のON、OFFを制御する駆動制御回路20とを備えており、ダブルゲートIGBT10は、電力線Sと電力線Nとの間に並列に接続された、N型のメインIGBTQ1とN型のサブIGBTQ2として等価回路で示されている。なお、メインIGBTQ1およびサブIGBTQ2には、逆並列にフリーホイールダイオードFDが接続されている。
<
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a
駆動制御回路20は、入力信号Main_IN(第1の入力信号)を受け、反転して出力するインバータU1と、インバータU1の出力を受けてメインIGBTQ1を制御するメイン制御信号Main_OUT(第1の制御信号)を出力する駆動回路D1(第1の駆動回路)と、を備えている。
The
また、インバータU1の出力Add_INを受け、駆動回路D1の駆動能力(駆動電流)を増強する駆動電流IAを出力する駆動回路D2(第2の駆動回路)と、入力信号Main_INおよび入力信号Sub_IN(第2の入力信号)受けて論理積を出力する論理回路U2と、論理回路U2の出力を受け、反転して出力するインバータU3と、インバータU3の出力を受けてサブIGBTQ2を制御するサブ制御信号Sub_OUT(第2の制御信号)を出力する駆動回路D3(第3の駆動回路)と、を備えている。 Further, a drive circuit D2 (second drive circuit) that receives the output Add_IN of the inverter U1 and outputs a drive current IA that enhances the drive capability (drive current) of the drive circuit D1, an input signal Main_IN and an input signal Sub_IN ( A logic circuit U2 that receives the second input signal) and outputs a logical product, an inverter U3 that receives the output of the logic circuit U2, inverts it, and outputs it, and a sub control signal that receives the output of the inverter U3 and controls the sub IGBT Q2. and a drive circuit D3 (third drive circuit) that outputs Sub_OUT (second control signal).
また、入力信号Sub_INを受け、反転して切り替え信号Tri_INを出力するインバータU4を備え、インバータU4の出力は、駆動回路D2の制御入力に与えられる。ここで、入力信号Main_INはダブルゲートIGBTのON、OFFを切り替える信号であり、入力信号Sub_INは、ダブルゲートIGBT10の電流能力(コレクタ電流)を変更するため、ダブルゲートIGBT10を構成するメインIGBTQ1およびサブIGBTQ2の動作個数を切り替える信号である。
It also has an inverter U4 that receives an input signal Sub_IN, inverts it, and outputs a switching signal Tri_IN, and the output of the inverter U4 is given to the control input of the drive circuit D2. Here, the input signal Main_IN is a signal for switching ON and OFF of the double-gate IGBT, and the input signal Sub_IN changes the current capacity (collector current) of the
駆動回路D2は、入力信号Main_INおよびSub_INに応じて駆動能力を切り替えられるように3ステートバッファで構成されている。ここで、駆動回路D2の構成を図2に示す。 The driving circuit D2 is composed of a 3-state buffer so that the driving capability can be switched according to the input signals Main_IN and Sub_IN. FIG. 2 shows the configuration of the driving circuit D2.
図2に示すように駆動回路D2は、電源電位VTと基準電位GDとの間に直列に接続されたP型のMOSトランジスタPMおよびN型のMOSトランジスタNMと、インバータU1の出力Add_INと切り替え信号Tri_INを受け、論理積を出力する論理回路U10と、切り替え信号Tri_INを受け反転して出力するインバータU11と、インバータU1の出力Add_INとインバータU11の出力を受け、論理和を出力する論理回路U12と、を有している。 As shown in FIG. 2, the drive circuit D2 includes a P-type MOS transistor PM and an N-type MOS transistor NM connected in series between the power supply potential VT and the reference potential GD, the output Add_IN of the inverter U1, and the switching signal. A logic circuit U10 that receives Tri_IN and outputs a logical product, an inverter U11 that receives and inverts the switching signal Tri_IN and outputs it, and a logic circuit U12 that receives the output Add_IN of the inverter U1 and the output of the inverter U11 and outputs a logical sum. ,have.
論理回路U12の出力はMOSトランジスタPMのゲートに入力され、論理回路U10の出力はMOSトランジスタNMのゲートに入力され、それぞれ、MOSトランジスタPMおよびMOSトランジスタNMのON、OFFを切り替え、MOSトランジスタPMとMOSトランジスタNMとの接続ノードから信号Add_OUTが出力される。 The output of the logic circuit U12 is input to the gate of the MOS transistor PM, and the output of the logic circuit U10 is input to the gate of the MOS transistor NM. A signal Add_OUT is output from a connection node with the MOS transistor NM.
信号Add_OUTは、切り替え信号Tri_INの電位が高電位(H)の場合には入力の反転信号となり、切り替え信号Tri_INの電位が低電位(L)の場合にはハイインピーダンス(HiZ)となる。3ステートバッファの入出力の真理値表を図3に示す。なお、以下では、電位Hを第1の電位、電位Lを第2の電位と呼称する場合があるが、名称は逆であっても良い。 The signal Add_OUT becomes an inverted signal of the input when the potential of the switching signal Tri_IN is high potential (H), and becomes high impedance (HiZ) when the potential of the switching signal Tri_IN is low potential (L). FIG. 3 shows the truth table for the input and output of the 3-state buffer. Note that although the potential H and the potential L may be referred to as a first potential and a second potential, respectively, the names may be reversed.
ダブルゲートIGBT10の平面構成を図4に示す。図4は、主電流が厚み方向に流れるダブルゲートIGBT10をエミッタ電極側から見た上面図であり、メインIGBTQ1の上面には、メインゲートMG(第1のゲート)と、サブゲートSG(第2のゲート)とが設けられている。なお、図示は省略するが、ダブルゲートIGBT10内には、メインゲートMGに入力されるメイン制御信号Main_OUT(ON信号およびOFF信号)を受けてスイッチング動作するメイン領域(第1の領域)と、サブゲートSGに入力されるサブ制御信号Sub_OUT(ON信号およびOFF信号)を受けてスイッチング動作するサブ領域(第2の領域)を有している。
FIG. 4 shows a planar configuration of the
ここで、メイン領域とサブ領域の有効領域の面積は、メイン領域がサブ領域よりも大きく(Sub<Main)なるように設定されており、メイン領域のみをスイッチング動作させる、またはメイン領域およびサブ領域を共にスイッチング動作させるなど、動作モードに応じた使い方ができる。 Here, the areas of the effective areas of the main area and the sub-area are set so that the main area is larger than the sub-area (Sub<Main), and only the main area is switched, or the main area and the sub-area are switched. can be used according to the operation mode, such as switching operation of both.
図1に等価回路として示したメインIGBTQ1がメイン領域に相当し、サブIGBTQ2がサブ領域に相当し、メインゲートMGには駆動回路D1から入力信号Main_INに応じたメインゲート電流(IGmain)が供給または引き抜かれ、サブゲートSGには、駆動回路D3から入力信号Main_INに応じてサブゲート電流(IGsub)が供給または引き抜かれる。 The main IGBT Q1 shown as an equivalent circuit in FIG. 1 corresponds to the main region, the sub IGBT Q2 corresponds to the sub region, and the main gate current (IG main ) corresponding to the input signal Main_IN is supplied from the drive circuit D1 to the main gate MG. Alternatively, the sub-gate SG is supplied with or withdrawn a sub-gate current (IG sub ) from the drive circuit D3 according to the input signal Main_IN.
図5に、入力信号Main_INと入力信号Sub_INに対する駆動回路D1およびD3の動作の真理値表を示す。図5に示すように、入力信号Main_INがHであれば駆動回路D1は動作するためメイン制御信号Main_OUTはHとなる。このとき入力信号Sub_INがLであれば切り替え信号Tri_INはHとなるため駆動回路D2が動作する。一方、駆動回路D3は論理積が成立しないためサブ制御信号Sub_OUTはLである。入力信号Main_INがLかつ入力信号Sub_INがLであれば、駆動回路D1は動作せずメイン制御信号Main_OUTはLとなり、サブ制御信号Sub_OUTもLとなる。 FIG. 5 shows a truth table of the operation of the drive circuits D1 and D3 with respect to the input signal Main_IN and the input signal Sub_IN. As shown in FIG. 5, when the input signal Main_IN is H, the drive circuit D1 operates, so the main control signal Main_OUT is H. At this time, if the input signal Sub_IN is L, the switching signal Tri_IN becomes H, so that the drive circuit D2 operates. On the other hand, the sub control signal Sub_OUT is L because the logical product does not hold for the driving circuit D3. When the input signal Main_IN is L and the input signal Sub_IN is L, the driving circuit D1 does not operate, the main control signal Main_OUT becomes L, and the sub control signal Sub_OUT also becomes L.
入力信号Main_INがHかつ入力信号Sub_INがHであれば、メイン制御信号Main_OUTおよびサブ制御信号Sub_OUTは共にHとなる。このとき、切り替え信号Tri_INはLとなるため駆動回路D2は動作しない。入力信号Main_INがLで入力信号Sub_INがHの場合は、駆動回路D1は動作せずメイン制御信号Main_OUTはLとなり、サブ制御信号Sub_OUTもLとなる。このとき、切り替え信号Tri_INはLとなるため駆動回路D2は動作しない。 When the input signal Main_IN is H and the input signal Sub_IN is H, both the main control signal Main_OUT and the sub control signal Sub_OUT are H. At this time, the switching signal Tri_IN becomes L, so the driving circuit D2 does not operate. When the input signal Main_IN is L and the input signal Sub_IN is H, the driving circuit D1 does not operate, the main control signal Main_OUT becomes L, and the sub control signal Sub_OUT also becomes L. At this time, the switching signal Tri_IN becomes L, so the driving circuit D2 does not operate.
次に、入力信号Sub_INの切り替えによるダブルゲートIGBT10のスイッチングスピードへの影響について図6を用いて説明する。
Next, the effect of switching the input signal Sub_IN on the switching speed of the
図6は、入力信号Sub_INに対するダブルゲートIGBT10に与えられるゲート電流を示す図である。図6に示すように、入力信号Main_INがHかつ入力信号Sub_INがLであれば、駆動回路D2が動作する。このとき、駆動回路D2の3ステートバッファの出力部であるMOSトランジスタPMから駆動電流IA(第2の駆動電流)が供給されるため、ダブルゲートIGBT10のメインゲート電流(IGmain)は、駆動回路D1から供給される駆動電流IM(第1の駆動電流)と合わせた以下の数式で表される。
IGmain(H,L)=IM+IA
FIG. 6 shows the gate current applied to the
IG main (H, L) = I M + I A
一方で、駆動回路D3に入力されるサブ制御信号Sub_OUTはLであるため、ダブルゲートIGBT10のサブゲートには駆動電流は供給されず、サブゲート電流IGsubは以下の数式で表される。
IGsub(H,L)=0
On the other hand, since the sub-control signal Sub_OUT input to the drive circuit D3 is L, no drive current is supplied to the sub-gate of the
IG sub (H, L)=0
このため、ダブルゲートIGBT10のメインゲートのみに電荷が高速にチャージされ、スイッチングスピードが高速となる。
Therefore, only the main gate of the
また、入力信号Main_INがHかつ入力信号Sub_INがHであれば、駆動回路D2は動作しないためダブルゲートIGBT10のメインゲート電流(IGmain)は以下の数式で表される。
IGmain(H,H)=IM
Further, when the input signal Main_IN is H and the input signal Sub_IN is H, the driving circuit D2 does not operate, so the main gate current (IG main ) of the
IG main (H, H) = I M
一方、駆動回路D3に入力されるサブ制御信号Sub_OUTはHであるため、ダブルゲートIGBT10のサブゲートには駆動電流IS(第3の駆動電流)が供給され、サブゲート電流IGsubは以下の数式で表される。
IGsub(H,H)=IS
On the other hand, since the sub-control signal Sub_OUT input to the drive circuit D3 is H, the sub-gate of the
IG sub (H, H)=I S
このため、ダブルゲートIGBT10のメインゲートとサブゲートに電荷がチャージされるが、メインゲート電流(IGmain)は低下しているため、メインゲートの電荷チャージは低速であり、結果としてスイッチングスピードを低速にできる。
Therefore, the main gate and sub-gate of the
なお、入力信号Main_INがLの場合はディスチャージ動作となり、ゲート電流が駆動回路に引き抜かれるので電流の符号が反転する。 When the input signal Main_IN is L, the discharge operation is performed, and the sign of the current is reversed because the gate current is drawn to the drive circuit.
次に、入力信号Sub_INの切り替えによるダブルゲートIGBT10の出力特性への影響について図7を用いて説明する。
Next, the effect of switching the input signal Sub_IN on the output characteristics of the
図7は、入力信号Sub_INに対するダブルゲートIGBT10のゲート電圧に対するコレクタ電流特性(Vg-Ic特性)を示す図であり、横軸にゲート電圧(Vg)を示し、縦軸にコレクタ電流(Ic)を示す。
FIG. 7 is a diagram showing the collector current characteristics (Vg-Ic characteristics) with respect to the gate voltage of the
図6を用いて説明したように、入力信号Sub_INがHであれば、ダブルゲートIGBT10はメイン領域およびサブ領域が共にスイッチング動作する。一方、入力信号Sub_INがLであれば、サブ領域はスイッチング動作せず、メイン領域のみスイッチング動作する。ここで、入力信号Main_INをHとしてダブルゲートIGBT10にゲートバイアス電圧Vg_biasを与えた場合の、入力信号Sub_INがHの場合の特性C1とLの場合の特性C2を比較すると、入力信号Sub_INがHであればダブルゲートIGBT10のスイッチング動作領域はメイン領域とサブ領域となり、スイッチング動作領域が広いため、コレクタ電流Icが増加する。
As described with reference to FIG. 6, when the input signal Sub_IN is H, the
このように、本実施の形態1の半導体モジュール100においては、入力信号Sub_INを切り替えることにより、ダブルゲートIGBT10のスイッチングスピードおよび出力特性を制御することが可能となる。
Thus, in the
以下、半導体モジュール100の実用例を説明する。例えば、パワーデバイスで構成されるインバータ回路を用いてモーターを起動する場合、起動時にはモーターに突入電流が流れるため、インバータ回路の出力電流(Io)が高くなる。一方で、過渡熱抵抗は低いためパワーデバイスの接合温度は低い。よって、この状態では、半導体モジュールとしては、電流能力は高くし、スイッチングノイズおよびサージを抑えるためにスイッチングスピードは低速にしたい。
A practical example of the
ここで、実施の形態1の半導体モジュール100を複数組み合わせてインバータ回路を構成した場合を想定する。モジュールを制御するためのマイクロコンピュータ等から入力信号Sub_INとしてH信号を入力すると、図6を用いて説明したように、起動時には、ダブルゲートIGBT10のスイッチングスピードが低速となり、かつ、図7に示したように、ダブルゲートIGBT10の電流能力(コレクタ電流)を高くすることができる。
Here, it is assumed that an inverter circuit is configured by combining a plurality of
時間が経過し、モーターが定常状態となり、インバータ回路の出力電流(Io)が低くなれば、ダブルゲートIGBT10の電流能力は低くても良いが、ダブルゲートIGBT10の接合温度(Tj)の上昇を抑制するためスイッチングは高速にしたい。特に、図2に示した駆動回路D2のようにCMOS(Complementary MOS)トランジスタを用いた駆動回路の場合には、MOSトランジスタの温度特性によって、高温ではパワーデバイスに出力する電流が低下し、スイッチングスピードの低下を招く可能性がある。
As time passes and the motor reaches a steady state and the output current (Io) of the inverter circuit becomes low, the current capability of the
しかし、マイクロコンピュータ等から入力信号Sub_INとしてL信号を入力すると、図6を用いて説明したように、ダブルゲートIGBT10のスイッチングスピードを高速にすることが可能となる。
However, when an L signal is input as the input signal Sub_IN from a microcomputer or the like, it becomes possible to increase the switching speed of the
上述した入力信号Sub_INによるダブルゲートIGBT10の制御の一例を図8に示す。図8においては、インバータ回路の出力電流(Io)の時間変化を上段に、ダブルゲートIGBT10の接合温度(Tj)の時間変化を下段に、入力信号Sub_INのタイミングチャートを下段に示しており、入力信号Sub_INをHからLに切り替えることで、出力電流(Io)が低下することが示されている。入力信号Sub_INの切り替えのタイミングは、ダブルゲートIGBT10の接合温度が飽和した後とすれば良い。
FIG. 8 shows an example of control of the
また、高温では一般的にIGBTの短絡耐量が低下するが、本実施の形態1では入力信号Sub_INをLとすることで、図7に示したようにダブルゲートIGBT10のコレクタ電流が下がるため、短絡時に発生するエネルギーが小さくなり、短絡耐量の低下も抑制することができる。
In addition, although the short-circuit resistance of an IGBT generally decreases at high temperatures, by setting the input signal Sub_IN to L in the first embodiment, the collector current of the
実施の形態1の半導体モジュール100を用いてインバータ回路を構成した例を図9に示す。図9は、U相インバータ回路UF、V相インバータ回路VFおよびW相インバータ回路WFで構成される3相インバータ回路1000を示しており、各相のインバータ回路は、ハイサイド駆動制御回路(HVIC)およびローサイド駆動制御回路(LVIC)を有したIPM(Intelligent Power Module)である。なお、図9においては、U相インバータ回路UFのみ具体的な構成を示しているが、V相インバータ回路VFおよびW相インバータ回路WFも同様の構成を採ることができ、V相インバータ回路VFおよびW相インバータ回路WFは、それぞれ出力ノードVおよびUを有している。また、図9においては、図1を用いて説明した半導体モジュール100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
FIG. 9 shows an example of configuring an inverter circuit using the
U相インバータ回路UFは、電力線P(上アーム)とU相出力ノードUとの間に並列に接続された、N型のメインIGBTQ1とN型のサブIGBTQ2とで構成されるダブルゲートIGBT10と、U相出力ノードUと電力線UN(下アーム)との間に並列に接続された、N型のメインIGBTQ11とN型のサブIGBTQ12とで構成されるダブルゲートIGBT11と、ダブルゲートIGBT10および11のON、OFFをそれぞれ制御する駆動制御回路20および駆動制御回路21と、を備えている。ダブルゲートIGBT10および11には、それぞれ、逆並列にフリーホイールダイオードFD1およびFD2が接続されている。
The U-phase inverter circuit UF includes a
駆動制御回路20においては、入力信号UP_INを受け、ハイサイドのIGBTのエミッタ基準電位までレベルシフトして出力するレベルシフト回路を含む信号伝達回路ST1と、入力信号Sub_INを受け、ハイサイドのIGBTのエミッタ基準電位までレベルシフトして出力するレベルシフト回路を含む信号伝達回路ST2と、を有している。
In the
駆動制御回路21においては、入力信号UN_INを受けて出力する信号伝達回路ST11と、入力信号Sub_INを受け、遅延させて出力する遅延回路を含む信号伝達回路ST12と、を有している。なお、入力信号Sub_INは、駆動制御回路20と駆動制御回路21とで共通の信号が与えられるが、信号の伝達遅延時間を考慮し、信号伝達回路ST12には調整用の遅延回路を設けている。
The
このように、ハイサイドのダブルゲートIGBT10の駆動制御回路20は、入力信号UP_IN(入力信号Main_INに相当)をレベルシフトするレベルシフト回路と、入力信号Sub_INをレベルシフトするレベルシフト回路を有すれば良いので、アクティブゲートコントロールの複雑な制御も、回路規模を大幅に増大させることなく実現することができる。
Thus, if the
また、半導体モジュール100は、従来技術の回路プロセスと、公知のダブルゲートIGBTの技術と、それらを接続するワイヤリングプロセスで実現可能であり、本実施の形態1に伴う新規のプロセス技術の確立が必要ない点においても実用的である。
In addition, the
<実施の形態2>
実施の形態1の半導体モジュール100においては、入力信号Sub_INを外部のマイクロコンピュータ等から入力する構成であったが、図10に示す実施の形態2の半導体モジュール100Aにおいては、入力信号Sub_INをモジュール内部で生成する構成を有している。なお、図10においては、図1を用いて説明した半導体モジュール100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<Embodiment 2>
In the
図10に示すように半導体モジュール100Aにおいては、ダブルゲートIGBT10の駆動制御回路20A内にアナログの温度検出回路TCを有し、温度検出回路TCで検出した駆動制御回路20A内の検出温度が、閾値を超えたか否かに基づいて、入力信号Sub_INを生成することで、ダブルゲートIGBT10のデバイス温度に応じた入力信号Sub_INの自立的な切り替えが可能な構成となっている。
As shown in FIG. 10, the
温度検出回路TCの一例としては、温度特性の良いダイオードDDを検出素子として使用し、電源電位VTと基準電位GDとの間に電流源I1、ダイオードDDおよび抵抗R1を直列に接続し、ダイオードDDのアノードを出力ノードとしている。 As an example of the temperature detection circuit TC, a diode DD having good temperature characteristics is used as a detection element, and a current source I1, a diode DD and a resistor R1 are connected in series between the power supply potential VT and the reference potential GD. is used as an output node.
また、参照電圧REFは、電源電位VTと基準電位GDとの間に抵抗R11およびR12を直列に接続し、抵抗R11とR12との接続ノードから出力される構成となっている。 The reference voltage REF is output from the connection node between the resistors R11 and R12, with the resistors R11 and R12 connected in series between the power supply potential VT and the reference potential GD.
温度検出回路TCでの温度検出電圧、すなわちダイオードDDのアノードの電圧は、コンパレータU5の反転入力端子に入力され、参照電圧REFはコンパレータU5の非反転入力端子に入力され、コンパレータU5の出力は、インバータU6に入力され、インバータU6で反転されて入力信号Sub_INとなる。 The temperature detection voltage at temperature detection circuit TC, that is, the voltage at the anode of diode DD, is input to the inverting input terminal of comparator U5, the reference voltage REF is input to the non-inverting input terminal of comparator U5, and the output of comparator U5 is It is input to the inverter U6 and inverted by the inverter U6 to become the input signal Sub_IN.
従って、ダブルゲートIGBT10のデバイス温度が低い場合は、入力信号Sub_INがHとなるように参照電圧REF(閾値)を設定してスイッチングスピードを低速とする。一方、ダブルゲートIGBT10のデバイス温度が高くなって参照電圧REF(閾値)を超えた場合は、入力信号Sub_INをLとすることで、スイッチングスピードを高速にすることができる。
Therefore, when the device temperature of the
このように、半導体モジュール100Aにおいては、ダブルゲートIGBT10のデバイス温度に応じて入力信号Sub_INの生成を自動的に行うので、外部信号を使用することなくデバイス温度に応じた自立的な駆動制御が可能となる。
In this way, in the
<変形例1>
以上説明した実施の形態2の半導体モジュール100Aにおいては、駆動制御回路20A内にアナログの温度検出回路TCを設けて、ダブルゲートIGBT10のデバイス温度を間接的に測定する構成を示したが、ダブルゲートIGBT10のデバイス温度を直接に測定する構成としても良い。
<
In the
図11は、実施の形態2の変形例1の半導体モジュール100Bの構成を示す回路図である。図11に示すように半導体モジュール100Bにおいては、ダブルゲートIGBT10に温度センスダイオードTDを内蔵し、駆動制御回路20B内で温度センスダイオードTDでの温度検出電圧と参照電圧REFとを比較することで、ダブルゲートIGBT10のデバイス温度に応じた入力信号Sub_INの自立的な切り替えが可能な構成となっている。
FIG. 11 is a circuit diagram showing the configuration of a
温度センスダイオードTDによる温度検出の一例としては、電源電位VTと基準電位GDとの間に電流源I10、温度センスダイオードTDおよび抵抗R10を直列に接続し、温度センスダイオードTDのアノードの電圧をコンパレータU5の反転入力端子に入力し、コンパレータU5の非反転入力端子に参照電圧REFを入力する構成が挙げられる。コンパレータU5の出力は、インバータU6に入力され、インバータU6で反転されて入力信号Sub_INとなる。なお、参照電圧REFは、図10に示した構成により生成すれば良い。 As an example of temperature detection by the temperature sensing diode TD, a current source I10, a temperature sensing diode TD and a resistor R10 are connected in series between the power supply potential VT and the reference potential GD, and the voltage of the anode of the temperature sensing diode TD is detected by a comparator. A configuration in which the voltage is input to the inverting input terminal of U5 and the reference voltage REF is input to the non-inverting input terminal of the comparator U5 can be cited. The output of the comparator U5 is input to the inverter U6 and inverted by the inverter U6 to become the input signal Sub_IN. Note that the reference voltage REF may be generated by the configuration shown in FIG.
図11の構成ではダブルゲートIGBT10内に温度センスダイオードTDを形成するプロセスと、温度検出電圧のフィードバックのためのワイヤリングが必要であるが、精度良くIGBTの接合温度(Tj)を検出できるため、デバイス温度に応じたより正確な駆動制御を行うことができる。
The configuration of FIG. 11 requires a process of forming the temperature sensing diode TD in the
<変形例2>
実施の形態2の半導体モジュール100Aおよびその変形例1の半導体モジュール100Bにおいては、ダブルゲートIGBT10をパワーデバイスとして用いているので、オン電圧を低くできるという利点があるが、パワーデバイスとしては、ボディダイオードをフリーホイールダイオードとして用いた逆導通MOSトランジスタまたは逆導通IGBT(RC-IGBT:Reverse Conducting IGBT)等の逆導通トランジスタとしても良い。
<Modification 2>
In the
図12は、実施の形態2の変形例2の半導体モジュール100Cの構成を示す回路図である。図12に示すように半導体モジュール100Cにおいては、ボディダイオードをフリーホイールダイオードとして活用したダブルゲートMOSトランジスタ30をパワーデバイスとしている。なお、図12においては、図11に示した半導体モジュール100Bと同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
FIG. 12 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor module 100C according to Modification 2 of Embodiment 2. As shown in FIG. As shown in FIG. 12, in a semiconductor module 100C, a
図12において、ダブルゲートMOSトランジスタ30は、電力線Sと電力線Nとの間に並列に接続された、N型のメインMOSトランジスタQ10とN型のサブMOSトランジスタQ20として等価回路で示されている。なお、メインMOSトランジスタQ10およびサブMOSトランジスタQ20は、ボディダイオードをフリーホイールダイオードとして用いる。
In FIG. 12, double
MOSトランジスタおよびRC-IGBT等の逆導通デバイスであれば、還流動作時も通電されるため、接合温度の変化(ΔTj)が少なく温度に対する制御性が向上する。 Reverse-conducting devices such as MOS transistors and RC-IGBTs are energized even during the freewheeling operation, so that the change in junction temperature (ΔTj) is small and temperature controllability is improved.
なお、本開示は、その開示の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 In addition, within the scope of the disclosure, each embodiment can be freely combined, or each embodiment can be appropriately modified or omitted.
10 ダブルゲートIGBT、20 駆動制御回路、D1,D2,D3 駆動回路、TC 温度検出回路、TD 温度センスダイオード。 10 double gate IGBT, 20 drive control circuit, D1, D2, D3 drive circuit, TC temperature detection circuit, TD temperature sense diode.
Claims (8)
前記トランジスタの駆動を制御する駆動制御回路と、を備え、
前記駆動制御回路は、
第1の入力信号に基づいて第1の駆動電流を出力する第1の駆動回路と、
前記第1の入力信号と第2の入力信号に基づいて前記第1の駆動電流を増強する第2の駆動電流を出力する第2の駆動回路と、
前記第1の入力信号と前記第2の入力信号に基づいて第3の駆動電流を出力する第3の駆動回路と、を有し、
前記第1および第2の駆動回路の出力は、前記第1の制御信号として前記第1のゲートに与えられ、
前記第3の駆動回路の出力は、前記第2の制御信号として前記第2のゲートに与えられる、半導体モジュール。 a double-gate structure transistor having a first region for performing switching operation upon receiving a first control signal at its first gate and a second region for performing switching operation upon receiving a second control signal at its second gate;
A drive control circuit that controls driving of the transistor,
The drive control circuit is
a first drive circuit that outputs a first drive current based on a first input signal;
a second drive circuit that outputs a second drive current that enhances the first drive current based on the first input signal and the second input signal;
a third drive circuit that outputs a third drive current based on the first input signal and the second input signal;
outputs of the first and second drive circuits are provided to the first gate as the first control signal;
The semiconductor module according to claim 1, wherein the output of the third drive circuit is given to the second gate as the second control signal.
前記第1の領域の面積が前記第2の領域の面積よりも大きい、請求項1記載の半導体モジュール。 The first and second regions are
2. The semiconductor module according to claim 1, wherein the area of said first region is larger than the area of said second region.
前記第1の入力信号が第1の電位であって前記第2の入力信号が前記第1の電位とは異なる第2の電位である場合は前記第2の駆動電流を出力し、前記第1の駆動電流を増強して前記第1の領域をスイッチング動作し、
前記第3の駆動回路は、
前記第1の入力信号が前記第1の電位であって前記第2の入力信号が前記第2の電位である場合は前記第3の駆動電流を出力せず、前記第2の領域をスイッチング動作しない、請求項1記載の半導体モジュール。 The second drive circuit,
When the first input signal has a first potential and the second input signal has a second potential different from the first potential, the second drive current is output, enhances the drive current of the first region for switching operation;
The third drive circuit is
When the first input signal is at the first potential and the second input signal is at the second potential, the third driving current is not output, and switching operation is performed in the second region. 2. The semiconductor module according to claim 1, wherein no.
前記第1の入力信号が前記第1の電位であって前記第2の入力信号が前記第1の電位である場合は前記第2の駆動電流を出力せず、前記第1の駆動電流で前記第1の領域をスイッチング動作し、
前記第3の駆動回路は、
前記第1の入力信号が前記第1の電位であって前記第2の入力信号が前記第1の電位である場合は前記第3の駆動電流を出力し、前記第2の領域をスイッチング動作する、請求項3記載の半導体モジュール。 The second drive circuit,
When the first input signal is at the first potential and the second input signal is at the first potential, the second driving current is not output, and the first driving current is used to output the second driving current. switching the first region;
The third drive circuit is
When the first input signal is at the first potential and the second input signal is at the first potential, the third drive current is output to switch the second region. 4. The semiconductor module according to claim 3.
前記温度検出回路による検出温度が閾値を超えたか否かに基づいて前記第2の制御信号を生成する、請求項1記載の半導体モジュール。 The drive control circuit has a temperature detection circuit,
2. The semiconductor module according to claim 1, wherein said second control signal is generated based on whether the temperature detected by said temperature detection circuit exceeds a threshold.
前記温度センスダイオードによる検出温度が閾値を超えたか否かに基づいて前記第2の制御信号を生成する、請求項1記載の半導体モジュール。 the transistor has a temperature sensing diode;
2. The semiconductor module according to claim 1, wherein said second control signal is generated based on whether the temperature detected by said temperature sensing diode exceeds a threshold.
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