JPH0832064A - Mos半導体装置とその駆動方法および駆動回路 - Google Patents
Mos半導体装置とその駆動方法および駆動回路Info
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- JPH0832064A JPH0832064A JP6162555A JP16255594A JPH0832064A JP H0832064 A JPH0832064 A JP H0832064A JP 6162555 A JP6162555 A JP 6162555A JP 16255594 A JP16255594 A JP 16255594A JP H0832064 A JPH0832064 A JP H0832064A
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- gate
- semiconductor device
- gates
- collector
- mos semiconductor
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
- H03K17/168—Modifications for eliminating interference voltages or currents in composite switches
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
- H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
- H03K17/162—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches without feedback from the output circuit to the control circuit
- H03K17/163—Soft switching
- H03K17/164—Soft switching using parallel switching arrangements
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- Thyristors (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】MOS構造のゲートを持つ半導体装置を用いて
誘導性の負荷の電力をスイッチングする際、その電流、
電圧波形に生じるピークや振動を抑え、半導体装置の破
壊を防止する。 【構成】それぞれ対応するスイッチング領域を持つ複数
のゲートを有する構造のMOS半導体装置とし、各ゲー
トに時間差をつけたゲート信号を与えてオン領域を次第
に増減させることにより、コレクタ電流、コレクタ−エ
ミッタ間電圧の変化率を調節する。時間差を付けたゲー
ト信号を出力する方法として、シフトレジスタを利用し
た回路やゲート回路の寄生容量を使いRC時定数を利用
した回路がある。
誘導性の負荷の電力をスイッチングする際、その電流、
電圧波形に生じるピークや振動を抑え、半導体装置の破
壊を防止する。 【構成】それぞれ対応するスイッチング領域を持つ複数
のゲートを有する構造のMOS半導体装置とし、各ゲー
トに時間差をつけたゲート信号を与えてオン領域を次第
に増減させることにより、コレクタ電流、コレクタ−エ
ミッタ間電圧の変化率を調節する。時間差を付けたゲー
ト信号を出力する方法として、シフトレジスタを利用し
た回路やゲート回路の寄生容量を使いRC時定数を利用
した回路がある。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、誘導性負荷等のスイッ
チングに用いられるMOS(金属−酸化膜−半導体)構
造のゲートを有する半導体装置の構造と、そのMOS半
導体装置のオン/オフを行う駆動方法及びその駆動回路
に関する。
チングに用いられるMOS(金属−酸化膜−半導体)構
造のゲートを有する半導体装置の構造と、そのMOS半
導体装置のオン/オフを行う駆動方法及びその駆動回路
に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば絶縁ゲートトランジスタ(以下I
GBトランジスタと略す)やMOS電界効果トランジス
タ(以下MOSFETと略す)等のMOS半導体装置は
そのスイッチング速度が速いことから、電力用のスイッ
チング素子として広く用いられている。従来のMOS半
導体装置の例として、図6(a)にIGBトランジスタ
M3の模式的な平面図を、図6(b)にIGBトランジ
スタM3の部分断面図を示す。図6(b)において、N
型半導体基板1の表面層に選択的にPベース領域2が形
成され、そのPベース領域2の表面層にNエミッタ領域
3が形成されている。N型基板1の表面露出部とNエミ
ッタ領域3に挟まれたPベース領域2の表面上にゲート
絶縁膜4を介してゲート電極5が、Pベース領域2とN
エミッタ領域領域3の表面上に共通に接触するエミッタ
電極6が設けられている。エミッタ電極6は、絶縁膜8
を介してゲート電極5上に延長することもできる。N型
基板1の表面層のpベース領域2の形成されていない領
域にPコレクタ領域7が選択的に形成され、その表面上
にコレクタ電極9が設けられている。図6(b)はIG
Bトランジスタのスィッチング作用を担う単位の部分で
あって、セルと呼ばれ、IGBトランジスタは極めて多
数のこのようなセルが並列接続されている。
GBトランジスタと略す)やMOS電界効果トランジス
タ(以下MOSFETと略す)等のMOS半導体装置は
そのスイッチング速度が速いことから、電力用のスイッ
チング素子として広く用いられている。従来のMOS半
導体装置の例として、図6(a)にIGBトランジスタ
M3の模式的な平面図を、図6(b)にIGBトランジ
スタM3の部分断面図を示す。図6(b)において、N
型半導体基板1の表面層に選択的にPベース領域2が形
成され、そのPベース領域2の表面層にNエミッタ領域
3が形成されている。N型基板1の表面露出部とNエミ
ッタ領域3に挟まれたPベース領域2の表面上にゲート
絶縁膜4を介してゲート電極5が、Pベース領域2とN
エミッタ領域領域3の表面上に共通に接触するエミッタ
電極6が設けられている。エミッタ電極6は、絶縁膜8
を介してゲート電極5上に延長することもできる。N型
基板1の表面層のpベース領域2の形成されていない領
域にPコレクタ領域7が選択的に形成され、その表面上
にコレクタ電極9が設けられている。図6(b)はIG
Bトランジスタのスィッチング作用を担う単位の部分で
あって、セルと呼ばれ、IGBトランジスタは極めて多
数のこのようなセルが並列接続されている。
【0003】図6(a)において、各セルのゲート電極
5、エミッタ電極6、コレクタ電極9は、それぞれまと
められてIGBトランジスタのチップ10上に配置され
たゲート電極パッド15、エミッタ電極パッド16、コ
レクタ電極パッド19に接続される。ゲート電極パッド
15、エミッタ電極パッド16、コレクタ電極パッド1
9は、それぞれゲート端子G・コレクタ端子C・エミッ
タ端子Eに接続される。図6(a)はチップ上に配置さ
れたゲート電極パッド15、エミッタ電極パッド16、
コレクタ電極パッド19で模式的にゲート電極5、エミ
ッタ電極6、コレクタ電極9を表している。図におい
て、IGBトランジスタを構成するセルは周縁部の耐圧
構造部を除きチップ10のほぼ全面に配置されている。
5、エミッタ電極6、コレクタ電極9は、それぞれまと
められてIGBトランジスタのチップ10上に配置され
たゲート電極パッド15、エミッタ電極パッド16、コ
レクタ電極パッド19に接続される。ゲート電極パッド
15、エミッタ電極パッド16、コレクタ電極パッド1
9は、それぞれゲート端子G・コレクタ端子C・エミッ
タ端子Eに接続される。図6(a)はチップ上に配置さ
れたゲート電極パッド15、エミッタ電極パッド16、
コレクタ電極パッド19で模式的にゲート電極5、エミ
ッタ電極6、コレクタ電極9を表している。図におい
て、IGBトランジスタを構成するセルは周縁部の耐圧
構造部を除きチップ10のほぼ全面に配置されている。
【0004】このIGBトランジスタのゲート−エミッ
タ(G−E)端子間電圧VGEとコレクタ電流IC の関係
は図7に示す特性となる。この図において、横軸はG−
E端子間電圧VGE、たて軸はコレクタ電流IC である。
VGEがしきい値電圧Vthより低い時、コレクタ−エミッ
タ(C−E)端子間は遮断、即ちオフ状態となり、等価
的に高抵抗と言える。一方、VGEがVthを十分大きく超
える時、C−E端子間は導通、即ちオン状態となり、等
価的に低抵抗と言える。
タ(G−E)端子間電圧VGEとコレクタ電流IC の関係
は図7に示す特性となる。この図において、横軸はG−
E端子間電圧VGE、たて軸はコレクタ電流IC である。
VGEがしきい値電圧Vthより低い時、コレクタ−エミッ
タ(C−E)端子間は遮断、即ちオフ状態となり、等価
的に高抵抗と言える。一方、VGEがVthを十分大きく超
える時、C−E端子間は導通、即ちオン状態となり、等
価的に低抵抗と言える。
【0005】オフからオン(ターンオン)又はオンから
オフ(ターンオフ)の遷移状態ではC−E端子間が高抵
抗から低抵抗、又は低抵抗から高抵抗へと遷移してお
り、その遷移時間を変えることによって、IC 、VCEも
変化させることができる。
オフ(ターンオフ)の遷移状態ではC−E端子間が高抵
抗から低抵抗、又は低抵抗から高抵抗へと遷移してお
り、その遷移時間を変えることによって、IC 、VCEも
変化させることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図8に従来のIGBト
ランジスタM3が誘導性負荷Lの電力をスイッチングす
る際の回路図を示す。IGBトランジスタM3と直列に
誘導性負荷Lが接続され、主回路電源電圧VMが印加さ
れる。誘導性負荷Lと並列にダイオードFWDがつなが
れている。ゲート駆動用タイミング信号INがバッファ
24でモディファイされて、IGBトランジスタM3の
ゲート端子に与えられる。
ランジスタM3が誘導性負荷Lの電力をスイッチングす
る際の回路図を示す。IGBトランジスタM3と直列に
誘導性負荷Lが接続され、主回路電源電圧VMが印加さ
れる。誘導性負荷Lと並列にダイオードFWDがつなが
れている。ゲート駆動用タイミング信号INがバッファ
24でモディファイされて、IGBトランジスタM3の
ゲート端子に与えられる。
【0007】図9にその際のゲート駆動用タイミング信
号IN、G−E端子間電圧VGE、C−E端子間電圧
VCE、コレクタ電流IC の波形を示す。横軸は時間であ
る。ターンオン時は、その前のスイッチングで誘導性負
荷Lに蓄えられたエネルギーによりコレクタ電流IC の
立上がりにピークを生じる。一方ターンオフ時は、C−
E端子間電圧VCEの立上がりにピークを生じる。これら
のピークは、高速スイッチング、特にゲート駆動用タイ
ミング信号INの立上がり、立下がり時間が極端に短い
時に起こる。最悪の場合は振動状態になり、そのピーク
値がその素子の定格を超えると誤動作や素子破壊を引き
起こす。
号IN、G−E端子間電圧VGE、C−E端子間電圧
VCE、コレクタ電流IC の波形を示す。横軸は時間であ
る。ターンオン時は、その前のスイッチングで誘導性負
荷Lに蓄えられたエネルギーによりコレクタ電流IC の
立上がりにピークを生じる。一方ターンオフ時は、C−
E端子間電圧VCEの立上がりにピークを生じる。これら
のピークは、高速スイッチング、特にゲート駆動用タイ
ミング信号INの立上がり、立下がり時間が極端に短い
時に起こる。最悪の場合は振動状態になり、そのピーク
値がその素子の定格を超えると誤動作や素子破壊を引き
起こす。
【0008】この発明は、これらの点に鑑み、ターンオ
ン・ターンオフ時のコレクタ電流I C 、C−E端子電圧
VCEの時間的変化率(dIC /dt、dVCE/dt)の
緩和を図るためのMOS半導体装置の構造と、その駆動
方法及び駆動回路の提供を目的とするものである。
ン・ターンオフ時のコレクタ電流I C 、C−E端子電圧
VCEの時間的変化率(dIC /dt、dVCE/dt)の
緩和を図るためのMOS半導体装置の構造と、その駆動
方法及び駆動回路の提供を目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、MOS構造の同一のゲートによりオン・
オフのスィッチングを行うMOS半導体装置において、
オン・オフのそれぞれの信号に対応したスィッチングを
行う領域をもつ複数の互いに独立したゲート電極と、一
つのエミッタ電極と、一つのコレクタ電極とを有するも
のとする。
に、本発明は、MOS構造の同一のゲートによりオン・
オフのスィッチングを行うMOS半導体装置において、
オン・オフのそれぞれの信号に対応したスィッチングを
行う領域をもつ複数の互いに独立したゲート電極と、一
つのエミッタ電極と、一つのコレクタ電極とを有するも
のとする。
【0010】また、オン・オフのそれぞれの信号に対応
したスィッチングを行う領域をもつ複数の互いに独立し
たゲート電極と、共通に接続される複数のエミッタ電極
と、共通に接続される複数のコレクタ電極とを有するも
のでもよい。上記のMOS半導体装置の駆動方法として
は、複数のゲートに時間的な差を持たせながらオン信号
を与えて、次第にオン状態の領域を増してゆき、また、
複数のゲートに時間的な差を持たせながらオフ信号を与
えて、次第にオン状態の領域を減らして行くことが重要
である。
したスィッチングを行う領域をもつ複数の互いに独立し
たゲート電極と、共通に接続される複数のエミッタ電極
と、共通に接続される複数のコレクタ電極とを有するも
のでもよい。上記のMOS半導体装置の駆動方法として
は、複数のゲートに時間的な差を持たせながらオン信号
を与えて、次第にオン状態の領域を増してゆき、また、
複数のゲートに時間的な差を持たせながらオフ信号を与
えて、次第にオン状態の領域を減らして行くことが重要
である。
【0011】上記のMOS半導体装置の駆動回路には、
2以上の整数n出力のシフトレジスタを用いることがで
きる。或いは、2以上の整数n個の各ゲートに寄生して
いる入力容量CG1〜CGnと、一端をそれらの各ゲートに
接続した抵抗RG1〜RGnとの間に、 CG1RG1<・・・・<CGnRGn なる時定数関係が成り立つようにRG1〜RGnを定めるも
のとする。
2以上の整数n出力のシフトレジスタを用いることがで
きる。或いは、2以上の整数n個の各ゲートに寄生して
いる入力容量CG1〜CGnと、一端をそれらの各ゲートに
接続した抵抗RG1〜RGnとの間に、 CG1RG1<・・・・<CGnRGn なる時定数関係が成り立つようにRG1〜RGnを定めるも
のとする。
【0012】
【作用】上記手段を講じ、複数の互いに独立したゲート
電極と、一つのエミッタ電極と、一つのコレクタ電極と
を有するMOS半導体装置、或いは複数の互いに独立し
たゲート電極と、共通に接続される複数のエミッタ電極
と、共通に接続される複数のコレクタ電極とを有するM
OS半導体装置において、ゲートの数がn個であり、ス
イッチング領域がほぼ均等に分割されているとすれば、
第1のゲートにオン信号を印加すると、それによりコレ
クタ−エミッタ間の1/nの領域がオン状態で低抵抗と
なり、コレクタ−エミッタ間全体の合成抵抗値は第1の
ゲートにオン信号が印加される前よりも減少する。この
ように複数のゲートに時間的な差を持たせながらオン信
号を与えて、次第にオン状態の領域を増して行くことに
より、コレクタ−エミッタ間の抵抗値は次第に減少し、
この過程における第1から第nのゲートを順にオンして
いく時間差に応じてコレクタ電流IC は増加し、C−E
端子間電圧VCEは減少する。
電極と、一つのエミッタ電極と、一つのコレクタ電極と
を有するMOS半導体装置、或いは複数の互いに独立し
たゲート電極と、共通に接続される複数のエミッタ電極
と、共通に接続される複数のコレクタ電極とを有するM
OS半導体装置において、ゲートの数がn個であり、ス
イッチング領域がほぼ均等に分割されているとすれば、
第1のゲートにオン信号を印加すると、それによりコレ
クタ−エミッタ間の1/nの領域がオン状態で低抵抗と
なり、コレクタ−エミッタ間全体の合成抵抗値は第1の
ゲートにオン信号が印加される前よりも減少する。この
ように複数のゲートに時間的な差を持たせながらオン信
号を与えて、次第にオン状態の領域を増して行くことに
より、コレクタ−エミッタ間の抵抗値は次第に減少し、
この過程における第1から第nのゲートを順にオンして
いく時間差に応じてコレクタ電流IC は増加し、C−E
端子間電圧VCEは減少する。
【0013】また、全ゲートにオン信号が印加されてい
る状態で、第1のゲートにオフ信号を印加すると、それ
によりコレクタ−エミッタ間の1/nの領域がオフ状態
で高抵抗となり、コレクタ−エミッタ間全体の合成抵抗
値は第1のゲートにオフ信号が印加される前よりも増加
する。複数のゲートに時間的な差を持たせながらオフ信
号を与えて、次第にオン状態の領域を減らして行くこと
により、コレクタ−エミッタ間の抵抗値は次第に増加
し、この過程における第1から第nのゲートを順にオフ
していく時間差に応じてコレクタ電流IC は減少し、C
−E端子間電圧V CEは増加する。
る状態で、第1のゲートにオフ信号を印加すると、それ
によりコレクタ−エミッタ間の1/nの領域がオフ状態
で高抵抗となり、コレクタ−エミッタ間全体の合成抵抗
値は第1のゲートにオフ信号が印加される前よりも増加
する。複数のゲートに時間的な差を持たせながらオフ信
号を与えて、次第にオン状態の領域を減らして行くこと
により、コレクタ−エミッタ間の抵抗値は次第に増加
し、この過程における第1から第nのゲートを順にオフ
していく時間差に応じてコレクタ電流IC は減少し、C
−E端子間電圧V CEは増加する。
【0014】上記のMOS半導体装置の駆動に、2以上
の整数n出力のシフトレジスタを用いて、シフトレジス
タにクロック信号を入力し、これに同期してゲート駆動
タイミングを各1〜nクロックずつ遅らせた信号を用い
ることができる。その各出力をもって第1から第n迄の
時間差を持ったn個のゲート駆動信号として各ゲートを
オン・オフ駆動させる。
の整数n出力のシフトレジスタを用いて、シフトレジス
タにクロック信号を入力し、これに同期してゲート駆動
タイミングを各1〜nクロックずつ遅らせた信号を用い
ることができる。その各出力をもって第1から第n迄の
時間差を持ったn個のゲート駆動信号として各ゲートを
オン・オフ駆動させる。
【0015】或いは、各ゲートに寄生している入力容量
CG1〜CGnと、一端を各ゲートに接続した抵抗RG1〜R
Gnとの間に、 CG1RG1<・・・・<CGnRGn なる時定数関係が成り立つようにRG1〜RGnを定めるこ
とにより、各ゲートの寄生容量と各ゲートに付加した抵
抗との時定数を第1から第nのゲート迄順番に大きくな
り、各抵抗の他端に同時にオン・オフ信号を入力したと
きに、この時定数差により第1から第n迄の各ゲートを
順番にオン・オフ駆動することができる。
CG1〜CGnと、一端を各ゲートに接続した抵抗RG1〜R
Gnとの間に、 CG1RG1<・・・・<CGnRGn なる時定数関係が成り立つようにRG1〜RGnを定めるこ
とにより、各ゲートの寄生容量と各ゲートに付加した抵
抗との時定数を第1から第nのゲート迄順番に大きくな
り、各抵抗の他端に同時にオン・オフ信号を入力したと
きに、この時定数差により第1から第n迄の各ゲートを
順番にオン・オフ駆動することができる。
【0016】以上のように、ターンオン・ターンオフ時
のコレクタ電流IC 、C−E端子間電圧VCEの時間的変
化率の緩和が、このMOS半導体装置とその駆動回路を
用いて行うことができる。
のコレクタ電流IC 、C−E端子間電圧VCEの時間的変
化率の緩和が、このMOS半導体装置とその駆動回路を
用いて行うことができる。
【0017】
【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら説
明する。図1(a)は本発明の実施例のIGBトランジ
スタM1の平面図、同図(b)は、その等価回路を示
す。図1(a)においては、図6(a)に示した従来の
IGBトランジスタM3と違って、ゲート電極パッド1
5がG1〜Gn端子に接続される2以上の整数n個に分
割されている。分割されたゲート電極パッド15は、模
式的にそれぞれ分割されたゲート電極を表している。エ
ミッタ電極とコレクタ電極はそれぞれ一つのパッド16
とコレクタ電極パッド19にまとめられているが、ゲー
ト端子G1〜Gnにより、それぞれ対応する領域が制御
される。すなわち、ゲート端子G1へのオン/オフ信号
により、点線で示したIGBトランジスタ部分M11が
オン・オフし、ゲート端子G2へのオン/オフ信号によ
り、点線で示したIGBトランジスタ部分M12がオン
・オフする。これを回路図記号で表したのが図1(b)
の等価回路である。それぞれゲート端子G1〜Gnを持
ったn個のIGBトランジスタM11〜M1nが並列接
続されていることを示している。。
明する。図1(a)は本発明の実施例のIGBトランジ
スタM1の平面図、同図(b)は、その等価回路を示
す。図1(a)においては、図6(a)に示した従来の
IGBトランジスタM3と違って、ゲート電極パッド1
5がG1〜Gn端子に接続される2以上の整数n個に分
割されている。分割されたゲート電極パッド15は、模
式的にそれぞれ分割されたゲート電極を表している。エ
ミッタ電極とコレクタ電極はそれぞれ一つのパッド16
とコレクタ電極パッド19にまとめられているが、ゲー
ト端子G1〜Gnにより、それぞれ対応する領域が制御
される。すなわち、ゲート端子G1へのオン/オフ信号
により、点線で示したIGBトランジスタ部分M11が
オン・オフし、ゲート端子G2へのオン/オフ信号によ
り、点線で示したIGBトランジスタ部分M12がオン
・オフする。これを回路図記号で表したのが図1(b)
の等価回路である。それぞれゲート端子G1〜Gnを持
ったn個のIGBトランジスタM11〜M1nが並列接
続されていることを示している。。
【0018】図2は本発明の別の実施例のIGBトラン
ジスタM2の平面図を示す。図1のIGBトランジスタ
M1と違って、ゲート電極パッド15がG1〜Gnに接
続されたn個に分割されているだけでなく、エミッタ電
極パッド16とコレクタ電極パッド19も、それぞれE
1〜EnとC1〜Cnとn個に分割されていて、ゲート
端子G1〜Gnにそれぞれ対応する部分が制御される。
分割されたそれぞれの電極パッドは、模式的にそれぞれ
分割された電極を表している。すなわち、点線で示すよ
うに、それぞれゲート端子G1〜Gnを持ったn個のI
GBトランジスタM21〜M2nが同一チップ内に形成
されている。分割されたエミッタ電極fパッドE1〜E
nとコレクタ電極パッドC1〜Cnは、チップ10の外
でそれぞれ一つに接続され、並列接続されている。
ジスタM2の平面図を示す。図1のIGBトランジスタ
M1と違って、ゲート電極パッド15がG1〜Gnに接
続されたn個に分割されているだけでなく、エミッタ電
極パッド16とコレクタ電極パッド19も、それぞれE
1〜EnとC1〜Cnとn個に分割されていて、ゲート
端子G1〜Gnにそれぞれ対応する部分が制御される。
分割されたそれぞれの電極パッドは、模式的にそれぞれ
分割された電極を表している。すなわち、点線で示すよ
うに、それぞれゲート端子G1〜Gnを持ったn個のI
GBトランジスタM21〜M2nが同一チップ内に形成
されている。分割されたエミッタ電極fパッドE1〜E
nとコレクタ電極パッドC1〜Cnは、チップ10の外
でそれぞれ一つに接続され、並列接続されている。
【0019】図3(a)は、本発明にかかるIGBトラ
ンジスタM1とその駆動回路を用いて誘導性負荷Lの電
力をスイッチングする回路を、同図(b)はその際の各
部の電圧または電流波形を示す。INはゲート駆動用タ
イミング信号、VG1、VG2、VG3、VGnは、それぞれI
GBトランジスタM1のゲート端子G1、G2、G3、
Gnの電圧、VCEはC−E端子間電圧、Icはコレクタ
電流である。横軸は時間である。
ンジスタM1とその駆動回路を用いて誘導性負荷Lの電
力をスイッチングする回路を、同図(b)はその際の各
部の電圧または電流波形を示す。INはゲート駆動用タ
イミング信号、VG1、VG2、VG3、VGnは、それぞれI
GBトランジスタM1のゲート端子G1、G2、G3、
Gnの電圧、VCEはC−E端子間電圧、Icはコレクタ
電流である。横軸は時間である。
【0020】図3(a)において、図1(a)のIGB
トランジスタM1が、G1〜Gnとn個のゲート電極を
もったIGBトランジスタとして表されている。Lはイ
ンダクタンス成分を有する負荷で、ダイオードFWDが
並列に接続されている。21は例えばシフトレジスタを
用いたゲート駆動回路であり、ゲート駆動回路21に、
図3(b)のゲート駆動用タイミング信号INが与えら
れると、ゲート端子G1〜Gnに少しずつ時間をずらし
たゲートオン信号が与えられる。そしてIGBトランジ
スタM1が少しずつオン状態になる。その結果、図3
(b)に示したように、コレクタ電流Icが緩やかに立
ち上がり、従来のようなピークを生ずることはない。C
−E端子間電圧VCEも緩やかに立ち下がる。
トランジスタM1が、G1〜Gnとn個のゲート電極を
もったIGBトランジスタとして表されている。Lはイ
ンダクタンス成分を有する負荷で、ダイオードFWDが
並列に接続されている。21は例えばシフトレジスタを
用いたゲート駆動回路であり、ゲート駆動回路21に、
図3(b)のゲート駆動用タイミング信号INが与えら
れると、ゲート端子G1〜Gnに少しずつ時間をずらし
たゲートオン信号が与えられる。そしてIGBトランジ
スタM1が少しずつオン状態になる。その結果、図3
(b)に示したように、コレクタ電流Icが緩やかに立
ち上がり、従来のようなピークを生ずることはない。C
−E端子間電圧VCEも緩やかに立ち下がる。
【0021】IGBトランジスタM1のオフの際にも、
ゲート端子G1〜Gnに少しずつ時間をずらしたゲート
オフ信号が与えられ、IGBトランジスタM1が少しず
つオフ状態になる。その結果、図3(b)に示したよう
に、C−E端子間電圧VCEは緩やかに立ち上がり、従来
のようなピークを生ずることはない。コレクタ電流Ic
もゆるやかに立ち下がる。
ゲート端子G1〜Gnに少しずつ時間をずらしたゲート
オフ信号が与えられ、IGBトランジスタM1が少しず
つオフ状態になる。その結果、図3(b)に示したよう
に、C−E端子間電圧VCEは緩やかに立ち上がり、従来
のようなピークを生ずることはない。コレクタ電流Ic
もゆるやかに立ち下がる。
【0022】すなわち、IGBトランジスタM1が可変
抵抗成分として、電流制限的に働くので、図9に示した
従来のようなコレクタ電流Icのピークや、C−E端子
間電圧VCEのピークが生じない。図3(a)に示した本
発明の実施例において、ゲート駆動回路21を実現する
手段としてシフトレジスタを用いたが、そのゲート駆動
回路21の例を図4(a)に、その回路の各部の動作波
形を図4(b)に示す。
抵抗成分として、電流制限的に働くので、図9に示した
従来のようなコレクタ電流Icのピークや、C−E端子
間電圧VCEのピークが生じない。図3(a)に示した本
発明の実施例において、ゲート駆動回路21を実現する
手段としてシフトレジスタを用いたが、そのゲート駆動
回路21の例を図4(a)に、その回路の各部の動作波
形を図4(b)に示す。
【0023】図4(a)において、シフトレジスタ22
は発振回路23からのクロック信号CLKの立上がりに
同期して入力Dの信号レベルを出力Q1〜Qnから1〜
nクロック周期遅れて出力する。従って、図4(b)の
ようにゲート駆動用タイミング信号INの立上がりの直
後のCLKの立上がりでQ1=VG1が Low→Highにな
り、次のCLKの立上がりでQ2=VG2が Low→Highと
順に各信号が出力される。
は発振回路23からのクロック信号CLKの立上がりに
同期して入力Dの信号レベルを出力Q1〜Qnから1〜
nクロック周期遅れて出力する。従って、図4(b)の
ようにゲート駆動用タイミング信号INの立上がりの直
後のCLKの立上がりでQ1=VG1が Low→Highにな
り、次のCLKの立上がりでQ2=VG2が Low→Highと
順に各信号が出力される。
【0024】これは図3(b)のVG1〜VGnの各信号と
同じタイミングであり、このタイミングでIGBトラン
ジスタM1をオン・オフ駆動する事により、IC 、VCE
のターンオン・ターンオフ時の各波形は図3(b)に示
すような形となる。この時のIcとVCEの時間的変化率
dIc/dt、dVCE/dtは、ピークや振動を抑えら
れるまでのコレクタ電流IC 、C−E端子間電圧VCEの
立上がり・立下がり時間を実験等で求め、これをVG1〜
VGnの立上がり・立下がりの時間差に置き換え、これに
応じてCLK周期を決定する。
同じタイミングであり、このタイミングでIGBトラン
ジスタM1をオン・オフ駆動する事により、IC 、VCE
のターンオン・ターンオフ時の各波形は図3(b)に示
すような形となる。この時のIcとVCEの時間的変化率
dIc/dt、dVCE/dtは、ピークや振動を抑えら
れるまでのコレクタ電流IC 、C−E端子間電圧VCEの
立上がり・立下がり時間を実験等で求め、これをVG1〜
VGnの立上がり・立下がりの時間差に置き換え、これに
応じてCLK周期を決定する。
【0025】また、ゲート駆動回路21を実現する他の
手段として各ゲートの寄生容量と抵抗を用いることもで
きる。その場合、そのゲート駆動回路21とその周辺回
路として誘導性負荷Lをスイッチングする例を図5
(a)に示す。図5(a)において、ゲート駆動用タイ
ミング信号INはn個のバッファ41〜4nを介して分
流され、IGBトランジスタM1の各ゲートに接続され
た抵抗RG1〜RGnを通じてG1〜Gnに伝達される。こ
こで、各ゲートには寄生の容量が存在しているが、図5
(a)に示すように、それらの容量は等価的にゲート側
から見た入力容量CG1〜CGnとして表される。従って、
入力容量CG1〜CGnと抵抗RG1〜RGnの関係が、
手段として各ゲートの寄生容量と抵抗を用いることもで
きる。その場合、そのゲート駆動回路21とその周辺回
路として誘導性負荷Lをスイッチングする例を図5
(a)に示す。図5(a)において、ゲート駆動用タイ
ミング信号INはn個のバッファ41〜4nを介して分
流され、IGBトランジスタM1の各ゲートに接続され
た抵抗RG1〜RGnを通じてG1〜Gnに伝達される。こ
こで、各ゲートには寄生の容量が存在しているが、図5
(a)に示すように、それらの容量は等価的にゲート側
から見た入力容量CG1〜CGnとして表される。従って、
入力容量CG1〜CGnと抵抗RG1〜RGnの関係が、
【0026】
【数1】 RG1CG1<RG2CG2<RG3CG3<・・・・・<RGnCGn となるようにRG1〜RGnの値を定めると、各時定数の差
によって、各ゲートG1〜Gnには、次第に立ち上がり
/立ち下がりの緩やかなゲート信号VG1〜VGnが送られ
ることになる。そして、各ゲートのゲート信号VG1〜V
Gnがしきい値Vthを超えると、IGBトランジスタM1
の部分IGBトランジスタM11〜M1nがオンしてゆ
き、しきい値Vthを下廻ると、部分IGBトランジスタ
M11〜M1nがオフしてゆくことになる。
によって、各ゲートG1〜Gnには、次第に立ち上がり
/立ち下がりの緩やかなゲート信号VG1〜VGnが送られ
ることになる。そして、各ゲートのゲート信号VG1〜V
Gnがしきい値Vthを超えると、IGBトランジスタM1
の部分IGBトランジスタM11〜M1nがオンしてゆ
き、しきい値Vthを下廻ると、部分IGBトランジスタ
M11〜M1nがオフしてゆくことになる。
【0027】図5(b)にこの時のゲート駆動用タイミ
ング信号IN、各ゲートのゲート信号VG1〜VGn、C−
E端子間電圧VCE、コレクタ電流IC の動作波形を示
す。横軸は時間である。ゲート駆動回路21にゲート駆
動用タイミング信号INが入力されると、ゲート端子G
1〜Gnへのゲート信号VG1〜VGnは、それぞれの抵抗
RG1〜RGnと入力容量CG1〜CGnが上記の関係にあるた
め、図のように次第に緩やかな立ち上がり・立ち下がり
のものになる。このゲート信号でIGBトランジスタM
1の部分IGBトランジスタM11〜M1nがオン・オ
フしてゆくので、ターンオン・ターンオフ時のC−E端
子間電圧VCE、コレクタ電流IC の波形も緩やかな立ち
上がり・立ち下がりを示すことになる。この時のコレク
タ電流IC 、C−E端子間電圧VCEの時間的変化率dI
C /dtおよびdVCE/dtは、ピークや振動を抑えら
れるまでのIC とVCEの立上がり・立下がり時間を実験
等で求め、これをV G1からVGnまでの立上がり・立下が
りの時間差に置き換え、これに応じて抵抗R G1〜RGnの
各値、即ちRG1CG1〜RGnCGnの各時定数を決定する。
ング信号IN、各ゲートのゲート信号VG1〜VGn、C−
E端子間電圧VCE、コレクタ電流IC の動作波形を示
す。横軸は時間である。ゲート駆動回路21にゲート駆
動用タイミング信号INが入力されると、ゲート端子G
1〜Gnへのゲート信号VG1〜VGnは、それぞれの抵抗
RG1〜RGnと入力容量CG1〜CGnが上記の関係にあるた
め、図のように次第に緩やかな立ち上がり・立ち下がり
のものになる。このゲート信号でIGBトランジスタM
1の部分IGBトランジスタM11〜M1nがオン・オ
フしてゆくので、ターンオン・ターンオフ時のC−E端
子間電圧VCE、コレクタ電流IC の波形も緩やかな立ち
上がり・立ち下がりを示すことになる。この時のコレク
タ電流IC 、C−E端子間電圧VCEの時間的変化率dI
C /dtおよびdVCE/dtは、ピークや振動を抑えら
れるまでのIC とVCEの立上がり・立下がり時間を実験
等で求め、これをV G1からVGnまでの立上がり・立下が
りの時間差に置き換え、これに応じて抵抗R G1〜RGnの
各値、即ちRG1CG1〜RGnCGnの各時定数を決定する。
【0028】以上の例では、MOS半導体装置としてI
GBトランジスタを取り上げたが、これに限られるもの
ではなく、MOSFETやMOSゲートサイリスタなど
でもよい。また、上で示した横型のMOS半導体装置の
他に、電流が半導体基板の上下に流れるようなたて型の
MOS半導体装置についても適用できる。
GBトランジスタを取り上げたが、これに限られるもの
ではなく、MOSFETやMOSゲートサイリスタなど
でもよい。また、上で示した横型のMOS半導体装置の
他に、電流が半導体基板の上下に流れるようなたて型の
MOS半導体装置についても適用できる。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、2以上の整数n個のゲ
ートを有するMOS半導体装置を用いて、その第1のゲ
ートから第nのゲート迄を順次オン・オフ駆動すること
により、ターンオン・ターンオフ時の電流および電圧の
時間的変化率を緩和することができ、これによりターン
オン時の電流波形の立上がりに生じる定格を超えるほど
のピークや振動、ターンオフ時の電圧波形の立上がりに
生じる定格を超えるほどのピークや振動を抑えることが
でき、半導体装置の誤動作や破壊を防ぐことができる。
ートを有するMOS半導体装置を用いて、その第1のゲ
ートから第nのゲート迄を順次オン・オフ駆動すること
により、ターンオン・ターンオフ時の電流および電圧の
時間的変化率を緩和することができ、これによりターン
オン時の電流波形の立上がりに生じる定格を超えるほど
のピークや振動、ターンオフ時の電圧波形の立上がりに
生じる定格を超えるほどのピークや振動を抑えることが
でき、半導体装置の誤動作や破壊を防ぐことができる。
【図1】(a)は本発明の実施例のIGBトランジスタ
の平面図、(b)はその等価回路図
の平面図、(b)はその等価回路図
【図2】本発明の別の実施例のIGBトランジスタの平
面図
面図
【図3】(a)は本発明のIGBトランジスタの使用方
法を説明するための回路図、(b)は本発明の使用方法
におけるゲート信号と電流、電圧波形の図
法を説明するための回路図、(b)は本発明の使用方法
におけるゲート信号と電流、電圧波形の図
【図4】(a)は本発明に係るシフトレジスタを用いた
ゲート駆動回路の図、(b)は各部の動作波形図
ゲート駆動回路の図、(b)は各部の動作波形図
【図5】(a)は本発明に係るゲート抵抗と各ゲートの
寄生容量を用いたゲート駆動回路の図、(b)は各部の
動作波形図
寄生容量を用いたゲート駆動回路の図、(b)は各部の
動作波形図
【図6】(a)は従来のIGBトランジスタの平面図、
(b)はその部分断面図
(b)はその部分断面図
【図7】従来のIGBトランジスタのVGE−IC 特性図
【図8】誘導性負荷をつないだIGBトランジスタの使
用回路図
用回路図
【図9】図8の使用例における各部の動作波形図
1 N型基板 2 Pベース領域 3 Nエミッタ領域 4 ゲート絶縁膜 5 ゲート電極 6 エミッタ電極 7 Pコレクタ領域 8 絶縁膜 9 コレクタ電極 10 IGBトランジスタチップ 15 ゲート電極パッド 16 エミッタ電極パッド 19 コレクタ電極パッド 21 ゲート駆動回路 22 シフトレジスタ 23 発振回路 24, 41〜4n バッファ C コレクタ端子 C1〜Cn M2のコレクタ電流パッド CG1〜CGn ゲート側から見た等価的な寄生入力
容量 CLK クロック信号 D シフトレジスタ入力 E エミッタ端子 E1〜En M2のエミッタ電極パッド FWD ダイオード G M3のゲート端子 G1〜Gn M1、M2の各ゲート端子 IN ゲート駆動タイミングの入力信号 Ic コレクタ電流 L 誘導性負荷 M1、M2、M3 IGBトランジスタ M11〜M1n M1内部の個々のIGBトランジス
タ M21〜M2n M2内部の個々のIGBトランジス
タ n ゲート数 Q1〜Qn シフトレジスタ出力 RG1〜RGn ゲート抵抗 VCE コレクタ−エミッタ間電圧 VGE ゲート−エミッタ間電圧 Vth しきい値電圧 VM 主回路電源電圧 VG1〜VGn ゲート信号
容量 CLK クロック信号 D シフトレジスタ入力 E エミッタ端子 E1〜En M2のエミッタ電極パッド FWD ダイオード G M3のゲート端子 G1〜Gn M1、M2の各ゲート端子 IN ゲート駆動タイミングの入力信号 Ic コレクタ電流 L 誘導性負荷 M1、M2、M3 IGBトランジスタ M11〜M1n M1内部の個々のIGBトランジス
タ M21〜M2n M2内部の個々のIGBトランジス
タ n ゲート数 Q1〜Qn シフトレジスタ出力 RG1〜RGn ゲート抵抗 VCE コレクタ−エミッタ間電圧 VGE ゲート−エミッタ間電圧 Vth しきい値電圧 VM 主回路電源電圧 VG1〜VGn ゲート信号
Claims (6)
- 【請求項1】MOS構造の同一のゲートによりオン・オ
フのスィッチングを行うものにおいて、オン・オフのそ
れぞれの信号に対応したスィッチングを行う領域をもつ
複数の互いに独立したゲート電極と、一つのエミッタ電
極と、一つのコレクタ電極とを有することを特徴とする
MOS半導体装置。 - 【請求項2】MOS構造の同一のゲートによりオン・オ
フのスィッチングを行うものにおいて、オン・オフのそ
れぞれの信号に対応したスィッチングを行う領域をもつ
複数の互いに独立したゲート電極と、共通に接続される
複数のエミッタ電極と、共通に接続される複数のコレク
タ電極とを有することを特徴とするMOS半導体装置。 - 【請求項3】前記の複数のゲートに時間的な差を持たせ
ながらオン信号を順次与えることを特徴とする請求項1
または2に記載のMOS半導体装置の駆動方法。 - 【請求項4】前記の複数のゲートに時間的な差を持たせ
ながらオフ信号を順次与えることを特徴とする請求項1
または2に記載のMOS半導体装置の駆動方法。 - 【請求項5】請求項3または4に記載のMOS半導体装
置の駆動方法において、2以上の整数n出力のシフトレ
ジスタを用い、その各出力をもって第1から第n迄の各
ゲートをオン・オフ駆動することを特徴とするMOS半
導体装置の駆動回路。 - 【請求項6】請求項3または4に記載のMOS半導体装
置の駆動方法において、2以上の整数n個の各ゲートに
寄生している入力容量CG1〜CGnと、一端をそれらの各
ゲートに接続した抵抗RG1〜RGnとの間に、 CG1RG1<・・・・<CGnRGn なる時定数関係が成り立つようにRG1〜RGnを定め、各
抵抗の他端に同時にオン・オフ信号を入力したときに、
この時定数差により第1から第n迄の各ゲートを順次オ
ン・オフ駆動することを特徴とするMOS半導体装置の
駆動回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6162555A JPH0832064A (ja) | 1994-07-15 | 1994-07-15 | Mos半導体装置とその駆動方法および駆動回路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6162555A JPH0832064A (ja) | 1994-07-15 | 1994-07-15 | Mos半導体装置とその駆動方法および駆動回路 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0832064A true JPH0832064A (ja) | 1996-02-02 |
Family
ID=15756822
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6162555A Pending JPH0832064A (ja) | 1994-07-15 | 1994-07-15 | Mos半導体装置とその駆動方法および駆動回路 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0832064A (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007507893A (ja) * | 2003-10-06 | 2007-03-29 | セミコンダクター・コンポーネンツ・インダストリーズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー | パワー・スイッチの構造および方法 |
US7292367B2 (en) | 2001-06-25 | 2007-11-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Image forming apparatus and image forming method |
JP2011171478A (ja) * | 2010-02-18 | 2011-09-01 | Fuji Electric Co Ltd | 半導体装置 |
JP2012146977A (ja) * | 2010-12-28 | 2012-08-02 | Infineon Technologies Austria Ag | ダイオードを含む半導体装置 |
JP2016031964A (ja) * | 2014-07-28 | 2016-03-07 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 半導体装置 |
CN105874602A (zh) * | 2014-07-10 | 2016-08-17 | 富士电机株式会社 | 半导体装置 |
-
1994
- 1994-07-15 JP JP6162555A patent/JPH0832064A/ja active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7292367B2 (en) | 2001-06-25 | 2007-11-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Image forming apparatus and image forming method |
JP2007507893A (ja) * | 2003-10-06 | 2007-03-29 | セミコンダクター・コンポーネンツ・インダストリーズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー | パワー・スイッチの構造および方法 |
JP2011171478A (ja) * | 2010-02-18 | 2011-09-01 | Fuji Electric Co Ltd | 半導体装置 |
JP2012146977A (ja) * | 2010-12-28 | 2012-08-02 | Infineon Technologies Austria Ag | ダイオードを含む半導体装置 |
CN105874602A (zh) * | 2014-07-10 | 2016-08-17 | 富士电机株式会社 | 半导体装置 |
US10522668B2 (en) | 2014-07-10 | 2019-12-31 | Fuji Electric Co., Ltd. | Semiconductor device with current/voltage vibration suppression at turning on and off |
JP2016031964A (ja) * | 2014-07-28 | 2016-03-07 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 半導体装置 |
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