JPWO2016030954A1 - Drive circuit, power conversion device, and motor system - Google Patents

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Abstract

電力変換装置における誤点孤を防止して信頼性を向上させる。スイッチ素子のオン、オフを制御するゲート駆動回路GD2は、第1〜第4のスイッチ素子を有する。トランジスタT1は、ソースが−15V程度の負電圧である電源電圧VEE1に接続され、ドレインがスイッチ素子のオン、オフを制御する出力ノードVOUTに接続される。トランジスタT2は、ソースが15V程度の電源電圧VDDに接続され、ドレインが出力ノードVOUTに接続される。トランジスタT3は、ドレインが出力ノードVOUTに接続される。トランジスタT4は、ドレインがトランジスタT3のソースに接続され、ソースに−5V程度の負電圧である電源電圧VEE2が接続される。The reliability of the power conversion device is improved by preventing false points. The gate drive circuit GD2 that controls on / off of the switch element includes first to fourth switch elements. The transistor T1 has a source connected to a power supply voltage VEE1 that is a negative voltage of about −15V, and a drain connected to an output node VOUT that controls on / off of the switch element. The transistor T2 has a source connected to the power supply voltage VDD of about 15V and a drain connected to the output node VOUT. Transistor T3 has a drain connected to output node VOUT. The transistor T4 has a drain connected to the source of the transistor T3, and a source connected to the power supply voltage VEE2 that is a negative voltage of about −5V.

Description

本発明は、駆動回路、電力変換装置、およびモータシステムに関し、特に、シリコンカーバイド材料などを用いたパワー半導体デバイスと、それを駆動する半導体駆動回路とを備えた電力変換装置などに適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a drive circuit, a power conversion device, and a motor system, and is particularly effective when applied to a power conversion device including a power semiconductor device using a silicon carbide material and a semiconductor drive circuit for driving the power semiconductor device. Technology.

例えば、特許文献1には、絶縁ゲート型半導体素子のミラー時間を短縮し、当該半導体素子を備えたPWM(Pulse Width Modulation)インバータのデッドタイムを短縮するため、当該半導体素子のゲート−エミッタ間にコンデンサおよびスイッチからなる直列回路を挿入した構成が示されている。   For example, in Patent Document 1, in order to shorten the mirror time of an insulated gate semiconductor element and shorten the dead time of a PWM (Pulse Width Modulation) inverter provided with the semiconductor element, the gate-emitter between the semiconductor elements is disclosed. A configuration in which a series circuit composed of a capacitor and a switch is inserted is shown.

また、特許文献2や特許文献3には、いわゆる誤点弧の問題を解決する方式が示されている。誤点弧とは、下アームのスイッチがオフし、上アームのスイッチがオンした際に、下アームのスイッチのゲート電圧が持ち上がる結果、当該スイッチが誤ってオンとなる現象である。   Further, Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose a method for solving the so-called false ignition problem. The false firing is a phenomenon in which when the lower arm switch is turned off and the upper arm switch is turned on, the gate voltage of the lower arm switch rises, resulting in the switch being erroneously turned on.

具体的には、下アームのスイッチのゲートに、いわゆるスイッチドキャパシタ回路を接続し、該スイッチドキャパシタ回路を用いて下アームのスイッチのゲートに動的に負電圧を印加する技術が示されている。また、非特許文献1、非特許文献2および非特許文献3には、SiC MOSFET(Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を連続して通電させるとしきい値電圧の変動が生じる旨が記載されている。   Specifically, a technique is shown in which a so-called switched capacitor circuit is connected to the gate of the lower arm switch, and a negative voltage is dynamically applied to the gate of the lower arm switch using the switched capacitor circuit. Yes. Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 describe that a threshold voltage fluctuates when a SiC MOSFET (Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is continuously energized. Yes.

特開2000−333441号公報JP 2000-333441 A 特開2004−159424号公報JP 2004-159424 A 特開2009−021823号公報JP 2009-021823 A

Mrinal K. Das,“Commercially Available Cree Silicon Carbide Power Devices: Historical Success of JBS Diodes and Future Switch Prospects”,CS MANTECH Conference,May 16th-19th,2011,Palm Springs,California,USAMrinal K. Das, “Commercially Available Cree Silicon Carbide Power Devices: Historical Success of JBS Diodes and Future Switch Prospects”, CS MANTECH Conference, May 16th-19th, 2011, Palm Springs, California, USA Xiao Shen,他7名,“Atomic-scale origins of bias-temperature instabilities in SiC-SiO2 structures”,APPLIED PHYSICS LETTERS 98,063507,2011Xiao Shen and 7 others, “Atomic-scale origins of bias-temperature instabilities in SiC-SiO2 structures”, APPLIED PHYSICS LETTERS 98, 063507, 2011 Aivars J. Lelis,他6名,“Time Dependence of Bias-Stress-Induced SiC MOSFET Threshold-Voltage Instability Measurements”,IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.55,No.8,pp1835-1840,August 2008Aivars J. Lelis and 6 others, “Time Dependence of Bias-Stress-Induced SiC MOSFET Threshold-Voltage Instability Measurements”, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.55, No.8, pp1835-1840, August 2008

地球環境保全という大きな社会潮流の中で、環境負荷を低減するエレクトロニクス事業の重要性が増している。中でもパワーデバイスは、鉄道車両やハイブリッド・電気自動車のインバータやエアコンのインバータ、パソコンなどの民生機器の電源に用いられており、パワーデバイスの性能改善は、インフラシステムや民生機器の電力効率改善に大きく寄与する。   The importance of the electronics business to reduce environmental impact is increasing in the great social trend of global environmental conservation. In particular, power devices are used as power sources for consumer equipment such as inverters for railway vehicles, hybrid / electric vehicles, inverters for air conditioners, and personal computers. The performance improvement of power devices greatly improves the power efficiency of infrastructure systems and consumer equipment. Contribute.

電力効率を改善するということは、システムの稼働に必要なエネルギー資源を削減できるということであり、言い換えれば二酸化炭素の排出量削減、即ち環境負荷を低減できる。このため、パワーデバイスの性能改善に向けた研究開発が盛んに行われている。   Improving power efficiency means that energy resources necessary for system operation can be reduced. In other words, carbon dioxide emissions can be reduced, that is, the environmental load can be reduced. For this reason, research and development for improving the performance of power devices has been actively conducted.

一般的に、パワーデバイスは、大規模集積回路(LSI)と同様シリコン(Si)を材料としている。このSiパワーデバイスを用いた電力変換装置、例えばインバータなどでは、そのインバータなどで発生するエネルギー損失を低減するために、ダイオードやスイッチ素子の素子構造や不純物濃度のプロファイルを最適化して、低いオン抵抗(Ron)、高い電流密度、高耐圧といった特性を実現するための開発が盛んに行われている。   In general, power devices are made of silicon (Si) as is the case with large-scale integrated circuits (LSIs). In a power conversion device using this Si power device, for example, an inverter, in order to reduce energy loss generated in the inverter, etc., the device structure and impurity concentration profile of the diode and the switch element are optimized to have a low on-resistance. (Ron), development for realizing characteristics such as high current density and high withstand voltage is being actively conducted.

また、近年、シリコンよりもバンドギャップが大きいシリコンカーバイド(SiC)やガリウムナイトライド(GaN)といった化合物半導体が、パワーデバイス材料として注目されている。これら化合物半導体は、バンドギャップが大きいため、破壊耐圧がシリコンの10倍程度ある。   In recent years, compound semiconductors such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), which have a larger band gap than silicon, have attracted attention as power device materials. Since these compound semiconductors have a large band gap, the breakdown voltage is about 10 times that of silicon.

このため、化合物デバイスは、Siデバイスよりも膜厚を薄くでき、導通時の抵抗値(Ron)を大幅に下げられる。その結果、抵抗値(Ron)と導通電流(i)の積であらわされる、所謂導通損失(Ron・i2)を削減でき電力効率改善に大きく寄与できる。このような特長に着目し、化合物材料を用いたダイオードやスイッチ素子の開発が盛んに進められている。   For this reason, the compound device can be made thinner than the Si device, and the resistance value (Ron) during conduction can be greatly reduced. As a result, the so-called conduction loss (Ron · i2) represented by the product of the resistance value (Ron) and the conduction current (i) can be reduced, which can greatly contribute to the improvement of power efficiency. Focusing on these features, development of diodes and switch elements using compound materials has been actively promoted.

このようなパワーデバイスの応用としては、例えば特許文献1の図6に示されるような、いわゆるインバータ装置(DC/AC変換装置)が一般的である。インバータ装置とは、高電圧側(上アーム)の電源と低電圧側(下アーム)の電源との間に、パワーデバイスからなるスイッチ素子と還流ダイオードが直列に2つ接続されるものである。   As an application of such a power device, a so-called inverter device (DC / AC conversion device) as shown in FIG. The inverter device is a device in which two switching elements and freewheeling diodes made of a power device are connected in series between a high voltage side (upper arm) power source and a low voltage side (lower arm) power source.

これら上下アームのスイッチ素子を交互にオン、オフさせることにより、インバータ装置前段のDCレベルをACレベルに変換して後段のAC絶縁トランスやモータといった負荷回路に供給する。   By alternately turning on and off the switch elements of the upper and lower arms, the DC level at the front stage of the inverter device is converted to the AC level and supplied to a load circuit such as an AC insulation transformer or motor at the rear stage.

この時インバータで発生する損失として挙げられるのは、前述の通りスイッチ素子やダイオードのオン抵抗(Ron)による導通損失やリカバリ損失、またはスイッチング動作、即ちスイッチ素子がオンからオフもしくはオフからオン状態に遷移する期間(ドレイン・ソース間に電位差が生じている期間)において、ドレイン・ソース間電流が流れることによって発生するスイッチ損失が主である。このようなスイッチ素子への応用が期待されている素子に、SiC MOSFET(以下SiCMOS)が挙げられる。   The loss generated in the inverter at this time is, as described above, conduction loss or recovery loss due to the on-resistance (Ron) of the switch element or diode, or switching operation, that is, the switch element is switched from on to off or from off to on. In the transition period (period in which a potential difference is generated between the drain and the source), the switch loss is mainly caused by the drain-source current flowing. As an element expected to be applied to such a switch element, there is a SiC MOSFET (hereinafter referred to as SiCMOS).

SiCMOSは、既存のSi MOSFETと素子構造がほぼ同じであり、その駆動方法もSi MOSFETの駆動方法と同様である。言い換えれば、既存のSi素子用のゲート駆動回路を流用できるので使い勝手がよい。   SiCMOS has almost the same element structure as that of an existing Si MOSFET, and its driving method is the same as that of the Si MOSFET. In other words, since the existing gate drive circuit for the Si element can be used, it is easy to use.

さらには、Si素子に比べてオン抵抗が低いため、インバータ動作に伴う損失を低減できるという利点もある。しかしながら、SiCMOSは、非特許文献1〜3に示されているように、連続通電動作をさせると、しきい値電圧が変動するという課題が報告されている。   Furthermore, since the on-resistance is lower than that of the Si element, there is an advantage that the loss accompanying the inverter operation can be reduced. However, as shown in Non-Patent Documents 1 to 3, SiCMOS has been reported to have a problem that the threshold voltage fluctuates when continuously energized.

例えば、正バイアスをゲートに長時間印加すると正側にδVtpだけしきい値がシフト(Positive Bias Temperature Instability)し、負バイアスをゲートに長時間印加すると負側にδVtnだけしきい値がシフト(Negative Bias Temperature Instability)する。このようにしきい値がシフトすると、次のような新たな課題が生じ得る。   For example, when a positive bias is applied to the gate for a long time, the threshold value shifts by δVtp to the positive side (Positive Bias Temperature Instability), and when a negative bias is applied to the gate for a long time, the threshold value shifts by δVtn to the negative side (Negative Bias Temperature Instability). When the threshold value is shifted in this way, the following new problem may occur.

すなわち、しきい値が負側にシフトするため、インバータ装置において誤点孤による短絡電流損失が発生する恐れが生じる。   In other words, since the threshold value is shifted to the negative side, there is a risk that a short-circuit current loss due to a false spot occurs in the inverter device.

この誤点孤は、例えば下アームがオフしている状態で、上アームがオフからオン状態になる場合に生じる。この場合、下アームのドレイン電圧VDSDが急激に上昇することによって、下アームのスイッチ素子のゲート−ドレイン間容量に充放電電流が流れる。   This false spot occurs when, for example, the upper arm changes from OFF to ON while the lower arm is OFF. In this case, when the drain voltage VDSD of the lower arm suddenly increases, a charge / discharge current flows through the gate-drain capacitance of the switch element of the lower arm.

その結果、下アームのスイッチ素子のゲート−ソース間電圧VGSDがオフ状態の電圧レベルから上昇する。そして、当該電圧レベルがスイッチ素子のしきい値を超えてしまうと、本来オフしている状態の下アームのスイッチ素子が誤ってオン状態になる。   As a result, the gate-source voltage VGSD of the lower arm switch element rises from the voltage level in the off state. When the voltage level exceeds the threshold value of the switch element, the switch element of the lower arm that is originally turned off is erroneously turned on.

このように、誤点孤は、本来オフとなる筈のスイッチが誤ってオンする現象である。誤点孤は、下アームのスイッチ素子としてSi MOSFETを用いた場合でも生じ得るが、特にSiCMOSを用いた場合、オフ期間におけるゲートへの継続的な負電圧の印加に伴いしきい値が負側にシフトするため、より生じ易くなる。   As described above, the false point arc is a phenomenon in which the wrinkle switch that is originally turned off is erroneously turned on. A false point can occur even when a Si MOSFET is used as the lower arm switching element. However, when the SiCMOS is used in particular, the threshold becomes negative as the negative voltage is continuously applied to the gate during the off period. Since it shifts to, it becomes easier to occur.

さらに、このしきい値のシフト量は、負電圧の印加時間が長くなるほど大きくなるために、この負電圧の印加時間が長くなるほど誤点孤が生じ易くなる。   Further, since the shift amount of the threshold value becomes larger as the negative voltage application time becomes longer, the false spot is more likely to occur as the negative voltage application time becomes longer.

この誤点孤が発生すると、下アームのスイッチ素子がオンするため、上アーム側の高電圧側電源と下アーム側の低電圧側電源が短絡し、電源間に大きな短絡電流が流れる。   When this error occurs, the lower arm switch element is turned on, so that the high voltage power supply on the upper arm side and the low voltage power supply on the lower arm side are short-circuited, and a large short-circuit current flows between the power supplies.

この短絡電流は、インバータ装置の損失増加を引き起こし、場合によってはスイッチ素子が発熱して破壊してしまう可能性もある。また、しきい値のシフト量が複数のチップ間で均一にシフトしない可能性もあり、この場合、しきい値のシフト量が大きい素子(しきい値が低くなってしまった素子)に還流電流が集中し、素子が発熱して破壊してしまう恐れもある。   This short-circuit current causes an increase in the loss of the inverter device, and in some cases, the switch element may generate heat and break down. In addition, there is a possibility that the shift amount of the threshold value does not shift uniformly among a plurality of chips. May concentrate and the element may generate heat and be destroyed.

このようにSiCMOSは、低オン抵抗かつSi素子の周辺回路を流用できるという利点だけではなく、しきい値が変動することで、誤点孤の発生による損失増加や電流集中による素子が破壊してしまう恐れがある。   As described above, SiCMOS not only has the advantage of diverting the peripheral circuit of the Si element with a low on-resistance, but also the threshold value fluctuates, resulting in an increase in loss due to the occurrence of false spots and destruction of elements due to current concentration. There is a risk.

このような問題を解決する手段としては、特許文献2や特許文献3に開示されるような、いわゆるスイッチドキャパシタ方式がある。しかしながら、特許文献2および特許文献3の方式では、スイッチ素子がオフ期間の間、ゲートに負電圧が継続的に印加される。   As a means for solving such a problem, there is a so-called switched capacitor system as disclosed in Patent Documents 2 and 3. However, in the methods of Patent Document 2 and Patent Document 3, a negative voltage is continuously applied to the gate while the switch element is off.

そのため、前述したようにスイッチ素子としてSiCMOSを用いる場合には、しきい値のシフト量がよりオンし易い方向に増大してしまう。その結果、下アームがオフの期間で上アームがオンした瞬間に下アームで誤点孤が生じたり、場合によっては、上アームがオンした後であっても微小なノイズなどによって下アームで誤点孤が生じる恐れがある。   Therefore, as described above, when SiCMOS is used as the switch element, the threshold shift amount increases in a direction in which it is more easily turned on. As a result, a false spot occurs in the lower arm at the moment when the upper arm is turned on while the lower arm is off, or in some cases, an error occurs in the lower arm due to minute noise even after the upper arm is turned on. There is a risk of ignorance.

また、特許文献2および特許文献3のようなスイッチドキャパシタ方式では、スイッチ素子のゲートの負電圧を当該ゲートノードとキャパシタの一端との間のフローティングノードによって保持している。   Further, in the switched capacitor system such as Patent Document 2 and Patent Document 3, the negative voltage of the gate of the switch element is held by a floating node between the gate node and one end of the capacitor.

そのため、ノイズやリーク電流などに起因して安定した負電圧を所望の期間維持することが困難となる場合がある。例えば、特許文献2や特許文献3では、当該フローティングノードにダイオードが接続されているが、当該ダイオードを介してリーク電流が生じる恐れがある。   Therefore, it may be difficult to maintain a stable negative voltage for a desired period due to noise, leakage current, or the like. For example, in Patent Document 2 and Patent Document 3, a diode is connected to the floating node. However, a leakage current may be generated through the diode.

さらに、スイッチドキャパシタ方式では、その容量値などをスイッチ素子のゲート容量などを考慮して最適に設計することで所望の負電圧レベルを生成する必要があるが、この際に当該容量値の最適化が困難となる恐れがある。   Furthermore, in the switched capacitor method, it is necessary to generate a desired negative voltage level by optimally designing the capacitance value in consideration of the gate capacitance of the switch element. There is a risk of becoming difficult.

すなわち、スイッチ素子としてSiCMOSを用いる場合には、前述したようなしきい値のシフト量やそのシフト量のチップ間ばらつきなどを考慮する必要があるため、容量値の最適化が容易とは言えない。   That is, when SiCMOS is used as the switching element, it is necessary to consider the threshold shift amount and the variation of the shift amount between chips as described above, and thus it cannot be said that the optimization of the capacitance value is easy.

また、例えば、スイッチ素子それ自体を別のものに変更したような場合には、それに併せてスイッチドキャパシタの定数設計などを再度行う必要があり、開発期間の増加を招く可能性もある。   Further, for example, when the switch element itself is changed to another one, it is necessary to redesign the switched capacitor in accordance with it, which may increase the development period.

本発明は、このようなことを鑑みてなされたものであり、パワー半導体デバイスならびにそれを駆動する半導体駆動回路を備えた電力変換装置において、誤点孤を防止し、信頼性を向上させることのできる技術を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above, and in a power conversion device including a power semiconductor device and a semiconductor drive circuit that drives the power semiconductor device, it is possible to prevent false spot and improve reliability. It is to provide a technology that can be used.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

すなわち、代表的な駆動回路は、第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子、第3のスイッチ素子、および第4のスイッチ素子を有する。第1のスイッチ素子は、ソースが第1の電圧に接続され、ドレインが前記スイッチング回路のオン、オフを制御する駆動信号を出力する信号出力ノードに接続される。   That is, a typical drive circuit includes a first switch element, a second switch element, a third switch element, and a fourth switch element. The first switch element has a source connected to the first voltage and a drain connected to a signal output node that outputs a drive signal for controlling on / off of the switching circuit.

第2のスイッチ素子は、ソースが第2の電圧に接続され、ドレインが前記信号出力ノードに接続される。第3のスイッチ素子は、ドレインが前記信号出力ノードに接続される。第4のスイッチ素子は、ドレインが前記第3のスイッチ素子のソースに接続され、ソースが第3の電圧が接続される。   The second switch element has a source connected to the second voltage and a drain connected to the signal output node. The third switch element has a drain connected to the signal output node. The fourth switch element has a drain connected to the source of the third switch element, and a source connected to the third voltage.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

(1)電力変換装置における誤点孤を防止することができる。   (1) A false spot in the power converter can be prevented.

(2)電力変換装置およびそれを用いて構成されるシステムの信頼性を向上させることができる。   (2) It is possible to improve the reliability of the power conversion device and a system configured using the power conversion device.

実施の形態1による電力変換装置の主要部における構成の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a structure in the principal part of the power converter device by Embodiment 1. FIG. 図1の電力変換装置に設けられるゲート駆動回路の構成の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a structure of the gate drive circuit provided in the power converter device of FIG. 図1の電力変換装置のゲート駆動回路およびスイッチング素子に注目した説明図である。It is explanatory drawing which paid its attention to the gate drive circuit and switching element of the power converter device of FIG. 図3の動作の一例を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows an example of the operation | movement of FIG. 図1のゲートドライバ制御回路における構成の一例を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an example of a configuration in the gate driver control circuit of FIG. 1. 実施の形態2によるゲート駆動回路における構成の一例を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of a configuration in a gate drive circuit according to a second embodiment. 実施の形態3によるゲート駆動回路における構成の一例を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of a configuration in a gate drive circuit according to a third embodiment. 実施の形態4による電力変換装置における構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure in the power converter device by Embodiment 4. FIG. 図8の還流ダイオードとして用いられるショットキバリアダイオードの構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the Schottky barrier diode used as a free-wheeling diode of FIG. 図8の電力変換装置に用いられるスイッチ素子の概略構成例の断面を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cross section of the schematic structural example of the switch element used for the power converter device of FIG. 実施の形態5による三相モータシステムにおける構成の一例を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of a configuration in a three-phase motor system according to a fifth embodiment.

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。   In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.

また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。   Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。   Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say.

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。   Similarly, in the following embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of components, etc., the shape of the component is substantially the case unless it is clearly specified and the case where it is clearly not apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.

また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。   In all the drawings for explaining the embodiments, the same members are denoted by the same reference symbols in principle, and the repeated explanation thereof is omitted. In order to make the drawings easy to understand, even a plan view may be hatched.

なお、実施の形態では、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)の一例としてMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)(MOSトランジスタと略す)を用いるが、ゲート絶縁膜として非酸化膜を除外するものではない。   In the embodiment, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) (abbreviated as a MOS transistor) is used as an example of a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor), but a non-oxide film is not excluded as a gate insulating film. Absent.

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.

(実施の形態1)
〈電力変換装置の主要部の構成例〉
図1は、本実施の形態1による電力変換装置PTの主要部における構成の一例を示す説明図である。
(Embodiment 1)
<Configuration example of main parts of power converter>
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an example of a configuration of a main part of the power conversion device PT according to the first embodiment.

電力変換装置PTは、例えばハーフブリッジ回路の構成となっている。ハーフブリッジ回路は、例えば、DC−DC変換回路などの電源装置の一部として使用される。また、フルブリッジ回路や三相インバータ回路などに拡張して、DC−AC変換回路などの電源装置の一部として使用されたり、モータ制御装置の一部として使用されるなど、様々な用途で適宜使用される。   The power conversion device PT has, for example, a half bridge circuit configuration. The half bridge circuit is used as a part of a power supply device such as a DC-DC conversion circuit, for example. Also, it can be extended to full bridge circuits, three-phase inverter circuits, etc. and used as part of power supply devices such as DC-AC conversion circuits, and as part of motor control devices, etc. used.

電力変換装置PTは、図1に示すように、ゲートドライバ制御回路GDCTL1,GDCTL2、上アーム側のスイッチ素子SW1、下アーム側のスイッチ素子SW2、スイッチ素子SW1,SW2にそれぞれ対応する還流ダイオードDI1,DI2、およびゲート駆動回路GD1,GD2を有する。また、スイッチ素子SW1およびスイッチ素子SW2は、スイッチング回路である。   As shown in FIG. 1, the power conversion device PT includes gate driver control circuits GDCTL1, GDCTL2, a switching element SW1 on the upper arm side, a switching element SW2 on the lower arm side, and freewheeling diodes DI1, corresponding to the switching elements SW1, SW2, respectively. DI2 and gate drive circuits GD1 and GD2 are included. The switch element SW1 and the switch element SW2 are switching circuits.

第2のトランジスタスイッチであるスイッチ素子SW1および第1のトランジスタスッチであるスイッチ素子SW2は、例えばnチャネル型のSiC MOSFET(SiCMOS)によって構成される。スイッチ素子SW1のドレインには、電源電圧VCCが供給され、該スイッチ素子SW1のソースには、スイッチ素子SW2のドレインが接続されている。スイッチ素子SW2のソースには、接地電源電圧VSSが供給される。このスイッチ素子SW1のソースとスイッチ素子SW2のドレインとの接続部が、電圧出力ノードとなる。   The switch element SW1 that is the second transistor switch and the switch element SW2 that is the first transistor switch are configured by, for example, an n-channel SiC MOSFET (SiCMOS). The power supply voltage VCC is supplied to the drain of the switch element SW1, and the drain of the switch element SW2 is connected to the source of the switch element SW1. The ground power supply voltage VSS is supplied to the source of the switch element SW2. A connection portion between the source of the switch element SW1 and the drain of the switch element SW2 is a voltage output node.

電源電圧VCCは、例えば1500V程度であり、接地電源電圧VSSは、例えば0V程度である。還流ダイオードDI1,DI2は、スイッチ素子SW1,SW2のソース−ドレイン間にソース側をアノード、ドレイン側をカソードとしてそれぞれ接続される。   The power supply voltage VCC is about 1500 V, for example, and the ground power supply voltage VSS is about 0 V, for example. The free-wheeling diodes DI1 and DI2 are connected between the source and drain of the switch elements SW1 and SW2, with the source side serving as an anode and the drain side serving as a cathode, respectively.

ゲートドライバ制御回路GDCTL1は、上アーム用制御信号HINに基づいて、上アームドライバ用制御信号HO1を出力する。ゲートドライバ制御回路GDCTL2は、下アーム用制御信号LINに基づいて、下アームドライバ用制御信号LO1を出力する。上アーム用制御信号HINおよび下アーム用制御信号LINは、例えば、マイクロコンピュータなどによって生成される。   The gate driver control circuit GDCTL1 outputs an upper arm driver control signal HO1 based on the upper arm control signal HIN. The gate driver control circuit GDCTL2 outputs a lower arm driver control signal LO1 based on the lower arm control signal LIN. The upper arm control signal HIN and the lower arm control signal LIN are generated by, for example, a microcomputer.

ゲートドライバ制御回路GDCTL1,GDCTL2は、例えば、上アーム用制御信号HIN、下アーム用制御信号LINに対する電圧レベル変換機能、タイミング調整機能、ならびにノイズの除去機能や、各種保護機能などを担う。   The gate driver control circuits GDCTL1 and GDCTL2 have, for example, a voltage level conversion function, a timing adjustment function, a noise removal function, and various protection functions for the upper arm control signal HIN and the lower arm control signal LIN.

第2の駆動回路であるゲート駆動回路GD1は、上アームドライバ用制御信号HO1に基づいて、スイッチ素子SW1のゲートを駆動するゲート駆動信号を生成する。第1の駆動回路であるゲート駆動回路GD2は、下アームドライバ用制御信号LO1に基づいて、スイッチ素子SW2のゲートを駆動するゲート駆動信号を生成する。   The gate drive circuit GD1, which is the second drive circuit, generates a gate drive signal for driving the gate of the switch element SW1 based on the upper arm driver control signal HO1. The gate drive circuit GD2, which is the first drive circuit, generates a gate drive signal for driving the gate of the switch element SW2 based on the lower arm driver control signal LO1.

なお、特に限定はされないが、例えば、ゲートドライバ制御回路GDCTL1,GDCTL2およびゲート駆動回路GD1,GD2は、半導体駆動回路として1つの半導体チップで形成される。また、例えば、スイッチ素子SW1,SW2は、別の半導体チップで形成される。また、図1では、一例として、スイッチ素子SW1,SW2との接続部に負荷回路(負荷インダクタ)LDが接続されている、この負荷回路の形態および接続箇所は用途に応じて適宜変更される。   Although not particularly limited, for example, the gate driver control circuits GDCTL1 and GDCTL2 and the gate drive circuits GD1 and GD2 are formed as one semiconductor chip as a semiconductor drive circuit. Further, for example, the switch elements SW1 and SW2 are formed of different semiconductor chips. In FIG. 1, as an example, a load circuit (load inductor) LD is connected to a connection portion between the switch elements SW1 and SW2, and the form and connection location of the load circuit are appropriately changed according to the application.

〈ゲート駆動回路の構成例〉
図2は、図1の電力変換装置PTに設けられるゲート駆動回路GD2の構成の一例を示す説明図である。なお、図2では、ゲート駆動回路GD2の構成例について示しているが、ゲート駆動回路GD1についても、ゲート駆動回路GD2と同様の構成となっている。
<Configuration example of gate drive circuit>
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of the gate drive circuit GD2 provided in the power conversion device PT of FIG. Although FIG. 2 shows a configuration example of the gate drive circuit GD2, the gate drive circuit GD1 has the same configuration as the gate drive circuit GD2.

ゲート駆動回路GD2は、図示するように、トランジスタT1〜T4から構成されている。第1のスイッチ素子であるトランジスタT1および第3のスイッチ素子となるトランジスタT3は、Nチャネル型パワーMOSFETからなる。第2のスイッチ素子であるトランジスタT2および第4のスイッチ素子であるトランジスタT4は、Pチャネル型パワーMOSFETからなる。これらトランジスタT1〜T4は、それぞれ内蔵ダイオードD1〜D4を有する。   As shown in the figure, the gate drive circuit GD2 includes transistors T1 to T4. The transistor T1 as the first switch element and the transistor T3 as the third switch element are N-channel power MOSFETs. The transistor T2 that is the second switch element and the transistor T4 that is the fourth switch element are formed of P-channel power MOSFETs. These transistors T1 to T4 have built-in diodes D1 to D4, respectively.

内蔵ダイオードD1は、トランジスタT1のソース−ドレイン間に、ドレイン側をカソード、ソース側をアノードにして接続される。内蔵ダイオードD2は、トランジスタT2のソース−ドレイン間に、ソース側をカソード、ドレイン側をアノードにして接続される。   The built-in diode D1 is connected between the source and drain of the transistor T1 with the drain side as a cathode and the source side as an anode. The built-in diode D2 is connected between the source and drain of the transistor T2, with the source side serving as a cathode and the drain side serving as an anode.

内蔵ダイオードD3は、トランジスタT3のソース−ドレイン間に、ドレイン側をカソード、ソース側をアノードにして接続される。内蔵ダイオードD4は、トランジスタT4のソース−ドレイン間に、ソース側をカソード、ドレイン側をアノードにして接続される。   The built-in diode D3 is connected between the source and drain of the transistor T3 with the drain side as a cathode and the source side as an anode. The built-in diode D4 is connected between the source and drain of the transistor T4 with the source side as a cathode and the drain side as an anode.

トランジスタT2のソースには、第2の電圧となる電源電圧VDDが供給されており、該トランジスタT2のドレインには、トランジスタT1のドレインおよびトランジスタT3のドレインがそれぞれ接続されている。   A power supply voltage VDD as a second voltage is supplied to the source of the transistor T2, and the drain of the transistor T1 and the drain of the transistor T3 are connected to the drain of the transistor T2.

このトランジスタT1〜T3の接続ノードがゲート駆動回路GD2の信号出力ノードVOUTとなる。この信号出力ノードVOUTから出力される信号が、スイッチ素子SW2のゲートを駆動するゲート駆動信号となる。   A connection node of the transistors T1 to T3 is a signal output node VOUT of the gate drive circuit GD2. A signal output from the signal output node VOUT becomes a gate drive signal for driving the gate of the switch element SW2.

トランジスタT1のソースには、第1の電圧となる電源電圧VEE1が供給されている。トランジスタT3のソースには、トランジスタT4のドレインが接続されており、該トランジスタT4のソースには、第3の電圧となる電源電圧VEE2が供給されている。   A power supply voltage VEE1 serving as a first voltage is supplied to the source of the transistor T1. The drain of the transistor T4 is connected to the source of the transistor T3, and the power supply voltage VEE2 that is the third voltage is supplied to the source of the transistor T4.

トランジスタT1〜T4のゲートには、上アームドライバ用制御信号HO1がそれぞれ入力される。トランジスタT1〜T4は、上アームドライバ用制御信号HO1に基づいて、ゲート駆動信号を生成する。   The upper arm driver control signal HO1 is input to the gates of the transistors T1 to T4. The transistors T1 to T4 generate a gate drive signal based on the upper arm driver control signal HO1.

トランジスタT1のゲートには、上アームドライバ用制御信号HO1として、電源電圧VEE2または電源電圧VKKが入力される。トランジスタT2のゲートには、上アームドライバ用制御信号HO1として、電源電圧VDDまたは電源電圧VPPが入力される。   The power supply voltage VEE2 or the power supply voltage VKK is input to the gate of the transistor T1 as the upper arm driver control signal HO1. The power supply voltage VDD or the power supply voltage VPP is input to the gate of the transistor T2 as the upper arm driver control signal HO1.

トランジスタT3のゲートには、上アームドライバ用制御信号HO1として、電源電圧VSSまたは電源電圧VEE2が入力される。トランジスタT4のゲートには、上アームドライバ用制御信号HO1として、電源電圧VEE2または電源電圧VKKが入力される。これらトランジスタT1〜T4に入力される下アームドライバ用制御信号LO1は、ゲートドライバ制御回路GDCTL2からそれぞれ出力される。   The power supply voltage VSS or the power supply voltage VEE2 is input to the gate of the transistor T3 as the upper arm driver control signal HO1. The power supply voltage VEE2 or the power supply voltage VKK is input to the gate of the transistor T4 as the upper arm driver control signal HO1. The lower arm driver control signal LO1 input to the transistors T1 to T4 is output from the gate driver control circuit GDCTL2.

ここで、電源電圧VDDは、例えば+15V程度であり、電源電圧VPPは、例えば+10V程度である。電源電圧VSSは、0V程度であり、電源電圧VEE1は、−15V程度の負電圧である。電源電圧VEE2は、−5V程度の負電圧であり、電源電圧VKKは、−10V程度の負電圧である。   Here, the power supply voltage VDD is about + 15V, for example, and the power supply voltage VPP is about + 10V, for example. The power supply voltage VSS is about 0V, and the power supply voltage VEE1 is a negative voltage of about −15V. The power supply voltage VEE2 is a negative voltage of about −5V, and the power supply voltage VKK is a negative voltage of about −10V.

また、電源電圧VDD、電源電圧VPP、電源電圧VEE1電源電圧VEE2、および電源電圧VKKは、後述する図5に示す電源生成出力部VSPYによって生成される。   Further, the power supply voltage VDD, the power supply voltage VPP, the power supply voltage VEE1, the power supply voltage VEE2, and the power supply voltage VKK are generated by a power generation / output unit VSPY shown in FIG.

ゲート駆動回路GD2は、下アームドライバ用制御信号LO1に基づいて、15V程度の電源電圧VDD、−15V程度の電源電圧VEE1、または−5V程度の電源電圧VEE2のいずれかをゲート駆動信号として出力する。   Based on the lower arm driver control signal LO1, the gate drive circuit GD2 outputs any one of the power supply voltage VDD of about 15V, the power supply voltage VEE1 of about −15V, or the power supply voltage VEE2 of about −5V as a gate drive signal. .

〈ゲート駆動回路の動作例〉
続いて、ゲート駆動回路GD2の動作について説明する。
<Operation example of gate drive circuit>
Next, the operation of the gate drive circuit GD2 will be described.

まず、ゲート駆動信号として電源電圧VDDを出力する場合、トランジスタT2をオンさせ、その他のトランジスタT1,T3,T4はオフとする。この場合、トランジスタT1のゲートに入力される下アームドライバ用制御信号LO1の電圧レベルは、電源電圧VEE1となる。また、トランジスタT2のゲートに入力される下アームドライバ用制御信号LO1の電圧レベルは、電源電圧VPPである。   First, when outputting the power supply voltage VDD as a gate drive signal, the transistor T2 is turned on, and the other transistors T1, T3, and T4 are turned off. In this case, the voltage level of the lower arm driver control signal LO1 input to the gate of the transistor T1 is the power supply voltage VEE1. The voltage level of the lower arm driver control signal LO1 input to the gate of the transistor T2 is the power supply voltage VPP.

トランジスタT3,T4のゲートに入力される下アームドライバ用制御信号LO1の電圧レベルは、それぞれ電源電圧VEE2である。トランジスタT2がオンすることにより、電源電圧VDDがゲート駆動信号としてゲート駆動回路GD2の信号出力ノードVOUTから出力される。このとき、内蔵ダイオードD1のカソードの電圧レベルは、電源電圧VDD程度であり、アノードの電圧レベルは、電源電圧VEE1程度である。   The voltage level of the lower arm driver control signal LO1 input to the gates of the transistors T3 and T4 is the power supply voltage VEE2. When the transistor T2 is turned on, the power supply voltage VDD is output from the signal output node VOUT of the gate drive circuit GD2 as a gate drive signal. At this time, the voltage level of the cathode of the built-in diode D1 is about the power supply voltage VDD, and the voltage level of the anode is about the power supply voltage VEE1.

また、内蔵ダイオードD3のカソードの電圧レベルは、電源電圧VDD程度であり、アノードの電圧レベルは、電源電圧VEE2程度である。いずれの場合においても、カソード側の電圧レベルがアノード側よりも高くなるので、内蔵ダイオードD1,D3を介して電源間(VDD−VEE1、VEE2)のショートが防止される。   The voltage level of the cathode of the built-in diode D3 is about the power supply voltage VDD, and the voltage level of the anode is about the power supply voltage VEE2. In either case, since the voltage level on the cathode side is higher than that on the anode side, a short circuit between the power supplies (VDD-VEE1, VEE2) is prevented via the built-in diodes D1, D3.

続いて、ゲート駆動信号として電源電圧VEE1を出力する場合には、トランジスタT1をオンさせ、その他のトランジスタT2,T3,T4をオフとする。この場合、トランジスタT1のゲートに入力される下アームドライバ用制御信号LO1の電圧レベルは、電源電圧VKKとなる。   Subsequently, when the power supply voltage VEE1 is output as the gate drive signal, the transistor T1 is turned on and the other transistors T2, T3, and T4 are turned off. In this case, the voltage level of the lower arm driver control signal LO1 input to the gate of the transistor T1 is the power supply voltage VKK.

トランジスタT2のゲートに入力される下アームドライバ用制御信号LO1の電圧レベルは、電源電圧VDDである。トランジスタT3,T4のゲートに入力される下アームドライバ用制御信号LO1の電圧レベルは、いずれも電源電圧VEE2である。   The voltage level of the lower arm driver control signal LO1 input to the gate of the transistor T2 is the power supply voltage VDD. The voltage level of the lower arm driver control signal LO1 input to the gates of the transistors T3 and T4 is the power supply voltage VEE2.

トランジスタT1がオンすることにより、電源電圧VEE1がゲート駆動信号としてゲート駆動回路GD2の信号出力ノードVOUTから出力される。この際、内蔵ダイオードD2のカソードの電圧レベルは、電源電圧VDD程度であり、アノードの電圧レベルは、電源電圧VEE1程度である。   When the transistor T1 is turned on, the power supply voltage VEE1 is output from the signal output node VOUT of the gate drive circuit GD2 as a gate drive signal. At this time, the voltage level of the cathode of the built-in diode D2 is about the power supply voltage VDD, and the voltage level of the anode is about the power supply voltage VEE1.

内蔵ダイオードD4のアノードの電圧レベルは、電源電圧VEE1であり、カソードの電圧レベルは、電源電圧VEE2である。このため、いずれの場合においても、カソード側の電圧レベルがアノード側よりも高くなることになるので、内蔵ダイオードD2,D4を介して電源ショート(VEE1−VDD,VEE2)が防止される。   The voltage level of the anode of the built-in diode D4 is the power supply voltage VEE1, and the voltage level of the cathode is the power supply voltage VEE2. For this reason, in any case, the voltage level on the cathode side becomes higher than that on the anode side, so that a power supply short circuit (VEE1-VDD, VEE2) is prevented via the built-in diodes D2, D4.

そして、ゲート駆動信号として電源電圧VEE2を出力する場合には、トランジスタT3,T4をそれぞれオンさせ、トランジスタT1,T2をそれぞれオフとする。この場合、トランジスタT1のゲートに入力される下アームドライバ用制御信号LO1の電圧レベルは、電源電圧VEE1であり、トランジスタT2のゲートに入力される下アームドライバ用制御信号LO1の電圧レベルは、電源電圧VDDである。   When the power supply voltage VEE2 is output as the gate drive signal, the transistors T3 and T4 are turned on, and the transistors T1 and T2 are turned off. In this case, the voltage level of the lower arm driver control signal LO1 input to the gate of the transistor T1 is the power supply voltage VEE1, and the voltage level of the lower arm driver control signal LO1 input to the gate of the transistor T2 is The voltage is VDD.

また、トランジスタT3のゲートに入力される下アームドライバ用制御信号LO1の電圧レベルは、電源電圧VSSであり、トランジスタT4のゲートに入力される下アームドライバ用制御信号LO1の電圧レベルは、電源電圧VKKである。   The voltage level of the lower arm driver control signal LO1 input to the gate of the transistor T3 is the power supply voltage VSS, and the voltage level of the lower arm driver control signal LO1 input to the gate of the transistor T4 is the power supply voltage. VKK.

このように、トランジスタT3,T4がオンすることにより、電源電圧VEE2がゲート駆動信号としてゲート駆動回路GD1の信号出力ノードVOUTから出力される。   Thus, when the transistors T3 and T4 are turned on, the power supply voltage VEE2 is output from the signal output node VOUT of the gate drive circuit GD1 as a gate drive signal.

この際、内蔵ダイオードD1のカソードの電圧レベルは、電源電圧VEE2程度であり、アノードの電圧レベルは、電源電圧VEE1程度である。内蔵ダイオードD2のカソードの電圧レベルは、電源電圧VDD程度であり、アノードの電圧レベルは、電源電圧VEE2程度である。よって、いずれの場合においても、カソード側の電圧レベルがアノード側よりも高くなるので、内蔵ダイオードD1,D2を介して電源ショート(VEE2−VDD,VEE1)が防止される。   At this time, the voltage level of the cathode of the built-in diode D1 is about the power supply voltage VEE2, and the voltage level of the anode is about the power supply voltage VEE1. The voltage level of the cathode of the built-in diode D2 is about the power supply voltage VDD, and the voltage level of the anode is about the power supply voltage VEE2. Therefore, in either case, the voltage level on the cathode side is higher than that on the anode side, so that a power supply short circuit (VEE2-VDD, VEE1) is prevented via the built-in diodes D1 and D2.

このように、ゲート駆動回路GD2は、電源間ショートの発生を防止しながら、電源電圧VDD、電源電圧VEE1、または電源電圧VEE2の3つの異なる電圧レベルの信号をゲート駆動信号として出力することができる。   As described above, the gate drive circuit GD2 can output signals of three different voltage levels of the power supply voltage VDD, the power supply voltage VEE1, or the power supply voltage VEE2 as gate drive signals while preventing the occurrence of a short circuit between the power supplies. .

〈スイッチ素子の駆動動作〉
続いて、図2のゲート駆動回路GD1,GD2を用いたスイッチ素子SW1,SW2の駆動例について説明する。
<Drive operation of switch element>
Next, an example of driving the switch elements SW1 and SW2 using the gate drive circuits GD1 and GD2 in FIG. 2 will be described.

図3は、図1の電力変換装置PTのゲート駆動回路GD1,GD2およびスイッチ素子SW1,SW2に注目した説明図である。図4は、図3の動作の一例を示す波形図である。図4の例では、下アーム側のスイッチ素子SW2がオフの状態で、上アーム側のスイッチ素子SW1をオフ状態からオン状態に遷移させた後、再びオフ状態に遷移させたときの波形が示されている。   FIG. 3 is an explanatory diagram focusing on the gate drive circuits GD1 and GD2 and the switch elements SW1 and SW2 of the power conversion device PT of FIG. FIG. 4 is a waveform diagram showing an example of the operation of FIG. In the example of FIG. 4, a waveform is shown when the lower arm side switch element SW <b> 2 is in the off state, and the upper arm side switch element SW <b> 1 is changed from the off state to the on state and then changed to the off state again. Has been.

図4において、上方から下方にかけては、電圧VGSU、電圧VDSU、電圧VDSD、および電圧VGSDの波形をそれぞれ示している。電圧VGSUは、スイッチ素子SW1のゲート−ソース間電圧である。電圧VDSUは、スイッチ素子SW1のドレイン−ソース間電圧である。電圧VDSDは、スイッチ素子SW2のドレイン−ソース間電圧である。電圧VGSDは、スイッチ素子SW2のゲート−ソース間電圧である。   In FIG. 4, from the upper side to the lower side, waveforms of the voltage VGSU, the voltage VDSU, the voltage VDSD, and the voltage VGSD are shown, respectively. The voltage VGSU is a gate-source voltage of the switch element SW1. The voltage VDSU is a drain-source voltage of the switch element SW1. The voltage VDSD is a drain-source voltage of the switch element SW2. The voltage VGSD is a gate-source voltage of the switch element SW2.

本実施の形態1による駆動方式では、スイッチ素子SW1がオンする直前に、スイッチ素子SW2の電圧VGSDを電源電圧VDDのレベルから負電位VEE1のレベルに遷移させる。そして、スイッチ素子SW1のスイッチング動作が完了した後は、電圧VGSDを電源電圧VEE1のレベルから電源電圧VEE2のレベルにする点が特徴となっている。   In the driving method according to the first embodiment, immediately before the switch element SW1 is turned on, the voltage VGSD of the switch element SW2 is changed from the level of the power supply voltage VDD to the level of the negative potential VEE1. Then, after the switching operation of the switch element SW1 is completed, the voltage VGSD is changed from the level of the power supply voltage VEE1 to the level of the power supply voltage VEE2.

そして、スイッチ素子SW2のオフ期間において、スイッチ素子SW1のスイッチング期間を除く期間では、電圧VGSDは、電源電圧VEE2のレベルに設定される。   In the off period of the switch element SW2, the voltage VGSD is set to the level of the power supply voltage VEE2 during the period excluding the switching period of the switch element SW1.

より詳細に説明すると、まず、上アーム側のスイッチ素子SW1のゲート−ソース間電圧である電圧VGSUを、電源電圧VEE2の電圧レベルである−5Vから、電源電圧VDDの電圧レベルである例えば+15V程度に遷移させる。   More specifically, first, the voltage VGSU that is the gate-source voltage of the switch element SW1 on the upper arm side is changed from -5V that is the voltage level of the power supply voltage VEE2 to about + 15V that is the voltage level of the power supply voltage VDD, for example. Transition to.

これにより、スイッチ素子SW1のドレイン−ソース間電圧である電圧VDSUは、スイッチ素子SW1のオン電圧(〜1V)程度まで減少する。   As a result, the voltage VDSU, which is the drain-source voltage of the switch element SW1, decreases to about the on voltage (˜1V) of the switch element SW1.

したがって、下アーム側のスイッチ素子SW2のドレイン・ソース間電圧である電圧VDSDは、0V程度から1500V程度まで上昇することになる。この時、スイッチ素子SW2のゲート・ドレイン間寄生容量Cgdには、充放電電流が流れ、その電流は、スイッチ素子SW2のゲートに流れ込む。この結果、スイッチ素子SW2のゲート−ソース間電圧である電圧VGSDは、過渡的に上昇する。   Therefore, the voltage VDSD that is the drain-source voltage of the switch element SW2 on the lower arm side rises from about 0V to about 1500V. At this time, a charge / discharge current flows through the parasitic capacitance Cgd between the gate and the drain of the switch element SW2, and the current flows into the gate of the switch element SW2. As a result, the voltage VGSD, which is the gate-source voltage of the switch element SW2, rises transiently.

ここで、前述した特許文献2および特許文献3の駆動方式を用いた場合、スイッチ素子SW2のオフ期間の間、ゲート−ソース間に負電位が動的かつ継続的に印加される。この場合、当該負電位が不安定であることに加えて、スイッチ素子SW2のしきい値電圧が時系列的に、よりオンし易い方向にシフトする。そのため、スイッチ素子SW1がオンした瞬間あるいはその後においてもスイッチ素子SW2で誤点孤が生じ易くなり、その結果、上アームから下アームに向けた貫通電流が生じる恐れがある。   Here, when the driving methods of Patent Document 2 and Patent Document 3 described above are used, a negative potential is dynamically and continuously applied between the gate and the source during the OFF period of the switch element SW2. In this case, in addition to the negative potential being unstable, the threshold voltage of the switch element SW2 is shifted in a time-sequential direction so as to be more easily turned on. For this reason, the switch element SW2 is liable to cause a false spot even at the moment when the switch element SW1 is turned on or thereafter, and as a result, a through current from the upper arm to the lower arm may be generated.

一方、図2に示すゲート駆動回路GD1,GD2では、スイッチ素子SW1がオンする直前に、スイッチ素子SW2の電圧VGSDを電源電圧VEE1のレベルに遷移させている。   On the other hand, in the gate drive circuits GD1 and GD2 shown in FIG. 2, the voltage VGSD of the switch element SW2 is changed to the level of the power supply voltage VEE1 immediately before the switch element SW1 is turned on.

これによって、例えばスイッチ素子SW1がオンした瞬間に、スイッチ素子SW2のゲートにある程度大きな電流が結合するような場合であっても、そのゲート電位の上昇を十分に抑制することができる。   Thus, for example, even when a large current is coupled to the gate of the switch element SW2 at the moment when the switch element SW1 is turned on, an increase in the gate potential can be sufficiently suppressed.

また、スイッチ素子SW1のスイッチング動作が完了した後には、スイッチ素子SW2のゲート−ソース間電圧である電圧VGSDを、電源電圧VEE1のレベルから電源電圧VEE2のレベルに遷移させるため、スイッチ素子SW2のゲートに電源電圧VEE1のレベルが印加される時間を短くすることができる。これによって、前述したしきい値電圧のシフト量を最小限に抑えることができる。   Further, after the switching operation of the switch element SW1 is completed, the voltage VGSD, which is the gate-source voltage of the switch element SW2, is changed from the level of the power supply voltage VEE1 to the level of the power supply voltage VEE2. The time during which the level of the power supply voltage VEE1 is applied can be shortened. As a result, the threshold voltage shift amount described above can be minimized.

これらの結果、スイッチ素子SW2において誤点孤が生じ難くなり、上アームから下アームに向けた貫通電流を防止することができる。   As a result, it is difficult for the switch element SW2 to have a false spot and a through current from the upper arm toward the lower arm can be prevented.

これにより、SiCMOSの低オン抵抗という特長を活かした低損失な電力変換装置を実現することができると共に、その信頼性を向上させることが可能になる。   As a result, it is possible to realize a low-loss power conversion device that takes advantage of the low on-resistance of SiCMOS, and to improve its reliability.

一方、スイッチ素子SW1がオンからオフに遷移した際、スイッチ素子SW2のドレイン・ソース間電圧である電圧VDSDは、1500V程度から0V程度まで下降することになる。この電圧VDSDの下降に引きずられて、スイッチ素子SW2のゲート−ソース間電圧である電圧VGSDも下降することになる。   On the other hand, when the switch element SW1 transitions from on to off, the voltage VDSD that is the drain-source voltage of the switch element SW2 drops from about 1500V to about 0V. The voltage VGSD, which is a gate-source voltage of the switch element SW2, is also lowered by being dragged by the fall of the voltage VDSD.

この電圧VGSDの下降によって、いわゆるゲートノイズが発生する。ゲートノイズの発生によって、スイッチ素子SW2のゲート絶縁膜に高電界が印加されると、該スイッチ素子SW2の信頼性を大きく損なう恐れがある。そのため、ゲートノイズによる電圧印加は、できるだけ小さくなるようにすることが望ましい。   As the voltage VGSD falls, so-called gate noise occurs. If a high electric field is applied to the gate insulating film of the switch element SW2 due to the generation of gate noise, the reliability of the switch element SW2 may be greatly impaired. For this reason, it is desirable that voltage application due to gate noise be as small as possible.

前述したように、そして、スイッチ素子SW1のスイッチング動作が完了した後、電圧VGSDは、電源電圧VEE1のレベルから電源電圧VEE2のレベルとなっている。スイッチ素子SW1がオンからオフに遷移してゲートノイズが発生しても、電圧VGSDは、電源電圧VEE2の電圧レベルからある程度下降することになるが、電源電圧VEE1の電圧レベルよりも低くなることを防止することができる。   As described above, after the switching operation of the switch element SW1 is completed, the voltage VGSD is changed from the level of the power supply voltage VEE1 to the level of the power supply voltage VEE2. Even if the switch element SW1 transitions from on to off and gate noise occurs, the voltage VGSD drops to some extent from the voltage level of the power supply voltage VEE2, but is lower than the voltage level of the power supply voltage VEE1. Can be prevented.

これによって、ゲートノイズが発生しても、スイッチ素子SW2のゲート絶縁膜に印加される高電界を該ゲート絶縁膜の耐圧レベル以下とすることができ、スイッチ素子SW2の信頼性を向上させることができる。   As a result, even when gate noise occurs, the high electric field applied to the gate insulating film of the switch element SW2 can be made lower than the withstand voltage level of the gate insulating film, and the reliability of the switch element SW2 can be improved. it can.

一方、スイッチ素子SW1のスイッチング動作が完了した後においても、電圧VGSDに電源電圧VEE1を継続的に印加した場合には、ゲートノイズが発生した際に、スイッチ素子SW2の電圧VGSDが電源電圧VEE1よりも低い電圧レベルとなる恐れがあり、該スイッチ素子SW2のゲート絶縁膜に耐圧以上の高電界が印加されてしまう恐れがある。それによって、スイッチ素子SW2の信頼性が損なわれる恐れが生じてしまうことになる。   On the other hand, when the power supply voltage VEE1 is continuously applied to the voltage VGSD even after the switching operation of the switch element SW1 is completed, when the gate noise occurs, the voltage VGSD of the switch element SW2 becomes higher than the power supply voltage VEE1. There is a possibility that the voltage level becomes low, and there is a possibility that a high electric field higher than the withstand voltage is applied to the gate insulating film of the switch element SW2. As a result, the reliability of the switch element SW2 may be impaired.

〈ゲートドライバ制御回路の構成例〉
次に、ゲートドライバ制御回路GDCTL1について説明する。
<Configuration example of gate driver control circuit>
Next, the gate driver control circuit GDCTL1 will be described.

図5は、図1のゲートドライバ制御回路GDCTL1における構成の一例を示す説明図である。なお、図5では、ゲートドライバ制御回路GDCTL1について示すが、ゲートドライバ制御回路GDCTL2についても同様の構成からなる。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of the gate driver control circuit GDCTL1 of FIG. Although FIG. 5 shows the gate driver control circuit GDCTL1, the gate driver control circuit GDCTL2 has the same configuration.

ゲートドライバ制御回路GDCTL1は、図5に示すように、論理部LGおよび電源生成出力部VSPYから構成されている。   As shown in FIG. 5, the gate driver control circuit GDCTL1 includes a logic part LG and a power generation / output part VSPY.

論理部LGは、前述したマイクロコンピュータから出力される上アーム用制御信号HINおよび下アーム用制御信号LINに基づいて、出力制御信号OCTを生成する。電源生成出力部VSPYは、論理部LGが生成した出力制御信号OCTに基づいて、ゲート駆動回路GD1に出力するゲート駆動信号を出力する。   The logic unit LG generates the output control signal OCT based on the upper arm control signal HIN and the lower arm control signal LIN output from the microcomputer. The power supply generation output unit VSPY outputs a gate drive signal to be output to the gate drive circuit GD1 based on the output control signal OCT generated by the logic unit LG.

電源生成出力部VSPYは、DC/DCコンバータDC1,DC2、信号セレクタSEL1〜SEL3を有する。DC/DCコンバータDC1は、スイッチ素子SW1のソース電位COM(=VSS)を基準として、15V程度の電源電圧VDDから、10V程度の電源電圧VPPを生成する。DC/DCコンバータDC2は、スイッチ素子SW1のソース電位COMを基準として、−15V程度の電源電圧VEE1から、−5V程度の電源電圧VEE2を生成する。   The power generation / output unit VSPY includes DC / DC converters DC1 and DC2 and signal selectors SEL1 to SEL3. The DC / DC converter DC1 generates a power supply voltage VPP of about 10V from a power supply voltage VDD of about 15V with reference to the source potential COM (= VSS) of the switch element SW1. The DC / DC converter DC2 generates a power supply voltage VEE2 of about −5V from a power supply voltage VEE1 of about −15V with reference to the source potential COM of the switch element SW1.

信号セレクタSEL1が有する2つの入力部には、15V程度の電源電圧VDDおよびDC/DCコンバータDC1が生成した電源電圧VPPがそれぞれ入力される。この信号セレクタSEL1の制御端子には、論理部LGが生成した出力制御信号OCTが入力される。   A power supply voltage VDD of about 15 V and a power supply voltage VPP generated by the DC / DC converter DC1 are input to two input sections of the signal selector SEL1. The output control signal OCT generated by the logic unit LG is input to the control terminal of the signal selector SEL1.

信号セレクタSEL1は、出力制御信号OCTに基づいて、電源電圧VDDまたは電源電圧VPPのいずれかを選択して出力する。信号セレクタSEL1から出力された信号は、ゲート駆動信号としてゲート駆動回路GD1のトランジスタT2のゲートに入力される。トランジスタT2をオンさせる場合、信号セレクタSEL1は、電源電圧VPPを出力し、該トランジスタT2をオフさせる場合には、電源電圧VDDを出力する。   The signal selector SEL1 selects and outputs either the power supply voltage VDD or the power supply voltage VPP based on the output control signal OCT. The signal output from the signal selector SEL1 is input to the gate of the transistor T2 of the gate drive circuit GD1 as a gate drive signal. When the transistor T2 is turned on, the signal selector SEL1 outputs the power supply voltage VPP, and when the transistor T2 is turned off, the signal selector SEL1 outputs the power supply voltage VDD.

信号セレクタSEL2の2つの入力部には、ソース電位COM(VSS)およびDC/DCコンバータDC2が生成した電源電圧VEE2がそれぞれ入力される。信号セレクタSEL2の制御端子には、論理部LGから出力される出力制御信号OCTが入力される。   The source potential COM (VSS) and the power supply voltage VEE2 generated by the DC / DC converter DC2 are input to the two input portions of the signal selector SEL2, respectively. The output control signal OCT output from the logic unit LG is input to the control terminal of the signal selector SEL2.

信号セレクタSEL2は、出力制御信号OCTに基づいて、ソース電位COMまたは電源電圧VEE2のいずれかを選択して出力する。信号セレクタSEL2から出力された信号は、ゲート駆動信号としてゲート駆動回路GD1のトランジスタT3のゲートに入力される。信号セレクタSEL2は、トランジスタT3をオンさせる場合、ソース電位COMを出力し、該トランジスタT3をオフさせる場合には、電源電圧VEE2を出力する。   The signal selector SEL2 selects and outputs either the source potential COM or the power supply voltage VEE2 based on the output control signal OCT. The signal output from the signal selector SEL2 is input to the gate of the transistor T3 of the gate drive circuit GD1 as a gate drive signal. The signal selector SEL2 outputs the source potential COM when turning on the transistor T3, and outputs the power supply voltage VEE2 when turning off the transistor T3.

信号セレクタSEL3の2つの入力部には、電源電圧VEE1およびDC/DCコンバータDC3が生成した電源電圧VKKがそれぞれ入力される。信号セレクタSEL3の制御端子には、論理部LGから出力される出力制御信号OCTが入力される。   The power supply voltage VEE1 and the power supply voltage VKK generated by the DC / DC converter DC3 are input to the two input portions of the signal selector SEL3. The output control signal OCT output from the logic unit LG is input to the control terminal of the signal selector SEL3.

信号セレクタSEL3は、出力制御信号OCTに基づいて、電源電圧VKKまたは電源電圧VEE1のいずれかを選択して出力する。信号セレクタSEL3から出力された信号は、ゲート駆動信号としてゲート駆動回路GD1のトランジスタT1のゲートにそれぞれ入力される。   The signal selector SEL3 selects and outputs either the power supply voltage VKK or the power supply voltage VEE1 based on the output control signal OCT. The signal output from the signal selector SEL3 is input to the gate of the transistor T1 of the gate drive circuit GD1 as a gate drive signal.

信号セレクタSEL3は、トランジスタT1をオンさせる場合、電源電圧VKKを出力し、該トランジスタT1をオフさせる場合には、電源電圧VEE1を出力する。   The signal selector SEL3 outputs a power supply voltage VKK when turning on the transistor T1, and outputs a power supply voltage VEE1 when turning off the transistor T1.

信号セレクタSEL4の2つの入力部には、DC/DCコンバータDC2が生成した電源電圧VEE2およびDC/DCコンバータDC3が生成した電源電圧VKKがそれぞれ入力される。信号セレクタSEL4の制御端子には、論理部LGから出力される出力制御信号OCTが入力される。   The power supply voltage VEE2 generated by the DC / DC converter DC2 and the power supply voltage VKK generated by the DC / DC converter DC3 are input to the two input portions of the signal selector SEL4, respectively. The output control signal OCT output from the logic unit LG is input to the control terminal of the signal selector SEL4.

信号セレクタSEL4は、出力制御信号OCTに基づいて、電源電圧VKKまたは電源電圧VEE2のいずれかを選択して出力する。信号セレクタSEL4から出力された信号は、ゲート駆動信号としてゲート駆動回路GD1のトランジスタT4のゲートにそれぞれ入力される。   The signal selector SEL4 selects and outputs either the power supply voltage VKK or the power supply voltage VEE2 based on the output control signal OCT. The signal output from the signal selector SEL4 is input to the gate of the transistor T4 of the gate drive circuit GD1 as a gate drive signal.

信号セレクタSEL4は、トランジスタT4をオンさせる場合、電源電圧VKKを出力し、該トランジスタT4をオフさせる場合には、電源電圧VEE2を出力する。   The signal selector SEL4 outputs the power supply voltage VKK when turning on the transistor T4, and outputs the power supply voltage VEE2 when turning off the transistor T4.

このように、ゲート駆動回路GD1のトランジスタT1は、電源生成出力部VSPYから出力される電源電圧VEE1または電源電圧VKKのいずれかのゲート駆動信号によって動作制御される。   Thus, the operation of the transistor T1 of the gate drive circuit GD1 is controlled by the gate drive signal of either the power supply voltage VEE1 or the power supply voltage VKK output from the power supply generation output unit VSPY.

トランジスタT2は、電源生成出力部VSPYから出力される電源電圧VDDまたは電源電圧VPPのいずれかのゲート駆動信号によって動作制御される。同様に、トランジスタT3は、電源生成出力部VSPYから出力されるソース電位COMまたは電源電圧VEE2のいずれかのゲート駆動信号によって動作制御され、トランジスタT4は、電源生成出力部VSPYから出力される電源電圧VEE2または電源電圧VKKのいずれかのゲート駆動信号によって動作制御される。   The operation of the transistor T2 is controlled by a gate drive signal of either the power supply voltage VDD or the power supply voltage VPP output from the power generation / output unit VSPY. Similarly, the operation of the transistor T3 is controlled by the gate drive signal of either the source potential COM or the power supply voltage VEE2 output from the power generation / output unit VSPY, and the transistor T4 is the power supply voltage output from the power generation / output unit VSPY. The operation is controlled by a gate drive signal of either VEE2 or power supply voltage VKK.

以上によって、代表的には、パワー半導体デバイスならびにそれを駆動する半導体駆動回路を備えた電力変換装置PTにおいて、誤点孤を防止することができるとともに、信頼性を向上させることができる。   As described above, typically, in the power conversion device PT provided with the power semiconductor device and the semiconductor drive circuit that drives the power semiconductor device, it is possible to prevent false points and improve reliability.

(実施の形態2)
〈ゲート駆動回路の構成例(変形例1)〉
本実施の形態2では、前記実施の形態1の図1に示す電力変換装置PTに設けられるゲート駆動回路GD1,GD2の変形例について説明する。
(Embodiment 2)
<Configuration Example of Gate Drive Circuit (Modification 1)>
In the second embodiment, a modified example of the gate drive circuits GD1 and GD2 provided in the power conversion device PT shown in FIG. 1 of the first embodiment will be described.

図6は、本実施の形態2によるゲート駆動回路GD2における構成の一例を示す説明図である。なお、図6では、ゲート駆動回路GD2の構成例について示しているが、ゲート駆動回路GD1についても、ゲート駆動回路GD2と同様の構成となっている。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of the gate drive circuit GD2 according to the second embodiment. Although FIG. 6 shows an example of the configuration of the gate drive circuit GD2, the gate drive circuit GD1 has the same configuration as the gate drive circuit GD2.

図6に示すゲート駆動回路GD2は、内蔵ダイオードD1〜D4を有するトランジスタT1〜T4からなる前記実施の形態1の図2と同様の構成に、抵抗Rが新たに設けられた構成となっている。この抵抗Rは、トランジスタT4のドレインと電源電圧VEE2との間に接続されている。   The gate drive circuit GD2 shown in FIG. 6 has a configuration in which a resistor R is newly provided in the same configuration as that of FIG. 2 of the first embodiment including the transistors T1 to T4 having the built-in diodes D1 to D4. . The resistor R is connected between the drain of the transistor T4 and the power supply voltage VEE2.

例えば、トランジスタT3,T4がオフとなっている場合、トランジスタT3のソースとトランジスタT4のドレインとの接続部は、フローティングノードとなり電位が定まらない状態となることがある。フローティングノードとなると、トランジスタT3,T4などに誤動作が発生してしまう恐れがある。抵抗Rは、このフローティングノードとなることを防止するために設けられる。抵抗Rの抵抗値は、例えば1MΩ程度などの電流が流れない程度の高抵抗が好適である。これによって、ゲート駆動回路GD2の消費電流を抑えることができる。   For example, when the transistors T3 and T4 are off, the connection portion between the source of the transistor T3 and the drain of the transistor T4 may become a floating node and the potential may not be determined. If it becomes a floating node, a malfunction may occur in the transistors T3 and T4. The resistor R is provided to prevent this floating node. The resistance value of the resistor R is preferably a high resistance that does not flow current, such as about 1 MΩ. As a result, the current consumption of the gate drive circuit GD2 can be suppressed.

以上により、代表的には、パワー半導体デバイスならびにそれを駆動する半導体駆動回路を備えた電力変換装置PTにおいて、誤点孤を防止することができるとともに、信頼性をより向上させることができる。   As described above, typically, in the power conversion device PT provided with the power semiconductor device and the semiconductor drive circuit that drives the power semiconductor device, it is possible to prevent false points and improve reliability.

(実施の形態3)
〈ゲート駆動回路の構成例(変形例2)〉
本実施の形態3では、スイッチ素子をオン/オフさせる際に発生するノイズなどの影響を低減することのできるゲート駆動回路GD2の構成について説明する。
(Embodiment 3)
<Configuration Example of Gate Drive Circuit (Modification 2)>
In the third embodiment, a configuration of the gate drive circuit GD2 that can reduce the influence of noise or the like generated when the switch element is turned on / off will be described.

図7は、本実施の形態3によるゲート駆動回路GD2における構成の一例を示す説明図である。なお、図7においても、ゲート駆動回路GD2の構成例について示しているが、ゲート駆動回路GD1についてもゲート駆動回路GD2と同様の構成となっている。   FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of the gate drive circuit GD2 according to the third embodiment. 7 also shows a configuration example of the gate drive circuit GD2, the gate drive circuit GD1 has the same configuration as the gate drive circuit GD2.

図7に示すゲート駆動回路GD2は、内蔵ダイオードD1〜D4を有するトランジスタT1〜T4からなる前記実施の形態1の図2と同様の構成に、抵抗セレクタRSL1,RSL2が新たに設けられた構成となっている。   The gate drive circuit GD2 shown in FIG. 7 has a configuration in which resistance selectors RSL1 and RSL2 are newly provided in the same configuration as that of FIG. 2 of the first embodiment including the transistors T1 to T4 having the built-in diodes D1 to D4. It has become.

第1の抵抗切り替え部となる抵抗セレクタRSL1は、トランジスタT5、および抵抗R1,R2を有する。トランジスタT5は、Pチャネル型パワーMOSFETからなる。トランジスタT5のソースおよび抵抗R2の一方の接続部には、電源電圧VDDがそれぞれ接続されている。トランジスタT5のドレインには、抵抗R1の一方の接続部が接続されている。抵抗R1,R2の他方の接続部には、トランジスタT2のソースがそれぞれ接続されている。   The resistance selector RSL1 serving as the first resistance switching unit includes a transistor T5 and resistors R1 and R2. The transistor T5 is composed of a P-channel type power MOSFET. The power source voltage VDD is connected to one connection portion of the source of the transistor T5 and the resistor R2. One connection portion of the resistor R1 is connected to the drain of the transistor T5. The source of the transistor T2 is connected to the other connection portion of the resistors R1 and R2.

第2の抵抗切り替え部となる抵抗セレクタRSL2は、トランジスタT6、および抵抗R3,R4を有する。トランジスタT6は、Nチャネル型パワーMOSFETからなる。トランジスタT1のソースには、抵抗R3,R4の一方の接続部がそれぞれ接続されている。   The resistance selector RSL2 serving as the second resistance switching unit includes a transistor T6 and resistors R3 and R4. The transistor T6 is an N-channel power MOSFET. One connection portion of the resistors R3 and R4 is connected to the source of the transistor T1.

抵抗R3の他方の接続部には、トランジスタT6のドレインが接続されている。トランジスタT6のソースおよび抵抗R4の他方の接続部には、電源電圧VEE1がそれぞれ接続されている。   The drain of the transistor T6 is connected to the other connection portion of the resistor R3. A power supply voltage VEE1 is connected to the source of the transistor T6 and the other connection portion of the resistor R4.

また、トランジスタT5,T6のゲートには、前記実施の形態1の図5に示す論理部LGから出力される制御信号が入力される。トランジスタT5,T6は、ゲートに入力される制御信号に基づいて、オンまたはオフする。   Further, a control signal output from the logic unit LG shown in FIG. 5 of the first embodiment is input to the gates of the transistors T5 and T6. The transistors T5 and T6 are turned on or off based on a control signal input to the gate.

ここで、第1の抵抗値となる抵抗R1と抵抗R2との合成抵抗値は、第2の抵抗値である抵抗R2よりも小さい抵抗値となるようにそれぞれ抵抗値が設定されている。同様に、第3の抵抗値となる抵抗R3と抵抗R4との合成抵抗値は、第4の抵抗値となる抵抗R4よりも小さい抵抗値となるようにそれぞれ抵抗値が設定されている。   Here, the resistance value is set so that the combined resistance value of the resistor R1 and the resistor R2 that are the first resistance values is smaller than the resistance value R2 that is the second resistance value. Similarly, the resistance value is set so that the combined resistance value of the resistor R3 and the resistor R4 that are the third resistance value is smaller than the resistance value R4 that is the fourth resistance value.

続いて、抵抗セレクタRSL1の動作について説明する。   Next, the operation of the resistance selector RSL1 will be described.

スイッチ素子SW2がオンする際、抵抗セレクタRSL1は、電源電圧VDDが抵抗R1と抵抗R2との合成抵抗を介してスイッチ素子SW2のゲートに入力されるように動作する。すなわち、論理部LGからは、トランジスタT5をオンさせる制御信号が出力される。   When the switch element SW2 is turned on, the resistance selector RSL1 operates so that the power supply voltage VDD is input to the gate of the switch element SW2 via the combined resistance of the resistance R1 and the resistance R2. That is, a control signal for turning on the transistor T5 is output from the logic unit LG.

このように、スイッチSW2がオンし始める際には、ゲート電圧を急速に立ち上げる制御を行うことによってスイッチ素子の高速動作を実現することができる。しかし、ゲート電圧が急速に立ち上がることによって、入力されるゲート電圧には、リンギングやサージなどが発生してしまい、スイッチ素子の誤動作などが発生してしまう恐れがある。   As described above, when the switch SW2 starts to be turned on, a high-speed operation of the switch element can be realized by performing control for rapidly raising the gate voltage. However, when the gate voltage rises rapidly, ringing or surge may occur in the input gate voltage, which may cause malfunction of the switch element.

そこで、抵抗セレクタSL1においては、ゲート電圧が電源電圧VDDの電圧レベルにある程度近づくと、トランジスタT5をオフして合成抵抗値よりも高い抵抗値となる抵抗R2のみを介して電源電圧VDDを供給するように制御する。すなわち、論理部LGからは、トランジスタT5をオフさせる制御信号が出力される。これよって、該ゲート電圧の立ち上がり波形がなだらかになり、リンギングやサージなどの発生を抑制することができる。   Therefore, in the resistor selector SL1, when the gate voltage approaches the voltage level of the power supply voltage VDD to some extent, the transistor T5 is turned off and the power supply voltage VDD is supplied only through the resistor R2 having a resistance value higher than the combined resistance value. To control. That is, a control signal for turning off the transistor T5 is output from the logic unit LG. As a result, the rising waveform of the gate voltage becomes smooth, and the occurrence of ringing or surge can be suppressed.

以上により、スイッチ素子の高速動作を実現しながら、スイッチング動作の信頼性を向上させることができる。   As described above, the reliability of the switching operation can be improved while realizing the high-speed operation of the switch element.

また、スイッチ素子SW2をオフさせる際においても同様であり、抵抗セレクタRSL2のトランジスタT6をまずオンさせた後に該抵抗T6をオフする。これによって、抵抗セレクタRSL1の場合と同様に、スイッチSW2のゲート電圧を急速に立ち下げる制御を行うことができる。また、ゲート電圧が電源電圧VEE1の電圧レベルにある程度近づくと、トランジスタT6がオフとなり、該ゲート電圧の立ち下がり波形がなだらかになり、リンギングやサージなどの発生を抑制することができる。以上によって、スイッチ素子の高速動作およびスイッチング動作の信頼性を向上させることができる。なおスイッチSW2のリンギングが抑制されたのち、再度トランジスタT5,およびT6をオンさせるように制御してもよい。このようにすることでスイッチング時間を短縮しスイッチング損失を削減することができる。   The same applies when the switch element SW2 is turned off. The transistor T6 of the resistor selector RSL2 is first turned on, and then the resistor T6 is turned off. As a result, similarly to the case of the resistor selector RSL1, it is possible to perform control for rapidly lowering the gate voltage of the switch SW2. When the gate voltage approaches the voltage level of the power supply voltage VEE1 to some extent, the transistor T6 is turned off, the falling waveform of the gate voltage becomes gentle, and the occurrence of ringing or surge can be suppressed. As described above, the high-speed operation of the switch element and the reliability of the switching operation can be improved. Note that after the ringing of the switch SW2 is suppressed, the transistors T5 and T6 may be controlled to be turned on again. By doing in this way, switching time can be shortened and switching loss can be reduced.

続いて、実施の形態4において後述するセンス信号がスイッチ素子から出力された場合の動作について説明する。   Subsequently, an operation when a sense signal described later in Embodiment 4 is output from the switch element will be described.

センス信号は、上アーム側のスイッチ素子と下アーム側のスイッチ素子とが同時にオンすることなどによって、スイッチ素子が短絡して該スイッチ素子に過電流などが流れた際に出力される信号である。   The sense signal is a signal that is output when the switch element is short-circuited and an overcurrent flows through the switch element by simultaneously turning on the switch element on the upper arm side and the switch element on the lower arm side. .

図5に示す論理部LGにセンス信号が入力されると、該論理部LGは、スイッチ素子をオフさせる制御を行う。これによって、短絡電流を遮断してスイッチ素子などの破壊を防止する。   When a sense signal is input to the logic unit LG shown in FIG. 5, the logic unit LG performs control to turn off the switch element. As a result, the short-circuit current is interrupted to prevent the switch element from being destroyed.

センス信号が入力された際、論理部LGは、トランジスタT6を直ちにオフさせる。これによって、合成抵抗値よりも大きい抵抗値となる抵抗R4を介して供給されるゲート電圧によってスイッチ素子がオフされる。   When the sense signal is input, the logic unit LG immediately turns off the transistor T6. As a result, the switch element is turned off by the gate voltage supplied via the resistor R4 having a resistance value larger than the combined resistance value.

このように、ゲート電圧の立ち下がりをなだらかにすることにより、リンギングやサージなどの発生を抑制することができスイッチ素子の誤動作を防止することができる。ゲート電圧の立ち下がりを急激にした場合には、スイッチ素子のオフ時間を短くすることはできるが、ゲート電圧に発生するリンギングやサージなどによってスイッチ素子がオンしてしまい、スイッチ素子の破壊などを招いてしまう恐れがある。以上により、スイッチ素子の異常時においても、スイッチ素子のスイッチング動作の信頼性を向上させることができる。   As described above, by smoothing the fall of the gate voltage, it is possible to suppress the occurrence of ringing, surge, and the like, and to prevent malfunction of the switch element. When the fall of the gate voltage is abrupt, the switch element off time can be shortened, but the switch element is turned on by ringing or surge generated in the gate voltage, and the switch element is destroyed. There is a risk of being invited. As described above, the reliability of the switching operation of the switch element can be improved even when the switch element is abnormal.

なお、図7では、抵抗R1と抵抗R2との合成抵抗値または抵抗R2の抵抗値のいずれかをトランジスタT5によって切り替える構成としたが、抵抗セレクタRSL1(,RSL2)の構成は、2つの異なる抵抗値を選択することのできる構成であれば、これに限定されるものではない。   In FIG. 7, although either the combined resistance value of the resistor R1 and the resistor R2 or the resistance value of the resistor R2 is switched by the transistor T5, the configuration of the resistor selector RSL1 (, RSL2) is two different resistors. The configuration is not limited to this as long as the value can be selected.

例えば、抵抗R1と該抵抗R1よりも大きな抵抗値を有する抵抗R2とにそれぞれ切り換え用のトランジスタを備え、該トランジスタを個別に動作させることによって切り替える構成などとしてもよい。   For example, a configuration may be adopted in which a switching transistor is provided in each of the resistor R1 and the resistor R2 having a resistance value larger than that of the resistor R1, and switching is performed by individually operating the transistors.

(実施の形態4)
〈電力変換装置の適用例〉
図8は、本発明の実施の形態4による電力変換装置PTにおける構成の一例を示す概略図である。図8に示す電力変換装置PTは、例えば前記実施の形態1の方式を、いわゆる三相インバータ装置に適用したものとなっている。
(Embodiment 4)
<Application example of power converter>
FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the power conversion device PT according to the fourth embodiment of the present invention. For example, the power conversion device PT shown in FIG. 8 is obtained by applying the method of the first embodiment to a so-called three-phase inverter device.

図8において、トランジスタスイッチであるスイッチ素子SW1u,SW1v,SW1w,SW2u,SW2v,SW2wは、それぞれnチャネル型のSiCMOSを用いたスイッチ素子である。また、スイッチ素子SW1u,SW1v,SW1w,SW2u,SW2v,SW2wによってトランジスタスイッチ部が構成される。   In FIG. 8, switch elements SW1u, SW1v, SW1w, SW2u, SW2v, and SW2w, which are transistor switches, are switch elements using n-channel type SiCMOS. In addition, a transistor switch unit is configured by the switch elements SW1u, SW1v, SW1w, SW2u, SW2v, and SW2w.

スイッチ素子SW1u,SW1v,SW1w,SW2u,SW2v,SW2wの各ソース−ドレイン間には、還流ダイオードD1u,D1v,D1w,D2u,D2v,D2wがそれぞれ接続されている。これら還流ダイオードD1u,D1v,D1w,D2u,D2v,D2wは、例えばショットキバリアダイオードからなる。   Between the source and drain of the switch elements SW1u, SW1v, SW1w, SW2u, SW2v, SW2w, free-wheeling diodes D1u, D1v, D1w, D2u, D2v, D2w are connected, respectively. These free-wheeling diodes D1u, D1v, D1w, D2u, D2v, and D2w are, for example, Schottky barrier diodes.

スイッチ素子SW1u,SW1v,SW1wは、上アーム側にそれぞれ配置されており、スイッチ素子SW2u,SW2v,SW2wは、下アーム側にそれぞれ配置されている。スイッチ素子SW1u,SW2uは、U相用、スイッチ素子SW1v,SW2vは、V相用、およびスイッチ素子SW1w,SW2wは、W相用である。   The switch elements SW1u, SW1v, SW1w are respectively arranged on the upper arm side, and the switch elements SW2u, SW2v, SW2w are respectively arranged on the lower arm side. The switch elements SW1u and SW2u are for the U phase, the switch elements SW1v and SW2v are for the V phase, and the switch elements SW1w and SW2w are for the W phase.

各々のスイッチ素子SW1u,SW1v,SW1w,SW2u,SW2v,SW2wには、該スイッチ素子の過電流、過電圧、あるいは温度などを検出する図示しないセンス回路が設けられている。   Each switch element SW1u, SW1v, SW1w, SW2u, SW2v, and SW2w is provided with a sense circuit (not shown) that detects an overcurrent, an overvoltage, or a temperature of the switch element.

ゲート駆動回路GD1u,GD1v,GD1w,GD2u,GD2v,GD2wは、図5に示したようなゲート駆動回路およびゲートドライバ制御回路であり、スイッチ素子SW1u,SW1v,SW1w,SW2u,SW2v,SW2wをそれぞれ駆動する。   The gate drive circuits GD1u, GD1v, GD1w, GD2u, GD2v, and GD2w are a gate drive circuit and a gate driver control circuit as shown in FIG. To do.

センス回路は、各スイッチ素子に流れる過電流、スイッチ素子に印加される過電圧、あるいはスイッチ素子の過熱などを検出した際にセンス信号SEを出力する。センス回路から出力されるセンス信号SEは、ゲートドライバ制御回路の論理部LGに入力される。論理部LGは、センス信号SEが入力された際に、すべてのスイッチ素子の動作を停止させる制御を行う。   The sense circuit outputs a sense signal SE when it detects an overcurrent flowing through each switch element, an overvoltage applied to the switch element, or an overheat of the switch element. The sense signal SE output from the sense circuit is input to the logic unit LG of the gate driver control circuit. The logic unit LG performs control to stop the operation of all the switch elements when the sense signal SE is input.

上アーム側スイッチ素子の一端(ドレインノード)と下アーム側スイッチ素子の一端(ソースノード)との間には、電源電圧VCCとコンデンサC0が接続される。各ゲート駆動回路は、対応するスイッチ素子のオン、オフを適宜駆動し、これによって、直流電圧の電源電圧VCCからそれぞれ位相が異なる三相(U相、V相、W相)の交流信号を生成する。負荷回路LDは、例えばモータなどからなり、この三相(U相、V相、W相)の交流信号によって適宜制御される。   A power supply voltage VCC and a capacitor C0 are connected between one end (drain node) of the upper arm side switch element and one end (source node) of the lower arm side switch element. Each gate drive circuit appropriately drives on / off of the corresponding switch element, thereby generating three-phase (U-phase, V-phase, W-phase) AC signals having different phases from the DC power supply voltage VCC. To do. The load circuit LD is composed of, for example, a motor, and is appropriately controlled by these three-phase (U-phase, V-phase, W-phase) AC signals.

ここで、U相、V相、W相のそれぞれのハードスイッチング動作時の詳細動作は、図4などと同様である。三相インバータ装置では、下アーム側のスイッチ素子(例えばスイッチ素子SW2u)がオフの状態で上アーム側のスイッチ素子(例えばスイッチ素子SW1u)がオン状態に遷移する。   Here, the detailed operation during the hard switching operation of each of the U phase, the V phase, and the W phase is the same as in FIG. In the three-phase inverter device, the switch element on the lower arm side (for example, switch element SW2u) is turned off, and the switch element on the upper arm side (for example, switch element SW1u) is turned on.

この時、下アーム側のドレイン電位(VD)が電源電圧VCCのレベル近くまで上昇する。下アーム側スイッチ素子(例えばスイッチ素子SW2u)のドレイン電位が急激に上昇すると、図4などで説明したように下アーム側スイッチ素子(例えばスイッチ素子SW2u)のゲート電位が過渡的に上昇する。   At this time, the drain potential (VD) on the lower arm side rises to near the level of the power supply voltage VCC. When the drain potential of the lower arm side switch element (for example, the switch element SW2u) rapidly increases, the gate potential of the lower arm side switch element (for example, the switch element SW2u) transiently increases as described with reference to FIG.

しかしながら、本実施の形態によるゲート駆動回路は、−15V程度の電源電圧VEE1を一時的に下アーム側スイッチ素子(例えばスイッチ素子SW2u)のゲートに印加するため、当該スイッチ素子における誤点弧を防止することができる。また、誤点弧の動作を防止した後は、各スイッチ素子のゲート電位は、−5V程度の電源電圧VEE2のレベルに遷移させる。   However, since the gate drive circuit according to the present embodiment temporarily applies the power supply voltage VEE1 of about −15 V to the gate of the lower arm side switch element (for example, the switch element SW2u), it prevents erroneous firing in the switch element. can do. Further, after preventing the false firing operation, the gate potential of each switch element is changed to the level of the power supply voltage VEE2 of about −5V.

これにより、三相インバータ装置を長時間通電動作させたとしても、各スイッチ素子のしきい値電圧のシフト量を十分に抑制することができ、信頼性が高く安定した電力変換動作を実現することが可能となる。   As a result, even if the three-phase inverter device is energized for a long time, the shift amount of the threshold voltage of each switch element can be sufficiently suppressed, and a highly reliable and stable power conversion operation can be realized. Is possible.

特に、このような三相インバータ装置では、大電力で動作する場合が多く、誤点弧が生じ易くなり、また、誤点弧が生じた場合の損害も大きくなり得る。そこで、本実施の形態の方式を用いることによって、SiCMOSによって大電力動作時にも低損失を実現でき、かつ、誤点弧の防止も図れるため、有益な効果が得られる。   In particular, such a three-phase inverter device often operates with a large amount of electric power, and is liable to cause false firing, and damage caused by erroneous firing can be large. Therefore, by using the system of the present embodiment, it is possible to realize a low loss even when operating at a high power by SiCMOS, and to prevent erroneous firing, so that a beneficial effect is obtained.

〈ショットキバリアダイオードの構成例〉
図9は、図8の還流ダイオードとして用いられるショットキバリアダイオードの構成例を示す説明図である。図9(a)は、ショットキバリアダイオードが形成された半導体チップCHの要部平面図であり、図9(b)は、図9(a)のA−A´線に沿った要部断面図である。図9(a)および図9(b)には、ターミネーション領域がJTE(Junction Termination Extension)構造であるショットキバリアダイオードを示す。
<Configuration example of Schottky barrier diode>
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a configuration example of a Schottky barrier diode used as the free wheeling diode of FIG. FIG. 9A is a plan view of the main part of the semiconductor chip CH on which the Schottky barrier diode is formed, and FIG. 9B is a cross-sectional view of the main part along the line AA ′ of FIG. 9A. It is. 9A and 9B show a Schottky barrier diode in which the termination region has a JTE (Junction Termination Extension) structure.

n+型の基板SUBdの主面(図9(b)の上面)上には、n−型のドリフト層DFTdが形成されている。ドリフト層DFTdの上面には、平面視において半導体チップの中央部に形成されたアクティブ領域ACTdを囲むように、p+型のガードリング領域PGR、p型のJTE領域PJ、およびn+型のチャネルストップ領域CSdが形成されている。さらに、ドリフト層DFTd上には、絶縁膜IL3が形成されている。   On the main surface (the upper surface in FIG. 9B) of the n + type substrate SUBd, an n− type drift layer DFTd is formed. On the upper surface of the drift layer DFTd, a p + type guard ring region PGR, a p type JTE region PJ, and an n + type channel stop region so as to surround the active region ACTd formed in the center of the semiconductor chip in plan view. CSd is formed. Further, an insulating film IL3 is formed on the drift layer DFTd.

また、絶縁膜IL3に形成された開口部を介して、ガードリング領域PGRなどに接続する表面電極IL1およびチャネルストップ領域CSdに接続するチャネルストップ電極IL2が形成されている。基板SUBdの主面と反対側の裏面(図9(b)の下面)には、基板SUBdに接続する裏面電極CAが形成されている。図示は省略するが、表面電極IL1およびチャネルストップ電極IL2より上には、パッシべーション膜および樹脂膜などが形成されている。   A surface electrode IL1 connected to the guard ring region PGR and the like and a channel stop electrode IL2 connected to the channel stop region CSd are formed through the opening formed in the insulating film IL3. A back surface electrode CA connected to the substrate SUBd is formed on the back surface (the lower surface in FIG. 9B) opposite to the main surface of the substrate SUBd. Although illustration is omitted, a passivation film, a resin film, and the like are formed above the surface electrode IL1 and the channel stop electrode IL2.

半導体チップCHの中央部に位置するアクティブ領域ACTdには、例えばp+型領域とn−型領域とが交互に配置された、いわゆるJBS(Junction Barrier Schottky)構造のショットキバリアダイオードが形成されている。   A so-called JBS (Junction Barrier Schottky) Schottky barrier diode in which, for example, p + type regions and n− type regions are alternately arranged is formed in the active region ACTd located at the center of the semiconductor chip CH.

半導体チップの周縁部の近くに配置されたガードリング領域PGRでは、そのエッジ部分に電界が集中しやすいが、これに隣接してJTE領域PJが形成されていることにより、エッジ部分における電界集中を緩和することができる。   In the guard ring region PGR arranged near the peripheral edge of the semiconductor chip, the electric field tends to concentrate on the edge portion. However, the JTE region PJ is formed adjacent to the edge portion to thereby concentrate the electric field in the edge portion. Can be relaxed.

これにより、パワーデバイスの高耐圧化が可能となる。すなわち、図8のスイッチ素子などと組み合わせて利用することで、より信頼性の高い電力変換システムを実現することができる。   As a result, the breakdown voltage of the power device can be increased. That is, a more reliable power conversion system can be realized by using in combination with the switch element of FIG.

〈スイッチ素子の構成例〉
図10は、図8の電力変換装置PTに用いられるスイッチ素子の概略構成例の断面を示す説明図である。図10(a)は、アクティブ素子領域内の各要素トランジスタの構成例を示す断面を示す説明図であり、図10(b)は、図10(a)とは別の構成例の断面を示す説明図である。
<Configuration example of switch element>
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a cross section of a schematic configuration example of a switch element used in the power conversion device PT of FIG. FIG. 10A is an explanatory diagram showing a cross section showing a configuration example of each element transistor in the active element region, and FIG. 10B shows a cross section of a configuration example different from FIG. 10A. It is explanatory drawing.

まず、図10(b)では、トレンチ構造を有する1個の縦型SiCMOSが示されている。ソース電極SPmに接続されたn+型の領域となるソース層N+は、p型の領域となるベース層P内に形成されるチャネルを介してドリフト層DFTに接続される。DFTは、例えばn−型の領域であり、耐圧を確保する役目を担う。基板SUBは、例えばn+型の領域であり、該基板SUBにドレイン電極DRmが接続される。   First, FIG. 10B shows one vertical SiCMOS having a trench structure. The source layer N + serving as an n + type region connected to the source electrode SPm is connected to the drift layer DFT via a channel formed in the base layer P serving as a p type region. The DFT is, for example, an n− type region and plays a role of ensuring a breakdown voltage. The substrate SUB is, for example, an n + type region, and the drain electrode DRm is connected to the substrate SUB.

このようなトレンチ構造の場合、ベース層Pで挟まれたn型半導体領域であるいわゆるJFET領域が存在しないため、SiCMOS全体のオン抵抗が下げられるという利点がある。   In the case of such a trench structure, since there is no so-called JFET region which is an n-type semiconductor region sandwiched between base layers P, there is an advantage that the on-resistance of the entire SiCMOS can be lowered.

言い換えれば、本実施の形態による半導体駆動回路(ゲート駆動回路およびゲートドライバ制御回路)と組み合わせて利用することで、より損失の少ない電力変換システムを実現することができる。   In other words, by using in combination with the semiconductor driving circuit (gate driving circuit and gate driver control circuit) according to the present embodiment, a power conversion system with less loss can be realized.

一方、図10(a)では、トレンチ構造を有さない、いわゆるDMOS(Double Diffusion Metal Oxide Semiconductor)タイプのSiCMOSが示されている。この場合、素子構造が簡素でありトレンチ構造タイプのSiCMOSに比べて製造コストが低くできるという利点がある。   On the other hand, FIG. 10A shows a so-called DMOS (Double Diffusion Metal Oxide Semiconductor) type SiCMOS that does not have a trench structure. In this case, there is an advantage that the element structure is simple and the manufacturing cost can be reduced as compared with the trench structure type SiCMOS.

以上により、電力損失が小さく、信頼性の高い電力変換装置PTを提供することができる。   As described above, it is possible to provide the power conversion device PT with low power loss and high reliability.

(実施の形態5)
〈三相モータシステムの構成例〉
本実施の形態5では、前記実施の形態4の図8に示す電力変換装置PTを、鉄道車両などに搭載されるモータなどを駆動する三相モータシステムに適用した例について説明する。
(Embodiment 5)
<Configuration example of three-phase motor system>
In the fifth embodiment, an example in which the power conversion device PT shown in FIG. 8 of the fourth embodiment is applied to a three-phase motor system that drives a motor or the like mounted on a railway vehicle or the like will be described.

図11は、本実施の形態5による三相モータシステムMSにおける構成の一例を示す説明図である。   FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of a configuration in the three-phase motor system MS according to the fifth embodiment.

鉄道車両には、架線RTからパンダグラフPGを介して電力が供給される。架線RTの高圧交流電圧は、例えば25kV程度または15kV程度である。この高圧交流電圧は、絶縁型の主変圧器MTRによって、例えば1.5kV〜3.0kV程度の交流電圧に降圧される。   Electric power is supplied to the railway vehicle from the overhead line RT via the panda graph PG. The high-voltage AC voltage of the overhead line RT is, for example, about 25 kV or 15 kV. This high-voltage AC voltage is stepped down to an AC voltage of, for example, about 1.5 kV to 3.0 kV by the insulating main transformer MTR.

1.5kV程度に降圧された交流電圧は、AC/DCコンバータCONによって、1.5kV程度の直流電圧に順変換される。   The AC voltage stepped down to about 1.5 kV is forward converted to a DC voltage of about 1.5 kV by the AC / DC converter CON.

その後、この直流電圧は、キャパシタCLを介してDC/ACインバータINVによって交流電圧に変換され、三相モータM3に所望の三相交流電圧が出力されて、該三相モータM3が駆動する。   Thereafter, the DC voltage is converted into an AC voltage by the DC / AC inverter INV via the capacitor CL, and a desired three-phase AC voltage is output to the three-phase motor M3, thereby driving the three-phase motor M3.

DC/ACインバータINVにおける構成は、図8と同じである。また、図2のゲート駆動回路については、例えばAC/DCコンバータCONに用いられるゲート駆動回路に用いることもできる。なお、図11中、符号WHLは車輪を示す。   The configuration of the DC / AC inverter INV is the same as that in FIG. Further, the gate drive circuit of FIG. 2 can also be used for a gate drive circuit used in, for example, the AC / DC converter CON. In FIG. 11, reference sign WHL indicates a wheel.

このように、鉄道車両の三相モータシステムを構成するDC/ACインバータINVに、前述の図8に示した電力変換装置PTを適用することができる。これにより、コンバータ回路部およびインバータ回路部の低損失化を実現することができるので、放熱フィンなどの削減が可能となる。その結果、三相モータシステムMSの体積を小さくすることができる。   In this way, the above-described power conversion device PT shown in FIG. 8 can be applied to the DC / AC inverter INV constituting the three-phase motor system of the railway vehicle. As a result, the loss of the converter circuit portion and the inverter circuit portion can be reduced, and the number of heat radiation fins can be reduced. As a result, the volume of the three-phase motor system MS can be reduced.

三相モータシステムMSの体積が小さくなると、例えば該三相モータシステムMSを含む床下部品の小型化による鉄道車両の低床化を図ることができる。また、例えば床下部品の小型化によって、鉄道車両の一部に、例えばリチウムイオン電池などからなる図11に示すようなバッテリBATを新たに設置できるスペースを確保することができる。   When the volume of the three-phase motor system MS is reduced, for example, the floor of the railway vehicle can be reduced by downsizing the underfloor parts including the three-phase motor system MS. Further, for example, by downsizing the underfloor parts, it is possible to secure a space where a battery BAT such as a lithium ion battery as shown in FIG.

車両が走行していない場合には、車輪WHLを経由して電力を架線RTに戻さずに、バッテリBATに電力を蓄積することができる。その結果、鉄道車両の回生効率を向上させることができる。言い換えれば、鉄道システムのライフサイクルコストを低減することができる。   When the vehicle is not traveling, the electric power can be stored in the battery BAT without returning the electric power to the overhead line RT via the wheels WHL. As a result, the regeneration efficiency of the railway vehicle can be improved. In other words, the life cycle cost of the railway system can be reduced.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

すなわち、誤点孤の防止や、長期通電運転の際のしきい値電圧のシフト量の低減や、電力損失の低減といった目的が達成できれば、さまざまな変更が可能であることは言うまでもない。   That is, it goes without saying that various changes are possible as long as the objectives such as prevention of false spots, reduction of the threshold voltage shift amount during long-term energization operation, and reduction of power loss can be achieved.

また、各スイッチ素子は、シリコンカーバイド(SiC)に限らず、シリコン(Si)、あるいはガリウムナイトライド(GaN)などの化合物デバイスを用いてもよい。化合物材料をインバータ装置などのスイッチ素子として用いた場合、実施の形態の半導体駆動回路と組み合わせて利用することでインバータ装置の損失を低減できることは言うまでもない。   Each switch element is not limited to silicon carbide (SiC) but may be a compound device such as silicon (Si) or gallium nitride (GaN). Needless to say, when the compound material is used as a switching element of an inverter device or the like, the loss of the inverter device can be reduced by using it in combination with the semiconductor drive circuit of the embodiment.

また、本実施の形態の電力変換装置は、様々な用途の電力システムに適用して同様の効果が得られることは言うまでもない。代表的には、エアコンのインバータ装置、サーバ電源のDC/DCコンバータ、太陽光発電システムのパワーコンディショナー、ハイブリッド車・電気自動車のインバータ装置などが挙げられる。   Needless to say, the power conversion device of the present embodiment can be applied to power systems for various purposes to obtain similar effects. Typical examples include an inverter device for an air conditioner, a DC / DC converter for a server power supply, a power conditioner for a solar power generation system, and an inverter device for a hybrid vehicle / electric vehicle.

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。   In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, Various modifications are included. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described.

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。   Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. . In addition, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.

PT 電力変換装置
GDCTL1 ゲートドライバ制御回路
GDCTL2 ゲートドライバ制御回路
SW1 スイッチ素子
SW2 スイッチ素子
DI1 還流ダイオード
DI2 還流ダイオード
GD1 ゲート駆動回路
GD2 ゲート駆動回路
T1〜T4 トランジスタ
D1〜D4 内蔵ダイオード
VSPY 電源生成出力部
LG 論理部
DC1,DC2 DC/DCコンバータ
SEL1 信号セレクタ
SEL2 信号セレクタ
SEL3 信号セレクタ
R 抵抗
RSL1,RSL2 抵抗セレクタ
RSL2
T5,T6 トランジスタ
R1〜R4 抵抗
SW1u スイッチ素子
SW1v スイッチ素子
SW1w スイッチ素子
SW2u スイッチ素子
SW2v スイッチ素子
SW2w スイッチ素子
D1u 還流ダイオード
D1v 還流ダイオード
D1w 還流ダイオード
GD1u ゲート駆動回路
GD1v ゲート駆動回路
GD1w ゲート駆動回路
GD2u ゲート駆動回路
GD2v ゲート駆動回路
GD2w ゲート駆動回路
C0 コンデンサ
LD 負荷回路
CH 半導体チップ
SUBd 基板
DFTd ドリフト層
ACTd アクティブ領域
PGR ガードリング領域
PJ JTE領域
CSd チャネルストップ領域
IL1 表面電極
IL2 チャネルストップ電極
IL3 絶縁膜
CA 裏面電極
SPm ソース電極
N ソース層
P ベース層
DFT ドリフト層
SUB 基板
DRm ドレイン電極
MS 三相モータシステム
RT 架線
PG パンダグラフ
MTR 主変圧器
CON AC/DCコンバータ
INV DC/ACインバータ
CL キャパシタ
M3 三相モータ
WHL 車輪
BAT バッテリ
PT power converter GDCTL1 gate driver control circuit GDCTL2 gate driver control circuit SW1 switch element SW2 switch element DI1 freewheel diode DI2 freewheel diode GD1 gate drive circuit GD2 gate drive circuits T1 to T4 transistors D1 to D4 built-in diode VSPY power supply generation output section LG logic Part DC1, DC2 DC / DC converter SEL1 Signal selector SEL2 Signal selector SEL3 Signal selector R Resistor RSL1, RSL2 Resistor selector RSL2
T5, T6 Transistors R1 to R4 Resistor SW1u Switch element SW1v Switch element SW1w Switch element SW2u Switch element SW2v Switch element SW2w Switch element D1u Freewheel diode D1v Freewheel diode D1w Freewheel diode GD1u Gate drive circuit GD1v Gate drive circuit GD1w Gate drive circuit GD2u Gate drive Circuit GD2v Gate drive circuit GD2w Gate drive circuit C0 Capacitor LD Load circuit CH Semiconductor chip SUBd Substrate DFTd Drift layer ACTd Active region PGR Guard ring region PJ JTE region CSd Channel stop region IL1 Surface electrode IL2 Channel stop electrode IL3 Insulating film CA Back electrode SPm Source electrode N Source layer P Base layer DFT Drift layer SUB Substrate DRm Drain Electrode MS three phase motor system RT overhead wire PG pantograph MTR main transformer CON AC / DC converter INV DC / AC inverter CL capacitor M3 three-phase motor WHL wheels BAT battery

Claims (15)

スイッチング回路のオン、オフを制御する駆動回路であって、
ソースが第1の電圧に接続され、ドレインが前記スイッチング回路のオン、オフを制御する駆動信号を出力する信号出力ノードに接続される第1のスイッチ素子と、
ソースが第2の電圧に接続され、ドレインが前記信号出力ノードに接続される第2のスイッチ素子と、
ドレインが前記信号出力ノードに接続される第3のスイッチ素子と、
ドレインが前記第3のスイッチ素子のソースに接続され、ソースが第3の電圧が接続される第4のスイッチ素子と、
を有する、駆動回路。
A drive circuit for controlling on / off of a switching circuit,
A first switch element having a source connected to a first voltage and a drain connected to a signal output node that outputs a drive signal for controlling on / off of the switching circuit;
A second switch element having a source connected to a second voltage and a drain connected to the signal output node;
A third switch element having a drain connected to the signal output node;
A fourth switch element having a drain connected to a source of the third switch element and a source connected to a third voltage;
A driving circuit.
請求項1記載の駆動回路において、
前記第2のスイッチ素子および前記第4のスイッチ素子は、P型MOSトランジスタからなり、前記第1のスイッチ素子および前記第3のスイッチ素子は、N型MOSトランジスタからなる、駆動回路。
The drive circuit according to claim 1,
The second switch element and the fourth switch element are P-type MOS transistors, and the first switch element and the third switch element are N-type MOS transistors.
請求項2記載の駆動回路において、
前記第1〜前記第4のスイッチ素子は、内蔵ダイオードを備えたパワーMOSFETである、駆動回路。
The drive circuit according to claim 2, wherein
The drive circuit, wherein the first to fourth switch elements are power MOSFETs having a built-in diode.
請求項1記載の駆動回路において、
前記駆動回路は、前記スイッチング回路がオフの際に、前記第3の電圧を前記信号出力ノードに出力し、前記スイッチング回路をオフからオンに遷移させる際に前記第2の電圧を前記信号出力ノードに出力し、前記スイッチング回路をオンからオフに遷移させる際に、前記第1の電圧を前記信号出力ノードに出力した後に前記第3の電圧を前記信号出力ノードに出力する、駆動回路。
The drive circuit according to claim 1,
The drive circuit outputs the third voltage to the signal output node when the switching circuit is off, and applies the second voltage to the signal output node when the switching circuit transitions from off to on. And outputting the third voltage to the signal output node after outputting the first voltage to the signal output node when transitioning the switching circuit from on to off.
請求項1記載の駆動回路において、
前記第1のスイッチ素子が出力する前記第1の電圧および前記第3のスイッチ素子が出力する前記第3の電圧は、負電位であり、
前記第3の電圧は、前記第1の電圧よりも高電位である、駆動回路。
The drive circuit according to claim 1,
The first voltage output from the first switch element and the third voltage output from the third switch element are negative potentials,
The drive circuit, wherein the third voltage is higher in potential than the first voltage.
請求項1記載の駆動回路において、
さらに、一方の接続部が、前記第3のスイッチ素子のソースおよび前記第4のスイッチ素子のドレインの接続ノードに接続され、他方の接続部が、前記第3の電圧に接続される抵抗を有する、駆動回路。
The drive circuit according to claim 1,
Further, one connection portion has a resistance connected to the connection node of the source of the third switch element and the drain of the fourth switch element, and the other connection portion connected to the third voltage. Drive circuit.
負荷に供給する電源電圧が出力される電圧出力ノードと基準電位との間に接続される第1のトランジスタスイッチと、
電源電圧と電圧出力ノードとの間に接続される第2のトランジスタスイッチと、
前記第1のトランジスタスイッチのオン、オフを制御する第1の駆動回路と、
を備え、
前記第1の駆動回路は、
ソースが第1の電圧に接続され、ドレインが前記第1または前記第2のトランジスタスイッチのオン、オフを制御する駆動信号を出力する信号出力ノードに接続される第1のスイッチ素子と、
ソースが第2の電圧に接続され、ドレインが前記信号出力ノードに接続される第2のスイッチ素子と、
ドレインが前記信号出力ノードに接続される第3のスイッチ素子と、
ドレインが前記第3のスイッチ素子のソースに接続され、ソースが第3の電圧が接続される第4のスイッチ素子と、
を有する、電力変換装置。
A first transistor switch connected between a voltage output node from which a power supply voltage supplied to a load is output and a reference potential;
A second transistor switch connected between the power supply voltage and the voltage output node;
A first drive circuit for controlling on and off of the first transistor switch;
With
The first driving circuit includes:
A first switch element having a source connected to a first voltage and a drain connected to a signal output node that outputs a drive signal for controlling on / off of the first or second transistor switch;
A second switch element having a source connected to a second voltage and a drain connected to the signal output node;
A third switch element having a drain connected to the signal output node;
A fourth switch element having a drain connected to a source of the third switch element and a source connected to a third voltage;
A power converter.
請求項7記載の電力変換装置において、
前記第1の駆動回路は、前記第1のトランジスタスイッチがオフの場合、前記第3の電圧を前記信号出力ノードに出力し、前記第1のトランジスタスイッチをオフからオンに遷移させる際に前記第2の電圧を前記信号出力ノードに出力し、前記第1のトランジスタスイッチをオンからオフに遷移させる際に、前記第1の電圧を前記信号出力ノードに出力した後に前記第3の電圧を前記信号出力ノードに出力する、電力変換装置。
The power conversion device according to claim 7, wherein
The first driving circuit outputs the third voltage to the signal output node when the first transistor switch is off, and the first driving circuit switches the first transistor switch from off to on. When the first voltage is output to the signal output node, the third voltage is output to the signal output node when the first transistor switch is switched from on to off. A power converter that outputs to an output node.
請求項7記載の電力変換装置において、
さらに、前記第2のトランジスタスイッチのオン、オフを制御する第2の駆動回路を有し、
前記第2の駆動回路は、前記第2のトランジスタスイッチがオフの場合、前記第3の電圧を前記信号出力ノードに出力し、前記第2のトランジスタスイッチをオフからオンに遷移させる際に前記第2の電圧を前記信号出力ノードに出力し、前記第2のトランジスタスイッチをオンからオフに遷移させる際に、前記第1の電圧を前記信号出力ノードに出力した後に前記第3の電圧を前記信号出力ノードに出力に出力する、電力変換装置。
The power conversion device according to claim 7, wherein
And a second drive circuit for controlling on and off of the second transistor switch,
The second driving circuit outputs the third voltage to the signal output node when the second transistor switch is off, and the second driving circuit changes the second transistor switch from off to on. The second voltage is output to the signal output node, and the third voltage is output to the signal output node after the first voltage is output to the signal output node when the second transistor switch is switched from on to off. A power conversion device that outputs to an output node.
請求項7記載の電力変換装置において、
前記第1および前記第2のトランジスタスイッチは、シリコンカーバイドまたはガリウムナイトライドを用いて構成される、電力変換装置。
The power conversion device according to claim 7, wherein
The first and second transistor switches are power converters configured using silicon carbide or gallium nitride.
請求項7記載の電力変換装置において、
前記第1および前記第2のトランジスタスイッチは、
MOSFETと、
前記MOSFETのソース−ドレイン間に接続される環流ダイオードと、
をそれぞれ有する、電力変換装置。
The power conversion device according to claim 7, wherein
The first and second transistor switches are:
MOSFET,
A free-wheeling diode connected between the source and drain of the MOSFET;
Each having a power conversion device.
請求項7記載の電力変換装置において、
さらに、前記第1の駆動回路は、
前記第2の電圧と前記第2のスイッチ素子のソースとの間に接続される第1の抵抗切り替え制御部と、
前記第1の電圧と前記第1のスイッチ素子のソースとの間に接続される第2の抵抗切り替え制御部と、
を有し、
前記第1の抵抗切り替え制御部は、制御信号に基づいて、第1の抵抗値または前記第1の抵抗値よりも高い第2の抵抗値のいずれかの抵抗値を選択し、
前記第2の抵抗切り替え制御部は、制御信号に基づいて、第3の抵抗値または前記第3の抵抗値よりも高い第4の抵抗値のいずれかの抵抗値を選択する、電力変換装置。
The power conversion device according to claim 7, wherein
Furthermore, the first drive circuit includes:
A first resistance switching control unit connected between the second voltage and a source of the second switch element;
A second resistance switching control unit connected between the first voltage and a source of the first switch element;
Have
The first resistance switching control unit selects either a first resistance value or a second resistance value higher than the first resistance value based on a control signal;
The second resistance switching control unit is a power conversion device that selects either a third resistance value or a fourth resistance value higher than the third resistance value based on a control signal.
請求項12記載の電力変換装置において、
前記第2の抵抗切り替え制御部は、前記第1のトランジスタスイッチを停止させるセンス信号が発生した際に、前記第4の抵抗値を選択する、電力変換装置。
The power conversion device according to claim 12, wherein
The second resistance switching control unit selects the fourth resistance value when a sense signal for stopping the first transistor switch is generated.
交流電圧を降圧する変成器と、
前記変成器に降圧された交流電圧を直流電圧に変換するAC/DCコンバータと、
前記AC/DCコンバータが変換した直流電圧を三相交流電圧に変換するDC/ACインバータと、
前記DC/ACインバータが変換した三相交流電圧に基づいて駆動する三相モータと、
を備え、
前記DC/ACインバータは、
複数のトランジスタスイッチを具備し、前記AC/DCコンバータが変換した直流電圧をスイッチング動作によって三相交流電圧に変換するトランジスタスイッチ部と、
前記トランジスタスイッチのオン、オフをそれぞれ制御する複数の駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、
ソースが第1の電圧に接続され、ドレインが前記トランジスタスイッチのオン、オフを制御する駆動信号を出力する信号出力ノードに接続される第1のスイッチ素子と、
ソースが第2の電圧に接続され、ドレインが前記信号出力ノードに接続される第2のスイッチ素子と、
ドレインが前記信号出力ノードに接続される第3のスイッチ素子と、
ドレインが前記第3のスイッチ素子のソースが接続され、ソースが第3の電圧が接続される第4のスイッチ素子と、
を有する、モータシステム。
A transformer that steps down the AC voltage;
An AC / DC converter that converts the AC voltage stepped down by the transformer into a DC voltage;
A DC / AC inverter that converts the DC voltage converted by the AC / DC converter into a three-phase AC voltage;
A three-phase motor driven based on a three-phase AC voltage converted by the DC / AC inverter;
With
The DC / AC inverter is
A transistor switch unit that includes a plurality of transistor switches, and converts a DC voltage converted by the AC / DC converter into a three-phase AC voltage by a switching operation;
A plurality of drive circuits for controlling on and off of the transistor switch, and
With
The drive circuit is
A first switch element having a source connected to a first voltage and a drain connected to a signal output node that outputs a drive signal for controlling on / off of the transistor switch;
A second switch element having a source connected to a second voltage and a drain connected to the signal output node;
A third switch element having a drain connected to the signal output node;
A fourth switch element having a drain connected to a source of the third switch element and a source connected to a third voltage;
Having a motor system.
請求項14記載のモータシステムにおいて、
前記三相モータは、鉄道車両に搭載されるモータである、モータシステム。
The motor system according to claim 14, wherein
The three-phase motor is a motor system that is a motor mounted on a railway vehicle.
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