KR100641862B1

KR100641862B1 - 반도체장치

Info

Publication number: KR100641862B1
Application number: KR1020040036760A
Authority: KR
Inventors: 이노우에타카히로
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2006-11-03
Also published as: KR20050011674A; CN100336303C; JP2005045590A; US7151401B2; US20050017788A1; CN1578141A

Abstract

IGBT1의 게이트 온시에 스위치 SWon1을 온으로 하여 게이트전류를 공급하고, 게이트 오프시에 스위치 SWoff1을 온으로 하여 게이트용량의 전하를 방전하는 반도체장치에 있어서, 상기 게이트전류를 증대시키기 위해 스위치 SWon2를 구비하고, 상기 스위치 SWon1의 온시에, 상기 스위치 SWon2를 제1 소정의 시간만 온으로 하는 타이머(114)를 구비한다. 그리고, 상기 방전시의 방전전류를 증대시키기 위해 스위치 SWoff2를 구비하고, 상기한 스위치 SWoff1의 온시에, 상기 스위치 SWoff2를 제2 소정의 시간만 온으로 하는 타이머(15)를 구비한다.

반도체, IGBT, 게이트, 방전전류, 충전, 타이머, 스위치, 노이즈

Description

반도체장치{SEMICONDUCTOR APPARATUS}

도 1은 실시예 1을 나타낸 반도체장치의 주요부를 나타낸 회로도.

도 2는 도 1의 회로의 동작을 나타낸 타임차트.

도 3은 실시예 2를 나타낸 반도체장치의 주요부를 나타낸 회로도.

도 4는 도 3의 회로의 동작을 나타낸 타임차트.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : IGBT 5 : 정전류소자

9 : 콤퍼레이터 11 : 기준전압원

12 : 인버터 13 : 앰프

14 : 타이머 15 : 타이머

22 : 타이머 24 : 콤퍼레이터

25 : 기준전압원 26 : 래치회로

27 : 래치회로 28 : 인버터

29 : AND 게이트 SW : 스위치

D : 프리휠 다이오드

본 발명은, MOS계 디바이스에 의한 반도체장치에 있어서, 외부로부터 신호를 수신하여 실제로 디바이스 자체가 동작하기까지의 시간을 제어함으로써, 응답성 향상에 의한 효율의 개선, EMI 노이즈의 감소 및 손실의 감소를 목적으로 한 것이다.

외부신호에 의해 구동되는 종단의 MOS계 디바이스에 있어서는, 오프의 외부신호를 수신하고 나서, 디바이스가 실제로 오프상태가 되기까지의 지연시간이 크다. 이것은, 디바이스의 게이트 주변의 용량에 기인하는 것이다. 종래, 게이트의 온, 오프에 관해서는 게이트에 직렬에 삽입한 저항을 조절하여, 게이트의 차지 및 방전을 적정하게 하고 있었다. 즉, 게이트전압의 상승 및 하강 시간을, 게이트용량 C와 게이트저항 R로 결정되는 CR 시정수에 근거하여 결정하고 있었다.

디바이스 자신의 전류가 흐르기 시작하면, 전류가 끊어지기 시작한 타이밍은, 디바이스 고유의 임계치전압에 의한 것이다. 특히 디바이스의 오프시의 스위칭은, 디바이스 고유의 속도에 관계한다. 따라서, 어떤 값의 게이트저항에만 따라서, 디바이스의 게이트 차지시간 및 방전시간을 규정하는 것은, 디바이스의 임계치전압에 의해 생기는 지연시간과는 별도의 지연시간이 새롭게 생기게 되고, 효율을 저하시켜 버린다.

또한, 고정의 게이트저항으로써 게이트의 차지 및 방전을 행하면, 턴온시의 스위칭속도가 저전류영역에서는 정격전류시에 비해 빠르게 된다. 그 때문에, 디바 이스에 병렬접속되어 있는 프리휠 다이오드(FWDi)의 턴온시의 dV/dt가 커져, EMI 노이즈 악화의 요인으로 되어 있다.

또한, EMI 노이즈의 감소를 위해 턴온시의 스위칭속도를 느리게 하면, 스위칭시의 손실이 커져, 이와 같이 노이즈발생과 스위칭시의 손실과는 트레이드오프의 관계가 있어, 종래는, 양쪽에서 납득할 수 있는 포인트를 정하고, 그것에 대응하여 게이트저항의 값을 선택하고 있었다.

그래서 저손실로 저노이즈의 구동을 가능하게 하기 위해, IGBT의 게이트를 구동하는 스위치에 온저항이 다른 복수의 MOSFET를 사용하고, 이것들의 스위치를 순차 조합하여 온저항을 과도적으로 변화시켜 구동능력을 바꾸도록 한 것이 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조).

또한, 저노이즈화를 위해, IGBT의 컬렉터 검출전류에서의 di/dt를 지령값과 콤퍼레이터로 비교하고, 그 비교결과에 근거하여, 스위치를 온오프시켜 게이트 저항값을 순간적으로 변화시키는 것이 있다(예를 들면 특허문헌 2).

[특허문헌 1]

일본특허공개 2001-223571호 「전압구동형 반도체소자의 게이트 구동장치」

[특허문헌 2]

일본특허공개평 10-150764호 「전력변환기에서의 게이트 구동회로」

특허문헌 1의 것은, 게이트전압을 제어하는 타입인 것으로, 또한, 다수의 스 위치가 필요하고, 그것들의 스위치를 IGBT의 특성에 따라 순차 스위치 온시키기 위한 복잡한 제어를 필요로 하였다.

특허문헌 2에서, 콤퍼레이터의 비교기준값 부근의 컬렉터전류가 흐르고 있는 온동작 중에 게이트 저항값을 급변시키면, IGBT의 동작이 불안정해져, 출력전류가 발진하는 경우도 있다.

본 발명은, 응답성 향상에 의한 효율의 향상, EMI 노이즈의 감소 및 손실의 감소를 도모하면서, 비교적 간단한 회로에서 안정동작의 반도체장치를 제공하는 것이다.

반도체장치에 포함되는 IGBT와 같은 MOS계 디바이스는, 게이트 온을 위해, 게이트전류를 공급하는 제1 스위치와, 게이트 오프를 위해, 게이트용량의 전하를 방전하는 제2 스위치를 갖는다. 본 발명의 반도체장치에서는, 그 게이트 온시에 흐르게 하는 게이트전류를 증대시키기 위해 제3 스위치를 구비하고, 그리고, 상기 제1 스위치의 온시에, 상기 제3 스위치 온으로 하고, 이 스위치 온으로부터 제1 소정의 시간 후에 제3 스위치를 오프로 하는 제1 타이머수단을 구비한다. 또한, 게이트 오프시에 흐르는 방전전류를 증대시키기 위해 제4 스위치를 구비하고, 그리고, 상기 제2 스위치의 온시에, 상기 제4 스위치 온으로 하며, 이 스위치 온으로부터 제2 소정의 시간 후에 제4 스위치를 오프로 하는 제2 타이머수단을 구비한다.

본 발명에 의하면, 게이트 온하기 위해서, 제1 스위치를 온으로 하면과 동시 에, 제3 스위치를 소정의 시간 온으로서, 게이트전류를 제1 소정의 시간만큼 증대시키도록 했으므로, 게이트가 턴온하기까지의 시간을 짧게 할 수 있고, 또한, 게이트 오프하기 위해, 제2 스위치를 온으로 함과 동시에, 제4 스위치를 제2 소정의 시간 온로 하여, 게이트의 방전전류를 소정의 시간만큼 증대시키도록 했으므로, 게이트가 턴오프하기까지의 시간을 단축할 수 있다. 이 구성에 의해, 디바이스의 손실을 감소할 수 있고, 지연시간도 단축할 수 있다.

[발명을 실시예]

(실시예 1)

도 1은, 본 발명의 실시예 1에서의 반도체장치에서의 종단의 MOS계 파워소자와 그 구동계를 나타낸 회로를 나타낸다. 프리휠 다이오드 D가 부가된 파워소자(예를 들면 IGBT)(1)의 게이트를 턴온하기 위해, 전원 VDD와 게이트의 사이에 트랜지스터에 의한 스위치 SWon1, SWon2(상기 제1 및 제3 스위치에 대응)가 직렬로서 삽입된다. 스위치 SWon2에 대해서는 정전류소자 4가 병렬로 접속된다.

그리고, 게이트를 턴오프하기 위해, 게이트와 에미터와의 사이에, 정전류소자(5)를 통해, 트랜지스터로 이루어지는 스위치 SWoff1(상기 제2 스위치에 대응)이 접속되고, 또한 정전류소자 7을 통해 스위치 SWoff2(상기 제 4 스위치에 대응)가 접속되어 있다.

콤퍼레이터(9)의 「+」입력부에는, 입력신호 VIN이 입력됨과 동시에 풀업저항(10)이 접속되어 있다. 그리고 「-」입력부에는, 기준전압원(11)이 접속되어 있 다. 그 콤퍼레이터(9)의 출력신호는, 인버터(12)를 통해 앰프(13)의 입력부에 공급된다. 그 앰프(13)의 비반전출력은, 턴온신호로서, 상기 스위치 SWon1에 공급됨과 동시에 타이머 14에 입력된다. 이 타이머 14(상기 제1 타이머수단에 대응)는, 그 턴온신호의 입력이 있으면, 상기 스위치 SWon2를 온으로 하고, 그 스위치 온으로부터 100ns 후에 그 스위치 SWon2를 오프로 한다.

또한, 상기 앰프(13)의 반전출력은, 턴오프신호로서, 상기 스위치 SWoff1에 공급됨과 동시에 타이머 15에 입력된다. 이 타이머 15(상기 제2 타이머수단에 대응)는, 그 턴오프신호의 입력이 있으면, 상기 스위치 SWoff2를 온으로 하고, 그 스위치 온으로부터 200ns 후에 그 스위치 SWoff2를 오프로 한다.

전술한 회로의 동작을 도 2의 타임차트를 참조하여 설명한다. 외부에서의 입력신호 VIN이, 하이레벨의 오프신호(IGBT1을 턴오프하는 신호)로부터 로우레벨의 온신호(IGBT1을 턴온하는 신호)로 전환하는 과정에서, 입력 온 임계치(여기서는 1.5V)에 도달하면(시점 T1), 스위치 SWon1 및 타이머 14를 통해 스위치 SWon2가 온이 된다. 이 시점 T1에서는, 스위치 SWoff1은 온(후의 설명으로 알 수 있는 바와 같이 입력신호 VIN이 오프일 때는 온으로 되어 있음)으로부터 오프가 되고, 스위치 SWoff2는 오프인 그대로 있다.

따라서, 시점 T1에서 온이 된 스위치 SWon1,스위치 SWon2를 통하여, 게이트전류 Ig가 흐르고, 게이트 충전이 시작된다. 이때 양쪽 스위치 SWon1, SWon2의 온에 의해, 큰 게이트전류 Ig가 흐르기 때문에, 게이트전압이 게이트의 온 임계치에 도달하기까지의 시간은 짧고, 따라서, IGBT1은, 스위치 SWon1, SWon2의 온(시점 T1)으로부터 단시간에 턴온한다.

스위치 SWon1 및 SWon2의 온(시점 T1)으로부터 100ns 후에 스위치 SWon2만이 오프가 되기 때문에, 게이트전류 Ig는 거의 반정도로 감소하지만, IGBT1의 스위치 온을 유지하는 데에 충분한 값이다. 이 100ns의 시간은, 스위치 SWon1, SWon2의 온으로부터 IGBT1이 스위치 온하기까지의 지연시간보다도 긴 횟수의 시간으로서 설정한 것이다.

다음에, 상기 입력신호 VIN이, 로우레벨의 온신호로부터 하이레벨의 오프신호로 전환하는 과정에서, 입력오프 임계치(여기서는 2.0V)에 도달하면(시점 T2), 스위치 SWon1은 오프가 된다(스위치 SWon2는 오프인 상태). 한편, 시점 T2에서, 스위치 SWoff1 및 타이머 15를 통해 SWoff2가 온이 된다.

게이트는, 전원 Vcc로부터 절연됨과 동시에, 스위치 SWoff1, SWoff2를 통하여 에미터에 접속되기 때문에, 게이트방전(도 2에서는 부의 전류)이 시작된다. 이때 양쪽 스위치 SWoff1, SWoff2의 온에 의해, 큰 방전전류가 흐르기 때문에, 게이트전압이 게이트의 오프 임계치로 저하하기까지의 시간은 짧고, 따라서, IGBT1은, 스위치 SWoff1, SWoff2의 온(시점 T2)으로부터 단시간에 턴오프한다.

스위치 SWoff1 및 SWoff2의 온(시점 T2)으로부터 200ns 후에 스위치 SWoff2만이 오프가 되기 때문에, 게이트 방전전류는 거의 반정도로 감소하지만, IGBT1의 스위치 오프를 유지하는 것에 충분한 값이다. 이 200ns의 시간은, 스위치 SWoff1, SWoff2의 온으로부터 IGBT1이 스위치 오프하기까지의 지연시간보다도 긴 횟수의 시간으로서 설정한 것이다.

이와 같이 IGBT1에 대한 게이트 충전 및 게이트 방전전류를 변화시킴으로써, 외부입력신호로부터 디바이스의 동작완료까지의 시간을 단축하여 효율을 상승시킬 수 있다. 또한, 스위칭시간(지연시간)을 단축함으로써 손실을 감소할 수 있다.

한편, 도 1에서는, 스위치 SWon1과 SWon2를 직렬로서 설치하였지만, 양쪽 스위치를 병렬로 접속하고, 스위치 SWon2의 스위치 온에 의해 게이트전류 Ig가 증대하도록 해도 된다.

(실시예 2)

실시예 2에서는, 턴온시의 IGBT에 흐른 전류의 크기에 따라, 그 IGBT가 다음에 턴온하는 다음 사이클로 게이트의 충전전류를 바꿔 턴온시의 스위칭속도를 바꾸도록 한 것으로, 그 회로구성을 도 3에 나타낸다.

도 3의 회로에서, 도 1과 동일한 부품에 대해서는 동일한 참조번호를 붙이고 있다. 이 도 3에서는, 스위치 SWon1, SWon2, 정전류소자(4), 타이머(14)로 이루어지는 턴온용 회로와는 별도로, 제2 턴온용 회로로서, 스위치 SWon3, SWon4, 정전류소자(21), 타이머(22)가 별도 추가되어 있다. 그리고 이 제2 턴온회로를 제어하기 위해 이하의 회로가 부가되어 있다.

IGBT1은, 컬렉터전류 Ic의 검출용으로서 제2 에미터를 구비하고, 그 제2 에미터회로에 직렬로 삽입한 저항(23)의 발생전압은, 콤퍼레이터(24)의 「+」입력부에 입력된다. 이 콤퍼레이터(24)의 「-」입력부에는 기준전압원(25)이 접속되고, 이 콤퍼레이터(24)의 출력은, 래치회로(27)의 D 단자에 입력된다. 그리고, 상기 콤퍼레이터(9)의 출력은, 자릿수 올림 신호로서, 인버터 28을 통하여 래치회로(27)의 C 단자에 입력된다.

래치회로 27의 Q 단자로부터의 출력은, AND 게이트(29)의 한쪽의 입력부에 공급되고, 다른쪽의 입력부에는, 상기 앰프(13)의 비반전출력이 입력된다. 그리고, 그 AND 게이트(29)의 출력이, 상기 스위치 SWon3 및 타이머 22에 구동신호로서 공급된다.

전술한 회로의 동작을 도 4의 타임차트를 참조하여 설명한다. (N-1)번째 펄스의 입력신호 VIN이, 로우레벨의 온신호일 때에 턴온된 IGBT1에 흐르고 있는 컬렉터전류 Ic가 정격전류의 1/2을 초과하고 있는지 여부가 콤퍼레이터(24)에 의해 판정되어 있고 그 판정결과가 래치회로(27)에 공급되어 있다.

이 (N-1)번째 펄스의 입력신호 VIN에서, 로우레벨로부터 하이레벨의 오프신호(IGBT1을 턴오프하는 신호)로 전환하는 과정에서, 입력오프 임계치를 초과하면(시점 T3), 콤퍼레이터(9)로부터 하이레벨이 출력된다. 이에 따라, 래치회로(27)에 공급되어 있던 신호(판정결과)가 래치회로(27)에 의해 래치되어, 그 Q단자에서 출력된다.

다음에, 입력신호 VIN이, 하이레벨의 오프신호로부터 로우레벨의 온신호로 전환하는 과정에서, 입력 온 임계치를 하회하여, (n-1)번째 펄스로부터 n번째 펄스로 이행할 때(시점 T4), 스위치 SWon1, SWon2가 온이 되지만, 이때, 상기한 시점 T3에서 컬렉터전류 Ic가 정격전류의 50% 이상인 경우에는, 래치회로 27로부터 AND 게이트 29로 하이레벨이 공급됨으로써, 스위치 SWon3, SWon4도 온이 된다.

이와 같이 전체 스위치 SWon1∼SWon4가 온이 되었을 때는, 게이트전류 Ig는, 미리 설정한 값의 100%가 되고, 그 게이트전류 Ig에서 IGBT1이 스위치 온된다. 이때 점 T4로부터 100ns 후에 타이머 14, 22에 의해, 스위치 SWon2, SWon4가 오프가 되므로, 게이트전류 Ig는 50%의 출력으로 저하한다.

한편, 시점 T3에서 컬렉터전류 Ic가 정격의 50% 미만이었던 경우는, 시점 T4에서 AND 게이트(29)는 로우레벨을 출력한 상태로 되어 있기 때문에, 스위치 SWon1, SWon2만이 온이 되고, 게이트전류 Ig는 50%의 출력이 된다. 이 경우의 동작은 도 1의 경우와 같아진다.

이상 설명한 동작과 같이, IGBT1의 고전류동작(정격전류의 50% 이상)에서는, 게이트전류 Ig를 크게 하여 IGBT1의 스위칭속도를 빠르게 하고 있기 때문에, 종래와 같은 고정의 게이트저항을 사용하고 있는 것에 비해 스위칭시의 손실을 감소할 수 있다. 한편, IGBT1의 저전류동작(정격전류의 50% 미만)에서는, 게이트전류 Ig를 작게 하여 스위칭속도를 느리게 함으로써, 프리휠 다이오드 D의 턴오프시의 dV/dt도 작아져, EMI 노이즈의 감소에 효과가 있다.

또한, IGBT1의 고전류동작이 검출되었을 때, 게이트전류 Ig를 바로 크게 하는 것은 아니며, IGBT1이 다음에 턴온하는 다음 사이클로 행하도록 하고 있기 때문에, 특허문헌 2에서 기술한 바와 같이, IGBT1의 동작이 불안정하게 되어 출력전류가 발진한다고 했던 문제를 없게 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 게이트 온하기 위해서, 제1 스위치를 온으로 하면과 동시 에, 제3 스위치를 소정의 시간 온으로서, 게이트전류를 제1 소정의 시간만큼 증대시키도록 했으므로, 게이트가 턴온하기까지의 시간을 짧게 할 수 있고, 또한, 게이트 오프하기 위해, 제2 스위치를 온으로 함과 동시에, 제4 스위치를 제2 소정의 시간 온으로 하여, 게이트의 방전전류를 소정의 시간만큼 증대시키도록 했으므로, 게이트가 턴오프하기까지의 시간을 단축할 수 있다. 이 구성에 의해, 디바이스의 손실을 감소할 수 있고, 지연시간도 단축할 수 있다.

Claims

MOS계 디바이스의 게이트 온시에 게이트전류를 공급하는 제1 스위치와, 게이트 오프시에 게이트용량의 전하를 방전하는 제2 스위치를 갖는 반도체장치에 있어서,

상기 게이트전류를 증대시키기 위한 제3 스위치와,

상기 제1 스위치의 온시에, 상기 제3 스위치를 온으로 하고, 이 스위치 온으로부터 제1 소정의 시간 후에 제3 스위치를 오프로 하는 제1 타이머수단과,

상기 방전시의 방전전류를 증대시키기 위한 제4 스위치와,

상기 제2 스위치의 온시에, 상기 제4 스위치를 온으로 하고, 이 스위치 온으로부터 제2 소정의 시간 후에 제4 스위치를 오프로 하는 제2 타이머수단을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 스위치 및 제3 스위치로 이루어지는 게이트 온용 회로와는 별도로 제2 게이트 온회로를 구비함과 동시에, 상기 MOS계 디바이스의 컬렉터전류를 검출하는 수단을 구비하고, 상기 컬렉터전류가 소정값 미만인 경우는, 상기 게이트 온용 회로만을 액티브로 하고, 상기 컬렉터전류가 소정값 이상일 때는, 제2 게이트 온회로도 액티브로 하여 게이트전류를 증대시키는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
제 2 항에 있어서,

상기 MOS계 디바이스의 턴온시의 컬렉터 전류가 소정값 이상일 때, 상기 MOS계 디바이스가 다음에 턴온하는 다음 사이클에서, 제2 게이트 온회로를 액티브로 하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.