KR101329610B1 - 반도체장치 - Google Patents

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Abstract

간단한 회로 구성에 의해 오동작을 방지할 수 있는 반도체장치를 얻는다. 파워 소자 Q1과 파워 소자 Q2가 토템폴 접속되어 있다. 구동회로 1이 입력 신호 IN에 따라 파워 소자 Q2를 구동하고, 구동회로 2가 입력 신호 /IN에 따라 파워 소자 Q1을 구동한다. 구동회로 1은, 전원에 접속된 고압단자와, 저압단자를 갖는다. 저항 R1의 일단이 파워 소자 Q2의 에미터에 접속되고, 저항 R1의 타단이 구동회로 1의 저압단자에 접속되어 있다. 스위칭 소자 Q3이 구동회로 1의 고압단자와 저항 R1의 일단 사이에 접속되어 있다. 스위칭 소자 Q3은 입력 신호 IN에 따라 온·오프한다. 입력 신호 IN이 오프 신호인 경우에, 구동회로 1은 저압단자의 전압 VGND를 파워 소자 Q2의 게이트에 공급해서 파워 소자 Q2는 오프한다. 입력 신호 IN이 오프 신호인 경우에, 스위칭 소자 Q3은 온한다.

Description

반도체장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 간단한 회로 구성에 의해 오동작을 방지할 수 있는 반도체장치에 관한 것이다.
모터 등의 부하의 전력제어에는 브릿지회로나 3상 교류 인버터 회로 등의 반도체장치가 사용된다. 이들 반도체장치는, 전원전위와 접지전위 사이에 토템폴 접속된 2개의 파워 소자와, 그것들을 구동하는 구동회로를 갖는다. 2개의 파워 소자의 중점은 부하와 접속되고, 2개의 파워 소자의 온·오프의 제어에 의해 부하를 제어한다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
도 12는, 종래의 반도체장치를 나타내는 회로도다. 파워 소자 Q1의 턴온시에, 파워 소자 Q2의 콜렉터·에미터 사이에 dV/dt가 인가된다. 이 경우에 파워 소자 Q2의 게이트·콜렉터 사이의 기생 용량 Cres를 충전하는 전류가 흐르기 때문에, 파워 소자 Q2의 게이트 전압이 상승한다(게이트 플로트(gate float)). 이 게이트 플로트에 의해 파워 소자 Q2의 게이트 전압이 임계전압을 넘으면, 파워 소자 Q2가 잘못하여 온되어, 단락전류가 흘러 버린다.
따라서, 파워 소자 Q2가 오프시에, 부전압용 전원을 사용해서 파워 소자 Q2의 게이트에 부전압 V-을 인가한다. 이에 따라, 파워 소자 Q2의 게이트 전압이 에미터 전압(GND)보다 낮아지기 때문에, 게이트 플로트가 발생해도 파워 소자 Q2의 게이트 전압이 임계전압까지 상승하기 어려워진다.
일본국 특개 2010-178579호 공보
종래의 반도체장치는, 복수의 전원이 필요해서, 회로 구성이 복잡해진다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 전술한 것과 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그것의 목적은 간단한 회로 구성에 의해 오동작을 방지할 수 있는 반도체장치를 얻는 것이다.
본 발명에 관한 반도체장치는, 제어 단자와, 제1단자와, 제2단자를 갖는 제1 파워 소자와, 상기 제1 파워 소자에 토템폴 접속된 제2 파워 소자와, 전원에 접속된 고압단자와, 저압단자를 갖고, 제1 입력 신호에 따라 상기 제1 파워 소자를 구동하는 제1 구동회로와, 제2 입력 신호에 따라 상기 제2 파워 소자를 구동하는 제2 구동회로와, 일단이 상기 제1 파워 소자의 상기 제2단자에 접속되고, 타단이 상기 제1 구동회로의 상기 저압단자에 접속된 저항과, 상기 제1 구동회로의 상기 고압단자와 상기 저항의 상기 일단 사이에 접속되고, 상기 제1 입력 신호 또는 상기 제2 입력 신호에 따라 온·오프하는 스위칭 소자를 구비하고, 상기 제1 입력 신호가 오프 신호인 경우에, 상기 제1 구동회로는 상기 저압단자의 전압을 상기 제1 파워 소자의 상기 제어 단자에 공급해서 상기 제1 파워 소자는 오프하고, 상기 제1 입력 신호가 오프 신호 또는 상기 제2 입력 신호가 온 신호인 경우에, 상기 스위칭 소자는 온하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해, 간단한 회로 구성에 의해 오동작을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다.
도 2는 도 1의 반도체장치의 동작을 나타낸 타이밍차트이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 2에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다.
도 4는 도 3의 반도체장치의 동작을 나타낸 타이밍차트이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 3에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다.
도 6은 도 5의 반도체장치의 동작을 나타낸 타이밍차트이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 4에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 5에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 6에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 7에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 8에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다.
도 12는 종래의 반도체장치를 나타낸 회로도이다.
본 발명의 실시형태에 관한 반도체장치에 대해 도면을 참조해서 설명한다. 동일 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 부호를 붙이고, 설명의 반복을 생략하는 경우가 있다.
실시형태 1.
도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다. 전원전위와 접지전위 사이에 파워 소자 Q1과 파워 소자 Q2가 토템폴 접속되어 있다. 구동회로 1이 입력 신호 IN에 따라 파워 소자 Q2를 구동하고, 구동회로 2가 입력 신호 /IN에 따라 파워 소자 Q1을 구동한다.
구동회로 1은, 전원에 접속된 고압단자와, 접지된 저압단자를 갖는다. 인버터 INV가 입력 신호 IN을 반전해서 출력하고, 그 출력 신호를 구동회로 1이 반전 증폭해서 파워 소자 Q2의 게이트에 공급한다.
저항 R1의 일단이 파워 소자 Q2의 에미터에 접속되고, 저항 R1의 타단이 구동회로 1의 저압단자에 접속되어 있다. 스위칭 소자 Q3이 구동회로 1의 고압단자와 저항 R1의 일단 사이에 접속되어 있다. 이 스위칭 소자 Q3의 게이트에는 인버터 INV의 출력 신호가 공급되어, 스위칭 소자 Q3은 입력 신호 IN에 따라 온·오프한다.
도 2는, 도 1의 반도체장치의 동작을 나타낸 타이밍차트이다. 이 타이밍차트를 참조해서 도 1의 반도체장치의 동작을 설명한다. 입력 신호 /IN은 입력 신호 IN을 반전한 것이지만, 양자 사이에는 데드타임이 존재한다.
입력 신호 IN이 오프 신호인 경우에, 구동회로 1은 저압단자의 전압 VGND를 파워 소자 Q2의 게이트에 공급해서 파워 소자 Q2는 오프한다. 이 경우에 입력 신호 /IN은 온 신호로 되기 때문에, 구동회로 2는 고전압을 파워 소자 Q1의 게이트에 공급해서 파워 소자 Q1은 온한다.
한편, 입력 신호 IN이 온 신호인 경우에, 구동회로 1은 고압단자의 전압을 파워 소자 Q2의 게이트에 공급해서 파워 소자 Q2는 온한다. 이 경우에 입력 신호 /IN은 오프 신호가 되기 때문에, 구동회로 2는 저전압을 파워 소자 Q1의 게이트에 공급해서 파워 소자 Q1은 오프한다.
입력 신호 IN이 오프 신호인 경우에, 스위칭 소자 Q3은 온되어, 저항 R1에 전류가 흐른다. 이에 따라, 구동회로 1의 저압단자의 전압 VGND가, 파워 소자 Q2의 에미터 전압 VE보다도 저항 R1의 전압강하분만큼 낮아진다. 따라서, 파워 소자 Q2의 오프시의 게이트 전압 VG이 에미터 전압 VE에 대해 부전압이 되기 때문에, 게이트 플로트가 발생해도 파워 소자 Q2의 게이트 전압이 임계전압까지 상승하기 어려워진다. 따라서, 부전압용 전원을 필요로 하지 않는 간단한 회로 구성에 의해 오동작을 방지할 수 있다.
실시형태 2.
도 3은, 본 발명의 실시형태 2에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다. 원샷회로(3)는, 입력 신호 IN의 턴오프시에 스위칭 소자 Q3의 게이트에 펄스 신호를 공급한다.
도 4는, 도 3의 반도체장치의 동작을 나타낸 타이밍차트이다. 원샷회로(3)로부터의 펄스 신호에 의해, 스위칭 소자 Q3은, 파워 소자 Q1의 턴온이 완료할 때까지의 소정 기간만 온한다. 따라서, 실시형태 1에 비해 스위칭 소자 Q3의 온 기간이 짧아지기 때문에, 전원의 소비전력을 삭감할 수 있다.
실시형태 3.
도 5는, 본 발명의 실시형태 3에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다. 지연회로(4)가 인버터 INV의 출력 신호를 지연시킨다. AND회로(5)의 a 단자에 파워 소자 Q2의 게이트의 전압이 입력되고, b 단자에 지연회로(4)의 출력 전압이 입력된다. 스위칭 소자 Q3은 AND회로(5)의 출력 신호에 따라 온·오프한다.
도 6은, 도 5의 반도체장치의 동작을 나타낸 타이밍차트이다. AND회로(5)는, 입력 신호 IN이 오프 신호이고, 또한 파워 소자 Q2의 게이트의 전압이 저압단자의 전압 VGND보다 높아진 경우(게이트 플로트 기간)에만, 스위칭 소자 Q3을 온시킨다. 이에 따라, 스위칭 소자 Q3의 온 기간이 더욱 짧아지기 때문에, 전원의 소비전력을 대폭 삭감할 수 있다. 또한, 보호 기간이 넓어진다.
또한, 파워 소자 Q2의 턴오프 기간에는 파워 소자 Q2의 게이트의 전압이 고전압으로 된다. 따라서, 파워 소자 Q2의 턴오프 기간에 보호 동작을 행하지 않도록, 지연회로(4)를 설치하고 있다.
실시형태 4.
도 7은, 본 발명의 실시형태 4에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다. 실시형태 1과는 달리, 스위칭 소자 Q3의 게이트에는 입력 신호 /IN이 공급되어, 스위칭 소자 Q3은 입력 신호 /IN에 따라 온·오프한다. 입력 신호 /IN이 온 신호인 경우에 스위칭 소자 Q3은 온된다. 이에 따라, 데드타임에 스위칭 소자 Q3이 온하지 않기 때문에, 실시형태 1에 비해 전원의 소비전력을 삭감할 수 있다. 그 이외, 실시형태 1과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 5.
도 8은, 본 발명의 실시형태 5에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다. 이 반도체장치는, 실시형태 4의 반도체장치에 원샷회로(3)를 추가한 것이다. 원샷회로(3)는, 입력 신호 /IN의 턴온시에 스위칭 소자 Q3의 게이트에 펄스 신호를 공급한다. 이에 따라, 스위칭 소자 Q3은 파워 소자 Q1의 턴온이 완료할 때까지의 소정 기간만 온된다. 더구나, 스위칭 소자 Q3의 온 기간은 실시형태 2에 비해 짧아진다. 이 결과, 전원의 소비전력을 대폭 삭감할 수 있다.
실시형태 6.
도 9는, 본 발명의 실시형태 6에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다. AND회로(5)의 a 단자에 파워 소자 Q2의 게이트의 전압이 입력되고, b 단자에 입력 신호 /IN이 입력된다. AND회로(5)는, 입력 신호 /IN이 온 신호이고, 또한 파워 소자 Q2의 게이트의 전압 VG가 저압단자의 전압 VGND보다 높아진 경우(게이트 플로트 기간)에만, 스위칭 소자 Q3을 온시킨다. 이에 따라, 실시형태 3과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, AND회로(5)의 b 단자에 입력하는 입력 신호 /IN은 입력 신호 IN의 턴오프로부터 데드타임만큼 지연되어 턴온하기 때문에, 실시형태 3의 지연회로(4)는 불필요하게 된다.
실시형태 7.
도 10은, 본 발명의 실시형태 7에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다. 다이오드 Z1이 저항 R1에 병렬로 접속되어 있다. 그 밖의 구성은 실시형태 1과 같다.
실시형태 1에서는 파워 소자 Q2의 게이트의 방전 전류가 저항 R1을 흐르기 때문에, 방전 속도가 느려진다. 이에 대해, 본 실시형태에서는, 파워 소자 Q2의 게이트의 방전 전류가 다이오드 Z1을 흐르기 때문에, 방전 스피드가 빨라진다. 이때, 실시형태 2∼6의 구성에 다이오드 Z1을 추가해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 8.
도 11은, 본 발명의 실시형태 8에 관한 반도체장치를 나타낸 회로도이다. 제너 다이오드 Z2가 저항 R1에 병렬로 접속되어 있다. 그 밖의 구성은 실시형태 1과 같다. 제너 다이오드 Z2가 부전압을 클램프하기 때문에, 과도한 부전압을 방지할 수 있다. 이때, 실시형태 2∼6의 구성에 제너 다이오드 Z2을 추가해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이때, 상기한 실시형태 1∼5에 있어서, N 사이드의 파워 소자 Q2의 게이트 전압을 부전압으로 하는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정되지 않고 P사이드의 파워 소자 Q1의 게이트 전압을 부전압으로 하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 파워 소자 Q1, Q2 및 스위칭 소자 Q3은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)이지만, 이것에 한정되지 않고 파워 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 등의 파워 스위칭 소자이어도 된다.
또한, 파워 소자 Q1, Q2 및 스위칭 소자 Q3은, 규소에 의해 형성된 것에 한정되지 않고, 규소에 비해 밴드갭이 큰 와이드 밴드갭 반도체에 의해 형성된 것이어도 된다. 와이드 밴드갭 반도체는, 예를 들면, 탄화 규소, 질화 갈륨계 재료, 또는 다이아몬드이다. 이와 같은 와이드 밴드갭 반도체에 의해 형성된 파워 반도체소자는, 내전압성이나 허용 전류밀도가 높기 때문에, 소형화할 수 있다. 이 소형화된 소자를 사용함으로써, 이 소자를 짜넣은 반도체 모듈도 소형화할 수 있다. 또한, 소자의 내열성이 높기 때문에, 히트싱크의 방열 핀을 소형화할 수 있고, 수냉부를 공냉화할 수 있으므로, 반도체 모듈을 더욱 소형화할 수 있다. 또한, 소자의 전력손실이 낮고 고효율이기 때문에, 반도체 모듈을 고효율화할 수 있다.
1 구동회로(제1 구동회로)
2 구동회로(제2 구동회로)
5 AND 회로(제어회로)
IN 입력 신호(제1 입력 신호)
/IN 입력 신호(제2 입력 신호)
Q1 파워 소자(제2 파워 소자)
Q2 파워 소자(제1 파워 소자)
Q3 스위칭 소자
R1 저항
Z1 다이오드
Z2 제너 다이오드

Claims (4)

  1. 제어 단자와, 제1단자와, 제2단자를 갖는 제1 파워 소자와,
    상기 제1 파워 소자에 토템폴 접속된 제2 파워 소자와,
    전원에 접속된 고압단자와, 저압단자를 갖고, 제1 입력 신호에 따라 상기 제1 파워 소자를 구동하는 제1 구동회로와,
    제2 입력 신호에 따라 상기 제2 파워 소자를 구동하는 제2 구동회로와,
    일단이 상기 제1 파워 소자의 상기 제2단자에 접속되고, 타단이 상기 제1 구동회로의 상기 저압단자에 접속된 저항과,
    상기 제1 구동회로의 상기 고압단자와 상기 저항의 상기 일단 사이에 접속되고, 상기 제1 입력 신호 또는 상기 제2 입력 신호에 따라 온·오프하는 스위칭 소자를 구비하고,
    상기 제1 입력 신호가 오프 신호인 경우에, 상기 제1 구동회로는 상기 저압단자의 전압을 상기 제1 파워 소자의 상기 제어 단자에 공급해서 상기 제1 파워 소자는 오프하고,
    상기 제1 입력 신호가 오프 신호 또는 상기 제2 입력 신호가 온 신호인 경우에, 상기 스위칭 소자는 온하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는, 상기 제2 파워 소자의 턴온이 완료할 때까지의 소정 기간만 온하는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 입력 신호가 오프 신호 또는 상기 제2 입력 신호가 온 신호이고, 또한 상기 제1 파워 소자의 상기 제어 단자의 전압이 상기 저압단자의 전압보다 높아진 경우에만, 상기 스위칭 소자를 온시키는 제어회로를 더 구비한 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항에 병렬로 접속된 다이오드 또는 제너 다이오드를 더 구비한 것을 특징으로 하는 반도체장치.
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