KR102456559B1 - Power semiconductor device capable of preventing false turn-on - Google Patents

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Abstract

오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치가 제공된다. 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치는, 반도체 기판에 형성되며, 제1 노드에 게이트 단자가 연결된 전력 반도체 소자, 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 제1 노드에 소스가 연결되고, 제2 노드에 게이트가 연결되며, 상기 전력 반도체 소자의 소스 단자 또는 에미터 단자에 드레인이 연결된, 셀프 턴온 트랜지스터, 및 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에 연결되며, 게이트 온 신호를 상기 제2 노드에서 상기 게이트 단자로 전달하며, 상기 전력 반도체 소자의 턴오프시 발생한 변위 신호를 상기 게이트 단자에서 상기 제2 노드로 전달하는 신호 전달 소자를 포함할 수 있다.A power semiconductor device having a built-in malfunction turn-on prevention circuit is provided. A power semiconductor device with a built-in malfunction turn-on prevention circuit is formed on a semiconductor substrate, a power semiconductor device having a gate terminal connected to a first node, is formed on the semiconductor substrate, a source is connected to the first node, and a second node a self-turn-on transistor having a gate connected to , a drain connected to a source terminal or an emitter terminal of the power semiconductor device, and connected to the first node and the second node, and transmits a gate-on signal from the second node and a signal transmission device that transmits the signal to the gate terminal and transmits a displacement signal generated when the power semiconductor device is turned off from the gate terminal to the second node.

Description

오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력반도체 장치{Power semiconductor device capable of preventing false turn-on}TECHNICAL FIELD [0001] Power semiconductor device capable of preventing false turn-on

본 발명은 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력반도체 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a power semiconductor device having a built-in malfunction turn-on prevention circuit.

본 발명은, 한국산업기술평가관리원의 소재부품산업 미래 성장동력 - 신산업 창출형 파워 반도체 상용화 기술개발사업(과제고유번호: 10080429, 연구과제명: 1200V급 고효율 Super Junction Trench Si IGBT 기술 개발)의 결과물이다.The present invention is the result of the future growth engine of the materials and parts industry of the Korea Institute of Industrial Technology Evaluation and Planning - New industry creation type power semiconductor commercialization technology development project (Project unique number: 10080429, research project name: 1200V high-efficiency Super Junction Trench Si IGBT technology development) to be.

하프 브릿지 회로는 하이사이드 전력 반도체 장치와 로우사이드 전력 반도체 장치로 구성된다. 도 1은 하프 브릿지 회로에서 발생하는 오작동 턴온을 설명하기 위한 도면으로, (a)는 하이사이드 전력반도체 장치 턴온 시 로우사이드 전력반도체 장치가 오작동 턴온(False turn-on)되는 현상을 설명하기 위한 도면이며, (b)는 오작동 턴온을 해결하기 위한 종래 구조를 설명하기 위한 도면이다.The half-bridge circuit is composed of a high-side power semiconductor device and a low-side power semiconductor device. 1 is a diagram for explaining a malfunctioning turn-on that occurs in a half-bridge circuit, (a) is a diagram for explaining a phenomenon in which a low-side power semiconductor device is turned on erroneously when the high-side power semiconductor device is turned on and (b) is a view for explaining a conventional structure for solving a malfunctioning turn-on.

도 1의 (a)를 참조하면, 하프 브릿지 회로에서 하이사이드 전력반도체 장치의 턴온시 로우사이드 전력반도체 장치의 컬렉터-에미터 전압 VCE가 상승하게 된다. 이로 인해, 로우사이드 전력반도체 장치의 컬렉터-게이트 커패시턴스 CGC가 방전되어 로우사이드 전력반도체 장치의 게이트에 문턱전압(Threshold Voltage) 이상의 전압이 인가될 수 있다(도 1(a)의 사각형 내 로우사이드 VGE). 하이사이드 전력반도체 장치와 로우사이드 전력반도체 장치가 동시에 턴온(Arm-short 현상)되면, 하프 브릿지 회로의 전원 전압이 직접적으로 인가되는 상황에서 상당량의 전류가 흐르게 되어 전력반도체 장치가 심각하게 손상되게 된다.Referring to FIG. 1A , when the high-side power semiconductor device is turned on in the half-bridge circuit, the collector-emitter voltage V CE of the low-side power semiconductor device increases. Due to this, the collector-gate capacitance C GC of the low-side power semiconductor device is discharged, so that a voltage higher than or equal to the threshold voltage can be applied to the gate of the low-side power semiconductor device (the low-side within the rectangle in Fig. 1(a)) V GE ). When the high-side power semiconductor device and the low-side power semiconductor device are turned on (arm-short phenomenon) at the same time, a considerable amount of current flows when the power supply voltage of the half-bridge circuit is directly applied, and the power semiconductor device is seriously damaged. .

도 1의 (b)를 참조하면, 오작동 턴온을 방지하기 위해, 전력반도체 장치의 게이트와 소스 사이에 미러 클램핑 모스펫이 연결될 수 있다. 미러 클램핑 모스펫은, 전력반도체 장치의 턴오프시, 전력반도체 장치의 게이트와 소스를 단락시켜, 전력반도체 장치의 게이트 전압을 실질적으로 0 V로 유지시킨다(엄밀하게는, 클램핑 모스펫의 턴온시 소스-드레인 전압 VSD). 이로 인해, 연결된 다른 전력반도체 장치의 턴온시 드레인-게이트 커패시턴스 CGD 감소에 의한 방전 전류로 발생하게 되는 게이트 전압 증가를 방지할 수 있어, 오작동 턴온이 방지될 수 있다. 그러나 이 방식은, 미러 클램핑 모스펫을 제어하기 위한 별도의 구동 및 제어 회로를 필요로 한다.Referring to FIG. 1B , a mirror clamping MOSFET may be connected between the gate and the source of the power semiconductor device in order to prevent malfunctioning turn-on. The mirror clamping MOSFET short-circuits the gate and source of the power semiconductor device when the power semiconductor device is turned off, thereby maintaining the gate voltage of the power semiconductor device at substantially 0 V (strictly, when the clamping MOSFET is turned on, the source- drain voltage V SD ). Due to this, it is possible to prevent an increase in gate voltage caused by a discharge current due to a decrease in the drain-gate capacitance C GD when the other connected power semiconductor devices are turned on, thereby preventing a malfunctioning turn-on. However, this method requires a separate drive and control circuit to control the mirror clamping MOSFET.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.The above-mentioned background art is technical information possessed by the inventor for the derivation of the present invention or acquired in the process of derivation of the present invention, and cannot necessarily be said to be a known technique disclosed to the general public prior to the filing of the present invention.

한국 공개특허공보 제10-2019-0080764호(전력 변환 장치 및 반도체 장치)Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2019-0080764 (Power conversion device and semiconductor device)

본 발명은 별도의 구동 및 제어 회로를 부가할 필요 없이 전력반도체 장치의 오작동 턴온을 방지할 수 있는 해결책을 제공하기 위한 것이다. An object of the present invention is to provide a solution capable of preventing erroneous turn-on of a power semiconductor device without the need to add a separate driving and control circuit.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Objects other than the present invention will be easily understood through the following description.

본 발명의 일 측면에 따르면, 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치가 제공된다. 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치는, 반도체 기판에 형성되며, 제1 노드에 게이트 단자가 연결된 전력 반도체 소자, 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 제1 노드에 소스가 연결되고, 제2 노드에 게이트가 연결되며, 상기 전력 반도체 소자의 소스 단자 또는 에미터 단자에 드레인이 연결된, 셀프 턴온 트랜지스터, 및 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에 연결되며, 게이트 온 신호를 상기 제2 노드에서 상기 전력 반도체 소자의 게이트 단자로 전달하며, 상기 전력 반도체 소자의 턴오프시 발생한 변위 신호를 상기 게이트 단자에서 상기 제2 노드로 전달하는 신호 전달 소자를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 셀프 턴온 트랜지스터는, 상기 게이트 온 신호 인가시 턴오프되며, 상기 변위 신호 인가시, 턴온되어 상기 전력 반도체 소자의 게이트 단자와 소스 단자 또는 에미터 단자를 단락시킬 수 있다.According to one aspect of the present invention, a power semiconductor device having a built-in malfunction turn-on prevention circuit is provided. A power semiconductor device with a built-in malfunction turn-on prevention circuit is formed on a semiconductor substrate, a power semiconductor device having a gate terminal connected to a first node, is formed on the semiconductor substrate, a source is connected to the first node, and a second node a self-turn-on transistor having a gate connected to , a drain connected to a source terminal or an emitter terminal of the power semiconductor device, and connected to the first node and the second node, and transmits a gate-on signal from the second node The power semiconductor device may include a signal transmission device that transmits it to a gate terminal and transmits a displacement signal generated when the power semiconductor device is turned off from the gate terminal to the second node. Here, the self-turn-on transistor may be turned off when the gate-on signal is applied, and turned on when the displacement signal is applied to short-circuit the gate terminal and the source terminal or the emitter terminal of the power semiconductor device.

일 실시예로, 상기 신호 전달 소자는, 상기 게이트 온 신호를 전달하는 직렬 연결된 제1 저항 및 제1 다이오드 및 상기 변위 신호를 전달하는 직렬로 연결된 제2 저항 및 제2 다이오드를 포함할 수 있다.In an embodiment, the signal transmission device may include a first resistor and a first diode connected in series for transmitting the gate-on signal, and a second resistor and a second diode connected in series for transmitting the displacement signal.

일 실시예로, 상기 게이트 온 신호에 의해 상기 노드 2의 전압이 상기 노드 1의 전압보다 크면, 상기 셀프 턴온 트랜지스터는 턴오프되며, 상기 변위 신호에 의해 상기 노드 1의 전압이 상기 노드 2의 전압보다 상기 셀프 턴온 트랜지스터의 문턱전압 이상으로 커지면, 상기 셀프 턴온 트랜지스터는 턴온될 수 있다.In an embodiment, when the voltage of the node 2 is greater than the voltage of the node 1 by the gate-on signal, the self-turn-on transistor is turned off, and the voltage of the node 1 is changed to the voltage of the node 2 by the displacement signal When the threshold voltage of the self-turn-on transistor is greater than the threshold voltage, the self-turn-on transistor may be turned on.

일 실시예로, 상기 셀프 턴온 트랜지스터는, P형 모스펫일 수 있다.In an embodiment, the self-turn-on transistor may be a P-type MOSFET.

일 실시예로, 상기 셀프 턴온 트랜지스터의 문턱전압의 절대값은 상기 전력 반도체 소자의 문턱전압보다 작을 수 있다.In an embodiment, the absolute value of the threshold voltage of the self-turn-on transistor may be smaller than the threshold voltage of the power semiconductor device.

일 실시예로, 상기 셀프 턴온 트랜지스터의 소스-드레인 항복 전압은 상기 전력 반도체 소자의 게이트 보증 전압보다 클 수 있다.In an embodiment, a source-drain breakdown voltage of the self-turn-on transistor may be greater than a gate guarantee voltage of the power semiconductor device.

일 실시예로, 상기 전력 반도체 소자는, 모스펫 트랜지스터일 수 있다.In an embodiment, the power semiconductor device may be a MOSFET transistor.

일 실시예로, 상기 전력 반도체 소자는, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터일 수 있다.In an embodiment, the power semiconductor device may be an insulated gate bipolar transistor.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 발명의 실시예에 따르면, 오작동 턴온 방지 회로는, 이를 구동하기 위한 구동 및 제어 회로 없이 전력반도체 장치의 오작동 턴온을 방지할 수 있으며, 이로 인해 전력 반도체 장치가 손상되는 현상을 방지하는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, the malfunction turn-on prevention circuit can prevent the malfunction turn-on of the power semiconductor device without a driving and control circuit for driving it, thereby preventing the power semiconductor device from being damaged. .

도 1은 하프 브릿지 회로에서 발생하는 오작동 턴온을 설명하기 위한 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력반도체 장치를 나타낸 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오작동 턴온 방지 회로가 턴온 전 상태를 나타낸 회로도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오작동 턴온 방지 회로가 턴온 후 상태를 나타낸 회로도.
1 is an exemplary diagram for explaining a malfunctioning turn-on occurring in a half-bridge circuit.
2 is a circuit diagram showing a power semiconductor device having a built-in malfunction turn-on prevention circuit according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram showing a state before turning on the malfunction turn-on prevention circuit according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a circuit diagram showing a state after the turn-on erroneous turn-on prevention circuit according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "위(on)"에 존재하는 것으로 또는 "위로(onto)" 확장되는 것으로 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소의 직접 위에 있거나 직접 위로 확장될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소 "바로 위(directly on)"에 있거나 "바로 위로(directly onto)" 확장된다고 언급되는 경우, 다른 중간 요소들은 존재하지 않는다. 또한, 하나의 요소가 다른 요소에 "연결(connected)"되거나 "결합(coupled)"된다고 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소에 직접 연결되거나 직접 결합될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소에 "직접 연결(directly connected)"되거나 "직접 결합(directly coupled)"된다고 기술되는 경우에는 다른 중간 요소가 존재하지 않는다.When an element, such as a layer, region, or substrate, is described as being “on” or extending “onto” another element, the element may be directly on or extending directly over the other element and , or an intermediate intervening element may exist. On the other hand, when an element is referred to as being “directly on” or extending “directly onto” another element, the other intermediate elements are absent. Also, when an element is described as being “connected” or “coupled” to another element, that element may be directly connected or coupled directly to the other element, or intervening elements may be present. have. On the other hand, when one element is described as being "directly connected" or "directly coupled" to another element, there is no other intermediate element present.

"아래의(below)" 또는 "위의(above)" 또는 "상부의(upper)" 또는 "하부의(lower)" 또는 "수평의(horizontal)" 또는 "측면의(lateral)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적인 용어들은 여기에서 도면에 도시된 바와 같이 하나의 요소, 층 또는 영역의 다른 요소, 층 또는 영역에 대한 관계를 기술하는데 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면에 묘사된 방향(orientation)에 부가하여 장치의 다른 방향을 포괄하기 위한 의도를 갖는 것으로 이해되어야 한다.“below” or “above” or “upper” or “lower” or “horizontal” or “lateral” or “vertical” Relative terms such as "vertical" may be used herein to describe the relationship of one element, layer or region to another element, layer or region as shown in the figures. It should be understood that these terms are intended to encompass other orientations of the device in addition to the orientation depicted in the drawings.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the related drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력반도체 장치를 나타낸 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a power semiconductor device having a built-in malfunction turn-on prevention circuit according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력반도체 장치(100)는, 전력 반도체 소자(110) 및 오작동 턴온 방지 회로(120)를 포함한다. 전력 반도체 소자(110)는, 전류가 소자의 수직 방향으로 흐르는 수직형 소자로, 예를 들어, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터, 파워 MOSFET 등일 수 있다. 이하에서는 전력 반도체 소자를 절연게이트 바이폴라 트랜지스터로 가정하여 설명한다.Referring to FIG. 2 , the power semiconductor device 100 having a built-in malfunction turn-on prevention circuit includes a power semiconductor device 110 and a malfunction turn-on prevention circuit 120 . The power semiconductor device 110 is a vertical device in which current flows in a vertical direction of the device, and may be, for example, an insulated gate bipolar transistor, a power MOSFET, or the like. Hereinafter, it is assumed that the power semiconductor device is an insulated gate bipolar transistor.

오작동 턴온 방지 회로(120)는 전력 반도체 소자(110)의 게이트 단자(노드 1)와 게이트 신호 입력단(노드 2) 사이에 배치된다. 오작동 턴온 방지 회로(120)는, 노드 1로 입력된 게이트 신호(게이트 온 신호 또는 게이트 오프 신호)를 노드 2로 전달하며, 노드 1로 입력된 변위 신호를 노드 2로 전달하는 신호 전달 소자, 및 노드 1과 노드 2간의 전위차에 의해 턴온 및 턴오프되는 셀프 턴온 트랜지스터(130)를 포함할 수 있다.The malfunction turn-on prevention circuit 120 is disposed between the gate terminal (Node 1) and the gate signal input terminal (Node 2) of the power semiconductor device 110 . The malfunction turn-on prevention circuit 120 includes a signal transfer device that transmits a gate signal (a gate-on signal or a gate-off signal) inputted to the node 1 to the node 2 and a displacement signal input to the node 1 to the node 2; The self-turn-on transistor 130 may be turned on and off by the potential difference between the node 1 and the node 2 .

신호 전달 소자는, 제1 신호 경로 및 제2 신호 경로를 제공한다. 제1 신호 경로는 직렬로 연결된 턴온 저항 Ron 및 다이오드 Don을 포함하며, 제2 신호 경로는 직렬로 연결된 턴오프 저항 Roff 및 다이오드 Doff를 포함한다. 여기서, 이하에서 설명되겠지만, 저항 Roff의 저항값 및 다이오드 Doff의 순방향 전압강하는, 셀프 턴온 트랜지스터(130)의 턴온 시, 변위 전류가 노드 1에서 적절히 분기되도록, 설계되어야 한다. 또한, 다이오드 Don과 다이오드 Doff의 항복전압은, 전력 반도체 소자(110)의 게이트 절연 보증 전압보다 높은 것이 바람직하다.The signal transmission element provides a first signal path and a second signal path. A first signal path includes a turn-on resistor R on and a diode D on connected in series, and a second signal path includes a turn-off resistor R off and a diode D off connected in series. Here, as will be described below, the resistance value of the resistor R off and the forward voltage drop of the diode D off must be designed so that the displacement current is properly branched from the node 1 when the self-turn-on transistor 130 is turned on. In addition, the breakdown voltages of the diode D on and the diode D off are preferably higher than the gate insulation guarantee voltage of the power semiconductor device 110 .

셀프 턴온 트랜지스터(130)는, P채널 모스펫이다. 셀프 턴온 트랜지스터(130)는 N형 드리프트층의 상부에 형성된 P형 웰, P형 웰 내에 형성된 N형 웰, N형 웰의 상면으로부터 N형 웰의 내부로 연장되도록 형성된 P+ 소스와 P+ 드레인, 및 P+ 소스와 P+ 드레인 사이에 형성된 게이트를 포함할 수 있다. The self-turn-on transistor 130 is a P-channel MOSFET. The self-turn-on transistor 130 includes a P-type well formed on the N-type drift layer, an N-type well formed in the P-type well, P+ source and P+ drain formed to extend from the top surface of the N-type well into the N-type well, and A gate may be formed between the P+ source and the P+ drain.

전력 반도체 장치의 단면 형상을 참조하면, 수직형 전력 반도체 소자(110)와 수평형 셀프 턴온 트랜지스터(130)가 동일한 반도체 기판 내에 형성됨을 알 수 있다. 전력 반도체 소자(110)는 액티브 영역에 형성되며, 셀프 턴온 트랜지스터(130)는 액티브 영역의 주변 영역에 형성될 수 있다. 한편, 신호 전달 소자는, 도시되진 않았으나, 수직형 전력 반도체 소자(110) 및 수평형 셀프 턴온 트랜지스터(130)와 동일 반도체 기판 상에 형성될 수 있다.Referring to the cross-sectional shape of the power semiconductor device, it can be seen that the vertical power semiconductor device 110 and the horizontal self-turn-on transistor 130 are formed in the same semiconductor substrate. The power semiconductor device 110 may be formed in the active region, and the self-turn-on transistor 130 may be formed in a peripheral region of the active region. Meanwhile, although not shown, the signal transfer device may be formed on the same semiconductor substrate as the vertical power semiconductor device 110 and the horizontal self-turn-on transistor 130 .

셀프 턴온 트랜지스터(130)의 소스, 게이트 및 드레인은, 노드 1, 노드 2 및 전력 반도체 소자(110)의 에미터 단자에 각각 전기적으로 결합한다. 전력 반도체 소자(110)에 게이트 신호(게이트 온 신호)가 입력되는 동안, 셀프 턴온 트랜지스터(130)는 턴오프된다. The source, gate, and drain of the self-turn-on transistor 130 are electrically coupled to the node 1 , the node 2 and the emitter terminal of the power semiconductor device 110 , respectively. While the gate signal (gate-on signal) is input to the power semiconductor device 110 , the self-turn-on transistor 130 is turned off.

한편, 전력 반도체 소자(110)가 턴오프되면, 셀프 턴온 트랜지스터(130)는, 노드 1과 노드 2의 전위차에 의해 턴온되어, 노드 1, 즉, 전력 반도체 소자(110)의 게이트 단자와 에미터 단자를 단락시킨다. 이로 인해, 전력 반도체 소자(110)의 게이트 전압 VGE는 실질적으로 0 V가 되어(엄밀하게는, 셀프 턴온 트랜지스터의 턴온시 소스-드레인 전압 VSD), 전력 반도체 소자(110)는 완전히 턴오프될 수 있다. 셀프 턴온 트랜지스터(130)의 동작은 이하에서 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.On the other hand, when the power semiconductor device 110 is turned off, the self-turn-on transistor 130 is turned on by the potential difference between the node 1 and the node 2, that is, the gate terminal and the emitter of the node 1, that is, the power semiconductor device 110 . short the terminals. Due to this, the gate voltage V GE of the power semiconductor device 110 becomes substantially 0 V (strictly, the source-drain voltage V SD when the self-turn-on transistor is turned on), and the power semiconductor device 110 is completely turned off. can be The operation of the self-turn-on transistor 130 will be described in detail below with reference to FIGS. 3 and 4 .

셀프 턴온 트랜지스터(130)는, 전력 반도체 소자(110)의 특성에 영향이 없도록 설계되어야 한다. 따라서, 셀프 턴온 트랜지스터(130)는, (1) 전력 반도체 소자의 게이트 절연 보증 전압보다 높은 항복전압을 가질 수 있고, (2) 전력 반도체 소자의 문턱전압과 같거나 작은 문턱 전압의 절대값을 가질 수 있으며, (3) 전력 반도체 소자의 문턱전압보다 낮은 턴온시 소스-드레인 전압 VDS 또는 온 상태 저항 RON을 가질 수 있다. 특히, 셀프 턴온 트랜지스터(130)의 문턱 전압의 절대값이 전력 반도체 소자(110)의 문턱 전압보다 작아야만, 전력 반도체 소자(110)가 오작동 턴온되기 전에 셀프 턴온 트랜지스터(130)가 턴온될 수 있다. The self-turn-on transistor 130 should be designed so as not to affect the characteristics of the power semiconductor device 110 . Accordingly, the self-turn-on transistor 130 may (1) have a breakdown voltage higher than the gate insulation guarantee voltage of the power semiconductor device, and (2) have an absolute value of the threshold voltage equal to or smaller than the threshold voltage of the power semiconductor device. and (3) a source-drain voltage V DS or an on-state resistance R ON at turn-on lower than the threshold voltage of the power semiconductor device. In particular, when the absolute value of the threshold voltage of the self-turn-on transistor 130 is less than the threshold voltage of the power semiconductor device 110 , the self-turn-on transistor 130 may be turned on before the power semiconductor device 110 malfunctions. .

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오작동 보호 회로가 턴온 전 상태를 나타낸 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating a state before the malfunction protection circuit is turned on according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 직렬로 연결된 두 개의 전력 반도체 장치 중 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)은 게이트 오프 신호가 인가되어 오프 상태로 있다. 여기서, 전력 반도체 소자(110)는 IGBT일 수 있다. 이때, 하이사이드 전력 반도체 장치(100H)에 게이트 온 신호가 인가되기 시작하여, 하이사이드 전력 반도체 장치(100H)가 턴온 되기 시작하면, 로우사이드 반도체 장치(100L)의 컬렉터-에미터 전압 VCE가 상승하게 된다. 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)는 오프 상태를 유지하고 있으며, 셀프 턴온 트랜지스터(130) 또한, 턴 오프 상태이다. 로우사이드 반도체 장치 (IGBT)의 컬렉터 에미터간 전압 상승률에 비례하여 전류 형태인 변위 신호 Idis 가 도 3에서와 같이 노드1 에서 노드2 방향의 제2 신호 경로(145)를 통하여 발생한다. Referring to FIG. 3 , a low-side power semiconductor device 100L among two power semiconductor devices connected in series is in an off state by applying a gate-off signal. Here, the power semiconductor device 110 may be an IGBT. At this time, when the gate-on signal is applied to the high-side power semiconductor device 100H and the high-side power semiconductor device 100H starts to be turned on, the collector-emitter voltage V CE of the low-side semiconductor device 100L is will rise The low-side power semiconductor device 100L maintains an off state, and the self-turn-on transistor 130 is also turned off. A displacement signal I dis in the form of a current in proportion to the voltage increase rate between the collector-emitter of the low-side semiconductor device (IGBT) is generated through the second signal path 145 in the direction from node 1 to node 2 as shown in FIG. 3 .

게이트 온 신호가 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)에 인가되는 동안, 셀프 턴온 트랜지스터(130)는 턴 오프된다. 상세하게, 게이트 온 신호는 제1 신호 경로(140)를 통과하면서, Ron의 전압 강하 및 Don의 순방향 전압 강하를 발생시킨다. 이로 인해, 노드 1의 전압은 노드 2의 전압보다 낮아지게 되어, P채널 모스펫인 셀프 턴온 트랜지스터(130)는 턴 오프 상태로 유지된다.While the gate-on signal is applied to the low-side power semiconductor device 100L, the self-turn-on transistor 130 is turned off. Specifically, as the gate-on signal passes through the first signal path 140 , it generates a voltage drop in Ron and a forward voltage drop in Don. As a result, the voltage of node 1 becomes lower than the voltage of node 2 , so that the self-turn-on transistor 130 , which is a P-channel MOSFET, is maintained in a turned-off state.

이를 구체적으로 설명하면, 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)의 게이트 신호 입력단에 인가되던 게이트 신호가 게이트 온 신호에서 게이트 오프 신호로 변경되면, 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)의 턴 오프 과정이 시작된다. 턴 오프 과정에서, 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)의 컬렉터-에미터 전압 VCE가 급격히 상승하게 된다. 컬렉터-에미터 전압 VCE의 급격한 상승은 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)의 게이트-컬렉터 커패시터 CGC를 방전시킨다. 이로 인해, 게이트-컬렉터 커패시터 CGC와 컬렉터-에미터 전압 VCE의 변화율의 곱(=CGC의 커패시턴스 x dVCE/dt)에 비례하는 전류 형태의 변위 신호 Idis가 발생한다. Specifically, when the gate signal applied to the gate signal input terminal of the low-side power semiconductor device 100L is changed from the gate-on signal to the gate-off signal, the turn-off process of the low-side power semiconductor device 100L starts. . During the turn-off process, the collector-emitter voltage V CE of the low-side power semiconductor device 100L rapidly rises. The sharp rise of the collector-emitter voltage V CE discharges the gate-collector capacitor C GC of the low-side power semiconductor device 100L. This generates a displacement signal I dis in the form of a current proportional to the product of the rate of change of the gate-collector capacitor C GC and the collector-emitter voltage V CE (= capacitance of C GC x dV CE /dt ).

오동작 턴온 방지 회로가 없는 경우, 변위 신호 Idis는 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)의 게이트-에미터 커패시터 CGE를 충전할 수 있다. 이로 인해, 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)의 게이트-에미터 전압 VGE가 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)의 문턱전압 이상으로 증가하면, 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)가 오작동 턴온될 수 있다.When there is no malfunction turn-on prevention circuit, the displacement signal I dis may charge the gate-emitter capacitor C GE of the low-side power semiconductor device 100L. For this reason, when the gate-emitter voltage V GE of the low-side power semiconductor device 100L increases to more than the threshold voltage of the low-side power semiconductor device 100L, the low-side power semiconductor device 100L may malfunctionly turn on. .

오동작 턴온 방지 회로에 의하면, 변위 신호 Idis는 제2 신호 경로(145)로 흐르면서 노드 2의 전압 Vnode2을 강하시킨다. 상세하게, 전압 Vnode2는 노드 1의 전압 Vnode1보다 Idis x Roff + Vf만큼 낮아지게 된다. 여기서, Vf는 Doff의 순방향 전압 강하이다. 예를 들어, 셀프 턴온 트랜지스터(130)의 문턱전압이 -3V이며, 제2 신호 경로에 의한 전압 강하가 -3V의 절대값 이상이면(예를 들어, -3.1V)라면, 셀프 턴온 트랜지스터(130)가 턴온될 수 있다.According to the malfunction turn-on prevention circuit, the displacement signal I dis drops the voltage V node2 of the node 2 while flowing through the second signal path 145 . In detail, the voltage V node2 becomes lower than the voltage V node1 of the node 1 by I dis x R off + V f . where V f is the forward voltage drop of Doff. For example, if the threshold voltage of the self-turn-on transistor 130 is -3V and the voltage drop by the second signal path is greater than or equal to the absolute value of -3V (eg, -3.1V), the self-turn-on transistor 130 is ) can be turned on.

제2 신호 경로에 의한 전압 강하에 의해서, 셀프 턴온 트랜지스터(130)의 게이트-소스 전압 VGS가, 셀프 턴온 트랜지스터(130)의 문턱전압 이하가 되면, 셀프 턴온 트랜지스터(130)가 턴온된다. 이로 인해, 게이트-에미터 커패시터 CGE는 턴온된 셀프 턴온 트랜지스터(130)의 소스-드레인 전압 VSD이상으로는 충전될 수 없게 되어, 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)의 오작동 턴온이 방지된다. When the gate-source voltage V GS of the self-turn-on transistor 130 becomes less than or equal to the threshold voltage of the self-turn-on transistor 130 due to the voltage drop by the second signal path, the self-turn-on transistor 130 is turned on. Due to this, the gate-emitter capacitor C GE cannot be charged above the source-drain voltage V SD of the turned-on self-turn-on transistor 130 , so that the erroneous turn-on of the low-side power semiconductor device 100L is prevented.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오작동 보호 회로가 턴온 후 상태를 나타낸 회로도이다.4 is a circuit diagram illustrating a state after the malfunction protection circuit is turned on according to an embodiment of the present invention.

셀프 턴온 트랜지스터(130)가 턴온되면, 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)의 게이트 단자와 에미터 단자가 단락된다. 이로 인해, 변위 신호 Idis는 노드 1에서 제1 변위 신호 Idis1과 제2 변위 신호 Idis2로 분기된다. When the self-turn-on transistor 130 is turned on, the gate terminal and the emitter terminal of the low-side power semiconductor device 100L are short-circuited. Due to this, the displacement signal I dis branches at the node 1 into a first displacement signal I dis1 and a second displacement signal I dis2 .

제1 변위 신호 Idis1은 제2 신호 경로에 인가되며, 제2 변위 신호 Idis2는 셀프 턴온 트랜지스터(130)의 소스에 인가된다. 여기서, 제1 변위 신호 Idis1이 제2 변위 신호 Idis2로보다 상대적으로 크게 유지되도록, 저항 Roff의 저항값 및 Doff의 순방향 전압 강하 Vf가 결정될 수 있다. The first displacement signal I dis1 is applied to the second signal path, and the second displacement signal I dis2 is applied to the source of the self-turn-on transistor 130 . Here, the resistance value of the resistor R off and the forward voltage drop Vf of the resistor D off may be determined such that the first displacement signal I dis1 is maintained relatively larger than that of the second displacement signal I dis2 .

셀프 턴온 트랜지스터(130)의 턴온 저항 RON은, 제2 변위 신호 Idis2는에 의한 소스-드레인 전압 VSD가 로우사이드 전력 반도체 장치(100L)의 문턱전압보다 작게 유지되도록 결정될 수 있다. The turn-on resistance R ON of the self-turn-on transistor 130 may be determined such that the source-drain voltage V SD by the second displacement signal I dis2 is maintained to be less than the threshold voltage of the low-side power semiconductor device 100L.

이제까지, 전력 반도체 소자(110)는, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)인 경우를 예로 들어 도시하였으나, 파워 MOSFET 등 여러 형태의 전력 반도체 소자에 본 발명의 기술적 사상이 동일 또는 유사하게 적용 및 확장될 수 있음은 당연하다.Up to now, the power semiconductor device 110 has been illustrated as an example in the case of an insulated gate bipolar transistor (IGBT), but the technical concept of the present invention can be applied and expanded in the same or similar manner to various types of power semiconductor devices such as power MOSFETs. it is natural to have

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, those of ordinary skill in the art can variously modify the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. and may be changed.

100 : 셀프 턴온 구조를 포함하는 전력 반도체 장치
110 : 셀프 턴온 구조를 포함하지 않는 전력 반도체 소자
120 : 오작동 턴온 방지 회로 130 : 셀프 턴온 트랜지스터
100: power semiconductor device including self-turn-on structure
110: power semiconductor device that does not include a self-turn-on structure
120: malfunction turn-on prevention circuit 130: self-turn-on transistor

Claims (8)

제1 노드에 게이트 단자가 연결되고, 반도체 기판에 형성된 전력 반도체 소자;
상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 제1 노드에 소스가 연결되고, 제2 노드에 게이트가 연결되며, 상기 전력 반도체 소자의 소스 단자 또는 에미터 단자에 드레인이 연결된, P형 셀프 턴온 트랜지스터; 및
상기 제1 노드와 상기 제2 노드에 연결되며, 게이트 온 신호를 상기 제2 노드에서 상기 전력 반도체 소자의 상기 게이트 단자로 전달하며, 상기 전력 반도체 소자의 턴오프시 발생한 변위 신호를 상기 게이트 단자에서 상기 제2 노드로 전달하는 신호 전달 소자를 포함하되,
상기 P형 셀프 턴온 트랜지스터는,
상기 게이트 온 신호 인가시 턴오프되며,
상기 변위 신호 인가시, 턴온되어 상기 전력 반도체 소자의 게이트 단자와 소스 단자 또는 에미터 단자를 단락시키는, 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치.
a power semiconductor device having a gate terminal connected to the first node and formed on a semiconductor substrate;
a P-type self-turn-on transistor formed on the semiconductor substrate, a source connected to the first node, a gate connected to a second node, and a drain connected to a source terminal or an emitter terminal of the power semiconductor device; and
It is connected to the first node and the second node, transfers a gate-on signal from the second node to the gate terminal of the power semiconductor device, and receives a displacement signal generated when the power semiconductor device is turned off at the gate terminal Including a signal transmission device for transmitting to the second node,
The P-type self-turn-on transistor is
is turned off when the gate-on signal is applied,
When the displacement signal is applied, the power semiconductor device is turned on to short-circuit the gate terminal and the source terminal or the emitter terminal of the power semiconductor device.
제1항에 있어서,
상기 신호 전달 소자는,
상기 게이트 온 신호를 전달하는 직렬 연결된 제1 저항 및 제1 다이오드; 및
상기 변위 신호를 전달하는 직렬로 연결된 제2 저항 및 제2 다이오드를 포함하는, 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치.
According to claim 1,
The signal transmission element,
a first resistor and a first diode connected in series to transfer the gate-on signal; and
A power semiconductor device having a built-in malfunction turn-on prevention circuit, comprising a second resistor and a second diode connected in series for transmitting the displacement signal.
제2항에 있어서,
상기 게이트 온 신호에 의해 상기 제2 노드의 전압이 상기 제1 노드의 전압보다 크면, 상기 P형 셀프 턴온 트랜지스터는 턴오프되며,
상기 변위 신호에 의해 상기 제1 노드의 전압이 상기 제2 노드의 전압보다 상기 P형 셀프 턴온 트랜지스터의 문턱전압 이상으로 커지면, 상기 P형 셀프 턴온 트랜지스터는 턴온되는, 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치.
3. The method of claim 2,
When the voltage of the second node is greater than the voltage of the first node by the gate-on signal, the P-type self-turn-on transistor is turned off,
When the voltage of the first node becomes greater than the threshold voltage of the P-type self-turn-on transistor by the displacement signal, the P-type self-turn-on transistor is turned on, semiconductor device.
제1항에 있어서,
상기 P형 셀프 턴온 트랜지스터는, 모스펫인, 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치.
According to claim 1,
The P-type self-turn-on transistor is a MOSFET, a power semiconductor device having a built-in malfunction turn-on prevention circuit.
제4항에 있어서,
상기 P형 셀프 턴온 트랜지스터의 문턱전압의 절대값은 상기 전력 반도체 소자의 문턱전압보다 작은, 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치.
5. The method of claim 4,
The absolute value of the threshold voltage of the P-type self-turn-on transistor is smaller than the threshold voltage of the power semiconductor device, a power semiconductor device having a built-in malfunction turn-on prevention circuit.
제4항에 있어서,
상기 P형 셀프 턴온 트랜지스터의 소스-드레인 항복 전압은 상기 전력 반도체 소자의 게이트 보증 전압보다 큰, 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치.
5. The method of claim 4,
A source-drain breakdown voltage of the P-type self-turn-on transistor is greater than a gate guarantee voltage of the power semiconductor device, a power semiconductor device having a built-in malfunction turn-on prevention circuit.
제1항에 있어서,
상기 전력 반도체 소자는, 모스펫 트랜지스터인, 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치.
According to claim 1,
The power semiconductor device is a MOSFET transistor, a power semiconductor device having a built-in malfunction turn-on prevention circuit.
제1항에 있어서,
상기 전력 반도체 소자는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터인, 오작동 턴온 방지 회로가 내장된 전력 반도체 장치.
According to claim 1,
The power semiconductor device is an insulated gate bipolar transistor, a power semiconductor device with a built-in malfunction turn-on prevention circuit.
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