KR20130029337A - 반도체장치 - Google Patents

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Abstract

하이사이드 구동회로가 부바이어스 구동을 행하면서, 부트스트랩 콘덴서에 의해 하이사이드 구동회로에 구동전압을 공급할 수 있는 반도체장치를 얻는다. 기준전압회로(3)는, 하이사이드 구동회로(1)의 고압 단자 VB의 전압과 저압 단자 VE의 전압 사이의 기준전압을 생성하여, 하이사이드 스위칭 소자 Q1과 로우사이드 스위칭 소자 Q2의 접속점에 공급한다. 충전용 스위칭 소자 Q3의 드레인이 하이사이드 구동회로(1)의 저압 단자 VE에 접속되고, 소스가 접지되어 있다.

Description

반도체장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 하이사이드(high-side) 구동회로가 부바이어스(negative-bias) 구동을 행하면서, 부트스트랩 콘덴서에 의해 하이사이드 구동회로에 구동전압을 공급할 수 있는 반도체장치에 관한 것이다.
하프브릿지 회로에 있어서, 하이사이드 스위칭 소자를 구동하는 하이사이드 구동회로에는, 주전원보다 높은 구동전압이 필요하다. 또한, 하이사이드 구동회로의 기준 전위(저압 단자의 전위)는 로우사이드(low-side) 스위칭 소자의 구동에 따라 하프브릿지 회로의 고압측 전위와 저압측 전위 사이를 변동한다. 그 때문에, 하이사이드 구동회로의 구동전압원으로서, 저압측 전위에 대해 부유한 플로팅 전원을 사용할 필요가 있다. 따라서, 하이사이드 구동회로의 고압 단자와 저압 단자 사이에 접속된 부트스트랩 콘덴서를 로우사이드 구동전원에 의해 충전하여, 하이사이드 구동회로의 구동전압을 얻는 것이 알려져 있다 (예를 들면, 특허문헌 1 참조).
부트스트랩 회로를 사용한 반도체 장치에서는, 하이사이드 구동회로의 저압 단자가 하이사이드 스위칭 소자와 로우사이드 스위칭 소자의 접속점에 접속되어 있다. 따라서, 로우사이드 스위칭 소자가 턴온하여 하이사이드 구동회로의 저압 단자가 GND 전위로 되면, 부트스트랩 콘덴서가 충전된다.
또한, 하이사이드 구동회로가 부바이어스 구동을 행하는 반도체장치가 알려져 있다. 이 반도체장치는, 하이사이드 구동회로의 고압 단자의 전압과 저압 단자의 전압 사이의 기준전압을 생성하여, 하이사이드 스위칭 소자의 소스에 공급하는 기준전압회로를 구비한다. 이에 따라, 하이사이드 구동회로는, 오프시에 하이사이드 스위칭 소자의 게이트에 소스에 대해 부전압을 줄 수 있다.
일본국 특개평 11-205112호 공보
하이사이드 구동회로가 부바이어스 구동을 행하는 반도체 장치에서는, 하이사이드 구동회로의 저압 단자가 하이사이드 스위칭 소자와 로우사이드 스위칭 소자의 접속점에 접속되어 있지 않아, 로우사이드 스위칭 소자를 경유해서 부트스트랩 콘덴서를 충전하는 경로가 존재하지 않는다. 따라서, 로우사이드 스위칭 소자가 턴온해도 하이사이드 구동회로의 저압 단자가 GND 전위로 되지 않아, 부트스트랩 콘덴서가 충전되지 않는다. 이 때문에, 부트스트랩 콘덴서에 의해 하이사이드 구동회로에 구동전압을 공급할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 전술한 것과 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그것의 목적은 하이사이드 구동회로가 부바이어스 구동을 행하면서, 부트스트랩 콘덴서에 의해 하이사이드 구동회로에 구동전압을 공급할 수 있는 반도체장치를 얻는 것이다.
본 발명에 관한 반도체장치는, 고압측 전위와 저압측 전위 사이에 고압측으로부터 순서대로 토템폴(totem-pole) 접속된 하이사이드 스위칭 소자 및 로우사이드 스위칭 소자와, 플로팅 전원이 접속되는 고압 단자와 저압 단자를 갖고, 상기 고압 단자의 전압과 상기 저압 단자의 전압의 한쪽을 상기 하이사이드 스위칭 소자에 공급해서 상기 하이사이드 스위칭 소자를 구동하는 하이사이드 구동회로와, 상기 로우사이드 스위칭 소자를 구동하는 로우사이드 구동회로와, 상기 하이사이드 구동회로의 상기 고압 단자의 전압과 상기 저압 단자의 전압 사이의 기준전압을 생성해서 상기 하이사이드 스위칭 소자와 상기 로우사이드 스위칭 소자의 접속점에 공급하는 기준전압회로와, 제어 단자와, 상기 하이사이드 구동회로의 상기 저압 단자에 접속된 제1단자와, 접지된 제2단자를 갖는 충전용 스위칭 소자를 구비한다.
본 발명에 의해, 하이사이드 구동회로가 부바이어스 구동을 행하면서, 부트스트랩 콘덴서에 의해 하이사이드 구동회로에 구동전압을 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 관한 반도체장치의 동작을 나타낸 타이밍 차트다.
도 3은 비교예 1에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다.
도 4는 비교예 2에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 2에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 3에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 4에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 5에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다.
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 도시한 도면이다. 이 장치는, 고압측 전위와 저압측 전위 사이에 고압측으로부터 순서대로 토템폴 접속된 하이사이드 스위칭 소자 Q1 및 로우사이드 스위칭 소자 Q2를 갖는 하프브릿지회로이다.
하이사이드 구동회로(1)는, HIN 단자로부터 입력한 제어신호에 따라, 고압 단자 VB의 전압과 저압 단자 VE의 전압의 한쪽을, 출력 단자 HO를 거쳐 하이사이드 스위칭 소자 Q1의 게이트에 공급하여, 하이사이드 스위칭 소자 Q1을 구동한다.
로우사이드 구동회로(2)는, LIN 단자로부터 입력한 제어신호에 따라, 고압 단자 VCC의 전압과 저압 단자 GND의 전압의 한쪽을, 출력 단자 LO를 거쳐 로우사이드 스위칭 소자 Q2의 게이트에 공급하여, 로우사이드 스위칭 소자 Q2를 구동한다.
기준전압회로 3은, 하이사이드 구동회로(1)의 고압 단자 VB의 전압과 저압 단자 VE의 전압 사이의 기준전압을 생성하고, 출력 단자 VS를 거쳐 하이사이드 스위칭 소자 Q1과 로우사이드 스위칭 소자 Q2의 접속점에 공급한다.
기준전압회로 4는, 로우사이드 구동회로(2)의 고압 단자 VCC의 전압과 저압 단자 GND의 전압 사이의 기준전압을 생성하고, 출력 단자 N을 거쳐 로우사이드 스위칭 소자 Q2의 소스에 공급한다.
하이사이드 구동회로(1)의 기준 전위(저압 단자 VE의 전위)는 로우사이드 스위칭 소자 Q2의 구동에 따라 하프브릿지회로의 고압측 전위와 저압측 전위 사이를 변동한다. 그 때문에, 하이사이드 구동회로(1)의 구동전압원으로서, 저압측 전위에 대해 부유한 플로팅 전원을 사용할 필요가 있다. 따라서, 부트스트랩 콘덴서 C1을 사용한다. 부트스트랩 콘덴서 C1의 일단이 하이사이드 구동회로(1)의 고압 단자 VB에 접속되고, 타단이 하이사이드 구동회로(1)의 저압 단자 VE에 접속되어 있다.
부트스트랩 다이오드 D1의 애노드가 저항 R1을 거쳐 로우사이드 구동전원에 접속되고, 캐소드가 부트스트랩 콘덴서 C1의 일단에 접속되어 있다. 부트스트랩 다 이오드 D1은, 로우사이드 구동전원으로부터의 전류를 부트스트랩 콘덴서 C1의 일단에 공급한다.
충전용 스위칭 소자 Q3의 드레인이 부트스트랩 콘덴서 C1의 타단에 접속되고, 소스가 접지되어 있다. 충전용 스위칭 소자 Q3의 게이트 VG에는, 외부에서 게이트 전압이 입력된다.
도 2는, 본 발명의 실시형태 1에 관한 반도체장치의 동작을 나타낸 타이밍 차트다. 하이사이드 스위칭 소자 Q1이 턴오프, 로우사이드 스위칭 소자 Q2이 턴온하면, 약간 지연되어 충전용 스위칭 소자 Q3이 턴온한다. 이에 따라, VE 단자가 GND 전위가 되고, 부트스트랩 다이오드 D1이 순바이어스되기 때문에, 부트스트랩 콘덴서 C1은 충전된다.
한편, 하이사이드 스위칭 소자 Q1이 턴온, 로우사이드 스위칭 소자 Q2가 턴오프하면, 충전용 스위칭 소자 Q3이 턴오프한다. 이에 따라, VE 단자가 고전위로 되고, 부트스트랩 다이오드 D1이 역바이어스되기 때문에, 부트스트랩 콘덴서 C1은 방전된다.
이어서 본 실시형태의 효과를 비교예 1, 2와 비교해서 설명한다. 도 3은, 비교예 1에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다. 이 장치는, 부트스트랩 회로를 사용한 일반적인 반도체장치로서, 부바이어스 구동을 행하지 않는다. 하이사이드 구동회로(1)의 저압 단자 VS가 하이사이드 스위칭 소자 Q1과 로우사이드 스위칭 소자 Q2의 접속점에 접속되어 있다. 따라서, 로우사이드 스위칭 소자 Q2가 턴온해서 하이사이드 구동회로(1)의 저압 단자 VS가 GND 전위가 되면, 부트스트랩 콘덴서 C1이 충전된다.
도 4는, 비교예 2에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다. 이 장치는, 부트스트랩 회로를 사용하면서, 또한 부바이어스 구동을 행한다. 단, 본 실시형태의 충전용 스위칭 소자 Q3은 존재하지 않는다. 하이사이드 구동회로(1)의 저압 단자 VE가 하이사이드 스위칭 소자 Q1과 로우사이드 스위칭 소자 Q2의 접속점에 접속되고 있지 않아, 로우사이드 스위칭 소자 Q2를 경유해서 부트스트랩 콘덴서 C1을 충전하는 경로가 존재하지 않는다. 따라서, 로우사이드 스위칭 소자 Q2가 턴온해도 하이사이드 구동회로(1)의 저압 단자 VE가 GND 전위로 되지 않아, 부트스트랩 콘덴서 C1이 충전되지 않는다. 이 때문에, 부트스트랩 콘덴서 C1에 의해 하이사이드 구동회로(1)에 구동전압을 공급할 수 없다.
본 실시형태에서는, 부트스트랩 콘덴서 C1의 타단과 접지점 사이에 충전용 스위칭 소자 Q3을 설치하고 있다. 이 충전용 스위칭 소자 Q3이 턴온해서 단자 VE의 전위가 GND로 되면, 부트스트랩 콘덴서 C1은 다이오드 D1과 충전용 스위칭 소자 Q3을 거쳐 충전된다. 따라서, 하이사이드 구동회로(1)가 부바이어스 구동을 행하면서, 부트스트랩 콘덴서 C1에 의해 하이사이드 구동회로(1)에 구동전압을 공급할 수 있다.
또한, 외부에서 입력하는 충전용 스위칭 소자 Q3의 게이트 전압을 제어하여, 충전용 스위칭 소자 Q3의 턴온을 로우사이드 스위칭 소자 Q2의 턴온보다 늦추는 것이 바람직하다. 이에 따라, 충전용 스위칭 소자 Q3을 저전압 상태에서 스위칭시킬 수 있기 때문에, 신뢰성이 향상된다.
실시형태 2.
도 5는, 본 발명의 실시형태 2에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다. 충전용 스위칭 소자 Q3의 제어 단자가 로우사이드 구동회로(2)의 출력 단자에 접속되어 있다. 그 밖의 구성은 실시형태 1과 동일하다. 이에 따라, 충전용 스위칭 소자 Q3의 게이트 전압을 외부에서 개별적으로 공급할 필요가 없어져, 회로 구성을 간략화할 수 있다.
실시형태 3.
도 6은, 본 발명의 실시형태 3에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다. 충전용 스위칭 소자 Q3의 제어 단자와 로우사이드 구동회로(2)의 출력 단자 사이에 지연회로(5)가 접속되어 있다. 그 밖의 구성은 실시형태 2와 같다. 이 지연회로(5)는, 충전용 스위칭 소자 Q3의 턴온을 로우사이드 스위칭 소자 Q2의 턴온보다 늦춘다. 이에 따라, 충전용 스위칭 소자 Q3을 저전압 상태에서 스위칭시킬 수 있기 때문에, 신뢰성이 향상된다.
실시형태 4.
도 7은, 본 발명의 실시형태 4에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다. 부트스트랩 콘덴서 C1과 충전용 스위칭 소자 Q3 사이에 역류 방지용 다이오드 D2가 접속되어 있다. 그 밖의 구성은 실시형태 1과 같다.
이 역류 방지용 다이오드 D2에 의해, 하이사이드 스위칭 소자 Q1 및 로우사이드 스위칭 소자 Q2의 환류 등에 의한 충전용 스위칭 소자 Q3의 역전류를 방지하여, 신뢰성을 높일 수 있다. 이때, 실시형태 2, 3의 구성에 역류 방지용 다이오드 D2를 설치해도 된다.
실시형태 5.
도 8은, 본 발명의 실시형태 5에 관한 반도체장치를 도시한 도면이다. 충전용 스위칭 소자 Q3이 드라이버 IC에 집적되어 있다. 그 밖의 구성은 실시형태 1과 같다. 이에 따라, 회로 구성을 간략화할 수 있다.
이때, 상기한 실시형태 1～5에 있어서, 하이사이드 스위칭 소자 Q1 및 로우사이드 스위칭 소자 Q2는 n채널 MOSFET이지만, 이것에 한정되지 않고 MOSFET, IGBT, SiC-MOSFET 등의 파워 스위칭 소자이어도 된다.
또한, 하이사이드 스위칭 소자 Q1 및 로우사이드 스위칭 소자 Q2는, 규소에 의해 형성된 것에 한정되지 않고, 규소에 비해 밴드갭이 큰 와이드 밴드갭 반도체에 의해 형성된 것이라도 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 전력 손실이 낮고 고효율이기 때문에, 반도체 모듈을 고효율화할 수 있다. 이때, 스위칭 소자와 다이오드 소자의 양쪽이 와이드 밴드갭 반도체에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하지만, 어느 한쪽의 소자가 와이드 밴드갭 반도체에 의해 형성되어 있어도 되고, 본 실시형태에 기재된 효과를 얻을 수 있다.
1 하이사이드 구동회로
2 로우사이드 구동회로
3 기준전압회로
5 지연회로
C1 부트스트랩 콘덴서
D1 부트스트랩 다이오드
D2 역류 방지용 다이오드
Q1 하이사이드 스위칭 소자
Q2 로우사이드 스위칭 소자
Q3 충전용 스위칭 소자

Claims (4)

  1. 고압측 전위와 저압측 전위 사이에 고압측으로부터 순서대로 토템폴 접속된 하이사이드 스위칭 소자 및 로우사이드 스위칭 소자와,
    플로팅 전원이 접속되는 고압 단자와 저압 단자를 갖고, 상기 고압 단자의 전압과 상기 저압 단자의 전압의 한쪽을 상기 하이사이드 스위칭 소자에 공급해서 상기 하이사이드 스위칭 소자를 구동하는 하이사이드 구동회로와,
    상기 로우사이드 스위칭 소자를 구동하는 로우사이드 구동회로와,
    상기 하이사이드 구동회로의 상기 고압 단자의 전압과 상기 저압 단자의 전압 사이의 기준전압을 생성해서 상기 하이사이드 스위칭 소자와 상기 로우사이드 스위칭 소자의 접속점에 공급하는 기준전압회로와,
    제어 단자와, 상기 하이사이드 구동회로의 상기 저압 단자에 접속된 제1단자와, 접지된 제2단자를 갖는 충전용 스위칭 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 충전용 스위칭 소자의 상기 제어 단자는 상기 로우사이드 구동회로의 출력 단자에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 충전용 스위칭 소자의 상기 제어 단자와 상기 로우사이드 구동회로의 상기 출력 단자 사이에 접속된 지연회로를 더 구비한 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이사이드 구동회로의 상기 저압 단자와 상기 충전용 스위칭 소자 사이에 접속된 역류 방지용 다이오드를 더 구비한 것을 특징으로 하는 반도체장치.
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