KR20160100248A - 구동 장치 - Google Patents

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KR20160100248A
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겐 도시유키
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

구동 장치 (1) 로서,
트랜지스터 (13) 와 상기 트랜지스터에 역병렬로 접속되는 제 1 다이오드 (11) 가 제 1 반도체 기판 (10) 에 형성되는 역도통 트랜지스터 (14) ;
상기 트랜지스터의 컬렉터에 접속되는 캐소드를 갖고, 상기 제 1 반도체 기판에 형성되는 제 2 다이오드 (12) ; 및
상기 트랜지스터의 컬렉터와 이미터 사이의 전압을 상기 제 2 다이오드의 애노드를 통해 검출하는 검출부 (26) 를 포함하는 구동 장치.

Description

구동 장치{DRIVE UNIT}
본 발명은 구동 장치에 관한 것이다.
트랜지스터와 상기 트랜지스터에 역병렬로 접속되는 제 1 다이오드가 공통의 반도체 기판에 형성되는 역도통 트랜지스터와, 캐소드가 상기 트랜지스터의 컬렉터에 접속되는 제 2 다이오드를 구비하는 구동 장치가 알려져 있다 (예를 들어, 일본 공개특허공보 2014-216932 를 참조). 이 구동 장치는, 상기 트랜지스터의 컬렉터와 이미터 사이의 전압 (Vce) 을 제 2 다이오드의 애노드를 통해 검출하는 구성을 갖는다.
그러나, 제 1 다이오드의 순방향 전압과 제 2 다이오드의 순방향 전압은, 각각 온도에 따라 변화하는 특성 (온도 특성) 을 갖는다. 따라서, 제 1 다이오드의 온도와 제 2 다이오드의 온도가 각각 독립적으로 변동하면, 제 1 다이오드의 순방향 전압과 제 2 다이오드의 순방향 전압도 각각 독립적으로 변화하기 때문에, 전압 (VCE) 의 검출값의 편차가 커진다.
그래서, 컬렉터와 이미터 사이의 전압의 검출값의 편차를 작게 하는 구동 장치를 제공한다.
본 발명의 양태에 관련된 구동 장치는:
트랜지스터와 상기 트랜지스터에 역병렬로 접속되는 제 1 다이오드가 제 1 반도체 기판에 형성되는 역도통 트랜지스터 ;
상기 트랜지스터의 컬렉터에 접속되는 캐소드를 갖고, 상기 제 1 반도체 기판에 형성되는 제 2 다이오드 ; 및
상기 트랜지스터의 컬렉터와 이미터 사이의 전압을 상기 제 2 다이오드의 애노드를 통해 검출하는 검출부를 포함한다.
상기 양태에 의하면, 제 1 다이오드와 제 2 다이오드가 제 1 반도체 기판에 형성됨으로써, 제 1 다이오드의 온도와 제 2 다이오드의 온도의 차이가 축소되어, 이들 온도는 거의 동일한 온도에서 변동한다. 따라서, 제 1 다이오드와 제 2 다이오드 각각의 순방향 전압이 온도의 변동에 의해 변화하여도, 제 1 다이오드와 제 2 다이오드 각각의 온도가 독립적으로 변동하는 경우에 비해, 상기 트랜지스터의 컬렉터와 이미터 사이의 전압의 검출값의 편차는 작아진다.
본 발명의 예시적 실시형태들의 특징들, 이점들, 및 기술적, 산업적 중요성은 첨부 도면들을 참조하여 이하 설명될 것이고, 같은 도면부호들은 같은 요소들을 나타낸다:
도 1 은, 구동 장치의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 구동 장치의 구성의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 3 은, 구동 장치의 구성의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 4 는, 제 2 다이오드의 배치 위치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5 는, 복수의 구동 장치를 구비하는 전력 변환 장치의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 따라 설명한다.
도 1 은, 제 1 실시형태에 관련된 구동 장치 (1) 의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 구동 장치 (1) 는, 예를 들어, 역도통 트랜지스터 (14) 를 온오프 구동함으로써, 제 1 전류로 (15) 또는 제 2 전류로 (16) 에 접속되는 유도성의 부하 (예를 들어, 인덕터, 모터 등) 를 구동하는 반도체 장치이다.
제 1 전류로 (15) 는, 예를 들어, 전원의 정극 등의 고전원 전위부의 전원 전압 (VH) 에 도전적으로 접속되는 배선이다. 제 1 전류로 (15) 는, 다른 스위칭 소자 또는 부하를 통해 간접적으로 고전원 전위부의 전원 전압 (VH) 에 접속되어도 된다. 제 2 전류로 (16) 는, 예를 들어, 전원의 부극 등의 저전원 전위부 (예를 들어, 그라운드) 에 도전적으로 접속되는 배선이다. 제 2 전류로 (16) 는, 다른 스위칭 소자 또는 부하를 통해 간접적으로 저전원 전위부에 접속되어도 된다.
구동 장치 (1) 가 단수 또는 복수 사용되는 장치로서, 예를 들어, 역도통 트랜지스터 (14) 의 온오프 구동에 의해 전력을 입출력 사이에서 변환하는 전력 변환 장치를 들 수 있다. 전력 변환 장치의 구체예로서, 직류 전력을 승압 또는 강압하는 컨버터, 직류 전력과 교류 전력 사이에서 전력 변환하는 인버터 등을 들 수 있다.
구동 장치 (1) 는, 반도체 기판 (10) 과, 반도체 기판 (10) 과는 다른 구동 회로 기판 (20) 을 구비한다. 반도체 기판 (10) 은, 예를 들어, 역도통 트랜지스터 (14) 와, 보호 다이오드 (12) 를 갖는 칩이다. 구동 회로 기판 (20) 은, 예를 들어, 검출부 (21) 와, 판정부 (31) 와, 구동부 (27) 를 갖는 집적 회로 (IC) 이다.
역도통 트랜지스터 (14) 는, 트랜지스터 (13) 와 환류 다이오드 (11) 가 공통의 반도체 기판 (10) 에 병설되는 역도통 트랜지스터의 일례이다. 트랜지스터 (13) 는, 게이트 (G) 와 컬렉터 (C) 와 이미터 (E) 를 갖는다. 환류 다이오드 (11) 는, 트랜지스터 (13) 의 이미터 (E) 를 애노드로 하는 전극과, 트랜지스터 (13) 의 컬렉터 (C) 를 캐소드로 하는 전극을 갖는다. 요컨대, 역도통 트랜지스터 (14) 는, 트랜지스터 (13) 의 이미터 (E) 와 환류 다이오드 (11) 의 애노드와의 공통 전극과, 트랜지스터 (13) 의 컬렉터 (C) 와 환류 다이오드 (11) 의 캐소드와의 공통 전극이 형성되는 구조를 갖는 스위칭 소자이다. 환류 다이오드 (11) 는, 트랜지스터 (13) 에 역병렬로 접속되는 제 1 다이오드의 일례이다.
역도통 트랜지스터 (14) 는, 예를 들어, 트랜지스터 (13) 를 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGBT) 로 하는 역도통 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (RC-IGBT) 이다. RC-IGBT 는, 다이오드 내장 IGBT 라고 불리는 경우가 있다.
보호 다이오드 (12) 는, 역도통 트랜지스터 (14) 가 형성되는 공통의 반도체 기판 (10) 에 형성되는 제 2 다이오드의 일례이다. 보호 다이오드 (12) 는, 트랜지스터 (13) 의 컬렉터 (C) 에 접속되는 캐소드와, 구동 회로 기판 (20) 의 검출부 (21) 에 접속되는 애노드를 갖는다. 보호 다이오드 (12) 는, 전압값이 상승한 전압 (Vce) 으로부터 구동 회로 기판 (20) (특히, 검출부 (21)) 을 보호할 수 있다. 전압 (Vce) 은, 트랜지스터 (13) 의 컬렉터 (C) 와 이미터 (E) 사이의 전압이다.
검출부 (21) 는, 전압 (Vce) 을 보호 다이오드 (12) 의 애노드를 통해 검출함으로써, 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무를 검출하는 검출부의 일례이다. 검출부 (21) 는, 예를 들어, 전압원 (25) 과, 저항 (24) 과, 모니터 회로 (26) 를 갖는다.
보호 다이오드 (12) 의 애노드는, 저항 (24) 을 통해 전압원 (25) 의 전압 (VB) 에 풀업 접속되어 있다. 저항 (24) 은, 정전류를 출력하는 정전류원이어도 된다. 전압원 (25) 의 그라운드는, 구동 회로 기판 (20) 의 그라운드와 동일하다. 구동 회로 기판 (20) 의 그라운드는, 트랜지스터 (13) 의 이미터 (E) 에 도전적으로 접속된다. 보호 다이오드 (12) 의 애노드와 저항 (24) 의 접속점은 모니터 회로 (26) 에 접속되고, 당해 접속점을 경유하여 입력 전압 (Vin) 이 모니터 회로 (26) 에 입력된다. 요컨대, 입력 전압 (Vin) 은 전압 (Vce) 의 검출값의 일례에 상당한다. 검출부 (21) 는, 모니터 회로 (26) 에 입력되는 입력 전압 (Vin) 의 전압값에 따라, 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무를 검출한다.
예를 들어, 환류 다이오드 (11) 의 통전시의 전압 (Vce) 은, 순방향 전류가 환류 다이오드 (11) 에 흐름으로써, -VF11 과 동일해진다 (트랜지스터 (13) 의 이미터 (E) 를 기준 전위 제로로 하고, VF11 을 환류 다이오드 (11) 의 순방향 전압으로 한다). 이때의 전압 (Vce) (= -VF11) 은 전압 (VB) 에 비해 낮기 때문에, 보호 다이오드 (12) 는 순방향으로 통전된다. 따라서, 환류 다이오드 (11) 의 통전시의 입력 전압 (Vin) 은, 전압 (Vce) 보다 보호 다이오드 (12) 의 순방향 전압 (VF12) 분만큼 높은 「-VF11 ＋ VF12」가 된다.
환류 다이오드 (11) 의 비통전시의 전압 (Vce) 은, 트랜지스터 (13) 가 통전되어 있으면, 트랜지스터 (13) 의 온 전압 (Von) 과 동일해진다. 온 전압 (Von) 은, 컬렉터 (C) 와 이미터 (E) 사이의 트랜지스터 (13) 의 통전시의 전압이다. 이때의 전압 (Vce) (= Von) 도 전압 (VB) 에 비해 낮기 때문에, 보호 다이오드 (12) 는 순방향으로 통전된다. 따라서, 환류 다이오드 (11) 의 비통전시 그리고 트랜지스터 (13) 의 통전시의 입력 전압 (Vin) 은, 전압 (Vce) 보다 보호 다이오드 (12) 의 순방향 전압 (VF12) 분만큼 높은 「Von ＋ VF12」가 된다.
환류 다이오드 (11) 와 트랜지스터 (13) 가 모두 비통전일 때의 전압 (Vce) 은, 제 1 전류로 (15) 에 직접 또는 간접적으로 접속되는 고전원 전위부의 전원 전압 (VH) 과 거의 동일해진다. 이때의 전압 (Vce) (= VH) 은 전압 (VB) 에 비해 높기 때문에, 보호 다이오드 (12) 는 통전되지 않는다. 따라서, 환류 다이오드 (11) 와 트랜지스터 (13) 가 모두 비통전일 때의 입력 전압 (Vin) 은 「전압 (VB)」이 된다. 또한, 전압 (VB) 은 「Von ＋ VF12」 보다 높고 또한 전원 전압 (VH) 보다 낮은 전압값으로 설정된다.
이와 같이, 검출부 (21) 의 모니터 회로 (26) 에 입력되는 입력 전압 (Vin) 의 전압값은, 환류 다이오드 (11) 가 통전되어 있는지의 여부에 따라 변화한다. 따라서, 검출부 (21) 는, 모니터 회로 (26) 에 입력되는 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 차이를 검출함으로써, 환류 다이오드 (11) 가 통전되어 있는지의 여부를 검출할 수 있다.
그러나, 환류 다이오드 (11) 의 순방향 전압 (VF11) 도 보호 다이오드 (12) 의 순방향 전압 (VF12) 도, 온도에 따라 변화하는 특성 (온도 특성) 을 갖는다. 따라서, 환류 다이오드 (11) 의 온도와 보호 다이오드 (12) 의 온도가 각각 독립적으로 변동하면, 순방향 전압 (VF11) 과 순방향 전압 (VF12) 도 각각 독립적으로 변화하기 때문에, 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 편차가 커진다. 그 결과, 검출부 (21) 의 모니터 회로 (26) 에 의한 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무의 검출 정밀도가 저하된다.
예를 들어, 구동 회로 기판 (20) 의 프로세스 비용은, 역도통 트랜지스터 (14) 가 형성되는 반도체 기판 (10) 의 프로세스 비용보다 저렴하기 때문에, 검출부 (21) 를 보호 가능한 보호 다이오드 (12) 는 검출부 (21) 와 함께 구동 회로 기판 (20) 에 형성되는 경우가 상정된다. 그러나, 반도체 기판 (10) 에는 열원인 역도통 트랜지스터 (14) 가 형성되기 때문에, 환류 다이오드 (11) 와 보호 다이오드 (12) 가 다른 기판에 형성되면, 환류 다이오드 (11) 와 보호 다이오드 (12) 각각의 온도는 독립적으로 변동한다. 그 결과, 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 편차가 커지기 때문에, 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무의 검출 정밀도가 저하된다.
이에 비해, 본 실시형태에서는, 보호 다이오드 (12) 는 환류 다이오드 (11) 가 형성되는 공통의 반도체 기판 (10) 에 형성되므로, 환류 다이오드 (11) 의 온도와 보호 다이오드 (12) 의 온도는 각각 독립적으로 변동하지 않고, 거의 동일한 온도에서 변동한다. 따라서, 순방향 전압 (VF11) 과 순방향 전압 (VF12) 이 각각 온도의 변동에 의해 변화하여도, 환류 다이오드 (11) 와 보호 다이오드 (12) 각각의 온도가 독립적으로 변동하는 경우에 비해, 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 편차는 작아진다. 따라서, 검출부 (21) 의 모니터 회로 (26) 에 의한 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
그리고, 환류 다이오드 (11) 가 역병렬로 접속되는 트랜지스터 (13) 의 컬렉터에 보호 다이오드 (12) 의 캐소드가 접속되므로, 환류 다이오드 (11) 의 순방향과 보호 다이오드 (12) 의 순방향은 서로 역방향이 된다. 요컨대, 환류 다이오드 (11) 의 캐소드와 보호 다이오드 (12) 의 캐소드가 접속된다. 이로써, 순방향 전압 (VF11) 의 온도에 의한 변동과 순방향 전압 (VF12) 의 온도에 의한 변동이 거의 상쇄되기 때문에, 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 편차는 작아진다. 따라서, 검출부 (21) 의 모니터 회로 (26) 에 의한 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
환류 다이오드 (11) 와 보호 다이오드 (12) 는, 이종의 다이오드여도 되지만, 동종의 다이오드인 것이 바람직하다. 양 다이오드가 동종의 다이오드임으로써, 양 다이오드의 순방향 전압의 온도 특성을 동일하게 할 수 있다. 이로써, 순방향 전압 (VF11) 의 온도에 의한 변동 편차와 순방향 전압 (VF12) 의 온도에 의한 변동 편차를 동일하게 할 수 있기 때문에, 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 편차는 더욱 작아진다. 따라서, 검출부 (21) 의 모니터 회로 (26) 에 의한 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무의 검출 정밀도를 더욱 높일 수 있다.
검출부 (21) 는, 입력 전압 (Vin) 의 전압값에 기초하여, 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무의 검출 결과를 나타내는 검출 신호 (Vd) 를 모니터 회로 (26) 로부터 출력한다. 예를 들어, 모니터 회로 (26) 는, 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무의 검출 결과를 나타내는 검출 신호 (Vd) 를 출력하기 때문에, 콤퍼레이터 (22) 와 임계값 전압 생성부 (23) 를 갖는다.
콤퍼레이터 (22) 는, 보호 다이오드 (12) 의 애노드와 저항 (24) 의 접속점에 접속되는 비반전 입력부와, 임계값 전압 생성부 (23) 에 접속되는 반전 입력부를 갖는다. 임계값 전압 생성부 (23) 는, 구동 회로 기판 (20) 의 그라운드를 그라운드 기준으로 하는 임계값 전압 (Vth) 을 생성하고, 임계값 전압 (Vth) 을 콤퍼레이터 (22) 의 반전 입력부에 공급한다. 콤퍼레이터 (22) 는, 입력 전압 (Vin) 과 임계값 전압 (Vth) 의 대소 관계를 비교하여, 환류 다이오드 (11) 가 통전되어 있는지의 여부를 검출한다.
임계값 전압 (Vth) 은, 「-VF11 ＋ VF12」보다 높고 또한 「Von ＋ VF12」보다 낮은 전압값으로 설정된다. 이로써, 콤퍼레이터 (22) 는, 입력 전압 (Vin) 이 임계값 전압 (Vth) 보다 낮은 것을 검출한 경우, 환류 다이오드 (11) 가 통전되어 있는 것을 나타내는 로우 레벨의 검출 신호 (Vd) 를 출력한다. 한편, 콤퍼레이터 (22) 는, 입력 전압 (Vin) 이 임계값 전압 (Vth) 보다 높은 것을 검출한 경우, 환류 다이오드 (11) 가 통전되어 있지 않은 것을 나타내는 하이 레벨의 검출 신호 (Vd) 를 출력한다.
예를 들어, 「VF11 = VF12 = Von = 1 [V]」의 경우, 「-VF11 ＋ VF12 = 0 [V], Von ＋ VF12 = 2 [V]」이므로, 임계값 전압 (Vth) 은, 0 [V] 보다 높고 또한 2 [V] 보다 낮은 전압값으로 설정된다. 이 경우, 검출부 (21) 는, 0 암페어보다 약간 큰 미소 전류가 환류 다이오드 (11) 로 흘러도, 환류 다이오드 (11) 의 통전을 검출할 수 있다.
판정부 (31) 는, 검출부 (21) 에 의한 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무의 검출 결과에 기초하여, 트랜지스터 (13) 의 온의 허가 여부를 판정한다. 판정부 (31) 는, 환류 다이오드 (11) 가 통전되어 있는 것이 검출부 (21) 에 의해 검출되는 경우 (예를 들어, 로우 레벨의 검출 신호 (Vd) 가 판정부 (31) 에 입력되는 경우), 트랜지스터 (13) 가 온되는 것을 금지한다. 한편, 판정부 (31) 는, 환류 다이오드 (11) 가 통전되어 있지 않은 것이 검출부 (21) 에 의해 검출되는 경우 (예를 들어, 하이 레벨의 검출 신호 (Vd) 가 판정부 (31) 에 입력되는 경우), 트랜지스터 (13) 가 온되는 것을 허가한다.
판정부 (31) 는, 예를 들어, 지령 신호 (Vg) 와 검출 신호 (Vd) 가 입력되는 논리곱 회로 (AND 게이트) 를 갖는다. 지령 신호 (Vg) 는, 예를 들어, 구동 회로 기판 (20) 의 외부의 제어 장치로부터 공급되는 펄스 폭 변조 (PWM) 신호이다. 하이 레벨의 지령 신호 (Vg) 는 트랜지스터 (13) 의 온 지령을 나타내고, 로우 레벨의 지령 신호 (Vg) 는 트랜지스터 (13) 의 오프 지령을 나타낸다. 지령 신호 (Vg) 를 출력하는 제어 장치는, 예를 들어, 중앙 연산 처리 장치 (CPU) 를 구비하는 마이크로 컴퓨터이다. 또한, 지령 신호 (Vg) 를 출력하는 제어 장치는, 구동 회로 기판 (20) 에 형성되어도 된다.
구동부 (27) 는, 트랜지스터 (13) 의 온이 판정부 (31) 에 의해 금지되어 있는 경우, 트랜지스터 (13) 의 온을 지령하는 지령 신호 (Vg) 가 입력되어도, 트랜지스터 (13) 가 오프 상태로 고정되는 전압값으로 트랜지스터 (13) 의 게이트 전압 (Vge) 을 유지한다. 한편, 구동부 (27) 는, 트랜지스터 (13) 의 온이 판정부 (31) 에 의해 허가되어 있는 경우, 지령 신호 (Vg) 에 따라 트랜지스터 (13) 를 온오프한다. 요컨대, 구동부 (27) 는, 지령 신호 (Vg) 가 트랜지스터 (13) 의 온 지령시, 트랜지스터 (13) 가 온되는 전압값으로 게이트 전압 (Vge) 을 변화시키고, 지령 신호 (Vg) 가 트랜지스터 (13) 의 오프 지령시, 트랜지스터 (13) 가 오프되는 전압값으로 게이트 전압 (Vge) 을 변화시킨다.
역도통 트랜지스터 (14) 에서는, 전류가 환류 다이오드 (11) 에 흐르고 있는 기간에 트랜지스터 (13) 가 온되면, 순방향 전압 (VF11) 이 증대되고, 환류 다이오드 (11) 의 순방향 손실이 증대된다. 이 현상은 「게이트 간섭」이라고 불리는 경우가 있다. 그러나, 트랜지스터 (13) 의 온이 판정부 (31) 에 의해 금지되어 있는 경우, 트랜지스터 (13) 의 온을 지령하는 지령 신호 (Vg) 가 입력되어도, 트랜지스터 (13) 의 오프 상태가 유지된다. 따라서, 환류 다이오드 (11) 의 순방향 손실의 증대를 억제할 수 있다. 그 결과, 예를 들어, 구동 장치 (1) 의 소비 전력을 저감할 수 있고, 나아가서는 구동 장치 (1) 를 탑재하는 차량의 연비 향상에 기여할 수 있다.
도 2 는, 제 2 실시형태에 관련된 구동 장치 (2) 의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 상기 서술한 구동 장치 (1) 와 동일한 구성 및 효과에 대해서는, 구동 장치 (1) 의 설명을 원용한다. 구동 장치 (2) 는, 구동 장치 (1) 와는 상이한 다른 형태의 모니터 회로 (26) 를 갖는다. 구동 장치 (2) 의 모니터 회로 (26) 는, 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무의 검출 결과를 나타내는 검출 신호 (Vd) 를 출력하기 때문에, ADC (32) 와 처리 회로 (28) 를 갖는다.
ADC (32) 는, 보호 다이오드 (12) 의 애노드와 저항 (24) 의 접속점에 접속되는 입력부를 갖는 AD (Analog-to-Digital) 컨버터이다. ADC (32) 는, 입력 전압 (Vin) 의 아날로그값을 디지털값으로 변환하여 처리 회로 (28) 에 출력한다. 처리 회로 (28) 는, 입력 전압 (Vin) 의 디지털값과 임계값 전압 (Vth) 의 디지털값의 대소 관계를 비교하여, 환류 다이오드 (11) 가 통전되어 있는지 여부의 검출 결과를 나타내는 검출 신호 (Vd) 를 출력한다.
도 3 은, 제 3 실시형태에 관련된 구동 장치 (3) 의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 상기 서술한 구동 장치 (1) 와 동일한 구성 및 효과에 대해서는, 구동 장치 (1) 의 설명을 원용한다. 구동 장치 (3) 는, 구동 장치 (1) 와는 상이한 다른 형태의 모니터 회로 (26) 를 갖는다. 구동 장치 (3) 의 모니터 회로 (26) 는, 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무의 검출 결과를 나타내는 검출 신호 (Vd) 를 출력하기 때문에, 버퍼 회로 (29) 를 갖는다.
버퍼 회로 (29) 는, 보호 다이오드 (12) 의 애노드와 저항 (24) 의 접속점에 접속되는 입력부를 갖는다. 버퍼 회로 (29) 의 입력부의 임계값은, 임계값 전압 (Vth) 으로 설정된다. 버퍼 회로 (29) 는, 입력 전압 (Vin) 과 임계값 전압 (Vth) 의 대소 관계를 비교하여, 환류 다이오드 (11) 가 통전되어 있는지 여부의 검출 결과를 나타내는 검출 신호 (Vd) 를 출력한다.
도 4 는, 보호 다이오드 (12) 의 배치 위치의 일례를 나타내는 도면이다. 도 4 는, 반도체 기판 (10) 을 모식적으로 나타내는 평면도이다. 반도체 기판 (10) 은, 역도통 트랜지스터 (14) 가 배치되는 소자 액티브 영역 (17, 18) 을 갖는다. 도시된 경우, 보호 다이오드 (12) 는, 사각형의 반도체 기판 (10) 의 중앙부 (34) (구체적으로는, 일방의 소자 액티브 영역 (17) 과 타방의 소자 액티브 영역 (18) 사이에 끼워진 영역) 에 배치된다. 중앙부 (34) 와 소자 액티브 영역 (17, 18) 의 온도차는 비교적 작다.
따라서, 보호 다이오드 (12) 가 중앙부 (34) 에 배치됨으로써, 환류 다이오드 (11) 와 보호 다이오드 (12) 의 온도차는 작아지므로, 양 다이오드의 온도는 각각 독립적으로 변동하지 않고, 거의 동일한 온도에서 변동한다. 따라서, 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 편차는 작아지므로, 검출부 (21) 의 모니터 회로 (26) 에 의한 환류 다이오드 (11) 의 통전 유무의 검출 정밀도를 더욱 높일 수 있다.
또한, 보호 다이오드 (12) 는, 반도체 기판 (10) 의 중앙부 (34) 가 아니라 중앙부 (34) 이외의 영역 (예를 들어, 소자 액티브 영역과 반도체 기판 (10) 의 에지 사이의 영역) 에 배치되어도 된다.
도 5 는, 복수의 구동 장치를 구비하는 전력 변환 장치 (101) 의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 상기 서술한 구동 장치 (1) 와 동일한 구성 및 효과에 대해서는, 구동 장치 (1) 의 설명을 원용한다. 전력 변환 장치 (101) 는, 구동 장치 (1) 와 동일한 구성을 각각 갖는 1 쌍의 구동 장치 (1L, 1H) 를 구비한다. 전력 변환 장치 (101) 는, 중간 노드 (19) 에 대하여 로우 사이드에 형성되는 구동 장치 (1L) 와, 중간 노드 (19) 에 대하여 하이 사이드에 형성되는 구동 장치 (1H) 를 구비한다. 중간 노드 (19) 에는, 유도성의 부하 (30) 가 접속된다.
전류로 (15L) 는 역도통 트랜지스터 (14H) 를 통해 전원 전압 (VH) 의 고전원 전위부에 접속되고, 전류로 (16L) 는 그라운드에 접속된다. 전류로 (15H) 는 전원 전압 (VH) 의 고전원 전위부에 접속되고, 전류로 (16H) 는 역도통 트랜지스터 (14L) 를 통해 그라운드에 접속된다.
전력 변환 장치 (101) 는, 구동 장치 (1L) 의 역도통 트랜지스터 (14L) 와, 구동 장치 (1H) 의 역도통 트랜지스터 (14H) 가 직렬로 접속되는 아암 회로 (33) 를 구비한다. 전력 변환 장치 (101) 는, 삼상식 (三相式) 의 모터를 구동하는 인버터로서 사용되는 경우, 삼상식의 모터의 상수 (相數) 와 동수인 3 개의 아암 회로 (33) 를 병렬로 구비한다.
구동 장치 (1L) 는, 반도체 기판 (10L) 과, 구동 회로 기판 (20L) 을 구비한다. 반도체 기판 (10L) 은, 역도통 트랜지스터 (14L) 와 보호 다이오드 (12L) 를 갖는 칩이다. 전압 (Vcel) 은, 트랜지스터 (13L) 의 컬렉터 (C) 와 이미터 (E) 사이의 전압이다. 한편, 구동 장치 (1H) 는, 반도체 기판 (10H) 과 구동 회로 기판 (20H) 을 구비한다. 반도체 기판 (10H) 은, 역도통 트랜지스터 (14H) 와 보호 다이오드 (12H) 를 갖는 칩이다. 전압 (Vceh) 은, 트랜지스터 (13H) 의 컬렉터 (C) 와 이미터 (E) 사이의 전압이다.
트랜지스터 (13L) 의 온을 지령하는 하이 레벨의 지령 신호 (Vgl) 가 구동 장치 (1L) 에 입력되고 있는 기간에서는, 트랜지스터 (13H) 의 오프를 지령하는 로우 레벨의 지령 신호 (Vgh) 가 구동 장치 (1H) 에 입력되고 있다. 한편, 트랜지스터 (13H) 의 온을 지령하는 하이 레벨의 지령 신호 (Vgh) 가 구동 장치 (1H) 에 입력되고 있는 기간에서는, 트랜지스터 (13L) 의 오프를 지령하는 로우 레벨의 지령 신호 (Vgl) 가 구동 장치 (1L) 에 입력되고 있다.
구동 장치 (1L) 의 구동부 (27) 는, 트랜지스터 (13L) 의 온이 구동 장치 (1L) 의 판정부 (31) 에 의해 금지되어 있는 경우, 트랜지스터 (13L) 의 온을 지령하는 지령 신호 (Vgl) 가 입력되어도, 트랜지스터 (13L) 가 오프 상태로 고정되는 전압값으로 트랜지스터 (13L) 의 게이트 전압 (Vgel) 을 유지한다. 한편, 구동 장치 (1L) 의 구동부 (27) 는, 트랜지스터 (13L) 의 온이 구동 장치 (1L) 의 판정부 (31) 에 의해 허가되어 있는 경우, 지령 신호 (Vgl) 에 따라 트랜지스터 (13L) 를 온오프한다.
구동 장치 (1H) 의 구동부 (27) 는, 트랜지스터 (13H) 의 온이 구동 장치 (1H) 의 판정부 (31) 에 의해 금지되어 있는 경우, 트랜지스터 (13H) 의 온을 지령하는 지령 신호 (Vgh) 가 입력되어도, 트랜지스터 (13H) 가 오프 상태로 고정되는 전압값으로 트랜지스터 (13H) 의 게이트 전압 (Vgeh) 을 유지한다. 한편, 구동 장치 (1H) 의 구동부 (27) 는, 트랜지스터 (13H) 의 온이 구동 장치 (1H) 의 판정부 (31) 에 의해 허가되어 있는 경우, 지령 신호 (Vgh) 에 따라 트랜지스터 (13H) 를 온오프한다.
환류 다이오드 (11L) 의 통전시의 전압 (Vcel) 은, 환류 다이오드 (11L) 의 통전에 의해 -VF11 과 동일해지고, 전압 (VB) 에 비해 낮아지므로, 보호 다이오드 (12L) 는 통전된다. 따라서, 환류 다이오드 (11L) 의 통전시의 입력 전압 (Vin) 은 「-VF11 ＋ VF12」가 된다.
한편, 환류 다이오드 (11L) 의 비통전시의 전압 (Vcel) 은, 트랜지스터 (13L) 가 통전되어 있으면, 트랜지스터 (13L) 의 온 전압 (Von) 과 동일해지고, 전압 (VB) 에 비해 낮아지므로, 보호 다이오드 (12L) 는 통전된다. 따라서, 환류 다이오드 (11L) 의 비통전시 그리고 트랜지스터 (13L) 의 통전시의 입력 전압 (Vin) 은 「Von ＋ VF12」가 된다.
한편, 환류 다이오드 (11L) 와 트랜지스터 (13L) 가 모두 비통전일 때의 전압 (Vcel) 은, 트랜지스터 (13H) 의 온 또는 환류 다이오드 (11H) 의 통전에 의해, 전원 전압 (VH) 과 거의 동일해지고, 전압 (VB) 에 비해 높아지므로, 보호 다이오드 (12L) 는 통전되지 않는다. 따라서, 환류 다이오드 (11L) 와 트랜지스터 (13L) 가 모두 비통전일 때의 입력 전압 (Vin) 은 「전압 (VB)」이 된다.
따라서, 구동 장치 (1L) 의 검출부 (21) 는, 구동 장치 (1L) 의 모니터 회로 (26) 에 입력되는 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 차이를 검출함으로써, 환류 다이오드 (11L) 가 통전되어 있는지의 여부를 검출할 수 있다. 그리고, 보호 다이오드 (12L) 는, 환류 다이오드 (11L) 가 형성되는 공통의 반도체 기판 (10L) 에 형성되므로, 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 편차는 작아진다. 따라서, 구동 장치 (1L) 의 검출부 (21) 의 모니터 회로 (26) 에 의한 환류 다이오드 (11L) 의 통전 유무의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
구동 장치 (1H) 도 구동 장치 (1L) 와 동일하게 동작하므로, 구동 장치 (1H) 의 검출부 (21) 의 모니터 회로 (26) 에 의한 환류 다이오드 (11H) 의 통전 유무의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
이상, 구동 장치를 실시형태에 의해 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시형태의 일부 또는 전부와의 조합이나 치환 등의 여러 가지 변형 및 개량이 가능하다.
예를 들어, RC-IGBT 는, 역도통 트랜지스터의 일례이며, 역도통 트랜지스터는 다른 스위칭 소자여도 된다.
또, 트랜지스터에 역병렬로 접속되는 다이오드의 통전 유무를 검출하는 검출부는, 역도통 트랜지스터가 형성되는 반도체 기판과는 다른 기판에 형성되는 것이 아니라, 역도통 트랜지스터가 형성되는 반도체 기판에 형성되어도 된다.
혹은, 검출부 (21) 는, 전압 (Vce) 을 보호 다이오드 (12) 의 애노드를 통해 검출함으로써, 역도통 트랜지스터 (14) 의 통전 방향을 검출하는 것이어도 된다. 역도통 트랜지스터 (14) 를 컬렉터로부터 이미터로 흐르는 정 (正) 방향의 전류는 트랜지스터 (13) 에 흐르고, 역도통 트랜지스터 (14) 를 이미터로부터 컬렉터로 흐르는 부 (負) 방향의 전류는 환류 다이오드 (11) 에 흐른다. 따라서, 역도통 트랜지스터 (14) 에 흐르는 전류의 방향이 정일 때 (즉, 트랜지스터 (13) 가 통전되었을 때) 의 입력 전압 (Vin) 은 「Von ＋ VF12」와 동일해진다. 한편, 역도통 트랜지스터 (14) 에 흐르는 전류의 방향이 부일 때 (즉, 환류 다이오드 (11) 가 통전되었을 때) 의 입력 전압 (Vin) 은 「-VF11 ＋ VF12」와 동일해진다.
이와 같이, 검출부 (21) 의 모니터 회로 (26) 에 입력되는 입력 전압 (Vin) 의 전압값은, 역도통 트랜지스터 (14) 에 흐르는 전류의 방향의 차이에 의해 변화한다. 따라서, 검출부 (21) 는, 모니터 회로 (26) 에 입력되는 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 차이를 검출함으로써, 역도통 트랜지스터 (14) 의 통전 방향을 검출할 수 있다.
예를 들어, 콤퍼레이터 (22) 는, 입력 전압 (Vin) 이 제 1 임계값 전압 (Vth1) 보다 낮은 것을 검출한 경우, 역도통 트랜지스터 (14) 의 통전 방향이 부의 방향인 (즉, 환류 다이오드 (11) 가 통전되어 있는) 것을 나타내는 로우 레벨의 검출 신호 (Vd) 를 출력한다. 제 1 임계값 전압 (Vth1) 은 「-VF11 ＋ VF12」보다 높고 또한 「Von ＋ VF12」보다 낮은 전압값으로 설정된다. 한편, 콤퍼레이터 (22) 는, 입력 전압 (Vin) 이 제 1 임계값 전압 (Vth1) 보다 높고 또한 제 2 임계값 전압 (Vth2) 보다 낮은 것을 검출한 경우, 역도통 트랜지스터 (14) 의 통전 방향이 정의 방향인 (즉, 트랜지스터 (13) 가 통전되어 있는) 것을 나타내는 하이 레벨의 검출 신호 (Vd) 를 출력한다. 제 2 임계값 전압 (Vth2) 은, 제 1 임계값 전압 (Vth1) 보다 높다. 제 2 임계값 전압 (Vth2) 은 「Von ＋ VF12」보다 높고 또한 「VB」보다 낮은 전압값으로 설정된다.
판정부 (31) 는, 검출부 (21) 에 의한 역도통 트랜지스터 (14) 의 통전 방향의 검출 결과에 기초하여, 트랜지스터 (13) 의 온의 허가 여부를 판정한다. 판정부 (31) 는, 역도통 트랜지스터 (14) 의 통전 방향이 부의 방향인 (즉, 환류 다이오드 (11) 가 통전되어 있는) 것이 검출부 (21) 에 의해 검출되는 경우 (예를 들어, 로우 레벨의 검출 신호 (Vd) 가 판정부 (31) 에 입력되는 경우), 트랜지스터 (13) 가 온되는 것을 금지한다. 한편, 판정부 (31) 는, 역도통 트랜지스터 (14) 의 통전 방향이 정의 방향인 (즉, 트랜지스터 (13) 가 통전되어 있는) 것이 검출부 (21) 에 의해 검출되는 경우 (예를 들어, 하이 레벨의 검출 신호 (Vd) 가 판정부 (31) 에 입력되는 경우), 트랜지스터 (13) 가 온되는 것을 허가한다.
혹은, 검출부 (21) 는, 전압 (Vce) 을 보호 다이오드 (12) 의 애노드를 통해 검출함으로써, 트랜지스터 (13) 의 통전 유무를 검출하는 것이어도 된다. 트랜지스터 (13) 의 통전시의 입력 전압 (Vin) 은 「Von ＋ VF12」와 동일해진다. 한편, 트랜지스터 (13) 의 비통전시의 입력 전압 (Vin) 은 「-VF11 ＋ VF12」또는 「전압 (VB)」과 동일해진다.
이와 같이, 검출부 (21) 의 모니터 회로 (26) 에 입력되는 입력 전압 (Vin) 의 전압값은, 트랜지스터 (13) 가 통전되어 있는지의 여부에 따라 변화한다. 따라서, 검출부 (21) 는, 모니터 회로 (26) 에 입력되는 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 차이를 검출함으로써, 트랜지스터 (13) 가 통전되어 있는지의 여부를 검출할 수 있다.
예를 들어, 콤퍼레이터 (22) 는, 입력 전압 (Vin) 이 제 1 임계값 전압 (Vth1) 보다 낮거나 또는 제 2 임계값 전압 (Vth2) 보다 높은 것을 검출한 경우, 트랜지스터 (13) 가 통전되어 있지 않은 것을 나타내는 로우 레벨의 검출 신호 (Vd) 를 출력한다. 제 2 임계값 전압 (Vth2) 은, 제 1 임계값 전압 (Vth1) 보다 높다. 제 1 임계값 전압 (Vth1) 은 「-VF11 ＋ VF12」보다 높고 또한 「Von ＋ VF12」보다 낮은 전압값으로 설정된다. 제 2 임계값 전압 (Vth2) 은 「Von ＋ VF12」보다 높고 또한 「VB」보다 낮은 전압값으로 설정된다. 한편, 콤퍼레이터 (22) 는, 입력 전압 (Vin) 이 제 1 임계값 전압 (Vth1) 보다 높고 또한 제 2 임계값 전압 (Vth2) 보다 낮은 것을 검출한 경우, 트랜지스터 (13) 가 통전되어 있는 것을 나타내는 하이 레벨의 검출 신호 (Vd) 를 출력한다. 또한, 이 경우, 트랜지스터 (13) 가 통전되어 있지 않을 때, 트랜지스터 (13) 의 온을 지령하는 지령 신호 (Vg) 가 입력되어도 트랜지스터 (13) 의 온이 불가능해지기 때문에, 검출 신호 (Vd) 는, 판정부 (31) 에 의한 트랜지스터 (13) 의 온의 허가 여부 판정에는 사용되지 않는다.
상기와 같이, 보호 다이오드 (12) 는, 환류 다이오드 (11) 가 형성되는 공통의 반도체 기판 (10) 에 형성됨으로써, 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 편차는 작아진다. 그리고, 상기와 같이, 환류 다이오드 (11) 와 보호 다이오드 (12) 는 동종의 다이오드임으로써, 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 편차는 작아진다. 그리고, 상기와 같이, 보호 다이오드 (12) 가 반도체 기판 (10) 의 중앙부 (34) 에 배치됨으로써, 입력 전압 (Vin) 의 전압값의 편차는 작아진다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 역도통 트랜지스터 (14) 의 통전 방향의 검출 정밀도, 혹은 트랜지스터 (13) 의 통전 유무의 검출 정밀도를 높일 수 있다.

Claims (8)

  1. 구동 장치 (1) 로서,
    트랜지스터 (13) 와 상기 트랜지스터에 역병렬로 접속되는 제 1 다이오드 (11) 가 제 1 반도체 기판 (10) 에 형성되는 역도통 트랜지스터 (14) ;
    상기 트랜지스터의 컬렉터에 접속되는 캐소드를 갖고, 상기 제 1 반도체 기판에 형성되는 제 2 다이오드 (12) ; 및
    상기 트랜지스터의 컬렉터와 이미터 사이의 전압을 상기 제 2 다이오드의 애노드를 통해 검출하는 검출부 (26) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는, 상기 전압을 상기 제 2 다이오드의 애노드를 통해 검출함으로써, 상기 제 1 다이오드의 통전 유무를 검출하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는, 상기 전압을 상기 제 2 다이오드의 애노드를 통해 검출함으로써, 상기 역도통 트랜지스터의 통전 방향을 검출하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는, 상기 전압을 상기 제 2 다이오드의 애노드를 통해 검출함으로써, 상기 트랜지스터의 통전 유무를 검출하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출부는, 상기 제 1 반도체 기판과는 다른 제 2 반도체 기판 (20) 에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드와 상기 제 2 다이오드는 동종의 다이오드인 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 다이오드는, 상기 제 1 반도체 기판의 중앙부 (34) 에 배치되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 역도통 트랜지스터는, 역도통 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 구동 장치.
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