JP4793214B2 - 半導体素子駆動回路 - Google Patents

半導体素子駆動回路

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Description

本発明は、入力信号に応じて、電圧駆動型の半導体素子に駆動信号を出力する駆動回路に関する。
図3に示すように、特許文献1には、電圧駆動型の半導体素子に駆動信号を出力する駆動回路の一例が開示されている。この駆動回路では、パワートランジスタ144(図ではバイポーラトランジスタのシンボルで示されているが、段落(0008)には「パワーMOSFETトランジスタ44」と記載されている)のゲートを電気的な過剰ストレスから保護するために、能動電圧クランプ回路が設けられている。また、図3の符号は、特許文献1で付されている符号を100番台で示している。
この能動電圧クランプ回路は、ツェナーダイオード132及び134とトランジスタ136及び138によって構成されているカレントミラーとを有している。B+電圧が次式のしきい値電圧Vthより低い場合、
Vth=Vth(D132)+Vth(D134)+VBE(Tr138)
能動電圧クランプは受動的状態で、回路動作に影響を与えない。逆に、ダイオード132及び134,トランジスタ138を介して電流を導通させ、B+電圧がVth電圧以上になると能動電圧クランプは活性状態となる。トランジスタ138を介して流れる電流は、トランジスタ125のゲートに接続されるトランジスタ136を介してミラー動作される。B+電圧がダイオード132及び134のしきい値電圧よりも高くなると、電流がダイオード132及び134を介して流れ始め、トランジスタ136を介してミラー動作される結果、トランジスタ125のゲートをロウレベルにする。
従って、トランジスタ144のゲート電位はダイオード132及び134のしきい値電圧+トランジスタ138における電圧降下の電圧にクランプされる。そして、電流の流れは、ダイオード132及び134とトランジスタ136及び138で形成されるカレントミラーを介したフィードバックループで制限されるようになっている。
特開平8−293774号公報
上記の構成では、トランジスタ125のゲート電位は、インバータ122の電源電圧とゲート抵抗124における電圧降下とで決定される。従って、インバータ122の電源電圧などが変動するとクランプ電流も変動してしまい、消費電流がばらついてしまうという問題があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、クランプ電圧のばらつきを抑制することができる半導体素子駆動回路を提供することにある。
請求項1記載の半導体素子駆動回路によれば、電圧駆動型の半導体素子を導通状態とする場合、入力信号に応じて抵抗素子に定電流を供給し、出力側ミラー対により前記半導体素子の導通制御端子を介して流れる電流を決定する。また、導通制御端子と、出力側ミラー対の主トランジスタ側の電流経路中で前記抵抗素子の端子電圧に等しくなる電位点との間に定電圧素子を接続することで、各素子の接続形態に応じて、導通制御端子を介して流れる電流の一部が定電圧素子を介して前記電位点に流入するか、若しくは、前記電位点より定電圧素子を介して分流した電流が前記導通制御端子に流入するようになる。
ここで、ミラー対の「主トランジスタ」とは、ミラー対に流れる電流を決定するように接続されている方のトランジスタであり、他方については、以降で「副トランジスタ」と称している。
即ち、駆動対象となる半導体素子(駆動対象素子)が導通状態になると、導通制御端子の電位は、抵抗素子の端子電圧に定電圧素子が発生する定電圧を増減したものにクランプされる。そして、定電流源を、温度依存性並びに電圧依存性がない回路で構成し、抵抗素子を温度依存性がない素子で構成すれば、クランプ電圧が電源電圧や温度の変動による影響を受けることはなくなり、駆動対象となる半導体素子を介して流れる負荷電流を略一定に維持することができる。
加えて、駆動対象素子が導通状態になった場合は、定電圧素子を介して流れる電流により出力側ミラー対の主トランジスタ側に流れる電流が増減するようになり、その結果、駆動対象素子の導通制御端子を介して流れる駆動電流に負帰還が作用するので、クランプ動作が行われる場合に流れる電流を抑制することができる。
そして、出力段を、2つの半導体素子を直列接続して構成し、両者の共通接続点に駆動対象素子の導通制御端子を接続して、出力段を構成する半導体素子の一方を、出力側ミラー対を構成する副トランジスタとする。即ち、駆動対象素子が導通状態となった場合に導通制御端子を介して流れる電流は、出力側ミラー対の主トランジスタを介して流れる電流のミラー電流となり、その主トランジスタを介して流れる電流が上述した定電圧素子の作用により増減するので、クランプ動作時に副トランジスタを介して流れる駆動電流に負帰還が作用する。
また、前記電位点を、出力側ミラー対を構成する主トランジスタと、この主トランジスタを介して流れる電流を、定電流源に基づき決定する電流決定ミラー対を構成する副トランジスタとの間に配置する。即ち、上記定電流源によって流れる定電流をI1とすれば、上記副トランジスタ側に流れる電流もI1となり、駆動対象素子の導通時に定電圧素子を介して流れる電流をIsとすれば、出力側ミラー対の主トランジスタを介して流れる電流は(I1−Is)となるように決定されて、駆動電流の負帰還作用が生じる。
請求項記載の半導体素子駆動回路によれば、抵抗素子を、入力信号の変化に応じて導通状態が変化する入力側ミラー対を構成する主トランジスタに直列に接続し、その入力側ミラー対を構成する副トランジスタを、出力側ミラー対を構成する主トランジスタと、電流決定ミラー対を構成する副トランジスタとの間に配置する。
従って、入力側ミラー対を構成する主トランジスタが導通した場合、請求項1で規定した定電流源からの定電流(I2とする)を抵抗素子(抵抗値Rとする)に供給すれば、その端子電圧はR・I2となる。そして、電流決定ミラー対では請求項で述べたように、主トランジスタ側に定電流I1が流れるので、出力側ミラー対に流れる電流は2つの定電流I1,I2に応じて決定される。
またこの場合、入力側ミラー対の主トランジスタが導通することで同ミラー対の副トランジスタが導通し、その結果、出力側ミラー対の主トランジスタ及び副トランジスタが導通し、導通制御端子に電流が流れて、駆動対象素子が導通するようになる。
請求項記載の半導体素子駆動回路によれば、入力側ミラー対をMOSFETによって構成し、抵抗素子を前記MOSFETのソース側に接続する。斯様に構成すれば、抵抗素子の端子電圧は、入力側ミラー対の主FETのソース電位に等しい。また、FETが導通する場合、ゲート−ソース間の閾値電圧VGSは一定電圧を示すので、入力側ミラー対の副FETのソース電位は、主FETのソース電位に両FETの閾値電圧VGSを加減したものとなる。従って、2つの定電流I1,I2を等しく設定すれば、副FETのソースが前記電位点となる。
(第1実施例)
以下、本発明の第1実施例について図1を参照して説明する。電源VBの正側端子には、2つの電流源1,2が接続されており、電流源2側には、NチャネルMOSFET3及4のドレインが接続されている。FET3(主トランジスタ)のソースは抵抗素子5を介して、FET4(副トランジスタ)のソースは直接グランドに接続されている。また、FET3のドレインは、自身のゲートに接続されていると共に、NチャネルMOSFET6のゲートに接続されている。
電流源1は、NチャネルMOSFET7のドレイン−ソースを介してグランドに接続されており、FET7(主トランジスタ)のゲートは、自身のドレイン並びにNチャネルMOSFET8のゲートに接続されている。FET8(副トランジスタ)のドレインはFET6のソースに接続され、FET8のソースはグランドに接続されている。2つのPチャネルMOSFET9,10のソースは電源VBの正側端子に接続され、両者のゲートは、FET9(主トランジスタ)のドレインと共にFET6のドレインに接続されている。また、FET9,10のゲートは、抵抗素子50を介して電源VBの正側端子に接続されている。
FET10(副トランジスタ)のドレインは、NチャネルMOSFET11のドレインに接続され、FET11のソースはグランドに、ゲートはFET4のゲートに接続されている。そして、電源VBの正側端子とグランドとの間には、負荷(例えば、抵抗素子やインダクタンスなど)12と、NチャネルMOSFET13(駆動対象素子)との直列回路が接続されており、FET13のゲートは、FET10,11のドレインに接続されている。
FET13は、例えばパワーMOSFETである。そのFET13のゲートとグランドとの間には、互いに逆方向となるダイオード14及びツェナーダイオード15の直列回路が接続されている。更に、FET13のゲートは、ツェナーダイオード16(定電圧素子)のカソードに接続されており、ツェナーダイオード16のアノードは、FET8のドレインに接続されている。
そして、FET4,11のゲートに対して、駆動制御信号VINが与えられるようになっている。以上の構成において、FET3,6のペアが入力側ミラー対17を構成し、FET7,8のペアが電流決定ミラー対18を構成し、FET9,10のペアが出力側ミラー対19を構成している。また、負荷12及びFET13を除いたものが、駆動回路20を構成している。
次に、本実施例の作用について説明する。駆動制御信号VINがハイレベルの場合、FET4,11は何れもONになり、FET3,6は何れもOFFになる。従って、FET9,10もOFFになり、その結果、FET13のゲート電位VoutはロウレベルになりFET13はOFFされるので、負荷12に対する通電は行われない。
一方、駆動制御信号VINがロウレベルの場合、FET4,11は何れもOFF,FET3,6は何れもONになる。従って、FET9,10もONになり、その結果、FET13のゲート電位Voutはハイレベルになり、FET13はONとなって負荷12に通電が行われる。この時、ツェナーダイオード16が接続されていない状態を仮定すると、電圧VBが、
VB>VD3+VZD2 …(1)
であれば、FET10を介してダイオード14及び15に電流が流れる。但し、VD3はダイオード14の順方向電圧、VZD2はツェナーダイオード15のツェナー電圧である。駆動制御信号VINの周波数が数100kHzオーダーである場合、FET13の入力容量が100pF程度であればFET10を介して流れる電流は100mA程度となり、その略全てが無駄な電流として、ダイオード14及び15を介してグランドに流れてしまう。
そこで、本実施例では、ツェナーダイオード16を配置している。ツェナーダイオード16を設けることで、電圧VBが、
VB>V2+VZD1 …(2)
であれば、電流はツェナーダイオード16を経由してFET8に流れ込む。但し、V2はFET8のドレイン電位、VZD1はツェナーダイオード16のツェナー電圧である。
この時、FET8に流れる電流をI_M5とすると、
I_M5=I_ZD1+I1 …(3)
となる。但し、I_ZD1はツェナーダイオード16に流れる電流、I1は電流源1により供給される定電流である。即ち、(3)式が示すように、FET8がFET9より引き出す電流は、自身のドレインに電流I_ZD1が流入する分だけ減少することになり、それに伴いFET10を介して流れる出力電流も減少する。つまり、出力電流について負帰還が作用している。
また、ゲート電位Voutは
Vout=V2+VZD1 …(4)
でクランプされることになる。ここで、FET8のドレイン電位V2は、(5)式で表される。
V2=VGS2+R1×I2−VGS1 …(5)
但し、VGS2,VGS1は、FET3,6のゲート−ソース間電圧、R1は抵抗素子5の抵抗値、I2は電流源2により供給される定電流である。そして、
VGS1=(2×I1/β)1/2 …(6)
VGS2=(2×I2/β)1/2 …(7)
で表される。但し、
β=(μ×Cx×W)/L …(8)
であり、μはFETの電子移動度、Cxはゲート酸化膜容量、Wはチャネル幅、Lはチャネル長である。従って、電流源1,2の定電流値I1,I2が等しくなるように設定すれば、
V2=R1×I2 …(9)
となる。
即ち、抵抗素子5を、温度依存性がない薄膜抵抗で構成し、電流源2についても温度依存性,並びに電圧依存性がない構成とすれば、クランプ電圧Voutについて、温度の変動や電源VBの変動による影響を排除することができる。上記のような特性を備える定電流源回路は周知構成であり、例えば、特開平8−76868号公報に開示されている回路等を使用すれば良い。
以上のように本実施例によれば、FET13をON状態とする場合、入力信号VINに応じて抵抗素子5に定電流源2による定電流I2を供給し、出力側ミラー対19によりFET13のゲートを介して流れる電流を決定する。また、前記ゲートと、出力側ミラー対19のFET9側の電流経路中で、抵抗素子5の端子電圧に等しくなる電位点(FET8のドレイン)との間にツェナーダイオード16を接続することで、FET13のゲートを介して流れる電流を前記電位点に流入させる負帰還経路を形成した。
従って、FET13のゲート電位を、抵抗素子5の端子電圧(=V2)にツェナーダイオード16が発生する定電圧VZD1を加えたものにクランプすることができる。そして、定電流源2を温度依存性並びに電圧依存性がない回路で構成し、抵抗素子5を温度依存性がない素子で構成することでクランプ電圧が電源電圧や温度の変動による影響を受けることはなくなり、FET13を介して流れる負荷電流を略一定に維持することができる。
また、駆動回路20の出力段を、2つのFET10及び11を直列接続して構成し、両者の共通接続点にFET13のゲートを接続し、FET10を出力側ミラー対19の副トランジスタとしたので、FET13がON状態となった場合にゲートを介して流れる電流は、出力側ミラー対19のFET9を介して流れる電流のミラー電流となり、そのFET9介して流れる電流に、FET13のゲート→ツェナーダイオード16を経由した電流が上記電位点で合流する。従って、クランプ動作時に流れる駆動電流は、ツェナーダイオード16を介してFET9側に帰還した電流により抑制される。
また、前記電位点を、FET9と電流決定ミラー対18のFET8との間に配置したので、出力側ミラー対19のFET9を介して流れる電流を、定電流I1よりツェナーダイオード16を介して流れる電流を減じたもので決定できる。更に、抵抗素子5を入力側ミラー対17を構成するFET3のソースに直列に接続し、その入力側ミラー対17を構成するFET6をFET9とFET8との間に配置したので、出力側ミラー対19に流れる電流を、2つの定電流I1,I2に応じて決定することができる。
そして、抵抗素子5の端子電圧は、入力側ミラー対17を構成するFET3のソース電位に等しくなり、FET6のソース電位は、FET3,6の閾値電あるVGS2,VGS1を加減したものとなるので、2つの定電流I1,I2を等しく設定することで、FET6のソースを抵抗素子5の端子電圧に等しい電位点とすることができる。
(第2実施例)
図2は本発明の第2実施例を示すものであり、第1実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第2実施例は、駆動対象とする半導体素子がPチャネルMOSFETの場合である。電源VBの正側端子とグランドとの間には、抵抗素子21及び22,並びにNチャネルMOSFET23の直列回路が接続されており、抵抗素子21には、クランプ用のツェナーダイオード24が並列に接続されている。PチャネルMOSFET25のソースは電源VBに接続されており、FET25のドレインは、定電流源2を介してグランドに接続されている。また、FET25のゲートは、抵抗素子21及び22の共通接続点に接続されている。
FET25には、抵抗素子5とPチャネルMOSFET26(主トランジスタ)との直列回路が並列に接続されており、FET26のゲートは、PチャネルMOSFET27(副トランジスタ)のゲートと共に自身のドレインに接続されている。電源VBの正側端子には、PチャネルMOSFET28,29のソースが接続されており、それらのゲートはFET28(主トランジスタ)側のドレインに共通に接続されている。
FET28のドレインは、定電流源1を介してグランドに接続されている。一方、FET29(副トランジスタ)のドレインはFET27のソースに接続されており、FET27のドレインは、FET11(副トランジスタ)とミラー対を構成しているNチャネルMOSFET30(主トランジスタ)のドレイン,及びFET11並びに30のゲートに接続されている。そして、FET11,30のゲートとグランドとの間には、抵抗素子51が接続されている。
また、電源VBの正側端子とグランドとの間には、抵抗素子31及び32,並びにNチャネルMOSFET33の直列回路が接続されており、FET33のゲートには、FET23のゲートと共に駆動制御信号VINが与えられるようになっている。抵抗素子31及び32の共通接続点にはFET10のゲートが接続されており、抵抗素子31には、FET10のゲート電位をクランプするためのツェナーダイオード34が並列に接続されている。
駆動対象素子であるPチャネルMOSFET35と負荷12との直列回路は、電源VBの正側端子とグランドとの間に接続されており、FET35のゲートはFET10及び11のドレインに接続されている。そして、電源VBの正側端子とFET35のゲートとの間には、ダイオード14及びツェナーダイオード15の直列回路が接続されており、FET27のソースとFET35のゲートとの間には、ツェナーダイオード16が接続されている。これにより、駆動電流の負帰還経路を形成している。
以上の構成において、FET26,27のペアが入力側ミラー対36を構成し、FET28,29のペアが電流決定ミラー対37を構成し、FET30,11のペアが出力側ミラー対38を構成している。また、負荷12及びFET35を除いたものが、駆動回路39を構成している。
次に、第2実施例の作用について説明する。駆動制御信号VINがハイレベルの場合、FET23及び33はONとなる。すると、FET25のゲート電位がロウレベルとなりFET25はONするので、FET26はOFFになる。従って、FET27もOFFになってFET30及び11のゲート電位はロウレベルとなり、これらもOFFになる。この時、FET33がONしているため、FET10はONになっている。その結果、FET35のゲート電位VoutはハイレベルとなりFET35はOFFするため、負荷12に対する通電は行われない。
一方、駆動制御信号VINがロウレベルの場合、FET23及び33はOFFとなる。すると、FET25のゲート電位がハイレベルとなりFET25はOFFするので、FET26はONになる。従って、FET27もONになってFET30及び11のゲート電位がハイレベルとなり、これらもONになる。この時、FET33がOFFしているため、FET10もOFFになっている。
以上の結果、FET35のゲート電位VoutはロウレベルとなりFET35はONするため、負荷12に対する通電が行われる。この場合、FET35のゲート電位Voutは、FET27のソース電位(電位点)をV2、ツェナーダイオード16のツェナー電圧をVZD1とすると、
Vout=V2−VZD1 …(10)
となる。
そして、FET27のソース電位V2は、第1実施例と同様の原理によりFET26のソース電位に等しく、
V2=VB−R1・I2 …(11)
となっている。従って、FET35のゲート電位Voutは、
Vout=VB−R1・I2−VZD1 …(12)
にクランプされる。
また、FET29を介して流れる電流の一部は、ツェナーダイオード16を流れる電流I_ZD1として分流するため、出力側ミラー対38に流入する電流は、電流I_ZD1の分だけ減少する。それに伴いFET11を介して流れる出力電流も減少するため、出力電流について負帰還が作用する。
以上のように第2実施例によれば、駆動対象素子がPチャネルMOPSFET35である場合も、第1実施例と同様の効果が得られる。
本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
FETは、適宜バイポーラトランジスタに置き換えて実施しても良い。
駆動対象素子は、IGBTであっても良い。
本発明の第1実施例であり、半導体素子駆動回路の構成を示す図 本発明の第2実施例を示す図1相当図 特許文献1に開示されている従来技術を示す図
符号の説明
図面中、1,2は定電流源、5は抵抗素子、12は負荷、13はNチャネルMOSFET(半導体素子)、16はツェナーダイオード(定電圧素子)、17は入力側ミラー対、18は電流決定ミラー対、19は出力側ミラー対、20は駆動回路、35はPチャネルMOSFET(半導体素子)、36は入力側ミラー対、37は電流決定ミラー対、38は出力側ミラー対、39は駆動回路を示す。

Claims (3)

  1. 入力信号に応じて電圧駆動型の半導体素子を導通制御するもので、前記半導体素子を導通状態とする場合に、当該素子の導通制御端子に印加する電圧をクランプする機能を備える半導体素子駆動回路において、
    前記半導体素子を導通状態とする場合、
    前記入力信号に応じて定電流源による定電流が供給される抵抗素子と、
    前記半導体素子の導通制御端子を介して流れる電流を決定する出力側ミラー対と、
    前記導通制御端子と、前記出力側ミラー対を構成する主トランジスタ側の電流経路において前記抵抗素子の端子電圧に等しくなる電位点との間に接続され、前記導通制御端子を介して流れる電流の負帰還経路を構成する定電圧素子とを備え、
    前記定電流源を、温度依存性並びに電圧依存性がない回路で構成すると共に、
    前記抵抗素子を、温度依存性がない素子で構成し、
    出力段が、2つの半導体素子を直列接続して構成されており、両者の共通接続点に駆動対象となる半導体素子の導通制御端子が接続され、
    前記出力段を構成する半導体素子の一方は、前記出力側ミラー対を構成する副トランジスタであり、
    前記電位点は、前記出力側ミラー対を構成する主トランジスタと、この主トランジスタを介して流れる電流を、定電流源に基づき決定する電流決定ミラー対を構成する副トランジスタとの間に配置されることを特徴とする半導体素子駆動回路。
  2. 前記抵抗素子は、前記入力信号の変化に応じて導通状態が変化する入力側ミラー対を構成する主トランジスタに直列に接続され、
    前記入力側ミラー対を構成する副トランジスタは、前記出力側ミラー対を構成する主トランジスタと、前記電流決定ミラー対を構成する副トランジスタとの間に配置されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子駆動回路。
  3. 前記入力側ミラー対は、MOSFETによって構成され、
    前抵抗素子は、前記MOSFETのソース側に接続されていることを特徴とする請求項2記載の半導体素子駆動回路。
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