JP7238646B2 - 駆動回路及び半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、IGBTなどのスイッチング素子を駆動する駆動回路及び半導体モジュールに関する。
駆動回路がスイッチング素子のゲートに出力電流を供給するとゲート電圧が徐々に上昇する。ゲート電圧がスイッチング素子のしきい値電圧を越えると、スイッチング素子がオフからオンに切り替わる。複数のスイッチング素子を駆動する際に、しきい値電圧が低いスイッチング素子に供給するゲート電圧を小さくすることで電流集中による破壊を防ぐ技術が提案されている(例えば、特許文献1(図2)参照)。特許文献1ではNchMOS36とPchMOS50が出力電流を生成する。双方ともスイッチング素子をターンオンさせることを前提としており、ゲート電圧がスイッチング素子のしきい値電圧に達した後も電流出力能力を保持し続ける。
国際公開第2016/207956号
スイッチング素子のターンオン時に駆動回路の出力電流が大きいと、ゲート電圧の立ち上がりが急峻となり、コレクタ電流が急激に流れ始めるため、スイッチングノイズが増大してしまう。これを防ぐには、駆動回路の出力電流を制限してゲート電圧がスイッチング素子のしきい値電圧を超える時のdv/dtを抑える必要がある。しかし、出力電流を制限すると、駆動回路が電流供給を始めてからスイッチング素子のしきい値電圧を超えるまでの期間が長くなる。通常この期間にスイッチング素子はオフ状態であるため、この期間が長くなるとスイッチング損失が増大してしまう。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はスイッチングノイズを抑えつつスイッチング損失を低減することができる駆動回路及び半導体モジュールを得るものである。
本発明に係る駆動回路は、入力信号を入力する第1のプリアンプと、前記第1のプリアンプの出力とスイッチング素子のゲートとの間に互いに並列に接続され、前記第1のプリアンプの出力信号に応じて前記スイッチング素子のゲートにゲート電流を供給する第1及び第2の駆動部を備え、前記第2の駆動部は、NMOSトランジスタと、前記NMOSトランジスタを駆動する第2のプリアンプと、前記第2のプリアンプの高電位側の電源とを有し、前記第2のプリアンプのハイ出力の電圧は、前記スイッチング素子のしきい値電圧と前記NMOSトランジスタのしきい値電圧を足した合計電圧よりも低く、前記電源の電圧は、前記合計電圧及び駆動回路の電源電圧よりも低く、前記スイッチング素子のターンオン操作において前記第1及び第2の駆動部の両方が前記スイッチング素子のゲートにゲート電流を供給し始め、前記第1の駆動部は前記スイッチング素子のゲート電圧が前記スイッチング素子のしきい値電圧に達しても前記ゲート電流を供給し続け、前記第2の駆動部は前記ゲート電圧が前記しきい値電圧に達する前に前記ゲート電流の供給を止めることを特徴とする。
本発明では、スイッチング素子のターンオン操作において第1及び第2の駆動部の両方がゲート電流を供給し始める。これにより、駆動回路が電流供給を始めてからゲート電圧がスイッチング素子のしきい値電圧を超えるまでの期間が短くなるため、スイッチング損失を低減することができる。また、第1の駆動部はゲート電圧がしきい値電圧に達してもゲート電流を供給し続けるが、第2の駆動部はゲート電圧がしきい値電圧に達する前にゲート電流の供給を止める。これにより、スイッチング素子のターンオン時にゲート電圧がしきい値電圧をゆっくり超える。従って、スイッチング素子のターンオン時に発生するスイッチングノイズを抑えることができる。
実施の形態1に係る半導体モジュールを示す回路図である。 実施の形態1に係る半導体モジュールの動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態2に係る半導体モジュールを示す回路図である。 実施の形態2に係る第2の駆動部のプリアンプを示す回路図である。 実施の形態2に係る第2の駆動部のプリアンプの動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態3に係る半導体モジュールを示す回路図である。 実施の形態3に係る半導体モジュールの動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態4に係る半導体モジュールを示す回路図である。
実施の形態に係る駆動回路及び半導体モジュールについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体モジュールを示す回路図である。この半導体モジュールは、例えば交流電力を直流電力に変換した後、再び交流電力に変換する際に用いられる。スイッチング素子SW1,SW2がカスコード接続されている。スイッチング素子SW1,SW2は例えばIGBT、MOSFET、SiCMOSFET等のパワーデバイスであり、商用電源から昇圧して生成した電圧を電源とする。
駆動回路1は、入力信号INに応じてスイッチング素子SW1のゲートをバイアスしスイッチング素子SW1をオン又はオフに制御する制御用集積回路である。駆動回路1は、プリアンプであるインバータINV1と、互いに並列に接続された第1及び第2の駆動部DR1,DR2とを有する。インバータINV1は入力信号INを論理反転する。第1及び第2の駆動部DR1,DR2は、インバータINV1の出力信号に応じてスイッチング素子SW1のゲートにゲート電流を供給する。INV1の電源は駆動回路1の電源2である。
第1の駆動部DR1は、互いに並列に接続されたNMOSトランジスタNMOS1とPMOSトランジスタPMOS1を有する。NMOS1とPMOS1のゲートはインバータINV1の出力に接続されている。NMOS1のソースはGNDに接続されている。PMOS1のソースは電源2に接続されている。NMOS1のドレインとPMOS1のドレインはスイッチング素子SW1のゲートに接続されている。
第2の駆動部DR2は、NMOSトランジスタNMOS2と、NMOS2を駆動するプリアンプであるインバータINV2と、インバータINV2の高電位側の電源3とを有する。インバータINV2はインバータINV1の出力信号を論理反転する。NMOS2のゲートはインバータINV2の出力に接続されている。NMOS2のドレインは駆動回路1の電源2に接続されている。NMOS2のソースはスイッチング素子SW1のゲートに接続されている。電源3は、駆動回路1の電源2の電圧VC1よりも低い電圧VC2を駆動回路1内部で生成する。
INV2のハイ出力の電圧はINV2の電源3の電圧VC2となる。この電圧VC2でNMOS2のゲートをバイアスし、NMOS2のソース電圧でスイッチング素子SW1のゲートをバイアスする。NMOS2のゲート・ソース間電圧Vgsは電圧VC2とスイッチング素子SW1のゲート電圧Vgとの差になる。このため、スイッチング素子SW1のゲート電圧Vgが電圧VC2とNMOS2のしきい値電圧Vth2の差よりも高くなる(Vg>VC2-Vth2)と、VgsがVth2より小さくなってNMOS2がオフしてスイッチング素子SW1にゲート電流を供給しなくなる。従って、INV2の電源3の電圧VC2を低くするほど低いゲート電圧Vgで第2の駆動部DR2による電流供給が止まる。
本実施の形態では、INV2の電源3の電圧VC2を、スイッチング素子SW1のしきい値電圧Vth1とNMOS2のしきい値電圧Vth2を足した合計電圧よりも低くする。これにより、第2の駆動部DR2はスイッチング素子SW1のゲート電圧Vgがしきい値電圧Vth1に達する前に出力能力を失い、ゲート電流の供給を止める。
図2は、実施の形態1に係る半導体モジュールの動作を示すタイミングチャートである。図2の(a)はスイッチング素子SW1をターンオン操作する入力信号INの波形である。(b)はスイッチング素子SW1のゲートバイアス波形である。(c)は第1の駆動部DR1のみの場合のゲートバイアス波形である。(d)は第2の駆動部DR2のみの場合のゲートバイアス波形である。(b)の波形は(c)の波形と(d)の波形の合算になっている。
入力信号INとしてハイ信号が入力されると、駆動回路1はスイッチング素子SW1をターンオンさせる操作を行う。このスイッチング素子SW1のターンオン操作において、PMOS1とNMOS2はオンとなり、スイッチング素子SW1のゲート電圧を上昇させてゆく。このように第1及び第2の駆動部DR1,DR2の両方がゲート電流を供給し始めるため、駆動回路1が電流供給を始めてからゲート電圧がスイッチング素子SW1のしきい値電圧Vth1を超えるまでの期間が短くなる。これにより、スイッチング損失を低減することができる。
その後、ゲート電圧が上昇してしきい値電圧Vth1に達しても第1の駆動部DR1はゲート電流を供給し続ける。一方、第2の駆動部DR2はゲート電圧がしきい値電圧Vth1に達する前にゲート電流の供給を止める。このため、ゲート電圧がしきい値電圧Vth1を超える際のゲート電圧の上昇速度は第1の駆動部DR1のみの場合と同じになる。従って、スイッチング素子SW1のターンオン時にゲート電圧がしきい値電圧Vth1をゆっくり超える。これにより、スイッチング素子SW1のターンオン時に発生するスイッチングノイズを抑えることができる。ただし、スイッチングノイズが許容値になるようにPMOS1の出力を制限する必要がある。
実施の形態2.
図3は、実施の形態2に係る半導体モジュールを示す回路図である。図4は、実施の形態2に係る第2の駆動部のプリアンプを示す回路図である。INV2は、互いに並列に接続されたPMOSトランジスタPMOS2とNMOSトランジスタNMOS3を有する。実施の形態1とは異なり、INV2の電源は電源3ではなく、駆動回路1の電源2である。INV2の出力と基準電位であるGNDとの間に抵抗R1,R2が直列に接続された分圧回路が設けられている。抵抗R1,R2の接続点がNMOS2のゲートに接続されている。その他の構成は実施の形態1と同様である。
図5は、実施の形態2に係る第2の駆動部のプリアンプの動作を示すタイミングチャートである。図5の(a)はINV2の入力電圧の波形である。(b)は抵抗R1,R2の接続点の電圧、即ちNMOS2のゲート電圧の波形である。抵抗R1,R2の接続点の電圧は抵抗分割により、駆動回路1の電源2の電圧VC1よりも低くなる。
抵抗R1,R2の接続点の電圧を、スイッチング素子SW1のしきい値電圧Vth1とNMOS2のしきい値電圧Vth2を足した合計電圧よりも低くする。これにより、第2の駆動部DR2はスイッチング素子SW1のゲート電圧Vgがしきい値電圧Vth1に達する前に出力能力を失い、ゲート電流の供給を止める。従って、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態1のように電源3を別に用いる必要が無いため、回路の構成が簡単になる。また、抵抗R1,R2の抵抗値を適当な値とすることで電源3の電圧VC2に相当する電圧を容易に設定できる。
実施の形態3.
図6は、実施の形態3に係る半導体モジュールを示す回路図である。駆動回路1は、スイッチング素子SW1のゲートにたまった電荷を放電してスイッチング素子SW1のターンオフ操作を行う。実施の形態1とは第2の駆動回路DR2の構成が異なる。
第2の駆動回路DR2は、PMOSトランジスタPMOS3と、PMOS3を駆動するプリアンプであるINV3と、INV3の低電位側の電源4とを有する。PMOS3のソースはGNDに接続されている。PMOS2のドレインはスイッチング素子SW1のゲートに接続されている。PMOS2のゲートはINV3の出力に接続されている。その他の構成は実施の形態1と同様である。
INV3の高電位側の電源は駆動回路1の電源2である。INV3の低電位側の電源として電源4を用いている。電源4は、駆動回路1のGNDよりも高い電圧VC3を駆動回路1内部で生成する。
INV3のロー出力の電圧は、INV3の基準電位である電源4の電圧VC3となる。この電圧VC3でPMOS3のゲートをバイアスし、PMOS3がオンになるとスイッチング素子SW1のゲートにたまった電荷を放電する。PMOS3のゲート・ソース間電圧Vgsはスイッチング素子SW1のゲート電圧VgとVC3との差になる。このため、スイッチング素子SW1のゲート電圧Vgが電圧VC3とPMOS3のしきい値電圧Vth3の和よりも低くなる(Vg<VC3+Vth3)と、VgsがVth3より小さくなってPMOS3がオフして電荷を放電しなくなる。従って、INV3の基準電位である電圧VC3を高くするほど、高いゲート電圧Vgで第2の駆動部DR2による放電が止まる。
そこで、電圧VC3をスイッチング素子SW1のしきい値電圧Vth1からPMOS3のしきい値電圧Vth3を引いた差電圧よりも高くする。これにより、第2の駆動部DR2はスイッチング素子SW1のゲート電圧がしきい値電圧Vth1に達する前に電荷の放電を止める。
図7は、実施の形態3に係る半導体モジュールの動作を示すタイミングチャートである。図7の(a)はスイッチング素子SW1をターンオフ操作する入力信号INの波形である。(b)はスイッチング素子SW1のゲートバイアス波形である。(c)は第1の駆動部DR1のみの場合のゲートバイアス波形である。(d)は第2の駆動部DR2のみの場合のゲートバイアス波形である。(b)の波形は(c)の波形と(d)の波形の合算になっている。
入力信号INとしてロー信号が入力されると、駆動回路1はスイッチング素子SW1をターンオフさせる操作を行う。このスイッチング素子SW1のターンオフ操作において、NMOS1とPMOS3はオンとなり、スイッチング素子SW1のゲート電圧を下降させてゆく。このように第1及び第2の駆動部DR1,DR2の両方がスイッチング素子SW1のゲートにたまった電荷を放電し始めるため、駆動回路1が放電を始めてからゲート電圧がスイッチング素子SW1のしきい値電圧Vth1を下回るまでの期間が短くなる。これにより、スイッチング損失を低減することができる。
その後、ゲート電圧が下降してしきい値電圧Vth1に達しても第1の駆動部DR1は電荷を放電し続ける。一方、第2の駆動部DR2はゲート電圧がしきい値電圧Vth1に達する前に電荷の放電を止める。このため、ゲート電圧がしきい値電圧Vth1を下回る際のゲート電圧の下降速度は第1の駆動部DR1のみの場合と同じになる。従って、スイッチング素子SW1のターンオフ時にゲート電圧がしきい値電圧Vth1をゆっくり下回る。これにより、スイッチング素子SW1のターンオフ時に発生するスイッチングノイズを抑えることができる。
実施の形態4.
図8は、実施の形態4に係る半導体モジュールを示す回路図である。実施の形態3とは異なり、INV3の基準電位は電源4の出力電位ではなく、駆動回路1のGNDである。INV3の出力と駆動回路1の電源2との間に抵抗R3,R4が直列に接続された分圧回路が設けられている。抵抗R3,R4の接続点がPMOS3のゲートに接続されている。その他の構成は実施の形態3と同様である。
抵抗R3,R4の接続点の電圧は駆動回路1のGND電位よりも高くなる。抵抗R3,R4の接続点の電圧を、スイッチング素子SW1のしきい値電圧Vth1からPMOS3のしきい値電圧Vth3を引いた差電圧よりも高くする。これにより、第2の駆動部DR2はスイッチング素子SW1のゲート電圧がしきい値電圧Vth1に達する前に電荷の放電を止める。従って、実施の形態3と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態3のように電源4を別に用いる必要が無いため、回路の構成が簡単になる。また、抵抗R3,R4の抵抗値を適当な値とすることで電源4の電圧VC3に相当する電圧を容易に設定できる。
なお、スイッチング素子SW1,SW1は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体モジュールも小型化・高集積化できる。また、半導体チップの耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体モジュールを更に小型化できる。また、半導体チップの電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュールを高効率化できる。
1 駆動回路、3,4 電源、DR1 第1の駆動部、DR2 第2の駆動部、INV2,INV3 インバータ(プリアンプ)、NMOS2 NMOSトランジスタ、PMOS3 PMOSトランジスタ、R1,R2,R3,R4 抵抗、SW1 スイッチング素子

Claims (6)

  1. 入力信号を入力する第1のプリアンプと、
    前記第1のプリアンプの出力とスイッチング素子のゲートとの間に互いに並列に接続され、前記第1のプリアンプの出力信号に応じて前記スイッチング素子のゲートにゲート電流を供給する第1及び第2の駆動部とを備え、
    前記第2の駆動部は、NMOSトランジスタと、前記NMOSトランジスタを駆動する第2のプリアンプと、前記第2のプリアンプの高電位側の電源とを有し、
    前記第2のプリアンプのハイ出力の電圧は、前記スイッチング素子のしきい値電圧と前記NMOSトランジスタのしきい値電圧を足した合計電圧よりも低く、
    前記電源の電圧は、前記合計電圧及び駆動回路の電源電圧よりも低く、
    前記スイッチング素子のターンオン操作において前記第1及び第2の駆動部の両方が前記スイッチング素子のゲートにゲート電流を供給し始め、前記第1の駆動部は前記スイッチング素子のゲート電圧が前記スイッチング素子のしきい値電圧に達しても前記ゲート電流を供給し続け、前記第2の駆動部は前記ゲート電圧が前記しきい値電圧に達する前に前記ゲート電流の供給を止めることを特徴とする駆動回路。
  2. 入力信号を入力する第1のプリアンプと、
    前記第1のプリアンプの出力とスイッチング素子のゲートとの間に互いに並列に接続され、前記第1のプリアンプの出力信号に応じて前記スイッチング素子のゲートにゲート電流を供給する第1及び第2の駆動部とを備え、
    前記第2の駆動部は、NMOSトランジスタと、前記NMOSトランジスタを駆動する第2のプリアンプと、前記第2のプリアンプの出力と基準電位との間に直列に接続された第1及び第2の抵抗とを有し、
    前記第1の抵抗と前記第2の抵抗の接続点が前記NMOSトランジスタのゲートに接続され、
    前記第1の抵抗と前記第2の抵抗の接続点の電圧は、前記スイッチング素子のしきい値電圧と前記NMOSトランジスタのしきい値電圧を足した合計電圧よりも低く、
    前記スイッチング素子のターンオン操作において前記第1及び第2の駆動部の両方が前記スイッチング素子のゲートにゲート電流を供給し始め、前記第1の駆動部は前記スイッチング素子のゲート電圧が前記スイッチング素子のしきい値電圧に達しても前記ゲート電流を供給し続け、前記第2の駆動部は前記ゲート電圧が前記しきい値電圧に達する前に前記ゲート電流の供給を止めることを特徴とする駆動回路。
  3. 入力信号を入力する第1のプリアンプと、
    前記第1のプリアンプの出力とスイッチング素子のゲートとの間に互いに並列に接続され、前記第1のプリアンプの出力信号に応じて前記スイッチング素子のゲートにゲート電流を供給する第1及び第2の駆動部とを備え、
    前記第2の駆動部は、PMOSトランジスタと、前記PMOSトランジスタを駆動する第2のプリアンプと、前記第2のプリアンプの低電位側の電源とを有し、
    前記第2のプリアンプのロー出力の電圧は、前記スイッチング素子のしきい値電圧から前記PMOSトランジスタのしきい値電圧を引いた差電圧よりも高く、
    前記電源の電圧は、前記差電圧及び駆動回路のGND電位よりも高く、
    スイッチング素子のターンオフ操作において前記第1及び第2の駆動部の両方が前記スイッチング素子のゲートにたまった電荷を放電し始め、前記第1の駆動部は前記スイッチング素子のゲート電圧が前記スイッチング素子のしきい値電圧に達しても前記電荷を放電し続け、前記第2の駆動部は前記ゲート電圧が前記しきい値電圧に達する前に前記電荷の放電を止めることを特徴とする駆動回路。
  4. 入力信号を入力する第1のプリアンプと、
    前記第1のプリアンプの出力とスイッチング素子のゲートとの間に互いに並列に接続され、前記第1のプリアンプの出力信号に応じて前記スイッチング素子のゲートにゲート電流を供給する第1及び第2の駆動部とを備え、
    前記第2の駆動部は、PMOSトランジスタと、前記PMOSトランジスタを駆動する第2のプリアンプと、前記第2のプリアンプの出力と高電位側の電源との間に直列に接続された第1及び第2の抵抗とを有し、
    前記第1の抵抗と前記第2の抵抗の接続点が前記PMOSトランジスタのゲートに接続され、
    前記第1の抵抗と前記第2の抵抗の接続点の電圧は、前記スイッチング素子のしきい値電圧から前記PMOSトランジスタのしきい値電圧を引いた差電圧よりも高く、
    スイッチング素子のターンオフ操作において前記第1及び第2の駆動部の両方が前記スイッチング素子のゲートにたまった電荷を放電し始め、前記第1の駆動部は前記スイッチング素子のゲート電圧が前記スイッチング素子のしきい値電圧に達しても前記電荷を放電し続け、前記第2の駆動部は前記ゲート電圧が前記しきい値電圧に達する前に前記電荷の放電を止めることを特徴とする駆動回路。
  5. 前記スイッチング素子と、
    請求項1~4の何れか1項に記載の駆動回路とを備えることを特徴とする半導体モジュール。
  6. 前記スイッチング素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項5に記載の半導体モジュール。
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