JP2019088104A - Driving device of power semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はパワー半導体素子の駆動装置に関し、特にワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体素子を駆動中にパワー半導体素子の閾値電圧が変動するのを抑制するパワー半導体素子の駆動装置に関する。 The present invention relates to a drive device for a power semiconductor device, and more particularly to a drive device for a power semiconductor device that suppresses variation in threshold voltage of the power semiconductor device while driving a power semiconductor device using a wide band gap semiconductor.
次世代パワー半導体素子として炭化珪素(SiC)半導体素子に代表されるワイドバンドギャップ半導体素子が珪素(Si)半導体素子よりも高耐圧、低損失、高速スイッチング、高温動作などが可能になるということで注目されている。しかし、SiC半導体素子は、Si半導体素子と比較してゲート酸化膜の品質が低いことが知られている。このことが、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)での閾値電圧の変動要因になっている。パワー半導体スイッチング素子では、オン状態とオフ状態との境目となる閾値電圧Vthが異常に変動すると、誤オンなどにより回路故障が生じる危険性がある。このような閾値電圧Vthの異常な変動を防止するため、ゲート酸化膜の品質向上に向けたSiC半導体素子の製造方法の提案がなされている(特許文献1,2)。
A wide band gap semiconductor device represented by a silicon carbide (SiC) semiconductor device as a next-generation power semiconductor device is capable of higher withstand voltage, lower loss, high-speed switching, high temperature operation, etc. than silicon (Si) semiconductor devices. Attention has been paid. However, it is known that the quality of the gate oxide film of the SiC semiconductor device is lower than that of the Si semiconductor device. This is a variable factor of the threshold voltage in a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). In the power semiconductor switching element, if the threshold voltage Vth at the boundary between the on state and the off state fluctuates abnormally, there is a risk that a circuit failure may occur due to a false on or the like. In order to prevent such an abnormal fluctuation of the threshold voltage Vth, a method of manufacturing a SiC semiconductor device for improving the quality of the gate oxide film has been proposed (
また、閾値電圧Vthの異常な変動を回路の工夫により抑制するようにした技術も知られている(特許文献3)。この特許文献3では、パワー半導体素子のゲート電極に印加するゲート電圧が正のとき、閾値電圧Vthが正の方向に変動する性質があることに対し、パワー半導体素子が非導通期間に負のゲート電圧を印加することで閾値電圧Vthの変動を抑制することにしている。パワー半導体素子の非導通期間に負のゲート電圧を印加した場合、そのパワー半導体素子に還流電流が流れるようなことがあるとその還流電流は、内蔵ダイオードを流れることになる。内蔵ダイオードは、通電性能がよくないので、閾値電圧Vthの変動を抑制するために行うパワー半導体素子のゲート電極への負電圧の印加は、還流電流が内蔵ダイオードを流れない期間に行うことにしている。これにより、還流ダイオードの導通性能の低下を抑制しつつ、トランジスタの閾値電圧の変動を抑制している。
There is also known a technique in which an abnormal fluctuation of the threshold voltage Vth is suppressed by devising a circuit (Patent Document 3). In
しかしながら、特許文献3による閾値電圧の変動を抑制する方法では、内蔵ダイオードに還流電流が流れないことを検出するために、電力変換回路から負荷に向かって流れる電流を検出する電流検出手段が備えられている。また、閾値電圧の変動は、パワー半導体素子をある時間駆動した場合に生じるものであるため、パワー半導体素子を駆動している間、常に閾値電圧の変動が抑制されているとは限らない。
However, in the method of suppressing the fluctuation of the threshold voltage according to
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、パワー半導体素子に閾値電圧の変動が生じたときに、その変動に応じて、閾値電圧の変動を抑制するようにしたパワー半導体素子の駆動装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a point, and when a variation in threshold voltage occurs in a power semiconductor device, the variation in threshold voltage is suppressed according to the variation. It aims at providing a drive.
本発明では、上記の課題を解決するために、パワー半導体素子の駆動装置が提供される。このパワー半導体素子の駆動装置は、パワー半導体素子の閾値電圧を検出する閾値検出部と、閾値検出部によって検出された閾値電圧の変動に応じて閾値電圧の変動を抑制するゲート信号をパワー半導体素子に印加する閾値変動抑制部と、を備えている。 In the present invention, in order to solve the above-mentioned subject, a drive device of a power semiconductor element is provided. The power semiconductor device driving apparatus includes a threshold detection unit that detects a threshold voltage of the power semiconductor device, and a gate signal that suppresses the fluctuation of the threshold voltage according to the fluctuation of the threshold voltage detected by the threshold detection unit. And a threshold variation suppression unit applied to the
このようなパワー半導体素子の駆動装置によれば、一定時間駆動させたときに閾値電圧が変動したとしても、その変動方向と逆方向に閾値電圧が変動するようにパワー半導体素子を駆動するので、閾値電圧の変動によりパワー半導体素子が誤動作することがなくなる。 According to such a drive device for a power semiconductor device, even if the threshold voltage fluctuates when driven for a fixed time, the power semiconductor device is driven so that the threshold voltage fluctuates in the direction opposite to the fluctuation direction. The fluctuation of the threshold voltage prevents the power semiconductor device from malfunctioning.
上記構成のパワー半導体素子の駆動装置は、パワー半導体素子の閾値電圧の変動に応じて閾値電圧の変動を抑制するような動作をするので、パワー半導体素子が誤オンなどの誤動作をすることがなくなるという利点がある。 The drive device for the power semiconductor device of the above configuration operates to suppress the variation of the threshold voltage according to the variation of the threshold voltage of the power semiconductor device, so that the power semiconductor device does not malfunction as it is erroneously turned on It has the advantage of
以下、本発明の実施の形態について、ワイドバンドギャップ半導体のパワー半導体素子を2個用いた同期整流式のスイッチングレギュレータに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一の符号で示される部分は、同一の構成要素を示している。また、各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を部分的に組み合わせて実施することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings by taking as an example a case where the present invention is applied to a synchronous rectification switching regulator using two power semiconductor devices of wide band gap semiconductors. In the drawings, parts denoted by the same reference numerals indicate the same components. In addition, each embodiment can be implemented by partially combining a plurality of embodiments as long as no contradiction occurs.
[第1の実施の形態]
図1は第1の実施の形態に係るパワー半導体素子の駆動装置を適用したスイッチングレギュレータの出力部を示す図である。
First Embodiment
FIG. 1 is a view showing an output portion of a switching regulator to which a drive device for a power semiconductor device according to a first embodiment is applied.
スイッチングレギュレータの出力部は、電源とグランドとの間に上アーム用のパワー半導体素子SW1と下アーム用のパワー半導体素子SW2が直列に接続されている。ここで、パワー半導体素子SW1,SW2は、炭化珪素MOSFET(SiC−MOSFET)であり、それぞれ内蔵ダイオードを有している。パワー半導体素子SW1のソースとパワー半導体素子SW2のドレインとの接続点は、インダクタLの一方の端子に接続され、インダクタLの他方の端子は、コンデンサCの一方の端子に接続されている。コンデンサCの他方の端子は、パワー半導体素子SW2のソースに接続されている。 In the output part of the switching regulator, the power semiconductor element SW1 for the upper arm and the power semiconductor element SW2 for the lower arm are connected in series between the power supply and the ground. Here, the power semiconductor elements SW1 and SW2 are silicon carbide MOSFETs (SiC-MOSFETs), and each has a built-in diode. The connection point between the source of the power semiconductor element SW1 and the drain of the power semiconductor element SW2 is connected to one terminal of the inductor L, and the other terminal of the inductor L is connected to one terminal of the capacitor C. The other terminal of the capacitor C is connected to the source of the power semiconductor element SW2.
パワー半導体素子SW1のゲートは、上アーム用駆動装置1Uに接続されている。上アーム用駆動装置1Uは、パワー半導体素子SW1の閾値電圧Vthを検出する閾値検出部2Uと、パワー半導体素子SW1の閾値電圧Vthの変動を抑制する閾値変動抑制部3Uとを有している。パワー半導体素子SW2のゲートは、下アーム用駆動装置1Dに接続されている。下アーム用駆動装置1Dは、パワー半導体素子SW2の閾値電圧Vthを検出する閾値検出部2Dと、パワー半導体素子SW2の閾値電圧Vthの変動を抑制する閾値変動抑制部3Dとを有している。
The gate of the power semiconductor element SW1 is connected to the upper arm driving device 1U. The upper arm drive device 1U has a
以上の構成のスイッチングレギュレータにおいて、パワー半導体素子SW1,SW2が交互にスイッチング動作をすることによって、入力された電圧Vinは、電圧Voutに変換され、図示しない負荷に供給される。すなわち、パワー半導体素子SW1がオンするように駆動されると、電流は、インダクタLを通って負荷に流れる。次に、パワー半導体素子SW1がオフすると、インダクタLに流れていた電流は、流れを維持しようとする。このとき、パワー半導体素子SW1のオフ動作に同期してパワー半導体素子SW2をオンすると、パワー半導体素子SW2による逆導通の電流パスが形成され、パワー半導体素子SW2のソースからドレインに逆方向の還流電流が流れる。これにより、負荷には、同一方向の電流が継続して流れることになる。 In the switching regulator configured as described above, the power semiconductor elements SW1 and SW2 alternately perform the switching operation, whereby the input voltage Vin is converted to the voltage Vout and supplied to a load not shown. That is, when the power semiconductor element SW1 is driven to turn on, a current flows to the load through the inductor L. Next, when the power semiconductor element SW1 is turned off, the current flowing to the inductor L tries to maintain the flow. At this time, when the power semiconductor device SW2 is turned on in synchronization with the off operation of the power semiconductor device SW1, a reverse conduction current path is formed by the power semiconductor device SW2, and a reverse current flows from the source to the drain of the power semiconductor device SW2. Flows. As a result, current flows in the same direction continuously in the load.
このとき、上アーム用駆動装置1Uでは、閾値検出部2Uがパワー半導体素子SW1の閾値電圧Vthを監視している。ここで、閾値検出部2Uが閾値電圧Vthの異常な変動を検出すると、閾値変動抑制部3Uがパワー半導体素子SW1の閾値電圧Vthの変動を抑制するようにパワー半導体素子SW1のゲートを駆動する。同様に、下アーム用駆動装置1Dでは、閾値検出部2Dがパワー半導体素子SW2の閾値電圧Vthを監視している。ここで、閾値検出部2Dが閾値電圧Vthの異常な変動を検出すると、閾値変動抑制部3Dがパワー半導体素子SW2の閾値電圧Vthの変動を抑制するようにパワー半導体素子SW2のゲートを駆動する。
At this time, in the upper arm drive unit 1U, the
このように、上アーム用駆動装置1Uおよび下アーム用駆動装置1Dは、閾値電圧Vthの異常な変動を検出していないときは、通常通りの制御によりパワー半導体素子SW1,SW2を駆動する。上アーム用駆動装置1Uおよび下アーム用駆動装置1Dは、閾値電圧Vthの異常な変動を検出したときだけ、パワー半導体素子SW1,SW2の駆動方法を閾値電圧Vthの変動が抑制される方向に動的に切り替えている。 As described above, when the abnormal fluctuation of the threshold voltage Vth is not detected, the upper arm driving device 1U and the lower arm driving device 1D drive the power semiconductor elements SW1 and SW2 by the usual control. Upper arm drive device 1U and lower arm drive device 1D move the drive method of power semiconductor elements SW1 and SW2 in the direction in which the fluctuation of threshold voltage Vth is suppressed only when an abnormal fluctuation of threshold voltage Vth is detected. Have switched.
なお、この実施の形態では、パワー半導体素子SW1,SW2をSiC−MOSFETで構成したが、SiC素子のIGBTとFWD(Free Wheeling Diode)との組み合わせで構成してもよい。 In this embodiment, the power semiconductor elements SW1 and SW2 are formed of SiC-MOSFETs. However, the power semiconductor elements SW1 and SW2 may be formed of a combination of IGBTs of SiC elements and FWD (Free Wheeling Diode).
[第2の実施の形態]
図2は第2の実施の形態に係るパワー半導体素子の駆動装置を示す図、図3はパワー半導体素子がオン状態でのドレイン・ソース間電圧と閾値電圧との関係を示す図、図4はSiC素子をある一定時間駆動させたときに逆導通試験を行ったときの閾値電圧の変動を示す図である。図5は第2の実施の形態に係るパワー半導体素子の駆動装置の動作の流れを示すフローチャートである。なお、第1の実施の形態で示した上アーム用駆動装置1Uおよび下アーム用駆動装置1Dは、同じ構成を有しているので、この第2の実施の形態では、そのうちの一方の構成だけを示し、他方の構成を省略している。したがって、以下では、特に、上アームおよび下アームの要素を区別しないで説明する場合、要素を示す符号は簡単にしている。すなわち、パワー半導体素子SW1,SW2は、パワー半導体素子SWとし、上アーム用駆動装置1Uおよび下アーム用駆動装置1Dは、駆動装置1としている。また、閾値検出部2Uおよび閾値検出部2Dは、閾値検出部2とし、閾値変動抑制部3Uおよび閾値変動抑制部3Dは、閾値変動抑制部3としている。
Second Embodiment
FIG. 2 is a diagram showing a driving device of a power semiconductor device according to a second embodiment, FIG. 3 is a diagram showing a relationship between drain-source voltage and threshold voltage when the power semiconductor device is on, FIG. It is a figure which shows the fluctuation | variation of the threshold voltage when a reverse conduction test is done when a SiC element is driven for a definite period of time. FIG. 5 is a flow chart showing the flow of the operation of the drive device for a power semiconductor device according to the second embodiment. Note that the upper arm drive unit 1U and the lower arm drive unit 1D described in the first embodiment have the same configuration, so in this second embodiment, only one of the configurations is used. And the other configuration is omitted. Therefore, in the following, the reference numerals indicating the elements are simplified, particularly when the elements of the upper and lower arms are described without distinction. That is, the power semiconductor elements SW1 and SW2 are used as the power semiconductor elements SW, and the upper arm drive unit 1U and the lower arm drive unit 1D are used as the
パワー半導体素子SWの駆動装置1は、電圧検出部11、換算部12、比較部13、ゲートドライバ14およびスイッチング素子Tr1,Tr2,Tr3を備えている。ここで、電圧検出部11および換算部12は、閾値検出部2を構成し、比較部13、ゲートドライバ14およびスイッチング素子Tr1,Tr2,Tr3は、閾値変動抑制部3を構成している。
The
閾値検出部2の電圧検出部11の入力は、パワー半導体素子SWのドレインおよびソースに接続され、出力は、換算部12の入力に接続されている。換算部12の出力は、閾値変動抑制部3の比較部13の入力に接続され、比較部13の出力は、ゲートドライバ14の入力に接続されている。ゲートドライバ14の出力は、スイッチング素子Tr1,Tr2,Tr3のゲートに接続されている。スイッチング素子Tr1のドレインは、電圧VHの電源に接続され、スイッチング素子Tr2のドレインは、電圧VLの電源に接続され、スイッチング素子Tr3のドレインは、電圧VMの電源に接続されている。電圧VH,VL,VMは、VH>VM>VLの関係を有している。スイッチング素子Tr1,Tr2,Tr3のソースは、パワー半導体素子SWのゲートに接続されている。
The input of the
パワー半導体素子SWのドレインおよびソースに接続された電圧検出部11は、パワー半導体素子SWがオン状態でのドレイン・ソース(主電極)間の電圧Vonを検出する。この電圧Vonの検出は、動作中のパワー半導体素子SWの閾値電圧Vthを直接検出することが難しいので、電圧Vonから閾値電圧Vthを間接的に検出するためのものである。すなわち、図3に示したように、パワー半導体素子SWがオンしているときのドレイン・ソース間の電圧Vonの変動は、閾値電圧Vthの変動と相関がある。つまり、電圧Vonおよび閾値電圧Vthは、電圧Vonが上がると閾値電圧Vthも上がり、電圧Vonが下がると閾値電圧Vthも下がるという比例関係を有している。閾値検出部2は、この関係を用いて、電圧Vonを検出することにより電圧Vonと相関のある閾値電圧Vthを求め、閾値電圧Vthの変動を推測している。
The
電圧Vonの検出は、スイッチングレギュレータの動作を停止させてからパワー半導体素子SWをオンして検出してもよいが、好ましくは、リアルタイム検出を行うのがよい。検出のタイミングは、スイッチングごとに実施してもよいし、一定時間ごとに実施してもよい。ただし、検出間隔が長時間になりすぎるとその間に電圧Vonが大きく変動する可能性があるため、100時間を超えない一定時間ごとに検出を実施するのが望ましい。 The detection of the voltage Von may be performed by stopping the operation of the switching regulator and then turning on the power semiconductor element SW, but preferably, it is preferable to perform real-time detection. The timing of detection may be performed for each switching or may be performed at fixed time intervals. However, if the detection interval is too long, the voltage Von may greatly fluctuate during that time, so it is desirable to perform the detection at regular intervals not exceeding 100 hours.
その後、換算部12において、検出した電圧Vonの変動から閾値電圧Vthの変動が推測される。この推測された閾値電圧Vthは、閾値変動抑制部3の比較部13に送られる。
Thereafter, in the
閾値変動抑制部3において、比較部13は、推測された閾値電圧Vthの変動に対応するパワー半導体素子SWの電気特性を把握し、ゲートドライバ14が推測された閾値電圧Vthの変動に応じてその変動を抑えるようにパワー半導体素子SWを駆動する。また、比較部13では、閾値電圧Vthの許容値を設定する必要がある。
In the threshold
パワー半導体素子SWの電気特性および閾値電圧Vthの許容値は、半導体素材、ゲート構造、素子構造、素子作製プロセスなどにより変動する可能性があるため、あらかじめ典型的な素子において検出しておくのが望ましい。 The electrical characteristics of the power semiconductor element SW and the allowable value of the threshold voltage Vth may vary depending on the semiconductor material, the gate structure, the element structure, the element manufacturing process, etc. desirable.
ここで、図4は、あるSiC素子に逆導通試験を行った際の閾値電圧Vthの変動を示している。この図4において、閾値電圧Vthは、このSiC素子においては、ドレイン電流Ids=18mA、ドレイン・ソース間電圧Vds=20Vとなるときのゲート・ソース間電圧Vgsとして定義され、このSiC素子では、約2Vである。閾値電圧Vthの基準となる電流は、任意であるが、定格電流の1/1000程度にするのが望ましい。図4によれば、ゲート・ソース間電圧Vgsを負の値にして内蔵ダイオードに逆導通電流を流すと、閾値電圧Vthが低下する方向に変動する。また、ゲート・ソース間電圧Vgsを+2.5V〜+5Vとしたときに逆導通電流が流れると、閾値電圧Vthは上昇している。この電圧領域を反転領域と呼ぶ。さらに、ゲート・ソース間電圧VgsをVgs>+7.5Vとしたときには、チャネルが完全に強反転領域となり、このとき閾値電圧Vthの変動は、ほぼなくなる。この強反転領域は、通常逆導通と呼ばれ、同期整流で逆導通させるときに最も使われる領域である。そして、閾値電圧Vthの許容値は、初期値に対して、回路上、誤オンの発生や損失の増大がないような範囲に決められ、たとえば、初期値±0.1V程度に設定される。 Here, FIG. 4 shows the fluctuation of the threshold voltage Vth when the reverse conduction test is performed on a certain SiC element. In FIG. 4, the threshold voltage Vth is defined as a gate-source voltage Vgs when the drain current Ids = 18 mA and the drain-source voltage Vds = 20 V in this SiC element, and in this SiC element It is 2V. The current used as the reference of the threshold voltage Vth is arbitrary, but it is desirable to be about 1/1000 of the rated current. According to FIG. 4, when the voltage Vgs between the gate and the source is set to a negative value and a reverse conducting current is supplied to the built-in diode, the threshold voltage Vth fluctuates in the direction of decreasing. Further, when the reverse conduction current flows when the gate-source voltage Vgs is +2.5 V to +5 V, the threshold voltage Vth is increased. This voltage region is called an inversion region. Furthermore, when the gate-source voltage Vgs is Vgs> +7.5 V, the channel is completely in the strong inversion region, and at this time, the fluctuation of the threshold voltage Vth is substantially eliminated. This strong inversion region is usually called reverse conduction, and is the region most used when reverse conduction in synchronous rectification. Then, the allowable value of the threshold voltage Vth is determined with respect to the initial value in such a range that there is no occurrence of erroneous on or an increase in loss on the circuit, and is set to, for example, about initial value ± 0.1V.
比較部13では、以上のようなSiC素子の電気特性に基づいて、閾値電圧Vthの変動に対する対処の方法を判断している。すなわち、比較部13は、閾値電圧Vthの変動がその許容値の範囲内にあるかどうか、閾値電圧Vthの変動がその許容値より高いかどうか、そして、閾値電圧Vthの変動がその許容値より低いかどうかを比較判断する。ここで、図4の電気特性から閾値電圧Vthが低下する方向に変動している場合には、ゲート・ソース間電圧Vgsを閾値電圧Vthが上昇する方向に変動する動作条件にすればよいことが分かる。逆に、閾値電圧Vthが上昇する方向に変動している場合には、ゲート・ソース間電圧Vgsを閾値電圧Vthが低下する方向に変動する動作条件にすればよいことが分かる。すなわち、閾値電圧Vthが許容値より低い方向に変動していれば、反転領域を逆導通させ、閾値電圧Vthが許容値より高い方向に変動していれば、内蔵ダイオードを逆導通させる。
The
ゲートドライバ14は、比較部13での判断結果を基にしてパワー半導体素子SWのゲート電圧Vgを可変する。すなわち、閾値電圧Vthが許容値より低い方向に変動していれば、ゲートドライバ14は、スイッチング素子Tr3をオンさせ、パワー半導体素子SWのゲート電圧Vgを、たとえば電圧VMの5Vにする。これにより、パワー半導体素子SWは、反転領域が逆導通となり、閾値電圧Vthが上昇する動作条件となる。逆に、閾値電圧Vthが許容値より高い方向に変動していれば、ゲートドライバ14は、スイッチング素子Tr2をオンさせ、パワー半導体素子SWのゲート電圧Vgを、たとえば電圧VLの−10Vにする。これにより、パワー半導体素子SWは、内蔵ダイオードが逆導通となり、閾値電圧Vthが低下する動作条件となる。また、閾値電圧Vthが許容値の範囲内にあってほとんど変動していなければ、ゲートドライバ14は、スイッチング素子Tr1をオンさせ、パワー半導体素子SWのゲート電圧Vgを、たとえば電圧VHの15Vにする。これにより、パワー半導体素子SWは、通常逆導通となり、閾値電圧Vthが変化しない動作条件となる。
The
なお、ゲートドライバ14は、ここでは、閾値電圧Vthの変動を抑制することに絞って説明したが、パワー半導体素子SWをオン・オフさせる通常の制御でも使用されている。すなわち、ゲートドライバ14は、パワー半導体素子SWをオンするとき、スイッチング素子Tr1をオンさせ、パワー半導体素子SWをオフするときには、スイッチング素子Tr2をオンさせており、閾値電圧Vthの変動抑制制御と兼用している。
Here, the
次に、以上のパワー半導体素子SWの駆動装置の全体の動作について説明する。パワー半導体素子SWの駆動装置では、図5に示したように、まず、パワー半導体素子SWがオン状態でのドレイン・ソース間の電圧Vonを電圧検出部11が検出する(ステップS1)。次に、電圧Vonと閾値電圧Vthとの関係を用いて、換算部12が、検出した電圧Vonに対応する閾値電圧Vthを求め、閾値電圧Vthの変動を推測する(ステップS2)。比較部13では、推測された閾値電圧Vthとあらかじめ設定された許容値とを比較し(ステップS3)、推測された閾値電圧Vthが許容値より低いかどうかが判断される(ステップS4)。ステップS4において、閾値電圧Vthが許容値より低いと判断されると、ゲートドライバ14がスイッチング素子Tr3をオンしてパワー半導体素子SWを反転領域逆導通の状態にする(ステップS5)。
Next, the overall operation of the drive device for the power semiconductor element SW described above will be described. In the drive device of the power semiconductor device SW, as shown in FIG. 5, first, the
ステップS4において、閾値電圧Vthが許容値より低くないと判断されると、比較部13は、閾値電圧Vthが許容値以内かどうかを判断する(ステップS6)。ステップS6において、閾値電圧Vthが許容値以内と判断されると、ゲートドライバ14がスイッチング素子Tr1をオンしてパワー半導体素子SWを通常逆導通の状態にする(ステップS7)。ステップS6において、閾値電圧Vthが許容値より高いと判断されると、ゲートドライバ14がスイッチング素子Tr2をオンしてパワー半導体素子SWを内蔵ダイオード逆導通の状態にする(ステップS8)。
If it is determined in step S4 that the threshold voltage Vth is not lower than the allowable value, the
ゲートドライバ14およびスイッチング素子Tr1,Tr2,Tr3によるパワー半導体素子SWの駆動が終わると、パワー半導体素子SWの駆動装置は、一定時間動作を継続させる(ステップS9)。すなわち、パワー半導体素子SWの駆動装置は、比較部13による判断結果を保持し、その判断結果を使って変動抑制制御を一定時間継続させる。一定時間経過すると、パワー半導体素子SWの駆動装置は、ステップS1に戻り、ドレイン・ソース間の電圧Vonの検出を再開する。
When the driving of the power semiconductor element SW by the
次に、パワー半導体素子SWの駆動装置を図1に示したスイッチングレギュレータの出力部に適用したときの2つのパワー半導体素子SW1,SW2の相互の動作について説明する。 Next, the mutual operation of the two power semiconductor elements SW1 and SW2 when the drive device for the power semiconductor element SW is applied to the output portion of the switching regulator shown in FIG. 1 will be described.
図6はパワー半導体素子のゲート電圧の波形例を示す図であって、(A)は同期整流を行わない場合を示し、(B)は同期整流を行う場合を示している。図7は閾値電圧変動抑制制御時におけるパワー半導体素子のゲート電圧の波形例を示す図である。 FIG. 6 is a view showing a waveform example of the gate voltage of the power semiconductor device, where (A) shows a case where synchronous rectification is not performed and (B) shows a case where synchronous rectification is performed. FIG. 7 is a diagram showing an example of the waveform of the gate voltage of the power semiconductor element at the time of threshold voltage fluctuation suppression control.
パワー半導体素子SW1,SW2は、PWM(Pulse Width Modulation)制御のゲート信号によって駆動される。ここで、同期整流を行わない場合、図6(A)に示したように、パワー半導体素子SW1,SW2の一方のゲートにPWM制御のゲート信号が印加されている期間、他方のゲートには、一定の電圧VLのゲート電圧Vgが印加されている。このとき、たとえば、上アームのパワー半導体素子SW1のゲートにPWM制御のゲート信号が印加されている期間であって、ゲート電圧Vgが電圧VHから電圧VLに遷移した後に流れる還流電流は、パワー半導体素子SW2に逆並列接続された内蔵ダイオードだけを流れることになる。 The power semiconductor elements SW1 and SW2 are driven by a gate signal of PWM (Pulse Width Modulation) control. Here, when synchronous rectification is not performed, as shown in FIG. 6A, a period during which a gate signal of PWM control is applied to one of the power semiconductor elements SW1 and SW2 is applied to the other gate. A gate voltage Vg of a constant voltage VL is applied. At this time, for example, during a period in which a gate signal of PWM control is applied to the gate of power semiconductor element SW1 of the upper arm, the return current flowing after gate voltage Vg transitions from voltage VH to voltage VL is a power semiconductor Only the built-in diode antiparallel connected to the element SW2 flows.
一方、同期整流を行う場合、図6(B)に示したように、パワー半導体素子SW1,SW2の一方のゲートにPWM制御のゲート信号が印加されている期間、他方のゲートには、同期整流のためのPWM制御のゲート信号が印加されている。ここで、パワー半導体素子SW1,SW2の他方は、同期整流のためのPWM制御のゲート信号が印加されている間、通常逆導通の状態になる。 On the other hand, when synchronous rectification is performed, as shown in FIG. 6B, while the gate signal of PWM control is applied to one of the power semiconductor elements SW1 and SW2, synchronous rectification is performed to the other gate. The gate signal of PWM control for is applied. Here, while the gate signal of PWM control for synchronous rectification is applied, the other of the power semiconductor elements SW1 and SW2 is normally in the reverse conductive state.
次に、図7に示した閾値電圧変動抑制制御をパワー半導体素子SW1またはSW2に対して行う場合について説明する。図7に図示した例では、パワー半導体素子SW2のみ閾値電圧変動抑制制御を行い、パワー半導体素子SW1には閾値電圧変動抑制制御を行っていない。 Next, the case where the threshold voltage fluctuation suppression control shown in FIG. 7 is performed on the power semiconductor element SW1 or SW2 will be described. In the example illustrated in FIG. 7, threshold voltage fluctuation suppression control is performed only on the power semiconductor element SW2, and threshold voltage fluctuation suppression control is not performed on the power semiconductor element SW1.
パワー半導体素子SW2において、その閾値電圧Vthがその許容値より高いとき、パワー半導体素子SW1がPWM制御している期間、ゲートドライバ14がスイッチング素子Tr2をオンのままにしてゲート電圧を電圧VLのままにし、同期整流はしていない。パワー半導体素子SW2は、閾値電圧Vthが低下する方向に変化するゲート電圧Vgがゲートに印加されることになる。また、パワー半導体素子SW2がPWM制御している期間、パワー半導体素子SW1のゲートには、同期整流のためのPWM制御のゲート信号が印加されている。
In the power semiconductor device SW2, when the threshold voltage Vth is higher than the allowable value, the
パワー半導体素子SW2の閾値電圧Vthがその許容値以内のとき、パワー半導体素子SW1がPWM制御している期間、ゲートドライバ14は、スイッチング素子Tr1,Tr2を使ってパワー半導体素子SW2を同期整流のためのPWM制御をしている。すなわち、ゲートドライバ14は、パワー半導体素子SW2をオンにするタイミングでスイッチング素子Tr1をオンにし、パワー半導体素子SW2をオフにするタイミングでスイッチング素子Tr2をオンにする。これにより、パワー半導体素子SW2は、オンのときにゲート電圧が電圧VHとなり、オフのときにゲート電圧が電圧VLとなる。つまり、このときのパワー半導体素子SW2のゲートには、閾値電圧変動抑制制御の必要のない通常の値の電圧VH,VLが印加される。また、パワー半導体素子SW2がPWM制御している期間、パワー半導体素子SW1のゲートには、同期整流のためのPWM制御のゲート信号が印加されている。
When the threshold voltage Vth of the power semiconductor device SW2 is within the allowable value, the
パワー半導体素子SW2の閾値電圧Vthがその許容値より低いとき、パワー半導体素子SW1がPWM制御している期間、ゲートドライバ14は、スイッチング素子Tr2,Tr3を使ってパワー半導体素子SW2を同期整流のためのPWM制御をしている。すなわち、ゲートドライバ14は、パワー半導体素子SW2をオンにするタイミングでスイッチング素子Tr3をオンにし、パワー半導体素子SW2をオフにするタイミングでスイッチング素子Tr2をオンにする。これにより、パワー半導体素子SW2は、オンのときにゲート電圧が電圧VMとなり、オフのときにゲート電圧が電圧VLとなる。この結果、パワー半導体素子SW2は、閾値電圧Vthが上昇する方向に変化するゲート電圧Vgがゲートに印加されることになる。また、パワー半導体素子SW2がPWM制御している期間、パワー半導体素子SW1のゲートには、同期整流のためのPWM制御のゲート信号が印加されている。
When the threshold voltage Vth of the power semiconductor device SW2 is lower than the allowable value, the
以上の図7の例では、閾値電圧変動抑制制御を下アームのパワー半導体素子SW2に適用した場合を示したが、上アームのパワー半導体素子SW1にも同様に適用することができる。この場合、上アームのパワー半導体素子SW1の閾値電圧変動抑制制御は、下アームのパワー半導体素子SW2の閾値電圧変動抑制制御と異なる時間帯に実施される。 Although the case where threshold voltage fluctuation | variation suppression control was applied to power semiconductor device SW2 of a lower arm was shown in the example of the above FIG. 7, it is applicable to power semiconductor device SW1 of an upper arm similarly. In this case, the threshold voltage fluctuation suppression control of the power semiconductor element SW1 of the upper arm is performed in a time zone different from the threshold voltage fluctuation suppression control of the power semiconductor element SW2 of the lower arm.
[第3の実施の形態]
図8は第3の実施の形態に係るパワー半導体素子の駆動装置を示す図、図9はパワー半導体素子のオフ時のゲート抵抗回路を示す図である。図10はパワー半導体素子をある一定時間駆動させたときのオフ時のゲート電圧の波形を示す図、図11はパワー半導体素子をある一定時間駆動させたときの閾値変動の変化の傾向を示す図である。図12は第3の実施の形態に係るパワー半導体素子の駆動装置の動作の流れを示すフローチャートである。なお、図8において、図2に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
Third Embodiment
FIG. 8 is a view showing a drive device of a power semiconductor element according to the third embodiment, and FIG. 9 is a view showing a gate resistance circuit of the power semiconductor element when it is off. FIG. 10 shows the waveform of the gate voltage when the power semiconductor device is driven for a certain period of time, and FIG. 11 shows the tendency of change in threshold voltage when the power semiconductor device is driven for a certain period of time It is. FIG. 12 is a flowchart showing the flow of the operation of the power semiconductor element drive device according to the third embodiment. In FIG. 8, the same or equivalent constituent elements as the constituent elements shown in FIG. 2 are designated by the same reference numerals and their detailed description will be omitted.
この第3の実施の形態に係るパワー半導体素子の駆動装置は、第2の実施の形態に係るパワー半導体素子の駆動装置がゲート電圧を変更して閾値電圧変動を抑制しているのに対し、ゲート抵抗を変更して閾値電圧変動を抑制している。 In the power semiconductor device drive device according to the third embodiment, the drive device of the power semiconductor device according to the second embodiment changes the gate voltage to suppress threshold voltage fluctuation, while the drive device of the power semiconductor device according to the second embodiment changes the gate voltage. The gate resistance is changed to suppress the threshold voltage fluctuation.
パワー半導体素子SWの駆動装置1は、電圧検出部11、換算部12、比較部13、スイッチング素子Tr11,Tr12、ゲート抵抗Rg、オン時ゲート抵抗Rg(on)およびオフ時ゲート抵抗Rg(off)を備えている。ここで、電圧検出部11および換算部12は、閾値検出部2を構成し、比較部13およびオフ時ゲート抵抗Rg(off)は、閾値変動抑制部3を構成している。
The
この駆動装置1では、スイッチング素子Tr11,Tr12のゲートは、ゲート抵抗Rgを介してゲート信号が入力される入力端子21に接続されている。スイッチング素子Tr11のドレインは、正極ゲート電圧Vg(+)に接続され、スイッチング素子Tr11のソースは、オン時ゲート抵抗Rg(on)の一方の端子に接続されている。オン時ゲート抵抗Rg(on)の他方の端子は、パワー半導体素子SWのゲートおよびオフ時ゲート抵抗Rg(off)の一方の端子に接続されている。オフ時ゲート抵抗Rg(off)の他方の端子は、スイッチング素子Tr12のソースに接続され、スイッチング素子Tr12のドレインは、負極ゲート電圧Vg(−)に接続されている。ここで、オフ時ゲート抵抗Rg(off)は、その制御端子が比較部13の出力に接続されており、比較部13が出力する制御信号によって抵抗値が変化する可変抵抗である。
In the
オフ時ゲート抵抗Rg(off)は、図9に例示したように、スイッチング素子Tr13,Tr14と抵抗Rg1,Rg2とを備えている。抵抗Rg1,Rg2の一方の端子は、オン時ゲート抵抗Rg(on)の他方の端子に接続されている。抵抗Rg1の他方の端子は、スイッチング素子Tr13のソースに接続され、抵抗Rg2の他方の端子は、スイッチング素子Tr14のソースに接続されている。スイッチング素子Tr13,Tr14のドレインは、スイッチング素子Tr12のソースに接続され、スイッチング素子Tr13,Tr14のゲートは、比較部13の出力に接続されている。なお、このオフ時ゲート抵抗Rg(off)では、抵抗Rg1,Rg2の値をRg1>Rg2の関係にしている。
The off-time gate resistance Rg (off) includes switching elements Tr13 and Tr14 and resistances Rg1 and Rg2 as illustrated in FIG. One terminal of each of the resistors Rg1 and Rg2 is connected to the other terminal of the on-time gate resistor Rg (on). The other terminal of the resistor Rg1 is connected to the source of the switching element Tr13, and the other terminal of the resistor Rg2 is connected to the source of the switching element Tr14. The drains of the switching elements Tr13 and Tr14 are connected to the source of the switching element Tr12, and the gates of the switching elements Tr13 and Tr14 are connected to the output of the comparing
以上の構成のパワー半導体素子SWの駆動装置において、電圧検出部11は、パワー半導体素子SWがオン状態でのドレイン・ソース間の電圧Vonを検出し、換算部12では、検出された電圧Vonの変動から閾値電圧Vthの変動が推測される。比較部13では、推測された閾値電圧Vthの変動と閾値電圧Vthの許容値とを比較し、閾値電圧Vthの変動が閾値電圧Vthの許容値より低いか、閾値電圧Vthの変動が閾値電圧Vthの許容値以内かを判断する。なお、閾値電圧Vthの許容値は、初期値に対して、誤オンの発生などの問題が出ないような範囲に決められる。
In the drive device for the power semiconductor element SW configured as described above, the
ここで、比較部13は、閾値電圧Vthの変動が閾値電圧Vthの許容値以内の場合、スイッチング素子Tr13をオンにする制御信号を出力し、オフ時ゲート抵抗Rg(off)を抵抗Rg1に設定する。閾値電圧Vthの変動が閾値電圧Vthの許容値より低い場合、比較部13は、スイッチング素子Tr14をオンにする制御信号を出力し、オフ時ゲート抵抗Rg(off)を抵抗Rg1よりも値の小さな抵抗Rg2に設定する。
Here, when the variation of the threshold voltage Vth is within the allowable value of the threshold voltage Vth, the
この閾値変動抑制制御は、パワー半導体素子SWの以下の電気特性に基づいている。すなわち、パワー半導体素子SWをある一定時間駆動させると、オフ時のゲート電圧Vgは、図10に示したように、オフ時ゲート抵抗Rg(off)の値によってアンダーシュート電圧UVの大きさが変化する。なお、オフ時ゲート抵抗Rg(off)は、AからDの順に小さくした場合を示している。ここで、アンダーシュート電圧UVは、図中の矢印部の大きさで定義される(図では、オフ時ゲート抵抗Rg(off)をDにしたときの跳ね上がり電圧を示している)。一方、図11に示したように、パワー半導体素子SWがターンオフするときのアンダーシュート電圧UVを大きくすると、閾値電圧Vthの上昇幅が大きくなる傾向がある。このことから、閾値電圧Vthの変動が許容値の範囲内であれば、オフ時ゲート抵抗Rg(off)の値を大きく(通常の値に)しておくことで、オフ時のゲート電圧Vgは、過剰なアンダーシュート電圧UVの発生が抑制されることが分かる。また、閾値電圧Vthが許容値より低下した場合には、閾値電圧Vthが上昇する方向に制御すればよい。このためには、オフ時ゲート抵抗Rg(off)の値を通常の値より小さくすることで、オフ時のゲート電圧Vgは、アンダーシュート電圧UVが大きくなる方向に変化する。これにより、閾値電圧Vthの上昇幅が大きくなることから、閾値電圧Vthが許容値から大きく外れることが抑制され、パワー半導体素子SWの閾値電圧Vthの変動を抑制することができる。 The threshold variation suppression control is based on the following electrical characteristics of the power semiconductor element SW. That is, when the power semiconductor element SW is driven for a certain period of time, as shown in FIG. 10, the magnitude of the undershoot voltage UV changes depending on the value of the off-time gate resistance Rg (off) as shown in FIG. Do. Note that the off-time gate resistance Rg (off) shows the case of decreasing in the order of A to D. Here, the undershoot voltage UV is defined by the size of the arrow in the figure (in the figure, it shows the bounce voltage when the off-time gate resistance Rg (off) is D). On the other hand, as shown in FIG. 11, when the undershoot voltage UV when the power semiconductor element SW is turned off is increased, the rise width of the threshold voltage Vth tends to be increased. From this, if the variation of the threshold voltage Vth is within the range of the allowable value, the gate voltage Vg at the time of off can be increased by setting the value of the gate resistance Rg (off) at the off time large (to a normal value). It can be seen that the generation of excessive undershoot voltage UV is suppressed. In addition, when the threshold voltage Vth is lower than the allowable value, the threshold voltage Vth may be controlled to increase. For this purpose, by setting the value of the off-time gate resistance Rg (off) smaller than a normal value, the off-time gate voltage Vg changes in the direction in which the undershoot voltage UV increases. As a result, since the rise width of the threshold voltage Vth becomes large, it is possible to suppress the threshold voltage Vth from largely deviating from the allowable value, and it is possible to suppress the fluctuation of the threshold voltage Vth of the power semiconductor element SW.
なお、この閾値変動抑制制御において、閾値電圧Vthの検出は、パワー半導体素子SWの動作中にリアルタイムに実施することができるが、定期的に装置を停止し個別に検出してもよい。このときの閾値電圧Vthが許容値の範囲内であったときは、オフ時ゲート抵抗Rg(off)の通常の値、すなわち、抵抗Rg1の値は、スイッチング損失などを考慮して決めるのが望ましい。また、閾値電圧Vthの検出およびオフ時ゲート抵抗Rg(off)の切り替えは、一定時間ごとに行うのがよい。 In the threshold variation suppression control, detection of the threshold voltage Vth can be performed in real time while the power semiconductor element SW is operating, but the device may be stopped periodically to be individually detected. When the threshold voltage Vth at this time is within the allowable range, it is desirable to determine the normal value of the off-time gate resistance Rg (off), that is, the value of the resistance Rg1 in consideration of switching loss etc. . Further, the detection of the threshold voltage Vth and the switching of the off-time gate resistance Rg (off) should be performed at regular intervals.
次に、以上のパワー半導体素子SWの駆動装置の全体の動作について説明する。パワー半導体素子SWの駆動装置では、図12に示したように、まず、パワー半導体素子SWがオン状態でのドレイン・ソース間の電圧Vonを電圧検出部11が検出する(ステップS11)。次に、電圧Vonと閾値電圧Vthとの関係を用いて、換算部12が、検出した電圧Vonに対応する閾値電圧Vthを求め、閾値電圧Vthの変動を推測する(ステップS12)。
Next, the overall operation of the drive device for the power semiconductor element SW described above will be described. In the drive device of the power semiconductor device SW, as shown in FIG. 12, first, the
比較部13では、推測された閾値電圧Vthとあらかじめ設定された許容値とを比較し(ステップS13)、推測された閾値電圧Vthが許容値以内かどうかを判断する(ステップS14)。ステップS14において、閾値電圧Vthが許容値以内と判断されると、比較部13は、スイッチング素子Tr13をオンする制御信号を出力し、オフ時ゲート抵抗Rg(off)を通常の値の抵抗Rg1に切り替える(ステップS15)。ステップS14において、閾値電圧Vthが許容値より低いと判断されると、比較部13は、スイッチング素子Tr14をオンする制御信号を出力し、オフ時ゲート抵抗Rg(off)を通常の値より小さな抵抗Rg2に切り替える(ステップS16)。
The
オフ時ゲート抵抗Rg(off)の切り替えが終わると、パワー半導体素子SWの駆動装置は、一定時間動作を継続させる(ステップS17)。一定時間経過すると、パワー半導体素子SWの駆動装置は、ステップS11に戻り、ドレイン・ソース間の電圧Vonの検出を再開する。 When the switching of the off-time gate resistance Rg (off) is completed, the drive device of the power semiconductor element SW continues the operation for a fixed time (step S17). After the elapse of a predetermined time, the drive device of the power semiconductor element SW returns to step S11, and restarts the detection of the voltage Von between the drain and the source.
この第3の実施の形態では、検出した閾値電圧Vthに基づいてオフ時ゲート抵抗Rg(off)を2段階に切り替えているが、必要に応じて3以上の複数段階に切り替えるようにしてもよい。 In the third embodiment, the off-time gate resistance Rg (off) is switched in two stages based on the detected threshold voltage Vth, but may be switched in three or more stages as needed. .
1 駆動装置
1D 下アーム用駆動装置
1U 上アーム用駆動装置
2 閾値検出部
2D 閾値検出部
2U 閾値検出部
3 閾値変動抑制部
3D 閾値変動抑制部
3U 閾値変動抑制部
11 電圧検出部
12 換算部
13 比較部
14 ゲートドライバ
21 入力端子
C コンデンサ
L インダクタ
Rg(off) オフ時ゲート抵抗
Rg(on) オン時ゲート抵抗
Rg ゲート抵抗
Rg1,Rg2 抵抗
SW,SW1,SW2 パワー半導体素子
Tr1,Tr2,Tr3,Tr11,Tr12,Tr13,Tr14 スイッチング素子
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記閾値検出部によって検出された前記閾値電圧の変動に応じて閾値電圧の変動を抑制するゲート信号を前記パワー半導体素子に印加する閾値変動抑制部と、
を備えている、パワー半導体素子の駆動装置。 A threshold detection unit that detects a threshold voltage of the power semiconductor device;
A threshold variation suppression unit that applies, to the power semiconductor element, a gate signal that suppresses the variation of the threshold voltage according to the variation of the threshold voltage detected by the threshold detection unit;
And a drive device for a power semiconductor device.
前記閾値変動抑制部は、前記換算部によって推測された前記閾値電圧の変動と前記閾値電圧の変動の許容値とを比較し、前記閾値電圧の変動が前記許容値の範囲内にあるとき第1の制御信号を出力し、前記閾値電圧の変動が前記許容値の範囲よりも低いとき第2の制御信号を出力する比較部と、前記パワー半導体素子のゲートと前記第2のスイッチング素子との間に接続され、前記第1の制御信号または前記第2の制御信号を受けて抵抗値が切り替えられ、前記第2のスイッチング素子がオンされたときに負のゲート電圧を前記パワー半導体素子のゲートに印加するオフ時ゲート抵抗とを有する、
請求項2記載のパワー半導体素子の駆動装置。 Furthermore, the first switching element is connected between a first switching element turned on in response to a gate signal for turning on the power semiconductor element, the first switching element and a gate of the power semiconductor element, and the first switching element An on-time gate resistance that applies a positive gate voltage to the gate of the power semiconductor device when the power semiconductor device is turned on, and a second switching device that is turned on in response to a gate signal that turns off the power semiconductor device;
The threshold variation suppression unit compares the variation of the threshold voltage estimated by the conversion unit with the tolerance value of the variation of the threshold voltage, and when the variation of the threshold voltage is within the range of the tolerance value, Between the gate of the power semiconductor device and the second switching device, the comparator configured to output a second control signal when the control signal is output and the second threshold signal is lower than the allowable value range. And the resistance value is switched in response to the first control signal or the second control signal, and a negative gate voltage is applied to the gate of the power semiconductor element when the second switching element is turned on. With applied off-time gate resistance,
The drive device of the power semiconductor element according to claim 2.
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