JP2007215389A - Power semiconductor element and semiconductor circuit using same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ワイドバンドギャップ半導体素子ならびにその駆動回路に関し、特にモータやコイルなどの誘導性負荷を低損失で高信頼に駆動するのに好適な小型で低コストな半導体回路と本半導体回路で使用することが好適な半導体素子構造を提供する。 The present invention relates to a wide band gap semiconductor device and a driving circuit thereof, and particularly, a small and low cost semiconductor circuit suitable for driving an inductive load such as a motor and a coil with low loss and high reliability, and the semiconductor circuit. A semiconductor device structure that is suitable to be provided is provided.
SiC(炭化珪素)やGaN(窒化ガリウム)やダイヤモンドのようなワイドバンドギャップ半導体素子は高圧・低損失・高周波化が可能であるという特徴がある。このため、従来のSiを用いたIGBTで構成されインバータ回路をSiCを用いたSITで構成されるインバータ回路に変えて、高圧・低損失・高周波化が可能である。 Wide band gap semiconductor elements such as SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), and diamond are characterized by being capable of high pressure, low loss, and high frequency. For this reason, a high voltage, low loss, and high frequency can be achieved by replacing the inverter circuit composed of a conventional IGBT using Si with an inverter circuit composed of SIT using SiC.
誘導性負荷をブリッジ回路で駆動する場合、上アームまたは下アームのパワー素子をオフしたときには逆側のパワー素子のドレイン・ソース端子に逆方向電圧が印加され、逆方向に電流が流れる還流モードになるが、このとき、ソース端子からドレイン端子側に低損失に電流が流れるようにSiCやGaNのようなワイドバンドギャップ半導体と並列にフライホイルダイオードを接続する方法が考えられている。 When driving an inductive load with a bridge circuit, when the upper or lower arm power element is turned off, reverse voltage is applied to the drain and source terminals of the power element on the opposite side, and the current flows in the reflux mode. However, at this time, a method of connecting a flywheel diode in parallel with a wide band gap semiconductor such as SiC or GaN has been considered so that a current flows with low loss from the source terminal to the drain terminal.
また、フライホイルダイオードとしてSiCショットキーダイオードを使用し還流ダイオードの逆回復によるエネルギー損失を低減する方法も考えられている。 A method of reducing energy loss due to reverse recovery of the freewheeling diode using a SiC Schottky diode as a flywheel diode is also considered.
また、SiCパワーデバイスの保護として、同一チップにダイオードを内蔵する方法が考えられている。 Further, as a protection of the SiC power device, a method of incorporating a diode in the same chip is considered.
特許文献1にはSiC SITを用いたインバータ回路が開示されており、各SiC SITと並列に還流用のダイオードを設けてある。特許文献2ではIGBTの還流用のフライホイルダイオードとしてSiCショットキーダイオードを使用している。特許文献3にはSiCパワーデバイスと同一チップに保護ダイオードを内蔵した半導体装置が開示されており、絶縁層上に多結晶シリコンダイオード形成し、過電圧保護ダイオードや温度検出用ダイオードとして使用している。
上記従来技術において、特許文献1に記載のものは各SiC SITと並列に還流用のダイオードを設けてあるが、この還流用のダイオードとしては、少数キャリアの蓄積がなく高圧化も可能なショットキーダイオードが適している。しかしながら、300Vを超える高圧のショットキーダイオードはシリコンでは実現できないため、特許文献2のようにSiC等のワイドバンドギャップ半導体を用いた高価なショットキーダイオードを外付けで使用する必要が生ずる。このため、インバータのコストが高くなるという間題がある。特許文献3に記載のものは過電圧保護ダイオードを半導体チップの周辺などに配置するため有効な半導体チップ領域が犠牲になるという問題がある。また、SiCプロセスの中にシリコン層を形成する場合には、製造プロセスが複雑になるという問題があった。
In the above prior art, the one disclosed in
本発明の目的は、ワイドバンドギャップ半導体に好適な駆動回路を提供することであり、特にドレイン・ソース端子間にワイドバンドギャップ半導体のショットキーダイオードがなくとも還流モードで低損失に動作するパワー半導体素子と高信頼な駆動が可能な半導体駆動回路を提供することである。 An object of the present invention is to provide a driving circuit suitable for a wide bandgap semiconductor, and in particular, a power semiconductor that operates with low loss in a reflux mode without a wide bandgap semiconductor Schottky diode between the drain and source terminals. It is an object to provide a semiconductor driving circuit capable of driving an element with high reliability.
本発明の半導体回路は、上述のようなFETに逆方向の電圧が印加される回路において、回路で使用するワイドバンドギャップ半導体素子の特性を特別な条件で動作するようにさせ、還流用のショットキーダイオードを使用しなくてもよい半導体回路とした。あるいは、本発明の半導体回路は、還流用の大面積ショットキーダイオードと同様の機能を半導体チップのゲートパッド直下に形成できるような小面積のショットキーダイオードで実現し、更に過電圧保護にも用いたことにある。 The semiconductor circuit of the present invention is a circuit for applying a reverse voltage to the FET as described above so that the characteristics of the wide bandgap semiconductor element used in the circuit operate under special conditions, and the shot for refluxing. The semiconductor circuit does not need to use a key diode. Alternatively, the semiconductor circuit of the present invention can be realized by a small area Schottky diode that can be formed directly under the gate pad of the semiconductor chip, and used for overvoltage protection. There is.
本発明によれば、高信頼で低コストなワイドバンドギャップ半導体駆動回路実現できる。 According to the present invention, a wide band gap semiconductor drive circuit with high reliability and low cost can be realized.
本発明の半導体回路では、ドレイン端子とソース端子と前記ドレイン端子と前記ソース端子との間に流れるFET電流を制御するゲート端子を有し前記ドレイン端子をカソードとする寄生ダイオードが存在するパワーFETと、該パワーFETのゲート・ソース間電圧を制御する制御回路と、前記パワーFETから電流を供給する誘導性素子を含む負荷を有し、前記制御回路により前記パワーFETがオフ駆動状態のときに前記パワー半導体FETのドレイン・ソース間に逆方向電圧が印加される動作を有し、この時、前記寄生ダイオードの電流成分よりも前記ソース端子から前記ドレイン端子に流れるFET電流の成分の方が大きくなるようにした。このために、寄生ダイオードの順方向電圧よりもFETの逆方向動作のしきい電圧のほうが低くなるパワーFETを使用した。さらに、このようなパワーFETを実現するためにSiCやGaNやダイヤモンドのようなワイドバンドギャップ半導体を用いた。 In the semiconductor circuit of the present invention, a power FET including a drain terminal, a source terminal, a gate terminal for controlling an FET current flowing between the drain terminal and the source terminal, and a parasitic diode having the drain terminal as a cathode exists. A control circuit for controlling the gate-source voltage of the power FET, and a load including an inductive element that supplies current from the power FET, and when the power FET is in an off drive state by the control circuit, It has an operation in which a reverse voltage is applied between the drain and source of the power semiconductor FET, and at this time, the component of the FET current flowing from the source terminal to the drain terminal is larger than the current component of the parasitic diode. I did it. For this reason, a power FET was used in which the threshold voltage for reverse operation of the FET was lower than the forward voltage of the parasitic diode. Furthermore, in order to realize such a power FET, a wide band gap semiconductor such as SiC, GaN, or diamond was used.
さらに、ドレイン端子とソース端子と前記ドレイン端子と前記ソース端子との間に流れるFET電流を制御するゲート端子を有し前記ドレイン端子をカソードとする寄生ダイオードが存在するパワーFETと、該パワーFETのゲート・ソース間電圧を制御する制御回路と、前記パワーFETから電流を供給する誘導性素子を含む負荷を有し、前記制御回路は前記ソース端子の電圧に対し第1電圧離れた高圧端子と前記ソース端子の電圧に対し第2電圧離れた低圧端子を有し、前記高圧端子と前記パワーFETのゲート端子との間にはオン用スイッチ素子を設け、前記低圧端子と前記パワーFETのゲート端子との間にはオフ用スイッチ素子を設け、前記オフ用スイッチ素子がオン状態の時に前記パワーFETの前記ドレイン端子の電圧を前記低圧端子の電圧より下げて、前記ソース端子から前記ドレイン端子に電流を流す動作を有し、この時、前記ソース端子から前記ドレイン端子に流れる主電流はパワーFETのFET電流となるようにした。 A power FET having a drain terminal, a source terminal, a gate terminal for controlling an FET current flowing between the drain terminal and the source terminal, and a parasitic diode having the drain terminal as a cathode; A control circuit that controls a gate-source voltage; and a load that includes an inductive element that supplies current from the power FET. The control circuit includes a high-voltage terminal that is separated from the voltage of the source terminal by a first voltage; A low voltage terminal that is separated from the voltage of the source terminal by a second voltage; an on-switching element is provided between the high voltage terminal and the gate terminal of the power FET; and the low voltage terminal and the gate terminal of the power FET An off switch element is provided between the drain terminals of the power FET when the off switch element is on. Lower than the voltage of the low voltage terminal, having an operation to flow a current to the drain terminal from the source terminal, this time, the main current flowing from the source terminal to the drain terminal is set to be FET current power FET.
さらに、ドレイン端子とソース端子と前記ドレイン端子と前記ソース端子との間に流れるFET電流を制御するゲート端子を有し前記ドレイン端子をカソードとする寄生ダイオードが存在するパワーFETの前記ゲート端子に第1ダイオードのアノード端子を接続し、前記ドレイン端子に前記第1ダイオードのカソード端子を接続し、前記寄生ダイオードの順方向電圧が前記第1ダイオードの順方向電圧より高くなるようにした。また、前記第1ダイオードはゲートパッド直下に形成した。 Further, the gate terminal of the power FET has a drain terminal, a source terminal, a gate terminal for controlling an FET current flowing between the drain terminal and the source terminal, and a parasitic diode having the drain terminal as a cathode. An anode terminal of one diode is connected, and a cathode terminal of the first diode is connected to the drain terminal so that a forward voltage of the parasitic diode is higher than a forward voltage of the first diode. The first diode is formed directly under the gate pad.
さらに、前記第1ダイオードの耐圧は前記ドレイン・ソース間耐圧から前記パワーFETのしきい電圧を引いた電圧より低くした。さらに、前記第1ダイオードはショットキーダイオードにした。 Furthermore, the breakdown voltage of the first diode is set lower than the voltage obtained by subtracting the threshold voltage of the power FET from the drain-source breakdown voltage. Further, the first diode is a Schottky diode.
さらに、パワーFETをオンさせるためには前記パワーMOSFETのターンオン用のスイッチング素子をオンさせることによりキャパシタを介してゲート・ソース間電圧を正方向に充電させることによりオンさせ、パワーFETをオフさせるためにはターンオフ用のスイッチング素子をオンさせることにより、前記キャパシタを介してゲート・ソース間電圧を負方向に充電させた。 Furthermore, in order to turn on the power FET, the switching element for turning on the power MOSFET is turned on by charging the gate-source voltage in the positive direction via the capacitor to turn off the power FET. In this case, by turning on a switching element for turn-off, the gate-source voltage is charged in the negative direction via the capacitor.
さらに、前記パワーFETのオン状態を保持するために必要なゲート電流を前記パワーFETに供給する電流経路を設けた。 Furthermore, a current path for supplying a gate current necessary for maintaining the ON state of the power FET to the power FET is provided.
図1は、本実施例の回路図であり、図2は本実施例の半導体回路で所望の特性を得るための半導体装置の特性図であり、図3は本実施例の半導体回路の駆動波形である。図4は本実施例の半導体回路の要素回路部を実現する半導体装置の断面図と平面図である。パワー半導体素子101、102にはnチャネル型の接合FETを使用した回路を示したが、SIT(静電誘導型FET)やMESFET(金属半導体接合FET)などの接合FET以外の他のパワーFETや電流利得が大きいバイポーラトランジスタなどのパワー半導体素子を使用しても同様の効果がある。また、本実施例ではパワー半導体素子101、102はしきい電圧が2.5 Vから0Vのノーマリオフ型パワー半導体素子を想定した回路で説明する。
FIG. 1 is a circuit diagram of the present embodiment, FIG. 2 is a characteristic diagram of a semiconductor device for obtaining desired characteristics in the semiconductor circuit of the present embodiment, and FIG. 3 is a drive waveform of the semiconductor circuit of the present embodiment. It is. FIG. 4 is a cross-sectional view and a plan view of a semiconductor device that realizes an element circuit portion of the semiconductor circuit of this embodiment. Although a circuit using an n-channel junction FET is shown for the
本実施例は、高圧電圧端子503と出力端子505との間にはハイサイドスイッチ用のパワー半導体素子101を接続し、出力端子505と基準電圧端子504との間には、ローサイドスイッチ用のパワー半導体素子102を配線し、前記ハイサイドスイッチ用のパワー半導体素子101と前記ローサイドスイッチ用のパワー半導体素子102により電力を制御される誘導性の負荷104u、104v、104wを、出力端子505に接続したブリッジ回路である。104u、104v、104wはモータ等の誘導性負荷で、505u、505v、505wは各々、U相、V相、W相の出力端子であるが本実施例では紙面の関係でU相の回路だけを示してある。前記ハイサイドスイッチ用のパワー半導体素子101を制御するためにハイサイドスイッチ用の制御回路110、前記ローサイドスイッチ用のパワー半導体素子102を制御するためにローサイドスイッチ用制御回路111を設けてある。
In this embodiment, the
本実施例ではハイサイドスイッチ用の制御回路110の高圧側電圧端子は506で、低圧側電圧端子はパワー半導体素子101のソース端子と同じで出力端子505に接続してある。また、ローサイドスイッチ用制御回路の高圧側電圧端子は507で、低圧側電圧端子はパワー半導体素子102のソース端子と同じで基準電圧端子504に接続してある。コンデンサ114とダイオード113はハイサイド用制御回路110に電源電圧を供給するブートストラップ回路を構成している。
In this embodiment, the high-
ハイサイドスイッチ用の制御回路110とローサイドスイッチ用制御回路111は同じ回路構成であり同様に動作するため、下記説明では主にパワー半導体素子101とその制御回路110の動作で説明する。
Since the
本実施例の半導体回路の第1の特徴はパワー半導体素子の特性が、逆方向動作(ソース端子からドレイン端子に電流が流れる動作)のしきい電圧(ソース端子からドレイン端子に電流が流れるために必要なドレイン端子に対するゲート端子の電圧)が寄生ダイオードの順方向電圧(SiCでは約2.5V )より低くいノーマリオフ型素子であり、図2に示してあるようなワイドバンドギャップ半導体素子の特徴を有することである。すなわち、図2では逆方向の静特性であるが本回路で使用されるスイッチング素子は、ドレイン端子よりソース端子の方が電圧が高くなったときに、ゲート端子とドレイン端子との間のダイオードに電流が流れる前に、ソース端子からドレイン端子にゲート・ソース間電圧がゼロボルトのオフ駆動状態でもFET電流が流れる。このため、還流モードとなったときにも、寄生ダイオードが強く順バイアスされることなく還流電流を流すことができる。このため、ドレイン・ソース間にショットキーダイオードを接続させなくとも、少数キャリアの蓄積による遅延や損失増加を防止できる。 The first characteristic of the semiconductor circuit of this embodiment is that the characteristics of the power semiconductor element are that the threshold voltage (current flows from the source terminal to the drain terminal) in the reverse operation (the current flows from the source terminal to the drain terminal). This is a normally-off type device in which the required gate terminal voltage to the drain terminal) is lower than the forward voltage of the parasitic diode (about 2.5 V in SiC), and the characteristics of the wide band gap semiconductor device as shown in FIG. Is to have. That is, although the static characteristics in the reverse direction in FIG. 2 are used, the switching element used in this circuit is a diode between the gate terminal and the drain terminal when the voltage at the source terminal is higher than that at the drain terminal. Before the current flows, the FET current flows from the source terminal to the drain terminal even in the off drive state where the gate-source voltage is zero volts. For this reason, even when the return mode is set, the return current can flow without the parasitic diode being strongly forward biased. For this reason, even if a Schottky diode is not connected between the drain and source, it is possible to prevent delay and increase in loss due to minority carrier accumulation.
また、ドレイン端子からソース端子に電流が流れる還流モードの時にドレイン・ソース間電圧が低くできるため、損失が小さいという特徴がある。 Further, since the drain-source voltage can be lowered in the reflux mode in which current flows from the drain terminal to the source terminal, the loss is small.
本実施例の半導体回路の第2の特徴はパワー半導体素子101、102をオンさせるためにはコンデンサ180u、180dを介してゲート・ソース間電圧を正方向に充電させることによりオンさせ、パワー半導体素子101、102をオフさせるためにはターンオフ用のスイッチング素子をオンさせることにより、前記コンデンサ180u、180dを介してゲート・ソース間電圧を負方向に充電させることである。通常の回路では負ゲート電圧を印加するためには負の電源も必要となるが、本実施例の駆動回路110,111には正の電源だけで済み、駆動回路が簡易化でき低コスト化が図れ、従来のブートストラップ回路も使用できる。
The second feature of the semiconductor circuit of this embodiment is that the
ゲート・ソース間に負ゲート電圧を印加する理由は以下の通りである。ワイドバンドギャップ半導体のパワー半導体素子としてよく検討されている接合FETやSIT(静電誘導型FET)やMESFET(金属半導体接合FET)やバイポーラトランジスタはオン駆動するためのしきい電圧が2.5V 程度以下とシリコンのパワーMOSFETやIGBTに比べ低い。このため、パワー半導体素子を遮断後にドレイン・ゲート間の寄生容量の影響でオンするセルフターンオンと呼ばれる誤動作が生じやすい。そこで、本実施例では、遮断時にゲート・ソース間に負ゲート電圧を印加することによりセルフターンオンを防止する。 The reason for applying a negative gate voltage between the gate and the source is as follows. A junction FET, SIT (electrostatic induction FET), MESFET (metal semiconductor junction FET), and bipolar transistor, which are well studied as power semiconductor elements of a wide band gap semiconductor, have a threshold voltage of about 2.5 V for being turned on. The following is lower than that of silicon power MOSFETs and IGBTs. For this reason, a malfunction called self-turn-on that is turned on under the influence of the parasitic capacitance between the drain and the gate after the power semiconductor element is cut off is likely to occur. Therefore, in this embodiment, the self-turn-on is prevented by applying a negative gate voltage between the gate and the source at the time of interruption.
また、本実施例ではゲート電圧を印加するときだけコンデンサ180uを介してゲートに大電流を流して高速にパワー半導体素子101をオンさせ、オン状態を保持するときのゲート電流Igsは高抵抗161uを使用することにより接合型FETであるパワー半導体素子101のゲート電流を低く抑えるようにすることが特徴である。すなわち、抵抗161uはパワー半導体素子101がオン状態にゲート端子に電流を供給する電流経路として働く。更に、ターンオフ時に十分負に下げた接合型FETであるパワー半導体素子101のゲート・ソース間電圧は抵抗162uとダイオード131uにより、オフ状態の時にしきい電圧近くまでゲート・ソース間電圧を戻す駆動にした。すなわち、駆動ゲート電圧Vgs、接合FETのゲート・ソース間電圧Vgs0、ゲート電流Igsの波形は図3に示してあるようにターンオンするときにはゲート電圧を一時的に高めに、ターンオフするときにはゲート・ソース間電圧を一時的に低めになるように駆動する。これにより、大ゲート電流による高速なターンオンとターンオフ、高抵抗161uにより低ゲート電流状態でオン状態保持をし、ターンオフ後のゲート・ソース間を負電圧に大きく下げることによりセルフターンオン対策、その後、オフ状態の間にゲート・ソース間電圧をしきい電圧近くまで戻すことにより、還流モードに移行したときにすばやくパワー半導体素子101が自動的にオンして損失を低減できるようにしている。
Further, in this embodiment, only when the gate voltage is applied, a large current is passed through the gate through the
例えば、端子506と高圧側電圧端子507の間の電圧が12Vだとすると抵抗401を1kΩ程度にすることにより、オン状態を保持するためのゲート電流は100μA以下に抑えられる。また、パワー半導体素子を遮断後にはゲート・ソース間電圧が負となるようにコンデンサ180u、180vの容量値はパワー半導体素子101,102の入力容量値の数倍以上の大きい値にした。また、抵抗162uは数十Ω程度の比較的低い値にする。
For example, if the voltage between the terminal 506 and the high-voltage
また、高抵抗401としては温度が増加するに従い抵抗値が下がる温度センサ機能を有する抵抗(NTCサーミスタ)を使用することにより、パワースイッチング素子の接合温度が高くなりドレイン電流が低下しそうになる場合には自動的にゲート電流(ベース電流)を増加してドレイン電流の低下を抑えることも可能である。 Further, when a resistor (NTC thermistor) having a temperature sensor function in which the resistance value decreases as the temperature increases is used as the high resistance 401, the junction temperature of the power switching element increases and the drain current is likely to decrease. Can automatically increase the gate current (base current) to suppress the decrease in drain current.
本実施例の半導体回路の第3の特徴は特にパワー半導体素子101が接合FETやSIT素子の場合に、ドレイン端子とゲート端子との間にショットキーダイオード140uを設けてあることである。このショットキーダイオードの順方向電圧はパワー半導体素子101であるパワーFETのドレイン端子とゲート端子との間に存在する寄生ダイオードの順方向電圧(SiCでは約2.5V )より低くすると、ドレイン端子よりソース端子の方が電圧が高くなる還流モード時にもゲート・ドレイン間の寄生ダイオードを順バイアスさせずにすむ。なお、ダイオード140uの順方向降下電圧はパワー半導体素子101の最大ゲート電圧より高く選ぶことが望ましい。これにより、パワー半導体素子101がオン状態の時にダイオード140uを介してゲート端子からドレイン端子に流れるリーク電流を抑制できる。この条件はパワー半導体素子101がノーマリオン型である場合のほうが条件を満たすことが容易である。さらに、ここで、ダイオード140u、140dの耐圧をパワー半導体素子101のドレイン・ソース間耐圧からパワー半導体素子101のしきい電圧を引いた値より5Vから30V程度低くしておくと、ダイオード140u、140dはパワー半導体素子101のドレイン・ソース間に過電圧が印加される前にゲートをオンさせて過電圧で破壊することを防止するアクティブクランプダイオードとして動作させることができ、信頼性が向上するという効果がある。すなわち、パワー半導体素子101がノーマリオフ型半導体素子の場合には、ダイオード140uの耐圧はパワー半導体素子101のドレイン・ソース間耐圧より低くする必要があるが、パワー半導体素子101がノーマリオン型半導体素子の場合にはしきい電圧が負のためパワー半導体素子101のドレイン・ソース間耐圧とダイオード140uの耐圧は同じものでも構わない。ダイオード140uはパワー半導体素子101のゲートパッド直下の領域を使用できる。
The third feature of the semiconductor circuit of this embodiment is that a
図4には前記ダイオード140uをパワー半導体素子101チップのゲートパッド直下に形成した場合の本実施例の半導体装置の平面図と断面図とを示す。図4で、符号1は裏面ドレイン金属層、2は高濃度n型ドレイン半導体領域、3は低濃度n型ドレイン半導体領域、4aは高濃度n型領域のソース領域、5aはオーミックコンタクトを取るためのソース金属層、5dはゲート金属層9bと低濃度n型ドレイン半導体領域3をショットキー接合させるための金属層、6aは高濃度p型ゲート領域、6bはダイオード140uのアノード側高濃度p型半導体領域、6cは高濃度n型領域4cにより分離されたフローティングの高濃度p型半導体領域であるゲート領域、7aは低濃度p型ゲート領域、7b、7cは低濃度p型半導体領域、8は絶縁層、9aは第2ソース金属層、9bは第2ゲート金属層である。図4に示すように本実施例の半導体装置ではショットキーダイオード140uをゲートパッド直下に形成しているため、チップ面積の増加を防止できる。また、ショットキーダイオード140uの耐圧はパワー半導体素子101のドレイン・ソース間耐圧より5Vから30V程度低くなるように、本実施例では高濃度p型半導体領域6bの間隔をゲート部の高濃度p型ゲート領域6aより広くとり、高濃度p型半導体領域6bの両端部への電界集中が生じ易くした。なお、パワー半導体素子101として、しきい電圧が−5Vから−30V程度のノーマリオン型半導体素子の場合にはパワー半導体素子101のドレイン・ソース間耐圧とダイオード140uの耐圧は同じにしてもダイオード140uをアクティブクランプ用ダイオードとして使用することができる。このような場合には高濃度p型半導体領域6b部の耐圧と高濃度p型ゲート領域6a部の耐圧は同じにしても構わないため、高濃度p型半導体領域6bの間隔をゲート部の高濃度p型ゲート領域6aと同じにしてよい。ただし、ゲートが接続されている高濃度p型ゲート領域6aとソースが接続されている高濃度p型半導体領域6bとの間の耐圧はゲート端子電圧が最低電圧になった場合にも高濃度p型半導体領域6bとソースが接続されている高濃度p型ゲート領域6aとの間で降伏しないように耐圧を確保できるように離して配置する必要がある。
FIG. 4 shows a plan view and a cross-sectional view of the semiconductor device of this embodiment in which the
図5に本実施例を示す。本実施例ではパワー半導体素子がパワーMOSFETの場合の実施例である。図2では寄生ダイオードはドレイン端子とゲート端子の間に存在するが、図3に示す本実施例の場合にも逆方向動作(ソース端子からドレイン端子に電流が流れる動作)のしきい電圧が寄生ダイオードの順方向電圧(SiCでは約2.5V )よりもパワーMOSFETのしきい電圧を低くし、最大ゲート・ソース間電圧も寄生ダイオードの順方向電圧と同等ないしそれ以下にする(例えば2.5V )。このような条件は、パワー半導体素子としてシリコンを用いた場合には寄生ダイオードの順方向電圧が約0.6V 程度以下のため実現が難しかったが、寄生ダイオードの順方向電圧が比較的高いワイドバンドギャップ半導体の場合には実現が可能になった。 本実施例の場合にも実施例1と同様の効果がある。 FIG. 5 shows this embodiment. In this embodiment, the power semiconductor element is a power MOSFET. In FIG. 2, the parasitic diode exists between the drain terminal and the gate terminal, but in the case of the present embodiment shown in FIG. 3, the threshold voltage of the reverse operation (operation in which current flows from the source terminal to the drain terminal) is parasitic. The threshold voltage of the power MOSFET is made lower than the forward voltage of the diode (about 2.5 V for SiC), and the maximum gate-source voltage is also equal to or less than the forward voltage of the parasitic diode (for example, 2.5 V). ). Such a condition is difficult to realize when silicon is used as the power semiconductor element because the forward voltage of the parasitic diode is about 0.6 V or less, but a wide band in which the forward voltage of the parasitic diode is relatively high. In the case of gap semiconductors, this has become possible. In the case of the present embodiment, the same effect as in the first embodiment is obtained.
図6に本実施例を示す。本実施例ではダイオード140uがショットキーダイオードではなく、pn接合ダイオードである場合の実施例である。すなわち、5bはオーミックコンタクト用の金属層、6dはアノード側p型半導体領域である。本実施例の場合には還流モードにおいて少数キャリアがドレイン領域に流れてしまうことは阻止できなくなるが、図3と同様にドレイン電圧が過電圧となった場合の保護機能をチップ面積の増加なく実現できるという特徴を有する。すなわち、本実施例の場合にも実施例1の場合と同様にpn接合ダイオード140uの耐圧はパワー半導体素子101のドレイン・ソース間耐圧からしきい電圧を引いた値より5Vから30V程度低くしてあるため、ダイオード140uはパワー半導体素子101のドレイン・ソース間に過電圧が印加される前にゲートをオンさせて過電圧で破壊することを防止するアクティブクランプダイオードとして動作させることができ、信頼性が向上するという効果がある。また、ダイオード140uはパワー半導体素子101のゲートパッド直下の領域を使用できるため、パワー半導体素子101のチップ面積の増加なしで上記効果が得られる。
FIG. 6 shows this embodiment. In this embodiment, the
なお、本実施例の場合でもダイオード140uの順方向降下電圧よりパワー半導体素子のしきい電圧の方が低くする必要があり、パワー半導体素子101のゲート・ソース間に印加できるゲート電圧の最大値はダイオード140uの順方向降下電圧以下である。従って、本実施例の場合にも、パワー半導体素子101がノーマリオン型半導体素子の場合に好適な構造である。パワー半導体素子101として、しきい電圧が−5Vから−30V程度のノーマリオン型半導体素子の場合にはパワー半導体素子101のドレイン・ソース間耐圧とダイオード140uの耐圧は同じにしてもダイオード140uをアクティブクランプ用ダイオードとして使用することができる。このような場合には実施例1の場合と同様に高濃度p型半導体領域6b部の耐圧と高濃度p型ゲート領域6a部の耐圧は同じにしても構わないため、高濃度p型半導体領域6bの間隔をゲート部の高濃度p型ゲート領域6aと同じにしてよい。また、ゲートが接続されている高濃度p型半導体領域6bとソースが接続されている高濃度p型ゲート領域6aとの間の耐圧はゲート端子電圧が最低電圧になった場合にも高濃度p型半導体領域6bとソースが接続されている高濃度p型ゲート領域6aとの間で降伏しないように耐圧を確保できるように離して配置する必要がある。
Even in this embodiment, the threshold voltage of the power semiconductor element needs to be lower than the forward drop voltage of the
なお、図では示してないが、ゲートパッド領域の上に誘電材料と電極層を積層させて、コンデンサ180uを形成すると図1の回路が更に小型化できる。
Although not shown in the drawing, the circuit of FIG. 1 can be further reduced in size by forming a
図7には本実施例を示す。本実施例では図1に比べ、簡略化した場合の実施例である。本実施例では、ツェナーダイオード141uを用いた定電圧回路を使用せず、パワー半導体素子101のゲート・ソース間ダイオードをツェナーダイオード141の代わりに使用した場合の実施例である。本実施例は、パワー半導体素子101が接合FETのようにゲート・ソース間には印加する電圧により電流が指数関数的に増加するダイオードが存在するため可能となる。コンデンサ180uの値は最適化することにより、接合FETであるパワー半導体素子101のゲート電圧が過大にならないようにできる。抵抗163uは接合FETであるパワー半導体素子101のゲートに電圧を印加しない場合にオフ状態を保持させるために設けた100kΩ程度の高抵抗だが、なくても構わない。本実施例ではオン状態にて接合FETであるパワー半導体素子101のゲート・ソース間ダイオードと抵抗163uとからなる並列回路に流れるリーク電流を抵抗161uを介して供給して接合FETであるパワー半導体素子101のオン状態を保持する。
FIG. 7 shows this embodiment. In this embodiment, the embodiment is simplified as compared with FIG. In this embodiment, the constant voltage circuit using the
なお、本実施例では図1に示したようなオフ状態でゲート・ソース間電圧を急速にゼロに戻す抵抗162uとダイオード131uからなる電流経路を設けていない。また、コンデンサ180uに蓄えられた電荷が抵抗161uを介して放電しにくくなるようにダイオード149uを設けてある。このため、ゲートの駆動波形は図8に示すようになる。図4と図8の波形の比較から分かるように、図1の回路では接合FETであるパワー半導体素子101をオンするたびにコンデンサ180uを充電する必要があったが、本実施例ではコンデンサ180uに充電された電圧がオフ状態で放電されにくい。このため、ゲートの充放電電力を低減できるという特徴がある。
In this embodiment, there is no current path composed of the resistor 162u and the diode 131u that rapidly returns the gate-source voltage to zero in the off state as shown in FIG. In addition, a
ただし、本実施例の場合には還流モードになって、接合FETであるパワー半導体素子101のソースからドレイン方向に自動的に電流が流れ始めるときのゲート・ソース間電圧が下がったままのため、接合FETであるパワー半導体素子101が逆方向にオンし始めるドレイン・ソース間電圧が実施例1の場合に比べ高くなり損失が大きくなる可能性もある。このため、還流モードになった時には、接合FETであるパワー半導体素子101がすばやくオン駆動して逆方向動作させることが望ましい。または、本実施例の場合には還流モードにおける損失を簡単に低減するにはドレイン・ソース間にフライホイルダイオードを設けることが望ましい。その他の特徴は実施例1と同じであり同様の効果がある。
However, in the case of the present embodiment, since the mode is the reflux mode, the voltage between the gate and the source when the current starts to flow automatically from the source to the drain of the
図9には本実施例を示す。本実施例ではダイオード146u、147uを設けることにより、ターンオン速度に関係するゲート抵抗164uの値とターンオフ速度に関係するゲート抵抗165uの値を別々に設定していることが特徴である。これにより、過剰な高速スイッチング化による雑音を低減し、なおかつ、スイッチング損失が小さくなるように最適化することができるという特徴がある。ここで、コンデンサ180uと並列に設けてある抵抗161uは図1と同様に接合FETであるパワー半導体素子101をオンさせ続けるために必要なゲート電流を流すための高抵抗である。その他の特徴は実施例4と同じであり同様の効果がある。
FIG. 9 shows this embodiment. This embodiment is characterized in that by providing the
図10には本実施例を示す。本実施例では101のゲート・ソース間に過大電圧が印加されることを防止する定電圧回路をダイオード列146uで実現していることが特徴である。ダイオード列144uは実施例1のツェナーダイオード141uに比べ、大電流が流せるため、接合FETであるパワー半導体素子101のゲート電圧をクランプさせやすくなるという利点がある。
FIG. 10 shows this embodiment. The present embodiment is characterized in that a constant voltage circuit for preventing an excessive voltage from being applied between the gate and the
なお、本実施例ではダイオード列144uは順方向降下電圧が低いシリコンダイオードを想定したため、多段に並べているが、接合FETであるパワー半導体素子101と同様にワイドバンドギャップ半導体を使用した場合には1個でも構わない。また、ダイオード144uは接合FETであるパワー半導体素子101のチップ上に形成したものでも構わない。その他の特徴は実施例4と同じであり同様の効果がある。
In the present embodiment, since the
図11に本実施例を示す。本実施例ではゲート電圧をクランプさせる定電圧用のツェナーダイオード149uのサイズが小さくても定電圧効果が保持されるように、トランジスタ123uを追加したことが特徴である。本実施例ではツェナーダイオード149uが降伏するとトランジスタ123uがオンして接合FETであるパワー半導体素子101のゲート電圧が過大に上昇することを抑える。このため、接合FETであるパワー半導体素子101のゲート電圧はツェナーダイオード149uの降伏電圧とトランジスタ123uのベース・エミッタ間電圧の合計の電圧にクランプされる。このため、ゲートに大電流が流れてもゲート電圧が過大になることを抑制できるという利点がある。なお、本実施例でダイオード148uはトランジスタ123uが飽和しないようにベース・コレクタ間をクランプするショットキーダイオードである。
FIG. 11 shows this embodiment. This embodiment is characterized in that the
その他の特徴は実施例4と同じであり同様の効果がある。 Other features are the same as those of the fourth embodiment and have the same effects.
図12には本実施例を示す。本実施例では高速にターンオンするために大電流を流し、ターンオン後はオフするトランジスタ120u、オン状態を保持するために微小なゲート電流を流すためのトランジスタ124u、ゲート・ソース間に負電圧を印加し、パワースイッチ素子がターンオフ時に誤ってオンするセルフターンオン現象が生じないほど十分な負ゲート電圧を印加した後にオフするトランジスタ121u、オフ状態を保持するために必要なゲート・ソース間電圧を印加し続けるためにオンさせておくトランジスタ125uを設けたことが特徴である。抵抗167u、168uはオンまたはオフ状態を保持するためのリーク電流を抑制するために設けた高抵抗であり、図3と同様な駆動が得られる。
FIG. 12 shows this embodiment. In this embodiment, a large current is applied to turn on at a high speed, the
本実施例では信号処理回路118uが必要なるが実施例1で必要であったコンデンサ180uを充放電する電力が不要になるという利点がある。また、171u,172uは駆動回路の電源であり、パワー半導体素子101,102がノーマリオフ型である場合には共に正の電源であるが、パワー半導体素子101,102がノーマリオン型素子の場合には電源171uの電圧はゼロまたは負となる。その他の特徴は実施例1と同じであり同様の効果がある。
In the present embodiment, the
図13には本実施例を示す。本実施例ではパワースイッチ素子として接合FETやバイポーラトランジスタを使用した場合の保護回路を内蔵した場合の実施例である。パワー半導体素子101が接合FETやバイポーラトランジスタの場合、過負荷状態で温度が上昇するとゲート電流(ベース電流)が増加する。そこで、本実施例ではパワー半導体素子101のゲート電流をモニターし、過負荷状態で温度が上昇した時にパワースイッチ素子を遮断ないしオン抵抗を増加させて破壊を防止することが特徴である。すなわち、パワー半導体素子101のゲート電流が増加するとパワー半導体素子101のゲート電流をモニタしているトランジスタ126uの電流も増加する。このため、カレントミラー接続されたトランジスタ127uの電流も増加し、端子Xの電圧が上昇する。通常は端子Xの電圧は端子Yの電圧と等しくなるようにしてあるため、端子509に接合FETであるパワー半導体素子101をオンさせる信号が印加されていても接合FETであるパワー半導体素子101のドレイン電流が抑制される。これにより、パワースイッチ素子の破壊を防止できるという効果がある。
FIG. 13 shows this embodiment. This embodiment is an embodiment in which a protection circuit when a junction FET or a bipolar transistor is used as a power switch element is incorporated. When the
ここで115uはフィルタやスイッチ回路からなる分離回路で、保護回路を働かせる期間だけ端子Xと端子Yとの間を低インピーダンスで接続し、保護回路を働かせたくない期間、例えば、接合FETであるパワー半導体素子101をターンオンさせるときには端子Xと端子Yとの間を高インピーダンスにする。なお、分離回路115には保護回路が動作した状態をチップ温度が低下した後も保持するラッチ回路や規定の高温状態のときだけ保護状態を保持するヒステリシス回路を設けても構わない。その他の特徴は実施例4と同じであり同様の効果がある。
115u is a separation circuit composed of a filter and a switch circuit. The terminal X and the terminal Y are connected with a low impedance only during a period in which the protection circuit is activated, and for example, a power that is a junction FET is not desired in the protection circuit. When the
図14には本実施例を示す。本実施例では接合FETであるパワー半導体素子101のゲート・ソース間電圧を監視し、接合FETであるパワー半導体素子101のゲート・ソース間電圧が基準電圧117uより低くなった場合には接合FETが規定以上の高温状態なるとみなして接合FETを保護するもので、116uはコンパレータである。
FIG. 14 shows this embodiment. In this embodiment, the gate-source voltage of the
その他の特徴は実施例9と同じであり実施例6と同様の効果がある。 Other features are the same as those of the ninth embodiment, and the same effects as those of the sixth embodiment are obtained.
以上、本実施例の発明では電界効果型パワー半導体素子はnチャネル型であるとして説明したが、pチャネル型のパワー半導体素子の場合には、回路の極性や不純物層の極性を逆にすることにより同様な構成が実現でき、同様の効果が得られることはいうまでもない。 As described above, in the invention of this embodiment, the field effect type power semiconductor element is described as an n-channel type. However, in the case of a p-channel type power semiconductor element, the polarity of the circuit and the polarity of the impurity layer are reversed. Needless to say, the same configuration can be realized and the same effect can be obtained.
1…裏面ドレイン金属層、2…高濃度n型ドレイン半導体領域、3…低濃度n型ドレイン半導体領域、4a、4b、4c、4d、4e…高濃度n型領域、5a、5b、5c、5d…金属層、6a…高濃度p型ゲート領域、6b、6c、6d…高濃度p型半導体領域、7a…低濃度p型ゲート領域、7b、7c…低濃度p型半導体領域、8…絶縁層、9a…ソース金属層、9b…ゲート金属層、101、102…パワー半導体素子、104u、104v、104w…負荷、110、111…制御回路、112…レベルシフト回路、115u、115d…分離回路、116u、116d…コンパレータ回路、117u、117d…基準電圧、120u〜128u、120d〜128d…トランジスタ、113、140u〜148u、140d〜148d…ダイオード、160u〜166u、160d〜166d…抵抗、114、180u、180d…コンデンサ、503…高圧電圧端子、504…基準電圧端子、505u、505v、505w…出力端子、507…高圧側電圧端子、508u、508d…入力端子。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
該パワーFETのゲート・ソース間電圧を制御する制御回路と、
前記パワーFETから電流を供給する誘導性素子を含む負荷を有し、
前記制御回路により前記パワーFETがオフ駆動状態のときに前記パワー半導体FETのドレイン・ソース間に逆方向電圧が印加され、この時、前記寄生ダイオードの電流成分よりも前記ソース端子から前記ドレイン端子に流れるFET電流の成分の方が大きいことを特徴する半導体回路。 A power FET having a drain terminal, a source terminal, a gate terminal for controlling an FET current flowing between the drain terminal and the source terminal, and a parasitic diode having the drain terminal as a cathode;
A control circuit for controlling the gate-source voltage of the power FET;
A load including an inductive element that supplies current from the power FET;
When the power FET is in an off drive state by the control circuit, a reverse voltage is applied between the drain and source of the power semiconductor FET, and at this time, the current component of the parasitic diode is changed from the source terminal to the drain terminal. A semiconductor circuit characterized in that the flowing FET current component is larger.
前記制御回路は、前記ソース端子の電圧に対し第1電圧離れた高圧端子と前記ソース端子の電圧に対し第2電圧離れた低圧端子とを有し、
前記高圧端子と前記パワーFETのゲート端子との間にはオン用スイッチ素子を設け、前記低圧端子と前記パワーFETのゲート端子との間にはオフ用スイッチ素子を設け、
前記オフ用スイッチ素子がオン状態の時に前記パワーFETの前記ドレイン端子の電圧を前記低圧端子の電圧より下げて、前記ソース端子から前記ドレイン端子に電流を流し、この時、前記ソース端子から前記ドレイン端子に流れる主電流がパワーFETのFET電流となることを特徴する半導体回路。 The semiconductor circuit according to claim 1,
The control circuit has a high voltage terminal separated from the voltage of the source terminal by a first voltage and a low voltage terminal separated from the voltage of the source terminal by a second voltage;
An on-switching element is provided between the high-voltage terminal and the power FET gate terminal, and an off-switching element is provided between the low-voltage terminal and the power FET gate terminal,
When the off switch element is in the on state, the voltage of the drain terminal of the power FET is lowered from the voltage of the low voltage terminal, and a current flows from the source terminal to the drain terminal. A semiconductor circuit characterized in that a main current flowing through a terminal is an FET current of a power FET.
前記ドレイン端子に前記第1ダイオードのカソード端子を接続し、
前記寄生ダイオードの順方向電圧が前記第1ダイオードの順方向電圧より高いことを特徴とする半導体回路。 A drain terminal; a source terminal; a gate terminal that controls an FET current flowing between the drain terminal and the source terminal; and a gate terminal of a power FET including a parasitic diode having the drain terminal as a cathode. , Connect the anode terminal of the first diode,
Connecting the cathode terminal of the first diode to the drain terminal;
A semiconductor circuit, wherein a forward voltage of the parasitic diode is higher than a forward voltage of the first diode.
前記寄生ダイオードの順方向電圧より、前記パワーFETの逆方向動作時のしきい電圧を低くしたことを特徴とする半導体回路。 The semiconductor circuit according to claim 3,
A semiconductor circuit characterized in that a threshold voltage during reverse operation of the power FET is made lower than a forward voltage of the parasitic diode.
前記第1ダイオードの耐圧は前記ドレイン・ソース間耐圧より低いことを特徴とする半導体回路。 In the semiconductor circuit according to claim 3 or 4,
The semiconductor circuit according to claim 1, wherein a breakdown voltage of the first diode is lower than a breakdown voltage between the drain and source.
前記ダイオードはショットキーダイオードであることを特徴とする半導体回路。 The semiconductor circuit according to any one of claims 3 to 5,
A semiconductor circuit, wherein the diode is a Schottky diode.
パワーFETをオフさせるために、前記パワーFETのターンオフ用のスイッチング素子をオンさせて、前記キャパシタを介してゲート・ソース間電圧を負方向に充電させることを特徴とする半導体回路。 In order to turn on the power FET, the switching element for turning on the power FET is turned on, and the gate-source voltage is charged in the positive direction via the capacitor and turned on.
In order to turn off a power FET, a switching element for turning off the power FET is turned on to charge a gate-source voltage in a negative direction through the capacitor.
前記パワーFETのオン状態を保持するために必要なゲート電流を前記パワーFETのに供給する電流経路を設けたことを特徴とする半導体回路。 The semiconductor circuit according to claim 7,
A semiconductor circuit comprising a current path for supplying a gate current necessary for maintaining an ON state of the power FET to the power FET.
9. The semiconductor circuit according to claim 1, wherein the power FET is an FET using a wide band gap semiconductor element.
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