JP2016201693A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、カスコード回路を備えた半導体装置に関し、特に窒化物半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device provided with a cascode circuit, and more particularly to a nitride semiconductor device.
近年、サーバーやパソコン等のIT機器、エアコンを始めとする白物家電、太陽光発電システムで利用するパワー・コンディショナー、ハイブリッド車等の電動車両、電車や送電システム等の分野において、パワー半導体が重要な役割を果たしている。 In recent years, power semiconductors are important in the fields of IT equipment such as servers and personal computers, white goods such as air conditioners, power conditioners used in solar power generation systems, electric vehicles such as hybrid cars, trains and power transmission systems. Plays an important role.
中でもGaN(窒化ガリウム)を用いたデバイスは、上記GaNの材料物性の優位性から、現行材料のSiデバイスと比較して、大幅な高耐圧化や低抵抗化や高周波化が期待されている。 In particular, devices using GaN (gallium nitride) are expected to have a significantly higher breakdown voltage, lower resistance, and higher frequency than the Si material of the current material because of the superior material properties of GaN.
GaNトランジスタの特徴の一つとして、高周波化が挙げられる。スイッチング周波数の向上が可能になる一因は、キャリアとなる電子の移動度が高いことである。一般的に、GaNトランジスタは、AlGaN層とGaN層とを接合させた「HEMT(High Electron Mobility Transistor)構造」を採用し、上記両層の界面付近には「2次元電子ガス」が発生する。この「2次元電子ガス」内では電子が高速で移動できるため、スイッチング速度の高速化が可能となる。 One of the characteristics of GaN transistors is high frequency. One reason that the switching frequency can be improved is that the mobility of electrons as carriers is high. Generally, a GaN transistor employs a “HEMT (High Electron Mobility Transistor) structure” in which an AlGaN layer and a GaN layer are joined, and “two-dimensional electron gas” is generated near the interface between the two layers. Since electrons can move at high speed in the “two-dimensional electron gas”, the switching speed can be increased.
そのために、上記GaNトランジスタとしては、スイッチング電源装置等への用途が急拡大している。しかしながら、GaNトランジスタは主にノーマリーオン型のスイッチング素子であるため、スイッチング電源装置等に一般的に用いられるノーマリーオフ型のスイッチング素子を駆動するゲート駆動回路(ノーマリーオフ動作用のゲート駆動回路)を適用することはできない。 For this reason, the use of the GaN transistor as a switching power supply device is rapidly expanding. However, since the GaN transistor is mainly a normally-on type switching element, a gate driving circuit for driving a normally-off type switching element generally used in a switching power supply device or the like (a gate drive for normally-off operation). Circuit) cannot be applied.
そこで、上記ノーマリーオン型のスイッチング素子をノーマリーオフ動作させる場合には、ノーマリーオン型のスイッチング素子のソースにノーマリーオフ型のスイッチング素子のドレインを接続して、カスコード回路を構成することが考えられる。このようなカスコード回路を構成した場合、ノーマリーオン型のスイッチング素子は、ノーマリーオフ動作用のゲート駆動回路でターンオフ動作させると、ノーマリーオフ型のスイッチング素子と同様にオフ状態となるため、ノーマリーオフ動作用のゲート駆動回路をそのまま適用することが可能となる。 Therefore, when the normally-on switching element is normally off, the drain of the normally-off switching element is connected to the source of the normally-on switching element to form a cascode circuit. Can be considered. When such a cascode circuit is configured, a normally-on type switching element is turned off in the same manner as a normally-off type switching element when turned off by a gate drive circuit for normally-off operation. The gate drive circuit for normally-off operation can be applied as it is.
ところで、上記パワー半導体がインバータ回路等で使用される場合、使用環境によっては、負荷や電源の異常変動によってトランジスタ素子が短絡状態となることがある。そこで、上記パワー半導体には、短絡状態となった場合に、保護回路が働くまでの時間(短絡時間)は、短絡状態であってもトランジスタが壊れないことが求められている。 By the way, when the power semiconductor is used in an inverter circuit or the like, depending on the use environment, the transistor element may be short-circuited due to abnormal fluctuations in the load or power supply. In view of this, the power semiconductor is required to have a transistor that does not break even when the power circuit is in a short-circuited state.
ところが、上記短絡時においては、トランジスタには高電圧が印加された状態で大電流が流れるため、電圧×電流のエネルギーが掛かることになり、トランジスタ素子が一気に発熱して、上記トランジスタ素子の劣化や破壊を起こしてしまうという問題がある。 However, at the time of the short circuit, since a large current flows in a state where a high voltage is applied to the transistor, energy of voltage × current is applied, the transistor element generates heat at a stretch, and the transistor element deteriorates or There is a problem of causing destruction.
特に、上記GaNトランジスタは、上述したように、その材料物性の優位性からSiデバイスと比較して大幅な高耐圧/低抵抗化が可能であり、そのチップ面積縮小に伴って、短絡時間の増大が大きな課題となっている。そのために、短絡時における発熱抑制が重要となってきている。 In particular, as described above, the GaN transistor can have a significantly higher breakdown voltage / lower resistance than the Si device because of its superior material properties, and the short circuit time increases as the chip area decreases. Has become a major issue. Therefore, suppression of heat generation during a short circuit has become important.
上記短絡時における発熱を抑制できる回路として、米国特許出願公開第2014/0055192号明細書(特許文献1)に開示されたパワートランジスタの飽和電流制限回路および米国特許第8624662号明細書(特許文献2)に開示された半導体の電子構成および回路がある。 As a circuit capable of suppressing heat generation at the time of the short circuit, a saturation current limiting circuit for a power transistor disclosed in US 2014/0055192 (Patent Document 1) and US Pat. No. 8,624,662 (Patent Document 2). The semiconductor electronic configuration and circuit disclosed in FIG.
図5は、上記特許文献1に開示された回路構成を示す回路図である。当該回路は、飽和電流に制限を与えるパワートランジスタ1の具体的な回路の一部を例示している。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a circuit configuration disclosed in
このパワートランジスタ1は、第1ドレインD1と第1ソースS1と第1ゲートG1とを有するノーマリーオン型のGaNトランジスタM1を含んでいる。また、パワートランジスタ1は、第2ドレインD2と第2ソースS2と第2ゲートG2とを有するノーマリーオフ型のMOSトランジスタM2を含んでいる。そして、ノーマリーオントランジスタM1の第1ソースS1とノーマリーオフトランジスタM2の第2ドレインD2とが接続されて、ノーマリーオントランジスタM1とノーマリーオフトランジスタM2とは直列に接続されている。
The
上記第1ゲートG1に接続された第1端子T1と第2ソースS2に接続された第2端子T2との間には、電流制限回路2が接続されている。この電流制限回路2は、抵抗のような少なくとも一つの受動回路素子および/または最大の安定状態電圧VGS(ゲート‐ソース間電圧)が0Vより低い少なくとも一つの能動回路素子で構成されており、一例としてダイオード3で成る。このように、ノーマリーオントランジスタM1とノーマリーオフトランジスタM2とが、カスコード接続されている。
A current limiting
また、図6は、上記特許文献2に示される回路構成を示す回路図である。当該回路は、負荷5を駆動する回路構成であり、上記特許文献1に示された回路構成と同様に、互いに直列に接続された高電圧のデプレッションモードのGaNトランジスタ(ノーマリーオントランジスタ)7と低電圧のエンハンスメントモードのMOSトランジスタ(ノーマリーオフトランジスタ)8とを含んでいる。そして、デプレッションモードトランジスタ7のゲートと、エンハンスメントモードトランジスタ8のソースとが、負バイアスの電源9を介して接続されている。このように、ノーマリーオントランジスタ7とノーマリーオフトランジスタ8とがカスコード接続されており、ノーマリーオントランジスタ7のゲートとノーマリーオフトランジスタ8のソースとの間に負バイアスの電源9を接続することにより、飽和電流を制限するようにしている。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a circuit configuration disclosed in
一般的に、図7に示すように、カスコード回路11においては、外部端子として、例えば、外部ドレイン端子Dc,外部ソース端子Scおよび外部ゲート端子Gcを有している。なお、カスコード回路11は、ノーマリーオン型の第1トランジスタQ11と、ノーマリーオフ型の第2トランジスタQ12とがカスコード接続されており、第2トランジスタQ12のゲートG12と外部ゲート端子Gcとをゲート抵抗Rgを介して接続している。また、第1トランジスタQ11のゲートG11と外部ソース端子Scとを抵抗R11を介して接続している。
In general, as shown in FIG. 7, the
ここで、上記外部ドレイン端子Dcには電源と負荷とが接続され、外部ソース端子ScはGND電位に固定されている。そして、外部ゲート端子Gcにオンの入力信号が入力された場合に、トランジスタQ11およびトランジスタQ12に流れる電流をIDとすると、GaNトランジスタQ11のゲート‐ソース間電圧をVgsとし、閾値電圧をVthとし、飽和領域のトランスコンダクタンスをgmとすると、実験的に電流IDを次式で表わすことができる。
ID ≒ gm×(Vgs−Vth)
Here, a power source and a load are connected to the external drain terminal Dc, and the external source terminal Sc is fixed to the GND potential. When an ON input signal is input to the external gate terminal Gc, if the current flowing through the transistors Q11 and Q12 is ID, the gate-source voltage of the GaN transistor Q11 is Vgs, the threshold voltage is Vth, When the transconductance in the saturation region is gm, the current ID can be experimentally expressed by the following equation.
ID ≒ gm x (Vgs-Vth)
先ず、上記ゲート‐ソース間電圧をVgsについて考察する。GaNトランジスタQ11のゲートG11の電位は0Vであり、MOSトランジスタQ12のオン抵抗が十分に低い場合には、GaNトランジスタQ11のソースS11の電位は略0Vとなり、Vgs≒0Vとなる。 First, the gate-source voltage is considered with respect to Vgs. The potential of the gate G11 of the GaN transistor Q11 is 0V, and when the on-resistance of the MOS transistor Q12 is sufficiently low, the potential of the source S11 of the GaN transistor Q11 is approximately 0V and Vgs≈0V.
したがって、上記電流IDは、
ID ≒ gm×(−Vth)
で表され、ノーマリーオン型のGaNトランジスタQ11の閾値電圧を例えば−6Vとすると、電流IDは、
ID ≒ 6×gm
で算出される。
Therefore, the current ID is
ID ≒ gm x (-Vth)
When the threshold voltage of the normally-on GaN transistor Q11 is -6V, for example, the current ID is
ID ≒ 6 x gm
Is calculated by
一方、例えば,図5に示す上記特許文献1に開示された回路構成では、電流制限回路2によってノーマリーオントランジスタM1のゲート‐ソース間電圧VGSが負バイアスとなる。同様に、図6に示す上記特許文献2に開示された回路構成では、電源9によってノーマリーオントランジスタ7のゲート‐ソース間電圧VGSが負バイアスとなる。
On the other hand, for example, in the circuit configuration disclosed in
ここで、上記特許文献1および上記特許文献2に開示された回路構成におけるゲート‐ソース間電圧Vgsを、例えば−2Vとする。そうすると、上記特許文献1におけるノーマリーオントランジスタM1およびノーマリーオフトランジスタM2に流れる飽和電流、および、上記特許文献2におけるノーマリーオントランジスタ7およびノーマリーオフトランジスタ8に流れる飽和電流Idsatは、
Idsat ≒ gm×(Vgs−Vth) = gm×(−2+6) = 4×gm
により算出される。
Here, the gate-source voltage Vgs in the circuit configurations disclosed in
Idsat ≒ gm x (Vgs-Vth) = gm x (-2 + 6) = 4 x gm
Is calculated by
すなわち、図7に示す一般的なカスコード回路と比較して、上記特許文献1および上記特許文献2に開示された回路構成においては、飽和電流を3割程度低減できることが分かる。
That is, it can be seen that the saturation current can be reduced by about 30% in the circuit configurations disclosed in
したがって、上記特許文献1および上記特許文献2における回路構成のカスコード回路においては、ノーマリーオン型のGaNトランジスタにおけるゲート‐ソース間電圧Vgsとして負バイアスに印加することによって、飽和電流を低減できるのである。
Therefore, in the cascode circuits having the circuit configurations in
しかしながら、上記特許文献1および特許文献2に開示された従来の回路構成においては、以下のような問題がある。
However, the conventional circuit configurations disclosed in
すなわち、上記特許文献1および上記特許文献2に開示されたカスコード回路においては、スイッチング動作中、常にノーマリーオン型のGaNトランジスタにおけるゲート‐ソース間電圧Vgsとして、負バイアスが印加されている。そのために、常にGaNトランジスタのオン抵抗が大きくなるという問題がある。
That is, in the cascode circuits disclosed in
一般的にノーマリーオン型のGaNトランジスタとノーマリーオフ型のMOSトランジスタをカスコード接続する場合に、GaNトランジスタのオン抵抗をRon(GaN)とし、MOSトランジスタのオン抵抗をRon(MOS)として、
Ron(GaN) >> Ron(MOS)
となるように設計されている(例えば、Ron(GaN)はRon(MOS)の3倍〜10倍程度)。
Generally, when a normally-on type GaN transistor and a normally-off type MOS transistor are cascode-connected, the on-resistance of the GaN transistor is Ron (GaN), and the on-resistance of the MOS transistor is Ron (MOS).
Ron (GaN) >> Ron (MOS)
(For example, Ron (GaN) is about 3 to 10 times that of Ron (MOS)).
したがって、カスコード回路を形成した場合、GaNトランジスタとMOSトランジスタとにおけるカスコード接続全体のオン抵抗に占める割合は、その大半がGaNトランジスタであり、MOSトランジスタの割合は小さい。その理由は、以下のとおりである。 Therefore, when a cascode circuit is formed, the proportion of the entire cascode connection between the GaN transistor and the MOS transistor in the on-resistance is mostly a GaN transistor, and the proportion of the MOS transistor is small. The reason is as follows.
すなわち、上記GaNトランジスタは、高電圧が印加されるためにドリフト長を長く設計して高耐圧化を図る必要がある。ところが、横型デバイスであるGaNトランジスタにとっては、ドリフト長の増大がそのままオン抵抗の増大およびチップの増大に反映されることになる。一方、上記MOSトランジスタは、高電圧が印加されないためにドリフト長を短く設計することができ、さらに縦型構造にすること等によってチップ面積を縮小することができる。結果的に、
Ron(GaN) >> Ron(MOS)
となるのである。
That is, since the GaN transistor is applied with a high voltage, it is necessary to increase the breakdown voltage by designing a long drift length. However, for a GaN transistor which is a lateral device, an increase in drift length is directly reflected in an increase in on-resistance and an increase in chip. On the other hand, the MOS transistor can be designed to have a short drift length because a high voltage is not applied, and the chip area can be reduced by adopting a vertical structure. as a result,
Ron (GaN) >> Ron (MOS)
It becomes.
上記特許文献1および上記特許文献2の回路構成においては、飽和電流を低減することは可能である。ところが、上述したように、カスコード接続全体のオン抵抗に占める割合の高いGaNトランジスタのオン抵抗が、スイッチング動作中に常に大きくなり、結果的には、カスコード接続全体のオン抵抗が、スイッチング動作中に常に大きくなるという問題がある。
In the circuit configurations of
そこで、この発明の課題は、オン抵抗の増大を最小限に抑制しつつ、飽和電流を低減して短絡時間の発熱量を抑制し、短絡時間長の大幅な増大を図ることができる半導体装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing the saturation current and suppressing the amount of heat generated during the short circuit time while minimizing the increase in the on-resistance, thereby significantly increasing the short circuit time length. It is to provide.
上記課題を解決するため、この発明の半導体装置は、
ソースとドレインとゲートとを有するノーマリーオン型の第1スイッチング素子と、
ソースとドレインとゲートとを有すると共に、上記ドレインが上記第1スイッチング素子の上記ソースに電気的に接続されて、上記第1スイッチング素子と共にカスコード回路を構成しているノーマリーオフ型の第2スイッチング素子と、
上記第2スイッチング素子と並列に接続されると共に、上記カスコード回路を流れる過電流を検出する過電流検出回路と
を備え、
上記過電流検出回路は、上記カスコード回路を流れる電流の値が予め設定された所定の過電流値以上となったときに、上記カスコード回路を流れる電流を制限するようになっていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a semiconductor device of the present invention is
A normally-on first switching element having a source, a drain, and a gate;
A normally-off type second switching having a source, a drain, and a gate, wherein the drain is electrically connected to the source of the first switching element, and forms a cascode circuit together with the first switching element. Elements,
An overcurrent detection circuit that is connected in parallel to the second switching element and detects an overcurrent flowing through the cascode circuit;
The overcurrent detection circuit is configured to limit a current flowing through the cascode circuit when a value of a current flowing through the cascode circuit becomes equal to or higher than a predetermined predetermined overcurrent value. To do.
また、一実施の形態の半導体装置では、
上記過電流検出回路は、
上記第2スイッチング素子と並列に接続されると共に、ソースとドレインとゲートとを有するノーマリーオフ型の第3スイッチング素子と、
上記第3スイッチング素子の上記ソースと上記第2スイッチング素子の上記ソースとの間に接続された過電流検出用抵抗と、
ソースとドレインとゲートとを有するノーマリーオフ型の第4スイッチング素子と
を備え、
上記第4スイッチング素子の上記ドレインが上記第3スイッチング素子の上記ゲートおよび上記第2スイッチング素子の上記ゲートと共通に接続され、
上記第4スイッチング素子の上記ゲートが上記第3スイッチング素子の上記ソースおよび上記過電流検出用抵抗の一端と共通に接続され、
上記第4スイッチング素子の上記ソースが上記過電流検出用抵抗の他端および上記第2スイッチング素子の上記ソースと共通に接続され、
上記第3スイッチング素子のゲート幅W3は、上記第2スイッチング素子のゲート幅W2の1/n(n>1)倍になるように設定されている。
In the semiconductor device of one embodiment,
The overcurrent detection circuit is
A normally-off third switching element connected in parallel to the second switching element and having a source, a drain, and a gate;
An overcurrent detection resistor connected between the source of the third switching element and the source of the second switching element;
A normally-off type fourth switching element having a source, a drain, and a gate;
The drain of the fourth switching element is connected in common with the gate of the third switching element and the gate of the second switching element;
The gate of the fourth switching element is connected in common with the source of the third switching element and one end of the overcurrent detection resistor;
The source of the fourth switching element is connected in common with the other end of the overcurrent detection resistor and the source of the second switching element;
The gate width W3 of the third switching element is set to be 1 / n (n> 1) times the gate width W2 of the second switching element.
また、一実施の形態の半導体装置では、
上記第3スイッチング素子の上記ゲートと上記第2スイッチング素子の上記ゲートと上記第4スイッチング素子の上記ドレインとに共通に接続された外部ゲート端子を備え、
上記過電流検出回路は、
上記外部ゲート端子と上記第4スイッチング素子の上記ドレインとの間に接続されたゲート抵抗を有する。
In the semiconductor device of one embodiment,
An external gate terminal commonly connected to the gate of the third switching element, the gate of the second switching element, and the drain of the fourth switching element;
The overcurrent detection circuit is
A gate resistor connected between the external gate terminal and the drain of the fourth switching element;
また、一実施の形態の半導体装置では、
上記第2スイッチング素子と、上記第3スイッチング素子と、上記第4スイッチング素子とは、同一チップに形成されている。
In the semiconductor device of one embodiment,
The second switching element, the third switching element, and the fourth switching element are formed on the same chip.
また、一実施の形態の半導体装置では、
上記第1スイッチング素子と、上記第2スイッチング素子と、上記第3スイッチング素子と、上記第4スイッチング素子とは、同一パッケージに内蔵されている。
In the semiconductor device of one embodiment,
The first switching element, the second switching element, the third switching element, and the fourth switching element are built in the same package.
以上より明らかなように、この発明の半導体装置は、上記過電流検出回路によって、上記カスコード回路を流れる電流値が予め設定された所定の過電流値以上になったことが検知された場合には、上記カスコード回路のオン抵抗が増大されて、流れる電流が制限される。したがって、短絡時間における発熱量を大幅に抑制することができる。 As is clear from the above, when the overcurrent detection circuit detects that the current value flowing through the cascode circuit is equal to or higher than a predetermined overcurrent value, the semiconductor device of the present invention is The on-resistance of the cascode circuit is increased and the flowing current is limited. Therefore, the amount of heat generated during the short circuit time can be significantly suppressed.
その場合、上記過電流検出回路は、上記カスコード回路を流れる電流値が上記過電流値以上となった場合のみ、上記カスコード回路のオン抵抗を増大させて、流れる電流を制限するようにしている。したがって、通常動作時に上記カスコード回路のオン抵抗が増大することはない。 In this case, the overcurrent detection circuit limits the current flowing by increasing the on-resistance of the cascode circuit only when the current value flowing through the cascode circuit becomes equal to or greater than the overcurrent value. Therefore, the on-resistance of the cascode circuit does not increase during normal operation.
すなわち、この発明の半導体装置によれば、オン抵抗の増大を最小限に抑制しつつ、飽和電流を低減して短絡時間の発熱量を抑制し、短絡時間長の大幅な増大を図ることができる。 That is, according to the semiconductor device of the present invention, while suppressing an increase in on-resistance to a minimum, it is possible to reduce the saturation current and suppress the amount of heat generated during the short-circuit time, thereby significantly increasing the short-circuit time length. .
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
〔第1実施形態〕
図1は、この第1実施形態の半導体装置としての窒化物半導体装置21の回路図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a circuit diagram of a
この窒化物半導体装置21は、外部端子として、例えば、外部ドレイン端子Dc,外部ソース端子Scおよび外部ゲート端子Gcを有している。
The
また、上記窒化物半導体装置21は、ノーマリーオン型の第1トランジスタQ1と、ノーマリーオフ型の第2トランジスタQ2と、過電流検出回路22とから概略構成される。ノーマリーオン型の第1トランジスタQ1は、例えばGaNトランジスタである。そして、ノーマリーオフ型の第2トランジスタQ2は、例えばMOSトランジスタである。尚、第1トランジスタQ1および第2トランジスタQ2は、上記第1スイッチング素子および上記第2スイッチング素子の一例である。
The
上記第1トランジスタQ1のドレインD1には、外部ドレイン端子Dcが接続されている。また、第2トランジスタQ2のドレインD2には、第1トランジスタQ1のソースS1が接続され、第2トランジスタQ2のソースS2には外部ソース端子Scが接続されている。また、第1トランジスタQ1のゲートG1と第2トランジスタQ2のソースS2との間に抵抗R1を接続している。こうして、直列に接続された第1トランジスタQ1と第2トランジスタQ2とでカスコード回路を構成している。また、過電流検出回路22は、第2トランジスタQ2と並列に接続されている。
An external drain terminal Dc is connected to the drain D1 of the first transistor Q1. The source D1 of the first transistor Q1 is connected to the drain D2 of the second transistor Q2, and the external source terminal Sc is connected to the source S2 of the second transistor Q2. A resistor R1 is connected between the gate G1 of the first transistor Q1 and the source S2 of the second transistor Q2. Thus, the first transistor Q1 and the second transistor Q2 connected in series form a cascode circuit. The
さらに、上記第2トランジスタQ2のゲートG2は、過電流検出回路22を介して外部ゲート端子Gcに接続されている。
Further, the gate G2 of the second transistor Q2 is connected to the external gate terminal Gc via the
以下、上記構成の窒化物半導体装置21に過電流が流れる際に、流れる電流が制限される動作の一例について説明する。ここで、外部ドレイン端子Dcには電源(図示せず)と負荷(図示せず)とが接続され、外部ソース端子ScはGND電位に固定されているとする。また、外部ゲート端子Gcにオンの入力信号が入力された際に、第1,第2トランジスタQ1,Q2で構成されたカスコード回路に流れる電流をIDとする。
Hereinafter, an example of an operation in which the flowing current is limited when an overcurrent flows through the
上記過電流検出回路22は、第2トランジスタQ2のドレインD2とソースS2とに接続されており、第2トランジスタQ2に流れる電流IDを検出可能になっている。そして、過電流検出回路22は、検出した電流IDの電流値が予め設定された過電流値以上となったときに、外部ゲート端子Gcからのオン信号の電位を低下させて、第2トランジスタQ2のゲートG2に供給する。
The
こうして、上記過電流検出回路22によって、上記カスコード回路を流れる電流IDの電流値が予め設定された所定の過電流値以上となったときに、第2トランジスタQ2のゲートG2の電位が低下するように制御される。その結果、第2トランジスタQ2のオン抵抗が増大し、第1トランジスタQ1のソースS1の電位が増大する。その場合、第1トランジスタQ1のゲートG1の電位は0Vであるため、ソースS1の電位が増大することは、ノーマリーオン型の第1トランジスタQ1のゲートオーバードライブ電圧が低下することを意味する。そのために、第1トランジスタQ1の飽和電流値は低下することになる。
Thus, when the current value of the current ID flowing through the cascode circuit becomes equal to or higher than a predetermined overcurrent value set by the
一方、上記過電流検出回路22は、上記カスコード回路を流れる電流IDの電流値が予め設定された所定の過電流値よりも小さい通常動作時の場合には、上記制御動作を行わないために、第2トランジスタQ2のオン抵抗が増大することがない。そのために、カスコード接続全体のオン抵抗が増大することはない。
On the other hand, the
以上のごとく、上記第1実施形態においては、ノーマリーオン型のGaN第1トランジスタQ1とノーマリーオフ型のMOS第2トランジスタQ2とを直列に接続した上記カスコード回路を有する窒化物半導体装置21において、第2トランジスタQ2に流れる電流IDを検出する過電流検出回路22を第2トランジスタQ2と並列に接続している。
As described above, in the first embodiment, in the
そして、上記過電流検出回路22によって、窒化物半導体装置21を流れる電流IDの電流値が予め設定された過電流値以上となったときに、第2トランジスタQ2のゲートG2の電位を低下するように制御している。したがって、第2トランジスタQ2のオン抵抗が増大して第1トランジスタQ1のソースS1の電位が増大し、ノーマリーオン型の第1トランジスタQ1のゲートオーバードライブ電圧が低下する。そのため、第1トランジスタQ1の飽和電流値を低下させることができる。
Then, when the current value of the current ID flowing through the
したがって、この第1実施形態の窒化物半導体装置21によれば、短絡時間における発熱量を大幅に改善することができる。
Therefore, according to the
その場合、上記過電流検出回路22によって上記所定の過電流を検出した場合のみ、飽和電流が制限される。したがって、通常動作時にカスコード接続全体のオン抵抗が増大することはない。
In this case, the saturation current is limited only when the predetermined overcurrent is detected by the
すなわち、上記第1実施形態の窒化物半導体装置21によれば、オン抵抗の増大を最小限に抑制しつつ、飽和電流を低減して短絡時間の発熱量を抑制し、短絡時間長の大幅な増大を図ることができるのである。
That is, according to the
〔第2実施形態〕
図2は、この発明の第2実施形態の半導体装置としての窒化物半導体装置31の回路構成図である。
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of a
この第2実施形態の窒化物半導体装置31は、上記第1実施形態における過電流検出回路22の具体的構成に関する。したがって、上記第1実施形態において図1に示す部材と同じ部材には、上記第1実施形態の場合と同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
The
この窒化物半導体装置31における過電流検出回路32は、ノーマリーオフ型の第3トランジスタQ3と第4トランジスタQ4とを含んでいる。この第3,第4トランジスタQ3,Q4は、例えばMOSトランジスタである。ここで、第3トランジスタQ3および第4トランジスタQ4は、上記第3スイッチング素子および上記第4スイッチング素子の一例である。
The
上記第3トランジスタQ3は、第2トランジスタQ2と過電流検出用抵抗Rgs4を介して並列に接続されており、第3トランジスタQ3のドレインD3は第2トランジスタQ2のドレインD2と共通に接続されている。さらに、第3トランジスタQ3のゲートG3と第2トランジスタQ2のゲートG2とが外部ゲート端子Gcに共通に接続されている。ここで、第3トランジスタQ3のゲート幅W3は、第2トランジスタQ2のゲート幅W2の1/n(n>>1)となっている。 The third transistor Q3 is connected in parallel with the second transistor Q2 via the overcurrent detection resistor Rgs4, and the drain D3 of the third transistor Q3 is connected in common with the drain D2 of the second transistor Q2. . Further, the gate G3 of the third transistor Q3 and the gate G2 of the second transistor Q2 are commonly connected to the external gate terminal Gc. Here, the gate width W3 of the third transistor Q3 is 1 / n (n >> 1) of the gate width W2 of the second transistor Q2.
上記第4トランジスタQ4のドレインD4は、第3トランジスタQ3のゲートG3および第2トランジスタQ2のゲートG2と共通に接続されている。上記第4トランジスタQ4のドレインD4と第3トランジスタQ3のゲートG3および第2トランジスタQ2のゲートG2は、外部ゲート端子Gcに接続されている。さらに、第3トランジスタQ3のソースS3と第4トランジスタQ4のゲートG4が接続されている。 The drain D4 of the fourth transistor Q4 is commonly connected to the gate G3 of the third transistor Q3 and the gate G2 of the second transistor Q2. The drain D4 of the fourth transistor Q4, the gate G3 of the third transistor Q3, and the gate G2 of the second transistor Q2 are connected to the external gate terminal Gc. Further, the source S3 of the third transistor Q3 and the gate G4 of the fourth transistor Q4 are connected.
また、上記過電流検出用抵抗Rgs4の一端が第3トランジスタQ3のソースS3および第4トランジスタQ4のゲートG4に接続される一方、過電流検出用抵抗Rgs4の他端が第4トランジスタQ4のソースS4および第2トランジスタQ2のソースS2に接続されている。こうして、過電流検出用抵抗Rgs4の上記他端と、第4トランジスタQ4のソースS4と、第2トランジスタQ2のソースS2とが、外部ソース端子Scに接続されている。 One end of the overcurrent detection resistor Rgs4 is connected to the source S3 of the third transistor Q3 and the gate G4 of the fourth transistor Q4, while the other end of the overcurrent detection resistor Rgs4 is connected to the source S4 of the fourth transistor Q4. And connected to the source S2 of the second transistor Q2. Thus, the other end of the overcurrent detection resistor Rgs4, the source S4 of the fourth transistor Q4, and the source S2 of the second transistor Q2 are connected to the external source terminal Sc.
以下、上記構成の窒化物半導体装置31に過電流が流れる際に、電流が制限される動作について説明する。ここで、外部ドレイン端子Dcには電源(図示せず)と負荷(図示せず)とが接続され、外部ソース端子ScはGND電位に固定されているとする。また、外部ゲート端子Gcにオンの入力信号が入力された際に、第1,第2トランジスタQ1,Q2で構成されたカスコード回路に流れる電流をIDとし、第3トランジスタQ3を流れる電流をID3とし、第4トランジスタQ4を流れる電流をID4とする。
Hereinafter, an operation of limiting the current when an overcurrent flows through the
例えば、上記第3トランジスタQ3のゲート幅W3に対する第2トランジスタQ2のゲート幅W2の倍率nを、n=1000とした場合、第3トランジスタQ3のゲート幅W3は、第2トランジスタQ2のゲート幅W2の1/1000となる。したがって、第3トランジスタQ3を流れる電流ID3は、
ID3 ≒ ID/n = ID/1000
となる。
For example, when the magnification n of the gate width W2 of the second transistor Q2 with respect to the gate width W3 of the third transistor Q3 is n = 1000, the gate width W3 of the third transistor Q3 is equal to the gate width W2 of the second transistor Q2. 1/1000 of that. Therefore, the current ID3 flowing through the third transistor Q3 is
ID3 ≒ ID / n = ID / 1000
It becomes.
その場合、上記第3トランジスタQ3のソースS3の電位は、過電流検出用抵抗Rgs4によって吊上げられて、
ID3×Rgs4
となる。したがって、第4トランジスタQ4のゲート‐ソース間電圧は、
ID3×Rgs4
となり、この電圧が第4トランジスタQ4の閾値電圧に達すると、第4トランジスタQ4がオンする。その際に、第4トランジスタQ4のドレインD4の電圧Vgは、第4トランジスタQ4のオン抵抗Ron4と電流ID4との積により制限され、第2トランジスタQ2のゲート電位が、
Ron4×ID4
に制限されることになる。
In that case, the potential of the source S3 of the third transistor Q3 is lifted by the overcurrent detection resistor Rgs4,
ID3 x Rgs4
It becomes. Therefore, the gate-source voltage of the fourth transistor Q4 is
ID3 x Rgs4
When this voltage reaches the threshold voltage of the fourth transistor Q4, the fourth transistor Q4 is turned on. At that time, the voltage Vg of the drain D4 of the fourth transistor Q4 is limited by the product of the on-resistance Ron4 of the fourth transistor Q4 and the current ID4, and the gate potential of the second transistor Q2 is
Ron4 x ID4
Will be limited.
その結果、第2トランジスタQ2のオン抵抗が増大して、第1トランジスタQ1のソースS1の電位が増大する。その場合、第1トランジスタQ1のゲートG1の電位は0Vであるため、ソースS1の電位が増大することは、ノーマリーオン型の第1トランジスタQ1のゲートオーバードライブ電圧が低下することを意味する。そのため、第1トランジスタQ1の飽和電流値は低下することになる。 As a result, the on-resistance of the second transistor Q2 increases, and the potential of the source S1 of the first transistor Q1 increases. In this case, since the potential of the gate G1 of the first transistor Q1 is 0 V, an increase in the potential of the source S1 means that the gate overdrive voltage of the normally-on type first transistor Q1 is decreased. As a result, the saturation current value of the first transistor Q1 decreases.
つまり、図4に示すように、この実施の形態に示す過電流検出回路32がある場合には、上記カスコード回路を流れる電流IDの電流値が、短絡時等において、予め設定された過電流値ID(max)以上になった場合に、第2トランジスタQ2のゲート電圧が制限され、窒化物半導体装置31の電流IDが制限されることになる。
That is, as shown in FIG. 4, when there is the
尚、上記過電流検出用抵抗Rgs4の値は、第2トランジスタQ2のゲート幅W2に対する第3トランジスタQ3のゲート幅W3の比を(1/n)とした場合に、第4トランジスタQ4の閾値電圧Vth4が、
Vth4 = (ID(max)/n)×Rgs4
となるように設計すれば良い。
The value of the overcurrent detection resistor Rgs4 is the threshold voltage of the fourth transistor Q4 when the ratio of the gate width W3 of the third transistor Q3 to the gate width W2 of the second transistor Q2 is (1 / n). Vth4 is
Vth4 = (ID (max) / n) x Rgs4
What is necessary is just to design so that.
一方、上記カスコード回路を流れる電流IDの電流値が、予め設定された所定の過電流値よりも小さい通常動作時の場合には、過電流検出回路32は上記制御動作を行わないために、第2トランジスタQ2のオン抵抗が増大することがない。そのために、カスコード接続全体のオン抵抗が増大することはない。
On the other hand, in the case of normal operation where the current value of the current ID flowing through the cascode circuit is smaller than a predetermined overcurrent value set in advance, the
以上のごとく、上記第2実施形態においては、上記第1実施形態における過電流検出回路32を、第2トランジスタQ2と過電流検出用抵抗Rgs4を介して並列に接続されたノーマリーオフ型の第3トランジスタQ3、および、この第3トランジスタQ3のゲートG3と第2トランジスタQ2のソースS2との間に接続された第4トランジスタQ4を含んで構成している。
As described above, in the second embodiment, the
そして、上記第4トランジスタQ4のゲートG4を第3トランジスタQ3のソースS3に接続している。さらに、第4トランジスタQ4のドレインD4と第3トランジスタQ3のゲートG3および第2トランジスタQ2のゲートG2を外部ゲート端子Gcに接続している。また、第3トランジスタQ3のゲート幅W3を、第2トランジスタQ2のゲート幅W2の1/n(n>>1)にしている。 The gate G4 of the fourth transistor Q4 is connected to the source S3 of the third transistor Q3. Further, the drain D4 of the fourth transistor Q4, the gate G3 of the third transistor Q3, and the gate G2 of the second transistor Q2 are connected to the external gate terminal Gc. The gate width W3 of the third transistor Q3 is set to 1 / n (n >> 1) of the gate width W2 of the second transistor Q2.
そうすると、上記第3トランジスタQ3を流れる電流ID3が、
ID3 ≒ ID/n
であり、ソースS3の電位が、
ID3×Rgs4
となる。したがって、第4トランジスタQ4のゲート‐ソース間電圧は、
ID3×Rgs4
となり、この電圧が第4トランジスタQ4の閾値電圧Vth4に達すると、第4トランジスタQ4がオンする。つまり、
ID3×Rgs4 = (ID/n)×Rgs4 ≧ Vth4
であるから、この式を整理して、
ID ≧ (Vth4×n)/Rgs4
となると、第4トランジスタQ4がオンする。
Then, the current ID3 flowing through the third transistor Q3 is
ID3 ≒ ID / n
And the potential of the source S3 is
ID3 x Rgs4
It becomes. Therefore, the gate-source voltage of the fourth transistor Q4 is
ID3 x Rgs4
When this voltage reaches the threshold voltage Vth4 of the fourth transistor Q4, the fourth transistor Q4 is turned on. That means
ID3 x Rgs4 = (ID / n) x Rgs4 ≥ Vth4
So, organize this formula,
ID ≧ (Vth4 × n) / Rgs4
Then, the fourth transistor Q4 is turned on.
したがって、上記カスコード回路を流れる電流IDが、過電流値ID(max)=(Vth4×n)/Rgs4以上になると、第2トランジスタQ2のゲートG2の電位が、
Ron4×ID4
に制限される。
Therefore, when the current ID flowing through the cascode circuit is equal to or greater than the overcurrent value ID (max) = (Vth4 × n) / Rgs4, the potential of the gate G2 of the second transistor Q2 is
Ron4 x ID4
Limited to
その結果、上記第2トランジスタQ2のゲートG2の電位が低下してオン抵抗Ron2が増大する。そして、第1トランジスタQ1のソースS1の電位が増大し、ノーマリーオン型の第1トランジスタQ1のゲートオーバードライブ電圧が低下する。そのため、第1トランジスタQ1の飽和電流値を低下させることができる。 As a result, the potential of the gate G2 of the second transistor Q2 decreases and the on-resistance Ron2 increases. Then, the potential of the source S1 of the first transistor Q1 increases, and the gate overdrive voltage of the normally-on first transistor Q1 decreases. Therefore, the saturation current value of the first transistor Q1 can be reduced.
したがって、この第2実施形態の窒化物半導体装置31によれば、短絡時間における発熱量を大幅に改善することができる。
Therefore, according to the
その場合、上記過電流検出回路32は、電流IDが上記過電流値ID(max)以上になった場合のみ、飽和電流を制限するようにしている。したがって、通常動作時にカスコード接続全体のオン抵抗が増大することはない。
In that case, the
すなわち、オン抵抗の増大を最小限に抑制しつつ、飽和電流を低減して短絡時間の発熱量を抑制し、短絡時間長の大幅な増大を図ることができるのである。 That is, while suppressing an increase in on-resistance to a minimum, the saturation current can be reduced to suppress the amount of heat generated during the short-circuit time, and the short-circuit time length can be significantly increased.
〔第3実施形態〕
図3は、この発明の第3実施形態の半導体装置としての窒化物半導体装置41における回路構成図である。
[Third Embodiment]
FIG. 3 is a circuit configuration diagram of a
この第3実施形態の窒化物半導体装置41は、上記第2実施形態の過電流検出回路32とは異なる具体的構成に関する。したがって、上記第2実施形態の図2に示す部材と同じ部材には、上記第2実施形態の場合と同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
The
この窒化物半導体装置41における過電流検出回路42は、上記第2実施形態の場合と同様に、ノーマリーオフ型の第3トランジスタQ3および第4トランジスタQ4を含んで構成されている。この第3,第4トランジスタQ3,Q4は、例えばMOSトランジスタである。そして、第3トランジスタQ3のソースS3と第2トランジスタQ2のソースS2との間に過電流検出用抵抗Rgs4を接続している。
As in the case of the second embodiment, the
この第3実施形態の窒化物半導体装置41における過電流検出回路42では、外部ゲート端子Gcと第4トランジスタQ4のドレインD3との間にゲート抵抗Rgを有する点で、上記第2実施形態における過電流検出回路32とは異なる。
The
以下、上記構成の窒化物半導体装置41に過電流が流れる際に、電流が制限される動作について説明する。ここで、上記外部ドレイン端子Dcには電源(図示せず)と負荷(図示せず)とが接続され、上記外部ソース端子ScはGND電位に固定されているとする。また、上記外部ゲート端子Gcにオンの入力信号が入力された際に、第1,第2トランジスタQ1,Q2で構成されたカスコード回路に流れる電流をIDとし、第3トランジスタQ3を流れる電流をID3とし、第4トランジスタQ4を流れる電流をID4とする。
Hereinafter, an operation of limiting the current when an overcurrent flows through the
例えば、上記第3トランジスタQ3のゲート幅W3に対する第2トランジスタQ2のゲート幅W2の倍率nを、n=1000とした場合、第3トランジスタQ3のゲート幅W3は、第2トランジスタQ2のゲート幅W2の1/1000となる。したがって、第3トランジスタQ3を流れる電流ID3は、
ID3 ≒ ID/n = ID/1000
となる。
For example, when the magnification n of the gate width W2 of the second transistor Q2 with respect to the gate width W3 of the third transistor Q3 is n = 1000, the gate width W3 of the third transistor Q3 is equal to the gate width W2 of the second transistor Q2. 1/1000 of that. Therefore, the current ID3 flowing through the third transistor Q3 is
ID3 ≒ ID / n = ID / 1000
It becomes.
その場合、上記第3トランジスタQ3のソースS3の電位は、過電流検出用抵抗Rgs4によって吊上げられて、
ID3×Rgs4
となる。したがって、第4トランジスタQ4のゲート‐ソース間電圧は、
ID3×Rgs4
となり、この電圧が第4トランジスタQ4の閾値電圧に達すると、第4トランジスタQ4がオンする。その際に、第4トランジスタQ4のドレインD4の電圧Vgは、上記外部ゲート端子Gcの電圧をVGとすると、ゲート抵抗Rgと第4トランジスタQ4のオン抵抗Ron4との分圧になるので、次式(1)で表される。
Vg = {Ron4/(Rg+Ron4)}×VG ………(1)
In that case, the potential of the source S3 of the third transistor Q3 is lifted by the overcurrent detection resistor Rgs4,
ID3 x Rgs4
It becomes. Therefore, the gate-source voltage of the fourth transistor Q4 is
ID3 x Rgs4
When this voltage reaches the threshold voltage of the fourth transistor Q4, the fourth transistor Q4 is turned on. At this time, the voltage Vg of the drain D4 of the fourth transistor Q4 is divided by the gate resistance Rg and the on-resistance Ron4 of the fourth transistor Q4 when the voltage of the external gate terminal Gc is VG. It is represented by (1).
Vg = {Ron4 / (Rg + Ron4)} × VG (1)
したがって、上記第4トランジスタQ4のドレインD4の電圧Vgは、上記式(1)によって制限され、第2トランジスタQ2のゲート電位が、
{Ron4/(Rg+Ron4)}×VG
に制限されることになる。
Therefore, the voltage Vg of the drain D4 of the fourth transistor Q4 is limited by the above equation (1), and the gate potential of the second transistor Q2 is
{Ron4 / (Rg + Ron4)} × VG
Will be limited.
その結果、第2トランジスタQ2のオン抵抗が増大して、第1トランジスタQ1のソースS1の電位が増大する。その場合、第1トランジスタQ1のゲートG1の電位は0Vであるため、ソースS1の電位が増大することは、ノーマリーオン型の第1トランジスタQ1のゲートオーバードライブ電圧が低下することを意味する。そのために、第1トランジスタQ1の飽和電流値は低下することになる。 As a result, the on-resistance of the second transistor Q2 increases, and the potential of the source S1 of the first transistor Q1 increases. In this case, since the potential of the gate G1 of the first transistor Q1 is 0 V, an increase in the potential of the source S1 means that the gate overdrive voltage of the normally-on type first transistor Q1 is decreased. For this reason, the saturation current value of the first transistor Q1 decreases.
つまり、図4に示すように、この実施の形態に示す過電流検出回路42がある場合には、上記カスコード回路を流れる電流IDの電流値が、短絡時等において、予め設定された過電流値ID(max)以上になった場合に、第2トランジスタQ2のゲート電圧が制限され、窒化物半導体装置41の電流IDが制限されることになる。
That is, as shown in FIG. 4, when there is the
尚、上記過電流検出用抵抗Rgs4の値は、第2トランジスタQ2のゲート幅W2に対する第3トランジスタQ3のゲート幅W3の比を(1/n)とした場合に、第4トランジスタQ4の閾値電圧Vth4が、
Vth4 = (ID(max)/n)×Rgs4
となるように設計すれば良い。また、ゲート抵抗Rgは上記式(1)に従って、適切な電流IDとなるような電圧Vgに調整すれば良い。
The value of the overcurrent detection resistor Rgs4 is the threshold voltage of the fourth transistor Q4 when the ratio of the gate width W3 of the third transistor Q3 to the gate width W2 of the second transistor Q2 is (1 / n). Vth4 is
Vth4 = (ID (max) / n) x Rgs4
What is necessary is just to design so that. Further, the gate resistance Rg may be adjusted to a voltage Vg that provides an appropriate current ID according to the above equation (1).
一方、上記カスコード回路を流れる電流IDの電流値が、予め設定された所定の過電流値よりも小さい通常動作時の場合には、過電流検出回路42は上記制御動作を行わないために、第2トランジスタQ2のオン抵抗が増大することがない。そのために、カスコード接続全体のオン抵抗が増大することはない。
On the other hand, in the case of normal operation in which the current value of the current ID flowing through the cascode circuit is smaller than a predetermined overcurrent value set in advance, the
以上のごとく、上記第3実施形態においては、上記過電流検出回路42を、上記第2実施形態における過電流検出回路32と同様に、第2トランジスタQ2と過電流検出用抵抗Rgs4を介して並列に接続されたノーマリーオフ型の第3トランジスタQ3と、この第3トランジスタQ3のゲートG3と第2トランジスタQ2のソースS2との間に介設された第4トランジスタQ4を含んで構成している。
As described above, in the third embodiment, the
そして、上記第4トランジスタQ4のゲートG4を第3トランジスタQ3のソースS3に接続している。さらに、第4トランジスタQ4のドレインD4と第3トランジスタQ3のゲートG3および第2トランジスタQ2のゲートG2を外部ゲート端子Gcに接続している。また、第3トランジスタQ3のゲート幅W3を、第2トランジスタQ2のゲート幅W2の1/n(n>>1)にしている。 The gate G4 of the fourth transistor Q4 is connected to the source S3 of the third transistor Q3. Further, the drain D4 of the fourth transistor Q4, the gate G3 of the third transistor Q3, and the gate G2 of the second transistor Q2 are connected to the external gate terminal Gc. The gate width W3 of the third transistor Q3 is set to 1 / n (n >> 1) of the gate width W2 of the second transistor Q2.
さらに、上記外部ゲート端子Gcと第4トランジスタQ4のドレインD3との間に、ゲート抵抗Rgを介設している。 Further, a gate resistor Rg is interposed between the external gate terminal Gc and the drain D3 of the fourth transistor Q4.
そうすると、上記第3トランジスタQ3を流れる電流ID3が、
ID3 ≒ ID/n
であり、ソースS3の電位が、
ID3×Rgs4
となる。したがって、第4トランジスタQ4のゲート‐ソース間電圧は、
ID3×Rgs4
となり、この電圧が第4トランジスタQ4の閾値電圧Vth4に達すると、第4トランジスタQ4がオンする。つまり、
ID3×Rgs4 = (ID/n)×Rgs4 ≧ Vth4
であるから、この式を整理して、
ID ≧ (Vth4×n)/Rgs4
となると、第4トランジスタQ4がオンする。
Then, the current ID3 flowing through the third transistor Q3 is
ID3 ≒ ID / n
And the potential of the source S3 is
ID3 x Rgs4
It becomes. Therefore, the gate-source voltage of the fourth transistor Q4 is
ID3 x Rgs4
When this voltage reaches the threshold voltage Vth4 of the fourth transistor Q4, the fourth transistor Q4 is turned on. That means
ID3 x Rgs4 = (ID / n) x Rgs4 ≥ Vth4
So, organize this formula,
ID ≧ (Vth4 × n) / Rgs4
Then, the fourth transistor Q4 is turned on.
したがって、上記カスコード回路を流れる電流IDが、過電流値ID(max)= (Vth4×n)/Rgs4以上になった場合に、第2トランジスタQ2のゲートG2の電位が、
{Ron4/(Rg+Ron4)}×VG
に制限される。
Therefore, when the current ID flowing through the cascode circuit is overcurrent value ID (max) = (Vth4 × n) / Rgs4 or more, the potential of the gate G2 of the second transistor Q2 is
{Ron4 / (Rg + Ron4)} × VG
Limited to
その結果、上記第2トランジスタQ2のゲートG2の電位が低下してオン抵抗Ron2が増大する。そして、第1トランジスタQ1のソースS1の電位が増大し、ノーマリーオン型の第1トランジスタQ1のゲートオーバードライブ電圧が低下する。そのため、第1トランジスタQ1の飽和電流値を低下させることができる。 As a result, the potential of the gate G2 of the second transistor Q2 decreases and the on-resistance Ron2 increases. Then, the potential of the source S1 of the first transistor Q1 increases, and the gate overdrive voltage of the normally-on first transistor Q1 decreases. Therefore, the saturation current value of the first transistor Q1 can be reduced.
したがって、この第3実施形態の窒化物半導体装置41によれば、短絡時間における発熱量を大幅に改善することができる。
Therefore, according to the
その場合、上記過電流検出回路42は、電流IDが上記過電流値ID(max)以上になった場合のみ、飽和電流を制限するようにしている。したがって、通常動作時にカスコード接続全体のオン抵抗が増大することはない。
In that case, the
すなわち、オン抵抗の増大を最小限に抑制しつつ、飽和電流を低減して短絡時間の発熱量を抑制し、短絡時間長の大幅な増大を図ることができるのである。 That is, while suppressing an increase in on-resistance to a minimum, the saturation current can be reduced to suppress the amount of heat generated during the short-circuit time, and the short-circuit time length can be significantly increased.
また、上述したように、上記電流IDが過電流値ID(max)以上になった場合における第2トランジスタQ2のゲートG2の電位を、
{Ron4/(Rg+Ron4)}×VG
に制限している。したがって、ゲート抵抗Rgがない(Rg=0)上記第2実施形態の場合に比して、ゲート抵抗Rgへの分圧分だけ第2トランジスタQ2のゲートG2の電位を下げることができる。したがって、第1トランジスタQ1の飽和電流値を上記第2実施形態の場合よりもさらに低下させることができる。
As described above, the potential of the gate G2 of the second transistor Q2 when the current ID is equal to or greater than the overcurrent value ID (max) is
{Ron4 / (Rg + Ron4)} × VG
Restricted to Therefore, the potential of the gate G2 of the second transistor Q2 can be lowered by an amount corresponding to the divided voltage to the gate resistance Rg as compared with the second embodiment without the gate resistance Rg (Rg = 0). Therefore, the saturation current value of the first transistor Q1 can be further reduced as compared with the case of the second embodiment.
ここで、上記第1〜第3実施形態における上記第2,第3,第4トランジスタQ2,Q3,Q4は、同一チップに形成されることが望ましい。こうすることによって、ノーマリーオフ型である第2,第3,第4トランジスタQ2,Q3,Q4を、同一工程においてMOSトランジスタで形成することが容易に可能になる。 Here, the second, third, and fourth transistors Q2, Q3, and Q4 in the first to third embodiments are preferably formed on the same chip. By doing so, the normally-off type second, third, and fourth transistors Q2, Q3, and Q4 can be easily formed by MOS transistors in the same process.
さらに、上記第1トランジスタQ1〜第4トランジスタQ4は、同一パッケージに内蔵されることが望ましい。こうすることによって、第1トランジスタQ1〜第4トランジスタQ4を同一パッケージに内蔵して、短絡時間における発熱量が大幅に減少された小型の半導体装置を得ることができる。 Further, it is desirable that the first transistor Q1 to the fourth transistor Q4 are built in the same package. By doing so, it is possible to obtain a small semiconductor device in which the first transistor Q1 to the fourth transistor Q4 are built in the same package, and the amount of heat generated during the short circuit time is significantly reduced.
また、上記第1〜第3実施形態において、上記第2トランジスタQ2におけるオン/オフの繰り返しによるドレイン電流の発振対策として、位相補償回路による位相補償をかけて安定動作をさせても構わない。 In the first to third embodiments, as a countermeasure against drain current oscillation caused by repeated ON / OFF in the second transistor Q2, stable operation may be performed by applying phase compensation by a phase compensation circuit.
また、上記第1〜第3実施形態においては、上記第1トランジスタQ1をGaNトランジスタで構成しているが、GaNトランジスタ等の窒化物半導体装置に限定されるものではない。しかしながら、GaNトランジスタである場合には、オン抵抗の減少により大きな効果を得ることができる。 In the first to third embodiments, the first transistor Q1 is a GaN transistor. However, the first transistor Q1 is not limited to a nitride semiconductor device such as a GaN transistor. However, in the case of a GaN transistor, a great effect can be obtained by reducing the on-resistance.
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第1〜第3実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記第1〜第3実施形態で記載した内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。 Although specific embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the first to third embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention. For example, what combined suitably the content described in the said 1st-3rd embodiment is good also as one Embodiment of this invention.
以上を纏めると、この発明の半導体装置21,31,41は、
ソースS1とドレインD1とゲートG1とを有するノーマリーオン型の第1スイッチング素子Q1と、
ソースS2とドレインD2とゲートG2とを有すると共に、上記ドレインD2が上記第1スイッチング素子Q1の上記ソースS1に電気的に接続されて、上記第1スイッチング素子と共にカスコード回路を構成しているノーマリーオフ型の第2スイッチング素子Q2と、
上記第2スイッチング素子Q2と並列に接続されると共に、上記カスコード回路を流れる過電流を検出する過電流検出回路22,32,42と
を備え、
上記過電流検出回路22,32,42は、上記カスコード回路を流れる電流の値が予め設定された所定の過電流値以上となったときに、上記カスコード回路を流れる電流を制限するようになっていることを特徴としている。
In summary, the
A normally-on type first switching element Q1 having a source S1, a drain D1, and a gate G1,
A normally including a source S2, a drain D2, and a gate G2, and the drain D2 is electrically connected to the source S1 of the first switching element Q1 to form a cascode circuit together with the first switching element. An off-type second switching element Q2,
An
The
上記構成によれば、上記過電流検出回路22,32,42によって、上記カスコード回路を流れる電流が予め設定された所定の過電流値以上になったことが検知された場合には、上記第2スイッチング素子Q2のオン抵抗が増大されて、流れる電流が制限される。したがって、短絡時間における発熱量を大幅に抑制することができる。
According to the above configuration, when it is detected by the
その場合、上記過電流検出回路22,32,42は、上記カスコード回路を流れる電流値が上記過電流値以上となった場合のみ、第2スイッチング素子Q2のオン抵抗を増大させて、流れる電流を制限するようにしている。したがって、通常動作時に上記カスコード回路のオン抵抗が増大することはない。
In that case, the
すなわち、上記オン抵抗の増大を最小限に抑制しつつ、飽和電流を低減して短絡時間の発熱量を抑制し、短絡時間長の大幅な増大を図ることができる。 That is, while suppressing an increase in the on-resistance to a minimum, the saturation current can be reduced to suppress the amount of heat generated during the short-circuit time, and the short-circuit time length can be significantly increased.
また、一実施の形態の半導体装置31では、
上記過電流検出回路32は、
上記第2スイッチング素子Q2と並列に接続されると共に、ソースS3とドレインD3とゲートG3とを有するノーマリーオフ型の第3スイッチング素子Q3と、
上記第3スイッチング素子Q3の上記ソースS3と上記第2スイッチング素子Q2の上記ソースS2との間に接続された過電流検出用抵抗Rgs4と、
ソースS4とドレインD4とゲートG4とを有するノーマリーオフ型の第4スイッチング素子Q4と
を有し、
上記第4スイッチング素子Q4の上記ドレインD4が上記第3スイッチング素子Q3の上記ゲートG3および上記第2スイッチング素子Q2の上記ゲートG2と共通に接続され、
上記第4スイッチング素子Q4の上記ゲートG4が上記第3スイッチング素子Q3の上記ソースS3および上記過電流検出用抵抗Rgs4の一端と共通に接続され、
上記第4スイッチング素子Q4の上記ソースS4が上記過電流検出用抵抗Rgs4の他端および上記第2スイッチング素子Q2の上記ソースS2と共通に接続され、
上記第3スイッチング素子Q3のゲート幅W3は、上記第2スイッチング素子Q2のゲート幅W2の1/n(n>1)倍になるように設定されている。
In the
The
A normally-off type third switching element Q3 connected in parallel with the second switching element Q2 and having a source S3, a drain D3, and a gate G3;
An overcurrent detection resistor Rgs4 connected between the source S3 of the third switching element Q3 and the source S2 of the second switching element Q2,
A normally-off fourth switching element Q4 having a source S4, a drain D4, and a gate G4;
The drain D4 of the fourth switching element Q4 is connected in common with the gate G3 of the third switching element Q3 and the gate G2 of the second switching element Q2,
The gate G4 of the fourth switching element Q4 is connected in common with the source S3 of the third switching element Q3 and one end of the overcurrent detection resistor Rgs4.
The source S4 of the fourth switching element Q4 is connected in common with the other end of the overcurrent detection resistor Rgs4 and the source S2 of the second switching element Q2.
The gate width W3 of the third switching element Q3 is set to be 1 / n (n> 1) times the gate width W2 of the second switching element Q2.
この実施の形態によれば、上記カスコード回路を流れる電流をIDとし、上記過電流検出用抵抗をRgs4とすると、上記第3スイッチング素子Q3を流れる電流ID3は、
ID3≒ID/n
であり、上記第3スイッチング素子Q3のソースS3の電位が、上記第2スイッチング素子Q2のソースS2の電位を基準として、
ID3×Rgs4
となる。したがって、上記第4スイッチング素子Q4のゲート‐ソース間電圧は、
ID3×Rgs4
となり、この電圧が第4スイッチング素子Q4の閾値電圧Vth4に達すると、第4スイッチング素子Q4がオンする。つまり、ID≧(Vth4×n)/Rgs4になると、上記第4スイッチング素子Q4がオンする。
According to this embodiment, when the current flowing through the cascode circuit is ID and the overcurrent detection resistor is Rgs4, the current ID3 flowing through the third switching element Q3 is:
ID3 ≒ ID / n
And the potential of the source S3 of the third switching element Q3 is based on the potential of the source S2 of the second switching element Q2.
ID3 x Rgs4
It becomes. Therefore, the gate-source voltage of the fourth switching element Q4 is
ID3 x Rgs4
When this voltage reaches the threshold voltage Vth4 of the fourth switching element Q4, the fourth switching element Q4 is turned on. That is, when ID ≧ (Vth4 × n) / Rgs4, the fourth switching element Q4 is turned on.
したがって、上記カスコード回路を流れる電流IDが過電流値ID(max)=(Vth4×n)/Rgs4以上になった場合に、上記第2スイッチング素子Q2のゲートG2の電位が、
Ron4×ID4
に制限される。
Therefore, when the current ID flowing through the cascode circuit is equal to or greater than the overcurrent value ID (max) = (Vth4 × n) / Rgs4, the potential of the gate G2 of the second switching element Q2 is
Ron4 x ID4
Limited to
その結果、上記第2スイッチング素子Q2の上記ゲートG2の電位が低下して、オン抵抗Ron2が増大する。そして、上記第1スイッチング素子Q1の上記ソースS1の電位が増大し、ノーマリーオン型の上記第1スイッチング素子Q1のゲートオーバードライブ電圧が低下する。そのため、上記第1スイッチング素子Q1を流れる電流値を低下させて、上記カスコード回路を流れる電流を制限することができる。 As a result, the potential of the gate G2 of the second switching element Q2 decreases, and the on-resistance Ron2 increases. Then, the potential of the source S1 of the first switching element Q1 increases, and the gate overdrive voltage of the normally-on type first switching element Q1 decreases. Therefore, it is possible to limit the current flowing through the cascode circuit by reducing the value of the current flowing through the first switching element Q1.
また、一実施の形態の半導体装置41では、
上記第3スイッチング素子Q3の上記ゲートG3と上記第2スイッチング素子Q2の上記ゲートG2と上記第4スイッチング素子Q4の上記ドレインD4とに共通に接続された外部ゲート端子Gcを備え、
上記過電流検出回路42は、
上記外部ゲート端子Gcと上記第4スイッチング素子Q4の上記ドレインD4との間に接続されたゲート抵抗Rgを有する。
In the
An external gate terminal Gc connected in common to the gate G3 of the third switching element Q3, the gate G2 of the second switching element Q2 and the drain D4 of the fourth switching element Q4;
The
A gate resistor Rg is connected between the external gate terminal Gc and the drain D4 of the fourth switching element Q4.
この実施の形態によれば、上記第2スイッチング素子Q2のソースS2の電位を基準として、上記カスコード回路を流れる電流をIDとし、上記過電流検出用抵抗をRgs4とし、上記外部ゲート端子Gcの電圧をVGとし、上記第4スイッチング素子Q4の上記オン抵抗をRon4とすると、上述した実施の形態の場合と同様に、ID≧(Vth4×n)/Rgs4になると上記第4スイッチング素子Q4がオンする。 According to this embodiment, with reference to the potential of the source S2 of the second switching element Q2, the current flowing through the cascode circuit is ID, the overcurrent detection resistor is Rgs4, and the voltage of the external gate terminal Gc Is VG, and the on-resistance of the fourth switching element Q4 is Ron4, the fourth switching element Q4 is turned on when ID ≧ (Vth4 × n) / Rgs4, as in the above-described embodiment. .
その際に、上記第4スイッチング素子Q4の上記ドレインD4の電圧Vgは、ゲート抵抗Rgと上記第4スイッチング素子Q4のオン抵抗Ron4との分圧になるので、
{Ron4/(Rg+Ron4)}×VG
となる。
At that time, the voltage Vg of the drain D4 of the fourth switching element Q4 is divided by the gate resistance Rg and the on-resistance Ron4 of the fourth switching element Q4.
{Ron4 / (Rg + Ron4)} × VG
It becomes.
したがって、上記カスコード回路を流れる電流IDが過電流値ID(max)=(Vth4×n)/Rgs4以上になった場合に、上記第2スイッチング素子Q2のゲートG2の電位が、
{Ron4/(Rg+Ron4)}×VG
に制限される。
Therefore, when the current ID flowing through the cascode circuit is equal to or greater than the overcurrent value ID (max) = (Vth4 × n) / Rgs4, the potential of the gate G2 of the second switching element Q2 is
{Ron4 / (Rg + Ron4)} × VG
Limited to
その結果、上述した実施の形態の場合と同様に、上記第1スイッチング素子Q1を流れる電流値を低下させて、上記カスコード回路を流れる電流IDを制限することができる。 As a result, as in the case of the above-described embodiment, the current ID flowing through the first switching element Q1 can be reduced to limit the current ID flowing through the cascode circuit.
さらに、上述したように、上記電流IDが過電流値ID(max)以上になった場合における上記第2スイッチング素子Q2のゲートG2の電位を、
{Ron4/(Rg+Ron4)}×VG
に制限している。したがって、上記ゲート抵抗Rgがない(Rg=0)上述した実施の形態の場合に比して、ゲート抵抗Rgへの分圧分だけ下げることができる。すなわち、上記カスコード回路を流れる電流を、上述した実施の形態の場合よりもさらに制限することができる。
Further, as described above, the potential of the gate G2 of the second switching element Q2 when the current ID is equal to or greater than the overcurrent value ID (max) is
{Ron4 / (Rg + Ron4)} × VG
Restricted to Therefore, as compared with the above-described embodiment without the gate resistance Rg (Rg = 0), the voltage can be lowered by the partial pressure to the gate resistance Rg. That is, the current flowing through the cascode circuit can be further limited as compared with the above-described embodiment.
また、一実施の形態の半導体装置21,31,41では、
上記第2スイッチング素子Q2と、上記第3スイッチング素子Q3と、上記第4スイッチング素子Q4とは、同一チップに形成されている。
Moreover, in the
The second switching element Q2, the third switching element Q3, and the fourth switching element Q4 are formed on the same chip.
この実施の形態によれば、上記第2スイッチング素子Q2と上記第3スイッチング素子Q3と上記第4スイッチング素子Q4とを、同一チップに形成している。したがって、ノーマリーオフ型である上記第2スイッチング素子Q2〜上記第4スイッチング素子Q4を、同一工程においてMOSトランジスタで形成することが容易に可能になる。 According to this embodiment, the second switching element Q2, the third switching element Q3, and the fourth switching element Q4 are formed on the same chip. Therefore, the normally-off type second switching element Q2 to fourth switching element Q4 can be easily formed by MOS transistors in the same process.
また、一実施の形態の半導体装置21,31,41では、
上記第1スイッチング素子Q1と、上記第2スイッチング素子Q2と、上記第3スイッチング素子Q3と、上記第4スイッチング素子Q4とは、同一パッケージに内蔵されている。
Moreover, in the
The first switching element Q1, the second switching element Q2, the third switching element Q3, and the fourth switching element Q4 are built in the same package.
この実施の形態によれば、上記第1スイッチング素子Q1〜上記第4スイッチング素子Q4を同一パッケージに内蔵して、短絡時間における発熱量が大幅に減少された小型の半導体装置を得ることができる。 According to this embodiment, it is possible to obtain a small semiconductor device in which the first switching element Q1 to the fourth switching element Q4 are built in the same package, and the amount of heat generated during the short circuit time is significantly reduced.
21,31,41…窒化物半導体装置
22,32,42…過電流検出回路
Dc…外部ドレイン端子(外部端子)
Sc…外部ソース端子(外部端子)
Gc…外部ゲート端子(外部端子)
Q1…ノーマリーオン型の第1トランジスタ
S1…第1トランジスタのソース
D1…第1トランジスタのドレイン
G1…第1トランジスタのゲート
Q2…ノーマリーオフ型の第2トランジスタ
S2…第2トランジスタのソース
D2…第2トランジスタのドレイン
G2…第2トランジスタのゲート
Q3…ノーマリーオフ型の第3トランジスタ
S3…第3トランジスタのソース
D3…第3トランジスタのドレイン
G3…第3トランジスタのゲート
Q4…ノーマリーオフ型の第4トランジスタ
S4…第4トランジスタのソース
D4…第4トランジスタのドレイン
G4…第4トランジスタのゲート
R1…抵抗
Rgs4…過電流検出用抵抗
Rg…ゲート抵抗
21, 31, 41 ...
Sc: External source terminal (external terminal)
Gc: External gate terminal (external terminal)
Q1 ... normally-on type first transistor S1 ... first transistor source D1 ... first transistor drain G1 ... first transistor gate Q2 ... normally-off type second transistor S2 ... second transistor source D2 ... Second transistor drain G2 ... Second transistor gate Q3 ... Normally-off type third transistor S3 ... Third transistor source D3 ... Third transistor drain G3 ... Third transistor gate Q4 ... Normally-off type Fourth transistor S4 ... Fourth transistor source D4 ... Fourth transistor drain G4 ... Fourth transistor gate R1 ... Resistance Rgs4 ... Overcurrent detection resistor Rg ... Gate resistance
Claims (5)
ソースとドレインとゲートとを有すると共に、上記ドレインが上記第1スイッチング素子の上記ソースに電気的に接続され、上記第1スイッチング素子と共にカスコード回路を構成しているノーマリーオフ型の第2スイッチング素子と、
上記第2スイッチング素子と並列に接続されると共に、上記カスコード回路を流れる過電流を検出する過電流検出回路と
を備え、
上記過電流検出回路は、上記カスコード回路を流れる電流の値が予め設定された所定の過電流値以上となったときに、上記カスコード回路を流れる電流を制限するようになっていることを特徴とする半導体装置。 A normally-on first switching element having a source, a drain, and a gate;
A normally-off type second switching element having a source, a drain, and a gate, the drain being electrically connected to the source of the first switching element, and forming a cascode circuit together with the first switching element When,
An overcurrent detection circuit that is connected in parallel to the second switching element and detects an overcurrent flowing through the cascode circuit;
The overcurrent detection circuit is configured to limit a current flowing through the cascode circuit when a value of a current flowing through the cascode circuit becomes equal to or higher than a predetermined predetermined overcurrent value. Semiconductor device.
上記過電流検出回路は、
上記第2スイッチング素子と並列に接続されると共に、ソースとドレインとゲートとを有するノーマリーオフ型の第3スイッチング素子と、
上記第3スイッチング素子の上記ソースと上記第2スイッチング素子の上記ソースとの間に接続された過電流検出用抵抗と、
ソースとドレインとゲートとを有するノーマリーオフ型の第4スイッチング素子と
を有し、
上記第4スイッチング素子の上記ドレインが上記第3スイッチング素子の上記ゲートおよび上記第2スイッチング素子の上記ゲートと共通に接続され、
上記第4スイッチング素子の上記ゲートが上記第3スイッチング素子の上記ソースおよび上記過電流検出用抵抗の一端と共通に接続され、
上記第4スイッチング素子の上記ソースが上記過電流検出用抵抗の他端および上記第2スイッチング素子の上記ソースと共通に接続され、
上記第3スイッチング素子のゲート幅W3は、上記第2スイッチング素子のゲート幅W2の1/n(n>1)倍になるように設定されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The overcurrent detection circuit is
A normally-off third switching element connected in parallel to the second switching element and having a source, a drain, and a gate;
An overcurrent detection resistor connected between the source of the third switching element and the source of the second switching element;
A normally-off type fourth switching element having a source, a drain, and a gate;
The drain of the fourth switching element is connected in common with the gate of the third switching element and the gate of the second switching element;
The gate of the fourth switching element is connected in common with the source of the third switching element and one end of the overcurrent detection resistor;
The source of the fourth switching element is connected in common with the other end of the overcurrent detection resistor and the source of the second switching element;
A semiconductor device characterized in that the gate width W3 of the third switching element is set to be 1 / n (n> 1) times the gate width W2 of the second switching element.
上記第3スイッチング素子の上記ゲートと上記第2スイッチング素子の上記ゲートと上記第4スイッチング素子の上記ドレインとに共通に接続された外部ゲート端子を備え、
上記過電流検出回路は、
上記外部ゲート端子と上記第4スイッチング素子の上記ドレインとの間に接続されたゲート抵抗を有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
An external gate terminal commonly connected to the gate of the third switching element, the gate of the second switching element, and the drain of the fourth switching element;
The overcurrent detection circuit is
A semiconductor device comprising: a gate resistor connected between the external gate terminal and the drain of the fourth switching element.
上記第2スイッチング素子と、上記第3スイッチング素子と、上記第4スイッチング素子とは、同一チップに形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2 or claim 3,
The semiconductor device, wherein the second switching element, the third switching element, and the fourth switching element are formed on the same chip.
上記第1スイッチング素子と、上記第2スイッチング素子と、上記第3スイッチング素子と、上記第4スイッチング素子とは、同一パッケージに内蔵されていることを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 2 to 4,
The semiconductor device, wherein the first switching element, the second switching element, the third switching element, and the fourth switching element are built in the same package.
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