JP4465196B2 - Power supply - Google Patents
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Description
本発明は、半導体スイッチング素子を利用したDC−DCコンバータ等の電源回路に関する。 The present invention relates to a power supply circuit such as a DC-DC converter using a semiconductor switching element.
負荷に印加する電圧を調整することができる電源回路が種々の場合に必要とされている。PWM(Pulse Width Modulation)制御方式を利用して電源回路を構成する技術が普及しており、この方式では、直流電源と負荷の間に半導体スイッチング素子を挿入し、その半導体スイッチング素子をPWM制御回路によって断続的にオン・オフさせる。この種の電源回路の一例が特許文献1に報告されている。
図9に、PWM(Pulse Width Modulation)制御方式によって降圧するDC−DCコンバータ回路の一例を示す。
このDC−DCコンバータは、直流電源Vinと直流負荷を接続する直流回路に第1半導体スイッチング素子Q1を直列に挿入し、PWM制御回路によって第1半導体スイッチング素子Q1を断続的にオン・オフさせる。断続的にオン・オフされる電圧をコイルL1とコンデンサC1で平滑化し、平滑化された電圧を負荷に加える。第1半導体スイッチング素子Q1の毎回のオン持続時間をTon、毎回のオフ持続時間をToff、基本周期をT(T=Ton+Toff)とすると、負荷に印加される電圧Voutは、Vout=(Ton/T)Vinとなる。Ton/Tはデューティファクタと称され、その値を調整することによって、負荷に印加する電圧Voutの値を任意の値に調整することができる。
第1半導体スイッチング素子Q1を単にオフさせると、負荷や配線のインダクタンス成分によって大きな逆起電圧が発生し、第1半導体スイッチング素子Q1が破壊する恐れがある。そこで、第1半導体スイッチング素子Q1のオフ時に、直流電源と第1半導体スイッチング素子Q1をバイパスして還流電流が流れるように、負荷端子間を短絡させる回路Aが設けられている。その短絡回路Aが、第1半導体スイッチング素子Q1のオン時に短絡することを防止するために、短絡回路Aには第2半導体スイッチング素子Q2が挿入されている。PWM制御回路は、第1半導体スイッチング素子をオンして第2半導体スイッチング素子をオフする状態と第1半導体スイッチング素子をオフして第2半導体スイッチング素子をオンする状態を交互に繰返す。
FIG. 9 shows an example of a DC-DC converter circuit that steps down by a PWM (Pulse Width Modulation) control method.
In this DC-DC converter, a first semiconductor switching element Q1 is inserted in series in a DC circuit connecting a DC power supply Vin and a DC load, and the first semiconductor switching element Q1 is intermittently turned on and off by a PWM control circuit. The voltage that is intermittently turned on and off is smoothed by the coil L1 and the capacitor C1, and the smoothed voltage is applied to the load. When the on duration of each time of the first semiconductor switching element Q1 is Ton, the off duration of each time is Toff, and the basic period is T (T = Ton + Toff), the voltage Vout applied to the load is Vout = (Ton / T ) Vin. Ton / T is called a duty factor, and by adjusting the value, the value of the voltage Vout applied to the load can be adjusted to an arbitrary value.
If the first semiconductor switching element Q1 is simply turned off, a large counter electromotive voltage is generated due to the inductance component of the load or wiring, and the first semiconductor switching element Q1 may be destroyed. Therefore, a circuit A for short-circuiting between the load terminals is provided so that when the first semiconductor switching element Q1 is turned off, a reflux current flows by bypassing the DC power supply and the first semiconductor switching element Q1. In order to prevent the short circuit A from being short-circuited when the first semiconductor switching element Q1 is turned on, the second semiconductor switching element Q2 is inserted into the short circuit A. The PWM control circuit alternately repeats a state in which the first semiconductor switching element is turned on and the second semiconductor switching element is turned off and a state in which the first semiconductor switching element is turned off and the second semiconductor switching element is turned on.
図10(a)に第1半導体スイッチング素子Q1のゲートに印加するゲート電圧を示し、図10(b)に第2半導体スイッチング素子Q2のゲートに印加するゲート電圧を示す。Tonは、第1半導体スイッチング素子Q1の各回毎のオン持続時間を示し、Toffは、オフ持続時間を示し、T(T=Ton+Toff)はPWM制御の基本周期を示す。第2半導体スイッチング素子Q2は、第1半導体スイッチング素子Q1がオンしている間はオフされ、第1半導体スイッチング素子Q1がオフしている間はオンされる。負荷に印加される電圧Voutは、Vout=(Ton/T)Vinとなる。
図9に示すように、DC−DCコンバータの出力電圧Voutは常時モニタされており、検出されたVoutはPWM制御回路に帰還される。検出された出力電圧Voutに応じて、第1半導体スイッチング素子Q1をオンして第2半導体スイッチング素子Q2をオフする状態の持続時間Tonと、第1半導体スイッチング素子Q1をオフして第2半導体スイッチング素子Q2をオンする状態の持続時間Toffが増減調整され、出力電圧Voutが一定となるように制御される。
FIG. 10A shows the gate voltage applied to the gate of the first semiconductor switching element Q1, and FIG. 10B shows the gate voltage applied to the gate of the second semiconductor switching element Q2. Ton indicates the ON duration for each turn of the first semiconductor switching element Q1, Toff indicates the OFF duration, and T (T = Ton + Toff) indicates the basic period of PWM control. The second semiconductor switching element Q2 is turned off while the first semiconductor switching element Q1 is turned on, and is turned on while the first semiconductor switching element Q1 is turned off. The voltage Vout applied to the load is Vout = (Ton / T) Vin.
As shown in FIG. 9, the output voltage Vout of the DC-DC converter is constantly monitored, and the detected Vout is fed back to the PWM control circuit. In accordance with the detected output voltage Vout, the duration Ton in which the first semiconductor switching element Q1 is turned on and the second semiconductor switching element Q2 is turned off, and the first semiconductor switching element Q1 is turned off and the second semiconductor switching element is turned off. The duration Toff in the state in which the element Q2 is turned on is adjusted to increase or decrease, and the output voltage Vout is controlled to be constant.
図10(c)に、第2半導体スイッチング素子Q2を流れる電流の大きさを示し、図10(d)に、第2半導体スイッチング素子Q2のソース・ドレイン間の電圧を示す。図10(c)に示すように、第1半導体スイッチング素子Q1がオフして第2半導体スイッチング素子Q2がオンすると、第2半導体スイッチング素子Q2に帰還電流が流れる。その後に第1半導体スイッチング素子Q1がオンして第2半導体スイッチング素子Q2がオフすると、ターンオフした第2半導体スイッチング素子Q2に逆回復電流が流れる(図10(c)に示す破線の楕円で囲まれた電流)。逆回復電流の絶対値は最初に増大し、その後に減少して最終的には0に収束する。この0に収束する逆回復電流Irの減少速度が逆回復電流変化率(dIr/dt)と称される。この逆回復電流変化率が、DC−DCコンバータや負荷の配線に存在する寄生インダクタンスLによって、VL=−L・dIr/dtのサージ電圧を発生させる。その結果、図10(d)に示すように、第2半導体スイッチング素子Q2の両端に大きなサージ電圧を発生させる。通常は、逆回復電流変化率(dIr/dt)によるサージ電圧が最も大きく、リカバリーサージ電圧と称される。 FIG. 10C shows the magnitude of the current flowing through the second semiconductor switching element Q2, and FIG. 10D shows the voltage between the source and drain of the second semiconductor switching element Q2. As shown in FIG. 10C, when the first semiconductor switching element Q1 is turned off and the second semiconductor switching element Q2 is turned on, a feedback current flows through the second semiconductor switching element Q2. Thereafter, when the first semiconductor switching element Q1 is turned on and the second semiconductor switching element Q2 is turned off, a reverse recovery current flows through the turned-off second semiconductor switching element Q2 (encircled by a broken line ellipse shown in FIG. 10C). Current). The absolute value of the reverse recovery current increases first, then decreases and finally converges to zero. The decreasing rate of the reverse recovery current Ir that converges to 0 is referred to as a reverse recovery current change rate (dIr / dt). This reverse recovery current change rate generates a surge voltage of V L = −L · dIr / dt by the parasitic inductance L existing in the DC-DC converter or the load wiring. As a result, as shown in FIG. 10D, a large surge voltage is generated at both ends of the second semiconductor switching element Q2. Usually, the surge voltage due to the reverse recovery current change rate (dIr / dt) is the largest and is called the recovery surge voltage.
第2半導体スイッチング素子Q2の両端に発生するリカバリーサージ電圧が大きいと、第2半導体スイッチング素子Q2が破壊される。リカバリーサージ電圧を抑制する技術が必要とされている。
リカバリーサージ電圧を抑制するために、第2半導体スイッチング素子Q2と並列にコンデンサを接続する方法が知られている。しかしながら、コンデンサを接続する方法では、部品点数が増加してしまう。
本発明の目的は、部品点数を増加させないで、第2半導体スイッチング素子のターンオフ時に発生するリカバリーサージ電圧の大きさを抑制することができるDC−DCコンバータ等の電源回路を提供することである。
If the recovery surge voltage generated at both ends of the second semiconductor switching element Q2 is large, the second semiconductor switching element Q2 is destroyed. There is a need for technology to suppress the recovery surge voltage.
In order to suppress the recovery surge voltage, a method of connecting a capacitor in parallel with the second semiconductor switching element Q2 is known. However, in the method of connecting capacitors, the number of parts increases.
An object of the present invention is to provide a power supply circuit such as a DC-DC converter that can suppress the magnitude of a recovery surge voltage generated when the second semiconductor switching element is turned off without increasing the number of components.
本発明に係わるDC−DCコンバータは、直流電源と負荷の間に直列に接続される第1半導体スイッチング素子と、直流電源と第1半導体スイッチング素子をバイパスして負荷端子間を短絡させる第2半導体スイッチング素子と、第1半導体スイッチング素子をオンして第2半導体スイッチング素子をオフする状態と第1半導体スイッチング素子をオフして第2半導体スイッチング素子をオンする状態を交互に繰返すPWM制御回路とを有する。 A DC-DC converter according to the present invention includes a first semiconductor switching element connected in series between a DC power supply and a load, and a second semiconductor that bypasses the DC power supply and the first semiconductor switching element to short-circuit between load terminals. And a PWM control circuit that alternately repeats a state in which the first semiconductor switching element is turned on and the second semiconductor switching element is turned off, and a state in which the first semiconductor switching element is turned off and the second semiconductor switching element is turned on. Have.
本発明に係わるDC−DCコンバータの一つの特徴は、第2半導体スイッチング素子の出力容量の逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数が、第1半導体スイッチング素子の出力容量の逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数よりも小さいことである。
半導体スイッチング素子は、Cout=k・1/Vdsαの特性をもつ。ここで、Coutは半導体スイッチング素子の出力容量(ゲート・ドレイン間容量+ソース・ドレイン間容量)であり、Vdsはドレイン・ソース電圧であり、αは指数である。上記式を変形すると明らかなるように、半導体スイッチング素子の出力容量の逆数(1/Cout)は、ドレイン・ソース間電圧Vdsをα乗した値に比例する。
本発明では、その指数αに関して、第2半導体スイッチング素子の指数α2を第1半導体スイッチング素子の指数α1よりも小さくする。
One feature of the DC-DC converter according to the present invention is that the exponent in the power of the drain-source voltage proportional to the reciprocal of the output capacity of the second semiconductor switching element is proportional to the reciprocal of the output capacity of the first semiconductor switching element. It is smaller than the exponent in the power of the drain-source voltage.
The semiconductor switching element has a characteristic of Cout = k · 1 / Vds α . Here, Cout is the output capacitance of the semiconductor switching element (gate-drain capacitance + source-drain capacitance), Vds is the drain-source voltage, and α is an index. As apparent from the above equation, the reciprocal (1 / Cout) of the output capacitance of the semiconductor switching element is proportional to the value obtained by raising the drain-source voltage Vds to the power of α.
In the present invention, with respect to the index α, the index α2 of the second semiconductor switching element is made smaller than the index α1 of the first semiconductor switching element.
DC−DCコンバータでは、逆回復電流変化率dIr/dtが大きいとリカバリーサージ電圧は大きくなり、逆回復電流変化率dIr/dtが小さいとリカバリーサージ電圧は小さくなる。
本発明者らの研究によって、逆回復電流の変化率dIr/dtは、第2半導体スイッチング素子のターンオフ時の出力容量が、ドレイン・ソース間電圧Vdsの変化に追従して変化する際の敏感性に強く依存することが判明した。すなわち、第2半導体スイッチング素子のターンオフ時の出力容量が、ドレイン・ソース間電圧Vdsの変化に対して敏感に反応すると、逆回復電流変化率dIr/dtが大きくなる。その逆に、第2半導体スイッチング素子のターンオフ時の出力容量が、ドレイン・ソース間電圧Vdsの変化に対して鈍感であれば、逆回復電流変化率dIr/dtが小さくなるという知見を得たのである。
前記したように、半導体スイッチング素子の出力容量Coutの逆数は、ドレイン・ソース間電圧Vdsをα乗した値に比例する。指数αが大きければ、出力容量Coutがドレイン・ソース間電圧Vdsに対して敏感に変化し、指数αが小さければ、出力容量Coutがドレイン・ソース間電圧Vdsに対して鈍感となる。
本発明者らは、以上の知見を総合し、第2半導体スイッチング素子のターンオフ時の出力容量の逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数α2を、第1半導体スイッチング素子のターンオフ時の出力容量の逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数α1よりも小さくすることによって、第2半導体スイッチング素子のターンオフ時に発生する逆回復電流変化率dIr/dtを小さくでき、リカバリーサージ電圧を小さく抑えられることを確認した。
In the DC-DC converter, the recovery surge voltage increases when the reverse recovery current change rate dIr / dt is large, and the recovery surge voltage decreases when the reverse recovery current change rate dIr / dt is small.
According to the studies by the present inventors, the rate of change dIr / dt of the reverse recovery current is a sensitivity when the output capacitance at the time of turn-off of the second semiconductor switching element changes following the change of the drain-source voltage Vds. It turned out to be strongly dependent on. That is, if the output capacitance at the time of turn-off of the second semiconductor switching element reacts sensitively to changes in the drain-source voltage Vds, the reverse recovery current change rate dIr / dt increases. Conversely, if the output capacitance at turn-off of the second semiconductor switching element is insensitive to changes in the drain-source voltage Vds, it has been found that the reverse recovery current change rate dIr / dt is small. is there.
As described above, the reciprocal of the output capacitance Cout of the semiconductor switching element is proportional to the value obtained by raising the drain-source voltage Vds to the power of α. If the exponent α is large, the output capacitance Cout changes sensitively with respect to the drain-source voltage Vds, and if the exponent α is small, the output capacitance Cout becomes insensitive to the drain-source voltage Vds.
Based on the above findings, the inventors have calculated an exponent α2 in the power of the drain-source voltage that is proportional to the reciprocal of the output capacitance at the time of turn-off of the second semiconductor switching element, at the time of turn-off of the first semiconductor switching element. By making it smaller than the exponent α1 in the power of the drain-source voltage proportional to the reciprocal of the output capacitance, the reverse recovery current change rate dIr / dt generated when the second semiconductor switching element is turned off can be reduced, and the recovery surge voltage can be reduced. It was confirmed that it could be kept small.
従来のDC−DCコンバータでは、第1半導体スイッチング素子と第2半導体スイッチング素子に同一のトランジスタ素子を利用している。本発明では、第1半導体スイッチング素子と第2半導体スイッチング素子ではサージ電圧の発生要因が相違し、その要因ごとに対処する必要があることを認識し、第2半導体スイッチング素子の出力容量の逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数α2を、第1半導体スイッチング素子の出力容量の逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数α1よりも小さくすることが有用であり、小さくすることによってリカバリーサージ電圧を小さく抑えることに成功したものである。
本発明の特徴を備えたDC−DCコンバータによれば、第2半導体スイッチング素子に対して、コンデンサ等の余分の部材を並列に接続する必要がなく、部品点数を増加させることなくリカバリーサージ電圧を低減することができる。
In the conventional DC-DC converter, the same transistor element is used for the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element. In the present invention, it is recognized that the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element have different generation factors of the surge voltage, and it is necessary to deal with each factor, and the reciprocal of the output capacity of the second semiconductor switching element is obtained. It is useful to make the index α2 in the power of the proportional drain-source voltage smaller than the index α1 in the power of the drain-source voltage proportional to the reciprocal of the output capacity of the first semiconductor switching element. As a result, the recovery surge voltage was successfully reduced.
According to the DC-DC converter having the features of the present invention, it is not necessary to connect an extra member such as a capacitor in parallel to the second semiconductor switching element, and a recovery surge voltage can be generated without increasing the number of components. Can be reduced.
本発明は他の一つの特徴は、DC−DCコンバータに用いる第1半導体スイッチング素子のトレンチゲート電極に比して、第2半導体スイッチング素子のトレンチゲート電極を深くすることである。
すなわち、第1半導体スイッチング素子と第2半導体スイッチング素子の双方が、ドレイン層と、ドレイン層上に積層されたドリフト層と、ドリフト層上に積層されたボディ層と、ボディ層表面に形成されたソース領域と、ソース領域とボディ層を貫通してドリフト層に達するトレンチ内にゲート絶縁膜に被覆された状態で形成されているトレンチゲート電極を有する縦型の電界効果トランジスタで構成されている場合、第1半導体スイッチング素子のトレンチゲート電極に比して、第2半導体スイッチング素子のトレンチゲート電極を深くする。
Another feature of the present invention is that the trench gate electrode of the second semiconductor switching element is made deeper than the trench gate electrode of the first semiconductor switching element used in the DC-DC converter.
That is, both the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element are formed on the drain layer, the drift layer stacked on the drain layer, the body layer stacked on the drift layer, and the body layer surface. In the case of a vertical field effect transistor having a source region and a trench gate electrode formed in a trench that penetrates the source region and the body layer and reaches the drift layer and is covered with a gate insulating film The trench gate electrode of the second semiconductor switching element is made deeper than the trench gate electrode of the first semiconductor switching element.
半導体スイッチング素子の出力容量は、ゲート・ドレイン間の容量に、ソース・ドレイン間の容量を合計した容量に等しい。半導体スイッチング素子を縦型の電界効果トランジスタで構成した場合、ゲート・ドレイン間の容量は、実質的にはトレンチゲート電極の底面に形成されているゲート絶縁膜をはさんで対向する1対の導電体で構成される寄生コンデンサの容量に等しく、ソース・ドレイン間の静電容量は、実質的にはドレイン層とボディ層のpn接合面から伸びる空乏層をはさんで対向する1対の導電体で構成される寄生コンデンサの容量に等しい。
ゲート絶縁膜に起因する容量は、ゲート絶縁膜の厚みや材質によって固定されており、ドレイン・ソース間電圧Vdsの変化に対して一定である。一方、ドレイン層とボディ層の界面に形成される空乏層に起因する容量は、ドレイン・ソース間電圧Vdsの変化に追従して変化する。pn接合面に形成される空乏層の厚みがドレイン・ソース間電圧Vdsに追従して変化するからである。
ゲート・ドレイン間の容量が相対的に大きく、ソース・ドレイン間の容量が相対的に小さい半導体スイッチング素子の出力容量は、ドレイン・ソース間の電圧Vdsに対して鈍感であるということができる。ゲート・ドレイン間の容量が相対的に小さく、ソース・ドレイン間の容量が相対的に大きい半導体スイッチング素子の出力容量は、ドレイン・ソース間の電圧Vdsに対して敏感に変化する特性となる。
The output capacitance of the semiconductor switching element is equal to the sum of the gate-drain capacitance and the source-drain capacitance. When the semiconductor switching element is formed of a vertical field effect transistor, the capacitance between the gate and the drain is substantially a pair of conductive surfaces facing each other across the gate insulating film formed on the bottom surface of the trench gate electrode. The capacitance between the source and the drain is substantially equal to the capacitance of the parasitic capacitor composed of a body, and the capacitance between the source and the drain is substantially a pair of conductors facing each other across the depletion layer extending from the pn junction surface of the drain layer and the body layer Is equal to the capacitance of the parasitic capacitor.
The capacitance caused by the gate insulating film is fixed by the thickness and material of the gate insulating film, and is constant with respect to the change in the drain-source voltage Vds. On the other hand, the capacitance caused by the depletion layer formed at the interface between the drain layer and the body layer changes following the change in the drain-source voltage Vds. This is because the thickness of the depletion layer formed on the pn junction surface changes following the drain-source voltage Vds.
It can be said that the output capacitance of the semiconductor switching element having a relatively large gate-drain capacitance and a relatively small source-drain capacitance is insensitive to the drain-source voltage Vds. The output capacitance of the semiconductor switching element having a relatively small capacitance between the gate and the drain and a relatively large capacitance between the source and the drain has a characteristic that changes sensitively with respect to the drain-source voltage Vds.
トレンチゲート電極を備える縦型電界効果トランジスタの場合、トレンチゲート電極がドレイン層に深く浸入するほど、ゲート・ドレイン間の容量が相対的に大きくてソース・ドレイン間の容量が相対的に小さくなる。第1半導体スイッチング素子のトレンチゲート電極に比して第2半導体スイッチング素子のトレンチゲート電極が深い場合、第2半導体スイッチング素子のターンオフ時の出力容量は、ドレイン・ソース間の電圧Vdsの変化に抗して一定に維持されやすい特性となり、リカバリーサージ電圧の発生を効果的に抑制できる。リカバリーサージ電圧の抑制のためにコンデサーを外付けするのと同等の効果が得られ、部品点数を増加させずにリカバリーサージ電圧を低減することができる。 In the case of a vertical field effect transistor including a trench gate electrode, the deeper the trench gate electrode penetrates into the drain layer, the larger the capacitance between the gate and the drain and the smaller the capacitance between the source and the drain. When the trench gate electrode of the second semiconductor switching element is deeper than the trench gate electrode of the first semiconductor switching element, the output capacitance at the turn-off time of the second semiconductor switching element is resistant to changes in the drain-source voltage Vds. As a result, the characteristics are easily maintained, and the generation of the recovery surge voltage can be effectively suppressed. An effect equivalent to externally attaching a condenser for suppressing the recovery surge voltage can be obtained, and the recovery surge voltage can be reduced without increasing the number of parts.
上記特徴を有するDC−DCコンバータによると、第2半導体スイッチング素子のターンオフ時に発生するリカバリーサージ電圧を低減することができるが、それに加えて、第1半導体スイッチング素子のスイッチング時に発生するサージ電圧をも低減することができるDC−DCコンバータが必要とされている。
その必要を満たすためには、第1半導体スイッチング素子がその素子を流れる電流の大きさを検出する電流センシング部を備えており、その電流センシング部からの信号の大小によって第1半導体スイッチング素子のゲート抵抗の大きさを切換えるゲート抵抗切換え部をDC−DCコンバータに付加するのが好ましい。
According to the DC-DC converter having the above characteristics, the recovery surge voltage generated when the second semiconductor switching element is turned off can be reduced. In addition, the surge voltage generated when the first semiconductor switching element is switched can be reduced. There is a need for a DC-DC converter that can be reduced.
In order to satisfy this requirement, the first semiconductor switching element includes a current sensing unit that detects the magnitude of the current flowing through the element, and the gate of the first semiconductor switching element is determined by the magnitude of the signal from the current sensing unit. It is preferable to add a gate resistance switching unit for switching the magnitude of the resistance to the DC-DC converter.
DC−DCコンバータの第1半導体スイッチング素子のターンオフ時にもサージ電圧が発生する。通常は、スイッチングサージ電圧と称される。このスイッチングサージ電圧は、第1半導体スイッチング素子を流れる電流のターンオフ時の電流変化dI/dtの大きさに依存する。つまり、dI/dtが大きいと、寄生インダクタンスLの両端に、V=−L・dI/dtの電圧を発生させ、第1半導体スイッチング素子の両端に大きなサージ電圧が発生する。寄生インダクタンスは、直流電源のプラス側端子から第1半導体スイッチング素子を経由して直流電源のマイナス端子に至るまでの配線のあらゆる所に寄生している。したがって、スイッチングサージ電圧を低減するには、dI/dtを小さくすることが重要である。
一般的に、dI/dtを小さくするために、第1半導体スイッチング素子のゲート抵抗を大きくすることが有効である。しかし、ゲート抵抗を大きくすると、第1半導体スイッチング素子によるスイッチング損失が増加する。ゲート抵抗を調整する手法は、スイッチングサージ電圧の抑制とスイッチング損失の低減を同時に達成するものでなく、ゲート抵抗を大きくすればスイッチングサージ電圧を抑制することができるがスイッチング損失は大きくなり、ゲート抵抗を小さくすればスイッチング損失を低減することができるがスイッチングサージ電圧は大きくなる。ゲート抵抗を調整する手法は、トレードオフの関係にあり、スイッチングサージ電圧とスイッチング損失の双方を低減することはできない。
A surge voltage is also generated when the first semiconductor switching element of the DC-DC converter is turned off. Usually referred to as switching surge voltage. This switching surge voltage depends on the magnitude of the current change dI / dt when the current flowing through the first semiconductor switching element is turned off. That is, when dI / dt is large, a voltage of V = −L · dI / dt is generated at both ends of the parasitic inductance L, and a large surge voltage is generated at both ends of the first semiconductor switching element. Parasitic inductance is parasitic everywhere in the wiring from the positive terminal of the DC power source to the negative terminal of the DC power source via the first semiconductor switching element. Therefore, in order to reduce the switching surge voltage, it is important to reduce dI / dt.
In general, in order to reduce dI / dt, it is effective to increase the gate resistance of the first semiconductor switching element. However, when the gate resistance is increased, the switching loss due to the first semiconductor switching element increases. The method of adjusting the gate resistance does not achieve the suppression of the switching surge voltage and the reduction of the switching loss at the same time. Increasing the gate resistance can suppress the switching surge voltage, but the switching loss increases and the gate resistance increases. If the value is reduced, the switching loss can be reduced, but the switching surge voltage increases. The method of adjusting the gate resistance is in a trade-off relationship, and it is not possible to reduce both the switching surge voltage and the switching loss.
第1半導体スイッチング素子のスイッチングサージ電圧の発生原因を詳細に検討すると、スイッチングサージ電圧は第1半導体スイッチング素子に流れる電流の大きさに依存していることが分かる。第1半導体スイッチング素子を流れる電流が大きいと、dI/dtが大きくなり、電流が小さいとdI/dtが小さくなる。つまり、第1半導体スイッチング素子に流れる電流が大きい場合には、大きなスイッチングサージ電圧が発生して問題となるが、第1半導体スイッチング素子に流れる電流が小さい場合には、スイッチングサージ電圧は小さくなり、半導体スイッチング素子を破壊するなどの影響は少ない。スイッチングサージ電圧による電界効果トランジスタの破壊を抑制するには、第1半導体スイッチング素子に流れる電流が大きい場合にだけスイッチングサージ電圧を抑制する対処を施せばよいことがわかる。そうすることによって、スイッチングサージ電圧を抑制すればスイッチング損失が大きくなり、スイッチング損失を低減すればスイッチングサージ電圧が大きくなるというトレードオフの関係を克服することができる。第1半導体スイッチング素子に流れる電流が大きい時にはゲート抵抗を大きくしてスイッチングサージ電圧を低減し、電流が小さい時にはゲート抵抗を小さくしてスイッチング損失の低減を図ればよいことがわかり、そうすると、スイッチングサージ電圧を低減したうえでさらにスイッチング損失を低減できることがわかる。 When the cause of the occurrence of the switching surge voltage of the first semiconductor switching element is examined in detail, it can be seen that the switching surge voltage depends on the magnitude of the current flowing through the first semiconductor switching element. When the current flowing through the first semiconductor switching element is large, dI / dt increases, and when the current is small, dI / dt decreases. That is, when the current flowing through the first semiconductor switching element is large, a large switching surge voltage is generated, which is a problem. However, when the current flowing through the first semiconductor switching element is small, the switching surge voltage is decreased, There is little influence such as destruction of the semiconductor switching element. It can be seen that in order to suppress the breakdown of the field effect transistor due to the switching surge voltage, it is necessary to take measures to suppress the switching surge voltage only when the current flowing through the first semiconductor switching element is large. By doing so, it is possible to overcome the trade-off relationship that if the switching surge voltage is suppressed, the switching loss increases, and if the switching loss is reduced, the switching surge voltage increases. It can be seen that when the current flowing through the first semiconductor switching element is large, the gate resistance should be increased to reduce the switching surge voltage, and when the current is small, the gate resistance should be reduced to reduce the switching loss. It can be seen that the switching loss can be further reduced after the voltage is reduced.
DC−DCコンバータが、電流センシング部からの信号の大小によって、第1半導体スイッチング素子のゲート抵抗の大きさを切換えるゲート抵抗切換え部を備えていると、第1半導体スイッチング素子に流れる電流が大きい時にはゲート抵抗を大きくしてスイッチングサージ電圧を低減し、電流が小さい時にはゲート抵抗を小さくしてスイッチング損失の低減を図ることができ、スイッチングサージ電圧を抑制しながらスイッチング損失を低減することができる。 When the DC-DC converter includes a gate resistance switching unit that switches the magnitude of the gate resistance of the first semiconductor switching element according to the magnitude of the signal from the current sensing unit, when the current flowing through the first semiconductor switching element is large The gate resistance can be increased to reduce the switching surge voltage. When the current is small, the gate resistance can be reduced to reduce the switching loss, and the switching loss can be reduced while suppressing the switching surge voltage.
本発明の態様によれば、部品点数を増加させることなく、半導体スイッチング素子のターンオフ時に発生するリカバリーサージ電圧の大きさが抑制されるDC−DCコンバータ等の電源回路を提供することができる。 According to the aspect of the present invention, it is possible to provide a power supply circuit such as a DC-DC converter in which the magnitude of the recovery surge voltage generated when the semiconductor switching element is turned off is suppressed without increasing the number of components.
実施例等に記載される技術の特徴を列記する。
(第1実施形態) ドリフト層の不純物濃度はドレイン側に向けて濃くなっており、トレンチゲート電極は、不純物濃度が1×1017cm−3となる深さまで形成されている。
(第2実施形態) ドリフト層の不純物濃度はドレイン側に向けて濃くなっており、トレンチゲート電極は、不純物濃度が1×1018cm−3となる深さまで形成されている。
The technical features described in the examples and the like are listed.
First Embodiment The impurity concentration of the drift layer is increased toward the drain side, and the trench gate electrode is formed to a depth at which the impurity concentration is 1 × 10 17 cm −3 .
Second Embodiment The impurity concentration of the drift layer increases toward the drain side, and the trench gate electrode is formed to a depth at which the impurity concentration is 1 × 10 18 cm −3 .
本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。
(第1実施例) 図1には、第1実施例の降圧チョッパ型DC−DCコンバータの回路図が示されている。第1実施例の降圧チョッパ型DC−DCコンバータは、PWM制御ロジック部2と、回路部4と、アクティブゲートコントロール部6とを備え、直流42Vの直流電源Vinを降圧し、直流14Vの出力電圧Voutを負荷47に印加する。
A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First Embodiment FIG. 1 shows a circuit diagram of a step-down chopper type DC-DC converter of a first embodiment. The step-down chopper type DC-DC converter of the first embodiment includes a PWM
回路部4は、直流電源Vinと負荷47を接続する直列回路10に直列に挿入された第1半導体スイッチング素子Q11と、直流電源Vinと第1半導体スイッチング素子Q11をバイパスして負荷の端子間を短絡させる短絡回路8と、その短絡回路8に挿入された第2半導体スイッチング素子Q12と、平滑回路を構成するコイルL11とコンデンサC11を備えている。
第1半導体スイッチング素子Q11のドレイン端子は直流電源Vinのプラス端子に接続され、第1半導体スイッチング素子Q11のソース端子と第2半導体スイッチング素子Q12のドレイン端子が負荷の一端に接続され、第2半導体スイッチング素子Q12のソース端子は負荷の他端と直流電源Vinのマイナス端子に接続されている。
第2半導体スイッチング素子Q12のソース・ゲート間に直流電圧を印加する直流電源12が用意されており、第2半導体スイッチ14が閉じられると、直流電源12が第2半導体スイッチング素子Q12のソース・ゲート間に直流電圧を印加する。この結果、第2半導体スイッチング素子Q12のソース・ドレイン間がオンする。第2半導体スイッチ14が閉じられたときに第2半導体スイッチング素子Q12のソース・ゲート間電圧が変化するスピードは、ゲート抵抗16の抵抗値で決定される。
同様に、第1半導体スイッチング素子Q11のソース・ゲート間に直流電圧を印加する直流電源18が用意されており、第1半導体スイッチ20が閉じられると、直流電源18が第1半導体スイッチング素子Q11のソース・ゲート間に直流電圧を印加する。この結果、第1半導体スイッチング素子Q11のソース・ドレイン間がオンする。第1半導体スイッチ20が閉じられたときに第1半導体スイッチング素子Q11のソース・ゲート間電圧が変化するスピードは、ゲート抵抗22の抵抗値で決定される。
第1半導体スイッチ20と第2半導体スイッチ14のオンオフは、PWM制御ロジック部2によってコントロールされ、PWM制御ロジック部2は、第1半導体スイッチ20をオンして第2半導体スイッチ14をオフする状態と、第1半導体スイッチ20をオフして第2半導体スイッチ14をオンする状態を交互に繰返す。
The
The drain terminal of the first semiconductor switching element Q11 is connected to the plus terminal of the DC power supply Vin, the source terminal of the first semiconductor switching element Q11 and the drain terminal of the second semiconductor switching element Q12 are connected to one end of the load, and the second semiconductor The source terminal of the switching element Q12 is connected to the other end of the load and the negative terminal of the DC power source Vin.
A DC power supply 12 for applying a DC voltage between the source and gate of the second semiconductor switching element Q12 is prepared, and when the
Similarly, a DC power source 18 for applying a DC voltage between the source and gate of the first semiconductor switching element Q11 is prepared. When the
With the
第1半導体スイッチング素子Q11は、n型チャネルのMOSFETであり、図2(a)に要部断面図が示されている。第1半導体スイッチング素子Q11は、ゲート絶縁膜191で被覆されたトレンチゲート電極190を有する縦型電界効果トランジスタである。
図示120はn+型の単結晶シリコン等からなるドレイン層である。ドレイン層120の裏面には、例えば、アルミニウムからなるドレイン電極110が形成されている。ドレイン層120上には、n−型の単結晶シリコン等からなるドリフト層130が形成されている。ドリフト層130上には、p−型の単結晶シリコン等からなるボディ層140が形成されている。ボディ層140の上部には、n+型の単結晶シリコン等からなるソース領域150と、p+型の単結晶シリコン等からなるボディコンタクト領域160が形成されている。
ソース領域150とボディ層140を貫通してドリフト層130に浸入するトレンチが掘られており、トレンチの壁面と底面は酸化シリコンからなるゲート絶縁膜191で被覆されている。面がゲート絶縁膜191で被覆されたトレンチに、低抵抗のポリシリコン等からなるトレンチゲート電極190が充填されている。
ソース領域150とボディコンタクト領域160に接するようにソース電極180が形成されており、ソース電極180は絶縁層間膜170によってトレンチゲート電極190から絶縁されている。トレンチゲート電極190は図示しない断面において、図示しないゲートパッドに接続されている。
第1半導体スイッチング素子Q11は、トレンチゲート電極190とソース電極180間に直流電源18(図1)の電圧を印加すると、トレンチゲート電極190に対向するボディ領域140にn型のチャネルが形成され、ソース電極180とドレイン電極110間が導通する。
The first semiconductor switching element Q11 is an n-type channel MOSFET, and FIG. The first semiconductor switching element Q11 is a vertical field effect transistor having a
A trench penetrating the
A
In the first semiconductor switching element Q11, when a voltage of the DC power source 18 (FIG. 1) is applied between the
第2半導体スイッチング素子Q12も、n型チャネルのMOSFETであり、図2(b)に要部断面図が示されている。
図示220はn+型の単結晶シリコン等からなるドレイン層である。ドレイン層220の裏面には、例えば、アルミニウムからなるドレイン電極210が形成されている。ドレイン層220上には、n−型の単結晶シリコン等からなるドリフト層230が形成されている。ドリフト層230上には、p−型の単結晶シリコン等からなるボディ層240が形成されている。ボディ層240の上部には、n+型の単結晶シリコン等からなるソース領域250と、p+型の単結晶シリコン等からなるボディコンタクト領域260が形成されている。
ソース領域250とボディ層240を貫通してドリフト層230に深く浸入するトレンチが掘られており、トレンチの壁面と底面は酸化シリコンからなるゲート絶縁膜291で被覆されている。ゲート絶縁膜291は、ボディ層240に対応する深さでは薄く、ドリフト層230に浸入している部分では厚い。ボディ層240に対応する薄いゲート絶縁膜291は低いゲートオン電圧を実現し、ドリフト層230に対応する厚いゲート絶縁膜291は第2半導体スイッチング素子Q12の高い耐圧を実現する。壁面や底面がゲート絶縁膜291で被覆されたトレンチに、低抵抗のポリシリコン等からなるトレンチゲート電極290が充填されている。
ソース領域250とボディコンタクト領域260に接するようにソース電極280が形成されており、ソース電極280は絶縁層間膜270によってトレンチゲート電極290から絶縁されている。トレンチゲート電極290は図示しない断面において、図示しないゲートパッドに接続されている。
第2半導体スイッチング素子Q11は、トレンチゲート電極290とソース電極280間に直流電源12(図1)の電圧を印加すると、トレンチゲート電極290に対向するボディ領域240にn型のチャネルが形成され、ソース電極280とドレイン電極210間が導通する。
第2半導体スイッチング素子Q12のトレンチゲート電極290は、オフ時にボディ層240とドリフト層230の界面からドリフト層230に伸びる空乏層よりも深い位置まで伸びている。トレンチゲート電極290が、ドリフト層230の下方まで深く形成されているMOSFETをDGMOSFET(Deep Gate MOSFET)と称する。
第2半導体スイッチング素子Q12のドリフト層230の不純物濃度はドレイン電極210側に向けて濃くなっており、トレンチゲート電極290は、ドリフト層230の不純物濃度が1×1017cm−3となる深さまで形成されている。トレンチゲート電極290をさらに深く伸ばし、不純物濃度が1×1018cm−3となる深さまで伸ばすことがさらに好ましい。
The second semiconductor switching element Q12 is also an n-type channel MOSFET, and a cross-sectional view of the main part is shown in FIG.
A trench that penetrates the
A
When the voltage of the DC power supply 12 (FIG. 1) is applied between the
The impurity concentration of the
図3は、第1半導体スイッチング素子Q11と第2半導体スイッチング素子Q12の出力容量Cout(縦軸)と、ドレイン・ソース間電圧Vds(横軸)の関係を示す。
第1半導体スイッチング素子Q11の出力容量Coutと電圧Vdsの間には、Cout=k1/Vds0.5の関係があることがわかる。それに対して、第2半導体スイッチング素子Q12の出力容量Coutと電圧Vdsの間には、Cout=k2/Vds0.3の関係があることがわかる。
換言すれば、第1半導体スイッチング素子Q11の出力容量Coutの逆数は、ドレイン・ソース間電圧を0.5乗したものに比例し、第2半導体スイッチング素子Q12の出力容量Coutの逆数は、ドレイン・ソース間電圧を0.3乗したものに比例する。
第1半導体スイッチング素子Q11の出力容量Coutの逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数(0.5)は、第2半導体スイッチング素子Q12の出力容量Coutの逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数(0.3)よりも大きい。
このことは、第1半導体スイッチング素子Q11の出力容量Coutはドレイン・ソース間電圧の変化に対して敏感に変化し、第2半導体スイッチング素子Q12の出力容量Coutはドレイン・ソース間電圧の変化に対して鈍感に変化することを意味する。
第2半導体スイッチング素子Q12の出力容量Coutが鈍感であると、第2半導体スイッチング素子Q12のターンオフ時の逆回復電流変化率dIr/dtが小さく抑えられ、リカバリーサージ電圧を抑制することができる。第2半導体スイッチング素子Q12の出力容量Coutの逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数が0.3以下まで鈍感であると、その効果が顕著に得られ、ターンオフ時の逆回復電流変化率dIr/dtが顕著に小さく抑えられ、リカバリーサージ電圧を顕著に抑制することができる。
FIG. 3 shows the relationship between the output capacitance Cout (vertical axis) of the first semiconductor switching element Q11 and the second semiconductor switching element Q12 and the drain-source voltage Vds (horizontal axis).
It can be seen that there is a relationship of Cout = k1 / Vds 0.5 between the output capacitance Cout of the first semiconductor switching element Q11 and the voltage Vds. In contrast, between the output capacitance Cout and the voltage Vds of the second semiconductor switching element Q12, it can be seen that there is a relation of Cout = k2 / Vds 0.3.
In other words, the reciprocal of the output capacitance Cout of the first semiconductor switching element Q11 is proportional to the drain-source voltage multiplied by 0.5, and the reciprocal of the output capacitance Cout of the second semiconductor switching element Q12 is It is proportional to the voltage between sources multiplied by 0.3.
The exponent (0.5) in the power of the drain-source voltage proportional to the reciprocal of the output capacitance Cout of the first semiconductor switching element Q11 is the drain-source proportional to the reciprocal of the output capacitance Cout of the second semiconductor switching element Q12. It is larger than the exponent (0.3) in the power of voltage.
This is because the output capacitance Cout of the first semiconductor switching element Q11 changes sensitively to changes in the drain-source voltage, and the output capacitance Cout of the second semiconductor switching element Q12 changes in response to changes in the drain-source voltage. It means changing to insensitivity.
If the output capacitance Cout of the second semiconductor switching element Q12 is insensitive, the reverse recovery current change rate dIr / dt at the time of turn-off of the second semiconductor switching element Q12 can be suppressed small, and the recovery surge voltage can be suppressed. If the exponent in the power of the drain-source voltage proportional to the reciprocal of the output capacitance Cout of the second semiconductor switching element Q12 is insensitive to 0.3 or less, the effect is prominent, and the reverse recovery current change at turn-off The rate dIr / dt is remarkably suppressed, and the recovery surge voltage can be remarkably suppressed.
本発明者らは、図2(b)に示すDGMOSFETは、ターンオフ時の出力容量が鈍感に変化することを見出し、DGMOSFETを第2半導体スイッチング素子Q12に用いると、リカバリーサージ電圧を顕著に抑制することができることを見出した。
トレンチゲート電極290がドリフト層に形成される空乏層よりも深く伸びていると、ゲート電極290の底面のゲート絶縁膜291によるゲート・ドレイン間の容量が出力容量の大部分を占めるようになる。ゲート絶縁膜291による容量は、ゲート絶縁膜291の厚みや材質、近傍の不純物濃度等の要素によって決まり、ドレイン・ソース電圧に対してはほぼ一定である。DGMOSFETの出力容量はドレイン・ソース電圧に対してあまり変化しない。
DGMOSFETのドリフト層230の不純物濃度は一様でなく、ドレイン層220に近づくほど高濃度となっている。ドレイン層220とドリフト層230の界面近傍のドリフト層230の不純物濃度は約1×1019〜1×1020cm−3である。一般的に、ドリフト層230に形成される空乏層は不純物濃度が1×1017cm−3近傍まで形成される。したがって、トレンチゲート電極290は、ドリフト層230の不純物濃度が1×1017cm−3に達する深さまで形成されているのが好適である。なお、それよりも深く形成されていることが好ましく、1×1018cm−3に達する深さまで形成されているのがさらに好適である。ドレイン層220と接するまで伸びていてもよい。
DGMOSFETは、リカバリーサージ電圧を低減するだけでなく、オン抵抗が低いという特徴を合わせ持っている。例えば図2(a)に示すようにトレンチゲート電極190がドリフト層130の浅いレベルで終了しているトランジスタに比べ、DGMOSFETのオン抵抗は低い。図2(a)に示すトランジスタに比して、DGMOSFETのゲート絶縁膜291とドリフト層230との界面からドリフト層230へ空乏層が広く広がるために、耐圧を下げることなくドリフト層230の不純物濃度を高くすることができる。その結果、DGMOSFETのオン抵抗を低減できる。
近年では、直流電源Vinが高く、出力電圧Voutが小さくなる傾向にある。したがってデューティファクタが小さくなる傾向にあり、第2半導体スイッチング素子Q12のオン時間を長くする必要がある。第2半導体スイッチング素子Q12のオン抵抗を下げることが電源装置の損失低減に有効である。
The present inventors have found that the output capacitance at turn-off changes insensitively in the DGMOSFET shown in FIG. 2B, and when the DGMOSFET is used for the second semiconductor switching element Q12, the recovery surge voltage is remarkably suppressed. I found that I can do it.
When
The impurity concentration of the
The DGMOSFET not only reduces the recovery surge voltage but also has a feature of low on-resistance. For example, as shown in FIG. 2A, the on-resistance of the DGMOSFET is lower than that of a transistor in which the
In recent years, the DC power source Vin is high and the output voltage Vout tends to be small. Therefore, the duty factor tends to be small, and it is necessary to lengthen the on-time of the second semiconductor switching element Q12. Lowering the on-resistance of the second semiconductor switching element Q12 is effective for reducing the loss of the power supply device.
図4は第2半導体スイッチング素子Q12のターンオフ時の出力容量の逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数と、第2半導体スイッチング素子Q12の両端に発生するリカバリーサージ電圧の関係が示されている。
図4から、指数が小さいほど第2半導体スイッチング素子Q12の両端に発生するリカバリーサージ電圧は低減されることが分かる。指数が0.3以下になると、リカバリーサージ電圧が顕著に抑制されることがわかる。
これは、第2半導体スイッチング素子Q12に形成される空乏層との関係からも理解できる。つまり、逆回復電流変化率dIr/dtは、半導体スイッチング素子に逆バイアス電圧が印加された時に、第2半導体スイッチング素子Q12に形成された空乏層からキャリアが引き抜かれることに起因している。したがって、逆バイアス電圧の変化に対して空乏層領域の変化が小さい半導体スイッチング素子、つまりターンオフ時の出力容量がドレイン・ソース電圧に対する変化しづらい半導体スイッチング素子を利用すると逆回復電流変化率dIr/dtが小さくなる。ターンオフ時の空乏層領域の変化が小さい半導体スイッチング素子を利用すると、リカバリーサージ電圧の発生が抑制される。
FIG. 4 shows the relationship between the exponent in the power of the drain-source voltage proportional to the reciprocal of the output capacitance at the time of turn-off of the second semiconductor switching element Q12 and the recovery surge voltage generated at both ends of the second semiconductor switching element Q12. ing.
4 that the recovery surge voltage generated at both ends of the second semiconductor switching element Q12 is reduced as the index is smaller. It can be seen that the recovery surge voltage is significantly suppressed when the index is 0.3 or less.
This can be understood from the relationship with the depletion layer formed in the second semiconductor switching element Q12. That is, the reverse recovery current change rate dIr / dt is due to carriers being extracted from the depletion layer formed in the second semiconductor switching element Q12 when a reverse bias voltage is applied to the semiconductor switching element. Therefore, if a semiconductor switching element in which the change in the depletion layer region is small with respect to the change in the reverse bias voltage, that is, a semiconductor switching element in which the output capacitance at the turn-off is difficult to change with respect to the drain-source voltage, Becomes smaller. When a semiconductor switching element having a small change in the depletion layer region at turn-off is used, generation of a recovery surge voltage is suppressed.
図1のPWM制御ロジック部2は、第1半導体スイッチ20と、第2半導体スイッチ14のオン・オフを制御する。第1半導体スイッチ20がオンすると第1半導体スイッチング素子Q11がオンし、第1半導体スイッチ20がオフすると第1半導体スイッチング素子Q11がオフする。第2半導体スイッチ14がオンすると第2半導体スイッチング素子Q12がオンし、第2半導体スイッチ14がオフすると第2半導体スイッチング素子Q12がオフする。PWM制御ロジック部2は、第1半導体スイッチ20と第2半導体スイッチ14を介して、第1半導体スイッチング素子Q11と第2半導体スイッチング素子Q12のオン・オフを制御する。
PWM制御ロジック部2は、第1半導体スイッチング素子Q11をオンして第2半導体スイッチング素子Q12をオフする状態と、第1半導体スイッチング素子Q11をオフして第2半導体スイッチング素子Q12をオンする状態を交互に繰返し、出力電圧Voutを常時14Vに制御している。
回路部4には、負荷47に作用している電圧Voutを検出する電圧計46が設けられており、電圧Voutに比例する電圧がPWM制御ロジック部2に送られる。
PWM制御ロジック部2は、基準電圧発生部24を持ち、基準電圧Vrefを出力する。参照符合26,28,30に示すロジック回路によって、コンパレータ34,42の一方の端子にはk(Vref−Vout)+Vrefの電圧が入力される。
PWM制御ロジック部2は、基準周期Tで三角波電圧を発生する三角波発生部32を持ち、コンパレータ34,42の他方の端子には三角波発生部32で生成された三角波電圧が入力される。三角波発生部32は、100kHzで三角波電圧を出力する。
コンパレータ34は、k(Vref−Vout)+Vref>三角波電圧の間、ハイ信号を出力し、第1半導体スイッチ20をオンさせる。図示36は、コンパレータ34の出力を示し、k(Vref−Vout)+Vref>三角波電圧の間はオンし(Ton期間)、k(Vref−Vout)+Vref<三角波電圧の間はオフする(Toff期間)。Voutが14ボルト以上に上昇すると、k(Vref−Vout)+Vrefが減少するために、k(Vref−Vout)+Vref>三角波電圧の期間(Ton期間)は短くなり、Voutが14ボルトに向けて降圧される。Voutが14ボルト未満に降圧すると、k(Vref−Vout)+Vrefが増大するために、k(Vref−Vout)+Vref>三角波電圧の期間(Ton期間)は長くなり、Voutが14ボルトに向けて昇圧される。PWM制御ロジック部2は、Ton期間を増減調整して、出力電圧Voutを14ボルトに調整する。
k(Vref−Vout)+Vref>三角波電圧となって第1半導体スイッチ20がターンオンすると、直流電源18の電圧が第1半導体スイッチング素子Q11のソース・ゲート間に印加され、第1半導体スイッチング素子Q11のソース・ゲート間電圧上昇速度は、ゲート抵抗22によって調整される。
k(Vref−Vout)+Vref<三角波電圧となって第1半導体スイッチ20がターンオフすると、直流電源18の電圧が第1半導体スイッチング素子Q11のソース・ゲート間に印加されなくなる。この場合には、抵抗82,84,86,88,90を利用してソース・ゲート間電圧が放電される。第1半導体スイッチング素子Q11のソース・ゲート間電圧の下降速度は、半導体スイッチ72,74,76,78,80のオン・オフによって制御される。
アクティブゲートコントロール部6は、第1半導体スイッチング素子Q11のターンオフ後に半導体スイッチ72,74,76,78,80のオン・オフを時系列的に切換え、第1半導体スイッチング素子Q11のソース・ゲート間電圧の放電速度を時系列的に切換え、第1半導体スイッチング素子Q11のターンオフ後に過渡的に流れる電流の変化速度を遅くしてスイッチングサージ電圧を抑制する。スイッチングサージ電圧を抑制すると、第1半導体スイッチング素子Q11によるスイッチング損失は増大する。アクティブゲートコントロール部6は、スイッチングサージ電圧を抑制する必要のある期間は、抵抗82,84,86,88,90を利用して、ゲート抵抗が高い状態を実現し、スイッチングサージ電圧を抑制する。スイッチングサージ電圧を抑制する必要がない期間は、抵抗82,84,86,88,90を利用して、ゲート抵抗が低い状態を実現し、スイッチング損失は低減する。アクティブゲートコントロール部6は、半導体スイッチ72,74,76,78,80と、抵抗82,84,86,88,90を利用してゲート抵抗をアクティブに切換え、スイッチングサージ電圧を抑制しながらスイッチング損失を低減する。
アクティブゲートコントロール部6が意図したように作動するために、コンパレータ34の出力は、反転器38で反転されてから、コンパレータ52、54、56、58、60に入力される。
第1半導体スイッチング素子Q11には、通電電流の大きさに比例する電圧を出力する電流センシング部が作りこまれており、第1半導体スイッチング素子Q11の通電電流の大きさに比例する電圧Vcuが端子48から出力される。電圧Vcuは反転器50で反転され、コンパレータ52、54、56、58、60に入力される。
コンパレータ52、54、56、58、60は、反転器38で反転された信号がハイであり(これは第1半導体スイッチング素子のToff期間に相当する)、反転された電圧Vcuがそれぞれの基準値以下であるときにハイ信号を出力し、半導体スイッチ72,74,76,78,80をオンさせる。
第1半導体スイッチング素子Q11がターンオフした直後には、第1半導体スイッチング素子Q11を過渡的に流れる電流値が大きく、反転器50で反転された電圧は低く、コンパレータ60のみがハイ信号を出力する。この結果、第1半導体スイッチング素子Q11のターンオフ直後(第1期間という)のゲート抵抗は、比較的に高い状態に切換えられ、第1半導体スイッチング素子Q11はゆっくりとターンオフし、スイッチングサージ電圧が抑制される。
第1期間が経過して第1半導体スイッチング素子Q11を過渡的に流れる電流値がやや減少すると(第2期間という)、反転器50で反転された電圧は上昇し、コンパレータ60と58がハイ信号を出力する。この結果、第1半導体スイッチング素子Q11の第2期間のゲート抵抗は、抵抗82と84の並列抵抗となり、抵抗値が下げられる。第1半導体スイッチング素子Q11ターンオフ速度が高速化され、スイッチング損失を減少させる。
第2期間が経過して第1半導体スイッチング素子Q11を過渡的に流れる電流値がさらに減少すると(第3期間という)、反転器50で反転された電圧は上昇し、コンパレータ60と58と56がハイ信号を出力する。この結果、第1半導体スイッチング素子Q11の第3期間のゲート抵抗は、抵抗82と84と86の並列抵抗となり、抵抗値がさらに下げられる。第1半導体スイッチング素子Q11ターンオフ速度がさらに高速化され、スイッチング損失を減少させる。
第3期間が経過して第1半導体スイッチング素子Q11を過渡的に流れる電流値がさらに減少すると(第4期間という)、反転器50で反転された電圧は上昇し、コンパレータ60と58と56と54がハイ信号を出力する。この結果、第1半導体スイッチング素子Q11の第4期間のゲート抵抗は、抵抗82と84と86と88の並列抵抗となり、抵抗値がさらに下げられる。第1半導体スイッチング素子Q11ターンオフ速度がさらに高速化され、スイッチング損失を減少させる。
第4期間が経過して第1半導体スイッチング素子Q11を過渡的に流れる電流値がさらに減少すると(第5期間という)、反転器50で反転された電圧は上昇し、コンパレータ60と58と56と54と52の全部がハイ信号を出力する。この結果、第1半導体スイッチング素子Q11の第5期間のゲート抵抗は、抵抗82と84と86と88と90の並列抵抗となり、抵抗値がさらに下げられる。第1半導体スイッチング素子Q11ターンオフ速度がさらに高速化され、スイッチング損失を減少させる。
アクティブゲートコントロール部6は、第1半導体スイッチング素子Q11のターンオフ後に半導体スイッチ72,74,76,78,80のオン・オフを時系列的に切換え、第1半導体スイッチング素子Q11のターンオフ直後には過渡的に流れる電流の変化速度を遅くしてスイッチングサージ電圧を抑制する。過渡的に流れる電流自体が小さくなると、その変化速度が小さくなることからスイッチングサージ電圧を抑制するのに必要なゲート抵抗の値が小さくなる。アクティブゲートコントロール部6は、それに追従してゲート抵抗を下げ、スイッチング損失を減少させる。
アクティブゲートコントロール部6は、第1半導体スイッチング素子Q11に流れる電流を検出することを必要とする。どのような電流検出装置を設けるかは、小型化等の観点から重要である。電流検出装置としては、第1半導体スイッチング素子Q11のオン抵抗による電圧降下を検出する方法がある。また、電流センス用の半導体素子を、第1半導体スイッチング素子Q11と並列に設け、その電流センス用半導体素子を流れる電流から、第1半導体スイッチング素子Q11を流れる電流を推定する方法等がある。本実施例では、第1半導体スイッチング素子Q11自体に電流センス用の半導体装置を設ける方法を用いている。本実施例によると、新たに素子を付加する必要がない。
本実施例では、ゲート抵抗を5段階に切換えるが、切換え段数は5段階に限定されない。必要に応じて複数個のゲート抵抗を備えれば良い。
The PWM
The PWM
The
The PWM
The PWM
The
When k (Vref−Vout) + Vref> triangular wave voltage and the
When k (Vref−Vout) + Vref <triangular wave voltage and the
The active gate control unit 6 switches on and off the semiconductor switches 72, 74, 76, 78, and 80 in time series after the first semiconductor switching element Q11 is turned off, and the source-gate voltage of the first semiconductor switching element Q11. Are switched in time series, and the switching surge voltage is suppressed by slowing the rate of change of the current flowing transiently after the first semiconductor switching element Q11 is turned off. When the switching surge voltage is suppressed, the switching loss due to the first semiconductor switching element Q11 increases. The active gate control unit 6 uses the
In order for the active gate control unit 6 to operate as intended, the output of the
The first semiconductor switching element Q11 has a current sensing unit that outputs a voltage proportional to the magnitude of the energized current, and a voltage Vcu proportional to the magnitude of the energized current of the first semiconductor switching element Q11 is a terminal. 48. The voltage Vcu is inverted by the
In the
Immediately after the first semiconductor switching element Q11 is turned off, the current value flowing transiently through the first semiconductor switching element Q11 is large, the voltage inverted by the
When the current value flowing transiently through the first semiconductor switching element Q11 is slightly decreased after the first period has elapsed (referred to as the second period), the voltage inverted by the
When the current value flowing transiently through the first semiconductor switching element Q11 further decreases after the second period has elapsed (referred to as the third period), the voltage inverted by the
When the current value flowing transiently through the first semiconductor switching element Q11 further decreases after the third period has elapsed (referred to as a fourth period), the voltage inverted by the
When the current value flowing transiently through the first semiconductor switching element Q11 further decreases after the fourth period has elapsed (referred to as the fifth period), the voltage inverted by the
The active gate control unit 6 switches on / off the semiconductor switches 72, 74, 76, 78, 80 in time series after the first semiconductor switching element Q11 is turned off, and immediately after the first semiconductor switching element Q11 is turned off. The switching surge voltage is suppressed by slowing the rate of change of the flowing current. When the transiently flowing current itself becomes small, the rate of change becomes small, so that the value of the gate resistance necessary for suppressing the switching surge voltage becomes small. The active gate control section 6 follows it to lower the gate resistance and reduce the switching loss.
The active gate control unit 6 needs to detect the current flowing through the first semiconductor switching element Q11. What kind of current detection device is provided is important from the viewpoint of miniaturization and the like. As a current detection device, there is a method of detecting a voltage drop due to the ON resistance of the first semiconductor switching element Q11. Further, there is a method of providing a current sensing semiconductor element in parallel with the first semiconductor switching element Q11 and estimating the current flowing through the first semiconductor switching element Q11 from the current flowing through the current sensing semiconductor element. In the present embodiment, a method of providing a current sensing semiconductor device in the first semiconductor switching element Q11 itself is used. According to this embodiment, it is not necessary to add a new element.
In this embodiment, the gate resistance is switched to five stages, but the number of switching stages is not limited to five. A plurality of gate resistors may be provided as necessary.
次に、アクティブゲートドライブ方式を設けているDC−DCコンバータと、設けていないそれぞれのDC−DCコンバータにおいて、サージ電圧の大きさを比較した。
図5に示すタイミングで、それぞれのDC−DCコンバータの負荷に負荷電圧を印加するとともに負荷電流を変動させた。経過時間が1msecの時に、負荷電流の大きさが一時的に変動し、それぞれのDC−DCコンバータの第1半導体スイッチング素子Q11を流れる電流が大きくなっている。
図6(a)には、アクティブゲートドライブ方式を設けていないDC−DCコンバータの第1半導体スイッチング素子Q11の両端に発生するサージ電圧の大きさを表している。経過時間が1msecの時に、負荷電流の大きさが一時的に変動し、第1半導体スイッチング素子Q11を流れる電流が大きくなり、それに伴って第1半導体スイッチング素子Q11の両端にサージ電圧が発生している。
一方、図6(b)は、第1実施例の電源装置によるものであり、第1半導体スイッチング素子Q11のゲート抵抗をアクティブにドライブした場合のサージ電圧変化を示す。この場合も、負荷電流の大きさの変動に伴ないサージ電圧は発生するが、そのピークの大きさは図6(a)に比して小さくなっていることが分かる。
図6から、アクティブにゲート抵抗をドライブすることで、サージ電圧が抑制されることが分かる。
Next, the magnitude of the surge voltage was compared between the DC-DC converter provided with the active gate drive system and each DC-DC converter not provided.
At the timing shown in FIG. 5, a load voltage was applied to the load of each DC-DC converter and the load current was varied. When the elapsed time is 1 msec, the magnitude of the load current fluctuates temporarily, and the current flowing through the first semiconductor switching element Q11 of each DC-DC converter increases.
FIG. 6A shows the magnitude of the surge voltage generated at both ends of the first semiconductor switching element Q11 of the DC-DC converter not provided with the active gate drive system. When the elapsed time is 1 msec, the magnitude of the load current fluctuates temporarily, the current flowing through the first semiconductor switching element Q11 increases, and a surge voltage is generated at both ends of the first semiconductor switching element Q11 accordingly. Yes.
On the other hand, FIG. 6B shows the change in surge voltage when the gate resistance of the first semiconductor switching element Q11 is actively driven, which is based on the power supply device of the first embodiment. In this case as well, although a surge voltage is generated with a change in the magnitude of the load current, it can be seen that the magnitude of the peak is smaller than that in FIG.
FIG. 6 shows that the surge voltage is suppressed by actively driving the gate resistance.
図7の鎖線はアクティブゲートドライブ方式を設けていないDC−DCコンバータの累積損失を示す。累積損失とは、時間あたりの損失の積分値である。一方、図7の実線は、アクティブゲートドライブ方式を設けたDC−DCコンバータの累積損失である。図7の横軸に示す経過時間は、図5と図6に対応している。図7から、アクティブゲートドライブ方式を設けることで、累積損失が低減されることが分かる。なお、負荷電流が変動したとき(図7に示す経過時間が約1msec)では、時間あたりの損失がアクティブゲートコントロールを設けた場合の方が大きい。これは、第1半導体スイッチング素子Q11のサージ電圧を低減するために、抵抗値の大きいゲート抵抗を一時的に利用するからである。しかしながら、それ以外の経過時間では、抵抗値の小さいゲート抵抗を用いること、さらに第2半導体スイッチング素子Q12にDGMOSFETを利用することによってオン抵抗が低減されていることとが相俟って、最終的にはDC−DCコンバータの累積損失が低減されている。
図1に示すように、第2半導体スイッチング素子Q12は、コンパレータ42によってコントロールされる。コンパレータ42は、k(Vref−Vout)+Vref<三角波電圧の間、ハイ信号を出力し、第2半導体スイッチ14をオンさせる。図示36は、コンパレータ34の出力を示し、k(Vref−Vout)+Vref<三角波電圧の間はオンし、k(Vref−Vout)+Vref>三角波電圧の間はオフする。すなわち、第1半導体スイッチング素子Q11がオンするTon期間はオフし、第1半導体スイッチング素子Q11がオフするToff期間はオンする。コンパレータ42がハイ信号を出力すると、第2半導体スイッチ14がオンし、第2半導体スイッチグ素子Q12がオンする。コンパレータ42がロー信号を出力すると、第2半導体スイッチ14がオフし、第2半導体スイッチグ素子Q12がオフする。この結果、第1半導体スイッチング素子Q11がオンすれば第2半導体スイッチグ素子Q12はオフし、第1半導体スイッチング素子Q11がオフすれば第2半導体スイッチグ素子Q12はオンする。
第1半導体スイッチング素子Q11がオンして第2半導体スイッチグ素子Q12がオフしている期間(Ton期間)には、直流電源Vinの電源が平滑回路L11とC11に加えられる。第1半導体スイッチング素子Q11がオフして第2半導体スイッチグ素子Q12がオンしている期間(Toff期間)には、直流電源Vinの電源が平滑回路L11とC11に加えられず、コンデサのC11の電荷が放電される。Toff期間には、帰還電流も流れる。第2半導体スイッチグ素子Q12を帰還電流が流れるために、電子素子に高い電圧が作用することが防止される。
第2半導体スイッチグ素子Q12がターンオフした直後は、第2半導体スイッチグ素子Q12に過渡的に電流が流れつづける。ターンオフした第2半導体スイッチング素子Q2に逆回復電流(図10(c)に示す破線の楕円で囲まれた電流)が流れる。逆回復電流の絶対値は最初に増大し、その後に減少して最終的には0に収束する。この0に収束する逆回復電流Irの減少速度が逆回復電流変化率(dIr/dt)と称され、この逆回復電流変化率が、DC−DCコンバータや負荷の配線に存在する寄生インダクタンスLによって、VL=−L・dIr/dtのリカバリーサージ電圧を発生させる。
本実施例では、第2半導体スイッチング素子Q12の出力容量Coutの逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数が0.3以下であるほど鈍感である第2半導体スイッチング素子Q12を用いているために、ターンオフ時の逆回復電流変化率dIr/dtが顕著に小さく抑えられ、リカバリーサージ電圧を顕著に抑制することができる。これは図4を参照して説明したとおりである。
The chain line in FIG. 7 shows the cumulative loss of a DC-DC converter that does not have an active gate drive system. The cumulative loss is an integral value of loss per time. On the other hand, the solid line in FIG. 7 represents the cumulative loss of the DC-DC converter provided with the active gate drive system. The elapsed time shown on the horizontal axis of FIG. 7 corresponds to FIG. 5 and FIG. It can be seen from FIG. 7 that cumulative loss is reduced by providing the active gate drive system. When the load current fluctuates (the elapsed time shown in FIG. 7 is about 1 msec), the loss per time is larger when the active gate control is provided. This is because a gate resistance having a large resistance value is temporarily used in order to reduce the surge voltage of the first semiconductor switching element Q11. However, in other elapsed time, the use of a gate resistance having a small resistance value and the fact that the on-resistance is reduced by using the DGMOSFET for the second semiconductor switching element Q12 are finally combined. The cumulative loss of the DC-DC converter is reduced.
As shown in FIG. 1, the second semiconductor switching element Q <b> 12 is controlled by the
During the period (Ton period) in which the first semiconductor switching element Q11 is turned on and the second semiconductor switching element Q12 is turned off, the power source of the DC power source Vin is applied to the smoothing circuits L11 and C11. During the period in which the first semiconductor switching element Q11 is turned off and the second semiconductor switching element Q12 is turned on (Toff period), the DC power source Vin is not applied to the smoothing circuits L11 and C11, and the charge of the capacitor C11 is charged. Is discharged. A feedback current also flows during the Toff period. Since a feedback current flows through the second semiconductor switching element Q12, a high voltage is prevented from acting on the electronic element.
Immediately after the second semiconductor switching element Q12 is turned off, a current continuously flows through the second semiconductor switching element Q12. A reverse recovery current (current surrounded by a dashed ellipse shown in FIG. 10C) flows through the turned-off second semiconductor switching element Q2. The absolute value of the reverse recovery current increases first, then decreases and finally converges to zero. The rate of decrease of the reverse recovery current Ir that converges to 0 is referred to as the reverse recovery current change rate (dIr / dt), and this reverse recovery current change rate is determined by the parasitic inductance L present in the DC-DC converter and load wiring. V L = −L · dIr / dt, a recovery surge voltage is generated.
In the present embodiment, the second semiconductor switching element Q12 that is less sensitive as the exponent in the power of the drain-source voltage proportional to the reciprocal of the output capacitance Cout of the second semiconductor switching element Q12 is 0.3 or less is used. Therefore, the reverse recovery current change rate dIr / dt at turn-off is remarkably suppressed, and the recovery surge voltage can be remarkably suppressed. This is as described with reference to FIG.
(第2実施例) 図8(a)には3相モータを駆動する駆動回路図が模式的に示されており、図8(b)にはその要部回路図が示されている。
図8(a)に示す3相モータ駆動回路では、負荷R1〜R3(3相モータのコイル)の一端が共通点Cに接続されている。第1トランジスタQ20と第2トランジスタQ21が直列で接続された単位回路U1と、第1トランジスタQ22と第2トランジスタQ23が直列で接続された単位回路U2と、第1トランジスタQ24と第2トランジスタQ25が直列で接続された単位回路U3が並列に接続されている。その並列回路の一端は直流電源の一端に接続され、他端は直流電源の他端に接続されている。各単位回路U1,U2,Uの3中点は、負荷R1〜R3の他端(共通点Cに接続されていない側の端子)に接続されている。
6個のトランジスタQ20とQ21、Q22とQ23、Q24とQ25は、PWM制御回路によって、図8の(c)に示すように、時系列的にオン・オフが切換えられる。6個のトランジスタのオン・オフが、図8の(c)に示すように時系列的に切換えられると、3相モータのコイルR1〜R3によって回転磁場が作り出され、3相モータが回転する。
図8(a)の破線に囲まれた要部回路図が図8(b)に示されている。
トランジスタQ20がターンオフし、トランジスタQ21がターンオンする場合(図8(c)の期間T1とT2の切換え時)、過渡電流I20がトランジスタQ20を流れ続け、それがゼロに収束する際に生じる逆回復電流変化率dIr/dtが大きなリカバリーサージ電圧を発生させる。同様に、トランジスタQ20がターンオンし、トランジスタQ21がターンオフする場合(図8(c)の期間T3とT1の切換え時)、過渡電流I21がトランジスタQ21を流れ続け、それがゼロに収束する際に生じる逆回復電流変化率dIr/dtが大きなリカバリーサージ電圧を発生させる。
上記の実施例においても、トランジスタQ20とQ21、Q22とQ23、Q24とQ25を、ドレイン・ソース電圧の変化に抗して出力容量が変化しづらいトランジスタによって構成すると、そのトランジスタの両端に発生するリカバリーサージ電圧を低減することができる。例えば、トランジスタQ20とQ21、Q22とQ23、Q24とQ25を、DGMOSFETで構成すると、リカバリーサージ電圧を低減することができる。
上記の回路では、トランジスタQ20とQ21、Q22とQ23、Q24とQ25の全部をドレイン・ソース電圧の変化に抗して出力容量が変化しづらいトランジスタ(出力容量の逆数の比例するドレイン・ソース電圧の乗数が0.3以下のもの)とするのが有利であるが、第2トランジスタQ21,Q23,Q25のターンオフ時に発生するリカバリーサージ電圧が深刻であれば第2トランジスタQ21,Q23,Q25にのみドレイン・ソース電圧の変化に抗して出力容量が変化しづらいトランジスタを利用すればよく、第1トランジスタQ20,Q22,Q24のターンオフ時に発生するリカバリーサージ電圧が深刻であれば第1トランジスタQ20,Q22,Q24にのみドレイン・ソース電圧の変化に抗して出力容量が変化しづらいトランジスタを利用すればよい。
Second Embodiment FIG. 8 (a) schematically shows a drive circuit diagram for driving a three-phase motor, and FIG. 8 (b) shows a main circuit diagram thereof.
In the three-phase motor drive circuit shown in FIG. 8A, one ends of loads R1 to R3 (three-phase motor coils) are connected to a common point C. A unit circuit U1 in which a first transistor Q20 and a second transistor Q21 are connected in series, a unit circuit U2 in which a first transistor Q22 and a second transistor Q23 are connected in series, a first transistor Q24 and a second transistor Q25 Unit circuits U3 connected in series are connected in parallel. One end of the parallel circuit is connected to one end of the DC power supply, and the other end is connected to the other end of the DC power supply. The three middle points of each of the unit circuits U1, U2, U are connected to the other ends (terminals not connected to the common point C) of the loads R1 to R3.
The six transistors Q20 and Q21, Q22 and Q23, and Q24 and Q25 are switched on and off in time series as shown in FIG. 8C by the PWM control circuit. When the on / off of the six transistors is switched in time series as shown in FIG. 8C, a rotating magnetic field is created by the coils R1 to R3 of the three-phase motor, and the three-phase motor rotates.
A principal circuit diagram surrounded by a broken line in FIG. 8A is shown in FIG.
When the transistor Q20 is turned off and the transistor Q21 is turned on (when switching between the periods T1 and T2 in FIG. 8C), the transient current I20 continues to flow through the transistor Q20 and is generated when it converges to zero. A recovery surge voltage having a large change rate dIr / dt is generated. Similarly, when transistor Q20 is turned on and transistor Q21 is turned off (when switching between periods T3 and T1 in FIG. 8C), transient current I21 continues to flow through transistor Q21 and occurs when it converges to zero. A recovery surge voltage having a large reverse recovery current change rate dIr / dt is generated.
Also in the above embodiment, if the transistors Q20 and Q21, Q22 and Q23, and Q24 and Q25 are composed of transistors whose output capacitances are difficult to change against changes in drain-source voltage, recovery that occurs at both ends of the transistors. Surge voltage can be reduced. For example, if the transistors Q20 and Q21, Q22 and Q23, and Q24 and Q25 are formed of DGMOSFET, the recovery surge voltage can be reduced.
In the above circuit, the transistors Q20 and Q21, Q22 and Q23, and Q24 and Q25 are all transistors whose output capacitance is difficult to change against the change in drain-source voltage (the drain-source voltage proportional to the inverse of the output capacitance). (Multiplier having a multiplier of 0.3 or less) is advantageous, but if the recovery surge voltage generated when the second transistors Q21, Q23, Q25 are turned off is serious, only the second transistors Q21, Q23, Q25 have drains. A transistor whose output capacitance does not easily change against the change of the source voltage may be used. If the recovery surge voltage generated when the first transistors Q20, Q22, Q24 are turned off is severe, the first transistors Q20, Q22, The output capacitance is hard to change against the change of drain-source voltage only in Q24 Transistors may be utilized.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
ドレイン・ソース電圧の変化に抗して出力容量がほぼ一定に維持される半導体スイッチング素子はDGMOSFETに限定されない。半導体スイッチング素子の出力容量は、ゲート電極の形状、ゲート絶縁膜の形状や厚み、またドリフト層の不純物濃度の分布等によって変化する。本実施例では、出力容量がほぼ一定に維持される半導体スイッチング素子の一例としてDGMOSFETを採用したが、その他の構成であっても、ドレイン・ソース電圧に対して出力容量がほぼ一定に維持される半導体スイッチング素子を用いれば、リカバリーサージ電圧を抑制し得る。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
A semiconductor switching element whose output capacitance is maintained almost constant against changes in drain-source voltage is not limited to DGMOSFET. The output capacitance of the semiconductor switching element varies depending on the shape of the gate electrode, the shape and thickness of the gate insulating film, the distribution of impurity concentration in the drift layer, and the like. In this embodiment, the DGMOSFET is employed as an example of the semiconductor switching element in which the output capacitance is maintained substantially constant. However, the output capacitance is maintained substantially constant with respect to the drain-source voltage even in other configurations. If a semiconductor switching element is used, the recovery surge voltage can be suppressed.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
210:ドレイン電極
220:ドレイン層
230:ドリフト層
240:ボディ層
250:ソース領域
260:ボディコンタクト領域
270:絶縁層間膜
280:ソース電極
290:ゲート電極
291:ゲート絶縁膜
210: drain electrode 220: drain layer 230: drift layer 240: body layer 250: source region 260: body contact region 270: insulating interlayer 280: source electrode 290: gate electrode 291: gate insulating film
Claims (3)
第2半導体スイッチング素子の出力容量の逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数が、第1半導体スイッチング素子の出力容量の逆数に比例するドレイン・ソース間電圧の累乗における指数よりも小さいことを特徴とするDC−DCコンバータ。 A first semiconductor switching element connected in series between a DC power supply and a load; a second semiconductor switching element that bypasses the DC power supply and the first semiconductor switching element to short-circuit between load terminals; and a first semiconductor switching element And a PWM control circuit that alternately repeats a state in which the second semiconductor switching element is turned off and a state in which the first semiconductor switching element is turned off and the second semiconductor switching element is turned on,
The exponent in the power of the drain-source voltage proportional to the reciprocal of the output capacitance of the second semiconductor switching element is smaller than the exponent in the power of the drain-source voltage proportional to the reciprocal of the output capacitance of the first semiconductor switching element. DC-DC converter characterized by this.
第1半導体スイッチング素子と第2半導体スイッチング素子は、ドレイン層と、ドレイン層上に積層されたドリフト層と、ドリフト層上に積層されたボディ層と、ボディ層表面に形成されたソース領域と、ソース領域とボディ層を貫通してドリフト層に達するトレンチ内にゲート絶縁膜に被覆された状態で形成されているトレンチゲート電極とを有する電界効果トランジスタであり、
第1半導体スイッチング素子のトレンチゲート電極に比して、第2半導体スイッチング素子のトレンチゲート電極が深いことを特徴とするDC−DCコンバータ。 A first semiconductor switching element connected in series between a DC power supply and a load; a second semiconductor switching element that bypasses the DC power supply and the first semiconductor switching element to short-circuit between load terminals; and a first semiconductor switching element And a PWM control circuit that alternately repeats a state in which the second semiconductor switching element is turned off and a state in which the first semiconductor switching element is turned off and the second semiconductor switching element is turned on,
The first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element include a drain layer, a drift layer stacked on the drain layer, a body layer stacked on the drift layer, a source region formed on the surface of the body layer, A field effect transistor having a source region and a trench gate electrode formed in a trench that reaches the drift layer through the body layer and is covered with a gate insulating film;
A DC-DC converter characterized in that the trench gate electrode of the second semiconductor switching element is deeper than the trench gate electrode of the first semiconductor switching element.
電流センシング部からの信号の大小によって、第1半導体スイッチング素子のゲート抵抗の大きさを切換えるゲート抵抗切換え部が付加されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のDC−DCコンバータ。 3. The DC-DC converter according to claim 1, further comprising a gate resistance switching unit that switches a magnitude of the gate resistance of the first semiconductor switching element according to the magnitude of a signal from the current sensing unit.
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