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JP5994697B2 - Semiconductor drive device - Google Patents
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Description

本発明は、IGBT等のスイッチング素子を備える半導体駆動装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor drive device including a switching element such as an IGBT.

従来、IGBTのゲートオフ時にゲートの放電電流を増大させることによって、IGBTのオフ動作の応答性を向上させる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a technique for improving the response of an off operation of an IGBT by increasing a gate discharge current when the IGBT is turned off (see, for example, Patent Document 1).

特開2005−045590号公報JP 2005-045590 A

しかしながら、IGBT等のスイッチング素子がターンオフする際にはミラー期間が存在するため、上述の従来技術では、ターンオフの高速化に限界がある。本発明は、ミラー期間が存在しても、スイッチング素子のターンオフを高速化できる、半導体駆動装置の提供を目的とする。   However, since a mirror period exists when a switching element such as an IGBT is turned off, the above-described conventional technique has a limit in speeding up the turn-off. An object of the present invention is to provide a semiconductor drive device that can speed up the turn-off of a switching element even when a mirror period exists.

上記課題を達成するため、本発明は、
制御電極と、第1の主電極と、第2の主電極とを有し、前記制御電極と前記第1の主電極との間に印加される制御電圧の低下によってターンオフするスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のターンオフ時に前記第2の主電極に流れる電流を増やす付加電流を前記第2の主電極に前記ターンオフ時のミラー期間に付加する付加手段とを備え
前記付加手段は、前記ミラー期間の開始が検出されると前記付加電流を付加することを開始し、前記ミラー期間の終了が検出されると前記付加電流を付加することを終了する、半導体駆動装置を提供するものである。
To achieve the above object, the present invention provides:
A switching element having a control electrode, a first main electrode, and a second main electrode, and turned off by a decrease in control voltage applied between the control electrode and the first main electrode;
Adding means for adding an additional current that increases a current flowing through the second main electrode at the time of turn-off of the switching element to the second main electrode during a mirror period at the time of turn-off ;
The adding means starts adding the additional current when the start of the mirror period is detected, and ends adding the additional current when the end of the mirror period is detected. Is to provide.

本発明によれば、ミラー期間が存在しても、スイッチング素子のターンオフを高速化できる。   According to the present invention, even when the mirror period exists, the turn-off of the switching element can be speeded up.

第1の実施形態である半導体駆動装置の構成を示した図The figure which showed the structure of the semiconductor drive device which is 1st Embodiment. 第1の実施形態である半導体駆動装置の動作波形を示したタイムチャートThe time chart which showed the operation waveform of the semiconductor drive device which is a 1st embodiment 第2の実施形態である半導体駆動装置の構成を示した図The figure which showed the structure of the semiconductor drive device which is 2nd Embodiment. 第2の実施形態である半導体駆動装置の動作波形を示したタイムチャートTime chart showing operation waveforms of the semiconductor drive device according to the second embodiment 第3の実施形態である半導体駆動装置の構成を示した図The figure which showed the structure of the semiconductor drive device which is 3rd Embodiment.

<半導体駆動装置1の構成>
図1は、第1の実施形態である半導体駆動装置1の構成を示した図である。半導体駆動装置1は、集積回路によって構成された半導体デバイスでもよいし、ディスクリート部品によって構成された半導体デバイスでもよい。また、半導体駆動装置1は、そのような半導体デバイスを筐体に内蔵した電子制御ユニット(いわゆる、ECU)でもよい。
<Configuration of Semiconductor Driving Device 1>
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a semiconductor drive device 1 according to the first embodiment. The semiconductor drive device 1 may be a semiconductor device constituted by an integrated circuit or a semiconductor device constituted by discrete components. The semiconductor drive device 1 may be an electronic control unit (so-called ECU) in which such a semiconductor device is built in a housing.

半導体駆動装置1は、スイッチング素子10と、スイッチング素子20と、制御回路30とを備え、負荷M(例えば、モータ)を駆動する半導体回路である。スイッチング素子10,20は、制御回路30と共通の基板上の半導体素子でもよいし、制御回路30とは別の基板上の半導体素子でもよい。また、スイッチング素子10は、スイッチング素子20と共通の基板上の半導体素子でもよいし、スイッチング素子20とは別の基板上の半導体素子でもよい。   The semiconductor drive device 1 includes a switching element 10, a switching element 20, and a control circuit 30, and is a semiconductor circuit that drives a load M (for example, a motor). The switching elements 10 and 20 may be semiconductor elements on the same substrate as the control circuit 30, or may be semiconductor elements on a different substrate from the control circuit 30. The switching element 10 may be a semiconductor element on the same substrate as the switching element 20 or may be a semiconductor element on a different substrate from the switching element 20.

スイッチング素子10,20は、絶縁ゲート型電圧制御半導体素子であって、オンオフ動作する素子である。スイッチング素子10,20は、制御電極と、第1の主電極と、第2の主電極とを有する素子であり、その具体例として、IGBT,MOSFETなどのパワートランジスタ素子が挙げられる。図1には、スイッチング素子10,20の一例として、IGBTが図示されている。以下、説明の便宜上、スイッチング素子10,20がIGBTであるとして、説明する。MOSFETの場合であれば、「コレクタ」を「ドレイン」に、「エミッタ」を「ソース」に置き換えて読むとよい。   The switching elements 10 and 20 are insulated gate voltage controlled semiconductor elements that are turned on and off. The switching elements 10 and 20 are elements each having a control electrode, a first main electrode, and a second main electrode. Specific examples thereof include power transistor elements such as IGBTs and MOSFETs. FIG. 1 illustrates an IGBT as an example of the switching elements 10 and 20. Hereinafter, for convenience of explanation, the switching elements 10 and 20 are assumed to be IGBTs. In the case of a MOSFET, it is better to read “collector” as “drain” and “emitter” as “source”.

スイッチング素子10のゲート電極Gは、例えば、ゲート電極Gに直列接続されたゲートオン抵抗Rgon及びゲートオンスイッチSWon1を介して、電源電圧V1の第1の電源電位部61に接続される制御電極である。また、ゲート電極Gは、例えば、ゲート電極Gに直列接続されたゲートオフ抵抗Rgoff及びゲートオフスイッチSWoff1を介して、電源電圧V1よりも低いグランド電圧のグランド電位部GNDに接続される制御電極である。ゲート電極Gは、例えば、ゲートオン抵抗Rgonとゲートオフ抵抗Rgoffとが接続される中間ノードに接続される。   The gate electrode G of the switching element 10 is a control electrode connected to the first power supply potential unit 61 of the power supply voltage V1 through, for example, a gate-on resistance Rgon and a gate-on switch SWon1 connected in series to the gate electrode G. . The gate electrode G is a control electrode connected to the ground potential portion GND having a ground voltage lower than the power supply voltage V1 through, for example, a gate-off resistor Rgoff and a gate-off switch SWoff1 connected in series to the gate electrode G. . For example, the gate electrode G is connected to an intermediate node to which the gate-on resistance Rgon and the gate-off resistance Rgoff are connected.

スイッチング素子10のエミッタ電極Eは、例えば、グランド電位部GNDに接続される第1の主電極である。スイッチング素子10のコレクタ電極Cは、例えば、スイッチング素子20又は負荷Mを介して、電源電圧V1よりも高い電源電圧V2の第2の電源電位部62に接続される第2の主電極である。   The emitter electrode E of the switching element 10 is, for example, a first main electrode connected to the ground potential unit GND. The collector electrode C of the switching element 10 is a second main electrode connected to the second power supply potential unit 62 having a power supply voltage V2 higher than the power supply voltage V1 through the switching element 20 or the load M, for example.

スイッチング素子10のコレクタ電極Cとエミッタ電極Eとの間には、ダイオードD1が構成されている。ダイオードD1は、スイッチング素子10に並列に追加接続されたダイオードでもよいし、コレクタ電極Cとエミッタ電極Eとの間に形成される寄生素子であるボディダイオードでもよい。逆導通IGBTのダイオード部をダイオードD1として用いることも可能である。   Between the collector electrode C and the emitter electrode E of the switching element 10, a diode D1 is formed. The diode D1 may be a diode additionally connected in parallel to the switching element 10 or a body diode which is a parasitic element formed between the collector electrode C and the emitter electrode E. It is also possible to use the diode portion of the reverse conducting IGBT as the diode D1.

スイッチング素子10は、電極間に寄生容量を有している。スイッチング素子10には、ゲート電極Gとエミッタ電極Eとの間に寄生する入力容量と、ゲート電極Gとコレクタ電極Cとの間に寄生する帰還容量と、コレクタ電極Cとエミッタ電極Eとの間に寄生する出力容量とが、存在する。また、ダイオードD1にも、アノードとカソードとの間に寄生するダイオード容量が存在する。図1には、スイッチング素子10の寄生容量の一部が図示され、スイッチング素子10のゲート電極Gとコレクタ電極Cとの間に寄生する帰還容量Cresが図示されている。   The switching element 10 has a parasitic capacitance between the electrodes. The switching element 10 includes an input capacitance that is parasitic between the gate electrode G and the emitter electrode E, a feedback capacitance that is parasitic between the gate electrode G and the collector electrode C, and between the collector electrode C and the emitter electrode E. There is an output capacitance that is parasitic. The diode D1 also has a parasitic diode capacitance between the anode and the cathode. In FIG. 1, a part of the parasitic capacitance of the switching element 10 is shown, and a feedback capacitance Cres parasitic between the gate electrode G and the collector electrode C of the switching element 10 is shown.

制御回路30は、外部から供給される制御信号Sに従って、ゲートオン抵抗Rgon又はゲートオフ抵抗Rgoffを介して、スイッチング素子10のゲート電極Gのゲート電圧Vgeを、スイッチング素子10をオン又はオフさせる電圧に制御する制御部である。ゲート電圧Vgeは、ゲート電極Gとエミッタ電極Eとの間に印加される制御電圧である。スイッチング素子10は、ゲート電圧Vgeの値に応じて、オン又はオフする。   The control circuit 30 controls the gate voltage Vge of the gate electrode G of the switching element 10 to a voltage for turning on or off the switching element 10 via the gate-on resistance Rgon or the gate-off resistance Rgoff according to the control signal S supplied from the outside. It is a control part. The gate voltage Vge is a control voltage applied between the gate electrode G and the emitter electrode E. The switching element 10 is turned on or off according to the value of the gate voltage Vge.

制御回路30は、例えば、CPU等を備えるマイクロコンピュータから供給される制御信号Sに従って、ゲート電圧Vgeを制御する回路である。なお、制御回路30自体が、マイクロコンピュータであってもよい。   The control circuit 30 is a circuit that controls the gate voltage Vge according to a control signal S supplied from, for example, a microcomputer including a CPU. Note that the control circuit 30 itself may be a microcomputer.

制御回路30は、制御信号Sに従って、ターンオン信号AをアクティブレベルにすることによりゲートオンスイッチSWon1をオンするとともに、ターンオフ信号Bを非アクティブレベルにすることによりゲートオフスイッチSWoff1をオフする。ゲートオンスイッチSWon1がオンし且つゲートオフスイッチSWoff1がオフすることにより、ゲート電極Gはゲートオン抵抗Rgonを介して電源電圧V1にプルアップされる。これにより、ゲート電圧Vgeは、スイッチング素子10の閾値電圧Vthよりも大きな電源電圧V1に上昇するため、スイッチング素子10はターンオンする。   In accordance with the control signal S, the control circuit 30 turns on the gate-on switch SWon1 by setting the turn-on signal A to the active level, and turns off the gate-off switch SWoff1 by setting the turn-off signal B to the inactive level. When the gate-on switch SWon1 is turned on and the gate-off switch SWoff1 is turned off, the gate electrode G is pulled up to the power supply voltage V1 via the gate-on resistance Rgon. As a result, the gate voltage Vge rises to the power supply voltage V1 that is higher than the threshold voltage Vth of the switching element 10, so that the switching element 10 is turned on.

一方、制御回路30は、制御信号Sに従って、ターンオン信号Aを非アクティブレベルにすることによりゲートオンスイッチSWon1をオフするとともに、ターンオフ信号BをアクティブレベルにすることによりゲートオフスイッチSWoff1をオンする。ゲートオンスイッチSWon1がオフし且つゲートオフスイッチSWoff1がオンすることにより、ゲート電極Gはゲートオフ抵抗Rgoffを介してグランド電圧にプルダウンされる。これにより、ゲート電圧Vgeは、スイッチング素子10の閾値電圧Vthよりも小さなグランド電圧に低下するため、スイッチング素子10はターンオフする。   On the other hand, according to the control signal S, the control circuit 30 turns off the gate-on switch SWon1 by setting the turn-on signal A to the inactive level, and turns on the gate-off switch SWoff1 by setting the turn-off signal B to the active level. When the gate-on switch SWon1 is turned off and the gate-off switch SWoff1 is turned on, the gate electrode G is pulled down to the ground voltage via the gate-off resistor Rgoff. As a result, the gate voltage Vge drops to a ground voltage that is lower than the threshold voltage Vth of the switching element 10, and thus the switching element 10 is turned off.

ここで、スイッチング素子10がオン状態で安定している状態では、帰還容量Cresのゲート電極G側の電圧は、電源電圧V1であり、帰還容量Cresのコレクタ電極C側の電圧は、スイッチング素子10のオン電圧(オン抵抗)を無視すれば、グランド電圧である。逆に、スイッチング素子10がオフ状態で安定している状態では、帰還容量Cresのゲート電極G側の電圧は、グランド電圧であり、帰還容量Cresのコレクタ電極C側の電圧は、スイッチング素子20のオン電圧(オン抵抗)を無視すれば、電源電圧V2である。   Here, in a state where the switching element 10 is on and stable, the voltage on the gate electrode G side of the feedback capacitor Cres is the power supply voltage V1, and the voltage on the collector electrode C side of the feedback capacitor Cres is the switching element 10. If the ON voltage (ON resistance) is ignored, it is the ground voltage. Conversely, when the switching element 10 is stable in the off state, the voltage on the gate electrode G side of the feedback capacitor Cres is the ground voltage, and the voltage on the collector electrode C side of the feedback capacitor Cres is the voltage of the switching element 20. If the on-voltage (on-resistance) is ignored, the power supply voltage V2.

したがって、スイッチング素子10がオン状態からオフ状態にターンオフする場合、帰還容量Cresのゲート電極G側の電圧は、電源電圧V1からグランド電圧に低下するのに対して、帰還容量Cresのコレクタ電極C側の電圧は、グランド電圧から電源電圧V2に上昇する。   Therefore, when the switching element 10 is turned off from the on state to the off state, the voltage on the gate electrode G side of the feedback capacitor Cres decreases from the power supply voltage V1 to the ground voltage, whereas the collector electrode C side of the feedback capacitor Cres. Increases from the ground voltage to the power supply voltage V2.

そこで、半導体駆動装置1は、スイッチング素子10のターンオフを高速化するため、スイッチング素子10のターンオフ時にゲート電圧Vgeを低下させる手段だけでなく、スイッチング素子10のターンオフ時にコレクタ電圧Vceを上昇させる手段を有している。コレクタ電圧Vceは、スイッチング素子10のコレクタ電極Cとエミッタ電極Eとの間の電圧である。   Therefore, in order to speed up the turn-off of the switching element 10, the semiconductor drive device 1 includes not only a means for reducing the gate voltage Vge when the switching element 10 is turned off, but also a means for raising the collector voltage Vce when the switching element 10 is turned off. Have. The collector voltage Vce is a voltage between the collector electrode C and the emitter electrode E of the switching element 10.

半導体駆動装置1は、スイッチング素子10のターンオフ時にゲート電圧Vgeを低下させる主要な構成として、ゲートオフ抵抗Rgoffを介してゲート端子Gをグランド電位部GNDに接続するゲートオフスイッチSWoff1を備えている。ただし、ゲートオフスイッチSWoff1は、ゲート電圧Vgeが低下するように、帰還容量Cresのゲート電極G側の電荷を引き抜くものである。   The semiconductor drive device 1 includes a gate-off switch SWoff1 that connects the gate terminal G to the ground potential portion GND via a gate-off resistor Rgoff as a main configuration for reducing the gate voltage Vge when the switching element 10 is turned off. However, the gate-off switch SWoff1 extracts the charge on the gate electrode G side of the feedback capacitor Cres so that the gate voltage Vge decreases.

これに対し、半導体駆動装置1は、スイッチング素子10のターンオフ時にコレクタ電圧Vceを上昇させる構成として、スイッチング素子10のターンオフ時にコレクタ電極Cに流れるコレクタ電流Icを増やす付加電流Iaを、コレクタ電極Cに一時的に付加する付加手段を備えている。   On the other hand, the semiconductor drive device 1 is configured to increase the collector voltage Vce when the switching element 10 is turned off. The additional current Ia that increases the collector current Ic flowing through the collector electrode C when the switching element 10 is turned off is applied to the collector electrode C. An adding means for temporarily adding is provided.

このような付加手段によって、帰還容量Cresのコレクタ電極C側に電荷Q(すなわち、付加電流Ia)を付加的に注入することができるため、付加的に注入しない場合に比べて、スイッチング素子10のターンオフ時のコレクタ電圧Vceの上昇速度を上げることができる。スイッチング素子10のターンオフ時のコレクタ電圧Vceの上昇速度が上がると、スイッチング素子10のターンオフ時のミラー期間Tmを短縮できる。ミラー期間Tmは、ゲート電圧Vgeがターンオフ時に一時的に一定になる期間である。   By such additional means, the charge Q (that is, the additional current Ia) can be additionally injected into the collector electrode C side of the feedback capacitor Cres. The collector voltage Vce can be increased at turn-off. When the rising speed of the collector voltage Vce when the switching element 10 is turned off increases, the mirror period Tm when the switching element 10 is turned off can be shortened. The mirror period Tm is a period in which the gate voltage Vge is temporarily constant when turned off.

このように、半導体駆動装置1は、上述のような付加手段を備えることにより、スイッチング素子10のターンオフ時のミラー期間Tmを短縮できるので、ミラー期間Tmが存在しても、スイッチング素子10のターンオフを高速化でき、スイッチング素子10のスイッチング時のオフ損失を低減できる。   Thus, since the semiconductor drive device 1 includes the above-described additional means, the mirror period Tm when the switching element 10 is turned off can be shortened. Therefore, even if the mirror period Tm exists, the switching element 10 can be turned off. And the off-loss during switching of the switching element 10 can be reduced.

帰還容量Cresのゲート電極G側の電荷を引き抜くことで、ゲート電圧Vgeの低下が促進する一方で、帰還容量Cresのコレクタ電極C側に電荷を注入することで、コレクタ電圧Vceの上昇が促進する。そのため、スイッチング素子10のターンオフ時間の短縮効果が高くなる。   By pulling out the charge on the gate electrode G side of the feedback capacitance Cres, the reduction of the gate voltage Vge is promoted, while by injecting the charge on the collector electrode C side of the feedback capacitance Cres, the rise of the collector voltage Vce is promoted. . Therefore, the effect of shortening the turn-off time of the switching element 10 is enhanced.

図1には、スイッチング素子10のターンオフ時にコレクタ電極Cに流れるコレクタ電流Icを増やす付加電流Iaを、コレクタ電極Cに一時的に付加する付加手段として、ミラー期間検出部40と、制御回路30と、ターンオフ時スイッチSWoff2とが例示されている。   FIG. 1 shows a mirror period detector 40, a control circuit 30 as an additional means for temporarily adding to the collector electrode C an additional current Ia that increases the collector current Ic flowing through the collector electrode C when the switching element 10 is turned off. A turn-off switch SWoff2 is illustrated.

ミラー期間検出部40は、スイッチング素子10のターンオフ時のミラー期間Tmを検出する手段である。ミラー期間検出部40は、ミラー期間Tmの開始タイミングを検出するミラー期間開始検出部と、ミラー期間Tmの終了タイミングを検出するミラー期間終了検出部とを備えている。ミラー期間検出部40は、ミラー期間Tmの開始又は終了を検出すると、トリガー信号を制御回路30に対して出力する。   The mirror period detector 40 is means for detecting a mirror period Tm when the switching element 10 is turned off. The mirror period detector 40 includes a mirror period start detector that detects the start timing of the mirror period Tm, and a mirror period end detector that detects the end timing of the mirror period Tm. The mirror period detector 40 outputs a trigger signal to the control circuit 30 when detecting the start or end of the mirror period Tm.

ミラー期間検出部40は、例えば、ゲート電圧モニタ回路41と、ミラー期間判定回路42とを備えた回路である。   The mirror period detection unit 40 is a circuit including, for example, a gate voltage monitor circuit 41 and a mirror period determination circuit 42.

ゲート電圧モニタ回路41は、ゲート電極Gのモニタ信号Fに基づいて、ゲート電圧Vgeを検出する電圧検出回路である。ミラー期間判定回路42は、ゲート電圧Vgeの低下を検知することによってミラー期間Tmの開始又は終了を検出し、ミラー期間Tmの開始又は終了を検出すると、トリガー信号を制御回路30に対して出力する回路である。   The gate voltage monitor circuit 41 is a voltage detection circuit that detects the gate voltage Vge based on the monitor signal F of the gate electrode G. The mirror period determination circuit 42 detects the start or end of the mirror period Tm by detecting a decrease in the gate voltage Vge, and outputs a trigger signal to the control circuit 30 when detecting the start or end of the mirror period Tm. Circuit.

ミラー期間判定回路42は、例えば、ゲート電圧モニタ回路41によって検出されたゲート電圧Vgeを微分する微分回路を有する。ミラー期間判定回路42は、微分回路がゲート電圧Vgeを微分して得られた値(微分値)が所定値未満の負の値になることが検出されると、ミラー期間Tmの開始又は終了を検出したことを表すトリガー信号を出力する。微分値が所定値未満の負の値になるとは、ゲート電圧Vgeが所定の速度を超えた速度で低下することを表している。   The mirror period determination circuit 42 includes, for example, a differentiation circuit that differentiates the gate voltage Vge detected by the gate voltage monitor circuit 41. When it is detected that the value (differential value) obtained by the differentiation circuit differentiating the gate voltage Vge becomes a negative value less than a predetermined value, the mirror period determination circuit 42 starts or ends the mirror period Tm. A trigger signal indicating detection is output. When the differential value becomes a negative value less than a predetermined value, it means that the gate voltage Vge decreases at a speed exceeding a predetermined speed.

制御回路30は、ミラー期間検出部40からのトリガー信号の受信をトリガーに、ターンオフ時スイッチSWoff2をオン又はオフする。制御回路30は、ターンオフ信号Bをアクティブレベルにしている状態で、最初のトリガー信号を受信することにより、ターンオフ時スイッチSWoff2をオフからオンに切り替える。ターンオフ時スイッチSWoff2がオフからオンに切り替わることにより、付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加されることが開始する。そして、制御回路30は、ターンオフ信号Bをアクティブレベルにしている状態で、トリガー信号を再び受信することにより、ターンオフ時スイッチSWoff2をオンからオフに切り替える。ターンオフ時スイッチSWoff2がオンからオフに切り替わることにより、付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加されることが終了する。   The control circuit 30 turns on or off the switch SWoff2 at the turn-off time, triggered by reception of the trigger signal from the mirror period detection unit 40. The control circuit 30 switches the switch SWoff2 from OFF to ON by receiving the first trigger signal while the turn-off signal B is at the active level. At the time of turn-off, the switch SWoff2 is switched from off to on, whereby the additional current Ia starts to be added to the collector electrode C. Then, the control circuit 30 switches the switch SWoff2 at the turn-off time from on to off by receiving the trigger signal again while the turn-off signal B is at the active level. When the switch SWoff2 is switched from on to off at the time of turn-off, the addition of the additional current Ia to the collector electrode C is completed.

ターンオフ時スイッチSWoff2は、例えば、コレクタ電極Cを第3の電源電位部63にスイッチング素子10のターンオフ時に一時的に接続する手段である。第3の電源電位部63は、電源電圧V1よりも高い電源電圧V3を有している。ターンオフ時スイッチSWoff2がオンすることにより、コレクタ電流Icが流れる電流経路51に電源電位部63が接続されるため、付加電流Iaが流れる電流経路52が、電流経路51を介して、コレクタ電極Cに接続される。   The turn-off switch SWoff2 is, for example, means for temporarily connecting the collector electrode C to the third power supply potential unit 63 when the switching element 10 is turned off. The third power supply potential unit 63 has a power supply voltage V3 higher than the power supply voltage V1. When the switch SWoff2 is turned on at the time of turn-off, the power supply potential unit 63 is connected to the current path 51 through which the collector current Ic flows. Therefore, the current path 52 through which the additional current Ia flows is connected to the collector electrode C through the current path 51. Connected.

図2は、半導体駆動装置1の動作波形を示したタイムチャートである。   FIG. 2 is a time chart showing operation waveforms of the semiconductor drive device 1.

制御回路30は、タイミングt1で制御信号Sを介したマイクロコンピュータ等の指示により、スイッチング素子10のターンオフ動作を開始する。制御回路30は、ゲートオンスイッチSWon1をオン状態からオフ状態にタイミングt2で切り替えてから、ゲートオフスイッチSWoff1をオフ状態からオン状態にタイミングt3に切り替える。これにより、タイミングt4で、スイッチング素子10のゲート電圧Vgeが低下し始め、スイッチング素子10のターンオフ動作が開始する。   The control circuit 30 starts the turn-off operation of the switching element 10 according to an instruction from a microcomputer or the like via the control signal S at timing t1. The control circuit 30 switches the gate-on switch SWon1 from the on-state to the off-state at the timing t2, and then switches the gate-off switch SWoff1 from the off-state to the on-state at the timing t3. Thereby, at timing t4, the gate voltage Vge of the switching element 10 starts to decrease, and the turn-off operation of the switching element 10 starts.

制御回路30は、ミラー期間検出部40からのトリガー信号を受信することにより、ミラー期間Tmの開始が検出されたとして、ターンオフ時スイッチSWoff2をタイミングt5でオフからオンに切り替える。これにより、付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加されるため、コレクタ電圧Vceが上昇する速度は、付加電流Iaが付加されない場合よりも高くなる。   The control circuit 30 receives the trigger signal from the mirror period detector 40 and switches the switch SWoff2 at the turn-off time from OFF to ON at timing t5, assuming that the start of the mirror period Tm is detected. Thereby, since the additional current Ia is added to the collector electrode C, the speed at which the collector voltage Vce rises is higher than when the additional current Ia is not added.

ミラー期間Tmが開始する前に付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加されると、付加電流Iaはコレクタ電極Cからエミッタ電極Eに流れるため、付加電流Iaはコレクタ電極C側からの帰還容量Cresの充電に寄与できない。よって、付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加される開始タイミングは、ミラー期間Tmの開始が検出されたタイミング以後であることが好ましい。   If the additional current Ia is added to the collector electrode C before the mirror period Tm starts, the additional current Ia flows from the collector electrode C to the emitter electrode E. Therefore, the additional current Ia is equal to the feedback capacitance Cres from the collector electrode C side. Cannot contribute to charging. Therefore, it is preferable that the start timing at which the additional current Ia is added to the collector electrode C is after the timing at which the start of the mirror period Tm is detected.

ミラー期間Tmが終了すると、ゲート電圧Vgeがタイミングt6で再び低下し始める。ミラー期間検出部40は、ゲート電圧Vgeが再低下したことを表すトリガー信号を出力する。   When the mirror period Tm ends, the gate voltage Vge begins to decrease again at timing t6. The mirror period detection unit 40 outputs a trigger signal indicating that the gate voltage Vge has decreased again.

制御回路30は、付加電流Iaを付加することを開始してから、ミラー期間検出部40からのトリガー信号を再び受信することにより、ミラー期間Tmの終了が検出されたとして、ターンオフ時スイッチSWoff2をオンからオフにタイミングt7で切り替える。コレクタ電流Icの低下が止まり及びコレクタ電圧Vcの上昇が止まるタイミングt8で、スイッチング素子10のターンオフ動作は終了する。   The control circuit 30 starts adding the additional current Ia, and then receives the trigger signal from the mirror period detection unit 40 again, so that the end of the mirror period Tm is detected. Switching from on to off at timing t7. At timing t8 when the collector current Ic stops decreasing and the collector voltage Vc stops increasing, the turn-off operation of the switching element 10 ends.

なお、ミラー期間Tmが終了してからゲート電圧Vgeがスイッチング素子10の閾値電圧Vth以下になるまでに(スイッチング素子10がオフ状態になるまでに)、付加電流Iaがコレクタ電極Cに付加されると、コレクタ電圧Vceの上昇が加速される。これは、オフサージとノイズが増大する要因となる。よって、ミラー期間Tmの終了が検出されたタイミング以後速やかに、付加電流Iaをコレクタ電極Cに付加することを終了させることが好ましい。   The additional current Ia is added to the collector electrode C until the gate voltage Vge becomes equal to or lower than the threshold voltage Vth of the switching element 10 after the mirror period Tm ends (before the switching element 10 is turned off). As a result, the rise in the collector voltage Vce is accelerated. This is a factor that increases off-surge and noise. Therefore, it is preferable to finish adding the additional current Ia to the collector electrode C immediately after the timing when the end of the mirror period Tm is detected.

図3は、第2の実施形態である半導体駆動装置2の構成を示した図である。上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、省略する。図3の半導体駆動装置2は、図1の半導体駆動装置1に対して、ダイオードDcが追加されている。ダイオードDcは、アノードがターンオフ時スイッチSWoff2側に接続されカソードがコレクタ電極C側に接続されるように、ターンオフ時スイッチSWoff2と電流経路51との間に挿入されている。なお、図3の場合、電源電圧V3は、電源電圧V2よりも低い電圧である。   FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the semiconductor drive device 2 according to the second embodiment. A description of the same configurations and effects as those of the above-described embodiment will be omitted. In the semiconductor drive device 2 of FIG. 3, a diode Dc is added to the semiconductor drive device 1 of FIG. The diode Dc is inserted between the switch SWoff2 at turn-off and the current path 51 so that the anode is connected to the switch SWoff2 side at turn-off and the cathode is connected to the collector electrode C side. In the case of FIG. 3, the power supply voltage V3 is lower than the power supply voltage V2.

ダイオードDcは、コレクタ電極Cのコレクタ電圧Vceの変化を利用して、付加電流Iaをコレクタ電極Cに付加することを停止させる停止手段である。ダイオードDcは、コレクタ電圧Vceが電源電圧V3よりも高くなると、帰還容量Cresのコレクタ電極C側から付加電流Iaで付加的に充電することを停止させることができる素子である。   The diode Dc is a stopping unit that stops adding the additional current Ia to the collector electrode C by using the change in the collector voltage Vce of the collector electrode C. The diode Dc is an element that can stop additional charging with the additional current Ia from the collector electrode C side of the feedback capacitor Cres when the collector voltage Vce becomes higher than the power supply voltage V3.

ダイオードDcのような停止手段を備えることにより、ミラー期間検出部40によってミラー期間Tmの終了が検出されてからターンオフ時スイッチSWoff2をオフさせるまでの回路遅延の考慮が不要となる。そのため、ミラー期間Tmの終了後にコレクタ電圧Vceが急速に上昇すると、付加電流Iaをコレクタ電極Cに付加することを速やかに終了させることができる。   By providing the stopping means such as the diode Dc, it is not necessary to consider the circuit delay from when the end of the mirror period Tm is detected by the mirror period detection unit 40 until the switch SWoff2 is turned off at turn-off. Therefore, when the collector voltage Vce rises rapidly after the end of the mirror period Tm, the addition of the additional current Ia to the collector electrode C can be quickly terminated.

図4は、半導体駆動装置2の動作波形を示したタイムチャートである。図4において、タイミングt6までの動作は、図2と同様のため、その説明を省略する。   FIG. 4 is a time chart showing operation waveforms of the semiconductor drive device 2. In FIG. 4, the operation up to timing t6 is the same as that in FIG.

ミラー期間Tmがタイミングt6で終了してから上昇するコレクタ電圧Vceが電源電圧V3をタイミングt7で超えると、ターンオフ時スイッチSWoff2のオンオフにかかわらず、付加電流Iaをコレクタ電極Cに付加することを速やかに終了させることができる。したがって、この場合、ターンオフ時スイッチSWoff2をミラー期間検出部40からのトリガー信号をトリガーにオフさせなくてもよく、スイッチング素子10が次のターンオフを開始するまでの間にオフさせればよい。   When the collector voltage Vce rising after the mirror period Tm ends at the timing t6 exceeds the power supply voltage V3 at the timing t7, the additional current Ia is quickly added to the collector electrode C regardless of whether the switch SWoff2 is turned on or off. Can be terminated. Therefore, in this case, the turn-off switch SWoff2 does not have to be turned off by using the trigger signal from the mirror period detection unit 40 as a trigger, and may be turned off until the switching element 10 starts the next turn-off.

このように、ダイオードDcがあることによって、コレクタ電圧Vceがミラー期間Tmの終了後に上昇すると、付加電流Iaをコレクタ電極Cに付加することを速やかに終了させることができる。そのため、ターンオフ時スイッチSWoff2のオフが遅れることによるオフサージの増大を防止できる。また、オフサージの増大を防止できることにより、例えば、ゲートオフ抵抗Rgoffの抵抗値を大きくする必要もなくなるので、スイッチング素子10のターンオフ時間を効果的に短縮できる。   As described above, when the collector voltage Vce rises after the end of the mirror period Tm due to the presence of the diode Dc, the addition of the additional current Ia to the collector electrode C can be quickly terminated. Therefore, it is possible to prevent an increase in off-surge due to a delay in turning off the switch SWoff2 during turn-off. Further, since it is possible to prevent an increase in off-surge, for example, it is not necessary to increase the resistance value of the gate-off resistance Rgoff, so that the turn-off time of the switching element 10 can be effectively shortened.

以上、半導体駆動装置を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。   As described above, the semiconductor drive device has been described by way of the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment. Various modifications and improvements, such as combinations and substitutions with part or all of other example embodiments, are possible within the scope of the present invention.

例えば、ミラー期間Tmの開始及び終了を検出するための手段は、ゲート電圧Vgの低下を検出する上述のような手段に限られない。例えば、ゲート電極Gからゲートオフ抵抗Rgoffに流れる放電電流の発生を検出することによって、ミラー期間Tmの開始及び終了が検出されてもよい。   For example, the means for detecting the start and end of the mirror period Tm is not limited to the above-described means for detecting a decrease in the gate voltage Vg. For example, the start and end of the mirror period Tm may be detected by detecting the occurrence of a discharge current flowing from the gate electrode G to the gate-off resistor Rgoff.

また、例えば、半導体駆動装置に構成されるスイッチング素子は、ハイサイドとローサイドに対向して直列に配置されるアームのうち、上述の実施形態で示したローサイドアームに限らず、ハイサイドアーム(図1の場合、スイッチング素子20に相当)であってもよい。   Further, for example, the switching element configured in the semiconductor drive device is not limited to the low side arm shown in the above-described embodiment among the arms arranged in series so as to face the high side and the low side. 1 may correspond to the switching element 20).

また、例えば、スイッチング素子は、IGBTに限らず、Nチャネル型のMOSFETでもよいし、Pチャネル型のMOSFETでもよい。図5には、スイッチング素子がPチャネル型のMOSFET(スイッチング素子11)を備えた半導体駆動装置3が例示されている。スイッチング素子11は、制御電極としてのゲート電極Gと、第1の主電極としてのソース電極Sと、第2の主電極としてのドレイン電極Dとを有する素子である。   Further, for example, the switching element is not limited to the IGBT, but may be an N-channel MOSFET or a P-channel MOSFET. FIG. 5 illustrates a semiconductor drive device 3 in which the switching element includes a P-channel type MOSFET (switching element 11). The switching element 11 is an element having a gate electrode G as a control electrode, a source electrode S as a first main electrode, and a drain electrode D as a second main electrode.

半導体駆動装置3は、スイッチング素子11のターンオフ時にドレイン電圧Vdsを上昇させる構成として、スイッチング素子11のターンオフ時にドレイン電極Dに流れるドレイン電流Idを増やす付加電流Iaをドレイン電極Dに一時的に付加する付加手段を備えている。   The semiconductor drive device 3 is configured to increase the drain voltage Vds when the switching element 11 is turned off, and temporarily adds an additional current Ia that increases the drain current Id flowing through the drain electrode D when the switching element 11 is turned off to the drain electrode D. Additional means are provided.

このような付加手段によって、帰還容量Cresのドレイン電極D側から電荷Q(すなわち、付加電流Ia)を強制的に引き抜くことができるため、スイッチング素子11のターンオフ時のドレイン電圧Vdsの上昇速度を上げることができる。スイッチング素子11のターンオフ時のドレイン電圧Vdsの上昇速度が上がると、スイッチング素子11のターンオフ時のミラー期間Tmを短縮できる。   With such an additional means, the charge Q (that is, the additional current Ia) can be forcibly extracted from the drain electrode D side of the feedback capacitor Cres, so that the rising speed of the drain voltage Vds when the switching element 11 is turned off is increased. be able to. When the rising speed of the drain voltage Vds when the switching element 11 is turned off increases, the mirror period Tm when the switching element 11 is turned off can be shortened.

このように、半導体駆動装置3は、上述のような付加手段を備えることにより、スイッチング素子11のターンオフ時のミラー期間Tmを短縮できるので、ミラー期間Tmが存在しても、スイッチング素子11のターンオフを高速化でき、スイッチング素子11のスイッチング時のオフ損失を低減できる。   Thus, since the semiconductor drive device 3 includes the above-described additional means, the mirror period Tm when the switching element 11 is turned off can be shortened. Therefore, even when the mirror period Tm exists, the switching element 11 is turned off. And the off-loss during switching of the switching element 11 can be reduced.

1,2,3 半導体駆動装置
10,11,20 スイッチング素子
30 制御回路
40 ミラー期間検出部
41 ゲート電圧モニタ回路
42 ミラー期間判定回路
51,52 電流経路
61,62,63 電源電位部
G ゲート電極(制御電極の一例)
E エミッタ電極(第1の主電極の一例)
C コレクタ電極(第2の主電極の一例)
Dc ダイオード
M 負荷
SWon1 ゲートオンスイッチ
SWoff1 ゲートオフスイッチ
SWoff2 ターンオフ時スイッチ
1, 2, 3 Semiconductor driving device 10, 11, 20 Switching element 30 Control circuit 40 Mirror period detection unit 41 Gate voltage monitor circuit 42 Mirror period determination circuit 51, 52 Current path 61, 62, 63 Power supply potential unit
G Gate electrode (example of control electrode)
E Emitter electrode (example of first main electrode)
C collector electrode (example of second main electrode)
Dc diode
M load
SWon1 Gate on switch
SWoff1 Gate off switch
SWoff2 Turn-off switch

Claims (9)

制御電極と、第1の主電極と、第2の主電極とを有し、前記制御電極と前記第1の主電極との間に印加される制御電圧の低下によってターンオフするスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のターンオフ時に前記第2の主電極に流れる電流を増やす付加電流を前記第2の主電極に前記ターンオフ時のミラー期間に付加する付加手段とを備え
前記付加手段は、前記ミラー期間の開始が検出されると前記付加電流を付加することを開始し、前記ミラー期間の終了が検出されると前記付加電流を付加することを終了する、半導体駆動装置。
A switching element having a control electrode, a first main electrode, and a second main electrode, and turned off by a decrease in control voltage applied between the control electrode and the first main electrode;
Adding means for adding an additional current that increases a current flowing through the second main electrode at the time of turn-off of the switching element to the second main electrode during a mirror period at the time of turn-off ;
The adding means starts adding the additional current when the start of the mirror period is detected, and ends adding the additional current when the end of the mirror period is detected. .
前記付加手段は、前記制御電圧の低下が検出されると前記付加電流を付加することを開始し、前記制御電圧の低下が再び検出されると前記付加電流を付加することを終了する、請求項に記載の半導体駆動装置。 The adding means starts adding the additional current when the decrease in the control voltage is detected, and ends adding the additional current when the decrease in the control voltage is detected again. 2. The semiconductor drive device according to 1. 前記付加手段は、前記制御電圧を微分した値が所定値未満の負の値になることが検出されると前記付加電流を付加することを開始し、前記制御電圧を微分した値が所定値未満の負の値になることが再び検出されると前記付加電流を付加することを終了する、請求項1又は2に記載の半導体駆動装置。 The adding means starts adding the additional current when it is detected that a value obtained by differentiating the control voltage becomes a negative value less than a predetermined value, and a value obtained by differentiating the control voltage is less than a predetermined value. 3. The semiconductor drive device according to claim 1, wherein the addition of the additional current is terminated when it is again detected that the negative value is reached. 前記付加手段は、前記付加電流が流れる電流経路を前記第2の主電極に接続する、請求項1からのいずれか一項に記載の半導体駆動装置。 It said additional means connects the current path to which the additional current flows to the second main electrode, the semiconductor driving device according to any one of claims 1 to 3. 前記第2の主電極の電圧変化を利用して、前記付加電流を付加することを停止させる停止手段を備える、請求項1からのいずれか一項に記載の半導体駆動装置。 The second utilizes a voltage change of the main electrode, comprises a stopping means for stopping the adding the additional current, the semiconductor driving device according to any one of claims 1 to 4. 前記停止手段は、ダイオードである、請求項に記載の半導体駆動装置。 The semiconductor drive device according to claim 5 , wherein the stopping unit is a diode. 前記付加手段は、前記第2の主電極に電荷を入れる、請求項1からのいずれか一項に記載の半導体駆動装置。 It said additional means, put a charge on said second main electrode, the semiconductor driving device according to any one of claims 1 to 6. 前記付加手段は、前記第2の主電極から電荷を抜く、請求項1からのいずれか一項に記載の半導体駆動装置。 It said additional means, removing the charge from said second main electrode, the semiconductor driving device according to any one of claims 1 to 6. 前記制御電圧を低下させる手段を備える、請求項1から8のいずれか一項に記載の半導体駆動装置。 Comprising a means for reducing the control voltage, the semiconductor driving device according to any one of claims 1 or et 8.
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