JP7004582B2 - 半導体素子の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の駆動装置に関し、より特定的には、電圧駆動型の半導体素子をオンオフするための技術に関する。

ＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）及びＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に代表される電圧駆動型の半導体素子のスイッチング動作のために、オンオフ制御信号に応じて半導体素子のゲートを充放電する駆動装置が適用される。

このようなスイッチング動作の際に、半導体素子の電力損失（いわゆる、スイッチング損失）の大きさと半導体素子の発生する電磁ノイズの大きさとの間にトレードオフの関係があることが知られている。すなわち、スイッチング損失を小さくするためにゲートの充放電速度を高めると電磁ノイズが大きくなる一方で、電磁ノイズを小さくするためにゲートの充放電速度を低下するとスイッチング損失が大きくなる。

電圧駆動型素子のオンオフでは、ゲート電圧が一時的に変化しなくなるミラー期間が発生することが公知である。特に、電力用半導体素子の代表例であるＩＧＢＴにおいて、ターンオン時にミラー期間の発生が顕著であることが知られている。

特開２０１４－１７６２２８号公報（特許文献１）では、ミラー期間の前後でゲート駆動電圧を変化させることによってスイッチング特性の改善を図ること、及び、簡易な回路構成で駆動電圧を変化させるためのゲート駆動回路が開示されている。

特開２０１４－１７６２２８号公報

特許文献１のゲート駆動回路では、駆動電圧を切換えるタイミングについては、ミラー期間の発生タイミングの想定に基づいて、ターンオン開始時点からの経過時間に応じて制御されている。したがって、半導体素子及び駆動回路の素子特性ばらつきによって、調整負荷が増大することが懸念される。また、温度条件等に起因して、半導体素子及び駆動回路に動的な動作ばらつきが発生すると、プリセットされた固定時間の経過に応じて駆動電圧を変化させても、所望のスイッチング特性が得られない虞もある。一方で、ミラー期間の検出のために回路構成が複雑化することは好ましくない。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、半導体素子のゲート駆動能力を適切なタイミングで変化させることによってスイッチング損失を確実に低減することが可能な半導体素子の駆動装置を提供することである。

本発明のある局面では、半導体素子の駆動装置は、電流出力回路と、検出回路と、信号生成回路とを備える。電流出力回路は、半導体素子のオンオフを制御する駆動制御信号に応じて、半導体素子のターンオン時に半導体素子のゲートに対して充電電流を出力する。検出回路は、ゲートの電圧の時間変化率が閾値よりも低い電圧一定期間を検出するように構成される。信号生成回路は、駆動制御信号と検出回路から出力された検出信号とに基づいて、電流出力回路による電流出力能力を制御する能力切換信号を生成する。信号生成回路は、駆動制御信号が半導体素子のオフを指示する第１のレベルから半導体素子のオンを指示する第２のレベルに変化した後において、検出回路による電圧一定期間の検出に応じて電流出力能力が上昇するように、能力切換信号を生成する。

本発明によれば、駆動制御信号と電圧一定期間の検出信号との組み合わせによって、回路構成の複雑化を招くことなく、かつ、タイマ測定に拠らずに、ミラー期間の開始タイミングに合わせて、ゲート充電電流の出力能力を上昇させることにより、スイッチング損失を確実に低減することができる。

比較例に係る駆動装置の回路構成を示す回路図である。 比較例に係る駆動装置による半導体素子のターンオン時の動作波形例である。 実施の形態１に係る駆動装置の構成を説明するブロック図である。 実施の形態１に係る駆動装置による半導体素子のターンオン時の動作波形例である。 図３に示されたミラー電圧検知回路の第１の構成例を説明する回路図である。 図３に示されたミラー電圧検知回路の第２の構成例を説明する回路図である。 図３に示された電流出力回路の構成例を説明する回路図である。 実施の形態２に係るミラー電圧検知回路の構成例を説明する回路図である。 実施の形態３に係る電流出力回路の構成例を説明する回路図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では、図中の同一又は相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

実施の形態１．
（比較例の説明）
本実施の形態に係る半導体素子の駆動装置の構成を説明する前に、電圧駆動型の半導体素子の駆動装置の一般的な構成例を比較例として説明する。

図１は、比較例に係る駆動装置の回路構成を示す回路図である。
図１を参照して、比較例に係る駆動装置９０は、図示しない制御回路からの駆動制御信号Ｓｄｒに従って、半導体素子１０のオンオフ、すなわち、スイッチング動作を制御する。半導体素子１０は、電圧駆動型の電力用半導体素子であり、代表的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が適用される。

半導体素子１０は、主電極であるコレクタ１１及びエミッタ１２と、制御電極であるゲート１５とを有する。エミッタ１２は、低電圧側の電圧線ＮＬ（以下、「低電圧線ＮＬ」とも称する）と接続され、コレクタ１１は、出力端子Ｔｏと接続される。出力端子Ｔｏと電源配線Ｔｐとの間には、半導体素子１０（ＩＧＢＴ）と対向アームを構成する、別の半導体素子（ＩＧＢＴ）がさらに接続される。

半導体素子１０は、ゲート－エミッタ間電圧（以下、単に「ゲート電圧Ｖｇ」とも称する）に応じて、コレクタ１１及びエミッタ１２間に電流を生じるオン状態、及び、コレクタ１１及びエミッタ１２間が遮断されるオフ状態のいずれかに制御される。駆動装置９０は、半導体素子１０が駆動制御信号Ｓｄｒに従ってオンオフするように、ゲート電圧を制御する。

ゲート電圧は、エミッタ１２に対するゲート１５の電圧差で定義される。また、エミッタ１２に対するコレクタ１１の電圧差を、以下では「コレクタ電圧Ｖｃ」とも称する。同様に、コレクタ１１及びエミッタ１２間を流れる電流を、以下では「エミッタ電流Ｉｃｅ」とも表記する。半導体素子１０では、オフ状態ではＩｃｅ＝０である一方で、オン状態では、電圧Ｖｃ＝０となる。

駆動制御信号Ｓｄｒは、半導体素子１０をオフすべき期間では“０”に設定され、半導体素子１０をオンすべき期間では“１”に設定される。すなわち、駆動制御信号は、「第１のレベル」に相当する“０”及び「第２のレベル」に相当する“１”の一方に設定される２値信号である。例えば、駆動制御信号Ｓｄｒは、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御に従って半導体素子１０をオンオフ動作させるように生成される。

半導体素子１０は、ゲート電圧Ｖｇが所定のしきい値電圧を超えた正電圧となるとオンする。したがって、駆動装置９０は、駆動制御信号Ｓｄｒが“１”の期間では、ゲート電圧がしきい値電圧を超えた正電圧となるようにゲート１５を駆動する。一方で、本実施例の図３に示す駆動装置１００は、駆動制御信号Ｓｄｒが“０”の期間では、ゲート電圧が、しきい値電圧以下の電圧（例えば、０又は負電圧）となるように、ゲート１５を駆動する。

駆動制御信号Ｓｄｒが“０”から“１”に変化すると、駆動装置１００は、半導体素子１０をオフ状態からオン状態に変化させる、いわゆるターンオン動作を行なうために、ゲート電圧を上昇させるようにゲート１５を駆動する。すなわち、ターンオン時には、駆動装置９０はゲート１５を充電する。

これに対して、駆動制御信号Ｓｄｒが“１”から“０”に変化すると、駆動装置１００は、半導体素子１０をオン状態からオフ状態に変化させる、いわゆるターンオフ動作を行なうために、ゲート電圧を低下するようにゲート１５を駆動する。すなわち、ターンオフ時には、駆動装置１００はゲート１５を放電する。

駆動装置９０は、インバータ接続されたトランジスタ９１（ＰＭＯＳ：P-type Metal Oxide Semiconductor）及びトランジスタ９２（ＮＭＯＳ：N-type Metal Oxide Semiconductor）と、ゲート抵抗９３と、インバータ９５とを有する。

トランジスタ９１及び９２は、電圧ＶＣＣを供給する高電圧線ＰＬと、接地電圧ＧＮＤを供給する低電圧線ＮＬとの間に、ノードＮｇを経由して直列にされる。ゲート抵抗９３は、半導体素子１０のゲート１５とノードＮｇとの間に電気的に接続される。トランジスタ９１及び９２のゲートには、インバータ９５によって反転された駆動制御信号Ｓｄｒが共通に入力される。なお、低電圧線ＮＬは、ＶＣＣより低い電圧であれば、接地電圧ＧＮＤ以外の電圧を供給してもよい。

駆動制御信号Ｓｄｒが“１”の期間では、トランジスタ９１（ＰＭＯＳ）がオンするので、ゲート１５は、高電圧線ＰＬからゲート抵抗９３及びノードＮｇを経由する経路によって充電される。これにより、ゲート電圧がしきい値電圧を超えることで、半導体素子１０がオンする。

これに対して、駆動制御信号Ｓｄｒが“０”の期間では、トランジスタ９２（ＮＭＯＳ）がオンするので、ゲート１５は、ゲート抵抗９３及びノードＮｇを経由して低電圧線ＮＬへ至る経路によって放電される。これにより、ゲート電圧Ｖｇが接地電圧ＧＮＤへ向けて低下してしきい電圧よりも低くなると、半導体素子１０はオフされる。ゲート電圧Ｖｇ＝０、すなわち、ゲートの電位が接地電圧ＧＮＤ相当となることにより、半導体素子１０が完全にオフした状態となる。

駆動制御信号Ｓｄｒのレベル変化時、すなわち、トランジスタ９１又は９２による充電又は放電の開始時点では、トランジスタ９１，９２による電流駆動力が最大となる。このため、急激な電流供給や電圧変動によって、ノイズを発生させてしまうことが懸念される。したがって、駆動装置９０では、ゲート抵抗９３の挿入により、充電電流及び放電電流の制限によってゲート電圧の変動を抑制することで、ノイズ対策が講じられる。

図２は、比較例に係る駆動装置９０による半導体素子１０のターンオン時の動作波形例である。

図２を参照して、時刻ｔ０において、駆動制御信号Ｓｄｒが、“０”から“１”に変化することでターンオン動作が開始される。時刻ｔ０より、ゲート抵抗９３を経由してゲート１５へ供給される駆動装置９０の出力電流ＩＯＵＴが立上がる。出力電流ＩＯＵＴによってゲート１５の充電が進行することで、ゲート電圧Ｖｇが徐々に上昇する。

特に、ＩＧＢＴを代表例とする電圧駆動型の半導体素子のターンオン時には、ゲートへの充電電流の供給が継続されてもゲート電圧Ｖｇが変化しなくなる、いわゆる、ミラー期間が発生することが知られている。

ミラー期間の発生は、ゲート１５の寄生容量（ゲート容量）が一定ではなく、コレクタ電圧Ｖｃに対する依存性を有することに起因する。特に、コレクタ電圧Ｖｃが低下を開始すると、ゲート－コレクタ間の帰還容量、及び、コレクタ－エミッタ間の出力容量が、見かけのゲート容量（いわゆる、ミラー容量）として、ゲート容量に加えられる。この結果、充電電流（ＩＯＵＴ）によってミラー容量の充電が完了するまでの間、ゲート電圧Ｖｇは、上昇が止まってほぼ一定に推移する。

図２の例では、時刻ｔ１～ｔｘ間において、充電電流（ＩＯＵＴ）の供給が継続される下でゲート電圧Ｖｇが上昇しない、ミラー期間が発生する。ミラー期間でのゲート電圧Ｖｇはミラー電圧とも称される。ミラー容量の充電が完了してミラー期間が終了すると、出力電流ＩＯＵＴによる充電により、ゲート電圧Ｖｇは上昇を再開する。そして、ゲート電圧Ｖｇが電圧ＶＣＣに達して飽和した時刻ｔｙでは、半導体素子１０が完全にオンした状態（Ｖｃ＝０）となる。

図２中に斜線で示されるように、コレクタ電圧Ｖｃ及びエミッタ電流Ｉｃｅの積に従って半導体素子１０にスイッチング損失が発生する。駆動装置９０では、ゲート抵抗９３によって出力電流ＩＯＵＴが制限されているので、時刻ｔ０直後でのノイズを抑制できる一方で、ミラー期間が長くなる。この結果、ターンオンが完了する（Ｖｃ＝０となる）までの時間が長くなることにより、スイッチング損失も増加してしまうことが懸念される。

（実施の形態１に係る駆動装置）
図３は、実施の形態１に係る駆動装置１００の構成を説明するブロック図である。

図３を参照して、実施の形態１に係る駆動装置１００は、ミラー電圧検知回路１１０と、信号生成回路１３０と、電流出力回路１５０とを有する。ミラー電圧検知回路１１０は、ゲート１５と電気的に接続される。ミラー電圧検知回路１１０は、ゲート電圧Ｖｇの挙動に基づいて、ミラー期間の検出に用いられる検出信号Ｓｍｒを生成する。検出信号Ｓｍｒは、“０”及び“１”の一方に設定される２値信号である。ミラー電圧検知回路１１０は、「検出回路」の一実施例に対応する。

信号生成回路１３０は、検出信号Ｓｍｒ及び駆動制御信号Ｓｄｒに基づいて、電流出力回路１５０の電流出力能力の切換を制御するための能力切換信号Ｓｃｈｇを生成する。能力切換信号Ｓｃｈｇは、「第１のレベル」に相当する“０”及び「第２のレベル」に相当する“１”の一方に設定される２値信号である。

例えば、信号生成回路１３０は、例えばＤ－フリップフロップ１３５によって構成される。Ｄ－フリップフロップのＤ端子には、“１”のレベルに相当する電圧ＶＣＣが固定的に入力され、Ｔ端子には、ミラー電圧検知回路１１０からの検出信号Ｓｍｒが入力され、Ｒ（リセット）端子には、駆動制御信号Ｓｄｒが入力される。

これにより、信号生成回路１３０から出力される能力切換信号Ｓｃｈｇは、駆動制御信号Ｓｄｒが“１”から“０”に変化すると、デフォルト値に相当する“０”にリセットされる。一方で、能力切換信号Ｓｃｈｇの“０”から“１”への変化は、駆動制御信号Ｓｄｒの“０”から“１”への変化ではなく、検出信号Ｓｍｒの“０”から“１”への変化をトリガに発生する。

電流出力回路１５０は、駆動制御信号Ｓｄｒに応じてゲート１５を充電又は放電するように出力電流ＩＯＵＴを発生させる。さらに、半導体素子１０のターンオン時において、電流出力回路１５０の電流出力能力は、能力切換信号Ｓｃｈｇに応じて２段階に切換えられる。

図４は、図３に実施の形態１に係る駆動装置による半導体素子のターンオン時の動作波形例である。

図４を参照して、駆動制御信号Ｓｄｒが“０”から“１”へ変化する時刻ｔ０において、半導体素子１０のターンオンが開始される。時刻ｔ０より、電流出力回路１５０から出力電流ＩＯＵＴも供給が開始され、時刻ｔ０～ｔ１では、図２と同様に、ゲート電圧Ｖｇが上昇する。ゲート電圧Ｖｇの上昇期間において、検出信号Ｓｍｒは“０”に設定される。

図２と同様に、時刻ｔ１より、ゲート電圧Ｖｇが上昇を停止してミラー期間が開始される。ゲート電圧の変化が止まったことを受けて、ミラー電圧検知回路１１０は、検出信号Ｓｍｒを“０”から“１”へ変化させる。

能力切換信号Ｓｃｈｇは、ターンオン開始時（時刻ｔ０）には“０”に設定されており、さらに、検出信号Ｓｍｒが“０”から“１”に変化するのに応じて（時刻ｔ１）、“０”から“１”へ変化する。

図５及び図６には、ミラー電圧検知回路１１０の構成例が示される。
図５を参照して、第１の構成例に係るミラー電圧検知回路１１０ａは、キャパシタ１１１及び抵抗素子１１２と、インバータ１１３とを有する。キャパシタ１１１（容量値Ｃ１）及び抵抗素子１１２（電気抵抗値Ｒａ）は、ノードＮ１を経由して、ゲート１５及び低電圧線ＮＬの間に直列接続されて、ゲート電圧Ｖｇの微分回路を構成する。インバータ１１３は、キャパシタ１１１及び抵抗素子１１２の接続ノードであるノードＮ１の電圧に従って、ノードＮ２に検出信号Ｓｍｒを出力する。

ゲート電圧Ｖｇが一定、言い換えると、電圧変化率が小さい期間では、ノードＮ１の電圧は、低電圧線ＮＬの接地電圧ＧＮＤと同等となる。このとき、インバータ１１３の出力が論理ハイレベルとなるので、検出信号Ｓｍｒは“１”に設定される。

一方で、ゲート電圧Ｖｇが上昇する期間では、ノードＮ１には、ゲート電圧Ｖｇの時間変化率（微分）に応じた電圧が発生する。ノードＮ１の電圧が、インバータ１１３のしきい値電圧Ｖｔよりも上昇すると、インバータ１１３からの検出信号Ｓｍｒは“０”に設定される。

このように、ミラー電圧検知回路１１０ａにおいて、ゲート電圧Ｖｇの時間変化率が、しきい値Ｖｒよりも大きいと、検出信号Ｓｍｒは“０”に設定される。一方で、ミラー期間を含む、ゲート電圧Ｖｇの時間変化率がしきい値Ｖｒよりも低い期間では、検出信号Ｓｍｒは“１”に設定される。

このように、ミラー電圧検知回路１１０ａは、ミラー期間そのものではなく、ゲート電圧Ｖｇの時間変化率（微分値）がしきい値よりも小さい期間である「電圧一定期間」を検出するため、比較的、簡易な回路構成で実現できる。なお、電圧一定期間を検出するためのしきい値Ｖｒは、容量値Ｃ１（キャパシタ１１１）、電気抵抗値Ｒａ（抵抗素子１１２）、及び、しきい値電圧Ｖｔ（インバータ１１３）によって調整することができる。

信号生成回路１３０では、駆動制御信号Ｓｄｒと、電圧一定期間の検出信号Ｓｍｒとの組み合わせにより、ターンオン時におけるミラー期間の開始タイミングを検知することができる。具体的には、駆動制御信号Ｓｄｒが“０”から“１”に変化した後で、検出信号Ｓｍｒが“０”から“１”に変化するタイミングにおいて、ミラー期間の開始を検知することができる。信号生成回路１３０は、上述のように、ミラー期間の開始に応じて、能力切換信号Ｓｃｈｇを“０”から“１”へ変化させる。

図６を参照して、第２の構成例に係るミラー電圧検知回路１１０ｂは、キャパシタ１１１及び抵抗素子１１２と、抵抗素子１１４及びトランジスタ１１５（ＮＭＯＳ）とを有する。抵抗素子１１４は、高電圧線ＰＬ及びノードＮ２の間に接続される。トランジスタ１１５は、ノードＮ２及び低電圧線ＮＬの間に接続される。トランジスタ１１５のゲートは、ノードＮ１と接続される。

キャパシタ１１１及び抵抗素子１１２は、ミラー電圧検知回路１１０ａと同様に微分回路を構成するので、ノードＮ１には、ゲート電圧Ｖｇの微分値に応じた電圧が生じる。

ノードＮ１の電圧が、トランジスタ１１５のしきい値電圧よりも低いと、トランジスタ１１５がオフされるため、ノードＮ２に生成される検出信号Ｓｍｒは“１”に設定される。一方で、ノードＮ１の電圧が、トランジスタ１１５のしきい値電圧よりも高いと、トランジスタ１１５がオンされるため、ノードＮ２に生成される検出信号Ｓｍｒは“０”に設定される。

したがって、第２の構成例に係るミラー電圧検知回路１１０ｂによっても、半導体素子１０のターンオン時において、ゲート電圧Ｖｇの上昇期間（時刻ｔ０～ｔ１）では、検出信号Ｓｍｒは“０”に設定される一方で、ミラー期間（時刻ｔ１～ｔ２）では、検出信号Ｓｍｒは“１”に設定される。さらに、ミラー期間の終了から半導体素子１０が完全にターンオンするまでの期間（時刻ｔ２～ｔ３）では、検出信号Ｓｍｒは“０”に設定され、時刻ｔ３以降では、検出信号Ｓｍｒは“１”に設定される。

このように、ミラー電圧検知回路１１０ａ及び１１０ｂは、ゲート電圧Ｖｇの時間変化率としきい値Ｖｒとの比較により、ゲート電圧Ｖｇの上昇期間及び一定期間に対して、同様に検出信号Ｓｍｒを生成することができる。特に、図６のミラー電圧検知回路１１０ｂでは、ノードＮ１の電圧と比較されるしきい値電圧が、ＮＭＯＳトランジスタのしきい値電圧相当となるので、ゲート電圧Ｖｇの時間変化率と比較されるしきい値Ｖｒを小さく設定することが容易となる。この結果、ゲート電圧Ｖｇの時間変化率が小さい場合でも、確実にミラー期間開始の検出を行うことができる。ミラー電圧検知回路１１０ｂにおいても、しきい値Ｖｒは、容量値Ｃ１（キャパシタ１１１）、電気抵抗値Ｒａ（抵抗素子１１２）、及び、しきい値電圧（トランジスタ１１５）によって調整することができる。

次に、図７を用いて、電流出力回路１５０の構成例を説明する。
図７を参照して、電流出力回路１５０は、トランジスタ１５１（ＰＭＯＳ）、トランジスタ１５２（ＮＭＯＳ）、及び、トランジスタ１５３（ＰＭＯＳ）と、インバータ１５４と、抵抗素子１５５～１５７と、インバータ１６０とを有する。抵抗素子１５５～１５７は、電気抵抗値Ｒｇ１～Ｒｇ３をそれぞれ有する。

トランジスタ１５１（ＰＭＯＳ）及びトランジスタ１５２（ＮＭＯＳ）は、比較例に係る駆動装置９０のトランジスタ９１及び９２と同様に、高電圧線ＰＬ及び低電圧線ＮＬの間にインバータ接続される。すなわち、トランジスタ１５１は、高電圧線ＰＬ及びノードＮｇの間に接続され、トランジスタ１５２は、ノードＮｇ及び低電圧線ＮＬの間に接続される。トランジスタ１５１及び１５２のゲートには、インバータ１５４によって反転された駆動制御信号Ｓｄｒが共通に入力される。

抵抗素子１５５は、高電圧線ＰＬ及びノードＮｇの間に、トランジスタ１５１と直列に接続される。抵抗素子１５６は、ノードＮｇ及び低電圧線ＮＬの間に、トランジスタ１５２と直列に接続される。トランジスタ１５３（ＰＭＯＳ）及び抵抗素子１５７は、ノードＮｇ及び高電圧線ＰＬの間に、トランジスタ１５１及び抵抗素子１５５と並列に接続される。トランジスタ１５３のゲートには、インバータ１６０による能力切換信号Ｓｃｈｇの反転信号が入力される。

したがって、トランジスタ１５３（ＰＭＯＳ）は、能力切換信号Ｓｃｈｇが“０”の期間ではオフされる一方で、能力切換信号Ｓｃｈｇが“１”の期間ではオンされる。したがって、駆動制御信号Ｓｄｒが“１”に設定されるターンオン時には、ミラー期間の開始まで（図４の時刻ｔ０～ｔ１）では、トランジスタ１５１がオンされる一方で、トランジスタ１５３がオフされる。したがって、トランジスタ１５１のみによって、抵抗素子１５５（電気抵抗値Ｒｇ１）をゲート抵抗相当として、出力電流ＩＯＵＴが供給される。

一方で、ターンオン時におけるミラー期間の開始後（時刻ｔ１以降）では、トランジスタ１５１及び１５３の両方がオンされる。したがって、トランジスタ１５１及び１５３の両方によって並列接続された抵抗素子１５５及び１５７をゲート抵抗相当として、出力電流ＩＯＵＴが供給される。この結果、トランジスタによる電流駆動能力の向上、及び、ゲート抵抗の低下によって、電流出力回路１５０の電流出力能力が上昇する。この結果、ミラー期間の開始に応じて、出力電流ＩＯＵＴを増加することができる。このように、電流出力回路１５０の電流出力能力は、能力切換信号Ｓｃｈｇに応じて可変制御することができる。

電流出力回路１５０は、駆動制御信号Ｓｄｒが“１”から“０”に変化すると、トランジスタ１５１及び１５３（ＰＭＯＳ）がオフする一方で、トランジスタ１５２（ＮＭＯＳ）がオンすることによって、ゲート１５を放電する。これにより、半導体素子１０のターンオフ時には、電流出力回路１５０による出力電流ＩＯＵＴ＜０となる。放電によってゲート電圧Ｖｇが低下することにより、半導体素子１０がターンオフする。ゲート電圧Ｖｇが接地電圧ＧＮＤまで低下すると、半導体素子１０は完全にターンオフして、Ｉｃｅ＝０となる。

再び、図４を参照して、時刻ｔ１において、ミラー期間の開始に応じて能力切換信号Ｓｃｈｇが“１”に設定される。これにより、電流出力回路１５０の電流出力能力が、能力切換信号Ｓｃｈｇが“０”に設定される期間よりも上昇する。図４の例では、能力切換信号Ｓｃｈｇ＝“０”のときの電流出力回路１５０の電流出力能力は、図２の比較例に係る駆動装置９０の電流出力能力と同等であるものとする。図４中には、図２の比較例における、ゲート電圧Ｖｇ、出力電流ＩＯＵＴ、コレクタ電圧Ｖｃ、及び、エミッタ電流Ｉｃｅの波形が点線で示される。

時刻ｔ１以降では、出力電流ＩＯＵＴが比較例よりも大きくなるため、ゲート１５の充電に要する時間が短縮されるので、ミラー期間は図２（比較例）よりも短くなる。この結果、ゲート電圧Ｖｇは、時刻ｔ２から上昇を再開する。時刻ｔ２以降では、ゲート電圧の上昇に応じて、ゲート電圧Ｖｇ及び電圧ＶＣＣの電圧差が減少するのに応じて、充電のための出力電流ＩＯＵＴは徐々に減少する。

ミラー期間終了後の時刻ｔ２～ｔ３では、図２における時刻ｔｘ以降と同様のゲート電圧の挙動及び出力電流ＩＯＵＴの挙動が生じる。時刻ｔ２～ｔ３では、ゲート電圧Ｖｇの上昇により、ミラー電圧検知回路１１０からの検出信号Ｓｍｒが再び“０”に設定される。

そして、時刻ｔ３において、ゲート電圧Ｖｇが電圧ＶＣＣまで上昇すると、半導体素子１０が完全にターンオンする。そして、駆動制御信号Ｓｄｒが“１”から“０”へ変化して半導体素子１０のターンオフが開始されるタイミングにおいて、能力切換信号Ｓｃｈｇは“０”に復帰される。

図４の例では、時刻ｔ１～ｔ３の時間長が、図２での時刻ｔ１～ｔｙの時間長と同等となっている。このため、図４では、時刻ｔ１～ｔ３の間で、斜線領域Ｌ１及びＬ２の面積の和に相当するスイッチング損失が、半導体素子１０に発生する。

これに対して、比較例（図２）では、時刻ｔ１～ｔｙの間で、斜線領域Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３の面積の和に相当するスイッチング損失が、半導体素子１０に発生する。したがって、実施の形態１に係る駆動装置によれば、ミラー期間開始後における充電電流の増加によってミラー期間を短縮することにより、半導体素子１０のターンオン時におけるスイッチング損失を低減することが理解される。又、ターンオン開始時（時刻ｔ０）における出力電流ＩＯＵＴは、比較例（図２）と同等であるので、スイッチング損失の抑制の代償として、ノイズが増大することは避けられている。

さらに、ゲート電圧Ｖｇの一定電圧期間の検出と、駆動制御信号Ｓｄｒとの組み合わせによって、ミラー期間検出のための回路構成を複雑化させることなく、かつ、特許文献１のような、駆動制御信号Ｓｄｒの変化（時刻ｔ０）からの経過時間のタイマ測定に拠ることなく、出力電流ＩＯＵＴの増加タイミングを適切に設定することが可能となる。

なお、図３及び図４では、ミラー期間の終了が検知された時刻ｔ２以降においても、能力切換信号Ｓｃｈｇを“１”に維持したが、ミラー期間の終了時点において、能力切換信号Ｓｃｈｇを“０”に復帰されるように、信号生成回路１３０を構成することも可能である。この場合にも、ミラー期間の短縮によって、半導体素子１０のスイッチング損失低減に一定の効果を上げることができる。さらに、ゲート電圧Ｖｇの上昇速度が抑制されるので、時刻ｔ２以降でのノイズの減少には相対的に有利である。

一方で、図３及び図４のように、ミラー期間の終了後も能力切換信号Ｓｃｈｇを“１”に維持することによって、ターンオンの所要時間の短縮効果が高くなるので、スイッチング損失の低減効果を高めることができる。

なお、図５及び図６のミラー電圧検知回路１１０ａ，１１０ｂにおいて、キャパシタ１１１は「容量素子」に対応し、インバータ１１３（図５）及びトランジスタ１１５（図６）は「能動素子」の一実施例に対応する。

さらに、図７の電流出力回路１５０において、トランジスタ１５１（ＰＭＯＳ）は「第１の電流駆動トランジスタ」の一実施例に対応し、トランジスタ１５３（ＰＭＯＳ）は「第２の電流駆動トランジスタ」の一実施例に対応する。また、抵抗素子１５５は「第１のゲート抵抗」に対応し、抵抗素子１５７は「第２のゲート抵抗」に対応する。

実施の形態２．
実施の形態２では、図８を用いて、ミラー電圧検知回路の回路構成の変形例を説明する。

図８を参照して、実施の形態２に係るミラー電圧検知回路１１０ｃは、半導体素子１０のエミッタ電位を基準に、トランジスタ１２１～１２４（ＮＭＯＳ）及びトランジスタ１２５，１２６（ＰＭＯＳ）によって構成されるカレントミラー回路１８１と、キャパシタ１１１と、定電流源１２０と、信号バッファ１１３♯とを有する。キャパシタ１１１は、図５及び図６と同様に、ゲート１５及びノードＮ１の間に接続される。トランジスタ１２２は、ノードＮ１及び低電圧線ＮＬの間に接続される。

定電流源１２０は、高電圧線ＰＬ及びノードＮ４の間に接続され、トランジスタ１２１は、ノードＮ４及び低電圧線ＮＬの間に接続される。トランジスタ１２２は、ノードＮ１及び低電圧線ＮＬの間に接続される。さらに、トランジスタ１２５は、高電圧線ＰＬ及びノードＮ５の間に接続され、トランジスタ１２３は、ノードＮ５及び低電圧線ＮＬの間に接続される。さらに、トランジスタ１２６は、高電圧線ＰＬ及びノードＮ２の間に接続され、トランジスタ１２４は、ノードＮ２及び低電圧線ＮＬの間に接続される。

定電流源１２０は、基準電流ＩＲＥＦ１をノードＮ４へ供給する。ノードＮ４には、トランジスタ１２１～１２３のゲートが共通に接続される。さらに、トランジスタ１２４のゲートはノードＮ１と接続され、トランジスタ１２５及び１２６のゲートは、ノードＮ５に共通に接続される。信号バッファ１１３♯は、ノードＮ２の電圧を入力として検出信号Ｓｍｒを生成する。

次に、ミラー電圧検知回路１１０ｃの動作について説明する。
半導体素子１０のターンオン前において、ゲート電圧Ｖｇが接地電圧ＧＮＤに固定されていると、ノードＮ１の電圧は接地電圧ＧＮＤとなるので、トランジスタ１２４はオフされる。カレントミラー回路１８１は、定電流源１２０による基準電流ＩＲＥＦ１に比例した電流（ｍ・ＩＲＥＦ１）をノードＮ２へ出力する。この電流によってノードＮ２の電圧が電圧ＶＣＣと同電位にまで上昇するので、信号バッファ１１３♯が出力する検出信号Ｓｍｒも“１”に設定される。

ゲート電圧Ｖｇの上昇期間では、キャパシタ１１１の端子間電圧が上昇することで、ノードＮ１の電圧が上昇する。これに応じてトランジスタ１２４がオンすると、カレントミラー回路１８１による電流（ｍ・ＩＲＥＦ１）がトランジスタ１２４で消費されることによって、ノードＮ２の電圧が低下する。この結果、信号バッファ１１３♯が出力する検出信号Ｓｍｒが“１”から“０”に変化する。

その後、ミラー期間が開始されてゲート電圧Ｖｇが一定となると、ターンオン前と同様にノードＮ１の電圧が低下するので、トランジスタ１２４のオフによって、再び、検出信号Ｓｍｒが“０”から“１”に変化する。

このように、図８に示されたミラー電圧検知回路１１０ｃにおいても、ゲート電圧Ｖｇの時間変化率としきい値Ｖｒとの比較により、ゲート電圧Ｖｇの上昇期間及び一定期間に対して、図５及び図６に示したミラー電圧検知回路１１０ａ，１１０ｂと同様に、図４に示されるように検出信号Ｓｍｒを生成することができる。

特に、ミラー電圧検知回路１１０ｃでは、検出信号Ｓｍｒのレベル（“０”／“１”）を規定するノードＮ２（図８）の電圧が、カレントミラー回路１８１の電流によって駆動される。この結果、ミラー電圧検知回路１１０ｃのノードＮ２（図８）に生じる電圧変化は、ミラー電圧検知回路１１０ａ，１１０ｂのノードＮ１（図５，６）においてキャパシタ１１１の容量結合によって生じる電圧変化よりも、高速かつ安定的である。

したがって、ミラー電圧検知回路１１０ｃでは、ミラー電圧検知回路１１０ａ，１１０ｂと比較して、ミラー期間の開始及び終了に応じて検出信号Ｓｍｒのレベル（“０”／“１”）を高速に切換えることができるとともに、検出信号Ｓｍｒのチャタリングを抑制することができる。

なお、図８のミラー電圧検知回路１１０ｃにおいて、キャパシタ１１１は「容量素子」に対応し、ノードＮ１は「第１のノード」に対応し、ノードＮ２は「第２のノード」に対応し、信号バッファ１１３♯は「能動素子」の一実施例に対応する。また、カレントミラー回路１８１は「カレントミラー回路」又は「第２のカレントミラー回路」の一実施例に対応し、トランジスタ１２４（ＮＭＯＳ）は「第１のトランジスタ」に対応し、トランジスタ１２６（ＰＭＯＳ）は「第２のトランジスタ」に対応する。

実施の形態３．
実施の形態３では、図９を用いて、電流出力回路１５０の回路構成の変形例を説明する。

図９を参照して、実施の形態３に係る電流出力回路１５０♯は、トランジスタ１７０～１７２（ＰＭＯＳ）と、トランジスタ１７３及び１７４（ＮＭＯＳ）と、オペアンプ１７５と、インバータ１７６及び１７７と、可変抵抗素子１８０とを含む。

トランジスタ１７２（ＰＭＯＳ）及びトランジスタ１７３（ＮＭＯＳ）は、高電圧線ＰＬ及び低電圧線ＮＬの間に、ノードＮｇを経由して直列に接続される。トランジスタ１７３（ＮＭＯＳ）のゲートには、インバータ１７７による駆動制御信号Ｓｄｒの反転信号が入力される。

トランジスタ１７１（ＰＭＯＳ）は、ノードＮａ及び高電圧線ＰＬの間に接続される。トランジスタ１７１及び１７２は、各々のゲートがノードＮａと共通に接続されることにより、カレントミラー回路１８５を構成する。

一方で、ノードＮａ及び高電圧線ＰＬの間には、トランジスタ１７０（ＰＭＯＳ）が接続される。トランジスタ１７０のゲートには、駆動制御信号Ｓｄｒが入力される。したがって、駆動制御信号Ｓｄｒが“０”の期間では、トランジスタ１７０のオンにより、ノードＮａの電圧がＶＣＣとなるので、トランジスタ１７１及び１７２がオフされる。この結果カレントミラー回路１８５によるノードＮｇへの電流出力は停止される。これに対して、トランジスタ１７３は、電流出力回路１５０のトランジスタ１５２と同様に、駆動制御信号Ｓｄｒが“０”の期間には、ゲート１５の放電経路を形成するためにオンする。これにより、半導体素子１０のターンオフ時には、電流出力回路１５０♯による出力電流ＩＯＵＴ＜０となる。

駆動制御信号Ｓｄｒが“１”の期間では、トランジスタ１７０がオフされることにより、カレントミラー回路１８５は、ノードＮａを通過する電流Ｉ１に比例（ｎ倍）した電流を、ノードＮｇ（すなわち、ゲート１５）へ供給する。

可変抵抗素子１８０の電気抵抗値は、信号生成回路１３０からの能力切換信号Ｓｃｈｇを反転するインバータ１７６の出力信号によって変化する。具体的には、可変抵抗素子１８０は、Ｓｃｈｇ＝“１”の期間では、Ｓｃｈｇ＝“０”の期間と比較して電気抵抗値が低下するように構成される。

トランジスタ１７４は、ノードＮａ及びＮｂの間に接続され、可変抵抗素子１８０は、ノードＮｂ及び低電圧線ＮＬの間に接続される。ノードＮｂには、可変抵抗素子１８０での電圧降下量に相当する電圧が発生される。

オペアンプ１７５は、予め定められた基準電圧ＶＲＥＦ１とノードＮｂとの電圧差を増幅して、トランジスタ１７４（ＮＭＯＳ）のゲートに出力する。このような、トランジスタ１７４のゲート電圧の制御により、ノードＮｂの電圧、すなわち、可変抵抗素子１８０での電圧降下量が一定値（ＶＲＥＦ１）に維持されるように、ノードＮａの電流Ｉ１が制御される。

この結果、駆動制御信号Ｓｄｒが“１”の期間では、能力切換信号Ｓｃｈｇに応じて変化する可変抵抗素子１８０の電気抵抗値に応じて、カレントミラー回路１８５によるゲート１５への出力電流ＩＯＵＴが変化する。具体的には、能力切換信号Ｓｃｈｇが“０”から“１”に変化して可変抵抗素子１８０の電気抵抗値が低下すると、ノードＮａの電流Ｉ１が増加するのに応じて、トランジスタ１７２による出力電流ＩＯＵＴが増加する。

このように、電流出力回路１５０♯の電流出力能力は、能力切換信号Ｓｃｈｇに応じて可変制御することができる。特に、能力切換信号Ｓｃｈｇが“１”の期間において電流出力回路１５０♯の電流出力能力が高められることにより、ミラー期間の開始に応じて、出力電流ＩＯＵＴを増加することができる。

特に、図９の回路構成によれば、図７での抵抗素子１５５及び１５７に相当するゲート抵抗を用いることなく、電流出力回路１５０♯を実現することができる。この結果、ゲート抵抗での電力損失が発生しない他、能力切換信号Ｓｃｈｇの変化（“０”／“１”）に応じて、電流出力を速やかに変化させることができる。この結果、ミラー期間の開始に応じて出力電流ＩＯＵＴを速やかに増加することにより、ミラー期間の短縮によるスイッチング損失の抑制効果をさらに高めることができる。

図９の電流出力回路１５０♯において、ノードＮａ及びＮｂを経由して高電圧線ＰＬ及び低電圧線ＮＬの間に形成される電流経路は「第１の経路」に対応し、高電圧線ＰＬからノードＮｇへの電流経路は「第２の経路」に対応する。また、カレントミラー回路１８５は「第１のカレントミラー回路」に対応し、トランジスタ１７２（ＰＭＯＳ）は「電流駆動トランジスタ」の一実施例に対応する。また、トランジスタ１７４（ＮＭＯＳ）及びオペアンプ１７５によって、可変抵抗素子１８０での電圧降下量が一定となるようにノードＮａを経由する電流Ｉ１を制御する「制御回路」を構成することができる。

本実施の形態において、図３に示されたミラー電圧検知回路１１０には、図５、図６及び図８に示したミラー電圧検知回路１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃのいずれを適用することも可能である。同様に、図３の電流出力回路１５０としては、ミラー電圧検知回路１１０の構成に依存することなく、図７に例示した回路構成、及び、図９に説明した電流出力回路１５０♯のいずれを適用することも可能である。

また、本実施の形態に係る駆動装置９０によるオンオフ制御の対象とされる半導体素子１０についても、ＩＧＢＴに限定されず、ミラー期間が発生する任意の電圧駆動型の半導体素子を適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 半導体素子、１１ コレクタ、１２ エミッタ、１５ ゲート、９０ 駆動装置（比較例）、１００ 駆動装置、９１，９２，１１５，１２１～１２６，１５１～１５３，１７０～１７４ トランジスタ、９３ ゲート抵抗、９５，１１３，１５４，１６０，１７６，１７７ インバータ、１１０，１１０ａ～１１０ｃ ミラー電圧検知回路、１１１ キャパシタ、１１２，１１４，１５５～１５７ 抵抗素子、１１３♯ 信号バッファ、１２０ 定電流源、１３０ 信号生成回路、１３５ Ｄ－フリップフロップ、１５０ ，１５０♯電流出力回路、１７５ オペアンプ、１８０ 可変抵抗素子、１８１，１８５ カレントミラー回路、ＧＮＤ 接地電圧、ＩＯＵＴ 出力電流（電流出力回路）、Ｉｃｅ エミッタ電流、ＩＲＥＦ１ 基準電流、ＮＬ 低電圧線、ＰＬ 高電圧線、Ｓｃｈｇ 能力切換信号、Ｓｄｒ 駆動制御信号、Ｓｍｒ 検出信号（ミラー電圧検知回路）、ＶＲＥＦ１ 基準電圧、Ｖｃ コレクタ電圧、Ｖｇ ゲート電圧。

Claims (7)

1. 半導体素子のオンオフを制御する駆動制御信号に応じて、前記半導体素子のターンオン時に前記半導体素子のゲートに対して充電電流を出力する電流出力回路と、
   前記ゲートの電圧の時間変化率が閾値よりも低い電圧一定期間を検出するように構成された検出回路と、
   前記駆動制御信号と前記検出回路から出力された検出信号とに基づいて、前記電流出力回路による電流出力能力を制御する能力切換信号を生成する信号生成回路とを備え、
   前記信号生成回路は、前記駆動制御信号が前記半導体素子のオフを指示する第１のレベルから前記半導体素子のオンを指示する第２のレベルに変化した後において、前記検出回路による前記電圧一定期間の検出に応じて前記電流出力能力が上昇するように、前記能力切換信号を生成し、
   前記電流出力回路は、前記駆動制御信号が前記第２のレベルである期間において、前記半導体素子の前記ゲートを、第１の電圧を供給する第１の電圧線と電気的に接続し、
   前記検出回路は、
   前記ゲートと第１のノードとの間に接続された容量素子と、
   基準電流を供給する定電流回路と、
   前記基準電流に比例した電流を第２のノードに流すためのカレントミラー回路と、
   前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を供給する第２の電圧線と、前記第２のノードとの間に接続され、かつ、前記第１のノードと接続されたゲートを有する第１のトランジスタと、
   前記第２のノードの電圧に応じて、前記検出信号を第１及び第２のレベルの一方に駆動する能動素子とを有し、
   前記カレントミラー回路は、
   前記第１の電圧線及び前記第２のノードの間に電気的に接続された第２のトランジスタを有し、
   前記第２のトランジスタは、前記第１のトランジスタのオン時において、前記第１の電圧線から前記第２のノードへ前記基準電流に比例した電流を供給する、半導体素子の駆動装置。
2. 半導体素子のオンオフを制御する駆動制御信号に応じて、前記半導体素子のターンオン時に前記半導体素子のゲートに対して充電電流を出力する電流出力回路と、
   前記ゲートの電圧の時間変化率が閾値よりも低い電圧一定期間を検出するように構成された検出回路と、
   前記駆動制御信号と前記検出回路から出力された検出信号とに基づいて、前記電流出力回路による電流出力能力を制御する能力切換信号を生成する信号生成回路とを備え、
   前記信号生成回路は、前記駆動制御信号が前記半導体素子のオフを指示する第１のレベルから前記半導体素子のオンを指示する第２のレベルに変化した後において、前記検出回路による前記電圧一定期間の検出に応じて前記電流出力能力が上昇するように、前記能力切換信号を生成し、
   前記電流出力回路は、
   前記能力切換信号に応じて電気抵抗値が変化する可変抵抗素子と、
   前記可変抵抗素子を経由する第１の経路の電流に比例した電流を第２の経路に流すように構成された第１のカレントミラー回路とを含み、
   前記第１のカレントミラー回路は、
   前記可変抵抗素子での電圧降下量が一定となるように前記第１の経路の電流を制御する制御回路と、
   前記第２の経路において、第１の電圧を供給する第１の電圧線及び前記半導体素子の前記ゲートの間に接続された電流駆動トランジスタとを有し、
   前記可変抵抗素子の前記電気抵抗値は、前記電圧一定期間の検出に応じて前記電流出力能力が上昇される期間において低下され、
   前記電流駆動トランジスタは、前記駆動制御信号が前記第１のレベルである期間にはオフされる一方で、前記駆動制御信号が前記第２のレベルである期間には、前記第１の経路の電流に比例した電流を前記ゲートへ出力する、半導体素子の駆動装置。
3. 前記能力切換信号は、第１のレベル及び第２のレベルの一方に設定され、
   前記電流出力回路は、前記能力切換信号が前記第２のレベルである期間には、前記能力切換信号が前記第１のレベルである期間よりも、前記電流出力能力が高くなるように構成され、
   前記信号生成回路は、前記駆動制御信号が前記第２のレベルから前記第１のレベルに変化すると前記能力切換信号を前記第１のレベルに初期化するとともに、前記駆動制御信号が前記第２のレベルである期間において、前記検出回路による前記電圧一定期間の検出に応じて、前記能力切換信号を前記第１のレベルから前記第２のレベルに変化させる、請求項１記載の半導体素子の駆動装置。
4. 前記能力切換信号は、第１のレベル及び第２のレベルの一方に設定され、
   前記電流出力回路は、前記能力切換信号が前記第２のレベルである期間には、前記能力切換信号が前記第１のレベルである期間よりも、前記電流出力能力が高くなるように構成され、
   前記信号生成回路は、前記駆動制御信号が前記第２のレベルから前記第１のレベルに変化すると前記能力切換信号を前記第１のレベルに初期化するとともに、前記駆動制御信号が前記第２のレベルである期間において、前記検出回路による前記電圧一定期間の検出に応じて、前記能力切換信号を前記第１のレベルから前記第２のレベルに変化させる、請求項２記載の半導体素子の駆動装置。
5. 前記電流出力回路は、
   第１の電圧を供給する第１の電圧線と、前記半導体素子の前記ゲートとの間に並列に接続された第１及び第２の電流駆動トランジスタと、
   前記第１の電圧線及び前記ゲートの間に前記第１の電流駆動トランジスタと直列に接続される第１のゲート抵抗と、
   前記第１の電圧線及び前記ゲートの間に前記第２の電流駆動トランジスタと直列に接続される第２のゲート抵抗とを有し、
   前記第１の電流駆動トランジスタは、前記駆動制御信号が前記第１のレベルである期間でオフする一方で前記第２のレベルである期間にオンし、
   前記第２の電流駆動トランジスタは、前記能力切換信号に応じて、前記電圧一定期間の検出に応じて前記電流出力能力が上昇される期間においてオンされる、請求項１又は３に記載の半導体素子の駆動装置。
6. 前記検出回路は、
   前記ゲートと第１のノードとの間に接続された容量素子と、
   前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を供給する第２の電圧線と、前記第１のノードとの間に電気的に接続された抵抗素子と、
   前記第１のノードの電圧に応じて、前記検出信号を第１及び第２のレベルの一方に駆動する能動素子とを有する、請求項２又は４に記載の半導体素子の駆動装置。
7. 前記検出回路は、
   前記ゲートと第１のノードとの間に接続された容量素子と、
   基準電流を供給する定電流回路と、
   前記基準電流に比例した出力電流を第２のノードに流すための第２のカレントミラー回路と、
   前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を供給する第２の電圧線と、前記第２のノードとの間に接続され、かつ、前記第１のノードと接続されたゲートを有する第１のトランジスタと、
   前記第２のノードの電圧に応じて、前記検出信号を第１及び第２のレベルの一方に駆動する能動素子とを有し、
   前記第２のカレントミラー回路は、
   前記第１の電圧線及び前記第２のノードの間に電気的に接続された第２のトランジスタを有し、
   前記第２のトランジスタは、前記第１のトランジスタのオン時において、前記第１の電圧線から前記第２のノードへ前記出力電流を供給する、請求項２又は４に記載の半導体素子の駆動装置。

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