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JP2015073147A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide, by an easy method, a semiconductor device which allows a gate pulse current to flow through gate resistance of an intended resistance value while inhibiting oscillation of a switching element.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a switching element having a gate terminal; gate resistance connected to the gate terminal; and an impedance reduction part connected to the gate resistance. Impedance of the impedance reduction part against an oscillating frequency of an oscillating circuit formed inside the switching element is smaller than impedance of the gate resistance against the oscillating frequency, and flow of an oscillating current of the oscillating circuit through the impedance reduction part causes an absolute value of the impedance against the oscillating frequency on the side from the gate terminal to the gate resistance to be smaller than an absolute value of impedance against the oscillating frequency on the side from the gate terminal to the switching element.

Description

本発明は、例えば大電流のスイッチングなどに用いられる半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device used, for example, for switching a large current.

IGBTなどのスイッチング素子の内部に発振回路が形成されることがある。特許文献1には、スイッチング素子の発振を抑制する技術が開示されている。この技術は、スイッチング素子のゲート電極の抵抗値を「ゲートパッドから近いほど大きく」することにより、スイッチング素子のスイッチング速度を損なわず発振を抑制するものである。つまり、ゲート電極の抵抗値が小さい部分で発振が起きやすいのでその部分の抵抗値を大きくする。   An oscillation circuit may be formed inside a switching element such as an IGBT. Patent Document 1 discloses a technique for suppressing oscillation of a switching element. This technique suppresses oscillation without impairing the switching speed of the switching element by increasing the resistance value of the gate electrode of the switching element “as it is closer to the gate pad”. That is, since the oscillation is likely to occur in a portion where the resistance value of the gate electrode is small, the resistance value in that portion is increased.

特開2012−23234号公報JP 2012-23234 A

スイッチング素子の発振を抑制しつつ、スイッチング素子のゲートパルス電流は所望の抵抗値のゲート抵抗を流れるようにした半導体装置を、できるだけ容易な方法で提供することが好ましい。しかしながら、特許文献1に開示の技術では、ゲート抵抗の抵抗値を部分的に大きくすることに伴い、スイッチング素子を形成するチップの再設計が必要となる。そのため、費用と時間が必要となる問題があった。   It is preferable to provide a semiconductor device in which the gate pulse current of the switching element flows through the gate resistance having a desired resistance value while suppressing the oscillation of the switching element by an easy method. However, in the technique disclosed in Patent Document 1, as the resistance value of the gate resistance is partially increased, it is necessary to redesign a chip for forming a switching element. Therefore, there was a problem that cost and time were required.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、スイッチング素子の発振を抑制しつつ、ゲートパルス電流は所望の抵抗値のゲート抵抗を流れる半導体装置を容易な方法で提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an easy method for a semiconductor device in which a gate pulse current flows through a gate resistance having a desired resistance value while suppressing oscillation of a switching element. For the purpose.

本願の発明に係る半導体装置は、ゲート端子を有するスイッチング素子と、該ゲート端子に接続されたゲート抵抗と、該ゲート抵抗に接続されたインピーダンス低減部と、を備え、該スイッチング素子の内部に形成される発振回路の発振周波数に対する該インピーダンス低減部のインピーダンスは、該発振周波数に対する該ゲート抵抗のインピーダンスより小さく、該発振回路の発振電流が該インピーダンス低減部を流れることで、該ゲート端子から該ゲート抵抗側の該発振周波数に対するインピーダンスの絶対値が、該ゲート端子から該スイッチング素子側の該発振周波数に対するインピーダンスの絶対値より小さくなっていることを特徴とする。   A semiconductor device according to the present invention includes a switching element having a gate terminal, a gate resistance connected to the gate terminal, and an impedance reduction unit connected to the gate resistance, and is formed inside the switching element. The impedance of the impedance reduction unit with respect to the oscillation frequency of the oscillation circuit is smaller than the impedance of the gate resistance with respect to the oscillation frequency, and the oscillation current of the oscillation circuit flows through the impedance reduction unit, so that the gate terminal The absolute value of the impedance with respect to the oscillation frequency on the resistance side is smaller than the absolute value of the impedance with respect to the oscillation frequency on the switching element side from the gate terminal.

本願の発明に係る他の半導体装置は、ゲート端子を有するスイッチング素子と、該ゲート端子に接続されたゲート信号線と、該ゲート信号線に直列に接続されたキャパシタと、該キャパシタの両端子から引き出された引出信号線によって、該キャパシタと並列に接続されたゲート抵抗と、を備え、該スイッチング素子の内部に形成される発振回路の発振周波数に対する該キャパシタのインピーダンスは、該発振周波数に対する該ゲート抵抗のインピーダンスより小さく、該発振回路の発振電流が該キャパシタを流れることで、該ゲート端子から該ゲート抵抗側の該発振周波数に対するインピーダンスの絶対値が、該ゲート端子から該スイッチング素子側の該発振周波数に対するインピーダンスの絶対値より小さくなっていることを特徴とする。   Another semiconductor device according to the present invention includes a switching element having a gate terminal, a gate signal line connected to the gate terminal, a capacitor connected in series to the gate signal line, and both terminals of the capacitor. A gate resistor connected in parallel with the capacitor by a drawn signal line, and the impedance of the capacitor with respect to the oscillation frequency of the oscillation circuit formed inside the switching element is the gate with respect to the oscillation frequency. When the oscillation current of the oscillation circuit is smaller than the impedance of the resistor and flows through the capacitor, the absolute value of the impedance with respect to the oscillation frequency from the gate terminal to the gate resistance side becomes the oscillation from the gate terminal to the switching element side. Characterized by being smaller than the absolute value of impedance with respect to frequency

本発明によれば、発振電流を流しゲートパルス電流を流さないインピーダンス低減部を設けるため、スイッチング素子の発振を抑制しつつ、ゲートパルス電流を所望の抵抗値のゲート抵抗に流すことができる。   According to the present invention, since the impedance reduction unit that allows the oscillation current to flow and does not flow the gate pulse current is provided, the gate pulse current can flow to the gate resistance having a desired resistance value while suppressing the oscillation of the switching element.

本発明の実施の形態1に係る半導体装置の回路図である。1 is a circuit diagram of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 試験回路図である。It is a test circuit diagram. ゲート電圧波形とゲート電流波形を示す図である。It is a figure which shows a gate voltage waveform and a gate current waveform. ゲート電圧波形とゲート電流波形を示す図である。It is a figure which shows a gate voltage waveform and a gate current waveform. 図4の6μs近傍のゲート電流波形を拡大した図である。It is the figure which expanded the gate current waveform of 6 microsecond vicinity of FIG. ゲート電圧波形とゲート電流波形を示す図である。It is a figure which shows a gate voltage waveform and a gate current waveform. ゲート電圧波形とゲート電流波形を示す図である。It is a figure which shows a gate voltage waveform and a gate current waveform. 変形例に係る半導体装置の試験回路図である。It is a test circuit diagram of a semiconductor device concerning a modification. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention. 試験回路図である。It is a test circuit diagram. ゲート電圧波形とゲート電流波形を示す図である。It is a figure which shows a gate voltage waveform and a gate current waveform. ゲート電圧波形とゲート電流波形を示す図である。It is a figure which shows a gate voltage waveform and a gate current waveform. 本発明の実施の形態3に係る半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device which concerns on Embodiment 3 of this invention. 試験回路図である。It is a test circuit diagram. 本発明の実施の形態4に係る半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device which concerns on Embodiment 4 of this invention. 試験回路図である。It is a test circuit diagram. 本発明の実施の形態5に係る半導体装置の回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention. 試験回路図である。It is a test circuit diagram. キャパシタのインピーダンスの周波数依存を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency dependence of the impedance of a capacitor. 半導体装置のベース板上の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure on the base plate of a semiconductor device. ゲート電圧波形とゲート電流波形を示す図である。It is a figure which shows a gate voltage waveform and a gate current waveform. 本発明の実施の形態6に係る半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device which concerns on Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態7に係る半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device which concerns on Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態8に係る半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device which concerns on Embodiment 8 of this invention.

本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。   A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置10の回路図である。半導体装置10は、IGBTチップで形成されたスイッチング素子12を有している。スイッチング素子12はゲート端子12aを有している。ゲート端子12aにはゲート抵抗14が接続されている。より詳細には、ゲート端子12aに接続されたゲート信号線に直列にゲート抵抗14が接続されている。ゲート抵抗14は、直列接続されたバランス抵抗14aと外付けゲート抵抗14bを備えている。バランス抵抗14aとスイッチング素子12は1つの筐体に収容されるなどして半導体モジュールを構成している。例えば、バランス抵抗14aとスイッチング素子12は筐体内のベース板に固定される。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a circuit diagram of a semiconductor device 10 according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor device 10 has a switching element 12 formed of an IGBT chip. The switching element 12 has a gate terminal 12a. A gate resistor 14 is connected to the gate terminal 12a. More specifically, the gate resistor 14 is connected in series to the gate signal line connected to the gate terminal 12a. The gate resistor 14 includes a balance resistor 14a and an external gate resistor 14b connected in series. The balance resistor 14a and the switching element 12 constitute a semiconductor module by being accommodated in one housing. For example, the balance resistor 14a and the switching element 12 are fixed to a base plate in the housing.

他方、外付けゲート抵抗14bは半導体モジュールの外に設けられる。バランス抵抗14aの抵抗値は12Ωである。外付けゲート抵抗14bの抵抗値は20Ωである。ゲート抵抗14の一部である外付けゲート抵抗14bに並列にインピーダンス低減部16が接続されている。   On the other hand, the external gate resistor 14b is provided outside the semiconductor module. The resistance value of the balance resistor 14a is 12Ω. The resistance value of the external gate resistor 14b is 20Ω. An impedance reduction unit 16 is connected in parallel to the external gate resistor 14b which is a part of the gate resistor 14.

インピーダンス低減部16は、キャパシタ16aとインダクタンス16bを備えている。従って、インピーダンス低減部16はLC直列共振回路を構成している。キャパシタ16aの電気容量は2nFである。インダクタンス16bの値は9.93nHである。インピーダンス低減部16の共振周波数(以後、単に共振周波数といった場合はインピーダンス低減部16の共振周波数を指す)は35.7MHzである。インピーダンス低減部16は共振周波数に対してインピーダンスが0となるバンドパスフィルターとして機能する。   The impedance reduction unit 16 includes a capacitor 16a and an inductance 16b. Therefore, the impedance reduction unit 16 constitutes an LC series resonance circuit. The electric capacity of the capacitor 16a is 2 nF. The value of the inductance 16b is 9.93 nH. The resonance frequency of the impedance reduction unit 16 (hereinafter simply referred to as the resonance frequency refers to the resonance frequency of the impedance reduction unit 16) is 35.7 MHz. The impedance reducing unit 16 functions as a band pass filter whose impedance becomes 0 with respect to the resonance frequency.

図2は、短絡状態(アーム短絡した状態)のスイッチング素子12をスイッチングする試験回路図である。この試験回路は、意図的に半導体装置10のスイッチング素子12で発振が起こる状況を作り、その状況下で発振を抑制できるか試験する回路である。スイッチング素子12のコレクタは配線によって直流電圧電源20に接続されている。当該配線によりインダクタンス22が生じている。また、スイッチング素子12のコレクタ側には負荷のインダクタンス24が生じている。しかしスイッチング素子12は短絡状態であるので、インダクタンス24は例えば3.2nH程度の非常に小さい値となる。   FIG. 2 is a test circuit diagram for switching the switching element 12 in a short circuit state (arm short circuit state). This test circuit is a circuit that intentionally creates a situation where oscillation occurs in the switching element 12 of the semiconductor device 10 and tests whether oscillation can be suppressed under that situation. The collector of the switching element 12 is connected to the DC voltage power supply 20 by wiring. An inductance 22 is generated by the wiring. Further, a load inductance 24 is generated on the collector side of the switching element 12. However, since the switching element 12 is in a short-circuited state, the inductance 24 has a very small value of about 3.2 nH, for example.

スイッチング素子12内のゲート配線の抵抗はゲート配線抵抗26である。スイッチング素子12内のゲート配線のインダクタンスはゲート配線インダクタンス28である。スイッチング素子12内のゲート配線とエミッタ配線間の静電容量は静電容量30である。この静電容量30がスイッチング素子12に発振(ハートレー発振)を生じさせ得る。なお、ゲート配線抵抗26、ゲート配線インダクタンス28、及び静電容量30は、スイッチング素子12内に存在する。   The resistance of the gate wiring in the switching element 12 is a gate wiring resistance 26. The inductance of the gate wiring in the switching element 12 is a gate wiring inductance 28. The electrostatic capacity between the gate wiring and the emitter wiring in the switching element 12 is the electrostatic capacity 30. This capacitance 30 can cause the switching element 12 to oscillate (Hartley oscillation). Note that the gate wiring resistor 26, the gate wiring inductance 28, and the electrostatic capacitance 30 exist in the switching element 12.

ゲート抵抗14を介してスイッチング素子12にゲートパルス電流(ゲート電圧)を供給するために、外付けゲート抵抗14bにゲート電源40が接続されている。ゲート電源40は1MHz程度の周波数(以後、スイッチング周波数という)のゲートパルス電流を出力する。なお、ゲート電源40の出力インピーダンスは0とみなすことができる。   In order to supply a gate pulse current (gate voltage) to the switching element 12 via the gate resistor 14, a gate power supply 40 is connected to the external gate resistor 14b. The gate power supply 40 outputs a gate pulse current having a frequency of about 1 MHz (hereinafter referred to as a switching frequency). Note that the output impedance of the gate power supply 40 can be regarded as zero.

この試験回路の動作を説明する。ゲート電源40から短絡状態のスイッチング素子12にON信号を印加すると、スイッチング素子12の内部に35.7MHz程度の発振周波数の発振回路が形成される。この発振回路は、ゲート配線インダクタンス28、静電容量30、及びスイッチング素子12のゲート−エミッタ間の静電容量で構成されると考えられる。   The operation of this test circuit will be described. When an ON signal is applied from the gate power supply 40 to the switching element 12 in a short circuit state, an oscillation circuit having an oscillation frequency of about 35.7 MHz is formed inside the switching element 12. This oscillation circuit is considered to be composed of a gate wiring inductance 28, a capacitance 30, and a capacitance between the gate and emitter of the switching element 12.

ゲート端子12aからゲート抵抗14側の発振周波数に対するインピーダンスの絶対値をZpとする。また、ゲート端子12aからスイッチング素子12側の発振周波数に対するインピーダンスの絶対値をZcとする。インピーダンス低減部16(LC直列共振回路)の共振周波数は35.7MHzであり、発振回路の発振周波数も35.7MHzであるため、両者は等しくなっている。従って、発振周波数に対するインピーダンス低減部16のインピーダンスは0となるので、Zpはバランス抵抗14aのインピーダンスである12Ωとなる。   Let Zp be the absolute value of the impedance with respect to the oscillation frequency from the gate terminal 12a to the gate resistor 14 side. Further, the absolute value of the impedance with respect to the oscillation frequency on the switching element 12 side from the gate terminal 12a is Zc. Since the resonance frequency of the impedance reduction unit 16 (LC series resonance circuit) is 35.7 MHz and the oscillation frequency of the oscillation circuit is 35.7 MHz, both are equal. Therefore, since the impedance of the impedance reduction unit 16 with respect to the oscillation frequency is 0, Zp is 12Ω, which is the impedance of the balance resistor 14a.

Zcは12Ωより若干大きい値であるが20Ωよりは小さい。これにより、ZpはZcより小さくなるため、発振電流をゲート電源40側に流してスイッチング素子12における発振を抑制できる。このように、発振回路の発振電流がインピーダンス低減部16を流れることで、Zp<Zcとすることができる。なお、インピーダンス低減部16がない場合は、Zpは32Ω、Zcは12〜20Ωであるため、Zp<Zcとすることができない。   Zc is slightly larger than 12Ω but smaller than 20Ω. Thereby, since Zp becomes smaller than Zc, the oscillation current in the switching element 12 can be suppressed by flowing an oscillation current to the gate power supply 40 side. As described above, the oscillation current of the oscillation circuit flows through the impedance reduction unit 16 so that Zp <Zc. If the impedance reduction unit 16 is not provided, Zp is 32Ω and Zc is 12 to 20Ω, so that Zp <Zc cannot be established.

図3は、図2の試験回路において、短絡状態のスイッチング素子にON信号を印加したときのゲート電圧波形とゲート電流波形を示す図である。ゲート電圧波形とゲート電流波形からスイッチング素子12の発振は抑制されていることが分かる。   FIG. 3 is a diagram showing a gate voltage waveform and a gate current waveform when an ON signal is applied to a short-circuited switching element in the test circuit of FIG. It can be seen from the gate voltage waveform and the gate current waveform that the oscillation of the switching element 12 is suppressed.

他方、スイッチング周波数に対するインピーダンス低減部16(LC直列共振回路)のインピーダンスは例えば100Ω以上の非常に大きな値となる。そのため、スイッチング周波数に対するインピーダンス低減部16のインピーダンスの絶対値は、スイッチング周波数に対するゲート抵抗(外付けゲート抵抗14b)のインピーダンスの絶対値(20Ω)より大きい。   On the other hand, the impedance of the impedance reduction unit 16 (LC series resonance circuit) with respect to the switching frequency is a very large value of, for example, 100Ω or more. Therefore, the absolute value of the impedance of the impedance reduction unit 16 with respect to the switching frequency is larger than the absolute value (20Ω) of the impedance of the gate resistance (external gate resistance 14b) with respect to the switching frequency.

従って、ゲート電源40から伝送されるゲートパルス電流はインピーダンス低減部16を流れず、外付けゲート抵抗14bを流れるので、インピーダンス低減部16がスイッチング素子12のスイッチングに影響を及ぼすことは無い。つまり、ゲート抵抗として外付けゲート抵抗14bとバランス抵抗14aの両方を用いることができる。このように、本発明の実施の形態1に係る半導体装置によれば、インピーダンス低減部16を設けるだけで、スイッチング素子12の発振を抑制しつつ、ゲートパルス電流を所望の抵抗値のゲート抵抗14に流すことができる。   Therefore, since the gate pulse current transmitted from the gate power supply 40 does not flow through the impedance reduction unit 16 but flows through the external gate resistor 14b, the impedance reduction unit 16 does not affect the switching of the switching element 12. That is, both the external gate resistor 14b and the balance resistor 14a can be used as the gate resistor. As described above, according to the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the gate pulse current having a desired resistance value can be obtained while suppressing the oscillation of the switching element 12 only by providing the impedance reduction unit 16. Can be shed.

図4は、図2の試験回路からインピーダンス低減部16を除去した回路について、短絡状態のスイッチング素子12にON信号を印加した場合のゲート電圧波形とゲート電流波形を示す。この場合ゲート抵抗の抵抗値は32Ωである。ゲート電圧波形とデート電流波形に発振が見られる。このような発振は電磁波を発生し、ゲート駆動回路を劣化させ、あるいは誤動作させる可能性がある。図4と図3の波形を比較すると、図3のスイッチング波形は図4のスイッチング波形とほぼ同等であり、かつ図3の場合は発振が抑制できている。   FIG. 4 shows a gate voltage waveform and a gate current waveform when an ON signal is applied to the short-circuited switching element 12 in the circuit in which the impedance reduction unit 16 is removed from the test circuit of FIG. In this case, the resistance value of the gate resistance is 32Ω. Oscillation is observed in the gate voltage waveform and the date current waveform. Such oscillation may generate electromagnetic waves, which may degrade the gate drive circuit or cause malfunction. Comparing the waveforms of FIG. 4 and FIG. 3, the switching waveform of FIG. 3 is almost the same as the switching waveform of FIG. 4, and oscillation can be suppressed in the case of FIG.

図5は、図4の6μs近傍のゲート電流波形を拡大した拡大図である。発振波形は正弦波となっていることが分かる。また、発振周波数は35.7MHzであることが分かる。本発明の実施の形態1では、このようにして求めた発振周波数に一致する共振周波数を設定した。   FIG. 5 is an enlarged view in which the gate current waveform in the vicinity of 6 μs in FIG. 4 is enlarged. It can be seen that the oscillation waveform is a sine wave. It can also be seen that the oscillation frequency is 35.7 MHz. In the first embodiment of the present invention, a resonance frequency that matches the oscillation frequency thus determined is set.

図6は、図2の試験回路からインピーダンス低減部16を除去した回路について、外付けゲート抵抗を5Ωとした場合のゲート電圧波形とゲート電流波形を示す。この場合、ゲート抵抗の抵抗値は、外付けゲート抵抗の抵抗値5Ωとバランス抵抗14aの抵抗値12Ωを足し合わせて17Ωとなる。ゲート電圧波形とデート電流波形に発振が見られる。   FIG. 6 shows a gate voltage waveform and a gate current waveform when the external gate resistance is set to 5Ω for the circuit in which the impedance reduction unit 16 is removed from the test circuit of FIG. In this case, the resistance value of the gate resistor is 17Ω by adding the resistance value of 5Ω of the external gate resistor and the resistance value of 12Ω of the balance resistor 14a. Oscillation is observed in the gate voltage waveform and the date current waveform.

図7は、図2の試験回路からインピーダンス低減部16を除去した回路について、外付けゲート抵抗を1Ωとした場合のゲート電圧波形とゲート電流波形を示す。この場合、ゲート抵抗の抵抗値は、外付けゲート抵抗の抵抗値1Ωとバランス抵抗14aの抵抗値12Ωを足し合わせて13Ωとなる。ゲート電圧波形とデート電流波形には発振は見られない。   FIG. 7 shows a gate voltage waveform and a gate current waveform when the external gate resistance is set to 1Ω for the circuit in which the impedance reduction unit 16 is removed from the test circuit of FIG. In this case, the resistance value of the gate resistor is 13Ω, which is the sum of the resistance value of 1Ω of the external gate resistor and the resistance value of 12Ω of the balance resistor 14a. No oscillation is seen in the gate voltage waveform and the date current waveform.

図4、6、7を比較検討する。ゲート抵抗が小さくなるほどゲート電圧の立ち上がりが早くなる。また、ゲート抵抗が小さいほど発振の振幅が小さくなる。従って、スイッチング素子の発振回路はゲート電圧の立ち上がり成分により励起されるのではなく、スイッチング素子12の原子の熱振動によるノイズによって励起され増幅されるものと考えられる。シミュレーションにおいてもこの考えを支持するデータが得られた。   4 and 6 are compared. The gate voltage rises faster as the gate resistance decreases. Also, the smaller the gate resistance, the smaller the oscillation amplitude. Therefore, it is considered that the oscillation circuit of the switching element is not excited by the rising component of the gate voltage, but is excited and amplified by noise due to thermal vibration of the atoms of the switching element 12. Data supporting this idea was also obtained in the simulation.

図4、6、7の比較から、外付けゲート抵抗の抵抗値を小さくすることでZpを小さくするほどゲート電源40側へ流れる発振電流が増えて発振を抑制できることが分かる。この考えは、スイッチング素子内部(チップ内部)のゲート配線の抵抗値を大きくすると発振を抑制できることと理論的に整合している。   4, 6, and 7, it can be seen that by decreasing the resistance value of the external gate resistor, the oscillation current flowing to the gate power supply 40 side increases as Zp is decreased, thereby suppressing the oscillation. This idea is theoretically consistent with the fact that oscillation can be suppressed by increasing the resistance value of the gate wiring inside the switching element (inside the chip).

従って、インピーダンス低減部16の無い回路において、Zp<Zcとなるようにゲート抵抗14の抵抗値を小さくすればスイッチング素子12の発振を抑制できる。しかしながらゲート抵抗14の抵抗値を小さくし過ぎれば、ゲート電圧の立ち上がりが早くなるなどの弊害がある。そこで本発明の実施の形態1では、発振電流のみゲート電源40側に流しゲートパルス電流が流れないインピーダンス低減部16を設けた。これにより、ゲートパルス電流は所望の抵抗値を有するゲート抵抗を流れるので、ゲート電圧の立ち上がりが早くなるなどの弊害を解消できる。   Therefore, in a circuit without the impedance reduction unit 16, the oscillation of the switching element 12 can be suppressed by reducing the resistance value of the gate resistor 14 so that Zp <Zc. However, if the resistance value of the gate resistor 14 is made too small, there is a problem that the rise of the gate voltage is accelerated. Therefore, in the first embodiment of the present invention, the impedance reduction unit 16 is provided in which only the oscillation current flows to the gate power supply 40 side and the gate pulse current does not flow. Thereby, since the gate pulse current flows through the gate resistance having a desired resistance value, it is possible to eliminate the adverse effects such as the rise of the gate voltage being accelerated.

本発明の実施の形態1に係る半導体装置10は、要するに、スイッチング素子の発振を抑制する発振抑制効果と、ゲート抵抗の抵抗値を所望の値まで高めることができるゲート抵抗維持効果を同時に得るものである。   In short, the semiconductor device 10 according to the first embodiment of the present invention simultaneously obtains an oscillation suppression effect that suppresses oscillation of the switching element and a gate resistance maintenance effect that can increase the resistance value of the gate resistance to a desired value. It is.

発振抑制効果はZpをZcより小さくすることで得ることができる。本発明の実施の形態1の半導体装置10では、この条件を満たすために、インピーダンス低減部16の共振周波数を発振周波数と一致させて、Zpを12Ωまで低下させた。このように、発振周波数に対するインピーダンス低減部16のインピーダンスは可能な限り低くするのが理想である。しかし、発振周波数に対するインピーダンス低減部16のインピーダンスを、インピーダンス低減部16に並列接続されたゲート抵抗(外付けゲート抵抗14b)の発振周波数に対するインピーダンスより小さくすれば、Zpを低下させることはできる。これによりZpをZcより小さくし得る。   The oscillation suppression effect can be obtained by making Zp smaller than Zc. In the semiconductor device 10 according to the first embodiment of the present invention, in order to satisfy this condition, the resonance frequency of the impedance reduction unit 16 is matched with the oscillation frequency, and Zp is reduced to 12Ω. Thus, it is ideal that the impedance of the impedance reduction unit 16 with respect to the oscillation frequency is as low as possible. However, if the impedance of the impedance reduction unit 16 with respect to the oscillation frequency is made smaller than the impedance with respect to the oscillation frequency of the gate resistor (external gate resistor 14b) connected in parallel to the impedance reduction unit 16, Zp can be lowered. Thereby, Zp can be made smaller than Zc.

ところで、発振周波数fは以下の式で表される。   By the way, the oscillation frequency f is expressed by the following equation.

Figure 2015073147
Figure 2015073147

インピーダンス低減部16のインダクタンスをL、電気容量をCとしたときに、(1/2)LoCo<LC<2LoCoの範囲となるようにすると、十分にZpを低下させる効果を得ることができる。   When the inductance of the impedance reduction unit 16 is L and the capacitance is C, the effect of sufficiently reducing Zp can be obtained if the range is (1/2) LoCo <LC <2LoCo.

なお、発振周波数に対するインピーダンス低減部16のインピーダンスは、インピーダンス低減部16と並列に接続されたゲート抵抗(外付けゲート抵抗14b)の発振周波数に対するインピーダンスの0.15倍未満であることが好ましい。   The impedance of the impedance reduction unit 16 with respect to the oscillation frequency is preferably less than 0.15 times the impedance of the gate resistor (external gate resistor 14b) connected in parallel with the impedance reduction unit 16 with respect to the oscillation frequency.

ゲート抵抗維持効果は、スイッチング周波数のゲートパルス電流が、インピーダンス低減部16を流れずゲート抵抗14を流れることで得ることができる。この条件を満たすために、インピーダンス低減部16をスイッチング周波数に対して非常に高いインピーダンスとなるようにした。   The effect of maintaining the gate resistance can be obtained when the gate pulse current having the switching frequency flows through the gate resistor 14 without flowing through the impedance reducing unit 16. In order to satisfy this condition, the impedance reducing unit 16 has a very high impedance with respect to the switching frequency.

なお、スイッチング周波数に対するインピーダンス低減部16のインピーダンスは、インピーダンス低減部16と並列に接続されたゲート抵抗(外付けゲート抵抗14b)のスイッチング周波数に対するインピーダンスの10倍より大きいことが好ましい。   The impedance of the impedance reduction unit 16 with respect to the switching frequency is preferably larger than 10 times the impedance with respect to the switching frequency of the gate resistor (external gate resistor 14b) connected in parallel with the impedance reduction unit 16.

本発明の実施の形態1に係る半導体装置10は様々な変形が可能である。ゲート抵抗14としてバランス抵抗14aと外付けゲート抵抗14bを用いたがいずれか一方だけをゲート抵抗として用いても良い。つまり、ゲート抵抗と並列にインピーダンス低減部16を設けることで上記の効果が得られるため、インピーダンス低減部が並列接続されていないゲート抵抗の有無は問わない。   The semiconductor device 10 according to the first embodiment of the present invention can be variously modified. Although the balance resistor 14a and the external gate resistor 14b are used as the gate resistor 14, only one of them may be used as the gate resistor. That is, since the above effect can be obtained by providing the impedance reduction unit 16 in parallel with the gate resistance, it does not matter whether there is a gate resistance in which the impedance reduction unit is not connected in parallel.

また、上記した抵抗値などの値は、本発明の効果を得られる範囲で適宜変更可能である。スイッチング素子12はIGBTチップに限らず、IGBTチップと同様に発振回路を形成しうるものを用いても良い。例えばMOSFETが形成されたチップを用いることができる。   In addition, values such as the resistance value described above can be appropriately changed within a range where the effects of the present invention can be obtained. The switching element 12 is not limited to an IGBT chip, and an element that can form an oscillation circuit similarly to the IGBT chip may be used. For example, a chip on which a MOSFET is formed can be used.

スイッチング素子12は珪素で形成することが多いが、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドがある。   The switching element 12 is often formed of silicon, but may be formed of a wide band gap semiconductor having a band gap larger than that of silicon. Examples of the wide band gap semiconductor include silicon carbide, gallium nitride-based materials, and diamond.

図8は、本発明の実施の形態1の変形例に係る半導体装置の試験回路図である。この半導体装置のインピーダンス低減部16の一端は接地されている。ゲート電源40のインピーダンスがゼロであることから、インピーダンス低減部16の一端をゲート抵抗14に接続し、他端を接地しても本発明の効果を得ることができる。なお、これらの変形は、以下の実施の形態に係る半導体装置についても応用できる。   FIG. 8 is a test circuit diagram of the semiconductor device according to the modification of the first embodiment of the present invention. One end of the impedance reduction unit 16 of this semiconductor device is grounded. Since the impedance of the gate power supply 40 is zero, the effect of the present invention can be obtained even if one end of the impedance reducing unit 16 is connected to the gate resistor 14 and the other end is grounded. These modifications can also be applied to semiconductor devices according to the following embodiments.

実施の形態2.
本発明の実施の形態2に係る半導体装置は、実施の形態1の半導体装置と共通点が多いので、実施の形態1の半導体装置との相違点を中心に説明する。実施の形態3、4でも同様である。
Embodiment 2. FIG.
Since the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention has much in common with the semiconductor device of the first embodiment, the description will focus on differences from the semiconductor device of the first embodiment. The same applies to the third and fourth embodiments.

図9は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の回路図である。インピーダンス低減部50は、バランス抵抗14aに並列に接続されている。インピーダンス低減部50は、キャパシタ50aとインダクタンス50bを備えるLC直列共振回路で形成されている。インピーダンス低減部50の共振周波数は発振周波数と等しい。外付けゲート抵抗14bの抵抗値は12Ωである。バランス抵抗14aの抵抗値は20Ωである。従って、Zpは外付けゲート抵抗14bの抵抗値と等しい12Ωである。   FIG. 9 is a circuit diagram of a semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention. The impedance reduction unit 50 is connected in parallel to the balance resistor 14a. The impedance reduction unit 50 is formed of an LC series resonance circuit including a capacitor 50a and an inductance 50b. The resonance frequency of the impedance reduction unit 50 is equal to the oscillation frequency. The resistance value of the external gate resistor 14b is 12Ω. The resistance value of the balance resistor 14a is 20Ω. Therefore, Zp is 12Ω equal to the resistance value of the external gate resistor 14b.

図10は、短絡状態のスイッチング素子をスイッチングする試験回路図である。この試験回路は、意図的に図9の半導体装置のスイッチング素子12で発振が起こる状況を作り、その状況下で発振を抑制できるか試験する回路である。   FIG. 10 is a test circuit diagram for switching the short-circuited switching element. This test circuit is a circuit that intentionally creates a situation in which oscillation occurs in the switching element 12 of the semiconductor device of FIG. 9 and tests whether oscillation can be suppressed under that situation.

図11は、図10の試験回路において、短絡状態のスイッチング素子にON信号を印加したときのゲート電圧波形とゲート電流波形を示す図である。発振を抑制できていることが分かる。   FIG. 11 is a diagram showing a gate voltage waveform and a gate current waveform when an ON signal is applied to a short-circuited switching element in the test circuit of FIG. It can be seen that the oscillation can be suppressed.

バランス抵抗14aは半導体モジュールのベース板の上に形成されるため、バランス抵抗14aと並列に接続されるインピーダンス低減部16もベース板にパターン化してパターンとして形成することができる。従って、精度の良い共振周波数を有するインピーダンス低減部16を形成することができる。   Since the balance resistor 14a is formed on the base plate of the semiconductor module, the impedance reduction unit 16 connected in parallel with the balance resistor 14a can also be formed into a pattern by patterning the base plate. Therefore, it is possible to form the impedance reduction unit 16 having a precise resonance frequency.

図12は、図10の試験回路において、バランス抵抗の抵抗値を12Ωとし外付けゲート抵抗の抵抗値を20Ωとした場合のゲート電圧波形とゲート電流波形を示す図である。この場合、Zpが20Ωとなる。図12から発振が抑制できていないことが分かる。Zpが12Ωのときは発振を抑制でき、Zpが20Ωのときは発振を抑制できなかったことから、Zcは12Ωより大きく20Ωより小さいと考えられる。   FIG. 12 is a diagram showing a gate voltage waveform and a gate current waveform when the resistance value of the balance resistor is 12Ω and the resistance value of the external gate resistor is 20Ω in the test circuit of FIG. In this case, Zp is 20Ω. It can be seen from FIG. 12 that oscillation is not suppressed. Oscillation could be suppressed when Zp was 12Ω, and oscillation could not be suppressed when Zp was 20Ω. Therefore, it is considered that Zc is larger than 12Ω and smaller than 20Ω.

実施の形態3.
図13は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の回路図である。インピーダンス低減部として、バランス抵抗14aに並列に接続されたインピーダンス低減部50と、外付けゲート抵抗14bに並列に接続されたインピーダンス低減部16とを有している。図13におけるインピーダンス低減部50を第1LC直列共振回路と称する。図13におけるインピーダンス低減部16を第2LC直列共振回路と称する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 13 is a circuit diagram of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. As the impedance reduction unit, the impedance reduction unit 50 connected in parallel to the balance resistor 14a and the impedance reduction unit 16 connected in parallel to the external gate resistor 14b are provided. The impedance reduction unit 50 in FIG. 13 is referred to as a first LC series resonance circuit. The impedance reduction unit 16 in FIG. 13 is referred to as a second LC series resonance circuit.

第1LC直列共振回路と第2LC直列共振回路の共振周波数は、発振周波数と同じである。従ってZpを0とすることができる。図14は、意図的に図13の半導体装置のスイッチング素子12で発振が起こる状況を作り、その状況下で発振を抑制できるか試験する試験回路図である。前述のとおりZpを0とすることができるので、発振を抑制することができる。また、外付けゲート抵抗14bとバランス抵抗14aの抵抗値は、Zpに寄与しないので、Zp低減を考慮せずに、任意の値とすることができる。   The resonance frequency of the first LC series resonance circuit and the second LC series resonance circuit is the same as the oscillation frequency. Therefore, Zp can be set to zero. FIG. 14 is a test circuit diagram for intentionally creating a situation where oscillation occurs in the switching element 12 of the semiconductor device of FIG. 13 and testing whether oscillation can be suppressed under that situation. Since Zp can be set to 0 as described above, oscillation can be suppressed. Further, since the resistance values of the external gate resistor 14b and the balance resistor 14a do not contribute to Zp, they can be set to arbitrary values without considering Zp reduction.

実施の形態4.
図15は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置の回路図である。インピーダンス低減部60として、ゲート抵抗14(外付けゲート抵抗14bとバランス抵抗14a)に並列に接続されたLC直列共振回路を有している。LC直列共振回路はキャパシタ60aとインダクタンス60bを有している。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 15 is a circuit diagram of a semiconductor device according to Embodiment 4 of the present invention. The impedance reducing unit 60 includes an LC series resonance circuit connected in parallel to the gate resistor 14 (the external gate resistor 14b and the balance resistor 14a). The LC series resonance circuit has a capacitor 60a and an inductance 60b.

インピーダンス低減部60の共振周波数は発振周波数と同じである。従ってZpを0とすることができる。図16は、意図的に図15の半導体装置のスイッチング素子12で発振が起こる状況を作り、その状況下で発振を抑制できるか試験する試験回路図である。前述のとおりZpを0とすることができるので、発振を抑制することができる。また、外付けゲート抵抗14bとバランス抵抗14aの抵抗値は、Zpに寄与しないので、Zp低減を考慮せずに、任意の値とすることができる。   The resonance frequency of the impedance reduction unit 60 is the same as the oscillation frequency. Therefore, Zp can be set to zero. FIG. 16 is a test circuit diagram for intentionally creating a situation where oscillation occurs in the switching element 12 of the semiconductor device of FIG. 15 and testing whether oscillation can be suppressed under that situation. Since Zp can be set to 0 as described above, oscillation can be suppressed. Further, since the resistance values of the external gate resistor 14b and the balance resistor 14a do not contribute to Zp, they can be set to arbitrary values without considering Zp reduction.

実施の形態4の半導体装置と実施の形態3の半導体装置は同じ効果を有する。しかし、実施の形態4の半導体装置ではLC直列共振回路が1つでよいため、LC直列共振回路を2つ要する実施の形態3の半導体装置と比較して部品を減らすことができる。   The semiconductor device of the fourth embodiment and the semiconductor device of the third embodiment have the same effect. However, since only one LC series resonance circuit is required in the semiconductor device of the fourth embodiment, the number of components can be reduced compared to the semiconductor device of the third embodiment that requires two LC series resonance circuits.

なお、実施の形態1〜4の半導体装置では、共振回路であるインピーダンス低減部を設けることにより、ハートレー発振に対して悪影響を及ぼさないよう注意する必要がある。発振波形が完全な正弦波ではない場合があるので、インピーダンス低減部の共振周波数の選定には十分な注意が必要である。更に、スイッチング素子に2つ以上の発振周波数が存在する場合がある。この場合、それらの発振周波数毎に発振周波数と同じ共振周波数を有する共振回路を用意し、それらの共振回路をゲート抵抗に並列に接続してもよい。   In the semiconductor devices of the first to fourth embodiments, care must be taken not to adversely affect the Hartley oscillation by providing the impedance reduction unit that is a resonance circuit. Since the oscillation waveform may not be a perfect sine wave, sufficient care is required in selecting the resonance frequency of the impedance reduction unit. Further, there may be two or more oscillation frequencies in the switching element. In this case, a resonance circuit having the same resonance frequency as the oscillation frequency may be prepared for each oscillation frequency, and these resonance circuits may be connected in parallel to the gate resistor.

実施の形態5
本発明の実施の形態5に係る半導体装置は、実施の形態2の半導体装置と共通点が多いので、実施の形態2の半導体装置との相違点を中心に説明する。図17は、本発明の実施の形態5に係る半導体装置100の回路図である。ゲート端子12aにゲート信号線101が接続されている。ゲート信号線101に直列にキャパシタ102が接続されている。キャパシタ102の電気容量は2nFである。ゲート信号線101aはキャパシタ102とゲート端子12aを接続する。ゲート信号線101bはキャパシタ102と外付けゲート抵抗14bを接続する。
Embodiment 5
Since the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention has much in common with the semiconductor device of the second embodiment, the description will focus on differences from the semiconductor device of the second embodiment. FIG. 17 is a circuit diagram of the semiconductor device 100 according to the fifth embodiment of the present invention. A gate signal line 101 is connected to the gate terminal 12a. A capacitor 102 is connected in series to the gate signal line 101. The electric capacity of the capacitor 102 is 2 nF. The gate signal line 101a connects the capacitor 102 and the gate terminal 12a. The gate signal line 101b connects the capacitor 102 and the external gate resistor 14b.

キャパシタ102はインピーダンス低減部として機能するものである。キャパシタ102の両端子から引出信号線104、106がそれぞれ引き出されている。引出信号線104、106にゲート抵抗(バランス抵抗108)が接続されている。これにより、バランス抵抗108がキャパシタ102に並列接続されている。バランス抵抗108の抵抗値は20Ωである。また、引出信号線104、106によるインダクタンス110が生じている。なお、ゲート信号線101に直列に接続された外付けゲート抵抗14bの抵抗値は12Ωである。   The capacitor 102 functions as an impedance reduction unit. Lead signal lines 104 and 106 are led from both terminals of the capacitor 102, respectively. A gate resistor (balance resistor 108) is connected to the lead signal lines 104 and 106. As a result, the balance resistor 108 is connected in parallel to the capacitor 102. The resistance value of the balance resistor 108 is 20Ω. In addition, an inductance 110 is generated by the lead signal lines 104 and 106. The resistance value of the external gate resistor 14b connected in series to the gate signal line 101 is 12Ω.

図18は、意図的に図17の半導体装置のスイッチング素子12で発振が起こる状況を作り、その状況下で発振を抑制できるか試験する試験回路図である。図19は、キャパシタ102のインピーダンスの周波数依存を示すグラフである。キャパシタ102のインピーダンスは(1/(Cω))である。図19には、参考のために、Lω+1/(Cω)の周波数依存も示す。発振周波数(35.7MHz)に対するキャパシタ102のインピーダンスは2Ω程度と低い。   FIG. 18 is a test circuit diagram for intentionally creating a situation where oscillation occurs in the switching element 12 of the semiconductor device of FIG. 17 and testing whether oscillation can be suppressed under that situation. FIG. 19 is a graph showing the frequency dependence of the impedance of the capacitor 102. The impedance of the capacitor 102 is (1 / (Cω)). FIG. 19 also shows the frequency dependence of Lω + 1 / (Cω) for reference. The impedance of the capacitor 102 with respect to the oscillation frequency (35.7 MHz) is as low as about 2Ω.

そのため、発振周波数に対するキャパシタ102のインピーダンス(2Ω)は、発振周波数に対するゲート抵抗(バランス抵抗108)のインピーダンス(20Ω)より小さくなっている。また、ゲート端子12aからゲート抵抗側の発振周波数に対するインピーダンス(12Ω)の絶対値は、ゲート端子12aからスイッチング素子12側の発振周波数に対するインピーダンス(12Ωより大きい)の絶対値より小さくなっている。つまり発振回路の発振電流がキャパシタ102を流れることで、Zp<Zcとなっている。   Therefore, the impedance (2Ω) of the capacitor 102 with respect to the oscillation frequency is smaller than the impedance (20Ω) of the gate resistance (balance resistor 108) with respect to the oscillation frequency. Further, the absolute value of the impedance (12Ω) from the gate terminal 12a to the oscillation frequency on the gate resistance side is smaller than the absolute value of the impedance (greater than 12Ω) from the gate terminal 12a to the oscillation frequency on the switching element 12 side. That is, the oscillation current of the oscillation circuit flows through the capacitor 102, so that Zp <Zc.

他方、キャパシタ102のスイッチング周波数(1MHz以下)に対するインピーダンスは100Ω以上と十分高い値である。従って、ゲートパルス電流はキャパシタ102ではなくバランス抵抗108を流れる。以上より、発振抑制効果とゲート抵抗維持効果を同時に得ることができる。   On the other hand, the impedance of the capacitor 102 with respect to the switching frequency (1 MHz or less) is a sufficiently high value of 100Ω or more. Therefore, the gate pulse current flows through the balance resistor 108 instead of the capacitor 102. As described above, the oscillation suppressing effect and the gate resistance maintaining effect can be obtained at the same time.

半導体装置100は、インピーダンス低減部がキャパシタ102だけで形成されていることが特徴である。図20は、半導体装置100のベース板上の構成を示す平面図である。ベース板120には絶縁メタライズ基板122とセラミック基板124が形成されている。絶縁メタライズ基板122はセラミック基板とセラミック基板の両主面に形成された金属パターンを備えている。絶縁メタライズ基板122にはスイッチング素子12が固定されている。   The semiconductor device 100 is characterized in that the impedance reduction unit is formed only by the capacitor 102. FIG. 20 is a plan view showing a configuration on the base plate of the semiconductor device 100. An insulating metallized substrate 122 and a ceramic substrate 124 are formed on the base plate 120. The insulating metallized substrate 122 includes a ceramic pattern and a metal pattern formed on both main surfaces of the ceramic substrate. The switching element 12 is fixed to the insulating metallized substrate 122.

セラミック基板124にはゲート信号線101a、101bが形成されている。ゲート信号線101aの一端はワイヤによりスイッチング素子12のゲート端子と接続されている。ゲート信号線101bにはベース板120の外に伸びる接続端子126が形成されている。   Gate signal lines 101 a and 101 b are formed on the ceramic substrate 124. One end of the gate signal line 101a is connected to the gate terminal of the switching element 12 by a wire. A connection terminal 126 extending outside the base plate 120 is formed on the gate signal line 101b.

キャパシタ102はゲート信号線101aとゲート信号線101bを接続するチップキャパシタである。キャパシタ102の両端子から伸びる引出信号線104、106は、それぞれゲート信号線101a、101bとつながっている。引出信号線104、106は、キャパシタ102の両端からY正方向に伸びている。バランス抵抗108は引出信号線104と引出信号線106を接続している。   The capacitor 102 is a chip capacitor that connects the gate signal line 101a and the gate signal line 101b. Lead signal lines 104 and 106 extending from both terminals of the capacitor 102 are connected to gate signal lines 101a and 101b, respectively. The lead signal lines 104 and 106 extend in the Y positive direction from both ends of the capacitor 102. The balance resistor 108 connects the extraction signal line 104 and the extraction signal line 106.

ところで、実施の形態1〜4のインピーダンス低減部の共振周波数を定めるためには、予めインピーダンス低減部のインダクタンスと電気容量を計算する必要がある。しかし、インダクタンスの算出は困難であるので、インピーダンス低減部からインダクタンスを排除あるいはインダクタンスを低減することが好ましい。   By the way, in order to determine the resonance frequency of the impedance reduction part of Embodiment 1-4, it is necessary to calculate the inductance and electric capacity of an impedance reduction part beforehand. However, since it is difficult to calculate the inductance, it is preferable to eliminate the inductance from the impedance reduction unit or reduce the inductance.

本発明の実施の形態5の半導体装置は当該インダクタンスを低減したものである。つまり、引出信号線104、106で接続されたバランス抵抗108には引出信号線104、106によるインダクタンス110が接続されるが、引出信号線を経由しないキャパシタ102にはインダクタンスが接続されない(あるいは十分小さい)。このように、キャパシタ102だけを有しインダクタンスをゼロとみなすことができるインピーダンス低減部を用いると共振周波数の算出が容易となる。   The semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention has a reduced inductance. That is, the balance resistor 108 connected by the lead signal lines 104 and 106 is connected to the inductance 110 by the lead signal lines 104 and 106, but the inductance 102 is not connected to the capacitor 102 that does not pass through the lead signal line (or sufficiently small). ). As described above, the resonance frequency can be easily calculated by using the impedance reduction unit that has only the capacitor 102 and can be regarded as having zero inductance.

短絡発振は高周波現象であるためキャパシタ102は電気容量の小さい小型の部品である。図20に示すように、小型のキャパシタ102はベース板120上に容易に実装できる。また、キャパシタ102とバランス抵抗108をまとめてベース板120に実装することができる。   Since the short-circuit oscillation is a high frequency phenomenon, the capacitor 102 is a small component having a small electric capacity. As shown in FIG. 20, the small capacitor 102 can be easily mounted on the base plate 120. Further, the capacitor 102 and the balance resistor 108 can be collectively mounted on the base plate 120.

スイッチング周波数に対するキャパシタ102のインピーダンスは、キャパシタ102と並列に接続されたゲート抵抗(バランス抵抗108)のスイッチング周波数に対するインピーダンスより大きければ、ゲートパルス電流をバランス抵抗108に流すことはできる。しかし、十分なゲート抵抗維持効果を得るためには、スイッチング周波数に対するキャパシタ102のインピーダンスは、スイッチング周波数に対するゲート抵抗(バランス抵抗108)のインピーダンスの10倍より大きいことが好ましい。   If the impedance of the capacitor 102 with respect to the switching frequency is larger than the impedance with respect to the switching frequency of the gate resistor (balance resistor 108) connected in parallel with the capacitor 102, the gate pulse current can flow through the balance resistor 108. However, in order to obtain a sufficient gate resistance maintaining effect, the impedance of the capacitor 102 with respect to the switching frequency is preferably greater than 10 times the impedance of the gate resistance (balance resistor 108) with respect to the switching frequency.

実際に、キャパシタ102のスイッチング周波数に対するインピーダンスを計算する。
キャパシタ102の電気容量C:3nF
引出信号線104、106のインダクタンスLc:20nH
ゲート電圧の立ち上がり時間Ts:1μs
ゲート電圧の立ち上がりの周波数:f
ゲート電圧の立ち上がりの周期:T
ゲート電圧の立ち上がりの角周波数:ω
とすると、

Figure 2015073147
である。
そして、キャパシタ102のスイッチング周波数に対するインピーダンスは、
1/Cω=208.3Ω
となる。
他方、バランス抵抗108の抵抗値は20Ωである。そして、スイッチング周波数(1MHz程度)では引出信号線104、106のインピーダンスは無視できるほど小さい。よって、スイッチング周波数に対するキャパシタ102のインピーダンス(208.3Ω)は、ゲート抵抗(バランス抵抗108)のスイッチング周波数に対するインピーダンス(20Ω)の10倍より大きい。この場合、ゲートパルス電流は、キャパシタ102には流れず、引出信号線104、106とバランス抵抗108に流れる。従って、キャパシタ102はゲートパルス電流に全く影響を与えない。 Actually, the impedance with respect to the switching frequency of the capacitor 102 is calculated.
Capacitance C of capacitor 102: 3 nF
Inductance Lc of the lead signal lines 104 and 106: 20 nH
Gate voltage rise time Ts: 1 μs
Gate voltage rising frequency: f
Gate voltage rise period: T
Angular frequency of gate voltage rise: ω
Then,
Figure 2015073147
It is.
And the impedance with respect to the switching frequency of the capacitor 102 is
1 / Cω = 208.3Ω
It becomes.
On the other hand, the resistance value of the balance resistor 108 is 20Ω. At the switching frequency (about 1 MHz), the impedances of the lead signal lines 104 and 106 are negligibly small. Therefore, the impedance (208.3Ω) of the capacitor 102 with respect to the switching frequency is larger than 10 times the impedance (20Ω) with respect to the switching frequency of the gate resistance (balance resistor 108). In this case, the gate pulse current does not flow through the capacitor 102 but flows through the extraction signal lines 104 and 106 and the balance resistor 108. Therefore, the capacitor 102 has no influence on the gate pulse current.

発振周波数に対するキャパシタ102のインピーダンスは、キャパシタ102と並列に接続されたゲート抵抗(バランス抵抗108)の発振周波数に対するインピーダンスより小さければ、キャパシタ102を設けることによるZp低減効果を得ることはできる。しかし、十分な発振抑制効果を得るためには、発振周波数に対するキャパシタ102のインピーダンスは、発振周波数に対するゲート抵抗(バランス抵抗108)のインピーダンスの0.15倍未満であることが好ましい。   If the impedance of the capacitor 102 with respect to the oscillation frequency is smaller than the impedance with respect to the oscillation frequency of the gate resistor (balance resistor 108) connected in parallel with the capacitor 102, the Zp reduction effect by providing the capacitor 102 can be obtained. However, in order to obtain a sufficient oscillation suppression effect, the impedance of the capacitor 102 with respect to the oscillation frequency is preferably less than 0.15 times the impedance of the gate resistance (balance resistor 108) with respect to the oscillation frequency.

実際に、キャパシタ102の発振周波数に対するインピーダンスを計算する。
発振周波数foは35.7MHzであるので、発振の角周波数ωoは、

Figure 2015073147
である。従ってキャパシタ102の発振周波数に対するインピーダンスは、
Figure 2015073147
となる。
発振周波数に対するキャパシタ102のインピーダンス(1.49Ω)は、発振周波数に対するバランス抵抗108のインピーダンス(20Ω)の0.15倍未満となっている。この場合、発振電流はバランス抵抗108を流れず、キャパシタ102に流れる。 Actually, the impedance with respect to the oscillation frequency of the capacitor 102 is calculated.
Since the oscillation frequency fo is 35.7 MHz, the angular frequency ωo of oscillation is
Figure 2015073147
It is. Therefore, the impedance of the capacitor 102 with respect to the oscillation frequency is
Figure 2015073147
It becomes.
The impedance (1.49Ω) of the capacitor 102 with respect to the oscillation frequency is less than 0.15 times the impedance (20Ω) of the balance resistor 108 with respect to the oscillation frequency. In this case, the oscillation current does not flow through the balance resistor 108 but flows through the capacitor 102.

この場合、Zpは1.49と12(外付けゲート抵抗14bの抵抗値)を足し合わせて13.49となる。図21は、図18の試験回路において、短絡状態のスイッチング素子にON信号を印加したときのゲート電圧波形とゲート電流波形を示す図である。発振を抑制できていることが分かる。   In this case, Zp is 1.49 by adding 1.49 and 12 (the resistance value of the external gate resistor 14b) to 13.49. FIG. 21 is a diagram showing a gate voltage waveform and a gate current waveform when an ON signal is applied to a short-circuited switching element in the test circuit of FIG. It can be seen that the oscillation can be suppressed.

また、インピーダンス低減部を設けない場合のゲート電圧波形を示す図4と、図21を比較すると、ゲート電圧の立ち上がりはほぼ同じなので、キャパシタ102を設けることはスイッチング速度に影響しないことが分かる。   Further, comparing FIG. 21 showing the gate voltage waveform when the impedance reduction unit is not provided with FIG. 21, it can be seen that the rise of the gate voltage is almost the same, so that the provision of the capacitor 102 does not affect the switching speed.

以下の実施の形態6〜8については、実施の形態5との相違点を中心に説明する。また、実施の形態6〜8については試験回路図の説明を省略する。   The following sixth to eighth embodiments will be described focusing on differences from the fifth embodiment. Further, the description of the test circuit diagram is omitted for the sixth to eighth embodiments.

実施の形態6.
図22は、本発明の実施の形態6に係る半導体装置の回路図である。この半導体装置は、インピーダンス低減部として機能するキャパシタ150を備えている。キャパシタ150の両端子から引き出された引出信号線152、154によって、キャパシタ150と並列にゲート抵抗(外付けゲート抵抗156)が接続されている。また、引出信号線152、154によりインダクタンス158が生じる。外付けゲート抵抗156は半導体モジュールの外にあるので、キャパシタ150も半導体モジュールの外に設けられる。従って、キャパシタを半導体モジュール内に収容する場合と比較して設計の自由度を確保できる。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 22 is a circuit diagram of a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. This semiconductor device includes a capacitor 150 that functions as an impedance reduction unit. A gate resistor (external gate resistor 156) is connected in parallel with the capacitor 150 by lead-out signal lines 152 and 154 drawn from both terminals of the capacitor 150. Further, the lead signal lines 152 and 154 generate an inductance 158. Since the external gate resistor 156 is outside the semiconductor module, the capacitor 150 is also provided outside the semiconductor module. Therefore, the degree of freedom in design can be ensured as compared with the case where the capacitor is accommodated in the semiconductor module.

実施の形態7.
図23は、本発明の実施の形態7に係る半導体装置の回路図である。この半導体装置は、インピーダンス低減部として機能するキャパシタとして、外付けゲート抵抗156が並列に接続された第1キャパシタ160と、バランス抵抗108が並列に接続された第2キャパシタ162とを有している。第1キャパシタ160は実施の形態5のキャパシタ102と同様の機能を有する。第2キャパシタ162は実施の形態6のキャパシタ150と同様の機能を有する。従って、Zpを大幅に低下させて発振抑制効果を高めることができる。
Embodiment 7 FIG.
FIG. 23 is a circuit diagram of a semiconductor device according to Embodiment 7 of the present invention. This semiconductor device has a first capacitor 160 to which an external gate resistor 156 is connected in parallel and a second capacitor 162 to which a balance resistor 108 is connected in parallel as capacitors that function as an impedance reduction unit. . First capacitor 160 has the same function as capacitor 102 of the fifth embodiment. Second capacitor 162 has the same function as capacitor 150 of the sixth embodiment. Therefore, Zp can be greatly reduced to increase the oscillation suppression effect.

実施の形態8.
図24は、本発明の実施の形態8に係る半導体装置の回路図である。この半導体装置は、インピーダンス低減部として機能するキャパシタ200を備えている。キャパシタ200の両端子から引き出された引出信号線202、204によって、キャパシタ200と並列にゲート抵抗(外付けゲート抵抗206とバランス抵抗208)が接続されている。また、引出信号線202、204によりインダクタンス210が生じる。この半導体装置はキャパシタが1個で足りるので、実施形態7の半導体装置より部品点数を少なくすることができる。なお、ここまでの各実施の形態の半導体装置の特徴を適宜に組み合わせてもよい。
Embodiment 8 FIG.
FIG. 24 is a circuit diagram of a semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention. This semiconductor device includes a capacitor 200 that functions as an impedance reduction unit. A gate resistor (external gate resistor 206 and balance resistor 208) is connected in parallel with the capacitor 200 by lead-out signal lines 202 and 204 drawn from both terminals of the capacitor 200. Further, an inductance 210 is generated by the lead signal lines 202 and 204. Since this semiconductor device requires only one capacitor, the number of components can be reduced as compared with the semiconductor device of the seventh embodiment. Note that the features of the semiconductor devices in the above embodiments may be combined as appropriate.

10 半導体装置、 12 スイッチング素子、 12a ゲート端子、 14 ゲート抵抗、 14a バランス抵抗、 14b 外付けゲート抵抗、 16 インピーダンス低減部、 16a キャパシタ、 16b インダクタンス、 20 直流電圧電源、 22,24 インダクタンス、 26 ゲート配線抵抗、 28 ゲート配線インダクタンス、 30 静電容量、 40 ゲート電源、 50,60 インピーダンス低減部、 50a,60a キャパシタ、 50b,60b インダクタンス、 100 半導体装置、 101 ゲート信号線、 102 キャパシタ、 104,106 引出信号線、 108 バランス抵抗、 110 インダクタンス、 120 ベース板、 122 絶縁メタライズ基板、 124 セラミック基板、 126 接続端子、 150,160,162,200 キャパシタ、 152,154,202,204 引出信号線   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor device, 12 Switching element, 12a Gate terminal, 14 Gate resistance, 14a Balance resistance, 14b External gate resistance, 16 Impedance reduction part, 16a Capacitor, 16b Inductance, 20 DC voltage power supply, 22,24 Inductance, 26 Gate wiring Resistance, 28 Gate wiring inductance, 30 Capacitance, 40 Gate power supply, 50, 60 Impedance reduction unit, 50a, 60a capacitor, 50b, 60b Inductance, 100 Semiconductor device, 101 Gate signal line, 102 Capacitor, 104, 106 Extraction signal Wire, 108 balance resistor, 110 inductance, 120 base plate, 122 insulating metallized substrate, 124 ceramic substrate, 126 connection terminal, 50,160,162,200 capacitor, 152,154,202,204 lead signal lines

Claims (18)

ゲート端子を有するスイッチング素子と、
前記ゲート端子に接続されたゲート抵抗と、
前記ゲート抵抗に接続されたインピーダンス低減部と、を備え、
前記スイッチング素子の内部に形成される発振回路の発振周波数に対する前記インピーダンス低減部のインピーダンスは、前記発振周波数に対する前記ゲート抵抗のインピーダンスより小さく、
前記発振回路の発振電流が前記インピーダンス低減部を流れることで、前記ゲート端子から前記ゲート抵抗側の前記発振周波数に対するインピーダンスの絶対値が、前記ゲート端子から前記スイッチング素子側の前記発振周波数に対するインピーダンスの絶対値より小さくなっていることを特徴とする半導体装置。
A switching element having a gate terminal;
A gate resistor connected to the gate terminal;
An impedance reduction unit connected to the gate resistor,
The impedance of the impedance reduction unit with respect to the oscillation frequency of the oscillation circuit formed inside the switching element is smaller than the impedance of the gate resistor with respect to the oscillation frequency,
When the oscillation current of the oscillation circuit flows through the impedance reduction unit, the absolute value of the impedance with respect to the oscillation frequency from the gate terminal to the gate resistance side is the impedance of the impedance with respect to the oscillation frequency from the gate terminal to the switching element side. A semiconductor device characterized by being smaller than an absolute value.
前記ゲート抵抗は、外付けゲート抵抗を有し、
前記インピーダンス低減部は、前記外付けゲート抵抗に並列に接続されたLC直列共振回路を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The gate resistor has an external gate resistor,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the impedance reduction unit includes an LC series resonance circuit connected in parallel to the external gate resistor.
前記ゲート抵抗は、バランス抵抗を有し、
前記インピーダンス低減部は、前記バランス抵抗に並列に接続されたLC直列共振回路を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The gate resistor has a balance resistor,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the impedance reduction unit includes an LC series resonance circuit connected in parallel to the balance resistor.
前記ゲート抵抗は、直列接続されたバランス抵抗と外付けゲート抵抗とを有し、
前記インピーダンス低減部は、前記ゲート抵抗に並列に接続されたLC直列共振回路を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The gate resistor has a balance resistor and an external gate resistor connected in series,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the impedance reduction unit includes an LC series resonance circuit connected in parallel to the gate resistor.
前記LC直列共振回路の共振周波数は、前記発振周波数と同じであることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 2, wherein a resonance frequency of the LC series resonance circuit is the same as the oscillation frequency. 6. 前記ゲート抵抗は、直列接続されたバランス抵抗と外付けゲート抵抗とを有し、
前記インピーダンス低減部は、前記バランス抵抗に並列に接続された第1LC直列共振回路と、前記外付けゲート抵抗に並列に接続された第2LC直列共振回路とを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The gate resistor has a balance resistor and an external gate resistor connected in series,
The impedance reduction unit includes a first LC series resonance circuit connected in parallel to the balance resistor and a second LC series resonance circuit connected in parallel to the external gate resistor. The semiconductor device described.
前記第1LC直列共振回路と前記第2LC直列共振回路の共振周波数は、前記発振周波数と同じであることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 6, wherein a resonance frequency of the first LC series resonance circuit and the second LC series resonance circuit is the same as the oscillation frequency. 前記インピーダンス低減部は、一端が前記ゲート抵抗に接続され、他端が接地されたLC直列共振回路を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the impedance reduction unit includes an LC series resonance circuit having one end connected to the gate resistance and the other end grounded. 前記スイッチング素子のスイッチング周波数に対する前記インピーダンス低減部のインピーダンスの絶対値は、前記スイッチング周波数に対する前記ゲート抵抗のインピーダンスの絶対値より大きいことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置。   The absolute value of the impedance of the impedance reduction unit with respect to the switching frequency of the switching element is larger than the absolute value of the impedance of the gate resistance with respect to the switching frequency. Semiconductor device. ゲート端子を有するスイッチング素子と、
前記ゲート端子に接続されたゲート信号線と、
前記ゲート信号線に直列に接続されたキャパシタと、
前記キャパシタの両端子から引き出された引出信号線によって、前記キャパシタと並列に接続されたゲート抵抗と、を備え、
前記スイッチング素子の内部に形成される発振回路の発振周波数に対する前記キャパシタのインピーダンスは、前記発振周波数に対する前記ゲート抵抗のインピーダンスより小さく、
前記発振回路の発振電流が前記キャパシタを流れることで、前記ゲート端子から前記ゲート抵抗側の前記発振周波数に対するインピーダンスの絶対値が、前記ゲート端子から前記スイッチング素子側の前記発振周波数に対するインピーダンスの絶対値より小さくなっていることを特徴とする半導体装置。
A switching element having a gate terminal;
A gate signal line connected to the gate terminal;
A capacitor connected in series to the gate signal line;
A gate resistor connected in parallel with the capacitor by a lead-out signal line drawn from both terminals of the capacitor;
The impedance of the capacitor with respect to the oscillation frequency of the oscillation circuit formed inside the switching element is smaller than the impedance of the gate resistor with respect to the oscillation frequency,
When the oscillation current of the oscillation circuit flows through the capacitor, the absolute value of the impedance with respect to the oscillation frequency from the gate terminal to the gate resistance side is the absolute value of the impedance with respect to the oscillation frequency from the gate terminal to the switching element side. A semiconductor device characterized by being smaller.
前記ゲート抵抗は、バランス抵抗であることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 10, wherein the gate resistance is a balance resistance. 前記ゲート抵抗は、外付けゲート抵抗であることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 10, wherein the gate resistance is an external gate resistance. 前記ゲート抵抗は、直列接続されたバランス抵抗と外付け抵抗とを有することを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 10, wherein the gate resistor has a balance resistor and an external resistor connected in series. 前記ゲート抵抗は、直列接続されたバランス抵抗と外付けゲート抵抗とを有し、
前記キャパシタは、前記外付けゲート抵抗が並列に接続された第1キャパシタと、前記バランス抵抗が並列に接続された第2キャパシタとを有することを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
The gate resistor has a balance resistor and an external gate resistor connected in series,
The semiconductor device according to claim 10, wherein the capacitor includes a first capacitor to which the external gate resistor is connected in parallel and a second capacitor to which the balance resistor is connected in parallel.
前記スイッチング素子のスイッチング周波数に対する前記キャパシタのインピーダンスは、前記スイッチング周波数に対する前記ゲート抵抗のインピーダンスの10倍より大きいことを特徴とする請求項10〜14のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 10, wherein an impedance of the capacitor with respect to a switching frequency of the switching element is greater than 10 times an impedance of the gate resistor with respect to the switching frequency. 前記発振周波数に対する前記キャパシタのインピーダンスは、前記発振周波数に対する前記ゲート抵抗のインピーダンスの0.15倍未満であることを特徴とする請求項10〜15のいずれか1項に記載の半導体装置。   16. The semiconductor device according to claim 10, wherein an impedance of the capacitor with respect to the oscillation frequency is less than 0.15 times an impedance of the gate resistance with respect to the oscillation frequency. 前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the switching element is formed of a wide band gap semiconductor. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 17, wherein the wide band gap semiconductor is silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond.
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