JP5892772B2 - Semiconductor device and inverter, converter and power conversion device using the same - Google Patents
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Description
この発明は半導体装置と、それを用いたインバータ、コンバータおよび電力変換装置に関し、特に、高耐圧トランジスタを備えた半導体装置と、それを用いたインバータ、コンバータ、および電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and an inverter, a converter and a power conversion device using the semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device provided with a high breakdown voltage transistor and an inverter, a converter and a power conversion device using the semiconductor device.
従来より、電力変換装置では、高耐圧トランジスタが使用されている。また、電力変換装置の定格電流を増やすため、並列接続された複数の高耐圧トランジスタを使用する方法もある。この方法では、複数の高耐圧トランジスタのうちのしきい値電圧が低い高耐圧トランジスタに電流が集中するのを防止するために、各高耐圧トランジスタの電流を検出し、複数の高耐圧トランジスタの電流の差が所定値よりも大きくなった場合は、ゲート抵抗素子の抵抗値を通常よりも小さくして複数の高耐圧トランジスタのターンオンを早める(たとえば、特許文献1参照)。 Conventionally, high voltage transistors have been used in power conversion devices. There is also a method of using a plurality of high voltage transistors connected in parallel in order to increase the rated current of the power converter. In this method, in order to prevent the current from concentrating on a high breakdown voltage transistor having a low threshold voltage among a plurality of high breakdown voltage transistors, the current of each high breakdown voltage transistor is detected and the current of the plurality of high breakdown voltage transistors is detected. When the difference between them becomes larger than a predetermined value, the resistance value of the gate resistance element is made smaller than usual to speed up the turn-on of the plurality of high voltage transistors (for example, see Patent Document 1).
しかし、従来の電力変換装置では、高耐圧トランジスタのしきい値電圧のばらつきに起因してターンオン時間がばらつき、電力変換装置の性能もばらつくという問題があった。 However, the conventional power conversion device has a problem that the turn-on time varies due to the variation in threshold voltage of the high voltage transistor, and the performance of the power conversion device varies.
また、特許文献1の方法では、高耐圧トランジスタと同数の電流センサを設け、各ゲート抵抗素子を可変抵抗素子で構成し、電流センサの検出結果に基いてゲート抵抗素子の抵抗値を制御する制御部が必要となり、装置構成が複雑になり、コスト高になるという問題がある。
Further, in the method of
それゆえに、この発明の主たる目的は、性能のばらつきが小さな半導体装置と、それを用いたインバータ、コンバータおよび電力変換装置を提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide a semiconductor device with small variation in performance, and an inverter, a converter, and a power conversion device using the semiconductor device.
この発明に係る半導体装置は、第1および第2のノード間に並列接続された複数のスイッチング回路を備え、複数のスイッチング回路の各々は、第1の電極が第1のノードに接続された第1のスイッチング素子と、第1の電極が第1のスイッチング素子の第2の電極に接続され、第2の電極が第2のノードに接続された第2のスイッチング素子と、第2のスイッチング素子に並列接続された第3のスイッチング素子とを含む。第1のスイッチング素子の第1および第2の電極間の耐圧は、第2および第3のスイッチング素子の各々の第1および第2の電極間の耐圧よりも高い。第2のスイッチング素子のオン抵抗値は第3のスイッチング素子のオン抵抗値よりも大きい。複数の第1のスイッチング素子の制御電極はともに第1の制御端子に接続され、複数の第2のスイッチング素子の制御電極はともに第2の制御端子に接続され、複数の第3のスイッチング素子の制御電極はともに第3の制御端子に接続されている。 A semiconductor device according to the present invention includes a plurality of switching circuits connected in parallel between a first node and a second node, and each of the plurality of switching circuits includes a first electrode having a first electrode connected to the first node. A first switching element, a second switching element having a first electrode connected to a second electrode of the first switching element, and a second electrode connected to a second node; and a second switching element And a third switching element connected in parallel. The withstand voltage between the first and second electrodes of the first switching element is higher than the withstand voltage between the first and second electrodes of each of the second and third switching elements. The on-resistance value of the second switching element is larger than the on-resistance value of the third switching element. The control electrodes of the plurality of first switching elements are all connected to the first control terminal, the control electrodes of the plurality of second switching elements are all connected to the second control terminal, and the plurality of third switching elements Both control electrodes are connected to the third control terminal.
この発明に係る他の半導体装置は、第1および第2のノード間に並列接続された複数のスイッチング回路を備え、複数のスイッチング回路の各々は、第1の電極が第1のノードに接続された第1のスイッチング素子と、第1の電極が第1のスイッチング素子の第2の電極に接続され、第2の電極が第2のノードに接続された第2のスイッチング素子と、第2のスイッチング素子に並列接続された第3のスイッチング素子とを含む。第1のスイッチング素子の第1および第2の電極間の耐圧は、第2および第3のスイッチング素子の各々の第1および第2の電極間の耐圧よりも高い。複数の第1のスイッチング素子の制御電極はともに第1の制御端子に接続され、複数の第2のスイッチング素子の制御電極はともに第2の制御端子に接続され、複数の第3のスイッチング素子の制御電極はともに第3の制御端子に接続されている。第1のスイッチング素子は第1のトランジスタであり、第2のスイッチング素子は、直列接続された第1の抵抗素子および第2のトランジスタであり、第3のスイッチング素子は第3のトランジスタである。 Another semiconductor device according to the present invention includes a plurality of switching circuits connected in parallel between first and second nodes, each of the plurality of switching circuits having a first electrode connected to the first node. A first switching element, a second switching element in which the first electrode is connected to the second electrode of the first switching element, and the second electrode is connected to the second node; And a third switching element connected in parallel to the switching element. The withstand voltage between the first and second electrodes of the first switching element is higher than the withstand voltage between the first and second electrodes of each of the second and third switching elements. The control electrodes of the plurality of first switching elements are all connected to the first control terminal, the control electrodes of the plurality of second switching elements are all connected to the second control terminal, and the plurality of third switching elements Both control electrodes are connected to the third control terminal. The first switching element is a first transistor, the second switching element is a first resistance element and a second transistor connected in series, and the third switching element is a third transistor.
また好ましくは、第1〜第3のトランジスタの各々はノーマリーオフ型トランジスタである。 Preferably, each of the first to third transistors is a normally-off transistor.
また好ましくは、第1のトランジスタはノーマリーオン型トランジスタであり、第2および第3のトランジスタの各々はノーマリーオフ型トランジスタである。 Preferably, the first transistor is a normally-on transistor, and each of the second and third transistors is a normally-off transistor.
また好ましくは、さらに、各第1のスイッチング素子に対応して設けられ、対応する第1のスイッチング素子の制御電極と第1の制御端子との間に介挿された第2の抵抗素子と、各第2のスイッチング素子に対応して設けられ、対応する第2のスイッチング素子の制御電極と第2の制御端子との間に介挿された第3の抵抗素子と、各第3のスイッチング素子に対応して設けられ、対応する第3のスイッチング素子の制御電極と第3の制御端子との間に介挿された第4の抵抗素子とを備える。 Further preferably, a second resistance element provided corresponding to each first switching element and interposed between the control electrode and the first control terminal of the corresponding first switching element, A third resistance element provided corresponding to each second switching element and interposed between a control electrode and a second control terminal of the corresponding second switching element; and each third switching element And a fourth resistance element interposed between the control electrode of the corresponding third switching element and the third control terminal.
また好ましくは、第1のノードは第1の電圧を受け、第2のノードは第2の電圧を受け、第1の制御端子は第3の電圧を受ける。第2のスイッチング素子をオン/オフ制御するための第1の制御信号が第2の制御端子に与えられ、第3のスイッチング素子をオン/オフ制御するための第2の制御信号が第3の制御端子に与えられる。 Also preferably, the first node receives the first voltage, the second node receives the second voltage, and the first control terminal receives the third voltage. A first control signal for on / off control of the second switching element is provided to the second control terminal, and a second control signal for on / off control of the third switching element is the third control signal. It is given to the control terminal.
また好ましくは、第1のノードは第1の電圧を受け、第2のノードは第2の電圧を受け、第1の制御端子は第3の電圧を受ける。第2のスイッチング素子のしきい値電圧は第3のスイッチング素子のしきい値電圧よりも低く、第2および第3のスイッチング素子をオン/オフ制御するための制御信号が第2および第3の制御端子に与えられる。 Also preferably, the first node receives the first voltage, the second node receives the second voltage, and the first control terminal receives the third voltage. The threshold voltage of the second switching element is lower than the threshold voltage of the third switching element, and control signals for on / off control of the second and third switching elements are the second and third It is given to the control terminal.
また好ましくは、第1および第2のノード間を導通させる場合は、複数の第2のスイッチング素子をオンさせて複数の第1のスイッチング素子をオンさせた後に複数の第3のスイッチング素子をオンさせる。 Preferably, when conducting between the first and second nodes, the plurality of second switching elements are turned on to turn on the plurality of first switching elements, and then the plurality of third switching elements are turned on. Let
また好ましくは、第1および第2のノード間を非導通にする場合は、複数の第3のスイッチング素子をオフさせた後に複数の第2のスイッチング素子をオフさせて複数の第1のスイッチング素子をオフさせる。 Preferably, when the first and second nodes are made non-conductive, the plurality of first switching elements are turned off by turning off the plurality of second switching elements after turning off the plurality of third switching elements. Turn off.
また、この発明に係る他の半導体装置は、第1の電極が第1のノードに接続された第1のスイッチング素子と、第1の電極が第1のスイッチング素子の第2の電極に接続され、第2の電極が第2のノードに接続された第2のスイッチング素子と、第2のスイッチング素子に並列接続された第3のスイッチング素子とを含む。第1のスイッチング素子の第1および第2の電極間の耐圧は、第2および第3のスイッチング素子の各々の第1および第2の電極間の耐圧よりも高い。第2のスイッチング素子のオン抵抗値は第3のスイッチング素子のオン抵抗値よりも大きい。第1および第2のノード間を導通させる場合は、第2のスイッチング素子をオンさせて第1のスイッチング素子をオンさせた後に第3のスイッチング素子をオンさせる。 In another semiconductor device according to the present invention, a first switching element having a first electrode connected to a first node, and a first electrode connected to a second electrode of the first switching element. , A second switching element having a second electrode connected to the second node, and a third switching element connected in parallel to the second switching element. The withstand voltage between the first and second electrodes of the first switching element is higher than the withstand voltage between the first and second electrodes of each of the second and third switching elements. The on-resistance value of the second switching element is larger than the on-resistance value of the third switching element. When conducting between the first and second nodes, the second switching element is turned on to turn on the first switching element, and then the third switching element is turned on.
また、この発明に係るコンバータは、上記半導体装置を備えたものである。
また、この発明に係るインバータは、上記半導体装置を備えたものである。
A converter according to the present invention includes the semiconductor device.
An inverter according to the present invention includes the semiconductor device.
また、この発明に係る電力変換回路は、上記半導体装置を備えたものである。 A power conversion circuit according to the present invention includes the semiconductor device.
この発明に係る半導体装置では、各スイッチング回路は第1および第2のノード間に直列接続された第1および第2のスイッチング素子と、第2のスイッチング素子に並列接続された第3のスイッチング素子とを含み、第1のスイッチング素子の第1および第2の電極間の耐圧は、第2および第3のスイッチング素子の各々の第1および第2の電極間の耐圧よりも高く、第2のスイッチング素子のオン抵抗値は第3のスイッチング素子のオン抵抗値よりも大きい。したがって、オン抵抗値の大きな第2のスイッチング素子によって高耐圧の第1のスイッチング素子のスイッチングを行なうことにより、第1のスイッチング素子のしきい値電圧のばらつきが第1のスイッチング素子の第1および第2の電極間電流のばらつきに与える影響を小さくすることができる。このため、電流センサなどを設けることなく、1つのスイッチング回路に電流が集中するのを防止することができ、装置構成の簡単化と、低コスト化を図ることができる。
In the semiconductor device according to the present invention, each switching circuit includes first and second switching elements connected in series between the first and second nodes, and a third switching element connected in parallel to the second switching element. And the withstand voltage between the first and second electrodes of the first switching element is higher than the withstand voltage between the first and second electrodes of each of the second and third switching elements, The on-resistance value of the switching element is larger than the on-resistance value of the third switching element. Therefore, by performing the switching of the first switching element having a high withstand voltage by the large second switching element ON resistance value, variation in the threshold voltage of the first switching element is in the first switching element and the first In addition, the influence on the variation in the second interelectrode current can be reduced. For this reason, it is possible to prevent the current from being concentrated on one switching circuit without providing a current sensor or the like, and to simplify the device configuration and reduce the cost.
[実施の形態1]
この発明の本実施の形態1による半導体装置は、第1の電極が第1のノードに接続された第1のスイッチング素子と、第1の電極が第1のスイッチング素子の第2の電極に接続され、第2の電極が第2のノードに接続された第2のスイッチング素子と、第2のスイッチング素子に並列接続された第3のスイッチング素子とを含むものである。第1のスイッチング素子の第1および第2の電極間の耐圧は、第2および第3のスイッチング素子の各々の第1および第2の電極間の耐圧よりも高い。第2のスイッチング素子のオン抵抗値は、第3のスイッチング素子のオン抵抗値よりも大きい。第1および第2のノード間を導通させる場合は、第2のスイッチング素子をオンさせて第1のスイッチング素子をオンさせた後に第3のスイッチング素子をオンさせる。以下、本実施の形態1の半導体装置を図面を用いて詳細に説明する。
[Embodiment 1]
In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the first switching element having the first electrode connected to the first node and the first electrode connected to the second electrode of the first switching element The second switching element having the second electrode connected to the second node and the third switching element connected in parallel to the second switching element. The withstand voltage between the first and second electrodes of the first switching element is higher than the withstand voltage between the first and second electrodes of each of the second and third switching elements. The on-resistance value of the second switching element is larger than the on-resistance value of the third switching element. When conducting between the first and second nodes, the second switching element is turned on to turn on the first switching element, and then the third switching element is turned on. Hereinafter, the semiconductor device according to the first embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
本実施の形態1の半導体装置は、図1に示すように、NチャネルMOSトランジスタQ1〜Q3および抵抗素子R1を含む。トランジスタQ1のドレインはノードN1に接続される。抵抗素子R1の一方端子は、トランジスタQ1のソースに接続される。トランジスタQ2のドレインは抵抗素子R1の他方端子に接続され、そのソースはノードN2に接続される。トランジスタQ3のドレインは抵抗素子R1の一方端子に接続され、そのソースはノードN2に接続される。トランジスタQ1は第1のスイッチング素子を構成し、トランジスタQ2および抵抗素子R1は第2のスイッチング素子を構成し、トランジスタQ3は第3のスイッチング素子を構成する。 As shown in FIG. 1, the semiconductor device of the first embodiment includes N channel MOS transistors Q1-Q3 and a resistance element R1. The drain of transistor Q1 is connected to node N1. One terminal of resistance element R1 is connected to the source of transistor Q1. Transistor Q2 has its drain connected to the other terminal of resistance element R1, and its source connected to node N2. Transistor Q3 has its drain connected to one terminal of resistance element R1, and its source connected to node N2. The transistor Q1 constitutes a first switching element, the transistor Q2 and the resistance element R1 constitute a second switching element, and the transistor Q3 constitutes a third switching element.
トランジスタQ1は高耐圧トランジスタであり、トランジスタQ2,Q3の各々は低耐圧トランジスタである。市販のトランジスタQ1のしきい値電圧VT1は、4V〜7Vの範囲でばらついている。また、市販のトランジスタQ2,Q3のしきい値電圧VT2,VT3の各々は、1V〜3Vの範囲でばらついている。トランジスタQ2,Q3は、同じ種類の同じ特性のトランジスタである。抵抗素子R1の抵抗値は、たとえば70mΩである。 The transistor Q1 is a high breakdown voltage transistor, and each of the transistors Q2 and Q3 is a low breakdown voltage transistor. The threshold voltage VT1 of the commercially available transistor Q1 varies in the range of 4V to 7V. Each of threshold voltages VT2 and VT3 of commercially available transistors Q2 and Q3 varies in the range of 1V to 3V. The transistors Q2 and Q3 are transistors of the same type and the same characteristics. The resistance value of the resistance element R1 is, for example, 70 mΩ.
なお、トランジスタQ2,Q3のオン時の抵抗値は、たとえば5mΩ〜200mΩである。抵抗素子R1の抵抗値は、トランジスタQ1のしきい値電圧VT1のばらつきの影響を低減することができ、かつ抵抗素子R1による損失が入力電力の0.1%以下になるように、トランジスタQ2,Q3のオン時の抵抗値と同程度以上の値(たとえば、5mΩ〜10Ω)に設定される。 The resistance value when transistors Q2 and Q3 are on is, for example, 5 mΩ to 200 mΩ. The resistance value of the resistor element R1 can reduce the influence of the variation in the threshold voltage VT1 of the transistor Q1, and the loss of the resistor element R1 is 0.1% or less of the input power. It is set to a value equal to or higher than the resistance value when Q3 is on (for example, 5 mΩ to 10Ω).
すなわち、抵抗素子R1に電流が流れるのは、トランジスタQ2がオンし、かつトランジスタQ3がオフしているときである。半導体装置をターンオンさせる場合は、トランジスタQ2をオンさせてから100ns後にトランジスタQ3をオンさせてオン抵抗値の低いトランジスタQ3側に電流を流す。半導体装置をターンオフさせる場合は、トランジスタQ3をオフさせてから100ns後にトランジスタQ2をオフさせる。半導体装置を10kHzでオン/オフさせ、抵抗素子R1の抵抗値を10Ωとし、抵抗素子R1に流れる電流値を5Aとすると、抵抗素子R1における損失は、5A×5A×10Ω×100ns×2回(オン時とオフ時)×10kHz=1Wとなる。したがって、入力電力が1000Wであるとき、抵抗素子R1による損失は入力電力の0.1%となる。 That is, the current flows through the resistance element R1 when the transistor Q2 is on and the transistor Q3 is off. When the semiconductor device is turned on, the transistor Q3 is turned on 100 ns after the transistor Q2 is turned on, and a current is supplied to the transistor Q3 having a low on-resistance value. When turning off the semiconductor device, the transistor Q2 is turned off 100 ns after the transistor Q3 is turned off. When the semiconductor device is turned on / off at 10 kHz, the resistance value of the resistance element R1 is 10Ω, and the current value flowing through the resistance element R1 is 5A, the loss in the resistance element R1 is 5A × 5A × 10Ω × 100ns × 2 times ( On and off) × 10 kHz = 1 W. Therefore, when the input power is 1000 W, the loss due to the resistance element R1 is 0.1% of the input power.
また、トランジスタQ1のデータシート上でのしきい値電圧VT1がVT1>VT1_minであり、抵抗素子R1とトランジスタQ1に流れる電流をI1とし、トランジスタQ1のゲート電圧をVg1とし、抵抗素子R1の抵抗値をr1とし、トランジスタQ2に電流I1が流れたときのトランジスタQ2のオン抵抗値をr2とすると、次式(1)が成立する。
I1<(Vg1−Vth1_min)/(r1+r2) …(1)
したがって、トランジスタQ1のしきい値電圧VT1がばらついても、抵抗素子R1の抵抗値r1を適値に設定することにより、トランジスタQ1に流れる電流I1の値を所望の安全動作範囲内の値に制限することができる。
Further, the threshold voltage VT1 on the data sheet of the transistor Q1 is VT1> VT1_min, the current flowing through the resistance element R1 and the transistor Q1 is I1, the gate voltage of the transistor Q1 is Vg1, and the resistance value of the resistance element R1 Is r1, and the on-resistance value of the transistor Q2 when the current I1 flows through the transistor Q2 is r2, the following equation (1) is established.
I1 <(Vg1-Vth1_min) / (r1 + r2) (1)
Therefore, even if the threshold voltage VT1 of the transistor Q1 varies, the value of the current I1 flowing through the transistor Q1 is limited to a value within a desired safe operating range by setting the resistance value r1 of the resistance element R1 to an appropriate value. can do.
ノードN1には直流電圧V1が与えられ、ノードN2には直流電圧V1よりも低い直流電圧V2が与えられ、トランジスタQ1のゲートには直流電圧V3が与えられる。V3−V2は、トランジスタQ1のしきい値電圧VT1よりも十分に大きな電圧に設定されている。トランジスタQ2,Q3のゲートには、それぞれ制御信号CNT1,CNT2が与えられる。 DC voltage V1 is applied to node N1, DC voltage V2 lower than DC voltage V1 is applied to node N2, and DC voltage V3 is applied to the gate of transistor Q1. V3-V2 is set to a voltage sufficiently higher than the threshold voltage VT1 of the transistor Q1. Control signals CNT1 and CNT2 are applied to the gates of the transistors Q2 and Q3, respectively.
初期状態では、制御信号CNT1,CNT2がともに「L」レベルにされているものとする。この場合は、トランジスタQ1〜Q3はともにオフし、ノードN1,N2間は非導通状態になっている。 In the initial state, it is assumed that both the control signals CNT1 and CNT2 are set to the “L” level. In this case, the transistors Q1 to Q3 are all turned off, and the nodes N1 and N2 are in a non-conductive state.
ノードN1,N2間を導通状態にさせる場合は、まず制御信号CNT1を「L」レベルから「H」レベルに立ち上げる。これにより、トランジスタQ2がオンしてトランジスタQ1のソース電圧が低下し、トランジスタQ1のゲート−ソース間電圧がトランジスタQ1のしきい値電圧VT1を超えると、トランジスタQ1がオンし、ノードN1,N2間が導通状態になる。次いで制御信号CNT2が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられる。これにより、トランジスタQ3がオンし、ノードN1,N2間の抵抗値が小さくなって導通損失が小さくなる。 In order to make the nodes N1 and N2 conductive, first, the control signal CNT1 is raised from the “L” level to the “H” level. As a result, the transistor Q2 is turned on and the source voltage of the transistor Q1 is lowered. When the gate-source voltage of the transistor Q1 exceeds the threshold voltage VT1 of the transistor Q1, the transistor Q1 is turned on, and between the nodes N1 and N2 Becomes conductive. Next, the control signal CNT2 is raised from the “L” level to the “H” level. Thereby, the transistor Q3 is turned on, the resistance value between the nodes N1 and N2 is reduced, and the conduction loss is reduced.
また、ノードN1,N2間を導通状態から非導通状態にさせる場合は、まず制御信号CNT2を「H」レベルから「L」レベルに立ち下げ、トランジスタQ3をオフさせる。次いで制御信号CNT2を「H」レベルから「L」レベルに立ち下げる。これにより、トランジスタQ2がオフしてトランジスタQ1のソース電圧が上昇し、トランジスタQ1のゲート−ソース間電圧がトランジスタQ1のしきい値電圧VT1よりも小さくなると、トランジスタQ1がオフする。 When the node N1, N2 is changed from the conductive state to the non-conductive state, the control signal CNT2 is first lowered from the “H” level to the “L” level, and the transistor Q3 is turned off. Next, the control signal CNT2 falls from the “H” level to the “L” level. Thereby, the transistor Q2 is turned off, the source voltage of the transistor Q1 is increased, and when the gate-source voltage of the transistor Q1 becomes lower than the threshold voltage VT1 of the transistor Q1, the transistor Q1 is turned off.
この実施の形態1では、オン抵抗値が大きな第2のスイッチング素子(トランジスタQ2および抵抗素子R1)によって高耐圧のトランジスタQ1のスイッチングを行なうことにより、トランジスタQ1のしきい値電圧VT1のばらつきがトランジスタQ1のドレイン電流のばらつきに与える影響を小さくすることができ、ターンオン時間のばらつきを小さく抑制することができる。 In the first embodiment, the high-breakdown-voltage transistor Q1 is switched by the second switching element (transistor Q2 and resistance element R1) having a large on-resistance value, whereby the variation in the threshold voltage VT1 of the transistor Q1 is reduced. The influence on the variation in the drain current of Q1 can be reduced, and the variation in the turn-on time can be suppressed small.
図2は、図1に示した半導体装置を用いた昇圧チョッパの構成を示す回路図である。図2において、昇圧チョッパは、直流電源1の出力電圧を昇圧して負荷回路6に与える回路であって、NチャネルMOSトランジスタQ1〜Q3、抵抗素子R1、制御信号源S1,S2、ゲート抵抗素子R2〜R4、直流電源2、リアクトル3、ダイオード4、およびコンデンサ5を備える。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a step-up chopper using the semiconductor device shown in FIG. In FIG. 2, the boost chopper is a circuit that boosts the output voltage of the
トランジスタQ1、抵抗素子R1、およびトランジスタQ2はノードN1,N2間に直列接続される。トランジスタQ3は、トランジスタQ1のソースとノードN2との間に接続される。ノードN2は、接地電圧GNDのラインに接続される。リアクトル3は、直流電源1の正極とノードN1の間に接続される。ダイオード4のアノードはノードN1に接続され、そのカソードはコンデンサ5を介して接地電圧GNDのラインに接続される。負荷回路6は、コンデンサ5に並列接続される。
Transistor Q1, resistance element R1, and transistor Q2 are connected in series between nodes N1 and N2. Transistor Q3 is connected between the source of transistor Q1 and node N2. Node N2 is connected to a line of ground voltage GND.
ゲート抵抗素子R2は、直流電源2の正極とトランジスタQ1のゲートとの間に接続される。ゲート抵抗素子R3は、制御信号源S1の出力ノードとトランジスタQ2のゲートとの間に接続される。ゲート抵抗素子R4は、制御信号源S2の出力ノードとトランジスタQ3のゲートとの間に接続される。直流電源1,2の負極は接地され、信号源S1,S2の接地ノードは接地される。
Gate resistance element R2 is connected between the positive electrode of
リアクトル3のリアクタンスは、たとえば5mHである。ダイオード4としては、SiCショットキーバリアダイオードを使用した。コンデンサ5の容量値は、たとえば200μFである。負荷回路6としては、抵抗値が7.8Ωの抵抗素子を使用した。制御信号源S1,S2は、それぞれ制御信号CNT1,CNT2を出力する。制御信号CNT1,CNT2の各々は、10KHzの矩形波信号である。
The reactance of the
トランジスタQ1〜Q3をオンさせる場合は、図3に示すように、制御信号CNT1を「L」レベルから「H」レベルに立ち上げた後に、制御信号CNT2を「L」レベルから「H」レベルに立ち上げる。逆に、トランジスタQ1〜Q3をオフさせる場合は、制御信号CNT2を「H」レベルから「L」レベルに立ち下げた後に、制御信号CNT1を「H」レベルから「L」レベルに立ち下げる。 When turning on the transistors Q1 to Q3, as shown in FIG. 3, after raising the control signal CNT1 from the “L” level to the “H” level, the control signal CNT2 is changed from the “L” level to the “H” level. Launch. Conversely, when turning off the transistors Q1 to Q3, the control signal CNT2 is lowered from the “H” level to the “L” level after the control signal CNT2 is lowered from the “H” level to the “L” level.
図2に戻って、トランジスタQ1〜Q3をオンさせると、直流電源1からリアクトル3および半導体装置(トランジスタQ1〜Q3および抵抗素子R1)を介して接地電圧GNDのラインに直流電流が流れ、リアクトル3に電磁エネルギーが蓄えられる。トランジスタQ1〜Q3をオフさせると、リアクトル3に蓄えられた電磁エネルギーがダイオード4を介してコンデンサ5に放出される。コンデンサ5の端子間電圧、すなわち昇圧チョッパの出力電圧は、直流電源1の出力電圧にリアクトル3の端子間電圧を加算した電圧となる。
Returning to FIG. 2, when the transistors Q1 to Q3 are turned on, a DC current flows from the
図4は、本実施の形態1の比較例となる従来の昇圧チョッパの構成を示す回路図であって、図2と対比される図である。図4を参照して、この昇圧チョッパでは、ノードN1,N2間にNチャネルMOSトランジスタQ10が接続される。トランジスタQ10のゲートは、ゲート抵抗素子R10を介して制御信号源S10の出力ノードに接続される。制御信号源S10は、10KHzの矩形波信号である制御信号S10を出力する。制御信号源S10の接地ノードは接地される。トランジスタQ10としては、トランジスタQ4と同じ高耐圧のトランジスタを使用した。 FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional boost chopper as a comparative example of the first embodiment, which is compared with FIG. Referring to FIG. 4, in this step-up chopper, an N channel MOS transistor Q10 is connected between nodes N1 and N2. The gate of transistor Q10 is connected to the output node of control signal source S10 via gate resistance element R10. The control signal source S10 outputs a control signal S10 that is a 10 KHz rectangular wave signal. The ground node of the control signal source S10 is grounded. As the transistor Q10, the same high breakdown voltage transistor as the transistor Q4 was used.
制御信号S10が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられると、トランジスタQ10がオンし、リアクトル3に電磁エネルギーが蓄えられる。制御信号S10が「H」レベルから「L」レベルに立ち下げられると、トランジスタQ10がオフし、リアクトル3の電磁エネルギーがコンデンサ5に放出される。
When the control signal S10 rises from the “L” level to the “H” level, the transistor Q10 is turned on and electromagnetic energy is stored in the
図5は、図2に示した本願の昇圧チョッパにおいて制御信号CNT1の立ち上がりエッジに応答してトランジスタQ1に流れる電流I1の波形と、図4に示した従来の昇圧チョッパにおいて制御信号CNT10の立ち上がりエッジに応答してトランジスタQ10に流れる電流I10の波形とを示すタイムチャートである。 5 shows the waveform of the current I1 flowing through the transistor Q1 in response to the rising edge of the control signal CNT1 in the boost chopper of the present application shown in FIG. 2, and the rising edge of the control signal CNT10 in the conventional boost chopper shown in FIG. 6 is a time chart showing a waveform of a current I10 flowing in a transistor Q10 in response to
一般に、同じ製品であっても、トランジスタQのしきい値電圧VTは所定範囲内でばらついている。市販の高耐圧トランジスタQ1,Q10では、しきい値電圧VTは4V〜7Vの範囲でばらつく。また、市販の低耐圧トランジスタQ2,Q3では、しきい値電圧VTは1V〜3Vの範囲でばらつく。制御信号CNTが「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられるとき、制御信号CNTのレベルがトランジスタQのしきい値電圧VTHを超えるとトランジスタQがオンする。したがって、トランジスタQのゲートに同じ制御信号CNTを与えても、しきい値電圧VTHが低いトランジスタQはしきい値電圧VTHが高いトランジスタQよりも速くターンオンする。 In general, even in the same product, the threshold voltage VT of the transistor Q varies within a predetermined range. In the commercially available high voltage transistors Q1 and Q10, the threshold voltage VT varies in the range of 4V to 7V. In the commercially available low voltage transistors Q2 and Q3, the threshold voltage VT varies in the range of 1V to 3V. When the control signal CNT is raised from the “L” level to the “H” level, the transistor Q is turned on when the level of the control signal CNT exceeds the threshold voltage VTH of the transistor Q. Therefore, even if the same control signal CNT is applied to the gate of the transistor Q, the transistor Q having a low threshold voltage VTH is turned on faster than the transistor Q having a high threshold voltage VTH.
従来の昇圧チョッパでは、低VTH(VTH10=4.2V)の高耐圧トランジスタQ10を使用した場合の電流I10の立ち上がりは、高VTH(VTH10=6.2V)の高耐圧トランジスタQ10を使用した場合の電流I10の立ち上がりよりも87ns速くなった。したがって、電流I10の立ち上がり時間は少なくとも87nsの範囲でばらつく。 In the conventional step-up chopper, the rise of the current I10 when the high withstand voltage transistor Q10 with low VTH (VTH10 = 4.2V) is used is the same as when the high withstand voltage transistor Q10 with high VTH (VTH10 = 6.2V) is used. 87 ns faster than the rise of the current I10. Therefore, the rise time of the current I10 varies in the range of at least 87 ns.
これに対して本願の昇圧チョッパでは、低VTH(VTH1=4.2V)の高耐圧トランジスタQ1、低VTH(VTH2=1.95V)の低耐圧トランジスタQ2、および低VTH(VTH3=1.95V)の低耐圧トランジスタQ3を使用した場合の電流I1の立ち上がりは、高VTH(VTH1=6.2V)の高耐圧トランジスタQ1、高VTH(VTH2=2.85V)の低耐圧トランジスタQ2、および高VTH(VTH3=2.85V)の低耐圧トランジスタQ3を使用した場合の電流I1の立ち上がりよりも72ns速くなった。したがって、電流I1の立ち上がり時間は少なくとも72nsの範囲でばらつく。 On the other hand, the boost chopper of the present application has a low VTH (VTH1 = 4.2V) high breakdown voltage transistor Q1, a low VTH (VTH2 = 1.95V) low breakdown voltage transistor Q2, and a low VTH (VTH3 = 1.95V). When the low breakdown voltage transistor Q3 is used, the rise of the current I1 is the high breakdown voltage transistor Q1 having a high VTH (VTH1 = 6.2V), the low breakdown voltage transistor Q2 having a high VTH (VTH2 = 2.85V), and the high VTH ( 72 ns faster than the rise of the current I1 when the low breakdown voltage transistor Q3 (VTH3 = 2.85 V) is used. Therefore, the rise time of the current I1 varies in the range of at least 72 ns.
よって、本願発明の半導体装置を使用することにより、昇圧チョッパの電流の立ち上がり時間のばらつきを、従来の87nsから72nsに抑制することができた。これは、オン抵抗値が大きな第2のスイッチング素子(トランジスタQ2および抵抗素子R1)によって高耐圧のトランジスタQ1のスイッチングを行なうことにより、トランジスタQ1のしきい値電圧VT1のばらつきがトランジスタQ1のドレイン電流のばらつきに与える影響を小さくすることができるからである。 Therefore, by using the semiconductor device of the present invention, it was possible to suppress the variation in the rise time of the current of the boost chopper from the conventional 87 ns to 72 ns. This is because the high-breakdown-voltage transistor Q1 is switched by the second switching element (transistor Q2 and resistance element R1) having a large on-resistance value, so that the variation in the threshold voltage VT1 of the transistor Q1 is caused by the drain current of the transistor Q1. This is because it is possible to reduce the influence on the variation of the image.
以下、実施の形態1の種々の変更例について説明する。図6は、実施の形態1の変更例となるインバータの構成を示す回路ブロック図である。図6において、このインバータは、直流電源電圧VCCのラインと接地電圧GNDのラインとの間に直列接続されたスイッチSW1,SW2と、スイッチSW1,SW2間に設けられた出力端子T1と、直流電源電圧VCCのラインと接地電圧GNDのラインとの間に直列接続されたスイッチSW3,SW4と、スイッチSW3,SW4間に設けられた出力端子T2とを備える。また、各スイッチSWには、ダイオード(図示せず)が逆並列に接続される。各スイッチSWは、図1で示した半導体装置で構成される。出力端子T1,T2間には、負荷回路10が接続される。
Hereinafter, various modifications of the first embodiment will be described. FIG. 6 is a circuit block diagram showing a configuration of an inverter that is a modification of the first embodiment. In FIG. 6, this inverter includes switches SW1 and SW2 connected in series between a line of DC power supply voltage VCC and a line of ground voltage GND, an output terminal T1 provided between the switches SW1 and SW2, and a DC power supply. Switches SW3 and SW4 connected in series between the voltage VCC line and the ground voltage GND line, and an output terminal T2 provided between the switches SW3 and SW4. In addition, a diode (not shown) is connected in antiparallel to each switch SW. Each switch SW includes the semiconductor device shown in FIG. A
スイッチSW1,SW4がオンされると、直流電源電圧VCCのラインからスイッチSW1、負荷回路10、スイッチSW4を介して接地電圧GNDのラインに電流が流れる。スイッチSW3,SW2がオンされると、直流電源電圧VCCのラインからスイッチSW3、負荷回路10、スイッチSW2を介して接地電圧GNDのラインに電流が流れる。したがって、スイッチSW1,SW4とスイッチSW2,SW3とを所望の周期で交互にオンさせることにより、直流電力を交流電力に変換して負荷回路10に供給することができる。この変更例では、スイッチSWのターンオン時間のばらつきを小さく抑制することができる。なお、この変更例では、本実施の形態1の半導体装置が単相インバータに適用された場合について説明したが、本実施の形態1の半導体装置は複数相のインバータ(たとえば、三相インバータ)にも適用可能であることは言うまでもない。
When the switches SW1 and SW4 are turned on, a current flows from the DC power supply voltage VCC line to the ground voltage GND line via the switch SW1, the
図7は、実施の形態1の他の変更例となるコンバータの構成を示す回路ブロック図である。図7において、このコンバータは、ノードN10と接地電圧GNDのラインとの間に直列接続されたスイッチSW11,SW12と、スイッチSW11,SW12間に設けられた入力端子T11と、ノードN10と接地電圧GNDのラインとの間に直列接続されたスイッチSW13,SW14と、スイッチSW13,SW14間に設けられた入力端子T12と、出力端子T13と、ノードN10と出力端子T13の間に順方向に接続されたダイオード11と、出力端子T13と接地電圧GNDのラインとの間に接続された平滑コンデンサ12とを備える。各スイッチSWは、図1で示した半導体装置で構成される。入力端子T11,T12間には、交流電源13が接続される。出力端子T13と接地電圧GNDのラインとの間には、負荷回路14が接続される。
FIG. 7 is a circuit block diagram showing a configuration of a converter according to another modification of the first embodiment. In FIG. 7, this converter includes switches SW11 and SW12 connected in series between a node N10 and a ground voltage GND line, an input terminal T11 provided between the switches SW11 and SW12, a node N10, and a ground voltage GND. The switches SW13 and SW14 connected in series with each other line, the input terminal T12 provided between the switches SW13 and SW14, the output terminal T13, and the node N10 and the output terminal T13 connected in the forward direction. A
入力端子T11,T12間には、交流電源13から交流電圧が供給される。入力端子T11の電圧が入力端子T12の電圧よりも高い期間はスイッチSW11,SW14がオンされ、入力端子T12の電圧が入力端子T11の電圧よりも高い期間はスイッチSW12,SW13がオンされる。
An AC voltage is supplied from the
スイッチSW11,SW14がオンされると、交流電源13からスイッチSW11,ダイオード11を介して平滑コンデンサ12に電流が流れ、平滑コンデンサ12が充電される。また、スイッチSW12,SW13がオンされると、交流電源13からスイッチSW13およびダイオード11を介して平滑コンデンサ12に電流が流れ、平滑コンデンサ12が充電される。したがって、スイッチSW11,SW14とスイッチSW12,SW13とを交流電圧に同期してオンさせることにより、交流電力を直流電力に変換して負荷回路14に供給することができる。この変更例では、スイッチSWのターンオン時間のばらつきを小さく抑制することができる。
When the switches SW11 and SW14 are turned on, a current flows from the
図8は、実施の形態1のさらに他の変更例を示す回路図であって、図1と対比される図である。図8において、この半導体装置が図1の半導体装置と異なる点は、抵抗素子R1とトランジスタQ2が逆に接続されている点である。すなわち、トランジスタQ2のドレインはトランジスタQ1のソースに接続され、抵抗素子R1はトランジスタQ2のソースとノードN2との間に接続される。トランジスタQ3は、トランジスタQ1のソースとノードN2との間に接続される。この変更例でも、実施の形態1と同じ効果が得られる。 FIG. 8 is a circuit diagram showing still another modification of the first embodiment, and is a diagram to be compared with FIG. In FIG. 8, this semiconductor device is different from the semiconductor device of FIG. 1 in that a resistance element R1 and a transistor Q2 are connected in reverse. That is, the drain of the transistor Q2 is connected to the source of the transistor Q1, and the resistance element R1 is connected between the source of the transistor Q2 and the node N2. Transistor Q3 is connected between the source of transistor Q1 and node N2. Even in this modified example, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
図9は、実施の形態1のさらに他の変更例を示す回路図であって、図1と対比される図である。図9において、この半導体装置が図1の半導体装置と異なる点は、制御信号CNT1がNチャネルMOSトランジスタQ2,Q3のゲートに与えられ、トランジスタQ3のしきい値電圧VT3がトランジスタQ2のしきい値電圧VT2よりも高い点である。このため、制御信号CNTが「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられると、トランジスタQ2がターンオンした後にトランジスタQ3がターンオンする。また、制御信号CNTが「H」レベルから「L」レベルに立ち上げられると、トランジスタQ3がターンオフした後にトランジスタQ2がターンオフする。この変更例では、実施の形態1と同じ効果が得られる他、制御信号CNTの数が少なくて済む。 FIG. 9 is a circuit diagram showing still another modification of the first embodiment, and is a diagram to be compared with FIG. 9, this semiconductor device is different from the semiconductor device of FIG. 1 in that control signal CNT1 is applied to the gates of N channel MOS transistors Q2 and Q3, and threshold voltage VT3 of transistor Q3 is the threshold voltage of transistor Q2. This is a point higher than the voltage VT2. Therefore, when the control signal CNT rises from the “L” level to the “H” level, the transistor Q3 is turned on after the transistor Q2 is turned on. When the control signal CNT is raised from the “H” level to the “L” level, the transistor Q2 is turned off and then the transistor Q2 is turned off. In this modified example, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the number of control signals CNT can be reduced.
また、NチャネルMOSトランジスタQ1〜Q3の各々をバイポーラトランジスタまたはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)で置換してもよい。たとえば、NチャネルMOSトランジスタQ1〜Q3の代わりにそれぞれ第1〜第3のNPNバイポーラトランジスタを用いてもよい。この場合、第1のNPNバイポーラトランジスタのコレクタはノードN1に接続され、第2のNPNバイポーラトランジスタのコレクタは抵抗素子R1を介して第1のNPNバイポーラトランジスタのエミッタに接続される。また、第3のNPNバイポーラトランジスタのコレクタは第1のNPNバイポーラトランジスタのエミッタに接続され、第3のNPNバイポーラトランジスタのエミッタはノードN2に接続される。第1のNPNバイポーラトランジスタのベースは直流電圧V3を受け、第2および第3のNPNバイポーラトランジスタのベースはそれぞれ制御信号CNT1,CNT2を受ける。第1のNPNバイポーラトランジスタのコレクタおよびエミッタ間の耐圧は、第2および第3のNPNバイポーラトランジスタの各々のコレクタおよびエミッタ間の耐圧よりも高い。この場合も、実施の形態1と同じ効果が得られる。 Each of N channel MOS transistors Q1-Q3 may be replaced with a bipolar transistor or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). For example, first to third NPN bipolar transistors may be used in place of N channel MOS transistors Q1 to Q3, respectively. In this case, the collector of the first NPN bipolar transistor is connected to the node N1, and the collector of the second NPN bipolar transistor is connected to the emitter of the first NPN bipolar transistor via the resistor element R1. The collector of the third NPN bipolar transistor is connected to the emitter of the first NPN bipolar transistor, and the emitter of the third NPN bipolar transistor is connected to the node N2. The bases of the first NPN bipolar transistors receive DC voltage V3, and the bases of the second and third NPN bipolar transistors receive control signals CNT1 and CNT2, respectively. The breakdown voltage between the collector and emitter of the first NPN bipolar transistor is higher than the breakdown voltage between the collector and emitter of each of the second and third NPN bipolar transistors. In this case, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
さらに、第1のNPNバイポーラトランジスタの代わりにIGBTを用いてもよい。この場合、IGBTのコレクタはノードN1に接続される。IGBTのエミッタは、抵抗素子R1を介して第2のNPNバイポーラトランジスタに接続されるとともに、第3のNPNバイポーラトランジスタのコレクタに接続される。IGBTのゲートは直流電圧V3を受ける。IGBTのコレクタおよびエミッタ間の耐圧は、第2および第3のNPNバイポーラトランジスタの各々のコレクタおよびエミッタ間の耐圧よりも高い。この場合も、実施の形態1と同じ効果が得られる。 Further, an IGBT may be used instead of the first NPN bipolar transistor. In this case, the collector of the IGBT is connected to the node N1. The emitter of the IGBT is connected to the second NPN bipolar transistor via the resistance element R1 and to the collector of the third NPN bipolar transistor. The gate of the IGBT receives a DC voltage V3. The breakdown voltage between the collector and emitter of the IGBT is higher than the breakdown voltage between the collector and emitter of each of the second and third NPN bipolar transistors. In this case, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[実施の形態2]
図10は、この発明の実施の形態2による半導体装置の構成を示す回路図であって、図1と対比される図である。図10において、この半導体装置が図1の半導体装置と異なる点は、NチャネルMOSトランジスタQ1がノーマリーオン型トランジスタQ4で置換されている点である。ノーマリーオン型トランジスタQ4としては、たとえばヘテロ接合電界効果GaNトランジスタが使用される。
[Embodiment 2]
FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, which is compared with FIG. In FIG. 10, this semiconductor device is different from the semiconductor device of FIG. 1 in that an N-channel MOS transistor Q1 is replaced with a normally-on transistor Q4. As the normally-on transistor Q4, for example, a heterojunction field effect GaN transistor is used.
NチャネルMOSトランジスタQ1は、正のしきい値電圧VT1を有し、ゲート−ソース間電圧が0Vであるときはオフするので、ノーマリーオフ型トランジスタと呼ばれる。これに対してノーマリーオン型トランジスタQ4は、負のしきい値電圧VT4を有し、ゲート−ソース間電圧が0Vであるときはオンするトランジスタである。トランジスタQ4は、高耐圧のトランジスタである。 N-channel MOS transistor Q1 has a positive threshold voltage VT1 and is turned off when the gate-source voltage is 0 V, so it is called a normally-off transistor. On the other hand, the normally-on type transistor Q4 has a negative threshold voltage VT4 and is turned on when the gate-source voltage is 0V. The transistor Q4 is a high breakdown voltage transistor.
市販のトランジスタQ4のしきい値電圧VT4は、−3V〜−6Vの範囲内でばらついている。また、市販のトランジスタQ2,Q3のしきい値電圧VT2,VT3の各々は、1V〜3Vの範囲内でばらついている。トランジスタQ2,Q3は、同じ種類の同じ特性のトランジスタである。 The threshold voltage VT4 of the commercially available transistor Q4 varies within a range of −3V to −6V. Each of threshold voltages VT2 and VT3 of commercially available transistors Q2 and Q3 varies within a range of 1V to 3V. The transistors Q2 and Q3 are transistors of the same type and the same characteristics.
制御信号CNT1,CNT2が「L」レベルである場合は、トランジスタQ2,Q3がオフしている。このとき、ノーマリーオン型トランジスタQ4のソース(ノードN3)の電圧は、トランジスタQ4の漏れ電流により、ノードN2の電圧にしきい値電圧VT4の絶対値を加算した電圧よりも高くなっている。このため、トランジスタQ4はオフしている。 When the control signals CNT1 and CNT2 are at “L” level, the transistors Q2 and Q3 are off. At this time, the voltage of the source (node N3) of normally-on transistor Q4 is higher than the voltage obtained by adding the absolute value of threshold voltage VT4 to the voltage of node N2 due to the leakage current of transistor Q4. For this reason, the transistor Q4 is off.
次に制御信号CNT1が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられると、トランジスタQ2がオンし、ノードN3の電圧が低下する。ノードN3とN2の電圧差がトランジスタQ4のしきい値電圧VT4の絶対値よりも小さくなると、トランジスタQ4がオンし、ノードN1,N2間が導通状態になる。次いで制御信号CNT2が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられると、トランジスタQ3がオンし、ノードN1,N2間の抵抗値が下がる。 Next, when the control signal CNT1 rises from the “L” level to the “H” level, the transistor Q2 is turned on, and the voltage at the node N3 decreases. When the voltage difference between nodes N3 and N2 becomes smaller than the absolute value of threshold voltage VT4 of transistor Q4, transistor Q4 is turned on, and nodes N1 and N2 become conductive. Next, when the control signal CNT2 rises from the “L” level to the “H” level, the transistor Q3 is turned on, and the resistance value between the nodes N1 and N2 decreases.
ノードN1,N2間を非導通状態にさせる場合は、まず制御信号CNT2を「H」レベルから「L」レベルに立ち下げてトランジスタQ3をオフされる。次に制御信号CNT2を「H」レベルから「L」レベルに立ち下げてトランジスタQ2をオフさせる。トランジスタQ2,Q3がオフすると、トランジスタQ4の漏れ電流によってノードN3の電圧が上昇する。ノードN3とN2の電圧差がトランジスタQ4のしきい値電圧VT4の絶対値よりも大きくなると、トランジスタQ4がオフし、ノードN1,N2間が非導通状態になる。 In order to make the nodes N1 and N2 nonconductive, the control signal CNT2 is first lowered from the “H” level to the “L” level to turn off the transistor Q3. Next, the control signal CNT2 is lowered from the “H” level to the “L” level to turn off the transistor Q2. When the transistors Q2 and Q3 are turned off, the voltage at the node N3 increases due to the leakage current of the transistor Q4. When the voltage difference between nodes N3 and N2 becomes larger than the absolute value of threshold voltage VT4 of transistor Q4, transistor Q4 is turned off and nodes N1 and N2 are rendered non-conductive.
この実施の形態2では、オン抵抗値が大きな第2のスイッチング素子(トランジスタQ2および抵抗素子R1)によって高耐圧のトランジスタQ4のスイッチングを行なうことにより、トランジスタQ4のしきい値電圧VT4のばらつきがトランジスタQ4のドレイン電流のばらつきに与える影響を小さくすることができ、ターンオン時間のばらつきを小さく抑制することができる。 In the second embodiment, high-breakdown-voltage transistor Q4 is switched by the second switching element (transistor Q2 and resistance element R1) having a large on-resistance value, whereby the variation in threshold voltage VT4 of transistor Q4 is reduced. The influence of Q4 on the variation in drain current can be reduced, and the variation in turn-on time can be reduced.
また、しきい値電圧VT2のばらつきが小さな低耐圧のトランジスタQ2をオンさせることによって、しきい値電圧VT4のばらつきが大きな高耐圧のトランジスタQ4をオンさせるので、ターンオン時間のばらつきを小さく抑制することができる。 Further, by turning on the low breakdown voltage transistor Q2 having a small variation in the threshold voltage VT2, the high breakdown voltage transistor Q4 having a large variation in the threshold voltage VT4 is turned on. Can do.
なお、この実施の形態2でも、図8に示した用に、抵抗素子R1とトランジスタQ2を逆に接続してもよい。また図9に示したように、トランジスタQ3のしきい値電圧VT3をトランジスタQ2のしきい値電圧VT2よりも高くし、トランジスタQ2,Q3のゲートに制御信号CNT1を与えてもよい。 In the second embodiment, the resistance element R1 and the transistor Q2 may be connected in reverse as shown in FIG. As shown in FIG. 9, the threshold voltage VT3 of the transistor Q3 may be made higher than the threshold voltage VT2 of the transistor Q2, and the control signal CNT1 may be applied to the gates of the transistors Q2 and Q3.
図11は、図10に示した半導体装置を用いた昇圧チョッパの構成を示す回路図であって、図2と対比される図である。ノーマリーオン型トランジスタQ4はノードN1とN3の間に接続され、そのゲートはゲート抵抗素子R1を介して接地電圧GNDのラインに接続される。なお、ゲート抵抗素子R1を除去し、トランジスタQ4のゲートを直接接地してもよい。 FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of a step-up chopper using the semiconductor device shown in FIG. 10, and is a diagram contrasted with FIG. Normally-on transistor Q4 is connected between nodes N1 and N3, and its gate is connected to the line of ground voltage GND through gate resistance element R1. The gate resistance element R1 may be removed and the gate of the transistor Q4 may be directly grounded.
トランジスタQ2〜Q4をオンさせると、直流電源1からリアクトル3およびトランジスタQ2〜Q4を介して接地電圧GNDのラインに直流電流が流れ、リアクトル3に電磁エネルギーが蓄えられる。トランジスタQ2〜Q4をオフさせると、リアクトル3に蓄えられた電磁エネルギーがダイオード4を介してコンデンサ5に放出される。コンデンサ5の端子間電圧、すなわち昇圧チョッパの出力電圧は、直流電源1の出力電圧にリアクトル3の端子間電圧を加算した電圧となる。
When the transistors Q2 to Q4 are turned on, a DC current flows from the
この昇圧チョッパでは、オン抵抗値が大きな第2のスイッチング素子(トランジスタQ2および抵抗素子R1)によって高耐圧のトランジスタQ4のスイッチングを行なうことにより、トランジスタQ4のしきい値電圧VT4のばらつきがトランジスタQ4のドレイン電流のばらつきに与える影響を小さくすることができ、昇圧チョッパの電流の立ち上げり時間のばらつきを小さく抑制することができる。 In this step-up chopper, the high-breakdown-voltage transistor Q4 is switched by the second switching element (transistor Q2 and resistance element R1) having a large on-resistance value, so that the variation in the threshold voltage VT4 of the transistor Q4 can be reduced. The influence on the variation in the drain current can be reduced, and the variation in the rise time of the current of the boost chopper can be suppressed small.
また、しきい値電圧VT2のばらつきが小さなトランジスタQ2をオン/オフ制御することによって、しきい値電圧VT4の絶対値が大きなトランジスタQ4をオン/オフ制御するので、実施の形態1と同様に、昇圧チョッパの電流の立ち上がり時間のばらつきを小さく抑制することができる。 Further, by turning on / off the transistor Q2 having a small variation in the threshold voltage VT2, the transistor Q4 having a large absolute value of the threshold voltage VT4 is turned on / off. Variations in the rise time of the current of the step-up chopper can be suppressed small.
なお、ノーマリーオン型トランジスタQ4をIGBTで置換してもよい。この場合も、実施の形態2と同じ効果が得られる。 Note that the normally-on transistor Q4 may be replaced with an IGBT. Also in this case, the same effect as in the second embodiment can be obtained.
[実施の形態3]
この発明の実施の形態3による半導体装置は、第1および第2のノード間に並列接続された複数のスイッチング回路を備えたものである。複数のスイッチング回路の各々は、第1の電極が第1のノードに接続された第1のスイッチング素子と、第1の電極が第1のスイッチング素子の第2の電極に接続され、第2の電極が第2のノードに接続された第2のスイッチング素子と、第2のスイッチング素子に並列接続された第3のスイッチング素子とを含む。第1のスイッチング素子の第1および第2の電極間の耐圧は、第2および第3のスイッチング素子の各々の第1および第2の電極間の耐圧よりも高い。第2のスイッチング素子のオン抵抗値は、第3のスイッチング素子のオン抵抗値よりも大きい。複数の第1のスイッチング素子の制御電極はともに第1の制御端子に接続され、複数の第2のスイッチング素子の制御電極はともに第2の制御端子に接続され、複数の第3のスイッチング素子の制御電極はともに第3の制御端子に接続されている。以下、本実施の形態3の半導体装置について図面を用いて詳細に説明する。
[Embodiment 3]
A semiconductor device according to
図12は、本実施の形態3の半導体装置の構成を示す回路図であって、図10と対比される図である。図12において、この半導体装置は、図10の半導体装置を複数個並列接続したものである。すなわち、複数のトランジスタQ4のドレインはともにノードN1に接続され、それらのゲートはともにノードN2に接続される。複数のトランジスタQ2のソースはともにノードN2に接続され、それらのゲートはともに制御信号CNT1を受ける。複数のトランジスタQ3のソースはともにノードN2に接続され、それらのゲートはともに制御信号CNT2を受ける。 FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration of the semiconductor device according to the third embodiment, and is a diagram to be compared with FIG. In FIG. 12, this semiconductor device is obtained by connecting a plurality of the semiconductor devices of FIG. 10 in parallel. That is, the drains of the plurality of transistors Q4 are all connected to the node N1, and their gates are both connected to the node N2. The sources of the plurality of transistors Q2 are all connected to the node N2, and their gates both receive the control signal CNT1. The sources of the plurality of transistors Q3 are all connected to node N2, and their gates both receive control signal CNT2.
制御信号CNT1が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられると、全てのトランジスタQ2がオンし、全てのトランジスタQ4がオンする。このとき、オン抵抗値が大きな第2のスイッチング素子(トランジスタQ2および抵抗素子R1)によって高耐圧のトランジスタQ4をオンさせるので、全てのトランジスタQ4をオンさせることができる。なお、抵抗素子R1を除去してノードN3とトランジスタQ2のドレインを接続すると、電流が1つのトランジスタQ4に集中し、他のトランジスタQ4に電流が流れない場合がある。 When the control signal CNT1 rises from the “L” level to the “H” level, all the transistors Q2 are turned on and all the transistors Q4 are turned on. At this time, since the high breakdown voltage transistor Q4 is turned on by the second switching element (transistor Q2 and resistor element R1) having a large on-resistance value, all the transistors Q4 can be turned on. Note that when the resistor element R1 is removed and the node N3 and the drain of the transistor Q2 are connected, the current is concentrated in one transistor Q4, and the current may not flow in the other transistor Q4.
第2のスイッチング素子(トランジスタQ2および抵抗素子R1)の電流駆動能力はトランジスタQ4の電流駆動能力よりも小さいので、このままではトランジスタQ4の能力を十分に発揮させることができない。そこで、次に制御信号CNT2を「L」レベルから「H」レベルに立ち上げ、低耐圧のトランジスタQ3をオンさせる。これにより、ノードN1,N2間が導通状態となる。 Since the current driving capability of the second switching element (the transistor Q2 and the resistance element R1) is smaller than the current driving capability of the transistor Q4, the capability of the transistor Q4 cannot be fully exhibited as it is. Therefore, next, the control signal CNT2 is raised from “L” level to “H” level, and the low breakdown voltage transistor Q3 is turned on. As a result, the nodes N1 and N2 become conductive.
ノードN1,N2間を非導通状態にする場合は、まず制御信号CNT2を「H」レベルから「L」レベルに立ち下げ、全てのトランジスタQ3をオフさせる。次いで制御信号CNT2を「H」レベルから「L」レベルに立ち下げて、全てのトランジスタQ2,Q4をオフさせる。 In order to make the nodes N1 and N2 non-conductive, first, the control signal CNT2 is lowered from the “H” level to the “L” level, and all the transistors Q3 are turned off. Next, the control signal CNT2 is lowered from the “H” level to the “L” level to turn off all the transistors Q2 and Q4.
この実施の形態3では、オン抵抗値が大きな第2のスイッチング素子(トランジスタQ2および抵抗素子R1)をオンさせて高耐圧のトランジスタQ4をオンさせた後に、低耐圧のトランジスタQ3をオンさせるので、全てのトランジスタQ4に電流を分散させることができ、1つのトランジスタQ4に電流が集中するのを防止することができる。しかも、上記特許文献1のように電流センサなどを設ける必要がないので、装置構成の簡単化と、低コスト化を図ることができる。
In the third embodiment, the second switching element (transistor Q2 and resistance element R1) having a large on-resistance value is turned on to turn on the high breakdown voltage transistor Q4, and then the low breakdown voltage transistor Q3 is turned on. The current can be distributed to all the transistors Q4, and the current can be prevented from being concentrated on one transistor Q4. In addition, since there is no need to provide a current sensor or the like as in
図13は、図12に示した半導体装置を用いた昇圧チョッパの構成を示す回路図であって、図11と対比される図である。図13では、図10に示した半導体装置が3個並列接続されている。3個のノーマリーオン型トランジスタQ4のゲートの各々は、ゲート抵抗素子R2を介してノードN2に接続されている。3個のトランジスタQ2のゲートの各々は、ゲート抵抗素子R3を介して制御信号源S1の出力ノードに接続されている。3個のトランジスタQ3のゲートの各々は、ゲート抵抗素子R4を介して制御信号源S2の出力ノードに接続されている。 FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration of a boost chopper using the semiconductor device shown in FIG. 12, and is a diagram contrasted with FIG. In FIG. 13, three semiconductor devices shown in FIG. 10 are connected in parallel. Each of the gates of the three normally-on transistors Q4 is connected to the node N2 via the gate resistance element R2. Each of the gates of the three transistors Q2 is connected to the output node of the control signal source S1 via the gate resistance element R3. Each of the gates of the three transistors Q3 is connected to the output node of the control signal source S2 via the gate resistance element R4.
3個のトランジスタQ4のしきい値電圧VT4は、それぞれ−5.1V,−4.6V,−4.6Vである。3個のトランジスタQ2のしきい値電圧VT2は、それぞれ2.17V,2.62V,2.62Vである。3個のトランジスタQ3のしきい値電圧VT3は、それぞれ2.4V,2.6V,2.6Vである。ゲート抵抗素子R1の抵抗値は1Ωであり、ゲート抵抗素子R2〜R4の抵抗値はともに100Ωである。 The threshold voltages VT4 of the three transistors Q4 are −5.1V, −4.6V, and −4.6V, respectively. The threshold voltages VT2 of the three transistors Q2 are 2.17V, 2.62V, and 2.62V, respectively. The threshold voltages VT3 of the three transistors Q3 are 2.4V, 2.6V, and 2.6V, respectively. The resistance value of the gate resistance element R1 is 1Ω, and the resistance values of the gate resistance elements R2 to R4 are both 100Ω.
トランジスタQ2〜Q4をオンさせると、直流電源1からリアクトル3およびトランジスタQ2〜Q4を介して接地電圧GNDのラインに直流電流が流れ、リアクトル3に電磁エネルギーが蓄えられる。トランジスタQ2〜Q4をオフさせると、リアクトル3に蓄えられた電磁エネルギーがダイオード4を介してコンデンサ5に放出される。コンデンサ5の端子間電圧、すなわち昇圧チョッパの出力電圧は、直流電源1の出力電圧にリアクトル3の端子間電圧を加算した電圧となる。
When the transistors Q2 to Q4 are turned on, a DC current flows from the
図14(a)は、トランジスタQ2〜Q4のターンオン時に、図13中の左側のトランジスタQ4に流れる電流IAと、図13中の中央のトランジスタQ4に流れる電流IBとの波形を示すタイムチャートである。図14(a)において、ある時刻にトランジスタQ1,Q2,Q4がターンオンすると、電流IA,IBがともに増大する。 FIG. 14A is a time chart showing waveforms of a current IA flowing through the left transistor Q4 in FIG. 13 and a current IB flowing through the center transistor Q4 in FIG. 13 when the transistors Q2 to Q4 are turned on. . In FIG. 14A, when the transistors Q1, Q2, and Q4 are turned on at a certain time, both currents IA and IB increase.
また図14(b)は、トランジスタQ2〜Q4のターンオフ時に、図13中の左側のトランジスタQ4に流れる電流IAと、図13中の中央のトランジスタQ4に流れる電流IBとの波形を示すタイムチャートである。図14(b)において、ある時刻にトランジスタQ1,Q2,Q4がターンオフすると、電流IA,IBがともに減少する。図14(a)(b)から分かるように、ターンオン時およびターンオフ時ともに、2つのトランジスタQ4には略同じタイミングで略同じ値の電流が流れた。 FIG. 14B is a time chart showing waveforms of a current IA flowing in the left transistor Q4 in FIG. 13 and a current IB flowing in the center transistor Q4 in FIG. 13 when the transistors Q2 to Q4 are turned off. is there. In FIG. 14B, when the transistors Q1, Q2, and Q4 are turned off at a certain time, the currents IA and IB are both reduced. As can be seen from FIGS. 14 (a) and 14 (b), currents of substantially the same value flowed through the two transistors Q4 at substantially the same timing both at turn-on and at turn-off.
図15は、本実施の形態3の比較例となる従来の昇圧チョッパの構成を示す回路図であって、図4と対比される図である。図15を参照して、この昇圧チョッパでは、ノードN1,N2間に3個のNチャネルMOSトランジスタQ10が並列接続される。3個のトランジスタQ10のゲートの各々は、ゲート抵抗素子R10を介して制御信号源S10の出力ノードに接続される。制御信号源S10は、10KHzの矩形波信号である制御信号CNT10を出力する。制御信号源S10の接地ノードは接地される。 FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional boost chopper which is a comparative example of the third embodiment, and is a diagram to be compared with FIG. Referring to FIG. 15, in this step-up chopper, three N-channel MOS transistors Q10 are connected in parallel between nodes N1 and N2. Each of the gates of the three transistors Q10 is connected to the output node of the control signal source S10 via the gate resistance element R10. The control signal source S10 outputs a control signal CNT10 that is a 10 KHz rectangular wave signal. The ground node of the control signal source S10 is grounded.
3個のトランジスタQ10のしきい値電圧VT10は、それぞれ3.8V,5.3V,5.3Vである。3個のゲート抵抗素子R10の抵抗値は、ともに100Ωである。また、3個のトランジスタQ10のゲートの寄生インダクタンスは同じであり、それらのドレインの寄生インダクタンスは同じであり、それらのソースの寄生インダクタンスは同じである。 The threshold voltages VT10 of the three transistors Q10 are 3.8V, 5.3V, and 5.3V, respectively. The resistance values of the three gate resistance elements R10 are both 100Ω. The parasitic inductances of the gates of the three transistors Q10 are the same, the parasitic inductances of their drains are the same, and the parasitic inductances of their sources are the same.
制御信号S10が「L」レベル(たとえば、0V)から「H」レベル(たとえば、8V)に立ち上げられると、トランジスタQ10がオンし、リアクトル3に電磁エネルギーが蓄えられる。制御信号S10が「H」レベルから「L」レベルに立ち下げられると、トランジスタQ10がオフし、リアクトル3の電磁エネルギーがコンデンサ5に放出される。
When control signal S10 rises from “L” level (for example, 0 V) to “H” level (for example, 8 V), transistor Q10 is turned on and electromagnetic energy is stored in
図16(a)は、トランジスタQ10のターンオン時に、図15中の左側のトランジスタQ10に流れる電流IAと、図15中の中央のトランジスタQ10に流れる電流IBとの波形を示すタイムチャートである。図16(a)において、ある時刻に制御信号CNT10が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられると、しきい値電圧が低い左側のトランジスタQ10が中央のトランジスタQ10よりも先にオンし、左側のトランジスタQ10の電流IAが急に増大する。次に、しきい値電圧が高い中央のトランジスタQ10がオンし、中央のトランジスタQ10の電流IBが増大すると、左側のトランジスタQ10の電流IAが減少する。 FIG. 16A is a time chart showing waveforms of a current IA flowing through the left transistor Q10 in FIG. 15 and a current IB flowing through the center transistor Q10 in FIG. 15 when the transistor Q10 is turned on. In FIG. 16A, when the control signal CNT10 rises from the “L” level to the “H” level at a certain time, the left transistor Q10 having a low threshold voltage is turned on before the central transistor Q10. The current IA of the left transistor Q10 suddenly increases. Next, when the central transistor Q10 having a high threshold voltage is turned on and the current IB of the central transistor Q10 increases, the current IA of the left transistor Q10 decreases.
また図16(b)は、トランジスタQ10のターンオフ時に、図15中の左側のトランジスタQ10に流れる電流IAと、図15中の中央のトランジスタQ10に流れる電流IBとの波形を示すタイムチャートである。図16(b)において、ある時刻に制御信号CNT10が「H」レベルから「L」レベルに立ち下げられると、しきい値電圧が高い中央のトランジスタQ10が左側のトランジスタQ10よりも先にオフし、電流IBが減少するとともに電流IAが急に増大する。次に、しきい値電圧が低い左側のトランジスタQ10がオフして電流IAが減少する。 FIG. 16B is a time chart showing waveforms of a current IA flowing in the left transistor Q10 in FIG. 15 and a current IB flowing in the center transistor Q10 in FIG. 15 when the transistor Q10 is turned off. In FIG. 16B, when the control signal CNT10 falls from the “H” level to the “L” level at a certain time, the central transistor Q10 having a high threshold voltage is turned off before the left transistor Q10. As the current IB decreases, the current IA increases rapidly. Next, the left transistor Q10 having a low threshold voltage is turned off, and the current IA decreases.
このように、従来の昇圧チョッパでは、並列接続された複数のトランジスタQ10のうちのしきい値電圧が低い1つのトランジスタQ10に電流が集中してしまう。トランジスタQ10のしきい値電圧を予め測定し、しきい値電圧が同じ複数のトランジスタQ10を用いて昇圧チョッパを構成する方法も考えられるが、コスト高になる。また、特許文献1の方法では、上述の通り、装置構成が複雑になり、コスト高になる。
Thus, in the conventional step-up chopper, current concentrates on one transistor Q10 having a low threshold voltage among the plurality of transistors Q10 connected in parallel. Although a method of measuring the threshold voltage of the transistor Q10 in advance and constructing a boost chopper using a plurality of transistors Q10 having the same threshold voltage is conceivable, the cost increases. Moreover, in the method of
これに対して本願発明の昇圧チョッパでは、低コストの簡単な構成で複数のトランジスタQ4に電流を均等に流すことができ、電流の集中によってトランジスタQ4が破損するのを防止することができる。 On the other hand, in the step-up chopper according to the present invention, it is possible to allow current to flow uniformly to the plurality of transistors Q4 with a simple configuration at low cost, and to prevent the transistor Q4 from being damaged due to current concentration.
なお、この実施の形態3では、トランジスタQ4のソースとノードN2の間に抵抗素子R2とトランジスタQ2を直列接続したが、抵抗素子R2とトランジスタQ2を逆に接続した場合、すなわちトランジスタQ4のソースとノードN2の間にトランジスタQ2と抵抗素子R2を直列接続した場合でも同じ効果が得られた。図17(a)は、抵抗素子R2とトランジスタQ2を逆に接続した場合においてトランジスタQ2〜Q4のターンオン時に、図13中の左側のトランジスタQ4に流れる電流IAと、図13中の中央のトランジスタQ4に流れる電流IBとの波形を示すタイムチャートである。図17(b)は、抵抗素子R2とトランジスタQ2を逆に接続した場合においてトランジスタQ2〜Q4のターンオフ時に、図13中の左側のトランジスタQ4に流れる電流IAと、図13中の中央のトランジスタQ4に流れる電流IBとの波形を示すタイムチャートである。図17(a)(b)から分かるように、この変更例でも、複数のトランジスタQ4に電流を均等に流すことができた。 In the third embodiment, the resistance element R2 and the transistor Q2 are connected in series between the source of the transistor Q4 and the node N2, but when the resistance element R2 and the transistor Q2 are connected in reverse, that is, the source of the transistor Q4 The same effect was obtained even when the transistor Q2 and the resistor element R2 were connected in series between the nodes N2. FIG. 17A shows the current IA flowing in the left transistor Q4 in FIG. 13 and the central transistor Q4 in FIG. 13 when the transistors Q2 to Q4 are turned on when the resistance element R2 and the transistor Q2 are connected in reverse. It is a time chart which shows the waveform with the electric current IB which flows into. FIG. 17B shows the current IA flowing in the left transistor Q4 in FIG. 13 and the central transistor Q4 in FIG. 13 when the transistors Q2 to Q4 are turned off when the resistance element R2 and the transistor Q2 are connected in reverse. It is a time chart which shows the waveform with the electric current IB which flows into. As can be seen from FIGS. 17 (a) and 17 (b), even in this modified example, it was possible to allow the current to flow evenly through the plurality of transistors Q4.
[実施の形態4]
図18は、この発明の実施の形態4による半導体装置の構成を示す回路図であって、図1と対比される図である。図18において、この半導体装置は、図1の半導体装置を複数個並列接続したものである。すなわち、複数のトランジスタQ1のドレインはともにノードN1に接続され、それらのゲートはともに直流電圧V3を受ける。複数のトランジスタQ2のソースはともにノードN2に接続され、それらのゲートはともに制御信号CNT1を受ける。複数のトランジスタQ3のソースはともにノードN2に接続され、それらのゲートはともに制御信号CNT2を受ける。
[Embodiment 4]
FIG. 18 is a circuit diagram showing a configuration of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention, which is compared with FIG. In FIG. 18, this semiconductor device is obtained by connecting a plurality of the semiconductor devices of FIG. 1 in parallel. That is, the drains of the plurality of transistors Q1 are all connected to node N1, and their gates both receive DC voltage V3. The sources of the plurality of transistors Q2 are all connected to the node N2, and their gates both receive the control signal CNT1. The sources of the plurality of transistors Q3 are all connected to node N2, and their gates both receive control signal CNT2.
制御信号CNT1が「L」レベルから「H」レベルに立ち上げられると、全てのトランジスタQ2がオンし、全てのトランジスタQ1がオンする。このとき、オン抵抗値が大きな第2のスイッチング素子(トランジスタQ2および抵抗素子R1)をオンさせて高耐圧のトランジスタQ1をオンさせるので、全てのトランジスタQ1をオンさせることができる。なお、抵抗素子R1を除去してノードN3とトランジスタQ2のドレインを接続すると、電流が1つのトランジスタQ1に集中し、他のトランジスタQ1に電流が流れない場合がある。 When the control signal CNT1 rises from the “L” level to the “H” level, all the transistors Q2 are turned on and all the transistors Q1 are turned on. At this time, since the second switching element (transistor Q2 and resistor element R1) having a large on-resistance value is turned on to turn on the high-breakdown-voltage transistor Q1, all the transistors Q1 can be turned on. Note that when the resistor element R1 is removed and the node N3 and the drain of the transistor Q2 are connected, the current is concentrated in one transistor Q1, and the current may not flow in the other transistor Q1.
第2のスイッチング素子(トランジスタQ2および抵抗素子R1)の電流駆動能力はトランジスタQ1の電流駆動能力よりも小さいので、このままではトランジスタQ1の能力を十分に発揮させることができない。そこで、次に制御信号CNT2を「L」レベルから「H」レベルに立ち上げ、低耐圧のトランジスタQ3をオンさせる。これにより、ノードN1,N2間が導通状態となる。 Since the current driving capability of the second switching element (the transistor Q2 and the resistance element R1) is smaller than the current driving capability of the transistor Q1, the capability of the transistor Q1 cannot be fully exhibited as it is. Therefore, next, the control signal CNT2 is raised from “L” level to “H” level, and the low breakdown voltage transistor Q3 is turned on. As a result, the nodes N1 and N2 become conductive.
ノードN1,N2間を非導通状態にする場合は、まず制御信号CNT2を「H」レベルから「L」レベルに立ち下げ、全てのトランジスタQ3をオフさせる。次いで制御信号CNT2を「H」レベルから「L」レベルに立ち下げて、全てのトランジスタQ1,Q2をオフさせる。 In order to make the nodes N1 and N2 non-conductive, first, the control signal CNT2 is lowered from the “H” level to the “L” level, and all the transistors Q3 are turned off. Next, the control signal CNT2 is lowered from the “H” level to the “L” level to turn off all the transistors Q1 and Q2.
この実施の形態4では、第2のスイッチング素子(トランジスタQ2および抵抗素子R1)をオンさせて高耐圧のトランジスタQ1をオンさせた後に、低耐圧のトランジスタQ3をオンさせるので、全てのトランジスタQ1に電流を分散させることができ、1つのトランジスタQ1に電流が集中するのを防止することができる。しかも、上記特許文献1のように電流センサなどを設ける必要がないので、装置構成の簡単化と、低コスト化を図ることができる。
In the fourth embodiment, the second switching element (transistor Q2 and resistor element R1) is turned on to turn on the high breakdown voltage transistor Q1, and then the low breakdown voltage transistor Q3 is turned on. The current can be dispersed, and the current can be prevented from concentrating on one transistor Q1. In addition, since there is no need to provide a current sensor or the like as in
図19は、図18に示した半導体装置を用いた昇圧チョッパの構成を示す回路図であって、図2と対比される図である。図19では、図1に示した半導体装置が3個並列接続されている。3個のトランジスタQ1のゲートの各々は、ゲート抵抗素子R2を介して直流電源2の正極に接続され、直流電圧V3を受ける。3個のトランジスタQ2のゲートの各々は、制御信号源S1の出力ノードに接続されている。3個のトランジスタQ3のゲートの各々は、制御信号源S2の出力ノードに接続されている。
19 is a circuit diagram showing a configuration of a step-up chopper using the semiconductor device shown in FIG. 18, and is a diagram to be compared with FIG. In FIG. 19, three semiconductor devices shown in FIG. 1 are connected in parallel. Each of the gates of the three transistors Q1 is connected to the positive electrode of the
3個のトランジスタQ1のしきい値電圧VT1は、それぞれ4.2V,4.0V,4.0Vである。3個のトランジスタQ2のしきい値電圧VT2は、それぞれ1.2V,1.4V,1.4Vである。3個のトランジスタQ3のしきい値電圧VT3は、それぞれ1.4V,1.6V,1.6Vである。ゲート抵抗素子R2の抵抗値は10Ωである。 The threshold voltages VT1 of the three transistors Q1 are 4.2V, 4.0V, and 4.0V, respectively. The threshold voltages VT2 of the three transistors Q2 are 1.2V, 1.4V, and 1.4V, respectively. The threshold voltages VT3 of the three transistors Q3 are 1.4V, 1.6V, and 1.6V, respectively. The resistance value of the gate resistance element R2 is 10Ω.
トランジスタQ1〜Q3をオンさせると、直流電源1からリアクトル3およびトランジスタQ1〜Q3を介して接地電圧GNDのラインに直流電流が流れ、リアクトル3に電磁エネルギーが蓄えられる。トランジスタQ1〜Q3をオフさせると、リアクトル3に蓄えられた電磁エネルギーがダイオード4を介してコンデンサ5に放出される。コンデンサ5の端子間電圧、すなわち昇圧チョッパの出力電圧は、直流電源1の出力電圧にリアクトル3の端子間電圧を加算した電圧となる。この昇圧チョッパでも、実施の形態3の昇圧チョッパと同様に、3個のトランジスタQ1に均等に電流が流れた。
When the transistors Q1 to Q3 are turned on, a direct current flows from the
なお、上記実施の形態1〜4と種々の変更例を適宜組み合わせても良いことは言うまでもない。
Needless to say,
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およ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。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
Q1〜Q3,Q10 NチャネルMOSトランジスタ、1,2 直流電源、3 リアクトル、4,11 ダイオード、5,12 コンデンサ、6,10,14 負荷回路、13 交流電源、S1,S2,S10 制御信号源、R1 抵抗素子、R2〜R4 ゲート抵抗素子、SW1〜SW4,SW11〜SW14 スイッチ、Q4 ノーマリーオン型トランジスタ。 Q1-Q3, Q10 N-channel MOS transistor, 1, 2 DC power supply, 3 reactor, 4,11 diode, 5,12 capacitor, 6, 10, 14 load circuit, 13 AC power supply, S1, S2, S10 control signal source, R1 resistance element, R2 to R4 gate resistance element, SW1 to SW4, SW11 to SW14 switch, Q4 normally-on type transistor.
Claims (13)
前記複数のスイッチング回路の各々は、
第1の電極が前記第1のノードに接続された第1のスイッチング素子と、
第1の電極が前記第1のスイッチング素子の第2の電極に接続され、第2の電極が前記第2のノードに接続された第2のスイッチング素子と、
前記第2のスイッチング素子に並列接続された第3のスイッチング素子とを含み、
前記第1のスイッチング素子の第1および第2の電極間の耐圧は前記第2および第3のスイッチング素子の各々の第1および第2の電極間の耐圧よりも高く、
前記第2のスイッチング素子のオン抵抗値は前記第3のスイッチング素子のオン抵抗値よりも大きく、
複数の前記第1のスイッチング素子の制御電極はともに第1の制御端子に接続され、
複数の前記第2のスイッチング素子の制御電極はともに第2の制御端子に接続され、
複数の前記第3のスイッチング素子の制御電極はともに第3の制御端子に接続されている、半導体装置。 Comprising a plurality of switching circuits connected in parallel between the first and second nodes;
Each of the plurality of switching circuits is
A first switching element having a first electrode connected to the first node;
A second switching element having a first electrode connected to a second electrode of the first switching element and a second electrode connected to the second node;
A third switching element connected in parallel to the second switching element,
The withstand voltage between the first and second electrodes of the first switching element is higher than the withstand voltage between the first and second electrodes of each of the second and third switching elements,
The on-resistance value of the second switching element is larger than the on-resistance value of the third switching element,
The control electrodes of the plurality of first switching elements are both connected to the first control terminal,
The control electrodes of the plurality of second switching elements are both connected to the second control terminal,
A semiconductor device, wherein control electrodes of the plurality of third switching elements are all connected to a third control terminal.
前記複数のスイッチング回路の各々は、
第1の電極が前記第1のノードに接続された第1のスイッチング素子と、
第1の電極が前記第1のスイッチング素子の第2の電極に接続され、第2の電極が前記第2のノードに接続された第2のスイッチング素子と、
前記第2のスイッチング素子に並列接続された第3のスイッチング素子とを含み、
前記第1のスイッチング素子の第1および第2の電極間の耐圧は前記第2および第3のスイッチング素子の各々の第1および第2の電極間の耐圧よりも高く、
複数の前記第1のスイッチング素子の制御電極はともに第1の制御端子に接続され、
複数の前記第2のスイッチング素子の制御電極はともに第2の制御端子に接続され、
複数の前記第3のスイッチング素子の制御電極はともに第3の制御端子に接続され、
前記第1のスイッチング素子は第1のトランジスタであり、
前記第2のスイッチング素子は、直列接続された第1の抵抗素子および第2のトランジスタであり、
前記第3のスイッチング素子は第3のトランジスタである、半導体装置。 Comprising a plurality of switching circuits connected in parallel between the first and second nodes;
Each of the plurality of switching circuits is
A first switching element having a first electrode connected to the first node;
A second switching element having a first electrode connected to a second electrode of the first switching element and a second electrode connected to the second node;
A third switching element connected in parallel to the second switching element,
The withstand voltage between the first and second electrodes of the first switching element is higher than the withstand voltage between the first and second electrodes of each of the second and third switching elements,
The control electrodes of the plurality of first switching elements are both connected to the first control terminal,
The control electrodes of the plurality of second switching elements are both connected to the second control terminal,
The control electrodes of the plurality of third switching elements are all connected to a third control terminal,
The first switching element is a first transistor;
The second switching element is a first resistance element and a second transistor connected in series,
It said third switching element is a third transistor, a semi conductor device.
前記第2および第3のトランジスタの各々はノーマリーオフ型トランジスタである、請求項2に記載の半導体装置。 The first transistor is a normally-on transistor;
The semiconductor device according to claim 2, wherein each of the second and third transistors is a normally-off transistor.
各前記第2のスイッチング素子に対応して設けられ、対応する前記第2のスイッチング素子の制御電極と前記第2の制御端子との間に介挿された第3の抵抗素子と、
各前記第3のスイッチング素子に対応して設けられ、対応する前記第3のスイッチング素子の制御電極と前記第3の制御端子との間に介挿された第4の抵抗素子とを備える、請求項1から請求項4までのいずれかに記載の半導体装置。 A second resistance element provided corresponding to each of the first switching elements and interposed between the control electrode of the corresponding first switching element and the first control terminal;
A third resistance element provided corresponding to each of the second switching elements and interposed between the control electrode of the corresponding second switching element and the second control terminal;
A fourth resistance element provided corresponding to each of the third switching elements and interposed between a control electrode of the corresponding third switching element and the third control terminal. The semiconductor device according to claim 1.
前記第2のノードは第2の電圧を受け、
前記第1の制御端子は第3の電圧を受け、
前記第2のスイッチング素子をオン/オフ制御するための第1の制御信号が前記第2の制御端子に与えられ、
前記第3のスイッチング素子をオン/オフ制御するための第2の制御信号が前記第3の制御端子に与えられる、請求項1から請求項5までのいずれかに記載の半導体装置。 The first node receives a first voltage;
The second node receives a second voltage;
The first control terminal receives a third voltage;
A first control signal for ON / OFF control of the second switching element is provided to the second control terminal;
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein a second control signal for controlling on / off of the third switching element is supplied to the third control terminal. 7.
前記第2のノードは第2の電圧を受け、
前記第1の制御端子は第3の電圧を受け、
前記第2のスイッチング素子のしきい値電圧は前記第3のスイッチング素子のしきい値電圧よりも低く、
前記第2および第3のスイッチング素子をオン/オフ制御するための制御信号が前記第2および第3の制御端子に与えられる、請求項1から請求項5までのいずれかに記載の半導体装置。 The first node receives a first voltage;
The second node receives a second voltage;
The first control terminal receives a third voltage;
The threshold voltage of the second switching element is lower than the threshold voltage of the third switching element,
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein a control signal for ON / OFF control of the second and third switching elements is applied to the second and third control terminals. 7.
第1の電極が前記第1のスイッチング素子の第2の電極に接続され、第2の電極が第2のノードに接続された第2のスイッチング素子と、
前記第2のスイッチング素子に並列接続された第3のスイッチング素子とを含み、
前記第1のスイッチング素子の第1および第2の電極間の耐圧は前記第2および第3のスイッチング素子の各々の第1および第2の電極間の耐圧よりも高く、
前記第2のスイッチング素子のオン抵抗値は前記第3のスイッチング素子のオン抵抗値よりも大きく、
前記第1および第2のノード間を導通させる場合は、前記第2のスイッチング素子をオンさせて前記第1のスイッチング素子をオンさせた後に前記第3のスイッチング素子をオンさせる、半導体装置。 A first switching element having a first electrode connected to a first node;
A second switching element having a first electrode connected to a second electrode of the first switching element and a second electrode connected to a second node;
A third switching element connected in parallel to the second switching element,
The withstand voltage between the first and second electrodes of the first switching element is higher than the withstand voltage between the first and second electrodes of each of the second and third switching elements,
The on-resistance value of the second switching element is larger than the on-resistance value of the third switching element,
A semiconductor device in which, when conducting between the first and second nodes, the third switching element is turned on after the second switching element is turned on and the first switching element is turned on.
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