(57)【要約】      （修正有）【課題】ターンオフの開始から終了までの間に電圧などの異常を検出して、半導体素子のスイッチング速度が速くなるにつれて駆動条件を変更可能な駆動装置を提供する。【解決手段】半導体装置１において、駆動装置５は、半導体素子１２を駆動するゲート駆動部６と、半導体素子１２に流れるオン電流に応じて変化する観測値を、半導体素子１２のオン期間中にサンプリングするサンプリング部７と、半導体素子１２のオン期間中にサンプリングされた観測値に応じて、半導体素子１２をターンオフするときに、ゲート駆動部６が半導体素子１２のゲートを駆動する駆動条件を変更する変更部８と、を備える。【選択図】図１
2019110699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を駆動するゲート駆動部と、
前記半導体素子に流れるオン電流に応じて変化する観測値を、前記半導体素子のオン期間中にサンプリングするサンプリング部と、
前記半導体素子のオン期間中にサンプリングされた前記観測値に応じて、前記半導体素子をターンオフするときに前記ゲート駆動部が前記半導体素子のゲートを駆動する駆動条件を変更する変更部と
を備える駆動装置。
【請求項２】
前記サンプリング部は、サンプリングした前記観測値をホールドし、
前記変更部は、ホールドされた前記観測値に応じて、前記半導体素子をターンオフするときに前記ゲート駆動部が前記ゲートを駆動する駆動条件を変更する
請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記サンプリング部は、前記観測値を、前記半導体素子のターンオン期間中にサンプリングする請求項１または２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記サンプリング部は、前記半導体素子のターンオン期間の開始から前記半導体素子の素子電圧が基準電圧となるまでの時間に応じた前記観測値をサンプリングする請求項３に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記サンプリング部は、
前記半導体素子の素子電圧を基準電圧と比較する比較回路と、
前記半導体素子のターンオン期間の開始から第１基準時間が経過したタイミングにおいて、前記比較回路の比較結果に応じた前記観測値をサンプリングするサンプリング回路と
を有する請求項３または４に記載の駆動装置。
【請求項６】
前記サンプリング部は、前記半導体素子のターンオン期間の開始から第２基準時間が経過したタイミングにおいて、前記半導体素子のゲート電圧またはゲート電流に応じた前記観測値をサンプリングする請求項３に記載の駆動装置。
【請求項７】
前記サンプリング部は、前記半導体素子のターンオン期間内におけるミラー期間中において、前記半導体素子のゲート電圧またはゲート電流に応じた前記観測値をサンプリングする請求項６に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記変更部は、第１駆動条件、および前記第１駆動条件と比較して前記半導体素子のゲートの電荷量を緩やかに変化させる第２駆動条件を切替可能であり、
前記半導体素子のオン期間中にサンプリングされた前記観測値が基準電流以下のオン電流であったことを示す場合に、前記半導体素子のターンオフ期間中に前記ゲート駆動部の駆動条件を前記第１駆動条件に維持し、
前記半導体素子のオン期間中にサンプリングされた前記観測値が基準電流を超えるオン電流であったことを示す場合に、前記半導体素子のターンオフ期間の途中で前記ゲート駆動部の駆動条件を前記第１駆動条件から前記第２駆動条件へと切り替える
請求項１から７のいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項９】
前記半導体素子のオン期間が予め定められた第３基準時間を超えたか否かを検出するタイムアウト検出部を更に備え、
前記変更部は、前記半導体素子のオン期間が前記第３基準時間を超えた場合には、前記観測値の大きさによらず、前記半導体素子のターンオフ期間の途中で前記ゲート駆動部の駆動条件を前記第１駆動条件から前記第２駆動条件へと切り替える請求項８に記載の駆動装置。
【請求項１０】
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子である請求項１から９のいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の駆動装置と、
前記半導体素子と、
を備える半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置および半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子のゲートを駆動する駆動装置には、ターンオフ損失、サージ電圧などを低減しつつ半導体素子をターンオフするための様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１〜９参照）。このような技術では、例えば、ターンオフさせる半導体素子の電圧が電源電圧に達した際に駆動条件を変更する。
特許文献１  特許第５５１６７０５号明細書
特許文献２  特開２０１５−２０４６５９号公報
特許文献３  特許第４７４２８２８号明細書
特許文献４  特許第６１６８２５３号明細書
特許文献５  特開２００８−７８８１６号公報
特許文献６  特開２００９−１９５０１７号公報
特許文献７  特開２００８−１９３７１７号公報
特許文献８  特開２０１４−１７６２２８号公報
特許文献９  特開２０１６−７７１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、半導体素子のスイッチング速度が速くなるにつれて、ターンオフの開始から終了までの間に電圧などの測定値から異常を検出して駆動条件を変更することが難しくなってきている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、駆動装置を提供してよい。駆動装置は、半導体素子を駆動するゲート駆動部を備えてよい。駆動装置は、半導体素子に流れるオン電流に応じて変化する観測値を、半導体素子のオン期間中にサンプリングするサンプリング部を備えてよい。駆動装置は、半導体素子のオン期間中にサンプリングされた観測値に応じて、半導体素子をターンオフするときにゲート駆動部が半導体素子のゲートを駆動する駆動条件を変更する変更部を備えてよい。
【０００５】
サンプリング部は、サンプリングした観測値をホールドしてよい。変更部は、ホールドされた観測値に応じて、半導体素子をターンオフするときにゲート駆動部がゲートを駆動する駆動条件を変更してよい。
【０００６】
サンプリング部は、観測値を、半導体素子のターンオン期間中にサンプリングしてよい。
【０００７】
サンプリング部は、半導体素子のターンオン期間の開始から半導体素子の素子電圧が基準電圧となるまでの時間に応じた観測値をサンプリングしてよい。
【０００８】
サンプリング部は、半導体素子の素子電圧を基準電圧と比較する比較回路を有してよい。サンプリング部は、半導体素子のターンオン期間の開始から第１基準時間が経過したタイミングにおいて、比較回路の比較結果に応じた観測値をサンプリングするサンプリング回路を有してよい。
【０００９】
サンプリング部は、半導体素子のターンオン期間の開始から第２基準時間が経過したタイミングにおいて、半導体素子のゲート電圧またはゲート電流に応じた観測値をサンプリングしてよい。
【００１０】
サンプリング部は、半導体素子のターンオン期間内におけるミラー期間中において、半導体素子のゲート電圧またはゲート電流に応じた観測値をサンプリングしてよい。
【００１１】
変更部は、第１駆動条件、および第１駆動条件と比較して半導体素子のゲートの電荷量を緩やかに変化させる第２駆動条件を切替可能でよい。変更部は、半導体素子のオン期間中にサンプリングされた観測値が基準電流以下のオン電流であったことを示す場合に、半導体素子のターンオフ期間中にゲート駆動部の駆動条件を第１駆動条件に維持してよい。変更部は、半導体素子のオン期間中にサンプリングされた観測値が基準電流を超えるオン電流であったことを示す場合に、半導体素子のターンオフ期間の途中でゲート駆動部の駆動条件を第１駆動条件から第２駆動条件へと切り替えてよい。
【００１２】
基準電流は、半導体素子のターンオフに伴って発生するサージ電圧が過電圧となる過電流レベルから、予め定められたマージンを減じた値をとってよい。
【００１３】
駆動装置は、半導体素子のオン期間が予め定められた第３基準時間を超えたか否かを検出するタイムアウト検出部を更に備えてよい。変更部は、半導体素子のオン期間が第３基準時間を超えた場合には、観測値の大きさによらず、半導体素子のターンオフ期間の途中でゲート駆動部の駆動条件を第１駆動条件から第２駆動条件へと切り替えてよい。
【００１４】
半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子でよい。
【００１５】
本発明の第２の態様においては、半導体装置を提供してよい。半導体装置は、本発明の第１の態様の駆動装置を備えてよい。半導体装置は、半導体素子を備えてよい。
【００１６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る半導体装置を示す。
【図２】実施形態に係る半導体装置の動作波形の一例を示す。
【図３】実施形態に係る半導体装置の動作波形の他の例を示す。
【図４】実施形態の変形例に係る半導体装置を示す。
【図５】変形例に係る半導体装置の動作波形の一例を示す。
【図６】変形例に係る半導体装置の動作波形の他の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１９】
図１は、本実施形態に係る半導体装置１を示す。なお、図中、白抜きの矢印記号は電圧を示す。
【００２０】
半導体装置１は、一例としてモータ駆動用または電力供給用に用いられる電力変換装置の１相分を示したものであり、正側電源線１０１および負側電源線１０２と、電源出力端子１０５との接続を切り換えることで変換した電圧を電源出力端子１０５から出力する。
【００２１】
ここで、正側電源線１０１および負側電源線１０２の間には例えば６００〜８００Ｖの直流電圧Ｅｄが印加される。また、正側電源線１０１および負側電源線１０２には、それぞれ配線長に応じた配線インダクタンス１０１１、１０２１が存在しうる。
【００２２】
半導体装置１は、半導体素子１１および半導体素子１２と、正側の半導体素子１１に対応付けられた駆動装置２と、負側の半導体素子１２に対応付けられた駆動装置５とを備える。なお、正側の駆動装置２の構成は負側の駆動装置５と同様であるため、説明を省略する。
【００２３】
半導体素子１１および半導体素子１２は、負側電源線１０２および正側電源線１０１の間に直列に順次接続されている。半導体素子１１および半導体素子１２の中点には電源出力端子１０５が接続されてよい。
【００２４】
半導体素子１１および半導体素子１２は、それぞれ駆動装置２および駆動装置５によってオン／オフが切り換えられるスイッチ素子である。一例として、半導体素子１１および半導体素子１２は、電力変換装置における上アームおよび下アームを構成している。
【００２５】
半導体素子１１および半導体素子１２の少なくとも一方は、ワイドバンドギャップ半導体素子でよい。ワイドバンドギャップ半導体素子とは、シリコン半導体素子よりもバンドギャップが大きい半導体素子であり、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド、窒化ガリウム系材料、酸化ガリウム系材料、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、または、ＺｎＯなどを含む半導体素子である。ワイドバンドギャップ半導体素子は、シリコン半導体素子よりもスイッチング速度を向上させることが可能である。
【００２６】
また、本実施例では半導体素子１１および半導体素子１２はＭＯＳＦＥＴであり、正側電源線１０１の側がカソードである寄生ダイオードを有している（図１に図示）。なお、半導体素子１１および半導体素子１２はＩＧＢＴまたはバイポーラトランジスタなど、他構造の半導体素子を適用することもでき、必要に応じて各々の半導体素子にダイオード、ショットキーバリアダイオード等が逆並列に接続される。
【００２７】
駆動装置５は、入力信号に基づいて半導体素子１２を駆動する。例えば、駆動装置５は駆動装置２と協働し、半導体素子１１および半導体素子１２を交互にオン状態にする場合に、一方の素子をターンオフしてオフ状態に切り替えた後、他方の素子をターンオンする。駆動装置５は、ターンオフ期間（本実施形態では一例としてターンオフの実行開始から完了までの期間）に半導体素子１２のゲート電荷の変動速度を切り換える、すなわち半導体素子１２のゲート―ソース間電圧であるゲート電圧（Ｖｇｓ）の変動速度を切り替えることで、ターンオフ損失を低減するとともに、サージ電圧を抑制する。
【００２８】
駆動装置５は、ゲート駆動部６と、サンプリング部７と、変更部８とを備える。
ゲート駆動部６は、半導体素子１２を駆動する。例えば、ゲート駆動部６は、半導体素子１２をターンオンさせるターンオン信号を半導体素子１２のゲートに供給する。また、ゲート駆動部６は、半導体素子１２をターンオフさせるターンオフ信号を、変更部８を介して半導体素子１２のゲートに供給する。
【００２９】
サンプリング部７は、半導体素子１２に流れるオン電流に応じて変化する観測値を、半導体素子１２のオン期間中にサンプリングする。例えば、サンプリング部７は、半導体素子１２のターンオン期間中に観測値をサンプリングする。
【００３０】
ここで、サンプリングされる観測値は、半導体素子１２のオン電流を示し、ターンオフ期間中にサージ電圧による過電流が生じるか否かを予測するのに用いられる。ターンオン期間中の動作波形と、オン電流、および、その後のターンオフ期間中の動作波形を予め調べておけば、ターンオン期間中に観測値が基準値となるまでの時間の長短、或いは、基準時間が経過した時点での観測値の大小から、半導体素子１２のオン電流の大小、ひいてはターンオフ期間中に過電流が生じるか否かを予測することができるためである。また、特にＰＷＭ制御をしている場合には、ターンオン時およびターンオフ時で電流がほぼ一致するため、ターンオン時の電流からターンオフ期間中に過電流が生じるか否かを予測することができるためである。
【００３１】
サンプリング部７は、サンプリングした観測値を変更部８に供給する。サンプリング部７は、比較回路７０と、サンプリング回路７１とを有する。
【００３２】
比較回路７０は、半導体素子１２の素子電圧、本実施形態では一例としてドレインソース電圧を基準電圧Ｖｒｅｆと比較する。素子電圧の基準電圧Ｖｒｅｆは、半導体素子１２のオン電流の基準電流に対応してよい。この基準電流は、半導体素子１２のターンオフに伴って発生するサージ電圧が過電圧となる過電流レベルの値でもよいが、本実施形態では当該過電流レベルの値から予め定められたマージンを減じた値となっている。一例として、サージ電圧が過電圧となる過電流レベルが４００Ａである場合に、基準電流は３００Ａでよい。
【００３３】
比較回路７０は、比較結果をサンプリング回路７１に供給する。本実施形態では一例として比較回路７０は、抵抗分圧器７００、基準電圧源７０１および比較器７０２を有する。
【００３４】
抵抗分圧器７００は、半導体素子１２の素子電圧を分圧する。抵抗分圧器７００は、半導体素子１２のドレイン端子と比較器７０２との間に設けられた抵抗７００Ａと、抵抗７００Ａから比較器７０２までの間と半導体素子１２のソース端子との間に設けられた抵抗７００Ｂとを有してよい。
【００３５】
基準電圧源７０１は、比較器７０２に対して基準電圧Ｖｒｅｆを供給する。本実施形態では一例として基準電圧源７０１は、比較器７０２と、半導体素子１２のソース端子との間に接続される。
【００３６】
比較器７０２は、半導体素子１２の素子電圧を抵抗分圧器７００で分圧した素子電圧と、基準電圧Ｖｒｅｆとを比較する。本実施形態では一例として、比較器７０２は、素子電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ以上の場合に「１」となり、素子電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ未満の場合に「０」となる信号をサンプリング回路７１に供給する。
【００３７】
サンプリング回路７１は、半導体素子１２のターンオン期間の開始から第１基準時間が経過したタイミングにおいて、比較回路７０の比較結果に応じた観測値をサンプリングする。これにより、半導体素子１２のターンオン期間の開始から半導体素子１２の素子電圧が基準電圧Ｖｒｅｆとなるまでの時間に応じた観測値がサンプリングされる。本実施形態では一例として、サンプリング回路７１は、比較回路７０による出力値を観測値としてサンプリングするが、比較回路７０による出力値に応じて変化する値をサンプリングしもてよい。
【００３８】
ここで、ターンオン期間の開始タイミングは、半導体素子１２のゲートにオン信号が供給されるタイミングでもよいし、ゲート電圧またはゲート電流が変動を開始するタイミングでもよい。第１基準時間の終了タイミング、つまりサンプリングタイミングは、ターンオフ期間中に過電流が生じるか否かを予測可能な観測値が取得されるタイミングでよく、半導体素子１２が定常オン状態となる前でよい。第１基準時間の長さは、サージ電圧が過電圧レベルとならないように調整される。例えば、ターンオフ時のサージ電圧が過電圧となるような最小のオン電流を流したときにターンオン期間の開始タイミングから、比較器７０２の出力が「１」となるまでの時間を予め測定して第１基準時間の長さに用いてよい。
【００３９】
サンプリング回路７１は、サンプリングした観測値を変更部８に供給する。本実施形態では一例として、サンプリング回路７１は、パルス生成回路７１０、論理否定回路７１１、論理積回路７１２およびホールド回路７１３を有する。
【００４０】
パルス生成回路７１０は、第１基準時間の長さを有するパルス信号を論理否定回路７１１に供給する。一例として、パルス生成回路７１０は、ゲート駆動部６からオン信号が出力されたことに応じて第１基準時間だけ「１」となり、これ以外の時間に「０」となる信号を論理否定回路７１１に供給する。
【００４１】
論理否定回路７１１は、パルス生成回路７１０からのパルス信号の否定演算を行い、演算結果を論理積回路７１２に供給する。これにより論理否定回路７１１は、ゲート駆動部６からオン信号が出力されたことに応じて第１基準時間だけ「０」となり、これ以外の時間に「１」となる信号を論理積回路７１２に供給する。
【００４２】
論理積回路７１２は、論理否定回路７１１から供給される信号と、ゲート駆動部６から半導体素子１２のゲートに供給されるオン信号との論理積演算を行う。これにより、論理積回路７１２は、半導体素子１２にオン信号が供給されている期間のうちターンオン期間の開始から第１基準時間が経過したタイミングで「１」となる信号を出力する。論理積回路７１２は演算結果を示す信号をホールド回路７１３のトリガ端子に供給する。
【００４３】
ホールド回路７１３は、観測値をホールドする。ホールド回路７１３は、論理積回路７１２による論理積の演算結果が「１」になる立ち上がりタイミングで観測値をサンプリングする。これにより、半導体素子１２にオン信号が供給されている期間のうちターンオン期間の開始から第１基準時間が経過したタイミングで素子電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ未満であるか否かを示す観測値がサンプリングされる。本実施形態では一例として、このタイミングでサンプリングされる観測値が「１」である場合には、基準電流を超えるオン電流が示され、ターンオフ時に過電流が生じることが予想される。観測値が「０」である場合には、基準電流以下のオン電流が示され、ターンオフ時に過電流が生じないことが予想される。ホールド回路７１３は、ホールドした観測値を変更部８に供給する。
【００４４】
なお、ホールド回路７１３は、ホールドした観測値を半導体素子１２のターンオフ完了後にリセットしてよい。一例として、ホールド回路７１３は、半導体素子１２の素子電圧が直流電圧Ｅｄとなったことに応じてリセットしてもよいし、半導体素子１２にオフ信号が供給されてからターンオフが完了するまでに要する時間の経過に応じてリセットしてもよいし、半導体素子１１にオン信号が供給されたことに応じてリセットしてもよい。但し、ホールド回路７１３がサンプリングのたびにホールドする観測値を更新する場合には、リセットされなくてもよい。
【００４５】
変更部８は、半導体素子１２のオン期間中にサンプリングされた観測値、本実施形態では一例としてホールド回路７１３がホールドした観測値に応じて、半導体素子１２をターンオフするときにゲート駆動部６がゲートを駆動する駆動条件を変更する。変更部８は、論理積回路８０、タイマ回路８１、オフ条件変更回路８２およびタイムアウト検出部８３を有する。
【００４６】
論理積回路８０は、ホールド回路７１３から供給される観測値と、ゲート駆動部６から半導体素子１２のゲートに供給されるオフ信号との論理積演算を行う。これにより、論理積回路８０は、半導体素子１２にオフ信号が供給されている期間のうちホールド回路７１３からの観測値が「１」である期間に「１」となる信号を出力する。論理積回路８０は、演算結果を示す信号をタイマ回路８１に供給する。
【００４７】
タイマ回路８１は、オフ条件変更回路８２に駆動条件の変更タイミングをオフ条件変更回路８２に供給する。例えばタイマ回路８１は、論理積回路８０から「１」の信号が供給されてから基準切替時間の経過以降に、変更を指示する「１」の信号をオフ条件変更回路８２に供給する。タイマ回路８１は、論理積回路８０から「１」の信号が供給されない場合、例えばホールド回路７１３から供給される観測値が「０」でありターンオフ時に過電流が生じないことが予想される場合には、変更を指示しない「０」の信号をオフ条件変更回路８２に供給する。基準切替時間の終了タイミング、つまり駆動条件の変更タイミングは、例えば半導体素子１２のターンオフ期間におけるミラー期間の終了タイミングでもよいし、その近傍のタイミングでも良い。
【００４８】
なお、タイマ回路８１は、半導体素子１２のターンオフ完了後にリセットされてよい。一例として、タイマ回路８１は、ホールド回路７１３がリセットされたことに応じてリセットされ、出力信号を「０」にしてよい。
【００４９】
オフ条件変更回路８２は、タイマ回路８１からの信号に応じ、半導体素子１２をターンオフするときの駆動条件を第１駆動条件と第２駆動条件との間で切り替える。例えば、オフ条件変更回路８２は、タイマ回路８１から「１」の信号が供給されることに応じてターンオフの駆動条件を第１駆動条件から第２駆動条件に変更してよい。これにより、サンプリング回路７１でサンプリングされた観測値が「１」でありオン電流が基準電流を超えることを示す場合には、半導体素子１２のターンオフ期間の途中で駆動条件が第１駆動条件から第２駆動条件へと切り替えられる。また、サンプリングされた観測値が「０」でありオン電流が基準電流以下であることを示す場合には、半導体素子１２のターンオフ期間中にゲート駆動部６の駆動条件が第１駆動条件に維持される。
【００５０】
ここで、第２駆動条件は、第１駆動条件と比較して半導体素子１２のゲートの電荷量を緩やかに変化させる。オフ条件変更回路８２は、第２駆動条件の場合には、第１駆動条件の場合と比較して半導体素子１２のゲートに対する電荷の注入速度を下げるようにターンオフ時のゲート信号を補正して供給する。例えば、オフ条件変更回路８２は、ターンオフ時のゲート電流を小さくしてもよいし、ターンオフ時のゲート電圧を小さくしてもよいし、ターンオフ時のゲート電流の供給を停止してもよい。ターンオフ時のゲート電流を小さくするには、例えば、ゲート電流が流れる内部経路を、抵抗値の小さい経路から大きい経路に切り換えれば良い。ターンオフ時のゲート電圧を小さくするには、例えば、ゲート駆動回路の電源電圧を、通常値よりも低い電圧値に切換えれば良い。または、駆動装置５に供給される図示しない電源電圧の値を、低い電圧値に切り替えることとしてもよい。ターンオフ信号の電圧、電流は、ここでは各々ゲート電圧、ゲート電流のことを指すが、これに限らない。
【００５１】
タイムアウト検出部８３は、半導体素子１２のオン期間が予め定められた第３基準時間を超えたか否かを検出する。また、タイムアウト検出部８３は、半導体素子１２のオン期間が第３基準時間を超えた場合には、タイマ回路８１から供給される信号によらず半導体素子１２のターンオフ期間の途中でオフ条件変更回路８２に駆動条件を第２駆動条件へと変更させる。これにより、半導体素子１２のターンオフ期間の駆動条件は、観測値の大きさによらず、第１駆動条件から第２駆動条件へと切り替えられる。第３基準時間は、ターンオフ期間に過電流となることが予想される程度に長い時間であってよく、一例として半導体装置１に対して予め定められたスイッチング周期よりも長い時間であってよい。また、第３基準時間は、ターンオン時のオン電流がターンオフ時までに許容値以上に変化すると想定される時間であってもよい。タイムアウト検出部８３による駆動条件の切替タイミングはゲート駆動部６からオフ信号が供給されてから、上述の基準切替時間が経過したタイミングでよい。なお、本実施形態においてオン期間とは、半導体素子１２のターンオン信号供給開始時または半導体素子１２のゲート電圧の変化開始時から、ゲート駆動部６から半導体素子１２へのターンオン信号の供給終了時またはターンオフ信号供給開始時までの期間としているが、オン期間の開始時および終了時の定義はいずれもこれに限らない。
【００５２】
以上の半導体装置１によれば、オン期間中にサンプリングされた観測値、一例としてオン期間中にサンプリングされてホールドされた観測値に応じ、ターンオフするときのゲートの駆動条件を変更する。従って、オン期間中にサンプリングされた観測値から予測される、ターンオフ時の遮断電流に応じて駆動条件を変更することができる。よって、ターンオフ期間中に観測値を測定して駆動条件を変更する場合と異なり、オンオフのスイッチング速度が速い場合にもターンオフ期間中での駆動条件の変更を確実に行うことができる。したがって、ターンオフによるサージ電圧が過電圧となることを防ぐことができる。また、ゲート電荷量を緩やかに変化させる駆動条件のみを用いて駆動条件を変更せずにターンオフする場合と比較してターンオフ期間を短くし、ターンオフ損失を低減することができる。
【００５３】
また、基準電流を超えるオン電流であることが観測値によって示される場合に、ゲート電荷量を緩やかに変化させる駆動条件に変更するので、ターンオフにより生じるサージ電圧が過電圧となることを確実に防ぐことができる。
【００５４】
また、基準電流として、過電圧が生じる過電流レベルから予め定められたマージンを減じた値を用いるので、ターンオフによる過電圧をより確実に防ぐことができる。
【００５５】
また、半導体素子１２のオン期間が第３基準時間を超えた場合には、観測値の大きさによらず、半導体素子１２のターンオフ期間の途中でゲートの駆動条件を第２駆動条件に切り替える。従って、オン期間が長いことでターンオフによるサージ電圧が過電圧となる可能性が高い場合に、確実に過電圧を防ぐことができる。
【００５６】
図２は、半導体装置１の動作波形の一例を示す。半導体装置１は、図２の動作波形により、半導体素子１２のターンオフ時に発生するサージ電圧の過電圧を予測してターンオフ時の駆動条件を変更する。
【００５７】
まず、時点ｔ１からハイとなるオン信号がゲート駆動部６から出力される（オン信号の波形参照）。オン信号は半導体素子１２のゲート、パルス生成回路７１０および論理積回路７１２に供給される。
【００５８】
オン信号が供給されると、パルス生成回路７１０は第１基準時間Ｔ１の長さを有するパルス信号を論理否定回路７１１に供給する（パルス信号の波形参照）。これにより論理否定回路７１１は第１基準時間Ｔ１の間だけ「０」になる信号を出力する（ＮＯＴ信号の波形参照）。なお、この例では第１基準時間Ｔ１の終了タイミングは時点ｔ４となっている。
【００５９】
また、オン信号の供給に応じ、半導体素子１２のゲート電圧が時点ｔ１から遅れ時間Δｔ１だけ後の時点ｔ２から上昇して時点ｔ３でゲート閾値Ｖｔｈ（一例として５ｖ）を超え、半導体素子１１がターンオンし始める（ゲート電圧の波形参照）。これにより、素子電圧が低下し、素子電流が増加する（素子電圧、素子電流の波形参照）。なお、この動作例で素子電圧は、第１基準時間Ｔ１の終了タイミングより後の時点ｔ５で基準電圧Ｖｒｅｆ未満となるため、比較回路７０による出力値は時点ｔ５までは「１」であり、時点ｔ５で「０」になる（比較結果の波形参照）。
【００６０】
次に、時点ｔ４で第１基準時間Ｔ１が経過するとパルス生成回路７１０からの出力が「０」に、論理否定回路７１１からの出力が「１」になる（パルス信号、ＮＯＴ信号の波形参照）。これにより、時点ｔ４で論理積回路７１２からの出力が「１」になり、この時点ｔ４での比較回路７０による出力値「１」がホールド回路７１３により観測値としてサンプリングされてホールドされる（観測値の波形参照）。ホールド回路７１３はホールドした観測値「１」を論理積回路８０に供給する。
【００６１】
次に、ゲート駆動部６からのオン信号の出力が終了した後、時点ｔ６からハイとなるオフ信号が出力される（オン信号およびオフ信号の波形参照）。オフ信号は論理積回路８０およびオフ条件変更回路８２に供給される。
【００６２】
オフ信号が供給されると、時点ｔ６から遅れ時間Δｔ２だけ後の時点ｔ７から、半導体素子１２のゲート電圧が減少し、素子電圧が増加する（ゲート電圧および素子電圧の波形参照）。
【００６３】
また、オフ信号が供給されると、論理積回路８０ではホールド回路７１３から「１」の観測値が供給されているため論理積演算の結果として「１」の信号をタイマ回路に入力する（タイマ入力の波形参照）。これによりタイマ回路は時点ｔ６から基準切替時間Ｔ０が経過する時点ｔ８以降に、駆動条件の変更を指示する「１」の信号をオフ条件変更回路８２に供給する（タイマ出力の波形参照）。そして、オフ条件変更回路８２が時点ｔ８から半導体素子１２の駆動条件を第２駆動条件に切り換える結果、半導体素子１２のゲート電荷量の変化が緩やかになり、ターンオフに伴うサージ電圧が抑制される。
【００６４】
なお、この動作例では半導体素子１２のターンオフが完了した後の時点ｔ９でホールド回路７１３およびタイマ回路８１がリセットされている（観測値およびタイマ出力の波形参照）。
【００６５】
図３は、半導体装置１の動作波形の他の例を示す。半導体装置１は、図３の動作波形により、ターンオフ時にサージ電圧による過電圧が予測されない場合に駆動条件を変更せずにターンオフを行う。なお、時点ｔ１から時点ｔ３までの動作は図２と同様なので説明を省略する。
【００６６】
この動作例では、素子電圧が第１基準時間Ｔ１の終了タイミングである時点ｔ４より前の時点ｔ５'で基準電圧Ｖｒｅｆ未満となる（素子電圧の波形参照）。そのため、比較回路７０による出力値は時点ｔ５'までは「１」であり、時点ｔ５'で「０」になる（比較結果の波形参照）。
【００６７】
次に、時点ｔ４で第１基準時間Ｔ１が経過するとパルス生成回路７１０からの出力が「０」に、論理否定回路７１１からの出力が「１」になる（パルス信号、ＮＯＴ信号の波形参照）。これにより、時点ｔ４で論理積回路７１２からの出力が「１」になり、この時点ｔ４での比較回路７０による出力値「０」がホールド回路７１３により観測値としてサンプリングされてホールドされる（観測値の波形参照）。ホールド回路７１３はホールドした観測値「０」を論理積回路８０に供給する。そのため、この動作例ではタイマ回路８１からオフ条件変更回路８２に駆動条件の変更タイミングが供給されず、ターンオフ時の駆動条件の変更が行われない。
【００６８】
図４は、本実施形態の変形例に係る半導体装置１Ａを示す。半導体装置１Ａにおける駆動装置２Ａ，５Ａの少なくとも一方、本変形例では駆動装置２Ａ，５Ａの両方は、ゲート電圧またはゲート電流に応じた観測値を用いてターンオフ期間中に駆動条件を変更する。なお、正側の駆動装置２Ａの構成は負側の駆動装置５Ａと同様であるため、説明を省略する。
【００６９】
駆動装置５Ａは、比較回路７０Ａおよびサンプリング回路７１Ａを有する。
比較回路７０Ａは、比較器７０２Ａによって半導体素子１２のゲート電圧を基準電圧ＶｒｅｆＡと比較する。基準電圧ＶｒｅｆＡは、半導体素子１２のオン電流の基準電流に対応しており、基準電圧源７０１Ａにより比較器７０２Ａに供給される。なお、比較回路７０Ａは、ゲート電圧を基準電圧ＶｒｅｆＡと比較する代わりに、ゲート電流を基準ゲート電流と比較してもよい。
【００７０】
サンプリング回路７１Ａは、パルス生成回路７１０Ａおよびホールド回路７１３Ａを有する。パルス生成回路７１０Ａは、半導体素子１２のターンオン期間の開始から第２基準時間の長さを有するパルス信号をホールド回路７１３Ａに供給する。ホールド回路７１３Ａは、パルス信号の立下りタイミングで観測値をサンプリングする。これにより、半導体素子１２のターンオン期間の開始から第２基準時間が経過したタイミングにおいて、半導体素子１２のゲート電圧に応じた観測値がサンプリングされる。
【００７１】
一例として、パルス生成回路７１０Ａは、ゲート駆動部６からオン信号が出力されたことに応じて第２基準時間だけ「１」となり、これ以外の時間に「０」となる信号をホールド回路７１３Ａに供給する。第２基準時間の終了タイミングは半導体素子１２のターンオン期間内におけるミラー期間中でよい。これにより、半導体素子１２のターンオン時のミラー電圧に応じた観測値がホールド回路７１３Ａによりサンプリングされる。
【００７２】
以上の半導体装置１Ａによれば、ゲート電圧に応じた観測値をサンプリングするので、素子電圧または素子電流に応じた観測値をサンプリングする場合と異なり、比較回路を高耐圧化する必要がない。従って、比較回路の構成を簡略化することができる。
【００７３】
また、ゲート電圧が一定となるミラー期間においてゲート電圧に応じた観測値をサンプリングするので、サンプリングタイミングの設定を容易化することができる。
【００７４】
図５は、半導体装置１Ａの動作波形の一例を示す。半導体装置１Ａは、図５の動作波形により、半導体素子１２のターンオフ時に発生するサージ電圧の過電圧を予測してターンオフ時の駆動条件を変更する。
【００７５】
まず、時点ｔ１１からハイとなるオン信号がゲート駆動部６から出力される（オン信号の波形参照）。オン信号は半導体素子１２のゲートおよびパルス生成回路７１０Ａに供給される。
【００７６】
オン信号が供給されると、半導体素子１２のゲート電圧が時点ｔ１から遅れ時間Δｔ１だけ後の時点ｔ１２から上昇してゲート閾値（図示せず）を超え、半導体素子１１がターンオンし始める（ゲート電圧の波形参照）。そして、ゲート電圧は時点ｔ１３で基準電圧ＶｒｅｆＡを超えるため、比較回路７０Ａによる出力値は時点ｔ１３までは「０」であり、時点ｔ１３で「１」になる（比較結果の波形参照）。
【００７７】
また、オン信号の供給に応じ、パルス生成回路７１０Ａは第２基準時間Ｔ２の長さを有するパルス信号をホールド回路７１３Ａに供給する（パルス信号の波形参照）。なお、この例では第２基準時間Ｔ２の終了タイミングは、ゲート電圧がミラー電圧Ｖｍで維持されるミラー期間中の時点ｔ１４となっており、時点ｔ１４は時点ｔ１３よりも後である。そのため、時点ｔ１４で比較回路７０による出力値「１」がホールド回路７１３Ａにより観測値としてサンプリングされてホールドされる（比較結果および観測値の波形参照）。ホールド回路７１３Ａはホールドした観測値「１」を論理積回路８０に供給する。
【００７８】
次に、ゲート駆動部６からのオン信号の出力が終了した後、時点ｔ１６からハイとなるオフ信号が出力される（オン信号およびオフ信号の波形参照）。オフ信号は論理積回路８０およびオフ条件変更回路８２に供給される。
【００７９】
オフ信号が供給されると、時点ｔ１６から遅れ時間Δｔ２だけ後の時点ｔ１７から、半導体素子１２のゲート電圧が減少し、素子電圧が増加する（ゲート電圧および素子電圧の波形参照）。
【００８０】
また、オフ信号が供給されると、論理積回路８０ではホールド回路７１３Ａから「１」の観測値が供給されているため論理積演算の結果として「１」の信号をタイマ回路に入力する（タイマ入力の波形参照）。これによりタイマ回路は時点ｔ１６から基準切替時間Ｔ０が経過する時点ｔ１８以降に、駆動条件の変更を指示する「１」の信号をオフ条件変更回路８２に供給する（タイマ出力の波形参照）。そして、オフ条件変更回路８２が時点ｔ１８から半導体素子１２の駆動条件を第２駆動条件に切り換える結果、半導体素子１２のゲート電荷量の変化が緩やかになり、ターンオフに伴うサージ電圧が抑制される。
【００８１】
なお、この動作例では半導体素子１２のターンオフが完了した後の時点ｔ１９でホールド回路７１３Ａおよびタイマ回路８１がリセットされている（観測値およびタイマ出力の波形参照）。
【００８２】
図６は、半導体装置１Ａの動作波形の他の例を示す。半導体装置１Ａは、図６の動作波形により、ターンオフ時にサージ電圧による過電圧が予測されない場合に駆動条件を変更せずにターンオフを行う。なお、時点ｔ１１から時点ｔ１３までの動作は図５と同様なので説明を省略する。
【００８３】
この動作例では、時点ｔ１４より後の時点ｔ１３'でゲート電圧が基準電圧Ｖｒｅｆを超え（ゲート電圧の波形参照）、比較回路７０Ａによる出力値が「１」になる（比較結果の波形参照）。そのため、時点ｔ１４で第２基準時間Ｔ２が経過してパルス生成回路７１０からの出力が「０」になる（パルス信号の波形参照）と、比較回路７０Ａによる出力値「０」が観測値としてホールド回路７１３Ａによりサンプリングされホールドされる（観測値の波形参照）。よって、観測値「０」が論理積回路８０に供給され、タイマ回路８１からオフ条件変更回路８２に駆動条件の変更タイミングが供給されないため、ターンオフ時の駆動条件の変更が行われない。
【００８４】
なお、上記の実施形態および変形例においては、トリガ端子への供給信号に応じてホールド回路７１３で比較回路７０による比較結果をサンプリングしてホールドすることとして説明した。しかしながら、半導体装置１，１Ａは、他の構成によりサンプリングおよびホールドを行ってもよい。例えば、半導体装置１は、比較回路７０による出力信号と、論理否定回路７１１による出力信号と、ゲート駆動部６からのオン信号との論理積をとって、その演算結果をホールドしてもよい。同様に、半導体装置１Ａは、比較回路７０Ａによる出力信号と、パルス生成回路７１０Ａによる出力反転信号と、ゲート駆動部６からのオン信号との論理積をとって、その演算結果をホールドしてもよい。
【００８５】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８６】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００８７】
１  半導体装置、２  駆動装置、５  駆動装置、６  ゲート駆動部、７  サンプリング部、８  変更部、１１  半導体素子、１２  半導体素子、７０  比較回路、７１  サンプリング回路、８０  論理積回路、８１  タイマ回路、８２  オフ条件変更回路、８３  タイムアウト検出部、１０１  正側電源線、１０２  負側電源線、１０５  電源出力端子、７００  抵抗分圧器、７０１  基準電圧源、７０２  比較器、７１０  パルス生成回路、７１１  論理否定回路、７１２  論理積回路、７１３  ホールド回路、１０１１  配線インダクタンス、１０２１  配線インダクタンス
【図１】
2019110699.tif 000003
【図２】
2019110699.tif 000004
【図３】
2019110699.tif 000005
【図４】
2019110699.tif 000006
【図５】
2019110699.tif 000007
【図６】
2019110699.tif 000008