(57)【要約】【課題】低耐圧トランジスタの破壊を防止することができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、高耐圧トランジスタＴｒ１と、高耐圧トランジスタＴｒ１にカスコード接続される低耐圧トランジスタＴｒ２と、低耐圧トランジスタＴｒ２の第１の電極−制御電極間に設けられる直列回路と、前記直列回路と低耐圧トランジスタＴｒ２の制御電極との接続ノードに一端が接続される抵抗Ｒ１とを備える。前記直列回路は、アノードが低耐圧トランジスタＴｒ２の制御電極側に配置されカソードが低耐圧トランジスタＴｒ２の第１の電極側に配置されるツェナーダイオードＺＤ１と、ツェナーダイオードＺＤ１に並列に接続されるコンデンサＣ１と、アノードが低耐圧トランジスタＴｒ２の第１の電極側に配置されカソードが低耐圧トランジスタＴｒ２の制御電極側に配置されるダイオードＤ１とを有する。【選択図】図１
2016046935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極が第１のノードに接続された第１のトランジスタと、
第１の電極が前記第１のトランジスタの第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のトランジスタと、
前記第２のトランジスタの第１の電極と前記第２のトランジスタの制御電極との間に設けられる直列回路と、
前記直列回路と前記第２のトランジスタの制御電極との接続ノードに一端が接続される抵抗とを備え、
前記第１のトランジスタのオフ耐圧が前記第２のトランジスタのオフ耐圧より高く、
前記直列回路は、アノードが前記第２のトランジスタの制御電極側に配置されカソードが前記第２のトランジスタの第１の電極側に配置されるツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードに並列に接続されるコンデンサと、アノードが前記第２のトランジスタの第１の電極側に配置されカソードが前記第２のトランジスタの制御電極側に配置されるダイオードとを有する、半導体装置。
【請求項２】
前記ダイオードが、前記ツェナーダイオードとは別のツェナーダイオードである、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１のトランジスタがノーマリオン型トランジスタであり、
前記第２のトランジスタをノーマリオフ型トランジスタであり、
前記第１のトランジスタの制御電極が前記第２のノードに短絡する又は前記抵抗とは別の抵抗を介して前記第２のノードに接続される、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタをそれぞれノーマリオフ型トランジスタであり、
前記第１のトランジスタの制御電極には、前記第２のノードに対し、前記第１のトランジスタの閾値電圧以上の電圧を印加する、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置を備える、スイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低耐圧トランジスタと高耐圧トランジスタをカスコード接続した半導体装置並びにそれを用いたコンバータ、インバータ、エアーコンディショナー、ソーラーパワーコントローラ、及び自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
低耐圧トランジスタと高耐圧トランジスタをカスコード接続した半導体装置は、例えばコンバータ、インバータなどに用いられる。ここで、低耐圧トランジスタと高耐圧トランジスタをカスコード接続した従来の半導体装置の一構成例を図１６に示す。
【０００３】
図１６に示す従来の半導体装置は、高耐圧トランジスタＴｒ１と、低耐圧トランジスタＴｒ２と、ダイオードＤ１とを備えている。高耐圧トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間耐圧は例えば６００Ｖであり、低圧トランジスタＴｒ２のソース−ドレイン間耐圧は例えば３０Ｖである。また、高耐圧トランジスタＴｒ１はノーマリオン型のＮチャネルトランジスタ、例えば化合物半導体よりなる接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）等であり、低耐圧トランジスタＴｒ２はノーマリオフ型のＮチャネルＭＯＳトランジスタである。
【０００４】
高耐圧トランジスタＴｒ１及び低耐圧トランジスタＴｒ２がカスコード接続されており、ノードＮ１とノードＮ２との間に設けられている。すなわち、ノードＮ１が高耐圧トランジスタＴｒ１のドレイン電極に接続されており、高耐圧トランジスタＴｒ１のソース電極が低耐圧トランジスタＴｒ２のドレイン電極に接続されており、低耐圧トランジスタＴｒ２のソース電極がノードＮ２に接続されている。
【０００５】
また、低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極がゲート駆動回路１に接続されており、高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート電極及びダイオードＤ１のアノードがノードＮ２に接続されている。そして、ダイオードＤ１のカソードが高耐圧トランジスタＴｒ１のソース電極と低耐圧トランジスタＴｒ２のドレイン電極との接続ノードＮ３に接続されている。ダイオードＤ１には、例えば低耐圧トランジスタＴｒ２の内蔵ダイオードを用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１０４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記構成である図１６に示す従来の半導体装置において、ノードＮ２に対してノードＮ１の電位が上昇した場合、接続ノードＮ３の電位も高耐圧トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間容量によりノードＮ１の電位に引きずられて上昇する。その結果、低耐圧トランジスタＴｒ２のソース−ドレイン間耐圧が低圧トランジスタＴｒ２のソース−ドレイン間耐圧を超え、低耐圧トランジスタＴｒ２が破壊に至るおそれがある。この危険性は、ソース−ドレイン間容量が大きいトランジスタを高耐圧トランジスタＴｒ１として用いた場合に高くなる。
【０００８】
なお、特許文献１には、ノーマリオン型スイッチング素子とノーマリオフ型スイッチング素子をカスコード接続した電力変換装置において、逆回復電流に起因するスイッチング損失及び発熱損失を減少するために、カスコード回路と平行にダイオードを設置する技術が提案されている。しかしながら、当該構成では、上述した問題を解決することはできない。
【０００９】
それゆえに、本発明の主たる目的は、低耐圧トランジスタと高耐圧トランジスタをカスコード接続した半導体装置であって低耐圧トランジスタの破壊を防止することができる半導体装置並びにそれを用いたコンバータ、インバータ、エアーコンディショナー、ソーラーパワーコントローラ、及び自動車を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る半導体装置は、第１の電極が第１のノードに接続された第１のトランジスタと、第１の電極が前記第１のトランジスタの第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のトランジスタと、前記第２のトランジスタの第１の電極と前記第２のトランジスタの制御電極との間に設けられる直列回路と、前記直列回路と前記第２のトランジスタの制御電極との接続ノードに一端が接続される抵抗とを備える。前記第１のトランジスタのオフ耐圧が前記第２のトランジスタのオフ耐圧より高い。前記直列回路は、アノードが前記第２のトランジスタの制御電極側に配置されカソードが前記第２のトランジスタの第１の電極側に配置されるツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードに並列に接続されるコンデンサと、アノードが前記第２のトランジスタの第１の電極側に配置されカソードが前記第２のトランジスタの制御電極側に配置されるダイオードとを有する。
【００１１】
好ましくは、前記ダイオードが、前記ツェナーダイオードとは別のツェナーダイオードである。
【００１２】
また、前記第１のトランジスタをノーマリオン型トランジスタとし、前記第２のトランジスタをノーマリオフ型トランジスタとした場合、前記第１のトランジスタの制御電極を前記第２のノードに短絡する又は前記抵抗とは別の抵抗を介して前記第２のノードに接続されるとよい。
【００１３】
また、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタをそれぞれノーマリオフ型トランジスタとした場合、前記第１のトランジスタの制御電極には、前記第２のノードに対し、前記第１のトランジスタの閾値電圧以上の電圧を印加するとよい。
【００１４】
また、本発明に係るコンバータは、上記半導体装置を備え、直流電圧を昇圧または降圧する。
【００１５】
また、本発明に係るインバータは、上記半導体装置を備え、直流電力を交流電力に変換する。
【００１６】
また、本発明に係るエアーコンディショナーは、上記半導体装置を備える。
【００１７】
また、本発明に係るソーラーパワーコントローラは、上記半導体装置を備える。
【００１８】
また、本発明に係る自動車は、上記半導体装置を備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、低耐圧トランジスタと高耐圧トランジスタをカスコード接続した半導体装置において低耐圧トランジスタの破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図５】参考技術である半導体装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係るコンバータの構成を示す図である。
【図１２】本発明の第５実施形態に係るインバータの構成を示す図である。
【図１３】エアーコンディショナーの概略構成例を示す図である。
【図１４Ａ】ソーラーパワーコントローラの概略構成例を示す図である。
【図１４Ｂ】ソーラーパワーコントローラの概略構成例を示す図である。
【図１５】自動車の概略構成例を示す図である。
【図１６】従来の半導体装置の一構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る半導体装置について図１〜図４を参照して説明する。本実施形態に係る半導体装置は、図１６に示す従来の半導体装置にダイオードＤ２、ツェナーダイオードＺＤ１、コンデンサＣ１、及び抵抗Ｒ１を追加した構成である。ダイオードＤ２のアノードは接続ノードＮ３に接続され、ダイオードＤ２のカソードはツェナーダイオードＺＤ１のカソードに接続される。ツェナーダイオードＺＤ１のアノードは抵抗Ｒ１の一端及び低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極に接続され、ツェナーダイオードＺＤ１に並列にコンデンサＣ１が設けられる。抵抗Ｒ１の他端はゲート駆動回路１に接続される。トランジスタＴｒ１のゲート配線には適宜、ゲート抵抗素子を設けてもよい。
【００２２】
次に、本実施形態に係る半導体装置の動作について説明する。
【００２３】
ノードＮ１からノードＮ２に向かう方向に電流を流す場合は、例えばノードＮ１が基準電位に対し正の電位、ノードＮ２が基準電位である状態において、図２に示すようにゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極にＯＮ信号を印加する。ＯＮ信号は、基準電位に対し低耐圧トランジスタＴｒ２の閾値電圧以上の電圧信号である。ＯＮ信号がゲート電極に印加されると、低耐圧トランジスタＴｒ２が導通し、接続ノードＮ３も基準電位となる。また、高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート電極も基準電位であり、高耐圧トランジスタＴｒ１がノーマリオントランジスタであるので、高耐圧トランジスタＴｒ１も導通する。これにより、ノードＮ１からノードＮ２に向かう方向に電流を流すことができる。なお、ダイオードＤ２を設けているため、接続ノードＮ３と低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極とを繋ぐ経路があるにもかかわらず、接続ノードＮ３の電位よりも高い電圧信号を低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極に供給することができる。
【００２４】
ノードＮ２からノードＮ１に向かう方向に電流を流す場合は、例えばノードＮ１が基準電位に対し負の電位、ノードＮ２が基準電位である状態において、図３に示すようにゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極にＯＦＦ信号を印加する。ＯＦＦ信号は、基準電位に対し低耐圧トランジスタＴｒ２の閾値電圧未満の電圧信号である。ＯＦＦ信号がゲート電極に印加されると、低耐圧トランジスタＴｒ２は導通しないが、ダイオードＤ１の導通により接続ノードＮ３がほぼ基準電位となる。また、高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート電極が基準電位であり、高耐圧トランジスタＴｒ１がノーマリオントランジスタであるので、高耐圧トランジスタＴｒ１も導通する。これにより、ノードＮ２からノードＮ１に向かう方向に電流を流すことができる。なお、例えば基準電位がグランド電位である場合には、ゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極にＯＦＦ信号を印加する代わりに、ゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極に電圧信号を印加しないようにしてもよい。
【００２５】
ここで、ゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極にＯＦＦ信号を印加している際に、基準電位に対し正の電圧がノードＮ１に印加される場合を考える。
【００２６】
ノードＮ２が基準電位であり、接続ノードＮ３がほぼ基準電位であるとき、ノーマリオントランジスタである高耐圧トランジスタＴｒ１は導通している。このため、ノードＮ１の電位上昇開始に伴い、接続ノードＮ３の電位も上昇する。ノーマリオントランジスタである高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート電極は基準電位に保持されているノードＮ２に接続されているため、接続ノードＮ３の電位上昇に伴い高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート−ソース間に逆バイアスが印加され、高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート−ソース間電圧が高耐圧トランジスタＴｒ１の閾値電圧を下回ると、高耐圧トランジスタＴｒ１がオフ状態になる。
【００２７】
高耐圧トランジスタＴｒ１がオフ状態になっても、接続ノードＮ３の電位は、高耐圧トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間容量によりノードＮ１の電位に引きずられて上昇する。
【００２８】
しかしながら、接続ノードＮ３の電位上昇によりツェナーダイオードＺＤ１の両端電位差がツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧を超えると、ダイオードＤ２及びツェナーダイオードＺＤ１がオン状態となり、図４に示すように、ダイオードＤ２及びツェナーダイオードＺＤ１を通じて電流が流れ、更に抵抗Ｒ１を通じてゲート駆動回路１に向かって電流が流れる。
【００２９】
抵抗Ｒ１を電流が通過することによる抵抗Ｒ１での電圧降下により低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極の電位が上昇し、低耐圧トランジスタＴｒ２がオン状態になり、接続ノードＮ３の電位上昇が抑制される。ノードＮ１の電位が上昇し切ると、高耐圧トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間容量を充電する充電電流が止まり、低耐圧トランジスタＴｒ２がオフ状態になる。
【００３０】
例えば、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧を１５Ｖ、抵抗Ｒ１の抵抗値を５０Ωとし、接続ノードＮ３の電位が２０Ｖに上昇したとすると、低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極に約５Ｖが印加され、抵抗Ｒ１に０．１Ａの電流が流れ、高耐圧トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間容量を充電する充電電流の残りは低耐圧トランジスタＴｒ２のチャネルに流れ、接続ノードＮ３の電位上昇を抑える。
【００３１】
本実施形態に係る半導体装置と同様に、ノードＮ２に対してノードＮ１の電位が上昇した場合に接続ノードＮ３の電位上昇を抑えることができる参考技術として、図５に示す半導体装置を挙げることができる。
【００３２】
図５に示す半導体装置は、図１６に示す従来の半導体装置にツェナーダイオードＺＤ２を追加した構成である。ツェナーダイオードＺＤ２のアノードはノードＮ２に接続され、ツェナーダイオードＺＤ２のカソードは接続ノードＮ３に接続される。このような構成によると、低耐圧トランジスタＴｒ２のソース−ドレイン間をツェナーダイオードＺＤ２のツェナー電圧でクランプしているので、接続ノードＮ３の電位上昇を抑えることができる。
【００３３】
しかしながら、図５に示す半導体装置には次のような課題がある。スイッチング回路において、スイッチング損失を抑えるためには、スイッチングを高速に行うことが好ましい。ここで、図５に示す半導体装置をスイッチング回路の整流部に用いた場合、整流停止時に発生するノードＮ１の電位上昇は、スイッチングが高速であるほど急激になる。そして、ノードＮ１の電位上昇が急激であるほど、高耐圧トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間容量の充電電流が短時間に流れ、当該充電電流のピークが大きくなる。このような場合には、ツェナーダイオードＺＤ２に急激に大電流が流れ、その後流れていた電流が急激に停止するため、大きな発振を招くおそれがある。また、高耐圧トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間容量の充電電流のピークが大きい場合には、汎用のツェナーダイオードでは接続ノードＮ３の電位上昇を抑えきれないおそれがある。
【００３４】
これに対して、本実施形態に係る半導体装置では、接続ノードＮ３の電位が上昇したとき、ツェナーダイオードＺＤ１を流れる電流は抵抗Ｒ１によって制限され、高耐圧トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間容量の充電電流は低耐圧トランジスタＴｒ２を経由してノードＮ２に流れる。これにより、大きな充電電流にも対応が可能である。また、図５に示す半導体装置のように大電流によりツェナーダイオードの発熱が大きくなることがないので、放熱設計も容易である。
【００３５】
したがって、本実施形態に係る半導体装置をスイッチング回路の整流部に用いた場合、スイッチング回路を高速にスイッチングさせても動作が安定している。すなわち、次のような動作を安定して実現することができる。
【００３６】
ゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極にＯＦＦ信号を印加しておくと、ノードＮ２からノードＮ１に向かって電流を流す際は、ダイオードＤ１及び高耐圧トランジスタＴｒ１のチャネルを通じて電流が流れる。
【００３７】
一方、ノードＮ１の電位が上昇する際は、接続ノードＮ３の電位を安定的に抑えつつ、ノードＮ１からノードＮ２へ流れる電流を阻止する整流機構として用いることができる。また、ノードＮ１からノードＮ２へ電流を流したい場合は、ゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極にＯＮ信号を印加するとよい。以上により、高耐圧トランジスタＴｒ１としてノーマリオントランジスタを用いていながら、これをオフするための負電圧のゲート信号を必要とせず、通常のノーマリオフトランジスタをオン・オフするのと同等のゲート信号（オン時に正電圧、オフ時にゼロ電圧）によって駆動可能な、高耐圧スイッチング機構を得ることができ、また低耐圧トランジスタＴｒ２の破壊を抑制し安全に動作させることができる。
【００３８】
またさらに、本実施形態では、ツェナーダイオードＺＤ１に並列に、コンデンサＣ１を設けたことを特徴としている。ここで、このコンデンサＣ１が無い場合を考える。接続ノードＮ３の電位上昇に伴い、ツェナーダイオードＺＤ１がオンし、低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極の電位が上昇し、低耐圧トランジスタＴｒ２がオン状態になり、接続ノードＮ３の電位上昇が抑制されることは、上述通りであるが、ここで、低耐圧トランジスタＴｒ２がオンし接続ノードＮ３の電位上昇が抑制された際、ツェナーダイオードＺＤ１がオフし、低耐圧トランジスタＴｒ２がオフして再度ツェナーダイオードＺＤ１がオンする、ということを繰り返す、発振動作が発生する恐れがあり、ノイズや誤動作の原因となる可能性がある。本実施形態では、コンデンサＣ１を備えることにより、このような発振を抑制することができる。コンデンサＣ１の容量としては、１０ｐＦ〜１０００ｐＦ程度のものを適宜使用することができる。
【００３９】
また本実施形態では、上記コンデンサＣ１は、低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート側にアノード、ドレイン側にカソードを有するツェナーダイオードＺＤ１と並列接続されており、さらに逆方向に設置されるダイオードＤ２と直列に接続されている。このため、低耐圧トランジスタＴｒ２をオンさせるためにゲート電極に正の電圧信号を印加する場合、コンデンサＣ１の両端はツェナーダイオードＺＤ１によって順方向に接続され、かつダイオードＤ２によって逆方向に遮断されているため、ゲート電位の上昇時にコンデンサＣ１の両端間に電圧差は殆ど発生せず、コンデンサＣ１への充電は行われない。ゲート電位の上昇ないしドレイン電位の低下の際にコンデンサＣ１はミラー容量として機能することが殆どないため、低耐圧トランジスタＴｒ２のターンオンを遅延させることがなく、高速なスイッチングが可能である。一方、ターンオフ時には、接続ノードＮ３上昇時のツェナーダイオードＺＤ１の動作を安定させ、上述通り発振などの異常動作を抑制しつつ、接続ノードＮ３電位の過剰な上昇を抑えることができる。
【００４０】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る半導体装置について図６〜図９を参照して説明する。本実施形態に係る半導体装置は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置において、高耐圧トランジスタＴｒ１をノーマリオントランジスタからノーマリオフＭＯＳトランジスタに変更し、直流電圧源２を追加した構成である。直流電圧源２の正極は高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート電極に接続され、直流電圧源２の負極はノードＮ２に接続される。直流電圧源２は高耐圧トランジスタＴｒ１の閾値電圧以上の電圧を出力する。高耐圧トランジスタＴｒ１は、逆並列に内蔵ダイオードＤ３を有している。なお、上記直流電圧源２としては例えば、電源を並列に接続されたコンデンサなどを用いることができる。また、トランジスタＴｒ１のゲート配線には適宜、ゲート抵抗素子を設けてもよい。
【００４１】
次に、本実施形態に係る半導体装置の動作について説明する。
【００４２】
ノードＮ１からノードＮ２に向かう方向に電流を流す場合は、ノードＮ１が基準電位に対し正の電位、ノードＮ２が基準電位である状態において、図７に示すようにゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極にＯＮ信号を印加する。ＯＮ信号は、基準電位に対し低耐圧トランジスタＴｒ２の閾値電圧以上の電圧信号である。ＯＮ信号がゲート電極に印加されると、低耐圧トランジスタＴｒ２が導通し、接続ノードＮ３も基準電位となって、高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート−ソース間に閾値電圧以上の電圧が印加され、高耐圧トランジスタＴｒ１も導通する。これにより、ノードＮ１からノードＮ２に向かう方向に電流を流すことができる。なお、ダイオードＤ２を設けているため、接続ノードＮ３と低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極とを繋ぐ経路があるにもかかわらず、接続ノードＮ３の電位よりも高い電圧信号を低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極に供給することができる。
【００４３】
ノードＮ２からノードＮ１に向かう方向に電流を流す場合は、ノードＮ１が基準電位に対し負の電位、ノードＮ２が基準電位である状態において、図８に示すようにゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極にＯＦＦ信号を印加する。ＯＦＦ信号は、基準電位に対し低耐圧トランジスタＴｒ２の閾値電圧未満の電圧信号である。ＯＦＦ信号がゲート電極に印加されると、低耐圧トランジスタＴｒ２は導通しないが、ダイオードＤ１の導通により接続ノードＮ３がほぼ基準電位となって、高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート−ソース間に閾値電圧以上の電圧が印加され、高耐圧トランジスタＴｒ１も導通する。これにより、ノードＮ２からノードＮ１に向かう方向に流れる電流は、ダイオードＤ１から高耐圧トランジスタＴｒ１のチャネルを通じての経路で流れることになり、高耐圧トランジスタＴｒ１の内蔵ダイオードＤ３には殆ど流れない。なお、例えば基準電位がグランド電位である場合には、ゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極にＯＦＦ信号を印加する代わりに、ゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極に電圧信号を印加しないようにしてもよい。
【００４４】
ここで、ゲート駆動回路１が低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極にＯＦＦ信号を印加している際に、基準電位に対し正の電圧がノードＮ１に印加される場合を考える。
【００４５】
ノードＮ２が基準電位であり、接続ノードＮ３がほぼ基準電位であるとき、ノーマリオフトランジスタである高耐圧トランジスタＴｒ１は導通している。このため、ノードＮ１の電位上昇開始に伴い、接続ノードＮ３の電位も上昇する。ノーマリオフトランジスタである高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート電極は所定の電位に保持されている直流電圧源２の正極に接続されているため、接続ノードＮ３の電位上昇に伴い高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート−ソース間に正バイアスが減少し、高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート−ソース間電圧が高耐圧トランジスタＴｒ１の閾値電圧を下回ると、高耐圧トランジスタＴｒ１がオフ状態になる。
【００４６】
高耐圧トランジスタＴｒ１がオフ状態になっても、接続ノードＮ３の電位は、高耐圧トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間容量によりノードＮ１の電位に引きずられて上昇する。
【００４７】
しかしながら、接続ノードＮ３の電位上昇によりツェナーダイオードＺＤ１の両端電位差がツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧を超えると、ダイオードＤ２及びツェナーダイオードＺＤ１がオン状態となり、図９に示すように、ダイオードＤ２及びツェナーダイオードＺＤ１を通じて電流が流れ、更に抵抗Ｒ１を通じてゲート駆動回路１に向かって電流が流れる。
【００４８】
抵抗Ｒ１を電流が通過することによる抵抗Ｒ１での電圧降下により低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極の電位が上昇し、低耐圧トランジスタＴｒ２がオン状態になり、接続ノードＮ３の電位上昇が抑制される。ノードＮ１の電位が上昇し切ると、高耐圧トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間容量を充電する充電電流が止まり、高耐圧トランジスタＴｒ１がオフ状態になる。
【００４９】
本実施形態に係る半導体装置は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置と同様に、ノードＮ２に対してノードＮ１の電位が上昇した場合に接続ノードＮ３の電位上昇を抑えることができ、大きな充電電流にも対応が可能であり、放熱設計も容易である。
【００５０】
また、本実施形態では、高耐圧トランジスタＴｒ１としてノーマリオフトランジスタを用いているので、高耐圧トランジスタＴｒ１としてスーパージャンクションＭＯＳトランジスタなどの大電流向け低抵抗トランジスタを用いることができる。
【００５１】
さらに、本実施形態に係る半導体装置を整流機構として用いる場合、図８に示すように高耐圧トランジスタＴｒ１を通過する電流は、リカバリ電流の大きい内蔵ダイオードＤ３ではなく、チャネルを通過しているため、高耐圧トランジスタＴｒ１単体の内蔵ダイオードＤ３を整流素子として用いる場合に比べて、リカバリ電流を抑えることができる。なお、一般に低耐圧トランジスタの内蔵ダイオードのリカバリ電流は高耐圧トランジスタの内蔵ダイオードのリカバリ電流より小さいので、低耐圧トランジスタＴｒ２の内蔵ダイオードＤ１のリカバリ電流はスイッチング損失に大きな影響を与えない。
【００５２】
なお、第１実施形態同様、本実施形態でも、コンデンサＣ１がツェナーダイオードＺＤ１に並列に接続されていることにより、ツェナーダイオードＺＤ１動作時の異常発振に伴うノイズや誤動作を抑制するとともに、ターンオン動作を遅延させることなく高速スイッチングを行うことができる。
【００５３】
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る半導体装置について図１０を参照して説明する。本実施形態に係る半導体装置は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置のダイオードＤ２にツェナーダイオードを用いた構成である。
【００５４】
ダイオードＤ２として用いられるツェナーダイオードのツェナー電圧は、ゲート駆動回路１から出力されるＯＮ信号の電圧よりも多く、低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート耐圧よりも低く設定される。これにより、サージ等の影響で低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極に過剰な電圧が印加されることも防ぐことができる。したがって、本実施形態に係る半導体装置は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置が奏する効果に加えて、低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極を保護する効果も奏する。
【００５５】
例えば、低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート耐圧が２０Ｖで、ゲート駆動回路１から出力されるＯＮ信号の電圧を１５Ｖとした場合、ダイオードＤ２として用いられるツェナーダイオードのツェナー電圧を１８Ｖなどに設定する。また、例えば、低耐圧トランジスタＴｒ２のソース−ドレイン耐圧が４０Ｖで、ゲート駆動回路１から低耐圧トランジスタＴｒ２のゲート電極に印加されるＯＮ信号の電圧を１０Ｖとした場合、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧を１５〜３５Ｖ程度に設定することができ、特に、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧とダイオードＤ２として用いられるツェナーダイオードのツェナー電圧を同一に設定する場合は、ツェナーダイオードＺＤ１とダイオードＤ２として用いられるツェナーダイオードを一つの素子である双方向ツェナーダイオードにしてもよい。
【００５６】
＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態に係るコンバータについて図１１を参照して説明する。本実施形態に係るコンバータは、本発明に係るスイッチング電源装置の一例であり、ハイサイドアームとローサイドアームのそれぞれに本発明の第２実施形態に係る半導体装置を備えた構成である。
【００５７】
ハイサイドアームの高耐圧トランジスタＴＲ１、低耐圧トランジスタＴＲ２、ダイオードＤ１〜３、ツェナーダイオードＺＤ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１、ゲート駆動回路１、及び直流電圧源２によって構成される回路は、図６に示す本発明の第２実施形態に係る半導体装置と同一である。
【００５８】
同様に、ローサイドアームの高耐圧トランジスタＴＲ１１、低耐圧トランジスタＴＲ１２、ダイオードＤ１１〜１３、ツェナーダイオードＺＤ１１、コンデンサＣ１１、抵抗Ｒ１１、ゲート駆動回路１１、及び直流電圧源１２によって構成される回路は、図６に示す本発明の第２実施形態に係る半導体装置と同一である。
【００５９】
また、本実施形態に係るコンバータはコイル３を備えている。コイル３の一端は、低耐圧トランジスタＴｒ２のソースと高耐圧トランジスタＴｒ１１のドレインとの接続ノードＮ２に接続され、コイル３の一端はノードＮ６に接続される。
【００６０】
本実施形態に係るコンバータは、ハイサイドアーム、ローサイドアームとも、本発明の第２実施形態に係る半導体装置を備える構成であるため、両サイドともゲート駆動回路から出力されるＰＷＭ信号によりスイッチング機構として動作させることが可能であるとともに、オフ状態とすることで整流機構として動作させることも可能である。したがって、本実施形態に係るコンバータは、ノード１とノード６との間で双方向に電力変換を行う双方向チョッパとして動作することができるとともに、別途高耐圧ダイオードを設置する必要がない。
【００６１】
ノードＮ６からノードＮ１への昇圧動作を行う場合には、ゲート駆動回路１１がＯＮ信号とＯＦＦ信号を交互に切り替えて低耐圧トランジスタＴｒ１２に供給し、低耐圧トランジスタＴｒ１２をＰＷＭ動作させる。
【００６２】
上記のようにローサイドアームをスイッチング機構として動作させる場合には、ターンオフ時にゲート駆動回路１１から出力される信号がＯＮ信号からＯＦＦ信号に切り替わる。この切り替わりにより、低耐圧トランジスタＴｒ１２のゲート電極の電位が引き下げられ、低耐圧トランジスタＴｒ１２のチャネル抵抗が増大する。これに伴い、接続ノードＮ５の電位が上昇し、高耐圧トランジスタＴｒ１１のゲート−ソース間電圧が低下するため、高耐圧トランジスタＴｒ１１のチャネル抵抗が増大し、ノードＮ２の電位が上昇する。このとき、高耐圧トランジスタＴｒ１１のソース−ドレイン間容量を充電する電流が発生し、この充電電流により接続ノードＮ５の電位がさらに上昇する。しかしながら、接続ノードＮ５の電位上昇によりツェナーダイオードＺＤ１１の両端電位差がツェナーダイオードＺＤ１１のツェナー電圧を超えると、ダイオードＤ１２及びツェナーダイオードＺＤ１２がオン状態となり、ダイオードＤ１２及びツェナーダイオードＺＤ１１を通じて電流が流れ、更に抵抗Ｒ１１を通じてゲート駆動回路１１に向かって電流が流れる。抵抗Ｒ１１を電流が通過することによる抵抗Ｒ１１での電圧降下により低耐圧トランジスタＴｒ１２のゲート電極の電位が上昇し、低耐圧トランジスタＴｒ１２がオン状態になり、接続ノードＮ５の電位上昇が抑制される。ターンオフが完了すると、ツェナーダイオードＺＤ１１の両端電位差がツェナーダイオードＺＤ１１のツェナー電圧を下回り、抵抗Ｒ１１を流れる電流が停止して低耐圧トランジスタＴｒ１２がオフ状態になる。
【００６３】
このとき、ゲート駆動回路１はＯＦＦ信号を低耐圧トランジスタＴｒ２に供給しておくと、ハイサイドアームは整流機構として動作し、またローサイドアームの高耐圧トランジスタＴｒ１１及び低耐圧トランジスタＴｒ１２がオン状態になる際には接続ノードＮ３とノードＮ２間の電位差を、ダイオードＤ２、ツェナーダイオードＺＤ１、及び抵抗Ｒ１を通過する電流によって低耐圧トランジスタＴｒ２がオン状態になることで抑える。これにより、低耐圧トランジスタＴｒ２の破壊を防止することができる。
【００６４】
また、上記のようにハイサイドアームを整流機構として動作させる場合には、ノードＮ２からノードＮ１へ流れる電流は、低耐圧であるダイオードＤ１及び高耐圧トランジスタＴｒ１のチャネルを流れる。ダイオードＤ１は低耐圧であるためリカバリ電流が少ないため、リカバリ電流を抑えることができる。
【００６５】
なお、上述のようにゲート駆動回路１はＯＦＦ信号を低耐圧トランジスタＴｒ２に供給してもよいが、ゲート駆動回路１１から出力されるＰＷＭ信号（ＯＮ信号とＯＦＦ信号を所定のデューティ比で交互に切り替えている信号）に対し適宜デッドタイムを設け、相補的にゲート駆動回路１がＰＷＭ信号を出力することでハイサイドアームが同期整流を行ってもよい。このようにして同期整流を行う場合、整流電流がダイオードＤ１ではなく低耐圧トランジスタＴｒ１のチャネルを通過するので、整流電流の通過損を抑えることができ、高効率動作が可能となる。
【００６６】
ノードＮ１からノードＮ６への降圧動作を行う場合には、ノードＮ６からノードＮ１への昇圧動作を行う場合とは逆に、ハイサイドアームをＰＷＭ動作させ、ローサイドアームをオフ状態又は相補的にＰＷＭ動作させるとよい。
【００６７】
＜第５実施形態＞
本発明の第５実施形態に係るインバータについて図１２を参照して説明する。本実施形態に係るインバータは、本発明に係るスイッチング電源装置の一例であり、ハイサイドアームとローサイドアームのそれぞれに本発明の第２実施形態に係る半導体装置を備えた構成である。本実施形態に係るインバータでは、一組のハイサイドアームとローサイドアームの接続ノードに接続されるコイル３と、もう一組のハイサイドアームとローサイドアームの接続ノードに接続されるコイル４との間に交流負荷５が設けられ、交流負荷５に二相交流電圧が供給される。
【００６８】
＜第６実施形態＞
本発明に係るスイッチング電源装置（例えば、上記第４実施形態に係るコンバータ、上記第５実施形態に係るインバータ）は、エアーコンディショナー、ソーラーパワーコントローラ、自動車などに使用可能である。エアーコンディショナーは、例えば、図１３に示す構成例のように、商用交流電源から出力される交流電圧を整流し且つ平滑する整流平滑回路１０１と、整流平滑回路１０１から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ１０２と、インバータ１０２から出力される三相交流電圧によって回転駆動する圧縮機用三相モータ１０３と備える。ソーラーパワーコントローラは、例えば、図１４Ａに示す構成例のように、複数の太陽電池セルを有するソーラーパネル１０４と、ソーラーパネル１０４から出力される直流電圧を昇圧または降圧するコンバータ１０５とを備え、コンバータ１０５から出力される直流電圧をＤＣ負荷（直流電圧を受け取る負荷。バッテリなどの蓄電装置も含む。）１０６に供給する。また、ソーラーパワーコントローラは、例えば、図１４Ｂに示す構成例のように、複数の太陽電池セルを有するソーラーパネル１０７と、ソーラーパネル１０７から出力される直流電圧を昇圧または降圧するコンバータ１０８と、コンバータ１０８から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ１０９とを備え、インバータ１０９から出力される三相交流電圧をＡＣ負荷（三相交流電圧を受け取る負荷）１１０に供給する。自動車は、例えば、図１５に示す構成例のように、バッテリ１１１と、バッテリ１１１から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ１１２と、インバータ１１２から出力される三相交流電圧によって回転駆動する三相モータ１０３と、三相モータ１０３の回転軸に連結される駆動輪１１４とを備える。なお、上記の例において、コンバータ１０５，１０８は、ソーラーパネル１０４，１０７の発電電力を最大化するためにソーラーパネル１０４，１０７の動作点を制御するＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御機能を有していることが望ましい。また、上記の例においては、インバータ１０２，１０９，１１２が直流電圧を三相交流電圧に変換しているが、直流電圧を単相交流電圧或いは二相交流電圧に変換する構成に変更し、その変更に応じてモータやＡＣ負荷の仕様を変更することも可能である。
【００６９】
＜まとめ＞
今回開示された本発明の各実施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。
【００７０】
例えば、本発明の各実施形態においてツェナーダイオードＺＤ１とダイオードＤ２の配置を入れ替えてもよい。この場合、ツェナーダイオードＺＤ１のカソードが接続ノードＮ３に接続され、ツェナーダイオードＺＤ１のアノードがダイオードＤ２のアノードに接続され、ダイオードＤ２のカソードが抵抗Ｒ１の一端に接続される。本発明の第４及び第５実施形態におけるツェナーダイオードＺＤ１１とダイオードＤ１２の配置、本発明の第５実施形態におけるツェナーダイオードＺＤ２１とダイオードＤ２２の配置、並びにツェナーダイオードＺＤ３１とダイオードＤ３２の配置についても同様の入れ替えが可能である。また、例えば本発明の第１実施形態に係る半導体装置に関して、高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート電極とノードＮ２とを短絡するのではなく、高耐圧トランジスタＴｒ１のゲート電極とノードＮ２とを抵抗Ｒ１とは別の抵抗を介して接続するようにしてもよい。
【００７１】
また、本発明の第３実施形態では、本発明の第１実施形態に係る半導体装置のダイオードＤ２にツェナーダイオードを用いたが、本発明の第２実施形態に係る半導体装置のダイオードＤ２にツェナーダイオードを用いてもよい。
【００７２】
また、本発明に係るコンバータ或いはインバータは、本発明の第２実施形態に係る半導体装置以外の本発明に係る半導体装置を備える構成であってもよい。
【００７３】
以上説明した半導体装置は、第１の電極が第１のノード（Ｎ１）に接続された第１のトランジスタ（Ｔｒ１）と、第１の電極が前記第１のトランジスタ（Ｔｒ１）の第２の電極に接続され、第２の電極が第２のノード（Ｎ２）に接続された第２のトランジスタ（Ｔｒ２）と、前記第２のトランジスタ（Ｔｒ２）の第１の電極と前記第２のトランジスタ（Ｔｒ２）の制御電極との間に設けられる直列回路と、前記直列回路と前記第２のトランジスタ（Ｔｒ２）の制御電極との接続ノードに一端が接続される抵抗（Ｒ１）とを備え、前記第１のトランジスタ（Ｔｒ１）のオフ耐圧が前記第２のトランジスタ（Ｔｒ２）のオフ耐圧より高く、前記直列回路は、アノードが前記第２のトランジスタ（Ｔｒ２）の制御電極側に配置されカソードが前記第２のトランジスタ（Ｔｒ２）の第１の電極側に配置されるツェナーダイオード（ＺＤ１）と、前記ツェナーダイオード（ＺＤ１）に並列に接続されるコンデンサ（Ｃ１）と、アノードが前記第２のトランジスタ（Ｔｒ２）の第１の電極側に配置されカソードが前記第２のトランジスタ（Ｔｒ２）の制御電極側に配置されるダイオード（Ｄ２）とを有する構成（第１の構成）である。
【００７４】
このような構成によると、第２のノードに対して第１のノードの電位が上昇した場合に第１のトランジスタと第２のトランジスタとの接続ノードの電位上昇を抑えることができ、大きな充電電流にも対応が可能であり、放熱設計も容易である。また、このような構成によると、ツェナーダイオード動作時の異常発振に伴うノイズや誤動作を抑制するとともに、第２のトランジスタのターンオン動作を遅延させることなく高速スイッチングを行うことができる。
【００７５】
上記第１の構成の半導体装置において、前記ダイオード（Ｄ２）が、前記ツェナーダイオード（ＺＤ１）とは別のツェナーダイオード（ＺＤ３）である構成（第２の構成）としてもよい。
【００７６】
このような構成によると、第２のトランジスタのゲートを保護することができる。
【００７７】
上記第１または第２の構成の半導体装置において、前記第１のトランジスタ（Ｔｒ１）がノーマリオン型トランジスタであり、前記第２のトランジスタ（Ｔｒ２）がノーマリオフ型トランジスタであり、前記第１のトランジスタ（Ｔｒ１）の制御電極を前記第２のノード（Ｎ２）に短絡する又は前記抵抗（Ｒ１）とは別の抵抗を介して前記第２のノード（Ｎ２）に接続される構成（第３の構成）としてもよい。
【００７８】
このような構成によると、第２のトランジスタがオン状態であるときに、第１のトランジスタもオン状態にすることができる。
【００７９】
上記第１または第２の構成の半導体装置において、前記第１のトランジスタ（Ｔｒ１）及び前記第２のトランジスタ（Ｔｒ２）がそれぞれノーマリオフ型トランジスタであり、前記第１のトランジスタ（Ｔｒ１）の制御電極には、前記第２のノード（Ｎ２）に対し、前記第１のトランジスタ（Ｔｒ１）の閾値電圧以上の電圧を印加する構成（第４の構成）としてもよい。
【００８０】
このような構成によると、第２のトランジスタがオン状態であるときに、第１のトランジスタもオン状態にすることができる。
【００８１】
また、以上説明したコンバータは、上記第１〜第４のいずれかの構成の半導体装置を備え、直流電圧を昇圧または降圧する。
【００８２】
また、以上説明したインバータは、上記第１〜第４のいずれかの構成の半導体装置を備え、直流電力を交流電力に変換する。
【００８３】
また、以上説明したエアーコンディショナーは、上記第１〜第４のいずれかの構成の半導体装置を備える。
【００８４】
また、以上説明した自動車は、上記第１〜第４のいずれかの構成の半導体装置を備える。
【符号の説明】
【００８５】
１、１１、２１、３１  ゲート駆動回路
２、１２、２２、３２  直流電圧源
３、４  コイル
５  交流負荷
Ｄ１〜Ｄ３、Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ３２  ダイオード
Ｒ１、Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ３１  抵抗
Ｔｒ１、Ｔｒ１１、Ｔｒ２１、Ｔｒ３１  高耐圧トランジスタ
Ｔｒ２、Ｔｒ１２、Ｔｒ２２、Ｔｒ３２  低耐圧トランジスタ
ＺＤ１、ＺＤ１１、ＺＤ２１、ＺＤ３１  ツェナーダイオード
Ｃ１、Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１  コンデンサ
【図１】
2016046935.tif 000003
【図２】
2016046935.tif 000004
【図３】
2016046935.tif 000005
【図４】
2016046935.tif 000006
【図５】
2016046935.tif 000007
【図６】
2016046935.tif 000008
【図７】
2016046935.tif 000009
【図８】
2016046935.tif 000010
【図９】
2016046935.tif 000011
【図１０】
2016046935.tif 000012
【図１１】
2016046935.tif 000013
【図１２】
2016046935.tif 000014
【図１３】
2016046935.tif 000015
【図１４Ａ】
2016046935.tif 000016
【図１４Ｂ】
2016046935.tif 000017
【図１５】
2016046935.tif 000018
【図１６】
2016046935.tif 000019