(57)【要約】  半導体装置は、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、半導体スイッチング素子のスイッチング時に発生するサージ電圧を抑制するスナバ回路とを備える。駆動回路は、半導体スイッチング素子をスイッチングしたタイミングから所定時間が経過したタイミングで半導体スイッチング素子をスイッチングするように構成される。所定時間は、半導体スイッチング素子のスイッチングによって生じる電圧振動において電圧が増加するタイミングに基づいて設定される。
2020245900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
前記半導体スイッチング素子のスイッチング時に発生するサージ電圧を抑制するスナバ回路とを備え、
前記駆動回路は、前記半導体スイッチング素子をスイッチングしたタイミングから所定時間が経過したタイミングで前記半導体スイッチング素子をスイッチングするように構成され、
前記所定時間は、前記半導体スイッチング素子のスイッチングによって生じる電圧振動において電圧が増加するタイミングに基づいて設定される、半導体装置。
【請求項２】
前記駆動回路は、前記半導体スイッチング素子をターンオフさせたタイミングから前記所定時間が経過したタイミングで前記半導体スイッチング素子をターンオンさせるように構成され、
前記所定時間は、前記スイッチングによって生じる電圧振動の周期の（３／４＋ｎ）倍より大きく、かつ（５／４＋ｎ）倍未満となる範囲内（ｎは０以上の整数）に設定される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、前記半導体スイッチング素子をターンオンさせたタイミングから前記所定時間が経過したタイミングで前記半導体スイッチング素子をターンオフさせるように構成され、
前記所定時間は、前記スイッチングによって生じる電圧振動の周期の（３／４＋ｎ）倍より大きく、かつ（５／４＋ｎ）倍未満となる範囲内（ｎは０以上の整数）に設定される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記スナバ回路は、前記半導体スイッチング素子に直列接続されるコンデンサを含み、
前記電圧振動の周期は、前記コンデンサの容量および前記半導体装置の寄生インダクタンスに基づいて算出される、請求項２または３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００７−１４３３３６号公報（特許文献１）には、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、半導体スイッチング素子のスイッチング時に発生するサージ電圧を抑制するスナバ回路とを備える半導体装置が開示される。【０００３】
上記半導体装置は、スナバ回路の両端電圧を検出する電圧検出回路と、該電圧検出回路により出力される検出信号の振動成分の移動を検出する位相検出回路とをさらに備える。位相検出回路は、電圧検出回路により出力される検出信号から、スイッチングによって生じる電圧振動の位相を検出する。駆動回路は、位相検出回路の出力に基づいて、振動成分の位相と逆位相で重畳されるように半導体スイッチング素子のスイッチング動作のタイミングを制御するように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４３３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載される半導体装置によれば、スイッチング動作後に生じる電圧振動の振幅を減衰させることができる。しかしながら、半導体スイッチング素子のスイッチング動作のタイミングを制御するために、電圧検出回路および位相検出回路を設ける必要があるため、回路構成が複雑になるとともに、部品点数が増加することが懸念される。【０００６】
この発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡易な構成で、半導体スイッチング素子のスイッチングによって生じる電圧振動を減衰させるように、半導体スイッチング素子をスイッチングするタイミングを制御することができる半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体装置は、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、半導体スイッチング素子のスイッチング時に発生するサージ電圧を抑制するスナバ回路とを備える。駆動回路は、半導体スイッチング素子をスイッチングしたタイミングから所定時間が経過したタイミングで半導体スイッチング素子をスイッチングするように構成される。所定時間は、半導体スイッチング素子のスイッチングによって生じる電圧振動において電圧が増加するタイミングに基づいて設定される。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、簡易な構成で、半導体スイッチング素子のスイッチングによって生じる電圧振動を減衰させるように、半導体スイッチング素子をスイッチングするタイミングを制御することができる半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２】スイッチング素子をターンオフさせたときの電圧および電流の波形を示す図である。
【図３】スイッチング素子をターンオンさせる好適なタイミングの測定手順を説明する図である。
【図４】図３の時刻ｔ１にスイッチング素子をターンオンさせた場合の電流および電圧の波形を示す図である。
【図５】図３の時刻ｔ２にスイッチング素子をターンオンさせた場合の電流および電圧の波形を示す図である。
【図６】図３の時刻ｔ３にスイッチング素子をターンオンさせた場合の電流および電圧の波形を示す図である。
【図７】図３の時刻ｔ４にスイッチング素子をターンオンさせた場合の電流および電圧の波形を示す図である。
【図８】図３の時刻ｔ５にスイッチング素子をターンオンさせた場合の電流および電圧の波形を示す図である。
【図９】図３の時刻ｔ６にスイッチング素子をターンオンさせた場合の電流および電圧の波形を示す図である。
【図１０】図３の時刻ｔ７にスイッチング素子をターンオンさせた場合の電流および電圧の波形を示す図である。
【図１１】スイッチング素子をターンオンさせた後に電圧振動が増幅する場合における電圧および電流の波形を示す図である。
【図１２】スイッチング素子をターンオンさせた後に電圧振動が減衰する場合における電圧および電流の波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的には繰返さないものとする。
【００１１】
図１は、実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
図１を参照して、半導体装置は、半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する）Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、駆動回路１２と、スナバ回路１４とを備える。図１では、半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２として、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）を例示しているが、必ずしもＩＧＢＴに限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Field  Effect  Transistor）などの任意の自己消弧型の半導体スイッチング素子であってもよい。図１に示す半導体装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ、交流電力を直流電力に変換するコンバータなどの電力変換器に適用される。
【００１２】
スイッチング素子Ｑ１は、コレクタＣ１が直流正母線ＰＬに接続され、エミッタＥ１がスイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子Ｃ２に接続される。スイッチング素子Ｑ２のエミッタＥ２は、直流負母線ＮＬに接続される。
【００１３】
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２にはそれぞれ、ダイオードＤ１，２が逆並列に接続されている。ダイオードＤ１，Ｄ２の各々は、対応するスイッチング素子のオフ時にフリーホイール電流を流すために設けられている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がＭＯＳＦＥＴである場合、フリーホイールダイオードは寄生のダイオード（ボディダイオード）で構成してもよい。
【００１４】
スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２の直列回路１０はハーフブリッジ回路を構成する。直流正母線ＰＬおよび直流負母線ＮＬの間に２つの直列回路１０を互いに並列に接続することにより、フルブリッジ回路を有する電力変換器を構成することができる。
【００１５】
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路１０は、入力端子Ｔ１，Ｔ２および出力端子Ｔ３を有する。入力端子Ｔ１はスイッチング素子Ｑ１のコレクタＣ１および直流正母線ＰＬに接続され、入力端子Ｔ２はスイッチング素子Ｑ２のエミッタＥ２および直流負母線ＮＬに接続される。出力端子Ｔ３は、スイッチング素子Ｑ１のエミッタＥ１およびスイッチング素子Ｑ２のコレクタＣ２に接続される。
【００１６】
入力端子Ｔ１および入力端子Ｔ２の間にはコンデンサ１１が接続される。コンデンサ１１は「直流電源」の一実施例に対応する。
【００１７】
駆動回路１２は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲート端子に接続される。駆動回路１２は、図示しない電力変換器の制御装置から制御指令を受けると、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチングするための電圧をゲート端子に印加するように構成される。具体的には、駆動回路１２は、制御装置からスイッチング素子Ｑ１のオン指令を受けると、スイッチング素子Ｑ１を導通状態（オン状態）に遷移（ターンオン）させるための電圧をスイッチング素子Ｑ１のゲート端子に印加する。ターンオンさせるための電圧は、スイッチング素子Ｑ１の閾値電圧よりも高い電圧に設定されている。
【００１８】
一方、駆動回路１２は、制御装置からスイッチング素子Ｑ１のオフ指令を受けると、スイッチング素子Ｑ１を遮断状態（オフ状態）に遷移（ターンオフ）させるための電圧をスイッチング素子Ｑ１のゲート端子に印加する。ターンオフさせるための電圧は、スイッチング素子Ｑ１の閾値電圧よりも低い電圧に設定されている。
【００１９】
同様に、駆動回路１２は、制御装置からスイッチング素子Ｑ２のオン指令を受けると、スイッチング素子Ｑ２をターンオンさせるための電圧をスイッチング素子Ｑ２のゲート端子に印加する。駆動回路１２は、制御装置からスイッチング素子Ｑ２のオフ指令を受けると、スイッチング素子Ｑ２をターンオフさせるための電圧をスイッチング素子Ｑ２のゲート端子に印加する。なお、駆動回路１２は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を相補的に駆動するように構成される。
【００２０】
スナバ回路１４は、直列回路１０の入力端子Ｔ１と入力端子Ｔ２との間に接続される。スナバ回路１４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング動作時に発生するサージ電圧を吸収するために設けられている。スナバ回路１４は、コンデンサ１６を含む。コンデンサ１６の容量は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に流れる電流に応じて決定される。
【００２１】
以下の説明では、スイッチング素子Ｑ１のコレクタＣ１およびスイッチング素子Ｑ２のエミッタＥ２間の電圧を電圧Ｖ１とし、スイッチング素子Ｑ２のコレクタＣ２およびエミッタＥ２間の電圧を電圧Ｖ２とする。スイッチング素子Ｑ１のコレクタＣ１およびエミッタＥ１間に流れる電流を電流Ｉ１とし、スナバ回路１４のコンデンサ１６の端子間電圧を電圧Ｖｓとし、コンデンサ１６に流れる電流を電流Ｉｓとする。
【００２２】
次に、図２を用いて、図１に示した半導体装置の動作について説明する。
図２は、スイッチング素子Ｑ１をターンオフさせたときの電圧Ｖ１および電流Ｉ１の波形を示す図である。なお、電圧Ｖ１はコンデンサ１６の端子間電圧Ｖｓと同等である。
【００２３】
図２を参照して、時刻ｔ０にて駆動回路１２によりスイッチング素子Ｑ１がターンオフされると、電流Ｉ１が０に向けて下がり始める一方で、電圧Ｖ１は基準電圧から上昇し始める。ターンオフの直後において、電圧Ｖ１にはサージ電圧が発生する。スイッチング素子Ｑ１のスイッチング速度が高くなるほど、サージ電圧が高くなる。
【００２４】
ここで、図１に示す半導体装置においては、スナバ回路１４とスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２との間の配線には寄生インダクタンス１８〜２０が存在するため、スナバ回路１４のコンデンサ１６と寄生インダクタンス１８〜２０との共振により、スイッチング素子Ｑ１のターンオフ後、電圧Ｖ１が振動する。この電圧振動が残留している間に、制御装置からオン指令を受けてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせると、ターンオンのタイミングによっては、電圧振動を増幅させてしまう場合がある。この場合、スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間にかかる電圧がスイッチング素子の耐圧を超えることによって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が破壊に至る可能性がある。
【００２５】
なお、ターンオフさせた後に電圧Ｖ１の振動が減衰するのを待ってスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせることによって、上述した電圧振動の増幅を抑制することができるが、半導体装置（および電力変換器）の応答性の低下を招くことが懸念される。このような懸念を払拭するために、特許文献１に記載される半導体装置は、スナバ回路の両端電圧を検出する電圧検出回路と、該電圧検出回路から出力される検出信号の振動成分の位相を検出する位相検出回路とを備え、位相検出回路の出力に基づいて、スイッチング素子のスイッチング動作のタイミングを制御するように構成される。上記構成において、駆動回路は、位相検出回路の出力に基づいて、電圧振動が逆位相で重畳されるようにスイッチング素子のスイッチング動作のタイミングを制御する。
【００２６】
しかしながら、特許文献１に記載される半導体装置では、電圧検出回路および位相検出回路を設ける必要があるため、回路構成が複雑になるとともに、部品点数が増加することが懸念される。
【００２７】
したがって、本実施の形態では、より簡易な構成によって、スイッチング素子Ｑ１のターンオフ時に生じる電圧振動を減衰させるように、スイッチング素子Ｑ１をターンオンするタイミングを制御することができる半導体装置を提供する。
【００２８】
以下、図３から図１０を用いて、スイッチング素子Ｑ１をターンオンさせる好適なタイミングに関する測定結果を説明する。
【００２９】
図３を参照して、測定では、スイッチング素子Ｑ１をターンオンさせるタイミングと電圧振動との関係を検証するために、時刻ｔ０にターンオフさせた後にスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせるタイミングとして、複数の時刻ｔ１〜ｔ７を設定する。なお、スイッチング素子Ｑ２はオフ状態に固定されている。
【００３０】
具体的には、ターンオフ後の電圧振動の周期をＴとした場合、時刻ｔ１は、時刻ｔ０との間に１／４周期（＝１／４×Ｔ）に相当する時間差を有するように設定される。なお、電圧振動の周期Ｔについては、電圧Ｖ１が基準電圧から増加し始める時刻ｔ０を位相０°とし、電圧Ｖ１が減少して基準電圧となるタイミングを位相１８０°（１／２周期）とする。さらに電圧Ｖ１が減少から増加に転じて再び基準電圧となるタイミングを位相３６０°（１周期）とする。電圧振動の周期Ｔは、スナバ回路１４のコンデンサ１６の容量および寄生インダクタンス１８〜２０によって決まる。すなわち、電圧振動の周期Ｔは半導体装置の回路構成によって決まる固定値である。
【００３１】
時刻ｔ２，ｔ３，ｔ４はいずれも、時刻ｔ０との間に１／４周期（＝１／４×Ｔ）より大きく３／４周期（＝３／４×Ｔ）未満に相当する時間差を有するように設定される。時刻ｔ３と時刻ｔ０との時間差は１／２周期（＝１／２×Ｔ）に相当する。時刻ｔ２と時刻ｔ０との時間差は１／２周期よりも短く、時刻ｔ４と時刻ｔ０との時間差は１／２周期よりも長い。
【００３２】
時刻ｔ５，ｔ６，ｔ７はいずれも、時刻ｔ０との間に３／４周期（＝３／４×Ｔ）より大きく５／４周期（＝５／４×Ｔ）未満に相当する時間差を有するように設定される。時刻ｔ６と時刻ｔ０との時間差は１周期（＝Ｔ）に相当する。時刻ｔ５と時刻ｔ０との時間差は１周期よりも短く、時刻ｔ７と時刻ｔ０との時間差は１周期よりも長い。
【００３３】
図３の時刻ｔ１〜ｔ７でそれぞれスイッチング素子Ｑ１をターンオンした場合の電流Ｉ１および電圧Ｖ２，Ｖ３の波形を測定することにより、ターンオンのタイミングによる電圧変動の振幅の変化について検討した。
【００３４】
図４は、図３の時刻ｔ１にスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合の電流Ｉ１および電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示す図である。図４に示すように、時刻ｔ１にてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせると、電圧Ｖ１に再びサージ電圧が発生し、続いて電圧振動が生じる。ターンオン直後に現れる電圧振動のピーク値は、以下に示すように、ターンオンのタイミングによって変化する。
【００３５】
図５は、図３の時刻ｔ２にスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合の電流Ｉ１および電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示す図である。図５に示すように、時刻ｔ２にてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合、時刻ｔ１直後に現れる電圧振動のピーク値は、時刻ｔ０直後に現れる電圧振動のピーク値よりも大きくなる。
【００３６】
図６は、図３の時刻ｔ３にスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合の電流Ｉ１および電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示す図である。図６に示すように、時刻ｔ３にてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合、時刻ｔ２直後に現れる電圧振動のピーク値は、時刻ｔ０直後に現れる電圧振動のピーク値よりも大きくなる。なお、図６の場合、図５と比較して、ターンオン直後に現れる電圧信号のピーク値が大きくなっている。
【００３７】
図７は、図３の時刻ｔ４にスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合の電流Ｉ１および電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示す図である。図７に示すように、時刻ｔ４にてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合、時刻ｔ４直後に現れる電圧振動のピーク値は、時刻ｔ０直後に現れる電圧振動のピーク値よりも大きくなる。
【００３８】
図５から図７によれば、時刻ｔ２，ｔ３，ｔ４にてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合、ターンオフ後に現れる電圧振動のピーク値に比べて、ターンオン後に現れる電圧振動のピーク値が大きくなる。これによると、スイッチング素子Ｑ１をターンオフさせた時刻ｔ０との間に電圧振動の１／４周期より大きく３／４周期未満に相当する時間差を有するタイミングでスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合、電圧振動を増幅させることが分かる。
【００３９】
図８は、図３の時刻ｔ５にスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合の電流Ｉ１および電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示す図である。図８に示すように、時刻ｔ５にてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合、時刻ｔ５直後に現れる電圧振動のピーク値は、時刻ｔ０直後に現れる電圧振動のピーク値よりも小さくなる。
【００４０】
図９は、図３の時刻ｔ６にスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合の電流Ｉ１および電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示す図である。図９に示すように、時刻ｔ６にてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合、時刻ｔ６直後に現れる電圧振動のピーク値は、時刻ｔ０直後に現れる電圧振動のピーク値よりも小さくなる。なお、図９の場合、図８と比較して、ターンオン直後に現れる電圧信号のピーク値が小さくなっている。
【００４１】
図１０は、図３の時刻ｔ７にスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合の電流Ｉ１および電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示す図である。図１０に示すように、時刻ｔ７にてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合、時刻ｔ７直後に現れる電圧振動のピーク値は、時刻ｔ０直後に現れる電圧振動のピーク値よりも大きくなる。
【００４２】
図８から図１０によれば、時刻ｔ５，ｔ６，ｔ７にてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合、ターンオフ後に現れる電圧振動のピーク値に比べて、ターンオン後に現れる電圧振動のピーク値が小さくなる。これによると、スイッチング素子Ｑ１をターンオフさせた時刻ｔ０との間に電圧振動の３／４周期よりも大きく５／４周期未満に相当する時間差を有するタイミングでスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合、電圧振動を減衰させることが分かる。
【００４３】
なお、図示は省略するが、測定結果においては、ターンオフさせた時刻ｔ０との間に電圧振動の周期Ｔの（１／４＋ｎ）倍より大きく、かつ（３／４＋ｎ）倍未満に相当する時間差を有するようにターンオンさせる時刻を設定した場合には、ターンオン後に電圧振動が増幅することが確認された。ただし、ｎは０以上の整数である。これに対して、ターンオフさせた時刻ｔ０との間に電圧振動の周期Ｔの（３／４＋ｎ）倍より大きく、かつ（５／４＋ｎ）倍未満に相当する時間差を有するようにターンオフさせる時刻を設定した場合には、ターンオン後に電圧振動が減衰することが確認された。
【００４４】
図３に戻って、時刻ｔ２，ｔ３，ｔ４はいずれも、電圧Ｖ１が電圧振動の正のピーク値から負のピーク値に向かって減少しているタイミングに相当する。一方、時刻ｔ５，ｔ６，ｔ７はいずれも、電圧Ｖ１が電圧振動の負のピーク値から正のピーク値に向かって増加しているタイミングに相当する。そこで、本願発明者らは、スイッチング素子Ｑ１をターンオンさせるタイミングにおける電圧Ｖ１の挙動（増加／減少）と、電圧振動の増幅／減衰との関係性について考察した。その結果、以下のような知見を得た。
【００４５】
図１１は、スイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた後に電圧振動が増幅する場合における電圧および電流の波形を示す図である。図１１（Ａ）は電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示し、図１１（Ｂ）は電流Ｉ１の波形を示し、図１１（Ｃ）は電流Ｉｓの波形を示す。なお、電流Ｉｓは、スナバ回路１４のコンデンサ１６に流れ込む方向を正方向とし、コンデンサ１６から流れ出す方向を負方向とする。
【００４６】
図１１（Ａ）〜（Ｃ）において、時刻ｔｏｆｆはスイッチング素子Ｑ１をターンオフさせたタイミングであり、時刻ｔｏｎはスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせたタイミングである。
【００４７】
図１１（Ｃ）に着目すると、時刻ｔｏｆｆにてスイッチング素子Ｑ１をターンオフさせると、スイッチング素子Ｑ１に流れていた電流はスナバ回路１４に転流する。そのため、時刻ｔｏｆｆにて電流Ｉｓは正方向に増加する（図中の領域Ｒ１参照）。一方、時刻ｔｏｎにてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせると、スナバ回路１４に流れていた電流はスイッチング素子Ｑ１に転流する。そのため、時刻ｔｏｎにて電流Ｉｓは負方向に増加する。図１１（Ｃ）では、時刻ｔｏｎにて電流Ｉｓが負であるため、ターンオンによって電流Ｉｓが負方向に増加することで、電流Ｉｓの振幅がさらに増大している（図中の領域Ｒ２参照）。電流Ｉｓの振幅が増大することで、電圧Ｖｓ（≒電圧Ｖ１）の振幅も増大している。
【００４８】
図１２は、スイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた後に電圧振動が減衰する場合における電圧および電流の波形を示す図である。図１２（Ａ）は電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示し、図１２（Ｂ）は電流Ｉ１の波形を示し、図１２（Ｃ）は電流Ｉｓの波形を示す。図１１（Ｃ）と同様に、電流Ｉｓは、スナバ回路１４のコンデンサ１６に流れ込む方向を正方向とし、コンデンサ１６から流れ出す方向を負方向とする。図１２（Ａ）〜（Ｃ）において、時刻ｔｏｆｆはスイッチング素子Ｑ１をターンオフさせたタイミングであり、時刻ｔｏｎはスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせたタイミングである。
【００４９】
図１２（Ｃ）に着目すると、時刻ｔｏｆｆにてスイッチング素子Ｑ１をターンオフさせると、スイッチング素子Ｑ１に流れていた電流はスナバ回路１４に転流するため、電流Ｉｓは正方向に増加する（図中の領域Ｒ３参照）。
【００５０】
一方、時刻ｔｏｎにてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせると、スナバ回路１４に流れていた電流はスイッチング素子Ｑ１に転流するため、電流Ｉｓは負方向に増加する。ただし、図１２（Ｃ）では、時刻ｔｏｎにて電流Ｉｓが正であるため、ターンオンによって電流Ｉｓが負方向に増加することで、電流Ｉｓの振動が打ち消されることになり、電流Ｉｓの振幅が減衰する（図中の領域Ｒ４参照）。電流Ｉｓの振幅が減衰することで、電圧Ｖｓ（≒電圧Ｖ１）の振幅も減衰している。
【００５１】
ここで、スナバ回路１４はコンデンサ１６を有するため、電圧Ｖ１（≒電圧Ｖｓ）の位相は、電流Ｉｓの位相に比べてπ／２程度遅れる。そのため、電圧Ｖ１が電圧振動の負のピーク値から正のピーク値に向かって増加しているタイミングでは、電流Ｉｓは正のピーク値に近い値を示している。このタイミングでスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせると、図１２（Ｃ）のように、電流Ｉｓの振幅が減衰することから、電圧Ｖ１の振幅が減衰し、結果的に電圧振動が減衰することになる。
【００５２】
以上説明したように、スイッチング素子のターンオフによって生じる電圧振動において電圧が増加しているタイミングに該スイッチング素子をターンオンさせることにより、電圧振動の増幅を減衰させることができる。なお、スイッチング素子をターンオフさせるタイミングについても同様に、スイッチング素子のターンオンによって生じる電圧振動において電圧が増加しているタイミングに該スイッチング素子をターンオフさせることにより、電圧振動を減衰させることができる。
【００５３】
上述したスイッチング素子をターンオン（またはターンオフ）させるタイミングについては、スナバ回路１４のコンデンサ１６の容量および配線等の寄生インダクタンスによって決まる電圧振動の周期を用いてを設定することができる。したがって、駆動回路１２は、スイッチング素子がターンオフ（またはターンオン）させたタイミングから所定時間が経過したタイミングで該スイッチング素子をターンオン（またはターンオフ）させるように構成することができる。
【００５４】
上記構成において、所定時間は、電圧振動の周期を用いて予め設定しておくことができる。駆動回路１２は、制御装置からスイッチング素子のオン指令（またはオフ指令）を受けると、直前にスイッチング素子をターンオフさせたタイミングからの経過時間が所定時間に達したタイミングにおいて、スイッチング素子をターンオン（またはターンオフ）させる。
【００５５】
これによると、スナバ回路の両端電圧を検出するための電圧検出回路および電圧振動の位相を検出するための位相検出回路を用いずに、電圧振動を減衰させることができる好適なスイッチングのタイミングを制御することができる。したがって、簡易な構成でスイッチング素子のスイッチング時に生じる電圧振動を減衰させるように、スイッチング素子をスイッチングするタイミングを制御することができる半導体装置を実現することができる。
【００５６】
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。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。
【符号の説明】
【００５７】
１０  直列回路、１１，１６  コンデンサ、１２  駆動回路、１４  スナバ回路、１８〜２０  寄生インダクタンス、Ｑ１，Ｑ２  スイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２  ダイオード
【図１】
2020245900.tif 000003
【図２】
2020245900.tif 000004
【図３】
2020245900.tif 000005
【図４】
2020245900.tif 000006
【図５】
2020245900.tif 000007
【図６】
2020245900.tif 000008
【図７】
2020245900.tif 000009
【図８】
2020245900.tif 000010
【図９】
2020245900.tif 000011
【図１０】
2020245900.tif 000012
【図１１】
2020245900.tif 000013
【図１２】
2020245900.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】令和2年11月17日(2020.11.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
前記半導体スイッチング素子のスイッチング時に発生するサージ電圧を抑制するスナバ回路とを備え、
前記スナバ回路は、前記半導体スイッチング素子に並列接続されるコンデンサを含み、
前記駆動回路は、前記半導体スイッチング素子をスイッチングしたタイミングから所定時間が経過したタイミングで前記半導体スイッチング素子をスイッチングするように構成され、
前記所定時間は、前記半導体スイッチング素子のスイッチングによって生じる電圧振動において電圧が増加するタイミングに基づいて設定され、
前記スイッチングによって生じる電圧振動の周期は、前記コンデンサの容量および前記半導体装置の寄生インダクタンスに基づいて算出され、前記所定時間は、算出された前記電圧振動の周期を用いて予め設定される、半導体装置。
【請求項２】
前記駆動回路は、前記半導体スイッチング素子をターンオフさせたタイミングから前記所定時間が経過したタイミングで前記半導体スイッチング素子をターンオンさせるように構成され、
前記所定時間は、前記スイッチングによって生じる電圧振動の周期の（３／４＋ｎ）倍より大きく、かつ（５／４＋ｎ）倍未満となる範囲内（ｎは０以上の整数）に設定される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、前記半導体スイッチング素子をターンオンさせたタイミングから前記所定時間が経過したタイミングで前記半導体スイッチング素子をターンオフさせるように構成され、
前記所定時間は、前記スイッチングによって生じる電圧振動の周期の（３／４＋ｎ）倍より大きく、かつ（５／４＋ｎ）倍未満となる範囲内（ｎは０以上の整数）に設定される、請求項１に記載の半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
図１０は、図３の時刻ｔ７にスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合の電流Ｉ１および電圧Ｖ１，Ｖ２の波形を示す図である。図１０に示すように、時刻ｔ７にてスイッチング素子Ｑ１をターンオンさせた場合、時刻ｔ７直後に現れる電圧振動のピーク値は、時刻ｔ０直後に現れる電圧振動のピーク値よりも小さくなる。
【国際調査報告】
2020245900.tif 000015
2020245900.tif 000016