特開 2015-103939 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-103939(P2015-103939A)

(43)【公開日】2015年6月4日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H03K 17/08 20060101AFI20150508BHJP

   H03K 17/16 20060101ALI20150508BHJP

   H03K 17/687 20060101ALI20150508BHJP

【ＦＩ】

   H03K17/08 C

   H03K17/16 H

   H03K17/687 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2013-242672(P2013-242672)

(22)【出願日】2013年11月25日

(71)【出願人】

【識別番号】000002059

【氏名又は名称】シンフォニアテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100137486

【弁理士】

【氏名又は名称】大西 雅直

(72)【発明者】

【氏名】忽那 真志

【テーマコード（参考）】

5J055

【Ｆターム（参考）】

5J055AX25

5J055AX34

5J055AX55

5J055AX56

5J055BX16

5J055CX07

5J055DX12

5J055DX22

5J055EY01

5J055EY05

5J055EY10

5J055EY12

5J055EY13

5J055EY21

5J055EZ09

5J055FX04

5J055FX08

5J055FX13

5J055FX19

5J055FX32

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高速でのオンオフ切替を可能とするとともに、ノイズによる影響を抑制しながら、スイッチング素子の過電流保護を適切に行うことのできる半導体装置を提供する。
【解決手段】主電流に応じたセンス電流を出力可能な電流センス付きのスイッチング素子２１と、スイッチング素子２１のオンオフ制御を行うためのゲートドライバ回路９と、スイッチング素子２１より得られたセンス電流をセンス電圧Ｖｓに変換して出力する電流検出回路３と、電流検出回路３より得られたセンス電圧Ｖｓ（Ｖｓ０）から所定の周波数成分を減衰させフィルタ通過センス電圧Ｖｓ１として出力する帯域除去フィルタ回路４と、フィルタ通過センス電圧Ｖｓ１が予め定められた閾値よりも大きい場合に過電流検出信号Ｓｏ１を出力する過電流検出回路６とを備え、ゲートドライバ回路９が、過電流検出信号Ｓｏ１に基づいて間接的にスイッチング素子２１のオンオフ制御を行うように構成した。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

主電流に応じたセンス電流を出力可能な電流センス付きのスイッチング素子と、
当該スイッチング素子のオンオフ制御を行うためのゲートドライバ回路と、
前記スイッチング素子より得られたセンス電流をセンス電圧に変換して出力する電流検出回路と、
前記電流検出回路より得られたセンス電圧から所定の周波数成分を減衰させフィルタ通過センス電圧として出力する帯域除去フィルタ回路と、
前記帯域除去フィルタ回路より得られるフィルタ通過センス電圧が予め定められた閾値よりも大きい場合に過電流検出信号を出力する過電流検出回路とを備えており、
前記ゲートドライバ回路が、前記過電流検出回路より得られる過電流検出信号に基づいて前記スイッチング素子のオンオフ制御を行うように構成したことを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記帯域除去フィルタ回路により減衰される信号の周波数が、前記スイッチング素子を含む回路全体の共振周波数と略一致するように設定していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記帯域除去フィルタ回路が、ＬＣＬフィルタ回路であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。

【請求項4】

前記帯域除去フィルタ回路が、オペアンプを利用したフィルタ回路であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。

【請求項5】

前記過電流検出回路と前記ゲートドライバ回路との間に遅延回路が設けられており、当該遅延回路によって、前記過電流検出回路からの過電流検出信号が所定時間ゲートドライバ回路に到達しないように構成していることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体装置。

【請求項6】

前記スイッチング素子が、ＳｉＣ半導体素子であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、主電流のオンオフ切替えを行うための半導体スイッチング素子を備える半導体装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称す。）を内部に備え、このスイッチング素子のオンオフを切替えることにより電力の変換を行うインバータやコンバータ等の半導体装置が知られている。

【0003】

こうしたスイッチング素子として、近年では所謂電流センス付きのスイッチング素子が使用されるようになってきており、これを用いる場合にはセンス端子より主電流に対応するセンス電流を得ることが可能となる。そのため、センス電流を検出することで過大な主電流が流れていることを把握することができ、こうした機能を利用して、スイッチング素子の過電流保護を行うものも提案されている。

【0004】

例えば、特許文献１に記載された半導体装置は、センス端子より出力されるセンス電流をセンス電圧に変換し、このセンス電圧をローパスフィルタを経由させた上で閾値と比較することで過電流状態にあるかどうかを把握し、過電流状態にある場合にはスイッチング素子をオフ状態にして保護を図るようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３−７７９７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述した特許文献１記載の半導体装置では、より高速なスイッチング制御を行おうとした場合、スイッチング素子を含む回路全体がもつ寄生容量や配線インダクタンス等に基づく電気的な共振周波数に起因して、ターンオンやターンオフ直後で生ずるノイズが大きくなり、センス電圧が閾値を超えて過電流状態にあると判断されることで、本来不要であるスイッチング素子の過電流保護が誤作動することが考えられる。

【0007】

特許文献１記載の半導体装置においても、センス電圧よりノイズ成分を除去するためにローパスフィルタが設けられているが、共振周波数でのノイズ成分を抑えようとした場合には、遮断周波数を比較的下げなければ適切なフィルタ効果を得ることは不能である。しかしながら、遮断周波数を下げると高速に過電流検出を行うことが困難になり、過電流状態でのスイッチング素子の保護性能が損なわれることになる。

【0008】

本発明は、このような課題を有効に解決することを目的としており、具体的には、高速でのオンオフ切替を可能とするとともに、ノイズによる影響を抑制しながら、スイッチング素子の過電流保護を適切に行うことのできる半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

【0010】

すなわち、本発明の半導体装置は、主電流に応じたセンス電流を出力可能な電流センス付きのスイッチング素子と、当該スイッチング素子のオンオフ制御を行うためのゲートドライバ回路と、前記スイッチング素子より得られたセンス電流をセンス電圧に変換して出力する電流検出回路と、前記電流検出回路より得られたセンス電圧から所定の周波数成分を減衰させフィルタ通過センス電圧として出力する帯域除去フィルタ回路と、前記帯域除去フィルタ回路より得られるフィルタ通過センス電圧が予め定められた閾値よりも大きい場合に過電流検出信号を出力する過電流検出回路とを備えており、前記ゲートドライバ回路が、前記過電流検出回路より得られる過電流検出信号に基づいて前記スイッチング素子のオンオフ制御を行うように構成したことを特徴とする。

【0011】

このように構成すると、主電流に対応するセンス電流を電流検出回路によって変換してセンス電圧を生じさせ、このセンス電圧に基づくフィルタ通過センス電圧が閾値よりも大きい場合に過電流検出回路より過電流検出信号を出力させて、ゲートドライバ回路が上記過電流検出信号に基づきスイッチング素子のオンオフ制御を行うことで、過電流時のスイッチング素子の保護を図ることが可能となる。さらには、過電流検出回路が、帯域除去フィルタ回路によってセンス電圧より特定の周波数成分が減衰されたフィルタ通過センス電圧を用いて過電流の検出を行うようにしていることから、特定周波数成分のノイズ成分を除去して、過電流の誤検出を防ぐことも可能となっている。また、フィルタ回路として帯域除去フィルタを用いていることから、ノイズ以外の周波数成分の信号は減衰することがないようにでき、瞬時の電流変化に対応する高速化を実現することも可能となる。

【0012】

また、スイッチング素子を含む回路全体が備える電気的な共振周波数に基づくセンス電流の変動を過電流保護の対象より除外して、より効率的にスイッチング素子の制御を行うことを可能とするためには、前記帯域除去フィルタ回路により減衰される信号の周波数が、前記スイッチング素子を含む回路全体の共振周波数と略一致するように設定することが好適である。なお、ここでいう略一致とは、双方の周波数が完全に一致することも含むものである。

【0013】

さらには、上記帯域除去フィルタを簡単に構成するためには、前記帯域除去フィルタ回路が、ＬＣＬフィルタ回路であるように構成することが好適である。

【0014】

ＬＣＬフィルタ回路を用いることなく、帯域除去フィルタを簡単に構成するためには、前記帯域除去フィルタ回路が、オペアンプを利用したフィルタ回路であるように構成しても良い。

【0015】

また、ゲートドライバ回路よりスイッチング素子に与えられる信号の立ち上がりや立ち下がりに応じてセンス電流にノイズが生じた場合であっても、こうしたノイズによる過電流検出の誤動作を防止するためには、前記過電流検出回路と前記ゲートドライバ回路との間に遅延回路が設けられており、当該遅延回路によって、前記過電流検出回路からの過電流検出信号が所定時間ゲートドライバ回路に到達しないように構成することが好適である。

【0016】

さらに、上記の発明をより好適に利用して、大容量で高速性能に優れたものとするためには、前記スイッチング素子が、ＳｉＣ半導体素子であるように構成することが好適である。

【発明の効果】

【0017】

以上説明した本発明によれば、高速でのオンオフ切替を可能とするとともに、ノイズによる影響を抑制しながら、スイッチング素子の過電流保護を適切に行うことのできる半導体装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成図。

【図2】同半導体装置のフィルタ回路の特性を示す説明図。

【図3】同半導体装置のスイッチング素子より得られるセンス電流に含まれるノイズを説明するための説明図。

【図4】一般的なローパスフィルタの特性を比較例として示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

【0020】

図１に示すように、この半導体装置１は、主電流の制御を行うための半導体素子２と、この半導体素子２をオンオフ制御するためのゲート信号Ｓｇを出力するゲートドライバ回路９と、ゲート信号Ｓｇの出力経路の途中に設けられたゲート抵抗７と、半導体素子２より得られる主電流に対応したセンス電流をセンス電圧Ｖｓに変換する電流検出回路３と、電流検出回路３からの得られるセンス電圧Ｖｓの出力先に順次接続されたフィルタ回路４と、過電流制限回路５と、過電流検出回路６と、オフ信号出力回路９３と、遅延回路９２とから構成されており、遅延回路９２を通じて出力されるオフ信号Ｓｚがゲートドライバ回路９に入力されるようになっている。

【0021】

半導体素子２は、ＳｉＣ製トランジスタからなるスイッチング素子２１と、そのエミッタコレクタ間に接続されたダイオード２２とより構成されている。また、スイッチング素子２１は、主電流の約１／１００００程度のセンス電流を出力するセンス端子２１ａを備えている。

【0022】

電流検出回路３は、抵抗３１とコンデンサ３２とを並列に接続した構成からなり、センス端子２１ａより入力されるセンス電流を電圧に変換して、センス電圧Ｖｓとして出力することが可能となっている。センス電圧Ｖｓは、主電流の大きさにほぼ比例するものであるため、このセンス電圧Ｖｓの大きさを把握することによって、主電流が過大になった過電流状態であるか否かを把握することが可能である。

【0023】

フィルタ回路４は、２つのコイル４１，４２と、コンデンサ４３とをＴ字形に配置した構成となっており、所謂ＬＣＬフィルタ回路を構成している。そして、このフィルタ回路４は、後述するように帯域除去フィルタ（バンドストップフィルタ）として機能することで、センス電圧Ｖｓ０（Ｖｓ）より特定周波数近傍の信号成分を減衰させてノイズを除去し、フィルタ通過センス電圧Ｖｓ１（Ｖｓ）として出力することができるようになっている。

【0024】

過電流制限回路５は、フィルタ通過センス電圧Ｖｓ１が入力される抵抗５１と、この抵抗５１を通じてベースに入力がなされるトランジスタ５４と、このトランジスタ５４のエミッタとベース間に設けられたコンデンサ５３と、コレクタとベース間に設けられたコンデンサ５２と、トランジスタ５４のコレクタに、ゲートドライバ９よりスイッチング素子２１へのゲート信号Ｓｇの出力経路に接続する抵抗５６と、ダイオード５５とから構成されている。この過電流制限回路５は、センス電圧Ｖｓが回路上定められる所定電圧である閾値よりも高い場合、すなわち過電流が生じたと判断される場合に、ゲート信号Ｓｇの出力経路より電流を引き込み、ゲート信号Ｓｇの電流値を低減することでスイッチング素子２１を流れる主電流の抑制を行うことが可能となっている。ここで、上記の閾値とは、スイッチング素子２１に流すことの許容される電流最大値を基に、所定の安全率を加味して、若干これよりも低い値になるように設定している。

【0025】

過電流検出回路６は、コンパレータとして機能するオペアンプ６１と、オペアンプ６１の−（マイナス）側に接続される直流電源６２と、オペアンプ６１の出力側に接続されるツェナーダイオード６３とから構成されており、オペアンプ６１の＋（プラス）側に上述したフィルタ通過センス電圧Ｖｓ１が入力されるようにしている。このように構成することで、直流電源６２により得られる電圧と比較して、フィルタ通過センス電圧Ｖｓ１が大きい場合に、すなわち、過電流状態と判断される場合には、過電流検出信号Ｓｏ１が出力されるようになっている。すなわち、この直流電源６２により得られる電圧も、上述した過電流制限回路５と同様に閾値として機能するものであり、スイッチング素子２１に流すことの許容される電流最大値を基に、所定の安全率を加味して、若干これよりも低い値になるように設定している。過電流検出信号Ｓｏ１はハイレベルの電圧信号Ｓｏ１として出力されており、通常状態にはこれに代わりローレベルの電圧信号Ｓｏ０が出力されるようになっている。

【0026】

オフ信号出力回路９３は、過電流検出回路６より過電流検出信号Ｓｏ１が入力された場合に、オフ信号Ｓｚを出力する。

【0027】

オフ信号Ｓｚは、遅延回路９２を通過してゲートドライバ回路９１に届くようにしてあり、こうすることで、オフ信号Ｓｚは所定時間（マスク時間）Ｔｍの間マスクされて、ゲートドライバ回路９には届かない。これは、後述するように、スイッチング素子２１のターンオン・ターンオフに伴う誤作動を防止するためであり、オフ信号Ｓｚが出力されてからマスク時間が経過した後であっても、継続的にオフ信号Ｓｚが出力されている場合にのみこのオフ信号Ｓｚがゲートドライバ回路９に到達するようになっている。

【0028】

ゲートドライバ回路９は、通常、スイッチング素子２１のオンオフ制御を行うためにゲート信号Ｓｇを出力しており、このゲート信号Ｓｇはゲート抵抗７を通じてスイッチング素子２１のベースに与えられるようになっている。また、上述した遅延回路９２を通じてオフ信号Ｓｚの入力がなされることにより、これを基にしたオンオフ制御を行うようにしている。具体的には、オフ信号Ｓｚの入力がなされた場合に、内蔵されたゲート電流制限回路９１を用いることで、ソフトシャットダウンしてサージ電圧を抑制しながら、スイッチング素子２１をオフ状態にする。

【0029】

ここで、上述したフィルタ回路４及び遅延回路９２の作用について具体的に説明を行う。

【0030】

図３（ａ）は、スイッチング素子２１（図１参照）にゲート信号Ｓｇとして与えるゲート電圧と、センス端子２１ａ（図１参照）より得られるセンス電流との関係を模式的に示したものである。なお、この図では、主電圧を印加していない場合を示しており、ゲート電圧の変化に伴う主電流の変化は生じない。本来、センス電流は主電流に比例するものであることから、主電流の出力が無い限りセンス電流の出力もないはずであるが、ゲート電圧を図中で示すような矩形状の電圧信号として与えた場合、この立ち上がり時には、電流値が急激に増加して急激に減少する単一の三角波状の変化を示す。同様に、ゲート電圧の立ち下がり時には急激に負側に流れ、急激に元に戻る逆三角波状の変化を生ずる。そのため、センス電流を基に過電流を検出しようとした場合、この三角波状（逆三角波状）のノイズ成分の影響を受けて、過電流保護に誤動作が生ずる可能性がある。こうした三角波状のノイズ発生時間ｔ１は、回路の構成や素子の種類、又は、ゲート電圧の立ち上がりや立ち下がり速度（勾配）によっても変化するが、例えば、０．２〜０．３μｓｅｃ程度のものとなる。

【0031】

図３（ｂ）は、主電圧を印加した状態における、ゲート電圧の変化に伴う主電流の変化と、センス電流の変化を模式的に示したものである。この図において、上述したような、ゲート電圧の立ち上がりと立ち下がりに伴ってセンス電流に表れる三角波状のノイズは考慮していない。ゲート電圧の立ち上がりにおいて、本来であれば、主電流は急激に増加して、ゲート電圧がオフになるまでの間、一定の電流値になるはずであるが、主電流が増加した直後において回路内の共振周波数による波状のノイズが現れ、徐々に減衰していく。さらに、ゲート電圧の立ち下がりとともに、主電流はゼロになるがその直後において回路内の共振周波数による波状のノイズが現れ、徐々に減衰していく。こうした回路内の共振周波数とは、スイッチング素子２１（図１参照）そのものが持つものも含め、これらのスイッチング素子が接続された回路全体が含む電気的な共振周波数であって、所謂寄生容量や出力インピーダンスによる特定周波数となっている。この特定周波数は、回路の構成や、素子の種類、配線の長さ等によっても異なるが、例えば、１０〜３０ＭＨｚ程度になる。また、ノイズの大きさは、ゲート電圧の立ち上がりや立ち下がり時間にも影響を受ける。さらに、主電流に生ずるノイズと同様、センス電流においてもこの特定周波数でのノイズが生じ、これと同じようにセンス電圧も変化する。そのため、本来、こうした共振周波数成分の電流変化を過電流として捉えることは不要であるにも関わらず、センス電圧（センス電流）を基に過電流を検出しようとした場合、この共振周波数でのノイズ成分の影響を受けて、過電流保護に誤動作が生ずる可能性がある。

【0032】

上記のような、スイッチングに伴う三角波状のノイズ、及び、特定周波数でのノイズは、ゲート電圧の立ち上がり速度を緩やかにすることで減少する可能性がある。これは、図１に示したゲート抵抗７の抵抗値を大きくすることによって実現することができる。しかしながら、このような手段を採ることはスイッチング素子２１の動作速度を一定以上に上げることができなくなるために好ましくない。

【0033】

そこで、本実施形態における半導体装置１では、フィルタ回路４及び遅延回路９２を用いることで、上記のノイズがセンス電圧に生じた場合でも、過電流保護に係る制御に誤動作が生じないようにしている。

【0034】

まず、フィルタ回路４は、特定周波数でのセンス電圧（センス電流）のノイズ成分による影響を回避するためのものである。一般に、このようなノイズによる影響を避けるために、ＲＣ回路により構成されるローパスフィルタ（ＲＣフィルタ）を使用することが多い。図４は、このようなＲＣフィルタの出力特性を模式的に示したものであり、入力される信号の周波数を横軸とし、その入力信号に対する出力信号の割合をゲインとして縦軸に表している。ＲＣフィルタでは、抵抗とコンデンサ容量によって決定されるカットオフ周波数ｆｃ以下の周波数成分の信号が入力された場合には、ほぼそのまま通過して出力されるが、カットオフ周波数ｆｃ以上の信号は減衰させ、カットオフ周波数ｆｃよりも十分に大きな周波数成分であればほぼ遮断されて出力されない。このようなＲＣフィルタを使用して上記特定周波数でのノイズを回避しようとした場合、この特定周波数よりも十分に小さい値にカットオフ周波数ｆｃを設定する必要がある。その場合、ノイズとは異なる、本来のスイッチングの動作によるセンス電圧の立ち上がりや立ち下がりによる反応も小さくなってしまい、過電流保護としての性能が低下してしまうことになる。

【0035】

そこで、本実施形態においては、図１に示すように、フィルタ回路４を、上述したように、２つのコイル４１，４２と、コンデンサ４３とをＴ字形に配置したＬＣＬフィルタ回路として、帯域除去フィルタ（バンドストップフィルタ）として機能するようにしている。図２は、このフィルタ回路４の特性を模式的に示すものであり、図４と同様、入力される信号の周波数を横軸とし、その入力信号に対する出力信号の割合をゲインとして縦軸に表している。フィルタ回路４は、帯域除去周波数ｆｓにおいてもっとも出力ゲインが低くなり、これより小さくなるに従って、あるいは、大きくなるに従って出力ゲインが徐々に大きくなるようにしており、帯域除去周波数ｆｓ近傍の周波数成分の信号を小さくすることが可能となっている。本実施形態における半導体装置１では、上述したように回路内の共振周波数が１０〜３０ＭＨｚ程度に表れるものとなっていることから、中間値である２０ＭＨｚが帯域除去周波数ｆｓに一致するように、図１で示すコイル４１，４２のインダクタンス値と、コンデンサ４３の容量値を設定している。なお、帯域除去周波数ｆｓを共振周波数と完全に一致させなくとも、共振周波数でセンス電圧に生ずるノイズが十分に減衰できる程度に両者を近い値にする、すなわち略一致させることでも足りる。

【0036】

こうすることで、入力されるセンス電圧Ｖｓ０より適切に特定周波数におけるノイズを除去し、フィルタ通過センス電圧Ｖｓ１として出力することが可能となっている。また、この際、帯域除去周波数ｆｓの近傍の周波数の信号のみを減衰し、これよりも十分に高い周波数の信号は減衰することがないことから、本来のスイッチングの動作によるセンス電圧の立ち上がりや立ち下がりによる反応を小さくすることがなく、過電流保護としての性能を低下させることがない。

【0037】

また、遅延回路９２は、上述したスイッチングに伴ってセンス電圧（センス電流）に生ずる三角波状のノイズ成分による影響を回避するためのものである。遅延回路９２は、オフ信号出力回路９３より入力されるオフ信号Ｓｚが入力されてから、所定のマスク時間Ｔｍの間マスクを行ってオフ信号Ｓｚを出力せず、マスク時間Ｔｍの経過後にもオフ信号Ｓｚが入力されている場合にオフ信号Ｓｚを出力するようにしたものである。マスク時間Ｔｍは、三角波状のノイズ成分が表れるノイズ発生時間ｔ１の３倍程度とすることが好適であり、本実施形態では０．８μｓｅｃに設定してある。このように遅延回路９２を設けることにより、過電流保護の誤動作を生じさせること無く、安定してオンオフ制御を行わせることが可能となっている。また、遅延回路によるマスク時間Ｔｍも、三角波状のノイズ発生時間に対応するものに過ぎないため、ほとんど高速性能を犠牲にすることもない。

【0038】

以下、このような半導体装置１を用いた場合の作用について説明を行う。

【0039】

まず、ゲートドライバ回路９からは、半導体素子２を構成するスイッチング素子２１をオンオフ制御するためのゲート信号Ｓｇが出力され、ゲート抵抗７を経てスイッチング素子２１に入力される。

【0040】

スイッチング素子２１は、主電流に比例したセンス電流をセンス端子２１ａより出力し、これらのセンス電流は、電流検出回路３によって、センス電圧Ｖｓ（Ｖｓ０）に変換される。さらに、センス電圧Ｖｓ０は、フィルタ回路４を通過することで、共振周波数である特定周波数近傍の成分を減衰されたフィルタ通過センス電圧Ｖｓ１として出力される。そのため、このような回路の共振に基づくノイズに起因する誤作動を生じさせることがない。

【0041】

過電流制限回路５は、このフィルタ通過センス電圧Ｖｓ１によって、過電流状態にある場合には、ゲート信号Ｓｇとしてスイッチング素子２１に与えられるゲート電流を抑制して、過電流状態を是正することができるようになっている。

【0042】

これとともに、過電流検出回路６でも、過電流状態にある場合には過電流検出信号Ｓｏ１を出力する。そして、過電流検出回路６から過電流検出信号Ｓｏ１が入力された場合には、これに基づいてオフ信号出力回路９３よりオフ信号Ｓｚが出力される。そして、オフ信号Ｓｚは所定のマスク時間Ｔｍの間マスクされて、これが経過した後まで継続してオフ信号Ｓｚが出力されている場合にのみ、ゲートドライバ回路９に到達する。そのため、ゲート電圧の立ち上がりや立ち下がりに起因してセンス電流に生ずる三角波状のノイズの影響を回避して、誤動作の発生を抑制することが可能となっている。

【0043】

ゲートドライバ回路９は、オフ信号Ｓｚの入力により、ゲート信号Ｓｇを通じてスイッチング素子２１のオンオフ制御を停止させる。すなわち、過電流状態にあると判断され得る場合には、過電流制限回路５による主電流の抑制についで、スイッチング素子２１のオンオフ制御の停止がなされることによって、主電流の通電が停止されることで、より高い安全性能を備えるものとなっている。さらに、ゲート電流制限回路９１によりゲート電流を徐々に下げるソフトシャットダウンを行うことができるため、サージ電圧の発生も抑制することができる。

【0044】

以上のように、本実施形態における半導体装置１は、主電流に応じたセンス電流を出力可能な電流センス付きのスイッチング素子２１と、このスイッチング素子２１のオンオフ制御を行うためのゲートドライバ回路９と、スイッチング素子２１より得られたセンス電流をセンス電圧Ｖｓに変換して出力する電流検出回路３と、電流検出回路３より得られたセンス電圧Ｖｓ（Ｖｓ０）から所定の周波数成分を減衰させフィルタ通過センス電圧Ｖｓ１として出力する帯域除去フィルタ回路４と、帯域除去フィルタ回路４より得られるフィルタ通過センス電圧Ｖｓ１が予め定められた閾値よりも大きい場合に過電流検出信号Ｓｏ１を出力する過電流検出回路６とを備えており、ゲートドライバ回路９が、過電流検出回路６より得られる過電流検出信号Ｓｏ１に基づいて間接的にスイッチング素子２１のオンオフ制御を行うように構成したものである。

【0045】

このように構成しているため、主電流に対応するセンス電流を電流検出回路３によって変換してセンス電圧Ｖｓを生じさせ、このセンス電圧Ｖｓ（Ｖｓ０）に基づくフィルタ通過センス電圧Ｖｓ１が閾値よりも大きい場合に過電流検出回路６より過電流検出信号Ｓｏ１を出力させて、過電流検出信号Ｓｏ１に基づいてゲートドライバ回路９がスイッチング素子２１のオンオフ制御を行うことで、過電流時のスイッチング素子２１の保護を図ることが可能となる。さらには、過電流検出回路６が、帯域除去フィルタ回路４によってセンス電圧Ｖｓ０より特定の周波数成分が減衰されたフィルタ通過センス電圧Ｖｓ１を用いて過電流の検出を行うようにしていることから、特定周波数成分のノイズ成分を除去して、過電流の誤検出を防ぐことも可能となっている。また、フィルタ回路として帯域除去フィルタ４を用いていることから、ノイズ以外の周波数成分の信号は減衰することがないようにでき、ゲート信号Ｓｇの立ち上がりや立ち下がりの速度を大きくすることによる瞬時の電流変化に対応でき、一層の高速化を実現することも可能となっている。

【0046】

また、帯域除去フィルタ回路４により減衰される信号の周波数ｆｓが、スイッチング素子２１を含む回路全体の共振周波数と略一致するように設定していることから、スイッチング素子２１を含む回路全体が備える電気的な共振周波数に基づくセンス電流の変動を過電流保護の対象より除外して、より効率的にスイッチング素子２１の制御を行うことが可能となっている。

【0047】

さらに、帯域除去フィルタ回路４が、ＬＣＬフィルタ回路であるように構成していることから、帯域除去フィルタを簡単に構成することができ、より簡単且つ安価な回路構成とすることができる。

【0048】

そして、過電流検出回路６とゲートドライバ回路９との間に遅延回路９２が設けられており、この遅延回路９２によって、過電流検出回路６からの過電流検出信号Ｓｏ１が形を変えたオフ信号Ｓｚが所定時間ゲートドライバ回路に到達しないように構成していることから、ゲートドライバ回路９よりスイッチング素子２１に与えるオンオフ信号の立ち上がりや立ち下がりに応じ、センス電流にノイズが生じた場合であっても、こうしたノイズによる過電流検出の誤動作を防止することが可能となっている。

【0049】

加えて、スイッチング素子２１が、ＳｉＣ半導体素子であるように構成していることから、ＳｉＣ半導体素子の特徴である高効率、大容量、高速性能を生かして、より上記の効果を高めて利用することが可能となっている。そのため、高い変換効率や、高速性能や、大容量を備えるとともに、小型化を実現することも可能となっている。

【0050】

なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

【0051】

例えば、上述の実施形態では、帯域除去フィルタ回路４をＬＣＬフィルタ回路として構成していたが、こうした構成に代えて、前記帯域除去フィルタ回路４が、オペアンプを利用したフィルタ回路であるように構成することもでき、このようにした場合でも上記と同様の効果を得ることが可能である。

【0052】

また、上述の実施形態では、単独のスイッチング素子２１のオンオフ制御を行う回路構成としていたが、複数のスイッチング素子２１を備えこれらのオンオフ制御を行わせるような回路に適用することも可能である。

【0053】

また、上述した実施形態では、過電流検出信号Ｓｏ１をハイレベルの電圧信号として、通常状態ではローレベルの電圧Ｓｏ０が得られるようにしていたが、両者の区別を行うことができる限り、ハイとローのレベルを反対にしたり、正負の電圧を反転させたりしても良く、これらの信号の大きさを適宜変更して構成することが可能である。

【0054】

さらに、上述の実施形態では、スイッチング素子２１としてＳｉＣ半導体素子を用いていたが、電流センス付き半導体素子であれば、ＳｉやＧａＮ等のＳｉＣ以外の材料系からなるものであっても、上記に準じた効果を得ることができる。

【0055】

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

【符号の説明】

【0056】

１…半導体装置
２…半導体素子
３…電流検出回路
４…ＬＣＬフィルタ回路（帯域除去フィルタ回路、フィルタ回路）
６…過電流検出回路
９…ゲートドライバ回路
２１…スイッチング素子
９２…遅延回路
９３…オフ信号出力回路
ｆｓ…帯域除去周波数
Ｓｇ…ゲート信号
Ｓｏ１…過電流検出信号
Ｓｚ…オフ信号
Ｖｓ…センス電圧
Ｖｓ０…（フィルタ通過前の）センス電圧
Ｖｓ１…フィルタ通過センス電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】