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特開2024-86679シャントコンデンサおよびシャント抵抗器を有する電圧形ゲート駆動装置
(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】P2024086679
(43)【公開日】2024-06-27
(54)【発明の名称】シャントコンデンサおよびシャント抵抗器を有する電圧形ゲート駆動装置
(51)【国際特許分類】
H02M 1/08 20060101AFI20240620BHJP
【ＦＩ】
H02M1/08 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】22
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023211623
(22)【出願日】2023-12-15
(31)【優先権主張番号】63/387,784
(32)【優先日】2022-12-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】18/458,442
(32)【優先日】2023-08-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】517216431
【氏名又は名称】コルボ ユーエス インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100189555
【弁理士】
【氏名又は名称】徳山 英浩
(74)【代理人】
【識別番号】100100479
【弁理士】
【氏名又は名称】竹内 三喜夫
(72)【発明者】
【氏名】ジュー，ケ
【テーマコード（参考）】
5H740
【Ｆターム（参考）】
5H740AA04
5H740AA05
5H740BA12
5H740BC01
5H740BC02
5H740JA01
5H740JB01
5H740KK01
(57)【要約】 （修正有）
【課題】改善された電圧形ゲートドライバー及びパワーシステムを提供する。
【解決手段】パワーシステム１０において、シャントコンデンサＣＧＳＮＴとシャント抵抗器ＲＧＳＮＴは直列で、電圧形ゲートドライバー１２のゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８の両端に並列に接続される。シャントコンデンサ及びシャント抵抗器により、ゲート抵抗器ＲＧのゲート遅延とスイッチング速度の影響を分離する。シャントコンデンサは、初期の高い充電電圧及び放電ゲート電流を提供してゲート遅延時間を短縮する。シャント抵抗器は、ゲート電流とその結果生じるスイッチング速度に影響を及ぼす実効ゲート抵抗を修正する。シャントコンデンサ及びシャント抵抗器は、最小ゲート遅延時間で所望のスイッチング速度を制御するように決定される。複数のパワーデバイス１４が並列である場合、各パワーデバイスには、それぞれスプリットゲート抵抗器が設けられる。
【選択図】図１
【解決手段】パワーシステム１０において、シャントコンデンサＣＧＳＮＴとシャント抵抗器ＲＧＳＮＴは直列で、電圧形ゲートドライバー１２のゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８の両端に並列に接続される。シャントコンデンサ及びシャント抵抗器により、ゲート抵抗器ＲＧのゲート遅延とスイッチング速度の影響を分離する。シャントコンデンサは、初期の高い充電電圧及び放電ゲート電流を提供してゲート遅延時間を短縮する。シャント抵抗器は、ゲート電流とその結果生じるスイッチング速度に影響を及ぼす実効ゲート抵抗を修正する。シャントコンデンサ及びシャント抵抗器は、最小ゲート遅延時間で所望のスイッチング速度を制御するように決定される。複数のパワーデバイス１４が並列である場合、各パワーデバイスには、それぞれスプリットゲート抵抗器が設けられる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電圧形ゲートドライバーであって、
第一のゲート信号を受信し、出力ノードで制御された出力電圧を提供するように構成される入力を含むパワーコンバーターと、
前記パワーコンバーターの前記出力ノードと前記電圧形ゲートドライバーの出力端子との間に結合される少なくとも一つのゲート抵抗を有するゲートドライバー抵抗器ネットワークと、
前記ゲートドライバー抵抗器ネットワークの両端に並列に接続するシャントコンデンサと、を備え、
前記出力端子が、第二のゲート信号を半導体パワーデバイスのゲートに提供するように構成される、電圧形ゲートドライバー。
第一のゲート信号を受信し、出力ノードで制御された出力電圧を提供するように構成される入力を含むパワーコンバーターと、
前記パワーコンバーターの前記出力ノードと前記電圧形ゲートドライバーの出力端子との間に結合される少なくとも一つのゲート抵抗を有するゲートドライバー抵抗器ネットワークと、
前記ゲートドライバー抵抗器ネットワークの両端に並列に接続するシャントコンデンサと、を備え、
前記出力端子が、第二のゲート信号を半導体パワーデバイスのゲートに提供するように構成される、電圧形ゲートドライバー。
【請求項2】
前記シャントコンデンサが、前記シャントコンデンサＣＧＳＮＴについて解かれる以下の式を使用して計算される値を有し、
式中、ＶＤＤは正の電源電圧であり、ＶＥＥは負の電源電圧であり、ＣＩＳＳは前記半導体パワーデバイスの入力容量であり、ＶＴＨは前記半導体パワーデバイスの閾値電圧である、請求項１に記載の電圧形ゲートドライバー。
【数1】
【請求項3】
前記シャントコンデンサと直列に接続するシャント抵抗器をさらに備え、前記シャント抵抗器および前記シャントコンデンサが、前記ゲートドライバー抵抗器ネットワークの両端に並列に接続される、請求項１に記載の電圧形ゲートドライバー。
【請求項4】
前記第一のシャント抵抗器が、０Ω～１０ＭΩの範囲内である、請求項３に記載の電圧形ゲートドライバー。
【請求項5】
前記ゲートドライバー抵抗器ネットワークが、０Ω～１０ＭΩの範囲の等価抵抗値を有する、請求項１に記載の電圧形ゲートドライバー。
【請求項6】
前記パワーコンバーターが、電圧整流器、レギュレーター、インバーター、またはコンバーターのうちの一つを備える、請求項１に記載の電圧形ゲートドライバー。
【請求項7】
ソリッドステートサーキットブレーカーをさらに備える、請求項１に記載の電圧形ゲートドライバー。
【請求項8】
前記半導体パワーデバイスが、ハーフブリッジ回路トポロジーを含む、請求項１に記載の電圧形ゲートドライバー。
【請求項9】
前記半導体パワーデバイスが、並列トランジスタ接続回路トポロジーである、請求項１に記載の電圧形ゲートドライバー。
【請求項10】
前記半導体パワーデバイスが、共通ソース回路トポロジーである、請求項１に記載の電圧形ゲートドライバー。
【請求項11】
前記半導体パワーデバイスが、ハーフブリッジ回路トポロジー、並列トランジスタ接続回路トポロジー、または共通ソース回路トポロジーのうちの一つである、請求項１に記載の電圧形ゲートドライバー。
【請求項12】
前記半導体パワーデバイスが、金属酸化物電界効果トランジスタである、請求項１に記載の電圧形ゲートドライバー。
【請求項13】
前記半導体パワーデバイスが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、または高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のうちの一つである、請求項１に記載の電圧形ゲートドライバー。
【請求項14】
パワーシステムであって、
電圧形ゲートドライバーであって、
第一のゲート信号を受信し、出力ノードで制御された出力電圧を提供するように構成される入力を含むパワーコンバーターと、
前記パワーコンバーターの前記出力ノードと前記電圧形ゲートドライバーの出力端子との間に結合される少なくとも一つのゲート抵抗を有するゲートドライバー抵抗器ネットワークと、
前記ゲートドライバー抵抗器ネットワークの両端に並列に接続するシャントコンデンサと、
第二のゲート信号を提供するように構成される前記出力端子と、を備える、電圧形ゲートドライバーと、
ゲート端子、ドレイン端子、およびソース端子を備える半導体パワーデバイスであって、前記半導体パワーデバイスが、前記ゲート端子で前記第二のゲート信号を受信するように構成される、半導体パワーデバイスと、を備える、パワーシステム。
電圧形ゲートドライバーであって、
第一のゲート信号を受信し、出力ノードで制御された出力電圧を提供するように構成される入力を含むパワーコンバーターと、
前記パワーコンバーターの前記出力ノードと前記電圧形ゲートドライバーの出力端子との間に結合される少なくとも一つのゲート抵抗を有するゲートドライバー抵抗器ネットワークと、
前記ゲートドライバー抵抗器ネットワークの両端に並列に接続するシャントコンデンサと、
第二のゲート信号を提供するように構成される前記出力端子と、を備える、電圧形ゲートドライバーと、
ゲート端子、ドレイン端子、およびソース端子を備える半導体パワーデバイスであって、前記半導体パワーデバイスが、前記ゲート端子で前記第二のゲート信号を受信するように構成される、半導体パワーデバイスと、を備える、パワーシステム。
【請求項15】
前記シャントコンデンサが、前記シャントコンデンサＣＧＳＮＴについて解かれる以下の式を使用して計算される値を有し、
式中、ＶＤＤは正の電源電圧であり、ＶＥＥは負の電源電圧であり、ＣＩＳＳは前記半導体パワーデバイスの入力容量であり、ＶＴＨは前記半導体パワーデバイスの閾値電圧である、請求項１４に記載のパワーシステム。
【数2】
【請求項16】
前記シャントコンデンサと直列に接続するシャント抵抗器をさらに備え、前記シャント抵抗器および前記シャントコンデンサは、前記ゲートドライバー抵抗器ネットワークの両端に並列に接続される、請求項１４に記載のパワーシステム。
【請求項17】
前記第一のシャント抵抗器が、０Ω～１０ＭΩの範囲内である、請求項１６に記載のパワーシステム。
【請求項18】
前記ゲートドライバー抵抗器ネットワークが、０Ω～１０ＭΩの範囲の等価抵抗値を有する、請求項１４に記載のパワーシステム。
【請求項19】
前記パワーコンバーターが、電圧整流器、レギュレーター、インバーター、またはコンバーターのうちの一つを備える、請求項１４に記載のパワーシステム。
【請求項20】
前記半導体パワーデバイスが、金属酸化物電界効果トランジスタである、請求項１４に記載のパワーシステム。
【請求項21】
前記半導体パワーデバイスが、ハーフブリッジ回路トポロジー、並列トランジスタ接続回路トポロジー、または共通ソース回路トポロジーのうちの一つである、請求項１４に記載のパワーシステム。
【請求項22】
前記半導体パワーデバイスが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、または高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のうちの一つである、請求項１４に記載のパワーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、「Ｖｏｌｔａｇｅ－Ｓｏｕｒｃｅ Ｇａｔｅ Ｄｒｉｖｅ Ｕｓｉｎｇ Ｓｈｕｎｔ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｔｈａｔ Ｄｅｃｏｕｐｌｅｓ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｇａｔｅ Ｄｅｌａｙ Ｔｉｍｅ」と題する、２０２２年１２月１６日出願の米国仮特許出願第６３／３８７，７８４号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
本出願は、「Ｖｏｌｔａｇｅ－Ｓｏｕｒｃｅ Ｇａｔｅ Ｄｒｉｖｅ Ｕｓｉｎｇ Ｓｈｕｎｔ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｔｈａｔ Ｄｅｃｏｕｐｌｅｓ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｇａｔｅ Ｄｅｌａｙ Ｔｉｍｅ」と題する、２０２２年１２月１６日出願の米国仮特許出願第６３／３８７，７８４号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
【0002】
本開示は、パワー半導体デバイスに関し、より具体的には、パワー半導体デバイスを駆動するための電圧形ゲート駆動回路に関する。
【背景技術】
【0003】
パワー半導体デバイスは通常、電力変換機能を提供するためにパワーエレクトロニクス回路で使用される。用途では、より速いスイッチング速度は、パワー半導体デバイスに関連するスイッチング損失を低減するため、パワー半導体デバイスの動作に有益である。
【0004】
それにもかかわらず、スイッチング速度が速くなると、電磁干渉が増大し、振動の危険性が高まる。これに関して、半導体パワーデバイスのゲート遅延およびスイッチング速度には相関関係がある。スイッチング速度がより遅くなると、スイッチング損失が増加し、制御または保護の観点から望ましくない場合があるゲート遅延がより長くなる。スイッチング速度がより速くなると、電磁両立性と電磁干渉の業界標準に準拠する上で課題が生じ、電圧スパイク、リンギング、電磁干渉を引き起こし、それは電磁両立性を達成し振動を回避することをさらに困難にさせる。さらに、ゲート遅延がより長くなると、パワーエレクトロニクス回路の保護、並列同期、および回路動作に悪影響を及ぼす。パワーエレクトロニクス回路のスイッチング速度とゲート遅延を最適化する際のもう一つの課題は、半導体パワーデバイスの入力容量（ＣＩＳＳ）に対応する必要があることである。半導体パワーデバイスは、半導体パワーデバイスのダイサイズに比例する高入力容量（ＣＩＳＳ）により、長いゲート遅延を有する場合がある。したがって、半導体パワーデバイスの設計、構造、または用途に応じて、ゲート遅延は、半導体パワーデバイスが、例えば並列トランジスタを備える場合、半導体パワーデバイスの各並列ブランチが特性入力容量（ＣＩＳＳ）を有することになるため、さらに長く、より顕著になる。したがって、改善された電圧形ゲートドライバーが必要である。
【発明の概要】
【0005】
改良された電圧形ゲートドライバーを使用して、パワーデバイスのスイッチング速度とゲート遅延時間の制御とを分離する半導体パワーデバイスを制御するための態様が開示されている。一態様では、電圧形ゲートドライバーを説明する。電圧形ゲートドライバーは、第一のゲート信号を受信し、出力ノードに調整された出力電圧を供給するように構成される入力を含むパワーコンバーターを備える。電圧形ゲートドライバーは、パワーコンバーターの出力ノードと電圧形ゲートドライバーの出力端子との間に結合される少なくとも一つのゲート抵抗を有するゲートドライバー抵抗器ネットワークと、ゲートドライバー抵抗器ネットワークの両端に並列に接続するシャントコンデンサと、をさらに備える。このようにして、出力端子は、第二のゲート信号を半導体パワーデバイスのゲートに提供するように構成される。
【0006】
一実施形態では、シャントコンデンサは、以下の式を使用して計算される値を有する。
【数1】
【0007】
ここで、式は、シャントコンデンサＣＧＳＮＴについて解かれ、式中、ＶＤＤは正の電源電圧であり、ＶＥＥは負の電源電圧であり、ＣＩＳＳは半導体パワーデバイスの入力容量であり、ＶＴＨは半導体パワーデバイスの閾値電圧である。
【0008】
一実施形態では、電圧形ゲートドライバーは、シャントコンデンサと直列に接続するシャント抵抗器をさらに備え、シャント抵抗器およびシャントコンデンサは、ゲートドライバー抵抗器ネットワークの両端に並列に接続されている。第一のシャント抵抗器は、０Ω～１０ＭΩの範囲内である。
【0009】
一実施形態では、ゲートドライバー抵抗器ネットワークは、０Ω～１０ＭΩの範囲の等価抵抗値を有する。
【0010】
別の実施形態では、パワーコンバーターは、電圧整流器、レギュレーター、インバーター、またはコンバーターのうちの一つを備える。
【0011】
一実施形態では、電圧形ゲートドライバーは、ソリッドステートサーキットブレーカーをさらに備える。
【0012】
一実施形態では、半導体パワーデバイスは、ハーフブリッジ回路トポロジーを備える。
【0013】
一実施形態では、半導体パワーデバイスは、並列トランジスタ接続回路トポロジーである。
【0014】
一実施形態では、半導体パワーデバイスは、共通ソース回路トポロジーである。
【0015】
一実施形態では、半導体パワーデバイスは、ハーフブリッジ回路トポロジー、並列トランジスタ接続回路トポロジー、または共通ソース回路トポロジーのうちの一つである。
【0016】
一実施形態では、半導体パワーデバイスは、金属酸化物電界効果トランジスタである。
【0017】
一実施形体では、半導体パワーデバイスは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、または高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のうちの一つである。
【0018】
別の態様では、電圧形ゲートドライバーおよび半導体パワーデバイスを備えるパワーシステムが開示される。電圧形ゲートドライバーは、第一のゲート信号を受信し、出力ノードに制御された出力電圧を提供するように構成される入力を含むパワーコンバーターと、パワーコンバーターの出力ノードと電圧形ゲートドライバーの出力端子との間に結合された少なくとも一つのゲート抵抗を有するゲートドライバー抵抗器ネットワークと、ゲートドライバー抵抗器ネットワークの両端に並列に接続するシャントコンデンサと、を備え、出力端子が、第二のゲート信号を提供するように構成される。
半導体パワーデバイスは、ゲート端子、ドレイン端子、およびソース端子を備え、半導体パワーデバイスは、ゲート端子で第二のゲート信号を受信するように構成される。
半導体パワーデバイスは、ゲート端子、ドレイン端子、およびソース端子を備え、半導体パワーデバイスは、ゲート端子で第二のゲート信号を受信するように構成される。
【0019】
一実施形態では、シャントコンデンサは、以下の式を使用して計算される値を有する。
【数2】
【0020】
ここで、式は、シャントコンデンサＣＧＳＮＴについて解かれ、式中、ＶＤＤは正の電源電圧であり、ＶＥＥは負の電源電圧であり、ＣＩＳＳは半導体パワーデバイスの入力容量であり、ＶＴＨは半導体パワーデバイスの閾値電圧である。
【0021】
一実施形態では、パワーシステムは、シャントコンデンサと直列に接続するシャント抵抗器をさらに備え、シャント抵抗器およびシャントコンデンサは、ゲートドライバー抵抗器ネットワークの両端に並列に接続する。第一のシャント抵抗器は、０Ω～１０ＭΩの範囲内である。
【0022】
一実施形態では、ゲートドライバー抵抗器ネットワークは、０Ω～１０ＭΩの範囲の等価抵抗値を有する。
【0023】
別の実施形態では、パワーコンバーターは、電圧整流器、レギュレーター、インバーター、またはコンバーターのうちの一つを備える。
【0024】
一実施形態では、半導体パワーデバイスは、金属酸化物電界効果トランジスタである。
【0025】
一実施形態では、半導体パワーデバイスは、ハーフブリッジ回路トポロジー、並列トランジスタ接続回路トポロジー、または共通ソース回路トポロジーのうちの一つである。
【0026】
一実施形体では、半導体パワーデバイスは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、または高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のうちの一つである。
【0027】
当業者であれば、添付図面に関連する以下の詳細な説明を読んだ後に、本開示の範囲を理解し、その別の態様に気付くであろう。
【図面の簡単な説明】
【0028】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付図面は、本開示のいくつかの態様を示し、説明と共に本開示の原理を説明する役割を果たす。
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
図３Ａは、例示的なハーフブリッジ回路トポロジーを示す。
【0033】
【0034】
【0035】
【0036】
図４Ａは、ターンオフ移行中の、図１に示すパワーシステムの半導体パワーデバイスの電圧および電流特性を示すグラフであり、パワーシステムは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴを備え、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴがない（ＲＧＳＮＴ＝０Ω）。
【0037】
【0038】
【0039】
【0040】
【0041】
【0042】
図６Ａは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴ、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴ、および直列スプリットゲート抵抗器ＲＧを有し、ターンオフ移行中の、図１に示すパワーシステムの半導体パワーデバイスの電圧および電流特性を示すグラフである。
【0043】
【0044】
【0045】
図７Ａは、異なる値（ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１００Ω、ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１５０Ω、およびＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝２００Ω）を有するターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦを使用して生成された、ターンオフ移行中の図１に示すパワーシステムの半導体パワーデバイスの電圧および電流特性を示すグラフである。
【0046】
【0047】
【0048】
図８Ａは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴがない、ターンオフ移行中の、図１に示すパワーシステムの半導体パワーデバイスの電圧および電流特性を示すグラフであり、半導体パワーデバイスは、低速スイッチング用途に好適な電気的特性を備えている。
【0049】
【0050】
【0051】
図９Ａは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴを有する、ターンオフ移行中の、図１に示すパワーシステムのディスクリート半導体パワーデバイスの電圧および電流特性を示すグラフであり、ディスクリート半導体パワーデバイスは、低速スイッチング用途に好適な電気的特性を備える。
【0052】
【発明を実施するための形態】
【0053】
以下に記載される実施形態は、当業者が実施形態を実践することを可能にするために必要な情報を表し、実施形態を実践する最善モードを例示する。添付の図面に照らして以下の説明を読んだ後、当業者は、本開示の概念を理解し、本明細書に特に記載されていないこれらの概念の適用を認識するであろう。当然のことながら、これらの概念および適用は、本開示の範囲および付随する特許請求の範囲に含まれる。
【0054】
本明細書では、用語、第一、第二、等を使用して様々な要素を説明することができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、一つの要素を別の要素と区別するためにのみ使用される。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第一の要素を第二の要素と呼ぶことができ、同様に、第二の要素を第一の要素と呼ぶことができる。本明細書で使用される「および／または」という用語は、関連する列挙された項目のうちの一つ以上のあらゆるすべての組み合わせを含む。
【0055】
層、領域、または基板などの要素が、別の要素の「上に」ある、または「上へ」延在すると言及される場合、別の要素の直接上にある、または直接上へ延在する、または介在する要素も存在し得ることが理解されよう。対照的に、要素が別の要素の「直接上に」ある、または「直接上へ」延在すると言及される場合、介在する要素は存在しない。同様に、層、領域、または基板などの要素が、別の要素の「上に」ある、または「上に」延在すると言及される場合、別の要素の直接上にある、または直接上に延在する、または介在する要素も存在し得ることが理解されよう。対照的に、要素が別の要素の「直接上に」ある、または「直接上に」延在すると言及される場合、介在する要素は存在しない。また、要素が別の要素に「連結」または「結合」していると呼ばれる場合、他の要素に直接連結もしくは結合する、または介在要素が存在することも理解されよう。対照的に、ある要素が別の要素に「直接連結している」または「直接結合している」と呼ばれる場合、介在要素は存在しない。
【0056】
図に示すように、一つの要素、層、または領域と別の要素、層、または領域との関係を記述するために、本明細書では、例えば「～より下」または「～より上」または「上の」または「下の」などの相対的用語が使用され得る。これらの用語および上述したものは、図に描写された配向に加えて、装置の異なる配向を包含することが意図されていることが理解される。
【0057】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を記述する目的のみに使用され、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈によって別途明確に示されない限り、複数形も含むことが意図される。本明細書で使用される場合、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」、および／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」は、記載された特徴、整数、工程、動作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、一つ以上の他の特徴、整数、工程、動作、要素、および／またはそのグループの存在または追加を妨げないことがさらに理解されるであろう。
【0058】
別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術用語および学術用語を含む）は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。さらに、本明細書で使用される用語は、本明細書および関連技術の文脈においてその意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書に明示的に定義されない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されないことが理解されるであろう。
【0059】
本明細書では、本開示の実施形態の概略図を参照して実施形態を説明する。したがって、層および要素の実際の寸法は異なる可能性があり、例えば製造技術および／または公差の結果として、図の形状とは異なることが予想される。例えば、正方形または長方形として例示または説明されている領域は、丸いまたは湾曲した形体であることができ、直線として示されている領域には、多少の凹凸がある可能性がある。したがって、図に例示される領域は概略的なものであり、その形状はデバイスの領域の正確な形状を例示することを意図したものでもなく、本開示の範囲を限定することを意図したものでもない。さらに、構造または領域のサイズは、説明の目的で他の構造または領域と比較して誇張される場合があり、したがって、本主題の一般的な構造を説明するために提供されており、縮尺通りに描かれている場合もいない場合もある。図面間の共通の要素は、ここでは共通の要素番号で示されており、後で再度説明することはない。
【0060】
図１は、半導体パワーデバイス１４に接続する電圧形ゲートドライバー１２を有する例示的なパワーシステム１０を示す。電圧形ゲートドライバー１２は、入力端子２２で入力ゲート信号ＶＩＮを受信し、半導体パワーデバイス１４に電気的に結合する出力端子２４で制御および増幅された駆動信号を提供する。このようにして、電圧形ゲートドライバー１２は、電流バッファーおよび信号変換器として動作し、電圧形ゲートドライバー１２の入力端子２２と出力端子２４との間に、直列に接続するパワーコンバーター１６およびゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８を備える。半導体パワーデバイス１４のスイッチング速度およびゲート遅延を効果的に制御するために、シャントコンデンサＣＧＳＮＴとシャント抵抗器ＲＧＳＮＴは、第一の内部ノード２８と第二の内部ノード３８との間に直列に接続する。さらに、直列接続したシャントコンデンサＣＧＳＮＴとシャント抵抗器ＲＧＳＮＴは、第一の内部ノード２８がパワーコンバーター１６の出力ノード２６に接続し、かつ第二の内部ノード３８が電圧形ゲートドライバー１２の出力端子２４に接続するように、ゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８と並列に接続する。このようにして、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴは、電圧形ゲートドライバー１２の一部として使用され、半導体パワーデバイス１４のゲート遅延から半導体パワーデバイス１４のスイッチング速度を分離し、本明細書の他の所でより詳細に説明するように、半導体パワーデバイス１４における任意の偽ゲートループ発振および／またはゲートループトリガーを防止することができる。
【0061】
半導体パワーデバイス１４は、集積ボディダイオードＤ３を有する金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ３であってもよい。しかし、本開示の範囲は、そのようには限定されない。半導体パワーデバイス１４は、ゲート端子Ｇ、ドレイン端子Ｄ、およびソース端子Ｓをさらに備える。ボディダイオードＤ３は、ソース端子Ｓからドレイン端子Ｄへの内部電流導電路を提供し、ドレイン端子Ｄからソース端子Ｓへの高電圧および高電流を遮断する。さらに、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３は、ゲート・ソース間容量ＣＧＳ、ドレイン・ソース間容量ＣＧＳ、およびゲート・ドレイン間容量ＣＧＤを含む特性容量を備える。ここで、入力容量ＣＩＳＳは、ゲート・ソース間容量ＣＧＳおよびゲート・ドレイン間容量ＣＧＤの合計である。
【0062】
ドレイン端子Ｄおよびソース端子Ｓは、それぞれ第一の負荷ノード３４および第二の負荷ノード３６で負荷２０に接続することができる。パワーシステム１０内の半導体パワーデバイス１４は、電圧形ゲートドライバー、例えば電圧形ゲートドライバー１２を使用して電気エネルギーを整流、反転、変換、または別の方法で操作するために適用されてもよい。半導体パワーデバイス１４のＭＯＳＦＥＴ Ｑ３のソース端子Ｓは、コンデンサＣＤＤおよびコンデンサＣＥＥによって安定化される正の電源電圧ＶＤＤおよび負の電源電圧ＶＥＥとの間の基準ノード３２に接続し、それを基準とする。ここで、正の電源電圧ＶＤＤは、５Ｖ～３０Ｖ、１０Ｖ～２０Ｖ、または１２Ｖ～１５Ｖの範囲内の正のレール電圧を指す場合がある。負の電源電圧ＶＥＥは、０Ｖ～－３０Ｖ、－３Ｖ～－２０Ｖ、－５Ｖ～－１５Ｖの範囲内にある、またはグランドに接続されている負レール電圧を指す場合がある。あるいは、負の電源電圧ＶＥＥは、半導体パワーデバイス１４がノーマリーオンの半導体パワーデバイスであるかノーマリーオフであるかに応じて、正の電源電圧ＶＤＤの代わりに使用されてもよい。ノーマリーオフの半導体パワーデバイス１４がオンになるには、正のゲート・ソース間電圧ＶＧＳが必要である。したがって、ゲート・ソース間電圧ＶＧＳが０ボルトである場合、ノーマリーオフの半導体パワーデバイス１４はオフ状態になる。ノーマリーオンの半導体パワーデバイス１４がオフになるには、負のゲート・ソース間電圧ＶＧＳが必要である。したがって、ゲート・ソース間電圧ＶＧＳが０ボルトである場合、ノーマリオンデバイスである半導体パワーデバイス１４はオン状態となる。
【0063】
電圧形ゲートドライバー１２は、電流バッファーおよび信号変換器として動作し、電圧形ゲートドライバー１２の入力端子２２と出力端子２４との間に、直列に接続するパワーコンバーター１６とゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８とを備える。パワーコンバーター１６は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである第一のトランジスタＱ１と、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴである第二のトランジスタＱ２とによって形成されることができる。ここで、第一のトランジスタＱ１のドレイン端子ＤＱ１は正の電源電圧ＶＤＤに接続し、第二のトランジスタＱ２のドレイン端子ＤＱ２は負の電源電圧ＶＥＥに接続する。第一のトランジスタＱ１のソース端子ＳＱ１は、トランジスタＱ２のソース端子ＳＱ２に接続し、出力ノード２６に電気的に結合する。さらに、トランジスタＱ１のゲート端子ＧＱ１は、トランジスタＱ２のゲート端子ＧＱ２に接続し、入力端子２２に電気的に結合する。動作中、パワーコンバーター１６は、電圧形ゲートドライバー１２の入力端子２２に供給される入力ゲート信号ＶＩＮを調節し、ゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８に接続する出力ノード２６において調節された出力電圧ＶＲＥＧを提供する。別の実施形態では、パワーコンバーター１６は、電圧整流器、レギュレーター、インバーター、またはコンバーターのうちの一つであってもよい。
【0064】
ゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８は、電圧形ゲートドライバー１２の出力ノード２６と出力端子２４との間に接続する。ゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８は、ターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦを含む一つまたは複数の抵抗器を備えてもよい。ターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮは、第一のダイオードＤ１に接続し、ターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮを通って第一の方向に流れる電流を整流する。ターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦは、第二のダイオードＤ２に接続すし、ターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦを通って第一の方向とは逆方向に流れる電流を整流する。ここで、第一のダイオードＤ１に接続するターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮと、第二のダイオードＤ２に接続するターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦは、図１に示すように並列に接続する。ここで、ターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮの値は、０Ω～１０ＭΩ、１ｋΩ～５ＭΩ、または１００ｋΩ～３ＭΩの範囲であり、ターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦの値は、０～１０ＭΩ、１ｋΩ～５ＭΩ、または１００ｋΩ～３ＭΩの範囲である。ゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８は、０Ω～１０ＭΩ、１ｋΩ～５ＭΩ、または１００ｋΩ～３ＭΩの範囲の等価抵抗値を有することができる。
【0065】
さらに、さらに、直列スプリットゲート抵抗器ＲＧを使用して、電圧形ゲートドライバー１２の出力端子２４と半導体パワーデバイス１４のゲート端子Ｇとを電気的に結合する（すなわち、それらの間を直列に接続する）ことができる。このようにして、ゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８は、０Ω～１０ＭΩ、１ｋΩ～５ＭΩ、または１００ｋΩ～３ＭΩの範囲の値を有する直列スプリットゲート抵抗器ＲＧを使用して半導体パワーデバイス１４のゲート端子Ｇに接続する電圧形ゲートドライバー１２の出力端子２４に抵抗性の整流された電流および電圧を供給する。したがって、ターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮ、ターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦ、および直列スプリットゲート抵抗器ＲＧの値は、半導体パワーデバイス１４の入力容量ＣＩＳＳの充放電電流に影響を与える可能性がある。入力容量ＣＩＳＳは、半導体パワーデバイス１４の状態が変化する前に、半導体パワーデバイス１４の閾値電圧ＶＴＨを上回るか下回るかで充電または放電されなければならないので、ターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦの値が増加すると、ゲート遅延が増加し、半導体パワーデバイス１４のオフ状態からオン状態への、またはその逆のスイッチング速度が低下する。したがって、ターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦの値が増加すると、パワーシステム１０の動作中の半導体パワーデバイス１４のスイッチング損失が増加する。ここで、直列スプリットゲート抵抗器ＲＧの値は、パワーシステム１０が振動を回避しながら電磁両立性および電磁干渉業界標準を満たすように増加させることができる。それにもかかわらず、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴがない場合、直列スプリットゲート抵抗器ＲＧの値を増加させると、半導体パワーデバイス１４の動作において望ましくない、より長いゲート遅延およびより高いスイッチング損失が導入される。
【0066】
ゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８の両端に並列に接続する直列接続したシャントコンデンサＣＧＳＮＴとシャント抵抗器ＲＧＳＮＴの導入は、半導体パワーデバイス１４のゲート遅延からの半導体パワーデバイス１４のスイッチング速度の分離を可能にする。これは、半導体パワーデバイス１４がゲート遅延の低減を維持する間に、半導体パワーデバイス１４のスイッチング速度を制御することを可能にするため、特に有利である。ここで、シャントコンデンサＣＧＳＮＴは、ゲート遅延を低減する半導体パワーデバイス１４の入力容量ＣＩＳＳの初期の高充電および放電を可能にする。したがって、ターンオン期間およびターンオフ期間の間、シャントコンデンサＣＧＳＮＴは、半導体パワーデバイス１４の入力容量ＣＩＳＳを有する直列接続した容量分圧器として機能し、ゲート・ソース間電圧ＶＧＳを確立し、一方、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴは、半導体パワーデバイス１４における任意の偽ゲートループ発振および／またはゲートループトリガーを防止する役割を果たす。シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴの適用は、半導体パワーデバイス１４のドレイン端子Ｄとソース端子Ｓとの間の外部高電圧ＲＣスナバ回路の必要性を排除するため、さらに有利である。
【0067】
ここで、シャントコンデンサＣＧＳＮＴの値は、パワー半導体デバイス１４の所望のターンオンおよびターンオフ性能について、式（１）および（２）を使用して決定（すなわち、計算）されることができる。
【数3】
【0068】
したがって、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴの値は、０Ω～１０ＭΩ、１ｋΩ～５ＭΩ、または１００ｋΩ～３ＭΩの範囲であってもよい。シャント抵抗器ＲＧＳＮＴは、振動減衰機能を達成するためにシャントコンデンサＣＧＳＮＴと直列に直接接続しなくてもよいことに留意されたい。したがって、十分な抵抗成分がゲート駆動ループの一部として存在する限り、振動減衰機能が達成される。ここで、ゲート駆動ループは、電源電圧ＶＤＤまたはＶＥＥ、ゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８、および半導体パワーデバイス１４を備えるゲート電流経路である。
【0069】
図１に示される半導体パワーデバイス１４は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３であるが、本開示の範囲はこれに限定されないことに留意することが重要である。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴまたはＮ型ＭＯＳＦＥＴのいずれかであってもよい。当業者であれば、半導体パワーデバイス１４が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等のうちの一つでよいことを理解するであろう。さらに、半導体パワーデバイス１４は、図３Ａ～図３Ｃを参照して図示および説明したように、ハーフブリッジ回路トポロジー３０、並列トランジスタ接続回路トポロジー３０’、または共通ソース回路トポロジー３０”を備えることができる。ここで、半導体パワーデバイス１４は、個別のパッケージまたはパワーモジュールを形成してもよい。
【0070】
図２は、半導体パワーデバイス１４’の一部として並列に接続する複数のＭＯＳＦＥＴ Ｑ３１～Ｑ３ｎを有する例示的なパワーシステム１０’を示す。複数のＭＯＳＦＥＴ Ｑ３１～Ｑ３ｎ（ｎはカウント数）を備え、それぞれが並列接続する集積ボディダイオードＤ３１～Ｄ３ｎを有する半導体パワーデバイス１４’を除いて、図２に示すパワーシステム１０’は、図１で説明したパワーシステム１０と実質的に同様である。半導体パワーデバイス１４’の共通ドレインノードおよび共通ソースノード（図示を簡単にするため示されていない）は、それぞれ第一の負荷ノード３４および第二の負荷ノード３６において負荷２０に接続してもよい。図１と関連して前述した図２に示す要素は、簡潔にするためにここでは説明しない。
【0071】
図２に示すように、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３１～Ｑ３ｎの各々は、それぞれ直列スプリットゲート抵抗器ＲＧ１～ＲＧｎをさらに備える。ここで、直列スプリットゲート抵抗器ＲＧ１～ＲＧｎは、並列ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３１～Ｑ３ｎの間の振動を減衰および回避するために使用される。さらに、直列スプリットゲート抵抗器ＲＧ１～ＲＧｎの各々の値を増大させることにより、半導体パワーデバイス１４’のＭＯＳＦＥＴ Ｑ３１～Ｑ３ｎのうちのそれぞれ一つのスイッチング速度が低減される。あるいは、直列スプリットゲート抵抗器ＲＧ１～ＲＧｎの各々の値を減少させることにより、半導体パワーデバイス１４’のＭＯＳＦＥＴ Ｑ３１～Ｑ３ｎのうちのそれぞれ一つのスイッチング速度が増加される。一実施形態では、電流バッファー（図を簡略化するためにここでは示されていない）段は、電圧形ゲートドライバー１２の一部として、パワーコンバーター１６とゲートドライバー抵抗器ネットワーク１８との間に適用されることができる。電流バッファーは、高電流、高電力用途において電圧形ゲートドライバー１２のゲート電流能力を高めることができる。これは、半導体パワーデバイス１４’に示すように、複数の半導体パワーデバイスが並列に接続している場合に特に有利である。ここで、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴは、上述と同様に動作し、電流バッファーの増加した電流駆動能力を利用して、スイッチング速度に影響を与えることなくゲート遅延をさらに最小化する。
【0072】
図３Ａ～図３Ｃは、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の一部として本開示の様々な実施形態で適用される例示的な回路トポロジーを例示する。ここで、ハーフブリッジ回路トポロジー３０と、並列トランジスタ接続回路トポロジー３０’と、共通ソース回路トポロジー３０”（以下、ハーフブリッジ３０、並列トランジスタ接続３０、および共通ソース回路３０”とも呼ばれる）は、図１に示すように、半導体パワーデバイス１４に関連するスイッチング速度とゲート遅延の制御とを分離する電圧形ゲートドライバー１２を使用して電気エネルギーを整流、反転、変換、またはその他の方法で操作するために、パワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の一部として個別のパッケージまたはパワーモジュールに統合および適用することができる。
【0073】
図３Ａ～図３Ｃに例示するように、それぞれ、ハーフブリッジ回路トポロジー３０、並列トランジスタ接続回路トポロジー３０’、共通ソース回路トポロジー３０”は、第一のトランジスタおよび第二のトランジスタを備え、第一のトランジスタおよび第二のトランジスタは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等のうちの一つであってもよい。
【0074】
図３Ａは、例示的なハーフブリッジ回路トポロジー３０を示す。ハーフブリッジ回路トポロジー３０（ハーフブリッジ３０とも呼ばれる）は、第一のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ１を含むハイサイドと表示されたハイサイドパワー半導体スイッチングデバイス、および第二のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ２を含むローサイドと表示されたローサイドパワー半導体スイッチングデバイス、バルクコンデンサバンクＤＣリンクの形態の電源、ならびに正の直流（ＤＣ）バスバーＤＣ＋と負のＤＣバスバーＤＣ－との間に電気的に結合されるデカップリングコンデンサＣｄを備える。第一のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ１は、第一のゲート端子Ｇ１、第一のソース端子Ｓ１、および第一のドレイン端子Ｄ１を備え、第二のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ２は、第二のゲート端子Ｇ２、第二のソース端子Ｓ２、および第二のドレイン端子Ｄ２を備える。示すように、第一のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ１の第一ドレイン端子Ｄ１は正のＤＣバスバーＤＣ＋に接続し、第二のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ２の第二のソース端子Ｓ２は負のＤＣバスバーＤＣ－に接続し、第一のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ１の第一のソース端子Ｓ１は、第二のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ２の第二のドレイン端子Ｄ２に接続し、位相端子Ｔ１が接続する位相ノードＮ１を形成する。この構成は、マルチレベルコンバーター、電流源インバーター、ソリッドステートサーキットブレーカー等を含むがこれらに限定されない、様々なトポロジーで一般的に使用される。
【0075】
図３Ｂは、第一のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ１および第二のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ２が接続して共通ソースノードＮ３および共通ドレインノードＮ２を形成する並列トランジスタ接続回路トポロジー３０’を示す。第一のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ１は、第一のゲート端子Ｇ１、第一のソース端子Ｓ１、および第一のドレイン端子Ｄ１を含み、第二のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ２は、第二のゲート端子Ｇ２、第二のソース端子Ｓ２、および第二のドレイン端子Ｄ２を含む。図３Ｂに示すように、第一のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ１の第一ドレイン端子Ｄ１および第二のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ２の第二ドレイン端子Ｄ２は電気的に接続されて、共通ドレインノードＮ２および共通ドレイン入出力端子Ｔ２を形成する。同様に、第一のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ１の第一のソース端子Ｓ１と第二のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ２の第二のソース端子Ｓ２は電気的に接続されて、共通ソースノードＮ３および共通ソース入出力端子Ｔ３を形成する。並列トランジスタ接続回路トポロジー３０’は、個別のトランジスタでは高電力用途で必要とされる大電流を流すことができない、高電力用途で利用されることができる。例えば、図１に示す半導体パワーデバイス１４は、図３Ｂに示すように、互いに並列に接続されるパワーＭＯＳＦＥＴ Ｍ１、Ｍ２をさらに備えてもよい。並列トランジスタ接続、例えば、図３に示す並列トランジスタ接続回路トポロジー３０’は、図１に示す半導体パワーデバイス１４に関連する電力レベルをさらに増加させるので、特に有利であることに留意されたい。ここで、図２は、半導体パワーデバイス１４’の一部として、例えば、ディスクリートパッケージで並列に接続する複数のトランジスタを例示する。ここで、並列接続する複数のＭＯＳＦＥＴ Ｑ３１～Ｑ３ｎを備える半導体パワーデバイス１４’全体に対して、単一のシャント抵抗器ＲＧＳＮＴおよび単一のシャントコンデンサＣＧＳＮＴが使用されてもよい。しかし、複数のＭＯＳＦＥＴＳ Ｑ３１～Ｑ３ｎの各々には、半導体パワーデバイス１４’の一部を形成する並列ＭＯＳＦＥＴＳ Ｑ３１～Ｑ３ｎの間のゲート振動を回避するために、それぞれのスプリットゲート抵抗器ＲＧ１～ＲＧｎが設けられる。
【0076】
図３Ｃは、共通ソース回路トポロジー３０”を例示する。例示するように、共通ソーストランジスタ回路トポロジー３０”は、第一のゲート端子Ｇ１、第一のソース端子Ｓ１、および第一のドレイン端子Ｄ１を有する第一のＭＯＳＦＥＴ Ｍ１と、第二のゲート端子Ｇ２、第二のソース端子Ｓ２、および第二のドレイン端子Ｄ２を有する第二のＭＯＳＦＥＴ Ｍ２と、を備える。この構成では、第一のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ１の第一のソースＳ１および第二のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ２の第二のソースＳ２が電気的に接続されて共通ソースノードＮ４を形成する。さらに、第一のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ１の第一のドレインＤ１は上部入出力端子Ｔ４を形成し、第二のＭＯＳＦＥＴデバイスＭ２の第二のドレインＤ２は下部入出力端子Ｔ５を形成する。上部入出力端子Ｔ４および下部入出力端子Ｔ５は、ＤＣ供給電圧を供給するように構成される電圧源（図示せず）と負荷との間に結合され、両方向の電流を遮断する機能を備えた双方向スイッチを形成し、オン状態電圧またはオフ状態電圧を提供する。この構成により、第一のドレイン端子Ｄ１から第二のドレイン端子Ｄ２へ、または第二のドレイン端子Ｄ２から第一のドレイン端子Ｄ１への両方向の電圧阻止能力が得られる。したがって、共通ソース回路トポロジー３０”は、様々な電力変換機能を可能にするため、特に有利である。
【0077】
図４Ａおよび４Ｂは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴがあり、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴがない（ＲＧＳＮＴ＝０Ω）、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフである。パワーシステム１０は、ディスクリート半導体デバイスである半導体パワーデバイス１４に結合する電圧形ゲートドライバー１２を備える。しかし、シャント抵抗器（ＲＧＳＮＴ）が接続されていないシャントコンデンサ（ＣＧＳＮＴ）は、それぞれ図４Ａおよび図４Ｂに示すように、半導体パワーデバイス１４のターンオフおよびターンオン中に振動を引き起こす。図１～３と関連して前述した図４Ａおよび４Ｂで説明された要素は、簡潔にするためにここでは説明されない。
【0078】
ここで、図４Ａおよび４Ｂのそれぞれは、１５Ｖの正の電源電圧ＶＤＤ、－５Ｖの負の電源電圧ＶＥＥ、および８００Ｖのバス電圧下で得られる測定値に基づく、経時的なゲート・ソース間電圧（ＶＧＳ－時間）、経時的なドレイン・ソース間電圧（ＶＤＳ－時間）、および経時的なドレイン・ソース間電流（ＩＤＳ－時間）のグラフを提供する。半導体パワーデバイス１４はＭＯＳＦＥＴであり、１２００Ｖの定格ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ、および１２０Ａの定格ドレイン・ソース間電流ＩＤＳを有する。さらに、半導体パワーデバイス１４の一部としてのＭＯＳＦＥＴは、２５℃で９ｍΩのドレイン・ソース間オン状態抵抗Ｒｄｓ（ＯＮ）、８．５ｎＦの入力容量ＣＩＳＳ、７５Ωのターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮ、７５Ωのターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦ、０Ωの直列スプリットゲート抵抗器ＲＧ、および５Ｖの閾値電圧ＶＴＨを有する。したがって、シャントコンデンサＣＧＳＮＴは、上記の式（１）および（２）を使用して８．５ｎＦであると計算される。
【0079】
図４Ａは、ターンオフ移行中の、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフであり、パワーシステム１０は、シャントコンデンサＣＧＳＮＴを備え、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴがない（ＲＧＳＮＴ＝０Ω）。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ターンオフ時間（ｔｏｆｆ）が測定され、およそ２００ｎｓであり、ターンオフ遅延時間（ｔｄ（ｏｆｆ））が測定され、およそ１８０ｎｓであり、ターンオフ電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ４Ａ／ｎｓであり、ターンオフ電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ２０Ｖ／ｎｓであり、電圧上昇時間（ｔｒ）が測定され、およそ２０ｎｓである。大きな振動は、観察されるようにゲート・ソース間電圧ＶＧＳ、ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ、およびドレイン・ソース間電流ＩＤＳに関係しており、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴが存在しないことに起因する。
【0080】
図４Ｂは、ターンオン移行中の、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフであり、パワーシステム１０は、シャントコンデンサＣＧＳＮＴを備え、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴがない（ＲＧＳＮＴ＝０Ω）。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ターンオン時間（ｔｏｎ）が測定され、およそ１２０ｎｓであり、ターンオン遅延時間（ｔｄ（ｏｎ））が測定され、およそ８０ｎｓであり、ターンオン電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ１Ａ／ｎｓであり、ターンオン電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ１５Ｖ／ｎｓであり、ドレイン・ソース電圧（ＶＤＳ）の立ち下がり時間（ｔｆ）が測定され、約２０ｎｓである。示すように、大きな振動はゲート・ソース間電圧ＶＧＳ、ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ、およびドレイン・ソース間電流ＩＤＳに関係しており、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴが存在しないことに起因する。したがって、安定性を維持するために、（図５Ａおよび５Ｂに示すように）シャント抵抗器（ＲＧＳＮＴ）を使用して、半導体パワーデバイス１４のゲート振動を防止することができる。
【0081】
図５Ａおよび図５Ｂは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴを有する、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４（すなわち、ディスクリートデバイス）の電圧および電流特性を示すグラフである。パワーシステム１０は、ディスクリート半導体デバイスである半導体パワーデバイス１４に結合する電圧形ゲートドライバー１２を備える。図１～３と関連して前述した図５Ａおよび５Ｂで説明された要素は、簡潔にするためにここでは説明されない。
【0082】
ここで、図５Ａおよび５Ｂのそれぞれは、１５Ｖの正の電源電圧ＶＤＤ、－５Ｖの負の電源電圧ＶＥＥ、および８００Ｖのバス電圧下で得られる測定値に基づく、経時的なゲート・ソース間電圧（ＶＧＳ－時間）、経時的なドレイン・ソース間電圧（ＶＤＳ－時間）、および経時的なドレイン・ソース間電流（ＩＤＳ－時間）のグラフを提供する。半導体パワーデバイス１４はＭＯＳＦＥＴであり、１２００Ｖの定格ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ、および１２０Ａの定格ドレイン・ソース間電流ＩＤＳを有する。さらに、半導体パワーデバイス１４の一部としてのＭＯＳＦＥＴは、２５℃で９ｍΩのドレイン・ソース間オン状態抵抗Ｒｄｓ（ＯＮ）、７５Ωのターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮ、７５Ωのターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦ、０Ωの直列スプリットゲート抵抗器ＲＧ、８．５ｎＦの入力容量ＣＩＳＳ、および５Ｖの閾値電圧ＶＴＨを有する。したがってシャントコンデンサＣＧＳＮＴは、上記のように式（１）および（２）を使用して８．５ｎＦであると計算される。その結果、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴの値は、２２Ωであると求められる。示すように、ターンオフおよびターンオン移行中の振動は、図５Ａおよび５Ｂでは、図４Ａおよび４Ｂと比較して大幅に減少している。これは、振動を減衰させるのに十分な大きさのシャント抵抗器ＲＧＳＮＴの導入の結果である。
【0083】
図５Ａは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴを有し、ターンオフ移行中の、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフである。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ターンオフ時間（ｔｏｆｆ）が測定され、およそ２００ｎｓであり、ターンオフ遅延時間（ｔｄ（ｏｆｆ））が測定され、およそ１８０ｎｓであり、ターンオフ電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ４Ａ／ｎｓであり、ターンオフ電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ２０Ｖ／ｎｓであり、電圧上昇時間（ｔｒ）が測定され、およそ２０ｎｓである。したがって、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴを備えることは、振動の低減および排除に役立つことが示される。
【0084】
図５Ｂは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴを有し、ターンオン移行中の、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフである。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ターンオン時間（ｔｏｎ）が測定され、およそ１２０ｎｓであり、ターンオン遅延時間（ｔｄ（ｏｎ））が測定され、およそ８０ｎｓであり、ターンオン電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ１Ａ／ｎｓであり、ターンオン電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ１５Ｖ／ｎｓであり、ドレイン・ソース電圧（ＶＤＳ）の立ち下がり時間（ｔｆ）が測定され、約２０ｎｓである。
【0085】
図６Ａおよび図６Ｂは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴ、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴ、および直列スプリットゲート抵抗器ＲＧを有する、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４（すなわち、ハーフブリッジ３０パワーモジュール）の電圧および電流特性を示すグラフである。パワーシステム１０は、図３Ａに示すように、ハーフブリッジ３０パワーモジュールである半導体パワーデバイス１４に結合する電圧形ゲートドライバー１２を備える。図１～３と関連して前述した図６Ａおよび６Ｂで説明された要素は、簡潔にするためにここでは説明されない。
【0086】
ここで、図６Ａおよび６Ｂのそれぞれは、１５Ｖの正の電源電圧ＶＤＤ、－５Ｖの負の電源電圧ＶＥＥ、および８００Ｖのバス電圧が使用される下で得られる測定値に基づく、経時的なゲート・ソース間電圧（ＶＧＳ－時間）、経時的なドレイン・ソース間電圧（ＶＤＳ－時間）、および経時的なドレイン・ソース間電流（ＩＤＳ－時間）のグラフを提供する。半導体パワーデバイス１４はハーフブリッジ３０であり、１２００Ｖの定格ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ、および５０Ａの定格ドレイン・ソース間電流ＩＤＳを有する。さらに、半導体パワーデバイス１４の一部としてのハーフブリッジパワーモジュールは、２５℃で１９ｍΩのドレイン・ソース間オン状態抵抗Ｒｄｓ（ＯＮ）、７５Ωのターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮ、７５Ωのターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦ、０Ωの直列スプリットゲート抵抗器ＲＧ、３ｎＦの入力容量ＣＩＳＳ、および５Ｖの閾値電圧ＶＴＨを有する。したがってシャントコンデンサＣＧＳＮＴは、上記のように式（１）および（２）を使用して３ｎＦであると計算される。その結果、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴの値は、１５Ωであると求められる。示すように、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴは、直列スプリットゲート抵抗器ＲＧの導入によって引き起こされる場合がある、より長いゲート遅延およびより高いスイッチング損失を軽減する。したがって、直列スプリットゲート抵抗器ＲＧは、半導体パワーデバイス１４が振動を回避しながら電磁両立性および電磁干渉業界基準を満たすように導入されてもよい。
【0087】
図６Ａは、ターンオフ移行中であり、シャントコンデンサＣＧＳＮＴ、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴ、および直列スプリットゲート抵抗器ＲＧを有する、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフである。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ターンオフ時間（ｔｏｆｆ）が測定され、およそ６８ｎｓであり、ターンオフ遅延時間（ｔｄ（ｏｆｆ））が測定され、およそ４８ｎｓであり、ターンオフ電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ６Ａ／ｎｓであり、ターンオフ電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ３７．５Ｖ／ｎｓであり、および電圧上昇時間（ｔｒ）が測定され、およそ２０ｎｓである。
【0088】
図６Ｂは、ターンオン移行中であり、シャントコンデンサＣＧＳＮＴ、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴ、および直列スプリットゲート抵抗器ＲＧを有する、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフである。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ターンオン時間（ｔｏｎ）が測定され、およそ７２ｎｓであり、ターンオン遅延時間（ｔｄ（ｏｎ））が測定され、およそ５６ｎｓであり、ターンオン電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ２Ａ／ｎｓであり、ターンオン電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ３７．５Ｖ／ｎｓであり、および電圧降下時間（ｔｆ）が測定され、およそ１６ｎｓである。
【0089】
図７Ａおよび７Ｂは、ターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦの異なる値を使用して生成される、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフである。パワーシステム１０は、ディスクリート半導体デバイスである半導体パワーデバイス１４に結合する電圧形ゲートドライバー１２を備える。図１～３と関連して前述した図７Ａおよび７Ｂで説明された要素は、簡潔にするためにここでは記載されていない。
【0090】
ここで、図７Ａおよび７Ｂのそれぞれは、１５Ｖの正の電源電圧ＶＤＤ、－５Ｖの負の電源電圧ＶＥＥ、および８００Ｖのバス電圧が使用される下で得られる測定値に基づく、経時的なゲート・ソース間電圧（ＶＧＳ－時間）、経時的なドレイン・ソース間電圧（ＶＤＳ－時間）、および経時的なドレイン・ソース間電流（ＩＤＳ－時間）のグラフを提供する。半導体パワーデバイス１４はＭＯＳＦＥＴであり、１２００Ｖの定格ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ、および１２０Ａの定格ドレイン・ソース間電流ＩＤＳを有する。さらに、半導体パワーデバイス１４の一部としてのＭＯＳＦＥＴは、２５℃で９ｍΩのドレイン・ソース間オン状態抵抗Ｒｄｓ（ＯＮ）、８．５ｎＦの入力容量ＣＩＳＳ、および５Ｖである閾値電圧ＶＴＨを有する。したがってシャントコンデンサＣＧＳＮＴは、上記のように式（１）および（２）を使用して８．５ｎＦであると計算される。その結果、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴの値は、２２Ωであると求められる。ここで、ＶＧＳ－時間、ＶＤＳ－時間、およびＩＤＳ－時間の各々に対して三つのグラフが生成され、三つのグラフの各々は、異なる値（ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１００Ω、ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１５０Ω、およびＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝２００Ω）を有するターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦの三つの値のうちの一つに基づく。示すように、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴは、より長いゲート遅延を軽減する。
【0091】
図７Ａは、ターンオフ移行中であり、異なる値（ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１００Ω、ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１５０Ω、およびＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝２００Ω）を有するターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦを使用して生成される、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフである。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１００Ωの値を有するターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦに関して、ターンオフ時間（ｔｏｆｆ）が測定され、およそ２４０ｎｓであり、ターンオフ遅延時間（ｔｄ（ｏｆｆ））が測定され、およそ２００ｎｓであり、ターンオフ電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ６Ａ／ｎｓであり、ターンオフ電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ２６Ｖ／ｎｓであり、電圧上昇時間（ｔｒ）が測定され、およそ３０ｎｓである。さらに、ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１５０Ωの値を有するターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦに関して、ターンオフ時間（ｔｏｆｆ）が測定され、およそ２８０ｎｓであり、ターンオフ遅延時間（ｔｄ（ｏｆｆ））が測定され、およそ２４０ｎｓであり、ターンオフ電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ２．５Ａ／ｎｓであり、ターンオフ電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ１６Ｖ／ｎｓであり、電圧上昇時間（ｔｒ）が測定され、およそ５０ｎｓである。最後に、ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝２００Ωの値を有するターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦに関して、ターンオフ時間（ｔｏｆｆ）が測定され、およそ３２０ｎｓであり、ターンオフ遅延時間（ｔｄ（ｏｆｆ））が測定され、およそ２８０ｎｓであり、ターンオフ電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ１．６Ａ／ｎｓであり、ターンオフ電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ１２Ｖ／ｎｓであり、電圧上昇時間（ｔｒ）が測定され、およそ７０ｎｓである。
【0092】
図７Ｂは、ターンオン移行中であり、異なる値（ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１００Ω、ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１５０Ω、およびＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝２００Ω）を有するターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦを使用して生成される、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフである。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１００Ωの値を有するターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦについて、ターンオン時間（ｔｏｎ）が測定され、およそ２４０ｎｓであり、ターンオン遅延時間（ｔｄ（ｏｎ））が測定され、およそ１６０ｎｓであり、ターンオン電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ１．５Ａ／ｎｓであり、ターンオン電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ１５Ｖ／ｎｓであり、電圧下降時間（ｔｆ）が測定され、およそ約４０ｎｓである。さらに、ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝１５０Ωの値を有するターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦについて、ターンオン時間（ｔｏｎ）が測定され、およそ２８０ｎｓであり、ターンオン遅延時間（ｔｄ（ｏｎ））が測定され、およそ２００ｎｓであり、ターンオン電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ１Ａ／ｎｓであり、ターンオン電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ１２Ｖ／ｎｓであり、電圧下降時間（ｔｒ）が測定され、およそ５０ｎｓである。最後に、ＲＧ－ＯＮ＝ＲＧ－ＯＦＦ＝２００Ωの値を有するターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮおよびターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦについて、ターンオン時間（ｔｏｎ）が測定され、およそ３２０ｎｓであり、ターンオン遅延時間（ｔｄ（ｏｎ））が測定され、およそ２４０ｎｓであり、ターンオン電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ０．７５Ａ／ｎｓであり、ターンオン電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ１０Ｖ／ｎｓであり、電圧降下時間（ｔｆ）が測定され、およそ６０ｎｓである。
【0093】
図８Ａおよび図８Ｂは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴがない、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフであり、ディスクリート半導体パワーデバイス１４は、低速スイッチング用途、例えばサーキットブレイカー等に好適な電気的特性を備えている。パワーシステム１０は、ディスクリート半導体デバイスであり、低速スイッチング用途、例えばソリッドステートサーキットブレーカーに好適な半導体パワーデバイス１４に結合する電圧形ゲートドライバー１２を備える。図１～３と関連して前述した図８Ａおよび８Ｂで説明された要素は、簡潔にするためにここでは記載されていない。
【0094】
ここで、図８Ａおよび８Ｂのそれぞれは、１５Ｖの正の電源電圧ＶＤＤ、－６Ｖの負の電源電圧ＶＥＥ、および８００Ｖのバス電圧下で得られる測定値に基づく、経時的なゲート・ソース間電圧（ＶＧＳ－時間）、経時的なドレイン・ソース間電圧（ＶＤＳ－時間）、および経時的なドレイン・ソース間電流（ＩＤＳ－時間）のグラフを提供する。半導体パワーデバイス１４はＭＯＳＦＥＴであり、１２００Ｖの定格ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ、および１２０Ａの定格ドレイン・ソース間電流ＩＤＳを有する。さらに、半導体パワーデバイス１４の一部としてのＭＯＳＦＥＴは、２５℃で９ｍΩのドレイン・ソース間オン状態抵抗Ｒｄｓ（ＯＮ）、１．５ｋΩのターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮ、３ｋΩのターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦ、０Ωの直列スプリットゲート抵抗器ＲＧ、８．５ｎＦの入力容量ＣＩＳＳ、および５Ｖの閾値電圧ＶＴＨを有する。
【0095】
図８Ａは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴがない、ターンオフ移行中の、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフであり、半導体パワーデバイス１４は、低速スイッチング用途に好適な電気的特性を備えている。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ターンオフ時間（ｔｏｆｆ）が測定され、およそ２２ｎｓであり、ターンオフ遅延時間（ｔｄ（ｏｆｆ））が測定され、およそ２１ｎｓであり、ターンオフ電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ０．０９Ａ／ｎｓであり、ターンオフ電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ０．８９Ｖ／ｎｓであり、および電圧上昇時間（ｔｒ）が測定され、およそ１μｓである。
【0096】
図８Ｂは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴがない、ターンオン移行中の、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフであり、半導体パワーデバイス１４は、低速スイッチング用途に好適な電気的特性を備えている。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ターンオン時間（ｔｏｎ）が測定され、およそ１２μｓであり、ターンオン遅延時間（ｔｄ（ｏｎ））が測定され、およそ１１μｓであり、ターンオン電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ０．１３Ａ／ｎｓであり、ターンオン電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ０．９３Ｖ／ｎｓであり、および電圧降下時間（ｔｆ）が測定され、およそ１μｓである。
【0097】
図９Ａおよび９Ｂは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴを有する、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフであり、半導体パワーデバイス１４は、低速スイッチング用途に好適な電気的特性を備える。パワーシステム１０は、ディスクリート半導体デバイスであり、低速スイッチング用途、例えばソリッドステートサーキットブレーカーに好適な半導体パワーデバイス１４に結合する電圧形ゲートドライバー１２を備える。図１～３と関連して前述した図９Ａおよび９Ｂで説明された要素は、簡潔にするためにここでは説明されない。
【0098】
ここで、図９Ａおよび９Ｂのそれぞれは、１５Ｖの正の電源電圧ＶＤＤ、－６Ｖの負の電源電圧ＶＥＥ、および８００Ｖのバス電圧が使用される下で得られる測定値に基づく、経時的なゲート・ソース間電圧（ＶＧＳ－時間）、経時的なドレイン・ソース間電圧（ＶＤＳ－時間）、および経時的なドレイン・ソース間電流（ＩＤＳ－時間）のグラフを提供する。半導体パワーデバイス１４はＭＯＳＦＥＴであり、１２００Ｖの定格ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ、および１２０Ａの定格ドレイン・ソース間電流ＩＤＳを有する。さらに、半導体パワーデバイス１４の一部としてのＭＯＳＦＥＴは、２５℃で９ｍΩのドレイン・ソース間オン状態抵抗Ｒｄｓ（ＯＮ）、１．５ｋΩのターンオンゲート抵抗器ＲＧ－ＯＮ、３ｋΩのターンオフゲート抵抗器ＲＧ－ＯＦＦ、０Ωの直列スプリットゲート抵抗器ＲＧ、８．５ｎＦの入力容量ＣＩＳＳ、および５Ｖの閾値電圧ＶＴＨを有する。したがってシャントコンデンサＣＧＳＮＴは、上記のように式（１）および（２）を使用して８．５ｎＦであると計算される。その結果、シャント抵抗器ＲＧＳＮＴの値は、２２Ωであると求められる。
【0099】
図９Ａは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴを有する、ターンオフ移行中の、図１に示すパワーシステム１０のディスクリート半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフであり、ディスクリート半導体パワーデバイス１４は、低速スイッチング用途に好適な電気的特性を備える。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオフになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ターンオフ時間（ｔｏｆｆ）が測定され、およそ３μｓであり、ターンオフ遅延時間（ｔｄ（ｏｆｆ））が測定され、およそ２μｓであり、ターンオフ電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ０．０５Ａ／ｎｓであり、ターンオフ電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｆｆ）が測定され、およそ０．８８Ｖ／ｎｓであり、および電圧上昇時間（ｔｒ）が測定され、およそ１μｓである。
【0100】
図９Ｂは、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴを有する、ターンオン移行中の、図１に示すパワーシステム１０の半導体パワーデバイス１４の電圧および電流特性を示すグラフであり、半導体パワーデバイス１４は、低速スイッチング用途に好適な電気的特性を備える。第一のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なゲート・ソース電圧ＶＧＳ（ＶＧＳ－時間）を示す。第二のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（ＶＤＳ－時間）を示す。第三のグラフは、半導体パワーデバイス１４がオンになる時の、経時的なドレイン・ソース間電流ＩＤＳ（ＩＤＳ－時間）を示す。ここで、ターンオン時間（ｔｏｎ）が測定され、およそ５．５μｓであり、ターンオン遅延時間（ｔｄ（ｏｎ））が測定され、およそ４．５μｓに等しく、ターンオン電流速度（ｄｉ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ０．０７Ａ／ｎｓに等しく、ターンオン電圧速度（ｄｖ／ｄｔｏｎ）が測定され、およそ０．８７Ｖ／ｎｓであり、および電圧降下時間（ｔｆ）が測定され、およそ１μｓである。
【0101】
したがって、示すように、図９Ａおよび図９Ｂで測定されるターンオフ遅延時間（ｔｄ（ｏｆｆ））およびターンオン遅延時間（ｔｄ（ｏｎ））は、シャントコンデンサＣＧＳＮＴおよびシャント抵抗器ＲＧＳＮＴの導入により、図８Ａおよび８Ｂのそれらと比較して大幅に低減される。
【0102】
前述の態様のいずれか、および／または本明細書に記載される様々な別個の態様および特徴を、さらなる利点を得るために組み合わせてもよいことが考えられる。本明細書に開示する様々な実施形態のいずれも、本明細書に特に記載のない限り、一つまたは複数の他の開示された実施形態と組み合わせることができる。
【0103】
当業者であれば、本開示の好ましい実施形態に対する改善および変更を認識するであろう。こうしたすべての改善および変更は、本明細書に開示される概念および以下の特許請求の範囲内であると見なされる。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【外国語明細書】