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公開番号2024090089
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-04
出願番号2022205748
出願日2022-12-22
発明の名称アクティブクランプ回路及び半導体装置
出願人新電元工業株式会社
代理人めぶき弁理士法人,個人
主分類H01L 21/822 20060101AFI20240627BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】大型のダイオードを用いなくてもサージ電圧を吸収して電圧をクランプすることができ、かつ、スイッチング回路の動作をより一層安定させることが可能なアクティブクランプ回路を提供する。
【解決手段】第1の主電極が主スイッチQ1の主電極と電気的に接続され、第2の主電極が主スイッチQ1の制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧制御用スイッチ20と、一方の端子がクランプ電圧制御用スイッチ20の第1の主電極と電気的に接続され、他方の端子がクランプ電圧制御用スイッチ20の制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部30とを備え、クランプ電圧決定部30は、温度特性調整抵抗32と、ツェナーダイオード33と、ダイオード34とで構成された組31を複数有し、直列に接続されていることを特徴とするアクティブクランプ回路10。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
主スイッチの制御電極と主電極との間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路であって、
第１の主電極、第２の主電極及び制御電極を有し、前記第２の主電極が前記主スイッチの前記主電極と電気的に接続され、前記第１の主電極が前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧制御用スイッチと、
一方の端子が前記クランプ電圧制御用スイッチの前記第２の主電極と電気的に接続され、他方の端子が前記クランプ電圧制御用スイッチの前記制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部は、温度特性調整抵抗と、前記温度特性調整抵抗の一方端に接続されたツェナーダイオードと、前記温度特性調整抵抗の他方端に前記ツェナーダイオードと逆特性となるように接続されたダイオードと、で構成された組を複数有し、前記組が直列に接続されていることを特徴とするアクティブクランプ回路。
続きを表示（約 2,600 文字）【請求項２】
一方が前記クランプ電圧制御用スイッチの制御電極と接続され、他方が前記主スイッチの制御電極及び前記クランプ電圧制御用スイッチの前記第１の主電極と電気的に接続されているゲート保護部をさらに備え、
前記ゲート保護部は、少なくともゲート保護用ツェナーダイオードとゲート保護用ダイオードとが逆極性で接続された組を少なくとも１組有することを特徴とする請求項１に記載のアクティブクランプ回路。
【請求項３】
前記ゲート保護部の前記組はそれぞれ、前記ゲート保護用ツェナーダイオードと前記ゲート保護用ダイオードとの間にゲート保護用温度特性調整抵抗が電気的に接続された構造を有することを特徴とする請求項２に記載のアクティブクランプ回路。
【請求項４】
主スイッチの制御電極と主電極間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路であって、
アノード電極及びカソード電極を有し、前記アノード電極が前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続され、前記カソード電極が前記主スイッチの前記主電極と電気的に接続されたバイパスダイオードと、
一方の端子が前記バイパスダイオードの前記カソード電極と電気的に接続され、他方の端子が前記バイパスダイオードの前記アノード電極及び前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続されるクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部は、温度特性調整抵抗と、前記温度特性調整抵抗の一方端に接続されたツェナーダイオードと、前記温度特性調整抵抗の他方端に前記ツェナーダイオードと逆特性となるように接続されたダイオードと、で構成された組を複数有し、前記組が直列に接続されていることを特徴とするアクティブクランプ回路。
【請求項５】
前記温度特性調整抵抗は、前記温度特性調整抵抗を有する前記組の前記ツェナーダイオードのツェナー電圧、及び、前記ダイオードの順方向電圧を重ね合わせた電圧の温度変化を低減する温度特性を有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のアクティブクランプ回路。
【請求項６】
前記クランプ電圧決定部は、端部、及び、隣り合う２つの組の間のうち少なくともいずれかに温度特性を調整する第２の温度特性調整抵抗をさらに有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のアクティブクランプ回路。
【請求項７】
主スイッチの制御電極と主電極間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路を構成し、デバイス領域と前記デバイス領域の周囲に形成された耐圧分離領域とが画定された半導体基体に形成された半導体装置であって、
前記デバイス領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の表面側の表面上に形成された第１の主電極と、
前記半導体基体の表面側の表面上に、前記第１の主電極とは離隔した位置に形成されているゲートパッドと、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている第２の主電極とを備え、
前記第１の主電極が形成されている領域にＭＯＳ構造が形成されており、
前記耐圧分離領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている前記第２の主電極と、
前記半導体基体の表面に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に、平面的に見て前記デバイス領域を囲む領域に、複数の第１の第１導電型領域と複数の第１の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置され、一方端が前記ゲートパッドと電気的に接続されており、他方端が前記第２の主電極と電気的に接続されているクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部において、２つの前記第１の第２導電型領域に挟まれた前記第１の第１導電型領域の不純物総量は、前記第１の第１導電型領域と隣接する２つの前記第１の第２導電型領域のどちらの不純物総量よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記絶縁膜上における平面的に見て前記ゲートパッドを囲む領域に、少なくとも１つの第２の第１導電型領域と少なくとも２つの第２の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置されたゲート保護部をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記ゲート保護部において、２つの前記第２の第２導電型領域に挟まれた前記第２の第１導電型領域の不純物総量は、前記第２の第１導電型領域と隣接する２つの前記第２の第２導電型領域の不純物総量のどちらよりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
主スイッチの制御電極と主電極間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路を構成し、デバイス領域と前記デバイス領域の周囲に形成された耐圧分離領域とが画定された半導体基体に形成された半導体装置であって、
前記デバイス領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の表面側の表面上に形成された第１の主電極と、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている第２の主電極とを備え、
前記第１の主電極が形成されている領域にダイオード構造が形成されており、
前記耐圧分離領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている前記第２の主電極と、
前記半導体基体の表面に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に、平面的に見て前記デバイス領域を囲む領域に、複数の第１の第１導電型領域と複数の第１の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置され、一方端が前記第１の主電極と電気的に接続されており、他方端が前記第２の主電極と電気的に接続されているクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部において、２つの前記第１の第２導電型領域に挟まれた前記第１の第１導電型領域の不純物総量は、前記第１の第１導電型領域と隣接する２つの前記第１の第２導電型領域のどちらの不純物総量よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブクランプ回路及び半導体装置に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
スイッチング回路（特に高周波のスイッチング回路）においては、配線の寄生インダクタによってスイッチング時にサージ電圧が発生する。このサージ電圧による主スイッチの破壊などの不具合を防ぐために、従来、様々な対策が取られてきた。
【０００３】
図１１は、従来の第１のスイッチング回路８００を示す回路図である。図１１において、符号Ｖｃｃは外部電源を示し、符号Ｃは入力コンデンサを示し、符号Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は出力端子を示し、符号ＶＢＨ，ＶＢＬは、主スイッチＱ１，Ｑ２のゲート電極Ｇ１、Ｇ２に主スイッチをオンオフする信号を送信する端子である。
【０００４】
従来の第１のスイッチング回路８００では、スイッチング時のサージ電圧をクランプしたい場合には、Ｑ１,Ｑ２の耐圧よりも少し低いか、ほぼ同等の耐圧を持ったクランプ用ダイオード８１２，８１４を第１の主スイッチＱ１、第２の主スイッチＱ２にそれぞれ並列に接続するクランプ回路８１０を追加する必要がある。クランプ用ダイオード８１２のアノード電極は、第１の主スイッチＱ１及び第２の主スイッチＱ２の接続点と接続されており、クランプ用ダイオード８１２のカソード電極は、第１の主スイッチＱ１のドレイン電極Ｄ１と接続されている。クランプ用ダイオード８１４のアノード電極は、第２の主スイッチＱ２のソース電極Ｓ２と接続されており、クランプ用ダイオード８１４のカソード電極は、第１の主スイッチＱ１及び第２の主スイッチＱ２の接続点と接続されている。
【０００５】
従来の第１のスイッチング回路８００によれば、クランプ用ダイオード８１２，８１４を有するため、クランプ用ダイオード８１２，８１４でサージ電圧を吸収し、第１の主スイッチＱ１及び第２の主スイッチＱ２のドレイン・ソース間電圧をクランプすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特許４０５４１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の第１のスイッチング回路８００においては、主スイッチＱ１，Ｑ２に流れる電流をクランプ回路８１０にバイパスしてドレイン・ソース間電圧をクランプすることから、クランプ回路８１０に流れる電流が大きくなる。このため、クランプ回路８１０に用いるクランプ用ダイオード８１２，８１４を大電流に耐え得るものとする必要があり、大型のダイオードが必要になる、という問題がある。また、クランプ用ダイオード８１２，８１４に大電流が流れることにより、クランプ用ダイオード８１２，８１４の動作抵抗（インピーダンス）によるクランプ電圧の変動（図６の破線参照）が大きくなったり、クランプ用ダイオード８１２，８１４の温度上昇が大きくなりクランプ電圧の変動が大きくなったりしてしまうことから、サージ電圧をクランプする機能が狙い通りに動作せず、スイッチング回路の動作が安定しなくなるおそれがあるという問題もある。そこで、従来、主スイッチＱ１，Ｑ２のドレイン電極Ｄ１，Ｄ２とゲート電極Ｇ１，Ｇ２との間にアクティブクランプ回路９１０を設けた従来の第２のスイッチング回路９００が知られている（図１２（ａ）参照。例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
図１２は、従来の第２のスイッチング回路９００を示す回路図である。従来の第２のスイッチング回路９００において、アクティブクランプ回路９１０は、ツェナーダイオード９４３とダイオード９４４とが逆特性で接続された組９４１を複数有する（図１２（ｂ）参照）。
【０００９】
従来の第２のスイッチング回路９００において、主スイッチＱ１（Ｑ２）のドレイン・ソース間電圧がツェナーダイオード９４３のツェナー電圧、ダイオード９４４の順方向電圧ＶＦ及び主スイッチＱ１（Ｑ２）のゲート電極Ｇ１（Ｇ２）の閾値電圧ＶＴＨを足し合わせた電圧よりも大きくなると、主スイッチＱ１（Ｑ２）の帰還容量が充電され、ドレイン・ソース間電圧が増加を始めるタイミングでオフになっていた主スイッチＱ１（Ｑ２）が再びオンすることとなる。これにより、主スイッチＱ１（Ｑ２）は、ドレイン・ソース間電圧を印加した状態でドレイン電流を流すことになるため、従来の第１のスイッチング回路８００よりもクランプ回路に流れる電流が小さい状態でサージ電圧を吸収することができる。
【００１０】
ところで、インバータ回路や電源等の技術分野においては、クランプ用ダイオードに流れる電流をより一層小さくしてスイッチング回路の動作をより一層安定させることができるアクティブクランプ回路が求められている。
（【００１１】以降は省略されています）

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