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公開番号2025147951
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-07
出願番号2024048479
出願日2024-03-25
発明の名称半導体装置および半導体装置の駆動方法
出願人株式会社日立製作所
代理人弁理士法人第一国際特許事務所
主分類H02M 1/00 20070101AFI20250930BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】半導体装置を構成するMOS制御ダイオード(MOSD)のゲート駆動に異常が発生した場合であっても、MOSDを含む半導体装置の損失を増加させることなく、この半導体装置の動作を安定化させる。
【解決手段】半導体装置として、第一のゲート信号が自らのゲート端子に印加されるスイッチング素子と、第二のゲート信号が自らのゲート端子に印加されスイッチング素子の主端子に自らのアノード端子を接続して当該スイッチング素子と直列に接続されるダイオードとから構成され、ダイオードは、第二のゲート信号が印加されることにより、当該ダイオード内部の電荷量が多く順方向電圧が小さい第一の状態と当該ダイオード内部の電荷量が少なく順方向電圧が大きい第二の状態とが切り替わる特性を有し、ダイオードのゲート端子の電圧状態に応じて第一のゲート信号によるスイッチング素子のスイッチングが制御される。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
第一のゲート信号が自らのゲート端子に印加されるスイッチング素子と、
第二のゲート信号が自らのゲート端子に印加され、前記スイッチング素子の主端子に自らのアノード端子を接続して当該スイッチング素子と直列に接続されるダイオードとから構成され、
前記ダイオードは、前記第二のゲート信号が印加されることにより、当該ダイオード内部の電荷量が多く順方向電圧が小さい第一の状態と当該ダイオード内部の電荷量が少なく順方向電圧が大きい第二の状態とが切り替わる特性を有し、
前記ダイオードの前記ゲート端子の電圧状態に応じて前記第一のゲート信号による前記スイッチング素子のスイッチングが制御される
ことを特徴とする半導体装置。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記ダイオードの前記ゲート端子の電圧状態は前記第二のゲート信号の生成に係る指令信号から推定される
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置であって、
前記ダイオードの前記ゲート端子の電圧状態に応じて前記スイッチング素子のターンオンの可否が判定され、当該ターンオンの否の判定時には前記第一のゲート信号の立ち上がりが禁止される
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置であって、
前記ダイオードの前記ゲート端子の電圧状態と前記第一のゲート信号または当該第一のゲート信号の生成に係る指令信号との論理演算により前記スイッチング素子のターンオンの可否が判定される
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載の半導体装置を用いて、前記スイッチング素子を第二のスイッチング素子とし、前記ダイオードを第一のダイオードとし、
前記第二のスイッチング素子と同種の素子である第一のスイッチング素子に、前記第一のダイオードが逆並列に接続されて上アームが構成され、
前記第二のスイッチング素子に、前記第一のダイオードと同種の素子である第二のダイオードが逆並列に接続されて下アームが構成され、
前記上アームと前記下アームとが直列に接続された半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置を２列または３列にして並列に接続し、
前記２列または前記３列の前記上アームの正極側と前記下アームの負極側を直流側端子とし、
前記２列または前記３列の前記上アームと前記下アームとの接続点それぞれを交流側端子として電力変換を行う半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置を搭載した鉄道車両。
【請求項８】
第一のゲート信号が自らのゲート端子に印加されるスイッチング素子と、
第二のゲート信号が自らのゲート端子に印加され、前記スイッチング素子の主端子に自らのアノード端子を接続して当該スイッチング素子と直列に接続されるダイオードとから構成される半導体装置の駆動方法であって、
前記ダイオードの前記ゲート端子に前記第二のゲート信号を印加して、当該ダイオード内部の電荷量が多く順方向電圧が小さい第一の状態と当該ダイオード内部の電荷量が少なく順方向電圧が大きい第二の状態とを切り替え、
前記第一のゲート信号による前記スイッチング素子のスイッチングを、前記ダイオードの前記ゲート端子の電圧状態に応じて制御する
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置の駆動方法であって、
前記ダイオードの前記ゲート端子の電圧状態を前記第二のゲート信号の生成に係る指令信号から推定する
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の半導体装置の駆動方法であって、
前記ダイオードの前記ゲート端子の電圧状態に応じて前記スイッチング素子のターンオンの可否を判定し、当該ターンオンの否を判定すると前記第一のゲート信号の立ち上がりを禁止する
ことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
（【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、半導体装置および半導体装置の駆動方法に関し、特に、パワー半導体素子を用いた半導体装置に好適である。
続きを表示（約 1,300 文字）【背景技術】
【０００２】
電力変換装置の高効率化のために，複数のゲートを持つマルチゲートのパワーデバイスの開発が進められ、また、同じく電力変換装置などのパワーエレクトロニクスに使用されるパワーデバイスとして、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）制御ダイオードが開発されている。
【０００３】
このＭＯＳ制御ダイオード（以下、「ＭＯＳＤ」と略す）は、ダイオードに、ＭＯＳ構造の絶縁ゲートを設け、このゲート電極（Ｇｄ）に電圧を印加することにより、内部の電荷量を制御できるようにしたデバイスである。
【０００４】
また、ＭＯＳＤは、ゲート電圧の制御により内部の電荷が多く導通損失が小さい導通モードと、内部の電荷が少なくリカバリ損失が小さいリカバリモードを切り替えることができ、低導通損失と低リカバリ損失を両立するデバイスである。
【０００５】
特許文献１には、半導体装置を構成するスイッチングデバイスの主端子に直列に接続され、自らのゲート端子により内部の電荷量を制御するＭＯＳＤが示され、スイッチングデバイスのゲートＧｓとＭＯＳＤのゲートＧｄとはＰＷＭ信号によって所定の時間差を設けて制御される技術が開示されている。これにより、導通損失と逆回復（リカバリ）損失の双方の低減を図るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０１５－２０４７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＭＯＳＤに関しては、自らのゲートＧｄがオンのときにリカバリすることでリカバリ損失を低減できるが、ゲートドライブ回路の異常等によりゲートＧｄがオフのときにリカバリ状態になると、損失増加と共に故障発生の懸念が生じるため、この状態を排除する必要がある。
【０００８】
先の特許文献１には、対アーム同士でゲート端子の状態信号をやり取りすることの開示はなく、ゲートドライブ回路の異常等によりゲートＧｄが立ち上がらないことへの対応についてまでは示されていない。
【０００９】
図９は、ＭＯＳＤを逆並列に接続したデュアルゲートタイプのスイッチング素子を用いる対アーム（上アーム１および下アーム２）から成る半導体装置の現行のゲートドライブ手法を示す図である。
ＭＯＳＤのゲートＧｄへのターンオン信号については、自アームのスイッチング素子のターンオフとそのデッドタイムから推定する。この手法では、ゲートドライブ回路（上アーム用３および下アーム用４）にＰＷＭ信号として入力する制御論理部（図示せず）からの信号の異常時やゲートドライブ回路自体の動作異常時には、ＭＯＳＤのゲートＧｄにおける誤動作を回避することは困難である。
【００１０】
そこで、本発明では、ゲートドライブ回路等の異常によりＭＯＳＤのゲートＧｄがオフの状態から立ち上がらない場合に、対アームのスイッチング素子のターンオンを禁止する技術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】
（【００１１】以降は省略されています）

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