CN101771405A - 半导体装置和使用了它的电力变换装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种半导体装置和使用了它的电力变换装置。通过提高电力变换用的半导体绝缘栅型开关元件的驱动电路的输出级的元件的电流驱动能力并实现小型化，提供驱动电路被集成化的、更小型且高性能的驱动电路，进而通过使用它提供更小型且高性能的电力变换装置。为此，在控制绝缘栅型的主半导体开关元件的通断的驱动电路中，在控制上述主半导体开关元件的栅极电压的电路的输出级使用了绝缘栅控制型的双极半导体元件，尤其是IGBT。
Description
技术领域
本发明涉及驱动电力用半导体的半导体装置和使用了它的电力变换装置。
背景技术
以功率MOSFET、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)为代表的绝缘栅型的电力用半导体开关元件，利用在其栅极与源极或发射极之间施加的电压进行通断控制。在例如专利文献1中公开了控制其通断的驱动电路。在专利文献1中，对控制马达的电流的主开关即6个MOSFET进行驱动的驱动电路的输出级开关由MOSFET构成。作为控制电力的主开关之一的MOSFET Q1的栅极-源极间电压VGS，经由端子T2、T3，被通过电阻与Q1的栅极连接的p型MOSFET M1、M5和n型MOSFET M2、M3、M4控制。通过使上述p型MOSFET接通、n型MOSFET截止把Q1接通，流过主电流；通过使上述p型MOSFET截止、n型MOSFET接通把Q1截止，切断主电流。此时，主开关元件的通断切换速度取决于因用上述p型和n型MOSFET的电流对主开关元件的栅极-发射极间的电容进行充放电造成的VGS的变化速度。上述p型和n型MOSFET的元件尺寸被确定成，使得在必要的主开关的切换时间内VGS可以变化的电流流过。
<专利文献1>日本特开2006-353093号公报
发明内容
(发明要解决的问题)
在这样的场合下，由于随着主开关元件的电流容量增加，主开关元件的栅极电容也增加，所以作为驱动电路的输出级的元件的MOSFET的电流也增大，其元件面积增大。因此，驱动电路的集成化有困难，驱动电路的输出级的元件必须由分立元件构成。这导致不仅部件个数增加，而且驱动电路的面积也增大，由此存在由驱动电路和主开关构成的电力变换装置也变得大型化的问题。
本发明的目的在于，通过提高驱动电路的输出级的元件的电流驱动能力并实现小型化，提供驱动电路被集成化、更小型且高性能的驱动电路，进而通过使用它提供更小型且高性能的电力变换装置。
(用来解决问题的手段)
在本发明的一种方案中，其特征在于：在控制绝缘栅型的主半导体开关元件的通断的驱动电路中，在控制上述主半导体开关元件的栅极电压的电路的输出级使用了绝缘栅型的双极半导体元件。
在本发明的优选的实施方式中，上述输出级的绝缘栅型的双极半导体元件使用绝缘栅双极晶体管。
在本发明的优选的实施方式中，对上述绝缘栅双极晶体管的一个集电极设置了多个沟道。
在本发明的优选的实施方式中，上述输出级的绝缘栅双极晶体管和其控制电路集成在介电体分离型的半导体上。
在本发明的优选的具体的实施方式中，在上述半导体装置的上述绝缘栅双极晶体管中，在以包围第一导电类型的集电极层的方式形成的第二导电类型的缓冲层内设置第二导电类型层，该第二导电类型层与第一导电类型的集电极层用集电极金属电极连接。
在本发明的优选的具体的实施方式中，构成电力变换装置，该电力变换装置使用了由上述半导体装置构成的栅极驱动电路；以及用它们驱动栅极、控制电力的主开关元件。
(发明的效果)
根据本发明的优选的实施方式，通过提高驱动电路的输出级的元件的电流驱动能力，实现小型化，可以提供驱动电路被集成化的、更小型且高性能的驱动电路。
另外，通过使用该驱动电路，可以提供更小型且高性能的电力变换装置。
本发明的其它目的和特征在以下所述的实施方式中可以清楚地了解。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的半导体装置的电路图。
图2是根据本发明的一个实施方式的半导体装置的半导体剖面结构图。
图3是根据本发明的另一个实施方式的半导体装置的半导体剖面结构图。
图4是本发明中可以采用的IGBT和MOSFET的电压-电流特性图。
图5是根据本发明的又一个实施方式的半导体装置的半导体剖面结构图。
图6是根据本发明的另一个实施方式的半导体装置的电路图。
图7是使用了根据本发明的一个实施方式的半导体装置的电力变换装置的电路图。
(附图标记说明)
11、51：驱动电路；12、52：输出级电路；13、15、53、55、57、80：电源；14、54：负载；16、56：输出级控制电路；17、18：主开关元件的寄生电容；57：电源；58：反相逻辑电路；60：马达；67：电源用电容器；68：驱动电路衬底；69：控制用输入输出信号；70～76：各臂的驱动电路部；77：功率模块；78：三相反相驱动用集成电路；201：背栅馈电p+层；202：p型沟道层；203、215：n型和p型的活性Si层；204：元件分离用的埋入氧化膜；205：介电体分离衬底上的Si支撑衬底；206、220：发射极n+层；207、212、221：栅极氧化膜；208：集电极p+层；209：n型缓冲层；210：p型缓冲层；211：集电极n+层；213：背栅馈电n+层；214：n型沟道层；222：控制电路的集成区域；401：背栅馈电p+层；402：p型沟道层；403：n型的活性Si层；404：元件分离用的埋入氧化膜；405：介电体分离衬底的Si支撑衬底；406、220：发射极n+层；407：栅极氧化膜；408：集电极p+层；409：n型缓冲层；410：缓冲层馈电用n+层；411：发射极电极；413：集电极电极；414：栅极电极
具体实施方式
下面，基于附图详细说明本发明的实施方式。
图1示出本发明的半导体装置和使用了它的电力变换装置的电路的实施方式，图2、图3以剖面图示出本发明的半导体装置的不同实施方式的结构，是在用作为介电体的SiO2(二氧化硅)分离了元件的Si衬底上集成化的例子。
图1中，经由负载14与电源VB(15)连接的作为主开关元件的功率MOSFET Q11，经由栅极电阻R12被驱动电路11控制，变换电力。此时，驱动电路11的输出级12由p型绝缘栅双极晶体管(IGBT)Q12和n型IGBT Q13、以及分别与它们反向并联连接的二极管D11、D12构成。Q12利用MOSFET Q14和Q16驱动栅极G12，而Q13利用MOSFET Q15和Q17驱动栅极G13。它们根据输出级控制电路16的指令，向主开关Q11的栅极-源极间电容Cgs(17)流动来自栅极电源VD(13)的电流而充电，或者放出来自电容Cgs(17)的电荷。在此，在Q13的栅极G13与Q15之间设置电阻R11。
在此，输出级的Q12、Q13，如图2所示，集成在利用作为介电体的SiO2分离了元件的Si衬底上。这些Q12、Q13的集电极-发射极间的耐压被设定成相对于栅极电源VD的电源电压例如20～30V具有余量，被设定在2倍以下即40V到60V以下左右。另外，主电路电源VB的电压假定为从10V左右到几千V左右。
在此，图2中，201是背栅馈电p+层；202是p型沟道层；203、215是n型和p型的活性Si层；204是元件分离用的埋入氧化膜；205是介电体分离衬底上的Si支撑衬底。另外，206是发射极n+层；207、212是栅极氧化膜；208是集电极p+层；209是n型缓冲层；210是p型缓冲层；211是集电极n+层；213是背栅馈电n+层；214是n型沟道层。
图3中，与图2相同的附图标记表示相同的部分，此外，220是发射极n+层；221是栅极氧化膜；222是控制电路的集成区域。
图4是图2和图3所示的根据本发明的实施例的半导体装置中的栅极接通时的电压-电流特性图。图中，301是MOSFET的特性，302是单沟道IGBT的特性，303是多沟道IGBT的特性。
如图2和图3所示，在集成有输出级的横型的n型IGBT和p型的横型IGBT的半导体装置中，IGBT是在MOSFET的漏极上附加例如图2的p+层208，存在由p+层208和n层209构成的pn二极管的构成。因此，如图4的电压-电流特性所示，产生接近1V的上升沿电压。因此，因利用双极动作进行的导电率调制效果显著的超过几百V的电源电压的用途而被广泛使用。但是，在低电压领域的用途中，广泛使用没有上升沿电压、电阻低的MOSFET。
发明人研究的结果，确认了IGBT存在上升沿电压，但作为耐压为5V～40V左右、作为电容负载的绝缘栅型电力半导体的栅极控制用集成电路的输出级是有效的。其细节如下所示。
在IGBT中，除了由栅极控制的多数载流子电流以外，还追加了利用双极动作的少数载流子注入形成的电流。因此，象比较图4的特性301和302时明显看出的那样，与只有由栅极限制的多数载流子电流的MOSFET相比，可以在饱和区中驱动两倍以上的电流。另外，与MOSFET的结构差别在于，例如，由于把图2的p+层208置换成n+层，所以因成为IGBT导致的尺寸增加较小。
由于对主开关元件的栅极电容即Cgs(17)、Cgd(18)充放电的动作以其饱和区的电流为主，所以通过这样使用能够获得高的饱和电流的特性，可以实现输出级元件的小型化。另外，如前所述，由于上升沿电压的存在，在低电压区显示高电阻。如果该上升沿电压比主开关元件的电流开始导通的栅极阈值电压大，则存在因噪声等发生误操作的可能。但是，由于主开关元件的阈值电压为3V以上的情形多，而上升沿电压为1V左右，所以可以充分对应。而且，如果电容为C、电源电压为Vd、频率为f，用来驱动电容负载的损失E用E＝C×Vd^2×f给出，不直接取决于输出级元件的上升沿电压。因此，也不会增加驱动电路的损失。
另外，由于有少数载流子的蓄积动作，所以IGBT的切换动作比MOSFET慢，但只要把元件结构最优化，就可以使电容负载驱动以高达几十MHz左右动作。这对于作为一般为大约100kHz以下的电力变换装置的主开关的栅极驱动电路的输出级元件是足够的动作速度。
而且，确认了，IGBT由于有少数载流子造成的高量级注入效果，所以多数载流子电流增大时成为问题的电场强度的上升难以发生，其结果是，产生的动态的雪崩式击穿也以比MOSFET高的电流产生。因此，进而，使栅极氧化膜207、212减薄而提高驱动能力、使沟道层202、214形成浅结等而提高栅极驱动能力，由此可以实现高电流驱动能力。
图3所示的实施例中，进而在发射极E13的两侧设置IGBT的栅极G13，成为对一个集电极C13设置两个沟道的多沟道IGBT，提高栅极驱动能力。此时，如图4的特性303所示，进而可以获得单沟道IGBT的特性302的两倍的饱和电流。如果增加多沟道数，可以进一步把驱动能力最优化。
另外，即使输出级的元件使用作为其它绝缘栅型双极元件的绝缘栅型晶闸管，也可以期待与输出级用IGBT时同样的效果。
这样，根据本发明，可以提高输出级元件的电流驱动能力，以往必须使用分立元件的输出级电路也容易集成。
根据本发明，集成的输出级的电流驱动能力大幅度提高时，如果Q12和Q13的元件的接通期间发生重叠，则可能从控制用电源VD流过大的贯通电流，使得集成电路发热等。因此，希望设置在Q12和Q13各自的接通期间之间双方都截止的非重叠期间。在图1的实施例的电路中，通过设置电阻R11，使Q13的栅极电压的上升延迟，只延迟Q13的接通，而设置非重叠期间。另外，在图1的实施例中，在作为输出级的一对IGBT的Q12、Q13上分别反向并联地连接二极管D11、D12，箝制栅极电压。作为IGBT的Q12、Q13通常在反向方向上不导通。因此，反向并联地连接二极管D11、D12，通过电容Cgd(18)等使栅极电压为VD以上或源极电位以下时，箝制栅极电压，成为防止Q11的栅极绝缘破坏的构成。
图5是根据本发明的又一个实施方式的半导体装置的半导体剖面结构图。本实施例中，只示出图2的n型IGBT的结构，作为p型IGBT的Q12被省略。图中，401是背栅馈电p+层；402是p型沟道层；403是n型的活性Si层；404是元件分离用的埋入氧化膜；405是介电体分离衬底的Si支撑衬底。另外，406是发射极n+层；407是栅极氧化膜；408是集电极p+层；409是n型缓冲层；410是缓冲层馈电用n+层；411是发射极电极；413是集电极电极；414是栅极电极。
在本实施例中，在n型IGBT的n型缓冲层409内设置n+层410，用集电极金属电极413连接n+层410和集电极p+层408。此时，由于是在同一元件内并联连接IGBT和MOSFET的构成，所以成为利用MOSFET的内置二极管的作用把图1的实施例的二极管D11、D12内置于IGBT内的构成。另外，由于也没有上升沿电压，所以可以驱动栅极阈值电压更低的主开关元件。另外，在图5的整个纸面深度方向上为图的剖面结构时，由于集电极的p+层408、n型缓冲层409的pn结难以被正向偏置，所以IGBT动作大幅度减少，难以实现原来的目标即驱动能力的提高。因此，在纸面深度方向上，必须在n型缓冲层409内设置断续的n+层410。另外，此时，在图中虽然在纸面横方向上配置p+层408和n+层410，但为了减小元件的横向宽度，优选地，在纸面深度方向上，n+层410与集电极的p+层408交替设置。
另外，在本实施例的情况下，在IGBT中内置MOSFET，形成降低IGBT的高电流驱动能力的倾向。因此，作为可以避免这一点的其它实施例，也可以不内置在IGBT内，而是在用介电体分离的另一Si活性区上设置同一导电类型的小型的MOSFET。然后，把IGBT的集电极与MOSFET的漏极、IGBT的发射极与MOSFET的源极、IGBT的栅极与MOSFET的栅极分别连接起来。由此，由于没有上升沿电压，所以可以驱动栅极阈值电压更低的主开关元件。
图6是根据本发明的另一个实施方式的半导体装置的电路图。本实施例，由于用n型IGBT(Q52)置换图1的实施例中使用的输出级的p型IGBT(Q12)，所以进而是使Q52、Q53的栅极耐压比栅极电源VD的电压低时的例子。在该例中，输出级的Q53的栅极用电源VC(57)的电压比主开关元件的栅极电源VD低。具体地说，对于VD＝15V左右，假定为VC＝5V左右。与p型相比，n型IGBT的多数载流子的迁移率高，可以实现两倍左右的高电流驱动能力。而且，通常，在驱动n型IGBT时，为了驱动栅极必须设置电压比栅极电源VD高的电源来驱动，但在本实施例中，没有这样的追加电源也可以动作。即，通过接通Q58、接通Q54，n型IGBT(Q52)的栅极电压上升而接通。由此，Q52的发射极电压上升而到达VD。此时，即使Q52的栅极电压超过VD，由于二极管D53为反向阻止方向，经由Q54的内置二极管的Q52的栅极电荷的向栅极电源VD的放电被阻止，所以可以保持Q52的栅极-发射极间电压。因此，无需用来驱动Q52的追加电源就可以实现更小型且容易集成的驱动电路。即，输出级的电路，包括：向主半导体开关元件Q51的栅极G注入电流而充电的第一n型导电类型的绝缘栅双极晶体管Q52；以及从主半导体开关元件的栅极吸走电流而放电的第二n型导电类型的绝缘栅双极晶体管Q53，且设置有电路单元D53，该电路单元D53在上述第一n型导电类型的绝缘栅双极晶体管Q52的栅极电位超过上述主开关元件的栅极电源VD的电压时，阻止从上述第一n型导电类型的绝缘栅双极晶体管Q52的栅极到上述主开关元件的栅极电源VD的电流的放电。
而且，在本实施例中，由于向Q52、Q53的栅极施加的电压低，所以绝缘膜被减薄，由此可以实现高驱动能力和元件的小型化。在此，齐纳二极管D55是为了防止在Q52的栅极-发射极之间施加过大的电压而设置的。
图7是使用了根据本发明的一个实施方式的半导体装置的电力变换装置的电路图，是构成马达驱动用的三相反相器的例子。图中，60是作为负载的三相马达，61、63、65分别依次是U、V、W相的上臂的功率MOSFET Q61、Q63、Q65。另外，62、64、66分别依次是U、V、W相的下臂的功率MOSFET Q62、Q64、Q66。67是电源用电容器C；68是驱动电路衬底；69是控制用输入输出信号；78是由本发明的驱动电路构成的在一个芯片上集成的三相反相驱动用集成电路。在三相反相驱动用集成电路78中，70是其控制电路部，71、73、75是U、V、W相的上臂的驱动电路部，72、74、76是U、V、W相的下臂的驱动电路部，用布线与被它们分别驱动的功率MOSFET连接。77是功率模块，79是双向电平变换电路，80是电源VB。各相的驱动电路部的输出级，由于根据本发明可以实现高驱动电流所以是小型的，即使作为驱动对象的功率MOSFET的电容增大，也容易在一个芯片上进行驱动电路的集成化。另外，由于输出级小，所以其它周边电路的集成化也变得容易。因此，可以实现驱动电路衬底的小型化，进而可以实现在驱动电路衬底的功率模块内的安装等，可以实现电力变换装置的小型化和高性能化。
根据以上的本发明的实施方式，通过提高驱动电路的输出级的元件的电流驱动能力并实现小型化，可以提供将驱动电路集成化的、更小型且高性能的驱动电路，进而通过使用该驱动电路，可以提供更小型且高性能的电力变换装置。
Claims (11)
1.一种半导体装置，其特征在于：在控制绝缘栅型的主半导体开关元件的通断的驱动电路中，在控制上述主半导体开关元件的栅极电压的电路的输出级使用了绝缘栅型的双极半导体元件。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：
上述输出级的绝缘栅型的双极半导体元件使用了绝缘栅双极晶体管。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于：
对上述绝缘栅双极晶体管的集电极设置了多个沟道。
4.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于：
上述输出级的绝缘栅双极晶体管和其控制电路集成在介电体分离型的半导体上。
5.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于：
在以包围第一导电类型的集电极层的方式形成的第二导电类型的缓冲层内设置第二导电类型层，该第二导电类型层与第一导电类型的集电极层用集电极金属电极连接。
6.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于：
与上述绝缘栅双极晶体管并联地设置MOS型晶体管，上述MOS型晶体管的漏极与上述绝缘栅双极晶体管的集电极、上述MOS型晶体管的源极与上述绝缘栅双极晶体管的发射极分别连接。
7.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于：
在输出级的一对上述绝缘栅双极晶体管上分别反向并联地连接有二极管。
8.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于：
上述输出级的电路，包括：
向主半导体开关元件的栅极注入电流而充电的第一n型导电类型的绝缘栅双极晶体管；以及
从主半导体开关元件的栅极吸走电流而放电的第二n型导电类型的绝缘栅双极晶体管，且
设置有电路单元，该电路单元在上述第一n型导电类型的绝缘栅双极晶体管的栅极电位超过上述主半导体开关元件的栅极电源电压时，阻止从上述第一n型导电类型的绝缘栅双极晶体管的栅极向上述主开关元件的栅极电源的电流的放电。
9.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于：
上述输出级的电路，包括：
向主半导体开关元件的栅极注入电流而充电的第一绝缘栅双极晶体管；以及
从主半导体开关元件的栅极吸走电流而放电的第二绝缘栅双极晶体管，且
设置有设置这些第一和第二绝缘栅双极晶体管各自的接通期间不重叠的非重叠期间而驱动的单元。
10.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：
控制上述主半导体开关元件的栅极电压的电路的输出级的绝缘栅控制型双极半导体元件的耐压是向上述主半导体开关元件的栅极供给电压的电源电压的2倍以下。
11.一种电力变换装置，其特征在于：使用了由权利要求1的半导体装置构成的栅极驱动电路；以及用它们驱动栅极、控制电力的主开关元件。
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