CN102457163A

CN102457163A - 动电路以及具备该驱动电路的半导体装置

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Publication number: CN102457163A
Application number: CN2011102236369A
Authority: CN
Inventors: 井上贵公; 折田昭一; 玉木恒次
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2031-08-05
Also published as: DE102011081970A1; CN102457163B; JP2012090435A; US20120099234A1; US8537515B2; DE102011081970B4

Abstract

本发明涉及驱动电路以及具备该驱动电路的半导体装置，其目的在于提供一种以简易的结构进行开关元件的负偏压驱动的驱动电路以及具备该驱动电路的半导体装置。本发明的驱动电路，搭载于IC芯片，驱动半导体开关元件（4a），其中，具备：电源电路（8），接收从所述IC芯片外部的单一电源供给的第1电压（V1），根据第1电压（V1）生成第2电压（V2），将其施加到半导体开关元件（4a）的基准端子；以及驱动部，根据来自所述IC芯片外部的输入信号，对半导体开关元件（4a）的控制端子施加/不施加第1电压（V1），由此驱动半导体开关元件（4a）。

Description

动电路以及具备该驱动电路的半导体装置

技术领域

本发明涉及驱动电路以及具备该驱动电路的半导体装置，特别涉及对功率半导体开关元件施加负偏压的技术。

背景技术

在产业用机械/电力铁道/汽车/办公自动化/家电制品等的功率控制、电动机控制中，使用将IGBT等的多个半导体开关元件和对其进行驱动/控制的控制电路等搭载在1个封装件中的功率半导体模块、即所谓的IPM（Intelligent Power Module，智能功率模块）。

通常，在功率用途中使用的半导体开关元件（IGBT，MOSFET）使用阈值具有正值的增强型元件。因此，从原理上，为了使开关元件成为截止状态，不需要对控制端子施加负偏压，仅通过使栅极电压成为阈值以下（通常是0V）就能成为截止状态。

可是，作为瞬态现象（动态工作）在上述0V偏压中有时会产生问题。即，伴随着截止时的开关工作，主端子间电压（集电极-发射极间电压）急剧地上升。此时，经由集电极-栅极间的反馈电容将电荷充电于栅极，因此栅极电压上升，截止状态的开关元件可能被误导通。

此外，因为阈值具有负的温度系数，所以在高温工作时阈值降低，上述问题点更显著地显现。

为了处理这样的问题，考虑在使开关元件截止时通过在栅极～发射极间施加负偏压，从而防止栅极电压上升到阈值以上。

可是，为了施加负偏压，需要负电源，与用于在导通时施加正偏压的正电源一起，在驱动电路中需要2个电源，存在系统整体大型化的问题。

因此，为了不施加负偏压而解决上述的问题，有在IPM中将供给栅极电压的控制IC和裸芯片状态的IGBT接近配置的方法。通过以最短距离对两者进行布线，能尽量使布线阻抗降低，能以低阻抗使IGBT的栅极～发射极间短路。由此，即使是0V偏压，栅极电压也不会上升，能在驱动电路中使用单一电源，实现系统整体的小型化。

可是，近年来，由于半导体技术的进步，与历来相比在高温/高电压的环境下进行高速工作的半导体开关元件被开发/实用化，要求使半导体开关元件在上述环境下可靠地工作。因此，以上述的通过接近配置使阻抗下降的方法难以维持在高温/高电压的环境下的可靠的工作（特别是截止工作）。

因此，历来使用在控制电路侧从单一电源生成负电压，使用该负电压进行负偏压驱动的技术。例如在专利文献1、非专利文献1中公开了使用齐纳电压生成负电压，使用该负电压实现负偏压驱动的技术。

专利文献

专利文献1：日本实开平5-48592号公报。

非专利文献

非专利文献1：富士电机 EXB840数据表。

在专利文献1的图1中示出的电路中，为了使分压的电位稳定，需要大容量的旁路电容器（15～20），在旁路电容器中使用铝电解电容器的情况下，存在使用条件导致的寿命降低的担忧。

此外，为了在高速工作时缩短充电时间，需要使电阻33的值减小，但当减小电阻33时，在从电源变压器1供给的电源1起动的同时流过的维持（stand-by）电流增加，因此难以实现供给的单一电源的低功耗化。

此外，在非专利文献1中也产生了同样的问题，进而，为了形成开关元件的栅极电压所需要的电荷的充放电电路，需要设置电容器，用于该负偏压驱动的驱动能力需要和上述的旁路电容器是相同程度，因此需要大容量的电容器，存在寿命的降低的担忧。

发明内容

因此，本发明鉴于上述的问题点，其目的在于提供一种以简易的结构来进行开关元件的负偏压驱动的驱动电路以及具备该驱动电路的半导体装置。

本发明的驱动电路，搭载于IC芯片，驱动半导体开关元件，其中，具备：电源电路，接收从所述IC芯片外部的单一电源供给的第1电压，根据该第1电压生成第2电压，将其施加到所述半导体开关元件的基准端子；以及驱动部，根据来自所述IC芯片外部的输入信号，对所述半导体开关元件的控制端子施加/不施加所述第1电压，由此驱动所述半导体开关元件，所述电源电路具备：缓冲放大器，对所述半导体开关元件的控制端子驱动电流进行拉/灌。

本发明的驱动电路具备：电源电路，根据第1电压生成第2电压，将其施加到半导体开关元件的基准端子；以及驱动部，根据来自IC芯片外部的输入信号，对所述半导体开关元件的控制端子施加/不施加所述第1电压，由此驱动所述半导体开关元件，因此不用设置用于驱动电路的正负电源，能实现正负偏压驱动。此外，电源电路具备：缓冲放大器，对所述半导体开关元件的控制端子驱动电流进行拉/灌，因此不需要大容量电容器，能避免寿命的降低。

附图说明

图1是表示实施方式1的驱动电路的电路图。

图2是表示实施方式1的驱动电路的电路图。

图3是表示实施方式1的驱动电路的电路图。

图4是表示实施方式2的驱动电路的电路图。

图5是表示实施方式2的变形例的驱动电路的电路图。

图6是表示实施方式2的变形例的驱动电路的电路图。

图7是表示实施方式2的变形例的半导体装置的电路图。

图8是表示实施方式2的变形例的半导体装置的电路图。

具体实施方式

（实施方式1）

<结构>

图1是包含本实施方式的半导体开关元件的驱动电路的半导体装置的电路图。在本实施方式的半导体装置中，对开关元件4a例如使用IGBT，因此在图1中将开关元件4a作为IGBT4a进行说明。在IGBT4a的发射极－集电极间连接有将发射极侧作为阳极侧的恢复二极管5。在IGBT4a的栅极端子经由栅极电阻Rg连接有驱动电路10。

驱动电路10如以虚线示出那样在1块芯片内构成，驱动电路10的电源仅为将地（GND）作为基准电位的正电源（单电源）V1。从外部电路接收控制信号的I/F部1的一端与双极晶体管2、3的基极端子连接。双极晶体管2、3的发射极端子彼此被连接，该发射极端子与作为驱动对象的IGBT4a的栅极端子连接。

进而，驱动电路10具备对正电源V1进行分压的电源电路8。在电源电路8中，电阻Rb和齐纳二极管6连接于正电源V1的阳极-阴极间，从电阻Rb和齐纳二极管6的连接点经由缓冲放大器7与IGBT4a的发射极端子连接。

<工作>

I/F部1接收来自外部电路的控制信号，进行IGBT4a的栅极驱动。双极晶体管2、3分别为NPN型、PNP型，对应于来自I/F部1的输入电流驱动任一方。在使IGBT4a导通的情况下，驱动双极晶体管2，正电源V1经由栅极电阻Rg被施加到IGBT4a的栅极端子。此时驱动栅极端子的导通电流Ig（ON）的路径如图2的箭头Ig（ON）所示，为双极晶体管2、栅极电阻Rg、IGBT4a、缓冲放大器7、电源V1。

在使IGBT4a截止的情况下的截止电流Ig（OFF）的路径也如图2的箭头Ig（OFF）所示，以在双极晶体管3、电源V1、缓冲放大器7的路径吸出栅极电流，切断栅极电压。

像这样，I/F部1以及双极晶体管2、3作为驱动半导体开关元件4a的驱动部而工作。

再有，缓冲放大器7的结构例如如图3所示是将基极端子共用的PNP型和NPN型的双极晶体管的发射极端子彼此连接的结构。

电源电路8根据由正电源V1供给的第1电压V1生成第2电压V2，对IGBT4a的发射极端子施加电压V2。齐纳二极管6的齐纳电压为V2（V2<V1），在电阻Rb的两端产生（V1-V2）的电压降。齐纳电压V2经由缓冲放大器7被施加到IGBT4a的发射极端子。

像这样，在导通时对IGBT4a的栅极端子施加电压V1，对发射极端子作为负偏压而施加电压V2，因此栅极-发射极间电压在导通时为（V1-V2），在截止时为（-V2）。这样，使用单一电源，能以简易的结构进行开关元件的负偏压驱动。

此外，本实施方式的电源电路8不仅生成负偏压用的基准电压V2，还具备通过缓冲放大器7进行开关元件的导通/截止所需要的栅极驱动能力，因此在IGBT4a的栅极电荷的充放电路径中不需要使用大容量的电容器。因此，即使在对高速、大容量品种应用的情况下也不需要担忧安装面积、电容器寿命。

此外，能抑制为了生成基准电压以电阻Rb决定的偏置电流，得到功耗减少的效果。

<效果>

本实施方式的驱动电路10搭载于IC芯片，驱动半导体开关元件4a，其中，具备：电源电路8，接收从所述IC芯片外部的单一电源供给的第1电压V1，根据该第1电压V1生成第2电压V2，将其施加到半导体开关元件4a的基准端子；以及驱动部，根据来自所述IC芯片外部的输入信号，对半导体开关元件4a的控制端子施加/不施加第1电压V1，由此驱动半导体开关元件4a，因此不用设置用于驱动电路的正负电源，能实现正负偏压驱动。此外，由于不使用电解电容器，所以即使在对高速、大电容品种应用的情况下也不需要担忧安装面积、电容器寿命。此外，电源电路8具备：缓冲放大器7，对半导体开关元件4a的控制端子驱动电流进行拉/灌，因此不需要大电容电容器，能避免寿命的降低。

（实施方式2）

<结构>

图4是包含本实施方式的半导体开关元件的驱动电路的半导体装置的电路图。在本实施方式的半导体装置中，对开关元件4b使用具备感测（sense）端子的IGBT，在发射极-感测端子间设置有产生感测电流导致的电压降的感测电阻Rs。

本实施方式的驱动电路10除了实施方式1的结构以外，还具备检测主电流的比较器11。比较器11的正相输入和IGBT4b的感测端子连接，比较器11通过将感测电阻Rs的电压降Vs与阈值Vsref进行比较，从而检测主电流是否过大。除此以外的结构和实施方式1是同样的，因此省略说明。

<工作>

在感测端子流过相对于集电极-发射极电流（主电流）为任意比率的电流（感测电流），通过感测电流在感测电阻Rs的两端产生检测电压Vs。在比较器11中将检测电压Vs与阈值电压Vsref进行比较，在Vs>Vsref的情况下从比较器11向I/F部1输入“H”信号，I/F部1判断为主电流过大地流过，切断栅极驱动输出。

即，比较器11以及I/F部1作为在感测电流超过预定的阈值的情况下停止对半导体开关元件4b的栅极端子的电压施加的过电流检测电路而工作。通过设置过电流检测电路，能对半导体开关元件4b安全地进行切断工作。

在图4中，将阈值电压Vsref的基准电位设为和IGBT4b的发射极相同的电位。由此，即使在负偏压电位V2变动的情况下，由于检测电压Vs和阈值电压Vsref的基准是相同电位，所以能消除变动的影响，因此检测精度提高，能将检测电压Vs设定得较低。因此，IGBT4b的主电流和感测电流的分流比稳定，检测精度进一步提高。

<变形例1>

图5是本实施方式的变形例1的半导体装置的电路图。图5所示的电路结构是在图4的电路结构中使阈值电压Vsref的基准电位与输入电源V1的GND电位是共同的结构。

为了使IGBT4b的主电流和感测电流的分流比稳定，优选将检测电压Vs抑制得较低。因此，阈值电压Vsref也较低，通常设定为0.5V左右，但这样做会使对噪声导致的误工作的余裕变少。因此，通过如图5所示那样将阈值电压Vsref的基准电位设为GND，从而将用于负偏压而生成的电位V2与检测电压Vs相加再与阈值电压Vsref进行比较。由此，在将检测电压Vs抑制得较低、使主电流和感测电流的分流稳定的状态下使阈值电压Vsref增加，能使对噪声导致的误工作的余裕增加。

<变形例2>

图6是本实施方式的变形例2的半导体装置的电路图。图6所示的电路结构是代替图4的比较器11而通过差动放大器12检测过电流的结构。

差动放大器12的正相输入和负相输入连接于感测电阻Rs的两端，测定检测电压Vs并向I/F部1输出。I/F部1在检测电压Vs超过预定的阈值的情况下判断为主电流变得过大，切断栅极驱动。

通过采用这样的结构，能消除负偏压电位V2的变动导致的影响，因此精度提高，能将检测电压Vs设定得较低。因此，IGBT4b的主电流和感测电流的分流比稳定，检测精度进一步提高。

<变形例3>

在图1～图4中，作为将驱动开关元件4a、4b的驱动电路10搭载于1块芯片的结构进行了说明，但作为将驱动电路10和驱动电路10驱动的半导体开关元件一起搭载于1块IC芯片的IPM也可。图7表示在上述变形例2中作为IPM的电路结构。

此外，在图1～图5中，作为半导体开关元件4a、4b使用IGBT，但如图8所示，代替IGBT而使用MOSFET也可。此外，材料除了Si以外，使用SiC、GaN等的宽带隙半导体也可。由于现在正在进行实用化的SiC制MOSFET的阈值电压是较低的2.5V，所以担忧元件的高速开关操作引起的电压变化dv/dt增大或外来噪声导致的误导通。此外由于是单极型器件，所以能进行高频率工作，在高频率工作导致的开关时间缩短时，利用本发明的驱动电路的负偏压驱动是有效的。

<效果>

在本实施方式的驱动电路中，半导体开关元件4b具备：感测端子，流过相对于主电流是预定比率的感测电流，还具备：过电流检测电路，在感测电流超过预定的阈值的情况下停止对半导体开关元件4b的控制端子的电压施加，因此能在检测到过电流时安全地切断半导体开关元件4b。

进而，本实施方式的驱动电路还具备：感测电阻Rs，连接在感测端子-基准端子间、产生感测电流引起的电压降，过电流检测电路具有：比较器11，将基准电位与半导体开关元件设为是共同的，且在正相输入连接有感测端子，因此能消除负偏压电位V2的变动的影响，因此检测精度提高，能将检测电压Vs设定得较低。因此，IGBT4b的主电流和感测电流的分流比稳定，检测精度进一步提高。

或者本实施方式的驱动电路还具备：感测电阻Rs，连接在感测端子-基准端子间，产生感测电流引起的电压降，过电流检测电路具有：比较器11，将基准电位与单一电源V1设为是共同的，且在正相输入连接有感测端子，因此在将检测电压Vs抑制得较低使主电流和感测电流的分流稳定的状态下使阈值电压Vsref增加，能使对噪声导致的误工作的余裕增加。

此外，本实施方式的驱动电路还具备：感测电阻Rs，连接在感测端子-基准端子间、产生感测电流引起的电压降，过电流检测电路具有：差动放大器12，输入端子连接于感测电阻Rs的两端，因此能消除负偏压电位V2的变动导致的影响，因此精度提高，能将检测电压Vs设定得较低。因此，IGBT4b的主电流和感测电流的分流比稳定，检测精度提高。

此外，本实施方式的半导体装置的特征在于，在搭载有本发明的驱动电路10的IC芯片中，一起担载有驱动电路10驱动的半导体开关元件4a、4b，因此能以简易的结构进行开关元件的负偏压驱动。

此外，因为半导体开关元件4a、4b、4c由宽带隙半导体构成，所以担忧元件的高速开关操作引起的电压变化dv/dt增大或外来噪声导致的误导通，但通过本发明的驱动电路10的负偏压驱动能抑制误导通。

附图标记的说明

1 I/F部；

2、3 双极晶体管；

4a、4b、4c 半导体开关元件；

5 恢复二极管；

6 齐纳二极管；

7 缓冲放大器；

8 电源电路；

10 驱动电路；

11 比较器；

12 差动放大器；

20 IPM；

V1 输入电源。

Claims

1.一种驱动电路，搭载于IC芯片，驱动半导体开关元件，其中，具备：

电源电路，接收从所述IC芯片外部的单一电源供给的第1电压，根据该第1电压生成第2电压，将其施加到所述半导体开关元件的基准端子；以及

驱动部，根据来自所述IC芯片外部的输入信号，对所述半导体开关元件的控制端子施加/不施加所述第1电压，由此驱动所述半导体开关元件，

所述电源电路具备：缓冲放大器，对所述半导体开关元件的控制端子驱动电流进行拉/灌。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，

所述半导体开关元件具备：感测端子，流过相对于主电流是预定比率的感测电流，

所述驱动电路还具备：过电流检测电路，在所述感测电流超过预定的阈值的情况下，停止对所述半导体开关元件的控制端子的电压施加。

3.根据权利要求2所述的驱动电路，其中，

还具备：感测电阻，连接在所述感测端子-所述基准端子间，产生所述感测电流引起的电压降，

所述过电流检测电路具有：比较器，将基准电位与所述半导体开关元件设为是共同的，且在正相输入连接有所述感测端子。

4.根据权利要求2所述的驱动电路，其中，

所述过电流检测电路具有：比较器，将基准电位与所述单一电源设为是共同的，且在正相输入连接有所述感测端子。

5.根据权利要求2所述的驱动电路，其中，

所述过电流检测电路具有：差动放大器，输入端子连接在所述感测电阻的两端。

6.一种半导体装置，其特征在于，在搭载有权利要求1～5的任一项所述的驱动电路的所述IC芯片中，一起搭载有所述驱动电路驱动的所述半导体开关元件。

7.根据权利要求6所述的半导体装置，其中，所述半导体开关元件由宽带隙半导体构成。