CN103001616A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题是得到能够一边由高侧驱动电路进行负偏压驱动，一边利用自举电容器对高侧驱动电路提供驱动电压的半导体装置。解决的手段是，基准电压电路（ 3 ）生成高侧驱动电路（ 1 ）的高压端子（ VB ）的电压与低压端子（ VE ）的电压之间的基准电压，提供给高侧开关元件（ Q1 ）与低侧开关元件（ Q2 ）的连接点。充电用开关元件（ Q3 ）的漏极连接于高侧驱动电路（ 1 ）的低压端子（ VE ），源极接地。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及能够一边由高侧驱动电路进行负偏压驱动，一边利用自举电容器（bootstrap capacitor）对高侧驱动电路提供驱动电压的半导体装置。
背景技术
在半桥式电路中，驱动高侧开关元件的高侧驱动电路需要比主电源更高的驱动电压。又，高侧驱动电路的基准电位（低压端子的电位）随着低侧开关元件的驱动在半桥式电路的高压侧电位与低压侧电位之间变动。为此，作为高侧驱动电路的驱动电压源，有必要采用相对于低压侧电位浮动的浮动电源。因此已知对连接于高侧驱动电路的高压端子与低压端子之间的自举电容器利用低侧驱动电源进行充电，得到高侧驱动电路的驱动电压(参照例如专利文献1)。
使用自举电路的半导体装置中，高侧驱动电路的低压端子连接于高侧开关元件与低侧开关元件的连接点上。从而，当低侧开关元件导通并且高侧驱动电路的低压端子为接地(GND)电位时，自举电容器被充电。
又，已知有高侧驱动电路进行负偏压驱动的半导体装置。这种半导体装置具备生成高侧驱动电路的高压端子的电压与低压端子的电压之间的基准电压并提供给高侧开关元件的源极的基准电压电路。借助于此，高侧驱动电路能够在断开时对高侧开关元件的栅极提供相对于源极为负的电压。
专利文献1：日本特开平11－205112号公报。
发明内容
高侧驱动电路进行负偏压驱动的半导体装置中，高侧驱动电路的低压端子不连接在高侧开关元件与低侧开关元件的连接点上，不存在经由低侧开关元件对自举电容器充电的路径。从而，即使低侧开关元件接通，高侧驱动电路的低压端子也不处于接地（GND）电位，自举电容器不被充电。因此存在不能够利用自举电容器对高侧驱动电路提供驱动电压的问题。
本发明是为解决上述存在问题而作出的，其目的在于，得到能够一边由高侧驱动电路进行负偏压驱动，一边利用自举电容器对高侧驱动电路提供驱动电压的半导体装置。
本发明的半导体装置具备：高侧开关元件及低侧开关元件，在高压侧电位与低压侧电位之间从高压侧开始依序进行图腾柱连接（totem-pole-connected，也可称为推拉连接）；高侧驱动电路，具有连接浮动电源的高压端子与低压端子并且将所述高压端子的电压与所述低压端子的电压之一提供给所述高侧开关元件并对所述高侧开关元件进行驱动；低侧驱动电路，驱动所述低侧开关元件；基准电压电路，生成所述高侧驱动电路的所述高压端子的电压与所述低压端子的电压之间的基准电压并提供给所述高侧开关元件与所述低侧开关元件的连接点；以及充电用开关元件，具有控制端子、与所述高侧驱动电路的所述低压端子连接的第1端子及接地的第2端子。
借助于本发明，能够一边由高侧驱动电路进行负偏压驱动，一边利用自举电容器对高侧驱动电路提供驱动电压。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1的半导体装置的图。
图2是表示本发明实施方式1的半导体装置的动作的时序图。
图3是表示比较例1的半导体装置的图。
图4是表示比较例2的半导体装置的图。
图5是表示本发明实施方式2的半导体装置的图。
图6是表示本发明实施方式3的半导体装置的图。
图7是表示本发明实施方式4的半导体装置的图。
图8是表示本发明实施方式5的半导体装置的图。
符号说明
1　高侧驱动电路
2　低侧驱动电路
3　基准电压电路
5　延迟电路
C1　自举电容器
D1　自举二极管
D2　防逆流用二极管
Q1　高侧开关元件
Q2　低侧开关元件
Q3　充电用开关元件
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施方式的半导体装置进行说明。对相同或对应的结构要素标以相同的符号，有时候省略重复说明。
实施方式1
图1是表示本发明实施方式1的半导体装置的图。这种装置是具有在高压侧电位与低压侧电位之间从高压侧开始依序进行图腾柱连接的高侧开关元件Q1及低侧开关元件Q2的半桥式电路。
高侧驱动电路1根据从HIN端子输入的控制信号，将高压端子VB的电压与低压端子VE的电压之一通过输出端子HO提供给高侧开关元件Q1的栅极，对高侧开关元件Q1进行驱动。
低侧驱动电路2根据从LIN端子输入的控制信号，通过输出端子LO将高压端子VCC的电压与低压端子GND的电压之一提供给低侧开关元件Q2的栅极，对低侧开关元件Q2进行驱动。
基准电压电路3生成高侧驱动电路1的高压端子VB的电压与低压端子VE的电压之间的基准电压，通过输出端子VS提供给高侧开关元件Q1与低侧开关元件Q2的连接点。
基准电压电路4生成低侧驱动电路2的高压端子VCC的电压与低压端子GND的电压之间的基准电压，通过输出端子N提供给低侧开关元件Q2的源极。
高侧驱动电路1的基准电位（低压端子VE的电位）伴随低侧开关元件Q2的驱动在半桥式电路的高压侧电位与低压侧电位之间变动。因此，作为高侧驱动电路1的驱动电压源，有必要采用相对于低压侧电位浮动的浮动电源。因此采用自举电容器C1。自举电容器C1的一端连接于高侧驱动电路1的高压端子VB，另一端连接于高侧驱动电路1的低压端子VE。
自举二极管D1的阳极通过电阻R1连接于低侧驱动电源，阴极连接于自举电容器C1的一端。自举二极管D1将从低侧驱动电源来的电流提供给自举电容器C1的一端。
充电用开关元件Q3的漏极连接于自举电容器C1的另一端，源极接地。从外部向充电用开关元件Q3的栅极VG输入栅极电压。
图2是表示本发明实施方式1的半导体装置的动作的时序图。当高侧开关元件Q1断开、低侧开关元件Q2导通时，稍晚充电用开关元件Q3即导通。由此，VE端子处于GND电位，自举二极管D1被正向偏置，因此自举电容器C1被充电。
另一方面，当高侧开关元件Q1导通、低侧开关元件Q2断开时，充电用开关元件Q3断开。由此VE端子处于高电位，自举二极管D1被反向偏置，因此自举电容器C1被放电。
接着，将本实施方式的效果与比较例1、2进行比较并加以说明。图3是表示比较例1的半导体装置的图。该装置是采用自举电路的一般的半导体装置，不进行负偏压驱动。高侧驱动电路1的低压端子VS连接于高侧开关元件Q1与低侧开关元件Q2的连接点。从而，当低侧开关元件Q2导通、高侧驱动电路1的低压端子VS为GND电位时，自举电容器C1被充电。
图4是表示比较例2的半导体装置的图。该装置采用自举电路并且进行负偏压驱动。但是，不存在本实施方式的充电用开关元件Q3。高侧驱动电路1的低压端子VE不连接于高侧开关元件Q1与低侧开关元件Q2的连接点，不存在经由低侧开关元件Q2对自举电容器C1充电的路径。从而，即使低侧开关元件Q2导通，高侧驱动电路1的低压端子VE也不处于GND电位，自举电容器C1不被充电。因此，不能够利用自举电容器C1对高侧驱动电路1提供驱动电压。
　
在本实施方式中，在自举电容器C1的另一端与接地点之间设置充电用开关元件Q3。该充电用开关元件Q3导通、端子VE的电位为GND时，通过二极管D1与充电用开关元件Q3自举电容器C1被充电。由此，能够在高侧驱动电路1进行负偏压驱动的同时，利用自举电容器C1对高侧驱动电路1提供驱动电压。
又，最好是对从外部输入的充电用开关元件Q3的栅极电压进行控制，使充电用开关元件Q3的导通比低侧开关元件Q2的导通要迟。由此，可以使充电用开关元件Q3在低电压状态下进行开关，因此能够提高可靠性。
实施方式2
图5是表示本发明实施方式2的半导体装置的图。充电用开关元件Q3的控制端子连接于低侧驱动电路2的输出端子。其他结构与实施方式1一样。由此，不必从外部个别地提供充电用开关元件Q3的栅极电压，能够简化电路结构。
实施方式3
图6是表示本发明实施方式3的半导体装置的图。在充电用开关元件Q3的控制端子与低侧驱动电路2的输出端子之间连接延迟电路5。其他结构与实施方式2一样。该延迟电路5使充电用开关元件Q3的导通比低侧开关元件Q2的导通要迟。借助于此，能够使充电用开关元件Q3在低电压状态下进行开关，因此能够提高可靠性。
实施方式4
图7是表示本发明实施方式4的半导体装置的图。在自举电容器C1与充电用开关元件Q3之间连接防逆流用二极管D2。其他结构与实施方式1一样。
借助于该防逆流用二极管D2，能够防止高侧开关元件Q1及低侧开关元件Q2的回流（reverse current）等引起的充电用开关元件Q3的逆向电流，提高可靠性。还有，实施方式2、3的结构中也可以设置防逆流用二极管D2。
实施方式5
图8是表示本发明实施方式5的半导体装置的图。充电用开关元件Q3集成于驱动器IC。其他结构与实施方式1相同。这样能够简化电路结构。
还有，在上述实施方式1～5中，高侧开关元件Q1及低侧开关元件Q2为n沟道MOSFET，但是不限于此，也可以是MOSFET、IGBT、SiC-MOSFET等电源开关元件。
又，高侧开关元件Q1及低侧开关元件Q2不限于以硅形成的开关元件，也可以是采用带隙（Band gap）比硅大的宽带隙半导体形成的开关元件。宽带隙半导体是例如碳化硅、氮化镓类材料或金刚石。利用这样的宽带隙半导体形成的功率半导体元件，由于耐压性能和允许电流密度高，能够实现小型化。通过使用这种小型化的元件，组装入这种元件的半导体模块也能够实现小型化。又由于元件的耐热性能好，散热器的散热片能够实现小型化，能够将水冷部空冷化，因此能够进一步使半导体模块小型化。而且由于元件的功率损耗低效率高，能够使半导体模块高效率化。还有，最好是开关元件与二极管元件两者都利用宽带隙半导体形成，但是也可以是任一元件利用宽禁带半导体形成，这样也能够得到本实施方式中记载的效果。

Claims (4)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
高侧开关元件及低侧开关元件，在高压侧电位与低压侧电位之间从高压侧开始依序进行图腾柱连接；
高侧驱动电路，具有连接浮动电源的高压端子与低压端子，将所述高压端子的电压与所述低压端子的电压之一提供给所述高侧开关元件，对所述高侧开关元件进行驱动；
低侧驱动电路，驱动所述低侧开关元件；
基准电压电路，生成所述高侧驱动电路的所述高压端子的电压与所述低压端子的电压之间的基准电压，提供给所述高侧开关元件与所述低侧开关元件的连接点；以及
充电用开关元件，具有控制端子、与所述高侧驱动电路的所述低压端子连接的第1端子、以及接地的第2端子。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述充电用开关元件的所述控制端子连接在所述低侧驱动电路的输出端子。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
还具备延迟电路，该延迟电路连接在所述充电用开关元件的所述控制端子与所述低侧驱动电路的所述输出端子之间。
4.如权利要求1～3中的任一项所述的半导体装置，其特征在于，
还具备防逆流用二极管，该防逆流用二极管连接在所述高侧驱动电路的所述低压端子与所述充电用开关元件之间。
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