CN103036406B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的功率元件（Q1）和功率元件（Q2）进行图腾柱连接。驱动电路（1）按照输入信号IN来驱动功率元件（Q2），驱动电路（2）按照输入信号/IN来驱动功率元件（Q1）。驱动电路（1）具有低压端子和与电源连接的高压端子。电阻（R1）的一端与功率元件（Q2）的发射极连接，电阻（R1）的另一端与驱动电路（1）的低压端子连接。开关元件（Q3）连接在驱动电路（1）的高压端子和电阻（R1）的一端之间。开关元件（Q3）按照输入信号IN来进行导通/截止。输入信号IN为截止信号时，驱动电路（1）向功率元件（Q2）的栅极供给低压端子的电压VGND，功率元件（Q2）截止。输入信号IN为截止信号时，开关元件（Q3）导通。从而获得能够利用简单的电路结构防止误动作的半导体装置。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及能够利用简单的电路结构防止误动作的半导体装置。
背景技术
在电动机等负载的电力控制中，使用电桥电路、三相交流反相器电路等半导体装置。这些半导体装置具有在电源电位和接地电位之间图腾柱连接（totem-pole-connect）的两个功率元件和驱动它们的驱动电路。两个功率元件的中点与负载连接，控制两个功率元件的导通/截止，从而控制负载（例如参照专利文献1）。
图12是示出现有的半导体装置的电路图。功率元件Q1打开时，向功率元件Q2的集电极/发射极间施加dV/dt。此时，对功率元件Q2的栅极/集电极间的寄生电容Cres充电的电流流动，所以功率元件Q2的栅极电压上升（栅极浮动）。当由于该栅极浮动导致功率元件Q2的栅极电压超过阈值电压时，功率元件Q2会误导通，短路电流流动。
因此，在功率元件Q2截止时，使用负电压用电源向功率元件Q2的栅极施加负电压V-。由此，由于功率元件Q2的栅极电压低于发射极电压（GND），所以即使产生栅极浮动，功率元件Q2的栅极电压也难以上升到阈值电压。
专利文献1：特开2010－178579号公报。
发明内容
现有的半导体装置需要多个电源，存在着电路结构复杂的问题。
本发明是为了解决上述那样的课题而做出的，其目的在于，获得能够利用简单的电路结构防止误动作的半导体装置。
本发明所涉及的半导体装置的特征在于，具备：第1功率元件，具有控制端子、第1端子和第2端子；第2功率元件，与所述第1功率元件图腾柱连接；第1驱动电路，具有低压端子和与电源连接的高压端子，按照第1输入信号来驱动所述第1功率元件；第2驱动电路，按照第2输入信号来驱动所述第2功率元件；电阻，一端与所述第1功率元件的所述第2端子连接，另一端与所述第1驱动电路的所述低压端子连接；开关元件，连接在所述第1驱动电路的所述高压端子和所述电阻的所述一端之间，按照所述第1输入信号或所述第2输入信号来进行导通/截止；当所述第1输入信号为截止信号时，所述第1驱动电路向所述第1功率元件的所述控制端子供给所述低压端子的电压，所述第1功率元件截止；当所述第1输入信号为截止信号或所述第2输入信号为导通信号时，所述开关元件导通。
依据本发明，能够利用简单的电路结构防止误动作。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的电路图。
图2是示出图1的半导体装置的动作的时间图。
图3是示出本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的电路图。
图4是示出图3的半导体装置的动作的时间图。
图5是示出本发明的实施方式3所涉及的半导体装置的电路图。
图6是示出图 5的半导体装置的动作的时间图。
图7是示出本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的电路图。
图8是示出本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的电路图。
图9是示出本发明的实施方式6所涉及的半导体装置的电路图。
图10是示出本发明的实施方式7所涉及的半导体装置的电路图。
图11是示出本发明的实施方式8所涉及的半导体装置的电路图。
图12是示出现有的半导体装置的电路图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式所涉及的半导体装置进行说明。有时对相同或对应的结构要素赋予相同符号，并省略说明的重复。
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的电路图。功率元件Q1和功率元件Q2在电源电位和接地电位之间图腾柱连接。驱动电路1按照输入信号IN来驱动功率元件Q2，驱动电路2按照输入信号/IN来驱动功率元件Q1。
驱动电路1具有与电源连接的高压端子以及接地的低压端子。反相器INV将输入信号IN翻转并输出，驱动电路1将该输出信号翻转并放大，供给功率元件Q2的栅极。
电阻R1的一端与功率元件Q2的发射极连接，电阻R1的另一端与驱动电路1的低压端子连接。开关元件Q3在驱动电路1的高压端子和电阻R1的一端之间连接。向该开关元件Q3的栅极供给反相器INV的输出信号，开关元件Q3按照输入信号IN而进行导通/截止。
图2是示出图 1的半导体装置的动作的时间图。参照该时间图对图1的半导体装置的动作进行说明。输入信号/IN是对输入信号IN进行翻转的信号，两者之间存在空载时间（dead time）。
当输入信号IN为截止信号时，驱动电路1向驱动功率元件Q2的栅极供给低压端子的电压VGND，功率元件Q2截止。此时，因为输入信号/IN为导通信号，所以驱动电路2向功率元件Q1的栅极供给高电压，功率元件Q1导通。
另一方面，当输入信号IN为导通信号时，驱动电路1向功率元件Q2的栅极供给高压端子的电压，功率元件Q2导通。此时，因为输入信号/IN为截止信号，所以驱动电路2向功率元件Q1的栅极供给低电压，功率元件Q1截止。
输入信号IN为截止信号时，开关元件Q3导通，电流流入电阻R1。由此，驱动电路1的低压端子的电压VGND比功率元件Q2的发射极电压VE低电阻R1的电压下降的量。因此，由于相对于发射极电压VE，功率元件Q2截止时的栅极电压VG为负电压，所以即使产生栅极浮动，功率元件Q2的栅极电压也难以上升到阈值电压。因此，能够利用不需要负电压用电源的简单的电路结构防止误动作。
实施方式2
图3是示出本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的电路图。单触发电路（one shot circuit）3在输入信号IN关闭时，向开关元件Q3的栅极供给脉冲信号。
图4是示出图3的半导体装置的动作的时间图。利用来自单触发电路3的脉冲信号，开关元件Q3仅在功率元件Q1完成打开之前的既定期间导通。因此，与实施方式1相比，开关元件Q3的导通期间变短，所以能够减少电源的功耗。
实施方式3
图5是示出本发明的实施方式3所涉及的半导体装置的电路图。延迟电路4使反相器INV的输出信号延迟。将功率元件Q2的栅极电压输入与（AND）电路5的a端子，将延迟电路4的输出电压输入b端子。开关元件Q3按照与电路5的输出信号来进行导通/截止。
图6是示出图5的半导体装置的动作的时间图。与电路5仅在输入信号IN为截止信号并且功率元件Q2的栅极电压高于低压端子的电压VGND时（栅极浮动期间），使开关元件Q3导通。这样，因为开关元件Q3的导通时间变得更短，所以能够大幅减少电源的功耗。另外，保护期间变长。
另外，在功率元件Q2关闭期间，功率元件Q2的栅极电压为高电压。因此，设置延迟电路4，以便在功率元件Q2的关闭期间不进行保护动作。
实施方式4
图7是示出本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的电路图。与实施方式1不同，向开关元件Q3的栅极供给输入信号/IN，开关元件Q3按照输入信号/IN来进行导通/截止。当输入信号/IN为导通信号时，开关元件Q3导通。由此，由于在空载时间开关元件Q3不导通，所以与实施方式1相比，能够减少电源的功耗。此外能够获得与实施方式1同样的效果。
实施方式5
图8是示出本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的电路图。该半导体装置在实施方式4的半导体装置中追加了单触发电路3。单触发电路3在输入信号/IN为打开时，向开关元件Q3的栅极供给脉冲信号。由此，开关元件Q3仅在功率元件Q1完成打开之前的既定期间导通。而且，开关元件Q3的导通期间比实施方式2短。其结果是，能够大幅减少电源的功耗。
实施方式6
图9是示出本发明的实施方式6所涉及的半导体装置的电路图。将功率元件Q2的栅极电压输入与电路5的a端子，将输入信号/IN输入b端子。与电路5仅在输入信号/IN为导通信号并且功率元件Q2的栅极电压VG高于低压端子的电压VGND时（栅极浮动期间），使开关元件Q3导通。由此，能够获得与实施方式3同样的效果。
另外，由于输入与电路5的b端子的输入信号/IN仅从输入信号IN关闭起延迟空载时间打开，所以不需要实施方式3的延迟电路4。
实施方式7
图10是示出本发明的实施方式7所涉及的半导体装置的电路图。二极管Z1与电阻R1并联连接。其它结构与实施方式1同样。
在实施方式1中，由于功率元件Q2的栅极的放电电流流过电阻R1，所以放电速度变慢。相对于此，在本实施方式中，由于功率元件Q2的栅极的放电电流流过二极管Z1，所以放电速度变快。此外，在实施方式2~6的结构中追加二极管Z1，也能够获得同样的效果。
实施方式8
图11是示出本发明的实施方式8所涉及的半导体装置的电路图。齐纳二极管Z2与电阻R1并联连接。其它结构与实施方式1同样。由于齐纳二极管Z2对负电压进行钳位，所以能够防止过度的负电压。此外，在实施方式2~6的结构中追加齐纳二极管Z2，也能够获得同样的效果。
此外，在上述实施方式1~5中，对使N侧的功率元件Q2的栅极电压为负电压的情况进行了说明，但不限于此，使P侧的功率元件Q1的栅极电压为负电压的情况下，也能够适用本发明。
另外，功率元件Q1、Q2及开关元件Q3是IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管），但不限于此，也可以是功率MOSFET（Metal－Oxide－Semiconductor Field－Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）等功率开关元件。
另外，功率元件Q1、Q2及开关元件Q3不限于用硅形成，也可以用带隙比硅大的宽带隙半导体形成。宽带隙半导体例如为碳化硅、氮化镓类材料或金刚石。利用这种宽带隙半导体形成的功率半导体元件，由于耐压性及容许电流密度高，所以能够小型化。通过使用该小型化的元件，装入了该元件的半导体模块也能够小型化。另外，由于元件的耐热性高，所以能够将散热器的散热片小型化，能够对水冷部进行空气冷却，从而能够将半导体模块进一步小型化。另外，由于元件的功率损失低、效率高，所以能够使半导体模块高效率化。
标号的说明
1 驱动电路（第1驱动电路）
2 驱动电路（第2驱动电路）
5 与电路（控制电路）
IN 输入信号（第1输入信号）
/IN 输入信号（第2输入信号）
Q1 功率元件（第2功率元件）
Q2 功率元件（第1功率元件）
Q3 开关元件
R1 电阻
Z1 二极管
Z2 齐纳二极管。

Claims (4)

1. 一种半导体装置，其特征在于，具备：
第1功率元件，具有控制端子、第1端子和第2端子；
第2功率元件，与所述第1功率元件图腾柱连接；
第1驱动电路，具有低压端子和与电源连接的高压端子，按照第1输入信号来驱动所述第1功率元件；
第2驱动电路，按照第2输入信号来驱动所述第2功率元件；
电阻，一端与所述第1功率元件的所述第2端子连接，另一端与所述第1驱动电路的所述低压端子连接；
开关元件，连接在所述第1驱动电路的所述高压端子和所述电阻的所述一端之间，并按照所述第1输入信号或所述第2输入信号来进行导通/截止；
当所述第1输入信号为截止信号时，所述第1驱动电路向所述第1功率元件的所述控制端子供给所述低压端子的电压，所述第1功率元件截止；
当所述第1输入信号为截止信号或所述第2输入信号为导通信号时，所述开关元件导通。
2. 如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述开关元件仅在所述第2功率元件的完成打开之前的既定期间导通。
3. 如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，还具备控制电路，所述控制电路仅在所述第1输入信号为截止信号或所述第2输入信号为导通信号，并且所述第1功率元件的所述控制端子的电压高于所述低压端子的电压时，使所述开关元件导通。
4. 如权利要求1~3的任一项所述的半导体装置，其特征在于，还具备与所述电阻并联连接的二极管或齐纳二极管。
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