CN104578719A - 半导体装置以及半导体模块 - Google Patents

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Abstract

得到一种半导体装置以及半导体模块，其在施加高电压的环境下也能够抑制电力消耗，并根据电源电压相对于基准电位的电位状态而控制输出。电阻分压电路(1)具有串联连接在电源电位(HVB)和基准电位(Com)之间的电阻(R1、R2)，并输出电阻(R1、R2)的连接点处的电位(VMON)。瞬态响应检测电路(2)具有一端与电源电位(HVB)连接的电阻(R3)、以及连接在电阻(R3)的另一端和基准电位(Com)之间的电容器(C1)，并输出电阻(R3)和电容器(C1)的连接点处的电位(Vdvdt)。AND电路(3)对电阻分压电路(1)的输出信号和瞬态响应检测电路(2)的输出信号进行AND运算。输出电路(4)根据AND电路(3)的输出信号而控制通断。

Description

半导体装置以及半导体模块
技术领域
本发明涉及一种半导体装置以及半导体模块，其在施加高电压的环境下也能够抑制电力消耗，并根据电源电压相对于基准电位的电位状态而控制输出。
背景技术
在逆变器电路等中，进行了图腾柱连接的2个开关元件分别由高电位侧以及低电位侧的控制电路驱动。在该高电位侧以及低电位侧的控制电路中需要使用绝缘的单独的电源。
在对单相逆变器进行控制的控制电路中，需要高电位侧的2个绝缘电源、低电位侧的1个绝缘电源共计3个绝缘电源。并且，在对3相逆变器进行控制的控制电路中，在高电位侧需要3个绝缘电源，因此，共计需要4个绝缘电源，控制电路大规模化。
为了削减电源数量，还存在下述结构，即，在高电位侧控制电路的电源中使用自举电路，使对3相逆变器进行控制的控制电路的电源成为1个电源。但是，自举电路在高电位侧的开关元件ON期间中不能动作(自举电容器未被充电)，因此，很难适用于高电位侧的开关元件ON期间较长的控制方式。
因此，为了对自举电容器进行充分地充电、且使电路简化以及小型化，提出了使用自举补偿电路的结构(例如，参照专利文献1)。在自举补偿电路中，电源电压相对于基准电位而浮动，通过其高低而控制输出电路的ON·OFF。具体来说，设置对电源电压相对于基准电位的电位进行检测的电阻分压电路。将其输出向设定为规定阈值的反相器电路等输入，而定义电位状态的H和L，并根据H和L驱动输出电路。
专利文献1：日本特开2011－234430号公报
现有技术是非常简单的电路结构，在应用于施加有高电压的环境时的响应速度成为问题。电阻分压电路需要设置在电源和基准电位之间。为了抑制流过分压电阻的电流，需要高电阻值的分压电阻电路。因此，虽然抑制了由分压电阻引起的电流消耗，但电阻和电阻随附的寄生电容形成的CR电路的时间常数变大，响应速度降低。
根据通常IC组件的散热性等，容许消耗电力小于或等于数百mW。在施加600V、1200V这样的电压下，为了满足该条件，需要MΩ量级的分压电阻。在该分压电阻随附的寄生电容为数pF时，时间常数为MΩ×数pF而成为μs数量级的响应速度。另一方面，电源电压·基准电位之间的电压的瞬态响应为数kV/μs数量级，以μs数量级进行响应，直至输出电路为OFF为止，向负载和输出电路施加数10W等过大的电力而造成破坏。
发明内容
本发明就是为了解决上述问题点而提出的，其目的在于得到一种半导体装置以及半导体模块，其在施加高电压的环境下也能够抑制电力消耗，并根据电源电压相对于基准电位的电位状态而控制输出。
本发明所涉及的半导体装置，其特征在于，具有：电阻分压电路，其具有串联连接在电源电位和基准电位之间的第1以及第2电阻，并输出所述第1以及第2电阻的连接点处的电位；瞬态响应检测电路，其具有一端与所述电源电位连接的第3电阻、以及连接在所述第3电阻的另一端和所述基准电位之间的电容器，并输出所述第3电阻和所述电容器的连接点处的电位；AND电路，其对所述电阻分压电路的输出信号和所述瞬态响应检测电路的输出信号进行AND运算；以及输出电路，其根据所述AND电路的输出信号而控制通断。
发明的效果
在本发明中，由于通过瞬态响应检测电路而使输出电路高速地通断，因此即使在为了抑制电力消耗而增大分压电路的电阻值的情况下，也能够防止向负载和输出电路施加过大的电力。因此，在施加高电压的环境下也能够抑制电力消耗，并根据电源电压相对于基准电位的电位状态而控制输出。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的电路图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的动作的时序图。
图3是表示对比例所涉及的半导体装置的电路图。
图4是表示对比例所涉及的半导体装置的动作的时序图。
图5是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的电路图。
图6是表示触发电路的电路图。
图7是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的动作的时序图。
图8是表示本发明的实施方式3所涉及的半导体装置的电路图。
图9是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的电路图。
图10是表示延迟电路的图。
图11是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的动作的时序图。
图12是表示本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的电路图。
图13是表示本发明的实施方式6所涉及的半导体模块的电路图。
图14是表示本发明的实施方式6所涉及的半导体模块的电路图。
图15是表示本发明的实施方式6所涉及的半导体模块的电路图。
图16是表示本发明的实施方式7所涉及的半导体模块的电路图。
图17是表示本发明的实施方式8所涉及的半导体模块的电路图。
图18是表示本发明的实施方式8所涉及的半导体模块的电路图。
图19是表示本发明的实施方式9所涉及的半导体模块的电路图。
图20是表示本发明的实施方式10所涉及的电源电路的电路图。
图21是表示本发明的实施方式10所涉及的电源电路的电路图。
图22是表示本发明的实施方式11所涉及的电源电路的电路图。
图23是表示本发明的实施方式11所涉及的电源电路的电路图。
标号的说明
1电阻分压电路，2瞬态响应检测电路，3 AND电路，4输出电路，8、9反相器，10触发电路，11 NOR电路，12延迟电路，13 OR电路，17高电位侧控制电路，18低电位侧控制电路，19电源补偿电路，20自举电路，21电源电路，22 AC电源，23整流电路，C1、C3电容器，D4二极管，H、L绝缘电源，R1、R2、R3、R4、R5电阻，SW1高电位侧开关元件，SW2低电位侧开关元件
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以及半导体模块进行说明。有时对相同或者对应的结构要素标注相同的标号，并省略重复说明。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的电路图。电阻分压电路1具有串联连接在电源电位HVB和基准电位Com之间的电阻R1、R2，输出电阻R1、R2的连接点的电位VMON。瞬态响应检测电路2具有电阻R3和电容器C1，该电阻R3的一端与电源电位HVB连接，该电容器C1连接在电阻R3的另一端和基准电位Com之间，该瞬态响应检测电路2输出电阻R3和电容器C1的连接点的电位Vdvdt。
AND电路3对电阻分压电路1的输出信号(分压电位VMON)和瞬态响应检测电路2的输出信号(电位Vdvdt)进行AND运算。输出电路4根据AND电路3的输出信号preout而控制通断。在输出电路4的输出和基准电位Com之间设置有负载5。AND电路3和输出电路4的电源电压为HVB－HVS，该电源电压相对于基准电位Com上下浮动。
输出电路4的ON·OFF控制以直流方式由电阻分压电路1和AND电路3进行。例如在HVB－Com之间电压变小、VMON相对于AND电路3为H电平时，输出电路4的输出为ON，如果在HVB－Com之间电压变大、VMON相对于AND电路3为L电平，则输出电路4的输出变为OFF。在此，瞬态响应检测电路2的输出Vdvdt作为直流动作而成为与HVB同电位，相对于AND电路3始终为H电平，因此，只由电阻分压电路1决定输出电路4的动作。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的动作的时序图。由于寄生电容的存在，电阻分压电路1的输出VMON与HVB－Com的电位变化相比产生延迟。另一方面，瞬态响应检测电路2的输出Vdvdt利用与Com之间的电容器C1，在瞬态响应刚开始后保持瞬态响应前的与Com的电位关系，并逐渐地接近HVB电位。
如果HVB－Com之间电压变大，则首先，瞬态响应检测电路2的输出Vdvdt成为L电平，因此，AND电路3的输出成为L电平，使输出电路4处于OFF。然后，电阻分压电路1的输出VMON成为L电平，即使在瞬态响应检测电路2的输出Vdvdt返回H电平后，AND电路3仍输出L电平，输出电路4保持OFF状态。
另一方面，在HVB－Com之间的电压变小时，瞬态响应检测电路2的输出Vdvdt相对于AND电路3保持H电平不变，因此，在电阻分压电路1的输出VMON相对于AND电路3成为H电平时，输出电路成为ON。
然后，与对比例进行比较而对本实施方式的效果进行说明。图3是表示对比例所涉及的半导体装置的电路图。在对比例中没有瞬态响应检测电路2和AND电路3。电阻分压电路1的输出VMON经由反相器6、7而输入至输出电路4。
图4是表示对比例所涉及的半导体装置的动作的时序图。如果电源电位HVB相对于基准电位Com上升，则电阻分压电路1的输出进行切换，输出电路4从ON状态切换至OFF状态。但是，如果相对于电源电位HVB的变动，电阻分压电路1的输出VMON的响应较慢，则输出电路4的通断也产生与其相应的延迟。导致在从HVB的上升起至输出电路4成为OFF为止的期间，向负载5施加过大的电力。该现象伴随于增大电阻分压电路1的电阻值而发生，对比例中，难以应用于施加高电压的环境。
对此，在本实施方式中，在HVB－Com之间的电压变大时，能够通过瞬态响应检测电路2使输出电路4进行高速通断。因此，即使在为了抑制电力消耗而增大电阻分压电路1的电阻值的情况下，也能够防止向负载5和输出电路4施加过大的电力。因此，能够在电压施加环境中抑制电力消耗，根据电源电压相对于基准电位的电位状态而控制输出。
实施方式2.
图5是本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的电路图。反相器8将电阻分压电路1的输出信号反转。反相器9将瞬态响应检测电路2的输出信号反转。触发电路10将反相器8的输出信号输入至复位端子R，将反相器9的输出信号输入至置位端子S。NOR电路11对反相器8的输出信号和触发电路10的输出信号进行NOR运算。输出电路4根据NOR电路11的输出信号preout而控制通断。
图6是表示触发电路的电路图。向NOR电路10a中输入来自复位端子R的信号和NOR电路10b的输出信号。向NOR电路10b中输入来自置位端子S的信号和NOR电路10a的输出信号。NOR电路10a的输出信号从输出Q输出。
图7是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的动作的时序图。如果HVB－Com之间的电压变大，则首先，由瞬态响应检测电路2向触发电路10的置位端子S输入H电平信号，触发电路10的输出Q成为H电平。利用触发电路10，即使在瞬态响应结束、输入至触发电路10的置位端子S的信号成为L电平，触发电路10的输出Q仍保持H电平。如果从电阻分压电路1向复位端子R输入H电平信号，则触发电路10的输出Q成为L电平。
即，对于输出电路4，如果HVB－Com之间的电压变大，则最初，根据瞬态响应检测电路2的输出，触发电路10的输出Q成为H电平，输出电路4成为OFF。并且，直至根据电阻分压电路1的输出，触发电路10的复位输入成为H电平为止，输出电路4处于OFF。在触发电路10的输出Q成为L电平的同时，根据电阻分压电路1的输出，输出电路4继续OFF。
在实施方式1中，在瞬态响应结束的时刻、电阻分压电路1的响应尚未结束的情况下，在电阻分压电路1的响应完成之前，输出电路4变为ON。与此相对，在本实施方式中，能够涵盖瞬态响应检测电路2的响应与电阻分压电路1的响应的时间差。
实施方式3.
图8是表示本发明的实施方式3所涉及的半导体装置的电路图。NOR电路11不仅对反相器8的输出信号和触发电路10的输出信号，还对反相器9的输出信号进行NOR运算。其他的结构与实施方式2相同。
在本实施方式中，瞬态响应检测电路2的输出绕过触发电路10而输入至NOR电路11，因此，与瞬态响应检测电路2的输出经由触发电路10的实施方式2相比，能够对输出电路4进行高速控制。
实施方式4.
图9是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的电路图。延迟电路12使触发电路10的输出信号延迟。OR电路13对延迟电路12的输出信号和反相器8的输出信号进行OR运算，并输入至触发电路10的复位端子。其他的结构与实施方式2相同。
图10是表示延迟电路的图。反相器14、15串联连接。在它们的连接点和接地点之间连接有电容器C2。
图11是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的动作的时序图。如果HVB－Com之间的电压变大，则瞬态响应检测电路2的输出向触发电路10的置位端子S输入，触发电路10的输出成为H电平。并且，在延迟电路12中进行所定的时间延迟后，输入至触发电路10的复位端子R，触发电路10的输出Q恢复为L电平。
在HVB－Com的电位变大的时间与电阻分压电路1的输出进行响应相比为较短的时间的情况下，在实施方式2中，根据瞬态响应检测电路2的响应而成为H电平的触发电路10的输出无法复位为L电平，有时即使电阻分压电路1为H电平，但输出电路4无法为ON。与此相对，在本实施方式中，由于能够通过延迟电路12而实现自己复位，因此，输出电路4能够为ON。
实施方式5.
图12是表示本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的电路图。瞬态响应检测电路2的电容器由高耐压MOS元件16随附的寄生电容构成。由此，在向HVB－Com之间施加高电压的环境下，能够使用本电路。其他的结构以及效果与实施方式2相同。
实施方式6.
图13～15是表示本发明的实施方式6所涉及的半导体模块的电路图。在图13中，高电位侧开关元件SW1以及低电位侧开关元件SW2进行了图腾柱连接。高电位侧控制电路17控制高电位侧开关元件SW1。低电位侧控制电路18控制低电位侧开关元件SW2。二极管D1、D2分别与开关元件SW1、SW2反向并联连接。
电源补偿电路19与实施方式1～5的半导体装置对应，在此，与自举补偿电路为相同含义。将高电位侧开关元件SW1和低电位侧开关元件SW2的连接点处的电位作为基准电位Com，电源补偿电路19将输出电路4的输出电压向高电位侧控制电路17进行电力供给。
在电源VCC和高电位侧控制电路17的高电压端子VB之间连接有二极管D3。在高电位侧控制电路17的高电压端子VB和低电压端子VS之间连接有电容器C3。由二极管D3和电容器C3构成自举电路20。该自举电路20向高电位侧控制电路17进行电力供给。
图14是单相逆变器的情况，图15是3相逆变器的情况。从电源补偿电路19和自举电路20供给高电位侧控制电路H－1、H－2、H－3的电源。电源补偿电路19适用实施方式1～5的半导体装置。
控制电路H－1、H－2、H－3控制高电位侧开关元件SW1。控制电路L－1、L－2、L－3控制低电位侧开关元件SW2。电源补偿电路19从以母线电压正电位(P电位)为基准的电源供给控制电路H－1、H－2、H－3的电源。
在没有自举电路20的现有构造中，每个控制电路H－1、H－2、H－3需要绝缘电源。与此相对，在本实施方式中，通过设置自举电路20，从而能够削减绝缘电源数量，因此，能够有助于电源电路小型化、由部件削减实现的低成本化。具体来说，在单相逆变器的情况下，能够将3电源削减至2电源，在3相逆变器的情况下，能够将4电源削减至2电源。
在没有电源补偿电路19的现有构造中，在高电位侧开关元件SW1的ON期间自举电路20不能动作。与此相对，在本实施方式中，即使处在高电位侧开关元件SW1的ON期间中，也能够从电源补偿电路供给电源，因此，能够应对高电位侧开关元件SW1的ON期间较长的控制方式。
实施方式7.
图16是表示本发明的实施方式7所涉及的半导体模块的电路图。在电源补偿电路19和高电位侧控制电路17之间连接有二极管D4。作为二极管D4能够使用普通的电力用二极管。其他的结构与实施方式6的图14的半导体模块相同。
如果因通断而产生的电涌电压使得高电位侧控制电路H－n的电源的负电位(UorVorW电位)超过作为电源补偿电路19的电源的母线电压正电位(P电位)，则在实施方式6中，从高电位侧控制电路H－n的电源产生向电源补偿电路19的电流逆流。与此相对，在本实施方式中，由于利用二极管D4能够防止电流逆流，因此，能够防止控制电路的误动作。
实施方式8.
图17以及图18是表示本发明的实施方式8所涉及的半导体模块的电路图。图17是单相逆变器的情况，图18是3相逆变器的情况。
电源电路21将从AC电源22通过整流电路23进行了DC变换后的电压(母线电压)作为1次侧的输入，而构成绝缘的绝缘电源H、L。绝缘电源L对自举电路20的电容器C3进行充电。绝缘电源H向半导体装置供给电源电位HVB。在该情况下，也能够取得与实施方式6相同的效果。
实施方式9.
图19是表示本发明的实施方式9所涉及的半导体模块的电路图。电源电路21具有高耐压的电阻R4、R5，它们将PN之间的电压降压并使其绝缘。与将PN之间的电压直接绝缘的方式相比，由于不需要电源电路21的1次侧的耐压，因此，有助于部件的小型化、低成本化。
实施方式10.
图20以及图21是表示本发明的实施方式10所涉及的电源电路的电路图。该电源电路21适用于实施方式8、9的半导体模块。电源电路21具有1次侧控制电路24和2次侧控制电路25、26，以正激(forward)方式构成。由此，即使1次侧控制电路24和2次侧控制电路25、26的电路电流增大，也能够以较高的效率得到高精度的输出电压。另外，能够应用于大电力用途。
实施方式11.
图22以及图23是表示本发明的实施方式11所涉及的电源电路的电路图。该电源电路21适用于实施方式8、9的半导体模块。电源电路21以反激(flyback)方式构成。由此，与实施方式10相比，由于2次侧控制电路25、26的结构元件较少，因此，电路规模变小，有助于低成本化、小型化。
此外，在上述的实施方式中，优选由1个芯片的IC构成高电位侧控制电路17和低电位侧控制电路18(半桥IC)。由此，能够削减部件数量，因此，能够有助于小型化、低成本化、减少不良率。另外，由于减少高电位侧控制电路17和低电位侧控制电路18之间的波动，因此，能够进行高精度的控制。
另外，优选由1个芯片的IC构成全部的控制电路(全桥IC)。由此，能够削减部件数量，因此，有助于小型化、低成本化、减少不良率。另外，由于减少全相的控制电路的波动，因此，能够进行高精度的控制。
另外，优选由1个芯片的IC构成高电位侧控制电路17、低电位侧控制电路18、电源补偿电路19、自举电路20、以及二极管D4。由此，能够削减部件数量，因此，能够有助于小型化、低成本化、减少不良率。
另外，优选高电位侧开关元件SW1以及低电位侧开关元件SW2的半导体的一部分或者全部为SiC或者GaN。与仅为Si的元件相比，能够通过装置小型化而使得控制电路小型化，能够进行高温·高速动作，能够简化IPM以及使用该IPM的装置的散热构造。
另外，通常来说，与IGBT、双极晶体管、MOSFET等开关元件反向并联连接二极管的情况很多。因此，优选高电位侧开关元件SW1以及低电位侧开关元件SW2是以Si、SiC或者GaN作为材料的RC－IGBT(具有反向并联二极管功能的IGBT)。与由其他芯片形成开关元件和二极管的普通结构相比，IPM的组装性变得容易。
另外，通过将上述的实施方式所涉及的半导体模块用于电力变换系统，从而能够通过削减绝缘电源数量而实现小型化、低成本化。

Claims (16)

1.一种半导体装置，其特征在于，具有：
电阻分压电路，其具有串联连接在电源电位和基准电位之间的第1以及第2电阻，并输出所述第1以及第2电阻的连接点处的电位；
瞬态响应检测电路，其具有一端与所述电源电位连接的第3电阻、以及连接在所述第3电阻的另一端和所述基准电位之间的电容器，并输出所述第3电阻和所述电容器的连接点处的电位；
AND电路，其对所述电阻分压电路的输出信号和所述瞬态响应检测电路的输出信号进行AND运算；以及
输出电路，其根据所述AND电路的输出信号而控制通断。
2.一种半导体装置，其特征在于，具有：
电阻分压电路，其具有串联连接在电源电位和基准电位之间的第1以及第2电阻，并输出所述第1以及第2电阻的连接点处的电位；
瞬态响应检测电路，其具有一端与所述电源电位连接的第3电阻、以及连接在所述第3电阻的另一端和所述基准电位之间的电容器，并输出所述第3电阻和所述电容器的连接点处的电位；
第1反相器，其将所述电阻分压电路的输出信号反转；
第2反相器，其将所述瞬态响应检测电路的输出信号反转；
触发电路，其将所述第1反相器的输出信号输入至复位端子，将所述第2反相器的输出信号输入至置位端子；
NOR电路，其对所述第1反相器的输出信号和所述触发电路的输出信号进行NOR运算；以及
输出电路，其根据所述NOR电路的输出信号而控制通断。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
所述NOR电路对所述第1反相器的输出信号、所述触发电路的输出信号、以及所述第2反相器的输出信号进行NOR运算。
4.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
还具有：
延迟电路，其使所述触发电路的输出信号延迟；以及
OR电路，其对所述延迟电路的输出信号和所述第1反相器的输出信号进行OR运算，并输入至所述触发电路的所述复位端子。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述电容器由高耐压MOS元件构成。
6.一种半导体模块，其特征在于，具有：
高电位侧开关元件以及低电位侧开关元件，它们进行了图腾柱连接；
高电位侧控制电路，其控制所述高电位侧开关元件；
低电位侧控制电路，其控制所述低电位侧开关元件；以及
权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其将所述高电位侧开关元件和所述低电位侧开关元件的连接点处的电位作为所述基准电位，将所述输出电路的输出电压向所述高电位侧控制电路进行电力供给。
7.根据权利要求6所述的半导体模块，其特征在于，
还具有二极管，该二极管连接在所述半导体装置和所述高电位侧控制电路之间。
8.根据权利要求6所述的半导体模块，其特征在于，
还具有自举电路，该自举电路向所述高电位侧控制电路进行电力供给。
9.根据权利要求8所述的半导体模块，其特征在于，
还具有电源电路，该电源电路输入从AC电源通过整流电路进行DC变换后的电压，构成绝缘的第1以及第2绝缘电源，
所述第1绝缘电源对所述自举电路的电容器进行充电，
所述第2绝缘电源向所述半导体装置供给所述电源电位。
10.根据权利要求9所述的半导体模块，其特征在于，
所述电源电路具有第4电阻，该第4电阻将PN之间的电压降压并使其绝缘。
11.根据权利要求9所述的半导体模块，其特征在于，
所述电源电路为正激方式。
12.根据权利要求9所述的半导体模块，其特征在于，
所述电源电路为反激方式。
13.根据权利要求6所述的半导体模块，其特征在于，
由1个芯片的IC构成所述高电位侧控制电路以及所述低电位侧控制电路。
14.根据权利要求12所述的半导体模块，其特征在于，
由1个芯片的IC构成所述高电位侧控制电路、所述低电位侧控制电路、所述半导体装置、所述自举电路、以及所述二极管。
15.根据权利要求6所述的半导体模块，其特征在于，
所述高电位侧开关元件以及所述低电位侧开关元件的半导体的一部分或者全部为SiC或者GaN。
16.根据权利要求6所述的半导体模块，其特征在于，
所述高电位侧开关元件以及所述低电位侧开关元件是具有反向并联二极管功能的RC－IGBT。
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