CN105281721A - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

一种半导体装置，包括：开关元件，其配置为包括栅极电极、第一主电极、第二主电极、根据在第一主电极中流动的主电流来输出小于主电流的感测电流的感测电极，并且开关元件配置为当施加于栅极电极和第一主电极之间的控制电压降低时关断；感测二极管，其配置为包括与感测电极连接的阳极以及与第二主电极连接的阴极；以及连接电路，其配置为当开关元件关断时将栅极电极与感测电极相连接。

Description

半导体装置

技术领域

本公开总体上涉及一种半导体装置。

背景技术

传统上，已经知晓一种技术，其通过当关断开关元件时增加栅极电极的放电电流来改进诸如为IGBT的开关元件的关断操作的响应能力(例如，参见专利文献1)。

【相关技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本公开专利公开号2005-45590

然而，以上所述的传统的技术在加速关断操作上具有限制，因为当关断开关元件时，其排放在栅极电极中累积的电荷到地。

据此，本发明的至少一个实施例的目标是提供一种半导体装置，其能够加速开关元件的关断操作。

发明内容

根据本发明的实施例，半导体装置包括：开关元件，其配置为包括栅极电极、第一主电极、第二主电极、根据在第一主电极中流动的主电流来输出小于主电流的感测电流的感测电极，所述开关元件配置为当施加于栅极电极和第一主电极之间的控制电压降低时关断；感测二极管，其配置为包括与感测电极连接的阳极以及与第二主电极连接的阴极；以及连接电路，其配置为当开关元件关断时将栅极电极和感测电极相连接。

根据本发明的实施例，可通过当关断开关元件时让栅极电极和感测电极彼此相连接来加速开关元件的关断操作，可经由感测电极、由栅极电极的电荷来对第二主电极充电。

附图说明

图1为图示半导体装置的示例的配置图；

图2为图示半导体装置的操作波形的示例的时序图；

图3为图示半导体装置的示例的配置图；

图4为图示半导体装置的示例的配置图；

图5为图示半导体装置的示例的配置图；

图6为图示半导体装置的操作波形示例的时序图；

图7为图示半导体装置的示例的配置图；

图8为图示半导体装置的操作波形的示例的时序图。

具体实施方式

下面，将参照附图来描述本发明的实施例。

图1为图示作为半导体装置的示例的驱动装置1的配置示例图解。驱动装置1为半导体电路，该半导体电路包括通过驱动使开关元件S1导通和关断来驱动与第一导电部件61或第二导电部件62连接的电感性负载(例如，感应器或电动机)的单元。

导电部件61为电流路径，该电流路径与例如为电源的正极的高电势部件导电地连接，或者可以经由另一开关元件或负载来与高电势部件间接地连接。导电部件62为电流路径，该电流路径与例如为电源的负极的低电势部件(例如，地电势部件)导电地连接，或者可以经由另一开关元件或负载来与低电势部件间接地连接。

使用一个或多个驱动装置1的装置包括例如通过驱动使开关元件S1导通和关断来在电力转换装置的输入和输出之间转换电力的电力转换装置。这样的电力转换装置的具体示例可以为升或降DC电力的转换器；在DC电力和AC电力之间转换电力的逆变器,等等。

驱动装置1包括开关元件S1。开关单元S1是具有电流感测功能的绝缘栅型压控半导体元件，例如，具有栅极G、集电极C、发射极E、以及感测发射极SE的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。

栅极G为与例如栅极控制电路90连接的栅极电极的示例。栅极G经由与栅极G串联的栅极导通电阻Rmp和栅极导通开关S2来与例如驱动电源51相连接，并且经由与栅极G串联的栅极关断电阻Rmn和栅极关断开关S3来与导电部件62和发射极E相连接。驱动电源51为输出高于导电部件62的电压的电源电压V1的高电势部件。栅极G例如与中间节点相连接，其中，栅极导通电阻Rmp和栅极关断电阻Rmn与该中间节点相连接。

发射极E为第一主电极的示例，并且与例如导电部件62相连接。集电极C为第二主电极的示例，并且与例如导电部件61相连接。感测发射级SE为感测电极的示例，并且根据在发射极E中流动的主电流Ie来输出例如小于主电流Ie的感测电流Ise。

驱动装置1包括感测二极管D2。感测二极管D2为整流器的示例，该整流器具有与感测发射极SE相连接的阳极以及与集电极C相连接的阴极。

驱动装置1包括栅极控制电路90。栅极控制单路90为控制使开关元件S1导通和关断的电路。栅极控制电路90包括栅极导通开关S2、栅极导通电阻Rmp、栅极关断开关S3、栅极关断电阻Rmn、以及逻辑电路30。栅极导通开关S2为例如P沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，并且栅极关断开关S3为例如N沟道MOSFET。

逻辑电路30为控制单元，该控制单元在从外部提供的驱动信号Sg之下、经由栅极导通电阻Rmp或栅极关断电阻Rmn来控制开关元件S1的栅极G的栅极电压Vge成为用于使开关元件S1导通和关断的电压。

驱动信号Sg为用于命令使开关元件S1导通和关断的指令信号，其从驱动装置1的外部提供，并且与比驱动装置1更高级别处的控制装置相连接(例如，脉冲宽度调制信号)。控制装置为例如微计算机自身，或者为包括微处理器的装置。

栅极电压Vge为施加于栅极G和发射极E之间的控制电压。开关元件S1根据栅极电压Vge的值而导通或关断。

伴随驱动信号Sg命令使开关元件S1导通，逻辑电路30设置导通信号Son到激活电平，并且设置关断信号Soff到非激活电平。通过设置导通信号Son到激活电平，逻辑电路30使栅极导通开关S2导通，并且通过设置关断信号Soff到非激活电平，逻辑电路30关断栅极关断开关S3。让栅极导通开关S2导通并且栅极关断开关S3关断，使得栅极G经由栅极导通电阻Rmp上拉到驱动电源51。这使得栅极电压Vge上升到大于开关元件S1的栅极阈值电压的电压，并且由此，开关元件S1导通。

另一方面，伴随驱动信号Sg命令关断开关元件S1，逻辑电路30设置导通信号Son到非激活电平，并且设置关断信号Soff到激活电平。通过设置导通信号Son到非激活电平，逻辑电路30关断栅极导通开关S2，并且通过设置关断信号Soff到激活电平，逻辑电路30使栅极关断开关S3导通。让栅极导通开关S2关断并且使栅极关断开关S3导通，使得栅极G经由栅极关断电阻Rmn下拉到导电部件62。这使得栅极电压Vge下降到低于开关元件S1的栅极阈值电压的电压，并且由此，开关元件S1关断。

这里，在开关元件S1稳定在导通状态下的状态中，栅极电压Vge实际上相当于电源电压V1(高电平电压)，并且如果忽略开关元件S1的导通电压(导通电阻)，集电极电压VM实际上相当于导电部件62的电压(低电平电压)。相反地，在开关元件S1稳定在关断状态下的状态中，栅极电压Vge实际上相当于导电部件62的电压(低电平电压)，并且集电极电压VM实际上相当于导电部件61的电压(高电平电压)。注意到,集电极电压VM为集电极C的电压，或者更具体地，为集电极C和发射极E之间的电压。

因此，当开关元件S1从导通状态到关断状态关断时，栅极电压Vge从高电平电压下降到低电平电压，然而集电极电压VM从低电平电压上升到高电平电压。

据此，驱动装置1包括用于加速开关元件S1的关断操作的开关S4。开关S4为当开关元件S1关断时将栅极G和感测发射极SE连接的连接电路的示例。

通过当开关元件S1关断时让栅极G通过开关S4与感测发射极SE相连接，栅极G的电荷经由感测二极管D2移动到集电极C，并且由此，可使栅极G放电并且同时对集电极C充电。因此，当开关元件S1关断时栅极电压Vge的下降速度(栅极G的放电速度)能够上升，并且当开关元件S1关断时集电极电压VM的上升速度(集电极C的充电速度)能够上升。

以这一方式，当开关元件S1关断时驱动装置1能够使栅极电压Vge的下降速度上升，并且因而，能够加速开关元件S1的关断操作(换而言之，缩短了开关元件S1的关断时间)。同样，通过当开关元件S1关断时让集电极电压VM的上升速度上升，当开关元件S1关断时镜像周期被缩短。该镜像周期为当关断时栅极电压Vge变得暂时恒定期间的周期。因此，当开关元件S1关断时驱动装置1能够缩短镜像周期，并且由此，即使存在镜像周期，也能够加速开关元件S1的关断操作。

同样，驱动装置1使用从栅极G放电的电荷来对集电极C充电，并且由此，能够有效地实现加速开关元件S1的关断操作，同时防止功耗增加。

图2为图示半导体装置1的操作波形的示例的时序图。驱动装置1的操作将参考图2来描述。

当驱动信号Sg在时间t1从导通命令改变到关断命令时，开关元件S1开始关断操作。在时间t1，逻辑电路30将栅极导通开关S2从导通切换到关断，并且将栅极关断开关S3从关断切换到导通。通过让栅极关断开关S3导通，栅极G的电荷经由栅极关断电阻Rmn放电到导电部件62，并且由此，电流I(S3)在栅极关断开关S3中流动。

与在时间t1将栅极关断开关S3从关断切换到导通同步，逻辑电路30还将开关S4从关断切换到导通。通过让开关S4导通，栅极G的电荷经由感测二极管D2在集电极C中流动，并且由此，电流I(S4)在开关S4中流动。因为栅极G通过导通的开关S4而短接到感测发射极SE，电流I(S4)暂时变得大于经由栅极关断电阻Rmn流动的电流I(S3)。

以这一方式，驱动装置1能够用通过对栅极G放电而生成的相对大的电流I(S4)来对集电极C充电，并且由此，在开关元件S1的关断操作的前期t1-t2期间，能够加速开关元件S1的关断操作。此外，在前期t1-t2期间，可通过让电流I(S3)和电流I(S4)一起来对栅极G放电，这在加速开关元件S1的关断操作中是高效的。

当集电极电压VM由于由电流I(S4)充电而上升、并且变得大于电压(Vse-VF)时(时间t2)，由于感测二极管的整流特性而使电流I(S4)停止流动，并且停止对集电极C充电。Vse为感测发射极SE的电压，更具体地，为感测发射极SE和发射极E之间的电压，VF为感测二极管D2的正向电压。也就是，电压(Vse-VF)为通过从感测发射极电压Vse中减去正向电压VF而获得的压差。

因此，在集电极电压VM相对高的期间(也就是，开关元件S1的关断操作的后期t2-t3)，驱动装置1能够放缓关断操作的速度，因为电流I(S3)小于在前期t1-t2对栅极G放电的电流。这能够防止当开关元件S1关断时生成的冲击电压由于加速关断操作而上升。

接下来，将具体描述图1的配置。

开关元件S1包括例如主晶体管12和感测晶体管13。主晶体管12为主元件的示例，并且感测晶体管13为具有小于主元件的大小的感测元件的示例。主晶体管12和感测晶体管13为诸如为IGBT的开关元件。

栅极G与主晶体管12和感测晶体管13的相应的栅极电极共接。发射极E与主晶体管12的发射极电极相连接。集电极C与主晶体管12和感测晶体管13的相应的集电极电极共接。感测发射极SE与感测晶体管13的感测发射极电极相连接。

主晶体管12为开关元件的示例。感测晶体管13为根据在主晶体管12中流动的电流来生成电流的感测开关元件的示例，并且当更大的电流在主晶体管12中流动时感测元件中流动的电流更大。感测晶体管13输出例如与在主晶体管12中流动的主电流Ie成比例的感测电流Ise，并且根据主电流Ie，输出小于主电流Ie的感测电流Ise。

例如，通过感测比例m，将从集电极C流到开关元件S1中的集电极电流划分成在主晶体管12中流动的主电流Ie、以及在感测晶体管13中流动的感测电流Ise。感测电流Ise为根据主电流Ie以感测比例m来流动的电流，并且通过感测比例m来使得其电流值小于主电流Ie。感测比例m例如根据主晶体管12的发射极电极的面积和感测晶体管13的感测发射极电极的面积之比来确定。

主电流Ie在主晶体管12的集电极电极和发射极电极中流动，并且从发射极E输出。感测电流Ise在感测晶体管13的集电极电极和感测发射极电极中流动，并且从感测发射极SE输出。

感测二极管D2被放置在例如包括开关元件S1的芯片20中。栅极控制电路90或开关S4可以被放置在不同于芯片20的芯片中，或者可以被放置与放置开关元件S1的芯片相同的芯片20中。

驱动装置1包括例如主二极管D1。主二极管D1包括与集电极C相连接的阴极以及与发射集E相连接的阳极。主二极管D1可以被放置在放置开关元件S1的同一芯片20中，或者被放置在不同于芯片20的芯片中。

开关元件S1为例如内嵌二极管IGBT，该内嵌二极管IGBT包括共同放置在芯片20中的主晶体管12、感测晶体管13、主二极管D1、以及感测二极管D2。内嵌二极管IGBT具有包括用于二极管的阳极电极和IGBT的发射极电极的公共电极、以及用于二极管的阴极电极和IGBT的集电极电极的公共电极的结构。内嵌二极管IGBT还被称作“反向导通IGBT(RC-IGBT)”。

图3为图示作为半导体装置的示例的驱动装置2的配置示例的图解。这里省略与以上所述的实施例中相同的元件和效果的描述。驱动装置2包括电阻Rse、异常电流检测电路80、以及开关S5。

电阻Rse为连接在感测发射极SE和发射极E之间的电阻的示例，并且为例如一个端子与感测发射极SE和开关S4相连接、另一个端子经由开关S5与发射极和导电部件62相连接的感测电阻。

异常电流检测电路80为基于感测发射极电压Vse来检测主电流Ie的异常的异常检测电路的示例，该感测发射极电压Vse为当感测电流Ise在电阻Rse中流动时在电阻Rse的两个端子之间生成的正电压。异常电流检测电路80例如通过在开关元件S1的导通周期期间监控感测发射极电压Vse来检测在开关元件S1的主晶体管12中流动的异常电流(例如，过电流或短路电流)。例如，当检测到正向感测发射极电压Vse大于或等于预定阈值电压Vth时，异常电流检测电路80确定在开关元件S1的主晶体管12中流动的主电流Ie为过电流，并且输出异常电流检测信号。

开关S5为当开关元件S1关断时切断在电阻Rse中流动的感测电流Ise的切断电路的示例。开关S5为例如串联地插入在电阻Rse和发射极E之间的晶体管。

在当驱动信号Sg从导通命令改变为关断命令时的时间t1，逻辑电路30将栅极导通开关S2和开关S5从导通切换到关断，并且将栅极关断开关S3和开关S4从关断切换到导通(参见图2)。这使得开关S4导通，其能够防止经由感测二极管D2而从栅极G移动到集电极C的电荷的一部分经由电阻Rse而在导电部件62中流动。因此，即使电阻Rse连接在感测发射极SE和发射极E之间，对集电极C充电的电流I(S4)也能够增加，并且由此，开关元件S1的关断操作能够加速。

图4为图示作为半导体装置的示例的驱动装置3的配置示例的图解。这里省略与以上所述的实施例中相同的元件和效果的描述。驱动装置3包括电阻Rse、异常电流检测电路80、以及无效电路81。

异常电流检测电路80为基于感测发射极电压Vse来检测主电流Ie的异常的异常检测电路的示例，该感测发射极电压Vse为当感测电流Ise在电阻Rse中流动时在电阻Rse的两个端子之间生成的正电压。例如，当检测到大于或等于预定阈值电压Vth的正感测发射极电压Vse时，异常电流检测电路80确定在开关元件S1的主电阻12中流动的主电流Ie为过电流，并且输出异常电流检测信号。

无效电路81为当开关元件S1关断时使异常电流检测信号无效，例如，当输入使栅极关断开关S3和开关S4导通的关断信号Soff时使异常电流检测信号无效的电路。

通过让开关S4导通，栅极G与感测发射极SE相连接，并且由此，感测发射极电压Vs暂时上升到更接近栅极电压Vge(参见图2)。因此，如果感测发射极电压Vse超过阈值电压Vth，输出异常电流检测信号。然而，通过让异常电流检测信号由无效电路81无效，驱动装置3能够避免由于异常电流检测信号的错误输出而带来的异常电流的错误确定。

图5为图示作为半导体装置的示例的驱动装置4的配置示例的图解。这里省略与以上所述的实施例中相同的元件和效果的描述。驱动装置4包括电流检测电路82、或非门电路31、以及逆变器电路32。

电流检测电路82为检测在开关S4中流动的电流I(S4)的电路，并且包括例如构成电流镜的MOS晶体管S7和S8、以及电阻R1。在图5的情况中，开关S4为P沟道MOSFET。P沟道MOS晶体管S7串联地插入并且连接在开关S4和感测发射极SE之间。P沟道MOS晶体管S8具有与开关S4和MOS晶体管S7之间的连接点相连接的源极以及经由晶体管R1来与导电部件62相连接的漏极。

在电流I(S4)流动的周期期间，由于根据电流I(S4)的电流在电阻R1中流动，电流检测电路82输出高电平电流检测信号VS8。另一方面，在电流I(S4)不流动的周期期间，由于根据电流I(S4)的电流不在电阻R1中流动，电流检测电路82输出低电平电流检测信号VS8。

或非门电路31为上拉控制电路的示例，该上拉控制电路保持栅极G被上拉到驱动电源51的状态，直到在开关S4中流动的电流I(S4)降低到预定非负电流值或更小。

当驱动信号Sg和电流检测信号VS8中的至少一个取高电平时，或非门电路31输出使栅极导通开关S2导通的低电平导通信号Son。高电平驱动信号Sg代表命令使开关元件S1导通的信号，以及高电平电流检测信号VS8代表电流I(S4)流动。另一方面，当驱动信号Sg和电流检测信号VS8都取低电平时，或非门电路31输出关断栅极导通开关S2的高电平导通信号Son。低电平驱动信号Sg代表命令关断开关元件S1的信号，并且低电平电流检测信号VS8代表没有电流I(S4)流动。

当驱动信号Sg取高电平时，逆变器电路32输出关断栅极关断开关S3的低电平关断信号Soff，并且当驱动信号Sg取低电平时，逆变器电路32输出使栅极关断开关S3导通的高电平关断信号Soff。

当输出关断栅极关断开关S3的低电平关断信号Soff时，开关S6关断，并且由此，开关S4关断。当输出使栅极关断开关S3导通的高电平关断信号Soff时，开关S6导通，并且由此，开关S4导通。使开关S4导通的栅极电压通过让驱动电源51的电源电压V1由齐纳二极管D3固定住来生成。

因此，如图6中图示的，或非门电路31能够使栅极导通开关S2从导通切换到关断的时间延迟时间T1。结果，经由感测二极管D2而在集电极C中流动的电流I(S4)能够增加通过使栅极导通开关S2导通而从驱动电源51流动的电流的量，并且由此，开关元件S1的关断操作能够进一步加速。

图7为图示作为半导体装置的示例的驱动装置5的配置示例的图解。这里省略与以上所述的实施例中相同的元件和效果的描述。驱动装置5包括电流检测电路82、或非门电路31、以及或非门电路33。

或非门电路33为下拉控制电路的示例，该下拉控制电路保持栅极G被下拉到导电部件62的状态，直到在开关S4中流动的电流I(S4)降低到预定的非负电流值或更小。注意到，或非门电路33的输入和输出之间的逻辑关系与或非门电路31的相同。

如图8中图示的，具有或非门电路33的驱动装置5能够使栅极关断开关S3从关断切换到导通的时间延迟时间T1，并且由此，当栅极关断开关S3导通时能够防止电流I(S4)降低。也就是，在时间T1期间在栅极关断开关S3中流动的电流能够重定向到开关S4，并且由此，电流I(S4)能够增加。因而，开关元件S1的关断操作能够进一步加速。

尽管如上以实施例描述了半导体装置，但本发明不限于以上实施例。通过以其它实施例来组合和/或替代以上实施例的一部分或全部，能够在本发明的范围内做出各种修改和改进。

例如，半导体装置可以为具有包括集成电路的配置的半导体装置，或者具有包括离散部件的配置的半导体装置。

晶体管S1可以为不同于IGBT的开关元件，例如，N沟道或P沟道MOSFET。在MOSFET的情况中，用词可以改变成将“集电极”读为“漏极”、以及将“发射极”读为“源极”。

此外，不同于开关元件S1的晶体管可以为NPN-型或PNP-型双极型晶体管。

本申请基于2014年7月16日提交的日本优先申请号2014-146223，其全部内容由此通过参见的方式合并于此。

Claims (5)

1.一种半导体装置，其包括：

开关元件，其配置为包括栅极电极、第一主电极、第二主电极、根据在所述第一主电极中流动的主电流来输出小于所述主电流的感测电流的感测电极，并且当被施加于所述栅极电极和所述第一主电极之间的控制电压降低时所述开关元件关断；

感测二极管，其配置为包括与所述感测电极连接的阳极以及与所述第二主电极连接的阴极；以及

连接电路，其配置为当所述开关元件关断时将所述栅极电极与所述感测电极相连接。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，进一步包括：

电阻，其配置为连接在所述感测电极和所述第一主电极之间；

异常检测电路，其配置为基于当电流在所述电阻中流动时生成的电压来检测在所述开关元件中流动的电流的异常；以及

切断电路，其配置为切断电流以使得当所述开关元件关断时该电流不在所述电阻中流动。

3.根据权利要求1所述的半导体装置，进一步包括：

电阻，其配置为连接在所述感测电极和所述第一主电极之间；

异常检测电路，其配置为基于当电流在所述电阻中流动时生成的电压来检测在所述开关元件中流动的电流的异常；以及

无效电路，其配置为当所述开关元件关断时，使所述异常检测电路的输出信号无效。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，进一步包括：

上拉控制电路，其配置为保持所述栅极电极被上拉至驱动电源的状态，直到在所述连接电路中流动的电流降低至预定电流值或更小。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，进一步包括：

下拉控制电路，其配置为保持所述栅极电极被下拉至所述第二主电极的状态，直到在所述连接电路中流动的电流降低至预定电流值或更小。