CN105706367B - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

一种半导体装置包括：晶体管(12)、二极管(15)、感应晶体管(13)、感应二极管(16)、电阻器(20)以及钳位电路(30)。二极管反向并联连接至晶体管。电阻器在所述电阻器的一端连接至感应晶体管的发射极和感应二极管的阳极，并且在电阻器的另一端连接至晶体管的发射极和二极管的阳极。钳位电路配置为钳制当感应二极管电流流动时在所述电阻器中产生的电压。感应二极管电流与流向所述二极管的电流的比率大于感应电流与流向晶体管的电流的比率。

Description

半导体装置

发明领域

本发明涉及半导体装置。

背景技术

传统地，已知一种通过使用连接至感应晶体管和感应二极管的共用感应电阻器，来检测流向晶体管的电流以及流向与晶体管反向并联连接的二极管的电流的技术(例如，参见日本专利申请公开第2012-19550号(JP-2012-19550A))。与流向晶体管的电流成比例的电流流向感应晶体管，与流向二极管的电流成比例的电流流向感应二极管。

然而，期望在晶体管中检测到的电流的幅度与期望在二极管中检测到的电流的幅度不同。因此，存在期望增大流向感应二极管的电流与流向二极管的电流的比率的情况。在该比率设定得大的情况下，当意外的过电流流向二极管时，可能劣化连接至感应晶体管和感应二极管的电阻器。

发明内容

本发明提供了能够抑制连接至感应晶体管和感应二极管的电阻器的劣化的半导体装置。

根据本发明的方案的半导体装置包括晶体管、二极管、感应晶体管、感应二极管、电阻器以及钳位电路。二极管反向并联连接至所述晶体管。感应晶体管配置为产生与流向所述晶体管的电流对应的感应电流。感应二极管配置为产生与流向所述二极管的电流对应的感应二极管电流。电阻器在所述电阻器的一端连接至所述感应晶体管的发射极和所述感应二极管的阳极，并且在所述电阻器的另一端连接至所述晶体管的发射极和所述二极管的阳极。钳位电路配置为钳制当所述感应二极管电流流动时在所述电阻器中产生的电压。所述感应二极管电流与流向所述二极管的所述电流的比率大于所述感应电流与流向所述晶体管的所述电流的比率。

本发明的方案使得能够抑制连接至感应晶体管和感应二极管的电阻器的劣化。

附图说明

将在下面参照附图描述本发明的示范性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：

图1是根据本发明的第一实施例的半导体装置的框图；

图2示出显示了半导体装置的操作波形的例子的时序图；

图3是根据本发明的第二实施例的半导体装置的框图；

图4是根据本发明的第三实施例的半导体装置的框图；

图5是根据本发明的第四实施例的半导体装置的框图；以及

图6示出显示了半导体装置的操作波形的例子的时序图。

具体实施方式

将在下文参考附图说明本发明的实施例。

图1是示出对应于根据本发明的第一实施例的半导体装置的驱动单元1的图。驱动单元1可以是具有由集成电路形成的配置的半导体装置，或者是具有由分立部件形成的配置的半导体装置。

驱动单元1是配置为通过以通/断的方式驱动晶体管部11的主晶体管12来驱动连接至第一导电部61或第二导电部62的电感负载(例如，电感器、电动机等)的半导体电路。能够提及例如将直流电压升压、降压或升/降压的变换器、执行直流电力和交流电力之间的电力转换的逆变器、或类似物，作为利用单个驱动单元1或多个驱动单元1的装置。

例如，在利用多个驱动单元1的装置中，提供了一种开关电路，在所述开关电路中，分别设置在高侧和低侧的开关元件10串联连接至连接有电感负载的中间节点。例如，作为利用多个驱动单元1的装置的例子的三相逆变器配备有如本文中提到的与其并联的三个开关元件。

导电部61是导电地连接至诸如电源的正电极或类似物的高电源电位部的电流路径，并且可以经由另一个开关元件或另一个负载间接地连接至高电源电位部。导电部62是导电地连接至诸如电源的负电极或类似物的低电源电位部(例如，接地电位部)的电流路径，并且可以经由另一个开关元件或另一个负载间接地连接至低电源电位部。

驱动单元1配备有开关元件10。开关元件10是被赋有电流感应功能的绝缘栅型电压控制半导体元件。开关元件10具有晶体管部11和二极管部14。

例如，在晶体管部11是绝缘栅双极晶体管(IGBT)的情况下，开关元件10是具有设置有晶体管部11和二极管部14的公共半导体衬底的二极管集成IGBT。二极管集成IGBT构造成使得二极管的阳极电极与IGBT的发射极电极构成公共电极，并且使得二极管的阴极电极和IGBT的集电极电极构成公共电极。二极管集成IGBT也称为反向导通IGBT(RC IGBT)。

功率晶体管元件，例如IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或类似物可提及作为晶体管部11的具体的例子。作为晶体管部11的例子的IGBT示于图1中。为了解释方便，下面的描述将在假设晶体管部11是IGBT的基础上进行说明。在晶体管部11是MOSFET的情况下，以下的说明可以在分别用“漏极”和“源极”代替“集电极”和“发射极”之后解读。

晶体管部11的栅极端子G是例如经由串联连接至栅极端G的栅极电阻器而连接至控制电路40的驱动电路43的控制端子。晶体管部11的集电极端子C是例如连接至连接点c并且经由连接点c连接至导电部61的第一主端子。晶体管部11的发射极端子E是例如连接至连接点d并且经由连接点d连接至导电部62的第二主端子。晶体管部11的感应发射极端子SE是例如连接至连接点b和经由连接点b连接至感应电阻器20的一端的感应端子。感应发射极端子SE经由如下的连接点d连接至导电部62：感应电阻器20的另一端连接至所述连接点d。

晶体管部11配置为包括主晶体管12和感应晶体管13。主晶体管12和感应晶体管13为例如IGBT或类似物的开关元件。感应晶体管13并联连接至主晶体管12。主晶体管12和感应晶体管13中的每一个可以由多个单元晶体管构成。

主晶体管12和感应晶体管13的栅电极g为共同连接至晶体管部11的栅极端子G的控制电极。主晶体管12和感应晶体管13的集电极电极c是共同连接至晶体管部11的集电极端子C的第一主电极。主晶体管12的发射极电极e是连接至晶体管部11的发射极端子E的第二主电极。感应晶体管13的感应发射极电极se是连接至晶体管部11的感应发射极端子SE的感应电极。

感应晶体管13是生成与流向主晶体管12的电流对应的电流的感应晶体管的例子，并且是如下的感应元件：随着流向主晶体管12的电流增加而增加的电流流向所述感应元件。感应晶体管13输出例如与流向主晶体管12的主电流Ie成比例的感应电流Ise。

例如，从集电极端子C流入晶体管部11的集电极电流以感应比(sense ratio)n分成流过主晶体管12的主电流Ie和流过感应晶体管13的感应电流Ise。感应电流Ise是根据主电流Ie以感应比n流动的电流，并且是如下的电流：使其值以感应比n小于主电流Ie。

感应比n表示感应电流Ise的幅度和主电流Ie的幅度之间的比率为l:n(n>1)。感应比n按照例如主晶体管12的发射极电极e的面积和感应晶体管13的感应发射极电极se的面积之间的比率而被确定。

主电流Ie在主晶体管12中流过集电极电极c和发射极电极e，并且从发射极端子E输出。从发射极端子E输出的主电流Ie经由连接点d流经导电部62。感应电流Ise在感应晶体管13中流过集电极电极c和感应发射极电极se，并且从感应发射极端子SE输出。从感应发射极端子SE输出的感应电流Ise经由感应电阻器20和连接点d流过导电部62。

另一方面，二极管部14配置为包括主二极管15和感应二极管16。

主二极管15是反向并联连接至主晶体管12的二极管的例子，并且是具有连接至发射极端子E的阳极以及连接至集电极端子C的阴极的反向导通元件。主二极管15的阳极电极是如下的P型电极：其连接至连接了发射极端子E的连接点d，并经由连接点d连接至导电部62。主二极管15的阴极电极是如下的N型电极：其连接至连接了集电极端子C的连接点c，并且经由连接点c连接至导电部61。

感应二极管16是生成与流向主二极管15的电流对应的电流的感应二极管的例子，并且是如下的感应元件：随着流向主二极管15的电流增加而增加的电流流向所述感应元件。感应二极管16输出例如与流向主二极管15的二极管电流Id成比例的感应二极管电流Isd。

感应二极管电流Isd是根据二极管电流Id以感应比m流动的电流，并且是如下电流：使其值以感应比m小于二极管电流Id。感应比m表示感应二极管电流Isd的幅度和二极管电流Id的幅度之间的比率为l:m(m>1)。

感应二极管16的阳极电极是如下的P型电极：其连接至连接了感应发射极端子SE的连接点b，并且经由感应电阻器20和连接点d连接至导电部62。感应二极管16的阴极电极是如下的N型电极：其连接至连接了集电极端子C的连接点c，并经由连接点c连接至导电部61。

驱动单元1具有设置在感应发射极端子SE和发射极端子E之间的感应电阻器20。感应电阻器20是如下的电阻器部的例子：在其一端连接至连接点b，并且在其另一端连接至连接点d，其中，连接点b共用地连接至感应晶体管13的感应发射极电极se和感应二极管16的阳极电极，连接点d共用地连接至主晶体管12的发射极电极e和主二极管15的阳极电极。

驱动单元1配备有具有如下检测单元的控制电路40：所述检测单元配置成基于感应电流Ise的幅度来检测主电流Ie的幅度，并基于感应二极管电流Isd的幅度来检测二极管电流Id的幅度。

控制电路40具有例如如下的检测单元：该检测单元配置为检测感应电流Ise的幅度并且通过检测当感应电流Ise流动时产生的感应电压Vse的幅度来检测主电流Ie的幅度。感应电流Ise流动时产生的感应电压Vse是其幅度根据感应电流Ise的幅度而变化的正电压。例如，由于感应电流Ise向感应电阻器20的流动，在感应电阻器20的两端产生感应电压Vse。

同样，控制电路40具有例如如下的检测单元：该检测单元配置为检测感应二极管电流Isd的幅度并且通过检测当感应二极管电流Isd流动时产生的感应电压Vse的幅度来检测二极管电流Id的幅度。感应二极管电流Isd流动时产生的感应电压Vse是其幅度根据感应二极管电流Isd的幅度而变化的负电压。例如，由于感应二极管电流Isd向感应电阻器20的流动，在感应电阻器20的两端产生感应电压Vse。

感应电压Vse是例如感应电阻器20的两端之间的电压，并且等于连接点b与连接点d之间的电位差。当感应二极管电流Isd沿与感应二极管16的正向方向相同的方向流向感应电阻器20时，感应电压Vse具有负电压值。此外，当感应电流Ise沿与感应二极管16的正向方向相反的方向流向感应电阻器20时，感应电压Vse具有正电压值。此外，当感应二极管电流Isd或感应电流Ise不流向感应电阻器20时，感应电压Vse为零。

二极管部14的感应比n和晶体管部11的感应比m被设定为使得感应二极管电流Isd与二极管电流Id的比率p变得比感应电流Ise与主电流Ie的比率q大。

在感应二极管电流Isd的幅度与二极管电流Id的幅度之间的比率设定为1:m的情况下，比率p等于1/m。在感应电流Ise的幅度与主电流Ie的幅度之间的比率设定为1:n的情况下，比率q等于1/n。m和n中的每个值都大于1。

例如，在m和n的值分别是1000和2000的情况下，比率p(＝1/1000)设定为大于比率q(＝1/2000)。

比率p被设定为大于比率q，因此，即使二极管电流Id和主电流Ie在幅度上彼此相等(即使电流值的绝对值彼此相等)，也能够使感应二极管电流Isd的幅度比感应电流Ise的幅度大。因此，即使当二极管电流Id的幅度相对小时，也能够产生其绝对值相对大的感应二极管电流Isd和感应电压Vse。因此，能够使二极管电流Id的检测灵敏度比主电流Ie的检测灵敏度高。

例如，当比率p大于比率q时，能够基于感应电压Vse来检测如过电流的相对大的主电流Ie，然而能够基于感应电压Vse来精确地检测到：零安培附近的二极管电流Id流向主二极管15。例如，控制电路40能够基于感应电压Vse检测到等于或大于预定值的主电流Ie流向主晶体管12，并能基于感应电压Vse检测到稍微大于零的二极管电流Id流向主二极管15。

然而，当比率p大于比率q时，即使相对小的二极管电流Id也能够使得产生其绝对值相对大的感应二极管电流Isd。因此，当过大的二极管电流Id出乎意料地流向主二极管15时，过大的感应二极管电流Isd流向感应电阻器20，从而可能导致感应电阻器20的劣化。

此外，感应电阻器20设定为小的值，以便与期望检测到的过大的主电流Ie的幅度对应。因此，即使在略大的感应二极管电流Isd流向感应电阻器20时，感应电阻器20也可能劣化。

因此，驱动单元1具有并联连接至感应电阻器20的钳位电路30。钳位电路30在其一端连接至连接点b和感应电阻器20的一端，并且在其另一端连接至连接点d和感应电阻器20的另一端。钳位电路30是如下的电路：当感应二极管电流Isd流向感应电阻器20时，所述电路将在感应电阻器20的两端产生的负感应电压Vse钳制在预定的钳位电压值。

因此，钳位电路30能抑制过大的负感应电压Vse，从而能够阻止由于负的过电压导致的感应电阻器20和连接至感应电阻器20的元件(例如，比较器49)的劣化。

此外，钳位电路30并联连接至感应电阻器20，使得电流流向钳位电路30。因此，感应二极管电流Isd能够分为流向感应电阻器20的电流I1和流向钳位电路30的电流I2。然后，钳位电路30具有足够电流容量，因此供给到感应电阻器20的电流可以分配到钳位电路30。因此，可以阻止感应电阻器20由于过电流而劣化。

钳位电路30的钳位电压值设定为小于当没有钳位电路30时感应二极管电流Isd的峰值电流值和感应电阻器20的电阻值的积(电压值)的值。

钳位电路30具有例如将负感应电压Vse钳制在预定的钳位电压值的二极管31。二极管31是如下PN结的例子：其正向方向与感应二极管16的正向方向相同，从而使感应二极管电流Isd流过二极管31。此外，二极管31以防止感应电流Ise流向钳位电路30的方式布置。因此，感应电流Ise流向感应电阻器20，而不是流向钳位电路30。

二极管31被布置且并联连接至感应电阻器20，并具有连接至连接点b和感应电阻器20的一端的阴极电极以及连接至连接点d和感应电阻器20的另一端的阳极电极。可以设置单个二极管31或多个二极管31。在图1中，两个二极管31彼此串联连接。

驱动单元1配备有控制电路40。控制电路40是基于感应电压Vse的检测结果来控制主晶体管12以及感应晶体管13的驱动的控制单元的例子。

当检测到由于感应二极管电流Isd流经感应电阻器20和钳位电路30而产生的负感应电压Vse时，控制电路40关断主晶体管12和感应晶体管13。因此，能防止当二极管电流Id流动时主晶体管12和感应晶体管13导通。此外，当二极管电流Id流动时，主晶体管12和感应晶体管13导通，所以能防止二极管部14的损耗增大。

例如，当检测出感应电压Vse等于或低于预定阈值(例如，零或预定的负电压值)时，控制电路40关断主晶体管12和感应晶体管13。

控制电路40具有电阻器41、电阻器54、比较器49、与电路42以及驱动电路43。

电阻器41和电阻器54中的每个都是将感应电压Vse等价转换成检测电压Va的转换单元的例子。电阻器54在其一端连接至连接点b和感应电阻器20的一端，而在其另一端连接至电阻器41的一端。电阻器41在其一端连接至电阻器54的另一端，并在其另一端连接至输出一定的基准电压VR1的基准电压部44。电阻器41的一端和电阻器54的另一端之间的连接点a连接至比较器49的非反相输入部。从连接点a输出的检测电压Va输入到比较器49的非反相输入部。

电阻器41和电阻器54能够将当感应二极管电流Isd流向感应电阻器20时生成的负感应电压Vse等价转换成正检测电压Va。因此，没有负电压输入到比较器49的非反相输入部，因此，能简化比较器49的非反相输入部的配置。

比较器49是判定感应电流Ise流向感应电阻器20还是感应二极管电流Isd流向感应电阻器20的判定电路的例子。比较器49能够检测感应二极管电流Isd停止流动或感应电流Ise开始流动，并且能够检测感应电流Ise停止流动或感应二极管电流Isd开始流动。

在当检测到感应电压Vse变化而跨越预定阈值Vth时，比较器49反转输出信号S6的电压电平。例如，比较器49具有连接至连接点a的非反相输入部以及连接至基准电压部50的反相输入部。基准电压部50输出一定的基准电压VR3到比较器49的反相输入部。也就是说，在这种情况下，在当检测到与感应电压Vse对应的检测电压Va变化而跨越基准电压VR3时，比较器49反转输出信号S6的电压电平。

当二极管电流Id流动时，感应二极管电流Isd也流动，所以感应电压Vse是负电压。当检测到感应电压Vse从负值变化到等于或大于零的值(即，零或正值)时，比较器49将输出信号S6从低电平变换成高电平。比较器49通过例如监测检测电压Va超过基准电压VR3来检测感应电压Vse从负值变化到等于或大于零的值(即，零或正值)。

另一方面，当主电流Ie流动时，感应电流Ise也流动，所以感应电压Vse是正电压。当检测到感应电压Vse从正值改变成等于或者小于零的值(即，零或负值)时，比较器49将输出信号S6从高电平变换成低电平。比较器49通过例如监测检测电压Va变为低于基准电压VR3来检测感应电压Vse从正值变化成等于或小于零的值(即，零或负值)。

比较器49的输出信号S6输入到与电路42。

与电路42是基于命令信号S1的电压电平和输出信号S6的电压电平来判定主晶体管12和感应晶体管13是应当导通还是应当关断的判定单元的例子。与电路42计算命令信号S1与输出信号S6的逻辑积，并输出预驱动信号S2。命令信号S1是用于命令主晶体管12和感应晶体管13导通/关断的信号，并且是从外部装置(诸如微型计算机或类似物)供给的信号(例如，脉冲宽度调制信号)。

在命令信号S1和输出信号S6中的至少一个是命令主晶体管12和感应晶体管13关断的低电平信号的情况下，与电路42输出低电平预驱动信号S2。低电平预驱动信号S2为用于关断主晶体管12和感应晶体管13的信号。也就是说，当输出信号S6在低电平时，即使接收到用于命令主晶体管12和感应晶体管13导通的高电平命令信号S1，与电路42仍然输出低电平预驱动信号S2。

另一方面，在命令信号S1和输出信号S6两者都是用于命令主晶体管12和感应晶体管13导通的高电平信号的情况下，与电路42输出高电平预驱动信号S2。高电平预驱动信号S2为用于导通主晶体管12和感应晶体管13的信号。

驱动电路43输出与从与电路42输出的预驱动信号S2同相位的栅极驱动信号S3。驱动电路43将预驱动信号S2的电压电平变换至更高电平，并输出电压电平比预驱动信号S2的电压电平高的栅极驱动信号S3，使得主晶体管12和感应晶体管13能够被驱动。

因此，当检测到二极管电流Id流向主二极管15时，控制电路40能够关断主晶体管12和感应晶体管13。另一方面，当检测到正常的主电流Ie流向主晶体管12时，能够导通主晶体管12和感应晶体管13。

图2示出显示驱动单元1的操作波形的例子的时序图。命令信号S1是用于命令主晶体管12和感应晶体管13导通/关断的信号。电流Isw是流过导电部62的电流，并且近似等于主电流Ie和二极管电流Id之和。顺便说一下，检测电流Ise足够小于主电流Ie，并且感应二极管电流Isd足够小于二极管电流Id。因此，感应电流Ise和感应二极管电流Isd的幅度相对于电流Isw是可忽略的。

电流Isw具有负值的时段表示电流Isw沿与主二极管15和感应二极管16的正向方向相同的方向流动。主二极管15和感应二极管16的正向方向是从阳极电极朝向阴极电极的方向。另一方面，电流Isw具有正值的时段表示电流Isw沿与主二极管15和感应二极管16的正向方向相反的方向流动。与主二极管15和感应二极管16的正向方向相反的方向是从集电极端子C朝向发射极端子E或感应发射极端子SE的方向。

当二极管电流Id流动时，感应二极管电流Isd流动，所以感应电压Vse是低电平负电压。当感应电压Vse是低电平负电压时，输出信号S6处于低电平。结果，当命令信号S1处于高电平并且输出信号S6处于低电平时，栅极驱动信号S3处于低电平，因此主晶体管12和感应晶体管13两者都关断。由于主晶体管12和感应晶体管13两者都关断，所以防止了主电流Ie和感应电流Ise流动。因此，当阻止主电流Ie和感应电流Ise流动时，电流Isw近似等于二极管电流Id、流向感应电阻器20的电流I1和流向钳位电路30的电流I2的和。

随着二极管电流Id减小，感应二极管电流Isd也减小。感应二极管电流Isd近似等于电流I1和电流I2的和。当二极管电流Id减小到零安培时，电流Isw也变为近似等于零安培。在电流Isw从负值变换到正值的零安培的附近，输出信号S6从低电平变换到高电平(参见时刻t1和t4)。因此，栅极驱动信号S3处于高电平。

结果，当命令信号S1处于高电平并且输出信号S6处于高电平时，栅极驱动信号S3处于高电平，所以主晶体管12和感应晶体管13两者都导通。由于主晶体管12和感应晶体管13两者都导通，主电流Ie和感应电流Ise逐渐增大，所以电流Isw也逐渐增大(参见时段t1-t2和时段t4-t5)。

在图2中，波形b1表示没有钳位电路30的情况，而波形b2表示钳位电路30存在的情况。在任一情况下，感应二极管电流Isd与二极管电流Id的比率p被设定为比感应电流Ise与主电流Ie的比率q大。

在当没有钳位电路30的波形b1的情况下，比率p大于比率q，因此感应电压Vse的负峰值的绝对值比感应电压Vse的正峰值的绝对值大。在图2的情况下，产生约-4.8V的负峰值电压和约1.8V的正峰值电压。

对比之下，在当钳位电路30存在时的波形b2的情况下，当电流Isw的检测灵敏度维持在零安培的附近时，感应电压Vse的负峰值电压保持等于约-2.3V。因此，能够抑制感应电阻器20本身或连接至感应电阻器20的元件由于负的过电压而劣化。

当命令信号S1从高电平变换到低电平时，栅极驱动信号S3从高电平变换到低电平(参见时刻t2和t5)，这样主晶体管12和感应晶体管13两者都关断。由于主晶体管12和感应晶体管13两者都关断，所以阻止了主电流Ie和感应电流Ise流动(参见时段t2-t3和时段t5-t6)。

随着主电流Ie减小，感应电流Ise也减小。感应电流Ise近似等于电流I1。由于二极管31，感应电流Ise不流向钳位电路30。当主电流Ie减小到零安培时，电流Isw也变为约等于零安培。在电流Isw从正值变换到负值的零安培的附近，输出信号S6从高电平变换到低电平(参见时刻t2和t5)。因此，栅极驱动信号S3处于低电平。

图3是示出与根据本发明的第二实施例的半导体装置对应的驱动单元2的图。将不描述与上述驱动单元1相同的配置和效果。驱动单元2配备了具有如下过电流检测电路的控制电路45：所述过电流检测电路基于由于电流I1向感应电阻器20的流动产生的正感应电压Vse来关断主晶体管12和感应晶体管13。

比较器46是过电流检测电路的例子。比较器46具有连接至连接点b和感应电阻器20的一端的反相输入部以及连接至输出一定的基准电压VR2的基准电压部47的非反相输入部。基准电压VR2是用于判定主电流Ie是否是过电流的阈值电压。

当二极管电流Id流动时，感应电压Vse比基准电压VR2低，因此比较器46输出高电平输出信号S4。此外，当比过电流小的正常的主电流Ie流向主晶体管12时，感应电压Vse比基准电压VR2低，因此比较器46输出高电平输出信号S4。此外，当等于或大于预定值的过大的主电流Ie流向主晶体管12时，感应电压Vse变得比基准电压VR2高，因此比较器46输出低电平输出信号S4。

控制电路45具有与电路48，比较器49的输出信号S6和比较器46的输出信号S4被输入到与电路48。与电路48是基于输出信号S4的电压电平和输出信号S6的电压电平来判定主晶体管12和感应晶体管13应当导通还是应当关断的判定单元的例子。与电路48计算输出信号S4与输出信号S6的逻辑积，并输出输出信号S5。

与电路42是基于命令信号S1的电压电平和输出信号S5的电压电平来判定主晶体管12和感应晶体管13应当导通还是应当关断的判定单元的例子。与电路42计算命令信号S1与输出信号S5的逻辑积，并输出预驱动信号S2。

因此，当检测到二极管电流Id流向主二极管15或过大的主电流Ie流向主晶体管12这二者中的至少任何一者时，控制电路45能够关断主晶体管12和感应晶体管13。另一方面，当检测到正常的主电流Ie流向主晶体管12时，能够导通主晶体管12和感应晶体管13。

图4是示出与根据本发明的第三实施例的半导体装置对应的驱动单元3的视图。将不再描述与上述驱动单元1或2相同的配置和效果。驱动单元3配备有将负感应电压Vse钳制在预定的钳位电压值的钳位电路34。

钳位电路34具有将负感应电压Vse钳制在预定的钳位电压值的二极管32和齐纳二极管33。通过调节齐纳二极管33的齐纳电压，负感应电压Vse所被钳制在的钳位电压值可以很容易地设定为任何值。

二极管32是如下PN结的例子：其在正向方向上与感应二极管16相同，使得感应二极管电流Isd流过二极管32。此外，二极管32以防止感应电流Ise流向钳位电路34的方式布置，因此感应电流Ise流向感应电阻器20，而不是流向钳位电路34。

二极管32被布置且并联连接至感应电阻器20，并具有连接至连接点b和感应电阻器20的一端的阴极电极以及经由齐纳二极管33连接至连接点d和感应电阻器20的另一端的阳极电极。可以设置单个二极管32或多个二极管32。多个二极管32可彼此串联连接。

齐纳二极管33是如下的二极管：其正向方向与感应二极管16的正向方向相反，使得感应二极管电流Isd仅当感应电压Vse等于或高于齐纳二极管33的齐纳电压时才流过齐纳二极管33。

当感应电压Vse等于或高于齐纳二极管33的齐纳电压时，感应二极管电流Isd流向钳位电路34和感应电阻器20。当感应电压Vse比齐纳二极管33的齐纳电压低时，感应二极管电流Isd流向感应电阻器20，而不是流向钳位电路34。

齐纳二极管33串联连接至二极管32，并且具有连接至连接点d的阴极电极以及连接至二极管32的阳极电极的阳极电极。顺便说一下，布置齐纳二极管33的位置和布置二极管32的位置可互相替换。

图5是示出与根据本发明的第四实施例的半导体装置对应的驱动单元4的视图。将不描述与上述驱动单元1、2或3相同的配置和效果。驱动单元4配备有将负感应电压Vse钳制在预定的钳位电压值的钳位电路37。

钳位电路37配备有具有寄生二极管36的晶体管35，寄生二极管36在正向方向上与感应二极管16相同，使得感应二极管电流Isd流过钳位电路37。晶体管35是具有与其并联的PN结的开关元件的例子。

由于晶体管35的导通，晶体管35的导通电阻与感应电阻器20合成，所以负感应电压Vse所被钳制在的钳位电压值能够以接近零的这样一种方式升高。即，能够通过将感应电压Vse的负峰值电压的绝对值保持为小，来抑制过大的负电压的发生。晶体管35的导通电阻的电阻值比感应电阻器20的电阻值低。

图5例示了晶体管35是N沟道型MOSFET的情况。在这种情况下，晶体管35具有：栅电极，输出信号S7输入至所述栅电极；漏极电极，其连接至连接点b和感应电阻器20的一端；以及源极电极，其连接至连接点d和感应电阻器20的另一端。晶体管35可以是诸如双极晶体管或类似物的具有与其并联的PN结的另外的开关元件。

驱动单元4具有钳位控制电路53，当感应二极管电流Isd流动时，钳位控制电路53输出用于导通晶体管35的高电平输出信号S7。高电平输出信号S7输入到晶体管35的栅电极，因此当感应二极管电流Isd流动时，晶体管35导通。

钳位控制电路53具有监测晶体管35的源极和漏极之间流动的电流I4的监测电路55。钳位控制电路53基于由监测电路55检测的电流I4的结果而输出用于控制晶体管35的驱动的输出信号S7。

监测电路55是例如具有监测电阻器56和串联连接至监测电阻器56的晶体管57的串联电路，并且是并联连接至钳位电路37的晶体管35的电路。

与流向晶体管35的电流I4对应的电流I5流过监测电阻器56。监测电阻器56在其一端处连接至感应电阻器20的一端和连接点b，而在其另一端处经由晶体管57连接至感应电阻器20的另一端和连接点d。

晶体管57是与晶体管35的导通/关断同步地控制流向监测电阻器56的电流I4的控制元件的例子。当晶体管35导通时，晶体管57导通，当晶体管35关断时，晶体管57关断。晶体管57一导通，电流I5就流动。晶体管57一关断，电流I5就停止流动。感应电压Vse2是由于电流I5的流动而产生的。

图5例示了晶体管57是N沟道型MOSFET的情况。在这种情况下，晶体管57具有：栅电极，输出信号S7输入至所述栅电极；漏极电极，其连接至监测电阻器56的另一端；以及源极电极，其连接至连接点d和感应电阻器20的另一端。晶体管57可以是如双极晶体管或类似物的另外的开关元件。

当晶体管57导通时，监测电路55从连接点e输出与电流I4的幅度对应的感应电压Vse2。感应电压Vse2的绝对值比感应电压Vse1的绝对值小了监测电阻器56的电压降。感应电压Vse1是在感应电阻器20的两端产生的电压。连接点e是监测电阻器56和晶体管57连接至彼此的节点。

钳位控制电路53具有RS触发器58。RS触发器58在命令信号S1的上升沿将输出信号S7从低电平变换到高电平(参见图6中的时刻t3和t6)。通过将输出信号S7变换到高电平，RS触发器58将晶体管35和晶体管57从关断变换至导通。由于晶体管35和晶体管57的导通，感应二极管电流Isd能够流过感应电阻器20、钳位电路37和监测电路55。

另一方面，在当感应电压Vse2升高到高于阈值(在这种情况下为零)时(即，在当输出信号S6从低电平变换为高电平时)，RS触发器58将输出信号S7从高电平变换到低电平(参照图6中的时刻t1和t4)。通过将输出信号S7变换为低电平，RS触发器58将晶体管35和晶体管57从导通变换到关断。由于晶体管35和晶体管57的关断，允许感应电流Ise流向感应电阻器20，并禁止其流过钳位电路37和监测电路55。

驱动单元4配备有控制电路51。控制电路51是基于感应电压Vse1的检测结果来控制主晶体管12以及感应晶体管13的驱动的控制单元的例子。

控制电路51具有比较器59、比较器46、与电路48、与电路42和驱动电路43。

比较器59是判定感应电流Ise流向感应电阻器20还是感应二极管电流Isd流向感应电阻器20的判定电路的例子。比较器59能检测感应二极管电流Isd停止流动或者感应电流Ise开始流动，并且能够检测感应电流Ise停止流动或感应二极管电流Isd开始流动。

在当检测到感应电压Vse2变化而跨越预定阈值Vth时，比较器59反转输出信号S6的电压电平。例如，比较器59具有连接至连接点e的非反相输入部以及连接至连接点d的反相输入部。在这种情况下，阈值Vth设定为零。

当二极管电流Id流动时，感应二极管电流Isd也流动，所以感应电压Vse1是负电压。当检测到感应电压Vse1从负值改变为等于或大于零的值(即，零或正值)时，比较器59将输出信号S6从低电平变换到高电平。比较器59通过例如监测感应电压Vse2超过基准电压(在此情况下为零)来检测感应电压Vse1从负值改变为等于或大于零的值(即，零或正值)。

当输出信号S6从低电平变换到高电平时，晶体管35和晶体管57关断。当晶体管35和晶体管57都关断时，感应电流Ise流向感应电阻器20，同时没有电流流向钳位电路37和监测电路55。

另一方面，当主电流Ie流动时，感应电流Ise也流动，所以感应电压Vse1是正电压。在这种情况下，感应电压Vse2近似等于感应电压Vse2。当检测到感应电压Vse1从正值改变为等于或小于零的值(即，零或负值)时，比较器59将输出信号S6从高电平变换到低电平。比较器59通过例如监测感应电压Vse2下降到基准电压(在此情况下为零)以下来检测感应电压Vse1从正值改变为等于或小于零的值(即，零或负值)。

图6示出示出了驱动单元4的操作波形的例子的时序图。在图6中，波形b2表示在由图1的二极管31钳制的情况下的感应电压Vse1。相比之下，波形b3表示在由图5的晶体管35钳制的情况下的感应电压Vse1，而波形e1表示在通过晶体管35钳制的情况下的感应电压Vse2。在任一情况下，感应二极管电流Isd与二极管电流Id的比率p被设定为比感应电流Ise与主电流Ie的比率q大。

如图所示，在将电流Isw的检测灵敏度维持在零安培的附近时，感应电压Vse1的负峰值电压保持等于约-1.5V。因此，能抑制元件因负的过电压而劣化。

顺便说一下，控制电路51的RS触发器58可在命令信号S1的下降沿将输出信号S7从低电平变换为高电平并且导通晶体管35和晶体管57(在图6中的时刻t2和t5)。即，晶体管35和晶体管57可以与用于检测命令信号S1的上升沿或下降沿的时刻同步地导通。

例如，控制电路51可以在从感应电流Ise停止流动的检测时刻t2到感应二极管电流Isd开始流动的检测时刻t3的时段内的任何时刻导通晶体管35和晶体管57。这同样适用于从时刻t5到时刻t6的时段。

以这种方式，晶体管35在当主晶体管12导通时导通，因此，在感应二极管电流Isd的绝对值最大时，感应电压Vse1和Vse2的负峰值电压的绝对值可保持为较小。

此外，流向钳位电路37的电流I4通过晶体管57监测，并且在当电流I4停止流动时，晶体管35和晶体管57关断。因此，能引起感应电流Ise流向感应电阻器20，而不是引起感应电流Ise流向钳位电路37和监测电路55。因此，能够防止感应电阻器20操作而错误地检测主晶体管12的过电流。

此外，能够通过调节晶体管57与晶体管35的感应比、晶体管35或晶体管57的导通电阻的电阻值、监测电阻器56的电阻值等来调节二极管电流Id的检测灵敏度。即，能够提高调节二极管电流Id的检测灵敏度的自由度。

虽然上面已经参照本发明的实施例描述了半导体装置，但本发明并不限制于其上述实施例。诸如与本发明的其他实施例的一个、一些或全部的组合、替换等的各种修改和改进能够落入本发明的范围内。

例如，诸如晶体管或类似物的所述开关元件并不限制于IGBT，而是可以是N沟道型MOSFET或P沟道型MOSFET。

此外，也不是绝对要求仅提供单个感应电阻器。可以提供多个感应电阻器。这同样适用于二极管或齐纳二极管。

Claims (16)

1.一种半导体装置，其特征在于包括：

晶体管；

二极管，其反向并联连接至所述晶体管；

感应晶体管，其配置为产生与流向所述晶体管的电流对应的感应电流；

感应二极管，其配置为产生与流向所述二极管的电流对应的感应二极管电流；

电阻器，在所述电阻器的一端处所述电阻器连接至所述感应晶体管的发射极和所述感应二极管的阳极，并且在所述电阻器的另一端处所述电阻器连接至所述晶体管的发射极和所述二极管的阳极；以及

钳位电路，其配置为钳制当所述感应二极管电流流动时在所述电阻器中产生的电压，其中

所述感应二极管电流与流向所述二极管的所述电流的比率大于所述感应电流与流向所述晶体管的所述电流的比率。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于

所述钳位电路具有如下的PN结：所述PN结的正向方向与所述感应二极管的正向方向相同。

3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于

所述PN结布置为与所述电阻器并联。

4.根据权利要求2或3所述的半导体装置，其特征在于

所述钳位电路配备有开关元件，所述开关元件具有与所述开关元件并联的所述PN结。

5.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于进一步包括

钳位控制电路，其配置为当所述感应二极管电流流动时导通所述开关元件。

6.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于

所述钳位控制电路配置为当检测到所述感应二极管电流开始流动时、或当检测到所述感应电流停止流动时，导通所述开关元件。

7.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于

所述钳位控制电路配置为当所述感应电流流动时关断所述开关元件。

8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于

所述钳位控制电路配置为当检测到所述感应二极管电流停止流动时、或当检测到所述感应电流开始流动时，关断所述开关元件。

9.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于

所述钳位控制电路具有配置为监测流向所述开关元件的电流的监测电路，并且

所述钳位控制电路配置为基于通过所述监测电路监测的结果来控制所述开关元件的驱动。

10.根据权利要求9所述的半导体装置，其特征在于

所述监测电路具有监测电阻器，与流向所述开关元件的所述电流对应的电流流向所述监测电阻器。

11.根据权利要求10所述的半导体装置，其特征在于

所述监测电路具有控制元件，所述控制元件配置为与所述开关元件的导通/关断同步地控制流向所述监测电阻器的所述电流。

12.根据权利要求2或3所述的半导体装置，其特征在于

所述钳位电路具有与所述PN结串联的齐纳二极管，

所述齐纳二极管的正向方向与所述感应二极管的所述正向方向相反。

13.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于进一步包括：

控制单元，其基于通过所述电阻器产生的感应电压的检测结果来控制所述晶体管的驱动。

14.根据权利要求13所述的半导体装置，其特征在于

所述控制单元配置为当电流流向所述二极管时关断所述晶体管。

15.根据权利要求14所述的半导体装置，其特征在于

所述控制单元配置为当电流流向所述二极管时，即使接收到导通所述晶体管的命令也关断所述晶体管。

16.根据权利要求13所述的半导体装置，其特征在于

所述控制单元配置为当检测到电流流向所述二极管或者等于或大于预定值的电流流向所述晶体管这二者中的至少任何一者时，关断所述晶体管。