CN107155387B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

半导体装置具有钳位电路(24)和彼此串联连接的多个自消弧元件(12)。多个自消弧元件(12)具有控制端子及多个主电极端子。钳位电路(24)在该多个自消弧元件(12)断开时将该多个自消弧元件(12)的主电极端子间电压钳位至钳位电压，该钳位电压规定为小于或等于自消弧元件(12)所具有的静态耐压的70％。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及一种半导体装置。
背景技术
以往，电力变换装置所使用的半导体元件的主流是GTO晶闸管及GCT等压接型半导体。但是近年来，IGBT等自消弧元件成为主流，将多个自消弧元件串联连接而使用的例子不断增多。作为一个例子，已知将多个自消弧元件串联连接而构成1个桥臂的技术。IGBT等自消弧元件与上述的压接型半导体相比通断速度更快。存在下述问题，即，在桥臂截止时，如果对构成桥臂的各个自消弧元件没有均匀地施加电压，则会对特定的半导体元件施加过电压。关于这一点，在下述专利文献1(日本特开2004－140891号公报)中公开了下述技术，即，通过对施加于半导体元件的主电极的过电压进行钳位，从而保护半导体元件。
专利文献1：日本特开2004－140891号公报
发明内容
根据本发明人通过专心研究而发现的见解来看，在断开后，有时在串联连接的多个自消弧元件之间，电压变得不平衡(unbalance)。由该电压不平衡引起对一部分自消弧元件施加大的电压，因而存在该电压可能超过半导体的静态耐压等问题。上述专利文献1所涉及的保护电路不过是在施加了过电压时用于保护半导体元件的保护电路，如果未产生过电压，则保护电路不进行动作。由于本发明人发现的电压不平衡是与以往的过电压不同的现象，因此通过以往的保护电路不能抑制上述的电压不平衡。
本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供一种半导体装置，该半导体装置能够在断开后抑制多个半导体元件之间的电压不平衡。
本发明所涉及的半导体装置具有：多个第1自消弧元件，它们彼此串联连接，具有控制端子及多个主电极端子；以及钳位单元，其分别与所述多个第1自消弧元件连接，在所述第1自消弧元件断开时将所述第1自消弧元件的主电极端子间电压钳位至钳位电压，该钳位电压规定为小于或等于所述第1自消弧元件所具有的静态耐压的70％。
发明的效果
根据本发明，由于以与静态耐压相比充分低的电平有意地对自消弧元件的主电极端子间电压进行钳位，因此能够抑制多个自消弧元件之间的电压不平衡。
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图。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的图。
图4是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的图。
图5是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的图。
图6是表示本发明的实施方式1的变形例所涉及的半导体装置的图。
图7是为了对实施方式的效果进行说明而示出的对比例的图。
图8是本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的动作波形图。
图9是表示本发明的实施方式1的变形例所涉及的半导体装置的图。
图10是表示本发明的实施方式1的变形例所涉及的半导体装置的图。
图11是表示本发明的实施方式1的变形例所涉及的半导体装置的图。
图12是表示本发明的实施方式1的变形例所涉及的半导体装置的图。
图13是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的图。
图14是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的图。
图15是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的图。
具体实施方式
实施方式1
图1～5是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置1的图。图1表示将半导体装置1设为3相逆变器的情况下的例子。图2所示的支路2是上桥臂和下桥臂串联连接而成的，相当于逆变器电路的1个支路。图3示出能够应用于上桥臂或者下桥臂的桥臂10。就半导体装置1而言，通过使用2个图3的桥臂10而构成图2所示的支路2，将支路2并联连接3个，从而如图1所示构成具有U、V、W这3相的逆变器电路。如图1所示，支路2的一端与P母线连接，支路2的另一端与N母线连接，P母线、N母线与电源Ed连接。另外，各支路2的输出Out供给至作为负载的电动机3。
图3所示的桥臂10具有：栅极控制单元21；钳位电路24；自消弧元件12，其具有作为控制端子的栅极、作为主电极端子的发射极以及集电极，该自消弧元件12具有静态耐压Va；续流二极管13，其在自消弧元件12的主电极端子间反向并联连接；以及平衡元件14，其用于保持静态耐压的分压平衡。桥臂10是将2个自消弧元件12串联连接得到的。平衡元件14例如是电阻或者缓冲电容器等。在实施方式1中，自消弧元件12是IGBT。但是，自消弧元件12也可以是MOSFET或者双极晶体管等。图3所示的桥臂10也可以是作为1个半导体模块而提供的。桥臂10是将2个自消弧元件12串联连接，但本发明不限于此，在将n设为大于或等于3的整数的情况下，也可以将n个自消弧元件12串联连接而构成1个桥臂。
在图4中示出钳位电路24的电路图。钳位电路24连接于自消弧元件12的集电极－栅极间。钳位电路24是以相同的阳极、阴极的朝向而将多个齐纳二极管15串联连接得到的，能够进行钳位电压设定值Vclp的调整。在多个齐纳二极管15的串联电路中，最端部的齐纳二极管15的阴极与自消弧元件12的集电极连接，相反侧的端部的齐纳二极管15的阳极经由整流二极管16与栅极控制单元21连接。通过与齐纳二极管15反向地将整流二极管16串联连接，从而能够防止电流从栅极控制单元21侧回流。由齐纳二极管15进行调整的钳位电压设定值Vclp设定为小于或等于静态耐压的70％。并且，优选钳位电压设定值Vclp为大于或等于静态耐压的50％。为了抑制串联连接的多个自消弧元件12之间的电压在转换为断开时变得不平衡，将钳位电路24插入至栅极－集电极间，将钳位电压设定值Vclp设定得较低以可靠地发生钳位。
图5表示图4所示的栅极控制单元21的内部电路的一个例子和钳位电路24的连接位置。栅极控制单元21具有：推挽电路22，其与自消弧元件12的控制端子连接；逆变器元件23，其接收输入信号；以及电阻Rgc，其插入至推挽电路22和逆变器元件23之间。在图5中，图4所示的钳位电路24的一端连接于栅极电阻Rg和栅极控制单元21的连接点。此外，图6是表示本发明的实施方式1的变形例所涉及的半导体装置1的图。此外，如图6所示，也可以是钳位电路24的一端与栅极控制单元21内的推挽电路22的前级连接。
图7是为了对实施方式的效果进行说明而示出的对比例的图。在图7中示出不具有本实施方式所涉及的钳位电路24的情况下的串联连接的2个自消弧元件12的断开波形。串联连接的2个自消弧元件12的集电极－发射极间电压V1、V2之差在断开完成后(稳定状态)扩大。
图8是本发明的实施方式1所涉及的半导体装置1的动作波形图。图8示出半导体装置1的桥臂10所具有的2个自消弧元件12断开时的电流I及电压V1、V2各自的波形。电压Vx是电压V1和电压V2的平均值，还分别图示出静态耐压Va及钳位电压设定值Vclp。电压V1是2个自消弧元件12中的一个的集电极－发射极间电压，电压V2是2个自消弧元件12中的另一个的集电极－发射极间电压。在断开完成后即稳定状态下，2个自消弧元件12的集电极－发射极间电压V1、V2接近至均等的大小。因此，能够实现可靠性高的半导体装置1。对这一点更详细地进行说明，在进行了串联连接的2个自消弧元件12的通断的情况下，在转换为断开时发生由电流下降所导致的电涌电压，到达至钳位电压设定值Vclp。如果到达至钳位电压设定值Vclp，则串联连接的2个自消弧元件12在变得完全没有电流之前各自的电流下降速度是恒定的，表观上，串联连接的2个自消弧元件12的阻抗成为平衡状态。如上所述，以与静态耐压相比充分低的电平有意地对集电极发射极间电压进行钳位，从而能够使串联连接的多个自消弧元件12的电流下降速度恒定，抑制断开时以及刚断开后的电压V1和电压V2的不平衡。
如果钳位电压设定值Vclp过高，则在通常的断开时，钳位电路24不会如所期望的那样进行动作。对于以往的设想到过电压保护的钳位电压设定值Vclp而言，考虑的是与静态耐压相同、即静态耐压的100％的值，或者充其量是静态耐压的80％～90％左右。如果设为上述的钳位电压设定值Vclp，则如以往的过电压保护电路的目的那样，钳位电路仅在过电压时进行动作。因此，在本实施方式中，钳位电压设定值Vclp设为小于或等于静态耐压的70％。由此，能够在通常的断开时使钳位电路24进行动作。另一方面，如果钳位电压设定值Vclp过低，则会对钳位电路24施加高的负载，因此不优选。因此，优选钳位电压设定值Vclp设为大于或等于静态耐压的50％。
图9～12是表示本发明的实施方式1的变形例所涉及的半导体装置1的图。图9的支路102是图2所示的支路2的变形例，在1个支路串联连接了8个自消弧元件12。如图9所示，支路102还具有二极管D11、D12、D21、D22以及电容器C1、C2。图10是表示图9所示的支路102所包含的桥臂110的电路图。由于如图2或图9所示的3电平逆变器或者多电平逆变器的具体的电路结构已经是公知的，不是新事物，因此省略说明。半导体装置1例如能够变形为2电平逆变器、3电平逆变器、或者大于或等于4个电平的多电平逆变器等，相数也是根据需要适当地决定为单相或者3相等即可。
图11所示的变形例是在桥臂10和P母线之间连接了电感18。在通过按照图11构成的电路进行了通断动作的情况下，由于电感18使电路电感增加，因此在转换为断开时产生的电涌电压比图8高。优选使电路电感增加至例如200nH～几μH左右。通过使电路电感18增大，从而能够容易地产生大于或等于钳位电压设定值Vclp的电涌电压。因此，变得容易达到钳位电压设定值Vclp，能够稳定地使钳位电路24进行动作。
图12示出作为变形例的钳位电路122。钳位电路122与钳位电路24同样地连接于自消弧元件12的集电极－栅极间。钳位电路122是自消弧元件17和整流二极管16串联连接而得到的，该自消弧元件17具有自钳位功能，该整流二极管16用于防止来自栅极控制单元21的反向电流。在图12的变形例中，自消弧元件17是IGBT，但是也可以是MOSFET或者双极晶体管等。自消弧元件17的集电极与自消弧元件12的集电极连接，自消弧元件17的发射极与整流二极管16的阳极连接。自消弧元件17以自消弧元件12的静态耐压的60％～70％左右的电压进行自钳位。具有自钳位能力的自消弧元件17例如具有1.7kV～10kV的静态耐压。
实施方式2
图13～15是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置201的图。图13是半导体装置201的整体电路图。图14是示意性地表示半导体装置201所具有的半导体模块212的内部构造的俯视图，图15是半导体模块212的电路图。半导体模块212具有并联连接的多个自消弧元件12和并联连接的多个续流二极管13。自消弧元件12和续流二极管13彼此反向并联连接。
具有自钳位能力的自消弧元件19与自消弧元件12并联连接。具体地说，自消弧元件19是IGBT或者MOSFET。就实施方式2所涉及的半导体模块212而言，自消弧元件12不具有实施方式1所涉及的钳位电路24。
自消弧元件19发挥自钳位功能的电压设为与实施方式1中的钳位电路24等的钳位电压设定值Vclp相同的值。作为一个例子，优选自消弧元件19的静态耐压小于或等于自消弧元件12及续流二极管13的静态耐压的70％，进一步地，更优选大于或等于自消弧元件12及续流二极管13的静态耐压的50％。根据本实施方式，如果自消弧元件19的发射极－集电极电压成为自消弧元件12等的静态耐压的50％～70％左右，则自消弧元件19发挥自钳位功能。另外，自消弧元件19与自消弧元件12相比导通电阻更高。由此，能够使电流优先地流过并联连接的自消弧元件12、19中的自消弧元件12。
如图13所示，实施方式2所涉及的半导体装置201是在实施方式1所涉及的半导体装置1的基础上将图1所示的自消弧元件12分别置换为半导体模块212。因此，在实施方式2中，通过将2个半导体模块212串联连接，从而构成1个桥臂210，将2个该桥臂210串联连接而构成1个支路202，将多个该支路202并联连接而构成逆变器电路。由于3个自消弧元件包含于1个半导体模块212，因此在实施方式2中，1个桥臂210包含合计6个自消弧元件。此外，本发明不限于此，在1个半导体模块212内并联连接的自消弧元件12的个数也可以大于或等于3个。另外，也可以通过将大于或等于3个半导体模块212串联连接，从而构成1个桥臂。
根据半导体模块212，在转换为断开时产生的电涌电压由自消弧元件19予以限制，对电涌电压进行钳位。因此，串联连接的多个自消弧元件12、19在电流完全下降之前，电流下降速度是恒定的，表观上，串联连接的多个自消弧元件12、19的阻抗是平衡状态。因此，得到对断开时以及刚断开后的电压不平衡进行抑制的效果。如上所述，根据本实施方式，以与静态耐压相比充分低的电平有意地对集电极发射极间电压进行钳位，从而在串联连接的多个半导体模块212所包含的自消弧元件12、19之间，电流下降速度变得恒定，能够对断开时以及刚断开后的电压不平衡进行抑制。
优选具有自钳位能力的自消弧元件19是SiC器件。具体地说，例如优选是SiC制的MOSFET等。也可以将自消弧元件19置换为SiC制的肖特基势垒二极管。由此，钳位耐量提高，并且可靠性提高。
标号的说明
1、201 半导体装置，2、102、202 支路，10、110、210 桥臂，12、17、19 自消弧元件，13 续流二极管，14 平衡元件，15 齐纳二极管，16 整流二极管，18 电感，21 栅极控制单元，22 推挽电路，23 逆变器元件，24 钳位电路，122 钳位电路，212 半导体模块。

Claims (7)

1.一种半导体装置，其具有：
多个第1自消弧元件，它们彼此串联连接，具有控制端子及多个主电极端子；以及
钳位单元，其分别与所述多个第1自消弧元件连接，在所述第1自消弧元件断开时将所述第1自消弧元件的主电极端子间电压钳位至钳位电压，该钳位电压规定为小于或等于所述第1自消弧元件所具有的静态耐压的70％，
所述钳位单元包含钳位用自消弧元件，该钳位用自消弧元件具有第1端子、第2端子、以及用于对所述第1、2端子进行通断的第3端子，该钳位用自消弧元件以下述方式插入至所述主电极端子和所述控制端子之间，即，所述第1端子与所述主电极端子侧连接，将所述第2端子与所述控制端子侧连接，
所述钳位用自消弧元件进行自钳位的电压是所述第1自消弧元件的静态耐压的50％～70％。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述多个第1自消弧元件中的大于或等于2个自消弧元件构成第1桥臂，所述多个第1自消弧元件中的其他的大于或等于2个自消弧元件构成第2桥臂，所述第1桥臂及所述第2桥臂彼此串联连接而构成1个支路，
所述钳位单元设置于所述第1桥臂及所述第2桥臂各自的所述第1自消弧元件，
所述半导体装置具有将多个所述支路进行了并联连接的逆变器电路。
3.一种半导体装置，其具有：
多个第1自消弧元件，它们彼此串联连接，具有控制端子及多个主电极端子；以及
钳位单元，其分别与所述多个第1自消弧元件连接，在所述第1自消弧元件断开时将所述第1自消弧元件的主电极端子间电压钳位至钳位电压，该钳位电压规定为小于或等于所述第1自消弧元件所具有的静态耐压的70％，
所述钳位单元包含分别与所述第1自消弧元件并联连接且具有自钳位功能的第2自消弧元件，
所述第2自消弧元件在规定为小于或等于所述第1自消弧元件所具有的静态耐压的70％的钳位电压时使钳位功能起作用，
所述第2自消弧元件与所述第1自消弧元件相比导通电阻更高。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其中，
所述第2自消弧元件是SiC半导体元件。
5.根据权利要求3或4所述的半导体装置，其中，
所述多个第1自消弧元件中的大于或等于2个自消弧元件构成第1桥臂，所述多个第1自消弧元件中的其他的大于或等于2个自消弧元件构成第2桥臂，所述第1桥臂及所述第2桥臂彼此串联连接而构成1个支路，
所述钳位单元设置于所述第1桥臂及所述第2桥臂各自的所述第1自消弧元件，
所述半导体装置具有将多个所述支路进行了并联连接的逆变器电路。
6.一种半导体装置，其具有：
多个第1自消弧元件，它们彼此串联连接，具有控制端子及多个主电极端子；以及
钳位单元，其分别与所述多个第1自消弧元件连接，在所述第1自消弧元件断开时将所述第1自消弧元件的主电极端子间电压钳位至钳位电压，该钳位电压规定为小于或等于所述第1自消弧元件所具有的静态耐压的70％，
所述钳位单元包含分别与所述第1自消弧元件并联连接且具有自钳位功能的肖特基势垒二极管，
所述肖特基势垒二极管在规定为小于或等于所述第1自消弧元件所具有的静态耐压的70％的钳位电压时使钳位功能起作用，
所述肖特基势垒二极管与所述第1自消弧元件相比导通电阻更高。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其中，
所述多个第1自消弧元件中的大于或等于2个自消弧元件构成第1桥臂，所述多个第1自消弧元件中的其他的大于或等于2个自消弧元件构成第2桥臂，所述第1桥臂及所述第2桥臂彼此串联连接而构成1个支路，
所述钳位单元设置于所述第1桥臂及所述第2桥臂各自的所述第1自消弧元件，
所述半导体装置具有将多个所述支路进行了并联连接的逆变器电路。
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