CN109936351A - 半导体装置及功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体装置及功率模块。本发明在防止误动作的同时更适当地保护IGBT等的开关元件。提供一种装置，该装置具备：晶体管，其集电极‑发射极间相对于用于检测在开关元件的电流感测端子流通的电流的电流检测电阻串联或者并联地连接；过冲处理电路，连接在电流感测端子与晶体管的基极之间，根据来自电流感测端子的电流输入来控制晶体管，减小在电流检测电阻中流通的感测电流的伴随着开关元件的开关动作的过冲。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置及功率模块。
背景技术
以往，已知有将在绝缘栅双极型晶体管(IGBT)所具有的感测发射极中流通的感测发射极电流转换为电压而检测过电流的技术(例如，参照日本专利文献1)。在日本专利文献1中，通过并联连接用于将感测发射极电流变换为感测电压的电阻、电容器以及电阻的串联体，从而防止在IGBT导通时以及关断时由感测发射极电流的急速上升导致的过电流的误检测。
专利文献1:国际公开第01/63765号
发明内容
技术问题
为了进一步适当地保护IGBT等的开关元件，期望能够防止由在导通时以及关断时所产生的瞬时电流导致的过电流的误检测、和/或能够在短时间内检测出过电流。
在本发明的第一方式中，提供一种半导体装置。半导体装置可以具备：晶体管，所述晶体管的集电极连接在电流检测电阻的连接于开关元件的电流感测端子侧的一端侧连接有集电极，所述晶体管的发射极连接在电流检测电阻的另一端侧。另外，半导体装置还可以具备过冲处理电路，所述过冲处理电路连接在电流感测端子与晶体管的基极之间，根据来自电流感测端子的电流输入来控制晶体管，减小在电流检测电阻中流通的感测电流的伴随着开关元件的开关动作的过冲。
过冲处理电路可以具有连接在电流感测端子与晶体管的基极之间的第一电容器。另外，过冲处理电路可以具有连接在电流感测端子与晶体管的集电极之间的第一电阻。
过冲处理电路可以具有连接在晶体管的基极与发射极之间的第二电阻。
过冲处理电路可以具有与开关元件的导通时间和关断时间中的至少一个时间对应的时间常数。
半导体装置可以具备基于在电流检测电阻产生的电压来判定过电流的过电流判定电路。
半导体装置可以具备连接在晶体管的集电极与过电流判定电路之间的积分电路。积分电路的时间常数可以比过冲处理电路的时间常数小。
在本发明的第二方式中，提供一种半导体装置。半导体装置可以具备晶体管，所述晶体管的集电极连接在开关元件的电流感测端子侧，所述晶体管的发射极连接在电流检测电阻侧。半导体装置还具备过冲处理电路，所述过冲处理电路连接在开关元件的电流感测端子与晶体管的基极之间，根据来自电流感测端子的电流输入来控制晶体管，减小在电流检测电阻中流通的感测电流的伴随着开关元件的开关动作的过冲。
过冲处理电路可以具有连接在晶体管的集电极与基极之间的第三电阻。过冲处理电路可以具有连接在晶体管的基极与发射极之间的第二电容器。
过冲处理电路可以具有与开关元件的导通时间和关断时间中的至少一个时间对应的时间常数。
半导体装置可以具备基于在电流检测电阻产生的电压来判定过电流的过电流判定电路。
半导体装置可以具备连接在晶体管的集电极与过电流判定电路之间的积分电路。
积分电路的时间常数可以比过冲处理电路的时间常数小。
半导体装置可以具备驱动开关元件的驱动电路。
在本发明的第三方式中，提供一种功率模块。功率模块可以具备上述半导体装置。功率模块可以具备开关元件。
功率模块还可以具备电流检测电阻。
应予说明，上述发明内容并没有列举出本发明的全部必要特征。另外，这些的特征组的子组合也可构成发明。
附图说明
图1示出了本实施方式的半导体装置100和负载120。
图2示出了本实施方式的半导体装置100的动作波形的一个例子。
图3示出了本实施方式的变形例的半导体装置300和负载120。
图4示出了本实施方式的第一比较例的电路400。
图5示出了本实施方式的第二比较例的电路500。
图6示出了本实施方式的实施例以及各比较例的模拟结果。
图7示出了本实施方式的变形例的半导体装置700。
符号说明
100：半导体装置，104：电源电位，105：基准电位，106：接地电位，110：开关元件，110a～110f：开关元件，115：二极管，115a～115f：二极管，120：负载，130：电流检测电阻，140：驱动装置，145：驱动电路，150：晶体管，160：过冲处理电路，162：电容器，164：电阻，166：电阻，170：积分电路，172：电阻，174：电容器，180：过电流判定电路，182：基准电压源，184：比较器，200：理想电压波形，210：电压波形，220：电压波形，230：理想电压波形，240：电压波形，250：电压波形，300：半导体装置，340：驱动装置，350：晶体管，360：过冲处理电路，364：电阻，366：电容器，400：电路，410：电容器，420：电阻，500：电路，510：电阻，520：电容器，600：电压波形，610：电压波形，620：电压波形，630：电压波形，700：半导体装置，703：功率模块，720：端子，722a～722f：端子，724：端子，726：端子，730a～730d：端子，732a～732d：端子，740a～740f：端子，750a～750c：HVIC，755：LVIC，760：马达，770：电阻，772：电容器，774a～774c：高侧电源，776：低侧电源，780：微控制器，790：电容器，795：电容器
具体实施方式
以下，通过发明的实施方式对本发明进行说明，但以下实施方式并不限定权利要求书所涉及的发明。另外，在实施方式中说明的特征的所有组合对发明的解決方案来说并不一定是必须的。
图1示出了本实施方式的半导体装置100和负载120。半导体装置100连接于负载120，切换供给到负载120的电流的导通/切断。作为一个例子，半导体装置100是用于马达等负载120的驱动、或者针对消耗电力的各种负载120的电力供给的智能功率模块等功率模块。在本图中，半导体装置100相对于负载120而连接于高侧(高电压侧)，但是取而代之，半导体装置100也可以采用相对于负载120而连接于低侧(低电压侧)的结构。另外，半导体装置100可以是逆变器装置。在该情况下，本图示出了逆变器装置的高侧臂(上侧臂)，省略示出低侧臂(下侧臂)。
半导体装置100具备开关元件110，通过开关元件110对供给到负载120的电流的导通/切断进行切换。开关元件110可以是电压驱动型的开关元件，作为一个例子是IGBT。取而代之，开关元件110可以是功率MOSFET等MOSFET，例如也可以是使用SiC、GaN、金刚石、氮化镓系材料、氧化镓系材料、AlN、AlGaN或者ZnO等的宽带隙半导体。开关元件110的集电极-发射极间在电源电位104与接地电位106之间与负载120串联连接，根据输入到栅极的栅极电压，将负载120与电源电位104之间连接或者切断。开关元件110具有感测发射极端子SE等电流感测端子，输出根据在集电极-发射极间流通的主电流而变化的电流检测用的感测电流。
作为一个例子，开关元件110构成为包括流通主电流的主单元和流通感测电流的电流感测单元，在集电极-发射极间连接有主单元，在集电极-感测发射极间连接有电流感测单元，开关元件110的栅极连接于主单元以及电流感测单元这两者的栅极。电流感测单元相对于主单元而设定为1/1000的小于1等的面积比，由此电流感测单元在稳定状态下流通有与主电流的面积比对应的比率(例如1/1000)的感测电流。但是，主单元以及电流感测单元由于在来自开关元件110的栅极端子的栅极布线的布线电阻、栅极电容、阈值电压以及用于连接的电路的电感等产生差别，所以在开关元件110的导通和关断时的瞬时状态下在动作时刻产生了差别，主电流与感测电流的电流分流比可大幅度地变动。如果使用这样的感测电流来判定开关元件110是否存在过电流，则感测电流发生瞬时过冲，有可能误检测出过电流。因此，半导体装置100具有减小伴随着开关元件110的开关的感测电流的过冲的功能。
半导体装置100还具备二极管115、电流检测电阻130以及驱动装置140。二极管115相对于开关元件110的集电极-发射极并联地连接阴极-阳极，是用于使来自负载120的负载电流换向的FWD(Free Wheel Diode：续流二极管)。负载120也可以使用宽带隙半导体，开关元件110在为MOSFET的情况下也可以通过寄生二极管来实现。
电流检测电阻130连接在开关元件110的电流感测端子与基准电位105之间，是用于检测在开关元件110的电流感测端子中流通的电流的电阻。电流检测电阻130将来自电流感测端子的感测电流转换为电压(感测电压)。本实施方式的电流检测电阻130具有电阻值Rs，如果流通有感测电流Is则产生Is×Rs的电压。
驱动装置140通过将与从外部输入的栅极控制输入信号GCin对应的栅极电压供给到开关元件110的栅极而驱动开关元件110，从而控制开关元件110的导通/关断。另外，驱动装置140基于通过电流检测电阻130产生的感测电压，判定是否在开关元件110中流通有过电流，在开关元件110流通有过电流的情况下，保护开关元件110。驱动装置140可以将一部分或者整体的电路作为IC或者LSI而集成化。
驱动装置140具有驱动电路145、晶体管150、过冲处理电路160、积分电路170以及过电流判定电路180。驱动电路145输入栅极控制输入信号GCin，且将具有与栅极控制输入信号GCin对应的栅极电压的栅极控制输出信号GCout向开关元件110的栅极输出。栅极控制输入信号GCin以基准电位105为基准具有电压Vin。驱动电路145作为一个例子在电压Vin为逻辑高电平的情况下，输出将开关元件110设为导通的电压等级的栅极控制输出信号GCout，在电压Vin为逻辑低电平的情况下，输出将开关元件110设为关断的电压等级的栅极控制输出信号GCout。另外，驱动电路145输入表示过电流是否流通于开关元件110的过电流信号OC。驱动电路145以过电流信号OC表示过电流为条件，无论栅极控制输入信号GCin的值如何，均以关断开关元件110的方式控制栅极控制输出信号GCout而保护开关元件110。
在晶体管150中，集电极-发射极间与电流检测电阻130并联地连接。在本图中，对于晶体管150而言，集电极直接或者间接地连接于在开关元件的电流感测端子侧直接或间接地连接的电流检测电阻130的一端侧，发射极直接或者间接地连接于电流检测电阻130的另一端侧。晶体管150是NPN晶体管，集电极直接或间接地连接于开关元件110的电流感测端子，发射极可以直接或者间接地连接于成为相对于开关元件110的基准的基准电位105。取而代之，晶体管150也可以是其他种类的晶体管或者FET等。
过冲处理电路160连接在开关元件110的电流感测端子与晶体管150的基极(或者栅极)之间。过冲处理电路160根据来自电流感测端子的电流输入来控制晶体管150，从而减小在电流检测电阻130中流通的感测电流的、伴随着开关元件110的开关动作的过冲。本实施方式的过冲处理电路160具有连接在电流感测端子与晶体管150的基极之间的电容器162。电容器162是第一电容器的一个例子，将感测电流的变动中的高频成分向晶体管150输送而转换为开关元件110的基极电流，另一方面，作为截断感测电流的变动中的低频成分的滤波器而发挥功能。因此，如果伴随着开关元件110的开关而感测电流急剧上升，则电容器162使该瞬时的感测电流的上升向晶体管150输送。由此，晶体管150伴随着基极电流的上升而使在集电极-发射极间流通的电流增加，将急剧上升的感测电流的全部或者至少一部分不介由电流检测电阻130而流向基准电位105。其结果是，过冲处理电路160能够减小流通于电流检测电阻130的感测电流以及在电流检测电阻130产生的感测电压的过冲。
过冲处理电路160还可以具有连接在晶体管150的基极与发射极之间的电阻164。电阻164是第二电阻的一个例子，连接在基极与基准电位105之间。电阻164与电容器162一起构成微分电路，通过调整电容器162的电容值C1以及电阻164的电阻值R2而能够设定、调整微分电路的时间常数。另外，电阻164在开关元件110的导通与关断之间的稳定状态下，将晶体管150的基极维持在基准电位105的电位，将晶体管150维持在切断状态。
过冲处理电路160可以还具有连接在电流感测端子与晶体管150的集电极之间的电阻166。电阻166是第一电阻的一个例子。通过设置电阻166，在瞬时状态下在晶体管150流通有感测电流的至少一部分的情况下，能够将通过电阻166以及晶体管150的动作电阻进行电阻分压而得到的电压向过电流判定电路180供给。
这里过冲处理电路160可以具有与开关元件110的导通时间和关断时间中的至少一个时间对应的时间常数。即，例如，过冲处理电路160可以在开关元件110的电流感测端子与晶体管150的基极之间的电路，具有根据开关元件110的导通时间和/或关断时间而确定的时间常数。作为一个例子，过冲处理电路160也可以具有与开关元件110的导通时间和关断时间中的至少一个时间实际相等的时间常数。由此，在将开关元件110应用于半导体装置100的构成中，在开关元件110的导通和/或关断的瞬时期间长的情况下对应地增大过冲处理电路160的时间常数，在瞬时期间短的情况下对应地减小过冲处理电路160的时间常数。其结果是，过冲处理电路160能够适当地减小瞬时状态下的开关元件110的感测电流的过冲，并且能够将减小过冲的期间抑制在短时间内。
积分电路170连接在晶体管150的集电极与过电流判定电路180之间，抑制由电流检测电阻130产生的感测电压的微小变动。积分电路170包括：串联地连接在晶体管150的集电极与过电流判定电路180之间的电阻172；电容器174，其连接在布线与基准电位105之间，所述布线是电阻172与过电流判定电路180之间的布线。为了抑制由电流检测电阻130产生的感测电压的微小变动，积分电路170具有比过冲处理电路160的时间常数小的时间常数，其目的并不是通过使感测电压遍及开关元件110的整个导通时间和关断时间地平滑化而缓解并抑制感测电压的过冲。应予说明，半导体装置100可以采用不具有积分电路170的构成。
过电流判定电路180经由过冲处理电路160以及积分电路170而连接于电流检测电阻130中的开关元件110侧的端子，并且基于在电流检测电阻130产生的感测电压来判定过电流。过电流判定电路180包括基准电压源182和比较器184。基准电压源182以基准电位105为基准而产生与开关元件110的过电流等级对应的基准电压Voc。比较器184将经由过冲处理电路160以及积分电路170而接受的电流检测电阻130的作为感测电压的感测电压Vsc与基准电压Voc进行比较，根据比较结果而输出过电流信号OC。在本实施方式中，比较器184在感测电压Vsc超过基准电压Voc的情况下输出逻辑高电平的过电流信号OC，在感测电压Vsc为基准电压Voc以下的情况下输出逻辑低电平的过电流信号OC。
根据以上示出的半导体装置100，根据来自电流感测端子的输入来控制晶体管150的基极，使开关元件110的开关中的瞬时状态下的感测电流的至少一部分不通过电流检测电阻130而经由晶体管150向基准电位105流通，能够减小在电流检测电阻130产生的感测电压的过冲。该动作能够解释为晶体管150以及过冲处理电路160在瞬时状态下将在电流检测电阻130产生的感测电压进行钳位。
图2是表示本实施方式的半导体装置100的动作波形的一个例子。本图的横轴表示时间的经过，纵轴表示向栅极控制输入信号GCin的输入电压Vin的波形、施加到开关元件110的电压Vce、开关元件110的集电极电流Ic的波形以及输入到过电流判定电路180的感测电压Vsc的波形。
在开关元件110的导通动作中，如果输入电压Vin上升，则在由驱动电路145等产生的延迟之后栅极控制输出信号GCout上升，集电极电流Ic开始上升，在时刻t1成为额定的10％。如果开关元件110的栅极电压上升而超过阈值电压，则开关元件110的集电极-发射极间的电压Vce迅速下降，在时刻t2成为额定的10％。在开关元件110导通时从集电极电流Ic成为额定的10％起到施加于开关元件110的电压Vce成为额定的10％以下为止的时间被定义为tc(on)(Vce-Ic Cross time of turn-on：Vce-Ic导通交叉时间)。tc(on)可根据开关元件110的能力、驱动电路145的栅极驱动能力、和与导通的开关元件110相反的一侧的开关元件并联连接的二极管的恢复期间等而变化，但在具备开关元件110以及驱动装置140的半导体装置100中能够将最小时间和最大时间确定为规格。
在时刻t1至t2之间，集电极电流Ic在过冲后减小，成为导通后的值。之后，伴随着在负载120的电感成分中流通的电流缓缓增加，集电极电流Ic在稳定状态下缓缓增加。
理想电压波形200是理想的感测电压Vsc的波形，即使在开关元件110的导通中的瞬时状态下也与集电极电流Ic成比例。但是，在导通中的瞬时状态下，在开关元件110的电流感测端子中流通的感测电流相对于集电极电流Ic的电流分流比发生变动，其结果是超过集电极电流Ic的过冲部分而大幅度发生过冲。因此，如果使在开关元件110的电流感测端子流通的感测电流直接流通于电流检测电阻130，则如电压波形210所示，感测电压Vsc可超过基准电压Voc而发生过度过冲。其结果是，过电流判定电路180对集电极电流Ic的过电流进行误检测，驱动电路145使将开关元件110强制设为关断状态等的保护功能发生误动作。
本实施方式的过冲处理电路160根据来自开关元件110的电流感测端子的输入来控制晶体管150的基极，从而在开关元件110的导通时的瞬时状态下使来自开关元件110的感测电流的至少一部分经由晶体管150而向基准电位105流出，减小在电流检测电阻130中流通的感测电流。由此，过冲处理电路160使在电流检测电阻130中流通的感测电流的过冲减小。另外，在设置了电阻166的情况下，在瞬时状态下电流检测电阻130的两端电压被电阻166和晶体管150分压而输入到过电流判定电路180。其结果是，输入到过电流判定电路180的感测电流Vsc如电压波形220所示地过冲减小，能够防止过电流判定电路180对集电极电流Ic的过电流的误检测。由于过冲处理电路160在开关元件110的导通后的稳定状态下将晶体管150设为截止状态，所以在经过瞬时状态后立即使来自开关元件110的电流端子的感测电流实际上全部流入电流检测电阻130，从而能够适当地检测与集电极电流Ic对应的感测电流。
在开关元件110的关断动作下，如果输入电压Vin上升，则在由驱动电路145等导致的延迟之后栅极控制输出信号GCout上升，开关元件110的集电极-发射极间的电压Vce开始增加而在时刻t3成为额定的10％。另外，如果开关元件110的栅极电压下降而成为阈值电压以下，则集电极电流Ic迅速减小，在时刻t4成为额定的10％。在开关元件110关断时电压Vce成为额定的10％其起到集电极电流Ic成为额定的10％以下为止的时间被定义为tc(off)(Vce-Ic Cross time of turn-off：Vce-Ic关断交叉时间)。tc(off)也可以与tc(on)同样地根据开关元件110的能力等而变化，但在具备开关元件110以及驱动装置140的半导体装置100中能够将最小时间和最大时间等确定为规格。
在时刻t3～t4之间，电压Vce在过冲后减小而成为导通后的值。集电极电流Ic在时刻t4之后成为0，开关元件110成为截止状态。
理想电压波形230是理想的感测电压Vsc的波形，即使在开关元件110的关断中的瞬时状态下也与集电极电流Ic成比例。但是，在关断中的瞬时状态下，在开关元件110的电流感测端子中流通的感测电流相对于集电极电流Ic的电流分流比发生变动，其结果是大幅度地发生过冲。因此，如果使在开关元件110的电流感测端子中流通的感测电流直接流通于电流检测电阻130，则如电压波形240所示，感测电压Vsc可以超过基准电压Voc而过度地发生过冲。其结果是，过电流判定电路180对集电极电流Ic的过电流进行了误检测，驱动电路145使将开关元件110强制设为关断状态和/或向微控制器等通知过电流等的保护功能发生误动作。
本实施方式的过冲处理电路160根据来自开关元件110的电流感测端子的输入来控制晶体管150的基极，从而在开关元件110的关断时的瞬时状态下，使来自开关元件110的感测电流的至少一部分经由晶体管150向基准电位105流出，减小在电流检测电阻130流通的感测电流。由此，过冲处理电路160减小在电流检测电阻130中流通的感测电流的过冲。另外，在设置有电阻166的情况下，在瞬时状态下电流检测电阻130的两端电压被电阻166和晶体管150分压而被输入到过电流判定电路180。其结果是，输入到过电流判定电路180的感测电流Vsc如电压波形250所示地过冲减小，能够防止过电流判定电路180对集电极电流Ic的过电流的误检测。
应予说明，过冲处理电路160内的电容器162的电容值C1、电阻166的电阻值R1以及电阻164的电阻值R2可以与驱动电路145的保护动作的方式匹配地设定。例如，在导通和关断的瞬时期间中，即使电压波形220和理想电压波形230暂时超过基准电压Voc则开始开关元件110的保护动作的情况下，电容值C1、电阻值R1以及电阻值R2也被设定为，通过开关元件110向流通最大额定电流的状态的导通以及开关元件110从流通有最大额定电流的状态的关断，从而使电压波形220和理想电压波形230不超过基准电压Voc。
作为另一个例子，还有如下的方式，过冲处理电路160在导通和关断的瞬时期间，如果电压波形220和理想电压波形230超过基准电压Voc的时间为基准时间以上，则开始开关元件110的保护动作。在该情况下，电容值C1、电阻值R1以及电阻值R2被设定为，通过开关元件110向流通最大额定电流的状态的导通以及开关元件110从流通有最大额定电流的状态的关断，从而使电压波形220以及理想电压波形230超过基准电压Voc不超过基准时间以上。
图3示出了本实施方式的变形例的半导体装置300和负载120。在本图中，因为标记了与图1相同符号的部件是与图1相同的构成，所以除区别点之外省略说明。
驱动装置340通过将与从外部输入的栅极控制输入信号GCin对应的栅极电压供给到开关元件110的栅极而对开关元件110进行驱动，从而控制开关元件110的导通/关断。另外，驱动装置340基于由电流检测电阻130产生的感测电压，来判定是否有过电流正流通于开关元件110，在有过电流流通于开关元件110的情况下保护开关元件110。驱动装置340可以将一部分或者整体的电路作为IC或者LSI而集成化。
在本变形例中，驱动装置340具有晶体管350来代替图1的驱动装置140中的晶体管150，具有过冲处理电路360来代替过冲处理电路160。另外，驱动装置340不具有图1的驱动装置140中的积分电路170，但取而代之驱动装置340也可以采用具有积分电路170的构成。
在晶体管350中，集电极-发射极间相对于电流检测电阻130串联地连接。在本变形例中，晶体管350在电流感测端子与电流检测电阻130之间，集电极直接或者间接地连接于电流感测元件侧，发射极直接或者间接地连接于电流检测电阻130侧，从而集电极-发射极间相对于电流检测电阻130串联地连接。晶体管350可以是NPN晶体管，集电极可以相对于开关元件110的电流感测端子直接或者间接地连接，可以在电流检测电阻130的开关元件110侧直接或者间接地连接。取而代之，晶体管350也可以是其他种类的晶体管或者FET等。
过冲处理电路360连接在开关元件110的电流感测端子与晶体管350的基极(或者栅极)之间。在本变形例中，过冲处理电路360连接于开关元件110的电流感测端子(晶体管350的集电极)、晶体管350的基极以及晶体管350的发射极。过冲处理电路360根据来自电流感测端子的电流输入来控制晶体管350，从而减小在电流检测电阻130流通的感测电流的、伴随着开关元件110的开关动作的过冲。
本变形例的过冲处理电路360具有连接在晶体管350的集电极与基极之间的电阻364、和连接在晶体管350的基极与发射极之间的电容器366。电阻364和电容器366是第三电阻和第二电容器的一个例子，构成对来自开关元件110的电流感测端子的输入进行积分而将其向晶体管350的基极输出的积分电路。过冲处理电路360在开关元件110的导通状态或者关断状态下的稳定状态下，以来自电流感测端子的感测电流流通于电流检测电阻130的方式控制晶体管350的基极。如果在稳定状态下来自电流感测端子的感测电流急剧上升，则电阻364和电容器366作为延迟元件工作，使晶体管350的基极电压的上升延迟，变得缓慢。其结果是，晶体管350能够抑制在电流检测电阻130中流通的感测电流以及在电流检测电阻130产生的感测电压的急剧增加。
这里，过冲处理电路360可以具有与开关元件110的导通时间和关断时间中的至少一个时间对应的时间常数。即，例如，过冲处理电路360在开关元件110的电流感测端子与晶体管350的基极之间的电路中，可以具有根据开关元件110的导通时间和/或关断时间而确定的时间常数。作为一个例子，过冲处理电路360可以具有与开关元件110的导通时间和关断时间中的至少一个时间实际相等的时间常数。由此，在将开关元件110应用于半导体装置100的构成中，在开关元件110的导通和/或关断的瞬时期间长的情况下与此匹配地增大过冲处理电路360的时间常数，在瞬时期间短的情况下与此匹配地减小过冲处理电路360的时间常数。其结果是，过冲处理电路360能够适当地减小瞬时状态下的开关元件110的感测电流的过冲，并且将减小过冲的期间抑制在短期间内。
根据以上示出的半导体装置300，根据来自电流感测端子的输入来控制晶体管350的基极，利用晶体管350来限制开关元件110的开关中的瞬时状态下的感测电流的至少一部分，从而能够减小在电流检测电阻130产生的感测电压的过冲。该动作能够解释为晶体管350以及过冲处理电路360将瞬时状态下在电流检测电阻130流通的感测电流进行钳位。
在本变形例中，过冲处理电路360构成为具有电阻364以及电容器366的RC积分电路。取而代之，过冲处理电路360也可以是包括延迟元件的各种滤波器，所述延迟元件是使来自开关元件110的电流感测端子的输入延迟而供给到晶体管350的基极的元件，以抑制在串联地连接于电流检测电阻130的晶体管350流通的感测电流的急剧上升。
图4～图6是使用电路模拟器模拟了本实施方式的实施例和比较例中的过冲的减小效果的结果。本实施方式的实施例的模拟对象的电路部分是图1的电流检测电阻130、晶体管150、过冲处理电路160、积分电路170以及过电流判定电路180。电流检测电阻130的电阻值Rs是1kΩ，电容器162的电容值C1是12pF，电阻164的电阻值R2是70kΩ，电阻166的电阻值R1是1kΩ，电阻172的电阻值Ri是10kΩ，电容器174的电容值Ci是10pF。应予说明，为了使晶体管150的基极稳定化，在晶体管150的基极与基准电位105之间，与电阻164并联地附加电容值1pF的电容器。
图4表示本实施方式的第一比较例的电路400。电路400构成为设置有串联连接在电流感测端子与基准电位105之间的电容器410以及电阻420来代替晶体管150以及过冲处理电路160。电容器410的电容值C3是400pF，电阻420的电阻值R4是250Ω。电流检测电阻130与实施例同样地是电阻值1kΩ。
图5表示本实施方式的第二比较例的电路500。电路500构成为设置RC积分电路来代替晶体管150以及过冲处理电路160，所述RC积分电路具有串联连接在电流感测端子与过电流判定电路180之间的电阻510、以及连接在电阻510和过电流判定电路180之间的布线与基准电位105之间的电容器520的RC积分电路。电阻510的电阻值R5是47kΩ，电容器520的电容值C4是10pF。
图6表示本实施方式的实施例以及各比较例的模拟结果。本图中，横轴为时刻，上侧表示基准电压源的电压波形600，下侧表示比较例1、比较例2以及实施例中的电压Vsc的波形。在本模拟中，基准电压源产生在没有减小过冲的情况下的电流检测电阻130的感测电压的电压波形600，将与电压波形600成比例的感测电流Ise的波形输入到比较例1、比较例2以及实施例的电路，从而求出给予到过电流判定电路180的电压Vsc的电压波形。
在导通侧，虽然本实施例的电压波形630、比较例1的电压波形610以及比较例2的电压波形620中的任一个波形均能够抑制过冲，但本实施例的电压波形630与比较例1的电压波形610和比较例2的电压波形620相比，在瞬时期间结束后以更早的时刻追随原始的感测电流波形。在关断侧，本实施例的电压波形630的电压Vsc的最大值约为650mV，与比较例1的电压波形610(约为940mV)以及比较例2的电压波形620(约790mV)比相比，进一步减小过冲。
这样，本实施方式的驱动装置340在导通时以更早的时刻追随原始的感测电流波形，其结果是，能够设为可以以更短的时间检测过电流的状态，在关断时能够进一步减小过冲。
图7表示本实施方式的变形例的半导体装置700。在本图中，因为标记了与图1相同的符号的部件是与图1相同的构成，所以除区别点之外省略说明。
半导体装置700对作为负载120的一个例子的马达760进行驱动。半导体装置700具备功率模块703、马达760、电流检测电阻130、电阻770、电容器772、高侧电源774a～774c、低侧电源776、电容器790以及电容器795。
功率模块703具有开关元件110a～110f、二极管115a～115f、HVIC 750a～750c以及LVIC 755。在本实施方式中，功率模块703是将功率MOSFET或者IGBT等的开关元件110a～110f和开关元件110a～110f的驱动电路以及保护电路一体化而成的智能功率模块。
开关元件110a～110f与图1的开关元件110对应。在本变形例中，功率模块703为了利用对应于三相马达的每一相的上侧臂的开关元件110和对应于三相马达的每一相的下侧臂的开关元件110对三相马达进行驱动，具有六组开关元件110。开关元件110a与用于U相的上臂对应，集电极-发射极间连接在连接于高侧的电源的端子720与连接于马达760的U相端子的端子722a之间。开关元件110b与用于V相的上臂对应，集电极-发射极间连接在端子720与连接于马达760的V相端子的端子722b之间。开关元件110c与用于W相的上臂对应，集电极-发射极间连接在端子720与连接于马达760的W相端子的端子722c之间。开关元件110d与U相用的下臂对应，集电极-发射极间连接在端子722a与连接于基准电位105的端子722d之间。开关元件110e与V相用的下臂对应，集电极-发射极间连接在端子722b与连接于基准电位105的端子722e之间。开关元件110f与W相用的下臂对应，集电极-发射极间连接在端子722c与连接于基准电位105的端子722f之间。在本变形例中，上侧臂的开关元件110a～110c不具有电流感测端子。下侧臂的开关元件110d～110f具有电流感测端子，各电流感测端子经由端子724而连接于共用的电流检测电阻130。
二极管115a～115f与开关元件110a～110f的集电极-发射极间1对1地连接阴极-阳极间。
HVIC 750a～750c是驱动U相、V相以及W相的上侧臂的开关元件110a～110c的驱动装置。在本变形例中，由于HVIC 750a～750c是高电压侧的驱动IC，所以称为HVIC(High-Voltage IC：高压IC)。各HVIC 750将对应的开关元件110的发射极侧的电位(各端子722以及各端子732的间的布线的电位)作为基准电位而进行动作，通过将与来自微控制器780的栅极控制输入信号UH、VH、或者WH对应的栅极电压供给到对应的开关元件110a～110c的栅极，从而对开关元件110a～110c进行驱动，控制开关元件110a～110c的导通/关断。这样，由于HVIC 750a～750c的动作的基准电位不同，所以在本变形例中HVIC 750a～750c是每个相独立的驱动IC。在IC内部设置每个相独立的基准电位的情况下，HVIC 750a～750c可以集成化为一个IC。在本变形例中，HVIC 750a～750c可以不具有过电流检测功能，而采用不具有图1的驱动装置140的晶体管150、过冲处理电路160、积分电路170以及过电流判定电路180的构成。
LVIC 755是对U相、V相以及W相的下侧臂的开关元件110d～110f进行驱动的驱动装置。在本变形例中，由于LVIC 755是低电压侧的驱动IC，所以称为LVIC(Low-Voltage IC：低电压IC)。LVIC 755将开关元件110d～110f的发射极侧的电位，即基准电位105作为基准电位而进行动作，通过将与来自微控制器780的栅极控制输入信号UL、VL以及WL对应的栅极电压供给到对应的开关元件110d～110f的栅极，从而驱动开关元件110d～110f而控制开关元件110d～110f的导通/关断。
另外，将由连接于功率模块703的外部的电流检测电阻130产生的感测电压经由端子726输入LVIC 755，LVIC 755基于感测电压来判定是否有过电流正流通于开关元件110。LVIC 755在过电流正流通于开关元件110d～110f中的至少一个的情况下，保护流通有过电流的开关元件110。在本变形例中，由于LVIC 755使开关元件110在每个相以不同的时刻驱动为导通，所以不存在开关元件110d～110f中的2个以上同时成为导通的时刻。因此，LVIC755能够使用一个电流检测电阻130进行与三个相对应的开关元件110d～110f的过电流检测。LVIC 755可以采用具有与三个相对应的图1的驱动装置140或者图3的驱动装置340。
马达760是具有U相、V相以及W相这三相的三相马达。马达760可以是相数不同的其他的马达，功率模块703可以具有与马达760的相数对应的数目的驱动电路。
电流检测电阻130连接在端子724与基准电位105之间。在本变形例中，电流检测电阻130为了能够与连接于功率模块703的外部的电路对应地进行变更，而连接于功率模块703的外部。取而代之，功率模块703也可以将电流检测电阻130内置。
电阻770以及电容器772是连接于电流检测电阻130的开关元件110侧的端部，使来自电流检测电阻130的感测电压平滑化而经由端子726供给到LVIC 755的积分电路。取而代之，半导体装置700可以采用不具有电阻770以及电容器772而将来自电流检测电阻130的感测电压直接供给到LVIC 755的构成。
高侧电源774a～774c以端子732a～732c的电位作为基准而进行升压从而生成HVIC 750a～750c的电源电压，经由端子730a～730c而供给到HVIC 750a～750c。低侧电源776以基准电位105作为基准而进行升压从而生成LVIC 755的电源电压，经由端子730d而供给到LVIC 755。
微控制器780为了使马达760以所希望的转速进行旋转，生成栅极控制输入信号UH、VH、WH、UL、VL以及WL，经由端子740a～740f而供给到功率模块703的HVIC 750a～750c以及LVIC 755。微控制器780可以通过PWM(脉冲宽度变调)控制来控制各栅极控制输入信号。
电容器790和电容器795并联地连接在高侧的电源与基准电位105之间，使半导体装置700的电源电压稳定化。
根据以上示出的半导体装置700，能够减小伴随着开关元件110a～110f的开关的、在电流检测电阻130流通的感测电流以及在电流检测电阻130产生的感测电压的过冲。
以上，利用实施方式说明了本发明，但本发明的技术范围并不限定于上述实施方式所记载的范围。在上述实施方式上能够进行各种变更或者改良对本领域技术人员来说是显而易见的。从权利要求的范围显然可知，这样的进行了各种变更或者改良的形态也能够包含于本发明的技术范围。
应注意，权利要求书、说明书及附图中示出的装置、系统、程序及方法中的动作、过程、步骤和阶段等各处理的执行顺序只要未特别明示“早于”、“预先”等，另外，未在后续处理中使用之前的处理结果，则可以以任意顺序来实现。关于权利要求书、说明书及附图中的动作流程，即使为方便起见使用“首先”、“接下来”等进行了说明，也并不意味着必须以这一顺序来实施。
Claims (16)
1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
晶体管，其集电极连接在电流检测电阻的与开关元件的电流感测端子侧连接的一端侧，所述晶体管的发射极连接在该电流检测电阻的另一端侧；以及
过冲处理电路，其连接在所述电流感测端子与所述晶体管的基极之间，根据来自所述电流感测端子的电流输入来控制所述晶体管，减小在所述电流检测电阻中流通的感测电流的伴随着所述开关元件的开关动作的过冲。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述过冲处理电路具有：
第一电容器，其连接在所述电流感测端子与所述晶体管的基极之间；以及
第一电阻，其连接在所述电流感测端子与所述晶体管的集电极之间。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述过冲处理电路还具有第二电阻，所述第二电阻连接在所述晶体管的基极与发射极之间。
4.根据权利要求2或3所述的半导体装置，其特征在于，所述过冲处理电路具有与所述开关元件的导通时间和关断时间中的至少一个时间对应的时间常数。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，还具备过电流判定电路，所述过电流判定电路基于在所述电流检测电阻产生的电压来判定过电流。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，还具备积分电路，所述积分电路连接在所述晶体管的集电极与所述过电流判定电路之间。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，所述积分电路的时间常数比所述过冲处理电路的时间常数小。
8.一种半导体装置，其特征在于，具备：
晶体管，其集电极连接在开关元件的电流感测端子侧，所述晶体管的发射极连接在电流检测电阻侧；以及
过冲处理电路，连接在所述开关元件的所述电流感测端子与所述晶体管的基极之间，根据来自所述电流感测端子的电流输入来控制所述晶体管，减小在所述电流检测电阻中流通的感测电流的伴随着所述开关元件的开关动作的过冲。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，所述过冲处理电路具有：
第三电阻，其连接在所述晶体管的集电极与基极之间；以及
第二电容器，其连接在所述晶体管的基极与发射极之间。
10.根据权利要求8或9所述的半导体装置，其特征在于，
所述过冲处理电路具有与所述开关元件的导通时间和关断时间中的至少一个时间对应的时间常数。
11.根据权利要求8～10中任一项所述的半导体装置，其特征在于，还具备过电流判定电路，所述电流判定电路基于在所述电流检测电阻产生的电压来判定过电流。
12.根据权利要求11所述的半导体装置，其特征在于，还具备积分电路，所述积分电路连接在所述晶体管的集电极与所述过电流判定电路之间。
13.根据权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，所述积分电路的时间常数比所述过冲处理电路的时间常数小。
14.根据权利要求5、6、7、11、12、13中任一项所述的半导体装置，其特征在于，还具备对所述开关元件进行驱动的驱动电路。
15.一种功率模块，其特征在于，具备权利要求14所述的半导体装置和所述开关元件。
16.根据权利要求15所述的功率模块，其特征在于，还具备所述电流检测电阻。
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