CN110581654B - 电力用半导体装置 - Google Patents

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Abstract

提供能够恰当地保护电力用半导体装置及负载不受到过电流的影响的电力用半导体装置。外部检测端子(CIN1)能够从封装件(90)的外部连接，接收与第2固定电位端子(NU)的电流的大小成正比的电压信号。第1比较电路(200)对来自外部检测端子(CIN1)的电压信号所表示的第2固定电位端子(NU)的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定。第2比较电路(201)对使用内部检测端子(CIN2)而检测出的感测端子(T4)的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定。驱动信号产生部(40)在通过第1比较电路(200)及第2比较电路(201)的至少一个判定电流的大小处于容许范围外时，禁止作为驱动信号而产生接通信号。

Description

电力用半导体装置
技术领域
本发明涉及电力用半导体装置，特别涉及具有半导体开关元件及对其驱动的驱动电路的电力用半导体装置。
背景技术
为了向电动机等负载供给电力而使用逆变器电路，该逆变器电路使用了金属-氧化物-半导体-场效应晶体管(MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor)或绝缘栅双极晶体管(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)等半导体开关元件。包含逆变器电路的智能功率模块(IPM：Intelligent Power Module)是除了通常的逆变器电路之外，将驱动电路及保护电路容纳于1个封装件内的功率模块。典型的驱动电路由低电压集成电路(LVIC：Low Voltage Integrated Circuit)和高电压集成电路(HVIC：High Voltage Integrated Circuit)构成。典型的保护动作(即保护电路的动作)是在由于负载侧的动作的变动而产生过电流时，禁止产生将半导体开关元件设为接通状态的信号的动作。
例如，根据日本特开2017-5125号公报(专利文献1)，在封装件内配置有第1及第2半导体芯片。第1半导体芯片包含：功率晶体管，其对外部负载进行驱动；驱动电路，其对功率晶体管进行驱动；电流感测电路，其对流过功率晶体管的电流进行监视；以及保护电路，其防止功率晶体管的破坏。
专利文献1：日本特开2017-5125号公报
在上述公报所记载的技术中，旨在防止具有功率晶体管(半导体开关元件)的IPM(电力用半导体装置)的破坏，但没有考虑防止由过电流引起的负载的破坏。在过电流的产生被限制于极其短时间(典型的为几微秒)的情况下，由于负载(典型的为电动机)难以破坏，因此仅防止电力用半导体装置的破坏就足够了。另一方面，在过电流的产生持续更长时间(典型的为几毫秒)的情况下，还需要考虑防止负载的破坏。特别地，在与电力用半导体装置可承受的电流值相比，负载可承受的电流值低的情况下，需要上述这样的考虑。这是因为，即使电流值超过负载的容许值，如果上述电流值低于作为电力用半导体装置的容许值而设想出的值，则也不会开始保护动作。因此，在上述现有技术中，担心负载的破坏。
发明内容
本发明就是为了解决以上那样的课题而提出的，其目的在于提供能够恰当地保护电力用半导体装置和与其连接的负载这两者不受到过电流的影响的电力用半导体装置。
本发明的电力用半导体装置具有封装件、第1固定电位端子、电压输出端子、第1半导体开关元件、第1驱动电路、第2固定电位端子、第2半导体开关元件、外部控制端子、外部检测端子以及第2 驱动电路。第1固定电位端子安装于封装件，能够从封装件的外部连接。电压输出端子安装于封装件，能够从封装件的外部连接。第1 半导体开关元件容纳于封装件内，连接于第1固定电位端子于电压输出端子之间。第1驱动电路容纳于封装件内，对第1半导体开关元件进行驱动。第2固定电位端子安装于封装件，能够从封装件的外部连接。第2半导体开关元件容纳于封装件内，具有：第1元件端子，其与电压输出端子连接；第2元件端子，其与第2固定电位端子连接；元件控制端子，其接收将第1元件端子和第2元件端子之间的电流路径控制为接通状态及断开状态的任意者的驱动信号；以及感测端子，其流过与在电流路径中流过的电流成正比且比在电流路径中流过的电流小的电流。外部控制端子安装于封装件，能够从封装件的外部连接。外部检测端子用于接收与第2固定电位端子的电流的大小成正比的电压信号。第2驱动电路容纳于封装件内。第2驱动电路包含第1 比较电路、内部检测端子、第2比较电路以及驱动信号产生部。第1 比较电路对来自外部检测端子的电压信号所表示的第2固定电位端子的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定。为了对感测端子的电流的大小进行检测，内部检测端子在封装件内与第2半导体开关元件的感测端子电连接。第2比较电路对使用内部检测端子而检测出的感测端子的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定。驱动信号产生部与来自外部控制端子的信号对应，作为驱动信号而选择性地产生将第2半导体开关元件设为接通状态的接通信号及将第2半导体开关元件设为断开状态的断开信号的任意者，在通过第1比较电路及第2比较电路的至少一个判定电流的大小处于容许范围外时，禁止作为驱动信号而产生接通信号。
发明的效果
根据本发明，第1，在电力用半导体装置中，设置有用于接收第 2固定电位端子的电流的大小成正比的电压信号的外部检测端子。通过使用外部检测端子，从而能够将与第2固定电位端子的电流的大小，即施加于负载的电流的大小对应的信号，向电力用半导体装置中传输。因此，通过基于向外部检测端子的信号，并且使用第1比较电路而进行电力用半导体装置生成过电流时的保护动作，从而能够对负载进行保护，该第1比较电路赋予了适于保护负载不受到过电流的影响的电流阈值。通过将电流检测用的外部电阻元件连接于第2固定电位端子，从而能够产生用于该保护动作而由外部检测端子接收的电压信号。通过对外部电阻元件的电阻值进行调整，从而能够对根据哪个程度的大小的过电流开始保护动作这样的电流阈值进行调整。由于外部电阻元件能够配置于封装件的外部，因此能够容易地进行该调整。即，能够与负载的特性相匹配地，容易地对根据哪个程度的大小的过电流开始保护负载的动作进行调整。
第2，第2驱动电路的内部检测端子在封装件内与第2半导体开关元件的感测端子电连接。由此，能够缩短感测端子与第2驱动电路的配线长度。因此，能够对感测端子与第2驱动电路之间的配线路径所具有的寄生成分进行抑制。因此，能够高速地从感测端子向第2驱动电路传输电信号。因此，即使是极其短时间的过电流也能够迅速地对容易破坏的电力用半导体装置进行保护。
根据以上，能够与负载的特性相匹配地，容易地对用于保护负载的保护动作进行调整，并且，能够高速地进行用于保护向负载供给电流的电力用半导体装置的保护动作。由此，能够适当地保护电力用半导体装置及与其连接的负载这两者不受到过电流的影响。
附图说明
图1是概略地表示负载及电源装置的结构的例子的框图。
图2是概略地表示本发明的实施方式1中的电力用半导体装置的结构的电路图。
图3是概略地表示图2中的第2半导体开关元件的结构的电路图。
图4是概略地表示图2中的第1比较电路所具有的第1比较器的结构的电路图。
图5是概略地表示图2中的第2比较电路所具有的第2比较器的结构的电路图。
图6是概略地表示本发明的实施方式2中的电力用半导体装置的结构的电路图。
图7是概略地表示图6中的第2比较电路的结构的电路图。
图8是说明通过图6的电力用半导体装置进行的校正动作的时序图。
图9是概略地表示本发明的实施方式3中的电力用半导体装置的结构的电路图。
图10是概略地表示图9中的第2比较电路的结构的电路图。
图11是说明通过图9的电力用半导体装置进行的校正动作的时序图。
图12是概略地表示本发明的实施方式4中的电力用半导体装置的结构的电路图。
图13是概略地表示图12中的第2比较电路的结构的电路图。
图14是说明通过图12的电力用半导体装置进行的校正动作的时序图。
图15是概略地表示本发明的实施方式5中的电力用半导体装置的结构的电路图。
图16是概略地表示图15中的第2半导体开关元件的结构的电路图。
图17是概略地表示本发明的实施方式6中的电力用半导体装置的结构的俯视图。
图18是概略地表示图17中的封装件的内部的结构的俯视图。
图19是概略地表示图18的变形例的俯视图。
标号的说明
P正端子(第1固定电位端子)，U输出端子(电压输出端子)， T1第1元件端子，T2第2元件端子，T3元件控制端子，T4感测端子，NU负端子(第2固定电位端子)，CIN1外部检测端子，CIN2 内部检测端子，LIN外部控制端子，VSC外部端子，14计数器， 15存储器，16振荡器，31、32比较部，40驱动信号产生部，51外部电阻元件，52内部电阻元件，52T n沟道场效应晶体管，62、63校正电路，90封装件，110、110S上桥臂元件(第1半导体开关元件)， 120、120S下桥臂元件(第2半导体开关元件)，150HVIC(第1 驱动电路)，151～154LVIC(第2驱动电路)，200第1比较电路， 201～204第2比较电路，300U～300W、401～405逆变器装置(电力用半导体装置)，301～305、306A、306B IPM(电力用半导体装置)，500电源装置，700负载。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。此外，在以下附图中，对相同或相当的部分标注相同的参照标号，不重复其说明。
<预备说明>
图1是概略地表示负载700及电源装置500的结构的例子的框图。负载700是通过从电源装置50供给的三相交流电力进行动作的设备。电源装置50为了分别生成三相交流的第1～第3相而具有逆变器装置300U～300W。逆变器装置300U～300W各自具有三相交流的第1～第3相的电压输出端子即输出端子U～W。此外，负载所使用的交流电力并不限于三相，也可以与相的数量对应地决定电源装置所具有的逆变器装置的数量。
在图1示出的系统的动作中，由于负载700的动作的变动，有可能产生过电流。为了保护系统，需要保护逆变器装置300U～300W，并且保护负载700。为了保护逆变器装置300U～300W不受到过电流的影响，典型地需要几微秒以内的高速下的保护动作。另一方面，为了保护负载700(典型地电动机)不受到过电流的影响，通常，几毫秒以内的比较低的速度下的保护动作就足够了。这样，逆变器装置 300U～300W的保护动作所要求的速度比负载700的保护动作所要求的速度高。
通常，对逆变器装置300U～300W的不良影响大的过电流的电流值与对负载700的不良影响大的过电流的电流值不同。因此，在前者的电流值比后者的电流值高的情况下，假设如果仅考虑逆变器装置本身的保护而将逆变器装置300U～300W的保护动作最优化，则在经过几毫秒产生了比开始保护动作的电流阈值稍低的电流时负载 700有可能产生故障。因此，希望也考虑负载700的保护而设定逆变器装置300U～300W的保护动作。
另一方面，在制造逆变器装置300U～300W的时刻，通常不清楚与其连接的负载700的过电流耐受性。另外，假设已知上述过电流耐受性，与其相匹配地变更逆变器装置300U～300W的制造条件也会将制造工序复杂化。根据后述的各实施方式，能够避免该问题，并且能够恰当地保护逆变器装置及负载这两者不受到过电流的影响。
逆变器装置300U、逆变器装置300V及逆变器装置300W各自具有相同的结构。因此，在下面的各实施方式中，仅对具有输出端子 U的逆变器装置进行说明。
<实施方式1>
图2是概略地表示本实施方式1中的逆变器装置401(电力用半导体装置)的结构的电路图。图3是概略地表示图2中的下桥臂元件 120(第2半导体开关元件)的结构的电路图。图4是概略地表示图 2中的第1比较电路200所具有的比较部31的结构的电路图。图5 是概略地表示图2中的第2比较电路201所具有的比较部32的结构的电路图。
逆变器装置401具有IPM 301(电力用半导体装置)、外部电阻元件51。IPM 301具有封装件90、正端子P(第1固定电位端子)、输出端子U(电压输出端子)、上桥臂元件110(第1半导体开关元件)、HVIC 150(第1驱动电路)、负端子NU(第2固定电位端子)、下桥臂元件120、外部控制端子LIN、外部检测端子CIN1以及LVIC 151(第2驱动电路)。
另外，在本实施方式中，IPM 301还具有容纳于封装件90内的内部电阻元件52。内部电阻元件52配置于包含LVIC 151的半导体芯片的外部。
输出端子U安装于封装件90，能够从封装件90的外部连接。输出端子U用于向负载700(图1)供给电力。正端子P安装于封装件90，能够从封装件90的外部连接。从正端子P向IPM 301供给正电压。负端子NU安装于封装件90，能够从封装件90的外部连接。尽管后述详细内容，但负端子NU经由外部电阻元件51与接地电位 (被固定的电位)连接。换言之，负端子NU经由外部电阻元件51 接地。
外部控制端子LIN安装于封装件90，能够从封装件90的外部连接。外部控制端子HIN安装于封装件90，能够从封装件90的外部连接。外部控制端子LIN及外部控制端子HIN各自用于接收向LVIC 151及HVIC 150的控制信号。外部端子VSC安装于封装件90，能够从封装件90的外部连接。外部端子VSC用于将接地电位供给至内部电阻元件52。外部端子VNC安装于封装件90，能够从封装件90 的外部连接。外部端子VNC用于将接地电位供给至LVIC 151等。
外部检测端子CIN1也可以安装于封装件90。外部检测端子 CIN1也可以从封装件90的外部连接。外部检测端子CIN1用于接收与负端子NU的电流的大小成正比的电压信号。为了使外部检测端子 CIN1能够接收这样的电压信号，在本实施方式中，将外部电阻元件51外置于IPM 301。外部电阻元件51配置于封装件90的外部。外部电阻元件51具有与负端子NU及外部检测端子CIN1各自电连接的一端和具有接地电位的另一端。因此，负端子NU与外部检测端子 CIN1短路。此外，在IPM 301内部，不需要设置使负端子NU和外部检测端子CIN1短路的配线。但是，也可以设置有这样的配线，在该情况下，外部检测端子CIN1不需要能够从封装件90的外部连接。
上桥臂元件110容纳于封装件90内，连接于正端子P和输出端子U之间。上桥臂元件110具有IGBT 111和续流二极管112。续流二极管112与IGBT 111逆并联连接。它们也可以集成在1个半导体芯片。
HVIC 150容纳于封装件90内。HVIC 150与来自IPM 301的外部控制端子HIN的信号对应，从HVIC 150的输出端子HO向上桥臂元件110供给驱动信号(栅极信号)。换言之，HVIC150作为驱动信号选择性地产生将上桥臂元件110设为接通状态的接通信号及将上桥臂元件110设为断开状态的断开信号的任意者。
下桥臂元件120容纳于封装件90内。下桥臂元件120具有第1 元件端子T1、第2元件端子T2、元件控制端子T3以及感测端子T4。第1元件端子T1连接于输出端子U。第2元件端子T2连接于负端子NU。元件控制端子T3接收驱动信号，该驱动信号将第1元件端子T1和第2元件端子T2之间的电流路径控制为接通状态及断开状态的任意者。感测端子T4的电流与第1元件端子T1和第2元件端子T2之间的电流路径的电流成正比，并且比该电流路径的电流小。
具体而言，下桥臂元件120能够由IGBT 121、续流二极管122、和IGBT 123构成。优选将IGBT 121及IGBT 123集成在1个芯片，并且也可以集成续流二极管122。续流二极管122与IGBT 121逆并联连接。IGBT 121的集电极和IGBT 123的集电极连接于第1元件端子T1。IGBT 121的发射极连接于第2元件端子T2。IGBT 121的栅极及IGBT 123的栅极连接于元件控制端子T3。IGBT 123的发射极连接于感测端子T4。IGBT 123的尺寸比IGBT 121的尺寸小。将IGBT 121与IGBT 123的尺寸比称为分流比。由于分流比是已知的，因此能够将感测端子T4的电流的大小向第2元件端子T2的电流的大小换算。这里，第2元件端子T2的电流的大小与负端子NU的电流的大小相同。因此，能够将感测端子T4的电流的大小向负端子NU的电流的大小换算。
LVIC 151容纳于封装件90内。LVIC 151具有驱动信号产生部 40、第1比较电路200、内部检测端子CIN2以及第2比较电路201。
驱动信号产生部40与来自IPM 301的外部控制端子LIN的信号对应，从LVIC 151的输出端子LO向下桥臂元件120的元件控制端子T3供给驱动信号(栅极信号)。换言之，驱动信号产生部40作为驱动信号而选择性地产生将下桥臂元件120设为接通状态的接通信号及将下桥臂元件120设为断开状态的断开信号的任意者。
第1比较电路200对来自外部检测端子CIN1的电压信号所表示的负端子NU的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定。该容许范围是以保护负载700(图1)不受到过电流的影响为目的设定的。由于经由输出端子U向负载700供给的电流的大小与负端子NU的电流的大小大致对应，因此如果规定负端子NU的电流的容许范围，则能够保护负载700(图1)不受到过电流的影响。通过对外部电阻元件51的电阻值进行调整，能够容易地对该容许范围进行调整。
具体而言，第1比较电路200由比较部31构成。如图4所示，比较部31具有比较器30和产生参照电压Vref1的电压源。比较器 30输出从外部检测端子CIN1施加的电压与参照电压Vref1的比较结果。因此，上述容许范围是通过预先确定好的参照电压Vref1设定的。
为了对感测端子T4的电流的大小进行检测，内部检测端子CIN2 在封装件90内与感测端子T4电连接。第2比较电路201对使用内部检测端子CIN2而检测出的感测端子T4的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定。该容许范围是以保护IPM 301不受到过电流的影响为目的设定的。如上所述，由于能够进行从感测端子T4的电流的大小向负端子NU的电流的大小的换算，因此如果规定感测端子T4的电流的容许范围，则实质上，能够规定负端子NU的电流的容许范围。因此，能够保护IPM 301不受到过电流的影响。
具体而言，在本实施方式中，第2比较电路201由比较部32构成。如图5所示，比较部32具有比较器30和产生参照电压Vref2的电压源。比较器30输出从内部检测端子CIN2施加的电压与参照电压Vref2的比较结果。因此，上述容许范围是通过预先确定好的参照电压Vref2设定的。在规定参照电压Vref2时通过考虑分流比，从而考虑从感测端子T4的电流的大小向负端子NU的电流的大小的换算。
驱动信号产生部40在通过第1比较电路200及第2比较电路201 的至少一个判定电流的大小处于容许范围外时，禁止作为驱动信号而产生接通信号。换言之，驱动信号产生部40在通过第1比较电路200 及第2比较电路201这两者判定电流的大小处于容许范围内时进行通常动作，在通过第1比较电路200及第2比较电路201的至少一个判定电流的大小处于容许范围外时进行保护动作。
第1比较电路200以第1阈值为基准，对来自外部检测端子CIN1 的电压信号所表示的负端子NU的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定。第2比较电路201以与电流相关的第2 阈值为基准，对从使用内部检测端子CIN2而检测出的感测端子T4的电流的大小换算出的负端子NU的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定。因此，第1阈值及第2阈值各自为负端子NU的电流阈值。第1阈值也可以比第2阈值小。
为了能够使用内部检测端子CIN2对感测端子T4的电流的大小进行检测，在本实施方式中，向内部检测端子CIN2施加与感测端子 T4的电流的大小对应的电压信号。这样，为了施加电压信号而使用内部电阻元件52。具体而言，内部电阻元件52的一端在封装件90 内与下桥臂元件120的感测端子T4及LVIC 151的内部检测端子 CIN2电连接。另外，内部电阻元件52的另一端连接于外部端子VSC。外部端子VSC连接于接地电位。因此，内部电阻元件52的一端产生与感测端子T4的电流值成正比的电压。
(效果)
根据本实施方式，第1，通过使用外部检测端子CIN1，从而能够向IPM 301中传输与负端子NU的电流的大小，即施加于负载的电流的大小对应的信号。因此，通过基于向外部检测端子CIN1施加的信号，并且使用第1比较电路200而进行IPM 301生成过电流时的保护动作，从而能够对负载进行保护，该第1比较电路200被赋予了适于保护负载不受到过电流的影响的电流阈值。通过将电流检测用的外部电阻元件51连接于负端子NU，从而能够产生用于该保护动作而由外部检测端子CIN1接收的电压信号。通过对外部电阻元件51的电阻值进行调整，从而能够对根据何种程度大小的过电流开始保护动作这样的电流阈值进行调整。由于外部电阻元件51能够配置于封装件90的外部，因此能够容易地进行该调整。即，能够与负载的特性相匹配，容易地对根据何种程度大小的过电流开始保护负载的动作进行调整。
第2，LVIC 151的内部检测端子CIN2在封装件90内与下桥臂元件120感测端子T4电连接。由此，能够缩短感测端子T4与LVIC 151的配线长度。因此，能够对感测端子T4与LVIC151之间配线路径所具有的寄生成分进行抑制。因此，能够高速地从感测端子T4向 LVIC151传输电信号。因此，即使对于极其短时间的过电流，也能够迅速地对容易破坏的IPM 301进行保护。
根据以上，能够与负载的特性相匹配，容易地对用于保护负载的保护动作进行调整，并且，能够高速地进行用于保护向负载供给电流的IPM 301的保护动作。由此，能够适当地保护IPM 301及与其连接的负载这两者不受到过电流的影响。
第1比较电路200以第1阈值为基准，对来自外部检测端子CIN1 的电压信号所表示的负端子NU的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定。另外，第2比较电路201以与电流相关的第2阈值为基准，对从使用内部检测端子CIN2而检测出的感测端子T4的电流的大小换算出的负端子NU的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定。第1阈值也可以比第2阈值小。在该情况下，能够将以保护负载不受到过电流的影响为目的的电流阈值设定为比以保护IPM 301不受到过电流的影响为目的的电流阈值小。由此，在使用易受过电流影响的负载时，能够保护负载。
向LVIC 151的内部检测端子CIN2供给由使感测端子T4的电流流过内部电阻元件52而生成的电压。由此，LVIC 151内的第2比较电路201能够构成为对电压进行比较的简单的电路。
从感测端子T4经由内部电阻元件52至内部检测端子CIN2为止的电路径容纳于封装件90内。由此，防止IPM 301的使用者对供给至内部检测端子CIN2的电压与感测端子T4的电流的关系不恰当地进行变更。因此，防止对第2比较电路201的电流阈值(第2阈值) 进行不恰当地变更。规定第2阈值应该不依赖于与IPM 301连接的负载，而依赖于IPM 301本身的过电流耐受性。因此，优选第2阈值维持由IPM 301的制造商规定的值的原状态，通常不优选IPM 301 的使用者对其进行不经意地变更。
此外，作为变形例，也可以替代IGBT 111及IGBT 121，使用 IGBT之外的半导体开关元件。
<实施方式2>
图6是概略地表示本实施方式2中的逆变器装置402(电力用半导体装置)的结构的电路图。逆变器装置402具有IPM 302(电力用半导体装置)。IPM 302具有LVIC 152。LVIC152具有第2比较电路202。第2比较电路202具有校正电路62，该校正电路62对在上述实施方式1中说明过的第2阈值(以保护IPM不受到过电流的影响为目的的电流阈值)进行校正。校正电路62连接于比较器30，向比较器30供给参照电压。通过校正电路62，能够在制造IPM302后对第2阈值的误差进行校正。因此，能够更恰当地保护IPM。第2 阈值的误差例如是由内部电阻元件52的电阻值、比较器30的参照电压Vref2(图5)、或下桥臂元件120的分流比的波动引起的。
为了能够进行校正动作，IPM 302具有校正模式端子TRIM。校正模式端子TRIM安装于封装件90，能够从封装件90的外部连接。校正模式端子TRIM用于将指示进行校正模式下的动作的信号向 LVIC 152的第2比较电路202发送。
此外，由于关于上述之外的结构与上述实施方式1的结构大致相同，因此对相同或对应的要素标注相同标号，不重复其说明。
图7是概略地表示IPM 302所具有的第2比较电路202的结构的电路图。校正电路62通过选择性地使用多个电阻元件27中的至少 1个，从而产生表示第2阈值的可变电压。该可变电压用作参照电压 Vref2。
校正电路62除了多个电阻元件27之外，还具有逻辑电路10A、 POR(Power OnReset)11、p型MOSFET即多个PMOS(p型MOSFET) 13、计数器14、存储器15以及振荡器16。逻辑电路10A为AND电路。POR 11通过在电源接通时产生复位信号，从而对计数器14的计数值进行复位。是否对计数器14及存储器15发送由振荡器16生成的时钟信号依赖于来自校正模式端子TRIM的信号、比较器30的输出信号PROT2。具体而言，在来自校正模式端子TRIM的电压信号 VTRIM为作为数字信号的“1”，并且比较器30的输出信号PROT2 为作为数字信号的“1”的情况下，时钟信号被发送至计数器14及存储器15。此外，作为输出信号PROT2的“1”是指向驱动信号产生部40的保护动作的执行指示。在时钟信号的上升定时，计数器14 的计数值增加，并且将该计数值存储于存储器15。通过将与存储器 15的存储值对应的驱动信号施加于PMOS 13的栅极，从而将PMOS 13通断。各PMOS 13的源极连接于电源电位VCC。多个PMOS 13的漏极连接于串联连接的多个电阻元件27的不同的节点。
最接近接地电位的节点的电压作为参照电压Vref2而被向比较器30供给。在开始校正动作的时刻，通过将PMOS 13全部设为断开状态，从而将参照电压Vref2设得充分低。之后，通过将PMOS 13 适当设为接通状态，串联连接的多个电阻元件27中被施加电源电位VCC的范围不断逐渐缩小。由此，参照电压Vref2逐渐升高。
图8是说明校正动作的时序图。在校正动作时，在下桥臂元件 120(图6)流过与上述第2阈值对应的电流。由此，电压VCIN2(图8)被施加于内部检测端子CIN2。在开始校正动作的时刻，参照电压 Vref2相对于电压VCIN2充分低。例如，在电压VCIN2为1V左右的情况下，通过将全部PMOS 13设为断开状态，从而Vref2为0.1V 左右。由此，比较器30的输出信号PROT2可靠地变为“1”。为了进行校正动作，从外部向校正模式端子TRIM施加“1”作为电压信号VTRIM。由此，开始将由振荡器16生成的时钟信号CLK1供给至计数器14及存储器15(参照时钟信号CLK2)。通过时钟信号的供给，基于上述原理，参照电压Vref2逐渐升高。具体而言，随着图8 中的表示为“计数值”的数增大为1、2、3、4、5…，与电源电位 VCC短路的节点向输出参照电压Vref2的节点不断接近。
在参照电压Vref2比电压VCIN2高的时刻，比较器30的输出信号PROT2向“0”变化。由此，停止向计数器14及存储器15的时钟信号的供给。然后，停止从外部向校正模式端子TRIM施加作为电压信号VTRIM的“1”。由此，结束校正动作。在校正动作结束后，校正后的参照电压Vref2的设定仍继续保持为存储器15的存储值。因此，能够进行使用校正后的Vref2的通常动作。
根据本实施方式，通过选择性地使用多个电阻元件27中的至少 1个而产生表示第2阈值的可变电压。由此，能够将第2比较电路202 的校正电路62设为比较简单的电路。
<实施方式3>
图9是概略地表示本实施方式3中的逆变器装置403(电力用半导体装置)的结构的电路图。逆变器装置403具有IPM 303(电力用半导体装置)。IPM 303具有LVIC 153。LVIC153具有第2比较电路203。第2比较电路203具有校正电路63，该校正电路63对在实施方式1中说明过的第2阈值(以保护IPM不受到过电流的影响为目的的电流阈值)进行校正。校正电路63连接于比较部32的输出端子和内部检测端子CIN2之间。
图10是概略地表示图9中的第2比较电路203的结构的电路图。校正电路63通过选择性地使用与内部电阻元件52连接的多个PMOS 19(电流源)中的至少1个，从而对在内部电阻元件52流过的电流的大小进行调整。由此，能够将内部电阻元件52中的压降的大小任意地移位。因此，能够独立于感测端子T4的电流的大小，对内部电阻元件52的电压进行调整。即，能够对内部检测端子CIN2的电压 VCIN2进行调整。在上述实施方式2中通过对参照电压Vref2进行调整而进行校正，但在本实施方式3中，通过对内部检测端子CIN2的电压VCIN2进行调整而进行校正。
校正电路63除了多个PMOS 19之外，还具有逻辑电路10A、逻辑电路10B、POR 11、计数器14、存储器15以及振荡器16。逻辑电路10B为伴随输入信号的反转的AND电路，输入信号的反转由图10中的白圈表示。是否对计数器14及存储器15发送由振荡器16 生成的时钟信号依赖于来自校正模式端子TRIM的信号、比较器30 的输出信号PROT2。具体而言，在来自校正模式端子TRIM的电压信号VTRIM为“1”，并且比较器30的输出信号PROT2为“0”的情况下，时钟信号被发送至计数器14及存储器15。在时钟信号的上升定时，计数器14的计数值增加，并且将该计数值存储于存储器15。通过将与存储器15的存储值对应的驱动信号施加于PMOS19的栅极，从而将PMOS 19通断。各PMOS 19的源极连接于电源电位VCC。多个PMOS 19的漏极连接于内部检测端子CIN2。
在开始校正动作的时刻，通过将PMOS 19全部设为断开状态，从而将来自PMOS 19的电流供给设得充分低(或零)。之后，接通状态的PMOS 19的数量不断逐渐增加。由此，从PMOS 19供给至内部电阻元件52(图9)的电流的大小逐渐升高。由此，对内部检测端子CIN2的电压VCIN2进行校正。
图11是说明校正动作的时序图。在校正动作时，在下桥臂元件 120(图9)流过与上述第2阈值对应的电流。由此，电压VCIN2(图11)被施加于内部检测端子CIN2。在开始校正动作的时刻，电压 VCIN2相对于参照电压Vref2充分低。为了降低电压VCIN2，例如，将全部PMOS 19设为断开状态。由此，比较器30的输出信号PROT2 可靠地变为“0”。为了进行校正动作，作为电压信号VTRIM将“1”施加于校正模式端子TRIM。由此，开始将由振荡器16生成的时钟信号CLK1供给至计数器14及存储器15(参照时钟信号CLK2)。通过时钟信号的供给，基于上述原理，电压VCIN2逐渐升高。具体而言，随着图11中的表示为“计数值”的数增大为1、2、3、4、5…，使用电源电位VCC经由内部检测端子CIN2而向内部电阻元件52(图 9)供给电流的PMOS 19的数量逐渐增加。
在电压VCIN2比参照电压Vref2高的时刻，比较器30的输出信号PROT2向“1”变化。由此，停止向计数器14及存储器15的时钟信号的供给。然后，停止向校正模式端子TRIM施加作为电压信号 VTRIM的“1”。由此，结束校正动作。在校正动作结束后，校正后的电压VCIN2的设定仍继续保持为存储器15的存储值。因此，能够进行使用校正后的电压VCIN2的通常动作。
此外，由于关于上述之外的结构与上述实施方式1或2的结构大致相同，因此对相同或对应的要素标注相同标号，不重复其说明。
在上述实施方式2(图7)中，需要在校正电路62中形成很多电阻元件27。在半导体工艺中为了形成电阻元件27，需要实施硅化物块的形成工序等专用的工序，制造工序的负担大。相对于此，本实施方式3的校正电路63通过多个PMOS 19(电流源)的选择性使用而进行动作。由此，不需要在校正电路中形成如在实施方式2中使用的那样的多个电阻元件。因此，能够减少或消除在半导体工艺中难度高的工艺即电阻元件的形成工艺。因此，能够提高形成具有校正电路 63的LVIC 153的半导体工艺的容易性。
<实施方式4>
图12是概略地表示本实施方式4中的逆变器装置404(电力用半导体装置)的结构的电路图。逆变器装置404具有IPM 304(电力用半导体装置)。IPM 304具有LVIC 154。LVIC154具有NMOS 52T (n沟道场效应晶体管)。NMOS 52T具有与内部检测端子CIN2电连接的漏极。NMOS 52T具有彼此短路的漏极及栅极。换言之，NMOS 52T具有二极管连接。IPM 304具有第2比较电路204。第2比较电路204包含产生与NMOS 52T的电流进行比较的可变电流的电路。
图13是概略地表示图12中的第2比较电路204的结构的电路图。第2比较电路204具有逻辑电路10A、逻辑电路10B、逻辑电路 10C、POR 11、计数器14、存储器15、振荡器16以及电流镜部。电流镜部具有参照电流Iref的电流源、NMOS(n型MOSFET)21、NMOS 22、NMOS 23、PMOS 24以及NMOS 25。逻辑电路10C为NOT电路。是否对计数器14及存储器15发送由振荡器16生成的时钟信号依赖于来自校正模式端子TRIM的信号、逻辑电路10C的输出信号 PROT2。具体而言，在来自校正模式端子TRIM的电压信号VTRIM 为“1”，并且逻辑电路10C的输出信号PROT2为“0”的情况下，时钟信号被发送至计数器14及存储器15。在时钟信号的上升定时，计数器14的计数值增加，并且将该计数值存储于存储器15。通过将与存储器15的存储值对应的驱动信号施加于NMOS 23的栅极，从而将NMOS 23通断。
NMOS 21与恒流源二极管连接。多个NMOS 22与NMOS 21形成电流镜结构。多个NMOS23具有与存储器15连接的栅极。通过 NMOS 22和NMOS 23的级联连接而构成多个电流源。PMOS 24与全部NMOS 23的漏极二极管连接。
在本实施方式中，对参照电流Iref与流过NMOS 52T的电流 Isense进行比较。作为用于该目的的比较器的功能通过上述级联连接、PMOS 24构成。PMOS 24的栅极信号是使用参照电流Iref的电流源生成的。NMOS 25的栅极连接于NMOS 52T的二极管连接。比较结果被逻辑电路10C反转为输出信号PROT2。
图14是说明校正动作的时序图。在上述实施方式2中，在通过内部电阻元件52将电流值转换为电压值后进行比较动作。相对于此，在本实施方式4中，在没有这样的转换的情况下进行电流值的比较。关于其之外的动作与实施方式2和实施方式4大致类似。与实施方式 2相同地，在校正动作时，在下桥臂元件120(图12)流过与上述第 2阈值对应的电流。在校正动作开始时，电流镜部的PMOS 24的电流，即参照电流Iref为比电流Isense小的状态。由此，输出信号PROT2 变为“1”。为了进行校正动作，作为电压信号VTRIM将“1”施加于校正模式端子TRIM。由此，开始将由振荡器16生成的时钟信号CLK1供给至计数器14及存储器15(参照时钟信号CLK2)。通过时钟信号的供给，参照电流Iref逐渐升高。具体而言，随着图14中的表示为“计数值”的数增大为1、2、3、4、5…，使用NMOS 23 (图13)而构成的电流源中的接通状态的数量逐渐增大。
在参照电流Iref比电流Isense高的时刻，逻辑电路10C(图13) 的输出信号PROT2向“0”变化。由此，停止向计数器14及存储器 15的时钟信号的供给。然后，停止向校正模式端子TRIM施加作为电压信号VTRIM的“1”。由此，结束校正动作。在校正动作结束后，校正后的参照电流Iref的设定仍继续保持为存储器15的存储值。因此，能够进行使用校正后的参照电流Iref的通常动作。
此外，由于关于上述之外的结构与上述实施方式1的结构大致相同，因此对相同或对应的要素标注相同标号，不重复其说明。
(效果)
根据本实施方式，作为用于对感测端子T4的电流进行检测的检测元件，LVIC 154具有半导体元件即n沟道场效应晶体管。由此，在IPM 304的制造中，不需要安装内部电阻元件52(图2：实施方式 1)。因此，能够简化电力用半导体装置的组装工艺。另外，由于上述检测元件不是电阻元件而是半导体元件，因此能够使用通常的半导体工艺容易地形成具有检测元件的LVIC 154。
第2比较电路204(图13)包含产生与NMOS 52T的电流进行比较的可变电流的校正电路。由此，能够更恰当地保护IPM 304。
<实施方式5>
并不特别限定上述实施方式1～4中的上桥臂元件110及下桥臂元件120的半导体材料，但通常为硅。特别地通常将硅用作IGBT的半导体材料。相对于此，在实施方式5中，对作为半导体材料至少局部地使用宽带隙半导体的情况进行说明。这里，宽带隙半导体为具有比硅的带隙宽的带隙的半导体，例如是碳化硅、氮化镓类材料或金刚石。
图15是概略地表示本实施方式5中的逆变器装置405(电力用半导体装置)的结构的电路图。逆变器装置405具有IPM 305(电力用半导体装置)。IPM 305具有上桥臂元件110S(第1半导体开关元件)、下桥臂元件120S(第2半导体开关元件)。图16是概略地表示下桥臂元件120S的结构的电路图。
上桥臂元件110S具有MOSFET 111S和续流二极管112S。续流二极管112S与MOSFET111S逆并联连接。它们也可以集成在1个半导体芯片。
下桥臂元件120S能够由MOSFET 121S、续流二极管122S以及MOSFET 123S构成。优选将MOSFET 121S及MOSFET 123S集成在 1个芯片，并且也可以集成续流二极管122S。续流二极管122S与 MOSFET 121S逆并联连接。MOSFET 121S的漏极和MOSFET 123S 的漏极连接于第1元件端子T1。MOSFET 121S的源极连接于第2元件端子T2。MOSFET 121S的栅极及MOSFET 123S的栅极连接于元件控制端子T3。MOSFET 123S的源极连接于感测端子T4。MOSFET 123S的尺寸比MOSFET 121S的尺寸小。将MOSFET 121S与 MOSFET 123S的尺寸比称为分流比。由于分流比是已知的，因此能够将感测端子T4的电流的大小向第2元件端子T2的电流的大小换算。这里，第2元件端子T2的电流的大小与负端子NU的电流的大小相同。因此，能够将感测端子T4的电流的大小向负端子NU的电流的大小换算。
上桥臂元件110S及下桥臂元件120S的至少一个具有由宽带隙半导体构成的部分。优选在上桥臂元件110S及下桥臂元件120S中， MOSFET及续流二极管各自具有由宽带隙半导体构成的部分。此外，也可以使用MOSFET中的寄生二极管而得到续流二极管的功能，在该情况下，能够省略续流二极管。
此外，由于关于上述之外的结构与上述实施方式1的结构大致相同，因此对相同或对应的要素标注相同标号，不重复其说明。
根据本实施方式，上桥臂元件110S及下桥臂元件120S的至少一个具有由宽带隙半导体构成的部分。通过使用宽带隙半导体，从而容许可能产生高电流密度的IPM的设计。在该情况下，更需要恰当保护IPM不受到过电流的影响。根据本实施方式，能够有效地进行这样的保护。
并且，由于宽带隙半导体具有高耐压性和高容许电流密度，因此能够将IPM的半导体区域的大小设得更小。另外，由于宽带隙半导体具有高耐热性，因此能够减小IPM的散热机构的大小。例如，能够减小散热器的散热片的大小，或作为冷却方式采用空冷来替代水冷。另外，由于使用了宽带隙半导体的半导体元件的功率损耗低，因此能够抑制IPM的功率损耗。
此外，作为变形例，也可以在使用宽带隙半导体的同时，替代 MOSFET 111S及MOSFET 121S，使用MOSFET之外的半导体开关元件。
<实施方式6>
在实施方式6中，对上述实施方式1中的部件的布局进行说明。图17是概略地表示本实施方式6中的IPM 306A(电力用半导体装置) 的结构的俯视图。图17中示出安装于封装件90且能够从封装件90 的外部连接的端子。图18是概略地表示封装件90(图17)的内部结构的俯视图。在图18中，在设置有配线图案的基板之上安装有多个部件。
在本实施方式6中，作为内部电阻元件52的部件跨过1对配线图案之间而安装于基板之上。一个配线图案与接地的外部端子VSC 连接。另一个配线图案通过导线配线与LVIC151连接。下桥臂元件 120的感测端子T4导线连接于LVIC 151，经由LVIC 151向内部电阻元件52电连接。
此外，实施方式2及3中的部件的布局也大致与上述相同。
图19是概略地表示图18的变形例的IPM 306B(电力用半导体装置)的俯视图。本变形例对应于不具有内部电阻元件52的实施方式4。下桥臂元件120的感测端子T4导线连接于LVIC 154，在LVIC 154内对其电流进行检测。根据本变形例，不需要安装内部电阻元件 52(图18)。
此外，本发明可以在其发明的范围内将各实施方式自由地组合，对各实施方式适当进行变形、省略。

Claims (10)

1.一种电力用半导体装置，其具备：
封装件；
第1固定电位端子，其安装于所述封装件，能够与所述封装件的外部连接；
电压输出端子，其安装于所述封装件，能够与所述封装件的外部连接；
第1半导体开关元件，其容纳于所述封装件内，以将所述第1固定电位端子与所述电压输出端子之间控制为导通状态以及断开状态的任意一者的方式连接于所述第1固定电位端子和所述电压输出端子之间；
第1驱动电路，其容纳于所述封装件内，对所述第1半导体开关元件进行驱动；
第2固定电位端子，其安装于所述封装件，能够与所述封装件的外部连接；
第2半导体开关元件，其容纳于所述封装件内，具有：第1元件端子，其与所述电压输出端子连接；第2元件端子，其与所述第2固定电位端子连接；元件控制端子，其接收将所述第1元件端子和所述第2元件端子之间的电流路径控制为接通状态及断开状态的任意者的驱动信号；以及感测端子，其流过与在所述电流路径中流过的电流成正比且比在所述电流路径中流过的电流小的电流；
外部控制端子，其安装于所述封装件，能够与所述封装件的外部连接；
外部检测端子，其安装于所述封装件，用于接收与所述第2固定电位端子的电流的大小成正比的电压信号；以及
第2驱动电路，其容纳于所述封装件内，
所述第2驱动电路具备：
第1比较电路，其对来自所述外部检测端子的电压信号所表示的所述第2固定电位端子的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定；
内部检测端子，其为了对所述感测端子的电流的大小进行检测，在所述封装件内与所述第2半导体开关元件的所述感测端子电连接；
第2比较电路，其对使用所述内部检测端子检测出的所述感测端子的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定；以及
驱动信号产生部，其与来自所述外部控制端子的信号对应地，选择性地产生将所述第2半导体开关元件设为接通状态的接通信号及将所述第2半导体开关元件设为断开状态的断开信号的任意者而作为所述驱动信号，在通过所述第1比较电路及所述第2比较电路的至少一个判定电流的大小处于容许范围外时，禁止产生接通信号作为所述驱动信号。
2.根据权利要求1所述的电力用半导体装置，其中，
还具备外部电阻元件，该外部电阻元件配置于所述封装件的外部，具有与所述第2固定电位端子及所述外部检测端子各自电连接的一端和具有被固定的电位的另一端。
3.根据权利要求1或2所述的电力用半导体装置，其中，
所述第1比较电路以第1阈值为基准，对来自所述外部检测端子的电压信号所表示的所述第2固定电位端子的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定，所述第2比较电路以第2阈值为基准，对根据使用所述内部检测端子检测出的所述感测端子的电流的大小换算出的所述第2固定电位端子的电流的大小是处于容许范围内、还是处于容许范围外进行判定，所述第1阈值比所述第2阈值小。
4.根据权利要求1或2所述的电力用半导体装置，其中，
还具备内部电阻元件，该内部电阻元件具有在所述封装件内与所述感测端子及所述内部检测端子电连接的一端。
5.根据权利要求3所述的电力用半导体装置，其中，
所述第2比较电路具有校正电路，该校正电路对所述第2阈值进行校正。
6.根据权利要求5所述的电力用半导体装置，其中，
所述校正电路通过选择性地使用多个电阻元件中的至少1个，从而产生表示所述第2阈值的可变电压。
7.根据权利要求5所述的电力用半导体装置，其中，
还具备内部电阻元件，该内部电阻元件具有在所述封装件内与所述感测端子及所述内部检测端子电连接的一端，
所述校正电路通过选择性地使用与所述内部电阻元件连接的多个电流源中的至少1个，从而对在所述内部电阻元件流过的电流的大小进行调整。
8.根据权利要求1或2所述的电力用半导体装置，其中，
所述第2驱动电路包含n沟道场效应晶体管，该n沟道场效应晶体管与所述内部检测端子电连接并且具有彼此短路的漏极及栅极。
9.根据权利要求8所述的电力用半导体装置，其中，
所述第2比较电路包含产生与所述n沟道场效应晶体管的电流进行比较的可变电流的电路。
10.根据权利要求1或2所述的电力用半导体装置，其中，
所述第1半导体开关元件及所述第2半导体开关元件的至少任意一者具有由宽带隙半导体构成的部分。
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