CN110739941B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体装置，能够在过渡时，没有短路电流的检测延迟，并抑制向感测IGBT的电流集中。IGBT(10)在主IGBT(11)的栅极端子和发射极端子设置将分压电阻器(Rdiv1、Rdiv2)串联连接而构成的分压电路，将两个分压电阻器的连接点连接到感测IGBT(12)的栅极端子。分压电路对施加到主IGBT的栅极端子的电压进行分压以使得在施加到主IGBT的栅极端子的电压与主IGBT的阈值电压相等时，成为感测IGBT的阈值电压。如果IGBT(10)的栅极端子(G)被施加使其导通的栅极信号，则主IGBT和感测IGBT的电流同时上升，由此没有短路电流的检测延迟，向感测IGBT的电流集中受到抑制。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及在同一个半导体基板具备流通有主电流的主开关元件和用于间接地检测在该主开关元件流通的电流的感测开关元件的半导体装置。
背景技术
在马达驱动用逆变器装置、DC-DC转换器装置等电力变换装置中，使用有称为IPM(Intelligent Power Module：智能功率模块)的半导体装置。IPM是将功率半导体元件和内置了驱动该功率半导体元件的驱动电路和保护功率半导体元件的保护电路的控制IC(Integrated Circuit：集成电路)收纳于同一个封装而成，其有助于电力变换装置的小型化。对于功率半导体元件，使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等。
在IPM中，为了控制功率半导体元件向负载供给适当的电流或保护功率半导体元件免受过电流的影响，必须要检测在该功率半导体元件流通的电流。要检测在功率半导体元件流通的电流，通常将主开关元件和感测开关元件并联连接，并对在感测开关元件流通的电流进行检测而推断在主开关元件流通的电流(例如，参照专利文献1)。在该专利文献1所记载的IGBT中，通过在感测开关元件(感测IGBT)的发射极端子连接电流感测电阻器，检测在该电流感测电阻器的两端生成的电压，从而间接地检测在主开关元件(主IGBT)流通的电流。
图4是表示具有用于电流检测的构成的IGBT的电路图。
图4所示的IGBT 100是具备流通有主电流的主IGBT 101和用于检测在该主IGBT101流通的电流的感测IGBT 102的复合元件。IGBT 100的集电极端子C与主IGBT 101的集电极端子和感测IGBT 102的集电极端子均连接，IGBT 100的栅极端子G与主IGBT 101的栅极端子和感测IGBT 102的栅极端子均连接。主IGBT 101的发射极端子与IGBT 100的发射极端子E连接，感测IGBT 102的发射极端子与IGBT 100的感测发射极端子SE连接。
构成IGBT 100的主IGBT 101和感测IGBT 102在同一个半导体基板上以预定的面积比(m：1)形成。分别在主IGBT 101和感测IGBT 102流通的电流由主IGBT 101和感测IGBT102的面积比来决定。因此，在主IGBT 101流通的电流是在感测IGBT 102流通的电流的m倍。
图5是表示使用感测IGBT检测主IGBT的过电流和短路电流的第一电路例的图，图6是表示使用感测IGBT检测主IGBT的过电流和短路电流的第二电路例的图。在图5和图6中，对与图4所示的构成要素相同的或者等同的构成要素标记相同的符号而省略其详细的说明。应予说明，在图5和图6中，IGBT 100是将主IGBT和感测IGBT表示为一个IGBT符号，并将发射极端子分为主IGBT的发射极端子E和感测IGBT的感测发射极端子SE来表示。
根据图5所示的第一电路例，感测IGBT的感测发射极端子SE与电流感测电阻器Rs1的一个端子连接，电流感测电阻器Rs1的另一个端子与电流感测电阻器Rs2的一个端子连接。电流感测电阻器Rs2的另一个端子与主IGBT的发射极端子E连接。电流感测电阻器Rs1与电流感测电阻器Rs2的连接部与短路电流检测用比较器103的非反相输入端子连接。感测IGBT的感测发射极端子SE还与过电流检测用比较器104的非反相输入端子连接。短路电流检测用比较器103和过电流检测用比较器104的反相输入端子与基准电压源105的正极端子连接，基准电压源105的负极端子与主IGBT的发射极端子E连接。基准电压源105对短路电流检测用比较器103和过电流检测用比较器104的反相输入端子施加基准电压Vref。
这里，如果IGBT 100被导通，则从感测IGBT的感测发射极端子SE输出的感测电流Is经由串联连接的电流感测电阻器Rs1、Rs2而向主IGBT的发射极端子E流通。此时，IGBT100中，集电极电流Ic从主IGBT的发射极端子E流出。
通过在电流感测电阻器Rs1、Rs2流通感测电流Is，从而在电流感测电阻器Rs1、Rs2的两端产生电压降。由此，在过电流检测用比较器104的非反相输入端子施加感测电流Is被转换为电压信号而成的电压Voc，在短路电流检测用比较器103的非反相输入端子施加通过电流感测电阻器Rs1、Rs2对电压Voc进行分压而成的电压Vsc。
过电流检测用比较器104将电压Voc和基准电压Vref进行比较，如果电压Voc超过基准电压Vref，则检测出过电流，并输出过电流信号OC。短路电流检测用比较器103将电压Vsc和基准电压Vref进行比较，如果电压Vsc超过基准电压Vref，则检测出短路电流，并输出短路电流信号SC。
根据图6所示的第二电路例，感测IGBT的感测发射极端子SE与电流感测电阻器Rs的一个端子连接，电流感测电阻器Rs的另一个端子与主IGBT的发射极端子E连接。感测IGBT的感测发射极端子SE还分别与短路电流检测用比较器103和过电流检测用比较器104的非反相输入端子连接。短路电流检测用比较器103的反相输入端子与基准电压源105的正极端子连接，基准电压源105的负极端子与主IGBT的发射极端子E连接。基准电压源105将与短路电流检测电平相当的基准电压Vref1施加到短路电流检测用比较器103的反相输入端子。过电流检测用比较器104的反相输入端子与基准电压源106的正极端子连接，基准电压源106的负极端子与主IGBT的发射极端子E连接。基准电压源106将与过电流检测电平相当的基准电压Vref2施加到过电流检测用比较器104的反相输入端子。应予说明，短路电流检测电平被设定为比过电流检测电平高。
这里，如果IGBT 100被导通，则从感测IGBT的感测发射极端子SE输出的感测电流Is经由电流感测电阻器Rs向主IGBT的发射极端子E流通。此时，IGBT 100中，集电极电流Ic从主IGBT的发射极端子E流出。
通过在电流感测电阻器Rs流通感测电流Is，从而在电流感测电阻器Rs的两端产生电压降。由此，在短路电流检测用比较器103和过电流检测用比较器104的非反相输入端子施加感测电流Is被转换为电压信号而成的电压Vs。
短路电流检测用比较器103将电压Vs和基准电压Vref1进行比较，如果电压Vs超过基准电压Vref1，则检测出短路电流，并输出短路电流信号SC。过电流检测用比较器104将电压Vs和基准电压Vref2进行比较，如果电压Vs超过基准电压Vref2，则检测出过电流，并输出过电流信号OC。
通过短路电流检测用比较器103和过电流检测用比较器104检测到的短路电流信号SC和过电流信号OC被供给到控制IC的保护电路，将IGBT 100强制性关断等而采取IGBT100的保护措置。
在将主IGBT和感测IGBT并联连接而构成的半导体装置中，如果向主IGBT和感测IGBT的栅极端子输入相同的栅极信号，则在理想情况下主电流和感测电流在相同的时刻开始流通。然而，由于在感测IGBT连接有电流感测电阻器，所以实际上电流开始流通的阈值电压与主IGBT的阈值电压不同。另外，由于主IGBT和感测IGBT在尺寸上极为不同，所以因栅极端子的寄生电容(栅极-发射极间电容和栅极-集电极间电容)的不同，在主IGBT和感测IGBT的特性上产生不平衡。
这样如果主IGBT和感测IGBT存在特性上的不平衡，则有时在IGBT 100的导通期间，在感测IGBT的电流的上升时流通浪涌电流。该浪涌电流在主IGBT的集电极电流Ic上升前与感测IGBT的感测电流叠加而成为瞬时感测电流，在IGBT 100中，会产生向感测IGBT的电流集中。此时，由于短路电流检测用比较器103检测出短路电流，并输出短路电流信号SC，所以在接收到短路电流信号SC的控制IC中，短路保护电路会产生误动作。
因此，如果在感测IGBT的电流上升时不流通浪涌电流，则能够不使短路保护电路误动作(例如，参照专利文献2)。在该专利文献2所记载的IGBT中，以使得感测IGBT的栅极阈值电压高于主IGBT的栅极阈值电压的方式，形成为感测IGBT的栅极电阻比主IGBT的栅极电阻高的器件结构。这样，感测IGBT的电流的上升迟于主IGBT的电流的上升，所以感测IGBT不会在其电流的上升时流通浪涌电流，防止因过电流导致的短路保护电路的误动作。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-33647号公报
专利文献2：日本特开平7-240516号公报
发明内容
技术问题
然而，在构成为使感测IGBT的电流的上升迟于主IGBT的电流的上升的情况下，存在有可能与感测IGBT的电流的上升发生延迟相对应地，先导通的主IGBT的短路电流的检测发生延迟的问题。另外，这样的问题也存在于IGBT进行关断的过渡时的情况。即，在IGBT关断时，由于感测IGBT的电流先下降，所以变得无法检测出仍然导通的主IGBT的短路电流。
本发明鉴于这样的情况而完成，其目的在于提供一种在导通或者关断这样的过渡时，不会发生短路电流的检测延迟和/或无法检测，并能够抑制向感测开关元件的电流集中的半导体装置。
技术方案
在本发明中，为了解决上述的课题，提供一种半导体装置，其具备：主开关元件；感测开关元件，检测在主开关元件流通的电流；以及分压电路，将第一分压电阻器和第二分压电阻器串联连接而成。该半导体装置的分压电路连接到主开关元件的栅极端子与发射极端子之间。分压电路还将第一分压电阻器与第二分压电阻器的连接点连接到感测开关元件的栅极端子，通过分压电路对施加到主开关元件的栅极端子的电压进行分压而施加到感测开关元件的栅极端子。
发明效果
上述构成的半导体装置的优点是，由于在主开关元件流通有电流时在感测开关元件也流通有电流，所以不存在无法检测出短路电流的期间，另外向感测开关元件的电流集中受到抑制。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的IGBT的电路图。
图2是表示本发明的IGBT中的主IGBT和感测IGBT的栅极电压波形的图。
图3是表示将图2的A部放大而成的栅极电压波形、感测电流波形以及集电极电流波形的图。
图4是表示具有用于电流检测的构成的IGBT的电路图。
图5是表示使用感测IGBT检测主IGBT的过电流和短路电流的第一电路例的图。
图6是表示使用感测IGBT检测主IGBT的过电流和短路电流的第二电路例的图。
符号说明
10：IGBT
11：主IGBT
12：感测IGBT
C：集电极端子
E：发射极端子
G：栅极端子
Rdiv1、Rdiv2：分压电阻器
SE：感测发射极端子
具体实施方式
以下，以应用于具有主IGBT和感测IGBT的IGBT的情况为例，参照附图对本发明的实施方式进行说明。应予说明，图中，由相同符号表示的部分表示相同的构成要素。
图1是表示本发明的实施方式的IGBT的电路图。
图1所示的IGBT 10是具备流通主电流的主IGBT 11和用于间接地检测在该主IGBT11流通的电流的感测IGBT 12的复合元件。IGBT 10的集电极端子C与主IGBT 11的集电极端子和感测IGBT 12的集电极端子均连接。IGBT 10的栅极端子G与主IGBT 11的栅极端子和分压电阻器Rdiv1的一个端子连接。分压电阻器Rdiv1的另一个端子与分压电阻器Rdiv2的一个端子和感测IGBT 12的栅极端子连接，分压电阻器Rdiv2的另一个端子与主IGBT 11的发射极端子连接。主IGBT 11的发射极端子与IGBT 10的发射极端子E连接，感测IGBT 12的发射极端子与IGBT 10的感测发射极端子SE连接。由此，在感测IGBT 12的栅极端子施加有通过由分压电阻器Rdiv1、Rdiv2构成的分压电路对施加到主IGBT 11的栅极端子的栅极电压进行分压而得到的电压。
构成IGBT 10的主IGBT 11和感测IGBT 12形成在同一个半导体基板上，分压电阻器Rdiv1、Rdiv2由多晶硅形成，且形成在形成有主IGBT 11和感测IGBT 12的半导体基板上。
根据该IGBT 10，施加到IGBT 10的栅极端子G的栅极电压直接被供给于主IGBT 11的栅极端子，并在感测IGBT 12的栅极端子供给通过分压电阻器Rdiv1、Rdiv2对栅极电压进行分压而得到的电压。即，若将栅极电压设为Vge、将分压电阻器Rdiv1、Rdiv2的电阻值设为Rdiv1、Rdiv2，则感测IGBT12的栅极电压通过下式确定：
(Rdiv2/(Rdiv1+Rdiv2))×Vge。
通过将施加到感测IGBT 12的栅极端子的电压设定为比施加到主IGBT 11的栅极端子的电压低，从而使得感测IGBT 12的电流的上升迟于主IGBT 11的电流的上升。由此，IGBT 10的电流不会发生感测IGBT 12的电流先上升而在感测IGBT 12产生电流集中这样的情况，从而抑制瞬时的感测电流。
该感测IGBT 12的电流的上升的延迟通过由分压电阻器Rdiv1、Rdiv2的电阻值确定的分压比来设定。应予说明，分压电阻器Rdiv1、Rdiv2的电阻值由于与设计值之间的误差大，所以实际上被调整为使感测IGBT 12的电流的上升与主IGBT 11的电流的上升一致。该调整通过使用激光微调等微调方法而准确地实施于分压电阻器Rdiv1或者分压电阻器Rdiv2或者这两者。
通过使主IGBT 11和感测IGBT 12的电流上升的时刻一致，从而能够没有延迟而实时地实施基于感测IGBT 12的主IGBT 11的短路电流检测。这样，为了防止因瞬时感测电流导致的误检测而设定的一定期间的死区期间(屏蔽期间)变得不需要，还能够消除在该死区期间的IGBT芯片的耐量增加(芯片尺寸增加)的必要性。由于不需要屏蔽期间，所以能够减小耐量余量，能够减小IGBT芯片的尺寸而能够提供小型、低成本的IGBT 10。
此外，该IGBT 10的过电流检测和短路电流检测如图5或者图6所示，使用与感测发射极端子SE连接的电流感测电阻器、短路电流检测用比较器、过电流检测用比较器以及基准电压源而进行。
图2是表示本发明的IGBT中的主IGBT和感测IGBT的栅极电压波形的图，图3是表示将图2的A部放大而成的栅极电压波形、感测电流波形以及集电极电流波形的图。在图2中，纵轴是主IGBT 11和感测IGBT 12的栅极电压Vge、Vges，横轴是时间。图3中，上部波形的纵轴是主IGBT 11和感测IGBT 12的栅极电压Vge、Vges，中部波形的纵轴是感测IGBT 12的感测电流Is，下部波形的纵轴是主IGBT 11的集电极电流Ic。图3的各波形的横轴是时间。
如果在栅极端子G施加栅极电压而开始IGBT 10的导通动作，则主IGBT 11的栅极电压Vge和感测IGBT 12的栅极电压Vges的电位开始上升。这里，由于感测IGBT 12的阈值电压比主IGBT 11的阈值电压低，所以如果施加到主IGBT和感测IGBT的栅极端子的电压是相同的(图4)，则电流按照感测IGBT、主IGBT的顺序上升。
在本发明的IGBT 10中，设定分压电阻器Rdiv1、Rdiv2的分压比以使得在主IGBT11的栅极电压Vge变得与其阈值电压相等时，感测IGBT 12的栅极电压Vges与其阈值电压相等。因此，在栅极电压Vge达到主IGBT 11的阈值而主IGBT 11的集电极电流Ic上升的同时，感测IGBT 12的感测电流Is也上升。这样，由于感测IGBT 12的电流不会比主IGBT 11的电流先上升，所以不会产生向感测IGBT 12的电流集中，能够抑制瞬时感测电流。
此外，在上述的说明中，对IGBT 10的导通时的动作进行了说明，但对于关断时的动作也具有相同的效果。即，在IGBT 10的关断时，如果主IGBT 11的栅极电压Vge小于其阈值电压，则主IGBT 11的集电极电流Ic下降。同时，由于感测IGBT 12的栅极电压Vges也小于其阈值电压，所以在IGBT 10的关断时，也不会产生向感测IGBT 12的电流集中。
另外，在上述的例子中，以IGBT为例对构成半导体装置的主开关元件和感测开关元件进行了说明，但在本发明的半导体装置中，并不限于IGBT，也可以是MOSFET。

Claims (3)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
主开关元件；
感测开关元件，检测在所述主开关元件流通的电流；以及
分压电路，将第一分压电阻器和第二分压电阻器串联连接而成，
所述分压电路连接到所述主开关元件的栅极端子与发射极端子之间，并将所述第一分压电阻器与所述第二分压电阻器的连接点连接到所述感测开关元件的栅极端子，通过所述分压电路将施加到所述主开关元件的栅极端子的电压进行分压而施加到所述感测开关元件的栅极端子，
所述分压电路被设定为生成使所述主开关元件与所述感测开关元件同时驱动为导通的栅极电压的分压比。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述分压比通过微调所述第一分压电阻器和所述第二分压电阻器的至少一方而设定。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述主开关元件和所述感测开关元件是IGBT。
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