CN111416602A - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

提供半导体装置，在反电动势的钳位时，能够利用较少的齐纳电流使开关元件转变为接通状态。半导体装置当伴随开关元件(3)从接通状态向断开状态的转变而在感性负载(2)中产生反电动势时，利用来自连接在开关元件的漏极与栅极之间的齐纳二极管(ZD1)的齐纳电流(Ic)使开关元件转变为接通状态，其中，具备：放电电阻(R2、R3的并联电路)，其在开关元件的断开驱动时从栅极进行电荷的放电；检测电路(5)，其作为检测齐纳电流的检测部发挥功能，并且作为向栅极供给齐纳电流的供给部发挥功能；以及切换电路(6)，其在检测出齐纳电流的期间，作为将放电电阻的电阻值切换为较高的值(R2)的切换部发挥功能。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及驱动对流过感性负载的电流进行控制的开关元件的半导体装置。

背景技术

驱动对流过感性负载的电流进行控制的开关元件的半导体装置具备通过以规定的电压对在感性负载中产生的反电动势(逆起電圧)进行钳位来保护开关元件不受反电动势的影响的动态钳位功能(例如，参照专利文献1、2)。

在专利文献1、2中，通过在开关元件的控制端子与一个主电极之间连接齐纳二极管，以规定的电压对开关元件关断时产生的反电动势进行钳位，并且利用齐纳电流使开关元件转变为接通状态，使从感性负载释放的电荷经由开关元件释放。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-261020号公报

专利文献2：日本特开2017-158106号公报

然而，在开关元件关断时从控制端子进行电荷的放电的放电电阻被设定为较低的值，以减小开关损耗。因此，为了利用齐纳电流使开关元件转变为接通状态，需要在齐纳二极管中流过较多的电流，存在损耗和尺寸也不能忽视的问题点。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的上述问题，提供一种在反电动势的钳位时能够利用较少的齐纳电流使开关元件转变为接通状态的半导体装置。

本发明的半导体装置通过对具备两个主电极和控制端子的开关元件进行接通断开驱动，来控制在感性负载中流动的电流，当伴随所述开关元件的断开驱动而在所述感性负载中产生了反电动势时，利用来自连接在所述开关元件的一个所述主电极与所述控制端子之间的齐纳二极管的齐纳电流对所述开关元件进行接通驱动，其特征在于，具备：放电电阻，其在所述开关元件的断开驱动时从所述控制端子进行电荷的放电；检测部，其检测所述齐纳电流；供给部，其向所述控制端子供给所述齐纳电流；以及切换部，其在由所述检测部检测出所述齐纳电流的期间，将所述放电电阻的电阻值切换为较高的值。

根据本发明，在反电动势的钳位时，将放电电阻的电阻值切换为较高的值，因此起到了能够利用较少的齐纳电流使开关元件转变为接通状态、能够减少齐纳二极管中的损耗并且还能够减小齐纳二极管的尺寸的效果。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的半导体装置的结构例的电路图。

图2是示出图1所示的检测电路及切换电路的结构例的电路图。

图3是示出图2所示的半导体装置1中的各部分的信号波形及动作波形的波形图。

标号说明

1：半导体装置；2：感性负载；3：开关元件；4：钳位电路；5：检测电路；6：切换电路；11：反相器；12：高侧开关元件；13：第1低侧开关元件；14：第2低侧开关元件；15：切换开关元件；51：P型晶体管；61：N型晶体管；62：反相器；C：钳位端子；D：驱动端子；D1：二极管；G：GND端子；Ic：齐纳电流；R1～R9：电阻；ZD1：齐纳二极管。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。另外，在以下的实施方式中，对表示相同功能的结构标注相同的标号并适当省略说明。

参照图1，本实施方式的半导体装置1是通过对开关元件3进行接通断开驱动来控制流过线圈等感性负载2的电流的负载驱动装置。

开关元件3是具备作为两个主电极的第1端子及第2端子和控制端子的3端子元件。在本实施方式中，将开关元件3例示为N型MOSFET，将作为电流输入端子的第1端子作为漏极，作为电流输出端子的第2端子作为源极，控制端子作为栅极，以下进行说明。

当栅极-源极间电压(以下称为栅极电压Vgs)成为阈值电压Vth以上时，开关元件3成为接通状态，漏极-源极间成为低电阻。由此，在开关元件3的漏极-源极间流过主电流。当栅极电压Vgs低于阈值电压Vth时，开关元件3成为断开状态。由此，开关元件3的漏极-源极间实质上成为开路状态。

开关元件3的漏极与感性负载2的一端连接，源极与基准电位GND接地。并且，感性负载2的另一端与电位被设定为电源电位VCC的电源连接。即，感性负载2和开关元件3串联连接在电源电位VCC与基准电位GND之间。

半导体装置1具备：与开关元件3的栅极连接的驱动端子D；与开关元件3的源极连接的GND端子G；以及经由钳位电路4与开关元件3的漏极连接的钳位端子C。

钳位电路4是用于将开关元件3的漏极-源极间电压Vds钳位为规定的钳位电压以下的电路。钳位电路4具备：齐纳二极管ZD1，其阴极连接到开关元件3的漏极侧；和二极管D1，其阴极连接到钳位端子C侧。齐纳二极管ZD1的齐纳电压(击穿电压)Vz成为钳位电压(准确地说，齐纳电压Vz+栅极电压Vgs+二极管D1正向电压Vf+检测电路5的检测电压)。齐纳电压Vz被设定为大于电源电位VCC且小于开关元件3的Vds间元件耐压的值。

此外，半导体装置1具备反相器11、高侧开关元件12、第1低侧开关元件13、第2低侧开关元件14、切换开关元件15、电阻R1～R4、检测电路5以及切换电路6。

反相器11将作为开关元件3的驱动信号的PWM信号逻辑反转后输出。

高侧开关元件12由PMOS晶体管构成，第1低侧开关元件13及第2低侧开关元件14由NMOS晶体管构成。反相器11的输出被输入到高侧开关元件12及第1低侧开关元件13的栅极，反相器11的输出经由切换开关元件15被输入到第2低侧开关元件14的栅极。

高侧开关元件12的源极与偏置电压REG连接，高侧开关元件12的漏极经由电阻R1与驱动端子D连接。电阻R1作为对开关元件3的栅极-源极间电容进行电荷的充电的充电电阻发挥功能。

第1低侧开关元件13的漏极经由电阻R2与驱动端子D连接，第1低侧开关元件13的源极与基准电位GND接地。电阻R2是用于利用从钳位电路4流入钳位端子C的齐纳电流Ic将驱动端子D的电压、即开关元件3的栅极电压Vgs保持在阈值电压Vth以上的偏置电阻。

第2低侧开关元件14的漏极经由电阻R3与驱动端子D连接，第2低侧开关元件14的源极与基准电位GND接地。电阻R3作为从开关元件3的栅极-源极间电容进行电荷的放电的放电电阻发挥功能。

驱动端子D经由电阻R4与基准电位GND接地。为了防止停止时的误动作而插入电阻R4，电阻R4的电阻值被设定为大到几乎可以忽视对开关动作的影响的程度的值。并且，电阻R2的电阻值被设定为与电阻R4相比足够小的值，电阻R1和电阻R3的电阻值被设定为与电阻R2相比足够小的值(R4>>R2>>R1、R3)。

检测电路5向切换电路6输出钳位检测信号Va，该钳位检测信号Va通知检测出基于钳位电路4的钳位、即检测出从钳位电路4流入钳位端子C的齐纳电流Ic。此外，检测电路5还作为向驱动端子D供给从钳位端子C流入的齐纳电流Ic的齐纳电流供给部发挥功能。

例如，如图2所示，检测电路5能够由P型晶体管51和电阻R5～R7构成。P型晶体管51的发射极经由钳位端子C和电阻R5与驱动端子D连接，基极经由电阻R6与驱动端子D连接，集电极经由电阻R7与基准电位GND接地。并且，P型晶体管51的集电极与电阻R7的连接点的电压作为钳位检测信号Va被输出至切换电路6。该情况下，钳位检测信号Va在未检测出齐纳电流Ic时为低电平L，在检测出齐纳电流Ic时为高电平H。

电阻R5的电阻值被设定为与电阻R7相比足够小的值。由此，从钳位电路4流入钳位端子C的齐纳电流Ic的大部分被供给至驱动端子D、即开关元件3的栅极。

当从检测电路5利用钳位检测信号Va通知了检测出基于钳位电路4的钳位、即检测出从钳位电路4流入钳位端子C的齐纳电流Ic时，切换电路6对切换开关元件15进行切换，输出使第2低侧开关元件14关断的切换信号Vb。

例如，如图2所示，切换电路6能够由N型晶体管61、电阻R8～R9以及反相器62构成。N型晶体管61的基极经由电阻R8连接于检测电路5中的P型晶体管51的集电极与电阻R7的连接点，集电极经由反相器62的输入端子和电阻R9与偏置电压REG连接，发射极与基准电位GND接地。然后，反相器62的输出作为切换信号Vb被输出至切换开关元件15。该情况下，切换信号Vb在钳位检测信号Va为低电平L时为低电平L，在钳位检测信号Va为高电平H时为高电平H。

切换开关元件15例如由P型MOSFET构成，在钳位检测信号Va为低电平L时，将反相器11的输出端子与第2低侧开关元件14的栅极进行连接，在钳位检测信号Va为高电平H时，使反相器11的输出端子与第2低侧开关元件14的栅极开路。

接下来，参照图3对半导体装置1中的钳位时的动作详细地进行说明。

图3是图2所示的半导体装置1中的各部分的信号波形及动作波形，从上起分别示出输入到反相器11中的PWM信号、开关元件3的栅极电压Vgs、开关元件3的漏极-源极间电压Vds、钳位电路4(齐纳二极管ZD1)的齐纳电流Ic、从检测电路5输出的钳位检测信号Va、从切换电路6输出的切换信号Vb、第2低侧开关元件14的栅极电压Vc以及开关元件3的栅极(驱动端子D)与基准电位GND之间的放电电阻的电阻值Rs。

在初始状态下，开关元件3的漏极-源极间电压Vds为电源电位VCC，高侧开关元件12断开，第1低侧开关元件13、第2低侧开关元件14以及切换开关元件15接通。因此，放电电阻的电阻值Rs成为将电阻R2、R3、R4并联连接的值。

当PWM信号在时刻t1从低电平L转变为高电平H时，高侧开关元件12接通，并且第1低侧开关元件13及第2低侧开关元件14关断。由此，放电电阻的电阻值Rs切换为电阻R4的电阻值，经由电阻R1(充电电阻)对开关元件3的栅极开始充电。

然后，开关元件3在栅极电压Vgs达到阈值电压Vth时开始流动漏极电流，经过时刻t2～t3的镜像期间完全成为接通状态，漏极-源极间成为低电阻，因此漏极-源极间电压Vds转变为大致0V。

当PWM信号在时刻t4从高电平H转变为低电平L时，高侧开关元件12关断，并且第1低侧开关元件13及第2低侧开关元件14接通。由此，放电电阻的电阻值Rs切换为将电阻R2、R3、R4并联连接而得到的值，开始从开关元件3的栅极放电，开关元件3经过时刻t5～t6的镜像期间从接通状态转变为断开状态。

通过开关元件3转变为断开状态，流过感性负载2的漏极电流被急剧切断，在感性负载2的两端产生反电动势(浪涌)。由此，漏极-源极间电压Vds超过电源电位VCC而急剧上升。

然后，在时刻t7，当漏极-源极间电压Vds达到作为钳位电压的齐纳二极管ZD1的齐纳电压Vz时，齐纳电流Ic从钳位电路4流入钳位端子C。

于是，检测电路5检测出基于钳位电路4的钳位、即检测出从钳位电路4流入钳位端子C的齐纳电流Ic，使钳位检测信号Va从低电平L转变为高电平H。

当钳位检测信号Va转变为高电平H时，切换电路6使切换信号Vb从低电平L转变为高电平H，使切换开关元件15关断。由此，第2低侧开关元件14的栅极电压Vc从高电平H被转变为低电平L，通过关断第2低侧开关元件14，将放电电阻的电阻值Rs切换为将电阻R2、R4并联连接而得到的值。

电阻R2的电阻值被设定为利用从检测电路5供给至开关元件3的栅极的齐纳电流Ic产生阈值电压Vth以上的栅极电压Vgs的值。并且，电阻R2、R4的并联合成电阻的电阻值也同样被设定为利用从检测电路5供给至开关元件3的栅极的齐纳电流Ic产生阈值电压Vth以上的栅极电压Vgs的值。由此，开关元件3利用来自检测电路5的齐纳电流Ic而被接通，从感性负载2释放的电荷作为开关元件3的漏极电流被释放。

通过从感性负载2的电荷的释放，在时刻t8，当漏极-源极间电压Vds低于作为钳位电压的齐纳二极管ZD1的齐纳电压Vz时，停止从钳位电路4向钳位端子C流入齐纳电流Ic。

于是，检测电路5使钳位检测信号Va从高电平H转变为低电平L，切换电路6使切换信号Vb从高电平H转变为低电平L。由此，切换开关元件15接通，第2低侧开关元件14接通，放电电阻的电阻值Rs切换为将电阻R2、R3、R4并联连接而得到的值，转变为初始状态。

另外，在本实施方式中，虽然将半导体装置1的各结构作为独立的部件进行了说明，但也可以构成为将它们集成电路化后的IC。此外，也可以将钳位电路4与半导体装置1安装在同一芯片或同一封装内。此外，还可以将开关元件3也与半导体装置1安装在同一芯片或同一封装内。

如以上进行了说明那样，根据本实施方式，半导体装置通过对具备两个主电极(漏极/源极)和控制端子(栅极)的开关元件3进行接通断开驱动，来控制在感性负载2中流动的电流，当伴随开关元件3从接通状态向断开状态的转变而在感性负载2中产生反电动势时，利用来自连接在开关元件3的漏极与栅极之间的齐纳二极管ZD1的齐纳电流Ic使开关元件3转变为接通状态，其中，具备：放电电阻(电阻R2、R3的并联电路)，其在开关元件3的断开驱动时从栅极进行电荷的放电；检测电路5，其作为检测齐纳电流Ic的检测部发挥功能，并且作为向栅极供给齐纳电流Ic的供给部发挥功能；以及切换电路6，其在由检测电路5检测出齐纳电流Ic的期间，作为将放电电阻的电阻值切换为较高的值(电阻R2)的切换部发挥功能。

根据该结构，在反电动势的钳位时，将放电电阻的电阻值切换为较高的值(电阻R2)，因此能够利用较少的齐纳电流Ic使开关元件3转变为接通状态，能够减少齐纳二极管ZD1中的损耗，并且还能够减小齐纳二极管ZD1的尺寸。

此外，在本实施方式中，放电电阻的第1放电电阻(电阻R2)和第2放电电阻(电阻R3)并联连接，其中，所述第1放电电阻利用从检测电路5供给的齐纳电流Ic使栅极产生比开关元件3的阈值电压高的电压，所述第2放电电阻的电阻值低于第1放电电阻(电阻R2)的电阻值，当由检测电路5检测出齐纳电流Ic时，切换电路6使与第2放电电阻(电阻R3)串联连接的开关元件(第2低侧开关元件14)断开。

此外，在本实施方式中，齐纳二极管ZD1也可以安装在同一芯片或同一封装内。

根据该结构，由于无需在齐纳二极管ZD1中流过较多的电流，因此缓和了齐纳二极管ZD1中的损耗和尺寸的条件，能够将齐纳二极管ZD1与半导体装置1简单地安装在同一芯片或同一封装内。

此外，在本实施方式中，开关元件3也可以安装在同一芯片或同一封装内。

以上，通过具体的实施方式对本发明进行了说明，但是，上述实施方式只是一例，当然可以在不脱离本发明的宗旨的范围内进行变更来实施。

Claims (4)

1.一种半导体装置，其通过对具备两个主电极和控制端子的开关元件进行接通断开驱动，来控制在感性负载中流动的电流，当伴随所述开关元件的断开驱动而在所述感性负载中产生了反电动势时，利用来自连接在所述开关元件的一个所述主电极与所述控制端子之间的齐纳二极管的齐纳电流对所述开关元件进行接通驱动，该半导体装置的特征在于，具备：

放电电阻，其在所述开关元件的断开驱动时从所述控制端子进行电荷的放电；

检测部，其检测所述齐纳电流；

供给部，其向所述控制端子供给所述齐纳电流；以及

切换部，其在由所述检测部检测出所述齐纳电流的期间，将所述放电电阻的电阻值切换为较高的值。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述放电电阻的第1放电电阻和第2放电电阻并联连接，其中，所述第1放电电阻利用从所述检测部供给的所述齐纳电流使所述控制端子产生比所述开关元件的阈值电压高的电压，所述第2放电电阻的电阻值低于所述第1放电电阻的电阻值，

当由所述检测部检测出所述齐纳电流时，所述切换部使与所述第2放电电阻串联连接的开关元件断开。

3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述齐纳二极管安装在同一芯片或同一封装内。

4.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述开关元件安装在同一芯片或同一封装内。

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