CN111869107B

CN111869107B - 半导体装置

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Publication number: CN111869107B
Application number: CN201980020464.XA
Authority: CN
Inventors: 坪内和也; 河野雅树
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2023-08-18
Anticipated expiration: 2039-02-13
Also published as: JP2019176392A; US11496084B2; WO2019187724A1; EP3751738A4; US20200403551A1; CN111869107A; EP3751738A1; JP6687053B2

Abstract

栅极电压控制/栅极电阻切换电路(21)与开关元件(11)收纳在同一封装体(P1)内，且向开关元件(11)输出驱动信号来对开关元件(11)的导通和截止进行控制。当外部信号从封装体(P1)的外部输入封装体(P1)的端子(3c)后，收纳在封装体(P1)内的切换器(221)根据该信号切换开关元件(11)的开关速度。

Description

半导体装置

技术领域

本公开涉及一种半导体装置。

背景技术

有些半导体装置包括开关元件和开关控制电路，该开关控制电路对开关元件的导通(on)和截止(off)动作进行控制。

在开关控制电路的控制中，需要减少电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)噪声和开关损耗。往往每单位时间内的开关元件的栅极电压的变化量dv/dt越大(开关速度的高速化)，EMI噪声就越大。EMI噪声会妨碍电子设备的控制，因此需要抑制EMI噪声。此外，开关损耗与使开关元件导通和截止时产生的功率损耗的意思相同，从低功耗化的观点出发，需要抑制开关损耗。

与上述相关的技术例如有专利文献1公开的开关元件控制电路，其使开关速度高速化，并减少开关损耗。

专利文献1：日本公开专利公报特开第2007－228447号公报

发明内容

－发明要解决的技术问题－

在所述开关速度中，针对使用半导体装置的各个应用(application)，都存在一个合适的速度。因此，就要求开关元件以与使用半导体装置的应用相应的开关速度进行开关动作。

最近，经常将开关元件及其控制电路进行单封装化(单芯片化)，此时的开关速度是事先设定好的。因此，将半导体装置用于各种应用时，必须准备以适用于各个应用的开关速度工作的多个半导体装置，成本会增加。

本公开的目的在于：使一个单封装化的半导体装置能够对应地用于各种应用。

－用以解决技术问题的技术方案－

第一方面的公开是一种半导体装置，其特征在于：包括开关元件11、11a～11f、开关控制部21、21a～21f、输入部3d、3e以及切换部221、229、23，所述开关控制部21、21a～21f与所述开关元件11、11a～11f收纳在同一封装体P1内，向所述开关元件11、11a～11f输出驱动信号来对所述开关元件11、11a～11f的导通和截止进行控制，与所述开关元件11、11a～11f导通和截止的开关速度相关的外部信号从所述封装体P1的外部输入所述输入部3d、3e，所述切换部221、229、23收纳在所述封装体P1内，且根据所述外部信号切换所述开关元件11、11a～11f的所述开关速度。

这样一来，即使不针对各个应用准备单封装化的多个半导体装置，也能够将一个半导体装置对应地用于各种应用。

第二方面的公开是一种半导体装置，在第一方面的公开的基础上，其特征在于：进一步包括存储部222、223、226，所述存储部222、223、226内存储多种所述开关速度，所述切换部221、229根据输入所述输入部3d、3e的所述外部信号，从多种所述开关速度中选择与该外部信号对应的种类的所述开关速度并切换到该开关速度。

这样一来，能够以简单的构成将一个半导体装置对应地用于各种应用。

第三方面的公开是一种半导体装置，在第一方面或第二方面的公开的基础上，其特征在于：在所述开关元件11、11a～11f进行开关动作的期间，所述切换部221、229、23不进行所述开关速度的切换动作。

这样一来，在开关元件进行开关动作的期间，开关速度保持恒定。

第四方面的公开是一种半导体装置，在第一方面到第三方面中任一方面的公开的基础上，其特征在于：所述开关元件11、11a～11f是以宽带隙半导体为主材料的半导体元件，所述宽带隙半导体包括碳化硅、氮化镓类材料或金刚石。

要求宽带隙半导体具有的开关速度不仅因应用不同而不同，而且能够实现在硅(Si)器件中无法实现的较宽的速度范围。此处，采用宽带隙半导体作为开关元件的主材料的上述半导体装置也根据外部信号切换开关速度，因此该半导体装置能够以简单的构成应用于各种应用。

附图说明

图1是示出第一实施方式所涉及的半导体装置的构成的电路图。

图2是示出第二实施方式所涉及的半导体装置的构成的电路图。

图3是示出第三实施方式所涉及的半导体装置的构成的电路图。

图4是示出系统的电路图的构成的电路图，该系统包括第四实施方式所涉及的半导体装置和PWM信号生成装置。

图5是示出第五实施方式所涉及的半导体装置的构成的电路图。

图6示出选择第一速度时，电源的接通和断开、外部信号的内容、比较器的输出以及存储保持部的存储保持状态随时间变化的情况。

图7示出选择第二速度时，电源的接通和断开、外部信号的内容、比较器的输出以及存储保持部的存储保持状态随时间变化的情况。

具体实施方式

(第一实施方式)

＜构成＞

图1是示出第一实施方式所涉及的半导体装置10的构成的电路图。如图1所示，半导体装置10具有功率模块1和与功率模块1的输入侧相连接的栅极控制电路2。功率模块1和栅极控制电路2被单芯片化，即，收纳在一个封装体P1内。

在封装体P1的外周，设有多个端子3a、3b、3c、3d。

－端子－

端子3a、3b在封装体P1内部与功率模块1相连接。具体而言，端子3a、3b分别与功率模块1中的开关元件11的漏极端子和源极端子相连接。端子3a、3b在封装体P1外部能够与功率模块的供电对象(例如空调装置的压缩机用电动机)相连接，未图示。也就是说，端子3a、3b能够是例如以功率模块1为一构成要素的逆变电路等的输出端子。

端子3c、3d在封装体P1内部与栅极控制电路2相连接。信号从半导体装置10的外部(即封装体P1的外部)输入端子3c、3d。具体而言，PWM信号从封装体P1(半导体装置10)的外部输入端子3c。PWM信号输入栅极控制电路2内的栅极电压控制/栅极电阻切换电路21。端子3d相当于输入部，与开关元件11的开关速度相关的信号作为外部信号从封装体P1(半导体装置10)的外部输入端子3d。外部信号例如是在功率模块1的电源即0V～20V的电压范围内表示的信号，且输入栅极控制电路2内的开关速度选择电路22。

－功率模块－

功率模块1包括开关元件11和续流二极管12。开关元件11由以宽带隙半导体为主材料的半导体元件构成。续流二极管12与开关元件11反向并联。

此处，宽带隙半导体包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)类材料或金刚石。或者，宽带隙半导体能够是包括氮化硅、氮化镓类材料或金刚石作为主要材料的半导体。

－栅极控制电路－

栅极控制电路2包括开关控制部即栅极电压控制/栅极电阻切换电路21和开关速度选择电路22。

－栅极电压控制/栅极电阻切换电路－

栅极电压控制/栅极电阻切换电路21的输出侧与开关元件11的栅极端子相连接，向开关元件11输出驱动信号来对开关元件11的导通和截止进行控制。具体而言，栅极电压控制/栅极电阻切换电路21为了实现在开关速度选择电路22中设定的开关速度，输出表示要提高栅极驱动电压或降低栅极驱动电阻的驱动信号。

－开关速度选择电路－

当外部信号从封装体P1(半导体装置10)的外部输入端子3d后，开关速度选择电路22会根据该外部信号，选择第一速度或第二速度作为开关元件11的开关速度。开关速度选择电路22包括切换部即切换器221、第一存储器222、第二存储器223、第三存储器225以及比较器224。

－存储器－

各存储器222、223、225例如由半导体存储器构成。第一存储器222内存储有第一速度，第二存储器223内存储有第二速度。上述第一存储器222和第二存储器223相当于存储部。第三存储器225内存储有第一规定值。第一速度、第二速度以及第一规定值是事先适当设定好的。

需要说明的是，第一速度和第二速度是互不相同的速度。

－比较器－

比较器224例如由比较电路构成。比较器224的两个输入端子与第三存储器225和端子3d相连接，从各输入端子输入第一规定值和外部信号。比较器224的输出端子与切换器221相连接。当外部信号从封装体P1(半导体装置10)的外部经由端子3d输入比较器224后，比较器224将其与第一规定值进行比较。比较器224将比较结果从输出端子输出到切换器221。

－切换器－

切换器221例如由开关构成。切换器221的接点A与第一存储器222相连接，切换器221的接点B与第二存储器223相连接。切换器221还与比较器224的输出侧相连接，比较器224的比较结果输入切换器221。切换器221的输出端子与栅极电压控制/栅极电阻切换电路21相连接。切换器221根据输入端子3d的外部信号，切换开关元件11的开关速度。

具体而言，当表示外部信号比第一规定值大的比较结果从比较器224输入切换器221时，切换器221的输出端子为不与接点B连接而与接点A连接的状态，选择存储在第一存储器222内的第一速度作为开关速度。在此情况下，表示第一速度的信号输出到栅极电压控制/栅极电阻切换电路21。这样一来，栅极电压控制/栅极电阻切换电路21向开关元件11的栅极端子输出驱动信号，该驱动信号用于使栅极电阻减小，以便开关元件11以第一速度为开关速度工作。第一速度能够是提高每单位时间内的栅极电压的变化量dv/dt(即开关速度)的速度(高速化)。

包括未输入外部信号的情况在内，当表示外部信号比第一规定值小的比较结果从比较器224输入切换器221时，切换器221的输出端子为与接点B连接的状态，选择存储在第二存储器223内的第二速度作为开关速度。在此情况下，表示第二速度的信号输出到栅极电压控制/栅极电阻切换电路21。这样一来，栅极电压控制/栅极电阻切换电路21向开关元件11的栅极端子输出驱动信号，该驱动信号用于使栅极电阻比选择第一速度时大，以便开关元件11以第二速度为开关速度工作。第二速度能够是使每单位时间内的栅极电压的变化量dv/dt(即开关速度)比选择第一速度时小的速度(低速化)。

像这样，切换器221根据输入端子3d的外部信号，从多种开关速度中选择与该外部信号对应的种类的开关速度并切换到该开关速度。

在本第一实施方式中，在开关元件11进行开关动作的期间，所述切换器221不进行开关速度的切换动作。因此，在开关元件11进行开关动作的期间，始终有恒定值的外部信号输入半导体装置10的端子3d。

例如，选择第一速度时，外部信号能够是20V的值，选择第二速度时，外部信号能够是0V的值或与封装有功率模块1和栅极控制电路2的印刷电路板的接地线信号接近的值等。所述第一规定值设为下述值，其比选择第一速度时的外部信号的电压(例如20V)低，且比选择第二速度时的外部信号的电压(例如0V)高。

需要说明的是，输入的外部信号的值有时基本上不能保持恒定而不稳定。在此情况下，优选选择第二速度作为开关速度。这是为了适用于应选择比第一速度慢的第二速度的情况(应用)。例如，将功率模块1用作驱动空调装置的压缩机的逆变器(inverter)的一部分时，如果选择第一速度，则EMI噪声增加，可能对空调装置的其他设备产生不良影响。因此，当外部信号不稳定且比较器224的比较结果在相对较短时间内发生变化时，切换器221选择第二速度。

需要说明的是，第一速度的值例如能够设在第二速度的两倍以上的开关速度。这样一来，半导体装置10能够通过切换第一速度和第二速度来与下述两种应用对应：在一种应用中，即使选择第一速度也能够实现因减少开关元件11的开关损耗而带来的系统的高效率化；在另一种应用中，能够通过选择第二速度实现低EMI噪声化。

＜关于由宽带隙半导体构成的开关元件的开关速度切换动作＞

宽带隙半导体元件的材料即碳化硅(SiC)等具有比硅(Si)高约十倍的绝缘击穿电压强度，用于保证耐压的漂移层能够薄到硅(Si)的约1/10。因此，宽带隙半导体元件能够实现功率器件的低导通电压化，与硅(Si)相比能够使每单位时间内的栅极电压的变化量dv/dt较大。

在空调装置的室外机的压缩机用电动机的驱动装置等中，为了采取抑制电源高次谐波的措施，采用有源滤波器等高次谐波抑制装置。在该有源滤波器的一构成要素即功率模块和驱动装置的逆变电路的功率模块中，有时采用所述宽带隙半导体构成开关元件。像这样，通过采用宽带隙半导体构成功率模块的开关元件，压缩机用电动机在相对较高的温度下也能够工作。

然而，将宽带隙半导体用于有源滤波器等高次谐波抑制装置时和将宽带隙半导体用于驱动装置的逆变电路时，要求宽带隙半导体具有的特性是不同的。也就是说，各个应用要求宽带隙半导体具有的特性不同，因此在具体的各个应用中，宽带隙半导体工作时所需要的栅极驱动电压的值或栅极驱动电阻的值不同。

此外，在开关元件进行开关动作的过程中和在栅极控制电路工作的过程中改变开关元件的栅极电压和栅极电阻的技术是众所周知的。然而，如上所述，当高次谐波抑制装置的开关元件是宽带隙半导体时和当驱动装置的逆变电路的开关元件是宽带隙半导体时，要求具有的开关速度例如会相差二到三倍左右。因此，在众所周知的上述技术中仅仅是采用宽带隙半导体构成开关元件的情况下，难以实现与用于高次谐波抑制装置的应用或用于逆变电路用的应用相应的开关动作。

具体而言，在高次谐波抑制装置中，需要高效率地工作，即使提高开关速度也能减少开关元件的开关损耗。在压缩机用电动机的驱动装置的逆变电路中，以压缩机为传播路径的EMI噪声会成为相对较大的问题，因此需要做到降低开关速度且能够在相对较高的温度下工作。像这样，要求宽带隙半导体具有的开关速度因应用不同而不同，宽带隙半导体能够实现在硅(Si)器件中无法实现的较宽的开关速度的速度范围。因此，在上述的众所周知的技术(即，在进行开关动作的过程中和在栅极控制电路工作的过程中改变开关元件的栅极电压和栅极电阻的技术)中，采用宽带隙半导体构成开关元件，在此状态下难以实现各个应用要求的开关速度。

此外，就宽带隙半导体而言，与硅(Si)等相比，能够通入该半导体的电流密度较大。也就是说，即使宽带隙半导体是尺寸相对较小的半导体，也能够通入较大的电流。因此，例如当包括栅极控制电路和功率器件的半导体装置是智能功率模块(Intelligent PowerModule，IPM)时，如果该功率器件采用宽带隙半导体，则能够使IPM的封装体尺寸相对较小。然而，在封装体尺寸较小的IPM中，如果在进行开关动作的过程中使栅极电压、栅极电阻发生变化，则封装体内的噪声会变大。使封装体尺寸越小，所述噪声就越大，从而越可能引起栅极控制电路和IPM本身的误动作。为了不引起该误动作，需要使封装体内的电路构成和封装体本身的物理构成较复杂，要实现封装体的小型化极其困难。

对此，在本第一实施方式中，采用宽带隙半导体构成功率模块1的开关元件11，且切换器221根据从封装体P1的外部(即半导体装置10的外部)输入的外部信号，进行将开关元件11的开关速度切换到大小不同的第一速度和第二速度中的一个速度的动作。也就是说，在本第一实施方式中，根据使用半导体装置10的应用，将开关速度切换到合适的速度。这样一来，即使采用宽带隙半导体构成开关元件11，也能够在不使封装体P1内的构成变得复杂的情况下，开关元件11以简单的构成以与应用相应的开关速度进行开关动作。

具体而言，在选择第一速度的情况下，栅极电压控制/栅极电阻切换电路21向开关元件11输出使开关元件11的栅极电阻减小的驱动信号，因此能够在减少开关元件11的开关损耗的同时，提高每单位时间内的栅极电流的变化量di/dt和栅极电压的变化量dv/dt(即，开关速度的高速化)。在选择第二速度的情况下，栅极电压控制/栅极电阻切换电路21向开关元件11输出使开关元件11的栅极电阻增大的驱动信号，因此能够使每单位时间内的栅极电流的变化量di/dt和栅极电压的变化量dv/dt降低(即，开关速度的低速化)，从而能够减少EMI噪声。

此外，在本第一实施方式中，在进行开关动作的过程中，切换器221不进行开关速度的切换，因此在进行开关动作的过程中，栅极电压控制/栅极电阻切换电路21不让开关元件11的栅极电压和栅极电阻发生变化，而基本保持恒定。因此，能够抑制封装体P1内的噪声对栅极控制电路2的控制动作等产生影响。

＜效果＞

在本第一实施方式中，在同一封装体P1内，收纳有开关元件11和栅极控制电路2。当与开关元件11的开关速度相关的外部信号从封装体P1的外部经由封装体P1的端子3d输入后，栅极控制电路2所包括的切换器221根据该外部信号切换开关速度。这样一来，切换器221能够与使用半导体装置10的各种应用对应地切换开关速度。因此，即使不准备与使用半导体装置10的各种应用对应地单封装化的多个半导体装置10，也能够将一个半导体装置10用于各种应用。

此外，互不相同的第一速度和第二速度作为开关速度的候选存储在存储器222、223内。切换器221根据输入的外部信号，从存储的多个开关速度中选择与该外部信号对应的开关速度并切换到该开关速度。通过这样的简单构成，能够将一个半导体装置10对应地用于各种各样的应用。

此外，在开关元件11进行开关动作的期间，不进行开关速度的切换动作。因此，在开关元件进行开关动作的期间，开关速度保持恒定，能够抑制封装体P1内的噪声对栅极控制电路2的控制动作等产生影响。

要求包括碳化硅、氮化镓类材料或金刚石的宽带隙半导体具有的开关速度不仅因应用不同而不同，而且宽带隙半导体能够实现硅(Si)器件无法实现的较宽的开关速度的速度范围。此处，采用上述宽带隙半导体作为开关元件11的主材料，但根据外部信号切换开关速度。因此，半导体装置10能够以包括切换器221的简单构成，应用于各种应用。

(第二实施方式)

在本第二实施方式中，设有多个上述第一实施方式所涉及的功率模块，示出对于该功率模块还设有多个栅极电压控制/栅极电阻切换电路的情况为例。

＜半导体装置的构成＞

图2是示出第二实施方式所涉及的半导体装置10的构成的电路图。如图2所示，半导体装置10具有多个(此处为六个)功率模块1a～1f和与各功率模块1a～1f的输入侧相连接的栅极控制电路2。多个功率模块1a～1f和栅极控制电路2被单芯片化，即，收纳在一个封装体P1内。

各功率模块1a～1f具有由宽带隙半导体构成的开关元件11a～11f和续流二极管12a～12f。续流二极管12a～12f与开关元件11a～11f反向并联。

也就是说，在本第二实施方式中，示出下述情况为例：由六个开关元件11a～11f构成逆变器的封装体，例如该封装体是IPM(Intelligent Power Module)。

在封装体P1的外周，设有多个端子31a～31c、32b～32c、33b～33c、34b～34c、35b～35c、36b～36c、3d。

在封装体P1内部，端子31a与各开关元件11a、11b、11c的漏极端子相连接，端子31b与开关元件11a的源极端子和开关元件11d的漏极端子相连接。端子32b与开关元件11b的源极端子和开关元件11e的漏极端子相连接，端子33b与开关元件11c的源极端子和开关元件11f的漏极端子相连接。端子34b、35b、36b分别与各开关元件11d、11e、11f的源极端子相连接。在封装体P1的外部，各端子31a、31b、32b、33b、34b、35b、36b能够与功率模块1a～1f的供电对象(例如空调装置的压缩机用电动机)相连接。

在封装体P1内部，各端子31c、32c、33c、34c、35c、36c与栅极控制电路2内的对应的栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f相连接。PWM信号1～6从封装体P1外部输入各端子31c、32c、33c、34c、35c、36c。该PWM信号1～6经由端子31c、32c、33c、34c、35c、36c输入对应的栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f。

在封装体P1内部，端子3d与栅极控制电路2内的开关速度选择电路22相连接。与所述第一实施方式相同的外部信号从封装体P1外部输入端子3d。该外部信号经由端子3d输入开关速度选择电路22。

栅极控制电路2具有与各功率模块1a～1f对应的多个(此处为六个)栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f和一个开关速度选择电路22。

栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f与各开关元件11a～11f的栅极端子相连接，为了实现在开关速度选择电路22中设定的开关速度，输出表示要提高栅极驱动电压或降低栅极驱动电阻的驱动信号。

开关速度选择电路22与上述第一实施方式中相同。

＜开关元件的开关速度切换动作＞

在本第二实施方式中，也进行上述第一实施方式中说明的开关速度切换动作。

即，在本第二实施方式中，采用宽带隙半导体构成各开关元件11a～11f。切换器221根据从封装体P1外部(即半导体装置10外部)输入的外部信号，选择大小不同的第一速度和第二速度中的一个速度作为各开关元件11a～11f的开关速度。开关速度根据使用半导体装置10的应用，而切换到适当的速度。

这样一来，即使采用宽带隙半导体构成开关元件11a～11f，也能够在不使封装体P1内的构成变得复杂的情况下，开关元件11a～11f以简单的构成以与应用相应的开关速度进行开关动作。此外，能够使逆变器较小。

＜效果＞

本第二实施方式中能够起到与上述第一实施方式相同的效果。

(第三实施方式)

在本第三实施方式中，示出在上述第一实施方式的基础上，设有两个切换器的情况为例。

＜半导体装置的构成＞

图3是示出第三实施方式所涉及的半导体装置10的构成的电路图。在图3中，半导体装置10构成为：不同的外部信号1、2输入封装体P1的各端子3d、3e，能够从第一速度、第二速度以及第三速度中选择与该外部信号1、2相应的开关速度。

如图3所示，半导体装置10包括与上述第一实施方式中相同的功率模块1和栅极控制电路2。在收纳功率模块1和栅极控制电路2的封装体P1的外部，不仅设有与上述第一实施方式中相同的端子3a～3d，还设有端子3e。

端子3e与端子3d一样是输入部，外部信号从封装体P1外部(即半导体装置10外部)输入端子3e。输入端子3d的外部信号和输入端子3e的外部信号是不同的信号，因此下面将输入端子3d的外部信号称为“外部信号1”，将输入端子3e的外部信号称为“外部信号2”。

栅极控制电路2具有与上述第一实施方式相同的栅极电压控制/栅极电阻切换电路21和开关速度选择电路22。

开关速度选择电路22具有第一切换电路22a和第二切换电路22b。

第一切换电路22a除了切换器221的输出侧与后述的第二切换电路22b内的切换器229相连接这一点以外，其他方面与上述第一实施方式的开关速度选择电路22相同。因此，用与第一实施方式的开关速度选择电路22内的构成要素相同的符号表示第一切换电路22a内的构成要素。

第二切换电路22b包括第四存储器226、第五存储器228、比较器227以及切换部即切换器229。

各存储器226、228例如由半导体存储器构成。在相当于存储部的第四存储器226内，事先存储有与第一速度和第二速度不同的第三速度。在第五存储器228内，存储有事先设为适当值的第二规定值。

比较器227例如由比较电路构成。比较器227的两个输入端子与第五存储器228和端子3e相连接，从各输入端子输入第二规定值和外部信号2。比较器227的输出端子与切换器229相连接。当外部信号2经由端子3e从封装体P1外部(半导体装置10外部)输入比较器227后，比较器227将其与第二规定值进行比较。比较器227将比较结果从输出端子输出到切换器229。

切换器229例如由开关构成。切换器229的接点A与第一切换电路22a内的切换器221的输出侧相连接，切换器229的接点B与第四存储器226相连接。切换器229还与比较器227的输出侧相连接，比较器227的比较结果输入切换器229。切换器229的输出端子与栅极电压控制/栅极电阻切换电路21相连接。切换器229根据从切换器221输出的信号和输入端子3e的外部信号2，切换开关元件11的开关速度。

＜开关速度的切换控制动作＞

在本第三实施方式中，也进行开关速度切换动作。即，采用宽带隙半导体构成开关元件11。切换器221、229根据从封装体P1外部(半导体装置10外部)输入的外部信号1、2，选择大小不同的第一速度、第二速度以及第三速度中的一个速度作为开关元件11的开关速度。

尤其是在本第三实施方式中，由于开关速度选择电路22具有上述构成，所以从三种开关速度中选择一种开关速度。因此，与第一、第二实施方式相比，半导体装置10能够采用的应用的种类较多。

在图3中，能够设定第一速度、第二速度以及第三速度这三种开关速度，但从封装体P1外部输入的外部信号为两种。于是，在本第三实施方式中，如下表所示，当各外部信号1、2例如采用20V或0V的值时，可以存在四种选择和设定开关速度的模式。需要说明的是，第四速度是第一到第三速度中速度最低的开关速度，也就是默认值。在本第三实施方式中，将开关速度按照从高到低的顺序排列，则为“第一速度、第二速度、第三速度、第四速度”。

[表1]

＜效果＞

本第三实施方式能起到与上述第一实施方式相同的效果。

而且，在本第三实施方式中，如上表所示，能选择的开关速度的种类增多，与上述第一实施方式相比，半导体装置10能够与更多的应用对应。

(第四实施方式)

在本第四实施方式中，像上述第二实施方式一样，设有多个功率模块1a～1f，对于该功率模块1a～1f还设有多个栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f。与上述第二实施方式不同的部分是，功率模块1a～1f中的开关元件11a～11f的开关速度分别根据从封装体P1外输入的串行信号(相当于外部信号)被改变。

图4是系统的电路图，该系统包括收纳在一个封装体P1内的第四实施方式所涉及的半导体装置10和收纳在与该封装体P1不同的另一封装体P2内的PWM信号生成装置4。

＜半导体装置的构成＞

本第四实施方式所涉及的半导体装置10在上述第二实施方式的基础上，包括串行信号接收部23作为切换部来代替开关速度选择电路22，其他方面与上述第二实施方式中相同。因此，在图4中，用与图2相同的符号表示串行信号接收部23以外的半导体装置10的构成要素。

串行信号接收部23将设在封装体P1外部的输入部即端子3d用作串行端口，从封装体P1外部接收外部信号即串行信号。当串行信号接收部23将接收到的串行信号转换为各栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f能够识别的信号之后，向各栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f输出该信号。

各栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f根据转换后的所述信号和从封装体P1外部(半导体装置10外部)经由各端子31c～36c输入的各PWM信号1～6，向各开关元件11a～11f的栅极端子输出表示要提高各开关元件11a～11f的栅极驱动电压或降低栅极驱动电阻的驱动信号。

＜PWM信号生成装置的构成＞

PWM信号生成装置4包括PWM信号生成部41和串行信号发送部42。PWM信号生成部41和串行信号发送部42被单芯片化，即，收纳在与封装体P1不同的另一封装体P2内。

PWM信号生成装置4例如由微型计算机构成，且生成PWM信号1～6，该PWM信号1～6分别经由半导体装置10的端子31c～36c输入各栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f。

串行信号发送部42例如由微型计算机构成，且生成串行信号，该串行信号经由半导体装置10的端子3d输入串行信号接收部23。

＜关于串行信号＞

串行信号是表示与各开关元件11a～11f的开关速度相关的数据的信号。该数据作为串行信号，1位(bit)1位地连续从串行信号发送部42发送到串行信号接收部23。

串行信号接收部23由移位寄存器等构成，对经由端子3d输入的(接收到的)串行信号进行串行并行转换，例如转换为约1字节的数据。

例如当以1字节的数据发送对各开关元件11a～11f应设定的开关速度时，串行信号发送部42将该开关速度的值转换为共计8位(bit)的数据，并将其作为串行信号发送出去。即，在本第四实施方式中，能够对开关速度进行256种设定。

＜开关元件的开关速度切换动作＞

在本第四实施方式中，也进行与上述第二实施方式相同的开关速度切换动作。

即，采用宽带隙半导体构成各开关元件11a～11f。切换部即串行信号接收部23根据从封装体P1外部(半导体装置10外部)输入的串行信号，将各开关元件11a～11f的开关速度切换到与串行信号相应的速度。像这样，在本第四实施方式中，根据使用半导体装置10的应用，将开关速度切换到合适的速度。

＜效果＞

本第四实施方式能起到与上述第一实施方式相同的效果。

尤其是在本第四实施方式中，通过将串行信号用作外部信号，虽然外部信号的输入端子为一个端子3d，但对开关速度进行256种切换。因此，在本第四实施方式中，与第一到第三实施方式那样利用作为模拟信号的外部信号的情况相比，通过一个输入端子(端子3d)能够使成本较低且使开关速度有较多选择。

(第五实施方式)

在本第五实施方式中，示出下述情况为例：在上述第二实施方式的基础上，开关速度选择电路22进一步包括存储保持部231。

＜半导体装置的构成＞

图5是示出第五实施方式所涉及的半导体装置10的构成的电路图。

在图5中，存储保持部231以外的半导体装置10的构成与上述第二实施方式相同。因此，在图5中，用与图2相同的符号表示除了存储保持部231以外的所有构成要素。

在半导体装置10的封装体P1上，除了端子31a～31c、32b～32c、33b～33c、34b～34c、35b～35c、36b～36c、3d以外，另外设有电源用端子3f。半导体装置10的驱动用电源从封装体P1外部(半导体装置10外部)向电源用端子3f供电。

存储保持部231与所述电源用端子3f相连接，电源从半导体装置10外部经由该端子3f向存储保持部231供电。在封装体P1内部，存储保持部231的输入侧与开关速度选择电路22的切换器221的输出侧相连接，存储保持部231的输出侧与各栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f的输入侧相连接。存储保持部231具有下述功能：电源从电源用端子3f供电并经过规定时间后，存储切换器221的输出信号。

具体而言，功率模块1的电源(例如是20V)输入并经过规定时间(数秒左右)后，存储保持部231存储(锁存)由切换器221选择的开关速度，直到所述电源断开。这样一来，能够使下述可能性极低：封装体P1内的噪声变大而引起半导体装置10的误动作。

＜开关元件的开关速度切换动作＞

在本第五实施方式中，也进行与上述第二实施方式相同的开关速度切换动作。

即，采用宽带隙半导体构成各开关元件11a～11f。切换器221根据从封装体P1外部(半导体装置10外部)输入的外部信号，切换各开关元件11a～11f的开关速度。像这样，在本第五实施方式中，根据使用半导体装置10的应用，将开关速度切换到合适的速度。

尤其是在本第五实施方式中，电源输入并经过规定时间后，存储保持部231存储(锁存)由切换器221选择的开关速度，直到所述电源断开(锁存动作)。下面，使用图6和图7对该锁存动作进行说明。

图6和图7示出对电源用端子3f施加(输入)的电源的接通和断开、外部信号的内容、比较器224的输出以及存储保持部231的存储保持状态随时间变化的情况。图6和图7的横轴表示时刻[秒]。

需要说明的是，图6示出选择第一速度(开关速度“高”)的情况作为一例。图7数示出选择第二速度(开关速度“低”)的情况作为一例。

－选择第一速度的情况－

设在图6的时刻t1，对封装体P1的电源用端子3f输入的电源从断开切换到接通。设在比该时刻t1晚数μ秒的时刻t2，从封装体P1的端子3d输入20V的外部信号。当比较器224判断20V的外部信号超过第一规定值时，在比时刻t2晚数μ秒的时刻t3，向切换器221输出表示外部信号超过第一规定值的比较结果。切换器221根据该比较结果，将切换器221本身的输出端子的连接对象从选择开关速度较低的第二速度的B接点切换到选择开关速度较高的第一速度的A接点。与该接点的切换相应地，各栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f向各功率模块1a～1f的开关元件11a～11f的栅极端子输出用于实现第一速度下的开关动作的驱动信号。

存储保持部231存储并维持表示在时刻t3将开关速度从第二速度改变为第一速度的信息，直到电源断开(锁存动作)。这样一来，即使封装体P1内的噪声变大，也难以产生开关速度因该噪声而误从第一速度向第二速度切换的现象。

－选择第二速度的情况－

设在图7的时刻t1，对封装体P1的电源用端子3f输入的电源从断开切换到接通。另一方面，设从封装体P1的端子3d输入的外部信号为0V。在此情况下，外部信号比第一规定值低，因此比较器224向切换器221输出表示外部信号低于第一规定值的比较结果，切换器221不进行接点的切换。也就是说，切换器221维持输出端子与选择开关速度较低的第二信号的接点B相连接的状态。与该状态相应地，各栅极电压控制/栅极电阻切换电路21a～21f向各功率模块1a～1f的开关元件11a～11f的栅极端子输出用于实现第二速度下的开关动作的驱动信号。

存储保持部231存储并维持表示选择第二速度作为开关速度的信息，直到电源断开(锁存动作)。

因此，在时刻t4～t5，比较器224输出的信号出现噪声，使该信号发生变化，但保持第二速度被选择的状态。此外，在时刻t6～t7，由于从封装体P1的端子3d输入的外部信号出现噪声，所以比较器224判断外部信号超过第一规定值。然而，在时刻t6～t7，也保持第二速度被选择的状态。

＜效果＞

本第五实施方式能起到与上述第一实施方式相同的效果。

尤其是在本第五实施方式中，由存储保持部231保持切换器221的输出。这样一来，即使封装体P1内的噪声变大或外部信号暂时发生变化，也难以产生开关速度误切换的现象。

(其他实施方式)

在像上述第二、第四以及第五实施方式那样，半导体装置10包括多个开关元件11a～11f的情况下，也可以与上述第三实施方式相同，采用对开关速度进行三种以上切换的构成。

在像上述第一、第三实施方式那样，半导体装置10包括一个开关元件11的情况下，可以像上述第四实施方式那样采用根据串行信号切换开关速度的构成。

可以在上述第一到第四实施方式的基础上进一步采用上述第五实施方式的存储保持部231。

在上述第一到第五实施方式中，在进行开关动作的过程中不进行开关速度的切换动作这一点并非必须。

在上述第一到第五实施方式中，开关元件由宽带隙半导体构成这一点并非必须。开关元件也可以由宽带隙半导体以外的半导体(例如硅(Si))构成。

以上对实施方式以及变形例进行了说明，但应理解可在不脱离权利要求范围的主旨和范围的情况下，对其形态和详情进行各种变更。只要不影响本公开的对象的功能，还可以对上述实施方式和变形例适当地进行组合和替换。

－产业实用性－

综上所述，本公开对半导体装置很有用。

－符号说明－

3d、3e 端子(输入部)

10 半导体装置

11、11a～11f 开关元件

21、21a～21f 栅极电压控制/栅极电阻切换电路(开关控制部)

221、229、23 切换器(切换部)

222、223、226 存储器(存储部)

P1 封装体

Claims

1.一种半导体装置，其特征在于：包括开关元件(11、11a～11f)、开关控制部(21、21a～21f)、输入部(3d、3e)、切换部(221、229、23)、速度存储部(222、223、226)、规定值存储部(225)以及比较器(224)，

所述开关控制部(21、21a～21f)与所述开关元件(11、11a～11f)收纳在同一封装体(P1)内，向所述开关元件(11、11a～11f)输出驱动信号来对所述开关元件(11、11a～11f)的导通和截止进行控制，

与所述开关元件(11、11a～11f)导通和截止的开关速度相关的外部信号从所述封装体(P1)的外部输入所述输入部(3d、3e)，

所述切换部(221、229、23)收纳在所述封装体(P1)内，且根据所述外部信号切换所述开关元件(11、11a～11f)的所述开关速度，

所述速度存储部(222、223、226)内存储多种所述开关速度，

所述规定值存储部(225)存储规定值，

所述比较器(224)对所述规定值与所述外部信号进行比较，

所述切换部(221、229、23)基于所述比较器(224)的比较结果，从存储在所述速度存储部(222、223、226)中的所述开关速度之中选择任一个，并且将所选择的开关速度输出到所述开关控制部(21、21a～21f)，所述开关控制部(21、21a～21f)以与从所述切换部(221、229、23)输入的所述开关速度对应的开关速度，对所述开关元件(11、11a～11f)的接通及断开进行控制，

在所述开关元件(11、11a～11f)进行开关动作的期间，所述切换部(221、229、23)不进行所述开关速度的切换动作。

2.根据权利要求1权利要求所述的半导体装置，其特征在于：

所述开关元件(11、11a～11f)是以宽带隙半导体为主材料的半导体元件，

所述宽带隙半导体包括碳化硅、氮化镓类材料或金刚石。