CN114467248A - 电力变换电路、功率模块、转换器以及逆变器 - Google Patents

电力变换电路、功率模块、转换器以及逆变器 Download PDF

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Abstract

电力变换电路，其开关晶体管和同步整流晶体管被串联连接，所述开关晶体管的源极的电感小于所述同步整流晶体管的源极的电感。

Description

电力变换电路、功率模块、转换器以及逆变器
技术领域
本实施方式涉及电力变换电路、功率模块、转换器以及逆变器。
背景技术
在串联连接两个元件(开关元件以及同步整流元件)的半桥电路或全桥电路中，如果同时将两个元件导通，则电源和接地之间短路，流过大的贯通电流。大的贯通电流在开关元件中产生损耗，或者开关元件自身被破坏。
为了抑制贯通电流，在元件的导通/截止状态的迁移期间需要使所有元件截止的休止期间(死区时间)。但是，在从全部元件截止的死区时间状态使一个元件导通时，有时会产生另一个元件起因于漏极电压变化而元件的栅极导通的现象(误触发或误导通)。这是在例如电动机驱动用的三相逆变器或同步整流的DC/DC转换器等中可能发生的问题。
另外，近年来，在许多研究机构中，进行着碳化硅(SiC：Silicon Carbide)器件的研究开发。作为SiC功率器件的特征，可以举出比以往的Si功率器件优异的低导通电阻、高速开关以及高温动作等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平226994号公报
发明内容
发明要解决的课题
一般地，在使用高速动作的开关元件的情况下，在开关元件上连接源极感测(sense)用信号布线。开关元件的源极的电感的电动势不会对栅极电路造成影响，能够充分地确保在对开关元件的栅极氧化膜的充电中所使用的电位差，因此能够增大电流变化速度，其结果，能够降低在开关元件的导通/截止时产生的损耗(开关损耗)。
另一方面，电压变化区域中的电流变化仅充放电电流有贡献，因此该贡献相对较小，有无源极感测用信号布线的连接所引起的开关元件的电压变化之差较小，大致相等。
另外，同步整流元件的开关特性由开关元件的动作决定。在半桥电路中，起因于同步整流元件的误导通的、串联连接的开关元件以及同步整流元件的短路成为问题。
短路在电压变化区域中发生，但在电压变化区域之前发生的电流变化区域中的回流侧的源极的电感的电动势对短路产生较大影响。电流变化区域中的同步整流元件的源极的电感的电动势方向与开关元件的源极的电感的电动势方向相同，电压变化区域中的各元件的栅极氧化膜的电压向正方向上升。
在不与源极感测用信号布线连接的同步整流元件中，由于源极的电感与栅极电路共有，所以电动势将栅极氧化膜充电至负电压。因此，电压变化区域中的电压上升的起点变低，不易引起短路。
在与源极感测用信号布线连接的元件中，由于源极用信号布线被分离，所以源极的电感的电动势不影响栅极氧化膜的电压。因此，容易受到电压变化区域中的电压上升的影响而容易发生短路。
该短路使元件的电力损耗增大。由与源极感测用信号布线连接的元件构成的半桥电路有时由于该短路而失去通过提高与源极感测用信号布线连接的元件的开关特性的性能而得到的低功率损耗的优点。
为了抑制该短路，需要抑制同步整流元件的误导通，但包含同步整流元件的开关特性由开关元件决定。
本实施方式的一方式提供一种抑制开关元件以及同步整流元件的短路、并且降低电力损耗的电力变换电路。另外，本实施方式的另一方式提供具备该电力变换电路的功率模块。另外，本实施方式的另一方式提供具备该功率模块的转换器以及逆变器。
用于解决课题的手段
本实施方式在电力变换电路中，通过并用与源极感测用信号布线连接的开关元件、以及不与源极感测用信号布线连接的同步整流元件，有效利用与源极感测用信号布线连接的开关元件的开关特性，并且抑制同步整流元件的短路。
本实施方式的一方式是电力变换电路，在该电力变换电路中，开关晶体管和同步整流晶体管被串联连接，所述开关晶体管的源极的电感比所述同步整流晶体管的源极的电感小。
另外，本实施方式的另一方式是具备所述电力变换电路的功率模块。
另外，本实施方式的另一方式是功率模块，该功率模块具备：第1晶体管，具有对第1电感器进行励磁的功能，且与第1源极感测用信号布线连接；第2晶体管，具有释放被蓄积在所述第1电感器中的电力的功能；第1栅极用信号布线以及所述第1源极感测用信号布线，与所述第1晶体管的栅极电连接；以及第2栅极用信号布线以及第1源极用信号布线，与所述第2晶体管的栅极电连接，所述第1晶体管与所述第2晶体管串联连接，所述第1电感器与所述第1晶体管和所述第2晶体管的连接点连接。
另外，本实施方式的另一方式是具备所述功率模块的转换器或逆变器。
发明的效果
根据本实施方式，能够提供抑制开关元件以及同步整流元件的短路、并且降低电力损耗的电力变换电路。另外，其他实施方式能够提供具备该电力变换电路的功率模块。另外，其他实施方式能够提供具备该功率模块的转换器以及逆变器。
附图说明
图1是本实施方式的一方式的电力变换电路。
图2是本实施方式的一方式的电力变换电路，是半桥电路的示意性电路结构图。
图3是本实施方式的一方式的电力变换电路，是半桥电路的示意性电路结构图。
图4是作为可应用于本实施方式的一方式的电力变换电路的半导体器件的一例的SiC DIMISFET的示意性剖面构造图。
图5是作为可应用于本实施方式的一方式的电力变换电路的半导体器件的一例的SiC TMISFET的示意性剖面构造图。
图6是本实施方式的另一方式的电力变换电路。
图7是本实施方式的另一方式的电力变换电路。
图8是本实施方式的另一方式的电力变换电路。
图9是本实施方式的功率模块，是在半桥内置模块中形成树脂层之前的简化的示意性平面图案结构图。
图10是本实施方式的功率模块，是在半桥内置模块中形成树脂层之前的简化的示意性平面图案结构图。
图11是本实施方式的功率模块，是在半桥内置模块中形成树脂层之前的简化的示意性平面图案结构图。
图12是具备晶体管的电路图，(a)是具备未与源极感测用信号布线连接的晶体管的电路A，(b)是具备与源极感测用信号布线连接的晶体管的电路B。
图13是表示非驱动侧的元件中的栅极氧化膜的电压的变化的图。
图14是本实施方式的转换器，是电流模式同步整流降压型的DC/DC转换器的电路图。
图15是本实施方式的转换器，是电流模式同步整流升压型的DC/DC转换器的电路图。
图16是用于双脉冲试验的电路的电路图。
图17是表示图16所示的电路A′以及B′的组合的电路图，(a)是电路A′具备不与源极感测用信号布线连接的晶体管的电路、且电路B′具备与源极感测用信号布线连接的晶体管的电路的组合，(b)是电路A′以及电路B′都具备不与源极感测用信号布线连接的晶体管的电路的组合，以及(c)是电路A′以及电路B′都具备与源极感测用信号布线连接的晶体管的电路的组合。
图18是表示电路B'中包含的晶体管的动作波形的图，(a)是栅极电压，(b)是漏极电流，(c)是漏极电压的动作波形。
图19是表示电路A′以及电路B′中包含的晶体管的损耗的图，(a)是电路A′中包含的晶体管的同步整流元件损耗，(b)是电路B′中包含的晶体管的开关元件损耗。
具体实施方式
接着，参照附图说明本实施方式。在以下说明的附图的记载中，对相同或类似的部分标注相同或类似的标号。但是，应该注意附图是示意性的，各结构部件的厚度与平面尺寸的关系等与现实的不同。因此，具体的厚度或尺寸应该参照以下的说明来判断。另外，在附图的相互之间当然也包含相互的尺寸的关系或比率不同的部分。
另外，以下所示的实施方式例示了用于将技术思想具体化的装置和方法，并不指定各结构部件的材质、形状、构造、配置等。本实施方式可以在权利要求的范围内加以各种变更。
本实施方式的一方式如下。
[1]一种电力变换电路，其中，开关晶体管和同步整流晶体管被串联连接，所述开关晶体管的源极的电感小于所述同步整流晶体管的源极的电感。
[2][1]中所述的电力变换电路，其中，还具备与所述开关晶体管以及所述同步整流晶体管电连接的电容器。
[3][2]中所述的电力变换电路，其中，还具备与所述电容器电连接的输出端子。
[4][1]～[3]中任一项所述的电力变换电路，其中，还具备与所述开关晶体管的漏极电连接的电力端子。
[5]一种功率模块，具备[1]～[4]中任一项所述的电力变换电路。
[6]一种功率模块，具备：第1晶体管，具有对第1电感器进行励磁的功能，且与第1源极感测用信号布线连接；第2晶体管，具有释放被蓄积在所述第1电感器中的电力的功能；第1栅极用信号布线以及所述第1源极感测用信号布线，与所述第1晶体管的栅极电连接；以及第2栅极用信号布线以及第1源极用信号布线，与所述第2晶体管的栅极电连接，所述第1晶体管与所述第2晶体管串联连接，所述第1电感器与所述第1晶体管和所述第2晶体管的连接点连接。
[7][6]中所述的功率模块，其中，所述第1晶体管的源极的电感小于所述第2晶体管的源极的电感。
[8][6]或[7]中所述的功率模块，其中，还具备与所述第1晶体管以及所述第2晶体管电连接的电容器。
[9][8]中所述的功率模块，其中，还具备与所述电容器电连接的输出端子。
[10][6]～[9]中任一项所述的功率模块，其中，还具备与所述第1晶体管的漏极电连接的电力端子。
[11][6]～[10]中任一项所述的功率模块，其中，所述第1晶体管作为开关元件发挥功能，所述第2晶体管作为同步整流元件发挥功能。
[12][6]～[11]中任一项所述的功率模块，其中，所述第2晶体管经由所述第1晶体管的漏极对所述第1源极用信号布线输出信号。
[13][6]～[11]中任一项所述的功率模块，其中，所述第2晶体管经由所述第2晶体管的源极对所述第1源极用信号布线输出信号。
[14][13]中所述的功率模块，还具备：第2源极信号线，与所述第1晶体管电连接；以及第2源极感测用信号布线，与所述第2晶体管电连接，所述第1晶体管经由所述第2晶体管的漏极对所述第2源极用信号布线输出信号。
[15][12]中所述的功率模块，其中，所述第2晶体管和所述第1晶体管的漏极通过第1布线连接，在从所述第2晶体管的栅极对所述第1源极用信号布线输出信号时，所述第1布线的电流允许值比与所述第2栅极用信号布线直接连接的布线的电流允许值大。
[16][13]中所述的功率模块，其中，在从所述第2晶体管的栅极对所述第1源极用信号布线输出信号时，经由所述第2晶体管的源极的第2布线的电流允许值比与所述第2栅极用信号布线直接连接的布线的电流允许值大。
[17]一种转换器，具备[5]～[16]中任一项所述的功率模块。
[18]一种逆变器，具备权利要求[5]～[16]中任一项所述的功率模块。
(电力变换电路)
对本实施方式的电力变换电路进行说明。
图1是本实施方式的一方式的电力变换电路，具备作为同步整流元件的晶体管U1、作为开关元件的晶体管U4、栅极电阻Rg1、Rg4以及栅极驱动电路VG1、VG4。电力变换电路包括多个绝缘栅场效应晶体管(MISFET：Metal－Insulator－Semiconductor Field EffectTransistor(金属绝缘体半导体场效应晶体管))，晶体管U1具备作为同步整流元件发挥功能的MISFET芯片Q1，晶体管U1的布线具有电感L1。晶体管U4具备作为开关元件发挥功能的MISFET芯片Q4以及源极感测用信号布线SS4，晶体管U4的布线具有电感L4。
另外，在晶体管U1和晶体管U4的连接点(图1中的●)可连接未图示的第1电感器。另外，栅极驱动电路VG1经由布线的电感L1监视MISFET芯片Q1的源极，根据监视结果经由栅极电阻Rg1对MISFET芯片Q1的栅极提供驱动信号。另外，电感L1成为流过在MISFET芯片Q1的源极－漏极间的流过的电流的电流路径。另外，栅极驱动电路VG4经由源极感测用信号布线SS4监视MISFET芯片Q4的源极，根据监视结果经由栅极电阻Rg4向MISFET芯片Q4的栅极提供驱动信号。另外，电感L4成为流过在MISFET芯片Q4的源极－漏极间流过的电流的电流路径，源极感测用信号布线SS4是与该电流路径分开设置的信号路径。
另外，MISFET芯片Q4具有对未图示的第1电感器进行励磁的功能，MISFET芯片Q1具有释放蓄积在第1电感器中的电力的功能。源极的电感小的一方，能够进行高速开关动作，另外，源极的电感大的一方，难以发生伴随高速开关动作的短路，因此，作为决定开关特性的、对第1电感器进行励磁的开关元件，使用源极电感小的、具备源极信号布线的晶体管，作为决定短路的发生程度的、释放蓄积在电感器中的电力的开关(同步整流元件)，使用源极电感大的、不具备源极信号布线的晶体管，由此，高速、低损耗且不易引起短路的电力变换电路的结构成为可能。
使用图2以及图3更详细地说明图1所示的电力变换电路。图2以及图3所示的电路是电力变换电路1，是半桥电路的示意性电路结构的一例。另外，本实施方式的电力变换电路1不限于半桥电路，也能够应用于全桥电路或三相桥电路等。
如上所述，电力变换电路1具备：作为同步整流元件的晶体管U1；以及具备源极感测用信号布线SS4的作为开关元件的晶体管U4。这里，说明基于有无与源极感测用信号布线连接的元件(晶体管)的特性。
图12(a)是具备未与源极感测用信号布线连接的MISFET芯片Q的电路A，图12(b)是具备与源极感测用信号布线SS连接的MISFET芯片Q的电路B。
图13表示作为开关元件或同步整流元件的一方的、不进行开关动作的非驱动侧的元件中的栅极的电压的变化。
在图中的电流变化区域(电流变化期间)中，电路A的源极的电感与栅极电路共有，所以电动势将栅极氧化膜充电至负电压，另一方面，电路B的元件与源极感测用信号布线连接，源极用信号布线被分离，所以源极的电感的电动势不影响栅极氧化膜的电压。
在图中的电压变化区域(电压变化期间)中，电路A的电压上升的起点变低，另一方面，电路B的电压上升的起点变高。电路B容易超过元件的阈值电压，容易误导通，但电路A由于电压上升的起点低，所以难以超过元件的阈值电压，容易正常动作。
因此，为了使电力变换电路高速动作且正常动作，并用与源极感测用信号布线连接的开关元件、以及不与源极感测用信号布线连接的同步整流元件是有效的。通过采用这样的结构，能够有效利用与源极感测用信号布线连接的开关元件的开关特性，并且利用未与源极感测用信号布线连接的同步整流元件的电压上升的起点低的情况，抑制误导通，确保动作稳定性。
进而，在本实施方式的电力变换电路及现有的电力变换电路中，对基于双脉冲试验的晶体管的动作波形及损耗进行比较。图16表示双脉冲试验中使用的电路(DPT(双脉冲试验：Double Pulse Test)电路)。另外，在此，电路A′以及电路B′的结构例示了本实施方式的电力变换电路，但对电路A′及电路B′的结构的不同引起的晶体管的动作波形及损耗进行比较。
如图16所示，在电路A′所包含的晶体管以及电路B′所包含的晶体管的结构中，电源E、电容器C、电感器L以及恒流源I与电路A′以及电路B′连接。电路A'中包含的晶体管作为同步整流元件发挥功能，电路B'中包含的晶体管作为开关元件发挥功能。
这里，将DPT电路的电源E设为800V，将恒流源I设为16A。图17示出表示DPT电路的电路A'以及电路B'的组合的电路图。图17(a)是电路A′具备不与源极感测用信号布线连接的晶体管(罗姆株式会社制造SiC MOSFET S4108)的电路、且电路B′具备与源极感测用信号布线连接的晶体管(罗姆株式会社制造SiC MOSFET S4108)的电路的组合，图17(b)是电路A′及电路B′都具备不与源极感测用信号布线连接的晶体管(罗姆株式会社制造SCT3080KL)的电路的组合，图17(c)是电路A′以及电路B′都具备与源极感测用信号布线连接的晶体管(罗姆株式会社制造SiC MOSFET S4108)的电路的组合。
在上述的DPT电路中，图17(a)所示的电路是具备本实施方式的电力变换电路的实施例1的结构，图17(b)所示的电路是具备现有的电力变换电路的比较例1的结构，图17(c)所示的电路是具备现有的电力变换电路的比较例2的结构。另外，图17(a)～图17(c)中所示的电路记号等能够引用图12(a)及图12(b)所示的电路记号等，因此省略。
图18以及图19表示在上述的电力变换电路中，基于双脉冲试验的晶体管的动作波形以及损耗。图18(a)是表示电路B′中包含的晶体管的栅极电压(Vox，L)的动作波形的图，图18(b)是表示电路B′中包含的晶体管的漏极电流(Id，L)的动作波形的图，图18(c)是表示电路B′中包含的晶体管的漏极电压(Vds，L)的动作波形。图19(a)是表示电路A′中包含的晶体管的同步整流元件损耗(PH(W))的图，图19(b)是表示电路B′中包含的晶体管的开关元件损耗(PL(W))的图。
如图18(a)所示，关于栅极电压的动作波形，实施例1以及比较例1和比较例2不太能看出差异。另一方面，如图18(b)所示，关于漏极电流的动作波形，比较例2的变化大，是容易误导通的状态，但实施例1与比较例1同样，电流缓慢地变化。另外，如图18(c)所示，关于漏极电压的动作波形，比较例1的电压变化的起点比比较例2晚，但实施例1的电压变化的起点与比较例2同样比比较例1早。因此，如图19(a)所示，实施例1与比较例1及比较例2相比，晶体管的同步整流元件损耗小，另外，如图19(b)所示，实施例1与比较例1及比较例2相比，晶体管的开关元件损耗小。
如上所述，通过并用与源极感测用信号布线连接的作为开关元件发挥功能的晶体管、以及不与源极感测用信号布线连接的作为同步整流元件发挥功能的晶体管，能够使同步整流元件损耗以及开关元件损耗比现有的电力变换电路小，能够得到高速动作且正常动作的电力变换电路。
另外，电力变换电路1也可以具备后述的控制电路，例如，如图3所示，也可以具备栅极二极管。
如图3所示，在外部取出的栅极端子GT1以及源极端子ST1与MISFET芯片Q1的栅极G1以及源极S1之间，存在伴随栅极端子GT1和源极端子ST1以及电极布线的走线等的寄生电感LGP1和LSP1，在外部取出的栅极端子GT4以及源极感测端子SST4与MISFET芯片Q4的栅极G4以及源极感测用信号布线SS4之间，存在伴随栅极端子GT4和源极感测端子SST4以及电极布线的走线等的寄生电感LGP4和LSP4。这样的电感成分存在于MISFET芯片的栅极闭合电路中，因此引起MISFET芯片的栅极驱动中的动作延迟、漏极以及源极间电压变化时的栅极以及源极感测间电压变动的增大。
为了抑制这样的电感成分引起的寄生效应，从二极管的阴极及阳极到栅极焊盘电极及源极焊盘电极的距离越短，效果越高。MISFET的栅极焊盘电极以及源极焊盘电极形成在MISFET的表面上。因此，栅极二极管也可以被制作在与MISFET相同的芯片内，也可以是将栅极二极管芯片的阳极直接焊接到MISFET的源极焊盘电极上的结构。
另外，栅极二极管也可以按并联配置的每个MISFET集中配置，但对于多个MISFET的每一个分别单独连接是有效的。
另外，MISFET能够由SiC MISFET构成。在此，图4表示作为能够应用于电力变换电路1的半导体器件100的一例的SiC DI(Double Implanted：双植入)MISFET的示意性剖面构造。
如图4所示，SiC DIMISFET具备：由n－高电阻层构成的半导体基板26；形成于半导体基板26的表面侧的p主体区域28；形成于p主体区域28的表面的n+源极区域30；配置于p主体区域28间的半导体基板26的表面上的栅极绝缘膜32；配置于栅极绝缘膜32上的栅极电极38；与源极区域30以及p主体区域28连接的源极电极34；配置在与半导体基板26的表面相反侧的背面的n+漏极区域24；与n+漏极区域24连接的漏极电极36。
在图4中，半导体器件100通过双离子注入(DI)形成p主体区域28和在p主体区域28的表面形成的n+源极区域30，源极焊盘电极SP与源极电极34连接，该源极电极34与源极区域30以及p主体区域28连接。栅极焊盘电极(未图示)与配置在栅极绝缘膜32上的栅极电极38连接。另外，如图4所示，源极焊盘电极SP以及栅极焊盘电极(未图示)配置在覆盖半导体器件100的表面的钝化用的层间绝缘膜44上。
如图4所示，SiC DIMISFET在由被p主体区域28夹持的n－高电阻层构成的半导体基板26内，形成由虚线所示的耗尽层，因此形成伴随结型FET(JFET)效应的沟道电阻RJFET。此外，在p主体区域28以及半导体基板26之间形成主体二极管BD。
另外，MISFET能够由SiC沟槽(T:Trench)MISFET构成。在此，图5表示作为能够应用于电力变换电路1的半导体器件100的一例的SiC TMISFET的示意性的剖面构造。
如图5所示，SiC TMISFET具有：由n层构成的半导体基板26N；形成在半导体基板26N的表面侧的p主体区域28；形成在p主体区域28的表面的n+源极区域30；在贯通p主体区域28、且形成至半导体基板26N的沟槽内隔着栅极绝缘膜32以及层间绝缘膜44U以及44B形成的沟槽栅电极38TG；与n+源极区域30以及p主体区域28连接的源电极34；被配置在与半导体基板26N的表面相反侧的背面的n+漏极区域24；以及与n+漏极区域24连接的漏极电极36。
在图5中，半导体器件100形成有沟槽栅电极38TG，该沟槽栅电极38TG隔着栅极绝缘膜32以及层间绝缘膜44U以及44B形成在贯通p主体区域28且形成至半导体基板26N的沟槽内，源极焊盘电极SP与源极电极34连接，该源极电极34连接于源极区域30以及p主体区域28。栅极焊盘电极(未图示)与配置在栅极绝缘膜32上的栅极电极38连接。另外，如图5所示，源极焊盘电极SP以及栅极焊盘电极(未图示)配置在覆盖半导体器件100的表面的钝化用的层间绝缘膜44U上。
在SiC TMISFET中，不形成伴随SiC DIMISFET那样的结型FET(JFET)效应的沟道电阻RJFET。此外，在p主体区域28、半导体基板26、以及n+漏极区域24之间形成主体二极管BD。
此外，在能够应用于电力变换电路1的半导体器件100(MISFET芯片Q1以及Q4)中，也能够应用GaN系FET等来代替SiC系MISFET。
进而，在能够应用于电力变换电路1的半导体器件100(MISFET芯片Q1以及Q4)中，能够使用带隙能量例如为1.1eV～8eV的半导体。
(变形例)
另外，电力变换电路1的开关元件以及同步整流元件的连接关系如图6所示，作为开关元件动作的MISFET芯片Q4的源极S4也可以经由电感L4与作为同步整流元件动作的MISFET芯片Q1的漏极D1电连接。进而，如图7以及图8所示，也可以构成为在图1以及图6所示的电力变换电路中还具备电源E、电容器C以及电感器L。
(功率模块)
如前述那样，搭载了电力变换电路1的功率模块能够具备半桥内置模块结构。功率模块中，MISFET芯片Q1以及MISFET芯片Q4被内置在一个模块中。在图3中，示出了MISFET芯片Q1以及MISFET芯片Q4分别并列配置4个芯片的例子。
图9～11表示在功率模块中简化的示意性平面图案结构的一例。
如图9所示，包含MISFET芯片Q1的晶体管具备源极用信号布线图案SL1和栅极用信号布线图案GL1，包含MISFET芯片Q4的晶体管具备源极感测用信号布线图案SSL4和栅极用信号布线图案GL4。MISFET芯片Q1的栅极经由布线W11与栅极用信号布线图案GL1直接连接。另外，MISFET芯片Q1的栅极经由布线W1和W2以及包括MISFET芯片Q4的晶体管(具体而言，漏极D4)与源极用信号布线图案SL1电连接。经由布线W1和W2以及包括MISFET芯片Q4的晶体管的电流的路径的电流允许值比经由布线W11的电流的路径的电流允许值大，因此能够流过大电流。进而，MISFET芯片Q4的栅极经由布线与栅极用信号布线图案GL4以及源极感测用信号布线图案SSL4直接连接。
另外，如图10所示，包含MISFET芯片Q1的晶体管具备源极用信号布线图案SL1和栅极用信号布线图案GL1，包含MISFET芯片Q4的晶体管具备源极感测用信号布线图案SSL4和栅极用信号布线图案GL4。MISFET芯片Q1的栅极经由布线W12与栅极用信号布线图案GL1直接连接。另外，MISFET芯片Q1的栅极经由布线W3和W4、以及MISFET芯片Q1的源极S1与源极用信号布线图案SL1电连接。经由布线W3和W4以及MISFET芯片Q1的源极S1的电流的路径的电流允许值比经由布线W12的电流的路径的电流允许值大，因此能够流过大电流。进而，MISFET芯片Q4的栅极经由布线与栅极用信号布线图案GL4以及源极感测用信号布线图案SSL4直接连接。
另外，如图11所示，包含MISFET芯片Q1的晶体管具备源极感测用信号布线图案SSL1、源极用信号布线图案SL1、栅极用信号布线图案GL1，包含MISFET芯片Q4的晶体管具备源极感测用信号布线图案SSL4、源极用信号布线图案SL4、栅极用信号布线图案GL4。MISFET芯片Q1的栅极经由布线W12与栅极用信号布线图案GL1直接连接。另外，MISFET芯片Q1的栅极经由布线W3和W4、以及MISFET芯片Q1的源极S1与源极用信号布线图案SL1电连接。经由布线W3和W4以及MISFET芯片Q1的源极S1的电流的路径的电流允许值比经由布线W12的电流的路径的电流允许值大，因此能够流过大电流。进而，MISFET芯片Q4的栅极经由布线与栅极用信号布线图案GL4以及源极感测用信号布线图案SSL4直接连接。另外，MISFET芯片Q4的栅极经由布线W1以及W2、包括MISFET芯片Q1的晶体管(具体而言是漏极D1)与源极用信号布线图案SL4电连接。经由布线W1和W2以及包含MISFET芯片Q1的晶体管的电流的路径的电流允许值比经由布线W11的电流的路径的电流允许值大，因此能够流过大电流。
另外，图11所示的功率模块中，MISFET芯片Q1或MISFET芯片Q4中的任一方作为开关元件发挥功能。只要控制成使包含作为该开关元件发挥功能的MISFET的晶体管的源极感测用信号布线与MISFET连接即可。
另外，图9～11所示的功率模块的各信号布线分别与外部取出端子(省略标号)连接。
(转换器)
图14是表示具备本实施方式的功率模块的电流模式同步整流降压型DC/DC转换器的电路图。DC/DC转换器51对提供给输入端子VIN的输入电压Vin进行降压，在输出端子VOUT生成期望的输出电压Vout。
DC/DC转换器51包括开关元件T11、整流元件T12、驱动电路53、反馈电压生成电路56、误差放大器57、相位补偿电路58、PWM比较器60、斜坡电压生成电路61、电感器L11以及平滑电容器C1。
开关元件T11是与驱动电路53、输出电流检测部54以及整流元件T12连接的N沟道型的MOS(Metal Oxide Semiconductor：金属氧化物半导体)场效应晶体管，作为反复导通/截止来控制流过电感器L11的电流的开关晶体管发挥功能。开关元件T11的漏极D与输入端子VIN连接。开关元件T11的源极S与整流元件T12的漏极D连接。从驱动电路53向开关元件T11的栅极G施加栅极信号GH。另外，开关元件T11的源极电压经由源极感测用信号布线SS反馈到驱动电路53。开关元件T11在栅极信号GH为低电平时截止，在栅极信号GH为高电平时导通。整流元件T12在开关元件T11截止时向电感器L11供给电流。
整流元件T12是与开关元件T11和驱动电路53连接的N沟道型的MOS场效应晶体管，作为同步整流晶体管与开关元件T11同步并互补地动作。整流元件T12的漏极D与开关元件T11的源极S连接。整流元件T12和开关元件T11的共同连接点表示为节点N1。整流元件T12在开关元件T11截止时导通，在开关元件T11导通时成为截止。整流元件T12的源极S与接地电位GND连接。从驱动电路53向整流元件T12的栅极G施加栅极信号GL。整流元件T12在栅极信号GL为高电平时导通，在栅极信号GL为低电平时截止。
通过使开关元件T11和整流元件T12互补地导通/截止，在节点N1出现矩形波状的开关电压Vsw。通过用电感器L11和平滑电容器C1对该开关电压Vsw进行平滑，在输出端子VOUT被取出输出电压Vout。电感器L11和平滑电容器C1串联连接在节点N1和接地电位GND之间，它们的共同连接点由节点N2表示。在节点N2上产生在平滑电容器C1上产生的电压、即输出电压Vout。
在DC/DC转换器51中，通过使用开关元件T11、整流元件T12、电感器L11以及平滑电容器C1，形成了对提供给输入端子VIN的输入电压Vin进行降压而在输出端子VOUT上生成期望的输出电压Vout的降压型的开关输出级。
另外，在将DC/DC转换器51的结构要素集成在IC中的情况下，开关元件T11和整流元件T12可以内置于IC中，也可以外接在在IC上。在外接在IC上的情况下，需要用于将栅极信号GH和栅极信号GL分别进行外部输出的外部端子。另外，作为开关元件T11，还能够使用N沟道型MOS场效应晶体管。另外，作为开关元件T11或整流元件T12，还能够使用IGBT等。另外，开关元件T11和整流元件T12也可以由双极晶体管构成。
在驱动电路53中，为了防止从开关元件T11向整流元件T12流动的过大的贯通电流，设置栅极信号GH为低电平且栅极信号GL为低电平的区间(所谓的死区时间)，以使栅极信号GH为高电平且栅极信号GL不成为高电平。
并且，驱动电路53还具有根据未图示的异常保护信号强制停止开关输出级的开关动作的功能(使输出到开关元件T11的栅极信号GH为低电平，使输出到整流元件T12的栅极信号GL为低电平的功能)。
反馈电压生成电路56由串联连接在输出端子VOUT与接地电位GND之间的电阻R1以及R2构成，从作为彼此的共同连接点的节点N3输出反馈电压Vfb。反馈电压Vfb是与在平滑电容器C1中产生的电压成比例的电压，也是与在输出端子VOUT中产生的输出电压Vout成比例的直流电压。
误差放大器57根据被输入到同相输入端子(+)的基准电压Vref和被输入到反相输入端子(-)的反馈电压Vfb的差分，生成误差电压Verr。误差电压Verr在反馈电压Vfb低于基准电压Vref时上升，在反馈电压Vfb高于基准电压Vref时下降。误差电压Verr从误差放大器57的输出侧输出。另外，也可以从误差放大器57的输出侧变换为电流而不是电压并输出。这种结构的误差放大器作为跨导误差放大器而被公知。
相位补偿电路58由在误差放大器57的输出端和接地电位GND之间串联连接的电阻R3和电容器C3的串联电路构成。众所周知，在DC/DC转换器中会使用这样的相位补偿电路。相位补偿电路58用于提高对于DC/DC转换器51中的相位延迟180度的差分、即相位裕度。例如，若DC/DC转换器51的环路增益为0db(增益1倍)时的相位例如设为120度，则相位裕度为180度－120度＝60度。也被认为该相位裕度例如为45度以上就足够了。
PWM比较器60比较被施加到反相输入端子(-)的误差电压Verr和被施加到同相输入端子(+)的斜坡信号Vsl，生成脉宽调制信号pwm。基于脉宽调制信号pwm，在DC/DC转换器51中进行PWM控制。
从PWM比较器60输出的脉宽调制信号pwm被施加到后级的驱动电路53，使开关元件T11以及整流元件T12互补地导通/截止。在驱动电路53的内部，准备有未图示的时序电路(例如RS触发器)。对该RS触发器的置位端子施加时钟信号，对复位端子施加脉宽调制信号pwm。此时，时钟信号相当于RS触发器的置位信号，脉宽调制信号pwm相当于RS触发器的复位信号。
斜坡电压生成电路61生成斜坡信号Vsl，以通过脉宽调制来使PWM比较器60进行动作。斜坡信号Vsl是基于时钟信号生成的三角波状的信号。
具备本实施方式的功率模块的转换器，通过应用包括与源极感测用信号布线连接的开关元件以及不与源极感测用信号布线连接的整流元件的电力变换电路，从而有效利用与源极感测用信号布线连接的开关元件的开关特性，并且，利用未与源极感测用信号布线连接的整流元件的电压上升的起点低的情况，能够抑制误导通，确保动作稳定性。
图15是表示具备本实施方式的功率模块的电流模式同步整流升压型的DC/DC转换器的电路图。DC/DC转换器72对提供给输入端子VIN的输入电压Vin进行升压，在输出端子VOUT上生成期望的输出电压Vout。
DC/DC转换器72包括开关元件T21、整流元件T22、驱动电路53、反馈电压生成电路56、误差放大器57、相位补偿电路58、PWM比较器60、斜坡电压生成电路61、电感器L12以及平滑电容器C2。
DC/DC转换器72与图14所示的降压型相比，驱动电路53的后级的电路部不同。其他电路部相同。在此，对两者不同的电路部进行说明。
开关元件T21是与整流元件T22、驱动电路53以及电感器L12连接的N沟道型MOS场效应晶体管，作为反复导通/截止来控制流过电感器L12的电流的开关晶体管发挥功能。开关元件T21与整流元件T22同步而互补地动作。开关元件T21的源极S与接地电位GND连接。开关元件T21的漏极D与整流元件T22的源极S和电感器L12的一端共同连接。该共同连接点由节点N1表示。从驱动电路53向开关元件T21的栅极G施加栅极信号GL。另外，开关元件T21的源极电压经由源极感测用信号布线SS反馈到驱动电路53。开关元件T21在栅极信号GL为高电平时导通，在栅极信号GL为低电平时截止。
电感器L12的另一端与被供给输入电压Vin的输入端子VIN连接。即，开关元件T21经由电感器L12与输入电压Vin耦合。通过开关元件T21控制流过电感器L12的电流。
整流元件T22的源极S与开关元件T21的漏极D和电感器L12的一端连接。整流元件T22的漏极D与节点N2、即输出端子VOUT连接。从驱动电路53向整流元件T22的栅极G施加栅极信号GH。整流元件T22在栅极信号GH为低电平时截止，在栅极信号GH为高电平时导通。
在节点N2即输出端子VOUT与接地电位GND之间连接有平滑电容器C2。平滑电容器C2与电感器L12、整流元件T22一起进行整流以及平滑动作。
说明了同步整流升压型的DC/DC转换器72与图14所示的同步整流降压型的DC/DC转换器51的不同之处。其他电路部与图14相同，因此省略说明。在DC/DC转换器72中，也应用与源极感测用信号布线连接的开关元件以及不与源极感测用信号布线连接的整流元件。另外，图14所示的DC/DC转换器例示了降压型，图15所示的DC/DC转换器例示了升压型，但当然也可以应用于切换降压型和升压型的所谓升降压型的DC/DC转换器。
另外，虽然未图示，但也可以构成具备本实施方式的电力变换电路的逆变器。为了作为逆变器发挥功能，在使逆变器内的元件作为开关元件发挥功能时，以使用与源极感测用信号布线连接的元件的方式进行控制即可。
[其他实施方式]
如上述那样，记载了几个实施方式，但形成公开的一部分的论述以及附图是例示性的，不应该理解为是限定的。根据该公开，本领域技术人员能够明确各种代替实施方式、实施例以及运用技术。这样，本实施方式包括在此未记载的各种实施方式等。
标号说明
10…基板
24…n+漏极区域
26、26N…半导体基板(漂移层)
28…p主体区域
30…源极区域
32…栅极绝缘膜
34…源极电极
36…漏极电极
38…栅极电极
38TG…沟槽栅电极
44、44U、44B…层间绝缘膜
51、72…DC/DC转换器
53…驱动电路
56…反馈电压生成电路
57…误差放大器
58…相位补偿电路
60…PWM比较器
61…斜坡电压生成电路
100…半导体器件
BD…主体二极管
C、C3…电容器
C1、C2…平滑电容器
D、D1、D4…漏极
DG1、DG4…栅极二极管
E…电源
G、G1、G4…栅极
GH、GL栅极信号
GL1、GL4…栅极用信号布线图案
GND…接地电位
GT1、GT4栅极端子
I…恒流源
IL…负载电流
L、L11、L12…电感器
L1、L2、L4、LGP1、LSP1、LGP4、LSP4…电感
N…负侧的电力端子
N1、N2、N3…节点
O、VOUT…输出端子
P…正侧的电力端子
pwm…脉宽调制信号
Q、Q1、Q4…MISFET芯片
R1、R2、R3…电阻
Rg1、Rg4…栅极电阻
RJFET…沟道电阻
Ron…导通电阻值
S、S1、S4…源极
SL1、SL4…源极用信号布线图案
ST1…源极端子
SP…源极焊盘电极
SS、SS1、SS4源极感测用信号布线
SSL1、SSL4…源极感测用信号布线图案
SST4…源极感测端子
SSW4…源极感测用导线
T11、T21开关元件
T12、T22整流元件
U1、U4…晶体管
Verr…误差电压
Vfb…反馈电压
VG1、VG4…栅极驱动电路
Vin…输入电压
VIN…输入端子
Vout…输出电压
Vref…基准电压
Vsl…斜坡信号
W1、W2、W3、W4、W11、W12…布线

Claims (18)

1.一种电力变换电路，其中，
开关晶体管和同步整流晶体管被串联连接，所述开关晶体管的源极的电感小于所述同步整流晶体管的源极的电感。
2.根据权利要求1所述的电力变换电路，其中，
还具备与所述开关晶体管以及所述同步整流晶体管电连接的电容器。
3.根据权利要求2所述的电力变换电路，其中，
还具备与所述电容器电连接的输出端子。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电力变换电路，其中，
还具备与所述开关晶体管的漏极电连接的电力端子。
5.一种功率模块，具备权利要求1～4中任一项所述的电力变换电路。
6.一种功率模块，具备：
第1晶体管，具有对第1电感器进行励磁的功能，且与第1源极感测用信号布线连接；
第2晶体管，具有释放被蓄积在所述第1电感器中的电力的功能；
第1栅极用信号布线以及所述第1源极感测用信号布线，与所述第1晶体管的栅极电连接；以及
第2栅极用信号布线以及第1源极用信号布线，与所述第2晶体管的栅极电连接，
所述第1晶体管与所述第2晶体管串联连接，
所述第1电感器与所述第1晶体管和所述第2晶体管的连接点连接。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其中，
所述第1晶体管的源极的电感小于所述第2晶体管的源极的电感。
8.根据权利要求6或7所述的功率模块，其中，
还具备与所述第1晶体管以及所述第2晶体管电连接的电容器。
9.根据权利要求8所述的功率模块，其中，
还具备与所述电容器电连接的输出端子。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的功率模块，其中，
还具备与所述第1晶体管的漏极电连接的电力端子。
11.根据权利要求6～10中任一项所述的功率模块，其中，
所述第1晶体管作为开关元件发挥功能，
所述第2晶体管作为同步整流元件发挥功能。
12.根据权利要求6～11中任一项所述的功率模块，其中，
所述第2晶体管经由所述第1晶体管的漏极向所述第1源极用信号布线输出信号。
13.根据权利要求6～11中任一项所述的功率模块，其中，
所述第2晶体管经由所述第2晶体管的源极向所述第1源极用信号布线输出信号。
14.根据权利要求13所述的功率模块，还具备：
第2源极用信号布线，与所述第1晶体管电连接；以及
第2源极感测用信号布线，与所述第2晶体管电连接，
所述第1晶体管经由所述第2晶体管的漏极向所述第2源极用信号布线输出信号。
15.根据权利要求12所述的功率模块，其中，
所述第2晶体管和所述第1晶体管的漏极通过第1布线连接，
在从所述第2晶体管的栅极向所述第1源极用信号布线输出信号时，所述第1布线的电流允许值比与所述第2栅极用信号布线直接连接的布线的电流允许值大。
16.根据权利要求13所述的功率模块，其中，
在从所述第2晶体管的栅极向所述第1源极用信号布线输出信号时，经由所述第2晶体管的源极的第2布线的电流允许值比与所述第2栅极用信号布线直接连接的布线的电流允许值大。
17.一种转换器，具备权利要求5～16中任一项所述的功率模块。
18.一种逆变器，具备权利要求5～16中任一项所述的功率模块。
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