CN1578141A - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

一种半导体装置，在IGBT1的栅极导通时使开关SWon1导通供给栅极电流，在栅极关断时使开关SWoff1导通来放电栅极电容的电荷，该半导体装置包括用于增大所述栅极电流的开关SWon2，在所述开关SWon1导通时仅将所述开关SWon2导通第一规定时间的定时器(14)。还包括用于增大所述放电时的放电电流的开关SWoff2，以及当所述开关SWoff1导通时仅将所述开关SWoff2导通第二规定时间的定时器(15)。

Description

半导体装置

技术领域

本发明的目的是在由MOS器件构成的半导体装置中，通过控制从外部接收信号到器件自身实际动作的时间，从而提高响应性和效率并降低EMI噪声和损耗。

背景技术

在用外部信号驱动的末级MOS器件中，从接收外部关断信号开始到器件实际关断为止的延迟时间很长。这是由围绕器件栅极的电容引起的。目前，对于栅极的导通和关断，通过调节串联插入到栅极中的电阻合适地进行栅极的充电和放电。即，根据由栅极电容C和栅极电阻R决定的CR时间常数来决定栅极电压的上升和下降时间。

器件本身的电流开始流动和开始切断的定时由器件固有的阈值电压决定。尤其是器件关断时的切换与器件固有的速度有关。因此，仅通过某一值的栅极电阻来确定器件的栅极充电时间和放电时间，就会新产生除了由器件的阈值电压产生的延迟时间以外的另一延迟时间，从而使效率降低。

另外，若由固定的栅极电阻进行栅极的充电和放电，则开启时的开关速度在低电流区域比额定电流时的开关速度快。这是因为并联连接于器件的续流(free-wheel)二极管(FWDi)开启时的dV/dt大，而成为EMI噪声恶化的原因。

进一步，若为降低EMI噪声而变慢开启时的开关速度，则开关时的损耗变大，这样，噪声的产生和开关时的损耗存在折衷关系，目前是确定双方的折衷点，并与此对应来选择栅极电阻值。

因此，为了低损耗、低噪声地进行驱动，已知有在驱动IGBT的栅极的开关中使用导通电阻不同的多个MOSFET，依次组合这些开关使导通电阻过渡性变化来改变驱动能力的技术(例如参考专利文献1)  。

另外，为了低噪声化，存在由比较器将IGBT的收集极检测电流的di/dt与指令值相比较，并根据该比较结果导通关断开关从而瞬时改变栅极电阻值的技术(例如专利文献2)。

【专利文献1】特开2001-223571号“电压驱动型半导体元件的栅极驱动装置”([0005]、图2)

【专利文献2】特开平10-150764号“电力变换器的栅极驱动电路”([0008]、图6)

专利文献1是控制栅极电压型。需要多个开关和根据IGBT的特性依次使这些开关导通的复杂控制。

在专利文献2中，若在比较器的比较基准值附近流过收集极电流的导通动作中快速改变栅极电阻值，则IGBT的动作变得不稳定，从而使输出电流振荡。

发明内容

本发明提供了一种半导体装置，实现了由响应性提高带来的效率提高、EMI噪声的降低和损耗的降低，并可通过比较简单的电路稳定地进行动作。

半导体装置中所包含的IGBT之类的MOS器件具有用于栅极导通而提供栅极电流的第一开关和用于栅极关断而放电栅极电容的电荷的第二开关。在本发明的半导体装置中，包括用于在该栅极导通时增大流过的栅极电流的第三开关，以及在导通所述第一开关时导通所述第三开关并在该开关导通第一规定时间后关断第三开关的第一定时器单元。另外，还包括用于增大栅极关断时流过的放电电流的第四开关，以及在导通所述第二开关时导通所述第四开关并在该开关导通第二规定时间后关断第四开关的第二定时器单元。

根据本发明，为了使栅极导通，在导通第一开关的同时使第三开关导通规定时间，从而使栅极电流只在第一规定时间内增加，所以可缩短栅极开启的时间，另外，为了使栅极关断，在导通第二开关的同时使第四开关导通第二规定时间，从而使栅极的放电电流只在规定的时间，所以可缩短栅极关断的时间。根据该结构，可降低器件的损耗，也可缩短延迟时间。

附图说明

图1是表示实施形态1的半导体装置的主要部分的电路图；

图2是表示图1的电路动作的定时图；

图3是表示实施形态2的半导体装置的主要部分的电路图；

图4是表示图3的电路动作的定时图。

具体实施方式

图1是表示本发明的实施形态1的半导体装置的末级MOS功率元件及其驱动系统的电路。为了开启配备有续流二极管D的功率元件(例如IGBT)1的栅极，在电源VDD和栅极之间串联插入由晶体管组成的开关SWon1、SWon2(对应于上述第一和第三开关)。恒流元件4并联连接于开关SWon2。

并且，为了关断栅极，在栅极和发射极之间经恒流元件5连接由晶体管组成的开关SWoff1(对应于上述第二开关)，以及经恒流元件7连接开关SWoff2(对应于上述第四开关)。

在比较器9的‘+’输入部上输入输入信号VIN的同时连接有上拉电阻10。并且，将基准电压源11连接到‘-’输入部。将该比较器9的输出信号经反相器12提供给放大器13的输入部。将该放大器13的非反相输出作为开启信号提供给所述开关SWon1并同时输入到定时器14。若对该定时器14(对应于上述第一定时器单元)输入了该开启信号，则导通所述开关SWon2，并在该开关导通100ns后关关断关SWon2。

另外，将所述放大器13的反相输出作为关断信号提供给所述开关SWoff1并同时输入到定时器15中。若对该定时器15(对应于上述第二定时器单元)输入了该关断信号，则导通所述开关SWoff2，并在该开关导通200ns后关断该开关SWoff2。

下面参照图2的定时图说明上述电路的动作。在将来自外部的输入信号VIN从高电平的关断信号(关断IGBT1的信号)切换为低电平的导通信号(开启IGBT1的信号)的过程中，若达到输入导通阈值(这里为1.5V)(时刻T1)，则经开关SWon1和定时器14导通开关SWon2。在该时刻T1，开关SWoff1从导通(从后面的说明中可明白输入信号VIN关断时开关SWoff1为导通状态)变为关断状态，开关SWoff2保持关断。

因此，在时刻T1，通过成为导通状态的开关SWon1和开关SWon2，流过栅极电流Ig来开始栅极充电。这时，由于两个开关SWon1和SWon2为导通状态而流过很大的栅极电流Ig，所以栅极电压达到栅极导通阈值的时间缩短，因此，在开关SWon1和SWon2成为导通状态(时刻T1)后的很短时间内就可以开启IGBT1。

由于导通开关SWon1和SWon2(时刻T1)100ns后仅SWon2被关断，故虽然栅极电流Ig减小为大致一半左右，但是其值对于维持IGBT1的开关导通是足够的。该100ns的时间被设定为比开关SWon1和SWon2导通后到IGBT1开关导通的延迟时间长。

接着，在将所述输入信号VIN从低电平的导通信号切换到高电平的关断信号的过程中，若达到输入关断阈值(这里为2.0V)(时刻T2)，则关关断关SWon1(开关SWon2保持关断)。另一方面，在时刻T2，经开关SWoff1和定时器15导通SWoff2。

由于在将栅极切离开电源Vcc的同时，通过开关SWoff1、SWoff2连接发射极，所以开始栅极放电(图2中的负电流)。这时，通过导通两个开关SWoff1、SWoff2而流过大的放电电流，所以缩短了栅极电压下降到栅极关断阈值的时间，因此，导通开关SWoff1和SWoff2(时刻T2)后可以以短时间关断IGBT1。

由于导通开关SWoff1和SWoff2(时刻T2)200ns后仅开关SWoff2被关断，故虽然栅极放电电流减小为大致一半左右，但是其值对于维持IGBT1的开关关断是足够的。该200ns的时间被设定为比开关SWoff1和SWoff2导通后到IGBT1开关关断的延迟时间长。

这样，通过改变对于IGBT1的栅极充电和栅极放电电流，可缩短从外部输入信号到器件动作完成的时间，从而提高了效率。并且可通过缩短开关时间(延迟时间)而降低损耗。

另外，图1中，虽然串联设置开关SWon1和SWon2，但是也可并联连接两个开关，通过开关SWon2的开关导通来增大栅极电流Ig。

实施形态2

实施形态2中，根据流过开启时的IGBT的电流大小，该IGBT通过变换下一次开启周期中栅极的充电电流而变换开启时的开关速度，图3表示其电路结构。

图3的电路中，对于与图1相同的部件赋予同一附图标记。该图3中，除了由开关SWon1、SWon2、恒流元件4和定时器14构成的开启用电路之外，另外追加了开关SWon3、SWon4、恒流元件21和定时器22作为第二开启用电路。并且，为控制该第二开启电路，添加了下面的电路。

IGBT6具备用于检测收集极电流Ic的第二发射极，并将串联插入到该第二发射极电路的电阻23的产生电压输入到比较器24的‘+’输入部。将基准电压源25连接到该比较器24的‘-’输入部，将该比较器24的输出输入到锁存电路26的D端子，并将来自该锁存电路26的Q端子的输出进一步输入到另一锁存电路27的D端子中。并且，将所述比较器9的输出作为进位信号，在输入到锁存电路26的C端子的同时，经反相器28输入到锁存电路27的C端子。

将来自锁存电路27的Q端子的输出提供给与门29的一个输入部，将所述放大器13的非反相输出输入到另一输入部中。并且，将该与门29的输出作为驱动信号提供给所述开关SWon3和定时器22，

下面参照图4的定时图说明上述电路的动作。由比较器24判断第(N-1)脉冲的输入信号VIN为低电平的导通信号时在开启的IGBT1中流过的收集极电流Ic是否超过额定电流的1/2，并将该判断结果提供给锁存电路26。

在该第(N-1)脉冲的输入信号VIN中，在从低电平切换到高电平的关断信号(关断IGBT1的信号)的过程中，若超过输入关断阈值(时刻T3)，则从比较器9输出高电平。由此，由锁存电路26将锁存的信号提供给锁存电路27。

接着，在输入信号VIN从高电平的关断信号切换到低电平的导通信号的过程中，在低于输入导通阈值并从第(n-1)脉冲转移到第n脉冲时(时刻T4)，导通开关SWon1和SWon2，但是这时，上述的时刻T3在收集极电流Ic大于等于额定电流的50％的情况下，通过从锁存电路27向与门29提供高电平，还导通开关SWon3和SWon4。

这样，当所有开关SWon1～SWon4为导通状态时，栅极电流Ig为预设值的100％，并通过该栅极电流Ig开关导通IGBT1。从该时刻T4开始100ns后通过定时器14和22关关断关SWon2和SWon4，所以栅极电流Ig降低为50％的输出。

另一方面，在时刻T3收集极电流Ic未达到额定的50％的情况下，由于在时刻T4与门29仍输出低电平，所以仅开关SWon1和SWon2导通，栅极电流Ig为50％的输出。这时的动作与图1情况下的动作相同。

如上面所说明的动作，由于在IGBT1的高电流动作(额定电流的50％以上)中栅极电流Ig增加，加快了IGBT1的开关速度，所以与使用现有的固定栅极电阻的情况相比，可降低开关时的损耗。另一方面，在IGBT1的低电流动作(未达到额定电流的50％)中栅极电流Ig减小，延迟了开关速度，从而也减小了续流二极管D开启时的dV/dt，有效降低了EMI噪声。

另外，在检测出IGBT1的高电流动作时，由于不马上增加栅极电流Ig，而是在下一开启周期中IGBT1才动作，所以不会产生如专利文献2中所述的IGBT1的动作不稳定使输出电流振荡的状态。

Claims (4)

1、一种半导体装置，具有在MOS器件栅极导通时供给栅极电流的第一开关；和在栅极关断时使栅极电容的电荷放电的第二开关，其特征在于，所述半导体装置还包括：

用于增大所述栅极电流的第三开关；

在所述第一开关导通时导通所述第三开关并在该开关导通第一规定时间后关断第三开关的第一定时器单元；

用于增大所述放电时的放电电流的第四开关；

在所述第二开关导通时导通所述第四开关并在该开关导通第二规定时间后关断第四开关的第二定时器单元。

2、根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：还包括与由所述第一开关和第三开关构成的栅极导通用电路不同的第二栅极导通电路以及检测所述MOS器件的收集极电流的检测单元，在所述收集极电流未达到规定值的情况下，仅激活所述栅极导通用电路，在所述收集极电流大于等于规定值时，进一步激活第二栅极导通电路以便增大栅极电流。

3、根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于：在所述MOS器件开启时的收集极电流大于等于规定值时，所述MOS器件在下一开启周期中激活第二栅极导通电路。

4、根据权利要求1-3中任一项所述的半导体装置，其特征在于：所述第一规定时间为通过导通所述第一开关和第三开关使所述MOS器件开启的充分的时间，所述第二规定时间为通过导通所述第二开关和第四开关使所述MOS器件关断的充分的时间。

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