CN1592109A - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题是提供具备功率器件及其驱动电路并能高精度地防止功率器件的开关时的驱动电路的误工作的半导体装置。本发明的半导体装置具备功率器件和驱动该功率器件的驱动电路(36)。驱动电路(36)具备：电容器(56)；第1比较电路(58)，比较电容器(56)的电压与第1基准电压，输出基于该比较结果的第1信号；驱动控制电路(60)，根据上述第1信号对功率器件输出驱动信号；以及电容器充电电路(62、64、66、68)，检测电容器(56)的电压，在电容器(56)的电压处于增加的趋势且处于规定的范围内时，对电容器(56)供给电流，使电容器(56)充电。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及半导体装置，更详细地说，涉及具备功率器件和驱动该功率器件的驱动电路的半导体装置。

背景技术

在通用逆变器或不间断电源装置(UPS)等的功率电子学应用装置中，使用了功率器件。作为该功率器件正在成为主流的是绝缘栅型双极型晶体管(以下，称为「IGBT」)。最近，在1个模块内集成了IGBT、其驱动电路和保护电路的智能功率模块(以下，称为「IPM」)实现了实用化。对于IPM中的驱动电路来说，要求迅速且安全地进行IGBT的导通关断控制。

以下说明一般的IPM中IGBT的驱动电路。驱动电路通过控制IGBT的栅电压来使IGBT导通或关断。该栅电压的控制是根据从处于IPM的外部的控制电路对驱动电路输入的控制信号来进行的。由于通常利用光耦合器来进行从控制电路至驱动电路的信号的传递，故驱动电路在其输入侧连接到光耦合器上。以下，具体地说明该驱动电路的输入侧的结构。驱动电路具备电容器、比较器和驱动控制电路。电容器的一端连接到比较器的一个输入端(第1输入端)上，另一端接地。比较器的输出端连接到驱动控制电路的输入端子上。驱动控制电路的输出端子连接到IGBT的栅端子上。

由于电容器用来除去外部噪声，故连接到光耦合器上。电容器连接到比较器的第1输入端上的端子同时连接到光耦合器中的光晶体管的集电极端子上。光晶体管的发射极端子接地，其集电极端子经电阻连接到电源上。在此，如果从控制电路对光耦合器的初级侧输入控制信号，则该控制信号被传递给光耦合器的次级侧(光晶体管)，使光晶体管导通或关断。如果光晶体管关断，则电流从电源经电阻流过电容器。即，电容器被充电。另一个面，如果光晶体管导通，则电流从电源经电阻流过光晶体管。此外，在电容器被充电了的情况下，电流从电容器流出，电容器被放电。如上所述，电容器根据来自控制电路的控制信号被充放电，对比较器的第1输入端施加的电压发生变化。

比较器比较对第1输入端输入的电压值与对另一个输入端(第2输入端)输入的电压(被固定了的基准电压)值，根据该比较结果对驱动控制电路输出电压信号。具体地说，比较器在对第1输入端输入的电压比基准电压大时，输出高电平(H)的信号，在对第1输入端输入的电压为基准电压以下时，输出低电平(L)的信号。驱动控制电路对IGBT输出与比较器的输出电压对应的电压信号。IGBT根据比较器的输出信号导通或关断。通常，IGBT在比较器的输出信号为高电平时关断，在比较器的输出信号为低电平时导通。

在上述的电路中，将连接到光晶体管的集电极端子上的电阻值设定得比较大，以便使流过光耦合器的电流处于其电流容量内。在此，由于电容器的充电时间用其电阻值(R)与电容器的电容值(C)的积(时间常数CR)来表示，故如果电阻值大(阻抗高)，则电容器的充电时间加长了。电容器被充电时即是IGBT关断时。在电容器的充电时间长时，连接到比较器的第1输入端上的信号线(电压输入信号线)的电压的上升速度变小。即，电压输入信号线的电压在超过使IGBT关断的值之前和超过了该值之后，暂时停留在其阈值附近。此时，如果发生由IGBT的关断引起的大的dV/dt(IGBT的集电极-发射极间的电压变化率。所谓的尖蜂电压)，则因布线间的电磁感应等的缘故，有时电压输入信号线的电压发生变动。而且，由于在变动了的情况下该变动是阈值附近的变动，故引起驱动电路和IGBT的严重的误工作。

为了防止上述的因dV/dt引起的误工作，在现有的驱动电路中，有具备驱动功率器件的栅的驱动器电路、保护功率器件的保护电路、对驱动器电路输出利用来自外部的输入信号和来自保护电路的信号使功率器件导通、关断的信号的控制电路以及发生比外部的控制电源的电压低的电压并供给保护电路和控制电路的调节电路的驱动电路(例如，参照专利文献1)。按照该驱动电路，即使控制电源电压因功率器件开关时的dV/dt的缘故而发生变动，该变动也被调节电路所吸收，可防止控制电路或保护电路的误工作。

此外，有在光耦合器与驱动电路之间设置了由连接了栅与源的耗尽型MOS和P沟道MOS构成的上拉电路、由连接了相同的栅与源的耗尽型MOS和N沟道MOS构成的上拉电路、齐纳二极管以及电容器的电路结构(例如，参照专利文献2)。在该结构中，在光耦合器为关断状态时，连接到光耦合器上的电容器的电压成为高电平(上拉)，在驱动电路中经上拉电路流过大电流。另一方面，在光耦合器为导通状态时，电容器的电压成为低电平(下拉)，电流流过下拉电路。因而，按照该结构，在光耦合器为关断状态时，通过在驱动电路中流过大电流，可防止因噪声引起的误工作，在光耦合器为导通状态时，使朝向光晶体管旁路的电流为微小电流，可谋求消耗电流的削减。

再者，有在功率器件的栅端子上连接具有不同的电流源的2个驱动单元、通过在其间进行转换使功率器件的驱动速度变化的电路结构(例如，参照专利文献3)。按照该结构，在与电压浪涌无关的第1期间中以高速驱动功率器件以减少开关损耗，而且在与电压浪涌有关的第2期间中以低速驱动功率器件可抑制电压浪涌。

再有，在专利文献3等中公开的驱动电路是以减少功率器件的开关时的开关损耗和抑制电压浪涌为目的的，没有提及上述的因dV/dt引起的误工作。

【专利文献1】特开平5-276000号公报

【专利文献2】特开2002-300019号公报

【专利文献3】特开平10-23743号公报

在专利文献1和专利文献2等中公开的驱动电路被构成为防止因功率器件开关时的dV/dt引起的误工作。但是，仍然需要精度更高的、即在必要时准确地防止误工作的驱动电路。

发明内容

本发明的目的在于提供具备功率器件及该功率器件的驱动电路并能高精度地防止功率器件开关时的驱动电路的误工作的半导体装置。

本发明的半导体装置具备功率器件和驱动该功率器件的驱动电路。上述的驱动电路具备：电容器，根据外部控制信号进行充放电；第1比较电路，比较上述的电容器的电压与第1基准电压，输出基于该比较结果的第1信号；驱动控制电路，根据上述的第1信号对上述的功率器件输出驱动信号；以及电容器充电电路，检测上速的电容器的电压，在上述的电容器的电压处于增加的趋势且处于规定的范围内时，对上述的电容器供给电流，使上述的电容器充电。

按照本发明的半导体装置，具备功率器件和驱动该功率器件的驱动电路。由于驱动电路具备：电容器，根据外部控制信号进行充放电；第1比较电路，比较电容器的电压与第1基准电压，输出基于该比较结果的第1信号；驱动控制电路，根据第1信号对功率器件输出驱动信号；以及电容器充电电路，检测电容器的电压，在电容器的电压处于增加的趋势且处于规定的范围内时，对电容器供给电流，使电容器充电，故可高精度地防止驱动电路的误工作。

附图说明

图1是示出实施例1的半导体装置的结构的框图。

图2是示出在三相逆变器装置中使用了图1的半导体装置时的逆变器装置的结构的框图。

图3是抽出了图2的逆变器部中的1个功率晶体管及其驱动电路的图。

图4是驱动电路的电路图，(a)示出实施例1的半导体装置的驱动电路，(b)示出现有的半导体装置的驱动电路。

图5是示出驱动控制部的结构的电路图。

图6是说明图4(a)的驱动电路的工作用的波形图。

图7是具备检测电路和保护电路的半导体装置的框图。

图8是示出实施例2的半导体装置的驱动电路的电路图。

图9是示出实施例3的半导体装置的驱动电路的电路图。

图10是示出实施例4的半导体装置的驱动电路的电路图。

图11是示出实施例5的半导体装置的驱动电路的电路图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施例。

实施例1.

图1是示出实施例1的半导体装置的结构的框图。如图1中所示，半导体装置2具备接口电路4、驱动电路6和输出功率器件电路8。该半导体装置2在输入侧连接到微型计算机10上，在输出侧连接到负载12上。此时，接口电路4进行微型计算机10与信号的授受，对驱动电路6输出来自微型计算机10的指示。驱动电路6根据微型计算机10的指示，驱动输出功率器件电路8。输出功率器件电路8根据来自驱动电路6的驱动信号而工作，对负载12输出信号。

以下，详细地说明半导体装置2的结构和工作。该半导体装置可应用于各种功率电子学应用装置，但以下，作为例子，说明使用于逆变器装置的情况。图2是示出在(三相)逆变器装置中使用了图1的半导体装置时的逆变器装置的结构的框图。如图2中所示，逆变器装置20具备逆变器主电路22、电源24、绝缘电路(光耦合器)26和微型计算机28。逆变器主电路22具有比较器部30和逆变器部32。将图1的半导体装置2使用于该逆变器部32。逆变器部32具备6个功率器件34和驱动各自的功率器件34的6个驱动电路36。6个功率器件34相当于图1的半导体装置2中的输出功率器件电路8，6个驱动电路36相当于图1的半导体装置2中的驱动电路6。比较器部30是由二极管桥38构成的整流电路。

电源24连接到逆变器部32上，是逆变器部32专用的电源。绝缘电路26连接在逆变器部32的驱动电路36与微型计算机28之间，主要将来自微型计算机28的信号传递给驱动电路36。逆变器装置20在其输入侧连接到交流电源42上，在其输出侧连接到负载(电机)44上。逆变器装置20用整流电路30对来自交流电源42的交流电压进行整流，用逆变器部32再次将已整流的直流电压变换为交流电压，对电机44供给功率。电机44相当于图1中的负载12。

图3是抽出了图2的逆变器部32中的1个电压输入信号线及其驱动电路36的图。如图3中所示，驱动电路36连接到光耦合器26上。驱动电路36经光耦合器26从控制电路(微型计算机)40接受控制信号。光耦合器26的光晶体管50的发射极端子接地，其集电极端子经电阻52连接到电源24上。光晶体管50根据来自控制电路40的控制信号而导通或关断。在此，在光晶体管50导通时，电流从电源24经电阻52流过光晶体管50。另一方面，在光晶体管50关断时，电流从电源24经电阻52流过驱动电路36。即，对驱动电路36输入的信号根据来自控制电路40的控制信号而变化。驱动电路36的输出信号根据该输入信号而变化。驱动电路36的输出信号被传递给功率器件34。

以下，详细地说明驱动电路36。图4是驱动电路36的电路图。图4(a)示出本实施例的半导体装置的驱动电路，图4(b)示出比较用的现有的半导体装置的驱动电路。在此，图4(b)的驱动电路包含在图4(a)的驱动电路的结构中。于是，对于图4(b)的驱动电路来说，对与图4(a)的驱动电路相同的构成要素附以相同的符号，省略其说明。以下，参照图4(a)，说明本实施例的半导体装置的驱动电路。再有，驱动驱动电路36的功率器件34是电压驱动型元件(例如，IGBT)。如图4(a)中所示，驱动电路36具备电容器56、第1比较部58、驱动控制部60、第2比较部62、AND电路64、电流源66和开关68。图4(a)的驱动电路成为在图4(b)的驱动电路中附加了第2比较部、AND电路、电流源和开关的结构。

电容器56与光晶体管50并列地连接。即，电容器56的一端接地，另一端连接到光晶体管50的集电极端子上。其结果，电容器的一端经电阻52连接到电源24上。

第1比较部58具备由运算放大器构成的比较器70、电阻72、74、76和晶体管78。比较器70的第1输入端连接到电容器56上，比较器70的第2输入端连接到对电源电压进行分压的分压电阻72、74上。电阻72和电阻74互相串联地连接。电阻72的一端连接到电源24上，电阻74的一端接地。此外，在比较器70的第2输入端与比较器70的输出端之间连接电阻76和晶体管78。电阻76的一端连接到比较器70的第2输入端上，另一端连接到晶体管78的集电极端子上。晶体管78的发射极端子接地，晶体管78的栅端子连接到比较器70的输出端上。比较器70的输出端连接到驱动控制部60的输入端子上。

驱动控制部60的输出端子连接到功率器件34的控制端子上。驱动控制部60根据从比较器70输入的信号，对功率器件34的控制端子输出电压信号。驱动控制部60具备使比较器70的输出信号倒相的电路，在比较器70的输出信号为高电平时，输出使功率器件34关断的信号(低电平信号)，在比较器70的输出信号为低电平时，输出使功率器件34导通的信号(高电平信号)。

第2比较部62具备由运算放大器构成的比较器80、电阻82、84、86和晶体管88。比较器80的第1输入端连接到电容器56上，比较器80的第2输入端连接到对电源电压进行分压的分压电阻82、84上。电阻82和电阻84互相串联地连接。电阻82的一端连接到电源24上，电阻84的一端接地。此外，在比较器80的第2输入端与比较器80的输出端之间连接电阻86和晶体管88。电阻86的一端连接到比较器80的第2输入端上，另一端连接到晶体管88的集电极端子上。晶体管88的发射极端子接地，晶体管88的栅端子连接到比较器80的输出端上。

AND电路64的第1输入端和第2输入端分别连接到比较器70的输出端和比较器80的输出端上。AND电路64的输出端连接到开关68上。AND电路64使输入到第2输入端上的实际的信号的电平倒相，将该倒相了的电平定为输入信号的电平。

开关是双向模拟开关。将AND电路64的输出端连接到开关68的控制端子上。开关68根据对控制端子输入的信号而导通或关断。在开关68导通了时，电流Iin从电流源66通过开关68而流动。

在此，更详细地说明驱动控制部60的结构和工作。图5是示出驱动控制部60的结构的一例的电路图。如图5中所示，驱动控制部60具备倒相器90、运算放大器92和2个开关94、96。比较器70的输出端连接到倒相器90的输入端上。倒相器90的输出端连接到运算放大器92的输入端上。倒相器90使比较器70的输出信号倒相，将该倒相了的信号输出给运算放大器92。运算放大器92放大倒相器90的输出信号，将该已放大的信号输出给开关94、96。此时，运算放大器92输出对已放大的信号进行倒相得到的倒相信号和未倒相的按原样的非倒相信号。运算放大器92输出的非倒相信号传递给第1开关94，倒相信号传递给第2开关96。第1开关94和第2开关96分别在从运算放大器92高电平的信号时导通。如果第1开关94导通，则功率器件34的控制端子连接到电源上，对该控制端子输入高电平信号。另一方面，如果第2开关96导通，则功率器件34的控制端子接地，对该控制端子输入低电平的信号。在该驱动控制部60中，在比较器70的输出信号为高电平时，倒相器90的输出信号成为低电平信号。此外，被传递给第1开关94和第2开关96的信号分别成为低电平信号和高电平信号。作为结果，只是第2开关96导通，从驱动控制电路60输出给功率器件34的信号成为低电平信号。其结果，功率器件34关断。另一方面，在比较器70的输出信号为低电平时，倒相器90的输出信号为高电平。此外，被传递给第1开关94和第2开关96的信号分别成为高电平信号和低电平信号。作为结果，只是第1开关94导通，从驱动控制电路60输出给功率器件34的信号成为高电平信号。其结果，功率器件34导通。

其次，说明第1比较部58中的比较器70和第2比较部62中的比较器80的基准电压。对于第1比较部58中的比较器70来说，对其第1输入端输入电容器的电压Vin1，对其第2输入端输入恒定电压(基准电压)。比较器70比较电压Vin1与基准电压，根据该比较结果输出电压Vin2。具体地说，比较器70在电压Vin1超过基准电压时，输出高电平的电压，在电压Vin1为基准电压以下时，输出低电平的电压。在此，晶体管78在比较器70的输出电压为高电平时导通，在低电平时关断。在晶体管78导通时，电流从电源24通过电阻72和电阻76流动。另一方面，在晶体管78关断时，电流不流过电阻76，电流只流过电阻72、74。于是，如果对比较器70的第2输入端输入的基准电压在电压Vin2为高电平时和低电平时其值(Eref1)不同。在此，如果将电源电压的值定为Vd，将电阻72、电阻74和电阻76的值分别定为r1、r2、r3，则电压Vin2为高电平时的基准电压的值Eref1_H用以下的式(1)来表示。

【式1】

$\mathrm{Eref}{1}_H=\mathrm{Vd}\·\frac{r2//r3}{r1+(r2//r3)}$

其中， $r2//r3=\frac{r2\·r3}{r2+r3}---\left(1\right)$

此外，电压Vin2为低电平时的基准电压的值Eref1_L用以下的式(2)来表示。

【式2】

$\mathrm{Eref}{1}_L=\mathrm{Vd}\·\frac{r2}{r1+r2}---\left(2\right)$

另一方面，对于第2比较部62中的比较器80来说，对其第1输入端输入电容器的电压Vin1，对其第2输入端输入恒定电压(基准电压)。比较器80比较电压Vin1与基准电压，根据该比较结果对AND电路64输出电压Vin3。具体地说，比较器80在电压Vin1超过基准电压时，输出高电平的电压，在电压Vin1小于等于基准电压时，输出低电平的电压。在此，晶体管88在比较器80的输出电压为高电平时导通，在低电平时关断。在晶体管88导通时，电流从电源24通过电阻82和电阻86流动。另一方面，在晶体管88关断时，电流不流过电阻86，电流只流过电阻82、84。于是，如果对比较器80的第2输入端输入的基准电压在比较器80的输出电压为高电平时和低电平时其值(Eref2)不同。在此，如果将电源电压的值定为Vd，将电阻82、电阻84和电阻86的值分别定为r4、r5、r6，则比较器80的输出电压为高电平时的基准电压的值Eref2_H用式(3)来表示，低电平时的基准电压的值Eref2_L用式(4)来表示。

【式3】

$\mathrm{Eref}{2}_H=\mathrm{Vd}\·\frac{r5//r6}{r4+(r5//r6)}$

其中，

$r5//r6=\frac{r5\·r6}{r5+r6}---\left(3\right)$

【式4】

$\mathrm{Eref}{2}_L=\mathrm{Vd}\·\frac{r5}{r4+r5}---\left(4\right)$

以下，说明该驱动电路36的工作。图6是说明该驱动电路36的工作的波形图。在图6中，(a)是从控制电路输入到光耦合器26中的信号的波形，(b)是电容器56的电压Vin1的波形，(c)是比较器70的输出电压Vin2的波形，(d)是比较器80的输出电压Vin3的波形，(e)是通过开关68流动的电流Iin的波形。以下，分成功率器件34接通(从关断到导通)时和断开(从导通至关断)时来说明驱动电路36的工作。再有，功率器件34在Vin2为高电平时关断，在Vin2为低电平时导通。最初，功率器件34处于关断状态，Vin1、Vin2、Vin3都为高电平(电压值Vd(V))。

A.功率器件接通时

如果从控制电路对光耦合器26输入导通指令信号(高电平的信号)，则光耦合器26的次级侧的晶体管50导通。如果晶体管50导通，则从电源24经电阻52在光晶体管50中流过电流(Ia)。在此，如果将电源电压的值定为Vd，将电阻52的值定为R，则电流Ia的值为Vd/R。此外，通过在晶体管50中流过电流，电流从电容器56流过光晶体管50，电容器56被放电(功率器件34为关断状态时，对电容器56进行了充电)。其结果，电容器56的电压Vin1下降(参照图6(b))。

比较器70比较电压Vin1与基准电压。最初，功率器件34关断了，由于电压Vin2为高电平，故基准电压的值为Eref1_H(参照式(1))。如果如上所述那样电压Vin1下降，其值为Eref1_H(在图6(b)中，用点A示出)以下，则比较器70输出低电平的电压Vin2(0V)(参照图6(c))。对驱动控制部60和AND电路64输出电压Vin2。再有，Eref1_H使电压Vin2为低电平，作为使功率器件34导通的阈值，被称为「导通阈值」。

如果从比较器70输入低电平的电压信号(Vin2)，则驱动控制部60对功率器件34输出高电平信号。功率器件34利用该高电平信号而开始接通。

另一方面，比较器80比较电压Vin1与基准电压。此时的基准电压的值为Eref2_H(参照式(3))。如果电压Vin1的值为Eref2_H(在图6(b)中，用点B示出)以下，则比较器80输出低电平的电压Vin3(0V)(参照图6(d))。对AND电路64输出电压Vin3。

AND电路64以比较器70的输出电压(Vin2)和比较器80的输出电压(Vin3)为输入信号。AND电路64将比较器70的输入信号的电平作为与比较器70的输出电压的电平相同的电平来处理，将比较器80的输入信号的电平作为对比较器80的输出电压的电平进行了倒相的电平来处理。AND电路64在上述处理后，在2个输入信号都是高电平时，输出高电平的信号。

在此，对于Eref1_H和Eref2_H来说，以下的式(5)的关系成立。

【式5】

Eref2_H＜Eref1_H                  (5)

如果参照式(5)，则Vin1的值(Vin1o)首先到达Eref1_H。如果Vin1o为Eref1_H以下，则Vin2为低电平。在Eref2_H＜Vin1o≤Eref1_H时，Vin2为低电平，Vin3为高电平。此时，由于将比较器80的输入信号的电平作为对比较器80的输出电压的电平进行了倒相的电平来处理，故将2个输入信号都认为是低电平，输出低电平信号。AND电路64对开关68的控制端子输出低电平信号。如果输入低电平信号，则开关68关断，隔断电流Iin(电流Iino＝0)。其后，如果Vin1的值为Eref2_H以下，则Vin3为低电平。AND电路64将其认为高电平的输入信号，但此时由于比较器70的输入信号为低电平，故AND电路64的输出信号为低电平的原有状态。Vin1最终下降到0V。另一方面，由于比较器80的输出信号为低电平的缘故，将比较器80的基准电压设定为Eref2_L。

B.功率器件断开时

其次，如果从控制电路对光耦合器26输入关断指令信号，则光耦合器26的次级侧的光晶体管50关断。如果光晶体管50关断，则从电源24经电阻52在电容器56中流过电流(Ib)。在此，电流Ib的值为Vd/R。如果电流从电源24流过电容器56，则电容器56被充电，电容器的电压Vin1上升(参照图6(b))。

比较器70比较电压Vin1与基准电压。在此，基准电压的值为Eref1_L(参照式(2))。如果电压Vin1的值超过Eref1_L(在图6(b)中，用点C示出)以下，则比较器70输出高电平的电压Vin2(参照图6(c))。再有，Eref1_L使电压Vin2为高电平，作为使功率器件34关断的阈值，被称为「关断阈值」。

如果从比较器70输入高电平的电压信号(Vin2)，则驱动控制部60对功率器件34输出低电平信号。功率器件34利用该低电平信号而开始断开。

另一方面，比较器80比较电压Vin1与基准电压。此时的基准电压的值为Eref2_L(参照式(4))。如果电压Vin1的值超过Eref2_L(在图6(b)中，用点D示出)，则比较器80输出高电平的电压Vin3(参照图6(d))。

AND电路64以比较器70的输出电压和比较器80的输出电压为输入信号。现在，对于比较器的基准电压来说，以下的式(6)的关系成立。

【式6】

$\mathrm{Eref}{1}_L<\mathrm{Eref}{2}_L=\frac{2}{3}\mathrm{Vd}---\left(6\right)$

如果参照式(6)，则Vin1的值(Vin1o)首先到达Eref1_L。在Eref1_L＜Vin1o≤Eref2_L时，Vin2为高电平，Vin3为低电平。此时，由于将比较器80的输入信号的电平作为对比较器80的输出电压的电平进行了倒相的电平来处理，故将2个输入信号都认为是高电平，输出高电平信号。AND电路64对开关68的控制端子输出高电平信号。此时，开关68导通，电流Iin(电流值Iino(A))流过开关68。该电流Iin返回到电压输入信号线(与比较器70的第1输入端连接的信号线)，该电流流入电容器中(参照图6(e))。由此，电容器56被充电，Vin1的值上升(参照图6(b))。

其次，如果Vin的值超过Eref2_L(Eref2_L＜Vin1o)，则Vin3成为高电平。如上所述，AND电路64将其作为低电平来处理。由于2个信号的一方为低电平，故对开关68的控制端子输出低电平信号。由此，开关68关断，隔断来自电流源66的电流(参照图6(e))。最终，Vin1的值成为Vd(V)。

其后，在从控制电路对光耦合器26再次输入导通指令信号或关断指令信号时，驱动电路36分别进行与上述的工作相同的工作。

如果从控制电路输入关断指令信号，则在Eref1_L＜Vin1o≤Eref2_L的关系成立的期间内，驱动电路36在电压输入信号线中流过电流Iin。由此，电容器56被充电，电压Vin1上升。图6(b)示出此时的Vin1的变化。如果将其与现有的驱动电路(参照图4(b))中的Vin1的变化(用点划线示出)比较，则可知在图4(a)中示出的驱动电路36中，在Vin的值超过了关断阈值后，在短时间内上升到Vd。

在本实施例的半导体装置的驱动电路中，如果电压输入信号线的电压Vin1超过关断阈值，则由于立即在电压输入信号线中流过电流Iin，其阻抗减少，故缩短了电容器的充电时间。由此，在超过了关断阈值后，电压Vin1立即(以不受功率器件的dV/dt的影响的程度)充分地上升。于是，即使发生功率器件的因断开引起的大的dV/dt(所谓的尖蜂电压)，由于电压输入信号线的电压不会在阈值附近变动，故也可防止驱动电路的误工作。此外，其结果，可防止功率器件的误工作。

此外，按照本实施例的半导体装置的驱动电路，由于常时地监视电压输入信号线的电压，在检测了电压处于增加的趋势且处于规定的范围内时进行电压的调整，故可高精度地防止误工作。此外，由于只在电压输入信号线的电压处于规定的范围内时流过电流Iin，故可减少功耗而不会无效地流过电流。

再者，按照本实施例的半导体装置的驱动电路，可比较廉价地实现不因功率器件的开关工作而产生误工作的驱动电路。

再有，如果Eref2_L比关断阈值且比Vin1的高电平电压小，则可以是2Vd/3以外的任意的值。

此外，在本实施例的半导体装置的驱动电路中，为了对于电压Vin1检测Eref1_L＜Vin1o≤Eref2_L，使用了AND电路，但也可使用其它的逻辑电路。

再有，本实施例的半导体装置如图1中所示，具备接口电路、驱动电路和输出功率器件电路，但除此以外，也可具备检测电路或保护电路。图7是具备这样的检测电路和保护电路的半导体装置的框图。在图7中，对与图1的半导体装置为同一的构成要素附以相同的符号，省略其说明。如图7中所示，半导体装置102具备接口电路4、驱动电路6、检测电路104、保护电路106和输出功率器件电路8。半导体装置102在输入侧连接到微型计算机10上，在输出侧连接到负载12上。检测电路104检测负载12和输出功率器件电路8的驱动状态(输出电流或温度等)，对保护电路106和接口电路4输出其检测结果。保护电路106使用来自检测电路104的检测结果，判断负载12和输出功率器件电路8的驱动状态，如果有必要，则对输出功率器件电路8和接口电路4输出指示输出功率器件电路8的工作停止的信号。

实施例2.

图8示出实施例2的半导体装置的驱动电路，在图8中，对与图4(a)的电路为同一的构成要素附以同一符号，省略其说明。本实施例的半导体装置的驱动电路与实施例1的半导体装置的驱动电路不同之点在于：去掉了以Vin2和Vin3为输入的AND电路，代之以设置了以Vin3为输入的定时器。如图8中所示，本实施例的半导体装置的驱动电路具备第2比较部62和连接到开关68上的定时器110。此外，第2比较部62具备电阻112、114、116。

如在实施例1中已说明的那样，在第2比较部62中，如果分别将电阻112、电阻114、电阻116的值定为r7、r8、r9，则比较器80的输出电压为高电平时的基准电压的值Eref3_H和比较器80的输出电压为低电平时的基准电压的值Eref3_L分别用以下的式(7)和式(8)来表示。

【式7】

$\mathrm{Eref}{3}_H=\mathrm{Vd}\&CenterDot;\frac{r8//r9}{r7+(r8//r9)}$

其中，

$r8//r9=\frac{r8\&CenterDot;r9}{r8+r9}---\left(7\right)$

【式8】

$\mathrm{Eref}{3}_L=\mathrm{Vd}\&CenterDot;\frac{r8}{r7+r8}---\left(8\right)$

定时器110只在一定的期间中对开关68输出高电平信号，在除此以外的情况下，对开关68输出低电平信号。具体地说，定时器110在第2比较部62中的比较器80的输出信号从低电平成为高电平时，即，在电压Vin1的值超过了Eref3_L时，从该瞬间起在一定的期间中对开关68输出高电平信号。在对开关68输入了高电平信号时，开关68导通，电流Iin流过开关68(电流值Iino(A))。该电流Iin返回到电压输入信号线，该电流流入电容器中。由此，电容器56被充电，Vin1的值上升。如果经过一定的时间，定时器110就对开关68输出低电平信号，使开关68关断。根据以上所述，从电压Vin1的值超过了Eref3_L之后在一定的期间中电流Iin流过电容器56。

在此，如果参照式(8)就可知，通过选择r7、r8，可任意地设定Eref3_L。例如，如果将Eref3_L设定为与关断阈值相等的值，在电压输入信号线的电压Vin1超过了关断阈值时，在电压输入信号线中开始流过电流Iin。即，通过选择r7、r8，可任意地设定在电压输入信号线中开始流过电流Iin时的Vin1的条件。Eref3_L只要在关断阈值以上而不到Vin1的高电平电压值(Vd)即可，但较为理想的是关断阈值附近的值。再有，通过选择r7、r8、r9，也可任意地设定Eref3_H。

在本实施例的半导体装置的驱动电路中，如果电压输入信号线的电压Vin1超过Eref3_L，则立即在电压输入信号线中流过电流Iin，其阻抗减少。由此，电容器的充电速度变化，超过了Eref3_L的电压Vin1的上升速度比到达Eref3_L以前的电压Vin1的上升速度快。在此，如果将Eref3_L设定为关断阈值附近，若超过了Eref3_L，电压Vin1立即(以不受功率器件的dV/dt的影响的程度)充分地上升。于是，即使发生功率器件的因断开引起的大的dV/dt，由于电压输入信号线的电压不会在阈值附近变动，故也可防止驱动电路的误工作。此外，其结果，可防止功率器件的误工作。

此外，按照本实施例的半导体装置的驱动电路，由于常时地监视电压输入信号线的电压，检测了其电压超过了Eref3_L的情况，在电压输入信号线中流过电流Iin，故可高精度地进行误工作的防止。

此外，按照本实施例的半导体装置的驱动电路，可比较廉价地实现不因功率器件的开关工作而产生误工作的驱动电路。

再者，按照本实施例的半导体装置的驱动电路，由于将使电容器充电的期间限制于Vin超过了Eref3_L后的一定的期间内，故可抑制流过光耦合器的过负载电流。因而，可延长光耦合器的寿命，其结果，可延长使用了该半导体装置的功率电子学应用装置的寿命。

再有，流过电流Iin的时间(定时器110输出高电平信号的期间)是Vin1超过Eref3_L之后到达Vd(高电平的电压值)为止的时间内，根据电容器的充电速度，可任意地使其最佳化。例如，在Eref3_L与关断阈值相等的情况下，流过电流Iin的时间可以是几十ns至100ns(毫微秒)。

再有，在本实施例的半导体装置的驱动电路中，将第2比较部的输出信号输入给定时器，但在将Eref3_L设定为与关断阈值相等的值的情况下，也可将第1比较部的输出信号输入给定时器。此时，可去掉第2比较部，可更简单地构成驱动电路。

实施例3.

图9示出实施例3的半导体装置的驱动电路。在图9的驱动电路中，对与图8的电路为同一的构成要素附以同一符号，省略其说明。本实施例的半导体装置的驱动电路与实施例1的半导体装置的驱动电路不同之点在于：具备比较功率器件34的栅电压与基准电压的第3比较部122以及以第2比较部62的输出信号和第3比较部122的输出信号为输入的AND电路124。

第3比较部122具备由运算放大器构成的比较器130、电阻132和电阻134。比较器130的第1输入端连接到功率器件34的栅端子上，比较器130的第2输入端连接到对电源电压进行分压的分压电阻132、134上。电阻132和电阻134互相串联地连接。电阻132的一端连接到电源24上，电阻134的一端接地。电阻132和134对电源电压进行分压，将该已分压了的电压供给比较器130的第2输入端。

AND电路124的第1输入端和第2输入端分别连接到第2比较部62中的比较器80的输出端和比较器130的输出端上。AND电路124的输出端连接到定时器110上。

以下，说明驱动电路36的工作。在第3比较部122中，对比较器130的第1输入端输入基准电压。比较器130比较栅电压与基准电压，根据其比较结果输出电压信号。具体地说，如果栅电压比基准电压(功率器件34开始接通的阈值电压)小，则比较器130输出高电平的电压。AND电路124以第2比较部62中的比较器80的输出电压和比较器130的输出电压为输入信号。在此，在2个输入信号都为高电平时，即，电压输入信号线的电压的值超过Eref3_L且功率器件34的栅电压比功率器件的使接通开始的值小时，AND电路124输出高电平信号。再有，将对比较器130的第2输入端输入的基准电压定为功率器件34开始接通的电压，但也可定为比其小的电压、即功率器件34充分地成为关断状态时的电压。

定时器110的工作与在实施例2中已说明的相同。即，定时器110从AND电路124的输出信号为高电平的瞬间起在一定的期间中对开关68输出高电平信号，在除此以外的情况下，对开关68输出低电平信号。对开关68输入了高电平信号和低电平信号时的驱动电路36的工作与在实施例1中已说明的工作相同。

由于在驱动电路36中在比较器70与功率器件34之间设置驱动控制部60，故在第1比较部58中的比较器70的输出电压Vin2与对功率器件34的栅端子施加的电压之间有时产生差异。例如驱动控制部60包含抑制dV/dt用的栅电阻140。在本实施例的半导体装置中，除了电压输入信号线的电压Vin超过了基准电压的情况外，由于定时器110在功率器件34的栅电压比基准电压小时工作，故可与实际的功率器件的开关时相一致地高精度地在电容器56中流过电流。

再者，按照本实施例的半导体装置的驱动电路，由于将使电容器充电的期间限制于一定的期间内，故可抑制流过光耦合器的过负载电流。因而，可延长光耦合器的寿命，其结果，可延长使用了该半导体装置的功率电子学应用装置的寿命。

在本实施例的半导体装置的驱动电路中，如果电压输入信号线的电压Vin1超过Eref3_L且功率器件开始断开，则立即在电压输入信号线中流过电流Iin，电压输入信号线的阻抗减少。由此，电压Vin1超过了Eref3_L且功率器件开始断开后的电压Vin1的上升速度比在此之前以前的电压Vin1的上升速度快。在此，如果将Eref3_L设定为关断阈值附近，若超过了Eref3_L且功率器件开始断开后，电压Vin1立即(以不受功率器件的dV/dt的影响的程度)充分地上升。于是，即使发生功率器件的因断开引起的大的dV/dt，由于电压输入信号线的电压不会在阈值附近变动，故也可防止驱动电路的误工作。此外，其结果，可防止功率器件的误工作。

此外，按照本实施例的半导体装置的驱动电路，可比较廉价地实现不因功率器件的开关工作而产生误工作的驱动电路。

实施例4.

图10是示出实施例4的半导体装置中的1个功率器件、其驱动电路及其检测电路的电路图。本实施例4的半导体装置除了驱动电路6和功率器件输出电路8外，还具备检测电路104(参照图7)。检测电路104由功率器件输出电路8中的与各自的功率器件对应的检测电路142构成。在本实施例的半导体装置中，检测电路142，如图10中所示，是检测功率器件34的输出电流(在功率器件34是IGBT的情况下，是集电极电流)的电流传感器。该检测电路142也可被内置于功率器件34中。在图10中，对与图9的电路为同一的构成要素附以同一符号，省略其说明。本实施例的半导体装置的驱动电路与实施例3的半导体装置的驱动电路不同之点在于：第3比较部122不是使用功率器件34的栅电压、而是使用功率器件34的输出电流来进行比较。

电流传感器142检测功率器件34的输出电流，输出与该输出电流对应的电压信号。将电流传感器142的输出信号输入到第3比较部122的比较器130中。比较器130比较该电流传感器142输出的电压与基准电压，根据该比较结果输出电压信号。具体地说，比较器130在由输出电流产生的电压比基准电压小时，输出高电平的电压。在可判断为功率器件34开始了断开工作的微量的输出电流流动时，该基准电压与电流传感器142输出的电压相等。AND电路124或开关68的工作与在实施例3中已说明的相同。

在本实施例的半导体装置中，除了电压输入信号线的电压Vin超过了基准电压的情况外，由于检测功率器件34的输出电流，在该输出电流比规定的电流小时定时器110工作，故可与实际的功率器件的开关时相一致地高精度地在电容器56中流过电流。

此外，按照本实施例的半导体装置的驱动电路，由于将使电容器充电的期间限制于一定的期间内，故可抑制流过光耦合器的过负载电流。因而，可延长光耦合器的寿命，其结果，可延长使用了该半导体装置的功率电子学应用装置的寿命。

在本实施例的半导体装置的驱动电路中，如果电压输入信号线的电压超过关断阈值且功率器件开始断开，则立即在电压输入信号线中流过电流Iin，电压输入信号线的阻抗减少。由此，电压Vin1超过了Eref3_L且功率器件开始了断开后的电压Vin1的上升速度比在此之前以前的电压Vin1的上升速度快。在此，如果将Eref3_L设定为关断阈值附近，若电压Vin1超过了Eref3_L且功率器件开始断开后，电压Vin1立即(以不受功率器件的dV/dt的影响的程度)充分地上升。于是，即使发生功率器件的因断开引起的大的dV/dt，由于电压输入信号线的电压不会在阈值附近变动，故也可防止驱动电路的误工作。此外，其结果，可防止功率器件的误工作。

实施例5.

图11是示出实施例5的半导体装置中的1个功率器件、其驱动电路及其检测电路的电路图。在本实施例的半导体装置中，检测电路142，如图11中所示，是对功率器件34的输出电压(在功率器件34是IGBT的情况下，是集电极电压)进行分压的分压电阻144、146。在图11中，对与图10的电路为同一的构成要素附以同一符号，省略其说明。本实施例的半导体装置的驱动电路与实施例4的半导体装置的驱动电路不同之点在于：第3比较部122不是使用功率器件34的输出电流、而是使用功率器件34的输出电压来进行比较。

如图11中所示，第3比较部122比较由分压电阻144、146进行了分压的集电极电压与基准电压，根据该比较结果输出电压信号。具体地说，比较器130在功率器件34的输出电压比基准电压大时，输出高电平的电压。此时的基准电压与可判断为功率器件34开始了断开工作的输出电压相等。

在本实施例的半导体装置中，除了电压输入信号线的电压Vin超过了基准电压的情况外，由于检测功率器件34的输出电压，在该输出电压比规定的电压大时定时器110工作，故可与实际的功率器件的开关时相一致地高精度地在电容器56中流过电流。

此外，按照本实施例的半导体装置的驱动电路，由于将使电容器充电的期间限制于一定的期间内，故可抑制流过光耦合器的过负载电流。因而，可延长光耦合器的寿命，其结果，可延长使用了该半导体装置的功率电子学应用装置的寿命。

在本实施例的半导体装置的驱动电路中，如果电压输入信号线的电压超过关断阈值且功率器件开始断开，则立即在电压输入信号线中流过电流Iin，电压输入信号线的阻抗减少。由此，电压Vin1超过了Eref3_L且功率器件开始断开后的电压Vin1的上升速度比在此之前以前的电压Vin1的上升速度快。在此，如果将Eref3_L设定为关断阈值附近，若电压Vin1超过了关断阈值且功率器件开始断开后，电压Vin1立即(以不受功率器件的dV/dt的影响的程度)充分地上升。于是，即使发生功率器件的因断开引起的大的dV/dt，由于电压输入信号线的电压不会在阈值附近变动，故也可防止驱动电路的误工作。此外，其结果，可防止功率器件的误工作。

再有，在实施例1至实施例5的半导体装置中，也可使用金属氧化膜半导体场效应型晶体管(MOS晶体管)作为功率器件。此时，通过选择比较器的特性(输入信号比基准电压小时输出信号为高电平，或输入信号比基准电压大时输出信号为高电平)，可使用P型和N型的任一种MOSFET。

通过附加将驱动控制部的输出电压变换为电流的电路(电阻等)，也可使用双极型晶体管作为功率器件。此时，如果导入将双极型晶体管的输入电流或输出电流变换为电压的变换电路，则可得到与在实施例3或实施例4中已说明的同样的效果。

Claims (7)

1.一种半导体装置，具备功率器件和驱动该功率器件的驱动电路，其特征在于：

上述驱动电路具备：

电容器，根据外部控制信号进行充放电；

第1比较电路，比较上述电容器的电压与第1基准电压，输出基于该比较结果的第1信号；

驱动控制电路，根据上述第1信号对上述功率器件输出驱动信号；以及

电容器充电电路，检测上述电容器的电压，在上述电容器的电压处于增加的趋势且处于规定的范围内时，对上述电容器供给电流，使上述电容器充电。

2.如权利要求1中所述的半导体装置，其特征在于：

上述电容器充电电路具备：

第2比较电路，比较上述电容器的电压与第2基准电压，输出基于该比较结果的第2信号；

检测电路，在使用上述第1信号和上述第2信号检测到上述电容器的电压处于增加的趋势且上述电容器的电压比上述第1基准电压大且小于等于上述第2基准电压时，输出第3信号；以及

电流供给电路，从上述检测电路接收到上述第3信号时，对上述电容器供给电流。

3.一种半导体装置，具备功率器件和驱动该功率器件的驱动电路，其特征在于：

上述驱动电路具备：

电容器，根据外部控制信号进行充放电；

第1比较电路，比较上述电容器的电压与第1基准电压，输出基于该比较结果的第1信号；

驱动控制电路，根据上述第1信号对上述功率器件输出驱动信号；

第2比较电路，比较上述电容器的电压与第2基准电压，输出基于该比较结果的第2信号；

定时器，在使用上述第2信号检测到上述电容器的电压比上述第2基准电压大时，从检测到时开始在一定的期间内输出第3信号；以及

电流供给电路，从上述定时器接收到上述第3信号时，对上述电容器供给电流。

4.一种半导体装置，具备功率器件和驱动该功率器件的驱动电路，其特征在于：

上述驱动电路具备：

电容器，根据外部控制信号进行充放电；

第1比较电路，比较上述电容器的电压与第1基准电压，输出基于该比较结果的第1信号；

驱动控制电路，根据上述第1信号对上述功率器件输出驱动信号；

第2比较电路，比较上述电容器的电压与第2基准电压，输出基于该比较结果的第2信号；

检测输出电路，检测上述电容器的电压和上述功率器件的驱动状态，在上述电容器的电压比上述第2基准电压大且上述功率器件开始关断时，输出第3信号；

定时器，在使用上述第3信号检测到上述电容器的电压比上述第2基准电压大且上述功率器件开始关断时，从已检测到时开始在一定的期间内输出第4信号；以及

电流供给电路，从上述定时器接收到上述第4信号时，对上述电容器供给电流。

5.如权利要求4中所述的半导体装置，其特征在于：

上述检测输出电路具备：

变换电路，在上述驱动信号不是电压信号时，将上述驱动信号变换为第5电压信号；

第3比较电路，比较作为电压信号的上述驱动信号或上述第5电压信号与第3基准电压，输出基于该比较结果的第6信号；以及

检测电路，在使用上述第2信号检测到上述电容器的电压比上述第2基准电压大而且使用上述第6信号检测到上述功率器件开始关断时，输出上述第3信号。

6.如权利要求4中所述的半导体装置，其特征在于：

上述检测输出电路具备：

第1检测电路，检测上述功率器件的驱动状态，输出与该驱动状态对应的第5电压信号；

第3比较电路，比较上述第5信号与第3基准电压，输出基于该比较结果的第6信号；以及

第2检测电路，在使用上述第2信号检测到上述电容器的电压比上述第2基准电压大而且使用上述第6信号检测到上述功率器件开始关断时，输出上述第3信号。

7.如权利要求2至6的任一项中所述的半导体装置，其特征在于：

上述电流供给电路具备电流源和开关，

上述开关在接收到上述第3信号或上述第4信号时，上述开关导通并流过来自上述电流源的电流。

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