CN1773858A - 功率半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抑制电涌的功率半导体装置。在功率半导体装置中，具备：串联连接的1对高压侧以及低压侧的功率开关半导体元件、反向连接在各功率开关半导体元件上的飞轮二极管、以及按每个功率开关半导体元件进行配置并基于输入信号向该功率开关半导体元件的栅极提供驱动信号的栅极驱动电路，并且，为抑制电涌的影响，例如在低压侧的栅极驱动电路和向该栅极驱动电路提供电源电压的控制电源电路之间插入二极管。或在栅极驱动电路和用于提供输入信号的输入端子之间插入二极管。

Description

功率半导体装置
技术领域
本发明涉及功率半导体装置，特别涉及抑制从功率半导体装置产生的电涌。
背景技术
使用功率半导体元件的功率半导体装置广泛普及。功率模块是将多个功率半导体元件(MOSFET、IGBT等)和其外围电路一起组装入1个封装中。具有通过高集成化使其小型化、布线容易等优点，在很多用途中使用。
在功率半导体装置中，需要防止由电涌引起的不良影响。例如，在特开平7-297695号公报中记载的反相电路中，驱动功率半导体元件的驱动电路包含防止其过热的过热保护电路，但是，过热保护电路有时由于飞轮二极管(flywheel diode)的反向恢复时产生的急剧的电流变化而发生误动作。控制电路具备产生过电流或短路电流时输出报警信号的共同输出端子，将肖特基二极管连接在下侧支路的控制电路的共同输出端子和电源端子Vcc之间，由此，防止反向电流流向控制用IC基板内，防止过热保护电路的误动作。另外，将电容器连接在控制电路的共同输出端子和接地端子GND之间，防止控制用IC基板内的基准电压的变动。
专利文献特开平7-297695号公报
使用功率半导体装置时，由于在其内部产生的电涌，有时破坏控制功率半导体元件的外围电路(栅极驱动电路、光耦合器等)或向栅极驱动电路提供信号的外部的信号发生电路(微处理器等)。但是，特开平7-297695号公报中记载的反相电路并不是阻塞电涌电压和电涌电流、使对连接的外围设备的影响完全消除的电路。在该反相电路中，存在由于对外围设备施加电涌电压或电涌电流流过而产生外围设备的损坏的可能，另外，电损耗增大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制由在内部产生的电涌引起的外围电路的损坏的功率半导体装置。
涉及本发明的第1功率半导体装置具有：功率开关半导体元件，由高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件的串联电路构成，直流电压源能够与该串联电路的两端相连接，并且，能够从上述高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件的连接点提供输出电压；飞轮二极管，与上述高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件分别反向并联；高压侧驱动电路，与上述高压侧功率开关半导体元件的栅极相连接；低压侧驱动电路，与上述低压侧功率开关半导体元件的栅极相连接；控制电源电路，向上述低压侧驱动电路提供电源电压；以及二极管，正向连接在上述低压侧驱动电路和上述控制电源电路之间。
涉及本发明的第2功率半导体装置具有：功率开关半导体元件，由高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件的串联电路构成，直流电压源能够与该串联电路的两端相连接，并且，能够从上述高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件的连接点提供输出电压；飞轮二极管，与上述高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件分别反向并联；高压侧驱动电路，与上述高压侧功率开关半导体元件的栅极相连接；低压侧驱动电路，与上述低压侧功率开关半导体元件的栅极相连接；控制电源电路，对上述低压侧驱动电路提供电源电压；以及相对上述低压侧驱动电路的输入信号以正向连接的二极管。
涉及本发明的第3功率半导体装置具有：功率开关半导体元件，由高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件串联的电路构成，直流电压源能够与该串联电路的两端相连接，并且，能够从上述高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件的连接点提供输出电压；飞轮二极管，与上述高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件分别反向并联；高压侧驱动电路，与上述高压侧功率开关半导体元件的栅极相连接；低压侧驱动电路，与上述低压侧功率开关半导体元件的栅极相连接；光耦合器，对上述低压侧驱动电路提供输入信号；以及在上述低压侧驱动电路和上述光耦合器的输出端子之间正向连接的二极管。最好进而使电容器以及电阻从上述二极管和上述低压侧驱动电路的输入端子之间的连接点并列接地。
在上述的第1到第3的任意一个的功率半导体装置中，上述二极管的耐压设定为比输入到上述高压侧功率开关半导体元件和上述低压侧功率开关半导体元件的串联电路的直流电压大。
上述的第1到第3的任意一个的功率半导体装置最好进一步具有在上述直流电压源的低电平侧和上述低压侧功率开关半导体元件之间连接的电流检测电阻。
上述的第1到第3的任意一个的功率半导体装置，例如进一步具有与上述高压侧功率开关半导体元件和上述低压侧功率开关半导体元件的串联的电路相连接的上述直流电源。
功率半导体装置抑制在内部产生的电涌电压和电涌电流，并且不传给外围设备，所以能够防止功率半导体装置的外围电路或与其相连接的外部电路的损坏。
附图说明
图1是实施方式1的驱动电路图。
图2是实施方式2的驱动电路图。
图3是实施方式3的驱动电路图。
图4是实施方式4的驱动电路图。
图5是组合实施方式1和2而成的驱动电路图。
符号说明
22、24  高压侧以及低压侧功率半导体开关元件
26      FW二极管
28、30  驱动电路(栅极驱动IC)
32、36  高耐压二极管
38      光耦合器
46      高耐压二极管
48      电容器
50      电阻
具体实施方式
以下，参考附图说明本发明的实施方式。并且，在图中，相同的参考符号表示相同或同等的部分。
实施方式1
图1表示第1实施方式的3相电动机驱动电路。包含功率开关半导体元件(以下称为功率芯片)22、24的功率模块10并联连接于直流电源上，由直流电源向功率芯片22、24提供直流电压。直流电源例如由二极管桥式整流电路12和平滑电容器14构成。微处理器(包括DSP等的情况)20产生功率芯片用的控制信号并提供给功率模块10。功率模块10按照控制信号产生3相交流，驱动L性负载的电动机18。
在功率模块10内，3对分别串联连接的功率芯片22、24构成的串联电路连接于平滑电容器14的高电平侧和低电平侧。功率芯片22、24例如是功率MOSFET或IGBT。飞轮二极管26与各功率芯片22、24反向并联连接。连接于来自直流电源的直流高电平侧的3个功率芯片22和飞轮二极管26构成上侧支路，连接于其低电平侧的3个功率芯片24和飞轮二极管26构成下侧支路。上侧支路和下侧支路的功率芯片22、24之间的连接点为对3相电动机18的输出端子U、V或W。按各功率芯片22、24的栅极设置的栅极驱动电路(也简单称为驱动电路。在此例中是栅极驱动IC28、30)提供来自微处理器20的控制信号，栅极驱动IC28、30根据控制信号向对应的功率芯片22、24的栅极提供栅极信号。功率芯片22、24按照栅极信号进行开关动作。栅极驱动IC28也称为HVIC，栅极驱动IC30也称为LVIC等，可以使用用于功率开关元件的公知的栅极驱动电路。(关于与中央以及右侧的各对功率芯片的栅极相连接的栅极驱动IC28、30，因为连接相同，所以省略图示。)并且，在来自直流电源的直流的低电平侧和下侧支路之间配置电流检测电阻16，根据压降检测流过下侧支路的过电流。(并且，栅极驱动IC28、30更一般的说，是也包含基于在电流检测电阻16的压降的过电流保护功能的控制电路，但是，省略过电流保护功能的说明。)微处理器20、各栅极驱动IC28、30以及电流检测电阻16的电桥12侧共同接地。另外，由功率模块10的外部的控制电源电路34向栅极驱动IC28、30提供例如15V的电源电压，向微处理器20提供例如5V的电源电压。并且，在图1的例中，整流3相交流并提供给功率模块10，但是，也可以整流2相交流并进行提供。
在此，下侧支路的栅极驱动IC30的电源端子通过高耐压二极管32与栅极驱动IC30的控制电源34相连接。栅极驱动IC30和控制电源34之间设置正向连接的高耐压二极管32的理由如下。下支路的功率芯片24断开时，由于飞轮二极管的反向恢复时产生的急剧的电流变化、下支路的功率芯片24发射极导通时的破坏时，电流检测电阻16为导通时等的情况下，功率模块内的布线中产生电涌电压和电涌电流。由于该电涌电压和电涌电流，向驱动功率芯片24的栅极驱动IC30施加高电压，并且，也向栅极驱动IC30的控制电源电路34和微处理器20侧施加高电压，有时控制电源电路34和微处理器20被破坏。因此，为防止这些，在栅极驱动IC30和其控制电源线之间插入高耐压二极管32，以使电流不流向控制电源电路34，防止控制电源电路34和微处理器20的破坏。因为插入高耐压的二极管32，所以能够阻塞在功率模块布线内产生的电涌电压和电涌电流，减少对连接的外围设备的影响。
这样，为防止由直流电源输入的高电压施加给驱动IC30的控制电源电路34和微处理器20侧而使用二极管32，所以，二极管32的耐压设定为比连接于功率模块的输入侧的直流电源施加的电压大。因此，设定为例如和平滑电容器14的耐压相同的程度，例如600V。并且，该耐压的想法在以下说明的其它的实施方式中也相同。
在以上的记述中，对于下侧支路的结构(功率芯片24，栅极驱动IC30)进行了说明，但是，对于上侧支路的功率芯片22有时也同样引起外围电路的损坏。即，功率芯片内的布线中产生电涌电压和电涌电流，因此，存在也向驱动功率芯片22的栅极驱动IC28施加高电压的情况。但是，上侧支路的栅极驱动IC28其构成上在内部具备高耐压电路部，因此，与下侧支路的栅极驱动IC30相比，可以说难以向控制电源电路34和微处理器20侧等的外围设备施加高电压。但是，为了对连接于功率模块10的外围设备几乎没有影响，优选与栅极驱动IC30相同，栅极驱动IC28的电源端子也通过高耐压二极管32与控制电源电路34相连接，以使电流不流向控制电源电路34。
另外，这种情况下不需要分别将高耐压二极管32连接于栅极驱动IC28和30的电源端子上。来自栅极驱动IC28和30的电源端子的布线相互连接，由此共有电源端子，该共有化的电源端子和控制电源电路34之间也可以具有高耐压二极管32(参照图5)。另外，高耐压二极管32也可以设置在功率模块的内部和外部之一。
实施方式2
图2表示第2实施方式的3相电动机驱动电路。该3相电动机驱动电路中，与图1所示的电路的不同是，代替在栅极驱动IC30和其控制电源电路34之间插入高耐压二极管32，由微处理器20对驱动IC30的控制信号输入线上插入高耐压的二极管36。设置相对于驱动IC30的输入信号正向连接的二极管36，由此，电流不流向微处理器20，所以阻塞在功率模块布线内产生的电涌电压和电涌电流进入微处理器20一侧，防止微处理器20和栅极驱动IC30的控制电源电路的破坏。
并且，不只从微处理器20向栅极驱动IC30的控制信号输入线侧，最好在向栅极驱动IC28的控制信号输入线侧也同样插入高耐压的二极管36(参照图5)。由此，能够使在功率模块10内产生的电涌电压和电涌电流引起的对外围设备的影响(控制电源电路和微处理器的破坏)几乎完全不存在。并且，高耐压二极管36可以设置在功率模块10的内部和外部之一。
并且，本发明的各实施方式中的栅极驱动IC28、30的控制信号输入线在该IC内部通过电阻被接地(下拉)，但是，本发明并不限定于此。
实施方式3
图3表示第3实施方式的3相电动机驱动电路。和图1所示的电路不同的是，使用光耦合器38，使微处理器20一侧和功率芯片22、24直流绝缘。微处理器20的信号连接于光耦合器38的发光元件(二极管)40侧，光耦合器38的受光元件(二极管)44在控制电源电路34和晶体管42的基极之间反向连接，晶体管42的集电极与栅极驱动IC30和上拉电阻45相连接。晶体管42的发射极和功率模块10共同接地。和图1所示的电路不同，栅极驱动IC30和其控制电源电路34之间未插入高耐压的二极管32。
在该3相电动机驱动电路中，下支路的功率芯片24发射极导通时的破坏，或者电流检测电阻16为导通时，对驱动功率芯片24的栅极驱动IC30施加高电压，同样对光耦合器38也施加高电压，光耦合器38被破坏。为对此进行抑制，插入高耐压的二极管46以使电流不流向光耦合器38的输入信号线。在栅极驱动IC30和光耦合器38的输出端子之间设置正向连接的二极管46，由此，电流不流向光耦合器38，能够防止光耦合器38的破坏。
并且，不只是在栅极驱动IC30和光耦合器38的输出端子之间，在栅极驱动IC28和光耦合器38的输出端子之间最好也同样插入高耐压的二极管46。由此，能够使在功率模块10内产生的电涌电压和电涌电流引起的对外围设备的影响(光耦合器的破坏等)几乎完全不存在。
实施方式4
图4所示的3相电动机驱动电路中，与图3所示的电路相同在光耦合器38的输入信号线上插入高耐压的二极管46，防止光耦合器38的破坏，并且在二极管46与栅极驱动IC30之间和与地之间并联连接电容器48和电阻50。电容器48构成输入滤波器。
在栅极驱动IC30的信号输入侧插入电容器48，由此光耦合器38的受光侧晶体管为L电平时，因为存在二极管46，电容器48的放电通过具有栅极驱动IC30内的比较高的值的下拉电阻来进行，因此直到栅极驱动IC30的输入信号为L电平为止产生响应的延迟。因此，通过和电容器48并联地插入电阻50使延迟时间变短。由电容器48和电阻50决定的响应的时间常数只要根据所希望的响应时间来决定即可。
实施方式5
作为其它的实施方式，将实施方式2至4的任意一个和实施方式1进行组合是有效的，通过使用这些组合的电路，能够使在功率模块10内产生的电涌电压和电涌电流引起的对外围电路的影响完全不存在。
例如，图5中表示组合实施方式1和2的3相电动机驱动电路。在该电路中，使用和电源控制电路34之间的高耐压二极管32或对输入信号连接的高耐压二极管36。并且，在该图中，高耐压二极管32、36不只是为了适应图1和图2中表示的驱动电路那样的下侧支路的栅极驱动IC30而设置，也是为了适应上侧支路的栅极驱动IC28而设置，详细的描述如各实施方式中进行的说明。在此，将1个高耐压二极管32与低电压侧驱动电路30和高电压侧驱动电路28二者共同连接。另外，未图示，但是例如组合实施方式1和3，也可以在图3所示的使用光耦合器的3相电动机驱动电路中添加高耐压二极管32来组合高耐压二极管46。
并且，在上述各实施方式中主要对功率模块进行了说明，但是，也可以提供将包含在功率模块中的电路元件和直流电源12、14一体化的半导体电流装置。由此，具有布线容易、应用装置的组合容易等特点。

Claims (12)

1.一种功率半导体装置，其特征在于，具备：
功率开关半导体元件，由高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件的串联电路构成，直流电压源能够与该串联电路的两端相连接，并且，能够从上述高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件的连接点提供输出电压；
飞轮二极管，与上述高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件分别反向并联；
高压侧驱动电路，与上述高压侧功率开关半导体元件的栅极相连接；
低压侧驱动电路，与上述低压侧功率开关半导体元件的栅极相连接；以及
第2二极管，连接于与上述低压侧驱动电路以及上述高压侧驱动电路的至少1个驱动电路的端子相连接的线上，正向连接以使电流不由上述端子通过第2二极管进行流动。
2.如权利要求1记载的功率半导体装置，其特征在于，
进而具备向上述低压侧驱动电路提供电源电压的控制电源电路，上述端子是电源端子，上述第2极管连接于上述电源端子和上述控制电源电路之间。
3.如权利要求1记载的功率半导体装置，其特征在于，
上述端子是输入上述低压侧驱动电路以及上述高压侧驱动电路的至少1个驱动电路用的控制信号的输入端子，上述第2二极管能够与提供上述控制信号的装置相连接，以使其连接于上述输入端子和提供上述控制信号的装置之间。
4.如权利要求1记载的功率半导体装置，其特征在于，
输入端子从光耦合器输入上述低压侧驱动电路以及上述高压侧驱动电路的至少1个驱动电路用的控制信号，上述第2二极管连接于上述输入端子和光耦合器之间。
5.如权利要求4记载的半导体装置，其特征在于，
进而使电容器和电阻从上述二极管和上述输入端子之间的连接点并联接地。
6.如权利要求1记载的功率半导体装置，其特征在于，
上述二极管的耐压设定为比输入到上述高压侧功率开关半导体元件和上述低压侧功率开关半导体元件的串联电路的直流电压大。
7.如权利要求1记载的功率半导体装置，其特征在于，
上述低压侧驱动电路以及上述高压侧驱动电路的至少1个驱动电路是上述低压侧驱动电路。
8.如权利要求1记载的功率半导体装置，其特征在于，
上述低压侧驱动电路以及上述高压侧驱动电路的至少1个驱动电路是上述低压侧驱动电路以及上述高压侧驱动电路。
9.如权利要求1记载的功率半导体装置，其特征在于，
进而具备连接于上述直流电压源的低电平侧和上述低压侧功率开关半导体元件之间的电流检测电阻。
10.如权利要求1记载的功率半导体装置，其特征在于，
上述高压侧功率开关半导体元件和低压侧功率开关半导体元件是功率MOSFET或IGBT。
11.如权利要求1记载的功率半导体装置，其特征在于，
上述功率半导体装置是3相功率半导体装置，具备3组上述功率开关半导体元件、上述高压侧驱动电路以及上述低压侧驱动电路。
12.如权利要求1记载的功率半导体装置，其特征在于，
进而具备连接于上述高压侧功率开关半导体元件和上述低压侧功率开关半导体元件的串联电路上的上述直流电源。
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