DE102011007220A1

DE102011007220A1 - Leistungshalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102011007220A1
Application number: DE102011007220A
Authority: DE
Inventors: Motoki Imanishi; Kenji Sakai; Yoshikazu Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2031-04-13
Also published as: DE102011007220B4; US20110260707A1; JP5499877B2; JP2011234430A; US8724357B2

Abstract

Eine Leistungshalbleitervorrichtung enthält: ein hochseitiges und ein niederseitiges Schaltelement (M1, M2), eine hochseitige und eine niederseitige Treiberschaltung (10a, 10b), einen Bootstrap-Kondensator (Cbs), der der hochseitigen Treiberschaltung (10a) eine Treiberspannung zuführt und dessen erster Anschluss mit einem Verbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement (M1) und dem niederseitigen Schaltelement (M2) verbunden ist und dessen zweiter Anschluss mit einem Leistungsversorgungsanschluss (VB) der hochseitigen Treiberschaltung verbunden ist, eine Bootstrap-Diode (Dbs), deren Anode mit einer Leistungsversorgung (LV) verbunden ist und deren Kathode mit dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) verbunden ist und die einen Strom von der Leistungsversorgung (LV) zu dem zweiten Anschluss liefert, eine schwebende Leistungsversorgung (FV) und eine Bootstrap-Kompensationsschaltung (12), die einen Strom von der schwebenden Leistungsversorgung (FV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) liefert, wenn die hochseitige Treiberschaltung (10a) das hochseitige Schaltelement (M1) einschaltet und die niederseitige Treiberschaltung (10b) das niederseitige Schaltelement (M2) ausschaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungshalbleitervorrichtung, die mit einer Treiberschaltung versehen ist, die eine Totem-Pole-Schaltung aus einem hochseitigen Schaltelement und einem niederseitigen Schaltelement antreibt, und insbesondere auf eine Leistungshalbleitervorrichtung, die in der Lage ist, einen Bootstrap-Kondensator hinreichend zu laden und die Schaltung zu vereinfachen und zu verkleinern.
Eine hochseitige Treiberschaltung, die ein hochseitiges Schaltelement treibt, erfordert eine Treiberspannung, die größer ist als eine Hauptleistungsversorgung. Es ist daher eine bekannte Praxis, dass die Treiberspannung gewonnen wird durch Laden eines Bootstrap-Kondensators von einer niederseitigen Leistungsversorgung aus. Wenn das hochseitige Schaltelement eingeschaltet ist, steigt jedoch ein Potential an einem Ende des Bootstrap-Kondensators, und das andere Ende des Bootstrap-Kondensators kann nicht geladen werden. Es tritt daher ein Problem auf, dass der Bootstrap-Kondensator nicht hinreichend geladen werden kann, wenn das hochseitige Schaltelement eingeschaltet bleibt.
Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Leistungshalbleitervorrichtung vorgeschlagen, die mit einer Auffrischschaltung für einen Bootstrap-Kondensator versehen ist (s. z. B. 2 der nationalen Veröffentlichung der internationalen Patentanmeldung Nr. 2007-520190 ). Die Auffrischschaltung stellt einen Ladekanal sicher, indem ein Schalter SW1 oder SW2 gewählt wird und dadurch ein Potential an einem Ende des Bootstrap-Kondensators auf Masse gelegt wird unabhängig von dem EIN/AUS-Zustand des hochseitigen Schaltelements.
Die Schalter SW1 und SW2 der Auffrischschaltung der nationalen Veröffentlichung der internationalen Patentanmeldung Nr. 2007-520190 müssen Hochspannungselemente sein. Außerdem müssen Signale, die die Schalter SW1 und SW2 treiben, von der Niederspannungsseite zu der Hochspannungsseite und von der Hochspannungsseite zu der Niederspannungsseite übertragen werden. Das heißt, dass eine Pegelverschiebung oder eine inverse Pegelverschiebung verwendet werden muss. Somit tritt ein Problem auf, dass die Schaltung kompliziert wird und ihre Größe steigt.
Angesichts der oben beschriebenen Probleme besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Leistungshalbleitervorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, einen Bootstrap-Kondensator hinreichend zu laden und die Schaltung zu vereinfachen und zu verkleinern.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 8. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
Die Leistungshalbleitervorrichtung enthält: ein hochseitiges Schaltelement und ein niederseitiges Schaltelement, die als Totem-Pole in dieser Reihenfolge von der Hochspannungsseite aus zwischen ein hochspannungsseitiges Potential und ein niederspannungsseitiges Potential geschaltet sind, eine hochseitige Treiberschaltung, die das hochseitige Schaltelement treibt, eine niederseitige Treiberschaltung, die das niederseitige Schaltelement treibt, einen Bootstrap-Kondensator, der einen ersten und einen zweiten Anschluss hat und der hochseitigen Treiberspannung eine Treiberspannung zuführt, wobei der erste Anschluss mit einem Verbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement und dem niederseitigen Schaltelement verbunden ist und der zweite Anschluss mit einem Leistungsversorgungsanschluss der hochseitigen Treiberschaltung verbunden ist, eine Bootstrap-Diode, deren Anode mit einer Leistungsversorgung verbunden ist und deren Kathode mit dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators verbunden ist und die einen Strom von der Leistungsversorgung zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators liefert, eine schwebende Leistungsversorgung, die das hochspannungsseitige Potential als Referenzpotential nutzt, und eine Bootstrap-Kompensationsschaltung, die einen Strom von der schwebenden Leistungsversorgung zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators liefert, wenn die hochseitige Treiberschaltung das hochseitige Schaltelement einschaltet und die niederseitige Treiberschaltung das niederseitige Schaltelement ausschaltet.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, eine Leistungshalbleitervorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, einen Bootstrap-Kondensator hinreichend zu laden und die Schaltung zu vereinfachen und zu verkleinern.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
1 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist ein Zeitdiagramm, das einen Betrieb der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
3 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
4 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
5 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.
6 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform.
7 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform.
8 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform.
9 ist ein Zeitdiagramm, das einen Betrieb der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform zeigt.
10 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform.
11 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel.
12 ist ein Schaltbild eines weiteren Abwandlungsbeispiels der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der achten Ausführungsform.
Mit Bezug auf die Figuren werden Leistungshalbleitervorrichtungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dieselben Komponenten werden mit denselben Symbolen gekennzeichnet, und ihre wiederholte Beschreibung unterbleibt.
1 ist ein Schaltbild, das eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Ein hochseitiges Schaltelement M1 und ein niederseitiges Schaltelement M2 sind in dieser Reihenfolge von der Hochspannungsseite aus als Totem-Pole zwischen ein hochspannungsseitiges Potential (600 V) und ein niederspannungsseitiges Potential (0 V) einer Hauptleistungsversorgung HV geschaltet. Das hochseitige Schaltelement M1 und das niederseitige Schaltelement M2 sind Halbleiterschaltelemente vom n-Typ. Rückflussdioden Df1 und Df2 sind jeweils antiparallel zu dem hochseitigen Schaltelement M1 und dem niederseitigen Schaltelement M2 geschaltet.
Eine Treiberschaltung 10 enthält eine hochseitige Treiberschaltung 10a, die das hochseitige Schaltelement M1 treibt, und eine niederseitige Treiberschaltung 10b, die das niederseitige Schaltelement M2 treibt. Ein VB-Anschluss der Treiberschaltung 10 ist ein Leistungsversorgungsanschluss der hochseitigen Treiberschaltung 10a. Ein VCC-Anschluss ist ein Leistungsversorgungsanschluss der niederseitigen Treiberschaltung 10b, und er ist mit einer niederseitigen Leistungsversorgung LV verbunden. Ein GND-Anschluss ist mit GND (Masse) verbunden. Ein Signal, das die hochseitige Treiberschaltung 10a steuert, wird über einen HIN-Anschluss eingegeben, und ein Signal, das die niederseitige Treiberschaltung 10b steuert, wird über einen LIN-Anschluss eingegeben. Ein EIN/AUS-Befehl wird von einem HO-Anschluss für das hochseitige Schaltelement M1 der hochseitigen Treiberschaltung 10a ausgegeben, und ein EIN/AUS-Befehl wird von einem LO-Anschluss für das niederseitige Schaltelement M2 der niederseitigen Treiberschaltung 10b ausgegeben. Ein VS-Anschluss ist mit einem Verbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement M1 und dem niederseitigem Schaltelement M2 verbunden.
Dabei ändert sich das Potential (VS-Potential) des Emitters (VS-Anschluss) des hochseitigen Schaltelements M1 abhängig von dem EIN/AUS-Zustand des niederseitigen Schaltelements M2 und einem Rückfluss eines Stroms, der durch eine Last oder dergleichen fließt, zwischen einem Massepotential (0 V) und einem hochspannungsseitigen Potential der Hauptleistungsversorgung HV. Aus diesem Grund arbeitet die hochseitige Treiberschaltung 10a unter Verwendung des VS-Potentials als Referenz und hat einen im Potential schwebenden Aufbau (isoliert) bezüglich Masse. Ein solcher Aufbau wird durch einen pn-Übergangstrennaufbau oder einen SOI-Aufbau (semiconductor an insulator, Halbleiter auf Isolator) verwirklicht.
Weiter muss zum Treiben des hochseitigen Schaltelements M1 ein höheres Potential als das des Emitters an dessen Gate angelegt werden. Wenn das hochseitige Schaltelement M1 eingeschaltet ist, ist das Emitterpotential (VS-Potential) im Wesentlichen gleich dem hochspannungsseitigen Potential der Hauptleistungsversorgung HV. Daher muss das hochspannungsseitige Potential von 600 V zuzüglich einer Gatetreiberspannung von 15 V, also 615 V, an das Gate angelegt werden, um das hochseitige Schaltelement eingeschaltet zu halten. Somit muss die Betriebsspannung der hochseitigen Treiberschaltung 10a größer sein als das Potential der Hauptleistungsversorgung HV.
Daher sind ein Bootstrap-Kondensator Cbs und eine Bootstrap-Diode Dbs bereitgestellt. Ein Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs ist mit dem VS-Anschluss verbunden, und das andere Ende ist mit dem VB-Anschluss verbunden. Der Bootstrap-Kondensator Cbs führt der hochseitigen Treiberschaltung 10a über den VB-Anschluss eine Treiberspannung zu. Die Anode der Bootstrap-Diode Dbs ist mit der niederseitigen Treiberleistungsversorgung LV von 15 V verbunden, und die Kathode ist mit dem anderen Ende des Bootstrap-Kondensators verbunden. Die Bootstrap-Diode Dbs liefert einen Strom von der niederseitigen Treiberleistungsversorgung LV zu dem andern Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs und lädt den Bootstrap-Kondensator Cbs. Durch Hinzufügen der Ladespannung zu dem Emitterpotential (VS-Potential) des hochseitigen Schaltelements M1 ist es möglich, eine Betriebsspannung der hochseitigen Treiberschaltung 10a zu gewinnen.
Die vorliegende Ausführungsform ist weiter mit einer schwebenden Leistungsversorgung FV und einer Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 versehen. Die schwebende Leistungsversorgung FV von 15 V nutzt das hochspannungsseitige Potential der Hauptleistungsversorgung HV als Referenzpotential. Ein HV-Anschluss der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 ist mit der Hochspannungsseite der Hauptleistungsversorgung HV verbunden. Ein HV15-Anschluss ist mit der Hochspannungsseite der schwebenden Leistungsversorgung FV verbunden, und sein Potential beträgt 600 V + 15 V = 615 V. Ein HVO-Anschluss, der ein Ausgabeanschluss der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 ist, ist mit dem anderen Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs verbunden.
In der ersten Ausführungsform ist ein HVC-Anschluss, der ein Eingangsanschluss der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 ist, mit einem Verbindungspunkt (VS-Anschluss) zwischen dem hochseitigen Schaltelement M1 und dem niederseitigen Schaltelement M2 der Treiberschaltung 10 verbunden. Somit überwacht die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 das VS-Potential und liefert, wenn das VS-Potential größer als ein vorbestimmter Wert ist, einen Strom von der schwebenden Leistungsversorgung VF zu dem anderen Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs.
In der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 ist ein Steuertransistor Tr1 ein PMOS-Transistor (p-type metal oxide semiconductor, Metall-Oxid-Halbleiter vom p-Typ), und ein Haupttransistor Tr2 ist ein Hochspannungs-HVPMOS-Transistor (high voltage p-type metal oxide semiconductor, Hochspannungs-Metall-Oxid-Halbleiter vom p-Typ). Das Gate des Steuertransistors Tr1 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen Widerständen R1 und R2 verbunden, die in Reihe zwischen den HV15-Anschluss und den HV-Anschluss geschaltet sind. Der Drain des Steuertransistors Tr1 ist über einen Widerstand R3 mit dem HV-Anschluss verbunden.
Der Steuertransistor Tr1 wird entsprechend dem Potential (in der vorliegenden Ausführungsform VS-Potential) des HVC-Anschlusses ein- oder ausgeschaltet. Der Haupttransistor Tr2 liefert unter der Steuerung des Steuertransistors Tr1 einen Strom an den HVO-Anschluss. Wenn der Haupttransistor Tr2 keinen Strom liefert, muss der Steuertransistor Tr1 eingeschaltet sein, und daher ist die Gatespannung des Steuertransistors Tr1 durch Zenerdioden D1 und D2 geklemmt. Eine parasitäre Diode D3 (Hochspannungs-RESURF-Diode) ist antiparallel zu dem Haupttransistor Tr2 angeschlossen.
Ein Potential Va an einem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R1 und dem Widerstand R2 wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: Va = R2/(R1 + R2) × (HV15 – VS) + VS wobei R1 und R2 Widerstandswerte der Widerstände R1 und R2 sind, HV15 das Potential des HV15-Anschlusses (HV15-Potential) ist und VS das Potential des VS-Anschlusses (VS-Potential) ist. Weiter wird eine Source-Gate-Spannung VGS1 des Steuertransistors Tr1 durch die folgende Gleichung ausgedrückt: VGS1 = HV15 – Va = R1/(R1 + R2) × (HV15 – VS) wobei das HV15-Potential 615 V beträgt und eine Schwellenspannung des Steuertransistors CR1 1,0 V beträgt. Wenn beispielsweise R1 auf 500 kΩ und R2 auf 1 MΩ eingestellt ist, ist VGS1 29,3 V, wenn das VS-Potential LOW (0 V) ist, und der Steuertransistor Tr1 schaltet ein. Wenn das VS-Potential dagegen HIGH (600 V) ist, ist VGS1 0,71 V, und der Steuertransistor Tr1 schaltet aus.
Somit sind in der ersten Ausführungsform die Widerstandswerte der Widerstände R1 und R2 so eingestellt, dass der Steuertransistor Tr1 einschaltet, wenn das VS-Potential LOW ist, und dass der Steuertransistor Tr1 ausschaltet, wenn das VS-Potential HIGH ist. Da jedoch eine hohe Spannung zwischen dem HV15-Anschluss und dem HVC-Anschluss anliegt, werden Hochspannungswiderstände als Widerstände R1 und R2 verwendet.
2 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. In 2 ist das VS-Potential ein Potential des VS-Anschlusses, VGS1 ist eine Source-Gate-Spannung des Steuertransistors Tr1 und VGS2 ist eine Source-Gate-Spannung des Haupttransistors Tr2.
Wenn die hochseitige Treiberschaltung 10a das hochseitige Schaltelement M1 ausschaltet und die niederseitige Treiberschaltung 10b das niederseitige Schaltelement M2 einschaltet, wird das VS-Potential zu einem GND-Potential (Massepotential). Da die Bootstrap-Diode Dbs vorwärts vorgespannt ist, fließt in diesem Fall ein Ladestrom der Bootstrap-Diode Dbs. Da andererseits der Steuertransistor Tr1 der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 einschaltet und der Haupttransistor Tr2 ausschaltet, liefert die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 keinen Ladestrom.
Dabei wird der Potentialunterschied zwischen dem HV15-Anschluss und dem VS-Anschluss maximal, wenn das VS-Potential das GND-Potential ist. Wenn in diesem Fall der Haupttransistor Tr2 einschaltet, steigt der Leistungsverbrauch, und daher muss der Haupttransistor Tr2 ausgeschaltet worden sein. Da eine hohe Spannung zwischen dem HV-Anschluss und dem HVO-Anschluss anliegt, das mit der Hauptleistungsversorgung HV verbunden ist, die immer ein hohes Potential hat, kann eine fortgesetzte Stromzufuhr durch den Haupttransistor Tr2 einen Wärmeverlust erhöhen und bewirken, dass der Haupttransistor Tr2 eine thermische Zerstörung erleidet. Daher wird der Haupttransistor Tr2 ausgeschaltet, wenn das VS-Potential das GND-Potential ist.
Wenn die hochseitige Treiberschaltung 10a das hochseitige Schaltelement M1 einschaltet und die niederseitige Treiberschaltung 10b das niederseitige Schaltelement M2 ausschaltet, steigt das VS-Potential bis zu dem HV-Potential. In diesem Fall ist die Bootstrap-Diode Dbs rückwärts vorgespannt, und daher fließt kein Ladestrom der Bootstrap-Diode Dbs. Da andererseits der Transistor Tr1 der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 ausschaltet und der Haupttransistor Tr2 einschaltet, liefert die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 den Ladestrom von der schwebenden Leistungsversorgung FV an das andere Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs.
Wenn die Last eine induktive Last ist, wie z. B. ein Motor oder dergleichen, wird die Last, auch wenn das niederseitige Schaltelement M2 ausgeschaltet ist, versuchen, den Strom, der durch die Last unmittelbar davor floss, weiterzuführen. Daher fließt der Strom von der Last, wenn das niederseitige Schaltelement M2 ausgeschaltet ist und das hochseitige Schaltelement M1 noch nicht eingeschaltet ist, über die Rückflussdiode DF1 durch die Hochspannungsseite der Hauptleistungsversorgung HV (Rückflussmodus). In diesem Fall wird das VS-Potential das HV-Potential +Vf2. Dabei ist Vf2 ein Potentialunterschied zwischen der Kathode und der Anode der Rückflussdiode Df1. In der ersten Ausführungsform liefert die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 auch in einem solchen Rückflussmodus einen Ladestrom.
Da die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12, wie bis hierher beschrieben, arbeitet, wenn die Bootstrap-Diode Dbs nicht arbeiten kann, bleibt die Spannung zwischen dem VB-Anschluss und dem VS-Anschluss unabhängig von einer Änderung des VS-Potentials. im Wesentlichen konstant Daher kann der Bootstrap-Kondensator Cbs hinreichend geladen werden. Daher kann auch dann, wenn das hochseitige Schaltelement M1 eingeschaltet bleibt, die Treiberspannung der hochseitigen Treiberschaltung 10a sichergestellt sein. Weiter kann die Schaltung verglichen mit herkömmlichen Schaltungen vereinfacht und verkleinert sein.
Da die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 in der vorliegenden Ausführungsform das VS-Potential überwacht, können der HVC-Überwachungsanschluss und der HVO-Ausgabeanschluss der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 weiter zu einem gemeinsamen Anschluss vereinigt werden. Auch daraus ergibt sich ein Vorteil, dass die Vorrichtung verkleinert werden kann.
3 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Anders als in der ersten Ausführungsform ist in der zweiten Ausführungsform das andere Ende (VB-Anschluss) des Bootstrap-Kondensators Cbs mit dem HVC-Anschluss der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 verbunden. Die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 überwacht das VB-Potential an dem anderen Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs und liefert, wenn das VB-Potential größer als ein vorbestimmter Wert ist, einen Strom von der schwebenden Leistungsversorgung VF an das andere Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs. Das ermöglicht es, ähnliche Wirkungen zu erzielen wie bei der ersten Ausführungsform.
Da die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 das VB-Potential überwacht, können der HVC-Überwachungsanschluss und der HVO-Ausgangsanschluss der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 zu einem gemeinsamen Anschluss vereinigt sein. Daher kann die Vorrichtung verglichen mit der ersten Ausführungsform weiter verkleinert sein. Da jedoch das VB-Potential von der Ladespannung des Bootstrap-Kondensators Cbs abhängt, ist beispielsweise, wenn die Ladespannung gering ist, ein Zeitpunkt, an dem die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 einschaltet, verzögert. Andererseits hängt bei der ersten Ausführungsform, die das VS-Potential überwacht, der Zeitpunkt, in dem die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 einschaltet, nicht von der Ladespannung ab.
4 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform. Anders als in der ersten Ausführungsform ist in der dritten Ausführungsform die hochseitige Treiberschaltung 10a über eine inverse Pegelschieberschaltung 14 und eine Pegelschieberschaltung 16 verbunden mit dem HVC-Anschluss der Bootstrap-Kompensationsschaltung.
Da dabei das Signal in der hochseitigen Treiberschaltung 10a das Potential des VS-Anschlusses (VS-Potential) als Referenz verwendet, ändert sich der Absolutwert aufgrund einer Änderung des VS-Potentials von 0 V bis 615 V. Andererseits verwendet das Signal in der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 das Potential an dem HV-Anschluss (HV-Potential) als Referenz. Somit ist das Signal in der hochseitigen Treiberschaltung 10a durch die inverse Pegelschieberschaltung 14 zu einer GND-Referenz hin pegelverschoben, und weiter ist der Ausgang der inversen Pegelschieberschaltung 14 durch die Pegelschieberschaltung 16 zu der HV-Potentialreferenz hin pegelverschoben und wird dann dem HVC-Anschluss der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 eingegeben.
Die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 der vorliegenden Ausführungsform überwacht einen EIN/AUS-Befehl für das hochseitige Schaltelement M1 der hochseitigen Treiberschaltung 10a, und liefert, wenn dieser Befehl ein EIN-Befehl ist (wenn das Potential des HO-Anschlusses HIGH (HV + 15 V) ist), einen Strom von der schwebenden Leistungsversorgung FV zu dem anderen Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs. Das erlaubt es, eine ähnliche Wirkung zu erzielen wie bei der ersten Ausführungsform.
Anders als in der ersten Ausführungsform fließt in der dritten Ausführungsform in dem Rückflussmodus kein Ladestrom der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12. Wenn die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 zu früh einschaltet, kann dies verhindern, dass die Ladespannung des Bootstrap-Kondensators Cbs zu hoch wird.
5 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform. Anders als in der ersten Ausführungsform ist in der vierten Ausführungsform die niederseitige Treiberschaltung 10b über eine Pegelschieberschaltung 18 mit dem HVC-Anschluss der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 verbunden. Ein Signal der niederseitigen Treiberschaltung 10b wird durch die Pegelschieberschaltung 18 zu einer HV-Potentialreferenz hin pegelverschoben und dann dem HVC-Anschluss der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 eingegeben.
Die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 der vorliegenden Ausführungsform überwacht einen EIN/AUS-Befehl des niederseitigen Schaltelements M2 der niederseitigen Treiberschaltung 10b und liefert, wenn dieser Befehl ein AUS-Befehl ist (das Potential des LO-Anschlusses LOW ist), einen Strom von der schwebenden Leistungsversorgung FV zu dem anderen Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs. Das ermöglicht es, ähnliche Wirkungen zu erzielen wie bei der ersten Ausführungsform.
6 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform. Ein Strommessabschnitt 20 ist bereitgestellt, der einen Strom erfasst, der von der niederseitigen Treiberleistungsversorgung LV durch die Bootstrap-Diode Dbs zu dem anderen Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs fließt. Die Ausgabe des Strommessabschnitts 20 wird durch eine Analogumwandlungsschaltung 22 in ein Analogsignal umgewandelt und einem Minus-Anschluss eines Komparators 24 eingegeben. Ein Plus-Anschluss des Komparators 24 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen Widerständen 26 und 28 verbunden, die in Reihe zwischen den VB-Anschluss und den VS-Anschluss geschaltet sind.
Dabei verwendet der Ausgang (Digitalwert) des Komparators 24 das VS-Potential als Referenz. Andererseits verwendet das Signal in der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 das HV-Potential als Referenz. Somit wird die Ausgabe des Komparators 24 durch eine inverse Pegelschieberschaltung 30 zu einer GND-Referenz hin pegelverschoben, und weiter wird die Ausgabe der inversen Pegelschieberschaltung 30 durch eine Pegelschieberschaltung 32 zu der HV-Potentialreferenz hin pegelverschoben und dann dem HVC-Anschluss der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 eingegeben.
Wenn der durch den Strommessabschnitt 20 gemessene Strom kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, liefert die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 der vorliegenden Ausführungsform einen Strom von der schwebenden Leistungsversorgung FV zu dem anderen Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs. Daher ist die Bootstrap-Diode Dbs rückwärts vorgespannt, und es ist möglich, einen Zustand zu erfassen, in dem kein Strom zu dem Bootstrap-Kondensator Cbs geliefert werden kann, und die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 kann einen Strom zu dem Bootstrap-Kondensator Cbs liefern. Das ermöglicht es, ähnliche Wirkungen zu erzielen wie bei der ersten Ausführungsform. Weiter kann die Stromzufuhr zu dem Bootstrap-Kondensator Cbs konstant gehalten werden.
7 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform. Anders als in der fünften Ausführungsform gibt es in der sechsten Ausführungsform weder einen Strommessabschnitt 20 noch eine Analogumwandlungsschaltung 22, die Hochspannungsseite einer Leistungsversorgung 34 ist mit einem Minus-Anschluss des Komparators 24 verbunden, und die Niederspannungsseite der Leistungsversorgung 34 ist mit dem VS-Anschluss verbunden.
Der Komparator 24, die Leistungsversorgung 34 und die Widerstände 26 und 28 bilden einen Potentialdifferenzmessabschnitt 36, der einen Potentialunterschied an beiden Enden des Bootstrap-Kondensators Cbs (einen Potentialunterschied zwischen dem VB-Anschluss und dem VS-Anschluss misst.
Wenn die durch den Potentialdifferenzmessabschnitt 36 gemessene Potentialdifferenz kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, liefert die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 einen Strom von der schwebenden Leistungsversorgung FV zu dem anderen Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs. Wenn dagegen die Potentialdifferenz größer als der vorbestimmte Wert ist und kein Laden erforderlich ist, wird die Stromzufuhr von der schwebenden Leistungsversorgung VF beendet. Das ermöglicht es, ähnliche Wirkungen zu erzielen wie bei der ersten Ausführungsform. Weiter kann die Stromzufuhr zu dem Bootstrap-Kondensator Cbs konstant gehalten werden.
8 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform. Anders als in der sechsten Ausführungsform ist die siebte Ausführungsform nicht mit einer Bootstrap-Diode Dbs versehen. Die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 ist weiter mit einer UND-Schaltung 38 versehen, die eine UND-Verknüpfung der Ausgabe des Potentialdifferenzmessabschnitts 36 und der Ausgabe des Steuertransistors Tr1 durchführt, sowie mit einem Oszillator 40, der entsprechend der Ausgabe der UND-Schaltung 38 arbeitet.
9 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform zeigt. Wenn die hochseitige Treiberschaltung 10a das hochseitige Schaltelement M1 einschaltet und die niederseitige Treiberschaltung 10b das niederseitige Schaltelement M2 ausschaltet, erhält der VS-Anschluss ein hohes Potential. In diesem Fall liefert die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 der vorliegenden Ausführungsform auf dieselbe Weise wie bei der ersten bis sechsten Ausführungsform kontinuierlich einen Strom von der schwebenden Leistungsversorgung FV zu dem anderen Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs.
Wenn die hochseitige Treiberschaltung 10a das hochseitige Schaltelement M1 ausschaltet und die niederseitige Treiberschaltung 10b das niederseitige Schaltelement M2 einschaltet, wird der VS-Anschluss auf GND gelegt. In der ersten bis sechsten Ausführungsform liefert in diesem Fall die Bootstrap-Diode Dbs den Ladestrom, und die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 beendet die Zufuhr des Ladestroms. Die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 der vorliegenden Ausführungsform dagegen liefert auch in diesem Fall intermittierend einen Ladestrom. Daher kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Bootstrap-Diode Dbs der ersten bis sechsten Ausführungsform weggelassen werden.
Weiter erhöht die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 den Abstand des intermittierend zugeführten Ladestroms, wenn die durch den Potentialmessabschnitt 36 gemessene Potentialdifferenz (die Potentialdifferenz zwischen dem VB-Anschluss und dem VS-Anschluss) steigt. Das kann einen unnötigen Ladestrom verringern.
10 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform. Die Leistungshalbleitervorrichtung ist ein dreiphasiger Vollbrückenwechselrichter, der mit drei Einheiten versehen ist, von denen jede aus dem hochseitigen Schaltelement M1, dem niederseitigen Schaltelement M2, der Treiberschaltung 10, dem Bootstrap-Kondensator Cbs und der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 gebildet ist. Eine schwebende Leistungsversorgung FV wird durch die drei Einheiten gemeinsam genutzt. Auch wenn die Bootstrap-Diode Dbs in der Treiberschaltung 10 eingegliedert ist, kann die Bootstrap-Diode Dbs extern bereitgestellt sein.
Die Wirkungen der vorliegenden Ausführungsformen werden im Vergleich mit Vergleichsbeispielen beschrieben. 11 ist ein Schaltbild einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel. In dem Vergleichsbeispiel ist keine Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 bereitgestellt, aber eine schwebende Leistungsversorgung FV ist in jeder Einheit bereitgestellt, um eine Treiberspannung der hochseitigen Treiberschaltung 10a der Treiberschaltung 10 zuzuführen. Daher sind drei schwebende Leistungsversorgungen FV erforderlich. Dagegen kann die vorliegende Ausführungsform unter Verwendung der Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 mit einer einzigen Leistungsversorgung verwirklicht werden.
Weiter können im Fall des Vergleichsbeispiels dV/dT-Störungen, die durch Schwankungen in dem VS-Potential bewirkt werden, die das EIN/AUS-Schalten des Schaltelements begleiten, sich zu der Hochspannungsseite der schwebenden Leistungsversorgung FV hin ausbreiten. Da andererseits die schwebende Leistungsversorgung FV der vorliegenden Ausführungsform das hochspannungsseitige Potential der Hauptleistungsversorgung HV, das ein festes Potential ist, als Referenzpotential verwendet, wird die schwebende Leistungsversorgung FV nicht durch Schaltstörungen beeinträchtigt.
12 ist ein Schaltbild eines weiteren Abwandlungsbeispiels der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der achten Ausführungsform. Die Schaltung ändert das hochseitige Schaltelement M1 und das niederseitige Schaltelement M2 der Schaltung in 10 von IGBTs zu SiC-MOSFETs (SiC-Vorrichtungen) und ersetzt die Rückflussdioden Df1 und Df2 durch SiC-Vorrichtungen.
Das Verwenden der SiC-MOSFETs für das hochseitige Schaltelement M1 und das niederseitige Schaltelement M2 verringert einen Leistungsverlust und kann dadurch einen Wirkungsgrad und Eigenschaften der Vorrichtungen verbessern. Weiter verbessert das Ersetzen der Rückflussdioden Df1 und Df2 durch SiC-Vorrichtungen die Wärmeabstrahlungseigenschaften und den Wärmewiderstand und kann daher den Wärmeabstrahlungsabschnitt vereinfachen. Um genauer zu sein, ist es möglich, eine Verkleinerung der Kühlkörperabstrahlrippe und einen hohen Wirkungsgrad des Wasserkühlabschnitts zu verwirklichen. Somit kann die Vorrichtung verkleinert werden.
Auch wenn die vorliegende Ausführungsform den Aufbau der ersten Ausführungsform für die Treiberschaltung 10 und die Bootstrap-Kompensationsschaltung 12 verwendet, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf eingeschränkt, sondern kann den Aufbau einer beliebigen aus der zweiten bis siebten Ausführungsform annehmen. Außerdem ist die Anzahl der Einheiten nicht auf drei eingeschränkt, sondern kann vier oder mehr sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007-520190 [0003, 0004]

Claims

Leistungshalbleitervorrichtung mit einem hochseitigen Schaltelement (M1) und einem niederseitigen Schaltelement (M2), die als Totem-Pole in dieser Reihenfolge von einer Hochspannungsseite aus zwischen ein hochspannungsseitiges Potential und ein niederspannungsseitiges Potential geschaltet sind, einer hochseitigen Treiberschaltung (10a), die das hochseitige Schaltelement (M1) treibt, einer niederseitigen Treiberschaltung (10b), die das niederseitige Schaltelement (M2) treibt, einem Bootstrap-Kondensator (Cbs), der einen ersten und einen zweiten Anschluss hat und der hochseitigen Treiberschaltung (10a) eine Treiberspannung zuführt, wobei der erste Anschluss mit einem Verbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement (M1) und dem niederseitigen Schaltelement (M2) verbunden ist und der zweite Anschluss mit einem Leistungsversorgungsanschluss (LV) der hochseitigen Treiberschaltung (10a) verbunden ist, einer Bootstrap-Diode (Dbs), deren Anode mit einer Leistungsversorgung (LV) verbunden ist und deren Kathode mit dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) verbunden ist und die einen Strom von der Leistungsversorgung (LV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) liefert, einer schwebenden Leistungsversorgung (FV), die das hochspannungsseitiges Potential als Referenzpotential nutzt, und einer Bootstrap-Kompensationsschaltung (12), die einen Strom von der schwebenden Leistungsversorgung (FV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) liefert, wenn die hochseitige Treiberschaltung (10a) das hochseitige Schaltelement (M1) einschaltet und die niederseitige Treiberschaltung (10b) das niederseitige Schaltelement (M2) ausschaltet.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Bootstrap-Kompensationsschaltung (12) ein Potential an dem Verbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement (M1) und dem niederseitigen Schaltelement (M2) überwacht und den Strom von der schwebenden Leistungsversorgung (FV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) liefert, wenn dieses Potential größer als ein vorbestimmter Wert ist.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Bootstrap-Kompensationsschaltung (12) ein Potential an dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) überwacht und den Strom von der schwebenden Leistungsversorgung (FV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) liefert, wenn dieses Potential größer als ein vorbestimmter Wert ist.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Bootstrap-Kompensationsschaltung (12) einen EIN/AUS-Befehl der hochseitigen Treiberschaltung (10a) für das hochseitige Schaltelement (M1) überwacht und den Strom von der schwebenden Leistungsversorgung (FV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) liefert, wenn dieser Befehl ein EIN-Befehl ist.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Bootstrap-Kompensationsschaltung (12) einen EIN/AUS-Befehl der niederseitigen Treiberschaltung (10b) für das niederseitige Schaltelement (M2) überwacht und den Strom von der schwebenden Leistungsversorgung (FV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) liefert, wenn dieser Befehl ein AUS-Befehl ist.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter mit einem Strommessabschnitt (20), der einen Strom misst, der durch die Bootstrap-Diode (Dbs) von der Leistungsversorgung (LV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) fließt, wobei die Bootstrap-Kompensationsschaltung (12) den Strom von der schwebenden Leistungsversorgung (FV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) liefert, wenn der von dem Strommessabschnitt (20) gemessene Strom kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter mit einem Potentialdifferenzmessabschnitt (36), der eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) misst, wobei die Bootstrap-Kompensationsschaltung (12) den Strom von der schwebenden Leistungsversorgung (FV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) liefert, wenn die von dem Potentialdifferenzmessabschnitt (36) gemessene Potentialdifferenz kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
Leistungshalbleitervorrichtung mit einem hochseitigen Schaltelement (M1) und einem niederseitigen Schaltelement (M2), die als Totem-Pole in dieser Reihenfolge zwischen ein hochspannungsseitiges Potential und ein niederseitiges Potential geschaltet sind, einer hochseitigen Treiberschaltung (10a), die das hochseitige Schaltelement (M1) treibt, einer niederseitigen Treiberschaltung (10b), die das niederseitige Schaltelement (M2) treibt, einem Bootstrap-Kondensator (Cbs), der einen ersten und einen zweiten Anschluss hat und der hochseitigen Treiberschaltung (10a) eine Treiberspannung zuführt, wobei der erste Anschluss mit einem Verbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement (M1) und dem niederseitigen Schaltelement (M2) verbunden ist und der zweite Anschluss mit einem Leistungsversorgungsanschluss (LV) der hochseitigen Treiberschaltung (10a) verbunden ist, einer schwebenden Leistungsversorgung (FV), die das hochspannungsseitiges Potential als Referenzpotential nutzt, und einer Bootstrap-Kompensationsschaltung (12), die einen Strom von der schwebenden Leistungsversorgung (FV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) liefert, wobei die Bootstrap-Kompensationsschaltung (12) den Strom von der schwebenden Leistungsversorgung (FV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) kontinuierlich liefert, wenn die hochseitige Treiberschaltung (10a) das hochseitige Schaltelement (M1) einschaltet und die niederseitige Treiberschaltung (10b) das niederseitige Schaltelement (M2) ausschaltet, und die Bootstrap-Kompensationsschaltung (12) den Strom von der schwebenden Leistungsversorgung (FV) zu dem zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators (Cbs) intermittierend liefert, wenn die hochseitige Treiberschaltung (10a) das hochseitige Schaltelement (M1) ausschaltet und die niederseitige Treiberschaltung (10b) das niederseitige Schaltelement (M2) einschaltet.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 8, weiter mit einem Potentialdifferenzmessabschnitt (36), der eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen des Bootstrap-Kondensators (Cbs) misst, wobei die Bootstrap-Kompensationsschaltung (12) einen Abstand des intermittierend zugeführten Stroms erhöht, wenn die von dem Potentialdifferenzmessabschnitt (36) gemessene Potentialdifferenz steigt.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die eine Mehrzahl von Einheiten enthält, wobei jede Einheit das hochseitige Schaltelement (M1), das niederseitige Schaltelement (M2), die hochseitige Treiberschaltung (10a), die niederseitige Treiberschaltung (10b), den Bootstrap-Kondensator (Cbs), die Bootstrap-Diode (Dbs) und die Bootstrap-Kompensationsschaltung (12) enthält und die schwebende Leistungsversorgung (FV) von der Mehrzahl von Einheiten gemeinsam genutzt wird.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, die eine Mehrzahl von Einheiten enthält, wobei jede Einheit das hochseitige Schaltelement (M1), das niederseitige Schaltelement (M2), die hochseitige Treiberschaltung (10a), die niederseitige Treiberschaltung (10b), den Bootstrap-Kondensator (Cbs) und die Bootstrap-Kompensationsschaltung (12) enthält und die schwebende Leistungsversorgung (FV) von der Mehrzahl von Einheiten gemeinsam genutzt wird.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der das hochseitige Schaltelement (M1) und das niederseitige Schaltelement (M2) SiC-Vorrichtungen sind.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, weiter mit Rückflussdioden (Df1, Df2), die jeweils antiparallel zu dem hochseitigen Schaltelement (M1) und dem niederseitigen Schaltelement (M2) geschaltet sind, wobei die Rückflussdioden (Df1, Df2) SiC-Vorrichtungen sind.