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GEBIET
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Die Offenbarung betrifft allgemein eine Halbleitervorrichtung.
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HINTERGRUND
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Allgemein ist eine Technologie bekannt, die ein Ansprechverhalten einer Abschaltoperation eines Schaltelements wie etwa eines IGBT durch Erhöhen eines Entladestroms der Gateelektrode beim Abschalten des Schaltelements verbessert (siehe zum Beispiel Patentdokument 1).
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[Dokumente des Standes der Technik]
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[Patentdokumente]
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- [Patentdokument 1] Japanische Patentveröffentlichung Nr. JP 2005 045590 (A)
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Der vorstehend beschriebene konventionelle Stand der Technik besitzt jedoch eine Grenze beim Beschleunigen einer Abschaltoperation, weil sie eine elektrische Ladung, die sich in der Gateelektrode anhäuft, zu Masse entlädt, wenn das Schaltelement abgeschaltet wird.
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Es ist deshalb eine Aufgabe von zumindest einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die eine Abschaltoperation eines Schaltelements beschleunigen kann.
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KURZFASSUNG
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleitervorrichtung ein Schaltelement, das dazu konfiguriert ist, eine Gateelektrode, eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode, eine Erfassungselektrode, um einen Erfassungsstrom, der niedriger ist als ein Hauptstrom, in Abhängigkeit des Hauptstroms, der in der Hauptelektrode fließt, auszugeben, zu umfassen und abzuschalten, wenn eine Steuerungsspannung, die zwischen der Gateelektrode und der ersten Hauptelektrode angelegt wird, verringert wird; eine Erfassungsdiode, die dazu konfiguriert ist, eine Anode, die mit der Erfassungselektrode verbunden ist, und eine Kathode, die mit der zweiten Hauptelektrode verbunden ist, zu umfassen; und eine Verbindungsschaltung, die dazu konfiguriert ist, die Gateelektrode mit der Erfassungselektrode zu verbinden, wenn das Schaltelement abschaltet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Abschaltoperation des Schaltelements dadurch zu beschleunigen, dass die Gateelektrode und die Erfassungselektrode miteinander verbunden werden, wenn das Schaltelement abgeschaltet wird, um die zweite Hauptelektrode durch die elektrische Ladung der Gateelektrode über die Erfassungsdiode zu laden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt;
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2 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Operationswellenform einer Halbleitervorrichtung darstellt;
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3 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt;
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4 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt;
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5 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt;
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6 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Operationswellenform einer Halbleitervorrichtung darstellt;
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7 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt; und
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8 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Operationswellenform einer Halbleitervorrichtung darstellt.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Ansteuervorrichtung 1 als ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt. Die Ansteuervorrichtung 1 ist eine Halbleiterschaltung, die eine Einheit umfasst, um eine induktive Last (zum Beispiel einen Induktor bzw. Induktorspule oder einen Motor), die mit einem ersten leitenden Teil 61 oder einem zweiten leitenden Teil 62 verbunden ist, anzusteuern, zum Beispiel durch Ansteuern oder Nichtansteuern bzw. Ein- und Ausschalten eines Schaltelements S1.
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Der leitende Teil 61 ist ein Strompfad, der mit einem Hochleistungspotentialteil, zum Beispiel einer positiven Elektrode einer Energiequelle, leitend verbunden ist, oder indirekt mit dem Hochleistungspotentialteil über ein anderes Schaltelement oder eine Last verbunden sein kann. Der leitende Teil 62 ist ein Strompfad, der mit einem Niedrigleistungspotentialteil (zum Beispiel ein Massepotentialteil), zum Beispiel einer negativen Elektrode einer Energiequelle, leitend verbunden ist, oder mit dem Niedrigleistungspotentialteil über ein anderes Schaltelement oder eine Last verbunden sein kann.
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Vorrichtungen, die eine oder mehrere Ansteuervorrichtungen 1 verwenden, umfassen zum Beispiel eine Leistungswandlervorrichtung, die elektrische Leistung zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang durch Ansteuern und Nichtansteuern bzw. Ein- und Ausschalten des Schaltelements S1 wandelt. Ein spezifisches Beispiel solch einer Leistungswandlervorrichtung kann zum Beispiel ein Wandler, der eine Gleichspannungsleistung verstärkt oder verringert; ein Inverter, der eine Leistung zwischen Gleichstromleistung und Wechselstromleistung wandelt; und Ähnliches sein.
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Die Ansteuervorrichtung 1 umfasst das Schaltelement S1. Das Schaltelement S1 ist ein spannungsgesteuertes Halbleiterelement von der Art eines isolierten Gates mit einer Stromerfassungsfunktion, zum Beispiel ein IGBT ("Insulated Gate Bipolar Transistor", Bipolartransistor mit isoliertem Gate) mit einem Gate G, einem Kollektor C, einem Emitter E und einem Erfassungsemitter SE.
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Das Gate G ist ein Beispiel einer Gateelektrode, die zum Beispiel mit einer Gatesteuerungsschaltung 90 verbunden ist. Das Gate G ist zum Beispiel mit einer Ansteuerenergiequelle 51 über einen Gate-AN-Widerstand Rmp und einen Gate-AN-Schalter S2 verbunden, die in Reihe mit dem Gate G verbunden sind, und mit dem leitenden Teil 62 und dem Emitter E über einen Gate-AUS-Widerstand Rmn und einen Gate-AUS-Schalter S3 verbunden, die in Reihe mit dem Gate G verbunden sind. Die Ansteuerenergiequelle 51 ist ein Hochleistungspotentialteil, der einen Energieversorgungsspannung V1 ausgibt, die höher ist als die Spannung des leitenden Teils 62. Das Gate G ist zum Beispiel mit einem Zwischenknoten verbunden, mit dem der Gate-AN-Widerstand Rmp und der Gate-AUS-Widerstand Rmn verbunden sind.
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Der Emitter E ist ein Beispiel einer ersten Hauptelektrode und ist zum Beispiel mit dem leitenden Teil 62 verbunden. Der Kollektor C ist ein Beispiel einer zweiten Hauptelektrode und ist zum Beispiel mit dem leitenden Teil 61 verbunden. Der Erfassungsemitter SE ist ein Beispiel einer Erfassungselektrode und gibt zum Beispiel einen Erfassungsstrom Ise, der kleiner ist als ein Hauptstrom Ie, in Abhängigkeit des Hauptstroms Ie, der in dem Emitter E fließt, aus.
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Die Ansteuervorrichtung 1 umfasst eine Erfassungsdiode D2. Die Erfassungsdiode D2 ist ein Beispiel eines Gleichrichters, der eine Anode aufweist, die mit dem Erfassungsemitter SE verbunden ist, und eine Kathode, die mit dem Kollektor C verbunden ist.
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Die Ansteuervorrichtung 1 umfasst eine Gatesteuerungsschaltung 90. Die Gatesteuerungsschaltung 90 ist eine Schaltung, die ein Einschalten und Ausschalten des Schaltelements S1 steuert. Die Gatesteuerungsschaltung 90 umfasst den Gate-AN-Schalter S2, den Gate-AN-Widerstand Rmp, den Gate-AUS-Schalter S3, den Gate-AUS-Widerstand Rmn und eine Logikschaltung 30. Der Gate-AN-Schalter S2 ist zum Beispiel ein P-Kanal-MOSFET ("Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor") und der Gate-AUS-Schalter S3 ist zum Beispiel ein N-Kanal-MOSFET.
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Die Logikschaltung 30 ist eine Steuerungseinheit, die die Gatespannung Vge des Gates G des Schaltelements S1 steuert, so dass diese eine Spannung zum Einschalten und Ausschalten des Schaltelements S1 ist, über den Gate-AN-Widerstand Rmp oder den Gate-AUS-Widerstand Rmn, gemäß einem Ansteuersignal Sg, das von außerhalb zugeführt wird.
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Das Ansteuersignal Sg ist ein Anweisungssignal zum Anweisen zum Einschalten und Ausschalten des Schaltelements S1, das von außerhalb der Ansteuervorrichtung 1 zugeführt wird und mit einer Steuerungsvorrichtung auf einem höheren Level ist als die Ansteuervorrichtung 1 verbunden (zum Beispiel ein Pulsbreitenmodulationssignal). Die Steuerungsvorrichtung ist zum Beispiel ein Mikrocomputer oder eine Vorrichtung, die einen Mikrocomputer umfasst.
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Die Gatespannung Vge ist eine Steuerungsspannung, die zwischen dem Gate G und dem Emitter E angelegt wird. Das Schaltelement S1 schaltet sich in Abhängigkeit eines Werts der Gatespannung Vge an oder aus.
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Gemäß dem Ansteuersignal Sg, das ein Einschalten des Schaltelements S1 anweist, stellt die Logikschaltung 30 das Einschaltsignal Son auf ein aktives Level ein und stellt das Abschaltsignal Soff auf ein nicht aktives Level ein. Durch Einstellen des Einschaltsignals Son auf das aktive Level schaltet die Logikschaltung 30 den Gate-AN-Schalter S2 an, und durch Einstellen des Abschaltsignals Soff auf das nicht aktive Level schaltet die Logikschaltung 30 den Gate-AUS-Schalter S3 aus. Durch Einschalten des Gate-AN-Schalters S2 und Ausschalten des Gate-AUS-Schalters S3 wird das Gate G über den Gate-AN-Widerstand Rmp auf die Ansteuerenergiequelle 51 hochgezogen. Dies führt dazu, dass die Gatespannung Vge auf eine Spannung steigt, die größer ist als die Gateschwellenwertspannung des Schaltelements S1, und folglich schaltet sich das Schaltelement S1 ein.
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Andererseits, gemäß dem Ansteuersignal Sg, das ein Ausschalten des Schaltelements S1 anweist, stellt die Logikschaltung 30 das Einschaltsignal Son auf das nicht aktive Level ein und stellt das Ausschaltsignal Soff auf das aktive Level ein. Durch Einstellen des Einschaltsignals Son auf das nicht aktive Level schaltet die Logikschaltung 30 den Gate-AN-Schalter S2 aus, und durch Einstellen des Ausschaltsignals Soff auf das aktive Level schaltet die Logikschaltung 30 den Gate-AUS-Schalter S3 an. Durch Ausschalten des Gate-AN-Schalters S2 und durch Einschalten des Gate-AUS-Schalters S3 wird das Gate G durch den Gate-AUS-Widerstand Rmn auf den leitenden Teil 62 heruntergezogen. Dies führt dazu, dass die Gatespannung Vge auf eine Spannung fällt, die niedriger ist als die Gateschwellenwertspannung des Schaltelements S1, und folglich schaltet sich das Schaltelement S1 ab.
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Hier, in einem Zustand, in dem sich das Schaltelement S1 stabil in einem AN-Zustand befindet, ist die Gatespannung Vge nahezu äquivalent zu der Energieversorgungsspannung V1 (High-Level-Spannung), und wenn die AN-Spannung (AN-Widerstand) des Schaltelements S1 vernachlässigt wird, ist die Kollektorspannung VM nahezu äquivalent zu der Spannung des leitenden Teils 62 (Low-Level-Spannung). Umgekehrt, in einem Zustand, in dem sich das Schaltelement S1 stabil in einem AUS-Zustand befindet, ist die Gatespannung Vge nahezu äquivalent zu der Spannung des leitenden Teils 62 (Low-Level-Spannung), und ist die Kollektorspannung VM nahezu äquivalent zu der Spannung des leitenden Teils 61 (High-Level-Spannung). Es sei angemerkt, dass die Kollektorspannung VM die Spannung des Kollektors C ist, genauer die Spannung zwischen dem Kollektor C und dem Emitter E.
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Deshalb, wenn sich das Schaltelement S1 von einem AN-Zustand zu einem AUS-Zustand abschaltet, fällt die Gatespannung Vge von der High-Level-Spannung zu der Low-Level-Spannung, wohingegen sich die Kollektorspannung VM von der Low-Level-Spannung auf die High-Level-Spannung erhöht.
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Daraufhin umfasst die Ansteuervorrichtung 1 einen Schalter S4 zum Beschleunigen einer Abschaltoperation des Schaltelements S1. Der Schalter S4 ist ein Beispiel einer Verbindungsschaltung, die das Gate G mit dem Erfassungsemitter SE verbindet, wenn sich das Schaltelement S1 abschaltet.
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Dadurch, dass das Gate G mit dem Erfassungsemitter SE durch den Schalter S4 verbunden ist, wenn sich das Schaltelement S1 abschaltet, bewegt sich die elektrische Ladung des Gates zu dem Kollektor C über die Erfassungsdiode D2, und folglich ist es möglich, das Gate G zu entladen und den Kollektor C zur gleichen Zeit zu laden. Deshalb kann die Fallgeschwindigkeit der Gatespannung Vge (Entladungsgeschwindigkeit des Gates G) erhöht werden, wenn sich das Schaltelement S1 abschaltet, und kann die Anstiegsgeschwindigkeit der Kollektorspannung VM (Ladegeschwindigkeit des Kollektors C) erhöht werden, wenn sich das Schaltelement S1 abschaltet.
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Auf diese Weise kann die Ansteuervorrichtung 1 die Fallgeschwindigkeit der Gatespannung Vge erhöhen, wenn sich das Schaltelement S1 abschaltet, und kann somit eine Abschaltoperation des Schaltelements S1 beschleunigen (mit anderen Worten, die Abschaltzeit des Schaltelements verkürzen). Dadurch, dass die Anstiegsgeschwindigkeit der Kollektorspannung VM erhöht wird, wenn sich das Schaltelement S1 abschaltet, kann ebenso eine Spiegelperiode verkürzt werden, wenn sich das Schaltelement S1 abschaltet. Die Spiegelperiode ist eine Periode, während der die Gatespannung Vge beim Abschalten vorübergehend konstant wird. Deshalb kann die Ansteuervorrichtung 1 die Spiegelperiode verkürzen, wenn sich das Schaltelement S1 abschaltet, und kann folglich eine Abschaltoperation des Schaltelements S1 beschleunigen, auch wenn eine Spiegelperiode vorhanden ist.
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Ebenso verwendet die Ansteuervorrichtung 1 die elektrische Ladung, die von dem Gate G entladen wird, um den Kollektor C zu laden, und kann folglich effizient eine Beschleunigung einer Abschaltoperation des Schaltelements S1 implementieren, während verhindert wird, dass sich der Energieverbrauch erhöht.
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2 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Operationswellenform der Halbleitervorrichtung 1 darstellt. Operationen der Ansteuervorrichtung 1 werden mit Bezug auf 2 beschrieben.
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Wenn sich das Ansteuersignal Sg zu einem Zeitpunkt t1 von einer AN-Anweisung zu einer AUS-Anweisung ändert, startet das Schaltelement S1 eine Abschaltoperation. Zum Zeitpunkt t1 schaltet die Logikschaltung 30 den Gate-AN-Schalter S2 von AN zu AUS und schaltet den Gate-AUS-Schalter S3 von AUS zu AN. Dadurch, dass der Gate-AUS-Schalter S3 eingeschaltet wird, wird die elektrische Ladung des Gates G an den leitenden Teil 62 über den Gate-AUS-Widerstand Rmn entladen und folglich fließt ein Strom I (S3) in dem Gate-AUS-Schalter S3.
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In Synchronisation mit einem Umschalten des Gate-AUS-Schalters S3 von AUS zu An zum Zeitpunkt t1 schaltet die Logikschaltung 30 ebenso den Schalter S4 von AUS zu AN. Dadurch, dass der Schalter S4 eingeschaltet wird, fließt die elektrische Ladung des Gates G in den Kollektor C über die Erfassungsdiode D2, und folglich fließt der Strom I (S4) in dem Schalter S4. Da das Gate G mit dem Erfassungsemitter SE durch den eingeschalteten Schalter S4 kurzgeschlossen wird, wird der Strom I (S4) vorübergehend größer als der Storm I (S3), der über den Gate-AUS-Widerstand Rmn fließt.
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Auf diese Weise kann die Ansteuervorrichtung 1 den Kollektor C durch den vergleichsweise großen Strom I (S4), der durch Entladung des Gates G erzeugt wird, laden, und kann folglich eine Abschaltoperation des Schaltelements S1 während einer früheren Periode t1–t2 der Abschaltoperation des Schaltelements S1 beschleunigen. Ebenso ist es während der früheren Periode t1–t2 möglich, das Gate G durch einen Strom zu entladen, der durch Zusammensetzen des Stroms I (S3) und des Stroms I (S4) gebildet wird, was in Bezug auf ein Beschleunigen einer Abschaltoperation des Schaltelements S1 sehr effektiv ist.
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Wenn die Kollektorspannung VM aufgrund eines Ladens durch den Strom I (S4) steigt und größer als die Spannung (Vse–VF) wird (Zeitpunkt t2), wird ein Fließen des Stroms I (S4) aufgrund einer Gleichrichtercharakteristik der Erfassungsdiode D2 gestoppt und ein Laden des Kollektors C stoppt. Vse ist die Spannung des Erfassungsemitters SE, genauer die Spannung zwischen dem Erfassungsemitter SE und dem Emitter E. VF ist die Vorwärtsspannung der Erfassungsdiode D2. Und zwar ist die Spannung (Vse–VF) eine Differenzspannung, die durch Subtrahieren der Vorwärtsspannung VF von der Erfassungsemitterspannung Vse erhalten wird.
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Deshalb kann während einer Periode, in der die Kollektorspannung VM vergleichsweise hoch ist (und zwar eine spätere Periode t2–t3 der Abschaltoperation des Schaltelements S1), die Ansteuervorrichtung 1 die Geschwindigkeit der Abschaltoperation entspannen, weil der Strom I (S3), der kleiner ist als der während der früheren Periode t1–t2, das Gate G entlädt. Dies kann verhindern, dass eine Stoßspannung ansteigt, die erzeugt wird, wenn sich das Schaltelement S1 abschaltet, aufgrund einer Beschleunigung der Abschaltoperation.
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Als Nächstes wird die Konfiguration von 1 detailliert beschrieben.
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Das Schaltelement S1 umfasst zum Beispiel einen Haupttransistor 12 und einen Erfassungstransistor 13. Der Haupttransistor 12 ist ein Beispiel eines Hauptelements und der Erfassungstransistor 13 ist ein Beispiel eines Erfassungselements mit einer kleineren Größe als das Hauptelement. Der Haupttransistor 12 und der Erfassungstransistor 13 sind Schaltelemente wie etwa IGBTs.
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Das Gate G ist gemeinsam mit den entsprechenden Gateelektroden des Haupttransistors 12 und des Erfassungstransistors 13 verbunden. Der Emitter E ist mit der Emitterelektrode des Haupttransistors 12 verbunden. Der Kollektor C ist gemeinsam mit entsprechenden Kollektorelektroden des Haupttransistors 12 und des Erfassungstransistors 13 verbunden. Der Erfassungsemitter SE ist mit der Erfassungsemitterelektrode des Erfassungstransistors 13 verbunden.
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Der Haupttransistor 12 ist ein Beispiel eines Schaltelements. Der Erfassungstransistor 13 ist ein Beispiel eines Erfassungsschaltelements, das einen Strom in Abhängigkeit eines Stroms erzeugt, der in dem Haupttransistor 12 fließt, und ist ein Erfassungselement, in dem ein größerer Strom fließt, wenn ein größerer Strom in dem Haupttransistor 12 fließt. Der Erfassungstransistor 13 gibt zum Beispiel den Erfassungsstrom Ise aus, der proportional zu dem Hauptstrom Ie ist, der in dem Haupttransistor 12 fließt, und gibt in Abhängigkeit des Hauptstroms Ie den Erfassungsstrom Ise aus, der kleiner ist als der Hauptstrom Ie.
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Zum Beispiel wird der Kollektorstrom, der von dem Kollektor C in das Schaltelement S1 fließt, in den Hauptstrom Ie, der in den Haupttransistor 12 fließt, und den Erfassungsstrom Ise, der in den Erfassungstransistor 13 fließt, durch ein Erfassungsverhältnis m aufgeteilt. Der Erfassungsstrom Ise ist ein Strom, der in Abhängigkeit des Hauptstroms Ie entsprechend dem Erfassungsverhältnis m fließt und sein Stromwert wird um das Erfassungsverhältnis m kleiner gemacht als der Hauptstrom Ie. Das Erfassungsverhältnis m wird zum Beispiel in Abhängigkeit eines Verhältnisses des Bereichs der Emitterelektrode des Haupttransistors 12 und des Bereichs der Erfassungsemitterelektrode des Erfassungstransistors 13 bestimmt.
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Der Hauptstrom Ie fließt in die Kollektorelektrode und die Emitterelektrode des Haupttransistors 12 und wird von dem Emitter E ausgegeben. Der Erfassungsstrom Ise fließt in die Kollektorelektrode und die Erfassungsemitterelektrode des Erfassungstransistors 13 und wird von dem Erfassungsemitter SE ausgegeben.
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Die Erfassungsdiode D2 ist zum Beispiel in einem Chip 20 angeordnet, der das Schaltelement S1 umfasst. Die Gatesteuerungsschaltung 90 oder der Schalter S4 können in einem anderen Chips als dem Chip 20 angeordnet sein oder können in dem gleichen Chip 20, in dem das Schaltelement S1 angeordnet ist, angeordnet sein.
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Die Ansteuervorrichtung 1 umfasst zum Beispiel eine Hauptdiode D1. Die Hauptdiode D1 umfasst eine Kathode, die mit dem Kollektor C verbunden ist, und eine Anode, die mit dem Emitter E verbunden ist. Die Hauptdiode D1 kann in dem gleichen Chip 20 wie das Schaltelement 1 angeordnet sein, oder kann in einem anderen Chip als dem Chip 20 angeordnet sein.
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Das Schaltelement S1 ist zum Beispiel ein IGBT mit eingebauter Diode, der den Haupttransistor 12, den Erfassungstransistor 13, die Hauptdiode D1 und die Erfassungsdiode D2 umfasst, die gemeinsam in dem Chip 20 angeordnet sind. Der IGBT mit eingebauter Diode besitzt eine Struktur, die eine gemeinsame Elektrode für die Anodenelektrode der Diode und die Emitterelektrode des IGBT und eine gemeinsame Elektrode für die Kathodenelektrode der Diode und die Kollektorelektrode des IGBT umfasst. Der IGBT mit eingebauter Diode wird ebenso rückwärtsleitender IGBT genannt ("reverse conducting IGBT (RC-IGBT)").
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3 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Ansteuervorrichtung 2 als ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt. Eine Beschreibung der gleichen Elemente und Effekte wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird hier weggelassen. Die Ansteuervorrichtung 2 umfasst einen Widerstand Rse, eine Schaltung zur Erfassung eines abnormalen Stroms bzw. eine Abnormalitätsstromerfassungsschaltung 80 und einen Schalter S5.
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Der Widerstand Rse ist ein Beispiel eines Widerstands, der zwischen dem Erfassungsemitter SE und dem Emitter E angeschlossen ist, und ist zum Beispiel ein Erfassungswiderstand, von dem ein Anschluss mit dem Erfassungsemitter SE und dem Schalter S4 verbunden ist und von dem ein anderer Anschluss mit dem Emitter E und dem leitenden Teil 62 über den Schalter S5 verbunden ist.
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Die Schaltung zur Erfassung eines abnormalen Stroms 80 ist ein Beispiel einer Abnormalitätserfassungsschaltung, die eine Abnormalität des Hauptstroms Ie basierend auf der Erfassungsemitterspannung Vse erfasst, die eine positive Spannung ist, die zwischen beiden Anschlüssen des Widerstands Rse erzeugt wird, wenn der Erfassungsstrom Ise in dem Widerstand Rse fließt. Die Schaltung zur Erfassung eines abnormalen Stroms 80 erfasst einen abnormalen Strom (zum Beispiel einen Überstrom oder einen Kurzschlussstrom), der in dem Haupttransistor 12 des Schaltelements S1 fließt, zum Beispiel durch Überwachen der Erfassungsemitterspannung Vse während einer AN-Periode des Schaltelements S1. Wenn zum Beispiel eine positive Erfassungsemitterspannung Vse erfasst wird, die größer oder gleich einer vorbestimmten Schwellenwertspannung Vth ist, bestimmt die Schaltung zur Erfassung eines abnormalen Stroms 80, dass der Hauptstrom Ie, der in einem Haupttransistor 12 des Schaltelements S1 fließt, ein Überstrom ist, und gibt ein Erfassungssignal eines abnormalen Stroms bzw. ein Abnormalitätsstromerfassungssignal aus.
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Der Schalter S5 ist ein Beispiel einer Absperrschaltung, die den Erfassungsstrom Ise, der in dem Widerstand Rse fließt, wenn das Schaltelement S1 abschaltet, absperrt. Der Schalter S5 ist zum Beispiel ein Transistor, der in Serie zwischen dem Widerstand Rse und dem Emitter E eingesetzt ist.
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Zu einem Zeitpunkt t1, wenn sich das Ansteuersignal Sg von einer AN-Anweisung zu einer AUS-Anweisung ändert, schaltet die Logikschaltung 30 den Gate-AN-Schalter S2 und den Schalter S5 von AN zu AUS um und schaltet den Gate-AUS-Schalter S3 und den Schalter S4 von AUS zu AN um (siehe 2). Dies führt dazu, dass der Schalter S4 eingeschaltet wird, was verhindern kann, dass ein Teil der elektrischen Ladung, die sich von dem Gate G zu dem Kollektor C über die Erfassungsdiode D2 bewegt, über den Widerstand Rse in den leitenden Teil 62 fließt. Deshalb, obwohl der Widerstand Rse zwischen dem Erfassungsemitter SE und dem Emitter E verbunden ist, kann der Strom I (S4) zum Laden des Kollektors C erhöht werden und folglich kann eine Abschaltoperation des Schaltelements S1 beschleunigt werden.
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4 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Ansteuervorrichtung 3 als ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt. Eine Beschreibung der gleichen Elemente und Effekte wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird hier weggelassen. Die Ansteuervorrichtung 3 umfasst einen Widerstand Rse, eine Schaltung zur Erfassung eines abnormalen Stroms 80 und eine Aufhebungsschaltung 81.
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Die Schaltung zur Erfassung eines abnormalen Stroms 80 ist ein Beispiel einer Abnormalitätserfassungsschaltung, die eine Abnormalität des Hauptstroms Ie basierend auf der Erfassungsemitterspannung Vse erfasst, die eine positive Spannung ist, die zwischen beiden Anschlüssen des Widerstands Rse erzeugt wird, wenn der Erfassungsstrom Ise in dem Widerstand Rse fließt. Wenn zum Beispiel eine positive Erfassungsemitterspannung Vse erfasst wird, die größer oder gleich einer vorbestimmten Schwellenwertspannung Vth ist, bestimmt die Schaltung zur Erfassung eines abnormalen Stroms 80, dass der Hauptstrom Ie, der in dem Haupttransistor 12 des Schaltelements S1 fließt, ein Überstrom ist, und gibt ein Erfassungssignal eines abnormalen Stroms aus.
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Die Aufhebungsschaltung 81 ist eine Schaltung zum Aufheben des Erfassungssignals eines abnormalen Stroms, wenn das Schaltelement S1 abschaltet, und hebt das Erfassungssignals eines abnormalen Stroms auf, zum Beispiel wenn das Abschaltsignal Soff eingegeben wird, das den Gate-AUS-Schalter S3 und den Schalter S4 einschaltet.
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Dadurch, dass der Schalter S4 eingeschaltet wird, wird das Gate G mit dem Erfassungsemitter SE verbunden und folglich erhöht sich die Erfassungsemitterspannung Vse vorübergehend näher zu der Gatespannung Vge (siehe 2). Deshalb, wenn die Erfassungsemitterspannung Vse eine Schwellenwertspannung Vth übersteigt, wird ein Erfassungssignal eines abnormalen Stroms ausgegeben. Dadurch jedoch, dass das Erfassungssignal eines abnormalen Stroms durch die Aufhebungsschaltung 81 aufgehoben wird, kann die Ansteuervorrichtung 3 eine fehlerhafte Bestimmung eines abnormalen Stroms aufgrund einer fehlerhaften Ausgabe des Erfassungssignals eines abnormalen Stroms vermeiden.
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5 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Ansteuervorrichtung 4 als ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt. Eine Beschreibung der gleichen Elemente und Effekte wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird hier weggelassen. Die Ansteuervorrichtung 4 umfasst eine Stromerfassungsschaltung 82, eine NOR-Schaltung 31 und eine Inverterschaltung 32.
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Die Stromerfassungsschaltung 82 ist eine Schaltung zum Erfassen, dass der Strom I (S4) in dem Schalter S4 fließt, und umfasst zum Beispiel MOS-Transistoren S7 und S8 und einen Widerstand R1, die einen Stromspiegel bilden.
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Der Schalter S4 ist in dem Fall von 5 ein P-Kanal-MOSFET. Der P-Kanal-MOS-Transistor S7 wird in Reihe eingesetzt und zwischen dem Schalter S4 und dem Erfassungsemitter SE verbunden. Der P-Kanal-MOS-Transistor S8 besitzt eine Source, die mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Schalter S4 und dem MOS-Transistor S7 verbunden ist, und einen Drain, der mit dem leitenden Teil 62 über einen Widerstand R1 verbunden ist.
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Während einer Periode, in der der Strom I (S4) fließt, da ein Strom in Abhängigkeit des Stroms I (S4) in dem Widerstand R1 fließt, gibt die Stromerfassungsschaltung 82 ein High-Level-Stromerfassungssignal VS8 aus. Andererseits, während einer Periode, in der der Strom I (S4) nicht fließt, da ein Strom in Abhängigkeit des Stroms I (S4) nicht in dem Widerstand R1 fließt, gibt die Stromerfassungsschaltung 82 ein Low-Level-Stromerfassungssignal VS8 aus.
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Die NOR-Schaltung 31 ist ein Beispiel einer Pull-up-Steuerungsschaltung, die einen Zustand beibehält, in dem das Gate G auf die Ansteuerenergiequelle 51 hochgezogen wird, bis sich der Strom I (S4), der in dem Schalter S4 fließt, auf einen vorbestimmten nicht negativen Stromwert oder niedriger verringert.
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Wenn zumindest eines des Ansteuersignals Sg und des Stromerfassungssignals VS8 das hohe Level einnimmt, gibt die NOR-Schaltung 31 ein Einschaltsignal mit niedrigem Level bzw. Low-Level-Einschaltsignal Son aus, das den Gate-AN-Schalter S2 einschaltet. Ein Ansteuersignal mit hohem Level bzw. High-Level-Ansteuersignal Sg stellt ein Signal dar, das ein Einschalten des Schaltelements S1 anweist, und ein Signal zur Erfassung eines Stroms mit hohem Level bzw. High-Level-Stromerfassungssignal VS8 stellt dar, dass der Strom I (S4) fließt. Andererseits, wenn sowohl das Ansteuersignal Sg als auch das Stromerfassungssignal VS8 ein niedriges Level einnehmen, gibt die NOR-Schaltung 31 ein Einschaltsignal mit hohem Level bzw. High-Level-Einschaltsignal Son aus, das den Gate-AN-Schalter S2 ausschaltet. Ein Ansteuersignal mit niedrigem Level bzw. Low-Level-Ansteuersignal Sg stellt ein Signal dar, das ein Ausschalten des Schaltelements S1 anweist, und ein Signal zur Erfassung eines Stroms mit niedrigem Level bzw. Low-Level-Stromerfassungssignal VS8 stellt dar, dass der Strom I (S4) nicht fließt.
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Wenn das Ansteuersignal Sg das hohe Level einnimmt, gibt die Inverterschaltung 32 ein Abschaltsignal mit niedrigem Level bzw. Low-Level-Abschaltsignal Soff aus, das den Gate-AUS-Schalter S3 ausschaltet, und wenn das Ansteuersignal Sg das niedrige Level einnimmt, gibt die Inverterschaltung 32 ein Abschaltsignal mit hohem Level bzw. High-Level-Abschaltsignal Soff aus, das den Gate-AUS-Schalter S3 einschaltet.
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Wenn ein Abschaltsignal mit niedrigem Level Soff ausgegeben wird, das den Gate-AUS-Schalter S3 abschaltet, schaltet der Schalter S6 ab und folglich schaltet der Schalter S4 ab. Wenn ein Abschaltsignal mit hohem Level Soff ausgegeben wird, das den Gate-AUS-Schalter S3 einschaltet, wird der Schalter S6 eingeschaltet und folglich wird der Schalter S4 eingeschaltet. Die Gatespannung zum Einschalten des Schalters S4 wird dadurch erzeugt, dass die Energieversorgungsspannung V1 der Ansteuerenergiequelle 51 durch eine Zener-Diode D3 geklemmt wird.
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Deshalb, wie in 6 dargestellt ist, kann die NOR-Schaltung 31 einen Zeitpunkt zum Umschalten des Gate-AN-Schalters S2 von AN zu AUS um eine Zeit T1 verzögern. Folglich kann der Strom I (S4), der in den Kollektor C über die Erfassungsdiode D2 fließt, um den Betrag des Stroms, der von der Ansteuerenergiequelle 51 fließt, durch Einschalten des Gate-AN-Schalters S2 erhöht werden und folglich kann eine Abschaltoperation des Schaltelements S1 weiter beschleunigt werden.
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7 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Ansteuervorrichtung 5 als ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung darstellt. Eine Beschreibung der gleichen Elemente und Effekte wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird hier weggelassen. Die Ansteuervorrichtung 5 umfasst eine Stromerfassungsschaltung 82, eine NOR-Schaltung 31 und eine NOR-Schaltung 33.
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Die NOR-Schaltung 33 ist ein Beispiel einer Pull-down-Steuerungsschaltung, die einen Zustand beibehält, in dem das Gate G auf den leitenden Teil 62 heruntergezogen wird, bis sich der Strom I (S4), der in dem Schalter S4 fließt, auf einen vorbestimmten nicht negativen Stromwert oder niedriger verringert. Es sei angemerkt, dass die logische Beziehung zwischen dem Eingang und Ausgang der NOR-Schaltung 33 die gleiche ist wie die der NOR-Schaltung 31.
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Wie in 8 dargestellt ist, kann die Ansteuervorrichtung 5 mit der NOR-Schaltung 33 einen Zeitpunkt zum Umschalten des Gate-AUS-Schalters S3 von AUS zu AN um eine Zeit T1 verzögern und kann folglich verhindern, dass sich der Strom I (S4) verringert, wenn der Gate-AUS-Schalter S3 eingeschaltet wird. Und zwar kann der Strom, der in dem Gate-AUS-Schalter S3 während der Zeit T1 fließt, zu dem Schalter S4 umgeleitet werden und folglich kann der Strom I (S4) erhöht werden. Somit kann eine Abschaltoperation des Schaltelements S1 weiter beschleunigt werden.
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Obwohl die Halbleitervorrichtung mit den Ausführungsbeispielen wie vorstehend beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Verschiedene Modifikationen und Verbesserungen können innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung durch Kombinieren und/oder Ersetzen eines Teils oder aller der Ausführungsbeispiele mit anderen vorgenommenen werden.
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Zum Beispiel kann die Halbleitervorrichtung eine Halbleitervorrichtung sein, die eine Konfiguration aufweist, die eine integrierte Schaltung umfasst, oder eine Halbleitervorrichtung, die eine Konfiguration aufweist, die diskrete Teile umfasst.
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Der Transistor S1 kann ein anderes Schaltelement als ein IGBT sein, zum Beispiel ein N-Kanal- oder P-Kanal-MOSFET. In einem Fall eines MOSFET kann der Wortlaut geändert werden, um einen "Kollektor" als ein "Drain" zu lesen und einen "Emitter" als eine "Source" zu lesen.
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Ebenso können andere Transistoren außer dem Schaltelement S1 NPN- oder PNP-Bipolartransistoren sein.
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Die vorliegende Anmeldung basiert auf der
japanischen Prioritätsanmeldung Nr. 2014-146223 , eingereicht am 16. Juli 2014, deren gesamte Inhalte hierin durch Bezugnahme mit eingeschlossen sind.
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Eine Halbleitervorrichtung umfasst ein Schaltelement, das dazu konfiguriert ist, eine Gateelektrode, eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode, eine Erfassungselektrode zum Ausgeben eines Erfassungsstroms, der kleiner als ein Hauptstrom ist, in Abhängigkeit des Hauptstroms, der in der ersten Hauptelektrode fließt, zu umfassen und abzuschalten, wenn eine Steuerungsspannung, die zwischen der Gateelektrode und der ersten Hauptelektrode angelegt wird, reduziert wird; eine Erfassungsdiode, die dazu konfiguriert ist, eine Anode, die mit der Erfassungselektrode verbunden ist, und eine Kathode, die mit der zweiten Hauptelektrode verbunden ist, zu umfassen; und eine Verbindungsschaltung, die dazu konfiguriert ist, die Gateelektrode mit der Erfassungselektrode zu verbinden, wenn das Schaltelement abschaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2005045590 A [0003]
- JP 2014-146223 [0076]
