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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Halbleiterschaltungen.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Isolationsschaltungen (Isolatoren) wurden herkömmlicherweise jeweils zwischen einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), die eine auf einer höheren Ebene eines Systems positionierte Steuerschaltung bildet, und einem Halbleiter-Schaltelement angeordnet, das bei einer hohen Spannung im System angesteuert wird. Beispielsweise offenbart die offengelegte
japanische Patentanmeldung Nr. 2013-51547 eine integrierte Halbleiterschaltung, die eine Isolationsschaltung wie etwa einen Optokoppler oder einen digitalen Isolator enthält. Die integrierte Halbleiterschaltung überträgt ein Signal, während eine Übertragungsschaltung von einer Empfangsschaltung isoliert wird.
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Der Optokoppler oder der digitale Isolator weist einen isolierenden Bereich auf, der aus einer organischen Verbindung besteht. Ein Anlegen einer Spannung, die größer als eine oder gleich einer dielektrischen Festigkeit bzw. Durchschlagsfestigkeit über den isolierenden Bereich innerhalb des Isolators ist, erzeugt einen elektrischen Durchschlag, um einen Kurzschlussstrom durch den isolierenden Teil hindurchfließen zu lassen. Die auf einer höheren Ebene des Systems angeordnete CPU und das Innere des Systems, an das eine hohe Spannung angelegt wird, sind leider nicht länger voneinander isoliert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Beschreibung, eine integrierte Halbleiterschaltung vorzusehen, die eine Isolationssicherheit zwischen einer bei einer hohen Spannung angesteuerten Schaltung und einer bei einer niedrigeren Spannung als der hohen Spannung angesteuerten Schaltung verbessert.
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Ein Aspekt der Beschreibung sieht eine integrierte Halbleiterschaltung vor, die das Folgende enthält: eine erste Schaltung, die durch ein Steuersignal niedriger Spannung gesteuert und bei einer höheren Spannung als das Steuersignal niedriger Spannung angesteuert wird; eine zweite Schaltung, die dafür eingerichtet ist, das Steuersignal niedriger Spannung an die erste Schaltung abzugeben, um das Ansteuern der ersten Schaltung zu steuern; und eine Vielzahl von Isolationsschaltungen, die jeweils ein isolierendes Element enthalten, wobei die Vielzahl von Isolationsschaltungen zwischen der ersten Schaltung und der zweiten Schaltung in Reihe verbindet. Jede Isolationsschaltung ist dafür eingerichtet, das Steuersignal in dem isolierenden Element magnetisch zu koppeln oder kapazitiv zu koppeln, um das Steuersignal von der zweiten Schaltung zur ersten Schaltung zu übertragen, und ist dafür eingerichtet, die erste Schaltung von der zweiten Schaltung in dem isolierenden Element zu isolieren, um zu verhindern, dass die höhere Spannung von der ersten Schaltung an die zweite Schaltung angelegt wird.
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Die integrierte Halbleiterschaltung gemäß dem Aspekt der Beschreibung verbessert eine Isolationssicherheit zwischen einer bei einer hohen Spannung angesteuerten Schaltung und einer bei einer niedrigeren Spannung als der hohen Spannung angesteuerten Schaltung.
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Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung ersichtlicher werden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Diagramm einer Konfiguration einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
- 2 ist ein Diagramm einer Konfiguration einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
- 3 ist ein Diagramm einer Konfiguration einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform;
- 4 ist ein Diagramm einer Konfiguration einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform; und
- 5 ist ein Diagramm einer Konfiguration einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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<Erste bevorzugte Ausführungsform>
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Das Folgende beschreibt eine integrierte Halbleiterschaltung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. 1 ist ein Diagramm einer Konfiguration der integrierten Halbleiterschaltung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform.
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Die integrierte Halbleiterschaltung umfasst eine erste Schaltung 10, eine zweite Schaltung 20 und eine Vielzahl von Isolationsschaltungen 30.
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Die erste Schaltung 10 enthält ein Schaltelement und ist auf einer niedrigeren Ebene eines (nicht dargestellten) Systems angeordnet. Die erste Schaltung 10 empfängt ein Steuersignal niedriger Spannung von der zweiten Schaltung 20 und wird bei einer höheren Spannung als das Steuersignal niedriger Spannung angesteuert. Das Schaltelement gibt die hohe Spannung zum Beispiel als Antwort auf den Empfang des Steuersignals niedriger Spannung ab. In der ersten bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltelement eine Leistungs-Halbleitervorrichtung genannte Halbleitervorrichtung, an die die hohe Spannung angelegt wird.
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Die zweite Schaltung 20 ist auf einer höheren Ebene des Systems angeordnet und ist beispielsweise eine CPU. Die zweite Schaltung 20 gibt das Steuersignal niedriger Spannung an die erste Schaltung 10 ab, um das Ansteuern der ersten Schaltung 10 zu steuern.
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Jede Isolationsschaltung 30 verbindet zwischen der ersten Schaltung 10 und der zweiten Schaltung 20 in Reihe. In der ersten bevorzugten Ausführungsform ist eine Anzahl N Isolationsschaltungen 30, die von n = 1 bis n = N reichen, in Reihe verbunden (N ist eine natürliche Zahl größer oder gleich Eins).
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Jede Isolationsschaltung 30 enthält ein isolierendes Element, das in 1 nicht dargestellt ist.
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Jede Isolationsschaltung 30 koppelt magnetisch oder koppelt kapazitiv das Steuersignal in dem isolierenden Element, um das Steuersignal von der zweiten Schaltung 20 zur ersten Schaltung 10 zu übertragen. Ferner isoliert die Isolationsschaltung 30 die erste Schaltung 10 von der zweiten Schaltung 20 in dem isolierenden Element, um zu verhindern, dass die höhere Spannung von der ersten Schaltung 10 an die zweite Schaltung 20 angelegt wird.
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Selbst wenn ein elektrischer Durchschlag in dem isolierenden Element, das in irgendeiner der Isolationsschaltungen enthalten ist, erzeugt wird, ermöglicht die integrierte Halbleiterschaltung, dass die verbleibenden Isolationsschaltungen die erste Schaltung 10 von der zweiten Schaltung 20 sicher isolieren. Außerdem ermöglicht die integrierte Halbleiterschaltung, dass das System, an das die hohe Spannung angelegt wird, und Komponenten, die die bei der niedrigeren Spannung als der hohen Spannung angesteuerte CPU enthalten, sicher voneinander isoliert werden. Das heißt, die integrierte Halbleiterschaltung in der ersten bevorzugten Ausführungsform verbessert eine Isolationssicherheit zwischen der bei der niedrigen Spannung angesteuerten zweiten Schaltung 20 und der bei der höheren Spannung als der niedrigen Spannung angesteuerten ersten Schaltung 10.
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<Zweite bevorzugte Ausführungsform>
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Das Folgende beschreibt eine integrierte Halbleiterschaltung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Es wird besonders erwähnt, dass ähnliche Komponenten und ähnliche Operationen zwischen der ersten bevorzugten Ausführungsform und der zweiten bevorzugten Ausführungsform hier nicht weiter ausgeführt werden.
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2 ist ein Diagramm einer Konfiguration der integrierten Halbleiterschaltung gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform.
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Zumindest eine einer Vielzahl von Isolationsschaltungen 30, die zwischen der ersten Schaltung 10 und der zweiten Schaltung 20 in Reihe verbinden, enthält ein magnetisches Kopplungselement 41 als isolierendes Element. In der zweiten bevorzugten Ausführungsform verbinden zwei Isolationsschaltungen 31 zwischen der ersten Schaltung 10 und der zweiten Schaltung 20 in Reihe. Jede Isolationsschaltung 31 ist beispielsweise ein digitaler Isolator. Das magnetische Kopplungselement 41 ist zum Beispiel ein Transformator. Die Anzahl von Isolationsschaltungen 31 für eine serielle Verbindung ist nicht auf Zwei begrenzt. Eine Anzahl N Isolationsschaltungen 31 kann in Reihe verbunden werden.
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Jede Isolationsschaltung 31 koppelt das von der zweiten Schaltung 20 abgegebene Steuersignal in dem magnetischen Kopplungselement 41 magnetisch, um das Steuersignal zur ersten Schaltung 10 übertragen.
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Eine serielle Verbindung zwischen Isolationsschaltungen kann entsprechend der Anzahl in Reihe verbundener Isolationsschaltungen eine Verzögerung in einer Signalübertragung erzeugen. In der integrierten Halbleiterschaltung in der zweiten bevorzugten Ausführungsform arbeitet jedoch der Transformator, der das magnetische Kopplungselement 41 ist, bei einer sehr hohen Frequenz, und somit wird die Verzögerung in einer Signalübertragung reduziert.
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<Dritte bevorzugte Ausführungsform>
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Das Folgende beschreibt eine integrierte Halbleiterschaltung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform. Es wird besonders erwähnt, dass ähnliche Komponenten und ähnliche Operationen zwischen der ersten oder zweiten bevorzugten Ausführungsform und der dritten bevorzugten Ausführungsform hier nicht weiter ausgeführt werden.
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3 ist ein Diagramm einer Konfiguration der integrierten Halbleiterschaltung gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform.
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Zumindest eine einer Vielzahl von Isolationsschaltungen 30, die zwischen der ersten Schaltung 10 und der zweiten Schaltung 20 in Reihe verbinden, enthält ein kapazitives Kopplungselement 42 als isolierendes Element. In der dritten bevorzugten Ausführungsform verbinden zwei Isolationsschaltungen 32 zwischen der ersten Schaltung 10 und der zweiten Schaltung 20 in Reihe. Jede Isolationsschaltung 32 ist zum Beispiel ein digitaler Isolator. Die kapazitive Kopplungselement 42 ist beispielsweise ein Kondensator. Es wird besonders erwähnt, dass die Anzahl von Isolationsschaltungen 32 für eine serielle Verbindung nicht auf Zwei begrenzt ist. Eine Anzahl N Isolationsschaltungen 32 kann in Reihe verbunden sein.
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Jede Isolationsschaltung 32 koppelt das von der zweiten Schaltung 20 abgegebene Steuersignal im kapazitiven Kopplungselement 42 kapazitiv, um das Steuersignal zur ersten Schaltung 10 zu übertragen.
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In der integrierten Halbleiterschaltung ermöglicht eine Kapazität, die das kapazitive Kopplungselement 42 bildet, z.B. die Dicke eines isolierenden Films, die Steuerung einer Durchschlagsfestigkeit.
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<Vierte bevorzugte Ausführungsform>
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Das Folgende beschreibt eine integrierte Halbleiterschaltung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform. Es wird besonders erwähnt, dass ähnliche Komponenten und ähnliche Operationen zwischen irgendeiner der ersten bis dritten bevorzugten Ausführungsformen und der vierten bevorzugten Ausführungsform hier nicht weiter ausgeführt werden.
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4 ist ein Diagramm einer Konfiguration der integrierten Halbleiterschaltung gemäß der vierten bevorzugten Ausführungsform.
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Zumindest eine einer Vielzahl von Isolationsschaltungen 30, die zwischen der ersten Schaltung 10 und der zweiten Schaltung 20 in Reihe verbinden, enthält das magnetische Kopplungselement 41 als isolierendes Element. Außerdem enthält zumindest eine andere der Vielzahl von Isolationsschaltungen 30 das kapazitive Kopplungselement 42 als isolierendes Element. Das heißt, die integrierte Halbleiterschaltung enthält eine Kombination einer Isolationsschaltung 31, die das magnetische Kopplungselement 41 enthält, und einer Isolationsschaltung 32, die das kapazitive Kopplungselement 42 enthält.
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Eine einzige Isolationsschaltung 31 und eine einzige Isolationsschaltung 32 verbinden zwischen der ersten Schaltung 10 und der zweiten Schaltung 20 in Reihe. Es wird besonders erwähnt, dass die Anzahl von Isolationsschaltungen 30 für eine serielle Verbindung nicht auf Zwei begrenzt ist. Eine Anzahl N Isolationsschaltungen 30 kann in Reihe verbunden sein.
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Die Isolationsschaltung 31 koppelt das von der zweiten Schaltung 20 abgegebene Steuersignal in dem magnetischen Kopplungselement 41 magnetisch, um das Steuersignal zur ersten Schaltung 10 zu übertragen. Außerdem koppelt die Isolationsschaltung 32 das Steuersignal in dem kapazitiven Kopplungselement 42 kapazitiv, um das Steuersignal zur ersten Schaltung 10 zu übertragen.
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Bei solch einer Konfiguration verhindert das magnetische Kopplungselement 41 die Zunahme oder die Erzeugung der Verzögerung in einer Signalübertragung. Außerdem ermöglicht ein Übertragungs- und Empfangs-Modus eines Transformators, der das magnetische Kopplungselement 41 ist, die Steuerung einer transienten Gleichtakt-Immunität (CMTI) oder Störungstoleranz. Außerdem erreicht ein Steuern der Dicke eines isolierenden Films des kapazitiven Kopplungselements 42 eine gewünschte Durchschlagsfestigkeit.
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<Fünfte bevorzugte Ausführungsform>
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Das Folgende beschreibt eine integrierte Halbleiterschaltung gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform. Es wird besonders erwähnt, dass ähnliche Komponenten und ähnliche Operationen zwischen irgendeiner der ersten bis vierten bevorzugten Ausführungsformen und der fünften bevorzugten Ausführungsform hier nicht weiter ausgeführt werden.
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5 ist ein Diagramm einer Konfiguration der integrierten Halbleiterschaltung gemäß der fünften bevorzugten Ausführungsform.
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Eine erste Schaltung 10 enthält ein Schaltelement 11. Das Schaltelement 11 ist eine Halbleitervorrichtung, die aus einem SiC enthaltenden Transistor geschaffen ist und Leistungs-Halbleitervorrichtung genannt wird, an die eine hohe Spannung angelegt wird. Das Schaltelement 11 ist hierin ein SiC-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
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Eine zweite Schaltung 20 gibt das Steuersignal an das Schaltelement 11 ab, um das Ansteuern des Schaltelements 11 zu steuern, um das Ansteuern der ersten Schaltung 10 zu steuern.
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Eine Leistungs-Halbleitervorrichtung wie etwa ein SiC-MOSFET liefert eine hohe Leistung in einer Anwendung, die eine Operation bei hoher Geschwindigkeit erfordert, oder einer Anwendung, die eine hohe Festigkeit erfordert. In der fünften bevorzugten Ausführungsform enthält die integrierte Halbleiterschaltung eine Vielzahl von Isolationsschaltungen 30 wie etwa digitale Isolatoren mit einer Leistungsfähigkeit für hohe Isolation und einer Leistungsfähigkeit für hohe Geschwindigkeit. Dies verbessert ein Systemniveau, wenn die integrierte Halbleiterschaltung das Ansteuern der Leistungs-Halbleitervorrichtung steuert.
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Es wird besonders erwähnt, dass in der vorliegenden Erfindung die individuellen Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der Erfindung frei kombiniert werden können oder wie jeweils anwendbar modifiziert und weggelassen werden können. Obgleich die Erfindung im Detail dargestellt und beschrieben wurde, ist die vorhergehende Beschreibung in allen Aspekten veranschaulichend und nicht beschränkend. Es versteht sich daher, dass zahlreiche Modifikationen und Varianten entwickelt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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