DE102019215250A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Katsumi Satoh
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Abstract

Jeder eines P-seitigen IGBT (200P) und eines N-seitigen IGBT (200N), die in Reihe geschaltet sind, um einen Arm zu implementieren, enthält ein erstes Gate (G1) und ein zweites Gate (G2). In jeder einer Ansteuerschaltungseinheit (100P-1), die dafür konfiguriert ist, eine Spannung des ersten Gates (G1) bezüglich eines Kollektors (C) des P-seitigen IGBT (200P) zu steuern, einer Ansteuerschaltungseinheit (100P-2), die dafür konfiguriert ist, eine Spannung des zweiten Gates (G2) bezüglich eines Emitters (E) des P-seitigen IGBT (200P) zu steuern, und einer Ansteuerschaltungseinheit (100N-2), die dafür konfiguriert ist, eine Spannung des zweiten Gates (G2) bezüglich eines Kollektors (C) des N-seitigen IGBT (200N) zu steuern, sind eine Signalverarbeitungsschaltung (111P, 112P, 112N) und eine Ausgabeschaltung (121P, 122P, 112N) durch eine Isolierungsstruktur voneinander elektrisch isoliert.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung.
  • Beschreibung des allgemeinen Standes der Technik
  • Eine Struktur eines Halbleiter-Schaltelements, das eine Vielzahl von Steuerelektroden enthält, ist bekannt. Beispielsweise beschreibt das offengelegte japanische Patent Nr. 2002 - 100971 einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) mit einer Doppel-Gatestruktur, in der eine Haupt-Gateelektrode und eine Zusatz-Gateelektrode auf einer identischen Hauptoberfläche vorgesehen sind. Das offengelegte japanische Patent Nr. 2002-100971 beschreibt ferner ein Ansteuerverfahren zum Ansteuern des IGBT mit Doppel-Gatestruktur, während optimale Abschaltcharakteristiken erzielt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine sogenannte Armkonfiguration, um eine hohe Spannung und eine niedrige Spannung von einem Knoten einer Verbindung zwischen zwei Halbleiter-Schaltelementen selektiv abzugeben, indem die beiden Halbleiter-Schaltelemente zwischen einer Stromleitung bei der hohen Spannung und einer Stromleitung bei der niedrigen Spannung in Reihe geschaltet sind, ist als eine repräsentative Nutzung eines Halbleiter-Schaltelements bekannt. Beispielsweise wird die Armkonfiguration in einem Inverter für eine DC/AC-Leistungsumwandlung und einer Chopper-Schaltung für eine DC/DC-Schaltung verwendet.
  • In der Armkonfiguration ist eine Isolierungsstruktur in eine Ansteuerschaltung eingeführt, welche eine Spannung einer Steuerelektrode eines Halbleiter-Schaltelements steuert. Die Einführung der Isolierungsstruktur verkompliziert eine Struktur und erhöht Herstellungskosten, während sie verhindert, dass sich ein geschädigter Teilbereich ausweitet, wenn eine anormale Bedingung auftritt.
  • In einer Armkonfiguration, die durch ein Halbleiter-Schaltelement implementiert ist, das eine Vielzahl von Steuerelektroden enthält, nimmt die Anzahl von anzusteuernden Steuerelektroden zu. Wie eine Isolierungsstruktur vorzusehen ist wird dann ein Thema. In diesem Zusammenhang beschreibt das offengelegte japanische Patent Nr. 2002-100971 ein Verfahren zum Ansteuern eines einzelnen IGBT mit Doppel-Gatestruktur; jedoch beschreibt es keine Konfiguration einer Ansteuerschaltung in der Armkonfiguration wie oben beschrieben.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Konfiguration vorzusehen, in der eine Isolierungsstruktur in einer Ansteuerschaltung in einer Armkonfiguration geeignet vorgesehen wird, für die ein Halbleiter-Schaltelement, das eine Vielzahl von Steuerelektroden enthält, verwendet wird.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleitervorrichtung, die in Reihe geschaltete, erste und zweite Halbleiter-Schaltelemente ansteuert, eine erste Ansteuerschaltung, die dafür konfiguriert ist, einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand des ersten Halbleiter-Schaltelements zu steuern, und eine zweite Ansteuerschaltung, die dafür konfiguriert ist, einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand des zweiten Halbleiter-Schaltelements zu steuern. Das erste Halbleiter-Schaltelement enthält eine erste positive Elektrode und eine erste negative Elektrode als Hauptelektroden und erste und zweite Steuerelektroden. Das zweite Halbleiter-Schaltelement enthält eine zweite positive Elektrode und eine zweite negative Elektrode als Hauptelektroden und dritte und vierte Steuerelektroden. Die erste negative Elektrode und die zweite positive Elektrode sind miteinander elektrisch verbunden. Die erste Ansteuerschaltung enthält erste und zweite Ansteuerschaltungseinheiten. Die erste Ansteuerschaltungseinheit ist dafür konfiguriert, eine Spannung der ersten Steuerelektrode bezüglich der ersten negativen Elektrode zu steuern. Die zweite Ansteuerschaltungseinheit ist dafür konfiguriert, eine Spannung der zweiten Steuerelektrode bezüglich der ersten positiven Elektrode zu steuern. Die zweite Ansteuerschaltung enthält dritte und vierte Ansteuerschaltungseinheiten. Die dritte Ansteuerschaltungseinheit ist dafür konfiguriert, eine Spannung der dritten Steuerelektrode bezüglich der zweiten negativen Elektrode zu steuern. Die vierte Ansteuerschaltungseinheit ist dafür konfiguriert, eine Spannung der vierten Steuerelektrode bezüglich der zweiten positiven Elektrode zu steuern. Jede der ersten bis vierten Ansteuerschaltungseinheiten enthält eine Signalverarbeitungsschaltung und eine Ausgabeschaltung. Jede Signalverarbeitungsschaltung ist dafür konfiguriert, ein Impulssignal, das als Spannungsbefehl für eine entsprechende Steuerelektrode der ersten bis vierten Steuerelektroden dient, als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl abzugeben, um die ersten und zweiten Halbleiter-Schaltelemente ein- und auszuschalten. Jede Ausgabeschaltung ist dafür konfiguriert, eine Spannung der entsprechenden Steuerelektrode bezüglich einer entsprechenden Hauptelektrode der ersten und zweiten positiven Elektroden und der ersten und zweiten negativen Elektroden als Antwort auf das Impulssignal von der Signalverarbeitungsschaltung anzusteuern. Jede der ersten bis dritten Ansteuerschaltungseinheiten ist dafür konfiguriert, das Impulssignal von der Signalverarbeitungsschaltung an die Ausgabeschaltung durch eine Isolierungsstruktur zu übertragen.
  • Die vorhergehenden 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.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel eines Leistungsumwandlungssystems veranschaulicht, für das eine Armkonfiguration gemäß einem Vergleichsbeispiel verwendet wird.
    • 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Ansteuerschaltung in einem Arm einer Phase gemäß dem Vergleichsbeispiel zeigt.
    • 3 ist ein Symboldiagramm eines Halbleiter-Schaltelements (IGBT) mit einer Doppel-Gatestruktur, das für die Armkonfiguration gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht, um ein Beispiel einer Struktur des in 3 gezeigten IGBT zu veranschaulichen.
    • 5 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Ansteuerschaltung in einem Arm einer Phase gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
    • 6 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration einer in 5 gezeigten Pegelverschiebungsschaltung veranschaulicht.
    • 7 ist eine konzeptionelle Querschnittsansicht eines NMOS-Transistors in 6.
    • 8 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine erste beispielhafte Konfiguration der Pegelverschiebungsschaltung gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 9 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine zweite beispielhafte Konfiguration der Pegelverschiebungsschaltung gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 10 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration zur gemeinsamen Nutzung einer Taktschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 11 ist ein konzeptionelles Wellenformdiagramm, um eine beispielhafte Steuerung einer Gatespannung durch eine Signalverarbeitungsschaltung unter Verwendung eines Taktsignals zu veranschaulichen.
    • 12 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration zur gemeinsamen Nutzung einer Stromversorgungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Die gleichen oder entsprechenden Elemente in den folgenden Zeichnungen weisen die gleichen zugeordneten Bezugszeichen auf, und deren Beschreibung wird grundsätzlich nicht wiederholt.
  • Erste Ausführungsform
  • (Beschreibung eines Vergleichsbeispiels)
  • Als ein Vergleichsbeispiel der vorliegenden Ausführungsform wird zunächst eine Konfiguration einer Ansteuerschaltung in einer Armkonfiguration beschrieben, die durch ein Halbleiter-Schaltelement implementiert ist, das eine einzige Steuerelektrode enthält.
  • 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel eines Leistungsumwandlungssystems veranschaulicht, für das die Armkonfiguration gemäß dem Vergleichsbeispiel verwendet wird.
  • Bezug nehmend auf 1 umfasst das Leistungsumwandlungssystem einen AC/DC-Wandler 20 und einen DC/AC-Inverter (worauf im Folgenden auch einfach als „Inverter“ verwiesen wird) 50 und ist dafür konfiguriert, einen Motor 60 mit einer variablen Drehzahl anzutreiben. In dem Beispiel in 1 ist ein Motor 60 durch einen Motor für dreiphasigen Wechselstrom (AC) mit dreiphasigen Spulenwicklungen 65U, 65V und 65W implementiert, die für einen (nicht dargestellten) Stator verwendet werden.
  • Der AC/DC-Wandler 20 enthält eine Diodenbrücke 21 und einen Glättungskondensator 25 und wandelt eine AC-Spannung von einer AC-Stromversorgung 10 in eine Gleichstrom-(DC-)Spannung (worauf im Folgenden auch als Stromversorgungsspannung verwiesen wird) Vcc um und gibt die DC-Spannung über eine Stromleitung PL auf einer Hochspannungsseite (und einer Stromversorgungsleitung NL auf einer Niederspannungsseite ab.
  • Der Inverter 50 enthält sechs Halbleiter-Schaltelemente (worauf im Folgenden auch einfach als „IGBT“ verwiesen wird, da ein IGBT typischerweise verwendet wird) 200# und sechs Dioden 400, welche Dreiphasen-Inverter implementieren, welche dreiphasige AC-Spannungen der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase erzeugen. Ein Arm ist durch eine Verbindung von zwei IGBTs 200# in Reihe zwischen den Stromleitungen PL und NL in jeder der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase implementiert.
  • Ein Ein- und Aus-Zustand jedes IGBT 200# im Vergleichsbeispiel wird durch eine einzige Gateelektrode gesteuert. Eine Spannung eines Gates (Steuerelektrode) jedes IGBT 200# wird als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl von einem Mikrocomputer 90 durch eine Ansteuerschaltung 100 gesteuert.
  • Die Ansteuerschaltung 100 enthält eine Signalverarbeitungsschaltung 110 und eine Ausgabeschaltung 120 entsprechend jedem IGBT 200#. Die Signalverarbeitungsschaltung 110 erzeugt ein Impulssignal, das einer Zeitsteuerungsverarbeitung unterworfen ist, als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl vom Mikrocomputer 90. Die Ausgabeschaltung 120 steuert eine Gatespannung eines entsprechenden IGBT 200# als Antwort auf ein Impulssignal von der Signalverarbeitungsschaltung 110 auf eine einer Spannung zum Einschalten des IGBT 200# und eine Spannung zum Ausschalten des IGBT 200# an. Somit wird ein Ein- und Aus-Zustand jedes IGBT 200# durch eine Steuerung einer Gatespannung durch die Ansteuerschaltung 100 gesteuert.
  • Wenn der Motor 60 bei einer hohen Spannung und einem hohen Strom betrieben wird, wird der IGBT 200# eingeschaltet, indem eine positive Spannung ungefähr von 15 bis 16 (V) über das Gate und den Emitter angelegt wird. Zu dieser Zeit kann solch ein Ansteuerstrom, der 1 (A) momentan übersteigt, erforderlich sein. Deshalb ist es schwierig für die Ansteuerschaltung 100, das Gate eines IGBT 200# als Antwort auf ein Impulssignal von der Signalverarbeitungsschaltung 110 ausreichend direkt anzusteuern. Daher wird ein Ein- und Aus-Zustand eines IGBT 200# gesteuert, indem die Ausgabeschaltung 120 angeordnet, ein Impulssignal von der Signalverarbeitungsschaltung 110 verstärkt und das Impulssignal an die Gateelektrode des IGBT abgegeben wird.
  • 2 zeigt eine Konfiguration zum Ansteuern eines Arms einer Phase gemäß dem Vergleichsbeispiel.
  • Bezug nehmend auf 2 implementieren ein IGBT 200#P auf einer Hochspannungsseite (einer P-Seite oder einer hohen Seite) und ein IGBT 200#N auf einer Niederspannungsseite (einer N-Seite oder einer niedrigen Seite) einen Arm, indem sie zwischen Stromleitungen PL und NL in Reihe geschaltet sind, wobei ein Ausgabeknoten No dazwischen angeordnet ist. Jeder der IGBTs 200#P und 200#N enthält einen Kollektor C (positive Elektrode) und einen Emitter E (negative Elektrode) als Hauptelektroden und ein Gate G als eine Steuerelektrode.
  • In dem Beispiel in 1 und 2 ist der Ausgabeknoten No, der einem Knoten einer Verbindung zwischen einem P-seitigen IGBT 200#P und einem N-seitigen IGBT 200#N entspricht, mit einer Spulenwicklung 65 verbunden. Die Spulenwicklung 65 entspricht einer Spulenwicklung einer Phase, was eine umfassende Bezeichnung von Spulenwicklungen 65U, 65V und 65W ist.
  • Beispielsweise können eine Amplitude (ein Effektivwert) und eine Frequenz einer AC-Spannung jeder Phase gesteuert werden, indem ein Verhältnis zwischen Ein- und Aus-Perioden (was Tastverhältnis genannt wird) des P-seitigen IGBT 200#P und des N-seitigen IGBT 200#N für jede vorbestimmte Steuerperiode in jedem Arm gesteuert wird. Folglich kann der Motor 60 so gesteuert werden, dass er mit einer variablen Drehzahl angetrieben wird, indem eine dem Motor 60 bereitgestellte elektrische Antriebsleistung gesteuert wird. Beispielsweise gibt ein Mikrocomputer 90 einen Steuerbefehl ab, der einen Ein- und Aus-Zustand des P-seitigen IGBT 200#P und des N-seitigen 200#N angibt, um das Tastverhältnis zu steuern.
  • Eine Ansteuerschaltung 100P, um den P-seitigen IGBT 200#P als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl vom Mikrocomputer 90 ein- und auszuschalten, enthält eine Signalverarbeitungsschaltung 110P und eine Ausgabeschaltung 120P. Ähnlich enthält eine Ansteuerschaltung 100N, um den N-seitigen IGBT 200#N als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl vom Mikrocomputer 90 ein- und auszuschalten, eine Signalverarbeitungsschaltung 110N und eine Ausgabeschaltung 120N.
  • Die Signalverarbeitungsschaltung 110P gibt ein Impulssignal ab, um einen Ein- und Aus-Zustand des P-seitigen IGBT 200#P als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl vom Mikrocomputer 90 zu steuern. Ähnlich gibt die Signalverarbeitungsschaltung 110N ein Impulssignal ab, um einen Ein- und Aus-Zustand des N-seitigen IGBT 200#N als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl vom Mikrocomputer 90 zu steuern. Die Signalverarbeitungsschaltungen 110P und 110N erzeugen jeweils ein Impulssignal als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl vom Mikrocomputer 90, wobei eine Addition einer Totzeit darauf berücksichtigt ist, um einen Kurzschluss eines Arms zu vermeiden, der ein gleichzeitiges Einschalten des P-seitigen IGBT 200#P und des N-seitigen IGBT 200#N verursacht, und wobei eine Zeitsteuerungs- bzw. Zeitpunkteinstellung darauf berücksichtigt ist, um einen Schaltverlust oder eine Stoßspannung zu verringern.
  • Die Ausgabeschaltung 120P steuert eine Spannung eines Gates G (eine Gatespannung) bezüglich des Emitters E des P-seitigen IGBT 200#P gemäß einem Pegel eines Impulssignals von der Signalverarbeitungsschaltung 110P. Ähnlich steuert die Ausgabeschaltung 120N eine Spannung eines Gates G (eine Gatespannung) bezüglich des Emitters E des N-seitigen IGBT 200#N gemäß einem Pegel eines Impulssignals von der Signalverarbeitungsschaltung 110N. Wenn beispielsweise eine Gatespannung auf eine höhere positive Spannung als eine Schwellenspannung gesteuert wird, wird jeder der IGBTs 200#P und 200#N eingeschaltet. Wenn auf der anderen Seite eine Gatespannung auf eine Nullspannung gesetzt wird (das heißt der Emitter E und das Gate G im Potential einander gleich sind), wird jeder der IGBTs 200#P und 200#N ausgeschaltet.
  • Eine Diode 400P ist mit dem P-seitigen IGBT 200#P antiparallel verbunden, um einen Strompfad von dem Emitter E zu dem Kollektor C des P-seitigen IGBT 200#P auszubilden. Ähnlich ist eine Diode 400N mit dem N-seitigen IGBT 200#N antiparallel verbunden, um einen Strompfad von dem Emitter zu dem Kollektor C des N-seitigen IGBT 200#N auszubilden. Die Dioden 400P und 400N sind jeweils als Freilaufdioden (FWD) vorgesehen, um einen Zirkulationspfad für einen Strom sicherzustellen, der durch eine in der Spulenwicklung 65 gespeicherte Energie während einer Ausschaltoperationsperiode der IGBTs 200#P und 200#N erzeugt wird.
  • Da die Stromleitung NL auf der Niederspannungsseite geerdet ist, ist der Emitter (negative Elektrode) des N-seitigen IGBT 200#N geerdet, um einen Nullspannung (GND) als eine Referenzspannung zu erhalten. Wenn der N-seitige IGBT 200#N oder P-seitige IGBT 200#P eingeschaltet wird, gibt der Ausgabeknoten No eine Stromversorgungsspannung Vcc der Stromleitung PL oder die Nullspannung (GND) an die Spulenwicklung 65 ab.
  • Deshalb ist die Spannung des Emitters des N-seitigen IGBT 200#N auf null Volt fixiert, wohingegen eine Spannung des Ausgabeknotens No, das heißt, des Emitters des P-seitigen IGBT 200#P, von null Voll zu einer positiven Spannung erheblich geändert bzw. variiert wird, was sich aus einer Addition einer Stoßspannung zur Stromversorgungsspannung Vcc ergibt. Wie wohlbekannt ist, ist eine Stoßspannung durch ein Produkt einer Induktivität (L) einer Zwischenverbindung und einer Änderungsrate über die Zeit des Stroms (di/dt) zu der Zeit eines Schaltvorgangs bestimmt.
  • Durch Variieren eines Tastverhältnisses, das ein Verhältnis einer Periode einer Abgabe der Stromversorgungsspannung Vcc vom Ausgabeknoten No in jedem Arm wie oben beschrieben repräsentiert, kann eine Abgabe bzw. Ausgangsleistung vom Motor 60 frei variiert werden. Wenn eine Kurzschlussstörung des Motors 60 auftritt, kann ein IGBT 200#, der den Inverter 50 implementiert, durch einen Fluss eines Kurzschlussstroms, der signifikant höher als ein steuerbarer Strom ist, geschädigt werden. Wenn der IGBT 200# aufgrund einer Schädigung seine Funktion, eine Spannung über den Kollektor und den Emitter zu blockieren (eine Stehspannung), verliert, kann die Stromversorgungsspannung Vcc an die Ausgabeschaltung 120P angelegt werden.
  • Es bestehen somit Bedenken über eine Ausweitung einer elektrischen Schädigung als Folge eines Anlegens einer hohen Spannung nicht nur an die Ausgabeschaltung 120P, die vorwiegend aus allgemeinen elektronischen Schaltungen aufgebaut ist, deren Stehspannungsleistung im Allgemeinen nicht so hoch ist, sondern auch auf eine Gruppe von Schaltungen, die mit der Ausgabeschaltung 120 elektrisch verbunden sind.
  • Wenn zwei IGBTs 200#P und 200#N, welche einen identischen Arm implementieren, durch ein fehlerhaftes Signal wie etwa Rauschen gleichzeitig eingeschaltet werden, wird eine Stromversorgungsspannung Vcc direkt an die IGBTs 200#P und 200#N angelegt, ohne durch eine Last wie etwa eine Spulenwicklung 65 durchgeleitet zu werden. Dann kann ein hoher Strom fließen, und die Stromversorgungsspannung Vcc kann zur Gateelektrode übertragen werden.
  • Im Allgemeinen wird eine Isolierungsfestigkeit bzw. -fähigkeit eines IGBT-Gates unter der Voraussetzung ausgelegt, dass eine Spannung ungefähr von 15 bis 16 (V) wie oben beschrieben reicht. Wenn daher die Stromversorgungsspannung Vcc, die die Isolierungsfähigkeit weit übersteigt, angelegt wird, verliert das Gate seine Isolierungsfähigkeit, und eine hohe Spannung wird an die Ausgabeschaltung 120P in der Ansteuerschaltung 100P angelegt. Das Innere der Ansteuerschaltung 100P kann dann weiter geschädigt werden.
  • Um solch eine sekundäre Zerstörung zu minimieren, ist im Allgemeinen die Ansteuerschaltung 100P des P-seitigen IGBT 200#P, worin eine hohe Spannung konstant an den Kollektor (positive Elektrode) angelegt ist, im Allgemeinen aufgebaut, um die mit der Gateelektrode elektrisch verbundene Ausgabeschaltung 120P von der Signalverarbeitungsschaltung 110P elektrisch zu isolieren. Beispielsweise kann eine Isolierungsstruktur durch einen Fotokoppler, einen isolierenden Transformator oder eine Vorrichtung mit einer Funktion, ein Halbleiterelement zu isolieren, mit einer eine hohe Spannung blockierenden Fähigkeit implementiert sein. Indem man solch ein Isolierungselement als die Isolierungsstruktur in einen Signalübertragungspfad zwischen der Signalverarbeitungsschaltung 110P und der Ausgabeschaltung 120P anordnet, wird eine hohe Spannung zur Zeit eines Auftretens einer anormalen Bedingung durch das Isolierungselement getragen, um ein Anlegen der hohen Spannung an die Signalverarbeitungsschaltung 110P zu vermeiden. So kann eine Ausweitung eines Schadens verhindert werden.
  • Auf der anderen Seite weist der N-seitige IGBT 200#N den Emitter (negative Elektrode) auf, der als die Referenz für eine geerdete Gatespannung dient, und daher ist eine Operation dadurch stabiler als die Operation durch den P-seitigen IGBT 200#P. Unter dem Gesichtspunkt einer Kostenerhöhung durch eine Übernahme der Isolierungsstruktur sind daher im Allgemeinen die Ausgabeschaltung 120N und die Signalverarbeitungsschaltung 110N in der N-seitigen Ansteuerschaltung 100N, mit Ausnahme eines Inverters für eine Anwendung mit hoher Zuverlässigkeit, nicht elektrisch voneinander isoliert. In einer Armkonfiguration, die durch einen IGBT 200# implementiert wird, der eine einzige Gateelektrode enthält, ist in der P-seitigen Ansteuerschaltung eine elektrische Isolierungsstruktur, die ein Isolierungselement enthält, vorgesehen, wohingegen solch eine Isolierungsstruktur in der N-seitigen Ansteuerschaltung nicht vorgesehen ist, so dass eine Vermeidung einer sekundären Zerstörung zur Zeit eines Auftretens einer anormalen Bedingung und eine Erhöhung der Herstellungskosten im Allgemeinen ausgewogen sind.
  • Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration einer Ansteuerschaltung in einer Armkonfiguration beschrieben, die durch ein Halbleiter-Schaltelement mit einer Doppel-Gatestruktur implementiert ist, die eine Vielzahl von Gateelektroden (Steuerelektroden) enthält.
  • 3 zeigt ein Symboldiagramm eines Halbleiter-Schaltelements (IGBT) 200 mit einer Doppel-Gatestruktur, das für die Armkonfiguration gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. Das Halbleiter-Schaltelement 200 wird im Folgenden auch als IGBT 200 bezeichnet.
  • Bezug nehmend auf 3 enthält der IGBT 200 einen Kollektor C (positive Elektrode) und einen Emitter E (negative Elektrode) als Hauptelektroden ähnlich dem im Vergleichsbeispiel beschriebenen IGBT 200#. Ferner enthält der IGBT 200 ein erstes Gate G1 und ein zweites Gate G2 als eine Vielzahl von Steuerelektroden. Im Folgenden ist eine Kollektorspannung Vce als eine Spannung des Kollektors C bezüglich des Emitters E definiert, ist eine erste Gatespannung Vg1 als eine Spannung des ersten Gates G1 bezüglich des Emitters E definiert, und eine zweite Gatespannung Vg2 ist als eine Spannung des zweiten Gates G2 bezüglich des Kollektors C definiert. Der IGBT 200 mit einer Struktur doppelseitiger Gates kann zum Beispiel durch eine in 4 gezeigte Doppel-Gatestruktur aufgebaut sein. Im Allgemeinen ist ein IGBT mit einer Struktur doppelseitiger Gates bekannt, um eine Verbesserung im Kompromiss zwischen einer Ein-Spannung und einem Schaltverlust zu erzielen.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, um ein Beispiel einer Struktur des in 3 gezeigten IGBT zu veranschaulichen.
  • Bezug nehmend auf 4 enthält der IGBT 200 eine Struktur doppelseitiger Gates und umfasst eine n-Basis 201, die erste und zweite Hauptoberflächen umfasst, eine p-Basis 202, einen n-Emitter 203, einen p-Kollektor 204, einen n-Kollektor 205, einen p-Emitter 206, einen Graben 207, einen ersten Gate-Isolierfilm 208, eine erste Gateelektrode 209, einen Zwischenschicht-Isolierfilm 210 des ersten Gates, eine Emitterelektrode 211, eine Kollektorelektrode 212, einen zweiten Gate-Isolierfilm 213, eine zweite Gateelektrode 214 und einen Zwischenschicht-Isolierfilm 215 des zweiten Gates.
  • Die Emitterelektrode 211 wird von einem Leiter (typischerweise einem Metall) auf einer Oberfläche auf einer Seite der ersten Hauptoberfläche des IGBT 200 gebildet. Ähnlich wird die Kollektorelektrode 212 von einem Leiter (typischerweise einem Metall) auf einer Oberfläche auf einer Seite der zweiten Hauptoberfläche des IGBT 200 gebildet. Die Emitterelektrode 211 entspricht dem Emitter (negative Elektrode) in 3, und die Kollektorelektrode 212 entspricht dem Kollektor C (positive Elektrode) in 3.
  • Die p-Basis 202 ist auf der Seite der ersten Hauptoberfläche der n-Basis 201 angeordnet. Der p-Emitter 206 mit einer hohen Konzentration ist in einer Oberfläche der p-Basis 202 (auf der Seite der ersten Hauptoberfläche) selektiv vorgesehen, um einen guten ohmschen Kontakt mit der Emitterelektrode 211 einzurichten. Der n-Emitter 203 ist in einem partiellen Bereich in der p-Basis 202 auf der Seite der ersten Hauptoberfläche selektiv angeordnet.
  • Der Graben 207 ist auf der Seite der ersten Hauptoberfläche des IGBT 200 so vorgesehen, dass er durch den n-Emitter 203 und die p-Basis 202 die n-Basis 201 erreicht. Der erste Gate-Isolierfilm 208 ist auf einer Oberfläche des Grabens 207 ausgebildet. Im Inneren des Grabens 207 wird die erste Gateelektrode 209 typischerweise von Polysilizium auf dem ersten Gate-Isolierfilm 208 (auf der Seite der ersten Hauptoberfläche) gebildet. Der Zwischenschicht-Isolierfilm 210 des ersten Gates ist zwischen der Emitterelektrode 211 und dem Graben 207 und dem n-Emitter 203 ausgebildet. Ein erster Gate-Teilbereich einer Struktur eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) mit n-Kanal vom Anreicherungstyp ist so auf einer Emitterseite der ersten Hauptoberfläche ausgebildet.
  • Der p-Kollektor 204 ist auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche der n-Basis 201 angeordnet. Der n-Kollektor 205 ist selektiv in einem partiellen Bereich im p-Kollektor 204 auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche angeordnet. Durch Ausbilden des zweiten Gate-Isolierfilms 213, der zweiten Gateelektrode 214 und des Zwischenschicht-Isolierfilms 215 des zweiten Gates in 1 wird ebenfalls ein zweiter Gate-Teilbereich einer MOSFET-Struktur mit n-Kanal vom Anreicherungstyp auf einer Kollektorseite der zweiten Hauptoberfläche ausgebildet.
  • Der erste Gate-Isolierfilm 208 und der zweite Gate-Isolierfilm 213 werden normalerweise von einem Oxidfilm (typischerweise SiO2) gebildet. Die erste Gateelektrode 209 und die zweite Gateelektrode 214 bestehen typischerweise aus mit einer Verunreinigung vom n-Typ dotiertem Polysilizium.
  • Somit enthält der IGBT 200 die erste Gateelektrode 209 und die zweite Gateelektrode 214, welche als Steuerelektroden dienen, auf der Seite der ersten Hauptoberfläche bzw. der Seite der zweiten Hauptoberfläche, die der Seite der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt (das heißt, auf zwei bzw. Doppelseiten). Die erste Gateelektrode 209 entspricht dem ersten Gate G1 in 3, und die zweite Gateelektrode 214 entspricht dem zweiten Gate G2 in 3.
  • Operationen des IGBT 200 mit der Struktur doppelseitiger Gates werden nun beschrieben. Operationen durch den IGBT 200 werden durch eine an die erste Gateelektrode 209 angelegte erste Gatespannung Vg1 und eine an die zweite Gateelektrode 214 angelegte zweite Gatespannung Vg2 gesteuert.
  • In der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Armkonfiguration wird eine positive Spannung (Vce > 0) an die Emitterelektrode 211 und die Kollektorelektrode 212 angelegt. Unter der Bedingung Vce > 0 wird ein Ein- und Aus-Zustand des IGBT 200 durch die erste Gatespannung Vg1 auf der Emitterseite gesteuert. Konkret tritt, wenn die erste Gatespannung Vg1 auf eine positive Spannung gesetzt wird, die einen Schwellenwert Vt übersteigt (was als Vg1 = „+“ bezeichnet ist), der IGBT 200 in einen Durchlassstrom-Leitungszustand ein (worauf im Folgenden auch einfach als „Ein-Zustand“ verwiesen wird), welcher ein Zustand ist, in dem ein hoher Strom von der Kollektorelektrode 212 zur Emitterelektrode 211 fließt, selbst wenn eine Kollektorspannung Vce niedrig ist, ungeachtet davon, ob die zweite Gatespannung Vg2 auf der Kollektorseite auf die positive Spannung (welche als Vg2 = „+“ bezeichnet wird) gesetzt ist oder keine positive Spannung angelegt ist (was als Vg2 = „0“ bezeichnet wird).
  • Wenn auf der anderen Seite eine Bedingung einer ersten Gatespannung Vg1 = „0“ erfüllt ist, das heißt, an die erste Gateelektrode 209 keine positive Spannung angelegt ist, tritt der IGBT 200 in einen Spannungssperrzustand (auf welchen im Folgenden einfach auch als „Aus-Zustand“ verwiesen wird) ein, in welchem von der Kollektorelektrode 212 zu der Emitterelektrode 211 unter der Bedingung Vce > 0 kein Strom fließt, ungeachtet dessen, ob die zweite Gatespannung Vg2 auf „+“ oder „0“ gesetzt ist.
  • Insbesondere wird, wenn die erste Gatespannung Vg1 auf Vg1 = „+“ gesetzt ist und die zweite Gatespannung Vg2 auf Vg2 = „0“ gesetzt ist, ein Bereich in der p-Basis 202 in der Umgebung der ersten Gateelektrode 209 in einen n-Typ invertiert, so dass ein n-Kanal (ein erster n-Kanal) ausgebildet wird und ein Strompfad von dem n-Emitter 203 durch den ersten n-Kanal zu der n-Basis 201 ausgebildet wird. Elektronen (negative Ladungen) werden von der Emitterelektrode 211 über den Pfad in die n-Basis 201 injiziert.
  • Während die n-Basis 201 durch injizierte Elektronen negativ geladen wird, wird ein pn-Übergang, der durch den p-Kollektor 204 und die n-Basis 201 gebildet wird (worauf im Folgenden auch als J1-Übergang“ verwiesen wird), in Durchlassrichtung gepolt. Löcher (positive Ladungen) werden folglich von der Kollektorelektrode 212 über den p-Kollektor 204 in die n-Basis 201 injiziert.
  • Folglich nimmt eine Dichte von in der n-Basis 201 vorhandenen Löchern zu, und eine Leitfähigkeitsmodulation tritt auf, so dass Widerstandskomponenten in der n-Basis 201 signifikant abnehmen. Folglich tritt der IGBT 200 in den Ein-Zustand ein. Ein Verringern einer Spannung über den Kollektor und den Emitter des IGBT 200 zu dieser Zeit entspricht dem, was man Ein-Spannung nennt.
  • Eine Schaltoperation zum Ausschalten, um einen Übergang von dem Ein-Zustand in den Spannungssperrzustand (Aus-Zustand) vorzunehmen, wird nun beschrieben.
  • Wenn unter der Bedingung Vce > 0 die erste Gatespannung Vg1 auf Vg1 = „0“ gesetzt wird und die zweite Gatespannung Vg2 auf Vg2 = „0“ gesetzt wird, kehrt der Bereich in der p-Basis 202 in der Umgebung der ersten Gateelektrode 209, der in den n-Typ invertiert wurde und den ersten n-Kanal ausgebildet hat, während die Bedingung Vg1 = „+“ erfüllt wurde, zu einem p-Typ zurück. Folglich gibt es nicht länger einen Pfad für Elektronen, um von dem n-Emitter 203 zur n-Basis 201 zu fließen, so dass eine Injektion von Elektronen von der Emitterelektrode 211 in die n-Basis 201 gestoppt wird. Eine Vorwärts- bzw. Durchlassspannung an dem durch den p-Kollektor 204 und die n-Basis 201 gebildeten J1-Übergang wird somit entfernt, und eine Injektion von Löchern von der Kollektorelektrode 212 über den p-Kollektor 204 in die n-Basis 201 wird gestoppt.
  • Folglich wird eine Leistungsfähigkeitsmodulation der n-Basis 201 während einer Periode einer Ein-Operation eliminiert, und ein Widerstand der n-Basis 201 kehrt zu einem Zustand vor Auftreten der Leitfähigkeitsmodulation zurück. Darüber hinaus wird ein durch die p-Basis 202 und die n-Basis 201 gebildeter pn-Übergang wird (worauf im Folgenden auch als „J2-Übergang“ verwiesen wird), verarmt. Somit tritt der IGBT 200 in den Spannungssperrzustand (Aus-Zustand) ein, in welchem kein Strom von der Kollektorelektrode 212 zu der Emitterelektrode 211 unter der Bedingung Vce > 0 fließt.
  • Insbesondere wird in der Schaltoperation zum Ausschalten durch den IGBT 200, indem eine vorgeschriebene positive Spannung an die zweite Gateelektrode 214 auf der Kollektorseite unmittelbar vor oder im Wesentlichen gleichzeitig mit einem Stopp des Anlegens der positiven Spannung an die erste Gateelektrode 209 auf der Emitterseite angelegt wird, um dadurch den Bereich in der Umgebung der zweiten Gateelektrode 214 in den n-Typ zu invertieren, um einen zweiten n-Kanal auszubilden, ein Strompfad, der durch die n-Basis 201 - den zweiten n-Kanal - den n-Kollektor 205 definiert wird, ausgebildet. Folglich werden Elektronen von der n-Basis 201 zur Kollektorelektrode 212 emittiert, so dass eine Dichte von Elektronen in der n-Basis 201 zu sinken beginnt. Solch ein Absinken der Dichte von Elektronen schwächt die Durchlassspannung zum durch den p-Kollektor 204 und die n-Basis 201 gebildeten pn-Übergang (dem J1-Übergang), so dass eine Injektion von Löchern vom p-Kollektor 204 in die n-Basis 201 verringert wird.
  • Unter solch einer Bedingung kehrt, indem eine an die erste Gateelektrode 209 angelegte positive Spannung auf null Volt geschaltet wird, der zum n-Typ invertierte erste n-Kanal zum p-Typ zurück, und eine Injektion von Elektronen von der Emitterelektrode 211 stoppt. Andererseits entkommen in der n-Basis 201 akkumulierte Elektronen aus dem zweiten n-Kanal über den n-Kollektor 205 zur Kollektorelektrode 212. Ähnlich entkommen in der n-Basis 201 akkumulierte Löcher von der p-Basis 202 über den p-Emitter 206 zur Emitterelektrode 211. Aufgrund eines elektrischen Feldes der Verarmungsschicht, das durch eine Verarmung des durch die p-Basis 202 und n-Basis 201 gebildeten pn-Übergangs (J2-Übergangs) erzeugt wird, wird darüber hinaus eine Emission von in der n-Basis 201 akkumulierten Elektronen und Löchern zur Kollektorelektrode 212 und Emitterelektrode 211, die oben beschrieben wurde, beschleunigt.
  • Somit kann in der Ausschaltoperation ein Verlust beim Schaltvorgang zum Ausschalten durch einen Effekt einer Reduzierung der Zeit bis zum Verschwinden in der n-Basis 201 akkumulierter überschüssiger Ladungen reduziert werden, indem unmittelbar vor (oder im Wesentlichen gleichzeitig mit) einer Variation bzw. Änderung der ersten Gatespannung Vg1 auf der Emitterseite von „+“ zu „0“ die Gatespannung Vg2 auf der Kollektorseite auf Vg2 = „+“ gesetzt wird.
  • Indem man die erste Gatespannung Vg1 auf Vg1 = „0“ wie oben beschrieben setzt, tritt der IGBT 200 in den Aus-Zustand (Spannungssperrzustand) ein. Wenn die n-Basis 201 und die Kollektorelektrode 212 leitend gemacht werden, indem das zweite Gate im Ein-Zustand gehalten wird, indem eine positive Spannung an die zweite Gateelektrode 214 (Vg2 = „+“) während der Periode einer Aus-Operation des IGBT angelegt wird, kann der durch die p-Basis 202 und die n-Basis 201 gebildete pn-Übergang (J2-Übergang) als eine zwischen die Emitterelektrode 211 und die Kollektorelektrode 212 geschaltete Diode dienen. Deshalb kann der IGBT 200 mit der Struktur doppelseitiger Gates einen Pfad für einen Rückstrom ohne externes Verbinden einer Diode (FWD: Freilaufdiode) 400 wie im IGBT 200# im Vergleichsbeispiel sicherstellen.
  • Der IGBT mit der Struktur doppelseitiger Gates kann somit als ein Halbleiter-Schaltelement mit einer äquivalent eingebetteten FWD dienen, indem die erste Gatespannung Vg1 und zweite Gatespannung Vg2 gesteuert werden. Auf der anderen Seite ist eine Vielzahl von Steuerelektroden (Gates) vorgesehen. Wenn ein Arm durch einen IGBT 200 mit der Doppel-Gatestruktur implementiert ist, wenn zum Beispiel ein Inverter 50 implementiert wird, indem der IGBT 200 mit der Doppel-Gatestruktur anstelle des IGBT 200# mit einer Einzel-Gatestruktur im Leistungsumwandlungssystem in 1 verwendet wird, sollten daher Spezifikationen für eine elektrische Isolierung in der Ansteuerschaltung verschieden von jenen im Vergleichsbeispiel (2) bestimmt sein. Konkret sind derartige Isolierungsspezifikationen erforderlich, dass eine Vermeidung einer sekundären Zerstörung auf einer Seite der Ansteuerschaltung des IGBT 200 mit der Doppel-Gatestruktur trotz Anlegen einer hohen Spannung zur Zeit eines Auftretens eines anormalen Zustands an die Ansteuerschaltung und eine Zunahme der Herstellungskosten ausgewogen sind.
  • 5 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Ansteuerschaltung in einem Arm einer Phase gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. In 5 ist der Arm durch einen IGBT 200 mit der Doppel-Gatestruktur implementiert.
  • Bezug nehmend auf 5 implementieren ein IGBT 200P auf der Hochspannungsseite (der P-Seite oder der hohen Seite) und ein IGBT 200N auf der Niederspannungsseite (der N-Seite oder der niedrigen Seite) einen Arm, indem sie zwischen Stromleitungen PL und NL mit einem dazwischen angeordneten Ausgabeknoten No in Reihe geschaltet sind. Jeder der IGBTs 200P und 200N enthält einen Kollektor C (positive Elektrode) und einen Emitter E (negative Elektrode) als Hauptelektroden und ein erstes Gate G1 und ein zweites G2 als Steuerelektroden, wie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde.
  • Der Ausgabeknoten No ist zum Beispiel mit der Spulenwicklung 65 des Motors 60 wie in 2 verbunden. Daher kann der Mikrocomputer 90 einen Ein- und Aus-Befehl zum Ein- und Ausschalten des P-seitigen IGBT 200P und N-seitigen IGBT 200N in jedem Arm gemäß einer Steuerung eines Tastverhältnisses, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde, erzeugen.
  • Die Ansteuerschaltung 100P zum Ein- und Ausschalten des P-seitigen IGBT 200P als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl vom Mikrocomputer 90 enthält eine Ansteuerschaltungseinheit 100P-1, um das erste Gate G1 anzusteuern, und eine Ansteuerschaltungseinheit 100P-2, um das zweite Gate G2 anzusteuern. Die Ansteuerschaltungseinheit 100P-1 enthält eine Signalverarbeitungsschaltung 111P, eine Ausgabeschaltung 121P und eine Pegelverschiebungsschaltung 131P. Ähnlich enthält die Ansteuerschaltungseinheit 100P-2 eine Signalverarbeitungsschaltung 112P, eine Ausgabeschaltung 122P und eine Pegelverschiebungsschaltung 132P.
  • Die Signalverarbeitungsschaltung 111P gibt ein Impulssignal zum Steuern der ersten Gatespannung Vg1 des P-seitigen IGBT 200P ab. Das Impulssignal ist ein Binärsignal, um eine Periode, während der die Bedingung Vg1 = „+“ zu erfüllen ist, und eine Periode anzugeben, während der die Bedingung Vg1 = „0“ zu erfüllen ist, wie oben beschrieben wurde. Ähnlich gibt die Signalverarbeitungsschaltung 112P ein Impulssignal zum Steuern der zweiten Gatespannung Vg2 des P-seitigen IGBT 200P ab. Das Impulssignal ist ein Binärsignal, um eine Periode, während der die Bedingung Vg2 = „+“ zu erfüllen ist, und eine Periode anzugeben, während der die Bedingung Vg2 = „0“ zu erfüllen ist, wie oben beschrieben wurde.
  • Die Signalverarbeitungsschaltungen 111P und 112P erzeugen Impulssignale, die oben beschrieben wurden, um die erste Gatespannung Vg1 und die zweite Gatespannung Vg2 zu steuern, um den P-seitigen IGBT 200P als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl vom Mikrocomputer 90 ein- und auszuschalten. Eine Addition einer Totzeit, die oben beschrieben wurde, und eine Zeitsteuerungseinstellung zum Reduzieren eines Schaltverlusts oder einer Stoßspannung sind auf dem Impulssignal berücksichtigt.
  • Die von den Signalverarbeitungsschaltungen 111P und 112P abgegebenen Impulssignale werden zu den Ausgabeschaltungen 121P und 122P über die Pegelverschiebungsschaltungen 131P bzw. 132P übertragen. Die Ausgabeschaltung 121P betrachtet eine Spannung des Emitters (negative Elektrode) des P-seitigen IGBT 200P, das heißt des Ausgabeknotens No, als Referenzspannung und steuert die erste Gatespannung Vg1 bezüglich des Emitters des P-seitigen IGBT 200P auf „0“ oder „+“ gemäß einer Ausgabe von der Pegelverschiebungsschaltung 131P.
  • Die Ausgabeschaltung 122P betrachtet eine Spannung des Kollektors (positive Elektrode) des P-seitigen IGBT 200P, das heißt der Stromleitung PL, als Referenzspannung und steuert die zweite Gatespannung Vg2 bezüglich des Kollektors des P-seitigen IGBT 200P auf „0“ oder „+“ gemäß einer Ausgabe von der Pegelverschiebungsschaltung 132P.
  • Ähnlich enthält die Ansteuerschaltung 100N zum Ein- und Ausschalten des N-seitigen IGBT 200N als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl vom Mikrocomputer 90 eine Ansteuerschaltungseinheit 100N-1, um das erste Gate G1 anzusteuern, und eine Ansteuerschaltungseinheit 100N-2, um das zweite Gate G2 anzusteuern. Die Ansteuerschaltungseinheit 100N-1 enthält eine Signalverarbeitungsschaltung 111N, eine Ausgabeschaltung 121N und eine Pegelverschiebungsschaltung 131N. Ähnlich enthält die Ansteuerschaltungseinheit 100N-2 eine Signalverarbeitungsschaltung 112N, eine Ausgabeschaltung 122N und eine Pegelverschiebungsschaltung 132N.
  • Die Signalverarbeitungsschaltungen 111N und 112N geben Impulssignale zum Steuern der ersten Gatespannung Vg1 und der zweiten Gatespannung Vg2 des N-seitigen IGBT 200N ab. Die Impulssignale von den Signalverarbeitungsschaltungen 111N und 112N sind Binärsignale ähnlich den Impulssignalen von den Signalverarbeitungsschaltungen 111P und 112P. Die Signalverarbeitungsschaltungen 111N und 112N erzeugen die oben beschriebenen Impulssignale, um die erste Gatespannung Vg1 und die zweite Gatespannung Vg2 zu steuern, um den N-seitigen IGBT 200N als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl vom Mikrocomputer 90 ein- und auszuschalten, ähnlich den Signalverarbeitungsschaltungen 111P und 112P. Eine Addition einer Totzeit, die oben beschrieben wurde, und eine Zeitsteuerungseinstellung zum Reduzieren eines Schaltverlusts oder einer Stoßspannung sind auf dem Impulssignal berücksichtigt.
  • Die von den Signalverarbeitungsschaltungen 111N und 112N abgegebenen Impulssignale werden zu den Ausgabeschaltungen 121N und 122N über die Pegelverschiebungsschaltungen 131N bzw. 132N übertragen. Die Ausgabeschaltung 121N betrachtet eine Spannung des Emitters (negative Elektrode) des N-seitigen IGBT 200N, das heißt der Stromleitung NL, als Referenzspannung und steuert die erste Gatespannung Vg1 bezüglich des Emitters des N-seitigen IGBT 200N auf „0“ oder „+“ gemäß einer Ausgabe von der Pegelverschiebungsschaltung 131N.
  • Die Ausgabeschaltung 122N betrachtet eine Spannung des Kollektors (positive Elektrode) des N-seitigen IGBT 200N, das heißt des Ausgabeknotens No, als Referenzspannung und steuert die zweite Gatespannung Vg2 bezüglich des Kollektors des N-seitigen IGBT 200N auf „0“ oder „+“ gemäß einer Ausgabe von der Pegelverschiebungsschaltung 132N.
  • Auch in der Armkonfiguration in 5 ist eine Spannung des Ausgabeknotens No als Antwort auf ein Ein- und Ausschalten des P-seitigen IGBT 200P und des N-seitigen IGBT 200N die gleiche wie in 2. Daher wird eine Gatespannung, wobei die Stromversorgungsspannung Vcc als die Referenz definiert wird, an das zweite Gate G2 des P-seitigen IGBT 200P angelegt. Da die Gatespannung gesteuert wird, wobei der Ausgabeknoten No als die Referenz definiert wird, gibt es eine Periode, während der die Gatespannung, wobei die Stromversorgungsspannung Vcc als die Referenz definiert ist, an das erste Gate G1 des P-seitigen IGBT 200P und das zweite Gate G2 des N-seitigen IGBT 200N angelegt wird. Die Gatespannung Vg1 des N-seitigen IGBT 200N wird auf der anderen Seite mit einer Spannung (GND) des Emitters (negative Elektrode) erzeugt, der auf GND fixiert ist, das als die Referenz definiert wird.
  • Deshalb sind in der Armkonfiguration in 5 die Ausgabeschaltung 121P und Signalverarbeitungsschaltung 111P für das erste Gate G1 des P-seitigen IGBT 200P durch die Pegelverschiebungsschaltung 131P voneinander elektrisch isoliert, und die Ausgabeschaltung 122P und die Signalverarbeitungsschaltung 112P für das zweite Gate G2 sind durch die Pegelverschiebungsschaltung 132P voneinander elektrisch isoliert. Die Ausgabeschaltung 122N und die Signalverarbeitungsschaltung 112N für das zweite Gate G2 des N-seitigen IGBT 200N sind ebenfalls durch die Pegelverschiebungsschaltung 132N voneinander elektrisch isoliert. Die Pegelverschiebungsschaltung 131N, die zwischen die Ausgabeschaltung 121N und die Signalverarbeitungsschaltung 111N für das Gate G1 des N-seitigen IGBT 200N geschaltet ist, kann auf der anderen Seite so konfiguriert sein, dass sie keine Isolierungsstruktur enthält. In 5 ist eine Verbindung, über die ein Signal unter einer elektrischen Isolierung übertragen werden kann, mit einer Doppellinie bezeichnet, und eine elektrische Verbindung ist mit einer durchgezogenen Linie bezeichnet.
  • In 5 entspricht der P-seitige IGBT 200P einem Beispiel des „ersten Halbleiter-Schaltelements“, und der N-seitige IGBT 200N entspricht einem Beispiel des „zweiten Halbleiter-Schaltelements“. Der Kollektor des P-seitigen IGBT 200P, der dem „ersten Halbleiter-Schaltelement“ entspricht, entspricht einem Beispiel der „ersten positiven Elektrode“, der Emitter E entspricht einem Beispiel der „ersten negativen Elektrode“, das erste Gate G1 entspricht einem Beispiel der „ersten Steuerelektrode“, und das zweite Gate G2 entspricht einem Beispiel der „zweiten Steuerelektrode“. Ähnlich entspricht der Kollektor C des N-seitigen IGBT 200N, der dem „zweiten Halbleiter-Schaltelement“ entspricht, einem Beispiel der „zweiten positiven Elektrode“, entspricht der Emitter E einem Beispiel der „zweiten negativen Elektrode“, entspricht das erste Gate G1 einem Beispiel der „dritten Steuerelektrode“, und das zweite Gate G2 entspricht einem Beispiel der „vierten Steuerelektrode“.
  • Die Ansteuerschaltung 100P des P-seitigen IGBT 200P entspricht einem Beispiel der „ersten Ansteuerschaltung“, die Ansteuerschaltungseinheit 100P-1 entspricht einem Beispiel der „ersten Ansteuerschaltungseinheit“, und die Ansteuerschaltungseinheit 100P-2 entspricht einem Beispiel der „zweiten Ansteuerschaltungseinheit“. Ähnlich entspricht die Ansteuerschaltung 100N des N-seitigen IGBT 200N einem Beispiel der „zweiten Ansteuerschaltung“, entspricht die Ansteuerschaltungseinheit 100N-1 einem Beispiel der „dritten Ansteuerschaltungseinheit“ und entspricht die Ansteuerschaltungseinheit 100N-2 einem Beispiel der „vierten Ansteuerschaltungseinheit“.
  • 6 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration der in 5 gezeigten Pegelverschiebungsschaltung veranschaulicht.
  • Bezug nehmend auf 6 enthält jede der Pegelverschiebungsschaltungen 131P, 132P und 132N eine DC-Stromversorgung 140, eine Diode 141, einen Kondensator 142, ein Widerstandselement 143 und einen NMOS-Transistor 145. 6 veranschaulicht typischerweise eine Schaltungskonfiguration der Pegelverschiebungsschaltung 132P.
  • Die DC-Stromversorgung 140 und die Diode 141 sind zwischen die Stromleitung NL (GND) auf der Niederspannungsseite und einen Knoten N1 in Reihe geschaltet. Die negative Elektrode der DC-Stromversorgung 140 ist mit der Stromleitung NL elektrisch verbunden, und die Diode 141 ist mit einer Richtung von der positiven Elektrode der DC-Stromversorgung 140 in Richtung des Knotens N1, die als eine Vorwärts- bzw. Durchlassrichtung definiert ist, verbunden. Die DC-Stromversorgung 140 gibt eine DC-Spannung Vdd ab, die höher als die Schwellenspannung Vt des IGBT 200 ist. Wie oben beschrieben wurde, ist die DC-Spannung Vdd allgemein auf 15 bis 16 (V) gesetzt. Der Kondensator 142 ist zwischen den Knoten N1 und die Stromleitung PL auf der Hochspannungsseite geschaltet.
  • Das Widerstandselement 143 ist zwischen einen Eingangsknoten Ndy der Ausgabeschaltung 122P und den Knoten N1 geschaltet. Der NMOS-Transistor 145 ist zwischen die Stromleitung NL (GLD) auf der Niederspannungsseite und den Eingabeknoten Ndy elektrisch geschaltet. Der NMOS-Transistor 145 weist nämlich eine mit der Stromleitung NL (GLD) verbundene Source (S) und einen mit dem Eingabeknoten Ndy verbundenen Drain (D) auf. Ein Gate (G) des NMOS-Transistors 145 empfängt eine Eingabe eines von der Signalverarbeitungsschaltung 112P abgegebenen Impulssignals Spl.
  • 7 zeigt eine konzeptionelle Querschnittsansicht des NMOS-Transistors 145.
  • Bezug nehmend auf 7 enthält der NMOS-Transistor 145 Bereiche 147 und 148 vom n-Typ und eine auf einem Bereich 146 vom p-Typ ausgebildete Gateelektrode 149. Der Bereich 147 vom n-Typ ist mit der Stromleitung NL elektrisch verbunden und dient als die Source (S). Der Bereich 148 vom n-Typ ist mit dem Eingabeknoten Ndy der Ausgabeschaltung 122P verbunden und mit dem Knoten N1 verbunden, wobei das Widerstandselement 143 dazwischen angeordnet ist. Der Bereich 148 vom n-Typ dient als der Drain (D). Die Gateelektrode 149 ist auf einem Kanalbereich ausgebildet, der zwischen den Bereichen 147 und 148 vom n-Typ ausgebildet ist, wobei dazwischen ein Gate-Isolierfilm angeordnet ist. Die Gateelektrode 149 empfängt eine Eingabe eines von der Signalverarbeitungsschaltung 112P abgegebenen Impulssignals Spl.
  • Da der NMOS-Transistor 145 ausgeschaltet ist, während ein Impulssignal Spl, das ein Binärsignal repräsentiert, bei einem logischen niedrigen Pegel (im Folgenden einfach der „L-Pegel“) liegt, wird die DC-Spannung Vdd von der DC-Stromversorgung 140 über die Diode 141 und das Widerstandselement 143 in den Eingabeknoten Ndy der Ausgabeschaltung 122P eingespeist. Die Ausgabeschaltung 122P steuert somit das zweite Gate G2 auf eine Spannung, die als eine Summe der Spannung der Stromleitung PL (Stromversorgungsspannung Vcc), die als die Referenzspannung definiert ist, und Vdd (V) berechnet wird. Ein Zustand, in dem die zweite Gatespannung Vg2 auf Vg2 = „+“ gesetzt ist, kann somit eingerichtet werden.
  • Da der NMOS-Transistor 145 eingeschaltet ist, während das Impulssignal Spl bei einem logischen hohen Pegel (im Folgenden einfach der „H-Pegel“) liegt, wird eine Leitung zwischen dem Eingabeknoten Ndy der Ausgabeschaltung 122P und der Stromleitung NL auf der Niederspannungsseite erreicht. Folglich wird GND in die Ausgabeschaltung 122P eingespeist, und die Ausgabeschaltung 122P steuert das zweite Gate G2 auf eine Spannung, die als die Spannung der Stromleitung PL (Stromversorgungsspannung Vcc) berechnet wird, die als eine Summe der Referenzspannung und 0 (V) definiert ist. Ein Zustand, in dem die zweite Gatespannung Vg2 auf Vg2 = „0“ gesetzt ist, kann somit erreicht werden.
  • Im NMOS-Transistor 145 bilden der Bereich 146 vom p-Typ und der Bereich 148 vom n-Typ einen pn-Übergang (einen J0-Übergang). Selbst wenn zu der Zeit eines Auftretens einer anormalen Bedingung eine hohe Spannung von der Ausgabeschaltung 122P an den NMOS-Transistor 145 angelegt wird, kann eine Stehspannung durch Polung des J0-Übergangs in Sperrrichtung eine Übertragung der hohen Spannung zum Bereich 146 vom p-Typ verhindern. Eine sekundäre Zerstörung durch Anlegen einer hohen Spannung an die Signalverarbeitungsschaltung 112P mit einer Zerstörung eines Gate-Isolierfilms kann somit verhindert werden. Der pn-Übergang (J0-Übergang) des NMOS-Transistors 145 kann nämlich die Ausgabeschaltung 122P und die Signalverarbeitungsschaltung 112P elektrisch voneinander isolieren und trennen. Somit entspricht der J0-Übergang einem Beispiel des „pn-Übergangs eines Halbleiterelements“, um die „Isolierungsstruktur“ zu implementieren, und der NMOS-Transistor 145 entspricht einem Beispiel des „Feldeffekttransistors“.
  • Wieder auf 6 Bezug nehmend ist die mit dem ersten Gate G1 des P-seitigen IGBT 200P verbundene Ausgabeschaltung 121P mit der Signalverarbeitungsschaltung 111P verbunden, wobei die Pegelverschiebungsschaltung 131P, die ähnlich der Pegelverschiebungsschaltung 132P konfiguriert ist, dazwischen angeordnet ist. Deshalb kann für die Ausgabeschaltung 121P ebenfalls eine erste Gatespannung Vg1 auf Vg1 = „+“ oder „0“, wobei eine Spannung des Emitters des P-seitigen IGBT 200P (das heißt, eine Spannung des Ausgabeknotens No) als die Referenz definiert wird, gemäß einem Impulssignal von der Signalverarbeitungsschaltung 111P gesteuert werden.
  • Ähnlich ist die mit dem zweiten Gate G2 des N-seitigen IGBT 200N verbundene Ausgabeschaltung 122N mit der Signalverarbeitungsschaltung 112N verbunden, wobei die Pegelverschiebungsschaltung 132N, die ähnlich der Pegelverschiebungsschaltung 132P konfiguriert ist, dazwischen angeordnet ist. Deshalb kann die Ausgabeschaltung 122N die zweite Gatespannung Vg2 auf Vg2 = „+“ oder „0“, wobei eine Spannung des Kollektors des N-seitigen IGBT 200N (das heißt, eine Spannung des Ausgabeknotens No) als die Referenz definiert wird, gemäß einem Impulssignal von der Signalverarbeitungsschaltung 112N gesteuert werden.
  • Der Kondensator 142 in jeder der Pegelverschiebungsschaltungen 131P und 132N ist zwischen den Ausgabeknoten N0 und den Knoten N1 geschaltet. Der pn-Übergang (der J0-Übergang in 7) in dem NMOS-Transistor 145, ebenfalls in jedem der Pegelverschiebungsschaltungen 131P und 132N, isoliert und trennt die Ausgabeschaltung 121P und die Signalverarbeitungsschaltung 111P elektrisch voneinander und isoliert und trennt die Ausgabeschaltung 122N und Signalverarbeitungsschaltung 111N elektrisch voneinander.
  • Da der Emitter des N-seitigen IGBT 200N geerdet ist und dessen Spannung stabil ist, ist es nicht besonders erforderlich, eine Isolierungsstruktur zwischen der Ausgabeschaltung 121N und der Signalverarbeitungsschaltung 111N zum Bereitstellen einer Gatespannung vorzusehen, wobei die Emitterspannung als die Referenz definiert ist. Daher verbindet die Pegelverschiebungsschaltung 131N die Signalverarbeitungsschaltung 111N und die Ausgabeschaltung 121N ohne eine Isolierungsstruktur elektrisch miteinander.
  • Die Pegelverschiebungsschaltung 131N, die keine Isolierungsstruktur enthält, kann beispielsweise durch Widerstandselemente 161 und 162 implementiert sein. Das Widerstandselement 161 ist zwischen einen Ausgabeknoten der Signalverarbeitungsschaltung 111N und einen Knoten N2 geschaltet. Das Widerstandselement 162 ist zwischen den Knoten N2 und die Stromleitung NL (GND) geschaltet. Der Knoten N2 ist mit dem Eingabeknoten Ndy der Ausgabeschaltung 121 verbunden. Folglich wird ein Binärspannungssignal (bei dem H-Pegel oder dem L-Pegel), das aus einer Spannungsteilung eines von der Signalverarbeitungsschaltung 111N abgegebenen Impulssignals durch die Widerstandselemente 161 und 162 resultiert, in den Eingabeknoten Ndy der Ausgabeschaltung 121 eingespeist.
  • Wenn beispielsweise das Impulssignal bei dem H-Pegel liegt, steuert die Ausgabeschaltung 121N das erste Gate G1 des N-seitigen IGBT 200N auf eine Spannung, die als eine Summe der Erdungsspannung GND, die als die Referenzspannung definiert ist, und Vdd (V) berechnet wird. Folglich kann ein Zustand, in dem die erste Gatespannung Vg1 auf Vg1 = „+“ gesetzt ist, eingerichtet werden. Wenn im Gegensatz dazu das Impulssignal bei dem L-Pegel liegt, steuert die Ausgabeschaltung 121N das erste Gate G1 des N-seitigen IGBT 200N auf die Erdungsspannung GND.
  • Folglich sind gemäß der Konfiguration der Ansteuerschaltung in der Armkonfiguration gemäß der ersten Ausführungsform, dargestellt in 5 und 6, in den Ansteuerschaltungseinheiten für sowohl das erste Gate G1 als auch das zweite Gate G2 des P-seitigen IGBT 200P und das zweite Gate G2 des N-seitigen IGBT 200N, an die die Stromversorgungsspannung Vcc der Stromleitung PL auf der Hochspannungsseite angelegt werden kann, die Signalverarbeitungsschaltungen 111P, 112P und 112N von den Ausgabeschaltungen 121P, 122P und 122N durch die Pegelverschiebungsschaltungen 131P, 132P bzw. 132N, die mit den Isolierungsstrukturen versehen sind, elektrisch isoliert und getrennt.
  • Daher können, selbst wenn zur Zeit eines Auftretens einer anormalen Bedingung in den IGBTs 200P und 200N mit der Doppel-Gatestruktur die Stromversorgungsspannung Vcc zu den Ausgabeschaltungen 121P, 122P und 122N übertragen wird, die Isolierung und Trennung verhindern, dass die Stromversorgungsspannung zu den Signalverarbeitungsschaltungen 111P, 112P und 112N übertragen wird. Folglich kann eine sekundäre Zerstörung der Signalverarbeitungsschaltungen 111P, 112P und 112N vermieden werden.
  • Die Pegelverschiebungsschaltung 131N, die so konfiguriert ist, dass sie kein Isolierungselement enthält, ist zwischen die Ausgabeschaltung 121N und die Signalverarbeitungsschaltung 111N für das erste Gate G1 des N-seitigen IGBT 200N geschaltet, welche eine Gatespannung bereitstellt, wobei die Erdungsspannung GND als die Referenz definiert wird. Folglich können Herstellungskosten durch Minimieren der Isolierungsstruktur gedrückt werden.
  • Durch Implementieren einer Isolierungsstruktur in jeder der Pegelverschiebungsschaltungen 131P, 132P und 132N basierend auf Spannungssperrcharakteristiken eines pn-Übergangs in einem Halbleiterelement wie etwa einem NMOS-Transistor kann die Isolierungsstruktur in einer Halbleitervorrichtung wie einer integrierten Schaltung (IC) leicht integriert werden. Folglich kann eine Pegelverschiebungsschaltung, die eine Isolierung und Trennung zwischen einer Signalverarbeitungsschaltung und einer Ausgabeschaltung kostengünstig sicherstellt, durch eine Stromversorgung mit niedriger Spannung betrieben werden.
  • Da in der Konfiguration in 6 der Emitter (negative Elektrode) des P-seitigen IGBT 200P im Potential gleich dem Kollektor (positive Elektrode) des N-seitigen IGBT 200N ist, ist es schwierig, eine Isolierung und Trennung zwischen der Ausgabeschaltung 121P für das erste Gate G1 des P-seitigen IGBT 200P und der Ausgabeschaltung 122N für das zweite Gate G2 des N-seitigen IGBT 200N selbst durch Vorsehen einer Isolierungsstruktur dazwischen zu erreichen.
  • In der Konfiguration in 6 jedoch kann durch Anordnen der Pegelverschiebungsschaltungen 131P und 132N der NMOS-Transistor 145 die Signalverarbeitungsschaltung 111P und Ausgabeschaltung 121P voneinander isolieren und trennen und die Signalverarbeitungsschaltung 112N und die Ausgabeschaltung 122N voneinander isolieren und trennen, wie oben beschrieben wurde, und zusätzlich kann eine eine Sperrspannung blockierende Funktion der Diode 141 die Ausgabeschaltung 122N und die Signalverarbeitungsschaltung 111P elektrisch voneinander isolieren und trennen und die Ausgabeschaltung 121P und Signalverarbeitungsschaltung 112N voneinander elektrisch isolieren und trennen. Der Kondensator 142 in jeder der Pegelverschiebungsschaltungen 131P und 132N kann einen Ansteuerteilbereich (Ansteuerschaltungseinheit 100P-1 in 5) für das erste Gate G1 des P-seitigen IGBT 200P und einen Ansteuerteilbereich (Ansteuerschaltungseinheit 100N-2 in 5) für das zweite Gate G2 des N-seitigen IGBT 200N teilweise voneinander elektrisch trennen.
  • Folglich kann die Isolierungsstruktur vorgesehen werden, so dass eine Schädigung im P-seitigen IGBT 200P (hauptsächlich eine Erzeugung einer hohen Spannung) den Ansteuerteilbereich (Ansteuerschaltungseinheit 100N-2 in 5) für das zweite Gate G2 des N-seitigen IGBT 200N nicht beeinflusst oder so dass eine Schädigung in dem N-seitigen IGBT 200N (hauptsächlich eine Erzeugung einer hohen Spannung) den Ansteuerteilbereich (Ansteuerschaltungseinheit 100P-1 in 5) für das erste Gate G1 des P-seitigen IGBT 200P im Gegensatz dazu nicht beeinflusst.
  • Obwohl die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung als Komponenten zwei Ansteuerschaltungen (zum Beispiel die Ansteuerschaltungen 100P und 100N in 5) für zwei Halbleiter-Schaltelemente (zum Beispiel den P-seitigen IGBT 200P und N-seitigen IGBT 200N in 5) enthält, welche einen Arm bilden, können die beiden Ansteuerschaltung miteinander integriert oder voneinander getrennt sein. Jede Ansteuerschaltung kann modularisiert werden, indem sie mit einem entsprechenden Halbleiter-Schaltelement integriert wird. Alternativ dazu können zwei Halbleiter-Schaltelemente und zwei Ansteuerschaltungen zum Implementieren eines Arms in einem identischen Modul als die integrierte Struktur (das heißt, ein einziges Modul) enthalten sein.
  • Modifikation der ersten Ausführungsform
  • Eine Modifikation einer Konfiguration der Pegelverschiebungsschaltung wird in einer Modifikation der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • 8 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine erste beispielhafte Konfiguration der Pegelverschiebungsschaltung gemäß der Modifikation der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
  • Basierend auf einem Vergleich von 8 mit 6 ist in der ersten beispielhaften Konfiguration der Pegelverschiebungsschaltung gemäß der Modifikation der ersten Ausführungsform die Pegelverschiebungsschaltung 131N, die zwischen die Signalverarbeitungsschaltung 111N und die Ausgabeschaltung 121N für das erste Gate G1 des N-seitigen IGBT 200N geschaltet ist, in der Schaltungskonfiguration die gleiche wie die anderen Pegelverschiebungsschaltungen 131P, 132P und 132N.
  • Konkret enthält die Pegelverschiebungsschaltung 131N die DC-Stromversorgung 140, die Diode 141, den Kondensator 142, das Widerstandselement 143 und den NMOS-Transistor 145. Der Kondensator 142 ist zwischen den Knoten N1 und die Stromleitung NL auf der Niederspannungsseite geschaltet.
  • Gemäß der Konfiguration in 8 steigen die Herstellungskosten aufgrund der Zunahme der Anzahl von Isolierungsstrukturen, wohingegen die Pegelverschiebungsschaltungen 131P, 132P, 131N und 132N in der Schaltungskonfiguration zueinander identisch sind. Daher kann eine Konfiguration zum Ansteuern von Gates zwischen dem P-seitigen IGBT 200P und dem N-seitigen IGBT 200N und zwischen dem ersten Gate und dem zweiten Gate gemeinsam vorliegen. Die in 5 gezeigten Ansteuerschaltungseinheiten 100P-1, 100P-2, 100N-1 und 100N-2 können nämlich unter den gleichen Spezifikationen hergestellt werden. Die Herstellungskosten können unter dem Aspekt eines gemeinsamen Entwurfs und gemeinsamer Teile reduziert werden. Während der Herstellung können auch Fehler in Operationen zum Anbringen einer Ansteuerschaltungseinheit unterdrückt werden.
  • 9 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine zweite beispielhafte Konfiguration der Pegelverschiebungsschaltung gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
  • Bezug nehmend auf 9 ist in der zweiten beispielhaften Konfiguration der Pegelverschiebungsschaltung gemäß der Modifikation der ersten Ausführungsform die dem zweiten Gate G2 des P-seitigen IGBT 200P entsprechende Pegelverschiebungsschaltung 132P so konfiguriert, dass sie eine höhere Spannung einer Durchschlagsfestigkeit als die anderen Pegelverschiebungsschaltungen 131P und 132N aufweist.
  • Beispielsweise enthält die Pegelverschiebungsschaltung 132P ferner zusätzlich zu der DC-Stromversorgung 140, der Diode 141, dem Kondensator 142, dem Widerstandselement 143 und dem NMOS-Transistor 145, wie in den Pegelverschiebungsschaltungen 131P und 132N, eine DC-Stromversorgung 150, eine Diode 151, ein Widerstandselement 152 und einen Fotokoppler 160. Das von der Signalverarbeitungsschaltung 112 abgegebene Impulssignal Spl wird in den Fotokoppler 160 eingespeist, der ein Isolierungselement repräsentiert.
  • Die DC-Stromversorgung 150, die Diode 151 und das Widerstandselement 152 ermöglichen eine Bereitstellung einer Vorspannung, um den NMOS-Transistor 145 auf normalerweise einen Ein-Zustand zu setzen, an dem Gate des NMOS-Transistors 145. Das Gate des NMOS-Transistors 145 ist ferner mit der Stromleitung NL (GND) auf der Niederspannungsseite verbunden, wobei der Fotokoppler 160 dazwischen angeordnet ist.
  • Da das Gate des NMOS-Transistors 145 von der Stromleitung NL während einer L-Pegel-Periode des Impulssignals Spl getrennt ist, wird daher die Erdungsspannung GND in die Ausgabeschaltung 122P eingespeist, während der NMOS-Transistor 145 eingeschaltet ist. Folglich wird die zweite Gatespannung Vg2 des P-seitigen IGBT 200P auf Vg2 = „0“ gesteuert.
  • Während einer H-Pegel-Periode des Impulssignals Spl ist auf der anderen Seite das Gate des NMOS-Transistors 145 mit der Stromleitung NL verbunden. Der NMOS-Transistor 145 ist somit ausgeschaltet. Da die DC-Spannung Vdd von der DC-Stromversorgung 140 somit in die Ausgabeschaltung 122P eingespeist wird, wird die zweite Gatespannung Vg2 des P-seitigen IGBT 200P auf Vg2 = „+“ gesteuert.
  • Indem man eine Polarität (den H-Pegel/den L-Pegel) des Impulssignals Spl von der Signalverarbeitungsschaltung 112P gegenüber der Polarität in der beispielhaften Konfiguration in 6 invertiert, kann folglich die zweite Gatespannung Vg2 des P-seitigen IGBT 200P gesteuert werden, wie unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wurde. Alternativ dazu kann eine ähnliche Operation auch durchgeführt werden, indem ein Impulssignal wie in der beispielhaften Konfiguration in 6 invertiert und das Impulssignal in den Fotokoppler 160 eingespeist wird.
  • Die Stromversorgungsspannung Vcc der Stromleitung PL wird durch eine Variation in der Ausgabe von einem AC/DC-Wandler 20 (1), eine Überlagerung einer Rauschspannung und eine Überlagerung einer Stoßspannung variiert bzw. geändert, die durch eine Schaltoperation eines IGBT in einem anderen Arm hervorgerufen werden. Eine Variation bzw. Änderung in der Stromversorgungsspannung Vcc ändert auch eine Referenzspannung für die zweite Gatespannung des P-seitigen IGBT 200P.
  • Eine Änderung in der Stromversorgungsspannung Vcc pflanzt sich als Änderung in der Spannung des Ausgabeknotens No durch Einschalten des P-seitigen IGBT 200P fort. Folglich werden die Referenzspannung für die erste Gatespannung des P-seitigen IGBT 200P und die Referenzspannung für das zweite Gate des N-seitigen IGBT 200N ebenfalls geändert. Eine Spannungsänderung am Ausgabeknoten No ist jedoch geringer als eine Variation in der Stromversorgungsspannung Vcc unter Einfluss durch eine Spannungsabsenkung im P-seitigen IGBT 200P im Ein-Zustand.
  • Daher sollte in einem tatsächlichen Betrieb des durch den IGBT 200 mit der Doppel-Gatestruktur implementierten Arms, eine hohe Spannung in der Ansteuerschaltung für das zweite Gate G2 des P-seitigen IGBT 200P als vielmehr in der Ansteuerschaltung für das zweite Gate G2 des N-seitigen IGBT 200N isoliert sein.
  • In der beispielhaften Konfiguration in 8 isoliert und trennt, indem ferner der Fotokoppler 160 angeordnet wird, das heißt, indem eine Vielzahl von Isolierungselementen zusätzlich zu dem pn-Übergang (7) des NMOS-Transistors 145 angeordnet wird, die Pegelverschiebungsschaltung 132P, die mit dem zweiten Gate G2 des P-seitigen IGBT 200P verbunden ist, die Ausgabeschaltung 122P und Signalverarbeitungsschaltung 112P elektrisch voneinander. Die anderen Pegelverschiebungsschaltungen 131P und 132N isolieren und trennen die Ausgabeschaltungen 121P und 122N und die Signalverarbeitungsschaltungen 111P und 112N mittels des pn-Übergangs (7) des NMOS-Transistors 145 elektrisch voneinander.
  • Deshalb ist eine Isolierungsleistung (das heißt, eine Spannungssperrfähigkeit) der mit dem zweiten Gate G2 des P-seitigen IGBT 200P verbundenen Pegelverschiebungsschaltung 132P höher als diejenige einer anderen Pegelverschiebungsschaltung, insbesondere der Pegelverschiebungsschaltung 132N, die mit dem zweiten Gate G2 des N-seitigen IGBT 200N verbunden ist. Der durch den IGBT 200 mit der Doppel-Gatestruktur implementierte Arm kann somit trotz einer Variation in der Stromversorgungsspannung Vcc stabil betrieben werden.
  • Die Isolierungsleistung der Pegelverschiebungsschaltung 132P kann auch gesteigert werden, indem anstelle des Fotokopplers 160 in der beispielhaften Konfiguration in 9 ein anderes Isolierungselement wie etwa ein Impulstransformator angeordnet wird. Die Konfiguration zum Steigern der Isolierungsleistung in der Pegelverschiebungsschaltung 132P ist nicht wie in 8 veranschaulicht eingeschränkt.
  • In der Konfiguration in 9 kann wie in 8 die Pegelverschiebungsschaltung 131N des N-seitigen IGBT 200N auch den Pegelverschiebungsschaltungen 131P und 132N in der Schaltungskonfiguration identisch sein.
  • Zweite Ausführungsform
  • In Verbindung mit einer Ansteuerschaltung für den IGBT 200 mit der Doppel-Gatestruktur nimmt die Anzahl von Schaltungen im Verhältnis zur Zunahme der Anzahl von Gateelektroden ebenfalls zu, und daher bestehen Bedenken hinsichtlich einer Zunahme der Herstellungskosten. Eine gemeinsam genutzte Konfiguration, die auf einer Kombination mit der ersten Ausführungsform oder deren Modifikation basiert, wird in einer zweiten Ausführungsform beschrieben.
  • 10 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration zur gemeinsamen Nutzung einer Taktschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
  • Bezug nehmend auf 10 wird eine Taktschaltung 118 unter einer Vielzahl von Signalverarbeitungsschaltungen 111P, 112P, 111N und 112N, die entsprechend den ersten Gates G1 und zweiten Gates G2 von zwei IGBTs 200 angeordnet sind, welche einen Arm bilden, gemeinsam genutzt. Ein Taktsignal CLK von der Taktschaltung 118 wird gemeinsam in die Signalverarbeitungsschaltungen 111P, 112P, 111N und 112N eingespeist.
  • 11 ist ein konzeptionelles Wellenformdiagramm, um eine beispielhafte Steuerung einer Gatespannung durch eine Signalverarbeitungsschaltung unter Verwendung des Taktsignals CLK zu veranschaulichen.
  • Bezug nehmend auf 11 ändert beispielsweise, wenn ein Signal Sigbt, das einen Ein- und Aus-Befehl vom Mikrocomputer 90 repräsentiert, ein Einschalten eines P-seitigen IGBT 200P angibt, die Signalverarbeitungsschaltung 111P ein Impulssignal Spl1 von dem L-Pegel zum H-Pegel, um die erste Gatespannung Vg1 von „+“ zu „0“ zu ändern. Die Signalverarbeitungsschaltung 112P auf der anderen Seite ändert ein Impulssignal Spl2 von dem H-Pegel zum L-Pegel, um die zweite Gatespannung Vg2 von „0“ zu „+“ zu ändern.
  • Um einen Schaltverlust durch schnelles Einschalten des in 3 gezeigten IGBT 200 wie oben beschrieben zu verringern, wird die zweite Gatespannung Vg2 unmittelbar vor einer Änderung der ersten Gatespannung Vg1 von „0“ zu „+“ vorzugsweise von „+“ zu „0“ geändert.
  • Wird der Zeitpunkt t0 einer Änderung im Signalpegel von Sigbt als Startpunkt definiert, ändert daher die Signalverarbeitungsschaltung 112P das Impulssignal Spl2 nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitraums Td1 vom H-Pegel zum L-Pegel. Die Signalverarbeitungsschaltung 111P kann die bevorzugte Schaltoperation zum Ausschalten, die oben beschrieben wurde, durchführen, indem das Impulssignal Spl1 nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitraums Td2 (Td2 > Td1) seit t0 vom L-Pegel zum H-Pegel geändert wird. Die Signalverarbeitungsschaltungen 111P und 112P können einen Ablauf der Zeitspannen Td1 und Td2 erfassen, indem die verstrichene Zeit in die Anzahl von Perioden des gemeinsamen Taktsignals CLK von der Taktschaltung 118 umgewandelt wird. Ähnlich können die Signalverarbeitungsschaltungen 111P, 112P, 111N und 112N eine Länge einer Totzeit unter Verwendung des Taktsignals CLK einrichten.
  • Deshalb können durch eine gemeinsame Nutzung der Taktschaltung 118 unter den Signalverarbeitungsschaltungen 111P, 112P, 111N und 112N Herstellungskoten gedrückt werden, und durch Verwendung eines gemeinsamen Taktsignals kann eine Genauigkeit in einer Einstellung der Zeitsteuerung in der Gatespannungssteuerung verbessert werden.
  • 12 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration zur gemeinsamen Nutzung einer Stromversorgungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
  • Bezug nehmend auf 12 wird eine Stromversorgungsschaltung 119 unter einer Vielzahl von Signalverarbeitungsschaltungen 111P, 112P, 111N und 112N gemeinsam genutzt, die entsprechend ersten Gates G1 und zweiten Gates G2 von zwei IGBTs 200 angeordnet sind, welche einen Arm implementieren. Die Signalverarbeitungsschaltungen 111P, 112P, 111N und 112N werden von der gemeinsamen Stromversorgungsschaltung 119 mit einer Betriebs-Stromversorgungsspannung Vb versorgt.
  • Gemäß solch einer Konfiguration wird verglichen mit der Konfiguration, in der jede der Signalverarbeitungsschaltungen 111P, 112P, 111N und 112N eine Betriebs-Stromversorgungsspannung Vb erzeugt, die Anzahl angeordneter Stromversorgungsschaltungen 119 reduziert, und daher können Herstellungskosten gedrückt werden.
  • Die in der zweiten Ausführungsform beschriebene gemeinsam genutzte Konfiguration kann mit der ersten Ausführungsform oder deren Modifikation kombiniert werden.
  • Zur Bestätigung wird angemerkt, dass die Konfiguration der Ansteuerschaltung für den IGBT mit der Doppel-Gatestruktur, die in der ersten Ausführungsform und deren Modifikation und der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde, nicht auf diejenige für den IGBT 200 mit der Struktur doppelseitiger Gates, die in 4 veranschaulicht ist, beschränkt ist, sondern gemeinsam für den IGBT mit der Doppel-Gatestruktur wie in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 2002-100971 und eine Armkonfiguration verwendbar ist, die durch ein Halbleiter-Schaltelement vom Typ mit Gatespannungsansteuerung implementiert wird, das durch einen IGBT repräsentiert wird, der eine Vielzahl von Steuerelektroden (Gates) enthält.
  • Obgleich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, sollte es sich verstehen, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen in jeder Hinsicht veranschaulichend und nicht beschränkend sind. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist durch die Begriffe der Ansprüche definiert und soll jegliche Modifikationen innerhalb des Umfangs und der Bedeutung, die den Begriffen der Ansprüche äquivalent sind, einschließen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2002 [0002]
    • JP 100971 [0002]
    • JP 2002100971 [0002, 0005, 0129]

Claims (10)

  1. Halbleitervorrichtung, welche in Reihe geschaltete, erste und zweite Halbleiter-Schaltelemente (200P, 200N) ansteuert, wobei die Halbleitervorrichtung umfasst: eine erste Ansteuerschaltung (100P), die dafür konfiguriert ist, einen Ein- und Aus-Zustand des ersten Halbleiter-Schaltelements (200P) zu steuern; und eine zweite Ansteuerschaltung (100N), die dafür konfiguriert ist, einen Ein- und Aus-Zustand des zweiten Halbleiter-Schaltelements (200N) zu steuern, wobei das erste Halbleiter-Schaltelement eine erste positive Elektrode (C) und eine erste negative Elektrode (E) als Hauptelektroden und erste und zweite Steuerelektroden (G1, G2) enthält, das zweite Halbleiter-Schaltelement eine zweite positive Elektrode (C) und eine zweite negative Elektrode (E) als Hauptelektroden und dritte und vierte Steuerelektroden (G1, G2) enthält, wobei die zweite positive Elektrode mit der ersten negativen Elektrode elektrisch verbunden ist, die erste Ansteuerschaltung umfasst eine erste Ansteuerschaltungseinheit (100P-1), die dafür konfiguriert ist, eine Spannung der ersten Steuerelektrode (G1) bezüglich der ersten negativen Elektrode zu steuern, und eine zweite Ansteuerschaltungseinheit (100P-2), die dafür konfiguriert ist, eine Spannung der zweiten Steuerelektrode (G2) bezüglich der ersten positiven Elektrode zu steuern, die zweite Ansteuerschaltung umfasst eine dritte Ansteuerschaltungseinheit (100N-1), die dafür konfiguriert ist, eine Spannung der dritten Steuerelektrode (G1) bezüglich der zweiten negativen Elektrode zu steuern, und eine vierte Ansteuerschaltungseinheit (100N-2), dafür konfiguriert ist, eine Spannung der vierten Steuerelektrode (G2) bezüglich der zweiten positiven Elektrode zu steuern, jede der ersten bis vierten Ansteuerschaltungseinheiten umfasst eine Signalverarbeitungsschaltung (111P, 112P, 111N, 112N), die dafür konfiguriert ist, ein Impulssignal (Spl), das als ein Spannungsbefehl für eine entsprechende Steuerelektrode der ersten bis vierten Steuerelektroden dient, als Antwort auf einen Ein- und Aus-Befehl abzugeben, um die ersten und zweiten Halbleiter-Schaltelemente ein- und auszuschalten, und eine Ausgabeschaltung (121P, 121N, 122P, 122N), die dafür konfiguriert ist, eine Spannung der entsprechenden Steuerelektrode bezüglich einer entsprechenden Hauptelektrode der ersten und zweiten positiven Elektroden und der ersten und zweiten negativen Elektroden als Antwort auf das Impulssignal von der Signalverarbeitungsschaltung anzusteuern, und jede der ersten, zweiten und vierten Ansteuerschaltungseinheiten (100P-1, 100P-2, 100N-2) dafür konfiguriert ist, das Impulssignal von der Signalverarbeitungsschaltung durch eine Isolierungsstruktur zur Ausgabeschaltung zu übertragen.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Isolierungsstruktur durch einen pn-Übergang (J0) eines Halbleiterelements implementiert ist, das einen Bereich (148) vom n-Typ enthält, der mit der Ausgabeschaltung (121P, 122P, 122N) elektrisch verbunden ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei jede der ersten, zweiten und vierten Ansteuerschaltungseinheiten (100P-1, 100P-2, 100N-2) eine Pegelverschiebungsschaltung (131P, 132P, 132N) enthält, die zwischen die Signalverarbeitungsschaltung (111P, 112P, 112N) und die Ausgabeschaltung (121P, 122P, 122N) geschaltet ist, die Pegelverschiebungsschaltung einen Feldeffekttransistor (145) enthält, der verbunden ist, um eine in die Ausgabeschaltung einzuspeisende Spannung gemäß einem Ein- und Aus-Zustand zu schalten, und der Feldeffekttransistor enthält ein Gate (149), in das das Impulssignal eingespeist wird, und einen Bereich (146) vom p-Typ, der einen direkt unter dem Gate ausgebildeten Bereich enthält, wobei der Bereich (146) vom p-Typ den pn-Übergang (J0) zusammen mit dem Bereich (148) vom n-Typ bildet, der mit der Ausgabeschaltung verbunden ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in der dritten Ansteuerschaltungseinheit (100N-1) die Signalverarbeitungsschaltung (111N) und die Ausgabeschaltung (121N) miteinander elektrisch verbunden sind, ohne dass eine Isolierungsstruktur dazwischen angeordnet ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in der dritten Ansteuerschaltungseinheit (100N-1) die Signalverarbeitungsschaltung (111N) und die Ausgabeschaltung (121N) miteinander verbunden sind, wobei die der Isolierungsstruktur in der vierten Ansteuerschaltungseinheit (100N-2) ähnliche Isolierungsstruktur dazwischen angeordnet ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in der dritten Ansteuerschaltungseinheit (100N-1) die Signalverarbeitungsschaltung (111N) und die Ausgabeschaltung (121N) miteinander verbunden sind, wobei die der Isolierungsstruktur in jeder der ersten, zweiten und vierten Ansteuerschaltungseinheiten (100P-1, 100P-2, 100N-2) ähnliche Isolierungsstruktur dazwischen angeordnet ist.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stehspannung der Isolierungsstruktur in der zweiten Ansteuerschaltungseinheit (100P-2) höher ist als die der Isolierungsstruktur in der vierten Ansteuerschaltungseinheit (100N-2).
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (111P, 112P, 111N, 112N) von jeder der ersten bis vierten Ansteuerschaltungseinheiten (100P-1, 100P-2, 100N-1, 100N-2) so konfiguriert ist, dass sie das Impulssignal (Spl) basierend auf dem Ein- und Aus-Befehl und einem von einer gemeinsamen Taktschaltung (118) bereitgestellten Taktsignal erzeugt.
  9. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (111P, 112P, 111N, 112N) von jeder der ersten bis vierten Ansteuerschaltungseinheiten (100P-1, 100P-2, 100N-1, 100N-2) von einer gemeinsamen Stromversorgungsschaltung (119) mit einer Betriebs-Stromversorgungsspannung versorgt wird.
  10. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die ersten und zweiten Ansteuerschaltungen (100P, 100N) und die ersten und zweiten Halbleiter-Schaltelemente (200P, 200N) in einem einzigen Modul als eine integrierte Struktur enthalten sind.
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