-
Die
Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltung, insbesondere eine Halbleitereinrichtung
zum Vermeiden von Fehlfunktionen aufgrund nachteiliger Störungen [negative
noise].
-
4 zeigt
eine Schaltung zum Betrieb von Leistungsgeräten (vom Typ einer Verstärkerschleife), die
einen konventionellen HVIC und den Bereich einer Schaltung von einem
Pegelverschiebebereich [level shift section] bis zu einem Hochseitenausgang [high-side-output]
des HVIC umfasst. Beim Ansteuern von Leistungshalbleiterelementen 100 und 101 (beispielsweise
von Feldeffekttransistoren MOSFET und IGBT), die in Form einer Halbbrücke [half-bridge] durch
einen gegenüber
hohen Spannungen widerstandsfähigen
integrierten Schaltkreis (HVIC) verbunden sind, sind die meisten
Lasten des Leistungshalbleiters induktive Lasten (L), wie beispielsweise ein
Motor und eine Fluoreszenzlampe.
-
Weiterhin
fluktuiert der Mittelpunkt der Halbbrücken-Verbindung, das Hochseiten-Referenzpotential(-VS)
eines HVIC, vorübergehend
zur negativen Seite zu einem GND (Substratpotential des HVIC: niedrigstes
Potential) während
Schaltvorgängen
(insbesondere dann, wenn eine Ausgabe auf der Nieder-Seite (getriebener
niedrigerer Arm) eingeschaltet wird), weil dieser dem Einfluss einer
störenden
Induktivitätskomponente
L aufgrund einer Wicklung oder einer Platinengestaltung unterliegt.
-
Weiterhin
schwingt, im Fall einer induktiven Last L, weil ein Zwei- oder Dreiphasen-Schaltkreis über die
Last in Fig. verbunden ist, das Referenzpotential VS zur negativen
Seite nur bei Schaltvorgängen
einer anderen Phase.
-
Wenn
die Referenzspannung VS zur negativen Seite ausschlägt und sich
wieder erholt, fließt
der in 5 dargestellte Erholungsstrom durch einen Pegelverschiebewiderstand
R von einer VB-Schnittstelle
als Senken-Strom eines pegelverschiebenden hochspannungsfesten MOSFET
(nachfolgend als HVMOS bezeichnet). Deshalb wird der Erholungsstrom
fälschlicherweise
als ein Hochseiteneingabesignal wahrgenommen, und damit als Fehlfunktion
auf der Hochseite, woraufhin ein anormales Signal am Ausgang (HO:
Hocharmkontrollsignal) der Schaltung ausgegeben wird und eine Störung, insbesondere ein
Kurzschluss des Armes, verursacht werden kann. Eine Pegelverschiebung
erfordert eine Pegelumsetzung, die zum Betreiben eines hochratigen
Ausgabegerätes
bei einigen Volt benötigt
wird (beispielsweise als Kontroll-Signal-Pegel eines Personal Computers).
-
Die
Fehlfunktion kann durch ein dv/dt hervorgerufen werden, die einem
Hochseitenreferenzsignal (VS) aufgeprägt ist. Dies ist dann der Fall,
wenn ein externes dv/dt an einer zwischen Senke und Quelle des HVMOS
angeordneten Störkapazität anliegt,
bei einem als eine Schalteinheit zur Pegelverschiebung eines Referenzsignals
auf einem niedrigen Potential (GND des HVIC, Substratspannung) zu
einem Hochseiten-Referenzsignal (V) dienenden HVIC. Ein Strom der
Größe Ip =
Cp × dv/dt
fließt
somit durch die Störkapazität. Dadurch
durchfließt
der erwähnte Strom
einen Pegelverschiebewiderstand, der mit einer Hochseiten-Spannungsquelle
(VB) verbunden ist, und ein Spannungsabfall aufgrund des Stromflusses
liegt als Eingabe an einem Eingabegerät eines Hochseiten-Pegelverschiebungssignals
an. Als Folge davon gibt eine Schaltung auf der Hochseite ein anormales
Signal aus.
-
Für dieses
Problem werden folgende Lösungen
vorgeschlagen: ein System zur Auswahl eines Pegel-Verschiebungssignals
durch einen CR-Filter und ein logisches Filtersystem (Japanische
ungeprüfte
Patentveröffentlichung
JP 2001-145370 A ), das
eine gleichzeitige Eingabe fehlerhafter Signale an eine RS Flip-Flop-Schaltung,
die in eine Hochseitenschaltung eingebaut ist, durch eine logische Schaltung
ausschließt,
wie in
6 gezeigt.
-
Aus
der
DE 100 26 622
A1 (=
JP 2001-145370
A ) sowie der
EP
1 035 654 A2 sind jeweils Schaltungen zum Betrieb eines
Leistungs-Halbleiters bekannt, die hinsichtlich der Maßnahmen
zur Spannungsdetektion relevanten Stand der Technik darstellten.
Ein Spannungsdetektor jeweils einer von mehreren Gruppen von Spannungsdetektoren
hat einen höheren
Schwellenwert als ein anderer Spannungsdetektor dieser Gruppe, und
es ist jeweils ein logischer Filtersatz vorgesehen, der eine Ausgabe
eines anormalen Signals durch die Betriebssteuereinrichtung verhindert.
-
Eine
Halbleitervorrichtung zum Ansteuern eines Leistungshalbleiters gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
umfasst in ihrer Hochseitenkomponente eine Pegelverschiebungsschaltung, einen
Spannungsdetektor NOT, einen Logischen Filtersatz 7 und
einen Steuerteil 9. Die Pegelverschiebungsschaltung umfasst
ein Widerstandsglied 3, 4, 5, 6 und
eine Umschaltvorrichtung 1, 2. Das Widerstandsglied
beinhaltet einen Einschalt-Pegelverschiebewiderstand, der in zwei
erste Widerstande 3, 4 und einem Ausschalt-Pegelverschiebewiderstand, der
in zwei zweite Widerstände 5, 6 unterteilt
ist. Der Spannungsdetektor NOT detektiert Potentiale an beiden Enden
eines Widerstandes 3 der beiden ersten Widerstande als
Signale Aon und Bon und Potentiale an beiden Enden eines Widerstandes 5 der
beiden zweiten Widerstande als Signale, Aoff und Boff. Der Logische
Filtersatz 7 schließt
logisch ein aus einem dv/dt resultierendes fehlerhaftes Signal aus
den vom Spannungsdetektor NOT detektierten Signalen aus. Der Steuerteil 9 steuert
den Leistungshalbleiter auf der Basis der Outputs des logischen
Filtersatzes 7 an. Wenn eine Ausgabeperiode der Signale
Bon und Boff länger
als die der Signale Aon und Aoff ist, gibt der Logische Filtersatz
kein anormales Signal aus.
-
Eine
Halbleitervorrichtung zum Betrieb eines Leistungshalbleiters gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst auf ihrer Hochseite eine Pegelverschiebungsschaltung, Spannungsdetektoren
NOT1, NOT2, NOT3, NOT4, einen Logischen Filtersatz 7 und
einen Steuerteil 9. Die Pegel-Verschiebungsschaltung umfasst einen Einschalt-Pegelverschiebewiderstand 10,
einen Ausschalt-Pegelverschiebewiderstand 11 und eine Umschalteinrichtung 1, 2.
Die Spannungsdetektoren NOT1, NOT2 detektieren Potentiale am Ende
des Widerstandes 10 als Signale Aon und Bon, und die Spannungsdetektoren
NOT3, NOT4 detektieren Potentiale am Ende des Widerstandes 11 als
Signale Aoff und Boff. Der logische Filtersatz 7 schließt logisch
eine Ausgabe fehlerhafter Signale aufgrund eines dv/dt der aus den
vom Spannungsdetektor registrierten Signale aus. Der Steuerteil 9 steuert
den Leistungshalbleiter auf der Grundlage der Ausgabe des Logischen
Filtersatzes 7 an. Die erwähnten Spannungsdetektoren NOT2
und NOT4 weisen Schwellwerte auf, die höher als diejenigen der Spannungsdetektoren
NOT1 und NOT3 sind. Ist eine Ausgabeperiode der Signale Bon und
Boff länger,
als die der Signale Aon und Aoff, gibt der logische Filtersatz kein
anormales Signal aus.
-
Die
erfindungsgemäße Anordnung
wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Zur
Verdeutlichung dienen die 1 bis 6.
Im Einzelnen zeigt:
-
1 einen
Schaltplan eines Halbleitergerätes
mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
-
2 einen
Schaltplan eines Halbleitergerätes
mit einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
-
3 eine
Darstellung einer Verlaufsform eines Umschaltsignals und eines Erholungsstromes,
-
4 einen
Schaltplan eines herkömmlichen
Halbleitergerätes,
-
5 eine
weitere Darstellung einer Verlaufsform eines Umschaltsignals und
eines Erholungsstromes,
-
6 einen
Schaltplan mit einer detaillierten Darstellung einer logischen Filtereinrichtung.
-
Ein
Mechanismus, der die bereits erwähnte Fehlfunktion
verursacht, wird im Folgenden näher beschrieben.
Die Fehlfunktion tritt besonders dann auf, wenn ein Pegel nachteiliger
Störungen
[negative noise] an der VS-Schnittstelle hoch ist. Dann schwankt
das Potential vorübergehend
außerordentlich
stark gegen die negative Seite zur GND des HVIC aufgrund von Störungen,
einer bei Schaltvorgängen
innerhalb des Niederarmes auftretenden Last (insbesondere im eingeschalteten
Zustand) oder einer Störinduktivität L auf
einer Platine. Wenn sich das VB-Potential zur negativen Seite des GND-Potentials
des HVIC verschiebt, wird in diesem Fall eine Stördiode D1, die zwischen einer
Insel eines hohen Potentials und dem GND des HVIC und einer weiteren
Stördiode
D2, welche zwischen Quelle und Senke eines HVMOS angeordnet ist,
befindet, aktiviert, und ein beträchtlicher Strom fließt vom Träger des
HVIC zum VB. Wenn die Stördiode
D1 ausgeschaltet wird, fließt
anschließend
ein Erholungsstrom [recovery current], sobald sich das zwischen
VS und VB zur negativen Seite verschobene Potential erholt. In diesem
Falle zirkuliert der Erholungsstrom ebenfalls durch die Stördiode D2
zwischen Quelle und Senke des HVMOS.
-
In
diesem Fall, weil die Pegelverschiebung der HVIC Signalübertragung
in Übereinstimmung
mit einem Flanken-Signal (EIN-Puls oder AUS-Puls) des Hoch-Seiten-Outputs
erfolgt, sind insgesamt zwei HVMOS als EIN-Puls-HVMOS und AUS-Puls-HVMOS
geschaltet und der Erholungsstrom zirkuliert durch die Stördioden
der bei den HVMOS während der
Zeit der genannten Erholung. Weil der Erholungsstrom durch einen
Pegelverschiebewiderstand R von der VB her durchflossen wird, erniedrigt
sich das VB-Potential. Er reicht das erniedrigte VB-Potential einen
Schwellwert eines Spannungsdetektors NOT, wird dieses veränderte VB-Potential
als Signal einer Pegelverschiebung zu einer Änderung von Hochseitenausgaben
detektiert.
-
In
diesem Fall, weil der Erholungsstrom während des EIN-Puls und des
AUS-Puls-Signals fließt, ist
es prinzipiell möglich,
eine Fehlfunktion logisch durch ein Filtersystem zu vermeiden, wenn Falsch-Signale
gleichzeitig an einer RS-Flip-Flop-Schaltung, die auf der Hoch-Seite enthalten
ist, anliegen. Tatsächlich
ist es jedoch so, dass wegen eines stets vorhandenen Unterschiedes
der Störkapazitäten in der
Nähe des
EIN-Puls Pegelverschiebungs-HVMOS bzw. des AUS-Puls Pegelverschiebungs-HVMOS eine Differenz
zwischen den Fehlfunktionen der beiden HVMOS auftritt. Somit tritt eine
Fehlsteuerung aufgrund nachteiliger Störungen [negative noise] auf,
und es ist anzunehmen, dass der Zeitpunkt des Auftretens der Fehlfunktion
nicht mit demjenigen Zeitpunkt zusammenfällt, an dem die zugrundeliegenden
Störungen
tatsachlich auftreten, sondern stattdessen aus der oben genannten
Erholung resultieren. (Zeit ist kürzer, als Umschalt-Puls).
-
3 zeigt
einen Erholungsstrom, der fließt, nachdem
die nachteiligen Störungen
anlagen. Aus 3 geht hervor, dass sich die
Erholungsstromstärke
vom normalen Verlauf der Umschaltstromstärke unterscheidet. Dies zeigt
sich darin, dass das dv/dt eines Pegel-Verschiebungssignals beträchtlich
größer als
das dv/dt eines durch einen, einen passiven, zwei Arten von Schwellwerten
von Pegel-Verschiebungssignalen für den EIN-und den AUS-Puls umfassenden
Schaltkreis durchfließenden
Erholungsstrom hervorgerufenen fehlerhaften Signals ist, und beide
Signale somit voneinander unterschieden werden können, wie in der unteren Darstellung
in 3 gezeigt. Vorrichtungen, bei denen diese Umstände berücksichtigt
werden, werden im Folgenden im Einzelnen beschrieben.
-
Ausführungsform
1
-
1 stellt
in einem Schaltplan eine erste Ausführungsform der hier beschriebenen
erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einem Überblick
dar, bei dem der Bereich von einem Pegelverschiebe-Bereich bis zu
Vorrichtungen zu einer Leistungsabgabe an einer Hochseite in einem
HVIC dargestellt ist. Ein EIN-Puls und ein AUS-Puls gehen als Eingabewerte auf
die Tore eines EIN-Puls Pegelverschiebungs-HVMOS1 und eines AUS-Puls
Pegelverschiebungs-HVMOS2 von einem Pulsgenerator ein (4).
Der Senken-Eingang des EIN-Puls
Pegelverschiebungs-HVMOS1 ist mit der Schnittstelle VB über Widerstände 3 und 4 in
Reihe und der Senken-Eingang des AUS-Puls Pegelverschiebungs-HVMOS2
ist mit der Schnittstelle VB über
Widerstände 5 und 6 in
Reihe geschaltet.
-
Die
Potentiale an beiden Enden des geteilten Senken-Seiten Widerstandes 3 werden
einem Logischen Filtersatz 7 über eine Spannungsdetektoranordnung
NOT als Signale Aon und Bon, und die Potentiale an beiden Enden
des geteilten Senken-Seiten Widerstandes 5 werden einem
Logischen Filtersatz 7 ebenfalls über die Spannungsdetektoranordnung
NOT als Signale Aoff und Boff zugeführt. Es wird somit ein Paar
von Signalen Aon und Aoff und ein Paar von Signalen Bon und Boff,
wobei die Signale Aon und Bon auf höheren Potentialen liegen, vom dem
Logischen Filtersatz 7 erfasst. Eine RS-Flip-Flop-Schaltung 8 oder
eine gleichartige Schaltung ist, vergleichbar mit einem konventionellen Ausführungsbeispiel,
dem Logischen Filtersatz 7 nachgeschaltet.
-
Wie
in 3 dargestellt, sind die EIN-Signale Aon und Bon
sowie die AUS-Signale Aoff und Boff im Allgemeinen miteinander synchronisiert,
wenn ein Umschaltsignal angelegt wird. Dennoch dauern die Signale
Bon und Boff im Vergleich zu den Signalen Aon und Aoff langer an,
wenn der Erholungsstrom fließt.
Der Logische Filtersatz 7 detektiert diesen Umstand, stellt
dadurch einen fließenden
Erholungsstrom fest und gibt eine Bestätigung darüber an die RS-Flip-Flop-Schaltung 8 weiter,
woraufhin ein normales Signal ausgegeben wird. Dieses Signal wird
zu einem HVIC Steuerteil 9 übermittelt und von dem HVIC
als Steuersignal ausgegeben.
-
2 stellt
einen Schaltplan mit einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dar, welches
sich vom in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
hinsichtlich der Pegelverschiebungsschaltung unterscheidet. Der
Senken-Eingang eines EIN-Puls-Pegelverschiebungs-HVMOS1
ist mit einer Schnittstelle VB über
einen Widerstand 10 und der Senken-Eingang eines AUS-Puls-Pegelverschiebungs-HVMOS2
ist mit der Schnittstelle VB über
einen Widerstand 11 verbunden. Außerdem ist der Senken-Eingang
des EIN-Puls-Pegel-Verschiebungs-HVMOS1 über die Spannungsdetektoren NOT1
und NOT2 mit einem Logischen Filtersatz 7 verknüpft, und
gibt an diesen die Signale Aon und Bon aus. Zusätzlich dazu ist der Senken-Eingang
des AUS-Puls-Pegel Verschiebungs-HVMOS2 über die Spannungsdetektoren
NOT3 und NOT4 mit dem Logischen Filtersatz 7 verbunden,
um an diesem die Signale Aoff und Boff bereitzustellen.
-
In
diesem Falle sind die Schwellwerte Vth an den Spannungsdetektoren
NOT2 und NOT4 höher als
diejenigen der Spannungsdetektoren NOT1 und NOT3. Weil auf diese
Weise das Potential jeder Senke über
zwei unterschiedliche Schwellwerte detektiert wird, ist es möglich, einen
geflossenen Strom auf zwei unterschiedliche Arten in ähnlicher
Weise wie bei der Ausführungsform
in 1 zu registrieren und zu bestätigen, ob dieser aus einem
Umschalt-Puls oder einem Erholungsstrom resultiert und auf diese Weise
eine aus einem Erholungsstrom resultierende Fehlfunktion zu vermeiden.
-
Weil
der eben beschriebene Schaltungsaufbau nur zwei Pegelverschiebewiderstände benötigt, vergleichbar
mit einem herkömmlichen
Ausführungsbeispiel,
ist es möglich,
Platinenplatz zu sparen und Kosten zu reduzieren.
-
In Übereinstimmung
mit Anspruch 1 der hier vorliegenden Erfin dung ist es möglich, eine
Fehlfunktion aufgrund eines Erholungssignals dadurch zu vermeiden,
dass ein Pegel-Verschiebungsschaltkreis mit
Mitteln zur Verhinderung einer Ausgabe eines anormalen Signals ausgestattet
wird. Dies wird durch eine Teilung eines Einschaltpegelverschiebewiderstandes
und eines Ausschaltpegelverschiebewiderstandes in jeweils zwei Widerstände erreicht,
an denen die Potentiale an beiden Enden von Ein-Seiten-Widerständen als
Signale Aon und Bon und Aoff und Boff abgeleitet und diese als Signale
eines Erholungsstromes erfasst werden, sofern die Ausgabezeiträume der
Signale Bon und Boff länger
als die der Signale Aon und Aoff sind.
-
In Übereinstimmung
mit dem Anspruch 2 der vorliegenden Erfindung ist es alternativ
möglich,
eine Fehlfunktion aufgrund eines Erholungsstroms zu vermeiden, indem
eine Pegelverschiebungsschaltung der Hochseite eines HVIC vorgesehen
ist, die über Mittel
zu einer Verhinderung einer Ausgabe eines anormalen Signals durch
ein Ableiten von Potentialen von einem Ende des Einschaltpegelverschiebewiderstandes 10 als
ein Paar von Signalen Aon und Bon unter Verwendung von Spannungsdetektoren NOT1
und NOT2 bzw. einer Detektion von Potentialen an einem Ende eines
Ausschaltpegelverschiebewiderstandes 11 als Signale Aoff
und Boff mittels Spannungsdetektoren NOT3 und NOT4 verfügen. Dabei
liegen die Schwellwerte der Spannungsdetektoren NOT1 und NOT3 über denjenigen
der Spannungsdetektoren NOT2 und NOT4. Ein Erholungssignal wird
dann als detektiert angesehen, sofern die Ausgabeperioden der Signale
Bon und Boff länger als
die der Signale Aon und Aoff sind.