DE112017000186T5

DE112017000186T5 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112017000186T5
Application number: DE112017000186.2T
Authority: DE
Inventors: Masashi AKAHANE
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2037-01-05
Also published as: JPWO2017141559A1; WO2017141559A1; CN107925345B; CN107925345A; DE112017000186B4; US20180167063A1; JP6500999B2; US10193542B2

Abstract

Diese Halbleitervorrichtung ist vorgesehen mit: einem Bootstrap-Kondensator, der über eine Diode geladen wird, wenn ein tiefseitiges Schaltelement eingeschaltet ist, und die verstärkte Ladungsspannung an eine hochseitige Treiberschaltung anlegt, wenn das tiefseitige Schaltelement ausgeschaltet ist; einem Hilfs-Bootstrap-Kondensator, der geladen wird, wenn das tiefseitige Schaltelement ausgeschaltet ist; einer Zener-Diode, die die Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators regelt; und eine Steuerschaltung, die wenn die Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators unter eine vorbestimmte Spannung abfällt, während das hochseitige Schaltelement eingeschaltet ist, die Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators über eine Schaltschaltung an die hochseitige Treiberschaltung anlegt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, die eine hochseitige Treiberschaltung und eine tiefseitige Treiberschaltung umfasst, die komplementär ein hochseitiges Schaltelement und ein tiefseitiges Schaltelement treiben, die auf eine Totem-Pole-Weise verbunden sind.
Technischer Hintergrund
11 zeigt eine schematische Konfiguration eines Leistungswandlers, der ein hochseitiges Schaltelement XM1 und ein tiefseitiges Schaltelement XM2 umfasst, die auf eine Totem-Pole-Weise verbunden sind. Der Leistungswandler gibt abwechselnd eine Gleichspannung HV und eine Massespannung an eine Last RL über die Schaltelemente XM1 und XM2 aus, die komplementär ein- und ausgeschaltet werden, und übernimmt dabei eine Rolle als ein Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler, der Wechselstrom erzeugt, um diesen der Last RL zuzuführen.
Eine Halbleitervorrichtung 1, die eine hochseitige Treiberschaltung 11 und eine tiefseitige Treiberschaltung 12 umfasst und die Schaltelemente XM1 und XM2 komplementär ein- und ausschaltet, wird beispielsweise als ein IPM (intelligentes Leistungsmodul) erlangt. Die Halbleitervorrichtung 1 umfasst eine Schnittstellenschaltung 13, die komplementär ein hochseitiges Treibersignal und ein tiefseitiges Treibersignal gemäß einem Steuersignal IN erzeugt, das von einer Steuereinrichtung 2 als einer externen Vorrichtung angelegt wird. Die hochseitige Treiberschaltung 11 schaltet das hochseitige Schaltelement XM1 gemäß dem hochseitigen Treibersignal ein und aus. Die tiefseitige Treiberschaltung 12 schaltet das tiefseitige Schaltelement XM2 gemäß dem tiefseitigen Treibersignal ein und aus. Das von der Schnittstellenschaltung 13 erzeugte hochseitige Treibersignal wird der hochseitigen Treiberschaltung 11 über eine Pegelschiebeschaltung 14 zugeführt.
Die tiefseitige Treiberschaltung 12 und die Schnittstellenschaltung 13 arbeiten jeweils durch Empfangen einer vorbestimmten Versorgungsspannung VCC bezüglich einer Massespannung GND als einer Bezugsspannung. Die hochseitige Treiberschaltung 11 arbeitet durch Empfangen einer Versorgungsspannung VB unter Verwendung einer an einem Reihenverbindungspunkt zwischen den Schaltelementen XM1 und XM2 erzeugten Zwischenspannung VS als einer Bezugsspannung. Die Versorgungsspannung VB ist eine Spannung, die durch Verstärkung (Boot-Strapping) der Versorgungsspannung VCC mit einer Bootstrap-Schaltung erlangt wird, die durch eine Bootstrap-Diode Dbs und einen Bootstrap-Kondensator Cbs konfiguriert ist.
Die Bootstrap-Schaltung lädt den Bootstrap-Kondensator Cbs mit der Versorgungsspannung VCC, wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 eingeschaltet ist. Die Bootstrap-Schaltung erzeugt die verstärkte (durch Boot-Strapping) Versorgungsspannung VB unter Verwendung der Tatsache, dass die Zwischenspannung VS als eine niedrigspannungsseitige Klemmenspannung des Bootstrap-Kondensators Cbs gemäß einem Einschaltvorgang des hochseitigen Schaltelements XM1 zunimmt, wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 ausgeschaltet ist.
In der Halbleitervorrichtung 1, die im Grunde auf die vorstehend beschriebene Weise konfiguriert ist, nimmt zum Beispiel ein Reduzierungsausmaß einer elektrischen Ladung, die sich in dem Bootstrap-Kondensator Cbs geändert hat, zu, wenn eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements XM1 zunimmt, wodurch eine Möglichkeit entsteht, dass die Versorgungsspannung VB, die zum Treiben der hochseitigen Treiberschaltung 11 erforderlich ist, nicht aufrechterhalten werden kann.
Zur Lösung eines solchen Problems offenbart zum Beispiel Patentdokument 1, dass eine potentialfreie Energieversorgung FV, die eine hochspannungsseitige Spannung als Bezugsspannung verwendet, einem Bootstrap-Kondensator Cbs Strom zuführt, wenn ein tiefseitiges Schaltelement XM2 ausgeschaltet ist (siehe 1 aus Patentdokument 1). In der in Patentdokument 1 offenbarten Konfiguration muss jedoch die potentialfreie Energieversorgung FV bereitgestellt werden. Somit entstehen die Probleme von steigenden Kosten und wie die potentialfreie Energieversorgung FV schließlich bereitgestellt werden soll und dergleichen.
Patentdokument 2 offenbart, dass ein Bootstrap-Kondensator Cbs direkt mit einer hohen Gleichspannung HV über einen Widerstand R1 geladen wird, wenn ein tiefseitiges Schaltelement XM2 eingeschaltet ist (siehe 1 aus Patentdokument 2). In der in Patentdokument 2 offenbarten Konfiguration wird jedoch die Gleichspannung HV circa die gleiche wie eine Zwischenspannung VS, wenn ein hochseitiges Schaltelement XM1 eingeschaltet ist, so dass der Widerstand R1 als eine Last bezüglich der Versorgungsspannung VB dient. Dementsprechend entsteht das Problem, dass in dem Bootstrap-Kondensator Cbs geladene elektrische Ladung entladen wird.
Außerdem wird die Zwischenspannung VS ungefähr die gleiche wie eine Massespannung GND, wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 eingeschaltet ist, so dass ein Ladestrom für den Bootstrap-Kondensator Cbs groß wird. Außerdem wird ein Klemmstrom, der in eine Zener-Diode fließt, die eine Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators Cbs definiert, auch groß. Folglich nimmt ein Energieverbrauch in der Bootstrap-Schaltung zu, was das Problem verursacht, dass eine Verkleinerung der Halbleitervorrichtung 1 schwierig wird.
In dieser Hinsicht offenbart, wie in 12 gezeigt, Patentdokument 3, dass nach dem Laden eines Kondensators C1 der ersten Stufe mit einer Versorgungsspannung VCC über die Schaltelemente Qn1 und Qn2 ein Kondensator C2 der zweiten Stufe mit einer Ladungsspannung des Kondensators C1 über die Schaltelemente Qp1 und Qp2 geladen wird. Gemäß der in Patentdokument 3 offenbarten Konfiguration werden die Schaltelemente Qn1 und Qn2 und die Schaltelemente Qp1 und Qp2 komplementär unter Steuerung einer Steuerschaltung 15 unabhängig vom Ein- und Aus-Zustand der Schaltelemente XM1 und XM2 ein- und ausgeschaltet, wodurch eine Versorgungsspannung VB als eine Ladungsspannung des Kondensators C2 der zweiten Stufe erzeugt wird. Dementsprechend kann, selbst wenn eine Aus-Zeit des tiefseitigen Schaltelements XM2 lang ist, die Versorgungsspannung VB, die zum Treiben einer hochseitigen Treiberschaltung 11 erforderlich ist, gewährleistet werden.
Literaturliste
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP-A-2011-234430
Patentdokument 2: JP-A-2013-55549
Patentdokument 3: JP-A-2007-6207

Kurzdarstellung der Erfindung
Von der Erfindung zu lösendes Problem
In der in Patentdokument 3 offenbarten Konfiguration muss jedoch eine Pegelschiebeschaltung in der Steuerschaltung 15 enthalten sein, um die Schaltelemente Qp1 und Qp2 der zweiten Stufe ein- und auszuschalten. Außerdem ändert sich eine Zwischenspannung VS zwischen einer hohen Gleichspannung HV und einer Massespannung GND gemäß den Schaltvorgängen in den Schaltelementen XM1 und XM2. Wenn die Zwischenspannung VS die hohe Spannung wird, wird die Versorgungsspannung VB auch eine hohe Spannung.
Um eine Energieversorgung zu trennen und zu schützen, muss zum Zuführen der Versorgungsspannung VCC an die Schaltelemente Qn1 und Qn2 von diesen hohen Spannungen ein Element mit hoher Stehspannung als jedes der Schaltelemente Qn1, Qn2, Qp1 und Qp2 verwendet werden. Außerdem muss die Pegelschiebeschaltung auch unter Verwendung eines Elements mit hoher Stehspannung konfiguriert werden. Dadurch ist die Konfiguration einer Bootstrap-Schaltung unvermeidlich kompliziert und steigen die Kosten der Bauteile aufgrund der Verwendung der Elemente mit hoher Stehspannung unvermeidlich.
Somit hat die Erfindung, die unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Umstände erdacht wurde, als Aufgabe die Bereitstellung einer Halbleitervorrichtung, die eine einfache und kostengünstige Konfiguration hat und eine Bootstrap-Schaltung umfasst, die einer hochseitigen Treiberschaltung stabil elektrische Energie zum Ein- und Ausschalten des Treibens eines hochseitigen Schaltelements zuführen kann, selbst wenn eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements lang ist.
Mittel zum Lösen des Problems
Eine Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung umfasst eine hochseitige Treiberschaltung und eine tiefseitige Treiberschaltung, die komplementär ein hochseitiges Schaltelement und ein tiefseitiges Schaltelement ein- und ausschalten, die im Grunde auf eine Totem-Pole-Weise verbunden sind, und einen Bootstrap-Kondensator, der mit einer Treibenergieversorgung der tiefseitigen Treiberschaltung über eine Diode verbunden ist und während einer Ein-Zeit des tiefseitigen Schaltelements geladen wird. Der Bootstrap-Kondensator wird geladen, wenn das tiefseitige Schaltelement eingeschaltet ist, verstärkt die somit geladene Spannung davon und legt die verstärkte Ladungsspannung an die hochseitige Treiberschaltung an, wenn das tiefseitige Schaltelement ausgeschaltet ist.
Insbesondere ist zum Lösen der vorstehend beschriebenen Aufgabe die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Konfiguration umfasst
einen Hilfs-Bootstrap-Kondensator, der parallel zu dem Bootstrap-Kondensator über eine Schaltschaltung angeordnet ist und, wenn das hochseitige Schaltelement in einem Ein-Zustand ist, mit einer Zwischenspannung, die an einem Verbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement und dem tiefseitigen Schaltelement erzeugt wird, geladen wird,
eine Zener-Diode, die mit dem Verbindungspunkt verbunden ist und eine Ladungsbezugsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators definiert, und
eine Steuerschaltung, die die Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators über die Schaltschaltung an die hochseitige Treiberschaltung anlegt, wenn die Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators in dem Ein-Zustand des hochseitigen Schaltelements unter eine vorbestimmte Spannung abfällt.
Insbesondere ist in der Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung der Hilfs-Bootstrap-Kondensator, der geladen wird, wenn das tiefseitige Schaltelement ausgeschaltet ist, schematisch parallel zu dem Bootstrap-Kondensator angeordnet, der geladen wird, wenn das tiefseitige Schaltelement eingeschaltet ist. Ein Merkmal besteht darin, dass, wenn eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements lang ist, ein Abfall der an die hochseitige Treiberschaltung angelegten Spannung von dem Bootstrap-Kondensator unter Verwendung der Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators kompensiert wird.
Die hochseitige Treiberschaltung ist dafür konfiguriert, unter Verwendung einer Spannung des Verbindungspunkts als eine Betriebsbezugsspannung zu arbeiten. Die Zener-Diode spielt eine Rolle des Definierens einer Ladungsbezugsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators, der mit der Zwischenspannung als eine Spannung der Treibenergieversorgung der tiefseitigen Treiberschaltung geladen wird. Die Steuerschaltung kann bestimmen, dass die Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators unter die vorbestimmte Spannung abfällt, wenn eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements eine vorbestimmte Zeit überschreitet.
Bevorzugt ist die Schaltschaltung dafür konfiguriert, einen ersten und einen zweiten Schalter zu umfassen, die den Hilfs-Bootstrap-Kondensator parallel zu einer Energiezufuhrleitung der hochseitigen Treiberschaltung verbinden, zum Beispiel wenn die Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators unter die vorbestimmte Spannung in einem Ein-Zustand des hochseitigen Schaltelements abfällt, und einen dritten und einen vierten Schalter, die die Ladungsbezugsspannung an den Hilfs-Bootstrap-Kondensator anlegen, wenn das hochseitige Schaltelement in einem Ein-Zustand ist und jeder des ersten und des zweiten Schalters in einem Aus-Zustand ist. Beispielsweise wird ein bidirektionaler analoger Schalter als jeder des ersten bis vierten Schalters verwendet.
Die Steuerschaltung ist bevorzugt vorgesehen, um unter Verwendung der Zwischenspannung zu arbeiten, die an den Reihenverbindungspunkten zwischen dem hochseitigen Schaltelement und dem tiefseitigen Schaltelement, die auf eine Totem-Pole-Weise verbunden sind, als eine Betriebsbezugsspannung erzeugt wird. Insbesondere ist die Steuerschaltung dafür konfiguriert, zum Beispiel einen Versorgungsspannungsdetektor, der einen Abfall der Versorgungsspannung VCC erfasst, die an die hochseitige Treiberschaltung angelegt wird, und ein Spannungsabfallerfassungssignal ausgibt, und eine Steuerlogikschaltung, die ein Schaltsignal zum Steuern des Ein/Ausschaltens des ersten bis vierten Schalters auf Grundlage des Spannungsabfallerfassungssignals erzeugt, zu umfassen. Der erste und der zweite Schalter sind vorgesehen, um komplementär mit dem dritten und vierten Schalter ein- und ausgeschaltet zu werden.
Der erste Schalter kann als eine erste Diode realisiert sein, die leitfähig gemacht wird, wenn die Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators die Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators überschreitet, und der dritte Schalter kann auch als eine zweite Diode realisiert sein, die leitfähig gemacht wird, wenn die Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators unter die von der Zener-Diode definierte Spannung abfällt.
Die Erfindung kann in der wie vorstehend beschrieben konfigurierten Halbleitervorrichtung so konfiguriert sein, dass sie außerdem einen fünften und einen sechsten Schalter, die den Bootstrap-Kondensator von der Treiberenergieversorgung der tiefseitigen Treiberschaltung trennen, wenn der erste und der zweite Schalter leitfähig gemacht werden, und einen siebten und einen achten Schalter, die komplementär mit dem fünften und dem sechsten Schalter leitfähig gemacht werden, umfasst, wodurch die Ladungsbezugsspannung an den Bootstrap-Kondensator angelegt wird. In diesem Falle kann jeder des fünften bis achten Schalters auch unter Verwendung eines bidirektionalen analogen Schalters realisiert sein.
In diesem Fall ist zum Beispiel eine Kathode der Zener-Diode mit dem Verbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement und dem tiefseitigen Schaltelement verbunden. Bevorzugt definiert eine Anode der Zener-Diode eine negativseitige Bezugsspannung bezüglich der Zwischenspannung und wird eine Spannung zwischen der Kathode und der Anode der Zener-Diode als die Ladungsbezugsspannung eingestellt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Wie vorstehend beschrieben, umfasst die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung den Hilfs-Bootstrap-Kondensator, der geladen wird, wenn das hochseitige Schaltelement eingeschaltet ist, zusätzlich zu dem Bootstrap-Kondensator, der geladen wird, wenn das tiefseitige Schaltelement eingeschaltet ist. Eine Konfiguration ist so, dass, wenn eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements lang ist, ein Abfall der von dem Bootstrap-Kondensator an die hochseitige Treiberschaltung angelegten Spannung unter Verwendung der Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators kompensiert wird.
Somit kann gemäß der auf diese Weise konfigurierten Halbleitervorrichtung die für den Vorgang erforderliche Versorgungsspannung der hohen Treiberschaltung selbst dann stabil zugeführt werden, wenn eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements lang ist. Dementsprechend kann eine praktische vorteilhafte Wirkung darin erlangt werden, dass trotz der einfachen Konfiguration ein stabiler Betrieb der hochseitigen Treiberschaltung unabhängig von einem Ein/Aus-Zustand des hochseitigen Schaltelements gewährleistet werden kann.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration arbeitet die hochseitige Treiberschaltung unter Verwendung der Spannung des Verbindungspunkts als die Betriebsbezugsspannung. Dementsprechend kann eine Bootstrap-Schaltung mit geringen Kosten ohne Verwendung eines teuren Elements mit hoher Stehspannung konfiguriert werden, wie in Patentdokument 3 offenbart. Außerdem kann die Steuerschaltung zum Steuern des Ein/Ausschaltens des ersten bis vierten Schalters auch einfach konfiguriert sein, zum Beispiel als die Steuerlogikschaltung. In dieser Hinsicht kann außerdem die Wirkung erlangt werden, dass die Kosten der Halbleitervorrichtung reduziert werden können.
Gemäß der Halbleitervorrichtung, die mit dem fünften bis achten Schalter konfiguriert ist, kann der Hilfs-Bootstrap-Kondensator unabhängig von dem Laden/Entladen des Bootstrap-Kondensators geladen werden. In einem Fall, in dem die Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators abfällt und dementsprechend die Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators an die hochseitige Treiberschaltung angelegt wird, wird es möglich, den Bootstrap-Kondensator wieder aufzuladen. Dementsprechend wird es selbst in einem Fall, in dem eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements lang ist, möglich, eine Rolle des Bootstrap-Kondensators schnell wiederherzustellen und die Versorgungsspannung der hochseitigen Treiberschaltung stabil zuzuführen.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Steuerschaltung in der in 1 gezeigten Halbleitervorrichtung zeigt.
3 ist ein Zeitdiagramm, das einen Betrieb der in 2 gezeigten Steuerschaltung zeigt.
4 ist ein Zeitdiagramm, das einen Bootstrap-Vorgang in der in 1 gezeigten Halbleitervorrichtung zeigt.
5 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
6 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Steuerschaltung in der in 5 gezeigten Halbleitervorrichtung zeigt.
7 ist ein Zeitdiagramm, das einen Betrieb der in 6 gezeigten Steuerschaltung zeigt.
8 ist ein Zeitdiagramm, das einen Bootstrap-Vorgang in der in 5 gezeigten Halbleitervorrichtung zeigt.
9 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
10 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Steuerschaltung in der in 9 gezeigten Halbleitervorrichtung zeigt.
11 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer allgemeinen Halbleitervorrichtung, die eine hochseitige Treiberschaltung und eine tiefseitige Treiberschaltung umfasst, die ein hochseitiges Schaltelement bzw. ein tiefseitiges Schaltelement treiben, die auf eine Totem-Pole-Weise verbunden sind.
12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung aus dem Stand der Technik zeigt, die dafür konfiguriert ist, einer hochseitigen Treiberschaltung unabhängig von dem Ein-/Aus-Zustand eines tiefseitigen Schaltelements elektrische Energie stabil zuzuführen.

Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen gemäß der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Ausführungsformen gemäß der Erfindung werden so erläutert, dass Teile, die identisch mit denen der Halbleitervorrichtung 1 der in 11 gezeigten Technik sind, mit den gleichen Symbolen bezeichnet werden.
Die Halbleitervorrichtung 1 gemäß der Erfindung ist so konfiguriert, dass sie eine hochseitige Treiberschaltung 11 und eine tiefseitige Treiberschaltung 12, die komplementär ein hochseitiges Schaltelement XM1 und ein tiefseitiges Schaltelement XM2 treiben, die im Grunde auf eine Totem-Pole-Weise verbunden sind, und einen Bootstrap-Kondensator Cbs, der über eine Bootstrap-Diode Dbs mit einer Treibenergieversorgung der tiefseitigen Treiberschaltung 12 verbunden ist, umfasst.
Der Bootstrap-Kondensator Cbs umfasst ein Ende, das mit einem Reihenverbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement XM1 und dem tiefseitigen Schaltelement XM2 verbunden ist, und ein anderes Ende, das mit der Kathode der Bootstrap-Diode Dbs verbunden ist. Somit wird der Bootstrap-Kondensator Cbs auf eine Versorgungsspannung VCC bezüglich einer Massespannung GND als einer Bezugsspannung geladen, wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 eingeschaltet ist. Die in dem Bootstrap-Kondensator Cbs geladene Spannung wird auf eine Spannung bezüglich der Spannung VS des Reihenverbindungspunkts zwischen dem hochseitigen Schaltelement XM1 und dem tiefseitigen Schaltelement XM2 als Bezug als Reaktion auf das Ausschalten des tiefseitigen Schaltelements XM2 verstärkt (durch Boot-Strapping). Die so verstärkte Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators Cbs wird als die Versorgungsspannung VB an die hochseitige Treiberschaltung 11 angelegt.
Ein Merkmal der Halbleitervorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform ist, dass ein Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl parallel zu dem Bootstrap-Kondensator Cbs über eine Schaltschaltung angeordnet ist, die durch einen ersten bis vierten Schalter SW1 bis SW4 konfiguriert ist. Der erste bis vierte Schalter SW1 bis SW4 sind jeweils durch einen bidirektionalen analogen Schalter (Übertragungs-Gate) oder dergleichen konfiguriert. Der erste und der zweite Schalter SW1 und SW2 werden in Verflechtung miteinander unter Steuerung einer Steuerschaltung 15 ein- und ausgeschaltet. Auf ähnliche Weise werden der dritte und der vierte Schalter SW3 und SW4 in Verflechtung miteinander unter der Steuerung der Steuerschaltung 15 ein- und ausgeschaltet.
Insbesondere ist ein Ende des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl mit der Kathode des Bootstrap-Kondensators Cbs (der anderen Endseite des Bootstrap-Kondensators Cbs) über den ersten Schalter SW1 verbunden. Das andere Ende des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl ist mit dem Reihenverbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement XM1 und dem tiefseitigen Schaltelement XM2 (der einen Endseite des Bootstrap-Kondensators Cbs) über den zweiten Schalter SW2 verbunden. Auf ähnliche Weise ist das eine Ende des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl mit dem Reihenverbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement XM1 und dem tiefseitigen Schaltelement XM2 (der einen Endseite des Bootstrap-Kondensators Cbs) über den dritten Schalter SW3 verbunden. Das andere Ende des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl ist über den vierten Schalter SW4 mit einer Bezugsspannung MVS verbunden. Die Bezugsspannung MVS ist mit der Massespannung GND über eine konstante Stromquelle i bias verbunden.
Eine Zener-Diode ZD ist zwischen dem einen Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs und der konstanten Stromquelle i bias angeordnet. Wie später beschrieben, dient eine Spannung zwischen beiden Anschlüssen (insbesondere eine Durchschlagspannung) der Zener-Diode ZD als eine Ladungsbezugsspannung zum Laden des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl.
Der dritte und vierte Schalter SW3 und SW4 werden so gesteuert, dass sie leitfähig gemacht werden (eingeschaltet werden), wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 ausgeschaltet wird und das hochseitige Schaltelement XM1 eingeschaltet wird, wobei sie die Rolle des Ladens des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl übernehmen. In diesem Fall wird an der Zener-Diode ZD eine hohe Gleichspannung VH an die Kathode angelegt und schlägt durch. Die Durchschlagspannung der Zener-Diode wird an den Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl als die Ladungsbezugsspannung angelegt. Der erste und der zweite Schalter SW1 und SW2 werden so gesteuert, dass sie leitfähig gemacht werden (eingeschaltet werden), wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 ausgeschaltet wird und wenn die Versorgungsspannung VB, die von dem Bootstrap-Kondensator Cbs an die hochseitige Treiberschaltung 11 angelegt wird, auf eine vorbestimmte Spannung in der Nähe der niedrigsten Spannung abfällt, die den Betrieb der hochseitige Treiberschaltung 11 gewährleistet. Durch das Einschalten des ersten und des zweiten Schalters SW1 und SW2 wird ein Abfall der Versorgungsspannung VB durch Entladen der Ladungsspannung von dem Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl kompensiert. Dadurch wird verhindert, dass die an die hochseitige Treiberschaltung 11 angelegte Versorgungsspannung VB abnimmt. Der dritte und vierte Schalter SW3 und SW4 sind in diesem Fall in einem Aus-Zustand.
Die Steuerschaltung 15 zum Steuern des Ein/Ausschaltens des ersten bis vierten Schalters SW1 bis SW4 auf diese Weise ist zum Beispiel wie in 2 konfiguriert. Die Steuerschaltung 15 erlangt die Bezugsspannung MVS von der Anode der Zener-Diode ZD. Die Bezugsspannung MVS wird (Zwischenspannung VS - Durchschlagspannung der Zener-Diode ZD), wenn die Zener-Diode ZD durchschlägt, und wird die Massespannung GND, wenn die Zener-Diode ZD nicht durchschlägt. Die Durchschlagspannung der Zener-Diode ZD wird so eingestellt, dass die Zener-Diode ZD durchschlägt, wenn das hochseitige Schaltelement XM1 eingeschaltet wird und das tiefseitige Schaltelement XM2 ausgeschaltet wird.
Die hochseitige Treiberschaltung 11 arbeitet unter Verwendung der Zwischenspannung VS als einer Betriebsbezugsspannung. Die Steuerschaltung 15 umfasst eine Eingangsschaltung 15a, die ein Signal CENB empfängt, das von der hochseitigen Treiberschaltung 11 in Verflechtung mit dem Ein-Treiben des hochseitigen Schaltelements XM1 als Eingabe ausgegeben wird, und wandelt das Signal in ein EIN-Signal CEN mit einem L-Pegel um, der die Bezugsspannung MVS der Steuerschaltung 15 ist. Die Steuerschaltung 15 umfasst einen Spannungsabfalldetektor 16, der einen Abfall der Versorgungsspannung VB bezüglich der Zwischenspannung VS als eine Bezugsspannung erfasst, d.h., ein Abfall der Differenzspannung (VB - VS). Der Spannungsabfalldetektor 16 gibt ein Erfassungssignal des Spannungsabfalls aus, wenn die Versorgungsspannung VB auf die vorbestimmte Spannung in der Nähe der niedrigsten Spannung abfällt, die den Betrieb der hochseitigen Treiberschaltung 11 gewährleistet. Das von dem Spannungsabfalldetektor 16 zur Zeit des Abfalls der Versorgungsspannung VB ausgegebene Erfassungssignal wird über eine Eingangsschaltung 15b in ein Spannungsabfallsignal UVEN mit einem L-Pegel umgewandelt, der die Bezugsspannung MVS ist.
Eine in der Steuerschaltung 15 vorgesehene Steuerlogikschaltung 15c arbeitet unter Verwendung der Zwischenspannung VS als einer Versorgungsspannung und unter Verwendung der Bezugsspannung MVS als einer Betriebsbezugsspannung. Die Steuerlogikschaltung 15c erzeugt Schaltsignale S1C, S2C, S3 und S4 zum Steuern des Ein/Ausschaltens des ersten bis vierten Schalters SW1 bis SW4, wie zum Beispiel in 3 gezeigt, gemäß dem EIN-Signal CEN und dem Spannungsabfallsignal UVEN.
Insbesondere erzeugt die Steuerlogikschaltung 15c die Schaltsignale S1C und S2C nur dann, wenn die Versorgungsspannung VB bezüglich der Zwischenspannung VS als Bezug (Differenzspannung von VB - VS) auf die Spannung abfällt, die den Betrieb der hochseitigen Treiberschaltung 11 gewährleistet. Insbesondere erzeugt die Steuerlogikschaltung 15c die Schaltsignale S1C und S2C gemäß dem EIN-Signal CEN und dem Spannungsabfallsignal UVEN, wenn die Differenzspannung (VB - VS) in einem Ein-Zustand des hochseitigen Schaltelements XM1 abfällt.
Im Übrigen ist das EIN-Signal CEN nicht notwendigerweise für den Betrieb der Steuerlogikschaltung 15c erforderlich. Der Grund dafür ist, dass während einer H-Pegel-Periode des Signals CENB das tiefseitige Schaltelement XM2 im Grunde eingeschaltet wird, um die Zwischenspannung VS zu der Massespannung GND zu verschieben, wodurch die Steuerlogikschaltung 15c in einen Zustand gebracht wird, in dem ihr keine Energie zugeführt wird. Somit macht es keinen Sinn, den H-Pegel des Signals CENB an die Steuerlogikschaltung 15c zu senden. Das EIN-Signal CEN ist jedoch bevorzugt zur Gewährleistung des Betriebes während einer Stillstandzeit, während derer das hochseitige Schaltelement XM1 und das tiefseitige Schaltelement XM2 jeweils ausgeschaltet sind, erforderlich.
Die von der Steuerlogikschaltung 15c erzeugten Schaltsignale S1C und S2C sind negative logische Signale, um den ersten und den zweiten Schalter SW1 und SW2 einzuschalten, wenn diese Signale in L-Pegeln sind. Die Schaltsignale S1C und S2C werden über Ausgangsschaltungen 15d und 15e in Signale umgewandelt, die jeweils wahlweise auf die Versorgungsspannung VB oder die Zwischenspannung VS eingestellt werden, und an den ersten bzw. den zweiten Schalter SW 1 und SW2 angelegt. Die Schaltsignale S3 und S4 sind positive logische Signale, um den dritten bzw. den vierten Schalter SW3 und SW4 einzuschalten, wenn diese Signale in H-Pegeln sind. Die Schaltsignale S3 und S4 werden wahlweise an den dritten bzw. den vierten Schalter SW3 und SW4 angelegt, die jeweils wahlweise auf die Zwischenspannung VS oder die Bezugsspannung MVS eingestellt werden.
Wenn das Signal CENB in einem L-Pegel ist, werden der erste und der zweite Schalter SW1 und SW2 komplementär mit dem dritten und vierten Schalter SW3 und SW4 ein- und ausgeschaltet, damit kein Kurzschluss zwischen der Versorgungsspannung VB und der Zwischenspannung VS oder Kurzschluss zwischen der Zwischenspannung VS und der Bezugsspannung MVS entsteht.
In 2 stellt C1 einen Glättungskondensator da, der eine Differenzspannung (VS - MVS), die von der Durchschlagspannung der Zener-Diode ZD geklemmt wird, glättet, wodurch die Steuerschaltung 15 die geglättete Spannung aufnimmt. Der Glättungskondensator C1 und die Zener-Diode ZD bilden einen Spannungsregler zum Stabilisieren der Bezugsspannung MVS der Steuerschaltung 15.
4 ist ein Zeitdiagramm, das einen Bootstrap-Vorgang in der auf die vorstehend beschriebene Weise konfigurierten Halbleitervorrichtung 1 zeigt. Insbesondere stellt 4 Ein/Aus-Modi des ersten bis vierten Schalters SW1 bis SW4 gemeinsam mit den Betriebsvorgängen der hochseitigen Treiberschaltung 11 und der tiefseitigen Treiberschaltung 12 dar, die komplementär die Schaltelemente XM1 und XM2 ein- und ausschalten, und stellt Lade/Entladezustände des Bootstrap-Kondensators Cbs und des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl in diesen Modi dar.
Wie in 4 gezeigt, wird der Bootstrap-Kondensator Cbs mit der Versorgungsspannung VCC in Verflechtung mit dem Ein/Ausschalten des tiefseitigen Schaltelements XM2 so geladen, dass er geladen wird, wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 eingeschaltet ist. Die Ladungsspannung (elektrische Ladung) des Bootstrap-Kondensators Cbs wird entladen, wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 ausgeschaltet ist, und der hochseitigen Treiberschaltung 11 zugeführt. In diesem Fall ist die der hochseitigen Treiberschaltung 11 zugeführte Versorgungsspannung VB gemeinsam mit dem Entladen des Bootstrap-Kondensators Cbs eine Spannung, die durch Verstärken (Boot-Strapping) der Versorgungsspannung VCC durch die Zwischenspannung VS gemäß dem Ausschalten des tiefseitigen Schaltelements XM2 und dem Einschalten des hochseitigen Schaltelements XM1 erlangt wird.
Im Gegensatz dazu wird, wenn das hochseitige Schaltelement XM1 eingeschaltet wird und somit die Zwischenspannung VS des Reihenverbindungspunkts zwischen dem hochseitigen Schaltelement XM1 und dem tiefseitigen Schaltelement XM2 die hohe Spannung wird, der Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl mit der Differenzspannung (VS - MVS) geladen, die von der Durchschlagspannung der Zener-Diode ZD, d.h. der Ladungsbezugsspannung, geklemmt wird. Die von der Durchschlagspannung der Zener-Diode ZD geklemmte Differenzspannung (VS - MVS) ist eine Spannung, die der Versorgungsspannung VCC zum Treiben der tiefseitigen Treiberschaltung 12 entspricht. Mit anderen Worten wird, unabhängig von dem Bootstrap-Kondensator Cbs, der mit der Versorgungsspannung VCC versorgt und geladen wird, der Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl mit der Zwischenspannung VS versorgt und geladen, die über das hochseitige Schaltelement XM1 angelegt wird.
In einem Fall, in dem eine Restmenge von elektrischer Ladung des Bootstrap-Kondensators Cbs aufgrund des Entladens des Bootstrap-Kondensators Cbs, der als eine Versorgungsquelle der Versorgungsspannung VB dient, nicht mehr ausreicht und somit die Versorgungsspannung VB, die an die hochseitige Treiberschaltung 11 angelegt wird, abfällt, wird in dem Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl geladene elektrische Ladung entladen. Der Abfall der an die hochseitige Treiberschaltung 11 angelegten Versorgungsspannung VB wird durch das Entladen des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl kompensiert, wodurch die für den Betrieb der hochseitigen Treiberschaltung 11 erforderliche Versorgungsspannung VB aufrechterhalten bleibt.
Dementsprechend kann, selbst in einem Fall, in dem eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements XM1 lang ist, die zum Betrieb der hochseitigen Treiberschaltung 11 erforderliche Versorgungsspannung VB aufrecht erhalten bleiben, ohne von der Ladekapazität des Bootstrap-Kondensators Cbs eingeschränkt zu werden. Insbesondere kann eine mangelnde Ladungskapazität des Bootstrap-Kondensators Cbs mit dem Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl behoben werden und kann somit auf einfache Weise effektiv gehandhabt werden, wenn eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements XM1 lang ist.
Um zu verhindern, dass die von dem Bootstrap-Kondensator Cbs erzeugte Versorgungsspannung VB abnimmt, wenn eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements XM1 lang ist, ist es zum Beispiel denkbar, die Kapazität des Bootstrap-Kondensators Cbs zu erhöhen. Alternativ ist es denkbar, den Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl parallel zu dem Bootstrap-Kondensator Cbs zu schalten, wodurch eine gemeinsame Kapazität davon erhöht wird. In einer solchen Konfiguration kann jedoch, da der Bootstrap-Kondensator Cbs geladen wird, wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 eingeschaltet ist, der Fall auftreten, dass der Bootstrap-Kondensator Cbs nicht ausreichend geladen werden kann.
In dieser Hinsicht wird in der auf die vorstehend beschriebene Weise konfigurierten Halbleitervorrichtung 1 der Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl geladen, wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 ausgeschaltet ist und das hochseitige Schaltelement XM1 eingeschaltet ist. Mit anderen Worten wird der Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl unabhängig von dem Laden/Entladen des Bootstrap-Kondensators Cbs geladen und wird der Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl nur dann entladen, wenn die Versorgungsspannung VB abfällt, um einen Abfall der Versorgungsspannung VB zu verhindern. Dementsprechend können, selbst wenn eine Ein-Zeit des tiefseitigen Schaltelements XM2 kurz ist, der Bootstrap-Kondensator Cbs und/oder der Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl ausreichend mit elektrischer Ladung geladen werden, was für eine stabile Lieferung der Versorgungsspannung VB notwendig ist. Folglich kann, selbst in einem Fall, in dem sich Ein-/Auszeiten der Schaltelemente XM1 und XM2 stark ändern, da die Versorgungsspannung VB stabil erzeugt werden kann, ein stabiler Betrieb der Halbleitervorrichtung 1 erreicht werden.
Außerdem wird gemäß der auf die vorstehend beschriebene Weise konfigurierten Halbleitervorrichtung 1 die Differenzspannung (VS - MVS) von der Zener-Diode ZD geklemmt, wodurch die Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl beschränkt wird. Dementsprechend ist, anders als in der in Patentdokument 3 offenbarten Schaltung, kein Element mit hoher Stehspannung erforderlich und kann die Steuerschaltung 15 somit einfach und leicht konfiguriert werden. Außerdem kann, da die bidirektionalen analogen Schalter, die als der erste bis vierte Schalter SW1 bis SW4 verwendet werden, auch keine hohe Stehspannung brauchen, eine solche Wirkung erlangt werden, dass die Halbleitervorrichtung 1 vollständig kostengünstig konfiguriert werden kann.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jetzt erläutert.
5 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Halbleitervorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das Merkmal der Halbleitervorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsformen besteht darin, dass ein fünfter bis achter Schalter SW5 bis SW8 der vorstehend beschriebenen Konfiguration der Halbleitervorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform hinzugefügt werden und dass der Bootstrap-Kondensator Cbs und der Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl wahlweise zwischen der Kathode der Bootstrap-Diode Dbs und dem Reihenverbindungspunkt zwischen den Schaltelementen XM1 und XM2 oder zwischen dem Reihenverbindungspunkt zwischen den Schaltelementen XM1 und XM2 und der Massespannung GND geschaltet werden. Wie bei dem ersten bis vierten Schalter SW1 bis SW4 werden der fünfte bis achte Schalter SW5 bis SW8 auf eine miteinander verflochtene Weise unter Steuerung der Steuerschaltung 15 kollektiv ein- und ausgeschaltet. Außerdem sind der fünfte bis achte Schalter SW5 bis SW8 jeweils durch einen bidirektionalen analogen Schalter (Übertragungs-Gate) und dergleichen konfiguriert.
Insbesondere ist ein Ende des Bootstrap- Kondensators Cbs mit der Kathode der Bootstrap-Diode Dbs über den fünften Schalter SW5 verbunden. Das andere Ende des Bootstrap-Kondensators ist mit dem Reihenverbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement XM1 und dem tiefseitigen Schaltelement XM2 über den sechsten Schalter SW6 verbunden. Gleichzeitig ist das eine Ende des Bootstrap-Kondensators Cbs mit dem Reihenverbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement XM1 und dem tiefseitigen Schaltelement XM2 über den siebten Schalter SW7 verbunden. Das andere Ende des Bootstrap-Kondensators ist mit der Bezugsspannung MVS über den achten Schalter SW8 verbunden. Die Bezugsspannung MVS ist mit der Massespannung GND über eine konstante Stromquelle i bias verbunden.
Der fünfte bis achte Schalter SW5 bis SW8 werden so gesteuert, dass sie in Verflechtung mit dem ersten bis vierten Schalter SW1 bis SW4 von der Steuerschaltung 15 ein- und ausgeschaltet werden, wobei sie die Rolle eines abwechselnden Ladens und Entladens des Bootstrap-Kondensators Cbs und des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl einnehmen.
Die Steuerschaltung 15, die die Ein/Aus-Steuerung des fünften bis achten Schalters SW5 bis SW8 ausführt, ist zum Beispiel wie in 6 gezeigt konfiguriert. Die Steuerschaltung 15 umfasst einen Zeitgeber 17 in der Steuerlogikschaltung 15c anstatt des Spannungsabfalldetektors 16. Der Zeitgeber 17 dient der Taktung einer Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements XM1 und dem Erzeugen eines Spannungserfassungssignals UVEN (in 6 nicht gezeigt), wenn die Ein-Zeit eine vorbestimmte Zeit überschreitet.
Das bedeutet, die der hochseitigen Treiberschaltung 11 von dem Bootstrap-Kondensator Cbs zugeführte Versorgungsspannung VB hängt von einer Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements XM1 so ab, dass sie abnimmt, wenn eine Entladezeit des Bootstrap-Kondensators Cbs länger wird. Der Zeitgeber 17 erfasst einen Grad des Abfalls der Versorgungsspannung VB zusammen mit dem Entladen des Bootstrap-Kondensators Cbs als einen Wert, der äquivalent zu einer Länge einer Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements XM1 ist, wodurch das Spannungserfassungssignal UVEN erzeugt wird.
Die Steuerlogikschaltung 15c ist dafür konfiguriert, zum Beispiel, wie in 7 gezeigt, Schaltsignale S5C, S6C, S7 und S8 zum entsprechenden Ein/Aus-Steuern des fünften bis achten Schalters SW5 bis SW8 zu erzeugen, sowie auch die Schaltsignale S1C, S2C, S3 und S4 zum entsprechenden Ein/Aus-Steuern des ersten bis vierten Schalters SW1 bis SW4 gemäß dem EIN-Signal CEN und dem Spannungserfassungssignal UVEN.
Die von der Steuerlogikschaltung 15c erzeugten Schaltsignale S1C, S2C, S5C, S6C sind negative logische Signale zum entsprechenden Einschalten des ersten, zweiten, fünften und sechsten Schalters SW1, SW2, SW5 und SW6, wenn diese Schaltsignale jeweils in einem L-Pegel sind. Die Schaltsignale S1C, S2C, S5C und S6C werden in Signale umgewandelt, die über Ausgangsschaltungen 15d, 15e, 15f und 15g jeweils wahlweise auf die Versorgungsspannung VB oder die Zwischenspannung VS eingestellt werden, und entsprechend an den ersten, zweiten, fünften und sechsten Schalter SW1, SW2, SW5 und SW6 angelegt werden.
Die Schaltsignale S3, S4, S7, S8 sind positive logische Signale zum entsprechenden Einschalten des dritten, vierten, siebten und achten Schalters SW3, SW4, SW7 und SW8, wenn diese Schaltsignale jeweils in einem H-Pegel sind. Die Schaltsignale S3, S4, S7, S8 werden entsprechend an den dritten, vierten, siebten und achten Schalter SW3, SW4, SW7 und SW8 als Signale angelegt, die jeweils wahlweise auf die Zwischenspannung VS oder die Bezugsspannung MVS eingestellt werden.
8 ist ein Zeitdiagramm, das einen Bootstrap-Vorgang in der auf die vorstehend beschriebene Weise konfigurierten Halbleitervorrichtung 1 zeigt. Das bedeutet 8 stellt Ein/Aus-Modi des ersten bis achten Schalters SW1 bis SW8 gemeinsam mit den Betriebsvorgängen der hochseitigen Treiberschaltung 11 und der tiefseitigen Treiberschaltung 12 dar, die komplementär die Schaltelemente XM1 und XM2 ein- und ausschalten, und stellt Lade/Entladezustände des Bootstrap-Kondensators Cbs und des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl in diesen Modi dar.
Gemäß der auf diese Weise konfigurierten Halbleitervorrichtung 1 wird, wie in 8 gezeigt, der Bootstrap-Kondensator Cbs in Verflechtung mit einem Ein/Ausschalten des tiefseitigen Schaltelements XM2 so geladen, dass er mit der Versorgungsspannung VCC geladen wird, wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 eingeschaltet ist. Die Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators Cbs wird verstärkt (durch Boot-Strapping), wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 ausgeschaltet ist und das hochseitige Schaltelement XM1 eingeschaltet ist, und der hochseitigen Treiberschaltung 11 zugeführt. Ähnlich wie in dem Fall der ersten Ausführungsform wird unabhängig von dem Bootstrap-Kondensator Cbs, der mit der Versorgungsspannung VCC versorgt und geladen wird, der Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl mit der Differenzspannung (VS - MVS) versorgt und geladen.
Wenn der Abfall der Versorgungsspannung VB von dem Zeitgeber 17 angezeigt wird, wird in dem Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl geladene elektrische Ladung über den ersten und zweiten Schalter SW1 und SW2 entladen und der hochseitigen Treiberschaltung 11 als die Versorgungsspannung VB zugeführt. In diesem Fall wird der Bootstrap-Kondensator Cbs von der hochseitigen Treiberschaltung 11 durch den fünften und sechsten Schalter SW5 und SW6 getrennt und mit der Bezugsspannung MVS und dem Reihenverbindungspunkt zwischen den Schaltelementen XM1 und XM2 über den siebten und achten Schalter SW7 bis SW8 verbunden.
Folglich wird an die hochseitige Treiberschaltung 11 die Versorgungsspannung VB von dem Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl anstatt des Bootstrap-Kondensators Cbs angelegt. Zur Zeit der Entladung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl wird der Bootstrap-Kondensator Cbs mit der Differenzspannung (VS - MVS) wieder versorgt und geladen. Auch in der auf diese Weise betriebenen Halbleitervorrichtung 1, wie bei der als die erste Ausführungsform erläuterten Halbleitervorrichtung 1, kann die Versorgungsspannung VB der hochseitigen Treiberschaltung 11 selbst in einem Fall stabil zugeführt werden, in dem eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements XM1 lang ist. Außerdem kann, da der Bootstrap-Kondensator Cbs zur Zeit des Entladens des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl geladen wird, der Bootstrap-Kondensator Cbs selbst dann sicher geladen werden, wenn eine Ein-Zeit des tiefseitigen Schaltelements XM2 kurz ist.
Der Zeitgeber 17 wird neu gestartet, wenn die Lieferung der Versorgungsspannung VB von dem Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl anstatt des Bootstrap-Kondensators Cbs gestartet wird. Wenn der Spannungsabfall in dem Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl von der Taktung des Zeitgebers 17 erfasst wird, wird die Versorgungsspannung VB wieder von dem Bootstrap-Kondensator Cbs anstatt des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl zugeführt. Nachstehend ist es, wenn die Lieferung der Versorgungsspannung VB von dem Bootstrap-Kondensator Cbs und die Lieferung der Versorgungsspannung VB von dem Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl abwechselnd kontinuierlich auf ähnliche Weise ausgeführt werden, möglich, jegliche Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements XM1 zu handhaben.
Dementsprechend kann, obgleich im Vergleich zu der ersten Ausführungsform der fünfte bis achte Schalter SW5 bis SW8 zusätzlich erforderlich sind, eine solche Wirkung erlangt werden, dass die Versorgungsspannung VB stabil erzeugt werden kann, so dass flexibler mit der Änderung der Ein-Zeit/Auszeiten der Schaltelemente XM1 und XM2 umgegangen werden kann, wodurch ein stabiler Betrieb der Halbleitervorrichtung 1 erreicht wird.
9 zeigt eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die Halbleitervorrichtung 1 gemäß der dritten Ausführungsform wird unter Verwendung der Dioden D1 und D2 als der erste bzw. dritte Schalter SW1 und SW3 erreicht. Insbesondere wird die Anode der Diode D1 mit einem Ende des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl verbunden und die Kathode der Diode D1 mit einer Versorgungsleitung der Versorgungsspannung VB der hochseitigen Treiberschaltung 11 verbunden. Die Konfiguration ist so gestaltet, dass beim Einschalten des zweiten Schalters SW2 die Diode D1 unter Verwendung einer Differenzspannung zwischen der Versorgungsspannung VB und einer Additionsspannung der Zwischenspannung VS und einer Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl ein/ausgeschaltet wird, wodurch das Entladen des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl gesteuert wird.
Außerdem ist die Anode der Diode D2 mit dem Reihenverbindungspunkt zwischen den Schaltelementen XM1 und XM2 verbunden und ist die Kathode der Diode D2 mit einem Ende des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl verbunden. Die Konfiguration ist so gestaltet, dass beim Einschalten des vierten Schalters SW4 die Diode D2 unter Verwendung einer Differenzspannung zwischen der Zwischenspannung VS und einer Additionsspannung der Bezugsspannung MVS der Steuerschaltung 15 und einer Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl ein/ausgeschaltet wird, wodurch der Hilfs-Bootstrap-Kondensator Cspl geladen wird, wenn das tiefseitige Schaltelement XM2 ausgeschaltet ist.
Bezüglich der Steuerschaltung 15 in der Halbleitervorrichtung 1, die unter Verwendung der Dioden D1 und D2 als der erste und der dritte Schalter SW1 und SW3 konfiguriert ist, kann die Ausgangsschaltung 15d weggelassen werden, wie in 10 gezeigt. Dementsprechend kann gemäß der Halbleitervorrichtung 1 der dritten Ausführungsform eine solche Wirkung erlangt werden, dass es möglich ist, die Konfiguration der Steuerschaltung 15 zu vereinfachen, während die Halbleitervorrichtung auf die gleiche Weise arbeitet wie die Halbleitervorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise ist es bezüglich des Bootstrap-Kondensators Csp und des Hilfs-Bootstrap-Kondensators Cspl ausreichend, deren individuellen Kapazitäten durch Berücksichtigung der Veränderung einer Länge von Ein-/Auszeiten der Schaltelemente XM1 und XM2 einzustellen. Bezüglich des Spannungsabfalldetektors 16 können verschiedene Arten von bisher bekannten Schaltungskonfigurationen geeignet verwendet werden. Außerdem kann die Steuerlogikschaltung 15c unter Verwendung von zum Beispiel verschiedenen Arten von Logik-Gate-Schaltungen konfiguriert sein. Die Erfindung kann so implementiert werden, dass sie auf verschiedene Weisen in einem Bereich verändert werden kann, der nicht von dem Geist der Erfindung abweicht.
Bezugszeichenliste

1: Halbleitervorrichtung
2: Steuereinrichtung
11: hochseitige Treiberschaltung
12: tiefseitige Treiberschaltung
13: Schnittstellenschaltung
14: Pegelschiebeschaltung
15: Steuerschaltung
15c: Steuerlogikschaltung
16: Spannungsabfalldetektor
17: Zeitgeber
XM1: hochseitiges Schaltelement
XM2: tiefseitiges Schaltelement
Dbs: Bootstrap-Diode
Cbs: Bootstrap-Kondensator
Cspl: Hilfs-Bootstrap-Kondensator
SW1, SW2 bis SW8: Schalter
ZD: Zener-Diode
i: bias konstante Stromquelle
D1, D2: Diode (Schalter)

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 2011234430 A [0010]
JP 2013055549 A [0010]
JP 2007006207 A [0010]

Claims

Halbleitervorrichtung, die umfasst: eine hochseitige Treiberschaltung und eine tiefseitige Treiberschaltung, die komplementär ein hochseitiges Schaltelement und ein tiefseitiges Schaltelement ein- und ausschalten, die auf eine Totem-Pole-Weise verbunden sind, einen Bootstrap-Kondensator, der über eine Diode mit einer Treibenergieversorgung der tiefseitigen Treiberschaltung verbunden ist und während eines Ein-Zustands des tiefseitigen Schaltelements geladen wird und die somit geladene Spannung davon verstärkt, um die verstärkte Ladungsspannung an die hochseitige Treiberschaltung anzulegen, wenn das tiefseitige Schaltelement in einem Aus-Zustand ist, einen Hilfs-Bootstrap-Kondensator, der parallel zu dem Bootstrap-Kondensator über eine Schaltschaltung angeordnet ist und, wenn das hochseitige Schaltelement in einem Ein-Zustand ist, mit einer Zwischenspannung, die an einem Verbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement und dem tiefseitigen Schaltelement erzeugt wird, geladen wird, eine Zener-Diode, die mit dem Verbindungspunkt verbunden ist und eine Ladungsbezugsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators definiert; und eine Steuerschaltung, die die Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators über die Schaltschaltung an die hochseitige Treiberschaltung anlegt, wenn die Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators in dem Ein-Zustand des hochseitigen Schaltelements unter eine vorbestimmte Spannung abfällt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die hochseitige Treiberschaltung unter Verwendung einer Spannung des Verbindungspunkts als eine Betriebsbezugsspannung arbeitet und wobei die Zener-Diode eine Ladungsbezugsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators definiert, der mit der Zwischenspannung als einer Spannung der Treiberenergieversorgung der tiefseitigen Treiberschaltung versorgt und geladen wird.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung bestimmt, dass die Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators unter die vorbestimmte Spannung abfällt, wenn eine Ein-Zeit des hochseitigen Schaltelements eine vorbestimmte Zeit überschreitet.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltschaltung einen ersten und einen zweiten Schalter, die den Hilfs-Bootstrap-Kondensator mit einer Energiezufuhrleitung der hochseitigen Treiberschaltung verbinden, wenn die Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators in dem Ein-Zustand des hochseitigen Schaltelements unter die vorbestimmte Spannung abfällt, und einen dritten und einen vierten Schalter, die die Ladungsbezugsspannung an den Hilfs-Bootstrap-Kondensator anlegen, wenn das hochseitige Schaltelement in einem Ein-Zustand ist und jeder des ersten und des zweiten Schalters in einem Aus-Zustand ist, umfasst.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei jeder des ersten bis vierten Schalters durch einen bidirektionalen analogen Schalter konfiguriert ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuerschaltung unter Verwendung der Spannung des Reihenverbindungspunkts zwischen dem hochseitigen Schaltelement und dem tiefseitigen Schaltelement, die auf eine Totem-Pole-Weise verbunden sind, als einer Betriebsbezugsspannung erzeugt wird, arbeitet und wobei die Steuerschaltung umfasst: einen Spannungsabfalldetektor, der einen Abfall der Versorgungsspannung erfasst, die an die hochseitige Treiberschaltung angelegt wird, und ein Spannungsabfallerfassungssignal ausgibt, und eine Steuerlogikschaltung, die ein Schaltsignal zum Steuern des Ein/Ausschaltens des ersten bis vierten Schalters auf Grundlage des Spannungsabfallerfassungssignals erzeugt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4 wobei der erste und zweite Schalter komplementär mit dem dritten und vierten Schalter ein- und ausgeschaltet werden.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei der erste Schalter durch eine erste Diode konfiguriert ist, die leitfähig gemacht wird, wenn die Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators die Ladungsspannung des Bootstrap-Kondensators überschreitet, und der dritte Schalter durch eine zweite Diode konfiguriert ist, die leitfähig gemacht wird, wenn die Ladungsspannung des Hilfs-Bootstrap-Kondensators unter eine von der Zener-Diode definierte Spannung abfällt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, die ferner umfasst: einen fünften und einen sechsten Schalter, die den Bootstrap-Kondensator von der Treiberenergieversorgung der tiefseitigen Treiberschaltung trennen, wenn der erste und der zweite Schalter leitfähig gemacht werden; und einen siebten und einen achten Schalter, die komplementär mit dem fünften und dem sechsten Schalter leitfähig gemacht werden, wodurch die Ladungsbezugsspannung an den Bootstrap-Kondensator angelegt wird.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei jeder des fünften bis achten Schalters durch einen bidirektionalen analogen Schalter konfiguriert ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Kathode der Zener-Diode mit dem Verbindungspunkt zwischen dem hochseitigen Schaltelement und dem tiefseitigen Schaltelement verbunden ist, eine Anode der Zener-Diode eine negativseitige Bezugsspannung bezüglich der Zwischenspannung definiert und eine Spannung zwischen der Kathode und der Anode der Zener-Diode die Ladungsbezugsspannung ist.