DE19711326A1

DE19711326A1 - Bipolare Isolierschichttransistorvorrichtung mit einer Strombegrenzungsschaltung

Info

Publication number: DE19711326A1
Application number: DE19711326A
Authority: DE
Inventors: Masahito Otsuki
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-03-18
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 1997-10-30
Also published as: US6218888B1; JPH09252126A; JP3149773B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung eines Chips, der bipolare Isolierschichttransistoren (IGBTs) und eine Strombegrenzungsschaltung für das Begrenzen eines Überstroms zu Zeiten des Lastkurzschlusses etc. enthält.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist beispielsweise eine Halblei tervorrichtung, die einen Haupt-IGBT 1 und eine Strombegren zungsschaltung 10 auf einem Chip umfaßt, als Schaltvorrich tung für einen großen Strom und eine niedrige Sättigungsspan nung (niedrige Durchlaßspannung) bekannt. Sie hat einen n-Kanal Haupt-IGBT 1, einen n-Kanal Sensor-IGBT 2, der parallel mit dem Haupt-IGBT 1 verbunden ist, einen Emitterwiderstand RE des Sensor-IGBT 2, und einen n-Kanal MOSFET 3 für das Durchführen einer Rückkopplungssteuerung eines Wertes der Gate-Spannung VG des IGBT, wenn die Spannung des Emitterwi derstands RE fällt. Ein Gate-Eingangssignal IN wird zu den Gate-Anschlüssen G des Haupt-IGBT 1 und der Sensor-IGBT 2 über einen externen Gate-Widerstand RG, der mit einem Gate-Anschluß A verbunden ist, eingegeben, und eine VCC Leistungs versorgung ist mit einem Kollektoranschluß C über eine Last 6 verbunden.

Übrigens hat, wie in Fig. 7 gezeigt, die Halbleiterstruktur des IGBT 1, IGBT 2 einen p⁺ Kollektorschicht (Minoritätsträgerinjektionsschicht) 12, die mit einer Kollek torelektrode 11 auf der hinteren Fläche verbunden ist, einen n⁺-leitende Pufferschicht 13, die auf die Kollektorschicht 12 auflaminiert ist, eine veränderliche n^--leitende Leitfähig keitsschicht (n Basisschicht) 14, die auf der Pufferschicht durch ein epitaxiales Aufwachsverfahren aufgebracht ist, eine Polysilizium-Gate-Elektrode 16, die auf der Oberfläche der veränderlichen Leitfähigkeitsschicht 14 mit einem Gate-Iso lierfilm 15 angeordnet ist, p-leitende Basisschichten 17, die wie Vertiefungen auf der Oberfläche der veränderlichen Leit fähigkeitsschicht 14 durch eine Selbstausrichtetechnik mit der Gate-Elektrode 16 als Maske ausgeformt sind, und n⁺ lei tende Source-Schichten 19, die unter Verwendung von Alumini umemitterelektroden 18, die auf den Basisschichten 17 ausge bildet sind, eingeführt und geformt werden. In einem solchen IGBT der Halbleiterstruktur wird, wenn ein positives Poten tial der Emitterelektrode 18 an die Gate-Elektrode 16 ange legt wird, ein Kanal als eine Inversionsschicht auf der Ober fläche der p-leitenden Basisschicht 17 als Kanaldiffusions schicht gerade unterhalb der Gate-Elektrode 16 ausgebildet, und Elektronen werden in die veränderliche Leitfähigkeits schicht 4 über den Kanal von der Emitterelektrode 18 inji ziert. In Erwiderung auf dieses Phänomen werden Löcher in die veränderliche Leitfähigkeitsschicht 14 von der Kolektor schicht 12 injiziert. Somit steigt die elektrische Leitfähig keit der veränderlichen Leitfähigkeitsschicht 14 plötzlich an, schaltet ein, was eine niedrige Durchlaßspannung ergibt.

Wenn der Haupt-IGBT 1 in der Halbleitervorrichtung in Fig. 6 an ist, wenn die Last 6 kurzgeschlossen ist, so nimmt der Kollektorstrom abrupt zu, nicht nur im Haupt-IGBT 1 sondern auch im Sensor-IGBT 2, der parallel zum Haupt-IGBT 1 liegt. Somit steigt der Spannungsabfall des Emitterwiderstands RE abrupt an und der Sättigungs-Drain-Strom des MOSFET 3 für die Gate-Spannungssteuerung steigt, entlädt die Gate-Kapazitäten C1 und C2 des IGBT 2, so daß die Gate-Spannungen des Haupt-IGBT 1 und der Sensor-IGBT 2 abrupt fallen. Als Ergebnis nimmt der Kollektorstrom des Haupt-IGBT 1 und des Sensor-IGBT 2 abrupt ab. Der Grund dafür, warum der Kollektorstromwert begrenzt ist, und eine passende Menge von Strom weitergegeben wird, ohne den Haupt-IGBT 1 abzuschalten, wenn die Last kurz geschlossen wird, ist der, daß es notwendig ist, den begrenz ten Stromwert fortzusetzen, ohne sofort den Hauptstrom des Haupt-IGBT 1 in der Halbleitervorrichtung (Chip) abzuschal ten, bis eine externe (nicht gezeigte) Schutzschaltung in Erwiderung auf das Kurzschließen des Last den Betrieb be ginnt.

Wenn jedoch die Last des IGBT, der die Strombegrenzungsschal tung 10 enthält, kurzgeschlossen wird, so wird die Entlade aktion des MOSFET 3 dominant gemacht und die Gate-Spannung VG wird gemäß der hochpegeligen Spannung des Gate-Eingabesignals IN der Gate-Kapazität C1, C2 bis zu einem vorbestimmten Wert während der Ladetätigkeit abgesenkt, um eine analoge Strombe grenzung des IGBT 1, IGBT 2 durchzuführen. Somit variiert der Grenzstromwert der Zeiten mit kurzgeschlossener Last von einem Chip zum andern, und die Zerstörfestigkeit gegenüber einem Lastkurzschließen variiert stark durch die Variationen des Widerstandswertes des Emitterwiderstands RE, Variationen der Kennzeichen des Gate-Spannungsgesteuerten MOSFET 3, den Temperaturkennzeichen, etc., die durch die Strombegrenzungs aktion verursacht werden.

Um solche Variationen bei der Zerstörungsfestigkeit gegenüber Lastkurzschlüssen zu unterdrücken, ist eine Struktur für das Erhöhen des Latch-up Widerstandes zu Zeiten des Lastkurz schlusses, etc., des IGBT bekannt, die besser als das Einbau en aktiver Elemente einer Rückkoppelschleife in einem Chip ist.

In der in Fig. 8A gezeigten IGBT-Struktur befindet sich eine Emitterelektrode 18 nicht in direktem Kontakt mit streifenar tigen Source-Schichten 19, die sich in die Gate-Breiten- (Kanal-Breiten) Richtung der Gate-Elektroden 16 erstreckt und in leitenden Kontakt mit Verzweigungsteilen 19a kommt, die sich wie ein Kammzahn von den Source-Schichten 19 erstrecken, wobei ein Diffusionswiderstand rS auf jedem Verzweigungsteil 19a parasitär ist. In einer solchen Halbleiterstruktur, bei der der Diffusionswiderstand rS äquivalent zwischen den Source-Schichten 19 und der Emitter-Elektrode 18 liegt, wenn ein Lochstrom IH in die Emitterelektrode 18 gerade unterhalb der Source-Schichten 19 in der Basisschicht 17 zur Ladungs kurzschlußzeit abrupt steigt und der Spannungsabfall des Diffusionswiderstands rB steigt, der Elektronenstrom ID, der durch die Source-Schichten 19 fließt, zur selben Zeit auch abrupt zunimmt und der Spannungsabfall des Diffusionswider stands rS auch zunimmt. Somit ist der pn-Übergang der Basis schicht 17 und der Source-Schicht 19 nur schwer in Durchlaß richtung vorzuspannen, wobei es schwierig ist, einen parasi tärer Transistor (einen npn-Transistor, der auf einer verän derlichen Leitfähigkeitsschicht 14, der Basisschicht 17 und der Source-Schicht 19 besteht) dem Latch-up Effekt zu unter ziehen. Somit steigt die Zerstörfestigkeit gegenüber einem Ladungskurzschluß an.

Andererseits ist die in Fig. 8B gezeigte IGBT-Struktur eine Struktur, bei der inselartige Sourceschichten 19b diskret in Gate-Breitenrichtung (Kanalbreitenrichtung) der Gate-Elektro den 16 ausgeformt sind, und eine Emitterelektrode 18 so aus geformt ist, daß sie sich über die Source-Schichten 19b er streckt; diese Struktur wird eine Teilkanalformstruktur ge nannt. In dieser Teilkanalformstruktur stehen nur die hohlen Teile zwischen den Source-Schichten 19b bezüglich der Kanäle gerade unterhalb der Gate-Elektroden 16 nicht mit der Emit terelektrode 18 in leitendem Kontakt. Als Ergebnis ist, wie in der Struktur der Fig. 8A, der Diffusionswiderstand rS parasitär zwischen den Source-Schichten 19b und der Emitter elektrode 18, um somit die Zerstörfestigkeit gegenüber einem Lastkurzschließen zu verbessern.

Sogar bei den in den Fig. 8A und 8B gezeigten Strukturen treten jedoch die folgenden Probleme auf:

1) In der Überstromperiode, wie beispielsweise der Zeit des Lastkurzschlusses sind die Strukturen wirksam, um den Latch up Widerstand durch ein abruptes Erhöhen des Spannungsab falls, der durch den Diffusionswiderstand rS der Source- Schicht 19 verursacht wird, zu erhöhen. Es fließt jedoch auch im normalen eingeschalteten Zustand ein Elektronenstrom in den Diffusionswiderstand rS, und der Spannungsabfall setzt sich fort. Somit steigt natürlich die Durchlaßspannung (die Kollektorsättigungsspannung) VCE (sat), was den Durchgangs verlust vergrößert.
2) Da ein abnormaler Überstrom mit einem unbekannten Wert zur Zeit des Lastkurzschlusses fließen kann, ist die Verbesse rung des Latch-up Widerstandes begrenzt, und es kann sein, daß sich eine Elementzerstörung nicht verhindern läßt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung der obigen Umstän de vorgenommen, und deswegen besteht eine erste Aufgabe der Erfindung darin, eine bipolare Isolierschichttransistorvor richtung zu schaffen, die Variationen der Zerstörfestigkeit gegenüber Ladungskurzschlüssen unterdrückt, obwohl sie die Strombegrenzungsschaltung für eine Begrenzung des Stroms in Überstromperioden, wie beispielsweise der Ladungskurzschluß zeit umfaßt.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine bipo laren Isolierschichttransistorvorrichtung zu schaffen, die eine Strombegrenzungsschaltung umfaßt, die mit einer niedri gen Durchgangsspannung im normalen Zustand arbeitet.

Um die erste Aufgabe zu lösen, wird gemäß der Erfindung eine Vorrichtung für das Durchführen einer analogen Strombegren zung und auch einer diskreten Herabstufung des Stromwertes, wenn ein Ladungskurzschluß erkannt wird, angegeben. Das heißt, eine erste bipolare Isolierschichttransistorvorrich tung, die eine Strombegrenzungsschaltung der Erfindung um faßt, hat einen ersten IGBT eines ersten Leitfähigkeitstyps, dessen Strom durch eine Gate-Spannung eines Gate-Anschlusses gesteuert wird, einen Sensor-IGBT eines ersten Leitfähig keitstyps, dessen Strom durch die Gate-Spannung gesteuert wird, wobei der Sensor-IGBT parallel zum ersten IGBT verbun den ist, einen zweiten IGBT des ersten Leitfähigkeitstyps, dessen Strom durch die Gate-Spannung gesteuert wird, wobei der zweite IGBT parallel zum ersten IGBT verbunden ist, eine Strom-Spannungsumwandlungsvorrichtung zur Umwandlung eines Ansteigens oder Abfallens des Kollektorstroms des Sensor-IGBT in ein Ansteigen oder Abfallen eines Spannungswertes, und eine aktive Vorrichtung, deren Strom gesteuert wird, basie rend auf der Umwandlungsspannung für das Laden oder Entladen einer Gate-Kapazität, die den Gate-Anschluß als einen monoli thischen Chip begleitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertspannung V_TH2 des zweiten IGBT hochgesetzt wird in der Größenordnung von 1 V verglichen mit der Schwellwertspan nung V_TH1 des ersten IGBT.

Eine zweite bipolare Isolierschichttransistorvorrichtung, die eine Strombegrenzungsschaltung der Erfindung umfaßt, hat einen ersten IGBT eines ersten Leitfähigkeitstyps, dessen Strom durch eine Gate-Spannung eines Gate-Anschlusses gesteu ert wird, einen Sensor-IGBT des ersten Leitfähigkeitstyps, dessen Strom durch die Gate-Spannung gesteuert wird, wobei der Sensor-IGBT parallel zum ersten IGBT verbunden ist, einen zweiten IGBT des ersten Leitfähigkeitstyps, der einen Gate-Anschluß hat, der über einen Gate-Widerstand mit dem Gate-Anschluß verbunden ist, wobei der zweite IGBT parallel zum ersten IGBT verbunden ist, eine Strom-Spannungsumwandlungs vorrichtung zur Umwandlung eines Ansteigens oder Abfallens eines Kollektorstroms des Sensor-IGBT in ein Ansteigen oder Abfallen eines Spannungswertes, und eine aktive Vorrichtung, deren Strom gesteuert wird, basierend auf der Umwandlungs spannung für das Laden oder Entladen einer Gate-Kapazität, die den Gate-Anschluß als einen monolithischen Chip beglei tet. Vorzugsweise wird die Schwellwertspannung V_TH2 des zwei ten IGBT niedrig gesetzt, in der Größenordnung von 1 V, ver glichen mit der Schwellwertspannung V_TH1 des ersten IGBT.

In der ersten Vorrichtung fließt, wenn der erste IGBT, der zweite IGBT und der Sensor-IGBT an sind, wenn die Last kurz geschlossen wird, ein großer Kollektorstrom auch in den Sen sor-IGBT, und bewirkt, daß die Umwandlungsspannung der Strom- Spannungs-Umwandlungsvorrichtung sich abrupt ändert und der Strom, der in die aktive Vorrichtung fließt, abrupt ansteigt. Somit werden die Gate-Kapazitäten des ersten IGBT, des zwei ten IGBT und des Sensor-IGBT vorherrschend entladen (oder geladen), so daß die Gate-Spannung unter die Schwellwertspan nung V_TH2 fällt. Dadurch öffnet nur der zweite IGBT, und der Überstrom, der durch das Lastkurzschließen verursacht wird, nimmt ab. Wenn ein Lastkurzschließen erkannt wird, so fällt die Gate-Spannung unter die Schwellwertspannung V_TH2, aber die Schwellwertspannung V_TH2 ist größer als V_TH1, so daß der erste IGBT und der Sensor-IGBT nicht öffnen und sich in einem Strombegrenzungszustand befinden. Somit wird, wenn die Last kurzgeschlossen wird, ein Herabstufen des Stromwertes mit dem Strom abgeschnitten, wenn der zweite IGBT öffnet und die Strombegrenzung des ersten IGBT und die Sensor-IGBT-funktio niert, so daß der Überstrom zur Ladungskurzschlußzeit wirksam verhindert werden kann, und die Zerstörungsfestigkeit gegen über einem Ladungskurzschließen erhöht werden kann. Insbeson dere absorbiert, wenn es Variationen bei der Herstellung der Strombegrenzungsschaltung etc. gibt, die diskrete Strom-He rabstufungsbreite die Variationen, so daß sie sich kaum als Variationen der Begrenzungsstromwerte bemerkbar machen. Somit können Variationen der Zerstörungsfestigkeit gegenüber Last kurzschlüssen sehr vermindert werden.

In der zweiten Vorrichtung wird, wenn ein Lastkurzschluß erkannt wird, und der zweite IGBT geöffnet wird, ein Laden (oder Entladen) der Gate-Kapazität des zweiten IGBT durch den Gate-Widerstand unterdrückt und die Gate-Kapazität des Sen sor-IGBT wird sofort getrennt und die Gate-Kapazität des zweiten IGBT wird konzentriert entladen oder geladen. Somit kann die Gate-Kapazität des zweiten IGBT schnell entladen (schnell geladen) werden, so daß die Abschaltzeit des zweiten IGBT verkürzt wird, und der Herabstufungseffekt für die Strombegrenzung beschleunigt wird.

Wenn die Schwellwertspannung V_TH2 des zweiten IGBT niedrig in der Größenordnung von 1 V festgelegt wird, verglichen mit der Schwellwertspannung V_TH1 des ersten IGBT, nimmt die Durchlaß spannung des zweiten IGBT ab, so daß der Verlust vermindert werden kann, und die gegenseitige Konduktanz des ersten IGBT, der eine hohe Schwellwertspannung hat, niedrig wird. Somit wird, wenn die Last kurzgeschlossen wird, die Strombegren zungsaktivität weiter aktiv und die Zerstörungsfestigkeit gegenüber einem Lastkurzschluß kann ebenfalls verbessert werden.

Die obigen und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen be trachtet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm, um eine erste Ausführungs form der bipolaren Isolierschichttransistorvorrichtung zu zeigen, die eine Strombegrenzungsschaltung gemäß der Erfin dung umfaßt;

Fig. 2 ist eine Wellenformdarstellung, um die Änderung der Zeit und des IGBT-Kollektorstroms IC der Kurzschlußzeit zu zeigen, um den Betrieb der ersten Ausführungsform zu erläu tern.

Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, um eine zweite Ausfüh rungsform einer bipolaren Isolierschichttransistorvorrichtung zu zeigen, die eine Strombegrenzungsschaltung gemäß der Er findung umfaßt.

Fig. 4 ist eine Kurve, um die Beziehung zwischen der Emitter-Gate-Spannung und dem Kollektorstrom IC eines Haupt-IGBT und eines Unter-IGBT in der zweiten Ausführungsform der Erfindung zu zeigen;

Fig. 5 ist ein Schnittansicht, um eine Halbleiterstruktur zu zeigen, die mit der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;

Fig. 6 ist ein Schaltungsdiagramm, um einen konventionellen bipolaren Isolierschichttransistor, der eine Strombegren zungsschaltung umfaßt, zu zeigen;

Fig. 7 ist eine Schnittansicht, um eine konventionelle allge meine IGBT-Struktur zu zeigen; und

Fig. 8A und 8B sind teilweise perspektivische Ansichten, um konventionelle Strukturen von IGBTs zu zeigen, die sich vom IGBT in Fig. 7 unterscheiden.

GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es wird nun eine detailliertere Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gegeben.

ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm, um eine erste Ausfüh rungsform einer bipolearen Isolierschichttransitorvorrich tung, die eine Strombegrenzungsschaltung gemäß der Erfindung umfaßt, zu zeigen. Die bipolare Isolierschichttransistorvor richtung (IGBT), die eine Strombegrenzungsschaltung der Ausführungsform umfaßt, ist eine Halbleitervorrichtung, die einen Haupt-IGBT 1, einen Unter-IGBT 20, und eine Strombe grenzungsschaltung 30 auf einem Chip umfaßt. Das heißt, die Halbleitervorrichtung hat einen n-Kanal Haupt-IGBT 1, dessen Strom durch ein Gate-Signal IN, das über einen externen Gate-Widerstand RG an einen Gate-Anschluß A eingegeben wird, einen n-Kanal Unter-IGBT 20, dessen Strom durch das Gate-Signal IN gesteuert wird, wobei der Unter-IGBT 20 parallel mit dem Haupt-IGBT 1 verbunden ist, einen n-Kanal Sensor-IGBT 2, dessen Strom durch das Gate-Signal IN gesteuert wird, wobei der Sensor-IGBT 2 parallel mit dem Haupt-IGBT 1 verbunden ist, einen Emitterwiderstand RE für das Erkennen eines Über stroms, der durch ein Lastkurzschließen etc. verursacht wird, mit einem Kollektorstrom, der in den Sensor-IGBT 2 fließt, und einen n-Kanal MOSFET 7, an den ein Spannungsabfall des Emitterwiderstands RE als Gate-Spannung für ein schnelles Entladen der Gate-Kapazitäten C1, C2 und C20 des IGBT 1, IGBT 2 und des IGBT 20 angelegt wird. In der Ausführungsform wird die Schwellwertspannung VTHB des Unter-IGBT 20 im Vergleich zu der Schwellwertspannung VTHA des Haupt-IGBT 1 und des Sensor-IGBT 2 gesetzt. Das Hochsetzen der Schwellwertspannung bedeutet, daß es eine Differenz in der Größenordnung von 1 V gibt, die viel größer ist als der Schwellwertspannungsfehler bereich, der bei einem normalen Verfahren innerhalb von 0,3 V liegt. Beispielsweise wird VTHB auf 8V und VTHA auf 4V ge setzt. Die VCC-Leistungsversorgung wird über eine Last 6 mit einem Kollektoranschluß C verbunden.

Wenn das Gate-Signal IN ansteigt, werden die Gate-Kapazitäten G1, C20 und C2 des IGBT 1, des IGBT 20 und des IGBT 2 geladen und die Gatespannung VG übersteigt die Schwellwertspannung VTHB, womit die IGBTs eingeschaltet werden. Da der Element maßstab des Sensor-IGBT 2 weit kleiner ist, verglichen mit dem von IGBT 1, IGBT 20, kann die Gate-Kapazität des Sensor-IGBT 2 ignoriert werden. Wenn der Sensor-IGBT 2 angeschaltet wird, so fließt sein Kollektorstrom in den Emitterwiderstand RE und sein Spannungsabfall wird als Gate-Spannung des MOSFET 7 angelegt. Da jedoch die Menge des Kollektorstroms des Sen sor-IGBT weit kleiner ist, verglichen mit der des IGBT 1, IGBT 20, so ist der Spannungsabfall kleiner als der Schwell wert des MOSFET 7 und der MOSFET 7 bleibt offen. Als nächstes werden, wenn das Gate-Signal IN fällt, die Gate-Kapazitäten G1, C20 und C2 des IGBT 1, des IGBT 20 und des IGBT 2 entla den und die Gatespannung VG fällt unter die Schwellwertspan nung VTHA, so daß die IGBTs abgeschaltet werden.

Wenn der IGBT 1, der IGBT 20 und der IGBT 2 an sind, beginnt, wenn die Last 6 kurzgeschlossen wird, ein großer Strom auch in den Sensor-IGBT 2 zu fließen, der Spannungsabfall des Emitterwiderstands RE steigt abrupt an, und der Drain-Strom des n-Kanal MOSFET 7 steigt. Somit werden die Gate-Kapazitä ten C1, C20 und C2 überwiegend gegen die Versorgung der hoch pegeligen Spannung des Gate-Signals IN entladen, so daß die Gate-Spannung VG abrupt abnimmt und unter die Schwellwert spannung VTHB fällt. Als Ergebnis öffnet nur der Unter-IGBT 20 und der Überstrom, der durch das Lastkurzschließen verur sacht wurde, fällt. Wenn ein Lastkurzschluß erkannt wird, so fällt die Gate-Spannung VG unter die Schwellwertspannung VTHB, aber sie liegt über der Schwellwertspannung VTHA, so daß der Haupt-IGBT 1 (der auch den Sensor-IGBT 2 enthält) nicht öffnet und sich in einem Strombegrenzungszustand befin det, wie das durch die unterbrochene Linie in Fig. 2 gezeigt ist. Somit wird, wenn die Last kurzgeschlossen wird, ein Herabstufen des Stromwertes mit dem Strom abgeschnitten, wenn der Unter-IGBT 2 öffnet und eine Strombegrenzung des Haupt-IGBT funktioniert, so daß der Überstrom während der Lastkurz schlußzeit wirksam verhindert werden kann, und die Zerstör festigkeit gegenüber einem Lastkurzschluß erhöht werden kann.

Wenn die Last kurzgeschlossen wird, so führen die IGBTs die analoge Strombegrenzungsoperation durch und zusätzlich schal tet der IGBT 20, der parallel zum Haupt-IGBT 1 liegt, ab. Somit kann der Lastkurzschlußschaltungsstrom stark herabge stuft werden. Die Herabstufungsbreite I wird durch das Ver hältnis des Elementgebietes des Sensor-IGBT 2 zum Element gebiet des Haupt-IGBT 1 bestimmt. Wenn es Widerstandswertva riationen des Emitterwiderstandes RE, Kennzeichenvariationen des Gate-Spannungssteuer-MOSFET 3, etc. gibt, so absorbiert die diskrete Herabstufungsbreite I die Variationen, so daß sie sich kaum als Variationen in den Begrenzungsstromwerten äußern. Somit können Variationen der Zerstörfestigkeit gegen über einem Lastkurzschließen stark vermindert werden.

ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, um eine zweite Ausfüh rungsform einer bipolaren Isolierschichttransitorvorrichtung, die eine Strombegrenzungsschaltung gemäß der Erfindung um faßt, zu zeigen. Die Schaltung der Ausführungsform wird durch das Einschieben eines Gate-Widerstandes rG für das Begrenzen der Entladung zwischen dem Eingabeanschluß A und dem Unter-IGBT 20 und dem Gate-Anschluß B in die in Fig. 1 gezeigte Schaltung gewonnen.

In der Schaltung in Fig. 1 werden, wenn ein Lastkurzschluß erkannt wird, die Gate-Kapazitäten C1, C20 und C2 des IGBT 1, des IGBT 20 und des IGBT 2 gemäß dem Drainstrom des MOSFET 3 entladen und es wird andererseits Leistung den Gate-Kapazitä ten C1, C20 und C2 des IGBT 1, des IGBT 20 und des IGBT 2 gemäß der hochpegeligen Spannung des Gate-Signals IN zuge führt. Somit fällt die Gate-Spannung VG langsam unter die Schwellwertspannung VTHB, und die Abschaltzeit des Unter-IGBT 20 wird verlängert. Darüberhinaus ist es, um die Gate-Span nung VG zu hindern, daß sie unter die Schwellwertspannung VTHA fällt, zur Zeit schwierig, den Gate-Stromwert, der vom Gate-Anschluß A hineinfließt, den Drain-Stromwert des MOSFET 3, etc. einzustellen, womit die Betriebsgebietsflexibilität sich verringert. Im allgemeinen wird, wenn die Schwellwert spannung des IGBT angehoben wird, die Durchlaßspannung (Sättigungskollektorspannung) VCE (sat) angehoben und der Leistungsverlust nimmt zu. Somit wird, wenn die Schwellwert spannung VTHB des Unter-IGBT 20 höher als die Schwellwert spannung VTHA gesetzt wird, die Durchlaßspannung des Unter-IGBT 20 angehoben.

In der zweiten Ausführungsform wird jedoch, wenn eine Last kurzschluß erkannt wird, und ein Unter-IGBT 20 geöffnet ist, Ladung von einem Gate-Anschluß A zu einer Gate-Kapazität C20 des Unter-IGBT 20 durch einen Gate-Widerstand rG unterdrückt und eine Gate-Kapazität C1 eines IGBT 1 wird sofort getrennt und die Gate-Kapazität C20 wird konzentriert entladen. Somit kann die Gate-Kapazität C20 schnell entladen werden, so daß die Abschaltzeit des Unter-IGBT 20 verkürzt wird und der Herabstufungseffekt für die Strombegrenzung beschleunigt wird. Insbesondere muß ein MOSFET 7 nicht als ein Strombe grenzungselement in ein Betriebsgebiet gesetzt werden, und er kann als Schaltelement betrieben werden, womit die Auswirkun gen der Widerstandswertvariationen des Emitterwiderstands RE und die Kennzeichenvariationen des MOSFET 7 eliminiert wer den.

Die Schwellwertspannung VTHB des Unter-IGBT 20 muß nicht höher als die Schwellwertspannung VTHA eines Haupt-IGBT 1 gesetzt werden, und sie kann wie gewünscht festgesetzt wer den. Wenn die Schwellwertspannung VTHB des Unter-IGBT 20 niedriger als die Schwellwertspannung VTHA des Haupt-IGBT 1 festgesetzt wird, wie das in Fig. 4 gezeigt ist, so nimmt die Durchlaßspannung des Unter-IGBT 20 ab, so daß der Verlust vermindert werden kann. Zur selben Zeit verringert sich, wenn die Schwellwertspannung des IGBT angehoben wird, die wechsel seitige Konduktanz g = IC/VGE und es fließt kaum mehr ein Kollektorstrom IC. Somit bleibt, wenn eine Last kurzgeschlos sen wird, die Strombegrenzungsaktivität des Haupt-IGBT 1, der eine hohe Schwellwertspannung hat, weiterhin aktiv, so daß die Zerstörfestigkeit gegenüber einem Lastkurzschluß ebenso erhöht werden kann.

Die Ein-Chip Halbleitervorrichtung mit der Schwellwertspan nung VTHB des Unter-IGBT 20, die niedriger als die Schwell wertspannung VTHA des Haupt-IGBT 1 liegt, hat eine p⁺ leiten de Kollektorschicht (Minoritätsträgerinjektionsschicht) 12, die mit einer Kollektorelektrode 11 auf der hinteren Fläche bedeckt ist, eine n⁺ leitende Pufferschicht 13, die auf die Kollektorschicht 12 auflaminiert ist, eine n⁻ Schicht 14 mit veränderlicher Leitfähigkeit, die auf der Pufferschicht 13 durch ein Aufwachsverfahren ausgebildet wurde, Polysilizium-Gate-Elektroden 16A und 16B, die auf der Oberfläche der ver änderlichen Leitfähigkeitsschicht 14 über einem Gate-Isolati onsfilm 15 ausgebildet sind, p-leitende Basisschichten 17, die wie Vertiefungen auf der Oberfläche der veränderlichen Leitfähigkeitsschicht 14 durch eine Selbstausrichttechnik mit den Gate-Elektroden 16A und 16B als Maske ausgebildet sind, n⁺ leitende Source-Schichten 19, und Aluminium-Emitterelek troden 18, die auf den Basisschichten 17 ausgebildet sind. Insbesondere in der Ausführungsform variiert die Dosismenge der p-leitenden Basisschicht 17 links und rechts vom Vertie fungsende; die Schwellwertspannung VTHA des Haupt-IGBT 1, der aus der Gate-Elektrode 16A hergestellt ist, wird in der Grö ßenordnung von 1 V niedriger als die Schwellwertspannung VTHB des Unter-IGBT 20, der aus der Gate-Elektrode 16B hergestellt ist, gemacht. Zusätzlich zur Änderung der Dosismenge der p-leitenden Basisschicht, kann die Filmdicke des Gate-Isola tionsfilms geändert werden, als ein Mittel um verschiedene Schwellwertspannungen herzustellen.

In den Ausführungsformen sind die IGBTs vom n-Kanal Typ, aber es können p-Kanal IGBTs verwendet werden.

Wie beschrieben wurde, ist die Erfindung gekennzeichnet durch die Tatsache, daß wenn ein Überstrom bei einer Zeit des Last kurzschlusses etc. erkannt wird, der Kollektorstrom, der in den ersten IGBT und den Sensor-IGBT fließt, begrenzt wird und der zweite IGBT abgeschaltet wird. Somit werden die folgenden Wirkungen erreicht:

1) Da ein Herabstufen des Stromwertes wenn der Strom abge schaltet wird, abgeschnitten wird, wenn der zweite IGBT öff net und die Strombegrenzung des ersten IGBT und des Sensor-IGBT funktionieren, kann der Überstrom während der Zeit des Lastkurzschlusses wirksam verhindert werden und die Zerstör festigkeit gegenüber einem Lastkurzschluß kann erhöht werden. Insbesondere wenn es Variationen bei der Herstellung der Strombegrenzungsschaltung etc. gibt, so absorbiert die dis krete Stromherabstufungsbreite die Variationen, so daß sie sich kaum als Variationen bei den Begrenzungsstromwerten äußern. Somit können Variationen der Zerstörfestigkeit gegen über einem Lastkurzschluß sehr vermindert werden.
2) Wenn eine Lastkurzschluß erkannt wird, und der zweite IGBT geöffnet wird, wird eine Laden (oder Entladen) der Gate-Kapazität des zweiten IGBT durch den Gate-Widerstand unter drückt, und die Gate-Kapazität des Sensor-IGBT wird sofort getrennt und die Gate-Kapazität des zweiten IGBT wird konzen triert entladen (oder geladen). Somit kann die Gate-Kapazität des zweiten IGBT schnell entladen (schnell geladen) werden, so daß die Abschaltzeit des zweiten IGBT verkürzt wird und der Herabstufungseffekt für die Strombegrenzung beschleunigt wird.
3) Wenn die Schwellwertspannung V_TH des zweiten IGBT nied rig, in der Größenordnung von 1 V angesetzt wird, verglichen mit der Schwellwertspannung V_TH1 des ersten IGBT, so nimmt die Durchlaßspannung des zweiten IGBT ab, so daß der Verlust vermindert werden kann. Zur selben Zeit nimmt die gegensei tige Konduktanz des ersten IGBT, der eine hohe Schwellwert spannung hat, ab. Somit wird, wenn die Last kurzgeschlossen wird, die Strombegrenzungsaktivität weiterhin aktiv und die Zerstörfestigkeit gegenüber einem Kurzschluß kann auch erhöht werden.

Die vorangehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungs form der Erfindung wurde nur aus Gründen der Darstellung und Beschreibung dargeboten. Sie soll nicht erschöpfend sein, und sie soll nicht die Erfindung auf die präzise beschriebene Form begrenzen, sondern es sind Modifikationen und Variatio nen im Licht der obigen Lehren möglich oder sie können bei der praktischen Anwendung der Erfindung vorgenommen werden. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um einen Fachmann zu befähigen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifi kationen zu verwenden, die als geeignet für die spezielle Verwendung angesehen werden. Es ist beabsichtigt, daß der Umfang der Erfindung durch die angefügten Ansprüche und ihre Äquivalente definiert wird.

Claims

1. Bipolare Isolierschichttransistorvorrichtung, die folgen des umfaßt:
eine Strombegrenzungsschaltung, die einen ersten bipo laren Isolierschichttransistor eines ersten Leitfähigkeits typs hat, dessen Strom durch eine Gate-Spannung eines Gate-Anschlusses gesteuert wird;
einen bipolaren Sensor-Isolierschichttransistor des er sten Leitfähigkeitstyps, dessen Strom durch die Gate-Spannung gesteuert wird, wobei der bipolare Sensor-Isolierschichttran sistor parallel mit dem ersten bipolaren Isolierschichttran sistor verbunden ist;
einen zweiten bipolaren Isolierschichttransistor des er sten Leitfähigkeitstyps, dessen Strom durch die Gate-Spannung gesteuert wird, wobei der zweite bipolare Isolierschichttran sistor parallel mit dem ersten bipolaren Isolierschichttran sistor verbunden ist;
eine Strom- Spannungs- Umwandlungsvorrichtung für das Um wandeln eines Ansteigens oder Abfallens eines Kollektorstroms des bipolaren Sensor-Isolierschichttransistors in ein Anstei gen oder Abfallen von Spannung; und
eine aktive Vorrichtung deren Strom gesteuert wird, ba sierend auf der Umwandlungsspannung für das Laden oder Entla den einer Gate-Kapazität, die mit dem Gate-Anschluß als mono lithischer Chip verbunden ist;
wobei die Schwellwertspannung V_TH2 des zweiten bipolaren Isolierschichttransistors hoch festgesetzt wird, in der Grö ßenordnung von 1 V, verglichen mit der Schwellwertspannung V_TH1 des ersten bipolaren Isolierschichttransistor.

2. Bipolare Isolierschichttransistorvorrichtung, die folgen des umfaßt:
eine Strombegrenzungsschaltung, die einen ersten bipo laren Isolierschichttransistor eines ersten Leitfähigkeits typs hat, dessen Strom durch eine Gate-Spannung eines Gate-Anschlusses gesteuert wird;
einen bipolaren Sensor-Isolierschichttransistor des er sten Leitfähigkeitstyps, dessen Strom durch die Gate-Spannung gesteuert wird, wobei der bipolare Sensor-Isolierschichttran sistor parallel mit dem ersten bipolaren Isolierschichttran sistor verbunden ist;
einen zweiten bipolaren Isolierschichttransistor des er sten Leitfähigkeitstyps, der ein Gate hat, das über eine Gate-Widerstand mit dem Gate-Anschluß verbunden ist, wobei der zweite bipolare Isolierschichttransistor parallel mit dem ersten bipolaren Isolierschichttransistor verbunden ist;
eine Strom-Spannungs-Umwandlungsvorrichtung für das Um wandeln eines Ansteigens oder Abfallens eines Kollektorstroms des bipolaren Sensor-Isolierschichttransistors in ein Anstei gen oder Abfallen von Spannung; und
eine aktive Vorrichtung deren Strom basierend auf der Umwandlungsspannung für das Laden oder Entladen einer Gate-Kapazität, die mit dem Gate als monolithischer Chip verbunden ist, gesteuert wird.

3. Bipolare Isolierschichttransistorvorrichtung, die eine Strombegrenzungsschaltung umfaßt, wie das in Anspruch 2 bean sprucht wurde, wobei die Schwellwertspannung V_TH2 des zweiten bipolaren Isolierschichttransistors niedrig in der Größenord nung von 1 V verglichen mit der Schwellwertspannung V_TH1 des ersten bipolaren Isolierschichttransistors eingestellt wird.