DE69934028T2 - Schaltung gegen überströmen in einem leistungshalbleiter - Google Patents

Schaltung gegen überströmen in einem leistungshalbleiter Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert ist, betrifft ein Verfahren eines Stabilisierens eines Gatespannungssteuer-Leistungs-Halbleiterelements, wie zum Beispiel eines Isolierschicht-Bipolartransistors (hier im weiteren Verlauf als IGBT bezeichnet) und eines vertikalen Leistungs-MOSFET, bei einer Überstrombegrenzung.
  • Hintergrund
  • Hier im weiteren Verlauf wird eine Überstrombegrenzung eines IGBT als Beispiel beschrieben.
  • 16 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Halbleitervorrichtung 100P, die aus einem IGBT 1P und seiner Überstrom-Begrenzerschaltung 10P besteht, als ein Beispiel im Stand der Technik. In einem Emitterbereich des IGBT 1P dieser Figur ist eine Mehrzahl von Emitterzellen parallel geschaltet, um einen vorbestimmten Emitterstrom (Hauptstrom) i zu leiten. Weiterhin beinhaltet der IGBT 1P ein Stromerfassungselement (einen Stromerfassungsabschnitt) zum Erfassen des Emitterstroms i sowie einen Hauptabschnitt und gibt einen Stromerfassungsstrom is aus einem Stromerfassungsanschluss S aus, der mit dem Stromerfassungselement verbunden ist. Bezugszeichen G, C und E stellen einen Gateanschluss, einen Kollektoranschluss bzw. einen Emitteranschluss des IGBT 1P dar.
  • Obgleich ein Planargate-IGBT, welcher durch Mikroherstellung erzielt wird, und ein Grabengate-IGBT als ein Hochleistungs-IGBT in den jüngsten Jahren entwickelt worden sind, weisen diese IGBTs jeweils eine Anzahl von Kanalbereichen pro Einheitsfläche auf und setzen voraus, dass ein Lastkurzschlusszustand auftritt, wobei ein sehr großer Hauptstrom fließt, um einen Energieverlust zu erhöhen, was eine bedeutsame Charakteristikverschlechterung des Elements verursacht. Aus diesem Grund ist es in dem IGBT erforderlich, den Hauptstrom durch Überwachen des Stromerfassungsstroms is und Verringern einer Gatespannung zu begrenzen, wenn ein Überstrom fließt. Eine Überwachungsschaltung, die zu diesem Zweck verwendet wird, ist die Überstrom-Begrenzerschaltung.
  • Die Druckschrift US-A-5 801 573 offenbart eine Vorrichtung für eine Überstrombegrenzung in Leistungsvorrichtungen.
  • In 16 ist die Überstrom-Begrenzerschaltung 10P gezeigt, die einen allgemeinen Aufbau aufweist. Wenn eine Spannung zwischen dem Stromerfassungsanschluss S und dem Emitteranschluss E, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms is ähnlich dem Emitterstrom i und dem Widerstandswert RS eines Erfassungswiderstands 3P ist, gleich oder größer als die Schwellwertspannung eines strombegrenzenden MOSFET 2P eines n-Typs wird, wird der MOSFET 2P eingeschaltet, und werden elektrische Ladungen, die in einem Gatebereich des IGBT 1P gesammelt werden, überbrückt, um die Gatespannung des IGBT 1P zu verringern und den IGBT 1P in einen ausgeschalteten Zustand zu bringen, um dadurch eine Erhöhung des Hauptstroms i zu unterdrücken. Weiterhin weist diese Schaltung 10P einen Vorteil eines Änderns eines Überstroms-Erfassungspegels durch Ändern des Widerstandswerts RS des Erfassungswiderstands 3P und der Schwellwertspannung des MOSFET 2P auf.
  • Weiterhin wird, wenn eines Sperrspannung über das Gate und den Emitter des IGBT 1P angelegt wird, wie es in 17 gezeigt ist, die Sperrspannung durch Vorsehen einer Diode 8P zwischen dem Gateanschluss G des IGBT 1P und einem Drain des MOSFET 2P aufrecht erhalten.
  • Weiterhin kann, obgleich der MOSFET 2P des n-Typs als ein Strombegrenzertransistor in den 16 und 17 verwendet wird, ein Bipolartransistor statt dessen verwendet werden, um den gleichen Effekt zu erzeugen.
  • Die Überstrom-Begrenzerschaltung 10P kann eine stabile Überstrombegrenzung erzielen, wenn der Emitterstrom i und der Stromerfassungsstrom is das gleiche Verhalten auch in einem Übergangszustand zeigen.
  • Auf den Übergang eines Einschaltens und Ausschaltens bei einem Schaltvorgang des IGBT gibt es jedoch einen Fall, in dem diese Ströme i und is auf Grund von verschiedenen Faktoren nicht das gleiche Verhalten zeigen. Zum Beispiel gibt es Fälle, (1) in denen die Schwellwertspannung (Vthm) des Hauptabschnitts und die Schwellwertspannung (Vths) des Stromerfassungsabschnitts aus einem internen strukturellen Grund des IGBT zueinander unterschiedlich sind und die Beziehung Vthm > Vths gilt, und (2) in denen die Zeitkonstante, welche durch einen inneren Gatewiderstand (Rgm) und eine Gatekapazität (Cm) des Hauptabschnitts definiert ist, und die Zeitkonstante, welche durch einen inneren Gatewiderstand (Rgs) und eine Gatekapazität (Cs) des Stromerfassungsabschnitts definiert ist, die Beziehung (Rgm × Cm) < (Rgs × Cs) aus einem Entwurfsgrund halten. Dann wird in derartigen Fällen (1) und (2) berichtet, dass es einen Fall gibt, in dem die Dämpfung des Stromerfassungsstroms is kleiner als die des Hauptstroms i bei dem Einschalten wird und der Stromerfassungsstrom is augenblicklich erhöht wird (siehe "Analysis and Suppressing Method of Transient Peak Current In Current Detecting Unit Cell of IGBT With Current Sense", The Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan. C, Bd. 115, Nr. 1).
  • In einem derartigen Fall wird die Überstrom-Begrenzerschaltung 10P, die in den 16 und 17 dargestellt ist, nicht früh im Stande sein, die stabile Überstrom-Unterdrückungsfunktion durchzuführen. Genauer gesagt wird, wenn der Stromerfassungsstrom is auf Grund der Faktoren (1), (2) und dergleichen erhöht wird, da die Spannung, welche das Produkt des Stroms is, der in den Stromerfassungsabschnitt fließt, und des Widerstandswerts RS des Erfassungswiderstands 3P ist, auf über die Spannung zu der Zeit ansteigt, zu der diese Ströme i und is das gleiche Verhalten auch in dem Lastkurzschlusszustand aufweisen, eine Spannung, die an die Gateelektrode und den strombegrenzenden MOSFET 2P angelegt wird, höher und wird die Erregungsfähigkeit des MOSFET 2P viel höher als erforderlich. Aus diesem Grund wird die Geschwindigkeit eines Verringerns der Gatespannung des IGBT 1P schneller. Wenn die Geschwindigkeit eines Verringerns der Gatespannung daher schneller wird, wird die Ausschaltgeschwindigkeit des IGBT 1P schneller und wird als ein Ergebnis eine Stoßspannung, welche durch eine Schaltungsinduktivität und die Änderungsrate des Stroms bei dem Ausschalten definiert ist, höher und deshalb kann es abhängig von Bedingungen einen Fall geben, in dem die Stoßspannung die Elementdurchbruchsspannung überschreitet.
  • Diese Probleme entstehen sowohl in Fällen, in denen der Bipolartransistor als ein Strombegrenzungstransistor an Stelle des MOSFET 2P verwendet wird und in denen ein vertikaler Leistungs-MOSFET als ein Leistungs-Halbleiterelement verwendet wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist dazu gedacht, die vorhergehenden Probleme zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, immer einen stabilen Überstrom-Begrenzungsvorgang ohne Erhöhen einer Ausschaltgeschwindigkeit eines Leistungs-Halbleiterelements bei einer Überstrombegrenzung unter jeder Bedingung und in jedem Zustand zu erzielen.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf eine Überstrom-Begrenzerschaltung gerichtet. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Überstrom-Begrenzerschaltung eines Leistungs-Halbleiterelements, welche erste und zweite Bereiche zum Leiten eines Hauptstroms, einen dritten Bereich zum Steuern des Hauptstroms, welcher von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich fließt, einen Strom-Erfassungsbereich zum Leiten eines Stromerfassungsstroms von dem zweiten Bereich und einen ersten Elektrodenanschluss, einen zweiten Elektrodenanschluss, einen dritten Elektrodenanschluss und einen Stromerfassungsanschluss aufweist, die mit dem ersten Bereich, dem zweiten Bereich, dem dritten Bereich bzw. dem Stromerfassungsbereich verbunden sind, auf: einen Widerstand, der zwischen dem zweiten Elektrodenanschluss und dem Stromerfassungsanschluss angeschlossen ist; einen Transistor, der eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Hauptsteuerelektrode aufweist, die mit dem dritten Elektrodenanschluss, dem zweiten Elektrodenanschluss bzw. dem Stromerfassungsanschluss verbunden sind, welcher in einen Durchlasszustand kommt, um einen Strom von der ersten Hauptelektrode zu der zweiten Hauptelektrode zu leiten, wenn eine Spannung, die nicht niedriger als eine erste Steuerspannung ist, an die Hauptsteuerelektrode angelegt wird; und eine zwischen der Hauptsteuerelektrode und der zweiten Hauptelektrode des Transistors angeschlossene Spannungsklemmschaltung zum Klemmen einer an der Hauptsteuerelektrode anliegenden Spannung auf eine zweite Steuerspannung, die nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist, wenn eine Spannung, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms und des Werts des Widerstands ist, ein vorbestimmter Wert wird, der nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist in der Überstrom-Begrenzerschaltung des ersten Aspekts die Spannungsklemmschaltung eine Diode auf, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, die mit der Hauptsteuerelektrode bzw. der zweiten Hauptelektrode des Transistors verbunden sind, welcher in einen Durchlasszustand kommt, um einen Strom von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode zu leiten, wenn die Spannung, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms und des Werts des Widerstands ist, ein vorbestimmter Wert wird, und die zweite Steuerspannung auf der Grundlage einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode definiert ist und nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Diode in der Überstrom-Begrenzerschaltung des zweiten Aspekts derart angeschlossen, dass sie in der Durchlassrichtung vorgespannt ist.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der Überstrom-Begrenzerschaltung des dritten Aspekts die Diode eine PN-Übergangs-Diode.
  • Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der Überstrom-Begrenzerschaltung des zweiten Aspekts die Diode derart angeschlossen, dass sie in der Sperrrichtung vorgespannt ist.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der Überstrom-Begrenzerschaltung des dritten Aspekts die Diode eine PN-Übergangs-Diode.
  • Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der Überstrom-Begrenzerschaltung des dritten Aspekts die Diode eine Schottky-Diode.
  • Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der Überstrom-Begrenzerschaltung des ersten Aspekts der Transistor als ein erster Transistor definiert, weist der Widerstand einen ersten Widerstand, der ein Ende aufweist, das mit dem Stromerfassungsanschluss verbunden ist; und einen zweiten Widerstand auf, der ein Ende, das mit dem anderen Ende des ersten Widerstands verbunden ist, und das andere Ende aufweist, das mit dem zweiten Elektrodenanschluss verbunden ist, weist die Spannungsklemmschaltung einen zweiten Transistor auf, der eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine Steuerelektrode aufweist, die mit der Hauptsteuerelektrode und der zweiten Hauptelektrode des Transistors bzw. dem anderen Ende des ersten Widerstands verbunden sind, welcher in einen Durchlasszustand kommt, um einen Strom von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode zu leiten, wenn die Spannung, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms und des Werts des Widerstands ist, der vorbestimmte Wert wird, ist eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des zweiten Transistors in dem Durchlasszustand nicht niedriger als die erste Steuerspannung eingestellt und ist die zweite Steuerspannung auf der Grundlage der Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode definiert.
  • Gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der Überstrom-Begrenzerschaltung des achten Aspekts der zweite Transistor ein MOSFET.
  • Gemäß einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der Überstrom-Begrenzerschaltung des ersten Aspekts der zweite Transistor ein Bipolartransistor.
  • Gemäß einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung weist in der Überstrom-Begrenzerschaltung des ersten Aspekts die erste Hauptelektrode des Transistors eine erste Elektrode; und eine Diode auf, die ein Ende und das andere Ende aufweist, die mit dem dritten Elektrodenanschluss bzw. der ersten Elektrode verbunden sind, und leitet die Diode einen Strom von dem einen Ende zu dem anderen Ende in der Durchlassvorspannung.
  • Gemäß einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der Überstrom-Begrenzerschaltung des ersten Aspekts der Transistor ein MOSFET.
  • Gemäß einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der Überstrom-Begrenzerschaltung des ersten Aspekts der Transistor ein Bipolartransistor.
  • Gemäß einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind in der Überstrom-Begrenzerschaltung des ersten Aspekts der Widerstand, der Transistor und die Spannungsklemmschaltung auf einem Halbleitersubstrat integriert.
  • Gemäß einem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Überstrom-Begrenzerschaltung des ersten Aspekts in einer Halbleitervorrichtung enthalten, die das Leistungs-Halbleiterelement aufweist.
  • Gemäß einem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist Überstrom-Begrenzerschaltung eines Leistungshalbleiterelements, welche erste und zweite Bereiche zum Leiten eines Hauptstroms, einen dritten Bereich zum Steuern des Hauptstroms, welcher von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich fließt, einen Stromerfassungsbereich zum Leiten eines Stromerfassungsstroms von dem zweiten Bereich und einen ersten Elektrodenanschluss, einen zweiten Elektrodenanschluss, einen dritten Elektrodenanschluss und einen Stromerfassungsanschluss aufweist, die mit dem ersten Bereich, dem zweiten Bereich, dem dritten Bereich bzw. dem Stromerfassungsbereich verbunden sind, auf: einen Widerstand, der zwischen dem zweiten Elektrodenanschluss und dem Stromerfassungsanschluss angeschlossen ist; einen Transistor, der eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Hauptsteuerelektrode aufweist, die mit dem dritten Elektrodenanschluss, dem zweiten Elektrodenanschluss bzw. dem Stromerfassungsanschluss verbunden sind, welcher in einen Durchlasszustand kommt, um einen Strom von der ersten Hauptelektrode zu der zweiten Hauptelektrode zu leiten, wenn eine Spannung, die nicht niedriger als eine erste Steuerspannung ist, an die Hauptelektrode angelegt wird; und eine zwischen der Hauptsteuerelektrode und der zweiten Hauptelektrode des Transistors angeschlossene Spannungsklemmeinrichtung zum Klemmen der an der Hauptsteuerelektrode anliegenden Spannung auf eine zweite Steuerspannung, die nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist, wenn eine Spannung, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms und des Werts des Widerstands ist, ein vorbestimmter Wert wird, der nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist.
  • Die vorliegende Erfindung ist ebenso auf eine Halbleitervorrichtung gerichtet. Gemäß einem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Halbleitervorrichtung auf: ein Leistungs-Halbleiterelement, das erste und zweite Bereiche zum Leiten eines Hauptstroms, einen dritten Bereich zum Steuern des Hauptstroms, welcher von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich fließt, einen Strom-Erfassungsbereich zum Leiten eines Stromerfassungsstroms von dem zweiten Bereich und einen ersten Elektrodenanschluss, einen zweiten Elektrodenanschluss, einen dritten Elektrodenanschluss und einen Stromerfassungsanschluss aufweist, die mit dem ersten Bereich, dem zweiten Bereich, dem dritten Bereich bzw. dem Strom-Erfassungsbereich verbunden sind; einen Widerstand, der zwischen dem zweiten Elektrodenanschluss und dem Stromerfassungsanschluss angeschlossen ist; einen Transistor, der eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Hauptsteuerelektrode aufweist, die mit dem dritten Elektrodenanschluss, dem zweiten Elektrodenanschluss bzw. dem Stromerfassungsanschluss verbunden sind, welcher in einen Durchlasszustand kommt, um einen Strom von der ersten Hauptelektrode zu der zweiten Hauptelektrode zu leiten, wenn eine Spannung, die nicht niedriger als eine erste Steuerspannung ist, an die Hauptsteuerelektrode angelegt wird; und eine zwischen der Hauptsteuerelektrode und der zweiten Hauptelektrode des Transistors angeschlossene Spannungsklemmschaltung zum Klemmen einer an der Hauptsteuerelektrode anliegenden Spannung auf eine zweite Steuerspannung, die nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist, wenn eine Spannung, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms und des Werts des Widerstands ist, ein vorbestimmter Wert wird, der nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist.
  • In der Überstrom-Begrenzerschaltung der ersten bis siebzehnten Aspekte der vorliegenden Erfindung wird, wenn sich der Stromerfassungsstrom erhöht und die Spannung, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms und des Werts des Widerstands ist, den Spannungswert erreicht, der nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist, die an der Hauptsteuerelektrode des Transistors anliegende Spannung zu der zweiten Steuerspannung geklemmt, welche dem Spannungswert entspricht, der nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist, und wird die Erhöhung einer Erregungsfähigkeit des Transistors unterdrückt und wird als Ergebnis die Geschwindigkeit oder Rate eines Verringerns der Steuerspannung, die an dem dritten Elektrodenanschluss des Leistungs-Halbleiterelements angelegt ist, auf einen konstanten Wert beschränkt und wird nicht schneller. Deshalb wird in dem Lastkurzschlusszustand auch dann, wenn der Hauptstrom und der Erfassungsstrom nicht das gleiche Verhalten zeigen, die Stoßspannung des Leistungs-Halbleiterelements bei dem Ausschalten trotzdem unterdrückt und kann immer ein stabiler Überstrom-Begrenzervorgang erzielt werden.
  • In der Überstrom-Begrenzerschaltung der dritten und vierten Aspekte der vorliegenden Erfindung kann insbesondere, da die erste Steuerspannung des Transistors und die Durchlassspannung der Diode die gleiche Temperaturabhängigkeit aufweisen, ein viel stabilerer Überstrom-Begrenzervorgang gegenüber einer Temperaturänderung erzielt werden.
  • Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung ersichtlicher, wenn diese in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung durchgeführt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 zeigt eine Ansicht eines Schaltungsaufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 zeigt einen vertikalen Querschnitt, der teilweise einen inneren Aufbau eines IGBT mit einer Stromerfassung darstellt;
  • 3 zeigt eine Ansicht eines Ersatzschaltbilds in einer Vorrichtungssimulation einer Überstrom-Begrenzerschaltung im Stand der Technik;
  • 4 zeigt eine Ansicht eines Ersatzschaltbilds in einer Vorrichtungssimulation einer Überstrom-Begrenzerschaltung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 und 6 zeigen Ansichten des Ergebnisses der Vorrichtungssimulation bezüglich der Überstrom-Begrenzerschaltung im Stand der Technik;
  • 7 und 8 zeigen Ansichten des Ergebnisses der Vorrichtungssimulation bezüglich der Überstrom-Begrenzerschaltung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 9 zeigt einen vertikalen Querschnitt eines Strombegrenzer-MOSFET einer Überstrom-Begrenzerschaltung, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist;
  • 10 zeigt einen vertikalen Querschnitt eines Erfassungswiderstands der Überstrom-Begrenzerschaltung, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist;
  • 11 zeigt einen vertikalen Querschnitt eines Aufbaus einer Spannungsklemmdiode der Überstrom-Begrenzerschaltung, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, als eine PN-Übergangs-Diode;
  • 12 zeigt eine Ansicht eines Schaltungsaufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausgestaltung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
  • 13 zeigt eine Ansicht eines Schaltungsaufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 14 zeigt einen vertikalen Querschnitt eines Aufbaus der Spannungsklemmdiode der Überstrom-Begrenzerschaltung, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, als eine Schottky-Diode;
  • 15 zeigt eine Ansicht eines Schaltungsaufbaus einer Halbleitervorrichtung gemäße einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 16 zeigt eine Ansicht eines Beispiels einer Überstrom-Begrenzerschaltung im Stand der Technik; und
  • 17 zeigt eine Ansicht eines anderen Beispiels der Überstrom-Begrenzerschaltung im Stand der Technik.
  • Beste Weise zum Ausführen der Erfindung
  • Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Halbleitervorrichtung, die mindestens ➀ ein Leistungs-Halbleiterelement und ➁ eine Überstrom-Begrenzerschaltung aufweist, die als eine Steuerschaltung zum Steuern eines Überstroms dient, der in einem Lastkurzschlusszustand und der Gleichen in dem Leistungs-Halbleiterelement fließt. Hierbei ist ➀ das Leistungs-Halbleiterelement ein Schaltelement, das eine Gateelektrode oder eine Steuerelektrode aufweist, zum Steuern der Höhe von Hauptströmen, die zwischen dem ersten Elektrodenanschluss und dem zweiten Elektrodenanschluss in Übereinstimmung mit der Steuerspannung fließen, die an die Gateelektrode angelegt ist und ist zum Beispiel ein IGBT oder ein vertikaler Leistungs-MOSFET. Weiterhin weist das Element einen Strom-Erfassungsbereich zum Erzeugen und Ausgeben eines Stromerfassungsstroms auf, welcher verwendet wird, um zu erfassen, ob der Hauptstrom den Wert erreicht, mit welchem es als in einem Überstromzustand bewertet wird. Andererseits weist ➁ die Überstrom-Begrenzerschaltung mindestens (i) einen Erfassungswiderstand, (ii) einen Strombegrenzungstransistor und (iii) eine Spannungsklemmschaltung auf. Insbesondere ist die Spannungsklemmschaltung ein Kern der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und ist zwischen der Hauptsteuerspannung und der zweiten Hauptelektrode des Strombegrenzungstransistors vorgesehen und weist eine Funktion eines Klemmens der Hauptsteuerspannung des Strombegrenzungstransistors in Übereinstimmung mit einer Spannung auf, die in dem Erfassungswiderstand entwickelt wird, um die Erregungsfähigkeit des Transistors zu steuern, sich nicht über die Fähigkeit bei dem Klemmen zu erhöhen. In diesem Fall entspricht ein Aufbau, in welchem die Spannungsklemmschaltung eine Diode verwendet, den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen, die nachstehend erläutert werden, und entspricht ein Aufbau, in welchem die Spannungsklemmschaltung ein Schaltelement, wie zum Beispiel ein MOSFET und ein Bipolartransistor ist, dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel.
  • Die ersten bis dritten bevorzugten Ausführungsbeispiele werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
  • (Das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel)
  • 1 zeigt eine Ansicht eines Schaltungsaufbaus einer Halbleitervorrichtung 100 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Diese Schaltung 100 besteht hauptsächlich aus einem IGBT 1 als ein Leistungs-Halbleiterelement und einer Überstrom-Begrenzerschaltung 10. Ein Teil eines internen Aufbaus des IGBT 1 ist in 2 gezeigt.
  • Der IGBT 1 weist eine Stromerfassungsfunktion sowie eine Schaltfunktion auf und ist als ein Element dargestellt, in welchem ein Hauptabschnitt-PMIGBT und ein Stromerfassungsabschnitt-PSIGBT in einem Ersatzschaltbild parallel zueinander geschaltet sind, wie es in 4 gezeigt später beschrieben wird. Genauer gesagt weist der IGBT 1, wie es in 2 dargestellt ist, einen ersten Bereich oder einen Kollektorbereich und einen zweiten Bereich oder einen Emitterbereich zum Leiten des Hauptstroms i, der in 1 gezeigt ist, dazwischen, einen dritten Bereich oder einen Gatebereich zum Steuern des Hauptstroms i, einen Strom-Erfassungsbereich, der in dem Emitterbereich ausgebildet ist, zum Leiten des Stromerfassungsstroms is, der in 1 gezeigt ist, von dem Emitterbereich nach außen, einen ersten Elektrodenanschluss oder einen Kollektoranschluss C (siehe 1), der mit der Kollektorelektrode (nicht gezeigt) in dem Kollektorbereich verbunden ist, einen zweiten Elektrodenanschluss oder einen Emitteranschluss E (1), der mit einer Emitterelektrode 11 in dem Emitterbereich verbunden ist, einen dritten Elektrodenanschluss oder einen Gateanschluss G (1), der mit der Gateelektrode in dem Gatebereich verbunden ist, und einen Stromerfassungsanschluss S (1) auf, der mit einer Stromerfassungselektrode 12 in dem Strom-Erfassungsbereich verbunden ist.
  • Andererseits weist die Überstrom-Begrenzerschaltung 10 Bauelemente auf, die in 1 gezeigt sind. Genauer gesagt weist die Schaltung 10 ➀ einen Erfassungswiderstand 3, der zwischen dem Emitteranschluss E und dem Stromerfassungsanschluss S angeschlossen ist, der einen Widerstandswert RS aufweist, und ➁ einen Transistor 2 auf, der eine erste Hauptelektrode 2D, eine zweite Hauptelektrode 2S und eine Hauptsteuerelektrode 2G aufweist, die mit dem Gateanschluss G, dem Emitteranschluss E bzw. dem Stromerfassungsanschluss S des IGBT 1 verbunden sind, der eingeschaltet wird, um elektrische Ladungen, die in dem Gatebereich des IGBT 1 gesammelt sind, von der ersten Hauptelektrode 2D zu der zweiten Hauptelektrode 2S als einen Nebenschlussstrom zu leiten, wenn mindestens eine erste Steuerspannung an die erste Hauptelektrode 2G angelegt ist. Als ein spezifisches Beispiel des Transistors 2 kann ein (npn- oder pnp-) Bipolartransistor verwendet werden oder kann ein (n- oder p-) MOSFET verwendet werden. Hierbei wird als der Transistor 2, welcher ein Element zum Verringern einer Gatespannung des IGBT 1 in dem Überstromzustand ist, ein n-MOSFET verwendet. Deshalb entsprechen die Anschlüsse 2D, 2S und 2G einer Drainelektrode, einer Sourceelektrode bzw. einer Gateelektrode und entspricht die erste Steuerspannung einer Schwellwertspannung des MOSFET 2.
  • Weiterhin weist die vorhergehende Schaltung 10 ebenso ➂ eine Spannungsklemmschaltung 4 auf, die aus mindestens einer Diode 5 gebildet ist, welche zwischen der Gateelektrode 2G und der Sourceelektrode 2S des MOSFET 2 angeschlossen ist, um in der Durchlassrichtung vorgespannt zu werden. Eine Durchlassspannung der Diode 5 ist auf nicht niedriger als die Schwellwertspannung des MOSFET 2 eingestellt und eine erste Elektrode oder eine Anodenelektrode 5A und eine zweite Elektrode oder eine Kathodenelektrode 5K der Diode 5 sind mit der Gateelektrode 2G bzw. der Sourceelektrode 2S verbunden. Als ein spezifisches Beispiel der Diode 5 kann eine Schottky-Diode verwendet werden, aber eine PN-Übergangs-Diode wird vorzugsweise verwendet.
  • In der Überstrom-Begrenzerschaltung 10, die den vorhergehenden Aufbau aufweist, ist, wenn der IGBT 1 in einem Durchlasszustand ist und der Hauptstrom i in dem Bereich von normalen Werten ist, da die Spannung, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms is und des Widerstandswerts RS aus ist, kleiner als die Durchlassspannung der Diode 5 ist, die Diode 5 in einem Sperrzustand, wird die Gatespannung des MOSFET 2 nicht durch die Spannungsklemmschaltung 4 geklemmt, wird der vorhergehende Spannungswert (is × RS) an die Gateelektrode 2G des MOSFET 2 angelegt, und zeigt der MOSFET 2 die Erregungsfähigkeit gemäß der Spannung. Im Gegensatz dazu erhöht sich unter anomalen Umständen, wie zum Beispiel einem Kurzschluss einer externen Last, die mit dem Kollektoranschluss C oder dem Emitteranschluss E der Vorrichtung 100 und der Gleichen verbunden ist, der Hauptstrom i, um den Stromwert zu erreichen, welcher als Überstrom bewertet wird (in dem Überstromzustand) und erhöht sich demgemäß der Stromerfassungsstrom is und erfährt, wie es zuvor dargelegt worden ist, wenn diese Ströme i und is nicht das gleiche Verhalten bezüglich des Übergangs zeigen, der Stromerfassungsstrom is augenblicklich eine scharfe Erhöhung. Als Ergebnis erhöht sich der Spannungswert (is × RS) scharf und wird in diesem Verfahren, wenn der Spannungswert (is × RS) einen vorbestimmten Wert, d.h. den Wert der Durchlassspannung der Diode 5, erreicht, die Diode 5 eingeschaltet und in einen leitenden Zustand gebracht und wird die Gatespannung (die Spannung zwischen Stromerfassung und Emitter) des MOSFET 2 auf der Grundlage der Durchlassspannung und der Spannung zwischen der Stromerfassung und dem Emitter bestimmt und überschreitet nicht früh die Durchlassspannung der Diode 5. Anders ausgedrückt klemmt in dem Zustand, in dem die Beziehung (der Spannungswert (is × RS) ≧ der Durchlassspannung der Diode 5) erfüllt ist, die Spannungsklemmschaltung 4 die Spannung, die an die Gateelektrode 2G des MOSFET 2 angelegt ist, auf die zweite Steuerspannung (konstanter Wert), welche gleich der Durchlassspannung der Diode 5 ist. Bei diesem Klemmen kann die Erregungsfähigkeit des MOSFET 2 nicht früh erhöht werden und wird ein konstanter Wert und stabilisiert als Ergebnis der MOSFET 2 die Geschwindigkeit eines Verringerns der Gatespannung des IGBT 1 auf den konstanten Wert und hält den IGBT 1 in dem Sperrzustand.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Vorrichtungssimulation bezüglich Fällen durchgeführt, in denen die Spannungsklemmschaltung 4 vorgesehen ist und in denen keine Spannungsklemmschaltung 4 vorgesehen ist, und das Ergebnis wird nachstehend gezeigt. Zuerst zeigen die 3 und 4 Ersatzschaltbilder, die in der Vorrichtungssimulation verwendet werden, und zeigt insbesondere 3 eine Stromunterdrückungsschaltung im Stand der Technik und zeigt 4 eine Stromunterdrückungsschaltung in dem Fall, in dem die Spannungsklemmschaltung 4 aus einer Mehrzahl von Dioden (in dieser Figur D3 und D4) besteht, und die Dioden (D3 und D4) derart in Reihe zueinander geschaltet sind, dass sie in der Durchlassrichtung vorgespannt werden. Weiterhin stellt in den 3 und 4 das Bezugszeichen LP eine externe Last dar, stellt D2 eine Freilaufdiode dar, stellen Bezugszeichen L2 und L3 Induktanzkomponenten an den Anschlüssen dar und stellen LS1 bis LS4 Parasitärinduktanzkomponenten auf Drähten dar.
  • Als Nächstes zeigen 5 und 6, welche eine vergrößerte Ansicht von 5 ist, Schaltwellenformen als das Ergebnis der Vorrichtungssimulation bezüglich der Schaltung von 3 im Stand der Technik in einem Zustand, in dem die Last LP kurzgeschlossen ist. Wie es sich aus 6 versteht, erreicht, wenn die Überstrombegrenzung startet, d.h., wenn ein Hauptstrom ICE des IGBT 1P startet, sich von dem Maximalwert zu verringern, eine Kollektor/Emitterspannung VCE augenblicklich den Maximalwert über 700 V und wird die Stoßspannung bei dem Ausschalten groß.
  • Andererseits zeigen 7 und 8, welche eine vergrößerte Ansicht von 7 ist, Schaltwellenformen als das Ergebnis der Vorrichtungssimulation bezüglich der Schaltung von 4 in dem Zustand, in dem die Last LP kurzgeschlossen ist. Wie es sich aus 8 versteht, ist der Maximalwert, welchen die Kollektor/Emitterspannung VCE des IGBT 1 augenblicklich erreicht, nachdem die Überstrombegrenzung startet, niedriger als 700 V.
  • Es versteht sich aus diesen Simulationsergebnissen, dass die Überstrom-Begrenzerschaltung, die in den 1 und 4 gezeigt ist, die Stoßspannung bei dem Ausschalten in den Überstrom-Begrenzerzustand auf einen niedrigeren Pegel als die Überstrom-Begrenzerschaltung im Stand der Technik verringert, die in den 16 und 3 gezeigt ist.
  • Weiterhin ist es, wenn die Diode 5 in z.B. Silizium, wie es später erläutert wird, hergestellt wird, möglich, einfach die Durchlassspannung der Diode mit Parametern von ➀ den Bereich in einem Abschnitt, an dem die Diode 5 vorgesehen ist, und ➁ die Anzahl von Dioden, die in Reihe geschaltet sind, zu ändern. Ein Ändern der Durchlassspannung der Diode 5 bedeutet ein Ändern des Einstellwerts der zweiten Steuerspannung, was dadurch zu einem Ändern der Erregungsfähigkeit des MOSFET 2 bei dem Klemmen der Gatespannung führt.
  • Weiterhin weist der Aufbau von 1 einen Vorteil bezüglich einer Temperaturabhängigkeit auf. Genauer gesagt weist in beiden der Fälle, in denen einen MOSFET als der Überstrom-Begrenzungstransistor 2 verwendet wird, und in denen ein Bipolartransistor verwendet wird, die Stellwertspannung des Transistors 2 eine negative Abhängigkeit bezüglich der Temperatur auf und ist deshalb die Temperaturabhängigkeit der Durchlasscharakteristiken der Diode 5 ebenso negativ, wobei diese Schaltung 10 einen stabileren Betrieb gegenüber einer Temperaturänderung erzielen kann.
  • Die Bauelemente 2 bis 4 der Überstrom-Begrenzerschaltung 10, die in 1 gezeigt ist, können diskrete Komponenten sein, die auf einer Leiterplatte, einem keramischen Substrat oder der Gleichen montiert sind, um die Schaltung 10 zu bilden. Statt dessen können die Komponenten 2 bis 4 jedoch auf einem n- oder p-Silizium-Halbleitersubstrat ausgebildet sein, um die Schaltung 10 als eine integrierte Schaltung zu bilden. Ein spezifisches Beispiel eines Aufbaus der Komponenten 2 bis 4 in dem letzteren Fall wird in den vertikalen Querschnitten der 9 bis 11 gezeigt, die einen Fall nehmen, in dem das Halbleitersubstrat als eine Basis ein n-Siliziumsubstrat ist. Bezugszeichen in den 9 bis 11 stellen das Folgende dar. Genauer gesagt stellt ein Bezugszeichen 20 ein n-Si-Substrat dar, stellt 21 eine Sourceelektrodenschicht dar, stellt 22 eine Gateelektrodenschicht dar, stellt 23 eine Drainelektrodenschicht dar, stellen Bezugszeichen 24, 25, 33 und 53 einen SiO2-Film als Isolationsschichten dar, stellt das Bezugszeichen 26 einen SiO2-Film als einen Gateisolationsfilm dar, stellt 27 eine Polysiliziumschicht als eine Gateelektrode dar, stellt 28 eine n+-Schicht dar, stellt 29 einen p-Senkenbereich dar, stellt 34 eine Widerstandsschicht dar, stellt 31 einen der Anschlüsse des Erfassungswiderstands 3 dar, stellt 32 den anderen Anschluss dar, stellt 51 eine Kathodenelektrodenschicht dar, stellt 52 eine Anodenelektrodenschicht dar, stellt 54 einen n-Polysiliziumbereich dar und stellt 55 einen p-Polysiliziumbereich dar.
  • Weiterhin entsprechen in einem Fall, in dem ein npn-Bipolartransistor als der Transistor 2 der Überstrom-Begrenzerschaltung 10 verwendet wird, die erste Hauptelektrode, die zweite Hauptelektrode und die Hauptsteuerelektrode des Transistors 2 einer Kollektorelektrode, einer Emitterelektrode bzw. einer Basiselektrode.
  • (Ausgestaltung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels)
  • Die Überstrom-Begrenzerschaltung 10, die in 1 gezeigt ist, kann an einem Fall angewendet werden, in dem eine Elektrode 8, deren Anodenelektrode und Kathodenelektrode mit der Gateelektrode G des IGBT 1 bzw. der Drainelektrode des strombegrenzenden MOSFET verbunden sind, ähnlich dem Fall angewendet werden, der in 17 gezeigt ist. In diesem Fall besteht die erste Hauptelektrode 2D des Transistors 2 aus der ersten Elektrode D des Transistors 2 selbst und der Diode 8. Ein Beispiel dieses Aufbaus ist in 12 gezeigt.
  • (Das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel)
  • Das kennzeichnende Merkmal des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung liegt in der Spannungsklemmschaltung, die aus mindestens einer Diode (welche ein gemeinsames Merkmal mit dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist) und eines positiven Verwendens der Sperrspannung oder Durchbruchsspannung der Diode als eine Klemmspannung. Dieser Punkt wird unter Bezugnahme auf die Figuren nachstehend detailliert erläutert.
  • 13 zeigt eine Ansicht, die einen Aufbau der Halbleitervorrichtung 100, demgemäß des IGBT 1 und der Überstrom-Begrenzerschaltung 10, gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Ebenso wird in dieser Figur ein n-MOSFET als der Transistor 2 verwendet, welcher ein Element zum Verringern der Gatespannung des IGBT 1 in dem Überstromzustand ist. Weiterhin ist hierin eine Diode 6 derart zwischen der Gateelektrode 2G und der Sourceelektrode 2S des MOSFET 2 angeschlossen, dass sie in der Sperrrichtung vorgespannt ist, um die Spannungsklemmschaltung 4 zu bilden. Die Durchbruchsspannung der Diode 6 ist nicht niedriger als die Schwellwertspannung des MOSFET 2 eingestellt.
  • Daher ist die zweite Steuerspannung, welche die Klemmspannung ist, gleich der Durchbruchsspannung der Diode 6 in dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Genauer gesagt wird, wenn das Produkt des Widerstandswerts RS des Erfassungswiderstands 3 und des Stromerfassungsstroms is niedriger als die Durchbruchsspannung der Diode 6 ist, die Gatespannung des MOSFET 2 durch den Spannungswert (is × RS) bestimmt, aber, wenn der vorhergehende Spannungswert (is × RS) gleich oder höher als die Durchbruchsspannung der Diode 6 erhöht wird, wird die Diode 6 eingeschaltet und wird als Ergebnis eine Spannung, die höher als die Durchbruchsspannung der Diode 6 ist, nicht früh an die Gateelektrode 2G des MOSFET 2 angelegt, und kann der gleiche Effekt wie in dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt werden.
  • Weiterhin ist es in einem Fall, in dem die Diode 6 eine PN-Übergangs-Diode ist und in Polysilizium hergestellt ist, wie es in 10 gezeigt ist, möglich, einfach die Durchbruchsspannung der Diode 6 mit Parametern von Konzentrationen der P-Schicht und N-Schicht zu ändern.
  • Weiterhin erzeugt ein Aufbau der Diode 6 als eine Schottky-Diode ebenso ein bevorzugtes Ergebnis in dem vorliegenden Fall. Ein Beispiel einer Integration der Diode 6 in diesem Fall ist in 14 gezeigt. In dieser Figur stellt ein Bezugszeichen 61 eine Anodenschicht dar, stellt 62 eine Kathodenschicht dar und beide der Schichten 61 und 62 sind Legierungsschichten, in welchen Si in einer Al-Schicht (Aluminiumschicht) bei 1% enthalten ist. Weiterhin stellt ein Bezugszeichen 63 einen SiO2-Film (Isolationsfilm) dar.
  • (Das dritte bevorzugte Ausführungsbeispiel)
  • In dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Strombegrenzungstransistor 2, der in den ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben ist, als "ein erster Transistor" definiert. Weiterhin ist die Spannungsklemmschaltung 4 aus einem zweiten Transistor ausgebildet. Aus diesem Grund ist der Erfassungswiderstand 3 in erste und zweite Widerstände geteilt und ist die Steuerelektrode des zweiten Transistors mit einem Knoten zwischen den ersten und zweiten Transistoren verbunden und ist eine Spannung (welche der zuvor erläuterten zweiten Steuerspannung entspricht) zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des zweiten Transistors in dem Durchlasszustand nicht niedriger als die zuvor erläuterte erste Steuerspannung des ersten Transistors eingestellt. Das kennzeichnende Merkmal des dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf die Figuren nachstehend im Detail erläutert.
  • 15 zeigt eine Ansicht eines Aufbaus des IGBT 1 und der Überstrom-Begrenzerschaltung 10 gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ebenso wird in dieser Figur ein n-MOSFET als der Transistor 2 verwendet, welcher ein Element zum Verringern der Gatespannung des IGBT 1 in dem Überstromzustand ist. Weiterhin wird in dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Klemm-n-MOSFET, der eine erste Elektrode oder eine Drainelektrode 7D und eine zweite Elektrode oder eine Sourceelektrode 7S aufweist, die mit der Gateelektrode 2G bzw. der Sourceelektrode 2S des MOSFET 2 verbunden sind, als der zweite Transistor 7 verwendet, der die Spannungsklemmschaltung 4 bildet. Weiterhin ist eine Steuerelektrode oder eine Gateelektrode 7G des Klemm-MOSFET 7 mit einem Ende eines ersten Widerstands 31 verbunden, der einen Widerstandswert RS1 aufweist, dessen anderes Ende mit dem Stromertassungsanschluss S oder einem Ende des zweiten Widerstands 32 verbunden ist, der einen Widerstandswert RS2 aufweist. Weiterhin ist eine Drain/Sourcespannung (oder die zweite Steuerelektrode) des MOSFET 7 in dem Durchlasszustand auf nicht niedriger als die Schwellwertspannung (oder die erste Steuerspannung) des MOSFET 2 eingestellt.
  • Nun wird, wenn die Spannung, welche das Produkt des Widerstandswerts RS des Erfassungswiderstands 3 und des Stromerfassungsstroms is ist, niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, anders ausgedrückt, wenn eine Spannung, die in dem zweiten Widerstand 32 entwickelt wird, niedriger als die Schwellwertspannung des MOSFET 7 ist, die Gatespannung des MOSFET 2 durch den Spannungswert (is × RS) bestimmt und weist der MOSFET 2 die Erregungsfähigkeit in Übereinstimmung der Gatespannung davon auf.
  • Hierin wird ein Fall betrachtet, in dem ein anomaler Zustand, wie zum Beispiel ein Lastkurzschluss, einen Überstromzustand des Hauptstroms i verursacht. Zu dieser Zeit wird, wenn sich der Spannungswert (is × RS) scharf erhöht, um nicht niedriger als ein vorbestimmter Wert zu sein, der durch eine Beziehung des Schwellwerts des MOSFET 2 und des Widerstandsteilerverhältnisses des Erfassungswiderstands 3 bestimmt wird, die Spannung (is × RS2/(RS1 + RS2)), die in dem zweiten Widerstand 32 entwickelt wird, nicht niedriger als die Schwellwertspannung des MOSFET 7 und wird der MOSFET 7 eingeschaltet. Zu dieser Zeit wird die Gatespannung des MOSFET 2 auf die Drain/Sourcespannung des MOSFET 7 in dem Durchlasszustand (≧ der Schwellwertspannung des MOSFET 2) geklemmt und wird danach nicht höher als dieser Wert. Als ein Ergebnis wird die Erregungsfähigkeit des MOSFET 2 stabilisiert und wird die Geschwindigkeit eines Verringerns der Gatespannung des IGBT 1 auf einen konstanten Wert stabilisiert, um die Stoßspannung bei dem Ausschalten zu unterdrücken.
  • Ebenso kann in dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel ein p-MOSFET oder ein Bipolartransistor als ein beispielhafter Aufbau des zweiten Transistors 7 verwendet werden.
  • Weiterhin kann die Überstrom-Begrenzerschaltung 10, die in 15 gezeigt ist, in einem Fall angewendet werden, in dem die Diode 8 vorgesehen ist, wie es in 17 gezeigt ist.
  • Weiterhin kann die Überstrom-Begrenzerschaltung 10, die in 15 gezeigt ist, ähnlich den Strukturen in den 9 und 10, wie es zuvor erläutert worden ist, integriert werden.
  • (Anmerkung)
  • Die Halbleitervorrichtung 100 selbst, die in den ersten bis dritten bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben ist, kann auf dem Siliziumsubstrat integriert werden.
  • Während die Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben worden ist, ist die vorhergehende Beschreibung in allen ihren Aspekten veranschaulichend und nicht einschränkend. Es versteht sich deshalb, dass zahlreiche Ausgestaltungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einer Wandlervorrichtung, einer Wechselrichtervorrichtung oder einer Hilfsenergieversorgungsvorrichtung auf zum Beispiel dem Gebiet von elektrischen Eisenbahnen angewendet werden und kann weiterhin ebenso an einem aktiven Filter oder einer Wandlervorrichtung oder einer Wechslerrichtervorrichtung für eine Großserienfertigung auf dem Gebiet des Stahlwalzens und der Gleichen angewendet werden.

Claims (17)

  1. Überstrom-Begrenzerschaltung (10) eines Leistungs-Halbleiterelements (1), welche erste und zweite Bereiche zum Leiten eines Hauptstroms (i), einen dritten Bereich zum Steuern des Hauptstroms, welcher von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich fließt, einen Strom-Erfassungsbereich zum Leiten eines Stromerfassungsstroms (is) von dem zweiten Bereich und einen ersten Elektrodenanschluss (C), einen zweiten Elektrodenanschluss (E), einen dritten Elektrodenanschluss (G) und einen Stromerfassungsanschluss (S) aufweist, die mit dem ersten Bereich, dem zweiten Bereich, dem dritten Bereich bzw. dem Stromerfassungsbereich verbunden sind, die aufweist: einen Widerstand (3), der zwischen dem zweiten Elektrodenanschluss und dem Stromertassungsanschluss angeschlossen ist; einen Transistor (2), der eine erste Hauptelektrode (2D), eine zweite Hauptelektrode (2S) und eine Hauptsteuerelektrode (2G) aufweist, die mit dem dritten Elektrodenanschluss, dem zweiten Elektrodenanschluss bzw. dem Stromerfassungsanschluss verbunden sind, welcher in einen Durchlasszustand kommt, um einen Strom von der ersten Hauptelektrode zu der zweiten Hauptelektrode zu leiten, wenn eine Spannung, die nicht niedriger als eine erste Steuerspannung ist, an die Hauptsteuerelektrode angelegt wird; und eine zwischen der Hauptsteuerelektrode und der zweiten Hauptelektrode des Transistors angeschlossene Spannungsklemmschaltung (4) zum Klemmen einer an der Hauptsteuerelektrode anliegenden Spannung auf eine zweite Steuerspannung, die nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist, wenn eine Spannung, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms und des Werts des Widerstands ist, ein vorbestimmter Wert wird, der nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist.
  2. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Spannugsklemmschaltung eine Diode (5 oder 6), eine erste Elektrode (5A oder 6K) und eine zweite Elektrode (5K oder 6A) aufweist, die mit der Hauptsteuerelektrode bzw. der zweiten Hauptelektrode des Transistors verbunden sind, welcher in einen Durchlasszustand kommt, um einen Strom von der ersten Elektorde zu der zweiten Elektrode zu leiten, wenn die Spannung, welche des Produkt des Stromerfassungsstroms und des Werts des Widerstands ist, ein vorbestimmter Wert wird, und die zweite Steuerspannung auf der Grundlage einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode definiert ist und nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist.
  3. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 2, wobei die Diode derart angeschlossen ist, dass sie in der Durchlassrichtung vorgespannt ist.
  4. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 3, wobei die Diode eine PN-Übergangs-Diode ist.
  5. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 2, wobei die Diode derart angeschlossen ist, dass sich in der Sperrrichtung vorgespannt ist.
  6. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 3, wobei die Diode eine PN-Übergangs-Diode ist.
  7. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 3, wobei die Diode eine Schottky-Diode ist.
  8. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Transistor als ein erster Transistor (29) definiert ist, der Widerstand einen ersten Widerstand (31), der ein Ende aufweist, das mit dem Stromerfassungsanschluss verbunden ist; und einen zweiten Widerstand (32) aufweist, der ein Ende, das mit dem anderen Ende des ersten Widerstands verbunden ist, und das andere Ende aufweist, das mit dem zweiten Elektrodenanschluss verbunden ist, die Spannungsklemmschaltung einen zweiten Transistor (7) aufweist, der eine erste Elektrode (7D), eine zweite Elektrode (7S) und eine Steuerelektrode (7G) aufweist, die mit der Hauptsteuerelektrode und der zweiten Hauptelektrode des Transistors bzw. dem anderen Ende des ersten Widerstands verbunden sind, welcher in einen Durchlasszustand kommt, um einen Strom von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode zu leiten, wenn die Spannung, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms und des Werts des Widerstands ist, der vorbestimmte Wert wird, eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des zweiten Transistors in dem Durchlasszustand nicht niedriger als die erste Steuerspannung eingestellt ist, und die zweite Steuerspannung auf der Grundlage der Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode definiert ist.
  9. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 8, wobei der zweite Transistor ein MOSFET ist.
  10. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 1, wobei der zweite Transistor ein Bipolartransistor ist.
  11. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Hauptelektrode (2D) des Transistors eine erste Elektrode (D); und eine Diode (8) aufweist, die eine Ende und das andere Ende aufweist, die mit dem dritten Elektrodenanschluss bzw. der ersten Elektrode verbunden sind, wobei die Diode einen Strom von dem ersten Ende zu dem anderen Ende in der Durchlassvorspannung leitet.
  12. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Transistor ein MOSFET ist.
  13. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Transistor ein Bipolartransistor ist.
  14. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Widerstand, der Transistor und die Spannungklemmschaltung auf einem Halbleitersubstrat integriert sind.
  15. Überstrom-Begrenzerschaltung nach Anspruch 1, die in einer Halbleitervorrichtung (100) enthalten ist, die das Leistungs-Halbleiterelement (1) aufweist.
  16. Überstrom-Begrenzerschaltung (10) einer Leistungs-Halbleiterelements (1), welche erste und zweite Bereiche zum Leiten eines Hauptstroms (i), einen dritten Bereich zum Steuern des Hauptstroms, welcher von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich fließt, einen Strom-Erfassungsbereich zum Leiten eines Stromerfassungsstroms (is) von dem zweiten Bereich und einen ersten Elektrodenanschluss (C), einen zweiten Elektrodenanschluss (E), einen dritten Elektrodenanschluss (G) und einen Stromerfassungsanschluss (S) aufweist, die mit dem ersten Bereich, dem zweiten Bereich, dem dritten Bereich bzw. dem Stromerfassungsbereich verbunden sind, die aufweist: einen Widerstand (3), der zwischen dem zweiten Elektrodenanschluss und dem Stromerfassungsanschluss angeschlossen ist; einen Transistor (2), der eine erste Hauptelektrode (2D), eine zweite Hauptelektrode (2S) und eine Hauptsteuerelektrode (2G) aufweist, die mit dem dritten Elektrodenanschluss, dem zweiten Elektrodenanschluss bzw. dem Stromerfassungsanschluss verbunden sind, welcher in einen Durchlasszustand kommt, um einen Strom von der ersten Hauptelektrode zu der zweiten Hauptelektrode zu leiten, wenn eine Spannung, die nicht niedriger als eine erste Steuerspannung ist, an die Hauptsteuerelektrode angelegt wird; und eine zwischen der Hauptsteuerelektrode und der zweiten Hauptelektrode des Transistors angeschlossene Spannungsklemmeinrichtung (4) zum Klemmen einer an der Hauptsteuerelektrode anliegenden Spannung auf eine zweite Steuerspannung, die nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist, wenn eine Spannung, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms und des Werts des Widerstands ist, ein vorbestimmter Wert wird, der nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist.
  17. Halbleitervorrichtung, die aufweist: ein Leistungs-Halbleiterelement (1), das erste und zweite Bereiche zum Leiten eines Hauptstroms (i), einen dritten Bereich zum Steuern des Hauptstroms, welcher von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich fließt, einen Strom-Erfassungsbereich zum Leiten eines Stromerfassungsstroms (is) von dem zweiten Bereich und einen ersten Elektrodenanschluss (C), einen zweiten Elektrodenanschluss (E), einen dritten Elektrodenanschluss (G) und einen Stromerfassungsanschluss (S) aufweist, die mit dem ersten Bereich, dem zweiten Bereich, dem dritten Bereich bzw. dem Stromerfassungsbereich verbunden sind; einen Widerstand (3), der zwischen dem zweiten Elektrodenanschluss und dem Stromerfassungsanschluss angeschlossen ist; einen Transistor (2), der eine erste Hauptelektrode (2D), eine zweite Hauptelektrode (2S) und eine Hauptsteuerelektrode (2G) aufweist, die mit dem dritten Elektrodenanschluss, dem zweiten Elektrodenanschluss bzw. dem Stromerfassungsanschluss verbunden sind, welcher in einen Durchlasszustand kommt, um einen Strom von der ersten Hauptelektrode zu der zweiten Hauptelektrode zu leiten, wenn eine Spannung, die nicht niedriger als eine erste Steuerspannung ist, an die Hauptsteuerelektrode angelegt wird; und eine zwischen der Hauptsteuerelektrode und der zweiten Hauptelektrode des Transistors angeschlossene Spannungsklemmschaltung (4) zum Klemmen einer an der Hauptsteuerelektrode anliegenden Spannung auf eine zweite Steuerspannung, die nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist, wenn eine Spannung, welche das Produkt des Stromerfassungsstroms und des Werts des Widerstands ist, ein vorbestimmter Wert wird, der nicht niedriger als die erste Steuerspannung ist.
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