JP5940211B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、パワー半導体素子に流れる電流を分流させて、電流検出用の電流を得る電流センスセルを備えたパワー半導体素子を用いた半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device using a power semiconductor element including a current sense cell that diverts a current flowing through the power semiconductor element and obtains a current for current detection.
パワー半導体素子を用いた半導体装置において、過電流が流れた場合にパワー半導体素子を保護する目的などで電流を検出するために、パワー半導体素子に流れる電流を分流させて検出用の電流を得る電流センスセルを備えたものがある(例えば特許文献1)。 In a semiconductor device using a power semiconductor element, in order to detect a current for the purpose of protecting the power semiconductor element when an overcurrent flows, a current for dividing the current flowing through the power semiconductor element to obtain a detection current Some have a sense cell (for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載されている半導体装置では、パワー半導体素子と、電流センスセルの出力電流を検出する電流検出部と、過電流制限回路と、過電流保護回路と、駆動回路とを備えている。過電流制限回路は、電流検出部の出力電圧が所定の動作電圧を超えると、ゲート電圧を所定電圧に低下させ、パワー半導体素子に流れる電流を制限する。過電流保護回路は、電流検出部の出力電圧が所定の動作電圧を超えると、所定時間経過後にパワー半導体素子をオフする。つまり、パワー半導体素子に流れる電流を制限した上で、その後パワー半導体素子をオフする。速やかにパワー半導体素子に流れる過電流を低減することで、パワー半導体素子の短絡耐量内で保護することが可能である。
The semiconductor device described in
特許文献1に記載された半導体装置において、低いゲート電圧から電流が流れ始める、いわゆるスレッシホールド電圧Vthが低いパワー半導体素子を用いる場合、過電流制限回路のトランジスタのコレクタ電圧を下げる必要がある。過電流制限回路のトランジスタのコレクタ電圧を下げるためには、主セルに対する電流センスセルの比率を上昇させ、電流センスセルから流れる電流を増やせば良い。しかし、電流センスセルの比率を上げるほど主セルの割合が低下する、すなわち効率が悪化するため望ましくない。電流容量を増やすため複数のMOSFETチップを並列接続しているパワー半導体モジュールにおいて、複数のMOSFETチップに電流センスセルを設けると、効率が悪化することに加え、各チップの電流センスセルから電流を取り出すための配線をする必要があり、パワー半導体モジュール内の配線が増えるため小型化や設計の自由度の面から望ましくない。
In the semiconductor device described in
他にも駆動回路内のゲート抵抗を大きくすれば、過電流制限回路のコレクタ電圧を下げることが可能だが、ゲート抵抗の増加は半導体装置の損失の増加につながるため望ましくない。他にも、センス電流を増幅し、トランジスタのベース電流を増やして動作させる手法もあるが、増幅するには時間遅れが生じるため望ましくない。 In addition, if the gate resistance in the drive circuit is increased, the collector voltage of the overcurrent limiting circuit can be lowered. However, an increase in the gate resistance leads to an increase in the loss of the semiconductor device, which is not desirable. In addition, there is a method of amplifying the sense current and increasing the base current of the transistor to operate, but this is not desirable because a time delay occurs.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、Vthが低いパワー半導体素子を用いた半導体装置においても、損失を増加させずに過電流保護できる半導体装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor device capable of overcurrent protection without increasing loss even in a semiconductor device using a power semiconductor element having a low Vth. With the goal.
この発明は、第一電極と第二電極の間に流れる主電流をゲートに印加される電圧により制御するパワー半導体素子が複数並列接続され、この並列接続された複数のパワー半導体素子のうち一個のパワー半導体素子が主セルと電流センスセルを備え、主セルの電流を電流センスセルの出力電流により検出して、一個のパワー半導体素子の電流が過電流となった場合に複数のパワー半導体素子を保護するように制御するための過電流保護回路を備えた半導体装置において、過電流保護回路は、電流センスセルの出力電流を検出する電流検出部と、この電流検出部の出力信号に応じて複数のパワー半導体素子のゲートに印加される電圧を低下させる過電流制限回路と、複数のパワー半導体素子のゲートに印加される電圧を制御して複数のパワー半導体素子のオンオフを制御するための駆動回路と、複数のパワー半導体素子のゲートと駆動回路との間に接続され、出力電流が所定の一定値となるよう制御するゲート電流制御回路とを備え、複数のパワー半導体素子を、銅パターンが形成された1枚の基板上に、複数のパワー半導体素子のそれぞれの第一電極が前記銅パターンに接続されるように配置し、複数のパワー半導体素子の、電流センスセルの第二電極以外のそれぞれの第二電極同士を複数のパワー半導体素子以外の部材を介さずに直接接続するワイヤ配線により電気接続した構成とした。 In the present invention, a plurality of power semiconductor elements for controlling a main current flowing between the first electrode and the second electrode by a voltage applied to the gate are connected in parallel, and one of the plurality of power semiconductor elements connected in parallel is connected. The power semiconductor element includes a main cell and a current sense cell, and detects the current of the main cell from the output current of the current sense cell, and protects a plurality of power semiconductor elements when the current of one power semiconductor element becomes an overcurrent. The overcurrent protection circuit includes a current detection unit that detects an output current of the current sense cell, and a plurality of power semiconductors according to the output signal of the current detection unit. an overcurrent limiting circuit to reduce the voltage applied to the gate of the device, a plurality of power semiconductors to control the voltage applied to the gate of the plurality of power semiconductor devices Comprising a drive circuit for controlling the on-off device, it is connected between the gate and the drive circuit of the plurality of power semiconductor devices, the output current and a gate current control circuit for controlling such that a predetermined constant value, more The power semiconductor element is disposed on a single substrate on which a copper pattern is formed so that the first electrodes of the plurality of power semiconductor elements are connected to the copper pattern. Each of the second electrodes other than the second electrode of the current sense cell was electrically connected to each other by wire wiring that was directly connected without a member other than a plurality of power semiconductor elements .
本発明によれば、パワー半導体素子のVthが低い場合においても、損失が増加せずに過電流を保護できる半導体装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor device capable of protecting an overcurrent without increasing loss even when the power semiconductor element has a low Vth.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1による半導体装置を示す回路図である。ここでは、パワー半導体素子1として、MOSFET1(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いているが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などゲート電極で制御する他のパワー半導体を用いても良い。図1では、パワー半導体素子1に対向して配置される還流ダイオードは省略して図示している。ここで述べる半導体装置は、例えば図13に示す3相インバータ回路など、各種電力変換器に用いることが可能である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to
パワー半導体素子1は、主に電流を通電する主セル2、および電流を分流させる電流センスセル3を持ち、ドレイン端子とゲート端子はお互いに接続されている。電流センスセル3のソースと主セル2のソースとの間には、電流センスセル3の電流を検出する電流検出部4が接続される。図1では、電流検出部の例として、抵抗を用いて電流を電圧に変換する電流検出部4を示した。
The
上記のように、パワー半導体素子にはMOSFETやIGBTなど種々あるが、本発明を適用するパワー半導体素子は、2電極間に流れる主電流をゲート電極の電圧により制御する構造のパワー半導体素子である。主電流が流れる2電極をそれぞれ第一電極、第二電極と呼ぶことにする。図1に示すMOSFETでは、ドレインが第一電極であり、ソースが第二電極である。パワー半導体素子がIGBTの場合、コレクタが第一電極であり、エミッタが第二電極である。主セルの第一電極と電流センスセルの第一電極とは接続されている。一方、電流センスセルの第二電極と主セルの第二電極とは、別々に外部に電気接続できる構造となっている。図1では、電流センスセルの第二電極と主セルの第二電極と間に電流検出部4が接続されている。
As described above, there are various power semiconductor elements such as MOSFET and IGBT, but the power semiconductor element to which the present invention is applied is a power semiconductor element having a structure in which the main current flowing between the two electrodes is controlled by the voltage of the gate electrode. . The two electrodes through which the main current flows are called the first electrode and the second electrode, respectively. In the MOSFET shown in FIG. 1, the drain is the first electrode and the source is the second electrode. When the power semiconductor element is an IGBT, the collector is the first electrode and the emitter is the second electrode. The first electrode of the main cell and the first electrode of the current sense cell are connected. On the other hand, the second electrode of the current sense cell and the second electrode of the main cell have a structure that can be electrically connected to the outside separately. In FIG. 1, a
図2に電流検出部4の、図1とは別の例を示す。電流検出抵抗41両端の電圧と基準電圧源42の電圧を比較器40で比較し、電流検出抵抗41の両端電圧のほうが大きければ比較器40の出力がハイインピーダンスとなり、電流検出部4は高出力信号を出力する。比較器40と基準電圧源42で短絡電流検出レベルを設定するので、図1に示す、抵抗のみで構成する電流検出部4よりも精度が高いことが利点である。
FIG. 2 shows an example of the
電流検出部4のさらに別の例を図3に示す。演算増幅器43の反転入力端子を電流センスセル3のソースに接続し、非反転入力端子を主セル2のソースに接続する。反転入力端子と出力端子の間に抵抗44を接続する。演算増幅器43の出力電圧は、電流センスセル3の出力電流に比例した電圧となるため、比較器40において基準電圧源42と比較し、基準電圧源42のほうが大きければ比較器40の出力がハイインピーダンスとなり、電流検出部4は高出力信号を出力する。この方式の利点は次のとおりである。演算増幅器43の反転入力端子と非反転入力端子間の電圧がゼロとなるため、主セル2と電流センスセル3のゲート‐ソース間電圧およびドレイン‐ソース間電圧が等しくなる。そのため、電流センスセル3と主セル2の電流の比は各セル数の比と等しくなり、高い精度での電流検出が可能となる。
Another example of the
電流検出部4の出力信号は、過電流制限回路5へ入力される。過電流制限回路5はこの信号を受けて、MOSFET1のゲート電圧を低減させる。ゲート電圧が低下すれば、MOSFET1に流れるドレイン電流も低下し、MOSFET1は過電流から保護される。この状態ではまだ駆動回路6からの出力が出ており、ゲート電流制御回路14で制御された電流が、過電流制限回路5のトランジスタ13に流れる。図1〜図3では、過電流制限回路5として一つのトランジスタを用いたが、この構成に限るわけではなく、例えば、複数のトランジスタを用いて電流検出部4の出力信号を増幅させてからパワー半導体素子1のゲート電圧を低減させても良い。
The output signal of the
図1〜図3に示す本発明の実施の形態1による半導体装置では、電流検出部4と過電流検出回路9との間に、フィルタ回路10を入れている。大容量の半導体装置では、装置が大型になるため、電流検出部4、過電流制限回路5、MOSFET1からなるパワー半導体モジュール11と駆動回路6、過電流検出回路9などからなる制御回路12との距離が離れていることが多い。大容量の半導体装置では装置が発生するノイズが大きいため、パワー半導体モジュール11と制御回路12の間にノイズ除去用のフィルタ回路10を挿入する必要がある。フィルタ回路10によって、過電流検出信号が遅れるため、過電流制限回路5にはMOSFET1が破壊しないようにドレイン電流がほぼゼロとなる程度までドレイン電流を制限する機能が求められる。
In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 to 3, a
図1〜図3に示す本発明の実施の形態1による半導体装置では、MOSFETのゲートと過電流制限回路5のトランジスタ13のコレクタとの間に通常接続されるツェナーダイオードを省略している。これは次の理由による。図4にパワー半導体素子の一例であるMOSFETのゲート電圧とドレイン電流の関係を示す。従来の過電流保護回路では、スレッシホールド電圧Vthが高く、ドレイン電流の変化が大きいパワー半導体素子を対象にしていた。そのため、必要以上にゲート電圧を下げないようにするため、MOSFETのゲートと過電流制限回路5のトランジスタ13のコレクタとの間にツェナーダイオードを接続して保護時のゲート電圧を調整していた。本発明では、図4中に示すVthが低いMOSFETをも対象にする。そのため、保護時のゲート電圧は、低減目標ゲート電圧で示す電圧まで下げる必要があり、ツェナーダイオードを省いた。MOSFETのゲートと過電流制限回路5のトランジスタ13のコレクタとの間には、保護用としてダイオードや抵抗などの素子が挿入される場合もあるが、この保護用の素子による電圧降下が2V以下となるようにすれば良い。
In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 to 3, the Zener diode normally connected between the gate of the MOSFET and the collector of the
電流検出部4からの信号はフィルタ回路10に入力され、一定の遅れ時間を経たのち、過電流検出回路9へ入力される。過電流検出回路9は電流検出部4の出力信号と過電流設定値を比較し、過電流と判定すればエラー信号出力回路15とオフ指令出力回路16に信号を出力する。オフ指令出力回路16は駆動回路6にオフ指令を出力し、駆動回路6からの出力がオフになる。それに伴い、過電流制限回路5のトランジスタ13に流れる電流も低下する。
A signal from the
ゲート電流制御回路14の制御電流値は、正常動作時のミラー期間のゲート電流値に設定する。正常動作のスイッチング時だけでなく、アーム短絡、もしくは負荷短絡時に過電流制限回路5が動作した時にも、駆動回路から流れ出る電流値は、ゲート電流制御回路14の制御電流値に制御される。スイッチング時間はミラー期間のゲート電流値によって定まるため、ゲート電流制御回路14によってゲート電流値を所定の一定値、すなわちパワー半導体素子1の正常動作時のミラー期間のゲート電流値となるように制御しても、スイッチング損失が増加することはない。
The control current value of the gate
ゲート電流制御回路14の構成例を図5に示す。ゲート電流制御回路14に電流が流れ始めたときは、抵抗19に流れる電流が小さく、トランジスタ18はオフしたままであるので、トランジスタ17がオンし、ゲート電流は制御されない。抵抗19に流れる電流が大きくなるとトランジスタ18がオンし、トランジスタ17のエミッタ‐ベース間電圧が低下し、ゲート電流が所定の一定値に制御される。すなわち、抵抗19による電圧降下がトランジスタ18をオンさせるエミッタ‐ベース間電圧に等しくなるように、抵抗19に流れる電流が制御される。駆動回路6とパワー半導体素子1のゲートの間に、ゲート電流制御回路14以外にゲート電流を制御する回路がないため、ゲート電流は所定の一定値に制御される。図6にゲート電流制御回路14のV−I特性を示す。パワー半導体素子1のゲート電圧値によって、ゲート電流制御回路14の電圧値は変化するが、ゲート電流制御回路14の出力電流は所定の一定値、すなわちパワー半導体素子1の正常動作時のミラー期間のゲート電流値となるように制御される。また、駆動回路6とパワー半導体素子1のゲートの間に、ミラー期間のゲート電流値に大きな影響を与えない程度(例えば、ゲート電流を10%変更させない程度)の低抵抗を接続しても良い。
A configuration example of the gate
図7に、図1の回路の出力が短絡状態となった場合の保護動作のシーケンスを示す。t0のタイミングでスイッチングオン指令が入ると、ゲート電流は所定の一定値の電流となる。ゲート電流が一定であるため、ゲート電圧は一定の傾きで上昇する。ゲート電圧がしきい値を超えると(t1のタイミング)ドレイン電流は通電を始める。ゲート電圧の値が駆動回路6の電源電圧に達すると(t4のタイミング)、ゲート電圧とドレイン電流は一定となり、ゲート電流はゼロとなる。回路が短絡状態となっているため過電流が流れ、t5のタイミングから過電流制限動作を始める。駆動回路6から過電流制限回路5のトランジスタ13に流れ込む電流は、ゲート電流制御回路14で所定の一定値に制御される。過電流制限回路5のトランジスタ13には、MOSFET1のゲートからの放電電流も重畳されるが、駆動回路6から流れる電流がゲート電流制御回路14で所定の一定値に制御されているので、トランジスタ13のコレクタ電圧は低い値に保たれ、MOSFET1のゲート電圧もt6のタイミングでほぼゼロに低減させることができる。図7に示すように、駆動回路6から過電流制限回路5のトランジスタ13に流れ込む電流を制限すると、過電流制限時のゲート電圧を大幅に低下できることがわかる。
FIG. 7 shows a protective operation sequence when the output of the circuit of FIG. When a switching-on command is input at the timing t0, the gate current becomes a predetermined constant current. Since the gate current is constant, the gate voltage rises with a constant slope. When the gate voltage exceeds the threshold (timing of t1), the drain current starts to be energized. When the value of the gate voltage reaches the power supply voltage of the drive circuit 6 (timing at t4), the gate voltage and the drain current become constant and the gate current becomes zero. Since the circuit is in a short circuit state, an overcurrent flows, and the overcurrent limiting operation starts from the timing t5. The current flowing from the
ここで、図8に示す、ゲート電流制御回路14の代わりに駆動回路6内部に備えられたゲート抵抗7を用いて、パワー半導体素子1のスイッチング時間を制御する従来の回路方式による動作を比較例として説明する。図8に示す回路は、比較のため、ゲート電流制御回路14を備えず、ゲート抵抗7を備えている以外は、図1の回路と同じ構成としている。ゲート抵抗7はゲート電流を制限する効果はあるものの、その電流値は、ゲート抵抗7の両端に印加される電圧値に依存する。すなわち、ゲート抵抗7の駆動回路側の電位は変化せず、MOSFET1のゲート電圧が変化するので、ゲート抵抗7の両端に印加される電圧値が変化し、ゲート電流も変化する。
Here, the operation of the conventional circuit system for controlling the switching time of the
図8の比較例の回路の通常スイッチング時のスイッチング波形を図9に示す。t0のタイミングでオンのスイッチング指令が入り、ゲート電圧がt1のタイミングでしきい値を超えると、ドレイン電流が流れ始める。このときの図9に示すゲート電流の最大値は、
(ゲート電流の最大値)=(駆動回路の電源電圧)÷(ゲート抵抗) (1)
となる。ゲート電圧が上昇するとともにゲート電流は低下し、t2からt3の期間に一定の電流値になる。ゲート電流が一定となるt2からt3の期間をミラー期間と呼び、スイッチング速度はミラー期間のゲート電流によって定まる。一般にパワー半導体素子1の定格電流におけるミラー電圧は11V程度になる。駆動回路6の電源電圧を15Vとすれば、ミラー期間のゲート電流は、
(ミラー期間のゲート電流)=(4V)÷(ゲート抵抗) (2)
となる。t3のタイミングでドレイン電圧の変化が終わるとミラー期間も終了し、再びゲート電圧は上昇し、t4のタイミングで駆動回路6の電源電圧まで上昇する。FIG. 9 shows switching waveforms during normal switching of the circuit of the comparative example of FIG. When an ON switching command is input at the timing t0 and the gate voltage exceeds the threshold value at the timing t1, the drain current starts to flow. The maximum value of the gate current shown in FIG.
(Maximum value of gate current) = (Power supply voltage of drive circuit) / (Gate resistance) (1)
It becomes. As the gate voltage increases, the gate current decreases, and becomes a constant current value during the period from t2 to t3. The period from t2 to t3 in which the gate current is constant is called a mirror period, and the switching speed is determined by the gate current in the mirror period. In general, the mirror voltage at the rated current of the
(Gate current during mirror period) = (4V) ÷ (gate resistance) (2)
It becomes. When the change of the drain voltage ends at the timing of t3, the mirror period also ends, the gate voltage rises again, and rises to the power supply voltage of the
次に過電流が流れたときの、図8に示す比較例における過電流保護回路の動作を図10の動作シーケンス図に従って説明する。負荷短絡もしくはアーム短絡の状態でオン指令が入ると、ゲート電圧の上昇にしたがってドレイン電流も上昇する。電流センスセル3にはドレイン電流に比例した電流が流れるため、電流検出部4からはドレイン電流に比例した信号が出力される。電流検出部4からの信号にしたがって過電流制限回路5のトランジスタ13のベース電流が上昇すると、t5のタイミングでトランジスタ13のコレクタ電圧が低下し始め、MOSFET1のゲート電圧が低下するので、MOSFET1のドレイン電流もt6のタイミングでId1まで低下する。トランジスタ13のコレクタ電圧Vceは図10に示すように、トランジスタ13の静特性と次式に示す回路特性からVgs1に定まる。
Ic=(Vcc−Vce)/Rg (3)
ただし、Icはトランジスタ13のコレクタ電流、Vceはトランジスタ13のコレクタ電圧、Vccは駆動回路6の電源電圧、Rgは駆動回路6内部のゲート抵抗7である。Next, the operation of the overcurrent protection circuit in the comparative example shown in FIG. 8 when overcurrent flows will be described with reference to the operation sequence diagram of FIG. When an ON command is input in the state of a load short circuit or an arm short circuit, the drain current increases as the gate voltage increases. Since a current proportional to the drain current flows through the
Ic = (Vcc−Vce) / Rg (3)
Here, Ic is the collector current of the
図4に示すVthが低いMOSFETを保護するためには、保護時にゲート電圧をゼロ付近まで下げる必要があるが、そのためには、過電流制限回路5のトランジスタ13に式(1)で示すゲート電流の最大値に近い電流まで流さなければならない。式(1)と式(2)の比較から、トランジスタ13は、ミラー期間のゲート電流の4倍近い電流を流さなければならないことがわかる。
In order to protect the MOSFET having a low Vth shown in FIG. 4, it is necessary to lower the gate voltage to near zero at the time of protection. For this purpose, the gate current represented by the equation (1) is applied to the
過電流制限動作時のトランジスタ13のコレクタ電圧を下げるためには、主セル2に対する電流センスセル3の比率を上昇させ、電流センスセル3から流れる電流を増やせば良い。しかし、電流センスセル3の比率を上げるほど主セル2の割合が低下する、すなわち効率が悪化するため望ましくない。電流容量を増やすため複数のMOSFETチップを並列接続しているパワー半導体モジュールにおいて、複数のMOSFETチップに電流センスセルを設けると、効率が悪化することに加え、各チップの電流センスセルから電流を取り出すための配線をする必要があり、パワー半導体モジュール内の配線が増えるため小型化や設計の自由度の面から望ましくない。
In order to reduce the collector voltage of the
図11に、過電流制限回路5のトランジスタ13の静特性と、動作状態を示す。図11の横軸はトランジスタ13のコレクタ電圧Vce、縦軸はコレクタ電流Icである。トランジスタ13のベース電流をパラメータとして、Ic−Vceの特性を示している。斜めの直線は、図8に示した比較例の回路における回路特性、すなわち式(3)を示している。比較例の回路では、ベース電流で決まる静特性とこの斜めの直線の交点がトランジスタ13の動作点となる。例えば、過電流保護時のベース電流がIb0であれば、トランジスタ13のコレクタ電圧はVce2となる。比較例の回路においては、駆動回路内のゲート抵抗Rgを大きくすれば、図11における、回路定数から定まる直線の縦軸の切片が下がり、過電流制限回路のコレクタ電圧を下げることが可能だが、ゲート抵抗の増加は半導体装置の損失の増加につながるため望ましくない。他にも、センス電流を増幅し、トランジスタのベース電流を増やして動作させる手法もあるが、増幅するには時間遅れが生じるため望ましくない。
FIG. 11 shows the static characteristics and operation state of the
そこで、本発明では、図1〜図3に示すように、ゲート電流制御回路14を設けた。ゲート電流制御回路14は、その出力電流を所定の一定値、すなわちパワー半導体素子1の正常動作時のミラー期間のゲート電流値となるように制御する。なお、所定の一定値はパワー半導体素子1の正常動作時のゲート電流値に正確に同じではなくても良く、正常動作時のゲート電流値の90%〜110%の範囲の値であれば良い。この構成により、式(1)と式(2)の比較でわかるように、過電流制限回路5のトランジスタ13のコレクタ電流が、比較例の過電流制限時のコレクタ電流の4分の1に近い低い電流値に制御されるため、同じベース電流が流れた場合でもトランジスタ13のコレクタ電圧を、例えばVce1で示す値まで低く抑えることができる。電流センスセル3から流れ出る電流は小さく、トランジスタ13のベースに流れ込む電流も小さいが、本発明を適用することで、過電流保護動作時のMSFET1のゲート電圧を、図11に示すVce1のように低く抑えることができるため、過電流から確実に保護することができる。
Therefore, in the present invention, a gate
本発明におけるパワー半導体素子は、珪素によって形成されてもよい。また、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。 The power semiconductor element in the present invention may be formed of silicon. Alternatively, a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon may be used. Examples of the wide band gap semiconductor include silicon carbide, a gallium nitride-based material, and diamond.
このようなワイドバンドギャップ半導体は、Vthが低い特性を持つ傾向が強いため、本発明によって得られる効果は大きくなる。また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワー半導体素子は、耐電圧が高く、許容電流密度も高いため、パワー半導体素子の小型化が可能である。これら小型化されたパワー半導体素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体装置の小型化が可能となる。 Since such a wide band gap semiconductor has a strong tendency to have a low Vth characteristic, the effect obtained by the present invention is increased. In addition, since the power semiconductor element formed of a wide band gap semiconductor has a high withstand voltage and a high allowable current density, the power semiconductor element can be downsized. By using these miniaturized power semiconductor elements, a semiconductor device incorporating these elements can be miniaturized.
またワイドバンドギャップ半導体は、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体装置の一層の小型化が可能になる。更に電力損失が低いため、パワー半導体素子の高効率化が可能であり、延いては半導体装置の高効率化が可能になる。 In addition, since the wide band gap semiconductor has high heat resistance, it is possible to reduce the size of the heat dissipating fins of the heat sink and the air cooling of the water cooling portion, thereby further reducing the size of the semiconductor device. Furthermore, since the power loss is low, it is possible to increase the efficiency of the power semiconductor element, and further increase the efficiency of the semiconductor device.
実施の形態2.
図12は、本発明の実施の形態2による半導体装置を示す回路図である。図12において、図1と同一符号は、同一または相当する部分を示す。図12に示す回路は、図1の回路にラッチ回路20が付加されている。電流検出部4において、過電流と判断される所定の閾値を超えた電流が検出されると、過電流保護回路8が動作して、パワー半導体素子1の電流が小さくなる。パワー半導体素子1の電流が小さくなると、電流検出部4における電流検出値も小さくなるため、過電流制限回路5への入力も小さくなり、過電流制限回路5のトランジスタ13のコレクタ電圧が上昇する。トランジスタ13のコレクタ電圧が上昇すると、パワー半導体素子1のゲート電圧も上昇し、パワー半導体素子1の電流が大きくなってしまう。再び過電流と判断される所定の閾値まで電流が達すると、過電流保護回路8が動作するというように、パワー半導体素子1の電流の上昇と下降が繰り返される。ラッチ回路20は、一旦電流検出部4において、過電流と判断される所定の閾値を超えた電流が検出されると、電流検出値が下がっても、所定時間、トランジスタ13への出力を下げない、すなわちラッチ動作を行う回路である。
FIG. 12 is a circuit diagram showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 12, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts. In the circuit shown in FIG. 12, a
ラッチ回路20を設けることにより、特にスレッシホールド電圧の低いパワー半導体素子に対しゲート電流制御回路を設けた場合に、パワー半導体素子1の電流の上昇と下降を防ぐことができるので、確実に過電流保護動作を行うことができる半導体装置を提供できる。
By providing the
実施の形態3.
図13は、本発明の半導体装置を適用する電力変換器の一例としての3相インバータ回路を示す回路図である。図13の回路は、交流を直流に変換し、変換された直流をスイッチングして3相の交流に変換してモータMを駆動する電力変換器である。図13の回路では、上側のアーム100a、100b、100c、下側のアーム200a、200b、200cそれぞれに、複数のパワー半導体素子が並列に接続された構成となっている。上側のアーム100aと下側のアーム200aの詳細を図14に示す。下側のアーム200aを例にとって詳細を説明すると、それぞれパワー半導体素子としてのIGBT21a〜28aと、それぞれのIGBTにそれぞれ並列接続されたダイオード31a〜38aのセットが並列接続された構成となっている。さらに、IGBTと並列に接続されたダイオードのセット8個は、IGBTと並列に接続されたダイオードのセット4個ずつを基板201aおよび基板202aに配置した2個のモジュールを並列に接続して実装されている。
FIG. 13 is a circuit diagram showing a three-phase inverter circuit as an example of a power converter to which the semiconductor device of the present invention is applied. The circuit in FIG. 13 is a power converter that converts alternating current into direct current, switches the converted direct current to convert it into three-phase alternating current, and drives the motor M. In the circuit of FIG. 13, a plurality of power semiconductor elements are connected in parallel to the
図15に、下側のアーム200aの実装の概略構成の平面図を示す。IGBT21a〜24aの第一電極であるコレクタを銅パターンが形成された基板201a上に、それぞれの第一電極が銅パターンに接続されるように配置している。IGBT21a〜24aの第二電極であるエミッタは、それぞれの第二電極同士をアルミワイヤ配線203により銅パターンやダイオードなど、パワー半導体素子以外の部材を介さずに直接接続している。同様に基板202a上に配置されたIGBT25a〜28aの第二電極であるエミッタもアルミワイヤ配線204によりそれぞれ銅パターンやダイオードなど、パワー半導体素子以外の部材を介さずに接続している。ただし、IGBT21a〜28aのうち1個のIGBTだけに電流センスセルが設けられており、この電流センスセルの第二電極であるエミッタは、別途電流検出部4に接続される。
FIG. 15 is a plan view of a schematic configuration for mounting the
アルミワイヤ配線203、204が無い場合、エミッタ間のインピーダンスは、端子台N1や端子台N2を介する、破線で示す経路のインピーダンスとなる。これに対し、エミッタ間を直接アルミワイヤ配線で接続することにより、エミッタ間のインピーダンスは、アルミワイヤ配線203や204による短い経路のインピーダンスとなり、インピーダンスが小さくなる。これにより、複数接続されているIGBTのエミッタ電位が全て等しくなるため、それぞれのIGBTのゲート電圧も等しく低減することができる。例えば、ワイドバンドギャップ半導体のようにスレッシホールド電圧の低いパワー半導体素子に対し、エミッタ間をアルミワイヤ配線で接続しなければそれぞれのエミッタ電位に差が生じるため、一部のパワー半導体素子のゲート電圧がスレッシホールド電圧以上、一部のパワー半導体素子のゲート電圧がスレッシホールド電圧以下という状態が生じ、ゲート電圧の高いパワー半導体素子に過電流が流れ続けてしまう。また、左右の端子台N1と端子台N2を短いアルミワイヤ配線205で接続することにより、左右の基板201aおよび202aのIGBTのエミッタ間のインピーダンスが小さくなり、同様の効果が得られる。
When there is no
特に、本発明のゲート電流制御回路5を、ワイドバンドギャップ半導体のようにスレッシホールド電圧の低いパワー半導体素子に対し設けた場合、以上のような実装構造によれば、確実に並列に接続したすべてのパワー半導体素子に過電流保護動作を行うことができるという効果を奏する。また、以上では、パワー半導体素子としてIGBTを例にとって説明したが、パワー半導体素子がMOSFETでも同様である。
In particular, when the gate
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 It should be noted that the present invention can be combined with each other within the scope of the invention, or can be appropriately modified or omitted from each embodiment.
1:パワー半導体素子、2:主セル、3:電流センスセル、
4:電流検出部、5:過電流制限回路、6:駆動回路、
8:過電流保護回路、9:過電流検出回路、10:フィルタ回路、
13:トランジスタ、14:ゲート電流制御回路、201a、
202a:基板1: power semiconductor element, 2: main cell, 3: current sense cell,
4: current detection unit, 5: overcurrent limiting circuit, 6: drive circuit,
8: Overcurrent protection circuit, 9: Overcurrent detection circuit, 10: Filter circuit,
13: transistor, 14: gate current control circuit, 201a,
202a: substrate
Claims (7)
前記過電流保護回路は、前記電流センスセルの出力電流を検出する電流検出部と、この電流検出部の出力信号に応じて前記複数のパワー半導体素子のゲートに印加される電圧を低下させる過電流制限回路と、前記複数のパワー半導体素子のゲートに印加される電圧を制御して前記複数のパワー半導体素子のオンオフを制御するための駆動回路と、前記複数のパワー半導体素子のゲートと前記駆動回路との間に接続され、出力電流が所定の一定値となるように制御するゲート電流制御回路とを備え、
前記複数のパワー半導体素子を、銅パターンが形成された1枚の基板上に、前記複数のパワー半導体素子のそれぞれの第一電極が前記銅パターンに接続されるように配置し、前記複数のパワー半導体素子の、前記電流センスセルの第二電極以外のそれぞれの第二電極同士を前記複数のパワー半導体素子以外の部材を介さずに直接接続するワイヤ配線により電気接続したことを特徴とする半導体装置。 A plurality of power semiconductor elements that control the main current flowing between the first electrode and the second electrode by a voltage applied to the gate are connected in parallel, and one power semiconductor element of the plurality of power semiconductor elements connected in parallel is A main cell and a current sense cell, wherein the current of the main cell is detected by an output current of the current sense cell, and the plurality of power semiconductor elements are protected when the current of the one power semiconductor element becomes an overcurrent In a semiconductor device provided with an overcurrent protection circuit for
The overcurrent protection circuit includes a current detector that detects an output current of the current sense cell, and an overcurrent limit that reduces a voltage applied to the gates of the plurality of power semiconductor elements in accordance with an output signal of the current detector. A drive circuit for controlling on / off of the plurality of power semiconductor elements by controlling a voltage applied to the gates of the plurality of power semiconductor elements; a gate of the plurality of power semiconductor elements; and the drive circuit; And a gate current control circuit that controls the output current to be a predetermined constant value .
The plurality of power semiconductor elements are disposed on a single substrate on which a copper pattern is formed so that the first electrodes of the plurality of power semiconductor elements are connected to the copper pattern, and the plurality of power semiconductor elements are arranged. A semiconductor device characterized in that each second electrode of the semiconductor element other than the second electrode of the current sense cell is electrically connected by a wire wiring that directly connects the second electrodes other than the plurality of power semiconductor elements .
であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 A protective element is inserted between the collector of the transistor of the overcurrent limiting circuit and the gates of the plurality of power semiconductor elements, and a voltage drop due to the protective element is 2 V or less. The semiconductor device according to claim 3.
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