TW201535972A - 半導體裝置 - Google Patents

Abstract

一種半導體裝置包括一電晶體(12)、一二極體(15)、一感測電晶體(13)、一感測二極體(16)、一電阻器(20)、及一箝位電路(30)。二極體係反向並聯連接至電晶體。電阻器在電阻器的一端係連接至感測電晶體的射極和感測二極體的陽極，且在電阻器的另一端係連接至電晶體的射極和二極體的陽極。箝位電路係配置以當一感測二極體電流流動時箝住在電阻器中產生的一電壓。一感測二極體電流與流至二極體之電流的比率係大於一感測電流與流至電晶體之電流的比率。

Description

半導體裝置

本發明關於一種半導體裝置。

通常，已知有一種技術為透過使用連接至感測電晶體和感測二極體的共同感測電阻器來偵測流至電晶體的電流、和流至反向並聯連接至電晶體之二極體的電流(例如，參見日本專利申請書公開號No.2012-19550(JP-2012-19550A))。與流至電晶體之電流成比例的電流流至感測電晶體，且與流至二極體之電流成比例的電流流至感測二極體。

然而，期望在電晶體中偵測到之電流的幅度不同於期望在二極體中偵測到之電流的幅度。因此，有期望增加流至感測二極體之電流與流至二極體之電流的比率之情況。在此比率被設很大的情況下，當非期望的過多電流流至二極體時，連接至感測電晶體和感測二極體的電阻器可能退化。

本發明提出一種半導體裝置，其能抑制連接至感測電晶體和感測二極體的電阻器之退化。

根據本發明之一種態樣的半導體裝置包括一電晶體、一二極體、一感測電晶體、一感測二極體、一電阻器、及一箝位電路。二極體係反向並聯連接至電晶體。感測電晶體係配置以產生對應於流至電晶體之電流的一感測電流。感測二極體係配置以產生對應於流至二極體之電流的一感測二極體電流。電阻器在電阻器的一端係連接至感測電晶體的射極和感測二極體的陽極，且在電阻器的另一端係連接至電晶體的射極和二極體的陽極。箝位電路係配置以當感測二極體電流流動時箝住在電阻器中產生的一電壓。感測二極體電流與流至二極體之電流的比率係大於感測電流與流至電晶體之電流的比率。

本發明之態樣使得有可能抑制連接感測電晶體和感測二極體的電阻器之退化。

1‧‧‧驅動單元

11‧‧‧電晶體部分

12‧‧‧主電晶體

61‧‧‧第一導電部分

62‧‧‧第二導電部分

10‧‧‧切換元件

14‧‧‧二極體部分

40‧‧‧控制電路

43‧‧‧驅動電路

20‧‧‧感測電阻器

13‧‧‧感測電晶體

Ise‧‧‧感測電流

Ie‧‧‧主電流

15‧‧‧主二極體

16‧‧‧感測二極體

Id‧‧‧二極體電流

Isd‧‧‧感測二極體電流

Isw‧‧‧電流

Vse‧‧‧感測電壓

30‧‧‧箝位電路

49‧‧‧比較器

31‧‧‧二極體

41‧‧‧電阻器

54‧‧‧電阻器

42‧‧‧AND電路

VR1‧‧‧參考電壓

44‧‧‧參考電壓部分

Va‧‧‧電壓

S6‧‧‧輸出信號

50‧‧‧參考電壓部分

VR3‧‧‧參考電壓

S1‧‧‧命令信號

S2‧‧‧預驅動信號

S3‧‧‧閘極驅動信號

I1‧‧‧電流

I2‧‧‧電流

b1‧‧‧波形

b2‧‧‧波形

46‧‧‧比較器

VR2‧‧‧參考電壓

47‧‧‧參考電壓部分

45‧‧‧控制電路

S4‧‧‧輸出信號

48‧‧‧AND電路

S5‧‧‧輸出信號

2‧‧‧驅動單元

3‧‧‧驅動單元

34‧‧‧箝位電路

32‧‧‧二極體

33‧‧‧齊納二極體

4‧‧‧驅動單元

37‧‧‧箝位電路

36‧‧‧寄生二極體

35‧‧‧電晶體

S7‧‧‧輸出信號

53‧‧‧箝位控制電路

55‧‧‧監控電路

I4‧‧‧電流

56‧‧‧監控電阻器

57‧‧‧電晶體

I5‧‧‧電流

Vse1‧‧‧感測電壓

Vse2‧‧‧感測電壓

58‧‧‧RS正反器

4‧‧‧驅動單元

51‧‧‧控制電路

59‧‧‧比較器

b3‧‧‧波形

下面將參考附圖來說明本發明之示範實施例的特徵、優點、及技術和工業意義，其中類似編號表示相同元件，且其中：第1圖係根據本發明之第一實施例之半導體裝置的方塊圖；第2圖顯示顯示半導體裝置的操作波形之實例的時序 圖；第3圖係根據本發明之第二實施例之半導體裝置的方塊圖；第4圖係根據本發明之第三實施例之半導體裝置的方塊圖；第5圖係根據本發明之第四實施例之半導體裝置的方塊圖；及第6圖顯示顯示半導體裝置的操作波形之實例的時序圖。

以下，將參考圖來說明本發明之實施例。

第1圖係根據本發明之第一實施例之顯示對應於半導體裝置的驅動單元1之視圖。驅動單元1可能是具有積體電路所形成之配置的半導體裝置，或具有離散部件所形成之配置的半導體裝置。

驅動單元1係配置以藉由以導通/截止方式驅動電晶體部分11的主電晶體12來驅動連接至第一導電部分61或第二導電部分62之電感負載(例如，電感器、電動機等)的半導體電路。例如，有可能提到升壓、降壓、或升壓/降壓直流電壓的轉換器、在直流電力與交流電力之間執行電力轉換的反向器或之類作為其中運用單一驅動單元1或複數個驅動單元1的裝置。

例如，在其中運用複數個驅動單元1的裝置 中，有提供一種切換電路，其中分別設置於高側和低側上的切換元件10係串聯連接至電感負載所連接至的中間節點。例如，作為其中運用複數個驅動單元1的裝置之實例的三相反向器裝備有如本文所提及地與其平行的三個切換元件。

導電部分61係導電連接至如電源的正極或之類之高電源電位部分，且可能經由另一切換元件或另一負載來間接連接至高電源電位部分的電流路徑。導電部分62係導電連接至如電源的負極或之類之低電源電位部分(例如，接地電源部分)，且可能經由另一切換元件或另一負載來間接連接至低電源電位部分的電流路徑。

驅動單元1裝備有切換元件10。切換元件10係賦有電流感測功能的絕緣閘型電壓控制半導體元件。切換元件10具有電晶體部分11和二極體部分14。

例如，在電晶體部分11係絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的情況下，切換元件10係具有於其上設置電晶體部分11和二極體部分14之共同半導體基板的二極體積體IGBT。二極體積體IGBT的構造為二極體的陽極電極和IGBT的射極電極構成共同電極，且二極體的陰極電極和IGBT的集極電極構成共同電極。二極體積體IGBT也稱為反向導通IGBT(RC IGBT)。

如IGBT的功率電晶體元件、金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)或之類能被提及作為電晶體部分11的具體實例。作為電晶體部分11之實例的IGBT係 顯示於第1圖中。為了方便說明，將在假設電晶體部分11係IGBT的假設上提出下面的說明。在電晶體部分11係MOSFET的情況下，可能在分別將「集極」和「射極」替換成「汲極」和「源極」之後閱讀下面的說明。

例如，電晶體部分11的閘極端G係經由串聯連接至閘極端G之閘極電阻器來連接至控制電路40之驅動電路43的控制端。例如，電晶體部分11的集極端C係連接至連接點c且經由連接點c來連接至導電部分61的第一主端。例如，電晶體部分11的射極端E係連接至連接點d且經由連接點d來連接至導電部分62的第二主端。例如，電晶體部分11的感測射極端SE係連接至連接點b且經由連接點b來連接至感測電阻器20之一端的感測端。感測射極端SE係經由連接至感測電阻器20之另一端的連接點d來連接至導電部分62。

電晶體部分11係配置以包括主電晶體12和感測電晶體13。主電晶體12和感測電晶體13係如IGBT或之類的切換元件。感測電晶體13係並聯連接至主電晶體12。主電晶體12和感測電晶體13之各者可能由複數個胞元電晶體構成。

主電晶體12和感測電晶體13的閘極電極g係共同連接至電晶體部分11之閘極端G的控制電極。主電晶體12和感測電晶體13的集極電極c係共同連接至電晶體部分11之集極端C的第一主電極。主電晶體12的射極電極e係連接至電晶體部分11之射極端E的第二主電 極。感測電晶體13的感測射極電極se係連接至電晶體部分11之感測射極端SE的感測電極。

感測電晶體13係產生對應於流至主電晶體12的電流之電流的感測電晶體之實例，且係隨著流至主電晶體12的電流增加而增加之電流所流至的感測元件。例如，感測電晶體13輸出與流至主電晶體12之主電流Ie成比例的感測電流Ise。

例如，從集極端C流至電晶體部分11中的集極電流在感測比率n下被分成流過主電晶體12的主電流Ie和流過感測電晶體13的感測電流Ise。感測電流Ise係依照在感測比率n下之主電流Ie流動的電流，且係使其值小於在感測比率n下之主電流Ie的電流。

感測比率n表示在感測電流Ise的幅度與主電流Ie的幅度之間的比率係1：n(n>1)。例如，依照在主電晶體12之射極電極e的面積與感測器電晶體13之感測射極電極se的面積之間的比率來判定感測比率n。

主電流Ie流過在主電晶體12中的集極電極c和射極電極e，且從射極端E輸出。從射極端E輸出的主電流Ie經由連接點d而流過導電部分62。感測電流Ise流過在感測電晶體13中的集極電極c和感測射極電極se，且從感測射極端SE輸出。從感測射極端SE輸出的感測電流Ise經由感測電阻器20和連接點d而流過導電部分62。

另一方面，二極體部分14係配置以包括主二 極體15和感測二極體16。

主二極體15係反向並聯連接至主電晶體12的二極體之實例，且係具有連接至射極端E之陽極、和連接至集極端C之陰極的反向導通元件。主二極體15的陽極電極係P型電極，其係連接至射極端E所連接至的連接點d，且係經由連接點d來連接至導電部分62。主二極體15的陰極電極係N型電極，其係連接至集極端C所連接至的連接點c，且係經由連接點c來連接至導電部分61。

感測二極體16係產生對應於流至主二極體15的電流之電流的感測二極體之實例，且係隨著流至主二極體15的電流增加而增加之電流所流至的感測元件。例如，感測二極體16輸出與流至主二極體15之二極體電流Id成比例的感測二極體電流Isd。

感測二極體電流Isd係依照在感測比率m下之二極體電流Id流動的電流，且係使其值小於在感測比率m下之二極體電流Id的電流。感測比率m表示在感測二極體電流Isd的幅度與二極體電流Id的幅度之間的比率係1：m(m>1)。

感測二極體16的陽極電極係P型電極，其係連接至感測射極端SE所連接至的連接點b，且係經由感測電阻器20和連接點d來連接至導電部分62。感測二極體16的陰極電極係N型電極，其係連接至集極端C所連接至的連接點c，且係經由連接點c來連接至導電部分61。

驅動單元1具有設置於感測射極端SE與射極端E之間的感測電阻器20。感測電阻器20係電阻器部分之實例，感測器部分在其之一端係連接至共同連接至感測電晶體13之感測射極電極se和感測二極體16之陽極電極的連接點b，且在其之另一端係連接至共同連接至主電晶體12之射極電極e和主二極體15之陽極電極的連接點d。

驅動單元1裝備有控制電路40，其具有配置以基於感測電流Ise的幅度來偵測主電流Ie的幅度，且基於感測二極體電流Isd的幅度來偵測二極體電流Id的幅度之偵測單元。

例如，控制電路40具有配置以藉由偵測當感測電流Ise流動時所產生之感測電壓Vse的幅度來偵測感測電流Ise之幅度且偵測主電流Ie之幅度的偵測單元。當感測電流Ise流動時所產生的感測電壓Vse係其幅度依照感測電流Ise之幅度而改變的正電壓。例如，由於感測電流Ise流至感測電阻器20，因此在感測器電阻器20的兩端產生感測電壓Vse。

同樣地，例如，控制電路40具有配置以藉由偵測當感測二極體電流Isd流動時所產生之感測電壓Vse的幅度來偵測感測二極體電流Isd之幅度且偵測二極體電流Id之幅度的偵測單元。當感測二極體電流Isd流動時所產生的感測電壓Vse係其幅度依照感測二極體電流Isd之幅度而改變的負電壓。例如，由於感測二極體電流Isd流 至感測電阻器20，因此在感測器電阻器20的兩端產生感測電壓Vse。

例如，感測電壓Vse係在感測電阻器20的兩端之間的電壓，且係等於在連接點b與連接點d之間的電位差。當感測二極體電流Isd在與感測二極體16之順向方向相同的方向上流至感測電阻器20時，感測電壓Vse具有負電壓值。此外，當感測電流Ise在與感測二極體16之順向方向相反的方向上流至感測電阻器20時，感測電壓Vse具有正電壓值。此外，當感測二極體電流Isd或感測電流Ise不流至感測電阻器20時，感測電壓Vse係零。

設定二極體部分14的感測比率m和電晶體部分11的感測比率n，使得感測二極體電流Isd與二極體電流Id的比率p變成大於感測電流Ise與主電流Ie的比率q。

在感測二極體電流Isd的幅度與二極體電流Id的幅度之間的比率被設成1：m的情況下，比率p等於1/m。在感測電流Ise的幅度與主電流Ie的幅度之間的比率被設成1：n的情況下，比率q等於1/n。值m和m之各者係大於1。

例如，在值m和n分別是1000和2000的情況下，比率p(=1/1000)被設定大於比率q(=1/2000)。

比率p被設定大於比率q，因此，即使二極體電流Id和主電流Ie的幅度彼此相等(即使電流值的絕對 值彼此相等)，仍能使感測二極體電流Isd的幅度大於感測電流Ise的幅度。藉此，即使當二極體電流Id的幅度相對較小，仍能產生其絕對值相對較大的感測二極體電流Isd和感測電壓Vse。由此，能使二極體電流Id的偵測靈敏度大於主電流Ie的偵測靈敏度。

例如，當比率p大於比率q時，能基於感測電壓Vse來偵測如過電流之相對大的主電流Ie，而能基於感測電壓Vse來準確地偵測到在零安培附近的二極體電流Id流至主二極體15。例如，控制電路40能基於感測電壓Vse來偵測到等於或大於預定值的主電流Ie流至主電晶體12，且能基於感測電壓Vse來偵測到略大於零的二極體電流Id流至主二極體15。

然而，當比率p大於比率q時，即使相對小的二極體電流Id仍使得有可能產生其絕對值係相對大的感測二極體電流Isd。因此，當過大的二極體電流Id意外地流至主二極體15時，過大的感測二極體電流Isd流至感測電阻器20且可能使感測電阻器20退化。

此外，感測電阻器20被設成小值以致對應於期望被偵測到之過大的主電流Ie的幅度。因此，即使當稍微大的感測二極體電流Isd流至感測電阻器20時，感測電阻器20仍可能退化。

於是，驅動單元1具有並聯連接至感測電阻器20的箝位電路30。箝位電路30在其之一端係連接至連接點b和感測電阻器20的一端，且在其之另一端係連 接至連接點d和感測電阻器20的另一端。箝位電路30係當感測二極體電流Isd流至感測電阻器20時將感測電阻器20的兩端產生之負感測電壓Vse箝在預定箝位電壓值的電路。

藉此，箝位電路30能抑制過大的負感測電壓Vse，且因此能防止感測電阻器20和連接至感測電阻器20的元件(例如，比較器49)由於負過電壓而退化。

此外，箝位電路30係並聯連接至感測電阻器20，使得電流流至箝位電路30。因此，感測二極體電流Isd能被分成流至感測電阻器20的電流I1和流至箝位電路30的電流I2。接著，箝位電路30具有足夠的電流容量，所以供應給感測電阻器20的電流能被分配給箝位電路30。由此，能防止感測電阻器20由於過電流而退化。

箝位電路30的箝位電壓值被設成小於在沒有任何箝位電路30時之感測二極體電流Isd的峰值電流值與感測電阻器20的電阻值之乘積(電壓值)的值。

例如，箝位電路30具有將負感測電壓Vse箝在預定箝位電壓值的二極體31。二極體31係其順向方向等同於感測二極體16之順向方向的PN接面，使得感測二極體電流Isd流過二極體31之實例。此外，以上述方式來排列二極體31以致防止感測電流Ise流至箝位電路30。由此，感測電流Ise流至感測電阻器20而不是流至箝位電路30。

二極體31被排列且並聯連接至感測電阻器 20，且具有連接至連接點b和感測電阻器20之一端的陰極電極、及連接至連接點d和感測電阻器20之另一端的陽極電極。可能提供單一二極體31或複數個二極體31。在第1圖中，兩個二極體31係彼此串聯連接。

驅動單元1裝備有控制電路40。控制電路40係基於感測電壓Vse之偵測結果來控制主電晶體12和感測電晶體13之驅動的控制單元之實例。

當偵測到由於感測二極體電流Isd流過感測電阻器20和箝位電路30所產生的負感測電壓Vse時，控制電路40截止主電晶體12和感測電晶體13。於是，當二極體電流Id流動時，能防止主電晶體12和感測電晶體13被導通。此外，當二極體電流Id流動時，主電晶體12和感測電晶體13被導通，所以能防止在二極體部分14中的損耗增加。

例如，控制電路40當偵測到感測電壓Vse等於或小於預定臨界值(例如，零或預定負電壓值)時截止主電晶體12和感測電晶體13。

控制電路40具有電阻器41、電阻器54、比較器49、AND電路42、及驅動電路43。

電阻器41和電阻器54之各者係將感測電壓Vse等效地轉換成偵測電壓Va的轉換單元之實例。電阻器54在其之一端係連接至連接點b和感測電阻器20之一端，且在其之另一端係連接至電阻器41之一端。電阻器41在其之一端係連接至電阻器54之另一端，且在其之另 一端係連接至輸出特定參考電壓VR1的參考電壓部分44。在電阻器41的一端與電阻器54的另一端之間的連接點a係連接至比較器49的非反向輸入部分。從連接點a輸出的偵測電壓Va係輸入至比較器49的非反向輸入部分。

電阻器41和電阻器54能將當感測二極體電流Isd流至感測電阻器20時產生的負感測電壓Vse等效地轉換成正偵測電壓Va。因此，沒有任何負電壓被輸入至比較器49的非反向輸入部分，所以能簡化比較器49之非反向輸入部分的配置。

比較器49係判斷感測電流Ise是否流至感測電阻器20或感測二極體電流Isd是否流至感測電阻器20的判定電路之實例。比較器49能偵測到感測二極體電流Isd停止流動或感測電流Ise開始流動，且能偵測到感測電流Ise停止流動或感測二極體電流Isd開始流動。

比較器49在當偵測到感測電壓Vse跨預定臨界值Vth地改變時的時序反向輸出信號S6的電壓準位。例如，比較器49具有連接至連接點a的非反向輸入部分、和連接至參考電壓部分50的反向輸入部分。參考電壓部分50對比較器49的反向輸入部分輸出特定參考電壓VR3。亦即，在這種情況下，比較器49在當偵測到對應於感測電壓Vse的偵測電壓Va跨參考電壓VR3地改變時的時序反向輸出信號S6的電壓準位。

當二極體電流Id流動時，感測二極體電流 Isd也流動，所以感測電壓Vse係負電壓。當偵測到感測電壓Vse從負值改變為等於或大於零的值(即，零或正值)時，比較器49將輸出信號S6從低準位改變為高準位。例如，比較器49藉由監控到偵測電壓Va超過參考電壓VR3來偵測到感測電壓Vse從負值改變為等於或大於零的值(即，零或正值)。

另一方面，當主電流Ie流動時，感測電流Ise也流動，所以感測電壓Vse係正電壓。當偵測到感測電壓Vse從正值改變為等於或小於零的值(即，零或負值)時，比較器49將輸出信號S6從高準位改變為低準位。例如，比較器49藉由監控到偵測電壓Va變成低於參考電壓VR3來偵測到感測電壓Vse從正值改變為等於或小於零的值(即，零或負值)。

比較器49的輸出信號S6係輸入至AND電路42。

AND電路42係基於命令信號S1的電壓準位和輸出信號S6的電壓準位來判斷主電晶體12和感測電晶體13是否應被導通或截止的判定單元之實例。AND電路42計算命令信號S1與輸出信號S6的邏輯乘積，且輸出預驅動信號S2。命令信號S1係用於命令主電晶體12和感測電晶體13被導通/截止的信號，且係從如微電腦或之類之外部裝置供應的信號(例如，脈衝寬度調變信號)。

在命令信號S1和輸出信號S6之至少一者係命令主電晶體12和感測電晶體13被截止之低準位信號的 情況下，AND電路42輸出低準位預驅動信號S2。低準位預驅動信號S2係用於截止主電晶體12和感測電晶體13的信號。亦即，即使當接收用於命令主電晶體12和感測電晶體13被導通的高準位命令信號S1時，AND電路42當輸出信號S6係位於低準位時輸出低準位預驅動信號S2。

另一方面，在命令信號S1和輸出信號S6兩者係用於命令主電晶體12和感測電晶體13被導通之高準位信號的情況下，AND電路42輸出高準位預驅動信號S2。高準位預驅動信號S2係用於導通主電晶體12和感測電晶體13的信號。

驅動電路43輸出相位等同於從AND電路42輸出之預驅動信號S2的閘極驅動信號S3。驅動電路43將預驅動信號S2的電壓準位移位至高準位，且輸出電壓準位高於預驅動信號S2的閘極驅動信號S3，使得能驅動主電晶體12和感測電晶體13。

由此，當偵測到二極體電流Id流至主二極體15時，控制電路40能截止主電晶體12和感測電晶體13。另一方面，當偵測到正常主電流Ie流至主電晶體12時，能導通主電晶體12和感測電晶體13。

第2圖顯示顯示驅動單元1的操作波形之實例的時序圖。命令信號S1係用於命令主電晶體12和感測電晶體13被導通/截止的信號。電流Isw係流過導電部分62的電流，且約等於主電流Ie和二極體電流Id的總和。 順帶一提，感測電流Ise係足夠小於主電流Ie，且感測二極體電流Isd係足夠小於二極體電流Id。因此，感測電流Ise和感測二極體電流Isd的幅度相對於電流Isw可忽略不計。

其中電流Isw具有負值的週期指示電流Isw在與主二極體15和感測二極體16之順向方向相同的方向上流動。主二極體15和感測二極體16的順向方向係從陽極電極往陰極電極的方向。另一方面，其中電流Isw具有正值的週期指示電流Isw在與主二極體15和感測二極體16之順向方向相反的方向上流動。與主二極體15和感測二極體16之順向方向相反的方向係從集極端C往射極端E或感測射極端SE的方向。

當二極體電流Id流動時，感測二極體電流Isd流動，所以感測電壓Vse係低準位負電壓。當感測電壓Vse係低準位負電壓時，輸出信號S6係位於低準位。因此，當命令信號S1係位於高準位且輸出信號S6係位於低準位時，閘極驅動信號S3係位於低準位，所以主電晶體12和感測電晶體13兩者被截止。由於主電晶體12和感測電晶體13兩者被截止，因此阻止主電流Ie和感測電流Ise流動。藉此，當阻止主電流Ie和感測電流Ise流動時，電流Isw約等於二極體電流Id、流至感測電阻器20之電流I1、和流至箝位電路30之電流I2的總和。

隨著二極體電流Id降低，感測二極體電流Isd也降低。感測二極體電流Isd約等於電流I1和電流I2 的總和。當二極體電流Id降低至零安培時，電流Isw也變成約等於零安培。在其中電流Isw從負值改變為正值之零安培的附近，輸出信號S6從低準位改變為高準位(參見時序t1和t4)。於是，閘極驅動信號S3係位於高準位。

因此，當命令信號S1係位於高準位且輸出信號S6係位於高準位時，閘極驅動信號S3係位於高準位，所以主電晶體12和感測電晶體13兩者被導通。由於主電晶體12和感測電晶體13兩者被導通，因此主電流Ie和感測電流Ise逐漸地增加，所以電流Isw也逐漸地增加(參見週期t1-t2和週期t4-t5)。

在第2圖中，波形b1指示沒有任何箝位電路30的情況，且波形b2指示存在箝位電路30的情況。無論在哪種情況下，感測二極體電流Isd與二極體電流Id的比率p都被設定大於感測電流Ise與主電流Ie的比率q。

在當沒有任何箝位電路30時之波形b1的情況下，比率p係大於比率q，所以感測電壓Vse之負峰值的絕對值係大於感測電壓Vse之正峰值的絕對值。在第2圖之情況下，產生約-4.8V的負峰值電壓和約1.8V的正峰值電壓。

相反地，在當存在箝位電路30時之波形b2的情況下，儘管維持在零安培附近之電流Isw的偵測靈敏度，感測電壓Vse的負峰值電壓仍保持約等於-2.3V。藉此，能防止感測電阻器20本身或連接至感測電阻器20的 元件由於負過電壓而退化。

當命令信號S1從高準位改變為低準位時，閘極驅動信號S3從高準位改變為低準位(參見時序t2和t5)，所以主電晶體12和感測電晶體13兩者被截止。由於主電晶體12和感測電晶體13兩者被截止，因此阻止主電流Ie和感測電流Ise流動(參見週期t2-t3和週期t5-t6)。

隨著主電流Ie降低，感測電流Ise也降低。感測電流Ise約等於電流I1。由於二極體31，感測電流Ise不流至箝位電路30。當主電流Ie降低至零安培時，電流Isw也變成約等於零安培。在其中電流Isw從正值改變為負值之零安培的附近，輸出信號S6從高準位改變為低準位(參見時序t2和t5)。於是，閘極驅動信號S3係位於低準位。

第3圖係根據本發明之第二實施例之對應於半導體裝置的驅動單元2之視圖。將不說明與前述驅動單元1相同的配置和效果。驅動單元2裝備有具有過電流偵測電路的控制電路45，其基於由於電流I1流至感測電阻器20所產生的正感測電壓Vse來截止主電晶體12和感測電晶體13。

比較器46係過電流偵測電路之實例。比較器46具有連接至連接點b和感測電阻器20之一端的反向輸入部分、及連接至輸出特定參考電壓VR2之參考電壓部分47的非反向輸入部分。參考電壓VR2係用於判斷主電 流Ie是否為過電流的臨界電壓。

當二極體電流Id流動時，感測電壓Vse係小於參考電壓VR2，所以比較器46輸出高準位輸出信號S4。此外，當小於過電流的正常主電流Ie流至主電晶體12時，感測電壓Vse係小於參考電壓VR2，所以比較器46輸出高準位輸出信號S4。此外，當等於或大於預定值之過大的主電流Ie流至主電晶體12時，感測電壓Vse變成大於參考電壓VR2，所以比較器46輸出低準位輸出信號S4。

控制電路45具有被輸入比較器49之輸出信號S6和比較器46之輸出信號S4的AND電路48。AND電路48係基於輸出信號S4的電壓準位和輸出信號S6的電壓準位來判斷主電晶體12和感測電晶體13是否應被導通或截止的判定單元之實例。AND電路48計算輸出信號S4與輸出信號S6的邏輯乘積，且輸出輸出信號S5。

AND電路42係基於命令信號S1的電壓準位和輸出信號S5的電壓準位來判斷主電晶體12和感測電晶體13是否應被導通或截止的判定單元之實例。AND電路42計算命令信號S1與輸出信號S5的邏輯乘積，且輸出預驅動信號S2。

因此，當偵測到至少二極體電流Id流至主二極體15或過大的主電流Ie流至主電晶體12時，控制電路45能截止主電晶體12和感測電晶體13。另一方面，當偵測到正常主電流Ie流至主電晶體12時，能導通主電 晶體12和感測電晶體13。

第4圖係根據本發明之第三實施例之對應於半導體裝置的驅動電路3之視圖。將不說明與前述驅動單元1或2相同的配置和效果。驅動單元3裝備有將負感測電壓Vse箝在預定箝位電壓值的箝位電路34。

箝位電路34具有將負感測電壓Vse箝在預定箝位電壓值的二極體32和齊納二極體33。藉由調整齊納二極體33的齊納電壓，負感測電壓Vse所箝住的箝位電壓值能容易地被設成任何值。

二極體32係順向方向等同於感測二極體16的PN接面之實例，使得感測二極體電流Isd流過二極體32。此外，以這樣的方式來排列二極體32以致防止感測電流Ise流至箝位電路34，所以感測電流Ise流至感測電阻器20而不是流至箝位電路34。

二極體32被排列且並聯連接至感測電阻器20，且具有連接至連接點b和感測電阻器20之一端的陰極電極、及經由齊納二極體33來連接至連接點d和感測電阻器20之另一端的陽極電極。可能提供單一二極體32或複數個二極體32。複數個二極體32可能彼此串聯連接。

齊納二極體33係其順向方向上與感測二極體16之順向方向相反的二極體，使得感測二極體電流Isd只有當感測電壓Vse等於或大於齊納二極體33的齊納電壓時流過齊納二極體33。

感測二極體電流Isd當感測電壓Vse等於或大於齊納二極體33的齊納電壓時流至箝位電路34和感測電阻器20。感測二極體電流Isd當感測電壓Vse小於齊納二極體33的齊納電壓時流至感測電阻器20而不是流至箝位電路34。

齊納二極體33係串聯連接至二極體32，且具有連接至連接點d的陰極電極、及連接至二極體32之陽極電極的陽極電極。順帶一提，排列齊納二極體33的位置和排列二極體32的位置可能彼此替換。

第5圖係根據本發明之第四實施例之對應於半導體裝置的驅動單元4之視圖。將不說明與前述驅動單元1、2或3相同的配置和效果。驅動單元4裝備有將負感測電壓Vse箝在預定箝位電壓值的箝位電路37。

箝位電路37裝備有具有在順向方向上等同於感測二極體16之寄生二極體36的電晶體35，使得感測二極體電流Isd流過箝位電路37。電晶體35係具有與其平行之PN接面的切換元件之實例。

由於導通電晶體35，電晶體35的導通電阻器係與感測電阻器20合成，所以負感測電壓Vse所箝住的箝位電壓值能以上述方式來提高以致接近零。亦即，能藉由將感測電壓Vse之負峰值電壓的絕對值保持很小來抑制過大的負電壓發生。電晶體35之導通電阻器的電阻值係小於感測電阻器20的電阻值。

第5圖舉例說明電晶體35係N通道型 MOSFET的情況。在這種情況下，電晶體35具有被輸入輸出信號S7的閘極電極、連接至連接點b和感測電阻器20之一端的汲極電極、及連接至連接點d和感測電阻器20之另一端的源極電極。電晶體35可能是如雙極電晶體或之類的另一切換元件，其具有與其平行的PN接面。

驅動單元4具有箝位控制電路53，其輸出用於當感測二極體電流Isd流動時導通電晶體35的高準位輸出信號S7。高準位輸出信號S7係輸入至電晶體35的閘極電極，所以當感測二極體電流Isd流動時導通電晶體35。

箝位控制電路53具有監控電路55，其監控在電晶體35的源極與汲極之間流動的電流I4。箝位控制電路53輸出用於基於藉由監控電路55之電流I4的偵測結果來控制電晶體35之驅動的輸出信號S7。

例如，監控電路55係具有監控電阻器56和串聯連接至監控電阻器56之電晶體57的串聯電路，且係並聯連接至箝位電路37之電晶體35的電路。

對應於流至電晶體35之電流I4的電流I5流過監控電阻器56。監控電阻器56在其之一端係連接至感測電阻器20的一端和連接點b，且在其之另一端係經由電晶體57來連接至感測電阻器20的另一端和連接點d。

電晶體57係與導通/截止電晶體35同步地控制流至監控電阻器56之電流I4的控制元件之實例。電晶體57係當電晶體35導通時被導通，且當電晶體35截止 時被截止。電流I5當一導通電晶體57時就流動。電流I5當一截止電晶體57時就停止流動。由於電流I5流動而產生感測電壓Vse2。

第5圖舉例說明電晶體57係N通道型MOSFET的情況。在這種情況下，電晶體57具有被輸入輸出信號S7的閘極電極、連接至監控電阻器56之另一端的汲極電極、及連接至連接點d和感測電阻器20之另一端的源極電極。電晶體57可能是如雙極電晶體或之類的另一切換元件。

監控電路55當電晶體57導通時從連接點e輸出對應於電流I4之幅度的感測電壓Vse2。感測電壓Vse2的絕對值係小於感測電壓Vse1的絕對值監控電阻器56的電壓降。感測電壓Vse1係在感測電阻器20之兩端產生的電壓。連接點e係監控電阻器56和電晶體57彼此連接所在的節點。

箝位控制電路53具有RS正反器58。RS正反器58在命令信號S1的上升邊緣將輸出信號S7從低準位改變為高準位(參見第6圖之時序t3和t6)。藉由將輸出信號S7改變為高準位，RS正反器58將電晶體35和電晶體57從截止改變為導通。由於導通電晶體35和電晶體57，感測二極體電流Isd能流過感測電阻器20、箝位電路37、和監控電路55。

另一方面，RS正反器58在當感測電壓Vse2上升高於臨界值(在這種情況下是零)時的時序(即，在 當輸出信號S6從低準位改變為高準位時的時序)將輸出信號S7從高準位改變為低準位(參見第6圖之時序t1和t4)。藉由將輸出信號S7改變為低準位，RS正反器58將電晶體35和電晶體57從導通改變為截止。由於截止電晶體35和電晶體57，感測電流Ise被允許流至感測電阻器20，且被禁止流過箝位電路37和監控電路55。

驅動單元4裝備有控制電路51。控制電路51係基於感測電壓Vse1之偵測結果來控制主電晶體12和感測電晶體13之驅動的控制單元之實例。

控制電路51具有比較器59、比較器46、AND電路48、AND電路42、及驅動電路43。

比較器59係判斷感測電流Ise是否流至感測電阻器20或感測二極體電流Isd是否流至感測電阻器20的判定電路之實例。比較器59能偵測到感測二極體電流Isd停止流動或感測電流Ise開始流動，且能偵測到感測電流Ise停止流動或感測二極體電流Isd開始流動。

比較器59在當偵測到感測電壓Vse2跨預定臨界值Vth地改變時的時序反向輸出信號S6的電壓準位。例如，比較器59具有連接至連接點e的非反向輸入部分、和連接至連接點d的反向輸入部分。在這種情況下，臨界值Vth被設成零。

當二極體電流Id流動時，感測二極體電流Isd也流動，所以感測電壓Vse1係負電壓。當偵測到感測電壓Vse1從負值改變為等於或大於零的值(即，零或正 值)時，比較器59將輸出信號S6從低準位改變為高準位。例如，比較器59藉由監控到感測電壓Vse2超過參考電壓(在這種情況下是零)來偵測到感測電壓Vse1從負值改變為等於或大於零的值(即，零或正值)。

當輸出信號S6從低準位改變為高準位時，電晶體35和電晶體57被截止。當電晶體35和電晶體57截止時，感測電流Ise流至感測電阻器20，而沒有任何電流流至箝位電路37和監控電路55。

另一方面，當主電流Ie流動時，感測電流Ise也流動，所以感測電壓Vse1係正電壓。在這種情況下，感測電壓Vse1大約等於感測電壓Vse2。當偵測到感測電壓Vse1從正值改變為等於或小於零的值(即，零或負值)時，比較器59將輸出信號S6從高準位改變為低準位。例如，比較器59藉由監控到感測電壓Vse2降至低於參考電壓(在這種情況下是零)來偵測到感測電壓Vse1從正值改變為等於或小於零的值(即，零或負值)。

第6圖顯示顯示驅動電路4的操作波形之實例的時序圖。在第6圖中，波形b2指示在它被第1圖之二極體31箝住之情況下的感測電壓Vse。相反地，波形b3指示在它被第5圖之電晶體35箝住之情況下的感測電壓Vse1，且波形e1指示在它被電晶體35箝住之情況下的感測電壓Vse2。無論在哪種情況下，感測二極體電流Isd與二極體電流Id的比率p被設定大於感測電流Ise與主電流Ie的比率q。

如圖所示，儘管維持在零安培附近之電流Isw的偵測靈敏度，但感測電壓Vse1的負峰值電壓仍保持約等於-1.5V。藉此，能阻止元件由於負過電壓而退化。

順帶一提，控制電路51的RS正反器58可能在命令信號S1的下降邊緣(在第6圖之時序t2和t5)將輸出信號S7從低準位改變為高準位且導通電晶體35和電晶體57。亦即，可能與用於偵測命令信號S1之上升邊緣或下降邊緣的時序同步地導通電晶體35和電晶體57。

例如，控制電路51可能在從當感測電流Ise停止流動時之時序t2的偵測至當感測二極體電流Isd開始流動時之時序t3的偵測之週期內的任何時序導通電晶體35和電晶體57。同樣也適用於從時序t5至時序t6的週期。

以此方式，電晶體35在當主電晶體12導通時的時序被導通，所以感測電壓Vse1和Vse2之負峰值電壓的絕對值能在當最大化感測二極體電流Isd之絕對值的時序被保持很小。

此外，流至箝位電路37的電流14被電晶體57監控，且電晶體35和電晶體57在當電流14停止流動時的時序被截止。於是，能使感測電流Ise流至感測電阻器20而不是流至箝位電路37和監控電路55。因此，能防止感測電阻器20操作以錯誤地偵測主電晶體12之過電流。

此外，能藉由調整電晶體57與電晶體35的 感測比率、電晶體35或電晶體57之導通電阻器的電阻值、監控電阻器56的電阻值等來調整二極體電流Id之偵測靈敏度。亦即，能提高調整二極體電流Id之偵測靈敏度的自由度。

雖然上面已參考本發明之實施例來說明半導體裝置，但本發明並不限於其前述實施例。各種修改和改進(如本發明之一個、一些或所有其他實施例的組合、替換等)在本發明之範圍內係可能的。

例如，如電晶體或之類的切換元件並不限於IGBT，而可能是N通道型MOSFET或P通道型MOSFET。

此外，絕對不要求僅提供單一感測電阻器。可能提供複數個感測電阻器。同樣適用於二極體或齊納二極體。

1‧‧‧驅動單元

10‧‧‧切換元件

11‧‧‧電晶體部分

12‧‧‧主電晶體

13‧‧‧感測電晶體

14‧‧‧二極體部分

15‧‧‧主二極體

16‧‧‧感測二極體

20‧‧‧感測電阻器

30‧‧‧箝位電路

31‧‧‧二極體

40‧‧‧控制電路

41‧‧‧電阻器

42‧‧‧AND電路

43‧‧‧驅動電路

44‧‧‧參考電壓部分

49‧‧‧比較器

50‧‧‧參考電壓部分

54‧‧‧電阻器

61‧‧‧第一導電部分

62‧‧‧第二導電部分

S1‧‧‧命令信號

S2‧‧‧預驅動信號

S3‧‧‧閘極驅動信號

S6‧‧‧輸出信號

SE‧‧‧感測射極端

G‧‧‧閘極端

C‧‧‧集極端

E‧‧‧射極端

VR1‧‧‧參考電壓

VR3‧‧‧參考電壓

Va‧‧‧電壓

Vse‧‧‧感測電壓

I1、I2‧‧‧電流

Ise‧‧‧感測電流

Isd‧‧‧感測二極體電流

Isw‧‧‧電流

Id‧‧‧二極體電流

Ie‧‧‧主電流

a、b、d‧‧‧連接點

c‧‧‧集極電極

Claims (16)

1. 一種半導體裝置，包含：一電晶體；一二極體，其係反向並聯連接至該電晶體；一感測電晶體，其係配置以產生對應於流至該電晶體之電流的一感測電流；一感測二極體，其係配置以產生對應於流至該二極體之電流的一感測二極體電流；一電阻器，其在該電阻器的一端係連接至該感測電晶體的射極和該感測二極體的陽極，且其在該電阻器的另一端係連接至該電晶體的射極和該二極體的陽極；及一箝位電路，其係配置以當該感測二極體電流流動時箝住在該電阻器中產生的一電壓，其中該感測二極體電流與流至該二極體之電流的比率係大於該感測電流與流至該電晶體之電流的比率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該箝位電路具有一PN接面，其順向方向係等同於該感測二極體的順向方向。
3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體裝置，其中該PN接面係與該電阻器平行排列。
4. 如申請專利範圍第2項或第3項所述之半導體裝置，其中該箝位電路裝備有一切換元件，其具有與該切換元件平行的該PN接面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體裝置，更包含一箝位控制電路，其係配置以當該感測二極體電流流動時導通該切換元件。
6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體裝置，其中該箝位控制電路係配置以當偵測到該感測二極體電流開始流動時，或當偵測到該感測電流停止流動時導通該切換元件。
7. 如申請專利範圍第5項或第6項所述之半導體裝置，其中該箝位控制電路係配置以當該感測電流流動時截止該切換元件。
8. 如申請專利範圍第7項所述之半導體裝置，其中該箝位控制電路係配置以當偵測到該感測二極體電流停止流動時，或當偵測到該感測電流開始流動時截止該切換元件。
9. 如申請專利範圍第5項至第8項之任一項所述之半導體裝置，其中該箝位控制電路具有一監控電路，其係配置以監控流至該切換元件的電流，且該箝位控制電路係配置以基於該監控電路所監控的一結果來控制該切換元件之驅動。
10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體裝置，其中該監控電路具有對應於流至該切換元件之電流的一電流所流至的一監控電阻器。
11. 如申請專利範圍第10項所述之半導體裝置，其中該監控電路具有一控制元件，其係配置以與導通/截止該切換元件同步地控制流至該監控電阻器的該電流。
12. 如申請專利範圍第2項或第3項所述之半導體裝置，其中該箝位電路具有與該PN接面串聯的一齊納二極體，該齊納二極體的順向方向係與該感測二極體的順向方向相反。
13. 如申請專利範圍第1項至第12項之任一項所述之半導體裝置，更包含：一控制單元，其基於該電阻器所產生之一感測電壓的一偵測結果來控制該電晶體之驅動。
14. 如申請專利範圍第13項所述之半導體裝置，其中該控制單元係配置以當電流流至該二極體時截止該電晶體。
15. 如申請專利範圍第14項所述之半導體裝置，其中該控制單元係配置以即使當接收一命令以導通該電晶體時，當電流流至該二極體時仍截止該電晶體。
16. 如申請專利範圍第13項至第15項之任一項所述之半導體裝置，其中該控制單元係配置以當偵測到電流流至該二極體或等於或大於一預定值的電流流至該電晶體之至少任一者時截止該電晶體。