半导体装置和过电流保护装置 |
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申请号 | CN202380013528.X | 申请日 | 2023-03-02 | 公开(公告)号 | CN117957774A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
申请人 | 富士电机株式会社; | 发明人 | 佐藤茂树; | ||||
摘要 | 本 发明 提供抑制在从 电流 监测用功率 半导体 元件输出的感测电流的检测 信号 中产生的振荡的半导体装置和过电流保护装置。主IGBT(1a)和感测IGBT(1b)的集 电极 经由 端子 (C)与电源 电压 连接。主IGBT(1a)的发射极经由端子(E)与负载(2)连接。感测IGBT(1b)的感测发射极与端子(SE)连接。主IGBT(1a)的栅极与电容(C0)的一端和端子(G)连接,电容(C0)的另一端与感测IGBT(1b)的栅极连接。感测IGBT(1b)在有基于驱动信号(s0)的主IGBT(1a)的导通指示的情况下,从集电极朝向感测发射极流通与在主IGBT(1a)流通的电流成比例的感测电流。 | ||||||
权利要求 | 1.一种半导体装置,其特征在于,具有: |
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说明书全文 | 半导体装置和过电流保护装置技术领域[0001] 本发明涉及半导体装置和过电流保护装置。 背景技术[0002] 近年来,作为功率半导体元件的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极型晶体管)的下一代技术,正在推进碳化硅(SiC:Silicon carbide)化合物半导体元件、氮化镓化合物半导体(GaN)元件等下一代半导体元件的开发。 [0004] 现有技术文献 [0005] 专利文献 [0006] 专利文献1:国际公开第2018/211840号 发明内容[0007] 技术问题 [0008] 被称为IPS(Intelligent Power Switch:智能功率开关)的半导体装置具备作为负载工作用的功率半导体元件的主IGBT、供与在主IGBT流通的电流成比例的感测电流流通的作为电流监测用功率半导体元件的感测IGBT。另外,IPS具备根据感测电流的检测信号(感测电流检测信号)进行主IGBT的过电流检测的过电流检测电路。 [0009] 但是,在以往的IPS的构成中,在从感测电流检测信号的瞬时的上升起到下降为止的期间(瞬时感测期间),在感测电流检测信号中产生伴随着过冲的振荡(oscillation)。在该情况下,例如,若产生超过额定那样的电压值的振荡,则有可能引起过电流检测电路的误动作、IGBT等器件的损坏等,存在装置动作的可靠性降低这样的问题。 [0010] 在一个方面,本发明的目的在于提供一种实现了抑制在从电流监测用功率半导体元件输出的感测电流的检测信号中产生的振荡的半导体装置和过电流保护装置。 [0011] 技术方案 [0012] 为了解决上述问题,提供一种半导体装置。半导体装置具有输出元件、电流监测元件以及电容。输出元件基于驱动信号进行开关而使负载工作。电流监测元件对在输出元件流通的电流进行监测。电容的一端与输出元件的栅极连接,另一端与电流监测元件的栅极连接。 [0013] 此外,为了解决上述问题,提供一种半导体装置。半导体装置具有输出元件、电流监测元件、分压电路以及电容。输出元件基于驱动信号进行开关而使负载工作。电流监测元件对在输出元件流通的电流进行监测。分压电路对输出元件的栅极电压进行分压,并将分压了的电压施加于电流监测元件的栅极。电容的一端与电流监测元件的栅极连接,另一端与电流监测元件的感测发射极连接。 [0014] 另外,为了解决上述问题,提供一种过电流保护装置。过电流保护装置具有输出元件、电流监测元件、电容、控制电路、电流检测用电阻以及过电流检测电路。输出元件经由电源端子与电源电压连接,并且经由输出端子与负载连接,基于驱动信号进行开关而使负载工作。电流监测元件对在输出元件流通的电流进行监测。电容的一端与输出元件的栅极连接,另一端与电流监测元件的栅极连接。控制电路输出驱动信号而控制输出元件的开关。电流检测用电阻将从电流监测元件输出的感测电流设为电压的感测电流检测信号而输出。过电流检测电路通过对感测电流检测信号与基准电压进行比较,从而检测输出元件的过电流状态。 [0015] 另外,为了解决上述问题,提供一种过电流保护装置。过电流保护装置具有输出元件、电流监测元件、电容、分压电路、控制电路、电流检测用电阻以及过电流检测电路。输出元件经由电源端子与电源电压连接,并且经由输出端子与负载连接,基于驱动信号进行开关而使负载工作。电流监测元件对在输出元件流通的电流进行监测。电容的一端与电流监测元件的栅极连接,另一端与电流监测元件的感测发射极连接。分压电路对输出元件的栅极电压进行分压,并将分压了的电压施加于电流监测元件的栅极。控制电路输出驱动信号而控制输出元件的开关。电流检测用电阻将从电流监测元件输出的感测电流设为电压的感测电流检测信号而输出。过电流检测电路通过对感测电流检测信号与基准电压进行比较,从而检测输出元件的过电流状态。 [0016] 发明效果 [0017] 根据一个方面,能够抑制在从电流监测用功率半导体元件输出的感测电流的检测信号中产生的振荡。 附图说明[0019] 图1是用于说明半导体装置的一例的图。 [0020] 图2是示出包括过电流保护电路的半导体装置的构成的一例的图。 [0021] 图3是用于说明感测IGBT的自充电的图。 [0022] 图4是示出模拟波形的一例的图。 [0023] 图5是示出半导体装置的变形例的图。 [0024] 图6是示出包括过电流保护电路的半导体装置的构成的一例的图。 [0025] 图7是示出半导体装置的变形例的图。 [0026] 图8是示出包括过电流保护电路的半导体装置的构成的一例的图。 [0027] 图9是示出过电流保护装置的构成的一例的图。 [0028] 图10是示出过电流保护装置的构成的一例的图。 [0029] 图11是示出过电流保护装置的构成的一例的图。 [0030] 符号说明 [0031] 1:半导体装置 [0032] 1a:输出元件(主IGBT) [0033] 1b:电流监测元件(感测IGBT) [0034] 2:负载 [0035] s0:驱动信号 [0036] C0:电容 [0037] G:与输出元件的栅极连接的端子 [0039] E:与输出元件的发射极连接的端子 [0040] SE:与电流监测元件的感测发射极连接的端子 具体实施方式[0042] 图1是用于说明半导体装置的一例的图。半导体装置1具备输出元件1a、电流监测元件1b以及电容C0。 [0043] 输出元件1a和电流监测元件1b例如是IGBT、将IGBT和FWD(Free Wheeling Diode:续流二极管)形成于一个芯片的RC(Reverse Conducting:反向导通)‑IGBT。或者,也可以使用SiC器件。SiC器件有SiC‑MOSFET(Metal‑Oxide‑Semiconductor Field‑Effect Transistor:金属氧化物半导体场效应晶体管)等。应予说明,在以后的说明中,将输出元件称为主IGBT,将电流监测元件称为感测IGBT。 [0044] 主IGBT1a的集电极和感测IGBT1b的集电极经由端子C而连接于电源电压Vcc。主IGBT1a的发射极经由端子E与负载2连接。 [0045] 感测IGBT1b的感测发射极与端子SE连接。主IGBT1a的栅极与电容C0的一端和端子G连接,电容C0的另一端与感测IGBT1b的栅极连接。 [0046] 在此,主IGBT1a基于驱动信号s0进行开关而使负载2工作。在该情况下,在有基于驱动信号s0的主IGBT1a的导通的指示的情况下,主IGBT1a导通,主IGBT1a使电流从集电极朝向发射极流通。此外,感测IGBT1b是进行主IGBT1a的电流监测的元件,在有基于驱动信号s0的主IGBT1a的导通的指示的情况下,从集电极朝向感测发射极流通与在主IGBT1a流通的电流成比例的感测电流。 [0047] 图2是示出包括过电流保护电路的半导体装置的构成的一例的图。半导体装置1‑1具备主IGBT1a、感测IGBT1b、电容C0以及过电流保护电路10。过电流保护电路10包括电阻Rs(电流检测用电阻)和过电流检测电路11。电阻Rs的一端与感测IGBT1b的感测发射极和过电流检测电路11的输入端连接,电阻Rs的另一端与主IGBT1a的发射极和负载2连接。 [0048] 从电阻Rs的一端输出将从感测IGBT1b输出的感测电流转换为电压而得的感测电流检测信号Vsense。此外,过电流检测电路11通过对感测电流检测信号Vsense与基准电压进行比较,从而检测主IGBT1a的过电流状态。 [0049] 在如上所述的半导体装置1‑1中,具有主IGBT1a的栅极与感测IGBT1b的栅极经由电容C0而连接的构成。由此,能够抑制在感测电流检测信号Vsense的瞬时感测期间在感测电流检测信号Vsense中产生的振荡。 [0050] <感测IGBT的自充电> [0051] 图3是用于说明感测IGBT的自充电的图。在IGBT那样的功率半导体元件中,在IGBT导通时产生被称为自充电的现象。 [0052] 自充电是从IGBT的集电极注入的空穴对处于沟槽部的周围的栅极氧化膜进行充电而提高栅极电压这样的现象。 [0054] 此外,通常,感测IGBT1b的芯片面积比主IGBT1a的芯片面积小。如此,主IGBT1a的芯片面积与感测IGBT1b的芯片面积存在大小关系,所以主IGBT1a的寄生GE(栅极‑发射极)间电容与感测IGBT1b的寄生GE间电容不同。 [0055] 因此,在有基于驱动信号s0的主IGBT1a的导通的指示的情况下,感测IGBT1b比主IGBT1a更快完成充电而开始导通,因此感测IGBT1b导通的顺序先于主IGBT1a导通的顺序。由此,感测IGBT1b与主IGBT1a相比更首先受到IGBT周边的布线路径上的物理差异所引起的电动势的影响。 [0056] 如此,在感测IGBT1b中,由自充电的充电chg1引起的栅极电压的上升比主IGBT1a更先出现。因此,在基于从感测IGBT1b的感测发射极流出的感测电流而输出的感测电流检测信号Vsense中,在瞬时感测期间,产生因自充电的充电chg1而导致波形升起的振荡。 [0057] 另外,若振荡的电压电平高、振荡的产生期间长,则如上所述,可能引起过电流检测电路的误动作、IGBT等器件的损坏等。在本发明中,鉴于这样的问题,采用在感测IGBT的栅极连接电容的结构来谋求抑制振荡。 [0058] <模拟波形> [0059] 图4是示出模拟波形的一例的图。左纵轴是感测电流检测信号Vsense的电压(V),右纵轴是集电极电流Ic(A),横轴是时间(s)。 [0060] [波形k1]是在主IGBT1a的集电极和感测IGBT1b的集电极流通的集电极电流Ic。在主IGBT1a和感测IGBT1b导通的情况下,在时刻T1流通集电极电流Ic。 [0061] 如上所述,相对于由驱动信号s0引起的栅极电压的上升,由于还加上了由自充电引起的栅极电压的上升,所以集电极电流Ic上升并达到峰值。另外,之后由于由自充电引起的栅极电压的上升减小,因此集电极电流Ic也降低而维持恒定值。 [0062] [波形k2]是不具有电容C0的半导体装置(现有装置)的感测电流检测信号Vsense的振荡波形。伴随着集电极电流Ic的上升,在感测电流检测信号Vsense中产生振荡。 [0063] [波形k3]是主IGBT1a的栅极与感测IGBT1b的栅极经由电容C0连接的本发明的半导体装置1‑1的感测电流检测信号Vsense的振荡波形。 [0064] 在半导体装置1‑1中,由于具有将主IGBT1a的栅极与感测IGBT1b的栅极经由作为低通滤波器发挥功能的电容C0连接的结构,所以能够利用电容C0使感测IGBT1b的栅极电压的充电延迟预定时间。因此,抑制了与集电极电流Ic的上升相伴的感测电流检测信号Vsense的振荡。 [0065] 即,波形k3的感测电流检测信号Vsense的振荡电压比波形k2的感测电流检测信号Vsense的振荡电压低(振荡电压降低A)。并且,波形k3的感测电流检测信号Vsense的振荡期间比波形k2的感测电流检测信号Vsense的振荡期间短(振荡期间缩短B)。 [0066] 如此,根据本发明的结构,能够抑制在感测电流检测信号Vsense的瞬时感测期间在感测电流检测信号Vsense中产生的振荡。应予说明,电容C0不是存在于IGBT的栅极与发射极间的寄生电容,是与IGBT动作时的耗尽层的扩展、由栅极电压引起的沟道的开闭无关的电容。 [0067] <半导体装置的变形例> [0068] 图5是示出半导体装置的变形例的图。半导体装置1‑2具备主IGBT1a、感测IGBT1b、电容C0以及分压电路1c。分压电路1c包括电阻R1(第一电阻)和电阻R2(第二电阻)。 [0069] 主IGBT1a的集电极和感测IGBT1b的集电极经由端子C与电源电压Vcc连接。主IGBT1a的发射极经由端子E与负载2连接。 [0070] 主IGBT1a的栅极与端子G、电容C0的一端以及电阻R1的一端连接。感测IGBT1b的栅极与电容C0的另一端、电阻R1的另一端以及电阻R2的一端连接。电阻R2的另一端与感测IGBT1b的感测发射极和端子SE连接。 [0071] 图6是示出包括过电流保护电路的半导体装置的构成的一例的图。半导体装置1‑2a具备主IGBT1a、感测IGBT1b、电容C0、电阻R1、R2以及过电流保护电路10。 [0072] 过电流保护电路10包括电阻Rs(电流检测用电阻)和过电流检测电路11。电阻Rs的一端与感测IGBT1b的感测发射极、电阻R2的另一端以及过电流检测电路11的输入端连接,电阻Rs的另一端与主IGBT1a的发射极和负载2连接。 [0073] 在如上所述的半导体装置1‑2a中,主IGBT1a的栅极与感测IGBT1b的栅极经由电容C0连接,还具有电阻R1、R2,该电阻R1、R2对主IGBT1a的栅极电压进行分压,并将分压了的电压施加于感测IGBT1b的栅极。 [0074] 由此,能够抑制在感测电流检测信号Vsense的瞬时感测期间在感测电流检测信号Vsense中产生的振荡。另外,能够通过分压电阻来调整感测IGBT1b的栅极电压,因此作为振荡的抑制控制,能够进行自由度更高的设计。 [0075] 图7是示出半导体装置的变形例的图。半导体装置1‑3具备主IGBT1a、感测IGBT1b、电容C1以及分压电路1c。分压电路1c包括电阻R1和电阻R2。 [0076] 主IGBT1a的集电极和感测IGBT1b的集电极经由端子C而连接于电源电压Vcc。主IGBT1a的发射极经由端子E与负载2连接。 [0077] 主IGBT1a的栅极与端子G和电阻R1的一端连接。感测IGBT1b的栅极与电容C1的一端、电阻R1的另一端以及电阻R2的一端连接。感测IGBT1b的感测发射极与电容C1的另一端和电阻R2的另一端连接。 [0078] 图8是示出包括过电流保护电路的半导体装置的构成的一例的图。半导体装置1‑3a具备主IGBT1a、感测IGBT1b、电容C1、电阻R1、R2以及过电流保护电路10。过电流保护电路 10包括电阻Rs(电流检测用电阻)和过电流检测电路11。电阻Rs的一端与感测IGBT1b的感测发射极、电阻R2的另一端、电容C1的另一端以及过电流检测电路11的输入端连接,电阻Rs的另一端与主IGBT1a的发射极和负载2连接。 [0079] 在如上所述的半导体装置1‑3a中,感测IGBT1b的栅极与感测IGBT1b的感测发射极经由电容C1连接,还具有电阻R1、R2,该电阻R1、R2对主IGBT1a的栅极电压进行分压,并将分压了的电压施加于感测IGBT1b的栅极。在这样的构成中,也能够抑制在感测电流检测信号Vsense的瞬时感测期间在感测电流检测信号Vsense中产生的振荡。 [0080] <电容的电容> [0081] 在图1、图2、图5、图6所示的半导体装置的电容C0的电容(F)中,作为有效地抑制振荡的范围,例如为1E‑12至1E‑07的范围。另外,在该范围中,电容C0的电容(F)优选为1E‑10。 [0082] 另外,在图7、图8所示的半导体装置的电容C1的电容(F)中,作为有效地抑制振荡的范围,例如为1E‑11至1E‑04的范围。另外,在该范围中,电容C1的电容(F)优选为1E‑9、1E‑8、1E‑7。 [0083] 应予说明,上述为一例,电容电容的有效性范围通过振荡的频率(瞬时感测期间内的过冲频率)与IGBT的输入电容(Cies)的匹配来确定。 [0084] <过电流保护装置> [0085] 以下,对应用本发明的半导体装置的过电流保护装置进行说明。图9是示出过电流保护装置的构成的一例的图。过电流保护装置10‑1具备输入端子IN、输出端子OUT、电源端子VT以及接地端子GND。 [0086] 从微型计算机等输出的脉冲状的控制信号被输入到输入端子IN。在输出端子OUT连接有负载2。在电源端子VT连接有电源电压Vcc,在接地端子GND连接有接地(GND)。 [0087] 此外,过电流保护装置10‑1具备主IGBT1a、感测IGBT1b、电容C0、电阻Rs、过电流检测电路11以及控制电路12。控制电路12包括逻辑电路12a和栅极驱动器12b。 [0088] 逻辑电路12a接收通过输入端子IN输入的控制信号而生成使主IGBT1a导通或关断的逻辑信号。栅极驱动器12b基于从逻辑电路12a输出的逻辑信号,生成使主IGBT1a导通或关断的驱动信号s0并施加于主IGBT1a的栅极。 [0089] 电阻Rs连接在感测IGBT1b的感测发射极与主IGBT1a的发射极之间,检测由于从感测发射极流出的感测电流在电阻Rs流通而产生的电位。由此,感测电流被检测为感测电流检测信号Vsense。 [0090] 过电流检测电路11通过对感测电流检测信号Vsense与基准电压进行比较,从而检测主IGBT1a是否为过电流状态,在检测到过电流状态的情况下输出过电流检测信号s1。逻辑电路12a若检测到过电流检测信号s1,则使主IGBT1a关断。 [0091] 如此,具有图1的半导体装置1的构成的过电流保护装置10‑1能够抑制感测电流检测信号Vsense的振荡,因此能够防止由振荡引起的过电流检测电路11的误动作而进行高精度的过电流检测、保护。 [0092] 图10是示出过电流保护装置的构成的一例的图。过电流保护装置10‑2具备主IGBT1a、感测IGBT1b、电容C0、电阻R1、R2、Rs、过电流检测电路11以及控制电路12。过电流保护装置10‑2应用了图5的半导体装置1‑2。在过电流保护装置10‑2中,也能够抑制感测电流检测信号Vsense的振荡,能够防止由振荡引起的过电流检测电路11的误动作而进行高精度的过电流检测、保护。 [0093] 图11是示出过电流保护装置的构成的一例的图。过电流保护装置10‑3具备主IGBT1a、感测IGBT1b、电容C1、电阻R1、R2、Rs、过电流检测电路11以及控制电路12。过电流保护装置10‑3应用了图7的半导体装置1‑3。在过电流保护装置10‑3中,也能够抑制感测电流检测信号Vsense的振荡,能够防止由振荡引起的过电流检测电路11的误动作而进行高精度的过电流检测、保护。 [0094] 如以上说明的那样,根据本发明,针对在从电流监测用功率半导体元件输出的感测电流检测信号中产生的振荡,能够降低振荡电压并且缩短振荡期间,能够抑制振荡。此外,能够通过元件数少的无源部件有效地抑制振荡,因此不需要用于对振荡进行检测控制的复杂的电路,还起到抑制电路规模增大的效果。 [0095] 以上,示例了实施方式,但在实施方式中示出的各部分的结构能够置换为具有同样的功能的其他结构。另外,也可以附加其他任意的构成物、工序。另外,可以组合上述实施方式中的任意两个以上的构成(特征)。 |