半導體裝置的製作方法

2024-03-24 23:45:05

本發明涉及一種半導體裝置。

背景技術：

以往，電力變換裝置所使用的半導體元件的主流是gto晶閘管及gct等壓接型半導體。但是近年來，igbt等自消弧元件成為主流，將多個自消弧元件串聯連接而使用的例子不斷增多。作為一個例子，已知將多個自消弧元件串聯連接而構成1個橋臂的技術。igbt等自消弧元件與上述的壓接型半導體相比通斷速度更快。存在下述問題，即，在橋臂截止時，如果對構成橋臂的各個自消弧元件沒有均勻地施加電壓，則會對特定的半導體元件施加過電壓。關於這一點，在下述專利文獻1(日本特開2004－140891號公報)中公開了下述技術，即，通過對施加於半導體元件的主電極的過電壓進行鉗位，從而保護半導體元件。

專利文獻1：日本特開2004－140891號公報

技術實現要素：

根據本發明人通過專心研究而發現的見解來看，在斷開後，有時在串聯連接的多個自消弧元件之間，電壓變得不平衡(unbalance)。由該電壓不平衡引起對一部分自消弧元件施加大的電壓，因而存在該電壓可能超過半導體的靜態耐壓等問題。上述專利文獻1所涉及的保護電路不過是在施加了過電壓時用於保護半導體元件的保護電路，如果未產生過電壓，則保護電路不進行動作。由於本發明人發現的電壓不平衡是與以往的過電壓不同的現象，因此通過以往的保護電路不能抑制上述的電壓不平衡。

本發明就是為了解決上述課題而提出的，其目的在於提供一種半導體裝置，該半導體裝置能夠在斷開後抑制多個半導體元件之間的電壓不平衡。

本發明所涉及的半導體裝置具有：多個第1自消弧元件，它們彼此串聯連接，具有控制端子及多個主電極端子；以及鉗位單元，其分別與所述多個第1自消弧元件連接，在所述第1自消弧元件斷開時將所述第1自消弧元件的主電極端子間電壓鉗位至鉗位電壓，該鉗位電壓規定為小於或等於所述第1自消弧元件所具有的靜態耐壓的70％。

發明的效果

根據本發明，由於以與靜態耐壓相比充分低的電平有意地對自消弧元件的主電極端子間電壓進行鉗位，因此能夠抑制多個自消弧元件之間的電壓不平衡。

附圖說明

圖1是表示本發明的實施方式1所涉及的半導體裝置的圖。

圖2是表示本發明的實施方式1所涉及的半導體裝置的圖。

圖3是表示本發明的實施方式1所涉及的半導體裝置的圖。

圖4是表示本發明的實施方式1所涉及的半導體裝置的圖。

圖5是表示本發明的實施方式1所涉及的半導體裝置的圖。

圖6是表示本發明的實施方式1的變形例所涉及的半導體裝置的圖。

圖7是為了對實施方式的效果進行說明而示出的對比例的圖。

圖8是本發明的實施方式1所涉及的半導體裝置的動作波形圖。

圖9是表示本發明的實施方式1的變形例所涉及的半導體裝置的圖。

圖10是表示本發明的實施方式1的變形例所涉及的半導體裝置的圖。

圖11是表示本發明的實施方式1的變形例所涉及的半導體裝置的圖。

圖12是表示本發明的實施方式1的變形例所涉及的半導體裝置的圖。

圖13是表示本發明的實施方式2所涉及的半導體裝置的圖。

圖14是表示本發明的實施方式2所涉及的半導體裝置的圖。

圖15是表示本發明的實施方式2所涉及的半導體裝置的圖。

具體實施方式

實施方式1

圖1～5是表示本發明的實施方式1所涉及的半導體裝置1的圖。圖1表示將半導體裝置1設為3相逆變器的情況下的例子。圖2所示的支路2是上橋臂和下橋臂串聯連接而成的，相當於逆變器電路的1個支路。圖3示出能夠應用於上橋臂或者下橋臂的橋臂10。就半導體裝置1而言，通過使用2個圖3的橋臂10而構成圖2所示的支路2，將支路2並聯連接3個，從而如圖1所示構成具有u、v、w這3相的逆變器電路。如圖1所示，支路2的一端與p母線連接，支路2的另一端與n母線連接，p母線、n母線與電源ed連接。另外，各支路2的輸出out供給至作為負載的電動機3。

圖3所示的橋臂10具有：柵極控制單元21；鉗位電路24；自消弧元件12，其具有作為控制端子的柵極、作為主電極端子的發射極以及集電極，該自消弧元件12具有靜態耐壓va；續流二極體13，其在自消弧元件12的主電極端子間反向並聯連接；以及平衡元件14，其用於保持靜態耐壓的分壓平衡。橋臂10是將2個自消弧元件12串聯連接得到的。平衡元件14例如是電阻或者緩衝電容器等。在實施方式1中，自消弧元件12是igbt。但是，自消弧元件12也可以是mosfet或者雙極電晶體等。圖3所示的橋臂10也可以是作為1個半導體模塊而提供的。橋臂10是將2個自消弧元件12串聯連接，但本發明不限於此，在將n設為大於或等於3的整數的情況下，也可以將n個自消弧元件12串聯連接而構成1個橋臂。

在圖4中示出鉗位電路24的電路圖。鉗位電路24連接於自消弧元件12的集電極－柵極間。鉗位電路24是以相同的陽極、陰極的朝向而將多個齊納二極體15串聯連接得到的，能夠進行鉗位電壓設定值vclp的調整。在多個齊納二極體15的串聯電路中，最端部的齊納二極體15的陰極與自消弧元件12的集電極連接，相反側的端部的齊納二極體15的陽極經由整流二極體16與柵極控制單元21連接。通過與齊納二極體15反向地將整流二極體16串聯連接，從而能夠防止電流從柵極控制單元21側回流。由齊納二極體15進行調整的鉗位電壓設定值vclp設定為小於或等於靜態耐壓的70％。並且，優選鉗位電壓設定值vclp為大於或等於靜態耐壓的50％。為了抑制串聯連接的多個自消弧元件12之間的電壓在轉換為斷開時變得不平衡，將鉗位電路24插入至柵極－集電極間，將鉗位電壓設定值vclp設定得較低以可靠地發生鉗位。

圖5表示圖4所示的柵極控制單元21的內部電路的一個例子和鉗位電路24的連接位置。柵極控制單元21具有：推挽電路22，其與自消弧元件12的控制端子連接；逆變器元件23，其接收輸入信號；以及電阻rgc，其插入至推挽電路22和逆變器元件23之間。在圖5中，圖4所示的鉗位電路24的一端連接於柵極電阻rg和柵極控制單元21的連接點。此外，圖6是表示本發明的實施方式1的變形例所涉及的半導體裝置1的圖。此外，如圖6所示，也可以是鉗位電路24的一端與柵極控制單元21內的推挽電路22的前級連接。

圖7是為了對實施方式的效果進行說明而示出的對比例的圖。在圖7中示出不具有本實施方式所涉及的鉗位電路24的情況下的串聯連接的2個自消弧元件12的斷開波形。串聯連接的2個自消弧元件12的集電極－發射極間電壓v1、v2之差在斷開完成後(穩定狀態)擴大。

圖8是本發明的實施方式1所涉及的半導體裝置1的動作波形圖。圖8示出半導體裝置1的橋臂10所具有的2個自消弧元件12斷開時的電流i及電壓v1、v2各自的波形。電壓vx是電壓v1和電壓v2的平均值，還分別圖示出靜態耐壓va及鉗位電壓設定值vclp。電壓v1是2個自消弧元件12中的一個的集電極－發射極間電壓，電壓v2是2個自消弧元件12中的另一個的集電極－發射極間電壓。在斷開完成後即穩定狀態下，2個自消弧元件12的集電極－發射極間電壓v1、v2接近至均等的大小。因此，能夠實現可靠性高的半導體裝置1。對這一點更詳細地進行說明，在進行了串聯連接的2個自消弧元件12的通斷的情況下，在轉換為斷開時發生由電流下降所導致的電湧電壓，到達至鉗位電壓設定值vclp。如果到達至鉗位電壓設定值vclp，則串聯連接的2個自消弧元件12在變得完全沒有電流之前各自的電流下降速度是恆定的，表觀上，串聯連接的2個自消弧元件12的阻抗成為平衡狀態。如上所述，以與靜態耐壓相比充分低的電平有意地對集電極發射極間電壓進行鉗位，從而能夠使串聯連接的多個自消弧元件12的電流下降速度恆定，抑制斷開時以及剛斷開後的電壓v1和電壓v2的不平衡。

如果鉗位電壓設定值vclp過高，則在通常的斷開時，鉗位電路24不會如所期望的那樣進行動作。對於以往的設想到過電壓保護的鉗位電壓設定值vclp而言，考慮的是與靜態耐壓相同、即靜態電壓的100％的值，或者充其量是靜態電壓的80％～90％左右。如果設為上述的鉗位電壓設定值vclp，則如以往的過電壓保護電路的目的那樣，鉗位電路僅在過電壓時進行動作。因此，在本實施方式中，鉗位電壓設定值vclp設為小於或等於靜態耐壓的70％。由此，能夠在通常的斷開時使鉗位電路24進行動作。另一方面，如果鉗位電壓設定值vclp過低，則會對鉗位電路24施加高的負載，因此不優選。因此，優選鉗位電壓設定值vclp設為大於或等於靜態耐壓的50％。

圖9～12是表示本發明的實施方式1的變形例所涉及的半導體裝置1的圖。圖9的支路102是圖2所示的支路2的變形例，在1個支路串聯連接了8個自消弧元件12。如圖9所示，支路102還具有二極體d11、d12、d21、d22以及電容器c1、c2。圖10是表示圖9所示的支路102所包含的橋臂110的電路圖。由於如圖2或圖9所示的3電平逆變器或者多電平逆變器的具體的電路結構已經是公知的，不是新事物，因此省略說明。半導體裝置1例如能夠變形為2電平逆變器、3電平逆變器、或者大於或等於4個電平的多電平逆變器等，相數也是根據需要適當地決定為單相或者3相等即可。

圖11所示的變形例是在橋臂10和p母線之間連接了電感18。在通過按照圖11構成的電路進行了通斷動作的情況下，由於電感18使電路電感增加，因此在轉換為斷開時產生的電湧電壓比圖8高。優選使電路電感增加至例如200nh～幾μh左右。通過使電路電感18增大，從而能夠容易地產生大於或等於鉗位電壓設定值vclp的電湧電壓。因此，變得容易達到鉗位電壓設定值vclp，能夠穩定地使鉗位電路24進行動作。

圖12示出作為變形例的鉗位電路122。鉗位電路122與鉗位電路24同樣地連接於自消弧元件12的集電極－柵極間。鉗位電路122是自消弧元件17和整流二極體16串聯連接而得到的，該自消弧元件17具有自鉗位功能，該整流二極體16用於防止來自柵極控制單元21的反向電流。在圖12的變形例中，自消弧元件17是igbt，但是也可以是mosfet或者雙極電晶體等。自消弧元件17的集電極與自消弧元件12的集電極連接，自消弧元件17的發射極與整流二極體16的陽極連接。自消弧元件17以自消弧元件12的靜態耐壓的60％～70％左右的電壓進行自鉗位。具有自鉗位能力的自消弧元件17例如具有1.7kv～10kv的靜態耐壓。

實施方式2

圖13～15是表示本發明的實施方式2所涉及的半導體裝置201的圖。圖13是半導體裝置201的整體電路圖。圖14是示意性地表示半導體裝置201所具有的半導體模塊212的內部構造的俯視圖，圖15是半導體模塊212的電路圖。半導體模塊212具有並聯連接的多個自消弧元件12和並聯連接的多個續流二極體13。自消弧元件12和續流二極體13彼此反向並聯連接。

具有自鉗位能力的自消弧元件19與自消弧元件12並聯連接。具體地說，自消弧元件19是igbt或者mosfet。就實施方式2所涉及的半導體模塊212而言，自消弧元件12不具有實施方式1所涉及的鉗位電路24。

自消弧元件19發揮自鉗位功能的電壓設為與實施方式1中的鉗位電路24等的鉗位電壓設定值vclp相同的值。作為一個例子，優選自消弧元件19的靜態耐壓小於或等於自消弧元件12及續流二極體13的靜態耐壓的70％，進一步地，更優選大於或等於自消弧元件12及續流二極體13的靜態耐壓的50％。根據本實施方式，如果自消弧元件19的發射極－集電極電壓成為自消弧元件12等的靜態耐壓的50％～70％左右，則自消弧元件19發揮自鉗位功能。另外，自消弧元件19與自消弧元件12相比導通電阻更高。由此，能夠使電流優先地流過並聯連接的自消弧元件12、19中的自消弧元件12。

如圖13所示，實施方式2所涉及的半導體裝置201是在實施方式1所涉及的半導體裝置1的基礎上將圖1所示的自消弧元件12分別置換為半導體模塊212。因此，在實施方式2中，通過將2個半導體模塊212串聯連接，從而構成1個橋臂210，將2個該橋臂210串聯連接而構成1個支路202，將多個該支路202並聯連接而構成逆變器電路。由於3個自消弧元件包含於1個半導體模塊212，因此在實施方式2中，1個橋臂210包含合計6個自消弧元件。此外，本發明不限於此，在1個半導體模塊212內並聯連接的自消弧元件12的個數也可以大於或等於3個。另外，也可以通過將大於或等於3個半導體模塊212串聯連接，從而構成1個橋臂。

根據半導體模塊212，在轉換為斷開時產生的電湧電壓由自消弧元件19予以限制，對電湧電壓進行鉗位。因此，串聯連接的多個自消弧元件12、19在電流完全下降之前，電流下降速度是恆定的，表觀上，串聯連接的多個自消弧元件12、19的阻抗是平衡狀態。因此，得到對斷開時以及剛斷開後的電壓不平衡進行抑制的效果。如上所述，根據本實施方式，以與靜態耐壓相比充分低的電平有意地對集電極發射極間電壓進行鉗位，從而在串聯連接的多個半導體模塊212所包含的自消弧元件12、19之間，電流下降速度變得恆定，能夠對斷開時以及剛斷開後的電壓不平衡進行抑制。

優選具有自鉗位能力的自消弧元件19是sic器件。具體地說，例如優選是sic制的肖特基勢壘二極體、或者sic制的mosfet等。由此，鉗位耐量提高，並且可靠性提高。

標號的說明

1、201半導體裝置，2、102、202支路，10、110、210橋臂，12、17、19自消弧元件，13續流二極體，14平衡元件，15齊納二極體，16整流二極體，18電感，21柵極控制單元，22推挽電路，23逆變器元件，24鉗位電路，122鉗位電路，212半導體模塊。