半導體驅動電路及半導體裝置製造方法
2023-12-01 07:29:16 2
半導體驅動電路及半導體裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及半導體驅動電路及半導體裝置。本發明的目的在於提供一種使用單一的電源對半導體開關元件施加正、負的偏壓信號來進行半導體開關元件的開關的低功耗的半導體驅動電路。本發明的半導體驅動電路（100）對半導體開關元件（7）進行驅動，其特徵在於具備：內部電源電路（3），根據從外部電源（4）供給的第一電壓生成第二電壓；以及驅動部（1），根據從外部輸入的輸入信號，在半導體開關元件（7）的柵極–發射極之間施加第一電壓或第二電壓，進行半導體開關元件（7）的導通/截止，內部電源電路（3）根據輸入信號進行工作。
【專利說明】半導體驅動電路及半導體裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體驅動電路及半導體裝置，特別涉及驅動半導體開關元件的半導體驅動電路。
【背景技術】
[0002]作為IGBT、M0SFET、雙極電晶體等半導體開關元件的驅動方法，為了使開關元件的截止狀態可靠，通常使用在截止狀態下在負偏壓方向對半導體開關元件施加驅動信號的方法。
[0003]通常，已知準備正偏壓用電源和負偏壓用電源,使互補對(complementary pair)的電晶體交替地導通、截止，由此獲得正偏壓、負偏壓的驅動信號的方法。
[0004]此外，有從單一的正偏壓用電源取出固定電壓來作為負偏壓用電源的技術。該技術例如是在施加正偏壓時利用正偏壓用電源對電容器進行充電來作為負偏壓用電源的技術(參照專利文獻I)。
[0005]現有技術文獻 專利文獻
專利文獻1:日本特開平9 - 140122號公報。
[0006]發明要解決的課題
在上述的現有技術中，由於需要正偏壓用電源和負偏壓用電源，所以電路規模變大，導致成本上升。此外，即使在將負偏壓用電源與正偏壓用電源共同使用的情況下，也總是對半導體開關元件施加負偏壓信號，因此，單一電源的電壓需要增大設定負偏壓信號的大小的量，存在功耗增大的問題。此外，在負偏壓用電源中使用電容器的情況下，需要使電容器的電容與半導體開關元件的柵極電容相比充分大，存在導致成本、電路規模增大的問題。
【發明內容】
[0007]本發明是為了解決以上的課題而完成的，其目的在於提供一種使用單一的電源對半導體開關元件施加正、負的偏壓信號來進行半導體開關元件的開關的低功耗的半導體驅動電路。
[0008]用於解決課題的方案
本發明的半導體驅動電路對半導體開關元件進行驅動，其特徵在於具備:內部電源電路，根據從外部電源供給的第一電壓生成第二電壓；以及驅動部，根據從外部輸入的輸入信號，在半導體開關元件的柵極-發射極之間施加第一電壓或第二電壓，進行所述半導體開關元件的導通/截止，內部電源電路根據輸入信號進行工作。
[0009]發明效果
在本發明的半導體驅動電路中，通過內部電源電路生成的第二電壓在輸入到驅動部的輸入信號是正偏壓時變為O、在輸入信號是負偏壓時變為固定電壓，根據輸入信號進行變動。因此，不需要將用於使半導體開關元件7導通的第一電壓增大設定上述固定電壓的量。因此，與前提技術相比較，能夠降低從外部電源供給的第一電壓，因此期待功耗的削減。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是表示前提技術的半導體驅動電路的電路圖的圖。
[0011]圖2是表示前提技術及實施方式I的半導體驅動電路的工作的圖。
[0012]圖3是表示實施方式I的半導體驅動電路的電路圖的圖。
[0013]圖4是表示實施方式2的半導體驅動電路的電路圖的圖。
[0014]圖5是表示實施方式3的半導體驅動電路的電路圖的圖。
[0015]圖6是表示實施方式4的半導體驅動電路的電路圖的圖。
【具體實施方式】
[0016]〈前提技術〉
在說明本發明的實施方式之前，對成為本發明的前提的技術進行說明。圖1是成為前提技術的半導體驅動電路300的電路圖。半導體驅動電路300具備用於控制半導體開關元件7的導通/截止的互補對的電晶體la、lb作為驅動部I。半導體驅動電路300由供給第一電壓(V。)的外部電源4驅動，與外部電源4並聯地連接有內部電源電路3。此外，經由接口(I/F)2，對電晶體la、lb的共同的柵極輸入控制半導體開關元件7的導通、截止的輸入信號(正偏壓信號、負偏壓信號)。
[0017]半導體驅動電路300的端子20a經由柵極電阻Rg連接於半導體開關元件7的柵極。此外，端子20b與半導體開關元件7的發射極連接。再有，半導體開關元件7例如是IGBT、M0SFET、雙極電晶體等。再有，為了保護半導體開關元件7免受反饋電流的影響，與半導體開關元件7並聯地插入續流二極體8。
[0018]在內部電源電路3中，串聯連接的電阻Rb和齊納二極體3a與外部電源4並聯地配置，電阻Rb和齊納二極體3a的連接點經由緩衝放大器3b連接於端子20b。內部電源電路3從外部電源4生成第二電壓，對開關元件7施加反偏置電壓。
[0019]〈工作〉
半導體開關元件7通過如圖2 (a)所示那樣被施加正偏置電壓V1、反偏置電壓V2作為柵極-發射極電壓(Vge)，從而被開關。
[0020]在圖2 (b)、(c)中分別示出前提技術的半導體驅動電路300的端子20a、20b的電壓 Va、Vb。
[0021]在從I/F2對驅動部I輸出正偏壓信號的情況下，互補對的上側的電晶體Ia變為導通，下側的電晶體Ib變為截止，因此對端子20a如圖2 (b)中以虛線所示那樣施加VJV2作為第一電壓(V。)。這時，以內部電源電路3生成的第二電壓、即端子20b的電壓Vb與半導體開關元件7的導通/截止無關地總是為V2 (圖2 (c)的虛線)。其結果是，Vge變為V1,半導體開關元件7變成導通狀態。
[0022]另一方面,在從I/F2對驅動部I輸出負偏壓信號的情況下,互補對的下側的電晶體Ib變為導通，上側的電晶體Ia變為截止，因此端子20a的電壓Va變為0，端子20b的電壓Vb總是為V2，因此Vge變為_\。因此，半導體開關元件7變為截止狀態。[0023]在以上述的電路結構進行圖2 (a)所示的開關的情況下，需要將從外部電源4供給的第一電壓(V。)設定成Vi+V2。這是因為通過內部電源電路3根據第一電壓生成的第二電壓與半導體開關元件7的導通/截止無關地總是為V2。為了削減功耗，優選能夠以更小的電壓的外部電源進行驅動的半導體驅動電路。
[0024]
在圖3中示出本實施方式的半導體驅動電路100的電路圖。對前提技術(圖1)的半導體驅動電路300追加與內部電源電路3所具備的齊納二極體3a平行地連接的開關電路。在本實施方式中，使用電晶體5作為開關電路。對電晶體5的柵極輸入來自I/F2的信號，對電晶體5的導通/截止進行切換。再有，電晶體5例如是雙極電晶體、MOS - FET等。
[0025]此外，半導體裝置200以半導體驅動電路100、半導體開關元件7、與半導體開關元件7的柵極連接的柵極電阻Rg以及與半導體開關元件7並聯連接的續流二極體8構成。除此之外，與前提技術(圖1)相同，因此省略說明。
[0026]
如圖2 (a)所示那樣，在半導體開關元件7的柵極-發射極之間施加正偏置電壓％、反偏置電壓V2作為柵極-發射極電壓(Vge)，進行半導體開關元件7的導通、截止。此外，在圖2 (b)、(c)中分別示出端子20a,20b的電壓Va、Vb。
[0027]在從I/F2對驅動部I輸出正偏壓信號的情況下，互補對的上側的電晶體Ia變為導通，下側的電晶體Ib變為截止。此外，電晶體5變為導通。因此，對端子20a如圖2 (b)中以實線所示那樣輸出從外部電源4供給的第一電壓(V。)作為導通電壓。在這裡，在本實施方式中，從外部電源4供給的第一電壓(V。)與正偏置電壓V1相等。此外，這時端子20b的電壓Vb為O。其結果是，Vge變為V1，開關元件7變成導通狀態。在導通狀態下，與前提技術不同，端子20b的電壓不變為V2而變為0，這是因為通過電晶體5接受來自I/F2的正偏壓信號而變為導通，從而不對齊納二極體3a施加電壓，在內部電源電路3中生成的第二電壓變為O。
[0028]另一方面,在從I/F2對驅動部I輸出負偏壓信號的情況下,互補對的下側的電晶體Ib變為導通，上側的電晶體Ia變為截止。此外，電晶體5變為截止。因此，端子20a的電壓Va變為0，通過內部電源電路3生成的第二電壓、即端子20b的電壓Vb變為V2,因此Vge變為_V2。因此，半導體開關元件7變為截止狀態。
[0029]如以上那樣，由於根據從I/F2向驅動部I輸出的信號，以內部電源電路3生成的第二電壓變為O或V2，所以將外部電源4的電壓、即第一電壓(V。)設定為與正偏置電壓V1相同的大小即可。因此，與上述的前提技術相比，能夠將外部電源4的電壓降低V2，能夠實現功耗的削減。
[0030]此外，在本實施方式中，當將外部電源4的電壓、即第一電壓(V。)與前提技術同樣地設為'+V2時，能夠對半導體開關元件7的柵極施加充分的電壓，能夠降低半導體開關元件7的導通電阻。因此，能夠實現導通電阻降低帶來的功耗的削減。
[0031]〈效果〉
本實施方式的半導體驅動電路100對半導體開關元件7 (例如，功率電晶體)進行驅動，其特徵在於具備:內部電源電路，根據從外部電源4供給的第一電壓生成第二電壓；以及驅動部，根據從外部輸入的輸入信號，在半導體開關兀件7的柵極-發射極之間施加第一電壓或第二電壓，進行半導體開關元件7的導通/截止，內部電源電路3根據輸入信號進行工作。
[0032]因此，通過內部電源電路3生成的第二電壓在輸入到驅動部I的輸入信號是正偏壓時變為O、在輸入信號是負偏壓時變為V2，根據輸入信號進行變動。因此能夠將用於使半導體開關元件7導通的第一電壓設定為V1。因此，與前提技術相比較，能夠將外部電源4的電壓、即第一電壓(V。)從降低到V1,因此期待功耗的削減。
[0033]此外，本實施方式的半導體驅動電路100還具備根據輸入信號而被導通/截止的開關電路、即電晶體5，內部電源電路3生成第二電壓，並且具備與電晶體5並聯連接的齊納二極體3a。
[0034]因此，由於與齊納二極體3a並聯地連接電晶體5，所以在來自I/F2的輸入信號是負偏壓的情況下，利用齊納二極體3a使第二電壓變為V2，在電晶體5導通的情況下、即輸入信號是正偏壓的情況下，第二電壓變為O。因此，與前提技術相比較，能夠將外部電源4的電壓降低到V1,因此期待功耗的削減。
[0035]此外，本實施方式的半導體裝置200具備半導體驅動電路100和半導體開關元件
7。因此，由於外部電源4的電壓比前提技術小，所以能夠使外部電源4小型化，能夠實現裝載有半導體裝置200的裝置的小型化。
[0036]此外，本實施方式的半導體裝置200的特徵在於，半導體開關元件7包含SiC。因此，在高溫下也能夠進行高速的開關。此外，由於能夠在高溫下工作，所以能夠簡化半導體裝置200整體的散熱構造。
[0037]此外，本實施方式的半導體裝置200的特徵在於，半導體開關元件7包含GaN。因此，在高溫下也能夠進行高速的開關。此外，由於能夠在高溫下工作，所以能夠簡化半導體裝置200整體的散熱構造。
[0038]
在圖4中示出本實施方式的半導體驅動電路100及半導體裝置200的電路圖。在本實施方式中，半導體開關元件(例如IGBT)還具備感測元件。感測元件以流過與半導體開關元件7的主電流成比例的電流的感測端子7a和連接於主端子與感測端子7a之間、對感測電流進行電壓變換的感測電阻Rs構成。
[0039]本實施方式的半導體驅動電路100是在實施方式I的半導體驅動電路100中追加了過電流檢測部12的電路。過電流檢測部12檢測流過上述感測元件的感測電流，在感測電流超過了規定值的情況下，使半導體開關元件7截止，保護半導體開關元件7免受過電流的影響。
[0040]在本實施方式中，過電流檢測部12以比較器9和電源Vref構成。比較器9的正相輸入與端子20c連接。比較器9的負相輸入與電源Vref連接。此外，電源Vref的基準電位連接於內部電源電路3的輸出側(即端子20b)。
[0041]〈工作〉
由於半導體開關元件7的導通/截止工作與實施方式I相同，所以省略說明。
[0042]在半導體開關元件7被導通的狀態下，通過在感測電阻Rs中流過感測電流，從而在感測電阻Rs的兩端、即端子20b、20c之間產生感測電壓Vs。在比較器9中，對感測電壓Vs和電源Vref的電壓進行比較，當感測電壓Vs超過電源Vref的電壓時，從比較器9對I/F2輸入「高」信號。
[0043]由於感測電壓Vs與感測電流成比例，所以只要將感測電流超過規定值時的感測電壓Vs設定為電源Vref的電壓，那麼在感測電流超過規定值時，從比較器9輸出「高」信號。
[0044]當對I/F2輸入「高」信號時，I/F2輸出負偏壓信號使半導體開關元件7截止。因此，能夠保護半導體開關元件7免受過電流的影響來防止損壞。
[0045]
在本實施方式的半導體驅動電路100中，半導體開關元件7具備以與半導體開關元件的主電流的任意比率流過電流的感測元件(感測端子7a、感測電阻Rs)，本實施方式的半導體驅動電路100還具備過電流檢測部12，該過電流檢測部12檢測流過感測元件的感測電流，在感測電流超過了規定值的情況下使開關元件7截止。
[0046]因此，能夠利用感測元件和過電流檢測部12感測半導體開關元件7的過電流狀態和短路狀態，提前使半導體開關元件7截止，因此能夠防止半導體開關元件7的損壞。因此，半導體驅動電路100的耐久性提高。
[0047]此外，本實施方式的半導體裝置200具備半導體驅動電路100和感測元件(感測端子7a、感測電阻Rs)以及半導體開關元件7。因此，與實施方式I同樣地，由於外部電源4的電壓比前提技術小，所以能夠使外部電源4小型化，能夠實現裝載有半導體裝置200的裝置的小型化。
[0048]進而，利用過電流檢測部12檢測流過感測元件的感測電流，在由於主電流變得過大導致感測電流超過了規定值的情況下，能夠使半導體開關元件7截止，因此能夠防止半導體開關元件7的損壞。因此，半導體裝置200的耐久性提高。
[0049]
在圖5中示出本實施方式的半導體驅動電路100及半導體裝置200的電路圖。在本實施方式的過電流檢測部12中，使電源Vref的基準電位與第一電壓的基準電位、即接地電位相等。其它的結構與實施方式2 (圖4)相同，因此省略說明。
[0050]通過降低電源Vref的基準電位，從而能夠將電源Vref的電壓設定得比實施方式2 (圖4)大。因此，難以發生例如由噪聲導致的過電流檢測的誤動作。
[0051]本實施方式的半導體驅動電路100的特徵在於，過電流檢測部12的基準電位與第一電壓的基準電位相等。因此，由於能夠將電源Vref的電壓設定得更大，所以難以發生由噪聲等導致的過電流檢測的誤動作。
[0052]
在圖6中示出本實施方式的半導體驅動電路100的電路圖。在本實施方式中，過電流檢測部12由差動放大器13構成。差動放大器13的正相輸入、負相輸入分別連接於感測電阻Rs的兩端、即端子20c、端子20b。
[0053]差動放大器13測定感測電壓Vs，輸入到I/F2。I/F2在輸入超過了規定值的情況下，判斷為主電流過大，輸出負偏壓信號，使半導體開關元件7截止。
[0054]此外，由於差動放大器13的正相輸入、負相輸入連接於感測電阻Rs的兩端，所以過電流檢測部12不用受到半導體開關元件7的工作導致的內部電源電路3的電壓變動的影響，因此能夠防止誤檢測。
[0055]本實施方式的半導體驅動電路100的特徵在於，過電流檢測部12包含差動放大器
13。因此，在差動放大器13的正相輸入、負相輸入連接於感測電阻Rs的兩端的情況下，過電流檢測部12不用受到半導體開關元件7的工作導致的內部電源電路3的電壓變動的影響，因此能夠防止誤檢測。此外，即使在內部電源電路3的精度不良的情況下，也不會受到其影響，因此能夠使檢測精度提高。
[0056]再有，本發明在其發明範圍內能夠自由地組合各實施方式或對各實施方式適當地進行變形、省略。
[0057]附圖標記的說明:
I驅動部；la、lb、5電晶體；2接口；3內部電源電路；3a齊納二極體；3b緩衝放大器；4外部電源；7半導體開關元件；7a感測端子；8續流二極體；9比較器；12過電流檢測部；13差動放大器；20a、20b、20c端子；100、300半導體驅動電路；200半導體裝置。
【權利要求】
1.一種半導體驅動電路，對半導體開關元件進行驅動，其特徵在於，具備: 內部電源電路，根據從外部電源供給的第一電壓生成第二電壓；以及 驅動部，根據從外部輸入的輸入信號，在所述半導體開關元件的柵極-發射極之間施加所述第一電壓或所述第二電壓，進行所述半導體開關元件的導通/截止， 所述內部電源電路根據所述輸入信號進行工作。
2.根據權利要求1所述的半導體驅動電路，其中， 還具備:開關電路，根據所述輸入信號而被導通/截止， 所述內部電源電路具備:齊納二極體，與所述開關電路並聯連接，生成所述第二電壓。
3.根據權利要求1或2所述的半導體驅動電路，其中， 所述半導體開關元件具備:感測元件，以與所述半導體開關元件的主電流的任意比率流過電流， 所述半導體驅動電路還具備:過電流檢測部，檢測流過所述感測元件的感測電流，在所述感測電流超過了規定值的情況下，使所述半導體開關元件截止。
4.根據權利要求3所述的半導體驅動電路，其特徵在於，所述過電流檢測部的基準電位與所述第一電壓的基準電位相等。
5.根據權利要求3所述的半導體驅動電路，其特徵在於，所述過電流檢測部包含差動放大器。
6.一種半導體裝置，其特徵在於，具備: 半導體開關元件；以及 半導體驅動電路，對所述半導體開關元件進行驅動， 所述半導體驅動電路具備: 內部電源電路，根據從外部電源供給的第一電壓生成第二電壓；以及驅動部，根據從外部輸入的輸入信號，在所述半導體開關元件的柵極-發射極之間施加所述第一電壓或所述第二電壓，進行所述半導體開關元件的導通/截止， 所述內部電源電路根據所述輸入信號進行工作。
7.根據權利要求6所述的半導體裝置，其中， 所述半導體驅動電路還具備:開關電路，根據所述輸入信號而被導通/截止， 所述內部電源電路具備:齊納二極體，與所述開關電路並聯連接，生成所述第二電壓。
8.根據權利要求6或7所述的半導體裝置，其中， 所述半導體開關元件具備:感測元件，以與所述半導體開關元件的主電流的任意比率流過電流， 所述半導體驅動電路還具備:過電流檢測部，檢測流過所述感測元件的感測電流，在所述感測電流超過了規定值的情況下，使所述半導體開關元件截止。
9.根據權利要求6或7所述的半導體裝置，其特徵在於，所述半導體開關元件包含SiC。
10.根據權利要求6或7所述的半導體裝置，其特徵在於，所述半導體開關元件包含GaN。
【文檔編號】H03K17/567GK103457587SQ201210561009
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年12月21日 優先權日:2012年5月28日
【發明者】玉木恆次, 井上貴公, 岡部浩之 申請人:三菱電機株式會社