CN102576041B - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

在使用了具备主单元和电流检测单元的功率半导体元件的半导体装置中，高精度地探测负载过电流，并且高速地探测短路电流。将电流检测单元(2)的输出与运算放大器(6)的反转输入端子(61)连接，并且运算放大器(6)的非反转输入端子(62)与施加了源偏置电压的主单元(1)的源极连接，具备：第一错误探测电路(21)，通过包括运算放大器(6)和检测电阻(12)的电流/电压变换电路将电流检测单元(2)的输出电流变换为检测电压，比较该检测电压和第一基准电压而输出错误信号；以及第二错误探测电路(22)，比较运算放大器(6)的反转输入端子(61)的电压和被设定为高于所述源偏置电压的第二基准电压而输出错误信号。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及使用了MOSFET等功率半导体元件的半导体装置，其中所述功率半导体元件具备使功率半导体元件中流过的电流分流而得到电流探测用的电流的电流检测单元。

背景技术

在使用了功率半导体元件的半导体装置中，有在流过了过电流的情况下，为了以保护功率半导体元件的目的等而探测电流，具备使功率半导体元件中流过的电流分流而得到电流探测用的电流的电流检测单元的装置。作为使用了该电流检测单元中流过的电流的晶体管用过电流保护装置，有如下装置：通过包括电阻器的电流探测部件接收电流探测晶体管(电流检测单元)的电流并输入到比较仪(比较器)，从而探测电流(例如专利文献1)。

另外，在过电流探测电路中，有将电流探测用源极(电流检测单元的输出)连接到包括运算放大器和电流探测电阻的电流/电压变换电路中的运算放大器的反转输入端子来进行电流探测的电路(例如专利文献2)。

专利文献1：日本特开平7-146722号公报(4页左列46～右列16，图1)

专利文献2：日本特许2658386号公报(图1)

发明内容

电流检测单元主要用于探测下面的两个电流来保护功率半导体元件。说明第一个电流。在图2所示那样的三相的2电平的逆变器装置中，在某相的高侧开关(例如1a)和低侧开关(例如1b)由于某种原因而同时成为ON(导通)的情况下，电源的两端以低阻抗短路，所以存在半导体元件中流过的电流以大的电流变化速度增加的所谓臂短路电流。该臂短路电流成为破坏功率半导体元件程度的大电流，所以必需探测功率半导体元件中流过的电流而进行保护。

第二个电流是在图2所示的三相的2电平逆变器装置中，通过某相的高侧开关(例如1a)、负载M、其他相的低侧开关(例如1d)而返回电源的电流。由于通过负载M而电流增加，所以电流缓慢地增加。即使在由于某种理由，而应OFF(断开)的功率半导体元件仍持续ON，而流过了过大的电流的情况下，电流增加也缓慢，所以不需要高速的电流探测，但需要高精度的电流探测。需要高精度的电流探测的理由如下所述。通常，对于包括图2的逆变器的电力变换装置，为了对功率半导体元件的发热进行冷却，而设计专用的冷却器。以即使在作为电力变换装置能够流过的最大的电流值下也能够进行冷却并且具有适当的余量的方式，进行设计。越是能够高精度地探测作为前提的最大电流，越是能够适当地设计冷却器而不会出现过不足。另外，越是切断大的电流，功率半导体元件的关断(turn off)时的电流变化速度越高。以即使在成为最大的电流变化速度下，也不会使由电流变化速度与寄生电感之积表示的浪涌电压超过功率半导体元件的最大额定电压的方式，设计寄生电感以及关断速度。在此，越是能够高精度地探测最大电流，越是能够适当地设计寄生电感以及关断速度。

如上所述，电流探测中要求的是高速探测臂短路电流、以及高精度地探测负载电流这两点。

对于针对这些电流探测的要求，在专利文献1中，通过由电阻器构成的电流探测部件接收电流探测晶体管的电流并输入到比较器，从而探测电流。在该情况下，由于比较器的速度比较高，所以能够高速地探测电流。但是，由于将由电阻器构成的电流探测部件连接到电流探测晶体管的源极与主晶体管的源极之间，所以主晶体管与电流探测晶体管的漏极-源极间的电压存在电流探测部件的电压下降量的差异。图9示出输出特性。由于漏极-源极间电压不同，所以主晶体管与电流探测晶体管的漏极电流不同，而难以实现高精度化。

在专利文献2中，使用了由运算放大器和电流探测电阻构成的电流/电压变换电路。运算放大器在稳定的动作中，以消除其非反转端子与反转端子的电位差的方式动作，所以在输出MOSFET的漏极-主源极间电压与漏极-电流探测用源极间电压中不产生差，而能够高精度地探测电流。但是，运算放大器由于在过渡中在输出端子电压的变化中存在上限，所以无法高速地探测电流。即，不适用于需要高速探测的臂短路电流探测。

本发明是为了解决所述那样的问题而完成的，其目的在于得到一种半导体装置，在使用了具备主单元和电流检测单元的功率半导体元件的半导体装置中，高速地探测臂短路电流，并且高精度地探测负载电流。

本发明提供一种半导体装置，将电流检测单元的输出与运算放大器的反转输入端子连接，并且运算放大器的非反转输入端子与施加了源偏置电压的主单元的源极连接，该半导体装置具备：第一错误探测电路，通过包括运算放大器和检测电阻的电流/电压变换电路将电流检测单元的输出电流变换为检测电压，比较该检测电压和第一基准电压而输出错误信号；以及第二错误探测电路，比较运算放大器的反转输入端子的电压和被设定为高于源偏置电压的第二基准电压而输出错误信号。

根据本发明，能够得到半导体装置，该半导体装置能够通过第一错误探测电路高精度地探测负载过电流，并且能够通过第二错误探测电路高速地探测短路电流。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的半导体装置的电路图。

图2是示出本发明的适用例的电路图。

图3是示出本发明的实施方式1的半导体装置的接通(turn on)时的动作的图。

图4是示出本发明的实施方式1的半导体装置的负载过电流时的动作的图。

图5是示出本发明的实施方式1的半导体装置的臂短路时的动作的图。

图6是示出本发明的实施方式2的半导体装置的电路图。

图7是示出本发明的实施方式2的半导体装置的接通至关断的动作的图。

图8是示出本发明的实施方式3的半导体装置的电路图。

图9是说明以往的半导体装置的动作的输出特性图。

(符号说明)

1：主单元；2：电流检测单元；3：功率半导体元件；4：比较器；5：提供第二基准电压的基准电源；6：运算放大器；8：提供第一基准电压的基准电源；10：二极管；11：源偏置电源；12：检测电阻；21：第一错误探测电路；22：第二错误探测电路；41：比较器4的反转输入端子；42：比较器4的非反转输入端子；61：运算放大器6的反转输入端子62：运算放大器6的非反转输入端子

具体实施方式

实施方式1.

图1是示出本发明的实施方式1的半导体装置的电路图。此处，作为功率半导体元件，使用了MOSFET(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)，但也可以使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)等其他功率半导体元件。功率半导体元件3主要具备使电流通电的主单元1以及使电流分流的电流检测单元2，漏极端子和栅极端子相互连接。对主单元1的源极连接用于对功率半导体元件的栅极-源极之间施加负电压(偏置电压)的源偏置电源11。将电流检测单元2的源极端子连接到运算放大器6的反转输入端子61，在运算放大器6的反转输入端子61与输出端子之间连接检测电阻12。运算放大器6的非反转输入端子62连接到主单元1的源极端子。具有运算放大器6和检测电阻12的电流/电压变换电路将电流检测单元的输出电流变换为作为运算放大器的输出端子的电压的检测电压。运算放大器6的输出端子连接到比较器7的非反转输入端子72，对比较器7的反转输入端子71连接提供第一基准电压的基准电源8，比较运算放大器的输出端子的电压、即检测电压和第一基准电压，如果检测电压低于第一基准电压，则比较器7输出错误信号。第一错误探测电路21具有运算放大器6、检测电阻12以及基准电源8和比较器7。

另一方面，对运算放大器6的反转输入端子61连接比较器4的反转输入端子41，对比较器4的非反转输入端子42连接提供第二基准电压的基准电源5。比较器4比较比较器4的反转输入端子41即运算放大器6的反转输入端子61的电压和第二基准电压，如果运算放大器6的反转输入端子61的电压高于第二基准电压则输出错误信号。第二错误探测电路22具有比较器4和基准电源5。控制电路20接收来自比较器4和比较器7的错误信号，对功率半导体元件的主单元1和电流检测单元2的栅极端子输出开关指令而使主单元1和电流检测单元2成为OFF。如上所述构成电流探测电路30。

图1的电路应用于例如图2所示的三相的2电平逆变器装置。使用6个图1的电路构成图2的电路。图2中的3a、3b、3c、3d、3e、3f是图1的功率半导体元件3，1a、1b、1c、1d、1e、1f是主单元1，2a、2b、2c、2d、2e、2f是电流检测单元2，30a、30b、30c、30d、30e、30f是电流探测电路30。此处，负载是马达M，但负载不限于此。另外，本发明不限于在此作为例子而示出的三相的2电平逆变器装置，而当然也可以应用于各种电力设备。

图3是说明本实施方式1、即图1的电路的接通时的动作的图，示出电流值没有超过过电流设定值的情况的动作。在图3中，上部示出主单元以及电流检测单元的电流变化，下部示出各部的电压变化。主单元1和电流检测单元2由多个单元构成，其单元数比是几千至几万比一。在图3中，将电流检测单元的输出电流放大为单元数比倍，成为与主单元的电流相同水准。

在接通之前，通过运算放大器6的输入端子的虚拟短路，运算放大器的反转输入端子61的电压等于运算放大器6的非反转输入端子62的电压、即主单元1的源偏置电压。如果开始接通，则从电流检测单元2的源极通过检测电阻12向运算放大器6的输出端子流入电流。以使运算放大器6的非反转输入端子62和反转输入端子61的电位成为相等的方式，运算放大器6的输出电压(检测电压)降低，但由于在其电压变化速度(称为转换速率)中存在上限，所以运算放大器6的反转输入端子61的电压不会等于主单元1的源极电压，而升高。即，运算放大器6的反转输入端子61和非反转输入端子62不成为虚拟短路状态，而两个端子的电压成为不同的电压。此时的运算放大器6的反转输入端子61的电压按照从电流检测单元2的输出电流的时间变化与检测电阻12之积减去转换速率而得到的速度上升。

本发明是巧妙地利用所述运算放大器的虚拟短路崩溃的状态而完成的。如果运算放大器6的输入端子是理想的动作、即始终是虚拟短路状态，则运算放大器6的反转输入端子61上连接的比较器4的反转输入端子41成为始终与运算放大器6的非反转输入端子62的电压、即作为功率半导体元件3的主单元1的源极电压的源偏置电压相同的电压，比较器4不进行任何动作(参照后述图4的说明)。但是，通过本发明者的解析，判断出在电流检测单元2的上升快的情况下，运算放大器6的反转输入端子61的电压在运算放大器无法追随电流变化的期间，如图3所示，离开非反转输入端子62的电压、即主单元的源偏置电压，而成为反映了电流检测单元2的电流上升的电压变化。

第一基准电压被设定为负载过电流时的运算放大器6的输出电压。因此，在主单元的电流小于负载过电流、即通常的动作时，比较器7不会输出错误信号。

接下来，使用图4，说明在负载中流过过电流的情况、即负载过电流时的动作。在负载过电流时，通过负载而电流变化，所以电流的变化缓慢。因此，相比于电流检测单元2的输出电流的时间变化与检测电阻12之积，运算放大器6的转换速率更大。因此，运算放大器6的反转输入端子61与非反转输入端子62之间的电压成为大致0，运算放大器6的输出端子电压按照电流检测单元2的输出电流的时间变化与检测电阻12之积而降低。如果运算放大器6的输出电压小于第一基准电压，则判定为过电流而将错误信号从比较器7发送到控制电路20。主单元1与电流检测单元2的漏极-源极间电压大致相等，所以主单元1的电流与电流检测单元2的电流的单元数比倍大致相等，而能够高精度地探测负载过电流。另外，在负载过电流时，运算放大器6的反转输入端子61的电压、即比较器4的反转输入端子41的电压成为主单元的源偏置电压，第二基准电压被设定为高于该源偏置电压，所以无需比较器4探测负载过电流，而能够防止探测精度降低。

接下来，使用图5，说明臂短路时的动作。臂短路时的电流大于负载过电流(例如负载过电流的5倍左右)，而且电流变化速度大，所以运算放大器6的反转输入端子的电压由于虚拟短路状态崩溃而如图5所示急速升高，如果适当地设定第二基准电压，则运算放大器6的反转输入端子61的电压超过第二基准电压。由此，通过对运算放大器6的反转输入端子61连接了反转输入端子41的比较器4的输出，探测臂短路电流。一般，运算放大器的转换速率与成本、精度、功耗成为折衷关系。即使在使其他性能优先而使用了转换速率小的运算放大器的情况下，由于比较器的响应速度远大于运算放大器的转换速率，所以比较器4的探测时间短于比较器7的探测时间，而能够高速探测臂短路。

对于使电流检测单元2的源极电流(输出电流)成为单元数比倍而得到的电流，在运算放大器6的反转输入端子61的电压与非反转输入端子62的电压不同的期间，电流检测单元2的漏极-源极间电压与主单元1的漏极-源极间电压不同，所以与主单元1的源极电流不同。由于各个芯片间的偏差、温度特性的偏差、芯片的温度不同成为原因的偏差等，源极电流也不同。在正常时，为了即使由于这些原因而源极电流产生偏差也不会误探测过电流，需要比最大额定电流时的值有余量地设定用于使比较器4动作的第二基准电压(例如最大额定电流值的2倍左右)。

在相比于电流检测单元2的输出电流的时间变化与检测电阻12之积，运算放大器6的转换速率更快的情况下，还能够通过第一探测电路21探测臂短路。运算放大器的转换速率、功率半导体元件的电流的时间变化等各种各样，但通过如本发明那样并用第一错误探测电路和第二错误探测电路，能够在各种运算放大器的转换速率、功率半导体元件的电流的各种时间变化中，始终高速地探测臂短路。

另外，在流过了臂短路电流的情况下，实际上进行在图5的比较器4的探测时间中使主单元以及电流检测单元成为OFF的控制，所以电流下降，但在图5中，为了说明比较器4的探测时间与比较器7的探测时间的差异，示意性地示出在比较器4的探测时间之后，仍使主单元、电流检测单元持续成为ON，功率半导体元件不破坏而持续流过电流的情况。

如上所述，本发明的第二错误探测电路的动作与专利文献1的电流探测的动作完全不同。即，在专利文献1中，对电流检测单元的输出端子连接作为电流探测部件的电阻，比较器的反转输入端子以该电阻产生的电压作为输入。在专利文献1中，比较器的反转输入端子未连接到在本发明中连接的运算放大器的反转输入端子，比较器与运算放大器的虚拟短路完全无关地动作。在专利文献1中，比较器的反转输入端子的电压始终成为与电流检测单元输出的电流对应的电压，尽管精度低，但比较器还探测负载过电流那样的比较缓慢的过电流。相对于此，在本发明中，比较器4仅探测运算放大器6无法追随并无法探测的臂短路那样的变化快的过电流，通过能够高精度进行探测的运算放大器6来探测运算放大器6追随的变化比较缓慢的过电流。对于运算放大器6追随的变化比较缓慢的电流，由于运算放大器6的输入端子的虚拟短路的影响而无法通过本发明的比较器4来探测。

实施方式2.

图6是示出本发明的实施方式2的半导体装置的电路图。在图6中，与图1相同的符号表示同一或者相当的部件、部分。在本实施方式2中，除了实施方式1以外，还在运算放大器6的非反转输入端子62与反转输入端子61之间，以非反转输入端子62为阳极、以反转输入端子61为阴极而连接了二极管10。

二极管10对功率半导体元件的关断动作时的运算放大器6的反转输入端子61的电压变化造成影响。图7示出图6的电路中的、功率半导体元件的接通至关断的通常时(不流过过电流时)的动作时序。在接通时，与实施方式1、即图3完全相同。与接通时同样地，在关断时，由于运算放大器6的转换速率的限制，在运算放大器6的反转输入端子61的电压与主单元1的源偏置电压中也产生差，但由于二极管12对反转输入端子61和非反转输入端子62之间进行钳位(clamping)，所以两者不会大幅偏离，偏离最大也不过是二极管的正向电压(图7的B所示的差)。由此，即使OFF期间短而在接下来的接通时引起臂短路，也不会由于运算放大器6的反转输入端子电压降低而使臂短路探测延迟。

另外，即使在没有连接二极管10的实施方式1的电路中，在OFF期间长至某种程度的情况下，当然也可以没问题地动作。

所述实施方式1以及2中的功率半导体元件也可以由硅形成。另外，也可以由相比于硅带隙更大的宽带隙半导体形成。作为宽带隙半导体的材料，例如，有炭化硅、氮化镓或者金刚石。

由这样的宽带隙半导体形成的功率半导体元件的耐电压性高，且容许电流密度也高，所以能够实现功率半导体元件的小型化，通过使用这些小型化了的功率半导体元件，能够实现组入了这些元件的半导体装置的小型化。

另外，耐热性也高，所以能够实现散热器的散热风扇的小型化、水冷部的空冷化，所以能够实现半导体元件的进一步小型化。

进而电力损失低，所以能够实现功率半导体元件的高效率化，进一步能够实现半导体装置的高效率化。

如以上说明，本发明是明确了如下情况而完成的：在电流检测单元的输出电流的变化快的情况下，运算放大器的反转输入端子和非反转输入端子的虚拟短路状态崩溃，而在运算放大器的反转输入端子中出现与电流检测单元的电流变化相当的电压。在本发明中，将电流检测单元的输出连接到运算放大器的反转输入端子，并且还连接到比较器的反转输入端子，运算放大器的非反转输入端子连接到施加了源偏置电压的主单元的源极。在运算放大器是理想的动作、即始终维持虚拟短路的状态的情况下，比较器不发挥任何作用(参照本说明书的图4)，但由于不存在始终维持虚拟短路的状态的运算放大器，所以本发明有效。在本发明中，能够通过运算放大器来探测运算放大器追随的变化速度的电流变化所致的过电流，能够利用运算放大器的虚拟短路崩溃的现象，通过比较器探测运大器不追随的高速的变化速度下的电流变化所致的过电流。另外，由比较器探测的过电流高速变化，所以直至更大的过电流，功率半导体元件不破坏而维持，所以能够使探测为过电流的电平高于通过运算放大器探测的变化速度缓慢的过电流的探测电平，通过具有该探测电平之差，能够确保用运算放大器高精度地探测过电流。

实施方式3.

图8是示出实施方式3的半导体装置的电路图，公开了本申请的第二发明。在图8中，与图1、图6相同的符号表示同一或者相当的部件、部分。在本实施方式3中，成为省略了实施方式2、即图6中的第二错误探测电路22的电路。错误探测电路仅成为实施方式1、2中的第一错误探测电路、即使用了运算放大器的错误探测电路。

如图8所示，对主单元1的源极连接用于对功率半导体元件的栅极-源极间施加负电压(偏置电压)的源偏置电源11。将电流检测单元2的源极端子连接到运算放大器6的反转输入端子61，在运算放大器6的反转输入端子61与输出端子之间连接检测电阻12。运算放大器6的非反转输入端子62连接到主单元1的源极端子。电流/电压变换电路具有运算放大器6和检测电阻12，该电流/电压变换电路将电流检测单元的输出电流变换为作为运算放大器的输出端子的电压的检测电压。运算放大器6的输出端子连接到比较器7的非反转输入端子72，对比较器7的反转输入端子71连接提供基准电压的基准电源8，比较运算放大器的输出端子的电压、即检测电压和基准电压，如果检测电压低于基准电压，则比较器7输出错误信号。错误探测电路21具有运算放大器6、检测电阻12以及基准电源8和比较器7。另外，在运算放大器6的非反转输入端子62与反转输入端子61之间，以非反转输入端子62为阳极、以反转输入端子61为阴极，而连接了二极管10。

二极管10与实施方式2同样地，对功率半导体元件的关断动作时的运算放大器6的反转输入端子61的电压变化造成影响。图8的电路中的、功率半导体元件的接通至关断的通常时(不流过过电流时)的动作时序与实施方式2中说明的图7相同。但是，在本实施方式3中，没有相当于图7中的第二基准电压的电压。在接通时，与实施方式1、即图3完全相同。与接通时同样地，在关断时，由于运算放大器6的转换速率的限制，在运算放大器6的反转输入端子61的电压与主单元1的源偏置电压中也产生差，但由于二极管12对反转输入端子61与非反转输入端子62之间进行钳位，所以两者不会大幅偏离，偏离最大也不过是二极管的正向电压(图7的B所示的差)。由此，在错误探测电路仅为包括运算放大器的错误探测电路的本实施方式3中，即使OFF期间短而在接下来的接通时流过过电流，也不会由于运算放大器6的反转输入端子电压降低而使探测延迟这样的效果仍有效。

这样，即使是通过本实施方式3、即仅实施方式2中的第一错误探测电路，也能够进行运算放大器能够追随的变化速度的电流变化所致的过电流的错误探测。即使在该电路中，也与实施方式2同样地，具有如下效果：在OFF期间短的情况下、在接下来的ON期间流过了过电流的情况的错误探测中，不会由于运算放大器的反转输入端子电压降低而使探测延迟。在使用转换速率大且响应快的运算放大器的情况下，也能够进行臂短路的探测，本实施方式3的发明特别有效。

本实施方式3中的功率半导体元件也可以由硅形成。另外，也可以由相比于硅带隙更大的宽带隙半导体形成。作为宽带隙半导体，例如，有炭化硅、氮化镓系材料或者金刚石。

由这样的宽带隙半导体形成的功率半导体元件的耐电压性高，容许电流密度也高，所以能够实现功率半导体元件的小型化，通过使用这些小型化了的功率半导体元件，能够实现组入了这些元件的半导体装置的小型化。

另外，耐热性也高，所以能够实现散热器的散热风扇的小型化、水冷部的空冷化，所以能够实现半导体元件的进一步小型化。

进而，电力损失低，所以能够实现功率半导体元件的高效率化，进一步能够实现半导体装置的高效率化。

如上所述，在实施方式3中的发明中，将电流检测单元的输出连接到运算放大器的反转输入端子，并且运算放大器的非反转输入端子连接到施加了源偏置电压的所述主单元的源极，具备错误探测电路，该错误探测电路通过包括运算放大器和检测电阻的电流/电压变换电路将电流检测单元的输出电流变换为检测电压，并且比较该检测电压和基准电压而输出错误信号，在运算放大器的反转输入端子与非反转输入端子之间，以反转输入端子侧为阴极、以非反转输入端子侧为阳极而连接了二极管，所以在探测运算放大器能够追随的变化速度的电流变化所致的过电流时，具有如下效果：在OFF期间短的情况下、在接下来的ON期间流过了过电流的情况的过电流探测中，不会由于运算放大器的反转输入端子电压降低而使探测延迟。

Claims (4)

1.一种半导体装置，通过电流检测单元的输出电流，探测具备主单元和所述电流检测单元的功率半导体元件的所述主单元的电流，其特征在于，

将所述电流检测单元的输出与运算放大器的反转输入端子连接，并且所述运算放大器的非反转输入端子与施加了源偏置电压的所述主单元的源极连接，

所述半导体装置具备：

第一错误探测电路，通过包括所述运算放大器和检测电阻的电流／电压变换电路将所述电流检测单元的输出电流变换为检测电压，比较该检测电压和第一基准电压而输出错误信号；以及

第二错误探测电路，比较所述运算放大器的反转输入端子的电压和被设定为高于所述源偏置电压的第二基准电压而输出错误信号。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

在运算放大器的反转输入端子与非反转输入端子之间，以所述反转输入端子侧为阴极、以非反转输入端子侧为阳极而连接有二极管。

3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

功率半导体元件由宽带隙半导体元件形成。

4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，

宽带隙半导体元件的材料是碳化硅、氮化镓和金刚石中的某一个。