專利名稱：半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體器件模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體器件模塊，特別涉及具備IGBT(絕緣柵型雙極晶體管)等的絕緣柵型開(kāi)關(guān)器件的短路保護(hù)功能的半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體器件模塊。
背景技術(shù)：
封裝了IGBT等絕緣柵型開(kāi)關(guān)器件、以及進(jìn)行該開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)控制的控制電路的半導(dǎo)體器件，被稱為IPM(智能功率模塊)，而在以往的IPM中，通過(guò)在封裝的外部連接用于檢測(cè)在開(kāi)關(guān)器件的主電源端子間流過(guò)的主電流的分流電阻，并對(duì)主電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)進(jìn)行短路保護(hù)。
例如，在專利文獻(xiàn)1中，公開(kāi)了在封裝的外部連接了用于檢測(cè)在主電源端子間流過(guò)的直流電流的分流電阻的結(jié)構(gòu)，在封裝中設(shè)有用于檢測(cè)分流電阻上施加的電壓的電流檢測(cè)端子。
特開(kāi)2002-247857號(hào)公報(bào)(圖1)如上述那樣，在以往的IPM中，通過(guò)由設(shè)置于封裝外部的分流電阻來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)器件的主電流而進(jìn)行短路保護(hù)，所以需要用于檢測(cè)分流電阻上施加的電壓的電流檢測(cè)端子。
此外，為了除去進(jìn)入分流電阻和電流檢測(cè)端子的噪聲，需要在封裝的外部設(shè)置CR濾波器等濾波電路，裝置有可能大型化。
而且，因設(shè)置分流電阻，如果從開(kāi)關(guān)器件的接地側(cè)主電極至接地端子的布線長(zhǎng)度變長(zhǎng)，則電壓浪涌隨著開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作而增大，還有可能引起誤動(dòng)作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于消除上述問(wèn)題，其目的在于提供一種不使用分流電阻而實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)功能的半導(dǎo)體器件和內(nèi)置了該半導(dǎo)體器件的IPM。
本發(fā)明的方案1所述半導(dǎo)體器件，根據(jù)控制輸入信號(hào)而生成控制輸出信號(hào)，從而進(jìn)行絕緣柵型晶體管的驅(qū)動(dòng)控制，所述半導(dǎo)體器件包括輸出所述控制輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器；以及檢測(cè)所述控制輸出信號(hào)并控制所述驅(qū)動(dòng)器的短路保護(hù)電路，使得在所述控制輸出信號(hào)指示所述絕緣柵型晶體管導(dǎo)通后直至經(jīng)過(guò)規(guī)定期間之間，在所述控制輸出信號(hào)的檢測(cè)電壓超過(guò)規(guī)定的基準(zhǔn)電壓時(shí)，強(qiáng)制停止所述控制輸出信號(hào)。
本發(fā)明的方案2所述的半導(dǎo)體器件模塊包括串聯(lián)插入在高電位的第1主電源端子和低電位的第2主電源端子之間且互補(bǔ)地進(jìn)行動(dòng)作的至少一組第1絕緣柵型晶體管和第2絕緣柵型晶體管；對(duì)高電位側(cè)的所述第1絕緣柵型晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的第1控制裝置；以及對(duì)低電位側(cè)的所述第2絕緣柵型晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的第2控制裝置，所述至少一組第1絕緣柵型晶體管和第2絕緣柵型晶體管以及所述第1控制裝置和第2控制裝置被樹(shù)脂密封在封裝中，使用方案1所述的半導(dǎo)體器件作為所述第2控制裝置。
本發(fā)明方案3所述的半導(dǎo)體器件模塊包括串聯(lián)插入在高電位的第1主電源端子和低電位的第2主電源端子之間且互補(bǔ)地進(jìn)行動(dòng)作的至少一組第1絕緣柵型晶體管和第2絕緣柵型晶體管；對(duì)高電位側(cè)的所述第1絕緣柵型晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的第1控制裝置；以及對(duì)低電位側(cè)的所述第2絕緣柵型晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的第2控制裝置，所述至少一組第1絕緣柵型晶體管和第2絕緣柵型晶體管以及所述第1控制裝置和第2控制裝置被樹(shù)脂密封在封裝中，使用方案1所述的半導(dǎo)體器件作為所述第1控制裝置。
根據(jù)本發(fā)明的方案1所述的半導(dǎo)體器件，由于包括短路保護(hù)電路，該短路保護(hù)電路對(duì)絕緣柵型晶體管的控制輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，以在控制輸出信號(hào)指示絕緣柵型晶體管的導(dǎo)通后直至經(jīng)過(guò)規(guī)定期間之間，在控制輸出信號(hào)的檢測(cè)電壓超過(guò)規(guī)定的基準(zhǔn)電壓時(shí)，可將控制輸出信號(hào)強(qiáng)制地停止，所以可以簡(jiǎn)化用于短路保護(hù)的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的方案2所述的半導(dǎo)體器件模塊，由于內(nèi)置第2控制裝置，該第2控制裝置通過(guò)監(jiān)測(cè)低電位側(cè)的絕緣柵型晶體管的控制輸出信號(hào)來(lái)檢測(cè)短路狀態(tài)，并在絕緣柵型晶體管變?yōu)槎搪窢顟B(tài)時(shí)，將控制輸出信號(hào)強(qiáng)制地停止，所以不需要在封裝的外部設(shè)置分流電阻。因此，無(wú)論在封裝上還是在第2控制裝置上都不需要用于測(cè)量分流電阻的電壓的電流檢測(cè)端子，可以使模塊小型化，同時(shí)也不需要用于除去進(jìn)入分流電阻和電流檢測(cè)端子的噪聲的濾波電路，可以使器件整體地小型化。此外，由于不需要分流電阻，所以可以縮短從絕緣柵型晶體管的接地側(cè)主電極至接地端子的布線長(zhǎng)度，可以降低伴隨著開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的電壓浪涌。
根據(jù)本發(fā)明的方案3所述的半導(dǎo)體器件模塊，由于內(nèi)置第2控制裝置，該第2控制裝置通過(guò)監(jiān)測(cè)高電位側(cè)的絕緣柵型晶體管的控制輸出信號(hào)來(lái)檢測(cè)短路狀態(tài)，并在絕緣柵型晶體管變?yōu)槎搪窢顟B(tài)時(shí)，將控制輸出信號(hào)強(qiáng)制地停止，所以不需要在封裝的外部設(shè)置分流電阻。因此，在封裝上不需要用于測(cè)量分流電阻的電壓的電流檢測(cè)端子，可以使模塊小型化，同時(shí)也不需要用于除去進(jìn)入分流電阻和電流檢測(cè)端子的噪聲的濾波電路，可以使器件整體地小型化。此外，由于不需要分流電阻，所以可以縮短從絕緣柵型晶體管的接地側(cè)主電極至接地端子的布線長(zhǎng)度，可以降低伴隨著開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的電壓浪涌。


圖1是表示本發(fā)明的逆變器模塊的構(gòu)成圖。
圖2是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的控制裝置的構(gòu)成圖。
圖3是表示單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路的構(gòu)成圖。
圖4是說(shuō)明單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路的動(dòng)作的定時(shí)圖。
圖5是說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施方式1的控制裝置的動(dòng)作的定時(shí)圖。
圖6是表示本發(fā)明實(shí)施方式2的控制裝置的構(gòu)成圖。
圖7是表示濾波電路的構(gòu)成圖。
圖8是說(shuō)明濾波電路的動(dòng)作的定時(shí)圖。
圖9是說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施方式2的控制裝置的動(dòng)作的定時(shí)圖。
具體實(shí)施例方式
<采用了本發(fā)明的IPM的結(jié)構(gòu)例>
在圖1中，作為采用了本發(fā)明的IPM(Intelligent Power Module；智能功率模塊)的一例，說(shuō)明逆變器模塊100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。再有，逆變器模塊100為在封裝PG2的兩個(gè)長(zhǎng)度側(cè)面上各設(shè)有一列端子列的DIP(Dual-In-line Package；雙列直插式封裝)構(gòu)造。
如圖1所示，在被連接到電源PS、作為主電源端子的P-N端子間(高電位的主電源端子P和低電位的主電源端子N之間)，IGBT(絕緣柵型雙極晶體管)等的作為絕緣柵型開(kāi)關(guān)器件的晶體管11和12、21和22、31和32(都為N溝道型)的組被推挽式連接，各自的連接節(jié)點(diǎn)連接到封裝PG的U相、V相、W相的輸出端子U、V、W。再有，在輸出端子U、V、W上，例如連接三相電機(jī)M的各相。
此外，在晶體管11、12、21、22、31和32上，分別反向并聯(lián)連接續(xù)流二極管111、121、211、221、311和321。
而且，為了對(duì)作為高電位側(cè)器件的晶體管11、21和31分別進(jìn)行控制，配置了控制裝置HIC1、HIC2和HIC3。再有，控制裝置HIC1～HIC3為所謂的HVIC(高壓集成電路；High Voltage IntegratedCircuit)，由于是功能相同的控制裝置，所以端子標(biāo)號(hào)相同。
在晶體管11、21和31的各自的柵電極中，成為從控制裝置HIC1、HIC2和HIC3各自的控制輸出信號(hào)端子HO提供控制輸出信號(hào)的結(jié)構(gòu)。
此外，控制裝置HIC1～HIC3的各基準(zhǔn)電位端子Vs分別連接到輸出端子U、V、W，同時(shí)連接到封裝PG的基準(zhǔn)電位端子VUFS、VVFS、VWFS。此外，控制裝置HIC1～HIC3的各驅(qū)動(dòng)電壓端子VB分別連接到封裝PG的驅(qū)動(dòng)電壓端子VUFB、VVFB、VWFB。再有，驅(qū)動(dòng)電壓端子VB是將高電位側(cè)的驅(qū)動(dòng)電壓VB供給各HVIC內(nèi)部的端子，基準(zhǔn)電位端子VS是將高電位側(cè)的基準(zhǔn)電位VS供給各HVIC內(nèi)部的端子。
另外，控制裝置HIC1～HIC3都具有驅(qū)動(dòng)電壓端子VCC、接地端子COM、控制信號(hào)輸入端子IN。
而且，控制裝置HIC1～HIC3的各驅(qū)動(dòng)電壓端子VCC分別連接到封裝PG的驅(qū)動(dòng)電壓端子VP1、VP2和VP3，各接地端子COM共同連接到封裝PG的接地端子VNG。
此外，控制裝置HIC1～HIC3的各驅(qū)動(dòng)電壓端子VCC分別連接到封裝PG的控制信號(hào)輸入端UP、VP和WP。
此外，在逆變器模塊100內(nèi)，為了控制作為低電位側(cè)器件的晶體管12、22和32，配置控制裝置LIC。再有，控制裝置LIC是所謂的LVIC(低電壓集成電路；Low Voltage Integrated Circuit)。
在晶體管12、22和32的各柵電極上，成為分別從控制裝置LIC的控制信號(hào)輸出端子UOUT、VOUT和WOUT提供控制輸出信號(hào)的結(jié)構(gòu)。
此外，控制裝置LIC的基準(zhǔn)電位端子VNO連接到封裝PG的低電位側(cè)的主電源端子N。再有，基準(zhǔn)電位端子VNO是將低電位側(cè)的基準(zhǔn)電位(接地電位)供給控制裝置LIC內(nèi)部的端子。
此外，控制裝置LIC具有提供用于分別控制晶體管12、22和32的控制輸出信號(hào)的控制信號(hào)輸入端子UIN、VIN和WIN，同時(shí)具有驅(qū)動(dòng)電壓端子VCC、故障端子Fo、設(shè)定從發(fā)生了短路等異常狀況后直至解除保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間的差錯(cuò)輸出時(shí)間設(shè)定端子CFo、接地端子GND。
而且，控制裝置LIC的驅(qū)動(dòng)電壓端子VCC、故障端子Fo、差錯(cuò)輸出時(shí)間設(shè)定端子CFo和接地端子GND分別連接到封裝PG的驅(qū)動(dòng)電壓端子VN1、故障端子Fo、差錯(cuò)輸出時(shí)間設(shè)定端子CFo和接地端子VNC。
此外，控制裝置LIC的控制信號(hào)輸入端子UIN、VIN和WIN分別連接到封裝PG的控制信號(hào)輸入端子UN、VN和WN。
以上說(shuō)明的逆變器模塊100沒(méi)有以往必需的分流電阻和連接分流電阻的電流檢測(cè)端子，短路保護(hù)功能為包括了模塊內(nèi)的LVIC或HVIC的結(jié)構(gòu)。
以下，分別在本發(fā)明的實(shí)施方式1和2中，說(shuō)明LVIC和HVIC具有短路保護(hù)功能的情況。
<A.實(shí)施方式1>
<A-1.裝置結(jié)構(gòu)>
作為本發(fā)明的實(shí)施方式1，在圖2中示出了具有短路保護(hù)功能的控制裝置LIC的結(jié)構(gòu)。再有，在圖2中，在控制裝置LIC內(nèi)，舉例說(shuō)明進(jìn)行晶體管12的開(kāi)關(guān)控制的電路。
如圖2所示，在晶體管12的柵電極上，從控制裝置LIC的控制信號(hào)輸出端子UOUT提供控制輸出信號(hào)，但在絕緣柵型晶體管中，如果該晶體管變?yōu)槎搪窢顟B(tài)，則在控制輸出信號(hào)中也成為產(chǎn)生影響并與正常動(dòng)作狀態(tài)不同的信號(hào)波形。本發(fā)明著眼于這種現(xiàn)象，通過(guò)監(jiān)測(cè)絕緣柵型晶體管的控制輸出信號(hào)來(lái)檢測(cè)短路狀態(tài)，并在變?yōu)槎搪窢顟B(tài)時(shí)，通過(guò)強(qiáng)制地停止該控制輸出信號(hào)，進(jìn)行絕緣柵型晶體管的短路保護(hù)。
具體地說(shuō)，將絕緣柵型晶體管的控制輸出信號(hào)、即在驅(qū)動(dòng)電壓VCC和接地電位GND之間串聯(lián)連接的P溝道MOS晶體管4和N溝道晶體管5構(gòu)成的柵極驅(qū)動(dòng)器GD的輸出信號(hào)作為控制輸出信號(hào)S3提供給晶體管12的柵電極，同時(shí)還作為控制輸出信號(hào)S3的檢測(cè)電壓輸入到比較電路2的+側(cè)輸入端子，并在比較電路2中，進(jìn)行與提供給-側(cè)輸入端子的基準(zhǔn)電壓V1的比較，將比較結(jié)果作為比較結(jié)果信號(hào)S4來(lái)輸出。再有，插入到比較電路2的+側(cè)輸入線路中的電阻R1、以及插入在該+側(cè)輸入線路和接地電位GND之間的電容器C1構(gòu)成噪聲濾波器。
這里，作為用于供給基準(zhǔn)電壓V1的結(jié)構(gòu)，例如如圖2所示，可以采用使用了恒流源CS和齊納二極管ZD的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，使用齊納二極管ZD的齊納電壓特性，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)電壓VCC箝位于要求的電壓，可以獲得基準(zhǔn)電壓V1。
另一方面，為了控制晶體管12，通過(guò)控制信號(hào)輸入端子UIN從外部提供的控制輸入信號(hào)S1經(jīng)由“或非”電路G4和反相器電路G5提供給柵極驅(qū)動(dòng)器GD，同時(shí)也提供給單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路1。
單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路1是將根據(jù)控制輸入信號(hào)S1的上升沿的定時(shí)而上升并維持預(yù)定規(guī)定期間的高電位(H)狀態(tài)的脈沖信號(hào)S2單觸發(fā)式輸出的電路。
這里，用圖3和圖4來(lái)說(shuō)明單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路1的結(jié)構(gòu)例和動(dòng)作。
如圖3所示，單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路1包括串聯(lián)連接的4個(gè)反相器電路G11、G12、G13和G14；與反相器電路G11～G14并聯(lián)配置的反相器電路G15；接受反相器電路G14和G15的輸出的“或”電路G16；接受“或”電路G16的輸出的反相器電路G17；以及分別配置在反相器電路G11和G12的連接點(diǎn)與接地電位GND之間的電容器C11、以及反相器電路G12和G13的連接點(diǎn)與接地電位GND之間的電容器C12。
在圖3中，以反相器電路G11和G15的信號(hào)輸入部為A點(diǎn)，反相器電路G14的輸出點(diǎn)為B點(diǎn)，反相器電路G15的輸出點(diǎn)為C點(diǎn)，反相器電路G17的輸出點(diǎn)為D點(diǎn)，并將各點(diǎn)的信號(hào)狀態(tài)示于圖4。
再有，圖4所示的A點(diǎn)的脈沖信號(hào)相當(dāng)于提供給單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路1的控制輸入信號(hào)S1。
輸入到反相器電路G11的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器電路G12和G13后，因存在電容器C11而產(chǎn)生延遲，如圖4所示，在B點(diǎn)成為大幅度延遲的信號(hào)。
另一方面，輸入到反相器電路G15的脈沖在C點(diǎn)被反轉(zhuǎn)輸出而不發(fā)生延遲。因此，在將B點(diǎn)和C點(diǎn)的信號(hào)輸入到“或”電路G16，并將“或”電路G16的輸出輸入到反相器電路G17時(shí)，在D點(diǎn)可獲得具有與信號(hào)延遲幅度相當(dāng)?shù)拿}沖寬度的單觸發(fā)脈沖。
這樣，通過(guò)將脈沖信號(hào)輸入到單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路1，從而與輸入的脈沖信號(hào)的上升沿同步，可以獲得用于維持由電路內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)定的規(guī)定期間的‘H’狀態(tài)的脈沖。
這里，返回到圖2進(jìn)行說(shuō)明。單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路1輸出的脈沖信號(hào)S2與比較電路2輸出的比較結(jié)果信號(hào)S4一起提供給“與非”電路G1，“與非”電路G1的輸出經(jīng)由反相器電路G2作為信號(hào)S5被提供給RS觸發(fā)電路3的置位輸入(S)。
此外，在RS觸發(fā)電路3的復(fù)位輸入(R)上，提供經(jīng)由反相器電路G3反轉(zhuǎn)的控制輸入信號(hào)S1，RS觸發(fā)電路3的Q輸出提供給“或非”電路G4的一個(gè)輸入。
在“或非”電路G4的另一輸入上，提供經(jīng)由反相器電路G3反轉(zhuǎn)的控制輸入信號(hào)S1，“或非”電路G4的輸出經(jīng)由反相器電路G5，反轉(zhuǎn)后提供給P溝道晶體管MOS晶體管4和N溝道MOS晶體管5的柵電極。再有，在圖2中柵極驅(qū)動(dòng)器GD以外的部件構(gòu)成短路保護(hù)電路SP。
<A-2.裝置動(dòng)作>
下面，參照?qǐng)D2，同時(shí)使用圖5所示的定時(shí)圖，說(shuō)明控制裝置LIC的動(dòng)作。
通過(guò)控制信號(hào)輸入端子UIN從外部提供的控制輸入信號(hào)S1，根據(jù)其上升沿使晶體管12導(dǎo)通，晶體管12在該控制輸入信號(hào)S1處于高電位狀態(tài)的期間保持導(dǎo)通狀態(tài)。
因此，如圖5所示，從柵極驅(qū)動(dòng)器GD輸出的控制輸出信號(hào)S3根據(jù)控制輸入信號(hào)S1的上升沿而上升。然后，在控制輸出信號(hào)S3的電壓超過(guò)晶體管12的閾值時(shí)晶體管12成為導(dǎo)通狀態(tài)，晶體管12的集電極-發(fā)射極間電壓下降，所以鏡像效應(yīng)產(chǎn)生的控制輸出信號(hào)S3的電壓在規(guī)定期間被箝位到恒定電壓，然后控制輸出信號(hào)S3的電壓上升至與柵極驅(qū)動(dòng)器GD的驅(qū)動(dòng)電壓VCC大致相等的值。然后，根據(jù)控制輸入信號(hào)S1的下降沿而下降，使晶體管12截止。
這樣，作為IGBT等的絕緣柵型開(kāi)關(guān)器件的晶體管12，在正常地動(dòng)作時(shí)，具有從其控制輸出信號(hào)S3上升起規(guī)定期間被箝位于恒定電壓的特性。
這里，控制輸出信號(hào)S3還被提供給比較電路2并與基準(zhǔn)電壓V1進(jìn)行比較，如果控制輸出信號(hào)S3的電壓超過(guò)基準(zhǔn)電壓V1，則比較電路2使作為其輸出的比較結(jié)果信號(hào)S4為有效狀態(tài)，設(shè)這種情況下為高電位‘H’狀態(tài)。該狀態(tài)在控制輸出信號(hào)S3的電壓超過(guò)基準(zhǔn)電壓V1的期間被維持。因此，在圖2所示的晶體管12正常動(dòng)作的情況(正常時(shí))中，控制輸出信號(hào)S3經(jīng)過(guò)箝位期間后電壓開(kāi)始增加，超過(guò)基準(zhǔn)電壓V1時(shí)比較電路2輸出比較結(jié)果信號(hào)S4。然后，控制輸出信號(hào)S3開(kāi)始下降，低于基準(zhǔn)電壓V1時(shí)，比較結(jié)果信號(hào)S4也下降。
這樣，在晶體管12正常地動(dòng)作時(shí)，在控制輸出信號(hào)S3的電壓經(jīng)過(guò)箝位期間后從比較電路2輸出的比較結(jié)果信號(hào)S4成為有效狀態(tài)。再有，將基準(zhǔn)電壓V1設(shè)定為比驅(qū)動(dòng)電壓VCC低、比箝位電壓高的值。作為一例，采用將箝位電壓增加50％左右的值。
這里，單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路1輸出根據(jù)控制輸入信號(hào)S1的上升沿而成為有效狀態(tài)的脈沖信號(hào)S2，但有效狀態(tài)被設(shè)定成使這種情況下處于‘H’狀態(tài)的期間t1與控制輸出信號(hào)S3被箝位在恒定電壓的期間大致相等。因此，在晶體管12正常時(shí)脈沖信號(hào)S2和比較電路2輸出的比較結(jié)果信號(hào)S4不同時(shí)變?yōu)橛行顟B(tài)，所以在RS觸發(fā)電路3的置位輸入上提供的信號(hào)S5維持低電位(‘L’)，RS觸發(fā)電路3的Q輸出也維持‘L’狀態(tài)。因此，控制輸出信號(hào)S3也被維持，晶體管12的導(dǎo)通狀態(tài)被維持。
這樣，通過(guò)設(shè)定期間t1，即使在晶體管12正常時(shí)控制輸出信號(hào)S3超過(guò)基準(zhǔn)電壓V1，也可以防止晶體管12被強(qiáng)制地截止。
另一方面，在晶體管12的源-漏間為短路狀態(tài)時(shí)晶體管12導(dǎo)通的情況下，或在晶體管12上推挽連接的晶體管11(圖1)為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)晶體管12導(dǎo)通的情況下(支路短路)，在控制輸出信號(hào)S3中不存在電壓的箝位期間，控制輸出信號(hào)S3的電壓急速地上升至與驅(qū)動(dòng)電壓VCC大致相等的值。在圖5中將該狀態(tài)作為短路時(shí)的控制輸出信號(hào)S3的波形來(lái)表示。
如圖5所示，在晶體管12的短路時(shí)，控制輸出信號(hào)S3的電壓急速地上升，從而超過(guò)比較電路2的基準(zhǔn)電壓V1，使從比較電路2輸出的比較結(jié)果信號(hào)S4為有效狀態(tài)。
此時(shí)，從單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路1根據(jù)控制輸入信號(hào)S1的上升沿而輸出脈沖信號(hào)S2，但在脈沖信號(hào)S2有效狀態(tài)的期間中比較結(jié)果信號(hào)S4也有效，所以存在脈沖信號(hào)S2和比較結(jié)果信號(hào)S4同時(shí)為有效狀態(tài)的期間，該期間提供給RS觸發(fā)電路3的置位輸入上的信號(hào)S5為‘H’狀態(tài)。其結(jié)果，RS觸發(fā)電路3的Q輸出改變?yōu)椤瓾’狀態(tài)，使柵極驅(qū)動(dòng)器GD的P溝道MOS晶體管4導(dǎo)通，N溝道MOS晶體管5成為導(dǎo)通狀態(tài)，控制輸出信號(hào)S3成為‘L’狀態(tài)而晶體管12被強(qiáng)制地截止。再有，由于信號(hào)S5將柵極驅(qū)動(dòng)器GD的控制輸出信號(hào)S3的有效輸出停止，所以有時(shí)也稱為停止信號(hào)。
<A-3.效果>
如以上說(shuō)明，在具備短路保護(hù)功能的控制裝置LIC中，通過(guò)對(duì)構(gòu)成主電路的晶體管12的控制輸出信號(hào)S3進(jìn)行監(jiān)測(cè)而檢測(cè)短路狀態(tài)，并在晶體管12變?yōu)槎搪窢顟B(tài)時(shí)，由于可將控制輸出信號(hào)S3強(qiáng)制地停止，所以在逆變器模塊100中，不需要如以往的IPM那樣在封裝PG(圖1)的外部設(shè)置分流電阻。因此，無(wú)論在封裝PG中還是在控制裝置LIC中，都不需要用于測(cè)量分流電阻的電壓的電流檢測(cè)端子，可以將模塊小型化，同時(shí)也不需要用于除去進(jìn)入分流電阻和電流檢測(cè)端子的噪聲的濾波電路，所以可以將裝置整體地小型化。
此外，由于不需要分流電阻，所以可以縮短從開(kāi)關(guān)器件的接地側(cè)主電極至接地端子的布線長(zhǎng)度，可以降低伴隨開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的電壓浪涌。
<B.實(shí)施方式2>
<B-1.裝置結(jié)構(gòu)>
作為本發(fā)明的實(shí)施方式2，圖6中表示具備短路保護(hù)功能的控制裝置HIC1的結(jié)構(gòu)。再有，圖6所示的控制裝置HIC1是進(jìn)行晶體管11的開(kāi)關(guān)控制的電路，圖1所示的控制裝置HIC2和HIC3也具有同樣的功能。
如圖6所示，在晶體管11的柵電極上，作為控制輸出信號(hào)S13，從控制信號(hào)輸出端子HO供給由驅(qū)動(dòng)電壓VB和基準(zhǔn)電位VS之間串聯(lián)連接的P溝道MOS晶體管17和N溝道MOS晶體管18構(gòu)成的柵極驅(qū)動(dòng)器GD1的輸出信號(hào)，同時(shí)控制輸出信號(hào)S13還被電阻R11和電阻R12進(jìn)行電阻分配并作為控制輸出信號(hào)S13的檢測(cè)電壓而輸入到比較電路13的+側(cè)輸入端。
在比較電路13中，進(jìn)行與提供給一側(cè)輸入端子的基準(zhǔn)電壓V1的比較，并將比較結(jié)果作為比較結(jié)果信號(hào)S14輸出。再有，作為用于供給基準(zhǔn)電壓V1的結(jié)構(gòu)，采用圖2所示的結(jié)構(gòu)就可以。
這里，為了對(duì)控制輸出信號(hào)S13進(jìn)行電阻分配，在控制信號(hào)輸出端子HO和基準(zhǔn)電位VS之間，將電阻R11和電阻R12以形成串聯(lián)來(lái)設(shè)置，電阻R11和電阻R12的連接點(diǎn)被連接到傳輸門(mén)15的輸入端。此外，電阻R12的基準(zhǔn)電位側(cè)端部被連接到傳輸門(mén)16的輸入端，傳輸門(mén)15和16的輸出端被連接到比較電路13的+側(cè)輸入端子。
這樣，通過(guò)包括對(duì)控制輸出信號(hào)S13進(jìn)行電阻分配的結(jié)構(gòu)，可以檢測(cè)所謂高電位側(cè)器件的晶體管11的控制輸出信號(hào)S13。
再有，傳輸門(mén)15和16根據(jù)濾波電路19輸出的脈沖信號(hào)S12，選擇并輸出對(duì)控制輸出信號(hào)S13進(jìn)行了電阻分配的電壓和接地電位，所以將其稱為信號(hào)選擇部SL。
此外，通過(guò)將濾波電路19輸出的脈沖信號(hào)S12用反相器電路G24進(jìn)行反轉(zhuǎn)，成為以下結(jié)構(gòu)從而可以獲得傳輸門(mén)15和16的控制信號(hào)S122，向傳輸門(mén)15的反轉(zhuǎn)柵極和傳輸門(mén)16的柵極提供控制信號(hào)S122，向傳輸門(mén)15的柵極和傳輸門(mén)16的反轉(zhuǎn)柵極提供由反相器電路G25再次將控制信號(hào)S122進(jìn)行反轉(zhuǎn)后所得的信號(hào)。
為了控制晶體管11，通過(guò)控制信號(hào)輸入端子IN從外部提供的控制輸入信號(hào)S10被提供給用于電平移動(dòng)的電平移動(dòng)裝置11。
即，晶體管11是高電位側(cè)的器件，其基準(zhǔn)電位由基準(zhǔn)電位端子Vs供給。因此，以接地電位作為基準(zhǔn)生成的控制輸入信號(hào)S10需要通過(guò)電平移動(dòng)裝置11電平移動(dòng)到高電位側(cè)。
電平移動(dòng)裝置11根據(jù)提供的控制輸入信號(hào)S10，生成用于指示晶體管11的導(dǎo)通和截止的定時(shí)的單觸發(fā)脈沖信號(hào)。再有，該單觸發(fā)脈沖信號(hào)通過(guò)電平移動(dòng)裝置11內(nèi)的高耐壓晶體管而電平移動(dòng)到以高電位作為基準(zhǔn)的信號(hào)，作為單觸發(fā)脈沖信號(hào)S21和S22輸出。
然后，單觸發(fā)脈沖信號(hào)S21和S22被分別提供給RS觸發(fā)電路12的置位輸入(S)和復(fù)位輸入(R)，從RS觸發(fā)電路12的Q輸出作為與控制輸入信號(hào)S10同等的電平移動(dòng)后信號(hào)S11被輸出。
電平移動(dòng)后信號(hào)S11經(jīng)由反相器電路G21、“或非”電路G22和反相器電路G23被提供給柵極驅(qū)動(dòng)器GD1，同時(shí)也被提供給RS觸發(fā)電路14的復(fù)位輸入。
另一方面，在RS觸發(fā)電路14的置位輸入上，提供比較結(jié)果信號(hào)S14，RS觸發(fā)電路14的Q輸出被提供給“或非”電路G22的一個(gè)輸入。
在“或非”電路G22的另一輸入上，提供經(jīng)由反相器電路G21反轉(zhuǎn)的電平移動(dòng)后信號(hào)S11，“或非”電路G22的輸出經(jīng)由反相器電路G23被反轉(zhuǎn)，提供給P溝道MOS晶體管17和N溝道MOS晶體管18的柵電極。
這里，用圖7和圖8來(lái)說(shuō)明作為脈沖發(fā)生電路起作用的濾波電路19的結(jié)構(gòu)例和動(dòng)作。
如圖7所示，濾波電路19包括恒流源CS1；漏極連接到恒流源CS1、源極連接到基準(zhǔn)電位VS的N溝道MOS晶體管Q1；接受從RS觸發(fā)電路12輸出的電平移動(dòng)后信號(hào)S11，將該信號(hào)S11反轉(zhuǎn)后提供給晶體管Q1的柵電極的反相器電路G31；晶體管Q1的漏極連接到+側(cè)輸入端子的比較電路191；在晶體管Q1的漏極和基準(zhǔn)電位VS之間插入的電容器C21；接受比較電路191的輸出信號(hào)S121的反相器電路G32；接受反相器電路G32的輸出和RS觸發(fā)電路12輸出的電平移動(dòng)后信號(hào)S11的“與非”電路G33；以及將“與非”電路G33的輸出反轉(zhuǎn)后作為脈沖信號(hào)S12輸出的反相器電路G34。
下面，說(shuō)明有關(guān)動(dòng)作。電平移動(dòng)后信號(hào)S11變?yōu)椤瓾’狀態(tài)，晶體管Q1截止時(shí)，電流從恒流源CS流過(guò)，以將電容器C21充電。然后，在電容器C21的電壓超過(guò)被提供給比較電路191的基準(zhǔn)電壓VREF的值時(shí)，比較電路191的輸出信號(hào)S121成為‘H’狀態(tài)。再有，直至信號(hào)S121的上升沿的時(shí)間，根據(jù)電容器C21的電容量和基準(zhǔn)電壓VREF的值來(lái)設(shè)定。
如圖8所示，電平移動(dòng)后信號(hào)S11處于‘H’狀態(tài)，信號(hào)S121處于‘L’狀態(tài)的期間，脈沖信號(hào)S12為‘H’狀態(tài)(有效狀態(tài))，該期間t1是使短路保護(hù)功能起作用的期間，對(duì)其進(jìn)行設(shè)定，以使其與控制輸出信號(hào)S13被箝位于恒定電壓的期間大致相等。
此外，在圖6中，柵極驅(qū)動(dòng)器GD1、電平移動(dòng)裝置11和RS觸發(fā)電路12以外的部件構(gòu)成短路保護(hù)電路SP1。
<B-2.裝置動(dòng)作>
下面，參照?qǐng)D6，同時(shí)用圖9所示的定時(shí)圖，說(shuō)明控制裝置HIC1的動(dòng)作。
通過(guò)控制信號(hào)輸入端子IN從外部提供的控制輸入信號(hào)S10，通過(guò)電平移動(dòng)裝置11，被變換為根據(jù)其上升沿而上升的單觸發(fā)脈沖信號(hào)S21、以及根據(jù)其下降沿而上升的單觸發(fā)脈沖信號(hào)S22。
然后，單觸發(fā)脈沖信號(hào)S21和S22被提供給RS觸發(fā)電路12，成為電平移動(dòng)后信號(hào)S11。
電平移動(dòng)后信號(hào)S11根據(jù)其上升沿而使晶體管11導(dǎo)通，該信號(hào)S11為高電位狀態(tài)期間，晶體管11保持導(dǎo)通狀態(tài)。
如圖9所示，從柵極驅(qū)動(dòng)器GD1輸出的控制輸出信號(hào)S13根據(jù)電平移動(dòng)后信號(hào)S11的上升沿而上升，由于電平移動(dòng)后信號(hào)S11基本上與控制輸入信號(hào)10相同，所以有時(shí)也將電平移動(dòng)后信號(hào)S11稱為控制輸入信號(hào)。
再有，對(duì)于晶體管11的正常動(dòng)作時(shí)和短路時(shí)的控制輸出信號(hào)S13的波形，由于與實(shí)施方式1中說(shuō)明的控制輸出信號(hào)S3相同，所以省略說(shuō)明。再有，在圖9中，為了比較控制輸出信號(hào)S13和基準(zhǔn)電壓V1而示出，但這是簡(jiǎn)單的論述，實(shí)際上將控制輸出信號(hào)S13的分壓電壓和基準(zhǔn)電壓V1進(jìn)行比較。
控制輸出信號(hào)S13被電阻R11和R12分壓后提供給比較電路13并與基準(zhǔn)電壓V1進(jìn)行比較，而在濾波電路19輸出的脈沖信號(hào)S12為‘L’的期間，由于傳輸門(mén)16導(dǎo)通，所以在比較電路13上提供基準(zhǔn)電位VS，比較電路13輸出的比較結(jié)果信號(hào)S14始終為‘L’狀態(tài)。
另一方面，在脈沖信號(hào)S12為‘H’的期間，由于傳輸門(mén)15導(dǎo)通，所以在比較電路13上提供控制輸出信號(hào)S13的分壓電壓，比較電路13輸出的比較結(jié)果信號(hào)S14根據(jù)該分壓電壓和基準(zhǔn)電壓V1的比較結(jié)果而為‘H’或‘L’狀態(tài)。
即，在控制輸出信號(hào)S13的分壓電壓超過(guò)基準(zhǔn)電壓V1時(shí)，比較電路13使作為其輸出的比較結(jié)果信號(hào)S14為有效狀態(tài)，設(shè)這種情況為‘H’狀態(tài)。
在晶體管11的短路時(shí)，控制輸出信號(hào)S13的電壓急速地上升，其分壓電壓超過(guò)比較電路13的基準(zhǔn)電壓V1，但此時(shí)脈沖信號(hào)S12為‘H’狀態(tài)，所以比較電路13使作為其輸出的比較結(jié)果信號(hào)S14為‘H’狀態(tài)(有效狀態(tài))。該狀態(tài)在控制輸出信號(hào)S13的分壓電壓超過(guò)基準(zhǔn)電壓V1的期間被維持。其結(jié)果，RS觸發(fā)電路14的Q輸出改變?yōu)椤瓾’狀態(tài)，柵極驅(qū)動(dòng)器GD1的P溝道MOS晶體管17導(dǎo)通，從而N溝道MOS晶體管18變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，控制輸出信號(hào)S13變?yōu)椤甃’狀態(tài)，晶體管11被強(qiáng)制地截止。再有，由于信號(hào)S13將柵極驅(qū)動(dòng)器GD1的控制輸出信號(hào)S13的有效輸出停止，所以有時(shí)也將其稱為停止信號(hào)。
再有，在晶體管11正常動(dòng)作(正常時(shí))中，電壓經(jīng)過(guò)控制輸出信號(hào)S13的箝位期間開(kāi)始增加，超過(guò)基準(zhǔn)電壓V1，但在該時(shí)刻脈沖信號(hào)S12為‘L’狀態(tài)，所以比較結(jié)果信號(hào)S14為‘L’狀態(tài)。其結(jié)果，RS觸發(fā)電路14的Q輸出維持‘L’狀態(tài)，控制輸出信號(hào)S13維持‘H’狀態(tài)，所以晶體管11維持導(dǎo)通狀態(tài)。
<B-3.效果>
如以上說(shuō)明，在具備短路保護(hù)功能的控制裝置HICI中，由于通過(guò)對(duì)構(gòu)成主電路的晶體管11的控制輸出信號(hào)S13進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)檢測(cè)短路狀態(tài)，并在晶體管11變?yōu)槎搪窢顟B(tài)時(shí)，可將控制輸出信號(hào)S13強(qiáng)制地停止，所以在逆變器模塊100中，不需要如以往那樣在封裝PG(圖1)的外部上設(shè)置分流電阻。因此，不需要在封裝PG上設(shè)置用于測(cè)量分流電阻的電壓的電流檢測(cè)端子，可以將模塊小型化，同時(shí)也不需要用于除去進(jìn)入分流電阻和電流檢測(cè)端子的噪聲的濾波電路，可以將裝置整體地小型化。
此外，由于不需要分流電阻，所以可以縮短從開(kāi)關(guān)器件的接地側(cè)主電極至接地端子的布線長(zhǎng)度，可以降低與開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換相伴的電壓浪涌。
此外，由于通過(guò)濾波電路19來(lái)設(shè)定使短路保護(hù)功能起作用的期間t1，并僅在該期間t1對(duì)控制輸出信號(hào)S13進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以可以減輕在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上施加的負(fù)擔(dān)。
<B-4.變形例>
以上說(shuō)明的實(shí)施方式2以對(duì)HVIC的應(yīng)用作為前提，但也可以應(yīng)用于LVIC。
這種情況下，不需要電平移動(dòng)裝置11和RS觸發(fā)12，取代電平移動(dòng)后信號(hào)S11，將控制輸入信號(hào)S1提供給反相器電路G21和濾波電路19。因而，取代基準(zhǔn)電位VS，使用接地電位GND。
此外，在以上說(shuō)明的實(shí)施方式1和2中，各種信號(hào)采用相對(duì)于控制輸入信號(hào)沒(méi)有延遲的信號(hào)，但例如還存在脈沖信號(hào)S2相對(duì)于控制輸入信號(hào)S1多少產(chǎn)生了延遲的情況，即使是這樣的情況，在本發(fā)明的作用上也不產(chǎn)生妨礙。
此外，在以上說(shuō)明的實(shí)施方式1和2中，絕緣柵型晶體管11和12、21和22、31和32都作為N溝道型進(jìn)行了說(shuō)明，但也可以用P溝道型來(lái)構(gòu)成它們。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，根據(jù)控制輸入信號(hào)而生成控制輸出信號(hào)，從而進(jìn)行絕緣柵型晶體管的驅(qū)動(dòng)控制，所述半導(dǎo)體器件包括輸出所述控制輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器；以及檢測(cè)所述控制輸出信號(hào)并控制所述驅(qū)動(dòng)器的短路保護(hù)電路，使得在所述控制輸出信號(hào)指示所述絕緣柵型晶體管導(dǎo)通后直至經(jīng)過(guò)規(guī)定期間之間，在所述控制輸出信號(hào)的檢測(cè)電壓超過(guò)規(guī)定的基準(zhǔn)電壓時(shí)，強(qiáng)制停止所述控制輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述短路保護(hù)電路包括脈沖發(fā)生電路，接受所述控制輸入信號(hào)并根據(jù)所述控制輸入信號(hào)指示所述絕緣柵型晶體管的導(dǎo)通的定時(shí)而在所述規(guī)定期間輸出有效的第1脈沖信號(hào)；比較電路，接受所述控制輸出信號(hào)的檢測(cè)電壓并與所述基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出在所述控制輸出信號(hào)的檢測(cè)電壓超過(guò)所述基準(zhǔn)電壓的期間內(nèi)成為有效的第2脈沖信號(hào)；以及邏輯電路，接受所述第1和第2脈沖信號(hào)，在所述第1脈沖信號(hào)有效的期間內(nèi)所述第2脈沖信號(hào)成為有效時(shí)，輸出使所述控制輸出信號(hào)的輸出強(qiáng)制停止的停止信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述短路保護(hù)電路包括脈沖發(fā)生電路，接受所述控制輸入信號(hào)并根據(jù)所述控制輸入信號(hào)指示所述絕緣柵型晶體管的導(dǎo)通的定時(shí)而在所述規(guī)定期間輸出有效的第1脈沖信號(hào)；信號(hào)選擇部，接受所述控制輸出信號(hào)的檢測(cè)電壓和比所述基準(zhǔn)電壓低的規(guī)定電壓并根據(jù)所述第1脈沖信號(hào)選擇輸出其中的一個(gè)電壓；以及比較電路，接受所述信號(hào)選擇部的所述輸出并與所述基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出在所述輸出超過(guò)所述基準(zhǔn)電壓的期間內(nèi)成為有效的第2脈沖信號(hào)，所述信號(hào)選擇部接受所述第1脈沖信號(hào)，在所述第1脈沖信號(hào)有效的期間內(nèi)選擇所述控制輸出信號(hào)的檢測(cè)電壓，而在除此以外的期間內(nèi)選擇輸出比所述基準(zhǔn)電壓低的規(guī)定電壓，所述比較電路僅在所述第1脈沖信號(hào)有效的期間內(nèi)接受所述控制輸出信號(hào)的檢測(cè)電壓，在所述控制輸出信號(hào)的檢測(cè)電壓超過(guò)所述基準(zhǔn)電壓時(shí)使所述第2脈沖信號(hào)有效，所述第2脈沖信號(hào)在其有效的情況下，具有作為使所述控制輸出信號(hào)的輸出強(qiáng)制停止的停止信號(hào)的功能。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述控制輸出信號(hào)的檢測(cè)電壓通過(guò)串聯(lián)連接在所述驅(qū)動(dòng)器的輸出端和基準(zhǔn)電位之間的分配電阻來(lái)檢測(cè)。
5.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其中，根據(jù)所述絕緣柵型晶體管正常動(dòng)作時(shí)所述控制輸出信號(hào)的電壓被箝制到恒定電壓的期間來(lái)設(shè)定所述第1脈沖信號(hào)成為有效的所述規(guī)定期間。
6.一種半導(dǎo)體器件模塊，包括串聯(lián)插入在高電位的第1主電源端子和低電位的第2主電源端子之間且互補(bǔ)地進(jìn)行動(dòng)作的至少一組第1絕緣柵型晶體管和第2絕緣柵型晶體管；對(duì)高電位側(cè)的所述第1絕緣柵型晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的第1控制裝置；以及對(duì)低電位側(cè)的所述第2絕緣柵型晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的第2控制裝置，所述至少一組第1絕緣柵型晶體管和第2絕緣柵型晶體管以及所述第1控制裝置和第2控制裝置被樹(shù)脂密封在封裝中，使用權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件作為所述第2控制裝置。
7.一種半導(dǎo)體器件模塊，包括串聯(lián)插入在高電位的第1主電源端子和低電位的第2主電源端子之間且互補(bǔ)地進(jìn)行動(dòng)作的至少一組第1絕緣柵型晶體管和第2絕緣柵型晶體管；對(duì)高電位側(cè)的所述第1絕緣柵型晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的第1控制裝置；以及對(duì)低電位側(cè)的所述第2絕緣柵型晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的第2控制裝置，所述至少一組第1絕緣柵型晶體管和第2絕緣柵型晶體管以及所述第1控制裝置和第2控制裝置被樹(shù)脂密封在封裝中，使用權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件作為所述第1控制裝置。
全文摘要
提供一種不使用分流電阻而實(shí)現(xiàn)了短路保護(hù)功能的半導(dǎo)體器件和內(nèi)置了該半導(dǎo)體器件的IPM。在作為絕緣柵型晶體管的晶體管(12)的柵電極上，從控制裝置(LIC)的控制信號(hào)輸出端子(Uout)施加控制輸出信號(hào)，但在絕緣柵型晶體管中，如果該晶體管變?yōu)槎搪窢顟B(tài)，則還在控制輸出信號(hào)中成為產(chǎn)生影響并與正常動(dòng)作狀態(tài)不同的信號(hào)波形。利用這一現(xiàn)象，并通過(guò)對(duì)絕緣柵型晶體管的控制輸出信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)而檢測(cè)短路狀態(tài)，在變?yōu)槎搪窢顟B(tài)時(shí)，通過(guò)強(qiáng)制地停止該控制輸出信號(hào)，從而進(jìn)行絕緣柵型晶體管的短路保護(hù)。
文檔編號(hào)H01L21/70GK1638224SQ200510004030
公開(kāi)日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2005年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月6日
發(fā)明者坂田浩司, 田中智典 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社