專利名稱：抑制浪涌電壓的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率用半導(dǎo)體元件的過壓保護(hù)。
背景技術(shù)：
為了有效地利用電能，采用了功率(power)用半導(dǎo)體元件的功率 變換器件得到廣泛應(yīng)用，例如，作為稱之為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)用的功率變換 器件的功率電子器件，可舉出變換器件(inverter device)等。
作為該變換器件內(nèi)的功率用半導(dǎo)體器件，近年來廣泛地采用絕緣 柵型雙極晶體管(IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor))。
而且，采用了下述這樣的方式將該功率用半導(dǎo)體元件即IGBT 用作開關(guān)元件，高速地切換電流等以控制較高電壓和較大電流。在這 類器件中，由于半導(dǎo)體元件在開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的電流變化(以下，用 電流變化率dl/dt來表示電流變化的程度)，所以起因于電路的浮置 電感的大的、浪涌電壓(surge voltage)被施加在半導(dǎo)體元件上。
在該浪涌電壓的作用下， 一旦開關(guān)時(shí)的電流/電壓軌跡超出半導(dǎo)體 元件的安全工作區(qū)(SOA)，則會(huì)引起元件擊穿。
因此，以往提出了抑制因浪涌電壓造成的元件擊穿的各種方式。 例如可列舉如下特開平04 - 354156號(hào)公報(bào)、特開2000 - 3247ST7號(hào)公 報(bào)、特開平01 - 280355號(hào)公報(bào)、特開平07 - 2884%號(hào)公報(bào)、特開2002 - 135973號(hào)公報(bào)、特開2005 - 295653號(hào)公報(bào)和特開2006 - 42410號(hào)公 報(bào)。
另一方面，由于如上所述浪涌電壓依賴于半導(dǎo)體元件在開關(guān)時(shí)的 電流變化率dl/dt而增大，所以通過減緩電流截?cái)嗨俣瓤墒估擞侩妷簻p 少，但這是一種開關(guān)損耗也增大的折衷關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，其目的在于，提供一種可 更減少因過大的浪涌電壓造成的元件擊穿和開關(guān)損耗的半導(dǎo)體器件。 本發(fā)明的半導(dǎo)體器件具備半橋(half bridge )電路，具有笫l
半導(dǎo)體開關(guān)元件，設(shè)置在第1電壓與輸出節(jié)點(diǎn)之間，響應(yīng)于笫1控制
信號(hào)的輸入而驅(qū)動(dòng)；以及第2半導(dǎo)體開關(guān)元件，與第1半導(dǎo)體開關(guān)元 件串聯(lián)連接在輸出節(jié)點(diǎn)與比第1電壓低的第2電壓之間，響應(yīng)于第2 控制信號(hào)的輸入而驅(qū)動(dòng)；以及第IMOS晶體管，與第l半導(dǎo)體開關(guān)元 件相對應(yīng)地設(shè)置，與笫1半導(dǎo)體開關(guān)元件并聯(lián)連接，接收第3控制信 號(hào)的輸入而導(dǎo)通或非導(dǎo)通。在第1半導(dǎo)體開關(guān)元件響應(yīng)于第1控制信 號(hào)的輸入而從導(dǎo)通狀態(tài)移至非導(dǎo)通狀態(tài)的期間，第IMOS晶體管響應(yīng) 于第3控制信號(hào)的輸入而暫時(shí)被設(shè)定為導(dǎo)通狀態(tài)。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，在第1半導(dǎo)體開關(guān)元件從導(dǎo)通狀態(tài)移 至非導(dǎo)通狀態(tài)的期間，第IMOS晶體管暫時(shí)被設(shè)定為導(dǎo)通狀態(tài)，由此 可使通過第1半導(dǎo)體開關(guān)元件的通過電流被第1 MOS晶體管旁路，使 流過第1半導(dǎo)體開關(guān)元件的通過電流的電流變化率減緩，從而可抑制 -)良涌電壓。
本發(fā)明的另一半導(dǎo)體器件具備半橋電路，具有第1半導(dǎo)體開 關(guān)元件，設(shè)置在第1電壓與輸出節(jié)點(diǎn)之間，響應(yīng)于第1控制信號(hào)的輸 入而驅(qū)動(dòng)；以及第2半導(dǎo)體開關(guān)元件，與第1半導(dǎo)體開關(guān)元件串聯(lián)連 接在輸出節(jié)點(diǎn)與比第1電壓低的第2電壓之間，響應(yīng)于第2控制信號(hào) 的輸入而驅(qū)動(dòng)；以及第IMOS晶體管，與第2半導(dǎo)體開關(guān)元件相對應(yīng) 地設(shè)置，與笫2半導(dǎo)體開關(guān)元件并聯(lián)連接，接收第3控制信號(hào)的輸入 而導(dǎo)通或非導(dǎo)通。在第1半導(dǎo)體開關(guān)元件響應(yīng)于第1控制信號(hào)的輸入 而從非導(dǎo)通狀態(tài)移至導(dǎo)通狀態(tài)的期間，第1MOS晶體管響應(yīng)于笫3控 制信號(hào)的輸入而暫時(shí)被設(shè)定為導(dǎo)通狀態(tài)。
另外，在本發(fā)明的另一半導(dǎo)體器件中，在笫1半導(dǎo)體開關(guān)元件從 非導(dǎo)通狀態(tài)移至導(dǎo)通狀態(tài)的期間，第IMOS晶體管暫時(shí)被設(shè)定為導(dǎo)通 狀態(tài)，由此可使第1半導(dǎo)體開關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)依賴于所通過的通過電流 而產(chǎn)生的復(fù)原電流(recovery current)被第1 MOS晶體管旁路，使復(fù) 原電流的電流變化率減緩，從而可抑制浪涌電壓。
本發(fā)明的上述和其它的目的、特征、方面和優(yōu)點(diǎn)可從結(jié)合附圖而 被理解的與本發(fā)明相關(guān)的下述詳細(xì)說明中得知。


圖l是本發(fā)明的實(shí)施例1的變換器件的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖2是說明在絕緣柵型雙極晶體管1導(dǎo)通時(shí)抑制成為非導(dǎo)通時(shí)的
浪涌電壓的情況的圖。
圖3是本發(fā)明的實(shí)施例1的變形例的變換器件的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明的實(shí)施例2的變換器件的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖5是說明在絕緣柵型雙極晶體管1為非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)抑制成為導(dǎo)
通狀態(tài)時(shí)的浪涌電壓的情況的圖。
圖6是本發(fā)明的實(shí)施例2的變形例的變換器件的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。再有，對圖中相同或 相當(dāng)?shù)牟糠謽?biāo)以相同的符號(hào)而不重復(fù)其說明。 實(shí)施例1
參照圖1，在本例中作為本發(fā)明實(shí)施例1的變換器件1的一例，說
明對于將直流變換為交流的半橋電路抑制浪涌電壓的方式。在此處， 示出了形成半橋電路的絕緣柵型雙極晶體管IGBT1、 IGBT2與電源VI 串聯(lián)連接，并對與節(jié)點(diǎn)NO連接的線團(tuán)Ll的負(fù)栽供給電流Il的情形。 電容器Cl是電源電容。絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的集電極經(jīng)電極 布線電感Ls3與電源VI的正側(cè)的節(jié)點(diǎn)Nl連接，發(fā)射極經(jīng)電極布線電 感Ls5與節(jié)點(diǎn)NO連接。另外，絕緣柵型雙極晶體管IGBT2的集電極 經(jīng)電極布線電感Ls7與節(jié)點(diǎn)NO連接，發(fā)射極經(jīng)電極布線電感Ls9與電 源VI的負(fù)側(cè)的節(jié)點(diǎn)N2連接。
另外，與絕緣柵型雙極晶體管IGBT1對應(yīng)地分別并聯(lián)設(shè)置二極管 Dl和MOS晶體管FET1 (也稱為上臂)。具體地說，二極管D1的陰 極側(cè)經(jīng)電極布線電感Ls4與節(jié)點(diǎn)Nl連接，二極管Dl的陽極側(cè)經(jīng)電極 布線電感Ls6與節(jié)點(diǎn)N0連接。另外，MOS晶體管FET1與二極管Dl 并聯(lián)設(shè)置在節(jié)點(diǎn)Nl與節(jié)點(diǎn)NO之間，其柵極接收后述的脈沖信號(hào)的輸 入。另外，與絕緣柵型雙極晶體管IGBT2對應(yīng)地分別并聯(lián)設(shè)置二極管 D2和MOS晶體管FET2 (也稱為下臂)。具體地說，二極管D2的陰 極側(cè)經(jīng)電極布線電感Ls8與節(jié)點(diǎn)NO連接，二極管D2的陽極側(cè)經(jīng)電極 布線電感LslO與節(jié)點(diǎn)N2連接。MOS晶體管FET2與二極管D2并聯(lián) 設(shè)置在節(jié)點(diǎn)NO與節(jié)點(diǎn)N2之間，其柵極接收后述的脈沖信號(hào)的輸入。
另外，電極布線電感Lsl被設(shè)置在電源V1與節(jié)點(diǎn)N1之間。另夕卜，
電極布線電感Ls2被設(shè)置在接地電壓GND與節(jié)點(diǎn)N2之間。再有，電極布線電感Lsl、 Ls2的電感值大于電極布線電感Ls3~ LslO各自的電感值。在本例中，例如將電極布線電感Lsl、 Ls2的電感 值之和設(shè)定為電極布線電感Ls3-LslO的總計(jì)程度的電感值。借助于開關(guān)工作控制上述絕緣柵型雙極晶體管IGBT1，由此將所 希望的電流供給作為負(fù)載的線圏Ll。由于該開關(guān)(switching)工作是 一般性的技術(shù)，故省略其說明。用圖2說明在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1導(dǎo)通時(shí)抑制成為非導(dǎo)通 時(shí)的浪涌電壓的情況。參照圖2，在時(shí)刻tl絕緣柵型雙極晶體管開始從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)移至 非導(dǎo)通狀態(tài)。即，絕緣柵型雙極晶體管IGBT1被設(shè)定為非導(dǎo)通狀態(tài)， 絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的集電極與發(fā)射極之間被設(shè)定為電壓 VI。此時(shí)，在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的集電極與發(fā)射極之間，會(huì) 產(chǎn)生與截?cái)嚅_關(guān)時(shí)流過線圈Ll的電流Il時(shí)的電流變化率dl/dt的大小 和變換器電路內(nèi)部的電極布線電感成比例的浪涌電壓。在本例中，在 時(shí)刻t2超過電壓Vl，產(chǎn)生浪涌電壓。再有，所謂浪涌電壓是指從浪涌 峰值電壓超出電壓VI的電壓。在本實(shí)施例中，在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1關(guān)斷的時(shí)間(關(guān)斷 時(shí)間)內(nèi)使MOS晶體管FET1暫時(shí)導(dǎo)通。例如，為了使MOS晶體管 FET1暫時(shí)導(dǎo)通，可將極小的脈沖供給MOS晶體管FET1的柵極。再 有，所謂絕緣柵型雙極晶體管IGBT1關(guān)斷的時(shí)間(從導(dǎo)通狀態(tài)移至非 導(dǎo)通狀態(tài)的期間)，被設(shè)定為流過絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的電流 II從開始減少至收斂于大致0附近的時(shí)間(時(shí)刻t2 時(shí)刻t3)。作為 一例，絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的關(guān)斷時(shí)間可設(shè)定為0.2 3jLis。另 外，作為一例，可將極小脈沖的脈沖時(shí)間設(shè)定為絕緣柵型雙極晶體管 IGBT1的關(guān)斷時(shí)間的50%左右(0.1~1.5|js)。如果在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的關(guān)斷時(shí)間(時(shí)刻t2 時(shí)刻 t3)內(nèi)使MOS晶體管FET1暫時(shí)導(dǎo)通，則可使電流Il中的一部分電流 被MOS晶體管FET1旁路。于是，由于表觀上的電流II的電流變化 率dl/dt趨于緩和，故抑制了絕緣柵型雙極晶體管IGBT1中所產(chǎn)生的 浪涌電壓。在圖2中，示出了由于產(chǎn)生流過MOS晶體管FETl的漏極 電流，故流過絕緣柵型雙極晶體管IGBT1和MOS晶體管FET1的電
流的下降斜率比起沒有MOS晶體管FET1的情況下的絕緣柵型雙極晶 體管IGBT1的集電極電流的下降要緩和的情況。即，比起沒有MOS 晶體管FET1的情況，電流變化率dl/dt趨于緩和。按照該方式，在未設(shè)置MOS晶體管FET1、 FET2的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中， 有無法充分地抑制浪涌電壓從而使元件擊穿的可能性，但按照本申請 的方式，卻能充分地抑制浪涌電壓。另外，由于不變更絕緣柵型雙極晶體管IGBTl本身的工作而像通 常那樣截?cái)啵詭缀醪辉黾娱_關(guān)損耗。另外，雖然對MOS晶體管 FET1施加高電壓，但由于在極小脈沖作用下導(dǎo)通時(shí)間極短，所以使電 流II旁路的通過電流量也小，從而可將MOS晶體管FET1本身的開 關(guān)損耗抑制得很小。另外，通過將MOS晶體管FET1、 FET2設(shè)計(jì)成高耐壓、小電流 容量，可進(jìn)一步將FET1本身的開關(guān)損耗抑制得很小。例如，也可對絕 緣柵型雙極晶體管IGBTl設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)1/10的電流。由此，也可減小 MOS晶體管FETl、 FET2的尺寸，從而可使電路小型化。再有，由于MOS晶體管FETl是單極元件，所以不受殘留載流子 的壽命的影響，因此與作為雙極元件的絕緣柵型雙極晶體管IGBTl相 比，具有在開關(guān)時(shí)控制性優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，在導(dǎo)通時(shí)， 一旦使 高電流通過，則會(huì)有開關(guān)損耗比絕緣柵型雙極晶體管IGBTl增大的可 能性，但由于通過MOS晶體管FET1的電流小，所以幾乎可忽略開關(guān) 損耗。實(shí)施例1的變形例參照圖3，本發(fā)明實(shí)施例1的變形例的變換器件10與變換器件1 相比，其不同點(diǎn)在于，前者還設(shè)置生成對MOS晶體管FET1進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 的極小脈沖的信號(hào)生成電路。具體地說，其不同點(diǎn)在于，前者還設(shè)置對MOS晶體管FETl的 柵極生成極小脈沖的單觸發(fā)脈沖(one shot trigger pulse)發(fā)生器l5、 比較器COMP、齊納二極管ZD1和電阻Rl、 R2。齊納二極管ZD1的陰極側(cè)與電源VI的正側(cè)電耦合。另外，陽極 側(cè)經(jīng)電阻R1、 R2與接地電壓GND電耦合。電阻Rl、 R2被串聯(lián)連接在齊納二極管ZD1與接地電壓GND之 間，其連接節(jié)點(diǎn)與比較器COMP的一個(gè)端子電耦合?；鶞?zhǔn)電壓Vrefl 被輸入到比較器COMP的另一端子上，比較器COMP基于基準(zhǔn)電壓 Vrefl與電阻Rl、 R2的連接節(jié)點(diǎn)處生成的電壓的比較，將比較結(jié)果輸 出給單觸發(fā)脈沖發(fā)生器15。單觸發(fā)脈沖發(fā)生器15響應(yīng)于來自比較器COMP的比較結(jié)果例如 "H"電平的信號(hào)，而將單觸發(fā)脈沖信號(hào)(極小脈沖)輸出給MOS晶 體管FET1?，F(xiàn)說明具體的工作。在絕緣柵型雙極晶體管從導(dǎo)通狀態(tài)開始轉(zhuǎn)移到非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，如 上所述，在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的集電極與發(fā)射極之間產(chǎn)生浪 涌電壓。該浪涌電壓超過齊納二極管ZD1的齊納電壓，被施加到電阻 Rl、 R2上。在連接節(jié)點(diǎn)處生成按照電阻Rl、 R2的電阻分割的電壓。 比較器COMP將按照電阻分割的連接節(jié)點(diǎn)處生成的電壓與基準(zhǔn)電壓 Vrefl進(jìn)行比較，當(dāng)在連接節(jié)點(diǎn)生成了大于等于基準(zhǔn)電壓Vrefl的電壓 的情況下，將"H，，電平的比較結(jié)果輸出給單觸發(fā)脈沖發(fā)生器15。單觸發(fā)脈沖發(fā)生器15接收來自比較器COMP的比較結(jié)果("H" 電平)的信號(hào)，僅僅輸出一次極小脈沖("H"電平的期間為0.1~1.5 ps) 。 MOS晶體管FET1接收該極小脈沖，在絕緣柵型雙極晶體管 IGBT1的關(guān)斷期間暫時(shí)使MOS晶體管FET1導(dǎo)通，從而使電流Il的 一部分電流被MOS晶體管FET1旁路。通過該工作，如在實(shí)施例1中 說明過的那樣，可抑制浪涌電壓。再有，關(guān)于該極小脈沖的寬度("H，，電平的期間)，可在絕緣柵 型雙極晶體管IGBT1的關(guān)斷期間內(nèi)加以設(shè)定，并可按照變換器件10 的特性來設(shè)定最佳范圍。例如，作為絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的關(guān) 斷期間，約為0.2jhs~3ms。一般來說，由于浪涌電壓的容許值被設(shè)定在元件額定耐壓以內(nèi)， 所以通過將齊納二極管ZD1的齊納電壓設(shè)定為絕緣柵型雙極晶體管 IGBT1或二極管Dl的元件額定耐壓以上，從而可抑制僅僅在高負(fù)載的 高電流截?cái)鄷r(shí)所產(chǎn)生的浪涌電壓，因此在浪涌電壓不怎么發(fā)生的低負(fù) 載的低電流時(shí)可將MOS晶體管FET1設(shè)定成不工作。由此，可抑制因 MOS晶體管FET1的無用工作造成的發(fā)熱和開關(guān)損耗。另外，包含在本實(shí)施例1的信號(hào)生成電路的單觸發(fā)脈沖發(fā)生器15 是在產(chǎn)生浪涌電壓的情況下僅輸出一次極小脈沖的結(jié)構(gòu)，并非是在產(chǎn)
生浪涌電壓的期間內(nèi)使MOS晶體管FET1成為導(dǎo)通狀態(tài)的方式。因 此，可抑制在長時(shí)間施加過大的浪涌電壓的情況下因通過MOS晶體管 FET1長時(shí)間處于導(dǎo)通狀態(tài)而產(chǎn)生的發(fā)熱所造成的熱擊穿。另外，由于在本發(fā)明的實(shí)施例1的信號(hào)生成電路中，是在比較器 COMP中對按照電阻Rl、 R2的電阻分割的電壓與基準(zhǔn)電壓Vrefl進(jìn) 行比較以檢測出浪涌電壓的方式，所以通過調(diào)整電阻R1、 R2的電阻值 或調(diào)整基準(zhǔn)電壓Vrefl ，也可對浪涌電壓的檢測電平進(jìn)行微調(diào)。再有，如上所述，雖然說明了抑制在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1 從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)移到非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的開關(guān)工作所產(chǎn)生的浪涌電壓即關(guān)斷 浪涌電壓的方式，但在將負(fù)載L1與電源VI連接在一起的情況下的絕 緣柵型雙極晶體管IGBT2的開關(guān)工作也是同樣的，通過應(yīng)用同樣的方 式，也可抑制在絕緣柵型雙極晶體管IGBT2從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)移到非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電壓即關(guān)斷浪涌電壓。 實(shí)施例2在上述的實(shí)施例1中，說明了抑制在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1 從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)移到非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電壓即關(guān)斷電壓的方 式，而在本實(shí)施例2中，說明抑制在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1從非 導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電壓即關(guān)斷電壓的方式。參照圖4，本發(fā)明的實(shí)施例2的變換器件具有與實(shí)施例1中說明過 的變換器件l同樣的電路結(jié)構(gòu)圖。首先，說明絕緣柵型雙極晶體管IGBT1從非導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電壓。由于半橋電路的開關(guān)工作，在作為負(fù)載的線圈Ll和二極管D2的 閉合電路中，呈現(xiàn)電流Il回流的狀態(tài)的所謂活輪(freewheel)狀態(tài)。而且，在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1從非導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀 態(tài)時(shí)，有復(fù)原電流流過二極管D2。與該復(fù)原電流的電流變化率dl/dt 和變換器電路內(nèi)部的電極布線電感的大小成比例的浪涌電壓產(chǎn)生在絕 緣柵型雙極晶體管IGBT2的集電極與發(fā)射極之間或二極管D2的陽極 與陰極之間。再有，將二極管D2的陽極與陰極間電壓或絕緣柵型雙極 晶體管IGBT的集電極與發(fā)射極間電壓定為電壓Vce2。因此，雖然考慮到由于在施加了超過元件耐壓的浪涌電壓的情況 下具有元件遭到擊穿的可能性從而使電流變化率dl/dt趨于緩和，但如
上所述，這是一種開關(guān)損耗也增大的折衷關(guān)系。用圖5說明在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1為非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)抑制成 為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的浪涌電壓的情況。參照圖5，在此處，在時(shí)刻t4，絕緣柵型雙極晶體管IGBT1開始 從非導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀態(tài)。在此處，示出了絕緣柵型雙極晶體管 IGBT1的集電極與發(fā)射極間電壓即Vcel開始發(fā)生變化的情形。另外， 與此相伴，絕緣柵型雙極晶體管IGBT2的集電極與發(fā)射極間電壓即 Vce2也開始發(fā)生變化。在時(shí)刻t5，絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的集電極電流和二極管D2 的導(dǎo)通電流開始發(fā)生變化。在時(shí)刻t6，絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的 集電極電流變?yōu)樽畲?。與此相伴，反向流動(dòng)的二極管D2的復(fù)原電流變 為最大。該復(fù)原電流的電流變化率dl/dt與絕緣柵型雙極晶體管IGBT1 成為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)通電流的電流變化率dl/dt成比例。在圖5中，示 出了在用虛線圍住的區(qū)域內(nèi)絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的集電極電流 的斜率即電流變化率dl/dt和流過二極管D2的復(fù)原電流的斜率即電流 變化率dl/dt。依賴于該復(fù)原電流的斜率即電流變化率dl/dt，在二極管 D2的陽極與陰極之間或絕緣柵型雙極晶體管IGBT2中產(chǎn)生浪涌電 壓。在本例中，在時(shí)刻t7，示出了成為浪涌電壓的峰值的情形。在本 實(shí)施例2的方式中，在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1導(dǎo)通的時(shí)間(導(dǎo)通 時(shí)間)內(nèi)暫時(shí)使MOS晶體管FET2導(dǎo)通。例如，為了暫時(shí)使MOS晶 體管FET2導(dǎo)通，可對MOS晶體管FET2的柵極供給極小脈沖。再有， 所謂絕緣柵型雙極晶體管IGBT1導(dǎo)通的時(shí)間(從非導(dǎo)通狀態(tài)移至導(dǎo)通 狀態(tài)的期間)，被設(shè)定為從流過絕緣柵型雙極晶體管1GBT1的電流Il 開始上升到轉(zhuǎn)移至電流值為某恒定電平的平衡狀態(tài)的時(shí)刻t8的時(shí)間 (時(shí)刻t5~時(shí)刻t8)。作為一例，可將絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的 導(dǎo)通時(shí)間設(shè)定為0.2-3 ps。另外，作為一例，可將極小脈沖的脈沖時(shí) 間設(shè)定為絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的關(guān)斷時(shí)間的20%左右(0.04~ 0.6us)。在絕緣柵型雙極晶體管1GBT1的導(dǎo)通時(shí)間(時(shí)刻t5 ~時(shí)刻t8 )內(nèi)， 一旦暫時(shí)使MOS晶體管FET2導(dǎo)通，則可使MOSFET2旁路掉復(fù)原電 流中的一部分電流。于是，由于絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的集電極 電流的電流變化率dl/dt趨于緩和，所以施加于二極管D2或絕緣柵型
雙極晶體管IGBT2的浪涌電壓受到抑制。在此處，示出了由于MOS 晶體管FET2導(dǎo)通而有復(fù)原電流中的20% ~30%的電流作為漏極電流 流過的情形。按照該方式，在未設(shè)置MOS晶體管FET1、 FET2的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中， 具有無法充分地抑制浪涌電壓從而使元件擊穿的可能性，但按照本申 請的方式，卻能充分地抑制浪涌電壓。另外，由于不變更絕緣柵型雙極晶體管IGBT1本身的工作而像通 常那樣工作，所以幾乎不增加開關(guān)損耗。另外，雖然對MOS晶體管 FET2施加高電壓，但由于在極小脈沖作用下導(dǎo)通時(shí)間極短，所以使復(fù) 原電流被旁路的通過電流量也小，從而可將MOS晶體管FET2本身的 開關(guān)損耗抑制得很小。另外，由于絕緣柵型雙極晶體管IGBT1導(dǎo)通， MOS晶體管FET2導(dǎo)通，所以具有引起使上臂與下臂短路的上下臂短 路的可能性，但由于MOS晶體管FET2導(dǎo)通的時(shí)間(極小脈沖的"H" 電平的期間為0.04 0.6jLis)是極短的時(shí)間，從而能僅降低浪涌電壓而 不至引起上下臂短路。另外，通過將MOS晶體管FET1、 FET2設(shè)計(jì)成高耐壓、小電流 容量，可進(jìn)一步將FET2本身的開關(guān)損耗抑制得很小。例如，也可對絕 緣柵型雙極晶體管IGBT1設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)1/10的電流。由此，也可減小 MOS晶體管FETl、 FET2的尺寸，從而可使電路小型化。再有，由于MOS晶體管FET2是單極元件，不受殘留載流子的壽 命的影響，所以與絕緣柵型雙極晶體管IGBT1相比，具有在開關(guān)時(shí)控 制性優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，在導(dǎo)通時(shí)， 一旦使高電流通過，則具有 開關(guān)損耗比絕緣柵型雙極晶體管IGBT1增大的可能性，但由于通過 MOS晶體管FET2的電流小，所以幾乎可忽略開關(guān)損耗。實(shí)施例2的變形例參照圖6，本發(fā)明的實(shí)施例2的變形例的變換器件20與變換器件1 相比，其不同點(diǎn)在于，前者還設(shè)置生成對MOS晶體管FET2進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 的極小脈沖的信號(hào)生成電路。具體地說，其不同點(diǎn)在于，前者還設(shè)置對MOS晶體管FET2的 柵極生成極小脈沖的單觸發(fā)脈沖發(fā)生器15#、比較器COMP弁、齊納 二極管ZD2和電阻R3、 R4。齊納二極管ZD2的陰極側(cè)與輸出節(jié)點(diǎn)N0電耦合。另外，陽極側(cè)
經(jīng)電阻R3、 R4與接地電壓GND電耦合。電阻R3、 R4被串聯(lián)連接在齊納二極管ZD2與接地電壓GND之 間，其連接節(jié)點(diǎn)與比較器COMP井的一個(gè)端子電耦合?；鶞?zhǔn)電壓Vref2 被輸入到比較器COMP并的另一端子上，比較器COMP#基于基準(zhǔn) 電壓Vref2與電阻R3、 R4的連接節(jié)點(diǎn)處生成的電壓的比較，將比較結(jié) 果輸出給單觸發(fā)脈沖發(fā)生器15# 。單觸發(fā)脈沖發(fā)生器15 #響應(yīng)于來自比較器COMP #的比較結(jié)果例 如"H，，電平的信號(hào)，而將單觸發(fā)脈沖信號(hào)(極小脈沖)輸出給MOS 晶體管FET2?，F(xiàn)說明具體的工作。在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1從非導(dǎo)通狀態(tài)開始轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀態(tài) 時(shí)，如上所述，二極管D2或絕緣柵型雙極晶體管IGBT2的集電極與 發(fā)射極間電壓Vce2開始發(fā)生變化，依賴于復(fù)原電流的電流變化率dl/dt 而產(chǎn)生浪涌電壓。該浪涌電壓超過齊納二極管ZD2的齊納電壓，被施 加到電阻R3、 R4上。而且，在連接節(jié)點(diǎn)處生成按照電阻R3、 R4的電 阻分割的電壓。比較器COMP并將按照電阻分割的連接節(jié)點(diǎn)處生成的 電壓與基準(zhǔn)電壓Vref2進(jìn)行比較，當(dāng)在連接節(jié)點(diǎn)生成了大于等于基準(zhǔn) 電壓Vref的電壓的情況下，將"H"電平的比較結(jié)果輸出給單觸發(fā)脈 沖發(fā)生器15#。單觸發(fā)脈沖發(fā)生器15#接收來自比較器COMP弁的比較結(jié)果 ("H"電平)的信號(hào)，僅僅輸出一次極小脈沖("H"電平的期間為 0.04 ~ 0.6 ili s ) 。 MOS晶體管FET2接收該極小脈沖，在絕緣柵型雙極 晶體管IGBT1的導(dǎo)通期間暫時(shí)使MOS晶體管FET2導(dǎo)通，從而使復(fù) 原電流中的一部分電流被MOS晶體管FET2旁路。通過該工作，如在 實(shí)施例2中說明過的那樣，可抑制浪涌電壓。再有，關(guān)于該極小脈沖的寬度("H"電平的期間)，可在絕緣柵 型雙極晶體管IGBT1的導(dǎo)通期間內(nèi)加以設(shè)定，并可按照變換器件的特 性來設(shè)定最佳范圍。例如，作為絕緣柵型雙極晶體管IGBT1的導(dǎo)通期 間，約為0.2|lis~3ms。一般來說，由于浪涌電壓的容許值被設(shè)定在元件額定耐壓以內(nèi)， 所以通過將齊納二極管ZD2的齊納電壓設(shè)定為絕緣柵型雙極晶體管 IGBT2或二極管D2的元件額定耐壓以上，從而可抑制僅僅在高負(fù)載的
高電流截?cái)鄷r(shí)所產(chǎn)生的浪涌電壓，因此在浪涌電壓不怎么發(fā)生的低負(fù)栽的低電流時(shí)可將MOS晶體管FET2設(shè)定成不工作。由此，可抑制因 MOS晶體管FET2的無用工作造成的發(fā)熱和開關(guān)損耗。再有，如上所述，雖然說明了抑制在絕緣柵型雙極晶體管IGBT1 從非導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電壓即復(fù)原浪涌電壓的 方式，但在將負(fù)栽L1與電源VI連接在一起的情況下的絕緣柵型雙極 晶體管IGBT2的開關(guān)工作也是同樣的，通過應(yīng)用同樣的方式，也可抑 制在絕緣柵型雙極晶體管IGBT2從非導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)所產(chǎn) 生的*浪涌電壓。在本實(shí)施例中，雖然舉采用半橋電路的變換器件為例進(jìn)行了說 明，但不限于半橋電路，也可應(yīng)用于全橋電路，同樣可應(yīng)用于以IGBT 為開關(guān)元件的半導(dǎo)體器件(IPM) (Inteligent Power Module:智能功 率模塊)。另外，當(dāng)然也可將實(shí)施例1和2以及它們的變形例適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行組 合而加以應(yīng)用。雖然詳細(xì)地說明并揭示了本發(fā)明，但顯然可理解這僅僅是例示性 而非限定性的，發(fā)明的宗旨和范圍僅由所附權(quán)利要求的范圍加以限 定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其具備半橋電路(1)，具有第1半導(dǎo)體開關(guān)元件(IGBT1)，設(shè)置在第1電壓(V1)與輸出節(jié)點(diǎn)(N0)之間，響應(yīng)于第1控制信號(hào)的輸入而驅(qū)動(dòng)；以及第2半導(dǎo)體開關(guān)元件(IGBT2)，與上述第1半導(dǎo)體開關(guān)元件串聯(lián)連接在上述輸出節(jié)點(diǎn)和比第1電壓低的第2電壓(GND)之間，響應(yīng)于第2控制信號(hào)的輸入而驅(qū)動(dòng)；以及第1MOS晶體管(FET1)，與上述第1半導(dǎo)體開關(guān)元件相對應(yīng)地設(shè)置，與上述第1半導(dǎo)體開關(guān)元件并聯(lián)連接，接收第3控制信號(hào)的輸入而導(dǎo)通或非導(dǎo)通，在上述第1半導(dǎo)體開關(guān)元件響應(yīng)于上述第1控制信號(hào)的輸入而從導(dǎo)通狀態(tài)移至非導(dǎo)通狀態(tài)的期間中，上述第1MOS晶體管響應(yīng)于上述第3控制信號(hào)的輸入而暫時(shí)被設(shè)定為導(dǎo)通狀態(tài)。
2. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體器件，其中，還具備 信號(hào)生成電路，檢測在上述第1半導(dǎo)體開關(guān)元件響應(yīng)于上述第1控制信號(hào)的輸入而從導(dǎo)通狀態(tài)移至非導(dǎo)通狀態(tài)的期間中所產(chǎn)生的規(guī)定 的浪涌電壓，生成上述第3控制信號(hào)。
3. 如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，上述信號(hào)生成電路包含第1和笫2電阻元件(Rl、 R2)，串聯(lián)連接在上述笫1電壓與上 述第2電壓之間；恒壓二極管(ZD1)，設(shè)置在上述第1和笫2電阻元件與上述第1 電壓之間，其陰極側(cè)與上述第1電壓連接，陽極側(cè)與上述笫1和第2 電阻元件連接；比較器(COMP)，將上述第1和第2電阻元件的連接節(jié)點(diǎn)處所 生成的電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；以及單觸發(fā)脈沖信號(hào)生成電路U5)，根據(jù)上述比較器的比較結(jié)果， 生成作為上述第3控制信號(hào)的單觸發(fā)脈沖信號(hào)。
4. 一種半導(dǎo)體器件，其具備半橋電路(1)，具有第l半導(dǎo)體開關(guān)元件(IGBT1)，設(shè)置在 第1電壓(VI)與輸出節(jié)點(diǎn)(NO)之間，響應(yīng)于笫l控制信號(hào)的輸入 而驅(qū)動(dòng)；以及第2半導(dǎo)體開關(guān)元件(IGBT2)，與上述第l半導(dǎo)體開關(guān) 元件串聯(lián)連接在上述輸出節(jié)點(diǎn)和比笫1電壓低的第2電壓(GND)之 間，響應(yīng)于笫2控制信號(hào)的輸入而驅(qū)動(dòng)；以及第1 MOS晶體管(FET2)，與上述第2半導(dǎo)體開關(guān)元件相對應(yīng)地 設(shè)置，與上述第2半導(dǎo)體開關(guān)元件并聯(lián)連接，接收第3控制信號(hào)的輸 入而導(dǎo)通或非導(dǎo)通，在上述第1半導(dǎo)體開關(guān)元件響應(yīng)于上述第1控制信號(hào)的輸入而從 非導(dǎo)通狀態(tài)移至導(dǎo)通狀態(tài)的期間中，上述第IMOS晶體管響應(yīng)于上述 第3控制信號(hào)的輸入而暫時(shí)被設(shè)定為導(dǎo)通狀態(tài)。
5. 如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中，還具備信號(hào)生成電路，檢測在上述第1半導(dǎo)體開關(guān)元件響應(yīng)于上述第1控制信號(hào)的輸入而從非導(dǎo)通狀態(tài)移至導(dǎo)通狀態(tài)的期間中所產(chǎn)生的規(guī)定 的浪涌電壓，生成上述第3控制信號(hào)。
6. 如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中，上述信號(hào)生成電路包含第1和第2電阻元件(R3、 R4)，串聯(lián)連接在上述輸出節(jié)點(diǎn)與上 述笫2電壓之間；恒壓二極管(ZD2)，設(shè)置在上述第1和第2電阻元件與上述輸出 節(jié)點(diǎn)之間，其陰極側(cè)與上述輸出節(jié)點(diǎn)連接，陽極側(cè)與上述第1和笫2 電阻元件連接；比較器(COMP# )，將上述笫1和笫2電阻元件的連接節(jié)點(diǎn)處 所生成的電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；以及單觸發(fā)脈沖信號(hào)生成電路U5#)，根據(jù)上述比較器的比較結(jié)果， 生成作為上述第3控制信號(hào)的單觸發(fā)脈沖信號(hào)。
全文摘要
在絕緣柵型雙極晶體管開始從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)移至非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，在絕緣柵型雙極晶體管(IGBT1)的集電極與發(fā)射極之間，會(huì)產(chǎn)生與截?cái)嚅_關(guān)時(shí)流過線圈(L1)的電流(I1)時(shí)的電流變化率(dI/dt)的大小和變換器電路內(nèi)部的電極布線電感成比例的浪涌電壓。在絕緣柵型雙極晶體管(IGBT1)關(guān)斷的時(shí)間(關(guān)斷時(shí)間)內(nèi)使MOS晶體管(FET1)暫時(shí)導(dǎo)通。如果使MOS晶體管(FET1)暫時(shí)導(dǎo)通，則可使電流(I1)中的一部分電流被MOS晶體管(FET1)旁路。于是，由于表觀上的電流(I1)的電流變化率(dI/dt)趨于緩和，故抑制了絕緣柵型雙極晶體管(IGBT1)中產(chǎn)生的浪涌電壓。
文檔編號(hào)H02M1/00GK101154880SQ20071010110
公開日2008年4月2日 申請日期2007年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月25日
發(fā)明者王丸武志 申請人:三菱電機(jī)株式會(huì)社