本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置。

背景技術(shù)：

以往，電力變換裝置所使用的半導(dǎo)體元件的主流是gto晶閘管及gct等壓接型半導(dǎo)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(lián)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(lián)連接而構(gòu)成1個橋臂的技術(shù)。igbt等自消弧元件與上述的壓接型半導(dǎo)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(gòu)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(dǎo)體元件施加過電壓。關(guān)于這一點(diǎn)，在下述專利文獻(xiàn)1(日本特開2004－140891號公報)中公開了下述技術(shù)，即，通過對施加于半導(dǎo)體元件的主電極的過電壓進(jìn)行鉗位，從而保護(hù)半導(dǎo)體元件。

專利文獻(xiàn)1：日本特開2004－140891號公報

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明人通過專心研究而發(fā)現(xiàn)的見解來看，在斷開后，有時在串聯(lián)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(dǎo)體的靜態(tài)耐壓等問題。上述專利文獻(xiàn)1所涉及的保護(hù)電路不過是在施加了過電壓時用于保護(hù)半導(dǎo)體元件的保護(hù)電路，如果未產(chǎn)生過電壓，則保護(hù)電路不進(jìn)行動作。由于本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的電壓不平衡是與以往的過電壓不同的現(xiàn)象，因此通過以往的保護(hù)電路不能抑制上述的電壓不平衡。

本發(fā)明就是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供一種半導(dǎo)體裝置，該半導(dǎo)體裝置能夠在斷開后抑制多個半導(dǎo)體元件之間的電壓不平衡。

本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置具有：多個第1自消弧元件，它們彼此串聯(lián)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(guī)定為小于或等于所述第1自消弧元件所具有的靜態(tài)耐壓的70％。

發(fā)明的效果

根據(jù)本發(fā)明，由于以與靜態(tài)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(jìn)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(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的變形例所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖7是為了對實(shí)施方式的效果進(jìn)行說明而示出的對比例的圖。

圖8是本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的半導(dǎo)體裝置的動作波形圖。

圖9是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的變形例所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖10是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的變形例所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的變形例所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的變形例所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖13是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖14是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

圖15是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的半導(dǎo)體裝置的圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施方式1

圖1～5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的半導(dǎo)體裝置1的圖。圖1表示將半導(dǎo)體裝置1設(shè)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(lián)連接而成的，相當(dāng)于逆變器電路的1個支路。圖3示出能夠應(yīng)用于上橋臂或者下橋臂的橋臂10。就半導(dǎo)體裝置1而言，通過使用2個圖3的橋臂10而構(gòu)成圖2所示的支路2，將支路2并聯(lián)連接3個，從而如圖1所示構(gòu)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(fù)載的電動機(jī)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(fā)射極以及集電極，該自消弧元件12具有靜態(tài)耐壓va；續(xù)流二極管13，其在自消弧元件12的主電極端子間反向并聯(lián)連接；以及平衡元件14，其用于保持靜態(tài)耐壓的分壓平衡。橋臂10是將2個自消弧元件12串聯(lián)連接得到的。平衡元件14例如是電阻或者緩沖電容器等。在實(shí)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或者雙極晶體管等。圖3所示的橋臂10也可以是作為1個半導(dǎo)體模塊而提供的。橋臂10是將2個自消弧元件12串聯(lián)連接，但本發(fā)明不限于此，在將n設(shè)為大于或等于3的整數(shù)的情況下，也可以將n個自消弧元件12串聯(lián)連接而構(gòu)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連接于自消弧元件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管15串聯(lián)連接得到的，能夠進(jìn)行鉗位電壓設(shè)定值vclp的調(diào)整。在多個齊納二極管15的串聯(lián)電路中，最端部的齊納二極管15的陰極與自消弧元件12的集電極連接，相反側(cè)的端部的齊納二極管15的陽極經(jīng)由整流二極管16與柵極控制單元21連接。通過與齊納二極管15反向地將整流二極管16串聯(lián)連接，從而能夠防止電流從柵極控制單元21側(cè)回流。由齊納二極管15進(jìn)行調(diào)整的鉗位電壓設(shè)定值vclp設(shè)定為小于或等于靜態(tài)耐壓的70％。并且，優(yōu)選鉗位電壓設(shè)定值vclp為大于或等于靜態(tài)耐壓的50％。為了抑制串聯(lián)連接的多個自消弧元件12之間的電壓在轉(zhuǎn)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(shè)定值vclp設(shè)定得較低以可靠地發(fā)生鉗位。

圖5表示圖4所示的柵極控制單元21的內(nèi)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的一端連接于柵極電阻rg和柵極控制單元21的連接點(diǎn)。此外，圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的變形例所涉及的半導(dǎo)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(nèi)的推挽電路22的前級連接。

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

圖8是本發(fā)明的實(shí)施方式1所涉及的半導(dǎo)體裝置1的動作波形圖。圖8示出半導(dǎo)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(tài)耐壓va及鉗位電壓設(shè)定值vclp。電壓v1是2個自消弧元件12中的一個的集電極－發(fā)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(fā)射極間電壓。在斷開完成后即穩(wěn)定狀態(tài)下，2個自消弧元件12的集電極－發(fā)射極間電壓v1、v2接近至均等的大小。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性高的半導(dǎo)體裝置1。對這一點(diǎn)更詳細(xì)地進(jìn)行說明，在進(jìn)行了串聯(lián)連接的2個自消弧元件12的通斷的情況下，在轉(zhuǎn)換為斷開時發(fā)生由電流下降所導(dǎo)致的電涌電壓，到達(dá)至鉗位電壓設(shè)定值vclp。如果到達(dá)至鉗位電壓設(shè)定值vclp，則串聯(lián)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恒定的，表觀上，串聯(lián)連接的2個自消弧元件12的阻抗成為平衡狀態(tài)。如上所述，以與靜態(tài)耐壓相比充分低的電平有意地對集電極發(fā)射極間電壓進(jìn)行鉗位，從而能夠使串聯(lián)連接的多個自消弧元件12的電流下降速度恒定，抑制斷開時以及剛斷開后的電壓v1和電壓v2的不平衡。

如果鉗位電壓設(shè)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(jìn)行動作。對于以往的設(shè)想到過電壓保護(hù)的鉗位電壓設(shè)定值vclp而言，考慮的是與靜態(tài)耐壓相同、即靜態(tài)電壓的100％的值，或者充其量是靜態(tài)電壓的80％～90％左右。如果設(shè)為上述的鉗位電壓設(shè)定值vclp，則如以往的過電壓保護(hù)電路的目的那樣，鉗位電路僅在過電壓時進(jìn)行動作。因此，在本實(shí)施方式中，鉗位電壓設(shè)定值vclp設(shè)為小于或等于靜態(tài)耐壓的70％。由此，能夠在通常的斷開時使鉗位電路24進(jìn)行動作。另一方面，如果鉗位電壓設(shè)定值vclp過低，則會對鉗位電路24施加高的負(fù)載，因此不優(yōu)選。因此，優(yōu)選鉗位電壓設(shè)定值vclp設(shè)為大于或等于靜態(tài)耐壓的50％。

圖9～12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的變形例所涉及的半導(dǎo)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(lián)連接了8個自消弧元件12。如圖9所示，支路102還具有二極管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。由于如圖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(jié)構(gòu)已經(jīng)是公知的，不是新事物，因此省略說明。半導(dǎo)體裝置1例如能夠變形為2電平逆變器、3電平逆變器、或者大于或等于4個電平的多電平逆變器等，相數(shù)也是根據(jù)需要適當(dāng)?shù)貨Q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(gòu)成的電路進(jìn)行了通斷動作的情況下，由于電感18使電路電感增加，因此在轉(zhuǎn)換為斷開時產(chǎn)生的電涌電壓比圖8高。優(yōu)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(chǎn)生大于或等于鉗位電壓設(shè)定值vclp的電涌電壓。因此，變得容易達(dá)到鉗位電壓設(shè)定值vclp，能夠穩(wěn)定地使鉗位電路24進(jìn)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同樣地連接于自消弧元件12的集電極－柵極間。鉗位電路122是自消弧元件17和整流二極管16串聯(lián)連接而得到的，該自消弧元件17具有自鉗位功能，該整流二極管16用于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或者雙極晶體管等。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(fā)射極與整流二極管16的陽極連接。自消弧元件17以自消弧元件12的靜態(tài)耐壓的60％～70％左右的電壓進(jìn)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(tài)耐壓。

實(shí)施方式2

圖13～15是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的半導(dǎo)體裝置201的圖。圖13是半導(dǎo)體裝置201的整體電路圖。圖14是示意性地表示半導(dǎo)體裝置201所具有的半導(dǎo)體模塊212的內(nèi)部構(gòu)造的俯視圖，圖15是半導(dǎo)體模塊212的電路圖。半導(dǎo)體模塊212具有并聯(lián)連接的多個自消弧元件12和并聯(lián)連接的多個續(xù)流二極管13。自消弧元件12和續(xù)流二極管13彼此反向并聯(lián)連接。

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

自消弧元件19發(fā)揮自鉗位功能的電壓設(shè)為與實(shí)施方式1中的鉗位電路24等的鉗位電壓設(shè)定值vclp相同的值。作為一個例子，優(yōu)選自消弧元件19的靜態(tài)耐壓小于或等于自消弧元件12及續(xù)流二極管13的靜態(tài)耐壓的70％，進(jìn)一步地，更優(yōu)選大于或等于自消弧元件12及續(xù)流二極管13的靜態(tài)耐壓的50％。根據(jù)本實(shí)施方式，如果自消弧元件19的發(fā)射極－集電極電壓成為自消弧元件12等的靜態(tài)耐壓的50％～70％左右，則自消弧元件19發(fā)揮自鉗位功能。另外，自消弧元件19與自消弧元件12相比導(dǎo)通電阻更高。由此，能夠使電流優(yōu)先地流過并聯(lián)連接的自消弧元件12、19中的自消弧元件12。

如圖13所示，實(shí)施方式2所涉及的半導(dǎo)體裝置201是在實(shí)施方式1所涉及的半導(dǎo)體裝置1的基礎(chǔ)上將圖1所示的自消弧元件12分別置換為半導(dǎo)體模塊212。因此，在實(shí)施方式2中，通過將2個半導(dǎo)體模塊212串聯(lián)連接，從而構(gòu)成1個橋臂210，將2個該橋臂210串聯(lián)連接而構(gòu)成1個支路202，將多個該支路202并聯(lián)連接而構(gòu)成逆變器電路。由于3個自消弧元件包含于1個半導(dǎo)體模塊212，因此在實(shí)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(fā)明不限于此，在1個半導(dǎo)體模塊212內(nèi)并聯(lián)連接的自消弧元件12的個數(shù)也可以大于或等于3個。另外，也可以通過將大于或等于3個半導(dǎo)體模塊212串聯(lián)連接，從而構(gòu)成1個橋臂。

根據(jù)半導(dǎo)體模塊212，在轉(zhuǎn)換為斷開時產(chǎn)生的電涌電壓由自消弧元件19予以限制，對電涌電壓進(jìn)行鉗位。因此，串聯(lián)連接的多個自消弧元件12、19在電流完全下降之前，電流下降速度是恒定的，表觀上，串聯(lián)連接的多個自消弧元件12、19的阻抗是平衡狀態(tài)。因此，得到對斷開時以及剛斷開后的電壓不平衡進(jìn)行抑制的效果。如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，以與靜態(tài)耐壓相比充分低的電平有意地對集電極發(fā)射極間電壓進(jìn)行鉗位，從而在串聯(lián)連接的多個半導(dǎo)體模塊212所包含的自消弧元件12、19之間，電流下降速度變得恒定，能夠?qū)嚅_時以及剛斷開后的電壓不平衡進(jìn)行抑制。

優(yōu)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(yōu)選是sic制的肖特基勢壘二極管、或者sic制的mosfet等。由此，鉗位耐量提高，并且可靠性提高。

標(biāo)號的說明

1、201半導(dǎo)體裝置，2、102、202支路，10、110、210橋臂，12、17、19自消弧元件，13續(xù)流二極管，14平衡元件，15齊納二極管，16整流二極管，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(dǎo)體模塊。