CN104620480B - 半导体装置、汽车 - Google Patents

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Abstract

本申请的发明所涉及的半导体装置的特征在于，具有：晶体管，其由高电压电源向漏极和源极之间施加电压；驱动装置，其根据与该高电压电源相比电压较低的低电压电源的电压生成该晶体管的源极电压和栅极电压；以及分压电路，其与该低电压电源连接，当该源极电压低于一定值时，向该源极施加该分压电路的输出电压。

Description

半导体装置、汽车
技术领域
本发明涉及一种用于大电流的通断等的半导体装置以及使用该半导体装置的汽车。
背景技术
在专利文献1中公开了晶体管的驱动方式。该驱动方式在用于向栅极施加电压的控制电源关闭的情况下，向栅极施加与主电源连接的、被称为栅极切断电源的电源所提供的电压。由此，在控制电源关闭的情况下，避免发生晶体管桥臂的短路等。对于晶体管可以采用耗尽型(常通型)晶体管。
专利文献1：日本特开2004-242475号公报
发明内容
有时在供给用于控制晶体管的电压的部分发生某种异常，导致无法向晶体管供给规定的电压。在该情况下，晶体管的栅极电压和源极电压变为0V或者接近0V的值，有时由于噪声等的影响导致晶体管导通。由此，存在电源的电荷受到浪费的问题。
为了避免该问题，需要将晶体管的源极电压设置得比栅极电压高。在专利文献1中，由于使几百伏特的主电源的电压降低而生成栅极切断电源，因此，存在使装置变复杂，或者使损耗增大的问题。另外，主电源的电压与动作时的电涌等发生叠加，因此，存在栅极切断电源不稳定的问题。
本发明就是为了解决上述的问题而提出的，其目的在于提供一种半导体装置和使用该半导体装置的汽车，该半导体装置能够防止在供给用于控制晶体管的电压的部分没有正常进行运转的情况下晶体管导致电源短路。
本申请的发明所涉及的半导体装置的特征在于，具有：晶体管，其由高电压电源向漏极和源极之间施加电压；驱动装置，其根据与该高电压电源相比电压较低的低电压电源的电压生成该晶体管的源极电压和栅极电压；以及分压电路，其与该低电压电源连接，当该源极电压低于一定值时，向该源极施加该分压电路的输出电压。
下面，说明本发明的其他特征。
发明的效果
根据本发明，能够防止在向晶体管供给电压的部分没有正常进行运转的情况下，由于噪声的影响使晶体管导通而导致电源短路。
附图说明
图1是本发明的实施方式1所涉及的汽车的示意图。
图2是表示图1的汽车的内部的半导体装置的电路图。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的动作时的各部分的电压值的表。
图4是本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的电路图。
图5是本发明的实施方式3所涉及的半导体装置的电路图。
图6是本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的电路图。
图7是本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的电路图。
图8是本发明的实施方式6所涉及的半导体装置的电路图。
图9是本发明的实施方式7所涉及的半导体装置的电路图。
具体实施方式
参照附图，对本发明的实施方式所涉及的半导体装置进行说明。有时对相同或者相对应的结构要素标注相同的标号，并省略重复说明。此外，本发明的实施方式中的电压只要不进行特别的说明，则表示与接地端的电位差。
实施方式1
图1是本发明的实施方式1所涉及的汽车的示意图。该汽车是具有发动机10以及电动机12、并将它们组合而进行行驶的混合动力车。电动机12与逆变器14连接。逆变器14经由继电器16从高电压电源18接受电压供给。该逆变器14由ECU(Electronic Control Unit)20和控制用电源***22进行控制。控制用电源***22从低电压电源24接受电压供给。
图2是表示图1的汽车内部的半导体装置的电路图。具有MOS(Metal-OxideSemiconductor)结构的晶体管30是构成所述逆变器的元件的一部分。晶体管30是常断型的器件即增强型场效应晶体管。常断型的晶体管在栅极-源极间电压(Vgs)是0V时，漏极与源极之间截止，如果Vgs超过阈值电压(例如0.6V)则导通。在晶体管30的漏极与源极之间，通过高电压电源18施加电压。晶体管30对该电压进行通断，并向电动机进行电流供给。高电压电源18的电压例如是600V～1200V中的某个电压。将通过高电压电源18供给电压的区域称为高电压***。
晶体管30的栅极(b点)和源极(a点)与驱动装置40连接。驱动装置40是根据使用低电压电源24而产生的控制用电源的电压来生成晶体管30的源极电压和栅极电压的部分，其中，该低电压电源24的电压低于高电压电源18的电压。驱动装置40的电压是根据低电压电源24，利用构成控制用电源的变压器驱动电路42、变压器44、以及整流·平滑电路46产生的。此外，低电压电源的电压例如是12V，向驱动装置40施加的控制用电源的电压例如是15V。
低电压电源24与分压电路50连接。分压电路50将低电压电源24的电压分压成规定的电压。分压电路50具有电阻元件50a、50b。电阻元件50a与电阻元件50b的连接部成为分压电路50的输出。而且，分压电路50的输出与电阻元件52的一端连接。电阻元件52是为了将低电压电源24与高电压电源18电隔离而形成的。电阻元件52的电阻值例如优选大于或等于2MΩ。
电阻元件52的另一端与齐纳二极管54连接。齐纳二极管54的阳极与晶体管30的源极连接，阴极(c点)经由电阻元件52与分压电路50的输出连接。c点的电压通过分压电路50的输出保持在5V。齐纳二极管54的击穿电压比分压电路50的输出电压(c点的电压)低。本发明的实施方式1所涉及的齐纳二极管54的击穿电压例如是2V。
电阻元件50b中的、与电阻元件50a连接的部分的相反侧经由电阻元件56与接地端连接。由此，分压电路50的接地端和高电压***的接地端通过电阻元件56进行连接。电阻元件56的电阻值例如优选大于或等于2MΩ。通过电阻元件56，能够准许低电压***(指的是通过低电压电源24供给电压的区域)的接地端与高电压***的接地端的电位差稍有差异，并将该电位差限定在一定的范围内。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的动作时的各部分的电压值的表。首先，在正常动作环境下，当导通晶体管30时，驱动装置40将栅极电压设置得比源极电压高。具体地说，将源极电压设为5V，将栅极电压设为15V。在正常动作环境下，当截止晶体管时，将源极电压设置得比栅极电压高。具体地说，将源极电压设为5V，将栅极电压设为0V。即，正常动作环境下的Vgs(栅极电压-源极电压)在导通晶体管30时是10V，在截止时是-5V。导通晶体管30时的Vgs设置得充分地高于晶体管30的阈值电压，以使得即使受到噪声影响也能够维持导通状态。在截止晶体管30时将Vgs设为负的电压值，是为了即使晶体管30受到噪声的影响，也能够维持截止状态。
如上所述，驱动装置40向晶体管30的栅极施加与来自ECU的驱动信号相对应的电压，并且，向源极施加5V的电压。由此，晶体管30对从高电压电源18施加的高电压实施通断动作。
下面，对在控制用电源的变压器驱动电路42、变压器44、或者整流·平滑电路46、或者驱动装置40处发生异常而无法向晶体管30的栅极和源极供给规定的电压的情况进行说明。在该情况下，控制用电源(参照图2)无法产生电压，晶体管30的栅极电压和源极电压变为0V或者接近0V的值。此时，Vgs变为0V。如果栅极电压和源极电压变为0V或者接近0V的值，则有时由于噪声的影响使晶体管30导通，高电压电源18的电力受到浪费，或者由于过电流的流动导致晶体管30损坏。
在本发明的实施方式1中，齐纳二极管54的阴极(c点)的电压是5V，因此，在发生异常、源极电压降低至小于或等于3V的情况下，向齐纳二极管54施加有大于或等于击穿电压即大于或等于2V的反向电压。例如，在源极电压变为0V的情况下，向齐纳二极管54施加5V的反向电压，齐纳二极管54击穿，而施加3V的电压作为源极电压。
如上所述，在由于控制用电源或者驱动装置40的异常导致驱动装置40无法供给规定的电压的情况下，向源极(a点)施加分压电路50的输出电压，使源极电压高于栅极电压。即，使Vgs＜0。由此，能够防止在向晶体管30供给电压的部分没有正常进行运转的情况下，由于噪声的影响导致晶体管30导通而使高电压电源18发生短路。本发明在使用阈值电压较低(例如0.6V)的晶体管的情况下特别有效。此外，如果将本发明的实施方式1所涉及的半导体装置搭载在汽车中，则能够提供具有故障保护功能的汽车，该故障保护功能在控制用电源***发生异常时稳定地使***停止。下面的实施方式所涉及的半导体装置也同样如此。
在本发明的实施方式1所涉及的半导体装置中，使用齐纳二极管54，向源极施加分压电路50的输出电压，因此，能够通过非常简单的结构得到上述的效果。另外，能够通过变更齐纳二极管54的击穿电压，从而任意地变更异常时向源极施加的电压。
在驱动装置40中，分别生成栅极电压和源极电压。如图2所示，将从整流·平滑电路46供给的电压通过电阻元件40a、40b分压而生成源极电压。而且，如果图2的d点和e点均变成0V而不再向驱动装置40供给电压，则驱动装置40的输出消失，栅极电压和源极电压变成0V。此时，由于在源极(a点)与d点以及e点之间存在电阻元件40a、40b，因此，能够维持从分压电路50向源极施加的电压。
本发明在晶体管30的源极电压低于一定值时，向源极施加与低电压电源24连接的分压电路50的输出电压，从而可靠地将晶体管30设为截止状态。能够在不脱离该特征的范围内进行各种变形。例如，也可以不使用齐纳二极管54，而是使用开关向源极施加分压电路50的输出电压。
晶体管30是增强型晶体管，但也可以使用常通型的器件即耗尽型的晶体管或者结型FET。常通型的器件的阈值电压是负值，在Vgs是0V时，源极-漏极之间变为导通，在Vgs比负值的阈值电压低时，变为截止。在使用常通型的器件的情况下，如果控制用电源或者驱动装置40发生异常，晶体管的栅极电压和源极电压变为0V或者接近0V的值，则很可能即使没有受到噪声的影响，晶体管也会导通，使高电压电源18的电力受到浪费，或者流动过电流，但根据本实施方式能够防止这种情况。在使用常通型的设备的情况下，能够通过将正常时的源极电压、以及齐纳二极管的阴极电压设定得比图3所记载的电压值高(例如10V)，从而在异常时更加稳定地使晶体管截止。另外，晶体管30不限定于MOS型，也可以是双极晶体管。晶体管30可以是由硅形成，但优选利用与硅相比，带隙较宽的宽带隙半导体形成。作为宽带隙半导体，例如存在碳化硅、氮化镓类材料，或者金刚石。另外，作为晶体管30还可以使用绝缘栅型双极晶体管(IGBT)。
电阻元件52不限定于图2所示的位置，只要与将分压电路50的输出、齐纳二极管54、源极连结的配线串联连接即可。
实施方式2
图4是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的电路图。本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的特征在于，向构成逆变器电路下桥臂的晶体管的源极施加分压电路的输出电压。
U相桥臂具有构成上桥臂的晶体管100、以及构成下桥臂的晶体管102。V相桥臂具有构成上桥臂的晶体管104、以及构成下桥臂的晶体管106。W相桥臂具有构成上桥臂的晶体管108、以及构成下桥臂的晶体管110。
而且，构成下桥臂的晶体管102、106、110的源极分别与齐纳二极管54a、54b、54c的阳极连接。而且，齐纳二极管54a、54b、54c的阴极分别经由电阻元件52a、52b、52c，与分压电路50的输出连接。对于晶体管102、106、110，与实施方式1相同地，驱动装置连接至各晶体管的栅极和源极。向这些驱动装置施加根据低电压电源24由控制用电源产生的控制用电压。对于晶体管100、104、108，各晶体管的栅极和源极与内置有电压电平移位电路的驱动电路(未图示)连接。
晶体管100、102、104、106、108、110的正常动作环境下的动作与实施方式1相同。而且，在构成下桥臂的晶体管102、106、110中某一个的源极的源极电压降低的情况下，经由齐纳二极管向源极电压发生了降低的源极施加分压电路50的输出电压。
如上所述，能够通过向构成下桥臂的晶体管施加分压电路50的输出电压，可靠地将下桥臂的晶体管设为截止状态，从而抑制桥臂短路。在图4中示出了3相交流逆变器，但能够将该技术广泛地应用在具有上桥臂和下桥臂的逆变器中。
实施方式3
图5是本发明的实施方式3所涉及的半导体装置的电路图。本发明的实施方式3所涉及的半导体装置的特征在于，根据从ECU输出至驱动装置的信号，对是否将分压电路50的输出电压向齐纳二极管54的阴极施加进行切换。
在齐纳二极管54的阴极与电阻元件52之间连接有开关120。开关120用于经由电阻元件52和齐纳二极管54，将分压电路50的输出与晶体管30的源极电连接，或者将分压电路50的输出与晶体管30的源极之间断开。开关120的接通断开由从ECU101输出的断开信号Si进行控制。断开信号Si是在ECU101从驱动装置40接收到下述通知而判断出应该断开晶体管30时，向驱动装置40发出的信号，该通知的内容为驱动装置40内的温度、电流、或者电压波形与目标值的差值超过一定值。
开关120在断开晶体管30的信号即断开信号Si从外部(ECU101)传送至驱动装置40的情况下变为接通，将分压电路50的输出与源极电连接，在除此以外的情况下变为断开，将分压电路50的输出与源极电气断开。
根据本发明的实施方式3所涉及的半导体装置，在发出了断开信号Si时，能够从分压电路50施加源极电压，因此，能够防止高电压电源18发生短路。
实施方式4
图6是本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的电路图。本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的特征在于，根据驱动装置40是否将表示异常的异常信号输出至外部，对是否将分压电路50的输出电压向齐纳二极管54的阴极施加进行切换。
开关120的接通断开由从驱动装置40发出的异常信号Sa进行控制。异常信号Sa例如是在驱动装置40内的温度、电流、或者电压波形与目标值的差值超过一定值时、或者在检测出晶体管30的异常时，驱动装置40内的保护电路向ECU101发出的信号。
开关120在驱动装置40将表示异常的异常信号Sa输出至外部(ECU101)的情况下，将分压电路50的输出与源极电连接，在除此以外的情况下，将分压电路50的输出与源极电气断开。
根据本发明的实施方式4所涉及的半导体装置，在发出了异常信号Sa时，能够从分压电路50施加源极电压，因此，能够防止高电压电源18发生短路。
实施方式5
图7是本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的电路图。本发明的实施方式5所涉及的半导体装置在发出有断开信号或者异常信号时，将分压电路50的输出与源极电连接，在除此以外的情况下，将分压电路50的输出与源极电气断开。
本发明的实施方式5所涉及的半导体装置具有OR电路122。断开信号Si和异常信号Sa是OR电路122的输入。而且，通过OR电路122的输出，切换开关120的接通断开。
根据本发明的实施方式5所涉及的半导体装置，在发出了断开信号Si或者异常信号Sa时，能够从分压电路50施加源极电压，因此，能够防止高电压电源18发生短路。
实施方式6
图8是本发明的实施方式6所涉及的半导体装置的电路图。本发明的实施方式6所涉及的半导体装置的特征在于，对多个模块内的晶体管的源极分别地施加分压电路50的输出。
本发明的实施方式6所涉及的半导体装置具有升压模块150和逆变器模块152。在升压模块150和逆变器模块152中分别配置有晶体管。即，在升压模块150中形成有第1晶体管150a，在逆变器模块152中形成有第2晶体管152a。
升压模块150和逆变器模块152分别具有驱动装置。具体地说，将收容在升压模块150内的、生成第1晶体管150a的栅极电压和源极电压的驱动装置称为第1驱动装置。另外，将收容在逆变器模块152内的、生成第2晶体管150b的栅极电压和源极电压的驱动装置称为第2驱动装置。第1驱动装置和第2驱动装置与实施方式1的驱动装置相同。
齐纳二极管54a的阴极与第1开关120a连接。第1开关120a将分压电路50的输出与第1晶体管150a的源极电连接或者电气断开。第1开关120a的栅极经由电阻元件158与升压模块150的第1驱动装置连接。第1开关120a在第1驱动装置将表示异常的第1异常信号Sa输出至外部时，将分压电路50的输出与第1晶体管150a的源极电连接，在没有输出第1异常信号Sa时，将分压电路50的输出与第1晶体管150a的源极电气断开。
齐纳二极管54b的阴极与第2开关120b连接。第2开关120b将分压电路50的输出与第2晶体管152a的源极电连接或者电气断开。第2开关120b的栅极经由电阻元件159与逆变器模块152的第2驱动装置连接。第2开关120b在第2驱动装置将表示异常的第2异常信号Sa输出至外部时，将分压电路50的输出与第2晶体管152a的源极电连接，在没有输出第2异常信号时，将分压电路50的输出与第2晶体管152a的源极电气断开。
根据本发明的实施方式6所涉及的半导体装置，能够仅向发出异常信号的模块中的晶体管的源极施加分压电路50的输出电压。
实施方式7
图9是本发明的实施方式7所涉及的半导体装置的电路图。本发明的实施方式7所涉及的半导体装置的特征在于，当低电压电源24的电压小于或等于规定值时，将高电压电源18与晶体管电气断开。
本发明的实施方式7所涉及的半导体装置具有半导体***160，该半导体***160在内部具有驱动装置、晶体管。经由控制用电源162，低电压电源24的电压供给至半导体***160。而且，驱动装置根据低电压电源24的电压生成晶体管的栅极电压和源极电压。向晶体管的漏极和源极施加高电压电源18的电压。
在将高电压电源18与晶体管电连接的配线的中途形成有分离部164。分离部164由磁力继电器形成。该分离部164与低电压电源24电连接。而且，分离部164在低电压电源24的电压小于或等于规定值时，将高电压电源18与晶体管电气断开。即，继电器断开。由此，能够防止在低电压电源24的电压小于或等于规定值时晶体管使高电压电源18短路。
此外，规定值例如是指无法维持晶体管的导通状态或者截止状态的电压。在该情况下，如果低电压电源24的电压低于规定值，则无法生成用于将晶体管设为导通状态或者截止状态的电压。
可以对到此为止进行了说明的实施方式1-7所涉及的半导体装置的特征进行适当组合。此外，实施方式2-7所涉及的发明至少能够进行与实施方式1相同程度的变形。
标号的说明
10 发动机，12 电动机，14 逆变器，16 继电器，18 高电压电源，20 ECU，22 控制用电源***，24 低电压电源，30 晶体管，40 驱动装置，40a、40b 电阻元件，42 变压器驱动电路，44 变压器，46 整流·平滑电路，50 分压电路，50a、50b 电阻元件，52 电阻元件，54齐纳二极管，56 电阻元件，120 开关，122 OR电路，150 升压模块，152 逆变器模块。

Claims (13)

1.一种半导体装置，其特征在于，具有：
晶体管，其由高电压电源向漏极和源极之间施加电压；
驱动装置，其根据与所述高电压电源相比电压较低的低电压电源的电压生成所述晶体管的源极电压和栅极电压；以及
分压电路，其与所述低电压电源连接，
当所述源极电压低于一定值时，向所述源极施加所述分压电路的输出电压，从而使所述源极的电压高于所述栅极电压。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
具有齐纳二极管，该齐纳二极管的阳极与所述源极连接，阴极与所述分压电路的输出连接，
所述齐纳二极管的击穿电压比所述分压电路的输出电压低。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
具有电阻元件，该电阻元件与将所述分压电路的输出、所述齐纳二极管、以及所述源极连结的配线串联连接。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，
所述高电压电源的电压是600V～1200V中的某个电压，
所述低电压电源的电压是12V，
所述电阻元件的电阻值大于或等于2MΩ。
5.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述驱动装置在导通所述晶体管时，将所述栅极电压设置得比所述源极电压高，在截止所述晶体管时，将所述源极电压设置得比所述栅极电压高。
6.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述晶体管构成逆变器电路的下桥臂。
7.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
具有开关，该开关将所述分压电路的输出与所述源极电连接或者电气断开，
所述开关在从外部向所述驱动装置传送了将所述晶体管断开的信号即断开信号的情况下，或者在所述驱动装置将表示异常的异常信号输出至外部的情况下，将所述分压电路的输出与所述源极电连接，在除此以外的情况下，将所述分压电路的输出与所述源极电气断开。
8.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
具有升压模块和逆变器模块，
所述晶体管具有在所述升压模块中形成的第1晶体管、以及在所述逆变器模块中形成的第2晶体管，
所述驱动装置具有生成所述第1晶体管的栅极电压和源极电压的第1驱动装置、和生成所述第2晶体管的栅极电压和源极电压的第2驱动装置，
所述半导体装置具有：
第1开关，其将所述分压电路的输出与所述第1晶体管的源极电连接或者电气断开；以及
第2开关，其将所述分压电路的输出与所述第2晶体管的源极电连接或者电气断开，
所述第1开关在所述第1驱动装置将表示异常的第1异常信号输出至外部时，将所述分压电路的输出与所述第1晶体管的所述源极电连接，在没有输出所述第1异常信号时，将所述分压电路的输出与所述第1晶体管的所述源极电气断开，
所述第2开关在所述第2驱动装置将表示异常的第2异常信号输出至外部时，将所述分压电路的输出与所述第2晶体管的所述源极电连接，在没有输出所述第2异常信号时，将所述分压电路的输出与所述第2晶体管的所述源极电气断开。
9.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述晶体管是常断型。
10.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述晶体管是常通型。
11.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述晶体管由宽带隙半导体形成。
12.根据权利要求11所述的半导体装置，其特征在于，
所述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓类材料，或者是金刚石。
13.一种汽车，其特征在于，具有：
电动机；
晶体管，其由高电压电源向漏极和源极之间施加电压，并对所述电动机进行电流供给；
驱动装置，其根据与所述高电压电源相比电压较低的低电压电源的输出电压生成所述晶体管的源极电压和栅极电压；以及
分压电路，其与所述低电压电源连接，
当所述源极电压低于一定值时，向所述源极施加所述分压电路的输出电压，从而使所述源极的电压高于所述栅极电压。
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