DE102005022074A1 - Halbleitervorrichtung mit einer Leistungsschalterhalbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung mit einer Leistungsschalterhalbleitervorrichtung Download PDF

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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung (100) ist versehen mit einer Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung (11, 12; 21, 22; 31, 32), einer integrierten Steuerschaltung (IC1, IC2, IC3), einem Stromdetektorabschnitt (3) und einer Schutzschaltung (54, 55, 56, 57). Die integrierte Steuerschaltung (IC1, IC2, IC3) steuert die Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung (11, 12; 21, 22; 31, 32) an, und der Stromdetktorabschnitt (3) erfasst einen Strom, der in der Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung (11, 12; 21, 22; 31, 32) fließt. Die Schutzschaltung (54, 55, 56, 57) vergleicht eine von dem Stromdetektorabschnitt (3) erhaltene erfasste Spannung mit einer von einer vorbestimmten Referenzspannung erhaltenen Vergleichsreferenzspannung, und beendet das Ansteuern der Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung (11, 12; 21, 22; 31, 32) durch die integrierte Steuerschaltung (IC1, IC2, IC3), wenn die erfasste Spannung höher ist als die Vergleichsreferenzspannung. Weiter ist ein Anschluss (RREF) vorgesehen, der eine Leitung der Vergleichsreferenzspannung zu einer externen Schaltung der Halbleitervorrichtung (100) herausführt, um die Vergleichsreferenzspannung mittels eines externen Widerstands (RR), der mit dem Anschluss (RREF) verbunden ist, zu ändern.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und insbesondere auf eine Halbleitervorrichtung mit einer Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung und einer integrierten Steuerschaltung zum Ansteuern der Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung.
  • Wenn die Halbleitervorrichtung ein Wechselrichter vom Typ mit dreiphasigem Ausgang ist, beinhaltet die Halbleitervorrichtung sechs IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) von Leistungsschalter-Halbleitervorrichtungen, die eine Dreiphasenbrückenschaltung bilden, und drei integrierte Steuerschaltungen, die für entsprechende drei Phasen vorgesehen sind, um diese IGBTs zu treiben. Zum Zwecke des Schützens der Halbleitervorrichtung gegen einen Überstrom werden in dem IGBT für jeweilige Phasen fließende Ströme durch einen mit einer externen Schaltung dieser Halbleitervorrichtung verbunden Nebenwiderstand erfasst, und eine von dem Nebenwiderstand erfasste Spannung wird in eine der integrierten Steuerschaltungen eingegeben. Ein in der integrieren Steuerschaltung enthaltener Vergleicher vergleicht die erfasste Spannung mit einer durch einen Referenzwiderstand erzeugten Referenzspannung. Wenn die erfasste Spannung gleich oder höher ist als die Referenzspan nung, dann wird entschieden, dass der IGBT in einem Überstromzustand ist, ein Ansteuerungssignal wird von der integrierten Steuerschaltung abgeschaltet und der IGBT wird ausgeschaltet.
  • Wie ersichtlich, wird ein Auslösepegel für den Überstromschutz herkömmlich festgelegt auf der Grundlage eines Widerstandswertes des Nebenwiderstandes. Allgemein gesprochen ist der Widerstandswert des Nebenwiderstandes bestimmt festgelegt, so dass der Auslöser für den Überstromschutz arbeitet, wenn die durch den Nebenwiderstand erfasste Spannung höher als 0,5V ist.
  • Es gibt den folgenden nachteiligen Zusammenhang. Wenn der Widerstandswert derart festgelegt ist, dass er größer ist, ist ein Wärmeverlust an dem Nebenwiderstand höher. Auf der anderen Seite, wenn der Widerstandswert derart festgelegt ist, dass er geringer ist, ist es schwierig, den Auslösepegel in der integrierten Steuerschaltung zu bestimmen, und die Genauigkeit des Auslösepegels ist verringert. Jedoch ist es herkömmlicherweise wegen des festen Widerstandswertes des Nebenwiderstands ungünstigerweise unmöglich auszuwählen, ob einer Verringerung des Wärmeverlusts oder einer Verbesserung der Genauigkeit des Überstromschutzes in Abhängigkeit von der Verwendung der Halbleitervorrichtung eine höhere Priorität gegeben wird.
  • Um die obigen Probleme zu lösen, offenbart z.B. die japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2001-168652 (im folgenden als ein erstes Patentdokument bezeichnet) eine Halbleitervorrichtung, die eine Stromspiegelschaltung nützt, welche eine Referenzspannung an dem Referenzwiderstand erzeugt, und der einem durch die Stromspiegelschaltung fließenden Strom ermöglicht, durch einen mit der externen Schaltung der Halbleitervorrichtung verbundenen Widerstand eingestellt zu werden.
  • Weiter offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2003-319552 (im folgenden als ein zweites Patentdokument bezeichnet) eine Überstromschutzvorrichtung, die so aufgebaut ist, dass eine erfasste Spannung durch einen Verstärker verstärkt wird, die verstärkte Spannung durch Spannungsteilerwiderstände geteilt wird und eine resultierende Spannung mit einer Referenzspannung durch eine Überstromerfassungsschaltung verglichen wird. Dies führt zum Schutz einer Schaltung gegen Überstrom. Die Überstromschutzvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein externer Widerstand mit einem der Spannungsteilerwiderstände in Reihe oder parallel geschaltet ist, um ein Verhältnis einer Spannungsteilung zu ändern.
  • Die japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2003-319546 (im folgenden als ein drittes Patentdokument bezeichnet) offenbart eine integrierte Hybridschaltungsvorrichtung, die ermöglicht, dass ein gewünschter Widerstandswert durch Schalten ausgewählt wird anstelle der Verwendung des externen Widerstands wie er in dem zweiten Patentdokument offenbart ist.
  • Bei der Halbleitervorrichtung, die in dem ersten Patentdokument offenbart ist, ist es notwendig, die Stromspiegelschaltung bereitzustellen. Sowohl bei der in dem zweiten Patentdokument veröffentlichten als auch der in dem dritten Patentdokument veröffentlichten Vorrichtung wird die erfasste Spannung durch den Verstärker verstärkt und eine Ausgangsspannung von dem Verstärker wird durch einen Spannungsteiler mit einem variablen Spannungsteilerwiderstand eingestellt, um die erfasste Spannung einzustellen. Daher wird ein Schaltungsaufbau ungünstigerweise kompliziert, und es ist notwendig, die Schaltung in ungünstiger Weise stark zu ändern.
    •
  • Eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Halbleitervorrichtung mit einem Schaltungsaufbau bereitzustellen, der einfacher ist als der der herkömmlichen Vorrichtung, wobei sie die Vergleichsreferenzspannung ohne irgendeine Stromschaltung leicht ändern kann.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1. Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Um die zuvor erwähnte Aufgabe zu lösen, wird gemäß einer Ausführungsform eine Halbleitervorrichtung mit einer Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung, einer integrierten Steuerschaltung, einem Stromdetektor und einer Schutzschaltung bereitgestellt. Die integrierte Steuerschaltung steuert die Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung an, und der Stromdetektorabschnitt erfasst einen durch die Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung fließenden Strom. Die Schutzschaltung vergleicht eine erfasste Spannung, die von dem Stromdetektorabschnitt erhalten wird, mit einer Vergleichsreferenzspannung, die von einer vorbestimmten Referenzspannung erhalten wird, und bewirkt, dass die integrierte Steuerschaltung das Ansteuern der Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung beendet, wenn die erfasste Spannung höher als die Vergleichsreferenzspannung ist. Die Halbleitervorrichtung beinhaltet weiter vorzugsweise einen Anschluss zum Herausführen einer Leitung der Vergleichsreferenzspannung an eine externe Schaltung der Halbleitervorrichtung, um die Vergleichsreferenzspannung mittels eines mit dem Anschluss verbundenen externen Widerstands zu ändern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Referenzspannung erhöht oder verringert durch Verbinden des externen Widerstands mit dem Anschluss der zum Herausführen der Leitung der Referenzspannung an die externe Schaltung der Halbleitervorrichtung vorgesehen ist. Deshalb kann der Auslösepegel für den Überstromschutz leicht geändert werden, und es ist unnötig, den Aufbau der Halbleitervorrichtung groß zu ändern.
  • Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind.
    •
  • Von den Figuren zeigen:
  • 1 einen Schaltplan einer Leistungs-Halbleitervorrichtung nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
  • 2 einen Steuerungsblockschaltplan, der Details einer in 1 gezeigten integrierten Steuerschaltung zeigt;
  • 3 einen Schaltplan einer Leistungshalbleitervorrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
  • 4 einen Steuerungsschaltplan, der Details einer in 3 dargestellten integrierten Steuerschaltung zeigt; und
  • 5 einen Schaltplan, der eine Verschaltung der IGBTs darstellt.
  • Erste bevorzugte Ausführungsform
  • 1 ist ein Schaltplan einer Leistungshalbleitervorrichtung 100 mit sechs IGBTs 11, 12, 21, 22, 31 und 32 sowie drei integrierten Steuerschaltungen IC1 bis IC3, die das Schalten dieser IGBTs steuern. Ein System davon beinhaltet eine Steuereinrichtung 1, die die Leistungshalbleitervorrichtung 100 steuert, eine Spannungsversorgung 2, die eine elektrische Leistung an die Leistungshalbleitervorrichtung 100 liefert, sowie eine Eingangsstromdetektorschaltung 3, die aus einem Nebenwiderstand R0, einem Widerstand R1 und einem Kondensator C4 aufgebaut ist. 2 ist ein Steuerungsblockschaltplan der integrierten Steuerschaltungen IC2 und IC3.
  • Mit Bezug auf 1 sind gepaarte IGBTs 11 und 12, 21 und 22 sowie 31 und 32, die jeweils in der Form einer Totem-Pole-Schaltung verbunden sind, parallel zwischen die Anschlüsse P und N geschaltet, durch die eine Gleichstromeingangsspannung an die Leistungshalbleitervorrichtung 100 geliefert wird. In 1 sind die IGBTs auf einer Linie der Länge nach angeordnet wie es einer tatsächlichen Anordnung der IGBTs in einem Gehäuse entspricht. Wie in 5 gezeigt, bilden diese sechs IGBTs eine Drehstrombrückenschaltung, die dem Fachmann bekannt ist.
  • Ein Verbindungspunkt jedes der IGBT-Paare 11 und 12, 21 und 22 sowie 31 und 32 ist mit einem Anschluss Vs der entsprechenden integrierten Steuerschaltung IC verbunden, und ist auch mit Ausgangsanschlüssen U(VUFS), V(VVFS) und W(VWFS) der Leistungshalbleitervorrichtung 100 verbunden. Eine Last wie z.B. ein Drehstrommotor M oder dergleichen ist mit diesen Ausgangsanschlüssen verbunden.
  • Der Anschluss N ist über den Nebenwiderstand R0 mit einem geringen Widerstandswert geerdet und ist auch über eine Reihenschaltung geerdet, die den Widerstand R1 und den Kondensator C4 enthält. Ein Eingangsstromerfassungssignal, das eine Größe eines Eingangsstroms anzeigt, wird von einem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R1 und dem Kondensator C4 herausgeleitet und wird dann an einen Anschluss CIN einer integrierten Steuerschaltung (bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform IC3) der integrierten Steuerschaltungen IC1 bis IC3 geliefert.
  • Die Steuereinrichtung 1 liefert ein vorbestimmtes Steuersignal an die jeweiligen integrierten Steuerschaltungen IC1 bis IC3 in der Leistungshalbleitervorrichtung 100 über verschiedene Arten von Anschlüssen, um die integrierten Steuerschaltungen IC1 bis IC3 zu steuern. Eine Gleichspannung von 15V wird von der Spannungsversorgung 2 an den Spannungsversorgungsanschluss VCC jeder der integrierten Steuerschaltungen IC1 bis IC3 geliefert.
  • Weiter wird die Gleichspannung von der Spannungsversorgung 2 an einen Anschluss VB jeder der integrierten Steuerschaltungen IC1 bis IC3 über eine Diode D und einen Widerstand R2 geliefert. Es ist zu bemerken, dass die Kondensatoren C1 und C2 jeweils mit einer Kapazität von etwa 0,1 bis 2 μF, die zwischen einem Ende des Widerstands R2 und jedem Ausgangsanschluss geschaltet sind, zur Rauschunterdrückung vorgesehen sind, wobei die Kondensatoren C1 und C2 mit guten Temperatureigenschaften verwendet werden.
  • Ein hochpotentialseitiger Ausgangsanschluss ("High-Side"-Ausgangsanschluss) HO der integrierten Steuerschaltung IC3 ist mit einem Gate des hochpotentialseitigen IGBT ("High-Side"-IGBT) 31 verbunden, wohingegen ein tiefpotentialseitiger Ausgangsanschluss ("Low-Side"-Ausgangsanschluss) LO mit einem Gate des tiefpotentialseitigen IGBT ("Low-Side"-IGBT) 32 verbunden ist. Die anderen integrierten Steuerschaltungen ICI und IC2 sind in der gleichen Art und Weise wie die integrierte Steuerschaltung IC3 aufgebaut. Dementsprechend wird im folgenden hauptsächlich ein einphasiger Schaltungsaufbau, der durch die integrierte Steuerschaltung IC3 und die IGBTs 31 und 32 aufgebaut ist, beschrieben werden.
  • Wie in 2 gezeigt, werden die durch jeweilige Eingänge PIN und NIN der integrierten Steuerschaltung IC eingespeisten Signale "pin" und "nin" einer vorbestimmten Verarbeitung durch einen Eingangsabschnitt 51 unterzogen. Danach wird der Pegel des Signals "pin" durch eine Pegelverschiebungsschaltung 52 zu einer Hochpotentialseite "High-Side" verschoben, und der hochpotentialseitige IGBT 31 wird als Antwort auf ein Ansteuerungssignal von einem hochpotentialseitigen Ausgangsabschnitt ("High-Side"-Ausgangsanschluss) 53 angesteuert. Andererseits wird das Signal "nin" in einen tiefpotentialseitigen Ausgangs abschnitt ("Low-Side"-Ausgangsabschnitt) 58 über einen FO-Eingangsabschnitt 57 eingespeist, und der tiefpotentialseitige IGBT 32 wird als Antwort auf ein Ansteuerungssignal von diesem tiefpotentialseitigen Ausgangsabschnitt 58 angesteuert.
  • Andererseits wird das Eingangsstromerfassungssignal wie es über den Anschluss CIN eingespeist wird, als eine erfasste Spannung VIN geliefert an einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss (+) eines Vergleichers 54 in der integrierten Steuerschaltung IC3. Eine Vergleichsreferenzspannung (VREF) mit einer internen Referenzspannung VREG, die durch eine Spannungsteilerschaltung wie sie durch die Widerstände RA und RB aufgebaut ist, erhalten wird, wird in einen anderen invertierenden Eingangsanschluss (–) eines Referenzeingangsanschlusses des Vergleichers 54 eingespeist. Ferner beinhaltet die integrierte Steuerschaltung IC3 weiter eine Leitung der Vergleichsreferenzspannung VREF, nämlich einen Anschluss RREF zum Herausführen des Referenzeingangsanschlusses (–) des Vergleichers 54 zu der externen Schaltung, und ein externer Widerstand RR ist zwischen den Anschluss RREF und die Masse geschaltet. In diesem Fall führt dies dazu, dass der externe Widerstand RR zu dem Widerstand RB parallel geschaltet ist.
  • Wenn der Widerstand RR nicht mit dem Widerstand RB verbunden ist, wird die Vergleichsreferenzspannung VREF durch die folgende Gleichung ausgedrückt: VREF = VREG·RB/(RA + RB) (1).
  • Andererseits, wenn der Widerstand RR mit dem Widerstand RB verbunden ist, wird die Vergleichsreferenzspannung VREF verringert.
  • Ferner wird in dem Fall, in dem die erfasste Spannung VIN größer als die Vergleichsreferenzspannung VREF ist, ein Hochpegelsignal von dem Vergleicher 54 abgegeben. Zusätzlich, wenn der Pegel der Spannungsversorgung weiter derart verringert wird, dass er gleich oder niedriger als ein spezifizierter Wert ist, wird auch ein Hochpegelsignal von einem Tiefspannungserfassungsabschnitt (UV) 55 abgegeben. Wenn das Hochpegelsignal von dem Vergleicher 54 oder dem Tiefspannungserfassungsabschnitt 55 an einen FO-Ausgangsabschnitt 56 abgegeben wird, gibt der FO-Ausgangsabschnitt 56 ein Tiefpegel-Fehlersignal FO aus.
  • Das Fehlersignal FO wird in einen FO-Eingangsabschnitt 57 eingespeist, und wird auch von einem Anschluss FO an die FO-Eingangsabschnitte 57 der anderen integrierten Steuerschaltungen IC1 und IC2 durch eine FO-Signalversorgungsleitung geliefert. Wie in 1 gezeigt, wird die FO-Signalversorgungsleitung, die durch einen Anhebewiderstand R6 auf den Hochpegel angehoben wird, als Antwort auf einen Ausgang des Fehlersignals FO zu einem Tiefpegel umgeschaltet.
  • Wenn er das Fehlersignal FO empfängt, gibt der FO-Eingangsabschnitt 57 ein Tiefpegelsignal an den tiefpotentialseitigen Ausgangsabschnitt 58 ab, und dies führt dazu, dass die Abgabe des Ansteuerungssignals von dem tiefpotentialseitigen Ausgabeabschnitt 58 in allen integrierten Steuerschaltungen beendet wird. Als Folge werden alle tiefpotentialseitigen (unterer Zweig) IGBTs 12, 22 und 32 ausgeschaltet und dann wird die Versorgung der elektrischen Leistung an die Last M abgeschaltet. Somit beinhaltet jede der integrierten Steuerschaltungen IC1 bis IC3 eine Schutzschaltung, die durch den Vergleicher 54, den Niederspannungserfassungsabschnitt (UV) 55, den FO-Ausgangsabschnitt 56 und den FO-Eingangsabschnitt 57 gebildet ist. Eine solche Schutzschaltung ist normalerweise in jeder der integrierten Steuerschaltungen IC1 bis IC3 enthalten. Alternativ kann die Schutzschaltung getrennt von der integrierten Steuerschaltung vorgesehen sein.
  • Wie oben beschrieben, kann der Auslösepegel für den Überstromschutz verringert werden, da das Verbinden des externen Widerstands RR die Vergleichsreferenzspannung VREF verringern kann, und dann führt dies zum Erreichen des Rufbaus der Halbleitervorrichtung, bei dem einer Verringerung des Wärmeverlustes von dem Nebenwiderstand eine höhere Priorität gegeben wird. Zusätzlich wird kein Vergleicher 54 speziell benötigt in den integrierten Steuerschaltungen IC1 und IC2. Wenn er jedoch vorgesehen ist, ist der mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss (+) der Vergleichseingangsabschnittes zu verbindende Anschluss CIN geerdet, so dass er nicht arbeitet.
  • Zweite bevorzugte Ausführungsform
  • Die 3 und 4 zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungsform. In 2 ist ein Ende des Widerstands RR geerdet und dies führt dazu, dass der Widerstand RR zu dem Widerstand RB parallel geschaltet ist. Mit Bezug auf 4 ist im Gegensatz dazu ein Ende des externen Widerstands RR mit einer internen Referenzspannung verbunden. In diesem Fall ist der externe Widerstand RR parallel zu dem Widerstand RA geschaltet. Wie in 4 gezeigt, steigt die Referenzspannung an, wenn der externe Widerstand RR mit der Referenzspannung des Vergleichers 54 verbunden ist, mit dem der externe Widerstand RR nicht verbunden ist. Dementsprechend kann der Auslösepegel des Überstromschutzes nach oben geändert werden, und dies führt zum Erreichen des Aufbaues der Halbleitervorrichtung, bei dem der Verbesserung der Genauigkeit des Überstromschutzes eine höhere Priorität gegeben wird.
  • Wie aus dem Vergleich der integrierten Steuerschaltung IV3 mit der integrierten Steuerschaltung IC2, die vom Typ gleich der herkömmlichen integrierten Steuerschaltung mit Bezug auf 2 ist, beinhaltet die Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung nur den Anschluss RREF zum Herausführen des Referenzeingangsanschlusses des Vergleichers 54 zu der exter nen Schaltung. Dementsprechend kann der Auslösepegel für den Überstromschutz ohne Änderung irgendeines internen Schaltungsaufbaus der integrierten Steuerschaltung eingestellt werden, und dies führt zur Verbesserung der Genauigkeit des Überstromschutzes.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen davon ganz mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden ist, ist zu bemerken, dass verschiedene Abänderungen und Abwandlungen für den Fachmann ersichtlich sind.

Claims (3)

  1. Halbleitervorrichtung (100) mit: einer Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung (11, 12; 21, 22; 31, 32); einer integrierten Steuerschaltung (IC1, IC2, IC3) zum Ansteuern der Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung (11, 12; 21, 22; 31, 32); einem Stromdetektorabschnitt (3) zum Erfassen eines Stroms, der in der Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung (11, 12; 21, 22; 31, 32) fließt; und einer Schutzschaltung (54, 55, 56, 57) zum Vergleichen einer von dem Stromdetektorabschnitt (3) erhaltenen erfassten Spannung mit einer von einer vorbestimmten Referenzspannung erhaltenen Vergleichsreferenzspannung, und zum Beenden des Ansteuerns der Leistungsschalter-Halbleitervorrichtung (11, 12; 21, 22; 31, 32) durch die integrierte Steuerschaltung (IC1, IC2, IC3), wenn die erfasste Spannung höher ist als die Vergleichsreferenzspannung, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitervorrichtung (100) einen Anschluss (RREF) zum Herausführen einer Leitung der Vergleichsreferenzspannung zu einer externen Schaltung der Halbleitervorrichtung (100) aufweist, um die Vergleichsreferenzspannung mittels eines mit dem Anschluss (RREF) verbundenen externen Widerstands (RR) zu ändern.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das andere Ende des mit dem Anschluss (RREF) verbundenen externen Widerstands (RR) geerdet ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das andere Ende des mit dem Anschluss (RREF) verbundenen externen Widerstands (RR) mit einer Referenzspannung der Halbleitervorrichtung (100) verbunden ist.
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