DE102012219646A1

DE102012219646A1 - Halbleitervorrichtung, die eine an ein Halbleiterschaltelement angelegte Spannung misst

Info

Publication number: DE102012219646A1
Application number: DE102012219646A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Kora
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-05-16
Also published as: US20130120030A1; JP2013106464A; CN103105569A

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung (101) umfasst ein Halbleiterschaltelement (10) mit einer ersten Leitungselektrode und einer zweiten Leitungselektrode und eine Spannungsmessschaltung (31) zum Messen einer Spannung über der ersten Leitungselektrode und der zweiten Leitungselektrode des Halbleiterschaltelements (10). Die Spannungsmessschaltung (31) umfasst ein Diodenelement (11), das mit dem Halbleiterschaltelement (10) parallel geschaltet ist, um die in der Leitungsrichtung des Halbleiterschaltelements (10) angelegte Spannung auf einen vorbestimmten Wert einzuschränken, einen Steuerschalter (7), der mit dem Diodenelement (11) in Reihe geschaltet ist, und eine Schaltersteuereinheit (15), die den Steuerschalter (7) in einen AUS-Zustand setzt, wenn sich das Halbleiterschaltelement (10) in einem AUS-Zustand befindet, und den Steuerschalter (7) in einen EIN-Zustand setzt, wenn sich das Halbleiterschaltelement (10) in einem EIN-Zustand befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleitervorrichtungen, insbesondere eine Halbleitervorrichtung, die eine an ein Halbleiterschaltelement angelegte Spannung misst.
In einer Halbleiterschaltvorrichtung, die in einem Inverter oder dergleichen zum Steuern der Motordrehzahl sowie für eine Wechselspannungsversorgungsvorrichtung verwendet wird, wird die Detektion eines Halbleiterschaltelements, das sich in einem Überstromzustand befindet, beispielsweise durch Messen der EIN-Spannung, wenn der Strom durch das relevante Halbleiterschaltelement geleitet wird, durchgeführt.
Ein Schutz vor einem Überstrom in einem intelligenten Leistungsmodul (IPM), das in eine Ansteuerschaltung eingebaut ist, die in einem Inverter oder dergleichen verwendet wird, wird durchgeführt, wie nachstehend dargelegt. Ein Stromerfassungsverstärker ist für einen Chip eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT) vorgesehen. Der Stromerfassungsverstärker und ein Widerstand sind verbunden, um die Spannung über dem Widerstand zu überwachen. Wenn eine Spannung, die einen vorbestimmten Pegel überschreitet, am Widerstand erzeugt wird, wird ein Gatesignal für den IGBT-Chip auf der Basis der Annahme, dass ein Überstrom am IGBT-Chip erzeugt wird, unterbrochen und ein Fehlersignal wird ausgegeben.
Als Konfiguration mit einem Halbleiterschaltelement, die die an das Halbleiterschaltelement angelegte Spannung misst, offenbart beispielsweise JP 2010-200411-A eine nachstehend dargelegte Halbleitervorrichtung. Die in der vorstehend erwähnten Veröffentlichung offenbarte Halbleitervorrichtung umfasst eine Spannungsmessschaltung zum Messen der Spannung über dem Drain und dem Source eines Halbleiterschaltelements. Die Spannungsmessschaltung umfasst eine Zener-Diode, die mit dem Halbleiterschaltelement parallel geschaltet ist, um die in der Leitungsrichtung des Halbleiterschaltelements angelegte Spannung auf einen vorbestimmten Wert einzuschränken, einen Steuerschalter, der mit der Zener-Diode parallel geschaltet ist, und eine Schaltersteuereinheit zum Steuern des Einschaltens/Ausschaltens des Steuerschalters. Die Schaltersteuereinheit fungiert zum Einschalten des Steuerschalters, wenn das Halbleiterschaltelement ausgeschaltet ist, und zum Ausschalten des Steuerschalters, wenn das Halbleiterschaltelement eingeschaltet ist.
JP 2006-136086-A offenbart eine nachstehend dargelegte Konfiguration. Eine Reihenschaltung eines ersten Widerstandes und eines zweiten Widerstandes ist über den Source und den Drain eines MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), der der Gegenstand der Stromdetektion ist, verbunden. Die EIN-Spannung des MOSFET wird durch eine Spannungsteilungsschaltung mit einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand geteilt, damit sie an eine Detektionsschaltung angelegt wird. Der Wert wird so berechnet, dass er in einen Stromwert umgesetzt wird, um den zum MOSFET fließenden Strom zu detektieren. Gemäß dieser Konfiguration variiert das Spannungsteilungsverhältnis der Spannungsteilungsschaltung mit einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand gemäß der Temperatur. Das Spannungsteilungsverhältnis wird als Funktion einer höheren Temperatur größer.
In der in JP 2010-200411-A offenbarten Halbleitervorrichtung wird der Steuerschalter in einen EIN-Zustand gesetzt, wenn sich das Halbleiterschaltelement in einem AUS-Zustand befindet. Daher fließt ein Strom (I = V/R) zum Pfad des Steuerschalters. Wenn die Leistungsversorgungsspannung an der in JP 2010-200411-A offenbarten Halbleitervorrichtung erhöht wird, fließt folglich eine große Menge an Strom zum Steuerschalterpfad, was zu einem größeren Stromverlust während eines AUS-Zustandes des Halbleiterschaltelements führt.
Die in JP 2010-200411-A offenbarte Halbleitervorrichtung weist einen größeren Verlust des Widerstandselements (V²/R) auf, das in der Spannungsmessschaltung verwendet wird, wenn der durch den Pfad des Steuerschalters fließende Strom zunimmt. Daher ist ein Widerstandselement mit einem größeren Widerstandswert erforderlich.
Im Hinblick auf die in JP 2006-136086-A offenbarte Halbleitervorrichtung ist nur das Verfahren zum genauen Detektieren der EIN-Spannung in einem normalen Betrieb offenbart. Die Veröffentlichung sagt überhaupt nichts über das Messverfahren in einem fehlerhaften Zustand, wie z. B. im Fall eines Kurzschlusses (ein aktiver Betrieb, in dem Strom fließt und eine Spannung an das Element angelegt wird), und über Maßnahmen gegen einen Fehlerbetrieb aus. Es bestünde die Möglichkeit, dass die Detektionsschaltung durch einen fehlerhaften Betrieb beschädigt werden würde.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Halbleitervorrichtung, die den Stromverlust an einer Spannungsmessschaltung unterdrückt und eine Beschädigung der Spannungsmessschaltung selbst bei einem fehlerhaften Betrieb vermeidet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleitervorrichtung ein Halbleiterschaltelement mit einer ersten Leitungselektrode und einer zweiten Leitungselektrode und eine Spannungsmessschaltung zum Messen einer Spannung über der ersten Leitungselektrode und der zweiten Leitungselektrode des Halbleiterschaltelements. Die Spannungsmessschaltung umfasst ein Konstantspannungselement, einen Steuerschalter und eine Schaltersteuereinheit. Das Konstantspannungselement ist mit dem Halbleiterschaltelement parallel geschaltet, um die in der Leitungsrichtung des Halbleiterschaltelements angelegte Spannung auf einen vorbestimmten Wert einzuschränken. Der Steuerschalter ist mit dem Konstantspannungselement in Reihe geschaltet. Die Schaltersteuereinheit setzt den Steuerschalter in einen AUS-Zustand, wenn sich das Halbleiterschaltelement in einem AUS-Zustand befindet, und setzt den Steuerschalter in einen EIN-Zustand, wenn sich das Halbleiterschaltelement in einem EIN-Zustand befindet.
Gemäß der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung fließt kein Strom zur Spannungsmessschaltung, indem der Steuerschalter in einen AUS-Zustand gesetzt wird, wenn sich das Halbleiterschaltelement in einem AUS-Zustand befindet, was ermöglicht, dass der Stromverlust unterdrückt wird. Da die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung die in der Leitungsrichtung des Halbleiterschaltelements angelegte Spannung durch das Konstantspannungselement selbst im Fall eines fehlerhaften Betriebs einschränken kann, wird keine Hochspannung an das Halbleiterschaltelement und die Spannungsmessschaltung angelegt. Die Sicherheit der Schaltungsanordnung wird sichergestellt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die vorangehenden und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
1 ein schematisches Diagramm einer Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ein Zeitablaufdiagramm, das einen Betrieb der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, die die EIN-Spannung eines Halbleiterschaltelements detektiert.
3 eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 eine weitere Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ein Zeitablaufdiagramm, das einen Betrieb der Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, die eine EIN-Spannung eines Halbleiterschaltelements detektiert.
7, 8 und 9 eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform, einer sechsten Ausführungsform bzw. einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 eine weitere Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 einen Schaltplan einer Konfiguration einer allgemeinen Invertervorrichtung.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf eine allgemeine Invertervorrichtung angewendet werden. 11 ist ein Schaltplan einer Konfiguration eines allgemeinen Inverters. Die Invertervorrichtung von 11 umfasst eine Umsetzereinheit 150, die mit einer Wechselspannungsversorgung 1 verbunden ist, zum Umsetzen der Wechselspannung in Gleichspannung, einen Glättungskondensator 160, der die aus der Umsetzereinheit 150 ausgegebene Gleichspannung glättet, und eine Invertereinheit 140, die mehrere Halbleiterschaltelemente steuert, um einen Motor 8 auf der Basis der am Glättungskondensator 160 geglätteten Gleichspannung anzutreiben.
Insbesondere wird die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung auf die Invertereinheit 140 angewendet. Der Vereinfachung halber basiert die folgende Beschreibung auf einer Konfiguration, die auf ein Halbleiterschaltelement der Invertereinheit 140 angewendet wird.
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Eine Halbleitervorrichtung 101 von 1 umfasst ein Halbleiterschaltelement 10, ein Diodenelement 11, eine Klemmdiode 12 und eine Spannungsmessschaltung 31. Die Spannungsmessschaltung 31 umfasst einen Widerstand 2, eine Zener-Diode 3, einen Steuerschalter 7 und eine Schaltersteuereinheit 15.
Die Halbleitervorrichtung 101 treibt den Motor 8 auf der Basis der von einer Leistungsversorgung 13 zugeführten Gleichspannung an. Die Spannungsmessschaltung 31 misst die Spannung Vz1, die über die Zener-Diode 3 angelegt wird, um die Spannung über dem Drain und dem Source des Halbleiterschaltelements 10 zu messen. Eine IC 151 detektiert einen Überstromzustand des Halbleiterschaltelements 10 auf der Basis des Messergebnisses der Spannungsmessschaltung 31.
Das Halbleiterschaltelement 10 ist beispielsweise ein MOSFET-Chip (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor-Chip). Die Leitungsrichtung des Diodenelements 11 ist entgegengesetzt zur Leitungsrichtung des Halbleiterschaltelements 10. Das Diodenelement 11 ist beispielsweise eine parasitäre Diode, die zwischen dem Drain und dem Source des Halbleiterschaltelements 10 angeordnet ist. Das Diodenelement 11 wird als Freilaufdiode verwendet.
Das Halbleiterschaltelement 10 umfasst einen Drain, der mit einer Anode der Klemmdiode 12 und dem ersten Ende des Widerstandes 2 verbunden ist, einen Source, der mit dem Minusseitenanschluss der Leistungsversorgung 13 und einer Anode der Zener-Diode 3 verbunden ist, und ein Gate, das ein Ansteuersignal GS empfängt. Die Klemmdiode 12 umfasst eine Kathode, die mit dem Plusseitenanschluss der Leistungsversorgung 13 und dem ersten Ende des Motors 8 verbunden ist, und eine Anode, die mit dem zweiten Ende des Motors 8 verbunden ist.
Das Halbleiterschaltelement 10 und die Reihenschaltung des Widerstandes 2, des Steuerschalters 7 und der Zener-Diode 3 sind miteinander parallel geschaltet. Die Zener-Diode 3 ist derart verbunden, dass ihre Leitungsrichtung zur Leitungsrichtung des Halbleiterschaltelements 10 entgegengesetzt ist. Die Zener-Diode 3 umfasst eine Kathode, die mit dem zweiten Ende des Steuerschalters 7 verbunden ist, und eine Anode, die mit dem Source des Halbleiterschaltelements 10 verbunden ist. Der Steuerschalter 7 umfasst ein erstes Ende, das mit dem zweiten Ende des Widerstandes 2 verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der Kathode der Zener-Diode 3 verbunden ist.
Der Widerstand 2 ist für den Zweck des Einschränkens des Stroms, der durch die Zener-Diode 3 fließt, vorgesehen. Der Widerstandswert des Widerstandes 2 ist derart festgelegt, dass eine ausreichende Spannung an die Zener-Diode 3 angelegt wird. Die IC 151 ist mit der Kathode und der Anode der Zener-Diode 3 verbunden.
2 ist ein Zeitablaufdiagramm, das einen Betrieb der Halbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, die die EIN-Spannung des Halbleiterschaltelements 10 detektiert.
Mit Bezug auf 2 stellt GS das Ansteuersignal für das Halbleiterschaltelement 10, d. h. die Gatespannung des Halbleiterschaltelements 10, dar. Id stellt den Drainstrom des Halbleiterschaltelements 10 dar. Vds stellt die Drain-Source-Spannung des Halbleiterschaltelements 10 dar. SWS stellt ein Steuersignal für den Steuerschalter 7 dar. Vz1 stellt die Spannung über der Zener-Diode 3 dar.
Das Ansteuersignal GS erreicht einen hohen Logikpegel während der Zeitdauer vom Zeitpunkt A bis zum Zeitpunkt B. Das Halbleiterschaltelement 10 befindet sich während dieser Zeitdauer in einem EIN-Zustand. Das Ansteuersignal GS erreicht einen niedrigen Logikpegel während der Zeitdauer vom Zeitpunkt B bis zum Zeitpunkt A. Das Halbleiterschaltelement 10 befindet sich während dieser Zeitdauer in einem AUS-Zustand.
Das Steuersignal SWS weist einen Logikpegel auf, der zu jenem des Ansteuersignals GS identisch ist. Insbesondere erreicht das Steuersignal SWS einen hohen Logikpegel während der Zeitdauer vom Zeitpunkt A bis zum Zeitpunkt B und einen niedrigen Logikpegel während der Zeitdauer vom Zeitpunkt B bis zum Zeitpunkt A.
Nun soll angenommen werden, dass die Halbleitervorrichtung 101 keinen Steuerschalter 7 und keine Zener-Diode 3 umfasst. In einer solchen Konfiguration wird die Ausgangsspannung Vo der Leistungsversorgung 13 über den Drain und den Source des Halbleiterschaltelements 10 angelegt, wenn sich das Halbleiterschaltelement 10 in einem AUS-Zustand befindet. Daher wird das Meiste der Ausgangsspannung Vo ebenso an die Spannungsmessschaltung 31 angelegt, die mit dem Halbleiterschaltelement 10 parallel geschaltet ist. Dies bedeutet, dass eine IC 151 mit einer Durchschlagspannung, die größer ist als die Ausgangsspannung Vo, erforderlich ist.
Die Halbleitervorrichtung 101 der vorliegenden Erfindung umfasst einen Steuerschalter 7, der durch die Schaltersteuereinheit 15 in einen AUS-Zustand gesetzt wird, wenn das Halbleiterschaltelement 10 ausgeschaltet ist. Folglich wird die an die Spannungsmessschaltung 31 angelegte Spannung an den Steuerschalter 7 angelegt. Die Spannung Vz1 über der Zener-Diode 3 kann auf 0 V gesetzt werden. Daher ist eine IC 151 mit einer Durchschlagspannung, die größer ist als die Ausgangsspannung Vo, nicht erforderlich. Ferner kann eine fehlerhafte Bestimmung des Halbleiterschaltelements 10 in einem Überstromzustand durch die Detektion der hohen Spannung an der IC 151, wenn sich das Halbleiterschaltelement 10 in einem AUS-Zustand befindet, verhindert werden. Die Steuerung zum Vermeiden einer Bestimmung eines Überstromzustandes, wenn sich das Halbleiterschaltelement 10 in einem AUS-Zustand befindet, muss überdies nicht mehr an der IC 151 ausgeführt werden, was eine Vereinfachung der Steuerung ermöglicht. Wenn das Halbleiterschaltelement 10 ausgeschaltet ist, fließt außerdem kein Strom zur Spannungsmessschaltung 31, da der Steuerschalter 7 ausgeschaltet ist. Daher kann der Stromverlust unterdrückt werden.
Die Schaltersteuereinheit 15 schaltet den Steuerschalter 7 ein, wenn das Halbleiterschaltelement 10 einen EIN-Zustand erreicht. Die Schaltersteuereinheit 15 bewirkt beispielsweise, dass der Steuerschalter 7 von einem AUS-Zustand einen EIN-Zustand gleichzeitig mit dem Übergang des Halbleiterschaltelements 10 von einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand erreicht. Folglich kann die EIN-Spannung des Stroms, der zum Halbleiterschaltelement 10 fließt, als Spannung Vz1 über der Zener-Diode 3 durch die IC 151 detektiert werden, die mit der Spannungsmessschaltung 31 verbunden ist.
Durch die vorstehend dargelegte Steuerung durch den Steuerschalter 7 wird die Spannung Vz1 mit einer Spannungswellenform, die sich ebenso mit dem Drainstrom Ids ändert, wie in 2 gezeigt, über die Zener-Diode 3 angelegt, die gemessen werden kann. Insbesondere kann die Spannung Vz1 als EIN-Spannung des Halbleiterschaltelements 10 detektiert werden. Durch Detektieren der EIN-Spannung des Halbleiterschaltelements 10 kann der durch das Halbleiterschaltelement 10 fließende Strom gemessen werden, was die Detektion eines Überstromzustandes des Halbleiterschaltelements 10 ermöglicht.
Nun soll angenommen werden, dass die Halbleitervorrichtung 101 keine Zener-Diode 3 umfasst. In einer solchen Konfiguration wird, wenn der Motor 8 defekt ist und ein fehlerhafter Betrieb wie z. B. ein Kurschluss auftritt, die Ausgangsspannung Vo über jedes des Halbleiterschaltelements 10 und der Spannungsmessschaltung 31 angelegt, da der Steuerschalter 7 sich in einem EIN-Zustand befindet, wenn sich das Halbleiterschaltelement 10 in einem EIN-Zustand befindet.
Durch die Halbleitervorrichtung 101 mit der Zener-Diode 3 gemäß der vorliegenden Erfindung überschreitet jedoch die über das Halbleiterschaltelement 10 und die Spannungsmessschaltung 31 angelegte Spannung die Zener-Spannung der Zener-Diode 3 selbst in dem Fall, in dem der Motor 8 defekt ist und ein fehlerhafter Betrieb wie z. B. ein Kurschluss auftritt, nicht. Folglich kann die Durchschlagspannung der Elemente, die das Halbleiterschaltelement 10 und die Spannungsmessschaltung 31 bilden, auf einen niedrigen Pegel verringert werden.
Da die Spannung Vz1 die Zener-Spannung der Zener-Diode 3 in der Halbleitervorrichtung 101 nicht überschreitet, erfordert die IC 151 zum Messen der Spannung Vz1 keine hohe Durchschlagspannung. Daher kann die IC 151 leicht konstruiert werden, was eine Verringerung der Größe und der Kosten ermöglicht.
Ferner kann ein Schalter mit kleiner Kapazität für den Steuerschalter 7 verwendet werden, da der Stromfluss durch den Widerstand 2 eingeschränkt ist. Daher können die Größe und die Kosten verringert werden.
Die Halbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die an das Halbleiterschaltelement 10 angelegte Spannung mit einer einfachen Konfiguration messen. Da ein Überstromzustand eines Halbleiterschaltelements korrekt detektiert werden kann, kann die Ausbeute verbessert werden.
Obwohl die Halbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit dem Halbleiterschaltelement 10 als MOSFET-Chip beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Ein anderer Typ von Halbleiterschaltelement 10 wie z. B. ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) kann verwendet werden.
Die Halbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert auf einer Konfiguration mit einer Zener-Diode 3, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Irgendein Konstantspannungselement, das mit dem Halbleiterschaltelement 10 parallel geschaltet ist und die in der Leitungsrichtung des Halbleiterschaltelements 10 angelegte Spannung auf einen vorbestimmten Wert einschränkt, kann verwendet werden. Ein solches Konstantspannungselement umfasst beispielsweise einen Varistor.
Die Halbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert auf einer Konfiguration, in der die parasitäre Diode des Halbleiterschaltelements 10 als Freilaufdiode verwendet wird, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Eine Konfiguration, in der eine Schottky-Sperrschichtdiode (SBD) mit einer kleinen Durchlassspannung als Freilaufdiode vorgesehen ist, kann implementiert werden, um den Stromverbrauch in einem Regenerationsmodus des Motors 8 in dem Fall zu verringern, in dem ein IGBT ohne parasitäre Diode als Halbleiterschaltelement 10 verwendet wird, oder wenn ein MOSFET als Halbleiterschaltelement 10 verwendet wird.
Zweite Ausführungsform
Die zweite Ausführungsform bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, bei der das Konstantspannungselement im Vergleich zur Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform modifiziert ist. Die anderen Inhalte als jene, die nachstehend beschrieben werden, sind zu jenen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform ähnlich. Denselben oder entsprechenden Elementen in den Zeichnungen sind dieselben Bezugszeichen zugewiesen und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
3 stellt eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Mit Bezug auf 3 unterscheidet sich eine Halbleitervorrichtung 103 von der Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform dadurch, dass sie eine Spannungsmessschaltung 33 anstelle der Spannungsmessschaltung 31 umfasst. Die Spannungsmessschaltung 33 umfasst einen Widerstand 2, eine Diodeneinheit 5, einen Steuerschalter 7 und eine Schaltersteuereinheit 15.
Die Diodeneinheit 5 ist mit dem Widerstand 2 und dem Steuerschalter 7 in Reihe geschaltet. Das Halbleiterschaltelement 10 und die Reihenschaltung des Widerstandes 2, des Steuerschalters 7 und der Diodeneinheit 5 sind miteinander parallel geschaltet. Die Diodeneinheit 5 umfasst mehrere Dioden, die in Reihe geschaltet sind, so dass die Leitungsrichtung zur Leitungsrichtung des Halbleiterschaltelements 10 identisch ist. Die Diodeneinheit 5 schränkt die in der Leitungsrichtung des Halbleiterschaltelements 10 angelegte Spannung auf einen vorbestimmten Wert ein.
Die Spannungsmessschaltung 33 misst die Spannung über dem Drain und dem Source des Halbleiterschaltelements 10 durch Messen der Spannung V2, die über die Diodeneinheit 5 angelegt wird.
Die Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann den maximalen Pegel der Spannung V2 durch Modifizieren der Anzahl von Dioden an der Diodeneinheit 5 einstellen.
Die restliche Konfiguration und der restliche Betrieb sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Daher wird eine ausführliche Beschreibung davon nicht wiederholt.
Die Halbleitervorrichtung 103 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert auf einer Konfiguration mit einer Diodeneinheit 5, ist jedoch nicht darauf begrenzt, und ein Halbleiterelement, das bidirektional leitet, wie z. B. ein Varistor, kann verwendet werden. Eine solche Konfiguration kann Effekte ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schaffen.
Dritte Ausführungsform
Eine dritte Ausführungsform bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit einer hinzugefügten Einstellfunktion der Spannung Vz1 über der Zener-Diode 3 im Vergleich zur Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Die anderen Inhalte als jene, die nachstehend beschrieben werden, sind zu jenen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform ähnlich. Denselben oder entsprechenden Elementen in den Zeichnungen sind dieselben Bezugszeichen zugewiesen und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
4 stellt eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Mit Bezug auf 4 unterscheidet sich eine Halbleitervorrichtung 104 von der Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform dadurch, dass sie eine Spannungsmessschaltung 34 anstelle der Spannungsmessschaltung 31 umfasst. Die Spannungsmessschaltung 34 umfasst einen Widerstand 2, eine Zener-Diode 3, einen Steuerschalter 7, eine Schaltersteuereinheit 15 und einen Widerstand 24. Der Widerstand 24 ist mit dem Widerstand 2 und dem Steuerschalter 7 in Reihe geschaltet und mit dem Halbleiterschaltelement 10, dem Diodenelement 11 und der Zener-Diode 3 parallel geschaltet.
Bei der Halbleitervorrichtung 101 gemäß der vorherigen ersten Ausführungsform wird die Drain-Source-Spannung, d. h. die EIN-Spannung, des Halbleiterschaltelements 10 in einem EIN-Zustand über die Zener-Diode 3 angelegt.
Die Halbleitervorrichtung 104 gemäß der dritten Ausführungsform kann die EIN-Spannung des Halbleiterschaltelements 10 durch den Widerstand 2 und den Widerstand 24 teilen. Daher kann der Pegel der Spannung V12, die über die Zener-Diode 3 angelegt wird, eingestellt werden.
Der Pegel der Spannung über der Zener-Diode 3 kann auch durch Austauschen des Widerstandes 2 gegen mehrere in Reihe geschaltete Widerstände oder durch Einstellen des Widerstandswerts des Widerstandes 2 eingestellt werden.
Der Widerstand 24 ist nicht auf den Fall begrenzt, dass er mit der Zener-Diode 3 parallel geschaltet ist, und kann mit der Zener-Diode 3 in Reihe geschaltet sein. 5 stellt eine weitere Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Eine Halbleitervorrichtung 105 von 5 unterscheidet sich von der Halbleitervorrichtung 104 von 4 dadurch, dass sie eine Spannungsmessschaltung 35 anstelle der Spannungsmessschaltung 34 umfasst. Die Spannungsmessschaltung 35 umfasst einen Widerstand 2, eine Zener-Diode 3, einen Steuerschalter 7, eine Schaltersteuereinheit 15 und Widerstände 24 und 24a. Der Widerstand 24a ist mit der Zener-Diode 3 zwischen den mit der IC 151 verbundenen Anschlüssen in Reihe geschaltet. Die Halbleitervorrichtung 105 von 5 kann die EIN-Spannung des Halbleiterschaltelements 10 durch den Widerstand 2 und die Widerstände 24, 24a teilen. Daher kann der Pegel der Spannung V12, die über die Zener-Diode 3 angelegt wird, eingestellt werden.
Die restliche Konfiguration und der restliche Betrieb sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Daher wird deren ausführliche Beschreibung nicht wiederholt.
Vierte Ausführungsform
Die vierte Ausführungsform bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, bei der der Steuerinhalt der Schaltersteuereinheit 15 im Vergleich zur Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform modifiziert ist. Die anderen Inhalte als jene, die nachstehend beschrieben werden, sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform.
6 ist ein Zeitablaufdiagramm, das einen Betrieb der Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, die die EIN-Spannung eines Halbleiterschaltelements detektiert.
Mit Bezug auf 6 hält die Schaltersteuereinheit 15 den Steuerschalter 7 in einem AUS-Zustand bis zu einem Ablauf einer vorbestimmten Zeit vom Einschalten des Halbleiterschaltelements 10 in einen EIN-Zustand, schaltet dann den Steuerschalter 7 bei einem Ablauf einer vorbestimmten Zeit ein und schaltet dann den Steuerschalter 7 vor einem Ablauf einer vorbestimmten Zeit vom ausgeschalteten Halbleiterschaltelement 10 aus.
Insbesondere nimmt das Steuersignal SWS einen hohen Logikpegel während der Zeitdauer vom Zeitpunkt A bis zum Zeitpunkt B an. Der Steuerschalter 7 ist während dieser Zeitdauer eingeschaltet. Ferner bleibt das Steuersignal SWS auf einem niedrigen Logikpegel bis zu einem Ablauf einer vorbestimmten Zeit vom Zeitpunkt A bis zum Zeitpunkt C. Während dieser Zeitdauer hält der Steuerschalter 7 einen AUS-Zustand aufrecht. Dann erreicht das Steuersignal SWS einen hohen Logikpegel während der Zeitdauer vom Zeitpunkt C bis zum Zeitpunkt D und schaltet den Steuerschalter 7 zum Zeitpunkt D vor einem Ablauf einer vorbestimmten Zeit vom Zeitpunkt B, zu dem das Halbleiterschaltelement 10 ausgeschaltet wird, aus.
Durch eine solche Konfiguration kann eine plötzliche Änderung des Pegels der Spannung Vz1, die durch Rauschen oder dergleichen verursacht wird, das zum Zeitpunkt des Übergangs von einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand oder von einem EIN-Zustand in einen AUS-Zustand des Halbleiterschaltelements 10 erzeugt wird, unterdrückt werden. Folglich kann eine fehlerhafte Operation der Detektion eines Überstroms verhindert werden.
Die restliche Konfiguration und der restliche Betrieb sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Daher wird deren ausführliche Beschreibung nicht wiederholt.
Während der Zeitdauer des Messens der Spannung über dem Drain und dem Source des Halbleiterschaltelements 10 an der Spannungsmessschaltung 31 (der Zeitdauer vom Zeitpunkt C bis zum Zeitpunkt D) muss die Schaltersteuereinheit 15 gemäß der vierten Ausführungsform nicht den Messstartzeitpunkt (Zeitpunkt C) und/oder den Messendpunkt (Zeitpunkt D) mit der Schaltperiode des Halbleiterschaltelements 10 in Synchronisation bringen.
Fünfte Ausführungsform
Die fünfte Ausführungsform bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit einer hinzugefügten Funktion zum Stabilisieren der Spannung Vz1 über der Zener-Diode 3 im Vergleich zur Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Die anderen Inhalte als jene, die nachstehend beschrieben werden, sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Denselben oder entsprechenden Elementen in den Zeichnungen sind dieselben Bezugszeichen zugewiesen und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
7 stellt eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Mit Bezug auf 7 unterscheidet sich die Halbleitervorrichtung 106 von der Halbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch, dass sie eine Spannungsmessschaltung 36 anstelle der Spannungsmessschaltung 31 umfasst. Die Spannungsmessschaltung 36 umfasst einen Widerstand 2, eine Zener-Diode 3, einen Steuerschalter 7, eine Schaltersteuereinheit 15 und einen Kondensator 4. Der Kondensator 4 ist mit dem Widerstand 2 und der Schaltersteuereinheit 15 in Reihe geschaltet und mit dem Halbleiterschaltelement 10, dem Diodenelement 11 und der Zener-Diode 3 parallel geschaltet.
An der Halbleitervorrichtung 106 kann eine plötzliche Änderung des Pegels der Spannung Vz1, die durch Rauschen und Überschwingen verursacht wird, das zum Zeitpunkt des Übergangs zwischen einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand des Halbleiterschaltelements 10 erzeugt wird, durch den Kondensator 4 unterdrückt werden. Folglich kann eine fehlerhafte Operation der Detektion des Überstroms verhindert werden.
Die restliche Konfiguration und der restliche Betrieb sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Daher wird deren ausführliche Beschreibung nicht wiederholt.
Sechste Ausführungsform
Die sechste Ausführungsform bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, bei der die Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform als Modul festgelegt ist. Die anderen Inhalte als jene, die nachstehend beschrieben werden, sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform.
8 stellt eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Mit Bezug auf 8 umfasst eine Halbleitervorrichtung 107 ferner ein Gehäuse K, Ansteueranschlüsse TD1 und TD2 und Überwachungsanschlüsse TM1 und TM2 im Vergleich zur Halbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Gehäuse K bewahrt das Halbleiterschaltelement 10, das Diodenelement 11, die Klemmdiode 12 und die Spannungsmessschaltung 31 auf. Die Ansteueranschlüsse TD1 und TD2 und die Überwachungsanschlüsse TM1 und TM2 sind am Gehäuse K angebracht.
Ein Ansteuersignal GS wird von außerhalb des Gehäuses K an das Gate des Halbleiterschaltelements 10 über den Ansteueranschluss TD1 angelegt. Die Spannung Vz1, die über die Zener-Diode 3 angelegt wird, wird an die IC 151, die außerhalb des Gehäuses K angeordnet ist, über die Überwachungsanschlüsse TM1 und TM2 angelegt.
Durch eine solche Konfiguration kann die EIN-Spannung des Halbleiterschaltelements 10 leicht von außerhalb der Halbleitervorrichtung 101 gemessen werden.
Die restliche Konfiguration und der restliche Betrieb sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Daher wird deren ausführliche Beschreibung nicht wiederholt.
Siebte Ausführungsform
Die siebte Ausführungsform bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, bei der die Halbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform als intelligentes Leistungsmodul (IPM) festgelegt ist. Die anderen Inhalte als jene, die nachstehend beschrieben werden, sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Denselben oder entsprechenden Elementen in den Zeichnungen sind dieselben Bezugszeichen zugewiesen und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
9 stellt eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Mit Bezug auf 9 umfasst eine Halbleitervorrichtung 108 ferner ein Gehäuse K, einen Fehleranschluss TE und eine Ansteuereinheit 16 im Vergleich zur Halbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Gehäuse K bewahrt das Halbleiterschaltelement 10, das Diodenelement 11, die Spannungsmessschaltung 31 und die Ansteuereinheit 16 auf. Der Fehleranschluss TE ist am Gehäuse K angebracht.
Die Ansteuereinheit 16 gibt ein Ansteuersignal GS zum Ansteuern des Halbleiterschaltelements 10 an dessen Gate aus. Auf der Basis des Messergebnisses der Spannungsmessschaltung 31, d. h. des Pegels der Spannung Vz1, die über die Zener-Diode 3 angelegt wird, umfasst die Ansteuereinheit 16 ein Überstromdetektionsmittel zum Steuern des Stoppens der Ausgabe des Ansteuersignals GS an das Halbleiterschaltelement 10 und zum Ausschalten des Halbleiterschaltelements 10 durch die Ansteuereinheit 16. Auf der Basis des Messergebnisses an der Spannungsmessschaltung 31 kann die Ansteuereinheit 16 ferner ein Fehlersignal, das angibt, dass sich das Halbleiterschaltelement 10 in einem Überstromzustand befindet, an eine externe Quelle des Gehäuses 7 über den Fehleranschluss TE ausgeben.
Durch den Einbau der Ansteuereinheit 16 mit einer Unterbrechungsfunktion des Ansteuersignals GS innerhalb des Moduls der Halbleitervorrichtung 108 kann die Ansprechgeschwindigkeit auf den Überstrom erleichtert werden. Daher kann einer Beschädigung am Halbleiterschaltelement 10 vorgebeugt werden. Da die Länge der Verdrahtung zum Übertragen der Spannung Vz1 verkürzt werden kann, wird ferner die Spannung Vz1, die zur Ansteuereinheit 16 übertragen wird, weniger wahrscheinlich durch Rauschen und dergleichen beeinflusst, was ermöglicht, dass eine fehlerhafte Operation des Detektierens des Überstroms verhindert wird.
An der Halbleitervorrichtung 108 können die Spannungsmessschaltung 31 und die Ansteuereinheit 16 als eine integrierte Schaltung, d. h. ein Halbleiterchip, eingerichtet sein. 10 stellt eine andere Konfiguration der Halbleitervorrichtung 108 gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Halbleitervorrichtung 108 von 10 weist eine Spannungsmessschaltung 31 und eine Ansteuereinheit 16 auf, die durch einen Halbleiterchip 41 konfiguriert sind. Folglich kann die Halbleitervorrichtung 108 von 10 als gesamtes Modul die Verringerung der Größe und der Kosten sowie die Verbesserung der Montage verwirklichen.
Die restliche Konfiguration und der restliche Betrieb sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Daher wird deren ausführliche Beschreibung nicht wiederholt.
Achte Ausführungsform
Die achte Ausführungsform bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, bei der der Typ von Halbleiterschaltelement 10 im Vergleich zur Halbleitervorrichtung 101 der ersten Ausführungsform modifiziert ist. Die anderen Inhalte als jene, die nachstehend beschrieben werden, sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform. Denselben oder entsprechenden Elementen in den Zeichnungen sind dieselben Bezugszeichen zugewiesen und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Die Halbleitervorrichtung der achten Ausführungsform weist eine Konfiguration ähnlich zu jener der Halbleitervorrichtung 101 von 1 auf und unterscheidet sich davon dadurch, dass das Halbleiterschaltelement 10 und das Diodenelement 11 aus Siliziumcarbid (SiC) ausgebildet sind.
Durch Siliziumcarbid mit einer hohen Durchschlagspannung, das eine größere zulässige Stromdichte ermöglicht, können das Halbleiterschaltelement 10 und das Diodenelement 11 in der Größe verringert werden. Daher kann die Halbleitervorrichtung gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich zur Halbleitervorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform in der Größe weiter verringert werden.
Die Halbleitervorrichtung gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert auf einer Konfiguration, in der das Halbleiterschaltelement 10 und das Diodenelement 11 aus Siliziumcarbid (SiC) ausgebildet sind, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Eine Konfiguration kann verwendet werden, bei der das Halbleiterschaltelement 10 und/oder das Diodenelement 11 aus Siliziumcarbid (SiC) ausgebildet ist.
Die restliche Konfiguration und der restliche Betrieb sind ähnlich zu jenen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform. Daher wird deren ausführliche Beschreibung nicht wiederholt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010-200411 A [0004, 0006, 0006, 0007]
JP 2006-136086 A [0005, 0008]

Claims

Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Halbleiterschaltelement (10) mit einer ersten Leitungselektrode und einer zweiten Leitungselektrode, und eine Spannungsmessschaltung zum Messen einer Spannung über der ersten Leitungselektrode und der zweiten Leitungselektrode des Halbleiterschaltelements (10), wobei die Spannungsmessschaltung Folgendes umfasst ein Konstantspannungselement, das mit dem Halbleiterschaltelement (10) parallel geschaltet ist, um die in einer Leitungsrichtung des Halbleiterschaltelements (10) angelegte Spannung auf einen vorbestimmten Wert einzuschränken, einen Steuerschalter (7), der mit dem Konstantspannungselement in Reihe geschaltet ist, und eine Schaltersteuereinheit (15), die den Steuerschalter (7) in den AUS-Zustand setzt, wenn sich das Halbleiterschaltelement (10) in einem AUS-Zustand befindet, und den Steuerschalter (7) in einen EIN-Zustand setzt, wenn sich das Halbleiterschaltelement (10) in einem EIN-Zustand befindet.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konstantspannungselement eine Zener-Diode (3) ist, wobei die Spannungsmessschaltung ferner ein erstes Widerstandselement (2) umfasst, das mit dem Konstantspannungselement und dem Steuerschalter (7) in Reihe geschaltet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konstantspannungselement mehrere Dioden (5) ist, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Spannungsmessschaltung ferner ein erstes Widerstandselement (2) umfasst, das mit dem Konstantspannungselement und dem Steuerschalter (7) in Reihe geschaltet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessschaltung ferner ein zweites Widerstandselement (24) umfasst, das mit dem Halbleiterschaltelement (10) und dem Konstantspannungselement parallel geschaltet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessschaltung ferner einen Kondensator (4) umfasst, der mit dem Halbleiterschaltelement (10) und dem Konstantspannungselement parallel geschaltet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltersteuereinheit (15) den Steuerschalter (7) für eine vorbestimmte Zeit in einer Zeitdauer eines EIN-Zustandes des Halbleiterschaltelements (10) in einen AUS-Zustand setzt.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Folgendes umfasst: ein Gehäuse (K), das das Halbleiterschaltelement (10), das Konstantspannungselement und den Steuerschalter (7) aufbewahrt, und einen Anschluss, der am Gehäuse (K) angebracht ist, zum Messen der an das Konstantspannungselement angelegten Spannung.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Folgendes umfasst: eine Ansteuereinheit (16) zum Ausgeben eines Ansteuersignals zum Ansteuern des Halbleiterschaltelements (10) an das Halbleiterschaltelement (10), und ein Gehäuse (K), das das Halbleiterschaltelement (10), die Spannungsmessschaltung und die Ansteuereinheit (16) aufbewahrt, wobei die Ansteuereinheit (16) die Ausgabe des Ansteuersignals an das Halbleiterschaltelement (10) auf der Basis eines Pegels der an das Konstantspannungselement angelegten Spannung stoppt, und ein Fehlersignal, das einen Überstromzustand des Halbleiterschaltelements (10) angibt, ausgibt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessschaltung und die Ansteuereinheit (16) in einer integrierten Halbleiterschaltung enthalten sind.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterschaltelement (10) aus Siliziumcarbid ausgebildet ist.