TWI574018B - 半導體裝置及其控制方法 - Google Patents

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TWI574018B
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Description

半導體裝置及其控制方法
本發明係相關於半導體裝置及其製造方法。
在控制安裝在混合式車輛(HV)或電動車(EC)上之電動機的驅動之電力電子技術中，逆導絕緣閘極雙極電晶體(RC-IGBT)模組係眾所皆知。RC-IGBT可被視作內建二極體的IGBT。
例如，日本公開專利申請案2010-4728(JP 2010-4728 A)揭示配置到飛輪二極體(FWD)單元之二極體感測元件及配置到IGBT單元之IGBT感測元件係連接到感測電阻器的一端之電力轉換器，及控制電路藉由判定流動到電阻器之電流的極性來偵測異常。
根據JP 2010-4728 A的技術，直接測量產生在集極與射極之間的大電位差。因此，需要具有高耐壓的裝置。
本發明提供半導體裝置及其控制方法。
根據本發明的第一態樣之半導體裝置包括電晶體、二極體、第一偵測電路、第二偵測電路、計算電路、及判定電路。二極體與電晶體反並聯連接。第一偵測電路係組構成偵測有關時間之電晶體的閘極電壓之變化率。第二偵測電路係組構成偵測電晶體的閘極電流。計算電路係組構成依據有關時間之閘極電壓的變化率及閘極電流來計算閘極電容。判定電路係組構成依據當電荷注入到電晶體的閘極時之閘極電容的判定結果來判定電流是流動到二極體還是到電晶體。
根據本發明的第二實施例之半導體裝置的控制方法為包括電晶體及與電晶體反並聯連接的二極體之半導體裝置的控制方法。控制方法包括：偵測有關時間之電晶體的閘極電壓之變化率；偵測電晶體的閘極電流；依據有關時間之閘極電壓的變化率及閘極電流來計算閘極電容；以及依據當電荷注入到電晶體的閘極時之閘極電容的判定結果，來判定電流是流動到二極體還是到電晶體。
根據上述態樣，在不使用具有高耐壓的裝置之下，仍可判定電流的極性。
100‧‧‧半導體裝置
110‧‧‧逆導絕緣閘極雙極電晶體
111‧‧‧絕緣閘極雙極電晶體
112‧‧‧二極體
120‧‧‧逆導絕緣閘極雙極電晶體
121‧‧‧絕緣閘極雙極電晶體
122‧‧‧二極體
130‧‧‧負載
140‧‧‧微電腦
141a‧‧‧驅動訊號
141b‧‧‧驅動訊號
150‧‧‧控制電路
151‧‧‧電壓偵測電路
152‧‧‧閘極電壓梯度計算電路
153‧‧‧電流偵測電路
154‧‧‧電容計算電路
155‧‧‧電容判定電路
156‧‧‧接通-斷開判定電路
157‧‧‧驅動電路
158‧‧‧電阻器
160‧‧‧控制電路
170‧‧‧電力電位單元
180‧‧‧電流注入電路
190‧‧‧斷開保持電路
200‧‧‧半導體裝置
250‧‧‧控制電路
260‧‧‧控制電路
601‧‧‧反饋電容
602‧‧‧輸入電容
603‧‧‧閘極電容
604‧‧‧臨界
下面將參考附圖說明本發明的例示實施例之特徵、有利點、及技術與工業重要性，在附圖中，相同號碼表示相同元件，及其中：圖1為根據本發明的第一實施例之半導體裝置的構造 圖；圖2為輸入電容與反饋電容對上集極電壓之間的關係圖表；圖3為閘極電容與集極電壓之間的關係圖表；圖4為根據第一實施例之IGBT的構造圖；圖5為根據第一實施例之IGBT的構造圖；圖6為圖解IGBT被激勵時之根據第一實施例的半導體裝置之操作圖；圖7為圖解二極體被激勵時之根據第一實施例的半導體裝置之操作圖；圖8為根據本發明的第二實施例之半導體裝置的構造圖；圖9為圖解IGBT被激勵時之根據第二實施例的半導體裝置之操作圖；以及圖10為圖解二極體被激勵時之根據第二實施例的半導體裝置之操作圖。
下文中，將參考圖式說明用以實施本發明之實施例。在各別圖式中，相同構成將由相同參考號碼識別，及在一些事例中將省略其重複說明。
圖1為圖解根據本發明的第一實施例之半導體裝置的構造之例子圖。半導體裝置100包括RC-IGBT 110、RC-IGBT 120、負載130、微電腦140、控制電路150、控制 電路160、及電力電位單元170。RC-IGBT 110包括IGBT 111及二極體112。RC-IGBT 120包括IGBT 121及二極體122。
控制電路150包括電壓偵測電路151、閘極電壓梯度計算電路152、電流偵測電路153、電容計算電路154、電容判定電路155、接通-斷開判定電路156、驅動電路157、及電阻器158。
IGBT 111及IGBT 121係串聯連接。二極體112係配置成對應於IGBT 111。二極體122係配置成對應於IGBT 121。IGBT 111及二極體112係反並聯連接，以及IGBT 121及二極體122係反並聯連接。二極體122與IGBT 111及121係配置在同一基板上較佳。
IGBT 111及IGBT 121為執行接通-斷開操作之交換元件。因此，在未特別限制於IGBT之下，亦可使用諸如MOSFET等電力電晶體元件。在本實施例中，將說明使用IGBT之事例作為交換元件的例子。然而，當例如使用MOSFET時，能夠藉由將“集極”換成“汲極”以及將“射極”換成“源極”來讀取。
控制電路160係配置在微電腦140與RC-IGBT 110之間。控制電路150係配置在微電腦140與RC-IGBT 120之間。負載130係配置在RC-IGBT 110與RC-IGBT 120之間。
在RC-IGBT 110中，二極體112的陽極及IGBT 111的射極係連接，以及二極體112的陰極及IGBT 111的集 極係連接。集極係與電力電位單元170連接，及例如電位VH(高電位)係供應至此。IGBT 111的閘極係透過連接到閘極的控制電路160從微電腦140所輸出之驅動訊號(SinH)141a來控制。
在RC-IGBT 120中，二極體122的陽極及IGBT 121的射極係連接，以及二極體122的陰極及IGBT 121的集極係連接。射極被設定成例如GND(低電位)。IGBT 121的閘極係透過連接到閘極的控制電路150從微電腦140所輸出之驅動訊號(SinL)141b來控制。
微電腦140輸出驅動訊號到控制電路。例如，微電腦140輸入驅動訊號141b到控制電路150及輸入驅動訊號141a到控制電路160。因為驅動訊號141a及驅動訊號141b為相位顛倒的訊號，所以控制電路150及控制電路160以對應方式驅動。作為驅動訊號，例如，可使用接通(斷開)IGBT 111及121之訊號以及接通(斷開)二極體112及122之訊號。作為微電腦140，可使用微控制器單元(MCU)、微處理單元(MPU)、電子控制單元(ECU)、及中央處理單元(CPU)。
依據來自微電腦140的驅動訊號141b，控制電路150輸入適當訊號到IGBT 121的閘極。如此，控制注入到IGBT的閘極之電荷量。如下文將詳細說明一般，控制電路150監視接通時之IGBT 121的閘極電容，及從閘極電容估計產生在IGBT 121的集極與射極之間的電位差(下文中被稱作集極電壓)。當閘極電容小於臨界值時，集極電 壓被判定成高的，及控制電路150接通IGBT 121。當閘極電容大於臨界值時，集極電壓被判定成低的，及控制電路150斷開IGBT 121。
下文中，將特別說明包含在控制電路150中之各別構成。
電壓偵測電路151偵測產生在IGBT 121的閘極與射極之間的電位差(下文中被稱作閘極電壓Vge)，及輸出偵測結果到閘極電壓梯度計算電路152。閘極電壓依據例如從微電腦140所輸出的接通訊號或斷開訊號而改變。例如，當從微電腦140輸出斷開訊號時，閘極電壓變成低位準。
閘極電壓梯度計算電路(第一偵測電路)152包括例如變化率計算單元，及依據從電壓偵測電路151所輸入的訊號，在變化率計算單元中計算有關時間的閘極電壓之變化率。之後，將計算結果輸出到電容計算電路154。作為變化率計算單元，例如，可使用微分電路，微分電路微分有關時間t的閘極電壓Vge及輸出由微分有關時間所獲得之值(導數dVge/dt)作為輸出訊號。此處，dVge表示閘極電壓的變化，及dt表示時間的變化。
電流偵測電路(第二偵測電路)153使用電阻器158、偵測IGBT 121的閘極電流Ig、及輸出偵測結果到電容計算單元154。再者，以與閘極電壓相同方式，閘極電流依據例如從微電腦140所輸出的驅動訊號而變化(在實施例2的構造中，其亦依據從電流注入電路所注入的電流而改 變)。
依據從閘極電壓梯度計算電路152所輸出的訊號(有關時間的閘極電壓之變化率的計算結果)及從電流偵測電路153所輸出的訊號(閘極電流的偵測結果)，電容計算電路154計算閘極電容Cg。之後，將計算結果輸出到電容判定電路155。閘極電容係表示成下面方程式。
閘極電容=輸入電容+反饋電容=閘極電流/有關時間的閘極電壓之變化率=Cies+Cres=Ig/{dVge/dt}=Cg
圖2為輸入電容與反饋電容對上集極電壓之間的關係圖。圖3為閘極電容與集極電壓之間的關係圖。如圖2所示，儘管反饋電容Cres 601隨著集極電壓變高而減少，但是輸入電容Cies 602幾乎未取決於集極電壓。因此，如圖3所示，輸入電容Cies 602及反饋電容Cres 601的總和之閘極電容Cg 603係取決於集極電壓。另外，如圖3所示，閘極電容為臨界Cth 604或更多時之減少比率係大於當閘極電容為臨界Cth 604或更少時之減少比率。也就是說，伴隨集極電壓的增加一起出現之閘極電容的減少比率係依據臨界Cth 604而改變。
當集極電壓高時之反饋電容Cres係表示成下面方程式。
反饋電容={(基板與閘極之間的絕緣膜之電容)×(基板與閘極之間的接面電容)}/{(基板與閘極之間的絕緣膜之電容)+(基板與閘極之間的接面電容)}=(Cgd×Cpn)/(Cgd+Cpn)=Cres
當集極電壓如圖4所示一般高時，在基板的中央之N層中集極側上的電位變高，因為集極側上的P層與基板之中央的N層之間的部分為PN接面的正向方向。另一方面，逆偏壓被施加到射極側上的P層與基板之中央的N層之間的PN接面，因為射極側上的P層為低電位。因此，形成空乏層，及因此形成接面電容Cpn(見X部分)。
另一方面，當集極電壓低時之反饋電容Cres係表示成下面方程式。
反饋電容=(基板與閘極之間的絕緣膜之電容)=Cgd=Cres
當集極電壓如圖5所示一般低時，在基板的中央之N層中集極側上的電位變低，因為集極側上的P層與基板之中央的N層之間的部分為PN接面的正向方向。逆偏壓未被施加到射極側上的P層與基板之中央的N層之間的PN接面，因為射極側上的P層亦為低電位。因此，未形成接 面電容，因為未形成空乏層。
也就是說，是否形成接面電容Cpn係取決於集極電壓是高還是低。可估計當形成接面電容Cpn時反饋電容Cres小及集極電壓高。另外，可估計當未形成接面電容Cpn時反饋電容Cres大及集極電壓低。
而且，在當集極電壓高時的反饋電容Cres(Vce：大)與當集極電壓低時的反饋電容Cres(Vce：小)之間具有下面關係。
反饋電容Cres(Vce：小)>反饋電容Cres(Vce：大)=Cgd>{(Cgd×Cpn)/(Cgd+Cpn)}
也就是說，隨著集極電壓變高，反饋電容(Cres)從Cgd靠近(Cgd×Cpn)/(Cgd+Cpn)及變小。
依據從電容計算電路154所輸出的訊號，電容判定電路155判定閘極電容Cg大於臨界Cth還是小於臨界Cth，及輸出判定結果到接通-斷開判定電路156。
依據從電容判定電路155所輸出的訊號及從微電腦140所輸出的驅動訊號141b，接通-斷開判定電路156判定是否接通IGBT 121，及輸出判定結果到驅動電路157。
例如，當閘極電容Cg小於臨界Cth時，反饋電容Cres可被估計成大的，及集極電壓Vce可被估計成高的。
在此事例中，因為IGBT 121需要被激勵，所以接通-斷開判定電路156判定接通IGBT 121(閘極接通判定)。另 外，接通-斷開判定電路156將接通IGBT 121的訊號(提高閘極電壓)輸出到驅動電路157。
例如，當閘極電容Cg大於臨界Cth時，反饋電容Cres被估計成小的，及集極電壓Vce被估計成低的。
在此事例中，接通-斷開判定電路156判定斷開IGBT 121(閘極斷開判定)，因為IGBT 121不需要被激勵(二極體122正在被激勵)。另外，接通-斷開判定電路156將斷開IGBT 121的訊號(減少閘極電壓)輸出到驅動電路157。
這是依據電荷注入開始之後的閘極電容來估計的。另外，IGBT 121的接通-斷開控制係依據藉由比較閘極電容與臨界所獲得之接通-斷開判定電路156的判定結果來執行。電荷注入開始之後的時間包括閘極電容Cg的監視期間。閘極電容的監視期間表示從接通訊號(此處，接通訊號為來自微電腦之驅動開始指令訊號)輸入到IGBT 121的閘極時的時間到IGBT 121被接通時的時間。也就是說，可接通IGBT 121之此種量的變化被注入到IGBT 121的閘極。接通-斷開判定電路156可判定在IGBT 121從斷開交換到接通時的小期間期間是否需要激勵IGBT 121。在閘極電容的監視期間結束時，閘極電壓未改變。例如，閘極電壓到達限制值。
依據從接通-斷開判定電路156輸出的訊號，驅動電路157輸出控制訊號到IGBT 121的閘極。IGBT121係依據控制訊號來接通(或斷開)。
控制電路160被驅動以回應控制電路150。因為控制 電路160的構造同於控制電路150的構造，所以將省略其詳細說明。以同於控制電路150的方式，依據來自微電腦140的驅動訊號141a，控制電路160輸出控制訊號到IGBT 111的閘極。
電力電位單元170供應適當電位(例如、VH)給IGBT 111的集極及二極體112的陰極。
根據本實施例的半導體裝置100，依據IGBT 121的電荷注入開始之後的閘極電容，控制電路150可判定電流的極性。電流的極性係可藉由利用監視閘極電容的結果之方法來判定，而不必使用具有高耐壓的裝置。
接著，將說明半導體裝置100的接通時之操作的例子。
首先，將參考圖6詳細說明當IGBT 121被激勵時之操作。將說明當接通IGBT 121時之接通-斷開判定電路156監視閘極電容時之操作。訊號的每一個中之交換波形變成“高”之事例將被縮寫成“H”，而交換波形變成“低”之事例將被縮寫成“L”。
直到到達時間t1α為止，SinL(驅動訊號)為“L”，因為IGBT 121斷開。反饋電容Cres小，因為VceL(集極電壓)為“H”。VgeL(閘極電壓)及dVgeL/dt(有關時間的閘極電壓之變化率)為“L”，因為閘極電流未流動。因此，CML(閘極電容Cg的被監視值)也是“L”。IcL(集極電流)及IdiL(二極體電流)也是“L”。此處，RC-IGBT 110中之二極體112被激勵，及電流在二極體112中流動。
在時間t1α中，SinL從“L”變成“H”。如此，接通訊號被輸入到IGBT 121的閘極(開始監視閘極電容Cg)。VceL為“H”。閘極電流隨著IGBT 121的接通而流動。因此，VgeL開始增加，並且dVgeL/dt也開始增加。CML也開始增加，因為開始監視閘極電容Cg。IcL及IdiL為“L”。
從時間t1α到時間t2α(閘極電容Cg的維持期間)，SinL及VceL維持“H”。VgeL與時間成比例增加。在接近時間t1α時dVgeL/dt快速增加、通過最大值、及在接近時間t2α時dVgeL/dt快速減少。dVgeL/dt改變，使得其在時間t1α與時間t2α之間的中央時具有最大值(波形的形狀變成像雙對稱拋物線的形狀)。接通-斷開判定電路156執行IGBT 121的閘極接通判定，因為CML未超過臨界Cth。雖然IcL維持“L”的狀態一陣子，但是隨著閘極電容Cg增加，其與時間成比例增加。IdiL維持“L”。
在時間t2α中，SinL為“H”。依據CML小於臨界Cth(鏡子期間的開始)之接通-斷開判定電路156的判定結果，VceL開始減少。VgeL為從時間t1α到時間t2α期間所增加的值。dVgeL/dt為“L”。CML快速增加及變成大於臨界Cth(結束監視閘極電容Cg)。IcL為從時間t1α到時間t2α期間所增加的值。IdiL為“L”。
從時間t2α到時間t3α期間，SinL維持“H”。VceL與時間成比例快速減少及維持“L”。VgeL變成平坦及維持在時間t2α的值。dVgeL/dt維持“L”。CML維持在時間t2α所增加的值。IcL快速減少，而後與時間成比例逐漸增 加。IdiL維持“L”。
在時間t3α中，SinL為“H”。VceL為從時間t2α到時間t3α期間所減少的值。VgeL開始增加(鏡子期間的結束)及dVgeL/dt亦開始增加。CML開始減少。IcL及IdiL未改變。因為在鏡子期間的結束之後VceL為“L”，所以反饋電容Cres變大，及接通-斷開判定電路156變得無法判定激勵方向。
此處，鏡子期間表示由於集極電壓Vce在接通(或斷開時)時的變化，導致閘極與集極之間的電容改變及閘極電壓變平坦之期間。鏡子期間的長度依據例如閘極與集極之間的電容及電阻器158的電阻之乘積而定。因此，較佳的是，藉由適當調整鏡子期間的長度來避免增加耗損增加。
從時間t3α到時間t4α期間，SinL維持“H”。VceL維持在時間t3α的值。VgeL與時間成比例增加。在接近時間t3α時dVgeL/dt快速增加、通過最大值、及在接近時間t4α時快速減少。dVgeL/dt改變，使得其在時間t3α與時間t4α之間的中央時具有最大值。另外，從時間t3α到時間t4α期間之dVgeL/dt的最大值變成小於從時間t1α到時間t2α期間之dVgeL/dt的最大值。CML幾乎維持在時間t3α時所減少的值。IcL與時間成比例繼續逐漸增加。IdiL維持“L”。
在時間t4α時，SinL為“H”，VceL為在時間t3α的值，及VgeL為從時間t3α到時間t4α期間所增加的值。當 IGBT 121的VgeL已完成增加(已到達限制值)，其維持恆定值。閘極電容Cg無法被監視，因為閘極電流未流動。dVgeL/dt為“L”。CML快速減少及變成小於臨界Cth。IcL及IdiL未改變。
在超過時間t4α之後，SinL維持“H”。VceL、VgeL、及dVgeL/dt維持在時間t4α的值。CML維持大於直到到達時間t1α為止的值且小於從時間t1α到時間t2α期間的值之值。IcL與時間成比例繼續逐漸增加。IdiL維持“L”。
接著，將參考圖7詳細說明激勵二極體122時的操作。將說明在接通IGBT 121時接通-斷開判定電路156監視閘極電容之事例的操作。
直到到達時間t1β為止，SinL為“L”，因為IGBT 121斷開。反饋電容Cres小，因為VceL為“H”。VgeL及dVgeL/dt為“L”，因為閘極電流未流動。CML為“L”。IdiL與時間成比例增加，因為二極體122被激勵。IcL為“L”。
在時間t1β中，SinL從“L”變成“H”。如此，將訊號輸入到IGBT 121的閘極(開始監視閘極電容Cg)。VceL為“L”。隨著IGBT 121被接通，閘極電流流動。因此，VgeL開始增加及dVgeL/dt也開始增加。並且CML也開始增加，因為開始監視閘極電容Cg。IcL及IdiL的行為未改變。
從時間t1β到時間t2β期間(閘極電容Cg的監視期間)，SinL維持“H”及VceL維持“L”。伴隨著IGBT 121的接通，VgeL與時間成比例增加。在接近時間t1α時 dVgeL/dt快速增加、通過最大值、及在接近時間t2α時dVgeL/dt快速減少。dVgeL/dt改變，使得其在時間t1α與時間t2α之間的中央時具有最大值。接通-斷開判定電路156依據監視結果來執行IGBT 121的閘極斷開判定，因為CML超過臨界Cth。IdiL與時間成比例增加。IcL為“L”。
在時間t2β中，SinL為“H”。Vcel為“L”。依據CML大於臨界Cth之接通-斷開判定電路156的判定結果，VgeL開始減少。dVgeL/dt為“L”。CML快速減少及變成小於臨界Cth(閘極電容Cg的監視結束)。IcL及IdiL的行為未改變。
在超過時間t2β之後，SinL維持“H”及VceL維持“L”。IGBT 121被斷開，因為VgeL快速減少。閘極電容Cg無法被監視，因為閘極電流未流動。也就是說，接通-斷開判定電路156無法判定激勵方向。dVgeL/dt維持“L”。CML維持在時間t2β的值。IdiL與時間成比例增加。IcL為“L”。
因此，根據本實施例的半導體裝置100，在接通IGBT121時監視閘極電容Cg，及判定其大於還是小於臨界。藉由依據閘極電容Cg的判定結果來判定在未改變之下接通IGBT 121還是藉由停止接通IGBT 121來斷開IGBT 121，控制電路150執行適當控制。如此，可抑制由於二極體的VF增加所導致之耗損劣化，因為可藉由避免閘極的干擾來驅動二極體及IGBT。
在第二實施例中，將說明不同於第一實施例之半導體裝置200。半導體裝置200包括電流注入電路及斷開保持電路在控制電路中，不同於半導體裝置100。
圖8為根據本實施例之半導體裝置的構造之例子圖。半導體裝置200包括RC-IGBT 120、負載130、微電腦140、控制電路250、控制電路260、及電力電位單元170。RC-IGBT 110包括IGBT 111及二極體112。RC-IGBT 120包括IGBT 121及二極體122。
除了半導體裝置100的構造之外，半導體裝置200還包括電流注入電路180及斷開保持電路190在控制電路250中。另外，雖然控制電路260也包括電流注入電路及斷開保持電路，但是因為控制電路260的構造對應於控制電路250的構造，所以將省略其詳細說明。
如圖8所示，控制電路250包括電壓偵測電路151、閘極電壓梯度計算電路152、電流偵測電路153、電容計算電路154、電容判定電路155、接通-斷開判定電路156、驅動電路157、電阻器158、電流注入電路180、及斷開保持電路190。
在IGBT 121斷開時，電流注入電路180注入電流Ig2到閘極。也就是說，電壓偵測電路151偵測依據從電流注入電路180所注入的電流Ig2而改變之閘極電壓的變化。另外，以相同方式，電流偵測電路153偵測依據從電流注入電路180所注入的電流Ig2而改變之閘極電流的變化。依據在IGBT 121斷開時之閘極電容的判定結果(閘極電容 大於或小於臨界)，控制電路250控制IGBT 121的接通-斷開。
斷開保持電路190保持IGBT 121的閘極電壓，使得其無法增加到預定值或更大(保持閘極電壓在預定值或更小)。藉由以斷開保持電路190將閘極電壓保持在預定值或更小，甚至在IGBT 121斷開時仍可監視閘極電容。
也就是說，在根據實施例1之半導體裝置100中，控制電路150偵測依據從微電腦140所輸出的接通訊號而改變之閘極電容的變化。也就是說，閘極電容的監視期間係在IGBT 121的接通時。另一方面，在根據實施例2之半導體裝置200中，控制電路250偵測依據從電流注入電路180所注入的電流Ig2而改變之閘極電容的變化。也就是說，閘極電容的監視期間係在IGBT 121的斷開時。
根據本實施例之半導體裝置200，可藉由利用電流注入電路180及斷開保持電路190來監視IGBT 121的斷開時之閘極電容。也就是說，當二極體122被激勵時，IGBT 121能夠不完全被接通。因此，可省略不必要的耗損，及可抑制二極體的耗損劣化。另外，在IGBT 121斷開時，可即時判定電流的方向(激勵方向)。
接著，將說明半導體裝置200斷開時之操作。
首先，將詳細說明IGBT的激勵時之操作。當在IGBT斷開時之接通-斷開判定電路156監視閘極電容時的操作。
在圖9中，圖示接通時之交換波形。如圖9所示，以 SinL表示驅動訊號，以VceL表示集極電壓，以Ig2表示注入電流，以VgeL表示閘極電壓，以dVgeL/dt表示有關時間之閘極電壓的變化率，以CML表示閘極電容Cg的監視值，以IcL表示集極電流，及以IdiL表示二極體電流。另外，在訊號的每一個中之交換波形變成“高”的事例被縮寫成“H”，而交換波形變成“低”之事例被縮寫成“L”。
直到到達時間t1α為止(閘極電容Cg的監視期間)，SinL為“L”，因為IGBT 121斷開。反饋電容Cres小，因為VceL為“H”。Ig2為正弦曲線，因為電流從電流注入電路180注入到IGBT 121的閘極(開始監視閘極電容Cg)。電流Ig2的波形並未局限於正弦曲線。VgeL及dVgeL/dt也是正弦曲線，因為這些回應於Ig2。CML小於臨界Cth。因此，接通-斷開判定電路156執行IGBT 121的閘極接通判定。IcL及IdiL為“L”。
在時間t1α時，SinL從“L”變成“H”。VceL為“H”。微電腦140輸入接通訊號到IGBT 121的閘極，及IGBT 121因此被接通(結束監視閘極電容Cg)。伴隨IGBT 121的接通而終止注入電流到閘極，因為電流注入電路180只在IGBT 121斷開時注入電流到閘極。因此，Ig2從正弦曲線變成“L”。VgeL開始增加及dVgeL/dt也開始增加。CML及IcL未改變。IdiL為“L”，因為接通-斷開判定電路156執行IGBT 121的閘極接通判定(二極體122斷開)。
從時間t1α到時間t2α期間，SinL及VceL維持“H”。Ig2維持“L”。伴隨IGBT 121的接通，VgeL與時間成比例 增加。在接近時間t1α時dVgeL/dt快速增加、通過最大值、及在接近時間t2α時快速減少。dVgeL/dt改變，使得其在時間t1α與時間t2α之間的中央時具有最大值。CML、IcL及IdiL未改變。
在時間t2α中，SinL為“H”。依據CML小於臨界Cth(鏡子期間的開始)之接通-斷開判定電路156的判定結果，VceL開始減少。Ig2未改變。VgeL為從時間t1α到時間t2α期間所增加的值。dVgeL/dt快速減少及為“L”。CML快速增加及變成大於臨界Cth。IcL開始增加。IdiL為“L”。
從時間t2α到時間t3α期間，SinL維持“H”。VceL與時間成比例快速減少及維持“L”。Ig2維持“L”。VgeL變成平坦及維持在時間t2α的值。dVgeL/dt維持“L”。CML維持在時間t2α所增加的值。IcL與時間成比例增加，而後與時間成比例減少。IdiL維持“L”。
在時間t3α中，SinL為“H”。VceL為從時間t2α到時間t3α期間所減少的值。Ig2未改變。VgeL開始增加(鏡子期間的結束)及dVgeL/dt亦開始增加。CML快速減少但是大於臨界Cth。IcL係在減少的中間，及IdiL未改變。在結束鏡子期間之後，無法監視閘極電容Cg。
從時間t3α到時間t4α期間，SinL維持“H”。VceL維持在時間t3α的值。Ig2維持“L”。VgeL與時間成比例增加。在接近時間t3α時dVgeL/dt快速增加、通過最大值、及在接近時間t4α時快速減少。dVgeL/dt改變，使得其在 時間t3α與時間t4α之間的中央時具有最大值。另外，從時間t3α到時間t4α期間之dVgeL/dt的最大值變成小於從時間t1α到時間t2α期間之dVgeL/dt的最大值。CML幾乎維持在時間t3α時所減少的值。IcL與時間成比例減少，而後與時間成比例增加。IdiL維持“L”。
在時間t4α時，SinL為“H”，及VceL為在時間t3α的值。Ig2未改變。VgeL為從時間t3α到時間t4α期間所增加的值。當IGBT 121的VgeL已完成增加(已到達限制值)，其維持恆定值。閘極電容Cg無法被監視，因為閘極電流未流動。dVgeL/dt為“L”。CML快速減少及變成小於臨界Cth。IcL及IdiL的行為未改變。
在超過時間t4α之後，SinL維持“H”。VceL、Ig2、VgeL、及dVgeL/dt維持在時間t4α的值。CML維持小於直到到達時間t1α為止的值之值。IcL與時間成比例繼續逐漸增加。IdiL維持“L”。
接著，將詳細說明激勵二極體122時的操作。將說明在斷開IGBT時接通-斷開判定電路156監視閘極電容之事例的操作。
在圖10中，圖示接通時之交換波形。如圖10所示，以SinL表示驅動訊號，以VceL表示集極電壓，以Ig2表示注入電流，以VgeL表示閘極電壓，以dVgeL/dt表示有關時間之閘極電壓的變化率，以CML表示閘極電容Cg的監視值，以IcL表示集極電流，及IdiL表示二極體電流。
直到到達時間t1β為止，IGBT 121斷開。途中SinL 從“L”變成“H”。反饋電容Cres小，因為VceL為“H”。Ig2為正弦曲線，因為電流從電流注入電路180注入到IGBT 121的閘極(開始監視閘極電容Cg)。VgeL及dVgeL/dt也是正弦曲線，因為這些回應於Ig2。CML大於臨界Cth。因此，接通-斷開判定電路156執行IGBT 121的閘極斷開判定。雖然二極體122被激勵，但是IdiL與時間成比例逐漸減少。IcL為“L”。
在時間t1β時，SinL為“H”。VceL為“L”。Ig2為正弦曲線。VgeL開始增加，因為依據來自微電腦140的接通訊號之電荷被注入到IGBT 121的閘極。dVgeL/dt也開始增加。CML快速減少。IdiL及IcL未改變。
從時間t1β到時間t2β期間，SinL維持“H”。VceL維持“L”達一陣子，但是之後增加。Ig2為正弦曲線。伴隨IGBT 121的接通，VgeL與時間成比例增加。伴隨VgeL的增加，dVgeL/dt也開始增加。CML維持在時間t1β所減少的值。CML小於臨界Cth。IdiL為“L”(二極體122斷開)，因為接通-斷開判定電路156執行IGBT 121的閘極接通判定。此處，顛倒電流方向。隨著電流方向被顛倒，IcL與時間成比例從“L”逐漸增加。
在時間t2β中，SinL為“H”。VceL通過增加的尖峰及開始減少。電流注入電路180只在IGBT 121斷開時注入電流到閘極。因此，伴隨IGBT 121的接通，終止注入電流到閘極。如此，Ig2從正弦曲線改變成“L”(結束監視閘極電容Cg)。VgeL開始增加及dVgeL/dt也開始增加。 CML小於臨界Cth。IcL及IdiL未改變。
從時間t2β到時間t3β期間，SinL維持“H”。VceL與時間成比例快速減少及維持“L”。在結束鏡子期間之後，反饋電容Cres變得較大，因為VceL為“L”，及接通-斷開判定電路156無法監視閘極電容Cg。Ig2維持“L”。VgeL與時間成比例增加、在某一值變成平坦、及再次與時間成比例增加。在接近時間t2β時dVgeL/dt快速增加、通過最大值、快速減少(“L”)、之後再次增加、通過最大值、及減少(“L”)。此處，在第二次增加中之dVgeL/dt的最大值變得小於第一次增加中之dVgeL/dt的最大值。CML快速增加、變得大於臨界Cth、之後快速減少及維持大於臨界Cth的值。IcL與時間成比例逐漸增加。IdiL維持“L”。
在時間t3β中，SinL為“H”。VceL及Ig2為“L”。VgeL為在時間t3β的值。dVgeL/dt為“L”。CML快速減少(小於臨界Cth)。IcL及IdiL的行為未改變。
在超過時間t3β之後，SinL維持“H”與VceL及Ig2維持“L”。VgeL維持在時間t3β的值。當IGBT 121的VgeL完成增加(到達限制值)，其維持恆定值。閘極電容Cg無法被監視，因為閘極電流未流動。dVgeL/dt為“L”。CML維持在時間t3β的值。IcL與時間成比例逐漸增加。IdiL未改變。
因此，根據本實施例之半導體裝置200，可提供能夠在未使用具有高耐壓之裝置下判定電流的極性之技術。
在上文中，雖然已詳細說明用以實施本發明之實施 例，但是本發明並不局限於此種特定實施例。在本發明的主旨範圍內，可以各種方式修改及改變本發明。
100‧‧‧半導體裝置
110‧‧‧逆導絕緣閘極雙極電晶體
111‧‧‧絕緣閘極雙極電晶體
112‧‧‧二極體
120‧‧‧逆導絕緣閘極雙極電晶體
121‧‧‧絕緣閘極雙極電晶體
122‧‧‧二極體
130‧‧‧負載
140‧‧‧微電腦
141a‧‧‧驅動訊號
141b‧‧‧驅動訊號
150‧‧‧控制電路
151‧‧‧電壓偵測電路
152‧‧‧閘極電壓梯度計算電路
153‧‧‧電流偵測電路
154‧‧‧電容計算電路
155‧‧‧電容判定電路
156‧‧‧接通-斷開判定電路
157‧‧‧驅動電路
158‧‧‧電阻器
160‧‧‧控制電路
170‧‧‧電力電位單元

Claims (7)

  1. 一種半導體裝置，包含：電晶體(121)；二極體(122)，係與該電晶體反並聯連接；第一偵測電路(152)，係組構成偵測有關時間之該電晶體的閘極電壓之變化率；第二偵測電路(153)，係組構成偵測該電晶體的閘極電流；計算電路(154)，係組構成依據有關時間之該閘極電壓的該變化率及該閘極電流來計算閘極電容；以及判定電路(155)，係組構成依據當電荷注入到該電晶體的閘極時之該閘極電容的判定結果，來判定電流是流動到該二極體還是到該電晶體。
  2. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該電晶體的接通-斷開係依據當電晶體斷開時之該閘極電容的該判定結果來控制。
  3. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，另包含接通-斷開判定電路(156)，係組構成依據當該電晶體斷開時之該閘極電容的該判定結果來判定是否接通該電晶體。
  4. 根據申請專利範圍第3項之半導體裝置，其中該第一偵測電路、該第二偵測電路、該計算電路、該判定電路、及該接通-斷開判定電路構成控制電路的一部分；以及 該控制電路係組構成控制該電晶體的接通-斷開。
  5. 根據申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中該控制電路包括驅動電路(157)；以及該驅動電路係組構成依據從該接通-斷開判定電路所輸出之訊號來控制該電晶體的該接通-斷開。
  6. 根據申請專利範圍第1至5項中任一項之半導體裝置，另包含：電流注入電路(180)，係組構成當該電晶體斷開時注入電荷到該閘極；以及斷開保持電路(190)，係組構成當該電晶體斷開時將該閘極電壓保持在預定值或更小。
  7. 一種半導體裝置之控制方法，該半導體裝置包括電晶體(121)及與該電晶體反並聯連接之二極體(122)，該控制方法包含：偵測有關時間之該電晶體的閘極電壓之變化率；偵測該電晶體的閘極電流；依據有關時間之該閘極電壓的該變化率及該閘極電流來計算閘極電容；以及依據當電荷注入到該電晶體的閘極時之該閘極電容的判定結果，來判定電流是流動到該二極體還是到該電晶體。
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