半导体元件的驱动装置、半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体元件的驱动装置以及半导体装置。
【背景技术】
[0002]当前，例如如日本特开2002 - 208847号公报的公开内容所述，已知一种半导体元件的驱动装置，该半导体元件的驱动装置能够应对由于短路而流过过电流导致半导体元件受到损坏这一情况。进行如下动作，即，检测IGBT等半导体元件中的集电极电流，在检测出过电流时，实施保护动作即栅极切断等。
[0003]进行下述动作，即，使用二极管检测集电极发射极电压VCE，根据该VCE检测半导体元件的集电极电流。在该集电极电流的检测方式中，在导通之后达到稳定状态为止的几微秒左右的时间内，无法根据VCE的检测值准确地检测集电极电流。另一方面，在由于某种原因而发生负载短路等情况下，会在半导体元件刚刚导通之后流过大电流(短路电流)。优选迅速检测出该情况而进行保护动作。
[0004]因此，在上述现有的技术中，公开了在接通了栅极时使集电极发射极电压VCE快速地收敛为饱和电压的技术。“饱和电压”是指，在使基极电流增加的情况下，集电极电极与发射极电极之间的电压降不发生减少时的集电极发射极电极之间的电压降。由此，能够在导通之后快速地进行利用VCE实现的集电极电流检测。其结果，能够实施导通之后的早期的保护动作。
[0005]专利文献1:日本特开2002 - 208847号公报
【发明内容】
[0006]然而，可以想到在半导体元件在导通之后的接通动作过程中，有时也会由于某种原因而发生短路。通常，在接通动作过程中，半导体元件的集电极发射极电压保持下降至饱和电压的状态。但是，如果由于短路而产生大电流，则一度曾下降至饱和电压的集电极发射极电压VCE会增大。其结果，集电极发射极电压VCE成为不是饱和电压的电压(S卩“不饱和电压”)。因此，能够通过在半导体元件的导通动作过程中检测如上所述的不饱和电压的发生，从而检测短路的发生，进行栅极切断等保护动作。有时将这种检测不饱和电压的一系列的功能也称为“去饱和(desat)检测功能”，将用于实现去饱和功能的去饱和检测电路搭载在半导体元件的驱动装置(作为实际部件是栅极驱动器IC)中。
[0007]在刚刚导通之后，集电极发射极电压不会立即下降至饱和电压。即，直至集电极发射极电压达到饱和电压，会花费若干的时间。因此，在刚刚导通之后，也存在为不饱和电压的期间。这是半导体元件的正常驱动时的所谓的正常不饱和电压状态。对于这一点，在上述的专利文献中也有所记载。上述的去饱和检测功能不应将如上所述的刚刚导通之后的不饱和电压错误地检测为是由于发生短路而引起的不饱和电压。因此，在现有的去饱和检测电路中，在去饱和检测功能中设定有“消隐时间”。形成下述机制，即，并不是在检测出不饱和电压的情况下直接判断为发生短路，而是在导通后的接通状态下检测出不饱和电压的时间超过该消隐时间的情况下，检测为发生短路。
[0008]能够通过该消隐时间的设定，避免对刚刚导通之后的正常不饱和电压状态进行错误检测。但是，在导通后一度成为饱和电压之后，在半导体元件的接通动作过程中发生了短路的情况下，该消隐时间也会带来影响。虽然希望立即检测出起因于短路的不饱和电压并实施保护动作，但是，由于消隐时间而不可避免地使不饱和电压的检测(即短路的检测)延迟。其结果，存在无法尽早地进行发生短路时的保护动作的问题。
[0009]本发明就是为了解决如上所述的课题而提出的，其目的在于提供一种在发生短路时能够快速地进行半导体元件保护的半导体元件的驱动装置以及半导体装置。
[0010]本发明所涉及的半导体元件的驱动装置的特征在于，具有:
[0011]驱动电路部，其与半导体元件电连接，该半导体元件具有第I电极、第2电极、以及对所述第1、2电极之间的导通和断开进行切换的控制端子，该驱动电路部接收输入信号，根据所述输入信号而生成驱动信号，并将该驱动信号赋予所述控制端子，从而驱动所述半导体元件；
[0012]充电电路部，其与外部电路电连接，该外部电路具有阴极与所述第I电极连接的二极管、以及一侧的端子与所述二极管的阳极连接且另一侧的端子与所述第2电极连接的电容元件，该充电电路部基于所述输入信号和所述驱动信号中的某一个信号而进行所述电容元件的充电，并且，所述充电电路部检测所述电容元件的充电电压，在所述某一个信号是接通信号的情况下，当所述充电电压比所述半导体元件的饱和电压小时，将第I数值的恒定电流向所述阳极与所述一侧的端子的连接点供给，在所述充电电压与所述半导体元件的饱和电压一致的定时之后，将比所述第I数值大的第2数值的恒定电流向所述连接点供给；以及
[0013]切断电路部，其在所述充电电压达到阈值之后，将由所述驱动电路部进行的向所述控制端子的所述驱动信号的供给切断。
[0014]本发明所涉及的半导体装置的特征在于，具有:
[0015]半导体元件，其具有第I电极、第2电极、以及对所述第1、2电极的导通和断开进行切换的控制端子；
[0016]驱动电路部，其与所述半导体元件电连接，接收输入信号，根据所述输入信号而生成驱动信号，并将该驱动信号赋予所述控制端子，从而驱动所述半导体元件；
[0017]充电电路部，其与外部电路电连接，该外部电路具有阴极与所述第I电极连接的二极管、以及一侧的端子与所述二极管的阳极连接且另一侧的端子与所述第2电极连接的电容元件，该充电电路部基于所述输入信号和所述驱动信号中的某一个信号而进行所述电容元件的充电，并且，所述充电电路部检测所述电容元件的充电电压，在所述某一个信号是接通信号的情况下，当所述充电电压比所述半导体元件的饱和电压小时，将第I数值的恒定电流向所述阳极与所述一侧的端子的连接点供给，在所述充电电压与所述半导体元件的饱和电压一致的定时之后，将比所述第I数值大的第2数值的恒定电流向所述连接点供给；以及
[0018]切断电路部，其在所述充电电压达到阈值之后，将由所述驱动电路部进行的向所述控制端子的所述驱动信号的供给切断。
[0019]发明的效果
[0020]根据本发明，能够通过在电容元件的电压与半导体元件的饱和电压一致的定时之后对电容元件快速充电，从而在发生短路时快速地进行半导体元件的保护。
【附图说明】
[0021]图1是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体装置的结构的图。
[0022]图2是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体元件的驱动装置的结构的电路图。
[0023]图3是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体元件的驱动装置的结构的一部分的电路图，放大地示出了 HVIC 20a的内部电路的一部分以及其周边电路。
[0024]图4例示出本发明的实施方式I所涉及的半导体元件的驱动装置所驱动的IGBT30的半导体芯片的纵向剖面图，示出了 I个IGBT单位元件90A的构造。
[0025]图5是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体元件的驱动装置所驱动的IGBT的输出特性的图。
[0026]图6是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体元件的驱动装置的通常时的动作的时序图。
[0027]图7是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体元件的驱动装置的短路时(在IGBT接通时发生短路的情况下)的动作的时序图。
[0028]图8是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体元件的驱动装置的结构以及其周边结构的电路图。
[0029]图9是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体元件的驱动装置的短路时(在IGBT接通时发生短路的情况下)的动作的时序图。
[0030]图10是表示本发明的实施方式3所涉及的半导体元件的驱动装置的结构以及其周边结构的电路图。
[0031]图11是表示本发明的实施方式3所涉及的半导体元件的驱动装置的短路时(在IGBT接通时发生短路的情况下)的动作的时序图。
[0032]图12是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体元件的驱动装置的结构以及其周边结构的电路图。
[0033]图13是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体元件的驱动装置的短路时(在IGBT接通时发生短路的情况下)的动作的时序图。
[0034]图14是表示本发明的实施方式5所涉及的半导体元件的驱动装置的结构以及其周边结构的电路图。
[0035]图15是表示本发明的实施方式5所涉及的半导体元件的驱动装置的短路时(在IGBT接通时发生短路的情况下)的动作的时序图。
[0036]图16是表示本发明的实施方式6所涉及的半导体元件的驱动装置的结构以及其周边结构的电路图。
[0037]图17是表示本发明的实施方式6所涉及的半导体元件的驱动装置的短路时(在IGBT接通时发生短路的情况下)的动作的时序图。
[0038]图18是表示本发明的实施方式7所涉及的半导体元件的驱动装置的结构以及其周边结构的电路图。
[0039]图19是表示本发明的实施方式7所涉及的半导体元件的驱动装置的通常时的动作的时序图。
[0040]图20是表示本发明的实施方式7所涉及的半导体元件的驱动装置的短路时(在IGBT接通时发生短路的情况下)的动作的时序图。
[0041]图21是表示相对于本发明的实施方式的对比例所涉及的半导体元件的驱动装置的图。
[0042]图22是表示相对于本发明的实施方式的对比例所涉及的半导体元件的驱动装置的短路时(在IGBT接通时发生短路的情况下)的动作的时序图。
【具体实施方式】
[0043]实施方式1.
[0044][实施方式I的装置以及电路的结构]
[0045]图1是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体装置的结构的图。实施方式I所涉及的半导体装置是逆变器装置10。逆变器装置10是三相交流逆变器，具有3个桥臂电路。各桥臂电路分别具有 2 个 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)。
[0046]逆变器装置10合计具有6个IGBT(IGBT 30、31、32、33、34、35)。6个IGBT具有相同的结构，分别设置有I个续流二极管。但是，本发明不限定于此，也可以是桥臂电路为I个或者2个的逆变器。高电位侧的IGBT 30,32,34的集电极与共用的母线连接，低电位侧的IGBT31、33、35的发射极与共用的母线连接，在这2根母线之间插入有平滑电容器12。
[0047]逆变器装置10具有3个驱动电路(驱动电路14a、14b、14c)。各驱动电路14a、14b、14c包含内置有栅极驱动电路的栅极驱动器HVIC。驱动电路14a、14b、14c与各桥臂电路I对I地进行连接。
[0048](驱动电路14a)
[0049]图2是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体元件的驱动装置以及与该驱动装置连接的外部电路的结构的电路图。在图2中，示出了驱动电路14a。驱动电路14a包含实施方式I所涉及的半导体元件的驱动装置即HVIC 20a、与该HVIC 20a电连接的消隐电容元件CBl、以及高耐压二极管DHVl。为了便于说明，将该消隐电容元件CBl以及高耐压二极管DHVl称为“外部电路”。在图2中示出的是驱动电路14a，并且也示出了由该驱动电路14a驱动的IGBT 30,31ο对于驱动电路14b、14c，除了所驱动的IGBT不同这一点以外，形成为与驱动电路14a相同的结构，因此省略图示。
[0050]驱动电路14a内置有去饱和检测功能。去饱和检测功能是IGBT的过电流检测功能之一，是监视IGBT接通时的集电极一发射极之间的电压，对不饱和(短路)进行检测的功能。在本实施方式所涉及的逆变器装置10中，该去饱和检测功能由HVIC 20a、消隐电容元件CBl、以及高耐压二极管DHVl实现。
[0051]如图2所示，逆变器装置10具有HVIC 20a和由HVIC 20a驱动的IGBT 30、31。IGBT 30、31分别与续流二极管FWDl、FWD2连接。另外，在HVIC 20a的周边设置有自举电路16、消隐电容元件CB1、CB2、高耐压二极管DHV1、DHV2。
[0052]HVIC 20a具有电源端子VCC、端子HIN、端子LIN、端子VB、端子VS、端子HO、端子L0、接地端子GND、以及去饱和端子VDSH、VDSL。电源端子VCC与电源13连接。