本申请以日本专利申请2017-214525(申请日2017年11月7日)为基础，从该申请享受优先权的利益。本申请通过参照该申请而包含该申请的全部内容。
本发明的实施方式涉及半导体器件、电力变换装置、驱动装置、车辆以及升降机。
背景技术：
在高速地进行开关动作的功率晶体管中，例如在关断时，有时产生因寄生电感造成的电涌电压。如果产生电涌电压，则产生栅极绝缘膜的破坏，或产生电路的振铃现象(ringing)，因而成为问题。因为电涌电压是高电压并且在短时间内产生，因此难以进行检测。
技术实现要素：
本发明要解决的问题是提供一种能够检测出电涌电压的半导体器件、电力变换装置、驱动装置、车辆以及升降机。
实施方式的半导体器件包括：第一电容器，具有第一端子和第一另一端子，第一端子与具有第一电极、第二电极以及栅极的晶体管的第一电极和第二电极的任意一个电连接；第一二极管，具有第一阳极和第一阴极，第一阳极与第一另一端子电连接；第二电容器，具有第二端子和第二另一端子，第二端子与第一阴极电连接；采样保持电路，将第一阴极和第二端子电连接；开关，在第二端子和第二另一端子之间与第二电容器并联地电连接；以及第二二极管，具有第二阳极和第二阴极，第二阴极与第一另一端子和第一阳极电连接。
根据上述结构，提供能够检测电涌电压的半导体器件、电力变换装置、驱动装置、车辆以及升降机。
附图说明
图1是第一实施方式的半导体器件的示意图。
图2是第一实施方式的电力变换装置的示意图。
图3a～3c是示出第一实施方式的第一二极管的一个例子的示意图。
图4是示出第一实施方式的半导体器件的电压和电流的时间变化的示意图。
图5是示出电涌电压的波形的一个例子的示意图。
图6是示出第一实施方式的半导体器件的电涌电压的检测特性的示意图。
图7是第二实施方式的电力变换装置的示意图。
图8是第二实施方式的半导体器件的示意图。
图9是第三实施方式的驱动装置的示意图。
图10是第四实施方式的车辆的示意图。
图11是第五实施方式的车辆的示意图。
图12是第六实施方式的升降机的示意图。
附图标记说明
10：低侧晶体管(晶体管)；10a：发射极(第一电极)；10b：集电极(第二电极)；10c：栅极；20：高侧晶体管(晶体管)；20a：发射极(第一电极)；20b：集电极(第二电极)；20c：栅极；50：控制部；60：可变电阻；110：电涌电压检测电路(半导体器件)；112：第一电容器；112a：第一端子；112b：第一另一端子；114：第一二极管；114a：第一阳极；114b：第一阴极；116：第二二极管；116a：第二阳极；116b：第二阴极；118：第二电容器；118a：第二端子；118b：第二另一端子；120：采样保持电路；122：开关；124：微计算机(控制部)；126：模数变换器；130：电涌电压检测电路(半导体器件)；210：逆变器电路(电力变换装置)；220：逆变器电路(电力变换装置)；1000：驱动装置；1100：车辆；1200：车辆；1300：升降机。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。此外，在以下的说明中，对相同的构件或类似的构件等附加相同的符号，对于已经说明过的构件等适当地省略其说明。
另外，在本说明书中，半导体器件是指包含将多个元件进行单芯片(onechip)化所得到的ic(集成电路)、配置有多个电子部件的电子电路基板或组合了离散半导体等多个元件所得的功率模块的概念。
(第一实施方式)
本实施方式的半导体器件包括：第一电容器，具有第一端子和第一另一端子，第一端子与具有第一电极、第二电极以及栅极的晶体管的第一电极和第二电极的任意一个电连接；第一二极管，具有第一阳极和第一阴极，第一阳极与第一另一端子电连接；第二电容器，具有第二端子和第二另一端子，第二端子与第一阴极电连接；采样保持电路，将第一阴极和第二端子电连接；开关，在第二端子和第二另一端子之间与第二电容器并联地电连接；第二二极管，具有第二阳极和第二阴极，第二阴极与第一另一端子和第一阳极电连接。
另外，本实施方式的电力变换装置包括：晶体管，具有第一电极、第二电极以及栅极；第一电容器，具有第一端子和第一另一端子，第一端子与第一电极和第二电极的任意一个电连接；第一二极管，具有第一阳极和第一阴极，第一阳极与第一另一端子电连接；第二电容器，具有第二端子和第二另一端子，第二端子与第一阴极电连接；采样保持电路，将第一阴极与第二端子电连接；开关，在第二端子和第二另一端子之间与第二电容器并联地电连接；第二二极管，具有第二阳极和第二阴极，第二阴极与第一另一端子和第一阳极电连接。
图1是本实施方式的半导体器件的示意图，本实施方式的半导体器件是电涌电压检测电路110。
图2是本实施方式的电力变换装置的示意图，本实施方式的电力变换装置是包括电涌电压检测电路110的逆变器电路210。
图1是示出逆变器电路210的一部分的图，图1是示出电涌电压检测电路110的详细结构的图。
图2所示的逆变器电路210包括三组的低侧晶体管10(晶体管)和高侧晶体管(晶体管)20、三个电涌电压检测电路110、正端子p、负端子n、输出端子u、输出端子v、输出端子w、检测端子d’。正端子p与直流电源30的正极30a连接，负端子n与直流电源30的负极30b连接。例如，平滑电容器40被设置为在正端子p和负端子n之间与直流电源30并联。逆变器电路210是三相逆变器。从检测端子d’输出电涌电压检测电路110进行的电涌电压的检测结果。
直流电源30的电压例如是200v以上、1500v以下。
低侧晶体管10和高侧晶体管20例如是igbt(insulatedgatebipolartransistor绝缘栅双极型晶体管)。低侧晶体管10和高侧晶体管20例如与未图示的回流二极管连接。
电涌电压检测电路110例如是对多个元件进行单芯片化所得到的ic、或配置有多个电子部件的电子电路基板。电涌电压检测电路110检测在低侧晶体管10和高侧晶体管20之间产生的电涌电压。
在图1中，示出逆变器电路210的三组的低侧晶体管10和高侧晶体管20中的与输出端子u连接的一组低侧晶体管10和高侧晶体管20。另外，示出与该一组低侧晶体管10和高侧晶体管20连接的电涌电压检测电路110。
电涌电压检测电路110包括第一电容器112、第一二极管114、第二二极管116、第二电容器118、采样保持电路120、开关122、控制部50、输入端子a、输入端子b以及检测端子d。
逆变器电路210的低侧晶体管10具有发射极10a(第一电极)、集电极10b(第二电极)、栅极10c。逆变器电路210的高侧晶体管20具有发射极20a(第一电极)、集电极20b(第二电极)、栅极20c。
电涌电压检测电路110的输入端子a与低侧晶体管10的集电极10b和高侧晶体管20的发射极20a电连接。输入端子a电连接到在电子电路中有可能产生电涌电压的位置。电涌电压检测电路110的输入端子b与直流电源30的负极30b电连接。
从电涌电压检测电路110的检测端子d输出电涌电压的检测结果。
第一电容器112具有第一端子112a和第一另一端子112b。第一端子112a与输入端子a电连接。第一端子112a经由输入端子a与低侧晶体管10的集电极10b以及高侧晶体管20的发射极20a电连接。第一端子112a经由输入端子a电连接到在电子电路中有可能产生电涌电压的位置。
第一二极管114具有第一阳极114a和第一阴极114b。第一阳极114a与第一电容器112的第一另一端子112b电连接。
第二电容器118具有第二端子118a和第二另一端子118b。第二端子118a与第一二极管114的第一阴极114b电连接。
采样保持电路120与第一二极管114的第一阴极114b和第二电容器118的第二端子118a电连接。采样保持电路120例如具有未图示的运算放大器、二极管、电容器以及复位开关。采样保持电路120具备在规定的期间维持输入到采样保持电路120所具有的运算放大器的电压的峰值的功能。只要具备在规定的期间维持峰值的功能，则采样保持电路120的结构并不一定限于上述结构。
开关122在第二电容器118的第二端子118a和第二电容器118的第二另一端子118b之间与第二电容器118并联地电连接。开关122将第二端子118a和第二另一端子118b电连接起来，使被充电到第二电容器118的电荷放电。开关122例如是晶体管，但并不限于此。
开关122的开/关动作例如被控制部50控制。控制部50例如是微计算机。控制部50例如设置在电涌电压检测电路110的外部。
第二二极管116具有第二阳极116b和第二阴极116b。第二阴极116b与第一电容器112的第一另一端子112b和第一二极管114的第一阳极114a电连接。
优选第一电容器112和第二电容器118是薄膜电容器或陶瓷电容器。
薄膜电容器是对电介质使用聚酯合成纤维(pet：polyethyleneterephthalate)、聚丙烯(pp：polypropylene)、聚苯硫醚(pps：polyphenylenesulfide)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen：polyethylenenaphthalate)或聚苯乙烯(ps：polystyrene)等树脂所得的电容器。
陶瓷电容器是对电介质使用氧化钛、氧化铝、钛酸钡或钛酸锶等陶瓷所得的电容器。
优选晶体管的电源电压vdd、第一电容器112的电容c1和第二电容器118的电容c2满足15v≤(c1vdd)/(c1+c2)的关系。
优选第一电容器112的电容c1为低侧晶体管10或高侧晶体管20的输出电容的1/10以下。
优选第二电容器118的电容c2为100pf以上。
图3a～图3c是示出本实施方式的第一二极管114的一个例子的示意图。
图3a是使用肖特基势垒二极管作为第一二极管114的本实施方式的半导体器件的电路的一部分的一个例子。图3b和3c是使用肖特基势垒二极管和pn二极管的组合作为第一二极管114的本实施方式的半导体器件的电路的一部分的一个例子。此外，如图3b所示，肖特基势垒二极管也可以电连接在第一电容器112和pn二极管之间。另外，如图3c所示，pn二极管也可以连接在第一电容器112和肖特基势垒二极管之间。
图4是表示本实施方式的半导体器件中的电压和电流的时间变化的示意图。在图4中示出有输入端a的电压va、开关122与采样保持电路120之间的c点(图1)的电压vc、采样保持电路120检测到的电压vs&h以及流过第二二极管116的电流id2的时间变化。
使用图4说明本实施方式的半导体器件的动作。
在逆变器电路210的晶体管从导通成为关断时产生电涌。在此，考虑低侧晶体管10从导通到关断的情况。在低侧晶体管10导通时，低侧晶体管10的电阻为零。因此，低侧晶体管10导通的期间的va为零。
接着，由于低侧晶体管10从导通变为关断而产生电涌，在时刻t1，电涌电压变为最大，然后电涌消失。
在va处，在时刻t1检测出与电涌电压的产生对应的电压的最大值。
由于输入端子a与第一电容器112连接，所以位移电流流过第一电容器112。此时，第一二极管114导通，电荷积聚在第二电容器118中。因此，vc增加。
通常，第一二极管114的正向电压与电涌电压、从逆变器电路210输出的电压相比充分小。因此，如果忽略第一二极管114的正向电压，则在vc处能够检测出通过第一电容器112和第二电容器118对晶体管的电源电压vdd进行分压所得的电压。
在时刻t1后电涌消失。因此，在时刻t1过去之后，va减小。此时，由于高侧晶体管20从关断变为导通，另外低侧晶体管10从导通变为关断，因此在va处检测出晶体管的电源电压vdd。
即使va的电压下降到vdd，由于设置有第一二极管114，因此积聚在第二电容器118中的电荷不流到第一电容器112。另一方面，积聚在第一电容器112中的电荷流向输入端子a。由于设置有第二二极管116，因此流向输入端子a的电流从第二二极管116流过第一电容器112。因此，在经过时刻t1之后电涌消失时，电流流过第二二极管116。
采样保持电路120的运算放大器具有比电涌的时间变化长的时间常数，因此vs&h在时刻t1后上升，然后成为恒定的电压。
在时刻t2，利用开关122使积聚在第二电容器118中的电荷放电。由此，vc变为零。
在时刻t2之后，利用采样保持电路120的复位开关，对采样保持电路120进行复位。由此，vs&h成为零。
在时刻t3，低侧晶体管10成为导通，高侧晶体管20成为关断。这时，va随着时间经过而减少，在时刻t4成为零。由于设置有第一二极管114，因此电流不从第二电容器118流到第一电容器112，但电流从第二二极管116流到第一电容器112。
图5是示出电涌电压的波形的一个例子的示意图。在时刻10μs时，产生了约20nsec宽和100v大小的电涌电压。主电压是400v。
图6是示出本实施方式的半导体器件的电涌电压的检测特性的示意图。图6示出了由本实施例的半导体器件检测到图5所示的电涌电压。检测到作为主电压400v与电涌电压100v之和的500v的电压。
接着，说明本实施方式的半导体器件和电力变换装置的作用和效果。
如本实施方式那样，包括：第一电容器，具有第一端子和第一另一端子，第一端子与具有第一电极、第二电极以及栅极的晶体管的第一电极和第二电极的任意一个电连接；第一二极管，具有第一阳极和第一阴极，第一阳极与第一另一端子电连接；第二电容器，具有第二端子和第二另一端子，第二端子与第一阴极电连接；采样保持电路，将第一阴极和第二端子电连接起来；开关，在第二端子和第二另一端子之间与第二电容器并联地电连接；第二二极管，具有第二阳极和第二阴极，第二阴极与第一另一端子和第一阳极电连接，由此，能够检测出电涌电压。
在高速进行开关动作的功率晶体管中，例如在关断时，有时产生因寄生电感造成的电涌电压。如果产生电涌电压，则产生栅极绝缘膜的破坏，或产生电路的振铃现象，因而成为问题。
对于在功率晶体管中产生的电涌电压的峰值，电压高达数百伏特，并且峰值的脉冲宽度短到数十纳秒，因此只通过现有的采样保持电路120，难以检测出电涌电压的峰值。
在本实施方式的半导体器件和电力变换装置中，通过第一电容器112而流过位移电流，在第二电容器118中积聚电荷。然后，通过采样保持电路120检测由于电荷的积聚而增加的电压。由此，能够通过现有的采样保持电路120检测出电涌电压。此外，通过第一二极管114来避免积聚在第二电容器118中的电荷的放电。
在电涌消失时，电流从第一电容器112流向输入端子a。通过第二二极管116来保证该电流的流动。
每当电力变换装置所具有的晶体管关断时，有可能发生电涌。因此，优选电涌电压检测电路110能够频繁地测量电涌。在本实施方式的半导体器件和电力变换装置中，由于设置有开关122，因此能够使积聚在第二电容器118中的电荷依次放电。
肖特基势垒二极管具有比pn二极管少的恢复时间。因此，优选第一二极管114具有肖特基势垒二极管。
另一方面，pn二极管与肖特基势垒二极管相比较泄漏电流小。因此，优选第一二极管114具有肖特基势垒二极管和pn二极管这双方，来减少恢复时间和泄漏电流这双方。
由于薄膜电容器和陶瓷电容器具有良好的频率特性，因此通过将其用于第一电容器112和第二电容器118，能够检测具有窄半值宽度的电涌电压。
用于采样保持电路120的运算放大器的耐压最大为15v。因此，如果施加到第二电容器118的电压(c1vdd)/(c1+c2)为15v以下，则易于利用现有的采样保持电路120。
优选第一电容器112的电容c1足够小使得不影响低侧晶体管10或高侧晶体管20的动作。这是因为如果第一电容器112的电容c1变得过于大，则对低侧晶体管10或高侧晶体管20连接大的电容，因此会影响电力变换装置的动作，其结果是对电力变换装置所产生的电涌的测定也会产生影响。如果第一电容器112的电容c1为低侧晶体管10或高侧晶体管20的输出电容的1/10以下，则能够不影响电力变换装置的动作地测量电涌。
在第二电容器118的电容c2不满100pf时，泄漏变多，因此难以稳定地积聚电荷。因此，优选第二电容器118的电容c2为100pf以上。
根据本实施方式的半导体器件和电力变换装置，能够提供能够检测电涌电压的半导体器件和电力变换装置。
(第二实施方式)
本实施方式的电力变换装置与第一实施方式的电力变换装置的不同点在于进而包括：可变电阻，与栅极电连接；控制部，根据从采样保持电路输出的电压值，控制可变电阻的电阻值。以下，针对与第一实施方式重复的内容，省略说明。
图7是本实施方式的电力变换装置的示意图。本实施方式的电力变换装置是包括电涌电压检测电路130的逆变器电路220。
图8是本实施方式的半导体器件的示意图。本实施方式的半导体器件是电涌电压检测电路130。
本实施方式的逆变器电路220实现动态地控制功率晶体管的栅极电压的所谓动态栅极控制。
逆变器电路220包括可变电阻60。可变电阻60分别与低侧晶体管(晶体管)10的栅极10c和高侧晶体管(晶体管)20的栅极20c电连接。
电涌电压检测电路130包括采样保持电路120、模数变换器126和微计算机(控制部)124。
输入端子a的电压值经由采样保持电路120和模数变换器126输入到微计算机124中。
模数变换器126与采样保持电路120连接。模数变换器126对通过采样保持电路120检测出的电压进行数字变换并输出。通过具备与采样保持电路120连接的模数变换器126，能够进行电涌电压的数字输出。
输入端子a的电压值基于电涌电压的峰值。微计算机124根据从输入端子a的电压值导出的电涌电压的峰值，发出使可变电阻60的电阻值变化的指令。其结果是控制逆变器电路220使得低侧晶体管10和高侧晶体管20的栅极充放电电流变化，电涌电压成为规定的电压值以下。
对于可变电阻60，只要电阻是可变的，则其结构没有限定。例如，可变电阻60是进行模拟动作的mosfet。根据来自微计算机124的指令，例如mosfet的栅电压变化，电阻变化。另外，例如可变电阻60是并联的多个mosfet。通过切换导通状态和关断状态的mosfet的个数使电阻变化。
也根据来自微计算机124的指令，控制开关122的开/关动作。
以上，根据本实施方式，实现了以下的逆变器电路，其通过利用电涌电压检测电路动态地控制功率晶体管的栅极电压，来抑制电涌电压。
(第三实施方式)
本实施方式的驱动装置是具备第一实施方式的电力变换装置的驱动装置。
图9是本实施方式的驱动装置的示意图。驱动装置1000包括电动机340和逆变器电路210。通过从逆变器电路210输出的交流电压，驱动电动机340。
根据本实施方式，通过具备能够检测电涌电压的逆变器电路210，提高了驱动装置1000的特性。
(第四实施方式)
本实施方式的车辆是具备第一实施方式的电力变换装置的车辆。
图10是本实施方式的车辆的示意图。本实施方式的车辆1100是铁路车辆。车辆1100包括电动机340和逆变器电路210。
通过从逆变器电路210输出的交流电压，驱动电动机340。通过电动机340，使车辆1100的车轮90旋转。
根据本实施方式，通过具备能够检测电涌电压的逆变器电路210，提高了车辆1100的特性。
(第五实施方式)
本实施方式的车辆是具备第一实施方式的电力变换装置的车辆。
图11是本实施方式的车辆的示意图。本实施方式的车辆1200是汽车。车辆1200包括电动机340和逆变器电路210。
通过从逆变器电路210输出的交流电压，驱动电动机340。通过电动机340使车辆1200的车轮90旋转。
根据本实施方式，通过具备能够检测电涌电压的逆变器电路210，提高了车辆1200的特性。
(第六实施方式)
本实施方式的升降机是具备第一实施方式的电力变换装置的升降机。
图12是本实施方式的升降机(电梯)的示意图。本实施方式的升降机1300包括轿厢610、平衡配重612、吊索614、卷扬机616、电动机340和逆变器电路210。
通过从逆变器电路210输出的交流电压，驱动电动机340。通过电动机340使卷扬机616旋转、轿厢610升降。
根据本实施方式，通过具备能够检测电涌电压的逆变器电路210，提高了升降机1300的特性。
在第一或第二实施方式中，作为电力变换装置以逆变器电路为例子进行了说明，但也能够将dc-dc变换器用作电力变换装置。另外，以通过电涌电压检测电路检测电力变换装置的晶体管所产生的电涌电压的情况为例子进行了说明，但也能够将实施方式和变形例子的电涌电压检测电路适用于对电力变换装置以外使用的晶体管所产生的电涌电压的检测。
另外，在第三～第六实施方式中，以将本发明的半导体器件和电力变换装置适用于驱动装置、车辆或电梯的情况为例子进行了说明，但例如也能够将本发明的半导体器件和电力变换装置适用于太阳能发电系统的功率调节器等。
说明了本发明的若干个实施方式和实施例，但作为例子说明了这些实施方式，并不是要限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主要内容的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、其变形包含在发明的范围、主要内容中，同样包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围中。
此外，能够将上述实施方式总结为以下的技术方案。
技术方案1
一种半导体器件，包括：
第一电容器，具有第一端子和第一另一端子，上述第一端子与具有第一电极、第二电极以及栅极的晶体管的上述第一电极和上述第二电极的任意一个电连接；
第一二极管，具有第一阳极和第一阴极，上述第一阳极与上述第一另一端子电连接；
第二电容器，具有第二端子和第二另一端子，上述第二端子与上述第一阴极电连接；
采样保持电路，将上述第一阴极和上述第二端子电连接；
开关，在上述第二端子和上述第二另一端子之间与上述第二电容器并联地电连接；以及
第二二极管，具有第二阳极和第二阴极，上述第二阴极与上述第一另一端子和上述第一阳极电连接。
技术方案2
根据技术方案1记载的半导体器件，上述第一二极管具有肖特基势垒二极管。
技术方案3
根据技术方案2记载的半导体器件，上述第一二极管还具有pn二极管。
技术方案4
根据技术方案1～3的任意一项记载的半导体器件，上述第一电容器和上述第二电容器是薄膜电容器或陶瓷电容器。
技术方案5
根据技术方案1～4的任意一项记载的半导体器件，上述晶体管的电源电压vdd、上述第一电容器的电容c1和上述第二电容器的电容c2满足15v≤(c1vdd)/(c1+c2)的关系。
技术方案6
根据技术方案1～5的任意一项记载的半导体器件，上述第一电容器的电容c1为上述晶体管的输出电容的1/10以下。
技术方案7
根据技术方案1～6的任意一项记载的半导体器件，上述第二电容器的电容c2为100pf以上。
技术方案8
一种电力变换装置，包括：
晶体管，具有第一电极、第二电极以及栅极；
第一电容器，具有第一端子和第一另一端子，上述第一端子与上述第一电极和上述第二电极的任意一个电连接；
第一二极管，具有第一阳极和第一阴极，上述第一阳极与上述第一另一端子电连接；
第二电容器，具有第二端子和第二另一端子，上述第二端子与上述第一阴极电连接；
采样保持电路，将上述第一阴极与上述第二端子电连接；
开关，在上述第二端子和上述第二另一端子之间与上述第二电容器并联地电连接；以及
第二二极管，具有第二阳极和第二阴极，上述第二阴极与上述第一另一端子和上述第一阳极电连接。
技术方案9
根据技术方案8记载的电力变换装置，还包括：
可变电阻，与上述栅极电连接；以及
控制部，根据从上述采样保持电路输出的电压值，控制上述可变电阻的电阻值。
技术方案10
根据技术方案8或技术方案9记载的电力变换装置，上述第一二极管具有肖特基势垒二极管。
技术方案11
根据技术方案10记载的电力变换装置，上述第一二极管还具有pn二极管。
技术方案12
根据技术方案8～11的任意一项记载的电力变换装置，上述第一电容器和上述第二电容器是薄膜电容器或陶瓷电容器。
技术方案13
根据技术方案8～12的任意一项记载的电力变换装置，上述晶体管的电源电压vdd、上述第一电容器的电容c1和上述第二电容器的电容c2满足15v≤(c1vdd)/(c1+c2)×vdd的关系。
技术方案14
根据技术方案8～13的任意一项记载的电力变换装置，上述第一电容器的电容c1为上述晶体管的输出电容的1/10以下。
技术方案15
根据技术方案8～14的任意一项记载的电力变换装置，上述第二电容器的电容c2为100pf以上。
技术方案16
根据技术方案8～15的任意一项记载的电力变换装置，还包括：模数变换器，与上述采样保持电路连接。
技术方案17
一种驱动装置，具备技术方案8～16的任意一项记载的电力变换装置。
技术方案18
一种车辆，具备技术方案8～16的任意一项记载的电力变换装置。
技术方案19
一种升降机，具备技术方案8～16的任意一项记载的电力变换装置。