半导体驱动电路及半导体装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及半导体驱动电路及半导体装置。本发明的目的在于提供一种使用单一的电源对半导体开关元件施加正、负的偏压信号来进行半导体开关元件的开关的低功耗的半导体驱动电路。本发明的半导体驱动电路（100）对半导体开关元件（7）进行驱动，其特征在于具备：内部电源电路（3），根据从外部电源（4）供给的第一电压生成第二电压；以及驱动部（1），根据从外部输入的输入信号，在半导体开关元件（7）的栅极–发射极之间施加第一电压或第二电压，进行半导体开关元件（7）的导通/截止，内部电源电路（3）根据输入信号进行工作。
【专利说明】半导体驱动电路及半导体装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体驱动电路及半导体装置，特别涉及驱动半导体开关元件的半导体驱动电路。
【背景技术】
[0002]作为IGBT、M0SFET、双极晶体管等半导体开关元件的驱动方法，为了使开关元件的截止状态可靠，通常使用在截止状态下在负偏压方向对半导体开关元件施加驱动信号的方法。
[0003]通常，已知准备正偏压用电源和负偏压用电源,使互补对(complementary pair)的晶体管交替地导通、截止，由此获得正偏压、负偏压的驱动信号的方法。
[0004]此外，有从单一的正偏压用电源取出固定电压来作为负偏压用电源的技术。该技术例如是在施加正偏压时利用正偏压用电源对电容器进行充电来作为负偏压用电源的技术(参照专利文献I)。
[0005]现有技术文献 专利文献
专利文献1:日本特开平9 - 140122号公报。
[0006]发明要解决的课题
在上述的现有技术中，由于需要正偏压用电源和负偏压用电源，所以电路规模变大，导致成本上升。此外，即使在将负偏压用电源与正偏压用电源共同使用的情况下，也总是对半导体开关元件施加负偏压信号，因此，单一电源的电压需要增大设定负偏压信号的大小的量，存在功耗增大的问题。此外，在负偏压用电源中使用电容器的情况下，需要使电容器的电容与半导体开关元件的栅极电容相比充分大，存在导致成本、电路规模增大的问题。
【发明内容】
[0007]本发明是为了解决以上的课题而完成的，其目的在于提供一种使用单一的电源对半导体开关元件施加正、负的偏压信号来进行半导体开关元件的开关的低功耗的半导体驱动电路。
[0008]用于解决课题的方案
本发明的半导体驱动电路对半导体开关元件进行驱动，其特征在于具备:内部电源电路，根据从外部电源供给的第一电压生成第二电压；以及驱动部，根据从外部输入的输入信号，在半导体开关元件的栅极-发射极之间施加第一电压或第二电压，进行所述半导体开关元件的导通/截止，内部电源电路根据输入信号进行工作。
[0009]发明效果
在本发明的半导体驱动电路中，通过内部电源电路生成的第二电压在输入到驱动部的输入信号是正偏压时变为O、在输入信号是负偏压时变为固定电压，根据输入信号进行变动。因此，不需要将用于使半导体开关元件7导通的第一电压增大设定上述固定电压的量。因此，与前提技术相比较，能够降低从外部电源供给的第一电压，因此期待功耗的削减。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是表示前提技术的半导体驱动电路的电路图的图。
[0011]图2是表示前提技术及实施方式I的半导体驱动电路的工作的图。
[0012]图3是表示实施方式I的半导体驱动电路的电路图的图。
[0013]图4是表示实施方式2的半导体驱动电路的电路图的图。
[0014]图5是表示实施方式3的半导体驱动电路的电路图的图。
[0015]图6是表示实施方式4的半导体驱动电路的电路图的图。
【具体实施方式】
[0016]〈前提技术〉
<结构>
在说明本发明的实施方式之前，对成为本发明的前提的技术进行说明。图1是成为前提技术的半导体驱动电路300的电路图。半导体驱动电路300具备用于控制半导体开关元件7的导通/截止的互补对的晶体管la、lb作为驱动部I。半导体驱动电路300由供给第一电压(V。)的外部电源4驱动，与外部电源4并联地连接有内部电源电路3。此外，经由接口(I/F)2，对晶体管la、lb的共同的栅极输入控制半导体开关元件7的导通、截止的输入信号(正偏压信号、负偏压信号)。
[0017]半导体驱动电路300的端子20a经由栅极电阻Rg连接于半导体开关元件7的栅极。此外，端子20b与半导体开关元件7的发射极连接。再有，半导体开关元件7例如是IGBT、M0SFET、双极晶体管等。再有，为了保护半导体开关元件7免受反馈电流的影响，与半导体开关元件7并联地插入续流二极管8。
[0018]在内部电源电路3中，串联连接的电阻Rb和齐纳二极管3a与外部电源4并联地配置，电阻Rb和齐纳二极管3a的连接点经由缓冲放大器3b连接于端子20b。内部电源电路3从外部电源4生成第二电压，对开关元件7施加反偏置电压。
[0019]〈工作〉
半导体开关元件7通过如图2 (a)所示那样被施加正偏置电压V1、反偏置电压V2作为栅极-发射极电压(Vge)，从而被开关。
[0020]在图2 (b)、(c)中分别示出前提技术的半导体驱动电路300的端子20a、20b的电压 Va、Vb。
[0021]在从I/F2对驱动部I输出正偏压信号的情况下，互补对的上侧的晶体管Ia变为导通，下侧的晶体管Ib变为截止，因此对端子20a如图2 (b)中以虚线所示那样施加VJV2作为第一电压(V。)。这时，以内部电源电路3生成的第二电压、即端子20b的电压Vb与半导体开关元件7的导通/截止无关地总是为V2 (图2 (c)的虚线)。其结果是，Vge变为V1,半导体开关元件7变成导通状态。
[0022]另一方面,在从I/F2对驱动部I输出负偏压信号的情况下,互补对的下侧的晶体管Ib变为导通，上侧的晶体管Ia变为截止，因此端子20a的电压Va变为0，端子20b的电压Vb总是为V2，因此Vge变为_\。因此，半导体开关元件7变为截止状态。[0023]在以上述的电路结构进行图2 (a)所示的开关的情况下，需要将从外部电源4供给的第一电压(V。)设定成Vi+V2。这是因为通过内部电源电路3根据第一电压生成的第二电压与半导体开关元件7的导通/截止无关地总是为V2。为了削减功耗，优选能够以更小的电压的外部电源进行驱动的半导体驱动电路。
[0024]<实施方式1>
<结构>
在图3中示出本实施方式的半导体驱动电路100的电路图。对前提技术(图1)的半导体驱动电路300追加与内部电源电路3所具备的齐纳二极管3a平行地连接的开关电路。在本实施方式中，使用晶体管5作为开关电路。对晶体管5的栅极输入来自I/F2的信号，对晶体管5的导通/截止进行切换。再有，晶体管5例如是双极晶体管、MOS - FET等。
[0025]此外，半导体装置200以半导体驱动电路100、半导体开关元件7、与半导体开关元件7的栅极连接的栅极电阻Rg以及与半导体开关元件7并联连接的续流二极管8构成。除此之外，与前提技术(图1)相同，因此省略说明。
[0026]< 工作 >
如图2 (a)所示那样，在半导体开关元件7的栅极-发射极之间施加正偏置电压％、反偏置电压V2作为栅极-发射极电压(Vge)，进行半导体开关元件7的导通、截止。此外，在图2 (b)、(c)中分别示出端子20a,20b的电压Va、Vb。
[0027]在从I/F2对驱动部I输出正偏压信号的情况下，互补对的上侧的晶体管Ia变为导通，下侧的晶体管Ib变为截止。此外，晶体管5变为导通。因此，对端子20a如图2 (b)中以实线所示那样输出从外部电源4供给的第一电压(V。)作为导通电压。在这里，在本实施方式中，从外部电源4供给的第一电压(V。)与正偏置电压V1相等。此外，这时端子20b的电压Vb为O。其结果是，Vge变为V1，开关元件7变成导通状态。在导通状态下，与前提技术不同，端子20b的电压不变为V2而变为0，这是因为通过晶体管5接受来自I/F2的正偏压信号而变为导通，从而不对齐纳二极管3a施加电压，在内部电源电路3中生成的第二电压变为O。
[0028]另一方面,在从I/F2对驱动部I输出负偏压信号的情况下,互补对的下侧的晶体管Ib变为导通，上侧的晶体管Ia变为截止。此外，晶体管5变为截止。因此，端子20a的电压Va变为0，通过内部电源电路3生成的第二电压、即端子20b的电压Vb变为V2,因此Vge变为_V2。因此，半导体开关元件7变为截止状态。
[0029]如以上那样，由于根据从I/F2向驱动部I输出的信号，以内部电源电路3生成的第二电压变为O或V2，所以将外部电源4的电压、即第一电压(V。)设定为与正偏置电压V1相同的大小即可。因此，与上述的前提技术相比，能够将外部电源4的电压降低V2，能够实现功耗的削减。
[0030]此外，在本实施方式中，当将外部电源4的电压、即第一电压(V。)与前提技术同样地设为'+V2时，能够对半导体开关元件7的栅极施加充分的电压，能够降低半导体开关元件7的导通电阻。因此，能够实现导通电阻降低带来的功耗的削减。
[0031]〈效果〉
本实施方式的半导体驱动电路100对半导体开关元件7 (例如，功率晶体管)进行驱动，其特征在于具备:内部电源电路，根据从外部电源4供给的第一电压生成第二电压；以及驱动部，根据从外部输入的输入信号，在半导体开关兀件7的栅极-发射极之间施加第一电压或第二电压，进行半导体开关元件7的导通/截止，内部电源电路3根据输入信号进行工作。
[0032]因此，通过内部电源电路3生成的第二电压在输入到驱动部I的输入信号是正偏压时变为O、在输入信号是负偏压时变为V2，根据输入信号进行变动。因此能够将用于使半导体开关元件7导通的第一电压设定为V1。因此，与前提技术相比较，能够将外部电源4的电压、即第一电压(V。)从降低到V1,因此期待功耗的削减。
[0033]此外，本实施方式的半导体驱动电路100还具备根据输入信号而被导通/截止的开关电路、即晶体管5，内部电源电路3生成第二电压，并且具备与晶体管5并联连接的齐纳二极管3a。
[0034]因此，由于与齐纳二极管3a并联地连接晶体管5，所以在来自I/F2的输入信号是负偏压的情况下，利用齐纳二极管3a使第二电压变为V2，在晶体管5导通的情况下、即输入信号是正偏压的情况下，第二电压变为O。因此，与前提技术相比较，能够将外部电源4的电压降低到V1,因此期待功耗的削减。
[0035]此外，本实施方式的半导体装置200具备半导体驱动电路100和半导体开关元件
7。因此，由于外部电源4的电压比前提技术小，所以能够使外部电源4小型化，能够实现装载有半导体装置200的装置的小型化。
[0036]此外，本实施方式的半导体装置200的特征在于，半导体开关元件7包含SiC。因此，在高温下也能够进行高速的开关。此外，由于能够在高温下工作，所以能够简化半导体装置200整体的散热构造。
[0037]此外，本实施方式的半导体装置200的特征在于，半导体开关元件7包含GaN。因此，在高温下也能够进行高速的开关。此外，由于能够在高温下工作，所以能够简化半导体装置200整体的散热构造。
[0038]<实施方式2>
<结构>
在图4中示出本实施方式的半导体驱动电路100及半导体装置200的电路图。在本实施方式中，半导体开关元件(例如IGBT)还具备感测元件。感测元件以流过与半导体开关元件7的主电流成比例的电流的感测端子7a和连接于主端子与感测端子7a之间、对感测电流进行电压变换的感测电阻Rs构成。
[0039]本实施方式的半导体驱动电路100是在实施方式I的半导体驱动电路100中追加了过电流检测部12的电路。过电流检测部12检测流过上述感测元件的感测电流，在感测电流超过了规定值的情况下，使半导体开关元件7截止，保护半导体开关元件7免受过电流的影响。
[0040]在本实施方式中，过电流检测部12以比较器9和电源Vref构成。比较器9的正相输入与端子20c连接。比较器9的负相输入与电源Vref连接。此外，电源Vref的基准电位连接于内部电源电路3的输出侧(即端子20b)。
[0041]〈工作〉
由于半导体开关元件7的导通/截止工作与实施方式I相同，所以省略说明。
[0042]在半导体开关元件7被导通的状态下，通过在感测电阻Rs中流过感测电流，从而在感测电阻Rs的两端、即端子20b、20c之间产生感测电压Vs。在比较器9中，对感测电压Vs和电源Vref的电压进行比较，当感测电压Vs超过电源Vref的电压时，从比较器9对I/F2输入“高”信号。
[0043]由于感测电压Vs与感测电流成比例，所以只要将感测电流超过规定值时的感测电压Vs设定为电源Vref的电压，那么在感测电流超过规定值时，从比较器9输出“高”信号。
[0044]当对I/F2输入“高”信号时，I/F2输出负偏压信号使半导体开关元件7截止。因此，能够保护半导体开关元件7免受过电流的影响来防止损坏。
[0045]< 效果 >
在本实施方式的半导体驱动电路100中，半导体开关元件7具备以与半导体开关元件的主电流的任意比率流过电流的感测元件(感测端子7a、感测电阻Rs)，本实施方式的半导体驱动电路100还具备过电流检测部12，该过电流检测部12检测流过感测元件的感测电流，在感测电流超过了规定值的情况下使开关元件7截止。
[0046]因此，能够利用感测元件和过电流检测部12感测半导体开关元件7的过电流状态和短路状态，提前使半导体开关元件7截止，因此能够防止半导体开关元件7的损坏。因此，半导体驱动电路100的耐久性提高。
[0047]此外，本实施方式的半导体装置200具备半导体驱动电路100和感测元件(感测端子7a、感测电阻Rs)以及半导体开关元件7。因此，与实施方式I同样地，由于外部电源4的电压比前提技术小，所以能够使外部电源4小型化，能够实现装载有半导体装置200的装置的小型化。
[0048]进而，利用过电流检测部12检测流过感测元件的感测电流，在由于主电流变得过大导致感测电流超过了规定值的情况下，能够使半导体开关元件7截止，因此能够防止半导体开关元件7的损坏。因此，半导体装置200的耐久性提高。
[0049]<实施方式3>
在图5中示出本实施方式的半导体驱动电路100及半导体装置200的电路图。在本实施方式的过电流检测部12中，使电源Vref的基准电位与第一电压的基准电位、即接地电位相等。其它的结构与实施方式2 (图4)相同，因此省略说明。
[0050]通过降低电源Vref的基准电位，从而能够将电源Vref的电压设定得比实施方式2 (图4)大。因此，难以发生例如由噪声导致的过电流检测的误动作。
[0051]本实施方式的半导体驱动电路100的特征在于，过电流检测部12的基准电位与第一电压的基准电位相等。因此，由于能够将电源Vref的电压设定得更大，所以难以发生由噪声等导致的过电流检测的误动作。
[0052]<实施方式4>
在图6中示出本实施方式的半导体驱动电路100的电路图。在本实施方式中，过电流检测部12由差动放大器13构成。差动放大器13的正相输入、负相输入分别连接于感测电阻Rs的两端、即端子20c、端子20b。
[0053]差动放大器13测定感测电压Vs，输入到I/F2。I/F2在输入超过了规定值的情况下，判断为主电流过大，输出负偏压信号，使半导体开关元件7截止。
[0054]此外，由于差动放大器13的正相输入、负相输入连接于感测电阻Rs的两端，所以过电流检测部12不用受到半导体开关元件7的工作导致的内部电源电路3的电压变动的影响，因此能够防止误检测。
[0055]本实施方式的半导体驱动电路100的特征在于，过电流检测部12包含差动放大器
13。因此，在差动放大器13的正相输入、负相输入连接于感测电阻Rs的两端的情况下，过电流检测部12不用受到半导体开关元件7的工作导致的内部电源电路3的电压变动的影响，因此能够防止误检测。此外，即使在内部电源电路3的精度不良的情况下，也不会受到其影响，因此能够使检测精度提高。
[0056]再有，本发明在其发明范围内能够自由地组合各实施方式或对各实施方式适当地进行变形、省略。
[0057]附图标记的说明:
I驱动部；la、lb、5晶体管；2接口；3内部电源电路；3a齐纳二极管；3b缓冲放大器；4外部电源；7半导体开关元件；7a感测端子；8续流二极管；9比较器；12过电流检测部；13差动放大器；20a、20b、20c端子；100、300半导体驱动电路；200半导体装置。
【权利要求】
1.一种半导体驱动电路，对半导体开关元件进行驱动，其特征在于，具备: 内部电源电路，根据从外部电源供给的第一电压生成第二电压；以及 驱动部，根据从外部输入的输入信号，在所述半导体开关元件的栅极-发射极之间施加所述第一电压或所述第二电压，进行所述半导体开关元件的导通/截止， 所述内部电源电路根据所述输入信号进行工作。
2.根据权利要求1所述的半导体驱动电路，其中， 还具备:开关电路，根据所述输入信号而被导通/截止， 所述内部电源电路具备:齐纳二极管，与所述开关电路并联连接，生成所述第二电压。
3.根据权利要求1或2所述的半导体驱动电路，其中， 所述半导体开关元件具备:感测元件，以与所述半导体开关元件的主电流的任意比率流过电流， 所述半导体驱动电路还具备:过电流检测部，检测流过所述感测元件的感测电流，在所述感测电流超过了规定值的情况下，使所述半导体开关元件截止。
4.根据权利要求3所述的半导体驱动电路，其特征在于，所述过电流检测部的基准电位与所述第一电压的基准电位相等。
5.根据权利要求3所述的半导体驱动电路，其特征在于，所述过电流检测部包含差动放大器。
6.一种半导体装置，其特征在于，具备: 半导体开关元件；以及 半导体驱动电路，对所述半导体开关元件进行驱动， 所述半导体驱动电路具备: 内部电源电路，根据从外部电源供给的第一电压生成第二电压；以及驱动部，根据从外部输入的输入信号，在所述半导体开关元件的栅极-发射极之间施加所述第一电压或所述第二电压，进行所述半导体开关元件的导通/截止， 所述内部电源电路根据所述输入信号进行工作。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其中， 所述半导体驱动电路还具备:开关电路，根据所述输入信号而被导通/截止， 所述内部电源电路具备:齐纳二极管，与所述开关电路并联连接，生成所述第二电压。
8.根据权利要求6或7所述的半导体装置，其中， 所述半导体开关元件具备:感测元件，以与所述半导体开关元件的主电流的任意比率流过电流， 所述半导体驱动电路还具备:过电流检测部，检测流过所述感测元件的感测电流，在所述感测电流超过了规定值的情况下，使所述半导体开关元件截止。
9.根据权利要求6或7所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体开关元件包含SiC。
10.根据权利要求6或7所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体开关元件包含GaN。
【文档编号】H03K17/567GK103457587SQ201210561009
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2012年5月28日
【发明者】玉木恒次, 井上贵公, 冈部浩之 申请人:三菱电机株式会社