半导体装置的制作方法

相关申请的交叉引用

通过引用将2016年3月31日提交的日本专利申请no.2016-070662的公开的全部内容，包括说明书、附图和摘要，并入本文中。

本发明涉及半导体装置，例如，基于转换速率(slewrate)控制来控制要供应到功率器件的栅极的控制信号的半导体装置。

背景技术：

操作例如车辆的电机需要大的电力以得到大的输出功率。因此，驱动这种高功率电机的逆变器电路包括功率元件，诸如，耐受高电压和大电流的igbt(绝缘栅型双极晶体管)。该功率元件的栅极具有有着大电容的寄生电容。因此，为了操作功率元件，采用用于驱动功率元件的栅极的栅极驱动器。专利文献1公开了该栅极驱动器的示例。

在专利文献1所公开的技术中，用于驱动功率半导体器件的栅极驱动电路包括恒定电流栅极驱动电路以及恒定电压栅极驱动电路，其中恒定电流栅极驱动电路用恒定电流对功率半导体器件的栅极电容进行充电，恒定电压栅极驱动电路经由切换元件和电阻器的串联电路并联地耦接在恒定电流栅极驱动电路的输入端和输出端之间并且用恒定电压对栅极电容进行充电。当驱动功率半导体器件时，采用恒定电流栅极驱动电路和恒定电压栅极驱动电路二者对所涉及的功率半导体器件的栅极电容进行充电。

(专利文献1)日本专利no.4942861

技术实现要素：

然而，当执行功率元件的栅极的充电和放电时，由于功率元件的栅极电压超过阈值电压所需的充电时间和放电时间，导致存在功率元件的操作的起始定时被延迟至控制信号的上升定时或下降定时的死区时间(deadtime)。为了缩短该死区时间，必须缩短栅极电压达到阈值所需的时间。然而，根据专利文献1中描述的技术，必须将检测栅极电压的检测电压优化为良好地匹配每个功率元件的阈值电压。因此，根据专利文献1中描述的技术，必须得到功率元件的阈值电压和栅极驱动器的电路操作之间的匹配；然而，难以执行用于所使用的功率元件的栅极驱动器的优化操作。

根据本说明书的描述和附图，本发明的其它主题和新颖特征将变得清楚。

根据一个实施例，半导体装置在关断功率元件时监控功率元件的集电极电压，并且在直到集电极电压变得低于预先设定的确定阈值之前的期间，相比在集电极电压变得低于确定阈值之后的期间，增加从功率元件的栅极抽取电荷的nmos晶体管的数量。

根据所述的一个实施例，可以提供不管功率元件的阈值电压如何都对功率元件执行优化操作的栅极驱动器。

附图说明

图1是例示根据实施例1的包括半导体装置的逆变器电路的框图；

图2是例示根据实施例1的半导体装置的框图；

图3是说明根据实施例1的半导体装置的操作的时序图；

图4是例示根据实施例2的半导体装置的框图；

图5是说明根据实施例2的半导体装置的一般操作的时序图；

图6是说明当在逆变器电路中出现功率元件的“短接到电源”故障(short-to-supplyfault)时根据实施例2的半导体装置的操作的时序图；

图7是例示根据实施例3的半导体装置的框图；

图8是例示根据实施例3的半导体装置的第二电压监控电路的框图；以及

图9是说明根据实施例3的半导体装置的操作的时序图。

具体实施方式

在下面的描述和附图中，为了说明的清楚而适当地进行缩写和简化。在每幅图中，将相同的附图标记附加到相同的元件，并且如有必要将省略对相同元件的重复说明。

实施例1

根据实施例1的半导体装置是用于驱动逆变器电路中所采用的功率元件的栅极的栅极驱动器，其中该逆变器电路用于驱动需要大量电力的负载电路(诸如，高输出电机)。该功率元件只需要是低导通电阻和高耐受电压的部件，并且采用功率元件的电路不限于逆变器电路。

图1是例示根据实施例1的包括半导体装置的逆变器电路的框图。在图1中所例示的框图中，将电机例示为逆变器电路的负载电路。该电机由三相驱动系统驱动。因此，根据实施例1的逆变器电路是三臂电路。

如图1中所例示的，根据实施例1的逆变器电路1包括：控制器2，隔离元件3b、3d和3f，栅极驱动器4a至4f，和功率元件5a至5f。控制器2输出要供应到功率元件5a至5f的栅极的栅极控制信号(在以下说明中，称为功率器件控制信号)。在根据实施例1的逆变器电路1中，该功率器件控制信号是pwm(脉冲宽度调制)信号。例如，控制器2是微控制器单元(mcu)，在微控制器单元中用于执行程序的算术电路、用于存储程序的存储器和外围电路(诸如，模数转换器电路和记时器)被安装在一个半导体封装中。

隔离元件3b、3d和3f将由控制器2输出的功率器件控制信号传递到栅极驱动器4b、4d和4f，其中栅极驱动器4b、4d和4f在与控制器2中的电压范围不同的电压范围内操作。也就是说，隔离元件3b、3d和3f转换功率器件控制信号的幅度范围。

栅极驱动器4a至4f基于功率器件控制信号的逻辑电平来执行功率元件5a至5f的栅极的充电和放电。栅极驱动器4a至4f基于功率元件5a至5f的集电极电压来控制功率元件5a至5f的栅极的充电和放电速度。稍后，将描述栅极驱动器4a至4f的细节。

功率元件5a至5f中的每个都包括功率晶体管ptr和二极管d。二极管d的阳极耦接到功率晶体管ptr的发射极，并且二极管d的阴极耦接到功率晶体管ptr的集电极。功率元件5a至5f中的每个都包括第一端子(例如，发射极端子te)、第二端子(例如，集电极端子tc)和控制端子(例如，栅极端子tg)。此处，功率晶体管ptr例如是igbt(绝缘栅型双极晶体管)元件。

在逆变器电路1中，功率元件5a和5b串联地耦接在电源布线vdd和接地布线vss之间以构成第一臂。功率元件5c和5d串联地耦接在电源布线vdd和接地布线vss之间以构成第二臂。功率元件5e和5f串联地耦接在电源布线vdd和接地布线vss之间以构成第三臂。

此处，在根据实施例1的逆变器电路1中，栅极驱动器4a至4f具有特征之一。栅极驱动器4a至4f具有相同的配置；因此，以栅极驱动器4a作为示例，对根据实施例1的栅极驱动器进行以下说明。图2例示了根据实施例1的栅极驱动器4a的框图。在图2中，为了阐明栅极驱动器4a的内部电路和功率元件5a之间的连接关系，还例示了功率元件5a。

如图2中所例示的，根据实施例1的栅极驱动器4a包括多个pmos晶体管(图2中的pmos晶体管mp1至mpn，n是指示晶体管数量的整数)和多个nmos晶体管(图2中的nmos晶体管mn1至mnn)。根据实施例1的栅极驱动器4a包括晶体管选择电路10、栅极模式设定电路111至11n、预升压电路12、电压监控电路13和栅极布线wg。根据实施例1的栅极驱动器4a耦接到内部电源布线vddi，并且基于不同于且低于逆变器电路1的电源电压的内部电源电压来操作。以下，内部电源布线vddi被称为电源布线vddi。

栅极布线wg是耦接到包括发射极端子te、集电极端子tc和栅极端子tg的功率元件5a的栅极的布线。

pmos晶体管mp1至mpn和nmos晶体管mn1至mnn形成一个pmos晶体管和一个nmos晶体管的组。对于每个组，一个pmos晶体管和一个nmos晶体管串联地耦接在电源布线vddi和接地布线vss之间。例如，在图2中，pmos晶体管mp1和nmos晶体管mn1串联地耦接在电源布线vddi和接地布线vss之间。从另一个角度，pmos晶体管mp1至mpn耦接在栅极布线wg和电源布线vddi之间，并且nmos晶体管mn1至mnn耦接在栅极布线wg和接地布线vss之间。在本实施例中，例如，对pmos晶体管的数量和nmos晶体管的数量相等的示例进行说明。然而，pmos晶体管的数量和nmos晶体管的数量可以不同。

晶体管选择电路10在nmos晶体管mn1至mnn之中选择要激活的晶体管，并且向所选择的晶体管输出激活指令信号scns1至scnsn中的一个。激活指令信号scns1至scnsn与nmos晶体管mn1至mnn分别地对应。晶体管选择电路10在pmos晶体管mp1至mpn之中选择要激活的晶体管，并向所选择的晶体管输出激活指令信号scps1至scpsn中的一个。激活指令信号scps1至scpsn与pmos晶体管mp1至mpn分别地对应。

栅极模式设定电路111至11n是对应于耦接到栅极布线wg的pmos晶体管和nmos晶体管的数量而设置的。栅极模式设定电路111至11n向耦接到栅极布线wg的pmos晶体管和nmos晶体管中的每个输出栅极电压，并控制每个晶体管的导通-关断状态。在栅极模式设定电路111至11n所输出的栅极电压之中，控制nmos晶体管的栅极电压被称为第一输出值，并且控制pmos晶体管的栅极电压被称为第二输出值。

栅极模式设定电路111至11n基于控制功率元件5a的导通-关断状态的栅极控制信号(例如，功率器件控制信号)并基于激活指令信号scns1至scnsn和scps1至scpsn，来相应地控制晶体管选择电路10所选择的晶体管的导通-关断状态。具体地，当功率器件控制信号处于高电平时，栅极模式设定电路111至11n向已经通过激活指令信号scps1至scpsn被指示激活的pmos晶体管供应低电平的栅极电压，并且同时，向所有nmos晶体管供应低电平的栅极电压。当功率器件控制信号处于低电平时，栅极模式设定电路111至11n向已经通过激活指令信号scns1至scnsn被指示激活的nmos晶体管供应高电平的栅极电压，并且同时，向所有pmos晶体管供应高电平的栅极电压。

在电压监控电路13中确定功率元件5a的集电极电压vc超过关断确定阈值的期间，预升压电路12通过使用栅极模式设定电路111至11n来控制nmos晶体管mn1至mnn以处于导通状态。在确定集电极电压没有超过关断确定阈值的期间，相比在集电极电压vc超过关断确定阈值的期间，预升压电路12控制nmos晶体管mn1至mnn以增加处于导通状态的nmos晶体管的数量。

电压监控电路13确定功率元件5a的集电极电压是否已经超过预先建立的关断确定阈值。具体地，当功率元件5a的集电极电压vc从集电极电压vc低于关断确定阈值的状态变成高于关断确定阈值时，电压监控电路13将输出值从高电平切换成低电平。

此处，说明栅极模式设定电路111至11n和预升压电路12的具体电路。栅极模式设定电路111至11n基本上是相同的电路。因此，此处以栅极模式设定电路111作为示例来说明栅极模式设定电路。

预升压电路12包括非(not)电路31、第一逻辑积电路(例如，与(and)电路32)和多个第一逻辑和电路(例如，或(or)电路331至33n)。非电路31输出功率器件控制信号的反信号。与电路32计算功率器件控制信号的反信号和电压监控电路13的输出值的逻辑积。或电路331至33n分别对应于nmos晶体管mn1至mnn而设置。或电路331至33n分别计算对应的栅极模式设定电路的第一输出值和与电路32的输出值的逻辑和，并且将该逻辑和输出到对应的nmos晶体管。

栅极模式设定电路111包括非电路21、第二逻辑和电路(例如，或电路22)、第二逻辑积电路(例如，与电路23)、反逻辑和电路(例如，或非(nor)电路24)、第三逻辑和电路(例如，或电路25)、反逻辑积电路(例如，与非(nand)电路26)和第四逻辑和电路(例如，或电路27)。

非电路21输出功率器件控制信号的反信号。或电路22计算电压监控电路13的输出值和激活指令信号scns1的逻辑和。与电路23计算功率器件控制信号的反信号和或电路22的输出值的逻辑积。或非电路24计算功率器件控制信号的反信号和电压监控电路13的输出值的反逻辑和。或电路25计算与电路23的输出值和或非电路24的输出值的逻辑和，并且将计算出的逻辑和作为栅极模式设定电路111的第一输出值输出。

与非电路26计算激活指令信号scps1和电压监控电路13的输出值的反逻辑积。或电路27计算与非电路26的输出值和功率器件控制信号的反信号的逻辑和，并且将计算出的逻辑和作为栅极模式设定电路111的第二输出值输出。

接下来，说明根据实施例1的栅极驱动器的操作。图3例示了说明根据实施例1的栅极驱动器的操作的时序图。在图3中所例示的示例中，晶体管选择电路10仅选择nmos晶体管mn1和pmos晶体管mp1作为激活目标。在根据实施例1的栅极驱动器4a中，特征中的一个是在功率元件5a关断时的操作。因此，图3例示了在功率元件5a关断时的操作。

如图3中所例示的，当功率器件控制信号从高电平改变成低电平时(定时t1)，根据实施例1的栅极驱动器4a将到那时之前已经被栅极模式设定电路111设定成低电平的pmos晶体管mp1的栅极电压vgp1从低电平切换至高电平。由此，所有的pmos晶体管mp1至mpn都被设定成关断状态。

在定时t1之前的期间，功率元件5a已经被接通；因此，在定时t1集电极电压vc低于关断确定阈值vt_off。因此，在定时t1，电压监控电路13输出高电平的输出值。因此，在根据实施例1的栅极驱动器4a中，在定时t1，栅极模式设定电路111至11n将要供应到nmos晶体管mn1至mnn的所有栅极电压都设定成高电平。

然后，当通过nmos晶体管mn1至mnn来执行从功率元件5a的栅极抽取电荷时，功率元件5a接近关断状态，并且集电极电压vc超过关断确定阈值vt_off(定时t2)。在定时t2，响应于电压监控电路13的输出值从高电平切换成低电平，栅极模式设定电路111至11n将要供应到未被指示激活的nmos晶体管的栅极电压从高电平切换成低电平。因此，在定时t2或之后，仅通过已经被指示激活的nmos晶体管mn1来执行从功率元件5a的栅极抽取电荷。然后，随着功率元件5a的栅极电压减小，功率元件5a的集电极电压vc升高，并且在定时t3关断操作完成。

如以上说明的，根据实施例1的栅极驱动器执行预升压操作，在该预升压操作中，基于作为控制目标的功率元件的集电极电压来增加驱动功率元件的栅极的nmos晶体管的数量。然后，根据实施例1的栅极驱动器可以通过执行预升压操作来缩短图3中所例示的定时t1至t2的时间段的长度。也就是说，通过执行预升压操作，根据实施例1的栅极驱动器可以缩短作为在功率器件控制信号的逻辑电平改变的定时和功率元件关断的定时之间的差的死区时间。

此处，功率元件的集电极电压vc基于功率晶体管ptr的激活状态而改变。因此，在确定功率晶体管ptr的激活状态中，相比于功率晶体管ptr的栅极电压和功率晶体管ptr的阈值电压之间的关系，功率元件的集电极电压vc更正确地反映了功率晶体管ptr的激活状态。

因此，通过采用根据实施例1的栅极驱动器，可以设定与功率晶体管ptr的激活状态相对应的预升压操作的结束定时，而不管功率晶体管ptr的阈值电压的变化如何。也就是说，通过采用根据实施例1的栅极驱动器，可以将与功率晶体管ptr的激活状态对应的预升压操作的结束定时保持恒定，而不管功率晶体管ptr的阈值电压的变化如何。此外，通过采用根据实施例1的栅极驱动器，不必根据功率晶体管ptr的阈值电压变化来执行电路的调整。

在许多情况下，通过不同的制造处理来制造功率元件和栅极驱动器。可以由用户分别地准备功率元件和栅极驱动器。因此，功率元件的阈值电压的变化与栅极驱动器中的电路常数没有关系。因此，难以根据功率元件的阈值电压来调整栅极驱动器的电路常数。然而，采用根据实施例1的栅极驱动器消除了对这种调整的需要。因此，可以排除为了匹配功率元件和功率器件所需要的处理。

实施例2

在实施例2中，说明电压监控电路13的具体电路的示例。在实施例2中，电压监控电路13采用非饱和保护电路(下文中被称为desat(去饱和)电路)，该电路检测其中功率元件的集电极端子tc与电源布线vdd短路的短接到电源故障状态。图4是例示采用desat电路40作为电压监控电路13的根据实施例2的栅极驱动器的框图。

如图4中所示，desat电路40包括二极管41、电阻器42、恒定电流源43、电容器44和比较器45。

二极管41具有耦接到功率元件的集电极端子的阴极端子和耦接到电阻器42的一端的阳极端子。电阻器42耦接在二极管41的阳极端子和比较器45的反相输入端子之间。确定阈值vt被输入进比较器的非反相输入端子，并且比较器45基于确定阈值vt和反相输入端子处的电压的幅度关系来切换比较器45的输出值(例如，确定信号)的逻辑电平。恒定电流源43耦接在比较器45的反相输入端子和电源布线vddi之间。电容器44耦接在比较器45的反相输入端子和接地布线vss之间。

desat电路40检测功率元件的集电极端子是否已经变为处于短接到电源故障状态。当检测到短接到电源故障状态时，desat电路40将确定信号从高电平切换成低电平。因此，在根据实施例2的栅极驱动器4a中，当desat电路40检测到短接到电源故障状态时，栅极模式设定电路111将nmos晶体管mn1至mnn切换成导通状态，并且将pmos晶体管mp1至mpn切换成关断状态，而不管功率器件控制信号的逻辑电平如何。

接下来，说明根据实施例2的栅极驱动器的操作。图5例示了说明其中在根据实施例2的栅极驱动器中没有出现短接到电源故障的正常操作时的操作的时序图。图5中所例示的时序图向图3中所例示的时序图添加了比较器45的输入电压的时序图，并且操作与根据实施例1的栅极驱动器相同。

如图5中所例示的，在desat电路40中，当功率元件被关断时，功率元件的集电极电压vc逐渐从低电平升高。因此，在desat电路40中，通过功率元件的集电极抽取被恒定电流源43供应到电容器44的电流，直到集电极电压vc升高至某一程度。然后，当集电极电压vc升高至某一程度并且电容器44充电进行时，比较器45的输入电压超过确定阈值vt_off。此处，在比较器45的输入电压超过确定阈值vt的时刻的集电极电压vc变成关断确定阈值vt_off。

接下来，图6例示了说明当出现短接到电源故障时根据实施例2的栅极驱动器的操作的时序图。图6中所例示的示例是在功率元件处于导通状态的期间在定时ta出现短接到电源故障的情况。

如图6中所例示的，当在功率元件5处于导通状态的期间(定时ta)出现短接到电源故障时，集电极电压vc升高。因此，在desat电路40中，比较器45的输入电压随着集电极电压vc的升高而升高。然后，在比较器45的输入电压超过确定阈值vt的时刻(定时tb)，desat电路40将确定信号设定在低电平。

因此，在定时tb，栅极模式设定电路111至11n将供应到pmos晶体管mp1并且到定时tb之前被设定在低电平的栅极信号从低电平切换成高电平。在定时tb，栅极模式设定电路111至11n还将供应到pmos晶体管mp2至mpn的栅极信号切换成高电平。

在定时tb，栅极模式设定电路111至11n响应于已经从高电平改变成低电平的desat电路40的确定信号，将或非电路24的输出从低电平切换成高电平。因此，在定时tb，供应到nmos晶体管mn1至mnn的栅极电压从低电平切换成高电平。因此，在定时tb或之后，功率元件的栅极电压保持在使功率元件进入关断状态的电压。以此方式，功率元件5a变为处于关断状态；因此，可以防止由于短接到电源故障而导致的过大电流流动通过功率元件5a。

如以上说明的，在根据实施例2的栅极驱动器中，采用desat电路40来替代电压监控电路13。即使当采用desat电路40时，也可以执行通过预升压电路12和desat电路40实现的预升压操作，如同根据实施例1的栅极驱动器的情况一样。

此外，在实施例2中，可以通过采用desat电路40作为电压监控电路13来保护功率元件免遭短接到电源故障状态。不考虑预升压操作地设置该desat电路40。如果栅极驱动器从开始就包括desat电路40，则可以通过添加预升压电路12来执行与根据实施例1的栅极驱动器相同的预升压操作。也就是说，通过采用根据实施例2的栅极驱动器，可以减少附加电路并可以如同实施例1的情况那样执行预升压操作。

实施例3

在实施例3中，说明了根据实施例2的栅极驱动器的修改例。在该修改例中，除了当功率元件被关断时的预升压操作之外，当功率元件被接通时也执行预升压操作。图7例示根据实施例3的栅极驱动器的框图。

如图7中所例示的，根据实施例3的栅极驱动器4a包括预升压电路70来替代预升压电路12。根据实施例3的栅极驱动器4a采用desat电路40作为第一电压监控电路。根据实施例3的栅极驱动器4a还包括第二电压监控电路(例如，电压监控电路50)和电压比较器60。

电压监控电路50确定功率元件5a的集电极电压vc是否已经超过预先建立的接通确定阈值vt_on。具体地，当功率元件5a的集电极电压vc从比接通确定阈值vt_on高的电压改变成比接通确定阈值vt_on低的电压时，电压监控电路50将其输出值从低电平切换成高电平。电压监控电路50包括电压比较器，并且输出集电极电压确定信号。基于功率元件5a的集电极电压vc和具有预设电压值的电压阈值vt2的幅度关系来切换集电极电压确定信号的逻辑电平。

图8例示了电压监控电路50的框图。如图8中所例示的，电压监控电路50包括电阻器51和52以及比较器53。比较器53具有：非反相输入端子，被供应以与接通确定阈值vt_on对应的确定阈值vt2；以及反相输入端子，被供应以通过由电阻器51和52再分功率元件5a的集电极电压vc而得到的电压。在电压监控电路50中，通过由电阻器51和52再分集电极电压vc，使得能够在比较器53的工作范围内进行集电极电压vc和确定阈值vt2之间的比较。在根据实施例3的栅极驱动器4a中，desat电路40所采用的确定阈值vt被称为确定阈值vt1。

如图7中所例示的，电压比较器60基于功率元件5a的栅极电压和具有预先设定的电压值的栅极电压确定阈值vth之间的幅度关系来输出逻辑电平被切换的栅极电压确定信号。

预升压电路70包括第一逻辑积电路(例如，与电路32)、多个第一逻辑和电路(例如，或电路331至33n)、第一逻辑和电路(例如，或电路75)、多个第二逻辑积电路(例如，与电路761至76n)、第二逻辑和电路(例如，或电路73)和第三逻辑和电路(例如，或电路74)。预升压电路60还包括非电路31、71和72。

非电路31输出功率器件控制信号的反信号。与电路32计算功率器件控制信号的反信号和desat电路40的输出值的逻辑积。或电路331至33n针对多个nmos晶体管中的每个设置。或电路331至33n中的每个都计算对应的栅极模式设定电路111至11n的第一输出值(供应到nmos晶体管的栅极电压)和与电路32的输出值的逻辑和，并且将计算出的输出值供应到对应的nmos晶体管。

或电路75计算栅极控制信号的反信号和第二电压监控电路的输出值的反值的逻辑和。电路761至76n针对多个pmos晶体管中的每个设置。与电路761至76n中的每个都计算对应的栅极模式设定电路111至11n的第二输出值(供应到pmos晶体管的栅极电压)和或电路75的输出值的逻辑积，并且将计算出的输出值供应到对应的pmos晶体管。

非电路71输出功率器件控制信号的反信号。非电路72输出由电压比较器60输出的栅极电压确定信号的反信号。或电路73计算栅极电压确定信号的反信号和功率器件控制信号的反信号的逻辑和。或电路74计算栅极电压确定信号的反信号和desat电路40的输出值的逻辑和。

根据实施例3的栅极模式设定电路111至11n包括以下的电路配置。栅极模式设定电路111至11n中的每个都包括第一逻辑电路组和第二逻辑电路组。第一逻辑电路组包括非电路21、第四逻辑和电路(例如，或电路22)、第三逻辑积电路(例如，与电路23)、反逻辑和电路(例如，或非电路24)和第五逻辑和电路(例如，或电路25)。第二逻辑电路组包括反逻辑积电路(例如，与非电路26)和第六逻辑和电路(例如，或电路27)。

非电路21输出功率器件控制信号的反信号。或电路22计算desat电路40的输出值和激活指令信号的逻辑和。与电路23计算功率器件控制信号的反信号和或电路22的输出值的逻辑积。或非电路24计算预升压电路70的或电路73的输出值和desat电路40的输出值的反逻辑和。或电路25计算与电路23的输出值和或非电路24的输出值的逻辑和，并且将计算出的逻辑和作为栅极模式设定电路111的第一输出值输出。

与非电路26计算激活指令信号和预升压电路70的输出值的反逻辑积。或电路27计算与非电路26的输出值和功率器件控制信号的反信号的逻辑和，并且将计算出的逻辑和作为栅极模式设定电路111的第二输出值输出。

接下来，说明根据实施例3的栅极驱动器4a的操作。图9例示了说明根据实施例3的栅极驱动器4a的操作的时序图。在图9中所例示的示例中，除了当功率元件5a被关断时栅极驱动器4a的操作之外，还示出了当功率元件5a被接通时栅极驱动器4a的操作。

如图9中所示，根据实施例3的栅极驱动器4a在接通功率元件5a时(定时t11)，将功率器件控制信号从低电平切换成高电平。在定时t11，集电极电压vc高于接通确定阈值vt_on，因为功率元件5a在定时t11之前已经被关断。因此，在定时t11，desat电路40和电压监控电路50输出低电平的输出值。另一方面，在定时t11，功率元件5a的栅极电压vg还未升高，而是低于栅极电压确定阈值vth。因此，在定时t11，由电压比较器60输出的栅极电压确定信号处于低电平。

因此，在根据实施例3的栅极驱动器4a中，在定时t11，栅极模式设定电路111至11n供应到nmos晶体管mn1至mnn的所有栅极电压都被设定在低电平处。由电压比较器60输出的栅极电压确定信号处于低电平。因此，预升压电路70供应到pmos晶体管mp1至mpn的所有栅极电压都被设定在低电平处。在定时t11或之后，随着栅极电压vg升高并且功率元件5a接近导通状态，功率元件5a的集电极电压vc也下降。

随后，在定时t12，当功率元件5a的集电极电压vc变成低于接通确定阈值vt_on时，电压监控电路50将其输出值从低电平切换成高电平。因此，栅极模式设定电路111至11n仅将供应到被指示为激活状态的pmos晶体管mp1的栅极电压设定在低电平处，以及将供应到其他pmos晶体管的栅极电压设定在高电平处。因此，在定时t12或之后，通过pmos晶体管mp1来执行对功率元件5a的栅极的充电。

此处，说明接通确定阈值vt_on。如图9中所例示的，在根据实施例3的栅极驱动器4a中，当功率元件5a被接通时，功率元件的集电极电压vc从高的值起逐渐下降。随着集电极电压vc的下降，电压监控电路50的比较器53的输入电压下降。因此，确定阈值vt2被设立为使得在比较器53的输入电压变成低于确定阈值vt2的时刻的集电极电压vc可以被限定为导通确定阈值vt_on。

接下来，在定时t12或之后，当对功率元件5a的栅极的充电进行并且栅极电压vg变成低于确定阈值vt1时，desat电路40将其输出值从低电平切换成高电平(定时t13)。

接下来，在定时t13或之后，当对功率元件5a的栅极的充电进行并且栅极电压vg超过栅极电压确定阈值vth时，由电压比较器60输出的栅极电压确定信号从低电平改变成高电平(定时tc)。此处，在根据实施例3的栅极驱动器4a中，响应于栅极电压确定信号已经改变成高电平的事实或desat电路40的输出值和电压监控电路50的输出值二者都已经改变成高电平的事实，晶体管选择电路10的激活指令信号scps1至scpsn被设定在高电平处(在图9中所例示的示例中，在栅极电压确定信号变为处于高电平的定时tc)。然后，在该定时tc，通过将晶体管选择电路10的激活指令信号scps1至scpsn设定成高电平，要供应到pmos晶体管mp1至mpn的栅极电压变为处于低电平处，并且所有pmos晶体管mp1至mpn变为处于导通状态。在定时tc，或电路25和或电路27的输出值变为准备好根据desat电路40的输出值的逻辑电平而改变。

随后，在定时t14，当功率器件控制信号从高电平改变成低电平时，基于所说明的在图3中所例示的时序图的定时t1至t3处的操作，执行用于减小功率元件5a的栅极电压的关断操作(在定时t14至t18)。在定时t15或之后，栅极电压下降。因此，在功率元件5a的栅极电压变成低于栅极电压确定阈值vth的定时td，由电压比较器50输出的栅极电压确定信号从高电平改变成低电平。定时tc至td的这个时间段是用于在desat电路40的操作辅助下保护功率元件5a免遭短接到电源故障状态的desat电路的操作时间段。

图9中所例示的时序图示出了：在功率元件5a的集电极电压vc变成高于关断确定阈值vt_off的定时t16，desat电路40的输出值从高电平改变成低电平。图9中所例示的时序图还示出了：在功率元件5a的集电极电压vc变成高于导通确定阈值vt_on的定时t17，电压监控电路50的输出值从高电平改变成低电平。

如以上说明的，在根据实施例3的栅极驱动器4a中，通过采用电压监控电路50、电压比较器60和预升压电路70，当功率元件5a被接通时，可以通过使用包括未被指示激活的pmos晶体管的晶体管来执行用于对栅极充电的预升压操作。

通过采用电压监控电路50、电压比较器60和预升压电路70，可以使desat电路40仅在desat电路40应该操作的期间操作。因此，可以防止其中desat电路40会在不期望的期间操作并且可能引起对功率元件5a的控制失效的故障。

如上所述，已经基于实施例对本申请的发明人所实现的本发明进行了具体描述。然而，怎样强调都不过分的是，本发明不限于如上所述的实施例，并且可以在不偏离主旨的范围内对本发明进行各种改变。

例如，实施例中所说明的栅极驱动器4a还可以应用于不同于igbt的功率元件。