半导体元件模块和栅极驱动电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及半导体元件模块和栅极驱动电路。所述半导体元件模块(1、21、31)包括驱动元件(2)和电压变化检测元件(3)，每个所述电压变化检测元件(3)由电压驱动半导体元件形成。所述电压变化检测元件检测所述驱动元件的集电极与发射极之间或漏极与源极之间的电压的变化。所述电压变化检测元件的集电极或漏极连接到所述驱动元件的集电极或漏极，并且所述电压变化检测元件的栅极连接到所述电压变化检测元件的发射极或源极。所述电压变化检测元件的发射极或源极被提供为检测端子(S)。
【专利说明】半导体元件模块和栅极驱动电路
【技术领域】
[0001]本公开内容涉及半导体元件模块和连接到半导体元件模块的栅极驱动电路。
【背景技术】
[0002]在绝缘栅极双极晶体管(IGBT)(—种电压驱动半导体元件)的驱动控制中，存在在监测集电极与发射极之间的电压的同时施加栅极电压的技术，用于减小关断时所产生的开关损耗。例如，在JP-A-2011-103756(此后被称为专利文件I)中，IGBT的栅极被分成驱动栅极和检测栅极，并且集电极电压检测电路利用检测栅极与集电极之间的寄生电容来检测集电极电压。根据该构造，可以在没有将元件(例如电阻元件或电容器)连接到IGBT模块外部的集电极的情况下，对集电极电压进行检测。
[0003]专利文件I还公开了一种构造，其中通过在检测栅极与地之间连接电容器，将集电极与发射极之间的电压在寄生电容与所述电容器的电容之间进行分割，并且通过栅极驱动电路来检测所分割的电势。根据该构造，具有高击穿电压的电路元件对栅极驱动电路来说是不必要的。
[0004]在专利文件I中的构造中，将寄生电容的电荷转移到集电极电压检测电路中的电容器，将该电容器中的电荷的变化反应到运算放大器的输出电压，并且该输出电压输出到栅极驱动控制电路。在该构造中，实际上很难进行如下操作:通过从集电极电压检测电路输出的电压来改变栅极驱动控制电流的驱动状态，从而限制浪涌电压，并减小IGBT的开关操作期间由于响应的延迟而引起的开关损耗。专利文件I并未公开表明如何通过集电极电压检测电路和栅极驱动控制电路的操作来改变IGBT的栅极电压的时序图。
[0005]此外，在如上所述的构造中，优选的是寄生电容与外部元件的电容的比值为常数，用于准确地检测集电极与发射极之间的电压。然而，在专利文件I的构造中，寄生电容与外部电容器之间存在制造变化和温度特性的差异。此外，在包括寄生电容的IGBT和控制衬底之间存在相当大的温度差异，所述控制衬底上的包括电容器的集电极电压检测电路设置于操作环境中，并且所述电容比值的变化往往较大。此外，由于栅极与发射极是分开的，因而可能错误地接通检测元件。
【发明内容】
[0006]本公开内容的目的是提供半导体元件模块和栅极驱动电路，所述半导体元件模块和栅极驱动电路能够以高准确度检测驱动元件的集电极与发射极之间或漏极与源极之间的电压的变化，并且能够减小当驱动元件关断时所产生的浪涌电压。
[0007]根据本公开内容的第一方面的半导体元件模块包括由电压驱动半导体元件形成的驱动元件、和由电压驱动半导体元件形成的电压变化检测元件。电压变化检测元件检测驱动元件的集电极与发射极之间或漏极与源极之间的电压的变化。电压变化检测元件的集电极或漏极连接到驱动元件的集电极或漏极，并且电压变化检测元件的栅极连接到电压变化检测元件的发射极或源极。电压变化检测元件的发射极或源极被提供为检测端子。
[0008]根据第一方面的栅极驱动电路将与半导体元件模块连接，并且向驱动元件的栅极传送驱动信号。栅极驱动电路包括检测电阻器、开关速度可变部分、以及开关速度控制部分。检测电阻器将连接在检测端子与驱动元件的发射极或源极之间。开关速度可变部分能够改变驱动元件的开关速度。开关速度控制部分控制开关速度可变部分，从而当开始关断驱动元件时，将开关速度设置为高，并且当检测到检测电阻元件的端子电压的变化时，将开关速度设置为低。
[0009]根据第一方面的半导体元件模块和栅极驱动电路能够以高准确度检测驱动元件的集电极与发射极之间或漏极与源极之间的电压的变化，并且能够减小当驱动元件关断时所产生的浪涌电压。
[0010]根据本公开内容的第二方面的半导体元件模块包括由电压驱动半导体元件形成的驱动元件、和多个电压变化检测元件，每个电压变化检测元件由电压驱动半导体元件形成。电压变化检测元件串联连接以形成串联电路。电压变化检测元件中的每一个的栅极连接到电压变化检测元件中的每一个的发射极或源极。串联电路与驱动元件并联连接。串联电路中的至少一个公共连接点被提供为检测端子，用于检测驱动元件的集电极与发射极之间或漏极与源极之间的电压的变化。
[0011]根据第二方面的栅极驱动电路将与半导体元件模块连接，并且向驱动元件的栅极传送驱动信号。栅极驱动电路包括开关速度可变部分和开关速度控制部分。开关速度可变部分能够改变驱动元件的开关速度。开关速度控制部分控制开关速度可变部分，从而当开始关断驱动元件时，将开关速度设置为高，并且当检测到半导体元件模块的检测端子的电压的变化时，将开关速度设置为低。
[0012]根据第一方面的半导体元件模块和栅极驱动电路能够以高准确度检测驱动元件的集电极与发射极之间或漏极与源极之间的电压的变化，并且能够减小当驱动元件关断时所产生的浪涌电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]当结合附图阅读下文的【具体实施方式】时，本公开内容的其它目的和优势将变得更加显而易见。在附图中:
[0014]图1是示出根据本公开内容的第一实施例的半导体元件模块和栅极驱动电路的示意图；
[0015]图2是示出当驱动元件关断时的电压波形的时序图；
[0016]图3是示出根据本公开内容的第二实施例的半导体元件模块和栅极驱动电路的示意图；
[0017]图4是示出根据本公开内容的第三实施例的半导体元件模块的示意图；
[0018]图5是示出当驱动元件关断时的波形的仿真结果的示意图；
[0019]图6是示出根据本公开内容的第四实施例的半导体元件模块的示意图；
[0020]图7是示出根据本公开内容的第五实施例的半导体元件模块和栅极驱动电路的示意图；
[0021]图8是示出当驱动元件关断时的电压波形的时序图；
[0022]图9A是根据第五实施例的封装构造的截面视图，并且图9B是根据第五实施例的封装构造的平面视图。
[0023]图1OA是根据第六实施例的封装构造的截面视图，并且图1OB是根据第六实施例的封装构造的平面视图。
[0024]图11是示出根据本公开内容的第七实施例的半导体元件模块和栅极驱动电路的示意图；
[0025]图12是示出根据本公开内容的第八实施例的半导体元件模块和栅极驱动电路的示意图；
[0026]图13是示出根据本公开内容的第九实施例的半导体元件模块和栅极驱动电路的示意图；
[0027]图14是示出根据本公开内容的第十实施例的半导体元件模块和栅极驱动电路的示意图；
[0028]图15是示出根据本公开内容的第十一实施例的半导体元件模块和栅极驱动电路的不意图；以及
[0029]图16是示出根据本公开内容的第十二实施例的示例的示意图，其中半导体元件模块用于反相电路中的输入电压检测。
【具体实施方式】
[0030](第一实施例)
[0031]将参考图1来描述根据本公开内容的第一实施例的半导体元件模块I。半导体元件模块I包括驱动元件2和电压变化感测元件3。电压变化感测元件3能够用作电压变化检测元件。驱动元件2和电压变化感测元件3中的每一个元件例如是IGBT。IGBT是电压驱动半导体元件的示例。通过相同的工艺在一个IC芯片中形成驱动元件2和电压变化感测元件3。电压变化感测元件3具有比驱动元件2小的尺寸。在驱动元件2的集电极与发射极之间，连接了续流二极管2D。在电压变化感测元件3的集电极与发射极之间，连接了续流二极管3D。
[0032]驱动元件2的栅极(导电控制端子)、集电极(导电端子)、以及发射极(参考电势侧导电端子)分别连接到半导体元件模块I的外部端子G、C、E。电压变化感测元件3的集电极连接到外部端子C，并且电压变化感测元件3的栅极和发射极连接到半导体元件模块I的外部端子S (检测端子)。
[0033]在半导体元件模块I的外部，电阻元件Rl连接在外部端子S与外部端子Ex之间。电阻元件Rl可以用作检测元件和电压变化检测元件。由于外部端子Ex与外部端子E大体上是相同的端子，因此未必总是独立于外部端子E提供外部端子Ex。外部端子S连接到比较器4的反相输入端子。将参考电压Vref施加到比较器4的非反相输入端子。参考电压Vref的参考电势是外部端子Ex (电路地)。
[0034]比较器4的输出端子通过延迟电路5连接到关断控制部分6的输入端子。关断控制部分6可以用作开关速度控制部分。在半导体元件模块I的外部端子G与外部端子Ex之间，电阻元件R2和开关7的串联电路以及电阻元件R3和开关8的串联电路彼此并联连接。电阻元件R2和开关7的串联电路、以及电阻元件R3和开关8的串联电路可以用作开关速度可变部分。
[0035]关断控制部分6接收驱动元件2的驱动信号(栅极控制信号)。当驱动信号处于低电平并且比较器4的输出电压处于高电平时，开关7和开关8同时接通。当驱动信号处于低电平并且比较器4的输出电压处于低电平时，仅接通开关7。以上所描述的除了半导体元件模块I以外的部件形成了栅极驱动电路9。在栅极驱动电路9中，仅示出了用于关断驱动元件2的部件。当接通驱动元件2时，高电平信号通过未示出的信号路径施加到外部端子G。此时，开关7、8 _■者均关断。
[0036]接下来，将参考图2来描述半导体元件模块I的操作。图2示出当半导体元件模块I中的驱动元件2关断时的栅极与发射极之间的电压VGE、集电极与发射极之间的电压VCE、以及感测端子S与发射极之间的电压VSE。在电压VGE从高电平向低电平变化的中间，电压VGE的波形在发生镜像效应的镜像区中变得几乎是平的。在那之后，开始关断驱动元件2，电压VCE增大，并且最终，电压VCE达到被施加到集电极的电源电压(系统电压)。
[0037]在以上所述的过程中，如果电阻元件R2、R3的并联电路始终连接在半导体元件模块I的端子G、Ex之间，则电压VCE的变化如实线所示。然后，当驱动元件2完全关断时，电感部件在集电极处产生浪涌电压。
[0038]另一方面，在由栅极驱动电路9增大电压VCE的过程中，在集电极与发射极之间产生了正的电压变化(dv/dt)。由于电压变化，电流经由电压变化感测元件3的集电极与栅极之间以及集电极与发射极之间的寄生电容而在两个端子之间流动，并且电流从电压变化感测元件3的栅极和发射极经由端子S流到电阻元件Rl。于是，当电阻元件Rl的端子电压增大并且超过参考电压Vref时，比较器4的输出电压变为低电平。然后，关断控制部分6将开关8关断。在那之后，驱动元件2的栅极仅通过电阻元件R2放电。
[0039]换言之，在关断驱动元件2的过程中，用于对栅极进行放电的路径的电阻值增大，并且开关速度降低。由于以上所述的动作，电压VGE的下降的梯度变缓，并且电压VCE的变化减轻，浪涌电压的幅度减小，如虚线所示。由于以上所述的操作，电压VSE的波形的下降梯度也变缓。考虑用于有效地限制浪涌电压的时间，通过在比较器的输出电压变为低电平之后、并在电压VCE刚达到电源电压之前切换栅极电阻值来设置由延迟电路5提供的延迟时间。
[0040]根据本实施例，提供电压变化感测元件3来检测驱动元件2的集电极与发射极之间的电压的变化，电压变化感测元件3的集电极连接到驱动元件2的集电极，并且电压变化感测元件3的栅极连接到电压变化感测元件3的发射极。电压变化感测元件3的发射极用作半导体元件模块I的检测端子S。于是，当栅极电压减小时，开始关断驱动元件2，并且集电极与发射极之间的电压增大，集电极与发射极之间产生正的电压变化(dv/dt)。由于电压变化，电流经由电压变化感测元件3的集电极与栅极之间以及集电极与发射极之间的寄生电容而在两个端子之间流动。
[0041]由于可以通过将电阻元件Rl设置于检测端子S与Ex之间来检测以上所述的电流，因此在关断驱动元件2的过程中，可以通过监测电阻元件Rl的端子电压的变化来快速检测集电极与发射极之间的电压的变化。因此，当驱动元件2的栅极电压根据集电极与发射极之间的电压变化而变化时，可以确实减小当驱动元件2关断时在集电极处产生的浪涌电压。
[0042]在本实施例中，采用了以上所述的元件结构，并且电压变化感测元件3的栅极连接到电压变化感测元件3的发射极。因此，在关断的过程中，确实防止了接通电压变化感测元件3。
[0043]在开始关断驱动元件2的时候，栅极驱动电路9的关断控制部分6减小栅极电阻值以增大开关速度。当关断控制部分6检测到在驱动元件2关断的同时电阻元件Rl的端子电压变化时，则关断控制部分6使栅极电阻值增大以减小开关速度。于是，可以在驱动元件2关断的同时减小开关速度，并且可以减小浪涌电压。
[0044](第二实施例)
[0045]将参考图3来描述根据本公开内容的第二实施例的半导体元件模块I和栅极驱动电路11。如图3中所示出的，根据本实施例的栅极驱动电路11包括可变恒流源12，该可变恒流源12替代电阻元件R2与开关7的串联电路以及电阻元件R3与开关8的串联电路。可变恒流源12可以用作开关速度可变部分。
[0046]此外，关断控制部分13替换了关断控制部分6。关断控制部分13可以用作开关速度控制部分。当驱动元件2的驱动信号处于低电平并且比较器4的输出电压处于高电平时，关断控制部分13传送例如处于低电平的输出信号。此时，将由可变恒流源12供应的恒定电流值设置为大电流值。因此，驱动元件2的栅极快速放电，并且开关速度相对高。当驱动信号处于低电平并且比较器4的输出电压处于低电平时，关断控制部分13传送处于高电平的输出信号。此时，将由可变恒流源12供应的恒定电流值设置为小电流值。因此，驱动元件2的栅极逐渐放电，并且开关速度相对低。
[0047]根据第二实施例，栅极驱动电路11通过改变由可变恒流源12供应的恒定电流值来改变关断驱动元件2的开关速度。因此，可以获得与第一实施例的效果相似的效果。
[0048](第三实施例)
[0049]将参考图4来描述根据本公开内容的第三实施例的半导体元件模块21。半导体元件模块21对应于半导体元件模块I加上电流感测元件22。电流感测元件22可以用作电流检测元件。电流感测元件22与电压变化感测元件3并联连接。电流感测元件22的栅极连接到驱动元件2的栅极。包含IGBT的一些半导体元件模块包括电流感测元件,该电流感测元件用于检测在作为驱动元件的IGBT中流动的集电极电流。在通用电流感测元件中流动的集电极电流是在驱动电流中流动的集电极电流中的大约几千分之一。根据本实施例的电流感测元件22具有与通用电流感测元件相似的构造。
[0050]在包括电流感测元件的半导体元件模块中，提供检测端子S作为用于通过电流感测元件来检测流到驱动元件的电流的端子。因此，半导体元件模块21具有将电压变化感测元件3添加到通用半导体元件模块的构造。
[0051]可以将根据第一实施例的栅极驱动电路9或根据第二实施例的栅极驱动电路11连接到半导体元件模块21。然而，另外需要用于检测过电流的通用电路。由于在驱动元件2的接通期间，利用电阻元件Rl的端子电压执行了过电流检测，因而可以在关断时间段期间将过电流检测与栅极电压控制分开执行。
[0052]图5是示出当半导体元件模块I中的驱动元件2关断时的栅极与发射极之间的电压VGE、集电极与发射极之间的电压VCE、以及感测端子S与发射极之间的电压VSE的仿真结果的示意图。在栅极电压VGE从高电平向低电平变化的中间，在电压VGE的波形在镜像区中变平之后，开始关断驱动元件2，电压VCE增大到集电极的电源电压。电压VCE的波形并不反映浪涌电压的产生。
[0053]在不存在电压变化感测元件3、同时在增大电压VCE的过程中驱动元件2接通的实例中，由于几乎恒定的电流经由电流感测元件22流到电阻元件R1，因而电压VSE始终是平的，如实线所示。另一方面，在存在电压变化感测元件3的实例中，流经电压变化感测元件3的电流叠加到电阻元件Rl上。结果，如虚线所示，电压VSE的电平以脉冲的形式增加。因此，当参考电压Vref被设置为电压VSE的增大量内的值时，可以检测到电压VCE的变化。
[0054]如上所述，根据第三实施例，半导体元件模块21包括电流感测元件22。电流感测元件22的集电极和栅极分别连接到驱动元件2的集电极和栅极，并且电流感测元件22的发射极连接到检测端子S。在该实例中，将电压变化感测元件3添加到包括电流感测元件22的半导体元件模块。因此，可以利用端子S来检测电压VCE的变化，所述端子S已经被提供用于电流检测。
[0055]此外，由于存在电流感测元件22，当驱动元件2接通时，几乎恒定的电流流到电阻元件R1，并且电阻元件Rl的端子之间的电压具有几乎恒定的电平。这是当驱动元件2关断时可能产生浪涌电压的状态。然后，当驱动元件2关断时，将与流经电压变化感测元件3的电流相对应的电压添加到以上所述的电平。因此，可以快速地检测到电压VCE的变化，并且可以更快速地改变开关速度。
[0056](第四实施例)
[0057]将参考图6来描述根据本公开内容的第四实施例的半导体元件模块31。半导体元件模块31包括与根据第三实施例的半导体元件模块21相似的电流感测元件22。然而，电流感测元件22的发射极没有与电压变化感测元件3的发射极共同连接。电压变化感测元件3的发射极连接到能够用作检测端子的外部端子VS。电流感测元件22的发射极连接到与外部端子VS分开提供的外部端子IS。在端子IS与Ex之间，连接了用于电流检测的电阻元件R4。
[0058]换言之，用于通过电流感测元件22来检测电流的端子IS、以及用于通过电压变化感测元件3来检测电压VCE的变化的端子VS是分开的。如果这两个端子是集成的(如第三实施例中所述)，则可以更快速地检测电压VCE的变化。然而，在以上所述的实例中，必须基于每个状态的电压差异来设置施加到比较器4的参考电压Vref。另一方面，当端子VS与端子IS分开时(如第四实施例中所述)，由于端子VS的标准电势是零，因而可以容易地设置参考电压Vref。此外，可以更容易地选择电阻元件Rl、R4的电阻值。
[0059](第五实施例)
[0060]将参考图7来描述根据本公开内容的第五实施例的半导体元件模块101和栅极驱动电路109。半导体元件模块101包括驱动元件102和电压变化感测元件103、104。电压变化感测元件103、104可以用作电压变化检测元件。驱动元件102和电压变化感测元件103、104例如由IGBT形成，并且在同一个过程中形成于同一个半导体芯片(半导体衬底)上，以形成IC芯片(见图9A和图9B)。电压变化感测元件103、104具有小于驱动元件102的尺寸。在驱动元件102的集电极与发射极之间，连接了续流二极管102D。
[0061]驱动元件102的栅极(导电性控制端子)、集电极(导电性端子)、以及发射极(参考电势侧导电性端子)分别连接到半导体元件模块101的外部端子G、C、E。电压变化感测元件103、104串联连接。电压变化感测元件103的集电极连接到外部端子C。电压变化感测元件103的栅极和发射极连接到半导体元件模块101的外部端子VS (检测端子)。电压变化感测元件104的栅极和发射极连接到半导体元件模块101的外部端子E。
[0062]外部端子VS连接到比较器105的反相输入端子。将参考电压Vref施加到比较器105的非反相输入端子。参考电压Vref的参考电势是外部端子Ex (电路地)。外部端子Ex连接到半导体元件模块101中的外部端子E。因此，不必总是独立地提供外部端子Ex。
[0063]比较器105的输出端子连接到关断控制部分106的输入端子。关断控制部分106可以用作开关速度控制部分。在半导体元件模块101的外部端子G与外部端子Ex之间，电阻元件RlOl与开关107的串联电路、以及电阻元件R102与开关108的串联电路彼此并联连接。电阻元件RlOl与开关107的串联电路、以及电阻元件R102与开关108的串联电路可以用作开关速度可变部分。
[0064]关断控制部分106接收驱动元件102的驱动信号(栅极控制信号)。当驱动信号处于低电平并且比较器105的输出电压处于高电平时，开关107和开关108同时接通。当驱动信号处于低电平并且比较器105的输出电压处于低电平时，仅接通开关107。以上所述的除了半导体元件模块101以外的部件形成了栅极驱动电路109。通过将部件安装在控制衬底110上来形成栅极驱动电路109。在栅极驱动电路109中，仅示出了用于关断驱动元件102的部件。当接通驱动元件102时，高电平信号通过未示出的信号路径施加到外部端子G。此时，开关7、8 _■者均关断。
[0065]在半导体芯片111中形成了驱动元件102和电压变化感测元件103、104。半导体芯片111是半导体衬底的示例。如图9A和图9B所示出的，利用铸模树脂以半导体芯片111被安装到引线框架112上的形式来将半导体芯片111、驱动元件102、以及电压变化感测元件103、104密封到一个封装中。于是,形成了一体封装(one-package) 1C。
[0066]接下来，将参考图8来描述半导体元件模块101的操作。图8示出当半导体元件模块101中的驱动元件102关断时的栅极与发射极之间的电压VGE、集电极与发射极之间的电压VCE、以及感测端子S与发射极之间的电压VSE。在电压VGE从高电平到低电平变化的中间，电压VGE的波形在镜像区中变得几乎是平的。在那之后，开始关断驱动元件102，电压VCE增大，并且最终，电压VCE达到被施加到集电极的电源电压(系统电压)。
[0067]在以上所述的过程中，如果电阻元件R101、R102的并联电路始终连接在半导体元件模块101的端子G、Ex之间，则电压VCE的变化如实线所示。然后，当驱动元件102完全关断时，电感部件在集电极处产生浪涌电压。
[0068]另一方面，在通过栅极驱动电路109增大电压VCE的过程中，在集电极与发射极之间产生了正的电压变化(dv/dt)。如图7中所示出的，在电压变化感测元件103、104中的每一个元件的集电极与栅极之间，存在寄生电容Ccg3、Ccg4。尽管未示出，但是在集电极与发射极之间也存在寄生电容。因此，通过以上所述的电压变化，电流通过寄生电容Ccg3、Ccg4而在外部端子C与E(和Ex)之间流动。此时，电压VCE被寄生电容Ccg3、Ccg4分压。因此，端子VS处的电压VSE变为较低电平。
[0069]当电压VSE增大并且超过参考电压Vref时，比较器105的输出电压变为低电平，并且关断控制部分106将开关108关断。因此，在那之后，驱动元件102的栅极仅通过电阻元件RlOl进行放电。
[0070]换言之，在关断驱动元件102的过程中，用于对栅极进行放电的路径的电阻值增大，并且开关速度降低。由于以上所述的动作，电压VGE的下降的梯度变缓，并且电压VCE的变化减轻，并且浪涌电压的幅度减小，如虚线所示。考虑用于有效地限制浪涌电压的时间，通过在比较器105的输出电压变为低电平之后、并在电压VCE刚达到电源电压之前切换栅极电阻值来设置图8中示出的栅极电阻变化延迟时间。如果必要的话，可以利用延迟电路来控制栅极电阻变化延迟时间。
[0071]如上所述，在根据本实施例的半导体元件模块101中，提供电压变化感测元件103、104用于检测驱动元件102的集电极与发射极之间的电压的变化。电压变化感测元件103、104中的每一个元件的栅极连接到电压变化感测元件103、104中的每一个元件的发射极。电压变化感测元件103、104串联连接以形成串联电路。该串联电路与驱动元件102并联连接。该串联电路中的公共连接点用作检测端子VS，用于检测驱动元件102的集电极与发射极之间的电压的变化。
[0072]于是，当栅极电压减小时，开始关断驱动元件102，集电极与发射极之间的电压增大，并且在集电极与发射极之间产生正的电压变化(dv/dt)。由于电压变化，电流通过电压变化感测元件103、104中的每一个元件的集电极与栅极之间的寄生电容以及集电极与发射极之间的寄生电容而在两个端子之间流动。
[0073]在电压变化感测元件103、104的串联电路中的公共连接点处，出现了通过由寄生电容Ccg3和Ccg4对驱动元件102的集电极与发射极之间的电压进行分压而获得的电势。因此，当对公共连接点处的电压的变化进行监测时，可以将关断驱动元件102的过程中的集电极与发射极之间的电压的变化作为被分压的低电平而快速地检测出来。寄生电容Ccg3与Ccg4之间的制造变化小，并且寄生电容Ccg3和Ccg4的温度特性彼此相等。因此，能够总是以高准确度检测集电极与发射极之间的电压。当驱动元件102的栅极电压根据集电极与发射极之间的电压的变化而变化时，可以确实减小当驱动元件102关断时在集电极处产生的浪涌电压。此外，由于电压变化感测元件103、104中的每一个元件的栅极连接到电压变化感测元件103、104中的每一个元件的发射极，因此在关断驱动元件102的过程中可以确实限制电压变化感测元件103、104被接通。
[0074]此外，由于驱动元件102和电压变化感测元件103、104形成于同一个半导体芯片111上，并且利用铸模树脂113形成为一个封装，因此可以容易地处理包括电压变化感测元件103、104的半导体元件模块101的一个主体。
[0075]当开始关断驱动元件102时，栅极驱动电路109中的关断控制部分106使栅极电阻值减小，以增大开关速度。当关断控制部分106检测到检测端子VS的电压在驱动元件102关断时发生变化，则关断控制部分106使栅极电阻值增大，以减小开关速度。于是，可以在驱动元件102关断时减小开关速度，并且可以减小浪涌电压。
[0076](第六实施例)
[0077]将参考图1OA和图1OB来描述根据本公开内容的第六实施例的半导体元件模块114。在根据本实施例的半导体元件模块114中，驱动元件102形成于半导体芯片115上，并且电压变化感测元件103、104形成于不同于半导体芯片115的半导体芯片116上。半导体芯片115是第一半导体衬底的示例，并且半导体芯片116是第二半导体衬底的示例。半导体元件模块114利用铸模树脂113形成于一个封装中。换言之，铸模树脂113将半导体芯片115、116、驱动元件102、以及电压变化感测元件103、104密封到一个封装中。同样在具有以上所述的构造的本实施例中，可以获得与第五实施例相似的效果。
[0078](第七实施例)
[0079]将参考图11来描述根据本公开内容的第七实施例的栅极驱动电路121。如图11所示出的，根据本实施例的栅极驱动电路121包括可变恒流源122，该可变恒流源122替代电阻元件RlOl与开关107的串联电路、以及电阻元件R102与开关108的串联电路。可变恒流源122可以用作开关速度可变部分。
[0080]此外，关断控制部分123替换了关断控制部分106。关断控制部分123可以用作开关速度控制部分。当驱动元件102的驱动信号处于低电平并且比较器105的输出电压处于高电平时，关断控制部分123传送例如处于低电平的输出信号。此时，将由可变恒流源122供应的恒定电流值设置为大。因此，驱动元件102的栅极快速放电，并且开关速度相对高。当驱动信号处于低电平并且比较器105的输出电压处于低电平时，关断控制部分123传送处于高电平的输出信号。此时，将由可变恒流源122供应的恒定电流值设置为小。因此，驱动元件102的栅极逐渐放电，并且开关速度相对较低。
[0081]根据第七实施例，栅极驱动电路121通过改变由可变恒流源122供应的恒定电流值来改变关断驱动元件102的开关速度。因此，可以获得与第五实施例相似的效果。
[0082](第八实施例)
[0083]将参考图12来描述根据本公开内容的第八实施例的半导体元件模块101A。在根据本实施例的半导体元件模块1lA中，电压变化感测元件104的发射极连接到电压变化感测元件103的发射极，并且电压变化感测元件104的集电极连接到外部端子E。同样在具有以上所述的构造的本实施例中，可以获得与第五实施例相似的效果。
[0084](第九实施例)
[0085]将参考图13来描述根据本公开内容的第九实施例的半导体元件模块131。在半导体元件模块131中，电压变化感测元件132与电压变化感测元件103并联连接。同样在具有以上所述的构造的本实施例中，可以获得与第五实施例相似的效果。
[0086](第十实施例)
[0087]将参考图14来描述根据本公开内容的第十实施例的半导体元件模块141。在半导体元件模块141中，电压感测元件142连接在驱动元件102的集电极与电压变化感测元件103的集电极之间，以形成三元件串联的构造。根据第十实施例，可以将驱动元件102的集电极与发射极之间的电压分成较小的电势。
[0088](第H^一实施例)
[0089]将参考图15来描述根据本公开内容的第十一实施例的半导体元件模块151。半导体兀件模块151与根据第八实施例的半导体兀件模块1lA的不同之处在于:电阻兀件152连接在电压变化感测元件103的发射极与电压变化感测元件104的发射极之间。此外，二极管153连接在电压变化感测元件104的发射极与集电极之间。根据本实施例，即使当寄生电容Ccg3击穿时，电阻元件152也可以保护诸如比较器105的部件。
[0090](第十二实施例)
[0091]将参考图16来描述根据本公开内容的第十二实施例的反相电路160。反相电路160包括以三相桥式连接的形式进行连接的六个开关元件161-166。开关元件161-166中的每一个开关元件例如由IGBT形成。半导体元件模块101U、101V、101W分别与设置于负侧上的开关元件164、165、166并联连接。半导体元件模块101U、101V、1lW中的每一个半导体元件模块例如是根据第五实施例的半导体元件模块101。
[0092]半导体元件模块101U、101V、101W的外部端子VS1、VS2、VS3中的每一个外部端子连接到反相输入电压检测电路167的输入端子。当设置于正侧上的开关元件161-163接通时，向设置于负侧上的开关兀件164-166施加输入电压。因此,反相输入电压检测电路167可以在接通时间段期间检测由半导体元件模块101U、1lV、101W分割的输入电压。
[0093](其它实施例)
[0094]本公开内容并不仅限制于以上所描述的或附图中所描述的实施例，并且可以做出以下修改或扩展。
[0095]电压驱动半导体元件并不限于IGBT，并且可以是诸如MOSFET的其它元件。
[0096]在第一实施例中，可以将电阻元件R2的电阻值设置为低，并且可以将电阻元件R3的电阻值设置为高。然后，在开始发生关断时，可以仅连接电阻元件R2，并且可以在关断操作的中间变为连接电阻元件R3。
[0097]在第五实施例中，可以将电阻元件RlOl的电阻值设置为低，并且可以将电阻元件R102的电阻值设置为高。然后，在开始发生关断时，可以仅连接电阻元件R101，并且可以在关断操作的中间变为连接电阻元件R102。
[0098]可以通过第i^一实施例将根据第六实施例的封装构造、或根据第七实施例的栅极驱动电路121用于第七实施例。
[0099]在第九实施例中，可以将电压变化感测元件132与电压变化感测元件104并联连接。电压变化感测元件132与电压变化感测元件103、104中的每个元件并联连接。
[0100]与第十二实施例相似，可以检测半桥式电路或H桥式电路的输入电压。
【权利要求】
1.一种半导体兀件模块(1、21、31),包括: 驱动元件(2)，其由电压驱动半导体元件形成；以及 电压变化检测元件(3)，其由电压驱动半导体元件形成，并且检测所述驱动元件的集电极与发射极之间或漏极与源极之间的电压的变化，其中 所述电压变化检测元件的集电极或漏极连接到所述驱动元件的所述集电极或所述漏极，并且所述电压变化检测元件的栅极连接到所述电压变化检测元件的发射极或源极，并且 所述电压变化检测元件的所述发射极或所述源极被提供作为检测端子(S)。
2.根据权利要求1所述的半导体元件模块(21)，还包括: 电流检测元件(22)，其由电压驱动半导体元件形成，其中 所述电流检测元件的集电极或漏极以及栅极分别连接到所述驱动元件的所述集电极或所述漏极以及所述栅极，并且所述电流检测元件的发射极或源极连接到所述检测端子。
3.根据权利要求1所述的半导体元件模块(31)，还包括: 电流检测元件，其由电压驱动半导体元件形成，其中 所述电流检测元件的集电极或漏极以及栅极分别连接到所述驱动元件的所述集电极或所述漏极以及所述栅极，并且所述电流检测元件的发射极或源极连接到电流检测端子(IS)。
4.一种栅极驱动电路(9、11)，与根据权利要求1-3中的任意一项所述的半导体元件模块连接，并向所述驱动元件的所述栅极传送驱动信号，所述栅极驱动电路包括: 检测电阻器(Rl)，其连接在所述检测端子与所述驱动元件的所述发射极或所述源极之间； 开关速度可变部分(7、8、R2、R3、12)，其能够改变所述驱动元件的开关速度；以及开关速度控制部分(6、13)，其控制所述开关速度可变部分，从而当开始关断所述驱动元件时，将所述开关速度设置为高，并且当检测到所述检测电阻元件的端子电压的变化时，将所述开关速度设置为低。
5.根据权利要求4所述的栅极驱动电路(9)，其中 所述开关速度可变部分通过改变所述驱动元件的栅极电阻值来改变所述开关速度。
6.根据权利要求4所述的栅极驱动电路(11)，其中 所述开关速度可变部分通过改变用于对所述驱动元件的所述栅极进行放电的电流量来改变所述开关速度。
7.一种半导体元件模块(101、101A、114、131、141、151)，包括: 驱动元件(102)，其由电压驱动半导体元件形成；以及 多个电压变化检测元件(103、104、142)，所述多个电压变化检测元件中的每一个电压变化检测元件由电压驱动半导体元件形成，其中 所述电压变化检测元件串联连接以形成串联电路， 所述电压变化检测元件中的每一个电压变化检测元件的栅极连接到所述电压变化检测元件中的每一个电压变化检测元件的发射极或源极， 所述串联电路与所述驱动元件并联连接，并且 所述串联电路中的至少一个公共连接点被提供作为用于检测所述驱动元件的集电极与发射极或漏极与源极之间的电压的变化的检测端子。
8.根据权利要求7所述的半导体元件模块(101)，还包括: 半导体衬底(111)，其上形成所述驱动元件和所述电压变化检测元件；以及铸模树脂(113)，其将所述驱动元件、所述电压变化检测元件和所述半导体衬底密封到一个封装中。
9.根据权利要求7所述的半导体元件模块(114)，还包括: 第一半导体衬底(115)，其上形成所述驱动元件； 第二半导体衬底(116)，其上形成所述电压变化检测元件，所述第二半导体衬底与所述第一半导体衬底不同；以及 铸模树脂(113)，其将所述驱动元件、所述电压变化检测元件、所述第一半导体衬底、以及所述第二半导体衬底密封到一个封装中。
10.根据权利要求7所述的半导体元件模块(131)，还包括: 电压变化检测元件(132)，其与形成所述串联电路的所述电压变化检测元件中的至少一个电压变化检测元件并联连接。
11.根据权利要求7所述的半导体元件模块(151)，还包括: 连接在形成所述串联电路的所述电压变化检测元件之间的电阻元件(152)或二极管。
12.—种栅极驱动电路(109、121)，与根据权利要求7-11中的任意一项所述的半导体元件模块连接，并向所述驱动元件的所述栅极传送驱动信号，所述栅极驱动电路包括: 开关速度可变部分(107、108、R101、R102、122)，其能够改变所述驱动元件的开关速度；以及 开关速度控制部分(106、123)，其控制所述开关速度可变部分，从而当开始关断所述驱动元件时，将所述开关速度设置为高，并且当检测到所述半导体元件模块的检测端子的电压的变化时，将所述开关速度设置为低。
13.根据权利要求12所述的栅极驱动电路(109)，其中 所述开关速度可变部分(107、108、RlOU R102)通过改变所述驱动元件的栅极电阻值来改变所述开关速度。
14.根据权利要求12所述的栅极驱动电路(121)，其中 所述开关速度可变部分(122)通过改变用于对所述驱动元件的所述栅极进行放电的电流量来改变所述开关速度。
【文档编号】H02M1/08GK104348338SQ201410369596
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2013年7月30日
【发明者】三浦亮太郎, 后藤崇 申请人:株式会社电装