功率半导体装置的制作方法

1.本发明涉及功率半导体装置。


背景技术：

2.在专利文献1中公开了对并联连接的si-igbt和sic-mosfet进行驱动的驱动装置。si-igbt是使用si作为半导体材料的igbt(insulated gate bipolar transistor)。sic-mosfet是使用sic作为半导体材料的mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor)。就专利文献1的驱动装置而言，如果过电流流过si-igbt和sic-mosfet的任意者，则通过将短路耐量低的sic-mosfet先行切换为断开状态而对sic-mosfet进行保护。
3.专利文献1：日本特开2020-141550号公报
4.专利文献1的驱动装置在将sic-mosfet切换为断开状态之后，将si-igbt也切换为断开状态。因此，功率半导体装置的短路耐量被耐量低的sic-mosfet限制。


技术实现要素：

5.本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于降低功率半导体装置的损耗及提高短路耐量。
6.本发明的功率半导体装置具有：第1开关元件；第2开关元件，其与第1开关元件并联连接，短路耐量比第1开关元件高；驱动电路，其对第1开关元件及第2开关元件进行驱动；以及判定电路，其将流过第1开关元件及第2开关元件的电流的合计即对象电流与第1阈值及大于第1阈值的第2阈值进行比较，如果由判定电路判定为对象电流大于或等于第1阈值，则驱动电路将第1开关元件设为断开状态，如果由判定电路判定为对象电流大于或等于第2阈值，则驱动电路将第2开关元件设为断开状态。
7.发明的效果
8.根据本发明的功率半导体装置，通过适当地设定第1阈值及第2阈值，从而实现损耗的降低及短路耐量的提高。
附图说明
9.图1是表示实施方式1的功率半导体装置的结构的图。
10.图2是表示实施方式1的功率半导体装置的短路动作时的时序的图。
11.图3是表示实施方式1的功率半导体装置的短路动作时的时序的图。
12.图4是表示实施方式2的功率半导体装置的结构的图。
13.图5是表示流过开关元件的电流与接通电压之间的关系的图。
具体实施方式
14.＜a.实施方式1＞
15.＜a-1.结构＞
16.图1示出实施方式1的功率半导体装置101的结构。功率半导体装置101具有开关部swh、swl和控制电路ch、cl。开关部swh构成上桥臂。开关部swl构成下桥臂。控制电路ch对开关部swh进行控制。控制电路cl对开关部swl进行控制。在图1中仅示出功率半导体装置101的v相的结构。在u相、v相及w相各相中，开关部swh与开关部swl串联连接。
17.开关部swh呈与开关部swl相同的结构，因此，下面仅对开关部swh的结构进行说明。开关部swh具有第1开关元件sw1及第2开关元件sw2。第1开关元件sw1与第2开关元件sw2并联连接。第1开关元件sw1与第2开关元件sw2相比短路耐量小。在本实施方式中，第1开关元件sw1是sic-mosfet，第2开关元件sw2是si-igbt。在第1开关元件sw1形成有体二极管。sic-mosfet的漏极电极与si-igbt的集电极(collector)电极(electrode)连接，sic-mosfet的源极电极与si-igbt的发射极电极连接。此外，第1开关元件sw1不限于sic-mosfet，也可以是使用了除sic以外的宽带隙半导体的mosfet。
18.控制电路ch基于从功率半导体装置101的外部输入的输入信号vinh向开关部swh的第1开关元件sw1及第2开关元件sw2的栅极端子输出控制信号，对开关部swh的第1开关元件sw1及第2开关元件sw2的接通状态和断开状态进行切换。
19.控制电路ch具有第1输入电路11、第2输入电路12、第1驱动电路13及第2驱动电路14。第1输入电路11接收输入信号vinh，生成向第1驱动电路13输入的信号。第2输入电路12接收输入信号vinh，生成向第2驱动电路14输入的信号。第1驱动电路13接收来自第1输入电路11的信号，向第1开关元件sw1的栅极端子输出控制信号，由此对第1开关元件sw1的接通状态和断开状态进行切换。第2驱动电路14接收来自第2输入电路12的信号，向第2开关元件sw2的栅极端子输出控制信号，由此对第2开关元件sw1的接通状态和断开状态进行切换。
20.控制电路cl基于从功率半导体装置101的外部输入的输入信号vinl向开关部swl的第1开关元件sw1及第2开关元件sw2的栅极端子输出控制信号，对开关部swl的第1开关元件sw1及第2开关元件sw2的接通状态和断开状态进行切换。
21.除了第1输入电路21、第2输入电路22、第1驱动电路23及第2驱动电路24以外，控制电路cl还具有第1判定电路25、第2判定电路26、第1保护电路27及第2保护电路28。第1输入电路21、第2输入电路22、第1驱动电路23及第2驱动电路24分别呈与控制电路ch的第1输入电路11、第2输入电路12、第1驱动电路13及第2驱动电路14相同的结构。但是，向第1输入电路21及第2输入电路22输入来自第1保护电路27及第2保护电路28的输出。
22.第1判定电路25及第2判定电路26对开关部swl的短路状态进行判定，分别通知给第1保护电路27及第2保护电路28。开关部swl的第1开关元件sw1的源极电极与第2开关元件sw2的发射极电极经由电阻rs而接地。由于在开关部swl中在第1开关元件sw1和第2开关元件sw2的并联连接体流过的电流即对象电流而在电阻rs的两端产生电压降。换言之，电阻rs将对象电流转换为电压。在实施方式1中，对象电流是第1开关元件sw1的主电流与第2开关元件sw2的主电流的合计。通过电阻rs转换后的电压被作为电压信号vcin而输入至第1判定电路25及第2判定电路26。
23.第1判定电路25构成为具有比较器251。向比较器251的负极输入阈值电压vref1，向正极输入电压信号vcin。比较器251将电压信号vcin与阈值电压vref1进行比较，如果电压信号vcin大于或等于阈值电压vref1，则输出高电平的信号。该信号被输入至第1保护电路27的输入端子s。这样，第1判定电路25根据电压信号vcin大于或等于阈值电压vref1这一
点而判定为开关部swl处于短路状态，将该内容通知给第1保护电路27。换言之，第1判定电路25根据对象电流大于或等于与阈值电压vref1对应的第1阈值这一点而判定短路状态。在实施方式1中，阈值电压vref1设定为大于或等于由于与第1开关元件sw1的额定电流相当的对象电流而在电阻rs的两端产生的电压降的值。
24.第2判定电路26构成为具有比较器261。向比较器261的负极输入阈值电压vref2，向正极输入电压信号vcin。比较器261将电压信号vcin与阈值电压vref2进行比较，如果电压信号vcin大于或等于阈值电压vref2，则输出高电平的信号。该信号被输入至第2保护电路28的输入端子s。这样，第2判定电路26根据电压信号vcin大于或等于阈值电压vref2这一点而判定为开关部swl处于短路状态，将该内容通知给第2保护电路28。由于阈值电压vref2大于阈值电压vref1，因此，第2判定电路26与第1判定电路25相比，较晚地进行短路状态的判定。换言之，第2判定电路26根据对象电流大于或等于与阈值电压vref2对应的第2阈值这一点而判定短路状态。在实施方式1中，阈值电压vref2设定为大于或等于由于与第2开关元件sw2的额定电流相当的对象电流而在电阻rs的两端产生的电压降的值。
25.第1保护电路27构成为具有滤波器和锁存电路271。滤波器用于防止由噪声导致的误判定。锁存电路271使由第1判定电路25作出的短路判定保持一定期间。当在某个滤波时间之后电压信号vcin依然大于或等于阈值电压vref1的情况下，锁存电路271从输出端子q输出高电平的信号，对在第1输入电路21产生了短路电流这一情况进行通知。
26.第2保护电路28构成为具有滤波器和锁存电路281。滤波器用于防止由噪声导致的误判定。锁存电路281使由第2判定电路26作出的短路判定保持一定期间。当在某个滤波时间之后电压信号vcin仍然大于或等于阈值电压vref2的情况下，锁存电路281从输出端子q输出高电平的信号，对在第2输入电路22产生了短路电流这一情况进行通知。
27.向第1输入电路21输入输入信号vinl和来自锁存电路271的输出信号。在锁存电路271的输出是低电平的情况下，第1输入电路21的输出信号vinl1是将输入信号vinl一定程度延迟后的信号。在锁存电路271的输出是高电平的情况下，第1输入电路21的输出信号vinl1与输入信号vinl无关，是低电平。第1驱动电路23如果接收到低电平的输入，则将低电平的信号输出至开关部swl的第1开关元件sw1的栅极端子。由此，第1开关元件sw1成为断开状态。
28.向第2输入电路22输入输入信号vinl和来自锁存电路281的输出信号。在锁存电路281的输出是低电平的情况下，第2输入电路22的输出信号vinl2与输入信号vinl同步，如果输入信号vinl是低电平则输出信号vinl2是低电平，如果输入信号vinl是高电平则输出信号vinl2是高电平。在第2输入电路22中与第1输入电路21不同，相对于输入信号没有产生输出信号的延迟，或者即使产生延迟，延迟量也比第1输入电路21小。因此，在开关部swl的接通时，第2开关元件sw2比第1开关元件sw1先行成为接通状态。由此，能够防止过电流流过短路耐量低的第1开关元件sw1。
29.在锁存电路281的输出是高电平的情况下，第2输入电路22的输出信号vinl2与输入信号vinl无关，为低电平。第2驱动电路24如果接收到低电平的输入，则将低电平的信号输出至开关部swl的第2开关元件sw2的栅极端子。由此，第2开关元件sw2成为断开状态。如上所述，第2判定电路26与第1判定电路25相比较晚地进行短路状态的判定，因此，第2开关元件sw2与第1开关元件sw1相比较晚地成为断开状态。由此，能够防止过电流流过短路耐量
低的第1开关元件sw1。
30.将从锁存电路271、281的输出端子q输出的高电平的信号也称为短路通知信号。在从短路通知信号的输出算起的一定期间之后，向锁存电路271、281的复位端子r输入复位信号。由此，锁存电路271、281的输出端子q的信号从高电平变化为低电平。换言之，第1保护电路27及第2保护电路28解除短路判定。并且，开关部swl恢复为通常的通断动作。
31.＜a-2.动作＞
32.图2及图3示出功率半导体装置101的短路动作时的时序。图2示出短路电流大且开关部swl的第1开关元件sw1及第2开关元件sw2均成为断开状态的情况。
33.如果在第1开关元件sw1及第2开关元件sw2产生短路电流，则在第1开关元件sw1产生的短路电流与在第2开关元件sw2产生的短路电流之和流过电阻rs，在电阻rs的两端产生电压降。与该电压降相当的电压值成为电压信号vcin而被输入至第1判定电路25及第2判定电路26。如果电压信号vcin大于或等于阈值电压vref1，则第1判定电路25输出高电平的信号。如果第1判定电路25的输出以一定期间维持高电平，即如果电压信号vcin大于或等于阈值电压vref1的期间持续了一定期间，则第1保护电路27将高电平的信号即短路通知信号输出至第1输入电路21。由此，第1输入电路21的输出成为低电平，第1驱动电路23的输出成为低电平。其结果，第1开关元件sw1成为断开状态。
34.然后，如果短路电流增加，电压信号vcin大于或等于阈值电压vref2，则第2判定电路26输出高电平的信号。如果第2判定电路26的输出以一定期间维持高电平，即如果电压信号vcin大于或等于阈值电压vref2的期间持续了一定期间，则第2保护电路28将高电平的信号即短路通知信号输出至第2输入电路22。由此，第2输入电路22的输出成为低电平，第2驱动电路24的输出成为低电平。其结果，第2开关元件sw2成为断开状态。这里，从产生短路电流起至第1开关元件sw1成为断开状态为止的时间t1比从产生短路电流起至第2开关元件sw2成为断开状态为止的时间t2短。
35.图3示出短路电流小于图2的例子且仅开关部swl的第1开关元件sw1成为断开状态的情况。在vref1＜vcin＜vref2的情况下，功率半导体装置101仅将第1开关元件sw1设为断开状态，仅第2开关元件sw2通电。
36.＜a-3.效果＞
37.实施方式1的功率半导体装置101具有：第1开关元件sw1；第2开关元件sw2，其与第1开关元件sw1并联连接，短路耐量比第1开关元件sw1高；驱动电路23、24，它们对第1开关元件sw1及第2开关元件sw2进行驱动；以及判定电路25、26，它们将流过第1开关元件sw1及第2开关元件sw2的电流的合计即对象电流与第1阈值及比第1阈值大的第2阈值进行比较，如果由判定电路25、26判定为对象电流大于或等于第1阈值，则驱动电路23、24将第1开关元件sw1设为断开状态，如果由判定电路25、26判定为对象电流大于或等于第2阈值，则驱动电路23、24将第2开关元件sw2设为断开状态。因此，根据功率半导体装置101，通过适当地设定判定电路25、26的第1阈值及第2阈值，从而能够在短路电流流过时，仅切断第1开关元件sw1。其结果，能够防止短路耐量低的第1开关元件sw1的破坏，并且通过第2开关元件sw2而决定功率半导体装置101整体的短路耐量。其结果，容易将功率半导体装置101整体的短路耐量设计得高。
38.＜b.实施方式2＞
39.＜b-1.结构＞
40.图4示出实施方式2的功率半导体装置102的结构。功率半导体装置102与实施方式1的功率半导体装置101同样地，具有开关部swh、swl和控制电路ch、cl，但在图4中仅示出与下桥臂相关的开关部swl及控制电路cl的结构。功率半导体装置102的与上桥臂相关的开关部swh及控制电路ch的结构与功率半导体装置101相同。
41.就功率半导体装置102的开关部swl而言，第1开关元件sw1被划分为主单元sw11和感测单元sw12。并且，感测单元sw12的电流与第2开关元件sw2的感测电流的合计值通过电阻rsense而被转换为电压值，成为电压信号vcin。除此以外，功率半导体装置102与实施方式1的功率半导体装置101相同。
42.＜b-2.效果＞
43.即，就实施方式2的功率半导体装置102而言，成为判定电路25、26的判定所使用的电压信号vcin的基础的对象电流是流过第1开关元件sw1及第2开关元件sw2的感测电流的合计。由此，功率半导体装置102能够在自身的内部生成电压信号vcin。因此，根据功率半导体装置102，除了实施方式1的功率半导体装置101的效果以外，还能够削减外部输入端子。
44.＜c.实施方式3＞
45.＜c-1.结构＞
46.实施方式3的功率半导体装置是与图1所示的实施方式1的功率半导体装置101或者图4所示的实施方式2的功率半导体装置102相同的结构。在实施方式1、2中，说明了当在开关部swl的第1开关元件sw1及第2开关元件sw2的并联连接体流过短路电流等过电流的情况下，优先地将第1开关元件sw1设为断开状态。该优先地将第1开关元件sw1设为断开状态的动作不限于流过过电流的情况，在功率半导体装置的通常的通断动作时也是有效的。因此，在实施方式3中，第1判定电路25的阈值电压vref1设定于通常的动作区域而非开关部swl的短路动作。
47.图5示出流过第1开关元件sw1及第2开关元件sw2的电流与接通电压之间的关系。接通电压在第1开关元件sw1中是漏极-源极间接通电压vds(on)，在第2开关元件sw2中是集电极-发射极间饱和电压vce(sat)。在图5中，ir示出第1开关元件sw1的额定电流，i1示出比额定电流ir小的预先确定的电流值，i2示出额定电流ir的2倍的电流。
48.在图5中，将针对相同电流而第1开关元件sw1的漏极-源极间接通电压vds(on)小于第2开关元件sw2的集电极-发射极间饱和电压vce(sat)的区域设为低电流区域a，将低电流区域a中的上限电流设为i1。在低电流区域a中，mosfet的接通电阻小于igbt的接通电阻，因此，与igbt相比，电流更多地流过mosfet。
49.另一方面，将针对相同电流而第1开关元件sw1的漏极-源极间接通电压vds(on)大于第2开关元件sw2的集电极-发射极间饱和电压vce(sat)的区域称为高电流区域。低电流区域a在功率半导体装置的使用动作条件下最有助于损耗改善。因此，在第1开关元件sw1是接通电阻小的sic-mosfet等宽带隙元件的情况下，在低电流区域a中电流大量地流过第1开关元件sw1，由此，改善了作为功率半导体装置的损耗。
50.另外，在高电流区域中在第2开关元件sw2即si-igbt流过大量电流，因此，由第1开关元件sw1使用宽带隙半导体带来的损耗改善效果小。
51.因此，在实施方式3中，第1判定电路25的阈值电压vref1被设定为与i1相当的值。
即，在作为实施方式3而采用实施方式1的结构的情况下，设为vref1＝i1
×
rs。另外，在作为实施方式3而采用实施方式2的结构的情况下，设为vref1＝i1
×
rsense。由此，在无助于损耗改善的高电流区域中以第1开关元件即sic-mosfet不会积极地接通的方式而进行控制。其结果，能够提高短路耐量低的器件的针对过电流的耐量。
52.此外，能够对各实施方式自由地进行组合，或对各实施方式适当地进行变形、省略。
53.标号的说明
54.11第1输入电路，12第2输入电路，13第1驱动电路，14第2驱动电路，21第1输入电路，22第2输入电路，23第1驱动电路，24第2驱动电路，25第1判定电路，26第2判定电路，27第1保护电路，28第2保护电路，101、102功率半导体装置，251、261比较器，271、281锁存电路，ch、cl控制电路，sw1第1开关元件，sw2第2开关元件，swh、swl开关部。