DE102021126148A1

DE102021126148A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102021126148A1
Application number: DE102021126148.1A
Authority: DE
Inventors: Yo Habu; Akihisa Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2022-06-02
Also published as: JP2022086469A; US11855614B2; US20220173730A1; CN114583922A; JP7361675B2

Abstract

Während eines EIN-Zeitraums eines Schalters (120) mit hoher Durchbruchspannung, welcher innerhalb eines EIN-Zeitraums eines Halbleiterschaltelements (10a) bereitgestellt wird, gibt eine Detektionsschaltung (110) eine Spannung an einen vordefinierten Knoten (N1) aus, welche erhalten wird, indem eine Zwischenanschlussspannung (Vce) durch eine Vielzahl von Widerstandselementen (R1, R2) geteilt wird. Eine Spannungsvergleichsschaltung (130) gibt ein Detektionssignal (Sab) aus, welches anzeigt, ob die Zwischenanschlussspannung größer als eine vordefinierte Bestimmungsspannung ist oder nicht, basierend auf einem Vergleich zwischen der Spannung des vordefinierten Knotens (N1) und einer vordefinierten DC-Spannung (Vt). Der Schalter (120) mit hoher Durchbruchspannung weist eine Durchbruchspannung auf, die größer als eine Potentialdifferenz zwischen einem high-Potential (VDD) und einem low-Potential (GND) während eines AUS-Zeitraums ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Halbleitervorrichtung.
Beschreibung des Standes der Technik
Es ist bekannt, dass wenn in einem Halbleiterschaltelement ein Überstrom erzeugt wird, eine Spannungsanomalie auftritt, die Entsättigungsstatus genannt wird, in welcher eine Spannung zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode (eine Zwischenanschlussspannung) ansteigt, obwohl sich das Schaltelement in einem EIN-Zustand befindet.
WO 2017/104077 offenbart die Konfiguration einer Treiberschaltung, welche eine Funktion zum Detektieren einer Entsättigung einer Zwischenanschlussspannung eines Halbleiterschaltelements aufweist. In der Konfiguration, die durch WO 2017/104077 offenbart ist, sind eine Diode und ein Kondensator zwischen einen Entsättigungsdetektionsanschluss eines IC (integrierte Schaltung) und eine positive Elektrode und eine negative Elektrode des Halbleiterschaltelements geschaltet. Des Weiteren ist der IC mit einer Konstantstromquelle bereitgestellt, welche mit dem Entsättigungsdetektionsanschluss und einem Komparator verbunden ist, welcher eingerichtet ist, eine Spannung des Entsättigungsdetektionsanschlusses mit einer Schwellenspannung zu vergleichen.
In der durch WO 2017/104077 offenbarten Treiberschaltung wird, wenn das Halbleiterschaltelement normal ist, d. h., ohne das Vorhandensein eines Entsättigungsstatus', der Entsättigungsdetektionsanschluss aufgrund des Leitens der Diode auf die Entsättigungsspannung des Halbleiterschaltelements geklemmt. Wenn hingegen ein Entsättigungsstatus auftritt, wird die Diode nichtleitend, der Kondensator wird durch den Strom von der Konstantstromquelle geladen, wodurch die Spannung des Entsättigungsdetektionsanschlusses abnimmt. Dadurch wird detektiert, dass eine Entsättigungsspannung im Halbleiterschaltelement auftritt, basierend auf den Änderungen des Ausgangspegels des Komparators.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der durch WO 2017/104077 offenbarten Konfiguration wird, wenn der Halbleiterschalter ausgeschaltet wird, die an der positiven Elektrode des Halbleiterschaltelements anliegende Spannung an die Kathode einer Diode angelegt, und um eine Isolation sicherzustellen ist es notwendig, dass die Diode eine Diode mit hoher Durchbruchspannung ist. Wenn die Diode innerhalb oder außerhalb des IC bereitgestellt wird, bestehen bedenken, dass sich die Schaltungsgröße erhöht.
Da darüber hinaus der Strom, welcher von der Konstantstromquelle bereitgestellt wird, selbst während des AUS-Zeitraums des Halbleiterschaltelements fortbesteht, bestehen Bedenken dahingehend, dass die Leistungsaufnahme des IC zunimmt, so dass der Entsättigungsstatus erkannt wird.
Die vorliegende Offenbarung wurde getätigt, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung eine Konfiguration zum Detektieren einer Anomalie bezüglich einer Zwischenanschlussspannung zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode, wenn ein Halbleiterschaltelement eingeschaltet wird, bereitzustellen, ohne eine Leistungsaufnahme und eine Schaltungsgröße zu erhöhen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Halbleitervorrichtung eine Detektionsschaltung, welche zwischen eine positive Elektrode und eine negative Elektrode eines Halbleiterschaltelements geschaltet ist, und eine Detektionsspannungserzeugungsschaltung auf. Die Detektionsschaltung weist einen Schalter, ein erstes Widerstandselement mit einem ersten elektrischen Widerstandswert, und ein zweites Widerstandselement mit einem zweiten elektrischen Widerstandswert auf. Der Schalter und das erste Widerstandselement sind in Reihe zwischen die positive Elektrode und den ersten Knoten geschaltet. Das zweite Widerstandselement ist zwischen den ersten Knoten und die negative Elektrode geschaltet. Das erste Widerstandselement und/oder das zweite Widerstandselement sind ein variables Widerstandselement. Die positive Elektrode ist mit einem Knoten verbunden, der über ein weiteres Halbleiterschaltelement ein erstes Potential bereitstellt, und die negative Elektrode ist mit einem Knoten verbunden, der ein zweites Potential bereitstellt, das niedriger ist als das erste Potential. Die Detektionsspannungserzeugungsschaltung gibt ein Spannungssignal aus, welches eine Spannung aufweist, die von einer Zwischenanschlussspannung zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode basierend auf einer Spannung des ersten Knotens während eines EIN-Zeitraums des Schalters abhängt, welche innerhalb eines EIN-Zeitraums des Halbleiterschaltelements bereitgestellt wird. Der Schalter weist eine Durchbruchspannung auf, die größer ist als wenigstens eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential während eines AUS-Zeitraums.
Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Figuren deutlicher.
Figurenliste

1 ist ein erstes Schaltbild, welches die Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht;
2A ist ein Kurvenverlaufsdiagramm, welches Vorgänge der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht, wenn das Halbleiterschaltelement normal ist;
2B ist ein Kurvenverlaufsdiagramm, welches Vorgänge der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht, wenn sich das Halbleiterschaltelement in einem Entsättigungsstatus befindet;
3 ist ein zweites Schaltbild, welches die Konfiguration der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
4 ist ein erstes Schaltbild, welches die Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht;
5 ist ein zweites Schaltbild, welches die Konfiguration der Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht;
6 ist ein Schaltbild, welches die Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht;
7A ist ein Kurvenverlaufsdiagramm, welches Vorgänge der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht, wenn das Halbleiterschaltelement normal ist;
7B ist ein Kurvenverlaufsdiagramm, welches Vorgänge der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht, wenn sich das Halbleiterschaltelement sich in einem Entsättigungsstatus befindet;
8 ist ein Schaltbild, welches die Konfiguration einer ersten Modifikation der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht; und
9 ist ein Schaltbild, welches die Konfiguration einer zweiten Modifikation der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail mit Bezug zu den Figuren beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung sind die gleichen oder korrespondierende Teile in den Figuren mittels derselben Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Schaltbild, welches die Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
Wie in 1 veranschaulicht, arbeitet eine Halbleitervorrichtung 100A gemäß der ersten Ausführungsform als Treiber-IC für ein Halbleiterschaltelement 10a. Das Halbleiterschaltelement 10a, welches durch die Halbleitervorrichtung 100A eingeschaltet und ausgeschaltet wird, ist typischerweise durch einen IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) ausgebildet. Das Halbleiterschaltelement 10a weist einen Kollektor (C), welcher mit einer „positiven Elektrode“ korrespondiert, einen Emitter (E), welcher mit einer „negativen Elektrode“ korrespondiert, und ein Gate (G) auf, welches mit einer „Steuerelektrode“ korrespondiert. Eine Kollektor-Emitter-Spannung Vce des Halbleiterschaltelements 10a korrespondiert mit einer „Zwischenanschlussspannung“. Nachfolgend wird die Kollektor-Emitter-Spannung Vce auch als die Zwischenanschlussspannung Vce bezeichnet.
Das Halbleiterschaltelement 10a ist zwischen einen Zwischenpotentialknoten 23 und einen low-Potentialknoten 22 geschaltet, an welchem ein low-Potential GND bereitgestellt wird. Der Zwischenpotentialknoten 23 ist über ein weiteres Halbleiterschaltelement (nicht gezeigt) mit einem high-Potentialknoten 21 verbunden, an welchem ein high-Potential VDD bereitgestellt wird. Mit anderen Worten sind das Halbleiterschaltelement 10a von 1 und das weitere Halbleiterschaltelement in Reihe zwischen den high-Potentialknoten 21 und den low-Potentialknoten 22 geschaltet, um einen sogenannten „unteren Arm“ und einen „oberen Arm“ auszubilden.
Wenn das weitere Halbleiterschaltelement eingeschaltet wird, empfängt der Zwischenpotentialknoten 23 das high-Potential VDD. Wenn hingegen das Halbleiterschaltelement 10a eingeschaltet wird und das weitere Halbleiterschaltelement ausgeschaltet wird, empfängt der Zwischenpotentialknoten 23 das low-Potential GND. Mit anderen Worten, wird dem Zwischenpotentialknoten 23 das high-Potential VDD oder das low-Potential GND bereitgestellt, indem das Halbleiterschaltelement eingeschaltet oder ausgeschaltet wird. Der Zwischenpotentialknoten 23 ist zum Beispiel mit einer Last (nicht gezeigt) verbunden, und stellt der Last das high-Potential VDD oder das low-Potential GND bereit.
Die Halbleitervorrichtung 100A weist eine Treiberschaltung 150 für das Halbleiterschaltelement 10a, eine Detektionsschaltung 110 zum Detektieren der Zwischenanschlussspannung Vce des Halbleiterschaltelements 10a, und eine Spannungsvergleichsschaltung 130 auf.
Die Treiberschaltung 150 empfängt ein Steuersignal SIN des Halbleiterschaltelements 10a, und gibt ein Gate-Signal SOUT an das Gate (G) des Halbleiterschaltelements 10a basierend auf dem Steuersignal SIN aus. Wenn sich das Steuersignal, welches ein binäres Signals ist, zum Beispiel auf einem high-Pegel (nachfolgend als „H-Pegel“ bezeichnet) befindet, falls sich das Gate-Signal SOUT auf dem H-Pegel befindet, wird das Halbleiterschaltelement 10a eingeschaltet. Die H-Pegelspannung des Gate-Signals SOUT ist größer festgelegt, als eine Schwellenspannung des IGBT, welcher das Halbleiterschaltelement 10a bildet, bezüglich der negativen Elektrode (Emitter) des Halbleiterschaltelements 10a.
Wenn sich das Steuersignal andererseits auf einem low-Pegel befindet (nachfolgend als „L-Pegel“ bezeichnet), falls das Gate-Signal SOUT auf dem L-Pegel liegt, wird das Halbleiterschaltelement 10a ausgeschaltet. Zum Beispiel wird die L-Pegelspannung des Gate-Signals SOUT identisch zur Spannung der negativen Elektrode (Emitter) des Halbleiterschaltelements 10a festgelegt, mit anderen Worten, das Low-Potential GND.
Die Detektionsschaltung 110 weist einen Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung, ein Widerstandselement 121 und ein Widerstandselement 122 auf, welche in Reihe zwischen den Zwischenpotentialknoten 23 und den low-Potentialknoten 22 geschaltet sind, mit anderen Worten, zwischen die positive Elektrode (Kollektor) und die negative Elektrode (Emitter) des Halbleiterschaltelements 10a. Der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung und das Widerstandselement 121 sind in Reihe zwischen den Zwischenpotentialknoten 23, d. h., den Kollektor (positive Elektrode) des Halbleiterschaltelements 10a und den Knoten N1 geschaltet. Das Widerstandselement 122 ist zwischen den Knoten N1 und den low-Potentialknoten 22 geschaltet, d. h., den Emitter (negative Elektrode) des Halbleiterschaltelements 10a.
Das Widerstandselement 121 weist einen elektrischen Widerstandswert R1 auf, und das Widerstandselement 122 weist einen elektrischen Widerstandswert R2 auf. Wenigstens eines der Widerstandselemente 121 und 122 ist ein variables Widerstandselement. Zum Beispiel kann sowohl der elektrische Widerstandswert R1 des Widerstandselements 121, als auch der elektrische Widerstandswert R2 des Widerstandselements 122 durch digitales Trimmen angepasst werden.
Die Spannungsvergleichsschaltung 130 gibt ein Detektionssignal Sab in Übereinstimmung mit einem Vergleichsergebnis zwischen einer Spannung V+ des positiven Eingangsanschlusses und einer Spannung V- des negativen Eingangsanschlusses aus. Das Detektionssignal Sab ist ein digitales Signal, welches auf den H-Pegel gesetzt wird, wenn V+ > V-, und welches auf den L-Pegel gesetzt wird, wenn V+ ≤ V-.
Der positive Eingangsanschluss der Spannungsvergleichsschaltung 130 ist mit dem Knoten N1 der Detektionsschaltung 110 verbunden. Mit anderen Worten ist die Spannung V+ äquivalent zur Spannung des Knotens N1. Demgegenüber ist eine Spannungsquelle 135, welche eine DC-Spannung Vt bereitstellt, elektrisch zwischen den negativen Eingangsanschluss der Spannungsvergleichsschaltung 130 und den low-Potentialknoten 22 (den Emitter des Halbleiterschaltelements 10a) geschaltet. Vorzugsweise ist die Spannungsquelle 135 auf solche Weise konfiguriert, dass die DC-Spannung Vt variabel ist.
Der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung weist eine Durchbruchspannung auf, welche höher ist, als wenigstens ein Potentialunterschied zwischen dem high-Potential VDD und dem low-Potential GND, wenn der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung ausgeschaltet wird. Der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung kann ausgebildet sein, eine Durchbruchspannung aufzuweisen, welche äquivalent zur Durchbruchspannung des Halbleiterschaltelements 10a ist. Typischerweise kann der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung durch einen Transistor ausgebildet sein, der auf dem IC ausgebildet ist, welcher die Halbleitervorrichtung 100A ausbildet und er kann die oben erwähnte Durchbruchspannung aufweisen. Die Widerstandselemente 121 und 122 sind ebenfalls auf dem IC ausgebildet, welcher die Halbleitervorrichtung 100A ausbildet.
Die Spannungsvergleichsschaltung 130 kann mit einer beliebigen Schaltungskonfiguration bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann die Spannungsvergleichsschaltung 130 auf dem IC montiert sein, welcher die Halbleitervorrichtung 100A durch Verwendung eines Transistors, eines Widerstandes oder dergleichen auf dem IC ausbildet, welcher die Halbleitervorrichtung 100A bildet, in derselben Weise wie die Detektionsschaltung 110.
Hingegen kann die Spannungsquelle 135 außerhalb der Halbleitervorrichtung 100A (IC) angeordnet sein. In diesem Fall wird die DC-Spannung Vt von außerhalb der Halbleitervorrichtung 100A an einem Anschluss (nicht gezeigt) bereitgestellt, der elektrisch mit dem negativen Eingangsanschluss der Spannungsvergleichsschaltung 130 verbunden ist. Alternativ kann eine Schaltung, welche eine konstante Spannung erzeugt, indem das high-Potential VDD unter Verwendung eines Transistors oder dergleichen auf der Halbleitervorrichtung 100A reduziert wird, als die Spannungsquelle 135 konfiguriert sein.
In der Beispielkonfiguration von 1, korrespondiert das high-Potential VDD mit einer Ausführungsform eines „ersten Potentials“, das low-Potential GND korrespondiert mit einer Ausführungsform eines „zweiten Potentials“, das Widerstandselement 121 korrespondiert mit einer Ausführungsform eines „ersten Widerstandselements“, und das Widerstandselement 122 korrespondiert mit einer Ausführungsform eines „zweiten Widerstandselements“. Der Knoten N1 korrespondiert mit einer Ausführungsform eines „ersten Knotens“, und die DC-Spannung Vt korrespondiert mit einer Ausführungsform einer „ersten DC-Spannung“. In der ersten Ausführungsform korrespondiert die Spannungsvergleichsschaltung 130 mit einer Ausführungsform einer „Detektionsspannungserzeugungsschaltung“, und das Detektionssignal Sab korrespondiert mit einer Ausführungsform eines „Spannungssignals“.
Wie oben beschrieben ist es bekannt, dass wenn ein Schaltelement (IGBT) in einem EIN-Zustand einen Überstrom erfährt, das Schaltelement in einen Entsättigungsstatus gebracht wird, in welchem die Zwischenanschlussspannung Vce selbst dann nicht ausreichend verringert werden kann, wenn sich das Schaltelement im EIN-Zustand befindet. In der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform, sind die Detektionsschaltung 110 und die Spannungsvergleichsschaltung 130 eingerichtet, den Entsättigungsstatus des Halbleiterschaltelements 10a (IGBT) zu detektieren.
Aus 1 ist entnehmbar, dass in der Spannungsvergleichsschaltung 130 die Spannung V+ des positiven Eingangsanschlusses durch den folgenden Ausdruck (1) ausgedrückt werden kann: $V + = (Vce - Va) \times R 2 / (R 1 + R 2)$
Im Ausdruck (1) repräsentiert Va eine Spannung, die am Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung anliegt. Wenn der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung eingeschaltet wird, ist Va im Wesentlichen gleich 0. Wenn der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung hingegen ausgeschaltet wird, ist Va = Vce, da der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung die Zwischenanschlussspannung blockiert. Allgemein ist Va proportional zur Zwischenanschlussspannung Vce.
Wenn der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung ausgeschaltet wird, ist V+ = 0, und dadurch versetzt die Spannungsvergleichsschaltung 130 das Detektionssignal Sab auf den L-Pegel. Wenn der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung andererseits eingeschaltet wird, entspricht V+ = Vce×R2/(R1+R2). Wenn die Zwischenanschlussspannung Vce größer ist als eine Bestimmungsspannung Vth, welche durch den nachfolgenden Ausdruck (2) ausgedrückt ist, wird daher das Detektionssignal Sab auf den H-Pegel gesetzt. Wenn die Zwischenanschlussspannung Vce hingegen gleich oder geringer ist, als die Bestimmungsspannung Vth, wird das Detektionssignal Sab auf den L-Pegel gesetzt. Mit anderen Worten, werden die DC-Spannung Vt, der erste elektrische Widerstandswert R1 und der zweite elektrische Widerstandswert R2 auf solche Weise bestimmt, dass wenn die Zwischenanschlussspannung Vce größer ist als die Bestimmungsspannung Vth, V+ > Vt gilt. $Vth = Vt \times (R 1 + R 2) /R 2$
Dementsprechend kann, wenn der Entsättigungsstatus auftritt (nachfolgend auch als „Entsättigungsspannung“ bezeichnet), die Bestimmungsspannung Vth in Verbindung mit der Zwischenanschlussspannung Vce festgelegt werden, basierend auf den Eigenschaften des Halbleiterschaltelements 10a. Indem die Bestimmungsspannung Vth zum Beispiel auf eine Spannung gesetzt wird, die um einen Abstand geringer ist, als die oben beschriebene Entsättigungsspannung, kann das Auftreten des Entsättigungsstatus' detektiert werden, wenn Vce > Vth gilt und das Detektionssignal Sab während des EIN-Zeitraums des Halbleiterschaltelements 10a auf den H-Pegel wechselt.
Die 2A und 2B veranschaulichen Beispielvorgänge der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. 2A veranschaulicht ein Beispiel eines Kurvenverlaufsdiagramms, wenn das Halbleiterschaltelement 10a normal arbeitet.
Mit Bezug zu 2A befindet sich das Halbleiterschaltelement 10a vor dem Zeitpunkt t0 im AUS-Zustand, da das Steuersignal SIN auf dem L-Pegel liegt. Zu diesem Zeitpunkt liegt allgemein das high-Potential VDD am Zwischenpotentialknoten 23 an.
Da der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung während des AUS-Zeitraums des Halbleiterschaltelements 10a ausgeschaltet wird, V = 0 (GND) in der Spannungsvergleichsschaltung 130, wird das Detektionssignal Sab auf den L-Pegel gesetzt.
Wenn das Steuersignal SIN zum Zeitpunkt t0 vom L-Pegel zum H-Pegel wechselt, wird das Halbleiterschaltelement 10a eingeschaltet. Konkret erhöht sich die Gate-Spannung des Halbleiterschaltelements 10a, wenn das Gate-Signal SOUT, welches von der Treiberschaltung 150 ausgegeben wird, zum H-Pegel wechselt. Folglich fällt die Zwischenanschlussspannung im Halbleiterschaltelement 10a, und der Kollektor-Emitter-Strom beginnt im Halbleiterschaltelement 10a zu fließen. Zum Zeitpunkt t1, wenn das Steuersignal SIN vom H-Pegel zum L-Pegel wechselt, wird das Halbleiterschaltelement 10a ausgeschaltet.
Falls sich das Halbleiterschaltelement 10a im normalen EIN-Zustand befindet, tritt kein Entsättigungsstatus im Halbleiterschaltelement 10a auf, und dadurch fällt die Zwischenanschlussspannung Vce auf eine Spannung nahe null, und es wird ein normaler Kollektor-Emitter-Strom erzeugt. Mit anderen Worten wird die Zwischenanschlussspannung Vce geringer als die Bestimmungsspannung Vth.
Während des EIN-Zeitraums des Halbleiterschaltelements 10a, wird ein Zeitraum zum Detektieren der Zwischenanschlussspannung Vce bereitgestellt, indem der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung eingeschaltet wird.
In dem in 2A veranschaulichten normalen Zustand, ist V+ im Wesentlichen gleich 0, da die Zwischenanschlussspannung Vce während des EIN-Zeitraums des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung im Wesentlichen 0 entspricht. Ähnlich dem oben beschrieben AUS-Zeitraum des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung, wird das Detektionssignal Sab daher auf dem L-Pegel gehalten. Folglich wird im normalen EIN-Zustand des Halbleiterschaltelements 10a (kein Auftreten des Entsättigungsstatus') das Detektionssignal Sab auf dem L-Pegel gehalten, sowohl während des AUS-Zeitraums, als auch während des EIN-Zeitraums des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung.
2B veranschaulicht ein Beispiel eines Kurvenverlaufsdiagramms, wenn ein Entsättigungsstatus im Halbleiterschaltelement 10a auftritt.
Ähnlich der 2A, wird das Halbleiterschaltelement 10a zum Zeitpunkt t0 eingeschaltet, wenn das Steuersignal SIN vom L-Pegel zum H-Pegel wechselt. Auf ähnliche Weise wird das Halbleiterschaltelement 10a zum Zeitpunkt t1 ausgeschaltet, wenn das Steuersignal SIN vom H-Pegel zum L-Pegel wechselt. Ähnlich der 2A, wechselt das Detektionssignal Sab während des AUS-Zeitraums des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung auf den L-Pegel, da V+ = 0 (GND) in der Spannungsvergleichsschaltung 130 ist.
Wenn das Halbleiterschaltelement 10a in 2B eingeschaltet wird, wird die Kollektor-Emitter-Strom übermäßig groß (Überstromzustand), was das Auftreten eines Entsättigungsstatus' bewirkt. Dadurch tritt eine Spannungsanomalie auf, und die Zwischenanschlussspannung Vce fällt nicht auf annähernd 0 ab, wie in 2A veranschaulicht, wodurch Vce > Vth gilt.
Während des EIN-Zeitraums des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung, der wie in 2A bereitgestellt ist, wechselt das Detektionssignal Sab vom L-Pegel zum H-Pegel, da V+ > Vt in der Spannungsvergleichsschaltung 130 ist. Falls ein Entsättigungsstatus auftritt, wenn das Halbleiterschaltelement 10a eingeschaltet wird, wird das Detektionssignal Sab folglich während des EIN-Zeitraums des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung auf den H-Pegel gesetzt.
Daher ist es in der Halbleitervorrichtung 100A gemäß der ersten Ausführungsform basierend auf dem Detektionssignal Sab, welches von der Spannungsvergleichsschaltung 130 während des EIN-Zeitraums des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung ausgegeben wird, welcher innerhalb des EIN-Zeitraums des Halbleiterschaltelements 10a bereitgestellt wird, möglich, das Auftreten eines Entsättigungsstatus' zu detektieren, welcher von einer Spannungsanomalie in der Zwischenanschlussspannung begleitet wird.
Wenn das Halbleiterschaltelement 10a ausgeschaltet wird, kann die Isolation der Detektionsschaltung 110 zwischen dem Zwischenpotentialknoten 23, an welchem das high-Potential Vcc anliegt und dem low-Potentialknoten 22 durch den Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung sichergestellt werden. Mit anderen Worten ist es möglich, die Isolation der Detektionsschaltung 110 sicherzustellen, indem ein Element (wie ein Feldeffekttransistor mit hoher Durchbruchspannung) verwendet wird, welches auf dem IC ausgebildet ist, welcher die Halbleiterschaltvorrichtung 100A umfassend die Treiberschaltung 150 anstelle der Diode, die durch WO 2017/104077 offenbart ist, aufweist, wodurch es ermöglicht wird, eine Zunahme einer Schaltungsgröße zu verhindern.
Da ferner eine Konstantstromquelle, welche konstant arbeitet, nicht wie in WO 2017/104077 bereitgestellt ist, wird während des AUS-Zeitraums des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung kein konstanter Strompfad innerhalb der Halbleitervorrichtung 100A, welche die Detektionsschaltung 110 aufweist, ausgebildet. Daher ist es möglich, den Überstrom eines Entsättigungsstatus' zu detektieren, der von einer Spannungsanomalie in der Zwischenanschlussspannung begleitet wird, ohne die Leistungsaufnahme zu erhöhen.
Im Halbleiterschaltelement 10a weicht die Zwischenanschlussspannung Vce (Entsättigungsspannung), welche durch den Entsättigungsstatus erzeugt wird, wenn ein Kurzschlusspfad, welcher das Halbleiterschaltelement 10a umfasst, zwischen dem high-Potentialknoten 21 und dem low-Potentialknoten 22 ausgebildet wird (während eines sogenannten Armkurzschlusses), von der Zwischenanschlussspannung Vce (Entsättigungsstatus) ab, welche durch einen Überstrom im Halbleiterschaltelement 10a erzeugt wird, der durch einen Kurzschluss in der Last verursacht wird, mit welcher der Zwischenpotentialknoten 23 verbunden ist (während eines sogenannten Lastkurzschlusses). Allgemein ist die Zwischenanschlussspannung Vce während des Lastkurzschlusses geringer, als jene während des Armkurzschlusses.
Folglich kann in der Halbleitervorrichtung 100A gemäß der ersten Ausführungsform die Bestimmungsspannung Vth variabel festgelegt werden, indem die DC-Spannung Vt der Spannungsquelle 135 und/oder der elektrische Widerstandswert R1 des Widerstandselements 121 und/oder der elektrische Widerstandswert R2 des Widerstandselements 122 variiert wird. Folglich ist es möglich, nicht nur das Auftreten eines Armkurzschlusses, sondern auch das Auftreten eines Lastkurzschlusses durch eine geeignete Festlegung der Bestimmungsspannung Vth zu detektieren. Alternativ ist es möglich, unterschiedliche Entsättigungsstatus zu detektieren und zu unterscheiden, welche aus unterschiedlichen Gründen verursacht werden, indem eine Vielzahl von Systemen, welche aus der Detektionsschaltung 110 mit einer unterschiedlichen Bestimmungsspannung Vth und der Spannungsvergleichsschaltung 130 aufgebaut sind, angeordnet wird.
Wie in 3 veranschaulicht, kann die Halbleitervorrichtung 100A gemäß der ersten Ausführungsform auch auf das Halbleiterschaltelement 10b angewendet werden, welches aus einem MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ausgebildet ist. Das Halbleiterschaltelement 10b kann ein SiC-MOSFET sein, welcher aus SiC (Siliziumnitrid) ausgebildet ist.
Das Halbleiterschaltelement 10b weist ein Drain (D), welches mit einer „positiven Elektrode“ korrespondiert, eine Source (S), welche mit einer „negativen Elektrode“ korrespondiert, und ein Gate (G) auf, welches mit einer „Steuerelektrode“ korrespondiert. Eine Drain-Source-Spannung Vds des Halbleiterschaltelements 10b korrespondiert mit der „Zwischenanschlussspannung“.
Die Halbleitervorrichtung 100A kann als Treiber-IC arbeiten, um das Halbleiterschaltelement 10b in Übereinstimmung mit dem Steuersignal SIN ein- und auszuschalten, und sie kann das Auftreten eines Entsättigungsstatus' während des EIN-Zeitraums des Halbleiterschaltelements 10b basierend auf dem Detektionssignal Sab detektieren.
Da im MOSFET die Ids-Vds Charakteristik zwischen dem Source-Drain-Strom Ids und der Drain-Source-Spannung Vds linear ist, kann eine Zwischenanschlussspannung, welche proportional einem Überstrom ist, der im Halbleiterschaltelement 10b erzeugt wird, in die Detektionsschaltung 110 eingespeist werden. Wenn infolgedessen die Halbleiterschaltvorrichtung 100A auf das Halbleiterschaltelement 10b (MOSFET) angewendet wird, ist es im Vergleich zu dem Fall, in dem die Halbleitervorrichtung 100A auf das Halbleiterschaltelement 10b angewendet wird einfach, zwischen dem Auftreten eines Überstroms (d. h., der Entsättigungsstatus) und einem Nichtauftreten eines Überstroms zu unterscheiden, wodurch es ermöglicht wird, das Auftreten des Entsättigungsstatus' genauer zu detektieren.
Zweite Ausführungsform
4 ist ein erstes Schaltbild, welches die Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
Wie in 4 veranschaulicht, arbeitet eine Halbleitervorrichtung 100B gemäß der zweiten Ausführungsform, welche ähnlich der in 1 veranschaulichten Halbleitervorrichtung 100A ist, als Treiber-IC für das Halbleiterschaltelement 10a (IGBT). Die Halbleitervorrichtung 100B weist eine Detektionsschaltung 110 und eine Treiberschaltung 150 ähnlich jenen in der Halbleitervorrichtung 100A, und eine Spannungsfolgerschaltung 131 auf.
Ähnlich der ersten Ausführungsform ist der positive Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers, welcher die Spannungsfolgerschaltung 131 ausbildet, mit dem Knoten N1 der Detektionsschaltung 110 verbunden, und der negative Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers sind miteinander verbunden. Dementsprechend wird eine Spannung V+ des positiven Eingangsanschlusses, mit anderen Worten, eine analoge Spannung, die äquivalent zu der Spannung des Knoten N1 ist, von der Spannungsfolgerschaltung 131 als eine Ausgangsspannung Vout ausgegeben.
In der zweiten Ausführungsform korrespondiert die Spannungsfolgerschaltung 131 mit einer Ausführungsform einer „Detektionsspannungserzeugungsschaltung“, und die Ausgangsspannung Vout korrespondiert mit einer Ausführungsform eines „Spannungssignals“.
Während des Detektionszeitraums der Zwischenanschlussspannung Vce nach dem Einschalten des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung, wird die Ausgangsspannung Vout durch den folgenden Ausdruck (3) ausgedrückt: $Vout = V + = Vce \times R 2 / (R 1 + R 2)$
Daher kann, nachdem die Ausgangsspannung Vout in einer nachfolgenden Schaltungsstufe (nicht gezeigt) verarbeitet wird, und falls die Ausgangsspannung Vout größer als die Bestimmungsspannung Vth wird, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, das Auftreten eines Überstroms (Entsättigungsstatus') detektiert werden. Zum Beispiel kann der Entsättigungsstatus (Überstrom) durch einen Mikrocomputer oder dergleichen unter Verwendung eines digitalen Wertes detektiert werden, welcher durch eine A/D-Wandlung der Ausgangsspannung Vout erhalten wird.
Insbesondere in der nachfolgenden Schaltungsstufe ist es durch Vergleichen der Ausgangsspannung Vout mit einer Vielzahl von Bestimmungsspannungen Vth möglich, unterschiedliche Entsättigungsstatus zu detektieren und zu unterscheiden, welche durch unterschiedliche Ursachen verursacht werden wie einen Überstrom (Entsättigungsstatus), der durch den Armkurzschluss verursacht wird und einen Überstrom (Entsättigungsstatus), der durch den Lastkurzschluss verursacht wird, wie oben beschrieben.
Wie in 5 veranschaulicht, kann die Halbleitervorrichtung 100B gemäß der zweiten Ausführungsform auf das Halbleiterschaltelement 10b angewendet werden, welches aus einem MOSFET umfassend einen SiC-MOSFET ausgebildet ist, welcher ähnlich jenem ist, der in 3 veranschaulicht ist.
Mit anderen Worten kann die Halbleitervorrichtung 100B als Treiber-IC arbeiten, um das Halbleiterschaltelement 10b in Übereinstimmung mit dem Steuersignal SIN einzuschalten und auszuschalten, und sie kann eine Ausgangsspannung Vout zum Detektieren des Auftretens des Entsättigungsstatus' während des EIN-Zeitraums erzeugen.
Aufgrund der wie oben beschriebenen Linearität der Ids-Vds Charakteristik, kann die Halbleitervorrichtung 100B die Ausgangsspannung Vout proportional zum Source-Drain-Strom Ids des Halbleiterschaltelements 10b erzeugen, wodurch es ermöglicht wird, dass das Auftreten eines Entsättigungsstatus' (Überstrom) genauer detektiert wird.
Da in den ersten und zweiten Ausführungsformen die jeweiligen Halbleitervorrichtungen 100A und 100B als Treiber-IC für die Hableiterschaltelemente 10a beschrieben sind, sind die Detektionsschaltung 110, welche einen Entsättigungsstatus basierend auf einer Zwischenanschlussspannung detektiert und die Spannungsvergleichsschaltung 130 oder die Spannungsfolgerschaltung 131 auf demselben IC mit der Treiberschaltung 150 montiert. Die Treiberschaltung 150 kann jedoch auf einem anderen IC (Halbleitervorrichtung) montiert sein, welcher von der Halbleitervorrichtung 100A oder 100B abweicht, welche die Detektionsschaltung 110 und die Spannungsvergleichsschaltung 130 oder die Spannungsfolgerschaltung 131 aufweist.
Dritte Ausführungsform
In der dritten Ausführungsform wird die Beschreibung bezüglich der Konfiguration einer Halbleitervorrichtung abgegeben, welche ferner eine Schutzschaltung aufweist, die in Übereinstimmung mit einem Detektionsergebnis eines Entsättigungsstatus' eines Halbleiterschaltelements arbeitet.
6 ist ein Schaltbild, welches die Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht.
Wie in 6 veranschaulicht, weist eine Halbleitervorrichtung 101A gemäß der dritten Ausführungsform drüber hinaus eine Schaltersteuerschaltung 115 und eine Schutzschaltung 140 zusätzlich zur Detektionsschaltung 110, der Spannungsvergleichsschaltung 130, und der Treiberschaltung 150 auf, welche die gleichen sind, wie jene in der Halbleitervorrichtung 100A (siehe 1).
Die Schaltersteuerschaltung 115 erzeugt ein Steuersignal Sx zum Einschalten und Ausschalten des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung zu den Zeitpunkten, die mit Bezug zu den 2A und 2B beschrieben sind. Die Schaltersteuerschaltung 115 weist eine Verzögerungsschaltung 116 für eine steigende Flanke, welche eingerichtet ist, der steigenden Flanke des Steuersignals SIN eine Verzögerungszeit Td hinzuzufügen, und eine Pegelverschiebungsschaltung 118 auf. Die Verzögerungsschaltung 116 für eine steigende Flanke kann zum Beispiel aus einer Vielzahl von (einer geraden Anzahl von) Invertierern (NICHT-Gattern) und UND-Gattern ausgebildet sein.
In dem Beispiel von 6 ist der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung aus einem NMOS-Transistor TMN mit hoher Durchbruchspannung ausgebildet. Die Pegelverschiebungsschaltung 118 wandelt die Steuersignal Sx, welches von der Verzögerungsschaltung 116 für eine steigende Flanke ausgegeben wird, in ein Gate-Signal, welches einen Spannungspegel aufweist, der in der Lage ist, den NMOS-Transistor TMN einzuschalten und auszuschalten, und sie gibt das Gate-Signal an das Gate des NMOS-Transistors TMN aus.
Die Schutzschaltung 140 weist einen Invertierer (NICHT-Gatter) 142 und ein UND-Gatter 145 auf. Der Invertierer 142 gibt ein invertiertes Signal des Detektionssignals Sab von der Spannungsvergleichsschaltung 130 aus. Das UND-Gatter 145 gibt ein UND-Operationsergebnis (ein logisches Produkt) des Steuersignals SIN und des Ausgangssignals des Invertierers 142 als ein Steuersignal Sy aus.
Die Treiberschaltung 150 gibt ein Gate-Signal SOUT an das Gate (G) des Halbleiterschaltelements 10a in Übereinstimmung mit dem Steuersignal Sy von der Schutzschaltung 140 aus. Mit anderen Worten wird das Gate-Signal SOUT während des H-Pegelzeitraums des Steuersignals Sy auf den H-Pegel gesetzt, und es wird während des L-Pegelzeitraums des Steuersignals Sy auf den L-Pegel gesetzt.
Ähnlich der ersten Ausführungsform ändern die Detektionsschaltung 110 und die Spannungsvergleichsschaltung 130 das Detektionssignal Sab vom L-Pegel auf den H-Pegel, wenn Vce > Vth während des EIN-Zeitraums des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung gilt.
Die 7A und 7B veranschaulichen Beispielvorgänge der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform. 7A veranschaulicht ein Beispiel eines Kurvenverlaufsdiagramms, wenn das Halbleiterschaltelement 10a normal arbeitet, und 7B veranschaulicht ein Beispiel eines Kurvenverlaufsdiagramms, wenn ein Entsättigungsstatus im Halbleiterschaltelement 10a auftritt.
Wie in 7A veranschaulicht, fällt die Zwischenanschlussspannung Vce während des normalen Betriebs auf annähernd 0, wenn das Halbleiterschaltelement 10a zum Zeitpunkt t0 im Ansprechen auf die Änderung des Steuersignals SIN vom L-Pegel auf den H-Pegel eingeschaltet wird.
Andererseits wechselt das Steuersignal Sx zum Zeitpunkt tp vom L-Pegel auf den H-Pegel, wenn die Verzögerungszeit Td, welche durch die Verzögerungsschaltung 116 für eine steigende Flanke hinzugefügt wurde, ausgehend vom Zeitpunkt t0 abgelaufen ist. Während des H-Pegelzeitraums des Steuersignals Sx wird der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung eingeschaltet, wodurch ein Zeitraum zum Detektieren der Zwischenanschlussspannung Vce ermöglicht wird.
Da während des normalen Betriebs während des EIN-Zeitraums des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung Vce < Vth gilt, gilt somit V+ < Vt in der Spannungsvergleichsschaltung 130, und infolgedessen wird das Detektionssignal Sab in derselben Weise wie im AUS-Zeitraum des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung (der L-Pegelzeitraum des Steuersignals Sx) auf den L-Pegel gesetzt. Mit anderen Worten wird das Detektionssignal Sab sowohl während des L-Pegelzeitraums, als auch während des H-Pegelzeitraums des Steuersignals SIN auf dem L-Pegel gehalten.
Folglich ist in der Schutzschaltung 140, die in 6 veranschaulicht ist, das Ausgangssignal des Invertierers 142 auf den H-Pegel festgelegt, und dadurch weist das Steuersignal Sy, welches vom UND-Gatter 145 ausgegeben wird, denselben Signalpegel wie das Steuersignal SIN auf. Infolgedessen wird das Gate-Signal SOUT, welches in das Gate des Halbleiterschaltelements 10a eingespeist wird, in Übereinstimmung mit dem Steuersignal SIN gesetzt.
Wenn ein Entsättigungsstatus wie in 7B veranschaulicht auftritt, tritt der Entsättigungsstatus folglich auf, wenn das Halbleiterschaltelement 10a wie in 2B eingeschaltet wird. Daher fällt die Zwischenanschlussspannung Vce nicht bis annähernd 0 ab, und es tritt eine Spannungsanomalie auf, in welcher Vce > Vth gilt.
Infolgedessen, da Vce > Vth zu einem Zeitpunkt (tp) gilt, wenn der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung im Ansprechen auf die Steuersignale SIN und Sx eingeschaltet wird, welche in derselben Weise gesetzt sind, wie in 7A, ist V+ > Vt in der Spannungsvergleichsschaltung 130 erfüllt, und dadurch wechselt das Detektionssignal Sab vom L-Pegel zum H-Pegel. Und zwar korrespondiert der L-Pegel des Detektionssignals Sab mit dem „ersten Pegel“, und der H-Pegel korrespondiert mit dem „zweiten Pegel“.
Zu diesem Zeitpunkt wechselt in der Schutzschaltung 140 das Steuersignal Sy, welches vom AND-Gatter 145 ausgegeben wird, ebenfalls auf den L-Pegel, da das Ausgangssignal des Invertierers 142 auf den L-Pegel wechselt. Im Ansprechen darauf wird das Gate-Signal ebenfalls auf den L-Pegel geändert, wodurch das Halbleiterschaltelement 10a ausgeschaltet wird. Infolgedessen wird das Halbleiterschaltelement 10a automatisch ausgeschaltet, wodurch das Halbleiterschaltelement 10a vor einem Überstrom geschützt werden kann.
Wie oben gemäß der Halbleitervorrichtung der dritten Ausführungsform beschrieben, ist es zusätzlich zum Effekt der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform möglich, eine Schutzfunktion zu realisieren, so dass das Schaltelement im Ansprechen auf die Detektion des Entsättigungsstatus' automatisch ausgeschaltet wird.
8 zeigt eine erste Modifikation der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform.
Wie in 8 veranschaulicht, weicht eine Halbleitervorrichtung 102A gemäß der ersten Modifikation der dritten Ausführungsform von der Halbleitervorrichtung 101A (6) dahingehend ab, dass das Gate-Signal SOUT, das von der Treiberschaltung 150 ausgegeben wird, in die Schaltersteuerschaltung 115 eingespeist wird. Die weitere Konfiguration der Halbleitervorrichtung 102A ist die gleiche wie jene der Halbleitervorrichtung 101A, und deren detaillierte Beschreibung wird nicht wiederholt.
In der Halbleitervorrichtung 102A sind der Signalpegel des Steuersignals SIN, der Signalpegel des Steuersignals Sy, und der Signalpegel des Gate-Signals SOUT während des L-Pegel Zeitraums des Detektionssignals Sab identisch. Daher wird das Steuersignal Sx zum Einschalten und Ausschalten des Schalters 120 mit hoher Durchbruchspannung auf dieselbe Weise erzeugt, wie in den 7A und 7B.
Wenn das Detektionssignal Sab auf den H-Pegel wechselt, wechseln das Steuersignal Sy und das Gate-Signal SOUT wie in 7 auf den L-Pegel, wodurch das Halbleiterschaltelement 10a ausgeschaltet wird. Daher kann die gleiche Schutzfunktion wie in der Halbleitervorrichtung 101A durch die Halbleitervorrichtung 102A gemäß der ersten Modifikation realisiert werden.
9 zeigt eine zweite Modifikation der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform.
Wie in 9 veranschaulicht, weist eine Halbleitervorrichtung 103A gemäß der zweiten Modifikation der dritten Ausführungsform im Vergleich zur Halbleitervorrichtung 101 (6) ferner eine Klemmschaltung 160 auf. Die weitere Konfiguration der Halbleitervorrichtung 103A ist die gleiche wie jene der Halbleitervorrichtung 101A, und deren detaillierte Beschreibung wird nicht wiederholt.
Die Klemmschaltung 160 ist mit einem Knoten N2 verbunden, mit welchem der Schalter 120 mit hoher Durchbruchspannung und das Widerstandselement 121 verbunden sind. Die Klemmschaltung 160 kann durch eine Diode (nicht gezeigt) oder dergleichen ausgebildet sein, welche leitend wird, wenn eine Spannung am Knoten N2 anliegt, die höher als eine vordefinierte obere Grenzspannung ist. Mit anderen Worten korrespondiert der Knoten N2 mit dem „zweiten Knoten“.
Aufgrund der Anordnung der Klemmschaltung 160 ist es möglich zu verhindern, dass eine Spannung, welche größer ist als die obere Grenzspannung, an den Widerstandselementen 121 und 122 und der Spannungsvergleichsschaltung 130 anliegt. Dementsprechend ist es selbst dann möglich zu verhindern, dass die Widerstandselemente 121 und 122 und die Spannungsvergleichsschaltung 130 durch das Anlegen einer hohen Spannung beschädigt werden, wenn die Widerstandselemente 121 und 122 und die Spannungsvergleichsschaltung 130 aus einem Element mit einer geringen Durchbruchspannung ausgebildet sind.
Die Klemmschaltung 160 kann in der Halbleitervorrichtung 100A (1 und 3), in der Halbleitervorrichtung 100B (4 und 5), und in der Halbleitervorrichtung 102A (8) angeordnet sein. Ähnlich wie bei den Halbleitervorrichtungen 100A, 100B oder dergleichen, kann jede der Halbleitervorrichtungen 101A bis 103A, die in der dritten Ausführungsform beschrieben sind, ebenfalls als der Treiber-IC für das aus einem MOSFET ausgebildete Halbleiterschaltelement 10b verwendet werden.
Die Schutzschaltung 140 und die Schaltersteuerschaltung 115, die in der dritten Ausführungsform beschrieben sind, können jeweils eine Logikschaltung wie eine CMOS-(Complementary Metal Oxide Semiconductor) Logikschaltung sein, welche aus Transistoren ausgebildet ist, die auf dem IC ausgebildet sind, welcher die jeweiligen Halbleitervorrichtungen 100A und 101A ausbildet. Folglich können die Schutzschaltung 140 und die Schaltersteuerschaltung 115 auf derselben integrierten Schaltung mit der Detektionsschaltung 110, der Spannungsvergleichsschaltung 130, und der Treiberschaltung 150 montiert sein.
Die Schaltersteuerschaltung 115 kann auf der Halbleitervorrichtung 100A gemäß der ersten Ausführungsform oder der Halbleitervorrichtung 100B gemäß der zweiten Ausführungsform montiert sein. Alternativ kann in der Halbleitervorrichtung 100A oder 100B ein Signal, welches mit dem Steuersignal Sx korrespondiert, von außerhalb der Halbleitervorrichtung 100A oder 100B eingespeist werden.
Alternativ kann in der Halbleitervorrichtung 100A gemäß der ersten Ausführungsform oder in der Halbleitervorrichtung 100B gemäß der zweiten Ausführungsform eine Funktion (Schaltung), welche äquivalent zur Schutzschaltung 140 ist, außerhalb der Halbleitervorrichtung (IC) bereitgestellt sein, und ein Signal, welches äquivalent zum Steuersignal Sy ist, kann von außerhalb der Halbleitervorrichtung 100A oder 100B in die Treiberschaltung 150 eingespeist werden. Insbesondere da eine analoge Spannung (Ausgangsspannung Vout), welche von der Halbleitervorrichtung 100B ausgegeben wird, proportional zur Zwischenanschlussspannung ist, kann die externe Schutzschaltung basierend auf der Höhe der Zwischenanschlussspannung die Höhe des Kurzschlussstroms unterscheiden, welche im Ansprechen auf die Ursache des Armkurzschlusses oder des Lastkurzschlusses wie oben beschrieben variiert. Folglich kann die Schutzfunktion in Übereinstimmung mit dem Betrag des Kurzschlussstroms geschaltet werden.
Zum Beispiel im Fall eines großen Kurzschlussstroms und einer hohen Zwischenanschlussspannung, welche durch einen Armkurzschluss oder dergleichen verursacht werden, ist es vorzuziehen, das Halbleiterschaltelement während eines EIN-Zeitraums, wie in der dritten Ausführungsform beschrieben, sofort auszuschalten. Wenn andererseits der Kurzschlussstrom und die Zwischenanschlussspannung, welche durch einen Lastkurzschluss oder dergleichen verursacht werden, niedriger sind, als jene, die durch einen Armkurzschluss verursacht werden, kann das Halbleiterschaltelement in geeigneter Weise geschützt werden, indem verhindert wird, dass das Halbleiterschaltelement während des EIN-Zeitraums zwangsweise ausgeschaltet wird, aber indem unterbunden wird, dass das Halbleiterschaltelement beim nächsten Mal eingeschaltet wird.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass die hier offenbarten Ausführungsformen in jeglicher Hinsicht veranschaulichend und nicht einschränkend sind. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung durch die Ansprüche gekennzeichnet ist, und sämtliche Modifikationen innerhalb der Bedeutung und des Umfangs enthält, die äquivalent zu den Ansprüchen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2017/104077 [0003, 0004, 0005, 0043, 0044]

Claims

Halbleitervorrichtung (100A, 100B, 101A, 102A, 103A) aufweisend: • eine Detektionsschaltung (110), welche zwischen eine positive Elektrode (C, D) und eine negative Elektrode (E, S) eines Halbleiterschaltelements (10a, 10b) geschaltet ist, • wobei die Detektionsschaltung aufweist: o einen Schalter (120) und ein erstes Widerstandselement (R1), welche zwischen der positiven Elektrode und einem ersten Knoten (N1) in Reihe geschaltet sind, wobei das erste Widerstandselement einen ersten elektrischen Widerstandswert aufweist; und ◯ ein zweites Widerstands- (R2) Element, welches zwischen den ersten Knoten und die negative Elektrode geschaltet ist, und wobei das zweite Widerstandselement einen zweiten elektrischen Widerstandswert aufweist, wobei • das erste Widerstandselement und/oder das zweite Widerstandselement ein variables Widerstandselement ist, • die positive Elektrode mit einem Knoten (21) verbunden ist, der ein erstes Potential (VDD) über ein weiteres Halbleiterschaltelement bereitstellt, und die negative Elektrode mit einem Knoten (22) verbunden ist, der ein zweites Potential (GND) bereitstellt, dass niedriger als das erste Potential ist, • die Halbleitervorrichtung weiter aufweist: o eine Detektionsspannungserzeugungsschaltung (130, 131), welche basierend auf einer Spannung des ersten Knotens während eines EIN-Zeitraums des Schalters, der innerhalb eines EIN-Zeitraums des Halbleiterschaltelements bereitgestellt wird, ein Spannungssignal (Sab, Vout) ausgibt, welches eine Spannung aufweist, die von einer Zwischenanschlussspannung (Vce) zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode abhängt, wobei • der Schalter eine Durchbruchspannung aufweist, die größer ist, als wenigstens eine Potentialdifferenz (VCC-GND) zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential, wenn der Schalter ausgeschaltet ist.
Halbleitervorrichtung (100A, 101A, 102A, 103A) nach Anspruch 1, wobei • die Detektionsspannungserzeugungsschaltung eine Spannungsvergleichsschaltung (130) aufweist, welche als das Spannungssignal ein Detektionssignal (Sab) in digitaler Form in Übereinstimmung mit einem Vergleichsergebnis zwischen einer Spannung des ersten Knotens (N1) und einer ersten DC-Spannung (Vt) ausgibt, • die erste DC-Spannung, der erste elektrische Widerstandswert und der zweite elektrische Widerstandswert auf solche Weise bestimmt werden, dass wenn die Zwischenanschlussspannung (Vce) größer als eine vordefinierte Bestimmungsspannung (Vth) wird, die Spannung des ersten Knotens größer als die erste DC-Spannung ist.
Halbleitervorrichtung (100A, 101A, 102A, 103A) nach Anspruch 2, wobei • die erste DC-Spannung (Vt) durch eine variable DC-Spannungsversorgung (135) bereitgestellt wird.
Halbleitervorrichtung (102A, 103A) nach Anspruch 2 oder 3, wobei • die Halbleitervorrichtung weiter aufweist: ◯ eine Treiberschaltung (150), welche ein Gate-Signal (SOUT) erzeugt, das in eine Steuerelektrode des Halbleiterschaltelements (10a, 10b) in Übereinstimmung mit einem Steuersignal (SIN) eingespeist wird, um ein EIN/AUS des Halbleiterschaltelements zu steuern; und ◯ eine Schutzschaltung (140), welche das Halbleiterschaltelement im Ansprechen auf das Detektionssignal (Sab) ausschaltet, wobei • das Detektionssignal während des AUS-Zeitraums des Schalters (120) und während des EIN-Zeitraums des Schalters, wenn die Zwischenanschlussspannung (Vce) gleich oder niedriger als die Bestimmungsspannung (Vth) ist, auf einen ersten Pegel („L“) gesetzt wird, und während des EIN-Zeitraums des Schalters, wenn die Zwischenanschlussspannung größer als die Bestimmungsspannung ist, auf einen zweiten Pegel („H“) gesetzt wird, • die Schutzschaltung die Treiberschaltung ansteuert, um das Halbleiterschaltelement auszuschalten, wenn das Detektionssignal auf den zweiten Pegel gesetzt wird.
Halbleitervorrichtung (100B) nach Anspruch 1, wobei • die Detektionsspannungserzeugungsschaltung eine Spannungsfolgerschaltung (131) aufweist, welche eine analoge Spannung (Vout) in Übereinstimmung mit der Spannung des ersten Knotens (N1) als das Spannungssignal ausgibt.
Halbleitervorrichtung (101A, 102A, 103A) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei • die Halbleitervorrichtung darüber hinaus eine Schaltersteuerschaltung (115) aufweist, welche den Schalter (120) einschaltet, wenn die Halbleiterschaltvorrichtung (10a, 10b) eingeschaltet wird, aber zu einem späteren Zeitpunkt, als der Zeitpunkt des Einschaltens der Hableiterschaltvorrichtung, • der Schalter ein NMOS-Transistor (TMN) ist.
Halbleitervorrichtung (103A) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei • der Schalter (120) und das erste Widerstandselement (R1) über einen zweiten Knoten (N2) in Reihe zwischen die positive Elektrode und den ersten Knoten (N1) geschaltet sind, • die Halbleitervorrichtung ferner eine Klemmschaltung (160) aufweist, welche mit dem zweiten Knoten verbunden ist und welche dahingehend arbeitet, dass verhindert wird, dass eine Spannung des zweiten Knotens eine vordefinierte obere Grenzspannung überschreitet.
Halbleitervorrichtung (100A, 100B, 101A, 102A, 103A) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei • das Halbleiterschaltelement (10b) ein MOSFET ist.