專利名稱：半導體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目的是在由MOS器件構(gòu)成的半導體裝置中，通過控制從外部接收信號到器件自身實際動作的時間，從而提高響應(yīng)性和效率并降低EMI噪聲和損耗。
背景技術(shù)：
在用外部信號驅(qū)動的末級MOS器件中，從接收外部關(guān)斷信號開始到器件實際關(guān)斷為止的延遲時間很長。這是由圍繞器件柵極的電容引起的。目前，對于柵極的導通和關(guān)斷，通過調(diào)節(jié)串聯(lián)插入到柵極中的電阻合適地進行柵極的充電和放電。即，根據(jù)由柵極電容C和柵極電阻R決定的CR時間常數(shù)來決定柵極電壓的上升和下降時間。
器件本身的電流開始流動和開始切斷的定時由器件固有的閾值電壓決定。尤其是器件關(guān)斷時的切換與器件固有的速度有關(guān)。因此，僅通過某一值的柵極電阻來確定器件的柵極充電時間和放電時間，就會新產(chǎn)生除了由器件的閾值電壓產(chǎn)生的延遲時間以外的另一延遲時間，從而使效率降低。
另外，若由固定的柵極電阻進行柵極的充電和放電，則開啟時的開關(guān)速度在低電流區(qū)域比額定電流時的開關(guān)速度快。這是因為并聯(lián)連接于器件的續(xù)流(free-wheel)二極管(FWDi)開啟時的dV/dt大，而成為EMI噪聲惡化的原因。
進一步，若為降低EMI噪聲而變慢開啟時的開關(guān)速度，則開關(guān)時的損耗變大，這樣，噪聲的產(chǎn)生和開關(guān)時的損耗存在折衷關(guān)系，目前是確定雙方的折衷點，并與此對應(yīng)來選擇柵極電阻值。
因此，為了低損耗、低噪聲地進行驅(qū)動，已知有在驅(qū)動IGBT的柵極的開關(guān)中使用導通電阻不同的多個MOSFET，依次組合這些開關(guān)使導通電阻過渡性變化來改變驅(qū)動能力的技術(shù)(例如參考專利文獻1) 。
另外，為了低噪聲化，存在由比較器將IGBT的收集極檢測電流的di/dt與指令值相比較，并根據(jù)該比較結(jié)果導通關(guān)斷開關(guān)從而瞬時改變柵極電阻值的技術(shù)(例如專利文獻2)。
專利文獻1特開2001-223571號“電壓驅(qū)動型半導體元件的柵極驅(qū)動裝置”( 、圖2)專利文獻2特開平10-150764號“電力變換器的柵極驅(qū)動電路”( 、圖6)專利文獻1是控制柵極電壓型。需要多個開關(guān)和根據(jù)IGBT的特性依次使這些開關(guān)導通的復(fù)雜控制。
在專利文獻2中，若在比較器的比較基準值附近流過收集極電流的導通動作中快速改變柵極電阻值，則IGBT的動作變得不穩(wěn)定，從而使輸出電流振蕩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種半導體裝置，實現(xiàn)了由響應(yīng)性提高帶來的效率提高、EMI噪聲的降低和損耗的降低，并可通過比較簡單的電路穩(wěn)定地進行動作。
半導體裝置中所包含的IGBT之類的MOS器件具有用于柵極導通而提供柵極電流的第一開關(guān)和用于柵極關(guān)斷而放電柵極電容的電荷的第二開關(guān)。在本發(fā)明的半導體裝置中，包括用于在該柵極導通時增大流過的柵極電流的第三開關(guān)，以及在導通所述第一開關(guān)時導通所述第三開關(guān)并在該開關(guān)導通第一規(guī)定時間后關(guān)斷第三開關(guān)的第一定時器單元。另外，還包括用于增大柵極關(guān)斷時流過的放電電流的第四開關(guān)，以及在導通所述第二開關(guān)時導通所述第四開關(guān)并在該開關(guān)導通第二規(guī)定時間后關(guān)斷第四開關(guān)的第二定時器單元。
根據(jù)本發(fā)明，為了使柵極導通，在導通第一開關(guān)的同時使第三開關(guān)導通規(guī)定時間，從而使柵極電流只在第一規(guī)定時間內(nèi)增加，所以可縮短柵極開啟的時間，另外，為了使柵極關(guān)斷，在導通第二開關(guān)的同時使第四開關(guān)導通第二規(guī)定時間，從而使柵極的放電電流只在規(guī)定的時間，所以可縮短柵極關(guān)斷的時間。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可降低器件的損耗，也可縮短延遲時間。


圖1是表示實施形態(tài)1的半導體裝置的主要部分的電路圖；圖2是表示圖1的電路動作的定時圖；圖3是表示實施形態(tài)2的半導體裝置的主要部分的電路圖；圖4是表示圖3的電路動作的定時圖。
具體實施例方式
圖1是表示本發(fā)明的實施形態(tài)1的半導體裝置的末級MOS功率元件及其驅(qū)動系統(tǒng)的電路。為了開啟配備有續(xù)流二極管D的功率元件(例如IGBT)1的柵極，在電源VDD和柵極之間串聯(lián)插入由晶體管組成的開關(guān)SWon1、SWon2(對應(yīng)于上述第一和第三開關(guān))。恒流元件4并聯(lián)連接于開關(guān)SWon2。
并且，為了關(guān)斷柵極，在柵極和發(fā)射極之間經(jīng)恒流元件5連接由晶體管組成的開關(guān)SWoff1(對應(yīng)于上述第二開關(guān))，以及經(jīng)恒流元件7連接開關(guān)SWoff2(對應(yīng)于上述第四開關(guān))。
在比較器9的‘+’輸入部上輸入輸入信號VIN的同時連接有上拉電阻10。并且，將基準電壓源11連接到‘-’輸入部。將該比較器9的輸出信號經(jīng)反相器12提供給放大器13的輸入部。將該放大器13的非反相輸出作為開啟信號提供給所述開關(guān)SWon1并同時輸入到定時器14。若對該定時器14(對應(yīng)于上述第一定時器單元)輸入了該開啟信號，則導通所述開關(guān)SWon2，并在該開關(guān)導通100ns后關(guān)關(guān)斷關(guān)SWon2。
另外，將所述放大器13的反相輸出作為關(guān)斷信號提供給所述開關(guān)SWoff1并同時輸入到定時器15中。若對該定時器15(對應(yīng)于上述第二定時器單元)輸入了該關(guān)斷信號，則導通所述開關(guān)SWoff2，并在該開關(guān)導通200ns后關(guān)斷該開關(guān)SWoff2。
下面參照圖2的定時圖說明上述電路的動作。在將來自外部的輸入信號VIN從高電平的關(guān)斷信號(關(guān)斷IGBT1的信號)切換為低電平的導通信號(開啟IGBT1的信號)的過程中，若達到輸入導通閾值(這里為1.5V)(時刻T1)，則經(jīng)開關(guān)SWon1和定時器14導通開關(guān)SWon2。在該時刻T1，開關(guān)SWoff1從導通(從后面的說明中可明白輸入信號VIN關(guān)斷時開關(guān)SWoff1為導通狀態(tài))變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)SWoff2保持關(guān)斷。
因此，在時刻T1，通過成為導通狀態(tài)的開關(guān)SWon1和開關(guān)SWon2，流過柵極電流Ig來開始柵極充電。這時，由于兩個開關(guān)SWon1和SWon2為導通狀態(tài)而流過很大的柵極電流Ig，所以柵極電壓達到柵極導通閾值的時間縮短，因此，在開關(guān)SWon1和SWon2成為導通狀態(tài)(時刻T1)后的很短時間內(nèi)就可以開啟IGBT1。
由于導通開關(guān)SWon1和SWon2(時刻T1)100ns后僅SWon2被關(guān)斷，故雖然柵極電流Ig減小為大致一半左右，但是其值對于維持IGBT1的開關(guān)導通是足夠的。該100ns的時間被設(shè)定為比開關(guān)SWon1和SWon2導通后到IGBT1開關(guān)導通的延遲時間長。
接著，在將所述輸入信號VIN從低電平的導通信號切換到高電平的關(guān)斷信號的過程中，若達到輸入關(guān)斷閾值(這里為2.0V)(時刻T2)，則關(guān)關(guān)斷關(guān)SWon1(開關(guān)SWon2保持關(guān)斷)。另一方面，在時刻T2，經(jīng)開關(guān)SWoff1和定時器15導通SWoff2。
由于在將柵極切離開電源Vcc的同時，通過開關(guān)SWoff1、SWoff2連接發(fā)射極，所以開始柵極放電(圖2中的負電流)。這時，通過導通兩個開關(guān)SWoff1、SWoff2而流過大的放電電流，所以縮短了柵極電壓下降到柵極關(guān)斷閾值的時間，因此，導通開關(guān)SWoff1和SWoff2(時刻T2)后可以以短時間關(guān)斷IGBT1。
由于導通開關(guān)SWoff1和SWoff2(時刻T2)200ns后僅開關(guān)SWoff2被關(guān)斷，故雖然柵極放電電流減小為大致一半左右，但是其值對于維持IGBT1的開關(guān)關(guān)斷是足夠的。該200ns的時間被設(shè)定為比開關(guān)SWoff1和SWoff2導通后到IGBT1開關(guān)關(guān)斷的延遲時間長。
這樣，通過改變對于IGBT1的柵極充電和柵極放電電流，可縮短從外部輸入信號到器件動作完成的時間，從而提高了效率。并且可通過縮短開關(guān)時間(延遲時間)而降低損耗。
另外，圖1中，雖然串聯(lián)設(shè)置開關(guān)SWon1和SWon2，但是也可并聯(lián)連接兩個開關(guān)，通過開關(guān)SWon2的開關(guān)導通來增大柵極電流Ig。
實施形態(tài)2實施形態(tài)2中，根據(jù)流過開啟時的IGBT的電流大小，該IGBT通過變換下一次開啟周期中柵極的充電電流而變換開啟時的開關(guān)速度，圖3表示其電路結(jié)構(gòu)。
圖3的電路中，對于與圖1相同的部件賦予同一附圖標記。該圖3中，除了由開關(guān)SWon1、SWon2、恒流元件4和定時器14構(gòu)成的開啟用電路之外，另外追加了開關(guān)SWon3、SWon4、恒流元件21和定時器22作為第二開啟用電路。并且，為控制該第二開啟電路，添加了下面的電路。
IGBT6具備用于檢測收集極電流Ic的第二發(fā)射極，并將串聯(lián)插入到該第二發(fā)射極電路的電阻23的產(chǎn)生電壓輸入到比較器24的‘+’輸入部。將基準電壓源25連接到該比較器24的‘-’輸入部，將該比較器24的輸出輸入到鎖存電路26的D端子，并將來自該鎖存電路26的Q端子的輸出進一步輸入到另一鎖存電路27的D端子中。并且，將所述比較器9的輸出作為進位信號，在輸入到鎖存電路26的C端子的同時，經(jīng)反相器28輸入到鎖存電路27的C端子。
將來自鎖存電路27的Q端子的輸出提供給與門29的一個輸入部，將所述放大器13的非反相輸出輸入到另一輸入部中。并且，將該與門29的輸出作為驅(qū)動信號提供給所述開關(guān)SWon3和定時器22，下面參照圖4的定時圖說明上述電路的動作。由比較器24判斷第(N-1)脈沖的輸入信號VIN為低電平的導通信號時在開啟的IGBT1中流過的收集極電流Ic是否超過額定電流的1/2，并將該判斷結(jié)果提供給鎖存電路26。
在該第(N-1)脈沖的輸入信號VIN中，在從低電平切換到高電平的關(guān)斷信號(關(guān)斷IGBT1的信號)的過程中，若超過輸入關(guān)斷閾值(時刻T3)，則從比較器9輸出高電平。由此，由鎖存電路26將鎖存的信號提供給鎖存電路27。
接著，在輸入信號VIN從高電平的關(guān)斷信號切換到低電平的導通信號的過程中，在低于輸入導通閾值并從第(n-1)脈沖轉(zhuǎn)移到第n脈沖時(時刻T4)，導通開關(guān)SWon1和SWon2，但是這時，上述的時刻T3在收集極電流Ic大于等于額定電流的50％的情況下，通過從鎖存電路27向與門29提供高電平，還導通開關(guān)SWon3和SWon4。
這樣，當所有開關(guān)SWon1～SWon4為導通狀態(tài)時，柵極電流Ig為預(yù)設(shè)值的100％，并通過該柵極電流Ig開關(guān)導通IGBT1。從該時刻T4開始100ns后通過定時器14和22關(guān)關(guān)斷關(guān)SWon2和SWon4，所以柵極電流Ig降低為50％的輸出。
另一方面，在時刻T3收集極電流Ic未達到額定的50％的情況下，由于在時刻T4與門29仍輸出低電平，所以僅開關(guān)SWon1和SWon2導通，柵極電流Ig為50％的輸出。這時的動作與圖1情況下的動作相同。
如上面所說明的動作，由于在IGBT1的高電流動作(額定電流的50％以上)中柵極電流Ig增加，加快了IGBT1的開關(guān)速度，所以與使用現(xiàn)有的固定柵極電阻的情況相比，可降低開關(guān)時的損耗。另一方面，在IGBT1的低電流動作(未達到額定電流的50％)中柵極電流Ig減小，延遲了開關(guān)速度，從而也減小了續(xù)流二極管D開啟時的dV/dt，有效降低了EMI噪聲。
另外，在檢測出IGBT1的高電流動作時，由于不馬上增加柵極電流Ig，而是在下一開啟周期中IGBT1才動作，所以不會產(chǎn)生如專利文獻2中所述的IGBT1的動作不穩(wěn)定使輸出電流振蕩的狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種半導體裝置，具有在MOS器件柵極導通時供給柵極電流的第一開關(guān)；和在柵極關(guān)斷時使柵極電容的電荷放電的第二開關(guān)，其特征在于，所述半導體裝置還包括用于增大所述柵極電流的第三開關(guān)；在所述第一開關(guān)導通時導通所述第三開關(guān)并在該開關(guān)導通第一規(guī)定時間后關(guān)斷第三開關(guān)的第一定時器單元；用于增大所述放電時的放電電流的第四開關(guān)；在所述第二開關(guān)導通時導通所述第四開關(guān)并在該開關(guān)導通第二規(guī)定時間后關(guān)斷第四開關(guān)的第二定時器單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于還包括與由所述第一開關(guān)和第三開關(guān)構(gòu)成的柵極導通用電路不同的第二柵極導通電路以及檢測所述MOS器件的收集極電流的檢測單元，在所述收集極電流未達到規(guī)定值的情況下，僅激活所述柵極導通用電路，在所述收集極電流大于等于規(guī)定值時，進一步激活第二柵極導通電路以便增大柵極電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導體裝置，其特征在于在所述MOS器件開啟時的收集極電流大于等于規(guī)定值時，所述MOS器件在下一開啟周期中激活第二柵極導通電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的半導體裝置，其特征在于所述第一規(guī)定時間為通過導通所述第一開關(guān)和第三開關(guān)使所述MOS器件開啟的充分的時間，所述第二規(guī)定時間為通過導通所述第二開關(guān)和第四開關(guān)使所述MOS器件關(guān)斷的充分的時間。
全文摘要
一種半導體裝置，在IGBT1的柵極導通時使開關(guān)SWon1導通供給柵極電流，在柵極關(guān)斷時使開關(guān)SWoff1導通來放電柵極電容的電荷，該半導體裝置包括用于增大所述柵極電流的開關(guān)SWon2，在所述開關(guān)SWon1導通時僅將所述開關(guān)SWon2導通第一規(guī)定時間的定時器(14)。還包括用于增大所述放電時的放電電流的開關(guān)SWoff2，以及當所述開關(guān)SWoff1導通時僅將所述開關(guān)SWoff2導通第二規(guī)定時間的定時器(15)。
文檔編號H03K17/06GK1578141SQ200410036980
公開日2005年2月9日 申請日期2004年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月23日
發(fā)明者井上貴公 申請人:三菱電機株式會社