控制绝缘栅型开关元件的栅极的电位的半导体装置及电路的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及一种对绝缘栅型开关元件的栅极的电位进行控制的半导体装置及电路。半导体装置输出对绝缘栅型开关元件的栅极的电位进行控制的信号。半导体装置具有第一信号输出端子，且能够接受在第一电位和高于第一电位的第二电位之间进行变动的基准信号的输入、或在内部生成所述基准信号，并且能够切换执行第一动作和第二动作，其中，所述第一动作为，将在所述基准信号处于第一电位时成为第三电位、而在所述基准信号处于第二电位时成为高于第三电位的第四电位的信号向第一信号输出端子进行输出的动作，所述第二动作为，将在所述基准信号处于第一电位时成为第四电位、而在所述基准信号处于第二电位时成为第三电位的信号向第一信号输出端子进行输出的动作。
【专利说明】控制绝缘栅型开关元件的栅极的电位的半导体装置及电路
【技术领域】
[0001]本申请要求基于2011年5月I日申请的日本专利申请第2011-110514号的优先权。在本说明书中以参照的方式引用该申请的全部内容。
[0002]本说明书所公开的技术涉及一种对绝缘栅型开关元件(例如，IGBT (InsulatedGate Bipolar Transistor:绝缘栅双极性晶体管)、FET (Field-Effect Transistor:场效应晶体管)等)的栅极的电位进行控制的半导体装置及具备该半导体装置的电路。
【背景技术】
[0003]在日本专利公开公报第2010-130557中，公开了一种对绝缘栅型开关元件的栅极的电位进行控制的驱动电路。通过栅极驱动电路对栅极的电位进行控制，从而使绝缘栅型开关元件进行开关。
【发明内容】
[0004]发明所要解决的课题
[0005]近年来，将栅极驱动电路集成化了的半导体装置逐渐被应用。例如，图13所示的半导体装置400为，将栅极驱动电路集成化了的装置，其对绝缘栅型开关元件450的栅极460的电位进行控制。半导体装置400的信号输出端子410与绝缘栅型开关元件450的栅极460相连接。半导体装置400向信号输出端子410输出信号，并通过使该信号被输入至栅极460从而使绝缘栅型开关元件450进行开关。通过使栅极驱动电路集成化，从而能够实现栅极驱动电路的小型化。
[0006]通常，当使栅极的电位急剧变化时，能够使绝缘栅型开关元件高速地进行开关。但是，当使栅极的电位急剧变化时，在栅极驱动电路中将流通有较高的栅电流。因此，使绝缘栅型开关元件高速地进行开关的驱动电路需要具有较高的电流容量。然而，由于发热的问题等，导致难以使上述被集成化了的栅极驱动电路(即，半导体装置400)具有较高的电流容量。
[0007]因此，如图14所示，当欲使用上述的半导体装置400来构成高速开关用的栅极驱动电路时，需要在半导体装置400和绝缘栅型开关元件450之间设置双反相电路470。双反相电路470具备反相电路472和反相电路474，其中，所述反相电路472将半导体装置400的输出信号404反相而进行输出，所述反相电路474将反相电路472的输出信号406反相而进行输出。因此，反相电路474所输出的信号408与半导体装置400所输出的信号404成为相同的相位。因此，在该电路中，与半导体装置400所输出的信号404相同相位的信号408被输入至栅极406。此外，当使绝缘栅型开关元件450高速地进行开关时，在反相电路474中将流通有较高的栅电流。但是，由于能够使内置于反相电路474中的各个开关元件具有较高的电流容量，因此不会产生问题。
[0008]但是，在图14的双反相电路470中，尽管为了确保电流容量而所需的电路仅为反相电路474，但是为了将与半导体装置400所输出的信号相同相位的信号输入至栅极460而使用了两个反相电路，从而也将使栅极驱动电路整体无谓地增大。因此，图14的电路并不实用。由于以上的原因，一直以来，未能将被构成为低速开关用的半导体装置400组装到高速开关用的栅极驱动电路中。因此，一直以来，需要另外准备输出高速开关用的信号的半导体装置，并将该半导体装置组装到高速开关用的栅极驱动电路中。即，无法将输出用于对栅极的电位进行控制的信号的半导体装置在低速开关用和高速开关用中共用化。
[0009]特别是，在电机的驱动电路中，对电源电压进行升压的DC-DC转换电路和将直流转换为交流的逆变电路的各自的电路中，均使用了绝缘栅型开关元件。虽然对在逆变电路中所使用的绝缘栅型开关元件并不要求进行很高速的开关，但对在DC-DC转换电路中所使用的绝缘栅型开关元件则要求进行高速的开关。一直以来，在逆变电路的栅极驱动电路和DC-DC转换电路的栅极驱动电路中使用了不同的半导体装置，从而强烈地期望实现这些半导体装置的共用化。
[0010]因此，在本说明书中，提供一种对绝缘栅型开关元件的栅极的电位进行控制、并能够在低速开关用和高速开关用之间共通地使用的半导体装置。
[0011 ] 用于解决课题的方法
[0012]本说明书所公开的半导体装置输出对绝缘栅型开关元件的栅极的电位进行控制的信号。该半导体装置具有第一信号输出端子。该半导体装置能够接受在第一电位和高于第一电位的第二电位之间进行变动的基准信号的输入、或在内部生成所述基准信号，并且能够切换执行第一动作和第二动作，其中，所述第一动作为，将在所述基准信号处于第一电位时成为第三电位、而在所述基准信号处于第二电位时成为高于第三电位的第四电位的信号向第一信号输出端子进行输出的动作，所述第二动作为，将在所述基准信号处于第一电位时成为第四电位、而在所述基准信号处于第二电位时成为第三电位的信号向第一信号输出端子进行输出的动作。
[0013]另外，第三电位可以与第一电位或第二电位相同，也可以与这些电位不同。此外，第四电位可以与第一电位或第二电位相同，也可以与这些电位不同。此外，第三电位与第四电位之间的电位差可以和第一电位与第二电位之间的电位差相同，也可以与该电位差不同。此外，对绝缘栅型开关元件的栅极的电位进行控制的信号可以为被直接输入至栅极的信号，也可以为成为被输入至栅极的信号的基础的信号。例如，在实施将预定的信号反相或放大等的加工、并将加工后的信号输入至栅极的情况下，可以将该预定的信号视为对栅极的电位进行控制的信号。
[0014]此半导体装置在第一动作中，输出与基准信号相同电位的信号。即，在基准信号处于低电位(第一电位)时将输出信号设为低电位(第三电位)，而而在基准信号处于高电位(第二电位)时将输出信号设为高电位(第四电位)。此外，该半导体装置在第二动作中，输出将基准信号反相了的信号。即，在基准信号处于低电位(第一电位)时将输出信号设为高电位(第四电位)、而在基准信号处于高电位(第二电位)时将输出信号设为低电位(第三电位)。因此，能够以以下的方式来进行使用。
[0015]在图9中，图示了通过使半导体装置300执行第一动作从而使绝缘栅型开关元件350进行低速开关时的电路结构的一个示例。在图9中，半导体装置300的信号输出端子310与绝缘栅型开关元件350的栅极360相连接。此外，在图9中，由于半导体装置300实施第一动作，因此与基准信号301相同相位的信号302被输出至信号输出端子310。信号302被输入至栅极360，从而绝缘栅型开关元件350进行开关。此外，虽然在图9中，绝缘栅型开关元件350的栅电流会流过半导体装置300，但由于在低速开关中栅电流并不很大，因此在半导体装置300的电流容量上也不会产生问题。
[0016]在图10中，图示了通过使半导体装置300执行第二动作，从而使绝缘栅型开关元件350进行高速开关时的电路结构的一个示例。在图10中，半导体装置300的信号输出端子310经由反相电路370而与绝缘栅型开关元件350的栅极360相连接。另外，反相电路370内的各个开关元件的电流容量足够大。在图10中，由于半导体装置300执行第二动作，因此半导体装置300输出将基准信号301反相了的信号303。反相电路370输出将从半导体装置300输出的信号303反相了的信号304。因此，反相电路370所输出的信号304成为与基准信号301相同的相位。反相电路370所输出的信号304被输入至栅极360,从而使绝缘栅型开关元件350进行开关。如此，在图10的电路中也能够与图9的电路同样地，通过与基准信号301相同相位的信号而使绝缘栅型开关元件350进行开关。此外，由于图10的电路使绝缘栅型开关元件350进行高速开关，因此较大的栅电流将流通于反相电路370中。但是，由于反相电路370内的各个开关元件的电流容量较大，因此即使流通有较大的栅电流也不存在问题。如此，根据图10的电路，能够适当地使绝缘栅型开关元件350进行高速开关。此外，在图10的电路中，仅具有一个反相电路。由于能够去掉如上述的图14的电路中的这种多余的反相电路，因此与图14的电路相比，图10的电路能够实现小型化。即，能够以实用的尺寸构成图10的电路。
[0017]如此，仅通过附加为了确保电流容量所需的最小限度的反相电路，便能够在高速开关用的电路中也使用半导体装置300。即，能够在低速开关用的电路和高速开关用的电路中共通地使用半导体装置300。
[0018]另外，虽然在图9、10中，对向栅极输入与基准信号301相同相位的信号的结构进行了说明，但也可以以向栅极输入将基准信号301反相了的信号的方式而使用上述的半导体装置。例如，如图11所示，当在低速开关用的电路中使半导体装置300进行第二动作时，将基准信号301反相了的信号305将被输入至栅极360。此外，如图12所示，当在高速开关用的电路中使半导体装置300进行第一动作时，将基准信号301反相了的信号306将被输入至栅极360。即使以图11、12的方式使用半导体装置300，也能够在低速开关用的电路和高速开关用的电路中共用地使用半导体装置300。另外，虽然使用图9?12而对本说明书所公开的技术进行了说明，但图9?12仅仅例示了本说明书所公开的技术的一个示例。
[0019]此外，本说明书提供一种使用了上述的半导体装置的电路。该电路对绝缘栅型开关元件的栅极的电位进行控制。该电路具备上述的半导体装置、反相电路、以及第一绝缘栅型开关元件。反相电路与半导体装置的第一信号输出端子相连接，且将被输出至第一信号输出端子的信号反相而进行输出。第一绝缘栅型开关元件的栅极与反相电路相连接，且通过栅极而接受从反相电路输出的信号。半导体装置中内置有第一信号生成电路，所述第一信号生成电路生成向第一信号输出端子输出的信号。半导体装置被设定为，仅通过第一动作和第二动作中的某一方来进行动作。第一信号生成电路具备第一开关元件，反相电路具备第二开关元件，第二开关元件的电流容量大于第一开关元件的电流容量。
[0020]根据这种电路，能够使第一绝缘栅型开关元件高速地进行开关。
[0021]优选为，在上述的电路中还具备:低电位配线，其处于与从反相电路输出的信号的平均电位相比而较低的电位；第三开关元件，其被连接在第一绝缘栅型开关元件的栅极和低电位配线之间；第二绝缘栅型开关元件，其与第一绝缘栅型开关元件串联连接。优选为，半导体装置具备与第三开关元件相连接的第二信号输出端子、和生成向第二信号输出端子输出的信号的第二信号生成电路。优选为第三开关元件根据被输出至第二信号输出端子的信号而进行开关。优选为，第二信号生成电路具备第四开关元件，并以如下方式生成信号，即，使得至少在第二绝缘栅型开关元件从断开被切换为导通的时刻处第三开关元件处于导通。优选为，第三开关元件的电流容量大于第四开关元件的电流容量。
[0022]根据这种结构，由于在第二绝缘栅型开关元件从断开被切换为导通的时刻处第三开关元件处于导通，因此第一绝缘栅型开关元件的栅极与低电位配线相连接。由此，防止了在第一绝缘栅型开关元件的栅极中产生因第二绝缘栅型开关元件导通而引起的电位上升的情况。由此，能够防止第一绝缘栅型开关元件的误触发(错误地导通)。此外，虽然在高速开关用的电路中，流通于误触发防止用的第三开关元件中的电流变大，但由于第三开关元件具有较高的电流容量，因此不会产生问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为表示半导体装置10的内部的概要结构的电路图。
[0024]图2为表示低速开关用的栅极驱动电路100的概要结构的电路图。
[0025]图3为表示低速开关用的栅极驱动电路100的概要结构的电路图。
[0026]图4为表示半导体装置10执行第一动作时的半导体装置10的各个部分的电位、和低速开关用的栅极驱动电路中的栅极82的电位V82的曲线图。
[0027]图5为表示半导体装置10执行第一动作时的半导体装置10的各个部分的电位、上桥臂中的IGBT90的PWM信号Vp2、低速开关用的栅极驱动电路中的栅极82的电位V82的曲线图。
[0028]图6为表示高速开关用的栅极驱动电路102的概要结构的电路图。
[0029]图7为表示半导体装置10执行第二动作时的半导体装置10的各个部分的电位、高速开关用的栅极驱动电路中的电位V52和栅极82的电位V82的曲线图。
[0030]图8为表示半导体装置10执行第二动作时的半导体装置10的各个部分的电位、上桥臂中的IGBT90的PWM信号Vp2、高速开关用的栅极驱动电路中的栅极82的电位V82的曲线图。
[0031]图9为表示使半导体装置300执行第一动作的低速开关用的栅极驱动电路的一个示例的电路图。
[0032]图10为表示使半导体装置300执行第二动作的高速开关用的栅极驱动电路的一个示例的电路图。
[0033]图11为表示使半导体装置300执行第二动作的低速开关用的栅极驱动电路的一个示例的电路图。
[0034]图12为表示使半导体装置300执行第一动作的高速开关用的栅极驱动电路的一个示例的电路图。
[0035]图13为表示使用了对绝缘栅型开关元件的栅极的电位进行控制的一般的半导体装置400的低速开关用的栅极驱动电路的电路图。[0036]图14为使用了半导体装置400的非实用性的高速开关用的栅极驱动电路的电路图。
【具体实施方式】
[0037]图1所示的半导体装置10与DC-DC转换电路内或逆变电路内的IGBT的栅极相连接而被使用。半导体装置10输出对IGBT的栅极的电位进行控制的信号。半导体装置10具备:逻辑电路12、反相电路14?18、端子20?34。在端子20中输入有PWM (Plus WidthModulation:脉冲宽度调制)信号Vpl。如在图4中所例示的那样，PWM信号Vpl为，在电位Vdd和OV之间进行变动的脉冲信号。PWM信号Vpl的波形(占空比等)根据DC-DC转换电路或逆变电路的动作状态而被变更。PWM信号Vpl由外部的电路生成，并被输入至端子20。在端子22中，输入有针对于半导体装置10的控制对象的IGBT以外的其他的IGBT的PWM信号Vp2。端子24为与固定电位相连接的端子。通过使端子24与高于预定电位的电位相连接、或使端子22与预定电位以下的电位相连接，从而使逻辑电路12的动作被切换。端子26与电位Vdd相连接。端子28?32为反相电路14?18的输出端子。端子34被接地。此夕卜，半导体装置10除端子20?34以外还具有多个端子，在未图示的端子中，输入有例如表示DC-DC转换电路或逆变电路的控制状态的各种信号。
[0038]反相电路14 具备 PMOS (P-channel Metal Oxide Semiconductor:P 沟道金属氧化物半导体)14a 和 NMOS (N-channel Metal Oxide Semiconductor:N 沟道金属氧化物半导体)14b。PMOS14a的源极与端子26 (即，电位Vdd)相连接。PMOS14a的漏极和NMOS14b的漏极与端子28相连接。NM0S14b的源极被接地(B卩，与端子34相连接)。PM0S14a的栅极和NM0S14b的栅极与逻辑电路12相连接。
[0039]反相电路16具备PM0S16a和NM0S16b。PM0S16a的源极与端子26 (B卩，电位Vdd)相连接。PM0S16a的漏极和NM0S16b的漏极与端子30相连接。NM0S16b的源极被接地(即，与端子34相连接)。PMOS16a的栅极和NM0S16b的栅极与逻辑电路12相连接。
[0040]反相电路18具备PM0S18a和NM0S18b。PM0S18a的源极与端子26 (B卩，电位Vdd)相连接。PM0S18a的漏极和NM0S18b的漏极与端子32相连接。NM0S18b的源极与端子34(即，地线)相连接。PM0S18a的栅极和NM0S18b的栅极与逻辑电路12相连接。
[0041]接下来，对半导体装置10的动作进行说明。以下，将端子24与高于所述预定电位的电位相连接时的动作(以下，称为第一动作)、和端子24与所述预定电位以下的电位相连接时的动作(以下，称为第二动作)分开来进行说明。
[0042]逻辑电路12根据被输入至端子20的PWM信号Vpl，而向PM0S14a、NMOS14b,PMOS16a以及NM0S16b的各个栅极输入信号Vrl。在第一动作中，如图4所示，逻辑电路12输出将PWM信号Vpl反相了的信号以作为信号Vrl。在信号Vrl处于电位Vdd时，PM0S14a成为断开，而NM0S14b成为导通。因此，端子28的电位V28成为0V。另一方面，在信号Vrl处于OV时，PM0S14a成为导通，而NM0S14b成为断开。因此，端子28的电位V28成为电位Vdd0因此，如图4所示，被输出至端子28的信号V28成为将信号Vrl反相了的信号。其结果为，信号V28成为与PWM信号Vpl相同的波形。此外，反相电路16也与反相电路14同样地进行动作。即，被输出至端子30的信号V30成为将信号Vrl反相了的信号。其结果为，被输出至端子30的信号V30成为与PWM信号Vpl相同的波形。[0043]此外，逻辑电路12根据被输入至端子20、22的PWM信号Vpl、Vp2、及表示与半导体装置10相连接的电路(DC-DC转换电路或逆变电路)的控制状态的信号(被输入至未图示的端子)等，来生成误触发防止信号Ve。如图5所示，误触发防止信号Ve为如下的信号，即，在即将到达PWM信号Vp2从OV上升至电位Vdd的时刻t2之前的时刻tl处，从电位Vdd下降至0V，而在刚刚到达PWM信号Vp2从电位Vdd下降至OV的时刻t3之后的时刻t4处，从OV上升至电位Vdd的信号。逻辑电路12根据误触发防止信号Ve，而向PM0S18a及NM0S18b的各个栅极输入信号Vr2。在第一动作中，逻辑电路12输出将误触发防止信号Ve反相了的信号以作为信号Vr2。在信号Vr2处于电位Vdd时，PM0S18a成为断开，而NM0S18b成为导通。因此，端子32的电位V32成为0V。另一方面，在信号Vr2处于OV时，PM0S18a成为导通，而NM0S18b成为断开。因此，端子32的电位V32成为电位Vdd。即，被输出至端子32的信号V32成为将信号Vr2反相了的信号。其结果为，被输出至端子32的信号V32成为与误触发防止信号Ve相同的波形。
[0044]另一方面，在第二动作中，逻辑电路12将PWM信号Vpl就此输入到PM0S14a、NMOS14b、PMOS16a以及NM0S16b的各个栅极。因此，如图7所示，在第二动作中，信号Vrl成为与PWM信号Vpl相同的波形。由于反相电路14将输入的信号Vrl反相而向端子28进行输出，因此被输出至端子28的信号V28成为将PWM信号Vpl反相了的信号。同样地，由于反相电路16将被输入的信号Vr2反相而向端子30进行输出，因此被输出至端子30的信号V30成为将PWM信号Vpl反相了的信号。
[0045]此外，在第二动作中，逻辑电路12将误触发防止信号Ve就此输入到PMOSlSa及NMOSlSb的各个栅极。因此，如图8所示，在第二动作中，信号Vr2成为与误触发防止信号Ve相同的波形。由于反相电路18将被输入的信号Vr2反相而向端子32进行输出，因此被输出至端子32的信号V32成为将误触发防止信号Ve反相了的信号。
[0046]如以上所说明的那样，半导体装置10能够切换执行第一动作和第二动作，其中，所述第一动作为，将与PWM信号Vpl相同波形的信号向端子28、30进行输出，并且将与误触发防止信号Ve相同波形的信号向端子32进行输出的动作，所述第二动作为，对将PWM信号Vpl反相了的波形的信号向端子28、30进行输出，并且对将误触发防止信号Ve反相了的信号向端子32进行输出的动作。
[0047]接下来，对使用了半导体装置10的低速开关用的栅极驱动电路100进行说明。图2的IGBT80、90为，被内置于逆变电路中的开关元件。逆变电路为生成三相交流的电路，IGBT80、90为，用于对其中一相的电流进行控制的开关元件。IGBT90的集电极与逆变电路的高电位侧的配线96相连接。IGBT80的发射极与逆变电路的低电位侧的配线98相连接。IGBT90的发射极和IGBT80的集电极与连接于电机上的配线94相连接。IGBT90为所谓的上桥臂的IGBT，IGBT80为所谓的下桥臂的IGBT。IGBT80、90通过反复进行开关，从而对配线94的电流(S卩，电机中所流通的电流)进行控制。另外，当IGBT80、90均处于导通时，配线96和配线98短接，在IGBT80、90中流通有过电流。因此，IGBT80.90以其双方不会同时处于导通的方式而被控制。栅极驱动电路100与IGBT80的栅极82相连接。此外，在IGBT90的栅极92上，连接有栅极驱动电路110。由于栅极驱动电路110为与栅极驱动电路100相同的低速开关用的电路，因此在下文中省略对于栅极驱动电路110的详细说明。
[0048]在低速开关用的栅极驱动电路100中，半导体装置10以以下这种方式而被连接。端子20与施加有PWM信号Vpl的配线相连接。端子22与施加有PWM信号Vp2的配线相连接。PWM信号Vp2为，用于对上桥臂的IGBT90进行控制的信号，且还被输入至栅极驱动电路110。栅极驱动电路110根据PWM信号Vp2而对IGBT90进行控制。端子24与高于所述预定电位的电位Vl相连接。端子26与施加有电位Vdd的配线相连接。端子28、30经由电阻器40而与IGBT80的栅极82相连接。电阻器40具有较高的电阻。端子32直接与IGBT80的栅极82相连接。端子34被接地。
[0049]由于在低速开关用的栅极驱动电路100中，半导体装置10的端子24与高于所述预定电位的电位Vl相连接，因此半导体装置10执行第一动作。如使用图4而在上文所述的那样，在第一动作中，半导体装置10将与PWM信号Vpl相同波形的信号V28、V30向端子28,30进行输出。被输出至端子28、30的信号V28、V30经由电阻器40而被施加于IGBT80的栅极82。S卩，当在图4的时刻ta处信号V28、V30从OV上升至电位Vdd时，在图2的箭头标记150、152所示的路径中将流通有栅电流从而电荷被供给至栅极82。由此，如图4所示，在时刻ta处，栅极82的电位V82将从OV上升至电位Vdd，从而IGBT80将导通。另外，由于电阻器40的电阻较大，因而此时所流通的栅电流150、152较小。因此，图4所示的电位V82的上升速度较小。此外，如图2所示，栅电流150、152流经半导体装置10的内部的PM0S14a、16a。虽然PM0S14a、16a的电流容量较小，但如上文所述，由于栅电流150、152较小，因此不会特别地产生问题。
[0050]此外，当在图4的时刻tb处，信号V28、V30从电位Vdd下降至OV时，在图3的箭头标记160、162所示的路径中将流通有栅电流，从而电荷从栅极82被排出。由此，如图4所示，在时刻tb处栅极82的电位V82从电位Vdd下降至0V，从而IGBT80将断开。在这种情况下，也由于电阻器40的电阻较大，因此栅电流160、162较小。因此，图4所示的电位V82的下降速度较小。此外，如图3所示，栅电流160、162流经半导体装置10的内部的NMOS14b、16b。虽然NM0S14b、16b的电流容量较小，但由于如上文所述栅电流160、162较小，因此不会特别地产生问题。
[0051]此外，如上所述，半导体装置10生成误触发防止信号Ve。首先，对在未使用误触发防止用的电路的情况下所产生的IGBT80的误触发进行说明。如上所述，IGBT80和IGBT90以其双方不会同时成为导通的状态的方式而被控制。此外，如上所述，在PWM信号Vpl处于电位Vdd的期间内，IGBT80将处于导通。同样地，在PWM信号Vp2处于电位Vdd的期间内，IGBT90将处于导通。因此，不会出现PWM信号Vpl和PWM信号Vp2均成为电位Vdd的情况。在图5中，放大表示了在输出PWM信号Vp2的一个脉冲的期间(即，上桥臂的IGBT90成为导通的期间)内的各个部分的电位。由于不会出现PWM信号Vpl和PWM信号Vp2均成为电位Vdd的情况，因此在图5中PWM信号Vpl成为0V。当在时刻t2处PWM信号Vp2从OV上升至电位Vdd时，上桥臂的IGBT90将导通。于是，图2的配线96的电位将被施加于配线94，从而配线94的电位将急剧地上升。即，IGBT80的集电极的电位将急剧地上升。于是，通过IGBT80的集电极和栅极82之间的电容性结合，从而栅极82的电位V82也将上升。在图5中，用虚线170表示该电位的上升。另外，虽然IGBT80的栅极82通过NM0S14b、16b而被接地，但由于在栅极82和地面之间存在有电阻器40，因此无法避免栅极82的电位的瞬间的上升。如此当栅极82的电位V82上升时，IGBT80将导通。这就是IGBT80的误触发。当IGBT80误触发时，高电位的配线96和低电位的配线98将短接，从而在IGBT80、90中会流通有过电流。误触发防止信号Ve将防止这种误触发。
[0052]如上所述，误触发防止信号Ve为如下信号，即，在即将到达PWM信号Vp2从OV上升至电位Vdd的时刻t2之前的时刻tl处，从电位Vdd下降至0V，而在刚刚到达PWM信号Vp2从电位Vdd下降至OV的时刻t3之后的时刻t4处，从OV上升至电位Vdd的信号。此外，如上所述，在第一动作中，在误触发防止信号Ve处于OV时NM0S18b将处于导通。即，在从图5的时刻tl到时刻t4之间的期间内，NM0S18b处于导通，IGBT80的栅极82直接被接地。因此，在PWM信号Vp2从OV上升至电位Vdd的时刻t2(S卩，上桥臂的IGBT90导通的时刻)处，栅极82成为直接被接地的状态。由此，抑制了栅极82的电位V82从OV上升的情况，从而电位V82被维持为大致0V。由此，防止了 IGBT80的误触发。另外，在上桥臂的IGBT90导通的时刻处，如图2的箭头标记154所示，电流经过NM0S18b而从栅极82向地面流通。该电流154为，因上桥臂的IGBT90导通时的配线94 (B卩，IGBT80的集电极)的电位的上升而感应出的电流。在图2的电路中，上桥臂的IGBT90用的栅极驱动电路110也为，与栅极驱动电路100相同的低速开关用的电路。因此，IGBT90的开关速度较慢，配线94的电位的上升速度并不很快。因此，因该电位上升而感应出的电流154也并不很大。因此，即使在电流容量较低的NM0S18b中流通有电流154，也不会特别地产生问题。
[0053]如以上所说明的那样，低速开关用的栅极驱动电路100能够适当地对IGBT80进行开关，并且能够防止IGBT80的误触发。而且，栅极驱动电路100在半导体装置10和IGBT80之间不具备开关元件。因此，能够将栅极驱动电路100构成为小型。
[0054]接下来，对使用了半导体装置10的高速开关用的栅极驱动电路102进行说明。图6的IGBT80、90为，内置于DC-DC转换电路中的开关元件。IGBT90的集电极与DC-DC转换电路的高电位侧的配线196相连接。IGBT80的发射极与DC-DC转换电路的低电位侧的配线198相连接。IGBT90的发射极及IGBT80的集电极与配线194相连接。S卩，IGBT90为所谓的上桥臂的IGBT，IGBT80为所谓的下桥臂的IGBT。在配线194和配线198之间，电源和线圈被串联连接。IGBT90通过反复进行开关，从而将配线194、198之间的电压升圧并向配线196、198之间进行输出。IGBT80通过反复进行开关，从而将配线196、198之间的电压降压并向配线194、198之间进行输出。另外，当IGBT80、90均处于导通时，配线196和配线198短接，从而在IGBT80、90中流通有过电流。因此，IGBT80、90以其双方不会同时处于导通的方式而被控制。栅极驱动电路102与IGBT80的栅极82相连接。此外，在IGBT90的栅极92上连接有栅极驱动电路112。由于栅极驱动电路112为与栅极驱动电路102相同的高速开关用的电路，因此在下文中省略对于栅极驱动电路112的详细说明。
[0055]高速开关用的栅极驱动电路102以如下这种方式而构成。半导体装置10的端子20与施加有PWM信号Vpl的配线相连接。端子22与施加有PWM信号Vp2的配线相连接。PWM信号Vp2为，用于对上桥臂的IGBT90进行控制的信号，且还被输入至栅极驱动电路112。栅极驱动电路112根据PWM信号Vp2而对IGBT90进行控制。端子24被接地(与低于所述预定电位的电位相连接)。端子26与施加有电位Vdd的配线相连接。端子34被接地。栅极驱动电路102在半导体装置10的外部具备反相电路52和NM0S50。
[0056]反相电路52具备PM0S52a和NM0S52b。PM0S52a的源极与端子26 (B卩，电位Vdd)相连接。NM0S52b的源极被接地。PM0S52a的漏极和NM0S52b的漏极经由电阻器42而与IGBT80的栅极82相连接。电阻器42的电阻小于低速开关用的栅极驱动电路100的电阻器40 (参照图2)。PMOS52a的栅极经由电阻器44而与端子28相连接。NMOS52b的栅极经由电阻器46而与端子30相连接。
[0057]NM0S50的漏极直接与IGBT80的栅极82相连接。NM0S50的源极被接地。NM0S50的栅极经由电阻器48而与端子32相连接。
[0058]由于在高速开关用的栅极驱动电路102中，半导体装置10的端子24与低于所述预定电位的电位相连接，因此半导体装置10执行第二动作。如使用图7在上文中所述的那样，在第二动作中，半导体装置10对将PWM信号Vpl反相了的信号V28、V30输出到端子28、30。信号V28经由电阻器44而被输入至PM0S52a的栅极，信号V30经由电阻器46而被输入至NM0S52b的栅极。在信号V28、V30处于电位Vdd时，PM0S52a将成为断开，而NM0S52b成为导通。因此，反相电路52的输出电位V52 (参照图6)将成为0V。另一方面，在信号V28、V30处于OV时，PM0S52a将成为导通，而NM0S52b成为断开。因此，反相电路52的输出电位V52将成为电位Vdd。因此，如图7所示，反相电路52的输出信号V52成为将信号V28、V30反相了的信号。S卩，输出信号V52成为与RWM信号Vpl相同的波形。信号V52经由电阻器42而被输入至IGBT80的栅极82。
[0059]当在时刻ta处信号V52从OV上升至电位Vdd时，在如图6的箭头标记180所示的路径中将流通有栅电流，从而电荷将被供给至栅极82。由此，如图7所示，在时刻ta处，栅极82的电位V82从OV上升至电位Vdd，从而IGBT80将导通。另外，由于电阻器42的电阻较低，因此此时流通的栅电流180较大。因此，图7所示的栅极电位V82的上升速度较快。此外，如图6所示，栅电流180流经反相电路52的PM0S52a。由于PM0S52a为半导体装置10的外部的PM0S，因此电流容量较大。因此，即使流通有较大的栅电流180，也不会特别地产生问题。
[0060]此外，当在图7的时刻tb处信号V52从电位Vdd下降至OV时，在图6的箭头标记182所示的路径中将流通有栅电流，从而电荷将从栅极82被排出。由此，如图7所示，在时刻tb处，栅极82的电位V82从电位Vdd下降至0V，从而IGBT80将断开。在这种情况下，也由于电阻器42的电阻较小，因此栅电流182较大。因此，图7所示的电位V82的下降速度较快。此外，如图6所示，栅电流182流经反相电路52的NM0S52b。由于NM0S52b为半导体装置10的外部的NM0S，因此电流容量较大。因此，即使流通有较大的栅电流182，也不会特别产生问题。
[0061]接下来，对高速开关用的栅极驱动电路102中的误触发防止进行说明。另外，在DC-DC转换器中所产生的误触发为，因与在上述的逆变电路中所产生的误触发相同的原理而产生的现象。S卩，IGBT90导通而使配线194的电位上升，并由此使得栅极82的电位上升而使IGBT80导通的现象。如使用图8而在上文中所述的那样，在第二动作中，半导体装置10对将误触发防止信号Ve反相了的信号V32向端子32进行输出。信号V32被输入至NM0S50的栅极。NM0S50在信号V32处于电位Vdd的期间内处于导通，而在信号Vdd处于OV的期间内处于断开。当NM0S50处于导通时，IGBT80的栅极82直接被接地。即，在从图8的时刻tl到时刻t4之间的期间内，NM0S50处于导通，IGBT80的栅极82直接被接地。由此，抑制了如图8的虚线172所示的这种电位V82的上升，V82被维持为大致0V。S卩，防止了 IGBT80的误触发。此外，在上桥臂的IGBT90导通的时刻(即，图8的时刻t2)处，如图6的箭头标记184所示,从栅极82朝向地线而流通有电流。该电流184流经NM0S50。此外，IGBT90用的栅极驱动电路112为，与栅极驱动电路102相同的高速开关用的电路。因此，IGBT90的开关速度较快。因此，IGBT90导通时的配线194的电位的上升速度较快。因此，因该电位上升而引起的电流184较大。但是，由于NM0S50为半导体装置10的外部的NMOS，因此能够确保较大的电流容量。因此，即使在NM0S50中流通有较大的电流184，也不会特别地产生问题。
[0062]如以上所说明地那样，高速开关用的栅极驱动电路102不会产生电流容量的问题，而能够适当地对IGBT80进行开关，并且能够防止IGBT80的误触发。而且，栅极驱动电路102仅使从半导体装置10输出的信号反相一次，便输入到栅极82。因此，在栅极驱动电路102中，存在于半导体装置10和IGBT80之间的开关元件仅有用于确保电流容量的开关元件。因此，不会使栅极驱动电路102变得大型，而能够以现实的尺寸构成栅极驱动电路102。
[0063]如以上所说明的那样，由于半导体装置10能够执行第一动作、和对将在第一动作中所输出的信号反相了的信号进行输出的第二动作，因此能够在高速开关用的栅极驱动电路和低速开关用的栅极驱动电路中共通地使用。
[0064]另外，在上述的半导体装置10中，逻辑电路12需要内置有对第一动作和第二动作进行切换的电路。但是，由于在逻辑电路12的内部以非常低的电流来处理信号，因此在切换用的电路中所使用的元件的电流容量极小即可。因此，即使组装有这种切换电路，半导体装置10的尺寸与现有的半导体装置(无法进行第一动作和第二动作的切换的半导体装置)的尺寸相比也几乎不发生变化。
[0065]此外，在上述的实施方式中，半导体装置10具备两个反相电路14、16。这是用于，通过在低速开关用的栅极驱动电路100中确保多个电流路径(例如，图2的路径150、152、或图3的路径160、162)，从而提高半导体装置10的电流容量。但是，在即便为一个电流路径但半导体装置10的电流容量也足够的情况下，也可以不准备多个电流路径。
[0066]此外，在上述的实施方式中，通过在上桥臂的IGBT90处于导通的期间内使误触发防止信号Ve被维持为大致0V，从而使IGBT80的栅极82直接被接地。其目的在于，由于在IGBT90处于导通的期间内，IGBT80的集电极成为高电位，因此要防止因来自集电极的结合而使栅极82的电位上升的情况。但是，来自集电极的结合最将成为问题的时刻为IGBT90导通的时刻t2。因此，IGBT80只要至少在IGBT90导通的时刻t2处直接被接地即可。
[0067]此外，虽然在上述的实施方式中，在半导体装置10的内部生成信号Ve，但也可以将在半导体装置10的外部生成的信号Ve输入至半导体装置10。
[0068]此外，在上述的实施方式中，半导体装置10在低速开关用的栅极驱动电路100中执行第一动作，而在高速开关用的栅极驱动电路102中执行第二动作。但是，在作为PWM信号Vpl及误触发防止信号Ve而使用了将上述信号反相了的信号的情况下，也可以在低速开关用的栅极驱动电路100中执行第二动作，而在高速开关用的栅极驱动电路102中执行第
一动作。
[0069]此外，虽然在上述的实施方式中，半导体装置10输出与PWM信号Vpl及误触发防止信号Ve相同波形的信号或将这些信号反相了的信号，但除此以外，也可以在半导体装置10中实施PWM信号Vpl及误触发防止信号Ve的放大。
[0070]最后，对上述的实施方式与技术方案的对应关系进行说明。实施方式中的PWM信号Vpl相当于技术方案中的基准信号。实施方式的第一动作中的信号V28、V30相当于在技术方案的第一动作中被输出至第一信号输出端子的信号。实施方式的第二动作中的信号V28、V30相当于在技术方案的第二动作中被输出至第一信号输出端子的信号。此外，可以将实施方式中误触发防止信号Ve视为为技术方案中的基准信号。在这种情况下，实施方式的第一动作中的信号V32相当于在技术方案的第一动作中被输出至第一信号输出端子的信号，实施方式的第二动作中的信号V32相当于在技术方案的第二动作中被输出至第一信号输出端子的信号。
[0071]虽然在上文中对具体例进行了详细说明，但这些具体例仅为例示，并不对权利要求的范围进行限定。在权利要求所记载的技术中，包括对以上所例示的具体例进行各种改变、变更的技术。本说明书或者附图中所说明的技术要素为，以单独的方式或者通过各种组合而发挥技术方面的有用性的要素，并且不限定于申请时的权利要求中所记载的组合。此夕卜，本说明书或者附图中所例示的技术为能够同时达成多个目的技术，并且达成其中一个目的本身也具有技术上的有用性。
【权利要求】
1.一种半导体装置，其输出对绝缘栅型开关元件的栅极的电位进行控制的信号， 所述半导体装置的特征在于， 具有第一信号输出端子， 且能够接受在第一电位和高于第一电位的第二电位之间进行变动的基准信号的输入、或在内部生成所述基准信号， 并且能够切换执行第一动作和第二动作，其中，所述第一动作为，将在所述基准信号处于第一电位时成为第三电位、而在所述基准信号处于第二电位时成为高于第三电位的第四电位的信号向第一信号输出端子进行输出的动作，所述第二动作为，将在所述基准信号处于第一电位时成为第四电位、而在所述基准信号处于第二电位时成为第三电位的信号向第一信号输出端子进行输出的动作。
2.一种电路，其对绝缘栅型开关元件的栅极的电位进行控制， 所述电路的特征在于，具备: 权利要求1所述的半导体装置； 反相电路，其与半导体装置的第一信号输出端子相连接，且将被输出至第一信号输出端子的信号反相而进行输出； 第一绝缘栅型开关元件，其栅极与反相电路相连接，且通过栅极而接受从反相电路输出的信号； 半导体装置中内置有第一信号生成电路，所述第一信号生成电路生成向第一信号输出端子输出的信号， 并且半导体装置被设定为，仅通过第一动作和第二动作中的某一方来进行动作， 第一信号生成电路具备第一开关兀件， 反相电路具备第二开关元件， 第二开关元件的电流容量大于第一开关元件的电流容量。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，还具备: 低电位配线，其处于与从反相电路输出的信号的平均电位相比而较低的电位； 第三开关元件，其被连接在第一绝缘栅型开关元件的栅极和低电位配线之间； 第二绝缘栅型开关元件，其与第一绝缘栅型开关元件串联连接， 半导体装置具备与第三开关元件相连接的第二信号输出端子、和生成向第二信号输出端子输出的信号的第二信号生成电路， 第三开关元件根据被输出至第二信号输出端子的信号而进行开关， 第二信号生成电路具备第四开关元件，并以如下方式生成信号，即，使得至少在第二绝缘栅型开关元件从断开被切换为导通的时刻处第三开关元件处于导通， 第三开关元件的电流容量大于第四开关元件的电流容量。
【文档编号】H03K17/687GK103534946SQ201280023222
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年2月14日 优先权日:2011年5月17日
【发明者】秦启祐, 前原恒男 申请人:丰田自动车株式会社, 株式会社 电装