專利名稱：功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)業(yè)、民生設(shè)備的馬達控制等所使用的功率模塊。
背景技術(shù)：
在IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)或者功率 MOSFET (Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistor)等功率用開關(guān)半導體裝置中，為了檢測過電流，采用如下方式由流過主電流的主元件和以流過主電流的一部分的方式構(gòu)成的電流感應(yīng)元件構(gòu)成功率用開關(guān)半導體裝置，將從電流感應(yīng)元件的輸出端子(感應(yīng)發(fā)射極)輸出的感應(yīng)電流利用電阻(電流檢測電阻)轉(zhuǎn)換為電壓并作為檢測電壓，將檢測電壓與預定的基準電壓進行比較，由此，判定檢測電壓是正常還是異常(過電流水平(overcurrentlevel))。此處，電流感應(yīng)元件具有如下結(jié)構(gòu)集電極(漏極)與主元件共用，并且，以與主元 件的發(fā)射極(源極)的面積成預定的面積比的方式設(shè)定發(fā)射極(源極)的面積，使得流過的感應(yīng)電流與主電流為一定的分流比。例如，在電流感應(yīng)元件與主元件的發(fā)射極面積比為1/10000的情況下，在電流感應(yīng)元件中流過主元件的1/10000的電流，能夠以電阻值較小的電阻進行電流檢測。此處，當將電流檢測電阻連接到電流感應(yīng)元件時,施加到主元件和電流感應(yīng)元件的柵極的電壓產(chǎn)生差異，電流分流比發(fā)生變動。關(guān)于該分流比，在電流檢測電阻較大的情況下，變動變大，所以，需要以較小的電阻值進行檢測。但是，當以較小的電阻值進行檢測時，用于過電流判定的閾值電壓(基準電壓)變小，成為誤動作(誤檢測)的因素。在專利文獻I的圖I中公開了如下結(jié)構(gòu)不是直接用電阻對感應(yīng)電流進行檢測而是以由N溝道MOS晶體管構(gòu)成的電流鏡電路接受感應(yīng)電流，以與電流鏡電路的電源(電壓V3)連接的電流檢測電阻(電阻Rl)將由電流鏡電路得到的鏡像電流(電流14)轉(zhuǎn)換為電壓并且作為檢測電壓(電壓VI)。在該結(jié)構(gòu)中，檢測電壓Vl成為V1=V3 —(14 XRl)，檢測電壓Vl依賴于電源的電壓V3，所以，檢測電壓Vl由于電壓V3的變動而發(fā)生變動，存在電流檢測精度下降的可能性。在專利文獻2 (圖I、圖2)中也產(chǎn)生同樣的問題，在專利文獻2中將接受感應(yīng)電流并生成鏡像電流的電流鏡電路和生成基準電流作為鏡像電流的電流鏡電路組合，利用感應(yīng)電流的鏡像電流和基準電流的大小關(guān)系，判斷有無過電流。在該情況下，如果電流鏡電路的電源電壓發(fā)生變動，則鏡像電流也發(fā)生變動，所以，存在電流檢測精度下降的可能性。[專利文獻I]:日本特開平10-322185號公報。[專利文獻2]:日本特開平1-193909號公報。如以上說明的那樣，在功率用開關(guān)半導體裝置的過電流檢測用的以往的結(jié)構(gòu)中，在利用電阻檢測感應(yīng)電流的情況下，存在當增大電流檢測電阻時變動變大、當使電流檢測電阻減少時容易引起誤檢測這樣的問題，此外，在使用電流鏡電路檢測感應(yīng)電流的情況下，存在受 到電源的變動的影響而使電流檢測精度下降這樣的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問題而提出的，其目的在于提供ー種功率模塊，在利用電阻檢測感應(yīng)電流的情況下、在使用電流鏡電路檢測感應(yīng)電流的情況下，都不引起誤檢測或電流檢測精度的下降。本發(fā)明提供ー種功率模塊，具有功率用開關(guān)半導體裝置，具有流過主電流的主元件和以流過所述主電流的一部分的方式構(gòu)成的電流感應(yīng)元件，從所述電流感應(yīng)元件的輸出端子輸出感應(yīng)電流；電流檢測電路，具有第一主電極與所述電流感應(yīng)元件的所述輸出端子連接的第一晶體管和一端與所述第一晶體管的第二主電極連接且另一端與共用連接部連接的電流檢測電阻，所述第一晶體管的控制電極連接到第一基準電位；過電流判定電路，將由所述電流檢測電阻產(chǎn)生的以所述共用連接部為基準的電位差作為電流檢測電壓進行檢測，與預定的閾值電壓進行比較，根據(jù)兩者的大小關(guān)系，判定在所述功率用開關(guān)半導體裝置中是否流過過電流；驅(qū)動電路，生成提供給所述功率用開關(guān)半導體裝置的控制電極的控制信號。根據(jù)本發(fā)明的功率模塊，在功率用開關(guān)半導體裝置的導通電壓較低的情況下，當將電流檢測電阻連接到電流感應(yīng)元件時，施加到主元件和電流感應(yīng)元件的控制電極的電壓產(chǎn)生差異，電流分流比發(fā)生變動。其結(jié)果是，不能夠得到正確的感應(yīng)電流，但是，在電流感應(yīng)元件的輸出端子上連接有第一晶體管，所以，電流感應(yīng)元件的輸出端子的電壓變動被第一晶體管的導通電阻抑制為例如O. 7V左右。其結(jié)果是，施加到主元件和電流感應(yīng)元件的控制電極的電壓的電壓差被抑制為O. 7V左右并穩(wěn)定，感應(yīng)電流的檢測精度提高。施加到主元件和電流感應(yīng)元件的控制電極的電壓的電壓差被抑制為O. 7V左右，所以，不需要考慮在主元件和電流感應(yīng)元件中電流分流比發(fā)生變動，能夠任意地設(shè)定電流檢測電阻的電阻值，所以，能夠通過使電流檢測電阻的電阻值増大來防止誤檢測。


圖I是示出本發(fā)明的實施方式I的功率模塊的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖2是設(shè)定了本發(fā)明的實施方式I的功率模塊的仿真條件的圖。圖3是示出本發(fā)明的實施方式I的功率模塊的仿真結(jié)果的圖。圖4是示出本發(fā)明的實施方式2的功率模塊的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖5是設(shè)定了本發(fā)明的實施方式2的功率模塊的仿真條件的圖。圖6是示出本發(fā)明的實施方式2的功率模塊的仿真結(jié)果的圖。圖7是示出本發(fā)明的實施方式I的變形例I的結(jié)構(gòu)的圖。圖8是示出本發(fā)明的實施方式I的變形例I的結(jié)構(gòu)的圖。圖9是示出本發(fā)明的實施方式I的變形例2的結(jié)構(gòu)的圖。圖10是示出本發(fā)明的實施方式I的變形例2的結(jié)構(gòu)的圖。圖11是示出本發(fā)明的實施方式I的變形例2的結(jié)構(gòu)的圖。圖12是示出本發(fā)明的實施方式I的變形例2的結(jié)構(gòu)的圖。圖13是示出RC-IGBT的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實施例方式以下，作為功率用開關(guān)半導體裝置，舉出IGBT為例進行說明，但是，MOSFET或雙極晶體管等其他功率用開關(guān)半導體裝置也能夠應(yīng)用本發(fā)明。此外，將功率用開關(guān)半導體裝置的導電型假定為N溝道型進行說明，但是，當然也可以是P溝道型。<實施方式1>
<裝置結(jié)構(gòu)>
圖I是示出本發(fā)明的實施方式I的功率模塊100的結(jié)構(gòu)的電路圖。如圖I所示，在功率模塊100中具有通過對供給到IGBTl的柵極-發(fā)射極間的電壓(柵極電壓)進行控制從而將IGBTl驅(qū)動為導通狀態(tài)或者截止狀態(tài)的驅(qū)動控制電路10。
驅(qū)動控制電路10具有將直流電源Vl作為驅(qū)動電源的驅(qū)動電路Cl ;過電流判定電路C2 ;電流檢測電路C3。在IGBTl中，在集電極C與發(fā)射極E間反向并聯(lián)連接有續(xù)流ニ極管2。在續(xù)流ニ極管2中，當IGBTl為截止狀態(tài)時，流過來自主電路的回流電流。在圖I所示的功率模塊100中，對IGBTl的集電極C提供主電源電位VCC，發(fā)射極E接地而被提供接地電位GND (第一基準電位)。并且，驅(qū)動電路Cl的驅(qū)動器DR的輸出作為控制信號提供到IGBTl的柵極G。驅(qū)動器DR將直流電源Vl作為驅(qū)動電源，直流電源Vl的負電極與驅(qū)動控制電路10的共用連接部BP連接，提供驅(qū)動控制電路10的基準電位，驅(qū)動器DR的兩個輸入部分別與直流電源Vl的正電極以及共用連接部BP連接。關(guān)于IGBT1，為了檢測過電流，成為如下結(jié)構(gòu)具有流過主電流的主元件和以流過主電流的一部分的方式構(gòu)成的電流感應(yīng)元件，從電流感應(yīng)元件的輸出端子(感應(yīng)發(fā)射極)輸出感應(yīng)電流。在電流感應(yīng)元件中，集電極(漏扱)與主元件共用，并且，以與主元件的發(fā)射極(源扱)的面積成預定的面積比的方式設(shè)定發(fā)射極(源扱)的面積，使得流過的感應(yīng)電流與主電流為一定的分流比。電流檢測電路C3具有發(fā)射極與IGBTl的感應(yīng)發(fā)射極SE連接且基極接地的PNP晶體管Q5 ;—端與PNP晶體管Q5的集電極連接且另一端與共用連接部BP連接的電流檢測電阻SR。并且，將由電流檢測電阻SR產(chǎn)生的以共用連接部BP為基準的電位差作為電流檢測電壓Vs。過電流判定電路C2具有將共用連接部BP的電位作為基準電位并根據(jù)電源電位Vc進行動作的比較器CP，比較器CP的一個輸入連接到PNP晶體管Q5的集電極和電流檢測電阻SR的一端的連接節(jié)點ND，比較器CP的一個輸入與供給任意的閾值電壓的直流電源V3的正電極連接，直流電源V3的負電極與共用連接部BP連接。并且，在比較器CP中，進行電流檢測電壓Vs和閾值電壓的比較，根據(jù)兩者的大小關(guān)系，判定在IGBTl中是否流過過電流，其結(jié)果被提供給驅(qū)動電路Cl并被用于驅(qū)動器DR的控制。并且，在電流檢測電壓Vs表示過電流水平的情況下，進行使IGBTl截止等的控制，但是，與本發(fā)明的關(guān)系不大，所以，省略進ー步的說明。
此外，驅(qū)動電路Cl中所包含的直流電源V2的正電極接地，負電極與共用連接部BP連接。并且，直流電源V2的正電極與IGBTl的發(fā)射極E都接地。并且，也能夠使用P溝道MOSFET晶體管代替PNP晶體管Q5。在該情況下，IGBTl以外的晶體管也由MOSFET構(gòu)成。〈裝置動作〉
然后，對功率模塊100的電流檢測動作進行說明。在功率模塊100中，驅(qū)動控制電路10具有獨自的共用連接部BP，從直流電源V2對其施加負偏壓，由此，作為驅(qū)動電路基準電位(第二基準電位)。并且，直流電源Vl將驅(qū)動電路基準電位作為基準對驅(qū)動器DR進行驅(qū)動，所以，對IGBTl的柵極施加正偏壓以及負偏壓作為控制信號。并且，直流電源V2設(shè)定負電位，所以，有時也稱為電位設(shè)定單元。在圖3中示出這樣對IGBTl的柵極施加正偏壓以及負偏壓的情況下的功率模塊100的電流檢測動作的仿真結(jié)果。并且，圖2是特別指定用于進行該仿真的電流檢測電路C3以及驅(qū)動電路Cl的結(jié)構(gòu)要素并設(shè)定了仿真條件的圖。并且，在圖2中，對與圖I相同的結(jié)構(gòu)標注相同的附圖標記，省略重復的說明。在圖2中，IGBTl被分為主元件MT和電流感應(yīng)元件ST，將主元件MT的柵極-發(fā)射極間電壓(柵極電壓)表示為Vge、將集電扱-發(fā)射極間電壓表示為Vce。此外，將流過IGBTl整體的電流表示為主電流Ic，將流過電流感應(yīng)元件ST的電流表示為感應(yīng)電流Is。此夕卜，將流過PNP晶體管Q5的電流表示為電流Ie。在驅(qū)動電路Cl中，驅(qū)動器DR具有NPN晶體管Ql，集電極與直流電源Vl的正電極連接，并且，發(fā)射極經(jīng)由電阻Rl與電流感應(yīng)元件ST的柵極連接；PNP晶體管Q2，集電極與共用連接部BP連接，并且，發(fā)射極經(jīng)由電阻R2與電流感應(yīng)元件ST的柵極連接；脈沖信號源VP,對NPN晶體管Ql以及PNP晶體管Q2的基極提供從OV到20V的高度的脈沖信號。脈沖信號源VP與共用連接部BP連接，將驅(qū)動電路基準電位作為基準。并且，電阻Rl是對IGBTl的導通時的開關(guān)速度進行設(shè)定的電阻，電阻R2是對IGBTl的截止時的開關(guān)速度進行設(shè)定的電阻。此外，直流電源Vl是產(chǎn)生20V作為電位B的電源，直流電源V2是產(chǎn)生一 5V作為電位A的電源。此外，主電源電位VCC設(shè)定為200V。此外，IGBTl的集電極和主電源PW的正電極之間的負載的電感LI被設(shè)定為500 u H，電流檢測電阻SR的電阻值被設(shè)定為12 Q。關(guān)于以圖2所示的仿真條件進行的仿真的結(jié)果，在圖3的(a)部示出柵極電壓Vge的波形，在圖3的(b)部示出集電極-發(fā)射極間電壓Vce以及主電流Ic的波形，在圖3的(c)部示出感應(yīng)電流Is的波形，在圖3的⑷部示出流過PNP晶體管Q5的電流Ie的波形，在圖3的(e)部示出電流檢測電壓Vs的波形。IGBTl根據(jù)圖3的(a)部所示的脈沖信號即柵極電壓Vge的上升沿以及下降沿進行導通、截止，IGBTl導通，由此，如圖3的(b)部所示，流過主電流Ic，同時，如圖3的(c)部所示，流過感應(yīng)電流Is。與該感應(yīng)電流Is同樣地,如圖3的(d)部所示,在PNP晶體管Q5中流過電流Ie，與此對應(yīng)地，如圖3的(e)部所示，得到電流檢測電壓Vs。此處，如圖3的(a)部所示，柵極電壓Vge成為不僅施加從OV到15V的正偏壓而且施加從OV到一 5V的負偏壓的脈沖波形。這樣，將由正偏壓以及負偏壓形成的脈沖信號 用作柵極電壓，由此，能夠更加可靠地進行IGBTl的截止動作。S卩，即使是僅由正偏壓形成的脈沖信號，如果IGBT的柵極-發(fā)射極間電壓為IGBT的閾值電壓以下，則能夠使IGBT截止，但是，如果是包含負偏壓而形成的脈沖信號，則能夠更可靠地使IGBT截止。此外，在將由正偏壓以及負偏壓形成的脈沖信號用作柵極電壓的情況下，與使用僅由正偏壓形成的脈沖信號的情況相比，具有如下優(yōu)點即使在IGBT等功率用開關(guān)器件的導通電壓較低的情況下，也難以進行誤動作。此外，在功率用開關(guān)器件的導通電壓較低的情況下，當將電流檢測電阻連接到電流感應(yīng)元件時,施加在主元件和電流感應(yīng)元件的柵極的電壓產(chǎn)生電流檢測電阻的電壓降的量的電壓差(△ Vge)。對 于電流檢測電阻的電壓降來說，電流越流過越變大，所以，在檢測過電流時變得特別大，AVge也變大，電流分流比發(fā)生變動。其結(jié)果是，不能夠得到正確的感應(yīng)電流，但是，由于在IGBTl的感應(yīng)發(fā)射極SE連接有PNP晶體管Q5，所以，感應(yīng)發(fā)射極SE的電壓變動由于PNP晶體管Q5的導通電阻而被抑制為例如0. 7V左右。其結(jié)果是，AVge被抑制為0. 7V左右并穩(wěn)定，感應(yīng)電流的檢測精度提高。此外，與電流檢測電阻SR的電阻值無關(guān)地，AVge被抑制為0. 7V左右，所以，不需要考慮在主元件MT和電流感應(yīng)元件ST中電流分流比發(fā)生變動，能夠任意設(shè)定電流檢測電阻SR的電阻值，所以，能夠通過使電流檢測電阻SR的電阻值增大而防止誤檢測。此外，在過電流判定電路C2中，利用比較器CP對電流檢測電壓Vs和任意的閾值電壓進行比較，從而判定過電流狀態(tài)，但是，由于該閾值電壓是以成為最低電位(負電位)的共用連接部BP的電位即驅(qū)動電路基準電位為基準而得到的，所以，即使直流電源Vl發(fā)生變動，驅(qū)動電路基準電位也不變動，能夠進行高精度的電流檢測。并且，當直流電源V2的電壓發(fā)生變動吋，驅(qū)動電路基準電位也發(fā)生變動，但是，當驅(qū)動電路基準電位發(fā)生變動吋，不僅是直流電源V3，所有的電路的基準電位同樣地變動，所以，相對的變動為零，能夠維持高精度的電流檢測。<實施方式2>
<裝置結(jié)構(gòu)>
圖4是示出本發(fā)明的實施方式2的功率模塊200的結(jié)構(gòu)的電路圖。如圖4所示，在功率模塊200中，具有通過對供給到IGBTl的柵極-發(fā)射極間的電壓(柵極電壓)進行控制從而將IGBTl驅(qū)動為導通狀態(tài)或者截止狀態(tài)的驅(qū)動控制電路20。并且，對與圖I所示的功率模塊100相同的結(jié)構(gòu)標注相同的附圖標記，并省略重復的說明。在驅(qū)動控制電路20中具有將直流電源Vl作為驅(qū)動電源的驅(qū)動電路Cl ;過電流判定電路C2 ;電流檢測電路C4。與圖I所示的驅(qū)動控制電路10的不同點在于該電流檢測電路C4。電流檢測電路C4具有發(fā)射極與IGBTl的感應(yīng)發(fā)射極SE連接的PNP晶體管Q3以及Q4 ，一端與PNP晶體管Q4的集電極連接并且另一端與共用連接部BP連接的電流檢測電阻SR。PNP晶體管Q3以及Q4的基極共用并且連接到PNP晶體管Q3的集電極，PNP晶體管Q3以及Q4構(gòu)成電流鏡電路。此外，PNP晶體管Q3的集電極接地，直流電源V2的負電極與共用連接部BP連接，直流電源V2的正電極與IGBTl的發(fā)射極E都接地。此外，PNP晶體管Q4的集電極和電流檢測電阻SR的一端的連接節(jié)點ND連接到比較器CP的ー個輸入。
<裝置動作>
然后，對功率模塊200的電流檢測動作進行說明。在功率模塊200中，驅(qū)動控制電路20具有獨自的共用連接部BP，從直流電源V2對其施加負偏壓，由此，作為驅(qū)動電路基準電位。并且，直流電源Vl將驅(qū)動電路基準電位作為基準對驅(qū)動器DR進行驅(qū)動，所以，對IGBTl的柵極施加正偏壓以及負偏壓作為控制信號。
這樣，在圖6中示出對IGBTl的柵極施加正偏壓以及負偏壓的情況下的功率模塊200的電流檢測動作的仿真結(jié)果。并且，圖5是特別指定用于進行該仿真的電流檢測電路C4以及驅(qū)動電路Cl的結(jié)構(gòu)要素并設(shè)定了仿真條件的圖。并且，在圖5中，對與圖I相同的結(jié)構(gòu)標注相同的附圖標記，使仿真條件也相同，省略重復的說明。在圖5中，將流過IGBTl整體的電流表示為主電流Ic，將流過電流感應(yīng)元件ST的電流表示為感應(yīng)電流Is，將分別流過PNP晶體管Q3以及Q4的電流表示為電流Ie。并且，PNP晶體管Q3以及Q4的晶體管特性相同，電流Ie是感應(yīng)電流Is的二分之一。關(guān)于以圖5所示的仿真條件進行仿真的結(jié)果，在圖6的(a)部示出柵極電壓Vge的波形，在圖6的(b)部示出集電極-發(fā)射極間電壓Vce以及主電流Ic的波形，在圖6的(c)部示出感應(yīng)電流Is的波形，在圖6的(d)部示出流過PNP晶體管Q4的電流Ie的波形，在圖6的(e)部示出電流檢測電壓Vs的波形。IGBTl根據(jù)圖6的(a)部所示的脈沖信號即柵極電壓Vge的上升沿以及下降沿進行導通、截止，IGBTl導通，由此，如圖6的(b)部所示，流過主電流Ic，同時，如圖6的(c)部所示，流過感應(yīng)電流Is。并且,如圖6的(d)部所示,感應(yīng)電流Is的約一半的電流Ie流過PNP晶體管Q4，與此相對應(yīng)地，如圖6的(e)部所示，得到電流檢測電壓Vs。這樣，在驅(qū)動控制電路20中，由電流鏡電路接受IGBTl的感應(yīng)發(fā)射極SE的輸出，由此，使感應(yīng)電流Is的約一半的電流Ie流過電流檢測電阻SR，所以，能夠減小電流檢測電阻SR的消耗功率。例如，如果主電流Ic為100A、電流感應(yīng)元件與主元件的分流比為1/10000并且判斷為在電流檢測電壓Vs為0. 5V的情況下是過電流，則在實施方式I的驅(qū)動控制電路10中，電流檢測電阻SR的消耗功率為VsXIs=O. 5X (100/10000) =5mW。另ー方面，在驅(qū)動控制電路20中，電流檢測電阻SR的消耗功率為VsX (1/2) Is=O. 5X (50/10000)=2. 5mW。這樣，通過采用由電流鏡電路接受IGBTl的感應(yīng)發(fā)射極SE的輸出的結(jié)構(gòu)，并且，通過變更電流鏡電路的晶體管尺寸(尺寸比)或者設(shè)置多個生成鏡像電流的晶體管，由此，能夠任意地變更流過電流檢測電阻SR的電流。例如，當使PNP晶體管Q4與PNP晶體管Q3的尺寸比為十比ー時，在PNP晶體管Q4中流過感應(yīng)電流Is的約十分之一的電流Ie0<變形例1>
在以上說明的實施方式1、2中，從直流電源V2對共用連接部BP施加負偏壓，由此，作為驅(qū)動電路基準電位，但是，可以是代替直流電源V2而通過對直流電源Vl的電位B進行電阻分割來得到負偏壓的的結(jié)構(gòu)，也可以是利用齊納ニ極管得到負偏壓的結(jié)構(gòu)。因此，在圖7中示出利用電阻分割得到負偏壓的結(jié)構(gòu)，在圖8中示出利用電阻和齊納ニ極管得到負偏壓的結(jié)構(gòu)。并且，在圖7和圖8中，對與圖2以及圖5所示的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)標注相同的附圖標記，省略重復的說明。在圖7所示的功率模塊100A中，對直流電源Vl的電位B進行分割的電阻R4以及R5在直流電源Vl的正電極和共用連接部BP之間以電阻R4、R5的順序串聯(lián)插入，電阻R4和R5的連接節(jié)點連接到PNP晶體管Q5的基板，與IGBTl的發(fā)射極E —起被接地。在這樣的結(jié)構(gòu)中，具有如下優(yōu)點能夠以電位A為基準對共用連接部BP施加由電阻分割比決定的負偏壓例如一 5V，不需要直流電源V2。并且，能夠利用電阻R4、R5設(shè)定負電位，所以，將它們稱為電位設(shè)定單元PS。
在圖8所示的功率模塊100B中，在直流電源Vl的正電極和共用連接部BP之間依次串聯(lián)插入電阻R4、齊納ニ極管Z1。并且，齊納ニ極管Zl的陽極與共用連接部BP連接，齊納ニ極管Zl的陰極與電阻R4連接，其連接節(jié)點與PNP晶體管Q5的基極連接，與IGBTl的發(fā)射極E —起被接地。在這樣的結(jié)構(gòu)中，具有如下優(yōu)點能夠以電位A為基準對共用連接部BP施加由齊納ニ極管Zl的齊納電壓決定的負偏壓例如一 5V，不需要直流電源V2。并且，利用齊納ニ極管Zl的齊納電壓規(guī)定負偏壓，所以，通過使用具有所希望的齊納電壓的齊納ニ極管，能夠容易地設(shè)定負偏壓。并且，由于能夠利用電阻R4、齊納ニ極管Zl設(shè)定負電位，所以，將它們稱為電位設(shè)定單元PS。并且，圖7、圖8示出了功率模塊100的變形例，但是，也可以應(yīng)用于功率模塊200。<變形例2>
在實施方式I的功率模塊100中，示出將直流電源V2的正電極連接到PNP晶體管Q5的基極的結(jié)構(gòu)，在實施方式2的功率模塊200中，示出了將直流電源V2的正電極連接到PNP晶體管Q3的集電極的結(jié)構(gòu)，但是，如圖2以及圖5所示，電流感應(yīng)元件ST的柵極電壓(柵極-發(fā)射極間電壓)比主元件MT的柵極電壓(柵極-發(fā)射極間電壓)低PNP晶體管Q5以及PNP晶體管Q4的基極-發(fā)射極間電壓的量即0. 7V左右。因此，存在電流感應(yīng)元件ST與主元件MT的的電流分流比發(fā)生變動且電流檢測精度下降的可能性。為了避免這個問題，也可以采用圖9以及圖10所示的結(jié)構(gòu)。S卩，在圖9中示出將使直流電源V2的電位A降低預定電位后的電位D提供給PNP晶體管Q5的基極的功率模塊100C的結(jié)構(gòu)，在圖10中示出將使直流電源V2的電位A降低預定電位后的電位D提供給PNP晶體管Q4的基極的功率模塊200A的結(jié)構(gòu)。并且，在圖9以及圖10中，對與圖2以及圖5所示的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)標注相同的附圖標記，省略重復的說明。在圖9示出的功率模塊100C中，在直流電源V2的正電極和共用連接部BP之間依次串聯(lián)插入ニ極管D2、電阻R6，ニ極管D2和電阻R6的連接節(jié)點與PNP晶體管Q5的基極連接。ニ極管D2相對于直流電源V2正向連接，能夠作出使電位A降低了ニ極管的內(nèi)建電壓(pn間電壓)的量即降低了 0. 7V左右的電位D。將其提供給PNP晶體管Q5的基板，由此，電流感應(yīng)元件ST的柵極電壓的降低量被抵消，能夠在主元件MT和電流感應(yīng)元件ST中使柵極電壓(柵極-發(fā)射極間電壓)一致，能夠抑制電流感應(yīng)元件ST與主元件MT的電流分流比變動，能夠進行更加高精度的電流檢測。在圖10所示的功率模塊200A中，在直流電源V2的正電極和共用連接部BP之間依次串聯(lián)插入ニ極管D2、電阻R6，ニ極管D2和電阻R6的連接節(jié)點與PNP晶體管Q4的基極連接。ニ極管D2相對于直流電源V2正向連接，能夠作出使電位A降低了ニ極管的內(nèi)建電壓(pn間電壓)的量即降低了 0. 7V左右的電位D。將其提供給PNP晶體管Q4的基板，由此，電流感應(yīng)元件ST的柵極電壓的降低量被抵消，能夠在主元件MT和電流感應(yīng)元件ST中使柵極電壓(柵極-發(fā)射極間電壓)一致，能夠抑制電流感應(yīng)元件ST與主元件MT的電流分流比變動，能夠進行更加高精度的電流檢測。此外，在圖9以及圖10中示出了在直流電源V2的正電極和共用連接部BP之間串聯(lián)插入了ニ極管D2、電阻R6的結(jié)構(gòu)，但是，如圖11以及圖12所示，也可以是使用連接成ニ極管的晶體管來代替ニ極管D2的結(jié)構(gòu)。在圖11所示的功率模塊100D中，在直流電源V2的正電極和共用連接部BP之間依次串聯(lián)插入PNP晶體管Q6、電阻R6，PNP晶體管Q6的發(fā)射極與基極連接，PNP晶體管Q6起到ニ極管的作用。PNP晶體管Q6和電阻R6的連接節(jié)點與PNP晶體管Q5的基極連接。 此外，在圖12所示的功率模塊200B中，在直流電源V2的正電極和共用連接部BP之間依次串聯(lián)插入PNP晶體管Q6、電阻R6，PNP晶體管Q6的發(fā)射極與基極連接，PNP晶體管Q6起到ニ極管的作用。PNP晶體管Q6和電阻R6的連接節(jié)點與PNP晶體管Q4的基極連接。采用這樣的結(jié)構(gòu)，由此，與使用ニ極管的情況同樣地，能夠作出使電位A降低了內(nèi)建電壓的量的電位D。除此以外，由與PNP晶體管Q5或PNP晶體管Q4相同的晶體管(如果可能，則為相同的制造批次的晶體管)構(gòu)成PNP晶體管Q6，由此，晶體管間的溫度特性或エ藝偏差所帯來的個體差異較小，能夠使PNP晶體管Q6的電壓降與PNP晶體管Q5以及PNP晶體管Q4的電壓降相同，能夠進行更加高精度的電流檢測。<功率模塊的智能化>
在實施方式I以及2中分別說明的功率模塊100以及200中，由除了 IGBT1、續(xù)流ニ極管2、提供主電源電位VCC的電源以及直流電源Vl以外的結(jié)構(gòu)構(gòu)成驅(qū)動控制電路10以及20，但是，也可以是將該驅(qū)動控制電路10以及20的整體或者一部分內(nèi)置在控制IC中的結(jié)構(gòu)。將這樣的把控制IC、IGBT1、續(xù)流ニ極管2集成在一個封裝中的模塊稱為智能功率模塊(IPM)。對驅(qū)動控制電路10以及20進行IC化，由此，能夠縮小電路規(guī)模，使功率模塊100以及200整體小型化。此外，將驅(qū)動控制電路10以及20的整體進行IC化，由此，由IGBT1、續(xù)流ニ極管2和驅(qū)動控制電路10或者20構(gòu)成功率模塊，所以，部件件數(shù)變少，部件的個體差異差也變小，不良率降低。此外，部件件數(shù)變少，由此，組裝錯誤也減少，在組裝時成為不良的概率降低，不良率降低。此外，如果部件件數(shù)變少，則部件管理或組裝變?nèi)菀?，也能夠降低制造成本。此外，部件件?shù)變少，由此，如果部件的個體差異減小，則還能夠提高電流檢測的精度。此處，作為對驅(qū)動控制電路10以及20的一部分進行IC化的例子，在對構(gòu)成驅(qū)動器DR的NPN晶體管Ql以及PNP晶體管Q2進行IC化的情況下，除了 NPN晶體管Ql以及PNP晶體管Q2，考慮電阻Rl以及R2也進行IC化的情況。此外，在對NPN晶體管Ql以及PNP晶體管Q2、直流電源Vl進行IC化的情況下，除了 NPN晶體管Ql以及PNP晶體管Q2、直流電源VI，考慮電阻Rl以及R2也進行IC化的情況。直流電源Vl作為調(diào)節(jié)器(regulator)內(nèi)置在IC中。此外，也考慮電流檢測電阻SR以外的驅(qū)動控制電路10以及20的結(jié)構(gòu)進行IC化的情況。關(guān)于電流檢測電阻SR，為了進行高精度的檢測，必須嚴格地設(shè)定電阻值，若進行IC化，則不能夠變更，所以，希望是分離的結(jié)構(gòu)。這在對IGBTl的開關(guān)速度進行設(shè)定的電阻Rl以及R2中也是相同的，在按各產(chǎn)品對開關(guān)速度進行變更的情況下具備該結(jié)構(gòu)，有時也做成將電阻Rl以及R2分離的結(jié)構(gòu)。<具有寬帶隙的半導體的使用> 在實施方式I以及2中所說明的功率模塊100以及200中，并沒有提及IGBTl以及續(xù)流ニ極管2的材質(zhì)，但是，可以將IGBTl以及續(xù)流ニ極管2構(gòu)成為在硅(Si)基板上形成的硅半導體裝置，但是，IGBTl為硅半導體裝置、續(xù)流ニ極管2為在碳化硅(SiC)基板上形成的碳化硅半導體裝置或在由氮化鎵(GaN)類材料構(gòu)成的基板上形成的氮化鎵半導體裝置也可以。SiC和GaN是寬帶隙半導體，由寬帶隙半導體構(gòu)成的半導體裝置的耐電壓性較高，允許電流密度也較高，所以，與硅半導體裝置相比，能夠小型化，使用這些小型化了的半導體裝置，由此，組裝了這些的功率模塊的能夠小型化。此外，耐熱性也較高，所以，也能夠使散熱器的散熱片小型化或不是用水冷而是用空氣冷卻進行冷卻，能夠使功率模塊進一歩小型化。此外，與硅半導體裝置相比被小型化，所以，如果是相同的額定值，則驅(qū)動控制電路10以及20也能夠小型化。反之，將續(xù)流ニ極管2構(gòu)成為硅半導體裝置并且使IGBTl等開關(guān)器件(包括雙極晶體管或M0SFET)為碳化硅半導體裝置或氮化鎵半導體裝置等寬帶隙半導體裝置也可以。在該情況下，也得到與上述相同的效果。此外，在開關(guān)器件為硅半導體裝置的情況下，導通電壓較低，所以，由于主元件和電流感應(yīng)元件的柵極的電壓差(AVge)，電流分流比容易發(fā)生變動，但是，在使寬帶隙半導體裝置為開關(guān)器件的情況下，導通電壓變高，AVge所引起的電流分流比的變動被抑制，能夠期待電流檢測精度的提高。當然，也可以由寬帶隙半導體裝置構(gòu)成IGBTl以及續(xù)流ニ極管2這二者?！碦C-IGBT 的使用 >
在實施方式I以及2中所說明的功率模塊100以及200中，示出了續(xù)流ニ極管2反向并聯(lián)連接到IGBTl的結(jié)構(gòu)，但是，也可以使用以一體的方式具有IGBT和與其反向并聯(lián)連接的ニ極管的 RC-IGBT (反向?qū)?IGBT :Reverse Conducting Insulated Gate BipolarTransistor)來代替IGBTl以及續(xù)流ニ極管2。此處，使用圖13對RC-IGBT的結(jié)構(gòu)進行說明。圖13示出組裝了 IGBT和ニ極管的半導體芯片31的剖視圖，半導體芯片31使用n_基板32形成。在n_基板32上設(shè)置有包括n型雜質(zhì)的n型雜質(zhì)層33，在其上選擇性地設(shè)置有包括p型雜質(zhì)的p基極層34。在p基極層34上選擇性地形成有包括高濃度的n型雜質(zhì)的發(fā)射極區(qū)域35。形成有從發(fā)射極區(qū)域35開始貫通p基極層34、n型雜質(zhì)層33到達n_基板32的槽36。在槽36的內(nèi)壁形成有柵極絕緣膜37，進而在其內(nèi)側(cè)形成有多晶硅的柵極電極38。在發(fā)射極區(qū)域35之上設(shè)置有層間絕緣膜39。以與發(fā)射極區(qū)域35的一部分和p基極層34接觸的方式設(shè)置有發(fā)射極電極40。在n_基板32的背面設(shè)置有n+陰極層41和p+集電極層42，在這些層的背面設(shè)置有集電極電極43。在該結(jié)構(gòu)中，在存在n+陰極層41的區(qū)域構(gòu)成ニ極管，在存在P+集電極層42的區(qū)域構(gòu)成IGBT。這樣，IGBT和與該IGBT反向井聯(lián)連接的ニ極管形成在同一芯片內(nèi)，構(gòu)成RC-IGBT。對于圖13所示的半導體芯片31的ニ極管來說，在p基極層34和n型雜質(zhì)層33之間的電壓超過pn結(jié)的內(nèi)建電位時導通。當IGBT的柵極導通時，n型雜質(zhì)層33和發(fā)射極區(qū)域35之間導通，成為相同電位。但是，發(fā)射極區(qū)域35取得與p基極層34共用的接觸，所以，通過使柵極導通，從而電壓難以施加到由P基極層34和n型雜質(zhì)層33形成的pn結(jié)。因此，難以發(fā)生pn結(jié)的空穴注入，正向電壓降(Vf)上升。這樣，使用將IGBT和ニ極管形成在同一芯片內(nèi)的RC-IGBT，由此，與使用単獨的IGBT和ニ極管的情況相比，部件件數(shù)變得更少，功率模塊的組裝性提高。并且，RC-IGBT可以構(gòu)成為硅半導體裝置，但是，也可以構(gòu)成為碳化硅半導體裝置或氮化鎵半導體裝置。附圖標記說明
Cl驅(qū)動電路
C2過電流判定電路 C3、C4電流檢測電路 SR電流檢測電阻
10、20驅(qū)動控制電路。
權(quán)利要求
1.ー種功率模塊，其特征在于，具有 功率用開關(guān)半導體裝置，具有流過主電流的主元件和以流過所述主電流的一部分的方式構(gòu)成的電流感應(yīng)元件，從所述電流感應(yīng)元件的輸出端子輸出感應(yīng)電流； 電流檢測電路，具有第一主電極與所述電流感應(yīng)元件的所述輸出端子連接的第一晶體管和一端與所述第一晶體管的第二主電極連接且另一端與共用連接部連接的電流檢測電阻，所述第一晶體管的控制電極連接到第一基準電位； 過電流判定電路，將由所述電流檢測電阻產(chǎn)生的以所述共用連接部為基準的電位差作為電流檢測電壓進行檢測，與預定的閾值電壓進行比較，根據(jù)兩者的大小關(guān)系，判定在所述功率用開關(guān)半導體裝置中是否流過過電流；以及 驅(qū)動電路，生成提供給所述功率用開關(guān)半導體裝置的控制電極的控制信號。
2.如權(quán)利要求I所述的功率模塊，其特征在干， 所述第一晶體管相當于接受來自所述電流感應(yīng)元件的所述感應(yīng)電流的電流鏡電路的鏡像電流流過的晶體管， 所述電流鏡電路具有第一主電極與所述電流感應(yīng)元件的所述輸出端子連接并且第二主電極與所述第一基準電位連接的第二晶體管， 所述第一以及第二晶體管的控制電極共用并且與所述第一基準電位連接。
3.如權(quán)利要求I所述的功率模塊，其特征在干， 所述驅(qū)動電路具有第一電源，以與所述第一基準電位不同的第二基準電位為基準；電位設(shè)定單元，以所述第一基準電位為基準，生成所述第二基準電位， 對所述共用連接部提供所述第二基準電位， 使所述第一基準電位為接地電位，所述電位設(shè)定單元對所述接地電位提供負的電位，作為所述控制信號，將正偏壓以及負偏壓提供給所述功率用開關(guān)半導體裝置的所述控制電極。
4.如權(quán)利要求3所述的功率模塊，其特征在干， 所述電位設(shè)定單元將以所述接地電位為基準對所述第一電源的電位進行電阻分割所得到的負的電位作為所述第二基準電位提供給所述共用連接部。
5.如權(quán)利要求3所述的功率模塊，其特征在干， 所述電位設(shè)定單元將以所述接地電位為基準并利用齊納ニ極管的齊納電壓對所述第一電源的電位進行規(guī)定所得到的負的電位作為所述第二基準電位提供給所述共用連接部。
6.如權(quán)利要求3所述的功率模塊，其特征在干， 所述驅(qū)動電路在所述第一基準電位和所述第二基準電位之間還具有以相對于所述第一基準電位為正向的方式連接的ニ極管元件和電阻的串聯(lián)連接， 所述第一晶體管的所述控制電極連接到所述ニ極管元件和所述電阻的連接節(jié)點。
7.如權(quán)利要求6所述的功率模塊，其特征在干， 所述ニ極管元件是由與所述第一晶體管相同的第三晶體管連接成ニ極管所得到的ニ極管元件。
8.如權(quán)利要求3 7的任意一項所述的功率模塊,其特征在于， 包括除了所述電流檢測電路、所述過電流判定電路以及所述第一電源以外的所述驅(qū)動電路的驅(qū)動控制電路的整體或者一部分被集成電路化。
9.如權(quán)利要求I所述的功率模塊，其特征在于， 還具有與所述功率用開關(guān)半導體裝置反向并聯(lián)連接的功率用二極管， 所述功率用二極管是在碳化硅基板上形成的碳化硅二極管或者在由氮化鎵類材料構(gòu)成的基板上形成的氮化鎵二極管。
10.如權(quán)利要求I或9所述的功率模塊，其特征在于， 所述功率用開關(guān)半導體裝置是在碳化硅基板上形成的碳化硅開關(guān)半導體裝置或者在由氮化鎵類材料構(gòu)成的基板上形成的氮化鎵開關(guān)半導體裝置。
11.如權(quán)利要求I所述的功率模塊，其特征在于， 所述功率用開關(guān)半導體裝置包括在半導體基板上一體形成有絕緣柵型雙極晶體管和與其反向并聯(lián)連接的二極管的反向?qū)ń^緣柵型雙極晶體管， 所述反向?qū)ń^緣柵型雙極晶體管是在硅基板上形成的反向?qū)ń^緣柵型雙極晶體管、在碳化硅基板上形成的碳化硅反向?qū)ń^緣柵型雙極晶體管以及在由氮化鎵類材料構(gòu)成的基板上形成的氮化鎵反向?qū)ń^緣柵型雙極晶體管的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種功率模塊，在利用電阻檢測感應(yīng)電流的情況下，在使用電流鏡電路檢測感應(yīng)電流的情況下，都不引起誤檢測或電流檢測精度的下降。電流檢測電路(C3)具有發(fā)射極連接到IGBT(1)的電流感應(yīng)元件(ST)的感應(yīng)發(fā)射極的晶體管(Q5)和一端與晶體管(Q5)的集電極連接且另一端與共用連接部(BP)連接的電流檢測電阻(SR)、并且將晶體管(Q5)的基極連接到GND，將利用電流檢測電阻(SR)產(chǎn)生的以共用連接部(BP)為基準的電位差作為電流檢測電壓(Vs)進行檢測，與預定的閾值電壓進行比較，根據(jù)兩者的大小關(guān)系判定過電流是否流過IGBT(1)。
文檔編號H02M1/08GK102655367SQ201110397860
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者井上貴公, 折田昭一, 玉木恒次, 魚田紫織 申請人:三菱電機株式會社