电压生成电路及半导体模块的制作方法

1.本发明涉及电压生成电路及半导体模块。


背景技术：

2.对电动机等电感负载进行三相逆变控制的功率半导体模块具有上侧开关元件(高电位侧开关元件)与下侧开关元件(低电位侧开关元件)彼此串联连接的电路结构。高电位侧开关元件由高电位侧驱动电路控制，低电位侧开关元件由低电位侧驱动电路控制。
3.通常，用于使低电位侧驱动电路进行动作的控制电源电压是将开关元件的gnd电位作为基准而从外部施加的。用于使高电位侧驱动电路进行动作的控制电源电压有时是根据该低电位侧驱动电路用的控制电源电压生成的。该高电位侧驱动电路用的控制电源电压是将高电位侧开关元件与低电位侧开关元件之间的电位作为基准的电位，需要比低电位侧驱动电路用的控制电源电压高的电位。在该高电位侧驱动电路用的控制电源电压的生成中使用自举电路(例如，参照专利文献1)。
4.专利文献1：日本特开2016-201661号公报
5.在自举电路中设置有自举二极管以及用于针对过电流的保护的限制电阻。在生成高电位侧驱动电路用的控制电源电压时，产生与自举二极管的正向电压对应的电压降以及由限制电阻引起的电压降。其结果，有时高电位侧驱动电路用的控制电源电压脱离适当的电压范围，高电位侧开关元件的特性与低电位侧开关元件的特性相比变差。


技术实现要素：

6.本发明为了解决上述课题，提供将适当的控制电源电压施加于高电位侧驱动电路而改善高电位侧开关元件的特性的电压生成电路。
7.本发明涉及的电压生成电路生成用于使高电位侧驱动电路进行动作的高电位侧驱动电路用控制电源电压，该高电位侧驱动电路对彼此串联连接的高电位侧开关元件以及低电位侧开关元件中的高电位侧开关元件的状态进行控制。电压生成电路包含自举电路和降压电路。自举电路包含二极管和与该二极管串联连接的电流限制电阻，该二极管具有与被施加高电位侧驱动电路用控制电源电压的高电位侧驱动电路的高电位侧连接的阴极。降压电路与高电位侧开关元件的高电位侧和自举电路的输入侧连接。降压电路将对施加于高电位侧开关元件的高电位侧的电源电压进行降压而生成的已补偿电源电压输出至自举电路。该已补偿电源电压是用于经由自举电路而生成高电位侧驱动电路用控制电源电压的电压。降压电路生成向用于使控制低电位侧开关元件的状态的低电位侧驱动电路进行动作的低电位侧驱动电路用控制电源电压加上与由二极管和电流限制电阻引起的电压降对应的补偿电压后的已补偿电源电压。
8.发明的效果
9.根据本发明，提供了将适当的控制电源电压施加于高电位侧驱动电路而改善高电位侧开关元件的特性的电压生成电路。
10.本发明的目的、特征、方案以及优点通过以下的详细说明和附图变得更清楚。
附图说明
11.图1是表示实施方式1中的电压生成电路以及具有该电压生成电路的半导体模块的电路结构的图。
12.图2是表示实施方式2中的电压生成电路以及具有该电压生成电路的半导体模块的电路结构的图。
13.图3是表示实施方式3中的电压生成电路以及具有该电压生成电路的半导体模块的电路结构的图。
14.图4是表示实施方式3中的升压电路的一个例子的电路图。
15.图5是表示实施方式3中的升压电路的动作例的图。
16.图6是表示实施方式4中的电压生成电路以及具有该电压生成电路的半导体模块的电路结构的图。
具体实施方式
17.＜实施方式1＞
18.图1是表示实施方式1中的电压生成电路100以及具有该电压生成电路100的半导体模块200的电路结构的图。
19.半导体模块200包含高电位侧开关元件pwrtr1、低电位侧开关元件pwrtr2、高电位侧驱动电路(high voltage integrated circuit，hvic)、低电位侧驱动电路(low voltage integrated circuit，lvic)以及电压生成电路100。
20.高电位侧开关元件pwrtr1和低电位侧开关元件pwrtr2彼此串联连接。高电位侧开关元件pwrtr1以及低电位侧开关元件pwrtr2例如由si等半导体或者sic、gan等所谓的宽带隙半导体形成。实施方式1中的高电位侧开关元件pwrtr1以及低电位侧开关元件pwrtr2是n沟道mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)。高电位侧的n沟道mosfet的源极与低电位侧的n沟道mosfet的漏极连接。在半导体模块200对电感负载进行控制的情况下，向高电位侧的n沟道mosfet与低电位侧的n沟道mosfet之间的输出端子连接电感负载。并且，高电位侧的n沟道mosfet的漏极与主电源电压vcc连接，低电位侧的n沟道mosfet的源极与gnd电位连接。电感负载例如是电动机。
21.lvic对低电位侧开关元件pwrtr2的状态(接通状态/断开状态)进行控制。lvic的输出端子与低电位侧开关元件pwrtr2的栅极连接。用于使lvic进行动作的低电位侧驱动电路用控制电源电压vd是从外部施加的。低电位侧驱动电路用控制电源电压vd是将低电位侧开关元件pwrtr2的低电位侧的gnd电位作为基准而确定的。低电位侧驱动电路用控制电源电压vd对应于为了切换低电位侧开关元件pwrtr2的状态所需的电位。lvic基于从处理器等输出的低电位侧控制信号而将低电位侧驱动电路用控制电源电压vd施加于低电位侧开关元件pwrtr2的栅极。
22.hvic对高电位侧开关元件pwrtr1的状态(接通状态/断开状态)进行控制。hvic的输出端子与高电位侧开关元件pwrtr1的栅极连接。用于使hvic进行动作的高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb是根据用于使lvic进行动作的低电位侧驱动电路用控制电源电压vd
以及主电源电压vcc而生成的。高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb是将高电位侧开关元件pwrtr1与低电位侧开关元件pwrtr2之间的电位作为基准而确定的。将该电位称为基准电位vs。高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb对应于为了切换高电位侧开关元件pwrtr1的状态所需的电位。hvic基于从处理器等输出的高电位侧控制信号而将高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb施加于高电位侧开关元件pwrtr1的栅极。
23.电压生成电路100根据低电位侧驱动电路用控制电源电压vd以及主电源电压vcc而生成高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb。电压生成电路100包含自举电路10以及降压电路20。
24.自举电路10包含自举二极管bsd以及电流限制电阻rl。自举电容器bsc设置于半导体模块200的外部。自举电容器bsc的高电位侧以及自举二极管bsd的阴极与hvic的高电位侧连接。自举电容器bsc的低电位侧与hvic的低电位侧连接。即，自举电容器bsc的低电位侧与基准电位vs相等。电流限制电阻rl与自举二极管bsd的阳极串联连接。电流限制电阻rl是为了防止在向自举电容器bsc的充电初期产生的过电流涌入至施加低电位侧驱动电路用控制电源电压vd的电源而设置的。
25.降压电路20连接于高电位侧开关元件pwrtr1的高电位侧即漏极和在自举电路10的输入侧设置的电流限制电阻rl。降压电路20对施加于高电位侧开关元件pwrtr1的漏极的主电源电压vcc进行降压，生成已补偿电源电压vm。在图1中，m点的电压对应于已补偿电源电压vm。已补偿电源电压vm是向低电位侧驱动电路用控制电源电压vd加上与由自举二极管bsd和电流限制电阻rl引起的电压降对应的补偿电压后的电压。此外，由该自举二极管bsd引起的电压降对应于正向电压降vf。“与电压降对应的补偿电压”的值并非必须与由该自举二极管bsd和电流限制电阻rl引起的电压降的值一致。“与电压降对应的补偿电压”是指，相对于该电压降而大于或等于预先确定的下限值。例如，在预先确定的下限值为-10％，电压降为1.0v的情况下，优选补偿电压大于或等于0.9v。预先确定的下限值例如是由根据已补偿电源电压vm生成的高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb的下限值、即用于使高电位侧开关元件pwrtr1适当地进行驱动的栅极电压的范围规定的。降压电路20将该已补偿电源电压vm输出至自举电路10的输入侧。
26.实施方式1中的降压电路20包含双极晶体管tr1、双极晶体管tr2、比较器(或者运算放大器)以及至少1个分压电路。分压电路具有彼此串联连接的多个电阻。这里，1个分压电路包含多个基准电压生成电阻rs，另1个分压电路包含反馈电阻rfb以及电阻rb而作为多个电阻。分压电路对主电源电压vcc的降压等级进行调整。主电源电压vcc通过双极晶体管tr1而被降压，通过反馈电阻rfb和电阻rb而进行电流电压转换。此时，降压电路20通过比较器对分别由电阻rb和基准电压生成电阻rs生成的2个输入电压进行比较。基于其比较结果，决定基准电压生成电阻rs、反馈电阻rfb以及电阻rb的任意者的电阻值。已补偿电源电压vm比低电位侧驱动电路用控制电源电压vd大。优选已补偿电源电压vm是以大于或等于低电位侧驱动电路用控制电源电压vd和与由自举二极管bsd以及电流限制电阻rl引起的电压降对应的电压值之和的方式而由分压电路设定的(vm≥vd vf i
×
rl)。
27.在低电位侧开关元件pwrtr2为接通状态的情况下，自举电容器bsc的低电位侧与gnd电位相等。在自举电容器bsc的高电位侧经由自举电路10而被施加电压。换言之，自举电容器bsc被充电。该电压对应于高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb。高电位侧驱动电路
用控制电源电压vdb(例如，15v)比m点处的已补偿电源电压vm(例如，16v)低了由自举二极管bsd以及电流限制电阻rl引起的电压降的量(例如，1v)。在低电位侧开关元件pwrtr2为断开状态的情况下，自举电容器bsc的低电位侧等于高电位侧开关元件pwrtr1与低电位侧开关元件pwrtr2之间的基准电位vs(例如，600v)。另外，自举二极管bsd被施加反向偏置。因此，高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb(相对于gnd电位为615v，相对于基准电位vs为15v)被从自举电容器bsc施加于hvic。
28.综上所述，实施方式1中的电压生成电路100生成用于使hvic进行动作的高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb，该hvic对彼此串联连接的高电位侧开关元件pwrtr1以及低电位侧开关元件pwrtr2中的高电位侧开关元件pwrtr1的状态进行控制。电压生成电路100包含自举电路10和降压电路20。自举电路10包含自举二极管bsd和电流限制电阻rl。自举二极管bsd具有与被施加高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb的hvic的高电位侧连接的阴极。电流限制电阻rl与自举二极管bsd串联连接。降压电路20连接于高电位侧开关元件pwrtr1的高电位侧和自举电路10的输入侧。降压电路20将对施加于高电位侧开关元件pwrtr1的高电位侧的主电源电压vcc进行降压而生成的已补偿电源电压vm输出至自举电路10。已补偿电源电压vm是用于经由自举电路10而生成高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb的电压。降压电路20生成向低电位侧驱动电路用控制电源电压vd加上与由自举二极管bsd和电流限制电阻rl引起的电压降对应的补偿电压后的已补偿电源电压vm，该低电位侧驱动电路用控制电源电压vd用于使对低电位侧开关元件pwrtr2的状态进行控制的lvic进行动作。
29.这样的电压生成电路100生成比低电位侧驱动电路用控制电源电压vd大的已补偿电源电压vm。已补偿电源电压vm被保持为大于或等于低电位侧驱动电路用控制电源电压vd和与由自举二极管bsd以及电流限制电阻rl引起的电压降对应的电压值之和的电压。电压生成电路100防止生成比预先确定的适当的电压范围低的高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb电压。因此，高电位侧开关元件pwrtr1的驱动特性得到改善。另外，由降压电路20实现的高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb的生成不受由在电荷泵电路等升压电路中可能产生的瞬态响应引起的电位的变化的影响。因此，高电位侧开关元件pwrtr1的驱动特性稳定。
30.在实施方式1中，示出了高电位侧开关元件pwrtr1以及低电位侧开关元件pwrtr2为n沟道mosfet的例子，但高电位侧开关元件pwrtr1以及低电位侧开关元件pwrtr2也可以是n沟道igbt(insulated gate bipolar transistor)。在半导体模块200与电感负载连接的情况下，低电位侧的n沟道igbt的发射极与gnd电位连接，高电位侧的n沟道igbt的集电极与主电源电压vcc连接。另外，在这种情况下，向低电位侧的n沟道igbt以及高电位侧的n沟道igbt各自连接续流二极管。
31.另外，如图1所示，在实施方式1中的降压电路20设置有开关电路25。开关电路25具有减小电流的功能。但是，在双极晶体管tr2是igbt或者mosfet的情况下，不需要该开关电路25。
32.实施方式1中的高电位侧开关元件pwrtr1是mosfet。
33.形成mosfet的半导体芯片尺寸的小型化依赖于饱和电流特性(也称为电流电压特性或id-vds特性。)。电压生成电路100能够使高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb的电位、即施加于高电位侧的mosfet的栅极的电压上升，因此，饱和电流值增大。其结果，实现半
导体芯片的小型化以及低成本化。
34.＜实施方式2＞
35.对实施方式2中的电压生成电路及半导体模块进行说明。实施方式2是实施方式1的下位概念。在实施方式2中，对与实施方式1相同的结构要素标注相同的参照标号，省略它们的详细说明。
36.图2是表示实施方式2中的电压生成电路101以及具有该电压生成电路101的半导体模块201的电路结构的图。
37.实施方式2的降压电路21中的分压电路的电阻值是可变的。例如，反馈电阻rfb、电阻rb以及基准电压生成电阻rs是可变电阻。或者，分压电路也可以是梯形电阻电路。梯形电阻电路具有从多个电阻之间向外部导出的至少1个端子。根据主电源电压vcc而生成补偿电压时的降压等级(主电源电压vcc与补偿电压之间的电位差)通过基准电压生成电阻rs、反馈电阻rfb以及电阻rb中的任意者的电阻值而进行调整。
38.这样的电压生成电路101能够将高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb设定为与高电位侧开关元件pwrtr1的特性相应的任意的电位。例如，在高电位侧开关元件pwrtr1是igbt的情况下，高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb是以使高电位侧开关元件pwrtr1在线性区域中进行驱动的方式而设定的。在高电位侧开关元件pwrtr1是mosfet的情况下，高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb是以通过任意的饱和电流特性进行驱动的方式而设定的。
39.另外，电压生成电路101能够根据半导体模块201的使用用途即驱动条件而从该半导体模块201的外部将高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb设定为任意的值。容易进行升压等级的变更。
40.＜实施方式3＞
41.对实施方式3中的电压生成电路及半导体模块进行说明。在实施方式3中，对与实施方式1或2相同的结构要素标注相同的参照标号，省略它们的详细说明。
42.图3是表示实施方式3中的电压生成电路102以及具有该电压生成电路102的半导体模块202的电路结构的图。
43.半导体模块202包含高电位侧开关元件pwrtr1、低电位侧开关元件pwrtr2、高电位侧驱动电路(hvic)、低电位侧驱动电路(lvic)以及电压生成电路102。
44.实施方式3中的高电位侧开关元件pwrtr1以及低电位侧开关元件pwrtr2是n沟道mosfet。
45.电压生成电路102根据低电位侧驱动电路用控制电源电压vd而生成高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb。电压生成电路102包含自举电路10以及升压电路30。
46.升压电路30与自举电路10的输入侧连接。升压电路30对用于使lvic进行动作的低电位侧驱动电路用控制电源电压vd进行升压，生成已补偿电源电压vm。已补偿电源电压vm与实施方式1同样地，是加上与由自举二极管bsd和电流限制电阻rl引起的电压降对应的补偿电压后的电压。升压电路30将该已补偿电源电压vm输出至自举电路10。
47.图4是表示升压电路30的一个例子的电路图。图5是表示升压电路30的动作例的图。这里，升压电路30是泵升电路。升压电路30对开关电容和输出电容进行共享充电，使低电位侧驱动电路用控制电源电压vd升压。另外，升压电路30包含具有彼此串联连接的多个
电阻的分压电路。分压电路对低电位侧驱动电路用控制电源电压vd的分压进行升压。换言之，由升压电路30实现的升压前后的电位差(升压等级)是通过分压电路而调整的。优选该升压等级是以已补偿电源电压vm大于或等于低电位侧驱动电路用控制电源电压vd和与由自举二极管bsd以及电流限制电阻rl引起的电压降对应的电压值之和的方式而设定的(vm≥vd vf i
×
rl)。
48.分压电路的多个电阻也可以是可变电阻。分压电路也可以是具有从多个电阻之间向外部导出的至少1个端子的梯形电阻电路。
49.在低电位侧开关元件pwrtr2为接通状态的情况下，自举电容器bsc被充电。自举电容器bsc处的高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb(例如，17v)对应于比已补偿电源电压vm(例如，18v)低了由自举二极管bsd和电流限制电阻rl引起的电压降的量(例如，1v)的电压。在低电位侧开关元件pwrtr2为断开状态的情况下，高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb(相对于gnd电位为617v，相对于基准电位vs为17v)从自举电容器bsc被施加于hvic。
50.综上所述，实施方式3中的电压生成电路102包含自举电路10和升压电路30。自举电路10包含自举二极管bsd和电流限制电阻rl。自举二极管bsd具有与被施加高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb的hvic的高电位侧连接的阴极。电流限制电阻rl与自举二极管bsd串联连接。升压电路30与自举电路10的输入侧连接。升压电路30对低电位侧驱动电路用控制电源电压vd进行升压而生成已补偿电源电压vm。升压电路30将已补偿电源电压vm输出至自举电路10。升压电路30生成向低电位侧驱动电路用控制电源电压vd加上与由自举二极管bsd和电流限制电阻rl引起的电压降对应的补偿电压后的已补偿电源电压vm。升压电路30包含分压电路。分压电路具有彼此串联连接的多个电阻，对低电位侧驱动电路用控制电源电压vd的升压等级进行调整。
51.这样的电压生成电路102的电路结构简单。因此，搭载于半导体模块202的部件数量(例如ic芯片数量)少，其消耗电力也少。在实施方式3中，作为升压电路30的一个例子而示出了泵升电路，但升压电路30不限定于此，也可以是源极跟随电路。
52.＜实施方式4＞
53.对实施方式4中的电压生成电路及半导体模块进行说明。实施方式4是实施方式1的下位概念。在实施方式4中，对与实施方式1或2相同的结构要素标注相同的参照标号，省略它们的详细说明。
54.图6是表示实施方式4中的电压生成电路103以及具有该电压生成电路103的半导体模块203的电路结构的图。
55.电压生成电路103还具有对降压电路20的温度进行检测的温度检测电路40和对降压电路20的短路进行检测的短路检测电路50。具有实施方式4中的电压生成电路103的半导体模块203被称为智能功率模块或智能功率器件。
56.温度检测电路40在由于降压电路20的温度变化而使基准电压变化到预先确定的电压范围外的情况下，对基准电压进行校正。
57.短路检测电路50在短路电流流过高电位侧开关元件pwrtr1以及低电位侧开关元件pwrtr2的情况下，对自举电路10的输入侧的电压进行校正。
58.这样的电压生成电路103实现半导体模块203的稳定驱动。电压生成电路103并非必须具有温度检测电路40以及短路检测电路50这两者，通过具有任意一者，实现与该结构
对应的效果。
59.在电压生成电路103具有实施方式3所示的升压电路30而取代降压电路20的情况下，电压生成电路103也可以具有对升压电路30的温度进行检测的温度检测电路40和对升压电路30的短路进行检测的短路检测电路50。即使在这种情况下，也实现与上述相同的效果。
60.(实施方式4的变形例)
61.在电压生成电路103具有温度检测电路40的情况下，电压生成电路103还具有将与由温度检测电路40检测到的检测温度相关的信号向外部输出的端子(未图示)。与该端子连接的控制装置(未图示)基于与检测温度相关的信号而对输出低电位侧驱动电路用控制电源电压vd的电源进行控制。其结果，低电位侧驱动电路用控制电源电压vd以及高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb得到适当控制。即，低电位侧驱动电路用控制电源电压vd以及高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb通过降压电路20的温度而得到反馈控制。例如，半导体模块203的温度根据低电位侧开关元件pwrtr2、高电位侧开关元件pwrtr1、lvic以及hvic的特性波动而变化。在实施方式4的变形例中，与该温度变化相应地调整后的低电位侧驱动电路用控制电源电压vd被施加于lvic。同样地，与该温度变化相应地调整后的高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb被施加于hvic。
62.在电压生成电路103具有短路检测电路50的情况下，电压生成电路103还具有将与短路检测相关的信号向外部输出的端子(未图示)。与该端子连接的控制装置(未图示)基于与短路检测相关的信号而对输出低电位侧驱动电路用控制电源电压vd的电源进行反馈控制，对半导体模块203进行保护。
63.＜实施方式5＞
64.对实施方式5中的电压生成电路及半导体模块进行说明。实施方式5是实施方式1的下位概念。在实施方式5中，对与实施方式1至3的任意者相同的结构要素标注相同的参照标号，省略它们的详细说明。
65.实施方式5中的半导体模块内置有3相逆变器电路。各相的电路对应于图1、图2、图3及图6所示的电路中的任意1个电路。即，半导体模块包含电压生成电路、3个低电位侧开关元件pwrtr2、3个高电位侧开关元件pwrtr1、3个lvic以及3个hvic。实施方式5中的电压生成电路包含降压电路20、21以及升压电路30中的任意1者。3个高电位侧开关元件pwrtr1与3个低电位侧开关元件pwrtr2分别串联连接。该半导体模块是所谓的6合1型智能功率模块。
66.向3个lvic各自施加低电位侧驱动电路用控制电源电压vd。3个低电位侧开关元件pwrtr2由3个lvic分别进行控制。向3个hvic各自施加由电压生成电路生成的高电位侧驱动电路用控制电源电压vdb。3个高电位侧开关元件pwrtr1由3个hvic分别进行控制。在1个高电位侧开关元件pwrtr1与1个低电位侧开关元件pwrtr2之间设置有输出端子。半导体模块具有3个输出端子(所谓的u端子、v端子以及w端子)。向3个输出端子例如连接3相电动机而作为电感负载。
67.这样的半导体模块使半导体模块内部的寄生电阻或者寄生电容的管理变得容易。
68.此外，本发明能够对各实施方式自由地进行组合，或对各实施方式适当地进行变形、省略。
69.对于本发明进行了详细说明，但上述说明在所有方面均为例示，本发明不限定于
此。能够想到未例示出的无数的变形例。
70.标号的说明
71.10自举电路，20降压电路，21降压电路，25开关电路，30升压电路，40温度检测电路，50短路检测电路，100电压生成电路，101电压生成电路，102电压生成电路，103电压生成电路，200半导体模块，201半导体模块，202半导体模块，203半导体模块，bsc自举电容器，bsd自举二极管，pwrtr1高电位侧开关元件，pwrtr2低电位侧开关元件，rb电阻，rfb反馈电阻，rl电流限制电阻，rs基准电压生成电阻，tr1双极晶体管，tr2双极晶体管，vcc主电源电压，vd低电位侧驱动电路用控制电源电压，vdb高电位侧驱动电路用控制电源电压，vf正向电压，vm电位，vs基准电位。