CN102163912A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体装置，其目的在于提供一种能够实现具备自举二极管的半导体装置的节能化的半导体装置。该半导体装置对图腾柱连接的高压侧功率器件和低压侧功率器件的驱动进行控制，其特征在于具备：高压侧驱动电路，具有电路负载，控制该高压侧功率器件；低压侧驱动电路，控制该低压侧功率器件；VCC端子，与该低压侧驱动电路连接，向该低压侧驱动电路供给作为该低压侧驱动电路的电源电位的VCC电位；自举二极管，阳极与该VCC端子连接，阴极与该高压侧驱动电路连接，用于作为该高压侧驱动电路的电源电位的VB电位的充电；以及在该VB电位变得比该VCC电位小之前切断该电路负载的单元。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及对使用自举电路方式的逆变器等的功率器件进行驱动的半导体装置。
背景技术
针对驱动功率器件的半导体装置参照图7进行说明。在图7记载的半导体装置100是控制图腾柱连接的高压侧功率器件130和低压侧功率器件134的装置。半导体装置100具备控制高压侧功率器件130的高压侧驱动电路102。此外，具备控制低压侧功率器件134的低压侧驱动电路114。进而，该半导体装置100具备以单片方式形成的自举二极管118。
作为高耐压IC的半导体装置100采用了具备自举二极管118的BSDi方式。如图7所示，自举二极管118的阳极与VCC端子138连接，阴极与对高压侧浮动供给绝对电压VB进行供给的VB端子140连接。而且，在对高压侧浮动供给失调（offset）电压VS进行供给的VS端子142和VB端子140之间连接有电容器122。电容器122在低压侧功率器件134导通时通过自举二极管118被充电。由此，能够提供不需要高压侧浮动电源的方法。
图8是自举二极管118的剖面图。在图8中，通过使Pwell210和P型扩散层204分离，高耐压二极管能作为自举二极管（BSDi）使用。可是，当在半导体装置100中使用该自举二极管118时，自举二极管118的阳极200与阴极202相比电位变高电源电压的量。于是，寄生PNPTr在阳极200向P-衬底208的方向工作，产生VCC的消耗电流变得非常大的问题。即，如果参照图7进行说明的话，从VCC端子138流出的电流不经由自举二极管118流到对电容器122进行充电的一侧，而从自举二极管118的阳极向p-衬底（GND侧）无用地流过。
如上所述，在上述的结构中，虽然能够通过自举二极管而省略高压侧浮动电源，但不能实现半导体装置的节能化。因此，例如在专利文献1等中，提出了一种减少寄生PNPTr的寄生电流的器件结构。专利文献1的自举二极管是与纵向PNPTr相比增加流过横向PNP的电流（提高电流增益），从而相对地削减流过纵向PNPTr的无用的寄生电流的结构。
专利文献
[专利文献1]日本特开平05-283718号公报；
[专利文献2]日本特开平10-321878号公报；
[专利文献3]日本特开2006-270034号公报；
[专利文献4]日本特开2006-314154号公报；
[专利文献5]日本特开平08-103087号公报；
[专利文献6]日本特开平11-027931号公报；
[专利文献7]日本特开2002-136150号公报。
可是，在专利文献1记载的自举二极管中，需要在阴极电极N+层的附近形成用于减少寄生电流的P+层。该P+层使用双扩散法等形成。在通常的CMOS工艺中，形成双扩散层的工艺被作为可选处理。因此，当形成双扩散层时存在工艺高成本化的问题。特别地是为了作为高压侧驱动电路的电源用的自举二极管进行利用而在高压侧驱动电路内以单片方式形成的情况下，制造工艺变得复杂。因此存在制造成本增大的问题。
此外，在专利文献1记载的自举二极管能减少寄生电流但无法使其为0。因此，从节能化的观点出发，存在仅上述寄生电流的降低是不充分的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种半导体装置，不追加特别的制造工艺，就能在半导体装置内使用以单片方式制作的自举二极管的同时，抑制寄生PNPTr的寄生电流。
本申请的发明的半导体装置，对图腾柱连接的高压侧功率器件和低压侧功率器件的驱动进行控制，其特征在于具备：高压侧驱动电路，具有电路负载，控制该高压侧功率器件；低压侧驱动电路，控制该低压侧功率器件；VCC端子，与该低压侧驱动电路连接，向该低压侧驱动电路供给作为该低压侧驱动电路的电源电位的VCC电位；自举二极管，阳极与该VCC端子连接，阴极与该高压侧驱动电路连接，用于作为该高压侧驱动电路的电源电位的VB电位的充电。而且，本发明的半导体装置还具备在该VB电位变得比该VCC电位小之前切断该电路负载的单元。
根据本发明，能对半导体装置实现节能化。
附图说明
图1是说明半导体装置和功率器件的连接的图。
图2是半导体装置的电路图。
图3是说明电路负载的结构的图。
图4是说明半导体装置的电路结构的变形例的图。
图5是说明电路负载的结构的变形例的图。
图6是说明根据低压侧功率器件的导通指令切断电路负载的结构的图。
图7是对已知的半导体装置进行说明的图。
图8是自举二极管的剖面图。
具体实施方式
实施方式参照图1至图6进行说明。再有，存在对于同一或者相应的结构要素附加同一符号而省略多次的说明的情况。
图1是说明实施方式的半导体装置的图。半导体装置10对图腾柱连接的高压侧功率器件30和低压侧功率器件34的驱动进行控制。半导体装置10具备控制高压侧功率器件30的高压侧驱动电路12。高压侧驱动电路12具备电路负载16。电路负载16是高压侧驱动电路12的稳态的（DC的）电路电流路径。在本实施方式中，电路负载16是高压侧电源欠压保护电路（UV电路，欠压电路）。
半导体装置10还具备控制低压侧功率器件34的低压侧驱动电路14。供给高压侧驱动电路12的电源电位的是VB端子43。供给低压侧驱动电路14的电源电位的是VCC端子41。
半导体装置10具备自举二极管18，其阳极经由电阻20与VCC端子41连接，阴极与高压侧驱动电路12连接。自举二极管18在半导体装置10中以单片方式形成。自举二极管18在VB端子43的电位的充电中使用。
接着，对半导体装置10具备的端子进行说明。半导体装置10具备高压侧驱动信号输入端子40。高压侧驱动信号输入端子40是被输入切换高压侧功率器件30的导通断开的信号的端子。高压侧驱动信号输入端子40经由电路负载16与高压侧驱动信号输出端子44连接。高压侧驱动信号输出端子44与高压侧功率器件30的栅极连接。
进而，半导体装置10具备低压侧驱动信号输入端子42。低压侧驱动信号输入端子42是被输入切换低压侧功率器件34的导通断开的信号的端子。低压侧驱动信号输入端子42经由低压侧驱动电路14与低压侧驱动信号输出端子46连接。低压侧驱动信号输出端子46与低压侧功率器件34的栅极连接。
进而，半导体装置10具备与高压侧功率器件30和低压侧功率器件34的中点连接的VS端子。VS端子经由电容器22也与VB端子43连接。
本实施方式的一个特征是以能切断（turn off）电路负载16的方式构成。即，电路负载16以当从高压侧驱动信号输入端子40接收到高压侧功率器件的断开指令时被切断的方式构成。之后，对电路负载16和其周围参照图2、图3详细地进行说明。图2是对在图1简略表示的半导体装置10详细地进行说明的图。在图2中记载了高压侧驱动电路12包含SR锁存电路19。SR锁存电路19为了转换（switching）高压侧功率器件30而使用。当作为SR锁存电路19的输出信号的Q信号为“L”（高压侧功率器件30的断开指令）时，电路负载16被切断。此时电路负载16的输出以维持“L”输出并停止的方式构成。这是通过例如预先降低（pull down）电路负载16的输出来达到。当Q信号为“H”（高压侧功率器件30的导通指令）时，流过负载电流，使电路负载16工作。在本实施方式中使用NAND电路17。
在图3中详细地记载了本实施方式的电路负载16的结构。作为UV电路的电路负载16当感测到VB-VS之间的电源电压的降低时，输出“L”信号作为错误输出，使高压侧功率器件30切断。电路负载16的负载电流是流过用于检测电源电压的电阻负载（在VB与VS之间串联连接的电阻串Rfuka）的电流，和用于使比较器电路及滤波器电路工作而流过偏置用电流路径的偏置电流。偏置用电流路径是在图3中偏置电流aIREF（UV比较器电路的偏置电流）、bIREF（用于生成UV比较器的基准电位的齐纳二极管的偏置电流）、cIREF（用于滤波器电路的偏置电流）流过的路径。在此，由于高压侧驱动电路12的电路负载16（UV电路）是用于使来自高压侧驱动信号输出端子44的输出停止（shut down）的功能，所以当高压侧功率器件30在OFF工作时，不需要电路负载16的停止功能。
因此，在本实施方式中如图3所示，在电阻负载Rfuka（以虚线包围）的GND侧设置n-MOSFET52，在偏置电阻Rbias的VB侧设置p-MOSFET50。而且，在上述的Q信号为“L”时，将n-MOSFET52和p-MOSFET50设为OFF。于是，偏置电流aIREF、bIREF、cIREF及Rfuka（用于检测电压的电阻串）的DC电流路径被切断。因此，在高压侧功率器件30处于断开状态时，能消除电路负载16的稳态的电路电流。
如上所述，通过对高压侧功率器件30的断开指令来切断电路负载16是本实施方式的特征。在此，自举二极管18的寄生PNPTr进行工作是在VB电位比VCC电位低的状态时（同电位以下）。在该情况下，经由电路负载在VB端子-VS端子之间流过电路电流，阻碍了节能化。
因此，如本实施方式那样，当切断电路负载16时能够消除VB端子43-VS端子45之间的电路电流。由此，在自举二极管18的寄生PNPTr没有稳态的基极电流（base current）流过。因此寄生PNPTr不工作，从而能够抑制自举二极管18的消耗电流。再有，电容器22的充电电流瞬态地流过，但以短时间结束电容器22的充电。因此，充电后稳态的电路电流（DC成分）变为0。从以上可知，本发明不追加特别的制造工艺，能够抑制起因于在半导体装置内以单片方式制作的自举二极管的纵向的寄生PNPTr的寄生电流。
通常，图腾柱连接的功率器件的负载是电动机等的电感性负载。在作为高压侧功率器件和低压侧功率器件共同维持断开状态的时间的停止期间（dead time）中，电感性负载成为使到现在流过电阻的电流继续流过的续流模式。因此，在高压侧功率器件从导通状态成为断开状态之后，通过在低压侧功率器件反并联连接的续流二极管持续流过电流。在该情况下，VS电位是GND电位与自举二极管的Vf电位的和的量，即几乎变为0V。VB电位也成为VS电位与向电容器充电的电压的和（<VCC）。于是，VB端子至VS端子间的电路电流成为寄生PNPTr的基极电流，VCC的消耗电力增大。但是，在本实施方式中，即使在停止期间，也能抑制VB电位变得比VCC电位低。即，电路负载16的切断根据高压侧功率器件30的断开指令进行。因此，在停止期间寄生PNPTr也不工作，由此实现半导体装置的节能化。
进而，不需要双扩散层等，由此能够降低原料的制造成本。此外，由于上述的节能化，也能够实现半导体装置的持久耐用性的提高。
在本实施方式中，作为电路负载16周围的结构举出了在图2记载的结构，但本发明并不限定于此。例如，以图4记载的方式，将通过SR锁存电路19的输出而停止/驱动的UV电路的否定（NOT）输出作为HO输出缓冲器的驱动信号也可。在图4记载了NOT电路21。这是使用在图2所述UV电路输出和SR锁存电路的输出的与非（NAND）输出的变形例。
在本实施方式中，作为电路负载16的结构列举在图3记载的结构，但本发明并不限定于此。例如，以图5所述的方式，仅通过n-MOSFET52进行电路负载16的切断也可。由于偏置电阻Rbias是用于使UV比较器电路工作的结构，所以在切断流过偏置电阻Rbias的电流（IREF）的情况下，UV电路可能变为不稳定工作。即，在停止途中、起动途中可能成为不稳定的输出。IREF典型地为10微安左右，和在电阻负载Rfuka稳态地流过的电流（典型地是100微安）相比小至1/10左右。因此，如图5所示，使IREF总是流过，仅切断电阻负载Rfuka侧也可。根据这样的电路，能够兼顾电路负载的稳定工作和高压侧功率器件的断开状态时的稳态的电路电流的削减。
在本实施方式中，作为“在VB电位变得比VCC电位小之前切断电路负载的单元”举出了利用来自高压侧驱动信号输入端子40的输出的电路负载16。可是本发明并不限定于此。在VB电位变得比VCC电位小之前切断电路负载的单元可以考虑各种各样的方式。
例如，以在图6表示的半导体装置70那样的结构也能得到本发明的效果。在图6表示的半导体装置70连接有低压侧驱动信号输入端子42和电路负载74。而且，在从低压侧驱动信号输入端子42有低压侧功率器件34的导通指令时切断电路负载74。由此，在纵向的寄生PNPTr没有稳态的基极电流流过，寄生PNPTr不工作。因此能实现节能化。再有，电容器22的充电电流瞬态地流过，但以短时间结束电容器22的充电，充电后稳态的电路电流（DC成分）变为0。
在此，在通过来自低压侧驱动信号输入端子42的信号切断高压侧驱动电路72电路电流（电路负载）的情况下，需要将来自低压侧驱动信号输入端子42的信号传递至高压侧。为了该传递另外设置电平位移电路也可。或者，在低压侧功率器件34的导通指令时，使接收来自高压侧驱动信号输入端子40的信号的电平位移电路的断开侧驱动也可。如上所述，半导体装置只要具有“在VB电位变得比VCC电位小之前切断电路负载的单元”，就能得到本发明的效果。
附图标记的说明
10 半导体装置； 12 高压侧驱动电路； 14 低压侧驱动电路； 18 自举二极管； 22 电容器； 30 高压侧功率器件； 34 低压侧功率器件； 41 VCC 端子； 43 VB端子； 45 VS端子； 50 p-MOSFET； 52 n-MOSFET。

Claims (7)

1. 一种半导体装置，对图腾柱连接的高压侧功率器件和低压侧功率器件的驱动进行控制，其特征在于，具备：
高压侧驱动电路，具有电路负载，控制所述高压侧功率器件；
低压侧驱动电路，控制所述低压侧功率器件；
VCC端子，与所述低压侧驱动电路连接，向所述低压侧驱动电路供给作为所述低压侧驱动电路的电源电位的VCC电位；
自举二极管，阳极与所述VCC端子连接，阴极与所述高压侧驱动电路连接，用于作为所述高压侧驱动电路的电源电位的VB电位的充电；以及
在所述VB电位变得比所述VCC电位小之前切断所述电路负载的单元。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，切断所述电路负载的单元根据所述高压侧功率器件的断开指令切断所述电路负载。
3. 根据权利要求1或者2的任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述电路负载是高压侧电源欠压保护电路。
4. 根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，
所述高压侧电源欠压保护电路，具有：
用于检测电压的电阻串；以及
偏置用电流路径，
切断所述电路负载的单元是切断所述用于检测电压的电阻串和所述偏置用电流路径的单元。
5. 根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，
所述高压侧电源欠压保护电路，具有：用于检测电压的电阻串，
切断所述电路负载的单元是切断所述用于检测电压的电阻串的单元。
6. 根据权利要求4或者5的任一项所述的半导体装置，其特征在于，切断所述电路负载的单元是开关元件。
7. 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
切断所述电路负载的单元根据所述低压侧功率器件的导通指令来切断所述电路负载。
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