CN107547071A - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

一种至少能够抑制向电压控制型半导体元件提供的控制信号的电压的上升的半导体装置。具备元件驱动部，该元件驱动部具有控制电路，该控制电路根据控制信号来控制电压控制型半导体元件的控制端子，并且以控制信号为电源来被驱动，元件驱动部具备：第一分压电路，其连接于用于输入控制信号的输入端子与同电压控制型半导体元件的低电位侧端子连接的低电位侧端子之间，第一分压电压为用于保护电压控制型半导体元件和控制电路的设定电压以下；半导体开关元件，其控制该第一分压电路的分压动作；以及第二分压电路，其在输入端子被输入超过设定电压的电压时使半导体开关元件导通，其中，向电压控制型半导体元件的控制端子和控制电路提供第一分压电压。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及一种具备对负载进行驱动的电压控制型半导体元件的半导体装置。

背景技术

在这种半导体装置中，具备由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)、功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等构成的电压控制型半导体元件。

例如，如专利文献1所记载的那样，在作为搭载于车辆的内燃机的点火装置来使用的情况下，点火线圈的初级侧的一端与电池连接，另一端通过电压控制型半导体元件接地。然后，为了使电压控制型半导体元件导通，从外部的控制装置将规定电压的点火信号作为栅极信号来通过栅极电阻提供到电压控制型半导体元件的栅极，由此使栅极电压上升来使电压控制型半导体元件导通。

另一方面，为了使电压控制型半导体元件关断，将电压控制型半导体元件的栅极中蓄积的栅极电容电荷放出到外部的控制装置侧。

另外，具备以点火信号为电源电压来工作的动作电平设定电路、热关断电路、电流限制电路等保护控制电路。

另外，如专利文献2所记载的那样，提出了以下技术：为了对构成该保护控制电路的数字电路、模拟电路及功率设备驱动电路的电源电压的瞬间性下降进行补偿，个别地设置低通滤波器电路。

专利文献1：日本特开2004-36438号公报

专利文献2：日本特开2016-1635公报

发明内容

发明要解决的问题

另外，在上述专利文献1和2所记载的以往例中，能够以点火信号为电源电压来使各种控制电路工作，并利用低通滤波器电路来应对该情况下的电源电压的瞬间性下降。

然而，在从输入端子到电压控制型半导体元件的控制端子之间因高压短路等而电压超过用于保护电压控制型半导体元件和各种控制电路的设定电压的情况下，无法保护电压控制型半导体元件和各种控制电路。

因此，本发明是着眼于上述以往例的问题而完成的，其目的在于提供一种至少能够抑制向电压控制型半导体元件提供的控制信号的电压的上升来保护电压控制型半导体元件和各种控制电路免受电压上升所伤害的半导体装置。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明所涉及的半导体装置的一个方式具备：电压控制型半导体元件，其对负载进行驱动；以及元件驱动部，其具有控制电路，该控制电路被输入针对电压控制型半导体元件的控制端子的控制信号，根据该控制信号来控制电压控制型半导体元件的控制端子，并且以控制信号为电源来被驱动，元件驱动部具备：用于输入控制信号的输入端子以及与电压控制型半导体元件的低电位侧端子连接的低电位侧端子；第一分压电路，其连接于输入端子与低电位侧端子之间，被设定成第一分压电压为用于保护电压控制型半导体元件和控制电路的设定电压以下；半导体开关元件，其控制该第一分压电路的分压动作；以及第二分压电路，其在输入端子被输入超过所述设定电压的电压时向半导体开关元件的控制端子输出使半导体开关元件导通的第二分压电压，其中，向电压控制型半导体元件的控制端子和控制电路提供第一分压电压。

发明的效果

根据本发明的一个方式，在输入端子发生高压短路等的情况下，能够抑制电压控制型半导体元件的控制端子与输入端子之间的控制电压上升到超过设定电压，从而能够可靠地保护电压控制型半导体元件和各种控制电路。

附图说明

图1是表示具备遵循本发明的第一实施方式的半导体装置的内燃机的点火控制装置的电路图。

图2是表示个别高压短路保护电路的电路图。

图3是表示具备遵循本发明的第二实施方式的半导体装置的内燃机的点火控制装置的电路图。

图4是表示具备遵循本发明的第三实施方式的半导体装置的内燃机的点火控制装置的电路图。

图5是表示具备遵循本发明的第四实施方式的半导体装置的内燃机的点火装置的电路图。

图6是表示具备遵循本发明的第五实施方式的半导体装置的内燃机的点火装置的电路图。

图7是表示具备遵循本发明的第六实施方式的半导体装置的内燃机的点火装置的电路图。

图8是表示具备遵循本发明的第七实施方式的半导体装置的内燃机的点火装置的电路图。

附图标记说明

10：点火控制装置；11：电池；12：点火装置；13：点火线圈；20：半导体装置；21m：主IGBT；21s：感测IGBT；22：低电位侧布线；23：栅极电阻；24：控制布线；25：功率半导体芯片；30：控制半导体芯片；31：元件驱动部；32：电阻；33：加速用二极管；34：电流检测用电阻；35：半导体开关元件；36：输入判定电路；37：保护控制电路；38：栅极控制电路；39：下拉电阻；39a、39b：电阻；40：齐纳二极管组；40a、40b、40c：齐纳二极管；41：高压短路保护电路；42：第一分压电路；42a、42b：电阻；43：半导体开关元件；45：第二分压电路；45a、45b：电阻；45c：齐纳二极管；46：二极管；47：二极管连接形式的半导体开关元件。

具体实施方式

接着，参照附图来说明本发明的一个实施方式。在下面的附图的记载中，对相同或类似的部分标注了相同或类似的标记。

另外，下面示出的实施方式用于例示将本发明的技术思想具体化的装置、方法，关于本发明的技术思想，并不将结构部件的材质、形状、构造、配置等特别指定为下述的材质、形状、构造、配置等。关于本发明的技术思想，在权利要求书所记载的权利要求所规定的技术范围内能够施加各种变更。

下面，结合图1来说明具备遵循本发明的第一实施方式所涉及的半导体装置的内燃机的点火控制装置。

如图1所示，内燃机的点火控制装置10具备作为感性负载的点火线圈13，从电池11对该点火线圈13的初级侧施加电源电压，在该点火线圈13的次级侧连接有由点火火花塞构成的点火装置12。在该点火线圈13的初级侧的与电池11相反的一侧连接有例如构成两芯片点火器的半导体装置20。从外部的例如控制装置向该半导体装置20提供作为点火信号的控制信号。

半导体装置20具备：作为高电位侧端子的集电极端子tc，其与点火线圈13的初级线圈13a的与电池11相反的一侧连接；作为低电位侧端子的发射极端子te，其与地连接；以及作为输入端子的栅极端子tg，其与外部的控制装置连接。

而且，在集电极端子tc与发射极端子te之间，连接有作为电压控制型半导体元件的主IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)21m。该主IGBT21m的作为高电位侧端子的集电极与集电极端子tc连接，该主IGBT 21m的作为低电位侧端子的发射极经由低电位侧布线22与发射极端子te连接。另外，主IGBT 21m的作为控制端子的栅极端子经由栅极电阻23、并经由作为控制信号的提供路径的控制布线24与栅极端子tg连接。

该栅极电阻23与主IGBT 21m的寄生栅极电容构成滤波器，来进行抑制使得在对栅极电压进行控制时难以产生振荡。

另外，与主IGBT 21m并联地连接有电流检测用的感测IGBT 21s。该感测IGBT 21s的集电极与主IGBT 21m的集电极连接，该感测IGBT 21s的栅极与主IGBT 21m的栅极连接，该感测IGBT 21s的发射极经由后述的形成于控制半导体芯片30的电流检测用电阻34与低电位侧布线22连接。

而且，主IGBT 21m、感测IGBT 21s以及栅极电阻23形成于一个功率半导体芯片25。该功率半导体芯片25需要被保护免受封装组装时的机械接触、封装为产品后被人接触所引起的静电放电(Electro-Static Discharge，以下称为ESD)所伤害，因而在栅极电阻23同感测IGBT 21s的栅极之间与低电位侧布线22之间例如连接有两个齐纳二极管26。

而且，通过形成于与功率半导体芯片25不同的控制半导体芯片30的元件驱动部31来控制主IGBT 21m和感测IGBT 21s。

在该元件驱动部31中，在控制布线24上连接有电阻32，该电阻32与栅极电阻23串联连接，且具有比栅极电阻23的电阻值大的电阻值。作为一例，电阻32的电阻值被设定得比较大、例如设定为几千Ω左右，栅极电阻23的电阻值被设定得比较小、例如设定为几十Ω左右。

在电阻32上并联连接有用于加快主IGBT 21m和感测IGBT 21s的关断的加速用的二极管33。该二极管33的阳极连接于电阻32与栅极电阻23之间的控制布线24，阴极连接于电阻32与栅极端子tg之间的控制布线24。该二极管33的一例是PN结型的二极管，但是也能够应用正向电压比PN结型二极管低的肖特基势垒二极管。

另外，元件驱动部31具有电流检测用电阻34，该电流检测用电阻34的一端与感测IGBT 21s的发射极连接，另一端连接于主IGBT 21m的发射极与发射极端子te之间。

并且，元件驱动部31具有电流限制用的例如由N沟道MOSFET构成的半导体开关元件35，该半导体开关元件35连接于电阻32及栅极电阻23侧的控制布线24与低电位侧布线22的主IGBT 21m的发射极同发射极端子te间的位置之间。

另外，元件驱动部31具备作为控制电路的输入判定电路36、保护控制电路37、栅极控制电路38，这些控制电路分别被提供电阻32与后述的第一分压电路的电阻42a之间的控制电压(例如5V)来作为电源电压。

输入判定电路36判定基于提供到栅极端子tg的来自外部的控制装置的栅极信号的控制电压Vco是否为预先设定的点火器的阈值电压Vth以上。在该输入判定电路36中，在控制电压Vco小于阈值电压Vth时例如输出低电平的输入判定信号Sj，在控制电压Vco为阈值电压Vth以上时例如输出高电平的输入判定信号Sj。

保护控制电路37取入内置于功率半导体芯片25的二极管等温度传感器的检测信号，由此在主IGBT 21m变为设定温度以上的高温的情况下，向前述栅极控制电路38输出切断信号Ss。

另外，保护控制电路37基于从输入判定电路36输入的输入判定信号Sj来检测以下情况：外部的控制装置发生了异常，从而被输入了过长的栅极信号。即，在保护控制电路37中，利用计时器电路对施加于作为输入端子的栅极端子tg的栅极信号的接通时间进行计时，在接通时间达到固定时间时，向栅极控制电路38输出切断信号Ss，该切断信号Ss用于控制半导体开关元件35使得主IGBT 21m和感测IGBT 21s的栅极电压Vg变为低电平。

栅极控制电路38被输入感测IGBT 21s的发射极与电流检测用电阻34的连接点的端子电压来作为电流检测值，并且被输入从输入判定电路36输出的输入判定信号Sj以及从保护控制电路37输出的切断信号Ss。

该栅极控制电路38在输入判定信号Sj为低电平时，将半导体开关元件35控制为接通状态，来将提供到主IGBT 21m和感测IGBT 21s的栅极的栅极电压Vg维持为低电位。因此，主IGBT 21m和感测IGBT 21s被维持为断开状态。

另一方面，栅极控制电路38在输入判定信号Sj为高电平时，将半导体开关元件35控制为断开状态，来允许向主IGBT 21m和感测IGBT 21s的栅极提供栅极信号。

并且，在从保护控制电路37向栅极控制电路38输入了高电平的切断信号Ss时，该栅极控制电路38将半导体开关元件35控制为接通状态，来将提供到主IGBT 21m和感测IGBT21s的栅极的栅极电压Vg维持为低电位。因此，主IGBT 21m和感测IGBT 21s被关断。

并且，栅极控制电路38还作为电流限制电路进行动作。即，在栅极控制电路38中，当主IGBT 21m的集电极电流Ic达到电流限制值I_LIM时，将半导体开关元件35控制为接通状态以维持该电流限制值I_LIM。由此，对主IGBT 21m和感测IGBT 21s的栅极电压Vg进行下降控制，保护主IGBT 21m免于因发热而受损。

另外，元件驱动部31具有下拉电阻39，该下拉电阻39连接于作为输入端子的栅极端子tg侧的控制布线24与作为低电位侧端子的发射极端子te侧的低电位侧布线22之间。该下拉电阻39决定栅极端子tg的输入阻抗。

并且，控制半导体芯片30也与功率半导体芯片25同样地，需要被保护免受封装组装时的机械接触、封装为产品后被人接触所引起的静电放电(ESD)所伤害，因而与下拉电阻39并联地连接有例如将三个齐纳二极管串联连接而成的齐纳二极管组40。

另外，元件驱动部31所连接的主IGBT 21m、感测IGBT 21s、元件驱动部31的输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38是由5V系的控制系统构成的。因此，在作为输入端子的栅极端子tg或控制布线24发生与电池11的电源系统连接的高压短路从而超过作为5V控制系的额定电压或容许上限电压的应该进行保护的设定电压的情况下，存在半导体元件和各种电路被破坏的担忧。特别是，在内燃机的点火装置中，需要可靠地保护元件驱动部31的结构部件免受高压短路所伤害。

因此，在本实施方式中，在输入判定电路36与齐纳二极管组40之间设置有高压短路保护电路41，该高压短路保护电路41保护主IGBT 21m、感测IGBT 21s以及元件驱动部31的结构部件免受高压短路所伤害。

该高压短路保护电路41包括：第一分压电路42与例如由N沟道MOSFET构成的半导体开关元件43的串联电路44；以及与该串联电路44并联连接的第二分压电路45。

在此，第一分压电路42包括串联连接的两个电阻42a及42b。电阻42a插入于齐纳二极管组40与输入判定电路36之间的控制布线24。电阻42b与半导体开关元件43串联连接于电阻42a同输入判定电路36之间的控制布线24与低电位侧布线22之间。

而且，第一分压电路42的电阻42a与42b的连接点A连接于控制布线24。也就是说，控制布线24经由第一分压电路42的电阻42a与作为输入端子的栅极端子tg连接，第一分压电路42的电阻42b经由半导体开关元件43与低电位侧布线22连接。

因此，在半导体开关元件43处于断开状态时，第一分压电路42作为分压电路不发挥功能，施加于作为输入端子的栅极端子tg的栅极信号直接经由电阻42a被提供到感测IGBT 21s侧的控制布线24。

与此相对，在半导体开关元件43处于接通状态时，第一分压电路42作为分压电路发挥功能，由电阻42a的电阻值和电阻42b的电阻值与半导体开关元件43的接通电阻的合成电阻值决定的第一分压电压Va被提供到感测IGBT 21s侧的控制布线24。

因而，电阻42a及42b的电阻值被设定成：在栅极端子tg或控制布线24发生高压短路而栅极端子tg侧的控制布线24被施加作为电池11的电池电压VB的例如16V的过电压时，从第一分压电路42的电阻42a与42b间的连接点A输出的第一分压电压Va小于设定电压Vs，该设定电压Vs是构成主IGBT 21m、感测IGBT 21s、输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38的半导体元件的额定电压或容许电压。

另外，第二分压电路45包括串联连接于第一分压电路42的电阻42a同作为输入端子的栅极端子tg的连接点与低电位侧布线22之间的两个电阻45a及45b。而且，电阻45a与45b的连接点与半导体开关元件43的作为控制端子的栅极连接。

该第二分压电路45的电阻45a及45b的电阻值被设定成：在电阻42a与栅极端子tg之间被施加前述的设定电压Vs以上的高电压时，从电阻45a与45b的连接点输出的第二分压电压Vb为使半导体开关元件43成为导通状态的栅极阈值电压以上。

接着，说明上述第一实施方式的动作。

首先，设作为输入端子的栅极端子tg和控制布线24处于非高压短路状态的正常状态。在该正常状态下，控制布线24的控制电压Vco小于设定电压Vs。因此，在高压短路保护电路41中，第二分压电路45的电阻45a与45b的连接点B的第二分压电压Vb小于半导体开关元件43的栅极阈值电压。因此，半导体开关元件43维持断开状态，第一分压电路42停止分压动作。

在该正常状态下，当从外部的控制装置施加到栅极端子tg的栅极信号为低电平时，主IGBT 21m和感测IGBT 21s的寄生栅极电容中蓄积的电荷被放出。因此，主IGBT 21m和感测IGBT 21s维持断开状态，停止对点火线圈13的初级线圈13a提供电池11的电池电压VB。另外，由于栅极信号为低电平，因此输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38未被输入电源电压，处于动作停止状态。

当从该状态开始栅极信号上升为高电平(例如5V)时，该栅极信号作为控制电压Vco经由第一分压电路42的电阻42a来作为电源电压提供到输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38，输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38成为动作状态。

此时，在输入到输入判定电路36的控制电压Vco小于阈值电压Vth时，输入判定信号Sj维持低电平，通过栅极控制电路38将半导体开关元件35控制为接通状态。因此，提供到主IGBT 21m和感测IGBT 21s的栅极的栅极电压Vg维持为低电位，主IGBT 21m和感测IGBT21s维持为断开状态。

之后，当输入到输入判定电路36的控制电压Vco变为阈值电压Vth以上时，高电平的输入判定信号Sj被输出到保护控制电路37和栅极控制电路38。

在保护控制电路37中，基于高电平的输入判定信号Sj，计时器电路开始计时。在栅极控制电路38中，基于高电平的输入判定信号Sj，使半导体开关元件35成为断开状态。因此，控制电压Vco作为栅极电压Vg被施加于主IGBT 21m和感测IGBT 21s的栅极，主IGBT 21m和感测IGBT 21s变为导通状态。

因而，集电极电流Ic开始从电池11经由点火线圈13的初级线圈13a、并经半导体装置20的集电极端子tc流向主IGBT 21m的集电极。该集电极电流Ic的dI/dt由电感和施加于点火线圈13的初级线圈13a的电压决定。

另外，关于集电极电压Vc，根据点火线圈13的电感的变化率L(di/dt)，集电极电压Vc缓慢地上升，之后以例如3V～5V的低电压而维持固定电压。

然后，在主IGBT 21m被控制为接通状态的期间，在点火线圈13的初级线圈13a中蓄积电磁能量。之后，当在经过规定的点火期间Ts的时间点栅极信号恢复为低电平时，相应地主IGBT 21m和感测IGBT 21s的栅极电压迅速地经由加速用的二极管33被抽到外部的控制装置侧。由此，主IGBT 21m和感测IGBT 21s关断。

因此，主IGBT 21m的集电极电流Ic急剧地减少，通过该集电极电流Ic的急剧变化，点火线圈13的初级线圈的两端电压由于自感作用而急剧地上升至几百V。同时，次级线圈13b的两端电压由于互感作用也上升至几十kV，该电压被施加到点火装置12。在点火装置12中施加电压为几十kV以上，从而产生火花放电来驱动内燃机。

在该通常的点火动作中，栅极信号的接通时间被设定为集电极电流Ic不会达到电流限制值I_LIM。因此，在栅极控制电路38中栅极信号为低电平，半导体开关元件35维持断开状态，电流限制动作处于停止。同样地，在保护控制电路37中未检测出过热状态且栅极信号的接通时间小于设定时间时，不从保护控制电路37向栅极控制电路38输出切断信号Ss，半导体开关元件35维持断开状态。

以上是通常的点火动作，但是当外部的控制装置发生异常而变为输入到栅极端子tg的栅极信号的接通时间宽度超过通常时的接通时间宽度的状态时，执行以下的保护动作。

即，当栅极信号变为接通状态，输入到输入判定电路36的控制电压Vco变为阈值电压Vth以上时，高电平的输入判定信号Sj被输入到保护控制电路37。因此，利用保护控制电路37的计时器电路来开始计时。

然后，当栅极信号的接通状态超过通常时的规定的点火期间Ts地持续时，主IGBT21m和感测IGBT 21s的接通时间变长，集电极电流Ic增加。利用与感测IGBT 21s的发射极连接的电流检测用电阻34，作为电压信号来检测该集电极电流Ic，检测出的电压信号被输入到栅极控制电路38，由此电流限制动作开始。

在该电流限制动作中，对半导体开关元件35进行接通/断开控制，以使集电极电流Ic维持限制电流Is(例如12A)。通过该电流限制动作来抑制功率半导体芯片25的发热。

在即使变为该电流限制动作状态、栅极信号的接通状态也持续的情况下，在保护控制电路37中，计时器电路达到时限，或者过热检测部中的检测温度达到设定温度。因此，在计时器电路的达到时限时间点或过热检测时间点，从保护控制电路37向栅极控制电路38输出高电平的切断信号Ss。因而，从栅极控制电路38向半导体开关元件35输出高电平的栅极信号，该半导体开关元件35变为接通状态，主IGBT 21m和感测IGBT 21s立即被关断。

并且，当变为作为输入端子的栅极端子tg和控制布线24中的一方与电池11的电源系统连接的高压短路状态时，控制布线24的控制电压Vco例如上升至16V。因此，当控制布线24的控制电压Vco超过设定电压Vs时，第二分压电路45的电阻45a与45b的连接点B的第二分压电压Vb变为半导体开关元件43的栅极阈值电压Vgth以上。因而，半导体开关元件43变为接通状态，第一分压电路42的电阻42b通过半导体开关元件43与低电位侧布线22连接。

其结果，在第一分压电路42中开始分压动作，从电阻42a与42b的连接点A输出的第一分压电压Va不是电池电压VB，而是被限制为设定电压Vs以下，该设定电压Vs是主IGBT21m、感测IGBT 21s以及元件驱动部31的各结构部件的额定电压或容许上限电压。该设定电压Vs通过控制布线24被施加于主IGBT 21m和感测IGBT 21s的栅极，并且被施加于半导体开关元件35、构成输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38的半导体开关元件。

因而，即使在作为输入端子的栅极端子tg和控制布线24中的任一个发生高压短路的情况下，施加于主IGBT 21m、感测IGBT 21s以及元件驱动部31的各结构部件的电压也被限制为设定电压Vs以下。因此，能够可靠地防止主IGBT 21m、感测IGBT 21s以及元件驱动部31的各结构部件受损。

这样，根据上述第一实施方式，当施加于控制布线24的电压超过设定电压Vs时，半导体开关元件43变为导通状态，第一分压电路42开始分压动作，将施加于控制布线的控制电压限制为设定电压Vs以下，因此能够可靠地保护主IGBT 21m、感测IGBT 21s、元件驱动部31的各结构部件。

顺带一提，在不设置本实施方式的高压短路保护电路41的情况下，至少需要对输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38分别个别地设置高压短路保护电路。如图2所示，该情况下的高压短路保护电路包括：设置于输入端子tin与输出端子tout之间的前述的专利文献2所记载的由电阻R1和电容器C1构成的低通滤波器LPF、以及与电容器C1并联连接的将控制电压Vco限制为设定电压Vs的齐纳二极管ZD。因而，高压短路保护电路数增加，控制半导体芯片30的芯片尺寸变大。

与此相对，在本实施方式中，只需设置包括构成第一分压电路42和第二分压电路45的四个电阻以及一个半导体开关元件43的一个高压短路保护电路即可，能够缩小半导体芯片尺寸。

另外，在本实施方式中，施加于感测IGBT 21s侧的控制布线24的控制电压Vco不会超过设定电压Vs，因此只要例如设置一个耐压为7V的加速用的二极管33即可，二极管33的导通电阻不会对主IGBT 21m和感测IGBT 21s的关断造成影响。

与此相对，在不设置高压短路保护电路41的情况下，由于控制布线24例如会被施加16V，因此关于加速用的二极管33，需要连接三级的耐压为7V的二极管。若像这样将加速用二极管设为三级结构，则在将二极管的正向电压Vf设为0.7V时，在串联连接三级的二极管的情况下，0.7V×3＝2.1V，存在以下可能性：由于施加主IGBT 21m和感测IGBT 21s的接通阈值以上的电压而无法迅速地切断主IGBT 21m和感测IGBT 21s的集电极电流。

接着，结合图3来说明本发明的第二实施方式。

在该第二实施方式中，将第二分压电路45的结构变更为齐纳二极管与电阻的串联电路。

即，在第二实施方式中，如图3所示，省略了前述的第一实施方式中的第二分压电路45的电阻45a，取而代之设置有齐纳二极管45c。该齐纳二极管45c的耐压被设定为与设定电压Vs相等的例如7V，该设定电压Vs被设定为控制布线24上主IGBT 21m、感测IGBT 21s、输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38的额定电压或容许上限电压。

该齐纳二极管45c的阴极连接于第一分压电路42的电阻42a与作为输入端子的栅极端子tg之间，阳极连接于电阻45b与半导体开关元件43的栅极的连接点B。

而且，第二分压电路45的齐纳二极管45c的动态电阻值和电阻45b的电阻值被设定成：在为设定电压Vs以下时从连接点B输出的第二分压电压Vb小于半导体开关元件43的接通阈值电压，在超过设定电压Vs时第二分压电压Vb为半导体开关元件43的接通阈值电压以上。

关于其它结构，具有与第一实施方式相同的结构，在图3中对与图1对应的部分标注同一标记并省略其详细说明。

根据该第二实施方式，在提供到作为输入端子的栅极端子tg和控制布线24的控制电压为设定电压Vs以下的正常状态下，第二分压电路45的齐纳二极管45c维持非导通状态。因此，从齐纳二极管45c与电阻45b的连接点B输出的第二分压电压Vb为低电位侧布线22的低电位。

因而，在正常时，进行与前述的第一实施方式同样的动作，关于栅极信号的接通时间变长时的电流限制动作，也进行与前述的第一实施方式同样的动作。

另一方面，当从正常状态变为作为输入端子的栅极端子tg或控制布线24连接于电池11的电源系统的高压短路状态时，不管栅极信号是接通还是断开，控制布线24的控制电压Vco都超过设定电压Vs(例如7V)而突增至16V。因此，第二分压电路45监视控制布线24的控制电压Vco，在控制电压Vco超过设定电压Vs的时间点，第二分压电路45的齐纳二极管45c变为导通状态。因而，从连接点B输出的第二分压电压Vb变为半导体开关元件43的接通阈值电压以上，半导体开关元件43立即变为接通状态。

因此，在第一分压电路42中，电阻42b经由半导体开关元件43与低电位侧布线22连接，因此开始分压动作，从电阻42a与42b的连接点A输出的第一分压电压Va被控制为设定电压Vs以下。该第一分压电压Va通过控制布线24被提供到主IGBT 21m、感测IGBT 21s、输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38。

因而，即使作为输入端子的栅极端子tg与第一分压电路42之间的控制布线24发生高压短路，提供到主IGBT 21m、感测IGBT 21s、输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38的控制电压Vco也会被可靠地限制为设定电压Vs以下。其结果，在发生高压短路时能够可靠地保护主IGBT 21m、感测IGBT 21s、输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38。因而，在第二实施方式中也能够得到与前述的第一实施方式同样的作用效果。

接着，结合图4来说明本发明的第三实施方式。

该第三实施方式将第一实施方式中的第二分压电路45与用于保护控制半导体芯片30免受静电放电(ESD)所伤害的齐纳二极管连接。

即，在第三实施方式中，如图4所示，取代上述的第一实施方式中的将构成第二分压电路45的电阻45a连接于控制布线24的情况，而是将构成第二分压电路45的电阻45a连接于保护控制半导体芯片30免受静电放电(ESD)所伤害的齐纳二极管组40的靠控制布线24侧的齐纳二极管40a与该齐纳二极管40a所邻接的齐纳二极管40b的连接点C。在此，第二分压电路45的电阻45a和45b的电阻值被设定成：在超过设定电压Vs的过电压经由齐纳二极管40a输入时，第二分压电压Vb为半导体开关元件43的接通阈值电压以上。

关于其它结构，具有与第一实施方式同样的结构，在图4中对与图1对应的部分标注同一标记并省略其详细说明。

根据该第三实施方式，构成第二分压电路45的电阻45a连接于保护控制半导体芯片30免受静电放电(ESD)所伤害的齐纳二极管组40的靠控制布线24侧的齐纳二极管40a与该齐纳二极管40a所邻接的齐纳二极管40b的连接点C。该第二分压电路45的分压动作本身与前述的第一实施方式相比没有变化，但是在以下方面不同：仅在控制布线24的控制电压超过作为齐纳二极管40a的耐压的设定电压Vs时向第二分压电路45提供电压。因此，在控制布线24的控制电压超过设定电压Vs时，半导体开关元件43被控制为接通状态。因而，能够得到与第一实施方式同样的作用效果。

而且，能够抑制正常时通过第二分压电路45流向发射极端子te的电流。因此，在如第一实施方式那样将第二分压电路45与下拉电阻39并联连接的情况下，除了下拉电阻39以外还形成新的电流路径，从而作为输入端子的栅极端子tg的输入阻抗会低于下拉电阻39。然而，根据第三实施方式，在正常时不会与下拉电阻39并联地形成电流路径，因此能够决定准确的输入阻抗。

接着，结合图5来说明本发明的第四实施方式。

在该第四实施方式中，利用前述的用于决定作为输入端子的栅极端子tg的输入阻抗的下拉电阻来构成第二分压电路。

即，在第四实施方式中，如图5所示，将下拉电阻39分割为两个电阻即第一电阻39a和第二电阻39b，通过将它们串联地配置来形成第二分压电路45。而且，将第一电阻39a与第二电阻39b的连接点D连接于半导体开关元件43的栅极。

另外，第一电阻39a和第二电阻39b的电阻值被设定成：合成电阻值为与下拉电阻39的电阻值相同的值，在控制布线24的控制电压Vco为设定电压Vs以下时，从连接点D输出的第二分压电压Vd小于半导体开关元件43的接通阈值电压，在控制布线24的控制电压Vco超过设定电压Vs时，从连接点D输出的第二分压电压Vd为半导体开关元件43的接通阈值电压以上。

根据该第四实施方式，除了利用下拉电阻39来构成第二分压电路45以外，与前述的第一实施方式实质上结构相同，因此能够得到与前述的第一实施方式同样的作用效果。

而且，在第四实施方式中，不需要如前述的第一实施方式那样将第二分压电路45与下拉电阻39并联连接。因此，能够减少构成第二分压电路45的部件数量。而且，在如第一实施方式那样将第二分压电路45与下拉电阻39并联连接的情况下，除了下拉电阻39以外还形成新的电流路径，从而作为输入端子的栅极端子tg的输入阻抗会低于下拉电阻39。然而，根据第四实施方式，不会与下拉电阻39a及39b并联地形成电流路径，因此能够决定准确的输入阻抗。

接着，结合图6来说明本发明的第五实施方式。

在该第五实施方式中，变更了半导体开关元件相对于第一分压电路的连接位置。

即，在第五实施方式中，前述的第一实施方式～第四实施方式中的半导体开关元件43的连接位置从串联连接于电阻42b与低电位侧布线22之间变更为串联连接于电阻42b与控制布线24之间。

在该第五实施方式中也同样，作为第一分压电路42，在控制布线24的控制电压Vco为设定电压Vs以下时，第二分压电路45的第二分压电压Vb小于半导体开关元件43的阈值电压。因此，半导体开关元件43维持断开状态，连接点A与低电位侧布线22之间的电流路径被切断，停止分压动作。

另一方面，当控制布线24的控制电压Vco超过设定电压Vs时，第二分压电路45的第二分压电压Vb为半导体开关元件43的阈值电压以上。因此，半导体开关元件43变为接通状态，电阻42b通过该半导体开关元件43与连接点A连接。因而，第一分压电路42开始分压动作，从连接点A输出的第一分压电压Va被控制为设定电压Vs以下。

因而，在作为输入端子的栅极端子tg和控制布线24发生高压短路从而施加超过设定电压Vs的过电压的情况下，能够利用第一分压电路42将该过电压抑制为设定电压Vs以下。因此，能够可靠地防止过电压被提供到主IGBT 21m、感测IGBT 21s、输入判定电路36、保护控制电路37以及栅极控制电路38，能够保护这些部件。

接着，结合图7来说明本发明的第六实施方式。

在该第六实施方式中，对第二分压电路附加了抵消半导体开关元件43的栅极阈值电压的温度依赖性的功能。

即，在第六实施方式中，如图7所示，在第二分压电路45的电阻45b与低电位侧布线22之间，正向地连接有用于抵消半导体开关元件43的栅极阈值电压的温度依赖性的二极管46，将该二极管46的阳极设为电阻45b侧，阴极设为低电位侧布线22侧。在此，设定二极管46的正向电压Vf、尺寸、串联数、并联数等常数以使该二极管46能够抵消半导体开关元件43的栅极阈值电压的温度依赖性。

而且，设定成：在栅极端子tg与发射极端子te之间被施加前述的设定电压Vs以上的高电压时，在第二分压电路45中，以电阻45a处产生的电压和电阻45b处产生的电压与二极管46正向电压Vf之和来表示的第二分压电压Vb为使半导体开关元件43成为导通状态的栅极阈值电压以上。

关于其它结构，具有与前述的第一实施方式同样的结构，对与图1对应的部分标注同一标记并省略其详细说明。

根据该第六实施方式，虽然半导体开关元件43的栅极阈值电压Vgth具有负的温度依赖性，但是二极管46的正向电压Vf也具有负的温度系数，因此能够通过适当设定二极管46的常数(正向电压Vf、尺寸、串联数、并联数)来抵消半导体开关元件43的栅极阈值电压Vgth的温度依赖性。

因而，能够提供不依赖于设备的温度的高压短路保护电路。

接着，结合图8来说明本发明的第七实施方式。

在该第七实施方式中，作为上述第六实施方式中的用于抵消半导体开关元件的栅极阈值电压的温度依赖性的元件，应用二极管连接形式的半导体开关元件来代替二极管。

即，在第七实施方式中，如图8所示，省略前述第六实施方式中的二极管，取而代之连接有二极管连接形式的半导体开关元件47。

作为二极管连接形式的半导体开关元件47，应用与半导体开关元件43同种类型的N沟道MOSFET，沟道宽度W与沟道长度L之比W/L也设定为与半导体开关元件43相同。该半导体开关元件47的漏极与电阻45b连接，源极与低电位侧布线22连接，栅极与漏极连接。

在该第七实施方式中也设定成：在栅极端子tg与发射极端子te之间被施加前述的设定电压Vs以上的高电压时，在第二分压电路45中，以电阻45a处产生的电压和电阻45b处产生的电压与二极管连接形式的半导体开关元件47的正向电压Vf之和来表示的第二分压电压Vb为使半导体开关元件43成为导通状态的栅极阈值电压以上。

关于其它结构，具有与前述的第六实施方式同样的结构，对与图7对应的部分标注同一标记并省略其详细说明。

根据该第七实施方式，作为用于抵消半导体开关元件43的栅极阈值电压Vgth的温度依赖性的元件，以二极管连接形式应用与半导体开关元件43同种类型且具有与其相同的沟道宽度与沟道长度之比W/L的半导体开关元件47。因此半导体开关元件47具有与半导体开关元件43的栅极阈值电压Vgth的温度依赖性相同的温度依赖性，因此能够准确地抵消半导体开关元件43的栅极阈值电压Vgth的温度依赖性。

此外，第二分压电路45的结构不限定于第一实施方式的结构，也可以是第二实施方式～第五实施方式的结构，只要在低电位侧的电阻与低电位侧布线22之间正向地连接二极管或二极管连接形式的半导体开关元件即可。

另外，在上述第一实施方式～第七实施方式中，说明了以下情况：作为主IGBT 21m的保护功能，具备主IGBT 21m的电流限制功能、功率半导体芯片25的过热保护功能、输入信号的接通时间变长时的计时器切断功能这三个功能。然而，本发明不限定于上述三个保护功能，也能够具备三个保护功能中的一个或多个保护功能，此外，还能够追加其它保护功能。

另外，在上述第一实施方式～第七实施方式中，说明了应用IGBT来作为电压控制型半导体元件的情况，但是不限定于此，能够应用功率MOSFET、SiC、GaN系、金刚石半导体等宽禁带半导体元件。

另外，与第一分压电路42串联连接的半导体开关元件43也不限定于MOSFET，能够应用其它任意的半导体开关元件。

另外，在上述第一实施方式～第七实施方式中，说明了利用功率半导体芯片25和控制半导体芯片30这两个芯片来构成半导体装置20的情况，但是也能够使功率半导体芯片25与控制半导体芯片30一体化来形成单芯片结构。

另外，也能够将构成第二分压电路45的齐纳二极管置换为二极管连接形式的MOSFET。

另外，在上述第一实施方式～第七实施方式中，说明了将本发明应用于点火控制装置的情况，但是不限定于此，也能够将本发明应用于驱动其它感性负载的控制装置。

Claims (14)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：

电压控制型半导体元件，其对负载进行驱动；以及

元件驱动部，其具有控制电路，所述控制电路被输入针对所述电压控制型半导体元件的控制端子的控制信号，根据该控制信号来控制所述电压控制型半导体元件的控制端子，并且以控制信号为电源来被驱动，

所述元件驱动部具备：

用于输入所述控制信号的输入端子以及与所述电压控制型半导体元件的低电位侧端子连接的低电位侧端子；

第一分压电路，其连接于所述输入端子与所述低电位侧端子之间，被设定成第一分压电压为用于保护所述电压控制型半导体元件和所述控制电路的设定电压以下；

半导体开关元件，其控制该第一分压电路的分压动作；以及

第二分压电路，其在所述输入端子被输入超过所述设定电压的电压时向所述半导体开关元件的控制端子输出使所述半导体开关元件导通的第二分压电压，

其中，向所述电压控制型半导体元件的控制端子和所述控制电路提供所述第一分压电压。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述第一分压电路具备第一电阻和第二电阻，所述第一电阻连接于所述输入端子与所述电压控制型半导体元件及所述控制电路之间，所述第二电阻连接于该第一电阻同所述电压控制型半导体元件及所述控制电路的连接点与所述低电位侧端子之间，所述第一分压电路从所述第一电阻与所述第二电阻的连接点输出所述第一分压电压。

3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，

所述半导体开关元件与所述第二电阻串联连接。

4.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述第二分压电路是由两个电阻串联连接而构成的，所述电阻间的连接点与所述半导体开关元件的控制端子连接。

5.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述第二分压电路包括齐纳二极管、以及连接于该齐纳二极管的阳极与所述低电位侧端子之间的电阻，所述齐纳二极管的阴极连接于所述输入端子与所述第一分压电路之间。

6.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述第二分压电路包括串联连接于所述输入端子与所述低电位侧端子之间的多个齐纳二极管中的靠所述输入端子侧的齐纳二极管、以及连接于该齐纳二极管同邻接的齐纳二极管的连接点与所述低电位侧端子之间的电阻。

7.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述第二分压电路包括将下拉电阻分割而得到的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻同所述第二电阻的连接点与所述半导体开关元件的控制端子连接，其中，所述下拉电阻与所述输入端子及所述低电位侧端子连接，用于决定该输入端子的输入阻抗。

8.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述电压控制型半导体元件与所述元件驱动部形成于不同的半导体芯片。

9.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

在所述第二分压电路的所述低电位侧端子侧连接有用于抵消所述半导体开关元件的栅极阈值电压的温度依赖性的半导体元件。

10.根据权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，

所述半导体元件由正向连接的二极管构成。

11.根据权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，

所述半导体元件由二极管连接形式的半导体开关元件构成。

12.根据权利要求11所述的半导体装置，其特征在于，

所述半导体开关元件和所述二极管连接形式的半导体开关元件由同种类的N沟道MOSFET构成。

13.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述电压控制型半导体元件与所述元件驱动部形成于同一半导体芯片。

14.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述电压控制型半导体元件由IGBT和MOSFET中的任一个构成。