CN109667694B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供在使电路构成进一步简单化的同时还具备元件保护功能的半导体装置。是功率半导体开关元件(201)和控制电路(200)形成在同一个芯片内的半导体装置(100)，所述功率半导体开关元件(201)具备用于为了特性试验而对栅极施加电压的特性试验用端子(104)，所述控制电路(200)控制功率半导体开关元件(201)的动作，其中，控制电路(200)具备栅极电压生成电路(208)，其基于通过预先对特性试验用端子(104)施加电压而测定到的功率半导体开关元件(201)的特性，生成用于将发生异常时在功率半导体开关元件(201)中流通的过电流限制在所希望的范围的电流限制栅极电压(Vgate_OC)。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置，更详细而言，涉及一种功率半导体开关元件和其控制电路内置在同一个芯片内的、具备元件保护功能的半导体装置。
背景技术
为了进行汽车等的内燃机的点火控制，例如采用了IGBT及其控制电路内置于同一个芯片内的被称为单芯片点火器的半导体装置(例如，以下参照专利文献1和2)。在这种单芯片点火器中，重要的是保护单芯片点火器内的电路免受过电流的影响。
为了保护单芯片点火器内的电路免受过电流的影响，已知在现有的单芯片点火器中具有检测过电流的功能。在这种单芯片点火器中，例如切断在点火线圈的初级侧流通的电流的IGBT中，采用串联连接电流检测用的分流电阻的方式，和/或将与IGBT(也称为主IGBT)不同的电流传感IGBT并联连接的方式。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-179440号公报
专利文献2：日本特开2014-013798号公报
发明内容
技术问题
在将分流电阻与IGBT串联连接的方式中，有将IGBT的集电极-发射极间的饱和电压、和在分流电阻上产生的电压加和而获得的电压变大而导致单芯片点火器的损耗增加的缺点。因此，现在将电流传感IGBT与主IGBT并联连接的方式成为主流。
然而，在该方式中，需要将控制电路等内置于单芯片点火器，所述控制电路基于电流传感IGBT、用于检测在电流传感IGBT中流通的电流的电阻、利用电流传感IGBT检测到的电流来控制施加到主IGBT以及电流传感IGBT的栅极电压。对此，近年来寻求芯片尺寸的缩小，该方式难以应对该需求。另外，存在内置主IGBT以外的元件而芯片成本变高的课题。
并且，根据在芯片内配置电流传感IGBT的位置，从主IGBT流入电流传感IGBT的空穴电流发生变化。在该情况下，在主IGBT和电流传感IGBT中流通的电流之比，即检测比发生变化，因此在变更制品的芯片尺寸和/或IGBT面积等的情况下，每次都需要考虑到检测比而变更电流传感IGBT的尺寸和/或位置、其控制电路的电路设计。
本发明鉴于上述实际情况而完成，其目的在于提供一种在使电路构成更简单化的同时还具备元件保护功能的半导体装置。
技术方案
为了实现上述的目的，本发明的一个观点的半导体装置是具备特性试验用端子的功率半导体开关元件和控制上述功率半导体开关元件的动作的控制电路形成在同一个芯片内的半导体装置，
上述控制电路具备栅极电压生成电路，所述栅极电压生成电路基于预先对上述特性试验用端子施加电压而测定到的上述功率半导体开关元件的特性，生成用于在发生异常时将在上述功率半导体开关元件中流通的过电流限制在所希望的范围的电流限制栅极电压。
这里，特性试验是指在晶圆状态下测量控制电路的特性等电特性的试验。另外，电流限制栅极电压是指，限制了在功率半导体开关元件中流通的电流(例如IGBT的集电极-发射极间的电流)的上限值而获得的IGBT的栅极电压。以往，在这种半导体装置中，具备用于检测过电流的电流传感电阻和/或与主IGBT不同的电流传感IGBT。这些成为芯片尺寸减少的阻碍。另外，为了实现元件保护，需要考虑到这些电流传感电阻和/或电流传感IGBT的特性偏差。对此，在以上的构成中，在特性试验时预先测定所希望的限制值的过电流在IGBT中流通时的电流限制栅极电压，在IGBT的控制电路侧，调整施加到IGBT的栅极的电压以使其成为该电流限制栅极电压。因此，根据这样的构成，能够在不使用电流传感电阻和/或电流传感IGBT的情况下保护IGBT免受过电流的影响，进而能够在不考虑芯片尺寸的减少和/或电流传感IGBT等的其他的元件的特性偏差的情况下进行元件保护。
发明效果
根据本发明，能够提供一种在使电路构成进一步简单化的同时具备元件保护功能的半导体装置。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的单芯片点火器的构成的电路图。
图2是表示正向传输特性(集电极电流和IGBT的栅极电压的相关性)的图。
图3是表示图1的栅极电压生成电路的构成的一个例子的电路图。
图4是表示图1的微调电路的构成的一个例子的电路图。
图5是表示使用了单芯片点火器的内燃机的点火控制电路的构成的一个例子的示意图。
图6是用于说明单芯片点火器的元件保护作用的波形图。
符号说明
100：单芯片点火器(半导体装置)
101：集电极端子
102：点火信号输入端子
102a：点火信号布线
102b：接地线
103：发射极端子
104：栅极冲击端子(特性试验用端子)
200：控制电路
201：功率半导体开关元件
205：二极管
207：微调电路
207R1～207R3：分压用电阻
207E1、207E2：增强型MOSFET
207D1、207D2：耗尽型MOSFET
208：栅极电压生成电路
209：恒流源
210：负载
211～213：节点
222、223：ZAP齐纳二极管
300：直流电源
301：点火线圈
302：火花塞
303：ECU
具体实施方式
以下，以单芯片点火器为例，参照附图对本发明的实施方式的半导体装置进行详细说明。本发明的特征在于，能够在不使用分流电阻和/或电流传感IGBT等电流检测用的元件的情况下保护电路免受过电流的影响。以下，对实现这样的特征的电路构成的一个例子进行说明。
(构成)
如图1所示，本发明的实施方式的半导体装置例如是用于汽车等的内燃机的点火控制的单芯片点火器100。该单芯片点火器100具备控制电路200和功率半导体开关元件201。该单芯片点火器100具备集电极端子101、点火信号输入端子102、发射极端子103、栅极冲击端子(以下称为特性试验用端子)104。
首先，对功率半导体开关元件201进行说明。功率半导体开关元件201例如由IGBT构成，从内燃机的点火控制所要求的故障安全的观点考虑，功率半导体开关元件201是常闭型，集电极、发射极、栅极分别与集电极端子101、发射极端子103、特性试验用端子104连接。功率半导体开关元件201的栅极还介由电阻202连接于节点213。功率半导体开关元件201根据从控制电路200、更具体而言从后述的微调电路207经由节点213施加到栅极的电压信号而进行导通、关断。应予说明，在功率半导体开关元件201的集电极与栅极之间，为了用于动态钳位而设置有双向二极管203。
特性试验用端子104例如是在晶圆状态下测定控制电路200的电特性的特性试验时施加了预定电压的端子，详细内容如后所述。
如图5所示，功率半导体开关元件201的集电极经由集电极端子101而连接于点火线圈301的初级侧的一端，发射极介由发射极端子103而接地。应予说明，点火线圈301的初级侧的另一端连接于直流电源300，次级侧连接于火花塞302。功率半导体开关元件201通过基于从ECU 303输入到点火信号输入端子102的点火信号而进行导通、关断动作，从而使在点火线圈301的初级侧和地面之间进行导通、非导通，由此使能量积蓄到点火线圈301的次级侧，使用该能量而使火花塞301产生火花。
返回到图1，控制电路200除了具备上述的电阻202以外，还具备电阻204、二极管205、VG电路206、栅极电压生成电路208以及保护电路215。
为了浪涌保护而设置有电阻204以及二极管205，二极管205的阴极连接于点火信号布线102a，阳极经由接地线102b而连接于发射极端子103，进而接地。另外，电阻204与二极管205并联地连接。
VG电路206以及保护电路215例如是用于对功率半导体开关元件201进行加热保护的电路。这些能够应用各种现有技术，因而这里省略其详细的说明。
就栅极电压生成电路208而言，输入端在节点211处连接于点火信号布线102a，输出端经由节点213以及电阻202而连接于功率半导体开关元件201的栅极，地面端在节点212处连接于接地线102b。如图3所示，该栅极电压生成电路208由恒流源209、负载210以及微调电路207构成，恒流源209与负载210的中间的节点214连接于微调电路207的输入端。恒流源209例如由MOSFET构成，在从ECU 303输入到点火信号输入端子102的点火信号为H电平的情况下，向负载210供给恒定的电流。负载210例如由电阻构成。由恒流源209和负载210产生的电压被输入到微调电路207，调整为所希望的电压值。换言之，栅极电压生成电路208使用微调电路207进行微调，以使得由恒流源209和负载210产生的电压进入所希望的电流限制栅极电压的范围。电流限制栅极电压等的详细内容如后所述。应予说明，也可以以除了由恒流源209和负载210组成的构成以外的构成生成电压，但从获得比较稳定的电压的观点出发，优选使用恒流源209和负载210的构成。
如图4所示，微调电路207具备第一增强(常闭)型MOSFET 207E1以及第二增强(常闭)型MOSFET 207E2、第一耗尽(常开)型MOSFET 207D1以及第二耗尽(常开)型MOSFET207D2、第一分压用电阻207R1～第三分压用电阻207R3、第一ZAP齐纳二极管222以及第二ZAP齐纳二极管223。
第一分压用电阻207R1～第三分压用电阻207R3串联地连接，在串联连接的一组电阻中的第一分压用电阻207R1的一端经由用于电路保护的电阻224而连接于节点214，并且连接于节点211，且一组电阻中的第三分压用电阻207R3的另一端经由接地线102b而接地。节点214可以是微调电路207的输入端，节点213也可以是微调电路207的输出端。
第一增强型MOSFET 207E1例如为N型，漏极连接于第一分压用电阻207R1与第二分压用电阻207R2之间，栅极经由用于电路保护的电阻225而连接于第一微调端子220，源极经由节点212而接地。另外，第二增强型MOSFET 207E2例如为N型，漏极连接于第二分压用电阻207R2与第三分压用电阻207R3之间，栅极经由电路保护用的电阻226而连接于第二微调端子221，源极经由节点212而接地。
第一耗尽型MOSFET 207D1例如为N型，漏极经由节点211而连接于点火信号布线102a，栅极连接于其源极，源极经由电阻226而连接于第二微调端子221，并且连接于第一ZAP齐纳二极管222的阴极。第二耗尽型MOSFET 207D2例如为N型，漏极经由节点211而连接于点火信号102a，栅极连接于其源极，源极经由电阻225而连接于第一微调端子220，并且连接于第一增强型MOSFET 207E1的栅极，还连接于第二ZAP齐纳二极管223的阴极。
就第一ZAP齐纳二极管222而言，阴极连接于第二增强型MOSFET207E2的栅极，并且经由电阻226连接于第二微调端子221，还连接于第一耗尽型MOSFET 207D1的源极。另外，第一ZAP齐纳二极管222的阳极经由节点212而接地。
就第二ZAP齐纳二极管223而言，阴极经由电阻225而连接于第一微调端子220，并且连接于第一增强型MOSFET 207E1的栅极，还连接于第二耗尽型MOSFET 207D2的源极。另外，第二ZAP齐纳二极管223的阳极经由节点212而接地。
(作用)
接下来，对采用以上的构成的单芯片点火器100的元件保护作用进行说明。为了保护功率半导体开关元件201免受过电流的影响，如果在产生了任何问题时在功率半导体开关元件201中流通的过电流的值小于所希望的上限值，则能够防止功率半导体开关元件201的元件损坏。因此，在本实施方式中，寻求与该所希望的上限值对应的功率半导体开关元件201(IGBT)的栅极电压的值。换言之，通过该IGBT的栅极电压的值限制在IGBT中流通的电流的上限值。
更详细而言，如图2所示，常闭型的IGBT的集电极-发射极间流通的电流的值和IGBT的栅极电压的值具有以图示的曲线表示的相关性。以下，将该相关性称为正向传输特性。该正向传输特性是在本实施方式中的特性试验时获取的特性的一个例子。如果能够把握这样的正向传输特性，则能够参照该正向传输特性，把握在集电极-发射极间流通的电流变为所希望的值(以下，称为Iclamp)时的栅极电压的值(以下，称为电流限制栅极电压Vgate_OC)。因此，在本实施方式中，在单芯片点火器100的制造阶段的晶圆的状态下，通过对上述的特性试验用端子104施加预定的电压，从而获取IGBT 201的正向传输特性。接下来，基于获取到的正向传输特性，计算成为所希望的Iclamp时的Vgate_OC。然后，预先调整微调电路207的输出，以获得计算出的Vgate_OC。
具体而言，在上述的晶圆状态下的特性试验时，通过在第一微调端子220以及第二微调端子221中流通大电流而进行试验，使ZAP齐纳二极管222和223中的至少一个击穿而永久地短路，在利用分压用电阻207R1～207R3进行的电阻分压中，选择与所希望的Vgate_OC最接近的分压点，由此调整从微调电路207输出到节点213的电压。换言之，通过适当地选择分压用电阻207R1～207R3的分压比，从而能够对输入到节点213的电压进行调整。
这里，参照图6对本实施方式的元件保护作用进行进一步说明。在内燃机的点火控制体系中，在产生了任意异常的情况下，在功率半导体开关元件201中流通的电流Ic的值变大。在使用了分流电阻和/或电流传感IGBT的现有技术中，在电流Ic达到上限值的Iclamp时开始进行保护动作，使施加到功率半导体开关元件201的栅极的电压降低，从而使过电流的值为Iclamp。与此相对，在本实施方式中，将施加到功率半导体开关元件201的栅极的电压设为与流通于功率半导体开关元件201的电流的上限值Iclamp对应的Vgage_OC，由此即使产生了任意的异常而导致电流Ic上升，其大小也不变为Iclamp以上。换言之，从不同于上述的说明的观点出发进行说明，在本实施方式中，在特性试验时求出与还可以流通于功率半导体开关元件201的电流的最大值对应的栅极电压，通过不施加其栅极电压以上的栅极电压，从而在功率半导体开关元件201中不流通使元件发生击穿的大小的过电流。
(效果)
如以上所说明，根据本实施方式，通过预先调整IGBT 201的栅极电压，从而实现元件保护功能。换言之，即使不使用用于检测电流的分流电阻和/或电流传感IGBT，也能够保护IGBT 201免受过电流的影响。因此，能够提供能够减少芯片尺寸，且比以往还低价的单芯片点火器100。
另外，由于不使用分流电阻、电流传感IGBT和/或附属于其上的电流传感电阻，所以不需要考虑这些元件的特性偏差。通过除去该偏差的影响，能够实现更高精度的元件保护功能。
并且，通过消除配置电流传感IGBT和/或与之对应的电流传感电阻的位置的限制，使得单芯片点火器100的芯片设计比较容易。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式。例如，在上述的实施方式中，采用ZAP齐纳二极管222以及223的情况对微调电路207进行了说明，本发明不限定于此。例如也可以使用半导体熔断器来构成微调电路207，微调的方法和/或使用的元件的种类、数量没有特别限定。在不使用电流检测用的元件的情况下，如果是预先获得与过电流的上限值对应的栅极电压，将该栅极电压施加到IGBT的栅极的构成，则只要不脱离本发明的技术范围，可以进行各种应用、变更等。
另外，在上述的实施方式中，对功率半导体开关元件201为常闭型的IGBT的情况进行了说明，但例如在期望的耐压比较低，且寻求更高速的开关的用途中，还可以使用功率MOSFET等。在该情况下，例如，作为在特性试验中获取到的特性的一个例子，可以获取使用的功率MOSFET的亚阈值特性，求得与过电流的上限值对应的栅极电压。

Claims (7)

1.一种半导体装置，其特征在于，所述半导体装置在同一个芯片内形成有功率半导体开关元件和控制所述功率半导体开关元件的动作的控制电路，所述功率半导体开关元件具备多个端子，并且包括连接到所述功率半导体开关元件的所述端子中的一个端子的特性试验用端子，
所述控制电路具备栅极电压生成电路，所述栅极电压生成电路基于通过预先对所述功率半导体开关元件的所述特性试验用端子施加电压而测定到的所述功率半导体开关元件的正向传输特性，生成用于将发生异常时在所述功率半导体开关元件中流通的过电流限制在所希望的范围的电流限制栅极电压。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述功率半导体开关元件为具有栅极作为所述端子中的所述一个端子的常闭型的IGBT，所述特性试验用端子连接于所述IGBT的所述栅极，所述特性是表示所述IGBT的集电极-发射极间电流与栅极电压之间的相关性的正向传输特性。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述栅极电压生成电路由恒流源、负载以及微调电路构成，生成所述电流限制栅极电压。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，所述微调电路基于由电阻分压得到的分压比来控制所述电流限制栅极电压的值。
5.一种半导体装置，其特征在于，所述半导体装置在同一个芯片内形成有具备特性试验用端子的功率半导体开关元件和控制所述功率半导体开关元件的动作的控制电路，
所述控制电路具备栅极电压生成电路，所述栅极电压生成电路基于通过预先对所述特性试验用端子施加电压而测定到的所述功率半导体开关元件的正向传输特性，生成用于将发生异常时在所述功率半导体开关元件中流通的过电流限制在所希望的范围的电流限制栅极电压，
所述功率半导体开关元件为常闭型的IGBT，所述特性试验用端子连接于所述IGBT的栅极，所述特性是表示所述IGBT的集电极-发射极间电流与栅极电压之间的相关性的正向传输特性。
6.一种半导体装置，其特征在于，所述半导体装置在同一个芯片内形成有具备特性试验用端子的功率半导体开关元件和控制所述功率半导体开关元件的动作的控制电路，
所述控制电路具备栅极电压生成电路，所述栅极电压生成电路基于通过预先对所述特性试验用端子施加电压而测定到的所述功率半导体开关元件的正向传输特性，生成用于将发生异常时在所述功率半导体开关元件中流通的过电流限制在所希望的范围的电流限制栅极电压，
所述栅极电压生成电路由恒流源、负载以及微调电路构成，生成所述电流限制栅极电压。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，所述微调电路基于由电阻分压得到的分压比来控制所述电流限制栅极电压的值。
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