CN110166031A - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体装置，其具备电流感测用半导体开关元件，能够防止因驱动的感性负载的反电动势而导致的电流感测用半导体开关元件的破坏。半导体装置(S)具备：主MOSFET(1)，其用于通过进行开关而驱动负载；感测MOSFET(2)，其用于对在主MOSFET(1)中流通的电流进行检测；以及感测MOSFET保护电路(6)，其配置在主MOSFET(1)的栅极与感测MOSFET(2)的栅极之间，以与主MOSFET(1)的栅极不同的基准电位保护感测MOSFET(2)的栅极。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及除了具备功率半导体开关元件以外还具备电流感测用半导体开关元件的半导体装置。

背景技术

以往，在应用于汽车的电子控制系统的半导体装置中，有除了具备进行开关动作的主MOSFET以外，还具备电流感测用的感测MOSFET的半导体装置(例如，参照专利文献1)。在这种半导体装置中，由于能够在感测MOSFET侧检测在主MOSFET中流通的电流，所以通过使在感测MOSFET中流通的电流流过感测电阻，并对其两端电压进行测定，从而检测该电流。

在该构成中，为了提高电流检测精度，已知有介由差分放大器将主MOSFET的源极与感测MOSFET的源极虚短路的电路构成(例如，参照专利文献2)。

在该电路构成中，如果根据栅极信号使主MOSFET导通，则从主MOSFET向负载电阻流通电流。另外，与其电流值、电流感测比相应的电流也在感测MOSFET中流通。更详细而言，在主MOSFET中流通与其原胞数相应的值的电流(主电流)，在感测MOSFET中流通与其原胞数相应的值的电流(感测电流)。主MOSFET的原胞数与感测MOSFET的原胞数之比为电流感测比。换言之，可以根据感测电流的值和电流感测比算出主电流的值，通过使在感测MOSFET中流通的电流流过感测电阻，并测定由感测电流产生的感测电阻的两端的电压值，从而检测在主MOSFET中流通的电流。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-263032号公报

专利文献2：国际公开第WO2012/137670号小册子

发明内容

技术问题

在这样的电路构成中，在驱动的负载为感性负载的情况下，如果使主MOSFET截止，则对主MOSFET的源极施加感性负载的反电动势(浪涌)，该源极成为负电位。为了不因该动作而破坏主MOSFET，使主MOSFET的栅极电位成为源极电位(负电位)来进行保护。

此时，感测MOSFET的栅极电位也由于直接地连接到主MOSFET的栅极，进而感测MOSFET的源极与主MOSFET的源极虚短路，所以成为负电位。然而，由于感测MOSFET的源极还介由感测电阻而接地，所以有可能因为对感测MOSFET的栅极施加急剧的浪涌而导致感测MOSFET的栅极绝缘膜被破坏。

本发明是鉴于上述实际情况而完成的，其目的在于提供具备电流感测用半导体开关元件，能够防止因驱动的感性负载的反电动势而导致的电流感测用半导体开关元件的破坏的半导体装置。

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具备：主功率半导体开关元件，其通过进行开关而驱动负载；电流感测用半导体开关元件，其用于对在上述主功率半导体开关元件中流通的电流进行检测；以及电流感测用半导体开关元件保护电路，其配置在上述主功率半导体开关元件的栅极与上述电流感测用半导体开关元件的栅极之间，以与上述主功率半导体开关元件的栅极不同的基准电位保护上述电流感测用半导体开关元件的栅极不受浪涌影响。

以往，在这种半导体装置中，主功率半导体开关元件的栅极与电流感测用半导体开关元件的栅极直接连接以得到所希望的电流感测比。此时，在例如驱动的负载为马达等感性负载的情况下，因反电动势会向主功率半导体开关元件的栅极施加急剧的负电压(浪涌)。在现有的构成中，由于主功率半导体开关元件的栅极与电流感测用半导体开关元件的栅极直接连接，进而主功率半导体开关元件的源极与电流感测用半导体开关元件的源极被虚短路，所以电流感测用半导体开关元件的栅极也成为负电位。另外，由于电流感测用半导体开关元件的源极还介由电流感测用电阻等而接地，所以有可能由于形成向接地的电流路径而导致急剧的负电压被施加于电流感测用半导体开关元件的栅极从而该电流感测用半导体开关元件的栅极被破坏。

然而，在本发明的半导体装置中，由于电流感测用半导体开关元件保护电路以电位上与主功率半导体开关元件的栅极不同的基准、换言之以不同的基准电位保护电流感测用半导体开关元件的栅极，所以即使产生急剧的浪涌，也能够通过该电流感测用半导体开关元件保护电路来保护电流感测用半导体开关元件的栅极不受急剧的浪涌的影响。

在此，作为以不同的电位进行保护的具体例，以主功率半导体开关元件的源极或栅极为基准保护主功率半导体开关元件的栅极不受浪涌影响，以接地为基准保护电流感测用半导体开关元件的栅极。

发明效果

根据本发明，可以提供具备电流感测用的半导体开关元件，能够防止因驱动的感性负载的反电动势而导致的电流感测用的半导体开关元件的破坏的半导体装置。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的半导体装置的电路图。

图2是图1所示的感测MOSFET保护电路的电路图。

图3是用于说明图1的半导体装置的作用的图。

图4是用于说明图1的半导体装置的作用的电路图。

符号说明

1：主MOSFET(主功率半导体开关元件)

2：感测MOSFET(电流感测用半导体开关元件)

3：差分放大器

4：电阻性元件

5：感测电阻

6：感测MOSFET保护电路(电流感测用半导体开关元件保护电路)

7：栅极信号线

8、9：双向二极管

10：感性负载

11：测定用节点

61：分离用电阻

62：多个二极管

GND：接地

GS：栅极信号

OUT：输出端子

R1：电阻

S：半导体装置

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式的半导体装置进行说明。本发明的特征之一是采用如下电路构成：在驱动感性负载的情况下，不向电流感测用的半导体开关元件的栅极施加因感性负载的反电动势而产生的急剧的负电压。以下，进行详细说明。

(构成)

本实施方式的半导体装置例如应用于汽车的电子控制系统。如图1所示，该半导体装置S主要具备主MOSFET 1、感测MOSFET 2、差分放大器3、电阻性元件4、感测电阻5和感测MOSFET保护电路6。

主MOSFET 1例如是作为高侧开关发挥功能的N型的功率MOSFET，是主功率半导体开关元件的一个例子。该主MOSFET 1的漏极连接于电源Vcc和感测MOSFET 2的漏极，源极介由输出端子OUT与驻车制动器的螺线管等感性负载10连接，栅极与栅极信号线7连接，并且栅极还介由第一双向二极管8与电源Vcc连接，还介由第二双向二极管9与主MOSFET 1的源极侧连接。第一双向二极管8例如是当在电源Vcc侧产生浪涌时保护主MOSFET 1的栅极的动态钳位用的元件。另外，第二双向二极管9是当在感性负载10产生电动势时用于保护主MOSFET 1的栅极的元件。即，主MOSFET 1的栅极在电位上以漏极或源极为基准被保护。在本实施方式中，将针对浪涌的该保护的基准电位设为第一基准电位。

主MOSFET 1根据介由栅极信号线7向栅极供给的栅极信号GS而进行开关，利用作为汽车的电池等的电源Vcc的电力来驱动感性负载10。

感测MOSFET 2是用于使得能够在感测MOSFET 2侧检测在主MOSFET 1的漏极-源极间流通的电流的元件，是电流感测用半导体开关元件的一个例子。该感测MOSFET 2的源极与电阻性元件4的源极连接，栅极介由感测MOSFET保护电路6与栅极信号线7连接。感测MOSFET 2具有与主MOSFET 1类似的结构。具体而言，通过适当设定主MOSFET 1的原胞数与感测MOSFET 2的原胞数的比例，从而得到所希望的电流感测比。

更详细而言，例如，在一个半导体芯片中，主MOSFET 1和感测MOSFET 2分别以预定的原胞数形成。在主MOSFET 1中流通与其原胞数对应的值的电流，在感测MOSFET 2中也流通与其原胞数对应的值的电流。主MOSFET 1的原胞数与感测MOSFET 2的原胞数之比为电流感测比。作为一个例子，在主MOSFET 1的原胞数与感测MOSFET 2的原胞数之比为1000：1的情况下，在感测MOSFET 2中流通的电流是在主MOSFET 1中流通的电流的1/1000。因此，通过测定在感测MOSFET 2中流通的电流的值，从而能够基于电流感测比算出在主MOSFET 1中流通的电流。

差分放大器3的非反相输入端子与感测MOSFET 2的源极连接，反相输入端子介由电阻R1与主MOSFET 1的源极连接。另外，该反相输入端子介由电阻R1连接到第二双向二极管9的一侧，即与和主MOSFET 1连接的一侧相反的一侧。为了提高电流的检测精度，介由差分放大器3的非反相输入端子和反相输入端子将主MOSFET 1的源极与感测MOSFET 2的源极虚短路。差分放大器3的输出端子与电阻性元件4的栅极连接。针对此情况下的差分放大器3的作用等详细情况，例如在国际公开第WO2012/137670号中已经进行了详细说明，所以在本说明书中省略详细的说明。

电阻性元件4例如是P型的MOSFET，漏极介由测定用节点11与感测电阻5的一端连接。感测电阻5的另一端连接到接地GND。感测电阻5根据在感测MOSFET 2的漏极-源极间流通的电流，以接地为基准，生成与从主MOSFET 1供给到感性负载10的电流相应的电压Vsns。通过介由测定用节点11检测电压Vsns，从而测定在感测MOSFET 2的漏极-源极间流通的电流值。电阻性元件4通过根据从差分放大器3供给到其栅极的输出使其电阻值变化，从而调整为使主MOSFET 1的漏极-源极间电压与感测MOSFET 2的漏极-源极间电压相等，由此提高测定用节点11处的电流的检测精度，其中所述差分放大器3是非反相输入端子与反相输入端子被虚短路了的部件。

感测MOSFET保护电路6是在感性负载10产生了反电动势的情况下保护电流感测用半导体开关元件、在本实施方式中是保护感测MOSFET 2的栅极的电路，感测MOSFET保护电路6是电流感测用半导体开关元件保护电路的一个例子。将该感测MOSFET保护电路6的构成的一个例子示于图2。

如图2所示，该感测MOSFET保护电路6具备分离用电阻61和多个二极管62。通过这些分离用电阻61和多个二极管62，将感测MOSFET 2的栅极在电位上与主MOSFET 1的栅极(以其源极或漏极为基准进行保护)分离而以接地GND为基准进行保护。在本实施方式中，将该保护的基准电位设为第二基准电位。换言之，本实施方式的感测MOSFET保护电路6以与上述的第一基准电位不同的第二基准电位来保护感测MOSFET 2的栅极。在以下的作用·效果的说明中对详细情况进行说明。

分离用电阻61配置在感测MOSFET 2的栅极与栅极信号线7之间。换言之，在本实施方式中，主MOSFET 1的栅极与感测MOSFET 2的栅极不是直接连接，而是通过分离用电阻61被分离。针对由此产生的作用的详细情况，在后文进行叙述。

多个二极管62由数量n的二极管构成，该数量n是关于主MOSFET 1的栅极和感测MOSFET 2的栅极，在感测MOSFET保护电路6内不会因二极管的反向耐压将电压钳位而得到设计的电流感测比的那样的数量。换言之，上述多个二极管62由允许与电流感测比对应的值的电流按照设计地流过感测MOSFET 2的数量n的二极管构成。这些多个二极管62从接地GND朝向感测MOSFET 2的栅极按正向串联连接，一端侧的二极管的阴极与感测MOSFET 2的栅极和分离用电阻61连接，另一端侧的二极管的阳极连接到接地GND。在因浪涌而导致感测MOSFET 2的栅极成为负电位的情况下，多个二极管62以接地为基准来保护通过分离用电阻61与主MOSFET 1的栅极分离了的感测MOSFET 2的栅极。对于数量n，在作用·效果的说明中进行具体说明。

(作用·效果)

接下来，对本实施方式的半导体装置S的作用·效果进行说明。如果根据介由栅极信号线7供给的栅极信号GS将主MOSFET 1截止，则如图3所示，由连接到输出端子OUT的感性负载10产生反电动势。因该反电动势，介由主MOSFET 1的源极使该主MOSFET 1的栅极成为负电位。

例如，在电源Vcc的电压大致为13V，接地在电位上为0V的情况下，通过反电动势而产生的负电位大致为-37V。换言之，在该例中，产生Vcc-50V(13V+37V)的急剧的浪涌。

然而，主MOSFET 1的栅极被第二双向二极管9保护而不受该浪涌影响。另一方面，感测MOSFET 2的栅极被感测MOSFET保护电路6保护。具体而言，首先，感测MOSFET 2的栅极通过分离用电阻61和多个二极管62与主MOSFET 1的栅极在电位上分离。因此，即使产生上述浪涌，且浪涌施加于主MOSFET 1和感测MOSFET 2，且主MOSFET 1的栅极成为负电位，也由于感测MOSFET 2的栅极虽然同样地成为负电位，但介由分离用电阻61被分离且通过多个二极管62以接地GND为基准被保护，所以如上所述，即使浪涌为Vcc-50V，也如图4的单点划线所示，通过使感测MOSFET 2的栅极仅在电位上达到-Vf×n(V)之前成为负电位，使电流从电位上高的接地GND流向电位上低的感测MOSFET 2侧，从而保护感测MOSFET 2的栅极绝缘膜不受浪涌影响。这里，Vf为各二极管的正向电压，n如上所述为多个二极管62的数量。由此，防止对感测MOSFET 2的栅极施加产生栅极绝缘膜的破坏那样的急剧的负电压，进而防止发生感测MOSFET 2的元件破坏的情况。

对多个二极管62的数量n进行详细说明。考虑分离用电阻61的电阻值以及主MOSFET 1和感测MOSFET 2各自的原胞数来选择多个二极管62的数量n，以便在主MOSFET 1接通的情况下，在主MOSFET 1的栅极和感测MOSFET 2的栅极在栅极电压上不产生差异。由此，维持设计的电流感测比。换言之，在主MOSFET 1的栅极和感测MOSFET 2的栅极在栅极电压上不产生差异的范围内适当选择多个二极管62的数量n，以便获得所希望的电流感测比。

例如，在对主MOSFET 1的栅极和感测MOSFET 2的栅极施加Vcc+10V(来自未图示的电荷泵电路等的输出电压)作为接通时的栅极信号GS的情况下，通过使串联连接的多个二极管62的正向电压下降(Vf×n[V])高于感测MOSFET 2的导通时的栅极信号GS的电压、即Vcc+10V以便多个二极管62不会将向感测MOSFET 2发送的栅极信号GS钳位，从而能够维持设计的电流感测比。例如，在被各二极管钳位的电压为10V的情况下，多个二极管62的数量n优选设为4。应予说明，这是因为，对于电荷泵电路等的输出而言，本实施方式的主MOSFET 1为高侧开关，为了使其完全导通，电荷泵电路等的输出需要是高于漏极侧的电压。

如上所说明，根据本发明，感测MOSFET 2的栅极介由分离用电阻61与主MOSFET 1的栅极分离。另外，将感测MOSFET 2的栅极介由反向连接的多个二极管62连接到接地，以便在电位上以接地为基准保护感测MOSFET 2的栅极。通过采用这样的构成，由于在电位上将感测MOSFET 2的栅极与主MOSFET 1的栅极分离，因此能够保护感测MOSFET 2的栅极不受到由于使主MOSFET 1截止而因感性负载10的反电动势产生的浪涌的影响。

另外，多个二极管62由在主MOSFET 1的栅极和感测MOSFET 2的栅极在栅极电压上不产生差异那样的数量n的二极管构成。由此，能够维持设计的电流感测比。换言之，即使采用感测MOSFET保护电路6，也由于能够按照设计使与电流感测比对应的值的电流流过感测MOSFET 2，所以能够维持使主MOSFET 1的源极与感测MOSFET 2的源极虚短路而提高电流检测精度这样的优点。另外，也能够得到采用感测MOSFET 2的电路构成的本来的优点、即与使用分流电阻的电流检测相比能够减少产生的损耗这样的优点。

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的实施方式，只要不脱离本发明的技术范围，就可以进行各种应用、改变。

例如，在上述实施方式中，以用于驱动感性负载10的功率半导体开关元件为主MOSFET 1，与此相对应地电流感测用的半导体开关元件为感测MOSFET 2的情况为例进行了说明。本发明不限于这样的情况，对于其他种类的功率半导体开关元件，也可以通过进行适当的应用和/或改变等而适用本发明，以便在电位上以不同的基准保护主要的功率半导体开关元件的栅极和电流感测用的半导体开关元件的栅极不受浪涌影响。例如，可以使主功率半导体开关元件和电流感测用半导体开关元件的种类为IGBT来代替MOSFET，与此相对应地适当改变电流感测用半导体开关元件保护电路的二极管的数量等，以得到所希望的感测比。

Claims (5)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：

主功率半导体开关元件，其用于通过进行开关而驱动负载；

电流感测用半导体开关元件，其用于对在所述主功率半导体开关元件中流通的电流进行检测；以及

电流感测用半导体开关元件保护电路，其配置在所述主功率半导体开关元件的栅极与所述电流感测用半导体开关元件的栅极之间，以与所述主功率半导体开关元件的栅极不同的基准电位保护所述电流感测用半导体开关元件的栅极。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述主功率半导体开关元件的栅极以该主功率半导体开关元件的源极和漏极中的任一个的电位作为第一基准电位，所述电流感测用半导体开关元件保护电路以接地电位作为第二基准电位来保护所述电流感测用半导体开关元件的栅极。

3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述电流感测用半导体开关元件保护电路具备：

电阻，其配置在所述主功率半导体开关元件的栅极与所述电流感测用半导体开关元件的栅极之间；以及

多个二极管，是从接地朝向所述电流感测用半导体开关元件的栅极按正向串联连接的多个二极管，该多个二极管的一端侧的二极管的阴极与所述电流感测用半导体开关元件的栅极和所述电阻连接，该多个二极管的另一端侧的二极管接地。

4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，所述多个二极管由允许按照所设计的电流感测比的值的电流流过所述电流感测用半导体开关元件的数量的二极管构成，所述电流感测比是作为所述主功率半导体开关元件的原胞数与所述电流感测用半导体开关元件的原胞数之比。

5.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，所述多个二极管进而由这样的数量的二极管构成，即该数量使串联连接的所述多个二极管的正向电压下降高于所述电流感测用开关元件的导通时的所述栅极信号的电压以便不将向所述电流感测用开关元件发送的栅极信号钳位。