JP2009268336A - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、ダイオード内蔵IGBT素子を備えた半導体装置に関し、特にダイオード素子とIGBT素子とが干渉しないようにしたものに関する。 The present invention relates to a semiconductor device including an IGBT element with a built-in diode, and more particularly to an apparatus in which a diode element and an IGBT element are prevented from interfering with each other.
従来より、ダイオード素子とIGBT素子とが同一の半導体基板に設けられたダイオード内蔵IGBT素子が提案されている(例えば特許文献1参照)。このダイオード内蔵IGBT素子は、ダイオード素子のアノード電極とIGBT素子のエミッタ電極とが共通電極とされ、ダイオード素子のカソード電極とIGBT素子のコレクタ電極とが共通電極とされる構造になっている。このダイオード内蔵IGBT素子は例えばインバータ回路に組み入れられ、負荷をPWM制御するものとして用いられる。
しかしながら、上記従来のダイオード内蔵IGBT素子をインバータ回路に組み入れた場合、IGBT素子のゲート信号は原則、上下アームに位相反転した信号となるため、例えば、ダイオード素子がフリーホイール動作するタイミングでもIGBT素子にゲート信号が入力される。つまり、ダイオード素子の動作とIGBT素子の動作とが同時に起こる。なお、IGBT素子の動作とは、より詳しくはIGBT素子にゲート信号が入力されることを指す。 However, when the above-mentioned conventional IGBT element with a built-in diode is incorporated in an inverter circuit, the gate signal of the IGBT element is a signal whose phase is inverted to the upper and lower arms in principle. A gate signal is input. That is, the operation of the diode element and the operation of the IGBT element occur simultaneously. More specifically, the operation of the IGBT element indicates that a gate signal is input to the IGBT element.
このように、ダイオード素子の動作とIGBT素子の動作とが同時に起こると、上記のように各電極が共通とされているため、IGBT素子のチャネルがオンするとダイオード素子のアノードとカソードとが同電位になろうとする。これにより、IGBT素子のゲート電位によってボディーダイオードが順方向動作しにくくなる。その結果、ダイオード素子の順方向電圧Vfが増加し、ダイオード素子の順方向損失が増加してしまうという問題があった。 As described above, when the operation of the diode element and the operation of the IGBT element occur at the same time, the electrodes are made common as described above. Therefore, when the channel of the IGBT element is turned on, the anode and cathode of the diode element have the same potential. Try to become. This makes it difficult for the body diode to operate in the forward direction due to the gate potential of the IGBT element. As a result, there is a problem that the forward voltage Vf of the diode element increases and the forward loss of the diode element increases.
このような問題をデバイス構造で回避する方法として、例えばProceedings of 2004 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, pp261-264に示されるように、IGBTセルのボディーダイオードとは別にダイオード専用域、すなわちゲートが存在しない領域を設けることも考えられる。しかし、IGBT素子として動作しない領域、つまりダイオード動作のみを行う領域が増えてしまう。このため、チップサイズを維持してダイオード専用域を設けると、IGBT素子のオン電圧が増加してしまう。なお、ダイオード素子のオン電圧を固定すると、チップサイズが増加してしまう。 As a method of avoiding such a problem in the device structure, for example, as shown in Proceedings of 2004 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, pp261-264, a diode dedicated area, that is, a gate is separated from the body diode of the IGBT cell. It is also conceivable to provide a region that does not exist. However, a region that does not operate as an IGBT element, that is, a region that performs only a diode operation increases. For this reason, if the diode exclusive area is provided while maintaining the chip size, the on-voltage of the IGBT element increases. If the on-voltage of the diode element is fixed, the chip size increases.
一方、DC−DCコンバータなどでは、ダイオード素子を内蔵するDMOS素子をスイッチング素子として制御回路に組み入れ、同期整流制御を行う方法が良く知られている。このダイオード内蔵DMOS素子においてダイオード素子に電流が流れると、ダイオード素子に順方向電圧が発生し、この順方向電圧分のDC損失が生じてしまう。そこで、こうした同期整流制御を行う場合、還流用DMOS素子のゲート信号をオンさせるために、電流トランスを使ってDMOS素子の電流を検知する方法が一般的である(例えば、特開2004−180386号公報)。 On the other hand, in a DC-DC converter or the like, a method for performing synchronous rectification control by incorporating a DMOS element incorporating a diode element into a control circuit as a switching element is well known. When a current flows through the diode element in the diode built-in DMOS element, a forward voltage is generated in the diode element, and a DC loss corresponding to the forward voltage occurs. Therefore, when such synchronous rectification control is performed, a method of detecting the current of the DMOS element using a current transformer is generally used to turn on the gate signal of the freewheeling DMOS element (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-180386). Publication).
しかし、電流センス素子として電流トランスが必要であり、回路規模が大きくなるという問題があった。そこで、これを改善する方法として、スイッチング素子の両端電圧をモニタする方式の採用が考えられる(例えば、特開2004−208407号公報)。しかし、この方式では、電源電圧が高い場合、その電圧に耐えられる入力端子を持つ制御ICが必要であり、高電圧スイチング時に発生するノイズ耐量も厳しくなるため、保護素子を追加するなどの高耐量設計が必要になる。このため制御ICのコストが増えるという問題があった。 However, there is a problem that a current transformer is required as a current sensing element, and the circuit scale becomes large. Therefore, as a method for improving this, it is conceivable to employ a method of monitoring the voltage across the switching element (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-208407). However, this method requires a control IC that has an input terminal that can withstand the power supply voltage when the power supply voltage is high, and the immunity to noise generated during high-voltage switching becomes severe. Design is required. Therefore, there is a problem that the cost of the control IC increases.
本発明は、上記点に鑑み、ダイオード内蔵IGBT素子を備えた半導体装置において、ダイオード素子の動作とIGBT素子の動作との干渉を回避してダイオードの順方向損失増加を防止することを第1の目的とし、ダイオード内蔵DMOS素子を備えた半導体装置において、ダイオード素子の動作とDMOS素子の動作とを同期させてダイオード素子の順方向電圧分の損失増加を防止することを第2の目的とする。 In view of the above points, the present invention provides a semiconductor device including an IGBT element with a built-in diode that prevents an increase in forward loss of the diode by avoiding interference between the operation of the diode element and the operation of the IGBT element. A second object of the present invention is to prevent an increase in the loss of the forward voltage of the diode element by synchronizing the operation of the diode element and the operation of the DMOS element in a semiconductor device including a DMOS element with a built-in diode.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、ダイオード素子(22a)とゲートに入力される駆動信号によって駆動されるIGBT素子(21a)とが同一の半導体基板に設けられてなるダイオード内蔵IGBT素子(20)と、外部から入力した駆動信号を通過させてIGBT素子(21a)のゲートに入力するものであって、ダイオード素子(22a)に流れる電流を検出し、ダイオード素子(22a)に電流が流れていない場合、外部から入力される駆動信号の通過を許可する一方、ダイオード素子(22a)に電流が流れている場合、駆動信号の通過を停止するフィードバック手段(10、30、40)を備えていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, the diode element (22a) and the IGBT element (21a) driven by the drive signal input to the gate are provided on the same semiconductor substrate. The built-in IGBT element (20) and a drive signal input from the outside are passed through and input to the gate of the IGBT element (21a), and a current flowing through the diode element (22a) is detected, and the diode element (22a) When no current is flowing through the diode, the feedback means (10, 30, 40) that permits the passage of the drive signal input from the outside, while stopping the passage of the drive signal when the current is flowing through the diode element (22a). ).
これにより、ダイオード素子(22a)に電流が流れている場合、IGBT素子(21a)の駆動を停止させることができる。すなわち、ダイオード素子(22a)に電流が流れている場合、IGBT素子(21a)に当該IGBT素子(21a)を駆動させるためのゲート信号が入力されないようにしているため、ダイオード素子(22a)の動作とIGBT素子(21a)の動作との干渉を回避することができる。 Thereby, when the electric current is flowing through the diode element (22a), the driving of the IGBT element (21a) can be stopped. That is, when a current flows through the diode element (22a), the gate signal for driving the IGBT element (21a) is not input to the IGBT element (21a). And the operation of the IGBT element (21a) can be avoided.
したがって、ダイオード素子(22a)とIGBT素子(21a)とが同時にオンするために、IGBT素子(21a)と同一の半導体基板に形成されたダイオード素子(22a)が順方向動作しにくくなることで起こるダイオード素子(22a)の順方向電圧の増加を回避することができる。こうして、ダイオード素子(22a)の順方向電圧の損失増加を防止することができる。 Therefore, since the diode element (22a) and the IGBT element (21a) are simultaneously turned on, the diode element (22a) formed on the same semiconductor substrate as the IGBT element (21a) becomes difficult to operate in the forward direction. An increase in the forward voltage of the diode element (22a) can be avoided. Thus, an increase in forward voltage loss of the diode element (22a) can be prevented.
また、請求項2に記載の発明では、フィードバック手段(10、30、40)は、ダイオード素子(22a)に流れる電流を検出するためのセンス抵抗(30)を備え、ダイオード素子(22a)に電流が流れていることを判定するために用いる第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)を有しており、センス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)と第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)とを比較し、電位差(Vs)が第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きい場合、外部から入力される駆動信号の通過を許可する一方、電位差(Vs)が第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも小さい場合、駆動信号の通過を停止するようになっていることを特徴とする。 In the invention according to claim 2, the feedback means (10, 30, 40) includes a sense resistor (30) for detecting a current flowing through the diode element (22a), and the diode element (22a) has a current. Has a first diode current detection threshold value (Vth1) used for determining that the current flows, and the potential difference (Vs) across the sense resistor (30) and the first diode current detection threshold value (Vth1) are In comparison, when the potential difference (Vs) is larger than the first diode current detection threshold (Vth1), the drive signal inputted from the outside is allowed to pass while the potential difference (Vs) is the first diode current detection threshold (Vth1). If smaller, the drive signal is stopped from passing.
このように、ダイオード素子(22a)に電流が流れていることを検出するため、センス抵抗(30)を用いた回路構成とすることができる。これにより、センス抵抗(30)の両端の電位差を利用してダイオード素子(22a)に流れる電流を検出することが可能となる。 Thus, in order to detect that a current flows through the diode element (22a), a circuit configuration using the sense resistor (30) can be obtained. As a result, the current flowing through the diode element (22a) can be detected using the potential difference between both ends of the sense resistor (30).
このようにダイオード素子(22a)に流れる電流を検出する場合、請求項3に記載の発明のように、ダイオード内蔵IGBT素子(20)はダイオード素子(22a)に流れる電流に比例した電流が流れるダイオードセンス素子(22b)を有し、このダイオードセンス素子(22b)に流れる電流がセンス抵抗(30)に流れるようにすることができる。 When the current flowing through the diode element (22a) is detected as described above, the diode built-in IGBT element (20) is a diode in which a current proportional to the current flowing through the diode element (22a) flows as in the invention according to claim 3. It has a sense element (22b), and a current flowing through the diode sense element (22b) can flow through the sense resistor (30).
そして、請求項4に記載の発明では、ダイオード内蔵IGBT素子(20)が作動することにより発生する熱の温度に応じた順方向電圧を出力する感温ダイオード素子(50)を備えており、フィードバック手段(10、30、40)は、第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きい第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’)を有しており、感温ダイオード素子(50)から入力した感温ダイオード素子(50)の順方向電圧がダイオード内蔵IGBT素子(20)の高温状態を示す温度閾値を超える場合、センス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)と第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’)とを比較するようになっていることを特徴とする。 The invention according to claim 4 further includes a temperature-sensitive diode element (50) that outputs a forward voltage corresponding to the temperature of heat generated by the operation of the IGBT element with built-in diode (20). The means (10, 30, 40) has a second diode current detection threshold value (Vth1 ′) larger than the first diode current detection threshold value (Vth1), and the temperature sensitivity input from the temperature sensitive diode element (50). When the forward voltage of the diode element (50) exceeds the temperature threshold indicating the high temperature state of the diode built-in IGBT element (20), the potential difference (Vs) across the sense resistor (30) and the second diode current detection threshold (Vth1 ′) ) And are characterized by comparison.
これによると、ダイオード内蔵IGBT素子(20)が高温状態になった場合、ダイオード素子(22a)に流れる電流が微少であっても、ダイオード素子(22a)に電流が流れていることを判定することができる。これにより、ダイオード内蔵IGBT素子(20)が高温状態であってダイオード素子(22a)に小電流が流れたとき、IGBT素子(21a)の駆動を停止することができるため、ダイオード内蔵IGBT素子(20)が高温によって破壊されてしまうことを防止することができる。 According to this, when the diode built-in IGBT element (20) is in a high temperature state, it is determined that the current flows through the diode element (22a) even if the current flowing through the diode element (22a) is very small. Can do. Accordingly, when the diode-embedded IGBT element (20) is in a high temperature state and a small current flows through the diode element (22a), the driving of the IGBT element (21a) can be stopped, and thus the diode-embedded IGBT element (20 ) Can be prevented from being destroyed by high temperatures.
請求項5に記載の発明では、フィードバック手段(10、30、40)は、IGBT素子(21a)に流れる電流を検出し、IGBT素子(21a)に過剰電流が流れていない場合、外部から入力される駆動信号の通過を許可する一方、IGBT素子(21a)に過剰電流が流れている場合、駆動信号の通過を停止するようになっていることを特徴とする。 In the invention according to claim 5, the feedback means (10, 30, 40) detects the current flowing through the IGBT element (21a), and when the excess current does not flow through the IGBT element (21a), it is input from the outside. On the other hand, when an excessive current flows through the IGBT element (21a), the passage of the drive signal is stopped.
このように、IGBT素子(21a)に過剰電流が流れている場合にも、IGBT素子(21a)の駆動を停止することができ、IGBT素子(21a)の素子破壊を防止することができる。 As described above, even when an excessive current flows through the IGBT element (21a), the driving of the IGBT element (21a) can be stopped, and the element destruction of the IGBT element (21a) can be prevented.
請求項6に記載の発明では、フィードバック手段(10、30、40)は、IGBT素子(21a)に過剰電流が流れていることを判定するために用いる過電流検知閾値(Vth2)を有しており、センス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)と過電流検知閾値(Vth2)とを比較し、電位差(Vs)が過電流検知閾値(Vth2)よりも小さい場合、外部から入力される駆動信号の通過を許可する一方、電位差(Vs)が過電流検知閾値(Vth2)よりも大きい場合、駆動信号の通過を停止するようになっていることを特徴とする。 In the invention described in claim 6, the feedback means (10, 30, 40) has an overcurrent detection threshold value (Vth2) used for determining that an excessive current is flowing in the IGBT element (21a). If the potential difference (Vs) between both ends of the sense resistor (30) is compared with the overcurrent detection threshold value (Vth2), and the potential difference (Vs) is smaller than the overcurrent detection threshold value (Vth2), the drive input from the outside While the passage of the signal is permitted, when the potential difference (Vs) is larger than the overcurrent detection threshold (Vth2), the passage of the drive signal is stopped.
このように、ダイオード素子(22a)と同様に、IGBT素子(21a)に流れる電流をセンス抵抗(30)の両端の電位差を利用して検出することができる。 Thus, like the diode element (22a), the current flowing through the IGBT element (21a) can be detected using the potential difference between both ends of the sense resistor (30).
請求項7に記載の発明のように、ダイオード内蔵IGBT素子(20)はIGBT素子(21a)に流れる電流に比例した電流が流れるIGBTセンス素子(21b)を備え、このIGBTセンス素子(21b)に流れる電流がセンス抵抗(30)に流れるようにすることができる。 As in the invention described in claim 7, the diode built-in IGBT element (20) includes an IGBT sense element (21b) through which a current proportional to a current flowing through the IGBT element (21a) flows, and the IGBT sense element (21b) includes The flowing current can flow to the sense resistor (30).
請求項8に記載の発明では、ダイオード素子(121)とゲートに入力される駆動信号によって駆動されるDMOS素子(111)とが同一の半導体基板に設けられてなるダイオード内蔵DMOS素子(100)と、ダイオード素子(121)に流れる電流を検出し、ダイオード素子(121)に電流が流れていない場合、DMOS素子(111)の駆動を停止する一方、ダイオード素子(121)に順方向に電流が流れている場合、DMOS素子(111)を駆動してダイオード素子(121)に順方向の電流が流れる向きと同じ向きの電流をDMOS素子(111)に流すフィードバック手段(200)を備えていることを特徴とする。 In the invention according to claim 8, the diode built-in DMOS element (100) in which the diode element (121) and the DMOS element (111) driven by the drive signal input to the gate are provided on the same semiconductor substrate; When the current flowing through the diode element (121) is detected and no current flows through the diode element (121), the driving of the DMOS element (111) is stopped while the current flows through the diode element (121) in the forward direction. A feedback means (200) for driving the DMOS element (111) to flow a current in the same direction as a forward current to the diode element (121) to the DMOS element (111). Features.
これにより、ダイオード素子(121)に順方向電流が流れるときにはDMOS素子(111)を介して流すようにすることができる。したがって、ダイオード素子(121)に順方向電流を流す際に生じる順方向電圧Vf分のDC損失の増加を防止することができる。 As a result, when a forward current flows through the diode element (121), it can flow through the DMOS element (111). Therefore, it is possible to prevent an increase in DC loss corresponding to the forward voltage Vf that occurs when a forward current flows through the diode element (121).
請求項9に記載の発明では、フィードバック手段(200)は、ダイオード素子(121)に流れる電流を検出するためのセンス抵抗(30)を備え、ダイオード素子(121)に電流が流れていることを判定するために用いる第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)を有しており、センス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)と第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)とを比較し、電位差(Vs)が第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きい場合、DMOS素子(111)の駆動を停止し、電位差(Vs)が第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも小さい場合、DMOS素子(111)を駆動するようになっていることを特徴とする。 In the invention described in claim 9, the feedback means (200) includes a sense resistor (30) for detecting a current flowing through the diode element (121), and the current is flowing through the diode element (121). It has a first diode current detection threshold (Vth1) used for determination, compares the potential difference (Vs) across the sense resistor (30) with the first diode current detection threshold (Vth1), and compares the potential difference (Vs1). ) Is larger than the first diode current detection threshold (Vth1), the driving of the DMOS element (111) is stopped, and when the potential difference (Vs) is smaller than the first diode current detection threshold (Vth1), the DMOS element (111) ) Is driven.
このように、センス抵抗(30)の両端に生じる電位差(Vs)を用いてダイオード素子(121)に電流が流れていることを検知することができる。 As described above, it is possible to detect that a current flows through the diode element (121) using the potential difference (Vs) generated between both ends of the sense resistor (30).
請求項10に記載の発明のように、ダイオード内蔵DMOS素子(100)に、ダイオード素子(121)に流れる電流に比例した電流が流れるダイオードセンス素子(122)を備え、このダイオードセンス素子(122)に流れる電流をセンス抵抗(30)に流すことで、センス抵抗(30)に電位差(Vs)を生じさせることができる。
As in the invention described in
請求項11に記載の発明では、ダイオード内蔵DMOS素子(100)が作動することにより発生する熱の温度に応じた順方向電圧を出力する感温ダイオード素子(50)を備えており、フィードバック手段(200)は、第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きい第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’)を有しており、感温ダイオード素子(50)から入力した感温ダイオード素子(50)の順方向電圧がダイオード内蔵DMOS素子(100)の高温状態を示す温度閾値を超える場合、センス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)と第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’)とを比較するようになっていることを特徴とする。 The invention according to claim 11 is provided with a temperature sensitive diode element (50) for outputting a forward voltage corresponding to the temperature of heat generated by the operation of the diode built-in DMOS element (100), and feedback means ( 200) has a second diode current detection threshold value (Vth1 ′) larger than the first diode current detection threshold value (Vth1), and the temperature-sensitive diode element (50) input from the temperature-sensitive diode element (50). When the forward voltage exceeds the temperature threshold indicating the high temperature state of the diode built-in DMOS device (100), the potential difference (Vs) across the sense resistor (30) is compared with the second diode current detection threshold (Vth1 ′). It is characterized by becoming.
これにより、ダイオード素子(121)のDC損失が問題となる高温動作時には、ダイオード素子(121)に流れる電流を検知しやすくすることができる。したがって、小電流がダイオード素子(121)に流れた場合でもDMOS素子(111)をオンさせてDMOS素子(111)に電流を流すことができるので、ダイオード素子(121)のDC損失増加を防止しつつ、ダイオード素子(121)の発熱をより抑えることができる。 Thereby, it is possible to easily detect the current flowing through the diode element (121) during a high-temperature operation in which the DC loss of the diode element (121) becomes a problem. Therefore, even when a small current flows through the diode element (121), the DMOS element (111) can be turned on to allow a current to flow through the DMOS element (111), thereby preventing an increase in DC loss of the diode element (121). However, the heat generation of the diode element (121) can be further suppressed.
請求項12に記載の発明では、フィードバック手段(200)は、第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きい第3ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)を有しており、電位差(Vs)の値が負側に変化する場合、第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)と電位差(Vs)とを比較してDMOS素子(111)を駆動させるか否かを判定する一方、電位差(Vs)の値が正側に変化する場合、第3ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)と電位差(Vs)とを比較してDMOS素子(111)を駆動させるか否かを判定するようになっていることを特徴とする。 In the invention described in claim 12, the feedback means (200) has a third diode current detection threshold value (Vth1 '') larger than the first diode current detection threshold value (Vth1), and the potential difference (Vs). When the value changes to the negative side, the first diode current detection threshold value (Vth1) is compared with the potential difference (Vs) to determine whether to drive the DMOS element (111), while the value of the potential difference (Vs) is determined. Is changed to the positive side, the third diode current detection threshold value (Vth1 ″) is compared with the potential difference (Vs) to determine whether or not to drive the DMOS element (111). Features.
これにより、第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)や第3ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)の近傍で電位差(Vs)がノイズによって振動したとしても、ノイズによってDMOS素子(111)のオン/オフが切り替わらないようにすることができる。したがって、半導体装置のノイズ耐量を向上させることができる。 Accordingly, even if the potential difference (Vs) vibrates due to noise in the vicinity of the first diode current detection threshold (Vth1) or the third diode current detection threshold (Vth1 ″), the DMOS element (111) is turned on / off due to the noise. Can be prevented from switching. Therefore, the noise tolerance of the semiconductor device can be improved.
請求項13に記載の発明では、フィードバック手段(200)は、ダイオード素子(121)に流れる電流を検出するためのセンス抵抗(30)を備え、ダイオード素子(121)に電流が流れていることを判定するために用いられ、DMOS素子(111)に流れるドレイン電流が第1ドレイン電流値(Id1)であるときのセンス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)に相当する第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)と、ドレイン電流が第1ドレイン電流値(Id1)よりも大きい第2ドレイン電流値(Id2)であるときの電位差(Vs)に相当すると共に第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きい第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)とを有し、電位差(Vs)の値が負側に変化する場合、第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)と電位差(Vs)とを比較し、電位差(Vs)が第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きいときにはDMOS素子(111)のゲート駆動を停止したままにする一方、電位差(Vs)が第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも小さいときにはDMOS素子(111)をゲート駆動し、電位差(Vs)の値が正側に変化する場合、第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)と電位差(Vs)とを比較し、電位差(Vs)が第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)よりも大きいときにはDMOS素子(111)のゲート駆動を停止する一方、電位差(Vs)が第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)よりも小さいときにはDMOS素子(111)をゲート駆動したままとすることを特徴とする。 In the invention described in claim 13, the feedback means (200) includes a sense resistor (30) for detecting a current flowing through the diode element (121), and current is flowing through the diode element (121). A first diode current detection threshold value used for determination and corresponding to a potential difference (Vs) across the sense resistor (30) when the drain current flowing through the DMOS element (111) is the first drain current value (Id1) (Vth1) corresponds to a potential difference (Vs) when the drain current is a second drain current value (Id2) larger than the first drain current value (Id1) and is larger than the first diode current detection threshold (Vth1). The first diode has a large second diode current detection threshold (Vth1 ″) and the potential difference (Vs) changes to the negative side. The current detection threshold value (Vth1) is compared with the potential difference (Vs), and when the potential difference (Vs) is larger than the first diode current detection threshold value (Vth1), the gate driving of the DMOS element (111) is stopped. When the potential difference (Vs) is smaller than the first diode current detection threshold (Vth1), the DMOS element (111) is gate-driven, and when the value of the potential difference (Vs) changes to the positive side, the second diode current detection threshold (Vth1) '') And the potential difference (Vs) are compared. When the potential difference (Vs) is larger than the second diode current detection threshold (Vth1 ″), the gate drive of the DMOS element (111) is stopped while the potential difference (Vs) When D is smaller than the second diode current detection threshold value (Vth1 ″), the DMOS element (111) is left gate-driven. And features.
これによると、DMOS素子(111)のゲートをオン/オフさせる判定閾値については、第2ドレイン電流値(Id2)が第1ドレイン電流値(Id1)よりも大きく、かつ、第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)が第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きくなっている。すなわち、DMOS素子(111)のゲートをオンした後の電位差(Vs)の値が大きくなっても、該電位差(Vs)が第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)を上回るほど大きくならないので、再度ゲートがオフすることはない。したがって、DMOS素子(111)のゲートがオン/オフを繰り返す発振を防止することができる。 According to this, regarding the determination threshold value for turning on / off the gate of the DMOS element (111), the second drain current value (Id2) is larger than the first drain current value (Id1), and the second diode current detection threshold value is set. (Vth1 ″) is larger than the first diode current detection threshold (Vth1). That is, even if the value of the potential difference (Vs) after turning on the gate of the DMOS element (111) increases, the potential difference (Vs) does not increase so as to exceed the second diode current detection threshold (Vth1 ″). The gate will never turn off again. Therefore, oscillation in which the gate of the DMOS element (111) is repeatedly turned on / off can be prevented.
請求項14に記載の発明では、ダイオード内蔵DMOS素子(100)は、ダイオード素子(121)に流れる電流に比例した電流が流れるダイオードセンス素子(122)を有し、このダイオードセンス素子(122)に流れる電流がセンス抵抗(30)に流れることで、センス抵抗(30)に電位差(Vs)が生じるようになっていることを特徴とする。 In the invention according to claim 14, the diode built-in DMOS element (100) includes a diode sense element (122) through which a current proportional to a current flowing through the diode element (121) flows, and the diode sense element (122) includes A characteristic is that a potential difference (Vs) is generated in the sense resistor (30) when the flowing current flows in the sense resistor (30).
このように、ダイオードセンス素子(122)を用いることで、センス抵抗(30)に電位差(Vs)が生じるようにすることができる。 Thus, by using the diode sense element (122), a potential difference (Vs) can be generated in the sense resistor (30).
請求項15に記載の発明では、ダイオード内蔵DMOS素子(100)が作動することにより発生する熱の温度に応じた順方向電圧を出力する感温ダイオード素子(50)を備えており、フィードバック手段(200)は、感温ダイオード素子(50)の順方向電圧から換算した素子の温度に対して、この素子の温度変化に伴って第1、第2ダイオード電流検知閾値(Vth1、Vth1’’)の値が変化する温度補正マップを有し、第1、第2ダイオード電流検知閾値(Vth1、Vth1’’)と電位差(Vs)との比較を行うときには、温度補正マップを用いて第1、第2ダイオード電流検知閾値(Vth1、Vth1’’)を素子の温度変化に応じた値に補正して比較を行うことを特徴とする。 The invention according to claim 15 includes a temperature-sensitive diode element (50) for outputting a forward voltage corresponding to the temperature of heat generated by the operation of the diode built-in DMOS element (100), and feedback means ( 200) with respect to the temperature of the element converted from the forward voltage of the temperature-sensitive diode element (50), the first and second diode current detection thresholds (Vth1, Vth1 ″) with the temperature change of the element. The temperature correction map has a value that changes. When comparing the first and second diode current detection threshold values (Vth1, Vth1 ″) and the potential difference (Vs), the first and second values are used using the temperature correction map. The comparison is performed by correcting the diode current detection threshold values (Vth1, Vth1 ″) to values corresponding to the temperature change of the element.
このように、第1、第2ダイオード電流検知閾値(Vth1、Vth1’’)の温度補正を行うことで、常に一定の電流で同期整流を行うことができる。 As described above, by performing temperature correction of the first and second diode current detection threshold values (Vth1, Vth1 ″), synchronous rectification can always be performed with a constant current.
請求項16に記載の発明では、フィードバック手段(200)からDMOS素子(111)を駆動させる駆動信号が入力されるようになっており、外部からDMOS素子(111)を駆動させるスイッチング信号が入力されるようになっており、駆動信号が入力されずにスイッチング信号が入力されたとき、スイッチング信号に従ってDMOS素子(111)を駆動することによりDMOS素子(111)をスイッチング素子として機能させる駆動手段(400)を備えていることを特徴とする。 In the invention described in claim 16, a driving signal for driving the DMOS element (111) is inputted from the feedback means (200), and a switching signal for driving the DMOS element (111) is inputted from the outside. When the switching signal is inputted without the driving signal being inputted, the driving means (400) which causes the DMOS element (111) to function as the switching element by driving the DMOS element (111) according to the switching signal. ).
これにより、ダイオード素子(121)による整流機能と、DMOS素子(111)によるスイッチング機能との両方を兼ね備えた半導体装置を提供することができる。 Thereby, a semiconductor device having both a rectifying function by the diode element (121) and a switching function by the DMOS element (111) can be provided.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。本実施形態で示される半導体装置は、例えば、EHV用インバータモジュールに使われるパワースイッチング素子(以下、ダイオード内蔵IGBT素子という)として用いられる。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor device shown in the present embodiment is used as, for example, a power switching element (hereinafter referred to as a diode built-in IGBT element) used in an EHV inverter module.
図1は、本実施形態に係る半導体装置の回路図である。この図に示されるように、半導体装置は、AND回路10と、ダイオード内蔵IGBT素子20と、センス抵抗30と、フィードバック回路40とを備えて構成されている。
FIG. 1 is a circuit diagram of the semiconductor device according to the present embodiment. As shown in this figure, the semiconductor device includes an AND
AND回路10は、入力されるすべての信号がHiレベルのとき、Hiレベルの信号を出力するロジック回路であり、いわゆるAND回路である。このAND回路10には、ダイオード内蔵IGBT素子20を駆動するための外部からのPWMゲート信号とフィードバック回路40の出力とが入力されるようになっている。なお、PWMゲート信号は外部のPWM信号発生回路等で生成され、AND回路10の入力端子に入力されるようになっている。また、PWMゲート信号は本発明の駆動信号に相当する。
The AND
ダイオード内蔵IGBT素子20は、IGBT部21とダイオード部22とにより構成されたものである。このようなダイオード内蔵IGBT素子20は、IGBT部21とダイオード部22とが同一の半導体基板に形成されたものである。
The diode built-in
IGBT部21は、負荷等に接続されるメイン用のIGBT素子21aと、メイン用のIGBT素子21aに流れる電流を検出するために用いられる電流検出用のIGBTセンス素子21bとを備えている。これらIGBT素子21aおよびIGBTセンス素子21bはそれぞれ同一の構造に形成される。IGBTセンス素子21bには、IGBT素子21aに流れる電流に比例した電流が流れるようになっている。これらIGBT素子21aおよびIGBTセンス素子21bは、例えばトレンチゲート構造により構成されるものであり、ゲートはそれぞれ共通化されている。
The
なお、IGBT素子21aおよびIGBTセンス素子21bとして、例えば、N−型ドリフト層の表層部に、チャネル領域を設定するP型ベース領域が形成され、P型ベース領域の表層部にN+型ソース領域が形成されており、N+型ソース領域およびP型ベース領域を貫通してN−型ドリフト層に達するようにトレンチが形成され、さらにトレンチの内壁にSiO2で構成されたゲート絶縁膜とPolySiで構成されたゲート電極とが順に形成され、これらトレンチ、ゲート絶縁膜、ゲート電極からなるトレンチゲート構造が構成されているものを採用することができる。
As the
これらメイン用のIGBT素子21aおよび電流検出用のIGBTセンス素子21bにおけるゲート電圧の制御は、AND回路10を通過したPWMゲート信号によって行われるようになっている。すなわち、例えば、AND回路10の通過を許可されたPWMゲート信号がHiレベルの信号であればIGBT素子21aをオンして駆動することができ、PWMゲート信号がLowレベルの信号であればIGBT素子21aをオフして駆動を停止させることができる。他方、PWMゲート信号がAND回路10の通過を停止された場合、IGBT素子21aおよびIGBTセンス素子21bは駆動されない。
The gate voltage control in the
また、IGBT素子21aのコレクタに図示しない負荷や電源等が接続され、IGBT素子21aのコレクタ−エミッタ間にメイン電流が流れる。電流検出セル側のIGBTセンス素子21bのコレクタは、メインセル側のIGBT素子21aのコレクタと共通化されており、電流検出セル側のIGBTセンス素子21bのエミッタはセンス抵抗30の一端に接続されている。センス抵抗30の他端はIGBT素子21aのエミッタに接続されている。これにより、電流検出セル側のIGBTセンス素子21bのエミッタから流れる電流検出用のセンス電流、すなわちメイン用のIGBT素子21aに流れる電流に比例する電流がセンス抵抗30を流れ、センス抵抗30の両端の電位差Vsがフィードバック回路40にフィードバックされるようになっている。
In addition, a load or a power source (not shown) is connected to the collector of the
ダイオード部22はIGBT素子21aに流れる負荷電流を転流させるためのものであり、IGBT素子21aに接続されるメイン用のダイオード素子22aと、メイン用のダイオード素子22aに流れる電流を検出するために用いられる電流検出用のダイオードセンス素子22bとを備えている。これらメイン用のダイオード素子22aと電流検出用のダイオードセンス素子22bとの各カソードは共通化されている。
The
ダイオード部22のうちダイオード素子22aのアノードはIGBT素子21aのエミッタに接続され、ダイオードセンス素子22bのアノードはセンス抵抗30の一端に接続されている。また、ダイオード素子22aおよびダイオードセンス素子22bのカソードはIGBT素子21aのコレクタに接続されている。
In the
なお、ダイオード素子22aおよびダイオードセンス素子22bとして、例えば、半導体基板の表層部にIGBT部21と同様のトレンチゲート構造が多数形成されていると共に、N型シリコン基板の裏面上にN+型領域が設けられた構造を採用することができる。このような構成において、IGBT部21を構成するP型ベース領域とN−型ドリフト層とをPNダイオードとして機能させることができる。
As the
フィードバック回路40は、ダイオード素子22aに電流が流れているか否か、IGBT素子21aに過剰電流が流れているか否かを判定し、判定結果に従ってAND回路10に入力されるPWMゲート信号の通過を許可または停止させるものである。このため、フィードバック回路40は、ダイオード素子22aに電流が流れていることを判定するために用いるダイオード電流検知閾値Vth1と、IGBT素子21aに過剰電流が流れていることを判定するために用いる過電流検知閾値Vth2とを有している。なお、本実施形態では、これらダイオード電流検知閾値Vth1や過電流検知閾値Vth2は電圧値になっている。
The
IGBT素子21aが正常に駆動される場合、すなわちダイオード素子22aに電流が流れない場合、IGBTセンス素子21bからセンス抵抗30に電流が流れる。このため、IGBT素子21aのエミッタの電位を基準とするとセンス抵抗30の両端の電位差Vsは正の値となる。逆に、ダイオード素子22aに電流が流れる場合、センス抵抗30からダイオードセンス素子22bに電流が流れる。このため、IGBT素子21aのエミッタを基準とするとセンス抵抗30の両端の電位差Vsは負となる。したがって、ダイオード素子22aに電流が流れていることを検出するため、ダイオード電流検知閾値Vth1を負の値とする。
When the
他方、IGBT素子21aが正常に駆動される場合、上記のように、センス抵抗30の両端の電位差Vsは正の値となる。しかし、IGBT素子21aに過剰電流が流れる場合、IGBTセンス素子21bからセンス抵抗30に流れるセンス電流の値は大きくなるため、過電流検知閾値Vth2を正の値とする。
On the other hand, when the
このようなフィードバック回路40は、IGBT素子21aを駆動する場合、AND回路10に入力されるPWMゲート信号の通過を許可する出力をする一方、センス抵抗30の両端の電位差Vsを入力し、当該電位差Vsがダイオード電流検知閾値Vth1よりも小さい場合もしくは過電流検知閾値Vth2よりも大きい場合、AND回路10に入力されるPWMゲート信号の通過を停止させる出力をする。また、フィードバック回路40は、例えばオペアンプ等の回路が組み合わされて構成されるものである。以上が、本実施形態に係る半導体装置の全体構成である。
Such a
なお、上記のAND回路10、センス抵抗30、およびフィードバック回路40は、本発明のフィードバック手段に相当する。
The AND
次に、上記半導体装置の作動について、図2を参照して説明する。図2は、センス抵抗30の両端の電位差Vs、ダイオード電流検知閾値Vth1、過電流検知閾値Vth2、およびフィードバック回路40の出力の関係を示した図である。まず、半導体装置の通常の作動について説明する。
Next, the operation of the semiconductor device will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the potential difference Vs across the
PWM信号発生回路等の外部回路にて半導体装置のIGBT素子21aを駆動するための駆動信号としてPWMゲート信号が生成され、AND回路10に入力される。他方、ダイオード素子22aはオフになっており、ダイオードセンス素子22bにも電流は流れない。このため、センス抵抗30のうちIGBTセンス素子21bに接続される一端側の電位がIGBT素子21aのエミッタに接続される他端側よりも高くなり、IGBT素子21aのエミッタを基準とするセンス抵抗30の両端の電位差Vsは正の値となる。
A PWM gate signal is generated as a drive signal for driving the
したがって、図2に示されるように、電位差Vsは負のダイオード電流検知閾値Vth1よりも大きいため、フィードバック回路40にてダイオード素子22aに電流が流れていないと判定される。これにより、フィードバック回路40の出力は、図2に示されるようなHiレベルとされ、AND回路10に入力される。そして、AND回路10にHiレベルのPWMゲート信号およびフィードバック回路40の出力が入力されると、PWMゲート信号はAND回路10の通過が許可されてIGBT部21に入力され、IGBT部21がオンする。こうして、IGBT素子21aが駆動され、IGBT素子21aのコレクタもしくはエミッタに接続された図示しない負荷に電流が流れる。
Therefore, as shown in FIG. 2, since the potential difference Vs is larger than the negative diode current detection threshold Vth1, the
ダイオード素子22aに電流が流れる場合、センス抵抗30のうちIGBT素子21aのエミッタに接続された他端がIGBTセンス素子21bのエミッタに接続された一端よりも電位が高くなるため、IGBT素子21aのエミッタを基準とするセンス抵抗30の両端の電位差Vsは負となる。
When a current flows through the
このため、電位差Vsがダイオード電流検知閾値Vth1よりも小さくなった場合、フィードバック回路40にてダイオード素子22aに電流が流れていると判定される。これにより、フィードバック回路40の出力はAND回路10に入力されるPWMゲート信号の通過を停止する出力とされ、AND回路10に入力される。
For this reason, when the potential difference Vs becomes smaller than the diode current detection threshold Vth1, it is determined by the
したがって、AND回路10からIGBT部21を駆動する信号が入力されないため、IGBT素子21aの駆動が停止される。つまり、ダイオード素子22aの順方向動作時にIGBT素子21aは動作しない。
Therefore, since the signal for driving the
これによると、IGBT素子21aとダイオード素子22aとが同一の半導体基板に形成されることにより、ダイオード素子22aが順方向動作する際にIGBT素子21aのチャネルがオンすることで、ダイオード素子22aのアノードとカソードとが同電位になろうとすることはなく、IGBT素子21aのゲート電位によってダイオード素子22aが順方向動作しにくくなることはない。すなわち、ダイオード素子22aの動作とIGBT素子21aの動作、より詳しくはダイオード素子22aとIGBT素子21aのゲート信号との干渉を回避することができる。これにより、ダイオード素子22aの順方向電圧の増加を回避することができるので、ダイオード素子22aの順方向電圧の損失増加を防止することができる。
According to this, since the
他方、IGBT素子21aに過剰電流が流れる場合、IGBTセンス素子21bからセンス抵抗30に流れるセンス電流も過剰電流に比例して大きくなる。当該電位差VsはIGBT素子21aが正常に動作する際にIGBT素子21aに電流が流れる場合の電位差Vsよりも高くなる。
On the other hand, when an excess current flows through the
したがって、電位差Vsが過電流検知閾値Vth2よりも大きくなった場合、フィードバック回路40にてIGBT素子21aに過剰電流が流れていると判定される。これにより、上記と同様に、フィードバック回路40の出力によってAND回路10に入力されるPWMゲート信号の通過が停止され、IGBT素子21aの駆動が停止される。こうして、IGBT素子21aに流れる過剰電流によってIGBT素子21aが破壊されてしまうことを防止することができる。
Therefore, when the potential difference Vs becomes larger than the overcurrent detection threshold Vth2, it is determined by the
上記のように、本実施形態では、ダイオード電流検知閾値Vth1および過電流検知閾値Vth2を設けている。これにより、IGBT素子21aのエミッタを基準としたときのセンス抵抗30の両端の電位差Vsがダイオード電流検知閾値Vth1以上、かつ、過電流検知閾値Vth2以下の場合、フィードバック回路40の出力はAND回路10に入力されるPWMゲート信号の通過を許可する出力となる。
As described above, in this embodiment, the diode current detection threshold Vth1 and the overcurrent detection threshold Vth2 are provided. Thus, when the potential difference Vs across the
以上説明したように、本実施形態では、ダイオード素子22aに流れる電流を、ダイオードセンス素子22bおよびセンス抵抗30にてセンシングすることが特徴となっている。すなわち、IGBTセンス素子21bに接続されたセンス抵抗30の両端の電位差Vsをモニタすることにより、ダイオード素子22aに電流が流れているかを判定し、当該判定結果に従って、フィードバック回路40の出力によって、AND回路10に入力されるPWMゲート信号の通過を許可または停止することを特徴としている。
As described above, the present embodiment is characterized in that the current flowing through the
これによると、ダイオード素子22aに電流が流れる場合、IGBT素子21aの駆動が停止される、すなわちAND回路10に入力されるPWMゲート信号の通過が停止され、IGBT素子21aの動作が停止される。このため、IGBT素子21aの動作とダイオード素子22aの動作とが干渉しないようにすることができる。これにより、ダイオード素子22aが動作する際にIGBT素子21aが動作することで生じるダイオード素子22aの順方向電圧Vfの増加を防止でき、ひいてはダイオード素子22aの順方向電圧Vfの増加に伴う順方向損失の増加を防止することができる。
According to this, when a current flows through the
また、フィードバック回路40は、センス抵抗30に流れる電流をセンシングすることで、IGBT素子21aに過剰電流が流れているかを判定している。そして、フィードバック回路40にてIGBT素子21aに過剰電流が流れていると判定されると、IGBT素子21aの駆動を停止することができる。これにより、IGBT素子21aの破壊を防止することができる。
Further, the
さらに、AND回路10、センス抵抗30、フィードバック回路40を採用した半導体装置を構成することで、ダイオード内蔵IGBT素子20の素子構造を変更する必要もなく、チップサイズを増加させる必要もない。
Furthermore, by configuring a semiconductor device employing the AND
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、半導体装置の温度検出を行い、当該温度検出に従ってダイオード電流検知閾値Vth1を変更することが特徴となっている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the first embodiment will be described. The present embodiment is characterized in that the temperature of the semiconductor device is detected and the diode current detection threshold Vth1 is changed according to the temperature detection.
図3は、本実施形態に係る半導体装置の回路図である。この図に示されるように、本実施形態に係る半導体装置は、図1に示される構成に感温ダイオード素子50が備えられた構成となっている。
FIG. 3 is a circuit diagram of the semiconductor device according to the present embodiment. As shown in this figure, the semiconductor device according to the present embodiment has a configuration in which a temperature
感温ダイオード素子50は、半導体装置の温度、より詳しくはダイオード内蔵IGBT素子20の温度を測定するために用いられるものである。この感温ダイオード素子50は、温度に応じた電圧を出力するもの、すなわち順方向電圧の値が変化するものであり、ダイオード内蔵IGBT素子20が作動することにより発生する熱に応じた順方向電圧を出力するものである。
The temperature
このような感温ダイオード素子50は、例えば、半導体基板上に形成された絶縁膜上に多結晶SiがN型層、P型層としてそれぞれ形成されることで構成される。図3に示されるように、本実施形態では4つの感温ダイオード素子50が直列に接続され、グランドに対する感温ダイオード素子50のトータルの順方向電圧Vmがフィードバック回路40に入力される回路形態になっている。
Such a temperature
感温ダイオード素子50にはフィードバック回路40から一定電流が流されるようになっている。そして、上述のように、温度に応じて変化した感温ダイオード素子50の順方向電圧Vmがフィードバック回路40に入力される。
A constant current flows from the
また、本実施形態では、フィードバック回路40は2つのダイオード電流検知閾値Vth1、Vth1’を有している。以下では、Vth1を第1ダイオード電流検知閾値とし、Vth1’を第2ダイオード電流検知閾値とする。第2ダイオード電流検知閾値Vth1’は、第1ダイオード電流検知閾値Vth1よりも大きい値になっている。
In the present embodiment, the
さらに、フィードバック回路40は、感温ダイオード素子50から入力される順方向電圧Vmがダイオード内蔵IGBT素子20の高温状態を示す温度閾値を超えると判定した場合、第1ダイオード電流検知閾値Vth1ではなく第2ダイオード電流検知閾値Vth1’とセンス抵抗30の両端の電位差Vsとを比較する。
Further, when the
すなわち、フィードバック回路40は、ダイオード内蔵IGBT素子20が高温状態になっている場合、ダイオード素子22aに流れる電流が微少であっても、ダイオード素子22aに電流が流れていることを判定しやすくする。これにより、フィードバック回路40は、ダイオード素子22aに微少電流が流れた場合でもIGBT素子21aの駆動を停止し、ダイオード内蔵IGBT素子20の発熱を抑制する。
That is, when the diode built-in
次に、ダイオード内蔵IGBT素子20が高温状態の場合における半導体装置の作動について、図4を参照して説明する。図4は、センス抵抗30の両端の電位差Vs、第1ダイオード電流検知閾値Vth1、第2ダイオード電流検知閾値Vth1’、過電流検知閾値Vth2、およびフィードバック回路40の出力の関係を示した図である。
Next, the operation of the semiconductor device when the diode built-in
第1実施形態と同様に、AND回路10にPWMゲート信号とフィードバック回路40の出力とが入力されることで、AND回路10に入力されるPWMゲート信号の通過が許可され、IGBT素子21aが駆動される。この場合、感温ダイオード素子50にてダイオード内蔵IGBT素子20の温度に応じた順方向電圧Vmが検出され、当該順方向電圧Vmがフィードバック回路40に入力される。
Similarly to the first embodiment, when the PWM gate signal and the output of the
また、フィードバック回路40では、感温ダイオード素子50から入力される順方向電圧Vmが温度閾値を超えると判定された場合、図4に示されるように第1ダイオード電流検知閾値Vth1が第2ダイオード電流検知閾値Vth1’に変更される。
Further, in the
これにより、電位差Vsが第1ダイオード電流検知閾値Vth1と比較される場合よりも、センス抵抗30に流れるセンス電流が小さくても、ダイオード素子22aに電流が流れていることを判定できるようになる。
Accordingly, it can be determined that the current is flowing through the
そして、センス抵抗30の両端の電位差Vsが第2ダイオード電流検知閾値Vth1’よりも小さくなった場合、フィードバック回路40にてダイオード素子22aに電流が流れていると判定され、第1実施形態と同様に、IGBT素子21aの駆動が停止される。
When the potential difference Vs between both ends of the
以上のように、ダイオード内蔵IGBT素子20が高温になった場合、ダイオード素子22aに流れる電流の有無の判定基準を変更することで、ダイオード素子22aに電流が流れているか否かを判定しやすくすることができる。これにより、ダイオード素子22aに流れる電流が小電流域の値であっても、IGBT素子21aのゲート信号とダイオード素子22aとの電位干渉を防止することができ、さらにIGBT素子21aの駆動を停止することでダイオード内蔵IGBT素子20の発熱を抑制することができる。
As described above, when the diode built-in
(第3実施形態)
本実施形態では、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。第2実施形態では、各構成要素を別々の部品として構成していたが、本実施形態では、第2実施形態で示された各構成要素を1つのチップに作り込んだことを特徴としている。
(Third embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the second embodiment will be described. In the second embodiment, each component is configured as a separate part, but this embodiment is characterized in that each component shown in the second embodiment is built in one chip.
図5(a)は、本実施形態に係る半導体チップ60の全体模式図である。また、図5(b)は半導体チップ60に備えられる回路の回路図であり、図3に示される回路図と同じものである。図5(a)に示されるように、半導体チップ60は、ダイオード内蔵IGBT素子20と、感温ダイオード素子50と、処理回路部70と、電流センス素子61と、ゲートパッド62と、ガードリング63とを備えている。
FIG. 5A is an overall schematic diagram of the
図5(a)に示される処理回路部70は、図5(b)に示されるフィードバック回路40、AND回路10、センス抵抗30によって構成されるものである。フィードバック回路40は、例えば薄膜トランジスタ回路によって構成される。
The
また、電流センス素子61は、IGBT素子21aおよびダイオード素子22aに流れる電流をセンシングするものであり、ダイオードセンス素子22bおよびIGBTセンス素子21bが備えられたものである。本実施形態では、ダイオード内蔵IGBT素子20にダイオードセンス素子22bは備えられておらず、電流センス素子61にてダイオード素子21aに流れる電流が検出される。なお、本実施形態では、電流センス素子61はIGBT素子21aおよびダイオード素子22a両方をセンシングする兼用のものとして構成されている。「兼用」とは、ダイオード素子22aに流れる電流およびIGBT素子21aに流れる電流の両方を検出できることを意味している。
The
感温ダイオード素子50は、例えば半導体チップ60の中心部に配置されている。半導体チップ60が作動することによって発生する熱が半導体チップ60の中心部に集中することでもっとも高くなることが知られていることから、感温ダイオード素子50は半導体チップ60の中心部に配置される。
The temperature
ゲートパッド62は、AND回路10の入力端子に接続されるものであり、外部からPWMゲート信号が入力される電極である。
The
そして、ダイオード内蔵IGBT素子20、感温ダイオード素子50、処理回路部70、電流センス素子61、ゲートパッド62を囲むガードリング63が半導体チップ60の外縁部に設けられている。このガードリング63は半導体チップ60の耐圧を確保する役割を果たすものである。
A
以上のように、半導体装置を半導体チップ60に内蔵することで、IGBT部21を駆動するためのPWM制御回路として汎用回路を用いることができるようにすることができる。
As described above, by incorporating the semiconductor device in the
(第4実施形態)
本実施形態では、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図6(a)は、本実施形態に係る半導体チップ60の全体模式図である。また、図6(b)は図6(a)に示される半導体チップ60の裏面構造を示した図である。なお、図6(a)に示される半導体チップ60には、第3実施形態と同様に、図5(b)の回路図に示される半導体装置が備えられている。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, only different portions from the above embodiments will be described. FIG. 6A is an overall schematic diagram of the
図6(a)に示されるように、本実施形態では、第3実施形態と異なり、半導体チップ60にダイオードセンス素子22bとIGBTセンス素子21bとがそれぞれ別個に設けられている。
As shown in FIG. 6A, in the present embodiment, unlike the third embodiment, the
また、図6(b)に示されるように、半導体チップ60はN型基板80に形成されたものであり、半導体チップ60の裏面にはIGBT部21を構成するP+型領域81とダイオード部22を構成するN+型領域82とが交互に繰り返し配置された構成になっている。
As shown in FIG. 6B, the
通常、IGBTセンス素子21bについてはチップ裏面がP+型領域81のみであるため、IGBTセンス素子21bの電流は流れるが、ダイオードセンス素子22bの電流は流れにくい。しかしながら、本実施形態では、チップ裏面にP+型領域81と共にN+型領域82を配置(両面アライメント)するので、ダイオードセンス素子22bの出力を大きくすることができ、ひいては電流検出感度を大きくすることができる。
Usually, since the IGBT back surface of the
(第5実施形態)
本実施形態では、第1〜第4実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記第1〜第4実施形態では、スイッチング素子としてダイオード内蔵IGBT素子20が採用されていたが、本実施形態ではDMOS素子を採用することが特徴となっている。
(Fifth embodiment)
In the present embodiment, only portions different from the first to fourth embodiments will be described. In the first to fourth embodiments, the diode built-in
すなわち、ダイオード動作をDMOS素子動作で行うよう、DMOS素子に内蔵したセンス素子を使ってダイオード素子に流れる電流極性をセンシングし、ダイオード素子が順方向に動作する時間は、DMOS素子のゲート信号をONにすることでDMOS素子にダイオード素子に流れる電流の向きと同じ向きの電流を流し、順方向電圧が生じるダイオード素子に電流が流れないようにしてダイオード素子のDC損失増加を防止するようにしたことが特徴となっている。 That is, the polarity of the current flowing in the diode element is sensed using the sense element built in the DMOS element so that the diode operation is performed by the DMOS element operation, and the gate signal of the DMOS element is turned on for the time during which the diode element operates in the forward direction. As a result, a current having the same direction as that of the current flowing through the diode element is caused to flow through the DMOS element, so that no current flows through the diode element where the forward voltage is generated, thereby preventing an increase in DC loss of the diode element. Is a feature.
図7は、本実施形態に係る半導体装置の回路図である。この図に示されるように、半導体装置は、ダイオード内蔵DMOS素子100と、センス抵抗30と、フィードバック回路200とを備えて構成されている。ダイオード内蔵DMOS素子100およびセンス抵抗30の接続形態は図1に示されるものと同じである。
FIG. 7 is a circuit diagram of the semiconductor device according to the present embodiment. As shown in this figure, the semiconductor device includes a diode built-in
ダイオード内蔵DMOS素子100は、DMOS部110とダイオード部120とにより構成されている。このようなダイオード内蔵DMOS素子100は、DMOS部110とダイオード部120とが同一の半導体基板に形成されたものである。
The diode built-in
DMOS部110は、負荷等に接続されるメイン用のDMOS素子111と、メイン用のDMOS素子111に流れる電流を検出するために用いられる電流検出用のDMOSセンス素子112とを備えている。これらDMOS素子111およびDMOSセンス素子112はそれぞれ同一の構造に形成される。DMOSセンス素子112には、DMOS素子111に流れる電流に比例した電流が流れるようになっている。メイン用のDMOS素子111および電流検出用のDMOSセンス素子112におけるゲート電圧の制御は、フィードバック回路200によって行われる。
The
ダイオード部120は、DMOS素子111に接続されるメイン用のダイオード素子121と、メイン用のダイオード素子121に流れる電流を検出するために用いられる電流検出用のダイオードセンス素子122とを備えている。
The
フィードバック回路200は、メイン用のDMOS素子111に電流が流れることでセンス抵抗30の両端に生じる電位差Vsを入力し、該電位差Vsに基づいてダイオード素子121に電流が流れているか否かを判定し、判定結果に従ってDMOS素子111の駆動を制御するものである。このため、フィードバック回路200は、ダイオード素子121に電流が流れていることを判定するために用いるダイオード電流検知閾値Vth1を有している。ダイオード電流検知閾値Vth1は例えば電圧値である。ここで、第1実施形態と同様に、ダイオード素子121に電流が流れていることを検出するため、ダイオード電流検知閾値Vth1を負の値とする。なお、フィードバック回路200は電源300から電圧が印加されることにより作動する。また、フィードバック回路200とセンス抵抗30とが特許請求の範囲のフィードバック手段に対応する。
The
次に、上記半導体装置の作動について、図8を参照して説明する。図8は、センス抵抗30の両端の電位差Vs、ダイオード電流検知閾値Vth1、およびフィードバック回路200の出力の関係を示した図である。
Next, the operation of the semiconductor device will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the potential difference Vs across the
まず、同期整流でダイオード素子121が動作するタイミングでは、ダイオード素子121に順方向、つまりダイオード素子121のアノードからカソードに電流が流れる。これに伴い、ダイオードセンス素子122にも電流が流れ、ダイオードセンス素子122に接続されたセンス抵抗30に電位が発生する。
First, at the timing when the
すなわち、ダイオード素子121に順方向電流が流れる場合、センス抵抗30のうちDMOS素子111のソースに接続された他端がDMOSセンス素子112のソースに接続された一端よりも電位が高くなるため、DMOS素子111のソースを基準とするセンス抵抗30の両端の電位差Vsは負の値となる。この負の電位差Vsはフィードバック回路200に入力され、負の電位差Vsと負のダイオード電流検知閾値Vth1とが比較される。そして、電位差Vsがダイオード電流検知閾値Vth1よりも負の値として大きい値であると、図8に示されるように、フィードバック回路200ではDMOS素子111をオンするゲート信号(Hi)が生成され、DMOS素子111がオンされる。
That is, when a forward current flows through the
これによると、ダイオード素子121に電流を流す場合には順方向電圧Vfが必要となりこれが半導体装置が組み込まれた回路においてDC損失となるが、DMOS素子111がオンすれば該DMOS素子111は配線(抵抗体)として機能するため、電流はダイオード素子121にではなく、DMOS素子111のソースからドレインに流れる。すなわち、フィードバック回路200は、DMOS素子111をオンすることで、ダイオード素子121に順方向の電流が流れる向きと同じ向きの電流をDMOS素子111に流す。このようにして、ダイオード素子121に順方向に流れていた電流がDMOS素子111に流れ、ダイオード素子121に順方向電流を流すために必要となっていた順方向電圧Vfの損失増加を防止している。
According to this, when a current is passed through the
一方、ダイオード素子121に整流作用が働き、ダイオード素子121に逆向きの電流が流れるタイミングでは、センス抵抗30のうちDMOSセンス素子112に接続される一端側の電位がDMOS素子111のソースに接続される他端側よりも高くなり、DMOS素子111のソースを基準とするセンス抵抗30の両端の電位差Vsは正の値となる。そして、フィードバック回路200にて正の電位差Vsが負のダイオード電流検知閾値Vth1よりも大きい値であると判定されると、図8に示されるように、DMOS素子111をオフするゲート信号(Low)が生成され、フィードバック回路200によってDMOS素子111はオフされる。このように、ダイオード素子121に整流作用が働く際にはDMOS素子111はオフされる。
On the other hand, at the timing when a rectifying action is applied to the
以上説明したように、本実施形態では、ダイオード内蔵DMOS素子100を用いた半導体装置において、ダイオード素子121に順方向の電流が流れるときにはDMOS素子111をオンさせてDMOS素子111に電流を流すようにすることが特徴となっている。これにより、ダイオード素子121に順方向電流が流れる際にダイオード素子121に生じる順方向電圧Vfの損失を発生させないようにすることができ、低損失なSW動作を行うことができる。
As described above, in this embodiment, in the semiconductor device using the diode built-in
(第6実施形態)
本実施形態では、第5実施形態で示された図7の回路において、半導体装置の温度検出を行い、第2実施形態と同様に、当該温度検出に従ってダイオード電流検知閾値Vth1を変更することが特徴となっている。
(Sixth embodiment)
In the present embodiment, the temperature of the semiconductor device is detected in the circuit of FIG. 7 shown in the fifth embodiment, and the diode current detection threshold Vth1 is changed according to the temperature detection as in the second embodiment. It has become.
図9は、本実施形態に係る半導体チップ60の平面図である。図9に示されるように、半導体チップ60は、ダイオード内蔵DMOS素子100と、感温ダイオード素子50と、処理回路部71と、電流センス素子61と、ゲートパッド62と、ガードリング63、ソースパッド64と、電源パッド65とを備えている。
FIG. 9 is a plan view of the
ソースパッド64は、負荷に接続される電極である。また、電源パッド65は電源からフィードバック回路200に電圧を印加するための電極である。なお、半導体チップ60のうち図9に示される面を表面とすると、ドレインパッドは半導体チップ60の裏面に配置されている。このような構成の等価回路を図10に示す。
The
図10において、処理回路部71は、フィードバック回路200とセンス抵抗30とが含まれたものである。また、フィードバック回路200には、図3で示された感温ダイオード素子50が接続されている。これによると、感温ダイオード素子50にはフィードバック回路200から一定電流が流され、上述のように、温度に応じて変化した感温ダイオード素子50の順方向電圧Vmがフィードバック回路200に入力される。
In FIG. 10, the
フィードバック回路200は、第2実施形態と同様に、第1ダイオード電流検知閾値Vth1と、この第1ダイオード電流検知閾値Vth1よりも大きい第2ダイオード電流検知閾値Vth1’を有している。そして、フィードバック回路200は、感温ダイオード素子50から入力される順方向電圧Vmがダイオード内蔵DMOS素子100の高温状態を示す温度閾値を超えると判定した場合、第1ダイオード電流検知閾値Vth1ではなく第2ダイオード電流検知閾値Vth1’とセンス抵抗30の両端の電位差Vsとを比較する。
Similar to the second embodiment, the
すなわち、図11に示されるように、フィードバック回路200は、ダイオード内蔵DMOS素子100が高温状態になっている場合、ダイオード素子121に流れる電流が微少であっても、ダイオード素子121に電流が流れていることを判定しやすくする。これにより、フィードバック回路200は、ダイオード素子121に微少電流が流れた場合でもDMOS素子21aを駆動して、ダイオード素子121に順方向の電流を流さないようにする。
That is, as shown in FIG. 11, when the diode built-in
以上により、ダイオード素子121の損失が問題となる高温動作時には、フィードバック回路200においてダイオード電流検知の閾値を下げ、小電流域でもダイオード素子121のDC損失増加を防止することで、ダイオード素子121の発熱をより抑えることができる。
As described above, during a high-temperature operation in which the loss of the
(第7実施形態)
本実施形態では、第5実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、電位差Vsがノイズによって振動する場合に対し、ノイズ耐量を向上させたことが特徴となっている。
(Seventh embodiment)
In the present embodiment, only parts different from the fifth embodiment will be described. The present embodiment is characterized in that the noise tolerance is improved as compared with the case where the potential difference Vs vibrates due to noise.
このため、フィードバック回路200は、ダイオード電流検知閾値Vth1よりも大きいダイオード電流検知閾値Vth1’’を有している。ここで、ダイオード電流検知閾値Vth1を第1ダイオード電流検知閾値とし、Vth1’’を第3ダイオード電流検知閾値とする。
Therefore, the
そして、図12に示されるように、電位差Vsの値が負側に変化する場合では、フィードバック回路200は第1ダイオード電流検知閾値Vth1によってDMOS素子111を駆動させるか否かを判定する。一方、電位差Vsの値が正側に変化する場合では、フィードバック回路200は第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’によってDMOS素子111を駆動させるか否かを判定する。このように、フィードバック回路200がシュミット回路のように作動する。
Then, as shown in FIG. 12, when the value of the potential difference Vs changes to the negative side, the
なお、「電位差Vsの値が負側に変化する」とは、電位差Vsの値が小さくなるように変化する場合を指す。同様に、「電位差Vsの値が正側に変化する」とは、電位差Vsの値が大きくなるように変化する場合を指す。 Note that “the value of the potential difference Vs changes to the negative side” refers to a case where the value of the potential difference Vs changes so as to decrease. Similarly, “the value of the potential difference Vs changes to the positive side” indicates a case where the value of the potential difference Vs changes so as to increase.
これにより、電位差Vsがノイズによって振動する場合があっても、第1ダイオード電流検知閾値Vth1と第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’との間のノイズマージンが設けられているため、ノイズによってDMOS素子111のオン/オフが切り替わってしまうことはなく、ノイズに強い半導体装置を実現することができる。 As a result, even if the potential difference Vs may vibrate due to noise, a noise margin is provided between the first diode current detection threshold Vth1 and the third diode current detection threshold Vth1 ″. On / off of 111 is not switched, and a semiconductor device resistant to noise can be realized.
(第8実施形態)
本実施形態では、第5〜第7実施形態と異なる部分についてのみ説明する。第5〜第7実施形態では、半導体装置はダイオード素子121に流れる電流を自己診断してDMOS素子111をオン/オフさせてダイオード素子121のDC損失の低減を図ることができるものであり、外部の回路ではダイオードとして機能するものであったが、本実施形態ではDMOS素子111をスイッチング素子として機能させることが特徴となっている。
(Eighth embodiment)
In the present embodiment, only parts different from the fifth to seventh embodiments will be described. In the fifth to seventh embodiments, the semiconductor device can self-diagnose the current flowing through the
図13は、本実施形態に係る半導体装置の回路図である。この図に示されるように、フィードバック回路200の出力はOR回路400に入力されるようになっている。また、OR回路400には外部の制御回路からDMOS素子111をスイッチングさせるためのスイッチング信号が入力されるようになっている。
FIG. 13 is a circuit diagram of the semiconductor device according to the present embodiment. As shown in this figure, the output of the
したがって、ダイオード素子121に電流が流れる場合には、フィードバック回路200がDMOS素子111をオンさせる駆動信号をOR回路400に入力することでDMOS素子111がオンするため、第5実施形態で説明したように、図13に示される矢印500のようにDMOS素子111のソースからドレインに電流が流れてダイオード素子121の順方向電圧Vfの損失が低減される。
Therefore, when a current flows through the
一方、フィードバック回路200がダイオード素子121に電流が流れていることを検知しないときにDMOS素子111をスイッチング素子として機能させる場合、外部の制御回路がDMOS素子111をオンさせるスイッチング信号をOR回路400に入力するとOR回路400はDMOS素子111をオンさせる。これにより、図13に示される矢印600のようにDMOS素子111のドレインからソースに電流が流れてDMOS素子111がスイッチング素子として機能する。
On the other hand, when the
以上のように、半導体装置に備えられたDMOS素子111をダイオード素子121のDC損失低減用として用いるだけでなく、スイッチング素子として用いることもできる。なお、OR回路400は本発明の駆動手段に相当する。
As described above, the
(第9実施形態)
本実施形態では、第5実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、フィードバック回路200にヒステリシス特性を持たせたことが特徴となっている。
(Ninth embodiment)
In the present embodiment, only parts different from the fifth embodiment will be described. The present embodiment is characterized in that the
図14(a)は、DMOS素子111のドレインに流れるドレイン電流Idとセンス抵抗30の両端に生じる電位差Vsとの関係を示したものである。この図に示されるように、ドレイン電流Idが正の場合、DMOS素子111がオンしていれば(Vg=ON)、ドレイン電流Idと電位差Vsとは比例の関係になる。一方、ドレイン電流Idが負の場合では、DMOS素子111がオンの場合(Vg=ON)とオフの場合(Vg=OFF)とでドレイン電流Idに対する電位差Vsが異なる値となる。
FIG. 14A shows the relationship between the drain current Id flowing through the drain of the
そして、フィードバック回路200は、図14(a)に示される関係から、DMOS素子111に流れるドレイン電流が第1ドレイン電流値Id1であるときの電位差Vsに相当する第1ダイオード電流検知閾値Vth1を有している。さらに、フィードバック回路200は、ドレイン電流が第1ドレイン電流値Id1よりも大きい第2ドレイン電流値Id2であるときの電位差Vsに相当すると共に第1ダイオード電流検知閾値Vth1よりも大きい第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’を有している。これら第1ダイオード電流検知閾値Vth1および第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’は、ダイオード素子121に電流が流れていることを判定するために用いられる。
From the relationship shown in FIG. 14A, the
第1ダイオード電流検知閾値Vth1および第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’は以下のように設定される。まず、図14(a)に示される関係が測定により取得される。続いて、図14(a)に示された関係において、第1ドレイン電流値Id1が決められ、この第1ドレイン電流値Id1よりも大きい第2ドレイン電流値Id2が決められる。そして、第1ドレイン電流値Id1のときの電位差Vsが第1ダイオード電流検知閾値Vth1に設定され、第2ドレイン電流値Id2のときの電位差Vsが第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’に設定される。このようにして設定された第1ダイオード電流検知閾値Vth1および第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’がフィードバック回路200に備えられている。
The first diode current detection threshold value Vth1 and the third diode current detection threshold value Vth1 ″ are set as follows. First, the relationship shown in FIG. 14A is acquired by measurement. Subsequently, in the relationship shown in FIG. 14A, a first drain current value Id1 is determined, and a second drain current value Id2 larger than the first drain current value Id1 is determined. The potential difference Vs at the first drain current value Id1 is set to the first diode current detection threshold Vth1, and the potential difference Vs at the second drain current value Id2 is set to the third diode current detection threshold Vth1 ''. . The
ここで、第1ドレイン電流値Id1および第2ドレイン電流値Id2の各値は共に負の生の値であるので、大小関係はId1<Id2となっている。これを絶対値として表現すると、|Id1|>|Id2|となる。また、第1ダイオード電流検知閾値Vth1および第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’も共に負の生の値であるので、大小関係はVth1<Vth1’’となっている。これを絶対値として表現すると、|Vth1|>|Vth1’’|となる。 Here, since each of the first drain current value Id1 and the second drain current value Id2 is a negative raw value, the magnitude relationship is Id1 <Id2. If this is expressed as an absolute value, | Id1 |> | Id2 |. Further, since the first diode current detection threshold value Vth1 and the third diode current detection threshold value Vth1 ″ are both negative raw values, the magnitude relationship is Vth1 <Vth1 ″. When this is expressed as an absolute value, | Vth1 |> | Vth1 '' |
そして、フィードバック回路200は、第1ダイオード電流検知閾値Vth1および第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’を用いた判定を行うこととなる。上述のように、各閾値Vth1、Vth1’’は第1ドレイン電流値Id1および第2ドレイン電流値Id2からそれぞれ導かれたものである。したがって、フィードバック回路200は、Vth1<Vth1’’(|Vth1|>|Vth1’’|)、かつ、Id1<Id2(|Id1|>|Id2|)の条件に基づいて、DMOS素子111に対するフィードバック制御を行うこととなる。
Then, the
次に、上記の各判定閾値を有するフィードバック回路200の制御について、図15を参照して説明する。図14(b)は、センス抵抗30の両端の電位差Vs、第1ダイオード電流検知閾値Vth1、第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’、およびフィードバック回路200の出力の関係を示した図である。
Next, control of the
図14(b)に示されるように、電位差Vsの値が負側に変化する場合、フィードバック回路200は第1ダイオード電流検知閾値Vth1とセンス抵抗30の両端に生じた電位差Vsとを比較してDMOS素子111を駆動させるか否かを判定する。そして、該電位差Vsが第1ダイオード電流検知閾値Vth1よりも大きいときには、フィードバック回路200はDMOS素子111のゲート駆動を停止したままにする。また、該電位差Vsが第1ダイオード電流検知閾値Vth1よりも小さいときには、フィードバック回路200はDMOS素子111をゲート駆動する。
As shown in FIG. 14B, when the value of the potential difference Vs changes to the negative side, the
一方、電位差Vsの値が正側に変化する場合、フィードバック回路200は第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’とセンス抵抗30の両端に生じた電位差Vsとを比較してDMOS素子111を駆動させるか否かを判定する。そして、該電位差Vsが第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’よりも大きいときには、フィードバック回路200はDMOS素子111のゲート駆動を停止する。また、該電位差Vsが第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’よりも小さいときには、フィードバック回路200はDMOS素子111をゲート駆動したままとする。
On the other hand, when the value of the potential difference Vs changes to the positive side, the
なお、「電位差Vsの値が負側に変化する」とは、電位差Vsの値が小さくなるように変化する場合であってマイナス側に値が大きくなっていくことを指す。同様に、「電位差Vsの値が正側に変化する」とは、電位差Vsの値が大きくなるように変化する場合であってプラス側に値が大きくなっていくことを指す。 Note that “the value of the potential difference Vs changes to the negative side” means that the value of the potential difference Vs changes so as to decrease and the value increases to the negative side. Similarly, “the value of the potential difference Vs changes to the positive side” means that the value of the potential difference Vs changes so as to increase, and the value increases to the plus side.
このように、フィードバック回路200はヒステリシス特性を有し、第1ダイオード電流検知閾値Vth1と第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’との間でDMOS素子111のオン/オフを制御することとなる。
As described above, the
上記のようなフィードバック回路200の制御において、図14(b)に示されるように、電位差Vsが負側に変化し、第1ダイオード電流検知閾値Vth1を超えてDMOS素子111がオンすると、図14(a)に示されるように電位差VsはVg=ONの特性となる。したがって、DMOS素子111のオンに伴って電位差Vsの値が大きくなる。なお、電位差Vsは負の値であるため、「電位差Vsの値が大きくなる」とは「電位差Vsの絶対値は小さくなる」ことと同意である。
In the control of the
このように、DMOS素子111がオンして電位差Vsの値が大きくなっても、電位差Vsは第1ダイオード電流検知閾値Vth1に対応した第1ドレイン電流値Id1と図14(a)に示されるVg=ONの波形とが交わった値となる。この値は、第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’と第1ダイオード電流検知閾値Vth1との間の値であり、第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’を上回る値とはならない。上回ってしまうと、図14(b)の点線矢印で示されるように、フィードバック回路200の出力はLowとなり、DMOS素子111がオン(Vg=ON)だった状態がオフされてしまう。しかし、上述のように、電位差Vsは第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’を上回ることはないため、DMOS素子111がオフされることはなく、オンの状態が維持される。つまり、再度ゲートがオフすることはない。
Thus, even when the
上記では、DMOS素子111がオフからオンに切り替わったときに、再びオフしないことについて説明したが、DMOS素子111がオンからオフに切り替わる際についても同様である。この場合、図14(a)に示されるように、DMOS素子111がオンからオフに切り替わると電位差Vsの値が小さくなる。しかし、電位差Vsは第1ダイオード電流検知閾値Vth1よりも小さくなることはない。つまり、図14(b)に示されるように、電位差Vsが第1ダイオード電流検知閾値Vth1よりも小さくなってフィードバック回路200の出力がHiになるということはなく、DMOS素子111のオフの状態が維持される。
In the above description, it has been described that the
以上のように、本実施形態では、第1ドレイン電流値Id1に対する第1ダイオード電流検知閾値Vth1の値を設定し、第1ドレイン電流値Id1よりも大きい第2ドレイン電流値Id2に対する第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’を設定している。これにより、DMOS素子111のオン/オフの切り替え時に、オンしたときにオフになることはなく、オフしたときにオンすることもない。すなわち、DMOS素子111のゲートがオン/オフを繰り返す発振を防止することができる。
As described above, in the present embodiment, the value of the first diode current detection threshold Vth1 with respect to the first drain current value Id1 is set, and the third diode current with respect to the second drain current value Id2 larger than the first drain current value Id1. A detection threshold Vth1 ″ is set. Thereby, when switching on / off of the
例えば、特開2004−208407号公報では、DMOS素子を使った同期整流回路にて、ダイオードの電流を検知して、ゲートをオンさせる同期整流方式が示されている。しかし、本実施形態では、フィードバック回路200において各ドレイン電流値および各閾値にVth1<Vth1’’(|Vth1|>|Vth1’’|)、かつ、Id1<Id2(|Id1|>|Id2|)の条件を設定している。このため、上述のように、DMOS素子111の発振を確実に防止できるものになっている。このように、フィードバック回路200のDMOS素子111の制御にヒステリシス特性を持たせることで、DMOS素子111の発振の不具合を解消できるものになっている。
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2004-208407 discloses a synchronous rectification method in which a diode current is detected and a gate is turned on by a synchronous rectification circuit using a DMOS element. However, in the present embodiment, in the
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’が特許請求の範囲の第2ダイオード電流検知閾値に対応する。また、フィードバック回路200とセンス抵抗30とが特許請求の範囲のフィードバック手段に対応する。
As for the correspondence between the description of this embodiment and the description of the claims, the third diode current detection threshold Vth1 ″ corresponds to the second diode current detection threshold of the claims. The
(第10実施形態)
本実施形態では、第9実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、第9実施形態で示された半導体装置に図9および図10に示された感温ダイオード素子50が備えられている。これにより、ダイオード内蔵DMOS素子100が作動することにより発生する熱の温度に応じた順方向電圧がフィードバック回路200に入力されるようになっている。
(10th Embodiment)
In the present embodiment, only parts different from the ninth embodiment will be described. In this embodiment, the semiconductor device shown in the ninth embodiment is provided with the temperature-
また、フィードバック回路200は、感温ダイオード素子50から入力した感温ダイオード素子50の素子温度Tに対する温度補正マップを有している。図15(a)は、この温度補正マップを示したものである。ここで、素子温度Tは、感温ダイオード素子50の順方向電圧から換算した素子の温度であり、実際には温度補正マップは順方向電圧に対して各閾値が設定されたマップである。
The
図15(a)に示されるように、第1ダイオード電流検知閾値Vth1および第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’は、感温ダイオード素子50の温度変化に伴って第1、第3ダイオード電流検知閾値Vth1、Vth1’’の値が変化している。
As shown in FIG. 15A, the first diode current detection threshold value Vth1 and the third diode current detection threshold value Vth1 ″ are the first and third diode current detection threshold values as the temperature of the temperature
したがって、フィードバック回路200は、第1、第3ダイオード電流検知閾値Vth1、Vth1’’と電位差Vsとの比較を行うときには、上記の温度補正マップを用いて第1、第3ダイオード電流検知閾値Vth1、Vth1’’を順方向電圧に応じた値に補正して比較を行う。
Therefore, when the
図15(b)は、電位差Vsに対するフィードバック回路200の出力を示した図である。この図に示されるように、温度補正マップによって第1、第3ダイオード電流検知閾値Vth1、Vth1’’の値が補正されると、第1、第3ダイオード電流検知閾値Vth1、Vth1’’に幅が設けられることとなる。
FIG. 15B shows the output of the
以上のように、フィードバック回路200において第1、第3ダイオード電流検知閾値Vth1、Vth1’’の値を補正した上で制御することにより、常に一定の電流で同期整流を行うことができる。
As described above, by controlling the
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第3ダイオード電流検知閾値Vth1’’が特許請求の範囲の第2ダイオード電流検知閾値に対応する。 As for the correspondence between the description of this embodiment and the description of the claims, the third diode current detection threshold Vth1 ″ corresponds to the second diode current detection threshold of the claims.
(他の実施形態)
上記各実施形態では、IGBT部21をPWM制御する場合について説明したが、これは制御の一例を示したものであり、例えばIGBT素子21aをフルオン駆動しても良い。これは、第8実施形態に係るDMOS素子111の駆動についても同様である。
(Other embodiments)
In each of the above-described embodiments, the case where the
上記第1〜第4実施形態では、フィードバック回路40はダイオード素子22aに流れる電流およびIGBT素子21aに流れる過剰電流の両方の判定を行うものであるが、半導体装置はフィードバック回路40がダイオード部22に流れる電流の判定のみを行うように構成されたものであっても良い。この場合、IGBT部21にIGBTセンス素子21bを備える必要はなく、半導体装置においてダイオード内蔵IGBT素子20としてIGBT素子21aとダイオード部22とを備えた構成とすることができる。なお、ダイオード素子21aに流れる電流成分を検出するものとしてホール素子を用いても良い。ホール素子を用いることについては、第5〜第8実施形態も同様である。
In the first to fourth embodiments, the
また、ダイオードセンス素子22bを用いずに、ダイオード素子22aに流れる電流を直接検出する回路構成をとっても良い。この場合、半導体装置として、ダイオード内蔵IGBT素子20と、ダイオード素子22aに流れる電流を検出し、ダイオード素子22aに電流が流れていない場合、外部から入力されるPWMゲート信号の通過を許可する一方、ダイオード素子22aに電流が流れている場合、PWMゲート信号の通過を停止する手段(例えばAND回路10、センス抵抗30、フィードバック回路40)を備えた構成とすれば良い。この場合、PWMゲート信号の通過を許可・停止する手段にセンス抵抗30を設けた回路構成とすることもできる。さらに、ダイオードセンス素子22bに流れる電流がセンス抵抗30に流れる回路構成としても良い。もちろん、このような回路構成に感温ダイオード素子50を設けた回路構成も可能である。なお、このようなダイオードセンス素子122を用いずに、ダイオード素子121に流れる電流を直接検出する回路構成は、第5〜第8実施形態についても採用することができる。
Further, a circuit configuration may be adopted in which the current flowing through the
上記各実施形態では、ダイオード電流検知閾値Vth1、Vth1’、Vth1’’が負の値とされ、過電流検知閾値Vth2が正の値とされているが、これは一例を示すものであって、これらに限定されるわけではない。また、ダイオード電流検知閾値Vth1、Vth1’ 、Vth1’’や過電流検知閾値Vth2は電圧値になっているが、AND回路10、センス抵抗30、フィードバック回路40とで構成されるフィードバック手段がダイオード素子22aに電流が流れていることを検出する場合では、上記各閾値が電流値とされる。
In each of the above embodiments, the diode current detection thresholds Vth1, Vth1 ′, and Vth1 ″ are negative values, and the overcurrent detection threshold Vth2 is a positive value, but this is an example, However, it is not limited to these. The diode current detection thresholds Vth1, Vth1 ′, Vth1 ″ and the overcurrent detection threshold Vth2 are voltage values, but the feedback means constituted by the AND
第2、第6実施形態では、図3、図10に示されるように、4つの感温ダイオード素子50が直接に接続された回路形態が示されているが、感温ダイオード素子50の数は一例であって、複数であっても一つでも良い。
In the second and sixth embodiments, as shown in FIGS. 3 and 10, a circuit form in which four temperature-
第7実施形態におけるシュミット回路のように機能するフィードバック回路200を、第6実施形態における温度検知を行うフィードバック回路200に採用しても良い。
The
第9、第10実施形態に係るヒステリシス特性を備えたフィードバック回路200を第8実施形態に係る半導体装置に適用しても良い。
The
第10実施形態で示された温度補正マップを、例えば第6実施形態に適用しても良い。これにより、細かい温度制御を行うことができる。 The temperature correction map shown in the tenth embodiment may be applied to the sixth embodiment, for example. Thereby, fine temperature control can be performed.
図16は、DMOS素子111の断面図の一例である。この図に示されるように、N型基板700の表層部にP型ウェル710が形成され、このP型ウェル710の表層部にN+型ソース層720が形成されている。そして、N+型ソース層720およびP型ウェル710を貫通してN型基板700に達するトレンチゲート構造730が離間して多数形成されている。
FIG. 16 is an example of a cross-sectional view of the
トレンチゲート構造730は、N+型ソース層720およびP型ウェル710を貫通してN型基板700に達するトレンチと、該トレンチの壁面に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とによって構成された構造である。
The
また、各トレンチゲート構造730の間には、N+型ソース層720を貫通してP型ウェル710に達するP+型ボディ領域740が形成されている。さらに、N型基板700においてP型ウェル710が形成された面とは反対側にN+型層750が形成されている。このN+型層750はカソードとなる層である。以上のように、図16に示されたDMOS素子111を採用することができる。
In addition, a P +
10 AND回路
20 ダイオード内蔵IGBT素子
21 IGBT部
21a IGBT素子
21b IGBTセンス素子
22 ダイオード部
22a ダイオード素子
22b ダイオードセンス素子
30 センス抵抗
40 フィードバック回路部
50 感温ダイオード素子
62 ゲートパッド
63 ガードリング
DESCRIPTION OF
Claims (16)
外部から入力した前記駆動信号を通過させて前記IGBT素子(21a)のゲートに入力するものであって、前記ダイオード素子(22a)に流れる電流を検出し、前記ダイオード素子(22a)に電流が流れていない場合、外部から入力される前記駆動信号の通過を許可する一方、前記ダイオード素子(22a)に電流が流れている場合、前記駆動信号の通過を停止するフィードバック手段(10、30、40)を備えていることを特徴とする半導体装置。 A diode built-in IGBT element (20) in which a diode element (22a) and an IGBT element (21a) driven by a drive signal input to a gate are provided on the same semiconductor substrate;
The drive signal input from the outside is passed through and input to the gate of the IGBT element (21a). The current flowing through the diode element (22a) is detected, and the current flows through the diode element (22a). If not, feedback means (10, 30, 40) that permits passage of the drive signal input from the outside and stops passage of the drive signal when current flows through the diode element (22a). A semiconductor device comprising:
前記フィードバック手段(10、30、40)は、前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きい第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’)を有しており、前記感温ダイオード素子(50)から入力した前記感温ダイオード素子(50)の順方向電圧が前記ダイオード内蔵IGBT素子(20)の高温状態を示す温度閾値を超える場合、前記センス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)と前記第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’)とを比較するようになっていることを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置。 A temperature-sensitive diode element (50) for outputting a forward voltage corresponding to the temperature of heat generated by the operation of the diode-embedded IGBT element (20);
The feedback means (10, 30, 40) has a second diode current detection threshold value (Vth1 ′) that is larger than the first diode current detection threshold value (Vth1), and from the temperature sensitive diode element (50). When the forward voltage of the input temperature-sensitive diode element (50) exceeds the temperature threshold value indicating the high temperature state of the diode built-in IGBT element (20), the potential difference (Vs) across the sense resistor (30) and the first 4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the two-diode current detection threshold value (Vth1 ′) is compared.
前記ダイオード素子(121)に流れる電流を検出し、前記ダイオード素子(121)に電流が流れていない場合、前記DMOS素子(111)の駆動を停止する一方、前記ダイオード素子(121)に順方向に電流が流れている場合、前記DMOS素子(111)を駆動して前記ダイオード素子(121)に順方向の電流が流れる向きと同じ向きの電流を前記DMOS素子(111)に流すフィードバック手段(200)を備えていることを特徴とする半導体装置。 A diode built-in DMOS element (100) in which a diode element (121) and a DMOS element (111) driven by a drive signal input to a gate are provided on the same semiconductor substrate;
When the current flowing through the diode element (121) is detected and no current flows through the diode element (121), the driving of the DMOS element (111) is stopped while the diode element (121) is moved forward. Feedback means (200) for driving the DMOS element (111) to flow a current in the same direction as the forward current to the diode element (121) to the DMOS element (111) when a current is flowing A semiconductor device comprising:
前記フィードバック手段(200)は、前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きい第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’)を有しており、前記感温ダイオード素子(50)から入力した前記感温ダイオード素子(50)の順方向電圧が前記ダイオード内蔵DMOS素子(100)の高温状態を示す温度閾値を超える場合、前記センス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)と前記第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’)とを比較するようになっていることを特徴とする請求項9または10に記載の半導体装置。 A temperature-sensitive diode element (50) for outputting a forward voltage corresponding to the temperature of heat generated by the operation of the diode built-in DMOS element (100);
The feedback means (200) has a second diode current detection threshold (Vth1 ′) larger than the first diode current detection threshold (Vth1), and the sensitivity input from the temperature-sensitive diode element (50). When the forward voltage of the warm diode element (50) exceeds the temperature threshold indicating the high temperature state of the diode built-in DMOS element (100), the potential difference (Vs) across the sense resistor (30) and the second diode current detection 11. The semiconductor device according to claim 9, wherein the semiconductor device is compared with a threshold value (Vth1 ′).
前記電位差(Vs)の値が負側に変化する場合、前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)と前記電位差(Vs)とを比較して前記DMOS素子(111)を駆動させるか否かを判定する一方、前記電位差(Vs)の値が正側に変化する場合、前記第3ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)と前記電位差(Vs)とを比較して前記DMOS素子(111)を駆動させるか否かを判定するようになっていることを特徴とする請求項9ないし11のいずれか1つに記載の半導体装置。 The feedback means (200) has a third diode current detection threshold value (Vth1 '') larger than the first diode current detection threshold value (Vth1),
When the value of the potential difference (Vs) changes to the negative side, the first diode current detection threshold value (Vth1) is compared with the potential difference (Vs) to determine whether to drive the DMOS element (111). On the other hand, when the value of the potential difference (Vs) changes to the positive side, the third diode current detection threshold value (Vth1 ″) is compared with the potential difference (Vs) to drive the DMOS element (111). The semiconductor device according to claim 9, wherein it is determined whether or not.
前記ダイオード素子(121)に流れる電流を検出するためのセンス抵抗(30)を備え、
前記ダイオード素子(121)に電流が流れていることを判定するために用いられ、前記DMOS素子(111)に流れるドレイン電流が第1ドレイン電流値(Id1)であるときの前記センス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)に相当する第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)と、前記ドレイン電流が前記第1ドレイン電流値(Id1)よりも大きい第2ドレイン電流値(Id2)であるときの前記電位差(Vs)に相当すると共に前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きい第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)とを有し、
前記電位差(Vs)の値が負側に変化する場合、前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)と前記電位差(Vs)とを比較し、前記電位差(Vs)が前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きいときには前記DMOS素子(111)のゲート駆動を停止したままにする一方、前記電位差(Vs)が前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも小さいときには前記DMOS素子(111)をゲート駆動し、
前記電位差(Vs)の値が正側に変化する場合、前記第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)と前記電位差(Vs)とを比較し、前記電位差(Vs)が前記第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)よりも大きいときには前記DMOS素子(111)のゲート駆動を停止する一方、前記電位差(Vs)が前記第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’’)よりも小さいときには前記DMOS素子(111)をゲート駆動したままとすることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。 The feedback means (200) includes:
A sense resistor (30) for detecting a current flowing through the diode element (121);
The sense resistor (30) is used to determine that a current flows through the diode element (121), and the drain current flowing through the DMOS element (111) is a first drain current value (Id1). The first diode current detection threshold value (Vth1) corresponding to the potential difference (Vs) at both ends of the first and second drain current values (Id2) larger than the first drain current value (Id1). A second diode current detection threshold (Vth1 ″) corresponding to a potential difference (Vs) and larger than the first diode current detection threshold (Vth1),
When the value of the potential difference (Vs) changes to the negative side, the first diode current detection threshold value (Vth1) is compared with the potential difference (Vs), and the potential difference (Vs) is compared with the first diode current detection threshold value (Vs1). When the potential difference (Vs) is smaller than the first diode current detection threshold value (Vth1), the DMOS element (111) is stopped when the gate driving of the DMOS element (111) is stopped. Gate drive,
When the value of the potential difference (Vs) changes to the positive side, the second diode current detection threshold (Vth1 ″) is compared with the potential difference (Vs), and the potential difference (Vs) is detected by the second diode current detection. When the threshold voltage (Vth1 ″) is greater than the threshold value (Vth1 ″), the gate drive of the DMOS element (111) is stopped, while when the potential difference (Vs) is smaller than the second diode current detection threshold value (Vth1 ″), the DMOS element ( The semiconductor device according to claim 8, wherein 111) is left gate-driven.
前記フィードバック手段(200)は、前記感温ダイオード素子(50)の順方向電圧から換算した素子の温度に対して、この素子の温度変化に伴って前記第1、第2ダイオード電流検知閾値(Vth1、Vth1’’)の値が変化する温度補正マップを有し、前記第1、第2ダイオード電流検知閾値(Vth1、Vth1’’)と前記電位差(Vs)との比較を行うときには、前記温度補正マップを用いて前記第1、第2ダイオード電流検知閾値(Vth1、Vth1’’)を前記素子の温度変化に応じた値に補正して比較を行うことを特徴とする請求項13または14に記載の半導体装置。 A temperature-sensitive diode element (50) for outputting a forward voltage corresponding to the temperature of heat generated by the operation of the diode built-in DMOS element (100);
The feedback means (200) is configured to detect the first and second diode current detection thresholds (Vth1) with respect to the temperature of the element converted from the forward voltage of the temperature-sensitive diode element (50) as the temperature of the element changes. , Vth1 ″) has a temperature correction map in which the value changes, and when the first and second diode current detection thresholds (Vth1, Vth1 ″) and the potential difference (Vs) are compared, the temperature correction map is used. 15. The comparison is performed by correcting the first and second diode current detection thresholds (Vth1, Vth1 '') to values according to a temperature change of the element by using a map. Semiconductor device.
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