JP2019074043A

JP2019074043A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2019074043A
Application number: JP2017201343A
Authority: JP
Inventors: 佑哉阿部; Yuya Abe; 考徳小▲浜▼; Takanori Kohama
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2037-10-17
Also published as: CN109667694A; US10972089B2; JP7059564B2; US20190115910A1; CN109667694B

Abstract

【課題】回路構成をより簡略化しつつも素子保護機能を備える半導体装置を提供する。【解決手段】特性試験のためにゲートに電圧を印加するための特性試験用端子（１０４）を備えるパワー半導体スイッチング素子（２０１）と、パワー半導体スイッチング素子（２０１）の動作を制御する制御回路（２００）とが同一のチップ内に形成された半導体装置（１００）であって、制御回路（２００）は、あらかじめ特性試験用端子（１０４）に電圧を印加することで測定されたパワー半導体スイッチング素子（２０１）の特性に基づき、異常発生時にパワー半導体スイッチング素子（２０１）に流れる過電流を所望の範囲に制限するための電流制限ゲート電圧（Ｖｇａｔｅ＿ＯＣ）を生成するゲート電圧生成回路（２０８）を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、より詳細には、パワー半導体スイッチング素子とその制御回路とを同一チップ内に内蔵した半導体装置であって、素子保護機能を備えた半導体装置に関する。

自動車等の内燃機関の点火制御のため、例えば、ＩＧＢＴとその制御回路とを同一チップ内に内蔵したワンチップイグナイタと呼ばれる半導体装置が採用されている（例えば、以下特許文献１及び２参照）。この種のワンチップイグナイタでは、過電流からワンチップイグナイタ内の回路を保護することが重要である。

過電流からワンチップイグナイタ内の回路を保護するため、従来のワンチップイグナイタでは、過電流を検出する機能を有するものが知られている。この種のワンチップイグナイタでは、例えば、点火コイルの１次側に流れる電流を遮断するＩＧＢＴに、電流検出用のシャント抵抗を直列に接続する方式や、ＩＧＢＴ（メインＩＧＢＴとも称する）とは別の電流センスＩＧＢＴを並列に接続する方式が採用されている。

特開２０００−１７９４４０号公報特開２０１４−０１３７９８号公報

シャント抵抗をＩＧＢＴに直列に接続する方式では、ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間の飽和電圧と、シャント抵抗で発生した電圧とを加えた電圧が大きくなることでワンチップイグナイタの損失が増加するというデメリットがある。従って、現在はメインＩＧＢＴに電流センスＩＧＢＴを並列に接続する方式が主流となってきている。

しかしながら、この方式では、電流センスＩＧＢＴ、電流センスＩＧＢＴに流れる電流を検出するための抵抗、電流センスＩＧＢＴで検出した電流に基づいてメインＩＧＢＴ及び電流センスＩＧＢＴに印加するゲート電圧を制御する制御回路、等をワンチップイグナイタに内蔵する必要がある。それに対し、近年ではチップサイズの縮小が求められており、この方式ではそのニーズに応えることが困難であった。また、メインＩＧＢＴ以外の素子を内蔵するのでチップコストが高くなるという課題があった。

さらに、チップ内に電流センスＩＧＢＴを配置する位置によっては、メインＩＧＢＴから電流センスＩＧＢＴに流れ込むホール電流が変化する。この場合、メインＩＧＢＴと電流センスＩＧＢＴとに流れる電流の比、つまり、センス比が変化してしまうため、製品のチップサイズやＩＧＢＴ面積等を変更する場合、その都度センス比を考慮して電流センスＩＧＢＴのサイズや位置、その制御回路の回路設計を変更する必要があった。

本発明は上記実情を鑑みてなされたものであって、その目的は、回路構成をより簡略化しつつも素子保護機能を備える半導体装置を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明の一の観点に係る半導体装置は、特性試験用端子を備えるパワー半導体スイッチング素子と、前記パワー半導体スイッチング素子の動作を制御する制御回路とが同一のチップ内に形成された半導体装置であって、
前記制御回路は、あらかじめ前記特性試験用端子に電圧を印加することで測定された前記パワー半導体スイッチング素子の特性に基づき、異常発生時に前記パワー半導体スイッチング素子に流れる過電流を所望の範囲に制限するための電流制限ゲート電圧を生成するゲート電圧生成回路を備える、
ことを特徴とする。

ここで、特性試験とは、制御回路の特性など電気的特性をウェハ状態で測る試験をいう。また、電流制限ゲート電圧とは、パワー半導体スイッチング素子に流れる電流（たとえばＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間の電流）の上限値を制限したＩＧＢＴのゲート電圧をいう。従来、この種の半導体装置では、過電流を検出するための電流センス抵抗や、メインのＩＧＢＴとは別の電流センスＩＧＢＴを備えていた。これらはチップサイズの減少の妨げとなっていた。また、素子保護を実現するため、これら電流センス抵抗や電流センスＩＧＢＴの特性ばらつきを考慮する必要があった。それに対し、以上のような構成では、所望の制限値の過電流がＩＧＢＴに流れる際の電流制限ゲート電圧を特性試験時に事前に測定しておき、ＩＧＢＴの制御回路側で、ＩＧＢＴのゲートに印加される電圧を、当該電流制限ゲート電圧となるように調整している。従って、このような構成によれば、電流センス抵抗や電流センスＩＧＢＴを用いずともＩＧＢＴを過電流から保護することが可能であり、ひいては、チップサイズの減少や電流センスＩＧＢＴ等の他の素子の特性ばらつきを考慮することなく素子保護が可能となる。

本発明によれば、回路構成をより簡略化しつつも素子保護機能を備える半導体装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係るワンチップイグナイタの構成を示す回路図である。順伝達特性（コレクタ電流とＩＧＢＴのゲート電圧の関連性）を示すグラフである。図１のゲート電圧生成回路の構成の一例を示す回路図である。図１のトリミング回路の構成の一例を示す回路図である。ワンチップイグナイタを用いた内燃機関の点火制御回路の構成の一例を示す概略図である。ワンチップイグナイタの素子保護作用を説明するための波形図である。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体装置について、ワンチップイグナイタを例にして図面を参照して詳細に説明する。本発明の特徴は、シャント抵抗や電流センスＩＧＢＴ等の電流検出用の素子を用いることなく、過電流から回路を保護できる点である。以下、このような特徴を達成する回路構成の一例について説明する。

（構成）
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る半導体装置は、例えば自動車等の内燃機関の点火制御に用いられるワンチップイグナイタ１００である。このワンチップイグナイタ１００は、制御回路２００と、パワー半導体スイッチング素子２０１と、を備える。このワンチップイグナイタ１００は、コレクタ端子１０１と、点火信号入力端子１０２と、エミッタ端子１０３と、ゲートショック端子（以下、特性試験用端子）１０４と、を備える。

まず、パワー半導体スイッチング素子２０１について説明する。パワー半導体スイッチング素子２０１は、例えばＩＧＢＴから構成され、内燃機関の点火制御に求められるフェールセーフの観点からノーマリーオフ型であり、コレクタ、エミッタ、ゲートが、それぞれ、コレクタ端子１０１、エミッタ端子１０３、特性試験用端子１０４に接続される。パワー半導体スイッチング素子２０１のゲートは、さらに、抵抗２０２を介してノード２１３にも接続されている。パワー半導体スイッチング素子２０１は、制御回路２００、より具体的には、後述するトリミング回路２０７からノード２１３を介してゲートに印加される電圧信号に応じてオン、オフする。なお、パワー半導体スイッチング素子２０１のコレクタとゲートとの間には、ダイナミッククランプ用に双方向ダイオード２０３が設けられている。
特性試験用端子１０４は、例えば、制御回路２００の電気的特性をウェハ状態で測定する特性試験の際に所定の電圧が印加される端子であり、詳細については後述する。

図５に示すように、パワー半導体スイッチング素子２０１のコレクタは、コレクタ端子１０１を介して点火コイル３０１の１次側の１端に接続され、エミッタは、エミッタ端子１０３を介して接地されている。なお、点火コイル３０１の１次側の他端は、直流電源３００に接続され、２次側は、点火プラグ３０２に接続される。パワー半導体スイッチング素子２０１は、ＥＣＵ３０３から点火信号入力端子１０２に入力された点火信号に基づいてオン、オフ動作をすることで、点火コイル３０１の一次側とグランドとの間を導通、非導通とし、これによって点火コイル３０２の２次側にエネルギーを蓄積させ、このエネルギーを用いて点火プラグ３０２に火花を生じさせる。

図１に戻り、制御回路２００は、上述した抵抗２０２に加え、抵抗２０４と、ダイオード２０５と、ＶＧ回路２０６と、ゲート電圧生成回路２０８と、保護回路２１５とを備える。

抵抗２０４及びダイオード２０５は、サージ対策のために設けられており、ダイオード２０５のカソードは点火信号配線１０２ａに接続され、アノードがグランド配線１０２ｂを介してエミッタ端子１０３接続され、ひいては、接地されている。また、抵抗２０４は、ダイオード２０５に対して並列に接続されている。

ＶＧ回路２０６及び保護回路２１５は、例えば、パワー半導体スイッチング素子２０１の加熱保護のための回路である。これらについては様々な従来技術を適用可能であるため、その詳細な説明をここでは省略する。

ゲート電圧生成回路２０８は、入力端がノード２１１において点火信号配線１０２ａに接続され、出力端がノード２１３並びに抵抗２０２を介してパワー半導体スイッチング素子２０１のゲートに接続され、グランド端がノード２１２においてグランド配線１０２ｂに接続される。このゲート電圧生成回路２０８は、図３に示すように、定電流源２０９と、負荷２１０と、トリミング回路２０７とから構成され、定電流源２０９と、負荷２１０との中間のノード２１４が、トリミング回路２０７の入力端に接続される。定電流源２０９は、例えば、ＭＯＳＦＥＴから構成され、ＥＣＵ３０３から点火信号入力端子１０２に入力された点火信号がＨレベルの場合、一定の電流を負荷２１０に供給する。負荷２１０は、例えば抵抗から構成される。定電流源２０９と負荷２１０とによって生じた電圧は、トリミング回路２０７に入力され、所望の電圧値に調整される。言い換えると、ゲート電圧生成回路２０８は、トリミング回路２０７を用いて、定電流源２０９と負荷２１０とによって生じた電圧を、所望の電流制限ゲート電圧の範囲に収まるようトリミングをしている。電流制限ゲート電圧等の詳細については、後述する。なお、定電流源２０９と負荷２１０とによる構成以外の構成で電圧を生成してもよいが、比較的安定した電圧を得るという観点から、定電流源２０９と負荷２１０とを用いる構成が好適である。

図４に示すように、トリミング回路２０７は、第１及び第２のエンハンスメント（ノーマリーオフ）型ＭＯＳＦＥＴ２０７Ｅ１、２０７Ｅ２と、第１及び第２のデプレッション（ノーマリーオン）型ＭＯＳＦＥＴ２０７Ｄ１、２０７Ｄ２と、第１乃至第３の分圧用抵抗２０７Ｒ１乃至２０７Ｒ３と、第１及び第２のＺＡＰツェナーダイオード２２２，２２３と、を備える。

第１乃至第３の分圧用抵抗２０７Ｒ１乃至２０７Ｒ３は、直列に接続され、直列に接続された１組の抵抗のうち、第１の分圧用抵抗２０７Ｒ１の１端が、回路保護のための抵抗２２４を介してノード２１４に接続されるとともに、ノード２１１に接続され、１組の抵抗のうち、第３の分圧用抵抗２０７Ｒ３の他端がグランド配線１０２ｂを介して接地される。ノード２１４は、トリミング回路２０７の入力端でもあり、ノード２１３は、トリミング回路２０７の出力端でもある。

第１のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ２０７Ｅ１は、例えばＮ型であり、ドレインが第１の分圧用抵抗２０７Ｒ１と第２の分圧用抵抗２０７Ｒ２との間に接続され、ゲートが回路保護のための抵抗２２５を介して第１のトリミング端子２２０に接続され、ソースがノード２１２を介して接地される。また、第２のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ２０７Ｅ２は、例えばＮ型であり、ドレインが第２の分圧用抵抗２０７Ｒ２と第３の分圧用抵抗２０７Ｒ３との間に接続され、ゲートが回路保護用の抵抗２２６を介して第２のトリミング端子２２１に接続され、ソースがノード２１２を介して接地されている。

第１のデプレッション型ＭＯＳＦＥＴ２０７Ｄ１は、例えばＮ型であり、ドレインがノード２１１を介して点火信号１０２ａに接続され、ゲートがそのソースに接続され、ソースが抵抗２２６を介して第２のトリミング端子２２１に接続されるとともに、第１のＺＡＰツェナーダイオード２２２のカソードに接続される。第２のデプレッション型ＭＯＳＦＥＴ２０７Ｄ２は、例えばＮ型であり、ドレインがノード２１１を介して点火信号１０２ａに接続され、ゲートがそのソースに接続され、ソースが抵抗２２５を介して第１のトリミング端子２２０に接続されるとともに、第１のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ２０７Ｅ１のゲートに接続され、さらに第２のＺＡＰツェナーダイオード２２３のカソードに接続される。

第１のＺＡＰツェナーダイオード２２２は、カソードが第２のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ２０７Ｅ２のゲートに接続されるとともに抵抗２２６を介して第２のトリミング端子２２１に接続され、さらに第１のデプレッション型ＭＯＳＦＥＴ２０７Ｄ１のソースに接続される。また、第１のＺＡＰツェナーダイオード２２２のアノードは、ノード２１２を介して接地される。
第２のＺＡＰツェナーダイオード２２３は、カソードが抵抗２２５を介して第１のトリミング端子２２０に接続されるとともに、第１のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ２０７Ｅ１のゲートに接続され、さらに第２のデプレッション型ＭＯＳＦＥＴ２０７Ｄ２のソースに接続される。また、第２のＺＡＰツェナーダイオード２２３のアノードは、ノード２２３を介して接地される。

（作用）
次に、以上のような構成を採用するワンチップイグナイタ１００の素子保護作用について説明する。パワー半導体スイッチング素子２０１を過電流から保護するには、何らかの不具合が生じた際にパワー半導体スイッチング素子２０１に流れる過電流の値が所望の上限値未満であれば、パワー半導体スイッチング素子２０１の素子破壊を防止することができる。そこで、本実施の形態では、当該所望の上限値に対応する、パワー半導体スイッチング素子２０１（ＩＧＢＴ）のゲート電圧の値を求める。換言すれば、このＩＧＢＴのゲート電圧の値によって、ＩＧＢＴに流れる電流の上限値を制限する。

より詳細には、図２に示すように、ノーマリーオフ型のＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間に流せる電流の値と、ＩＧＢＴのゲート電圧の値とは、図示するような曲線で表す関連性を有する。以下、この関連性を順伝達特性という。この順伝達特性は、本実施の形態における特性試験時に取得される特性の一例である。このような順伝達特性が把握できれば、当該順伝達特性を参照して、コレクタ・エミッタ間に流れる電流が所望の値（以下、Ｉｃｌａｍｐと称する）となるときのゲート電圧の値（以下、電流制限ゲート電圧Ｖｇａｔｅ＿ＯＣと称する）も把握できるようになる。そこで、本実施形態では、ワンチップイグナイタ１００の製造段階におけるウェハの状態で、上記の特性試験用端子１０４に所定の電圧を印加することで、ＩＧＢＴ２０１の順伝達特性を取得する。次に、取得した順伝達特性に基づいて、所望のＩｃｌａｍｐとなるときのＶｇａｔｅ＿ＯＣを算出する。そして、算出したＶｇａｔｅ＿ＯＣが得られるように、トリミング回路２０７の出力を事前に調整する。

具体的には、上記のウェハ状態での特性試験時に、第１のトリミング端子２２０及び第２のトリミング端子２２１に大電流を流すことでザッピングを行い、ＺＡＰツェナーダイオード２２２あるいは２２３の少なくともいずれかを破壊して恒久的に短絡させ、分圧用抵抗２０７Ｒ１乃至２０７Ｒ３による抵抗分圧のうち、所望のＶｇａｔｅ＿ＯＣに最も近い分圧点を選択することで、トリミング回路２０７からノード２１３に出力される電圧を調整する。つまり、分圧用抵抗２０７Ｒ１乃至２０７Ｒ３の分圧比を適宜に選択することで、ノード２１３に出力される電圧の調整が可能である。

ここで、図６を参照して、本実施形態の素子保護作用についてさらに説明する。内燃機関の点火制御系において、何らかの異常が生じた場合、パワー半導体スイッチング素子２０１に流れる電流Ｉｃの値が大きくなる。シャント抵抗や電流センスＩＧＢＴを用いた従来技術では、電流Ｉｃが上限値のＩｃｌａｍｐに達した際に保護動作が開始され、パワー半導体スイッチング素子２０１のゲートに印加する電圧を低下させることで過電流の値をＩｃｌａｍｐにしていた。これに対し、本実施の形態では、パワー半導体スイッチング素子２０１のゲートに印加する電圧を、パワー半導体スイッチング素子２０１に流せる電流の上限値Ｉｃｌａｍｐに対応するＶｇａｇｅ＿ＯＣとしているので、何らかの異常が生じて電流Ｉｃが上昇しても、その大きさはＩｃｌａｍｐ以上にはならない。つまり、上記の説明と別の観点から説明すると、本実施の形態では、パワー半導体スイッチング素子２０１に流してもよい電流の最大値に対応するゲート電圧を特性試験時に求め、そのゲート電圧以上のゲート電圧を印加しないことで、素子破壊を生じさせる大きさの過電流がパワー半導体スイッチング素子２０１に流れないようにしている。

（効果）
以上説明したように、本実施の形態によれば、予めＩＧＢＴ２０１のゲート電圧を調整することで、素子保護機能を実現している。つまり、電流を検出するためのシャント抵抗や電流センスＩＧＢＴを用いなくとも、過電流からＩＧＢＴ２０１を保護することが可能となる。従って、チップサイズを減少することが可能となり、従来よりも安価なワンチップイグナイタ１００を提供することが可能となる。
また、シャント抵抗や電流センスＩＧＢＴ、それに付属する電流センス抵抗を用いないので、これらの素子の特性ばらつきを考慮する必要がなくなる。当該ばらつきの影響を除去することで、より高精度な素子保護機能が達成できる。
さらに、電流センスＩＧＢＴやそれに付随する電流センス抵抗を配置する位置の制約がなくなることで、ワンチップイグナイタ１００のチップ設計が比較的容易になる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されない。例えば、上記の実施の形態では、トリミング回路２０７にＺＡＰツェナーダイオード２２２及び２２３を採用する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、半導体ヒューズを用いてトリミング回路２０７を構成することもでき、トリミングの手法や用いる素子の種類、数は特に限定されるものではない。電流検出用の素子を用いずに、過電流の上限値に対応するゲート電圧を事前に取得し、当該ゲート電圧をＩＧＢＴのゲートに印加する構成であれば、本発明の技術的範囲から逸脱しない限りにおいて様々な応用、変更等が可能である。

また、上記の実施の形態では、パワー半導体スイッチング素子２０１がノーマリーオフ型のＩＧＢＴである場合について説明したが、例えば、求められる耐圧が比較的低く、かつより高速なスイッチングが求められる用途においては、パワーＭＯＳＦＥＴ等を用いてもよい。この場合は、例えば、特性試験において取得される特性の一例として、用いるパワーＭＯＳＦＥＴのサブスレッショルド特性を取得して、過電流の上限値に対応するゲート電圧を求めるとよい。

１００ワンチップイグナイタ（半導体装置）
１０１コレクタ端子
１０２点火信号入力端子
１０２ａ点火信号配線
１０２ｂグランド配線
１０３エミッタ端子
１０４ゲートショック端子（特性試験用端子）
２００制御回路
２０１パワー半導体スイッチング素子
２０５ダイオード
２０７トリミング回路
２０７Ｒ１乃至２０７Ｒ３分圧用抵抗
２０７Ｅ１、２０７Ｅ２エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ
２０７Ｄ１、２０７Ｄ２デプレッション型ＭＯＳＦＥＴ
２０８ゲート電圧生成回路
２０９定電流源
２１０負荷
２１１乃至２１３ノード
２２２、２２３ＺＡＰツェナーダイオード
３００直流電源
３０１点火コイル
３０２点火プラグ
３０３ＥＣＵ

Claims

特性試験用端子を備えるパワー半導体スイッチング素子と、前記パワー半導体スイッチング素子の動作を制御する制御回路とが同一のチップ内に形成された半導体装置であって、前記制御回路は、あらかじめ前記特性試験用端子に電圧を印加することで測定された前記パワー半導体スイッチング素子の特性に基づき、異常発生時に前記パワー半導体スイッチング素子に流れる過電流を所望の範囲に制限するための電流制限ゲート電圧を生成するゲート電圧生成回路を備える、
ことを特徴とする半導体装置。
前記パワー半導体スイッチング素子は、ノーマリーオフ型のＩＧＢＴであり、前記特性試験用端子は前記ＩＧＢＴのゲートに接続され、前記特性は前記ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電流とゲート電圧との関連を示す順伝達特性であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記ゲート電圧生成回路は、定電流源と負荷とトリミング回路とによって構成され、前記電流制限ゲート電圧を生成する、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記トリミング回路は、抵抗分圧による分圧比に基づいて、前記電流制限ゲート電圧の値を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。