JP4000976B2 - インバータ装置とこれを用いたモータ駆動装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主端子間に直列接続した複数の電力スイッチング素子からなるアームを備えたインバータ装置に関わり、特に低圧側回路から高圧側回路に制御信号を伝達する昇圧レベルシフト回路を備えたインバータ装置や、高圧側回路から低圧側回路に制御信号を伝達する降圧レベルシフト回路を備えたインバータ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図16に従来技術のインバータ装置の1アーム分のブロック図を示す。図16で、111は第1電力スイッチング素子、112は第2電力スイッチング素子、113は上アーム駆動回路、114は下アーム駆動回路、120は主電源高圧端子、121は出力端子、122は主電源接地端子、123は第1電力スイッチング素子のゲート端子、124は第2電力スイッチング素子のゲート端子、125は上アーム駆動用電源、126は下アーム駆動用電源、127は駆動信号処理回路、130はホトカプラである。第1電力スイッチング素子111のエミッタは出力端子121に接続しているため、第1電力スイッチング素子111は主電源接地端子122に対して電位的に浮動の状態で駆動される。上アーム駆動回路113は、浮動の電位に接続されており第1電力スイッチング素子111がオン状態では主電源と同じ高電圧が加わるため、接地電位に対して絶縁されている。絶縁した上アーム駆動回路113に、駆動信号処理回路127から信号を伝えるためにホトカプラ130を使用している(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
別の従来技術では図17に示ように、下アームから上アームへの信号の伝達にホトカプラの代わり高耐圧n型MOSFETと電圧検知回路からなる昇圧レベルシフト回路を使用し、昇圧レベルシフト回路と上下駆動回路と信号処理回路とを1チップに集積している(例えば、特許文献1と、非特許文献1を参照)。
【0004】
図18に前記従来技術や別の従来技術の集積回路の断面構造を示す。図18に示すように、ポリシリコン200を支持体として酸化膜201a,201b,201cで囲んだシリコン単結晶島内に、n+ 層202a,202b,202cと、n- 層203a,203b,203cとを設ける。このように単結晶島を酸化膜で囲んだ基板を誘電体分離基板という。n- 層203a内にはp層204を設け、p層204内にはn+ 層205を設けてある。n+ 層205,p層204,n- 層203の表面にはゲート酸化膜206aを設け、ゲート酸化膜206aにはゲート電極207aを設けてある。ゲート電極207aは絶縁膜208で囲まれていて、ソース電極210aと絶縁されている。n+ 層202a,n- 層203a,p層204,n+ 層205a,ゲート酸化膜206a,ゲート電極207aで高耐圧n型MOSFET31を形成している。
【0005】
図18の符号132は上アーム駆動回路の低耐圧n型MOSFETを示す。n- 層203b内にはp層213を設け、p層213内には2個のn+ 層212を設けてある。n+ 層212,p層213,表面にゲート酸化膜206bを設け、ゲート酸化膜206b表面にはゲート電極207bを設けてある。高耐圧n型MOSFET131と低耐圧n型MOSFET132とは酸化膜208bを介して電極210bで接続している。符号133は抵抗を示し、n- 層203c内にp層214を設けてある。p層214は酸化膜208cの上に配置した電極210cを介して低耐圧n型MOSFET132に接続している。
【0006】
【特許文献1】
特開平5−316755号公報
【非特許文献1】
日立高耐圧モノリシックICデータブック モーター駆動用ICシリーズ,株式会社日立製作所,2001年3月,p.113〜116
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前記ホトカプラを使用した従来技術ではホトカプラの発光素子に化合物半導体を使用しているため高価である。また前記高耐圧n型MOSFETを使い検出回路を使用して駆動信号を下アームに伝える別の従来技術では、高耐圧n型MOSFETと駆動回路と信号処理回路とを誘電体分離基板に1チップに集積するために、チップの耐圧を高くすると、例えば図18の高電位のn+ 層202aとソース電極210aとを絶縁する酸化膜208aを厚くする必要があるが、厚くすると酸化プロセスの時間が長くなり、生産時間が長くなるだけでなく、集積回路の製造途中で酸化膜によるウエハのそりが発生し、ウエハ割れが発生し取得率が落ちる問題がある。
【0008】
本発明の目的は、上記課題を解決した信頼性が高い、低圧側回路から高圧側回路に制御信号を伝達する昇圧レベルシフト回路を有するインバータ装置および、高圧側回路から低圧側回路に制御信号を伝達する降圧レベルシフト回路を有するインバータ装置を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のインバータ装置は、上アーム駆動回路と電流検出回路とを1個のICチップに、高耐圧n型MOSFETを1チップに、下アーム駆動回路とを駆動信号処理回路を1個のICチップにし、これらのチップを絶縁基板上に配置した。
【0010】
また、本発明のインバータ装置は、上アーム駆動回路と電流検出回路とを1個のICチップに、セット信号用高耐圧n型MOSFETを1チップに、リセット信号用高耐圧n型MOSFETを1チップに、下アーム駆動回路と駆動信号処理回路を1個のICチップにし、これらのチップを絶縁基板上に配置した。
【0011】
さらに本発明のインバータ装置は、上アーム駆動回路と電流検出回路と異常検出回路と1個のICチップに、セット信号用高耐圧n型MOSFETを1チップに、リセット信号用高耐圧n型MOSFETを1チップに、セット信号用高耐圧p型MOSFETを1チップに、リセット信号用高耐圧p型MOSFETを1チップに、下アーム駆動回路と電流検出回路と駆動信号処理回路とを1個のICチップにし、これらのチップを絶縁基板上に配置した。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳しく説明する。以下の実施例では電力スイッチング素子としてIGBTを例に説明するが、パワーMOSFETでも同様である。以下の説明で、高耐圧とは100V以上の耐圧定格値のことであり、低耐圧とは20V以下の耐圧定格値のことである。また、本発明の実施例では、インバータ装置の主端子に100V以上の電圧が印加され、少なくとも10A以上の最大主電流が流れている。
【0013】
(実施例1)
図1は本実施例のインバータ装置の1アーム分のブロック図である。図1に示すように、主電源高圧端子10に第1電力スイッチング素子1のコレクタが接続し、第1電力スイッチング素子1のエミッタと第2電力スイッチング素子2のコレクタが出力端子11に接続している。主電源接地端子12に第2電力スイッチング素子2のエミッタが接続し、この主電源接地端子12を接地する。第1電力スイッチング素子1のゲート端子13に上アーム駆動回路20が接続し、第2電力スイッチング素子2のゲート端子14に下アーム駆動回路21が接続している。
【0014】
第1電力スイッチング素子1のエミッタは出力端子11に接続しているため、第1電力スイッチング素子1を主電源接地端子12に対して電位が浮動の状態で駆動する。このため、上アーム駆動回路20はトランス等で絶縁した上アーム側電源高圧側端子15から電力を供給する。下アーム駆動回路21には主電源接地端子12に接続した電源7から電力を供給する。
【0015】
駆動信号処理回路8から上下各アームへ駆動信号を送る。下アームは駆動信号処理回路8の信号を下アーム駆動回路21で受け、第2電力スイッチング素子2を導通状態にする。高耐圧n型MOSFET31のソースは主電源接地端子12に接続し、高耐圧n型MOSFET31のドレインは電流検出回路30の一方の端子に接続している。電流検出回路30の他方の端子は上アーム側電源高圧側端子15に接続し、高耐圧n型MOSFET31のゲートが駆動信号処理回路8に接続している。駆動信号処理回路8から高耐圧n型MOSFET31のゲートにオン信号が加わると、高耐圧n型MOSFET31が導通して電流が流れ、この電流を電流検出回路30が電圧に変換して上アーム駆動回路20に伝え、上アーム駆動回路20が第1電力スイッチング素子1を導通する。
【0016】
図2に本実施例の実装模式図を示す。本実施例では上アーム駆動回路20と、電流検出回路30とを第1のICチップ81とし、下アーム駆動回路21と駆動信号処理回路8とを第2のICチップ82とし、高耐圧n型MOSFET31を個別部品の第3のチップとし、ICチップ81と、ICチップ82と、高耐圧n型MOSFET31の3個のチップを配置した。
【0017】
ICチップ82は、ワイヤボンデイング50で第2電力スイッチング素子2のゲート端子14に接続し、ワイヤボンデイング51で下アーム側電源高圧側端子17に接続し、さらに、ワイヤボンデイング52で下アーム側電源接地側端子18に接続している。
【0018】
高耐圧n型MOSFET31のソースは、ワイヤボンデイング57でICチップ82に接続し、ゲートはワイヤボンデイング58でICチップ82に接続し、ドレイン(裏面側)は配線70に接続している。配線70とICチップ81とはワイヤボンデイング56で接続している。
【0019】
ICチップ81は、ワイヤボンデイング53で第1電力スイッチング素子1のゲート端子13に接続し、ワイヤボンデイング54で上アーム側電源高圧側端子15に接続し、ワイヤボンデイング55で上アーム側電源接地側端子16に接続している。
【0020】
本実施例では、下アーム駆動回路21と駆動信号処理回路8とを集積したICチップ82と、上アーム駆動回路20と電流検出回路30とを集積したICチップ81と、高耐圧n型MOSFET31の3つのチップを絶縁基板80の一方の面に配置し、絶縁基板80上で各チップを適切な距離(0.5mm以上)を保持して配置しているので上アームと下アームとの絶縁が容易に確保できる。さらに、本実施例では図2に示すように、ICチップ81から引き出す接続端子とICチップ82から引き出す接続端子とを、略長方形の絶縁基板の対向する2辺の上に配置してあるので上下アームの絶縁が確実にできる。また、本実施例では、ICチップ81と、ICチップ82と、高耐圧n型MOSFET31とは同一パッケージに樹脂モールドされているので外界からの水分から十分に保護されている。なお、モールドする樹脂は絶縁基板80の表裏全面を被覆しても良いし、絶縁基板上のICチップとワイヤボンデイングのみを被覆し、放熱を促進するために絶縁基板の裏面はモールドせずに露出させておいても良い。
【0021】
本実施例ではホトカプラを用いることなく、シリコン半導体素子と絶縁基板とによって構成されているので、ホトカプラを使用する場合に比べて安価に製造できる。さらに、本実施例では電力スイッチング素子の高耐圧n型MOSFETは個別の高耐圧部品を用いるので、誘電体分離基板を用いる場合に必要な、インバータ装置の耐圧を高めるための酸化膜の膜厚を増やす特殊な製造プロセスなどなしで容易に耐圧を高くできる。
【0022】
(実施例2)
図3に本実施例の、上アーム駆動回路20,下アーム駆動回路21の回路構成を示す。本実施例では上アーム駆動回路20がp型MOSFET22とn型MOSFET23とからなるCMOSFET構成、下アーム駆動回路21がp型MOSFET24とn型MOSFET25とからなるCMOSFET構成となっている他は実施例1と同様である。
【0023】
本実施例では上下のアーム駆動回路がCMOSFET構成なので、第1電力スイッチング素子1及び第2電力スイッチング素子2がターンオン、あるいはターンオフに遷移するときにだけ電流が上アーム駆動回路20,下アーム駆動回路21に流れるので、駆動電力の発生を抑制できる。
【0024】
(実施例3)
図4に本実施例を示す。本実施例では、電流検出回路30が抵抗32を備え、これ以外は実施例2と同様である。駆動信号処理回路8から高耐圧n型MOSFET31のゲートにオン信号が伝わるとドレインとソースの間に電流が流れ、ドレインに接続した抵抗32で電圧降下が発生する。この電圧降下によってp型MOSFET22が導通し、n型MOSFET23が非導通になり、上アーム駆動電源6の高圧側電位が第1電力スイッチング素子1のゲートに印加されて、第1電力スイッチング素子1が導通する。
【0025】
(実施例4)
図5に本実施例を示す。本実施例では、電流検出回路30が、抵抗32と抵抗32の両端に接続したツェナーダイオード33を備えたことが実施例3と異なる。高耐圧n型MOSFET31が流す電流は、製造ばらつきでしきい値電圧が下がっていたり、あるいは周囲温度が低い場合に増加し、抵抗32両端に発生する電圧が大きくなり、p型MOSFET22,n型MOSFET23を破壊するおそれがある。本実施例のツェナーダイオード33は抵抗両端に発生する過大な電圧を抑制する。
【0026】
図6は本実施例の高耐圧n型MOSFET31の斜視図である。図6に示すように、n+ 層90の上にn- 層91を形成し、このn- 層91内にp層92a,92bを形成してある。p層92a内にn+ 層93aを、p層92b内にn+ 層93bを形成し、n+ 層93a,p層92a,n- 層91,p層92b,n+ 層93bに渡って表面にゲート酸化膜94を設け、さらにゲート酸化膜94の上にゲート電極95を設けてある。p層92a,92bと、n+ 層93a,93bと、ゲート酸化膜94,ゲート電極95とでMOSFETを構成する。
【0027】
p層92a,92bと、n+ 層93a,93bとはソース電極100とオーミック接続している。また、n- 層91内にはp層97a,97b,97cを配置し、p層92b,n- 層91,p層97aに渡って酸化膜99aを、p層97a,n- 層91,p層97bに渡って酸化膜99bを設けてある。さらに、p層97b,n- 層91,p層97cに渡って酸化膜99cを、p層97c,n- 層91,n+ 層98に渡って酸化膜99dを設けてある。
【0028】
ソース電極100は酸化膜99a上をn+ 層98の延在する方向に沿って伸び、p層97aにオーミック接続した電極101aが酸化膜99b上をn+ 層98の延在する方向に沿って伸びている。さらに、p層97bにオーミック接続した電極101bが酸化膜99c上をn+ 層98の延在する方向に沿って伸び、p層97cにオーミック接続した電極101cが酸化膜99d上をn+ 層98の延在する方向に沿って伸びている。また、n+ 層98にオーミック接続した電極102もp層92bの延在する方向に沿って伸びている。ドレインの電極102がn+ 層90にオーミック接続している。
【0029】
高耐圧n型MOSFET31は以下の様に動作する。ソース電極100を接地し、ドレインの電極102に高電圧を加えた状態でゲート電極95に正の電圧を加えると、p層92a,92bが反転してチャネルができ、電子がチャネルを通ってn- 層91に流れ、さらに電子がn+ 層90を通りドレインの電極102に達する。ソース電極100,電極101a,電極101b,電極101cをn+ 層98の方向に伸ばすことで空乏層を伸ばし素子の耐圧を上げている。端部は切断面が表面に現れているため、再結合準位が多いので、空乏層が端部に達すると、もれ電流が増加する。n+ 層98及び電極102は酸化膜99a,99b,99c,99d中の電荷や図に示していない保護膜中の電荷によりn- 層91がp型に反転し、空乏層が端部に達することを防止している。n- 層91の抵抗率と、厚さ、及びp層97a,97b,97cの数とを増やすことで製造方法を変えることなく容易に素子の耐圧を高くできる。
【0030】
図7に図6に示す高耐圧n型MOSFETのゲート電極の幅W(図6奥行き方向で、以後単にゲート幅Wと略す。)と抵抗32両端の電圧との関係を示す。図7では抵抗32が1kΩの場合を示し、ゲート幅Wが10μm以上では横軸は対数目盛りである。ゲート幅Wがゼロでは電流が流れず、抵抗32両端に発生する電圧は0Vであるが、ゲート幅Wを増すと電流が増え、抵抗32両端の電圧が増加する。ツェナーダイオード33を抵抗32に接続した場合は、図7に示すように、ゲート幅Wを増やして電流を増加させてもツェナー電圧で抵抗32の両端に発生する電圧が抑制される。しかし、ゲート幅Wが10000μm以上になると、抵抗32の両端の電圧が再び増加する。これは、ICに集積できるツェナーダイオードでは抵抗成分が大きく、電流が多くなると電圧降下が大きくなるためである。抵抗32の値を小さくすると、抵抗32の両端に発生する電圧は抑制されるが、抵抗32に流れる電流が多くなり損失が多くなるので望ましくない。p型MOSFET22,n型MOSFET23が破壊しないようなツェナー電圧以下で使用するためにはゲート幅Wは10000μm以下が望ましい。また、ツェナー電圧以下の領域では製造ばらつきや温度変化による電流変動により抵抗32両端の電圧が変動するので、ゲート幅Wは10μm以上が望ましく、結局、高耐圧n型MOSFET31のゲート幅Wは10μm〜10000μmが望ましい。
【0031】
(実施例5)
図8に本実施例を示す。本実施例は抵抗32両端にコンデンサ34が接続している他は実施例4と同様である。上側アース電位(出力端子11と上アーム側電源接地側端子16の電位)は第1電力スイッチング素子1が導通しているときは主電源電圧に、第2電力スイッチング素子2が導通しているときは接地電位になり、第1電力スイッチング素子1と第2電力スイッチング素子2とが何れも非導通であるときはほぼ(主電源電圧)/2になる。第1電力スイッチング素子1が導通する過程で、上側アース電位は、(主電源電圧)/2から主電源電圧に変動し、第2電力スイッチング素子2が導通する過程で、電圧は(主電源電圧)/2から接地電位に変動する。この電圧変動dV/dtと高耐圧n型MOSFET31のソース,ドレイン間容量Csd(図示せず。)により過渡的にCsd×dV/dtの大きさで電流が流れるので、本実施例では、コンデンサ34を抵抗32両端に配置してソース,ドレイン間容量Cdsに直列に接続して見かけのソース,ドレイン間容量を小さくし、この電流を抑制した。
【0032】
図9に本実施例の実装図を示す。配線71a,71bの上にコンデンサ34を接続し、ICチップ81とはワイヤボンデイング59,60で接続している。半導体基板に形成するコンデンサの容量は、チップ面積の制約のために10pF程度が上限である。このため、本実施例ではコンデンサ34を抵抗32,ツェナーダイオード33とは別のチップとし、個別部品の第4チップとしたが、もちろん、ツェナーダイオード33と同じチップにコンデンサ34を作製できればそのようにしても良い。本実施例では、1枚の長方形の絶縁基板の上に前記4個のチップを搭載し、絶縁基板とこれらのチップとを実施例1と同様にして樹脂モールドした。
【0033】
(実施例6)
図10に本実施例を示す。本実施例では2個の高耐圧n型MOSFET31,35を備え、各々のドレインに抵抗32,36とツェナーダイオード33,37とが接続し、抵抗32の一方の端子はRSフリップフロップ38のセット側Sに接続している。抵抗36の他方の端子は、RSフリップフロップ38のリセット側Rに接続し、RSフリップフロップ38の出力がNOT回路の入力に接続している。NOT回路の出力はp型MOSFET22とn型MOSFET23のゲート端子に接続している。
【0034】
本実施例では、p型MOSFET22と、n型MOSFET23と、NOT回路19と、RSフリップフロップ38と、抵抗32,36と、ツェナーダイオード33,37とを第1のICチップ81に集積し、p型MOSFET24と、n型MOSFET25と、駆動信号処理回路とを第2のICチップ82として集積している。高耐圧n型MOSFET31,35はそれぞれ個別部品の第3チップ,第4チップとして独立している。
【0035】
本実施例の動作を説明する。駆動信号処理回路8から短時間(1μs程度)のパルスを高耐圧n型MOSFET31のゲート端子に加えると、パルスが入力されている時間だけ高耐圧n型MOSFET31が導通して、抵抗32の両端に電圧が発生し、RSフリップフロップ38のセット側Sに入力信号が加わり、RSフリップフロップ38の出力が上アーム側電源電圧になる。この出力はNOT回路19で反転して、p型MOSFET22,n型MOSFET23のゲートに上アーム側電源の接地電位として加わりp型MOSFET22が導通,n型MOSFET23が非導通になり、第1電力スイッチング素子1が導通する。
【0036】
第1電力スイッチング素子1を非導通にするときは、駆動信号処理回路8から短時間,高耐圧n型MOSFET35のゲート端子にパルスを加えると、パルスが入力されている時間だけ高耐圧n型MOSFET35が導通して、抵抗36両端に電圧が発生し、RSフリップフロップ38のリセット側Rに入力信号が加わり、RSフリップフロップ38の出力が上アーム側電源の接地電位になる。この出力がNOT回路19で反転し、p型MOSFET22とn型MOSFET23のゲートが上アーム側電源電位になり、p型MOSFET22が非導通,n型MOSFET23が導通になって第1電力スイッチング素子1が非導通になる。本実施例では、高耐圧n型MOSFET31,35に電源電圧が加わった状態で短時間電流が流れるだけなので、高耐圧n型MOSFET31,35での損失を大幅に低減できる。
【0037】
図11は本実施例の実装模式図である。長方形の絶縁基板80の上に、p型MOSFET24とn型MOSFET25と駆動信号処理回路8とを集積したICチップ82と、p型MOSFET22とn型MOSFET23とRSフリップフロップ38と抵抗32,36とツェナーダイオード33,37とを集積したICチップ82と、高耐圧n型MOSFET31,35の4個のチップを配置している。
【0038】
ICチップ82は、ワイヤボンデイング50により第2電力スイッチング素子2のゲート端子14に接続し、ワイヤボンデイング51で下アーム側電源高圧側端子17に接続し、さらに、ワイヤボンデイング52により下アーム側電源接地側端子18に接続している。
【0039】
高耐圧n型MOSFET31のソースはワイヤボンデイング57でICチップ82に接続し、ゲートはワイヤボンデイング58でICチップ82に接続し、ドレイン側(裏面側)は配線70に接続している。配線70とICチップ81はワイヤボンデイング56で接続している。
【0040】
高耐圧n型MOSFET35のソースはワイヤボンデイング62でICチップ82に接続し、ゲートはワイヤボンデイング63でICチップ82に接続し、ドレイン側(裏面側)は配線72に接続している。配線72とICチップ81とはワイヤボンデイング61で接続している。
【0041】
ICチップ81は、ワイヤボンデイング53で第1電力スイッチング素子1のゲート端子13に接続し、ワイヤボンデイング54で上アーム側電源高圧側端子15に接続し、さらに、ワイヤボンデイング55で上アーム側電源接地側端子16に接続している。
【0042】
(実施例7)
図12に本実施例を示す。本実施例では上アーム側電源高圧側端子15に高耐圧p型MOSFET40,41のソースが接続している。高耐圧p型MOSFET40のドレイン端子は抵抗42の一方の端子と、ツェナーダイオード43のカソードと、RSフリップフロップ46のセット端子Sとに接続している。抵抗42の他方の端子とツェナーダイオード43のアノードは接地している。高耐圧p型MOSFET41のドレイン端子は抵抗44の一方の端子と、ツェナーダイオード45のカソードと、RSフリップフロップ46のリセット端子Rとに接続している。抵抗44の他方の端子とツェナーダイオード45のアノードとは接地している。高耐圧p型MOSFET40,41のゲートには異常信号検出回路39の出力信号を入力する。RSフリップフロップ46の出力は駆動信号処理回路8に接続してある。
【0043】
本実施例では、p型MOSFET22とn型MOSFET23とNOT回路26とRSフリップフロップ38と抵抗32,36とツェナーダイオード33,37と異常信号検出回路39とを第1のICチップ81として集積し、p型MOSFET24とn型MOSFET25とRSフリップフロップ46と抵抗42,44とツェナーダイオード43,45と駆動信号処理回路とを第2のICチップ82として集積し、高耐圧n型MOSFET33,31を第3チップ、第5チップとし、高耐圧p型MOSFET40,41を第6チップ,第7チップとして独立したチップとしている。
【0044】
本実施例は以下のように動作する。過電流,温度異常,上アーム側電源電圧低下,主電源過電圧などの異常を異常信号検出回路39が検知すると、高耐圧p型MOSFET40のゲートに短時間オン信号が入力し、降圧レベルシフト回路を構成する高耐圧p型MOSFET40が導通して抵抗42に電流が流れ、抵抗42両端に発生した電圧信号をRSフリップフロップ46のセット側Sに入力し、RSフリップフロップ46出力信号が駆動信号処理回路8に伝わる。
【0045】
異常状態が解除されると、異常信号検出回路39から高耐圧p型MOSFET41のゲートに短時間オン信号が入力され、高耐圧p型MOSFET41が導通して抵抗44に電流が流れる。このとき、抵抗44両端に電圧が発生しRSフリップフロップ46のリセット側Rに信号が入力され、RSフリップフロップ46出力が接地電位になる。これ以外の動作は実施例6と同様である。
【0046】
図13に本実施例の実装図を示す。絶縁基板80上に、p型MOSFET24とn型MOSFET25と抵抗42,44とツェナーダイオード43,45とRSフリップフロップ46と駆動信号処理回路8とを集積したICチップ82と、p型MOSFET22とn型MOSFET23とRSフリップフロップ38と抵抗32,36とツェナーダイオード33,37と異常信号検出回路39とを集積したICチップ82と、高耐圧n型MOSFET31,35と、高耐圧p型MOSFET40,41との6個のチップを配置した。
【0047】
ICチップ82は、ワイヤボンデイング50で第2電力スイッチング素子2のゲート端子14に接続し、ワイヤボンデイング51で下アーム側電源高圧側端子17に接続し、さらに、ワイヤボンデイング52で下アーム側電源接地側端子18に接続している。
【0048】
高耐圧n型MOSFET31のソースはワイヤボンデイング57でICチップ82に接続し、ゲートはワイヤボンデイング58でICチップ82に接続し、ドレイン側(裏面側)は配線70に接続している。配線70とICチップ81とはワイヤボンデイング56で接続している。
【0049】
高耐圧n型MOSFET35のソースはワイヤボンデイング62でICチップ82に接続し、高耐圧nゲートはワイヤボンデイング63によりICチップ82に接続し、ドレイン側(裏面側)は配線71に接続している。
【0050】
高耐圧p型MOSFET40のソースはワイヤボンデイング64aでICチップ81に接続し、ゲートはワイヤボンデイング64bでICチップ81に接続し、ドレイン側(裏面側)は配線73に接続している。配線73とICチップ82はワイヤボンデイング66で接続している。
【0051】
高耐圧p型MOSFET41のソースはワイヤボンデイング65aでICチップ81に接続し、ゲートはワイヤボンデイング65bによりICチップ81に接続し、ドレイン側(裏面側)は配線74に接続している。配線74とICチップ82はワイヤボンデイング67で接続している。
【0052】
ICチップ81はワイヤボンデイング53で第1電力スイッチング素子1のゲート端子13に接続し、ワイヤボンデイング54で上アーム側電源高圧側端子15に接続し、さらに、ワイヤボンデイング55により上アーム側電源接地側端子16に接続している。
【0053】
図14に、本実施例のICチップ81,82の断面説明図を示す。シリコン単結晶150上に酸化膜151を形成し、n- 層152,157,162,164は酸化膜151によって各々絶縁されている。n- 層の間の酸化膜151はシリコン基板面に垂直に形成されている。このようにほぼ垂直の酸化膜で絶縁した基板をSOI(Silicon On Insulator)基板という。n- 層152中にp層153を設け、p層153中にn+ 層154a,154bを設けてある。n+ 層154a,p層153,n+ 層154bに渡ってゲート酸化膜155を配置し、さらにゲート酸化膜155上にゲート電極156を設けた。n+ 層154a,154bと、p層153と、ゲート酸化膜155と、ゲート電極156とでn型MOSFET23を形成する。
【0054】
n- 層157中にはn層158を設け、n層158中にはp+ 層159a,159bを設けてある。p+ 層159a,n層158,p+ 層159bに渡ってゲート酸化膜160を設け、さらにゲート酸化膜160上にはゲート電極161を設けてある。p+ 層159a,159bと、n層158と、ゲート酸化膜160と、ゲート電極161とでp型MOSFET22を形成し、n- 層162中にp層163を設けて抵抗32を形成し、n- 層164中にp+ 層165とn+ 層166を設けてツェナーダイオード33を形成している。
【0055】
誘電体分離基板は絶縁のための酸化膜が例えば図18に示すように傾斜しているために、シリコン単結晶島間の距離を短くできない。これに対してSOI基板は絶縁のための酸化膜が垂直なので、シリコン単結晶間距離を小さくでき、素子面積も小さくできるので安価に製造できる。
【0056】
(実施例8)
図15に本実施例の3相モータ駆動装置の回路を示す。駆動回路83U,83V,83Wの点線で囲んだ部分は同一パッケージに組み込まれていて、これらは実施例1〜実施例7と同様の駆動回路である。下アーム駆動電源7はU,V,W相とも共通である。上アーム駆動電源6U,6V,6WはU,V,W相独立である。直流の主電源500はU,V,Wに共通である。マイコン300からの指令により駆動信号処理回路8U,8V,8WがU,V,W各相の電力スイッチング素子1U,1V,1W,2U,2V,2Wをパルス幅変調(PWM)信号でオン,オフして周波数可変の交流に変換し、モータ400を所定の回転数にする。異常信号検出回路39U,39V,39Wが動作すると駆動処理回路8U,8V,8Wからマイコンへ異常信号が伝わり、電力スイッチング素子1U,1V,1W,2U,2V,2Wを保護する。
【0057】
なお、マイコン300には主電源500からモータ400に供給する電流値の検出信号や、モータ400の回転子位置の検出信号を入力し、これに基づいて駆動回路83U,83V,83Wを制御する。
【0058】
【発明の効果】
本発明のインバータ装置は、ホトカプラや誘電体分離基板を用いずに、上アーム駆動回路,電流検出回路を1つのICチップに、高耐圧n型MOSFETを1チップに、下アーム駆動回路,駆動信号処理回路を1つのICチップにし、電力スイッチング素子を個別部品にして構成し、前記ICチップをSOI基板上に形成したので、信頼性が高い高耐圧のインバータ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1のインバータ装置のブロック図。
【図2】実施例1の実装模式図。
【図3】実施例2のインバータ装置の回路構成説明図。
【図4】実施例3のインバータ装置の回路構成説明図。
【図5】実施例4のインバータ装置の回路構成説明図。
【図6】実施例4の高耐圧n型MOSFETの斜視図。
【図7】実施例4の高耐圧n型MOSFETのゲート幅Wと抵抗両端電圧の関係の説明図。
【図8】実施例5のインバータ装置の回路構成説明図。
【図9】実施例5の実装模式図。
【図10】実施例6のインバータ装置の回路構成説明図。
【図11】実施例6の実装模式図。
【図12】実施例7のインバータ装置の回路構成説明図。
【図13】実施例7の実装模式図。
【図14】実施例7のICチップの断面説明図。
【図15】実施例8の3相モータ駆動装置の回路構成図。
【図16】ホトカプラを使用した従来技術のインバータ装置の説明図。
【図17】昇圧レベルシフト回路を用いた別の従来技術のインバータ装置の説明図。
【図18】誘電体分離基板を使用した従来技術の集積回路の断面図。
【符号の説明】
1…第1電力スイッチング素子、2…第2電力スイッチング素子、6…上アーム駆動電源、7…下アーム駆動電源、8…駆動信号処理回路、10…主電源高圧端子、11…出力端子、12…主電源接地端子、13,14…ゲート端子、15…上アーム側電源高圧側端子、16…上アーム側電源接地側端子、17…下アーム側電源高圧側端子、18…下アーム側電源接地側端子、19…NOT回路、20…上アーム駆動回路、21…下アーム駆動回路、22,24…p型MOSFET、23,25…n型MOSFET、30…電流検出回路、31,35…高耐圧n型MOSFET、32,36,42,44…抵抗、33,37,43,45…ツェナーダイオード、34…コンデンサ、38,46…RSフリップフロップ、39…異常信号検出回路、40,41…高耐圧p型MOSFET、50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64a,64b,65a,65b…ワイヤボンデイング、70,71a,71b,72,73,74…配線、80…絶縁基板、81,82…ICチップ、90,93a,93b,98,154a,154b,166…n+ 層、91,152,157,162,164…n- 層、92a,92b,97a,97b,97c,153,163…p層、94,155,160…ゲート酸化膜、95,156,161…ゲート電極、96…絶縁膜、100…ソース電極、101a,101b,101c,102…電極、150…シリコン単結晶、151…酸化膜、158…n層、159a,159b,165…p+ 層、300…マイコン、400…モータ、500…主電源。
Claims (2)
- 主端子間に直列接続された上アーム半導体電力スイッチング素子及び下アーム半導体電力スイッチング素子と、
前記上アーム半導体電力スイッチング素子及び前記下アーム半導体電力スイッチング素子のそれぞれを駆動するための第1駆動信号及び第2駆動信号を出力する駆動信号処理回路と、
レベルシフト回路を構成し、前記駆動信号処理回路から出力された前記第1駆動信号が入力される第1ゲート電極を備え、下アーム側電源接地側端子に第1ソース電極が接続された第1MOSFETと、
前記第1MOSFETの第1ドレイン電極と上アーム側電源高圧側端子との間に設けられ、電流を電圧に変換する第1抵抗を備えた電流検出回路と、
前記電流検出回路の前記第1抵抗に並列に接続された第1ツェナーダイオードと、
前記上アーム側電源高圧側端子と上アーム側電源接地側端子との間に設けられ、前記電流検出回路により検出された電圧に基づいて前記上アーム半導体電力スイッチング素子を駆動する上アーム駆動回路と、
下アーム側電源高圧側端子と前記下アーム側電源接地側端子との間に設けられ、前記駆動信号処理回路から出力された前記第2駆動信号に基づいて前記下アーム半導体電力スイッチング素子を駆動する下アーム駆動回路と、
前記上アーム側電源高圧側端子と前記上アーム側電源接地側端子との間に設けられた上アーム駆動電源と、
前記下アーム側電源高圧側端子と前記下アーム側電源接地側端子との間に設けられた下アーム駆動電源と、
前記駆動信号処理回路から出力された第3駆動信号が入力される第2ゲート電極を備え、前記下アーム側電源設置側端子に第2ソース電極が接続された第2MOSFETと、
前記第2MOSFETの第2ドレイン電極と前記上アーム側電源高圧側端子との間に設けられた第2抵抗と、
前記第2抵抗に並列に設けられた第2ツェナーダイオードと、
前記第1抵抗の一方の端子がセット側に接続され、前記第2抵抗の一方の端子がリセット側に接続されたフリップフロップと、
前記フリップフロップと前記CMOSFETとの間に設けられ、該フリップフロップの出力に基づいて該CMOSFETを駆動するNOT回路と、を有し、
前記上アーム駆動回路及び前記電流検出回路は、第1半導体チップ上に形成され、
前記下アーム駆動回路及び前記駆動信号処理回路は、前記第1半導体チップとは異なる第2半導体チップ上に形成され、
前記第1MOSFETは、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップとは異なる第3半導体チップ上に形成され、
前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップには、SOI基板が用いられ、
前記第1半導体チップ,前記第2半導体チップ、及び、前記第3半導体チップは、同一の絶縁基板の上に配置され、
前記第1MOSFETの前記第1ゲート電極及び前記第1ソース電極は、前記第3半導体チップの第1主面側に設けられ、
前記第1MOSFETの前記第1ドレイン電極は、前記第3半導体チップの前記第1主面とは反対側の第2主面側に設けられ、
前記第1MOSFETの前記第1ドレイン電極は、前記絶縁基板に設けられた第1配線の上に配置されて該第1配線と電気的接続され、
前記上アーム駆動回路及び前記下アーム駆動回路はそれぞれ、p型MOSFETとn型MOSFETからなるCMOSFETにより構成され、
前記第2MOSFETは、前記第1,第2、及び、第3半導体チップとは異なる第4半導体チップ上に形成され、
前記第4半導体チップは、前記絶縁基板上に搭載されており、
前記第2MOSFETの前記第2ゲート電極及び前記第2ソース電極は、前記第4半導体チップの第1主面側に設けられ、
前記第2MOSFETの前記第2ドレイン電極は、前記第4半導体チップの前記第1主面とは反対側の第2主面側に設けられ、
前記第2MOSFETの前記第2ドレイン電極は、前記絶縁基板に設けられた第2配線の上に配置されて該第2配線と電気的接続され、
前記第1抵抗及び前記第2抵抗は前記第1半導体チップ上に形成されていることを特徴とするインバータ装置。 - 請求項1記載のインバータ装置において、
前記絶縁基板に搭載した前記第1半導体チップ,前記第2半導体チップ,前記第3半導体チップ、及び、前記第4半導体チップを同一パッケージに樹脂モールドしたことを特徴とするインバータ装置。
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