JP6213136B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電源の正極と負荷との間にスイッチング素子を介在させた構成を有する負荷駆動回路に適用する半導体装置に関し、特に、電源が逆向きに接続された状態でスイッチング素子を保護する半導体装置に関する。
この種の半導体装置として、例えば特許文献1に記載された車両用電源回路装置が提案されている。
この従来例では、図7及び図8に示すように、車載電源103から負荷104への電流供給をON状態とOFF状態とに切替えるパワーチップ101を備えている。パワーチップ101のON/OFF切替を制御する内部回路105を有し、パワーチップ101とは別体に構成された制御チップ102を備えている。車載電源103に対してパワーチップ101及び制御チップ102を並列に接続した状態で、内部回路105によりパワーチップ101を制御することによって負荷104への電源供給を制御可能な車両用電源制御装置110を構成している。そして、制御チップ102は、デプレッション型MOSFET107を備え、ソース端子171を制御チップ102の電源端子121又はグランド端子122に接続され、ドレイン端子172は内部回路105に接続されている。
特開2005−19532号公報
ところで、上記特許文献1に記載の従来例にあっては、制御チップ102の車載電源103の正極側にデプレッションMOSFET107を接続しており、このデプレッションMOSFET107は車載電源103の逆接続時に定電流素子として機能し、内部回路105は、デプレッションMOSFET107に流れる定電流と同じ値の電流を流すのに必要な電圧だけが印加され、残りの電圧はデプレッションMOSFET107に印加される。
車載電源103の順接続時には、デプレッションMOSFET107の特性における抵抗領域を使用することで電圧ドロップは小さい。
しかしながら、上記従来例にあっては、制御チップ102にデプレッションMOSFETを接続することは不可欠であり、デプレッション型ではない通常のMOSFETとデプレッションMOSFETとを一緒に集積するには追加の製造工程が必要となり、工数アップと歩留り低下によるコストアップが問題となるという未解決の課題がある。
また、内部回路105におけるパワーチップのゲートに与える信号を生成する回路が示されていなので、車載電源103の逆接続時に内部回路105中の本来オンすべきトランジスタがオフしてOUT端子125の出力が高インピーダンスになってしまう等の不具合が起こりうるという未解決の課題もある。このため、車載電源の逆接続時にも問題なく作用することを補償する回路を明示する必要があるという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、デプレッションMOSFETを使用することなく電源の逆接続時に制御チップに流れる電流を抑制するとともに、パワーチップのスイッチング素子を確実にオン状態として発熱を抑制することができる半導体装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の一態様は、電源から負荷への電力供給をオン状態とオフ状態とに切換えるスイッチング素子を備えたパワーチップと、該パワーチップのスイッチング素子を制御する制御回路を内蔵した制御チップと、前記制御チップに設けた前記電源の逆接続時に前記パワーチップのスイッチング素子をオン状態に制御する逆接続保護回路とを備え、前記逆接続保護回路は、前記制御回路及び前記電源の正極側間に介挿された第1の抵抗及び第2の抵抗を有する保護用抵抗と、前記電源の逆接続時に前記第1の抵抗及び前記第2の抵抗の接続点における電圧が入力されて前記パワーチップのスイッチング素子をオン状態に制御する制御電圧を形成する制御電圧形成回路とを有している。
また、本発明に係る半導体装置の一態様は、前記保護用抵抗が、前記制御回路側が制御チップの基板に接続されて基板電位を付与する構成とされている。
また、本発明に係る半導体装置の一態様は、前記制御電圧形成回路が、前記第1の抵抗及び前記第2の抵抗の接続点における電圧がゲート端子に供給されるとともに、前記保護用抵抗で形成される前記基板電位が入力側端子に入力される電圧制御型半導体素子を備えている。
また、本発明に係る半導体装置の一態様は、前記制御電圧形成回路が、前記電圧制御型半導体素子と直列に逆流防止用ダイオードが接続された構成とされている。
また、本発明に係る半導体装置の一態様は、前記制御電圧形成回路が、前記電圧制御型半導体素子と直列に当該電圧制御型半導体素子と異なるチャネルの第2の電圧制御型半導体素子を接続した構成とされている。
また、本発明に係る半導体装置の一態様は、前記第2の電圧制御型半導体素子が、ゲート端子と入力側端子とが短絡され、バックゲート端子が制御信号によってスイッチング制御される第3の電圧制御型半導体素子の出力端子側に接続された構成とされている。
また、本発明に係る半導体装置の一態様は、前記逆接続保護回路は、前記制御電圧形成回路の電圧制御型半導体素子から出力される制御電圧が入力されるチャージポンプ回路を有し、該チャージポンプ回路の出力が前記パワーチップに供給された構成とされている。
本発明によれば、制御チップにデプレッションMOSFETを接続することなく、電源が逆接続されたときに制御チップを流れる電流を抑制して制御チップの発熱を抑制しながらパワーチップのスイッチング素子をオン状態とする十分な制御電圧を供給することができ、パワーチップのスイッチング素子を確実にオン状態としてパワーチップの発熱を抑制することができる。
本発明の第1の実施形態を示す半導体装置の具体的構成を示す回路図である。 図1の半導体装置の素子構造を示す断面図である。 第1の実施形態における電源逆接続時のパワーチップに掛かる電圧例を示す特性線図である。 本発明の第2の実施形態を示す半導体装置の具体的構成を示す回路図である。 本発明の第3の実施形態を示す半導体装置の具体的構成を示す回路図である。 本発明の第4の実施形態を示す半導体装置の素子構造を示す断面図である。 従来例を示す回路図である。 図7の半導体装置の素子構造を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を伴って説明する。
図1は本発明の第1の実施形態を示す半導体装置の構成を示す回路図、図2は図1の半導体装置の素子構造を示す断面図である。
図1において、1はモータ駆動回路であって、このモータ駆動回路1は車載バッテリー等の直流電源2を有する。この直流電源2の負極側が接地され、正極側がパワーチップ10及び制御チップ20に接続されている。
パワーチップ10は、スイッチング素子としてのNチャネルのMOSFET11を備えており、このMOSFET11のドレインが直流電源2の正極側に接続される入力端子ti1に接続されている。また、MOSFET11のソースが負荷としての一端が接地された電動モータ31の他端に接続される出力端子to1に接続されている。さらに、MOSFET11のゲートがゲート信号入力端子tg1に接続されている。なお、12は寄生ダイオードである。
制御チップ20は、直流電源2の正極側に接続される入力端子ti2と、接地に接続される出力端子to2と、駆動制御信号が入力される駆動制御信号入力端子ts2と、パワーチップ10にゲート信号を出力するゲート信号出力端子tg2と、パワーチップ10及び電動モータ31の接続点に接続された出力端子to3とを備えている。
また、制御チップ20は、パワーチップ10のMOSFET11のオン状態及びオフ状態を制御するゲート電圧VGを形成する制御回路21と、直流電源2の逆接続時にパワーチップ10及び制御チップ20を保護する逆接続保護回路22と、パワーチップ10のMOSFET11に供給するゲート信号を形成するゲート信号形成回路23とを備えている。
制御回路21には、図2に示すように、n型基板41の上面側に形成されたpチャネル領域で構成されるESD(Electrostatic Discharge:静電気放電)保護用の縦型拡散ダイオード24を備えており、この縦型拡散ダイオード24のアノードが出力端子to2に接続され、カソードがn型基板41内で逆接続保護回路22に接続されている。また、図2に示されるP−MOSおよびN−MOSは、制御回路21をCMOSで形成するときに用いられるPチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETの一般的なペアを一つ、制御回路21を代表して示している。
逆接続保護回路22は、入力端子ti2と縦型拡散ダイオード24のカソードとの間に接続された保護用抵抗としての分圧抵抗R1及びR2と、制御電圧形成回路25とを備えている。なお、図2では、逆接続保護回路22のうちの抵抗R1及びR2の直列回路を表す抵抗のみ表示し、逆接続保護回路22の他の部分(制御電圧形成回路25に相当する部分)の図示は省略している。
制御電圧形成回路25は、分圧抵抗R1及びR2の中間接続点から出力される中間電圧Vdivがゲート端子に入力されるPMOSFET26と、このPMOSFET26のドレインと制御回路21の出力端子に接続されているゲート電圧ライン21aの抵抗R3及び抵抗R5の接続点との間に介挿された2つの逆流防止用ダイオード27a及び27bとを備えている。PMOSFET26のソースは分圧抵抗R2と縦型拡散ダイオード24のカソードとの接続点に接続されている。
ゲート信号形成回路23は、制御回路21の出力端子に接続されているゲート電圧ライン21aの抵抗R3及びR5の接続点に一端が接続された抵抗R4と、この抵抗R4の他端にドレインが接続されたNMOSFET28と、このNMOSFET28のソースにアノードが接続されカソードが出力端子to3に接続された逆流防止用ダイオード29とを備えている。
このゲート信号形成回路23では、NMOSFET28のゲートに供給される制御信号S1がローレベルであるときにNMOSFET28がオフ状態となって、ゲート電圧ライン21aのゲート電圧が抵抗R5を介してパワーチップ10のNMOSFET11のゲートに印加されることにより、NMOSFET11がオン状態に制御される。
逆に、NMOSFET28のゲートに、ハイレベルの制御信号S1を供給することにより、NMOSFET28がオン状態となって、ゲート電圧ライン21aのゲート電圧をプルダウンし、パワーチップ10のNMOSFET11がオフ状態に制御される。また、このとき、制御回路21内のチャージポンプ回路を非動作とすることで、パワーチップ10のNMOSFET11を確実にオフ状態に制御できる。
モータ駆動回路1は、上記構成の他、図示しないが過熱検出回路、過電流検出回路、負荷短絡検出回路等を備えていてもよく、また図示しないが、ハイサイドの回路に供給する電圧を生成するチャージポンプ回路等を有している。
次に、上記第1の実施形態の動作を説明する。
今、直流電源2が図1に示すように順方向に接続されている場合には、制御チップ20のゲート信号形成回路23のNMOSFET28に供給する制御信号S1をローレベルとすることにより、制御回路21から出力されるゲート電圧VGがパワーチップ10のNMOSFET11のゲートに印加されてこのNMOSFET11が適宜オン状態となり、直流電源2の電源電圧VBがNMOSFET11を介して電動モータ31に供給されて電動モータ31が回転駆動される。なお、この場合、PMOSFET26の反転ゲート端子(PMOSFET26のゲート端子への入力電圧がLowレベルのときPMOSFET26がオンするので、当該ゲート端子を反転ゲート端子と呼ぶ)がプルアップされているので、PMOSFET26はオフしている。
この電動モータ31の回転駆動状態で、ゲート信号形成回路23のNMOSFET28に供給する制御信号S1をハイレベルとすることにより、ゲート電圧ライン21aのゲート電圧VGがプルダウンされてパワーチップ10のNMOSFET11がオフ状態となり、電動モータ31への直流電源の供給が遮断される。
次に、モータ駆動回路1に直流電源2を接続する際に、直流電源2の負極側をパワーチップ10の入力端子ti1及び制御チップ20の入力端子ti2に接続し、正極側を接地する逆接続状態とした場合について説明する。
この直流電源2の逆接続状態となると、図1において太線矢印で示すように、制御チップ20の出力端子to2に電源電圧VB(例えば16V)の直流電源が入力されることになるとともに、パワーチップ10には出力端子to1に電動モータ31を介して直流電源が入力されることになる。
これらパワーチップ10及び制御チップ20では、寄生のボディーダイオード12や縦型拡散ダイオード24を通じて電流が流れるため、通常はこの電流を制御することはできない。寄生のボディーダイオード12や縦型拡散ダイオードは常時通電することを想定して設けられたものではなく、寄生のボディーダイオード12や縦型拡散ダイオードに電流を流し続けると発熱や過熱による熱破壊の問題が起こってくる。
しかしながら、本実施形態では、制御チップ20の縦型拡散ダイオード24と入力端子ti2との間に逆接続保護回路22が介挿されている。この逆接続保護回路22では、縦型拡散ダイオード24のカソードと入力端子ti2との間に分圧抵抗R1及びR2が接続されている。このため、制御チップ20の電流経路は、素子構造を示す図2を用いて説明すると、逆接続された直流電源2から供給される電流が縦型拡散ダイオード24及びN−MOSのバックゲートとn型基板41により構成されるダイオードBGを通じてn型基板41に電流が流れ、図中の高濃度n領域42を通じて分圧抵抗R1及びR2に流れる。したがって、分圧抵抗R1及びR2によって制御チップ20を流れる電流を抑制することができ、制御チップの電源逆接続時の発熱を抑制することができる。
このときの制御チップ20の各部の電位は、図1に示すように、出力端子to2では直流電源2の電源電圧VB(=16B)であり、n型基板41のPN接合の順方向電圧Vfを簡単のため0.6Vとすると、縦型拡散ダイオード24を通過した基板電位(サブ電位)VDDはVDD=VB−Vf=15.4Vとなる。
そして、分圧抵抗R1及びR2の抵抗値を例えば100Ωとした場合、分圧抵抗R1及びR2の接続点から出力される中間電圧VdivはVdiv=VDD×(1/2)=7.7Vとなり、基板電位VDDの半分となる。この中間電圧VdivがPMOSFET26の反転ゲート端子に供給されるので、このPMOSFET26がオン状態となる。このため、PMOSFET26及び逆流防止用ダイオード27a及び27bを通じてゲート電圧ライン21aに電流が流れる。
このとき、PMOSFET26のオン抵抗Ronが十分に小さく、またゲート電圧ライン21aに介挿された抵抗R3及びゲート信号形成回路23の抵抗R4の抵抗値が十分に大きい場合、ゲート電圧ライン21aのゲート電圧VGはVG=VB−3Vf=14.2Vとなり、このゲート電圧VGがパワーチップ10のNMOSFET11のゲートに印加されることにより、このNMOSFET11が確実にオン状態に制御される。このため、パワーチップ10での発熱を抑制することができる。
なお、本来の上記電流経路上にはNMOSFET28や制御回路21内の様々なインピーダンスが存在するが、PMOSFET26及び逆流防止用ダイオード27a,27bを抵抗R3及びR4に対して十分に低インピーダンスとなるように設定することで、設計の簡素化が可能である。
ここで、逆流防止用ダイオード27a,27bは、通常動作時のチャージアップされたゲート電位のPMOSFET26への逆流防止用である。本実施形態では、ハイサイド構成にて使用しているため、通常動作時にパワーチップ10のNMOSFET11を完全にオン状態とするためには、チャージポンプ回路等で電源電圧以上に昇圧された電圧でパワーチップのゲートを制御する。
そのため、逆流防止用ダイオード27a,27bは昇圧された電圧が基板電圧VDD等への逆流を防止するために配置している。よって、逆流防止用ダイオード27a,27bの耐圧が昇圧される電圧に対して十分に大きい場合には、逆流防止用ダイオードを1段構成とすることができる。この場合、逆接続時のゲート電圧VGはおおよそVG=VB−2Vfとなる。
図3に本実施形態での電源電圧とそれに対応した逆接続時のゲート電圧VGDのシミュレーション結果を示す。この図3からも明らかなように、VGD=VB−3×Vfのゲート電圧がパワーチップ10のNMOSFET11に印加されていることが分かる。
なお、通常動作時において、制御回路21の電源電流(消費電流)を1mAとすると、分圧抵抗R1及びR2の抵抗値が200Ωでの電圧ドロップは0.2V程度であり、通常動作上問題はない。また、PMOSFET26のゲート電圧はこのPMOSFET26のソース電圧よりも0.1V高いことになる。よって、通常動作時はPMOSFET26がオン状態となることはない。また、分圧抵抗R1及びR2に大きな直流的な電圧が掛かるのは電源が逆接続されているときのみであるため、この分圧電圧Vdivによって様々な制御が可能となる。
次に、本発明の第2の実施形態を図4について説明する。
この第2の実施形態では、逆接続保護回路22の逆流防止用ダイオード27a及び27bを省略し、これに代えてNMOSFET51を接続したものである。
この第2の実施形態では、NMOSFET51のゲート端子とドレイン端子とを短絡するとともに、バックゲート端子をゲート信号形成回路23のNMOSFET28と逆流防止用ダイオード29との接続点に接続することにより、NMOSFET51を逆流防止用としている。
この第2の実施形態でも逆接続保護回路22の逆流防止用ダイオード27a及び27bがNMOSFET51に置換されただけであるので、前述した第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
次に、本発明の第3の実施形態を図5について説明する。
この第5の実施形態では、前述した第1の実施形態において、逆接続保護回路22のPMOSFET26と逆流防止用ダイオード27aとの接続点をチャージポンプ回路60に接続し、このチャージポンプ回路60の出力をゲート電圧ライン21aに接続することで、直流電源2の逆接続時にもゲート電圧VGの昇圧が可能になる。これにより、前述した図3に示す低電源電圧でのゲート電圧VGDの低下を防止することができる。
なお、上記チャージポンプ回路60は直流電源2の逆接続時のみ動作する回路構成としている。このため、同様な使い方をすることで直流電源2の逆接続時のみ動作する検出回路等を容易に作成することが可能となる。
なお、上記第1〜3の実施形態においては、制御チップ20をn型基板41で構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図6に示すように、p型基板70を適用することもできる。この場合には、p型基板70の例えば右側に直流電源2の逆接続時に電流が供給される高濃度p領域71を形成し、この高濃度p領域71の左側に制御回路21(図6は、制御回路21をCMOSで形成するときに用いられるP−MOS(PチャネルMOSFET)とN−MOS(NチャネルMOSFET)の一般的なペアをひとつ代表として示している)及び縦型拡散ダイオード24を順に形成する。そして、直流電源2の逆接続時に、高濃度p領域71、p型基板70、縦型拡散ダイオード24(VZD)という経路で抵抗R1,R2に電流を流すようにする。他の構成および動作は上述の実施形態と同様である。
また、分圧抵抗R1及びR2の抵抗値は同じ値に設定する必要はなく、PMOSFET26をオン状態とできれば任意の値に設定することができる。
また、上記第1〜第3の実施形態においては、パワーチップ10のスイッチング素子をMOSFETで構成する場合について説明したが、IGBT等の他の電圧制御型半導体素子を適用することができる。
また、上記第1〜第3の実施形態においては、負荷として電動モータ31を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ランプ等の他の任意の構成の負荷を適用することができる。
1…モータ駆動回路、2…直流電源、10…パワーチップ、11…NMOSFET、20…制御チップ、21…制御回路、22…逆接続保護回路、23…ゲート信号形成回路、24…縦型拡散ダイオード、R1,R2…分圧抵抗、25…制御電圧形成回路、26…PMOSFET、27a,27b…逆流防止用ダイオード、28…NMOSFET、29…逆流防止用ダイオード、31…電動モータ、41…n型基板、42…高濃度n領域、51…NMOSFET、60…チャージポンプ回路、70…p型基板、71…高濃度p領域

Claims (7)

  1. 電源から負荷への電力供給をオン状態とオフ状態とに切換えるスイッチング素子を備えたパワーチップと、
    該パワーチップのスイッチング素子を制御する制御回路を内蔵した制御チップと、
    前記制御チップに設けた前記電源の逆接続時に前記パワーチップのスイッチング素子をオン状態に制御する逆接続保護回路とを備え、
    前記逆接続保護回路は、前記制御回路及び前記電源の正極側間に介挿された第1の抵抗及び第2の抵抗を有する保護用抵抗と、前記電源の逆接続時に前記第1の抵抗及び前記第2の抵抗の接続点における電圧が入力されて前記パワーチップのスイッチング素子をオン状態に制御する制御電圧を形成する制御電圧形成回路とを有する
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記保護用抵抗は前記制御回路側が制御チップの基板に接続されて基板電位を付与する構成とされていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記制御電圧形成回路は、前記第1の抵抗及び前記第2の抵抗の接続点における電圧がゲート端子に供給されるとともに、前記保護用抵抗で形成される前記基板電位が入力側端子に入力される電圧制御型半導体素子を備えていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記制御電圧形成回路は、前記電圧制御型半導体素子と直列に逆流防止用ダイオードが接続されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記制御電圧形成回路は、前記電圧制御型半導体素子と直列に当該電圧制御型半導体素子と異なるチャネルの第2の電圧制御型半導体素子が接続されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  6. 前記第2の電圧制御型半導体素子は、ゲート端子と入力側端子とが短絡され、バックゲート端子が制御信号によってスイッチング制御される第3の電圧制御型半導体素子の出力端子側に接続されていることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記逆接続保護回路は、前記制御電圧形成回路の電圧制御型半導体素子から出力される制御電圧が入力されるチャージポンプ回路を有し、該チャージポンプ回路の出力が前記パワーチップに供給されていることを特徴とする請求項3から6の何れか1項に記載の半導体装置。
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