JPWO2012043146A1

JPWO2012043146A1 - 半導体装置

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Publication number: JPWO2012043146A1
Application number: JP2012536299A
Authority: JP
Inventors: 西尾　実; 実西尾; 崇智大江
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2014-02-06
Anticipated expiration: 2031-09-05
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Abstract

ＩＧＢＴのソフト遮断特性をシステムに合わせて容易に選定できる低コストの半導体装置を提供する。この駆動ＩＣ（１００）は、出力段回路（１）、遮断回路（２）、ロジック回路（３）およびアラーム信号処理回路（４）で構成され、遮断回路（２）は抵抗回路（５）とｎ−ＭＯＳＦＥＴ（８）で構成され、抵抗回路（５）はｎ−ＭＯＳＦＥＴ（９）、抵抗（１０）および切替用導体（１１）からなる。抵抗回路（５）の切替用導体（１１）をＡ，Ｂ，Ｃの状態に切り替えることで、ＩＧＢＴ（６１）の遮断特性をシステムに合わせて容易に選定することができる。

Description

この発明は、モータなどを制御するスイッチング素子を駆動する駆動ＩＣ（集積回路）などの半導体装置に関する。

モータ制御用素子としてスイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）が多用されている。ＩＧＢＴのゲート信号を急激に絞ってＩＧＢＴを遮断すると、ＩＧＢＴの主電流が急激に低下して、主回路のインダクタンスによりＩＧＢＴに過電圧が印加される。ＩＧＢＴの耐圧をオーバーする過電圧が印加されると、ＩＧＢＴは破壊する。

図１０は、ＩＧＢＴでモータを駆動するときのシステムを示すブロック図である。ＩＧＢＴが異常動作（過電流、過熱など）した場合、もしくは図示しない外部アラーム信号が入力された場合にはそれを検出し、駆動ＩＣの出力を遮断してＩＧＢＴの動作を止めることが要求される。その際、急峻な信号遮断を実行すると前記したようにＩＧＢＴを破壊させるため、遮断信号は緩やかな遮断モード（ソフト遮断という）にすることが求められる。

図１１は、駆動ＩＣ５００の構成を示すブロック図である。駆動ＩＣ５００に形成される各端子について説明する。図１１において、ＩＮは正常動作時の動作信号を受け取る入力端子であり、ＯＵＴは制御用素子（ＩＧＢＴ）を駆動させるための信号を出力する出力端子である。ＯＣ１およびＯＣ２はＩＧＢＴの過電流を検出端子であり、ＯＨ１およびＯＨ２はＩＧＢＴの過熱を検出する端子である。ＧＶはＩＧＢＴのゲート電圧を監視するため端子であり、ＲＥＦは各種回路の基準電圧端子であり、ＶＯＨは過熱検出時の基準電圧を決める端子である。また、ＡＥはアラーム信号を出力（もしくは入力）する端子である。

図１２は、従来の駆動ＩＣの要部回路図、並びにその駆動ＩＣ，メインドライバ，ＩＧＢＴ，およびモータを含むシステムのブロック図を示す図である。ＶＣＣ，ＩＮ，ＯＵＴ，ＰＧＮＤなどの各端子と各ＭＯＳＦＥＴ５５，５６，５７、ロジック回路５３およびアラーム信号処理回路５４は半導体基板５０１に形成される。また、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７は遮断回路５２を構成している。

正常動作時には、入力端子ＩＮに動作信号が入力され、当該動作信号がロジック回路５３を介してｐ−ＭＯＳＦＥＴ（ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ）５５とｎ−ＭＯＳＦＥＴ（ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ）５６を交互にオン・オフさせることにより出力端子ＯＵＴから出力する信号を制御する。ｐ−ＭＯＳＦＥＴ５５がオンすると出力端子ＯＵＴからメインドライバ６９を経由してＩＧＢＴ６１のゲートにオン信号（Ｈ信号）が印加される。ｐ−ＭＯＳＦＥＴ５５がオフし、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ５６がオンすると、出力端子ＯＵＴからメインドライバ６９を経由してＩＧＢＴ６１のゲートにオフ信号（Ｌ信号）が印加される。

異常時には、ロジック回路５３の中の図示しない制御回路からの信号とは関係なく、アラーム信号処理回路５４とロジック回路５３を介してｐ−ＭＯＳＦＥＴ５５とｎ−ＭＯＳＦＥＴ５６がともにオフされるとともに、遮断回路５２を構成するｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７のゲートにロジック回路５３からオン信号が印加される。そうすると、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７がオンし、ＩＧＢＴ６１のゲート電圧は、出力端子ＯＵＴとメインドライバ６９を経由してグランド電位に引き下げられる。このとき、ＩＧＢＴ６１のゲートに蓄積した電荷はメインドライバ６９−出力端子ＯＵＴ−ｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７−グランド端子ＰＧＮＤの経路を通って引き抜かれる（厳密にいうと、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７はメインドライバ６９の入力部から電流を引き抜き、メインドライバ６９は入力部の動きを増幅してＩＧＢＴ６１のゲートに蓄積した電荷を引き抜く。この場合、メインドライバは一種の電流増幅器として機能する。）。遮断回路５２、すなわちｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７は緩やかにオンするように設計されているため（ソフト遮断特性を有している）、ＩＧＢＴ６１のゲートに蓄積した電荷は緩やかに引き抜かれ、ＩＧＢＴ６１はソフト遮断する。

図１３は、異常時の出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性を示す図である。横軸の電圧は出力端子ＯＵＴの電圧でｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７のソース・ドレイン間の電圧である。また縦軸は、出力端子ＯＵＴの電流でｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７のソース電流である。この出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性は、遮断回路５２、すなわちｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７の出力特性に従い、電圧が低い領域では電流の増加は緩やかであり、電圧が中程度に高くなると、電流の立ち上がりは多少急になる（ダイオード接続されたｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７の特性による。）。さらに電圧が高い領域では、電流が増えてｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７のソース・ドレイン間抵抗が支配的になるため、電流はまた緩やかになるというソフト遮断特性になるように設計されている。

自動車などの車載システムにおいては、通常電源であるバッテリ電圧（ＶＢ）は１０〜２０Ｖである。駆動ＩＣ５００の電源端子（ＶＣＣ端子）はＶＢに接続されるため、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７のようにソースフォロア形式のＰチャネル型のＭＯＳＦＥＴを用いる場合は、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７のゲートの入力信号としては０Ｖ〜ＶＢ（バッテリー電圧）の電圧が必要となる。

尚、異常時の前記の出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性は遮断回路５２を構成するｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７の設計により一義的に決まる。ここでは、電圧の低い領域では電流の増加が小さく、電圧を上げるにつれて電流の増加が大きくなり、さらに電圧が高くなると再び電流の増加が緩やかになるように設計した場合の例を示した。点線はｐ−ＭＯＳＦＥＴに替えてｎ−ＭＯＳＦＥＴにより遮断回路５２を構成した場合の電圧−電流特性である。電圧が低い領域で電流は急激に増加し、電圧が高くなるにつれて電流が飽和する特性を示す。このｎ−ＭＯＳＦＥＴの電圧−電流特性ではソフト遮断特性は得られない。しかし、駆動電圧が低いなどの利点があるためシステムに用いられる場合はある。

図１４は、異常時の出力端子ＯＵＴの電圧波形図である。実線で示すｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７の場合の波形図は電圧の立下りが緩やかになり、破線で示すｎ−ＭＯＳＦＥＴの場合の波形図は電圧の立下りは急峻になる。また、出力端子ＯＵＴの電圧が十分低くなりシンク切替電圧に達すると、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ５６がオンして、出力端子ＯＵＴの電圧はグランド端子ＰＧＮＤの電位になる。尚、シンク切替電圧とは、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ５５もしくはｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７（ソース側）からｎ−ＭＯＳＦＥＴ５６（シンク側）にオン状態を切り替える電圧のことである。

図１５は、従来のシステムの要部構成図である。ＩＧＢＴ６１にはＦＷＤ６６（還流ダイオード）が接続され、ＩＧＢＴ６１の電流センス（検出）用のエミッタ６４には電流検出用の抵抗６７が接続される。尚、図示しないが、電流検出はＩＧＢＴ６１のエミッタ・コレクタ間の電圧を検出する方法もある。また、ＩＧＢＴ６１に隣接して温度センスのためのｐｎダイオード６８が接続される。駆動ＩＣ５００には電源端子ＶＣＣ、出力端子ＯＵＴ、ゲート電圧監視端子ＧＶ、過電流監視端子ＯＣ、過熱監視端子ＯＨ、グランド端子ＧＮＤ、アラーム端子ＡＥ、入力端子ＩＮがある。出力端子ＯＵＴはメインドライバ６９の入力に接続し、メインドライバ６９の出力はＩＧＢＴ６１のゲートに接続する。ＩＧＢＴ６１のゲートはゲート電圧監視端子ＧＶに接続する。電流センス用のエミッタ６４は電流を検出する抵抗６７に接続し、抵抗６７の高電位側は過電流端子ＯＳに接続する。温度センスのｐｎダイオード６８のアノードは過熱監視端子ＯＨに接続し、カソードはグランド端子ＧＮＤに接続する。電源端子ＶＣＣにバッテリー電圧ＶＢが入力され、入力端子ＩＮには入力信号が入力され、アラーム端子ＡＥにはアラーム入出力信号が入出力される。

尚、システムによってはメインドライバ６９を介さずにこの駆動ＩＣ５００の出力端子ＯＵＴと駆動するＩＧＢＴ６１のゲートが直接接続される場合もある。また、温度センスはｐｎダイオード６８の順方向電圧によって行われる。また、入力端子ＩＮには、外部からの動作信号が入力されている。

図１６〜図１９は、駆動ＩＣ５００の各種動作のタイミングチャート図である。
（１）通常のオンオフ動作（正常動作：図１６）
入力端子ＩＮの信号がＨレベル（ＯＦＦ）→Ｌレベル（ＯＮ）になると、出力端子ＯＵＴの信号がＬレベル（ＯＦＦ）→Ｈレベル（ＯＮ）になり、ＩＧＢＴがオンする。その際、アラーム端子ＡＥはＨレベル（非アラーム状態）である。
（２）電源電圧（ＶＣＣ）低下・過電流・過熱保護動作（図１６、図１７、図１８）
入力端子ＩＮの信号がＬレベル（ＯＮ）時に各種保護信号が設定された電圧に達すると、出力端子ＯＵＴの信号はＨレベル（ＯＮ）→Ｌレベル（ＯＦＦ）になる。出力端子ＯＵＴの信号がＨレベル（ＯＮ）→Ｌレベル（ＯＦＦ）になる際、急峻にＬレベル（ＯＦＦ）にすると、ＩＧＢＴ６１に流れる電流も急激に変化する。そうすると、外部回路のインダクタンス（浮遊インダクタンスなど）により過大なサージ電圧が発生し、ＩＧＢＴ６１が過電圧破壊する可能性がある。そのため、出力端子ＯＵＴの信号をソフトにＬレベル（ＯＦＦ）にする。出力端子ＯＵＴの電圧はゲート電圧監視端子ＧＶでモニタリングされており、ＩＧＢＴ６１に大電流が流れなくなるまで出力端子ＯＵＴの電圧（シンク切替電圧）が低下すると、その時点でＯＵＴ端子の電圧を完全にＬレベル（ＧＮＤ）にして、ＩＧＢＴをオフする。

また、各種保護信号が設定された電圧に達すると、アラーム端子ＡＥの信号をＨレベル（非アラーム状態）→Ｌレベル（アラーム状態）にする。このＬレベルは設定された一定期間維持される。そして、一定期間後に、アラーム端子ＡＥの信号はＬレベル（アラーム状態）→Ｈレベル（非アラーム状態）になる。このアラーム状態は一定期間後に保護検出状態であったり、入力端子の信号がＬレベル（ＯＮ）である場合にはこれらの状態が解除されるまで継続される。

尚、図示しないが、電源電圧低下と過熱保護の両機能は、入力端子ＩＮの信号がＨレベル（ＯＦＦ）時でも各種保護信号が設定された電圧に達するとアラーム端子ＡＥの信号をＨレベル（非アラーム状態）→Ｌレベル（アラーム状態）にし、このＬレベルを設定された一定期間維持する。維持している一定時間内に入力端子ＩＮの信号がＬレベル（ＯＮ）状態になっても、出力端子ＯＵＴの信号はＨレベル（ＯＮ）にはならない。このアラーム状態は一定期間後に保護検出状態であったり、入力端子の信号がＬレベル（ＯＮ）である場合にはこれらの状態が解除されるまで継続される。
（３）外部アラーム入力時の動作（図１９）
アラーム端子ＡＥに外部からＬレベル（アラーム状態）の信号を入力すると、出力端子ＯＵＴの信号はソフト遮断（ＯＦＦ）信号になる。アラーム端子ＡＥに外部からＨレベル（非アラーム状態）の信号を入力すると、出力端子ＯＵＴの信号は再びＨレベル（ＯＮ）の信号になる。

また、特許文献１〜５では、ソフト遮断技術を示すもので、特許文献１〜３がＣＲの時定数回路の出力に従ってゲート電圧を下げていくものが開示されている。特許文献４，５には、抵抗の分圧値を変化させる形でゲート電圧を下げていくものが開示されている。

特開平５−２１９７５２号公報特開平６−１５２３５３号公報特開２００７−１０４８０５号公報特開２００１−１９７７２４号公報特開２００６−３５３０９３号公報

しかし、従来はシステムごとに使用するスイッチング素子であるＩＧＢＴ６１の定格が異なるため、遮断回路５２の遮断特性（出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性や出力端子ＯＵＴの電圧波形）に対する要求が異なる。そのため、システムごとに遮断回路５２を構成するｐ−ＭＯＳＦＥＴ５７（または図示しないｎ−ＭＯＳＦＥＴ）の設計を見直す必要があり、駆動ＩＣ５００の製造コストが増大する。尚、遮断特性はｐ−ＭＯＳＦＥＴの特性で一義的に決まる。これはｎ−ＭＯＳＦＥＴの場合も同じである。

また、特許文献１〜５には、システムに応じてソフト遮断特性を任意に選定できる半導体装置（駆動ＩＣ）については記載されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、遮断回路の遮断特性をシステムに合わせて容易に選定できる低コストの半導体装置を提供することである。

前記の目的を達成するために、請求の範囲の第１項に記載の発明によれば、スイッチング素子の異常状態を検出し前記スイッチング素子を遮断する信号を出力する遮断回路を有する半導体装置において、前記遮断回路は前記スイッチング素子を遮断する信号の遷移特性を決める抵抗回路を有し、該抵抗回路は１つまたは複数の回路素子を有し、該１つまたは複数の回路素子の接続を変更することにより前記スイッチング素子を遮断する信号の遷移特性を変更できる構成とする。

また、請求の範囲の第２項記載の発明によれば、第１項に記載の発明において、前記スイッチング素子をソフト遮断するために、緩やかな立下りの前記信号を選択できるようにするとよい。

また、請求の範囲の第３項記載の発明によれば、第１項に記載の発明において、前記遮断回路が、第１のｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴと該第１のｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴに直列接続する前記抵抗回路を有するものである。

また、請求の範囲の第４項に記載の発明によれば、第１項に記載の発明において、前記抵抗回路が非線形素子と線形素子で構成され、これらのいずれか一方または双方を選択できるようにするとよい。

また、請求の範囲の第５項に記載の発明によれば、第４項に記載の発明において、前記非線形素子が、ゲートとドレインが接続された第２のｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ、または１つもしくは直列接続された複数のｐｎダイオードであり、線形素子が抵抗器もしくは短絡配線である。

また、請求の範囲の第６項に記載の発明によれば、第４項または第５項に記載の発明において、前記非線形素子が複数設けられ、そのうちのいずれかを選択できるようにするとよい。

また、請求の範囲の第７項に記載の発明によれば、第１項または第４項に記載の発明において、前記抵抗回路を構成する前記回路素子の接続の変更を切替用導体で行なうとよい。

また、請求の範囲の第８項に記載の発明によれば、第７項に記載の発明において、前記切替用導体がアルミニウムもしくは金もしくは銅のボンディングワイヤまたは半導体基板上にパターンニングされたアルミ配線もしくはポリシリコン配線であるとよい。

この発明によれば、抵抗回路を構成する非線形素子や線形素子を切替用導体（ボンディングワイヤやアルミ配線もしくはポリシリコン配線）の接続状態を変更するだけで、各種システムを構成するスイッチング素子（ＩＧＢＴ）に合うソフト遮断特性を容易に得ることができる。

各種システムに合うソフト遮断特性を得るために、その都度最適な駆動ＩＣを新たに用意する必要がなく、同一の駆動ＩＣの抵抗回路内の切替用導体の接続状態を変えるだけで、各種システムを構成するスイッチング素子に合うソフト遮断特性を得ることができるので、駆動ＩＣの製造コストを低減することができる。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

この発明の第１実施例の半導体装置の要部構成図である。出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性を示す図である。出力端子ＯＵＴの電圧波形図である。この発明の第２実施例の半導体装置の要部構成図である。出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性を示す図である。出力端子ＯＵＴの電圧波形図である。この発明の第３実施例の半導体装置の要部構成図である。出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性を示す図である。出力端子ＯＵＴの電圧波形図である。ＩＧＢＴでモータを駆動するときのシステムを示すブロック図である。駆動ＩＣ５００の構成を示すブロック図である。従来の駆動ＩＣの要部回路図、並びにその駆動ＩＣ，メインドライバ，ＩＧＢＴ，およびモータを含むシステムのブロック図である。異常時の出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性の図である。異常時の出力端子ＯＵＴの電圧波形図である。従来のシステムの要部構成図である。電源電圧（ＶＣＣ）低下保護動作のタイミングチャート図である。過電流（ＯＣ）保護動作のタイミングチャート図である。過熱（ＯＨ）保護動作のタイミングチャート図である。外部アラーム入力時動作のタイミングチャート図である。

実施の形態を以下の実施例で説明する。

図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の要部構成図である。この半導体装置はモータ７０を制御するＩＧＢＴ６１（ｎチャネル型）を駆動する駆動ＩＣ１００である。
この駆動ＩＣ１００は、出力段回路１、遮断回路２、ロジック回路３およびアラーム信号処理回路４で構成され、これらの回路は半導体基板１０１に形成される。

出力段回路１は、ソースが電源端子ＶＣＣと接続するｐ−ＭＯＳＦＥＴ６とｐ−ＭＯＳＦＥＴ６のドレインとドレインが接続しソースがグランド端子ＰＧＮＤと接続するｎ−ＭＯＳＦＥＴ７で構成される。

また、遮断回路２は、抵抗回路５とｎ−ＭＯＳＦＥＴ８で構成され、抵抗回路５はｎ−ＭＯＳＦＥＴ９、抵抗１０および切替用導体１１からなる。このｎ−ＭＯＳＦＥＴ９はダイオード接続されていてダイオードに類似したＶ−Ｉ（電圧−電流）特性となる。また、抵抗回路５は切替用導体１１を切り替えてＡの状態にするとｎ−ＭＯＳＦＥＴ８となり、Ｂの状態にすると抵抗１０となり、Ｃの状態にすると短絡状態になる。このＣの状態は切替用導体１１が短絡導体となる。

尚、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ９のゲートとドレインは接続されて非線形素子となる。このｎ−ＭＯＳＦＥＴ９の代わりに図示しない１つまたは直列接続された複数のｐｎダイオードで置き換えても構わない。また、線形素子としてここでは抵抗１０を示した。さらに、ここでは線形素子の中に短絡配線（Ｃの状態）も含めた。また、切替用導体は、アルミニウム、金もしくは銅のボンディングワイヤまたは半導体基板上にパターンニングされたアルミ配線もしくはポリシリコン配線などである。

この駆動ＩＣ１００の出力端子ＯＵＴからの信号はＩＧＢＴ６１を駆動するメインドライバ６９に入力され、メインドライバ６９からの信号はＩＧＢＴ６１のゲートに入力される。このＩＧＢＴ６１はモータ制御用素子であり、モータ７０を制御する。尚、メインドライバ６９を削除して出力端子ＯＵＴからの信号を直接ＩＧＢＴ６１のゲートに入力する場合もある。

前記の駆動ＩＣ１００において、正常動作時には通常の動作信号が入力端子ＩＮに入力され、ロジック回路３を介して出力段回路１のｐ−ＭＯＳＦＥＴ６とｎ−ＭＯＳＦＥＴ７にゲート信号が印加される。出力端子ＯＵＴからオン・オフ信号がＩＧＢＴのゲートに伝送され、ＩＧＢＴ６１は正常動作を行う。メインドライバ６９は、図１２のものと同様に、入力部の動きを増幅してＩＧＢＴ６１のゲートに蓄積した電荷を引き抜く、一種の電流増幅器として機能する。

図２は、出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性を示す図である。図２には、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ９と抵抗１０の電圧−電流特性も合せて示した。ｎ−ＭＯＳＦＥＴ９の電圧−電流特性はダイオードの順方向特性と類似している。切替用導体１１がＡの状態はｎ−ＭＯＳＦＥＴ８とｎ−ＭＯＳＦＥＴ９が直列接続した場合の電圧−電流特性である。切替用導体１１がＢの状態はｎ−ＭＯＳＦＥＴ８と抵抗１０が直列接続した場合の電圧−電流特性である。また、切替用導体１１がＣの状態はｎ−ＭＯＳＦＥＴ８の電圧−電流特性である。

切替用導体１１を切替えることで、出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性を容易に変えることができる。
図３は、出力端子ＯＵＴの電圧波形図である。図２で示すように、切替用導体１１を切り替えることで、出力端子ＯＵＴの電圧がＨレベルからＬレベルに変わるときの電圧の立下がり波形を容易に変えることができる。この立下り波形が緩やかな程、ＩＧＢＴ６１はソフト遮断して、ＩＧＢＴ６１が破壊するのを防止できる。

過電圧や過熱などの異常には、アラーム信号処理回路４とロジック回路３を介して、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ６およびｎ−ＭＯＳＦＥＴ７をオフさせると共に、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ８をオンさせることによって、ＩＧＢＴ６１のゲートに蓄積した電荷がメインドライバ６９とｎ−ＭＯＳＦＥＴ８を経由して引き抜かれる（厳密にいうと、メインドライバ６９を用いる場合は図１２の場合と同様に、遮断回路２はメインドライバ６９の入力部から電流を引き抜き、メインドライバ６９はその入力部の動きを増幅してＩＧＢＴ６１のゲートに蓄積した電荷を引き抜く。）。このとき出力端子ＯＵＴの電圧の低下が緩やかになるように切替用導体１１の状態を選定することで、蓄積した電荷を緩やかに引き抜くようにすることで、ＩＧＢＴ６１をソフト遮断させることができる。しかし、出力端子ＯＵＴの電圧の立下りが緩やか過ぎるとＩＧＢＴ６１のターンオフ損失が大きくなるなどの不都合が生じるので、ＩＧＢＴ６１に合った抵抗回路５を構成するように切替用導体１１の接続状態を選定する必要がある。

また、出力端子ＯＵＴの電圧が十分低くなった段階（シンク切替電圧）で出力段回路１のｎ−ＭＯＳＦＥＴ７をオンさせて、ＩＧＢＴ６１を停止させる。
切替用導体１１の接続状態（Ａ，Ｂ，Ｃ）を選定するだけで、遮断回路２の遮断特性（スイッチング素子（ＩＧＢＴ）を遮断する信号の遷移特性）を任意に変更できる。また、切替用導体１１の接続状態をＡまたはＢの状態にすることで遮断回路２の遮断特性をソフト遮断特性にすることができる。

従来はシステムに合わせて最適な駆動ＩＣ１００を新たに選定、もしくは再設計していたが、本発明により、同一の駆動ＩＣ１００の抵抗回路５内の切替用導体１１の接続状態を変えるだけで、各種システムに対応出来るようになった。その結果、駆動ＩＣ１００の製造コストを低減することができた。

また、遮断回路２を５Ｖ程度の低い電圧で駆動できるＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（ｎ−ＭＯＳＦＥＴ８）を用いて構成するので、従来のように０Ｖ〜バッテリーＶＢ電圧まで可変できるゲート信号を遮断回路２のために用意することは不要となる。

また、遮断回路２を構成するするＭＯＳＦＥＴ９や抵抗１０の占有面積は小さく、ｎ型のＭＯＳＦＥＴ８は従来のｐ型のＭＯＳＦＥＴ４７より小さくすることができるので、コストアップの要因にならず、従来のｐ−ＭＯＳＦＥＴ４７を用いる遮断回路５７に比べて低コスト化することができる。

図４は、この発明の第２実施例の半導体装置の要部構成図である。この半導体装置はモータ７０を制御するＩＧＢＴ６１を駆動する駆動ＩＣ２００である。各回路は半導体基板２０１に形成される。

図１との違いは、抵抗回路５を複数のｎ−ＭＯＳＦＥＴで構成し、切替用導体１１で切り替えるようにした点である。ここではｎ−ＭＯＳＦＥＴ９ａ，ｎ−ＭＯＳＦＥＴ９ｂの２個の場合を示したが、さらに多数設けても構わない。

図５は、出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性を示す図である。切替用導体１１の接続状態を替えることでｎ−ＭＯＳＦＥＴ９ａ，９ｂの切り替えを行い、図６に示すように、出力端子ＯＵＴの電圧の立ち下がり特性（スイッチング素子（ＩＧＢＴ）を遮断する信号の遷移特性）を変えて、ＩＧＢＴ６１がソフト遮断できる最適な状態にすることができる。この切り替えは切替用導体１１の接続状態を変えるだけでよいので、容易に実施することができる。

図７は、この発明の第３実施例の半導体装置の要部構成図である。この半導体装置はモータ７０を制御するＩＧＢＴ６１を駆動する駆動ＩＣ３００である。各回路は半導体基板３０１に形成される。

図１との違いは、抵抗回路５を構成するｎ−ＭＯＳＦＥＴ９と抵抗１０を切替用導体１１で並列接続した点である。
図８は、出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性を示す図である。ｎ−ＭＯＳＦＥＴ９のみの場合に比べて、電圧の低い領域での電流が増大する方向に電圧−電流特性が変化する。このように、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ９と抵抗１０を切替用導体１１を用いて組み合わせることでも、図９に示すように、出力端子ＯＵＴの電圧の立下り特性（スイッチング素子（ＩＧＢＴ）を遮断する信号の遷移特性）を変えることができる。

前記したように、抵抗回路５として複数のｎ−ＭＯＳＦＥＴや抵抗を予め形成しておき、それらの接続を切替用導体１１を用いて行うことで、容易にシステムを構成するＩＧＢＴに合った抵抗回路５にすることができる。また、同一の駆動ＩＣで各種システムに対応できるので、製造コストの低減を図ることができる。

尚、図７では、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ９と抵抗１０を各１個形成した場合を示したが、それぞれ複数個形成して、システムに合うソフト遮断特性が得られるようにその組み合わせを選定してもよい。

また、実施例１，３において、抵抗１０を複数の直列抵抗で構成し、切替用導体１１を直列抵抗間の任意の接続点にも接続できるようにして、抵抗１０の抵抗値を選択できるようにしてもよい。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

１出力段回路
２遮断回路
３ロジック回路
４アラーム信号処理回路
５抵抗回路
６ｐ−ＭＯＳＦＥＴ（出力段回路）
７ｎ−ＭＯＳＦＥＴ（出力段回路）
８ｎ−ＭＯＳＦＥＴ（遮断回路）
９，９ａ，９ｂｎ−ＭＯＳＦＥＴ（ソース・ドレイン接続、抵抗回路）
１０抵抗
１１切替用導体（ボンデングワイヤなど）
６１ＩＧＢＴ（ｎチャネル型）
６９メインドライバ
７０モータ
１００，２００，３００駆動ＩＣ
１０１，２０１，３０１半導体基板

図１５は、従来のシステムの要部構成図である。ＩＧＢＴ６１にはＦＷＤ６６（還流ダイオード）が接続され、ＩＧＢＴ６１の電流センス（検出）用のエミッタ６４には電流検出用の抵抗６７が接続される。尚、図示しないが、電流検出はＩＧＢＴ６１のエミッタ・コレクタ間の電圧を検出する方法もある。また、ＩＧＢＴ６１に隣接して温度センスのためのｐｎダイオード６８が接続される。駆動ＩＣ５００には電源端子ＶＣＣ、出力端子ＯＵＴ、ゲート電圧監視端子ＧＶ、過電流監視端子ＯＣ、過熱監視端子ＯＨ、グランド端子ＧＮＤ、アラーム端子ＡＥ、入力端子ＩＮがある。出力端子ＯＵＴはメインドライバ６９の入力に接続し、メインドライバ６９の出力はＩＧＢＴ６１のゲートに接続する。ＩＧＢＴ６１のゲートはゲート電圧監視端子ＧＶに接続する。電流センス用のエミッタ６４は電流を検出する抵抗６７に接続し、抵抗６７の高電位側は過電流監視端子ＯＣに接続する。温度センスのｐｎダイオード６８のアノードは過熱監視端子ＯＨに接続し、カソードはグランド端子ＧＮＤに接続する。電源端子ＶＣＣにバッテリー電圧ＶＢが入力され、入力端子ＩＮには入力信号が入力され、アラーム端子ＡＥにはアラーム入出力信号が入出力される。

また、遮断回路２は、抵抗回路５とｎ−ＭＯＳＦＥＴ８で構成され、抵抗回路５はｎ−ＭＯＳＦＥＴ９、抵抗１０および切替用導体１１からなる。このｎ−ＭＯＳＦＥＴ９はダイオード接続されていてダイオードに類似したＶ−Ｉ（電圧−電流）特性となる。また、抵抗回路５は切替用導体１１を切り替えてＡの状態にするとｎ−ＭＯＳＦＥＴ９となり、Ｂの状態にすると抵抗１０となり、Ｃの状態にすると短絡状態になる。このＣの状態は切替用導体１１が短絡導体となる。

切替用導体１１を切替えることで、出力端子ＯＵＴの電圧−電流特性を容易に変えることができる。
図３は、出力端子ＯＵＴの電圧波形図である。図２に示すように、切替用導体１１を切り替えることで、出力端子ＯＵＴの電圧がＨレベルからＬレベルに変わるときの電圧の立下がり波形を容易に変えることができる。この立下り波形が緩やかな程、ＩＧＢＴ６１はソフト遮断して、ＩＧＢＴ６１が破壊するのを防止できる。

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、スイッチング素子の異常状態を検出し前記スイッチング素子を遮断する信号を出力する遮断回路を有する半導体装置において、前記遮断回路は前記スイッチング素子を遮断する信号の遷移特性を決める抵抗回路を有し、該抵抗回路は非線形素子と線形素子とで構成される複数の回路素子を有し、前記非線形素子および前記線形素子のいずれか一方または双方を選択するよう前記複数の回路素子の接続を変更することにより前記スイッチング素子を遮断する信号の遷移特性を変更できる構成とする。

また、特許請求の範囲の請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記非線形素子が、ゲートとドレインが接続された第２のｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ、または１つもしくは直列接続された複数のｐｎダイオードであり、線形素子が抵抗器もしくは短絡配線である。

また、特許請求の範囲の請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明において、前記非線形素子が複数設けられ、そのうちのいずれかを選択できるようにするとよい。

また、特許請求の範囲の請求項６に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記抵抗回路を構成する前記回路素子の接続の変更を切替用導体で行なうとよい。

また、特許請求の範囲の請求項７に記載の発明によれば、請求項６に記載の発明において、前記切替用導体がアルミニウムもしくは金もしくは銅のボンディングワイヤまたは半導体基板上にパターンニングされたアルミ配線もしくはポリシリコン配線であるとよい。

Claims

スイッチング素子の異常状態を検出し前記スイッチング素子を遮断する信号を出力する遮断回路を有する半導体装置において、前記遮断回路は前記スイッチング素子を遮断する信号の遷移特性を決める抵抗回路を有し、該抵抗回路は１つまたは複数の回路素子を有し、該１つまたは複数の回路素子の接続を変更することにより前記スイッチング素子を遮断する信号の遷移特性を変更できることを特徴とする半導体装置。
前記スイッチング素子をソフト遮断するために、緩やかな立下りの前記信号を選択できることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の半導体装置。
前記遮断回路が、第１のｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴと該第１のｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴに直列接続する前記抵抗回路を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の半導体装置。
前記抵抗回路が非線形素子と線形素子で構成され、これらのいずれか一方または双方を選択できることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の半導体装置。
前記非線形素子が、ゲートとドレインが接続された第２のｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ、または１つもしくは直列接続された複数のｐｎダイオードであり、線形素子が抵抗器もしくは短絡配線であることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の半導体装置。
前記非線形素子が複数設けられ、そのうちのいずれかを選択できることを特徴とする請求の範囲第４項または第５項に記載の半導体装置。
前記抵抗回路を構成する前記回路素子の接続の変更を切替用導体で行うことを特徴とする請求の範囲第１項または第４項に記載の半導体装置。
前記切替用導体がアルミニウムもしくは金もしくは銅のボンディングワイヤまたは半導体基板上にパターンニングされたアルミ配線もしくはポリシリコン配線であることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の半導体装置。