WO2019155613A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

第1のクランプ回路4が、スイッチング素子Q1のゲートと第1端子との間の電圧を第1のクランプ電圧以下にクランプする。スイッチング素子Q1を制御する制御回路2は、スイッチング素子Q1を駆動する駆動部5と、動作異常を検出した際に駆動部5を停止させる異常検出部9と、第2のクランプ回路10とを有する。異常検出部9が駆動部5を停止させる際に、第2のクランプ回路10は、ゲートと第1端子との間の電圧を第1のクランプ電圧より低い第2のクランプ電圧以下にクランプする。

Description

半導体装置
 本発明は、半導体装置に関する。
 自動車エンジン等の内燃機関用イグニッションシステムではトランス等のL負荷を駆動する電力用半導体装置が用いられている。このような半導体装置は、焼損破壊を回避するために、異常発熱を検出して主電流を遮断する機能、又は、一定時間以上持続してオン信号が印加された際に主電流を遮断する機能を有する。この遮断動作は、半導体装置の自己保護によるものであるため、エンジン制御コンピュータの着火信号とはタイミングが異なる可能性が極めて高い。遮断動作のタイミングによっては、エンジンのバックファイア、ノッキング等の問題が発生し、エンジン機構の破壊を招く恐れがある。これを防ぐために、緩慢な主電流遮断を実現し、不要な点火動作を防止する必要がある。これに対して、大きな時定数を持つ高キャパシタ又は絶縁ゲート型スイッチング素子のゲート容量を利用して緩慢にゲート電圧を低下させる方法がある(例えば、特許文献1参照)。
日本特開2011-127445号公報
 緩慢な主電流遮断を制御回路内で実現するには大きな時定数を持つ高キャパシタが必要となり大型化・高コスト化する。また、絶縁ゲート型スイッチング素子のゲート容量を利用した場合、容量値を小さくして安定した電流で放電すると遮断時間を延ばすことが難しく、遮断時間を延ばすために電流を低く設定すると動作が不安定になるという問題があった。
 本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は小型・低コストで緩慢な主電流遮断動作を安定して実現することができる半導体装置を得るものである。
 本発明に係る半導体装置は、ゲートと、負荷に接続される第1端子と、第2端子とを有するスイッチング素子と、前記ゲートと前記第1端子との間の電圧を第1のクランプ電圧以下にクランプする第1のクランプ回路と、前記スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記スイッチング素子を駆動する駆動部と、動作異常を検出した際に前記駆動部を停止させる異常検出部と、前記異常検出部が前記駆動部を停止させる際に、前記ゲートと前記第1端子との間の電圧を前記第1のクランプ電圧より低い第2のクランプ電圧以下にクランプする第2のクランプ回路とを有することを特徴とする。
 本発明では、動作異常を検出した際に、スイッチング素子のゲートと第1端子との間の電圧を通常動作時の第1のクランプ電圧より低い第2のクランプ電圧以下にクランプする。これにより、高キャパシタ及びスイッチング素子のゲート容量を利用せずに遮断速度を緩慢にして不要な点火動作を防止することができる。従って、小型・低コストで緩慢な主電流遮断動作を安定して実現することができる。
実施の形態1に係る半導体装置を示す回路図である。 実施の形態1に係る半導体装置の制御回路を示す回路図である。 実施の形態1に係る半導体装置の動作を示すタイミングチャートである。 クランプ電圧と遮断時間の依存性を示す図である。 実施の形態2に係る半導体装置の動作波形を示す図である。 実施の形態3に係る半導体装置を示す回路図である。 実施の形態4に係る半導体装置を示す回路図である。 実施の形態4に係る半導体装置の動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態5に係る半導体装置を示す回路図である。 実施の形態6に係る半導体装置を示す回路図である。 実施の形態6に係る半導体装置の動作波形を示す図である。 実施の形態7に係る半導体装置を示す回路図である。 実施の形態8に係る半導体装置を示す回路図である。 実施の形態9に係る半導体装置を示す平面図である。 実施の形態10に係る半導体装置を示す回路図である。
 実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
 図1は、実施の形態1に係る半導体装置を示す回路図である。この半導体装置は、自動車エンジン等の内燃機関用の誘導点火形イグニッションシステムに用いられる。L負荷である点火コイル1の一次側コイル1aの一端と二次側コイル1bの一端にバッテリー等の電源Vbatが接続されている。電源電圧Vbatは14Vである。絶縁ゲート型のスイッチング素子Q1のゲートが制御回路2に接続され、コレクタが一次側コイル1aの他端に接続され、エミッタが抵抗Rs1を介して接地されている。スイッチング素子Q1の閾値電圧Vthは2Vである。抵抗Rg1の抵抗値は数10kΩオーダーである。点火プラグ3の一端が二次側コイル1bの他端に接続され、他端が接地されている。制御回路2は、制御コンピュータECU及びドライブ回路からの制御信号に応じてスイッチング素子Q1を制御する。
 通常飛火動作時の耐圧保護用の第1のクランプ回路4として、スイッチング素子Q1のコレクタに接続されたカソードとゲートに接続されたアノードを持つツェナーダイオードZd1が設けられている。スイッチング素子Q1は、Zd1の漏れ電流によりゲート電圧が自己バイアスされるアクティブクランプ動作で放電される。従って、Zd1はスイッチング素子Q1のゲート・コレクタ電圧を第1のクランプ電圧以下にクランプする。これにより、トランス巻き線の絶縁破壊を防止することができる。なお、第1のクランプ電圧はZd1の耐圧であり、例えば500V又は700Vと大きいため、通常動作及び後述の異常時の遮断動作には影響しない。
 図2は、実施の形態1に係る半導体装置の制御回路を示す回路図である。駆動部5は、PchMOSトランジスタPM5,PM6で構成されるカレントミラー回路であり、スイッチング素子Q1を駆動する。ECU及びドライブ回路から制御回路2の入力端子Vonに入力された制御信号は、シュミットトリガ回路6によって波形整形された後、PchMOSトランジスタPM1に入力される。制御信号に応じてPM1がオン・オフすることで定電流源I_base1に流入する電流が変化し、駆動部5の動作が制御される。
 コンパレータ7は主電流Icと抵抗Rs1によって発生する電圧と基準電圧Vrefの差を増幅する。V-I変換回路8はコンパレータ7の出力電圧を電流If1に変換する。PchMOSトランジスタPM2,PM3で構成されるカレントミラー回路が、そのカレントミラー比に応じて電流If1から電流If2を生成する。この電流If2が定電流源I_base1に流入することで駆動部5の動作が制御される。従って、主電流Icが増えるほど、駆動部5の出力電流Ig2が低下し、抵抗Rg1によって発生する電圧が低下する。このようにして主電流Icを抑制する負帰還制御が行われる。
 PMOSトランジスタPM4がPM5と並列に接続されている。異常検出部9は異常連続通電などの異常を検出すると、インバータINV1を介してPM4に信号を供給してPM4をオンにする。これにより、異常検出部9は、半導体装置の動作異常を検出した際に駆動部5を停止させる。
 第2のクランプ回路10は、スイッチング素子Q1のコレクタに接続されたカソードとゲートに接続されたアノードを持つツェナーダイオードZd2と、Zd2に直列に接続されたNchMOSトランジスタNM2とを有する。Zd2の耐圧は20Vであり、Zd1の耐圧に比べて低い。NM2の耐圧はZd1の耐圧より高い。通常動作時にNM2はオフであり、異常検出部9は動作異常を検出するとNM2をオンにする。従って、異常検出部9が駆動部5を停止させる時だけに第2のクランプ回路10が動作し、通常時にはクランプ動作しないため、通常動作には影響しない。
 図3は、実施の形態1に係る半導体装置の動作を示すタイミングチャートである。時刻t1でハイレベルの制御信号が入力されるとPM1はオフになる。通常動作時には異常検出部9の出力信号はローレベルであるため、PM4はオフになる。これにより、駆動部5のカレントミラー回路の基準側電流Ig1が流れる。この基準側電流Ig1に対してカレントミラー回路のミラー比に応じた電流Ig2が抵抗Rg1に流れる。これにより、ゲート電圧が発生してスイッチング素子Q1がオンとなる。そして、一次側コイル1aのインダクタンスと配線抵抗で決まる時定数に応じて、スイッチング素子Q1と一次側コイル1aに主電流Icが流れる。
 ECUは、燃料を点火させたいタイミングである時刻t2に制御信号をローレベルにする。これに応じてPM1がオンすることで駆動部5のカレントミラー回路が停止する。スイッチング素子Q1のゲートに蓄積された電荷は抵抗Rg1を通じて短時間で放電されるのでスイッチング素子Q1はターンオフし、主電流Icは遮断される。このとき、一次側コイル1aによって、今まで流れていた電流を流し続けようとする向きに高電圧がスイッチング素子Q1のコレクタに発生する。この電圧は点火コイル1の巻線比に応じて30kV以上に昇圧され、二次側コイル1bに接続された点火プラグ3を飛火させる。
 時刻t3から比較的長い時間にわたってハイレベルの制御入信号が入力されると、スイッチング素子Q1の主電流Icは徐々に増加していく。主電流Icに応じた電圧が抵抗Rs1に発生する。この電圧はコンパレータ7によって基準電圧Vrefと比較され、その差に応じた電流If1がV-I変換回路8によって出力される。この電流If1はPM2,PM3によって構成されるカレントミラー回路に入力され、そのミラー比に応じた出力電流が電流制限信号If2として出力される。基準側電流Ig1は定電流源I_base1の出力電流から電流制限信号If2を減じた電流値となる。従って、電流制限信号If2が電流Ig2を減らし、スイッチング素子Q1のゲート電圧は低下し、主電流Icの増加を妨げる。
 このように、制御回路2は主電流Icを検出して主電流Icが電流制限値以上にならないよう負帰還制御を行う電流制限機能を備えている。電流制限値は例えば10A又は14Aなどである。これにより、過電流による点火コイル1の巻き線の溶断、リラクタンス(磁気抵抗)を調整するためのマグネットの減磁、及びコア素材の磁気飽和を抑制することができる。なお、通常の通電時間は数msec程度であるから、100msecオーダーの通電により上記の電流制限動作が行われる。
 時刻t4において、主電流Icが電流制限値に達したとき、主電流Icが流れている状態でコレクタ電圧が十分低下しておらず、スイッチング素子Q1にジュール損失が発生している。
 時刻t5から異常状態である連続通電状態が発生し、本来は制御信号がローレベルとなるべき期間が経過してもハイレベルが続いている。このジュール損失が発生している状態が長く続いてしまうとチップ温度が上昇していくので、許容損失を超えないようにスイッチング素子Q1をオフさせる必要がある。
 例えば100~200msecほど連続して制御信号のハイレベルが続いた時刻t6に異常検出部9は異常通電と判断して、出力信号をハイレベルにする。これにより、PM4がオンするため、このPM4が定電流源I_base1への供給電流をまかなう。従って、駆動部5のカレントミラー回路が停止し、スイッチング素子Q1のゲート電圧を生成するPM6の電流Ig2はゼロになる。
 また、異常検出部9は駆動部5を停止させる際にNM2をオンさせるため、低耐圧のツェナーダイオードZd2が有効になり、低電圧でのアクティブクランプ動作に移行する。即ち、第2のクランプ回路10は、スイッチング素子Q1のゲート・コレクタ電圧を第1のクランプ電圧より低い第2のクランプ電圧以下にクランプする。
 図4は、クランプ電圧と遮断時間の依存性を示す図である。スイッチング素子Q1のゲート・コレクタ間のクランプ電圧が低いほど、スイッチング素子Q1の遮断速度が緩慢になることが分かる。発生する電圧はV=Ldi/dtであり、インダクタンス固定で電圧が低いため、簡易な構成で安定して緩慢な遮断を実現できる。
 以上、説明したように、本実施の形態では、半導体装置の過剰発熱又は通電異常などの動作異常を検出した際に、スイッチング素子Q1のゲート・コレクタ電圧を通常動作時の第1のクランプ電圧より低い第2のクランプ電圧以下にクランプする。これにより、高キャパシタ及びスイッチング素子Q1のゲート容量を利用せずに遮断速度を緩慢にして不要な点火動作を防止することができる。従って、小型・低コストで緩慢な主電流遮断動作を安定して実現することができる。
実施の形態2.
 図5は、実施の形態2に係る半導体装置の動作波形を示す図である。本実施の形態では、NM2のゲート容量をスイッチング素子Q1のゲート容量より小さく設定する。これにより、動作異常を検出した際にスイッチング素子Q1が遮断されるより前にNM2がオンになるため、安定した第2のクランプ回路10の遮断動作が可能となる。その他の構成及び効果は実施の形態1と同様である。
実施の形態3.
 図6は、実施の形態3に係る半導体装置を示す回路図である。本実施の形態では、遅延タイマー11がINV1とPM4のゲートの間に接続されている。この遅延タイマー11は、異常検出部9が駆動部5を制御する信号を遅延させる。これにより、動作異常を検出した際にスイッチング素子Q1が遮断されるより前にNM2がオンになるため、安定した第2のクランプ回路10の遮断動作が可能となる。その他の構成及び効果は実施の形態1と同様である。
実施の形態4.
 図7は、実施の形態4に係る半導体装置を示す回路図である。図8は、実施の形態4に係る半導体装置の動作を示すタイミングチャートである。本実施の形態では、低電圧のアクティブクランプ用のZd2の耐圧を実施の形態1よりさらに小さくする。例えば、Zd2の耐圧を「Vbat-Vth」以下にする。
 制御回路2は電流検出部12と遮断制御部13を更に有する。電流検出部12はコンパレータ14、V-I変換回路15及びアンプ16を有する。コンパレータ14は主電流Icと抵抗Rs1によって発生する電圧と基準電圧Vrefの差を増幅する。V-I変換回路15はコンパレータ14の出力電圧を電流に変換し、その電流をアンプ16が増幅する。これにより、電流検出部12はスイッチング素子Q1の主電流を検出する。
 遮断制御部13は、AND回路17、インバータINV2、NAND回路18、nchMOSトランジスタNM1、及び高抵抗Rg2とを有する。NM1は抵抗Rg1と直列に接続され、それらに並列に高抵抗Rg2が接続されている。
 強制停止の際にコレクタ電圧はL負荷により一旦上昇してVbat+数V~数十Vになる。その後、コレクタ電圧の低下とともに緩慢に電流が減少するが、そのままではスイッチング素子Q1のゲートに「Vbat-Zd2の耐圧」の電圧がバイアスされ自己バイアス状態になる。このため、異常検出部9が動作異常を検出した後に主電流Icがある一定の電流値、例えば5Aを下回ると、遮断制御部13のAND回路17はNM2を遮断し、アクティブクランプ動作を止める。これと同時に、遮断制御部13のNAND回路18は、NM1をオフにし、スイッチング素子Q1のゲートと接地端子との間の抵抗値を高くする。これにより、緩やかにゲート電荷を自由放電し主電流Icを緩慢に遮断することができる。
実施の形態5.
 図9は、実施の形態5に係る半導体装置を示す回路図である。実施の形態4のように抵抗を介してゲート電荷を放電させるとゲート電圧低下に伴って放電速度が低下する。そこで、本実施の形態では、遮断制御部13の高抵抗Rg2を定電流源I_base2に置き換えている。このため、遮断制御部13は、異常検出部9が動作異常を検出した後に主電流が一定の値を下回ると、NM1をオフにし、スイッチング素子Q1のゲート電荷を定電流放電させる。従って、放電速度が一定であるため、主電流Icを緩慢に遮断することができる。また、高抵抗Rg2による自由放電に比べて、半導体プロセスによる特性ばらつきが少ない。
実施の形態6.
 図10は、実施の形態6に係る半導体装置を示す回路図である。図11は、実施の形態6に係る半導体装置の動作波形を示す図である。本実施の形態では、インバータINV2の代わりに、電流検出部12と遮断制御部13との間にラッチ回路FF1が接続されている。これにより、遮断時又は電流検出時に電流発振などの不安定な動作が起きた場合でも、ラッチ回路FF1が動作を固定するため、NM2が再オンするのを防止して動作を安定化できる。なお、ラッチ回路FF1のリセット信号をECUからのオフ信号とすることで、不安定な動作を回避できる。その他の構成及び効果は実施の形態4と同様である。
実施の形態7.
 図12は、実施の形態7に係る半導体装置を示す回路図である。本実施の形態では、NM2の代わりに、縦型絶縁ゲートトランジスタQ2を用いる。高耐圧のQ2を制御回路2の他の構成と同一チップ内に形成する場合、ドレイン・ソース間に耐圧を保持するための領域が不要となり、デバイスの縮小、短配線化によるコスト削減が可能となる。また、外部素子としてQ2を配置する場合においても、部材削減、配線削減により、コスト削減が可能となる。その他の構成及び効果は実施の形態1と同様である。
実施の形態8.
 図13は、実施の形態8に係る半導体装置を示す回路図である。本実施の形態では、スイッチング素子Q1として、小型センス用の絶縁ゲート型スイッチング素子を用いる。このスイッチング素子Q1は、主電流Icを検知するために、これに比例した例えば1/1000程度のセンス電流Isenseが流れるセンスエミッタを有している。そして、電流検出部12は、センス電流Isenseと制御回路2内のセンス抵抗Rs2により主電流Icを検出する。このため、電流が多く流れるスイッチング素子Q1のエミッタ側から抵抗Rs1を省略できる。従って、短配線化、少部材化による低コスト化、小型化が可能となる。また、検出抵抗Rs1による電圧ドロップも生じなくなるため、スイッチング素子Q1のゲート電圧の低下を防ぐことができる。その他の構成及び効果は実施の形態4と同様である。
実施の形態9.
 図14は、実施の形態9に係る半導体装置を示す平面図である。本実施の形態では、スイッチング素子Q1、第1のクランプ回路4及び制御回路2が1チップ化されている。これにより、ワイヤを減らし、アセンブリ工程を少なくできるため、小型化・低コスト化が可能となる。その他の構成及び効果は実施の形態1~8と同様である。
実施の形態10.
 図15は、実施の形態10に係る半導体装置を示す回路図である。スイッチング素子Q1は、実施の形態1~9では珪素によって形成されたSi-IGBTであったが、本実施の形態ではSiC-MOSFETである。このようにスイッチング素子Q1は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子Q1は、耐電圧性と許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された素子を用いることで、この素子を組み込んだ半導体装置も小型化できる。また、素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、素子の電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。
2 制御回路、4 第1のクランプ回路、5 駆動部、9 異常検出部、10 第2のクランプ回路、11 遅延タイマー、12 電流検出部、13 遮断制御部、FF1 ラッチ回路、NM2 トランジスタ、Q1 スイッチング素子、Zd2 ツェナーダイオード

Claims (11)

  1.  ゲートと、負荷に接続される第1端子と、第2端子とを有するスイッチング素子と、
     前記ゲートと前記第1端子との間の電圧を第1のクランプ電圧以下にクランプする第1のクランプ回路と、
     前記スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
     前記制御回路は、
     前記スイッチング素子を駆動する駆動部と、
     動作異常を検出した際に前記駆動部を停止させる異常検出部と、
     前記異常検出部が前記駆動部を停止させる際に、前記ゲートと前記第1端子との間の電圧を前記第1のクランプ電圧より低い第2のクランプ電圧以下にクランプする第2のクランプ回路とを有することを特徴とする半導体装置。
  2.  前記第2のクランプ回路は、前記第1端子に接続されたカソードと前記ゲートに接続されたアノードを持つツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードに直列に接続されたトランジスタとを有し、
     前記異常検出部は、動作異常を検出すると前記トランジスタをオンにすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3.  前記トランジスタのゲート容量は前記スイッチング素子のゲート容量より小さいことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4.  前記制御回路は、前記異常検出部が前記駆動部を制御する信号を遅延させる遅延タイマーを更に備えることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  5.  前記制御回路は、
     前記スイッチング素子の主電流を検出する電流検出部と、
     前記異常検出部が動作異常を検出した後に前記スイッチング素子の主電流が一定の値を下回ると、前記トランジスタをオフにし、前記スイッチング素子の前記ゲートと接地端子との間の抵抗値を高くする遮断制御部とを更に有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  6.  前記制御回路は、
     前記スイッチング素子の主電流を検出する電流検出部と、
     前記異常検出部が動作異常を検出した後に前記主電流が一定の値を下回ると、前記トランジスタをオフにし、前記スイッチング素子のゲート電荷を定電流放電させる遮断制御部とを更に有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  7.  前記制御回路は、前記電流検出部と前記遮断制御部との間に接続されたラッチ回路を更に有することを特徴とする請求項5又は6に記載の半導体装置。
  8.  前記トランジスタは縦型絶縁ゲートトランジスタであることを特徴とする請求項2~7の何れか1項に記載の半導体装置。
  9.  前記電流検出部は、前記スイッチング素子のセンス電流により前記主電流を検出することを特徴とする請求項5又は6に記載の半導体装置。
  10.  前記スイッチング素子、前記第1のクランプ回路及び前記制御回路が1チップ化されていることを特徴とする請求項1~9の何れか1項に記載の半導体装置。
  11.  前記スイッチング素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項1~9の何れか1項に記載の半導体装置。
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