CN111684677B - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

第1钳位电路(4)将开关元件(Q1)的栅极与第1端子之间的电压钳位为小于或等于第1钳位电压。对开关元件(Q1)进行控制的控制电路(2)具有：驱动部(5)，其对开关元件(Q1)进行驱动；异常检测部(9)，其在检测出动作异常时使驱动部(5)停止；以及第2钳位电路(10)。在异常检测部(9)使驱动部(5)停止时，第2钳位电路(10)将栅极与第1端子之间的电压钳位为小于或等于比第1钳位电压低的第2钳位电压。

Description

半导体装置

技术领域

本发明涉及半导体装置。

背景技术

在汽车发动机等的内燃机用点火***中使用对变压器等L负载进行驱动的电力用半导体装置。这样的半导体装置为了避免烧毁破损，具有对异常发热进行检测而将主电流切断的功能、或在大于或等于一定时间持续地施加了导通信号时将主电流切断的功能。该断路动作是为了半导体装置的自我保护而进行的，因此其定时(timing)与发动机控制计算机的点火信号不同的可能性极其高。根据断路动作的定时，存在产生发动机的回火、爆燃等问题，引起发动机机构的破损的风险。为了防止这些情况，需要实现缓慢的主电流切断，防止不必要的点火动作。相对于此，存在利用具有大的时间常数的高电容值电容器或绝缘栅型开关元件的栅极电容而缓慢地使栅极电压降低的方法(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2011-127445号公报

发明内容

为了在控制电路内实现缓慢的主电流切断，需要具有大的时间常数的高电容值电容器，导致大型化、高成本化。另外，在利用了绝缘栅型开关元件的栅极电容的情况下，存在如下问题，即，如果将电容值减小而通过稳定的电流进行放电则难以延长断路时间，如果为了延长断路时间而将电流设定得低，则动作变得不稳定。

本发明就是为了解决上述那样的课题而提出的，其目的在于得到能够小型、低成本地稳定地实现缓慢的主电流切断动作的半导体装置。

本发明涉及的半导体装置的特征在于具有：开关元件，其具有栅极、第1端子和第2端子，该第1端子与负载连接；第1钳位电路，其将所述栅极和所述第1端子之间的电压钳位为小于或等于第1钳位电压；以及控制电路，其对所述开关元件进行控制，所述控制电路具有：驱动部，其对所述开关元件进行驱动；异常检测部，其在检测出动作异常时使所述驱动部停止；以及第2钳位电路，其在所述异常检测部使所述驱动部停止时，将所述栅极和所述第1端子之间的电压钳位为小于或等于比所述第1钳位电压低的第2钳位电压。

发明的效果

在本发明中，在检测出动作异常时，将开关元件的栅极和第1端子之间的电压钳位为小于或等于比通常动作时的第1钳位电压低的第2钳位电压。由此，无需利用高电容值电容器及开关元件的栅极电容，即可使断路速度缓慢，防止不必要的点火动作。因此，能够小型、低成本地稳定地实现缓慢的主电流切断动作。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的半导体装置的电路图。

图2是表示实施方式1涉及的半导体装置的控制电路的电路图。

图3是表示实施方式1涉及的半导体装置的动作的时序图。

图4是表示钳位电压与断路时间的依赖性的图。

图5是表示实施方式2涉及的半导体装置的动作波形的图。

图6是表示实施方式3涉及的半导体装置的电路图。

图7是表示实施方式4涉及的半导体装置的电路图。

图8是表示实施方式4涉及的半导体装置的动作的时序图。

图9是表示实施方式5涉及的半导体装置的电路图。

图10是表示实施方式6涉及的半导体装置的电路图。

图11是表示实施方式6涉及的半导体装置的动作波形的图。

图12是表示实施方式7涉及的半导体装置的电路图。

图13是表示实施方式8涉及的半导体装置的电路图。

图14是表示实施方式9涉及的半导体装置的平面图。

图15是表示实施方式10涉及的半导体装置的电路图。

具体实施方式

参照附图对实施方式涉及的半导体装置进行说明。对相同或对应的结构要素标注相同标号，有时省略重复说明。

实施方式1.

图1是表示实施方式1涉及的半导体装置的电路图。该半导体装置用于汽车发动机等的内燃机用感应点火型点火***。电池等电源Vbat连接于L负载即点火线圈1的初级侧线圈1a的一端和次级侧线圈1b的一端。电源电压Vbat为14V。绝缘栅型的开关元件Q1的栅极与控制电路2连接，集电极与初级侧线圈1a的另一端连接，发射极经由电阻Rs1接地。开关元件Q1的阈值电压Vth为2V。电阻Rg1的电阻值为几十kΩ数量级。火花塞3的一端与次级侧线圈1b的另一端连接，另一端接地。控制电路2与来自控制计算机ECU及驱动电路的控制信号对应地对开关元件Q1进行控制。

作为通常打火动作时的耐压保护用第1钳位电路4，设置有具有与开关元件Q1的集电极连接的阴极和与栅极连接的阳极的齐纳二极管Zd1。开关元件Q1通过利用Zd1的漏电流将栅极电压自偏置的有源钳位动作而进行放电。因此，Zd1将开关元件Q1的栅极-集电极电压钳位为小于或等于第1钳位电压。由此，能够防止变压器绕组的绝缘破坏。此外，第1钳位电压为Zd1的耐压，例如高达500V或700V，因此不会对通常动作及后述的异常时的断路动作造成影响。

图2是表示实施方式1涉及的半导体装置的控制电路的电路图。驱动部5为由PchMOS晶体管PM5、PM6构成的电流镜电路，对开关元件Q1进行驱动。从ECU及驱动电路输入至控制电路2的输入端子Von的控制信号在通过施密特触发电路6进行波形整形后，输入至PchMOS晶体管PM1。PM1与控制信号对应地接通、断开，从而流入至恒流源I＿base1的电流产生变化，对驱动部5的动作进行控制。

比较器7将由主电流Ic和电阻Rs1产生的电压与基准电压Vref的差放大。V-I转换电路8将比较器7的输出电压转换为电流If1。由PchMOS晶体管PM2、PM3构成的电流镜电路与其电流镜像比对应地，根据电流If1生成电流If2。通过使该电流If2流入至恒流源I＿base1而对驱动部5的动作进行控制。因此，主电流Ic越增加，驱动部5的输出电流Ig2越降低，由电阻Rg1产生的电压越降低。由此，进行抑制主电流Ic的负反馈控制。

PMOS晶体管PM4与PM5并联连接。如果异常检测部9检测出异常连续通电等异常，则经由反相器INV1将信号供给至PM4而将PM4接通。由此，异常检测部9在检测出半导体装置的动作异常时使驱动部5停止。

第2钳位电路10具有齐纳二极管Zd2、与Zd2串联连接的NchMOS晶体管NM2，该齐纳二极管Zd2具有与开关元件Q1的集电极连接的阴极和与栅极连接的阳极。Zd2的耐压为20V，比Zd1的耐压低。NM2的耐压比Zd1的耐压高。在通常动作时NM2是断开的，异常检测部9如果检测出动作异常则将NM2接通。因此，仅在异常检测部9使驱动部5停止时第2钳位电路10进行动作，在通常时不进行钳位动作，因此不会对通常动作造成影响。

图3是表示实施方式1涉及的半导体装置的动作的时序图。如果在时刻t1输入了高电平的控制信号，则PM1变为断开。由于在通常动作时异常检测部9的输出信号为低电平，因此PM4变为断开。由此，流过驱动部5的电流镜电路的基准侧电流Ig1。相对于该基准侧电流Ig1，在电阻Rg1流过与电流镜电路的镜像比对应的电流Ig2。由此，产生栅极电压，开关元件Q1变为接通。而且，与由初级侧线圈1a的电感和配线电阻决定的时间常数对应地，在开关元件Q1和初级侧线圈1a流过主电流Ic。

ECU在想要对燃料进行点火的定时即时刻t2将控制信号设为低电平。与其对应地，PM1接通，由此驱动部5的电流镜电路停止。由于在开关元件Q1的栅极积蓄的电荷通过电阻Rg1以短时间进行放电，因此开关元件Q1截止，主电流Ic被切断。此时，通过初级侧线圈1a，在开关元件Q1的集电极，在试图使至此为止流过的电流继续流动的方向产生高电压。该电压与点火线圈1的匝数比对应地升压至大于或等于30kV，使与次级侧线圈1b连接的火花塞3打火。

如果从时刻t3起在比较长的时间范围输入了高电平的控制信号，则开关元件Q1的主电流Ic逐渐增加。在电阻Rs1产生与主电流Ic对应的电压。通过比较器7将该电压与基准电压Vref进行比较，通过V-I转换电路8输出与该差对应的电流If1。该电流If1被输入至由PM2、PM3构成的电流镜电路，输出与其镜像比对应的输出电流作为电流限制信号If2。基准侧电流Ig1为从恒流源I＿base1的输出电流减去电流限制信号If2后的电流值。因此，电流限制信号If2使电流Ig2减少，开关元件Q1的栅极电压降低，妨碍主电流Ic的增加。

如上所述，控制电路2具有对主电流Ic进行检测而进行负反馈控制以使得主电流Ic不会大于或等于电流限制值的电流限制功能。电流限制值例如为10A或14A等。由此，能够对由过电流导致的点火线圈1的绕组的熔断、用于对磁阻(磁致电阻)进行调整的磁铁的退磁、及铁芯材料的磁饱和进行抑制。此外，由于通常的通电时间为几msec左右，因此通过100msec数量级的通电进行上述电流限制动作。

在时刻t4，在主电流Ic达到电流限制值时，在流过主电流Ic的状态下集电极电压没有充分降低，在开关元件Q1产生焦耳损耗。

从时刻t5起产生作为异常状态的连续通电状态，即使经过了控制信号原本应该变为低电平的期间也依然持续高电平。如果产生该焦耳损耗的状态持续得长，则芯片温度逐渐上升，因此需要使开关元件Q1断开以不超过允许损耗。

在控制信号的高电平连续持续了例如100～200msec左右的时刻t6，异常检测部9判断为异常通电，将输出信号设为高电平。由此，PM4接通，因此该PM4向恒流源I＿base1供给电流。因此，驱动部5的电流镜电路停止，生成开关元件Q1的栅极电压的PM6的电流Ig2变为零。

另外，由于异常检测部9在使驱动部5停止时使NM2接通，因此低耐压的齐纳二极管Zd2变为有效，转变为低电压下的有源钳位动作。即，第2钳位电路10将开关元件Q1的栅极-集电极电压钳位为小于或等于比第1钳位电压低的第2钳位电压。

图4是表示钳位电压与断路时间的依赖性的图。可知，开关元件Q1的栅极-集电极间的钳位电压越低，开关元件Q1的断路速度越变得缓慢。产生的电压为V＝Ldi/dt，由于电感固定、电压低，因此能够以简易的结构稳定地实现缓慢的断路。

以上，如说明过的那样，在本实施方式中，在检测出半导体装置的过度发热或通电异常等动作异常时，将开关元件Q1的栅极-集电极电压钳位为小于或等于比通常动作时的第1钳位电压低的第2钳位电压。由此，无需利用高电容值电容器及开关元件Q1的栅极电容，即可使断路速度缓慢，防止不必要的点火动作。因此，能够小型、低成本地稳定地实现缓慢的主电流切断动作。

实施方式2.

图5是表示实施方式2涉及的半导体装置的动作波形的图。在本实施方式中，将NM2的栅极电容设定为比开关元件Q1的栅极电容小。由此，在检测出动作异常时，在将开关元件Q1断路前NM2变为接通，因此能够实现稳定的第2钳位电路10的断路动作。其它的结构及效果与实施方式1相同。

实施方式3.

图6是表示实施方式3涉及的半导体装置的电路图。在本实施方式中，将延迟计时器11连接于INV1和PM4的栅极之间。该延迟计时器11使异常检测部9对驱动部5进行控制的信号延迟。由此，在检测出动作异常时，在将开关元件Q1断路前NM2变为接通，能够实现稳定的第2钳位电路10的断路动作。其它的结构及效果与实施方式1相同。

实施方式4.

图7是表示实施方式4涉及的半导体装置的电路图。图8是表示实施方式4涉及的半导体装置的动作的时序图。在本实施方式中，进一步将低电压的有源钳位用Zd2的耐压设为比实施方式1小。例如，将Zd2的耐压设为小于或等于“Vbat-Vth”。

控制电路2还具有电流检测部12和断路控制部13。电流检测部12具有比较器14、V-I转换电路15及放大器16。比较器14将由主电流Ic和电阻Rs1产生的电压与基准电压Vref的差放大。V-I转换电路15将比较器14的输出电压转换为电流，放大器16将该电流放大。由此，电流检测部12对开关元件Q1的主电流进行检测。

断路控制部13具有AND电路17、反相器INV2、NAND电路18、nchMOS晶体管NM1、及高电阻Rg2。NM1与电阻Rg1串联连接，高电阻Rg2与它们并联连接。

在强制停止时，集电极电压由于L负载暂时上升而变为Vbat+几V～几十V。之后，与集电极电压的降低相伴，电流缓慢地减少，但在该状态下开关元件Q1的栅极被“Vbat-Zd2的耐压”的电压偏置而成为自偏置状态。因此，如果在异常检测部9检测出动作异常后主电流Ic低于某一定电流值，例如5A，则断路控制部13的AND电路17使NM2断路，停止有源钳位动作。与此同时，断路控制部13的NAND电路18将NM1断开，使开关元件Q1的栅极与接地端子之间的电阻值升高。由此，能够平缓地将栅极电荷自由放电而缓慢地将主电流Ic切断。

实施方式5.

图9是表示实施方式5涉及的半导体装置的电路图。如果如实施方式4那样经由电阻使栅极电荷放电，则放电速度与栅极电压降低相伴地降低。因此，在本实施方式中，将断路控制部13的高电阻Rg2置换为恒流源I＿base2。因此，如果在异常检测部9检测出动作异常后主电流低于一定值，则断路控制部13将NM1断开，使开关元件Q1的栅极电荷进行恒流放电。因此，放电速度是恒定的，由此能够将主电流Ic缓慢地切断。另外，与由高电阻Rg2引起的自由放电相比，由半导体工艺导致的特性波动少。

实施方式6.

图10是表示实施方式6涉及的半导体装置的电路图。图11是表示实施方式6涉及的半导体装置的动作波形的图。在本实施方式中，替代反相器INV2，将锁存电路FF1连接于电流检测部12和断路控制部13之间。由此，即使在断路时或电流检测时发生了电流振荡等不稳定的动作的情况下，锁存电路FF1也会将动作固定下来，因此能够防止NM2再次接通，使动作稳定化。此外，通过将锁存电路FF1的复位信号设为来自ECU的断开信号，能够避免不稳定的动作。其它的结构及效果与实施方式4相同。

实施方式7.

图12是表示实施方式7涉及的半导体装置的电路图。在本实施方式中，替代NM2，使用纵向型绝缘栅极晶体管Q2。在将高耐压的Q2与控制电路2的其它结构形成于同一芯片内的情况下，在漏极-源极间不需要用于保持耐压的区域，能够实现器件的缩小、由短配线化带来的成本削减。另外，在作为外部元件而配置Q2的情况下，通过部件削减、配线削减也能够实现成本削减。其它的结构及效果与实施方式1相同。

实施方式8.

图13是表示实施方式8涉及的半导体装置的电路图。在本实施方式中，作为开关元件Q1，使用小型感测用绝缘栅型开关元件。该开关元件Q1具有为了对主电流Ic进行检测，流过与其成比例的例如1/1000左右的感测电流Isense的感测发射极。而且，电流检测部12通过感测电流Isense和控制电路2内的感测电阻Rs2对主电流Ic进行检测。因此，能够从电流较多地流过的开关元件Q1的发射极侧省略电阻Rs1。因此，能够实现由短配线化、少部件化带来的低成本化、小型化。另外，由于也不会产生由检测电阻Rs1引起的压降，因此能够防止开关元件Q1的栅极电压的降低。其它的结构及效果与实施方式4相同。

实施方式9.

图14是表示实施方式9涉及的半导体装置的平面图。在本实施方式中，将开关元件Q1、第1钳位电路4及控制电路2单芯片化。由此，能够减少导线，减少装配工序，因此能够实现小型化、低成本化。其它的结构及效果与实施方式1～8相同。

实施方式10.

图15是表示实施方式10涉及的半导体装置的电路图。在实施方式1～9中开关元件Q1是由硅形成的Si-IGBT，但在本实施方式中为SiC-MOSFET。如上所述，开关元件Q1并不限于由硅形成，也可以由比硅带隙大的宽带隙半导体形成。宽带隙半导体例如是碳化硅、氮化镓类材料、或金刚石。由这样的宽带隙半导体形成的开关元件Q1的耐压性和允许电流密度高，因此能够小型化。通过使用该被小型化后的元件，组装有该元件的半导体装置也能够小型化。另外，由于元件的耐热性高，因此能够将散热器的散热片小型化，能够将水冷部空冷化，因此能够进一步将半导体装置小型化。另外，由于元件的功率损耗低且高效，因此能够使半导体装置高效化。

标号的说明

2控制电路，4第1钳位电路，5驱动部，9异常检测部，10第2钳位电路，11延迟计时器，12电流检测部，13断路控制部，FF1锁存电路，NM2晶体管，Q1开关元件，Zd2齐纳二极管。

Claims (7)

1.一种半导体装置，其特征在于，具有：

开关元件，其具有栅极、第1端子和第2端子，该第1端子与负载连接；

第1钳位电路，其将所述栅极和所述第1端子之间的电压钳位为小于或等于第1钳位电压；以及

控制电路，其对所述开关元件进行控制，

所述控制电路具有：

驱动部，其对所述开关元件进行驱动；

异常检测部，其在检测出动作异常时使所述驱动部停止；以及

第2钳位电路，其在所述异常检测部使所述驱动部停止时，将所述栅极和所述第1端子之间的电压钳位为小于或等于比所述第1钳位电压低的第2钳位电压，

所述第2钳位电路具有齐纳二极管和与所述齐纳二极管串联连接的晶体管，该齐纳二极管具有与所述第1端子连接的阴极和与所述栅极连接的阳极，

所述异常检测部如果检测出动作异常则将所述晶体管接通，

所述控制电路还具有：

电流检测部，其对所述开关元件的主电流进行检测；以及

断路控制部，如果在所述异常检测部检测出动作异常后所述开关元件的主电流低于一定值，则该断路控制部将所述晶体管断开，使所述开关元件的所述栅极与接地端子之间的电阻值升高。

2.一种半导体装置，其特征在于，具有：

开关元件，其具有栅极、第1端子和第2端子，该第1端子与负载连接；

第1钳位电路，其将所述栅极和所述第1端子之间的电压钳位为小于或等于第1钳位电压；以及

控制电路，其对所述开关元件进行控制，

所述控制电路具有：

驱动部，其对所述开关元件进行驱动；

异常检测部，其在检测出动作异常时使所述驱动部停止；以及

第2钳位电路，其在所述异常检测部使所述驱动部停止时，将所述栅极和所述第1端子之间的电压钳位为小于或等于比所述第1钳位电压低的第2钳位电压，

所述第2钳位电路具有齐纳二极管和与所述齐纳二极管串联连接的晶体管，该齐纳二极管具有与所述第1端子连接的阴极和与所述栅极连接的阳极，

所述异常检测部如果检测出动作异常则将所述晶体管接通，

所述控制电路还具有：

电流检测部，其对所述开关元件的主电流进行检测；以及

断路控制部，如果在所述异常检测部检测出动作异常后所述主电流低于一定值，则该断路控制部将所述晶体管断开，使所述开关元件的栅极电荷进行恒流放电。

3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述控制电路还具有连接于所述电流检测部和所述断路控制部之间的锁存电路。

4.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述晶体管为纵向型绝缘栅极晶体管。

5.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述电流检测部通过所述开关元件的感测电流对所述主电流进行检测。

6.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述开关元件、所述第1钳位电路及所述控制电路被单芯片化。

7.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，

所述开关元件由宽带隙半导体形成。

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