JP2002157027A - 電力変換装置及び半導体装置 - Google Patents

電力変換装置及び半導体装置

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JP2002157027A
JP2002157027A JP2000352604A JP2000352604A JP2002157027A JP 2002157027 A JP2002157027 A JP 2002157027A JP 2000352604 A JP2000352604 A JP 2000352604A JP 2000352604 A JP2000352604 A JP 2000352604A JP 2002157027 A JP2002157027 A JP 2002157027A
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semiconductor
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semiconductor substrate
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Yukihisa Yasuda
幸央 安田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置全体として回路規模を縮小できる電力変
換装置を得る。 【解決手段】 電力変換装置１は、半導体装置２と半導
体装置３とを個別に備えている。半導体装置２は、ＩＧ
ＢＴ１９等の電力変換素子と、ツェナーダイオード２
０，２１と、波形整形回路３０と、加熱遮断回路３１
と、保護素子１４とが、ｐ形シリコン基板を用いた同一
のチップ上に形成された構成を有している。半導体装置
３は、シュミット回路９と、電源回路１０と、高電圧検
出回路１１と、保護素子１３と、論理ゲート１６と、ｐ
ｎｐトランジスタ１７によって構成された出力回路と
が、ｐ形シリコン基板を用いた同一のチップ上に形成さ
れた構成を有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、電力変換素子を
備える電力変換装置の構成、及び該電力変換装置に用い
られる半導体装置の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１３は、従来の電力変換装置１０１の
構成を示す回路図である。図１３では、従来の電力変換
装置１０１を、イグニッションコイル１０５の駆動装置
へ適用した場合の例を示している。イグニッションコイ
ル１０５は、自動車のエンジンに用いられる点火プラグ
１０４を制御するものである。電力変換装置１０１は、
半導体装置１０２と半導体装置１０３とを個別に備えて
いる。半導体装置１０２は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイ
ポーラトランジスタ）１１９等の電力変換素子と、ツェ
ナーダイオード１２０，１２１とが、シリコン基板を用
いた同一のチップ上に形成された構成を有している。こ
こで、ＩＧＢＴの代わりに、パワーＭＯＳＦＥＴやバイ
ポーラパワートランジスタ等の素子を採用してもよい。
但し、電力変換素子としていずれの素子を採用するかは
本願発明にとって重要ではなく、既存及び現在研究され
ているいずれの素子を採用してもよい。そこで、以降の
説明では、電力変換素子としてＩＧＢＴが採用される場
合を例にとり説明する。
【０００３】ツェナーダイオード１２０，１２１は、イ
グニッションコイルを駆動するための駆動装置に特有の
素子である。ＩＧＢＴ１１９は、セルと呼ばれる小さな
素子の集合体として構成されており、これらのセルのエ
ミッタ配線を２系統に分割して、それぞれのエミッタ配
線に接続されるセルの数に意図的に差がつけられてい
る。エミッタに流れる電流の大きさはセル数の比で決ま
るため、電力変換素子に流れる電流に対して一意的な相
関関係を有する微小電流を検出することにより、ＩＧＢ
Ｔ１１９のコレクタ電流（電力変換素子に流れる主電
流）を間接的に計測することが可能となる。
【０００４】半導体装置１０３は、差電圧比較回路１０
９と、電源回路１１０と、高電圧検出回路１１１と、保
護素子１１３，１１４と、タイマ回路１１５と、論理ゲ
ート１１６と、ｎｐｎトランジスタ１１７によって構成
された出力回路と、負帰還制御回路１１８とが、シリコ
ン基板を用いた同一のチップ上に形成された構成を有し
ている。
【０００５】差電圧比較回路１０９は、２つの入力端子
を有しており、第１の入力端子は、抵抗及びコンデンサ
から成る回路を介して、電力変換装置１０１の端子１０
７（図示しない制御装置からの制御入力端子）に接続さ
れている。また、第２の入力端子は、上記回路を介し
て、電力変換装置１０１の端子１０８（図示しない上記
制御装置からの基準電位入力用端子）に接続されてい
る。また、差電圧比較回路１０９は、半導体装置１０３
に用いられているシリコン基板の電位が変動することに
起因する誤動作を防止するために、ヒステリシス特性を
呈する波形整形機能を有している。差電圧比較回路１０
９は、ヒステリシス特性を呈するシュミット回路や、そ
の他の素子によって構成されている。
【０００６】タイマ回路１１５は、ＩＧＢＴ１１９が長
時間連続して通電された場合に生じる、発熱に起因する
ＩＧＢＴ１１９の破損を防止するために設けられてい
る。ＩＧＢＴ１１９が所定時間（数百ミリ秒）以上連続
して通電され、コンパレータの正相入力端子に入力され
るコンデンサの電圧（ＩＧＢＴ１１９の通電時間に比例
する）が、逆相入力端子に入力される所定の定電圧より
も高くなった場合に、ＩＧＢＴ１１９の発熱量が大きく
なったとみなして、ｎｐｎトランジスタ１１７の駆動を
停止するための信号を論理ゲート１１６に入力するもの
である。
【０００７】電源回路１１０は、半導体装置１０３の内
部に設けられている各種回路を駆動するための電源を供
給する回路である。自動車のバッテリ電圧（バッテリ１
０６の電圧）は広範囲（数Ｖ〜２４Ｖ程度）に変動する
ため、タイマ回路１１５や、差電圧比較回路１０９が有
する波形整形回路等を安定して動作させるために、バッ
テリ１０６の電圧によらずに一定の電源電圧を発生する
電源回路１１０を設けたものである。
【０００８】高電圧検出回路１１１は、バッテリ１０６
の電圧が異常に高くなった場合に、破損を防止するため
にＩＧＢＴ１１９の駆動を強制的に停止させる機能を有
している。バッテリ１０６の電圧が所定の電圧（約３０
Ｖ）よりも高くなったことを検知して、ｎｐｎトランジ
スタ１１７の駆動を停止するための信号を論理ゲート１
１６に入力するものである。
【０００９】負帰還制御回路１１８は、ＩＧＢＴ１１９
のエミッタ電流の値を検出して、所定の値以上の主電流
が流れないようにＩＧＢＴ１１９の動作を制御する機能
を有している。逆相入力端子に入力される電圧（ＩＧＢ
Ｔ１１９のエミッタに接続された抵抗の電圧であり、エ
ミッタ電流に比例する）が、正相入力端子に入力される
所定の定電圧よりも高くなった場合に、ＩＧＢＴ１１９
の駆動を停止するための信号をＩＧＢＴ１１９のベース
電極に入力するものである。
【００１０】保護素子１１３，１１４は、回路に印加さ
れる電圧が所定の電圧以上に上昇しないように抑制する
ことにより、回路を保護する機能を有している。
【００１１】半導体装置１０３の制御動作によってＩＧ
ＢＴ１１９が駆動されると、イグニッションコイル１０
５の一次巻線側（電力変換装置１０１側）に電流が流
れ、これにより発生した一次巻線電圧は、イグニッショ
ンコイル１０５の二次巻線側（点火プラグ１０４側）
に、巻数比倍されて伝達される。この電圧によって点火
プラグ１０４のギャップ間に火花が発生し、シリンダ
（図示しない）内の燃料が燃焼されて、エンジンとして
の動力が得られる。
【００１２】イグニッションコイル１０５の一次巻線側
に電流が流れている状態からＩＧＢＴ１１９の駆動を停
止して電流を遮断すると、イグニッションコイル１０５
に蓄えられたエネルギーによって、ＩＧＢＴ１１９のコ
レクタ電圧を正方向に引き上げる力（逆起電力）が発生
する。このとき、ツェナーダイオード１２０の逆方向耐
圧を超える電圧が発生すると、ツェナーダイオード１２
０が駆動し、その結果ＩＧＢＴ１１９のゲート電圧が上
昇して、ＯＦＦ状態にあるＩＧＢＴ１１９が駆動され
る。これにより、コレクタ電圧が一定状態に保たれる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１３
に示した従来の電力変換装置によると、半導体装置１０
３の内部に差電圧比較回路１０９、タイマ回路１１５、
負帰還制御回路１１８等の多くの回路が形成されてお
り、特に半導体装置１０３の回路規模が大きくなるとい
う問題があった。
【００１４】本発明はかかる問題を解決するために成さ
れたものであり、装置全体として回路規模を縮小できる
電力変換装置、及び該電力変換装置に用いられる半導体
装置を得ることを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】この発明のうち請求項１
に記載の電力変換装置は、第１の半導体基板、第１の半
導体基板上に形成された電力変換素子及び、第１の半導
体基板上に形成され、電力変換素子が形成されている部
分の第１の半導体基板の温度を検出して、該温度が所定
の温度以上に達した場合に、電力変換素子の駆動を停止
する遮断回路を有する第１の半導体装置と、第１の半導
体基板とは異なる第２の半導体基板上に形成され、外部
の制御装置から入力される信号に基づいて、電力変換素
子の駆動を制御するための制御信号を生成し、該制御信
号を第１の半導体装置に入力する第２の半導体装置とを
備えるものである。
【００１６】また、この発明のうち請求項２に記載の電
力変換装置は、請求項１に記載の電力変換装置であっ
て、第１の半導体装置は、第１の半導体基板上に形成さ
れた、ヒステリシス特性を呈する波形整形回路をさらに
有しており、波形整形回路は、自身の入力端子に入力さ
れる電位を駆動電力として動作することを特徴とするも
のである。
【００１７】また、この発明のうち請求項３に記載の電
力変換装置は、請求項１又は２に記載の電力変換装置で
あって、第２の半導体装置は、第２の半導体基板上に形
成された、制御信号を出力する出力回路を有しており、
出力回路は、ｎ形の半導体層内に形成された、ｐｎｐト
ランジスタ又はｐチャネルＭＯＳＦＥＴによって構成さ
れていることを特徴とするものである。
【００１８】また、この発明のうち請求項４に記載の電
力変換装置は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の電
力変換装置であって、第１の半導体装置と第２の半導体
装置とは、ＧＮＤレベルが与えられるＧＮＤ端子を個別
に有していることを特徴とするものである。
【００１９】また、この発明のうち請求項５に記載の電
力変換装置は、請求項４に記載の電力変換装置であっ
て、第１の半導体装置のＧＮＤレベルと、第２の半導体
装置のＧＮＤレベルとの間の電位差を所定値以内に制限
する電圧制限回路をさらに備えることを特徴とするもの
である。
【００２０】また、この発明のうち請求項６に記載の電
力変換装置は、請求項５に記載の電力変換装置であっ
て、電圧制限回路は、第２の半導体基板上に形成されて
いることを特徴とするものである。
【００２１】また、この発明のうち請求項７に記載の電
力変換装置は、第１の半導体基板上に形成された電力変
換素子を有する第１の半導体装置と、第１の半導体基板
とは異なる第２の半導体基板上に形成され、外部の制御
装置から入力される信号に基づいて、電力変換素子の駆
動を制御するための制御信号を生成し、該制御信号を第
１の半導体装置に入力する第２の半導体装置とを備え、
第１の半導体装置と第２の半導体装置とは、ＧＮＤレベ
ルが与えられるＧＮＤ端子を個別に有していることを特
徴とするものである。
【００２２】また、この発明のうち請求項８に記載の電
力変換装置は、請求項７に記載の電力変換装置であっ
て、第１の半導体装置のＧＮＤレベルと、第２の半導体
装置のＧＮＤレベルとの間の電位差を所定値以内に制限
する電圧制限回路をさらに備えることを特徴とするもの
である。
【００２３】また、この発明のうち請求項９に記載の電
力変換装置は、請求項８に記載の電力変換装置であっ
て、電圧制限回路は、第２の半導体基板上に形成されて
いることを特徴とするものである。
【００２４】また、この発明のうち請求項１０に記載の
半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成され
た電力変換素子と、半導体基板上に形成され、電力変換
素子が形成されている部分の半導体基板の温度を検出し
て、該温度が所定の温度以上に達した場合に、電力変換
素子の駆動を停止する遮断回路とを備えるものである。
【００２５】また、この発明のうち請求項１１に記載の
半導体装置は、請求項１０に記載の半導体装置であっ
て、半導体装置は、半導体基板上に形成された、ヒステ
リシス特性を呈する波形整形回路をさらに備え、波形整
形回路は、自身の入力端子に入力される電位を駆動電力
として動作することを特徴とするものである。
【００２６】また、この発明のうち請求項１２に記載の
半導体装置は、第１導電型の半導体基板と、半導体基板
上に形成された、第１導電型とは異なる第２導電型の半
導体層と、半導体層内に形成された第１導電型の第１の
不純物導入領域を一方電極とし、半導体層内に形成され
た第２導電型の第２の不純物導入領域を他方電極とする
第１のツェナーダイオードと、半導体層内に形成された
第１導電型の第３の不純物導入領域を一方電極とし、半
導体層内に形成され、第１のツェナーダイオードの他方
電極に接続された、第２導電型の第４の不純物導入領域
を他方電極とする第２のツェナーダイオードと、半導体
層の主面上に形成され、半導体層の電位を第１のツェナ
ーダイオードの逆方向電圧以上の電位に固定するための
配線とを備えるものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、本発明の
実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す回路図で
ある。図１では、本実施の形態１に係る電力変換装置１
を、イグニッションコイル５の駆動装置へ適用した場合
の例を示している。イグニッションコイル５は、自動車
のエンジンに用いられる点火プラグ４を制御するもので
ある。電力変換装置１は、半導体装置２と半導体装置３
とを個別に備えている。半導体装置２は、ＩＧＢＴ１９
等の電力変換素子と、ツェナーダイオード２０，２１
と、波形整形回路３０と、加熱遮断回路３１と、保護素
子１４とが、ｐ形シリコン基板を用いた同一のチップ上
に形成された構成を有している。また、半導体装置２
は、ＧＮＤレベルが与えられるＧＮＤ端子６６を有して
いる。
【００２８】ツェナーダイオード２０，２１は、イグニ
ッションコイルを駆動するための駆動装置に特有の素子
である。ＩＧＢＴ１９は、セルと呼ばれる小さな素子の
集合体として構成されており、これらのセルのエミッタ
配線を２系統に分割して、それぞれのエミッタ配線に接
続されるセルの数に意図的に差がつけられている。エミ
ッタに流れる電流の大きさはセル数の比で決まるため、
電力変換素子に流れる電流に対して一意的な相関関係を
有する微小電流を検出することにより、ＩＧＢＴ１９の
コレクタ電流（電力変換素子に流れる主電流）を間接的
に計測することが可能となる。
【００２９】加熱遮断回路３１は、ＩＧＢＴ１９が形成
されている部分のｐ形シリコン基板の温度を検出して、
その部分の温度が所定の温度以上に達した場合に、波形
整形回路３０から出力された信号をＩＧＢＴ１９に伝達
しないように制限する（即ちＩＧＢＴ１９の駆動を停止
する）機能を有している。ＩＧＢＴ１９が形成されてい
る部分のｐ形シリコン基板の温度を、ＩＧＢＴ１９の近
傍に形成された、ダイオードやトランジスタ等の熱電変
換素子によって検出し、上記温度−電圧変換素子からの
電圧と所定の定電圧とを比較器によって比較する。そし
て、上記温度−電圧変換素子からの電圧が上記所定の定
電圧よりも高くなった場合に、ＩＧＢＴ１９の駆動を停
止するものである。
【００３０】負帰還制御回路１８は、ＩＧＢＴ１９のエ
ミッタ電流の値を検出して、所定の値以上の主電流が流
れないようにＩＧＢＴ１９の動作を制御する機能を有し
ている。逆相入力端子に入力される電圧（ＩＧＢＴ１９
のエミッタに接続された抵抗の電圧であり、エミッタ電
流に比例する）が、正相入力端子に入力される所定の定
電圧よりも高くなった場合に、ＩＧＢＴ１９の駆動を停
止するための信号をＩＧＢＴ１９のベース電極に入力す
るものである。
【００３１】保護素子１４は、回路に印加される電圧が
所定の電圧以上に上昇しないように抑制することによ
り、回路を保護する機能を有している。
【００３２】波形整形回路３０は、半導体装置２に用い
られているｐ形シリコン基板の電位が、ＩＧＢＴ１９に
流れる主電流に起因して見かけ上上昇し、ＩＧＢＴ１９
のしきい値が見かけ上低下することに伴う誤動作を抑制
するために設けられている。図２は、波形整形回路３０
の第１の構成を示す回路図である。図２に示す波形整形
回路３０は、半導体装置２の端子６３から電位ＶINが入
力される第１の入力端子と、電源３６から所定の定電圧
が入力される第２の入力端子と、加熱遮断回路３１に電
位ＶOUTを出力する出力端子とを有するシュミット回路
３５によって構成されている。図２に示したシュミット
回路３５は、外部から供給される電源Ｖ +によって駆動
する。
【００３３】図３は、図２に示したシュミット回路３５
の入出力特性を示すグラフである。図３に示すように、
シュミット回路３５はヒステリシス特性を呈する回路で
ある。出力端子の電位ＶOUTがＶLの状態で第１の入力端
子に電圧値Ｖ２以上の電圧が入力されると、出力端子の
電位ＶOUTはＶH（＞ＶL）となる。一方、出力端子の電
位ＶOUTがＶHの状態では、第１の入力端子に電圧値Ｖ１
（＜Ｖ２）以下の電圧が入力されない限り、出力端子の
電位ＶOUTはＶLとはならない。これにより、Ｖ２−Ｖ１
で表されるヒステリシス電圧の分だけ、ＩＧＢＴ１９の
しきい値が見かけ上低下することに起因する上記誤動作
が抑制される。
【００３４】図４は、波形整形回路３０の第２の構成を
示す回路図である。図４に示す波形整形回路３０は、図
２に示したシュミット回路３５と同様に、端子６３から
電位ＶINが入力される第１の入力端子と、電源３６から
所定の定電圧が入力される第２の入力端子と、加熱遮断
回路３１に電位ＶOUTを出力する出力端子とを有するシ
ュミット回路３５によって構成されている。図２に示し
たシュミット回路３５とは異なり、図４に示すシュミッ
ト回路３５は、外部から供給される電源Ｖ+ではなく、
第１の入力端子に入力される電位ＶINを駆動電力として
動作する。
【００３５】図５は、図４に示したシュミット回路３５
の入出力特性を示すグラフである。図５に示すように、
図４に示したシュミット回路３５は、自身の電源電圧の
高低をヒステリシス特性を持って波形整形する。具体的
には、所定の値（電圧上昇過程ではＶ２、電圧降下過程
ではＶ１）未満の入力に対しては、与えられたその入力
信号を遮断し（ハイインピーダンス）、上記所定の値以
上の入力に対しては、与えられたその入力信号をそのま
ま伝達する。図４に示したシュミット回路３５による
と、駆動電力を供給するための電源端子を設ける必要が
ないため、図２に示したシュミット回路３５と比較する
と、回路構成の簡略化を図ることができる。
【００３６】図１を参照して、半導体装置３は、電力変
換装置１の端子７に接続されている外部の制御装置（図
示しない）から端子６０に入力される信号に基づいて、
ＩＧＢＴ１９を制御するための制御信号を生成し、該制
御信号を端子６２を介して半導体装置２の端子６３に入
力するものである。半導体装置３は、シュミット回路９
と、電源回路１０と、高電圧検出回路１１と、保護素子
１３と、論理ゲート１６と、ｐｎｐトランジスタ１７に
よって構成された出力回路とが、ｐ形シリコン基板を用
いた同一のチップ上に形成された構成を有している。ま
た、半導体装置３は、ＧＮＤレベルが与えられるＧＮＤ
端子６１を有している。
【００３７】ｐｎｐトランジスタ１７のエミッタ電極は
ノードＮＤ１に、ベース電極は論理ゲート１６の出力端
子に、コレクタ電極は半導体装置３の端子６２に、それ
ぞれ接続されている。但し、ｐｎｐトランジスタ１７か
ら成る出力回路の代わりに、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴに
よって出力回路を構成してもよい。図６は、出力回路の
他の構成例を示す回路図である。ｐチャネルＭＯＳＦＥ
Ｔ３７のソース電極はノードＮＤ１に、ゲート電極は論
理ゲート１６の出力端子に、ドレイン電極は半導体装置
３の端子６２に、それぞれ接続されている。
【００３８】再び図１を参照して、シュミット回路９
は、半導体装置３に用いられているｐ形シリコン基板の
電位が変動することに起因する誤動作を防止するために
設けられており、ヒステリシス特性を呈する波形整形機
能を有している。シュミット回路９は、正相及び逆相の
２つの入力端子を有しており、正相入力端子は、半導体
装置３の端子６０及び抵抗から成る所定の回路を介し
て、電力変換装置１の端子７（図示しない制御装置から
の制御入力端子）に接続されている。また、逆相入力端
子には、電源から所定の基準電位が入力されている。
【００３９】電源回路１０は、半導体装置３の内部に設
けられている各種回路を駆動するための電源を供給する
回路であり、図１３に示した従来の電力変換装置１０１
における電源回路１１０に相当する。また、高電圧検出
回路１１は、外部バッテリの電圧が異常に高くなった場
合に、破損を防止するためにＩＧＢＴ１９の駆動を強制
的に停止させる機能を有するものであり、図１３に示し
た従来の電力変換装置１０１における高電圧検出回路１
１１に相当する。
【００４０】保護素子１３は、回路に印加される電圧が
所定の電圧以上に上昇しないように抑制することによ
り、回路を保護する機能を有しており、図１３に示した
従来の電力変換装置１０１における保護素子１１３に相
当する。
【００４１】ＩＧＢＴ１９が駆動されると、イグニッシ
ョンコイル５の一次巻線側（電力変換装置装置１側）に
電流が流れ、これにより発生した一次巻線電圧は、イグ
ニッションコイル５の二次巻線側（点火プラグ４側）
に、巻数比倍されて伝達される。この電圧によって点火
プラグ４のギャップ間に火花が発生し、シリンダ（図示
しない）内の燃料が燃焼されて、エンジンとしての動力
が得られる。
【００４２】イグニッションコイル５の一次巻線側に電
流が流れている状態からＩＧＢＴ１９の駆動を停止して
電流を遮断すると、イグニッションコイル５に蓄えられ
たエネルギーによって、ＩＧＢＴ１９のコレクタ電圧を
正方向に引き上げる力（逆起電力）が発生する。このと
き、ツェナーダイオード２０の逆方向耐圧を超える電圧
が発生すると、ツェナーダイオード２０が駆動し、その
結果ＩＧＢＴ１９のベース電圧が上昇して、ＯＦＦ状態
にあるＩＧＢＴ１９が駆動される。これにより、コレク
タ電圧が一定状態に保たれる。
【００４３】このように本実施の形態１に係る電力変換
装置１によると、図１３に示した従来の半導体装置１０
３からタイマ回路１１５を省略するとともに、タイマ回
路１１５よりも簡易な構成の加熱遮断回路３１を、ＩＧ
ＢＴ１９が形成されている半導体装置２内に形成した。
従って、電力変換装置１全体として構成の簡略化を図る
ことができる。また、加熱遮断回路３１は、ＩＧＢＴ１
９からの発熱量を直接的に検出して、その検出結果に基
づいてＩＧＢＴ１９の駆動を停止する。従って、ＩＧＢ
Ｔ１１９の連続通電時間に応じてＩＧＢＴ１１９の駆動
を停止する従来のタイマ回路１１５と比較すると、発熱
に起因するＩＧＢＴ１９の故障を、より効果的に防止す
ることができる。
【００４４】また、図１に示したように、半導体装置３
のＧＮＤレベルを与えるＧＮＤ端子６１の電位は、図示
しない制御装置から基準電位が入力される電力変換装置
１の端子８の電位に等しい。従って、従来の半導体装置
１０３における差電圧比較回路１０９の代わりに、正相
入力端子に入力される電圧を、逆相入力端子に入力され
る定電圧と単純に比較するだけのシュミット回路９（差
電圧比較回路１０９よりも簡易な構成である）を用いる
ことができる。その結果、従来の電力変換装置１０１と
比較すると、電力変換装置全体として構成の簡略化を図
ることができる。しかも、シュミット回路９は端子６０
の電位のみを検出すれば足りるため、回路を構成する際
の素子の制約も少なくなり、所望の電気的特性を得るこ
とが容易になる。
【００４５】また、従来の半導体装置１０３におけるｎ
ｐｎトランジスタ１１７の代わりに、半導体装置３の出
力回路にｐｎｐトランジスタ１７又はｐチャネルＭＯＳ
ＦＥＴ３７を採用したことにより、以下の効果を得るこ
とができる。
【００４６】図７は、図１に示したｐｎｐトランジスタ
１７の構造を示す断面図である。ｐ形のシリコン基板８
０の上面上に、ｎ-形のエピタキシャル層８２が形成さ
れている。エピタキシャル層８２の上面内には、ｐ形の
エミッタ領域８７が選択的に形成されており、エミッタ
領域８７を取り囲んで、ｐ形のコレクタ領域８５が形成
されている。また、エピタキシャル層８２の上面内には
ｎ形のベース領域８６が選択的に形成されており、エミ
ッタ領域８７、コレクタ領域８５、及びベース領域８６
を取り囲んで、ｐ形の拡散層８３が形成されている。ま
た、エミッタ領域８７、コレクタ領域８５、及びベース
領域８６の下方において、エピタキシャル層８２の底面
内及びシリコン基板８０の上面内には、ｎ+形の埋込み
拡散層８４が形成されている。また、エピタキシャル層
８２の上面上にはシリコン酸化膜８８が選択的に形成さ
れており、シリコン基板８０の裏面には、金属層８１が
形成されている。
【００４７】ｐｎｐトランジスタ１７がＯＦＦ状態にあ
る場合において、コレクタ領域８５の電位よりもシリコ
ン基板８０及びエピタキシャル層８２の電位の方が過渡
的に高くなった場合であっても、ｐｎｐトランジスタ１
７の誤動作を抑制することができる。即ち、ｐ形のコレ
クタ領域８５とｎ-形のエピタキシャル層８２とによっ
て形成されるｐｎ接合は逆バイアスとなるため、ｐｎ接
合の逆方向耐圧を超えない範囲内では、ｐｎｐトランジ
スタ１７がＯＮ状態となることはない。
【００４８】実施の形態２．図８は、本発明の実施の形
態２に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図
８に示すように、本実施の形態２に係る電力変換装置
は、図１に示した上記実施の形態１に係る電力変換装置
を基礎として、半導体装置３内に電圧制限回路４０をさ
らに形成したものである。電圧制限回路４０の一端は端
子６１に接続されており、他端は、半導体装置３の端子
６９を介して、半導体装置２の端子６６に接続されてい
る。本実施の形態２に係る電力変換装置のその他の構成
は、上記実施の形態１に係る電力変換装置の構成と同様
である。
【００４９】電圧制限回路４０は、半導体装置３のＧＮ
Ｄレベルを与える端子６１と、半導体装置２のＧＮＤレ
ベルを与える端子６６との間に所定値以上の電位差が生
じた場合に、端子６１と端子６６との間を導通して、上
記電位差を抑制する機能を有している。
【００５０】図９，１０は、電圧制限回路４０の具体的
な構成をそれぞれ示す回路図である。図９に示した電圧
制限回路４０は、複数のダイオード４１を直列接続した
第１のダイオード列と、同様に複数のダイオード４１を
直列接続した第２のダイオード列とを、互いに逆方向に
並列接続して構成されている。但し、上記各ダイオード
列は、それぞれ１個のダイオード４１によって構成して
もよい。また、図１０に示した電圧制限回路４０は、２
個のツェナーダイオード４３，４４を逆方向に直列接続
して構成されている。但し、上記各ツェナーダイオード
４３，４４は、それぞれ複数のツェナーダイオードを直
列接続して構成してもよい。
【００５１】図１１は、図１０に示した電圧制限回路４
０の具体的な構造を示す上面図であり、図１２は、図１
１に示したラインＸ１−Ｘ１に沿った位置に関する断面
構造を示す断面図である。図１１，１２を参照して、ｐ
形のシリコン基板４７上には、ｎ-形のエピタキシャル
成長層４８が形成されている。エピタキシャル成長層４
８内には、いずれも不純物の導入によって、ｐ形の分離
拡散領域４９、ｐ形のベース拡散領域５０、及びｎ+形
のエミッタ拡散領域５１が、それぞれ選択的に形成され
ている。分離拡散領域４９は、エピタキシャル成長層４
８の上面からシリコン基板４７の上面に達して形成され
ている。ベース拡散領域５０は、エピタキシャル成長層
４８の上面から、シリコン基板４７の上面に達しない深
さに形成されている。また、ベース拡散領域５０は、分
離拡散領域４９が形成されていない部分のエピタキシャ
ル成長層４８の上部を含むように、かつ、分離拡散領域
４９と部分的に重なるように形成されている。エミッタ
拡散領域５１は、ベース拡散領域５０に取り囲まれるよ
うに、エピタキシャル成長層４８の上面から、ベース拡
散領域５０よりも浅く形成されている。エミッタ拡散領
域５１の一部は、ベース拡散領域５０と分離拡散領域４
９とが重なる領域内に存在している。
【００５２】エピタキシャル成長層４８の上面上には、
素子分離絶縁膜５４が形成されている。アノードＡ１，
Ａ２に対応する金属配線５５ａ，５６ａは、それぞれ分
離拡散領域４９に接続されており、カソードＫ１，Ｋ２
に対応する金属配線５５ｋ，５６ｋは、それぞれエミッ
タ拡散領域５１に接続されている。金属配線５５ａは端
子６１に接続されており、金属配線５６ａは端子６９に
接続されている。また、金属配線５５ｋ，５６ｋは、互
いに接続されている。
【００５３】ツェナーダイオード４３，４４の順方向電
圧をＶｆ（Ｖ）、逆方向電圧をＶｚ（Ｖ）としたとき
に、シリコン基板４７の基板電位をゼロ（Ｖ）として端
子６９に（Ｖｚ＋Ｖｆ）（Ｖ）を超える電圧、あるいは
−（Ｖｚ＋Ｖｆ）（Ｖ）未満の電圧が印加されると電流
が流れ、一方、−（Ｖｚ＋Ｖｆ）（Ｖ）以上（Ｖｚ＋Ｖ
ｆ）（Ｖ）以下の範囲内の電圧が印加されるとハイイン
ピーダンスとなる。
【００５４】また、エピタキシャル成長層４８内には、
素子間の絶縁性を確保するために、ｎ+形の埋め込み拡
散領域５２，５３が選択的に形成されている。埋め込み
拡散領域５２，５３は、ツェナーダイオード４４の分離
拡散領域４９を取り囲んで形成されている。
【００５５】また、エピタキシャル成長層４８の上面上
には、電極４６に接続された金属配線５７が形成されて
いる。エピタキシャル成長層４８の電位は、電極４６か
ら金属配線５７を介して与えられる電位によって、Ｖｚ
（Ｖ）以上の電位（ツェナーダイオード４４の逆方向電
圧以上の電位）に固定されている。
【００５６】図１２を参照すると、シリコン基板４７を
エミッタ、金属配線５７が形成されている部分のエピタ
キシャル成長層４８をベース、ツェナーダイオード４３
の分離拡散領域４９をコレクタとする寄生ｐｎｐトラン
ジスタが存在することが分かる。電極４６から金属配線
５７を介してエピタキシャル成長層４８の電位をＶｚ
（Ｖ）以上の電位に固定することによって、この寄生ｐ
ｎｐトランジスタが駆動することに伴う、シリコン基板
４７からツェナーダイオード４３の分離拡散領域４９へ
の電流の流入を防止することができる。
【００５７】このように本実施の形態２に係る電力変換
装置によると、半導体装置３のＧＮＤレベルを与える端
子６１と、半導体装置２のＧＮＤレベルを与える端子６
６との間には、両端子間に所定値以上の電位差が生じた
場合にその電位差を抑制するための電圧制限回路４０が
設けられている。従って、端子６１と端子６６との間に
異常に大きな電位差が生じることに起因して発生する誤
動作を抑制でき、より誤動作の少ない電力変換装置を得
ることができる。
【００５８】また、電圧制限回路４０は半導体装置３内
に形成されているため、電圧制限回路４０を半導体装置
３とは独立の部品として形成する場合と比較すると、部
品点数を削減することができる。
【００５９】
【発明の効果】この発明のうち請求項１に係るものによ
れば、遮断回路は、電力変換素子からの発熱を直接的に
検出して、その検出結果に基づいて電力変換素子の駆動
を停止する。従って、電力変換素子の連続通電時間に応
じて電力変換素子の駆動を停止するタイマ回路を用いた
タイプの電力変換装置と比較すると、発熱に起因する電
力変換素子の故障を、より効果的に防止することができ
る。
【００６０】しかも、遮断回路はタイマ回路よりも簡易
に構成できるため、電力変換装置全体として構成の簡略
化を図ることもできる。
【００６１】また、この発明のうち請求項２に係るもの
によれば、外部から駆動電力を供給するための電源端子
を波形整形回路に設ける必要がないため、外部から供給
される電源によって駆動するタイプの波形整形回路と比
較すると、回路構成の簡略化を図ることができる。
【００６２】また、この発明のうち請求項３に係るもの
によれば、ｐｎｐトランジスタ又はｐチャネルＭＯＳＦ
ＥＴがＯＦＦ状態にある場合において、第２の半導体基
板の電位が過渡的に高電位になったとしても、ｐｎｐト
ランジスタ又はｐチャネルＭＯＳＦＥＴが誤って動作す
ることを抑制することができる。
【００６３】また、この発明のうち請求項４に係るもの
によれば、正相入力端子に入力される電圧と逆相入力端
子に入力される定電圧とを単純に比較するだけのシュミ
ット回路を第２の半導体基板上に形成することにより、
電力変換素子の主電流に起因して第２の半導体基板の電
位が変動することに伴う誤動作を抑制することができ
る。
【００６４】また、この発明のうち請求項５に係るもの
によれば、第１の半導体装置のＧＮＤレベルと、第２の
半導体装置のＧＮＤレベルとの間に異常に大きな電位差
が生じることに起因して発生する誤動作を抑制でき、よ
り誤動作の少ない電力変換装置を得ることができる。
【００６５】また、この発明のうち請求項６に係るもの
によれば、電圧制限回路を第２の半導体装置とは独立の
部品として形成する場合と比較すると、部品点数を削減
することができる。
【００６６】また、この発明のうち請求項７に係るもの
によれば、正相入力端子に入力される電圧と逆相入力端
子に入力される定電圧とを単純に比較するだけのシュミ
ット回路を第２の半導体基板上に形成することにより、
電力変換素子の主電流に起因して第２の半導体基板の電
位が変動することに伴う誤動作を抑制することができ
る。
【００６７】また、この発明のうち請求項８に係るもの
によれば、第１の半導体装置のＧＮＤレベルと、第２の
半導体装置のＧＮＤレベルとの間に異常に大きな電位差
が生じることに起因して発生する誤動作を抑制でき、よ
り誤動作の少ない電力変換装置を得ることができる。
【００６８】また、この発明のうち請求項９に係るもの
によれば、電圧制限回路を第２の半導体装置とは独立の
部品として形成する場合と比較すると、部品点数を削減
することができる。
【００６９】また、この発明のうち請求項１０に係るも
のによれば、遮断回路は、電力変換素子からの発熱を直
接的に検出して、その検出結果に基づいて電力変換素子
の駆動を停止する。従って、発熱に起因する電力変換素
子の故障を、より効果的に防止することができる。
【００７０】また、この発明のうち請求項１１に係るも
のによれば、外部から駆動電力を供給するための電源端
子を波形整形回路に設ける必要がないため、外部から供
給される電源によって駆動するタイプの波形整形回路と
比較すると、回路構成の簡略化を図ることができる。
【００７１】また、この発明のうち請求項１２に係るも
のによれば、配線によって半導体層の電位を第１のツェ
ナーダイオードの逆方向電圧以上の電位に固定すること
により、半導体基板をエミッタ、半導体層をベース、第
３の不純物導入領域をコレクタとする寄生トランジスタ
が駆動することを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の
構成を示す回路図である。
【図２】 図１に示した波形整形回路の第１の構成を示
す回路図である。
【図３】 図２に示したシュミット回路の入出力特性を
示すグラフである。
【図４】 図１に示した波形整形回路の第２の構成を示
す回路図である。
【図５】 図４に示したシュミット回路の入出力特性を
示すグラフである。
【図６】 出力回路の他の構成例を示す回路図である。
【図７】 図１に示したｐｎｐトランジスタの構造を示
す断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の
構成を示す回路図である。
【図９】 電圧制限回路の具体的な構成を示す回路図で
ある。
【図１０】 電圧制限回路の具体的な他の構成を示す回
路図である。
【図１１】 図１０に示した電圧制限回路の具体的な構
造を示す上面図である。
【図１２】 図１１に示したラインＸ１−Ｘ１に沿った
位置に関する断面構造を示す断面図である。
【図１３】 従来の電力変換装置の構成を示す回路図で
ある。
【符号の説明】
１ 電力変換装置、２，３ 半導体装置、９，３５ シ
ュミット回路、１７ｐｎｐトランジスタ、１８ 負帰還
制御回路、１９ ＩＧＢＴ、３０ 波形整形回路、３
１、３７ ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ、４０ 電圧制限回
路、６１，６６ＧＮＤ端子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０３Ｋ 17/08 Ｈ０３Ｋ 17/08 Ｚ 17/14 17/14 17/56 17/56 Ｚ Ｆターム(参考） 5G053 AA14 BA06 CA01 DA01 EA09 EC03 FA05 5H410 CC02 DD02 DD06 EA10 EB01 EB37 FF05 FF14 FF21 FF23 LL02 LL06 LL09 LL19 5H740 BA11 BB07 BB10 BC01 BC02 JA01 MM08 5J055 AX15 AX32 AX44 AX64 BX16 CX13 CX28 DX06 DX09 DX55 EY01 EY13 EY17 EY21 EZ10 EZ11 EZ25 FX06 FX38 GX01

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の半導体基板、 前記第１の半導体基板上に形成された電力変換素子及
    び、前記第１の半導体基板上に形成され、前記電力変換
    素子が形成されている部分の前記第１の半導体基板の温
    度を検出して、該温度が所定の温度以上に達した場合
    に、前記電力変換素子の駆動を停止する遮断回路を有す
    る第１の半導体装置と、 前記第１の半導体基板とは異なる第２の半導体基板上に
    形成され、外部の制御装置から入力される信号に基づい
    て、前記電力変換素子の駆動を制御するための制御信号
    を生成し、該制御信号を前記第１の半導体装置に入力す
    る第２の半導体装置とを備える電力変換装置。
  2. 【請求項２】 前記第１の半導体装置は、前記第１の半
    導体基板上に形成された、ヒステリシス特性を呈する波
    形整形回路をさらに有しており、 前記波形整形回路は、自身の入力端子に入力される電位
    を駆動電力として動作することを特徴とする、請求項１
    に記載の電力変換装置。
  3. 【請求項３】 前記第２の半導体装置は、前記第２の半
    導体基板上に形成された、前記制御信号を出力する出力
    回路を有しており、 前記出力回路は、ｎ形の半導体層内に形成された、ｐｎ
    ｐトランジスタ又はｐチャネルＭＯＳＦＥＴによって構
    成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載
    の電力変換装置。
  4. 【請求項４】 前記第１の半導体装置と前記第２の半導
    体装置とは、ＧＮＤレベルが与えられるＧＮＤ端子を個
    別に有していることを特徴とする、請求項１〜３のいず
    れか一つに記載の電力変換装置。
  5. 【請求項５】 前記第１の半導体装置の前記ＧＮＤレベ
    ルと、前記第２の半導体装置の前記ＧＮＤレベルとの間
    の電位差を所定値以内に制限する電圧制限回路をさらに
    備える、請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 【請求項６】 前記電圧制限回路は、前記第２の半導体
    基板上に形成されていることを特徴とする、請求項５に
    記載の電力変換装置。
  7. 【請求項７】 第１の半導体基板上に形成された電力変
    換素子を有する第１の半導体装置と、 前記第１の半導体基板とは異なる第２の半導体基板上に
    形成され、外部の制御装置から入力される信号に基づい
    て、前記電力変換素子の駆動を制御するための制御信号
    を生成し、該制御信号を前記第１の半導体装置に入力す
    る第２の半導体装置とを備え、 前記第１の半導体装置と前記第２の半導体装置とは、Ｇ
    ＮＤレベルが与えられるＧＮＤ端子を個別に有している
    ことを特徴とする電力変換装置。
  8. 【請求項８】 前記第１の半導体装置の前記ＧＮＤレベ
    ルと、前記第２の半導体装置の前記ＧＮＤレベルとの間
    の電位差を所定値以内に制限する電圧制限回路をさらに
    備える、請求項７に記載の電力変換装置。
  9. 【請求項９】 前記電圧制限回路は、前記第２の半導体
    基板上に形成されていることを特徴とする、請求項８に
    記載の電力変換装置。
  10. 【請求項１０】 半導体基板と、 前記半導体基板上に形成された電力変換素子と、 前記半導体基板上に形成され、前記電力変換素子が形成
    されている部分の前記半導体基板の温度を検出して、該
    温度が所定の温度以上に達した場合に、前記電力変換素
    子の駆動を停止する遮断回路とを備える半導体装置。
  11. 【請求項１１】 前記半導体装置は、前記半導体基板上
    に形成された、ヒステリシス特性を呈する波形整形回路
    をさらに備え、 前記波形整形回路は、自身の入力端子に入力される電位
    を駆動電力として動作することを特徴とする、請求項１
    ０に記載の半導体装置。
  12. 【請求項１２】 第１導電型の半導体基板と、 前記半導体基板上に形成された、前記第１導電型とは異
    なる第２導電型の半導体層と、 前記半導体層内に形成された前記第１導電型の第１の不
    純物導入領域を一方電極とし、前記半導体層内に形成さ
    れた前記第２導電型の第２の不純物導入領域を他方電極
    とする第１のツェナーダイオードと、 前記半導体層内に形成された前記第１導電型の第３の不
    純物導入領域を一方電極とし、前記半導体層内に形成さ
    れ、前記第１のツェナーダイオードの前記他方電極に接
    続された、前記第２導電型の第４の不純物導入領域を他
    方電極とする第２のツェナーダイオードと、 前記半導体層の前記主面上に形成され、前記半導体層の
    電位を固定するための配線とを備える半導体装置。
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