JP2012019550A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】メイン用のダイオード素子22aに流れる電流を電流検出用のダイオードセンス素子22bおよびセンス抵抗30にて検出する。他方、フィードバック回路部40にてセンス抵抗30の両端の電位差Vsがモニタされると共に、当該電位差Vsに基づいてダイオード素子22aに電流が流れているか否かが判定される。そして、ダイオード素子22aに電流が流れていると判定された場合、フィードバック回路部40からIGBT素子21aの駆動を停止させる停止信号がAND回路10に入力され、AND回路10にてIGBT素子21aの駆動が停止される。
【選択図】図1
Description
(補正後の請求項1+α;太字は記載不備回避のための追加部分)
請求項4に記載の発明では、ダイオード内蔵IGBT素子(20)は、IGBT素子(21a)に流れる電流に比例した電流が流れるIGBTセンス素子(21b)を備え、ダイオード素子(22a)と同一の構造であると共にダイオード素子(22a)に流れる電流に比例した電流が流れるダイオードセンス素子(22b)と、IGBT素子(21a)と同一の構造であると共にIGBT素子(21a)に流れる電流に比例した電流が流れるIGBTセンス素子(21b)と、が1つの電流センス素子(61)として構成されており、フィードバック手段(10、40)は、外部から入力した駆動信号を通過させてIGBT素子(21a)のゲートに入力するものであって、ダイオード素子(22a)に電流が流れていることを示す第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)を有しており、センス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)を入力してこの電位差(Vs)と第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)とを比較し、電位差(Vs)が第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きいとき、駆動信号の通過を許可してIGBT素子(21a)をオンする一方、電位差(Vs)が第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも小さいとき、駆動信号の通過を停止してIGBT素子(21a)をオフするようになっており、IGBTセンス素子(21b)はセンス抵抗(30)に接続されており、フィードバック手段(10、40)は、IGBT素子(21a)に過剰電流が流れていることを示す過電流検知閾値(Vth2)を有しており、電位差(Vs)と過電流検知閾値(Vth2)とを比較し、電位差(Vs)が過電流検知閾値(Vth2)よりも小さいとき、駆動信号の通過を許可してIGBT素子(21a)をオンする一方、電位差(Vs)が過電流検知閾値(Vth2)よりも大きいとき、駆動信号の通過を停止してIGBT素子(21a)をオフするようになっていることを特徴とする。
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。本実施形態で示される半導体装置は、例えば、EHV用インバータモジュールに使われるパワースイッチング素子(以下、ダイオード内蔵IGBT素子という)として用いられる。
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、半導体装置の温度検出を行い、当該温度検出に従ってダイオード電流検知閾値Vth1を変更することが特徴となっている。
本実施形態では、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。第2実施形態では、各構成要素を別々の部品として構成していたが、本実施形態では、第2実施形態で示された各構成要素を1つのチップに作り込んだことを特徴としている。
本実施形態では、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図6(a)は、本実施形態に係る半導体チップ60の全体模式図である。また、図6(b)は図6(a)に示される半導体チップ60の裏面構造を示した図である。なお、図6(a)に示される半導体チップ60には、第3実施形態と同様に、図5(b)の回路図に示される半導体装置が備えられている。
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図7は、本実施形態に係る半導体装置の回路図である。この図に示されるように、図1に示される回路に対し、第1フィードバック回路41と第2フィードバック回路42とが設けられた回路構成になっている。
本実施形態では、第5実施形態と異なる部分についてのみ説明する。第5実施形態では、IGBT素子21aのオン/オフを判定すべく、AND回路10の出力(ゲート電位Vg)を第1フィードバック回路41に入力していたが、本実施形態ではもともとヒステリシス特性を持つ回路を用いることで、ゲート電位Vgを検知することなく第5実施形態で示された半導体装置と同じ作動を行うことが特徴となっている。
本実施形態では、第5、第6実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、IGBTセンス素子21b専用のセンス抵抗を設け、ダイオードセンス素子22b専用のセンス抵抗を設けたことが特徴となっている。
本実施形態では、第5〜第7実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、図12に示される半導体装置に図3で示された感温ダイオード50を備えたものを半導体チップ60にまとめたものについて説明する。
本実施形態では、第5実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、図7に示される半導体装置において、IGBT素子21aのゲート駆動、停止の判定閾値を、ゲート干渉を考慮して設定することにより、IGBT素子21aの発振などの誤動作を防止することが特徴となっている。
本実施形態では、第9実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、第9実施形態で示された図7の半導体装置に図5に示された感温ダイオード素子50が備えられている。これにより、ダイオード内蔵DMOS素子20が作動することにより発生する熱の温度に応じた順方向電圧Vmが第1フィードバック回路41に入力されるようになっている。
本実施形態では、第9、第10実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図16は、本実施形態に係るダイオード内蔵IGBT素子20の断面構造を示した図である。
本実施形態では、第11実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図17は、本実施形態に係るダイオード内蔵IGBT素子20の断面構造を示した図である。
本実施形態では、第11、第12実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図18は、本実施形態に係るダイオード内蔵IGBT素子20の断面構造を示した図である。この図に示されるように、半導体基板においてIGBT素子21aのコレクタとなるP+型領域96の反対側に設けられたP型ウェル92のうち、トレンチゲート構造94で囲まれフロート電位とされたP型ウェル92の幅はそれぞれW1になっている。
本実施形態では、第13実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図19は、本実施形態に係るダイオード内蔵IGBT素子20の断面構造を示した図である。この図に示されるように、IGBT素子21aのコレクタとなるP+型領域96に対応したP型ウェル92のうち、トレンチゲート構造94で囲まれたP型ウェル92の幅はすべてW1になっている。
上記各実施形態では、IGBT部21をPWM制御する場合について説明したが、これは制御の一例を示したものであり、例えばIGBT素子21aをフルオン駆動しても良い。
20 ダイオード内蔵IGBT素子
21 IGBT部
21a IGBT素子
21b IGBTセンス素子
22 ダイオード部
22a ダイオード素子
22b ダイオードセンス素子
30 センス抵抗
40 フィードバック回路部
50 感温ダイオード素子
62 ゲートパッド
63 ガードリング
Claims (6)
- ゲートに入力される駆動信号によって駆動されるIGBT素子(21a)と、ダイオード素子(22a)と前記ダイオード素子(22a)に流れる電流に比例した電流が流れるダイオードセンス素子(22b)とを有するダイオード部(22)とを備え、前記IGBT素子(21a)と前記ダイオード部(22)とが同一の半導体基板に設けられてなるダイオード内蔵IGBT素子(20)と、
前記ダイオードセンス素子(22b)に接続されるセンス抵抗(30)と、
外部から入力した前記駆動信号を通過させて前記IGBT素子(21a)のゲートに入力するものであって、前記ダイオード素子(22a)に流れる電流を検出し、前記ダイオード素子(22a)に電流が流れていない場合、外部から入力される前記駆動信号の通過を許可する一方、前記ダイオード素子(22a)に電流が流れている場合、前記駆動信号の通過を停止するフィードバック手段(10、40)とを備え、
前記ダイオード内蔵IGBT素子(20)は、
第1導電型の層(91)を含む半導体基板と、
前記半導体基板の表面側に形成された第2導電型ウェル(92)と、
前記第2導電型ウェル(92)の表層部に形成された第1導電型エミッタ領域(93)と、
前記第1導電型エミッタ領域(93)および前記第2導電型ウェル(92)を貫通して前記第1導電型の層(91)に達すると共に前記第2導電型ウェル(92)の一部を囲むように形成されたトレンチと、前記トレンチの壁面に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とにより構成された複数のトレンチゲート構造(94)と、
前記半導体基板の裏面側に該裏面の面方向に交互に繰り返し形成された第1導電型領域(95)および第2導電型領域(96)とを備えて構成されており、
前記半導体基板において前記第1導電型領域(95)に対応した部位が前記ダイオード素子(22a)として動作し、前記半導体基板において前記第2導電型領域(96)に対応した部位が前記IGBT素子(21a)として動作するようになっており、
前記半導体基板において前記第1導電型領域(95)の反対側に設けられた前記第2導電型ウェル(92)のうち、前記トレンチゲート構造(94)によって囲まれた領域が前記IGBT素子(21a)のエミッタに電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1導電型領域(95)に対応した前記第2導電型ウェル(92)のうち前記第1導電型領域(95)と前記第2導電型領域(96)との境界からもっとも離れた中央部(97)には前記第2導電型ウェル(92)のみが形成され、前記トレンチゲート構造(94)は前記境界と前記中央部(97)との間に設けら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。
- 前記ダイオード内蔵IGBT素子(20)は、前記IGBT素子(21a)に流れる電流に比例した電流が流れるIGBTセンス素子(21b)を備え、
前記IGBTセンス素子(21b)は前記センス抵抗(30)に接続されており、
前記フィードバック手段(10、40)は、前記IGBT素子(21a)に過剰電流が流れていることを示す過電流検知閾値(Vth2)を有しており、前記電位差(Vs)と前記過電流検知閾値(Vth2)とを比較し、前記電位差(Vs)が前記過電流検知閾値(Vth2)よりも小さいとき、前記駆動信号の通過を許可して前記IGBT素子(21a)をオンする一方、前記電位差(Vs)が前記過電流検知閾値(Vth2)よりも大きいとき、前記駆動信号の通過を停止して前記IGBT素子(21a)をオフするようになっていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 - 前記ダイオード内蔵IGBT素子(20)は、前記IGBT素子(21a)に流れる電流に比例した電流が流れるIGBTセンス素子(21b)を備え、
前記ダイオード素子(22a)と同一の構造であると共に前記ダイオード素子(22a)に流れる電流に比例した電流が流れるダイオードセンス素子(22b)と、前記IGBT素子(21a)と同一の構造であると共に前記IGBT素子(21a)に流れる電流に比例した電流が流れるIGBTセンス素子(21b)と、が1つの電流センス素子(61)として構成されており、
前記フィードバック手段(10、40)は、外部から入力した前記駆動信号を通過させて前記IGBT素子(21a)のゲートに入力するものであって、前記ダイオード素子(22a)に電流が流れていることを示す第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)を有しており、前記センス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)を入力してこの電位差(Vs)と前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)とを比較し、前記電位差(Vs)が前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きいとき、前記駆動信号の通過を許可して前記IGBT素子(21a)をオンする一方、前記電位差(Vs)が前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも小さいとき、前記駆動信号の通過を停止して前記IGBT素子(21a)をオフするようになっており、
前記IGBTセンス素子(21b)は前記センス抵抗(30)に接続されており、
前記フィードバック手段(10、40)は、前記IGBT素子(21a)に過剰電流が流れていることを示す過電流検知閾値(Vth2)を有しており、前記電位差(Vs)と前記過電流検知閾値(Vth2)とを比較し、前記電位差(Vs)が前記過電流検知閾値(Vth2)よりも小さいとき、前記駆動信号の通過を許可して前記IGBT素子(21a)をオンする一方、前記電位差(Vs)が前記過電流検知閾値(Vth2)よりも大きいとき、前記駆動信号の通過を停止して前記IGBT素子(21a)をオフするようになっていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の半導体装置。 - 前記ダイオード内蔵IGBT素子(20)が作動することにより発生する熱の温度に応じた順方向電圧(Vm)を出力する感温ダイオード素子(50)を備えており、
前記フィードバック手段(10、40)は、前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)と、前記第1ダイオード電流検知閾値(Vth1)よりも大きい第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’)とを有しており、前記感温ダイオード素子(50)から入力した前記順方向電圧(Vm)が前記ダイオード内蔵IGBT素子(20)の高温状態を示す温度閾値を超えるとき、前記センス抵抗(30)の両端の電位差(Vs)と前記第2ダイオード電流検知閾値(Vth1’)とを比較するようになっていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の半導体装置。 - 前記ダイオード内蔵IGBT素子(20)が作動することにより発生する熱の温度に応じた順方向電圧(Vm)を出力する感温ダイオード素子(50)を備えており、
前記フィードバック手段(10、40)は、前記ダイオード内蔵IGBT素子(20)の高温状態を示す温度閾値を有し、前記感温ダイオード素子(50)から入力した前記順方向電圧(Vm)が前記温度閾値を超えないときには、前記電位差(Vs)に関わらず前記駆動信号の通過を許可して前記駆動信号に従って前記IGBT素子(21a)を駆動し、前記順方向電圧(Vm)が前記温度閾値を超えるときには、前記電位差(Vs)を用いたフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の半導体装置。
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