JP4770119B2 - Ｍｏｓ型半導体装置およびそれを備えた点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＯＳ型のパワー素子からなるメインセルと共に電流検出セル（以下、センスセルという）が備えられたスイッチ回路およびそれを用いた点火装置に関するものである。

従来、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子からなるメインセルに流れる電流量を検出するために、電流検出素子からなるセンスセルをメインセルと共に形成した半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この半導体装置では、複数のトランジスタセルを有するパワー素子の一部のトランジスタセルの陰極を独立させ、電流検出端子として用いることでセンスセルを形成している。

この構造では、電流はメインセルの陰極と電流検出セルにおける電流検出端子に分流され、その電流比は、各々の電極に接続されたトランジスタセルの面積比で決定されたものとなる。このため、大きな許容電力を有するシャント抵抗を用いなくても、電流検出端子に流れる微小電流（以下、センス電流という）をモニタすることで、メインセルに流れる大電流（以下、メイン電流という）の値を推定することができる。
特開平５−３１５８５２号公報

本発明者らは、上記のように、メインセルとセンスセルとを備えた半導体装置において、センスセル側のエミッタ端子に電流検出用抵抗を備え、この電流検出用抵抗に流れる電流値に基づいてセンスセルに流れる微小電流をモニタする構成を考え出した。この半導体装置の等価回路を図６に示す。

この図に示される半導体装置では、メインセルおよびセンスセルのパワー素子としてＩＧＢＴが備えられている。この半導体装置におけるメインセルおよびセンスセルにおける各ＩＧＢＴのゲートに所望のゲート電圧ＶＧを印加することで、各ＩＧＢＴをオンさせ、これら各ＩＧＢＴのコレクタに接続される負荷への電流供給を行うようになっている。

そして、センスセルのエミッタに接続した電流検出用抵抗の両端電圧を図示しない制御回路にフィードバックすることで、メインセル側のＩＧＢＴに流れる電流（以下、メイン電流という）を検出し、メイン電流を所望の値に一定に制御すべく、センス電流が期待する値と異なっている場合には、制御回路側でゲート電圧を調整している。例えば、センス電流が期待する値よりも大きかった場合には、制御回路側でゲート電圧を小さくすることで、センス電流を低下させ、それに応じてメイン電流を低下させることで、メイン電流が所望の値となるようにされる。

このような制御形態としたところ、発振現象が生じることが確認された。この発振現象とは、センス電流が期待する値よりも大きかったからゲート電圧を低下させたところ、ＩＧＢＴがオフされてしまい、再度、ゲート電圧を印加してＩＧＢＴをオンさせたが、またセンス電流が期待する値よりも大きくなってしまって、さらに同じ動作を繰り返さなければならなくなる現象をいう。

このような現象の発生原因を解明すべく、本発明者らは以下のようにセンス電流についての検討を行った。

メインセルとセンスセルが同じ構成のＩＧＢＴである場合、全く同じ動作を行うのであれば、メインセルとセンスセルの面積比通りにセンス電流が流れることになる。

しかしながら、センスセルのＩＧＢＴのエミッタに電流検出用抵抗を入れていることから、この電流検出用抵抗での電圧ドロップ分となるΔＶだけ高くなる。このΔＶは、センス電流の電流値をＩｓ、電流検出用抵抗の抵抗値をＲとすると、ΔＶ＝Ｉｓ×Ｒとなる。

つまり、センスセル側のＩＧＢＴは、メインセル側のＩＧＢＴに対して、ΔＶ（＝Ｉｓ×Ｒ）だけエミッタ電圧が高い状態で動作している。このような状況がセンス電流に及ぼす影響が、ゲート電圧ＶＧの大きさに応じて変化してしまうため、センス電流がゲート電圧特性を持ってしまうと考えられる。

このため、本発明者らは、何故、センス電流がゲート電圧特性を持ってしまうのかについて鋭意検討を行ったところ、以下のような結論が得られた。これについて、ＶＧ−Ｉｓ特性に加え、ＩＧＢＴの基本電気特性であるＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性、ＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性を用いて説明する。

まず、ゲート電圧ＶＧが十分に高い時と低い時とで、センス電流密度がΔＶによりどのように変化するかについて考察を行った。これについて、図７〜図８を参照して説明する。

図７は、ゲート電圧ＶＧに対するセンス電流Ｉｓの特性を示す図（ＶＧ−Ｉｓ特性図）、図８（ａ）は、ＩＧＢＴにおけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥに対するコレクタ−エミッタ間電流ＩＣＥの電流密度の特性を示した図（ＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性図）、図８（ｂ）は、ＩＧＢＴにおけるゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥに対するコレクタ−エミッタ間電流ＩＣＥの電流密度の特性を示した図（ＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性図）である。

なお、各特性図は、メインセルにおけるＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電流ＩＣＥは一定、センスセルにおけるＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥｓ、ゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥｓは、メインセルのＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥｍ、ゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥｍに対してΔＶ低い電圧で動作しているということを前提条件としている。

＜ゲート電圧ＶＧが十分高い時＞
ゲート電圧ＶＧが十分に高い場合には、ＩＧＢＴが飽和領域で動作する。このときには、図７に示すセンス電流特性から分かるように、センス電流の変化が、一定となっている。その為、ゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥが少し変化してもセンス電流はほとんど影響しないことが判る。

一方、図８（ａ）の特性図におけるＶＧ＝１０Ｖのときの特性値より、メインセルのＩＧＢＴのＶＣＥｍに対して、センスセルのＩＧＢＴのＶＣＥｓはΔＶだけ低い電圧で動作している。すなわち、飽和領域で動作している場合のＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥがメインセルのＩＧＢＴのＶＣＥｍであると考えると、メインセルのＩＧＢＴの電流密度に対して、センスセルのＩＧＢＴの電流密度の方が低くなる。

つまり、ゲート電圧ＶＧが高い時は、ＶＣＥ−ＩＣＥの特性値の傾きとΔＶにより、センス素子の動作が決まる。なお、センスセルのＩＧＢＴは、エミッタの電位がメインセルのＩＧＢＴのエミッタの電位よりもΔＶだけ高くなっていることから、実際には、ＶＧ＝１０−ΔＶのときのＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性を図８（ａ）中に示して動作点を示すのが正しいが、ゲート電圧ＶＧが十分に高いときにはΔＶの低下によるＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性の変動は非常に小さなものであるため、ここでは近似的にＶＧ＝１０Ｖのときの特性値を用いてセンスセルのＩＧＢＴの電流密度を示している。

＜ゲート電圧ＶＧが低い時＞
ゲート電圧ＶＧが低くなると、例えば、ゲート電圧ＶＧが３．５Ｖ程度まで低下した場合、ＩＧＢＴは非飽和領域で動作することになる。このときには、図７に示すセンス電流特性から分かるように、センス電流が高くなっていっている。このため、ゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥが変化すると、メイン電流が一定であるにも関わらずセンス電流が変化してしまうのである。

このようにゲート電圧ＶＧが低い状態では、メインセルにおけるＩＧＢＴに関しては、ゲート電圧ＶＧがそのままゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥとなることから、メインセルの電流密度は、ゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥが３．５Ｖのところになる。そして、図８（ａ）に示したＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性におけるＶＧ＝３．５Ｖ特性値を見てみると、ほぼ、ＶＧ＝１０Ｖのときの電流密度と変わっていないことが判る。

したがって、メインセルのＩＧＢＴに関しては、図８（ａ）におけるＶＣＥ＝３．５Ｖのときの電流密度に対応する、図８（ｂ）のＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性中の電流密度の位置が、ＶＧが十分に高いときにおける動作点に対応する位置とほぼ一致することになる。このため、メインセルに関してはゲート電圧ＶＧが変動、つまりコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥが変動しても、それによるコレクタ−エミッタ間電流ＩＣＥ（メイン電流）の変動が小さいと判る。

一方、センスセルにおけるＩＧＢＴに関しては、ゲート電圧ＶＧが印加されるもののΔＶの影響により、ゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥはＶＧ−ΔＶとなり、例えば、３．２Ｖ程度となる。このため、図８（ａ）に示したＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性におけるＶＧ＝３．２Ｖ程度の特性値において、ＶＣＥ＝３．２Ｖとなる位置がセンスセルにおけるＩＧＢＴの電流密度となる。

したがって、センスセルのＩＧＢＴに関しては、図８（ａ）におけるＶＣＥ＝３．２Ｖのときの電流密度に対応する、図８（ｂ）のＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性中の動作点の位置が、ＶＧが十分に高いときにおける動作点に対応する位置よりも高い位置となる。

つまり、ゲート電圧ＶＧが低い時は、ＶＧＥ−ＩＣＥの特性値の傾きとΔＶにより、センス素子の電流密度が決まる。

このため、ゲート電圧ＶＧが十分高いときと比べ、ゲート電圧ＶＧが低くなると、センス電流の電流密度が高くなり、メイン電流が一定であるにも関わらず、センス電流が大きくなると考えられる。

このような検討のように、ゲート電圧ＶＧが低くなるとセンス電流が高くなってしまう。このため、ゲート電圧ＶＧの低下に伴ってセンス電流が高くなったときに、メイン電流が高くなってしまったと制御回路が誤検出してしまい、制御回路側でゲート電圧ＶＧを更に低下させる制御を行ったために、上記のような発振現象が発生したと考えられる。

そして、センス電流がゲート電圧特性を持ったものとなることから、真にメイン電流の大きさと比例した値とならなくなり、センス電流に基づいて正確なメイン電流の値を検出することができず、メイン電流の検出するに当り高い検出精度が得られなくなってしまう。

本発明は上記点に鑑みて、発振現象を防止できるＭＯＳ型半導体装置およびそれを用いた点火装置を提供することを目的とする。また、メイン電流の検出精度を高くできるＭＯＳ型半導体装置およびそれを用いた点火装置を提供することを他の目的とする。

本発明者らは、上記検討に基づき、センス電流がゲート電圧特性を持つ理由が、ＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性の傾きと、ＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性の傾きとに差があるためであると結論付け、これらの差を無くす、もしくは小さくすれば、センス電流のゲート電圧特性を抑制できると考えた。

そこで、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板（２１）に、ゲート電圧を印加することによってエミッタ−コレクタ間電流を流すように構成されるＭＯＳ型のパワー素子からなるメインセルを備えていると共に、パワー素子と同じＭＯＳ型の素子からなるセンスセルとを形成しており、さらに、センスセルにおけるエミッタ−コレクタ間に流れるセンス電流を流す電流検出用抵抗（６）が備えられた半導体装置であって、メインセルおよびセンスセルは、半導体基板（２１）に形成された第１導電型のドリフト層（２２）と、ドリフト層内において複数個所定の方向に伸びるように設けられた第２導電型のボディ層（２３）と、ボディ層内においてボディ層それぞれに複数個離間するように形成された第１導電型のエミッタ層（２４）とを備えて構成されており、メインセルとセンスセルとでは、ボディ層の長手方向におけるエミッタ層の長さが異なり、ボディ層の長手方向における該ボディ層の長さに対するエミッタ層の長さの割合が、メインセルの方がセンサセルよりも大きく設定され、パワー素子のコレクタ−エミッタ間電流一定時の、ゲート−エミッタ間の電圧とセンス素子のコレクタ−エミッタ間電流の電気特性に関して、パワー素子のゲート−エミッタ間電圧の最大値として予め決められている定格最大電圧時のセンス電流に対して、ゲート−エミッタ間電圧を変動させた時のセンス電流の変化が、±５％以内であることを特徴としている。

このようにすれば、パワー素子のコレクターエミッタ間電流一定時の、ゲート−エミッタ間の電圧ＶＧＥとセンスセルのコレクターエミッタ間電流の電気特性に関して、パワー素子のゲート−エミッタ間電圧の最大値として予め決められている定格最大電圧時のセンス電流に対して、ゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥを変動させた時のセンス電流の変化が小さくなり、センス電流のゲート電圧特性を抑制できる。これにより、発振現象を防止できると共に、メイン電流の検出精度を高くすることが可能となる。

また、請求項３に示されるように、メインセルにおけるパワー素子とセンスセルにおける素子とで、エミッタ層のピッチを異ならせるようにしても良い。
このような構造とすることで、請求項４に記載したように、パワー素子のコレクタ−エミッタ間電流一定時の、ゲート−エミッタ間の電圧とセンス素子のコレクターエミッタ間電流の電気特性に関して、パワー素子のゲート−エミッタ間電圧の最大値として予め決められている定格最大電圧時のセンス電流に対して、ゲート−エミッタ間電圧を変動させた時のセンス電流の変化が、±５％以内となるようにすると好ましい。

請求項２に記載の発明では、ゲート電圧が低下した場合に、センス電流が小さくなるようにしている。したがって、センス電流が期待する値に収束しやすくなる。これにより、より発振現象を防止することが可能となる。

請求項３に記載の発明では、パワー素子のゲート−エミッタ間電圧の最大値として予め決められている定格最大電圧時のコレクタ−エミッタ間電圧に対するコレクタ−エミッタ間電流の電流密度との特性を示す線の傾きと、ゲート−エミッタ間電圧に対するコレクタ−エミッタ間電流ＩＣＥの電流密度との特性を示す線の傾きとの差が±２０％以内であることを特徴としている。
このようにすれば、パワー素子のコレクタ−エミッタ間電流一定時の、ゲート−エミッタ間の電圧ＶＧＥと前記センス素子のコレクタ−エミッタ間電流の電気特性に関して、定格最大電圧ＶＧＥ時のセンス電流に対して、ＶＧＥを変動させた時のセンス電流の変化が、±５％以内となり、センス電流のゲート電圧特性を抑制できる。これにより、発振現象を防止できると共に、メイン電流の検出精度を高くすることが可能となる。

請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置は、例えば、請求項４に示されるように、電流検出用抵抗（６）に流れるセンス電流を検出する電流検出回路（９）と、電流検出回路（９）の検出結果に基づいて、半導体装置におけるメインセルのパワー素子およびセンスセルの素子のゲート電圧を制御する制御回路（３）とを備え、半導体装置におけるメインセルのパワー素子により、点火コイル（４）への通電を制御し、点火プラグ（１１）の放電を制御するように構成されている点火装置に適用される。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態が適用された車両用の点火装置について説明する。図１に、本実施形態における点火装置１の回路構成図を示し、この図に基づいて説明する。

図１に示されるように、点火装置１には、スイッチＩＣ２と制御回路ＩＣ３とが備えられている。これらスイッチＩＣ２と制御回路ＩＣ３とは別々のチップで構成されている。

スイッチＩＣ２は、点火コイル４の１次巻線４ａへの通電のスイッチング制御を行うためのものである。このスイッチＩＣ２には、ＩＧＢＴ５ａ、５ｂが備えられている。

ＩＧＢＴ５ａは、点火コイル４の１次巻線４ａへの通電のスイッチング制御を行うために用いられるメインセルとして形成されたものである。また、ＩＧＢＴ５ｂは、メインセル側のＩＧＢＴ５ａに流される電流量を検出するために用いられるセンスセルとして形成されたものである。これら各セルのＩＧＢＴ５ａ、５ｂへのゲート電圧は、制御回路ＩＣ３からの制御信号によって行われるようになっている。

メインセルのＩＧＢＴ５ａのコレクタ端子に負荷となる点火コイル４の１次巻線４ａが接続され、エミッタ端子にＧＮＤが接続されている。また、センスセルのＩＧＢＴ５ｂのコレクタ端子は、メインセルのＩＧＢＴ５ｂのコレクタ端子と共通化されており、エミッタ端子は電流検出用抵抗６を通じて制御回路ＩＣ３に接続されている。これにより、エミッタ端子に接続された電流検出用抵抗６の両端電圧、すなわちメインセルのＩＧＢＴ５ａに流れる電流に比例して流れる正孔電流および電子電流からなるセンス電流に基づき発生する電圧が制御回路ＩＣ３にフィードバックされるようになっている。

また、スイッチＩＣ２には、温度センサ７が備えられている。この温度センサ７は、ＩＧＢＴ５ａ、５ｂの発熱に伴うスイッチＩＣ２の温度上昇を検出し、制御回路ＩＣ３にフィードバックするものである。これにより、スイッチＩＣ２の温度に応じてゲート電圧が調整され、ＩＧＢＴ５ａ、５ｂの温度特性補償が行われるようになっている。

一方、制御回路ＩＣ３は、エンジンＥＣＵ８から送られてくる点火信号をスイッチＩＣ２におけるＩＧＢＴ５ａ、５ｂの制御信号として伝える役割を果たすものである。この制御回路ＩＣ３には、入力保護回路部１ａと定電流制御回路９と過昇温停止回路１０とが備えられ、これらにより点火コイル４の１次巻線４ａに流されるコイル電流およびスイッチＩＣ２の温度に基づいてＩＧＢＴ５ａ、５ｂの制御信号を調整できるようになっている。

定電流制御回路９は、センスセル側ＩＧＢＴ５ｂから、電流検出抵抗６に流れるセンス電流によって発生する電圧を入力し、その大きさに基づいて各ＩＧＢＴ５ａ、５ｂのゲート電圧を調整するものである。例えば、定電流制御回路９は、電流検出用抵抗６の両端電圧の変化に基づいて各ＩＧＢＴ５ａ、５ｂのゲート電圧を調整する。そして、上述したように、制御回路ＩＣ３とスイッチＩＣ２とが別チップで構成されていることから、定電流制御回路９は、制御回路ＩＣ３を構成するチップの温度に基づいて各ＩＧＢＴ５ａ、５ｂのゲート電圧を調整できるようになっている。

この定電流制御回路９は、例えば、参照電圧を形成する電源部とコンパレータおよび参照電圧の電圧値を温度補正するための温度特性を有するダイオード等によって構成される。これらの構成により、ダイオードの温度特性によって温度補正された参照電圧と電流検出用抵抗６の両端電圧とを比較し、ゲート電圧調整用の出力を発生させる。

過昇温停止回路１０は、スイッチＩＣ２に備えられた温度センサ７の検出信号を入力し、この検出信号に基づき、スイッチＩＣ２の温度が所定温度に達すると、ＩＧＢＴ５ａ、５ｂを停止させるように各ゲート電圧を調整するものである。

以上のような構成により点火装置１が構成されている。そして、エンジンＥＣＵ８からの点火信号が制御回路ＩＣ３を介してスイッチＩＣ２に伝えられるように構成され、さらに、スイッチＩＣ２におけるメインセル側のＩＧＢＴ５ａ、５ｂのコレクタ端子に点火コイル４の１次巻線４ａが接続されると共に、点火コイル４の２次巻線４ｂがプラグ１１に接続されることで、点火装置１によるプラグ１１の放電タイミングの制御が行われるようになっている。

続いて、本実施形態の点火装置１におけるスイッチＩＣ２に備えられるＩＧＢＴ５ａ、５ｂの具体的な構成について説明する。

図２（ａ）は、メインセルおよびセンスセルにおけるＩＧＢＴ５ａ、５ｂのレイアウトを示した断面図及び図２（ｂ）は平面図である。この図に示されるように、ＩＧＢＴ５ａ、５ｂは、Ｐ⁺型基板２１の上にＮ^-型ドリフト層２２が形成され、Ｎ^-型ドリフト層２２の表層部にＰ型ボディ層２３が形成されていると共に、Ｐ型ボディ層２３の表層部にＮ⁺型エミッタ層２４が形成されている。

Ｐ型ボディ層２３は、Ｐ⁺型基板２１の表層部において複数個備えられ、それぞれが一方向に延設されることでストライプ状に並べられた構成となっている。そして、複数並べられたもの１つ１つを１セルとして、そのうちの一部のセルがセンスセル、残りのセルがメインセルを構成している。

Ｎ⁺型エミッタ層２４は、各Ｐ型ボディ層２３内において複数個に分割された構成となっている。そして、各Ｎ⁺型エミッタ層２４は、Ｐ⁺型基板２１を上面から見たときの形状が四角形とされ、それぞれが互いに等間隔離間した状態とされている。

また、Ｎ⁺型エミッタ層２４およびＮ^-型ドリフト層２２との間に位置するＰ型ボディ層２３の表層部をチャネル領域とし、その表面にはゲート酸化膜２５を介してゲート電極２６が形成されている。

さらに、ゲート電極２６を覆うように層間絶縁膜２７が形成されていると共に、層間絶縁膜２７を覆うようにエミッタ電極２８が形成され、層間絶縁膜２７に形成されたコンタクトホール２７ａを通じて、エミッタ電極２８がＮ⁺型エミッタ層２４およびＰ型ボディ層２３に電気的に接続された構成となっている。

そして、Ｐ⁺型基板１の裏面側にコレクタ電極２９が形成され、ＩＧＢＴ５ａ、５ｂが構成されている。なお、ＩＧＢＴ５ａ、５ｂとは、エミッタ電極２８がＩＧＢＴ５ａ用のものとＩＧＢＴ５ｂ用のものとで分離された構成となっているが、その他の構成に関してはほぼ同様の構成となっている。

このような構成のＩＧＢＴ５ａ、５ｂについて、本実施形態では、上述したように図８（ａ）におけるＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性の傾きと、図８（ｂ）におけるＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性の傾きとの差が無くなるように、もしくは小さくなるように、セルピッチの調整を行っている。なお、セルピッチとは、各セルの間隔（各Ｐ型ベース層２３の中央線の間隔に相当）を示している。

上述した図８（ａ）におけるＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性を示す線の傾きは、主にＪ−ＦＥＴ抵抗やドリフト抵抗によって決まる。また、図８（ｂ）におけるＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性を示す線の傾きは、主にチャネル抵抗によって決まる。したがって、Ｐ型ボディ層２３の幅やＮ⁺型エミッタ層２４の幅（各セルの配列方向のサイズ）が所定値であるとした場合、セルピッチを狭くすれば、その分、Ｊ−ＦＥＴ抵抗が高くなり、図８（ａ）におけるＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性を示す線の傾きが調整される。また、セルピッチが所定値であるとした場合、Ｐ型ボディ層２３に対するＮ⁺型エミッタ層２４の割合を増やせば、チャネル抵抗が低くなり、図８（ｂ）におけるＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性を示す線の傾きが調整される。

これにより、本実施形態では、メインセルとセンスセルにおけるＩＧＢＴ５ａ、５ｂの電気特性に関して、定格最大ＶＧｓ時のＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性の傾きと、ＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性の傾きとの差が±２０％以内となるようにしている。例えば、本実施形態におけるメインセルとセンスセルのＩＧＢＴ５ａ、５ｂのＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性とＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性とが、それぞれ図３（ａ）、図３（ｂ）のように表される関係となるようにしている。

このため、ΔＶの影響により、ＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性中においてメインセルの電流密度に対してセンスセルの電流密度が低くなったとしても、ＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性の傾きがＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性の傾きとほぼ一致していることから、その電流密度のずれ量が矢印で示したようにＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性中においても同等になる。したがって、ゲート電圧が変動してもセンスセルのＩＧＢＴ５ｂに流れる電流の電流密度がほぼ変化せず、ゲート電圧に対するセンス電流特性が図４のようになる。つまり、ゲート電圧が変動してもセンス電流がほぼ変化しなくなる。

これにより、センス電流のゲート電圧特性を無くすことができ、発振現象を防止できると共に、メイン電流の検出精度を高くすることが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の点火装置は、第１実施形態に対して、スイッチＩＣ２のレイアウト構成のみが異なるものである。その他の部分については第１実施形態と同様であるので、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、Ｐ型ボディ層２３中におけるＮ⁺型エミッタ層２４の割合に基づき、ＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性を示す線の傾きを調整している。具体的には、図２に示されるように、各セルにおけるＰ型ボディ層２３の長手方向における各Ｎ⁺型エミッタ層２４の長さをａ、各Ｎ⁺型エミッタ層２４のピッチ（各Ｎ⁺型エミッタ層２４の長さａと間隔とを足した値に相当）をｂとすると、これらの長さｂに対するａの長さの割合が、メインセルのＩＧＢＴ５ａとセンスセルのＩＧＢＴ５ｂとで異なる値となるようにしている。例えば、メインセルのＩＧＢＴ５ａでは、メインセルにおけるパワー素子では、ｂに対するａの割合が５０％になっており、センスにおける素子では、ｂに対するａの割合が４０％に設定される。

このように、メインセルのＩＧＢＴ５ａとセンスセルのＩＧＢＴ５ｂとで長さａとピッチｂの比が異なる値となるようにすれば、メインセルとメインセルそれぞれのＩＧＢＴ５ａ、５ｂにおけるＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性を示す線の傾きと、ＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性を示す線の傾きとをそれぞれ別々に調整することが可能となる。そして、それらの比が上記のような値とすることにより、ΔＶとゲート−エミッタ間電圧の最大値として予め決められている定格最大電圧ＶＧＥ時のメインとセンスＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度の特性による、メインとセンスの電流密度差と、ΔＶとメインとセンスのＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性による、メインとセンスの電流密度差が同等となる。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

このため、前記パワー素子のコレクターエミッタ間電流一定時の、ゲート−エミッタ間の電圧ＶＧＥと前記センス素子のコレクターエミッタ間電流の電気特性に関して、定格最大電圧ＶＧＥ時のセンス電流に対して、ゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥを変動させた時のセンス電流の変化が、±５％以内とすることが可能となる。

なお、本実施形態では、長さａとピッチｂの比についてしか示していないが、メインセルとセンスセルそれぞれのピッチｂが同じとした場合に、長さａを異なる値とすることで上記比率となるようにしても良いし、ピッチｂも異なる値として上記比率となるようにしても良い。

（他の実施形態）
上記第２実施形態では、前記パワー素子のコレクターエミッタ間電流一定時の、ゲート−エミッタ間の電圧ＶＧＥと前記センス素子のコレクターエミッタ間電流の電気特性に関して、定格最大電圧ＶＧＥ時のセンス電流に対して、ゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥを変動させた時のセンス電流の変化が、±５％以内とすべく、長さａとピッチｂの比を調整したが、センスセルのＩＧＢＴ５ｂのレイアウト構成を変更することにより、チャネル抵抗やＪ−ＦＥＴ抵抗およびドリフト抵抗を調整するものであれば、他の方法を適用することも可能である。例えば、センスセルとメインセルとでＩＧＢＴ５ａ、５ｂそれぞれのＮ⁺型エミッタ層２４のピッチを異なる値としても良いし、センスセルのＩＧＢＴ５ｂのセルピッチをメインセルのＩＧＢＴ５ａのセルピッチと異なるものとすることも可能である。

また、上記実施形態では、前記パワー素子のコレクターエミッタ間電流一定時の、ゲート−エミッタ間の電圧ＶＧＥと前記センス素子のコレクターエミッタ間電流の電気特性に関して、定格最大電圧ＶＧＥ時のセンス電流に対して、ゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥを変動させた時のセンス電流の変化が、±５％以内となるようにしている。これに対し、電位差ΔＶによるセンス電流密度の変化が、定格最大ＶＧｓ時のＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度の変化と比べて、ＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度の方が小さくなるようにしても良い。

このようにすれば、図５に示すように、ゲート電圧が低下した場合に、センス電流が小さくなる。このようにすれば、制御回路ＩＣ３側でセンス電流が小さくなったときにゲート電圧を上げるような制御が実行されることになり、センス電流が期待する値に収束しやすくなる。これにより、より発振現象を防止することが可能となる。

さらに、上記実施形態では、ＩＧＢＴを例に挙げて説明したが、他のＭＯＳ型半導体装置、例えば図１における半導体基板としてのＰ⁺型基板１の導電型をＮ型にしたパワーＭＯＳＦＥＴに対しても本発明を適用することが可能である。このようなパワーＭＯＳＦＥＴとした場合には、電子電流からなるセンス電流に基づいてメイン電流の値を検出することになる。

また、上記各実施形態では、第１導電型としてＮ型、第２導電型としてＰ型の半導体装置を例に挙げて説明したが、これら各導電型が反対となるＭＯＳ型半導体装置であっても本発明を適用することが可能である。

本発明の第１実施形態における点火装置の回路構成を示す図である。 メインセルおよびセンスセルにおけるＩＧＢＴのレイアウトを示した部分断面図である。 （ａ）は、メインセルとセンスセルのＩＧＢＴのＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性を示した図、（ｂ）は、メインセルとセンスセルのＩＧＢＴのＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性を示した図である。 ゲート電圧に対するセンス電流特性を示した図である。 ゲート電圧に対するセンス電流特性を示した図である。 本発明者らが検討した半導体装置の等価回路図である。 ゲート電圧ＶＧＥに対するセンス電流Ｉｓの特性（ＶＧ−Ｉｓ特性）を示した図である。 （ａ）は、ＩＧＢＴにおけるベース−コレクタ間電圧ＶＣＥに対するコレクタ−エミッタ間電流ＩＣＥの電流密度の特性（ＶＣＥ−ＩＣＥ電流密度特性）を示した図であり、（ｂ）は、ＩＧＢＴにおけるゲート−エミッタ間電圧ＶＧＥに対するコレクタ−エミッタ間電流ＩＣＥの電流密度の特性（ＶＧＥ−ＩＣＥ電流密度特性）を示した図である。

符号の説明

１…点火装置、２…スイッチＩＣ、３…制御回路ＩＣ、４…点火コイル、
４ａ…１次巻線、４ｂ…２次巻線、５ａ…メインセルのＩＧＢＴ、
５ｂ…センスセルのＩＧＢＴ、６…電流検出用抵抗、７…温度センサ、
９…定電流制御回路、１０…過昇温停止回路、１２…温度検出抵抗。

Claims (4)

1. パワー素子が形成されたメインセル（５ａ）と、前記メインセルのコレクタ端子と共通化されたコレクタ端子を有するセンスセル（５ｂ）と、該センスセルのエミッタ端子に接続される電流検出抵抗（６）とを備え、前記パワー素子のゲート電圧を印加することによって前記メインセルおよび前記センスセルのエミッタ−コレクタ間に電流を流し、前記センスセルに流れるセンス電流を前記電流検出抵抗で検出することで前記メインセルに流れるメイン電流の値を推定する半導体装置において、
   前記メインセルおよび前記センスセルは、半導体基板（２１）に形成された第１導電型のドリフト層（２２）と、前記ドリフト層内において複数個所定の方向に伸びるように設けられた第２導電型のボディ層（２３）と、前記ボディ層内において前記ボディ層それぞれに複数個離間するように形成された第１導電型のエミッタ層（２４）とを備えて構成されており、
   前記メインセルと前記センスセルとでは、前記ボディ層の長手方向における前記エミッタ層の長さが異なり、前記ボディ層の長手方向における該ボディ層の長さに対する前記エミッタ層の長さの割合が、前記メインセルの方が前記センサセルよりも大きく設定され、
   前記パワー素子のコレクタ−エミッタ間電流一定時の、ゲート−エミッタ間の電圧と前記センス素子のコレクターエミッタ間電流の電気特性に関して、前記パワー素子のゲート−エミッタ間電圧の最大値として予め決められている定格最大電圧時のセンス電流に対して、ゲート−エミッタ間電圧を変動させた時のセンス電流の変化が、±５％以内であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記ゲート電圧の低下に伴って前記センス電流が低下することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記パワー素子のゲート−エミッタ間電圧の最大値として予め決められている定格最大電圧時のコレクタ−エミッタ間電圧に対するコレクタ−エミッタ間電流の電流密度との特性を示す線の傾きと、ゲート−エミッタ間電圧に対する前記コレクタ−エミッタ間電流ＩＣＥの電流密度との特性を示す線の傾きとの差が±２０％以内であ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。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置と、
   前記電流検出用抵抗（６）に流れる前記センス電流を検出する電流検出回路（９）と、
   前記電流検出回路（９）の検出結果に基づいて、前記半導体装置における前記メインセルの前記パワー素子および前記センスセルの前記素子のゲート電圧を制御する制御回路（３）とを備え、
   前記半導体装置における前記メインセルの前記パワー素子により、点火コイル（４）への通電を制御し、点火プラグ（１１）の放電を制御するように構成されていることを特徴とする点火装置。

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