JP5949646B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
ダイオード素子(22a)と、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)とが同一の半導体基板(2)に設けられてなるダイオード内蔵IGBT素子(16)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、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)とを備えたセンス素子(18)と、
前記ダイオードセンス素子(22b)のアノードに接続される第1の電流経路(51)と、前記第1の電流経路(51)とは異なる第2の電流経路(52)とに接続され、前記ダイオードセンス素子(22b)に電流が流れない場合にオフ動作して前記第2の電流経路(52)と他の電流経路(51)とを非導通状態とし、前記ダイオードセンス素子(22b)に電流が流れる場合にオン動作して前記第2の電流経路(52)と、前記他の電流経路(51)との接続位置と、を導通状態として前記第2の電流経路(52)に電流を流すスイッチ素子(40)と、
前記第2の電流経路(52)に接続され、前記第2の電流経路(52)の電流状態を検出する電流検出部(12)と、
を有す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、主に図1〜図6を参照して説明する。本実施形態で示される半導体装置1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。なお、半導体装置1の適用対象はこの例に限られるものではなく、様々な車両用スイッチング素子として用いることができる。
次に、本構成に係る半導体装置1の回路構成について説明する。
上述したように、ダイオード内蔵IGBT素子20は、ダイオード素子22aと、IGBT素子21aとが同一の半導体基板2に設けられた構造となっており、IGBT素子21aは、ゲートに入力される駆動信号によって駆動される構成となっている。
次に、上記半導体装置1の制御構造及び動作について図3等を参照して説明する。
本構成では、PWM信号発生回路等の外部回路にて半導体装置のIGBT素子21aを駆動するための駆動信号としてPWMゲート信号が生成され、このPWMゲート信号Saがゲート駆動部(ゲート駆動回路)10に入力されるようになっている。そして、メイン用のIGBT素子21a及び電流検出用のIGBTセンス素子21bにおけるゲート電圧の制御は、AND回路として構成されたゲート駆動部10を通過したPWMゲート信号によって行われるようになっている。
まず、IGBT素子21aに通常の電流(過電流ではない電流)が流れる場合について説明する。IGBT素子21aが正常に駆動される場合(ダイオード素子22aに電流が流れない場合)、IGBT素子21aを流れる電流に比例した電流が、IGBTセンス素子21bを通って第2抵抗32に流れる。このとき、ダイオード素子22aはオフになっており、ダイオードセンス素子22bにも電流は流れない。このため、スイッチ素子40はオフ状態となり、第1抵抗31の電位差Vsfwは0となる。従って、電位差Vsfwは負のダイオード電流検知閾値Vth1よりも大きいため、電流検出部12からはHレベル信号が出力される。
図4の例は、図1〜図3の構成を用いた場合のシミュレーション結果を示すものである。図4、図5の例では、横軸を電流値とし、縦軸を出力電圧としている。より詳しくは、横軸において正の領域をIGBT素子21aの電流値とし、横軸において負の領域をダイオード素子22aの電流値としている。そして、縦軸において正の領域を第2抵抗32での電位差Vsig(Vs_ig)とし、縦軸において負の領域を第1抵抗31での電位差Vsfw(Vs_fw)としている。また、横軸及び縦軸の正の領域では、第2抵抗32(Rs1)の値を10kΩ、1kΩ、100Ω、10Ωとした場合の変化を示しており、10kΩの場合を破線、1kΩの場合を一点鎖線、100Ωの場合を実線、10Ωの場合を二点鎖線として示している。また、横軸及び縦軸の負の領域では、第1抵抗31(Rs2)の値を10kΩ、1kΩ、100Ω、10Ωとした場合の変化を示しており、10kΩの場合を破線、1kΩの場合を一点鎖線、100Ωの場合を実線、10Ωの場合を二点鎖線として示している。なお、図5は、図4の一部を拡大して示すものであり、図4と同一のシミュレーション結果を示すものである。なお、この例では、センス電源V2の電圧(第1抵抗31の一端に印加される電圧)は−5Vである。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について図9、図10を参照しつつ説明する。なお、図9は、図2の位置の構成を変更した変形例を示すものであり、図10は、第1主面側表層部におけるスイッチ素子付近を示すものである。第2実施形態では、スイッチ素子40付近の構成のみが第1実施形態と異なり、それ以外は第1実施形態と同様である。よって、第1実施形態と同様の部分については第1実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。特に、第2実施形態に係る半導体装置1では、IGBTセンス素子21b及びダイオードセンス素子22bが第1実施形態と同様の構成となっている。また、基本的回路構成は、図3と同様であり、ゲート駆動部10、電流検出部12、過電流検出部14も第1実施形態と同様に動作する。なお、第1実施形態では、P導電型のエミッタ領域25が設けられていたが、第2実施形態では、このエミッタ領域25と同様のP導電型の領域がアノード領域225として構成され、この領域もダイオードセンス素子22bのアノードとして機能するようになっている。
次に、第3実施形態について図11、図12を参照しつつ説明する。なお、図11は、図2の位置の構成を変更した変形例を示すものであり、図12は、第1主面側表層部におけるスイッチ素子付近を示すものである。第3実施形態では、スイッチ素子40付近の構成のみが第1実施形態と異なり、それ以外は第1実施形態と同様である。よって、第1実施形態と同様の部分については第1実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。特に、第3実施形態に係る半導体装置1では、IGBTセンス素子21b及びダイオードセンス素子22bが第1実施形態と同様の構成となっている。また、基本的回路構成は、図3と同様であり、ゲート駆動部10、電流検出部12、過電流検出部14も第1実施形態と同様に動作する。なお、第1実施形態では、P導電型のエミッタ領域25が設けられていたが、第3実施形態では、このエミッタ領域25と同様のP導電型の領域がアノード領域325として構成され、この領域もダイオードセンス素子22bのアノードとして機能するようになっている。
次に、第4実施形態について図13を参照しつつ説明する。なお、図13は、第4実施形態に係る半導体装置の第1主面表層側におけるスイッチ素子40付近の構成を示すものである。第4実施形態では、スイッチ素子40付近の構成のみが第1実施形態、第2実施形態と異なり、それ以外は第1、第2実施形態と同様である。特に、Pウェル領域251に囲まれた内側領域のみが第2実施形態と異なり、それ以外は第2実施形態と同一である。よって、Pウェル領域251及びその外側の領域については第2実施形態と同一であるとして詳細な説明は省略する。
次に、第5実施形態について図14を参照しつつ説明する。なお、図14は、第5実施形態に係る半導体装置の第1主面表層側におけるスイッチ素子40付近の構成を示すものである。第5実施形態では、スイッチ素子40付近の構成のみが第1実施形態、第2実施形態と異なり、それ以外は第1、第2実施形態と同様である。特に、Pウェル領域251に囲まれた内側領域のみが第2実施形態と異なり、それ以外は第2実施形態と同一である。よって、Pウェル領域251及びその外側の領域については第2実施形態と同一であるとして詳細な説明は省略する。
次に、第6実施形態について図16、図17を参照しつつ説明する。
第6実施形態では、スイッチ素子40付近の構成及び半導体基板2でのレイアウトが第1実施形態と異なり、それ以外は第1実施形態と同様である。また、半導体基板内の構造は第3実施形態と同様となっている。よって、第1実施形態及び第3実施形態と同様の部分についてはこれら実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。特に、第6実施形態に係る半導体装置1では、IGBTセンス素子21b及びダイオードセンス素子22bが第1実施形態と同様の構成となっている。また、基本的回路構成は、図3と同様であり、ゲート駆動部10、電流検出部12、過電流検出部14も第1実施形態と同様に動作する。なお、第1実施形態では、P導電型のエミッタ領域25が設けられていたが、第6実施形態では、このエミッタ領域25と同様のP導電型の領域がアノード領域625として構成され、この領域もダイオードセンス素子22bのアノードとして機能するようになっている。
次に、第7実施形態について図17を参照しつつ説明する。
第7実施形態では、スイッチ素子40に関する構成が第1実施形態と異なり、それ以外は第1実施形態と同様である。よって第1実施形態と同様の部分については第1実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。。特に、第7実施形態に係る半導体装置1では、IGBTセンス素子21b及びダイオードセンス素子22bが第1実施形態と同様の構成となっている。また、基本的回路構成(スイッチ素子40及び第2の電流経路以外)は、図3と同様であり、ゲート駆動部10、電流検出部12、過電流検出部14も第1実施形態と同様に動作する。なお、第1実施形態では、P導電型のエミッタ領域25が設けられていたが、第7実施形態では、このエミッタ領域25と同様のP導電型の領域がアノード領域225として構成され、この領域もダイオードセンス素子22bのアノードとして機能するようになっている。
この図18の例では、IGBTセンス素子21b及びダイオードセンス素子22bが第2実施形態と同様の構成となっている。また、第2実施形態と同様、P導電型のアノード領域225と、Pウェル領域251とが設けられている。
次に、第8実施形態について図20、図21を参照しつつ説明する。なお、図20は、図2の位置の構成を変更した変形例を示すものであり、図21は、第1主面側表層部におけるスイッチ素子付近を示すものである。第8実施形態では、スイッチ素子40付近の構成のみが第7実施形態と異なり、それ以外は第7実施形態と同様である。よって、第7実施形態と同様の部分については第7実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。特に、第7実施形態に係る半導体装置1では、IGBTセンス素子21b及びダイオードセンス素子22bが第1実施形態と同様の構成となっている。また、基本的回路構成は、図3と同様であり、ゲート駆動部10、電流検出部12、過電流検出部14も第1実施形態と同様に動作する。また、第3実施形態と同様、P導電型のアノード領域325と、Pウェル領域351とが設けられている。
2…半導体基板
12…電流検出部
16…ダイオード内蔵IGBT素子
18…センス素子
21a…IGBT素子
21b…IGBTセンス素子
22a…ダイオード素子
22b…ダイオードセンス素子
40…スイッチ素子
51…第1の電流経路(他の電流経路)
52…第2の電流経路
Claims (7)
- ダイオード素子(22a)と、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)とが同一の半導体基板(2)に設けられてなるダイオード内蔵IGBT素子(16)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、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)とを備えたセンス素子(18)と、
前記ダイオードセンス素子(22b)のアノードに接続される第1の電流経路(51)と、前記第1の電流経路(51)とは異なる第2の電流経路(52)とに接続され、前記ダイオードセンス素子(22b)に電流が流れない場合にオフ動作して前記第2の電流経路(52)と他の電流経路(51)とを非導通状態とし、前記ダイオードセンス素子(22b)に電流が流れる場合にオン動作して前記第2の電流経路(52)と、前記他の電流経路(51)との接続位置と、を導通状態として前記第2の電流経路(52)に電流を流すスイッチ素子(40)と、
前記第2の電流経路(52)に接続され、前記第2の電流経路(52)の電流状態を検出する電流検出部(12)と、
を有することを特徴とする半導体装置(1)。 - 前記第2の電流経路(52)の所定位置に配置されるセンス電源(V2)と、
前記第2の電流経路(52)において前記スイッチ素子(40)と前記センス電源(V2)との間に設けられた抵抗部(31)と、
を備え、
前記抵抗部(31)の一端側には前記センス電源(V2)により電圧が印加され、前記抵抗部(31)の他端側は、前記スイッチ素子(40)を介して前記ダイオードセンス素子(22b)のアノード側又はグランド側に接続されており、
前記スイッチ素子(40)のオフ動作時には、前記抵抗部(31)に電流が流れず、前記スイッチ素子(40)のオン動作時には、前記ダイオードセンス素子(22b)のアノード又はグランドと、前記センス電源(V2)との電位差に応じた電流が前記抵抗部(31)に流れる構成であり、
前記電流検出部(12)は、前記抵抗部(31)に流れる電流を検出することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - ダイオード素子(22a)と、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)とが同一の半導体基板(2)に設けられてなるダイオード内蔵IGBT素子(16)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、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)とを備えたセンス素子(18)と、
前記ダイオードセンス素子(22b)を通る第1の電流経路(51)と、前記第1の電流経路(51)とは異なる第2の電流経路(52)とに接続されたスイッチ素子(40)と、
前記第2の電流経路(52)の所定位置に配置されるセンス電源(V2)と、
前記第2の電流経路(52)において前記スイッチ素子(40)と前記センス電源(V2)との間に設けられた抵抗部(31)と、
前記スイッチ素子(40)のオン動作時に前記抵抗部(31)を流れる電流を検出する電流検出部(12)と、
を有することを特徴とする半導体装置(1)。 - 前記スイッチ素子(40)は、前記半導体基板(2)内に構成されると共に前記ダイオードセンス素子(22b)に電流が流れる場合にオン動作するバイポーラトランジスタによって構成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置(1)。
- 前記スイッチ素子(40)は、前記半導体基板(2)内に構成されると共に前記ダイオードセンス素子(22b)に電流が流れる場合にオン動作するMOSトランジスタによって構成されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置(1)。
- 前記IGBT素子(21a)のゲートにオン信号及びオフ信号を入力可能なゲート駆動部(10)を備え、
前記ゲート駆動部(10)は、前記電流検出部(12)によって前記第2の電流経路(52)の電流が検出されている期間、前記IGBT素子(21a)のゲートへの前記オン信号の出力を停止することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置(1)。 - 前記IGBT素子(21a)のゲートにオン信号及びオフ信号を入力可能なゲート駆動部(10)と、
前記IGBTセンス素子(21b)に直列に接続される第2抵抗部(32)と、
を備え、
前記ゲート駆動部(10)は、前記第2抵抗部(32)に流れる電流が所定閾値よりも大きいとき、所定の過電流保護動作を行うことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の半導体装置(1)。
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