半導體裝置的制作方法

本發明涉及包含控制電動機等的功率半導體元件的半導體裝置，尤其涉及在負載短路從而導致流過過電流時保護功率半導體元件以免受到熱破壞的半導體裝置。

背景技術：

汽車中大多搭載有電動機以及對該電動機進行開關控制的半導體裝置，作為這種半導體裝置，要求其進一步小型化并且伴隨著溫度環境的高溫化而相應地提高其可靠性。為了應對半導體裝置的小型化以及高可靠性化，研發了將功率半導體元件和驅動該功率半導體元件的驅動電路集成為一個芯片或一個封裝的單芯片化半導體裝置、或者單封裝化半導體裝置。驅動電路中包括控制電路、以及保護功率半導體元件的保護電路。保護電路例如對功率半導體元件的過熱狀態進行監控，若檢測到過熱狀態，則將該情況通知給控制電路。控制電路若從保護電路接收到功率半導體元件的過熱狀態的通知，則進行使功率半導體元件關斷等的控制。半導體裝置還包括對流過功率半導體元件的電流進行監控的過電流限制電路。該過電流限制電路具有如下電路：即，間接地檢測流過功率半導體元件的電流，并在檢測到的電流值測得所設定的過電流限制值時對流過功率半導體元件的電流進行限制的電路(例如，參照專利文獻1)。

這里，在對電動機這種感性負載進行開關控制的半導體裝置中，電動機起動時會有浪涌電流流過。即，若將功率半導體元件置為導通，則電流開始流過功率半導體元件和電動機。此時，初始流過的電流是比穩定運轉時的電流值要大的電流，然后，電流緩緩下降從而固定在穩定的額定電流，在到達該額定電流之前流過的大電流即為浪涌電流。因此，功率半導體元件在對其導通控制時被控制為能夠將考慮到了上述這種浪涌電流的電流提供給電動機。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開平11-195971號公報

技術實現要素：

發明所要解決的技術問題

然而，在負載以其額定電流被驅動時，若負載發生了短路事故，則功率半導體元件中會持續流過至少比浪涌電流要大的電流，因此，功率半導體元件的溫度急劇上升。該情況下，在保護電路檢測到過熱狀態并開始功率半導體元件的保護動作之前，有可能會上升到功率半導體元件受到熱破壞的溫度。并且，由于流過這種大電流，因此還有可能發生布線基板的燒損、以及因電源電壓的變動而導致的周邊器件的誤動作等。另外，在內置有過電流限制電路的半導體裝置中，由于過電流限制值設定為比浪涌電流的峰值要大，因此在負載發生短路的情況下，功率半導體元件中也會持續流過比浪涌電流的峰值要大的電流。該情況下，由于功率半導體元件的溫度急劇上升，從而存在因急劇的溫度上升而導致功率半導體元件受到熱破壞等的問題。

本發明是鑒于上述問題點而完成的，其目的在于提供一種即使發生了負載短路，功率半導體元件也不會發生急劇的溫度上升的半導體裝置。

用于解決問題的技術方案

本發明中，為了解決上述課題，提供一種具備驅動功率半導體元件的驅動電路的半導體裝置。該半導體裝置中，所述驅動電路包括：柵極鉗位電路，該柵極鉗位電路對所述功率半導體元件的柵極電壓進行鉗位；以及計時器電路，該計時器電路在所述功率半導體元件通電時開始進行計數，所述計時器電路在從計數開始經過一定時間后使所述柵極鉗位電路進行動作，從而使所述功率半導體元件的載流能力降低。

發明效果

采用上述結構的半導體裝置中，由于從功率半導體元件開始通電起經過一定時間后使功率半導體元件的載流能力降低，因此具有能夠減小發生負載短路時的短路電流的優點。由此，功率半導體元件不會因短路電流而發生急劇的溫度上升，能夠防止功率半導體元件和基板布線的燒損，并能防止因電源電壓的變動而引起的周邊器件的誤動作，從而能夠確保較高的可靠性。并且，由于在浪涌電流的通電時，不會使功率半導體元件的載流能力降低，因此，能夠防止功率半導體元件的無用發熱。

附圖說明

圖1是表示實施方式1所涉及的半導體裝置的電路結構圖。

圖2是表示實施方式1所涉及的半導體裝置的電荷泵電路的結構例的電路圖。

圖3是表示實施方式1所涉及的半導體裝置的柵極鉗位電路的結構例的電路圖。

圖4表示電動機動作時的動作波形的圖。

圖5表示電動機動作時發生了負載短路的情況下的動作波形的圖。

圖6是表示功率MOSFET的靜態特性例的圖。

圖7是表示實施方式2所涉及的半導體裝置的電路結構圖。

圖8是表示實施方式3所涉及的半導體裝置的電路結構圖。

圖9是表示實施方式3所涉及的半導體裝置的電荷泵電路的結構例的電路圖。

圖10是表示構成實施方式4所涉及的半導體裝置的電荷泵電路的振蕩電路的示例的電路圖。

具體實施方式

下面，關于本發明的實施方式，以應用于車載電動機驅動用的半導體功率開關的情況為例，參照附圖進行詳細說明。各實施方式可以在不矛盾的范圍內通過組合多個實施方式來實施。在以下的說明中，端子名稱及施加于該端子的電壓、信號等使用相同標號。

圖1是表示實施方式1所涉及的半導體裝置的電路結構圖。

實施方式1所涉及的半導體裝置10是將電動機驅動用的功率半導體元件11、以及驅動該功率半導體元件11的驅動電路集成得到的單芯片化的、或單封裝化的IPS(INTELLIGENT POWER SWITCH：智能電源開關)。該半導體裝置10配置在電源1的正極端子與電動機2之間，因此被稱為高邊(high side)IPS。

該半導體裝置10中，使用功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金屬氧化物半導體場效應晶體管)來作為功率半導體元件11，但并不限于使用該功率MOSFET。例如，可以使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣柵雙極型晶體管)這種其他的功率器件來作為功率半導體元件11。

功率半導體元件11的漏極與作為車載電池的、連接電源1的正極端子的端子VCC相連接，源極與連接電動機2的端子OUT相連接。功率半導體元件11的柵極與柵極電壓升壓用的電荷泵電路12的輸出相連接，以端子GND的電位作為基準電位的電荷泵電路12的輸入連接至以端子GND的電位作為基準電位的控制電 路13的輸出，控制電路13的輸入連接至端子IN。控制電路13還與以端子GND(或者內部GND)的電位作為基準電位的保護電路14相連接。該保護電路14例如檢測功率半導體元件11是否處于過熱狀態，或者是否處于端子VCC的電源電壓下降的狀態，若檢測到這種狀態，則進行通知給控制電路13的動作。通過對功率半導體元件11的柵極施加相對于端子OUT的電位為規定電壓(閾值電壓)以上的電壓，能夠使功率半導體元件11導通。。因此，電荷泵電路12的輸出電壓是考慮了端子OUT的電位而進行設定的。所述內部GND由電壓VCC的電源線生成(未圖示)。內部GND的電位比電源VCC(例如12V)低規定電壓(例如5V)。

控制電路13進一步與取電MOSFET15的柵極及計時器電路16的輸入相連接。取電MOSFET15的漏極和源極分別與功率半導體元件11的柵極和源極相連接，用于在使功率半導體元件11截止時，取出充電至其柵極電容的電荷以縮短開關時間。

計時器電路16的輸出與柵極鉗位電路17的輸入相連接，柵極鉗位電路17的輸出與功率半導體元件11的柵極相連接。計時器電路16在使功率半導體元件11導通的信號輸入到作為控制電路13的輸入的端子IN時開始進行計數，經過一定時間(浪涌電流通電時間)后輸出使柵極鉗位電路17動作的信號。柵極鉗位電路17接受來自計時器電路16的信號，對功率半導體元件11的柵極電壓進行鉗位，使功率半導體元件11的載流能力下降。

另外，計時器電路16以端子GND(或內部GND)的電位作為基準電位進行動作，柵極鉗位電路17以端子OUT的電位作為基準電位進行動作，因此，從計時器電路16到柵極鉗位電路17的信號傳輸通過電平移位電路來進行。該半導體裝置10的端子GND與車輛的車身相連接。

圖2是表示實施方式1所涉及的半導體裝置的電荷泵電路的結構例的電路圖。

電荷泵電路12具備基于從控制電路13輸出的信號進行振蕩的振蕩電路(振蕩器)21、對該振蕩電路21振蕩得到的信號進行邏輯反轉的逆變器22、以及例如由三級構成的升壓電路(多級升壓部)23。

振蕩電路21從控制電路13輸入使功率半導體元件11導通或截止的邏輯信號，僅在輸入了使功率半導體元件11導通的起動信號時進行振蕩動作，輸出振蕩信號。

逆變器22對從振蕩電路21輸出的振蕩信號進行反轉并輸出。

升壓電路23中，第一級包括逆變器24、電容器25以及兩個二極管26、27，第二級包括逆變器28、電容器29以及兩個二極管30、31，第三級包括逆變器32、電容器33、以及兩個二極管34、35。

第一級的逆變器24的輸入與逆變器22的輸出相連接，逆變器24的輸出與電容器25的一個端子相連接，電容器25的另一個端子與二極管26的陰極及二極管27的陽極相連接。二極管26的陽極連接至電壓VCC的電源線。電壓VCC的電源線與半導體裝置10的端子VCC相連接。

第二級的逆變器28的輸入與振蕩電路21的輸出相連接，逆變器28的輸出與電容器29的一個端子相連接，電容器29的另一個端子與二極管30的陰極、二極管31的陽極以及第一級的二極管27的陰極相連接。二極管30的陽極連接至電壓VCC的電源線。

第三級的逆變器32的輸入與逆變器22的輸出相連接，逆變器32的輸出與電容器33的一個端子相連接，電容器33的另一個端子與二極管34的陰極及二極管35的陽極相連接。二極管34的陽極連接至電壓VCC的電源線，二極管35的陰極構成該電荷泵電路12的輸出。

根據具有上述結構的電荷泵電路12，振蕩電路21通過從控制電路13輸入功率半導體元件11的起動信號來開始進行振蕩動作。從振蕩電路21輸出的信號例如為L(低)電平的情況下，該信號由逆變器22進行反轉而成為H(高)電平，然后輸入到升壓電路23的第一級的逆變器24。由此，由于逆變器24的輸出為L電平，因此電容器25的一個端子連接至地GND，從而電容器25經由二極管26由電源線的電壓VCC進行充電。其結果是，使得電容器25的端子電壓成為VCC-Vf(Vf是二極管26的正向電壓)。

從振蕩電路21輸出的信號例如為H(高)電平的情況下，該信號由逆變器22進行反轉而成為L(低)電平，然后輸入到升壓電路23的第一級的逆變器24。由此，由于逆變器24的輸出為H電平，因此對電容器25的一個端子施加有電源線的電壓VCC，其結果是，使得電容器25的另一個端子的電壓成為2VCC-Vf。此時，H電平的信號被輸入到升壓電路23的第二級的逆變器28，因此，逆變器28的輸出成為L電平。由此，電容器29的一個端子連接至地GND，電容器29的另一個端子經由第一級的二極管27施加有2VCC-Vf的電壓。其結果是，使得電容器29的端子電壓成為2VCC-2Vf(Vf是二極管26、27的正向電壓，設為具有相同值)。

接著，若從振蕩電路21輸出的信號為L電平，則該信號被輸入到第二級的逆變器28從而逆變器28的輸出為H電平、即電源線的電壓VCC。其結果是，使得電容器29的另一個端子的電壓成為將VCC疊加到2VCC-2Vf的電壓后得到的3VCC-2Vf。此時，由于H電平的信號被輸入到升壓電路23的第三級的逆變器32， 因此，逆變器32的輸出成為L電平。由此，電容器33的一個端子連接至地GND，電容器33的另一個端子經由第二級的二極管31施加有3VCC-2Vf的電壓。其結果是，使得電容器33的端子電壓成為3VCC-3Vf(Vf是二極管26、27、31的正向電壓，設為具有相同值)。按此方式升壓后的電壓經由二極管35輸出到電荷泵電路12的輸出。該輸出信號可通過對從振蕩電路21輸出的信號的L電平和H電平進行交替重復來持續獲得，并成為功率半導體元件11的柵極電壓。

圖3是表示實施方式1所涉及的半導體裝置的柵極鉗位電路的結構例的電路圖。

柵極鉗位電路17具有二極管組41和MOSFET42。二極管組41通過串聯連接多個二極管來構成，二極管組41的陽極連接至功率半導體元件11的柵極，二極管組41的陰極連接至MOSFET42的漏極。MOSFET42的柵極與計時器電路16的輸出相連接，MOSFET42的源極與半導體裝置10的端子OUT相連接。

柵極鉗位電路17若從計時器電路16輸入表示正在時間計數中的L電平的信號，則使MOSFET42截止，由此，功率半導體元件11的柵極電壓被維持在能夠流過電動機2的浪涌電流以上的電流的電壓值。若從計時器電路16輸入表示計時結束的H電平的信號，則MOSFET42變為導通，從而功率半導體元件11的柵極電壓被降低至成為構成二極管組41的各個二極管的正向電壓的和的值。該電壓是能夠流過電動機2起動后的動作所需的電流的柵極電壓，該值可通過構成二極管組41的二極管的個數來進行調整。例如，將電動機2起動時施加到功率半導體元件11的柵極的電壓設定為以端子OUT的電位作為基準電位高出10伏特左右的值。在電動機2起動之后，柵極鉗位電路17將施加于功率半導體元件11的柵極的電壓鉗位在4伏特左右。該情況下，若將構成二極管組41的二極管各自的正向電壓設為0.7伏特，將MOSFET42的因導通電阻而獲得的電壓降設為0.5伏特，則二極管組41可以由5個二極管構成。

接著，參照圖4到圖6對半導體裝置10的動作進行說明。

圖4是表示電動機動作時的動作波形的圖，圖5是表示電動機動作時發生了負載短路的情況下的動作波形的圖，圖6是表示功率MOSFET的靜態特性例的圖。

首先，在正常動作時，如圖4所示，若H電平的信號IN被施加到端子IN，則控制電路13和電荷泵電路12進行動作，生成功率半導體元件11的柵極－源極間電壓VGS，同時計時器電路16起動。此時的柵極－源極間電壓VGS在圖6的示例中為10伏特。

若向功率半導體元件11的柵極施加柵極－源極間電壓VGS，則功率半導體元件11導通，電動機2起動。此時，功率半導體元件11中流過電動機2起動時的浪涌電流，然后，電流緩緩下降從而固定在穩定的額定電流。

若從計時器電路16起動后經過一定時間(到浪涌電流結束為止的時間)，則柵極鉗位電路17動作，使功率半導體元件11的柵極－源極間電壓VGS降低，之后維持降低后的柵極－源極間電壓VGS。此時的柵極－源極間電壓VGS在圖6的示例中為4伏特。

接著，說明在電動機2起動，并正常進行動作時發生負載短路的情況。在發生了負載短路的時刻，由于功率半導體元件11的柵極－源極間電壓VGS已經被柵極鉗位電路17進行了降低，功率半導體元件11的載流能力下降，因此，負載短路電流也相應地減少到與該載流能力相對應的值。即，如圖6所示，在功率半導體元件11的漏極－源極間電壓VDS成為電源1的電壓VCC時，只會流過直到柵極－源極間電壓VGS為4伏特時的飽和電流為止的漏極電流(短路電流)。該電流與沒有降低柵極－源極間電壓VGS時的飽和電流(圖6中虛線的圓形記號)相比大幅地降低，因此，因負載短路而引起的短路電流的激增變小，功率半導體元件11因短路電流而產生的發熱也得以減少。在表示電流的變化的圖5中也可以觀察到該情形，與虛線所示的沒有柵極電壓鉗位的情況相比，負載短路時的電流大幅地降低。

由此，通過在電動機2的浪涌電流流過之后，預先對功率半導體元件11的柵極電壓進行限制，從而即使在發生了負載短路的情況下，也只會流過由經限制后的柵極電壓所規定的電流這一大小的短路電流。因此，因短路電流而引起的發熱變少，功率半導體元件11得到保護以免受因急劇的溫度上升而導致的熱破壞。

另外，實施方式1所涉及的半導體裝置10中，如圖4和圖5所示，設為連續地進行柵極－源極間電壓VGS的降低，但也可以設為階段性地使柵極－源極間電壓VGS降低。

圖7是表示實施方式2所涉及的半導體裝置的電路結構圖。該圖7中，對于與圖1所示的結構要素相同或均等的結構要素標注相同標號，并省略其詳細說明。

示出了實施方式2所涉及的半導體裝置50應用于具備電流限制電路的高邊IPS的情況。即，電流限制電路包括用于電流檢測(current sense)的MOSFET51、電阻52、以及用于降低柵極電壓的MOSFET53。

MOSFET51的漏極與端子VCC相連接，MOSFET51的源極與電阻52的一個端子相連接，電阻52的另一個端子連接至端子OUT。MOSFET51的柵極與電荷泵 電路12的輸出相連接。MOSFET51的源極和電阻52的連接點與MOSFET53的柵極相連接，MOSFET53的漏極與MOSFET51的柵極相連接，MOSFET53的源極連接至端子OUT。

根據該半導體裝置50，在功率半導體元件11因電荷泵電路12的輸出而被置為導通時，MOSFET51也被置為導通。此時，MOSFET51中流過與流過功率半導體元件11的電流相應的電流，該電流通過流過電阻52而被轉換成電壓，該電壓被施加到MOSFET53的柵極。

這里，若有過電流流過功率半導體元件11，則與該過電流成正比的電流流過MOSFET51，由此生成的電阻52的端子電壓被施加到MOSFET53的柵極，從而使得MOSFET53變為導通。若MOSFET53導通，則功率半導體元件11的柵極－源極間電壓VGS降低，功率半導體元件11的漏極電流減小。另外，MOSFET53置為導通時的過電流限制值通過電阻52的值來設定，例如設定為電動機2的浪涌電流的峰值與負載短路時的漏極電流值之間的值。

在該半導體裝置50中，與半導體裝置10相同，在使功率半導體元件11導通時，計時器電路16起動，在計時器電路16計時結束時，起動柵極鉗位電路17，使功率半導體元件11的柵極電壓降低。由此，半導體裝置50能夠在不會對電動機2的起動特性產生任何損害的情況下，在發生負載短路時對短路電流進行抑制，能夠抑制因負載短路而引起的發熱。

圖8是表示實施方式3所涉及的半導體裝置的電路結構圖，圖9是表示實施方式3所涉及的半導體裝置的電荷泵電路的結構例的電路圖。另外，在該圖8和圖9中，對于與圖1及圖2所示的結構要素相同或均等的結構要素標注相同標號，并省略其詳細說明。

該實施方式3所涉及的半導體裝置60與實施方式1所涉及的半導體裝置10相比，變更為使得電荷泵電路12a具有半導體裝置10的柵極鉗位電路17的功能。即，電荷泵電路12a具備柵極鉗位部17a，通過從計時器電路16接收信號來降低電荷泵的能力，進而降低功率半導體元件11的載流能力。

為實現該目的，電荷泵電路12a如圖9所示，具備柵極鉗位部17a。該柵極鉗位部17a具有作為接受來自計時器電路16的信號從而將升壓電路23的第三級設為無效的開關的功能，具備逆變器61和MOSFET62。

逆變器61的輸入與計時器電路16的輸出相連接，逆變器61的輸出與MOSFET62的柵極相連接。MOSFET62的漏極與逆變器22的輸出相連接， MOSFET62的源極與第三級的逆變器32的輸入相連接。

由此，在計時器電路16起動時，L電平的信號被輸入到逆變器61，因此，逆變器61輸出H電平的信號，使MOSFET62導通，升壓電路23的第三級設為有效。于是，經由三級升壓電路23進行了升壓后的信號被施加到功率半導體元件11的柵極，從而使得功率半導體元件11能夠流過電動機2的浪涌電流。

接著，若從計時結束的計時器電路16將H電平的信號輸入到逆變器61，則逆變器61輸出L電平的信號，MOSFET62截止，升壓電路23的第三級變為無效。于是，經由兩級升壓電路23進行了升壓后的信號被施加到功率半導體元件11的柵極，從而使得功率半導體元件11能夠流過可維持電動機2的動作的電流。

由此，電荷泵電路12a具備了與柵極鉗位電路17所進行的功能相同的功能，即使在電動機2的動作過程中發生了負載短路，功率半導體元件11中也不會流過超過浪涌電流的峰值的電流。另外，在該實施方式3所涉及的半導體裝置60中，由于在電動機起動后的電動機動作中，不使用二極管組41及MOSFET42中始終有電流流過的柵極鉗位電路17，因此與半導體裝置10相比，能夠將功耗抑制得更低。

圖10是表示構成實施方式4所涉及的半導體裝置的電荷泵電路的振蕩電路的示例的電路圖。

實施方式4所涉及的半導體裝置具有與圖8所示的半導體裝置60相同的結構，但柵極鉗位部17a的實現方法與圖9所示的不同。即，圖8的電荷泵電路12a是通過減少升壓電路23的級數來降低電荷泵的能力，與此相對地，實施方式4所涉及的半導體裝置是通過降低振蕩電路21的振蕩頻率來降低電荷泵的能力。因此，在圖8所示的半導體裝置60中，電荷泵電路12a具有與圖2所示的電荷泵電路12相同的結構，由圖10所示的振蕩電路21a來構成其振蕩電路21。

振蕩電路21a包括：NAND電路71、電容器72、74、逆變器73、75、以及柵極鉗位部17b。柵極鉗位部17b包括開關76和電容器77。

柵極鉗位部17b通過串聯連接開關76和電容器77來構成，開關76是根據來自計時器電路16的信號來進行開關的元件，例如由MOSFET等構成。開關76的一個端子與電容器74的一個端子相連接，開關76的另一個端子與電容器77的一個端子相連接，電容器77的另一個端子與電容器74的另一個端子相連接。因此，柵極鉗位部17b能夠根據來自計時器電路16的信號使電容器77與電容器74并聯連接，從而能夠將電容器74的電容設為可變。

NAND電路71的輸出分別與電容器72的一個端子和逆變器73的輸入相連接， 電容器72的另一個端子連接至半導體裝置的端子GND。逆變器73的輸出分別與柵極鉗位部17b的開關76的一個端子、電容器74的一個端子、以及逆變器75的輸入相連接。柵極鉗位部17b的電容器77的另一個端子和電容器74的另一個端子連接至半導體裝置的端子GND。逆變器75的輸出構成振蕩電路21a的輸出，并且連接至NAND電路71的一個端子，NAND電路71的另一個端子連接至控制電路13的輸出。

NAND電路71中，當L電平的信號被輸入到另一個端子時，輸出H電平的信號，當H電平的信號被輸入到另一個端子時，輸出使輸入到一個端子的信號的邏輯電平反轉后的信號。因此，該振蕩電路21a構成將NAND電路71的逆變器功能與逆變器73、75連接成環狀的環形振蕩器。振蕩電路21a的振蕩頻率由分別配置于NAND電路71及逆變器73的輸出的電容器72、74的電容值來決定，在電動機起動時，按照由電容器72、74的電容值決定的頻率來進行振蕩。在電動機起動后的電動機動作中，通過使電容器74的電容增加柵極鉗位部17b的電容器74的電容值，來使振蕩電路21a的振蕩頻率降低，從而減少電荷泵的泵送次數，由此來降低能力。

在上述實施方式中，對應用于高邊IPS的情況進行了說明，但在不具有電荷泵的低邊IPS中，也同樣能夠應用本發明。此外，說明了將功率半導體元件11和其周邊的驅動電路單芯片化或單封裝化后的半導體裝置，但也能夠同樣地應用于沒有功率半導體元件11的驅動電路。

標號說明

1 電源

2 電動機

10 半導體裝置

11 功率半導體元件

12、12a 電荷泵電路

13 控制電路

14 保護電路

15 取電MOSFET

16 計時器電路

17 柵極鉗位電路

17a、17b 柵極鉗位部

21、21a 振蕩電路(振蕩器)

22 逆變器

23 升壓電路(多級升壓部)

24 逆變器

25 電容器

26、27 二極管

28 逆變器

29 電容器

30、31 二極管

32 逆變器

33 電容器

34、35 二極管

41 二極管組

42 MOSFET

50 半導體裝置

51 MOSFET

52 電阻

53 MOSFET

60 半導體裝置

61 逆變器

62 MOSFET

71 NAND電路

72 電容器

73 逆變器

74 電容器

75 逆變器

76 開關

77 電容器

GND 端子

IN 端子

OUT 端子

VCC 端子

VDS 漏極－源極間電壓

VGS 柵極－源極間電壓