半导体装置的制作方法

本发明涉及包含控制电动机等的功率半导体元件的半导体装置，尤其涉及在负载短路从而导致流过过电流时保护功率半导体元件以免受到热破坏的半导体装置。

背景技术：

汽车中大多搭载有电动机以及对该电动机进行开关控制的半导体装置，作为这种半导体装置，要求其进一步小型化并且伴随着温度环境的高温化而相应地提高其可靠性。为了应对半导体装置的小型化以及高可靠性化，研发了将功率半导体元件和驱动该功率半导体元件的驱动电路集成为一个芯片或一个封装的单芯片化半导体装置、或者单封装化半导体装置。驱动电路中包括控制电路、以及保护功率半导体元件的保护电路。保护电路例如对功率半导体元件的过热状态进行监控，若检测到过热状态，则将该情况通知给控制电路。控制电路若从保护电路接收到功率半导体元件的过热状态的通知，则进行使功率半导体元件关断等的控制。半导体装置还包括对流过功率半导体元件的电流进行监控的过电流限制电路。该过电流限制电路具有如下电路：即，间接地检测流过功率半导体元件的电流，并在检测到的电流值测得所设定的过电流限制值时对流过功率半导体元件的电流进行限制的电路(例如，参照专利文献1)。

这里，在对电动机这种感性负载进行开关控制的半导体装置中，电动机起动时会有浪涌电流流过。即，若将功率半导体元件置为导通，则电流开始流过功率半导体元件和电动机。此时，初始流过的电流是比稳定运转时的电流值要大的电流，然后，电流缓缓下降从而固定在稳定的额定电流，在到达该额定电流之前流过的大电流即为浪涌电流。因此，功率半导体元件在对其导通控制时被控制为能够将考虑到了上述这种浪涌电流的电流提供给电动机。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平11-195971号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

然而，在负载以其额定电流被驱动时，若负载发生了短路事故，则功率半导体元件中会持续流过至少比浪涌电流要大的电流，因此，功率半导体元件的温度急剧上升。该情况下，在保护电路检测到过热状态并开始功率半导体元件的保护动作之前，有可能会上升到功率半导体元件受到热破坏的温度。并且，由于流过这种大电流，因此还有可能发生布线基板的烧损、以及因电源电压的变动而导致的周边器件的误动作等。另外，在内置有过电流限制电路的半导体装置中，由于过电流限制值设定为比浪涌电流的峰值要大，因此在负载发生短路的情况下，功率半导体元件中也会持续流过比浪涌电流的峰值要大的电流。该情况下，由于功率半导体元件的温度急剧上升，从而存在因急剧的温度上升而导致功率半导体元件受到热破坏等的问题。

本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种即使发生了负载短路，功率半导体元件也不会发生急剧的温度上升的半导体装置。

用于解决问题的技术方案

本发明中，为了解决上述课题，提供一种具备驱动功率半导体元件的驱动电路的半导体装置。该半导体装置中，所述驱动电路包括：栅极钳位电路，该栅极钳位电路对所述功率半导体元件的栅极电压进行钳位；以及计时器电路，该计时器电路在所述功率半导体元件通电时开始进行计数，所述计时器电路在从计数开始经过一定时间后使所述栅极钳位电路进行动作，从而使所述功率半导体元件的载流能力降低。

发明效果

采用上述结构的半导体装置中，由于从功率半导体元件开始通电起经过一定时间后使功率半导体元件的载流能力降低，因此具有能够减小发生负载短路时的短路电流的优点。由此，功率半导体元件不会因短路电流而发生急剧的温度上升，能够防止功率半导体元件和基板布线的烧损，并能防止因电源电压的变动而引起的周边器件的误动作，从而能够确保较高的可靠性。并且，由于在浪涌电流的通电时，不会使功率半导体元件的载流能力降低，因此，能够防止功率半导体元件的无用发热。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的半导体装置的电路结构图。

图2是表示实施方式1所涉及的半导体装置的电荷泵电路的结构例的电路图。

图3是表示实施方式1所涉及的半导体装置的栅极钳位电路的结构例的电路图。

图4表示电动机动作时的动作波形的图。

图5表示电动机动作时发生了负载短路的情况下的动作波形的图。

图6是表示功率MOSFET的静态特性例的图。

图7是表示实施方式2所涉及的半导体装置的电路结构图。

图8是表示实施方式3所涉及的半导体装置的电路结构图。

图9是表示实施方式3所涉及的半导体装置的电荷泵电路的结构例的电路图。

图10是表示构成实施方式4所涉及的半导体装置的电荷泵电路的振荡电路的示例的电路图。

具体实施方式

下面，关于本发明的实施方式，以应用于车载电动机驱动用的半导体功率开关的情况为例，参照附图进行详细说明。各实施方式可以在不矛盾的范围内通过组合多个实施方式来实施。在以下的说明中，端子名称及施加于该端子的电压、信号等使用相同标号。

图1是表示实施方式1所涉及的半导体装置的电路结构图。

实施方式1所涉及的半导体装置10是将电动机驱动用的功率半导体元件11、以及驱动该功率半导体元件11的驱动电路集成得到的单芯片化的、或单封装化的IPS(INTELLIGENT POWER SWITCH：智能电源开关)。该半导体装置10配置在电源1的正极端子与电动机2之间，因此被称为高边(high side)IPS。

该半导体装置10中，使用功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)来作为功率半导体元件11，但并不限于使用该功率MOSFET。例如，可以使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)这种其他的功率器件来作为功率半导体元件11。

功率半导体元件11的漏极与作为车载电池的、连接电源1的正极端子的端子VCC相连接，源极与连接电动机2的端子OUT相连接。功率半导体元件11的栅极与栅极电压升压用的电荷泵电路12的输出相连接，以端子GND的电位作为基准电位的电荷泵电路12的输入连接至以端子GND的电位作为基准电位的控制电 路13的输出，控制电路13的输入连接至端子IN。控制电路13还与以端子GND(或者内部GND)的电位作为基准电位的保护电路14相连接。该保护电路14例如检测功率半导体元件11是否处于过热状态，或者是否处于端子VCC的电源电压下降的状态，若检测到这种状态，则进行通知给控制电路13的动作。通过对功率半导体元件11的栅极施加相对于端子OUT的电位为规定电压(阈值电压)以上的电压，能够使功率半导体元件11导通。。因此，电荷泵电路12的输出电压是考虑了端子OUT的电位而进行设定的。所述内部GND由电压VCC的电源线生成(未图示)。内部GND的电位比电源VCC(例如12V)低规定电压(例如5V)。

控制电路13进一步与取电MOSFET15的栅极及计时器电路16的输入相连接。取电MOSFET15的漏极和源极分别与功率半导体元件11的栅极和源极相连接，用于在使功率半导体元件11截止时，取出充电至其栅极电容的电荷以缩短开关时间。

计时器电路16的输出与栅极钳位电路17的输入相连接，栅极钳位电路17的输出与功率半导体元件11的栅极相连接。计时器电路16在使功率半导体元件11导通的信号输入到作为控制电路13的输入的端子IN时开始进行计数，经过一定时间(浪涌电流通电时间)后输出使栅极钳位电路17动作的信号。栅极钳位电路17接受来自计时器电路16的信号，对功率半导体元件11的栅极电压进行钳位，使功率半导体元件11的载流能力下降。

另外，计时器电路16以端子GND(或内部GND)的电位作为基准电位进行动作，栅极钳位电路17以端子OUT的电位作为基准电位进行动作，因此，从计时器电路16到栅极钳位电路17的信号传输通过电平移位电路来进行。该半导体装置10的端子GND与车辆的车身相连接。

图2是表示实施方式1所涉及的半导体装置的电荷泵电路的结构例的电路图。

电荷泵电路12具备基于从控制电路13输出的信号进行振荡的振荡电路(振荡器)21、对该振荡电路21振荡得到的信号进行逻辑反转的逆变器22、以及例如由三级构成的升压电路(多级升压部)23。

振荡电路21从控制电路13输入使功率半导体元件11导通或截止的逻辑信号，仅在输入了使功率半导体元件11导通的起动信号时进行振荡动作，输出振荡信号。

逆变器22对从振荡电路21输出的振荡信号进行反转并输出。

升压电路23中，第一级包括逆变器24、电容器25以及两个二极管26、27，第二级包括逆变器28、电容器29以及两个二极管30、31，第三级包括逆变器32、电容器33、以及两个二极管34、35。

第一级的逆变器24的输入与逆变器22的输出相连接，逆变器24的输出与电容器25的一个端子相连接，电容器25的另一个端子与二极管26的阴极及二极管27的阳极相连接。二极管26的阳极连接至电压VCC的电源线。电压VCC的电源线与半导体装置10的端子VCC相连接。

第二级的逆变器28的输入与振荡电路21的输出相连接，逆变器28的输出与电容器29的一个端子相连接，电容器29的另一个端子与二极管30的阴极、二极管31的阳极以及第一级的二极管27的阴极相连接。二极管30的阳极连接至电压VCC的电源线。

第三级的逆变器32的输入与逆变器22的输出相连接，逆变器32的输出与电容器33的一个端子相连接，电容器33的另一个端子与二极管34的阴极及二极管35的阳极相连接。二极管34的阳极连接至电压VCC的电源线，二极管35的阴极构成该电荷泵电路12的输出。

根据具有上述结构的电荷泵电路12，振荡电路21通过从控制电路13输入功率半导体元件11的起动信号来开始进行振荡动作。从振荡电路21输出的信号例如为L(低)电平的情况下，该信号由逆变器22进行反转而成为H(高)电平，然后输入到升压电路23的第一级的逆变器24。由此，由于逆变器24的输出为L电平，因此电容器25的一个端子连接至地GND，从而电容器25经由二极管26由电源线的电压VCC进行充电。其结果是，使得电容器25的端子电压成为VCC-Vf(Vf是二极管26的正向电压)。

从振荡电路21输出的信号例如为H(高)电平的情况下，该信号由逆变器22进行反转而成为L(低)电平，然后输入到升压电路23的第一级的逆变器24。由此，由于逆变器24的输出为H电平，因此对电容器25的一个端子施加有电源线的电压VCC，其结果是，使得电容器25的另一个端子的电压成为2VCC-Vf。此时，H电平的信号被输入到升压电路23的第二级的逆变器28，因此，逆变器28的输出成为L电平。由此，电容器29的一个端子连接至地GND，电容器29的另一个端子经由第一级的二极管27施加有2VCC-Vf的电压。其结果是，使得电容器29的端子电压成为2VCC-2Vf(Vf是二极管26、27的正向电压，设为具有相同值)。

接着，若从振荡电路21输出的信号为L电平，则该信号被输入到第二级的逆变器28从而逆变器28的输出为H电平、即电源线的电压VCC。其结果是，使得电容器29的另一个端子的电压成为将VCC叠加到2VCC-2Vf的电压后得到的3VCC-2Vf。此时，由于H电平的信号被输入到升压电路23的第三级的逆变器32， 因此，逆变器32的输出成为L电平。由此，电容器33的一个端子连接至地GND，电容器33的另一个端子经由第二级的二极管31施加有3VCC-2Vf的电压。其结果是，使得电容器33的端子电压成为3VCC-3Vf(Vf是二极管26、27、31的正向电压，设为具有相同值)。按此方式升压后的电压经由二极管35输出到电荷泵电路12的输出。该输出信号可通过对从振荡电路21输出的信号的L电平和H电平进行交替重复来持续获得，并成为功率半导体元件11的栅极电压。

图3是表示实施方式1所涉及的半导体装置的栅极钳位电路的结构例的电路图。

栅极钳位电路17具有二极管组41和MOSFET42。二极管组41通过串联连接多个二极管来构成，二极管组41的阳极连接至功率半导体元件11的栅极，二极管组41的阴极连接至MOSFET42的漏极。MOSFET42的栅极与计时器电路16的输出相连接，MOSFET42的源极与半导体装置10的端子OUT相连接。

栅极钳位电路17若从计时器电路16输入表示正在时间计数中的L电平的信号，则使MOSFET42截止，由此，功率半导体元件11的栅极电压被维持在能够流过电动机2的浪涌电流以上的电流的电压值。若从计时器电路16输入表示计时结束的H电平的信号，则MOSFET42变为导通，从而功率半导体元件11的栅极电压被降低至成为构成二极管组41的各个二极管的正向电压的和的值。该电压是能够流过电动机2起动后的动作所需的电流的栅极电压，该值可通过构成二极管组41的二极管的个数来进行调整。例如，将电动机2起动时施加到功率半导体元件11的栅极的电压设定为以端子OUT的电位作为基准电位高出10伏特左右的值。在电动机2起动之后，栅极钳位电路17将施加于功率半导体元件11的栅极的电压钳位在4伏特左右。该情况下，若将构成二极管组41的二极管各自的正向电压设为0.7伏特，将MOSFET42的因导通电阻而获得的电压降设为0.5伏特，则二极管组41可以由5个二极管构成。

接着，参照图4到图6对半导体装置10的动作进行说明。

图4是表示电动机动作时的动作波形的图，图5是表示电动机动作时发生了负载短路的情况下的动作波形的图，图6是表示功率MOSFET的静态特性例的图。

首先，在正常动作时，如图4所示，若H电平的信号IN被施加到端子IN，则控制电路13和电荷泵电路12进行动作，生成功率半导体元件11的栅极－源极间电压VGS，同时计时器电路16起动。此时的栅极－源极间电压VGS在图6的示例中为10伏特。

若向功率半导体元件11的栅极施加栅极－源极间电压VGS，则功率半导体元件11导通，电动机2起动。此时，功率半导体元件11中流过电动机2起动时的浪涌电流，然后，电流缓缓下降从而固定在稳定的额定电流。

若从计时器电路16起动后经过一定时间(到浪涌电流结束为止的时间)，则栅极钳位电路17动作，使功率半导体元件11的栅极－源极间电压VGS降低，之后维持降低后的栅极－源极间电压VGS。此时的栅极－源极间电压VGS在图6的示例中为4伏特。

接着，说明在电动机2起动，并正常进行动作时发生负载短路的情况。在发生了负载短路的时刻，由于功率半导体元件11的栅极－源极间电压VGS已经被栅极钳位电路17进行了降低，功率半导体元件11的载流能力下降，因此，负载短路电流也相应地减少到与该载流能力相对应的值。即，如图6所示，在功率半导体元件11的漏极－源极间电压VDS成为电源1的电压VCC时，只会流过直到栅极－源极间电压VGS为4伏特时的饱和电流为止的漏极电流(短路电流)。该电流与没有降低栅极－源极间电压VGS时的饱和电流(图6中虚线的圆形记号)相比大幅地降低，因此，因负载短路而引起的短路电流的激增变小，功率半导体元件11因短路电流而产生的发热也得以减少。在表示电流的变化的图5中也可以观察到该情形，与虚线所示的没有栅极电压钳位的情况相比，负载短路时的电流大幅地降低。

由此，通过在电动机2的浪涌电流流过之后，预先对功率半导体元件11的栅极电压进行限制，从而即使在发生了负载短路的情况下，也只会流过由经限制后的栅极电压所规定的电流这一大小的短路电流。因此，因短路电流而引起的发热变少，功率半导体元件11得到保护以免受因急剧的温度上升而导致的热破坏。

另外，实施方式1所涉及的半导体装置10中，如图4和图5所示，设为连续地进行栅极－源极间电压VGS的降低，但也可以设为阶段性地使栅极－源极间电压VGS降低。

图7是表示实施方式2所涉及的半导体装置的电路结构图。该图7中，对于与图1所示的结构要素相同或均等的结构要素标注相同标号，并省略其详细说明。

示出了实施方式2所涉及的半导体装置50应用于具备电流限制电路的高边IPS的情况。即，电流限制电路包括用于电流检测(current sense)的MOSFET51、电阻52、以及用于降低栅极电压的MOSFET53。

MOSFET51的漏极与端子VCC相连接，MOSFET51的源极与电阻52的一个端子相连接，电阻52的另一个端子连接至端子OUT。MOSFET51的栅极与电荷泵 电路12的输出相连接。MOSFET51的源极和电阻52的连接点与MOSFET53的栅极相连接，MOSFET53的漏极与MOSFET51的栅极相连接，MOSFET53的源极连接至端子OUT。

根据该半导体装置50，在功率半导体元件11因电荷泵电路12的输出而被置为导通时，MOSFET51也被置为导通。此时，MOSFET51中流过与流过功率半导体元件11的电流相应的电流，该电流通过流过电阻52而被转换成电压，该电压被施加到MOSFET53的栅极。

这里，若有过电流流过功率半导体元件11，则与该过电流成正比的电流流过MOSFET51，由此生成的电阻52的端子电压被施加到MOSFET53的栅极，从而使得MOSFET53变为导通。若MOSFET53导通，则功率半导体元件11的栅极－源极间电压VGS降低，功率半导体元件11的漏极电流减小。另外，MOSFET53置为导通时的过电流限制值通过电阻52的值来设定，例如设定为电动机2的浪涌电流的峰值与负载短路时的漏极电流值之间的值。

在该半导体装置50中，与半导体装置10相同，在使功率半导体元件11导通时，计时器电路16起动，在计时器电路16计时结束时，起动栅极钳位电路17，使功率半导体元件11的栅极电压降低。由此，半导体装置50能够在不会对电动机2的起动特性产生任何损害的情况下，在发生负载短路时对短路电流进行抑制，能够抑制因负载短路而引起的发热。

图8是表示实施方式3所涉及的半导体装置的电路结构图，图9是表示实施方式3所涉及的半导体装置的电荷泵电路的结构例的电路图。另外，在该图8和图9中，对于与图1及图2所示的结构要素相同或均等的结构要素标注相同标号，并省略其详细说明。

该实施方式3所涉及的半导体装置60与实施方式1所涉及的半导体装置10相比，变更为使得电荷泵电路12a具有半导体装置10的栅极钳位电路17的功能。即，电荷泵电路12a具备栅极钳位部17a，通过从计时器电路16接收信号来降低电荷泵的能力，进而降低功率半导体元件11的载流能力。

为实现该目的，电荷泵电路12a如图9所示，具备栅极钳位部17a。该栅极钳位部17a具有作为接受来自计时器电路16的信号从而将升压电路23的第三级设为无效的开关的功能，具备逆变器61和MOSFET62。

逆变器61的输入与计时器电路16的输出相连接，逆变器61的输出与MOSFET62的栅极相连接。MOSFET62的漏极与逆变器22的输出相连接， MOSFET62的源极与第三级的逆变器32的输入相连接。

由此，在计时器电路16起动时，L电平的信号被输入到逆变器61，因此，逆变器61输出H电平的信号，使MOSFET62导通，升压电路23的第三级设为有效。于是，经由三级升压电路23进行了升压后的信号被施加到功率半导体元件11的栅极，从而使得功率半导体元件11能够流过电动机2的浪涌电流。

接着，若从计时结束的计时器电路16将H电平的信号输入到逆变器61，则逆变器61输出L电平的信号，MOSFET62截止，升压电路23的第三级变为无效。于是，经由两级升压电路23进行了升压后的信号被施加到功率半导体元件11的栅极，从而使得功率半导体元件11能够流过可维持电动机2的动作的电流。

由此，电荷泵电路12a具备了与栅极钳位电路17所进行的功能相同的功能，即使在电动机2的动作过程中发生了负载短路，功率半导体元件11中也不会流过超过浪涌电流的峰值的电流。另外，在该实施方式3所涉及的半导体装置60中，由于在电动机起动后的电动机动作中，不使用二极管组41及MOSFET42中始终有电流流过的栅极钳位电路17，因此与半导体装置10相比，能够将功耗抑制得更低。

图10是表示构成实施方式4所涉及的半导体装置的电荷泵电路的振荡电路的示例的电路图。

实施方式4所涉及的半导体装置具有与图8所示的半导体装置60相同的结构，但栅极钳位部17a的实现方法与图9所示的不同。即，图8的电荷泵电路12a是通过减少升压电路23的级数来降低电荷泵的能力，与此相对地，实施方式4所涉及的半导体装置是通过降低振荡电路21的振荡频率来降低电荷泵的能力。因此，在图8所示的半导体装置60中，电荷泵电路12a具有与图2所示的电荷泵电路12相同的结构，由图10所示的振荡电路21a来构成其振荡电路21。

振荡电路21a包括：NAND电路71、电容器72、74、逆变器73、75、以及栅极钳位部17b。栅极钳位部17b包括开关76和电容器77。

栅极钳位部17b通过串联连接开关76和电容器77来构成，开关76是根据来自计时器电路16的信号来进行开关的元件，例如由MOSFET等构成。开关76的一个端子与电容器74的一个端子相连接，开关76的另一个端子与电容器77的一个端子相连接，电容器77的另一个端子与电容器74的另一个端子相连接。因此，栅极钳位部17b能够根据来自计时器电路16的信号使电容器77与电容器74并联连接，从而能够将电容器74的电容设为可变。

NAND电路71的输出分别与电容器72的一个端子和逆变器73的输入相连接， 电容器72的另一个端子连接至半导体装置的端子GND。逆变器73的输出分别与栅极钳位部17b的开关76的一个端子、电容器74的一个端子、以及逆变器75的输入相连接。栅极钳位部17b的电容器77的另一个端子和电容器74的另一个端子连接至半导体装置的端子GND。逆变器75的输出构成振荡电路21a的输出，并且连接至NAND电路71的一个端子，NAND电路71的另一个端子连接至控制电路13的输出。

NAND电路71中，当L电平的信号被输入到另一个端子时，输出H电平的信号，当H电平的信号被输入到另一个端子时，输出使输入到一个端子的信号的逻辑电平反转后的信号。因此，该振荡电路21a构成将NAND电路71的逆变器功能与逆变器73、75连接成环状的环形振荡器。振荡电路21a的振荡频率由分别配置于NAND电路71及逆变器73的输出的电容器72、74的电容值来决定，在电动机起动时，按照由电容器72、74的电容值决定的频率来进行振荡。在电动机起动后的电动机动作中，通过使电容器74的电容增加栅极钳位部17b的电容器74的电容值，来使振荡电路21a的振荡频率降低，从而减少电荷泵的泵送次数，由此来降低能力。

在上述实施方式中，对应用于高边IPS的情况进行了说明，但在不具有电荷泵的低边IPS中，也同样能够应用本发明。此外，说明了将功率半导体元件11和其周边的驱动电路单芯片化或单封装化后的半导体装置，但也能够同样地应用于没有功率半导体元件11的驱动电路。

标号说明

1 电源

2 电动机

10 半导体装置

11 功率半导体元件

12、12a 电荷泵电路

13 控制电路

14 保护电路

15 取电MOSFET

16 计时器电路

17 栅极钳位电路

17a、17b 栅极钳位部

21、21a 振荡电路(振荡器)

22 逆变器

23 升压电路(多级升压部)

24 逆变器

25 电容器

26、27 二极管

28 逆变器

29 电容器

30、31 二极管

32 逆变器

33 电容器

34、35 二极管

41 二极管组

42 MOSFET

50 半导体装置

51 MOSFET

52 电阻

53 MOSFET

60 半导体装置

61 逆变器

62 MOSFET

71 NAND电路

72 电容器

73 逆变器

74 电容器

75 逆变器

76 开关

77 电容器

GND 端子

IN 端子

OUT 端子

VCC 端子

VDS 漏极－源极间电压

VGS 栅极－源极间电压