[0047]接着，对以下设为反接状态的情况进行说明:在将直流电源2与电动机驱动电路I相连接时，将直流电源2的负极侧与功率芯片10的输入端子til及控制芯片20的输入端子ti2相连接，将正极侧进行接地。
[0048]当该直流电源2成为反接状态时，如图1中粗线箭头所示，电源电压VB (例如16V)的直流电源输入至控制芯片20的输出端子to2，且直流电源经由电动机31而输入至功率芯片10的输出端子tol。
[0049]在上述功率芯片10和控制芯片20中，由于电流流通于寄生的体二极管12、垂直扩散二极管24，因此，通常无法对该电流进行控制。寄生的体二极管12、垂直扩散二极管24并非假设被设为始终通电的元件，若电流持续流过寄生的体二极管12、垂直扩散二极管24，则会因发热或过热所引起的热损坏而产生问题。
[0050]然而，在本实施方式中，控制芯片20的垂直扩散二极管24与输入端子ti2之间插入有反接保护电路22。在该反接保护电路22中，在垂直扩散二极管24的阴极与输入端子ti2之间连接有分压电阻Rl和R2。因此，若利用表示元件结构的图2来对控制芯片20的电流路径进行说明，则由反向连接的直流电源2所提供的电流通过由垂直扩散二极管24以及N-MOS的背栅极和η型基板41所构成的二极管BG而流至η型基板41，通过图中的高浓度η区域42而流至分压电阻Rl和R2。因此，能利用分压电阻Rl和R2来对流过控制芯片20的电流进行控制，能对电源反接时控制芯片的发热进行抑制。
[0051]此时的控制芯片20的各部分的电位如图1所示，在输出端子to2上，直流电源2的电源电压VB ( = 16V)，为简单起见，将η型基板41的PN结的正方向电压Vf设为0.6V,此时，通过垂直扩散二极管24的基板电位(副电位)VDD满足VDD = VB - Vf = 15.4V。
[0052]然后，在例如将分压电阻Rl和R2的电阻值设为100Ω的情况下，从分压电阻Rl和R2的连接点输出的中间电压Vdiv满足Vdiv = VDDX (1/2) = 7.7V，成为基板电位VDD的一半。由于该中间电压Vdiv被提供给PM0SFET26的反转栅极端子，因此，该PM0SFET26成为导通状态。因此，电流通过PM0SFET26和防逆流用二极管27a、27b而流至栅极电压线21a。
[0053]此时，在PM0SFET26的导通电阻Ron足够小，且插入栅极电压线21a的电阻R3及栅极信号形成电路23的电阻R4的电阻值足够大的情况下，栅极电压线21a的栅极电压VG满足VG = VB — 3Vf = 14.2V，将该栅极电压VG施加于功率芯片10的NM0SFET11的栅极，从而能可靠地将该NM0SFET11控制成导通状态。因此，能对功率芯片10的发热进行抑制。
[0054]此外，在现有的上述电流路径上存在NM0SFET28、控制电路21内的各种阻抗，但通过将PM0SFET26及防逆流用二极管27a、27b相对于电阻R3及R4设定为足够低的阻抗，能简化设计。
[0055]这里，防逆流用二极管27a、27b用于防止电流反向流通至在正常动作时被充电的栅极电位的PM0SFET26。在本实施方式中，由于使用了高侧结构，因此，为了在正常动作时将功率芯片10的NM0SFET11设为完全导通状态，用电荷泵电路等以升压至电源电压以上的电压来对功率芯片的栅极进行控制。
[0056]因此，为防止升压后的电压反向流通至基板电压VDD等而配置有防逆流用二极管27a、27b。由此，在防逆流用二极管27a、27b的耐压相对于升压后的电压足够大的情况下，能将防逆流用二极管设为单级结构。在这种情况下，反接时的栅极电压VG大致满足VG =VB - 2Vf0
[0057]图3示出了本实施方式中电源电压及与之相对应的反接时的栅极电压VGD的仿真结果。由该图3可知，VGD = VB - 3XVf的栅极电压被施加于功率芯片10的NM0SFET11。
[0058]此外，在正常动作时，若将控制电路21的电源电流(消耗电流)设为1mA，则分压电阻Rl和R2的电阻值为200 Ω时的电压降为0.2V左右，当正常动作时不存在问题。另外，PM0SFET26的栅极电压比该PM0SFET26的源极电压要高0.1V。由此，正常动作时PM0SFET26不会成为导通状态。另外，由于只在电源反接时对分压电路Rl和R2施加较大的直流电压，因此，能利用该中间电压Vdiv来进行各种控制。
[0059]接着，使用图4对本发明的实施方式2进行说明。
[0060]在本实施方式2中，省略了反接保护电路22的防逆流用二极管27a和27b，代之以连接有NM0SFET51的结构。
[0061]在本实施方式2中，将NM0SFET51的栅极端子与漏极端子进行短接，并将背栅极端子与栅极信号形成电路23的NM0SFET28和防逆流用二极管29的连接点相连接，从而将NM0SFET51用于防逆流。
[0062]由于即使在本实施方式2中也只是将反接保护电路22的防逆流用二极管27a和27b替换成为NM0SFET51，因此，能获得与上述实施方式I相同的作用效果。
[0063]接着，使用图5对本发明的实施方式3进行说明。
[0064]在本实施方式3中，在上述实施方式I中，将反接保护电路22的PM0SFET26和防逆流用二极管27a的连接点与电荷泵电路60相连接，将该电荷泵电路60的输出与栅极电压线21a相连接，从而即使在直流电源2反接时也能将栅极电压VG进行升压。由此，能防止栅极电压VGD在上述图3所示的低电源电压下发生下降。
[0065]此外，上述电荷泵电路60具有只在直流电源2反接时工作的电路结构。因此，能通过采用相同的使用方式来容易地形成只在直流电源2反接时工作的检测电路等。
[0066]此外,在上述实施方式I?3中，对用η型基板41来构成控制芯片20的情况进行了说明，但并不局限于此，如图6所示，也可以采用P型基板70。在这种情况下，在P型基板70的例如右侧形成在直流电源2反接时提供电流的高浓度P区域71，在该高浓度P区域71的左侧依次形成控制电路21 (图6中，作为一个代表而示出了用CMOS来形成控制电路21时所使用的P-MOS (P沟道MOSFET)和N-MOS (N沟道MOSFET)的一般的一对MOSFET)及垂直扩散二极管24。然后，在直流电源2反接时，使电流通过高浓度P区域71、P型基板70、垂直扩散二极管24(VZD)这一路径而流通至电阻R1、R2。其它结构和动作与上述实施方式相同。
[0067]另外，无需将分压电阻Rl和R2的电阻值设定为相同值，只要能将PM0SFET26设为导通状态即可，可以设定为任意的值。
[0068]另外，在上述实施方式I?实施方式3中，对用MOSFET来构成功率芯片10的开关元件的情况进行了说明，但也可以运用IGBT等其它电压控制型半导体元件。
[0069]另外，在上述实施方式I?实施方式3的情况下，对使用电动机31来作为负载的情况进行了说明，但并不局限于此，也可以运用照明灯等其它任意结构的负载。
[0070]标号说明
[0071]I…电动机驱动电路
[0072]2…直流电源
[0073]10…功率芯片
[0074]11 …NMOSFET
[0075]20…控制芯片
[0076]21…控制电路
[0077]22…反接保护电路
[0078]23…栅极信号形成电路
[0079]24…垂直扩散二极管(vertical diffus1n d1de)
[0080]Rl、R3…分压电阻
[0081]25…控制电压形成电路
[0082]26 …PM0SFET
[0083]27a、27b…防逆流用二极管
[0084]28 …NMOSFET
[0085]29…防逆流用二极管
[0086]31…电动机
[0087]41…η型基板
[0088]42…高浓度η区域
[0089]51 …NMOSi7ET
[0090]60…电荷泵电路
[0091]70…P型基板
[0092]71…高浓度P区域
【主权项】
1.一种半导体装置，其特征在于，包括: 功率芯片，该功率芯片包括将从电源至负载的供电在导通状态与断开状态之间进行切换的开关元件； 控制芯片，该控制芯片内置有对该功率芯片的开关元件进行控制的控制电路；以及 反接保护电路，该反接保护电路在设置于所述控制芯片的所述电源反接时，将所述功率芯片的开关元件控制成导通状态， 所述反接保护电路具有:保护用电阻，该保护用电阻插入于所述控制电路及所述电源的正极侧之间；以及控制电压形成电路，在所述电源反接时所述保护用电阻的中点电压输入至所述控制电压形成电路，以形成将所述功率芯片的开关元件控制成导通状态的控制电压。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述保护用电阻的所述控制电路一侧与控制芯片的基板相连接，从而提供基板电位。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于， 所述控制电压形成电路包括电压控制型半导体元件，对于该电压控制型半导体元件，将分压电阻的中点电压提供给其栅极端子，并将由所述保护用电阻所形成的所述基板电位输入至其输入侧端子。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于， 在所述控制电压形成电路中，防逆流用二极管与所述电压控制型半导体元件串联连接。
5.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于， 在所述控制电压形成电路中，第二电压控制型半导体元件与所述电压控制型半导体元件串联连接，其中，所述第二电压控制型半导体元件的沟道与该电压控制型半导体元件不同。
6.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于， 在所述第二电压控制型半导体元件中，栅极端子与输入侧端子短路，背栅极端子与利用控制信号来进行开关控制的第三电压控制型半导体元件的输出端子侧相连接。
7.如权利要求3至6的任一项所述的半导体装置，其特征在于， 所述反接保护电路具有电荷泵电路，由所述控制电压形成电路的电压控制型半导体元件所输出的控制电压输入至所述电荷泵电路，该电荷泵电路的输出被提供给所述功率芯片。
【专利摘要】本发明提供能对电源反接时流过控制芯片的电流进行抑制而不对正常动作产生影响、并能在电源反接时向功率芯片提供足够的控制电压的半导体装置。包括：包括将从电源至负载的供电在导通状态与断开状态之间进行切换的开关元件的功率芯片(10)；内置有对该功率芯片的开关元件进行控制的控制电路的控制芯片(20)；以及在设置于所述控制芯片的所述电源反接时将所述功率芯片的开关元件控制成导通状态的反接保护电路(22)，所述反接保护电路具有：插入于所述控制电路及所述电源的正极侧之间的保护用电阻(R1、R2)；以及在所述电源反接时被输入所述保护用电阻的中点电压、以形成将所述功率芯片的开关元件控制成导通状态的控制电压的控制电压形成电路(25)。
【IPC分类】H02H9-04, H01L27-02
【公开号】CN104578026
【申请号】CN201410445284
【发明人】岩水守生
【申请人】富士电机株式会社
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年9月3日
【公告号】DE102014217374A1, US20150109706