半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体装置，更详细地说，涉及在内燃机的点火系统中利用开关元件对电感负载进行驱动的半导体装置。
【背景技术】
[0002]在内燃机、例如汽车的发动机的点火系统中，使用变压器等电感负载，使发动机点火。变压器由半导体装置的开关元件驱动。开关元件基于从发动机控制用计算机输出的着火信号，利用驱动电路而进行动作。
[0003]在用于点火系统的半导体装置中搭载保护功能(例如参照专利文献I?4)。例如，在半导体装置中，为了避免烧毁破坏，搭载下述功能，g卩，在大于或等于预先确定的时间持续地施加接通信号时，将负载电流切断。将负载电流切断的动作是通过半导体装置的自身保护而进行的切断动作，因此，原本在与从发动机控制用计算机输出着火信号的定时(timing)不同的定时进行的可能性极高。
[0004]根据切断动作的定时的不同，发生发动机的逆火及爆震等问题。在最坏的情况下，还存在下述问题，即，可能导致发动机的机械机构的破损。为了防止这些问题，在半导体装置中搭载下述功能，即，实现负载电流的缓慢的切断，防止不必要的点火动作。除此以外，在半导体装置中，还作为自身保护而进行针对异常温度及过电流的对策。如上所述，半导体装置以尽可能避免误点火的风险的方式构成。
[0005]另外，对于在点火系统中与作为半导体装置而使用的电力用半导体装置连接的功率半导体用接地(以下有时称为“功率GND”)，在从驱动电路输出的输出信号的信号电平是低(Low)电平时，电位有可能由于电涌等的施加而下降至一 60V左右。这是直至与电池连接的电池接地(以下有时称为“电池GND”)为止的配线的影响。
[0006]在从驱动电路输出的输出信号的信号电平为低电平时，如果功率GND的电位下降至一 60V左右，则有可能半导体装置进行误动作，开关元件再次进行接通(ON)动作。为了防止上述情况，在半导体装置中作为保护功能而搭载下述功能，即，防止不必要的点火动作，以在电涌等的较短的脉冲信号下不进行动作。
[0007]专利文献1:日本特开平9 - 172358号公报
[0008]专利文献2:日本特开平11 一 205112号公报
[0009]专利文献3:日本特开平7 - 142711号公报
[0010]专利文献4:日本特开2010 - 226835号公报
【发明内容】
[0011]如前述的专利文献I?4等公开的那样，在用于点火系统的半导体装置中搭载保护功能。保护功能使半导体装置的电路规模增大，是阻碍低成本化及小型化的主要原因。
[0012]本发明的目的在于，提供一种具有保护功能且能够实现小型化及低成本化的半导体装置。
[0013]本发明的半导体装置的特征在于，具有:开关元件；驱动电路，其基于从外部的控制装置提供的控制信号，输出用于驱动所述开关元件的驱动控制信号；以及控制电路，其基于从所述驱动电路输出的所述驱动控制信号，对所述开关元件的驱动进行控制，所述驱动电路在所述控制信号是用于驱动所述开关元件的信号的情况下，将信号电平相对较低的低电平的所述驱动控制信号输出，所述驱动电路在所述控制信号是用于使所述开关元件的驱动停止的信号的情况下，将信号电平相对较高的高电平的所述驱动控制信号输出，所述控制电路具有用于蓄积电荷的电荷蓄积用电容器，所述控制电路在从所述驱动电路输出的所述驱动控制信号为高电平时，使所述开关元件的驱动停止，并对所述电荷蓄积用电容器进行充电，所述控制电路在从所述驱动电路输出的所述驱动控制信号为低电平时，使用蓄积在所述电荷蓄积用电容器中的电荷，对所述开关元件进行驱动。
[0014]发明的效果
[0015]根据本发明的半导体装置，如果从驱动电路输出高电平的驱动控制信号，则通过控制电路，使开关元件的驱动停止，对电荷蓄积用电容器进行充电。如果从驱动电路输出低电平的驱动控制信号，则通过控制电路，使用蓄积在电荷蓄积用电容器中的电荷，对开关元件进行驱动。
[0016]如上所述，在开关元件的驱动中，由于使用蓄积在控制电路的电荷蓄积用电容器中的电荷，因此如果开关元件连续地通电，则电荷蓄积用电容器由于控制电路的消耗电力而进行放电。与该放电相伴，用于将开关元件设置为流过电流的导通状态的驱动电压逐渐下降。由此，由于能够缓慢地将流过开关元件的电流切断，因此能够保护半导体装置。另夕卜，由于在从驱动电路输出的驱动控制信号为高电平时，仅对电荷蓄积用电容器进行充电，且不对开关元件进行驱动，因此能够防止开关元件意外地变为导通状态，保护半导体装置。
[0017]如上所述，根据本发明，无需另外设置保护电路即可实现保护功能。因此，能够实现具有保护功能且能够实现小型化及低成本化的半导体装置。
[0018]通过以下的详细说明和附图，使得本发明的目的、特征、方面、以及优点更清楚。
【附图说明】
[0019]图1是表示点火装置10的结构的一个例子的图。
[0020]图2是表示半导体装置I的动作的时序图。
[0021]图3是表示本发明的前提技术即半导体装置I的控制电路12及开关元件部3的结构的图。
[0022]图4是表示本发明的第I实施方式即半导体装置30的控制电路31及开关元件部3的结构的图。
[0023]图5是表不图4的控制电路31及开关兀件部3的动作的时序图。
[0024]图6是表示本发明的第2实施方式即半导体装置35的控制电路36及开关元件部3的结构的图。
[0025]图7是表示本发明的第3实施方式即半导体装置40的控制电路41及开关元件3的结构的图。
[0026]图8是表示本发明的第4实施方式即半导体装置45的控制电路46及开关元件部3的结构的图。
[0027]图9是表示本发明的第5实施方式即半导体装置50的控制电路51及开关元件部3的结构的图。
[0028]图10是表示本发明的第6实施方式即半导体装置55的控制电路56及开关元件部3的结构的图。
[0029]图11是表示本发明的第7实施方式即半导体装置60的控制电路61及开关元件部3的结构的图。
[0030]图12是表示本发明的第8实施方式即半导体装置65的控制电路66及开关元件部3的结构的图。
[0031]图13是表示本发明的第9实施方式即半导体装置70的控制电路71及开关元件部3的结构的图。
[0032]图14是表示本发明的第10实施方式即半导体装置75的控制电路76及开关元件部3的结构的图。
[0033]图15是表示本发明的第11实施方式即半导体装置80的控制电路81及开关元件部3的结构的图。
[0034]图16是表示本发明的第11实施方式的变形例即半导体装置85的控制电路86及开关元件部3的结构的图。
[0035]图17是表示本发明的第12实施方式即半导体装置90的控制电路91及开关元件部3的结构的图。
[0036]图18是表示本发明的第12实施方式的变形例即半导体装置95的控制电路96及开关元件部3的结构的图。
[0037]图19是表示本发明的前提技术即半导体装置I的驱动电路11的结构的图。
[0038]图20是表示本发明的第13实施方式中的驱动电路100的结构的图。
[0039]图21是表示本发明的第14实施方式中的驱动电路105的结构的图。
[0040]图22是表示本发明的第15实施方式中的驱动电路110的结构的图。
[0041]图23是表示本发明的第16实施方式中的驱动电路115的结构的图。
[0042]图24是表示本发明的第17实施方式中的驱动电路120的结构的图。
[0043]图25是表示本发明的第18实施方式中的驱动电路125的结构的图。
【具体实施方式】
[0044]<第I实施方式>
[0045]图1是表示点火装置10的结构的一个例子的图。点火装置10设置于内燃机例如汽车的发动机的点火系统(即，Ignit1n System)。点火装置10具有下述部件而构成，即:半导体装置I ;点火用变压器4 ;火花塞5 ;电子控制单元(Electronic Control Unit ；简称:ECU)6 ;以及电源9。
[0046]半导体装置I具有集成电路2及开关元件部3。集成电路2具有驱动电路11、控制电路12以及电流检测电阻Rsl。开关元件部3具有电力用半导体元件作为开关元件，具体地说，具有绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor ;简称:IGBT)Q1。另外，开关元件部3具有齐纳二极管Zdl。点火用变压器4具有一次侧线圈13及二次侧线圈14。
[0047]E⑶6与驱动电路11及控制用接地7连接。E⑶6是控制用计算机，具有中央运算处理装置(Central Processing Unit ;简称:CPU)而构成。EQJ6相当于控制装置。
[0048]E⑶6将对开关元件部3的开关元件即IGBT Ql进行控制的控制信号Sd提供给驱动电路11。驱动电路11与控制电路12及控制用接地7连接。驱动电路11将从E⑶6提供的控制信号Sd向控制电路12提供。从驱动电路11向控制电路12输出的控制信号Sd相当于驱动控制信号。
[0049]控制电路12与构成开关元件部3的IGBT Ql及齐纳二极管Zdl、电流检测电阻Rsl及功率半导体用接地8连接。具体地说，控制电路12分别与IGBT Ql的栅极、以及齐纳二极管Zdl的阳极连接。
[0050]控制电路12基于从驱动电路11提供的控制信号Sd、和预先确定的动作条件，生成对开关元件部3的IGBT Ql进行驱动的驱动信号Vge。控制电路12将生成的驱动信号Vge向IGBT Ql的栅极提供。由此，控制电路12对IGBT Ql的驱动进行控制。
[0051]IGBT Ql的集电极与点火用变压器4的一次侧线圈13的一端及齐纳二极管Zdl的阴极连接。点火用变压器4的一次侧线圈13的另一端与电源9连接。齐纳二极管Zdl的阳极与IGBT Ql的栅极及控制电路12连接。点火用变压器4的二次侧线圈14的一端与电源9连接。点火用变压器4的二次侧线圈14的另一端与火花塞5的一端连接。火花塞5的另一端与功率半导体用接地8连接。
[0052]为了防止构成点火用变压器4的一次侧线圈13及二次侧线圈的绕组的绝缘破坏，齐纳二极管Zdl设置在IGBT Ql的集电极和栅极之间。齐纳二极管Zdl是用于将IGBT Ql的集电极和发射极之间的电压(以下有时称为“集电极一发射极间电压”)Vce固定(钳位(clamp))于预先确定的电压的钳位齐纳。齐纳二极管Zdl将IGBT Ql的集电极一发射极间电压Vce钳位于例如500V左右。
[0053]IGBT Ql的发射极与电流检测电阻Rsl的一端连接。电流检测电阻Rsl的另一端与功率半导体用接地8连接。电流检测电阻Rsl的一端与控制电路12连接。控制电路12利用电流检测电阻Rsl，将在IGBT Ql的发射极中流动的发射极电流变换为感测电压Vsense并进行检测。
[0054]具体地说，控制电路12将电流检测电阻Rsl的一端和功率半导体用接地8之间的电位差作为感测电压Vsense进行检测。控制电路12基于检测到的感测电压VsensejPi流检测电阻Rsl的电阻值，求出在IGBT Ql的发射极中流动的发射极电流。在下面的说明中，将以上述方式求出的发射极电流称为感测电流I sense。
[0055]点火装置10以下述方式进行动作。对于点火装置10的半导体装置1，如果作为控制信号Sd而从ECU6提供用于使开关元件部3的IGBT Ql导通的导通信号，则经由驱动电路11，利用控制电路12的控制端子对来自ECU6的导通信号进行接收。控制电路12基于接收到的导通信号，对IGBT Ql进行驱动。由此，半导体装置I使电流向作为负载的点火用变压器4流动。
[0056]在点火定时，作为控制信号Sd而从E⑶6提供用于使IGBT Ql截止的截止信号。半导体装置I经由驱动电路11，利用控制电路12的控制端子对来自ECU6的截止信号进行接收。控制电路12基于接收到的截止信号，将IGBT Ql断开，将IGBT Ql的集电极和发射极之间的导通切断。
[0057]通过将IGBT Ql的集电极一发射极间的导通切断，由此，IGBT Ql的集电极一发射极间电压Vce上升，在点火用变压器4的二次侧线圈14中激励出匝数比倍的高电压，并作为点火用电压V2施加至火花塞5。点火用电压V2例如大于或等于负(一)30kV。
[0058]图2是表示半导体装置I的动作的时序图。在图2中，为了示出半导体装置I的动作，示出表示从ECU6经由驱动电路11向控制电路12提供的控制信号Sd (V)、从控制电路12向IGBT Ql的栅极提供的驱动信号Vge (V)、从点火用变压器4向IGBT Ql流动的负载电流Ic (A)、IGBT Ql的集电极一发射极间电压Vce (V)、以及点火用电压V2 (V)的变化的时序图。驱动信号Vge (V)为IGBT Ql的栅极和发射极之间的电压(以下有时称为“栅极一发射极间电压”)。图2的横轴为时间T (sec)。
[0059]在时刻tl，如果向控制电路12提供的控制信号Sd的信号电平从低(Low)电平切换为高(Hi)电平，则向IGBT Ql的栅极施加的驱动信号Vge的信号电平从低电平变为高电平。由此，负载电流Ic开始从作为负载的点火用变压器4向IGBT Ql流动。负载电流Ic逐渐增加。
[0060]在作为点火定时Tig的时刻t2，如果控制信号Sd的信号电平从高电平切换为低电平，则驱动信号Vge从高电平变为低电平。由此，切断负载电流Ic。
[0061]之后，在时刻t3，与时刻tl同样地，如果控制信号Sd的信号电平从低电平切换为高电平，则驱动信号Vge的信号电平从低电平变为高电平，负载电流Ic开始流动。
[0062]负载电流Ic的值依赖于控制信号Sd的接通时间即作为控制信号Sd而提供接通信号的时间、以及电源9的电压Vp而变动。对于IGBT Q1，为了避免如果负载电流Ic大于或等于某个值，则构成点火用变压器4的一次侧线圈13及二次侧线圈的绕组的熔断、以及点火用变压器4的磁饱和的风险，对负载电流Ic进行控制，以使其不超过上限。将该最大容许电流值定义为“限流值”，以IcO表示。
[0063]例如，在时刻t4，驱动信号Vge的信号电平从高电平下降，负载电流Ic进一步增加，在时刻t5，如果负载电流Ic达到限流值IcO，则IGBT Ql由控制电路12进行控制，以使得集电极一发射极间电压Vce增加。由此，负载电流Ic被限制于限流值IcO。
[0064]之后，在作为点火定时Tig的时刻t6，如果控制信号Sd的信号电平从高电平切换为低电平，则驱动信号Vge从高电平变为低电平，切断负载电流Ic。
[0065]在参照标号“15”所示的动作点，在作为开关元件的IGBT Ql处产生较大的焦耳损耗。
[0066]图3是表示本发明的前提技术即半导体装置I的控制电路12及开关元件部3的结构的图。控制电路12具有下述部件而构成，即:内部电源20 ;施密特触发器电路21 ;延迟计时器22 ;直流电流源23 ;基准电压源24 ;比较器25 ;电压一电流变换电路(简称:V —I变换电路)26 ;第I肖特基势皇二极管Dsl ;第2肖特基势皇二极管Ds2 ;控制电路用齐纳二极管 Zd2 ;第 I 电阻 Rl ;第2 电阻 R2 ;第 I P 沟道型 MOSFET (Metal-Oxide SemiconductorField-Effect Transistor) PMl ;第 2 P 沟道型 MOSFET PM2 ;第 3 P 沟道型 MOSFET PM3 ；第4 P沟道型MOSFET PM4;以及第5 P沟道型MOSFET PM5。在以下的说明中，将P沟道型MOSFET称为“PM0S晶体管”。
[0067]开关元件部3具有IGBT Ql及齐纳二极管Zdl而构成。在以下的说明中，有时将构成开关元件部3的齐纳二极管Zdl称为“元件部用齐纳二极管Zdl”。IGBT Ql具有输出与集电极电流成正比的感测电流Isense的感测端子。
[0068]控制电路用齐纳二极管Zd2的阴极与驱动电路11的输出端子G连接。控制电路用齐纳二极管Zd2的阳极与功率半导体用接地8的接地端子GND连接。第I肖特基势皇二极管Dsl的阳极与驱动电路11的输出端子G连接。第I肖特基势皇二极管Dsl的阴极与第2肖特基势皇二极管Ds2的阴极连接。第2肖特基势皇二极管Ds2的阳极与功率半导体用接地8的接地端子GND连接。
[0069]第I肖特基势皇二极管Dsl的阴极与第2肖特基势皇二极管Ds2的阴极之间的连接点分别与内部电源20、第I电阻Rl的一端、施密特触发器电路21的输入端子、第I PMOS晶体管PMl的源极、第2 PMOS晶体管PM2的源极、第3 PMOS晶体管PM3的源极、第4 PMOS晶体管PM4的源极、第5 PMOS晶体管PM5的源极连接。
[0070]第I电阻Rl的一端与内部电源20连接。第I电阻Rl的另一端与功率半导体用接地8的接地端子GND连接。
[0071]施密特触发器电路21的输出端子与延迟计时器22的一端连接。延迟计时器22的另一端与第I PMOS晶体管PMl的栅极连接。第I PMOS晶体管PMl的漏极与第2 PMOS晶体管PM2的漏极及第4 PMOS