(57)【要約】【課題】高耐圧高抵抗の起動抵抗を必要とする回路において、回路素子として別途に設ける必要のない構成を実現する。【解決手段】高圧直流電源ＢＨＶから所定の定電圧を生成する半導体装置１として、内部に起動回路２を備える。起動回路２は、高圧直流電源ＢＨＶからの給電経路に起動用トランジスタ１５、トリム抵抗１６などが直列に接続され、外付けコンデンサ８に充電する。起動用トランジスタ１５は、高耐圧ＬＤＭＯＳからなるＭＯＳＦＥＴ１５ａと、そのドレイン−ゲート間に接続されるフィールドプレート抵抗１５ｂから構成される。高圧直流電源ＢＨＶから給電されると、ＭＯＳＦＥＴ１５ａが駆動され、一定電流でコンデンサ８に充電する。コンデンサ８の端子電圧が所定レベルを超えると、制御回路が動作を開始して制御電源を生成し、起動回路２はＭＯＳＦＥＴ７により停止される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
起動後にスイッチング素子の駆動制御を行なって電源を生成する制御回路と、
前記制御回路への起動電源を供給するコンデンサと、
外部の直流電源から給電されると前記コンデンサに所定電圧を起動用電源として供給し、前記制御回路により給電が開始されるとオフ信号が与えられる起動回路とを備え、
前記起動回路は、
前記直流電源から前記制御回路への通電経路に接続され制御端子を有する能動素子と、前記能動素子の表面に形成され、前記直流電源が接続される端子と前記制御端子との間に接続されるフィールドプレート抵抗とを有し、
前記直流電源から給電を受けると前記フィールドプレート抵抗が起動抵抗として前記能動素子の制御端子に起動信号を与えて通電状態に移行させ、前記コンデンサへの充電を行なって前記起動電源を生成するように構成されていることを特徴とする起動回路付半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の起動回路付半導体装置において、
前記起動回路は、前記コンデンサへの充電を定電流で行うための電流制限抵抗を備え、
前記電流制限抵抗は、トリミング可能に設けられていることを特徴とする起動回路付半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の起動回路付半導体装置において、
前記起動回路は、前記能動素子による前記コンデンサへの充電時に温度変動に対応してこれを補償する温度補償回路を備えたことを特徴とする起動回路付半導体装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の起動回路付半導体装置において、
前記起動回路を構成する前記能動素子および前記フィールドプレート抵抗は、高耐圧ＬＤＭＯＳ（lateral double diffused MOS）により構成されることを特徴とする起動回路付半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起動回路付半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
制御対象の負荷を駆動制御する制御回路に給電する回路として、降圧チョッパなどのスイッチング電源回路を備えた半導体装置がある。スイッチング電源回路は、起動時に自身の駆動電源を外部から給電する必要がある。この場合、外部電源である一次側電源電圧が高圧の場合に、その一次側電源電圧を分圧するための抵抗あるいはツェナーダイオードを用いた起動回路を設けることが考えられている。しかし、スイッチング電源回路が駆動した後に、制御電源が生成されて起動回路が不要となった後も、起動回路のツェナーダイオードを通じて電流が流れ続けるので、損失が大となる不具合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３１３３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これに対して、起動回路として、高耐圧のトランジスタなどの能動素子を一次電源側に接続し、これに起動抵抗を接続する構成の半導体装置が考えられている。しかし、半導体装置に起動抵抗を作りこむ構成を考える場合に、たとえば、一次側電源電圧が高い条件を想定するときには、半導体装置内での絶縁耐圧を考慮した構成が必要となり、フィールド酸化膜の膜厚を厚くしたりあるいは絶縁距離を確保したりするなどでチップ面積の増大を招くものである。
【０００５】
また、能動素子が所謂フィールド・リミッティング・リング（ＦＬＲ）を有する構成である場合にはこの部分を利用して起動抵抗をも受けることも可能であるが、ＦＬＲを設ける部分における電位分布に合わせて起動抵抗を形成する必要があるので、半導体装置としてチップの設計変更を伴うものであり、信頼性の点でも考慮する必要があるため、大幅なコストアップが想定されるものであった。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、チップ面積の増大を招かないようにするとともに大幅な設計変更を伴わないようにして高耐圧高抵抗の起動抵抗を一体に設ける構成の起動回路付半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の起動回路付半導体装置によれば、起動後にスイッチング素子の駆動制御を行なって電源を生成する制御回路と、前記制御回路への起動電源を供給するコンデンサと、外部の直流電源から給電されると前記コンデンサに所定電圧を起動用電源として供給し、前記制御回路により給電が開始されるとオフ信号が与えられる起動回路とを備えている。そして、前記起動回路は、前記直流電源から前記制御回路への通電経路に接続され制御端子を有する能動素子と、前記能動素子の表面に形成され、前記直流電源が接続される端子と前記制御端子との間に接続されるフィールドプレート抵抗とを有し、前記直流電源から給電を受けると前記フィールドプレート抵抗が起動抵抗として前記能動素子の制御端子に起動信号を与えて通電状態に移行させ、前記コンデンサへの充電を行なって前記起動電源を生成するように構成されている。
【０００８】
これにより、起動回路は、外部の直流電源から給電されると能動素子に直流電圧が印加され、フィールドプレート抵抗を介して制御端子に電圧を与えることにより動作を開始し、コンデンサに通電して充電を行い、起動電源を生成する。制御回路は、コンデンサに発生した起動電源に基いて動作を開始し、スイッチング素子を駆動制御して直流電源から制御用電源を生成する。この後、起動回路は、オフ信号が与えられて動作を停止する。
【０００９】
起動回路は、外部からの直流電源が供給開始された起動時においてフィールドプレート抵抗により動作を開始するが、制御回路による制御用電源が生成された後は動作を停止し、消費電力を極力低減させる構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態を示す装置全体の電気的構成図
【図２】起動回路を中心とした電気的構成図
【図３】起動回路を構成するＭＯＳＦＥＴの構成図
【図４】起動時の各部の電圧、電流を示すタイムチャート
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、電気自動車などの高電圧の電源を搭載している車両用の制御を行う半導体装置に適用した場合の実施形態について図１ないし図４を参照して説明する。
電気自動車に搭載される電源として、高圧直流電源（例えば６０〜６００Ｖ）ＢＨＶを備えたものがある。これは例えば多数のバッテリを直列接続した構成の直流電源である。この高圧直流電源ＢＨＶを外部からの直流電源として起動して内部の制御回路に所定の低電圧の電源を供給する場合に、起動時に制御用の素子を駆動するための起動電源が必要となる。
【００１２】
図１において、起動回路付半導体装置としての半導体装置１は、このような機能を有する起動回路２を搭載した構成である。半導体装置１は、起動回路２、駆動回路３、制御回路４、電源回路５、起動確認回路６を含んで構成されている。起動回路２は、高圧電源端子ＨＶを介して車載の高圧直流電源ＢＨＶから高圧直流電圧が印加される。起動回路２は、電源起動時の短い時間に端子ＶＲＥＧを介して外付けのコンデンサ８に充電を行なって所定の起動用電圧を発生させる。起動回路２は、コンデンサ８以外に、駆動回路３、制御回路４および起動確認回路６にも給電する。起動確認回路６は、コンデンサ８の端子電圧ＶＣが所定電圧（閾値電圧）を超えると、起動状態に移行したとしてＭＯＳＦＥＴ７のゲートにオン信号を与えて導通状態に制御し、これによって起動回路２にオフ信号を与え、動作を停止させる。
【００１３】
高圧直流電源ＢＨＶの正極端子にはスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ９、コイル１０およびコンデンサ１１が直列に接続され、制御回路用の電源回路が構成されている。ＭＯＳＦＥＴ９とコイル１０との共通接続点にはグランドとの間に図示極性（逆極性）のダイオード１２が接続されている。コイル１０とコンデンサ１１との共通接続点が出力端子ＶＰＰとされ、制御電源として直流出力Ｖｐ（例えば２０Ｖ）を出力する。出力端子ＶＰＰは、半導体装置１の電源入力端子ＶＰを介して電源回路５に接続され、直流電圧Ｖｐが供給される。ＭＯＳＦＥＴ９は、駆動回路３を介して制御回路４から駆動信号が与えられ、コイル１０およびコンデンサ１１により直流電圧Ｖｐを生成する。駆動回路３は、コンデンサ８からダイオード１４を順方向に介し、端子ＶＢＳＴから給電される。
【００１４】
次に、図２および図３を参照して起動回路２の構成について詳述する。図２において、起動回路２には、端子ＨＶ側から能動素子としての起動用トランジスタ１５、電流制限抵抗としてのトリム抵抗１６、逆流防止用ボディダイオード１７を直列に介して外付けのコンデンサ８に接続されている。起動用トランジスタ１５は、ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ１５ａに起動抵抗としてのフィールドプレート抵抗１５ｂが作りこまれた構成である。ＭＯＳＦＥＴ１５ａは、高耐圧ＬＤＭＯＳ（Lateral Double diffused MOSFET）からなり、ドレイン−ゲート間にフィールドプレート抵抗１５ｂが接続されている。
【００１５】
トリム抵抗１６は、外付けコンデンサ８の充電電流を一定にするために接続されているもので、抵抗値をレーザトリミングなどのトリミング方法を用いて調整可能されたものである。ボディダイオード１７は、ＭＯＳＦＥＴに内蔵されたボディダイオードを利用するもので、コンデンサ８の端子電圧が高くなった場合でも起動回路２側に電流が流れるのを阻止するためのものである。
【００１６】
起動用トランジスタ１５のゲートには、ゲート電圧のバラつき防止のＭＯＳＦＥＴ１８、ゲート駆動用のＭＯＳＦＥＴ１９および温度補償用のツェナーダイオード２０が直列に接続され、ツェナーダイオード２０のアノードはトリム抵抗１６とボディダイオード１７との共通接続点に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１８、１９はｎチャンネル型の高耐圧ＬＤＭＯＳを採用している。ツェナーダイオード２０は、起動用トランジスタ１５のゲート−ソース間のバイアスの温度特性を補償するためのもので温度補償回路として機能する。
【００１７】
次に、起動用トランジスタ１５の構成について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は起動用トランジスタ１５の電極の配置状態を示すもので、中央部にドレイン電極Ｅｄ、外周部にソース電極Ｅｓ、その内側にゲート電極Ｅｇが配置されている。各電極Ｅｄ、Ｅｓ、Ｅｇには引き出し電極Ｄ、Ｓ、Ｇが形成されている。また、ドレイン電極Ｅｄとゲート電極Ｅｇとの間には導電体を渦巻状にパターニングして形成したフィールドプレート抵抗１５ｂが設けられている。
【００１８】
図３（ｂ）は上記構成の模式的な断面構成を示すもので、シリコン基板２１上に素子分離用の絶縁膜２２を介してｎ型のシリコン単結晶膜２３が形成されたいわゆるＳＯＩ（silicon on insulator）基板に起動用トランジスタ１５が設けられている。シリコン単結晶膜２３には、ｐ型のチャンネル領域２３ａが外周部に形成され、その内部に高濃度のｎ型のソース領域２３ｂが形成されると共に、シリコン単結晶膜２３の中央に高濃度のｎ型のドレイン領域２３ｃが形成されている。また、シリコン単結晶膜２３の上面にはシリコン酸化膜２４が形成され、さらに、チャンネル領域２３ａの上面を覆うように、シリコン酸化膜２４中にゲート電極膜２４が埋め込み形成されている。
【００１９】
図３（ａ）で示したドレイン電極Ｅｄ、ソース電極Ｅｓおよびゲート電極Ｅｇは、図３（ｂ）では省略しているが、それぞれがドレイン領域２３ｃ、ソース領域２３ｂ、ゲート電極２４と電気的に接続するようにパターニングされている。また、ドレイン領域２３ｃとシリコン単結晶膜２３の領域は、逆パイアスが印加されて空乏層が広がる際に高耐圧を確保するために、シリコン酸化膜２４の上面に渦巻状にパターニングされた高抵抗のフィールドプレート抵抗１５ｂが形成されている。このフィールドプレート抵抗１５ｂは、ゲート電極Ｅｇとドレイン電極Ｅｄとの間を接続するように設けられ、中央部のドレイン電極Ｅｄに細い抵抗体膜を接続し、外周をらせん状に周回するようにしてゲート電極Ｅｇに接続させた状態に形成されている。
【００２０】
フィールドプレート抵抗１５ｂは、ドレイン−ゲート間に接続されることで、高電圧が印加された場合に、わずかな電流が流れて電位分布が生じ、その電圧によりシリコン酸化膜２４を介して表層部分にフィールド電圧を与えることができ、ドレインからゲートに向かう方向に徐々に電位が変化するように分布させることができる。これにより、ドレインＤとゲートＧとの間に高電圧が印加されている状態でも、シリコン酸化膜２４を介してシリコン単結晶膜２３に電位分布を与えることで、ドレイン領域２３ｃからｎ型のシリコン単結晶膜２３の表層部分に広がる空乏層による電界を緩和させることができる。
【００２１】
また、上記の特性を持たせる関係で、フィールドプレート抵抗１５ｂは、高耐圧且つ高抵抗となるように形成しており、これによって起動用トランジスタ１５を、直流高圧電源ＢＨＶの直流高電圧ＨＶが印加された状態でもブレークダウンすることなく起動させることができる。そして、この実施形態においては、フィールドプレート抵抗１５ｂが高耐圧高抵抗であることを利用して起動抵抗として使用している。
【００２２】
次に、上記構成の作用について図４も参照して説明する。
図示しないスイッチがオン操作されて（時刻ｔ０）外部直流電源ＢＨＶの高圧直流電圧ＨＶが半導体装置１に印加されると、図４（ａ）に示すように、起動回路２の端子ＨＶに例えば６００Ｖの高圧直流電圧が印加される（時刻ｔ１）。これにより、起動回路２の起動用トランジスタ１５は、フィールドプレート抵抗１５ｂを通じて降圧された電圧がゲートに印加され、これによってＭＯＳＦＥＴ１８、１９およびツェナーダイオード２０の働きにより所定条件でＭＯＳＦＥＴ１５ａを駆動するようになる。このとき、ＭＯＳＦＥＴ１５ａを流れる電流は、トリム抵抗１６により制限され、図４（ｂ）に示すように、ボディダイオード１７を介して外付けのコンデンサ８を一定電流Ｉｓ（図中では例えばＩｓ＝６Ａ）で充電するようになる。
【００２３】
上記動作において、起動回路２においては、トリム抵抗１６の抵抗値が予めトリミングにより調整されており、これによって充電電流が一定電流Ｉｓとなるように設定されている。また、ＭＯＳＦＥＴ１５ａが通電に伴って温度が変動すると一定電流Ｉｓが温度特性に起因して変動するのを防止するために、ツェナーダイオード２０が設けられている。ツェナーダイオード２０のツェナー電圧は、その電圧値に応じて温度特性が負となるものや正となるものがあるが、その温度特性を利用してＭＯＳＦＥＴ１５ａの温度特性による変動要素をキャンセルさせる特性のツェナー電圧を有するものを利用している。
【００２４】
コンデンサ８は、図４（ｃ）に示すように、充電が開始されると端子電圧ＶＣが徐々に上昇し、所定の閾値電圧を超えると（時刻ｔ２）、制御回路４が動作を開始し、駆動回路３を通じてＭＯＳＦＥＴ９を駆動制御する。これにより、図４（ｄ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ９は、高圧直流電源ＢＨＶから給電されて駆動制御され、コイル１０を通じてコンデンサ１１に充電動作を行なって電源電圧ＶＰＰ（２０Ｖ）を生成する。
【００２５】
また、この間に外付けコンデンサ８の端子電圧ＶＣが所定電圧（＝１３Ｖ）に達すると（時刻ｔ３）、図４（ｅ）に示すように、起動確認回路６がこれを検知してＭＯＳＦＥＴ７にオン信号を起動回路２に対するオフ信号として出力するようになる。ＭＯＳＦＥＴ７がオンすると、起動回路２は起動用トランジスタ１５がオフされ、これによって動作が停止し、図４（ｅ）に示すように、充電電流Ｉｓは０になる。
【００２６】
なお、この後は、制御回路４がＭＯＳＦＥＴ９を駆動制御して出力端子ＶＰＰに所定電圧を生成し、電源回路５により出力端子ＶＰＰの電圧に基づいて端子ＶＲＥＧに外付けコンデンサ８の端子電圧ＶＣに相当する出力を生成する。これによって、コンデンサ８の端子電圧ＶＣの電圧は所定電圧（例えば１３Ｖ）に固定され、制御回路４はこの所定電圧出力に基づいて制御動作を継続する。
【００２７】
なお、起動回路２はＭＯＳＦＥＴ７がオン状態に移行されることで、起動用トランジスタ１５のＭＯＳＦＥＴ１５ａのゲート電位がグランドレベルに低下されてオフ状態となり、起動抵抗としてのフィールドプレート抵抗１５ｂを介してＭＯＳＦＥＴ７にわずかな電流が流れる状態となる。
【００２８】
これにより、高圧直流電源ＢＨＶから最初に動作させるまで、つまり起動時だけ起動回路２を用いて制御回路４に必要な電圧を供給するようにし、この後、制御回路４が動作を開始すると、制御回路４により生成する電源をもとに動作を継続させることができるので、起動回路２の動作を停止させることで消費電力の低減を図ることができる。
【００２９】
このような本実施形態によれば、半導体装置１の構成として、起動回路２に必要な起動抵抗を、起動用トランジスタ１５のフィールドプレート抵抗１５ｂを利用して構成しているので、高耐圧且つ高抵抗のフィールドプレート抵抗１５ｂにより起動時に高圧直流電源ＢＨＶから所定電圧を生成してコンデンサ８を充電することができ、しかも、特別に起動抵抗を設ける構成を必要としないので、新規な構成を採用しながら安価に構成することができる。
【００３０】
また、起動回路２にレーザトリミング可能なトリム抵抗１６を設ける構成としたので、抵抗のトリミングをすることによりコンデンサ８への充電電流を一定にして動作特性のばらつきを低減することができる。
【００３１】
そして、起動回路２にツェナーダイオード２０を設ける構成としたので、起動時にコンデンサ８に充電する電流値が起動用トランジスタ１５の温度変動により変動するのを補償するように動作させることができ、これによって温度変動に対して安定な動作を行わせることができる。
【００３２】
（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した一実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
【００３３】
ＭＯＳＦＥＴ１５ａの温度補償を設けなくても良い場合には、ツェナーダイオード２０は適宜設ければ良い。また、温度補償回路は、ツェナーダイオード２０以外の回路構成の温度補償回路を採用することができる。
【００３４】
トリム抵抗１６は、レーザトリミング以外のトリミング方法でトリミングするものでも良いし、調整フリーでトリミングを必要としない場合には、調整機能のない抵抗体を設けることもできる。
【００３５】
ボディダイオード１７は、ボディダイオード以外に一般的なダイオードを設ける構成とすることもできるし、他の逆流阻止手段を設けることもできる。
ＭＯＳＦＥＴ１５ａは、ＳＯＩ基板に設けるものに限らず、他の半導体基板に形成するものでも良い。
【符号の説明】
【００３６】
図面中、１は半導体装置（起動回路付半導体装置）、２は起動回路、３は駆動回路、４は制御回路、５は電源回路、６は起動確認回路、８は外付けコンデンサ、９はＭＯＳＦＥＴ、１０はコイル、１１はコンデンサ、１５は起動用トランジスタ、１５ａはＭＯＳＦＥＴ（能動素子）、１５ｂはフィールドプレート抵抗（起動抵抗）、１６はトリム抵抗（電流制限抵抗）、１７はボディダイオード、１８、１９はＭＯＳＦＥＴ、２０はツェナーダイオード（温度補償回路）である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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