(57)【要約】【課題】信頼性を向上させることが可能なアイソレータを提供する。【解決手段】アイソレータ１００は、入力された送信データに基づき、第１の電位を基準電位とする交流送信信号を生成する送信回路１０１と、交流送信信号が供給される第１の絶縁素子１０２と、絶縁膜を介して第１の絶縁素子１０２と交流結合することにより、第１の電位とは異なる第２の電位を基準電位とする交流受信信号を生成する第２の絶縁素子１０３と、交流受信信号に基づき受信データを再生する受信回路１０４と、第１または第２の絶縁素子のインピーダンスを制御前よりも高いインピーダンスに制御するインピーダンス制御部１０５と、第１及び第２の絶縁素子間に流れるリーク電流を、インピーダンスが制御された第１または第２の絶縁素子を介して検出するリーク電流検出部１０６と、を備える。【選択図】図１
2018152571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された送信データに基づき、交流送信信号を生成する送信回路と、
前記交流送信信号が供給される第１のコイルと、
前記第１のコイルと交流結合することにより、前記交流送信信号に応じる交流受信信号を生成する第２のコイルと、
前記交流受信信号を受信し、前記交流受信信号に基づく受信データを出力する受信回路と、
前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に配置される絶縁膜と、
前記絶縁膜のリーク電流を検出するリーク電流検出部と、
を備える第１の電子デバイスと、
前記受信データに基づき、モーターを制御する第２の電子デバイスと、
を備えるモーター制御システム。
【請求項２】
前記第１の電子デバイスは、前記第１のコイルまたは前記第２のコイルのインピーダンスを高くするように構成されたインピーダンス制御部を備える、
請求項１に記載のモーター制御システム。
【請求項３】
前記インピーダンス制御部は、前記第１のコイルと前記送信回路との間に接続されたスイッチ回路、または、前記第２のコイルと前記受信回路との間に接続されたスイッチ回路である、
請求項２に記載のモーター制御システム。
【請求項４】
前記リーク電流検出部は、所定期間、前記インピーダンスが制御された前記第１または第２のコイルに流れる電流に応じて、前記リーク電流の異常を検出する、
請求項２に記載のモーター制御システム。
【請求項５】
前記リーク電流検出部は、
前記所定期間、前記インピーダンスが制御された前記第１または第２のコイルに流れる電流をリーク電圧に変換する電流電圧変換回路と、
前記リーク電圧と所定のしきい値との比較結果に応じて前記リーク電流の異常を検出する比較回路と、を備える、
請求項４に記載のモーター制御システム。
【請求項６】
前記電流電圧変換回路は、前記所定期間、前記インピーダンスが制御された前記第１または第２のコイルである、
請求項５に記載のモーター制御システム。
【請求項７】
前記リーク電圧を記憶する記憶回路を備え、
前記比較回路は、前回、前記リーク電流検出部が前記リーク電流の検出を行ったときに前記記憶回路に記憶されたリーク電圧を前記しきい値として、今回、前記電流電圧変換回路が変換したリーク電圧と比較する、
請求項５に記載のモーター制御システム。
【請求項８】
前記しきい値は、前記リーク電圧及び電圧マージンを含んでいる、
請求項７に記載のモーター制御システム。
【請求項９】
前記インピーダンスの制御前に、前記第１または第２のコイルに初期電位を供給するバイアス回路を備える、
請求項２に記載のモーター制御システム。
【請求項１０】
前記リーク電流検出部は、
前記初期電位が供給され、かつ、前記インピーダンスが制御された前記第１または第２のコイルに流れる電流に応じたリーク電圧と第１のしきい値との比較結果に応じて、前記リーク電流の異常を検出する第１の比較回路と、
前記リーク電圧と前記第１のしきい値よりも小さい第２のしきい値との比較結果に応じて、前記リーク電流の異常を検出する第２の比較回路と、を備える、
請求項９に記載のモーター制御システム。
【請求項１１】
前記第１の比較回路は、前記リーク電圧が前記第１のしきい値より大きい場合、前記リーク電流の異常を検出し、
前記第２の比較回路は、前記リーク電圧が前記第２のしきい値より小さい場合、前記リーク電流の異常を検出する、
請求項１０に記載のモーター制御システム。
【請求項１２】
前記リーク電流の検出結果に応じて、前記インピーダンスが制御された前記第１のコイルの電位を第１の基準電位とし、または、前記インピーダンスが制御された前記第２のコイルの電位を第２の基準電位とする基準電位供給回路を備える、
請求項２に記載のモーター制御システム。
【請求項１３】
前記基準電位供給回路は、前記リーク電流の検出結果に応じて、前記第１のコイルの一端と前記第１の基準電位との間を接続し、または、前記第２のコイルの一端と前記第２の基準電位との間を接続するスイッチ回路である、
請求項１２に記載のモーター制御システム。
【請求項１４】
前記リーク電流検出部は、
前記インピーダンスが制御された前記第１または第２のコイルに流れる電流をリーク電圧に変換するとともに増幅する電流電圧変換増幅回路と、
前記増幅されたリーク電圧と所定のしきい値との比較結果に応じて、前記リーク電流の異常を検出する比較回路と、を備える、
請求項２に記載のモーター制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アイソレータ、半導体装置及びアイソレータの制御方法に関し、例えば第１及び第２の絶縁素子を備えるアイソレータ、半導体装置及びアイソレータの制御方法に好適に利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
電源電圧が大きく異なる回路間で信号を伝達する場合、配線により直接信号を伝達すると、伝達する信号の直流電圧成分に生じた電圧差によって回路の破損や信号伝達の不具合が生じることがある。そのため、従来から電源電圧の異なる回路間を絶縁しつつ、信号を伝達する回路としてアイソレータが普及している。
【０００３】
従来のアイソレータとしてフォトカプラを利用したアイソレータが知られており、近年、コイル（トランスフォーマ）やコンデンサなどの絶縁素子を利用したアイソレータの研究が進められている。絶縁素子を利用したアイソレータは、電源電圧の異なる半導体チップ間を絶縁膜を介した絶縁素子により接続し、絶縁素子間を交流結合（ＡＣ結合）することにより、交流信号のみを伝達している。
【０００４】
なお、関連する技術として、特許文献１〜３や非特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−４８７４６号公報
【特許文献２】特開２００２−２２２４７７号公報
【特許文献３】特開２０１０−１３０３２５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Masayuki Hikita et al., "New Approach to Breakdown Study by Measuring Pre-Breakdown Current in Insulating Materials", Japanese Journal of Applied Physics(JJAP), vol.23, No.12, December, 1984, pp.L886-L888
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、アイソレータは、様々なアプリケーション（応用システム）に利用され始めている。さらに、車載システムなどのアプリケーションへの利用が急増しているため、アイソレータの信頼性向上が強く望まれている。
【０００８】
しかしながら、従来、絶縁素子を利用したアイソレータでは、信頼性について十分な考慮がなされていなかった。例えば、絶縁素子間の絶縁膜に絶縁破壊が生じると、過大な短絡電流が流れ、周辺回路の誤動作や破壊に至る恐れがある。従来のアイソレータでは、実使用時の絶縁破壊を未然に防ぐことは不可能であるため、システムを安全に利用することができない。
【０００９】
このように、従来のアイソレータでは信頼性を向上させることが困難であるという問題がある。
【００１０】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施の形態によれば、アイソレータは、送信回路、第１の絶縁素子、第２の絶縁素子、受信回路、インピーダンス制御部、及びリーク電流検出部を備えている。
【００１２】
送信回路は、入力された送信データに基づき、第１の電位を基準電位とする交流送信信号を生成する。第１の絶縁素子は、生成された交流送信信号が供給される。第２の絶縁素子は、絶縁膜を介して第１の絶縁素子と交流結合することにより、前記交流送信信号に応じて第１の電位とは異なる第２の電位を基準電位とする交流受信信号を生成する。受信回路は、生成された交流受信信号に基づき受信データを再生する。インピーダンス制御部は、第１または第２の絶縁素子のインピーダンスを制御前よりも高いインピーダンスに制御する。リーク電流検出部は、第１及び第２の絶縁素子間に流れるリーク電流を、インピーダンスが制御された第１または第２の絶縁素子を介して検出する。
【発明の効果】
【００１３】
前記一実施の形態によれば、アイソレータの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に係るアイソレータを含む半導体装置の構成を示す構成図である。
【図２】実施の形態２に係るアイソレータを含む制御システムの構成を示す構成図である。
【図３Ａ】実施の形態２に係るアイソレータの実装例を模式的に示す平面図である。
【図３Ｂ】実施の形態２に係るアイソレータの実装例を模式的に示す平面図である。
【図３Ｃ】実施の形態２に係るアイソレータの実装例を模式的に示す断面図である。
【図４Ａ】実施の形態２に係るアイソレータの実装例を模式的に示す平面図である。
【図４Ｂ】実施の形態２に係るアイソレータの実装例を模式的に示す断面図である。
【図５】実施の形態２に係るアイソレータの制御方法を示すフローチャートである。
【図６】実施の形態２に係るアイソレータの動作を示すタイミングチャートである。
【図７】実施の形態３に係るアイソレータを含む制御システムの構成を示す構成図である。
【図８】実施の形態３に係るアイソレータの制御方法を示すフローチャートである。
【図９】実施の形態３に係るアイソレータの動作を示す波形図である。
【図１０】実施の形態４に係るアイソレータを含む制御システムの構成を示す構成図である。
【図１１】実施の形態４に係るアイソレータの制御方法を示すフローチャートである。
【図１２】実施の形態５に係るアイソレータを含む制御システムの構成を示す構成図である。
【図１３】実施の形態６に係るアイソレータを含む制御システムの構成を示す構成図である。
【図１４】実施の形態７に係るアイソレータを含む制御システムの構成を示す構成図である。
【図１５】実施の形態７に係るアイソレータの制御方法を示すフローチャートである。
【図１６】実施の形態８に係るアイソレータを含む制御システムの構成を示す構成図である。
【図１７】実施の形態の前提例に係るモーター制御システムの構成を示す構成図である。
【図１８】実施の形態の前提例に係るアイソレータの実装例を模式的に示す斜視図である。
【図１９】非特許文献１に記載されたリーク電流と絶縁膜の破壊の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施の形態の前提例）
実施の形態の説明をする前に、実施の形態を適用する前の前提例について説明する。図１７は、実施の形態の前提例に係るモーター制御システムの構成を示している。
【００１６】
図１７に示すように、このモーター制御システム９００は、複数のアイソレータ９１０ａ及び９１０ｂ（いずれかを９１０とも称する）、ＭＣＵ９２０、複数のゲートドライバ９３０ａ及び９３０ｂ（いずれかを９３０とも称する）、複数のＩＧＢＴ９４０ａ及び９４０ｂ（いずれかを９４０とも称する）、モーター９５０を備えている。例えば、ＭＣＵ９２０、複数のアイソレータ９１０ａ及び９１０ｂ、複数のゲートドライバ９３０ａ及び９３０ｂが１パッケージの半導体装置９０１に実装されている。
【００１７】
モーター９５０は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のコイルを有する三相モーターである。Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の相ごとに、ハイサイド側のモータードライバであるＩＧＢＴ９４０ａと、ローサイド側のモータードライバであるＩＧＢＴ９４０ｂが接続されている。ＩＧＢＴ９４０ａ及び９４０ｂ、モーター９５０には、各相のハイサイド側とローサイド側にそれぞれ、ゲートドライバ９３０ａ及び９３０ｂを介してアイソレータ９１０ａ及び９１０ｂが接続されている。
【００１８】
ＭＣＵ９２０は、アイソレータ９１０ａ及び９１０ｂに接続されており、制御信号をアイソレータ９１０ａ及び９１０ｂ、ゲートドライバ９３０ａ及び９３０ｂを介して、ＩＧＢＴ９４０ａ及び９４０ｂへ送信し、ＩＧＢＴ９４０ａとＩＧＢＴ９４０ｂを交互にスイッチングする。ハイサイド側のＩＧＢＴ９４０ａはモーター９５０へ電流を流し、ローサイド側のＩＧＢＴ９４０ｂはモーター９５０から電流を引き抜くことで、モーター９５０が回転駆動する。
【００１９】
図１７に示すように、ＭＣＵ９２０側の電源電圧は３．３Ｖ〜５Ｖであり、ＩＧＢＴ９４０及びモーター９５０側の電源電圧は１ｋＶである。したがって、ＭＣＵ９２０側とＩＧＢＴ９４０及びモーター９５０側の基準電位（ＧＮＤに相当）は電源電圧の違いにより数１００〜数ｋＶ程度の差があるため、制御信号を直接送信することができない。そのため、ＭＣＵ９２０からモーター９５０へ駆動信号を送信するために、異電位回路間をＤＣ的に絶縁するアイソレータ９１０を仲介する。アイソレータ９１０の絶縁素子にはインダクタまたはキャパシタが用いられ、絶縁素子同士は絶縁膜を介してＡＣ結合により信号を送受するため、送受信回路間の基準電位の差を吸収することができる。
【００２０】
図１８は、前提例に係るアイソレータ９１０の実装構造を模式的に示している。図１８に示すように、半導体装置９０１に含まれるアイソレータ９１０は、外部端子９１２を備える実装基板９１１に、送信側チップ９６０と受信側チップ９７０が搭載されている。
【００２１】
送信側チップ９６０には、送信回路９６１と、オンチップトランス９６２を構成する送信側コイル（一次側コイル）９６２ａ及び受信側コイル（二次側コイル）９６２ｂ、受信側コイル９６２ｂに接続されたパッド９６４及び９６５が形成されている。受信側チップ９７０には、受信回路９７１と、受信回路９７１に接続されたパッド９７２及び９７３が形成されている。
【００２２】
パッド９６４とパッド９７２とはボンディングワイヤ９８１を介して接続され、パッド９６５とパッド９７３とはボンディングワイヤ９８２を介して接続されている。すなわち、受信回路９７１と受信側コイル９６２ｂとは、パッド９７２、ボンディングワイヤ９８１及びパッド９６４を介して接続され、また、パッド９７３、ボンディングワイヤ９８２及びパッド９６５を介して接続されている。
【００２３】
オンチップトランス９６２では、送信側コイル９６２ａと受信側コイル９６２ｂとが、それぞれ半導体チップ内における第１の配線層と第２の配線層に形成され、送信側コイル９６２ａと受信側コイル９６２ｂとの間に層間絶縁膜（単に絶縁膜とも称する）９６３が形成されている。
【００２４】
上記のようにアイソレータ９１０では、送信側コイル９６２ａと受信側コイル９６２ｂとが層間絶縁膜９６３を介してＡＣ結合することで信号を送受信する。このため、送信側回路と受信側回路の数ｋＶにも達する基準電位の差は絶縁素子間の層間絶縁膜９６３に印加されることから、アイソレータの使用に伴い絶縁膜が劣化していくことが問題となる。
【００２５】
図１９のグラフは、非特許文献１に記載された絶縁膜に流れるリーク電流の測定結果である。図１９では、膜厚２５ｕｍのポリイミドで形成された絶縁膜において、絶縁破壊に至るまでの時刻とそのときのリーク電流を観測している。
【００２６】
図１９では、印加電圧は３０Ｖ／ｓで単調に増加させており、グラフの時間範囲ではほぼ一定とみなせる。印加電圧の絶対値は不明であるが、観測時間は１００ｓ以上であるため少なくとも３０００Ｖ以上である。２５ｕｍ厚ポリイミドの耐圧は５０００〜６０００Ｖであるため、比較的高ストレス状態にあると予想される。
【００２７】
図１９の実験結果は、絶縁破壊前１０ｕｓ〜１０ｎｓまでのほぼ一定電圧下において、時間経過とともにリーク電流が増加する現象があることを示しており、リーク電流の増加と絶縁破壊（絶縁劣化の進行）とが関連することを示唆している。
【００２８】
このように、定格電圧動作であっても、長期使用などにより絶縁膜の絶縁性が低下する。そうすると、アイソレータの送信側回路−受信側回路間で短絡が生じ、周辺機器の故障を招くことになる。自動車用モーター制御などでは、重大な事故に至る可能性があるため、信頼性の確保は特に重要視される。
【００２９】
なお、このような短絡による誤動作・故障を防止するため、モーター制御システムにヒューズを備えることも考え得るが、絶縁破壊時にシステムを安全に停止する機能は実現されていない。また、アイソレータレベルでの絶縁破壊対策は施されていない。
【００３０】
そこで、以下に説明する実施の形態では、リーク電流の増加と絶縁破壊とに関係があることを利用して、アイソレータが絶縁破壊となる直前の状態を検出する。すなわち、実施の形態では、アイソレータにおける絶縁膜のリーク電流を検出するリーク電流検出機能とその制御手段を設ける。実施の形態によれば、絶縁膜の劣化によって増大するリーク電流をチップ破壊に至る前に検出し、システムの動作を安全に停止させることができる。例えば、図１９の例では絶縁破壊前に電流上昇が数ｕｓ持続しているので、その間に電流増加を検知してシステムを安全に制御可能とする。
【００３１】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して実施の形態１について説明する。図１は、本実施の形態に係るアイソレータを含む半導体装置の構成を示している。図１に示すように、半導体装置１は、アイソレータ１００と、ＭＣＵ等であるコントローラ２００を備えている。また、半導体装置１には、コントローラ２００の制御対象である被制御機器３００が接続される。
【００３２】
アイソレータ１００は、送信側チップ１２０、受信側チップ１３０、外部端子Ｔ１〜Ｔ４を備えている。アイソレータ１００は、外部端子Ｔ１〜Ｔ３を介してコントローラ２００に接続されており、外部端子Ｔ４を介して被制御機器３００に接続されている。
【００３３】
外部端子Ｔ１は、コントローラ２００からインピーダンスを制御するためのインピーダンス制御信号Ｓ１を入力するための端子である。外部端子Ｔ２は、コントローラ２００から送信データＶＩＮを入力するための端子である。外部端子Ｔ３は、リーク電流の検出結果であるエラー信号Ｓ２をコントローラ２００へ出力するための端子である。外部端子Ｔ４は、絶縁素子を介して受信した受信データＶＯＵＴを被制御機器３００へ出力するための端子である。
【００３４】
送信側チップ１２０は、送信回路１０１、絶縁素子（送信側絶縁素子）１０２、絶縁素子（受信側絶縁素子）１０３、絶縁素子１０３に接続されたパッドＰ１及びＰ２、インピーダンス制御部１０５、リーク電流検出部１０６を備えている。受信側チップ１３０は、受信回路１０４、受信回路１０４に接続されたパッドＰ３及びＰ４を備えている。
【００３５】
送信回路１０１は、コントローラ２００から外部端子Ｔ２を介して送信データＶＩＮが入力され、入力された送信データＶＩＮに基づき交流送信信号を生成する。交流送信信号は基準電位ＧＮＤ１（第１の基準電位）を基準とした信号である。
【００３６】
絶縁素子１０２及び１０３は、例えばコイルやキャパシタである。絶縁素子（第１の絶縁素子）１０２は、送信回路１０１からインピーダンス制御部１０５を介して交流送信信号が供給される。絶縁素子１０２と絶縁素子１０３との間に絶縁膜１０７が形成されている。
【００３７】
絶縁素子（第２の絶縁素子）１０３は、絶縁膜１０７を介して絶縁素子１０２と交流結合することにより、交流受信信号を生成する。交流受信信号は、基準電位ＧＮＤとは異なる基準電位ＧＮＤ２（第２の基準電位）を基準とした信号である。
【００３８】
絶縁素子１０３と受信回路１０４とは、送信側チップ１２０のパッドＰ１と受信側チップ１３０のパッドＰ３とを介して接続され、また、送信側チップ１２０のパッドＰ２と受信側チップのパッドＰ４とを介して接続される。受信回路１０４は、パッドＰ１及びＰ３、パッドＰ２及びＰ４を介して交流受信信号が入力される。受信回路１０４は、入力された交流受信信号に基づき受信データＶＯＵＴを再生し、受信データＶＯＵＴを外部端子Ｔ４を介して被制御機器３００へ出力する。
【００３９】
インピーダンス制御部１０５は、コントローラ２００から外部端子Ｔ１を介してインピーダンス制御信号Ｓ１が入力され、入力されたインピーダンス制御信号Ｓ１に基づき絶縁素子１０２のインピーダンスを高インピーダンスに制御する。リーク電流検出部１０６は、絶縁素子間を流れるリーク電流を検出する。すなわち、リーク電流検出部１０６は、インピーダンスが制御された絶縁素子１０２を介してリーク電流を検出し、リーク電流に応じた検出結果であるエラー信号Ｓ２を外部端子Ｔ３を介してコントローラ２００へ出力する。
【００４０】
なお、図１の例では、送信側の絶縁素子１０２のインピーダンスを制御し、インピーダンス制御した絶縁素子１０２を介してリーク電流を検出しているが、受信側の絶縁素子１０３のインピーダンスを制御し、インピーダンス制御した絶縁素子１０３を介してリーク電流を検出してもよい。
【００４１】
絶縁素子間のリーク電流をテストする際、コントローラ２００は送信データＶＩＮとしてハイレベルを維持するテスト用プリセット信号を入力する。これにより、受信回路１０４の受信データＶＯＵＴ及び被制御機器３００を一定の状態に制御し、基準電位ＧＮＤ２が基準電位ＧＮＤ１よりも高電位となるため、リーク電流が発生する。コントローラ２００はアイソレータ１００の送信側絶縁素子１０２のインピーダンスを高インピーダンスに制御し、リーク電流検出部１０６で送信側絶縁素子１０２を介してリーク電流を検出する。リーク電流検出部１０６はリーク電流量に応じたエラー信号Ｓ２をコントローラ２００へ送信する。コントローラ２００は受信したエラー信号Ｓ２から絶縁性（絶縁膜の劣化状態）を判断し、アイソレータ１００の動作を制御する。
【００４２】
このように、本実施の形態では、アイソレータが、絶縁素子のインピーダンスを制御してリーク電流を検出し、検出したリーク電流に応じたエラー信号を出力するようにした。これにより、絶縁破壊前に絶縁膜の劣化を検出でき、アイソレータを安全に停止することが可能となるため、アイソレータの信頼性を向上させることができる。
【００４３】
（実施の形態２）
以下、図面を参照して実施の形態２について説明する。本実施の形態では、実施の形態１で示したアイソレータのさらに具体的な構成及び動作について説明する。
【００４４】
図２は、本実施の形態に係るアイソレータを含むモーター制御システムの構成を示している。モーター制御システムは、制御対象である被制御機器３００の一例としてモーター３０１の回転動作を制御する。なお、被制御機器３００は、モーターの他、電源回路、計測器、センサ等であってもよい。モーター及びＩＧＢＴのように、受信回路側（２次側）の基準電位を、送信回路側の基準電位よりも高い電位に維持することができるシステム（アプリケーション）であれば、その他のシステムでもよい。
例えば、モーター３０１は、三相モーターであり、図１７と同様に、相ごとにハイサイド側のＩＧＢＴ及びアイソレータ、ローサイド側のＩＧＢＴ及びアイソレータを有しており、図２では、そのうち１相のハイサイド側のＩＧＢＴ及びアイソレータとローサイド側のＩＧＢＴのみを図示している。なお、必要に応じて図１７のようにゲートドライバを備えていてもよい。
【００４５】
半導体装置１は、モーター３０１の回転動作を制御するため、モーター３０１とＩＧＢＴ１及び２とに接続されている。ＩＧＢＴ１はハイサイド側のモータードライバであり、ＩＧＢＴ２はローサイド側のモータードライバである。ＩＧＢＴ１は、ゲートが外部端子Ｔ４に接続され、コレクタにＩＧＢＴ用ＤＣ電源である電源ＶＤ３が供給され、エミッタが基準電位ＧＮＤ２とＩＧＢＴ２のコレクタとコイルＬ３を介してモーター３０１とに接続されている。
【００４６】
図２の半導体装置１は、図１の半導体装置１と同様の構成であり、さらに、絶縁素子１０２及び１０３、インピーダンス制御部１０５、リーク電流検出部１０６の具体的な回路構成を備えている。
【００４７】
すなわち、半導体装置１は、図１と同様に、アイソレータ１００とコントローラ２００を備えている。アイソレータ１００は、外部端子Ｔ１〜Ｔ３を介してコントローラ２００に接続されており、外部端子Ｔ４を介してＩＧＢＴ１に接続されている。アイソレータ１００は、送信側チップ１２０と受信側チップ１３０とを備えている。
【００４８】
送信側チップ１２０は、送信回路１０１、絶縁素子１０２、絶縁素子１０３、パッドＰ１及びＰ２、インピーダンス制御部１０５、リーク電流検出部１０６を備えている。送信回路１０１には数Ｖの電源ＶＤ１が供給され、絶縁素子１０２から送信回路１０１側の基準電位ＧＮＤ１は０Ｖ程度となる。
【００４９】
受信側チップ１３０は、受信回路１０４、パッドＰ３及びＰ４を備えている。受信回路１０４には数Ｖの電源ＶＤ２が供給され、さらに、受信回路１０４に接続されるＩＧＢＴ１には数ｋＶの電源ＶＤ３が供給され、絶縁素子１０３から受信回路１０４側の基準電位ＧＮＤ２は数ｋＶ程度となる。
【００５０】
図２の例では、絶縁素子１０２及び１０３として、送信側のコイルＬ１と受信側のコイルＬ２を備えている。インピーダンス制御部１０５として、スイッチＳＷ１及びＳＷ２を備えている。リーク電流検出部１０６として、コンデンサＣ１（寄生容量）及びコンパレータＣＭＰ１を備えている。
【００５１】
これらの構成の接続関係について説明する。送信回路１０１の交流送信信号を出力する第１の出力端子が、スイッチＳＷ１を介してコイルＬ１の一端に接続され、送信回路１０１の交流送信信号を出力する第２の出力端子が、スイッチＳＷ２を介してコイルＬ１の他端に接続される。
【００５２】
スイッチＳＷ１は、送信回路１０１の第１に出力端子とコイルＬ１の一端との間に接続されるとともに、制御端子が外部端子Ｔ１に接続される。スイッチＳＷ１は、コントローラ２００から制御端子に入力されるインピーダンス制御信号Ｓ１に応じてオン／オフし、送信回路１０１の第１の出力端子とコイルＬ１の一端との接続／切断を切り替える。
【００５３】
スイッチＳＷ２は、送信回路１０１の第２の出力端子とコイルＬ１の他端との間に接続されるとともに、制御端子が外部端子Ｔ１に接続される。スイッチＳＷ２は、コントローラ２００から制御端子に入力されるインピーダンス制御信号Ｓ１に応じてオン／オフし、送信回路１０１の第２の出力端子とコイルＬ１の他端との接続／切断を切り替える。
【００５４】
コンデンサＣ１は、一端がコイルＬ１の他端に接続され、他端が基準電位ＧＮＤ１に接続されている。コンデンサＣ１は、コイルＬ１に流れるリーク電流を充電し、リーク電流に応じた電圧であるリーク電圧ＶＬを生成する。
【００５５】
コンパレータＣＭＰ１は、正入力端子がコンデンサＣ１の一端（コイルＬ１の他端）に接続され、負入力端子にしきい値（しきい値電圧）Ｖｔｈが入力され、出力端子が外部端子Ｔ３に接続される。コンパレータＣＭＰ１は、コンデンサＣ１に充電されたリーク電圧ＶＬとしきい値Ｖｔｈとを比較し、比較結果をエラー信号Ｓ２としてコントローラ２００へ出力する。コンパレータＣＭＰ１は、リーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈよりも大きい場合、エラー信号Ｓ２にハイレベルを出力する。
【００５６】
図３Ａは、図２のアイソレータ１００に含まれる送信側チップ１２０のうち送信側コイルＬ１が形成される配線層の平面図の一例であり、図３Ｂは、送信側チップ１２０のうち受信側コイルＬ２が形成される配線層の平面図の一例であり、図３Ｃは、図３Ａ及び図３Ｂの送信側チップ１２０のＡ−Ａ’断面図の一例である。
【００５７】
図３Ａ〜図３Ｃに示すように、送信側チップ１２０は、シリコン基板ＳＵＢ１上に、ゲート電極層ＧＬ１０、配線層ＷＬ１１〜１８が順に積層形成されている。ゲート電極層ＧＬ１０、配線層ＷＬ１１〜１８には、送信側チップ１２０の回路を構成するゲート電極及びメタル配線が所望のパターンで形成され、ゲート電極及びメタル配線を埋めるように層間絶縁膜１０７が形成されている。
【００５８】
送信回路１０１は、ゲート電極層ＧＬ１０、配線層ＷＬ１１〜１８に形成されている。送信データＶＩＮを入力する外部端子Ｔ２と送信回路１０１とを接続するように、配線層ＷＬ１５に配線が形成されている。
【００５９】
インピーダンス制御部１０５のスイッチＳＷ２は、ＭＯＳトランジスタ１０５ａから構成されている。ＭＯＳトランジスタ１０５ａは、シリコン基板ＳＵＢ１の表面に形成された２つの拡散層と、シリコン基板ＳＵＢ１上のゲート電極層ＧＬ１０に形成されたゲート電極とを有する。
【００６０】
送信回路１０１とＭＯＳトランジスタ１０５ａの一方の拡散層とを接続するように、配線層ＷＬ１３の配線と、配線層ＷＬ１３からゲート電極層ＧＬ１０まで貫通するコンタクトホールとが形成されている。ＭＯＳトランジスタ１０５ａのゲートと、インピーダンス制御信号Ｓ１を入力する外部端子Ｔ１とを接続するように、配線層ＷＬ１４からゲート電極層ＧＬ１０まで貫通するコンタクトホールが形成されている。
【００６１】
なお、断面図は省略するが、インピーダンス制御部１０５のスイッチＳＷ１は、スイッチＳＷ２と同様に、ＭＯＳトランジスタから構成されており、送信回路１０１とＭＯＳトランジスタの一方の拡散層が接続され、ＭＯＳトランジスタのゲートが外部端子Ｔ１に接続され、ＭＯＳトランジスタの他方の拡散層が送信側コイルＬ１に接続されている。
【００６２】
リーク電流検出部１０６のコンパレータＣＭＰ１は、ＭＯＳトランジスタ１０６ａ及び１０６ｂから構成されている。ＭＯＳトランジスタ１０６ａ及び１０６ｂは、シリコン基板ＳＵＢ１の表面に形成された２つの拡散層と、シリコン基板ＳＵＢ１上のゲート電極層ＧＬ１０に形成されたゲート電極とを有する。
【００６３】
ＭＯＳトランジスタ１０６ａの一方の拡散層と、リーク電流を検出したエラー信号Ｓ２の出力する外部端子Ｔ３とを接続するように、配線層ＷＬ１６からゲート電極層ＧＬ１０まで貫通するコンタクトホールが形成されている。ＭＯＳトランジスタ１０６ａのゲートとＭＯＳトランジスタの一方の拡散層とを接続するように、配線層ＷＬ１２の配線と、配線層ＷＬ１２からゲート電極層ＧＬ１０まで貫通する２つのコンタクトホールが形成されている。
【００６４】
リーク電流検出部１０６のコンデンサＣ１は、配線層ＷＬ１１及び配線層ＷＬ１３に形成された配線と、配線間の絶縁膜１０７から構成されている。コンデンサＣ１の配線層ＷＬ１１側の配線とシリコン基板ＳＵＢ１とを接続するように、ゲート電極層ＧＬ１０を貫通するコンタクトホールが形成されている。
【００６５】
送信側コイルＬ１は、配線層ＷＬ１４に渦巻状にパターニングされた配線から構成されている。送信側コイルＬ１と、ＭＯＳトランジスタ１０５ａの他方の拡散層、ＭＯＳトランジスタ１０６ｂのゲート及びコンデンサＣ１の配線層ＷＬ１３側の配線とを接続するように、配線層ＷＬ１３からゲート電極層ＧＬ１０まで貫通するコンタクトホール、配線層ＷＬ１３の配線、配線層ＷＬ１４からゲート電極層ＧＬ１０まで貫通するコンタクトホール、配線層ＷＬ１４の配線が形成されている。
【００６６】
受信側コイルＬ２は、配線層ＷＬ１８に渦巻状にパターニングされた配線から構成されている。送信側コイルＬ１と受信側コイルＬ２とは、配線層ＷＬ１５〜ＷＬ１７に形成された層間絶縁膜１０７を介して対向するように形成されている。受信側コイルＬ２は、配線層ＷＬ１８に形成されたパッドＰ１及びＰ２に接続されている。
【００６７】
図４Ａは、図２のアイソレータ１００に含まれる受信側チップ１３０の平面図の一例であり、図４Ｂは、図４Ａの受信側チップ１３０のＢ−Ｂ’断面図の一例である。
【００６８】
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、受信側チップ１３０は、送信側チップ１２０と同様に、シリコン基板ＳＵＢ２上に、ゲート電極層ＧＬ２０、配線層ＷＬ２１〜２８が順に積層形成され、各配線間に層間絶縁膜２０７が形成されている。
【００６９】
受信回路１０４は、ゲート電極層ＧＬ２０、配線層ＷＬ２１〜２８に形成されている。パッドＰ３が配線層ＷＬ２８に形成されており、パッドＰ３と受信回路１０４とを接続するように、配線層ＷＬ２８に配線が形成されている。なお、パッドＰ４の断面図は省略するが、パッドＰ３と同様に、配線層ＷＬ２８にパッドＰ４が形成され、配線層ＷＬ２８の配線により受信回路１０４と接続されている。また、受信データＶＯＵＴを出力する外部端子Ｔ４と受信回路１０４とを接続するように、配線層ＷＬ２７に配線が形成されている。
【００７０】
次に、図５及び図６を用いて、本実施の形態に係るアイソレータの制御方法について説明する。図５は、アイソレータ１００の制御方法（リーク電流を検出するテスト、または、絶縁膜劣化をテストするテスト方法）を示すフローチャートであり、図６は、その制御方法の信号波形例を示すタイミングチャートである。
【００７１】
図５に示すように、まず、コントローラ２００は、ハイサイドの電圧を上げるように信号を送信する（Ｓ１０１）。絶縁素子間のリーク電流を検出するにあたり、はじめにアイソレータ１００の外部に接続されたコントローラ２００は、アイソレータ１００へハイレベル（Ｈｉ）を保った送信データＶＩＮ（プリセット信号）を送信する（図６の４０１）。そうすると、送信回路１０１は送信データＶＩＮの立ち上りに応じて送信側コイルＬ１に電圧を印可し、送信側コイルＬ１に正方向の電流Ｉ１が一時的に流れる（図６の４０２）。このため、受信側コイルＬ２では、送信側コイルＬ１の電流Ｉ１の変化に応じた起電力が発生し、誘導電圧Ｖ２が一時的に上昇する（図６の４０３）。受信回路１０４は、誘導電圧Ｖ２が上昇したため受信データＶＯＵＴをハイレベルに立ち上げる（図６の４０４）。
【００７２】
これにより、アイソレータ１００の後段に接続されるＩＧＢＴ１が常時オン状態となり、基準電位ＧＮＤ２がＩＧＢＴ１の電源電圧程度（〜ｋＶ）に固定され（図６の４０５）、受信側コイルの電圧Ｖ２１も、誘導電圧Ｖ２の変化の後、電源電圧程度（〜ｋＶ）に固定される（図６の４０６）。
【００７３】
続いて、コントローラ２００は、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフする（Ｓ１０２）。コントローラ２００は、インピーダンス制御信号Ｓ１をハイレベルに立ち上げる（図６の４０７）。これにより、アイソレータ１００の送信側チップ１２０のスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２がオフとなり、送信側絶縁素子であるコイルＬ１と送信回路１０１が電気的に切り離れるため、送信側絶縁素子であるコイルＬ１の両端子が高インピーダンスとなる。
【００７４】
続いて、アイソレータ１００は、一定時間後のコイルＬ１のリーク電圧ＶＬを検出する（Ｓ１０３）。スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフしたことにより、送信側絶縁素子であるコイルＬ１と送信回路１０１間の電流の出入りが阻止され、コイルＬ１及びＬ２の絶縁素子間のリーク電流の検出感度が向上する。スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフにしたとき、送信側絶縁素子であるコイルＬ１はスイッチオフ直前の電位状態にある。受信回路１０４の電位は送信回路１０１の電位より高い（数ｋＶ）ため、受信側絶縁素子であるコイルＬ２から送信側絶縁素子であるコイルＬ１へ絶縁膜１０７の劣化状態に応じたリーク電流が流れ込む。このリーク電流を送信側絶縁素子であるコイルＬ１に付加した電圧検出手段、例えば容量（寄生容量も含む）であるコンデンサＣ１に充電して電圧（リーク電圧ＶＬ）に変換する。リーク電圧ＶＬは、リーク電流を積分した値となるため、時間とともに上昇する（図６の４０８）。
【００７５】
続いて、アイソレータ１００は、コイルＬ１のリーク電圧ＬＶがしきい値Ｖｔｈ以下か否か判定する（Ｓ１０４）。コンデンサＣ１の電圧をコンパレータＣＭＰ１に入力し、絶縁膜の正常／異常の判定基準となるリーク電流値に相当する電圧値をコンパレータＣＭＰ１のしきい値（リファレンス電圧）Ｖｔｈに設定しておくことで絶縁膜の劣化を検出する。コンパレータＣＭＰ１は、インピーダンス制御信号Ｓ１がハイレベルの間に流れるリーク電流を積分したリーク電圧ＶＬとしきい値Ｖｔｈとを比較する。このコンパレータＣＭＰ１の比較結果をエラー信号Ｓ２としてコントローラ２００に出力し、コントローラ２００がエラー信号Ｓ２に応じてアイソレータ１００の動作を制御する。
【００７６】
コイルＬ１のリーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ以下の場合、コントローラ２００は、通常動作を開始する（Ｓ１０５）。コンパレータＣＭＰ１は、リーク電圧ＶＬがしきい値以下の場合、エラー信号Ｓ２をローレベルのままとする（図６の４０９）。コントローラ２００は、所定期間（インピーダンス制御信号Ｓ１がハイレベルの期間）、規定値以下のリーク電流に相当するローレベルのエラー信号Ｓ２が入力されたため、アイソレータ１００を正常と判断し、通常動作を開始する（図６の４１０）。コントローラ２００は、モーター３０１を制御するための送信データＶＩＮをアイソレータ１００に入力し、ＩＧＢＴ１を駆動してモーター３０１の回転を開始する。
【００７７】
また、コイルＬ１のリーク電圧ＶＬがしきい値よりも大きい場合、コントローラ２００は、アラームを出力し（Ｓ１０６）、安全停止を行う（Ｓ１０７）。コンパレータＣＭＰ１は、リーク電圧ＶＬがしきい値を超えると、エラー信号Ｓ２をハイレベルに立ち上げる（図６の４１１）。コントローラ２００は、所定期間内に、規定値以上のリーク電流に相当するハイレベルのエラー信号Ｓ２が入力されたため、アイソレータ１００の絶縁膜が異常であると判断し、アイソレータ１００の動作を停止する（図６の４１２）。コントローラ２００は、ローレベルの送信データＶＩＮをアイソレータ１００に入力し、ＩＧＢＴ１をオフしてモーター３０１の回転を停止させる。これにより、システム全体の破壊を未然に防止する。
【００７８】
このように、本実施の形態では、実施の形態１の具体例として、絶縁素子１０２及び１０３をコイルＬ１及びＬ２により構成し、インピーダンス制御部１０５をスイッチＳＷ１及びＳＷ２により構成し、リーク電流検出部１０６をコンデンサＣ１及びコンパレータＣＭＰ１で構成することとした。この構成において、絶縁素子であるコイルのインピーダンスを制御してリーク電流を検出し、検出したリーク電流に応じたエラー信号を送信するようにした。これにより、コイル間の絶縁破壊前に絶縁膜の劣化を検出でき、アイソレータを安全に停止することが可能となるため、アイソレータの信頼性を向上させることができる。
【００７９】
（実施の形態３）
以下、図面を参照して実施の形態３について説明する。本実施の形態は、実施の形態２で示したアイソレータに対しリーク電流を検出する絶縁素子に初期電位を印可する手段を追加し、リーク電流の変動が第１のしきい値から第２のしきい値の範囲内か否かを判定する例である。
【００８０】
図７は、本実施の形態に係るアイソレータを含むモーター制御システムの構成を示している。図７では、実施の形態２の図２と比べて、アイソレータ１００の送信側チップ１２０にスイッチＳＷ０を備えている。また、リーク電流検出部１０６が、コンパレータＣＭＰ１及びＣＭＰ２、論理回路ＯＲ１を備えている。その他の構成については、図２と同様である。
【００８１】
スイッチＳＷ０は、送信回路１０１の第３の出力端子とコイルＬ１の一端との間に接続されるとともに、制御端子が外部端子Ｔ０に接続される。スイッチＳＷ０は、コントローラ２００から制御端子に入力されるバイアス制御信号Ｓ０に応じてオン／オフし、送信回路１０１の第３の出力端子とコイルＬ１との一端との接続／切断を切り替える。
【００８２】
コンパレータＣＭＰ１は、正入力端子がコイルＬ１の他端と基準電位ＧＮＤ１の間に接続され、負入力端子に第１のしきい値Ｖｔｈ１が入力され、出力端子が論理回路ＯＲ１に接続される。コンパレータＣＭＰ１は、コイルＬ１のリーク電流に応じたリーク電圧ＶＬとしきい値Ｖｔｈ１とを比較し、比較結果を論理回路ＯＲ１へ出力する。コンパレータＣＭＰ１は、リーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ１よりも大きい場合、ハイレベルを出力する。
【００８３】
コンパレータＣＭＰ２は、正入力端子に第２のしきい値Ｖｔｈ２が入力され、負入力端子がコイルＬ１の他端と基準電位ＧＮＤ１の間に接続され、出力端子が論理回路ＯＲ１に接続される。コンパレータＣＭＰ２は、コイルＬ１のリーク電流に応じたリーク電圧ＶＬとしきい値Ｖｔｈ２とを比較し、比較結果を論理回路ＯＲ１へ出力する。コンパレータＣＭＰ２は、リーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ２よりも小さい場合、ハイレベルを出力する。
【００８４】
論理回路ＯＲ１は、一方の入力端子がコンパレータＣＭＰ１の出力端子に接続され、他方の入力端子がコンパレータＣＭＰ２の出力端子に接続され、出力端子が外部端子Ｔ３に接続される。論理回路ＯＲ１は、複数のコンパレータからの入力をＯＲ論理演算し演算結果を出力する。論理回路ＯＲ１は、コンパレータＣＭＰ１の出力がハイレベル、または、コンパレータＣＭＰ２の出力がハイレベルの場合、エラー信号Ｓ２をハイレベルとする。すなわち、論理回路ＯＲ１は、リーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ１よりも大きい場合、または、リーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ２よりも小さい場合、エラー信号Ｓ２をハイレベルとする。
【００８５】
次に、図８及び図９を用いて、本実施の形態に係るアイソレータの制御方法について説明する。図８は、アイソレータ１００の制御方法（リーク電流を検出するテスト、または、絶縁膜劣化をテストするテスト方法）を示すフローチャートであり、図９は、その制御方法における送信側絶縁素子の電圧ＶＬの信号波形例を示している。
【００８６】
図８に示すように、まず、実施の形態２の図５と同様に、コントローラ２００は、ハイサイドの電圧を上げるように信号を送信する（Ｓ１０１）。図６と同様に、コントローラ２００は、アイソレータ１００へハイレベルのプリセット信号を送信すると、コイルＬ１及びコイルＬ２を介して、ＩＧＢＴ１がオン状態となり、基準電位ＧＮＤ２が上昇する。
【００８７】
続いて、コントローラ２００は、スイッチＳＷ０をオンし（Ｓ１１１）、その後、スイッチＳＷ０、ＳＷ１及びＳＷ２をオフする（Ｓ１１２）。
【００８８】
実施の形態２では、Ｓ１０１の後、送信側絶縁素子と送信回路をスイッチＳＷ１及びＳＷ２で切り離している。このとき、送信側絶縁素子はスイッチをオフする前の電位状態にあるため、その電位は不定である。絶縁素子の初期電位はリーク電流の検出感度に大きく影響するため、本実施の形態では、スイッチＳＷ０により初期電位を制御する。
【００８９】
すなわち、本実施の形態では、絶縁素子のインピーダンスを制御する前に、コントローラ２００は、バイアス制御信号Ｓ０をハイレベルとしてスイッチＳＷ０をオンする（図９の５０１）。そうすると、送信側絶縁素子のコイルＬ１にスイッチＳＷ０を介して接続された送信回路１０１及び電源Ｖｂｉａｓにより、あらかじめ任意の初期電圧（例えばＶＤＤ／２）が印可される。その後、コントローラ２００は、バイアス制御信号Ｓ０をローレベル、インピーダンス制御信号Ｓ１をハイレベルとして、スイッチＳＷ０、ＳＷ１、ＳＷ２をオフにする（図９の５０２）。
【００９０】
続いて、アイソレータ１００は、一定時間後のコイルＬ１のリーク電圧ＶＬを検出し（Ｓ１０３）、コイルＬ１のリーク電圧ＶＬが第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きいか否か、または、第２のしきい値Ｖｔｈより小さいか否か判定する（Ｓ１１３）。
【００９１】
本実施の形態では、リーク電流の検出においては、２つの並列接続されたコンパレータＣＭＰ１及びＣＭＰ２を電圧検出器として用いる。これらのコンパレータＣＭＰ１及びＣＭＰ２にはそれぞれしきい値（リファレンス電圧）Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２が入力されている。第１のしきい値Ｖｔｈ１を一方のコンパレータＣＭＰ１のリファレンス側、第２のしきい値Ｖｔｈ２をもう一方のコンパレータＣＭＰ２の入力側に接続し、リーク電流により変動したリーク電圧ＶＬがＶｔｈ１〜Ｖｔｈ２の範囲か否かを判定し（図９の５０３）、判定結果が論理回路ＯＲ１からエラー信号Ｓ２としてコントローラ２００へ出力される。
【００９２】
コイルＬ１の電圧がしきい値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ２の範囲内の場合、コントローラ２００はアイソレータ１００が正常（リーク電流無し）であると判断し、通常動作を開始させる（Ｓ１０５）。コンパレータＣＭＰ１は、リーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ１以下の場合、出力信号はローレベルであり、コンパレータＣＭＰ２は、リーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ２以上の場合、出力信号はローレベルであり、論理回路ＯＲ１は、エラー信号Ｓ２をローレベルのままとする。コントローラ２００は、所定期間（インピーダンス制御信号Ｓ１がハイレベルの期間）、規定値範囲内のリーク電流に相当するローレベルのエラー信号Ｓ２が入力されたため、アイソレータ１００を正常と判断し、通常動作を開始する。
【００９３】
また、コイルＬ１のリーク電圧ＶＬの電圧上昇がＶｔｈ１より大きくなる場合、または電圧降下がＶｔｈ２より低くなる場合、コントローラ２００は異常（リーク電流有り）であると判断し、アラームを出力し（Ｓ１０６）、安全停止を行う（Ｓ１０７）。コンパレータＣＭＰ１は、リーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ１を超えると、出力信号をハイレベルとし、また、コンパレータＣＭＰ２は、リーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ２より低くなると、出力信号をハイレベルとするため、論理回路ＯＲ１は、エラー信号Ｓ２をハイレベルに立ち上げる。
【００９４】
コントローラ２００は、所定期間内に、規定値範囲外のリーク電流に相当するハイレベルのエラー信号Ｓ２が入力されたため、アイソレータ１００の絶縁膜が異常であると判断し、アイソレータ１００の動作を停止する。これにより、システム全体の破壊を未然に防止する。
【００９５】
このように、本実施の形態では、実施の形態２に対して、さらに、絶縁素子の初期電位をスイッチＳＷ０により一定とし、コンパレータＣＭＰ１及びＣＭＰ２によりしきい値Ｖｔｈ１としきい値Ｖｔｈ２の範囲内のリーク電流を検出するようにした。このような構成により、リーク電流検出部１０６へ電流が流入する場合に限らず、リーク電流検出部１０６から電流が流出する場合のいずれにおいてもリーク電流を検出可能である。すなわち、コイルＬ１とコイルＬ２との電位差によって、コイルＬ２からコイルＬ１へリーク電流が流れる場合と、コイルＬ１からコイルＬ２へリーク電流が流れる場合とがあり、本実施の形態では、いずれの場合でも精度よくリーク電流を検出することができる。
【００９６】
（実施の形態４）
以下、図面を参照して実施の形態４について説明する。本実施の形態は、実施の形態２で示したアイソレータに対してリーク電圧を記憶する記憶手段を追加した例である。
【００９７】
図１０は、本実施の形態に係るアイソレータを含むモーター制御システムの構成を示している。図１０では、実施の形態２の図２と比べて、リーク電流検出部１０６が、コンデンサＣ１及びコンパレータＣＭＰ１に加えて、記憶回路Ｍ１を備えている。その他の構成については、図２と同様である。
【００９８】
記憶回路Ｍ１は、コンパレータＣＭＰ１の正入力端子に接続されるとともに、コンパレータＣＭＰ１の負入力端子に接続される。記憶回路Ｍ１は、今回、コンパレータＣＭＰ１が比較を行ったリーク電圧ＶＬが入力されて、入力された電圧ＶＬを記憶する。また、記憶回路Ｍ１は、前回のコンパレータＣＭＰ１の比較で使用され記憶しているリーク電圧ＶＬ＋ΔＶを、今回のコンパレータＣＭＰ１のしきい値Ｖｔｈとして出力する。
【００９９】
図１１は、本実施の形態に係るアイソレータ１００の制御方法（リーク電流を検出するテスト、または、絶縁膜劣化をテストするテスト方法）を示すフローチャートである。
【０１００】
図１１に示すように、まず、実施の形態２の図５と同様に、コントローラ２００は、ハイサイドの電圧を上げるように信号を送信し（Ｓ１０１）、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフする（Ｓ１０２）。
【０１０１】
続いて、アイソレータ１００は、一定時間後のコイルＬ１のリーク電圧ＶＬを検出する（Ｓ１０３）。そして、アイソレータ１００は、記憶回路Ｍ１からしきい値Ｖｔｈを読み出し（Ｓ１２１）、コイルＬ１のリーク電圧ＶＬが読み出したしきい値Ｖｔｈ以下か否か判定する（Ｓ１０４）。
【０１０２】
記憶回路Ｍ１は、前回のリーク電流のテストにおいて検出されたリーク電圧ＶＬを記憶しており、この前回のリーク電圧ＶＬ＋ΔＶをしきい値Ｖｔｈとして読み出し、コンパレータＣＭＰ１の負入力端子に入力する。そうすると、コンパレータＣＭＰ１は、現在のコイルＬ１のリーク電圧と、前回のリーク電圧ＶＬ＋ΔＶとを比較する。
【０１０３】
コイルＬ１のリーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ以下の場合、記憶回路Ｍ１は、コイルＬ１のリーク電圧を記憶し（Ｓ１２２）、コントローラ２００は、通常動作を開始する（Ｓ１０５）。コンパレータＣＭＰ１は、今回のリーク電圧ＶＬが、前回のリーク電圧ＶＬ＋ΔＶ以下の場合、エラー信号Ｓ２をローレベルのままとする。そうすると、記憶回路Ｍ１は、今回、コンパレータＣＭＰ１が比較したリーク電圧ＶＬを記憶する。また、コントローラ２００は、所定期間、ローレベルのエラー信号Ｓ２が入力されたため、アイソレータ１００を正常と判断し、通常動作を開始する。
【０１０４】
また、コイルＬ１のリーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈよりも大きい場合、コントローラ２００は、アラームを出力し（Ｓ１０６）、安全停止を行う（Ｓ１０７）。コンパレータＣＭＰ１は、今回のリーク電圧ＶＬが、前回のリーク電圧ＶＬ＋ΔＶを超えると、エラー信号Ｓ２をハイレベルに立ち上げる。コントローラ２００は、所定期間内に、ハイレベルのエラー信号Ｓ２が入力されたため、アイソレータ１００の絶縁膜が異常であると判断し、アイソレータ１００の動作を停止する。これにより、システム全体の破壊を未然に防止する。
【０１０５】
絶縁膜の異常判定基準を一定のリーク電流値で規定する方法は、種々のばらつきやノイズの影響から十分な検出精度が得られない場合もある。そこで、本実施の形態では、前回のテスト時の絶縁膜の状態を判定基準とし、この状態からのリーク電流の差分を観測することで異常を判定する。リーク電流を充電することで生成するコンパレータＣＭＰ１のリーク電圧ＶＬがしきい値（リファレンス電圧）Ｖｔｈを上回ると絶縁膜劣化としてエラー信号Ｓ２がコントローラ２００へ送信される。絶縁素子間に印加される電圧はほぼＩＧＢＴ１の電源電圧で決まるので、絶縁膜に劣化がない限り毎回のテストにおいてリーク電流値はほぼ等しくなる。
【０１０６】
そこで、テスト時にリーク電流測定結果（ＶＬ）をレジスタ等の記憶回路Ｍ１に保持しておき、次回のテスト時に、読み出した前回のリーク電圧ＶＬ＋ΔＶをしきい値Ｖｔｈに設定する。ここでΔＶは任意の電圧マージンであり、ばらつきやノイズの影響を排除するために導入しても良い。
【０１０７】
このように、本実施の形態では、実施の形態２に対して、さらに、リーク電流に応じたリーク電圧を記憶する記憶回路Ｍ１を備え、前回のテストで使用したリーク電圧を、次回のリーク電圧を判定するためのしきい値に使用することとした。これにより、リーク電流の変動を検出することができるため、精度よく絶縁膜の劣化状態を検出することができる。
【０１０８】
（実施の形態５）
以下、図面を参照して実施の形態５について説明する。本実施の形態は、実施の形態２で示したアイソレータに対し、リーク電流の検出に応じてアイソレータを停止させる手段を追加した例である。
【０１０９】
図１２は、本実施の形態に係るアイソレータを含むモーター制御システムの構成を示している。図１２では、実施の形態２の図２と比べて、アイソレータ１００の送信側チップ１２０にスイッチＳＷ４を備えている。その他の構成については、図２と同様である。
【０１１０】
スイッチＳＷ４は、コイルＬ１の他端と基準電位ＧＮＤ１との間に接続されるとともに、制御端子がコンパレータＣＭＰ１の出力端子に接続される。スイッチＳＷ４は、コンパレータＣＭＰ１から制御端子に入力されるエラー信号Ｓ２に応じてオン／オフし、コイルＬ１の他端と基準電位ＧＮＤ１との接続／切断を切り替える。スイッチＳＷ４は、エラー信号Ｓ２に応じて、コイルＬ１を基準電位ＧＮ１とする基準電位供給回路ともいえる。
【０１１１】
上記各実施の形態では絶縁劣化の検出精度と、検知結果のフィードバック時間を確保することが重要である。例えば、非特許文献１の実測結果では、絶縁膜劣化の影響が現れはじめる時刻は破壊前の数ｕｓ〜数ｎｓであり、破壊に近づくほどリーク電流が増加する。
【０１１２】
このように絶縁劣化の検出精度を向上するために大きなリーク電流をエラー判定基準に設定するほど、検出結果をコントローラ２００にフィードバックしてシステムを制御するまでの時間余裕が短くなっていくトレードオフがある。例えば、回路／システムの規模が大きい場合などはコントローラ２００を介したシステム制御時間が十分に確保できず問題となる可能性がある。
【０１１３】
そこで、本実施の形態では、コンパレータＣＭＰ１からの出力信号をコントローラ２００に送信するだけでなく、アイソレータ１００を直接停止させる。
【０１１４】
図１２の例では、送信側絶縁素子であるコイルＬ１にスイッチＳＷ４を介して基準電位ＧＮＤ１（〜０Ｖ）を接続する。スイッチＳＷ４は、コンパレータＣＭＰ１の出力がハイレベル（Ｈｉ）、すなわち絶縁劣化エラーが出力された場合のみオフとなり、送信側絶縁素子の電位レベルを強制的にローレベル（Ｌｏｗ）に落とす。この結果、ＩＧＢＴ１がオフに戻り、絶縁素子間の高電圧印加状態が解除される。
【０１１５】
このように、本実施の形態では、実施の形態２に対して、さらに、リーク電流の検出に応じてコイルの電位を制御するスイッチＳＷ４を備えることとした。これにより、絶縁破壊前のリーク電流を検出した場合に、アイソレータ本体を緊急停止させた後で、コントローラ２００により全体を停止させることが可能である。したがって、確実に、絶縁素子間の短絡を起こすことなくシステムを停止させることができる。
【０１１６】
（実施の形態６）
以下、図面を参照して実施の形態６について説明する。本実施の形態は、実施の形態２で示したアイソレータに対して、コンデンサの代わりにアンプを用いてリーク電流を電圧に変換する例である。
【０１１７】
図１３は、本実施の形態に係るアイソレータを含むモーター制御システムの構成を示している。図１３では、実施の形態２の図２と比べて、リーク電流検出部１０６は、コンパレータＣＭＰ１とアンプＡＭＰ１とを備えている。その他の構成については、図２と同様である。
【０１１８】
アンプＡＭＰ１は、リーク電流を電圧に変換し増幅する、電流電圧変換増幅回路である。アンプＡＭＰ１は、正入力端子が参照電圧Ｖｔｈ１に接続され、負入力端子がコイルＬ１の他端に接続され、出力端子が抵抗Ｒ１を介して負入力端子へフィードバック接続されるとともに、コンパレータＣＭＰ１の負入力端子に接続される。
【０１１９】
上記の実施の形態のようにリーク電流の検出には必ずしも容量を用いなくても良い。本実施の形態では、図１３に示すように、リーク電流を直接アンプＡＭＰ１で増幅した後、エラー検出用コンパレータＣＭＰ１へ入力する。リーク電流をＩＬ、帰還抵抗をＲ１とすると、アンプＡＭＰ１の出力電圧の、参照電圧Ｖｔｈ１との差電圧ΔＶＬは以下の（式１）となる。
［数１］
ΔＶＬ＝ＩＬ×Ｒ１  ・・・（式１）
アンプＡＭＰ１の増幅により、リーク電流ＩＬに応じたリーク電圧ＶＬが得られる程度にリーク電流ＩＬが大きいことが好ましい。そして、絶縁膜劣化のないリーク電流値に対応する電圧をコンパレータＣＭＰ１のしきい値Ｖｔｈ２に設定しておけば、リーク電流の異常増加が生じたときにエラーを検出できる。
【０１２０】
このように、本実施の形態では、実施の形態２に対し、リーク電流検出部の電流電圧変換手段として、コンデンサの代わりにアンプを使用することとした。アンプを使用した場合でも、上記実施の形態と同様に、リーク電流を検出することができる。したがって、リーク電流に応じてエラー信号を生成し、絶縁膜破壊の前にアイソレータを停止することが可能となるため、アイソレータの信頼性を向上させることができる。
【０１２１】
（実施の形態７）
以下、図面を参照して実施の形態７について説明する。本実施の形態は、実施の形態２で示した複数のアイソレータの検出結果に応じて全アイソレータの動作を制御する例である。
【０１２２】
図１４は、本実施の形態に係るアイソレータを含むモーター制御システムの構成を示している。図１４に示すように、半導体装置１は、コントローラ２００と複数のアイソレータ１００（１００ａ〜１００ｃ）を備えており、複数のＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ１〜ＩＧＢＴ３）が接続されている。さらに半導体装置１は、コントローラ２００と複数のアイソレータ１００の間に論理回路ＯＲ２を備えている。
【０１２３】
論理回路ＯＲ２は、複数の入力端子が各アイソレータ１００のエラー信号（個別エラー信号）Ｓ２を出力する外部端子Ｔ３に接続され、出力端子がコントローラ２００のエラー信号（全体エラー信号）ＳＥの入力端子に接続される。論理回路ＯＲ２は、複数のアイソレータからの入力をＯＲ論理演算し演算結果を出力する。論理回路ＯＲ２は、複数のアイソレータ１００のいずれかのエラー信号Ｓ２がハイレベルの場合、エラー信号ＳＥをハイレベルとしてコントローラ２００へ出力する。
【０１２４】
図１５は、本実施の形態に係るアイソレータ１００の制御方法（リーク電流を検出するテスト、または、絶縁膜劣化をテストするテスト方法）を示すフローチャートである。
【０１２５】
図１５に示すように、まず、コントローラ２００は、テストを行うアイソレータ１００を選択する（Ｓ１３１）。例えば、コントローラ２００は、アイソレータ１００ａ〜１００ｃのうち、アイソレータ１００ａから順番に選択する。なお、ここでは、アイソレータを順次選択してテストを行うが、複数のアイソレータを同時にテストしてもよい。この場合、Ｓ１０１〜Ｓ１０４を全アイソレータに対し同時に行う。
【０１２６】
続いて、選択されたアイソレータ１００に対し、実施の形態２の図５と同様に、コントローラ２００は、ハイサイドの電圧を上げるように信号を送信し（Ｓ１０１）、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフする（Ｓ１０２）。さらに、選択されたアイソレータ１００は、一定時間後のコイルＬ１のリーク電圧ＶＬを検出し（Ｓ１０３）、コイルＬ１のリーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ以下か否か判定する（Ｓ１０４）。
【０１２７】
選択されたアイソレータ１００のコイルＬ１のリーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ以下の場合、コントローラ２００は、全てのアイソレータ１００のテストが終了したか否か判定する（Ｓ１３２）。コントローラ２００は、残りのアイソレータのテストを行う場合にはＳ１３１へ戻って、次のアイソレータ１００を選択し、また、全てのアイソレータのテストが終了した場合、通常動作を開始する（Ｓ１０５）。
【０１２８】
アイソレータ１００のコンパレータＣＭＰ１は、リーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈ以下の場合、ローレベルのままのエラー信号Ｓ２を出力する。論理回路ＯＲ２は、入力されるエラー信号Ｓ２がローレベルのため、ローレベルのままのエラー信号ＳＥをコントローラ２００へ出力する。
【０１２９】
コントローラ２００は、所定期間、ローレベルのエラー信号ＳＥが入力されたため、選択しているアイソレータ１００を正常と判断し、次のアイソレータのテストを繰り返し、全てのアイソレータのテストが正常に終了すると、通常動作を開始する。
【０１３０】
また、選択されたアイソレータ１００のコイルＬ１のリーク電圧ＶＬがしきい値Ｖｔｈよりも大きい場合、コントローラ２００は、アラームを出力し（Ｓ１０６）、全てのアイソレータを安全停止させる（Ｓ１３３）。
【０１３１】
アイソレータ１００のコンパレータＣＭＰ１は、リーク電圧ＶＬがしきい値を超えると、エラー信号Ｓ２をハイレベルに立ち上げる。論理回路ＯＲ２は、入力されるエラー信号Ｓ２がハイレベルのため、エラー信号ＳＥを立ち上げる。コントローラ２００は、所定期間内に、ハイレベルのエラー信号ＳＥが入力されたため、選択されたアイソレータ１００の絶縁膜が異常であると判断する。そうすると、コントローラ２００は、全てのアイソレータ１００の動作を停止する。これにより、システム全体の破壊を未然に防止する。
【０１３２】
モーター制御では３相分のアイソレータが必要でそのどれか一つでも短絡してしまうと誤動作やシステム損傷が起こる。そのため、本実施の形態では、全アイソレータを監視し、いずれか絶縁性が劣化した場合は全ＩＣ（アイソレータ）の動作を停止することとした。これにより、アイソレータの信頼性をさらに向上することができる。
【０１３３】
（実施の形態８）
以下、図面を参照して実施の形態８について説明する。本実施の形態は、実施の形態２で示したアイソレータに加えて、受信側絶縁素子のリーク電流を検出するアイソレータを備える例である。
【０１３４】
図１６は、本実施の形態に係るアイソレータを含むモーター制御システムの構成を示している。図１６に示すように、半導体装置１は、コントローラ２００、アイソレータ１００、アイソレータ１００−２、論理回路ＯＲ３を備えている。
【０１３５】
アイソレータ１００は、コントローラ２００からモーター３０１へ信号を伝達する。アイソレータ１００−２は、モーター３０１からコントローラ２００へ信号を伝達する。
【０１３６】
アイソレータ１００−２は、送信側チップ１２０−２、受信側チップ１３０−２を備えている。送信側チップ１２０−２は、送信回路１０１−２を備えている。受信側チップ１３０−２は、絶縁素子１０２、絶縁素子１０３、受信回路１０４−２、インピーダンス制御部１０５、リーク電流検出部１０６を備えている。
【０１３７】
送信回路１０１−２は、エラー検知回路３０２から外部端子Ｔ４を介して送信データＶＩＮが入力され、入力された送信データＶＩＮに基づき交流送信信号を生成する。この交流送信信号は基準電位ＧＮＤ２（第２の基準電位）を基準とした信号である。
【０１３８】
絶縁素子１０３は、送信回路１０１から交流送信信号が供給される。絶縁素子１０２と絶縁素子１０３との間に絶縁膜１０７が形成されている。絶縁素子１０２は、絶縁膜１０７を介して絶縁素子１０３と交流結合することにより、交流受信信号を生成する。この交流受信信号は、基準電位ＧＮＤとは異なる基準電位ＧＮＤ１（第１の基準電位）を基準とした信号である。
【０１３９】
受信回路１０４は、絶縁素子１０２からインピーダンス制御部１０５を介して交流受信信号が入力される。受信回路１０４は、入力された交流受信信号に基づき受信データＶＯＵＴを再生し、受信データＶＯＵＴを外部端子Ｔ２を介してコントローラ２００へ出力する。
【０１４０】
インピーダンス制御部１０５は、アイソレータ１００と同様に、コントローラ２００から外部端子Ｔ１を介してインピーダンス制御信号Ｓ１が入力され、入力されたインピーダンス制御信号Ｓ１に基づき絶縁素子１０２のインピーダンスを高インピーダンスに制御する。リーク電流検出部１０６は、アイソレータ１００と同様に、インピーダンスが制御された絶縁素子１０２を介してリーク電流を検出し、リーク電流に応じた検出結果であるエラー信号Ｓ２を外部端子Ｔ３を介してコントローラ２００へ出力する。
【０１４１】
論理回路ＯＲ３は、複数の入力端子が各アイソレータのエラー信号Ｓ２を出力する外部端子Ｔ３に接続され、出力端子がコントローラ２００のエラー信号ＳＥの入力端子に接続される。論理回路ＯＲ３は、複数のアイソレータからの入力をＯＲ論理演算し演算結果を出力する。論理回路ＯＲ３は、複数のアイソレータ１００のいずれかのエラー信号Ｓ２がハイレベルの場合、エラー信号ＳＥをハイレベルとしてコントローラ２００へ出力する。
【０１４２】
信頼性が重要視される車載用モーター制御などの用途では、アイソレータの状態だけでなくＩＧＢＴやモーターの状態も監視される。例えば、図１６のように、アイソレータ不通検知、ＩＧＢＴ過電流検知、過熱検知等を監視し出力するエラー検知回路３０２を備える。本実施の形態では、この監視結果の信号を１次側に返すためにもう１つのアイソレータ１００−２を備える。そして、フィードバック用アイソレータの受信側にもリーク電流検出部を設ける。
【０１４３】
このように、受信側にリーク電流検出部を設けた場合でも、上記実施の形態と同様に、リーク電流を検出することができる。したがって、リーク電流に応じてエラー信号を生成し、絶縁膜破壊の前にアイソレータを停止することが可能となるため、アイソレータの信頼性を向上させることができる。
【０１４４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態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変更可能であることはいうまでもない。
【０１４５】
なお、アイソレータとは、異電位回路間を非接触に信号を伝達できる回路である。アイソレータの信号伝達方式には、コイル（Ｌ）による磁場（磁気結合），コンデンサ（Ｃ）による電場（容量結合）、カプラによる光、アンテナによる電波等を介する方式を含み、どの方式でも、非接触に信号を伝達し受信回路側（２次側）の電位を上記実施の形態のように制御することができる。少なくとも絶縁膜を介した絶縁素子を有するアイソレータであれば、上記実施の形態を適用することにより、絶縁膜破壊前の状態を検出し、信頼性向上を図ることができる。
【符号の説明】
【０１４６】
１      半導体装置
１００    アイソレータ
１０１    送信回路
１０２    絶縁素子（送信側絶縁素子）
１０３    絶縁素子（受信側絶縁素子）
１０４    受信回路
１０５    インピーダンス制御部
１０５ａ  ＭＯＳトランジスタ
１０６    リーク電流検出部
１０６ａ、１０６ｂ    ＭＯＳトランジスタ
１０７    絶縁膜（層間絶縁膜）
１２０    送信側チップ
１３０    受信側チップ
２００    コントローラ
２０７    層間絶縁膜
３００    被制御機器
３０１    モーター
３０２    エラー検知回路
Ｐ１〜Ｐ４      パッド
Ｔ０〜Ｔ４    外部端子
Ｌ１      コイル（送信側コイル）
Ｌ２      コイル（受信側コイル）
Ｌ３      コイル
ＳＷ０〜ＳＷ４    スイッチ
Ｃ１      コンデンサ
ＣＭＰ１、ＣＭＰ２  コンパレータ
ＯＲ１〜ＯＲ３  論理回路
Ｍ１      記憶回路
ＡＭＰ１  アンプ
Ｒ１      抵抗
ＳＵＢ１、ＳＵＢ２    シリコン基板
ＧＬ１０、ＧＬ２０    ゲート電極層
ＷＬ１１〜ＷＬ１８    配線層
ＷＬ２１〜ＷＬ２８    配線層
【図１】
2018152571.tif 000003
【図２】
2018152571.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2018152571.tif 000006
【図３Ｃ】
2018152571.tif 000007
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2018152571.tif 000009
【図５】
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【図６】
2018152571.tif 000011
【図７】
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【図８】
2018152571.tif 000013
【図９】
2018152571.tif 000014
【図１０】
2018152571.tif 000015
【図１１】
2018152571.tif 000016
【図１２】
2018152571.tif 000017
【図１３】
2018152571.tif 000018
【図１４】
2018152571.tif 000019
【図１５】
2018152571.tif 000020
【図１６】
2018152571.tif 000021
【図１７】
2018152571.tif 000022
【図１８】
2018152571.tif 000023
【図１９】
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