(57)【要約】【課題】従来の装置では、クランプ電圧を容易に変更することができない。【解決手段】  半導体スイッチと、半導体スイッチを内蔵する外装体と、半導体スイッチのドレインに電気的に接続され、外装体から露出するドレイン端子と、ドレイン端子および半導体スイッチのゲートの間に縦続に接続される複数の電圧クランプ素子と、複数の電圧クランプ素子のうち２つの電圧クランプ素子の間に電気的に接続され、外装体から露出する電圧クランプ端子とを備える半導体装置が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチと、
前記半導体スイッチを内蔵する外装体と、
前記半導体スイッチのドレインに電気的に接続され、前記外装体から露出するドレイン端子と、
前記ドレイン端子および前記半導体スイッチのゲートの間に縦続に接続される複数の電圧クランプ素子と、
前記複数の電圧クランプ素子のうち２つの電圧クランプ素子の間に電気的に接続され、前記外装体から露出する電圧クランプ端子と
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記複数の電圧クランプ素子は、前記外装体内に配置される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電圧クランプ端子は、前記ドレイン端子と接続される場合に、前記ドレイン端子から前記ゲートまでの経路において前記複数の電圧クランプ素子のいずれかをバイパスする、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記電圧クランプ端子と前記２つの電圧クランプ素子の間のノードとの間には、少なくとも１つの電圧クランプ素子が縦続に設けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記複数の電圧クランプ素子のうち前記ドレイン端子および前記ノードの間に位置する電圧クランプ素子の数は、前記少なくとも１つの電圧クランプ素子の数とは異なる、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記複数の電圧クランプ素子のうち２つの電圧クランプ素子の間の別々のノードに接続された複数の前記電圧クランプ端子を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体スイッチのゲートを制御するゲート制御回路と、
前記半導体スイッチのソースに電気的に接続され、前記外装体から露出するソース端子と、
をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記複数の電圧クランプ素子のそれぞれは、ツェナーダイオードである、請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
正電源と、
請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置と、
前記正電源およびグランドの間で前記半導体装置と直列に接続された誘導負荷と、
を備える装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、誘導負荷に接続される半導体スイッチにはクランプ回路が設けられており、誘導負荷への電力供給が遮断されるときに半導体スイッチに加わる電圧をクランプ電圧にクランプすることで半導体スイッチの破壊を防止する（例えば、特許文献１〜４参照）。
特許文献１  特開２０１２−４９７９号公報
特許文献２  特開２０１６−１６７６９３号公報
特許文献３  特開２００６−２１６６５１号公報
特許文献４  国際公開第２０１５／１９８４３５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の装置では、クランプ電圧を容易に変更することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、半導体装置を提供する。半導体装置は、半導体スイッチを備えてよい。半導体装置は、半導体スイッチを内蔵する外装体を備えてよい。半導体装置は、半導体スイッチのドレインに電気的に接続され、外装体から露出するドレイン端子を備えてよい。半導体装置は、ドレイン端子および半導体スイッチのゲートの間に縦続に接続される複数の電圧クランプ素子を備えてよい。半導体装置は、複数の電圧クランプ素子のうち２つの電圧クランプ素子の間に電気的に接続され、外装体から露出する電圧クランプ端子を備えてよい。
【０００５】
複数の電圧クランプ素子は、外装体内に配置されてよい。
電圧クランプ端子は、ドレイン端子と接続される場合に、ドレイン端子からゲートまでの経路において複数の電圧クランプ素子のいずれかをバイパスしてよい。
【０００６】
電圧クランプ端子と２つの電圧クランプ素子の間のノードとの間には、少なくとも１つの電圧クランプ素子が縦続に設けられてよい。
【０００７】
複数の電圧クランプ素子のうちドレイン端子およびノードの間に位置する電圧クランプ素子の数は、少なくとも１つの電圧クランプ素子の数とは異なってよい。
【０００８】
半導体装置は、複数の電圧クランプ素子のうち２つの電圧クランプ素子の間の別々のノードに接続された複数の電圧クランプ端子を備えてよい。
【０００９】
半導体装置は、半導体スイッチのゲートを制御するゲート制御回路をさらに備えてよい。半導体装置は、半導体スイッチのソースに電気的に接続され、外装体から露出するソース端子をさらに備えてよい。
【００１０】
本発明の第２の態様においては、装置を提供する。装置は、正電源を備えてよい。装置は、第１の態様の半導体装置を備えてよい。装置は、正電源およびグランドの間で半導体装置と直列に接続された誘導負荷を備えてよい。
【００１１】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る装置を示す。
【図２】電圧クランプ端子をドレイン端子と接続した状態での電流経路を示す。
【図３】本実施形態に係る半導体装置の外観を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る装置１を示す。装置１は、正電源３１または複数の誘導負荷２と、正電源３と、半導体装置４と、を備える。
【００１５】
１または複数の誘導負荷２は、正電源３およびグランドの間で半導体装置４と直列に接続される。本実施形態では一例として、誘導負荷２は半導体装置４とグランドとの間に接続されるが、半導体装置４と正電源３との間に接続されてもよい。また、本実施形態では一例として、装置１には１つの誘導負荷２が含まれる。誘導負荷２は、ソレノイドバルブおよび油圧バルブなどのバルブでもよいし、モーター、トランスでもよい。
【００１６】
正電源３は、１または複数の誘導負荷２に電力を供給する。例えば、正電源３は、１つの誘導負荷２が装置１に具備される場合に、誘導負荷２に１３Ｖ、１Ａの電力を供給してよい。
【００１７】
半導体装置４は、誘導負荷２への電力供給をスイッチングする。半導体装置４は、外装体４０と、複数の端子４１と、半導体スイッチ４２と、ゲート制御回路４３と、クランプ回路４４とを備える。
【００１８】
外装体４０は、半導体スイッチ４２を内蔵する。外装体４０は、半導体スイッチ４２を内部に密閉保持してよい。外装体４０は、トランスファーモールド型のパッケージやケースに封止樹脂を注入したケース型のパッケージ等であってよい。
【００１９】
複数の端子４１は、それぞれ外装体４０から露出する。例えば複数の端子４１は、ゲート制御回路４３に対する入力信号を外部から受信する端子（制御端子とも称する）４１０、グランドに接続される端子（グランド端子とも称する）４１１、正電源３の正極に接続される端子（ドレイン端子とも称する）４１２、誘導負荷２に接続される端子（ソース端子とも称する）４１３、および、ドレイン端子４１２と接続可能な端子（電圧クランプ端子とも称する）４１４とを有する。
【００２０】
半導体スイッチ４２は、誘導負荷２に対する電力供給を制御する。本実施形態では一例として、半導体スイッチ４２は、ドレイン端子４１２にドレインが接続され、ソース端子４１３にソースが接続され、ゲート制御回路４３にゲートが接続される。半導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電界効果型トランジスタでよい。これに代えて、半導体スイッチ４２は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。
【００２１】
ゲート制御回路４３は、半導体スイッチ４２のゲートを制御する。ゲート制御回路４３は、半導体スイッチ４２のゲートと、制御端子４１０との間に設けられ、制御端子４１０を介して入力される信号に基づく制御信号を、後述の抵抗４４２を介して半導体スイッチ４２のゲートに供給してよい。ゲート制御回路４３は、グランド端子４１１を介してグランドに接続されてよい。ゲート制御回路４３は、外装体４０内に配置されてよい。
【００２２】
クランプ回路４４は、誘導負荷２への電力供給が遮断されたときに半導体スイッチ４２に加わる電圧をクランプして半導体スイッチ４２の破壊を防止する。クランプ回路４４は、複数の電圧クランプ素子４４０と、ダイオード４４１と、１または複数（本実施形態では一例として２つ）の抵抗４４２，４４３とを有する。本実施形態では一例としてクランプ回路４４の各構成は外装体４０内に配置される。
【００２３】
複数の電圧クランプ素子４４０は、ドレイン端子４１２および半導体スイッチ４２のゲートの間に縦続に接続される。本実施形態では一例として、３つの電圧クランプ素子４４０（電圧クランプ素子４４０（１）〜４４０（３）とも称する）がクランプ回路４４に設けられる。
【００２４】
電圧クランプ素子４４０は、基準電圧未満の電圧が印加される場合には電流を流さず、基準電圧以上の電圧が印加される場合に電流を流してよい。本実施形態では一例として、電圧クランプ素子４４０（１）〜４４０（３）は、それぞれ基準電圧（Ｖ１〜Ｖ３）以上の電圧が印加される場合に電流を流す。これにより、複数の電圧クランプ素子４４０は全体として、クランプ電圧（降伏電圧とも称する。）Ｖｃ未満の電圧が印加される場合には電流を流さず、クランプ電圧Ｖｃ以上の電圧が印加される場合には電流を流して両端の電圧をクランプ電圧Ｖｃにクランプしてよい。クランプ電圧は各電圧クランプ素子４４０の基準電圧Ｖ１〜Ｖ３の総和でよく、一例として５０Ｖでよい。基準電圧Ｖ１〜Ｖ３は互いに等しくてもよいし、異なってもよい。本実施形態では一例として、各電圧クランプ素子４４０は、ツェナーダイオードであり、ドレイン端子４１２側にアノードが向けられてよい。なお、電圧クランプ素子４４０はトリガダイオードなどの他のダイオードでもよいし、ダイオード以外の素子でもよい。
【００２５】
複数の電圧クランプ素子４４０のうち、隣接するいずれか２つの電圧クランプ素子４４０の間には、電圧クランプ端子４１４が電気的に接続される。これにより、電圧クランプ端子４１４がドレイン端子４１２と接続される場合には、ドレイン端子４１２から半導体スイッチ４２のゲートまでの経路において複数の電圧クランプ素子４４０のいずれかがバイパスされる。本実施形態では一例として、電圧クランプ端子４１４は最もドレイン端子４１２側の２つの電圧クランプ素子４４０（１），４４０（２）の間に接続され、電圧クランプ端子４１４がドレイン端子４１２と接続される場合に電圧クランプ素子４４０（１）がバイパスされる。
【００２６】
ダイオード４４１は、電圧クランプ素子４４０の温度補償用のダイオードである。ダイオード４４１は、ドレイン端子４１２および半導体スイッチ４２のゲートの間で複数の電圧クランプ素子４４０と直列に接続されてよい。ダイオード４４１はゲート側にアノードが向けられてよい。
【００２７】
抵抗４４２，４４３は、半導体スイッチ４２のゲートと、ソース端子４１３との間に直列に接続される。抵抗４４２，４４３は、ソース端子４１３と、半導体スイッチ４２のゲートとの間に流れる電流に応じてゲート電圧を生じさせてよい。本実施形態では一例として、抵抗４４２はゲート制御回路４３と、半導体スイッチ４２のゲートとの間に設けられており、ゲート抵抗としても機能する。なお、抵抗４４２とソース端子４１３の間には、ソース端子４１３からゲート制御回路４３に向かう電流を防ぐためのダイオードが設けられてもよい。
【００２８】
続いて、半導体スイッチ４２が誘導負荷２への電力供給を遮断した場合の動作について説明する。半導体スイッチ４２が誘導負荷２への電力供給を遮断すると、誘導負荷２が自己誘導により電流を維持してソース端子４１３側からグランド側に流そうとする結果、ソース端子４１３の電位が下がる。ソース端子４１３はマイナス電位となってもよい。これにより、半導体スイッチ４２に加わる素子電圧が大きくなる。素子電圧がクランプ電圧Ｖｃに達すると、電圧クランプ素子４４０（１）〜４４０（３）が素子電圧をクランプ電圧Ｖｃにクランプして微弱な電流を流す（図中の太い破線矢印参照）。これにより、抵抗４４２，４４３によって半導体スイッチ４２のゲート電位がソース電位より高くなる結果、ゲートが僅かにオンして半導体スイッチ４２に微弱な電流が流れる。その結果、半導体スイッチ４２の素子電圧の上昇が抑えられ破壊が防止される。また、半導体スイッチ４２は電流を微弱にしか流さないため抵抗として機能し、電気エネルギー（＝電圧×電流×時間）を熱に変換する。これにより、誘導負荷２に蓄積されていたエネルギーが熱として消失し、素子電圧がクランプ電圧Ｖｃ未満になると、電圧クランプ素子４４０（１）〜４４０（３）に電流が流れなくなって半導体スイッチ４２のゲートがオフになる。
【００２９】
続いて、電圧クランプ端子４１４をドレイン端子４１２と接続した状態で半導体スイッチ４２が誘導負荷２への電力供給を遮断した場合の動作について説明する。
図２は、電圧クランプ端子４１４をドレイン端子４１２と接続した状態での電流経路を示す。図中の太い破線矢印は電流経路を示す。
【００３０】
電圧クランプ端子４１４をドレイン端子４１２と接続すると、本実施形態では一例として、ドレイン端子４１２からゲートまでの経路において電圧クランプ素子４４０（１）がバイパスされるため、クランプ電圧Ｖｃ（＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３）が電圧クランプ素子４４０（１）の分だけ小さくなり、Ｖｃ'（＝Ｖ２＋Ｖ３）となる。そのため、素子電圧がクランプ電圧Ｖｃ'（但しＶｃ'＜Ｖｃ）に達すると、電圧クランプ素子４４０（１）〜４４０（３）が素子電圧をクランプ電圧Ｖｃ'にクランプして微弱な電流を流す（図中の太い破線矢印参照）。これにより、上記と同様にして半導体スイッチ４２に微弱な電流が流れて半導体スイッチ４２の破壊が防止され、電気エネルギー（＝電圧×電流×時間）が半導体スイッチ４２で熱に変換される。
【００３１】
ここで、クランプ電圧が小さい場合には、クランプ電圧が大きい場合と比較してドレイン端子４１と誘導負荷２との間の電位差が小さくなるため、誘導負荷２の蓄積エネルギーが相対的に長い時間をかけて熱エネルギーとして消化され、半導体スイッチ４２での発熱量が小さい。従って、電圧クランプ端子４１４をドレイン端子４１２と接続する場合には、接続しない場合と比較して、誘導負荷２の蓄積エネルギーの処理時間が長くなり、発熱量が小さくなる。
【００３２】
以上の半導体装置４によれば、ドレイン端子４１２が半導体スイッチ４２のドレインに電気的に接続されて外装体４０から露出し、電圧クランプ端子４１４がいずれか２つの電圧クランプ素子４４０の間に電気的に接続されて外装体４０から露出する。従って、ドレイン端子４１２および電圧クランプ端子４１４を接続または非接続にすることで、ドレイン端子４１２からゲートまでの経路上の電圧クランプ素子４４０の個数、ひいてはクランプ回路４４のクランプ電圧を容易に変更することができる。よって、誘導負荷２の自己インダクタンスの大きさ、駆動態様、半導体スイッチ４２の耐熱性などに応じて、誘導負荷２の蓄積エネルギーの処理時間、および／または、当該エネルギーによる半導体スイッチ４２の発熱量を容易に変更することができる。
【００３３】
また、複数の電圧クランプ素子４４０が外装体４０内に配置されている。従って、外装体４０の外付回路を複雑にすることなくクランプ電圧を容易に変更することができる。
【００３４】
図３は、本実施形態に係る半導体装置４の外観を示す。本実施形態では一例として、半導体装置４の外装体４０は、半導体スイッチ４２を搭載したリードフレーム４０１と、半導体スイッチ４２およびリードフレーム４０１を封止したモールド樹脂部４０２とを有する。なお、本実施形態では一例として、半導体スイッチ４２は上面側にゲートおよびソースを有し、下面側にドレインを有する縦型のＭＯＳＦＥＴである。また、図３では図示を省略しているが、外装体４０は半導体スイッチ４２の上面も覆ってよい。
【００３５】
リードフレーム４０１は、放熱性および導電性に優れた金属（一例として銅）などから形成されてよい。例えば、リードフレーム４０１は、金属板をプレス加工することで形成されてよい。リードフレーム４０１は、リードフレーム本体４０１０と、複数のリードフレームセグメント４０１１とを有してよい。
【００３６】
リードフレーム本体４０１０は、矩形板状に形成されており、中央部の上面で半導体スイッチ４２を支持してよい。半導体スイッチ４２とリードフレーム本体４０１０の間には図示しない半田が介在してよい。
【００３７】
複数のリードフレームセグメント４０１１は、それぞれ板状に形成されており、互いに離間して配置されてよい。各リードフレームセグメント４０１１は、一例としてリードフレーム本体４０１０と同一面内に配置されてよい。
【００３８】
本実施形態では一例として、リードフレーム４０１は８つのリードフレームセグメント４０１１（１）〜４０１１（８）を有してよい。このうち、リードフレームセグメント４０１１（１），４０１１（４）は、外装体４０の外部でドレイン端子４１２と一体化されてよく、外装体４０の内部でリードフレーム本体４０１０と一体化されて半導体スイッチ４２の下面のドレインに接続されてよい。リードフレームセグメント４０１１（２）は外装体４０の外部で電圧クランプ端子４１４と一体化されてよく、外装体４０の内部で電圧クランプ素子４４０（１），４４０（２）の間に接続されてよい。ここで、電圧クランプ端子４１４と一体化されたリードフレームセグメント４０１１（２）と、ドレイン端子４１２と一体化されたリードフレームセグメント４０１１（１）とは、銅線などを介して互いに接続可能でよく、一例として隣接して配置されてよい。リードフレームセグメント４０１１（５），４０１１（６）は外装体４０の外部で制御端子４１０，グランド端子４１１と一体化されてよく、外装体４０の内部でゲート制御回路４３にそれぞれ接続されてよい。リードフレームセグメント４０１１（８）は外装体４０の外部でソース端子４１３と一体化されてよく、外装体４０の内部で半導体スイッチ４２のソースと接続されてよい。なお、リードフレームセグメント４０１１（３），４０１１（７）はＮＣ（Ｎｏ  Ｃｏｎｔａｃｔ）端子と一体化されてよい。
【００３９】
モールド樹脂部４０２は、半導体スイッチ４２およびリードフレーム４０１等をモールド封止する。モールド樹脂部４０２は、固化した樹脂により形成されてよい。樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、マレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、イソシアネート樹脂、アミノ樹脂、フェノール樹脂、シリコン系樹脂、等のような絶縁性の熱硬化性樹脂を用いてよいが、これに限らない。樹脂には、無機フィラー等の添加物が含有されてもよい。
【００４０】
なお、上記の実施形態においては、電圧クランプ端子４１４は隣接するいずれか２つの電圧クランプ素子４４０の間に接続されることとして説明したが、少なくとも１つの他の電圧クランプ素子を介して接続されてもよい。例えば、電圧クランプ端子４１４と、２つの電圧クランプ素子４４０（一例として電圧クランプ素子４４０（１），４４０（２））の間のノード（電圧クランプ端子４１４の接続ノードとも称する）との間には、少なくとも１つの他の電圧クランプ素子が縦続に設けられてよい。この場合には、ドレイン端子４１２および電圧クランプ端子４１４を接続または非接続にすることで変更されるクランプ電圧Ｖｃ，Ｖｃ'の差異を容易に設定することができる。ここで、電圧クランプ端子４１４の接続ノードと、ドレイン端子４１２との間に位置する電圧クランプ素子４４０の数は、電圧クランプ端子４１４と、その接続ノードとの間の他の電圧クランプ素子の数とは異なってよい。これにより、ドレイン端子４１２および電圧クランプ端子４１４を接続または非接続にすることでクランプ電圧を確実に変更することができる。
【００４１】
また、半導体装置４は電圧クランプ端子４１４を１つ備えることとして説明したが、２つの２つの電圧クランプ素子４４０の間の別々のノードに接続された複数の電圧クランプ端子４１４を備えてもよい。この場合には、ドレイン端子４１２と接続する電圧クランプ端子４１４を変更することで、クランプ電圧を複数の電圧に変更することができる。また、２つの電圧クランプ端子４１４同士を接続することによってもドレイン端子４１２から半導体スイッチ４２のゲートまでの経路上の電圧クランプ素子４４０の個数、ひいてはクランプ電圧を変更することができる。
【００４２】
また、ゲート制御回路４３は外装体４０内に配置されることとして説明したが、外装体４０外に配置されてもよい。この場合には、ゲート制御回路４３から制御信号を受信して半導体スイッチ４２のゲートに供給するためのゲート端子が外装体４０に設けられてよい。また、ゲート制御回路４３は半導体装置４に具備されなくてもよい。
【００４３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００４４】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００４５】
１  装置、２  誘導負荷、３  正電源、４  半導体装置、４０  外装体、４１  端子、４２  半導体スイッチ、４３  ゲート制御回路、４４  クランプ回路、４０１  リードフレーム、４１０  制御端子、４１１  グランド端子、４１２  ドレイン端子、４１３  ソース端子、４１４  電圧クランプ端子、４４０  電圧クランプ素子、４４１  ダイオード、４４２  抵抗、４４３  抵抗、４０１  リードフレーム、４０２  モールド樹脂部、４０１０  リードフレーム本体、４０１１  リードフレームセグメント
【図１】
2019161495.tif 000003
【図２】
2019161495.tif 000004
【図３】
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