(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
MOSゲートトランジスタ用ドライバであって、
前記ドライバは、信号入力ピンと、グラウンドピンと、信号出力ピンと、MOSゲートトランジスタと負荷との間のノードに接続可能なVSピンと、前記信号入力ピンへの入力信号を前記信号出力ピンに対して変換する(translate)レベルシフト回路と、前記VSピンと前記グラウンドピンとの間に接続され固有寄生ダイオードを有する垂直伝導のリフレッシュMOSFETと、当該リフレッシュMOSFETと直列に接続されたショットキダイオードとを備え、
前記ショットキーダイオードは、前記リフレッシュMOSFETの固有寄生ダイオードに対して逆極性であることを特徴とするMOSゲートトランジスタ用ドライバ。
【請求項２】
前記MOSゲートトランジスタ用ドライバはシリコンチップ内の集積回路であり、前記シリコンチップは低電圧領域とハイサイドフローティングウェルとを有し、前記レベルシフト回路は前記フローティングウェル内に集積化されており、前記リフレッシュMOSFETおよび前記ショトキーダイオードは前記低電圧領域内に集積化されていることを特徴とする請求項１に記載のMOSゲートトランジスタ用ドライバ。
【請求項３】
前記MOSゲートトランジスタ用ドライバにより制御されるMOSゲートトランジスタは非抵抗性かつ非誘導性の負荷と直列に接続されており、前記リフレッシュMOSFETは前記MOSゲートトランジスタがターンオフする時にターンオンし、当該リフレッシュMOSFETのターンオンにより前記負荷の蓄積電荷が当該リフレッシュMOSFETを通って放電されることを特徴とする請求項１または２に記載のMOSゲートトランジスタ用ドライバ。
【請求項４】
前記リフレッシュMOSFETは、大電圧降下本体ドレインダイオード（large voltage drop body drain diode）を有する高電圧MOSFETであり、
前記リフレッシュMOSFETは、横方向に離して配置されたソース領域およびドレイン領域とその表面濃度が反転するときに前記ソース領域と前記ドレイン領域との間のキャリアの伝導を可能にするように作動可能な反転可能な横方向のチャンネル領域とを有するシリコン本体と、MOSゲート構造であって前記チャンネル領域に接続され前記MOSゲート構造へのゲート信号に応答して前記チャンネル領域を反転させるように作動可能なMOSゲート構造と、前記ソース領域および前記ドレイン領域にそれぞれ接続された金属ソース接点および金属ドレイン接点とを備え、
前記ソース領域と前記ドレイン領域の少なくとも一方は、前記金属ソース接点と前記金属ドレイン接点との間でショットキーダイオードを規定するのに充分に低い不純物濃度を有していることを特徴とする請求項１に記載のMOSゲートトランジスタ用ドライバ。
【請求項５】
前記リフレッシュMOSFETは固有寄生ダイオードを有し、前記ショットキーダイオードは前記固有寄生ダイオードと逆極性であることを特徴とする請求項４に記載のMOSゲートトランジスタ用ドライバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MOSゲートトランジスタ用ドライバおよび高電圧MOSFETに関し、より詳細には、順方向バイアス下の寄生ダイオードの導通を妨げ近傍の制御回路への少数キャリアの注入を妨げることを可能とするMOSゲートトランジスタ用ドライバおよび高電圧MOSFETに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電力制御回路のローサイドかつ/またはハイサイドのMOSゲートデバイス用の集積回路MOSFETドライバが知られており、ハイサイドドライバはパワーMOSFETのターンオンおよびターンオフを制御し、パワーMOSFETの負荷への電力の結合を可能にする。
【０００３】
この種のハイサイドドライバのチップは、通常、グラウンド（ground）電位にある本体内に集積化された第1の複数の制御デバイスを有する単一シリコンチップで構成される。こうしたチップはまた、グラウンドに対して高電位にあるハイサイドフローティングウェル内に含まれる第2の複数の制御デバイスを有する。チップは、VCC(制御電圧)、入力制御ピン、COMM(またはグラウンド)ピンを含むいくつかの入力ピンを有し、これらのピンは全てチップの低電圧部内の素子に接続されかつグラウンドを基準とされている。
【０００４】
ハイサイドスイッチ(MOSFETまたはIGBT)のゲートへの出力は高電圧であるため、入力ピンへの入力信号は上にレベルシフトされなければならない。これは、一般に、集積回路チップ内のハイサイドウェルの回路によって行われる。ハイサイド回路は、VSピンの電位に「フロート（floats）」し、VSピンは、普通、ハイサイドスイッチ(MOSFETまたはIGBT)のソースに接続される。出力ピンHOは、駆動されるハイサイドスイッチのゲートに接続されて駆動信号を供給する。VbおよびVSピン上の電圧差は、集積回路内のフローティングハイサイド回路のために電源を供給する。複数のVbsフローティング電源を生成することができる多くの方法が存在し、ブートストラップ技法が最も単純で、費用がかからない。この技法において、電源は、以下で詳細に説明される図1に示す高電圧ダイオードとコンデンサによって形成される。
【０００５】
図1のVSがグラウンド電位の時、ブートストラップコンデンサ36は、15VのVCC電源からブートストラップダイオード35を介して充電される。このブートストラップコンデンサ36が完全に充電されると、ブートストラップダイオード35が逆バイアスされるために、たとえVSピンが高電圧にフロートしたとしてもその電荷が保持される。ブートストラップコンデンサ36は、駆動される外部MOSFETをターンオンするのに必要なゲート電荷のみならず、ハイサイド回路用の電源電流も供給する。しかし、ブートストラップコンデンサ36は、大幅に放電する前に何らかの手段でリフレッシュされる必要がある。
【０００６】
ハイサイドスイッチが抵抗性または誘導性負荷を駆動する場合には、単にこのスイッチを周期的にターンオフしてVS電位が負荷を通してグラウンド(COMM)電位に降下するのを待つことによって、ブートストラップコンデンサ36は容易にリフレッシュされる。VB電位が0.7Vにまで降下してVCC未満になると、ブートストラップダイオード35は導通し、ブートストラップコンデンサ36を再充電する。
【０００７】
さらに、ハーフブリッジ回路において、ハイサイドスイッチ(MOSFETまたはIGBT)をターンオフしローサイドスイッチ(MOSFETまたはIGBT)をターンオンすることでVSはグラウンドに接続されて、ブートストラップコンデンサ36が充電される。VB電位がVCCを大幅に下回る場合、ブートストラップダイオード35が導通し、ブートストラップコンデンサ36をリフレッシュする。
【０００８】
抵抗性(または誘導性)負荷または同期したローサイドスイッチがない場合には、VS電位はハイサイドスイッチがターンオフされるときにグラウンド電位に自動的に降下できない。こうした状況では、ブートストラップコンデンサ36をリフレッシュするためにVSをグラウンドに接続する内部高電圧MOSFETをゲートドライバICに付加することが好ましい。しかし、こうした付加トランジスタは、多くの用途でしばしば経験されるVSがグラウンド電位より数ボルト下がる(-)VS条件を満たさないであろうことがわかった。このような(-)VS偏位の間に、リフレッシュトランジスタの固有の本体ドレインダイオードが順導通方向に導通して少数キャリアを生成する。これらの少数キャリアは制御回路に注入され、いくらかの少数キャリアは、ハイサイドフローティングウェル内の近傍レベルシフトFETドレイン領域によって収集される。これにより少量のドレイン電流が生じ、レベルシフト回路(特許文献1参照)で使用されるR-Sラッチの誤動作を生ずる。したがって、HOピンの出力状態は、入力信号がない場合にもlowからhigh(またはその逆)に変化することができることとなる。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第5,545,955号明細書
【００１０】
【特許文献２】
米国特許第4,866,495号明細書
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、このような集積回路MOSFETドライバにおいては、不正確な制御信号を発生させる危険性なしで抵抗性/誘導性負荷のない状態でブートストラップコンデンサをリフレッシュするための手段を提供することが望まれる。また、一般のMOSFETの多くの用途においても、順方向バイアス下の寄生ダイオードの導通を妨げ近傍の制御回路への少数キャリアの注入を妨げることが望まれる。
【００１２】
本発明の目的は、不正確な制御信号を発生させる危険性なしで抵抗性/誘導性負荷のない状態でブートストラップコンデンサをリフレッシュすること、および、順方向バイアス下の寄生ダイオードの導通を妨げ近傍の制御回路への少数キャリアの注入を妨げること、を可能とするMOSゲートトランジスタ用ドライバおよび高電圧MOSFETを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために主にブートストラップ技法が使用される用途に向けられるもので、請求項１に記載の発明は、MOSゲートトランジスタ用ドライバであって、前記ドライバは、信号入力ピンと、グラウンドピンと、信号出力ピンと、MOSゲートトランジスタと負荷との間のノードに接続可能なVSピンと、前記信号入力ピンへの入力信号を前記信号出力ピンに対して変換する(translate)レベルシフト回路と、前記VSピンと前記グラウンドピンとの間に接続され固有寄生ダイオードを有する垂直伝導のリフレッシュMOSFETと、当該リフレッシュMOSFETと直列に接続されたショットキダイオードとを備え、前記ショットキーダイオードは、前記リフレッシュMOSFETの固有寄生ダイオードに対して逆極性であることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、請求項1に記載のMOSゲートトランジスタ用ドライバにおいて、前記MOSゲートトランジスタ用ドライバはシリコンチップ内の集積回路であり、前記シリコンチップは低電圧領域とハイサイドフローティングウェルとを有し、前記レベルシフト回路は前記フローティングウェル内に集積化されており、前記リフレッシュMOSFETおよび前記ショトキーダイオードは前記低電圧領域内に集積化されていることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項1または2に記載のMOSゲートトランジスタ用ドライバにおいて、前記MOSゲートトランジスタ用ドライバにより制御されるMOSゲートトランジスタは非抵抗性かつ非誘導性の負荷と直列に接続されており、前記リフレッシュMOSFETは前記MOSゲートトランジスタがターンオフする時にターンオンし、当該リフレッシュMOSFETのターンオンにより前記負荷の蓄積電荷が当該リフレッシュMOSFETを通って放電されることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明は、請求項1に記載のMOSゲートトランジスタ用ドライバにおいて、前記リフレッシュMOSFETは、大電圧降下本体ドレインダイオード（large voltage drop body drain diode）を有する高電圧MOSFETであり、前記リフレッシュMOSFETは、横方向に離して配置されたソース領域およびドレイン領域とその表面濃度が反転するときに前記ソース領域と前記ドレイン領域との間のキャリアの伝導を可能にするように作動可能な反転可能な横方向のチャンネル領域とを有するシリコン本体と、MOSゲート構造であって前記チャンネル領域に接続され前記MOSゲート構造へのゲート信号に応答して前記チャンネル領域を反転させるように作動可能なMOSゲート構造と、前記ソース領域および前記ドレイン領域にそれぞれ接続された金属ソース接点および金属ドレイン接点とを備え、前記ソース領域と前記ドレイン領域の少なくとも一方は、前記金属ソース接点と前記金属ドレイン接点との間でショットキーダイオードを規定するのに充分に低い不純物濃度を有していることを特徴とする。
【００１７】
さらに、請求項５に記載の発明は、請求項4に記載のMOSゲートトランジスタ用ドライバにおいて、前記リフレッシュMOSFETは固有寄生ダイオードを有し、前記ショットキーダイオードは前記固有寄生ダイオードと逆極性であることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
図1は、低電圧部21およびハイサイドフローティングウェル22を有するハイサイドドライバチップ20の本発明の関連部分を示す図で、このチップは例えばシリコンチップであって、低電圧部21は、それぞれ、VCC(15ボルト)ピン23、入力信号ピン24およびCOMM(グラウンド)ピン25を有する。ハイサイドフローティングウェル22は、それぞれ、フローティング電源の(+)veであるVBピン30、HO出力ピン31、およびフローティング電源の(-)veであるVSピン32を有し、たとえば、グラウンドに対して0から200ボルトの間を振れる。VBピン30の電位VBは、たとえば、VB=VS+15ボルトに設定される。COMMピン25の電位は、通常、負荷に対する戻り端子と同じである。
【００２２】
ブートストラップダイオード35は、VCCピン23とVBピン30の間に接続され、ブートストラップコンデンサ36は、VBピン30とVSピン32の間に接続される。バイパスコンデンサ37は、VCCピン23とCOMM25の間に接続される。
【００２３】
主MOSゲート制御デバイスは、高電圧電源41に接続され、また負荷42に接続された例えばパワーMOSFETであるMOSFET40として示される。負荷42は任意のタイプの負荷で、ハイサイドドライバチップ20およびHO出力ピン31の入力信号によって制御されるMOSFET40のパルス周波数変調によって制御される。
【００２４】
負荷42が抵抗性または誘導性でない場合は、VSピン32をCOMMピン25に接続することによってブートストラップコンデンサ36を再充電するリフレッシュトランジスタを提供するのが望ましいであろう。しかし、説明した回路において、VSは、一時的にCOMMより数ボルト下がる可能性がある。このことが起こると、リフレッシュトランジスタの本体ドレインダイオードは順方向バイアスされ、少数キャリアが制御回路内に注入されて誤動作または破壊的なラッチアップ故障さえも引き起こす。
【００２５】
ブートストラップコンデンサ36は、VCCからブートストラップダイオード35を通してリフレッシュされなければならない。したがって、ブートストラップコンデンサ36が充電されるために、VBはVCC未満でなければならない。VBがVCCより高くなる場合には、ブートストラップコンデンサ36はブートストラップダイオード35の阻止動作によって放電しないであろう。しかし、ブートストラップコンデンサ36は放電する傾向を有し、充電すなわちリフレッシュされなければならない。ブートストラップコンデンサ36を充電する回路は、バイパスコンデンサ37(15ボルト)、VCCピン23、ブートストラップダイオード35、ブートストラップコンデンサ36、VSピン32そしてCOMMピン25に戻る直列回路を含むことに注目されたい。
【００２６】
負荷42が抵抗性または誘導性である場合は、ブートストラップコンデンサ36が単にMOSFET40をターンオフすることによってリフレッシュされるため、リフレッシュトランジスタは必要とされない。次に、負荷42自体は、VSピン32をグラウンド電位に接続し、それによって、VB電位がブートストラップダイオード35の導通を通してほぼVCC電位に達する。しかし、負荷42がたとえば容量性である、すなわち、そうでなければ抵抗性でも誘導性でもない場合は、MOSFET40がターンオフするときにノードVSはすぐにはグラウンド電位に落ちないであろう。したがって、ブートストラップコンデンサ36は、必要とされているようにはリフレッシュされない。
【００２７】
負荷42が抵抗性または誘導性である場合は、MOSFET40がターンオフするときにVSピン32の電位は負にならないため、ブートストラップコンデンサ36をリフレッシュするために本発明の新規構造は必要とされない。すなわち、VBがVCCより下がる場合はVSはゼロになるため、ブートストラップダイオード35は、ダイオード順方向電圧降下を超えた後に導通するであろう。しかし、負荷42がたとえば容量性である場合は、MOSFET40がターンオフするとき、VSのノードはすぐにゼロボルトに落ちないであろう。したがって、ブートストラップコンデンサ36は必要とされているようにはリフレッシュされない。
【００２８】
この問題を解決し、ブートストラップコンデンサ36の継続したリフレッシュ動作を確実に行うために、垂直伝導のリフレッシュMOSFET60が、ディスクリート部品としてまたはシリコンに集積化されて図1の回路に付加され、VSからCOMMに接続される。リフレッシュMOSFET60の目的は、VSをVCOMMに近づけることである。今、主MOSゲート制御デバイスであるMOSFET40(パワーMOSFETまたはIGBT)がターンオフするとき、リフレッシュMOSFET60をターンオンすることによって、VSピン32の電位を適当にグラウンドに接続することができる。しかし、リフレッシュMOSFET60は、寄生ダイオード61を有しており、この寄生ダイオード61は、VSが約(-)0.5ボルト未満に下がるとすぐにターンオンし、次に、少数キャリアが制御回路内に注入されるであろう。
【００２９】
本発明によれば、ショットキーダイオード62は、リフレッシュMOSFET60の寄生ダイオード61の順方向導通を阻止する方向に、リフレッシュMOSFET60と直列に接続される。ショットキーダイオード62の付加によって、リフレッシュMOSFET60回路のオン抵抗が少し増えるが、リフレッシュMOSFET60およびショットキーダイオード62がハイサイドドライバチップ20に集積化されると、VSノードの電位(VSピン32の電位)がCOMMの電位（COMMピン25の電位）を数ボルト下まわるとき、少数キャリアは制御回路内に注入されない。
【００３０】
図2は、リフレッシュMOSFET60およびショットキーダイオード62の一実施形態を示すための図で、この図に示したデバイスは、ショットキー接触をN-シリコンに対して行うようにドレイン接続用のN+接触が除去されていることを除いて、公知のハイサイドスイッチ用の横型MOSトランジスタと同じである(例えば、特許文献2参照)。したがって、図2では、低電圧部21のチップエリアを、その上にN-エピタキシャル層100を有するP-領域として示す。低電圧部21のチップエリアは、P+シンカー(sinker)101および102によって、ハイサイドフローティングウェルおよび/または他の素子から分離されている。P-リサーフ(resurf)拡散領域105、106、107および108は、チップ上部表面のフィールド酸化膜109の下部領域に形成される。深いP+領域110および111を有する、離れて配置されたP-チャンネル拡散領域は、それぞれのN+ソース領域112および113を含み、ゲート酸化膜およびポリシリコンゲート114によって覆われる。伝導性のポリシリコンゲート114は、層間酸化物115によってソース接点116から絶縁される。ドレイン接点120および121は、N+接点領域よりむしろN-シリコン100に直接に接続される(例えば、特許文献2参照)。ソース接点116のようなドレイン接点120および121は、アルミニウムで作られ、ショットキーダイオード62を規定するようにN-エピタキシャル層100へのショットキー接続を形成する。
【００３１】
すなわちこのリフレッシュMOSFET60は、例えば、大電圧降下本体ドレインダイオード（large voltage drop body drain diode）を有する高電圧MOSFETであり、表面濃度が反転するときにソース領域とドレイン領域との間のキャリアの伝導を可能にするように作動可能な反転可能な横方向のチャンネル領域をシリコンエピ層に有しており、ソース領域とドレイン領域の少なくとも一方は、金属ソース接点と金属ドレイン接点との間でショットキーダイオードを規定するのに充分に低い不純物濃度を有している。
【００３２】
リフレッシュMOSFET60が信号オンゲートであるポリシリコンゲート114によってターンオンするとき、電流Iは図中に矢印で示したように、N-エピタキシャル層100内のチャネルエリアの下を通って、ドレイン接点120および121へと流れる。
【００３３】
本発明は、その特定の実施形態に関連して説明されたが、当業者には多くの他の変形形態および変更形態および他の用途が明らかになるであろう。したがって、本発明は、本明細書の特定の開示によって限定されるものではない。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、ブートストラップコンデンサをリフレッシュするために、VSピンをグラウンドに接続するために用いられるリフレッシュMOSFETとショットキーダイオードとが直列に配置される。そして、これらのリフレッシュMOSFETとショットキーダイオードとはチップ内に集積化可能であり、ショットキーダイオードはリフレッシュMOSFETのドレインと直列に接続できる。このようなショットキーダイオードは、そのオン状態中にリフレッシュMOSFETのVDS(ON)に対しておよそ0.5ボルトの電圧降下を付加するように作動するが、逆方向では、阻止電圧が(-)0.5ボルトから約(-)8ボルトまで増加する。したがって、VSが(-)veに下がるとき、すなわち、従来であれば本体ドレインダイオードが導通し始め少数キャリアをハイサイドウェル内に注入するときに、デバイス本体ダイオードは導通しないこととなる。
【００３５】
このように本発明によれば、不正確な制御信号を発生する危険性を伴うことなく抵抗性/誘導性負荷のない状態でブートストラップコンデンサをリフレッシュする手段を提供することが可能となる。また、一般のMOSFETの多くの用途においても、順方向バイアス下の寄生ダイオードの導通を妨げ近傍の制御回路への少数キャリアの注入を妨げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】低電圧部およびハイサイドフローティングウェルを有するハイサイドドライバチップの本発明の関連部分を説明するための図である。
【図２】リフレッシュMOSFETおよびショットキーダイオードの一実施形態を示すための図である。
【符号の説明】
20  ハイサイドドライバチップ
21  低電圧部
22  ハイサイドフローティングウェル
23  VCC(15ボルト)ピン
24  入力信号ピン
25  COMM(グラウンド)ピン
30  VBピン
31  HO出力ピン
32  VSピン
35  ブートストラップダイオード
36  ブートストラップコンデンサ
37  バイパスコンデンサ
40  MOSFET
41  高電圧電源
42  負荷
60  リフレッシュMOSFET
61  寄生ダイオード
62  ショットキーダイオード
100  N-エピタキシャル層
101,102  P+シンカー
105,106,107,108  P-リサーフ拡散領域
109  フィールド酸化膜
110,111  深いP+領域
112,113  N+ソース領域
114  ポリシリコンゲート
115  層間酸化物
116  ソース接点
120,121  ドレイン接点
【図１】
0003857216.tif 000002
【図２】
0003857216.tif 000003