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公開番号2021061562
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210415
出願番号2019185965
出願日20191009
発明の名称半導体装置
出願人ルネサスエレクトロニクス株式会社
代理人ポレール特許業務法人
主分類H03K 17/00 20060101AFI20210319BHJP(基本電子回路)
要約【課題】電力用トランジスタの故障を迅速に検出する。
【解決手段】半導体装置は、第1乃至第4の素子で構成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の2つの中間ノードの電位差を検出する第1の診断回路と、第1の診断回路の出力に基づいて、第1または第2の素子の故障を検出する制御回路と、を有し、第1と第2の素子は、直列に接続された第1と第2の電力用トランジスタである。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
第1乃至第4の素子で構成されるブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の2つの中間ノードの電位差を検出する第1の診断回路と、
前記第1の診断回路の出力に基づいて、前記第1または第2の素子の故障を検出する制御回路と、を有し、
前記第1と第2の素子は、直列に接続された第1と第2の電力用トランジスタである、
半導体装置。
続きを表示(約 3,500 文字)【請求項2】
前記第1の電力用トランジスタは、バッテリからの電力供給を受け、当該バッテリの逆接保護用トランジスタである、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第1の診断回路は、前記2つの中間ノードの電位差が所定値以上かどうかを判定する第1の電圧判定回路を有する、
請求項2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第3と第4の素子は、直列に接続された第1と第2のセンストランジスタであり、
前記第1の電圧判定回路は、前記第1と第2の電力用トランジスタが接続される第1の中間ノードと、前記第1と第2のセンストランジスタが接続される第2の中間ノードの電位差を判定する、
請求項3に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第1の診断回路は、前記第1と第2の中間ノードの電位差を増幅する第1の差動増幅回路を更に有し、
前記第1の電圧判定回路は、前記増幅された電位差が所定値以上かどうかを判定する、
請求項4に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第1の電力用トランジスタと前記第1のセンストランジスタとの電流センス比と、前記第2の電力用トランジスタと前記第2のセンストランジスタとの電流センス比が略同一である、
請求項5に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第1の差動増幅回路は、
第1の演算増幅器と、
前記第1の演算増幅器の非反転入力と前記バッテリからの電力線との間に接続される第1の抵抗と、
前記第1の演算増幅器の反転入力と出力間に接続される第2の抵抗と、を有し、
前記第1の演算増幅器の反転入力には前記第1の中間ノードが接続され、前記第1の演算増幅器の非反転入力には前記第2の中間ノードが接続される、
請求項5に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記第1の電圧判定回路は、
第1の比較器と、
第1の基準電圧回路と、を有し、
前記第1の比較器の反転入力には、前記第1の差動増幅回路の出力が接続され、
前記第1の比較器の非反転入力には、前記第1の基準電圧回路により、前記バッテリからの給電電圧から降圧された電圧が供給される、
請求項7に記載の半導体装置。
【請求項9】
第2の診断回路を更に有し、
前記第1の診断回路は、前記第1の中間ノードの電圧が前記第2の中間ノードの電圧よりも高いかどうかを判定し、
前記第2の診断回路は、前記第2の中間ノードの電圧が前記第1の中間ノードの電圧よりも高いかどうかを判定する、
請求項4に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記第1の診断回路は第1の差動増幅回路と第1の電圧判定回路とを有し、
前記第2の診断回路は第2の差動増幅回路と第2の電圧判定回路とを有し、
前記第1の差動増幅回路は、
第1の演算増幅器と、
前記第1の演算増幅器の非反転入力と前記バッテリからの電力線との間に接続される第1の抵抗と、
前記第1の演算増幅器の反転入力と出力間に接続される第2の抵抗と、を有し、
前記第1の演算増幅器の反転入力には前記第1の中間ノードが接続され、前記第1の演算増幅器の非反転入力には前記第2の中間ノードが接続され、
前記第2の差動増幅回路は、
第2の演算増幅器と、
前記第2の演算増幅器の非反転入力と前記バッテリからの電力線との間に接続される第3の抵抗と、
前記第2の演算増幅器の反転入力と出力間に接続される第4の抵抗と、を有し、
前記第2の演算増幅器の反転入力には前記第2の中間ノードが接続され、前記第2の演算増幅器の非反転入力には前記第1の中間ノードが接続され、
前記第1の電圧判定回路は、
第1の比較器と、
第1の基準電圧回路と、を有し、
前記第1の比較器の反転入力には、前記第1の差動増幅回路の出力が接続され、
前記第1の比較器の非反転入力には、前記第1の基準電圧回路により、前記バッテリからの給電電圧から降圧された電圧が供給され、
前記第2の電圧判定回路は、
第2の比較器と、
第2の基準電圧回路と、を有し、
前記第2の比較器の反転入力には、前記第2の差動増幅回路の出力が接続され、
前記第2の比較器の非反転入力には、前記第2の基準電圧回路により、前記バッテリからの給電電圧から降圧された電圧が供給される、
請求項9に記載の半導体装置。
【請求項11】
前記第3と第4の素子は、直列に接続された第1と第2の抵抗であり、
前記第1の電圧判定回路は、前記第1と第2の電力用トランジスタが接続される第1の中間ノードと、前記第1と第2の抵抗が接続される第2の中間ノードの電位差を判定する、
請求項3に記載の半導体装置。
【請求項12】
前記第1の診断回路は、前記第1と第2の中間ノードの電位差を増幅する第1の差動増幅回路を更に有し、
前記第1の電圧判定回路は、前記増幅された電位差が所定値以上かどうかを判定する、
請求項11に記載の半導体装置。
【請求項13】
前記第1と第2の電力用トランジスタのオン抵抗の比と、前記第1と第2の抵抗の抵抗値の比が略同一である、
請求項12に記載の半導体装置。
【請求項14】
前記第1の差動増幅回路は、
第1の演算増幅器と、
前記第1の演算増幅器の非反転入力と前記バッテリからの電力線との間に接続される第1の抵抗と、
前記第1の演算増幅器の反転入力と出力間に接続される第2の抵抗と、を有し、
前記第1の演算増幅器の反転入力には前記第1の中間ノードが接続され、前記第1の演算増幅器の非反転入力には前記第2の中間ノードが接続される、
請求項13に記載の半導体装置。
【請求項15】
前記第1の電圧判定回路は、
第1の比較器と、
第1の基準電圧回路と、を有し、
前記第1の比較器の反転入力には、前記第1の差動増幅回路の出力が接続され、
前記第1の比較器の非反転入力には、前記第1の基準電圧回路により、前記バッテリからの給電電圧から降圧された電圧が供給される、
請求項14に記載の半導体装置。
【請求項16】
第1の基準電圧回路を更に有し、
前記第1の演算増幅器の非反転入力には、前記第1の基準電圧回路により、前記バッテリからの給電電圧から降圧された第1の電圧が、前記第1の抵抗を介して供給され、
前記第1の電圧判定回路は、
第1と第2の比較器と、
第2と第3の基準電圧回路と、を有し、
前記第1の比較器の反転入力と、前記第2の比較器の非反転入力には、前記第1の差動増幅回路の出力が接続され、
前記第1の比較器の非反転入力には、前記第2の基準電圧回路により、前記第1の電圧から降圧された電圧が供給され、
前記第2の比較器の反転入力には、前記第3の基準電圧回路により、前記第1の電圧から昇圧された電圧が供給される、
請求項7に記載の半導体装置。
【請求項17】
第2の電圧判定回路を更に有し、
前記第1の電圧判定回路の非反転入力と、前記第2の電圧判定回路の反転入力には、前記第1の中間ノードが接続され、
前記第1の電圧判定回路の反転入力と、前記第2の電圧判定回路の非反転入力には、前記第2の中間ノードが接続され、
前記第1と第2の電圧判定回路のそれぞれの反転入力には、オフセット電圧が設定されている、
請求項4に記載の半導体装置。
【請求項18】
前記第1の電圧判定回路は、
第1の比較器と、
複数の基準電圧回路と、
前記複数の基準電圧回路のそれぞれに接続されるスイッチと、を有し、
前記第1の比較器の反転入力には、前記第1の差動増幅回路の出力が接続され、
前記第1の比較器の非反転入力には、前記複数の基準電圧回路のうち、前記スイッチで選択された基準電圧回路により、前記バッテリからの給電電圧から降圧された電圧が供給される、
請求項7に記載の半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は半導体装置に関し、特にバッテリなどの電源に対して逆接保護を備えた半導体装置に関する。
続きを表示(約 6,000 文字)【背景技術】
【0002】
自動車のモータやLED(Light Emitting Diode)といった負荷を駆動するためにIPD(Intelligent Power Device)が使用される。また、負荷への電源供給に半導体リレー装置が使用される。
【0003】
バッテリを電源として使用するIPDや半導体リレー装置では、バッテリの正極と負極が逆に接続されてしまうと、素子破壊につながる可能性がある。そこで、バッテリ逆接保護用の回路が設けられる。
【0004】
特許文献1には、逆接保護回路を備えた半導体リレー装置が開示されている。具体的には、バッテリが接続される電源ライン(図3のVD1p)と、負荷(LD)との間に、2つの電力用トランジスタ(QH1、QH2)が直列に接続される。また、電力用トランジスタQH1にはボディダイオードDh1が接続され、電力用トランジスタQH2にはボディダイオードDh2が接続されている。ここで、電力用トランジスタQH1とボディダイオードDh1は、バッテリが逆極性で接続された際の逆流電流を遮断する目的で設置される。
【0005】
特許文献1には更に、電力用トランジスタQH1、QH2に対する故障診断の技術が開示されている。具体的には、まず、電力用トランジスタQH1、QH2を共にオフにした状態で、2つの電力用トランジスタの接続点(ノードNx)に診断用電位Vxhを印可する。そして、ノードNxの電位の変化を測定することで、電力用トランジスタQH1、QH2のショート故障の有無を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開2019−54384号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献1に開示された技術では、故障診断時に電力用トランジスタをオフにしなければならない。従って、電力用トランジスタをオンにした状態での故障検出が困難である。特に、電力用トランジスタがターンオンするとき(オフからオンへの遷移期間)、またはターンオフするとき(オンからオフへの遷移期間)に発生する故障を、迅速に検出することが困難である。
【0008】
その他の課題および新規な特徴は、本明細書および図面の記載から明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【0009】
一実施の形態に係る半導体装置は、第1乃至第4の素子で構成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の2つの中間ノードの電位差を検出する第1の診断回路と、第1の診断回路の出力に基づいて、第1または第2素子の故障を検出する制御回路と、を有し、第1と第2の素子は、直列に接続された第1と第2の電力用トランジスタである。
【発明の効果】
【0010】
一実施の形態に係る半導体装置では、電力用トランジスタの故障を迅速に検出可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1は実施の形態1に係る半導体装置のブロック図である。
図2は実施の形態1に係る半導体装置の動作を示すタイミングチャートである。
図3は実施の形態1に係る半導体装置の動作を示すタイミングチャートである。
図4は実施の形態2に係る半導体装置のブロック図である。
図5は実施の形態2に係る半導体装置の故障、電圧値、出力値の関係を示す図である。
図6は実施の形態3に係る半導体装置のブロック図である。
図7は実施の形態4に係る半導体装置のブロック図である。
図8は実施の形態5に係る半導体装置のブロック図である。
図9は実施の形態6に係る半導体装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、一実施の形態に係る半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、明細書および図面において、同一の構成要件または対応する構成要件には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面では、説明の便宜上、構成を省略または簡略化している場合もある。また、各実施の形態の少なくとも一部は、互いに任意に組み合わされてもよい。
【0013】
[実施の形態1]
(半導体装置の構成)
図1は、実施の形態1に係る半導体装置10の構成を示すブロック図である。
【0014】
図1に示されるように、半導体装置10は、バッテリBATから負荷29に対して電力供給を行う半導体装置(半導体リレー装置とも呼ぶ)である。半導体装置10は、電力用トランジスタ11、12、センスMOSトランジスタ(以下、センストランジスタ、センスMOSとも呼ぶ)13、14、制御回路(Control circuit)19、プリドライバ(PDV)20、診断回路(第1の診断回路)21を有する。
【0015】
電力用トランジスタ11、12とセンスMOS13、14のそれぞれは、ボディダイオード15、16、17、18を有している。ボディダイオード15のアノードは、電力用トランジスタ11のソースに接続され、カソードはドレインに接続される。ボディダイオード16、17、18についても同様である。ここで、電力用トランジスタ11、ボディダイオード15、センスMOS13、ボディダイオード17は、バッテリBATが逆極性で接続された際に、逆流電流を遮断するものである。
【0016】
電力用トランジスタ11のソースと、センスMOS17のソースはバッテリBATが接続される電力線に接続される。電力用トランジスタ11のドレインは、電力用トランジスタ12のドレインに接続される。センスMOS13のドレインは、センスMOS14のドレインに接続される。電力用トランジスタ12のソースとセンスMOS14のソースは、出力ノードNOUTに接続される。出力ノードNOUTには、負荷29が接続される。
【0017】
センスMOS13、14は、電力用トランジスタ11、12に流れる電流の一部を分流するものである。本実施の形態1では、電力用トランジスタ11とセンスMOS13の電流センス比と、電力用トランジスタ12とセンスMOS14の電流センス比は同じ構成とする。ここで、電流センス比とは、電力用トランジスタに流れる電流と、センスMOSに流れる電流の比のことである。電流センス比は、電力用トランジスタを構成する素子数とセンスMOSを構成する素子数の比でも表すことができる。このような構成とすることで、電力用トランジスタ11、12とセンスMOS13、14はブリッジ回路の構成となる(電力用トランジスタ11を第1の素子、電力用トランジスタ12を第2の素子、センスMOS13を第3の素子、センスMOS14を第4の素子とすると、第1乃至4の素子でブリッジ回路が構成される)。
【0018】
なお、図1では、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14はNMOSトランジスタであるが、これに限られない。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。
【0019】
プリドライバ20は、制御回路19からの指示に基づき、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14のゲート信号を生成する。電力用トランジスタ11のゲートとセンスMOS13のゲートは共通のゲート信号(第1のゲート信号)で制御される。電力用トランジスタ12のゲートとセンスMOS14のゲートも共通のゲート信号(第2のゲート信号)で制御される。プリドライバ20は、第1と第2のゲート信号を生成するため、チャージポンプなどの昇圧回路を有する(不図示)。
【0020】
制御回路19は、CPUやタイマなどの外部回路からの指示に基づき、プリドライバ20を介して電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14の制御を行う。より具体的には、負荷29に電力供給を行う場合は、制御回路19は、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14がオンとなるように制御する。負荷29への電力供給を停止する場合は、制御回路19は、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14がオフとなるように制御を行う。バッテリBATが逆極性で接続された場合は、制御回路19は、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14がオフとなるように制御を行う。また、診断回路21が故障を検出した場合は、制御回路19は、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14がオフとなるように制御を行い、診断結果をCPUなどの外部に出力する。診断回路21については後述する。
【0021】
診断回路21は、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14の故障診断を行う回路である。診断回路21は、制御回路19からの指示に基づいて、故障診断を行い、故障診断結果を制御回路19に出力する。
【0022】
診断回路21は、差動増幅回路(第1の差動増幅回路)22と電圧判定回路(第1の電圧判定回路)23、基準電圧回路VREF1を有する。差動増幅回路22は、演算増幅器(第1の演算増幅器)24、抵抗25〜28を有する。演算増幅器24の非反転入力には、抵抗25と抵抗(第1の抵抗)28の一端が接続される。抵抗25の他端は、センスMOS13とセンスMOS14の接続ノード(第2の中間ノード)N2が接続される。抵抗28の他端は、電力線に接続される。演算増幅器24の反転入力には、抵抗26の一端が接続される。抵抗26の他端は、電力用トランジスタ11と電力用トランジスタ12の接続ノード(第1の中間ノード)N1が接続される。演算増幅器24の出力と反転入力には、抵抗(帰還抵抗、第2の抵抗)27が接続される。
【0023】
電圧判定回路23は、比較器(第1の比較器)で構成される。電圧判定回路23の非反転入力には、基準電圧回路(第1の基準電圧回路)VREF1を介して電力線に接続される。電圧判定回路23の反転入力には、差動増幅回路22の出力(演算増幅器24の出力)が接続される。電圧判定回路23の出力DOUT1は、制御回路19に出力される。
【0024】
(半導体装置の動作)
次に本実施の形態1に係る半導体装置10の動作について説明する。図2は半導体装置10の正常時の動作を示すタイミングチャートである。また、図3は半導体装置10で故障が発生した場合の動作を示すタイミングチャートである。
【0025】
まず、図2を用いて、半導体装置10の正常時の動作について説明する。半導体装置10は、CPUやタイマ等の外部回路からの指示に従い、負荷29への電力供給を制御する。具体的には、制御回路19に入力されるIN信号に基づいて、プリドライバ20を介して電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14をオンまたはオフにする。図2では、時刻t0〜t1がオフ、t1〜t2がターンオン、t2〜t3がオン、t3〜t4がターンオフ、t4以降がオフとなる期間である。
【0026】
まず、時刻t1で、IN信号がローレベルからハイレベルとなる。制御回路19は、プリドライバ20を介して電力用トランジスタ11とセンスMOS13のゲート信号(第1のゲート信号)と、電力用トランジスタ12とセンスMOS14のゲート信号(第2のゲート信号)をハイレベルにする。この結果、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14はオンとなり、負荷29に電流が流れる。電力用トランジスタ11、12に流れる電流と、センスMOS13、14に流れる電流の比は、電流センス比で決まる。例えば、電流センス比がn:1(nは1以上の実数)であれば、センスMOS13、14には、電力用トランジスタ11、12の1/nの電流が流れる。電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14に電流が流れると、ノードN1、N2、NOUTに電圧が発生する。これらの電圧は、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14のオン抵抗によって決まる電圧である。
【0027】
図2で示される通り、時刻t1〜t2で、ノードN1、N2、NOUTの電圧は徐々に上昇し、時刻t2〜t3でノードN1、N2、NOUTの電圧は所定電圧となる。
【0028】
ここで、上述した通り、電力用トランジスタ11とセンスMOS13の電流センス比と、電力用トランジスタ12とセンスMOS14の電流センス比は同じものとしている。これにより、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14はブリッジ回路を構成している。ノードN1とN2は、ブリッジ回路の中間点である。従って、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14、ボディダイオード15〜18に故障がなければ、ノードN1とN2はほぼ同じ電圧となる。
【0029】
差動増幅回路22は、ノードN1とN2の電位差を増幅し、増幅された電圧VAMP1を電圧判定回路23に出力する。抵抗25、26の抵抗値をR1、抵抗27、28の抵抗値をR2、ノードN1の電圧をVN1、ノードN2の電圧をVN2、バッテリBATが接続される電力線の電圧をVD1pとすると、VAMP1=(VN2−VN1)*R2/R1+VD1pとなる。VAMP1は、VD1pを基準とし、VN2とVN1の差で変化する。電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14、ボディダイオード15〜18に故障がなければ、ノードN1とN2はほぼ同じ電圧となるため、電圧VAMP1は、VD1pを基準とすると0となる。
【0030】
基準電圧回路VREF1の出力電圧をVREF1とすると、電圧判定回路23は、電圧VAMP1と(VD1p−VREF1)とを比較する。ここで、(VD1p−VREF1)を、電力用トランジスタ11、12、センスMOS13、14、ボディダイオード15〜18に故障がなければ、VAMP1よりも低くなるように設定しておく。従って、電圧判定回路23の出力DOUT1は、ローレベルとなる。
(【0031】以降は省略されています)

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