半導体装置
【課題】本発明は、電圧測定回路における電流損失を抑え、異常動作の場合であっても電圧測定回路が破壊されない半導体装置を提供する。
【解決手段】
本発明は、第１導通電極と、第２導通電極とを有する半導体スイッチ素子１０と、半導体スイッチ素子１０の第１導通電極および第２導通電極間の電圧を測定するための電圧測定回路３１とを備える半導体装置１０１である。電圧測定回路３１は、半導体スイッチ素子１０と並列に接続され、半導体スイッチ素子１０の導通方向に印加される電圧を所定値に制限するダイオード素子１１と、ダイオード素子１１に直列に接続された制御用スイッチ７と、半導体スイッチ素子１０がオフ状態のときに制御用スイッチ７をオフ状態にし、半導体スイッチ素子１０がオン状態のときに制御用スイッチ７をオン状態にするスイッチ制御部１５とを含む。
【解決手段】
本発明は、第１導通電極と、第２導通電極とを有する半導体スイッチ素子１０と、半導体スイッチ素子１０の第１導通電極および第２導通電極間の電圧を測定するための電圧測定回路３１とを備える半導体装置１０１である。電圧測定回路３１は、半導体スイッチ素子１０と並列に接続され、半導体スイッチ素子１０の導通方向に印加される電圧を所定値に制限するダイオード素子１１と、ダイオード素子１１に直列に接続された制御用スイッチ７と、半導体スイッチ素子１０がオフ状態のときに制御用スイッチ７をオフ状態にし、半導体スイッチ素子１０がオン状態のときに制御用スイッチ７をオン状態にするスイッチ制御部１５とを含む。
【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、半導体スイッチ素子に印加される電圧を測定する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータなどのモータの回転速度制御および交流電源装置などに使用される半導体スイッチング装置において、半導体スイッチ素子が過電流状態であることを検出するために、たとえばこの半導体スイッチ素子を通して電流を流したときのオン電圧を測定する方法が採用される。
【０００３】
インバータなどに使用される駆動回路内蔵のＩＰＭ（Intelligent Power Module）の過電流保護は、たとえば以下のように行なわれる。すなわち、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）チップに対してカレントセンスを設け、カレントセンスと抵抗とを接続してこの抵抗の両端の電圧をモニタする。そして、規定以上の電圧が発生した場合、ＩＧＢＴチップに過電流が発生したとしてＩＧＢＴチップへのゲート信号を遮断し、また、エラー信号を出力する。
【０００４】
半導体スイッチ素子を備え、この半導体スイッチ素子に印加される電圧の測定等を行なう構成として、たとえば、特開２０１０−２００４１１号公報（特許文献１）には、以下のような半導体装置が開示されている。すなわち、特許文献１に開示されている半導体装置は、半導体スイッチ素子のドレイン−ソース間の電圧を測定するための電圧測定回路を有している。該電圧測定回路は、半導体スイッチ素子と並列に接続され、半導体スイッチ素子の導通方向に印加される電圧を所定値に制限するツェナーダイオードと、ツェナーダイオードと並列に接続された制御用スイッチと、制御用スイッチのオン・オフを制御するスイッチ制御部とを有している。そして、スイッチ制御部は、半導体スイッチ素子がオフされているときに制御用スイッチをオンし、半導体スイッチ素子がオンされているときに制御用スイッチをオフするように制御する。
【０００５】
また、特開２００６−１３６０８６号公報（特許文献２）には、以下のような構成が開示されている。すなわち、電流検出の対象となるＭＯＳＦＥＴのソース−ドレイン間に第１の抵抗体と第２の抵抗体との直列回路を接続し、ＭＯＳＦＥＴのオン電圧を第１の抵抗体および第２の抵抗体からなる電圧分圧回路により分圧して検知回路に取り込み、電流に換算してＭＯＳＦＥＴに通流する電流を検知する。この構成において、第１の抵抗体と第２の抵抗体とからなる電圧分圧回路の電圧分圧比が温度により変化し、温度が上昇すると電圧分圧比が大きくなるようにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２００４１１号公報
【特許文献２】特開２００６−１３６０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されている半導体装置は、半導体スイッチ素子がオフ状態で制御用スイッチがオン状態となるため、制御用スイッチの経路に電流（Ｉ＝Ｖ／Ｒ）が流れることになる。そのため、特許文献１に開示されている半導体装置は、電源電圧を高くした場合、制御用スイッチの経路に流れる電流が多くなり、半導体スイッチ素子がオフ状態での電流損失が大きくなる。
【０００８】
また、特許文献１に開示されている半導体装置は、制御用スイッチの経路に流れる電流が大きくなると、電圧測定回路に使用する抵抗素子の損失（Ｖ２／Ｒ）も大きくなるので、より抵抗値の大きい抵抗素子が必要となる。
【０００９】
特許文献２に開示されている半導体装置では、通常動作のオン電圧を精度良く検出する方法の記載がされているのみで、短絡などの異常動作（素子に電流が流れ、電圧が印加された活性動作）での測定方法や異常動作への対策方法などについては一切記載されておらず、検知回路が異常動作により破壊されてしまう可能性があった。
【００１０】
それゆえに、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、電圧測定回路における電流損失を抑え、異常動作の場合であっても電圧測定回路が破壊されない半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、第１導通電極と、第２導通電極とを有する半導体スイッチ素子と、半導体スイッチ素子の第１導通電極および第２導通電極間の電圧を測定するための電圧測定回路とを備え、電圧測定回路は、半導体スイッチ素子と並列に接続され、半導体スイッチ素子の導通方向に印加される電圧を所定値に制限する定電圧素子と、定電圧素子に直列に接続された制御用スイッチと、半導体スイッチ素子がオフ状態のときに制御用スイッチをオフ状態にし、半導体スイッチ素子がオン状態のときに制御用スイッチをオン状態にするスイッチ制御部とを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る半導体装置によれば、半導体スイッチ素子がオフ状態のとき、制御用スイッチをオフ状態にすることで電圧測定回路に電流が流れず、電流損失を抑えることができる。また、本発明に係る半導体装置は、異常動作の場合であっても、定電圧素子により半導体スイッチ素子の導通方向に印加される電圧を制限できるので、半導体スイッチ素子および電圧測定回路に高電圧が印加されずに回路の安全が保護される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置が半導体スイッチ素子のオン電圧を検出する動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の別の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る半導体装置が半導体スイッチ素子のオン電圧を検出する動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態６に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態７に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態７に係る半導体装置の別の構成を示す図である。
【図１１】一般的なインバータ装置の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
本発明に係る半導体装置は、一般的なインバータ装置に適用することができる。図１１は、一般的なインバータ装置の構成を示す回路図である。図１１に示すインバータ装置は、交流電源１に接続され交流電力を直流電力に変換するコンバータ部１５０と、コンバータ部１５０から出力した直流電力を平滑化する平滑コンデンサ１６０と、複数の半導体スイッチ素子を制御して平滑コンデンサ１６０で平滑化した直流電力に基づいてモータ８を駆動するインバータ部１４０とを含んでいる。
【００１５】
特に、本発明に係る半導体装置は、インバータ部１４０に適用されるものであり、以下の説明では、説明を簡略化するためにインバータ部１４０の１つの半導体スイッチ素子に適用した構成について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す概略図である。図１に示す半導体装置１０１は、半導体スイッチ素子１０と、ダイオード素子１１と、クランプダイオード１２と、電圧測定回路３１とを備える。電圧測定回路３１は、抵抗２と、ツェナーダイオード３と、制御用スイッチ７と、スイッチ制御部１５とを含む。
【００１７】
半導体装置１０１は、電源１３から供給される直流電力に基づいてモータ８を駆動する。電圧測定回路３１は、ツェナーダイオード３の両端に印加される電圧Ｖｚ１を測定することにより、半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間の電圧を測定する。ＩＣ１５１は、電圧測定回路３１の測定結果に基づいて半導体スイッチ素子１０の過電流状態を検出する。
【００１８】
半導体スイッチ素子１０は、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）チップである。ダイオード素子１１は、半導体スイッチ素子１０と逆方向の導通方向を有する。ダイオード素子１１は、たとえば半導体スイッチ素子１０のドレインおよびソース間に存在する寄生ダイオードである。ダイオード素子１１は、フリーホイールダイオードとして使用される。
【００１９】
半導体スイッチ素子１０は、クランプダイオード１２のアノードおよび抵抗２の第１端に接続されたドレインと、電源１３のマイナス側端子、ツェナーダイオード３のアノードに接続されたソースと、駆動信号ＧＳを受けるゲートとを有する。クランプダイオード１２は、電源１３のプラス側端子およびモータ８の第１端に接続されたカソードと、モータ８の第２端に接続されたアノードとを有する。
【００２０】
半導体スイッチ素子１０と、抵抗２、制御用スイッチ７およびツェナーダイオード３の直列回路とは、互いに並列に接続されている。また、ツェナーダイオード３は、半導体スイッチ素子１０の導通方向と逆の導通方向になるように接続されている。ツェナーダイオード３は、制御用スイッチ７の第２端に接続されたカソードと、半導体スイッチ素子１０のソースに接続されたアノードとを有する。制御用スイッチ７は、抵抗２の第２端に接続された第１端と、ツェナーダイオード３のカソードに接続された第２端とを有する。
【００２１】
抵抗２は、ツェナーダイオード３を通して流れる電流を制限するために設けられる。抵抗２の抵抗値は、ツェナーダイオード３に十分な電圧が印加されるような値に設定される。ＩＣ１５１は、ツェナーダイオードのカソードおよびアノードに接続されている。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１が半導体スイッチ素子１０のオン電圧を検出する動作を示すタイミングチャートである。
【００２３】
図２を参照して、ＧＳは半導体スイッチ素子１０への駆動信号すなわち半導体スイッチ素子１０のゲート電圧であり、Ｉｄは半導体スイッチ素子１０のドレイン電流であり、Ｖｄｓ半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間電圧であり、ＳＷＳは制御用スイッチ７への制御信号であり、Ｖｚ１はツェナーダイオード３の両端の電圧である。
【００２４】
駆動信号ＧＳは、タイミングＡからタイミングＢの期間で論理ハイレベルとなり、この期間において半導体スイッチ素子１０はオン状態となる。また、駆動信号ＧＳは、タイミングＢからタイミングＡの期間で論理ローレベルとなり、この期間において半導体スイッチ素子１０はオフ状態となる。
【００２５】
制御信号ＳＷＳは、駆動信号ＧＳと論理レベルが同じになる。すなわち、制御信号ＳＷＳは、タイミングＡからタイミングＢの期間で論理ハイレベルとなり、タイミングＢからタイミングＡの期間で論理ローレベルとなる。
【００２６】
ここで、半導体装置１０１が制御用スイッチ７およびツェナーダイオード３を備えないと仮定する。このような構成においては、半導体スイッチ素子１０がオフ状態となるとき、電源１３の出力電圧Ｖｏが半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間の両端に印加される。このため、半導体スイッチ素子１０と並列に接続された電圧測定回路３１にも同様に出力電圧Ｖｏの大半が印加される。そうすると、出力電圧Ｖｏ以上の耐圧を有するＩＣ１５１が必要になってしまう。
【００２７】
しかしながら、半導体装置１０１は、制御用スイッチ７を備え、スイッチ制御部１５は、半導体スイッチ素子１０がオフ状態となるとき、制御用スイッチ７をオフ状態にする。これにより、電圧測定回路３１に印加される電圧が制御用スイッチ７に印加され、ツェナーダイオード３の両端の電圧Ｖｚ１を０Ｖとすることができるため、出力電圧Ｖｏ以上の耐圧を有するＩＣ１５１が不要となる。また、半導体スイッチ素子１０がオフ状態のときにＩＣ１５１において高電圧が検出され、半導体スイッチ素子１０が過電流状態であると誤って判定されることを防ぐことができる。また、半導体スイッチ素子１０がオフ状態のときは、過電流状態であると判定しないような制御をＩＣ１５１で行なう必要がなくなり、制御の簡易化を図ることができる。さらに、半導体スイッチ素子１０がオフ状態のときは、制御用スイッチ７がオフ状態であるため電圧測定回路３１に電流が流れず、電流損失を抑えることができる。
【００２８】
また、スイッチ制御部１５は、半導体スイッチ素子１０がオン状態のとき、制御用スイッチ７がオン状態となる。たとえば、スイッチ制御部１５は、半導体スイッチ素子１０がオフ状態からオン状態に変化すると同時に制御用スイッチ７がオフ状態からオン状態に変化する。これにより、半導体スイッチ素子１０に流れる電流のオン電圧がツェナーダイオード３の両端の電圧Ｖｚ１として電圧測定回路３１に接続したＩＣ１５１が検出することができる。
【００２９】
以上のような制御用スイッチ７の制御を行なうことで、図２に示すように、ドレイン電流Ｉｄｓと同様に変化する電圧波形を有する電圧Ｖｚ１がツェナーダイオード３の両端に印加され、これを測定することができる。すなわち、電圧Ｖｚ１を半導体スイッチ素子１０のオン電圧として検出することができる。そして、半導体スイッチ素子１０のオン電圧を検出することにより、半導体スイッチ素子１０を通して流れる電流を測定することができ、半導体スイッチ素子１０の過電流状態を検出することができる。
【００３０】
また、半導体装置１０１がツェナーダイオード３を備えないと仮定する。このような構成においては、たとえばモータ８が故障して短絡などの異常動作した場合、半導体スイッチ素子１０がオン状態のときは制御用スイッチ７がオン状態となるため、出力電圧Ｖｏが半導体スイッチ素子１０および電圧測定回路３１の両端にそれぞれ印加されることなる。
【００３１】
しかしながら、半導体装置１０１では、ツェナーダイオード３を備える構成により、半導体スイッチ素子１０および電圧測定回路３１の両端に印加される電圧は、モータ８が故障して短絡などの異常動作した場合でも、ツェナーダイオード３のツェナー電圧以下となる。これにより、半導体スイッチ素子１０および電圧測定回路３１を構成する素子の耐圧を低く抑えることができる。
【００３２】
また、半導体装置１０１では、電圧Ｖｚ１がツェナーダイオード３のツェナー電圧より大きくならないため、電圧Ｖｚ１を測定するためのＩＣ１５１を高耐圧のものにする必要がなくなることから、ＩＣ１５１を容易に設計することができ、小型化を図り、コストを低減することができる。
【００３３】
また、制御用スイッチ７は、流れる電流が抵抗２によって制限されることから、小容量のスイッチを用いることができるため、小型化を図り、コストを低減することができる。
【００３４】
以上より、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１では、半導体スイッチ素子１０に印加される電圧を簡易な構成で精度良く測定することができる。これにより、半導体スイッチ素子１０の過電流状態を正確に検出することができるため、歩留まりを向上させることができる。
【００３５】
なお、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１では、半導体スイッチ素子１０は、たとえばＭＯＳＦＥＴチップであるとしたが、これに限定するものではなく、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の他の半導体スイッチ素子であってもよい。
【００３６】
また、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１は、ツェナーダイオード３を備える構成であるとしたが、ツェナーダイオード３に限らず、半導体スイッチ素子１０と並列に接続され、半導体スイッチ素子１０の導通方向に印加される電圧を所定値に制限する定電圧素子であればよい。このような定電圧素子としては、たとえばバリスタがあげられる。
【００３７】
また、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１では、半導体スイッチ素子１０の寄生ダイオードをフリーホイールダイオードとして使用する構成であるとしたが、これに限定するものではない。半導体スイッチ素子１０として寄生ダイオードを有しないＩＧＢＴを使用する場合、あるいは半導体スイッチ素子１０としてＭＯＳＦＥＴを使用する場合でもモータ８の回生時の消費電力を抑えるために、順方向電圧の小さいＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）などをフリーホイールダイオードとして別途設ける構成であってもよい。
【００３８】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１に係る半導体装置と比べて定電圧素子を変更した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置と同様であり、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００３９】
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す図である。
図３を参照して、半導体装置１０３は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、電圧測定回路３１の代わりに電圧測定回路３３を備える。電圧測定回路３３は、抵抗２と、ダイオード部５と、制御用スイッチ７と、スイッチ制御部１５とを含む。
【００４０】
ダイオード部５は、抵抗２および制御用スイッチ７と直列接続されている。半導体スイッチ素子１０と、抵抗２、制御用スイッチ７およびダイオード部５の直列回路とは、互いに並列に接続されている。また、ダイオード部５は、半導体スイッチ素子１０の導通方向と同じ導通方向になるように直列接続された複数のダイオードを含む。ダイオード部５は、半導体スイッチ素子１０の導通方向に印加される電圧を所定値に制限する。
【００４１】
電圧測定回路３３は、ダイオード部５の両端に印加される電圧Ｖ２を測定することにより、半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間の電圧を測定する。
【００４２】
本発明の実施の形態２に係る半導体装置では、ダイオード部５におけるダイオードの数を変更することにより、電圧Ｖ２の最大レベルを調整することができる。
【００４３】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００４４】
なお、本発明の実施の形態２に係る半導体装置１０３は、ダイオード部５を備える構成であるとしたが、ダイオードに限らず、バリスタ等の双方向に導通する半導体素子であってもよい。このような構成であっても、本発明の実施の形態２に係る半導体装置と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
（実施の形態３）
本実施の形態３は、実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べてツェナーダイオード３の両端の電圧Ｖｚ１の調整機能を追加した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であり、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００４６】
図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す図である。
図４を参照して、半導体装置１０４は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、電圧測定回路３１の代わりに電圧測定回路３４を備える。電圧測定回路３４は、抵抗２と、ツェナーダイオード３と、制御用スイッチ７と、スイッチ制御部１５と、抵抗２４とを含む。抵抗２４は、抵抗２および制御用スイッチ７と直列接続され、かつ半導体スイッチ素子１０、ダイオード素子１１およびツェナーダイオード３と並列に接続されている。
【００４７】
実施の形態１に係る半導体装置１０１では、オン状態における半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間電圧すなわちオン電圧がツェナーダイオード３の両端に印加されていた。
【００４８】
これに対して、半導体装置１０３では、半導体スイッチ素子１０のオン電圧を抵抗２および抵抗２４によって分圧することができるため、ツェナーダイオード３の両端に印加される電圧Ｖ１２の電圧レベルを調整することができる。
【００４９】
なお、抵抗２を直列接続された複数の抵抗に置き換える、あるいは抵抗２の抵抗値を調整することによっても、ツェナーダイオード３両端の電圧のレベル調整をすることが可能である。
【００５０】
また、抵抗２４は、ツェナーダイオード３に並列に接続されている場合に限定されず、ツェナーダイオード３に直列に接続されてもよい。図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の別の構成を示す図である。図５に示す半導体装置１０５は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置１０４と比べて、電圧測定回路３４の代わりに電圧測定回路３５を備える。電圧測定回路３５は、抵抗２と、ツェナーダイオード３と、制御用スイッチ７と、スイッチ制御部１５と、抵抗２４，２４ａとを含む。抵抗２４ａは、ＩＣ１５１と接続する端子間において、ツェナーダイオード３と直列に接続されている。図５に示す半導体装置１０５も、半導体スイッチ素子１０のオン電圧を抵抗２および抵抗２４，２４ａによって分圧することができるため、ツェナーダイオード３の両端に印加される電圧Ｖ１２の電圧レベルを調整することができる。
【００５１】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００５２】
（実施の形態４）
本実施の形態４は、実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べてスイッチ制御部１５の制御内容を変更した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様である。
【００５３】
図６は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置が半導体スイッチ素子のオン電圧を検出する動作を示すタイミングチャートである。
【００５４】
図６を参照して、スイッチ制御部１５は、半導体スイッチ素子１０がオン状態にしてから所定時間経過するまでは制御用スイッチ７のオフ状態を維持し、所定時間経過後に制御用スイッチ７をオン状態にし、半導体スイッチ素子１０がオフ状態になる時から所定時間経過前に制御用スイッチ７をオフ状態にする。
【００５５】
すなわち、制御信号ＳＷＳは、タイミングＡからタイミングＢの期間で論理ハイレベルとなり、この期間において制御用スイッチ７はオン状態となる。また、制御信号ＳＷＳは、タイミングＡからタイミングＣまでの所定時間経過するまでは論理ローレベルのままであり、この期間において制御用スイッチ７はオフ状態を維持する。そして、制御信号ＳＷＳは、タイミングＣからタイミングＤまでの期間、論理ハイレベルとなり、半導体スイッチ素子１０がオフ状態になるタイミングＢから所定時間経過前のタイミングＤに制御用スイッチ７をオフ状態にする。
【００５６】
このような構成により、半導体スイッチ素子１０がオフ状態からオン状態、およびオン状態からオフ状態へ遷移する時に発生するノイズ等に起因する電圧Ｖｚ１の急激なレベル変化を防ぐことができ、過電流検出の誤動作を防ぐことができる。
【００５７】
その他の構成および動作は実施の形態に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００５８】
なお、実施の形態４に係るスイッチ制御部１５は、電圧測定回路３１で半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間の電圧を測定する期間（タイミングＣからタイミングＤまでの期間）のうち、少なくとも測定開始点（タイミングＣ）または測定終了点（タイミングＤ）のいずれか一方を半導体スイッチ素子１０のスイッチング期間と同期させなくてもよい。
【００５９】
（実施の形態５）
本実施の形態５は、実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べてツェナーダイオード３の両端の電圧Ｖｚ１を安定化させる機能を追加した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であり、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００６０】
図７は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す図である。
図７を参照して、半導体装置１０６は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、電圧測定回路３１の代わりに電圧測定回路３６を備える。電圧測定回路３６は、抵抗２と、ツェナーダイオード３と、制御用スイッチ７と、スイッチ制御部１５と、コンデンサ４とを含む。コンデンサ４は、抵抗２およびスイッチ制御部１５と直列接続され、かつ半導体スイッチ素子１０、ダイオード素子１１およびツェナーダイオード３と並列に接続されている。
【００６１】
半導体装置１０６では、コンデンサ４により、半導体スイッチ素子１０のオン状態およびオフ状態間の遷移時に発生するノイズおよびリンギングに起因する電圧Ｖｚ１の急激なレベル変化を抑制することができる。これにより、過電流検出の誤動作を防ぐことができる。
【００６２】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００６３】
（実施の形態６）
本実施の形態６は、実施の形態１に係る半導体装置１０１をモジュール化した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置と同様である。
【００６４】
図８は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置の構成を示す図である。
図８を参照して、半導体装置１０７は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、さらに、ケースＫと、駆動端子ＴＤ１，ＴＤ２と、モニタ端子ＴＭ１，ＴＭ２とを備える。
【００６５】
ケースＫは、半導体スイッチ素子１０と、ダイオード素子１１と、クランプダイオード１２と、電圧測定回路３１とを収容している。駆動端子ＴＤ１，ＴＤ２およびモニタ端子ＴＭ１，ＴＭ２は、ケースＫに取り付けられている。
【００６６】
ケースＫの外部から駆動端子ＴＤ１を介して半導体スイッチ素子１０のゲートに駆動信号ＧＳが与えられる。また、ツェナーダイオード３の両端に印加される電圧Ｖｚ１は、モニタ端子ＴＭ１，ＴＭ２を介してケースＫの外部にあるＩＣ１５１に与えられる。
【００６７】
このような構成により、半導体装置１０７の外部において半導体スイッチ素子１０のオン電圧を容易に測定することができる。
【００６８】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００６９】
（実施の形態７）
本実施の形態７は、実施の形態１に係る半導体装置１０１をＩＰＭ（Intelligent Power Module）化した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であり、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００７０】
図９は、本発明の実施の形態７に係る半導体装置の構成を示す図である。
図９を参照して、半導体装置１０８は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、さらに、ケースＫと、エラー端子ＴＥと、駆動部１６とを備える。
【００７１】
ケースＫは、半導体スイッチ素子１０と、ダイオード素子１１と、電圧測定回路３１と、駆動部１６とを収容している。エラー端子ＴＥは、ケースＫに取り付けられている。
【００７２】
駆動部１６は、半導体スイッチ素子１０を駆動するための駆動信号ＧＳを半導体スイッチ素子１０のゲートへ出力する。また、駆動部１６は、電圧測定回路３１の測定結果すなわちツェナーダイオード３の両端に印加される電圧Ｖｚ１の大きさに基づいて、駆動部１６による半導体スイッチ素子１０への駆動信号ＧＳの出力を停止させ、半導体スイッチ素子１０をオフさせる制御を行なう過電流検出手段を有している。さらに、駆動部１６は、電圧測定回路３１の測定結果に基づいて、半導体スイッチ素子１０が過電流状態であることを示すエラー信号をエラー端子ＴＥ経由でケースＫの外部へ出力することができる。
【００７３】
このように、半導体装置１０８、モジュール内部に駆動部１６を内蔵し、かつ駆動部１６が駆動信号ＧＳの遮断機能を有することにより、過電流に対する応答速度を速くできるため、半導体スイッチ素子１０が破壊されることを未然に防ぐことが可能になる。また、電圧Ｖｚ１を伝達するための配線長を短くできるため、駆動部１６へ伝達される電圧Ｖｚ１がノイズなどの影響を受けにくくなることから、過電流検出の誤動作を防ぐことができる。
【００７４】
また、半導体装置１０８では、電圧測定回路３１および駆動部１６を１つの集積回路すなわち１つの半導体チップにしてもよい。図１０は、本発明の実施の形態７に係る半導体装置１０８の別の構成を示す図である。図１０に示す半導体装置１０８では、電圧測定回路３１および駆動部１６を１つの半導体チップ４１で構成してある。これにより、図１０に示す半導体装置１０８は、モジュール全体の小型化、低コスト化および組立性の向上を実現することができる。
【００７５】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００７６】
（実施の形態８）
本実施の形態８は、実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて半導体スイッチ素子１０の種類を変更した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置と同様であり、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００７７】
実施の形態８に係る半導体装置は、図１に示す半導体装置１０１と同じ構成であるが、半導体スイッチ素子１０およびダイオード素子１１は炭化珪素（ＳｉＣ）によって形成されている点が、実施の形態１に係る半導体装置と異なる。
【００７８】
ここで、炭化珪素は、耐電圧性が高いため、許容される電流密度を大きくできることから、半導体スイッチ素子１０およびダイオード素子１１の小型化を図ることができる。したがって、本発明の実施の形態８に係る半導体装置では、実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、さらに小型化を図ることができる。
【００７９】
なお、本発明の実施の形態８に係る半導体装置では、半導体スイッチ素子１０およびダイオード素子１１が炭化珪素（ＳｉＣ）によって形成されている構成であるとしたが、これに限定するものではなく、半導体スイッチ素子１０およびダイオード素子１１の少なくとも一方が炭化珪素（ＳｉＣ）によって形成されている構成であってもよい。
【００８０】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００８１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８２】
１ 交流電源、２，２４，２４ａ 抵抗、３ ツェナーダイオード、４ コンデンサ、５ ダイオード部、７ 制御用スイッチ、８ モータ、１０ 半導体スイッチ素子、１１ ダイオード素子、１２ クランプダイオード、１３ 電源、１５ スイッチ制御部、１６ 駆動部、３１，３３，３４，３５，３６ 電圧測定回路、４１ 半導体チップ、１０１，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８ 半導体装置、１４０ インバータ部、１５０ コンバータ部、１６０ 平滑コンデンサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体スイッチ素子に印加される電圧を測定する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータなどのモータの回転速度制御および交流電源装置などに使用される半導体スイッチング装置において、半導体スイッチ素子が過電流状態であることを検出するために、たとえばこの半導体スイッチ素子を通して電流を流したときのオン電圧を測定する方法が採用される。
【０００３】
インバータなどに使用される駆動回路内蔵のＩＰＭ（Intelligent Power Module）の過電流保護は、たとえば以下のように行なわれる。すなわち、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）チップに対してカレントセンスを設け、カレントセンスと抵抗とを接続してこの抵抗の両端の電圧をモニタする。そして、規定以上の電圧が発生した場合、ＩＧＢＴチップに過電流が発生したとしてＩＧＢＴチップへのゲート信号を遮断し、また、エラー信号を出力する。
【０００４】
半導体スイッチ素子を備え、この半導体スイッチ素子に印加される電圧の測定等を行なう構成として、たとえば、特開２０１０−２００４１１号公報（特許文献１）には、以下のような半導体装置が開示されている。すなわち、特許文献１に開示されている半導体装置は、半導体スイッチ素子のドレイン−ソース間の電圧を測定するための電圧測定回路を有している。該電圧測定回路は、半導体スイッチ素子と並列に接続され、半導体スイッチ素子の導通方向に印加される電圧を所定値に制限するツェナーダイオードと、ツェナーダイオードと並列に接続された制御用スイッチと、制御用スイッチのオン・オフを制御するスイッチ制御部とを有している。そして、スイッチ制御部は、半導体スイッチ素子がオフされているときに制御用スイッチをオンし、半導体スイッチ素子がオンされているときに制御用スイッチをオフするように制御する。
【０００５】
また、特開２００６−１３６０８６号公報（特許文献２）には、以下のような構成が開示されている。すなわち、電流検出の対象となるＭＯＳＦＥＴのソース−ドレイン間に第１の抵抗体と第２の抵抗体との直列回路を接続し、ＭＯＳＦＥＴのオン電圧を第１の抵抗体および第２の抵抗体からなる電圧分圧回路により分圧して検知回路に取り込み、電流に換算してＭＯＳＦＥＴに通流する電流を検知する。この構成において、第１の抵抗体と第２の抵抗体とからなる電圧分圧回路の電圧分圧比が温度により変化し、温度が上昇すると電圧分圧比が大きくなるようにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２００４１１号公報
【特許文献２】特開２００６−１３６０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されている半導体装置は、半導体スイッチ素子がオフ状態で制御用スイッチがオン状態となるため、制御用スイッチの経路に電流（Ｉ＝Ｖ／Ｒ）が流れることになる。そのため、特許文献１に開示されている半導体装置は、電源電圧を高くした場合、制御用スイッチの経路に流れる電流が多くなり、半導体スイッチ素子がオフ状態での電流損失が大きくなる。
【０００８】
また、特許文献１に開示されている半導体装置は、制御用スイッチの経路に流れる電流が大きくなると、電圧測定回路に使用する抵抗素子の損失（Ｖ２／Ｒ）も大きくなるので、より抵抗値の大きい抵抗素子が必要となる。
【０００９】
特許文献２に開示されている半導体装置では、通常動作のオン電圧を精度良く検出する方法の記載がされているのみで、短絡などの異常動作（素子に電流が流れ、電圧が印加された活性動作）での測定方法や異常動作への対策方法などについては一切記載されておらず、検知回路が異常動作により破壊されてしまう可能性があった。
【００１０】
それゆえに、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、電圧測定回路における電流損失を抑え、異常動作の場合であっても電圧測定回路が破壊されない半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、第１導通電極と、第２導通電極とを有する半導体スイッチ素子と、半導体スイッチ素子の第１導通電極および第２導通電極間の電圧を測定するための電圧測定回路とを備え、電圧測定回路は、半導体スイッチ素子と並列に接続され、半導体スイッチ素子の導通方向に印加される電圧を所定値に制限する定電圧素子と、定電圧素子に直列に接続された制御用スイッチと、半導体スイッチ素子がオフ状態のときに制御用スイッチをオフ状態にし、半導体スイッチ素子がオン状態のときに制御用スイッチをオン状態にするスイッチ制御部とを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る半導体装置によれば、半導体スイッチ素子がオフ状態のとき、制御用スイッチをオフ状態にすることで電圧測定回路に電流が流れず、電流損失を抑えることができる。また、本発明に係る半導体装置は、異常動作の場合であっても、定電圧素子により半導体スイッチ素子の導通方向に印加される電圧を制限できるので、半導体スイッチ素子および電圧測定回路に高電圧が印加されずに回路の安全が保護される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置が半導体スイッチ素子のオン電圧を検出する動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の別の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る半導体装置が半導体スイッチ素子のオン電圧を検出する動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態６に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態７に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態７に係る半導体装置の別の構成を示す図である。
【図１１】一般的なインバータ装置の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
本発明に係る半導体装置は、一般的なインバータ装置に適用することができる。図１１は、一般的なインバータ装置の構成を示す回路図である。図１１に示すインバータ装置は、交流電源１に接続され交流電力を直流電力に変換するコンバータ部１５０と、コンバータ部１５０から出力した直流電力を平滑化する平滑コンデンサ１６０と、複数の半導体スイッチ素子を制御して平滑コンデンサ１６０で平滑化した直流電力に基づいてモータ８を駆動するインバータ部１４０とを含んでいる。
【００１５】
特に、本発明に係る半導体装置は、インバータ部１４０に適用されるものであり、以下の説明では、説明を簡略化するためにインバータ部１４０の１つの半導体スイッチ素子に適用した構成について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す概略図である。図１に示す半導体装置１０１は、半導体スイッチ素子１０と、ダイオード素子１１と、クランプダイオード１２と、電圧測定回路３１とを備える。電圧測定回路３１は、抵抗２と、ツェナーダイオード３と、制御用スイッチ７と、スイッチ制御部１５とを含む。
【００１７】
半導体装置１０１は、電源１３から供給される直流電力に基づいてモータ８を駆動する。電圧測定回路３１は、ツェナーダイオード３の両端に印加される電圧Ｖｚ１を測定することにより、半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間の電圧を測定する。ＩＣ１５１は、電圧測定回路３１の測定結果に基づいて半導体スイッチ素子１０の過電流状態を検出する。
【００１８】
半導体スイッチ素子１０は、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）チップである。ダイオード素子１１は、半導体スイッチ素子１０と逆方向の導通方向を有する。ダイオード素子１１は、たとえば半導体スイッチ素子１０のドレインおよびソース間に存在する寄生ダイオードである。ダイオード素子１１は、フリーホイールダイオードとして使用される。
【００１９】
半導体スイッチ素子１０は、クランプダイオード１２のアノードおよび抵抗２の第１端に接続されたドレインと、電源１３のマイナス側端子、ツェナーダイオード３のアノードに接続されたソースと、駆動信号ＧＳを受けるゲートとを有する。クランプダイオード１２は、電源１３のプラス側端子およびモータ８の第１端に接続されたカソードと、モータ８の第２端に接続されたアノードとを有する。
【００２０】
半導体スイッチ素子１０と、抵抗２、制御用スイッチ７およびツェナーダイオード３の直列回路とは、互いに並列に接続されている。また、ツェナーダイオード３は、半導体スイッチ素子１０の導通方向と逆の導通方向になるように接続されている。ツェナーダイオード３は、制御用スイッチ７の第２端に接続されたカソードと、半導体スイッチ素子１０のソースに接続されたアノードとを有する。制御用スイッチ７は、抵抗２の第２端に接続された第１端と、ツェナーダイオード３のカソードに接続された第２端とを有する。
【００２１】
抵抗２は、ツェナーダイオード３を通して流れる電流を制限するために設けられる。抵抗２の抵抗値は、ツェナーダイオード３に十分な電圧が印加されるような値に設定される。ＩＣ１５１は、ツェナーダイオードのカソードおよびアノードに接続されている。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１が半導体スイッチ素子１０のオン電圧を検出する動作を示すタイミングチャートである。
【００２３】
図２を参照して、ＧＳは半導体スイッチ素子１０への駆動信号すなわち半導体スイッチ素子１０のゲート電圧であり、Ｉｄは半導体スイッチ素子１０のドレイン電流であり、Ｖｄｓ半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間電圧であり、ＳＷＳは制御用スイッチ７への制御信号であり、Ｖｚ１はツェナーダイオード３の両端の電圧である。
【００２４】
駆動信号ＧＳは、タイミングＡからタイミングＢの期間で論理ハイレベルとなり、この期間において半導体スイッチ素子１０はオン状態となる。また、駆動信号ＧＳは、タイミングＢからタイミングＡの期間で論理ローレベルとなり、この期間において半導体スイッチ素子１０はオフ状態となる。
【００２５】
制御信号ＳＷＳは、駆動信号ＧＳと論理レベルが同じになる。すなわち、制御信号ＳＷＳは、タイミングＡからタイミングＢの期間で論理ハイレベルとなり、タイミングＢからタイミングＡの期間で論理ローレベルとなる。
【００２６】
ここで、半導体装置１０１が制御用スイッチ７およびツェナーダイオード３を備えないと仮定する。このような構成においては、半導体スイッチ素子１０がオフ状態となるとき、電源１３の出力電圧Ｖｏが半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間の両端に印加される。このため、半導体スイッチ素子１０と並列に接続された電圧測定回路３１にも同様に出力電圧Ｖｏの大半が印加される。そうすると、出力電圧Ｖｏ以上の耐圧を有するＩＣ１５１が必要になってしまう。
【００２７】
しかしながら、半導体装置１０１は、制御用スイッチ７を備え、スイッチ制御部１５は、半導体スイッチ素子１０がオフ状態となるとき、制御用スイッチ７をオフ状態にする。これにより、電圧測定回路３１に印加される電圧が制御用スイッチ７に印加され、ツェナーダイオード３の両端の電圧Ｖｚ１を０Ｖとすることができるため、出力電圧Ｖｏ以上の耐圧を有するＩＣ１５１が不要となる。また、半導体スイッチ素子１０がオフ状態のときにＩＣ１５１において高電圧が検出され、半導体スイッチ素子１０が過電流状態であると誤って判定されることを防ぐことができる。また、半導体スイッチ素子１０がオフ状態のときは、過電流状態であると判定しないような制御をＩＣ１５１で行なう必要がなくなり、制御の簡易化を図ることができる。さらに、半導体スイッチ素子１０がオフ状態のときは、制御用スイッチ７がオフ状態であるため電圧測定回路３１に電流が流れず、電流損失を抑えることができる。
【００２８】
また、スイッチ制御部１５は、半導体スイッチ素子１０がオン状態のとき、制御用スイッチ７がオン状態となる。たとえば、スイッチ制御部１５は、半導体スイッチ素子１０がオフ状態からオン状態に変化すると同時に制御用スイッチ７がオフ状態からオン状態に変化する。これにより、半導体スイッチ素子１０に流れる電流のオン電圧がツェナーダイオード３の両端の電圧Ｖｚ１として電圧測定回路３１に接続したＩＣ１５１が検出することができる。
【００２９】
以上のような制御用スイッチ７の制御を行なうことで、図２に示すように、ドレイン電流Ｉｄｓと同様に変化する電圧波形を有する電圧Ｖｚ１がツェナーダイオード３の両端に印加され、これを測定することができる。すなわち、電圧Ｖｚ１を半導体スイッチ素子１０のオン電圧として検出することができる。そして、半導体スイッチ素子１０のオン電圧を検出することにより、半導体スイッチ素子１０を通して流れる電流を測定することができ、半導体スイッチ素子１０の過電流状態を検出することができる。
【００３０】
また、半導体装置１０１がツェナーダイオード３を備えないと仮定する。このような構成においては、たとえばモータ８が故障して短絡などの異常動作した場合、半導体スイッチ素子１０がオン状態のときは制御用スイッチ７がオン状態となるため、出力電圧Ｖｏが半導体スイッチ素子１０および電圧測定回路３１の両端にそれぞれ印加されることなる。
【００３１】
しかしながら、半導体装置１０１では、ツェナーダイオード３を備える構成により、半導体スイッチ素子１０および電圧測定回路３１の両端に印加される電圧は、モータ８が故障して短絡などの異常動作した場合でも、ツェナーダイオード３のツェナー電圧以下となる。これにより、半導体スイッチ素子１０および電圧測定回路３１を構成する素子の耐圧を低く抑えることができる。
【００３２】
また、半導体装置１０１では、電圧Ｖｚ１がツェナーダイオード３のツェナー電圧より大きくならないため、電圧Ｖｚ１を測定するためのＩＣ１５１を高耐圧のものにする必要がなくなることから、ＩＣ１５１を容易に設計することができ、小型化を図り、コストを低減することができる。
【００３３】
また、制御用スイッチ７は、流れる電流が抵抗２によって制限されることから、小容量のスイッチを用いることができるため、小型化を図り、コストを低減することができる。
【００３４】
以上より、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１では、半導体スイッチ素子１０に印加される電圧を簡易な構成で精度良く測定することができる。これにより、半導体スイッチ素子１０の過電流状態を正確に検出することができるため、歩留まりを向上させることができる。
【００３５】
なお、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１では、半導体スイッチ素子１０は、たとえばＭＯＳＦＥＴチップであるとしたが、これに限定するものではなく、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の他の半導体スイッチ素子であってもよい。
【００３６】
また、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１は、ツェナーダイオード３を備える構成であるとしたが、ツェナーダイオード３に限らず、半導体スイッチ素子１０と並列に接続され、半導体スイッチ素子１０の導通方向に印加される電圧を所定値に制限する定電圧素子であればよい。このような定電圧素子としては、たとえばバリスタがあげられる。
【００３７】
また、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１では、半導体スイッチ素子１０の寄生ダイオードをフリーホイールダイオードとして使用する構成であるとしたが、これに限定するものではない。半導体スイッチ素子１０として寄生ダイオードを有しないＩＧＢＴを使用する場合、あるいは半導体スイッチ素子１０としてＭＯＳＦＥＴを使用する場合でもモータ８の回生時の消費電力を抑えるために、順方向電圧の小さいＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）などをフリーホイールダイオードとして別途設ける構成であってもよい。
【００３８】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１に係る半導体装置と比べて定電圧素子を変更した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置と同様であり、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００３９】
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す図である。
図３を参照して、半導体装置１０３は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、電圧測定回路３１の代わりに電圧測定回路３３を備える。電圧測定回路３３は、抵抗２と、ダイオード部５と、制御用スイッチ７と、スイッチ制御部１５とを含む。
【００４０】
ダイオード部５は、抵抗２および制御用スイッチ７と直列接続されている。半導体スイッチ素子１０と、抵抗２、制御用スイッチ７およびダイオード部５の直列回路とは、互いに並列に接続されている。また、ダイオード部５は、半導体スイッチ素子１０の導通方向と同じ導通方向になるように直列接続された複数のダイオードを含む。ダイオード部５は、半導体スイッチ素子１０の導通方向に印加される電圧を所定値に制限する。
【００４１】
電圧測定回路３３は、ダイオード部５の両端に印加される電圧Ｖ２を測定することにより、半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間の電圧を測定する。
【００４２】
本発明の実施の形態２に係る半導体装置では、ダイオード部５におけるダイオードの数を変更することにより、電圧Ｖ２の最大レベルを調整することができる。
【００４３】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００４４】
なお、本発明の実施の形態２に係る半導体装置１０３は、ダイオード部５を備える構成であるとしたが、ダイオードに限らず、バリスタ等の双方向に導通する半導体素子であってもよい。このような構成であっても、本発明の実施の形態２に係る半導体装置と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
（実施の形態３）
本実施の形態３は、実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べてツェナーダイオード３の両端の電圧Ｖｚ１の調整機能を追加した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であり、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００４６】
図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す図である。
図４を参照して、半導体装置１０４は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、電圧測定回路３１の代わりに電圧測定回路３４を備える。電圧測定回路３４は、抵抗２と、ツェナーダイオード３と、制御用スイッチ７と、スイッチ制御部１５と、抵抗２４とを含む。抵抗２４は、抵抗２および制御用スイッチ７と直列接続され、かつ半導体スイッチ素子１０、ダイオード素子１１およびツェナーダイオード３と並列に接続されている。
【００４７】
実施の形態１に係る半導体装置１０１では、オン状態における半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間電圧すなわちオン電圧がツェナーダイオード３の両端に印加されていた。
【００４８】
これに対して、半導体装置１０３では、半導体スイッチ素子１０のオン電圧を抵抗２および抵抗２４によって分圧することができるため、ツェナーダイオード３の両端に印加される電圧Ｖ１２の電圧レベルを調整することができる。
【００４９】
なお、抵抗２を直列接続された複数の抵抗に置き換える、あるいは抵抗２の抵抗値を調整することによっても、ツェナーダイオード３両端の電圧のレベル調整をすることが可能である。
【００５０】
また、抵抗２４は、ツェナーダイオード３に並列に接続されている場合に限定されず、ツェナーダイオード３に直列に接続されてもよい。図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の別の構成を示す図である。図５に示す半導体装置１０５は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置１０４と比べて、電圧測定回路３４の代わりに電圧測定回路３５を備える。電圧測定回路３５は、抵抗２と、ツェナーダイオード３と、制御用スイッチ７と、スイッチ制御部１５と、抵抗２４，２４ａとを含む。抵抗２４ａは、ＩＣ１５１と接続する端子間において、ツェナーダイオード３と直列に接続されている。図５に示す半導体装置１０５も、半導体スイッチ素子１０のオン電圧を抵抗２および抵抗２４，２４ａによって分圧することができるため、ツェナーダイオード３の両端に印加される電圧Ｖ１２の電圧レベルを調整することができる。
【００５１】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００５２】
（実施の形態４）
本実施の形態４は、実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べてスイッチ制御部１５の制御内容を変更した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様である。
【００５３】
図６は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置が半導体スイッチ素子のオン電圧を検出する動作を示すタイミングチャートである。
【００５４】
図６を参照して、スイッチ制御部１５は、半導体スイッチ素子１０がオン状態にしてから所定時間経過するまでは制御用スイッチ７のオフ状態を維持し、所定時間経過後に制御用スイッチ７をオン状態にし、半導体スイッチ素子１０がオフ状態になる時から所定時間経過前に制御用スイッチ７をオフ状態にする。
【００５５】
すなわち、制御信号ＳＷＳは、タイミングＡからタイミングＢの期間で論理ハイレベルとなり、この期間において制御用スイッチ７はオン状態となる。また、制御信号ＳＷＳは、タイミングＡからタイミングＣまでの所定時間経過するまでは論理ローレベルのままであり、この期間において制御用スイッチ７はオフ状態を維持する。そして、制御信号ＳＷＳは、タイミングＣからタイミングＤまでの期間、論理ハイレベルとなり、半導体スイッチ素子１０がオフ状態になるタイミングＢから所定時間経過前のタイミングＤに制御用スイッチ７をオフ状態にする。
【００５６】
このような構成により、半導体スイッチ素子１０がオフ状態からオン状態、およびオン状態からオフ状態へ遷移する時に発生するノイズ等に起因する電圧Ｖｚ１の急激なレベル変化を防ぐことができ、過電流検出の誤動作を防ぐことができる。
【００５７】
その他の構成および動作は実施の形態に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００５８】
なお、実施の形態４に係るスイッチ制御部１５は、電圧測定回路３１で半導体スイッチ素子１０のドレイン−ソース間の電圧を測定する期間（タイミングＣからタイミングＤまでの期間）のうち、少なくとも測定開始点（タイミングＣ）または測定終了点（タイミングＤ）のいずれか一方を半導体スイッチ素子１０のスイッチング期間と同期させなくてもよい。
【００５９】
（実施の形態５）
本実施の形態５は、実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べてツェナーダイオード３の両端の電圧Ｖｚ１を安定化させる機能を追加した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であり、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００６０】
図７は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す図である。
図７を参照して、半導体装置１０６は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、電圧測定回路３１の代わりに電圧測定回路３６を備える。電圧測定回路３６は、抵抗２と、ツェナーダイオード３と、制御用スイッチ７と、スイッチ制御部１５と、コンデンサ４とを含む。コンデンサ４は、抵抗２およびスイッチ制御部１５と直列接続され、かつ半導体スイッチ素子１０、ダイオード素子１１およびツェナーダイオード３と並列に接続されている。
【００６１】
半導体装置１０６では、コンデンサ４により、半導体スイッチ素子１０のオン状態およびオフ状態間の遷移時に発生するノイズおよびリンギングに起因する電圧Ｖｚ１の急激なレベル変化を抑制することができる。これにより、過電流検出の誤動作を防ぐことができる。
【００６２】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００６３】
（実施の形態６）
本実施の形態６は、実施の形態１に係る半導体装置１０１をモジュール化した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置と同様である。
【００６４】
図８は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置の構成を示す図である。
図８を参照して、半導体装置１０７は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、さらに、ケースＫと、駆動端子ＴＤ１，ＴＤ２と、モニタ端子ＴＭ１，ＴＭ２とを備える。
【００６５】
ケースＫは、半導体スイッチ素子１０と、ダイオード素子１１と、クランプダイオード１２と、電圧測定回路３１とを収容している。駆動端子ＴＤ１，ＴＤ２およびモニタ端子ＴＭ１，ＴＭ２は、ケースＫに取り付けられている。
【００６６】
ケースＫの外部から駆動端子ＴＤ１を介して半導体スイッチ素子１０のゲートに駆動信号ＧＳが与えられる。また、ツェナーダイオード３の両端に印加される電圧Ｖｚ１は、モニタ端子ＴＭ１，ＴＭ２を介してケースＫの外部にあるＩＣ１５１に与えられる。
【００６７】
このような構成により、半導体装置１０７の外部において半導体スイッチ素子１０のオン電圧を容易に測定することができる。
【００６８】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００６９】
（実施の形態７）
本実施の形態７は、実施の形態１に係る半導体装置１０１をＩＰＭ（Intelligent Power Module）化した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であり、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００７０】
図９は、本発明の実施の形態７に係る半導体装置の構成を示す図である。
図９を参照して、半導体装置１０８は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、さらに、ケースＫと、エラー端子ＴＥと、駆動部１６とを備える。
【００７１】
ケースＫは、半導体スイッチ素子１０と、ダイオード素子１１と、電圧測定回路３１と、駆動部１６とを収容している。エラー端子ＴＥは、ケースＫに取り付けられている。
【００７２】
駆動部１６は、半導体スイッチ素子１０を駆動するための駆動信号ＧＳを半導体スイッチ素子１０のゲートへ出力する。また、駆動部１６は、電圧測定回路３１の測定結果すなわちツェナーダイオード３の両端に印加される電圧Ｖｚ１の大きさに基づいて、駆動部１６による半導体スイッチ素子１０への駆動信号ＧＳの出力を停止させ、半導体スイッチ素子１０をオフさせる制御を行なう過電流検出手段を有している。さらに、駆動部１６は、電圧測定回路３１の測定結果に基づいて、半導体スイッチ素子１０が過電流状態であることを示すエラー信号をエラー端子ＴＥ経由でケースＫの外部へ出力することができる。
【００７３】
このように、半導体装置１０８、モジュール内部に駆動部１６を内蔵し、かつ駆動部１６が駆動信号ＧＳの遮断機能を有することにより、過電流に対する応答速度を速くできるため、半導体スイッチ素子１０が破壊されることを未然に防ぐことが可能になる。また、電圧Ｖｚ１を伝達するための配線長を短くできるため、駆動部１６へ伝達される電圧Ｖｚ１がノイズなどの影響を受けにくくなることから、過電流検出の誤動作を防ぐことができる。
【００７４】
また、半導体装置１０８では、電圧測定回路３１および駆動部１６を１つの集積回路すなわち１つの半導体チップにしてもよい。図１０は、本発明の実施の形態７に係る半導体装置１０８の別の構成を示す図である。図１０に示す半導体装置１０８では、電圧測定回路３１および駆動部１６を１つの半導体チップ４１で構成してある。これにより、図１０に示す半導体装置１０８は、モジュール全体の小型化、低コスト化および組立性の向上を実現することができる。
【００７５】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置１０１と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００７６】
（実施の形態８）
本実施の形態８は、実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて半導体スイッチ素子１０の種類を変更した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態１に係る半導体装置と同様であり、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００７７】
実施の形態８に係る半導体装置は、図１に示す半導体装置１０１と同じ構成であるが、半導体スイッチ素子１０およびダイオード素子１１は炭化珪素（ＳｉＣ）によって形成されている点が、実施の形態１に係る半導体装置と異なる。
【００７８】
ここで、炭化珪素は、耐電圧性が高いため、許容される電流密度を大きくできることから、半導体スイッチ素子１０およびダイオード素子１１の小型化を図ることができる。したがって、本発明の実施の形態８に係る半導体装置では、実施の形態１に係る半導体装置１０１と比べて、さらに小型化を図ることができる。
【００７９】
なお、本発明の実施の形態８に係る半導体装置では、半導体スイッチ素子１０およびダイオード素子１１が炭化珪素（ＳｉＣ）によって形成されている構成であるとしたが、これに限定するものではなく、半導体スイッチ素子１０およびダイオード素子１１の少なくとも一方が炭化珪素（ＳｉＣ）によって形成されている構成であってもよい。
【００８０】
その他の構成および動作は実施の形態１に係る半導体装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００８１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８２】
１ 交流電源、２，２４，２４ａ 抵抗、３ ツェナーダイオード、４ コンデンサ、５ ダイオード部、７ 制御用スイッチ、８ モータ、１０ 半導体スイッチ素子、１１ ダイオード素子、１２ クランプダイオード、１３ 電源、１５ スイッチ制御部、１６ 駆動部、３１，３３，３４，３５，３６ 電圧測定回路、４１ 半導体チップ、１０１，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８ 半導体装置、１４０ インバータ部、１５０ コンバータ部、１６０ 平滑コンデンサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導通電極と、第２導通電極とを有する半導体スイッチ素子と、
前記半導体スイッチ素子の前記第１導通電極および前記第２導通電極間の電圧を測定するための電圧測定回路とを備え、
前記電圧測定回路は、
前記半導体スイッチ素子と並列に接続され、前記半導体スイッチ素子の導通方向に印加される電圧を所定値に制限する定電圧素子と、
前記定電圧素子に直列に接続された制御用スイッチと、
前記半導体スイッチ素子がオフ状態のときに前記制御用スイッチをオフ状態にし、前記半導体スイッチ素子がオン状態のときに前記制御用スイッチをオン状態にするスイッチ制御部とを含む半導体装置。
【請求項２】
前記定電圧素子は、ツェナーダイオードであり、
前記電圧測定回路は、さらに、
前記定電圧素子および前記制御用スイッチと直列に接続された第１抵抗素子を
含む請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記定電圧素子は、直列に接続された複数のダイオードであり、
前記電圧測定回路は、さらに、
前記定電圧素子および前記制御用スイッチと直列に接続された第１抵抗素子を
含む請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記電圧測定回路は、さらに、
前記半導体スイッチ素子および前記定電圧素子と並列に接続された第２抵抗素子を含む請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記電圧測定回路は、さらに、
前記半導体スイッチ素子および前記定電圧素子と並列に接続されたコンデンサを含む請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記スイッチ制御部は、前記半導体スイッチ素子がオン状態の期間のうち、予め定められた期間をオフ状態にする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体装置は、さらに、
前記半導体スイッチ素子と、前記定電圧素子と、前記制御用スイッチとを収容するケースと、
前記ケースに取り付けられ、前記定電圧素子に印加される電圧を測定するための端子とを備える請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体装置は、さらに、
前記半導体スイッチ素子を駆動するための駆動信号を前記半導体スイッチ素子へ出力する駆動部と、
前記半導体スイッチ素子と、前記電圧測定回路と、前記駆動部とを収容するケースとを備え、
前記駆動部は、前記定電圧素子に印加される電圧の大きさに基づいて、前記半導体スイッチ素子への前記駆動信号の出力を停止し、かつ前記半導体スイッチ素子が過電流状態であることを示すエラー信号を出力する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記電圧測定回路と、前記駆動部と、前記過電流検出部とは、１つの半導体集積回路に含まれている請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記半導体スイッチ素子は、炭化珪素によって形成されている請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１】
第１導通電極と、第２導通電極とを有する半導体スイッチ素子と、
前記半導体スイッチ素子の前記第１導通電極および前記第２導通電極間の電圧を測定するための電圧測定回路とを備え、
前記電圧測定回路は、
前記半導体スイッチ素子と並列に接続され、前記半導体スイッチ素子の導通方向に印加される電圧を所定値に制限する定電圧素子と、
前記定電圧素子に直列に接続された制御用スイッチと、
前記半導体スイッチ素子がオフ状態のときに前記制御用スイッチをオフ状態にし、前記半導体スイッチ素子がオン状態のときに前記制御用スイッチをオン状態にするスイッチ制御部とを含む半導体装置。
【請求項２】
前記定電圧素子は、ツェナーダイオードであり、
前記電圧測定回路は、さらに、
前記定電圧素子および前記制御用スイッチと直列に接続された第１抵抗素子を
含む請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記定電圧素子は、直列に接続された複数のダイオードであり、
前記電圧測定回路は、さらに、
前記定電圧素子および前記制御用スイッチと直列に接続された第１抵抗素子を
含む請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記電圧測定回路は、さらに、
前記半導体スイッチ素子および前記定電圧素子と並列に接続された第２抵抗素子を含む請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記電圧測定回路は、さらに、
前記半導体スイッチ素子および前記定電圧素子と並列に接続されたコンデンサを含む請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記スイッチ制御部は、前記半導体スイッチ素子がオン状態の期間のうち、予め定められた期間をオフ状態にする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体装置は、さらに、
前記半導体スイッチ素子と、前記定電圧素子と、前記制御用スイッチとを収容するケースと、
前記ケースに取り付けられ、前記定電圧素子に印加される電圧を測定するための端子とを備える請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体装置は、さらに、
前記半導体スイッチ素子を駆動するための駆動信号を前記半導体スイッチ素子へ出力する駆動部と、
前記半導体スイッチ素子と、前記電圧測定回路と、前記駆動部とを収容するケースとを備え、
前記駆動部は、前記定電圧素子に印加される電圧の大きさに基づいて、前記半導体スイッチ素子への前記駆動信号の出力を停止し、かつ前記半導体スイッチ素子が過電流状態であることを示すエラー信号を出力する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記電圧測定回路と、前記駆動部と、前記過電流検出部とは、１つの半導体集積回路に含まれている請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記半導体スイッチ素子は、炭化珪素によって形成されている請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１０６４６４（Ｐ２０１３−１０６４６４Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４９６８５（Ｐ２０１１−２４９６８５）
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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