富士時報 Vol.74 No.2 2001 ハイサイド高機能 MOSFET 鳶坂 浩志（とびさか ひろし） 大江 崇智（おおえ たかとし） 市村 武（いちむら たけし） まえがき 製品の紹介 自動車電装業界では， 「安全」 「燃費向上」をキーワード ２.１ 主要特性の紹介 として，電子制御システムの大規模化が進められている。 ハイサイド高機能 MOSFET F5045P パッケージの外観 このため自動車電装メーカーは，ECU（Electronic Con- を図１，最大定格を表１，電気的特性を表２，論理表を表 trol Unit）の基本性能を向上させ，なおかつ小型，低コス ３，回路ブロックダイヤグラムを図２に示す。さらに主な ト化することを切望している。自動車電装メーカーの ECU 特徴を以下に紹介する。 に対する要求は次のとおりである。 （1） 過電流，過熱検出機能による負荷短絡保護機能内蔵 （1） 電子制御システム全体の大規模化に伴う，ECU の小 （2 ） インダクタンス負荷ターンオフ時の逆起電圧に対する 電圧クランプ（L 負荷クランプ）回路内蔵によるインダ 型・薄型化 （2 ） 電子制御システム全体の大規模化に伴う，ワイヤハー クタンス負荷高速動作可能 （3） 出力段パワー MOSFET の低損失化 ネスの低減 （3） ECU の低コスト化 （4 ） マイクロコンピュータ直接駆動可能 （4 ） ECU の高性能化（安全性，快適性の向上） （5） システム自身のフェイルセイフ対応として，入力端子 （5） ECU の高信頼性化 そして，この ECU を構成している半導体素子にも同様 図１ F5045P パッケージの外観 の要求がある。これら ECU に対する要求を ECU に使用 される半導体に対する要求に置き換えたものを以下にまと める。 （1） 半 導 体 の 小 型 ・ 薄 型 ・ SMD（ Surface Mount De- vice ：表面実装デバイス）化 （2 ） トータルコストダウンへの対応可能（高機能化） （3） 半導体デバイスの高性能化（過電流保護，過熱保護機 能の内蔵） （4 ） 半導体デバイスの高信頼性化 富士電機では，上記の半導体デバイスへの要求に対応す る新製品，ハイサイド高機能 MOSFET（Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistor）F5045P を開発中 である。 表１ F5045P の最大定格（T c ＝25℃） 記号 定 格 条 件 単位 ワーデバイスをワンチップ化することで，従来の個別部品 ドレイン - ソース電圧 V DS 33/50 DC/0.25s V の組合せに比べ，電子部品の実装スペースの低減と信頼性 電 源 電 圧 V CC 33/50 DC/0.25s V 出 力 電 流 I out 1 入 力 電 圧 V IN −0.3∼ V CC ＋0.3 接 合 部 温 度 Tj 150 ℃ 保 存 温 度 Tstg −55∼＋150 ℃ 項 目 高機能 MOSFET は駆動・制御・保護などの回路と，パ （2 ） （1） の高いシステムを可能とするデバイスである。 DC V 鳶坂 浩志 大江 崇智 市村 武 インテリジェントパワーデバイス インテリジェントパワーデバイス インテリジェントパワーデバイス の開発・設計に従事。現在，富士 のチップ開発・設計に従事。現在， のチップ開発・設計に従事。現在， 日立パワーセミコンダクタ （株） 松 富士日立パワーセミコンダクタ 本事業所開発設計部。 118（18） A （株） 松本事業所開発設計部。 富士日立パワーセミコンダクタ （株） 松本事業所開発設計部。 富士時報 ハイサイド高機能 MOSFET Vol.74 No.2 2001 表２ F5045P の電気的特性 項 目 動作電源 電圧 静止電源 電流 記 号 条 件 図２ F5045P の回路ブロックダイヤグラム 規格値 〈注〉 Vcc 単位 最 小 最 大 3 33 V CC TC ＝−40∼ ＋105℃ I CC V CC ＝13 V R L ＝26 Ω V IN ＝0 V TC ＝−40∼ ＋105℃ V IN（H） V CC ＝3∼5 V TC ＝−40∼ ＋105℃ V IN（L） V CC ＝3∼5 V TC ＝−40∼ ＋105℃ V IN（H） V CC ＞5 V TC ＝−40∼ ＋105℃ V IN（L） V CC ＞5 V TC ＝−40∼ ＋105℃ 1.5 静止電源電流 低減回路 V IN1 150 A L負荷 クランプ回路 レベル シフト ドライバ 内部 電源回路 過電流 検出回路 OUT ロジック 0.7× V CC V 0.3× V CC 過熱検出 回路 IN2 V GND 入 力 電 圧 V 3.5 （10） オン状態保持用として 2 入力端子構成 V ２.２ 用 途 F5045P は ECU のメインリレー駆動用途を中心に，油 入 力 電 流 （1チャネル あたり） I IN（H） V CC ＝13 V V IN1 または V IN2 ＝5 V 12 オ ン 抵 抗 R DS（on） V CC ＝13 V I out ＝0.5 A 0.60 過電流検出 I OC V CC ＝13 V 2 A ル MOSFET を使用し，ゲート昇圧用チャージポンプ回路 過 熱 検 出 T trip V CC ＝13 V 150 ℃ を内蔵しているハイサイド形の半導体素子である。ハイサ スイッチ ング時間 t on /t off V CC ＝13 V R L ＝26 Ω 120/40 s イド方式のメリットは，①負荷の電食を回避できる，②負 L負荷 クランプ 電圧 Vclamp V CC ＝13 V L ＝10 mH −（50− −（60− V CC ） V CC ） V A Ω 圧ソレノイドバルブ，ランプ，モータなどの制御用に開発 したデバイスである。 なお，F5045P は，出力段パワーデバイスには n チャネ 荷状態をモニタして，フィードバック制御をかけたい用途 における，モニタ回路の設計が容易である（ECU 設計者 はモニタ回路の GND 電位基準で設計できる） ，などがあ 〈注〉特に表記なきものは T C ＝25℃の条件である。 り，これらのメリットを生かしたい用途には最適なデバイ スである。 表３ F5045P の論理表 IN1 IN2 OUT L L H H L H L H L H H H 過電流検出 L L H H L H L H L ※ ※ ※ 自己復帰 ※：出力電流制限モード 過熱検出 L L H H L H L H L L L L 自己復帰 入力端子 開放 Open Open L Open H Open L Open H Open L L L H H 正常動作 備 考 特 性 ３.１ 低動作電源電圧 F5045P にて ECU メインリレーを制御する場合，F5045P の Vcc 端子はバッテリーに直接接続される。これは低温時， エンジン始動時などにおいて自動車のバッテリー電圧が最 悪 3 V 程度まで低下することがあり，そのようなときでも 素子の基本的なオンオフ動作が必要であるということを意 味する。 F5045P は低動作電源電圧を実現するため，素子のゲー 各入力端子は入力プルダウン内蔵 しているため，入力 Open は V IN ＝ LOW を意味する。 ト酸化膜厚と周辺回路を最適化した。F5045P と従来のハ イサイドデバイスである F5044H（定格：50 V/3 A/120 mΩ/SOP-8 パッケージ IPS）のオン抵抗の電源電圧依存 性を図３に示す。チャージポンプ回路を用いたハイサイド 開放時の出力オフ機能内蔵 （6 ） 自己分離型 CMOS/DMOS（Complementary MOS /Diffusion MOS）プロセス採用 （7） SOP-8 SMD パッケージ採用による小型・自動実装対 応 デバイスでは，電源電圧が低下すると，チャージポンプ回 路のゲート昇圧能力が低くなり，オン抵抗が上昇する。上 記の最適化により，従来のデバイスよりオン抵抗が上昇し 始める点が低電圧側にシフトしていることが分かる。さら に，電源電圧を 0 V から徐々に上昇させたときの F5045P （8） 低動作電源電圧〔Vcc（min）＝ 3 V〕 の動作波形を図４に示す。Vcc が約 2.5 V 以上で Vcc 電圧波 （9） 低スタンバイ電流〔Icc（max）＝ 150 μA〕 形と OUT 電圧波形が等しくなり，素子がオン動作をして 119（19） 富士時報 ハイサイド高機能 MOSFET Vol.74 No.2 2001 図３ オン抵抗の電源電圧依存性 図５ 最低動作電源電圧の温度依存性 6.0 T j＝25 ℃ オン抵抗 R DS（on）（Ω） 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 F5045P 最低動作電源電圧 V cc（min）（V） 3.0 R DS（on）=2.45 Ω 5.0 F5044H 4.0 3.0 F5045P 2.0 1.0 F5044H 0 0 5 10 0 −100 −50 20 15 0 50 100 150 200 温度 T j（℃） 電源電圧 V cc（V） 図４ F5045P 低電源電圧時の動作波形 図６ F5045P 入力部の回路 Vcc 10 ms/div 静止電源電流低減回路 内部電源 回路 V cc ：2 V/div IN1 IN2 V OUT ：2 V/div OUT レベルシフト ドライバ GND V V cc＝ V OUT となり， cc≒2.5 Vにおいて 素子がオンしていることが分かる。 させるためには，この回路に CMOS を用いることが有効 （a）動作波形 である。NMOS インバータと CMOS インバータの特徴を 表４に示す。しかしながら表２に示すように，本デバイス の入力しきい値電圧は，3 ∼ 33 V の電源電圧範囲と， Vcc IN1 F5045P IN2 OUT GND Tc ＝−40 ∼＋105 ℃の温度範囲をカバーする必要があり， 温度依存性を小さくしなければならない。このため，CM OS インバータの採用は不適当であるため，オフ時に入力 （b）測定回路図 回路部の NMOS インバータを切断する方式を採用した。 この静止電源電流低減回路により静止電源電流を従来のハ イサイドデバイス 3 mA（max）から Tc ＝−40 ∼＋105 ℃ いることが分かる。最低動作電源電圧の温度依存性を図５ の範囲において 150 μA（max）にすることができる。 に示す。最低動作電源電圧が従来品 F5044H と比較して約 2.0 V 小さくなっており，F5045P は Tc ＝−40 ∼＋105 ℃ において広範な動作電源電圧 3 ∼ 33 V を実現できる。 ３.３ 入力保持機能 F5045P は，制御回路内に OR 論理回路を付加し，2 入 力構成とした。このため F5045P は，IN1 端子の入力信号 ３.２ 静止電源電流の低減 ライン（例えばイグニッションスイッチ）が確定していな 自動車電装システムの大規模化に伴い，ユニット全体の いようなときでも，IN2 端子のオン信号により，そのオン オフ時のスタンバイ電流を 3 mA 以下に低減させたいとい 状態の保持が可能である。これにより F5045P は，ECU う希望がある。このため，個々の半導体の静止電源電流を のメインリレー制御といった，さまざまな状況下でもオン 小さくする必要がある。F5045P はこの要求に対応するた 状態保持が要求されるシステムにおいて，特別な外部回路 め，図６に示すような内部電源回路をデバイスのオフ時に を付加せずに使用することができるデバイスである。 切断する回路（静止電源電流低減回路）を付加した。静止 電源電流が大きい原因の一つに，内部電源により動作する 入力回路部のインバータに n チャネル MOSFET（NMOS） のみを用いていることがあげられる。静止電源電流を低減 120（20） ３.４ サージ耐量 F5045P は ESD（Electro-Static Discharges：静電破壊） 試験において，C＝150 pF，R＝150 Ωの条件下，ECU 組 富士時報 ハイサイド高機能 MOSFET Vol.74 No.2 2001 表４ NMOS インバータと CMOS インバータの特徴 NMOS インバータ スと同等の実力を持っている。 CMOS インバータ あとがき インテリジェントパワーデバイスの新製品として F50 回 路 図 45P の概要，特性などについて述べた。自動車電装分野の ECU メインリレーに使用されることを前提に，本製品を 紹介してきたが，高機能 MOSFET シリーズはその汎用性 の高さから各種用途への応用が可能である。 ™電流源と MOSFET の最適設計 長 により，入力しきい値電圧の 所 温度依存性を小さくできる。 ™動作電源電圧範囲が広い。 ™消費電流が小さい。 短 ™消費電流が大きい。 所 ™入力しきい値電圧が MOSFET に依存するため温度依存性が ある。 ™動作電源電圧範囲が狭い。 今後富士電機では，さまざまな用途に対応できるインテ リジェントパワーデバイスの系列拡大と，さらなる性能向 上のための技術確立を推進していく所存である。 参考文献 （1） 木内伸ほか. SOP- 8 パッケージハイサイド IPS. 富士時報. vol.72, no.3, 1999, p.168- 171. 込み状態で 15 kV 以上の耐量を持つデバイスであり，従来 の富士電機製自動車電装用インテリジェントパワーデバイ （2 ） 木内伸ほか. インテリジェントパワー MOSFET. 富士時 報. vol.70, no.4, 1997, p.222 - 226. 121（21） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。