富士時報 Vol.75 No.10 2002 車載用高機能 MOSFET 梅本 秀利（うめもと ひでとし） 山田 昭治（やまだ しょうじ） 鳶坂 浩志（とびさか ひろし） まえがき 図２ 高機能 MOSFET，IPD の製品マップ 30 現在，自動車業界では環境性能，安全性能，快適性の向 ：ローサイドIPD ：ハイサイド高機能MOSFET ：ローサイド高機能MOSFET 上をキーワードとする電子システムの増加に伴い，ECU （Electronic Control Unit）の大規模化に年々拍車がかかっ F5048 出力電流定格（A） ており，システムメーカーでは ECU の小型化が切望され ている。ECU の小型化を実現するための半導体デバイス として，パワー半導体とその周辺保護回路，状態検出・状 態出力回路，ドライブ回路などを一体化したスマートパ ワーデバイスが注目され，その適用が着実に伸長している。 20 TO-220 F5031 10 Tパック（D2パック） F5019,5043, 5023 F5025 F5018,5042 F5032 Kパック（Dパック） F5020 富士電機においても，パワー半導体と前述した周辺回路 0 F5022 F5045P F5033,5041 をワンチップ化し，ECU の小型・薄型化，高性能化，高 SOP-8 信頼性に応えた半導体製品の開発を行ってきた。その製品 0 （1） 20 40 群としてハイサイド型，ローサイド型の高機能 MOSFET 60 80 100 340 360 V DSS（V） ドレイン - ソース間電圧 380 （Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）， （2 ） イグナイタ駆動用 IPD（Intelligent Power Device）など 。これらの共通の特徴は高いサージ がある（ 図１， 図２ ） 耐量（静電気耐量など）と低駆動電圧（3 V）である。表 （ 3） １はハイサイド型高機能 MOSFET「F5045P」の例である。 これらの中で今回，新たに開発した車載用ローサイド型 表１ F5045P の最大定格と電気的特性 （特に表記ない限り T c ＝ 25 ℃） 高機能 MOSFET「F5048」について紹介する。 記 号 定格 条件 単位 電 源 電 圧 V cc 50 0.25 s V 出 力 電 流 I out 1 ー A 項 目 規格値 項 目 記 号 図１ F5048 パッケージの外観 動作電源電圧 V cc V IN（H） V IN（L） 条 件 Tc ＝−40∼ 105 ℃ 単位 最小 最大 3 33 V cc ＝3∼5 V Tc ＝−40∼ 105 ℃ 0.7×V cc V cc ＞5 V Tc ＝−40∼ 105 ℃ 3.5 V V 0.3×V cc 入 力 電 圧 V IN（H） V IN（L） V 1.5 オ ン 抵 抗 R DS（on） V cc ＝14 V I out ＝0.5 A 過電流検出 I OC V cc ＝14 V 2 ー A 過 熱 検 出 Ttrip V cc ＝14 V 150 ー ℃ 0.60 Ω パッケージ：SOP-8 梅本 秀利 山田 昭治 鳶坂 浩志 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， の開発・設計に従事。現在，富士 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 日立パワーセミコンダクタ（株）松 本事業所開発設計部。 （株）松本事業所開発設計部。電気 本事業所開発設計部。 学会会員。 581（33） 富士時報 車載用高機能 MOSFET Vol.75 No.10 2002 表２ F5048 の最大定格と電気的特性・サージ耐量 （a）F5048 の最大定格（特に表記ない限り T c ＝25 ℃） 製品の紹介 項 目 ２.１ 製品の特徴 従来製品，特に高機能 MOSFET 製品群と比較した F 定 格 単位 DC 80 V DC −0.3∼＋7.0 V 記号 条 件 ドレイン - ソース間電圧 V DSS ゲート - ソース間電圧 V GSS 5048 の設計上の特徴は過電流検出の設計思想にある。F ドレイン電流 ID DC 15 A PD ー 43 W Tj ー 150 ℃ T stg ー −55∼＋150 ℃ 5048 では，従来製品の過電流検出設定値が実使用電流の 許容電力損失 2 ∼ 3 倍であったのに対し，素子の電流通電能力，負荷短 接合部温度 絡時の保護を十分考慮し 10 倍以上の設定値とし，通電開 保存温度 始時に大電流が流れる（例：ラッシュ電流など）ような負 荷の制御用として開発している。 なお，本製品は，縦型パワー半導体と横型制御 IC の分 （b）F5048 の電気的特性およびサージ耐量 （特に表記ない限り T c ＝25 ℃） 規格値 項 目 記号 条 件 造（図３）を採用し，かつ以下に記す特徴を持っている。 （1） 高い通電能力： 27 A（min.） （2 ） 負荷短絡保護機能搭載（過電流，過熱保護） （3） 誘導性負荷逆起電圧保護機能〔ダイナミッククランプ 回路内蔵：クランプ電圧 80 V（min.） 〕 （4 ） 低オン抵抗：125 mΩ（max.） （5） ロジックレベル駆動 （6 ） SMD（Surface Mounted Device）パッケージ（JEDEC ドレイン ソース間 電圧 （7） 高サージ耐量 〔ESD（Electro Static Discharge）耐量：ドレイン - ソー ス間＋ −15 kV 以上 at 150 pF，150 Ω〕 ２.２ 用 途 F5048 は，後述の過電流検出回路設計の最適化により， モータ，ランプなど負荷の通電開始時に瞬間的な大電流を 必要とする用途に最適なデバイスである。 V GS（th） I D ＝10 mA 保護機能動作 ゲート電圧 範囲 V GS（p） ゼロゲート 電圧 ドレイン電流 I DSS 最大 VGS ＝0 V 80 100 V VDS ＝14 V 1.0 2.8 V 3.0 7.0 V ー 25 A ー 250 A I GS（un） V GS ＝5 V 保護機能動作時 ー 350 A ー 125 mΩ ー 100 s ー 100 s R DS（on） I D ＝8 A オ ン 抵 抗 ターンオン 時間 t on ターンオフ 時間 t off 過熱検出保護 温度 Ttip 過電流検出 I OC ダイナミック クランプ耐量 ジ（80 V，0.25 s）が直接パワー素子に印加される ECU 用 VGS ＝0 V V GS ＝5 V 通常動作時 VGS ＝5 V V DS ＝14 V I D ＝8 A E CL パワー素子の耐圧は 40 V で十分である。しかし本製品は パワーツェナーダイオードを使用せず，ロードダンプサー V DS ＝16 V I GS（n） また通常，ECU の電源ー GND 間には 27 V あるいは 32 V のパワーツェナーダイオードを併用しているため， I D ＝1mA ゲート しきい値電圧 ゲート ソース間 電流 規格の TO-263 に類似するパッケージ） V DSS 単位 最小 離構造として，市場において十分な実績を持つ自己分離構 VGS ＝5 V V DS ＝14 V VGS ＝5 V 150 ー ℃ V DS ＝14 V T j ＝25 ℃ 27 ー A V GS ＝5 V T j ＝85 ℃ 22 ー A T j ＝150 ℃ I D ＝8 A 100 ー mJ ±15 ー kV ±5 ー kV ー 150 pF，150 Ω ドレイン - ソース間 ー 150 pF，1.5 kΩ ゲート - ソース間 ESD サージ 耐量 に開発されている。 ２.３ 製品の特性 （b） F5048 の最大定格と電気的特性を表２ ， に，さらに （a） 回路ブロックダイヤグラムを図４に示す。また，主な特性 図４ F5048 の回路ブロックダイヤグラム ダイナミッククランプ ツェナーダイオード 図３ 自己分離構造の断面図 低耐圧 n チャネル デプレッション MOSFET n＋ n− n＋ p 低耐圧 n チャネル MOSFET n＋ p 出力段 縦型パワー MOSFET n＋ n＋ p n＋ p ツェナー ダイオード ドレイン スピードアップ ダイオード ゲート パワー MOSFET n＋ p 過電流 検出回路 過熱 検出回路 論理 回路 n− n＋ 582（34） ソース 富士時報 車載用高機能 MOSFET Vol.75 No.10 2002 を以下に述べる。 ２.３.３ ダイナミッククランプ電圧(VDSS) 前述したように ECU の電源ー GND 間には 27 V あるい ２.３.１ 用途に適した通電能力設計 F5048 はランプの点灯やモータの駆動など負荷の通電開 は 32 V のパワーツェナーダイオードが設置されるため， 始時に瞬間的な大電流を必要とする用途に適する通電能力 これまで富士電機製高機能 MOSFET の素子耐圧は 40 V を確保するため，下記の２ポイントを考慮した最適デバイ に設定されソレノイドバルブなどの制御に使用されてきた。 ス設計を行っている。 周知のこのパワーツェナーダイオードの役割は，何らかの （1） パワー MOSFET の電流通電能力 理由でバッテリー接続が解除された際に発生する過渡的に 適用するアプリケーションの動作条件に適した出力段パ ワー MOSFET の電流通電能力を確保した。 高エネルギーのロードダンプサージ（例：80 V，τ＝ 0.25 s）から ECU 内部を保護することである。しかし，ECU （2 ） ワイヤ溶断電流値（I 2 t） の規模あるいは配置場所によりパワーツェナーダイオード 前述の通電能力を確保し，負荷短絡時にボンディングワ イヤが溶断破壊しないワイヤ径とした。 の設置が難しい場合もある。 F5048 はこのような問題に応える素子耐圧を設定（80 V）している。またこの 80 V はチップ上でパワー素子の ２.３.２ 最適な保護機能動作 高機能 MOSFET は，負荷が短絡に至った場合，過電流 ドレイン - ゲート間に挿入のツェナーダイオードで決定す 検出と過電流制限，および過熱検出の保護機能を働かせる， るようにし，通常のオンオフ動作で発生する誘導性成分逆 二重のフェイルセイフ設計とし，システム，負荷，素子を 起電力を外付け回路なしで処理できる。本品は 100 mJ 以 破壊から守る役割を果たしている。 上の耐量を有するので安心して使用が可能である。 （1） 短絡保護 F5048 の過電流検出回路は， 図 ５ に示すようにドレイ 図６ パワー MOS 部の負荷短絡耐量と電流通電能力および アルミワイヤ溶断電流値の通電時間依存性 ン - ソース間のオン電圧をモニタする電圧検出方式を採用 している。過電流検出方式として，電圧検出タイプは，電 流検出タイプに比べ，検出回路が簡素化できるという利点 アルミワイヤ溶断電流値 がある。短絡直後にオン電圧が設定した過電流値の電圧ま 流制限が働いて素子の破壊を回避している。この過電流検 出値は，負荷短絡耐量の電流値より小さく，アプリケー ションを満足する電流値を考慮して決定している。これら 電流 I（A） で上昇すると論理回路がこれを識別して動作し，同時に電 電流通電能力 （パワーMOS部） 過電流検出設定値 の特性の通電時間依存性を図６に示す。 （2 ） 過熱保護 負荷短絡耐量（パワーMOS部） 過熱保護は上記の過電流検出，電流制限が動作しさらに オン状態が続いた場合に素子を熱破壊から守る機能である。 図７は負荷短絡時に過電流保護から過熱状態に入り，過熱 0 0 通電時間 t （ms） 保護によるターンオフ動作と自己復帰によるターンオン動 作の繰り返す状態を示している。この過熱検出の回路の応 答性を高めるため，過熱検出センサを出力段パワー MOS 図７ 短絡保護と過熱保護（負荷短絡時） FET の活性部内に配置することで，同センサを IC 回路部 に配置する場合に比べ，10 倍以上の応答性を実現してい 20 ms/div る。 V GS 図５ 短絡保護回路（過電流検出と電流制限） GND V DS ドレイン ID スピードアップ ダイオード ゲート GND 過電流検出 電流制限 電流制限時間 過熱保護期間 過電流検出時 ソース V GS（5 V/div） V DS（5 V/div） I D（10 A/div） 583（35） 富士時報 車載用高機能 MOSFET Vol.75 No.10 2002 表３ F5048 の信頼性試験結果 図８ F5048 の代表的なスイッチング波形 試験時間（h） 試験内容 400 s/div V GS GND サンプル 0 100 200 300 従来品 0/22 0/22 0/22 3/22 F5048 0/22 0/22 0/22 0/22 飽和蒸気加圧試験 温度：121℃ 圧力：2.0×105 Pa 湿度：100 ％ RH ID 試験サイクル数（サイクル） V DS 試験内容 サンプル 0 500 1,000 2,000 従来品 0/22 0/22 0/22 2/22 F5048 0/22 0/22 0/22 0/22 熱衝撃試験（液体） 温度：−55∼＋150 ℃ 各 5 分 GND ID V DS 0 時間 t スイッチング開始 ゲート - ソース間電圧 V GS：5 V/div ドレイン - ソース間電圧 V DS：5 V/div ドレイン電流 I D：5 A/div 間の静電破壊耐量は条件 150 pF，150 Ωにおいて＋ − 15 kV を保証している。 ２.３.６ 高い耐環境性能 F5048 ではさらに表面実装パッケージ製品の耐環境性能 試験条件 V GS：5 V，V DS：16 V，パルス周期 T ＝1ms， パルス幅 t w ＝500 s ランプ負荷：20 W（負荷温度−40 ℃），ワイヤ長：2 m の向上を図る目的から，組立条件と部材の選定について最 適化を行っている。具体的には，①はんだ付け条件の最適 化，②低応力・低吸湿の高密着性樹脂適用などの検討を進 め，表３の信頼性試験結果（飽和蒸気加圧試験，熱衝撃試 ところでこの 80 V 耐圧保証は単に外来サージ電圧に対 する対応だけに限定されるものではなく，もちろん 42 V 験）に示すように，表面実装パッケージとしてより高い信 頼性能を得ている。 系バッテリーへの適用を可能としている。 あとがき ２.３.４ 最適なスイッチング時間 自動車に対する要求として，安全性向上に加え高級感と 快適性がある。スムーズなモータの始動やランプの調光は 車載用高機能 MOSFET の新製品として F5048 の製品 PWM（Pulse Width Modulation）制御で実現できる。 概要について紹介した。この製品は従来の製品群と同様に PWM 制御性能を支配するスイッチング時間であるが，ス 車両の安全性・高信頼性化に寄与するものと考えている。 イッチングノイズの低減に留意した設定とした。F5048 の 今後とも市場からの要望を大切にしながら，多くの用途に タ ー ン オ ン 時 間 お よ び タ ー ン オ フ 時 間 は と も に 60 μs （typ.）であり，1 kHz 程度の高周波動作にも対応可能であ 対応できるインテリジェントパワー製品の開発を推進して いく所存である。 る。今回の設計では高い電流容量を持つためスピードアッ プダイオードを内部ゲート抵抗と並列に配置してターンオ フ時間を短縮している。図８に代表的なスイッチング波形 を示す。 （2 ） 竹内茂行ほか．自動車イグナイタ用 IPS．富士時報．vol.72， F5048 は従来の高機能 MOSFET の設計手法に基づいて， 回路の配線幅やそのパターン，コンタクト抵抗値，回路の 584（36） （1） 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． ２.３.５ 高静電破壊耐量 レイアウトなどの最適化を行っている。ドレイン - 参考文献 ソース no.3，1999，p.164- 167． （3） 鳶坂浩志ほか．ハイサイド高機能 MOSFET．富士時報． vol.74，no.2，2001，p.118- 121． ＊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。