富士時報 Vol.81 No.6 2008 IPM 用小型ドライバ IC 中森 昭（なかもり あきら） 特 集 森 貴浩（もり たかひろ） 山村 太久生（やまむら たくお） まえがき 図 小型ドライバ IC の外観 世界半導体市場の伸び率は 2007 年度，前年比＋3.2 % （2,556 億 US ドル）であった。それ以降も伸長を続け， （ 1） 2010 年度までは＋6.4 % の平均伸び率の予測となっている。 一方で，地球環境保護，特に CO2 削減に貢献するため， パワーエレクトロニクス機器のさらなる小型化，高効率化 を進める必要があり，そこに用いられるパワーデバイスの （ 2） 果たす役割は大きい。 富 士 電 機 で は，1989 年 に 産 業 用 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）駆動用のバイポーラ型ドライ バ IC を開発し，IGBT とドライバ IC を一つのパッケー ジにモジュール化した世界初の IPM（Intelligent Power Module） を 発 表 し た。 そ の 後， 外 付 け 部 品 を シ リ コ ン . CMOS 型ドライバ IC を搭載の「R-IPM」を開発した。現 特 徴 V-IC の特徴を以下に示す。 チップに内蔵するオールシリコンコンセプトを追求した 小型化 （ 1） 在まで，IGBT の仕様ごとに最適なドライバ IC の系列化 チップサイズの低減を図るため，既存の 3 µm CMOS プ ロセスから 1 µm CDMOS プロセスに変更し微細化を図っ を行い，IPM のラインアップ拡充を進めてきている。 産業分野におけるさらなる高効率化，高機能化，低価 た。微細化により MOSFET の単位面積あたりのオン抵 格化の要求に応えるため，IPM 用小型高性能ドライバ IC 抗 Ron・A を改善し，チップ面積の大きな部分を占めてい たパワー MOS 部の面積を低減した。さらに 2 層メタル配 「V-IC」を開発したので，その概要を紹介する。 線を採用し，配線抵抗を下げた。それにより R-IC に対し 概 要 チップサイズで約 40 % のシュリンクを達成した。 R-IC との互換性の維持 （ 2） V-IC は従来の R-IPM 用ドライバ IC「R-IC」を小型化 IPM の立上げ当初から現在まで，製品仕様に応じて R- し，また R-IC と互換性を持たせることにより，従来 IPM IC の系列化を進めてきており，これら製品との互換性を 製品への置き換えを可能とし，より高精度な異常検知を行 維持し置換えを可能とするため，小型ドライバ IC と R-IC う目的で EPROM 補正回路を搭載している。 の主要な電気特性であるドライブ能力や保護レベルが同一 V-IC のチップ外観写真を 図 1 に示す。本 IC は，R-IC と同じく，IGBT 駆動機能のほかに，過電流保護機能，短 となるように最適化を行っている。 EPROM 補正回路搭載による補正精度向上 （ 3） 絡保護機能，電源電圧低下保護機能，過熱保護機能，ア ドライバ IC は IGBT を最適に駆動し，さらに短絡や過 ラーム入出力機能およびソフト遮断機能を持っている。ま 熱などの異常動作時に，IGBT や周辺の制御回路がダメー た制御基板へ直接実装できるようにパッドサイズ，表裏面 ジを受けないよう的確に異常を検知し，迅速に IGBT を停 電極を最適化している。 止する。そのため V-IC では高精度な検知・制御が必要と なる。ドライバ IC の精度を向上するためには，デバイス の製造ばらつきを補正する項目を増やすことが必要であ 森 貴浩 中森 昭 山村 太久生 半導体デバイスの開発に従事。現 半導体デバイスの開発に従事。現 インテリジェントパワーモジュー 在，富士電機デバイステクロノ 在，富士電機デバイステクロノ ルの開発に従事。現在，富士電機 ジー株式会社半導体開発営業本部 ジー株式会社半導体開発営業本部 デバイステクロノジー株式会社半 開発統括部デバイス技術部。 開発統括部デバイス技術部チーム 導体開発営業本部開発統括部モ リーダー。 ジュール開発部。 395（ 15 ） 富士時報 Vol.81 No.6 2008 図 IPM 用小型ドライバ IC EPROM 補正の一例 図 入出力遅延の温度特性 2.0 1.08 t dHL - t dLH（相対値） 基準電圧回路の電圧（相対値） 特 集 1.12 1.04 1.00 0.96 0.92 0.88 1 8 16 1.0 R-IC 0 −40 補正パターン 図 V-IC 0 50 T（℃） 100 基準電圧の温度特性 図 V-IC の回路ブロック図 基準電圧の温度変化（相対値） 1.05 1.04 VCC 1.03 出力段回路 ソフト遮断回路 1.02 IN V-IC 1.01 OUT ロジック回路 PGND 1.00 0.99 R-IC 0.98 AE 0.97 AEＲ フェイル ラッチ 回路 0.96 0.95 −40 0 50 T（℃） 過電流検出回路 短絡電流保護回路 アラーム 信号 入出力回路 OC VCC 電源低下検出回路 100 過熱検出回路 EPROM 補正回路 る。従来のツェナーザップを適用した補正方式では，補正 OH 内部基準電圧回路 基準電圧補正 基準電流補正 過熱検出基準電圧補正 項目数を増加すると，それに比例してテストパッド数が増 GND えチップサイズが増加する難点があった。V-IC では，補 正項目数が増えても必要となるテストパッド数が固定の EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory） 補正回路を適用した。これにより，チップサイズを増や ている。これにより，異常検知など精度向上を実現した。 入出力遅延の温度特性改善 （ 5） ドライバ IC の主要特性の一つとして，入出力遅延特性 すことなく，補正項目数を増やして IC の精度を向上した。 補正による基準電圧の変化を図 2 に示す。補正によりプロ がある。これはドライバ IC に ON 信号を入力してから セスばらつきを回避でき，基準電圧回路特性の精度向上を IGBT がオンするまでの遅延時間 tdLH およびドライバ IC 図っている。 にオフ信号を入力してから IGBT がオフするまでの遅延 特に精度が求められる機能として，過熱保護機能がある。 時間 tdHL である。tdHL-tdLH は上下アーム IGBT の同時オン IGBT の異常な熱上昇に対しても正確に IGBT を保護する を回避するためのデッドタイムとなる。デッドタイムは， ことが必要である。この過熱保護の精度を上げるため，基 アーム短絡を防止し，かつ制御性を高めるために非常に重 準電流と基準電圧の双方に補正回路を適用している。 要な特性である。V-IC では，温度依存性が小さい遅れ回 高精度基準電圧回路の適用による温度特性改善 （ 4） IPM 内で IGBT がスイッチングの際に発する熱や IPM 路方式を採用することでデッドタイムの温度特性を改善し た。 が 設 置 さ れ る さ ま ざ ま な 温 度 に お い て も， 精 度 を 保 ち 入出力遅延の温度特性を既存品と比較したグラフを図 4 IGBT をコントロールするために，デバイスサイズおよび に示す。R-IC では変動率，約 40 % に比べ，V-IC では約 プロセス条件の最適化により温度特性を改善した。 10 % に改善している。 温度特性改善の例として，基準電圧の温度特性を図 3 に 示す。上に凸の特性を示しているが，R-IC の変動率が約 1.5% に比べて，V-IC では約 0.4% と温度依存性が改善し 396（ 16 ） . 仕 様 V-IC の回路ブロックを 図 5 に示す。絶対最大定格を 表 IPM 用小型ドライバ IC 富士時報 Vol.81 No.6 2008 ンス用 IGBT が埋め込まれている。ドライバ IC は，セン 電圧の絶対最大定格は 20 V であり，動作周囲温度は−40 ス用 IGBT に流れる電流を，ドライバ IC に内蔵した検出 〜＋125 ℃である。 抵抗に流し，その検出抵抗の電圧降下の大きさによって， IGBT に流れている電流を常時監視する。その電圧降下が . 動作説明 しきい値電圧 VOC を超え，一定期間継続すると過電流と 判定し，IGBT の動作を停止させる。この時 AE 端子から ドライバ IC の主要動作について以下に述べる。 過熱保護 （ 1） IGBT が異常な高温度に曝（さら）された場合，または 表 電気的特性（特記なき場合は T a＝25 ℃） 異常動作によって温度が上がった場合，素子破壊を防止す るために IPM の動作を停止させる。過熱保護動作のタイ ミングチャートを 図 6 に示す。ドライバ IC 側から IGBT チップ上に配置された温度検出用ダイオードに基準電流 IOH を流し，温度に比例するダイオードの順方向電圧値 用 語 記 号 内 容 Typ. 単位 電源特性 電源電流 I CCL ターンオン時電源電流 3.5 mA I CCH ターンオフ時電源電流 4.5 mA V5 内部基準電圧 5.0 V 基準電圧 VOH を監視して，過熱時にドライバ出力を停止させる。こ 内部基準電圧 の時 AE 端子からはシステムへアラーム信号が出力される。 制御信号入力 またアラーム出力状態は tALM 期間経過し，過熱保護状態 入力ローレベル しきい値電圧 V INon ターンオン入力しきい値電圧 1.35 V 入力ハイレベル しきい値電圧 V INoff ターンオフ入力しきい値電圧 1.65 V 入力端子電圧 ヒステリシス ΔV IN V INoff − V INon 0.3 V から復帰しかつ IC への入力 VIN がオフになるまで継続する。 過電流保護 （ 2） IGBT に流れた過電流を遮断して，IGBT の破壊を防ぐ 必要がある。過電流保護に関するタイミングチャートを 図 7 に示す。IGBT チップには，電流を監視するためのセ 表 絶対最大定格（特記なき場合はTa ＝25 ℃） パラメータ 電源電圧 （駆動系/制御系） 入力周波数 記 号 条 件 最小値 最大値 単位 V CC DC −0.3 20 V f ー ー 20 kHz AE端子電流 I AEmax DC ー 25 mA IN端子電圧 V INmax DC GND−0.3 V CC＋0.3 V OUT端子電圧 V OUTmax DC PGND−0.3 V CC＋0.3 V AE端子電圧 V AEmax DC GND−0.3 V CC＋0.3 V VdGNDmax DC −0.2 0.2 V OC端子電圧 V OCmax DC GND−0.3 V CC＋0.3 V OH端子電圧 V OHmax DC GND−0.3 V CC＋0.3 V 動作周囲温度 Ta ー −40 125 ℃ 接合部温度 Tj ー −40 150 ー −40 125 PGND-GND間電圧 T STG 保存温度 ターンオン遅延 時間 t dLH ターンオン時間からドライバ 出力オンまでの遅れ時間 1.5 s ターンオフ遅延 時間 t dHL ターンオフ時間からドライバ 出力オフまでの遅れ時間 1.0 s 遅延時間差 Δt d t dLH − t dHL 0.5 s VAEIN 外部アラーム入力しきい値電 圧 2.2 V VAEHYS 外部アラーム入力しきい値ヒ ステリシス電圧 1.0 V 外部アラーム 外部アラーム入力 電圧 ヒステリシス アラーム入力遅れ t dOUTAE 外部アラーム入力からソフト 時間 遮断までの遅れ時間 アラーム端子抵抗 端子説明 端子記号 制御電源 外部アラーム入力 AE アラーム出力 IN 制御信号入力 V UV 電源電圧低下検出しきい値 電圧 11.7 V リセットヒステリ シス d VUV 電源電圧低下検出しきい値 電圧ヒステリシス電圧 0.5 V ℃ 電源電圧低下検出 ・遮断遅れ時間 t dAUV 電源電圧低下検出からアラー ム出力までの遅れ時間 4.5 ℃ アラーム出力 t ALM アラーム出力ラッチ時間 2 s mV 過熱保護動作タイミングチャート V IN t dLH ソフト 遮断 t dOUTOH V OUT V OH 過電流検出信号入力 OH 過熱検出信号入力 ドライバ出力 ドライバ回路用GND V AE t dAOH t dLH V OH（復帰） V OH 制御回路用GND OC PGND kΩ 電源電圧低下保護 図 AER OUT 1.3 内 容 VCC GND 外部アラーム入力端子抵抗 （保護特性）電源電圧低下保護 アラーム保持時間 表 R AER s 10.0 t ALM V IN ：IN 端子電圧 V OUT：OUT 端子電圧 V AE ：AE 端子電圧 t dLH ：ターンオン遅延時間 ソフト 遮断 t dOUTOH V OH（復帰） V OH t dAOH t ALM t ALM ：アラーム保持時間 V OH ：過熱検出しきい値 t dAOH ：過熱検出からアラーム出力までの遅れ時間 t dOUTOH：過熱検出からＯＵＴ出力低下までの遅れ時間 397（ 17 ） 特 集 １に，端子説明を表 2 に，電気的特性を表 3 に示す。電源 富士時報 Vol.81 No.6 2008 図 IPM 用小型ドライバ IC 過電流保護動作タイミングチャート 図 V UVH 特 集 V IN t dLH t dHL ソフト 遮断 t dOUTOC V OUT V OCth V OC V AE t dAOC V IN ：IN 端子電圧 V OUT：OUT 端子電圧 V AE ：AE 端子電圧 t dLH ：ターンオン遅延時間 t dHL ：ターンオフ遅延時間 図 電源電圧低下保護タイミングチャート t ALM ソフト 遮断 t dOUTOC t dAOC t ALM t ALM ：アラーム保持時間 V OC ：過電流検出電圧 t dAOC ：過電流検出からアラーム出力までの遅れ時間 t dOUTOC：過電流検出からＯＵＴ出力低下までの遅れ時間 V OCth ：過電流検出しきい値 V CC V UV V IN t dLH t dHL V OUT V AE t dAUV V CC ：電源電圧 V IN ：IN 端子電圧 V OUT：OUT 端子電圧 V AE ：AE 端子電圧 t dLH ：ターンオン遅延時間 t dHL ：ターンオフ遅延時間 V UVH V UV ソフト 遮断 t dOUTUV t ALM t dAUV ソフト 遮断 t dOUTUV t ALM t ALM V UV V UVH t dAUV ：アラーム保持時間 ：電源電圧低下保護しきい値 ：電源電圧低下保護復帰しきい値 ：電源電圧低下検出からアラーム出力までの 遅れ時間 V dOUTUV：電源電圧低下検出から OUT 出力低下までの 遅れ時間 短絡保護動作タイミングチャート V IN t dLH 熱保護・過電流保護・電源電圧低下保護の各機能が動作し t dHL た場合，アラーム信号を外部に伝達することである。もう V OUT V OC 一つは，外部からの IGBT 駆動・停止信号をドライバ IC V SCth V AE に伝達することである。 ソフト遮断 （ 6） V IN ：IN 端子電圧 V OUT：OUT 端子電圧 V AE ：AE 端子電圧 t dLH ：ターンオン遅延時間 t dHL ：ターンオフ遅延時間 V SCth：短絡検出しきい値 V OC ：過電流検出電圧 ドライバ IC は，上記の過熱保護・過電流保護・電源電 圧低下保護機能が動作すると，IGBT を停止する。停止の 際，ドライバ IC が IGBT のゲート電圧を急激に低下させ ると，IGBT に流れる電流も急激に変化し，主回路側の配 外部へアラーム信号が出力される。またアラーム出力状態 線インダクタンスに過大なサージ電圧が発生し，IGBT が は tALM 期間経過し，過電流保護状態から復帰しかつ IC の 過電圧破壊する可能性がある。これを避けるため，ドライ 入力 VIN がオフになるまで継続する。 バ IC は保護機能が動作すると，IGBT のゲート電圧を高 短絡保護 （ 3） 抵抗で遮断する。 短絡保護時のタイミングチャートを 図 8 に示す。IGBT がスイッチング中，突発的短絡が発生し，大電流が流れた あとがき 場合，過電流保護による IGBT 停止よりも前に IGBT が破 壊する可能性がある。そのためドライバ IC は，検出抵抗 の電圧降下が VOC より高い電圧に設定されているしきい 値電圧 VSCth を超えると，瞬時に IC の出力電流を抑制し， 産業用途の IGBT を駆動する小型ドライバ IC の概要を 紹介した。 V-IC は，富士電機が長年市場に提供してきた IPM に搭 IGBT の出力電流を制限する。検出抵抗の電圧降下が VSC 載されている R-IC と互換性がある。今後，ますます増加 を下まわり，短絡状態が解除されると，IGBT は通常のス する産業分野での IPM へのニーズに迅速に対応すること イッチング動作に戻る。 で市場要求を満足し，年々 IPM に対するコスト・特性・ 電源電圧低下保護 （ 4） ドライバ IC の電源電圧 VCC が低下した場合，IGBT は ゲート電圧不足となり定常損失が急激に増加するため，ス 機能面での要求が高まる中，富士電機ではドライバ IC の 性能向上を行い，お客様の要求にマッチした製品の開発に 取り組んでいく所存である。 イッチング動作を続けるとチップ温度が上昇し素子破壊す る可能性がある。そのため電源電圧がしきい値電圧 VUVth 参考文献 を下回ると，システムへアラームを出力し IGBT の動作を WSTS. 2008 年春季半導体市場予測． （ 1） 停止する保護機能を持っている。電源電圧保護状態は，ア 藤平龍彦，重兼寿夫．半導体の現状と展望．富士時報． （ 2） ラーム出力状態が tALM 期間経過し，電源電圧が復帰 VUVH し，かつドライバ IC の入力 VIN がオフになるまで継続す る。電源電圧低下時のタイミングチャートを図 9 に示す。 アラーム入出力 （ 5） アラーム端子には二つの機能がある。一つは，上記の過 398（ 18 ） vol.80, no.6, 2007, p.380-384. 山口厚司ほか．中・大容量 R シリーズ IGBT-IPM．富士 （ 3） 時報．vol.71, no.2, 1998, p.101-105. 西尾実ほか．ハイブリッド車用 IGBT 駆動 IC「Fi007」 ． （ 4） 富士時報．vol.80, no.6, 2007, p.406-409. ＊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。