JP6855998B2 - 車載用の半導体スイッチ装置及び車載用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、車載用の半導体スイッチ装置及び車載用電源装置に関するものである。

特許文献１には、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータを備えた車載用電源装置の一例が開示されている。この降圧ＤＣ／ＤＣコンバータは、ハイサイドパルスに基づいてハイサイド側のスイッチングトランジスタをスイッチングするドライバを備えており、ドライバの下側電源端子は、ハイサイド側のスイッチングトランジスタのソースに接続されている。なお、特許文献１の構成では、ハイサイド側のスイッチングトランジスタがＮチャンネル型の構成をなしており、このスイッチングトランジスタのゲートに対し、ドレイン及びソースよりも高い電圧を印加するために、ブートストラップ回路を備えている。

特開２０１７−９３１５８号公報 特開２０１５−１５４５９１号公報

ところで、車載用の電源装置に用いられる半導体スイッチ装置（ＦＥＴやバイポーラトランジスタなど）は、半導体チップをモールド樹脂などの封止材によって封止したパッケージ構造をなすものが広く知られている。例えば、図８で示す半導体スイッチ装置Ｄｖは、半導体パッケージＰａとその周辺配線を有してなるものであり、半導体パッケージＰａは、ＦＥＴ（field effect transistor）素子として構成された半導体スイッチ素子Ｃｐ（半導体チップ）が封止樹脂によって被覆された半導体パッケージとして構成されている。この半導体パッケージＰａは、半導体スイッチ素子Ｃｐのソースに電気的に接続され複数のソース端子Ｓｐ１，ＳＰ２，Ｓｐ３と、ドレインに電気的に接続された複数のドレイン端子Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３，Ｄｐ４と、ゲートに電気的に接続されたゲート端子Ｇｐと、を備え、これらの端子が封止樹脂の外側に露出した構成をなす。

半導体パッケージＰａ（ＦＥＴ）を導電路のスイッチとして使用する場合、図８のように、複数のソース端子Ｓｐ１，ＳＰ２，Ｓｐ３の全てをソース側の導電路Ｌ２に連結する構成が一般的となっている。また、半導体パッケージＰａ（ＦＥＴ）をゲートドライバによって駆動する場合、図８のようにソース側の導電路Ｌ２に接続されたドライバ側の導電路Ｌ３をゲートドライバと接続することにより、ソース電圧をゲートドライバに入力し得る構成となる。なお、同様の構成は、特許文献１、２にも開示されており、これらの文献には、ハイサイド側のＦＥＴのソース側導電路をゲートドライバと電気的に接続した構成が開示されている。

しかし、図８のように構成した場合、半導体スイッチ素子Ｃｐのソースとゲートドライバ側導電路Ｌ３の間の経路Ｂｓに、全てのソース端子Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｐ３及び全ての分岐路Ｂｒ１，Ｂｒ２，Ｂｒ３が介在することになる。図９で概念的に示すように、この経路Ｂｓ（半導体スイッチ素子Ｃｐのソースと位置Ｐ２の間の経路）のインダクタンス成分（寄生インダクタンス）をＬｓとした場合、この経路Ｂｓには、インダクタンス成分Ｌｓとドレイン電流ｉの時間的変化ｄｉ／ｄｔとに基づく逆起電力Ｌｓ・ｄｉ／ｄｔが生じることになる。従って、半導体スイッチ素子Ｃｐのゲートとゲートドライバ側導電路Ｌ３の電位差Ｖｄｒは、半導体スイッチ素子Ｃｐのゲートソース間電圧Ｖｇｓから、逆起電力分（Ｌｓ・ｄｉ／ｄｔ）を減じた値（Ｖｄｒ＝Ｖｇｓ−Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）となる。このように、半導体スイッチ素子Ｃｐのゲートとゲートドライバ側導電路Ｌ３の電位差Ｖｄｒは、インダクタンス成分Ｌｓ（寄生インダクタンス）に起因する逆起電力の影響を受けるため、ゲートドライバによって半導体スイッチ素子Ｃｐ（ＦＥＴ素子）を駆動する上で、スイッチング時間が増大したり、オンオフ動作の安定性が損なわれたりする懸念がある。

本発明は、上述した課題の少なくとも一つを解決するためになされたものであり、車載用の半導体スイッチ装置を駆動する上で、オンオフ動作が安定的に行われやすく、スイッチング時間の増大を招きにくい構成を実現することを目的とするものである。

本発明の一つである車載用の半導体スイッチ装置は、
車載用の駆動回路から出力されるオン信号及びオフ信号によってオンオフが制御され、第１導電路と第２導電路との間においてオン状態とオフ状態とに切り替わる車載用の半導体スイッチ装置であって、
半導体材料を有してなる第１半導体部と、前記第１半導体部とは異なる位置に配置されるとともに半導体材料を有してなる第２半導体部と、前記駆動回路から前記オン信号及び前記オフ信号が入力される部位である入力部と、を備えるとともに、前記入力部に前記オン信号が入力された場合に前記オン状態となり、前記入力部に前記オフ信号が入力された場合に前記オフ状態となる半導体スイッチ素子と、
前記第１半導体部に電気的に接続された少なくとも１つの第１端子と、
前記第２半導体部に電気的に接続された複数の第２端子と、
前記入力部に電気的に接続された少なくとも１つの第３端子と、
を有し、
前記第１端子は、前記第１導電路に接続され、
複数の前記第２端子のうち、一部のみが前記第２導電路に連結されており、残余の少なくとも一つは、前記駆動回路に電気的に接続された駆動回路側導電路に連結されている。

本発明の一つである車載用電源装置は、
上記半導体スイッチ装置と、
１以上のスイッチ部のスイッチング動作により、一の導電路に印加された電圧を昇圧又は降圧して他の導電路に印加する電圧変換部と、
を含み、
少なくともいずれかのスイッチ部が、半導体スイッチ装置によって構成されている。

本発明において、半導体スイッチ装置は、駆動回路から出力されるオン信号及びオフ信号によってオンオフが制御され、第１導電路と第２導電路との間においてオン状態とオフ状態とに切り替わる構成をなす。そして、第２半導体部に電気的に接続された複数の第２端子のうち、一部のみが第２導電路に連結され、残余の少なくとも一つが駆動回路側導電路（駆動回路に電気的に接続された導電路）に連結されている。このような構成であるため、第２半導体部と駆動回路側導電路の間の経路において、大きな電流が流れる区間がより短くなり、寄生インダクタンスに起因する逆起電力をより抑えることができる。よって、車載用の半導体スイッチ装置を駆動する上で、オンオフ動作が安定的に行われやすく、スイッチング時間の増大を招きにくい。

実施例１の車載用の半導体スイッチ装置を概略的に例示する説明図である。 図１の半導体スイッチ装置を構成する半導体パッケージを概略的に例示する平面図である。 図２の半導体パッケージを基板に取り付けた構造を概略的に例示する側面図である。 図２の半導体パッケージにおける半導体スイッチ素子の内部構造を概念的に示す断面概念図である。 図１の半導体スイッチ装置について、寄生インダクタンスを反映した等価回路を示す回路図である。 図１の半導体スイッチ装置を備えた車載用電源装置及びその他の部品を有する車載用電源システムを概略的に例示する回路図である。 図６で示す車載用電源装置における半導体スイッチ装置及び駆動回路などの接続構成を例示する回路図である。 比較例としての半導体スイッチ装置を概略的に例示する説明図である。 図８の半導体スイッチ装置について、寄生インダクタンスを反映した等価回路を示す回路図である。 他の実施例の車載用の半導体スイッチ装置を概略的に例示する説明図である。

ここで、発明の望ましい例を示す。
複数の第２端子は、同一の導電性部材によって構成されるとともに一体的に連結された構成であってもよい。

この半導体スイッチ装置は、複数の第２端子が同一の導電性部材によって構成され且つ一体的に連結された構成をなしていても、第２半導体部と駆動回路側導電路の間の経路において、大きな電流が流れる区間がより短くなり、寄生インダクタンスに起因する逆起電力をより抑えることができる。

上記半導体スイッチ装置において、半導体スイッチ素子は、第１半導体部と第２半導体部との間に第３半導体部が設けられていてもよい。そして、半導体スイッチ素子は、入力部にオン信号が入力された場合に第１半導体部と第２半導体部との間において第３半導体部を介して電流が流れ、入力部にオフ信号が入力された場合に第３半導体部を介して電流が流れない構成となっていてもよい。そして、複数の第２端子のうち第３半導体部までの経路の長さが最も短い端子が駆動回路側導電路に連結されていてもよい。

このように、複数の第２端子のうち第３半導体部までの経路の長さが最も短い端子が駆動回路側導電路に連結されていれば、駆動回路側導電路に連結される第２端子から第３半導体部までの経路がより短くなる。よって、この半導体スイッチ装置は、駆動回路側導電路に連結される第２端子から第３半導体部までの経路の寄生インダクタンスがより一層抑えられた構成となり、オンオフ動作の安定化及びスイッチング時間の抑制を図る上でより一層有利な構成となる。

複数の第２端子は、駆動回路側導電路に連結される端子の数よりも第２導電路に連結される端子の数のほうが多くなっていてもよい。

このように構成された半導体スイッチ装置は、第２半導体部と駆動回路側導電路の間の経路において寄生インダクタンスに起因する逆起電力を抑えるとともに、その一方で、第２半導体部と第２導電路の間の寄生インダクタンスをより抑えることができる。

複数の第２端子は、第２導電路に連結される端子の数よりも駆動回路側導電路に連結される端子の数のほうが多くなっていてもよい。

このように構成された半導体スイッチ装置は、第２半導体部と駆動回路側導電路の間の経路において、大きな電流が流れる経路の短縮化によって寄生インダクタンスに起因する逆起電力を抑えるだけでなく、より多くの第２端子が駆動回路側導電路に連結される構成により、第２半導体部と駆動回路側導電路の間の寄生インダクタンスをより一層抑えることができる。

上述した車載用電源装置において、電圧変換部は、ハイサイド側のスイッチ部とローサイド側のスイッチ部又はダイオードとが一の導電路及び他の導電路の一方側とグラウンドとの間に直列に接続される構成をなしていてもよい。ハイサイド側のスイッチ部が、半導体スイッチ装置によって構成されていてもよい。

車載用電源装置の電圧変換部において、ハイサイド側のスイッチ部は、寄生インダクタンスに起因するスイッチング時間の増大の問題が生じやすいため、上述の半導体スイッチ装置をハイサイド側のスイッチ部に適用すると一層効果的である。

＜実施例１＞
以下、本発明を具体化した実施例１について説明する。
図１〜図３で示す半導体スイッチ装置１０は、例えば、図６で示す後述の車載用電源装置２（以下、電源装置２ともいう）において電圧変換部３のスイッチ部（例えばハイサイド側のスイッチ部）などとして用いられる。図６の例では、半導体スイッチ装置１０は、車載用の駆動回路５Ｂ（以下、駆動回路５Ｂともいう）から出力されるオン信号及びオフ信号によってオンオフが制御され、第１導電路６１と第２導電路６２との間においてオン状態とオフ状態とに切り替わる構成をなす。なお、電源装置２の構成及び動作については後述する。

図１〜図３で示すように、半導体スイッチ装置１０は、例えばＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）などとして構成される半導体パッケージ１０Ａと、半導体パッケージ１０Ａの各端子に連結される配線部（第２導電路６２、駆動回路側導電路５２のそれぞれの一部）とを有してなる。半導体パッケージ１０Ａは、半導体スイッチ素子２０と、複数の第１端子１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄと、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと、第３端子１３と、を備える。図３の例では、半導体パッケージ１０Ａが、基板Ｂに対して表面実装方式で実装されており、複数の第１端子１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ、第３端子１３は、基板Ｂの表面部Ｂａに形成された配線パターンに対しはんだ付けによってそれぞれ接合されている。

図２、図３に示すように、半導体パッケージ１０Ａは、金属材料からなる複数のリード部材２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを備えており、リード部材２１Ａの中央部にダイパッド２３が設けられ、半導体チップとして構成された半導体スイッチ素子２０がダイパッド２３に搭載され、ダイパッド２３及び半導体スイッチ素子２０が封止樹脂２４によって覆われるとともに、リード部材２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃのそれぞれの一部が封止樹脂２４の外側に露出したパッケージ構成をなす。

半導体スイッチ素子２０は、例えば、ＦＥＴ（field effect transistor）として構成された半導体チップからなり、図４で概略的に示すような断面構造をなす。図４のように、半導体スイッチ素子２０は、半導体材料を有してなる第１半導体部１４Ａと、第１半導体部１４Ａとは異なる位置に配置されるとともに半導体材料を有してなる第２半導体部１５Ａと、駆動回路５Ｂからオン信号及びオフ信号が入力される部位である入力部１６Ａと、を備える。第１半導体部１４Ａは、ＦＥＴのドレインとして機能するＮ型半導体領域の部分であり、第２半導体部１５Ａは、ＦＥＴのソースとして機能するＮ型半導体領域の部分である。第１半導体部１４Ａと第２半導体部１５Ａの間には、Ｐ型半導体領域１８が構成されており、Ｐ型半導体領域１８の一部がＦＥＴのチャネルとして機能する。Ｐ型半導体領域１８のうち、チャネルとして機能する部分が第３半導体部１８Ａである。入力部１６Ａは、ゲート電極として機能する部分である。

半導体スイッチ素子２０（半導体チップ）の表面側には、第２半導体部１５Ａに接触する構成で導電性の電極層として構成されたソース電極１５Ｂが設けられている。また、半導体スイッチ素子２０（半導体チップ）の表面側には、ソース電極１５Ｂの領域から外れた位置に導電性の電極層として構成された入力部１６Ａ（ゲート電極）が設けられている。半導体スイッチ素子２０の裏面側には、第１半導体部１４Ａに接触する構成でドレイン電極１４Ｂが設けられている。ドレイン電極１４Ｂはダイパッド２３に圧着されている。入力部１６Ａ（ゲート電極）の周囲には、第１半導体部１４Ａ、第２半導体部１５Ａ、Ｐ型半導体領域１８から入力部１６Ａを絶縁する構成で、絶縁膜１７が設けられている。

ドレイン電極１４Ｂが接合されるダイパッド２３は、リード部材２１Ａの一部をなし、複数の第１端子１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄと一体的に形成されている。第１端子１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄは、第１半導体部１４Ａに電気的に接続された端子である。ゲート電極として構成された入力部１６Ａは、ボンディングワイヤ２２Ｃを介してリード部材２１Ｃに電気的に接続されている。図２等で示す例では、リード部材２１Ｃが第３端子１３（入力部１６Ａに電気的に接続された端子）として構成されている。ソース電極１５Ｂは、複数のボンディングワイヤ２２Ｂを介してリード部材２１Ｂに電気的に接続されている。リード部材２１Ｂは、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが形成された金属部材である。第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、第２半導体部１５Ａに電気的に接続された端子である。図２等で示す例では、第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが同一の導電性部材（リード部材２１Ｂを構成する金属部材）によって構成されるとともに一体的に連結された構成をなす。図１〜図３で示す例では、複数の第１端子１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ、及び第３端子１３のそれぞれの一部が封止樹脂２４の外側に露出した構成をなす。

図１の例では、複数の第１端子１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄはいずれも、第１導電路６１に連結された構成で第１導電路６１に電気的に接続されている。第１導電路６１は、例えば、図３で示す基板Ｂの表面部Ｂａに形成された第１の配線パターンを有しており、複数の第１端子１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄの全てが、この第１の配線パターンに対してはんだ付けによって接合されている。

図１の例では、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうち、一部（第２端子１２Ａ，１２Ｂ）のみが第２導電路６２に連結されており、残余の一つ（第２端子１２Ｃ）は、駆動回路５Ｂに電気的に接続された駆動回路側導電路５２に連結されている。第２導電路６２は、例えば、基板Ｂの表面部Ｂａに形成された第２の配線パターンを有しており、この第２の配線パターンに対し第２端子１２Ａ，１２Ｂがはんだ付けによって接合されている。また、駆動回路側導電路５２は、図３で示す基板Ｂの表面部Ｂａに形成された第３の配線パターンを有しており、この第３の配線パターンに対して第２端子１２Ｃがはんだ付けによって接合されている。図１の例では、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃにおいて、駆動回路側導電路５２に連結される端子の数よりも第２導電路６２に連結される端子の数のほうが多くなっている。

図１のように、半導体パッケージ１０Ａは、一端側が第２半導体部１５Ａに電気的に接続される共通導電路３２と、共通導電路３２の他端側において分岐した構造で設けられる複数の分岐導電路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃとを備える。分岐導電路３３Ａには第２端子１２Ａが設けられ、分岐導電路３３Ｂには第２端子１２Ｂが設けられ、分岐導電路３３Ｃには第２端子１２Ｃが設けられている。そして、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうち、共通導電路３２までの経路の長さが最も短い端子（第２端子１２Ｃ）が駆動回路側導電路５２に連結されている。更に、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうち第３半導体部１８Ａまでの経路の長さが最も短い端子（即ち、入力部１６Ａまでの経路の長さが最も短い端子）である第２端子１２Ｃが駆動回路側導電路５２に連結されていてもよい。具体的には、第３半導体部１８Ａ（チャネル領域）から第２半導体部１５Ａ（ソース領域）及びボンディングワイヤ２２Ｂを経由して第２端子１２Ａまで電流が流れるときの最短の電流経路（第１経路）と、第３半導体部１８Ａから第２半導体部１５Ａ及びボンディングワイヤ２２Ｂを経由して第２端子１２Ｂまで電流が流れるときの最短の電流経路（第２経路）と、第３半導体部１８Ａから第２半導体部１５Ａ及びボンディングワイヤ２２Ｂを経由して第２端子１２Ｃまで電流が流れるときの最短の電流経路（第３経路）とを比較すると、第３経路が最も短くなっており、この第３経路の端子である第２端子１２Ｃを駆動回路側導電路５２に連結している。具体的には、第２端子１２Ａにおいて第２導電路６２に接合される接合面の中心位置をＰｔ１、第２端子１２Ｂにおいて、第２導電路６２に接合される接合面の中心位置をＰｔ２、第２端子１２Ｃにおいて、駆動回路側導電路５２に接合される接合面の中心位置をＰｔ３とした場合、第３半導体部１８Ａの端部Ｐｃ１（導電部材であるボンディングワイヤ２２Ｂに最も近い位置）と位置Ｐｔ１との間でボンディングワイヤ２２Ｂを経由して電流が流れるときの最短経路が第１経路であり、端部Ｐｃ１と位置Ｐｔ２との間でボンディングワイヤ２２Ｂを経由して電流が流れるときの最短経路が第２経路であり、端部Ｐｃ１と位置Ｐｔ３との間でボンディングワイヤ２２Ｂを経由して電流が流れるときの最短経路が第３経路である。そして、第３経路が最も短くなっている。

図１の例では、第３端子１３が信号線５１に連結され、入力部１６Ａ（ゲート電極）と信号線５１とが電気的に接続されている。信号線５１は、駆動回路５Ｂによってオン信号又はオフ信号が印加される配線部であり、図３で示す基板Ｂの表面部Ｂａに形成された信号線用の配線パターンを有している。第３端子１３は、この信号線用の配線パターンに対してはんだ付けによって接合されている。

このように構成された半導体スイッチ装置１０は、入力部１６Ａ（ゲート電極）にオン信号が入力された場合に半導体スイッチ素子２０がオン状態となり、入力部１６Ａにオフ信号が入力された場合に半導体スイッチ素子２０がオフ状態となる。オン信号は、少なくとも半導体スイッチ素子２０のゲートソース間電圧Ｖｇｓがゲート閾値電圧Ｖｇｓ（ｔｈ）よりも大きくなる信号であり、例えば、半導体スイッチ素子２０をオン状態に切り替えうる所定電圧のＨレベル信号である。オフ信号とは、少なくとも半導体スイッチ素子２０のゲートソース間電圧Ｖｇｓがゲート閾値電圧Ｖｇｓ（ｔｈ）よりも小さくなる信号であり、例えば、半導体スイッチ素子２０をオフ状態に切り替えうる所定電圧のＬレベル信号である。例えば、後述する駆動回路５Ｂ（図６）によって入力部１６Ａ（ゲート電極）にオン信号が入力された場合には、第１半導体部１４Ａ（ドレイン領域）と第２半導体部１５Ａ（ソース領域）の間に設けられた第３半導体部１８Ａがチャネル領域として機能し、第１半導体部１４Ａと第２半導体部１５Ａとの間において第３半導体部１８Ａを介して電流が流れる。一方、入力部１６Ａ（ゲート電極）にオフ信号が入力された場合には、第３半導体部１８Ａがチャネル領域として機能せず、第１半導体部１４Ａと第２半導体部１５Ａとの間において第３半導体部１８Ａを経由する電流は生じなくなる。

図１、図２で示すように、半導体スイッチ装置１０は、第２半導体部１５Ａに電気的に接続された複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうち、一部（第２端子１２Ａ，１２Ｂ）のみが第２導電路６２に連結され、残余の一つ（第２端子１２Ｃ）が駆動回路側導電路５２に連結されている。このような構成であるため、半導体スイッチ素子２０のオン動作により、図１、図５のように第１導電路６１と第２導電路６２との間で電流Ｉｓが流れた場合、第２半導体部１５Ａと駆動回路側導電路５２の間の経路において電流Ｉｓが流れる経路は共通導電路３２のみとなるため、大きな電流が流れる区間がより短くなり、この経路において、寄生インダクタンスに起因する逆起電力をより抑えることができる。よって、駆動回路側導電路５２の電圧を駆動回路５Ｂに入力して半導体スイッチ装置１０を駆動する上で、オンオフ動作が安定的に行われやすく、スイッチング時間の増大を招きにくくなる。なお、図５では、位置Ｐ１（共通導電路３２の端部）から第２導電路６２側の寄生インダクタンスをＬｓ１とし、位置Ｐ１から駆動回路側導電路５２側の寄生インダクタンスをＬｓ２としている。また、入力部１６Ａ（ゲート電極）から信号線５１側の寄生インダクタンスをＬｇ１とし、第１半導体部１４Ａ（ドレイン領域）から第１導電路６１側の寄生インダクタンスをＬｄ１としている。

次に、上述した半導体スイッチ装置１０を用いた電源装置２について説明する。
図６で示す車載用の電源システム１は、車載用の電源部として構成される第１電源部９１及び第２電源部９２と、降圧型ＤＣＤＣコンバータとして構成される電源装置２とを備え、車両に搭載された負荷９４に電力を供給し得るシステムとして構成されている。負荷９４は、公知の車載用電気部品であり、その種類や数は限定されない。

第１電源部９１は、例えば、リチウムイオン電池、或いは電気二重層キャパシタ等の蓄電手段によって構成され、第１の所定電圧を発生させるものである。第１電源部９１の高電位側の端子は、車両内に設けられた配線部８１に電気的に接続されており、第１電源部９１は、配線部８１に対して所定電圧を印加する。配線部８１は、電源装置２の一の導電路７１（以下、単に導電路７１ともいう）に電気的に接続されている。導電路７１は、上述した第１導電路６１として機能する導電路である。

第２電源部９２は、例えば、鉛蓄電池等の蓄電手段によって構成され、第１電源部９１で発生する第１の所定電圧よりも低い第２の所定電圧を発生させるものである。第２電源部９２の高電位側の端子は、車両内に設けられた配線部８２に電気的に接続されており、第２電源部９２は、配線部８２に対して所定電圧を印加する。配線部８２は、電源装置２の他の導電路７２（以下、単に導電路７２ともいう）に電気的に接続されている。

グラウンド９３は、車両のグラウンドとして構成され、一定のグラウンド電位（０Ｖ）に保たれている。このグラウンド９３は、第１電源部９１の低電位側の端子及び第２電源部９２の低電位側の端子と電気的に接続され、更に、後述する半導体スイッチ装置４０のソースにも電気的に接続されている。

電源装置２は、車載用の降圧型ＤＣＤＣコンバータとして構成され、入力側の導電路（導電路７１）に印加された直流電圧を降圧して出力側の導電路（導電路７２）に出力する構成をなす。電源装置２は、主として、導電路７１、導電路７２、電圧変換部３、制御部５、電圧検出回路９、電流検出部７などを備える。

入力側の導電路７１は、相対的に高い電圧が印加される一次側（高圧側）の電源ラインとして構成され、配線部８１を介して第１電源部９１の高電位側の端子に電気的に接続されるとともに、第１電源部９１から所定の直流電圧が印加される構成をなす。出力側の導電路７２は、相対的に低い電圧が印加される二次側（低圧側）の電源ラインとして構成され、配線部８２を介して第２電源部９２の高電位側の端子に電気的に接続されるとともに、第２電源部９２から第１電源部９１の出力電圧よりも小さい直流電圧が印加される構成をなす。

電圧変換部３は、導電路７１と導電路７２との間に設けられ、導電路７１に接続された上述の半導体スイッチ装置１０（以下スイッチ装置１０ともいう）によって構成されるハイサイド側の第１スイッチ部と、導電路７１とグラウンド９３（導電路７１の電位よりも低い所定の基準電位に保たれる導電路）との間に接続された半導体スイッチ装置４０（以下、スイッチ装置４０ともいう）によって構成されるローサイド側の第２スイッチ部と、スイッチ装置１０及びスイッチ装置４０と導電路７２との間に電気的に接続されたインダクタ３Ａとを備える。この例では、ハイサイド側の第１スイッチ部（スイッチ装置１０）とローサイド側の第２スイッチ部（スイッチ装置４０）とが一の導電路７１とグラウンド９３との間に直列に接続されている。電圧変換部３は、スイッチング方式の降圧型ＤＣＤＣコンバータの要部をなし、スイッチ装置１０のオン動作とオフ動作との切り替えによって導電路７１に印加された電圧を降圧して導電路７２に出力する降圧動作を行い得る。

スイッチ装置１０及びスイッチ装置４０のいずれも、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴとして構成された半導体スイッチ素子（半導体チップ）を備える。ハイサイド側のスイッチ装置１０のドレインには、導電路７１（第１導電路６１）の一端が電気的に接続され、ソースには、第２導電路６２が電気的に接続されるとともに第２導電路６２を介してローサイド側のスイッチ装置４０のドレイン及びインダクタ３Ａの一端が電気的に接続される。スイッチ装置１０のゲートには信号線５１が電気的に接続され、このゲートに対して駆動回路５Ｂ（ゲートドライバ）からのオン信号（駆動信号）及びオフ信号（非駆動信号）が入力されるようになっている。スイッチ装置１０は、駆動回路５Ｂからの信号に応じてオン状態とオフ状態とに切り替わるようになっている。

ローサイド側のスイッチ装置４０のドレインは第１導電路６３に電気的に接続され、第１導電路６３を介してスイッチ装置１０のソース及びインダクタ３Ａの一端に電気的に接続されている。スイッチ装置４０のソースは第２導電路６４に電気的に接続され、第２導電路６４を介してグラウンド９３に電気的に接続されている。スイッチ装置４０のゲートには信号線５３が電気的に接続され、このゲートに対して駆動回路５Ｂ（ゲートドライバ）からのオン信号（駆動信号）及びオフ信号（非駆動信号）が入力されるようになっている。スイッチ装置４０は、駆動回路５Ｂからの信号に応じてオン状態とオフ状態とに切り替わるようになっている。

インダクタ３Ａは、スイッチ装置１０とスイッチ装置４０との間の接続部に一端が接続され、他端は、導電路７２（具体的には、導電路７２において、電流検出部７よりも電圧変換部３側の部分）に接続されている。電流検出部７は、抵抗器７Ａ及び差動増幅器７Ｂを有し、導電路７２を流れる電流を示す値（具体的には、導電路７２を流れる電流の値に応じたアナログ電圧）を制御回路５Ａに入力する。電圧検出回路９は、導電路７２に接続されるとともに導電路７２の電圧に応じた値を制御回路５Ａに入力する構成をなす。電圧検出回路９は、導電路７２の電圧を示す値を制御回路５Ａに入力し得る公知の電圧検出回路であればよく、例えば、導電路７２の電圧を分圧して制御回路５Ａに入力するような分圧回路として構成されている。

制御部５は、制御回路５Ａと駆動回路５Ｂとを備える。制御回路５Ａは、例えば、マイクロコンピュータとして構成され、様々な演算処理を行うＣＰＵ、プログラム等の情報を記憶するＲＯＭ、一時的に発生した情報を記憶するＲＡＭ、入力されたアナログ電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器などを備える。制御回路５Ａは、電圧変換部３に降圧動作を行わせる場合に、電圧検出回路９によって導電路７２の電圧を検出しながら、導電路７２に印加される電圧を設定された目標値に近づけるようにフィードバック演算を行い、ＰＷＭ信号を発生させる。

図６、図７で示す駆動回路５Ｂは、ゲートドライバとして構成され、制御回路５Ａから与えられたＰＷＭ信号に基づいて、スイッチ装置１０及びスイッチ装置４０のそれぞれを各制御周期で交互にオンするためのオン信号を、スイッチ装置１０及びスイッチ装置４０のゲートに印加する。スイッチ装置１０のゲートに印加されるオン信号は、スイッチ装置４０のゲートに与えられるオン信号に対して位相が略反転しており且つ所謂デッドタイムが確保されたオン信号が与えられる。図７のように、駆動回路５Ｂは、半導体スイッチ素子２０のソースと半導体スイッチ素子４０Ａのドレインとの間の導電路に電気的に接続された駆動回路側導電路５２から電圧が入力されるようになっており、駆動回路側導電路５２に入力された電圧に基づき、半導体スイッチ素子２０をオンさせるオン信号及びオフさせるオフ信号を生成する上アーム側回路を備える。また、駆動回路５Ｂは、半導体スイッチ素子４０Ａのソースとグラウンド９３との間の導電路に電気的に接続された駆動回路側導電路５４から電圧が入力されるようになっており、駆動回路側導電路５４に入力された電圧に基づき、半導体スイッチ素子４０Ａをオンさせるオン信号及びオフさせるオフ信号を生成する下アーム側回路を備える。なお、図６では、駆動回路側導電路５２，５４などを省略して示している。

このように構成される電源装置２は、同期整流方式の降圧型ＤＣＤＣコンバータとして機能し、ハイサイド側のスイッチ装置１０のオンオフを切り替えるとともに、ローサイド側のスイッチ装置４０のオン動作とオフ動作との切り替えを、ハイサイド側のスイッチ装置１０の動作と同期させて相補的に行うことで、導電路７１に印加された直流電圧を降圧し、導電路７２に出力する。導電路７２の出力電圧は、スイッチ装置１０のゲートに与えるＰＷＭ信号のデューティ比に応じて定まる。

なお、上述した説明では、電源装置２のハイサイド側のスイッチ部として半導体スイッチ装置１０を設けた例を示したが、ローサイド側のスイッチ部を、半導体スイッチ装置１０と同様の接続構成としてもよい。例えば、図６の構成において、半導体スイッチ装置４０を図１〜図３等で示す半導体スイッチ装置１０と同様の構成とした場合、図７のように構成することができ、この場合、半導体スイッチ素子４０Ａを半導体スイッチ素子２０と同様の構成とし、半導体スイッチ装置４０に設けられたゲート端子（第３端子１３と同様の端子）を駆動回路５Ｂからの信号線５３に接合し、半導体スイッチ装置４０に設けられたドレイン端子（第１端子１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄと同様の端子）を第１導電路６３に接合し、半導体スイッチ装置４０に設けられたソース端子の一部（第２端子１２Ａ，１２Ｂと同様の端子）を第２導電路６４に接合し、半導体スイッチ装置４０に設けられたソース端子の残余（第２端子１２Ｃと同様の端子）を駆動回路側導電路５４に接合する構成とすればよい。

以下において、本構成の効果を例示する。
半導体スイッチ装置１０は、駆動回路５Ｂから出力されるオン信号及びオフ信号によってオンオフが制御され、第１導電路６１と第２導電路６２との間においてオン状態とオフ状態とに切り替わる構成をなす。そして、第２半導体部１５Ａに電気的に接続された複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうち、一部のみが第２導電路６２に連結され、残余の少なくとも一つが駆動回路側導電路５２（駆動回路５Ｂに電気的に接続された導電路）に連結されている。このような構成であるため、第２半導体部１５Ａと駆動回路側導電路５２の間の経路において、大きな電流が流れる区間がより短くなり、寄生インダクタンスに起因する逆起電力をより抑えることができる。よって、半導体スイッチ装置１０を駆動する上で、オンオフ動作が安定的に行われやすく、スイッチング時間の増大を招きにくい。

また、半導体スイッチ装置１０は、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが同一の導電性部材によって構成され且つ一体的に連結された構成をなすものにおいて、第２半導体部１５Ａと駆動回路側導電路５２の間の経路で寄生インダクタンスの影響が大きくなる区間（大きな電流が流れ得る区間）をより短くすることができ、寄生インダクタンスに起因する逆起電力をより抑えることができる。

また、半導体スイッチ装置１０は、一端側が第２半導体部１５Ａに電気的に接続される共通導電路３２と、共通導電路３２の他端側において分岐した構造で設けられる複数の分岐導電路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃと、を備えた構成をなす。そして、複数の分岐導電路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃに複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃがそれぞれ設けられている。そして、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうち、共通導電路３２までの経路の長さが最も短い端子が駆動回路側導電路５２に連結されている。上述したように、第２半導体部１５Ａと駆動回路側導電路５２の間の経路において大きな電流が流れる区間が共通導電路３２として短く構成されることで寄生インダクタンスに起因する逆起電力が抑えられ、しかも、駆動回路側導電路５２に連結される第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃから共通導電路３２までの経路がより短く構成されるため、この経路の寄生インダクタンスを一層抑えることができる。よって、この半導体スイッチ装置１０は、オンオフ動作の安定化及びスイッチング時間の抑制を図る上で一層有利な構成となる。

半導体スイッチ素子２０は、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうち第３半導体部１８Ａまでの経路の長さが最も短い端子（第２端子１２Ｃ）が、駆動回路側導電路５２に連結されている。このように、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうち第３半導体部１８Ａまでの経路の長さが最も短い端子（第２端子１２Ｃ）が駆動回路側導電路５２に連結されていれば、駆動回路側導電路５２に連結される端子（第２端子１２Ｃ）から第３半導体部１８Ａまでの経路がより短くなる。よって、この半導体スイッチ装置１０は、駆動回路側導電路５２に連結される第２端子１２Ｃから第３半導体部１８Ａまでの経路の寄生インダクタンスがより一層抑えられた構成となり、オンオフ動作の安定化及びスイッチング時間の抑制を図る上でより一層有利な構成となる。

複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、駆動回路側導電路５２に連結される端子の数よりも第２導電路６２に連結される端子の数のほうが多くなっている。この半導体スイッチ装置１０は、第２半導体部１５Ａと駆動回路側導電路５２の間の経路において寄生インダクタンスに起因する逆起電力を抑えるとともに、その一方で、第２半導体部１５Ａと第２導電路６２との間において寄生インダクタンスをより抑えることができる。

電源装置２において、電圧変換部３は、ハイサイド側のスイッチ部とローサイド側のスイッチ部とが一の導電路７１とグラウンド９３との間に直列に接続される構成をなす。そして、ハイサイド側のスイッチ部が、半導体スイッチ装置１０によって構成されている。ハイサイド側のスイッチ部は、寄生インダクタンスに起因するスイッチング時間の増大の問題が生じやすいため、上述の半導体スイッチ装置１０をハイサイド側のスイッチ部に適用すると一層効果的である。

＜他の実施例＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上述した実施例や後述する実施例は矛盾しない範囲で組み合わせることが可能である。

図１の構成を、図１０のように変更してもよい。図１０で示す半導体スイッチ装置１１０は、第２端子１２Ａのみを第２導電路６２に連結し、第２端子１２Ｂ及び第２端子１２Ｃを駆動回路側導電路５２に連結した構成をなす。図１０の構成は、複数の第２端子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうち、第２導電路６２に連結される端子の数よりも駆動回路側導電路５２に連結される端子の数のほうが多くなっている。この半導体スイッチ装置１１０は、第２半導体部１５Ａ（図４）と駆動回路側導電路５２の間の経路において、大きな電流が流れる経路の短縮化によって寄生インダクタンスに起因する逆起電力を抑えるだけでなく、より多くの第２端子が駆動回路側導電路５２に連結される構成により、第２半導体部１５Ａと駆動回路側導電路５２の間の寄生インダクタンスをより一層抑えることができる。なお、図１０で示す半導体スイッチ装置１１０は、第２導電路６２及び駆動回路側導電路５２の連結構造のみが実施例１の半導体スイッチ装置１０と異なり、それ以外は半導体スイッチ装置１０と同一である。例えば、半導体スイッチ装置１１０において、半導体パッケージ１０Ａは、図１等で示す半導体スイッチ装置１０の半導体パッケージ１０Ａと同一の構成をなす。

上述した実施例又は上述した実施例を変更したいずれの例の半導体スイッチ装置においても、半導体スイッチ素子はＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴに限定されず、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴとして構成された半導体スイッチ素子に変更してもよく、ＭＯＳＦＥＴ以外のＦＥＴとしてもよく、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴなどの半導体スイッチ素子としてもよい。

上述した実施例又は上述した実施例を変更したいずれの例の半導体スイッチ装置においても、第１端子の数は４以外の単数又は複数であってもよく、第１端子が複数存在する場合にはそれら全てが第１導電路に連結されてもよく、いずれか一部のみが第１導電路に連結されていてもよく、第２端子の数は３以外の複数であってもよく、第３端子の数は２以上であってもよい。

上述した実施例では、半導体スイッチ装置１０に含まれる半導体パッケージとしてＳＯＰとして構成される半導体パッケージ１０Ａを例示したが、上述した実施例又は上述した実施例を変更したいずれの例の半導体スイッチ装置も、ＳＯＰ以外の公知のパッケージ構造で半導体パッケージを構成することができる。

上述した実施例では、降圧型のＤＣＤＣコンバータとして構成される電源装置２に半導体スイッチ装置１０を適用した例を示したが、上述した実施例又は上述した実施例を変更したいずれの例の半導体スイッチ装置も、昇圧型のＤＣＤＣコンバータに適用してもよく、昇降圧型のＤＣＤＣコンバータに適用してもよく、一方側から入力された電圧を変換して他方側に出力する一方向型のＤＣＤＣコンバータに適用してもよく、双方向型のＤＣＤＣコンバータに適用してもよい。適用対象となる回路構成も限定されず、例えばＨブリッジ型のＤＣＤＣコンバータに適用してもよい。例えば、図６で示す半導体スイッチ装置１０の位置にインダクタ３Ａを配置し、図６で示すインダクタ３Ａの位置に半導体スイッチ装置１０を配置するように、公知の昇圧型の配置に変更することで、一の導電路７１に入力された電圧を昇圧して他の導電路７２に出力する昇圧型ＤＣＤＣコンバータとして構成することができる。この場合、他の導電路７２とグラウンド９３との間に直列に設けられたいずれのスイッチ部においても、図１〜図５で示す半導体スイッチ装置１０と同様の接続構造を適用することができる。

上述した実施例又は上述した実施例を変更したいずれの電源装置でも、ダイオード整流方式を採用することができる。例えば、図６で示す電源装置２において、ローサイド側のスイッチ部をダイオードとし、ダイオード整流方式のＤＣＤＣコンバータとしてもよい。昇圧型ＤＣＤＣコンバータなどにおいてハイサイド側をダイオードとしローサイド側をスイッチ部で構成した場合、ローサイド側のスイッチ部に対し、上述した実施例又は上述した実施例を変更したいずれの例の半導体スイッチ装置を適用してもよい。

上述した実施例では、単相式のＤＣＤＣコンバータを例示したが、上述した実施例又は上述した実施例を変更したいずれの例の半導体スイッチ装置も、多相式のＤＣＤＣコンバータに適用することができる。

上述した実施例では、導電路７１や導電路７２に接続される発電機や負荷などは省略して示したが、上述した実施例又は上述した実施例を変更したいずれの例においても、様々な装置や電子部品を導電路７１や導電路７２に接続することができる。

１…車載用電源装置
３…電圧変換部
５Ｂ…車載用の駆動回路
１０，４０，１１０…車載用の半導体スイッチ装置
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ…第１端子
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…第２端子
１３…第３端子
１４Ａ…第１半導体部
１５Ａ…第２半導体部
１６Ａ…入力部
１８Ａ…第３半導体部
２０…半導体スイッチ素子
３２…共通導電路
３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ…分岐導電路
５２，５４…駆動回路側導電路
６１，６３…第１導電路
６２，６４…第２導電路
７１…一の導電路
７２…他の導電路
９３…グラウンド

Claims (6)

1. 車載用の駆動回路から出力されるオン信号及びオフ信号によってオンオフが制御され、第１導電路と第２導電路との間においてオン状態とオフ状態とに切り替わる車載用の半導体スイッチ装置であって、
   半導体材料を有してなる第１半導体部と、前記第１半導体部とは異なる位置に配置されるとともに半導体材料を有してなる第２半導体部と、前記駆動回路から前記オン信号及び前記オフ信号が入力される部位である入力部と、を備えるとともに、前記入力部に前記オン信号が入力された場合に前記オン状態となり、前記入力部に前記オフ信号が入力された場合に前記オフ状態となる半導体スイッチ素子と、
   前記第１半導体部に電気的に接続された少なくとも１つの第１端子と、
   前記第２半導体部に電気的に接続された複数の第２端子と、
   前記入力部に電気的に接続された少なくとも１つの第３端子と、
   を有し、
   前記第１端子は、前記第１導電路に接続され、
   複数の前記第２端子のうち、一部のみが前記第２導電路に連結されており、残余の少なくとも一つは、前記駆動回路に電気的に接続された駆動回路側導電路に連結されており、
   複数の前記第２端子は、前記第２導電路に連結される端子の数よりも前記駆動回路側導電路に連結される端子の数のほうが多い車載用の半導体スイッチ装置。
2. 複数の前記第２端子は、同一の導電性部材によって構成されるとともに一体的に連結された構成をなす請求項１に記載の車載用の半導体スイッチ装置。
3. 前記半導体スイッチ素子は、前記第１半導体部と前記第２半導体部との間に第３半導体部が設けられ、前記入力部に前記オン信号が入力された場合に前記第１半導体部と前記第２半導体部との間において前記第３半導体部を介して電流が流れ、前記入力部に前記オフ信号が入力された場合に前記第３半導体部を介して電流が流れない構成であり、
   複数の前記第２端子のうち前記第３半導体部までの経路の長さが最も短い端子が前記駆動回路側導電路に連結されている請求項１又は請求項２に記載の車載用の半導体スイッチ装置。
4. 前記半導体スイッチ素子は、前記第２半導体部に接触する電極層と、前記第２端子を有するリード部材と、前記電極層と前記リード部材とを電気的に接続する複数のボンディングワイヤと、を備え、
   前記リード部材において複数の前記第２端子が一体的に連結されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の車載用の半導体スイッチ装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の車載用の半導体スイッチ装置と、
   １以上のスイッチ部のスイッチング動作により、一の導電路に印加された電圧を昇圧又は降圧して他の導電路に印加する電圧変換部と、
   を含み、
   少なくともいずれかの前記スイッチ部が、前記半導体スイッチ装置によって構成されている車載用電源装置。
6. 前記電圧変換部は、ハイサイド側の前記スイッチ部とローサイド側の前記スイッチ部又はダイオードとが前記一の導電路及び前記他の導電路の一方側とグラウンドとの間に直列に接続される構成をなし、
   ハイサイド側の前記スイッチ部が、前記半導体スイッチ装置によって構成されている請求項５に記載の車載用電源装置。

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