CN101656528B - 半导体开关控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体开关控制装置。该半导体开关控制装置包括：电流检测单元，该电流检测单元检测在半导体开关中流动的电流；电压检测单元，该电压检测单元检测电压；以及温度检测单元，该温度检测单元检测温度。过渡热阻值提供单元将过渡热阻值Z_th提供给计算单元，该过渡热阻值Z_th基于从接收到过电压信号起经过的时间。温度检测单元检测当产生过电压时的初始温度T_J0。当用I_ds表示检测电流值，并且用V_ds表示检测电压值时，计算单元通过下面的表达式计算半导体开关的温度：(表达式)：半导体开关的温度T_J＝I_ds×V_ds×Z_th+T_J0。

Description

半导体开关控制装置

技术领域

本发明涉及半导体开关控制装置、半导体开关装置、负载驱动系统、以及半导体开关控制程序。更具体地，本发明涉及保护半导体开关不会由于过载而被损坏的半导体开关控制装置。

背景技术

近年来，为了实现汽车的安全、舒适、以及能源节省，一直在发展计算机化。作为示例，已经用半导体开关替换机械继电器，这有助于被安装在汽车上装置的缩小规模。此外在装置中已经要求缩小规模，并且根据此，一直在发展半导体开关的半导体芯片设计规则的小型化。更具体地，半导体芯片的尺寸已经被逐渐地从1.2μm、1.0μm、0.5μm、0.35μm小型化到0.25μm，并且从现在开始将会需要进一步的小型化。

尽管设计规则的小型化增加每单位面积能够在半导体芯片中流动的电流的密度，但是由于增加的电流密度已经出现发热的新问题。特别地，主要的问题在于由于过渡状态中的发热，主要由于负载短路中的发热导致损坏耐受性的降低。为了保护半导体开关，电子机器制造商和半导体制造商进行温度检测装置、电流限制装置、电流检测装置等等的研究。

例如，在专利文献1(日本未经审查的专利申请公开No.2000-299631)中公布了电源控制装置。

在图9中，半导体开关124的导通电阻被用作负载电流检测装置。然后，通过温度检测装置(D1至D4，和差分放大器105)检测半导体开关124的温度，通过电流检测装置(半导体开关124的导通电阻和差分放大器106)检测负载电流，并且基于温度检测的结果，通过驱动控制单元107移位用于判断过电流的比较器的基准电势的电平。当该温度校正的基准电势被超过时，FET 102被控制为截止。并且以该方式，提供了在从电源101到负载103的电力供给的控制中的过电流截断(break)功能。

根据此构造，(1)在没有使用额外的电流感测电阻器(所谓的分路(shunt)电阻器)的情况下能够抑制电源供给控制装置的热损失，(2)能够通过在检测到负载电流之后补偿温度来克服半导体开关的导通电阻的温度依赖性的问题，然后实现负载电流的高精确度检测，并且(3)实现对于每个负载的单独的控制。

此外，专利文献2(日本未经审查的实用新型申请公开No.H1-37135)公布了功率晶体管的保护装置。

在专利文献2中，检测了在功率晶体管中流动的电流和被施加的电压中的每一个。然后，计算检测到的电流和电压的乘积。当电流和电压的乘积的值被保持一段时间时预测温度的增加，根据电流和电压的乘积的值在某延迟时间之后截止功率晶体管。通过根据发热值改变截止控制的时间，能够对于不引起开关的热破坏的瞬时过电流不操作保护功能并且根据当功率晶体管的温度的增加可能引起破坏时的时间执行截止控制。

如专利文献1中公布的通过电流检测的截止控制看起来是有效的。但是我们现在已经发现由于如下的驱动灯冲击电流的响应的不足导致在实践中很少使用。更具体地，当导通作为负载的灯时，是灯的标称额定电流的六到十倍的冲击电流流动。该冲击电流取决于灯本身的温度、被施加的电压、以及灯制造商等等而显著地变化。

此外，任何制造商都不推荐的灯可能被汽车的用户用作负载。当基准电流I_ref的设置不正确时，在驱动灯的点亮步骤中冲击电流会超过I_ref，这使得由于不管它的正常状态的截止控制而不能点亮灯。

此外，如果为了避免此种情况而将I_ref的值设置得较高，则要求使用其额定电流较高的半导体开关，这可能会增加成本。

通过考虑时间经过和发热值，并且仅当预计半导体开关的温度引起热破坏时截止半导体开关，专利文献2解决了专利文献1的问题。但是我们现在已经发现根据专利文献2，基于从功率消耗和它的持续时间得出的发热值执行控制。可能会出现任何问题，例如，当周围温度高时，半导体开关早于所预计的而被破坏。另一方面，当周围温度低时，即使当不需要执行截止控制时也频繁地截止半导体开关，这使得不能实现稳定的操作。

发明内容

本发明的实施例的第一示例性方面是半导体开关控制装置，该半导体开关控制装置执行半导体开关的开关控制，该半导体开关对从电源到负载的电力供给进行开关，该半导体开关控制装置包括：电流检测单元，该电流检测单元检测在半导体开关中流动的电流；电压检测单元，该电压检测单元检测被施加到半导体开关的电压；温度检测单元，该温度检测单元检测半导体开关的温度；计算单元，该计算单元基于由电流检测单元检测到的检测电流值、由电压检测单元检测到的检测电压值、以及由温度检测单元检测到的检测温度值来计算半导体开关的温度；以及驱动器，当在计算单元中计算的半导体开关的温度超过设定阈值时该驱动器断开半导体开关。

根据此种构造，代替单独地使用检测温度和功率消耗，除了电流值和电压值之外还考虑那个时间的温度，从而使得能够以高精确度获得取决于半导体开关在那个时间的状况的半导体开关温度T_J。这样，因为能够执行切断控制从而半导体开关的温度不超过设定值，因此能够确实地防止半导体开关被热破坏。另一方面，当半导体开关的温度低于设定值时，没有执行不必要的切断，从而能够高精确度并且没有故障地操作可能稳定操作的半导体开关。

附图说明

结合附图，根据某些示例性实施例的以下描述，以上和其它示例性方面、优点和特征将更加明显，其中：

图1是示出根据本发明的第一示例性实施例的负载驱动系统的构造的图；

图2是示出根据第一示例性实施例的电流检测单元和电流限制单元的构造示例的图；

图3是示出根据第一示例性实施例的电压检测单元的构造示例的图；

图4是示出根据第一示例性实施例的温度检测单元的构造示例的图；

图5是示出根据第一示例性实施例的过渡热阻值提供单元的构造示例的图；

图6是示出由根据第一示例性实施例的过渡热阻值提供单元提供的过渡热阻特性的示例的图；

图7是示出根据第一示例性实施例的计算单元的构造示例的图；

图8是示出根据第二示例性实施例的构造的图；以及

图9是示出现有技术的图。

具体实施方式

(第一示例性实施例)

现在将描述本发明的第一示例性实施例。

图1是示出负载驱动系统200的构造的图。

负载驱动系统200具有下述构造，其中来自于电池201的电流通过半导体开关装置300被提供给负载(例如，灯)202。

半导体开关装置300包括电池201和负载202之间的半导体开关M₀。

尽管IGBT(绝缘栅双极晶体管)、功率MOSFET、双极晶体管、以及MOS晶体管等等可以被用作半导体开关M₀，但是不限于它们。

半导体开关装置300进一步包括电流检测单元210、电流限制单元220、电压检测单元230、温度检测单元240、过渡热阻值提供单元250、计算单元260、以及驱动器270。

这些电流检测单元210、电流限制单元220、电压检测单元230、温度检测单元240、过渡热阻值提供单元250、计算单元260、以及驱动器270组成半导体开关控制装置310。

电流检测单元2 10检测在半导体开关M₀中流动的电流I_ds以基于电流I_ds将电流信号S_Ids输出至计算单元260。此外，为了防止电流I_ds被超过，电流限制单元220将在半导体开关M₀中流动的电流I_ds限制为事先设置的电流值I_limit。

现在，图2示出电流检测单元210和电流限制单元220的构造示例。

在图2中，M₀是半导体开关。此外，并联晶体管M₀₁是具有与半导体开关M₀相同构造的晶体管。感测电阻器R_s被连接至并联晶体管M₀₁的源极，并且并联晶体管M₀₁和半导体开关M₀都具有公共的漏极和栅极。

同样地，在感测电阻器R_s的两端生成与在半导体开关M₀中流动的电流I_ds成比例的电压。通过差分放大器A₁放大该电压，并且将其作为电流值信号S_Ids输出至计算单元260。

此外，当在感测电阻器R_s的两端生成的电压变得较高时开关M₁处于导通状态，并且半导体开关M₀的栅极电势被限制。

因为半导体开关M₀的栅极电势被限制，所以在半导体开关M₀中流动的电流I_ds被限制。限制电流值I_limit被设置为不超过接合线的熔断电流的值。通过调整开关M₁、感测电阻器R_s、以及驱动器270的阻抗来设置并且调整限制电流值I_limit的大小。

现在，电流检测单元210由并联晶体管M₀₁、感测电阻器R_s、以及差分放大器A₁组成，并且电流限制单元220由开关M₁组成。

电压检测单元230检测半导体开关M₀的漏极与源极之间的电势差V_ds并且将电势差V_ds输出至计算单元260。当负载202由于任何故障处于负载短路状态时，换言之，当半导体开关M₀的漏极与源极之间电压变为高(例如，V_ds＞3V)时，电压检测电压230输出过电压信号。

图3示出电压检测单元230的示例。

通过差分放大器A₂放大半导体开关M₀的漏极与源极之间的电压V_ds并且将其作为检测到的电压值S_vds输出。此外，事先设置电压限制值V_roc。

作为示例，电压限制值V_roc可以是对应于当半导体开关M₀的漏极与源极之间的电压V_ds是3V时检测到的电压值S_vds的值。然而，可以根据半导体开关M₀的耐受电压适当地对其进行设置。

当检测到的电压值S_vds超过电压限制值V_roc时，从差分放大器A₃输出过电压信号S_vexc。过电压信号S_vexc是温度检测单元240和过渡热阻值提供单元250的操作触发信号。

温度检测单元240通过作为触发的过电压信号S_vexc保持半导体开关M₀的初始温度T_J0并且将该值输出至计算单元260。

在图4中示出温度检测单元240的示例。

通过差分放大器A₄将被布置在半导体开关M₀的附近的二极管D₁的电压下降的温度特性输出至缓冲器B₁。缓冲器B₁包括差分放大器A₅和被布置在差分放大器A5的非反相输入端子中的用于固定电势的电容器C，并且开关SW进一步被布置在电容器C的前级中。

通过来自于电压检测单元230的过电压信号S_vexc断开开关SW，并且由电容器C保持输入电压。

缓冲器B₁输出非反相输入端子的电压作为温度信号S_TJ0。过渡热阻值提供单元250计算依赖于当负载短路发生时的时间的过渡热阻值Zth，并且将该过渡热阻值Zth输出至计算单元260。

图5示出过渡热阻值提供单元250的示例。

通过来自于电压检测单元230的过电压信号S_Vexc切断被并联地连接至电容器C2的MOS晶体管Tr₀，并且通过恒流将电荷存储在电容器中。通过差分放大器A₆放大电容器C₂的电压下降，并且将其作为过渡热阻信号输出。

因为过渡热阻相对于时间是非线性的，因此取决于电压减少改变在电容器C₂中流动的恒流，以便于调整特性。总之，pMOS晶体管和nMOS晶体管的串联单元U₁、U₂以及U₃被并联地放置在电容器C₂和半导体开关M₀的漏极被连接至的线L_Vbat之间。

此外，四个电阻器被串联地连接在线L_Vbat与接地电源GND之间。然后，从接地电源侧开始电阻器被称为R₁、R₂、R₃、R₄，并且R₁和R₂之间的部分被称为nod₁，R₂和R₃之间的部分被称为nod₂，并且R₃和R₄之间的部分被称为nod₃。

单元U₁的nMOS晶体管的栅极被连接至nod₁，单元U₂的nMOS晶体管的栅极被连接至nod₂，并且单元U₃的nMOS晶体管的栅极被连接至nod₃。

在此构造中，从nod₁至nod₃的电势随着时间而发生变化，并且根据各个节点的电势顺序地导通nMOS晶体管。

因此，从过渡热阻值提供单元输出根据如图6中所示的非线性过渡热阻特性的过渡热阻信号S_z。

计算单元260计算半导体开关M₀的接合温度T_J，并且当半导体开关M₀的接合温度T_J超过预置温度(例如，175℃)时，执行切断控制以便于保护半导体开关M₀被热破坏。

现在，通过下面的表达式1获得半导体开关M₀的接合温度T_J。

T_J＝I_ds×V_ds×Z_th+T_J0......    (表达式1)

在图7中示出计算单元260的构造示例。

第一级St₁表示对数变换器，该对数变换器被提供有电流信号S_Ids、电压信号S_Vds、以及过渡热阻信号S_z。第二级St₂是加法器，该加法器将通过对数变换前述的信号获得的值相加。

在第三级St₃中反转电压，并且第四级St₄中的反转对数变换器实现下面的乘法，(电流信号S_Ids)×(电压信号S_Vds)×(过渡热阻信号S_z)  。

在第五级St₅中，对温度信号S_IJ0进行加法计算，并且在第六级St₆中反转电压。在第七级St₇中，将值与预定的温度阈值(V_rJt)相比较。如果该值超过预定值，那么接合温度检测信号S_det被输出至驱动器270。

驱动器270在接收接合温度检测信号S_det时切断半导体开关M₀。

根据具有此种构造的第一示例性实施例，能够实现下面的效果。

(1)在第一示例性实施例中，通过在计算单元260中计算从(表达式1)中获得半导体开关M₀的接合温度T_J，所述计算不仅根据在半导体开关M₀中流动的电流值I_ds和电压值V_ds而且根据取决于从负载短路的出现开始的时间的过渡热阻值Zth和当过电压开始流动时(当负载短路出现时)的半导体开关M₀的温度T_J0。

从前述的描述中，除了考虑关于电流和电压的电能之外，还考虑当过电压出现时的温度和过渡热电阻特性，从而能够在取决于其情况以高精确度获得半导体开关M₀的接合温度T_J。

因此，能够执行切断控制使得半导体开关M₀的接合温度T_J不超过设定值，从而能够确实地防止半导体开关M₀被热破坏。另一方面，当半导体开关M₀的接合温度T_J低于设定温度时不执行不必要的切断，从而能够以高精确度并且没有故障地操作能够稳定操作的半导体开关M₀。

还可以存在下述方法，其中在半导体开关的附近提供温度传感器以当由温度传感器检测到的温度超过半导体开关的耐热温度时切断半导体开关。但是，即使当温度传感器被布置并且形成在半导体开关的附近时，温度传感器也不能跟随由于负载短路中的功率消耗导致的半导体开关的瞬时发热速度。因此，此种构造在真实的负载短路中不起作用，并且热破坏经常损坏半导体开关。即使当它起作用时，也可能给半导体开关导致严重的损坏，这导致半导体开关的迅速劣化。

另一方面，根据示例性实施例，代替单纯地执行温度检测，从过渡热阻Z_th、电压减少V_ds、电流值I_ds、以及半导体开关M₀的负载短路的出现时的接合温度T_J0精确地估计半导体开关M₀的温度，从而能够响应于半导体开关M₀的瞬时发热速度并且防止半导体开关M₀的热破坏和劣化。

(2)此外，因为在第一示例性实施例中没有执行单纯地基于电流感测的结果的半导体开关的截止控制，所以肯定可以执行正常环境下的负载的驱动。

(3)此外，当过电流在半导体开关M₀中流动时，通过电流限制单元220限制在半导体开关M₀中流动的电流。因此，能够抑制过电流并且保护半导体开关M₀。例如，可以保护半导体开关M₀的接合线。

(第二示例性实施例)

现在，将会描述本发明的第二示例性实施例。

图8示出第二示例性实施例的构造。

尽管第二示例性实施例的基本构造与第一示例性实施例的相类似，但是第二示例性实施例具有下述特性特征，其在于利用软件以可编程的方式形成过渡热阻值提供单元和计算单元。

在图8中，半导体开关装置300包括计算控制单元280，并且该计算控制单元280包括A/D转换器(模拟/数字)转换器)281、存储器282、计时器283、以及MCU(微控制器单元)284。

A/D转换器281 A/D转换来自于电流检测单元210、温度检测单元240、以及电压检测单元230的检测信号，并且将信号输出至MCU 284。

半导体开关M₀的过渡热阻值的特性被预先存储在存储器282中。从而存储器形成过渡热阻值提供单元。此外，在存储器282中设置半导体开关M₀的耐热温度阈值。

当MCU 284已经接收到过电压信号S_Vexc时激活计时器283，并且不断地将从启动起经过的时间输出至MCU 284。

例如，MCU(微控制器单元)包括CPU和主存储器，并且执行半导体开关的控制程序。更具体地，通过半导体开关的控制程序计算半导体开关M₀的接合温度T_J，并且根据该接合温度T_J将控制信号输出至驱动器270。

计算单元由MCU组成。

在此构造中，电流检测单元210、电压检测单元230、以及温度检测单元240中的每一个输出通过A/D转换器281被发送到微控制器单元(MCU)284。当由于任何故障导致负载202变成负载短路状态时，换言之，当半导体开关M₀的漏极和源极之间的电压V_ds变为高(例如，V_ds＞3V)时，执行下面的处理。

总之，通过电压检测单元230的过电压信号S_Vexc作为触发，温度检测单元240检测半导体开关M₀的温度T_J0，并且通过A/D转换器281将温度T_J0提供给微控制器单元284。然后，微控制器单元284在微控制器单元中保持初始的接合温度T_J0。微控制器单元284在保持初始接合温度T_J0的同时激活计时器283。计时器283将从启动起经过的时间不断地输出至微控制器单元284。微控制器单元284通过参考存储器282的过渡热阻特性获得与从计时器283获得的经过时间相对应的过渡热阻值Zth。然后，微控制器单元284通过下面的计算计算半导体开关的接合温度T_J。

T_J＝I_ds×V_ds×Zth+T_J0

当是计算结果的半导体开关M₀的接合温度T_J超过事先设置的温度时，微控制器单元284指示驱动器270切断半导体开关M₀。

注意的是，通过电流限制单元220在与上述控制操作同时地将在半导体开关M₀中流动的电流量限制到预定的电流值I_limit以防止过电流与第一示例性实施例的操作相类似。

根据第二示例性实施例，由于通过软件形成计算控制单元280，因此能够容易地根据负载的特性、半导体开关、以及用户的要求将各种参数设置或者更改为最佳的值。结果，能够执行根据应用的最佳控制并且能够提供具有满足用户的要求的增加的可用性的产品。

本发明不限于上述示例性实施例，但是在不脱离已经描述了本发明的精神的情况下可以进行各种修改。

尽管包括电流限制单元的构造被示出作为半导体开关控制单元(半导体开关控制装置)，但是电流限制单元可以被省略，只要在没有电流限制单元的情况下实现了防止半导体开关被热破坏的主要目的。

尽管在上述示例性实施例中温度检测单元通过被放置在半导体开关附近的二极管来检测温度，但是可以放置多个二极管来代替一个二极管，或者双极晶体管可以被采用来代替二极管。

本领域的技术人员能够根据需要组合第一和第二示例性实施例。

虽然已经按照若干示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解本发明可以在所附的权利要求的精神和范围内以各种修改来实践，并且本发明并不限于上述的示例。

此外，权利要求的范围不受到上述的示例性实施例的限制。

此外，应当注意的是，申请人意在涵盖所有权利要求要素的等同形式，即使在后期的审查过程中对权利要求进行过修改亦是如此。

Claims (4)

1.一种半导体开关控制装置，所述半导体开关控制装置执行半导体开关的开关控制，所述半导体开关对从电源到负载的电力供给进行开关，所述半导体开关控制装置包括：

电流检测单元，所述电流检测单元检测在所述半导体开关中流动的电流；

电压检测单元，所述电压检测单元检测被施加到所述半导体开关的电压；

温度检测单元，所述温度检测单元检测所述半导体开关的温度；

计算单元，所述计算单元基于由所述电流检测单元检测到的检测电流值、由所述电压检测单元检测到的检测电压值以及由所述温度检测单元检测到的检测温度值来计算所述半导体开关的温度；

驱动器，当在所述计算单元中计算的所述半导体开关的温度超过设定阈值时所述驱动器断开所述半导体开关；以及

过渡热阻值提供单元，所述过渡热阻值提供单元获得伴随着时间经过的所述半导体开关的过渡热阻特性并且输出所述过渡热阻特性，其中

当所述检测电压超过设定阈值时，所述电压检测单元输出过电压信号，

所述过渡热阻值提供单元将过渡热阻值Z_th提供给所述计算单元，所述过渡热阻值Z_th基于从接收到所述过电压信号起经过的时间，当所述温度检测单元接收到来自于所述电压检测单元的所述过电压信号时，所述温度检测单元检测所述半导体开关此时的温度，并且将所检测到的温度作为初始温度T_J0输出至所述计算单元，并且

所述计算单元通过下面的表达式来计算所述半导体开关的温度T_J，其中用I_ds表示所述检测电流值，并且用V_ds表示所述检测电压值，

表达式：所述半导体开关的温度T_J＝I_ds×V_ds×Z_th+T_J0。

2.根据权利要求1所述的半导体开关控制装置，包括：

电流限制单元，所述电流限制单元包括被连接至所述半导体开关的栅极的开关，所述开关根据在所述电流检测单元中流动的电流的值而处于导通状态；并且

当在所述电流检测单元中流动的电流超过预定限制电流值时所述电流限制单元使所述开关处于导通状态以限制所述半导体开关的栅极电势，由此所述电流限制单元限制在所述半导体开关中流动的电流值。

3.一种半导体开关装置，所述半导体开关装置包括根据权利要求1所述的半导体开关控制装置以及通过所述半导体开关装置控制的半导体开关。

4.一种负载驱动系统，所述负载驱动系统包括根据权利要求3所述的半导体开关装置以及负载，通过所述半导体开关装置向所述负载供给电力。

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