CN106134047B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明能够利用一个警报信号输出端子输出警报用的保护动作信号和预告警报用的信号。输入到过热检测端子(OH)的表示IGBT芯片(1)的温度的信号同时被输入到检测保护动作的比较器(17)和检测预告警报的比较器(20)。在芯片温度较低的正常时，经由电阻(24)连接至警报信号输出端子(ALM)的晶体管(N1)以及经由齐纳二极管(25)连接至警报信号输出端子(ALM)的晶体管(N2)处于截止状态，从而将经由外部上拉电路进行上拉后的警报信号输出端子(ALM)设为较高电平的电压。若比较器(20)检测到预告警报状态，则晶体管(N2)变为导通状态，从而将警报信号输出端子(ALM)设为中间电平的电压，若比较器(17)检测到芯片的过热，则晶体管(N1)变为导通状态，从而将警报信号输出端子(ALM)设为较低电平的电压。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置，尤其涉及具备功率转换用的功率半导体元件、以及进行控制以驱动该功率半导体元件且在其异常时对功率半导体元件进行保护并输出警报的控制IC(Integrated Circuit：集成电路)的半导体装置。
背景技术
在功率转换装置中，使用将功率半导体元件和控制IC集成到同一封装从而作为IPM(Intelligent Power Module：智能功率模块)构成的半导体装置，其中，控制IC内置有驱动该功率半导体元件的驱动电路以及保护电路。对于功率半导体元件，使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等。
控制IC具备下述保护电路，该保护电路检测功率半导体元件的芯片过电流、芯片过热等异常，对功率半导体元件进行保护，并且通过设置于封装的警报信号用端子向外部输出警报。该保护电路若检测到功率半导体元件的芯片具有规定的电流、温度等，则停止功率半导体元件的动作，保护功率半导体元件不会因过电流、过热等异常而受到损坏。
在这种保护电路中，在检测到功率半导体元件的芯片中发生了某些异常的情况下，由于停止功率半导体元件的动作，因此能够避免功率半导体元件的芯片损坏。但是，在使用具备该IPM的功率转换装置来构成的系统中，由于该功率转换装置突然停止，从而会导致系统整体停止。
为了避免这种突然的系统停止，已知有下述技术，即：具备向保护电路预告IPM的异常发生的功能，能够在突然的系统停止之前，排除导致IPM异常停止的主要原因(例如，参照专利文献1)。根据该技术，保护电路在检测到功率半导体元件的异常并输出警报之前，输出作为其先兆的预告警报。因此，保护电路具备检测功率半导体元件的异常的功能，IPM向外部输出预告警报。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3635988号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，专利文献1的技术中，为了使预告警报和警报从相同的端子输出，将预告警报和警报设为脉冲宽度互不相同的数字信号。该情况下，测量脉冲宽度并判断其为何种含义的接收侧的识别由于通常通过微机的软件来进行，因此需要一定程度的处理时间，从而存在欠缺即时性的问题。
此外，在使用多个功率半导体元件的半导体装置中，通常采用下述结构，即：准备与功率半导体元件相同数量的保护电路，分别与一个功率半导体元件相对应。该情况下，各个保护电路构成为各个单独的半导体集成电路(IC)，为了节约端子数和布线，因而大多采用获得所有保护电路的警报输出端子的线或(wired OR)(警报线路)并与外部连接的方式。在采用该连接方式的现有的半导体装置中，各保护电路监视警报线路的电平，若从其他的保护电路输出警报，则为了半导体装置整体的安全而使作为自身对象的功率半导体元件停止。然而，若不仅仅是警报，无需直接使半导体装置停止的预告警报也从相同端子以与警报相同的电平(电压)输出，则还会发生各保护电路难以进行适当的动作的问题。
本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种半导体装置，能够共用警报用的端子和预告警报用的端子，即时性优异，对于具有多个功率半导体元件的半导体装置也能灵活地进行应对。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明中，为了解决上述问题，提供一种半导体装置，包括功率半导体元件及控制IC，该控制IC进行控制以驱动该功率半导体元件且在其发生异常时对功率半导体元件进行保护并输出警报。该半导体装置的控制IC的特征在于，包括：栅极控制电路，该栅极控制电路对功率半导体元件进行控制；保护警报输出电路，该保护警报输出电路在检测到功率半导体元件异常时将保护动作信号输出到栅极控制电路和警报信号输出端子；以及预告警报电路，该预告警报电路检测功率半导体元件发生异常的先兆，并将具有与保护动作信号不同电平的预告警报信号输出到警报信号输出端子。
根据这种半导体装置，改变检测到异常时的保护动作信号和预告警报信号的电平，并输出至共通的警报信号输出端子。由此，无需设置专用的端子就能够输出预告警报信号。
发明效果
具有上述结构的半导体装置通过改变预告警报和保护动作时输出到警报信号输出端子的电压电平，从而能够利用一个端子构建预告警报和保护动作，具有即时性优异的优点。此外，在具有多个功率半导体元件的半导体装置中，在预告警报的情况下接收到预告警报一侧的保护电路了解无需直接使自身的功率半导体元件截止，因此，具有下述优点：对于具有多个功率半导体元件的半导体装置也能灵活地进行应对。
本发明的上述内容及其它目的、特征及优点可通过与示出优选实施方式作为本发明的示例的附图相关联的以下说明来进一步明确。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图。
图2是表示与IPM相连接的外部上拉电路(pull-up circuit)的图，图2(A)示出外部上拉电路的一个示例，图2(B)示出外部上拉电路的变形例。
图3是芯片过热预告警报及保护动作时输出到警报信号输出端子的警报信号的时序图。
图4是表示实施方式2所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图。
图5是表示实施方式3所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图。
图6是表示实施方式4所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图。
图7是表示实施方式5所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图。
图8是表示实施方式6所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图。
图9是表示识别所输出的警报信号的识别电路的一结构例的电路图。
图10是说明从警报信号输出端子输出的警报信号与识别用的阈值的关系的图。
具体实施方式
下面，关于本发明的实施方式，以应用于使用IGBT作为功率半导体元件的IPM的情况为例，参照附图进行详细说明。另外，对于各实施方式，可在没有矛盾的范围内将多个实施方式组合实施。
图1是表示实施方式1所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图，图2是表示与IPM相连接的外部上拉电路的图，图2(A)示出外部上拉电路的一个示例，图2(B)示出外部上拉电路的变形例。图3是芯片过热预告警报及保护动作时输出到警报信号输出端子的警报信号的时序图。
实施方式1所涉及的半导体装置包括IGBT芯片1和控制IC10。另外，在该图1中，示出了一组IGBT芯片1和控制IC10，但一般而言，具备多组IGBT芯片1和控制IC10来构成一个IPM。
IGBT芯片1具备流过主电流的主元件、以及检测该主元件的电流的电流感测元件(图1中，用一个IGBT符号来表示主元件和电流感测元件，仅对发射极端子进行区分，示出主元件的发射极端子和电流感测元件的发射极端子两个发射极端子)，在芯片的表面形成有温度检测用二极管2。该温度检测用二极管2用于对具有温度依赖性的正向电压进行监控，由此来检测主元件的芯片温度。
控制IC10具备控制信号输入端子Vin、栅极信号输出端子OUT、过电流检测端子OC、过热检测端子OH、控制电源电压端子Vcc(该端子的电压也用Vcc来表示)以及警报信号输出端子ALM。
控制IGBT芯片1导通截止的控制信号从IPM的外部被输入到控制信号输入端子Vin。栅极信号输出端子OUT与IGBT芯片1的栅极端子相连接，过电流检测端子OC与IGBT芯片1的电流感测元件的发射极端子相连接，过热检测端子OH与温度检测用二极管2的阳极端子相连接。温度检测用二极管2的阴极端子接地。警报信号输出端子ALM输出表示IPM内的异常以及其先兆的预告警报的警报信号。另外，在该实施方式中，作为IPM的保护功能，说明了对IGBT芯片1的过热保护，但除此以外，还存在具有过电流保护、控制电源不足电压保护或壳体过热保护功能的IPM。
控制IC10具备栅极控制电路11，其输入与控制信号输入端子Vin相连接，输出与栅极信号输出端子OUT相连接。控制IC10的过电流检测端子OC与过电流检测电阻12的一个端子、及比较器13的非反相输入端子相连接。过电流检测电阻12的另一个端子接地。比较器13的反相输入端子与基准电压源14的正极端子相连接，基准电压源14的负极端子接地。比较器13的输出端子与保护警报输出电路15的过电流检测输入相连接。
由此，根据流过IGBT芯片1的主元件的主电流而流过电流感测元件的电流流过过电流检测电阻12，此时过电流检测电阻12的电压降被施加到比较器13。在过电流检测电阻12的电压降小于基准电压源14的电压的情况下，比较器13将低(L)电平的信号输出到保护警报输出电路15。若因流过过电流而导致过电流检测电阻12的电压降变为比基准电压源14的电压大，则比较器13将高(H)电平的信号输出到保护警报输出电路15。此时，保护警报输出电路15向栅极控制电路11输出使IGBT芯片1进行截止动作的信号，由此能够避免IGBT芯片1的芯片损坏。
控制IC10的过热检测端子OH的一个端子与连接至控制电源电压端子Vcc的恒流源16的另一个端子、及比较器17的反相输入端子相连接。比较器17的非反相输入端子与基准电压源18的正极端子相连接，基准电压源18的负极端子接地。比较器17的输出端子与保护警报输出电路15的过电流检测输入相连接。
由此，温度检测用二极管2因恒流源16而流过恒定的电流，从而向过热检测端子OH提供与IGBT芯片1的芯片温度相对应的电压。与该芯片温度相对应的电压(芯片温度越高电压越低)在比较器17中与基准电压源18的电压进行比较，该基准电压源18的电压与芯片过热保护温度相当。在芯片温度较低且与该温度对应的电压大于基准电压源18的电压时，比较器17向保护警报输出电路15输出低(L)电平的信号。若芯片温度达到芯片过热保护温度，则比较器17向保护警报输出电路15输出高(H)电平的信号。此时，保护警报输出电路15向栅极控制电路11输出使IGBT芯片1进行截止动作的信号，由此能够避免IGBT芯片1的芯片损坏。
控制IC10的过热检测端子OH还与扩展过热保护功能的预告警报电路19相连接。预告警报电路19具备比较器20，其反相输入端子与过热检测端子OH相连接，非反相输入端子与基准电压源21的正极端子相连接，基准电压源21的负极端子接地。比较器20的输出端子与AND电路22的一个输入端子相连接。AND电路22的另一个输入端子经由NOT电路23与保护警报输出电路15的警报输出相连接。保护警报输出电路15的警报输出还与开关元件即晶体管N1的栅极端子相连接。
晶体管N1的漏极端子经由电阻24与警报信号输出端子ALM相连接，源极端子接地。AND电路22的输出端子与开关元件即晶体管N2的栅极端子相连接，晶体管N2的漏极端子与齐纳二极管25的阳极端子相连接，齐纳二极管25的阴极端子与警报信号输出端子ALM相连接。晶体管N2的源极端子接地。另外，在该预告警报电路19中，AND电路22、NOT电路23、电阻24、齐纳二极管25及晶体管N1、N2构成多电平生成电路。
该预告警报电路19具有下述功能，即：在芯片温度达到比芯片过热保护温度要低的规定的预告警报动作温度时，事先向外部通知存在到达芯片过热保护温度的前兆。
另外，在本实施方式中，由于没有内置为使预告警报电路19动作而所需的上拉电路，因此，在IPM的外部，警报信号输出端子ALM需要与外部上拉电路连接。该外部上拉电路例如如图2(A)所示，可设为下述结构：串联连接上拉电阻26及上拉电压源27并与警报信号输出端子ALM相连接。即，上拉电阻26的一端与警报信号输出端子ALM相连接，上拉电阻26的另一端与上拉电压源27的正极端子相连接，上拉电压源27的负极端子接地。由此，上拉电压源27的电压经由上拉电阻26始终施加于警报信号输出端子ALM。
此外，外部上拉电路如图2(B)所示，还可构成为：在IPM的外部，在控制电源电压端子Vcc与警报信号输出端子ALM之间连接上拉电阻26。该情况下，在警报信号输出端子ALM上，经由上拉电阻26始终施加有控制电源电压端子Vcc的电压。
接着，参照图3说明具有上述结构的IPM中芯片过热时的动作。图3上部的曲线图表示芯片温度本身的变化，但是在恒流源16的恒定电流流过温度检测用二极管2的状态下芯片温度发生变化时，控制IC10的过热检测端子OH处所呈现的温度检测用二极管2的正向电压的特性是在上下方向上使该曲线图反转后得到的形态。
首先，在芯片温度没有达到预告警报动作温度的正常时，过热检测端子OH的电压成为比比较器20的基准电压源21要高的电压。此时，比较器17和比较器20均输出低(L)电平的信号。保护警报输出电路15在从比较器17接收到低(L)电平的信号的情况下，将低(L)电平的信号输出到晶体管N1的栅极端子和NOT电路23的输入端子。因此，在栅极端子接收到低(L)电平的信号的晶体管N1变为截止状态。此外，保护警报输出电路15输出的低(L)电平的信号由NOT电路23进行逻辑反转，变为高(H)电平的信号，并输入到AND电路22。因此，AND电路22从比较器20接收低(L)电平的信号，从NOT电路23接收高(H)电平的信号，从而输出低(L)电平的信号。由此，在栅极端子接收到低(L)电平的信号的晶体管N2也变为截止状态。
因此，在芯片温度没有达到预告警报动作温度的正常时，晶体管N1、N2变为截止状态，因此经由外部上拉电路上拉后的较高电平的电压输出到警报信号输出端子ALM。该较高电平的电压在外部上拉电路为图2(A)所示的电路的情况下与上拉电压源27的电压相等，在外部上拉电路为图2(B)所示的电路的情况下与控制电源电压端子Vcc的电压相等。此外，在图3所示的时序图中，该较高电平的电压与“正常时”所表示的电平的电压相等。
接着，在芯片温度超过预告警报动作温度的预告警报时，过热检测端子OH的电压下降，成为比比较器20的基准电压源21要低的电压。此时，比较器17继续输出低(L)电平的信号，比较器20输出高(H)电平的信号。保护警报输出电路15由于继续从比较器17接收到低(L)电平的信号，因此向晶体管N1的栅极端子和NOT电路23的输入端子输出低(L)电平的信号。因此，在栅极端子接收到低(L)电平的信号的晶体管N1变为截止状态。此外，保护警报输出电路15输出的低(L)电平的信号由NOT电路23进行逻辑反转，变为高(H)电平的信号，并输入到AND电路22。AND电路22由于从NOT电路23和比较器20接收到高(H)电平的信号，因此输出高(H)电平的信号。由此，在栅极端子接收到高(H)电平的信号的晶体管N2变为导通状态。
因此，在芯片温度超过预告警报动作温度的预告警报时，由于晶体管N1处于截止状态、晶体管N2处于导通状态，因此，齐纳二极管25的齐纳电压被提供给警报信号输出端子ALM。该齐纳电压是正常时输出至警报信号输出端子ALM的电压与接地电压的中间电平的电压。该中间电平的电压与图3所示的时序图中“预告警报时”所表示的电平的电压相等。
进一步地，在芯片温度上升并达到芯片过热保护温度的保护动作时，过热检测端子OH的电压进一步下降，达到比较器17的基准电压源18的电压。此时，比较器17和比较器20均输出高(H)电平的信号。保护警报输出电路15若从比较器17接收高(H)电平的信号，则将高(H)电平的信号输出至晶体管N1的栅极端子和NOT电路23的输入端子，并且向栅极控制电路11输出使IGBT芯片1进行截止动作的信号，由此来避免IGBT芯片1的芯片损坏。保护警报输出电路15输出的高(H)电平的信号被提供给晶体管N1的栅极端子，从而将晶体管N1置为导通状态。此外，保护警报输出电路15输出的高(H)电平的信号由NOT电路23进行逻辑反转，变为低(L)电平的信号，并输入到AND电路22。因此，AND电路22从NOT电路23接收低(L)电平的信号，从比较器20接收高(H)电平的信号，从而输出低(L)电平的信号。由此，在栅极端子接收到低(L)电平的信号的晶体管N2变为截止状态。
因此，在芯片温度达到芯片过热保护温度的保护动作时，由于仅晶体管N1处于导通状态，因此，在警报信号输出端子ALM处成为外部上拉电路的上拉电阻26与电阻24串联连接的状态。这里，电阻24设定为具有相比于上拉电阻26足够小的值，因此，比齐纳二极管25的齐纳电压要低的电平的电压被提供给警报信号输出端子ALM。在外部上拉电路为图2(A)所示的电路的情况下，该较低电平的电压等于根据上拉电阻26与电阻24的分压比对上拉电压源27的电压进行分压后得到的电压。在外部上拉电路为图2(B)所示的电路的情况下，该较低电平的电压等于根据上拉电阻26与电阻24的分压比对控制电源电压端子Vcc的电压进行分压后得到的电压。此外，在图3所示的时序图中，该较低电平的电压与“保护动作时”所表示的电平的电压相等。
如上所述，在芯片温度上升的情况下，由于在芯片温度达到芯片过热保护温度之前，能够发出预告警报，因此在芯片温度达到芯片过热保护温度为止的期间，能够执行避免芯片损坏的某些回避措施。另外，实际上，在芯片温度达到芯片过热保护温度的情况下，使IGBT芯片1截止对其进行保护，然后，若芯片温度缓缓下降，并变为过热保护解除温度，则警报信号输出端子ALM的警报信号变为中间电平的电压。若芯片温度进一步下降，并下降至低于预告警报动作温度，则警报信号输出端子ALM的警报信号变为正常时的较低电平的电压。
另外，实施方式1中，可以不设置外部上拉电路，而在控制IC10的内部进行上拉动作。例如，若将恒流源作为上拉元件在晶体管N1的漏极端子进行连接，则晶体管N1、N2均截止的正常时的警报信号输出端子ALM的警报信号变为恒流源的电源电压(即控制IC10的电源电压)Vcc，仅晶体管N2导通的预告警报时的警报信号变为齐纳二极管25的齐纳电压，晶体管N1导通的保护动作时的警报信号变为接地电位。
图4是表示实施方式2所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图。另外，在图4中，对于与图1所示的结构要素相同或均等的结构要素标注相同标号，并省略其详细说明。此外，在该图4中，省略了过电流保护功能部分和IGBT芯片1的图示(以下相同)。
该实施方式2所涉及的半导体装置中，变更了实施方式1所涉及的半导体装置中预告警报电路19的结构。即，该预告警报电路19中，在警报信号输出端子ALM与地之间连接晶体管P1及电阻28、29的串联电路，并且电阻28与晶体管N3并联连接。该晶体管N3的栅极端子与保护警报输出电路15的输出相连接，晶体管P1的栅极端子经由电阻30与控制电源电压端子Vcc相连接，并且与比较器20的输出端子相连接。这里，在比较器20的输出端子成为开路集电极或开路发射极的情况下，电阻30用于对输出端子进行上拉，在比较器20的输出端子不是开路集电极或开路发射极的情况下，可以省略使用了连接控制电源电压端子Vcc和晶体管P1的栅极端子的电阻30的连接电路(以下相同)。另外，在该实施方式中，比较器20的非反相输入端子与过热检测端子OH连接，反相输入端子与基准电压源21连接。此外，关于外部上拉电路，采用图2(B)所示的结构。
在具有上述结构的预告警报电路19中，在芯片温度没有达到预告警报动作温度的正常时，比较器17输出低(L)电平的信号，比较器20输出高(H)电平的信号。此时，保护警报输出电路15将低(L)电平的信号输出到晶体管N3的栅极端子，因此晶体管N3变为截止状态。另一方面，晶体管P1也接收到比较器20的高(H)电平的输出信号，从而变为截止状态。由此，预告警报电路19向警报信号输出端子ALM输出较高电平的电压。该情况下，较高电平的电压与施加于控制电源电压端子Vcc的电压Vcc相等。
接着，在芯片温度超过预告警报动作温度的预告警报时，比较器17继续输出低(L)电平的信号，比较器20由于输入到其非反相输入端子的电压比基准电压源21要低，因此输出低(L)电平的信号。此时，保护警报输出电路15继续将低(L)电平的信号输出到晶体管N3的栅极端子，因此晶体管N3保持截止状态。另一方面，晶体管P1因比较器20输出的低(L)电平的信号而变为导通状态。由此，预告警报电路19向警报信号输出端子ALM输出中间电平的电压。该情况下，中间电平的电压等于利用上拉电阻26和电阻28、29对施加于控制电源电压端子Vcc的电压进行分压后的电压。
接着，在芯片温度达到芯片过热保护温度的保护动作时，比较器17输出高(H)电平的信号，比较器20输出低(L)电平的信号。保护警报输出电路15若从比较器17接收到高(H)电平的信号，则将高(H)电平的信号输出至晶体管N3的栅极端子，并且向栅极控制电路11输出使IGBT芯片1进行截止动作的信号，由此来避免IGBT芯片1的芯片损坏。保护警报输出电路15输出的高(H)电平的信号使晶体管N3成为导通状态，对电阻28的两端进行短路。另一方面，晶体管P1因比较器20输出的低(L)电平的信号而保持导通状态。由此，预告警报电路19向警报信号输出端子ALM输出较低电平的电压。该情况下，较低电平的电压等于利用上拉电阻26和电阻29对施加于控制电源电压端子Vcc的电压进行分压后的电压。
另外，在该实施方式2中，串联连接的电阻28、29中，电阻28与晶体管N3并联连接，但也可以设置为电阻29与晶体管N3并联连接。
图5是表示实施方式3所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图。另外，在图5中，对于与图4所示的结构要素相同或均等的结构要素标注相同标号，并省略其详细说明。
在该实施方式3所涉及的半导体装置中，采用不需要外部上拉电路的预告警报电路19。即，预告警报电路19具备上拉电阻31和上拉电压源32的串联电路，该串联电路连接在警报信号输出端子ALM与地之间。由此，预告警报电路19能够利用内置的上拉电压源32对警报信号输出端子ALM进行上拉动作。其他的结构与实施方式2所涉及的半导体装置相同，其作用也相同。
图6是表示实施方式4所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图。另外，在图6中，对于与图4所示的结构要素相同或均等的结构要素标注相同标号，并省略其详细说明。
在该实施方式4所涉及的半导体装置中，预告警报电路19利用恒流源33、电阻30、34、35、晶体管P1、N3、NOT电路36、AND电路38构成生成三电平的电压的电路。即，串联连接的恒流源33和电阻34、35连接在控制电源电压端子Vcc与地之间，恒流源33和电阻34的连接点连接至警报信号输出端子ALM。并且，电阻34、35和与它们并联的晶体管P1、N3相连接。晶体管P1的栅极端子经由NOT电路36与保护警报输出电路15的输出相连接，晶体管N3的栅极端子与AND电路38的输出端子相连接。该AND电路38的一个输入端子与NOT电路36的输出端子相连接，另一个输入端子与比较器20的输出端子相连接。电阻30的一端与控制电源电压端子Vcc相连接，另一端与比较器20的输出端子相连接。另外，在该实施方式中，比较器20的反相输入端子与过热检测端子OH连接，非反相输入端子与基准电压源21连接。此外，关于电阻34、35，将电阻34的电阻值设定为比电阻35的电阻值要高的值。
在具有上述结构的预告警报电路19中，在芯片温度没有达到预告警报动作温度的正常时，比较器17和比较器20均输出低(L)电平的信号。此时，保护警报输出电路15由于向NOT电路36的输入端子输出低(L)电平的信号，因此，利用NOT电路36进行逻辑反转后的高(H)电平的信号被提供给晶体管P1的栅极端子和AND电路38的一个输入端子。因此，晶体管P1变为截止状态。另一方面，AND电路38由于从比较器20接收低(L)电平的信号，因此，将低(L)电平的信号提供给晶体管N3的栅极端子，将晶体管N3置为截止状态。由于晶体管P1、N3均为截止状态，因此，较高电平的电压被输出到警报信号输出端子ALM。该较高电平的电压等于因恒流源33的恒定电流流过串联连接的电阻34、35而产生的电压。
接着，在芯片温度超过预告警报动作温度的预告警报时，比较器17维持低(L)电平信号的输出，比较器20输出高(H)电平的信号。此时，保护警报输出电路15继续将低(L)电平的信号输出到NOT电路36的输入端子，因此晶体管P1保持截止状态。另一方面，由于比较器20的输出变为高(H)电平的信号，因此，高(H)电平的信号被输入到AND电路38的两个输入端子，从而AND电路38输出高(H)电平的信号，将晶体管N3置为导通状态。由此，串联连接的电阻34、35中的电阻35因晶体管N3而被短路，其结果使得中间电平的电压被输出到警报信号输出端子ALM。该中间电平的电压等于因恒流源33的恒定电流流过电阻34而产生的电压。
接着，在芯片温度达到芯片过热保护温度的保护动作时，比较器17和比较器20均输出高(H)电平的信号。保护警报输出电路15若从比较器17接收到高(H)电平的信号，则将高(H)电平的信号输出至NOT电路36的输入端子，并且向栅极控制电路11输出使IGBT芯片1进行截止动作的信号，由此来避免IGBT芯片1的芯片损坏。保护警报输出电路15输出的高(H)电平的信号由NOT电路36进行逻辑反转，从而变为低(L)电平的信号，将晶体管P1置为导通状态，对电阻34的两端进行短路。另一方面，AND电路38的一个输入端子变为低(L)电平，因此，将低(L)电平信号输出到晶体管N3的栅极端子，从而晶体管N3变为截止状态。由此，串联连接的电阻34、35中的电阻34因晶体管P1而被短路，其结果使得较低电平的电压被输出到警报信号输出端子ALM。该较低电平的电压等于因恒流源33的恒定电流流过相比于电阻34电阻值较小的电阻35而产生的电压。
由此，在本实施方式中，在IPM通常动作时，较高电平的电压被输出到警报信号输出端子ALM，在预告警报时，中间电平的电压被输出到警报信号输出端子ALM，在保护动作时，较低电平的电压被输出到警报信号输出端子。
另外，在本实施方式中，利用晶体管P1、N3对电阻34、35的两端进行连接或开放，但设为对晶体管P1、N3进行排他性的控制，以使得晶体管P1、N3不会同时变为导通状态。在不需要排他性控制的情况下，直接将比较器20的输出端子与晶体管N3的栅极端子相连即可。该情况下，在保护动作时，晶体管P1和N2均导通，警报信号输出端子ALM的电位变为接地电位。
图7是表示实施方式5所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图。另外，在图7中，对于与图6所示的结构要素相同或均等的结构要素标注相同标号，并省略其详细说明。
在该实施方式5的半导体装置中，预告警报电路19利用D/A转换器(Digital toAnalog Converter：数模转换器)39来生成三电平的电压信号。即，该D/A转换器39从保护警报输出电路15和比较器20分别输入二进制的逻辑信号，基于这些逻辑信号生成三电平的电压信号，并输出至警报信号输出端子ALM。该情况下，可将三电平中较低电平的电压信号设定为接地电位。
图8是表示实施方式6所涉及的半导体装置构成的IPM的一结构例的电路图。另外，在图8中，对于与图1所示的结构要素相同或均等的结构要素标注相同标号，并省略其详细说明。
在该实施方式6所涉及的半导体装置中，示出将预告警报电路19应用于过电流检测电路的情况。该预告警报电路19具有与图1所示相同的电路结构，但比较器20的输入端子不与过热检测端子OH相连，而与过电流检测端子OC相连接。此外，比较器20与比较器13一样，其非反相输入端子与过电流检测端子OC相连接，反相输入端子与基准电压源21相连接。
该实施方式6的预告警报电路19与实施方式1相同，根据芯片电流向警报信号输出端子ALM输出三电平的电压信号。即，在芯片电流没有达到预告警报动作电流的正常时，输出较高电平的电压信号。在超过预告警报动作电流时，输出中间电平的电压信号，在达到芯片过电流保护电流的保护动作时，输出较低电平的电压信号。
另外，在本实施方式中，对预告芯片电流的过电流的预告警报电路19进行了说明，但也可以同时使用实施方式1至实施方式5中预告芯片温度的过热的预告警报电路19。该情况下，为了区分是过电流的预告还是过热的预告，可以将警报信号设为四电平的电压信号。并且，预告警报电路19除了芯片过热和过电流的预告警报检测之外，还可以构成为事先对控制电源电压的异常下降进行预告。
图9是表示对所输出的警报信号进行识别的识别电路的一构成例的电路图，图10是说明从警报信号输出端子输出的警报信号与识别用的阈值的关系的图。
IPM从其警报信号输出端子ALM输出包含有多个电平的电压信号的警报信号，在将该警报信号通知给上位的控制装置时，识别电路对警报信号所包含的电平进行识别，分离预告警报信号和保护动作信号并发出。
根据图9所示的识别电路，在控制电源电压端子Vcc与接地端子GND之间连接向IPM的控制IC10提供控制电源电压的控制电源电压源41。警报信号输出端子ALM分别与比较器42、43的反相输入端子相连接，基于基准电压源的阈值电压被施加到比较器42、43的非反相输入端子。该实施方式中，比较器42的阈值设为10伏特，比较器43的阈值设为5伏特。
比较器42、43的输出分别经由NOT电路44、45和电阻46、47连接至光耦合器48、49。光耦合器48、49包括发光二极管48a、49a和光电晶体管48b、49b。发光二极管48a、49a的阳极端子与控制电源电压端子Vcc相连接，阴极端子与电阻46、47相连接。光电晶体管48b、49b的集电极端子与上位的控制装置相连接，发射极端子与壳体接地相连接。
这里，从IPM的警报信号输出端子ALM输出的警报信号如图10所示那样，在正常时所输出的电压为15伏特，在预告警报时所输出的电压为7伏特，在保护动作时所输出的电压为0伏特。
首先，在从警报信号输出端子ALM输出正常时所输出的15伏特的电压的情况下，比较器42、43的反相输入端子均输入超过它们的阈值的电压，因此比较器42、43输出低(L)电平的信号。这些低(L)电平的信号由NOT电路44、45转换成高(H)电平的信号，经由电阻46、47施加到光耦合器48、49的发光二极管48a、49a的阴极端子。由此，发光二极管48a、49a由于没有流过电流而不发光，因此，光电晶体管48b、49b保持截止状态。
接着，警报信号的电压下降，若低于比较器42的阈值即10伏特，则比较器42输出高(H)电平的信号，比较器43的输出保持低(L)电平。由于比较器42的输出信号反转，因此NOT电路44的输出变为低(L)电平，电流流过发光二极管48a从而使其发光。其结果使得光电晶体管48b切换为导通状态，而光电晶体管49b继续处于截止状态。光耦合器48由于其光电晶体管48b变为导通状态，因此输出预告警报信号。
进一步地，若警报信号的电压下降，并低于比较器43的阈值即5伏特，则比较器43也输出高(H)电平的信号，由NOT电路45进行逻辑反转后输出低(L)电平的信号。由此，光耦合器49中，由于电流流过其发光二极管49a而使其发光，从而光电晶体管49b变为导通状态，由此光耦合器49输出保护动作信号。此时，光耦合器48由于其光电晶体管48b保持导通状态，因此同时输出预告警报信号。
按上述方式，在从警报信号输出端子ALM输出的警报信号的电平改变，输出电压高于10伏特的情况下，不输出预告警报信号也不输出保护动作信号。在输出电压为5～10伏特的情况下，仅输出预告警报信号，在输出电压小于5伏特的情况下，同时输出预告警报信号和保护动作信号。由此，即使从一个警报信号输出端子ALM输出多个电平的电压，利用图9所示的识别电路，也能够区分预告警报信号和保护动作信号来进行输出。
此外，由于能够在执行保护动作之前发出预告警报，因此，在发出预告警报到执行保护动作的期间，能够促使进行导致因异常而停止的主要原因的排除，由此能够防止系统的突然停止。
并且，该识别电路利用比较器42、43来识别警报信号的电压电平，但并不限于此，例如，也可以利用击穿电压不同的齐纳二极管来识别警报信号的电压电平。
另外，在上述实施方式中，假设晶体管N1、N2、N3为N沟道MOS晶体管，晶体管P1为P沟道MOS晶体管。
上文中，仅示出本发明的原理。此外，很多变形、变更对本领域技术人员而言都是可能的，本发明并不限于上面示出且进行了说明的准确结构及应用例，对应的所有变形例及等效发明均视为由附加的权利要求及其等效发明所构成的本发明的范围。
标号说明
1 IGBT芯片
2 温度检测用二极管
10 控制IC
11 栅极控制电路
12 过电流检测电阻
13 比较器
14 基准电压源
15 保护警报输出电路
16 恒流源
17 比较器
18 基准电压源
19 预告警报电路
20 比较器
21 基准电压源
22 AND电路
23 NOT电路
24 电阻
25 齐纳二极管
26 上拉电阻
27 上拉电压源
28、29、30 电阻
31 上拉电阻
32 上拉电压源
33 恒流源
34、35 电阻
36 NOT电路
38 AND电路
39 D/A转换器
41 控制电源电压源
42、43 比较器
44、45 NOT电路
46、47 电阻
48、49 光耦合器
48a、49a 发光二极管
48b、49b 光电晶体管
ALM 警报信号输出端子
GND 接地端子
N1、N2、N3 晶体管
OC 过电流检测端子
OH 过热检测端子
OUT 栅极信号输出端子
P1 晶体管
Vcc 控制电源电压端子
Vin 控制信号输入端子

Claims (6)

1.一种半导体装置，包括功率半导体元件及控制IC，该控制IC进行控制以驱动所述功率半导体元件且在所述功率半导体元件发生了异常时对其进行保护并输出警报，所述半导体装置的特征在于，
所述控制IC包括：
栅极控制电路，该栅极控制电路对所述功率半导体元件进行控制；
保护警报输出电路，该保护警报输出电路在检测到所述功率半导体元件异常时将保护动作信号输出到所述栅极控制电路和警报信号输出端子；以及
预告警报电路，该预告警报电路检测所述功率半导体元件发生异常的先兆，并将具有与所述保护动作信号不同电平的预告警报信号输出到所述警报信号输出端子，
所述预告警报电路包括：比较器，该比较器具有与检测所述功率半导体元件的异常的阈值不同的阈值；以及多电平生成电路，该多电平生成电路根据所述保护警报输出电路输出的第1信号和所述比较器输出的第2信号，与正常时、预告警报时以及保护动作时相对应地生成不同电平的信号，并将其输出到所述警报信号输出端子，
所述多电平生成电路包括：连接在所述警报信号输出端子与地之间的电阻和第1开关元件的第1串联电路；连接在所述警报信号输出端子与地之间的齐纳二极管和第2开关元件的第2串联电路；对所述第1信号进行逻辑反相的NOT电路；以及接受所述第2信号和所述NOT电路的输出信号的AND电路，利用所述第1信号控制所述第1开关元件，利用所述AND电路的输出信号控制所述第2开关元件。
2.一种半导体装置，包括功率半导体元件及控制IC，该控制IC进行控制以驱动所述功率半导体元件且在所述功率半导体元件发生了异常时对其进行保护并输出警报，所述半导体装置的特征在于，
所述控制IC包括：
栅极控制电路，该栅极控制电路对所述功率半导体元件进行控制；
保护警报输出电路，该保护警报输出电路在检测到所述功率半导体元件异常时将保护动作信号输出到所述栅极控制电路和警报信号输出端子；以及
预告警报电路，该预告警报电路检测所述功率半导体元件发生异常的先兆，并将具有与所述保护动作信号不同电平的预告警报信号输出到所述警报信号输出端子，
所述预告警报电路包括：比较器，该比较器具有与检测所述功率半导体元件的异常的阈值不同的阈值；以及多电平生成电路，该多电平生成电路根据所述保护警报输出电路输出的第1信号和所述比较器输出的第2信号，与正常时、预告警报时以及保护动作时相对应地生成不同电平的信号，并将其输出到所述警报信号输出端子，
所述多电平生成电路包括：连接在所述警报信号输出端子与地之间的第1开关元件、第1电阻及第2电阻的串联电路；以及与所述第1电阻或所述第2电阻并联连接的第2开关元件，利用所述比较器的输出信号控制所述第1开关元件，利用所述第1信号控制所述第2开关元件。
3.一种半导体装置，包括功率半导体元件及控制IC，该控制IC进行控制以驱动所述功率半导体元件且在所述功率半导体元件发生了异常时对其进行保护并输出警报，所述半导体装置的特征在于，
所述控制IC包括：
栅极控制电路，该栅极控制电路对所述功率半导体元件进行控制；
保护警报输出电路，该保护警报输出电路在检测到所述功率半导体元件异常时将保护动作信号输出到所述栅极控制电路和警报信号输出端子；以及
预告警报电路，该预告警报电路检测所述功率半导体元件发生异常的先兆，并将具有与所述保护动作信号不同电平的预告警报信号输出到所述警报信号输出端子，
所述预告警报电路包括：比较器，该比较器具有与检测所述功率半导体元件的异常的阈值不同的阈值；以及多电平生成电路，该多电平生成电路根据所述保护警报输出电路输出的第1信号和所述比较器输出的第2信号，与正常时、预告警报时以及保护动作时相对应地生成不同电平的信号，并将其输出到所述警报信号输出端子，
所述多电平生成电路包括：连接在控制电源电压端子与地之间的恒流源、第1电阻及第2电阻的串联电路；与所述第1电阻并联连接的第1开关元件；以及与所述第2电阻并联连接的第2开关元件，所述恒流源与所述第1电阻的连接点与所述警报信号输出端子相连，利用所述第1信号和所述比较器的输出信号控制所述第1开关元件和所述第2开关元件。
4.如权利要求1至3的任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述预告警报电路具有对所述警报信号输出端子进行电位上拉的上拉电路。
5.如权利要求1至3的任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述控制IC输入形成于所述功率半导体元件的温度检测用二极管检测出的芯片温度的信号，由此检测出所述功率半导体元件的过热异常，所述预告警报电路检测出所述功率半导体元件的过热异常的先兆。
6.如权利要求1至3的任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述控制IC输入电流感测元件输出的电流信号，由此来检测出所述功率半导体元件的过电流异常，所述预告警报电路检测出所述功率半导体元件的过电流异常的先兆，其中，由所述电流感测元件对所述功率半导体元件的有主电流流过的主元件的电流进行检测。
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