CN114124053A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供半导体装置，在用功率半导体开关元件构成的半导体装置中，高精度地检测各功率半导体开关元件的温度，并高效地收集所述温度的半导体装置。在具备多个功率模块的半导体装置中，输出各功率模块的警告信号的逻辑或作为外部警告信号，所述功率模块具有：功率半导体开关元件，其具备温度检测用二极管；以及驱动电路，其具备使所述功率半导体开关元件进行导通/关断动作的输出电路，并且如果所述温度检测用二极管的正向电压的值变为第一基准电压值以下，则输出用于提醒注意的警告信号，如果所述正向电压的值变为小于所述第一基准电压值的第二基准电压值以下，则输出用于使所述功率半导体开关元件的导通/关断动作停止的保护动作信号。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及具备多个功率模块而构成的半导体装置，特别是涉及具有功率半导体开关元件的温度检测功能和加热保护功能的半导体装置，所述功率模块由IGBT等功率半导体开关元件和驱动它们的驱动电路构成。
背景技术
一般来说，使用IGBT等功率半导体开关元件来工作的装置具备过热保护功能。该功能在检测到功率半导体开关元件的温度并且该温度超过一定的温度的情况下进行警报输出，或者执行使装置的动作停止等保护动作。
以往，提出了汇集多个功率半导体开关元件的温度来检测的技术。例如，在专利文献1中记载的内嵌三相桥式电路的半导体模块中，通过模拟绝缘放大器将由设置于各半导体元件(IGBT)上的温度检测用二极管输出的电压进行放大而用作温度信息。并且，从各半导体元件的温度信息中选择温度最高的部位的温度信息，在该温度信息达到阈值以上的情况下执行保护动作。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-134074号公报
发明内容
技术问题
然而，因为温度检测用二极管的输出电压与温度之间存在偏差，所以在如专利文献1所述的对将温度检测用二极管的输出电压增大而得的值进行比较这样的方法中，未必能够准确地选择最高温度的IGBT。另外，也有可能在所选择的IGBT的实际温度与基于温度检测用二极管的输出电压值推定而得的温度之间产生偏差。
本发明是应对这样的现有情况而作出的，其目的在于，提供一种半导体装置，在使用多个功率半导体开关元件而构成的半导体装置中，能够高精度地检测各功率半导体开关元件的温度，并且有效地收集各功率半导体开关元件的温度。
技术方案
为了达成上述目的，本发明的半导体装置的特征在于，是具备多个功率模块的半导体装置，所述功率模块具有：
功率半导体开关元件，其具备温度检测用二极管；以及
驱动电路，其具备使所述功率半导体开关元件进行导通/关断动作的输出电路，并且如果所述温度检测用二极管的正向电压的值变为第一基准电压值以下，则所述驱动电路输出用于提醒注意的警告信号，如果所述正向电压的值变为小于所述第一基准电压值的第二基准电压值以下，则所述驱动电路输出用于使所述功率半导体开关元件的导通/关断动作停止的保护动作信号，
所述半导体装置输出各功率模块的所述警告信号的逻辑或作为外部警告信号。
在本发明中，针对每个功率半导体开关元件，判断搭载于该元件的温度检测用二极管的正向电压是否超过一定的阈值电压，并且向外部输出为该判断结果的逻辑或。
优选的是，可以能够调整所述第一基准电压值和/或所述第二基准电压值。由此，首先对每个功率模块高精度地进行温度检测，输出逻辑或作为其检测结果，从而能够将通过高精度的温度检测产生的警告信号高效地向外部输出。
另外，各个所述功率模块优选具备允许或禁止所述警告信号的输出的切换单元。由此，能够高效地进行判断是否输出警告信号和/或保护动作信号的基准电压的调节。
另外，本发明的半导体装置的所述驱动电路的特征在于，所述驱动电路具备：
第一比较器，其将所述正向电压与所述第一基准电压进行比较而输出所述警告信号；以及
第二比较器，其将所述正向电压与所述第二基准电压进行比较而输出所述保护动作信号，
所述第一比较器与所述第二比较器是迟滞比较器。
通过使用迟滞比较器作为比较器，从而不用重复基于警告和/或保护动作信号的过热保护的产生/复原而能够实现稳定的动作。
应予说明，在半导体装置为单相的情况下，优选汇集上臂用功率模块和下臂用功率模块的警告信号而将其向外部输出。另外，在半导体装置为三相逆变器的情况下，优选进一步汇集各相的警告信号而将其向外部输出。
技术效果
如上所述，根据本发明，能够高精度地检测各半导体开关元件的温度，还能够作为半导体装置高效地收集温度信息。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的半导体装置的构成图。
图2是用于说明图1的动作的时序图。
图3是图1的其他实施例。
图4是本发明的第二实施方式的半导体装置的构成图。
图5是本发明的第三实施方式的半导体装置的构成图。
图6是本发明的第四实施方式的半导体装置的构成图。
符号说明
1：半导体装置
2(2a-2n)：功率模块
3：集成电路
4：切换电路
4a：开关
4b：下拉电阻
10：功率半导体开关元件
12：温度检测用二极管
20：驱动电路
21：输出电路
22、23：比较器(迟滞比较器)
24、31、34：恒流源
25、26、33：基准电压源
32、35：可变电阻器
41：驱动信号
42：保护动作信号
43：警告信号
44：外部警告信号
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的半导体装置的第一实施方式进行说明。
图1是本实施方式的半导体装置1的构成图。如该图所示，半导体装置1由多个功率模块2(2a～2n)构成。各功率模块2(2a～2n)由IGBT等功率半导体开关元件10和驱动电路20构成。功率半导体开关元件10不限于IGBT，也可以是MOSFET等，接下来以IGBT为例进行说明。本实施方式中的IGBT10在芯片内具备温度检测用二极管12。
驱动电路20具备基于输入的驱动信号41在IGBT10的栅极端子施加电压而使IGBT10进行导通/关断动作的输出电路21。驱动电路20还具备恒流源24。并且，从该恒流源24向IGBT10的温度检测用二极管12流动恒电流，并检测正向电压(以下，记为“检测电压”。)。该检测电压被输入比较器22和比较器23的反相输入端子。比较器22的同相输入端子与输出基准电压值Verf1的电压的基准电压源25连接，比较器23的同相输入端子与输出基准电压值Verf2的电压的基准电压源26连接。应予说明，基准电压值Verf2被设定为小于基准电压值Verf1的值。这些比较器22、比较器23优选使用迟滞比较器。
多个功率模块2(2a～2n)的各驱动电路20的比较器22的输出端与由或电路构成的集成电路3的输入端连接。从集成电路3的输出端输出与各IGBT10的温度相关用于提醒注意的警告信号43的或条件的计算结果而作为外部警告信号44。
从各驱动电路20的比较器23的输出端输出保护动作信号42。该保护动作信号42被输入例如PWM电路(未图示)等外部电路。如果输入保护动作信号42，则外部电路执行使开关频率降低，或使动作停止等预定的保护动作。应予说明，作为简便的保护方法的一例，有将保护动作信号42输入到输出该保护动作信号42的驱动电路20中的输出电路21，并且在保护动作信号42开启(有效状态)时，不论驱动信号41如何都将输出电路的21的输出强制地设为截止状态这样的方法。如果这样做，则能够以简单的构成实现过热保护功能。
温度检测用二极管12的正向电压具有温度依赖性，随着温度变高，正向电压的值变小。因此，如果检测电压的值达到基准电压值Verf1以下，则比较器22的输出变为开启(高电平)，警告信号43变为开启(有效)。由此，将IGBT10的芯片温度接近异常水平的情况向外部通知。
用图2对具有上述构成的功率模块的温度异常时的作用进行说明。在图2的(a)～2的(d)所示的图表中，水平方向是时间轴。在图2的(a)中，垂直方向表示温度变化和比较器22、比较器23的动作时刻，在图2的(b)中，垂直方向表示保护动作信号(警报)42的输出时刻的波形，在图2的(c)中，垂直方向表示警告信号43的波形，在图2的(d)中，垂直方向表示来自功率模块的驱动电路21的输出端子的输出脉冲波形。
在具有上述构成的半导体装置1中，在所有的IGBT10的温度为预定值以下，并且所有的功率模块2(2a～2n)正常工作时，因为温度检测用二极管12的正向电压(检测电压)的值大于基准电压值Verf1，所以无论从哪个功率模块2(2a～2n)都不输出警告信号43。其结果是，作为集成电路3的输出的外部警告信号44变为截止(无效)。
现在，如果某个功率模块2的IGBT10的温度缓缓地上升，在时刻t1的时间点超过温度警告水平，即，如果温度检测用二极管12的检测电压变为基准电压值Verf1以下，则比较器22的输出变为开启，集成电路3的输出(警告输出端子)变为高电平。其后，如果IGBT10的温度继续上升且在时刻t2的时间点超过过热保护水平，即，如果温度检测用二极管12的检测电压变为基准电压值Verf2以下，则比较器23的输出变为开启，保护动作信号42变为有效。外部电路(未图示)检测保护动作信号42达到有效状态的情况，并实施保护动作。在图2的(d)的例子中，在保护动作期间，切断IGBT10的栅极电流而使动作停止。由此，该IGBT10的温度开始降低。并且，如果在时刻t3的时间点检测电压值比基准电压值Verf2大迟滞所带来的量，则比较器23的输出截止，保护动作信号42被重置。其结果是，外部电路(未图示)再次开始动作，再次向IGBT10的栅极端子供给电压脉冲，使开关再次开始导通/关断。其后，如果温度进一步降低而在时刻t4的时间点检测电压值比基准电压值Verf1由于迟滞而相对于基准电压值Verf1变大，则比较器22的输出截止，该结果警告信号43被重置。
如上所述，根据本实施方式，每个功率模块2(2a～2n)输出用于过热保护的保护动作信号，另外，通过集成电路将提醒注意的警告信号汇集成一个并将其向外部输出。由此，对达到过热异常的功率模块可靠地执行保护动作，另一方面，通过对警告信号进行汇集，因为能够将处理简化，所以作为半导体装置能够收集有效的温度信息。
(其他实施例)
在图1中，在由各功率模块2(2a～2n)输出的警告信号43的下游设置有集成电路3。该集成电路3能够被设为与功率模块2(2a～2n)不同的基板且安装于半导体装置1。对此，如图3所示，也可以设为将集成电路3设置于功率模块2(2a～2n)中的任一个功率模块内。
(应用例)
接下来，说明本发明的应用例。利用什么样的单位来汇集警告信号是重要的，但是在为内嵌单相逆变器电路的半导体装置1的情况下，能够将构成上臂的功率模块与构成下臂的功率模块设为一对，通过集成电路3对各个功率模块的警告信号43计算逻辑或，从而将其结果作为外部警告信号44而输出。
在半导体装置1内嵌三相逆变器电路的情况下，能够进一步通过集成电路对构成各相的功率模块的警告信号计算逻辑或，并将其结果作为警告信号43而输出。
接下来，对本发明的第二实施方式进行说明。
本实施方式是从外部可变地设定基准电压值Verf1的情况。图4是本实施方式的半导体装置1的构成图。与图1的主要构成不同，将恒流源31的输出端与可变电阻器32的一端和比较器22的同相输入端子连接，可变电阻器32的另一端与基准电位(GND)连接。另外，将恒流源31的输出端与基准电压源33的正极侧连接，将基准电压源33的负极侧与比较器23的同相输入端子连接。基准电压源33的两端电压是基准电压值Verf3。因为其他结构与图1相同，所以对同一要素标记相同的符号而省略说明。
在具有上述构成的半导体装置1中，对比较器22、比较器23的反相输入端子施加内嵌于IGBT10的温度检测用二极管12的正向电压(检测电压)。另一方面，从恒流源31向可变电阻器32流通恒电流，在可变电阻器的两端产生的电压施加于比较器22的同相输入端子。该电压值Verf1成为比较器22判断是否基于温度检测用二极管12的检测电压输出警告信号的基准电压值。另一方面，对比较器23的同相输入端子施加基准电压值(Verf1-Verf3)。该基准电压值(Verf1-Verf3)成为判断功率模块2是否输出保护动作信号42的基准电压值。
在本实施方式的半导体装置1中，比较器22能够调整使警告信号43开启时的基准电压值Verf1。通常，恒电流在温度检测用二极管12流动时的正向电压值与IGBT的温度之间存在偏差。另外，也有每相的检测电压都不同的情况。因此，在试验半导体装置1时，将IGBT10设为导通状态而使集电极电流流通，基于IGBT10到达恒定的温度时的检测电压值，以警告信号输出时的温度中的检测电压值达到基准电压值Verf1的方式调整可变电阻器32。
在如此调整了基准电压值的半导体装置1中，如果某个功率模块2的IGBT10的检测电压值达到基准电压值Verf1，则输出该功率模块的警告信号43。并且，如果从警告信号输出时间点进一步检测电压值低于Verf3，则输出保护动作信号42。
在本实施方式中，因为构成为能够对每个功率模块2调整基准电压值Verf1，所以除了第一实施方式的效果以外，还起到能够降低恒电流在温度检测用二极管12流通时的正向电压值与IGBT的温度之间的偏差，高精度地检测IGBT的温度这样的效果。
应予说明，在本实施方式中，如图3所示，当然能够将集成电路3安装于某一个功率模块。
接下来对本发明的第三实施方式进行说明。
本实施方式的特征在于，构成为不仅能够对成为输出警告信号的判定基准的基准电压值Verf1进行调整，还能够对成为输出保护动作信号42的判定基准的基准电压值Verf2进行调整。图5是本实施方式的半导体装置1的构成图。与图4的主要差异是重新设置恒流源34和可变电阻器35，将恒流源34的输出端与可变电阻器35的一端和比较器23的同相输入端子连接，将可变电阻器35的另一端与基准电位(GND)连接。因为其他的结构与图4相同，所以对同一要素标记相同的符号而省略说明。
根据本实施方式，不仅能够对成为判断是否输出警告信号43时的基准的基准电压值Verf1进行调整，还能够对成为判断功率模块2是否输出保护动作信号42时的基准的基准电压值Verf2分别独立地进行调节。
根据本实施方式，除了第一、第二实施方式的效果以外，还能够在输出保护动作信号时，高精度地检测温度。
接下来，对本发明的第四实施方式进行说明。
本实施方式的特征在于，如图6所示，在各功率模块与集成电路3之间设置有切换电路4，所述切换电路4切换是否使从功率模块输出的警告信号43通过的切换电路4。
该切换电路4具备通过手动的方式允许/禁止各个警告信号43的通过的开关4a、和位于集成电路(或电路)3的输入侧的下拉电阻4b。因为其他结构与图4相同，所以对同一要素标记相同的符号而省略说明。
在本实施方式的半导体装置1中，在通过可变电阻器32调整基准电压值Verf1时，在切换电路4中仅使调节对象的功率模块的开关导通，使其他的开关关断。由此，因为从集成电路3输出的外部警告信号44仅是调节对象的功率模块的警告信号，所以容易调整。另外，在将所有的IGBT一并设为预定的温度的状态下，因为能够进行各个可变电阻器32的调整，所以能够实现调整的高效化。应予说明，在调整可变电阻器32后，将切换电路4的所有开关4a设为导通，以使得在使用状态下将各功率模块的警告信号43输入到集成电路3。
应予说明，也可以对如图3所示地将集成电路设置于某个功率模块的驱动电路内的构成或能够调整图5的两个基准电压值Verf1、基准电压值Verf2的构成设置切换电路4。
以上，根据本实施方式，除了第一～第三实施方式的效果以外，还能够提高调整基准电压值时的效率。应予说明，也可以设为在将构成逆变器的基板收纳到框体内来实现半导体装置的构成中，切换电路的开关和/或基准电压值调整用的可变电阻器(微调)的旋钮的操作可以以处于安装在基板的状态的方式设置于基板端部，或者伸出到基板外，从而能够一并调整多个功率模块的基准电压值。
本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种改变。例如，切换电路4的开关的切换也可以设为通过调整模式、使用模式等的模式而根据来自计算机的指令自动切换。

Claims (7)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备多个功率模块，所述功率模块具有：
功率半导体开关元件，其具备温度检测用二极管；以及
驱动电路，其具备使所述功率半导体开关元件进行导通、关断动作的输出电路，并且如果所述温度检测用二极管的正向电压的值成为第一基准电压值以下，则所述驱动电路输出用于提醒注意的警告信号，如果所述正向电压的值成为小于所述第一基准电压值的第二基准电压值以下，则所述驱动电路输出用于使所述功率半导体开关元件的导通、关断动作停止的保护动作信号，
所述半导体装置输出各功率模块的所述警告信号的逻辑或作为外部警告信号。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一基准电压值能够按每个所述功率模块进行调整。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
各个所述功率模块具备允许或禁止所述警告信号的输出的切换单元。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述第二基准电压值能够按每个所述功率模块进行调整。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述驱动电路具备：
第一比较器，其将所述正向电压与所述第一基准电压进行比较而输出所述警告信号；以及
第二比较器，其将所述正向电压与所述第二基准电压进行比较而输出所述保护动作信号，
所述第一比较器和所述第二比较器是迟滞比较器。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体装置是逆变器，
所述功率模块是该逆变器的上臂用功率模块和下臂用功率模块，并且输出所述上臂用功率模块的警告信号与所述下臂用功率模块的警告信号的逻辑或。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体装置是三相逆变器，
所述功率模块输出构成该三相逆变器的各相的功率模块的警告信号的逻辑或。
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