CN1921311A - 具有保护电路的半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供让电源电压降低保护电路具有过热保护功能的半导体装置。本发明的半导体装置的保护电路，用电阻和具有正的齐纳电压温度依存性的齐纳二极管的串联体分割电源电压后，连接到比较器的一个输入端，在比较器的另一个输入端，施加用电阻分割的电源电压，比较齐纳电压和电阻分割电压来检测无过热时的电源电压有无变动，用齐纳电压的变动来检测无电源电压变动时的半导体装置有无过热。

Description

具有保护电路的半导体装置

技术领域

本发明涉及具有执行电源电压降低保护和过热保护的保护电路的半导体装置。

背景技术

在作为电压驱动型半导体装置一种的、内置IGTB(Insulated Gate BipolarTransistor)控制电路的IGTB模块中，为避免在电源电压降低时不能发生控制电源电压而负载驱动电路不能正常动作，装备电源电压降低保护电路。现有技术的电压降低保护电路，在第二电压(正输入端)比相当于阈值的第一电压(负输入端)升高的情况下，具有对于驱动电路进行反转输出的电源电压降低切断功能。

另外，在专利文献1和专利文献2中公开了半导体装置的发热检测电路。

【专利文献1】特开平6-74833号公报(图1(A)和(0015)段的记载)

【专利文献2】特开2000-124781号公报(从(0007)段到(0014)段的记载)

发明内容

在所述专利文献1和专利文献2中，存在这样的问题：在半导体装置的发热检测电路外，需要另外设置检测控制电路的电源电压变动的电路，故此，电路结构复杂，制作集成电路时半导体芯片面积变大。

本发明的目的是提供让所述电源电压降低保护电路也具有作为过热保护电路的功能并且能够减小电路规模的半导体装置。

本发明的半导体装置，在电源电压降低保护电路中也配置具有正的温度特性的半导体元件、装备兼有电源电压降低保护功能和过热保护功能的电路。

根据本发明，因为在电源电压降低保护电路中也装备具有正温度特性的半导体元件，用一个电路结构兼用两种功能，所以缩小半导体芯片的面积。

附图说明

图1是第一实施例的具有过热保护功能的电源电压降低保护电路的电路图；

图2是第一实施例的具有逆变器IC的电动机驱动装置的说明图；

图3是形成第一实施例的逆变器IC的电介质分离基板的截面说明图；

图4是在第一实施例中在比较器的正输入端和负输入端上施加的电压的温度变化的说明图；

图5是在第一实施例中伴随温度变化的比较器的逻辑输出的说明图；

图6是在第一实施例中在比较器的正输入端和负输入端上施加的电压和驱动电路电源电压的关系的说明图；

图7是在第一实施例中伴随驱动电路电源电压的变化的比较器的逻辑输出的说明图；

图8是第二实施例的具有过热保护功能的电源电压降低保护电路的电路图；

图9是在第二实施例中在比较器的正输入端和负输入端上施加的电压的温度变化的说明图；

图10是在第二实施例中伴随温度变化的比较器的逻辑输出的说明图；

图11是在第二实施例中在比较器的正输入端和负输入端上施加的电压和驱动电路电源电压的关系的说明图；

图12是在第二实施例中伴随驱动电路电源电压的变化的比较器的逻辑输出的说明图；

图13是形成第三实施例的逆变器IC的SOI基板的截面说明图；

图14是第四实施例的具有前置驱动器IC的电动机驱动装置的说明图。

符号说明

1 逆变器IC，2 电动机，3 商用交流电源，4 整流平滑电路，5 微处理器，6 位置检测电路，7 驱动控制电路部，8 输出级功率元件部，9 硅单晶岛，10 SiO₂绝缘分离层，11 多晶硅基板，12 单晶硅基板，13 单晶硅层，14 SiO₂绝缘层，15 多晶硅层，16 硅支持基板，17 前置驱动器IC，18 输出级功率元件，R1～R9 电阻，U1～U3 比较器，A1～An、B1～Bn 齐纳二极管，D1～D2 二极管。

具体实施方式

使用附图和实施例详细说明本发明。

【第一实施例】

根据图1到图5说明本实施例。图2是本实施例的使用内置IGBT的逆变器IC的电动机驱动装置的说明图。图2的符号1是逆变器IC，2是电动机，3是商用交流电源，4是整流平滑电路，5是作为控制部的微处理器，6是检测电动机转子位置的位置检测电路，7是在逆变器IC中内置的驱动控制电路部，8是输出级功率元件部，Vs是输出级功率元件电源电压，Vcc是驱动控制电路电源电压。

图2中，驱动控制电路部7，进而具有未图示的驱动电路部、保护电路部、电平移位电路部和逻辑电路部，接收微处理器5发出的控制信号后向输出级功率元件部8发送例如经脉冲宽度调制(PWM)的栅极驱动信号。此外，保护电路部，检测过电流或者过热或者电压降低，并向微处理器5或所述逻辑部发送检测信号，限制输出级功率元件部8的输出电流。

输出级功率元件部8具有3个上下臂，该上下臂图腾柱连接作为上下各自的臂的功率半导体元件的IGBT或者功率MOSFET，输出频率可变的U相、V相、W相的3相交流，驱动负载电动机2。电动机2是3相无刷DC电动机，内置输出永磁转子位置的位置传感器，将其信号向位置检测电路输出。整流平滑电路4整流100V～120V或者200V～240V的额定商用交流电源3，给输出级功率元件部8供给输出级功率元件电源电压Vs。驱动控制电路电源电压Vcc在本实施例中是15V，但是不限于该电压。

本实施例的逆变器IC1，驱动控制电路部7和输出级功率元件部形成在相同的硅半导体基板上，安装在同一组件内。本实施例的逆变器IC1，如图3中的截面图所示，具有单晶硅基板12和多晶硅基板11以及用SiO₂绝缘分离层10绝缘分离的硅单晶岛9，在该硅单晶岛9上形成构成驱动控制电路部7、输出级功率元件部8的半导体元件和电阻或电容器等电路元件。以下，把图3所示的、在多晶硅基板11上配置用SiO₂绝缘分离层10绝缘分离的硅单晶岛9构成的硅半导体基板，称为电介质分离基板。

图1是具有本实施例的逆变器IC1的驱动控制电路部7的保护电路部装备的温度检测功能的电源电压变动切断电路的电路图。在图1中，符号R1～R3是电阻，A1～An是多个串联的齐纳二极管，U1是比较器，Vcc是驱动控制电路电源电压。在比较器U1的正输入端，连接串联的齐纳二极管的阴极和电阻R1的连接点，在比较器U1的负输入端，连接电阻R2和电阻R3的连接点。再有，如图1所示，串联的齐纳二极管的阳极和电阻R3的一端为等电位，在图1中时被连接到接地电位。此外，比较器U1也可以使用运算放大器。

在本实施例中，因为串联表示恒电压特性的齐纳二极管，所以即使驱动控制电路电源电压Vcc变动，也可以忽略比较器U1的正输入端的电压变动。以下，所谓恒电压特性，意味如与电阻串联的齐纳二极管的齐纳电压那样，即使是使施加在与电阻串联的元件上的电压变动而流过元件的电流变化很大，而半导体元件两端的电压的变化比外加电压的变动小的特性。

如图1所示，因为在齐纳二极管上施加逆偏压，所以齐纳电压具有伴随温度上升而电压变大的正的温度系数，但是在一个齐纳二极管上齐纳电压的温度系数例如3mV/℃很小。在本实施例中把多个齐纳二极管如图1所示串联后，扩大了温度系数。例如，在图1中如果串联两个齐纳二极管的话，则因为温度系数变大到2倍的6mV/℃，所以即使接受驱动控制电路电源电压Vcc的变动后，温度检测误差的精度也比使用一个齐纳二极管的情况好。串联的齐纳二极管的数目越多，温度系数也就越大，所以就更难于受噪声影响，故此，串联的齐纳二极管的齐纳电压，按过热保护动作温度，可以连接落入比较器的输入电压范围内的数个齐纳二极管，其数目没有特别限制。通常，可以串联1到5个齐纳二极管。串联的各齐纳二极管的齐纳电压，可以相同，也可以不同。

在本实施例中，因为串联的齐纳二极管具有大的正温度系数，所以随着温度的升高比较器U1的正输入端的电压升高。另外，在R2和R3的连接点的电压，因为用电阻R2和电阻R3分压驱动控制电路电源电压Vcc，所以即使电阻R2和电阻R3的电阻值因温度变化而变化，但是其比值可认为与温度变动无关是恒定的，所以比较器U1的负输入端的电压也成为恒定而作为阈值起作用。特别在本实施例中，如图3所示，是将比较器U1、齐纳二极管DZ1、DZ2、电阻R1、R2、R3形成在同一电介质分离基板上，所以上述电阻R2、R3的电阻值的比的温度变化就小到可忽略。

在本实施例中，在驱动控制电路电源电压Vcc恒定或者可允许其变动范围大的情况下，在比较器U1的正输入端上施加的电压，如图4所示，随温度上升齐纳电压升高，如图4所示在设定为过热保护温度的135℃下，和在比较器U1的负输入端上施加的电压一致，如图5所示比较器U1的输出从L电平反转为H电平。

在本实施例中，如图4所示，因为在比较器U1的负端子上施加的比较器的基准电压，在从0℃到200℃的宽广的温度范围内不变化而是稳定的，所以可以高精度检测设备温度是否超过了过热保护温度。

在本实施例中，在比较器U1的正输入端上施加齐纳电压、在比较器U1的负输入端上施加电阻分压驱动控制电路电源电压Vcc的基准电压，但是反过来，也可以在比较器U1的负输入端上施加齐纳电压、在比较器U1的正输入端上施加电阻分压驱动控制电路电源电压Vcc的基准电压，在这种情况下，比较器U1的输出从H电平反转到L电平。

此外，在图1中，在温度变化小或者温度恒定的情况下，如果驱动控制电路电源电压Vcc降低，则因为齐纳电压的变化小而可以忽略，所以比较器U1的正端子的电压不变化，用电阻R2和电阻R3分压的比较器U1的负端子的电压如图6所示降低下去，在该电压比齐纳电压低的情况下，如图7所示，比较器U1的输出从L电平反转到H电平。

【第二实施例】

根据图8说明本实施例。本实施例，除逆变器IC1的驱动控制电路部7的保护电路部与第一实施例不同外，和第一实施例相同。图8是具有位于本实施例的驱动控制电路部7的保护电路部中的过热保护功能的电源电压降低保护电路的电路图。图8中，符号R4～R6是电阻，B1～Bn是多个串联的齐纳二极管，U2是比较器，Vcc是驱动控制电路电源电压。

在本实施例中比较器的逻辑输出与第一实施例不同。齐纳二极管的逆向电压具有正的温度系数，但是在比较器U2的正输入端上连接的电压是用电阻R4和串联的齐纳二极管分压驱动控制电路电源电压Vcc的部分的电压。因此，如温度上升，则因为齐纳二极管分担的电压变大，电阻R4分担的电压变大，所以在比较器U2的正输入端上连接的电压具有负的温度系数，随温度上升降低。另外，电阻R5和电阻R6的连接点的电压，因为和第一实施例相同与温度无关为恒定，所以比较器U2的负输入端的电压恒定。

因此，随温度上升齐纳电压升高，如图9、图10所示，在设定为过热保护温度的135℃下比较器的输出从H电平反转为L电平。

在本实施例中，串联的齐纳二极管的正向电压，按过热保护动作温度，可以连接落入比较器的输入电压范围内的个数的齐纳二极管，对其数目没有特别限制。通常，可以串联1到5个齐纳二极管。串联的各齐纳二极管的齐纳电压可以相同，也可以不同。

在本实施例中，在温度变化小或者温度恒定的情况下，在驱动控制电路电源电压Vcc由于某种原因降低了ΔVcc时，在图8所示的具有温度检测功能的电源电压变动切断电路中，因为可以忽略串联的齐纳二极管的逆向电压的变化，所以电阻R4分压的电压，就降低驱动控制电路电源电压Vcc的变化量ΔVcc。另一方面，比较器U2的负输入端，输入用电阻R5和电阻R6分压驱动控制电路电源电压Vcc的电压，在驱动控制电路电源电压Vcc由于某种原因降低ΔVcc时，用电阻R5和电阻R6分压该ΔVcc的电压降低。因此，如图11所示，比较器U2的正输入端的电压，低于负输入端的电压，如图12所示比较器的输出从H电平反转到L电平。

【第三实施例】

根据图13说明本实施例。在本实施例中，在图13所示的SOI(Silicon OnInsulator)基板上形成逆变器IC1这点与第一实施例或第二实施例不同，除此之外和第一实施例、第二实施例相同。图13表示SOI基板的截面，符号16是硅支持基板，13是单晶硅层，14是SiO₂绝缘层，15是多晶硅层，多个单晶硅层13用SiO₂绝缘层互相绝缘分离。在本实施例中，在该单晶硅层13上形成构成驱动控制电路部7和输出级功率元件部8的半导体元件、电阻或电容器等电路元件。

具有位于本实施例的逆变器IC1的驱动控制电路部7的保护电路部中的温度检测功能的电源电压降低保护电路，是和第一实施例或第二实施例同样的电路结构，将该电路形成在了图13所示的单晶硅层13上。

【第四实施例】

根据图14说明本实施例。在本实施例中，如图14所示，代替从第一实施例到第三实施例的逆变器IC1，使用前置驱动器IC17和输出级功率元件18，其他和第一实施例到第三实施例相同。

前置驱动器IC17，具有驱动控制电路部7，该驱动控制电路部7，具有未图示的驱动电路部、保护电路部、电平移位电路部和逻辑电路部，接收微处理器5发出的控制信号后，向输出级功率元件18发送例如经脉冲宽度调制的(PWM)的栅极驱动信号。此外，保护电路部，检测过电流或过热，向微处理器5或所述逻辑部发送检测信号，限制输出级功率元件18的输出电流。

本实施例的输出级功率元件18，具有3个图腾柱连接上下各臂的IGBT或者功率MOSFET的臂，输出频率可变的U相、V相、W相的3相交流，驱动负载电动机2。电动机2是3相无刷DC电动机，内置输出永磁转子位置的位置传感器，向位置检测电路6输出该信号。

本实施例的整流平滑电路部4，整流100V～120V或者200V～240V的额定商用交流电源3，给输出级功率元件18供给输出级功率元件电源电压Vs。驱动控制电路电源电压Vcc在本实施例中是15V，但是不限于该电压。

Claims (21)

1.一种半导体装置，其特征在于：

具有电源电压降低保护电路；

所述电源电压降低保护电路，在电源电压降低保护动作的开始电压中具有正的温度依存性，电源电压降低保护电路也具有所述半导体装置的过热保护功能。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：

所述电源电压降低保护电路，具有比较器、半导体元件和电阻器。

3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于：

所述半导体元件是齐纳二极管。

4.一种半导体装置，其特征在于：

具有电源电压降低保护电路，该电源电压降低保护电路，具有第一电压输出电路、第二电压输出电路、比较所述第一电压输出电路的输出电压和所述第二电压输出电路的输出电压的比较器；

在所述半导体装置的温度恒定的情况下，存在所述第一电压输出电路的输出电压和所述第二电压输出电路的输出电压的电压差成为零的电源电压；

在所述半导体装置的电源电压恒定的情况下，存在所述第一电压输出电路的输出电压和所述第二电压输出电路的输出电压的电压差成为零的半导体装置的温度。

5.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于：

所述第一电压输出电路或者第二电压输出电路具有半导体元件和电阻器。

6.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于：

所述半导体元件是齐纳二极管。

7.一种半导体装置，其特征在于：

具有：

将一端连接到电源的第一电阻器；

将一端连接到该第一电阻器的另一端的半导体元件；

将一端连接到所述电源的第二电阻器；

将一端连接到该第二电阻器的另一端的第三电阻器；和

比较器；

连接所述第一电阻器和半导体元件的连接点与所述比较器的一个输入端；

连接所述第二电阻器和所述第三电阻器的连接点与所述比较器的另一个输入端；

把所述半导体元件的另一端和所述第三电阻器的另一端连接到相同电位；

所述半导体元件，对于所述电源电压的变化表示恒电压特性，而且表示该恒电压特性的电压表示正的温度依存性；

根据表示该正的温度依存性的电压进行半导体装置的过热保护动作。

8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于：

所述半导体元件，是齐纳二极管，和所述第一电阻器的连接点是阴极，和所述第三电阻器的连接点是阳极。

9.根据权利要求8所述的半导体装置，其特征在于：

代替所述第一电阻器，齐纳二极管的阴极连接到所述电源；

代替所述半导体元件，把第四电阻器的一端连接到所述齐纳二极管的阳极。

10.一种半导体集成电路，其特征在于：

具有输出级功率元件部和驱动该输出级功率元件部的驱动控制电路部；

所述输出级功率元件部具有图腾柱连接功率半导体元件的3个臂；

所述驱动控制电路部，具有驱动电路部、逻辑电路部和保护电路部；

该保护电路部，具有：

一端连接到电源的第一电阻器；

将一端连接到该第一电阻器的另一端的半导体元件；

将一端连接到所述电源的第二电阻器；

将一端连接到该第二电阻器的另一端的第三电阻器；和

具有一个输入端和另一个输入端的比较器；

连接所述第一电阻器和多个半导体元件的串联体的连接点与所述比较器的一个输入端；

连接所述第二电阻器和所述第三电阻器的连接点与所述比较器的负输入端；

把所述半导体元件的另一端和所述第三电阻器的另一端连接到相同电位；

所述半导体元件，对于所述电源电压的变化表示恒电压特性，而且表示该恒电压特性的电压表示正的温度依存性。

11.根据权利要求10所述的半导体集成电路，其特征在于：

所述保护电路部的所述半导体元件是齐纳二极管。

12.根据权利要求11所述的半导体集成电路，其特征在于：

代替所述保护电路部的所述第一电阻器，齐纳二极管的阴极连接到所述电源；

代替所述半导体元件把第四电阻器的一端连接到所述齐纳二极管的阳极。

13.根据权利要求10所述的半导体集成电路，其特征在于：

输出级功率元件部和驱动控制电路部，被形成在同一硅半导体基板上；

该硅半导体基板，具有用绝缘分离层绝缘分离的硅单晶部；

在该硅单晶部上配置有所述输出级功率元件部和驱动控制电路部。

14.根据权利要求13所述的半导体集成电路，其特征在于：

具有用所述绝缘分离层绝缘分离的硅单晶部的硅半导体基板是电介质分离半导体基板。

15.根据权利要求13所述的半导体集成电路，其特征在于：

具有用所述绝缘分离层绝缘分离的硅单晶部的硅半导体基板是SOI半导体基板。

16.一种半导体集成电路，其特征在于：

具有驱动在半导体集成电路中连接的输出级功率元件部的驱动控制电路部；

该驱动控制电路部，具有：驱动具有图腾柱连接功率半导体元件的3个臂的所述输出级功率元件部的驱动电路部、逻辑电路部和保护电路部；

该保护电路部，具有：

一端连接到电源的第一电阻器；

将一端连接到该第一电阻器的另一端的半导体元件；

将一端连接到所述电源的第二电阻器；

将一端连接到该第二电阻器的另一端的第三电阻器；和

具有一个输入端和另一个输入端的比较器；

连接所述第一电阻器和多个半导体元件的串联体的连接点与所述比较器的一个输入端；

连接所述第二电阻器和所述第三电阻器的连接点与所述比较器的负输入端；

把所述半导体元件的另一端和所述第三电阻器的另一端连接到相同电位；

所述半导体元件，对于所述电源电压的变化表示恒电压特性，而且表示该恒电压特性的电压表示正的温度依存性。

17.根据权利要求16所述的半导体集成电路，其特征在于：

所述保护电路部的所述半导体元件是齐纳二极管。

18.根据权利要求17所述的半导体集成电路，其特征在于：

代替所述保护电路部的所述第一电阻器，齐纳二极管的阴极连接到所述电源；

代替所述半导体元件把第四电阻器的一端连接到所述齐纳二极管的阳极。

19.根据权利要求16所述的半导体集成电路，其特征在于：

所述驱动控制电路部被配置在在硅半导体基板上配置的、用绝缘分离层绝缘分离的硅单晶部上。

20.根据权利要求19所述的半导体集成电路，其特征在于：

具有用所述绝缘分离层绝缘分离的硅单晶部的硅半导体基板是电介质分离半导体基板。

21.根据权利要求19所述的半导体集成电路，其特征在于：

具有用所述绝缘分离层绝缘分离的硅单晶部的硅半导体基板是SOI半导体基板。

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