JP2002289856A - オンチップ温度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】温度検出手段を別個に備える必要がなく、素子
製造工程の増加やチップ面積の増大を抑えながら、オン
チップによる高精度で迅速な温度検出が可能なオンチッ
プ温度検出装置を提供する。 【解決手段】電流制御型素子４がオフしているときに、
電流制御型素子がオンしない程度の微少な一定電流Ｉｂ
２をベースに流し、ベース・エミッタ間ダイオードの順
方向電圧Ｖｂ２の温度特性を利用して温度を検出するよ
うに構成したオンチップ温度検出装置。別個の温度検出
手段を用意する必要がなく、素子製造工程の増加やチッ
プ面積の増大を抑えながら、オンチップによる精度が良
く迅速な温度検出が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導性負荷等を駆
動するための電流制御型素子において、該電流制御型素
子の温度を精度良く迅速に検出し、システム全体が安全
に動作できるようにする技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等の温度をより正確にかつ迅
速に検出する目的で、温度検出手段をパワー半導体素子
とオンチップで形成する必要性が高まっている。図１１
（ａ）は上記の従来例として、特開平７−６６４０２号
公報に記載の構造を示す図である。図１１（ａ）におい
て、電力が印加されて動作する素子（パワー素子）１２
１と、前記電力印加により発熱した素子１２１の温度を
検出する温度検出手段（ダイオードや温度センサ）１２
３とが半導体基板１２０に形成され、同じ半導体基板１
２０に素子１２１を駆動する制御回路１２２も搭載され
ており、全体としてパワーＩＣデバイスを形成してい
る。この例の場合、温度検出手段１２３をポリシリコン
等の表面上の薄膜等によって形成することで、電力が印
加されて動作する素子１２１と電気的に完全に分離する
ことが可能であり、オンチップでの正確な温度検出を迅
速に行えるものである。また、別の従来技術としては、
特開平９−３６３５６号公報に記載されたものがある。
これはバイポーラ半導体素子（ＩＧＢＴ）の半導体基板
に温度検知手段（ダイオード）を別領域として形成し、
その順電圧の温度依存性を利用して、温度を検知する方
法である。つまり、バイポーラ半導体素子のゲートオフ
またはゲートオンの状態で、順電圧を測定して温度検知
するようにしたものである。この方法ではバイポーラ半
導体素子との干渉が“一定の状態”で測定することによ
り、安定した温度検出を実現するというものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来技術
においては、電力が印加されて動作するパワー素子とは
別に、温度検出用専用領域および分離用領域を設ける必
要があり、半導体素子全体の面積が増大してしまうとい
う問題点があった。さらに、特開平６−２５２４０８号
公報にあるような、本来プレーナ型のポリシリコンを用
いない電流制御型素子をパワー素子として用いる場合に
は、上記のようなポリシリコンのｐｎ接合によるダイオ
ード等の温度検出手段を設けるため、本来の半導体素子
形成プロセス上は必要のなかったプロセスの増加をもた
らし、製品コストが上昇するするとともに、温度検出素
子の上部のアルミ配線に段差が生じたり、素子本来の特
性に悪影響を及ぼすという問題点があった。また、温度
検出素子に対する配線用のワイヤのために他のワイヤを
密に張れなくなるという問題点もあった。例えば、図１
１（ｂ）に示す縦型の電流制御型パワー素子を例に説明
すると、半導体基板６上にパワー素子７が形成され、パ
ワー素子７の表面にはエミッタ電極と接続されるボンデ
ィングパッド８が複数、ベース電極と接続されるボンデ
ィングパッド９が複数形成されている。コレクタ電極は
半導体基板６の裏面側に相当する。また、温度検出用素
子１３０には専用のボンディングパッド１３１が２つ形
成されている。大電流を扱う電流制御型素子であれば、
エミッタワイヤ１２、ベースワイヤ１３をそれぞれ多数
本、非常に密にボンディングパッドに張る必要がある。
しかし、図１１（ｂ）の例のように、温度検出用の専用
領域１３０が存在すると、専用のボンディングパッド１
３１から温度検出専用のワイヤ１３４を張る必要があ
り、その周囲においては、エミッタワイヤ１２、ベース
ワイヤ１３を密に張れなくなるという問題点があった。
同様に、温度検出用専用領域が存在することで本来の素
子配置の対称性が悪くなり、素子特性への影響が避けら
れないというレイアウト上の問題も生じる。

【０００４】本発明は上記のごとき従来技術の問題を解
決するためになされたものであり、温度検出手段を別個
に備える必要がなく、素子製造工程の増加やチップ面積
の増大を抑えながら、オンチップによる高精度で迅速な
温度検出が可能なオンチップ温度検出装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては特許請求の範囲に記載するように
構成している。すなわち、請求項１に記載の発明におい
ては、電流制御型素子がオフしているときに、電流制御
型素子がオンしない程度の微少な一定電流をベースに流
し、ベース・エミッタ間ダイオードの順方向電圧の温度
特性を利用して温度を検出するように構成している。

【０００６】また、請求項２に記載の発明においては、
オフしている電流制御型素子のベースに微少な一定電流
を流したときに、ベース・エミッタ間ダイオードの順方
向電圧が電流制御型素子がオンする電圧（通常、０.６
〜０.７Ｖ）以下になるように設定したものである。

【０００７】また、請求項３に記載の発明においては、
電流制御型素子のベース・エミッタ間の順方向電圧Ｖｂ
ｅがベース電流と温度Ｔの関数であり、さらに一定電流
Ｉｂがｅｘｐ（ｑ・Ｖｂｅ／ｎｋＴ）に比例し、ｎが１
以上の実数の範囲で使用するように構成している。

【０００８】また、請求項４に記載の発明においては、
電流制御型素子がオフしている期間にパルス状に一定の
ベース電流を印加して温度検出をするように構成してい
る。

【０００９】また、請求項５に記載の発明においては、
インバータ等の駆動素子に用いる電流制御型素子におい
て、一方の電流制御型素子がオンしている期間で、か
つ、他方の電流制御型素子がオフしている期間に、パル
ス状に一定のベース電流を印加して温度検出をするよう
に構成している。

【００１０】また、請求項６に記載の発明においては、
インバータ等の駆動素子に用いる電流制御型素子におい
て、一方の電流制御型素子がオンしている期間で、か
つ、他方の電流制御型素子がオフしている期間の後に、
前者の電流制御型素子がオフした期間（還流電流が後者
の電流制御型素子もしくは並列に接続された還流用ダイ
オードに流れる期間）に、パルス状に一定のベース電流
を前者の電流制御型素子に流して温度検出をするように
構成している。

【００１１】また、請求項７に記載の発明においては、
インバータ等の駆動タイミングにおいて電流制御型素子
がオフしている期間に、パルス状に一定のベース電流を
印加して検出した温度データを連続的に複数サンプリン
グし、検出した温度の平均値を算出するように構成して
いる。

【００１２】また、請求項８に記載の発明においては、
インバータ等の駆動タイミングにおいて、オフしている
電流制御型素子に、パルス状に流す一定のベース電流
を、１回のオフごとに複数回流し、検出した温度データ
の平均値をオフごとに算出するように構成している。

【００１３】

【発明の効果】請求項１に記載の発明においては、別個
の温度検出手段を用意する必要がなく、素子製造工程の
増加やチップ面積の増大を抑えながら、オンチップによ
る精度が良く迅速な温度検出が可能になる、という効果
が得られる。

【００１４】また、請求項２に記載の発明においては、
オフしている電流制御型素子のベースに微少な一定電流
を流したときに、ベース・エミッタ間ダイオードの順方
向電圧が電流制御型素子がオンする電圧（通常、０.６
〜０.７Ｖ）以下になるように設定することで、十分に
オフ状態を維持してスイッチとしての基本機能を満たし
ながら請求項１の効果が得られる。

【００１５】また、請求項３に記載の発明においては、
電流制御型素子の電流増幅率が比較的小さな領域で動作
させることができるため、コレクタ電流を定格値の３〜
４桁下の低い電流値に抑え易い、という効果が得られ
る。

【００１６】また、請求項４に記載の発明においては、
温度検出時の余計な消費電力を抑えることができる、と
いう効果が得られる。

【００１７】また、請求項５に記載の発明においては、
インバータ等に応用したときにも安定的に温度検出が可
能になる、という効果が得られる。

【００１８】また、請求項６に記載の発明においては、
インバータ等に応用したときに還流電流が流れているい
る期間でも還流電流等による擾乱を防ぎながら温度検出
が可能になる、という効果が得られる。

【００１９】また、請求項７に記載の発明においては、
測定時のノイズの影響を除去した温度検出が可能にな
る、という効果が得られる。

【００２０】また、請求項８に記載の発明においては、
一定時間内でのサンプリングの数を増加させることがで
き、より耐ノイズ性能の高い温度検出が可能になる、と
いう効果が得られる。

【００２１】

【発明の実施の形態】（第１の実施例）図１は、本発明
における第１の実施例の要部を示す回路図である。図１
に示す回路は抵抗性負荷３を駆動するスイッチとして電
流制御型素子（例えばパワー・バイポーラ・パワー・ト
ランジスタ）４を用いたものである。ここで、電流制御
型素子４のコレクタ端子は抵抗性負荷２を介して電源１
に接続され、エミッタ端子が接地電位２に接続されてい
る。電流制御型素子４のベース端子にはベース駆動回路
が接続されるが、図１では省略している。なお、ベース
駆動回路の詳細については後記図５で説明する。

【００２２】スイッチとしての基本的な動作を説明する
と、電流制御型素子４をオンさせるときにはベース端子
に実線矢印で示した電流Ｉｂ１として所望の大きな電流
を流す。電流制御型素子４がオンすると、所望の電流Ｉ
ｃ１が電源１から抵抗性負荷３に供給される。電流制御
型素子４がオフしている期間には電流Ｉｃ１は流れな
い。本発明においては、このオフ状態において意図的に
一定の微少なベース電流Ｉｂ２を電流制御型素子４のベ
ース端子に流す。なお、後述するように、上記の微少な
ベース電流Ｉｂ２は、通常のオン状態時のベース電流Ｉ
ｂ１に比べて小さな値とし、このときのコレクタ電流
（リーク電流）Ｉｃ２が通常のオン状態時のコレクタ電
流Ｉｃ１に比べて３〜４桁程度小さくなるように設定す
る。

【００２３】電流制御型素子４のベース・エミッタ間電
圧Ｖｂｅ（ベース・エミッタ間のｐｎ接合の順方向電
圧）は、ベース電流Ｉｂと温度Ｔの関数である。したが
ってベース電流Ｉｂを一定の値にしておけば、このベー
ス・エミッタ間電圧Ｖｂｅの温度に対する変化率が一定
であることを利用して温度を推定することが可能とな
る。ここで、本発明の特徴とする構成は、オフ状態の電
流制御型素子４に一定の微小なベース電流Ｉｂ２を流す
ことと、このときのベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅ２の
大きさを電流制御型素子４がオンする電圧（通常０.６
〜０.７Ｖ）に対して低い値としておくことである。

【００２４】上記の構成によれば、電流制御型素子４は
完全にオンすることはなく、コレクタ・エミッタ間には
微少なリーク電流Ｉｃ２が流れる程度になる。ここで、
抵抗性負荷３を駆動している際の主たる電流Ｉｃ１の大
きさに対して、このリーク電流Ｉｃ２のレベルは３桁〜
４桁程度の低いものとする。抵抗性負荷３の駆動電流Ｉ
ｃ１にとって制御上の影響を受ける誤差レベルを１％程
度以上と見なすと、上記のリーク電流Ｉｃ２はそれより
も１桁以上小さいので、影響は無視できる。

【００２５】上記のように、第１の実施例によれば、オ
フ状態の電流制御型素子４のベースに一定の微少電流を
印加し、そのときのベース・エミッタ間電圧を検出する
ことで、特別な温度検出手段を設けることなしに、オン
チップでの温度検出が可能となる。

【００２６】図２は、電流制御型素子におけるベース・
エミッタ間電圧Ｖｂｅとベース電流Ｉｂ、コレクタ電流
Ｉｃの関係を示す図である。図２においては、一般的な
電流制御型素子について、横軸にベース・エミッタ間電
圧Ｖｂｅ、縦軸にベース電流Ｉｂ、コレクタ電流Ｉｃを
それぞれｌｏｇスケールで表記したものである。

【００２７】温度は一定値Ｔ（例えば室温）であるとす
る。ＩｃおよびＩｂの特性において、中間の広い範囲で
は、Ｖｂｅの変化に対してＩｎ（Ｉｂ）、Ｉｎ（Ｉｃ）
はそれぞれ直線的に変化しており、Ｉｂ、Ｉｃはそれぞ
れｅｘｐ（ｑ・Ｖｂｅ／ｋＴ）に比例する。また、Ｖｂ
ｅが非常に小さい領域５ではＩｂはｅｘｐ（ｑ・Ｖｂｅ
／ｎｋＴ）に比例する。なお、ｎは１以上の実数であ
り、ｑは電子の電荷量、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度
である。

【００２８】ここで、本発明においてオフ状態の電流制
御型素子４のベースに印加する一定の微少電流は、結果
として得られるＶｂｅが、電流制御型素子４がオンする
電圧よりも十分低ければよい。例えばオン電圧が０.６
〜０.７Ｖの場合には０.５Ｖ以下になるようにすればよ
い。温度を検知するという目的のみからすれば、図２上
で、ＶｂｅはＩｂ、Ｉｃがそれぞれｅｘｐ（ｑ・Ｖｂｅ
／ｋＴ）に比例する領域であっても、Ｉｂがｅｘｐ（ｑ
・Ｖｂｅ／ｎｋＴ）に比例する領域であってもどちらで
も構わない。しかし、結果的に或る一定電流Ｉｂが流れ
ると、それよりも大きなコレクタＩｃが流れることにな
るので、ここではコレクタ電流Ｉｃが負荷を駆動してい
る主電流に対して３桁〜４桁以下の大きさに留まる範囲
に限られる。その点を考慮すると、Ｉｂ、Ｉｃがそれぞ
れｅｘｐ（ｑ・Ｖｂｅ／ｋＴ）に比例する領域での電流
制御型素子の電流増幅率よりも、Ｉｂがｅｘｐ（ｑ・Ｖ
ｂｅ／ｎｋＴ）に比例する領域での電流増幅率の方が小
さくなるので、この領域に測定点を設定するとコレクタ
電流Ｉｃを小さな値に抑えやすくなるという効果があ
る。

【００２９】図３は、図１における電流制御型素子４の
オン・オフ動作と合わせて、温度検出のタイミングを示
す図である。図３の横軸は時間を示す。また、縦軸にお
いて、（ａ）は電流制御型素子４のオン・オフの状態を
表したものであり、図において低いレベルをオフ、高い
レベルをオンとする。（ｂ）および（ｃ）は温度検出の
タイミングを表すものであり、（ｂ）は電流制御型素子
４がオフしている期間に１回の温度検出を行なう場合、
（ｃ）は複数回の温度検出を行う場合を示す。

【００３０】本実施例では、図３に示すようにパルス状
に温度検出を行なうようにした。オフ状態の電流制御型
素子４のコレクタ・エミッタ間には電源電圧がかかって
いるため、微少電流とは言っても定常的に印加すると、
消費電力が大きくなり、自己発熱が無視できなくなる。
また損失も増大してしまう。そのため本実施例では、パ
ルス状に温度検出を行なうようにし、上記の問題を解決
している。また、１度の温度検出では検出電圧にノイズ
が乗っている可能性があるが、複数回の温度検出を行な
い、検出温度の平均値をとるような演算を行なえば、検
出温度からノイズを除去することが可能になる。この場
合、電流制御型素子４のオン・オフの周期毎に温度検出
が行なわれるため、或る程度の検出回数を演算しても、
温度の変化には十分に対応できる。

【００３１】図４は、本実施例におけるレイアウト上の
利点を説明するための平面レイアウト図である。図４で
は、前記図１１（ｂ）に示した従来例と同様、縦型の電
流制御型素子を例に説明する。図４において、半導体基
板６上に電流制御型素子（パワー素子）７が形成され、
電流制御型素子７の表面にはエミッタ電極と接続される
ボンディングパッド８が複数、ベース電極と接続される
ボンディングパッド９が複数形成されている。コレクタ
電極は半導体基板６の裏面側に相当する。なお、従来例
における温度検出用素子およびそれ専用のボンディング
パッドは形成しない。

【００３２】図４を見ると一目瞭然であるが、本実施例
ではオンチップでの温度検出を実現させながら、特別な
温度検出手段用の領域やそれに伴う専用のワイヤ等の必
要がないので、大電流を駆動する素子として使用する場
合には、非常に密にワイヤが打てると共に、対称なレイ
アウトが得られるという効果がある。

【００３３】以下、本実施例のより具体的な回路構成に
ついて説明する。図５は、本実施例におけるベース駆動
回路の一例を示した回路図である。図５において、電流
制御型素子４のベース端子には、オン・オフを切り替え
るためのスイッチ（ＭＯＳトランジスタで構成）１６、
１７が接続される。スイッチ１６の一端はベース電流供
給用の電源２３に接続されている。また、スイッチ１７
の一端は電流制御型素子４のエミッタ端子に接続されて
いる。スイッチ１６、１７と直列に挿入された抵抗１
９、２０はそれぞれ、電流制御型素子４のオン・オフ時
の電流値を決めるための抵抗である。コントローラとな
るＣＰＵ１４からはオン・オフの指令信号が制御回路１
５に入力される。電流制御型素子４を通常オンをさせる
場合には、制御回路１５によりスイッチ１６をオン、ス
イッチ１７をオフする信号がそれぞれ出力される。この
例ではスイッチ１６がｐＭＯＳ、スイッチ１７がｎＭＯ
Ｓなので、スイッチ１６、１７のゲートにはローレベル
の信号が印加さる。逆に電流制御型素子４をオフする場
合には、制御回路１５によりスイッチ１６をオフ、スイ
ッチ１７をオンする信号がそれぞれ出力される。この例
ではスイッチ１６、１７のゲートにはハイレベルの信号
が印加さる。なお、電源２３と電源２４は分けて記述し
てあるが、同じでも差し支えない。

【００３４】上記の状態で温度検出を行うために、制御
回路１５によりスイッチ１７をオフにして、スイッチ１
８をオンする。すると、電源２４と抵抗２１で決まる微
少な一定電流が電流制御型素子４のベースに印加され
る。この状態で、電流制御型素子４のベース・エミッタ
間電圧Ｖｂｅは電位検出手段２２により検出され、電位
の情報は制御回路１５へと伝達される。ここで、電位検
出手段２２は、具体的には、所定の参照電圧と検出電圧
とを比較して出力を反転するようなアンプ回路、コンパ
レータ回路等で構成することができる。その他、様々な
方式が有り得る。

【００３５】以上の動作によって温度検出が可能であ
る。実際のシステムにおいては温度検出した後に保護動
作が行なわれる。例えば、温度が所定値を越えた場合に
は、制御回路１５からＣＰＵ１４へ異常信号を送り、そ
の状態を判断したＣＰＵ１４から制御回路１５へ停止信
号を送り、それに応じてスイッチ１６、１７を制御して
電流制御型素子４をオフにするような保護動作を行な
う。なお、保護動作の詳細については「“トランジスタ
技術スペシャル〜実践パワーエレクトロニクス入門”、
ｐｐ９９〜１０２ ＣＱ出版社」に詳細に記載されてい
る。

【００３６】次に、図５において発熱しているパワーチ
ップとその他の部分の切り分けについて説明する。本発
明においては、発熱しているパワーチップ（電流制御型
素子４）と温度検出部は同一構成物であり、図５におい
て破線の四角で囲まれた部分に相当する。それに対し、
その他の駆動回路部分は上記破線の四角で囲まれた部分
とは別体であり、パワーモジュール等の内部構成上は、
熱的に分離された部分（例えば二階や上段）に形成する
ことが可能である。そのため、パワーチップおよび温度
検出部の温度とは独立した温度で駆動回路、検出回路
（制御回路１５や各スイッチの部分）を動作させること
が可能である。

【００３７】また、パワーチップ自体は高耐圧動作を必
要とするため、半導体基板には高価なエピタキシャル基
板を使う必要があり、全体の構成からすると、このパワ
ーチップの単位面積あたりの製造コストが相対的に高く
なっている。そのため、従来例のようにパワーチップと
同じ基板に温度検出のための専用領域を設けることはコ
スト高の要因となる。本実施例においては、このパワー
チップ自体の構成は、オンチップ温度検出機能を付加す
る前となんら変わっていないため、コストアップが抑え
られるという効果がある。

【００３８】図５の駆動回路部分については、温度検出
のための回路が新たに付加されるものの、低耐圧で動作
する回路であるため、その半導体チップの単位面積あた
りの製造コストは相対的に安く済むので、コストアップ
への影響は少ない。全体の回路規模が大きい場合には、
本実施例における回路増によるコストアップの影響はさ
らに少ないと言える。

【００３９】図６は、温度検出に使われるベース・エミ
ッタ間の電圧について具体的構成例を示す図である。電
流制御型素子としては、いわゆるパワー・バイポーラ・
トランジスタで構わないが、ここでは同じ電流制御型素
子であって電流増幅率が大きい利点を持つ特願平５−３
３４１９号公報に開示されている半導体装置を例として
説明する。該デバイス各部位の構造と動作の詳細な説明
は省略するとして、デバイスの基本セルについて図６の
断面斜視図に基づいて説明する。

【００４０】図６において、ベースに相当するのがゲー
ト領域２８であり、エミッタがソース領域２９である。
ベース・エミッタ間のｐｎ接合に相当するのがｐ型のゲ
ート領域２８とｎ型のエピタキシャル領域２７とが接す
る界面である。実際のデバイスでは全体にわたり均等に
このゲート領域が存在する。そのため、温度検出に使わ
れるｐｎ接合は広くパワーチップの全面に分布すること
となり、局所的な温度上昇をも十分迅速に検出可能であ
る。

【００４１】（第２の実施例）図７は、本発明における
第２の実施例を示す回路図である。図７の回路は、電源
電圧１と接地電位２の間には２つの電流制御型素子３４
と４が直列に接続され、これら２つの電流制御型素子３
４と４の間には並列に誘導性負荷３７が接続された、い
わゆるインバータにおける１レグ分のスイッチング素子
と負荷の関係を示した回路である。電流制御型素子３４
には並列に還流用ダイオード３５、電流制御型素子４に
は並列に還流用ダイオード３６が接続されている。

【００４２】インバータとしての基本的な動作を説明す
ると、電流制御型素子３４、４のどちらかがオフしてい
る間に、他の電流制御型素子がオン・オフを繰り返し、
所望の電流を誘導性負荷３７に供給する。両方の素子が
オフしている期間には還流電流が還流用ダイオードを流
れる。

【００４３】図７において、電流制御型素子３４がオン
・オフを繰り返し、電流制御型素子４がオフしているこ
ととする。電流制御型素子３４のベース端子に実線矢印
で示した電流Ｉｂ３を流すと、電流制御型素子３４がオ
ンし、図中太い矢印で示した駆動電流Ｉｃ３が誘導性負
荷３に流れる。電流制御型素子３４がオフすると還流電
流が還流用ダイオード３５を通って流れる。そして電流
制御型素子３４のオン・オフの比率を変える（ＰＷＭ制
御）ことにより、全体として所望の大きさの電流を流す
ことが可能である。この状態では、電流制御型素子４の
ベース端子には通常ベース電流は供給されず、電流制御
型素子４はオフしている。本発明においては、この状態
で意図的に一定の微少なベース電流Ｉｂ２を電流制御型
素子４のベース端子に流す。このとき、電流制御型素子
４のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅ２は、ベース電流Ｉ
ｂ２と温度Ｔの関数である。ベース電流Ｉｂ２を一定の
値にしておけば、このＶｂｅ２の温度に対する変化率が
一定であることを利用して温度を推定することが可能と
なる。この動作原理は基本的には第１の実施例の場合と
同等である。第１の実施例と同様に、オフしている電流
制御型素子４にベース電流Ｉｂ２を流し、Ｖｂｅ２の大
きさは電流制御型素子４がオンする電圧（通常０.６〜
０.７Ｖ）に対して十分低い値としておく。このような
手法をとることで、電流制御型素子４は完全にオンする
ことはなく、コレクタ・エミッタ間には微少なリーク電
流Ｉｃ２が流れる程度になる。

【００４４】ここで、誘導性負荷３７を駆動している主
たる電流Ｉｃ３の大きさに対して、このリーク電流Ｉｃ
２のレベルは３桁〜４桁程度低いものとする。誘導性負
荷３７の駆動電流Ｉｃ３にとって制御上の影響を受ける
誤差レベルが１％程度以上と見なすと、リーク電流Ｉｃ
２は十分に小さいと見なすことができる。

【００４５】第２の実施例における動作上の特徴として
は、誘導性負荷３７を駆動する構成としているために、
上下の電流制御型素子３４と４が同時にオフしているタ
イミングが存在し、そのタイミングでは還流電流が還流
用ダイオードを流れることにある。そのため、温度検出
のタイミングに特徴を持たせてある。その様子を図８に
示す。

【００４６】図８は、図３と同様なタイミングチャート
を示したもので、横軸が時間、縦軸にはそれぞれの信号
の様子を示している。まず（ａ）の波形は電流制御型素
子４のオン、オフの状態を示したもので、ハイレベルを
オン、ローレベルをオフとする。（ｅ）の波形は電流制
御型素子３４のオン、オフの状態を表したもので同様に
ハイレベルをオン、ローレベルをオフとする。このタイ
ミングチャートは図７におけるＩｃ３の向きに誘導性負
荷３７を駆動する場合の例であり、逆向きの電流で駆動
するときには、電流制御型素子３４、４の波形が入れ替
わる。（ａ）の波形において、電流制御型素子４がオフ
している期間に電流制御型素子３４はオン、オフを複数
回繰り返している。図８では便宜上５回のオン、オフと
しているが実際には数１００〜数１００００回のスイッ
チングが行われることもある。（ｆ）、（ｇ）は温度検
出のタイミングを示したもので、（ｆ）は１回の電流制
御型素子４がオフしている期間内で、かつ電流制御型素
子３４がオンしている状態で１回の温度検出が行われる
場合を示す。（ｇ）は電流制御型素子４がオフで、かつ
複数回ある電流制御型素子３４がオンしている状態ごと
に温度検出が行われる場合を示す。

【００４７】図８においては、電流制御型素子４がオフ
している期間であっても電流制御型素子３４がオフして
いる期間や過渡状態にある期間（パルスの立上りや立下
がり部分）は温度推定を行わないようにした。このよう
なタイミングをとることで誘導性負荷を駆動するインバ
ータ等に応用した場合にも安定的に温度検出が可能にな
るという特別な効果がある。

【００４８】また、温度検出のタイミングとしては図９
に示すような例も考えられる。図９において、（ｈ）は
温度検出のタイミングであり、電流制御型素子４がオフ
していて電流制御型素子３４がオンしている１回の期間
に多数回の温度検出を行うというものである。このよう
な温度検出を行うことで短時間により多くのサンプリン
グを行うことができ、温度データの平均値を算出するこ
とで耐ノイズ性の高い温度検出が可能になる。

【００４９】（第３の実施例）本発明の第３の実施例に
ついて説明する。電流制御型素子等の構成については図
７に示す第２の実施例と同様である。本実施例の特徴は
温度検出のタイミングと温度検出に用いる電流制御型素
子の選択にある。以下、図１０に基づいて説明する。

【００５０】図１０は、図８と同様なタイミングチャー
トである。同図中（ａ）は電流制御型素子４のオン・オ
フの状態、（ｅ）は電流制御型素子３４のオン・オフの
状態を表す。（ｉ）は電流制御型素子３４における温度
検出のタイミングを示したものである。電流制御型素子
４がオフし続けている期間で、電流制御型素子３４がオ
ンからオフ状態に移ると、電流制御型素子３４、４が両
方ともオフしているため、誘導性負荷３７に流れていた
主電流Ｉｃ３を補うがごとく還流電流が還流用ダイオー
ド３６を流れるようになる。この状態では、電流制御型
素子４のコレクタ電位３８が接地電位２より低くなるた
め、電流制御型素子４のコレクタ・エミッタ間には逆バ
イアスがかかり、本発明の原理に基づいた温度検出には
適さない。そこで本実施例においては、この期間に、逆
側でオフしている電流制御型素子３４を使って温度検出
をする。つまり、図１０の（ｉ）にあるようなタイミン
グで電流制御型素子３４のベース端子にパルス状の微少
な電流として破線矢印で示した電流Ｉｂ２を流し、温度
検出を行う。温度検出の基本的な原理については第１の
実施例と同等である。

【００５１】このような温度検出を行うことで、インバ
ータ等で誘導性負荷を駆動する場合に還流電流が流れる
期間においても温度検出が可能になる。この場合、上下
アームを構成する２つの半導体チップのいずれかは、ど
のタイミングでも温度検出が可能となり、前記２つの半
導体チップが比較的近くに配置されることを勘案する
と、十分に高精度での温度検出が可能である。

【００５２】また、図１０（ｊ）に示したのは同様に電
流制御型素子３４における温度検出のタイミングを示し
たものである。（ｊ）においては電流制御型素子４が１
回オフしている期間に電流制御型素子３４を用いて複数
回温度検出するようにしたもので、他の実施例同様に一
定時間の間に温度検出の回数を増やすことで、より耐ノ
イズ性の高い温度推定が可能になる。

【００５３】以上説明したとおり、本発明においては、
オフしている電流制御型素子に一定の微少なベース電流
を印加し、オフ状態におけるＶｂｅを検出して温度を検
出するという構成としたため、特別な温度検出領域、温
度検出デバイスをつくらなくても良くなり、チップ面積
の増大、コストアップを防ぎ、素子本来の特性に影響を
与えずに、精度が高く迅速なオンチップ温度検出が実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す基本回路構成図。

【図２】本発明の第１の実施例における電流制御型素子
の電気的特性を示す図。

【図３】本発明の第１の実施例におけるタイミングチャ
ート。

【図４】本発明の第１の実施例におけるパワーチップ周
辺の平面レイアウト図。

【図５】本発明の第１の実施例におけるベース駆動回路
図。

【図６】本発明の第１の実施例における電流制御型素子
のデバイス断面斜視図。

【図７】本発明の第２の実施例を示す基本回路構成図。

【図８】本発明の第２の実施例におけるタイミングチャ
ート。

【図９】本発明の第２の実施例における他のタイミング
チャート。

【図１０】本発明の第３の実施例におけるタイミングチ
ャート。

【図１１】従来例を示す図であり、（ａ）は従来例にお
ける平面レイアウト図、（ｂ）は従来例におけるパワー
チップ周辺の平面レイアウト図。

【符号の説明】 １…電源 ２…接地電位 ３…抵抗性負荷 ４…電流制御型
素子 ５…Ｉｂがｅｘｐ(ｑ・Ｖｂｅ／ｎｋＴ）に比例する領
域 ６…半導体基板 ７…縦型の電流
制御型素子 ８…エミッタ用ボンディングパッド ９…ベース用ボ
ンディングパッド １０…エミッタ配線 １１…ベース配
線 １２…エミッタ用ボンディングワイヤ １３…ベース用
ボンディングワイヤ １４…ＣＰＵ １５…制御回路 １６、１７、１８…スイッチ １９、２０、２
１…抵抗 ２２…電圧検出部 ２３…電源 ２４…電源 ２５…ドレイン
電極 ２６…ドレインｎ＋領域 ２７…ｎ型エピ
タキシャル領域 ２８…Ｐ型ゲート領域 ２９…ｎ＋型ソ
ース領域 ３０…ｐ＋型ポリシリコン ３１…ゲート絶
縁膜 ３２…トレンチゲート領域 ３３…チャネル
領域 ３４…電流制御型素子 ３５…還流用ダ
イオード ３６…還流用ダイオード ３７…誘導性負
荷 ３８…電流制御型素子４のコレクタ電位 １２０…半導体基板 １２１…パワー
素子領域 １２３…温度検出専用領域 １２２…制御回
路部 １３０…温度検出専用素子 １３１…温度検出素子用専用ボンディングパッド １３２…アノード電極 １３３…カソー
ド電極 １３４…温度検出用ボンディングワイヤ Ｉｂ１…通常動作時のベース電流 Ｉｂ２…温度検
出用の微小なベース電流 Ｉｃ１…通常動作時のコレクタ電流 Ｉｃ２…温度検
出時のリーク電流 Ｉｃ３…駆動電流 Ｖｂｅ２…温度検出時のベース・エミッタ間電圧

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベース端子、コレクタ端子、エミッタ端子
   を有し、前記ベース端子とエミッタ端子の間にはｐｎ接
   合によるダイオードを有する電流制御型半導体素子と、 前記ベース端子に印加される制御信号がオフのときに、
   前記ベース端子に前記電流制御型素子が通常のオン状態
   となるベース電流よりも小さな一定のベース電流を流す
   第１の手段と、 前記通常のオン状態となるベース電流よりも小さな一定
   のベース電流を流している状態における前記電流制御型
   素子のベース・エミッタ間順方向電圧に基づいて前記電
   流制御型素子の温度を検出する第２の手段と、 を備え、電流制御型素子のオフ状態時における前記ｐｎ
   接合によるダイオードの順方向電圧の温度依存性を用い
   て温度検出を行なうことを特徴とするオンチップ温度検
   出装置。
2. 【請求項２】前記第１の手段は、前記通常のオン状態と
   なるベース電流よりも小さな一定のベース電流を流して
   いる状態における前記電流制御型素子のベース・エミッ
   タ間順方向電圧が、前記電流制御型素子がオンする電圧
   以下になるように設定したことを特徴とする請求項１に
   記載の温度検出装置。
3. 【請求項３】制御信号がオフのときに流す一定のベース
   電流をＩｂ、ベース端子とエミッタ端子間の順方向電圧
   をＶｂｅとしたときに、前記Ｖｂｅは前記Ｉｂと温度Ｔ
   の関数であり、ｑは電子の電荷量、ｋはボルツマン定数
   としたときに、前記Ｉｂはｅｘｐ（ｑ・Ｖｂｅ／ｎｋ
   Ｔ）に比例している範囲にある微少電流であり、ｎは１
   以上の実数であることを特徴とする請求項１または請求
   項２に記載のオンチップ温度検出装置。
4. 【請求項４】前記第１の手段は、制御信号がオフのとき
   に流す一定のベース電流を、パルス状に流し、間歇的に
   温度検出を行なうことを特徴とする請求項１乃至請求項
   ３の何れかに記載のオンチップ温度検出装置。
5. 【請求項５】前記電流制御型素子が２つ存在し、一方の
   電流制御型素子のエミッタ端子と他方の電流制御型素子
   のコレクタ端子とが直列に接続され、該接続点に誘導性
   負荷等が並列に接続され、前記２つの電流制御型素子の
   オン・オフにより前記誘導性負荷等を駆動する構成にお
   いて、 どちらか一方の電流制御型素子がオンを続けている期間
   であって、かつ、他方の電流制御型素子がオフしている
   期間に、前記オフしている電流制御型素子のベース端子
   に、前記電流制御型素子が通常のオン状態となるベース
   電流よりも小さな一定のベース電流を、パルス状に流す
   ことにより、間歇的に温度検出を行なうことを特徴とす
   る請求項４に記載のオンチップ温度検出装置。
6. 【請求項６】前記一方の電流制御型素子がオンを続けて
   いる期間であって、かつ、他方の電流制御型素子がオフ
   している期間の後に引き続き、前者の電流制御型素子が
   オフすることにより、後者の電流制御型素子に並列に接
   続されたダイオード、もしくは後者の電流制御型素子自
   身に還流電流が流れている期間に、オフしている前者の
   電流制御型素子のベース端子に、前記電流制御型素子が
   通常のオン状態となるベース電流よりも小さな一定のベ
   ース電流を、パルス状に流すことにより、間歇的に温度
   検出を行なうことを特徴とする請求項５に記載のオンチ
   ップ温度検出装置。
7. 【請求項７】前記オフしている電流制御型素子に、パル
   ス状に流す一定のベース電流を所定時間内に複数回流
   し、それぞれについて温度検出を行ない、前記所定時間
   内の平均値を求めることを特徴とする請求項５または請
   求項６に記載のオンチップ温度検出装置。
8. 【請求項８】前記オフしている電流制御型素子に、パル
   ス状に流す一定のベース電流を、１回のオフごとに複数
   回流し、それぞれについて温度検出を行ない、１回のオ
   フごとに平均値を求めることを特徴とする請求項５また
   は請求項６に記載のオンチップ温度検出装置。