JP2006237331A

JP2006237331A - 過温度検出回路及び過温度保護回路

Info

Publication number: JP2006237331A
Application number: JP2005050633A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Sato; 義則佐藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】チップ中心部の過温度を的確に検出して、過温度によるチップの破損を防止することができる過温度検出回路及び過温度保護回路を提供する。
【解決手段】過温度検出回路１０は、半導体チップ２３の温度を検出するダイオード１１と、ダイオード１１が示すチップ温度の変化率を検出し、変化率に応じ、半導体チップ２３の保護を必要とする温度である過温度の判定温度閾値を設定する閾値設定回路とを備え、ダイオード１１によって検出された温度と閾値設定回路によって設定された判定温度閾値とを比較し、ダイオード１１によって検出された温度が閾値設定回路によって設定された判定温度閾値以上となった場合に半導体チップ２３の温度が過温度であることを検出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、過温度検出回路及び過温度保護回路に関し、特に、パワーデバイスが熱によって破壊するのを防ぐために過温度を検出する過温度検出回路、及び過温度検出回路を備えた過温度保護回路に関する。

従来、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）等のパワーデバイスが熱によって破壊するのを防ぐための過温度保護回路が知られている。この過温度保護回路は、半導体チップ上に、常時、チップ温度を監視する温度センサを作り込むことによって形成されている。温度センサは、ダイオード（温度検出用ダイオード）で構成し、温度上昇に伴ってダイオードの順方向電圧が低下することを利用している（特許文献１参照）。

このダイオードは、チップ上のレイアウトの都合により、チップの周縁部、つまり、基本セルが規則的に並べられた内部領域ではなく、外部端子（パッド）及び入出力回路（Ｉ／Ｏ）セルからなる外部領域、に配置されることが多い。
特開２００３−２０４０２８号公報

しかしながら、チップは、周囲との熱干渉により、中心部に近い程、温度上昇が大きく、温度上昇速度が早い程、中心部と外周部の温度差は大きくなる。例えば、３相インバータで同期モータを駆動中にモータがロックすると（一例として、モータを駆動源とする自動車が坂道等で停止した場合、モータロック状態となる）、３相の内の特定の相に電流が集中してしまい、回転中に比べ温度上昇速度が早くなる。従って、チップに配置された温度センサによって検出されるチップ周縁部の温度よりも、チップ中心部の温度の方が大幅に高くなってしまう。このため、温度センサで過温度を検出する前にチップ中心部が過温度となり、チップを破損してしまう虞がある。

この発明の目的は、チップ中心部の過温度を的確に検出して、過温度によるチップの破損を防止することができる過温度検出回路及び過温度保護回路を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る過温度検出回路は、半導体チップの温度を検出する温度センサと、前記温度センサが示すチップ温度の変化率を検出し、変化率に応じ、前記半導体チップの保護を必要とする温度である過温度の判定温度閾値を設定する閾値設定回路とを備え、前記温度センサによって検出された温度と前記閾値設定回路によって設定された判定温度閾値とを比較し、前記温度センサによって検出された温度が前記閾値設定回路によって設定された判定温度閾値以上となった場合に前記半導体チップの温度が過温度であることを検出する。
また、この発明に係る過温度保護回路は、請求項１から４のいずれか一項に記載の過温度検出回路と、前記過温度検出回路によって、前記半導体チップの温度が過温度であることが検出された場合に、前記半導体チップの温度上昇を防止する処理信号を出力する制御装置とを有している。

この発明によれば、温度センサにより、半導体チップの温度が検出され、閾値設定回路により、温度センサが示すチップ温度の変化率が検出されて、その変化率に応じ、閾値設定回路により、半導体チップの保護を必要とする温度である過温度の判定温度閾値が設定され、温度センサによって検出された温度と閾値設定回路によって設定された判定温度閾値とが比較されて、温度センサによって検出された温度が閾値設定回路によって設定された判定温度閾値以上となった場合に半導体チップの温度が過温度であることが検出される。また、過温度検出回路により、半導体チップの温度が過温度であることが検出された場合、半導体チップの温度上昇を防止する処理信号が出力される。これにより、チップ中心部の過温度を的確に検出して、過温度によるチップの破損を防止することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施の形態に係る過温度検出回路を備えた過温度保護回路を有する３相インバータの部分回路図である。図１に示すように、過温度検出回路１０は、ダイオード（温度センサダイオード）１１、反転増幅部１２、コンデンサ１３、分圧抵抗１４，１５、及びコンパレータ１６を有しており、制御装置１７と共に、過温度保護回路１８を形成している。この過温度保護回路１８は、３相インバータの内の１相における下アームのアーム駆動回路に設けられている。なお、図１は、３相インバータの内の１相のみにおける構成を概略的に示しており、下アームのアーム駆動回路に関連する部分の他は図示を省略している。

アーム駆動回路は、電源（ＶＢ）−ＧＮＤ間に直列に接続された２個の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）１９，２０が交互にスイッチングすることで、交流電力を出力する。ＩＧＢＴ１９には還流用のダイオード２１が、ＩＧＢＴ２０には還流用のダイオード２２が、それぞれ逆並列に接続されており、ＩＧＢＴ１９が搭載されたチップ（半導体チップ）２３には温度センサとしてのダイオード１１が、ＩＧＢＴ２０が搭載されたチップ（半導体チップ）２４には温度センサとしてのダイオード２５が、それぞれ設置されている。

ダイオード１１は、定電流源２６により、ダイオード２５は、図示しない定電流源により一定電流が供給され、それぞれバイアスされている。これは、ダイオード（１１，２５）の順方向電圧が負の温度特性を持っていることを利用するためである。なお、ダイオード（１１，２５）は、チップ（２３，２４）の周縁部、つまり、基本セルが規則的に並べられた内部領域ではなく、外部端子（パッド）及び入出力回路（Ｉ／Ｏ）セルからなる外部領域に、配置されている。

以下の説明は、下アームのアーム駆動回路についてのみ行い、下アームのアーム駆動回路と同様の構成及び作動を有する上アームの駆動回路については、説明を省略する。
定電流源２６により所定の電流が流されることでダイオード１１に生じる順方向電圧Ｖｆが、反転増幅部１２に入力すると、反転増幅部１２は、入力した順方向電圧Ｖｆを反転増幅した後の反転信号電圧Ｖｆｒを出力する。また、ＩＧＢＴ１９は、制御装置１７により駆動回路２７を介してゲートが駆動されることで、スイッチング動作を行うように構成されている。

ダイオード１１に生じる順方向電圧Ｖｆは、コンパレータ１６の反転入力端子（−）に入力され、コンパレータ１６の非反転入力端子（＋）には、チップ２３の保護を必要とする温度となる過温度、即ち、異常温度を検出する基準となる、過温度検出レベル電圧（判定温度閾値）Ｖｒｅｆが入力する。過温度検出レベル電圧Ｖｒｅｆは、電源電圧Ｖｃｃを抵抗１４，１５で分圧した電圧に、反転増幅部１２から出力された反転信号電圧Ｖｆｒがコンデンサ１３を介して容量（ＡＣ）結合されることにより、生成される。コンパレータ１６は、入力した順方向電圧Ｖｆと過温度検出レベル電圧Ｖｒｅｆを比較し、Ｖｆ＜Ｖｒｅｆとなったときにフェール（ＦＡＩＬ）信号ｆを出力し、制御装置１７に保護動作を要求する。

図２は、図１の過温度保護回路の動作の一例を示し、（ａ）は出力電流が比較的小さい場合のタイムチャートであり、（ｂ）は出力電流が比較的大きい場合のタイムチャートである。図２（ａ）に示すように、出力電流が比較的小さい場合、出力電流（実効値）の出力開始時（ｔ１）直後から、ＩＧＢＴ１９の接合温度Ｔｊは上昇を始める。この温度は、ダイオード１１が配置されたチップ周縁部ａに比べチップ中央部ｂの方が高い状態で推移する。接合温度Ｔｊの上昇に伴い、ダイオード１１の順方向電圧Ｖｆは降下し、この順方向電圧Ｖｆを反転増幅した反転信号電圧Ｖｆｒの経時変化の傾きがコンデンサ１３によって検出され、過温度検出レベル電圧Ｖｒｅｆが高くなる。

しかしながら、この条件では、接合温度Ｔｊの上昇が比較的緩やかなため、反転信号電圧Ｖｆｒの変化も緩やかで過温度検出レベル電圧Ｖｒｅｆの上昇も僅かであり、抵抗１４，１５だけで決まる値と略同じレベルでフェール信号ｆが出力される（ｔ２参照）。フェール信号ｆが出力されると、フェール信号ｆを受けた制御装置１７が電流の出力を停止するので、ＩＧＢＴ１９のチップ中央部ｂが破損温度を超えることがなく、ＩＧＢＴ１９を保護することができる。

図２（ｂ）に示すように、出力電流が比較的大きい場合、出力電流（実効値）の出力開始時（ｔ３）直後から、ＩＧＢＴ１９の接合温度Ｔｊは上昇を始める。この温度は、ダイオード１１が配置されたチップ周縁部ａに比べチップ中央部ｂの方が高い状態で推移するが、出力電流が大きいため温度上昇も急激となって、チップ周縁部ａとチップ中央部ｂの温度の乖離も大きくなる。

接合温度Ｔｊの上昇に伴い、ダイオード１１の順方向電圧Ｖｆは降下し、この順方向電圧Ｖｆを反転増幅した反転信号電圧Ｖｆｒの傾きがコンデンサ１３によって検出され、過温度検出レベル電圧Ｖｒｅｆが高くなる。反転信号電圧Ｖｆｒの変化が急激なため、過温度検出レベル電圧Ｖｒｅｆの変化が大きくなり、過温度検出レベル電圧Ｖｒｅｆは、抵抗１４，１５だけで決まる値よりも大幅に高い電圧となる。

その結果、出力電流が比較的大きい場合にフェール信号ｆが出力される時間（ｔ２）よりも早い時間（ｔ４）でフェール信号ｆが出力される。フェール信号ｆが出力されると、フェール信号ｆを受けた制御装置１７が電流の出力を停止するので、やはりＩＧＢＴ１９のチップ中央部ｂが破損温度を超えることがなく、ＩＧＢＴ１９を保護することができる。

なお、図２（ｂ）には、比較のため、過温度検出レベル電圧Ｖｒｅｆを変化させなかった場合の温度上昇を点線で示している。過温度検出レベル電圧Ｖｒｅｆを変化させなかった場合、フェール信号ｆは、時間ｔ４ではなく時間ｔ５で出力されることになるが、この時点（ｔ５）では、既に、チップ中央部の温度が破損温度を超えてしまっており（図中、ｃ参照）、ＩＧＢＴ１９を保護することができない。

このように、過温度検出回路１０は、チップ２３の温度の変化率を検出して、その変化率に応じて過温度検出レベル（過温度検出レベル電圧Ｖｒｅｆ）を変更している。つまり、変化率が大きい程、検出レベルを低くしている。この結果、チップ２３の温度上昇が急激な場合は、過温度の判定温度閾値が低くなるため、チップ２３の中心部と周縁部の温度差が大きくなってもチップ２３の破損を防ぐことができる。一方、チップ２３の温度上昇が緩慢な場合は、過温度の判定温度閾値が変わらないため、不必要な保護が行われることが無い。

出力電流をスイッチングする半導体（ＩＧＢＴ）１９が搭載されたチップ２３上に設けたダイオード１１が示すチップ温度が、所定の過温度検出レベル以上の温度であることを示す場合、コンパレータ１６により過温度が判定され、コンパレータ１６から制御装置１７へ警告信号（フェール信号ｆ）が出力される。温度センサダイオード１１の出力の変化率は、ダイオードに生じる順方向電圧を反転増幅した後の反転信号を出力する反転増幅部１２と、電源電圧を分圧した電圧に前記反転信号を容量結合するコンデンサ１３と、分圧抵抗１４，１５を有する閾値設定回路によって検出される。閾値設定回路は、検出した変化率に応じ、チップの保護を必要とする温度である過温度の判定温度閾値を設定する。即ち、チップ温度の変化率を検出して、変化率に応じて過温度検出レベルを変更する。

そして、過温度検出回路１０は、温度センサによって検出された温度と閾値設定回路によって設定された判定温度閾値とを比較し、温度センサによって検出された温度が閾値設定回路によって設定された判定温度閾値以上となった場合に半導体チップの温度が過温度であることを検出する。

この過温度保護回路１８において、過温度検出レベルの変動幅は、チップサイズ、温度センサ（温度センサダイオード１１）の位置、チップの限界温度、及び実装構造等に基づく熱抵抗・熱容量等によって決められる。また、過温度の警告発生時、即ち、過温度検出レベル電圧Ｖｒｅｆを検出した際は、制御装置１７が、チップへの通電電流を停止する他、通電電流を低減する或いはスイッチング周波数を低減する等のチップの温度上昇を防止する処理信号を出力することにより、温度上昇を抑制することができる。

このように、この発明によれば、温度センサにより、半導体チップの温度が検出され、閾値設定回路により、温度センサが示すチップ温度の変化率が検出されて、その変化率に応じ、閾値設定回路により、半導体チップの保護を必要とする温度である過温度の判定温度閾値が設定され、温度センサによって検出された温度と閾値設定回路によって設定された判定温度閾値とが比較されて、温度センサによって検出された温度が閾値設定回路によって設定された判定温度閾値以上となった場合に半導体チップの温度が過温度であることが検出され、また、過温度判定回路により、半導体チップの温度が過温度であることが検出された場合、半導体チップの温度上昇を防止する処理信号が出力されるので、半導体チップ中心部の過温度を的確に検出して、過温度による半導体チップの破損を防止することができる。

この発明の一実施の形態に係る過温度検出回路を備えた過温度保護回路を有する３相インバータの部分回路図である。図１の過温度保護回路の動作の一例を示し、（ａ）は出力電流が比較的小さい場合のタイムチャートであり、（ｂ）は出力電流が比較的大きい場合のタイムチャートである。

符号の説明

１０過温度検出回路
１１，２１，２２，２５ダイオード
１２反転増幅部
１３コンデンサ
１４，１５抵抗
１６コンパレータ
１７制御装置
１８過温度保護回路
１９，２０ＩＧＢＴ
２３，２４チップ
２６定電流源
２７駆動回路
ｆフェール信号
Ｔｊ接合温度
Ｖｃｃ電源電圧
Ｖｆ順方向電圧
Ｖｆｒ反転信号電圧
Ｖｒｅｆ過温度検出レベル電圧

Claims

半導体チップの温度を検出する温度センサと、
前記温度センサが示すチップ温度の変化率を検出し、変化率に応じ、前記半導体チップの保護を必要とする温度である過温度の判定温度閾値を設定する閾値設定回路とを備え、
前記温度センサによって検出された温度と前記閾値設定回路によって設定された判定温度閾値とを比較し、前記温度センサによって検出された温度が前記閾値設定回路によって設定された判定温度閾値以上となった場合に前記半導体チップの温度が過温度であることを検出する過温度検出回路。
前記閾値設定回路は、前記チップ温度の変化率が大きい程、前記判定温度閾値を低くする請求項１に記載の過温度検出回路。
前記温度センサは、一定電流が供給されるダイオードであって、
前記閾値設定回路は、前記ダイオードに生じる順方向電圧を反転増幅した後の反転信号を出力する反転増幅部と、
電源電圧を分圧した電圧に前記反転信号を容量結合するコンデンサと
から形成される請求項１または２に記載の過温度検出回路。
前記温度センサは、前記半導体チップの周辺部である外部領域に配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の過温度検出回路。
請求項１から４のいずれか一項に記載の過温度検出回路と、
前記過温度検出回路によって、前記半導体チップの温度が過温度であることが検出された場合に、前記半導体チップの温度上昇を防止する処理信号を出力する制御装置と
を有する過温度保護回路。
前記処理信号は、前記半導体チップへの通電電流を低減、或いはスイッチング周波数を低減する信号である請求項５に記載の過温度保護回路。