JP2007059738A - 保護回路を備えた半導体装置 - Google Patents

保護回路を備えた半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】
電源電圧低下保護回路に過熱保護機能を持たせた半導体装置を提供する。
【解決手段】
本発明の半導体装置の保護回路は、電源電圧を抵抗と正のツェナー電圧温度依存性があるツェナーダイオード直列接続体とで分割してコンパレータの一方の入力端に接続し、コンパレータの他方の入力端に、電源電圧を抵抗分割して加えたので、過熱が無い場合の電源電圧の変動の有無をツェナー電圧と抵抗分割電圧を比較して検出し、電源電圧の変動が無い場合の半導体装置の過熱の有無をツェナー電圧の変動で検出する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電源電圧低下保護と過熱保護とを行う保護回路を備えた半導体装置に関する。
電圧駆動型半導体装置の一種である、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)制御回路とを内蔵するIGBTモジュールでは、電源電圧が低下した際に制御電源電圧を生成できずに負荷駆動回路が正常の動作しなくなることを回避するため、電源電圧低下保護回路を備えている。従来技術の電圧低下保護回路は、第2電圧(正入力端)がしきい値に相当する第1電圧(負入力端)よりも上昇した場合に、ドライブ回路に対して反転出力を行う電源電圧低下遮断機能を備えている。
また、特許文献1と特許文献2には、半導体装置の発熱検出回路が開示されている。
特開平6−74833号公報(図1(A)と(0015)段落の記載) 特開2000−124781号公報((0007)段落から(0014)段落の記載)
前記特許文献1や特許文献2では、半導体装置の発熱検出回路のほかに制御回路の電源電圧の変動を検出する回路を別に設ける必要があり、回路構成が複雑になり、集積回路にする際に半導体チップ面積が大きくなる問題がある。
本発明の目的は、前記電源電圧低下保護回路に過熱保護回路としての機能も持たせて、回路規模を小さくできる半導体装置を提供することである。
本発明の半導体装置は、電源電圧低下保護回路に、正の温度特性を持たせた半導体素子も配置し、電源電圧低下保護機能と過熱保護機能とを兼ね備えた回路を備える。
本発明によれば、電源電圧低下保護回路に正の温度特性を持つ半導体素子も備えているので、1つの回路構成で、2つの機能を兼用しているため、半導体チップ面積が小さくなる。
本発明の詳細を、図面と実施例とを用いて説明する。
本実施例を図1から図5にもとづき説明する。図2は、本実施例のIGBTを内蔵したインバータICを用いたモータ駆動装置の説明図である。図2の符号1は、インバータIC、2はモータ、3は商用交流電源、4は整流平滑回路、5は制御部であるマイコン、6はモータの回転子の位置を検出する位置検出回路、7はインバータICに内蔵した駆動制御回路部、8は出力段パワー素子部、Vsは出力段パワー素子電源電圧、Vccは駆動制御回路電源電圧である。
図2で、駆動制御回路部7は、さらに図示しない駆動回路部と保護回路部とレベルシフト回路部とロジック回路部とを備えていて、マイコン5が発する制御信号を受けて出力段パワー素子部8に例えば、パルス幅変調(PWM)したゲートドライブ信号を送る。なお、保護回路部は、過電流や過熱や電圧低下を検出し、検出信号をマイコン5や前記ロジック部に送り、出力段パワー素子部8の出力電流を制限する。
出力段パワー素子部8は、上下のそれぞれのアームのパワー半導体素子であるIGBTあるいはパワーMOSFETをトーテムポール接続した上下アームを3つ備え、周波数可変のU相、V相、W相の3相交流を出力し、負荷のモータ2を駆動する。モータ2は、3相のブラシレスDCモータであって、永久磁石回転子の位置を出力する位置センサを内蔵し、その信号を位置検出回路6に出力している。整流平滑回路部4は、100V〜120Vあるいは、200V〜240Vの定格の商用交流電源3を整流し、出力段パワー素子部8に出力段パワー素子電源電圧Vsを供給する。駆動制御回路電源電圧Vccは本実施例では15Vであるが、この電圧には限らない。
本実施例のインバータIC1は、駆動制御回路部7と出力段パワー素子部とが同じシリコン半導体基板に形成され、同じパッケージに実装されている。本実施例のインバータIC1は、図3に断面図を示すように、単結晶シリコン基板12と多結晶シリコン基板11とSiO2 絶縁分離層10で絶縁分離されたシリコン単結晶島9があり、このシリコン単結晶島9に駆動制御回路部7や出力段パワー素子部8を構成する半導体素子や、抵抗やコンデンサなどの回路素子を形成している。以下、図3に示す、多結晶シリコン基板11にSiO2 絶縁分離層10で絶縁分離されたシリコン単結晶島9が配置された構成のシリコン半導体基板を、誘電体分離基板と呼ぶ。
図1は本実施例のインバータIC1の駆動制御回路部7の保護回路部が備えている温度検出機能を有する電源電圧変動遮断回路の回路図である。図1で、符号R1〜R3は抵抗、A1〜Anは複数個直列に接続したツェナーダイオード、U1はコンパレータ、Vccは駆動制御回路電源電圧である。コンパレータU1の正入力端には、直列接続したツェナーダイオードのカソードと抵抗R1との接続点を接続し、コンパレータU1の負入力端には、抵抗R2と抵抗R3との接続点を接続している。さらに、図1に示すように、直列接続したツェナーダイオードのアノードと、抵抗R3の一端とは同じ電位、図1では接地電位に接続されている。なお、コンパレータU1は、オペアンプを用いても良い。
本実施例では、定電圧特性を示すツェナーダイオードを直列接続しているので、駆動制御回路電源電圧Vccが変動してもコンパレータU1の正入力端の電圧変動は無視できる。以下、定電圧特性とは、抵抗に直列に接続したツェナーダイオードのツェナー電圧のように、抵抗との直列接続体に印加する電圧を変動させて素子に流れる電流が大きく変化しても、半導体素子の両端の電圧の変化が印加電圧の変動より小さな特性を意味する。
図1に示すように、ツェナーダイオードには逆バイアスをかけるので、ツェナー電圧が温度上昇に伴い電圧が大きくなる正の温度係数をもつが、ツェナーダイオード1つではツェナー電圧の温度係数は例えば3mV/℃と小さい。本実施例では、複数個のツェナーダイオードを図1に示すように直列接続して温度係数を拡大した。例えば、図1で、2個のツェナーダイオードを直列に接続すると、温度係数が2倍の6mV/℃と大きくなるので、駆動制御回路電源電圧Vccの変動を受けても温度検出誤差の精度が1個のツェナーダイオードを用いた場合より良くなる。直列接続するツェナーダイオードの数を多くするほど温度係数も大きくなるので、ノイズの影響を受けにくくなるので、直列接続したツェナーダイオードのツェナー電圧が、過熱保護動作温度で、コンパレータの入力電圧範囲内に収まる数のツェナーダイオードを接続すればよく、その数に特に制限はない。通常、1個から5個のツェナーダイオードを直列に接続すればよい。直列接続する各ツェナーダイオードのツェナー電圧は、同じであっても、異なっていても良い。
本実施例では、直列接続したツェナーダイオードが大きな正の温度係数を持つため、温度が高くなるにつれてコンパレータU1の正入力端の電圧が高くなる。また、R2とR3の接続点の電圧は、駆動制御回路電源電圧Vccを抵抗R2と抵抗R3とで分圧しているので、抵抗R2と抵抗R3の抵抗値が温度変化で変わっても、その比は温度変動にかかわらず一定であるとみなせるので、コンパレータU1の負入力端の電圧も一定となり閾値として作用する。特に本実施例ではコンパレータU1、ツェナーダイオードDZ1、DZ2、抵抗R1、R2、R3を図3に示すように、同じ誘電体分離基板に形成しているので、上記抵抗R2、R3の抵抗値の比の温度変化が無視できるほど小さくなる。
本実施例で、駆動制御回路電源電圧Vccが一定かあるいはその変動が許容できる範囲の大きさの場合、コンパレータU1の正入力端に加わる電圧は、図4に示すように温度上昇と共にツェナー電圧が高くなり、図4に示すように過熱保護温度に設定した135℃で、コンパレータU1の負入力端に加わる電圧と一致し、図5に示すようにコンパレータU1の出力をLレベルからHレベルに反転する。
本実施例では、図4に示すように、コンパレータU1の負端子に加わるコンパレータの基準電圧が、0℃から200℃の広い温度範囲で変化せず安定しているので、デバイス温度が過熱保護温度を越えたかどうかを精度良く検出できる。
本実施例では、ツェナー電圧をコンパレータU1の正入力端に、駆動制御回路電源電圧Vccを抵抗分割した基準電圧をコンパレータU1の負入力端に加えたが、逆に、ツェナー電圧をコンパレータU1の負入力端に、駆動制御回路電源電圧Vccを抵抗分割した基準電圧をコンパレータU1の正入力端に加えても良く、この場合は、コンパレータU1の出力がHレベルからLレベルに反転する。
なお、図1で、温度変化が小いかあるいは温度が一定の場合に、駆動制御回路電源電圧Vccが低下すると、ツェナー電圧の変化は小さいか無視できるので、コンパレータU1の正端子の電圧は変化せず、抵抗R2と抵抗R3とで分圧されたコンパレータU1の負端子の電圧が図6に示すように低下して行き、この電圧がツェナー電圧より低下した場合に図7に示すように、コンパレータU1の出力がLレベルからHレベルに反転する。
本実施例を図8にもとづき説明する。本実施例は、インバータIC1の駆動制御回路部7の保護回路部が実施例1と異なること以外は実施例1と同様である。図8は、本実施例のインバータIC1の駆動制御回路部7の保護回路部にある過熱保護機能を有する電源電圧低下保護回路の回路図である。図8で符号R4〜R6は抵抗、B1〜Bnは複数個直列に接続したツェナーダイオード、U2はコンパレータ、Vccは駆動制御回路電源電圧である。
本実施例ではコンパレータの論理出力が実施例1と異なる。ツェナーダイオードの逆方向の電圧は、正の温度係数を持つが、コンパレータU2の正入力端に接続している電圧は、駆動制御回路電源電圧Vccを抵抗R4と直列接続したツェナーダイオードで分割している部分の電圧である。そのため、温度が上昇するとツェナーダイオードが分担する電圧が大きく、抵抗R4が分担する電圧が大きくなるために、コンパレータU2の正入力端に接続している電圧は負の温度係数をもち、温度上昇とともに低くなる。また、抵抗R5と抵抗R6の接続点の電圧は、実施例1と同様に温度変動にかかわらず一定であるため、コンパレータU2の負入力端の電圧は一定となる。
したがって、温度上昇と共にツェナー電圧は高くなり、図9、図10に示すように過熱保護温度に設定した135℃でコンパレータの出力がHレベルからLレベルに反転する。
本実施例では、直列接続したツェナーダイオードの順方向電圧が、過熱保護動作温度で、コンパレータの入力電圧範囲内に収まる数のツェナーダイオードを接続すればよく、その数に特に制限はない。通常、1個から5個のツェナーダイオードを直列に接続すればよい。直列接続する各ツェナーダイオードのツェナー電圧は、同じであっても、異なっていても良い。
本実施例で、温度変化が小いかあるいは温度が一定の場合に、駆動制御回路電源電圧Vccが何らかの原因でΔVcc低下したときに、図8に示す温度検出機能を有する電源電圧変動遮断回路では、直列接続したツェナーダイオードの逆方向電圧の変化は無視できるので、抵抗R4が分圧する電圧が、駆動制御回路電源電圧Vccの変化分のΔVccだけ低くなる。一方コンパレータU2の負入力端は、駆動制御回路電源電圧Vccを抵抗R5と抵抗R6とで分圧した電圧が入力されていて、駆動制御回路電源電圧Vccが何らかの原因でΔVcc低下したときには、このΔVccを抵抗R5と抵抗R6とで分圧した電圧分が低下する。このため、図11に示すようにコンパレータU2の正入力端の電圧が負入力端の電圧を下回り、図12に示すようにコンパレータの出力がHレベルからLレベルに反転する。
本実施例を図13にもとづき説明する。本実施例では、図13に示すSOI(Silicon On Insulator)基板にインバータIC1を形成した点が実施例1や実施例2と異なる、これ以外は実施例1、実施例2と同じである。図13はSOI基板の断面を示し、符号16は、シリコン支持基板、13は単結晶シリコン層、14はSiO2 絶縁層、15は多結晶シリコン層であって、複数の単結晶シリコン層13が互いにSiO2 絶縁層で絶縁分離されている。本実施例ではこの単結晶シリコン層13に駆動制御回路部7や出力段パワー素子部8を構成する半導体素子や、抵抗やコンデンサなどの回路素子を形成している。
本実施例のインバータIC1の駆動制御回路部7の保護回路部にある温度検出機能を有する電源電圧低下保護回路は、実施例1や実施例2と同様の回路構成であり、この回路を図13に示す単結晶シリコン層13に形成した。
本実施例を図14にもとづき説明する。本実施例では、実施例1から実施例3のインバータIC1に代えて、図14に示すように、プリドライバIC17と、出力段パワー素子18とを用いることがことなり、その他は、実施例1から実施例3と同様である。
プリドライバIC17は、駆動制御回路部7を備え、この駆動制御回路部7は、図示しない駆動回路部と保護回路部とレベルシフト回路部とロジック回路部とを備えていて、マイコン5が発する制御信号を受けて出力段パワー素子18に、例えば、パルス幅変調(PWM)したゲートドライブ信号を送る。なお、保護回路部は、過電流や過熱を検出し、検出信号をマイコン5や前記ロジック部に送り、出力段パワー素子18の出力電流を制限する。
本実施例の出力段パワー素子18は、上下のそれぞれのアームのIGBTあるいはパワーMOSFETをトーテムポール接続したアームを3つ備え、周波数可変のU相、V相、W相の3相交流を出力し、負荷のモータ2を駆動する。モータ2は、3相のブラシレスDCモータであって、永久磁石回転子の位置を出力する位置センサを内蔵し、その信号を位置検出回路6に出力している。
本実施例の整流平滑回路部4は、100V〜120Vあるいは、200V〜240Vの定格の商用交流電源3を整流し、出力段パワー素子18に出力段パワー素子電源電圧Vsを供給する。駆動制御回路電源電圧Vccは本実施例では15Vであるが、この電圧には限らない。
実施例1の過熱保護機能を有する電源電圧低下保護回路の回路図。 実施例1のインバータICを有するモータ駆動装置の説明図。 実施例1のインバータICを形成した誘電体分離基板の断面説明図。 実施例1で、コンパレータの正入力端と負入力端とに加わる電圧の温度変化の説明図。 実施例1で、温度変化に伴うコンパレータの論理出力の説明図。 実施例1で、コンパレータの正入力端と負入力端とに加わる電圧と、駆動回路電源電圧との関係の説明図。 実施例1で、駆動回路電源電圧の変化に伴うコンパレータの論理出力の説明図。 実施例2の過熱保護機能を有する電源電圧低下保護回路の回路図。 実施例2で、コンパレータの正入力端と負入力端とに加わる電圧の温度変化の説明図。 実施例2で、温度変化に伴うコンパレータの論理出力の説明図。 実施例2で、コンパレータの正入力端と負入力端とに加わる電圧と、駆動回路電源電圧との関係の説明図。 実施例2で、駆動回路電源電圧の変化に伴うコンパレータの論理出力の説明図。 実施例3のインバータICを形成したSOI基板の断面説明図。 実施例4のプリドライバICを有するモータ駆動装置の説明図。
符号の説明
1…インバータIC、2…モータ、3…商用交流電源、4…整流平滑回路、5…マイコン、6…位置検出回路、7…駆動制御回路部、8…出力段パワー素子部、9…シリコン単結晶島、10…SiO 絶縁分離層、11…多結晶シリコン基板、12…単結晶シリコン基板、13…単結晶シリコン層、14…SiO 絶縁層、15…多結晶シリコン層、16…シリコン支持基板、17…プリドライバIC、18…出力段パワー素子、R1〜R9…抵抗、U1〜U3…コンパレータ、A1〜An、B1〜Bn…ツェナーダイオード、D1〜D2…ダイオード。

Claims (21)

  1. 電源電圧低下保護回路を備えた半導体装置において、前記電源電圧低下保護回路が、電源電圧低下保護動作の開始電圧に正の温度依存性を有し、電源電圧低下保護回路が前記半導体装置の過熱保護機能も備えていることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、前記電源電圧低下保護回路が、コンパレータと、半導体素子と、抵抗体とを備えていることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項2に記載の半導体装置において、前記半導体素子がツェナーダイオードであることを特徴とする半導体装置。
  4. 第1の電圧出力回路と、第2の電圧出力回路と、前記第1の電圧出力回路の出力電圧と、前記第2の電圧出力回路の電圧とを比較する比較器を有する電源電圧低下保護回路を備えた半導体装置において、
    前記半導体装置の温度が一定の場合に、前記第1の電圧出力回路の出力電圧と、前記第2の電圧出力回路の電圧との差電圧が零となる電源電圧が存在し、
    前記半導体装置の電源電圧が一定の場合に、前記第1の電圧出力回路の出力電圧と、前記第2の電圧出力回路の電圧との差電圧が零となる半導体装置の温度があることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項4に記載の半導体装置において、前記第1の電圧出力回路あるいは第2の電圧出力回路が半導体素子と抵抗体とを備えていることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項5に記載の半導体装置において、前記半導体素子がツェナーダイオードであることを特徴とする半導体装置。
  7. 一端を電源に接続した第1の抵抗体と、
    該第1の抵抗体の他端に一端を接続した、半導体素子と、
    一端を前記電源に接続した第2の抵抗体と、
    該第2の抵抗体の他端に一端を接続した第3の抵抗体と、
    コンパレータとを備え、
    前記第1の抵抗体と半導体素子との接続点と、前記コンパレータの一方の入力端とを接続し、
    前記第2の抵抗体と前記第3の抵抗体との接続点と、前記コンパレータの他方の入力端とを接続し、
    前記半導体素子の他端と前記第3の抵抗体の他端とを同じ電位に接続し、
    前記半導体素子が、前記電源電圧の変化に対して定電圧特性を示し、かつ、該定電圧特性を示す電圧が正の温度依存性を示し、
    該正の温度依存性を示す電圧に基づいて半導体装置の過熱保護動作を行うことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項7に記載の半導体装置において、前記半導体素子が、ツェナーダイオードであって、前記第1の抵抗体との接続点がカソードであり、前記第3の抵抗体との接続点がアノードであることを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項8に記載の半導体装置において、
    前記第1の抵抗体に代えてツェナーダイオードのカソードが前記電源に接続し、
    前記半導体素子に代えて第4の抵抗体の一端を前記ツェナーダイオードのアノードに接続したことを特徴とする半導体装置。
  10. 出力段パワー素子部と、該出力段パワー素子部を駆動する駆動制御回路部とを備えた半導体集積回路において、
    前記出力段パワー素子部が、パワー半導体素子をトーテムポール接続した3個のアームを備え、
    前記駆動制御回路部が、駆動回路部とロジック回路部と保護回路部とを備え、
    該保護回路部が、
    一端が電源に接続する第1の抵抗体と、
    該第1の抵抗体の他端に一端を接続した、半導体素子と、
    一端を前記電源に接続した第2の抵抗体と、
    該第2の抵抗体の他端に一端を接続した第3の抵抗体と、
    一方の入力端と他方の入力端とを備えたコンパレータとを備え、
    前記第1の抵抗体と複数個の半導体素子の直列接続体との接続点と、前記コンパレータの一方の入力端とを接続し、
    前記第2の抵抗体と前記第3の抵抗体との接続点と、前記コンパレータの負入力端とを接続し、
    前記半導体素子の他端と前記第3の抵抗体の他端とを同じ電位に接続し、
    前記半導体素子が、前記電源電圧の変化に対して定電圧特性を示し、かつ、該定電圧特性を示す電圧が正の温度依存性を示すことを特徴とする半導体集積回路。
  11. 請求項10に記載の半導体集積回路において、
    前記保護回路部の、前記半導体素子が、ツェナーダイオードであることを特徴とする半導体集積回路。
  12. 請求項11に記載の半導体集積回路において、
    前記保護回路の前記第1の抵抗体に代えて、ツェナーダイオードのカソードが前記電源に接続し、
    前記半導体素子に代えて第4の抵抗体の一端を前記ツェナーダイオードのアノードに接続したことを特徴とする半導体集積回路。
  13. 請求項10に記載の半導体集積回路において、
    出力段パワー素子部と駆動制御回路部とが、同じシリコン半導体基板に形成されていて、
    該シリコン半導体基板が、絶縁分離層で絶縁分離されたシリコン単結晶部を備え、
    該シリコン単結晶部に前記出力段パワー素子部と駆動制御回路部とが配置されていることを特徴とする半導体集積回路。
  14. 請求項13に記載の半導体集積回路において、
    前記絶縁分離層で絶縁分離されたシリコン単結晶部を備えたシリコン半導体基板が誘電体分離半導体基板であることを特徴とする半導体集積回路。
  15. 請求項13に記載の半導体集積回路において、
    前記絶縁分離層で絶縁分離されたシリコン単結晶部を備えたシリコン半導体基板がSOI半導体基板であることを特徴とする半導体集積回路。
  16. 半導体集積回路に接続する出力段パワー素子部を駆動する駆動制御回路部を備えた半導体集積回路において、
    該駆動制御回路部が、パワー半導体素子をトーテムポール接続した3個のアームを備えた前記出力段パワー素子部を駆動する駆動回路部と、ロジック回路部と、保護回路部とを備え、
    該保護回路部が、
    一端が電源に接続する第1の抵抗体と、
    該第1の抵抗体の他端に一端を接続した、半導体素子と、
    一端を前記電源に接続した第2の抵抗体と、
    該第2の抵抗体の他端に一端を接続した第3の抵抗体と、
    一方の入力端と他方の入力端とを備えたコンパレータとを備え、
    前記第1の抵抗体と複数個の半導体素子の直列接続体との接続点と、前記コンパレータの一方の入力端とを接続し、
    前記第2の抵抗体と前記第3の抵抗体との接続点と、前記コンパレータの負入力端とを接続し、
    前記半導体素子の他端と前記第3の抵抗体の他端とを同じ電位に接続し、
    前記半導体素子が、前記電源電圧の変化に対して定電圧特性を示し、かつ、該定電圧特性を示す電圧が正の温度依存性を示すことを特徴とする半導体集積回路。
  17. 請求項16に記載の半導体集積回路において、
    前記保護回路部の、前記半導体素子が、ツェナーダイオードであることを特徴とする半導体集積回路。
  18. 請求項17に記載の半導体集積回路において、
    前記保護回路の前記第1の抵抗体に代えて、ツェナーダイオードのカソードが前記電源に接続し、
    前記半導体素子に代えて第4の抵抗体の一端を前記ツェナーダイオードのアノードに接続したことを特徴とする半導体集積回路。
  19. 請求項16に記載の半導体集積回路において、
    シリコン半導体基板に配置した、絶縁分離層で絶縁分離されたシリコン単結晶部に前記駆動制御回路部が配置されていることを特徴とする半導体集積回路。
  20. 請求項19に記載の半導体集積回路において、
    前記絶縁分離層で絶縁分離されたシリコン単結晶部を備えたシリコン半導体基板が誘電体分離半導体基板であることを特徴とする半導体集積回路。
  21. 請求項19に記載の半導体集積回路において、
    前記絶縁分離層で絶縁分離されたシリコン単結晶部を備えたシリコン半導体基板がSOI半導体基板であることを特徴とする半導体集積回路。
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