JP2008070300A

JP2008070300A - 温度検出装置

Info

Publication number: JP2008070300A
Application number: JP2006250765A
Authority: JP
Inventors: Azuma O; 東王; Akio Yamamoto; 晃央山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-09-15
Also published as: DE102007021734A1; CN101144741B; US20080071493A1; US7535128B2; CN101144741A; JP4765858B2; KR100874198B1; KR20080025284A; DE102007021734B4

Abstract

【課題】半導体スイッチ素子のスイッチング動作時における温度信号の誤出力を防止することができる温度検出装置を得る。
【解決手段】半導体スイッチ素子と同一のチップ上に形成され、温度変化に対して所定の電圧特性を有する温度検出ダイオードと、温度検出ダイオードのアノードに電流を供給する定電流回路とを有し、温度検出ダイオードのアノード電位を温度信号として出力する温度検出装置であって、半導体スイッチ素子のスイッチング動作開始時における温度検出ダイオードのアノード電位を温度信号として保持するアノード電位保持手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体スイッチ素子が形成されたチップの温度を検出する温度検出装置に関し、特に半導体スイッチ素子のスイッチング動作時における温度信号の誤出力を防止することができる温度検出装置に関するものである。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチ素子は、大電流が流れて温度が上昇し過ぎると、熱により破壊されてしまう。そこで、チップの温度を検出するために温度検出装置が用いられる。

図１０は従来の温度検出装置を示す構成図である（例えば、特許文献１参照）。図示のように、半導体スイッチ素子１１と同一のチップ１２上に、温度検出ダイオード１３が形成されている。また、定電流回路１４は、温度検出ダイオード１３のアノードに定電流を供給することで、温度検出ダイオード１３のアノード電位を半導体スイッチ素子１１の温度状態を表す温度信号として用いる。この場合において、温度信号が入力される回路（図示なし）の入力インピーダンスが高いことは言うまでもない。この温度検出ダイオード１３は、図１１に示すように、その順方向電圧（Ｖｆ）が負の温度特性を有する（順方向電流一定）。

また、配線のインダクタンスやループなどの影響によって、半導体スイッチ素子１１のスイッチング動作時においてアノード電位に負のノイズが重畳し電位が降下するという現象がある。これを防ぐため、温度検出ダイオード１３のアノードと出力に間にＣＲフィルタ１５を挿入して、温度信号を整形している。

特開２０００−３０７４０３号公報

しかし、スイッチング周波数が高くなると図１２に示すように温度信号の電位が徐々に下がってしまうため、従来の温度検出装置では、整形された温度信号であっても、ノイズ重畳による電位降下部において判定レベルより低下する場合があり、誤出力が発生するという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、半導体スイッチ素子のスイッチング動作時における温度信号の誤出力を防止することができる温度検出装置を得るものである。

本発明に係る温度検出装置は、半導体スイッチ素子と同一のチップ上に形成され、温度変化に対して所定の電圧特性を有する温度検出ダイオードと、温度検出ダイオードのアノードに電流を供給する定電流回路とを有し、温度検出ダイオードのアノード電位を温度信号として出力する温度検出装置であって、半導体スイッチ素子のスイッチング動作開始時における温度検出ダイオードのアノード電位を温度信号として保持するアノード電位保持手段を有する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、半導体スイッチ素子のスイッチング動作時における温度信号の誤出力を防止することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る温度検出装置を示す構成図である。また、図２は、図１の温度検出装置の動作を示すタイミングチャートである。

図示のように、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチ素子１１と同一のチップ１２上に、温度検出ダイオード１３が形成されている。この温度検出ダイオード１３の順方向電圧は、順方向電流が一定の場合、負の温度特性を有し、カソードが接地されている。また、定電流回路１４は、温度検出ダイオード１３のアノードに２ｍＡ程度の定電流を供給する。そして、温度検出ダイオード１３のアノード電位を温度信号として出力する。なお、温度検出ダイオード１３は、単一では両端電圧が０．６Ｖ（２５℃）程度であり、一般的には複数直列接続して両端電圧が２Ｖ程度となるようチップ１２上に形成する。

また、温度検出ダイオード１３のアノードと出力端子との間に、アノード電位保持手段１６が挿入されている。このアノード電位保持手段１６は、半導体スイッチ素子１１のスイッチング動作開始時における温度検出ダイオード１３のアノード電位を温度信号として保持する。

具体的には、アノード電位保持手段１６は、コンデンサ１７と、ワンショットパルス発生回路１８と、第１のスイッチング手段１９とを有する。コンデンサ１７の一端は温度検出ダイオード１３のアノードと出力端子との間に接続され、他端は接地されている。また、ワンショットパルス発生回路１８は、半導体スイッチ素子１１のゲート駆動信号（入力信号）Ｓｇに応じて制御信号Ｓｃを出力する。この制御信号Ｓｃは、通常時は“Ｈ”であり、ゲート駆動信号Ｓｇの立ち上がりから所定時間だけ“Ｌ”になる。そして、第１のスイッチング手段１９は、ワンショットパルス発生回路１８からの制御信号Ｓｃが“Ｌ”の間、即ち半導体スイッチ素子１１のスイッチング動作開始から所定時間、温度検出ダイオード１３のアノードとコンデンサ１７の一端との接続を切断する。なお、スイッチング手段には、通常ＭＯＳトランジスタなどの使用が可能であり、また、ワンショットパルス発生回路は、タイマ或いはフィルタを利用して構成することができる。

このように、半導体スイッチ素子１１のスイッチング動作時にアノード電位が降下したまま出力されるのをアノード電位保持手段１６が防止するため、温度信号の誤出力を防止することができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る温度検出装置を示す構成図である。アノード電位保持手段１６は、第１の負帰還増幅器２１と、第２の負帰還増幅器２２と、ダイオード２３、２４と、抵抗２５とを更に有する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

第１の負帰還増幅器２１は、温度検出ダイオード１３のアノード電位を非反転入力端子から入力する。そして、第２の負帰還増幅器２２は、第１の負帰還増幅器２１の出力電圧を非反転入力端子から入力し、温度信号を出力する。第２の負帰還増幅器２２の出力は、自身の反転入力端子に入力され、抵抗２５を介して第１の負帰還増幅器２１の反転入力端子にも入力される。また、ダイオード２３は、一端が抵抗２５と第１の負帰還増幅器２１の反転入力端子との間に接続され、他端が第１の負帰還増幅器２１の出力側に接続されている。そして、ダイオード２４は、ダイオード２３と並行に、かつ逆向きに接続されている。

この構成により、半導体スイッチ素子のスイッチング動作時にアノード電位が降下したまま出力されるのをアノード電位保持手段１６が防止するため、実施の形態１と同様に温度信号の誤出力を防止することができる。また、温度検出ダイオード１３のアノードの入力はハイインピーダンスとなるため、アノード自体の電圧信号への影響が少ない。そして、２段負帰還設計であるため、検知誤差が小さい。また、温度検知応答速度を高めることもできる。そして、アノード電位保持手段１６における回路の出力インピーダンスが調節可能となるので、温度信号が入力される回路側（図示せず）の入力インピーダンスを高くする必要がなくなるなど、接続される回路構成を選ばず、利用範囲を広げることができる。そして、第２の負帰還増幅器の利得が安定しているため、電源電圧変動、温度変動と経時変動等のパラメータ変動に対して検知信号の安定性が高い。また、増幅器出力のため、回路出力インピーダンスを所望の値に調整することができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る温度検出装置を示す構成図である。アノード電位保持手段１６は、第１の負帰還増幅器２１と、第２の負帰還増幅器２２と、抵抗２６、２７とを更に有する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

第１の負帰還増幅器２１は、温度検出ダイオード１３のアノード電位を非反転入力端子から入力する。そして、第２の負帰還増幅器２２は、第１の負帰還増幅器２１の出力電圧を非反転入力端子から入力し、温度信号を出力する。第２の負帰還増幅器２２の出力は、抵抗２６、２７を介して接地され、抵抗２６と抵抗２７の接続点が自身の反転入力端子に接続されている。

抵抗２６、２７の抵抗値を設定することにより、第２の負帰還増幅器２２の利得は可変である。これにより、実施の形態２と同様の効果を奏する他、温度信号を所望の電圧に増幅することができる。この結果として温度信号の誤差を低減することができる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る温度検出装置を示す構成図である。アノード電位保持手段１６は、第１の負帰還増幅器２１と、第２の負帰還増幅器２２とを更に有する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

第１の負帰還増幅器２１は、温度検出ダイオード１３のアノード電位を非反転入力端子から入力する。そして、第２の負帰還増幅器２２は、第１の負帰還増幅器２１の出力電圧を非反転入力端子から入力し、温度信号を出力する。また、第２の負帰還増幅器２２の出力信号は、自身の反転入力端子及び第１の負帰還増幅器２１の反転入力端子に入力される。

これにより、実施の形態２よりも簡単で安価な構成で同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５に係る温度検出装置を示す構成図である。本実施の形態に係る温度検出装置は、第２のスイッチング手段２８を更に有する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

図７は、第２のスイッチング手段を示す構成図である。第２のスイッチング手段２８は、ＮＭＯＳトランジスタ３１〜３３を有する。各トランジスタのドレインは電源に接続され、トランジスタ３１のゲートにワンショットパルス発生回路１８からの制御信号Ｓｃが入力される。また、トランジスタ３１のソースと、トランジスタ３１、３３のゲートと、トランジスタ３２のソースとは、定電流回路１４に接続されている。そして、トランジスタ３３のソースから、温度検出ダイオード１３のアノードにバイアス電流Ｉａが供給される。

図８は、図６温度検出装置の動作を示すタイミングチャートである。図示のように、第２のスイッチング手段２８は、半導体スイッチ素子１１のスイッチング動作開始から所定時間、定電流回路１４から温度検出ダイオード１３のアノードへのバイアス電流の供給を停止する。即ち、アノード電位を検知する期間にバイアス電流を流して、アノード電位をホールドする期間にバイアスを停止する。これにより、実施の形態１と同様の効果を奏する他、消費電力を低減することができる。なお、本実施の形態と実施の形態２〜４を組み合わせることもできる。

実施の形態６．
図９は、本発明の実施の形態６に係る温度検出装置を示す構成図である。アノード電位保持手段１６は、周期信号発信器３４と、ＡＮＤ回路３５とを更に有する。その他の構成は実施の形態５と同様である。

周期信号発信器３４は、半導体スイッチ素子１１のスイッチング動作開始から周期信号を発信する。そして、ＡＮＤ回路３５は、この周期信号とワンショットパルス発生回路１８の出力信号を入力し、ＡＮＤ演算して第１のスイッチング手段１９と第２のスイッチング手段２８に制御信号Ｓｃを出力する。

これにより、第１のスイッチング手段１９と第２のスイッチング手段２８は、周期信号に同期して動作する。従って、制御信号を細かく分割するため、実施の形態５よりも更に消費電力を低減することができる。

さらには、実施の形態６の変形例として、図９における周期信号発信器３４による信号の替わりに、ＡＮＤ回路３５の入力に、温度検出装置外部からの制御信号を与えるように構成してもよい。これによって、温度検出装置の外部、即ち温度信号が入力される回路／システム側から、温度検出装置の動作状態を制御することが可能となり、回路／システム側で温度信号の出力が必要な時だけ、温度検出装置を機能させることができるようになるので、より一層の消費電力の低減が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る温度検出装置を示す構成図である。図１の温度検出装置の動作を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態２に係る温度検出装置を示す構成図である。本発明の実施の形態３に係る温度検出装置を示す構成図である。本発明の実施の形態４に係る温度検出装置を示す構成図である。本発明の実施の形態５に係る温度検出装置を示す構成図である。第２のスイッチング手段を示す構成図である。図６の温度検出装置の動作を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態６に係る定電流回路を示す構成図である。従来の温度検出装置を示す構成図である。温度検出ダイオードの温度変化に対する電圧特性を示す図である。図１０の温度検出装置の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１１半導体スイッチ素子
１２チップ
１３温度検出ダイオード
１４定電流回路
１６アノード電位保持手段
１７コンデンサ
１９第１のスイッチング手段
２１第１の負帰還増幅器
２２第２の負帰還増幅器
２８第２のスイッチング手段
３４周期信号発信器

Claims

半導体スイッチ素子と同一のチップ上に形成され、温度変化に対して所定の電圧特性を有する温度検出ダイオードと、前記温度検出ダイオードのアノードに電流を供給する定電流回路とを有し、前記温度検出ダイオードのアノード電位を温度信号として出力する温度検出装置であって、
前記半導体スイッチ素子のスイッチング動作開始時における前記温度検出ダイオードのアノード電位を前記温度信号として保持するアノード電位保持手段を有することを特徴とする温度検出装置。
前記アノード電位保持手段は、
前記温度検出ダイオードのアノードと出力端子との間に一端が接続され、他端が接地されたコンデンサと、
前記半導体スイッチ素子のスイッチング動作開始から所定時間、前記温度検出ダイオードのアノードと前記コンデンサの一端との接続を切断する第１のスイッチング手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の温度検出装置。
前記アノード電位保持手段は、
前記温度検出ダイオードのアノード電位を非反転入力端子から入力する第１の負帰還増幅器と、
前記第１の負帰還増幅器の出力電圧を非反転入力端子から入力し、前記温度信号を出力する第２の負帰還増幅器とを有することを特徴とする請求項１に記載の温度検出装置。
前記第２の負帰還増幅器の利得は可変であることを特徴とする請求項３に記載の温度検出装置。
前記半導体スイッチ素子のスイッチング動作開始から所定時間、前記定電流回路から前記温度検出ダイオードのアノードへの電流の供給を停止する第２のスイッチング手段を更に有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の温度検出装置。
前記半導体スイッチ素子のスイッチング動作開始から周期信号を発信する周期信号発信器を更に有し、
前記第１のスイッチング手段は、前記周期信号に同期して動作することを特徴とする請求項２に記載の温度検出装置。
前記半導体スイッチ素子のスイッチング動作開始から周期信号を発信する周期信号発信器を更に有し、
前記第２のスイッチング手段は、前記周期信号に同期して動作することを特徴とする請求項５に記載の温度検出装置。