JP2008218681A

JP2008218681A - Semiconductor device

Info

Publication number: JP2008218681A
Application number: JP2007053625A
Authority: JP
Inventors: Mihiro Nakagawa; 未浩中川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-09-18

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a semiconductor device capable of increasing the temperature of a semiconductor element while suppressing voltage applied to the semiconductor element at low temperature. <P>SOLUTION: The semiconductor device 100 has: a negative-characteristic thermistor 12 connected to an IGBT 14 in series; and a positive-characteristic thermistor 16 connected to the IGBT 14 and the negative-characteristic thermistor 12 in parallel. At low temperature, the resistance of the negative-characteristic thermistor increases and that of the positive-characteristic thermistor decreases. Since the resistance of the negative-characteristic thermistor increases, voltage applied to the IGBT is suppressed. Also, a large current flows to the positive-characteristic thermistor to generate heat. The temperature of the IGBT rises by heat generated in the positive-characteristic thermistor. At high temperature, the resistance of the negative-characteristic thermistor decreases and that of the positive-characteristic thermistor increases. Thus, at high temperature, the negative-characteristic thermistor and the positive-characteristic thermistor do not affect the operation of the IGBT. A semiconductor device 100 functions just like a simple IGBT at high temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、トランジスタやダイオードなどの半導体素子を含む半導体装置に関する。特に、低温時に、半導体素子に印加される電圧を抑制しながら半導体素子の温度を上昇させる半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a semiconductor element such as a transistor or a diode. In particular, the present invention relates to a semiconductor device that raises the temperature of a semiconductor element while suppressing a voltage applied to the semiconductor element at a low temperature.

半導体素子は通電すると発熱するため、半導体素子を含む半導体装置を起動すると温度が上昇する。半導体素子の温度が所定温度以上となると、熱破壊に至る。そのため、半導体装置には、半導体素子の温度を検出するための温度センサが備えられることがある（特許文献１参照）。 Since a semiconductor element generates heat when energized, the temperature rises when a semiconductor device including the semiconductor element is started. When the temperature of the semiconductor element exceeds a predetermined temperature, thermal destruction occurs. Therefore, the semiconductor device may be provided with a temperature sensor for detecting the temperature of the semiconductor element (see Patent Document 1).

特開２００５−２５２０９０号公報JP 2005-252090 A

半導体素子は、温度が低いと耐圧が低下することが知られている。にもかかわらず従来は、半導体素子の熱破壊を回避するための技術は盛んに研究されていたが、低温時における半導体素子の耐圧の低下に対策するための研究には注意を向けられていなかった。従来は、半導体素子の使用温度範囲の下限温度における耐圧が、半導体装置に印加される定格電圧よりも高い半導体素子を利用していた。
他方、半導体素子は、耐圧を高くするほどオン抵抗（乃至はオン電圧）が高くなる。オン抵抗（乃至はオン電圧）は低い方が好ましいが、オン抵抗（乃至はオン電圧）を低くすると耐圧が低下する。即ち、オン抵抗（乃至はオン電圧）と耐圧はトレードオフの関係にある。
半導体素子は通電すると発熱するため、半導体装置を起動すると半導体素子の温度が上昇する。半導体素子の温度上昇とともに、耐圧も高くなる。即ち、従来は、半導体素子が低温であるのは起動直後の短時間であるにも係わらずに、その低温時に印加される電圧に応じて半導体素子の耐圧の仕様が設定されていた。従来の半導体装置は、低温時にも充分に高い耐圧を有する半導体素子を使用せざるを得ないために、通常の動作時（低温時以外）のオン抵抗（乃至はオン電圧）を小さくすることができなかった。 It is known that the breakdown voltage of a semiconductor element decreases when the temperature is low. Nonetheless, techniques for avoiding thermal destruction of semiconductor elements have been extensively studied in the past, but attention has not been paid to research for countermeasures against reduction in breakdown voltage of semiconductor elements at low temperatures. It was. Conventionally, a semiconductor element having a withstand voltage at a lower limit temperature of the operating temperature range of the semiconductor element higher than a rated voltage applied to the semiconductor device has been used.
On the other hand, the semiconductor element has higher on-resistance (or on-voltage) as the withstand voltage is increased. The on-resistance (or on-voltage) is preferably lower, but the withstand voltage decreases when the on-resistance (or on-voltage) is lowered. That is, the on-resistance (or on-voltage) and the withstand voltage are in a trade-off relationship.
Since the semiconductor element generates heat when energized, the temperature of the semiconductor element rises when the semiconductor device is activated. As the temperature of the semiconductor element rises, the breakdown voltage also increases. That is, conventionally, although the semiconductor element has a low temperature for a short time immediately after startup, the specification of the breakdown voltage of the semiconductor element has been set according to the voltage applied at the low temperature. Since a conventional semiconductor device must use a semiconductor element having a sufficiently high breakdown voltage even at low temperatures, the on-resistance (or on-voltage) during normal operation (other than at low temperatures) can be reduced. could not.

本発明は、オン抵抗（乃至はオン電圧）が低い半導体素子の利用を可能とする技術を提供する。
低温時に外部から半導体素子に印加される電圧を抑制し、その間に半導体素子の温度を上昇させることができれば、低温時における耐圧の低い半導体素子を利用することができる。そうすると、通常の動作時におけるオン抵抗（乃至はオン電圧）を小さくすることができる。 The present invention provides a technique that enables the use of a semiconductor element having a low on-resistance (or on-voltage).
If a voltage applied to the semiconductor element from the outside at a low temperature can be suppressed and the temperature of the semiconductor element can be raised during that time, a semiconductor element having a low breakdown voltage at a low temperature can be used. Then, the on-resistance (or on-voltage) during normal operation can be reduced.

本発明は、半導体素子に印加される電圧を低温時に抑制する手段と低温時に半導体素子を加熱する手段の両者にサーミスタを利用する。サーミスタは、温度の変化とともに抵抗が変化する素子である。抵抗の変化を利用すれば、温度に応じて電圧を制御することができる。また、抵抗が小さい状態ではサーミスタに大きな電流を流すことができ、その結果、サーミスタを発熱させることができる。即ちサーミスタは、環境の温度に依存して発熱するヒータとして利用することもできる。本発明は、サーミスタの温度と抵抗の関係を巧みに利用することによって、低温時には、半導体素子に印加される電圧を抑制しながら半導体素子の温度を上昇させることができる半導体装置を簡単な回路構成で実現する。 The present invention utilizes a thermistor for both means for suppressing the voltage applied to the semiconductor element at low temperatures and means for heating the semiconductor element at low temperatures. The thermistor is an element whose resistance changes with changes in temperature. If the change in resistance is used, the voltage can be controlled according to the temperature. In addition, when the resistance is small, a large current can flow through the thermistor, and as a result, the thermistor can generate heat. That is, the thermistor can also be used as a heater that generates heat depending on the temperature of the environment. The present invention provides a simple circuit configuration of a semiconductor device capable of increasing the temperature of a semiconductor element while suppressing the voltage applied to the semiconductor element at a low temperature by skillfully utilizing the relationship between the temperature and resistance of the thermistor. Realize with.

本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、負特性サーミスタと、正特性サーミスタを備える。負特性サーミスタは、半導体素子に直列に接続されている。正特性サーミスタは、直列に接続されている半導体素子と負特性サーミスタの組に対して並列に接続されている。正特性サーミスタは、半導体素子に熱伝達可能に配置されている。
負特性サーミスタは、高温時の抵抗が低温時の抵抗よりも小さいサーミスタである。負特性サーミスタは、NTC（Negative Temperature Coefficient）サーミスタとも呼ばれる。正特性サーミスタは、高温時の抵抗が低温時の抵抗よりも大きいサーミスタである。正特性サーミスタは、PTC（Positive Temperature Coefficient）サーミスタとも呼ばれる。
半導体素子は、典型的にはダイオード又はトランジスタである。半導体素子がトランジスタの場合には、負特性サーミスタの一方の電極が、トランジスタ素子のコレクタ、エミッタ、ソース、及びドレインのいずれか１つに接続されている。 The semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element, a negative characteristic thermistor, and a positive characteristic thermistor. The negative characteristic thermistor is connected in series with the semiconductor element. The positive characteristic thermistor is connected in parallel to a set of semiconductor elements and negative characteristic thermistors connected in series. The positive temperature coefficient thermistor is arranged to be able to transfer heat to the semiconductor element.
The negative characteristic thermistor is a thermistor whose resistance at high temperature is smaller than resistance at low temperature. The negative characteristic thermistor is also called an NTC (Negative Temperature Coefficient) thermistor. A positive temperature coefficient thermistor is a thermistor whose resistance at high temperature is larger than resistance at low temperature. The positive temperature coefficient thermistor is also called a PTC (Positive Temperature Coefficient) thermistor.
The semiconductor element is typically a diode or a transistor. When the semiconductor element is a transistor, one electrode of the negative characteristic thermistor is connected to any one of the collector, emitter, source, and drain of the transistor element.

上記の構成によれば、外部の装置から半導体装置に印加される電圧がそのまま正特性サーミスタに印加される。他方、半導体装置に印加される電圧は、負特性サーミスタと半導体素子の両者に分圧される。
低温時には半導体素子に直列に接続されている負特性サーミスタの抵抗が高くなるとともに、半導体素子に並列に接続されている正特性サーミスタの抵抗が小さくなる。負特性サーミスタの抵抗が高いので、外部の装置から半導体装置に印加される電圧に比較して半導体素子に印加される電圧を小さくすることができる。その一方で、正特性サーミスタの抵抗が小さいので、外部の装置から半導体装置に印加される電圧によって正特性サーミスタに大きな電流が流れる。このため、正特性サーミスタが発熱する。正特性サーミスタの発熱によって、半導体素子が昇温される。 According to the above configuration, the voltage applied from the external device to the semiconductor device is directly applied to the positive temperature coefficient thermistor. On the other hand, the voltage applied to the semiconductor device is divided by both the negative characteristic thermistor and the semiconductor element.
At low temperatures, the resistance of the negative temperature coefficient thermistor connected in series to the semiconductor element is increased, and the resistance of the positive temperature coefficient thermistor connected in parallel to the semiconductor element is decreased. Since the resistance of the negative characteristic thermistor is high, the voltage applied to the semiconductor element can be made smaller than the voltage applied to the semiconductor device from an external device. On the other hand, since the resistance of the positive temperature coefficient thermistor is small, a large current flows through the positive temperature coefficient thermistor due to the voltage applied from the external device to the semiconductor device. For this reason, the positive temperature coefficient thermistor generates heat. The semiconductor element is heated by the heat generated by the positive temperature coefficient thermistor.

正特性サーミスタの発熱によって、正特性サーミスタ自体、負特性サーミスタ、及び半導体素子の温度が上昇する。半導体素子の温度が上昇すると、半導体素子の耐圧が高くなる。また、負特性サーミスタの温度が上昇すると、負特性サーミスタの抵抗が小さくなる。そうすると、半導体素子に直列に接続されている負特性サーミスタの両端電圧が小さくなって、外部の装置から半導体装置に印加される電圧がほぼそのまま半導体素子に印加される。即ち、温度が上昇すると、負特性サーミスタは半導体素子の動作にほとんど影響を及ぼさなくなる。他方、正特性サーミスタの温度が上昇すると、正特性サーミスタの抵抗が増大する。半導体素子に並列に接続されている正特性サーミスタに流れる電流が僅かとなり、半導体素子に流れる電流が増大する。外部の装置から半導体装置に流れ込む電流はほぼそのまま半導体素子に流れる。即ち、温度が上昇すると、正特性サーミスタも半導体素子の動作にほとんど影響を及ぼさなくなる。
負特性サーミスタと正特性サーミスタを上記の通りに半導体素子に接続することによって、低温時には、半導体素子に印加される電圧を抑制しながら半導体素子を昇温する半導体装置を簡単な回路で実現できる。 Due to the heat generated by the positive temperature coefficient thermistor, the temperatures of the positive temperature coefficient thermistor itself, the negative temperature coefficient thermistor, and the semiconductor element rise. When the temperature of the semiconductor element rises, the breakdown voltage of the semiconductor element increases. Further, when the temperature of the negative characteristic thermistor rises, the resistance of the negative characteristic thermistor decreases. As a result, the voltage across the negative characteristic thermistor connected in series to the semiconductor element becomes small, and the voltage applied to the semiconductor device from an external device is applied to the semiconductor element almost as it is. That is, when the temperature rises, the negative characteristic thermistor hardly affects the operation of the semiconductor element. On the other hand, when the temperature of the positive temperature coefficient thermistor rises, the resistance of the positive temperature coefficient thermistor increases. The current flowing through the positive temperature coefficient thermistor connected in parallel to the semiconductor element becomes small, and the current flowing through the semiconductor element increases. The current flowing from the external device into the semiconductor device almost flows into the semiconductor element as it is. That is, when the temperature rises, the positive temperature coefficient thermistor hardly affects the operation of the semiconductor element.
By connecting the negative characteristic thermistor and the positive characteristic thermistor to the semiconductor element as described above, a semiconductor device that raises the temperature of the semiconductor element while suppressing the voltage applied to the semiconductor element at a low temperature can be realized with a simple circuit.

本発明によれば、低温時に半導体素子に印加される電圧を抑制しながら半導体素子の温度を上昇させることができる半導体装置を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which can raise the temperature of a semiconductor element can be implement | achieved, suppressing the voltage applied to a semiconductor element at low temperature.

（第１実施例）
図１に実施例の半導体装置１００の回路図を示す。半導体装置１００は、ＮＴＣサーミスタ１２と、ＰＴＣサーミスタ１６と、パワートランジスタの一種であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１４を備える。ＩＧＢＴ１４が、請求項の「半導体素子」に相当する。
ＩＧＢＴ１４は、エミッタ電極２０、コレクタ電極２２、及びベース電極２４を備える。エミッタ電極２０とＮＴＣサーミスタ１２の一方の電極が接続されている。ＮＴＣサーミスタ１２の他方の電極は半導体装置１００のエミッタ端子２６に接続されている。ＩＧＢＴ１４のコレクタ電極２２は半導体装置１００のコレクタ端子２８に接続されている。ＩＧＢＴ１４のベース電極２４は、半導体装置１００のベース端子３０に接続されている。
ＰＴＣサーミスタ１６の一方の電極は、ＩＧＢＴ１４のコレクタ電極２２に接続されている。ＰＴＣサーミスタ１６の他方の電極は、ＮＴＣサーミスタ１２の他方の電極に接続されている。即ち、ＰＴＣサーミスタ１６は、直列に接続されているＮＴＣサーミスタ１２とＩＧＢＴ１４の組に対して並列に接続されている。
半導体装置１００のエミッタ端子２６と、コレクタ端子２８と、ベース端子３０は、外部装置４０と接続するための端子である。半導体装置１００は、外部装置４０に対して、エミッタ端子２６、コレクタ端子２８、及びベース端子３０を有するＩＧＢＴとして機能する。
本実施例では、半導体装置１００に電圧を印加するための電源と、半導体装置１００によって駆動される負荷（例えばモータ）を含めて外部装置４０と称する。従って図１では、半導体装置１００のエミッタ端子２６、コレクタ端子２８、及びベース端子３０が全て外部装置４０に接続されている。 (First embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram of a semiconductor device 100 according to the embodiment. The semiconductor device 100 includes an NTC thermistor 12, a PTC thermistor 16, and an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 14 which is a kind of power transistor. The IGBT 14 corresponds to a “semiconductor element” in the claims.
The IGBT 14 includes an emitter electrode 20, a collector electrode 22, and a base electrode 24. The emitter electrode 20 and one electrode of the NTC thermistor 12 are connected. The other electrode of the NTC thermistor 12 is connected to the emitter terminal 26 of the semiconductor device 100. The collector electrode 22 of the IGBT 14 is connected to the collector terminal 28 of the semiconductor device 100. The base electrode 24 of the IGBT 14 is connected to the base terminal 30 of the semiconductor device 100.
One electrode of the PTC thermistor 16 is connected to the collector electrode 22 of the IGBT 14. The other electrode of the PTC thermistor 16 is connected to the other electrode of the NTC thermistor 12. That is, the PTC thermistor 16 is connected in parallel to the set of the NTC thermistor 12 and the IGBT 14 connected in series.
The emitter terminal 26, the collector terminal 28, and the base terminal 30 of the semiconductor device 100 are terminals for connecting to the external device 40. The semiconductor device 100 functions as an IGBT having an emitter terminal 26, a collector terminal 28, and a base terminal 30 with respect to the external device 40.
In this embodiment, a power supply for applying a voltage to the semiconductor device 100 and a load (for example, a motor) driven by the semiconductor device 100 are referred to as an external device 40. Accordingly, in FIG. 1, the emitter terminal 26, the collector terminal 28, and the base terminal 30 of the semiconductor device 100 are all connected to the external device 40.

ＩＧＢＴ１４とＰＴＣサーミスタ１６は、絶縁導熱部材１８を介して連結されている。絶縁導熱部材１８によって、ＰＴＣサーミスタ１６が熱を発生するとＩＧＢＴ１４の温度が上昇する。 The IGBT 14 and the PTC thermistor 16 are connected via an insulating heat conducting member 18. When the PTC thermistor 16 generates heat by the insulating heat conducting member 18, the temperature of the IGBT 14 rises.

半導体装置１００の低温時と高温時の動作について以下説明する。説明を簡単にするために、低温を−５０［℃］で代表し、高温を１００［℃］で代表する。半導体装置１００の温度は連続的に変化するが、説明を簡単にするために、以下では−５０［℃］のときの動作と１００［℃］のときの動作について説明する。
ＮＴＣサーミスタ１２は、高温時の抵抗が低温時の抵抗よりも小さいサーミスタである。ＮＴＣサーミスタ１２の抵抗の温度特性の模式的グラフを図２に示す。ＮＴＣサーミスタ１２は、−５０［℃］のときに１０００［ＭΩ］の抵抗を有し、１００［℃］のときに１［ｍΩ］の抵抗を有する。
ＰＴＣサーミスタ１６は、高温時の抵抗が低温時の抵抗よりも大きいサーミスタである。ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗の温度特性の模式的グラフを図３に示す。ＰＴＣサーミスタ１６は、−５０［℃］のときに１［ｍΩ］の抵抗を有し、１００［℃］のときに１０００［ＭΩ］の抵抗を有する。
なお、図２と図３は、サーミスタの抵抗の温度特性を模式的に表したグラフであり、実際には、ＮＴＣサーミスタ１２とＰＴＣサーミスタ１６は共に、温度の変化に伴って抵抗が徐々に変化するものであってよい。 The operation at low temperature and high temperature of the semiconductor device 100 will be described below. In order to simplify the explanation, the low temperature is represented by −50 [° C.] and the high temperature is represented by 100 [° C.]. Although the temperature of the semiconductor device 100 changes continuously, in order to simplify the description, the operation at −50 [° C.] and the operation at 100 [° C.] will be described below.
The NTC thermistor 12 is a thermistor whose resistance at a high temperature is smaller than that at a low temperature. A schematic graph of the temperature characteristics of the resistance of the NTC thermistor 12 is shown in FIG. The NTC thermistor 12 has a resistance of 1000 [MΩ] at −50 [° C.] and a resistance of 1 [mΩ] at 100 [° C.].
The PTC thermistor 16 is a thermistor whose resistance at a high temperature is larger than that at a low temperature. A schematic graph of the temperature characteristics of the resistance of the PTC thermistor 16 is shown in FIG. The PTC thermistor 16 has a resistance of 1 [mΩ] at −50 [° C.] and a resistance of 1000 [MΩ] at 100 [° C.].
2 and 3 are graphs schematically showing the temperature characteristics of the resistance of the thermistor. In practice, both the NTC thermistor 12 and the PTC thermistor 16 gradually change in resistance as the temperature changes. It may be.

本実施例のＩＧＢＴ１４は、エミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間の抵抗が、オン時（エミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に電流が流れる状態）に約１５［ｍΩ］であり、オフ時（エミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に電流がほとんど流れない状態）に１０００［ＭΩ］である。また、オン時にはエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に２００［Ａ］の電流が流れる。
本実施例では、外部装置４０から半導体装置１００のエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間に印加される定格電圧は１０００［Ｖ］である。一方、ＩＧＢＴ１４の耐圧は−５０［℃］のときに９００［Ｖ］であり、１００［℃］のときに１２００［Ｖ］である。即ち、ＩＧＢＴ１４単体は、−５０［℃］のときに１０００［Ｖ］の電圧が印加されると破壊する。本実施例の半導体装置１００は、ＮＴＣサーミスタ１２とＰＴＣサーミスタ１６の作用によって次の機能を実現する。即ち、半導体装置１００は、−５０［℃］で外部装置４０が起動してエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間に１０００［Ｖ］の電圧が印加されても、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に印加される電圧は耐圧（１０００［Ｖ］）以下に抑制される。さらに、ＩＧＢＴ１４は、速やかに１００［℃］まで昇温する。ＩＧＢＴ１４の温度が１００［℃］を超えると、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に印加される電圧が定格の１０００［Ｖ］となり、本来のＩＧＢＴ１４の機能を発揮することができる。 In the IGBT 14 of this embodiment, the resistance between the emitter electrode 20 and the collector electrode 22 is about 15 [mΩ] when on (current flows between the emitter electrode 20 and the collector electrode 22), and when off ( 1000 [MΩ] in a state where almost no current flows between the emitter electrode 20 and the collector electrode 22. In addition, a current of 200 [A] flows between the emitter electrode 20 and the collector electrode 22 when it is on.
In this embodiment, the rated voltage applied from the external device 40 between the emitter terminal 26 and the collector terminal 28 of the semiconductor device 100 is 1000 [V]. On the other hand, the breakdown voltage of the IGBT 14 is 900 [V] at −50 [° C.] and 1200 [V] at 100 [° C.]. That is, the IGBT 14 alone is destroyed when a voltage of 1000 [V] is applied at −50 [° C.]. The semiconductor device 100 of the present embodiment realizes the following functions by the action of the NTC thermistor 12 and the PTC thermistor 16. That is, in the semiconductor device 100, even when the external device 40 is activated at −50 [° C.] and a voltage of 1000 [V] is applied between the emitter terminal 26 and the collector terminal 28, the emitter electrode 20 and collector electrode of the IGBT 14. The voltage applied during 22 is suppressed to a withstand voltage (1000 [V]) or less. Further, the IGBT 14 is rapidly heated to 100 [° C.]. When the temperature of the IGBT 14 exceeds 100 [° C.], the voltage applied between the emitter electrode 20 and the collector electrode 22 of the IGBT 14 becomes the rated 1000 [V], and the original function of the IGBT 14 can be exhibited.

まず、温度が−５０［℃」のときの半導体装置１００の動作を説明する。このとき、ＮＴＣサーミスタ１２の抵抗は１０００［ＭΩ］であり、ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗は１［ｍΩ］である。ＮＴＣサーミスタ１２に直列に接続されているＩＧＢＴ１４の抵抗値は最大のときでも１０００［ＭΩ］である。他方、半導体装置１００のエミッタ電極２６とコレクタ電極２８の間には外部装置４０から１０００［Ｖ］の電圧が印加される。従って、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間の電圧は最大でも５００［Ｖ］である。即ち、−５０［℃］の場合、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間には、半導体装置１００のエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間に印加される電圧に比較して低い電圧しか印加されない。−５０［℃］におけるＩＧＢＴ１４の耐圧が外部装置４０から印加される電圧よりも低い場合でも、半導体装置１００はＩＧＢＴ１４を破壊させることがない。 First, the operation of the semiconductor device 100 when the temperature is −50 [° C.] will be described. At this time, the resistance of the NTC thermistor 12 is 1000 [MΩ], and the resistance of the PTC thermistor 16 is 1 [mΩ]. The resistance value of the IGBT 14 connected in series to the NTC thermistor 12 is 1000 [MΩ] even at the maximum. On the other hand, a voltage of 1000 [V] is applied from the external device 40 between the emitter electrode 26 and the collector electrode 28 of the semiconductor device 100. Therefore, the voltage between the emitter electrode 20 and the collector electrode 22 of the IGBT 14 is 500 [V] at the maximum. That is, in the case of −50 [° C.], only a voltage lower than the voltage applied between the emitter terminal 26 and the collector terminal 28 of the semiconductor device 100 is applied between the emitter electrode 20 and the collector electrode 22 of the IGBT 14. Not. Even when the breakdown voltage of the IGBT 14 at −50 [° C.] is lower than the voltage applied from the external device 40, the semiconductor device 100 does not destroy the IGBT 14.

他方、−５０［℃」の場合、ＰＴＣサーミスタ１６には約１００００［ＫＡ］の電流が流れる。この大電流によってＰＴＣサーミスタ１６は発熱する。ＰＴＣサーミスタ１６の発熱によってＩＧＢＴ１４とＮＴＣサーミスタ１２は昇温する。特に、ＩＧＢＴ１４とＰＴＣサーミスタ１６は、絶縁導熱部材１８を介して連結されているのでＩＧＢＴ１４は速やかに昇温する。
なお、−５０［℃」の場合、ＰＴＣサーミスタ１６には大電流が流れるが、この大電流によってＩＧＢＴ１４とＰＴＣサーミスタ１６の温度が瞬時に上昇する。温度が１００［℃］に達した時点でＰＴＣサーミスタ１６の抵抗値が１０００［ＭΩ］に上昇し、大電流は流れなくなる。大電流が流れるのは僅かな時間だけなので、回路や負荷にほとんど影響を与えない。 On the other hand, in the case of −50 [° C.], a current of about 10000 [KA] flows through the PTC thermistor 16. Due to this large current, the PTC thermistor 16 generates heat. The IGBT 14 and the NTC thermistor 12 are heated by the heat generated by the PTC thermistor 16. In particular, since the IGBT 14 and the PTC thermistor 16 are connected via the insulating heat conducting member 18, the temperature of the IGBT 14 quickly rises.
In the case of −50 [° C.], a large current flows through the PTC thermistor 16, but the temperature of the IGBT 14 and the PTC thermistor 16 instantaneously rises due to this large current. When the temperature reaches 100 [° C.], the resistance value of the PTC thermistor 16 increases to 1000 [MΩ], and no large current flows. Since a large current flows for only a short time, the circuit and the load are hardly affected.

次に、ＰＴＣサーミスタ１６の発熱によって、ＰＴＣサーミスタ１６、ＩＧＢＴ１４、及びＮＴＣサーミスタ１２の温度が１００［℃］に達した場合の半導体装置１００の動作を説明する。このとき、ＮＴＣサーミスタ１２の抵抗は１［ｍΩ］であり、ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗は１０００［ＭΩ］である。
ＩＧＢＴ１４の抵抗値はオフ時に１０００［ＭΩ］である。従って、ＩＧＢＴ１４のオフ時にはＩＧＢＴ１４にもＰＴＣサーミスタ１６にもほとんど電流が流れない。また、ＮＴＣサーミスタ１２の抵抗はＩＧＢＴ１４の抵抗に比べて無視し得るほどに小さい。即ち、ＩＧＢＴ１４のオフ時の動作にＮＴＣサーミスタ１２とＰＴＣサーミスタ１６はほとんど影響を与えない。
他方、ＩＧＢＴ１４の抵抗値はオン時に１５［ｍΩ］である。この値は、ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗１０００［ＭΩ］に比較して無視しうるほどに小さい。従ってＰＴＣサーミスタ１６にはほとんど電流が流れない。
また、ＩＧＢＴ１４のオン時の抵抗（１５［ｍΩ］）に比べてＮＴＣサーミスタ１２の抵抗（１［ｍΩ］）は充分小さい。従って、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間には、エミッタ端子２６とコレクタ端子２２の間に印加される電圧がほぼそのまま印加される。即ち、ＩＧＢＴ１４のオン時の動作にもＮＴＣサーミスタ１２とＰＴＣサーミスタ１６はほとんど影響を与えない。
以上の理由により、ＩＧＢＴ１４の温度が１００［℃］に達した場合には、ＮＴＣサーミスタ１２とＰＴＣサーミスタ１６の存在に係わらずに、半導体装置１００はあたかもＩＧＢＴ１４単体であるかのごとく動作する。即ち、温度が１００［℃］に達した場合には、半導体装置１００はＩＧＢＴ１４の本来の機能を発揮することができる。 Next, the operation of the semiconductor device 100 when the temperatures of the PTC thermistor 16, the IGBT 14, and the NTC thermistor 12 have reached 100 [° C.] due to the heat generated by the PTC thermistor 16 will be described. At this time, the resistance of the NTC thermistor 12 is 1 [mΩ], and the resistance of the PTC thermistor 16 is 1000 [MΩ].
The resistance value of the IGBT 14 is 1000 [MΩ] when turned off. Therefore, when the IGBT 14 is turned off, almost no current flows through the IGBT 14 and the PTC thermistor 16. Further, the resistance of the NTC thermistor 12 is negligibly small compared to the resistance of the IGBT 14. That is, the NTC thermistor 12 and the PTC thermistor 16 hardly affect the operation when the IGBT 14 is turned off.
On the other hand, the resistance value of the IGBT 14 is 15 [mΩ] when turned on. This value is negligibly small as compared with the resistance 1000 [MΩ] of the PTC thermistor 16. Therefore, almost no current flows through the PTC thermistor 16.
In addition, the resistance (1 [mΩ]) of the NTC thermistor 12 is sufficiently smaller than the resistance (15 [mΩ]) when the IGBT 14 is turned on. Therefore, a voltage applied between the emitter terminal 26 and the collector terminal 22 is applied as it is between the emitter electrode 20 and the collector electrode 22 of the IGBT 14. That is, the NTC thermistor 12 and the PTC thermistor 16 hardly affect the operation when the IGBT 14 is on.
For the above reason, when the temperature of the IGBT 14 reaches 100 [° C.], the semiconductor device 100 operates as if it is a single IGBT 14 regardless of the presence of the NTC thermistor 12 and the PTC thermistor 16. That is, when the temperature reaches 100 [° C.], the semiconductor device 100 can exhibit the original function of the IGBT 14.

（第２実施例）
次に第２実施例に係る半導体装置２００を説明する。図４は、半導体装置２００の回路図である。本実施例の半導体装置２００は、第１実施例の半導体装置１００においてＮＴＣサーミスタ１２を省いた構成を有している。図２の半導体装置２００において、図１の半導体装置１００と同じ部品には同じ符号を付してある。
本実施例の半導体装置２００は、負荷であるモータ４２と電源４４に直列に接続されている。具体的には、半導体装置２００のエミッタ端子２６が、グランド４６に接地されている。半導体装置２００のコレクタ端子２８が、負荷であるモータ４２の一方の端子に接続されている。モータ４２の他方の端子が、電源４４の正極に接続されている。電源４４の負極はグランド４６に接地されている。
半導体装置２００のベース端子３０が、制御装置５０に接続されている。制御装置５０からベース端子３０にゲート電圧が印加される。
半導体装置２００のＩＧＢＴ１４は、ベース端子３０に印加されるゲート電圧に基づいてオン又はオフしてモータ４２を駆動する。 (Second embodiment)
Next, a semiconductor device 200 according to a second embodiment will be described. FIG. 4 is a circuit diagram of the semiconductor device 200. The semiconductor device 200 of the present embodiment has a configuration in which the NTC thermistor 12 is omitted from the semiconductor device 100 of the first embodiment. In the semiconductor device 200 of FIG. 2, the same components as those of the semiconductor device 100 of FIG.
The semiconductor device 200 of this embodiment is connected in series with a motor 42 and a power supply 44 that are loads. Specifically, the emitter terminal 26 of the semiconductor device 200 is grounded to the ground 46. The collector terminal 28 of the semiconductor device 200 is connected to one terminal of a motor 42 that is a load. The other terminal of the motor 42 is connected to the positive electrode of the power supply 44. The negative electrode of the power supply 44 is grounded to the ground 46.
The base terminal 30 of the semiconductor device 200 is connected to the control device 50. A gate voltage is applied from the control device 50 to the base terminal 30.
The IGBT 14 of the semiconductor device 200 drives the motor 42 by turning on or off based on the gate voltage applied to the base terminal 30.

ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗の温度特性は、第１実施例のＰＴＣサーミスタと同じである。即ち、ＰＴＣサーミスタ１６は、−５０［℃］のときに１［ｍΩ］の抵抗を有し、１００［℃］のときに１０００［ＭΩ］の抵抗を有する。ＩＧＢＴ１４の特性も、第１実施例のＩＧＢＴ１４の特性と同じである。
モータ４２の抵抗は１［Ω］であり、電源４４の電圧は１０００［Ｖ］である。 The temperature characteristic of the resistance of the PTC thermistor 16 is the same as that of the PTC thermistor of the first embodiment. That is, the PTC thermistor 16 has a resistance of 1 [mΩ] at −50 [° C.], and has a resistance of 1000 [MΩ] at 100 [° C.]. The characteristics of the IGBT 14 are also the same as the characteristics of the IGBT 14 of the first embodiment.
The resistance of the motor 42 is 1 [Ω], and the voltage of the power supply 44 is 1000 [V].

温度が−５０［℃」のときは、ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗が１［ｍΩ］である。このとき、ＩＧＢＴ１４がオンであってもオフであっても、ＩＧＢＴ１４の抵抗は約１［ｍΩ］である。モータ４２の抵抗が１［Ω］であるので、半導体装置２００のエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間に印加される電圧は、ほぼ１［Ｖ］である。即ち、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に印加される電圧を、ＩＧＢＴ１４の−５０［℃］のときの耐圧９００［Ｖ］より低く抑えることができる。 When the temperature is −50 [° C.], the resistance of the PTC thermistor 16 is 1 [mΩ]. At this time, whether the IGBT 14 is on or off, the resistance of the IGBT 14 is about 1 [mΩ]. Since the resistance of the motor 42 is 1 [Ω], the voltage applied between the emitter terminal 26 and the collector terminal 28 of the semiconductor device 200 is approximately 1 [V]. That is, the voltage applied between the emitter electrode 20 and the collector electrode 22 of the IGBT 14 can be suppressed to be lower than the withstand voltage 900 [V] at −50 [° C.] of the IGBT 14.

−５０［℃］のときは、第１実施例と同様に、ＰＴＣサーミスタ１６に大電流が流れるので、ＰＴＣサーミスタ１６が発熱する。ＰＴＣサーミスタ１６とＩＧＢＴ１４の温度が上昇する。第１実施例と同様に、ＰＴＣサーミスタ１６とＩＧＢＴ１４の温度は素早く上昇するので、ＰＴＣサーミスタ１６に大電流が流れるのは僅かな時間だけである。モータ４２にも大電流が流れるが、その時間は僅かであるので、モータ４２が駆動されることはない。 When the temperature is −50 [° C.], a large current flows through the PTC thermistor 16 as in the first embodiment, and the PTC thermistor 16 generates heat. The temperature of the PTC thermistor 16 and the IGBT 14 rises. As in the first embodiment, the temperature of the PTC thermistor 16 and the IGBT 14 rises quickly, so that a large current flows through the PTC thermistor 16 for only a short time. Although a large current also flows through the motor 42, the time is very short, so the motor 42 is not driven.

他方、温度が１００［℃」のときは、ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗が１０００［ＭΩ］である。ＩＧＢＴ１４は、オフのときの抵抗が１０００［ＭΩ］である。従って、半導体装置２００のエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間の抵抗は、５００［ＭΩ］となる。モータ４２の抵抗が１［Ω］であるので、半導体装置２００のエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間に印加される電圧は、ほぼ１０００［Ｖ］である。温度が１００［℃］のときには、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に定格の電圧を印加することができる。 On the other hand, when the temperature is 100 [° C.], the resistance of the PTC thermistor 16 is 1000 [MΩ]. The resistance of the IGBT 14 when turned off is 1000 [MΩ]. Therefore, the resistance between the emitter terminal 26 and the collector terminal 28 of the semiconductor device 200 is 500 [MΩ]. Since the resistance of the motor 42 is 1 [Ω], the voltage applied between the emitter terminal 26 and the collector terminal 28 of the semiconductor device 200 is approximately 1000 [V]. When the temperature is 100 [° C.], a rated voltage can be applied between the emitter electrode 20 and the collector electrode 22 of the IGBT 14.

このように、負荷と電源と直列に接続される半導体装置２００は、ＩＧＢＴ１４とＰＴＣサーミスタ１６を並列に接続することによって、低温時にＩＧＢＴ１４に印加される電圧を抑制しながらＩＧＢＴ１４の温度を上昇させることができる。
半導体装置２００の構成は、次の様に表現することができる。半導体装置２００は、ＩＧＢＴ１４と、ＩＧＢＴ１４に並列に接続されているＰＴＣサーミスタ１６と、を備えており、ＰＴＣサーミスタ１６が、ＩＧＢＴ１４に熱伝達可能に配置されている。また、ＰＴＣサーミスタ１６は、ＩＧＢＴ１６のコレクタ電極とエミッタ電極の間に並列に接続されている。 As described above, the semiconductor device 200 connected in series with the load and the power source increases the temperature of the IGBT 14 while suppressing the voltage applied to the IGBT 14 at a low temperature by connecting the IGBT 14 and the PTC thermistor 16 in parallel. Can do.
The configuration of the semiconductor device 200 can be expressed as follows. The semiconductor device 200 includes an IGBT 14 and a PTC thermistor 16 connected in parallel to the IGBT 14, and the PTC thermistor 16 is arranged to be able to transfer heat to the IGBT 14. The PTC thermistor 16 is connected in parallel between the collector electrode and the emitter electrode of the IGBT 16.

上記実施例の半導体装置は、低温時に半導体素子（例えばＩＧＢＴ）に印加される電圧を抑制しながら半導体素子の温度を上昇させることができる。この技術によって、半導体素子の使用温度範囲の下限温度（低温時）における耐圧が半導体素子に印加される定格電圧を上回らなければならないという従来の制約を考慮する必要がなくなる。半導体素子の温度が低い状態で半導体装置を起動しても、低温時の耐圧が低い（即ち、オン抵抗乃至はオン電圧の低い）半導体素子に過大な電圧が印加することのない半導体装置を実現することができる。 The semiconductor device of the above embodiment can increase the temperature of the semiconductor element while suppressing the voltage applied to the semiconductor element (for example, IGBT) at a low temperature. With this technique, it is not necessary to consider the conventional restriction that the withstand voltage at the lower limit temperature (at a low temperature) of the operating temperature range of the semiconductor element must exceed the rated voltage applied to the semiconductor element. Even when the semiconductor device is started in a state where the temperature of the semiconductor element is low, a semiconductor device in which an excessive voltage is not applied to the semiconductor element with low withstand voltage at low temperature (that is, low on-resistance or low on-voltage) is realized. can do.

半導体素子は、ＩＧＢＴに限らない。例えばユニポーラ形のトランジスタであってもよいし、ダイオードであってもよい。半導体素子がユニポーラ形のトランジスタの場合には、ＮＴＣサーミスタは、そのトランジスタのソースとドレインのいずれか一方と直列に接続されていることが好ましい。
また、ＩＧＢＴ１４（半導体素子）とＰＴＣサーミスタ１６は、絶縁導熱部材１８を介さずに直接に接触していてもよい。或いは、いなくともよい、ＩＧＢＴ１４（半導体素子）とＰＴＣサーミスタ１６は接触していなくとも、熱伝導可能に配置されていればよい。 The semiconductor element is not limited to the IGBT. For example, it may be a unipolar transistor or a diode. When the semiconductor element is a unipolar transistor, the NTC thermistor is preferably connected in series with either the source or the drain of the transistor.
Further, the IGBT 14 (semiconductor element) and the PTC thermistor 16 may be in direct contact with each other without using the insulating heat conducting member 18. Alternatively, the IGBT 14 (semiconductor element) and the PTC thermistor 16 that are not necessary may be arranged so as to be capable of conducting heat even if they are not in contact with each other.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described above in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and has technical utility by achieving one of the purposes.

第１実施例の半導体装置の回路図である。1 is a circuit diagram of a semiconductor device according to a first embodiment. ＮＴＣサーミスタの抵抗の温度特性のグラフである。It is a graph of the temperature characteristic of resistance of an NTC thermistor. ＰＴＣサーミスタの抵抗の温度特性のグラフである。It is a graph of the temperature characteristic of resistance of a PTC thermistor. 第２実施例の半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor device of 2nd Example.

Explanation of symbols

１２：ＮＴＣサーミスタ
１４：ＩＧＢＴ
１６：ＰＴＣサーミスタ
１８：絶縁導熱部材
４０：外部装置
４２：モータ
４４：電源
５０：制御装置
１００、２００：半導体装置
12: NTC thermistor 14: IGBT
16: PTC thermistor 18: Insulating heat conduction member 40: External device 42: Motor 44: Power supply 50: Control device 100, 200: Semiconductor device

Claims

A semiconductor element;
A negative thermistor connected in series to the semiconductor element;
A positive temperature coefficient thermistor connected in parallel to a set of semiconductor elements connected in series and a negative temperature coefficient thermistor;
A semiconductor device, wherein the positive temperature coefficient thermistor is arranged to be able to transfer heat to the semiconductor element.

2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor element is a transistor element, and one electrode of the negative characteristic thermistor is connected to any one of a collector, an emitter, a source, and a drain of the transistor element. .