JP2013183595A

JP2013183595A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2013183595A
Application number: JP2012047677A
Authority: JP
Inventors: Akira Nakamori; 昭中森
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-05
Also published as: US9300198B2; JP5974548B2; US20130229840A1

Abstract

【課題】従来のＩＰＭにおいては、半導体チップの温度検出用のダイオードの電圧を基準値と比べて過熱を判断し、過熱時はグランド電圧を、低常時はドライバー回路の基準電圧を温度情報として温度情報外部端子へ出力していたが、定常的な温度を把握できないという課題があった。
【解決手段】コンパレータを用いて、温度検出用のダイオードの順方向降下電圧を基準値と比べて過熱を判断すると同時に、増幅器と抵抗を用いたシリーズレギュレータ回路へ入力し、このシリーズレギュレータ回路の出力電圧を温度情報として温度情報外部端子へ出力するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流−直流変換回路、直流−交流変換回路、交流−直流変換回路、交流−交流変換回路に適用する半導体装置に関し、特に半導体チップの推定温度を半導体装置の外部端子へ出力する技術に関する。

図７に、特許文献１に記載された従来の技術を用いた温度検出回路と過熱保護回路を示す。この回路構成は、直流を交流に変換又は交流を直流に変換する半導体装置である。主回路部１０００は、高電圧側の正極（Ｐ極）母線４００と負極（Ｎ極又はグランド）母線４０１との間に、6個のＩＧＢＴチップと6個のダイオードチップを配置した構成である。部品番号はＩＧＢＴ１０１と２０１、ＩＧＢＴに逆並列接続されたダイオード１０２と２０２のみが付与され、他は付与されていない。

４０２、４０３、４０４は交流端子に接続される交流線であり、直流を交流に変換する回路の場合は交流出力に、交流を直流に変換する場合は交流入力になる。各ＩＧＢＴチップのゲートには、ＩＧＢＴチップ駆動用のドライバーＩＣ（０、１０、２０、３０、４０、５０）が接続されている。このような構成の半導体装置はＩＰＭ（Intelligent Power Module）と呼ばれている。各ＩＧＢＴチップには温度検出用ダイオードが搭載されており、両端（アノード端子とカソード端子）がドライバーＩＣに接続されている。各ドライバーＩＣ回路は図示されたドライバーＩＣ０と同様の構成であるので、省略されている。

以下にドライバー回路ＩＣ０について説明する。端子１にオン信号（ハイレベル）が入力されるとＩＧＢＴ１０１がオンとなり、電流が増加して温度が上昇する。ＩＰＭには過熱保護回路が内蔵されており、温度検出用ダイオード１０３で検出された順方向降下電圧をドライバーＩＣ０内で基準電圧１１（所定値）と比較し、温度検出用ダイオード１０３の電圧が基準電圧まで低下するとコンパレータ１０の出力がハイレベルとなる。この信号により端子１から入力されているオン駆動信号（ハイレベル）はアンドゲート７でブロックされ、プリドライバー回路８を介して、出力端子２の電位をグランド電圧として、ＩＧＢＴ１０１をオフさせる。この時、コンパレータ１０の出力でスイッチ素子（ＮＭＯＳ）１２をオンさせ、端子６はグランド電圧となる。過熱保護回路が動作していない場合には、コンパレータ１０の出力はローレベル（グランド電圧）であるため、スイッチ素子１２はオフ状態で端子６には基準電圧１５が出力される。

ここで、温度検出用ダイオード１０３の温度変化に対する順方向降下電圧特性は、特許文献２に記載されているように、温度が上昇すると順方向降下電圧が低下する負の温度特性である。
図8に、過熱保護動作時の端子６の動作を示す。端子6の電圧は過熱保護回路が動作していない時は基準電圧１５の電圧で、過熱保護回路が動作している時はグランド電圧（０V）であることがわかる。

特開平１１−１４２２５４号公報特開２０１０−９９４９０号公報

上述のように、温度情報として出力される端子6の信号（電圧）は、ＩＧＢＴの温度が所定値以下では基準電圧に、所定値（基準電圧１１）以上ではグランド電圧となる２値信号であるため、運転時のＩＧＢＴの温度情報を常時監視することができないという問題があった。従って、本発明の課題はＩＧＢＴなどの半導体スイッチの温度を常時監視できる半導体装置（ＩＰＭ）を提供することである。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、半導体スイッチと、ダイオードと、ドライバーICで構成される電力変換回路用半導体装置であって、前記半導体スイッチのチップと同一チップ内に設けられた温度検出用ダイオードと、前記温度検出用ダイオードに一定の電流を供給する電流源と、前記温度検出用ダイオードの順方向降下電圧が所定値に達した時に、前記半導体スイッチをオフさせる過熱保護回路と、前記温度検出用ダイオードの順方向降下電圧を入力とするシリーズレギュレータと、を備え、前記シリーズレギュレータの出力を前記半導体装置の温度検出用外部端子へ接続する。

第２の発明においては、半導体スイッチと、ダイオードと、ドライバーICで構成される電力変換回路用半導体装置であって、前記半導体スイッチのチップと同一チップ内に設けられた温度検出用ダイオードと、前記温度検出用ダイオードに一定の電流を供給する電流源と、前記温度検出用ダイオードの順方向降下電圧が所定値に達した時に、前記半導体スイッチをオフさせる過熱保護回路と、前記温度検出用ダイオードの順方向降下電圧を入力とするシリーズレギュレータと、前記過熱保護回路の動作によりオンするスイッチ回路と、を備え、前記シリーズレギュレータの出力を前記スイッチ回路に供給し、前記スイッチ回路がオンの時には前記ドライバーＩＣ回路電源のグランド電圧を、前記スイッチ回路がオフの時には前記シリーズレギュレータの出力電圧を、各々前記半導体装置の温度検出用外部端子へ出力する。

第３の発明においては、第１又は第２の発明における前記過熱保護回路は、前記シリーズレギュレータの出力電圧が所定値に達した時に、前記半導体スイッチをオフさせる。
第４の発明においては、第１〜第３の発明における前記半導体スイッチは、絶縁ゲート型半導体素子である。

本発明では、温度検出用ダイオードの順方向降下電圧をシリーズレギュレータに入力し、この出力を半導体装置の外部端子に出力するようにしている。この結果、常時半導体スイッチの温度を監視することが可能となる。

本発明の第１の実施例を示す回路図である。第１の実施例における温度と温度出力特性図である。本発明の第２の実施例を示す回路図である。本発明の第３の実施例を示す回路図である。第３の発明における温度出力端子の信号（電圧）である。本発明の第４の実施例を示す回路図である。従来の実施例を示す回路図である。従来例における温度出力端子の信号（電圧）である。

本発明の要点は、ＩＰＭの半導体チップに温度検出用のダイオードを搭載し、このダイオードの順方向降下電圧を基準電圧と比較することにより過熱保護すると同時に、このダイオードの順方向降下電圧をシリーズレギュレータに入力し、この出力を温度検出用外部端子に接続している点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。この回路構成は、直流を交流に変換又は交流を直流に変換する半導体装置（ＩＰＭ）である。主回路部１０００は、高電圧側の正極（Ｐ極）母線４００と負極（Ｎ極又はグランド）母線４０１との間に、6個のＩＧＢＴチップとこれらのＩＧＢＴに逆並列接続された6個のダイオードチップを配置した構成である。部品番号はＩＧＢＴ１０１と２０１、ＩＧＢＴに逆並列接続されたダイオード１０２と２０２のみが付与され、他は付与されていない。

４０２、４０３、４０４は交流端子に接続される交流線であり、直流を交流に変換する回路の場合は交流出力に、交流を直流に変換する場合は交流入力になる。各ＩＧＢＴチップのゲートには、ＩＧＢＴチップ駆動用のドライバーＩＣ（０、１０、２０、３０、４０、５０）が接続されている。各ＩＧＢＴチップには温度検出用ダイオード（ＩＧＢＴ１０１のチップに搭載された１０３のみ記載）が搭載されており、このダイオードには電流源９から一定の電流が供給され、両端（アノード端子とカソード端子）がドライバーＩＣ（ここではドライバーＩＣ０）に接続されている。各ドライバーＩＣ回路は図示されたドライバーＩＣ０と同様の構成であるので、省略されている。

以下にドライバー回路ＩＣ０について説明する。端子１にオン信号（ハイレベル）が入力されるとＩＧＢＴ１０１がオンとなり、電流が増加してＩＧＢＴ１０１の温度が上昇する。ドライバーＩＣ０には過熱保護回路が内蔵されており、温度検出用ダイオード１０３で検出された順方向降下電圧をドライバーＩＣ０内のコンパレータ１０で基準電圧１１と比較し、温度検出用ダイオード１０３の電圧が温度上昇により基準電圧まで低下するとコンパレータ１０の出力がハイレベルとなる。この信号により端子１から入力されているオン駆動信号（ハイレベル）はアンドゲート７でブロックされ、プリドライバー回路８を介して、出力端子２の電位をグランド電圧として、ＩＧＢＴ１０１をオフさせる。この時、コンパレータ１０の出力でスイッチ素子（ＮＭＯＳ）１２をオンさせ、端子６はグランド電圧となる。

過熱保護回路が動作していない場合には、コンパレータ１０の出力はローレベル（グランド電圧）であるため、スイッチ素子１２はオフ状態で端子６には基準電圧１５が出力される。ここで、温度検出用ダイオード１０３の温度変化に対する順方向降下電圧特性は、温度が上昇すると順方向降下電圧が低下する負の温度特性である。
また、温度検出用ダイオード１０３で検出された順方向降下電圧は、増幅器１６と抵抗１７、１８で構成されたシリーズレギュレータ回路に入力され、シリーズレギュレータ回路で増幅されて温度検出用外部端子１９に出力される。温度検出用ダイオードの両端電圧は１Ｖ以下の低電圧であるため、シリーズレギュレータ回路で増幅して、温度検出用外部端子１９では数Ｖの電圧となり、外部での利用時のノイズ耐量を高めることができ、検出精度を高めることができる。図２にＩＧＢＴ１０１の温度と温度検出用外部端子１９の電圧特性カーブを示す。温度変化に追従した電圧として検出できるので、定常状態でもＩＧＢＴチップの温度を把握することが可能となる。

図３に、本発明の第２の実施例を示す。第１の実施例との違いは、第１の実施例では温度検出用ダイオード１０３の両端電圧と基準電圧１１をコンパレータ１０で直接比較して過熱保護していたが、本実施例では増幅器１６と抵抗１７、１８で構成されたシリーズレギュレータ回路の出力と基準電圧１１とをコンパレータ１０で比較して過熱保護するようにしている点である。シリーズレギュレータ回路の出力は温度検出用ダイオードの両端電圧を増幅しているため、基準電圧１１も高い電圧点で比較することになり、ノイズ耐量が大きくなる利点がある。温度検出用外部端子１９の電圧特性カーブは第１の実施例と同じである。

図４に、本発明の第３の実施例を示す。第１の実施例との違いは、第１の実施例では増幅器１６と抵抗１７、１８で構成されたシリーズレギュレータ回路の出力が外部端子１９に接続されており、またスイッチ素子１２のドレイン端子に接続された抵抗１４の他端が基準電源１５に接続されているのに対し、本実施例ではシリーズレギュレータ回路の出力がスイッチ素子１２のドレイン端子に接続された抵抗１４の他端に接続されている点である。この様な構成にすることにより、スイッチ素子１２のドレインに接続されている外部端子６には、図５に示す動作波形が出力される。過熱保護回路が動作している時の外部端子６の電圧はグランド（０Ｖ）電圧で、過熱保護回路が動作してない時の電圧はシリーズレギュレータ回路の出力電圧となり、定常状態のＩＧＢＴチップの温度を把握することが可能となる。

図６に、本発明の第４の実施例を示す。第３の実施例との違いは、第３の実施例では温度検出用ダイオード１０３の両端電圧と基準電圧１１をコンパレータ１０で直接比較して過熱保護していたが、本実施例では増幅器１６と抵抗１７、１８で構成されたシリーズレギュレータ回路の出力と基準電圧１１とをコンパレータ１０で比較して過熱保護するようにしている点である。シリーズレギュレータ回路の出力は温度検出用ダイオードの両端電圧を増幅しているため、基準電圧１１も高い電圧点で比較することになり、ノイズ耐量が大きくなる利点がある。温度検出用外部端子６の電圧特性カーブは第３の実施例と同じである。

尚、上記実施例には半導体スイッチとしてＩＧＢＴを使用した例を示したが、ＭＯＳＦＥＴをした場合も同様に実現可能である。また、温度検出用ダイオードを半導体スイッチのチップに搭載した場合を示したが、半導体スイッチのチップの近辺に配置しても同様の効果が得られる。

本発明は、半導体スイッチの温度検出に関する提案であり、ＩＰＭの他、半導体モジュールで構成される電力変換装置全般への適用が可能である。

０、１０、２０、３０、４０、５０・・・ドライバーＩＣ
１・・・ドライバーＩＣ０の入力端子２・・・ドライバーＩＣ０の出力端子
３・・・ドライバーＩＣ０の過熱保護用ダイオードの電圧検出端子
４、５・・・ドライバーＩＣ０のグランド端子
６・・・ドライバーＩＣ０の過熱保護動作確認端子
７・・・アンドゲート８・・・プリドライバー
９・・・電流源１０・・・コンパレータ１６・・・増幅器
１１、１５・・・基準電圧１２・・・スイッチ素子（ＮＭＯＳ）
１３・・・制御回路グランド１４、１７、１８・・・抵抗
１０１、２０１・・・ＩＧＢＴ１０２、２０２・・・ダイオード
４００・・・主回路高電圧母線４０１・・・主回路低電圧母線
４０２〜４０４・・・交流線１０００・・・主回路部

Claims

半導体スイッチと、ダイオードと、ドライバーICで構成される電力変換回路用半導体装置であって、
前記半導体スイッチのチップと同一チップ内に設けられた温度検出用ダイオードと、前記温度検出用ダイオードに一定の電流を供給する電流源と、前記温度検出用ダイオードの順方向降下電圧が所定値に達した時に、前記半導体スイッチをオフさせる過熱保護回路と、前記温度検出用ダイオードの順方向降下電圧を入力とするシリーズレギュレータと、を備え、前記シリーズレギュレータの出力を前記半導体装置の温度検出用外部端子へ接続することを特徴とする電力変換回路用半導体装置。
半導体スイッチと、ダイオードと、ドライバーICで構成される電力変換回路用半導体装置であって、
前記半導体スイッチのチップと同一チップ内に設けられた温度検出用ダイオードと、前記温度検出用ダイオードに一定の電流を供給する電流源と、前記温度検出用ダイオードの順方向降下電圧が所定値に達した時に、前記半導体スイッチをオフさせる過熱保護回路と、前記温度検出用ダイオードの順方向降下電圧を入力とするシリーズレギュレータと、前記過熱保護回路の動作によりオンするスイッチ回路と、を備え、前記シリーズレギュレータの出力を前記スイッチ回路に供給し、前記スイッチ回路がオンの時には前記ドライバーＩＣ回路電源のグランド電圧を、前記スイッチ回路がオフの時には前記シリーズレギュレータの出力電圧を、各々前記半導体装置の温度検出用外部端子へ出力することを特徴とする電力変換回路用半導体装置。
前記過熱保護回路は、前記シリーズレギュレータの出力電圧が所定値に達した時に、前記半導体スイッチをオフさせることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換回路用半導体装置。
前記半導体スイッチは、絶縁ゲート型半導体素子であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電力変換回路用半導体装置。