JP2019526963A - 半導体スイッチングデバイスの高速温度検出のための集積回路 - Google Patents

半導体スイッチングデバイスの高速温度検出のための集積回路 Download PDF

Info

Publication number
JP2019526963A
JP2019526963A JP2019506378A JP2019506378A JP2019526963A JP 2019526963 A JP2019526963 A JP 2019526963A JP 2019506378 A JP2019506378 A JP 2019506378A JP 2019506378 A JP2019506378 A JP 2019506378A JP 2019526963 A JP2019526963 A JP 2019526963A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
signal
current
switching device
power transistor
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2019506378A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6953512B2 (ja
Inventor
ロバート メイエル
ロバート メイエル
Original Assignee
パワー・インテグレーションズ・インコーポレーテッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パワー・インテグレーションズ・インコーポレーテッド filed Critical パワー・インテグレーションズ・インコーポレーテッド
Publication of JP2019526963A publication Critical patent/JP2019526963A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6953512B2 publication Critical patent/JP6953512B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H5/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection
    • H02H5/04—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection responsive to abnormal temperature
    • H02H5/044—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection responsive to abnormal temperature using a semiconductor device to sense the temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K3/00—Thermometers giving results other than momentary value of temperature
    • G01K3/005—Circuits arrangements for indicating a predetermined temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/0203—Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0248—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection
    • H01L27/0251—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices
    • H01L27/0266—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using field effect transistors as protective elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0007—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the detecting means
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/18—Modifications for indicating state of switch
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2217/00—Temperature measurement using electric or magnetic components already present in the system to be measured
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/06—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
    • H01L27/0611—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region
    • H01L27/0617—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region comprising components of the field-effect type
    • H01L27/0629—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region comprising components of the field-effect type in combination with diodes, or resistors, or capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L28/00—Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/20—Resistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003—Nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/80—Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier
    • H01L29/808—Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier with a PN junction gate, e.g. PN homojunction gate
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K2017/0806—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage against excessive temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0027—Measuring means of, e.g. currents through or voltages across the switch

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

パワートランジスタデバイスに流れる電流により温度上昇がもたらされる、パワートランジスタデバイスにおける温度上昇を検出するための集積回路（ＩＣ）。パワートランジスタデバイスおよび検出ＦＥＴが基材上に位置する。検出ＦＥＴが、電流の流れの係数倍部分を検出し、電流信号を出力する。ＪＦＥＴが、パワートランジスタデバイスのドレインに接続された、そのドレインをもつ。パワートランジスタデバイスがオンであるとき、ＪＦＥＴもオンに切り替えられるように、および、パワートランジスタデバイスのドレイン電圧信号が、ＪＦＥＴの第２のノードに出力されるように、ＪＦＥＴのゲートがパワートランジスタデバイスのソースに接続されている。検出回路が、ドレイン電圧信号と電流信号とを受信し、パワートランジスタデバイスのドレイン・ソース抵抗が、組み合わされた閾値限界を上回ったとき、警報信号を出力する。【選択図】図４

Description

本出願は、概して、半導体デバイスにおける温度を検出するための回路に関し、特に、電力ＭＯＳＦＥＴ集積回路における温度変化を検出するための回路に関する。
電力半導体スイッチングデバイスの保護のために、スイッチの内側で直接、温度上昇（接合部温度）を迅速に検出すること、および、制御装置温度測定値に依存しないことが重要である。例えば、電力スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）および制御装置が、異なる半導体ダイに位置する場合、電力スイッチと制御装置との間に熱伝達および熱平衡の長い遅延が存在し得る。これは、制御装置保護回路からの何らかの反応の前に電力ＭＯＳＦＥＴの壊滅的な故障を引き起こし得る。
温度を検出するためのこれまでの手法は、電力スイッチングデバイスに装着されたヒートシンクにおける温度を検出することを含む。温度検出のための別の知られた方法は、電力ＭＯＳＦＥＴ接合部の非常に近くに位置する電気的に絶縁された多結晶シリコンダイオードを通したものである。順電圧降下がＭＯＳＦＥＴ接合部温度に逆比例するように、検出ダイオードの順電圧降下は負の温度係数をもつ。別のこれまでのアプローチは、温度に対して抵抗の線形な変動を示す電圧可変抵抗器に依存する。
電力ＭＯＳＦＥＴ技術の一種では、半導体基材が典型的にはドレイン電位を基準とする。これは、デバイスの主な熱的接続である。ＭＯＳＦＥＴとともに使用される制御装置は、通常ロー側接続制御装置であり、そういうものであるから、それらの基準電圧は、ＭＯＳＦＥＴのソース電位と共有される。ＭＯＳＦＥＴのソース電位はデバイスに対する主な熱的接続ではないので、ソース接続を共有することによりデバイスに対する良好な熱的結合を得ることが困難である。これまでのアプローチの１つでは、ハーフブリッジスイッチング構成の一例において、ハイ側ドライバを介して熱的接続が実現され、ハイ側ドライバ自体は、ハイ側ＭＯＳＦＥＴのソースを基準とし、ハイ側ＭＯＳＦＥＴのソースは、ロー側ＭＯＳＦＥＴのドレインでもある。従って、ハイ側ドライバは、ロー側ＭＯＳＦＥＴのドレインに対する適度に良好な熱的接続を達成し得、そういうものであるから、ロー側ＭＯＳＦＥＴ温度を監視し得る。
前述の構成は、大きな欠点をもつ。第１に、熱検出が浮遊ハイ側ドライバにおいて行われるのでハイ側ドライバに対する限られた選択肢は、熱閾値を上回ったときのラッチシャットダウンである。第２に、ロー側ＭＯＳＦＥＴからハイ側ドライバに対する熱的結合が、定常状態、およびゆっくりと変化する温度に対して許容可能であるのに対し、電力ＭＯＳＦＥＴにおける突然の、迅速な、および大きな温度変化が存在するとき、熱的結合が、温度変化に迅速に追従するには不十分である。従って、過渡状態のもとで、ハイ側ドライバが問題を検出する前に、電力ＭＯＳＦＥＴにおける意図される最大温度を上回ることが起こりやすい。
別の欠点は、特定の状況において、顧客がヒステリシス熱シャットダウン能力をもつことを好むことである。しかし、これは、ロー側制御装置から熱検出回路に対する通信信号が存在しないとき、不可能である。
以下の図を参照しながら、本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態が説明され、異なる図の中の同様の参照符号は、別段の指定がない限り、同様の部分を示す。
ドレイン電流（ＩＤ）および接合部温度（Ｔｊ）に対するドレイン・ソースオン抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）の変動を示す、例示的な縦型ＭＯＳＦＥＴのグラフである。 ドレイン電流（ＩＤ）および接合部温度（Ｔｊ）に対するドレイン・ソースオン抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）の変動を示す、例示的な縦型ＭＯＳＦＥＴのグラフである。 有益には温度検出および過熱保護を使用し得る例示的な電力コンバーター回路図である。 有益には温度検出および過熱保護を使用し得る例示的な電力コンバーター回路図である。 電力ＭＯＳＦＥＴドレイン電流およびドレイン電圧の瞬時値を検出するための例示的な概略回路図である。 図３に示す回路を使用して温度を検出する例示的な概略回路図である。
図面中の複数の図にわたり、対応する参照符号が、対応する構成要素を示す。当業者は、図中の要素が簡潔かつ明確であるように描かれることと、一定の縮尺で描かれるとは限らないこととを理解する。例えば、開示されるデバイスの様々な実施形態をより理解しやすくするために、図中のいくつかの要素の寸法が他の要素より誇張される場合があり得る。さらに、市販に適した実施形態において有用または必要な、一般的だがよく理解される要素は、多くの場合、開示されるこれらの様々な実施形態の図が見づらくならないように図示されない。
以下の説明では、説明される実施形態を十分に理解できるように、例えば、デバイスの種類、電圧、コンポーネント値、回路構成など、特定の詳細事項が記載される。しかし、当業者は、これらの特定の詳細事項が説明される実施形態を実施するために必要ではない場合があり得ることを理解する。説明される実施形態を理解しにくくならないように、よく知られた回路構造および要素が詳細には説明されないか、または、ブロック図の形態で示されることがさらに理解される。
本明細書中での、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一例（ｏｎｅ ｅｘａｍｐｌｅ）」、または「一例（ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ）」についての言及は、実施形態または例との関連で説明される特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書中の様々な場所で使用する「一実施形態において（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施形態において（ｉｎ ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一例（ｏｎｅ ｅｘａｍｐｌｅ）」または「例（ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ）」という語句は、すべてが同じ実施形態または例に関係するとは限らない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態または例において、任意の適切な組み合わせ、および／または部分的組み合わせで組み合わされ得る。特定の特徴、構造、または特性は、説明される機能を提供する集積回路、電子回路、結合論理回路、または他の適切なコンポーネントに含まれ得る。加えて、本明細書とともに提供される図が当業者への説明を目的としていることが理解される。
本開示の目的において、「グランド」または「グランド電位」は、基準電圧または基準電位を表し、この基準電圧または基準電位に対して、電子回路または集積回路（ＩＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）のすべての他の電圧または電位が規定または測定される。
本出願の場合において、トランジスタが「オフ状態」または「オフ」であるとき、トランジスタは実質的に電流を流さない。逆に、トランジスタが「オン状態」または「オン」であるとき、トランジスタは実質的に電流を流すことができる。例示として、パワートランジスタは、第１の端子であるドレインと第２の端子であるソースとの間において高電圧がサポートされるＮチャネル金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ（ＮＭＯＳ：Ｎ−ｃｈａｎｎｅｌ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を備え得る。電力ＭＯＳＦＥＴは、集積型制御装置回路により駆動されて、負荷に提供されるエネルギーを調節する電力スイッチを備え得る。
一実施形態において、制御されるスイッチまたはダイオード（例えばショットキーダイオード）などの半導体スイッチングデバイスの温度を検出するための装置および方法が提供される。以下で示される、および説明される特定の例はＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスを含むが、本開示の教示により他のスイッチングデバイスが使用され得ることが理解される。
一例において、電力ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスは、ドレイン電位を基準とする基材を含み、ドレインがデバイスの主な熱的接続である。デバイスのスイッチングを制御する制御装置は、ロー側接続制御装置であり得、従って、その基準電圧は、縦型電力ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスのソース電位とシェアされる。制御装置は、電力ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスと同じ集積回路ダイに一緒に集積され得るか、または、制御装置は、異なる集積回路ダイへと分離され得る。電力ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスおよび制御装置は、同じパッケージに含まれ得るか、または、別のパッケージに収容され得る。
一実施形態において、ロー側接続回路を介して電力半導体スイッチングデバイスにおける温度を検出する装置および方法が提供される。温度検出は、間接的なダイ間の熱的結合ではなく、電力半導体スイッチングデバイス（例えばＭＯＳＦＥＴ）において測定された電気信号を直接使用して行われる。その結果、これは、瞬間的な熱検出を可能にし、つまりは、高速な過渡温度上昇が生じる過渡状態から保護する。さらに、ロー側基準は、ヒステリシス熱シャットダウン機能の能力を提供する。
図１Ａは、固定の接合部温度（Ｔｊ）における、および、パラメータとしての異なるゲート対ソース電圧値に対する、ドレイン電流に対するドレイン・ソースオン抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）の変動を示す、（１つの例示的なＭＯＳＦＥＴにおける）半導体スイッチングデバイスに対する概括的なグラフである。図１Ｂは、接合部温度（Ｔｊ）に対する、ドレイン・ソース正規化オン抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）のグラフを示す。典型的なＭＯＳＦＥＴでは、測定されたＲＤＳ（ｏｎ）は、チャネル、形成されたＪＦＥＴの蓄積層、および、金属化体、ボンドワイヤ、およびパッケージングからの寄生効果を含み得る。高電圧電力ＭＯＳＦＥＴでは、チャネル／ドリフト領域の抵抗がＲＤＳ（ｏｎ）を支配する。
図１Ａに示すグラフ１００では、横軸１１０のドレイン電流（例えばアンペアで表したＩＤ１、ＩＤ２、ＩＤ３、…）に対して、ＲＤＳ（ｏｎ）の変動（例えばオームで表したＲＤＳ（ｏｎ）１、ＲＤＳ（ｏｎ）２、ＲＤＳ（ｏｎ）３、…）が縦軸１２０に示される。異なるＭＯＳＦＥＴタイプに対する数値例において、このグラフは、最大１００Ａのドレイン電流範囲に対して、ＲＤＳ（ｏｎ）へのドレイン電流ＩＤの約１０％の直接的な効果を示し得る。図１Ａに示すグラフ１００は、ゲート・ソース電圧ＶＧＳ１ １３１、ＶＧＳ２ １３２、およびＶＧＳ３ １３３の異なる例に対して示され、式１３０はＶＧＳ３＞ＶＧＳ２＞ＶＧＳ１を規定し、グラフは、固定の接合部温度Ｔｊ（Ｆｉｘ）１３５に対するものである。縦線ＩＤ（Ｆｉｘ）１３４は、温度に対する変化のための、ドレイン・ソースオン抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）を測定するために使用され得る固定ドレイン閾値電流を表す。
その一方で、図１Ｂに示すグラフ１５０において、縦軸１７０におけるＲＤＳ（ｏｎ）の正規化された値は、−５０℃から１５０℃まで変化する横軸１６０の（例えばセ氏温度℃で表された）接合部温度Ｔｊに対して強い関係を示す。ゲート・ソース電圧ＶＧＳ１ １８１およびＶＧＳ２ １８２に対する２つの例示的なグラフが示され、式１８０はＶＧＳ２＞ＶＧＳ１を規定する。正規化された値（ＲＤＳ（ｏｎ）＝１）１７５は、基準温度（Ｔｊ＝２５℃）１６５におけるスイッチングデバイスドレイン・ソースオン抵抗を規定する。図１Ｂにおいて観測され得るように、ＶＧＳ２ １８２のグラフにおいて測定された点Ａ１８４から点Ｂ１８６までのＴｊ＝２５℃からＴｊ＝１２５℃までの温度上昇に対して、ＲＤＳ（ｏｎ）がほぼ２倍となる。ＲＤＳ（ｏｎ）の温度係数は、多数キャリアのみであるので常に正となる、図１Ｂに示すグラフにおける曲線の傾きである。正のＲＤＳ（ｏｎ）温度係数は、温度上昇にともなう伝導損を悪化させ得る。正のＲＤＳ（ｏｎ）温度係数は、ＭＯＳＦＥＴを並列化させるとき、有益な特徴となる。検出ＦＥＴが主ＦＥＴと並列であるので、不平衡な電流分布をともなう場合であっても、熱安定性が確実なものとされ得る。
上述のように縦型ＭＯＳＦＥＴにおけるドレイン・ソースオン抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）は、半導体材料、チャネルサイズ、動作状態（ドレイン電流および電圧）に依存し、接合部温度に強く依存する。ゲート電圧（ＶＧＳ）およびドレイン電流（ＩＤＳ）などの他の因子が、一定に保たれる場合、図１Ｂにおける接合部温度（Ｔｊ）に対するオン抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）の直接的な関係が、知られた温度における（例えば２５℃の環境における）校正ＲＤＳ（ｏｎ）と比較して、任意の正常動作または異常状態中、温度上昇を直接検出するために使用され得る。
図２Ａおよび図２Ｂは、開示される実施形態によるＲＤＳ（ｏｎ）監視を通した温度検出および過熱保護により恩恵を受け得るスイッチングデバイスを含む電力コンバーターのトポロジーの例である。図２Ａは、ロー側グランド基準２０１を基準とする制御２３１を含むスイッチングデバイスＭ２２１を含むＡＣ／ＤＣブースト力率補正（ＰＦＣ：Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）コンバーター２００を示す。制御ブロック２３１は、フィードバック（ＦＢ：ｆｅｅｄｂａｃｋ）制御信号を含むいくつかの制御信号２３３を受信し、および、スイッチングデバイスのスイッチングを制御するための、および、電力コンバーターの出力電圧ＶＯ２５２および出力電流ＩＯ２５３を通した出力負荷２５１へのエネルギーの伝達を調節するための駆動信号２２３を生成する。一例において、電力コンバーター入力端子は、ブーストコンポーネントに入力電圧信号Ｖｉｎ２１５を印加するために、整流器および入力回路２１０を通して整流およびフィルタ処理され得る正弦波入力信号ＶＡＣ２０５に結合され得る。主ブーストコンポーネントは、ブーストインダクタＬＢ２１８、ブーストスイッチングデバイス２２１、および制御ブロック２３１を含み、ブーストスイッチングデバイス２２１と制御ブロック２３１とは、一実施形態において、両方とも単一のＩＣ２３０に一体化され、本明細書において開示される温度検出回路は、制御ブロック２３１に組み込まれ得る。
当業者は、スイッチングデバイス２２１にかかるチョッピングされた電圧が整流モジュール２４０を通して整流されることにより、負荷２５０への調節出力電圧Ｖｏ２５２および出力電流Ｉｏ２５３を生成することに留意すると考えられる。
図２Ｂは、ロー側制御ブロック２６１またはハイ側制御ブロック２６２に追加された本開示の温度検出回路により恩恵を受け得るハーフブリッジスイッチングデバイス２７０の別の例示的なトポロジーである。図２Ｂに示される電力コンバーターは、入力整流器および入力回路ブロック２１０から、整流された、および電磁妨害（ＥＭＩ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）フィルタ処理された入力電圧信号Ｖｉｎ２１５を受信し、この入力電圧信号Ｖｉｎ２１５はハーフブリッジスイッチングデバイス２６０に印加される。示されるように、スイッチングデバイス２６０は、リンク２７７を通してスイッチＭ１ ２７１の低電位側（例えばソース）を基準とするロー側制御ブロック２６１をともなうロー側スイッチＭ１ ２７１と、リンク２７６を通してスイッチＭ２ ２７２の低電位側（例えばソース）を基準とするハイ側制御ブロック２６２を含むハイ側スイッチＭ２ ２７２とを含む。ロー側制御ブロック２６１およびハイ側制御ブロック２６２は各々、特別な制御信号２６３および２６４をそれぞれ受信し得る。制御信号２６３および２６４は、コンバーターの出力からのフィードバックＦＢ制御信号２６８を含み得る。制御ブロック２６１および２６２は、それぞれ、ロー側スイッチ２７２およびハイ側スイッチ２７１に対する駆動信号２７３および２７４を生成する。ロー側制御ブロック２６１およびハイ側制御ブロック２６２は、通信リンク２６５を通して機能的に同期され得る。
一実施形態において、ハーフブリッジスイッチングデバイス２７０の中点電位ＶＡ２７８が、負荷２５０にかかる出力電圧Ｖｏ２５２および出力電流Ｉｏ２５３を作成／生成する（絶縁または非絶縁構成であり得る）エネルギー変換ブロック２８０に結合される。
本明細書において開示される熱検出回路は、図２Ａに示すロー側制御ブロック２３１、または図２Ｂに示すロー側制御ブロック２６１もしくはハイ側制御ブロック２６２に追加され得ることが理解される。開示される実施形態が図２Ａおよび図２Ｂに示す例示的なトポロジーに限定されないこと、すなわち、ロー側制御装置を使用する様々な異なるスイッチングコンバーター、および電力半導体スイッチングデバイス用途が、本明細書において開示される温度検出回路により恩恵を受け得ることがさらに理解されなければならない。
ハーフブリッジ構成には、例えば、ロー側ＭＯＳＦＥＴスイッチとハイ側ＭＯＳＦＥＴスイッチとが存在する。本明細書において説明される温度検出方法は、例えば、これらのＭＯＳＦＥＴスイッチが非ゼロ電位に浮遊している場合、これらのＭＯＳＦＥＴスイッチのうちのいずれかとともに使用され得ることが理解されなければならない。上述のように、ＭＯＳＦＥＴスイッチの場合、制御がＭＯＳＦＥＴのソース（または、非基材）を基準とすることが理解されなければならない。ハイ側スイッチＭ２ ２７２および制御ブロック２６２についても同様に、ＭＯＳＦＥＴスイッチの場合、制御がＭＯＳＦＥＴのソース（または、非基材）を基準とすることが理解される。従って、両方の場合において、それらは、ＭＯＳＦＥＴソース基準制御と呼ばれ得る。
一実施形態において、電力ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスのＲＤＳ（ｏｎ）は、規定の正の温度係数をもつ。一定のＶＧＳおよびＩＤＳの状態において、知られていない温度ＲＤＳ（ｏｎ）Ｔｘにおける動作スイッチング状態中に、ドレイン・ソースオン抵抗を測定すること、および、同じデバイスに対して同じ条件／パラメータのもとでの知られた温度（例えば２５℃）における記憶された校正された値ＲＤＳ（ｏｎ）Ｔ２５と、ドレイン・ソースオン抵抗を比較することにより、ＭＯＳＦＥＴの内側における温度を校正された温度に対して正確に、および迅速に推測することが可能である。
一実施形態において、ＭＯＳＦＥＴデバイスのドレイン・ソースオン抵抗値は、知られた温度（例えば２５℃）ＲＤＳ（ｏｎ）Ｔ２５における製造試験中に測定され、校正中に記憶される。従って、ＲＤＳ（ｏｎ）が通常または過渡動作中に温度上昇にともなって変化する場合、制御装置が、校正された値に対する瞬間的な抵抗変化の比を測定し得、および、ＭＯＳＦＥＴデバイスの熱保護に有用な温度上昇を計算し得る。
一実施態様において、電力ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスのドレイン電圧および電流は、各スイッチングサイクルにおいて測定される。一例において、ドレイン電圧は、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ：ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用して測定され、ＪＦＥＴのドレインが電力ＭＯＳＦＥＴのドレインに接続され、ＪＦＥＴのゲートが電力ＭＯＳＦＥＴのソースに接続される。電力ＭＯＳＦＥＴがオンであるとき、ＪＦＥＴソースノード電圧値がＭＯＳＦＥＴドレインの電圧値に追従することにより、オン期間中、ドレイン電圧の正確な読み取り値を提供する。
一実施形態において、ＭＯＳＦＥＴドレイン電流は、主電力ＭＯＳＦＥＴに流れる電流の所定の係数倍のものを測定する検出ＦＥＴを通して取得される。従って、検出電流を検出することが、各スイッチングサイクルにおける電力ＭＯＳＦＥＴドレイン電流（ＩＤＳ）の尺度を提供する。従って、電力ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスのドレイン電圧およびドレイン電流を表す信号を使用することにより、ＲＤＳ（ｏｎ）値が特定の閾動作値を上回った時点が特定され得、これは、さらに、スイッチング電力ＭＯＳＦＥＴに対する既定の目標温度限界に直接関係する。
図３は、電力ＭＯＳＦＥＴドレイン電流およびドレイン電圧スイッチングデバイスの瞬時値を検出するための例示的な概略回路図を示す。回路３０５において、ドレイン電流は、検出ＦＥＴ Ｑ２ ３４３を通して出力信号ＵＩｓｎｓ３４６により検出される。ドレイン電圧は、ＪＦＥＴ３６１を通して出力信号ＵＶｓｎｓ３６６により検出される。示されるように、ノードＶＡ３２８は、電力コンバーターエネルギー伝達要素への結合点であり、図２Ａに示すノードＶＡ２２８および図２Ｂに示すノードＶＡ２７８に対応する（すなわち、等価である）。回路３０５は、半導体スイッチングデバイス（主電力ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１ ３２１と、係数倍のサイズ（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ−ｓｉｚｅｄ）の検出ＦＥＴ Ｑ２ ３４１とを含む。主ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ ３２１と検出ＦＥＴ３４１との間におけるそれぞれのサイズ差は、比Ｋ：１により与えられることに留意されたい。サイズ比は、各ＦＥＴにおけるセル数により規定され得、さらに、これは、ドレイン・ソースオン抵抗と逆の関係をもち、次式により示されるように各ＦＥＴにおける電流と直接的な関係（比例）にある。
Ｋ＝ＮＱ１−ｃｅｌｌｓ／ＮＱ２−ｃｅｌｌｓ＝ＲＤＳ（ｏｎ）Ｑ２／ＲＤＳ（ｏｎ）Ｑ１＝Ｉ１／Ｉ２
Ｉ２＝Ｉｓｎｓ＝（１／Ｋ）Ｉ１
ＶＤ＝Ｉ１ＲＤＳ（ｏｎ）Ｑ１＝Ｉ２ＲＤＳ（ｏｎ）Ｑ２＝（Ｉ１／Ｋ）ＲＤＳ（ｏｎ）Ｑ２
示されるように、主ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ ３２１のドレインおよび検出ＦＥＴ Ｑ２ ３４１のドレインは、同じバス電圧ＶＤ３２７に結合される。主ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ ３２１に対するゲーティング信号３２３、および、検出ＦＥＴ Ｑ２ ３４１に対するゲーティング信号３４３は、同じ駆動信号Ｖｄｒｉｖｅ３３３により提供される。これは、検出ＦＥＴと主ＭＯＳＦＥＴとの両方に対して一定のＶＧＳを維持するための条件を満たす。その結果、主ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ ３２１および検出ＦＥＴ Ｑ２ ３４１における電流密度が同じに留まる。主ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ ３２１を通って流れるＩＤ３２５と、検出ＦＥＴ Ｑ２ ３４１を通って流れるＩｓｎｓ３４２との電流比は、それらのサイズＫ：１に比例する。検出ＦＥＴ Ｑ２ ３４１のドレイン・ソース抵抗測定値は、主ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ ３２１に比べて、そのより大きなドレイン・ソースオン抵抗に起因して、より正確である（より誤差が少ない）ことが理解される。
検出抵抗器３４４は、検出ＦＥＴ Ｑ２ ３４１のソースからグランド３０１に結合していることが示される。検出抵抗器３４４を通って流れる検出電流Ｉｓｎｓ３４２は、ＵＩｓｎｓ３４６信号を生成し、これは、主ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ ３２１を通って流れる電流ＩＤ３２５を表す。
図３に示す実施形態において、ドレイン電圧ＶＤ３２７は、ドレインバスＶＤ３２７に結合されたＪＦＥＴ３６１を通して検出される。ＪＦＥＴ３６１のゲート３６３は、主ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ ３２１のソースに結合される。ＪＦＥＴ３６１のゲートは、グランド電位（ゼロ電圧）に接続されていることが示される。主ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ ３２１がオンに切り替わったときに常に、ＪＦＥＴ３６１のゲート・ソース電圧がゼロに近くなり、ＪＦＥＴ３６１のピンチオフ電圧（ＶＰ）より高くなる。従って、ＪＦＥＴ３６１もオンに切り替えられ、これが、信号ＵＶｓｎｓ３６６によりドレインオン電圧降下を検出するために、ドレイン電圧ＶＤ３２７をタップ端子（ＪＦＥＴソース）３６５に結合する。主ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１ ３２１がオフであるとき、ＪＦＥＴ３６１のゲート３６３がＪＦＥＴ３６１のピンチオフ電圧（ＶＰ）未満に低下する。従って、ＪＦＥＴ３６１がオフ状態であり、それにより、タップ端子３６５からドレイン電圧ＶＤ３２７を遮断する。従って、当業者は、信号ＵＩｓｎｓ３４６およびＵＶｓｎｓ３６６を介して、電力ＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース抵抗を通したオン期間瞬時電流とオン期間瞬時電圧降下とが提供されることを理解する。
図４は、図３に示す回路を使用して既定の限界を上回る温度上昇を検出し得る閾値検出回路４１０の例示的な概略回路図である。端子３６５および３４５に提供された出力信号ＵＩｓｎｓ３４６およびＵＶｓｎｓ３６６は、それぞれ、閾値検出回路４１０への入力として示される。検出回路４１０は、その非反転入力４５４において電流信号ＵＩｓｎｓ３４６を受信する第１の比較器４５０を含む。電流信号ＵＩｓｎｓ３４６は、比較器４５０の反転入力に印加された基準電流信号Ｉｒｅｆ４５６と比較される。信号ＵＩｓｎｓ４４６が電流基準信号Ｉｒｅｆ４５６より高く上昇したときに常に、比較器４５０の出力４５８が論理ハイ値に遷移する。一実施形態において、基準電流信号Ｉｒｅｆ４５６は、既定の校正電流閾値である。電流信号ＵＩｓｎｓ３４６が既定の校正電流閾値を上回ったときに常に、比較器４５０の出力４５８が高く遷移する。
検出回路４１０は、信号ＵＶｓｎｓ３６６を受信するように結合された非反転入力４６４を含む第２の比較器４６０をさらに含む。信号ＵＶｓｎｓ３６６は、比較器４６０の反転入力に印加された基準電圧Ｖｒｅｆ４６６と比較される。基準Ｖｒｅｆ４６６は、その接合部温度に直接関係した電力ＭＯＳＦＥＴのＲＤＳ（ｏｎ）に対する閾値を表す。信号ＵＶｓｎｓ４６６が基準電圧Ｖｒｅｆ４６６より高くなったときに常に、比較器４６０の出力４６８がハイ論理値に遷移する。
比較器４６０の出力４６８は、Ｄ型フリップフロップ４７０のデータ入力Ｄ４７１に結合され、比較器４５０の出力４５８は、フリップフロップ４７０のクロック入力４７２に結合される。温度限界のインジケーターとして、ドレイン電圧の既定の／規定の閾値を校正された電流におけるＲＤＳ（ｏｎ）が上回ったことを示すように設定された基準電圧閾値をドレイン電圧が上回ったとき、比較器４６０の出力が論理ハイになる。
さらに図４の例を参照すると、比較器４５０の出力は、Ｄ型（「Ｄ」）フリップフロップ４７０のクロック入力に結合されていることが示される。従って、Ｄフリップフロップ４７０は、電流比較器４５０からの出力により、クロックに基づいて動作する。Ｄフリップフロップ４７０は、（クロックの立ち上がりエッジなどの）クロックサイクルの決められた部分においてＤ入力４７１の値を捕捉する。その捕捉された値は、Ｑ出力４７３となる。他の時点において、Ｑ出力４７３は変化しない。Ｄ入力４７１は、ドレイン電圧比較器４６０からの出力４６８である。その結果、電流信号３４６が電流校正閾値４５６を上回った時点で、信号３６６により提供されたドレイン電圧が電圧閾値４６６を上回った場合、Ｑ出力４７３が論理ハイ値に遷移する。その結果、当業者は、電力ＭＯＳＦＥＴのＲＤＳ（ｏｎ）が組み合わされた閾値を上回ったとき、Ｄフリップフロップ４７０のＱ出力４７３が論理ハイ値に設定されることを理解する。言い換えると、電力ＭＯＳＦＥＴを通って流れる電流が校正閾値に既に達したか、または上回った瞬間に、電力ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスのＲＤＳ（ｏｎ）が測定または検出される。
上述のように、電力ＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）は、その接合部温度の直接的な関数であるので、ＲＤＳ（ｏｎ）の変化が、電力ＭＯＳＦＥＴデバイスの瞬間的な温度変化を直接示す。この手法により、Ｑ出力４７３における論理ハイ値は、警報状態を示すために使用され得、この場合において、電力ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスの推奨される、または規定の熱閾値を上回る。
他の実施形態において１つを上回る閾値レベルが検出され得ることが理解されなければならない。すなわち、様々な種類の温度検出または他の種類の制御保護に対して、複数の閾値電圧レベルが規定され得る。比較器およびフリップフロップの複数のセットが、温度検出および／または制御保護のための様々な出力信号を生成することに使用され得る。例示として、第１の保護レベルは、電力ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスの１つまたは複数の制御パラメータ（例えば、電流制限値、スイッチング周波数、パルス幅、または、一時的にスイッチングを停止すること）を変えるために使用され得る。第２の保護レベルは、致命的な過渡状態または温度上昇の状況を防ぐために使用され得、警報信号がデバイスをラッチアップまたは永久的に停止するために使用される。
当業者は、開示される主題が半導体材料の異なるバージョンおよび変形例により実装され得ることを理解する。例えば、電力ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイスは、任意のディスクリート型または集積型Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、または他の種類の高電子移動度半導体スイッチから構成され得る。
例示的な実施形態の上記の説明は、要約で説明される事項を含め、網羅的であることも、開示される形態または構造そのものへの限定であることも意図されない。本明細書において説明される主題の特定の実施形態および例は、例示を目的としており、本発明のより広い趣旨および範囲から逸脱することなく様々な同等な変更が可能である。実際、特定の例示的な電流、電圧、抵抗、デバイスの種類、およびサイズなどが説明のために提示されることと、本発明の教示に従った他の実施形態および例において他の値も使用し得ることとが理解される。

Claims (28)

  1. パワートランジスタデバイスに流れる電流により温度上昇がもたらされる、前記パワートランジスタデバイスにおける前記温度上昇を検出するための集積回路（ＩＣ）であって、前記ＩＣが、
    基材であって、
    前記パワートランジスタデバイスが、前記基材上に位置する、
    前記基材と、
    前記基材上に位置する検出電界効果トランジスタ（検出ＦＥＴ）であって、
    前記検出ＦＥＴが、前記電流の流れの係数倍部分を検出する、および、第１のノードに電流信号を出力する、
    前記検出ＦＥＴと、
    接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）であって、
    前記ＪＦＥＴのドレインが、前記パワートランジスタデバイスのドレインに接続されており、前記ＪＦＥＴのゲートが、前記パワートランジスタデバイスのソースに接続されていることにより、前記パワートランジスタデバイスがオンに切り替えられたとき、前記ＪＦＥＴもオンに切り替えられ、および、前記パワートランジスタデバイスのドレイン電圧信号が第２のノードに出力される、
    前記ＪＦＥＴと、
    前記ドレイン電圧信号と前記電流信号とを受信するように結合された検出回路であって、
    前記ドレイン電圧信号が、基準電圧信号を上回り、かつ、前記電流信号が、基準電流信号を上回ったとき、前記パワートランジスタデバイスのドレイン・ソース抵抗が組み合わされた閾値限界を上回ったことを示す警報信号を、前記検出回路が出力する、
    前記検出回路と、
    を備える、ＩＣ。
  2. 前記温度上昇が前記パワートランジスタデバイスの熱閾値を上回ったことを、前記警報信号が示す、
    請求項１に記載のＩＣ。
  3. 前記パワートランジスタデバイスにおける前記電流の流れが校正電流閾値に既に達しているときの値に、前記基準電流信号が設定された、
    請求項１に記載のＩＣ。
  4. 前記パワートランジスタデバイスの温度限界を示す前記ドレイン電圧信号の校正閾値に前記ドレイン・ソース抵抗が既に達しているときの値に、前記基準電圧信号が設定された、
    請求項１に記載のＩＣ。
  5. 前記検出回路が、
    前記ドレイン電圧信号を受信するように結合された第１の入力と、前記基準電圧信号を受信するように結合された第２の入力と、を含む第１の比較器であって、
    前記ドレイン電圧信号が、前記基準電圧信号を上回ったとき、前記第１の比較器が、第１の論理信号を出力する、
    前記第１の比較器と、
    前記電流信号を受信するように結合された第１の入力と、前記基準電流信号を受信するように結合された第２の入力と、を含む第２の比較器であって、
    前記電流信号が、前記基準電流信号を上回ったとき、前記第２の比較器が、第２の論理信号を出力する、
    前記第２の比較器と、
    を備える、
    請求項１に記載のＩＣ。
  6. 前記検出回路が、前記第１の論理信号を受信するように結合された入力と、前記第２の論理信号を受信するように結合されたクロック入力と、を含むフリップフロップをさらに備え、
    前記フリップフロップが、前記第１の論理信号と前記第２の論理信号とに応答して、前記警報信号を出力する、
    請求項５に記載のＩＣ。
  7. 前記フリップフロップが、Ｄ型フリップフロップである、
    請求項６に記載のＩＣ。
  8. 前記第１のノードとグランド電位との間に結合された検出抵抗器をさらに備える、
    請求項１に記載のＩＣ。
  9. 前記第１のノードが、前記検出ＦＥＴのソースを含み、
    前記第２のノードが、前記ＪＦＥＴのソースである、
    請求項１に記載のＩＣ。
  10. 前記ＪＦＥＴの前記ゲートと前記パワートランジスタデバイスの前記ソースとの両方が、グランド電位に接続された、
    請求項１に記載のＩＣ。
  11. 前記パワートランジスタデバイスの前記ドレインが、電力コンバーターエネルギー伝達要素に結合された、
    請求項１に記載のＩＣ。
  12. 前記警報信号が、前記パワートランジスタデバイスをオフに切り替えるために使用される、
    請求項１に記載のＩＣ。
  13. 前記検出回路が、前記パワートランジスタデバイスにおける、所定のゲート・ソース電圧、および所定の電流の流れにおいて、前記電圧信号および前記電流信号を受信する、
    請求項１に記載のＩＣ。
  14. スイッチングデバイスにおける電流の流れにより温度上昇がもたらされる、前記スイッチングデバイスにおける前記温度上昇を検出するための集積回路（ＩＣ）であって、前記ＩＣが、
    前記電流の流れの係数倍部分を検出する、および、第１のノードに電流信号を出力する、電流検出デバイスと、
    電圧検出デバイスであって、
    前記スイッチングデバイスがオンに切り替えられたとき、前記電圧検出デバイスもオンに切り替えられるように、および、前記スイッチングデバイスの電圧信号が第２のノードに出力されるように、前記電圧検出デバイスが、前記スイッチングデバイスに結合された、
    前記電圧検出デバイスと、
    前記電圧信号および前記電流信号を受信するように結合された検出回路であって、
    前記電圧信号が基準電圧信号を上回り、かつ、前記電流信号が基準電流信号を上回ったとき、前記検出回路が、警報信号を出力する、
    前記検出回路と、
    を備える、ＩＣ。
  15. 前記スイッチングデバイスの熱閾値を前記温度上昇が上回ったことを、前記警報信号が示す、
    請求項１４に記載のＩＣ。
  16. 前記スイッチングデバイスにおける前記電流の流れが校正電流閾値に既に達しているときの値に、前記基準電流信号が設定された、
    請求項１４に記載のＩＣ。
  17. 前記電流検出デバイスが、検出電界効果トランジスタ（検出ＦＥＴ）であり、
    前記電圧検出デバイスが、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）である、
    請求項１４に記載のＩＣ。
  18. 前記検出回路が、
    前記電圧信号を受信するように結合された第１の入力と、前記基準電圧信号を受信するように結合された第２の入力と、を含む第１の比較器であって、
    前記電圧信号が前記基準電圧信号を上回ったとき、前記第１の比較器が、第１の論理信号を出力する、
    前記第１の比較器と、
    前記電流信号を受信するように結合された第１の入力と、前記基準電流信号を受信するように結合された第２の入力と、を含む第２の比較器であって、
    前記電流信号が前記基準電流信号を上回ったとき、前記第２の比較器が、第２の論理信号を出力する、
    前記第２の比較器と、
    前記第１の論理信号を受信するように結合された入力と、前記第２の論理信号を受信するように結合されたクロック入力と、を含むフリップフロップであって、
    前記フリップフロップが、前記第１の論理信号と前記第２の論理信号とに応答して、前記警報信号を出力する、
    前記フリップフロップと、
    を備える、
    請求項１４に記載のＩＣ。
  19. 前記第１のノードとグランド電位との間に結合された検出抵抗器をさらに備える、
    請求項１４に記載のＩＣ。
  20. 前記第１のノードが、前記検出ＦＥＴのソースを含む、
    請求項１７に記載のＩＣ。
  21. 前記スイッチングデバイスが、パワートランジスタデバイスである、
    請求項１４に記載のＩＣ。
  22. 前記スイッチングデバイスが、１つまたは複数のダイオードを備える、
    請求項１４に記載のＩＣ。
  23. 前記検出回路が、前記スイッチングデバイスの所定の閾動作状態において前記電圧信号および前記電流信号を受信する、
    請求項１４に記載のＩＣ。
  24. 半導体スイッチングデバイスにおける電流の流れにより温度上昇がもたらされる、集積回路（ＩＣ）の半導体スイッチングデバイスにおける前記温度上昇を検出する方法であって、前記方法が、
    前記半導体スイッチングデバイスを通る前記電流の流れの係数倍部分を検出することであって、
    前記電流の流れの前記係数倍部分を検出したことに応答して、電流信号が、第１のノードに出力される、
    前記電流の流れの前記係数倍部分を検出することと、
    前記半導体スイッチングデバイスがオンに切り替えられたとき、前記半導体スイッチングデバイスにおける電圧降下を検出することであって、
    前記電圧降下を検出したことに応答して、前記半導体スイッチングデバイスの電圧信号が、第２のノードに出力される、
    前記電圧降下を検出することと、
    前記電圧信号および前記電流信号を受信するように結合された検出回路により警報信号を出力することであって、
    前記電圧信号が基準電圧信号を上回り、かつ、前記電流信号が基準電流信号を上回ったとき、前記検出回路が、前記警報信号を出力する、
    前記警報信号を出力することと、
    を含む、方法。
  25. 前記温度上昇が前記半導体スイッチングデバイスの熱閾値を上回ったことを、前記警報信号が示す、
    請求項２４に記載の方法。
  26. 前記半導体スイッチングデバイスにおける前記電流の流れが校正電流閾値に既に達しているときの値に、前記基準電流信号が設定された、
    請求項２４に記載の方法。
  27. 前記電圧信号が前記半導体スイッチングデバイスの校正閾値に既に達しているときの値に、前記基準電圧信号が設定された、
    請求項２４に記載の方法。
  28. 前記検出回路が、前記半導体スイッチングデバイスの所定の閾動作状態において前記電圧信号および前記電流信号を受信したとき、前記警報信号が出力される、
    請求項２４に記載の方法。
JP2019506378A 2016-08-08 2016-08-08 半導体スイッチングデバイスの高速温度検出のための集積回路 Active JP6953512B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2016/046071 WO2018030990A1 (en) 2016-08-08 2016-08-08 Integrated circuit fast temperature sensing of a semiconductor switching device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019526963A true JP2019526963A (ja) 2019-09-19
JP6953512B2 JP6953512B2 (ja) 2021-10-27

Family

ID=56802673

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019506378A Active JP6953512B2 (ja) 2016-08-08 2016-08-08 半導体スイッチングデバイスの高速温度検出のための集積回路

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10819102B2 (ja)
JP (1) JP6953512B2 (ja)
CN (1) CN109565271B (ja)
DE (1) DE112016007127T5 (ja)
WO (1) WO2018030990A1 (ja)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018190063A1 (ja) * 2017-04-13 2018-10-18 富士電機株式会社 温度検出装置及びそれを備えた電力変換装置
CN111656683B (zh) 2018-01-30 2024-03-08 电力集成公司 具有校准的参考的信号放大器
FR3084467A1 (fr) * 2018-07-26 2020-01-31 Valeo Systemes Thermiques Procede de controle de temperature et circuit de controle correspondant
US11018129B2 (en) * 2018-09-10 2021-05-25 Semiconductor Components Industries, Llc Circuit that changes voltage of back electrode of transistor based on error condition
DE102019204425A1 (de) * 2019-03-29 2020-10-01 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Leistungselektronik, Vorrichtung, Leistungselektronik
EP3734244B1 (en) * 2019-05-02 2021-11-10 Siemens Aktiengesellschaft Circuit arrangement and method for controlling a power semiconductor switch
WO2020242440A1 (en) 2019-05-24 2020-12-03 Power Integrations, Inc. Switching delay for communication
CN112289787B (zh) * 2020-09-17 2024-01-26 南京通华芯微电子有限公司 一种具有多种控制功能的mos器件
US11831303B2 (en) 2020-12-08 2023-11-28 Gan Systems Inc. High accuracy current sensing for GaN power switching devices
CN113532687B (zh) * 2021-06-09 2023-08-22 深圳职业技术学院 一种集成于显示面板的温度传感电路
FR3127283B1 (fr) * 2021-09-20 2023-08-18 Valeo Systemes De Controle Moteur Procédé de mesure de la température d’un onduleur pour moteurs électriques
US11942900B2 (en) 2021-10-14 2024-03-26 Power Integrations, Inc. Signal compensation with summed error signals
CN115015664B (zh) * 2022-06-02 2024-10-18 中车大连电力牵引研发中心有限公司 一种功率型电阻温升测试装置
TWI822227B (zh) * 2022-08-04 2023-11-11 立錡科技股份有限公司 具共用接腳之高效率升壓功因修正電路及其轉換控制電路
WO2024040516A1 (en) * 2022-08-25 2024-02-29 Innoscience (Zhuhai) Technology Co., Ltd. Nitride-based electronic device with wafer-level dynamic on-resistance monitoring capability
TWI838890B (zh) 2022-09-29 2024-04-11 力拓半導體股份有限公司 電子裝置以及其溫度偵測裝置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008283498A (ja) * 2007-05-10 2008-11-20 Sharp Corp 電流検出装置
JP2009278802A (ja) * 2008-05-16 2009-11-26 Diamond Electric Mfg Co Ltd スイッチング素子駆動回路及びこれを備えるモータ駆動回路
JP2013255117A (ja) * 2012-06-07 2013-12-19 Renesas Electronics Corp 半導体装置

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4553084A (en) 1984-04-02 1985-11-12 Motorola, Inc. Current sensing circuit
JPS62114459A (ja) 1985-11-14 1987-05-26 Hitachi Metals Ltd リニアモ−タ
US4951102A (en) 1988-08-24 1990-08-21 Harris Corporation Trench gate VCMOS
JP3265712B2 (ja) 1992-05-25 2002-03-18 松下電器産業株式会社 高耐圧半導体装置及びその製造方法
DE69325994T2 (de) 1993-05-19 1999-12-23 Consorzio Per La Ricerca Sulla Microelettronica Nel Mezzogiorno, Catania Integrierte Struktur eines Strom-Fühlwiderstandes für Leistungs-MOSFET-Vorrichtungen, insbesondere für Leistungs-MOSFET-Vorrichtungen mit einer Überstrom-Selbst-Schutzschaltung
JP3289518B2 (ja) 1994-11-14 2002-06-10 日産自動車株式会社 トランジスタ・ゲート駆動電圧発生回路
JP3303648B2 (ja) 1996-02-07 2002-07-22 横河電機株式会社 半導体リレー
JP3400237B2 (ja) 1996-04-30 2003-04-28 株式会社東芝 半導体装置
JP3572853B2 (ja) 1997-03-12 2004-10-06 株式会社デンソー 電流検出機能を有する負荷駆動回路
US6323703B1 (en) 2000-05-04 2001-11-27 Exar Corporation Indirect output current sensing
US6624671B2 (en) 2000-05-04 2003-09-23 Exar Corporation Wide-band replica output current sensing circuit
US7345342B2 (en) 2001-01-30 2008-03-18 Fairchild Semiconductor Corporation Power semiconductor devices and methods of manufacture
US6573558B2 (en) 2001-09-07 2003-06-03 Power Integrations, Inc. High-voltage vertical transistor with a multi-layered extended drain structure
US7786533B2 (en) 2001-09-07 2010-08-31 Power Integrations, Inc. High-voltage vertical transistor with edge termination structure
JP2004117111A (ja) * 2002-09-25 2004-04-15 Toshiba Corp 半導体装置
US6998899B2 (en) * 2003-05-12 2006-02-14 Nadd Bruno C Method and apparatus to remotely sense the temperature of a power semiconductor
JP4744807B2 (ja) * 2004-01-06 2011-08-10 パナソニック株式会社 半導体集積回路装置
US7157959B2 (en) 2004-03-31 2007-01-02 Semiconductor Components Industries, L.L.C. Method of forming a self-gated transistor and structure therefor
US7554152B1 (en) 2006-01-11 2009-06-30 National Semiconductor Corporation Versatile system for integrated sense transistor
JP5063124B2 (ja) * 2007-01-25 2012-10-31 三菱電機株式会社 半導体装置
US7468536B2 (en) 2007-02-16 2008-12-23 Power Integrations, Inc. Gate metal routing for transistor with checkerboarded layout
US7859037B2 (en) 2007-02-16 2010-12-28 Power Integrations, Inc. Checkerboarded high-voltage vertical transistor layout
US8653583B2 (en) 2007-02-16 2014-02-18 Power Integrations, Inc. Sensing FET integrated with a high-voltage transistor
JP2009081381A (ja) 2007-09-27 2009-04-16 Panasonic Corp 半導体装置
JP5189929B2 (ja) * 2008-08-19 2013-04-24 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体スイッチ制御装置
JP2011220767A (ja) 2010-04-07 2011-11-04 Panasonic Corp 電流検出回路
TW201240257A (en) * 2011-03-17 2012-10-01 Green Solution Tech Co Ltd Transistor circuit with protecting function
CN103489862B (zh) 2012-06-12 2018-05-22 恩智浦美国有限公司 功率mosfet电流传感结构和方法
US10210828B2 (en) 2013-07-26 2019-02-19 Giantplus Technology Co., Ltd. Temperature sensing circuit and driving circuit
EP2843425B1 (en) * 2013-08-27 2018-11-21 Nxp B.V. Current measuring circuit
US9360879B2 (en) 2014-04-28 2016-06-07 Microsemi Corp.-Analog Mixed Signal Group, Ltd. Sense current generation apparatus and method
US9444414B2 (en) 2014-07-11 2016-09-13 Qualcomm Incorporated Current sense circuit using a single opamp having DC offset auto-zeroing
EP3183753A4 (en) 2014-08-19 2018-01-10 Vishay-Siliconix Electronic circuit
DE102014113498B4 (de) 2014-09-18 2019-03-28 Infineon Technologies Ag Stromstärkesensor mit einem Messwiderstand in einer Umverteilungsschicht
DE102014115464B4 (de) 2014-10-23 2019-10-24 Infineon Technologies Austria Ag Leistungs-halbleitervorrichtung mit temperaturschutz
US10359321B2 (en) 2014-12-23 2019-07-23 Texas Instruments Incorporated On-chip circuit and method for accurately measuring die temperature of an integrated circuit
TW201721832A (zh) 2015-12-10 2017-06-16 力智電子股份有限公司 具熱感測功能的功率金氧半電晶體晶粒以及積體電路
US10386243B2 (en) 2016-11-28 2019-08-20 Nxp Usa, Inc. Temperature sensor circuitry and method therefor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008283498A (ja) * 2007-05-10 2008-11-20 Sharp Corp 電流検出装置
JP2009278802A (ja) * 2008-05-16 2009-11-26 Diamond Electric Mfg Co Ltd スイッチング素子駆動回路及びこれを備えるモータ駆動回路
JP2013255117A (ja) * 2012-06-07 2013-12-19 Renesas Electronics Corp 半導体装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018030990A1 (en) 2018-02-15
CN109565271A (zh) 2019-04-02
US20180175610A1 (en) 2018-06-21
JP6953512B2 (ja) 2021-10-27
US10819102B2 (en) 2020-10-27
CN109565271B (zh) 2023-06-30
DE112016007127T5 (de) 2019-08-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6953512B2 (ja) 半導体スイッチングデバイスの高速温度検出のための集積回路
JP6924207B2 (ja) 結合部の温度と電流の検知
US9712149B2 (en) Semiconductor device
CN108736867B (zh) 半导体开关元件的驱动电路
US9513318B2 (en) Current or voltage sensing
CN108474811B (zh) 用于感测电流的方法和装置
US6300818B1 (en) Temperature compensation circuit for semiconductor switch and method of operation thereof
CN111656686B (zh) 开关运行模式中运行的场效应晶体管针对过载电流的保护
JPWO2017168951A1 (ja) 過熱保護制御装置および車載用電力回路装置
US11569798B2 (en) Differential techniques for measuring voltage over a power switch
Chen et al. Driver Integrated Online R ds-on Monitoring Method for SiC Power Converters
Hedayati et al. Overtemperature protection circuit for GaN devices using a di/dt sensor
JP6938689B2 (ja) 炭化ケイ素バイポーラ接合トランジスタのための高度なゲートドライバ
EP3518422B1 (en) Switch controller for adaptive reverse conduction control in switch devices
US11867762B1 (en) Techniques for measuring voltage over a power switch using zero current detection point
Górecki Investigation of the influence of thermal phenomena on characteristics of IGBTs contained in power modules
US9791881B2 (en) Self-driven synchronous rectification for a power converter
EP3874342A1 (en) Methods and apparatus to improve the safe operating area of switched mode power supplies
US20150022175A1 (en) Voltage limiter and use of a voltage limiter to determine values of a power semiconductor element
CN111880068A (zh) 用于控制功率半导体开关的电路装置和方法
US10564048B2 (en) Semiconductor device and power conversion device
US12047060B2 (en) Drive device for voltage-controlled semiconductor element

Legal Events

Date Code Title Description
RD13 Notification of appointment of power of sub attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7433

Effective date: 20190227

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190802

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190802

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200703

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200714

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20201012

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201124

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210302

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20210528

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20210728

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210803

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210921

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210929

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6953512

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250