JP3773533B2 - 集積回路 - Google Patents

Description

本発明は、電力トランジスタおよび該電力トランジスタの電力損失を温度に依存して低減調整する回路装置を備えた集積回路に関する。
従来の技術
半導体素子殊に電力トランジスタを、有効な出力が一般に許容されている連続要求つまりはそれによって生じる連続損失をはるかに超えるように設計することは公知である。これにより半導体素子を低コストで製造することができる。なぜならば、それらを有効な出力による連続動作のために設計する必要がないからである。また、素子の温度に依存して起動可能な保護回路を半導体素子のために設けることも知られており、このことにより長期間持続する連続負荷（これに対して素子は設計されていない）に起因する素子の損傷を回避できるようになる。
さらに、限界温度を超えたときに半導体素子が遮断されるようにした回避装置も公知である。この場合、電力トランジスタの遮断は、集積されたセンサ素子において順方向電圧ないしは逆方向電流を測定することにより行われ、このセンサ素子により半導体素子が相応に制御される。これについてはTietze und Schenk,9.Auflage,p.523を参照。
また、DD-PS 227 835から、集積された過剰温度保護回路装置が公知である。この装置の場合、トランジスタのベース−エミッタ電圧にヒステリシスが与えられるよう複数のバイポーラトランジスタが結線されており、その際、トランジスタのスイッチオン状態ではカレントミラーの使用により、動作電流よりも小さくかつそれに対し常に一定の比をもつ電流が流れ出るよう、動作電流が変えられる。この場合、温度に依存して電力トランジスタのオンないしオフが行われる。遮断をしなければ電力損失の低減調整は不可能である。さらに欠点となるのは、この回路は約１５０℃までの温度範囲でしか使用できないことである。
さらにGB-A 2 234 112から、温度感応形素子を有する過剰温度保護機能を備えた半導体スイッチが公知である。この温度感応形素子は阻止方向に接続されたダイオードとして構成されており、過度に加熱したときには半導体スイッチの駆動電力を流すように構成されている。
発明の利点
これに対し、請求項１記載の特徴を備えた本発明による集積回路により得られる利点とは、たとえば約２００℃を超えるかもしれない著しく高い温度であっても、電力トランジスタにおける電力損失を温度に依存して低減調整できることである。トランジスタが設けられており、温度に依存して変化するこのトランジスタの逆方向電流ないし阻止電流により電力トランジスタのベース電流に変化が引き起こされるようにした構成によって、有利には著しく高い温度において電力トランジスタを安定した許容度で調整することが可能となる。電力トランジスタのベース電流を温度に依存して調整する構成により、回路構成全体を著しく簡単にすることができ、ひいては低コストで組み立てることができる。殊に有利であるのは、電力トランジスタの調整を行わせるために逆方向電流を利用したことによって、ベース電流つまりは電力トランジスタの制御された低減調整が可能となる。
従属請求項に記載の特徴により本発明の有利な実施形態が可能である。
図面
次に、添付の図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明による集積回路の回路構成図である。
図２は、温度に依存する逆方向電流経過特性を示すダイアグラムである。
図３は、別の変形実施例による本発明の回路装置を示す図である。
図４ａおよび図４ｂは、各回路装置における温度に依存する制御電流経過特性を示すダイアグラムである。
実施例の説明
図１には、全体で参照符号１０の付された集積回路が示されている。この集積回路１０は電力トランジスタ１２と回路装置１４を有しており、これらは詳細には以下のように結線されている。
集積回路１０はコレクタ端子Ｃ、ベース端子Ｂならびにエミッタ端子Ｅを有している。電力トランジスタ１２はトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３により形成されており、これらのトランジスタはダーリントン接続で結線されている。トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３はｎｐｎトランジスタとして構成されている。
回路装置１４はトランジスタＴ４，Ｔ５，Ｔ６を有しており、この場合、トランジスタＴ５はｐｎｐまたはｎｐｎトランジスタとして構成されており、トランジスタＴ４およびＴ６はｎｐｎトランジスタとして構成されている。
ベース端子ＢはトランジスタＴ４のコレクタと接続されている。トランジスタＴ４のエミッタはトランジスタＴ１のベースと接続されている。トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３のコレクタはコレクタ端子Ｃと接続されている。トランジスタＴ１のエミッタは、トランジスタＴ２，Ｔ３のベースと接続されている。トランジスタＴ３のエミッタはエミッタ端子Ｅと接続されている。トランジスタＴ５のベースは、抵抗Ｒ３を介してトランジスタＴ５のエミッタと接続されている。抵抗Ｒ３は、正の温度係数を有する温度依存形抵抗として形成されている。また、トランジスタＴ４のコレクタは、ｐｎｐトランジスタであればトランジスタＴ５のエミッタと接続されており、そうでなくｎｐｎトランジスタであれば（図１ａ）トランジスタＴ５のコレクタと接続されており、さらには抵抗Ｒ２を介してトランジスタＴ６のコレクタと接続されている。また、トランジスタＴ６のコレクタはトランジスタＴ４のベースと接続されている。ｐｎｐトランジスタであればトランジスタＴ５のコレクタは、そうではなくｎｐｎトランジスタであればトランジスタＴ５のエミッタは、トランジスタＴ６のベースと接続されているとともに、抵抗Ｒ４を介してエミッタ端子Ｅと接続されている。トランジスタＴ６のエミッタも、やはりエミッタ端子Ｅと接続されている。
この集積回路１０は以下のように動作する：
集積回路１０を所定のようにして使用しているとき、電力トランジスタ１２によりコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅの間において負荷をスイッチングすることができる。電力トランジスタ１２の制御は、ベース端子ＢとトランジスタＴ１のベースとの間に”長手方向に”接続されたトランジスタＴ４を介して行われる。したがってトランジスタＴ４によって、電力トランジスタ１２のベース電流Ｉを制御することができる。トランジスタＴ５はその阻止電流ないし逆方向電流Ｉ_ＣＥＲを、抵抗Ｒ４およびトランジスタＴ６のベースへ供給する。トランジスタＴ５のベースとエミッタは抵抗Ｒ３を介して低抵抗で接続されているので、ベースとエミッタとの間において小さい電流に対し短絡が生じ、したがってＩ_ＣＥＲ〜Ｉ_ＣＥＳ（Ｉ_ＣＥＳモード）となる。その結果、トランジスタＴ６のベースに電圧が生じるが、この電圧はトランジスタＴ６をアクティブにするには小さすぎるものである。
そして、殊に電力トランジスタ１２のところで引き起こされる電力損失に起因して集積回路１０が加熱すると、抵抗Ｒ３の抵抗値がその正の温度係数ゆえに著しく高まる。これによりトランジスタＴ５はＩ_ＣＥＯモードへ移行し、つまりトランジスタＴ５のベースはほとんどあたかもオープンであるかのように振る舞い、その結果、Ｉ_ＣＥＲ〜Ｉ_ＣＥＯとなる。回路装置１４の加熱により抵抗Ｒ３の抵抗値がべき関数的に高まる一方、トランジスタＴ５の逆方向電流は指数関数的に上昇する。トランジスタＴ５のベース−エミッタ間ブレークダウン電圧は、同時に＜−２ｍＶ／Ｋで減少する。トランジスタＴ５の逆方向電流が著しく高められ約２の１０乗上昇することにより、トランジスタＴ６のベース−エミッタ電圧Ｕ_ＢＥが高められ、その結果、このトランジスタはアクティブになる。このことによりトランジスタＴ４のベースが制御され、したがってトランジスタＴ４を介して電力トランジスタ１２のベース電流が制御されることになる。以上のことから明らかなように、トランジスタＴ５の逆方向電流の高さを調整することによって、電力トランジスタ１２のベース電流Ｉを制御できるようになる。
調整される逆方向電流の大きさに応じて、ベース電流Ｉが程度の差こそあれ制御され、その結果、電力トランジスタ１２の電力損失を継続的に低減することができる。加熱が発生したことでトランジスタＴ５の逆方向電流を連続的に上昇させることによって、同じ程度で電力トランジスタ１２のベース電流Ｉが減少するので、それが連続的に低下してくる。そして電力トランジスタ１２のベース電流が連続的に低下することにより、コレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅの間において制御不能な過度の電圧上昇が生じてしまうのが防止される。殊に、電力トランジスタ１２を車両の点火コイルに使用する場合には、このようにすることで制御不能な過度の電圧上昇に起因する早すぎる点火過程を回避することができる。
電力トランジスタ１２の制御にもかかわらず、トランジスタＴ４のコレクタへ集積回路１０のベース給電が行われる。このようにすることで、電力トランジスタ１２が制御されているにもかかわらず回路装置１４つまりは温度センサ素子として接続されたトランジスタＴ５が十分な大きさの駆動電圧を得ることができるようになる。このことにより、電力トランジスタ１２のスイッチング状態とは無関係に回路装置１４の機能が保証される。この集積回路におけるベース端子Ｂとエミッタ端子Ｅとの間の電圧Ｕ_ＢＥは、温度の上昇につれてトランジスタＴ４が調整されることにより増加する一方、点Ｂ′とエミッタ端子Ｅとの間の電圧Ｕ_Ｂ′Ｅは温度の上昇とともに低下する。
抵抗Ｒ３の大きさまたはその正の温度係数の選定により制御条件が与えられ、これによりＩ_ＣＥＳモードからＩ_ＣＥＯモードへのトランジスタＴ５の移行ひいては電力トランジスタ１２の温度調整において生じる動作点を設定できるようになる。このようにして、たとえば２００℃を超えるかもしれない著しく高い温度において、電力トランジスタ１２の温度調整を実施できるようになる。
図２には、Ｉ_ＣＥＳモードからＩ_ＣＥＯモードへのトランジスタＴ５における逆方向電流Ｉ_ＣＥＲの移行が示されている。この場合、逆方向電流Ｉ_ＣＥＲは温度に関し対数表示で描かれている。ここには、温度の上昇に伴い実質的に抵抗Ｒ３により制御されここでは参照符号Ｉ_ＣＥＲの付された逆方向電流が、Ｉ_ＣＥＳモードからＩ_ＣＥＯモードへと移行している様子が明瞭に示されている。温度が約１５５℃付近になるまで逆方向電流Ｉ_ＣＥＲが徐々に上昇した後、この電流は温度２００℃を超えるまで急峻な側縁でＩ_ＣＥＯモードへと移行している。逆方向電流Ｉ_ＣＥＲの側縁部分の上昇によりトランジスタＴ４の相応の導通制御が行われ、つまりは電力トランジスタ１２のベース電流の相応の制御が行われるようになる。
図３には別の集積回路１０が示されており、この場合、図１と同じ部材には同じ参照符号が付されており、それらについて繰り返し説明はしない。ここでは回路装置１４に付加的にトランジスタＴ７とＴ８が設けられており、これらのトランジスタはそれぞれｎｐｎトランジスタとして構成されている。この場合、ｐｎｐトランジスタであればトランジスタＴ５のコレクタが、ｎｐｎトランジスタ（図３ａ）であればトランジスタＴ５のエミッタが、トランジスタＴ６のベースのほかに同時にトランジスタＴ７のベースおよびトランジスタＴ８のベースとも接続されている。トランジスタＴ７のコレクタはトランジスタＴ１のベースと接続されている。トランジスタＴ８のコレクタはトランジスタＴ１のエミッタと接続されている。トランジスタＴ７およびＴ８のエミッタはエミッタ端子Ｅと接続されている。
付加的なトランジスタＴ７およびＴ８はやはり、トランジスタＴ５の逆方向電流により制御される。トランジスタＴ７およびＴ８の導通制御もやはりトランジスタＴ５の動作点ではじめて行われ、つまり温度の上昇に起因してトランジスタＴ５がＩ_ＣＥＳモードから_ＩＣＥＯモードへ移行してはじめて行われる。トランジスタＴ７およびＴ８をエミッタ回路中に接続することにより、トランジスタＴ５の逆方向電流の上昇時（これはトランジスタＴ７およびＴ８のベース電流の上昇に対応する）、トランジスタＴ７およびＴ８のコレクタ−エミッタ電圧Ｕ_ＣＥが上昇するようになる。そしてこのことによってトランジスタＴ７およびＴ８は”熱除去装置”としてはたらき、これは殊に高温時に電力トランジスタ１２のベース電流の低減調整を制御する。図４ａおよび図４ｂには、回路全体におけるコレクタ電流Ｉ_Ｃに関する様々な特性曲線がシミュレーションカーブに基づき描かれている。図４ｂには、図４ａによる経過特性が高い方の温度範囲に関する部分拡大図として示されている。
そこには全部で３つの経過特性曲線が示されており、それらは温度に依存するコレクタ電流Ｉ_Ｃの経過特性を表すものである。第１の特性曲線１６は、図１に示した回路装置による経過特性を再現したものである。この場合、温度が上昇するにつれてコレクタ電流Ｉ_Ｃはたとえば１０Ａの値から約２Ａの値まで１９５℃付近で低減しており、その後、電力トランジスタ１２のいわゆる”熱ドリフト”によって温度が上昇するにつれて再び上昇している。第２の特性曲線１８は、トランジスタＴ７が付加的に接続された場合のコレクタ電流Ｉ_Ｃの経過特性を表している。コレクタ電流Ｉ_Ｃが５００ｍＡよりも小さい値まで著しく低減していることのほかに、電力トランジスタ１２の”熱ドリフト”の開始が約２００℃のかなり高い温度までずらされている。それと同時に、それよりもさらに高い温度のところではコレクタ電流Ｉ_Ｃの上昇が著しく僅かに停滞している。第３の特性曲線２０は、トランジスタＴ５の逆方向電流によりトランジスタＴ６，Ｔ７，Ｔ８が同時に導通制御されたときのコレクタ電流Ｉ_Ｃの経過特性を表している。この場合、電力トランジスタ１２の”熱ドリフト”の開始が約２１０℃というかなり高い温度のところまでさらにずらされており、その際、温度上昇はやはり著しく制限されたものになっている。このようにして、電力トランジスタ１２におけるコレクタ電流Ｉ_Ｃの低減調整を、２００℃をはるかに超える温度までずらして行わせることができる。

Claims (6)

1. 電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）と、温度に依存して動作し該電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）と熱的に結合されている回路装置（１４）を有しており、ベース端子（Ｂ）とエミッタ端子（Ｅ）とコレクタ端子（Ｃ）を備えた集積回路において、
   前記回路装置（１４）は第１のトランジスタ（Ｔ５）と第２のトランジスタ（Ｔ４）を有しており、
   前記第１のトランジスタ（Ｔ５）のベースとエミッタの間に、正の温度係数を有する温度依存型の抵抗（Ｒ３）が接続されており、
   前記第２のトランジスタ（Ｔ４）のコレクタは集積回路（１０）のベース端子（Ｂ）と接続され、該第２のトランジスタ（Ｔ４）のエミッタは前記電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）のベース（Ｂ′）と接続されており、
   温度に依存して変化する前記第１のトランジスタ（Ｔ５）の逆方向電流により、前記第２のトランジスタ（Ｔ４）のベースが制御されて、前記電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）のベース電流（Ｉ）における低減調整が引き起こされることを特徴とする集積回路。
2. 前記第１のトランジスタ（Ｔ５）のエミッタ（ｐｎｐの場合）またはコレクタ（ｎｐｎの場合）は前記第２のトランジスタ（Ｔ４）のコレクタと接続されている、請求項１記載の集積回路。
3. 前記第２のトランジスタ（Ｔ４）は第３のトランジスタ（Ｔ６）を介して導通制御され、該第３のトランジスタ（Ｔ６）のベースは前記第１のトランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの場合）またはエミッタ（ｎｐｎの場合）と接続されている、請求項１または２記載の集積回路。
4. 前記第１のトランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの場合）またはエミッタ（ｎｐｎの場合）は、第２の抵抗（Ｒ４）を介して集積回路（１０）のエミッタ端子（Ｅ）と接続されている、請求項３記載の集積回路。
5. 前記トランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの場合）またはエミッタ（ｎｐｎの場合）は、第４のトランジスタ（Ｔ７）のベースと接続されており、該第４のトランジスタ（Ｔ７）のコレクタは前記電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）のベースと接続されており、該第４のトランジスタ（Ｔ７）のエミッタは前記エミッタ端子（Ｅ）と接続されている、請求項１〜４のいずれか１項記載の集積回路。
6. 前記電力トランジスタは、第１の部分トランジスタ（Ｔ１）および第２の部分トランジスタ（Ｔ２，Ｔ３）によるダーリントン接続回路を有しており、前記第１のトランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの場合）またはエミッタ（ｎｐｎの場合）は、第５のトランジスタ（Ｔ８）のベースと接続されており、該第５のトランジスタ（Ｔ８）のコレクタは前記第１の部分トランジスタ（Ｔ１）のエミッタと接続されており、該第５のトランジスタ（Ｔ８）のエミッタは前記エミッタ端子（Ｅ）と接続されている、請求項１〜５のいずれか１項記載の集積回路。

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