JP3906682B2 - 過熱保護機能半導体スイッチ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体スイッチに関し、特に、主回路に異常電流が流れたときのパワー素子の発熱や熱破壊を低減する過熱保護機能半導体スイッチに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種の過熱保護機能半導体スイッチ100として、特開2001−7294に提案されているものを図4に示す。このものは、パワー素子110と、パワー素子110とは独立した半導体基板に形成した分流素子120と、温度検出部130と、過熱保護部140とを主要構成要素としている。
【0003】
パワー素子110は、負荷(図示せず)と負荷を駆動する電源(図示せず)とで構成される主回路を開閉するものであり、例えば、三端子型のnチャネルMOSFETにて構成されている。このものは、ゲート端子への信号の入力に応じて導通や遮断の制御が行われており、これにより主回路を開閉している。
【0004】
分流素子120は、主回路に流れる負荷電流(パワー素子110に流れる電流と同等)に対して所定の比率分の大きさの電流を流すものであり、例えば、三端子型のnチャネルMOSFETにて構成されている。このものは、パワー素子110のドレイン端子及びソース端子間と並列に接続されており、また、パワー素子110のゲート端子へ入力する信号と同じ信号で導通や遮断の制御が行われている。
【0005】
温度検出部130は、分流素子120の温度を検知するものであり、例えば、その主要回路部をダイオード131を複数直列に接続することにより構成されている。このものは、温度上昇に伴いそれ自身の順方向電圧が低下するという負の温度特性を有する。これにより、分流素子120の温度変化を自らの特性変化により間接的に検出してその値を後述する過熱保護部140へ出力している。
【0006】
過熱保護部140は、過度な発熱による熱破壊からパワー素子110を保護するためのものであり、例えば、三端子型のnチャネルMOSFETにて構成されている。このものは、パワー素子110の温度が所定の温度に達したとき、温度検出部130からの出力に基づきパワー素子110のゲート端子を遮断して主回路を遮断している。すなわち、パワー素子110のそれ以上の温度上昇を抑制して熱破壊を防止している。
【0007】
この過熱保護機能半導体スイッチ100によると、温度検出部130が分流素子120の発熱に感応してその温度に相当する値を過熱保護部140に出力する。過熱保護部140は、その出力を受けてパワー素子110の温度を判断し、温度検出部130からの出力が所定の値を上回ったとき、すなわち、パワー素子110の温度が所定の温度を上回ったときに分流素子120及びパワー素子110のゲート端子を遮断し、それ以外ならそれぞれのゲート端子を導通し続けることにより、パワー素子110の温度が所定の温度を超過することを抑制して熱破壊を防止することができるのである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術は、パワー素子110と過熱保護部140とが同一の半導体基板上に形成されていることで発生するパワー素子110と過熱保護部130との熱結合により過熱保護部130が正常に動作しなくなる可能性を改善するものであった。しかし、このものでは、温度検出部130で検知した温度が、実際に分流素子120の温度変化によるものなのか、または、使用環境温度(周囲温度)が変化したことによるものなのかを判断することができず、保護動作にばらつきが生じることがあり、最悪の場合、パワー素子110の熱破壊を引き起こす恐れがあった。
【0009】
本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、パワー素子の温度変化のみを検知し、過熱保護精度を向上させた過熱保護機能半導体スイッチを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明の過熱保護機能半導体スイッチは、負荷電流の流れる主回路に設けられたパワー素子と、前記パワー素子とは独立した基板に形成されるとともに、その内部に温度検出部を備え、前記パワー素子の発熱量が許容範囲を超えたときに前記パワー素子を遮断する過熱保護回路とを備えた過熱保護機能半導体スイッチにおいて、前記過熱保護回路は、前記過熱保護回路に通電を開始した時点での使用環境温度を検知し、その温度に応じて前記パワー素子の発熱量の許容範囲である過熱保護レベルを設定する制御回路を少なくとも有したことを特徴としている。
【0011】
請求項2に係る発明の過熱保護機能半導体スイッチは、請求項1記載の構成において、前記過熱保護回路は、前記パワー素子に対して所定の比率の電流が流れる分流素子と、前記分流素子の温度を検知する前記温度検出部としての温度検知回路とを備え、前記制御回路は、前記パワー素子と前記分流素子との電流の比率と、前記分流素子の温度変動とに基づいて、前記パワー素子の発熱量と前記過熱保護レベルとを比較することとしている。
【0012】
請求項3に係る発明の過熱保護機能半導体スイッチは、負荷電流の流れる主回路に設けられたパワー素子と、前記パワー素子とは独立した基板に形成されるとともに、その内部に温度検出部を備え、前記パワー素子の発熱量が許容範囲を超えたときに前記パワー素子を遮断する過熱保護回路とを備えた過熱保護機能半導体スイッチにおいて、前記過熱保護回路は、前記過熱保護回路に通電を開始した時点での使用環境温度を検知するとともに、この使用環境温度を逐次更新して、その温度に応じて前記パワー素子の発熱量の許容範囲である過熱保護レベルを逐次更新して設定する制御回路を少なくとも有することとしている。
【0013】
請求項4に係る発明の過熱保護機能半導体スイッチは、請求項3記載の構成において、前記過熱保護回路は、前記パワー素子に対して所定の比率の電流が流れる分流素子と、前記分流素子の温度を検知する前記温度検出部としての温度検知回路と、前記分流素子に流れる電流を検出する電流検出回路とを備え、前記制御回路は、前記分流素子の温度と電流とに基づいて、前記使用環境温度を逐次計算するとともに、前記パワー素子と前記分流素子との電流の比率と、前記分流素子の温度変動に基づいて、前記パワー素子の発熱量と前記過熱保護レベルとを比較することとしている。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0017】
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態に係る過熱保護機能半導体スイッチを示すブロック図であり、図2は、その温度検知回路4を示す回路図である。
【0018】
この実施形態の過熱保護機能半導体スイッチは、パワー素子1と、過熱保護回路2とを主要構成要素としている。このうち、過熱保護回路2は、分流素子3と、温度検知回路4と、制御回路5で構成している。
【0019】
パワー素子1は、負荷Zと負荷Zを駆動する電源VEとで構成される主回路を開閉するものであり、例えば、ドレイン端子、ソース端子、ゲート端子を有する三端子型のnチャネルMOSFETにて構成されている。このものは、ドレイン端子が負荷Zを介して電源VEの高電位側へ、ソース端子が電源VEの低電位側へ接続されており、また、ゲート端子は外部回路(図示せず)を介して後述する制御回路5に接続されている。その動作は、制御回路5からこのゲート端子へ入力される信号に応じてパワー素子1自身を導通や遮断し、この制御により主回路を開閉している。
【0020】
過熱保護回路2は、主回路に流れる負荷電流の過電流等による異常発熱からパワー素子1を保護するためのものであり、上述したように、分流素子3と、温度検知回路4と、制御回路5とを備えている。
【0021】
これらのうち、分流素子3は、パワー素子1に流れる電流(負荷電流)の大きさに対して所定の比率の電流(以降、分流電流と称する)を流すためのものであり、例えば、ドレイン端子、ソース端子、ゲート端子を有する三端子型のnチャネルMOSFETにて構成されている。このものは、分流電流をパワー素子1に流れる電流より所定の比率で小さくなるように設定する外部回路(図示せず)を介してパワー素子1と並列に接続されており、また、ゲート端子はパワー素子1のゲート端子と接続して制御回路5へ接続されている。その動作は、制御回路5からのゲート端子へ入力される信号に応じて分流素子3自身を導通や遮断し、この制御により過熱保護回路2を開閉している。
【0022】
温度検知回路4は、分流素子3の温度を検知するものであり、制御回路5と過熱保護回路2の低電位側に接続されている。例えば、図2(a)においては、温度検知回路4をダイオード41にて構成している。このダイオード41は、アノード側が制御回路に接続されており、カソード側が過熱保護回路2の低電位側に接続されている。その動作は、パワー素子1が導通すると、同時に分流素子3にも分流電流が流れて分流素子3が発熱する。ダイオード41は、温度が上昇すればその順方向電圧が降下するという温度特性を持っているので、分流素子3の発熱によりアノード側の電位は発熱前の電位より降下することになる。この電位の変化を温度変化の出力値として制御回路5に伝達している。
【0023】
また、図2(b)においては、温度検知回路4を、例えば、多結晶シリコンにて形成した抵抗42にて構成している。この抵抗42は、一端が制御回路5に、他端が過熱保護回路2の低電位側に接続されている。その動作は、パワー素子1が導通すると、同時に分流素子3にも分流電流が流れて分流素子3が発熱する。抵抗42は、温度が上昇すればその抵抗値が減少するという温度特性を持っているので、分流素子3の発熱により抵抗42の高電位側の電位は発熱前の電位より降下することになる。この電位の変化を温度変化の出力値として制御回路5に伝達している。
【0024】
また、図2(c)においては、温度検知回路4を、例えば、nチャネルMOSFET43にて形成したパンチスルー回路にて構成している。このパンチスルー回路は、nチャネルMOSFET43のドレイン端子が制御回路5に、ソース端子が過熱保護回路2の低電位側に接続されている。また、ゲート端子はソース端子と短絡している。その動作は、パワー素子1が導通すると、同時に分流素子3にも分流電流が流れて分流素子3が発熱する。パンチスルー回路は、温度が上昇すればその抵抗値が減少するという温度特性を持っているので、分流素子3の発熱によりパンチスルー回路の高電位側の電位は発熱前の電位より降下することになる。この電位の変化を温度変化の出力値として制御回路5に伝達している。
【0025】
制御回路5は、温度検知回路4からの信号に基づいてパワー素子1の過熱保護レベルを調整し、パワー素子1が少なくとも過熱保護レベルを超えている間、主回路を遮断するものである。このものは、温度検知回路4と分流素子3との間に接続されている。その動作は、まず、分流電流が流れる前の分流素子3の温度に応じた信号から使用環境温度に適した過熱保護レベル信号を設定する。次いで、分流電流が流れているときの分流素子3の発熱温度に応じた信号を逐次温度検知回路4から受信して発熱による分流素子3の温度変化に相当する信号を計算する。この温度変化信号と設定されている過熱保護レベル信号とを比較し、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号より小さいときは、パワー素子1及び分流素子3のゲート端子へ信号を送り続けてパワー素子1及び分流素子3を導通させ続け、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号より大きいときは、ゲート端子への信号送出を中断してパワー素子1及び分流素子3を遮断している。
【0026】
次に、その動作について説明する。
【0027】
まず、過熱保護回路2の通電と同時に温度検知回路4は、その時点での分流素子3の温度を検知し、使用環境温度に応じた信号を制御回路5に送信する。制御回路5は、その信号を受けて使用環境温度に適した過熱保護レベル信号を設定する。次いで、パワー素子1が導通すると、負荷Zに負荷電流が流れる。その負荷電流の一部(分流電流)は、外部回路にて所定の比率(例えば100分の1倍)でパワー素子1に流れる電流より小さくなるように加工されて分流素子3を流れる。この分流電流により分流素子3は発熱するが、そのときの温度を温度検知回路4は逐次検知しており、その温度に応じた信号を制御回路5に送信し続ける。制御回路5は、分流素子3の導通開始時からの温度変化を計算し、その温度に相当する信号と過熱保護レベル信号とを比較する。ところで、パワー素子1の温度変化と分流素子3の温度変化との比は、それぞれに流れる電流の比(負荷電流/分流電流)に比例するので、分流素子3の温度変化を検知することは、間接的にパワー素子1の温度変化を検知していることになる。したがって、この分流素子3の温度変化信号と設定されている過熱保護レベル信号とを比較することによりパワー素子1の過熱保護を行うことができ、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号を上回っているときは、分流素子3及びパワー素子1のゲート端子へ信号送出を中断して分流素子3及びパワー素子1を遮断し、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号を下回っているときは、ゲート端子に信号を送出して分流素子3及びパワー素子1を導通してパワー素子1の熱損失を精度よく抑制している。
【0028】
以上説明した実施形態の過熱保護機能半導体スイッチによると、過熱保護回路にパワー素子1に対して所定の比率の電流が流れる分流素子3と、分流素子3の温度を検知する温度検知回路4とを備え、制御回路5をパワー素子1と分流素子3との電流の比率と、分流素子3の温度変動とに基づいて過熱保護レベルを調整できるようにすることにより、分流素子3の温度変化を精度よく検知できるとともに使用環境温度を考慮に入れた過熱保護が可能になるので、結果的に、パワー素子1の温度変化を精度よく捉えることになり、パワー素子1の過熱保護精度を向上することができる。
【0029】
(第2の実施形態)
図3は、本実施形態に係る過熱保護機能半導体スイッチを示すブロック図である。
【0030】
この過熱保護機能半導体スイッチは、過熱保護回路2に電流検出回路6が加わったこと及び制御回路5を制御回路7に置き換えたことが第1の実施形態と異なるもので、他の構成要素は、第1の実施形態のものと実質的に同一であるので説明を省略する。また、同一部材においては、第1の実施形態と同一の番号を付す。
【0031】
電流検出回路6は、分流素子3に流れる電流の大きさを検出するものである。このものは、分流素子3のソース端子と過熱保護回路2の低電位側との間に接続されており、また、後述する制御回路7にも接続されている。その動作は、分流素子3に流れる電流の大きさを検出してその信号を制御回路7に送信している。
【0032】
制御回路7は、温度検知回路4及び電流検出回路6からの信号に基づいてパワー素子1の過熱保護レベルを調整し、パワー素子1が少なくとも過熱保護レベルを超えている間、主回路を遮断するものである。このものは、温度検知回路4と分流素子3との間に接続され、また、電流検知回路6とも接続されている。その動作は、まず、分流電流が流れる前の分流素子3の温度に応じた信号から使用環境温度を記憶する。次いで、電流検知回路6からの信号に基づいて計算される分流素子3の発熱温度と温度検知回路4からの信号に基づく実際の分流素子3の温度とを減算することにより、使用環境温度の変化分と分流素子3の温度変化分を逐次計算する。そして、使用環境温度の変化分と最初に記憶した使用環境温度とを加算して使用環境温度を逐次更新してその使用環境温度に適した過熱保護レベル信号を設定する。また、分流素子3の温度変化信号と過熱保護レベル信号とを比較し、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号より小さいときは、パワー素子○○及び分流素子○○のゲート端子へ信号を送り続けてパワー素子○○及び分流素子○○を導通させ続け、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号より大きいときは、ゲート端子への信号送出を中断してパワー素子1及び分流素子3を遮断している。
【0033】
次に、その動作について説明する。
【0034】
まず、過熱保護回路2の通電と同時に温度検知回路4は、その時点での分流素子3の温度を検知し、その使用環境温度に応じた信号を制御回路7に送信する。制御回路7は、その信号を記憶する。次いで、パワー素子1が導通すると、負荷Zに負荷電流が流れる。その負荷電流の一部(分流電流)は、外部回路にて所定の比率(例えば、100分の1倍)でパワー素子1に流れる電流より小さくなるように加工されて分流素子3を流れる。この分流電流により分流素子3は発熱するが、そのときの電流と温度を逐次電流検知回路6と温度検知回路4がそれぞれ検知しており、その電流と温度に応じた信号を制御回路7に送信し続ける。制御回路7は、それぞれの信号から分流素子3の温度変化分と使用環境温度の変化分を計算する。そして、使用環境温度の変化分と記憶した初期の使用環境温度とを加算して使用環境温度を逐次更新する。また、その使用環境温度に適した過熱保護レベル信号を逐次更新して分流素子3の温度変化信号と過熱保護レベル信号とを比較する。ところで、パワー素子1の温度変化と分流素子3の温度変化との比は、それぞれに流れる電流の比(負荷電流/分流電流)に比例するので、分流素子3の温度変化を検知することは、間接的にパワー素子1の温度変化を検知していることになる。したがって、この分流素子3の温度変化信号と設定されている過熱保護レベル信号とを比較することによりパワー素子1の過熱保護を行うことができ、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号を上回っているときは、分流素子3及びパワー素子1のゲート端子へ信号送出を中断して分流素子3及びパワー素子1を遮断し、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号を下回っているときは、ゲート端子に信号を送出して分流素子3及びパワー素子1を導通してパワー素子1の熱損失を精度よく抑制している。
【0035】
以上説明した実施形態の過熱保護機能半導体スイッチによると、過熱保護回路2を、パワー素子1に対して所定の比率の電流が流れる分流素子3と、分流素子3の温度を検知する温度検知回路4と、分流素子3に流れる電流を検出する電流検出回路6とを備え、制御回路7は、パワー素子1と分流素子3との電流の比率と、分流素子3の温度変動と、分流素子3の電流変動とに基づいて過熱保護レベルを調整することにより、分流素子3の温度変化を精度よく検知できるとともに使用環境温度を考慮に入れた過熱保護が可能になり、また、使用環境温度の変化も検知することができるので、結果的に、パワー素子1の絶対温度を精度よく捉えることになり、パワー素子1の過熱保護精度をさらに向上することができる。
【0036】
【発明の効果】
本願発明の過熱保護機能半導体スイッチは、過熱保護回路が使用環境温度を検知してその温度に応じて過熱保護レベルを設定する制御回路を少なくとも備えることにより、パワー素子の温度変化を精度よく検知できるとともに使用環境温度を考慮に入れた過熱保護が可能となるので、パワー素子の過熱保護精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態に係る過熱保護機能半導体スイッチを示すブロック図である。
【図2】 本発明の実施形態に係る過熱保護機能半導体スイッチの温度検知回路を示す回路図である。
【図3】 本発明の第2の実施形態に係る過熱保護機能半導体スイッチを示すブロック図である。
【図4】 従来の過熱保護機能半導体スイッチを示すブロック図及び回路図である。
【符号の説明】
1 パワー素子
2 過熱保護回路
3 分流素子
4 温度検知回路
41 ダイオード
42 抵抗
43 MOSFET
5 制御回路
6 電流検知回路
7 制御回路
Claims (4)
- 負荷電流の流れる主回路に設けられたパワー素子と、前記パワー素子とは独立した基板に形成されるとともに、その内部に温度検出部を備え、前記パワー素子の発熱量が許容範囲を超えたときに前記パワー素子を遮断する過熱保護回路とを備えた過熱保護機能半導体スイッチにおいて、前記過熱保護回路は、前記過熱保護回路に通電を開始した時点での使用環境温度を検知し、その温度に応じて前記パワー素子の発熱量の許容範囲である過熱保護レベルを設定する制御回路を少なくとも有したことを特徴とする過熱保護機能半導体スイッチ。
- 前記過熱保護回路は、前記パワー素子に対して所定の比率の電流が流れる分流素子と、前記分流素子の温度を検知する前記温度検出部としての温度検知回路とを備え、前記制御回路は、前記パワー素子と前記分流素子との電流の比率と、前記分流素子の温度変動とに基づいて、前記パワー素子の発熱量と前記過熱保護レベルとを比較する請求項1記載の過熱保護機能半導体スイッチ。
- 負荷電流の流れる主回路に設けられたパワー素子と、前記パワー素子とは独立した基板に形成されるとともに、その内部に温度検出部を備え、前記パワー素子の発熱量が許容範囲を超えたときに前記パワー素子を遮断する過熱保護回路とを備えた過熱保護機能半導体スイッチにおいて、前記過熱保護回路は、前記過熱保護回路に通電を開始した時点での使用環境温度を検知するとともに、この使用環境温度を逐次更新して、その温度に応じて前記パワー素子の発熱量の許容範囲である過熱保護レベルを逐次更新して設定する制御回路を少なくとも有したことを特徴とする過熱保護機能半導体スイッチ。
- 前記過熱保護回路は、前記パワー素子に対して所定の比率の電流が流れる分流素子と、前記分流素子の温度を検知する前記温度検出部としての温度検知回路と、前記分流素子に流れる電流を検出する電流検出回路とを備え、前記制御回路は、前記分流素子の温度と電流とに基づいて、前記使用環境温度を逐次計算するとともに、前記パワー素子と前記分流素子との電流の比率と、前記分流素子の温度変動に基づいて、前記パワー素子の発熱量と前記過熱保護レベルとを比較する請求項3記載の過熱保護機能半導体スイッチ。
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