JP5157091B2

JP5157091B2 - 半導体保護回路装置

Info

Publication number: JP5157091B2
Application number: JP2006173647A
Authority: JP
Inventors: 宮本　　朗
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2026-06-23
Also published as: JP2008005643A

Description

本発明は、電子機器、特にオーディオ機器等のパワーアンプ部に用いられる、パワートランジスタ等のパワー半導体素子が、過電流や発熱等によって故障や不具合を起こさないように保護する、半導体保護回路装置に関する。

パワーアンプ部に用いられるパワー半導体素子を有する電子機器には、家庭内オーディオシステムやカーオーディオシステム、カーナビゲーションシステム等があり、一般に広く利用されている。そして、これらパワー半導体素子が備えられている電子機器では、過電流が流れた際に回路素子の破損及び発熱を防ぐための保護装置を備えるのが、機器の保護や安全を期する上で好ましい。

保護手段を備えた回路構成例として、図４に過電流検出装置４を備えた過電流検出回路１３を示す。同図によれば、パワー半導体素子２へ過電流が流れた際、過電流検出装置４が過電流を検出する。マイコン６（マイクロコンピュータ）は、過電流検出装置４からの検出信号に基づいて、パワー半導体素子２への電源供給スイッチ９、１０及びパワー半導体素子２からの出力信号スイッチ８をリレー制御（遮断）するように構成されており、これによりパワー半導体素子２を過電流から保護することができるようになっている。

過電流検出装置４については、予め定められた一定の電流値（例えば、最大定格電流値）以上の電流がパワー半導体素子２に流れた場合に、その値を検出するような回路構成となっている。これによりパワー半導体素子２が、性能範囲以上に流れた電流（過電流）によって破壊されるのを防ぎ、パワー半導体素子２を保護することができるようになっている。

しかしながら、上記した従来の過電流検出装置４の構成では、回路に流れる電流値が予め定められた検出値を超える場合にのみ検出することとしているため、パワー半導体素子２の出力電流がこの検出値より小さいときに検出できない場合がある。例えば図４において、信号出力端子７の短絡（ショート）等があった場合で、かつ出力電流が過電流検出レベルよりも小さいときには、過電流検出装置４は検出することはなく、マイコン６は出力信号スイッチ８と電源供給スイッチ９、１０をオフにすることはない。このままの状態にしておくと、電源供給電圧Ｐ×電流ｃ＝Ｐｃ（Ｗ）がパワー半導体素子にかかり、一定時間経過後Ｐｃオーバーで温度が上昇することで、パワー半導体素子２の故障を引き起こしてしまうという問題がある。

また、具体的事例として、以下のことが確認されている。アンプの出力電圧が１ｖ未満では働かない過電流検出器において、アンプの出力電圧が０．８ｖのとき、アンプの信号出力端子７を０．２Ωでショートすると、４Ａの電流が流れる。アンプの最大電気容量が４０（Ｗ）であるとき、パワー半導体素子に２０ｖの電圧がかかっていると、Ｐｃ＝８０（Ｗ）となり、パワー半導体素子のＰｃがオーバーして温度が上昇しはじめる。パワー半導体素子の温度が１５０℃を超えると、パワー半導体素子は破壊される。

一方、特許文献１には、前記過電流検出装置４のように、ある一定値以上の電流値だけを検出するのではなく、検出する電流値がパワー半導体素子２の出力電流値に対応して変化する過電流検出回路が開示されている。この検出回路では、アンプの出力電流値が短絡（ショート）により小さい場合でも、過電流検出値も出力電流に応じて変化をする回路構成となっている。したがって、上述したような一定値以上の電流値しか検出できないといった課題を回避しており、ショートなどの異常時においても過電流を検出することができるようになっている。
特開２００４−８０９１３号公報

しかしながら、特許文献１による過電流検出装置４の場合であっても、過電流検出装置４で監視しているのはパワー半導体素子２に流れる過電流のみであり、パワー半導体素子２自体の温度上昇については何ら考慮しておらず、発熱による破壊を保護するには十分ではない。また、パワー半導体素子２が正常動作の範囲（安全動作領域）内であっても、一時的に過電流と検出した場合には直ちに障害発生と検出してしまうため、誤検出してしまう場合がある。

本発明の課題は、パワー半導体素子が発熱により破壊されることを防止するとともに、異常発生の誤検出を防止することが可能な半導体保護回路装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、
パワー半導体素子を備えたパワーアンプ部と、前記パワーアンプ部に流れる過電流を検出する過電流検出部と、前記過電流検出部が過電流を検出した際に前記パワーアンプ部への電源供給及び／又は当該パワーアンプ部からの出力信号を制御する制御部と、
を備えた半導体保護回路において、
前記パワーアンプ部のパワー半導体素子の温度を検出する温度検出部と、
前記パワーアンプ部から出力された出力レベル又は前記パワーアンプ部へ入力する入力レベルを検出するレベル検出部と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記レベル検出部から検出された出力レベル又は入力レベルが所定値以下で、かつ、前記温度検出部により検出された温度が所定値以上となった際に、前記パワーアンプ部への電源供給及び／又は当該パワーアンプ部からの出力信号を制御することを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記制御部は、前記温度検出部により検出された温度が所定値以上となった際に、所定時間経過後に、前記パワーアンプ部への電源供給及び／又は当該パワーアンプ部からの出力信号を制御することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、
パワー半導体素子の温度が所定値よりも大きくなった場合、温度検出部がその温度を検出して、制御部によりパワー半導体素子への電源供給及び／又は当該パワー半導体素子への出力信号をストップ（リレー制御）する。これにより、熱によるパワー半導体素子の破壊を防ぐことが可能となり、より安全に保護することができる。また、パワー半導体素子の温度が所定値以上にならない限り、制御は働かないので、大出力時の制御部による誤動作を防止することができる。
さらに、パワー半導体素子からの出力レベル又は入力レベルを監視し、レベル検出部から検出された出力レベル又は入力レベルが所定値以下で、かつ前記温度検出部により検出された温度が所定値以上となった際にパワーアンプ部への電源供給及び／又は当該パワーアンプ部からの出力信号を制御することで、
パワー半導体素子の動作及び状態に異常が発生しているか否かをより正確に処理、判定することができる。

請求項２に記載の発明によれば、
温度検出部が所定値以上の温度を検出した場合、制御部は所定時間経過後にパワーアンプ部への電源供給及び／又は当該パワーアンプ部からの出力信号を制御する。検出してから制御するまでに時間差を設けることにより、一時的に異常値となった場合における誤検出を防ぐことができる。

以下、本発明による半導体保護回路装置ついて最適な実施形態の構成及び動作について図面を用いて詳細に説明する。なお、説明の便宜上、従来技術において説明した構成要素に対応する要素には、同様の参照符号を使用することとする。また、説明は主として従来技術との相違点を中心に行うこととする。

図１に、本発明による半導体保護回路装置１の回路図を示す。
過電流検出装置４は、パワー半導体素子２に流れる電流値を監視し、当該パワー半導体素子２に流れる過電流を検出し、その検出信号を制御部であるマイコン６へと出力する。

レベル検出部５は、パワー半導体素子２から出力される出力レベルを検出するものであり、この検出信号をマイコン６へと出力する。

温度検出部３は、パワー半導体素子２の温度を検出するものであり、この検出信号をマイコン６へと出力する。この温度検出部３は温度センサーモジュールであり、具体的にはサーミスタと抵抗器の分圧値をマイコンで検出するものである。サーミスタは、例えばパワー半導体素子２の放熱器等（図示せず）に取り付けられている。

レベル検出部５、温度検出部３、過電流検出装置４はそれぞれマイコン６に接続されている。一方、パワー半導体素子２に電源を供給するための電源供給装置１２の電源供給スイッチ９、１０及びパワー半導体素子２から出力される出力信号スイッチ８がそれぞれマイコン６に接続されている。マイコン６は、レベル検出部５、温度検出部３、過電流検出装置４から得られる信号に基づき、出力信号スイッチ８と電源供給スイッチ９及び１０のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。

次に、図１の半導体保護回路装置１の動作について、図２のフローチャートを参照して説明する。なお、図２に示した各処理は、マイコン６により行われる処理を示している。

まず、レベル検出部５により検出されたパワー半導体素子２の出力レベル（Ｉ）が、出力所定値（Ｉｒｅｆ）以下か否かが判定される（ステップＳ１）。ここで、ステップＳ１の判定の指標となる出力所定値は、正常動作時におけるパワー半導体素子２の出力レベルに基づいて定められていることが好ましく、マイコン６に内蔵されたＲＯＭ等の記憶手段（図示せず）に予め記憶されているものとする。

ステップＳ１において、パワー半導体素子２の出力レベルが出力所定値を上回ると判定された場合には（ステップＳ１；Ｎｏ）、ステップＳ１へと再び戻り、出力レベルが監視される。また、ステップＳ１において、パワー半導体素子２の出力レベルが出力所定値以下と判定された場合には（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、さらに、温度検出部３により検出されたパワー半導体素子２の温度（Ｔ）が温度所定値（Ｔｒｅｆ）以下か否かが判定される（ステップＳ２）。ここで、ステップＳ２の判定の指標となる温度所定値は、正常動作時におけるパワー半導体素子２の発熱温度に基づいて定められていることが好ましく、マイコン６に内蔵されたＲＯＭ等の記憶手段（図示せず）に予め記憶されているものとする。

ステップＳ２において、パワー半導体素子２の温度が温度所定値を下回ると判定された場合には（ステップＳ２；Ｎｏ）、ステップＳ１へと再び戻り、パワー半導体素子２の出力レベルが出力所定値以下で、かつパワー半導体素子２の温度が温度所定値以上となるまで待機（ループ処理）が行われる。このように、パワー半導体素子２の出力レベルが出力所定値以下で、かつパワー半導体素子２の温度が温度所定値以上となるまでループ処理を行うことにより、出力レベルの異常値が検出されてからパワー半導体素子２への電源供給の停止が行われるまでに、タイムラグが生じる。

一方、ステップＳ２において、パワー半導体素子２の温度が所定値以上と判定された場合には（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、出力信号スイッチ８、電源供給スイッチ９及び１０をオフ状態とする保護動作（リレー制御）が行われ（ステップＳ３）、本処理は終了する。

以上のように、本実施形態によれば、温度検出部３によりパワー半導体素子２の温度を検出し、かつレベル検出部５により出力レベルを検出する。これにより、マイコン６は当該２つの検出信号に基づき、パワー半導体素子２の異常動作時には、パワー半導体素子２への電源供給及び／又はパワー半導体素子２からの出力信号を停止することが可能となり、より確実にパワー半導体素子２の保護を図ることができる。

また、出力レベルの異常値が検出されてから、パワー半導体素子２への電源供給の停止が行われるまでにタイムラグが生じることにより、正常動作の範囲内にあるにもかかわらず、出力レベルが一時的に異常値となった場合等での誤検出を防止することが可能となる。なお、温度検出部３による検出温度が所定値以上（ステップＳ２；Ｙｅｓ）となった場合、マイコン６は瞬間的に制御動作をするのではなく、マイコン６に備えられているクロック等の計時手段により、所定時間経過後にパワー半導体素子２への電源供給及び／又はパワー半導体素子２からの出力信号を停止することとしてもよい（図示せず）。

以上、本実施形態における半導体保護回路装置１について説明してきたが、上記の実施形態における記述内容は、本発明に係る半導体保護回路装置１の一例であり、本発明の要旨を逸脱することがない範囲であればこれに限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、図３のようにレベル検出部５をパワー半導体素子の入力側に接続し、外部装置から入力されるパワー半導体素子２への入力レベルに基づいて、パワー半導体素子２の保護を図る制御を行うこととしてもよい。

また、上記実施形態では、マイコン６は、温度検出部３、レベル検出部５及び過電流検出装置４から検出される検出信号に基づいて、パワー半導体素子２の保護を図る制御を行うこととしたが、これに限らず、レベル検出部５は備えずに、温度検出部３及び過電流検出装置４を備えた半導体保護回路装置とし、パワー半導体素子２の温度及び過電流のそれぞれから検出される検出信号に基づいて、パワー半導体素子２の保護を図る制御を行うこととしてもよい。

本発明に係る半導体保護回路装置１の構成例を示す図である。図１の半導体保護回路装置１において、マイコン６がおこなう制御フローを説明する図である。図１の半導体保護回路装置１における、他の構成例を示す図である。従来の過電流検出回路１３の構成例を示す図である。

符号の説明

１半導体保護回路装置
２パワー半導体素子
３温度検出部
４過電流検出装置
５レベル検出部
６マイコン
７信号出力端子
８信号出力スイッチ
９第一電源供給スイッチ
１０第二電源供給スイッチ
１１信号入力端子
１２電源供給装置
１３過電流検出回路

Claims

パワー半導体素子を備えたパワーアンプ部と、前記パワーアンプ部に流れる過電流を検出する過電流検出部と、前記過電流検出部が過電流を検出した際に前記パワーアンプ部への電源供給及び／又は当該パワーアンプ部からの出力信号を制御する制御部と、
を備えた半導体保護回路において、
前記パワーアンプ部のパワー半導体素子の温度を検出する温度検出部と、
前記パワーアンプ部から出力された出力レベル又は前記パワーアンプ部へ入力する入力レベルを検出するレベル検出部と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記レベル検出部から検出された出力レベル又は入力レベルが所定値以下で、かつ、前記温度検出部により検出された温度が所定値以上となった際に、前記パワーアンプ部への電源供給及び／又は当該パワーアンプ部からの出力信号を制御することを特徴とする半導体保護回路装置。
前記制御部は、前記温度検出部により検出された温度が所定値以上となった際に、所定時間経過後に、前記パワーアンプ部への電源供給及び／又は当該パワーアンプ部からの出力信号を制御することを特徴とする請求項１に記載の半導体保護回路装置。