JP6256292B2 - 温度保護装置 - Google Patents

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Description

本発明は、同一パッケージ内に収容された複数のスイッチング素子のための温度保護装置に関する。
従来、同一パッケージ内に収容された複数のスイッチング素子のための温度保護装置として、特許文献1に記載のものが知られている。
この温度保護装置では、いずれかのスイッチング素子の温度が過熱検出温度(閾値)まで上昇すると、温度上昇したスイッチング素子(以下、第1スイッチング素子と示す)の駆動を停止させる。また、この駆動停止とともに、第1スイッチング素子から熱的に影響受ける位置に配置されたスイッチング素子(以下、第2スイッチング素子と示す)の過熱検出温度を、それまでよりも高い温度に切り替える。
特開2004−140094号公報
スイッチング素子は、その温度が過熱検出温度よりも低い所定の復帰温度まで低下すると、駆動再開となる。したがって、第1スイッチング素子で負荷ショートが生じた場合、第1スイッチング素子は、駆動停止と駆動再開を繰り返すこととなる。このとき、第2スイッチング素子が駆動していると、第2スイッチング素子の温度は、第1スイッチング素子の駆動停止により低下するものの、自身が駆動中であるため、第1スイッチング素子よりも緩やかに低下する。したがって、第1スイッチング素子が駆動停止と駆動再開を繰り返す中で、第2スイッチング素子の温度は徐々に上昇し、やがて切り替え後の過熱検出温度に到達する。このように、過熱検出温度を高い温度に切り替えても、正常動作中の第2スイッチング素子の駆動が停止となる虞がある。
本発明は上記問題点に鑑み、負荷ショートが生じたときに、正常動作中のスイッチング素子が駆動停止状態となるのを抑制することを目的とする。
ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。
開示された発明のひとつは、同一パッケージ内に収容され、互いに異なる負荷を駆動する複数のスイッチング素子(14,17)のための温度保護装置であって、各スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段(15,18)と、各スイッチング素子を制御するものであり、スイッチング素子ごとに、過熱状態を検出するための過熱検出温度及び過熱により駆動を停止させたスイッチング素子を再度駆動させるための復帰温度を有し、複数のスイッチング素子のうちの任意の第1スイッチング素子の温度が、対応する過熱検出温度まで上昇すると第1スイッチング素子の駆動を停止させ、対応する復帰温度まで低下すると第1スイッチング素子の駆動を再開させる制御手段(20〜35,40〜55,60〜69、70〜76,86〜99)と、を備える。
そして、制御手段は、第1スイッチング素子の温度が過熱検出温度に達した時点で、第1スイッチング素子を除くスイッチング素子の少なくとも1つが低負荷状態よりも高負荷の高負荷状態の場合、第1スイッチング素子を除くすべてのスイッチング素子が低負荷状態の場合よりも、過熱による駆動停止から駆動再開までの駆動停止時間が長くなるように、第1スイッチング素子の駆動再開のタイミングを制御することを特徴とする。
これによれば、第1スイッチング素子を除くスイッチング素子の少なくとも1つが高負荷状態の場合には、第1スイッチング素子の駆動停止時間を長くする。これにより、高負荷状態のスイッチング素子、すなわち正常動作中のスイッチング素子の温度が、第1スイッチング素子で負荷ショートが生じた影響により過熱検出温度に達し、正常動作中のスイッチング素子が駆動停止状態となるのを抑制することができる。
第1実施形態に係る温度保護装置が適用された半導体装置の概略構成を示す図である。 比較例における半導体装置の作動を示すタイミングチャートである。 第1実施形態の半導体装置の作動を示すタイミングチャートである。 第2実施形態に係る温度保護装置が適用された半導体装置の一部分を示す図である。 第3実施形態に係る温度保護装置が適用された半導体装置の一部分を示す図である。 低負荷状態のタイミングチャートである。 高負荷状態のタイミングチャートである。 第4実施形態に係る温度保護装置が適用された半導体装置の概略構成を示す図である。 クロック生成回路の概略構成を示す図である。 クロック生成回路の作動を示すタイミングチャートである。
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。なお、各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。
(第1実施形態)
先ず、図1に基づき、本実施形態に係る温度保護装置が適用された半導体装置の概略構成について説明する。
図1に示す半導体装置10は、同一のパッケージ内に収容された半導体チップ11,12,13を備えている。たとえば、これら半導体チップ11,12,13は、一体的に樹脂モールドされている。少なくとも半導体チップ11,12が、互いに熱的に影響を受ける位置に配置されている。
半導体チップ11には、第1スイッチング素子14と第1感温素子15が形成されている。第1スイッチング素子14は、負荷100への通電、あるいは、通電の遮断を行う。第1スイッチング素子14としては、MOSFET、IGBTなどを採用することができる。本実施形態では、nチャネル型のMOSFETを採用している。第1スイッチング素子14は、電源16と負荷100との間、すなわち負荷100に対してハイサイド側に配置されている。
第1感温素子15は、第1スイッチング素子14の温度を検出するために、第1スイッチング素子14と同一チップに形成されている。本実施形態では、第1感温素子15として、ダイオードを採用している。以下において、第1スイッチング素子14をスイッチング素子14とも称し、第1感温素子15を感温素子15とも称す。
半導体チップ12には、第2スイッチング素子17と第2感温素子18が形成されている。第2スイッチング素子17は、第1スイッチング素子14が駆動する負荷100とは別の負荷101への通電、あるいは、通電の遮断を行う。第2スイッチング素子17としては、MOSFET、IGBTなどを採用することができる。本実施形態では、nチャネル型のMOSFETを採用している。第2スイッチング素子17は、電源19と負荷101との間、すなわち負荷101に対してハイサイド側に配置されている。
第2感温素子18は、第2スイッチング素子17の温度を検出するために、第2スイッチング素子17と同一チップに形成されている。本実施形態では、第2感温素子18として、ダイオードを採用している。以下において、第2スイッチング素子17を、スイッチング素子17とも称し、第2感温素子18を感温素子18とも称す。上記したスイッチング素子14,17が、特許請求の範囲に記載のスイッチング素子に相当し、感温素子15,18が、特許請求の範囲に記載の温度検出手段に相当する。
半導体チップ13は、スイッチング素子14,17の制御回路などが形成された回路チップである。半導体チップ13は、第1スイッチング素子14の駆動を制御する制御部として、ゲート駆動回路20、定電流源21、コンパレータ22,29、抵抗23〜25,30,31、トランスファゲート27,28,33,34、NOTゲート26,32、及びORゲート35を有している。
ゲート駆動回路20は、図示しないマイコンから入力されるゲート駆動信号(デジタル信号)に基づき、第1スイッチング素子14のゲート電極に対して、gate1信号(アナログ信号)を出力する。ORゲート35からHレベルの信号が入力されると、ゲート駆動信号によらず、ゲート駆動回路20は、gate1信号として第1スイッチング素子14をオフさせる信号(Lレベルの信号)を出力する。一方、ORゲート35からLレベルの信号が入力されると、ゲート駆動信号にしたがって、gate1信号を出力する。本実施形態では、負荷100に通電する際に第1スイッチング素子14がオンされ、負荷100への通電を遮断する際にオフされる単純なオン/オフ制御であるため、ORゲート35からLレベルの信号が入力されると、第1スイッチング素子14をオンさせる信号(Hレベルの信号)を出力する。
定電流源21は、第1感温素子15に対して定電流を供給する。第1感温素子15としてのダイオードは、カソードをグランド側にして接続されている。
コンパレータ22の反転入力端子には、第1感温素子15としてのダイオードのアノードが接続されている。また、非反転入力端子には、参照電圧が入力される。参照電圧として、後述する過熱検出温度に対応する電圧と、第1復帰温度に対応する電圧とを切り替えて設定可能である。
ダイオードのVfは温度依存性を有し、温度が低いほど大きくなり、温度が高いほど小さくなる。コンパレータ22は、第1感温素子15にて検出される第1スイッチング素子14の温度が過熱検出温度よりも低いとLレベルの信号を出力し、過熱検出温度よりも高いとHレベルの信号を出力する。また、第1復帰温度よりも低いとLレベルの信号を出力し、第1復帰温度よりも高いとHレベルの信号を出力する。
抵抗23〜25は、電源とグランドとの間に互いに直列に接続されている。なお、電源側から、抵抗23、抵抗24、抵抗25の順に配置されている。これら抵抗23〜25により、電源電圧が分圧される。
NOTゲート26は、コンパレータ22の出力端子に接続されており、コンパレータ22の出力信号を反転して出力する。トランスファゲート27,28は、nチャネル型MOSFETとpチャネル型MOSFETとを組み合わせたCMOS型のトランスファゲートである。トランスファゲートは、トランスミッションゲート、MOSスイッチとも呼ばれる。
トランスファゲート27のnチャネル側のゲートには、コンパレータ22の出力信号が入力され、pチャネル側のゲートには、NOTゲート26にて反転された信号が入力される。トランスファゲート27の入力端子は、抵抗23,24の接続点に接続され、出力端子はコンパレータ22の非反転入力端子に接続されている。
トランスファゲート28のpチャネル側のゲートには、コンパレータ22の出力信号が入力され、nチャネル側のゲートには、NOTゲート26にて反転された信号が入力される。トランスファゲート28の入力端子は、抵抗24,25の接続点に接続され、出力端子はコンパレータ22の非反転入力端子に接続されている。
コンパレータ22の出力信号は、第1スイッチング素子14の温度が過熱検出温度(175℃)に達するまでLレベルとなる。これにより、NOTゲート26の出力がHレベルとなり、トランスファゲート28がオンし、トランスファゲート27がオフする。したがって、抵抗24,25の接続点の電圧が、参照電圧としてコンパレータ22の非反転入力端子に入力される。抵抗24,25の接続点の電位は、過熱検出温度(175℃)に対応する電圧に設定されている。
第1スイッチング素子14の温度が過熱検出温度に到達する(超える)と、コンパレータ22の出力信号がHレベルとなる。これにより、NOTゲート26の出力がLレベルとなり、トランスファゲート27がオンし、トランスファゲート28がオフする。したがって、コンパレータ22の参照電圧が、抵抗23,24の接続点の電圧に切り替わる。抵抗23,24の接続点の電圧は、第1復帰温度に対応する電圧に設定されている。本実施形態では、第1復帰温度が150℃とされている。
第1スイッチング素子14の温度が第1復帰温度に低下するまで、コンパレータ22の出力信号はHレベルを維持する。これにより、トランスファゲート27がオン、トランスファゲート28がオフの状態を維持する。したがって、コンパレータ22の参照電圧として、抵抗24,25の接続点の電圧が設定される。また、第1スイッチング素子14の温度が第1復帰温度まで低下する(第1復帰温度を下回る)と、コンパレータ22の出力信号がLレベルとなる。これにより、トランスファゲート28がオンし、トランスファゲート27がオフする。したがって、コンパレータ22の参照電圧が、抵抗24,25の接続点の電圧に切り替わる。
このように、抵抗23〜25、NOTゲート26、トランスファゲート27,28を含んで、コンパレータ22に参照電圧を供給する基準電圧源が構成されている。この基準電圧源は、過熱検出温度に対応する電圧と、第1復帰温度に対応する電圧とを切り替えて設定可能である。
一方、コンパレータ29の反転入力端子には、第2感温素子18としてのダイオードのアノードが接続されている。また、非反転入力端子には、参照電圧が入力される。参照電圧として、後述するグランド電位と、第2復帰温度に対応する電圧とを切り替えて設定可能である。コンパレータ29は、第2感温素子18にて検出される第2スイッチング素子17の温度が、第2復帰温度よりも低いとLレベルの信号を出力し、第2復帰温度よりも高いとHレベルの信号を出力する。
抵抗30,31は、電源とグランドとの間に互いに直列に接続されている。なお、電源側から、抵抗30、抵抗31の順に配置されている。これら抵抗30,31により、電源電圧が分圧される。
NOTゲート32は、ORゲート35の出力端子に接続されており、ORゲート35の出力信号を反転して出力する。トランスファゲート33,34は、CMOS型のトランスファゲートである。
トランスファゲート33のnチャネル側のゲートには、ORゲート35の出力信号が入力され、pチャネル側のゲートには、NOTゲート32にて反転された信号が入力される。トランスファゲート33の入力端子は、抵抗30,31の接続点に接続され、出力端子はコンパレータ29の非反転入力端子に接続されている。
トランスファゲート34のpチャネル側のゲートには、ORゲート35の出力信号が入力され、nチャネル側のゲートには、NOTゲート32にて反転された信号が入力される。トランスファゲート34の入力端子は、グランドに接続され、出力端子はコンパレータ29の非反転入力端子に接続されている。
ORゲート35は、2つのコンパレータ22,29の出力に基づき、ゲート駆動回路20に対してOVT1信号を出力する。ORゲート35は、コンパレータ22,29の出力がともにLレベルの場合にのみ、Lレベルの信号を出力する。それ以外の場合は、Hレベルの信号を出力する。
ORゲート35の出力信号がLレベルの場合、すなわちコンパレータ22,29の出力信号がともにLレベルの場合、NOTゲート32の出力がHレベルとなり、トランスファゲート34がオンし、トランスファゲート33がオフする。したがって、参照電圧としてグランド電位が、コンパレータ29の非反転入力端子に入力される。第1スイッチング素子14の温度が、第1復帰温度に到達し、過熱検出温度に到達するまでの期間は、コンパレータ22の出力信号がLレベルとなる。ORゲート35の出力信号は、この期間においてLレベルとなる。このように、コンパレータ29は、過熱検出をしない構成となっている。
第1スイッチング素子14の温度が、過熱検出温度に到達すると、コンパレータ22の出力信号がHレベルとなり、ORゲート35の出力信号もHレベルとなる。ORゲート35の出力信号は、第1スイッチング素子14の温度が、過熱検出温度に到達してから第1復帰温度まで低下する期間において、Hレベルとなる。これにより、NOTゲート32の出力がLレベルとなり、トランスファゲート33がオンし、トランスファゲート34がオフする。したがって、コンパレータ29の参照電圧が、抵抗30,31の接続点の電圧に切り替わる。抵抗30,31の接続点の電圧は、第1復帰温度よりも低い温度である第2復帰温度に対応する電圧に設定されている。本実施形態では、第2復帰温度が135℃とされている。
第2スイッチング素子17の温度が第2復帰温度に低下するまで、コンパレータ29の出力信号はHレベルを維持する。第1スイッチング素子14の温度が第1復帰温度(150℃)まで低下し、コンパレータ22の出力信号がLレベルとなっても、第2スイッチング素子17の温度が第2復帰温度に低下するまで、コンパレータ29の出力信号はHレベルを維持する。
第2スイッチング素子17の温度が第2復帰温度まで低下する(第2復帰温度を下回る)と、コンパレータ29の出力信号がLレベルとなる。コンパレータ22,29の出力信号がともにLレベルになるため、ORゲート35の出力信号がLレベルになる。したがって、トランスファゲート34がオンし、トランスファゲート33がオフする。これにより、コンパレータ29の参照電圧が、グランド電位に切り替わる。
このように、抵抗30,31、NOTゲート32、トランスファゲート33,34を含んで、コンパレータ29に参照電圧を供給する基準電圧源が構成されている。この基準電圧源は、第2復帰温度に対応する電圧と、グランド電位とを切り替えて設定可能である。
半導体チップ13は、第2スイッチング素子17の駆動を制御する制御部として、ゲート駆動回路40、定電流源41、コンパレータ42,49、抵抗43〜45,50,51、トランスファゲート47,48,53,54、NOTゲート46,52、及びORゲート55を有している。
ゲート駆動回路40は、図示しないマイコンから入力されるゲート駆動信号(デジタル信号)に基づき、第2スイッチング素子17のゲート電極に対して、gate2信号(アナログ信号)を出力する。ORゲート55からHレベルの信号が入力されると、ゲート駆動信号によらず、ゲート駆動回路40は、gate2信号として第2スイッチング素子17をオフさせる信号(Lレベルの信号)を出力する。一方、ORゲート55からLレベルの信号が入力されると、ゲート駆動信号にしたがって、gate2信号を出力する。本実施形態では、負荷101に通電する際に第2スイッチング素子17がオンされ、負荷101への通電を遮断する際にオフされる単純なオン/オフ制御であるため、ORゲート55からLレベルの信号が入力されると、第2スイッチング素子17をオンさせる信号(Hレベルの信号)を出力する。
定電流源41は、第2感温素子18に対して定電流を供給する。第2感温素子18としてのダイオードは、カソードをグランド側にして接続されている。
コンパレータ42の反転入力端子には、第2感温素子18としてのダイオードのアノードが接続されている。また、非反転入力端子には、参照電圧が入力される。参照電圧として、後述する過熱検出温度に対応する電圧と、第1復帰温度に対応する電圧とを切り替えて設定可能である。コンパレータ42は、第2感温素子18にて検出される第2スイッチング素子17の温度が過熱検出温度よりも低いとLレベルの信号を出力し、過熱検出温度よりも高いとHレベルの信号を出力する。また、第1復帰温度よりも低いとLレベルの信号を出力し、第1復帰温度よりも高いとHレベルの信号を出力する。
抵抗43〜45は、電源とグランドとの間に互いに直列に接続されている。なお、電源側から、抵抗43、抵抗44、抵抗45の順に配置されている。これら抵抗43〜45により、電源電圧が分圧される。
NOTゲート46は、コンパレータ42の出力端子に接続されており、コンパレータ42の出力信号を反転して出力する。トランスファゲート47,48は、CMOS型のトランスファゲートである。トランスファゲート47のnチャネル側のゲートには、コンパレータ42の出力信号が入力され、pチャネル側のゲートには、NOTゲート46にて反転された信号が入力される。トランスファゲート47の入力端子は、抵抗43,44の接続点に接続され、出力端子はコンパレータ42の非反転入力端子に接続されている。
トランスファゲート48のpチャネル側のゲートには、コンパレータ42の出力信号が入力され、nチャネル側のゲートには、NOTゲート46にて反転された信号が入力される。トランスファゲート48の入力端子は、抵抗44,45の接続点に接続され、出力端子はコンパレータ42の非反転入力端子に接続されている。
コンパレータ42の出力信号は、第2スイッチング素子17の温度が過熱検出温度に達するまでLレベルとなる。これにより、NOTゲート46の出力がHレベルとなり、トランスファゲート48がオンし、トランスファゲート47がオフする。したがって、抵抗44,45の接続点の電圧が、参照電圧としてコンパレータ42の非反転入力端子に入力される。抵抗44,45の接続点の電位は、過熱検出温度に対応する電圧に設定されている。過熱検出温度として、第1スイッチング素子14の過熱検出温度と同じ温度(175℃)が設定されている。
第2スイッチング素子17の温度が過熱検出温度に到達する(超える)と、コンパレータ42の出力信号がHレベルとなる。これにより、NOTゲート46の出力がLレベルとなり、トランスファゲート47がオンし、トランスファゲート48がオフする。したがって、コンパレータ42の参照電圧が、抵抗43,44の接続点の電圧に切り替わる。抵抗43,44の接続点の電圧は、第1復帰温度に対応する電圧に設定されている。第1復帰温度として、第1スイッチング素子14の第1復帰温度と同じ温度(150℃)が設定されている。
第2スイッチング素子17の温度が第1復帰温度に低下するまで、コンパレータ42の出力信号はHレベルを維持する。これにより、トランスファゲート47がオン、トランスファゲート48がオフの状態を維持する。したがって、コンパレータ42の参照電圧として、抵抗44,45の接続点の電圧が設定される。また、第2スイッチング素子17の温度が第1復帰温度まで低下する(第1復帰温度を下回る)と、コンパレータ42の出力信号がLレベルとなる。これにより、トランスファゲート48がオンし、トランスファゲート47がオフする。したがって、コンパレータ42の参照電圧が、抵抗44,45の接続点の電圧に切り替わる。
このように、抵抗43〜45、NOTゲート46、トランスファゲート47,48を含んで、コンパレータ42に参照電圧を供給する基準電圧源が構成されている。この基準電圧源は、過熱検出温度に対応する電圧と、第1復帰温度に対応する電圧とを切り替えて設定可能である。
一方、コンパレータ49の反転入力端子には、第1感温素子15としてのダイオードのアノードが接続されている。また、非反転入力端子には、参照電圧が入力される。参照電圧として、後述するグランド電位と、第2復帰温度に対応する電圧とを切り替えて設定可能である。コンパレータ49は、第1感温素子15にて検出される第1スイッチング素子14の温度が、第2復帰温度よりも低いとLレベルの信号を出力し、第2復帰温度よりも高いとHレベルの信号を出力する。
抵抗50,51は、電源とグランドとの間に互いに直列に接続されている。なお、電源側から、抵抗50、抵抗51の順に配置されている。これら抵抗50,51により、電源電圧が分圧される。
NOTゲート52は、ORゲート55の出力端子に接続されており、ORゲート55の出力信号を反転して出力する。トランスファゲート53,54は、CMOS型のトランスファゲートである。
トランスファゲート53のnチャネル側のゲートには、ORゲート55の出力信号が入力され、pチャネル側のゲートには、NOTゲート52にて反転された信号が入力される。トランスファゲート53の入力端子は、抵抗50,51の接続点に接続され、出力端子はコンパレータ49の非反転入力端子に接続されている。
トランスファゲート54のpチャネル側のゲートには、ORゲート55の出力信号が入力され、nチャネル側のゲートには、NOTゲート52にて反転された信号が入力される。トランスファゲート54の入力端子は、グランドに接続され、出力端子はコンパレータ49の非反転入力端子に接続されている。
ORゲート55は、2つのコンパレータ42,49の出力に基づき、ゲート駆動回路40に対してOVT2信号を出力する。ORゲート55は、コンパレータ42,49の出力がともにLレベルの場合にのみ、Lレベルの信号を出力する。それ以外の場合は、Hレベルの信号を出力する。
ORゲート55の出力信号がLレベルの場合、すなわちコンパレータ42,49の出力信号がともにLレベルの場合、NOTゲート52の出力がHレベルとなり、トランスファゲート54がオンし、トランスファゲート53がオフする。したがって、参照電圧としてグランド電位が、コンパレータ49の非反転入力端子に入力される。第2スイッチング素子17の温度が、第1復帰温度に到達し、過熱検出温度に到達するまでの期間は、コンパレータ42の出力信号がLレベルとなる。ORゲート55の出力信号は、この期間においてLレベルとなる。このように、コンパレータ49は、過熱検出をしない構成となっている。
第2スイッチング素子17の温度が、過熱検出温度に到達すると、コンパレータ42の出力信号がHレベルとなり、ORゲート55の出力信号もHレベルとなる。ORゲート55の出力信号は、第2スイッチング素子17の温度が、過熱検出温度に到達してから第1復帰温度まで低下する期間において、Hレベルとなる。これにより、NOTゲート52の出力がLレベルとなり、トランスファゲート53がオンし、トランスファゲート54がオフする。したがって、コンパレータ49の参照電圧が、抵抗50,51の接続点の電圧に切り替わる。抵抗50,51の接続点の電圧は、第1復帰温度よりも低い温度である第2復帰温度に対応する電圧に設定されている。本実施形態では、第2復帰温度が、第1スイッチング素子14に対する第2復帰温度と同じ温度(135℃)とされている。
第1スイッチング素子14の温度が第2復帰温度に低下するまで、コンパレータ49の出力信号はHレベルを維持する。第2スイッチング素子17の温度が第1復帰温度(150℃)まで低下し、コンパレータ42の出力信号がLレベルとなっても、第1スイッチング素子14の温度が第2復帰温度に低下するまで、コンパレータ49の出力信号はHレベルを維持する。
第1スイッチング素子14の温度が第2復帰温度まで低下する(第2復帰温度を下回る)と、コンパレータ49の出力信号がLレベルとなる。コンパレータ42,49の出力信号がともにLレベルになるため、ORゲート55の出力信号がLレベルになる。したがって、トランスファゲート54がオンし、トランスファゲート53がオフする。これにより、コンパレータ49の参照電圧が、グランド電位に切り替わる。
このように、抵抗50,51、NOTゲート52、トランスファゲート53,54を含んで、コンパレータ49に参照電圧を供給する基準電圧源が構成されている。この基準電圧源は、第2復帰温度に対応する電圧と、グランド電位とを切り替えて設定可能である。
本実施形態では、感温素子15,18と、半導体チップ13に形成された各回路要素20〜35,40〜55により、温度保護装置が構成されている。また、各回路要素20〜35,40〜55が、特許請求の範囲に記載の制御手段に相当する。
次に、図2及び図3に示すタイミングチャートに基づき、比較例としての半導体装置の作動と、上記した半導体装置10の作動について説明する。比較例の半導体装置について、特に図示しないが、本実施形態の半導体装置10を構成する要素と同一要素については、同一の符号を付与して説明する。図2及び図3では、第1スイッチング素子14側で負荷ショートが生じた場合の例を示す。しかしながら、第2スイッチング素子17側で負荷ショートが生じる場合の作動も同様である。第2スイッチング素子17の温度が過熱検出温度に到達する場合には、第2スイッチング素子17が、特許請求の範囲に記載の、任意の第1スイッチング素子に相当することになる。
図2は、比較例としての半導体装置の作動を示している。図2では、第1スイッチング素子14を第1SW、第2スイッチング素子17を第2SWと示している。比較例の半導体装置は、本実施形態の半導体装置10から、回路要素29〜35、49〜55を除いた構成となっている。
したがって、比較例では、コンパレータ22,42の出力が、ゲート駆動回路20,40にそれぞれ入力される。このため、図2において、コンパレータ22,42の出力信号をそれぞれOVT1,OVT2と示す。第1スイッチング素子14の温度が第1復帰温度よりも低いと、コンパレータ22はLレベルの信号をゲート駆動回路20に出力し、第1スイッチング素子14が駆動される。同じく、第2スイッチング素子17の温度が第1復帰温度よりも低いと、コンパレータ42はLレベルの信号をゲート駆動回路40に出力し、第2スイッチング素子17が駆動される。
スイッチング素子14,17が駆動して対応する負荷100,101に給電している状態で、第1スイッチング素子14側に負荷ショート、たとえば負荷100における正極側端子のグランドへの短絡が発生する(タイミングt1)と、電源16から第1スイッチング素子14に過電流が流れ、第1スイッチング素子14の温度が急激に上昇する。すると、第2スイッチング素子17の温度も、第1スイッチング素子14からの熱の影響で上昇する。なお、タイミングt1の時点で、第1スイッチング素子14のほうが第2スイッチング素子17よりも温度が高いものとする。
タイミングt2で第1スイッチング素子14の温度が過熱検出温度(175℃)に達すると、コンパレータ22の出力信号(OVT1)がHレベルとなる。これにより、ゲート駆動回路20は、gate1信号としてLレベルの信号を出力し、第1スイッチング素子14の駆動が停止される。一方、第2スイッチング素子17の温度は、過熱検出温度に到達していないため、第2スイッチング素子17の駆動は維持される。
上記駆動停止により、第1スイッチング素子14の温度は低下する。タイミングt3で第1スイッチング素子14の温度が第1復帰温度(150℃)まで低下すると、コンパレータ22の出力信号(OVT1)がLレベルとなる。これにより、ゲート駆動回路20は、gate1信号としてHレベルの信号を出力し、第1スイッチング素子14が駆動再開となる。タイミングt2からt3の期間において、第2スイッチング素子17は駆動しているため、第1スイッチング素子14よりも温度が下がりにくい。
タイミングt3の後、第1スイッチング素子14の温度は再び上昇する。そして、タイミングt4で過熱検出温度に到達すると、再度第1スイッチング素子14の駆動が停止される。
このように第1スイッチング素子14は、駆動停止、駆動再開を繰り返す。この間、第2スイッチング素子17は常時駆動しているため、第1スイッチング素子14が駆動停止状態でも温度が下がりにくく、時間経過とともに徐々に温度が上昇する。たとえば、第1スイッチング素子14の温度が第1復帰温度まで低下した時点での第2スイッチング素子17の温度が徐々に高くなる。ついには、タイミングt5で第2スイッチング素子17の温度も過熱検出温度に到達し、第2スイッチング素子17が駆動停止となる。
図3は、本実施形態に係る半導体装置10の作動を示している。スイッチング素子14,17が駆動して対応する負荷100,101に給電している状態で、第1スイッチング素子14側で負荷ショートが発生する(タイミングt1)と、電源16から第1スイッチング素子14に過電流が流れ、第1スイッチング素子14の温度が急激に上昇する。なお、タイミングt1の時点で、第1スイッチング素子14のほうが第2スイッチング素子17よりも温度が高いものとする。第2スイッチング素子17の温度も、第1スイッチング素子14からの熱の影響で上昇する。
タイミングt2で第1スイッチング素子14の温度が過熱検出温度(175℃)に達すると、コンパレータ22の出力信号がHレベルとなり、ORゲート35の出力信号OVT1がHレベルとなる。これにより、ゲート駆動回路20は、gate1信号としてLレベルの信号を出力し、第1スイッチング素子14が駆動停止となる。一方、第2スイッチング素子17の温度は、過熱検出温度に到達していないため、第2スイッチング素子17の駆動(オン)は維持される。
上記駆動停止により、第1スイッチング素子14の温度は低下する。タイミングt3で第1スイッチング素子14の温度が第1復帰温度(150℃)まで低下する。しかしながら、タイミングt3において、第2スイッチング素子17の温度は、第2復帰温度(135℃)まで低下していない。このため、コンパレータ22の出力信号がLレベルとなるのに対し、コンパレータ29の出力信号はHレベルのままであり、ORゲート35の出力信号OVT1もHレベルを維持する。
さらに温度が低下し、タイミングt4で第2スイッチング素子17の温度が第2復帰温度まで低下すると、コンパレータ29の出力信号がLレベルになる。これにより、ORゲート35の出力信号OVT1がLレベルとなり、ゲート駆動回路20は、gate1信号としてHレベルの信号を出力し、第1スイッチング素子14が駆動再開となる。
タイミングt4の後、第1スイッチング素子14の温度が再び上昇する。そして、タイミングt5で過熱検出温度に到達すると、再度第1スイッチング素子14の駆動が停止される。第2スイッチング素子17の温度は、過熱検出温度まで到達しないため、第2スイッチング素子17の駆動は維持される。
以後、第1スイッチング素子14は、駆動停止、駆動再開を繰り返す。しかしながら、本実施形態では、第2スイッチング素子17の温度が第2復帰温度に低下するまで、第1スイッチング素子14の駆動を再開させないようにしている。したがって、第1スイッチング素子14が駆動停止、駆動再開を繰り返しても、第1スイッチング素子14の温度が第1復帰温度まで低下した時点での第2スイッチング素子17の温度は、常に同じ温度(第2復帰温度)となる。
なお、第2スイッチング素子17が駆動停止状態の場合、第2スイッチング素子17が駆動(オン)状態の場合よりも、第2スイッチング素子17の温度が第2復帰温度(135℃)まで早く到達する。したがって、第2スイッチング素子17が駆動状態の場合、第1スイッチング素子14が過熱による駆動停止から駆動再開するまでの駆動停止時間(オフ時間)を、第2スイッチング素子17が駆動停止の場合よりも長くすることができる。本実施形態において、スイッチング素子14,17の駆動状態とはオン状態を示し、駆動停止状態とはオフ状態を示す。オフ状態は、スイッチング素子14,17の駆動が低負荷状態であり、オン状態は、低負荷状態よりも高負荷の高負荷状態とも言える。駆動状態とは、対応する負荷100,101へ通電している状態とも言え、駆動停止状態とは、通電を停止した状態とも言える。
次に、本実施形態に係る半導体装置10(温度保護装置)の効果について説明する。
本実施形態によれば、過熱による第1スイッチング素子14の駆動再開を、第1スイッチング素子14の温度と第1復帰温度(150℃)との比較だけでなく、第2スイッチング素子17の温度と第2復帰温度(135℃)との比較によっても決定する。第1スイッチング素子14側で負荷ショートが生じたときに第2スイッチング素子17が駆動状態の場合、駆動停止状態よりも第2スイッチング素子17の温度が高い。しかしながら、第2スイッチング素子17の温度が第2復帰温度まで低下することをまって、第1スイッチング素子14の駆動を再開させる。したがって、第2スイッチング素子17が駆動状態の場合、第1スイッチング素子14が過熱による駆動停止から駆動再開するまでの駆動停止時間を、第2スイッチング素子17が駆動停止の場合よりも長くすることができる。
これにより、駆動状態、すなわち正常動作中の第2スイッチング素子17の温度が、第1スイッチング素子14で負荷ショートが生じた影響により過熱検出温度に達し、第2スイッチング素子17が駆動停止状態になるのを抑制することができる。なお、第2スイッチング素子17側で負荷ショートが生じる場合も同様である。
特に本実施形態では、負荷ショートが生じていない第2スイッチング素子17の温度を検出し、その温度が、第1復帰温度よりも低い所定の第2復帰温度まで低下することをもって、第1スイッチング素子14の駆動停止時間が決定される。したがって、第1スイッチング素子14側での負荷ショートの影響で、第2スイッチング素子17の温度が過熱検出温度に到達し、駆動停止となるのを、より効果的に抑制することができる。なお、第2スイッチング素子17側で負荷ショートが生じる場合も同様である。
上記した過熱検出温度、第1復帰温度、第2復帰温度は一例に過ぎない。過熱検出温度>第1復帰温度>第2復帰温度を満たせば、上記とは違う温度を設定することもできる。
第1スイッチング素子14と第2スイッチング素子17とで、過熱検出温度、第1復帰温度、第2復帰温度を互いに等しくする例を示したが、過熱検出温度、第1復帰温度、第2復帰温度の少なくとも1つを、互いに異なる温度としてもよい。
(第2実施形態)
本実施形態において、第1実施形態に示した半導体装置10(温度保護装置)と共通する部分についての説明は割愛する。
第1実施形態では、たとえば第1スイッチング素子14の駆動再開に際し、第2スイッチング素子17の温度を考慮して、第2スイッチング素子17が駆動状態においては駆動停止状態よりも駆動停止時間が長くなるように、再開のタイミングを制御する例を示した。
これに対し、本実施形態では、第2スイッチング素子17の温度ではなく、ゲート駆動信号を用いる点を特徴とする。図4は、本実施形態に係る半導体装置10のうち、第1スイッチング素子14側の構成を示している。以下においては、第1スイッチング素子14側で負荷ショートが生じる例を示す。なお、第2スイッチング素子17側の構成も、図4に示す第1スイッチング素子14側同様であり、第2スイッチング素子17側で負荷ショートが生じるときにも同様の効果を奏することができる。図4では、第1スイッチング素子14のゲート駆動信号を第1SWゲート駆動信号と示し、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号を第2SWゲート駆動信号と示す。本実施形態でも、スイッチング素子14,17が単純にオン/オフ制御される。
半導体チップ13は、第1スイッチング素子14側の回路要素として、第1実施形態同様、ゲート駆動回路20、定電流源21、及びコンパレータ22を備えている。加えて、半導体チップ13は、抵抗60〜63と、NOTゲート64,65と、トランスファゲート66〜69と、を備えている。したがって、制御手段が、半導体チップ13に形成された各回路要素20〜22、60〜69を備えて構成されている。回路要素60〜69により、コンパレータ22の参照電圧が決定される。
抵抗60〜63は、電源とグランドとの間に互いに直列に接続されている。なお、電源側から、抵抗60、抵抗61、抵抗62、抵抗63の順に配置されている。これら抵抗60〜63により、電源電圧が分圧される。
NOTゲート64は、コンパレータ22の出力端子に接続されており、コンパレータ22の出力信号を反転して出力する。NOTゲート65には、図示しないゲート駆動回路40同様、第2スイッチング素子17に対するゲート駆動信号が入力され、この信号を反転して出力する。
トランスファゲート66〜69は、CMOS型のトランスファゲートである。トランスファゲート66のpチャネル側のゲートには、コンパレータ22の出力信号が入力され、nチャネル側のゲートには、NOTゲート64にて反転された信号が入力される。トランスファゲート66の入力端子は、抵抗62,63の接続点に接続され、出力端子はコンパレータ22の非反転入力端子に接続されている。
トランスファゲート67のnチャネル側のゲートには、コンパレータ22の出力信号が入力され、pチャネル側のゲートには、NOTゲート64にて反転された信号が入力される。トランスファゲート67の入力端子は、トランスファゲート68,69の出力端子に接続され、出力端子はコンパレータ22の非反転入力端子に接続されている。
トランスファゲート68のpチャネル側のゲートには、第2スイッチング素子17に対するゲート駆動信号が入力され、nチャネル側のゲートには、NOTゲート65にて反転された信号が入力される。トランスファゲート68の入力端子は、抵抗61,62の接続点に接続され、出力端子はトランスファゲート67の入力端子に接続されている。
トランスファゲート69のnチャネル側のゲートには、第2スイッチング素子17に対するゲート駆動信号が入力され、pチャネル側のゲートには、NOTゲート65にて反転された信号が入力される。トランスファゲート69の入力端子は、抵抗60,61の接続点に接続され、出力端子はトランスファゲート67の入力端子に接続されている。
このように構成される半導体装置10(温度保護装置)では、第1スイッチング素子14の温度が過熱検出温度(175℃)に達するまで、コンパレータ22の出力信号OVT1がLレベルとなる。これにより、NOTゲート64の出力がHレベルとなり、トランスファゲート66がオンし、トランスファゲート67がオフする。したがって、抵抗62,63の接続点の電圧が、参照電圧としてコンパレータ22の非反転入力端子に入力される。抵抗62,63の接続点の電位は、過熱検出温度(175℃)に対応する電圧に設定されている。
コンパレータ22の出力信号OVT1は、ゲート駆動回路20に入力される。過熱検出温度に達するまでは、上記したように出力信号OVT1がLレベルとされる。ゲート駆動回路20は、出力信号OVT1としてLレベルの信号が入力されると、ゲート駆動信号にしたがって、gate1信号を出力する。本実施形態では、第1スイッチング素子14が単純なオン/オフ制御とされるため、負荷100の駆動時において、第1スイッチング素子14をオンさせる信号(Hレベルの信号)を出力する。
第1スイッチング素子の温度が過熱検出温度に到達すると、コンパレータ22の出力信号がHレベルとなる。これにより、NOTゲート64の出力がLレベルとなり、トランスファゲート66がオフし、トランスファゲート67がオンする。
このとき、第2スイッチング素子17が駆動停止状態、すなわちゲート駆動信号がLレベルの場合、NOTゲート65の出力はHレベルとなり、トランスファゲート68がオン、トランスファゲート69がオフする。したがって、コンパレータ22の参照電圧が、抵抗61,62の接続点の電圧に切り替わる。抵抗61,62の接続点の電圧は、第3復帰温度に対応する電圧に設定されている。本実施形態では、第3復帰温度が150℃とされている。
一方、第2スイッチング素子17が駆動状態、すなわちゲート駆動信号がHレベルの場合、NOTゲート65の出力はLレベルとなり、トランスファゲート68がオフ、トランスファゲート69がオンする。したがって、コンパレータ22の参照電圧が、抵抗60,61の接続点の電圧に切り替わる。抵抗60,61の接続点の電圧は、第4復帰温度に対応する電圧に設定されている。第4復帰温度は、第3復帰温度よりも低い温度が設定される。本実施形態では、第4復帰温度が135℃とされている。
たとえば、第1スイッチング素子14側で負荷ショートが生じると、第1実施形態に示したように、第1スイッチング素子14に過電流が流れ、その温度が急激に上昇する。第2スイッチング素子17のゲート駆動信号が、駆動状態を示すHレベルの場合、第1スイッチング素子14の温度が第4復帰温度まで低下すると、第1スイッチング素子14の駆動が再開される。一方、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号が、駆動停止状態を示すLレベルの場合、第1スイッチング素子14の温度が第3復帰温度まで低下すると、第1スイッチング素子14の駆動が再開される。
このように、本実施形態によれば、第1スイッチング素子14の温度が過熱検出温度に到達した時点で、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号がHレベルの場合、コンパレータ22の参照電圧として第4復帰温度(135℃)に対応する電圧を設定することができる。一方、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号がLレベルの場合、コンパレータ22の参照電圧として第3復帰温度(150℃)に対応する電圧を設定することができる。したがって、第2スイッチング素子17が駆動状態(高負荷状態)の場合、第1スイッチング素子14が過熱による駆動停止から駆動再開するまでの駆動停止時間(オフ時間)を、駆動停止状態(低負荷状態)の場合よりも長くすることができる。
これにより、駆動状態、すなわち正常動作中の第2スイッチング素子17の温度が、第1スイッチング素子14で負荷ショートが生じた影響により過熱検出温度に達し、第2スイッチング素子17が駆動停止状態となるのを抑制することができる。なお、第2スイッチング素子17側で負荷ショートが生じる場合も同様である。
上記した過熱検出温度、第3復帰温度、第4復帰温度は一例に過ぎない。過熱検出温度>第3復帰温度>第4復帰温度を満たせば、上記とは違う温度を設定することもできる。
第1スイッチング素子14と第2スイッチング素子17とで、過熱検出温度、第3復帰温度、第4復帰温度を互いに等しくしてもよいし、過熱検出温度、第3復帰温度、第4復帰温度の少なくとも1つを、互いに異なる温度としてもよい。
(第3実施形態)
本実施形態において、第2実施形態に示した半導体装置10(温度保護装置)と共通する部分についての説明は割愛する。
第2実施形態では、たとえば第2スイッチング素子17のゲート駆動信号により、コンパレータ22の参照電圧(換言すれば復帰温度)を切り替えることで、第1スイッチング素子14の駆動再開のタイミングを制御する例を示した。
これに対し、本実施形態では、たとえば第2スイッチング素子17のゲート駆動信号に基づいて第2スイッチング素子17が駆動状態のときと駆動停止状態のときとでクロックの周期を異ならせることで、第1スイッチング素子14の駆動再開のタイミングを制御する点を特徴とする。
図5は、本実施形態に係る半導体装置10のうち、第1スイッチング素子14側の構成を示している。以下においては、第1スイッチング素子14側で負荷ショートが生じる例を示す。なお、第2スイッチング素子17側の構成も、図5に示す第1スイッチング素子14側同様であり、第2スイッチング素子17側で負荷ショートが生じるときにも同様の効果を奏することができる。図5では、第1スイッチング素子14のゲート駆動信号を第1SWゲート駆動信号と示し、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号を第2SWゲート駆動信号と示している。また、クロックを、CLKと示している。本実施形態でも、スイッチング素子14,17が単純にオン/オフ制御される。
半導体チップ13は、第1スイッチング素子14側の回路要素として、第1実施形態同様、ゲート駆動回路20、定電流源21、コンパレータ22、及び基準電圧源36を備えている。この基準電圧源36はヒステリシスをもっており、第1実施形態同様、過熱検出温度(たとえば175℃)に対応する電圧と復帰温度(たとえば150℃)に対応する電圧とを切り替えて設定可能である。
加えて、半導体チップ13は、クロック生成回路70と、ANDゲート71と、フリップフロップ72〜75と、NANDゲート76と、を備えている。したがって、制御手段が、半導体チップ13に形成された各回路要素20〜23、70〜76を備えて構成されている。
クロック生成回路70は、クロックを生成する回路である。本実施形態では、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号の状態に応じて、互いに周期の異なるクロックを生成する。具体的には、ゲート駆動信号がHレベル(駆動状態)のときに生成されるクロックのほうが、Lレベル(駆動停止状態)のときに生成されるクロックよりも、周期が長い。
ANDゲート71は、クロック生成回路70にて生成されたクロック、及び、NANDゲート76の出力が入力される。NANDゲート76の出力がLレベルの場合、ANDゲート71の出力信号はLレベルとなる。一方、NANDゲート76の出力がHレベルの場合、ANDゲート71の出力は、クロックに従ったものとなる。
フリップフロップ72〜75は、T型のフリップフロップであり、トグルフリップフロップとも呼ばれる。各フリップフロップ72〜75のクリア端子には、コンパレータ22の出力信号が入力される。コンパレータ22の出力信号がHレベルの場合、各フリップフロップ72〜75はリセット状態となる。コンパレータ22の出力信号がLレベルになると、リセットが解除される。
基準電圧源36が過熱検出温度に対応する電圧を設定している場合、第1スイッチング素子14の温度が過熱検出温度よりも低いと、コンパレータ22の出力信号がLレベルとなり、過熱検出温度よりも高いとHレベルとなる。また、基準電圧源36が復帰温度に対応する電圧を設定している場合、第1スイッチング素子14の温度が復帰温度よりも低いとコンパレータ22の出力信号がLレベルとなり、復帰温度よりも高いとHレベルとなる。したがって、第1スイッチング素子14の温度が過熱検出温度に到達してから復帰温度まで低下する期間は、コンパレータ22の出力信号がHレベルとなり、各フリップフロップ72〜75はリセット状態となる。
ANDゲート71にNANDゲート76からHレベルの信号が入力されている場合、1段目のフリップフロップ72には、ANDゲート71を介して、クロック生成回路70にて生成されたクロックが入力され、その出力は、次段のフリップフロップ73及びNANDゲート76に入力される。2段目のフリップフロップ73には、1段目のフリップフロップ72の出力が入力され、その出力は、次段のフリップフロップ74及びNANDゲート76に入力される。3段目のフリップフロップ74には、2段目のフリップフロップ73の出力が入力され、その出力は、次段のフリップフロップ75及びNANDゲート76に入力される。4段目のフリップフロップ75には、3段目のフリップフロップ74の出力が入力され、その出力は、NANDゲート76に入力される。このように、4段のフリップフロップ72〜75によりカウンタが構成されている。
NANDゲート76は、各フリップフロップ72〜75の出力信号が、すべてHレベルの場合にのみ、Lレベルの信号を出力し、それ以外の場合には、Hレベルの信号を出力する。NANDゲート76の出力信号がLレベルの場合、ゲート駆動回路20は、ゲート駆動信号にしたがって、gate1信号を出力する。
次に、図6及び図7に基づき、過熱検出温度に到達した後、第1スイッチング素子14の温度が復帰温度まで低下したときの駆動停止時間の設定方法について説明する。図6及び図7では、便宜上、フリップフロップをFFと示している。また、第2スイッチング素子17の駆動停止状態において生成されるクロックをCLK1、駆動状態において生成されるクロックをCLK2と示している。
図6は、第2スイッチング素子17が駆動停止状態(オフ状態)の場合を示している。クロック生成回路70は、周期T1のクロックを生成する。第1スイッチング素子14の温度が復帰温度まで低下すると、コンパレータ22の出力信号が、HレベルからLレベルに切り替わる。また、基準電圧源36の参照電圧が、復帰温度に対応する電圧から過熱検出温度に対応する電圧に切り替わる。コンパレータ22の出力レベルがLレベルに切り替わると、各フリップフロップ72〜75のリセット状態が解除される。
各フリップフロップ72〜75は、入力信号の立ち下がりで反転する。したがって、コンパレータ22の出力がLレベルに切り替わって最初のクロックの立ち下がりのタイミングt1で、フリップフロップ72が立ち上がり、フリップフロップ72の出力信号の周期は、クロックの周期T1の2倍となる。2段目のフリップフロップ73は、フリップフロップ72の出力信号の最初の立ち下がりのタイミングt2で立ち上がり、フリップフロップ73の出力信号の周期は、フリップフロップ72の周期の2倍、すなわちクロックの周期T1の4倍となる。
3段目のフリップフロップ74は、フリップフロップ73の出力信号の最初の立ち下がりのタイミングt3で立ち上がり、フリップフロップ74の出力信号の周期は、フリップフロップ73の周期の2倍、すなわちクロックの周期T1の8倍となる。4段目のフリップフロップ75は、フリップフロップ74の出力信号の最初の立ち下がりのタイミングt4で立ち上がり、フリップフロップ75の出力信号の周期は、フリップフロップ74の周期の2倍、すなわちクロックの周期T1の16倍となる。そして、すべてのフリップフロップ72〜75の出力信号がHレベルになると(タイミングt5)、NANDゲート76の出力レベルがLレベルとなる。
NANDゲート76の出力信号がLレベルになる、すなわちフリップフロップ72〜75によるカウントが終了(すべてがHレベル)すると、クロックの入力がマスクされる。そして、ANDゲート71の出力信号もLレベルになる。第1スイッチング素子14の温度が過熱検出温度に到達すると、コンパレータ22の出力信号が、LレベルからHレベルに切り替わる。また、基準電圧源36の参照電圧が、復帰温度に対応する電圧に切り替わる。コンパレータ22の出力レベルがHレベルに切り替わるため、各フリップフロップ72〜75がリセット状態となる。
リセット状態において、各フリップフロップ72〜75の出力信号はLレベルであり、NANDゲート76の出力信号はHレベルとなる。このため、ゲート駆動回路20は、gate1信号としてLレベルの信号を出力し、第1スイッチング素子14の駆動が停止される。また、ANDゲート71にHレベルの信号が入力され、ANDゲート71は、クロック生成回路70からフリップフロップ72へのクロックの入力を有効にする。
このように、第2スイッチング素子17が駆動停止状態の場合、コンパレータ22の出力がLレベルになり、さらに所定時間T2が経過してから、第1スイッチング素子14が駆動状態となる。所定時間T2は、後述する所定時間T4に較べて極短い時間(たとえば1msec)が設定される。
図7は、第2スイッチング素子17が駆動状態(オン状態)の場合を示している。クロック生成回路70は、周期T3(>T1)のクロックを生成する。各フリップフロップ72〜75及びNANDゲート76の作動は、第2スイッチング素子17が駆動停止状態の場合と同じであるため、その説明を割愛する。第2スイッチング素子17が駆動状態の場合、コンパレータ22の出力がLレベルになり、さらに所定時間T4が経過してから、第1スイッチング素子14が駆動状態となる。所定時間T4としては、たとえば14〜15msecが設定される。
このように、本実施形態によれば、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号に基づき、第2スイッチング素子17が駆動状態(高負荷状態)のときは、周期の長いクロックを生成し、駆動停止状態(低負荷状態)とのときは、周期の短いクロックを生成する。したがって、第2スイッチング素子17が駆動状態の場合、第1スイッチング素子14が過熱による駆動停止から駆動再開するまでの駆動停止時間(オフ時間)を、駆動停止状態よりも長くすることができる。
これにより、駆動状態、すなわち正常動作中の第2スイッチング素子17の温度が、第1スイッチング素子14で負荷ショートが生じた影響により過熱検出温度に達し、第2スイッチング素子17の駆動が停止状態になるのを抑制することができる。なお、第2スイッチング素子17側で負荷ショートが生じる場合も同様である。
フリップフロップ72〜75によりカウンタが構成される例を示したが、フリップフロップの段数は特に限定されない。また、周期の異なるクロックにより、駆動状態の駆動停止時間と、駆動停止状態の駆動亭時間とを異ならせる構成は、上記例に限定されない。
(第4実施形態)
本実施形態において、第3実施形態に示した半導体装置10(温度保護装置)と共通する部分についての説明は割愛する。
第3実施形態では、たとえば第2スイッチング素子17のゲート駆動信号がLレベルの場合に、周期T1のクロックを生成し、該ゲート駆動信号がHレベルの場合に周期T3(>T1)のクロックを生成する例を示した。換言すれば、ゲート駆動信号のレベルに応じて、クロックの周期を所定値に固定する例を示した。
これに対し、本実施形態では、各スイッチング素子14,17がPWM制御される。そして、たとえばクロック生成回路70が、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号のデューティと、第2スイッチング素子17に流れる電流(ドレイン電流)とを用いて、クロックを生成する点を特徴とする。すなわち、上記デューティや電流に応じて、クロックを可変とする点を特徴とする。本実施形態では、スイッチング素子14,17が上記したようにPWM制御されるため、駆動停止状態とはデューティ0%の状態を示し、駆動状態とは所定デューティで駆動している状態を示す。デューティによってスイッチング素子の負荷状態が変化する。たとえばデューティ30%に較べて、デューティ60%のほうが高負荷状態となる。
図8は、第3実施形態同様、本実施形態に係る半導体装置10の概略構成を示している。半導体装置10は、第3実施形態に記載の半導体装置10に対し、さらに、センス素子80,81と、電流検出用の抵抗82,83と、オペアンプ84,85と、を追加した構成となっている。図8では、オペアンプ84,85以外の、半導体チップ13の回路要素の図示を省略している。
半導体チップ11には、第1スイッチング素子14に流れる電流を検出するために、センス素子80と、抵抗82と、が形成されている。センス素子80には、第1スイッチング素子14に流れる電流に比例した電流が流れる。抵抗82は、センス素子80に対して、グランド側に接続されている。抵抗82は、その両端に生じる電圧が、センス素子80に流れる電流に応じた電圧となるよう設けられている。
半導体チップ12には、第2スイッチング素子17に流れる電流を検出するために、センス素子81と、抵抗83とが形成されている。センス素子81には、第2スイッチング素子17に流れる電流に比例した電流が流れる。抵抗83は、センス素子81に対して、グランド側に接続されている。抵抗83は、その両端に生じる電圧が、センス素子81に流れる電流に応じた電圧となるよう設けられている。
半導体チップ13は、オペアンプ84,85を有している。オペアンプ84は、抵抗82の両端に生じる電圧を、第1スイッチング素子14に流れる電流に応じた電圧となるように増幅し、出力する。オペアンプ84の出力は、第2スイッチング素子17側の図示しないCLK生成回路に入力される。オペアンプ85は、抵抗83の両端に生じる電圧を、第2スイッチング素子17に流れる電流に応じた電圧となるように増幅し、出力する。オペアンプ85の出力は、図9に示す第1スイッチング素子14側のクロック生成回路70に入力される。このように、センス素子80,81、抵抗82,83、オペアンプ84,85により、電流検出手段が構成されている。
図9は、本実施形態に係る半導体装置10のうち、第1スイッチング素子14側のクロック生成回路70を示している。図9では、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号を第2SWゲート駆動信号と示している。なお、第2スイッチング素子17側のクロック生成回路も同様の構成となっている。
クロック生成回路70は、抵抗86と、コンデンサ87,94と、オペアンプ88,89と、トランスファゲート90,95,98と、コンパレータ91と、NOTゲート92,96,99と、定電流源93,97と、を備えている。
抵抗86とコンデンサ87により、平滑フィルタが形成されている。また、オペアンプ88,89により、増幅回路が形成されている。また、トランスファゲート90,95,98、コンパレータ91、NOTゲート92,96,99、及び定電流源93,97により、発振回路が形成されている。
第2スイッチング素子17のゲート駆動信号(PWM信号)は、抵抗86及びコンデンサ87からなる平滑フィルタにより平滑化され、増幅回路に入力される。図9に示すように、平滑フィルタ後の電圧をV1とする。増幅回路は、2つのオペアンプ88,89からなる。前段のオペアンプ88は、上記したオペアンプ85の出力に基づき、平滑後のゲート駆動信号を増幅する。すなわち、平滑後のゲート駆動信号を、第2スイッチング素子17に流れる電流I(相当の電圧)倍、増幅する。
オペアンプ88にて増幅された信号は、扱いやすい電圧レベルとするため、さらにオペアンプ89にてα倍増幅される。そして、トランスファゲート90に入力される。なお、オペアンプ89は必要に応じて用いればよく、オペアンプ89を有さない構成を採用することもできる。
トランスファゲート90,95,98は、第1実施形態同様、CMOS型のトランスファゲートである。トランスファゲート90のpチャネル側のゲートには、コンパレータ91の出力信号が入力され、nチャネル側のゲートには、NOTゲート92で反転された信号が入力される。コンパレータ91の出力信号がLレベルの場合、トランスファゲート90はオンし、オペアンプ89の出力をコンパレータ91の反転入力端子に入力する。一方、コンパレータ91の出力信号がHレベルの場合、トランスファゲート90はオフし、オペアンプ89の出力端子とコンパレータ91の反転入力端子との接続を遮断する。コンパレータ91の反転入力端子に入力される電圧をV2とする。
定電流源93とグランドとの間に、コンデンサ94が接続されており、コンデンサ94の正極側端子が、コンパレータ91の非反転入力端子に接続されている。コンパレータ91の非反転入力端子に入力される電圧をV3とする。コンパレータ91は、電圧V2,V3を比較し、その比較結果をクロックとして出力する。このクロックが、第3実施形態で示したように、ANDゲート71を介して、1段目のフリップフロップ72に入力される(図5参照)。
定電流源93は、所定の電流I1を供給する。コンパレータ91の非反転入力端子には、トランスファゲート95が接続されている。トランスファゲート95のnチャネル側のゲートには、コンパレータ91の出力信号が入力され、pチャネル側のゲートには、NOTゲート96で反転された信号が入力される。コンパレータ91の出力信号がLレベルの場合、トランスファゲート95はオフし、コンパレータ91の出力信号がHレベルの場合、トランスファゲート95はオンする。
定電流源97は、トランスファゲート95とグランドとの間に接続されている。この定電流源97は、定電流源93が供給する電流I1の2倍の電流(2×I1)を供給する。トランスファゲート95がオンすると、定電流源97が、コンパレータ91の非反転入力端子と接続される。
トランスファゲート98のnチャネル側のゲートには、コンパレータ91の出力信号が入力され、pチャネル側のゲートには、NOTゲート99で反転された信号が入力される。コンパレータ91の出力信号がLレベルの場合、トランスファゲート98はオフし、コンパレータ91の出力信号がHレベルの場合、トランスファゲート98はオンする。トランスファゲート98がオンすると、コンパレータ91の反転入力端子がグランドと接続される。
次に、図10に基づき、図9に示したクロック生成回路70による効果を説明する。
図10は、クロック生成回路70の作動を示すタイミングチャートであり、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号(PWM信号)、上記した電圧V1,V2,V3、及びクロックを示している。なお、図10では、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号を第2SWゲート駆動信号と示し、クロックをCLKと示している。図10では、電圧V3を一点鎖線で示している。
図10に示すように、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号は、上記した抵抗86及びコンデンサ87によって平滑化され、電圧V1に示すようになる。ゲート駆動信号が高デューティの部分において、電圧V1の値が高くなる。
コンパレータ91の出力信号がLレベルの場合、トランスファゲート90がオンし、トランスファゲート95,98がオフする。これにより、コンパレータ91の反転入力端子に入力される電圧V2は、オペアンプ88,89にて電圧V1が増幅された値となる。一方、コンパレータ91の非反転入力端子に入力される電圧V3は、トランスファゲート95のオフとともに、定電流源93及びコンデンサ94によって上昇する。そして、電圧V3が電圧V2(オペアンプ89の出力)に到達すると、コンパレータ91の出力信号がHレベルに切り替わる。
コンパレータ91の出力信号がHレベルになると、トランスファゲート90がオフし、トランスファゲート95,98がオンする。したがって、オペアンプ89とコンパレータ91が遮断され、コンパレータ91の反転入力端子が、トランスファゲート98を介してグランドに接続される。すなわち、電圧V2がグランド(GND)電位となる。一方、トランスファゲート95のオンにより、定電流源97がコンパレータ91の非反転入力端子に接続され、電圧V3は低下する。本実施形態では、定電流源97が供給する電流が、定電流源93が供給する電流I1の2倍の電流となっているため、図10に示すように、電圧V3のグランドから電圧V2までの変化する傾きと、変化した電圧V3が電圧V2からグランドまでの変化する傾きとが等しくなっている。
電圧V3が電圧V2(グランド電位)よりも低くなると、コンパレータ91の出力信号が、再度Lレベルとなる。このように、コンパレータ91の出力信号は、LレベルとHレベルを交互に繰り返す。コンパレータ91の出力信号が、クロックとしてフリップフロップ72に出力されるが、上記構成によれば、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号が高デューティであるほど、クロックの周期が長くなる。また、オペアンプ88にて、ゲート駆動信号を第2スイッチング素子17に流れる電流倍増幅するため、高電流が流れる、すなわち高負荷状態の場合ほど、クロックの周期が長くなる。
このように、本実施形態では、第3実施形態で設定する第1スイッチング素子14の駆動停止時間T4(T2)が、第2スイッチング素子17のゲート駆動信号のデューティと、オペアンプ88の増幅度Iと、オペアンプ89の増幅度αとの乗算値によって決定される。換言すれば、駆動停止時間が、第2スイッチング素子17のデューティと第2スイッチング素子17に流れる電流との乗算値に比例した時間とされる。したがって、第2スイッチング素子17が駆動状態の場合には、第2スイッチング素子17の駆動停止状態の場合よりも、第1スイッチング素子14の駆動停止時間を長くすることができる。すなわち、第2スイッチング素子17の駆動の負荷状態に応じて、第1スイッチング素子14の駆動停止時間が変化する。第2スイッチング素子17が高負荷状態の駆動停止時間は、低負荷状態の駆動停止時間よりも長くなる。
これにより、駆動状態、すなわち正常動作中の第2スイッチング素子17が、第1スイッチング素子14で負荷ショートが生じた影響により、その温度が第2スイッチング素子17の過熱検出温度に達して駆動停止状態となるのを抑制することができる。なお、第2スイッチング素子17側で負荷ショートが生じる場合も同様である。
なお、本実施形態では、電圧V2が、オペアンプ88,89にて増幅後の電圧と、グランド電位とで切り替わる例を示した。しかしながら、グランド電位に限定されない。オペアンプ88,89にて増幅後の電圧よりも低い電圧であればよい。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
半導体装置10が3つの半導体チップ11,12,13を備える例を示した。しかしながら、半導体チップ11,12の要素が同一チップに構成されてもよい。また、半導体チップ11,12,13の構成要素が、同一チップに構成されてもよい。
半導体チップ13を、半導体チップ11,12、すなわちスイッチング素子14,17と同一パッケージ内とする例を示した。しかしながら、半導体チップ13をパッケージ外としてもよい。スイッチング素子14,17が同一パッケージ内にあればよい。
制御手段を、半導体チップ13の回路要素(ハードウエア)で構成する例を示した。しかしながら、マイクロコンピュータを用いたソフトウエアで構成することもできる。
2つのスイッチング素子14,17の例を示したが、3つ以上のスイッチング素子にも適用することができる。
第1実施形態のORゲート35,55、第2実施形態のコンパレータ22、及び第3実施形態のNANDゲート76の後に、ノイズ対策用のフィルタ回路などを配置してもよい。
スイッチング素子14,17が、負荷100,101に対してハイサイド側に配置される例を示したが、ローサイド側に配置されてもよい。
感温素子15,18としては、ダイオード以外にも、サーミスタ等の感温素子を採用することもできる。
10…半導体装置、11,12,13…半導体チップ、14…第1スイッチング素子、15…第1感温素子、16,19…電源、17…第2スイッチング素子、18…第2感温素子、20,40…ゲート駆動回路、21,41…定電流源、22,29,42,49…コンパレータ、23〜25,30,31,43〜45,50,51…抵抗、26,32,46,52…NOTゲート、27,28,33,34,47,48,53,54…トランスファゲート、35,55…ORゲート、60,61,62,63…抵抗、64,65…NOTゲート、66,67,68,69…トランスファゲート、70…クロック生成回路、71…ANDゲート、72,73,74,75…フリップフロップ、76…NANDゲート、80,81…センス素子、82,83…抵抗、84,85…オペアンプ、86…抵抗、87,94…コンデンサ、88,89…オペアンプ、90,95,98…トランスファゲート、91…コンパレータ、92,96,99…NOTゲート、93,97…定電流源、100,101…負荷

Claims (6)

  1. 同一パッケージ内に収容された複数のスイッチング素子(14,17)のための温度保護装置であって、
    各スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段(15,18)と、
    各スイッチング素子を制御するものであり、
    前記スイッチング素子ごとに、過熱状態を検出するための過熱検出温度及び過熱により駆動を停止させた前記スイッチング素子を再度駆動させるための復帰温度を有し、
    複数の前記スイッチング素子のうちの任意の第1スイッチング素子の温度が、対応する前記過熱検出温度まで上昇すると前記第1スイッチング素子の駆動を停止させ、対応する前記復帰温度まで低下すると前記第1スイッチング素子の駆動を再開させる制御手段(20〜36,40〜55,60〜69、70〜76,86〜99)と、
    を備え、
    前記制御手段は、前記第1スイッチング素子の温度が前記過熱検出温度に達した時点で、前記第1スイッチング素子を除くスイッチング素子の少なくとも1つが低負荷状態よりも高負荷の高負荷状態の場合、前記第1スイッチング素子を除くすべてのスイッチング素子が前記低負荷状態の場合よりも、過熱による駆動停止から駆動再開までの駆動停止時間が長くなるように、前記第1スイッチング素子の駆動再開のタイミングを制御することを特徴とする温度保護装置。
  2. 前記制御手段(20〜35、40〜45)は、
    前記復帰温度として、前記第1スイッチング素子の温度と比較される第1復帰温度と、前記第1復帰温度よりも低い温度が設定され、前記第1スイッチング素子を除くスイッチング素子の温度と比較される第2復帰温度と、を有し、
    前記第1スイッチング素子の温度が前記第1復帰温度以下になり、且つ、前記第1スイッチング素子を除くすべてのスイッチング素子の温度が前記第2復帰温度以下になると、前記第1スイッチング素子の駆動を再開させることを特徴とする請求項1に記載の温度保護装置。
  3. 前記制御手段(20〜22,36,70〜76)は、前記第1スイッチング素子を除くスイッチング素子を動作させるための駆動信号に基づいて、前記第1スイッチング素子を除くスイッチング素子の少なくとも1つが前記高負荷状態の場合の前記駆動停止時間と、前記第1スイッチング素子を除くすべてのスイッチング素子が前記低負荷状態の場合の前記駆動停止時間とが異なるように、前記第1スイッチング素子の駆動再開のタイミングを制御することを特徴とする請求項1に記載の温度保護装置。
  4. 前記制御手段は、前記第1スイッチング素子の温度が前記復帰温度まで低下し、さらに所定時間経過してから前記第1スイッチング素子の駆動を再開させることを特徴とする請求項3に記載の温度保護装置。
  5. 各スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出手段(80〜85)をさらに備え、
    前記制御手段は、
    各スイッチング素子をPWM制御し、
    前記所定時間として、前記第1スイッチング素子を除くスイッチング素子に流れる電流と、該スイッチング素子のゲート駆動信号のデューティとを乗算してなる時間に比例する時間を設定することを特徴とする請求項4に記載の温度保護装置。
  6. 前記制御手段(20〜22,60〜69)は、
    前記復帰温度として、前記第1スイッチング素子を除くすべてのスイッチング素子が前記低負荷状態としてのオフ状態の場合に設定される第3復帰温度と、前記第1スイッチング素子を除くスイッチング素子の少なくとも1つが前記高負荷状態としてのオン状態の場合に設定され、前記第3復帰温度よりも低い第4復帰温度と、を有し、
    前記第1スイッチング素子を除くスイッチング素子の少なくとも1つがオン状態の場合、前記第1スイッチング素子の温度が前記第4復帰温度まで低下すると、前記第1スイッチング素子の駆動を再開させることを特徴とする請求項3に記載の温度保護装置。
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