JP7069988B2 - 温度検出装置 - Google Patents

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Description

本技術は、温度検出装置に関する。
近年、絶縁ゲート型半導体素子(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)と、IGBTを駆動するドライブ回路を内蔵した半導体モジュールの開発が進んでいる。半導体モジュールとしては、例えば、IPM(Intelligent Power Module)があり、AC(Alternating Current)サーボや空調機器などの用途に広く利用されている。
また、半導体モジュールは、過熱状態の回避および素子の保護を行う過熱保護機能を有している。過熱保護機能としては、IGBTの近傍に搭載される温度検出素子で温度をモニタしてIGBTチップの過熱を検出するものがある。
また、半導体モジュールの用途によっては、IGBTに接続されるFWD(Free Wheel Diode)に主に電流が流れてIGBTの温度があまり上がらないものがあり、このような半導体モジュールでは、ケース温度を検出することが行われる。
図4は従来の温度検出回路の構成の一例を示す図である。温度検出回路1は、電流源11、温度検出用ダイオードDt、比較器12、アラーム検出回路13および閾値電圧補正回路14を備える。
また、温度検出回路1には、モニタ用パッドpdが接続されている。モニタ用パッドpdは、温度検出試験時に、温度検出用ダイオードDtにかかる順方向電圧VFや温度検出用ダイオードDtを流れる順方向電流IF等をモニタするためのパッドである(運用時には使用されない)。
各回路素子の接続関係において、電流源11の一端は、電源電圧Vccに接続される。電流源11の他端は、温度検出用ダイオードDtのアノード、比較器12の正側入力端子(+)およびモニタ用パッドpdに接続される。温度検出用ダイオードDtのカソードは、閾値電圧補正回路14の負側電圧端子と、基準電位(以下、GNDと表記)に接続される。
比較器12の負側入力端子(-)は、閾値電圧補正回路14の正側電圧端子に接続される。比較器12の出力端子は、アラーム検出回路13の入力端子に接続される。
ここで、温度検出用ダイオードDtの順方向電圧VFは、ケース温度の上昇に伴い、低下する特性を有している。また、閾値電圧補正回路14は、ケース温度が過熱状態であるか否かを判定するための、比較器12の閾値電圧VOHを出力する。
閾値電圧補正回路14は、例えば、常温状態ではVOH<VF、過熱状態ではVF≦VOHとなるような閾値電圧VOHを設定する。この場合、VOH<VFの常温状態では、比較器12から高電位レベル(Hレベル)の信号が出力され、VF≦VOHの過熱状態では、比較器12から低電位レベル(Lレベル)の信号が出力される。
アラーム検出回路13は、比較器12から出力されたLレベルの信号を受信すると、ケース温度が過熱になっていることを認識し、例えば、アラーム信号を所定の期間出力する。なお、閾値電圧補正回路14が発生する閾値電圧VOHは、補正(調整)が可能であり、従来ではツェナーザップ手法により補正が行われていた。
一方、ウェハ試験における、過熱保護対象となるケース温度の閾値(閾値温度TcOH)は、以下の式(1)から算出される。ケース温度が閾値TcOH以上になった場合は過熱状態、閾値TcOH未満の場合は非過熱状態である。
TcOH=((VF-VOH)/VF温度係数)+Ta・・・(1)
式(1)において、VFは、常温での温度検出用ダイオードDtの順方向電圧(mV)であり、VOHは、比較器12の閾値電圧(mV)である。また、VF温度係数は、25℃~125℃の範囲のVF温度変化量(mV/℃)であり、Taは、ウェハ試験の環境温度(℃)である。
従来技術としては、第1、第2の電圧電源の間に設けられた定電圧電源回路、温度検出用ダイオード、定電流源およびインバータを有し、インバータを構成しているトランジスタのゲート-ソース間電圧を定電流源の両端電圧にして、温度検出感度を高めた技術が提案されている(特許文献1)。
特開2007-312529号公報
上記の図4に示した温度検出回路1のような構成では、閾値電圧VOHの補正しかできないので、温度検出用ダイオードDtの順方向電圧VFのばらつきの影響を受けると、ケース温度検出に誤差が生じていた。
図5はケース温度検出に誤差が生じる状態を説明するための図である。グラフg1は、順方向電圧VFとケース温度Tの関係(VF-T特性)を示しており、縦軸は順方向電圧VF、横軸はケース温度T(℃)である。
波形w1は、温度検出用ダイオードDtの順方向電圧VFの代表値(Typ)を示している。順方向電圧VFは、上述したように温度が上昇する程低下する。一方、波形w2、w3は、順方向電圧VFのばらつきを示している。温度検出用ダイオードDtの製造ばらつきによって順方向電圧VFにもばらつきが生じ、波形w1に対して上下に変動する。
従来では、順方向電圧VFの代表値のライン(波形w1)を想定して閾値電圧VOHの補正を行って過熱状態となるケース温度を検出している。しかし、波形w2、w3のように、代表値からずれたVF-T特性になった場合、ケース温度TcL、TcHがそれぞれ検出され、閾値電圧VOH設定後の理想とするケース温度Tcからずれてしまい、ケース温度検出に誤差が生じていた。
このように、従来では、ケース温度検出に誤差が生じていたので、ケース温度の規格は誤差分を含めたものとなる。このため、規格幅を広く設けることが行われており、温度検出の精度低下が起きていた。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、温度検出精度の向上を図った温度検出装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、1つの案では、温度検出装置が提供される。温度検出装置は、温度検出用ダイオードと、温度検出用ダイオードの順方向電圧と、閾値電圧との比較を行って、温度状態に応じたレベル信号を出力する比較器と、第1のトランジスタと第2のトランジスタを含むカレントミラー回路、第3のトランジスタ、オペアンプおよび可変抵抗器を有し、温度検出用ダイオードの順方向電流の補正を行って順方向電圧を可変させる順方向電流補正回路とを備える。また、第1のトランジスタの第1端子は、電源電圧と、第2のトランジスタの第1端子に接続され、第1のトランジスタの第2端子は、第1のトランジスタの第3端子、第2のトランジスタの第2端子および第3のトランジスタの第3端子に接続され、第2のトランジスタの第3端子は、比較器の正側入力端子および温度検出用ダイオードのアノードに接続され、比較器の負側入力端子には、閾値電圧が入力され、オペアンプの正側入力端子には、基準電圧が入力され、オペアンプの出力端子は、第3のトランジスタの第2端子に接続され、オペアンプの負側入力端子は、第3のトランジスタの第1端子と、可変抵抗器の一端に接続され、可変抵抗器の他端は、温度検出用ダイオードのカソードおよび基準電位に接続される。
また、1つの案では、温度検出装置が提供される。温度検出装置は、温度検出用ダイオードと、温度検出用ダイオードの順方向電圧と、閾値電圧との比較を行って、温度状態に応じたレベル信号を出力する比較器と、第1のトランジスタと第2のトランジスタを含むカレントミラー回路、第3のトランジスタ、オペアンプ、第1の抵抗素子、第2の抵抗素子および可変抵抗器を有し、温度検出用ダイオードの順方向電流の補正を行って順方向電圧を可変させる順方向電流補正回路とを備える。また、第1のトランジスタの第1端子は、電源電圧と、第2のトランジスタの第1端子に接続され、第1のトランジスタの第2端子は、第1のトランジスタの第3端子、第2のトランジスタの第2端子および第3のトランジスタの第3端子に接続され、第2のトランジスタの第3端子は、比較器の正側入力端子および温度検出用ダイオードのアノードに接続され、比較器の負側入力端子には、閾値電圧が入力され、第2の抵抗素子の一端には基準電圧が入力され、第2の抵抗素子の他端は、可変抵抗器の一端と、オペアンプの正側入力端子に接続され、可変抵抗器の他端は、基準電位に接続され、オペアンプの出力端子は、第3のトランジスタの第2端子に接続され、オペアンプの負側入力端子は、第3のトランジスタの第1端子と、第1の抵抗素子の一端に接続され、第1の抵抗素子の他端は、温度検出用ダイオードのカソードおよび基準電位に接続される。
温度検出精度を向上させることが可能になる。
温度検出装置の構成の一例を示す図である(第1の実施の形態)。 温度検出装置による補正動作を説明するための図である。 温度検出装置の構成の一例を示す図である(第2の実施の形態)。 従来の温度検出回路の構成の一例を示す図である。 ケース温度検出に誤差が生じる状態を説明するための図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において実質的に同一の機能を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する場合がある。
[第1の実施の形態]
図1は温度検出装置の構成の一例を示す図である。第1の実施の形態の温度検出装置1-1は、温度検出素子である温度検出用ダイオードDt、比較器12、アラーム検出回路13、閾値電圧補正回路14および順方向電流補正回路10-1を備える。また、順方向電流補正回路10-1は、カレントミラー回路11a、オペアンプ15、トランジスタ16および可変抵抗器Rv1を備える。
カレントミラー回路11aは、トランジスタ11a1、11a2(第1、第2のトランジスタ)を含む。図1の例ではPチャネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)トランジスタが使用されている(以降ではPMOSトランジスタ11a1、11a2と呼ぶ)。
また、トランジスタ16(第3のトランジスタ)は、図1の例では、NチャネルMOSFETが使用されている(以降ではNMOSトランジスタ16と呼ぶ)。なお、PMOSトランジスタ11a1、11a2およびNMOSトランジスタ16に対して、第1端子はソース、第2端子はゲート、第3端子はドレインに対応する。
各回路素子の接続関係において、PMOSトランジスタ11a1のソースは、電源電圧Vccと、PMOSトランジスタ11a2のソースに接続される。PMOSトランジスタ11a1のゲートは、PMOSトランジスタ11a1のドレイン、PMOSトランジスタ11a2のゲートおよびNMOSトランジスタ16のドレインに接続される。
PMOSトランジスタ11a2のドレインは、モニタ用パッドpd、比較器12の正側入力端子(+)および温度検出用ダイオードDtのアノードに接続される。
オペアンプ15の正側入力端子(+)には、基準電圧VREFが入力され、オペアンプ15の出力端子は、NMOSトランジスタ16のゲートに接続される。オペアンプ15の負側入力端子(-)は、NMOSトランジスタ16のソースと、可変抵抗器Rv1の一端に接続される。
可変抵抗器Rv1の他端は、温度検出用ダイオードDtのカソード、閾値電圧補正回路14の負側電圧端子およびGNDに接続される。閾値電圧補正回路14の正側入力端子は、比較器12の負側入力端子(-)に接続される。比較器12の出力端子は、アラーム検出回路13の入力端子に接続される。
ここで、順方向電流補正回路10-1によって、温度検出用ダイオードDtの順方向電流IFの補正を行うことができる。この場合、オペアンプ15の機能から、NMOSトランジスタ16のソース側の電位である電圧V1が基準電圧VREFに等しくなるように(V1=VREF)、NMOSトランジスタ16のドレインを流れる電流I1が変化する。これにより、順方向電流IFが補正される。また、基準電圧VREFは、例えば、温度検出装置1-1が組み込まれるパッケージ内のメインチップ内にてMOS(レギュレータ等)を使用して生成される。
順方向電流IFの補正動作の流れについて説明する。まず、可変抵抗器Rv1の抵抗値を減少する方向に可変した場合、電圧V1が低下する。電圧V1が低下すると、電圧V1と基準電圧VREFとの電位差が大きくなるので、電圧V1を上げようとしてオペアンプ15の出力電圧Voutが増加する。
オペアンプ15の出力電圧Voutが増加すると、NMOSトランジスタ16を流れる電流I1が増加する。電流I1が増加すると、カレントミラー回路11aのミラー比に応じて増加した順方向電流IFが温度検出用ダイオードDtへ流れる。このように、可変抵抗器Rv1の抵抗値を減少すると、順方向電流IFが増加する方向に補正される。
一方、可変抵抗器Rv1の抵抗値を増加する方向に可変した場合、電圧V1が増加する。電圧V1が増加すると、電圧V1と基準電圧VREFとの電位差が小さくなるので、電圧V1を下げようとしてオペアンプ15の出力電圧Voutが減少する。
オペアンプ15の出力電圧Voutが減少すると、NMOSトランジスタ16を流れる電流I1が減少する。電流I1が減少すると、カレントミラー回路11aのミラー比に応じて減少した順方向電流IFが温度検出用ダイオードDtへ流れる。このように、可変抵抗器Rv1の抵抗値を増加すると、順方向電流IFが減少する方向に補正される。
なお、順方向電圧VFの検出、および閾値電圧VOHの補正や可変抵抗器Rv1の抵抗値の可変制御は、図示しない上位プロセッサから実施することができる。この場合、閾値電圧VOHや可変抵抗器Rv1の抵抗値は、複数の設定値がメモリ(例えば、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory))に保持されている。上位プロセッサは、順方向電圧VFを検知すると、メモリに保持されている所望の値を閾値電圧補正回路14や可変抵抗器Rv1に設定する。
図2は温度検出装置による補正動作を説明するための図である。グラフg2は、順方向電流IFと順方向電圧VFの関係を示しており、縦軸は順方向電流IF、横軸は順方向電圧VFである。
波形w11は、温度検出用ダイオードDtの順方向電圧VFが代表値(Typ)のときの順方向電流IFを示している。また、順方向電圧VFには上述のようにばらつきがあるので、順方向電圧VFのばらつきに応じて、順方向電流IFは、波形w11に対して左右に変動する。
波形w12は、順方向電圧VFが代表値から減少方向にばらついたときの順方向電流IFを示している。波形w13は、順方向電圧VFが代表値から増加方向にばらついたときの順方向電流IFを示している。
一方、上述の閾値電圧補正によって閾値電圧VOHが設定される。閾値電圧VOHは、過熱状態であるか否かの基準となる理想順方向電圧VFである(以下、理想VF値と記す)とする。
なお、理想VF値=閾値電圧VOHになるが、これはケース温度検出時の高温状態でのVF値になる。また、ウェハ試験は常温で行うため、事前に図4で上述したようなVF-T特性を取得しておき、常温において高温時のVF値を見積もれるようにしておく。
グラフg2において、波形w12の場合、順方向電圧VFは、理想VF値に対して低いVF値(順方向電圧VF1)となる。このため、順方向電流IFの補正を行って順方向電圧VFを可変させる。すなわち、順方向電圧VF1が理想VF値になるように、順方向電流IFを増加させる方向に補正する(矢印a1)。
この場合、可変抵抗器Rv1の抵抗値は減少方向に制御される。このような制御により、順方向電圧VF1のときのケース温度TcLは、閾値電圧VOHのときの理想ケース温度Tcに近づくことになる。
また、波形w13の場合、順方向電圧VFは、理想VF値に対して大きいVF値(順方向電圧VF2)となる。このため、順方向電流IFの補正を行って順方向電圧VFを可変させる。すなわち、順方向電圧VF2が理想VF値になるように、順方向電流IFを減少させる方向に補正する(矢印a2)。
この場合、可変抵抗器Rv1の抵抗値は増加するように制御される。このような制御により、順方向電圧VF2のときのケース温度TcHは、閾値電圧VOHのときの理想ケース温度Tcに近づくことになる。
上記のように、閾値電圧VOHのみの補正では、順方向電圧VFばらつきの影響からケース温度検出に誤差が生じていたが、本発明ではこの誤差分を解消するため、順方向電流IFを可変に制御可能な回路構成にした。
すなわち、本発明では、閾値電圧VOHの補正に加えて、さらに順方向電流IFの補正を行う。順方向電流IFの補正では、検知した順方向電圧VFにもとづいて、順方向電流IFを増加させて順方向電圧VFを増加させ、または順方向電流IFを減少させて順方向電圧VFを低下させる。これにより、ケース温度検出の誤差を低減することができ、温度検出精度の向上を図ることが可能になる。
なお、従来の構成では、閾値電圧VOHの補正をツェナーザップで行っていたため、1ビット補正のために1パッド必要であったが、本発明の補正ではEPROMに予め保持してある設定値で補正される。
これにより、ビット数を増やしてもパッド数は変わらず、またEPROMのデバイス実装面積は、ツェナーザップの実装面積よりも小さいので、実装面積の増加を軽減するという効果も有している。
[第2の実施の形態]
図3は温度検出装置の構成の一例を示す図である。第2の実施の形態の温度検出装置1-2は、温度検出用ダイオードDt、比較器12、アラーム検出回路13、閾値電圧補正回路14および順方向電流補正回路10-2を備える。
また、順方向電流補正回路10-2は、カレントミラー回路11a、オペアンプ15、トランジスタ16、抵抗R1(第1の抵抗素子)、抵抗R2(第2の抵抗素子)および可変抵抗器Rv2を備える。
各回路素子の接続関係において、PMOSトランジスタ11a1のソースは、電源電圧Vccと、PMOSトランジスタ11a2のソースに接続される。PMOSトランジスタ11a1のゲートは、PMOSトランジスタ11a1のドレイン、PMOSトランジスタ11a2のゲートおよびNMOSトランジスタ16のドレインに接続される。
PMOSトランジスタ11a2のドレインは、モニタ用パッドpd、比較器12の正側入力端子(+)および温度検出用ダイオードDtのアノードに接続される。
抵抗R2の一端には基準電圧VREFが入力され、抵抗R2の他端は、可変抵抗器Rv2の一端と、オペアンプ15の正側入力端子(+)に接続される。可変抵抗器Rv2の他端は、GNDに接続される。
オペアンプ15の出力端子は、NMOSトランジスタ16のゲートに接続される。オペアンプ15の負側入力端子(-)は、NMOSトランジスタ16のソースと、抵抗R1の一端に接続される。
抵抗R1の他端は、温度検出用ダイオードDtのカソード、閾値電圧補正回路14の負側電圧端子およびGNDに接続される。閾値電圧補正回路14の正側入力端子は、比較器12の負側入力端子(-)に接続される。比較器12の出力端子は、アラーム検出回路13の入力端子に接続される。
ここで、順方向電流補正回路10-2によって、温度検出用ダイオードDtの順方向電流IFの補正を行うことができる。この場合、抵抗R2と可変抵抗器Rv2とで基準電圧VREFを分圧した電圧Vinにもとづいて、NMOSトランジスタ16のドレインを流れる電流I1が変化する。これにより、順方向電流IFが補正される。
順方向電流IFの補正動作の流れについて説明する。オペアンプ15の入力電圧Vinは、Vin=VREF×(Rv2/(R2+Rv2))となる。まず、可変抵抗器Rv2の抵抗値を増加する方向に可変した場合、オペアンプ15の入力電圧Vinが増加する。
オペアンプ15の入力電圧Vinが増加すると、オペアンプ15の出力電圧Voutが増加し、NMOSトランジスタ16を流れる電流I1が増加する。電流I1が増加すると、カレントミラー回路11aのミラー比に応じて増加した順方向電流IFが温度検出用ダイオードDtへ流れる。このように、可変抵抗器Rv2の抵抗値を増加すると、順方向電流IFが増加する方向に補正される。
一方、可変抵抗器Rv2の抵抗値を減少する方向に可変した場合、オペアンプ15の入力電圧Vinが低下する。オペアンプ15の入力電圧Vinが低下すると、オペアンプ15の出力電圧Voutが低下し、NMOSトランジスタ16を流れる電流I1が減少する。
電流I1が減少すると、カレントミラー回路11aのミラー比に応じて減少した順方向電流IFが温度検出用ダイオードDtへ流れる。このように、可変抵抗器Rv2の抵抗値を減少すると、順方向電流IFが減少する方向に補正される。
なお、順方向電圧VFの検出、および閾値電圧VOHの補正や可変抵抗器Rv2の抵抗値の可変制御は、第1の実施の形態と同様に上位プロセッサから実施することができる。また、上位プロセッサが、順方向電圧VFを検知すると、メモリに保持されている所望の値を閾値電圧補正回路14や可変抵抗器Rv2に設定する。
このように、第2の実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、閾値電圧VOHの補正に加えて、さらに順方向電流IFの補正を行う。順方向電流IFの補正では、検知した順方向電圧VFにもとづいて、順方向電流IFを増加させて順方向電圧VFを増加させ、または順方向電流IFを減少させて順方向電圧VFを低下させる。これにより、ケース温度検出の誤差を低減することができ、温度検出精度の向上を図ることが可能になる。
以上、実施の形態を例示したが、実施の形態で示した各部の構成は同様の機能を有する他のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や工程が付加されてもよい。
1-1 温度検出装置
10-1 順方向電流補正回路
11a カレントミラー回路
11a1、11a2 第1、第2のトランジスタ(PMOSトランジスタ)
12 比較器
13 アラーム検出回路
14 閾値電圧補正回路
15 オペアンプ
16 第3のトランジスタ(NMOSトランジスタ)
Dt 温度検出用ダイオード
pd モニタ用パッド
Rv1 可変抵抗器
VREF 基準電圧
IF 順方向電流
VF 順方向電圧
VOH 閾値電圧
Vout 出力電圧
Vcc 電源電圧
V1 電圧
I1 電流

Claims (4)

  1. 温度検出用ダイオードと、
    前記温度検出用ダイオードの順方向電圧と、閾値電圧との比較を行って、温度状態に応じたレベル信号を出力する比較器と、
    第1のトランジスタと第2のトランジスタを含むカレントミラー回路、第3のトランジスタ、オペアンプおよび可変抵抗器を有し、前記温度検出用ダイオードの順方向電流の補正を行って前記順方向電圧を可変させる順方向電流補正回路と、
    を備え、
    前記第1のトランジスタの第1端子は、電源電圧と、前記第2のトランジスタの第1端子に接続され、前記第1のトランジスタの第2端子は、前記第1のトランジスタの第3端子、前記第2のトランジスタの第2端子および前記第3のトランジスタの第3端子に接続され、
    前記第2のトランジスタの第3端子は、前記比較器の正側入力端子および前記温度検出用ダイオードのアノードに接続され、前記比較器の負側入力端子には、前記閾値電圧が入力され、
    前記オペアンプの正側入力端子には、基準電圧が入力され、前記オペアンプの出力端子は、前記第3のトランジスタの第2端子に接続され、前記オペアンプの負側入力端子は、前記第3のトランジスタの第1端子と、前記可変抵抗器の一端に接続され、
    前記可変抵抗器の他端は、前記温度検出用ダイオードのカソードおよび基準電位に接続される、
    ことを特徴とする温度検出装置。
  2. 前記可変抵抗器の抵抗値を減少させることで、前記順方向電流を増大させて前記順方向電圧を増加させ、前記可変抵抗器の抵抗値を増加させることで、前記順方向電流を減少させて前記順方向電圧を低下させる請求項1記載の温度検出装置。
  3. 温度検出用ダイオードと、
    前記温度検出用ダイオードの順方向電圧と、閾値電圧との比較を行って、温度状態に応じたレベル信号を出力する比較器と、
    第1のトランジスタと第2のトランジスタを含むカレントミラー回路、第3のトランジスタ、オペアンプ、第1の抵抗素子、第2の抵抗素子および可変抵抗器を有し、前記温度検出用ダイオードの順方向電流の補正を行って前記順方向電圧を可変させる順方向電流補正回路と、
    を備え、
    前記第1のトランジスタの第1端子は、電源電圧と、前記第2のトランジスタの第1端子に接続され、前記第1のトランジスタの第2端子は、前記第1のトランジスタの第3端子、前記第2のトランジスタの第2端子および前記第3のトランジスタの第3端子に接続され、
    前記第2のトランジスタの第3端子は、前記比較器の正側入力端子および前記温度検出用ダイオードのアノードに接続され、前記比較器の負側入力端子には、前記閾値電圧が入力され、
    前記第2の抵抗素子の一端には基準電圧が入力され、前記第2の抵抗素子の他端は、前記可変抵抗器の一端と、前記オペアンプの正側入力端子に接続され、前記可変抵抗器の他端は、基準電位に接続され、
    前記オペアンプの出力端子は、前記第3のトランジスタの第2端子に接続され、前記オペアンプの負側入力端子は、前記第3のトランジスタの第1端子と、前記第1の抵抗素子の一端に接続され、
    前記第1の抵抗素子の他端は、前記温度検出用ダイオードのカソードおよび前記基準電位に接続される、
    ことを特徴とする温度検出装置。
  4. 前記可変抵抗器の抵抗値を減少させることで、前記順方向電流を減少させて前記順方向電圧を低下させ、前記可変抵抗器の抵抗値を増加させることで、前記順方向電流を増大させて前記順方向電圧を増加させる請求項3記載の温度検出装置。
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