JP7131066B2

JP7131066B2 - 半導体装置

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Inventors: 直樹清水
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Description

本発明は、電力変換用のパワー半導体素子と、このパワー半導体素子を駆動するとともにその異常動作時にパワー半導体素子を保護する機能を有する制御ＩＣ（Integrated Circuit）とを備えた半導体装置に関する。

電力変換を行う装置として、パワー半導体素子と制御ＩＣとを同一のパッケージに集約したＩＰＭ（Intelligent Power Module）と呼ばれる半導体装置が知られている。ＩＰＭは、その用途に応じて複数のパワー半導体素子を備えていることがあり、たとえば、三相モータ駆動用のＩＰＭでは、６個のパワー半導体素子を内蔵している。それぞれのパワー半導体素子は、制御ＩＣによって駆動および制御がなされる。

制御ＩＣは、また、パワー半導体素子の過電流状態および過熱状態、電源電圧異常低下状態、パッケージのケース過熱状態などの異常を検出したときにパワー半導体素子のスイッチング動作を停止して、パワー半導体素子を破壊から保護する保護回路を備えている。保護回路としては、異常を検出したときにパワー半導体素子のスイッチング動作を停止するだけでなく、異常に近づいていることを検出して外部へ事前に通知するような機能を有しているものもある（たとえば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載のＩＰＭでは、パワー半導体素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を備え、そのＩＧＢＴチップには、温度検出用のダイオードが設けられている。ＩＧＢＴチップの温度が警報温度に達すると、制御ＩＣは、警報信号を外部へ出力する。ＩＧＢＴチップの温度が警報温度よりも高い保護温度に達すると、制御ＩＣは、保護信号を出力してＩＧＢＴのスイッチング動作を停止するとともに外部へ通知する。これにより、制御ＩＣが警報信号を出力した段階で、ＩＧＢＴの駆動能力を低減するなどの処置を施すことで、ＩＧＢＴチップの温度上昇を抑制し、ＩＧＢＴのスイッチング動作を停止することなく継続することができる。

ところで、ＩＰＭにおいては、その動作条件により、ＩＧＢＴの温度が大きく上下すると、ＩＧＢＴチップ表面のアルミワイヤ接合部が熱ストレスを受けてアルミワイヤ接合部の疲労および劣化が進行し、接合部に剥離などの故障が生じることがある。また、ＩＧＢＴの温度が大きく上下すると、ＩＧＢＴチップと絶縁基板とのはんだ接合部または絶縁基板とケース（銅ベース）とのはんだ接合部が劣化し、クラックなどによる故障が生じることがある。このような熱ストレスによる寿命は、パワーサイクル寿命と呼ばれ、そのパワーサイクル寿命の範囲内で使用している限り、ＩＰＭの信頼性が確保されている。

国際公開第２０１６／０５２０１１号

従来のＩＰＭでは、制御ＩＣが警報信号を出力してもＩＧＢＴのスイッチング動作を停止させないので、保護信号が出力される直前までＩＧＢＴのスイッチング動作を継続させることがある。このような使い方の場合、警報信号が出力されている間、ＩＧＢＴの温度が上下してしまうことがあるので、その分、熱ストレスの発生回数が増えてパワーサイクル寿命が短くなってしまい、信頼性が損なわれることがあるという問題点がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、警報信号が出力されているときのパワーサイクル寿命を考慮して信頼性を向上させた半導体装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記の課題を解決するために、パワー半導体素子と、パワー半導体素子を駆動するとともにその異常動作時にパワー半導体素子を保護する機能を有する制御ＩＣと、パワー半導体素子のチップ温度を検出するチップ温度検出素子と、パワー半導体素子、制御ＩＣおよびチップ温度検出素子を内蔵するパッケージのケース温度を検出するケース温度検出素子とを備えた半導体装置が提供される。この半導体装置の制御ＩＣは、チップ温度が第１の閾値より高いときにチップ過熱警報信号を出力し、チップ温度が第１の閾値より高く設定された第２の閾値より高いときにパワー半導体素子のスイッチング動作を停止させるチップ過熱保護信号を出力するチップ温度検出回路と、ケース温度が第３の閾値より高いときにケース過熱警報信号を出力し、ケース温度が第３の閾値より高く設定された第４の閾値より高いときにパワー半導体素子のスイッチング動作を停止させるケース過熱保護信号を出力するチップ温度検出回路と、チップ過熱警報信号またはケース過熱警報信号を受けているときにパワーサイクル寿命を算出し、パワーサイクル寿命が所定の値に達したときに、パワー半導体素子のスイッチング動作を停止させる保護信号を出力する異常時検出回路と、を備えている。
また、異常時検出回路は、チップ過熱警報信号またはケース過熱警報信号が一定期間継続していることを算出する一定期間算出回路、チップ過熱警報信号またはケース過熱警報信号が入力された回数が規定回数に達したことを算出する規定回数算出回路およびチップ過熱警報信号またはケース過熱警報信号が入力されている期間の累積時間が指定時間に達したことを算出する累積時間算出回路の少なくとも１つを有している。さらに、一定期間算出回路は、発振回路と、発振回路が出力する信号が入力された回数をカウントしてカウントした値が所定の一定期間に相当する値に達したときに保護信号を出力するカウンタ回路と、チップ過熱警報信号またはケース過熱警報信号が入力されたときにカウンタ回路をリセットしてカウンタ回路のカウントを開始させるリセット回路とを有している。

上記構成の半導体装置は、異常時検出回路を備えたことにより、パワー半導体素子を高温で動作させ続けることにより加速する劣化具合を破壊前に知ることができることから、信頼性を向上させることができるという利点がある。

本発明の実施の形態に係る半導体装置を構成するＩＰＭの一構成例を示す回路図である。異常時検出回路の一構成例を示す図である。ＩＰＭの動作を示すタイミングチャートである。一定期間算出回路の一構成例を示す回路図である。一定期間算出回路の動作を説明するための要部の論理値を示した図である。一定期間算出回路の動作を示すタイミングチャートである。規定回数算出回路の一構成例を示す回路図である。規定回数算出回路の動作を説明するための要部の論理値を示した図である。規定回数算出回路の動作を示すタイミングチャートである。累積時間算出回路の一構成例を示す回路図である。累積時間算出回路の動作を説明するための要部の論理値を示した図である。累積時間算出回路の動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、パワー半導体素子にＩＧＢＴを使用したＩＰＭに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一の符号で示される部分は、同一の構成要素を示している。また、以下の説明において、端子名とその端子における電圧、信号などは、同じ符号を用いることがある。

図１は本発明の実施の形態に係る半導体装置を構成するＩＰＭの一構成例を示す回路図、図２は異常時検出回路の一構成例を示す図、図３はＩＰＭの動作を示すタイミングチャートである。

図１に示したＩＰＭは、ＩＧＢＴ１と、制御ＩＣ１０と、ケース温度検出素子２とを備えている。なお、このＩＰＭでは、１組のＩＧＢＴ１および制御ＩＣ１０を示しているが、ＩＧＢＴ１および制御ＩＣ１０を複数組備えていることもある。

ＩＧＢＴ１は、ＩＧＢＴチップ１ａと、そのＩＧＢＴチップ１ａに設けられたチップ温度検出素子１ｂとを有している。チップ温度検出素子１ｂとしては、ダイオードが使用されている。

ケース温度検出素子２は、ＩＰＭを構成するケースの温度を検出するもので、ここでは、ダイオードが使用されている。なお、ケース温度検出素子２としては、サーミスタのような感温素子を用いてもよい。

制御ＩＣ１０は、駆動回路１１を有している。駆動回路１１は、入力信号が入力される入力端子ＩＮと、スイッチング停止信号が入力される保護信号入力端子ＳＴＯＰと、駆動信号が出力される出力端子ＯＵＴとを有している。この駆動回路１１の出力端子ＯＵＴは、ＩＧＢＴチップ１ａのゲート端子に接続され、ＩＧＢＴチップ１ａのエミッタ端子は、グランドに接続されている。

制御ＩＣ１０は、また、保護回路を有している。この制御ＩＣ１０の保護回路は、チップ温度検出回路１２、ケース温度検出回路１３、チップ用の異常時検出回路１４、ケース用の異常時検出回路１５および論理和回路１６，１７，１８を有している。

チップ温度検出回路１２は、定電流回路１２ａ、比較器１２ｂ，１２ｃおよび基準電圧源１２ｄ，１２ｅを有している。定電流回路１２ａの一方の端子は、内部電源Ｖｃｃに接続され、定電流回路１２ａの他方の端子は、チップ温度検出素子１ｂのアノード端子と、比較器１２ｂ，１２ｃの反転入力端子とに接続されている。チップ温度検出素子１ｂのカソード端子は、グランドに接続されている。比較器１２ｂ，１２ｃの非反転入力端子は、それぞれ基準電圧源１２ｄ，１２ｅの正極端子に接続され、基準電圧源１２ｄ，１２ｅの負極端子は、グランドに接続されている。

なお、比較器１２ｂ，１２ｃは、ヒステリシス特性を有している。したがって、基準電圧源１２ｄは、保護検出閾値電圧Ｖｔｈｐｈと保護解除閾値電圧Ｖｔｈｐｌとを有し、基準電圧源１２ｅは、警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈと警報解除閾値電圧Ｖｔｈｗｌとを有している。

比較器１２ｂの出力端子は、論理和回路１６の一方の入力端子に接続され、比較器１２ｃの出力端子は、チップ用の異常時検出回路１４の入力端子およびチップ過熱警報信号を出力する出力端子Ｗｔｏｈに接続されている。論理和回路１６の他方の入力端子は、チップ用の異常時検出回路１４の出力端子に接続され、論理和回路１６の出力端子は、チップ過熱保護信号を出力する出力端子Ｐｔｏｈおよび論理和回路１６の一方の入力端子に接続されている。論理和回路１６の出力端子は、論理和回路１８の一方の入力端子に接続され、論理和回路１８の出力端子は、駆動回路１１の保護信号入力端子ＳＴＯＰに接続されている。

ケース温度検出回路１３は、チップ温度検出回路１２と同じ回路構成を有しているので、ここでは、内部の具体的な回路構成は省略している。すなわち、ケース温度検出回路１３の入力端子は、ケース温度検出素子２のアノード端子に接続され、ケース温度検出素子２のカソード端子は、グランドに接続されている。ケース過熱保護信号を出力するケース温度検出回路１３の出力端子は、論理和回路１７の一方の入力端子に接続されている。ケース警報保護信号を出力するケース温度検出回路１３の出力端子は、ケース用の異常時検出回路１５の入力端子およびケース過熱警報信号を出力する出力端子Ｗｃｏｈに接続されている。論理和回路１７の他方の入力端子は、ケース用の異常時検出回路１５の出力端子に接続され、論理和回路１７の出力端子は、ケース過熱保護信号を出力する出力端子Ｐｃｏｈおよび論理和回路１８の他方の入力端子に接続されている。

異常時検出回路１４は、図２に示したように、一定期間算出回路１４ａ、規定回数算出回路１４ｂ、累積時間算出回路１４ｃおよび論理和回路１４ｄを有している。一定期間算出回路１４ａ、規定回数算出回路１４ｂおよび累積時間算出回路１４ｃの入力端子は、チップ温度検出回路１２の比較器１２ｃの出力端子に接続されている。一定期間算出回路１４ａ、規定回数算出回路１４ｂおよび累積時間算出回路１４ｃの出力端子は、論理和回路１４ｄの入力端子にそれぞれ接続され、論理和回路１４ｄの出力端子は、論理和回路１６の他方の入力端子に接続されている。

ここで、一定期間算出回路１４ａは、チップ過熱警報信号が一定期間継続していることを検出したときに、チップ過熱保護信号を出力するものである。規定回数算出回路１４ｂは、チップ過熱警報信号が入力された回数が規定回数に達したときに、チップ過熱保護信号を出力するものである。そして、累積時間算出回路１４ｃは、チップ過熱警報信号が入力された期間の累積時間が指定時間に達したときに、チップ過熱保護信号を出力するものである。

なお、この実施の形態では、異常時検出回路１４は、一定期間算出回路１４ａ、規定回数算出回路１４ｂおよび累積時間算出回路１４ｃを有している。しかし、異常時検出回路１４は、必要に応じて、一定期間算出回路１４ａ、規定回数算出回路１４ｂまたは累積時間算出回路１４ｃだけでもよい。この場合、論理和回路１４ｄは、不要である。または、異常時検出回路１４は、一定期間算出回路１４ａ、規定回数算出回路１４ｂおよび累積時間算出回路１４ｃのうち、２つの組み合わせで構成してもよい。

異常時検出回路１５は、異常時検出回路１４と同じ構成を有することができる。または、異常時検出回路１５は、異常時検出回路１４と異なる算出回路の組み合わせで構成してもよい。

次に、以上の構成のＩＰＭの動作について、図３を参照しながら説明する。ＩＰＭが使用開始されると、駆動回路１１が入力信号を受けて出力端子ＯＵＴにパルス信号を出力し、ＩＧＢＴ１をオン・オフ駆動する。このとき、チップ温度検出回路１２の定電流回路１２ａがチップ温度検出素子１ｂに定電流を流し、ＩＧＢＴチップ１ａの温度変化によるチップ温度検出素子１ｂの順方向電圧の変化を検出することで、ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊを監視している。

ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが低いときには、チップ温度検出素子１ｂの検出電圧Ｖｔｊが基準電圧源１２ｄの警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈよりも高いので、比較器１２ｃは、ロー（Ｌ）レベルの信号を出力している。したがって、異常時検出回路１４は、一定期間算出回路１４ａ、規定回数算出回路１４ｂおよび累積時間算出回路１４ｃのいずれもパワーサイクル寿命を算出しないので、Ｌレベルの信号を出力する。このとき、比較器１２ｂも、Ｌレベルの信号を出力しているので、駆動回路１１の保護信号入力端子ＳＴＯＰにハイ（Ｈ）レベルのスイッチング停止信号が入力されることはなく、入力信号による通常のスイッチング動作が行われる。

ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが上昇して、比較器１２ｃの反転入力端子に警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈよりも低い検出電圧Ｖｔｊが入力されると、比較器１２ｃの出力信号が反転して、出力端子ＷｔｏｈにＨレベルの信号が出力される。これにより、制御ＩＣ１０は、出力端子Ｗｔｏｈを介してチップ過熱警報信号を外部に送出し、ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが警報レベルまで上昇したことを外部に通知する。このとき、異常時検出回路１４は、Ｈレベルの信号が入力されると、パワーサイクル寿命の算出を開始する。

ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊがさらに上昇して、比較器１２ｂの反転入力端子に入力される検出電圧Ｖｔｊが低下して保護検出閾値電圧Ｖｔｈｐｈに達すると、比較器１２ｂの出力信号が反転され、出力端子ＰｔｏｈにＨレベルのチップ過熱保護信号が出力される。このチップ過熱保護信号は、また、論理和回路１８を介して駆動回路１１の保護信号入力端子ＳＴＯＰにスイッチング停止信号として入力され、駆動回路１１は、そのスイッチング動作を強制的に停止する。そのスイッチング動作が停止されている保護期間、駆動回路１１は、出力端子ＯＵＴにパルス信号を出力しない。

ＩＧＢＴ１のスイッチング動作が停止されることによって、ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが低下し、比較器１２ｂの反転入力端子に入力される検出電圧Ｖｔｊが上昇して保護解除閾値電圧Ｖｔｈｐｌに達すると、比較器１２ｂの出力信号が反転される。これにより、論理和回路１６，１８の出力がＬレベルとなり、駆動回路１１は、そのスイッチング動作を再開する。

ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊがさらに低下して、比較器１２ｂの反転入力端子に入力される検出電圧Ｖｔｊが上昇して警報解除閾値電圧Ｖｔｈｗｌに達すると、比較器１２ｃの出力信号が反転されてＬレベルとなり、出力端子ＷｔｏｈもＬレベルとなる。このとき、異常時検出回路１４は、Ｌレベルの信号が入力されることにより、パワーサイクル寿命の算出を中止または保留する。

一方、比較器１２ｃがＨレベルのチップ過熱警報信号を出力している過熱警報期間の間に異常時検出回路１４がパワーサイクル寿命に達したことを算出すると、異常時検出回路１４は、Ｈレベルのチップ過熱保護信号を出力する。このチップ過熱保護信号は、論理和回路１６，１８を介して駆動回路１１に入力され、過熱警報期間であるにも拘わらず、駆動回路１１は、そのスイッチング動作を強制的に停止する。

このＩＧＢＴチップ１ａに対するチップ過熱警報およびチップ過熱保護動作は、ケース温度検出素子２、ケース温度検出回路１３、異常時検出回路１５および論理和回路１７によるケース過熱警報およびケース過熱保護動作にも同様に適用される。したがって、ここでは、ケース過熱警報およびケース過熱保護動作の説明は、省略する。

このように、過熱警報期間でありながら、異常時検出回路１４，１５がパワーサイクル寿命に達したことを算出すると、駆動回路１１がそのスイッチング動作を強制的に停止するので、ＩＰＭの信頼性をさらに向上させることができる。

次に、異常時検出回路１４，１５を構成している一定期間算出回路１４ａ、規定回数算出回路１４ｂおよび累積時間算出回路１４ｃの具体的な構成例について説明する。

図４は一定期間算出回路の一構成例を示す回路図、図５は一定期間算出回路の動作を説明するための要部の論理値を示した図、図６は一定期間算出回路の動作を示すタイミングチャートである。

一定期間算出回路１４ａは、図４に示したように、カウンタ回路２１と、発振回路２２と、論理反転回路２３と、排他的論理和回路２４と、論理積回路２５とを有している。一定期間算出回路１４ａの入力端子は、チップ温度検出回路１２の比較器１２ｃの出力端子に接続され、一定期間算出回路１４ａの出力端子は、論理和回路１４ｄの入力端子の１つに接続されている。

一定期間算出回路１４ａでは、カウンタ回路２１は、ｎ個のＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１を用い、これらを縦続接続して構成されている。すなわち、ＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１は、それぞれ反転出力端子（ＱＢ）を入力端子（Ｄ）に接続し、クロック入力端子（ＣＬＫ）をデータ入力端子、出力端子（Ｑ）をデータ出力端子としている。初段のＤフリップフロップＤＦＦ０のクロック入力端子は、発振回路２２の出力端子に接続され、最終段のＤフリップフロップＤＦＦｎ－１の出力端子（Ｑ）は、排他的論理和回路２４の一方の入力端子に接続されている。ＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１のリセット入力端子（ＲＳＴ）は、論理反転回路２３の出力端子に接続され、論理反転回路２３の入力端子は、この一定期間算出回路１４ａの入力端子に接続されている。なお、この論理反転回路２３は、この実施の形態では、リセット回路を構成している。この一定期間算出回路１４ａの入力端子は、また、排他的論理和回路２４の他方の入力端子および論理積回路２５の一方の入力端子に接続され、論理積回路２５の他方の入力端子は、排他的論理和回路２４の出力端子に接続されている。論理積回路２５の出力端子は、この一定期間算出回路１４ａの出力端子を構成している。なお、一定期間算出回路１４ａが算出する一定期間は、発振回路２２の発振周波数とカウンタ回路２１の段数であるｎの値とによって決められる。

この一定期間算出回路１４ａによれば、ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈに相当する設定温度よりも低い低温動作時では、図５および図６に示したように、比較器１２ｃが出力するチップ過熱警報信号は、Ｌレベルである。したがって、このＬレベルのチップ過熱警報信号が一方の入力端子に入力される論理積回路２５は、Ｌレベルの過熱保護信号を出力する。

ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈに相当する設定温度に達して、比較器１２ｃがＨレベルのチップ過熱警報信号を出力すると、Ｈレベルのチップ過熱警報信号を入力する論理反転回路２３は、Ｌレベルの信号を出力する。これにより、Ｌレベルの信号をリセット入力端子（ＲＳＴ）に受けるＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１は、リセットされて、出力端子（Ｑ）にＬレベルの信号を出力し、反転出力端子（ＱＢ）にＨレベルの信号を出力する。

次に、初段のＤフリップフロップＤＦＦ０がクロック入力端子（ＣＬＫ）に発振回路２２からの出力信号を受けると、その信号の立ち上がりエッジのタイミングで入力端子（Ｄ）に反転出力端子（ＱＢ）のＨレベルの信号を読み込んで保持する。これにより、ＤフリップフロップＤＦＦ０は、その出力端子（Ｑ）にＨレベルの信号を出力し、２段目のＤフリップフロップＤＦＦ１のクロック入力端子（ＣＬＫ）に供給する。これにより、２段目のＤフリップフロップＤＦＦ１は、初段のＤフリップフロップＤＦＦ０と同じ動作をし、この同じ動作は、最終段のＤフリップフロップＤＦＦｎ－１まで繰り返され、最終段のＤフリップフロップＤＦＦｎ－１は、Ｈレベルの信号を出力する。なお、ここでは、すべてのＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１がリセット状態から出力端子（Ｑ）にＨレベルの信号を出力するまで、所定の遅延時間が存在するが、ここでは、その遅延時間の影響は、無視するものとする。

このとき、排他的論理和回路２４は、Ｈレベルのチップ過熱警報信号およびＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１の出力信号を入力しているので、Ｌレベルの信号を出力する。このため、このＬレベルの信号を他方の入力端子に受ける論理積回路２５は、Ｌレベルの信号を出力する。

その後、ＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１は、発振回路２２の出力信号の立ち上がりエッジのタイミングに同期して発振回路２２の出力信号を順次分周していく。チップ過熱警報信号が入力されてから一定期間を経過すると、カウンタ回路２１がカウントアップして、最終段のＤフリップフロップＤＦＦｎ－１は、Ｌレベルの信号を出力する。これにより、排他的論理和回路２４は、Ｈレベルのチップ過熱警報信号およびＤフリップフロップＤＦＦｎ－１のＬレベルの信号を入力して、Ｈレベルの信号を出力する。このＨレベルの信号は、Ｈレベルのチップ過熱警報信号とともに論理積回路２５に入力されるので、論理積回路２５からＨレベルの過熱保護信号が出力される。

なお、チップ過熱警報信号が一定期間を経過する前にＬレベルになると、その時点で、ＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１は、リセットされて制御ＩＣ１０は、低温動作に戻る。

図７は規定回数算出回路の一構成例を示す回路図、図８は規定回数算出回路の動作を説明するための要部の論理値を示した図、図９は規定回数算出回路の動作を示すタイミングチャートである。なお、図７において、カウンタ回路を構成するＤフリップフロップは、図４のカウンタ回路２１のＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１と同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

規定回数算出回路１４ｂは、図７に示したように、カウンタ回路３１と、リセット回路３２と、ＤフリップフロップＤＦＦと、論理反転回路３３と、論理積回路３４とを有している。規定回数算出回路１４ｂの入力端子は、チップ温度検出回路１２の比較器１２ｃの出力端子に接続され、規定回数算出回路１４ｂの出力端子は、論理和回路１４ｄの入力端子の１つに接続されている。

規定回数算出回路１４ｂにおいて、リセット回路３２は、抵抗３５、コンデンサ３６および論理反転回路３７を有している。抵抗３５の一方の端子は、内部電源Ｖｃｃに接続され、抵抗３５の他方の端子は、コンデンサ３６の一方の端子と論理反転回路３７の入力端子とに接続され、コンデンサ３６の他方の端子は、グランドに接続されている。論理反転回路３７の出力端子は、カウンタ回路３１のＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１およびＤフリップフロップＤＦＦのリセット入力端子に接続されている。カウンタ回路３１の出力端子は、ＤフリップフロップＤＦＦのクロック入力端子（ＣＬＫ）および論理反転回路３３の入力端子に接続されている。ＤフリップフロップＤＦＦの出力端子（Ｑ）および論理反転回路３３の出力端子は、論理積回路３４の入力端子に接続され、論理積回路３４の出力端子は、この規定回数算出回路１４ｂの出力端子を構成している。なお、規定回数算出回路１４ｂが算出する規定回数は、カウンタ回路３１の段数であるｎの値によって決められる。

この規定回数算出回路１４ｂによれば、電源投入時に、リセット回路３２のコンデンサ３６は、内部電源Ｖｃｃから抵抗３５を介して充電される。コンデンサ３６への充電電圧が論理反転回路３７の閾値電圧を超えると、リセット回路３２は、Ｌレベルのリセット信号を出力する。このＬレベルのリセット信号は、カウンタ回路３１のＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１およびＤフリップフロップＤＦＦのリセット入力端子（ＲＳＴ）に供給される。これにより、カウンタ回路３１のＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１およびＤフリップフロップＤＦＦは、それぞれリセットされる。このとき、論理積回路３４は、ＤフリップフロップＤＦＦからＬレベルの信号が入力されるので、Ｌレベルの過熱保護信号を出力する。

ここで、ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈに相当する設定温度よりも低い低温動作時では、図８および図９に示したように、比較器１２ｃが出力するチップ過熱警報信号は、Ｌレベルである。このＬレベルのチップ過熱警報信号を受けているカウンタ回路３１のＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１およびＤフリップフロップＤＦＦは、それぞれリセット状態のままである。

ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈに相当する設定温度に達して、比較器１２ｃがＨレベルのチップ過熱警報信号を出力すると、そのチップ過熱警報信号は、規定回数算出回路１４ｂに入力される。規定回数算出回路１４ｂでは、チップ過熱警報信号は、カウンタ回路３１のＤフリップフロップＤＦＦ０のクロック入力端子（ＣＬＫ）に入力される。ＤフリップフロップＤＦＦ０は、チップ過熱警報信号の立ち上がりエッジのタイミングで入力端子（Ｄ）に反転出力端子（ＱＢ）のＨレベルの信号を読み込んで保持する。これにより、ＤフリップフロップＤＦＦ０は、その出力端子（Ｑ）にＨレベルの信号を出力し、２段目のＤフリップフロップＤＦＦ１のクロック入力端子（ＣＬＫ）に供給する。これにより、２段目のＤフリップフロップＤＦＦ１も、初段のＤフリップフロップＤＦＦ０と同じ動作をし、この同じ動作は、カウンタ回路３１の出力端子に接続されたＤフリップフロップＤＦＦまで繰り返される。この結果、カウンタ回路３１およびＤフリップフロップＤＦＦは、Ｈレベルの信号を出力する。

このとき、論理積回路３４は、その一方の入力端子に論理反転回路３３がカウンタ回路３１の出力信号を論理反転したＬレベルの信号を入力しているので、Ｌレベルの過熱保護信号を出力する。

その後、ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈに相当する設定温度より低下すると、比較器１２ｃがＬレベルの信号を出力する。この場合、Ｌレベルの信号が規定回数算出回路１４ｂに入力されても、規定回数算出回路１４ｂの動作に何も変化はない。

その後、再度、ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈに相当する設定温度に達して、比較器１２ｃがＨレベルのチップ過熱警報信号を出力すると、そのチップ過熱警報信号は、規定回数算出回路１４ｂに入力される。規定回数算出回路１４ｂでは、この２回目に入力されたチップ過熱警報信号の立ち上がりエッジのタイミングに同期して初段のＤフリップフロップＤＦＦ０のみ出力の値を反転させる。

後は、ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈに相当する設定温度を超えるたびに、カウンタ回路３１は、チップ過熱警報信号をクロック信号として入力し、チップ過熱警報信号の入力回数をカウントする。

チップ過熱警報信号の入力回数が規定回数Ｎに達すると、カウンタ回路３１は、Ｌレベルの信号を出力する。これにより、論理積回路３４は、ＤフリップフロップＤＦＦからのＨレベルの信号とカウンタ回路３１の出力信号を反転した論理反転回路３３からのＨレベルの信号とを入力するので、Ｈレベルの過熱保護信号を出力する。

図１０は累積時間算出回路の一構成例を示す回路図、図１１は累積時間算出回路の動作を説明するための要部の論理値を示した図、図１２は累積時間算出回路の動作を示すタイミングチャートである。

累積時間算出回路１４ｃは、図１０に示したように、規定回数算出回路１４ｂに発振回路４５および論理積回路４６を追加した構成を有している。すなわち、累積時間算出回路１４ｃは、規定回数算出回路１４ｂと同じ構成のカウンタ回路４１、リセット回路４２、ＤフリップフロップＤＦＦ、論理反転回路４３および論理積回路４４と、発振回路４５と、論理積回路４６とを有している。累積時間算出回路１４ｃの入力端子は、チップ温度検出回路１２の比較器１２ｃの出力端子に接続され、累積時間算出回路１４ｃの出力端子は、論理和回路１４ｄの入力端子の１つに接続されている。

累積時間算出回路１４ｃの入力端子は、論理積回路４６の一方の入力端子に接続され、論理積回路４６の他方の入力端子は、発振回路４５の出力端子に接続され、論理積回路４６の出力端子は、カウンタ回路３１のクロック入力端子（ＣＬＫ）に接続されている。なお、累積時間算出回路１４ｃが算出する累積は、発振回路４５の発振周波数とカウンタ回路４１の段数であるｎの値とによって決められる。

この累積時間算出回路１４ｃによれば、電源投入時では、チップ温度検出回路１２の比較器１２ｃからＬレベルのチップ過熱警報信号を入力しているので、論理積回路４６は、発振回路４５の出力信号をカウンタ回路４１に供給するのを阻止している。リセット回路４２は、電源投入から所定時間後にＬレベルのリセット信号を出力して、カウンタ回路３１のＤフリップフロップＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１およびＤフリップフロップＤＦＦをリセットする。これにより、カウンタ回路３１およびＤフリップフロップＤＦＦは、Ｌレベルの信号を出力する。このとき、論理積回路４４は、ＤフリップフロップＤＦＦからＬレベルの信号が入力されるので、Ｌレベルの過熱保護信号を出力する。

ここで、ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈに相当する設定温度よりも低い低温動作時では、比較器１２ｃが出力するチップ過熱警報信号は、Ｌレベルのままである。したがって、このときのカウンタ回路４１のＤフリップフロップＤＦＦｎ－１、ＤフリップフロップＤＦＦおよび論理積回路４４の出力信号は、図１１および図１２に示したように、Ｌレベルである。

ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが警報検出閾値電圧Ｖｔｈｗｈに相当する設定温度に達して、比較器１２ｃがＨレベルのチップ過熱警報信号を出力すると、そのチップ過熱警報信号は、論理積回路４６の一方の入力端子に入力される。これにより、発振回路４５の出力信号がカウンタ回路４１に入力され、カウンタ回路４１は、発振回路４５の出力信号のカウントを開始する。発振回路４５の出力信号のカウントは、Ｈレベルのチップ過熱警報信号が入力されている過熱警報期間、継続される。

次に、ＩＧＢＴチップ１ａの接合温度Ｔｊが設定温度を超えたときには、論理積回路４６が発振回路４５の出力信号の通過を許可し、カウンタ回路４１は、前回のカウント値に加える形でカウントを再開する。

このようにして、Ｈレベルのチップ過熱警報信号が入力されている過熱警報期間だけ、発振回路４５の出力信号をカウントすることにより、過熱警報期間の累積を算出することができる。

ここで、発振回路４５の出力信号をカウントしている期間に、指定した累積時間が経過すると、カウンタ回路４１の最終段のＤフリップフロップＤＦＦｎ－１がＬレベルの信号を出力する。これにより、論理積回路４４は、ＤフリップフロップＤＦＦｎ－１の出力信号を論理反転回路４３で反転したＨレベルの信号とＤフリップフロップＤＦＦが出力しているＨレベルの信号とを入力しているので、Ｈレベルの過熱保護信号を出力する。

以上の一定期間算出回路１４ａ、規定回数算出回路１４ｂおよび累積時間算出回路１４ｃは、チップ過熱保護用の異常時検出回路１４についてのものであるが、ケース過熱保護用の異常時検出回路１５についても同じ構成である。

なお、この半導体装置の上記の実施の形態では、一定期間算出回路１４ａ、規定回数算出回路１４ｂおよび累積時間算出回路１４ｃのカウンタ回路２１，３１，４１を立ち上がりエッジトリガタイプのＤフリップフロップで構成したが、これに限定されるものではない。たとえば、カウンタ回路２１，３１，４１には、立ち下がりエッジトリガタイプのＤフリップフロップ、ＪＫフリップフロップなどで構成することができる。

また、この半導体装置は、異常時検出回路１４，１５のいずれにおいても、一定期間算出回路、規定回数算出回路および累積時間算出回路をすべて備える必要はなく、必要に応じてこれらを任意に選択して使用することができる。さらに、この半導体装置は、異常時検出回路１４，１５の両方を備えているが、いずれか一方だけを備えるようにしてもよい。

１ＩＧＢＴ
１ａＩＧＢＴチップ
１ｂチップ温度検出素子
２ケース温度検出素子
１０制御ＩＣ
１１駆動回路
１２チップ温度検出回路
１２ａ定電流回路
１２ｂ，１２ｃ比較器
１２ｄ，１２ｅ基準電圧源
１３ケース温度検出回路
１４異常時検出回路
１４ａ一定期間算出回路
１４ｂ規定回数算出回路
１４ｃ累積時間算出回路
１４ｄ論理和回路
１５異常時検出回路
１６，１７，１８論理和回路
２１カウンタ回路
２２発振回路
２３論理反転回路
２４排他的論理和回路
２５論理積回路
３１カウンタ回路
３２リセット回路
３３論理反転回路
３４論理積回路
３５抵抗
３６コンデンサ
３７論理反転回路
４１カウンタ回路
４２リセット回路
４３論理反転回路
４４論理積回路
４５発振回路
４６論理積回路
ＤＦＦ０－ＤＦＦｎ－１，ＤＦＦＤフリップフロップ

Claims

パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を駆動するとともにその異常動作時に前記パワー半導体素子を保護する機能を有する制御ＩＣと、前記パワー半導体素子のチップ温度を検出するチップ温度検出素子と、前記パワー半導体素子、前記制御ＩＣおよび前記チップ温度検出素子を内蔵するパッケージのケース温度を検出するケース温度検出素子とを備えた半導体装置において、
前記制御ＩＣは、
前記チップ温度が第１の閾値より高いときにチップ過熱警報信号を出力し、前記チップ温度が前記第１の閾値より高く設定された第２の閾値より高いときに前記パワー半導体素子のスイッチング動作を停止させるチップ過熱保護信号を出力するチップ温度検出回路と、
前記ケース温度が第３の閾値より高いときにケース過熱警報信号を出力し、前記ケース温度が前記第３の閾値より高く設定された第４の閾値より高いときに前記パワー半導体素子のスイッチング動作を停止させるケース過熱保護信号を出力するケース温度検出回路と、
前記チップ過熱警報信号または前記ケース過熱警報信号を受けているときにパワーサイクル寿命を算出し、前記パワーサイクル寿命が所定の値に達したときに、前記パワー半導体素子のスイッチング動作を停止させる保護信号を出力する異常時検出回路と、
を備え、
前記異常時検出回路は、前記チップ過熱警報信号または前記ケース過熱警報信号が一定期間継続していることを算出する一定期間算出回路、前記チップ過熱警報信号または前記ケース過熱警報信号が入力された回数が規定回数に達したことを算出する規定回数算出回路および前記チップ過熱警報信号または前記ケース過熱警報信号が入力されている期間の累積時間が指定時間に達したことを算出する累積時間算出回路の少なくとも１つを有し、
前記一定期間算出回路は、発振回路と、前記発振回路が出力する信号が入力された回数をカウントしてカウントした値が所定の一定期間に相当する値に達したときに前記保護信号を出力するカウンタ回路と、前記チップ過熱警報信号または前記ケース過熱警報信号が入力されたときに前記カウンタ回路をリセットして前記カウンタ回路のカウントを開始させるリセット回路とを有している、
半導体装置。
前記規定回数算出回路は、入力された前記チップ過熱警報信号または前記ケース過熱警報信号が入力された回数をカウントしてカウントした値が所定の規定回数に相当する値に達したときに前記保護信号を出力するカウンタ回路と、電源投入時にリセット信号を生成して前記カウンタ回路をリセットするリセット回路とを有している、請求項１記載の半導体装置。
前記累積時間算出回路は、発振回路と、前記発振回路が出力する信号が入力された回数をカウントしてカウントした値が所定の累積時間に相当する値に達したときに前記保護信号を出力するカウンタ回路と、電源投入時にリセット信号を生成して前記カウンタ回路をリセットするリセット回路と、前記発振回路と前記カウンタ回路との間に配置されて前記チップ過熱警報信号または前記ケース過熱警報信号が入力されているときだけ前記発振回路が出力する信号を前記カウンタ回路に入力させる論理積回路とを有している、請求項１記載の半導体装置。