JPH01218350A - 電力用半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｃ産業上の利用分野］ この発明は、例えば大電力で使用される負荷に供給する
電流を制御する、異常温度からの保護機能を有する電力
用半導体装置に関する。

［従来の技術］ 電力用の半導体装置にあっては、負荷に供給される電流
を制御するパワー素子を備えているものであり、このパ
ワー素子には負荷電流が流れる。

したがって、パワー素子は負荷電流量に対応して発熱す
る。そして、例えば負荷がショートの状態となったよう
な障害発生時には、このパワー素子に大電流が流れるよ
うになり、このパワー素子の温度が過渡に上昇するよう
になる。

このようにパワー素子の温度が異常に上昇するようにな
ると、このパワー素子はもとより、このパワー素子と一
体的に構成された他の半導体素子、あるいは周辺装置の
破壊につながるようになる。

したがって、このようなパワー素子においては、異常に
温度が上昇するような状態となった時には、例えば負荷
電流を遮断するような保護機能を持たせるようにするこ
とが必要となる。

このようなパワー素子の保護機能は、従来においては周
辺回路に設定しているものであるが、最近では異常状態
の検出、さらにこの異常検出に対応して動作される保護
動作のための回路等を、電力用パワー素子と同一チップ
内に内蔵させることが考えられている。そして、小形化
、低コスト、さらに信頼性が向上されるようにしている
。

このような保護機能を内蔵した電力用半導体装置は、例
えば第４図で示すように構成されるもので、例えばｐチ
ャンネルのパワーＭＯＳによって構成されるパワー素子
１１を備え、このパワー素子Ｈを介して電源１２からの
電流が負荷１３に供給されるようにしている。

パワー素子１１のゲートには、ＮＡＮＤ回路１４からの
駆動信号が供給されており、ＮＡＮＤ回路１４にはゲー
ト駆動回路１５からのデユーティ制御されるパルス状の
駆動信号、および比較回路１６からの信号が供給されて
いる。すなわち、比較回路１Ｇからの出力信号がハイレ
ベルの状態で、駆動回路１５からのパルス状駆動信号が
極性反転される状態で、パワー素子１１のゲートに供給
され、オン・オフ制御されるようになる。そして上記比
較回路１６には、抵抗回路によって分圧された点Ａの基
準電圧信号、および温度検出用ダイオード１７の端子電
圧となるＢ点の電圧信号が供給されるようにしている。

ここで、上記温度検出用ダイオード１７は、パワー素子
１１と同一の半導体チップに形成されるもので、パワー
素子１１に大電流が流れ、このパワー素子１１が発熱し
て半導体チップが加熱されたときには、この半導体チッ
プの温度上昇に対応して点Ｂの電位が下げられるように
なる。そして、半導体チップの温度が正常な状態にある
ときは、点Ｂの電圧が点Ａの電圧よりも高く設定され、
比較回路１Ｂからの出力信号がハイレベルに設定されて
、ゲート駆動回路１５からの出力信号によってノ＜ワー
素子１１が制御され、負荷１８を制御するようにしてい
る。これに対して、半導体チップの温度が上昇すると、
この温度上昇に伴って点Ｂの電圧が低くなり、チップの
温度が異常温度の状態となると、点Ｂの電圧が点Ａの電
圧よりも低くなって、比較回路１６からの出力信号がロ
ーレベルとなる。したがって、この状態ではＮＡＮＤ回
路１４からの出力信号はハイレベルに固定されるように
なり、ｐチャンネルＭＯ８でなるパワー素子１１はオフ
状態とされて負荷電流が遮断され、この半導体素子は過
電流による発熱から保護されるものである。

しかしながら、このように構成される半導体装置におい
て、発熱するパワー素子１１部と温度検出素子１７部と
の間の熱伝導の関係から、上記発熱部と検出部の温度が
必ずしも一致するとは限らない。

例えば、負荷１３にショートが生じてパワー素子１１に
過渡的に大電流が流れるようになり、このパワー素子１
１が急激に温度上昇する場合を想定すると、このパワー
素子１１とは異なる位置に形成される温度検出素子１７
の温度上昇が追従し得なくなる。すなわち、パワー素子
１１部の温度と温度検出素子１７部の温度との間に、５
０℃程度の温度差が存在するようになる。したがって、
保護温度を例えば１５０℃に設定したとしても、パワー
素子１１のジャンクシ目ン温度が２００℃となった状態
で保護動作が実行されるようになり、素子の保護機能が
確実に発揮されないようになる。

［発明が解決しようとする課＠］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、特に
負荷電流を制御するパワー素子部に電流が流れている動
作状態で、このパワー素子部の温度に対応した保護動作
が実行されるようにして、急激な負荷電流の上昇に伴う
過渡的な温度上昇であっても、確実に素子を加熱から保
護できるようにする、保護機能を備えた電力用半導体装
置を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ すなわち、この発明に係る電力用半導体装置にあっては
、負荷を制御するパワー素子と共通に制御され、パワー
素子に流れる電流と比例した電流が流されるようになる
制御素子を設けると共に、上記パワー素子と共通の半導
体チップに形成される温度検出素子からの温度検出信号
と、設定された基準温度に対応した基準信号とを比較し
て、検出温度が基準温度を越える状態で上記パワー素子
をオフ制御させるようにする。そして、上記温度検出信
号および基準信号の少なくとも一方が上記制御素子に流
れる電流量によって補正されるようにする。

［作用］ 上記のような電力用半導体装置にあっては、基本的には
パワー素子の設定される半導体チップの温度が、設定さ
れた基準温度を越えて上昇する状態で、上記パワー素子
をオフして過熱からの保護動作が実行されるようにする
。このような保護動作が実行されるに際して、パワー素
子に流れる電流に比例した電流が制御素子から検出され
るようになり、この制御素子から得られる電流によって
、例えば基準信号を補正することによって、上記設定さ
れる基準温度が上昇されるようになる。したがって、パ
ワー素子に負荷電流が流れる状態において、パワー素子
部の温度が過渡的に上昇した場合に、このパワー素子部
と温度検出部との温度差が補償されるようになり、急激
な負荷電流の上昇に際して、これに確実に対処して保護
動作が行われる。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図は保護機能を備えた電力用半導体装置の回路構成
を示しているもので、ｐチャンネルＭＯ８によって構成
されるパワー素子２１を備える。このパワー素子２１は
、電源と負荷２２との間に設定されるもので、そのオン
状態で負荷２２に電流を供給する。また、このパワー素
子２１と同様のｐチャンネルＭＯ９によって、同一の半
導体チップに制御素子２８が設けられるもので、パワー
素子２１および制御素子２３は、ＮＡＮＤ回路２４から
の出力信号によってゲート制御され、このＮＡＮＤ回路
２４からの出力がローレベルのときに、共にオン制御さ
れるようにしている。

上記ＮＡＮＤ回路２４には、比較回路２５からの出力信
号、およびゲート駆動回路２６からの駆動信号が供給さ
れているもので、ゲート駆動回路２Ｂからは、例えばデ
ユーティ制御されたパルス状の信号が発生されるように
している。したがって、比較回路２５からの出力信号が
ハイレベルの状態で、ゲート駆動回路２６からの出力パ
ルス信号が極性反転してＮＡＮＤ回路２４から出力され
るようになり、この信号がパワー素子２１および制御素
子２３のそれぞれゲートに供給されるようになる。

上記比較回路の負側の端子には、抵抗Ｒ１およびＲ２に
よる電圧分圧回路で構成された基準電圧設定部２７の、
抵抗Ｒ１とＲ２の接続点である点Ａの基準電圧信号が、
抵抗Ｒ３を介して供給されるようにする。そして、上記
制御素子２３がオン状態のとき得られる電流が、上記比
較回路２５の負側端子に、上記基準電圧を補正する要素
として、逆流防止用のダイオード２８を介しそ供給され
るようにする。

またこの比較回路２５の正側の端子には、複数のダイオ
ードを直列接続して構成した温度検出素子２９の、点Ｂ
の端子電圧が供給されるようになっているもので、上記
点Ｂは抵抗Ｒ４を介して電源ラインに接続されている。

ここで、この温度検出索子２９を構成するダイオードは
、上記パワー素子２１の形成された半導体チップに内蔵
されるように形成され、パワー素子２１に大電流が流れ
て発熱し、半導体チップがこの熱によって温度上昇した
ときには、この半導体チップの温度上昇が検出されるよ
うにしている。そして、この温度検出素子２９を構成す
るダイオードは、負の温度特性を有するものであるため
、半導体チップの温度が上昇したときには、その温度に
対応して点Ｂの電圧が低下されるようになる。

すなわち、このように構成される電力用半導体装置にあ
っては、パワー素子２１の形成される半導体チップの温
度は、温度検出素子２９の点Ｂの電圧によって検出され
、この検出温度に対応した点Ｂの電圧は、温度特性を備
えていない基準電圧設定部２７で設定された基準電圧と
、比較回路２５で比較される。

ここで、上記点Ｂの電位は半導体チップの温度が正常な
状態にあるときは、点Ａの電圧より高くなるように設定
されているもので、温度の正常状態では比較回路２５か
らハイレベルの信号が出力され、このハイレベルの信号
がＮＡＮＤ回路２４にゲート信号として供給されるよう
になっている。したがって、ゲート駆動回路２Ｂからの
パルス状の駆動信号は、極性反転してパワー素子２１に
供給され、負荷２２が制御されるようになる。

そして、半導体チップの温度が上昇すると、この温度に
対応して点Ｂの電圧が低下し、このＢ点の電圧が基準電
圧である点Ａの電圧より低くなると、比較回路２５の出
力はハイレベルからローレベルに変化する。すなわち、
ＮＡＮＤ回路２４のゲート信号がローレベルに固定され
るようになり、このＮＡＮＤ回路２４からの出力信号が
ハイレベルに固定されるようになって、パワー素子２１
と共に制御素子・２３がオフ状態とされ、負荷２２に対
する負荷電流が遮断され、過電流による半導体チップの
異常な温度上昇が阻止されるようになる。

すなわち、基本的には上記のような保護動作が実行され
るようになるものであるが、この実施例に示された電力
用半導体装置にあっては、パワー素子２１と同様の制御
素子２３が設けられており、この制御素子２３のゲート
はパワー素子２１のゲートと共通に接続されている。し
たがって、制御素子２３においては、パワー素子２１に
流れる電流を検出するようになり、このパワー素子２１
に流れる電流と比例した電流が制御素子２３に流れて、
この電流がダイオード２８をかいして点Ａの電位部分に
流れ込むようになる。

したがって、この制御素子２３を介して流れ込む電流に
よって、Ａ点の電圧レベル、すなわち比較口、路２５の
負側入力の電位が上げられるようになり、半導体チップ
のパワー素子２１部分の温度と温度検出素子２９部分の
温度との温度差を補正するようになる。

すなわち、この電力用半導体装置にあっては、パワー素
子２１に負荷電流が流れるようになる状態で、過熱から
の保護動作を行う比較回路２５に供給される基準電圧が
、上記負荷電流量に対応して変化されるようになり、パ
ワー素子２１部と温度検出素子２９部の温度差を、回路
上でキャンセルするようになる。

したがって、負荷２２の動作中において、この負荷２２
にショート等の障害が発生し、パワー素子２１に流れる
負荷電流が急激に上昇して、半導体チップの温度が急激
に上昇するような状態となったときには、同時に制御素
子２３に流れる電流量も急激に増大し、比較回路２５に
供給される基準電圧値も上昇される。このため、上記負
荷電流の増大によってパワー素子２１部分の半導体チッ
プの温度が、例えば１５０℃に上昇したときに、半導体
チップの温度検出素子２９の設定された部分の温度が、
例えば１００℃までしか上昇しないような場合でも、比
較回路２５に供給される基準電圧が制御素子２３からの
電流によって上昇されるため、温度検出素子２９でチッ
プ温度が１００℃であることを検出しても、比較回路２
５からの出力は、ローレベルに反転される。したがって
、実質的に半導体チップのパワー素子２１部分の温度が
、１５０℃に上昇した状態で、負荷２２に供給される電
流が遮断されて、速やかな保護動作が実行されるもので
ある。

ここで、負荷の停止状態にあっては、制御素子２３に電
流が流れないものであるため、基準電圧の補正は行われ
ない。また正常な動作状態にあっては、制御素子２３に
流れる電流量は制限されたものであり、したがって比較
回路２５に供給される基準電圧の補正量は小さい。この
ため、半導体チップの温度検出素子２９の設定された部
分の温度に近い状態で、通常の保護動作が実行される。

第２図は他の実施例を示しているもので、この実施例に
あっては制御素子２３に直列にして抵抗Ｒ５およびＲ６
を接続し、点Ｃから制御素子２３に流れる電流量に対応
した電圧が取出されるようにしている。そして、このＣ
点の電圧信号は比較回路３０に供給して、設定された比
較電圧Ｒｅｆと比較し制御素子２３らに流れる電流が増
大して、Ｃ点の電位が比較電圧Ｒｅ４を越えて下降する
ようになったときに、逆流防止用のダイオード２８を介
して比較回路２５の負側端子に、基準電圧の補正電圧を
供給するようにしている。その他の部分は第１図で示し
た実施例と同様であるので、同一符号を付してその説明
は省略する。

すなわち、この実施例にあっては負荷２３に供給される
負荷電流が比較的少ない状態では、保護動作用の比較回
路２５の基準電圧が補正されないようにし、パワー素子
２１に流れる負荷電流が異常に増大した状態でのみ、比
較回路２５の基準電圧値が補正されるようにしているも
のである。

尚、上記実施例にあっては、パワー素子２１としてｐチ
ャンネルＭＯＳを使用するようにしているものであるが
、これはｎチャンネルＭＯＳを使用するようにしても同
様に実施できるものであり、さらにパワーＭＯ８に限ら
ず、バイポーラトランジスタの場合でも同様に実施可能
である。

さらに温度検出素子２９部は、実施例においては温度特
性を有する複数のダイオードを直列接続して構成するよ
うにしたが、これは温度特性を有するものによって適宜
構成できるものであり、例えば温度特性の異なる抵抗の
比、バンドギャップ回路内の電位、ツェナーダイオード
電圧等を用いて構成することもできる。また直流駆動に
よって制御されるパワー素子を使用する場合、温度差は
かなり小さくなるが、この場合は第２図の実施例で示し
たように過大電流のみを検出し、この過大電流が検出さ
れたときのみ、比較回路２５の基準電圧を補正するよう
にすればよい。

これまでの実施例においては、制御素子素子２４に流れ
る電流に対応した信号を、比較回路２５の基準電圧設定
部２７に供給し、基準電圧が補正されるようにしていた
。しかし、この補正の対象は温度検出信号であっても同
様の効果が得られる。

−第３図はその実施例を示したもので、基本的には第１
図で示した実施例と同様に構成されているが、温度検出
素子２９が電源に接続され、この温度検出素子２９が抵
抗Ｒ７を介して接地されるようにしている。そして、こ
の温度検出素子２９と抵抗Ｒ７と接続点Ｂが、抵抗Ｒ８
を介して比較回Ｑ２５の負側入力に接続されている。そ
して、制御素子２３からの電流はダイオード２１を介し
て、比較回路２５の負側入力に供給し、温度検出信号を
補正するようにしている。

すなわち、この半導体装置にあっては、半導体チップの
温度に対応してＢ点の電位が変動するようになるもので
あり、半導体チップの温度が高くなるにしたがって、Ｂ
点の電位が上昇されるようになる。そして、半導体チッ
プの温度が正常の状態にあるときには、抵抗Ｒ１および
Ｒ２によって設定されるＡ点の基準電位が、Ｂ点電位よ
り低くなるように設定されている。したがって、この状
態では比較回路２５からの出力がハイレベルとなり、パ
ワー素子２１はゲート駆動回路２Ｂの出力に対応してオ
ン・オフ制御されて、負荷２２に電力を供給している。

この場合、制御素子２３にはパワー素子２３に流れる電
流に対応した電流が流れ、温度検品信号を補正している
。

そして、負荷２２に大きな電流が流れるような状態とな
ったときは、制御素子２３にも大きな電流が流れ、温度
検出素子２９で実際に検出した温度よりも高い温度検出
信号を比較回路２５に与え、半導体チップを確実に過熱
から保護する動作が実行されるようになるものである。

〔発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る電力用半導体装置にあって
は、特にパワー素子に過渡的に過大電流が流れるように
なった場合、すなわち半導体チップのパワー素子部の温
度と温度検出素子部の温度とに差が生じるような場合に
、パワー素子部に流れる電流量に対応して温度検出動作
を実行す−る保護機能部の基準電圧が補正されるもので
あり、特に過渡的な電流増加によってパワー素子の温度
が急激に上昇するようなときに、半導体チップの温度検
出動作が適切に行われるようになる。したがって、この
半導体装置は熱的な破壊から効果的に保護されるように
なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る電力用半導体装置の
回路構成を示す図、第２図および第３図はそれぞれこの
発明の他の実施例の回路構成を示す図、第４図は従来の
電力用半導体装置の回路構成を示す図である。 ２１・・・パワー素子、２２・・・負荷、２３・・・制
御素子、２４・・・ＮＡＮＤ回路、２５・・・比較回路
、２７・・・基準電圧設定部、２９・・・温度検出素子
。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１ｗｉ 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 負荷に動作電力を供給するパワー素子と、 このパワー素子と同一の半導体チップに形成され、この
   半導体チップの温度に対応した電気的な信号を発生する
   温度検出素子と、 検出すべき基準温度に対応した基準信号を発生する基準
   信号発生手段と、 上記温度検出素子から得られた検出信号と上記基準信号
   とを比較して、上記半導体チップの温度が上記基準温度
   より上昇した状態を検出する比較手段と、 上記パワー素子と共通にゲート制御されるようにした制
   御素子と、 上記パワー素子に流れる負荷電流に対応して上記制御素
   子に流れるようになる電流に基づき、上記検出信号およ
   び基準信号の少なくとも一方を補正する手段とを具備し
   、 上記比較手段からの検出出力によって、上記パワー素子
   をオフ制御するようにしたことを特徴とする電力用半導
   体装置。