JPH03167878A - 対熱保護されたスイッチングデバイス - Google Patents
対熱保護されたスイッチングデバイスInfo
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- JPH03167878A JPH03167878A JP2312970A JP31297090A JPH03167878A JP H03167878 A JPH03167878 A JP H03167878A JP 2312970 A JP2312970 A JP 2312970A JP 31297090 A JP31297090 A JP 31297090A JP H03167878 A JPH03167878 A JP H03167878A
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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。
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、一般に集積回路の温度制御回路に関し、より
詳細にはパワートランジスタの温度制御回路に関するも
のである。
詳細にはパワートランジスタの温度制御回路に関するも
のである。
バイボーラおよびMOSFET等のパワートランジスタ
はきわめてよく知られるところである。
はきわめてよく知られるところである。
パワートランジスタは、負荷に供給される大電流を制御
する目的で使われる。バイボーラおよびMOSFETの
パワートランジスタは制御電極、ベースまたはゲートを
有する。これらはトランジスタを流れる電流を制御し、
トランジスタをオンまたはオフの状態に切り替える。パ
ワートランジスタは、通常摂氏100度から170度と
いう高い温度で動作するという点で、一般的な集積回路
とは異なっている。またそのためにそれが封入されてい
るパッケージを通して大きな熱量を放出しなければなら
ない。
する目的で使われる。バイボーラおよびMOSFETの
パワートランジスタは制御電極、ベースまたはゲートを
有する。これらはトランジスタを流れる電流を制御し、
トランジスタをオンまたはオフの状態に切り替える。パ
ワートランジスタは、通常摂氏100度から170度と
いう高い温度で動作するという点で、一般的な集積回路
とは異なっている。またそのためにそれが封入されてい
るパッケージを通して大きな熱量を放出しなければなら
ない。
パワートランジスタと一般の集積回路の製造プロセスが
似かまっているにもかかわらず、通常それらの間に互換
性はない。パワートランジスタに制御機能を統合しよう
とする試みがなされてきたが、これらの試みは商業的に
は或功しなかった。
似かまっているにもかかわらず、通常それらの間に互換
性はない。パワートランジスタに制御機能を統合しよう
とする試みがなされてきたが、これらの試みは商業的に
は或功しなかった。
その失敗の原因は標準の集積回路プロセスとパワートラ
ンジスタプロセスとを組み合わせるための追加のコスト
によって、この二つを組み合わせた装置の製造コストが
、それぞれを単独で製造するよりも多くなってしまうこ
とであった。また全く異なった2つのプロセスを組み合
わせることによって、集積回路およびパワートランジス
タそれぞれの性能を犠牲にしなければならないという欠
点があった。このため、多くの場合電流制限や温度制限
の機能を実行させるための制御回路をパワートランジス
タの外部に追加することが不可欠であるとされていた。
ンジスタプロセスとを組み合わせるための追加のコスト
によって、この二つを組み合わせた装置の製造コストが
、それぞれを単独で製造するよりも多くなってしまうこ
とであった。また全く異なった2つのプロセスを組み合
わせることによって、集積回路およびパワートランジス
タそれぞれの性能を犠牲にしなければならないという欠
点があった。このため、多くの場合電流制限や温度制限
の機能を実行させるための制御回路をパワートランジス
タの外部に追加することが不可欠であるとされていた。
集積回路の動作は通常特定の動作温度範囲によって制限
されている。特にパワートランジスタにおいてはそれが
顕著であるが、それはすでにパワートランジスタが高い
温度で動作しているので、特に動作温度範囲の上限に対
して敏感であるためである。パワートランジスタが動作
温度限界を越えて動作させられた場合、たとえそれが過
渡的なものであっても、装置はしばしば破壊される。こ
のため所定の温度または限界電流量に達したときにパワ
ートランジスタを遮断できるようにして、装置を破壊か
ら保護することが長い間望まれてきた。しがしながら、
前述のようにそのような保護回路をパワートランジスタ
と同一のチップの中に集積化するのは困難であった。
されている。特にパワートランジスタにおいてはそれが
顕著であるが、それはすでにパワートランジスタが高い
温度で動作しているので、特に動作温度範囲の上限に対
して敏感であるためである。パワートランジスタが動作
温度限界を越えて動作させられた場合、たとえそれが過
渡的なものであっても、装置はしばしば破壊される。こ
のため所定の温度または限界電流量に達したときにパワ
ートランジスタを遮断できるようにして、装置を破壊か
ら保護することが長い間望まれてきた。しがしながら、
前述のようにそのような保護回路をパワートランジスタ
と同一のチップの中に集積化するのは困難であった。
保護回路の有効性は、パワーデバイスを危険にさらすよ
うな動作状態に対していがに迅速に応答できるかにかか
っている。保護回路は素早く応答しなければならず、同
時に素早く応答し過ぎて誤って回路を遮断してはならな
い。したがって単純に保護回路をより敏感にするだけで
は、通常は応答時間を改善することにはならない。なぜ
ならこれは保護回路の誤動作へとつながるからである。
うな動作状態に対していがに迅速に応答できるかにかか
っている。保護回路は素早く応答しなければならず、同
時に素早く応答し過ぎて誤って回路を遮断してはならな
い。したがって単純に保護回路をより敏感にするだけで
は、通常は応答時間を改善することにはならない。なぜ
ならこれは保護回路の誤動作へとつながるからである。
ここで必要なのは、パワーデバイスを危険にさらす状態
の大きさに比例した信号を素早く生成する手段である。
の大きさに比例した信号を素早く生成する手段である。
対温度保護信号の生成は特に困難であった。対温度保護
においては2つの要素がある。第1に、保護回路は応答
が起こるまで熱せられなければならない。第2に、保護
回路は熱抵抗の少ない結合手段によってパワートランジ
スタに結合されなければならない。応答時間を早くする
ためには、保護装置の熱容量を最小限に抑えなければな
らないし、保護装置をパワートランジスタの熱発生原の
すぐ近くに設置しなければいけない。もし保護回路がパ
ワーデバイスとは別のパッケージに配置された場合、パ
ワーデバイスと保護回路との間に熱結合手段が存在する
とすれば、2つの装置が共有の放熱器を有している場合
だけである。このような熱結合は伝搬速度が非常に遅く
、かなり粗雑な回路においてのみ有効である。その他の
方法としては保護回路とパワートランジスタとを同一の
パッケージ内に横並びに取付けることである。この方法
は2つの回路の間の物理的間隔をかなり減らすことにな
る。しかしながら、この方法は前記共有の放熱器の場合
と同様に、パワートランジスタチップから保護回路に熱
の情報が伝わる時間が、その熱によってパワートランジ
スタが破壊されるのに要する時間よりも長い、という難
点を抱えている。したがってこれらの方法は安定状態に
おける対温度保護には効果があるが、過渡的な温度に対
しては効果がない。
においては2つの要素がある。第1に、保護回路は応答
が起こるまで熱せられなければならない。第2に、保護
回路は熱抵抗の少ない結合手段によってパワートランジ
スタに結合されなければならない。応答時間を早くする
ためには、保護装置の熱容量を最小限に抑えなければな
らないし、保護装置をパワートランジスタの熱発生原の
すぐ近くに設置しなければいけない。もし保護回路がパ
ワーデバイスとは別のパッケージに配置された場合、パ
ワーデバイスと保護回路との間に熱結合手段が存在する
とすれば、2つの装置が共有の放熱器を有している場合
だけである。このような熱結合は伝搬速度が非常に遅く
、かなり粗雑な回路においてのみ有効である。その他の
方法としては保護回路とパワートランジスタとを同一の
パッケージ内に横並びに取付けることである。この方法
は2つの回路の間の物理的間隔をかなり減らすことにな
る。しかしながら、この方法は前記共有の放熱器の場合
と同様に、パワートランジスタチップから保護回路に熱
の情報が伝わる時間が、その熱によってパワートランジ
スタが破壊されるのに要する時間よりも長い、という難
点を抱えている。したがってこれらの方法は安定状態に
おける対温度保護には効果があるが、過渡的な温度に対
しては効果がない。
意外にも保護回路がパワートランジスタと同一のチップ
内に形或されても、上面の温度状態と上面の温度状態に
反応する保護回路との間の時間差は長すぎることもある
。これは反応信号を生成するためにはパワートランジス
タおよび保護回路の全体の熱質量が熱せられなければな
らないからである。しばしば全体の質量が保護回路を動
作させるのに十分なだけの温度になる前にパワーデバイ
スの一部が被破壊温度にまで達してしまう。よってこれ
までパワートランジスタを過渡的な温度状況変化から効
果的に保護するのは非常に困難であった。
内に形或されても、上面の温度状態と上面の温度状態に
反応する保護回路との間の時間差は長すぎることもある
。これは反応信号を生成するためにはパワートランジス
タおよび保護回路の全体の熱質量が熱せられなければな
らないからである。しばしば全体の質量が保護回路を動
作させるのに十分なだけの温度になる前にパワーデバイ
スの一部が被破壊温度にまで達してしまう。よってこれ
までパワートランジスタを過渡的な温度状況変化から効
果的に保護するのは非常に困難であった。
保護回路をパワートランジスタに結合するその他の方法
は保護回路の裏面をパワートランジスタの表面に合わせ
るようにして保護回路をパワートランジスタの上面に伝
導性ペーストを用いて取付ける方法であった。この方法
はさらに保護回路とパワートランジスタとの間の物理的
間隔を減少させ、保護回路がパワートランジスタの温度
に比較的素早く反応することが可能である。しかしなが
らこの方法でもまだ実際には完璧ではない。シリコンの
熱伝搬は比較的遅く、遮断信号が生成可能になる以前に
パワートランジスタおよび保護回路の全体の質量の温度
が上昇しなければならない。
は保護回路の裏面をパワートランジスタの表面に合わせ
るようにして保護回路をパワートランジスタの上面に伝
導性ペーストを用いて取付ける方法であった。この方法
はさらに保護回路とパワートランジスタとの間の物理的
間隔を減少させ、保護回路がパワートランジスタの温度
に比較的素早く反応することが可能である。しかしなが
らこの方法でもまだ実際には完璧ではない。シリコンの
熱伝搬は比較的遅く、遮断信号が生成可能になる以前に
パワートランジスタおよび保護回路の全体の質量の温度
が上昇しなければならない。
したがって上記のような形で保護回路がパワートランジ
スタの上面に直に取付けられている場合でも過渡的な温
度変化状況と保護回路の反応との間の時間差が長すぎる
ためにパワートランジスタを保護できない。
スタの上面に直に取付けられている場合でも過渡的な温
度変化状況と保護回路の反応との間の時間差が長すぎる
ためにパワートランジスタを保護できない。
したがって、本発明の目的は、効果的な対温度保護手段
を備えたパワートランジスタを提供することにある。
を備えたパワートランジスタを提供することにある。
本発明の他の目的は、温度状況に対してより反応時間が
速く対温度保護されたパワートランジスタを提供するこ
とにある。
速く対温度保護されたパワートランジスタを提供するこ
とにある。
本発明のさらに他の目的は、対温度保護手段を備え、さ
らにコスト的に見合ったパワートランジスタを提供する
ことにある。
らにコスト的に見合ったパワートランジスタを提供する
ことにある。
本発明のさらに他の目的は、在来の半導体製造プロセス
を用いて、対温度保護手段を備えたパワートランジスタ
を提供することにある。
を用いて、対温度保護手段を備えたパワートランジスタ
を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、対温度保護手段を備え、さ
らに過渡的な温度変化状況に対して改善された反応特性
を有するパワートランジスタを提供することにある。
らに過渡的な温度変化状況に対して改善された反応特性
を有するパワートランジスタを提供することにある。
上記目的および本発明の効果は対温度保護手段を備えた
パワートランジスタを提供することによって達或される
。当該パワートランジスタは、パワートランジスタから
戒る第1チップ、および保護回路から或る第2チップを
有することを特徴とするものである。前記第2チップは
その上に形威された複数の金属突起を持ち、該複数の金
属突起は保護回路の様々な部分に結合しており、少なく
とも1つの金属突起は温度モニターとして動作している
。保護回路チップは上下逆さまにパワートランジスタチ
ップ上に取付けられ、パワートランジスタチップに金属
突起を介して結合される。前記金属突起は保護回路に電
力を供給し、保護回路とパワートランジスタとの間に制
御信号を結合し、パワートランジスタから保護回路への
温度情報を結合するように働く。
パワートランジスタを提供することによって達或される
。当該パワートランジスタは、パワートランジスタから
戒る第1チップ、および保護回路から或る第2チップを
有することを特徴とするものである。前記第2チップは
その上に形威された複数の金属突起を持ち、該複数の金
属突起は保護回路の様々な部分に結合しており、少なく
とも1つの金属突起は温度モニターとして動作している
。保護回路チップは上下逆さまにパワートランジスタチ
ップ上に取付けられ、パワートランジスタチップに金属
突起を介して結合される。前記金属突起は保護回路に電
力を供給し、保護回路とパワートランジスタとの間に制
御信号を結合し、パワートランジスタから保護回路への
温度情報を結合するように働く。
第1図は本発明の温度制御スイッチを高度に単純化した
図である。半導体スイッチングチップ11はヒートスプ
レッダl4に取付けられている。
図である。半導体スイッチングチップ11はヒートスプ
レッダl4に取付けられている。
ヒートスブレッダ14はセラミック基板またはメタルリ
ードフレーム、もしくは同様のパッケージ部品である。
ードフレーム、もしくは同様のパッケージ部品である。
パワースイッチングチップl1は好適にはパワーMOS
FET}ランジスタであるが、パワーバイポーラ、サイ
リスタ、または同等の代替品でも可能である。パワース
イッチングチップ11がバイボーラまたはMOSFET
}ランジスタのような三端子素子の場合、2つのワイヤ
接合がパワースイッチングチップ11の上面に設けられ
、3番目の電気接点はパワースイッチングチツブ11の
底面に設けられる。第1図において、ワイヤ13はパワ
ーMOSFET}ランジスタのゲートワイヤであり、ワ
イヤ16はソースワイヤであって、ドレイン接点は基板
14を通して背面に作られるか、またはパワースイッチ
ングチツブ11の裏面に設けられる。制御チツプ21は
上下逆さまにパワースイッチングチツブ11の上面に取
付けられる。制御チツプ2lの上面に形戒された複数の
接点突起22は、熱的、電気的、機械的に制御チップ2
1をパワースイッチングチツプ11に結合する。都合の
よいことに制御チツプ21はパワースイッチングチツプ
11よりも小さいので、制御チップ21がチツプ11の
上に取付けられたときにもワイヤ接合16および13の
ための余地が残る。
FET}ランジスタであるが、パワーバイポーラ、サイ
リスタ、または同等の代替品でも可能である。パワース
イッチングチップ11がバイボーラまたはMOSFET
}ランジスタのような三端子素子の場合、2つのワイヤ
接合がパワースイッチングチップ11の上面に設けられ
、3番目の電気接点はパワースイッチングチツブ11の
底面に設けられる。第1図において、ワイヤ13はパワ
ーMOSFET}ランジスタのゲートワイヤであり、ワ
イヤ16はソースワイヤであって、ドレイン接点は基板
14を通して背面に作られるか、またはパワースイッチ
ングチツブ11の裏面に設けられる。制御チツプ21は
上下逆さまにパワースイッチングチツブ11の上面に取
付けられる。制御チツプ2lの上面に形戒された複数の
接点突起22は、熱的、電気的、機械的に制御チップ2
1をパワースイッチングチツプ11に結合する。都合の
よいことに制御チツプ21はパワースイッチングチツプ
11よりも小さいので、制御チップ21がチツプ11の
上に取付けられたときにもワイヤ接合16および13の
ための余地が残る。
第2図は制御チツブ21およびパワースイッチングチッ
プ11の高度に単純化されたレイアウトおよびプロック
ダイアグラムである。説明を簡単にするために、それぞ
れの回路のブワツクダイアダラムが第2図に図示されて
おり、レイアウトを工夫して制御チツブ21がどのよう
にパワースイッチングチツプ11の上面に設置されるか
についてわかり易くしている。しかし、実際の回路にお
いては部品の位置やチップの個々のレイアウトは高度に
変形可能であり、特定の製造工程または製造者の目標性
能に様々に適合させることが可能である。また本発明の
温度制御回路は、様々なその他の論理回路または電流制
限回路のような保護機能と組み合わせることが可能であ
る。
プ11の高度に単純化されたレイアウトおよびプロック
ダイアグラムである。説明を簡単にするために、それぞ
れの回路のブワツクダイアダラムが第2図に図示されて
おり、レイアウトを工夫して制御チツブ21がどのよう
にパワースイッチングチツプ11の上面に設置されるか
についてわかり易くしている。しかし、実際の回路にお
いては部品の位置やチップの個々のレイアウトは高度に
変形可能であり、特定の製造工程または製造者の目標性
能に様々に適合させることが可能である。また本発明の
温度制御回路は、様々なその他の論理回路または電流制
限回路のような保護機能と組み合わせることが可能であ
る。
パワースイッチングチツブ11は、パワーMOSFET
またはドレイン,ゲート,ソースを有する乗直DMOS
構造として図示されている。パワーMOSFET}ラン
ジスタはよく知られており、いろいろなプロセスが装置
の製造に使用可能である。パワースイッチングチツプ1
1は、パワースイッチングチップ11を制御チツプ21
に結合する接点バッド12A,12B,12Cを除いて
は実質的に在来型の簡単に入手可能なスイッチングトラ
ンジスタである。ソース接合バツド19はバワートラン
ジスタ16のソース領域に結合しており、ワイヤ16を
接合するための場所として提供される(第1図に図示さ
れる)。同様に接合バツド18はゲートワイヤ13を接
合する場所として提供される。しかしながら接合パッド
18はMOSFETI 6のゲート領域に直接には結合
されていない。
またはドレイン,ゲート,ソースを有する乗直DMOS
構造として図示されている。パワーMOSFET}ラン
ジスタはよく知られており、いろいろなプロセスが装置
の製造に使用可能である。パワースイッチングチツプ1
1は、パワースイッチングチップ11を制御チツプ21
に結合する接点バッド12A,12B,12Cを除いて
は実質的に在来型の簡単に入手可能なスイッチングトラ
ンジスタである。ソース接合バツド19はバワートラン
ジスタ16のソース領域に結合しており、ワイヤ16を
接合するための場所として提供される(第1図に図示さ
れる)。同様に接合バツド18はゲートワイヤ13を接
合する場所として提供される。しかしながら接合パッド
18はMOSFETI 6のゲート領域に直接には結合
されていない。
接合パッド18は接点バツド12Aと結合し、ソースパ
ッドl9は接点パッド12Cと結合する。
ッドl9は接点パッド12Cと結合する。
MOSFET16のゲートは他の接点パッド12Bと結
合する。抜点パツド12A,12B,12Cはあとから
説明されるように制御チツブ21のための接合接点とし
て働く。第2図中の制御チツプ21を参照すると、パワ
ーチツブ11上の接点バッド12A,12B,12Cに
対応して接点突起22A,22B,22Cが制御チツブ
21上に形戒される。接点突起22A,22B,22C
は好適にはハンダづけ可能な物質で覆われた金属から戒
り、また熱抵抗が少なくなければならない。
合する。抜点パツド12A,12B,12Cはあとから
説明されるように制御チツブ21のための接合接点とし
て働く。第2図中の制御チツプ21を参照すると、パワ
ーチツブ11上の接点バッド12A,12B,12Cに
対応して接点突起22A,22B,22Cが制御チツブ
21上に形戒される。接点突起22A,22B,22C
は好適にはハンダづけ可能な物質で覆われた金属から戒
り、また熱抵抗が少なくなければならない。
すず又は金すず合金で覆われた金が接点突起22A,2
2B,22Cの材料として適している。説明を簡単にす
るために、制御チツプ21中に図示される回路の説明は
、接点突起22A,22B,22Cの機能の説明の次に
行なわれる。
2B,22Cの材料として適している。説明を簡単にす
るために、制御チツプ21中に図示される回路の説明は
、接点突起22A,22B,22Cの機能の説明の次に
行なわれる。
接点突起22Aは接点バツド12Aと結合し、よってゲ
ートワイヤ13とも結合している。ゲートワイヤ13は
、外部の制御信号を本発明の温度制御されたスイッチに
供給し、制御チツプ22用の電圧を供給する。温度依存
型の参照電流器34は接点突起22Aから供給される電
流で動作し、制御チップ21の温度に比例した電流を発
生する。
ートワイヤ13とも結合している。ゲートワイヤ13は
、外部の制御信号を本発明の温度制御されたスイッチに
供給し、制御チツプ22用の電圧を供給する。温度依存
型の参照電流器34は接点突起22Aから供給される電
流で動作し、制御チップ21の温度に比例した電流を発
生する。
数多くの温度依存型電流源が既知であるが、1つの一般
的な回路形態としては 「R分のデルタファイ」 (Δ
Φ/R)型の回路が知られている。この回路の名称は、
回路の出力電流が2つのトランジスタの面積差によって
生ずる両トランジスタのベース・エミッタ間ダイオード
電圧降下の差(ΔΦ)の関数であり、この電圧降下差Δ
Φは抵抗器(R)の両端にわたって生ずることから名付
けられている。
的な回路形態としては 「R分のデルタファイ」 (Δ
Φ/R)型の回路が知られている。この回路の名称は、
回路の出力電流が2つのトランジスタの面積差によって
生ずる両トランジスタのベース・エミッタ間ダイオード
電圧降下の差(ΔΦ)の関数であり、この電圧降下差Δ
Φは抵抗器(R)の両端にわたって生ずることから名付
けられている。
しかしながら電流参照器にはどのような形の電流参照回
路でも出力電流が制御チップの温度に鋭敏に反応する限
り使用可能であることが理解されよう。
路でも出力電流が制御チップの温度に鋭敏に反応する限
り使用可能であることが理解されよう。
温度依存型の参照電流器34は温度感知回路35に結合
されている。チップ21の温度が上昇すると参照電流器
34が生成する参照電流が増加する。温度センサ回路は
参照電流器34によって生成された温度感知電流を増幅
し、第1温度感知信号を遮断回路57に対して出力する
。遮断回路57はパワーMOSFET16のゲートとソ
ースの間にまたがるように結合されている。その結果チ
ップ21の温度が上昇して閾温度に達すると、遮断回路
57が接点突起22BおよびMOSFETl6のゲート
から電圧を分路し、MOSFETI6をオフの状態にす
る。遮断回路57の詳細についてはこの後でさらに開示
される。
されている。チップ21の温度が上昇すると参照電流器
34が生成する参照電流が増加する。温度センサ回路は
参照電流器34によって生成された温度感知電流を増幅
し、第1温度感知信号を遮断回路57に対して出力する
。遮断回路57はパワーMOSFET16のゲートとソ
ースの間にまたがるように結合されている。その結果チ
ップ21の温度が上昇して閾温度に達すると、遮断回路
57が接点突起22BおよびMOSFETl6のゲート
から電圧を分路し、MOSFETI6をオフの状態にす
る。遮断回路57の詳細についてはこの後でさらに開示
される。
温度感知回路35に加えて、参照電流器34はΔT回路
31に結合している。ΔT回路31は接点突起22Cと
温度感知回路35との間の温度差に比例した第2温度感
知信号を生成する。
31に結合している。ΔT回路31は接点突起22Cと
温度感知回路35との間の温度差に比例した第2温度感
知信号を生成する。
第2温度感知信号は第1温度感知信号と同じようなやり
かたで遮断回路57に結合されている。
かたで遮断回路57に結合されている。
後述されるように、接点突起22CはΔT回路3lに温
度情報を素早く供給する。そして、第2温度感知信号は
温度感知回路35が反応する前に生成される。したがっ
て、第2温度感知信号はパワーチップ1lの過渡温度状
態を反映している。
度情報を素早く供給する。そして、第2温度感知信号は
温度感知回路35が反応する前に生成される。したがっ
て、第2温度感知信号はパワーチップ1lの過渡温度状
態を反映している。
第3図は回路31,34,35.57をさらに詳細に図
示したものである。破線55の左側に描かれた温度依存
型の参照電流器34は(ΔΦ/R)回路を含んでいる。
示したものである。破線55の左側に描かれた温度依存
型の参照電流器34は(ΔΦ/R)回路を含んでいる。
トランジスタ6lとトランジスタ61’ とのエミッタ
面積の比がΔΦを決定し、Rは抵抗62の値である。幸
い、温度依存型参照電流器34は室温において100μ
A程度の電流を、一般によく知られる設計技術を用いる
ことによって生成する。参照電流器34に図示されるそ
の他の抵抗やトランジスタの大きさおよび回路定数値は
100μA参照電流器のものと互換性のあるものでなけ
ればならず、またそれらは従来からよく知られるもので
ある。チップ2lの温度が上昇すると、参照電流も増加
する。参照電流器34は温度感知回路35に結合されて
いる。温度感知回路35は参照電流器の温度に関して鋭
敏な部分を増幅するように動作し、第1温度感知信号を
生成する。
面積の比がΔΦを決定し、Rは抵抗62の値である。幸
い、温度依存型参照電流器34は室温において100μ
A程度の電流を、一般によく知られる設計技術を用いる
ことによって生成する。参照電流器34に図示されるそ
の他の抵抗やトランジスタの大きさおよび回路定数値は
100μA参照電流器のものと互換性のあるものでなけ
ればならず、またそれらは従来からよく知られるもので
ある。チップ2lの温度が上昇すると、参照電流も増加
する。参照電流器34は温度感知回路35に結合されて
いる。温度感知回路35は参照電流器の温度に関して鋭
敏な部分を増幅するように動作し、第1温度感知信号を
生成する。
第1温度感知信号は遮断回路57の一部であるトランジ
スタ33,33゜によって形威されるサイリスタ(SC
R)のゲートに結合されている。
スタ33,33゜によって形威されるサイリスタ(SC
R)のゲートに結合されている。
ツエナダイオード56はパワーMOSFET16のゲー
トとソースの間にまたがって結合され、過大電圧からM
OSFET16のゲートを保護する。
トとソースの間にまたがって結合され、過大電圧からM
OSFET16のゲートを保護する。
サイリスタに結合された拡散抵抗32はサイリスタをト
リガする前に到達すべき第1温度感知信号の閾電流を決
定する。サイリスタがトリガされると接点突起22Bの
電圧は第2図にあるMO S FET16のゲートから
分路され、MOSFETI6はオフされる。一度閾電圧
に達するとサイリスタはラッチオンされ、接点突起22
Aの入力信号が除去されるまでMOSFET1 6をオ
フの状態に保つ。遮断回路57はラッチスイッチとして
図示されているが、他の回路設計、リニア型遮断または
非ラッチ型遮断でも代替可能なことは理解されよう。
リガする前に到達すべき第1温度感知信号の閾電流を決
定する。サイリスタがトリガされると接点突起22Bの
電圧は第2図にあるMO S FET16のゲートから
分路され、MOSFETI6はオフされる。一度閾電圧
に達するとサイリスタはラッチオンされ、接点突起22
Aの入力信号が除去されるまでMOSFET1 6をオ
フの状態に保つ。遮断回路57はラッチスイッチとして
図示されているが、他の回路設計、リニア型遮断または
非ラッチ型遮断でも代替可能なことは理解されよう。
第3図、破線25と45との中間に図示されるΔT回路
3lはパワーMOSFET16を遮断するために温度制
御回路21に対して要求される感度や反応時間の短縮に
寄与している。温度依存型の参照電流器34は2つのP
NP}ランジスタ24,24”のベースに結合されてい
る。トランジスタ24.24’はΔT回路3lの2つの
足の電流源であり、それぞれ抵抗23.23’ を通し
て接点突起22Aと結合するエミッタを有する。トラン
ジスタ24,24”を流れる電流はトランジスタ24.
24’のベースポテンシャルおよび抵抗23.23’の
抵抗値によって定められる。抵抗23.23”は電流ミ
ラーのそれぞれの足における電流量を調整するために調
整可能であり、この電流は参照電流器34の流量と一致
させるために100uAに単純には設計される.LかI
−feがらΔT回路31を流れる当該電流はΔT情報に
付加的な重み付けを行なうために参照電流よりもかなり
多くも、少なくもすることが可能であることは理解され
うるだろう。
3lはパワーMOSFET16を遮断するために温度制
御回路21に対して要求される感度や反応時間の短縮に
寄与している。温度依存型の参照電流器34は2つのP
NP}ランジスタ24,24”のベースに結合されてい
る。トランジスタ24.24’はΔT回路3lの2つの
足の電流源であり、それぞれ抵抗23.23’ を通し
て接点突起22Aと結合するエミッタを有する。トラン
ジスタ24,24”を流れる電流はトランジスタ24.
24’のベースポテンシャルおよび抵抗23.23’の
抵抗値によって定められる。抵抗23.23”は電流ミ
ラーのそれぞれの足における電流量を調整するために調
整可能であり、この電流は参照電流器34の流量と一致
させるために100uAに単純には設計される.LかI
−feがらΔT回路31を流れる当該電流はΔT情報に
付加的な重み付けを行なうために参照電流よりもかなり
多くも、少なくもすることが可能であることは理解され
うるだろう。
トランジスタ26.28およびダイオード接続されたト
ランジスタ27はウィルソンミラーとして知られる回路
を構戒する。ウィルソンミラー回路は回路を構或するト
ランジスタの電流利得に大きなバラつきがあるときでも
、電流ミラーのそれぞれの足において一定の電流を維持
できる。その他の電流ミラー回路も使用可能であるが、
正確さが加わる点でウィルソン電流ミラー回路が好適で
ある。接点突起22Cはウィルソン電流ミラー回路中の
トランジスタ28のベース・エミッタ接合上に直接形戒
される。接点突起22Cは接点パッド12Cに結合し、
つまりはソースl9に結合する。ソース19は通常接地
されている。制御チップ21をパワートランジスタチッ
プ11に接合する前に抵抗23.23’ は性能を最適
化するように調整可能である。転送ダイオード29は2
つのダイオード接続されたトランジスタから戒り、抵抗
23.23’が調整される際にΔT回路31を遮断回路
57から絶縁するのに便利である。調整可能な抵抗23
.23’ は電流ミラーのそれぞれの足の電流量が一致
するように調整される。よって保護チップ2lが定常温
度状態にあるときは電流ミラーから転送ダイオード29
には電流は流れない。調整の手順はよく知られており、
様々な抵抗調整技術が使用可能である。
ランジスタ27はウィルソンミラーとして知られる回路
を構戒する。ウィルソンミラー回路は回路を構或するト
ランジスタの電流利得に大きなバラつきがあるときでも
、電流ミラーのそれぞれの足において一定の電流を維持
できる。その他の電流ミラー回路も使用可能であるが、
正確さが加わる点でウィルソン電流ミラー回路が好適で
ある。接点突起22Cはウィルソン電流ミラー回路中の
トランジスタ28のベース・エミッタ接合上に直接形戒
される。接点突起22Cは接点パッド12Cに結合し、
つまりはソースl9に結合する。ソース19は通常接地
されている。制御チップ21をパワートランジスタチッ
プ11に接合する前に抵抗23.23’ は性能を最適
化するように調整可能である。転送ダイオード29は2
つのダイオード接続されたトランジスタから戒り、抵抗
23.23’が調整される際にΔT回路31を遮断回路
57から絶縁するのに便利である。調整可能な抵抗23
.23’ は電流ミラーのそれぞれの足の電流量が一致
するように調整される。よって保護チップ2lが定常温
度状態にあるときは電流ミラーから転送ダイオード29
には電流は流れない。調整の手順はよく知られており、
様々な抵抗調整技術が使用可能である。
動作について説明すると、温度依存型の参照電流器34
および温度感応回路35は後述するように、制御チップ
21の温度が所定の閾値に達したときにサイリスタ33
.33’へ遮断電流を供給するように機能する。このよ
うな温度遮断に加えてパワーMOSFET16のソース
に直接結合された接点突起22Cはパワースイッチング
チップl1の表面から制御チップ21へ過渡的な温度情
報も伝達するように働く。接点突起22Cは典型的には
10から25ミクロンの薄さであり、したがってパワー
スイッチングチップ11の表面がら制御チップ21に熱
情報は非常に速く伝達される。
および温度感応回路35は後述するように、制御チップ
21の温度が所定の閾値に達したときにサイリスタ33
.33’へ遮断電流を供給するように機能する。このよ
うな温度遮断に加えてパワーMOSFET16のソース
に直接結合された接点突起22Cはパワースイッチング
チップl1の表面から制御チップ21へ過渡的な温度情
報も伝達するように働く。接点突起22Cは典型的には
10から25ミクロンの薄さであり、したがってパワー
スイッチングチップ11の表面がら制御チップ21に熱
情報は非常に速く伝達される。
熱が制御チップ21に伝導するとトランジスタ28のエ
ミッタ・ベース接合は保護チップ21の熱質量全体が熱
せられる前にほとんど瞬間的に熱せられる。実際、トラ
ンジスタ28のベース・エミッタ接合はパワースイッチ
ングチップ11の全体よりも早く熱せられる。トランジ
スタ28が熱せられると、より多くの電流がトランジス
タ28を流れ、ΔT回路3lの右足を遮断する。また本
質的にトランジスタ26はトランジスタ28とトランジ
スタ26とが違う温度になるとオフの状態になる。
ミッタ・ベース接合は保護チップ21の熱質量全体が熱
せられる前にほとんど瞬間的に熱せられる。実際、トラ
ンジスタ28のベース・エミッタ接合はパワースイッチ
ングチップ11の全体よりも早く熱せられる。トランジ
スタ28が熱せられると、より多くの電流がトランジス
タ28を流れ、ΔT回路3lの右足を遮断する。また本
質的にトランジスタ26はトランジスタ28とトランジ
スタ26とが違う温度になるとオフの状態になる。
トランジスタ26が遮断したとき、ΔT回路3lの右足
の電流は転送ダイオード29を経由してトランジスタ3
3および33゜によって構威されるサイリスタのゲート
に転送される。この電流はすでに温度感知回路35によ
って生成される他の電流に加えられる。前述のように抵
抗器32およびサイリスタが働いてMOSFETI 6
のゲートをオフの状填にする。
の電流は転送ダイオード29を経由してトランジスタ3
3および33゜によって構威されるサイリスタのゲート
に転送される。この電流はすでに温度感知回路35によ
って生成される他の電流に加えられる。前述のように抵
抗器32およびサイリスタが働いてMOSFETI 6
のゲートをオフの状填にする。
転送ダイオード29を通して供給される追加の信号は温
度だけでなくチップ上の他のトランジスタとトランジス
タ28との間の温度にも反応することで、この回路はΔ
T回路と呼ばれる。ΔT回路の出力は温度感知回路から
の出力と合体し、合体した信号は分路トランジスタ33
をオンの状態にするのに用いられる。
度だけでなくチップ上の他のトランジスタとトランジス
タ28との間の温度にも反応することで、この回路はΔ
T回路と呼ばれる。ΔT回路の出力は温度感知回路から
の出力と合体し、合体した信号は分路トランジスタ33
をオンの状態にするのに用いられる。
第4図は接点突起22Cおよび接点バッド12Cの断面
図である。制御チップ21およびパワースイッチングチ
ップ11は好適にはシリコンのような材料を含んだ類似
の基板51および52から成る。基板5lおよび52は
類似のものであることが理想である。そうすることによ
ってそれぞれの基板の膨張係数が同じになり、チップ間
の界面における機械的応力を大幅に減少させることがで
きる。パワースイッチングチップ11はパワーMOSF
ETとして示されている。パワースイッチングトランジ
スタ11は拡散領域48およびゲート領域47を有して
おり、ゲート領域はソース金rr?.,i6か八ドレイ
ン令尾17への雷シ寄冬缶11例jでいる。ソース金属
46は第2図に示されるパワーMOSFET16のソー
ス電極を形戒し、アルミニウムのような金属を含んでい
る。緩衝酸化物42は単純にはソース金属46の上に形
戒され、接点パッド12Cが形威される領域を露出する
ようにパターン化されている。ソース金属46はバリア
多重層43で覆われる。バリア多重層43はチタン・タ
ングステン,チタン窒化物,または類似の物質と金のよ
うなハンダ付け可能な物質を含んでいる。バリア多重層
43は接点突起22Cの金からソース金属46を分離し
、ソース金属46にアルミニウムが用いられているとき
はハンダ付け可能な表面被覆を提供する。
図である。制御チップ21およびパワースイッチングチ
ップ11は好適にはシリコンのような材料を含んだ類似
の基板51および52から成る。基板5lおよび52は
類似のものであることが理想である。そうすることによ
ってそれぞれの基板の膨張係数が同じになり、チップ間
の界面における機械的応力を大幅に減少させることがで
きる。パワースイッチングチップ11はパワーMOSF
ETとして示されている。パワースイッチングトランジ
スタ11は拡散領域48およびゲート領域47を有して
おり、ゲート領域はソース金rr?.,i6か八ドレイ
ン令尾17への雷シ寄冬缶11例jでいる。ソース金属
46は第2図に示されるパワーMOSFET16のソー
ス電極を形戒し、アルミニウムのような金属を含んでい
る。緩衝酸化物42は単純にはソース金属46の上に形
戒され、接点パッド12Cが形威される領域を露出する
ようにパターン化されている。ソース金属46はバリア
多重層43で覆われる。バリア多重層43はチタン・タ
ングステン,チタン窒化物,または類似の物質と金のよ
うなハンダ付け可能な物質を含んでいる。バリア多重層
43は接点突起22Cの金からソース金属46を分離し
、ソース金属46にアルミニウムが用いられているとき
はハンダ付け可能な表面被覆を提供する。
スイッチングトランジスタ11を流れる電流によって生
成される熱は第1には拡散領域48において基板52の
上面で発生する。したがって接点パッド12Cがスイッ
チングトランジスタ11の実際の熱発生点からほんの数
ミクロンのところに形戒されることが理解されよう。過
渡的な温度状態は最初に基板52の表面の拡散領域48
内で発生し、過渡的な温度状態に起因してチップに対し
て起こりうるすべて損傷はこの表面において発生する。
成される熱は第1には拡散領域48において基板52の
上面で発生する。したがって接点パッド12Cがスイッ
チングトランジスタ11の実際の熱発生点からほんの数
ミクロンのところに形戒されることが理解されよう。過
渡的な温度状態は最初に基板52の表面の拡散領域48
内で発生し、過渡的な温度状態に起因してチップに対し
て起こりうるすべて損傷はこの表面において発生する。
多重層43を被覆するハンダ付け可能な金属は低い熱抵
抗を持つことが重要であり、金が好適な材料なのはこの
理由からである。ハンダ付け可能な金属でも鉛のような
ものは比較的高い熱抵抗を持ち、パワースイッチングチ
ップ11の表面から接点バッド12Cの上面まで熱が伝
わるのにより多くの時間がかかることになる。接点突起
22Cは接点バッド12Cに直接結合している。接点突
起22Cもまた高熱伝導性の材料で形或されており、ハ
ンダ層53によって被覆されている。この結果接点突起
22Cと接点パッド12Cは熱的に共融させる形で結合
させることが可能である。ハンダ層53は好適にはすず
または金とすすの合金から戒っている。
抗を持つことが重要であり、金が好適な材料なのはこの
理由からである。ハンダ付け可能な金属でも鉛のような
ものは比較的高い熱抵抗を持ち、パワースイッチングチ
ップ11の表面から接点バッド12Cの上面まで熱が伝
わるのにより多くの時間がかかることになる。接点突起
22Cは接点バッド12Cに直接結合している。接点突
起22Cもまた高熱伝導性の材料で形或されており、ハ
ンダ層53によって被覆されている。この結果接点突起
22Cと接点パッド12Cは熱的に共融させる形で結合
させることが可能である。ハンダ層53は好適にはすず
または金とすすの合金から戒っている。
トランジスタ28のエミッタ37およびベース36は基
板5lの最上面において形威される。トランジスタ28
はパワースイッチングチップ11に用いられているのと
似た方法で、通常は酸化物またはシリコン窒化物41に
よって緩衝されている。アルミニウムのような金属を含
む前部金属38はエミッタ37に接して形戒される。バ
リア多重層に似たバリア多重層54は前部金属38にア
ルミニウムが使用されているときに前部金属38と接点
突起22C中の金とを分離する。接点突起22Cは在来
のよく知られた技術を用いて形威され、前部金属38の
最上面よりもおおよそ10から25ミクロン突出する。
板5lの最上面において形威される。トランジスタ28
はパワースイッチングチップ11に用いられているのと
似た方法で、通常は酸化物またはシリコン窒化物41に
よって緩衝されている。アルミニウムのような金属を含
む前部金属38はエミッタ37に接して形戒される。バ
リア多重層に似たバリア多重層54は前部金属38にア
ルミニウムが使用されているときに前部金属38と接点
突起22C中の金とを分離する。接点突起22Cは在来
のよく知られた技術を用いて形威され、前部金属38の
最上面よりもおおよそ10から25ミクロン突出する。
接点突起22Cは好適には直径3ミル(MIL)程度で
あり、前述のように低熱抵抗の物質から戒っている。
あり、前述のように低熱抵抗の物質から戒っている。
エミッタ37がパワースイッチングチップ11の上面に
結合され、低熱抵抗の接触を形戒していることが理解さ
れるだろう。前記低熱抵抗に加えて、接点突起22Cは
比較的薄いためにパワースイッチングチップl1の上面
とエミッタ37との間の全体の熱抵抗も非常に小さい。
結合され、低熱抵抗の接触を形戒していることが理解さ
れるだろう。前記低熱抵抗に加えて、接点突起22Cは
比較的薄いためにパワースイッチングチップl1の上面
とエミッタ37との間の全体の熱抵抗も非常に小さい。
パワースイッチングチップl1によって生成される定常
状態における熱は、接点突起22Cを通っで制御チップ
21全体を加熱する。もし過渡的な熱状態がパワーチッ
プl1に発生すると、例えば出力が短絡するとか、大き
な量の電流がパワートランジスタ1lを流れるとかする
と、過渡的な熱の情報はエミッタ37に即座に伝達され
、ΔT回路3lを活動させてMOSFET16のゲート
47から電圧を分路させ、パワースイッチングトランジ
スタ1lをオフの状態にする。
状態における熱は、接点突起22Cを通っで制御チップ
21全体を加熱する。もし過渡的な熱状態がパワーチッ
プl1に発生すると、例えば出力が短絡するとか、大き
な量の電流がパワートランジスタ1lを流れるとかする
と、過渡的な熱の情報はエミッタ37に即座に伝達され
、ΔT回路3lを活動させてMOSFET16のゲート
47から電圧を分路させ、パワースイッチングトランジ
スタ1lをオフの状態にする。
ここで熱遮断速度を大幅に改善した対熱保護パワースイ
ッチが開示されたことは明らかであろう。
ッチが開示されたことは明らかであろう。
分離されたチップ上の熱の感知に加えて、過渡的な熱状
態,も感知され、その結果制御チップは前記過渡的な熱
の情報に基づいてパワースイッチングトランジスタを遮
断できる。制御チップはパワースイッチングトランジス
タとは別に製造されるために、これら2つのチップの製
造プロセス間に互換性がある必要はない。したがって対
熱保護スイッチの製造コストを大幅に削減する。制御チ
ップはパワースイッチングトランジスタの加熱表面のす
ぐ近くに位置し、制御チップ上の回路は安定した熱状態
だけでなく、過渡的な熱の状態にも反応するように設計
されている。
態,も感知され、その結果制御チップは前記過渡的な熱
の情報に基づいてパワースイッチングトランジスタを遮
断できる。制御チップはパワースイッチングトランジス
タとは別に製造されるために、これら2つのチップの製
造プロセス間に互換性がある必要はない。したがって対
熱保護スイッチの製造コストを大幅に削減する。制御チ
ップはパワースイッチングトランジスタの加熱表面のす
ぐ近くに位置し、制御チップ上の回路は安定した熱状態
だけでなく、過渡的な熱の状態にも反応するように設計
されている。
したがって、対熱応答時間は大幅に改良され、パワース
イッチングトランジスタのより確実な保護を可能にして
いる。
イッチングトランジスタのより確実な保護を可能にして
いる。
第1図は、本発明の温度制御スイッチの高度に単純化さ
れた断面図である。 第2図は、本発明の温度制御スイッチ用の単純化された
ブロックダイアダラムおよびチップレイアウトを図示し
たものである。 第3図は、本発明の温度制御スイッチのための温度セン
サーおよび制御回路の回路ダイアダラムを図示したもの
である。 第4図は本発明の温度制御スイッチのための温度センサ
ーとして働く金属突起接点の、高度に拡大された断面図
である。 〔主要符号の説明〕 1l・・・パワースイッチングチップ、21・・・温度
制御チップ、22C・・・熱結合手段、31・・・ΔT
温度感知回路、 3 5・・・温度感知回路。
れた断面図である。 第2図は、本発明の温度制御スイッチ用の単純化された
ブロックダイアダラムおよびチップレイアウトを図示し
たものである。 第3図は、本発明の温度制御スイッチのための温度セン
サーおよび制御回路の回路ダイアダラムを図示したもの
である。 第4図は本発明の温度制御スイッチのための温度センサ
ーとして働く金属突起接点の、高度に拡大された断面図
である。 〔主要符号の説明〕 1l・・・パワースイッチングチップ、21・・・温度
制御チップ、22C・・・熱結合手段、31・・・ΔT
温度感知回路、 3 5・・・温度感知回路。
Claims (2)
- (1)対熱保護されたスイッチングデバイスであって: その上にスイッチを形成しかつ電極を有する第1チップ
であり、前記電極において制御信号が存在するときに前
記スイッチがオンになるところの第1チップ; 制御回路を有する第2チップであり、前記制御回路は温
度感知部分と、前記温度感知部分が所定の温度に達した
ときに前記電極から前記制御信号を分路する手段と、前
記第1チップを前記制御回路の前記温度感知部分に熱的
に結合する手段とを有し、当該第2チップと前記第1チ
ップの能動領域が互いに向き合うよう前記第1チップの
上に取付けられる第2チップ; から成ることを特徴とするスイッチングデバイス。 - (2)パワー半導体スイッチ用の温度制御回路であって
: 前記パワー半導体スイッチと当該温度制御回路とを熱的
に結合する熱的結合手段; 前記熱的結合手段から離れて配置され、前記制御回路の
温度に比例する第1信号を生成する第1温度感知部分; 前記熱的結合手段と接触する第2温度感知部分であって
、前記第1信号、および前記第1温度感知部分と当該第
2温度感知部分との温度差の関数である第2信号を生成
する第2温度感知部分;前記第1信号と前記第2信号と
の和である第3信号を生成する手段;および 前記第3信号によって制御され、前記パワー半導体スイ
ッチをオフにする手段; から成ることを特徴とする温度制御回路。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US438,382 | 1989-11-20 | ||
US07/438,382 US5008736A (en) | 1989-11-20 | 1989-11-20 | Thermal protection method for a power device |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03167878A true JPH03167878A (ja) | 1991-07-19 |
Family
ID=23740440
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2312970A Pending JPH03167878A (ja) | 1989-11-20 | 1990-11-20 | 対熱保護されたスイッチングデバイス |
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---|---|
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EP (1) | EP0429282B1 (ja) |
JP (1) | JPH03167878A (ja) |
DE (1) | DE69026203T2 (ja) |
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-
1989
- 1989-11-20 US US07/438,382 patent/US5008736A/en not_active Expired - Lifetime
-
1990
- 1990-11-19 EP EP90312580A patent/EP0429282B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-11-19 DE DE69026203T patent/DE69026203T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1990-11-20 JP JP2312970A patent/JPH03167878A/ja active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0429282A3 (en) | 1992-06-03 |
EP0429282A2 (en) | 1991-05-29 |
US5008736A (en) | 1991-04-16 |
DE69026203D1 (de) | 1996-05-02 |
DE69026203T2 (de) | 1996-10-31 |
EP0429282B1 (en) | 1996-03-27 |
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