JPH0730390A - 半導体装置の過熱保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】過熱保護回路に温度センサの故障検知機能を持
たせることにより、過熱保護動作の信頼性を向上する。 【構成】半導体装置としてのスイッチングパワ−半導体
素子２の温度を温度センサ５により監視してスイッチン
グパワ−半導体素子の過熱を防止するものにおいて、負
性抵抗特性を有する温度センサ５を１つのア−ムとする
抵抗ブリッジ１２，およびこの抵抗ブリッジの一対の直
列ア−ムの中点間Ａ，Ｂに接続されて不平衡電圧を検出
するコンパレ−タ１３からなる過熱検出回路１１に、抵
抗ブリッジ１２に並列に接続された第３の直列抵抗ア−
ム２２、および中点Ａ，Ｃ間の不平衡電圧を検出する第
２のコンパレ−タ２３からなる故障検出回路２１を付加
し、温度センサを含むア−ムがオ−プンしたときコンパ
レ−タ２３がオン信号を発する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、インバ−タブリッジ
を構成するスイッチングパワ−半導体素子等半導体装置
の過熱保護回路、ことに断線などの故障監視手段を備え
た過熱保護回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は過熱保護回路を備えた半導体装置
をインバ−タ回路を例に示す構成図、図３は半導体装置
の従来の過熱保護回路を簡略化して示す構成図である。
図において、半導体装置としてのスイッチングパワ−半
導体素子２は図の場合三相ブリッジ結線された６個のパ
ワ−トランジスタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ（上ア−ム），２
Ｄ，２Ｅ，２Ｆ（下ア−ム）等２で構成され、各パワ−
トランジスタに並列にフライホイルダイオ−ド４Ａ，４
Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ，４Ｆ等４が接続されてインバ−
タ回路（主回路）１が形成され、各パワ−トランジスタ
をベ−スドライブ回路３によってオンオフ制御すること
により、三相ブリッジの上下ア−ム間に供給される直流
電力ＤＣを上下ア−ムの中点に接続された負荷９に例え
ば定電圧制御された交流電力に変換して供給する。

【０００３】このように構成されたインバ−タ回路１に
おいて、ア−ム短絡，直列ア−ム短絡，負荷回路短絡，
あるいは地絡などの短絡事故が発生すると、スイッチン
グパワ−半導体素子２には過大な電流が流れて急激に温
度が上昇する。このとき、スイッチングパワ−半導体素
子２には短時間許容温度上昇によって決まる短絡耐量特
性（ＯＬＳＯＡ）が決まっており、この短絡耐量を越え
る過電流が流れるとスイッチングパワ−半導体素子２が
破壊する。そこで、インバ−タ回路に過電流保護回路を
設けるとともに、スイッチングパワ−半導体素子２の温
度を監視する温度センサ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５
Ｅ，５Ｆ等５、過熱検出回路１１，および信号出力回路
１５で構成される過熱保護回路１０を設け、スイッチン
グパワ−半導体素子２の過熱を検出したとき保護回路１
５が発する外部信号１５Ｓにより、スイッチングパワ−
半導体素子２をオフ状態として過電流による素子の破壊
を防止するとともに、アラ−ムにより過熱の発生を報知
するよう構成したものが知られている（例えば公開特許
公報，平３−２４７１１４号）。

【０００４】過熱保護回路１０は図３に示すように、温
度センサ５に負性抵抗特性を有する例えばサ−ミスタを
用い、これをスイッチングパワ−半導体素子２のパッケ
−ジ内またはその表面などスイッチングパワ−半導体素
子の温度を感度よく検知できる位置に設け、この温度セ
ンサ５を１つのア−ムとする抵抗ブリッジ１２、および
この抵抗ブリッジ１２の一対の直列ア−ムそれぞれの中
点Ａ，Ｂ間に接続されて不平衡電圧を検出するコンパレ
−タ１３とで構成される過熱検出回路１１と、この過熱
検出回路１１がスイッチングパワ−半導体素子の過熱を
検出してコンパレ−タ１３がオンとなったとき、そのオ
ン信号１１Ｓを受けて外部信号１５Ｓを発する信号出力
回路１５とで構成され、外部信号１５Ｓにより、ベ−ス
ドライブ回路３がスイッチングパワ−半導体素子２をオ
フ状態として過電流による素子の破壊を防止するととも
に、アラ−ムにより短絡事故の発生を報知するよう構成
される。

【０００５】ところで、抵抗ブリッジ１２に印加される
制御電源１６の電圧をＶcc，温度センサ５の抵抗値をＲ
t ，温度センサに直列接続される抵抗値をＲ1,他方の直
列抵抗ア−ムの抵抗値をＲ2,Ｒ3 とし、温度センサを含
む一方の直列ア−ムの中間点Ａをコンパレ−タ１３の
（−）入力端に，他方の直列ア−ムの中間点Ｂをコンパ
レ−タの（＋）入力端にそれぞれ接続した場合、Ａ点の
電位ＶA およびＢ点の電位ＶB はそれぞれ次式で与えら
れる。

【０００６】 ＶA ＝Ｖcc×Ｒt ／（Ｒ1 ＋Ｒt ) ・・・（式１） ＶB ＝Ｖcc×Ｒ3 ／（Ｒ2 ＋Ｒ3 ) ・・・（式２） 負性抵抗特性を有する温度センサ５の抵抗値Ｒt はスイ
ッチングパワ−半導体素子２の温度が上昇するに伴って
大幅に低下するので、予め定まる過熱保護温度以下では
ＶA ＞ＶB となり，過熱保護温度以上ではＶA ＜ＶB と
なるよう、抵抗ブリッジ１２の各抵抗値Ｒ1,Ｒ2,Ｒ3 の
値を予め設定しておけば、過熱保護温度以下ではＶA と
ＶB との電位の差がコンパレ−タ１３の入力端子の極性
に対して逆極性となってコンパレ−タ１３はオフ状態を
維持し、過熱保護温度以上ではＶA とＶB との電位の差
がコンパレ−タ１３の入力端子の極性に対して同極性と
なってコンパレ−タ１３はオン状態となり、そのオン信
号を受けた信号出力回路が動作してスイッチングパワ−
半導体素子２に対して過熱保護を行うとともに、過熱の
発生をアラ−ムにより報知する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の過熱保護回路１
０において、インバ−タ回路１が運転中何らかの原因で
温度センサ５またはその接続線が故障して抵抗ブリッジ
１２の温度センサを含むア−ムがオ−プン状態となった
場合、Ａ点の電位はＶA ＝Ｖccとなり、コンパレ−タ１
３の入力電圧がＶA ＞ＶB となり、コンパレ−タ１３の
（−）入力端子の電位が（＋）入力端子の電位より高く
なるためコンパレ−タ１３は動作せず、従って温度セン
サ５の故障を検知できない。このため、スイッチングパ
ワ−半導体素子２はその過熱監視が無い状態で運転を持
続することになり、この間に短絡事故が発生してスイッ
チングパワ−半導体素子に過電流が流れた場合には、ス
イッチングパワ−半導体素子が過熱状態となって破壊す
るという問題点がある。

【０００８】また、従来過熱保護回路１０が正常に動作
するか否かの試験を、温度センサ５をそのパッケ−ジに
内蔵したスイッチングパワ−半導体素子２を過熱保護温
度に加熱した状態で行っていたが、その加熱時間を含め
た試験操作に１０〜１５分間を必要とするため、量産ラ
インに上記試験を組み込んで自動化することが難しく、
その改善が求められている。

【０００９】この発明の目的は、過熱保護回路に温度セ
ンサの故障検知機能を持たせることにより、過熱保護動
作の信頼性を向上することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、ブリッジ結線されて直流電力を
交流電力に変換して出力するインバ−タ回路を構成する
スイッチングパワ−半導体素子の温度を、そのパッケ−
ジ内に収納された温度センサにより監視してスイッチン
グパワ−半導体素子の過熱を防止するものにおいて、負
性抵抗特性を有する前記温度センサの抵抗値の変化によ
り前記スイッチングパワ−半導体素子の過熱を検出する
過熱検出回路と、前記温度センサを含む回路の抵抗値の
急増を監視して温度センサの異常を検出する故障検出回
路と、過熱検出回路および故障検出回路の出力信号を受
けてスイッチングパワ−半導体素子の過熱保護とその報
知信号，あるいは温度センサの故障報知信号を出力する
保護回路とを備えてなるものとする。

【００１１】過熱検出回路が負性抵抗特性を有する温度
センサを１つのア−ムとする抵抗ブリッジ，およびこの
抵抗ブリッジの一対の直列ア−ムの中点間に接続されて
不平衡電圧を検出するコンパレ−タからなり、温度セン
サを含む一方の直列ア−ムの中間点がコンパレ−タの
（−）入力端に，他方の直列ア−ムの中間点がコンパレ
−タの（＋）入力端にそれぞれ接続され、スイッチング
パワ−半導体素子が過熱状態となったときコンパレ−タ
がオン信号を発するよう形成されてなるものとする。

【００１２】故障検出回路が過熱検出回路の抵抗ブリッ
ジに並列に接続された第３の直列抵抗ア−ム、およびこ
の直列抵抗ア−ムおよび温度センサを含む一方の直列ア
−ムそれぞれの中間点に接続されて不平衡電圧を検出す
る第２のコンパレ−タからなり、温度センサを含む一方
の直列ア−ムの中間点が第２のコンパレ−タの（＋）入
力端に，第３の直列ア−ムの中間点がコンパレ−タの
（−）入力端にそれぞれ接続され、温度センサを含む回
路に断線等の異常が生じたとき第２のコンパレ−タがオ
ン信号を発するよう形成されてなるものとする。

【００１３】

【作用】この発明において、負性抵抗特性を有する温度
センサの抵抗値の変化を監視してスイッチングパワ−半
導体素子の過熱を検出する過熱検出回路に、温度センサ
回路の抵抗値の急増を監視して過熱保護回路の異常を検
出する故障検出回路を付加するよう構成したことによ
り、過熱保護回路がスイッチングパワ−半導体素子の過
熱を監視し、短絡事故発生時に信号出力回路がスイッチ
ングパワ−半導体素子の過熱保護とこれを報知する信号
を発してスイッチングパワ−半導体素子の破壊を阻止す
るとともに、故障検出回路が温度センサ回路の抵抗値の
急増を監視し、温度センサ回路の断線などの異常を報知
するので、過熱保護動作の信頼性を保持し、過熱保護回
路の故障に起因するスイッチングパワ−半導体素子の破
壊事故を未然に防止する機能が得られる。

【００１４】具体的には、過熱検出回路を、負性抵抗特
性を有する温度センサを１つのア−ムとする抵抗ブリッ
ジ，およびこの抵抗ブリッジの一対の直列ア−ムの中点
間に接続されて不平衡電圧を検出するコンパレ−タで構
成し、温度センサを含む一方の直列ア−ムの中間点をコ
ンパレ−タの（−）入力端に，他方の直列ア−ムの中間
点をコンパレ−タの（＋）入力端にそれぞれ接続するよ
う構成すれば、スイッチングパワ−半導体素子が過熱状
態となったときコンパレ−タの（＋）入力端の電位が上
昇してコンパレ−タがオン信号を出力するので、スイッ
チングパワ−半導体素子の過熱保護を指令する機能が得
られる。

【００１５】また、過熱検出回路の抵抗ブリッジに並列
に第３の直列抵抗ア−ムを接続し、この直列抵抗ア−ム
および温度センサを含む直列ア−ムそれぞれの中間点に
第２のコンパレ−タを接続して不平衡電圧を検出するよ
う故障検出回路を構成すれば、温度センサを含むア−ム
に断線等の異常が生じたとき、その直列ア−ムの中間点
電位が上昇するので、温度センサを含む一方の直列ア−
ムの中間点を第２のコンパレ−タの（＋）入力端に，第
３の直列ア−ムの中間点をコンパレ−タの（−）入力端
にそれぞれ接続すれば、第２のコンパレ−タが温度セン
サを含むア−ムのオ−プンを検知してオン信号を発する
ことになり、過熱検出回路の故障を報知する機能が得ら
れる。なお、第３の直列ア−ムは過熱検出回路の抵抗ブ
リッジに並列接続されているため過熱保護回路の動作に
影響を及ぼすことはなく、温度センサを含む直列ア−ム
を過熱保護回路と故障検出回路が共用しているにも係わ
らず、互いに独立した機能が得られる。

【００１６】

【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図１はこの発明の実施例になる半導体装置の過熱保
護回路を示す構成図であり、従来技術と同じ構成部分に
は同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略
する。図において、インバ−タ回路を構成する半導体装
置としてのスイッチングパワ−半導体素子２は、その温
度を監視する負性抵抗特性を有する温度センサ５を備え
る。過熱検出回路１１は温度センサ５を１つのア−ムと
する抵抗ブリッジ１２，およびこの抵抗ブリッジの一対
の直列ア−ムの中点Ａ，Ｂ間に接続されて不平衡電圧を
検出するコンパレ−タ１３からなり、温度センサを含む
一方の直列ア−ムの中間点Ａがコンパレ−タ１３の
（−）入力端に，他方の直列ア−ムの中間点Ｂがコンパ
レ−タの（＋）入力端にそれぞれ接続される。また、故
障検出回路２１は過熱検出回路１１の抵抗ブリッジ１２
に並列に接続された第３の直列抵抗ア−ム２２、および
この直列抵抗ア−ム２２の中間点Ｃ、および温度センサ
５を含む一方の直列ア−ムの中間点Ａに接続されて不平
衡電圧を検出する第２のコンパレ−タ２３からなり、中
間点Ａが第２のコンパレ−タの（＋）入力端に，第３の
直列ア−ムの中間点Ｃがコンパレ−タの（−）入力端に
それぞれ接続される。

【００１７】さらに、一対のコンパレ−タ１３および２
３の出力側は信号出力回路２４に接続され、過熱検出回
路１１がスイッチングパワ−半導体素子２の過熱を検出
してコンパレ−タ１３がオンしたとき、そのオン信号を
受けた信号出力回路２４が保護指令１１Ｃを例えばドラ
イブ回路３に向けて出力し、スイッチングパワ−半導体
素子２をオフ状態としてその破壊を防止するとともに、
過熱の発生を過熱報知信号１１Ａにより報知する。ま
た、温度センサを含むア−ムの断線等の故障を故障検出
回路２１が検出して第２のコンパレ−タ２３がオンした
とき、そのオン信号を受けた信号出力回路２４が故障報
知信号２１Ａを出力し、過熱保護回路に故障が生じたこ
とを報知する。

【００１８】このように構成された半導体装置の過熱保
護回路において、その過熱保護動作は従来技術について
既に説明した動作と同様であり、スイッチングパワ−半
導体素子の過熱によりＶA ＜ＶB となり、コンパレ−タ
１３の（＋）入力端の電位ＶB が（−）入力端の電位Ｖ
A より高くなってコンパレ−タ１３がオンすることによ
り、そのオン信号を受けた信号出力回路２４が保護指令
１１Ｃを例えばドライブ回路３に向けて出力し、スイッ
チングパワ−半導体素子２をオフ状態としてその破壊を
防止し、かつ過熱の発生を過熱報知信号１１Ａにより報
知する。

【００１９】一方、故障検出回路２１において、第３の
直列ア−ム２２の中間点Ｃの電位ＶC は次式で与えられ
る。 ＶC ＝Ｖcc×Ｒ5 ／（Ｒ4 ＋Ｒ5 ）・・・（式３） ところで、温度センサ５とその接続線を含む温度センサ
ア−ムに断線などの故障が生ずるとＡ点の電位ＶA が電
源電圧Ｖccに跳ね上がる。そこで、故障検出回路が温度
センサ５の抵抗値の変化を感知せず、Ａ点の電位がＶcc
に跳ね上がった時にのみ動作して故障検出回路の故障を
報知するようにするため、次の各式を満足するよう抵抗
値Ｒ1,Ｒ4,Ｒ5 を設定する。

【００２０】 最低使用温度において ＶC ＞ＶA ・・・（式４） 温度センサア−ムのオ−プン時 ＶC ＜Ｖcc・・・（式５） 上記条件を満足するよう構成された故障検出回路におい
ては、温度センサ５の抵抗値Ｒt がその最低使用温度か
ら過熱温度領域の間で変化しても、第２のコンパレ−タ
２３の（＋）入力端の電位ＶA が（−）入力端の電位Ｖ
C より低い状態を保持して動作せず、温度センサア−ム
のオ−プン時にＡ点の電位がＶccに跳ね上がった時にの
み第２のコンパレ−タ２３が動作することになり、過熱
保護回路でスイッチングパワ−半導体素子の過熱保護お
よびその報知機能を、故障検出回路で過熱保護回路の故
障報知機能をそれぞれ分担して行うことが可能となり、
信頼性の高い半導体装置の過熱保護回路が得られる。ま
た、過熱保護回路がその温度センサの故障を報知する故
障検出回路２１を備えることにより、半導体装置の製作
時において試験操作に時間のかかる過熱保護回路の動作
試験を省略できるので、過熱保護回路を備えた半導体装
置の量産化メリットが得られる。

【００２１】なお、過熱保護の対象となる半導体装置は
スイッチングパワ−半導体素子に限定されるものではな
く、例えば還流ダイオ−ド用のパワ−ダイオ−ドであっ
てもよい。また、半導体装置の温度を監視する温度セン
サは個々の半導体装置のパッケ−ジに内蔵または貼着し
てもよく、複数の半導体装置温度をまとめて監視するよ
う構成されてもよい。さらに、信号出力回路を過熱監視
回路毎に分割するよう構成されてよい。

【００２２】

【発明の効果】この発明は前述のように、負性抵抗特性
を有する温度センサの抵抗値の変化を監視してスイッチ
ングパワ−半導体素子の過熱を検出する過熱検出回路
に、温度センサ回路の抵抗値の急増を監視して過熱保護
回路の異常を検出する故障検出回路を付加するよう構成
した。その結果、過熱保護回路がスイッチングパワ−半
導体素子の過熱を監視し、短絡事故発生時に保護回路が
スイッチングパワ−半導体素子の過熱保護とその報知信
号を発してスイッチングパワ−半導体素子の破壊を回避
するとともに、故障検出回路が温度センサ回路の抵抗値
の急増を監視し、温度センサ回路の断線などの異常を報
知するので、従来の過熱保護回路で問題となった過熱保
護回路の故障に起因するスイッチングパワ−半導体素子
の破壊事故を未然に防止できる信頼性の高い半導体装置
の過熱保護回路を提供することができる。

【００２３】また、過熱保護回路がその温度センサの故
障を報知する故障検出回路を常備することにより、半導
体装置の製作時において量産工程に支障を及ぼす過熱保
護回路の動作試験を省略できる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例になる半導体装置の過熱保護
回路を示す構成図

【図２】過熱保護回路を備えた半導体装置をインバ−タ
回路を例に示す構成図

【図３】半導体装置の従来の過熱保護回路を簡略化して
示す構成図

【符号の説明】

１ インバ−タ回路 ２ 半導体装置（スイッチングパワ−半導体素子） ３ ドライブ回路 ４ 帰還ダイオ−ド ５ 負性抵抗特性を有する温度センサ ９ 負荷 １０ 過熱保護回路 １１ 過熱検出回路 １２ 抵抗ブリッジ １３ コンパレ−タ １５ 信号出力回路 ２１ 故障検出回路 ２２ 第３の直列ア−ム ２３ 第２のコンパレ−タ ２４ 信号出力回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ブリッジ結線されて直流電力を交流電力に
   変換して出力するインバ−タ回路を構成するスイッチン
   グパワ−半導体素子の温度を、そのパッケ−ジ内に収納
   された温度センサにより監視してスイッチングパワ−半
   導体素子の過熱を防止するものにおいて、負性抵抗特性
   を有する前記温度センサの抵抗値の変化により前記スイ
   ッチングパワ−半導体素子の過熱を検出する過熱検出回
   路と、前記温度センサを含む回路の抵抗値の急増を監視
   して温度センサの異常を検出する故障検出回路と、過熱
   検出回路および故障検出回路の出力信号を受けてスイッ
   チングパワ−半導体素子の過熱保護とその報知信号，あ
   るいは温度センサの故障報知信号を出力する保護回路と
   を備えてなることを特徴とする半導体装置の過熱保護回
   路。
2. 【請求項２】過熱検出回路が負性抵抗特性を有する温度
   センサを１つのア−ムとする抵抗ブリッジ，およびこの
   抵抗ブリッジの一対の直列ア−ムの中点間に接続されて
   不平衡電圧を検出するコンパレ−タからなり、温度セン
   サを含む一方の直列ア−ムの中間点がコンパレ−タの
   （−）入力端に，他方の直列ア−ムの中間点がコンパレ
   −タの（＋）入力端にそれぞれ接続され、スイッチング
   パワ−半導体素子が過熱状態となったときコンパレ−タ
   がオン信号を発するよう形成されてなることを特徴とす
   る請求項１記載の半導体装置の過熱保護回路。
3. 【請求項３】故障検出回路が過熱検出回路の抵抗ブリッ
   ジに並列に接続された第３の直列抵抗ア−ム、およびこ
   の直列抵抗ア−ムおよび温度センサを含む一方の直列ア
   −ムそれぞれの中間点に接続されて不平衡電圧を検出す
   る第２のコンパレ−タからなり、温度センサを含む一方
   の直列ア−ムの中間点が第２のコンパレ−タの（＋）入
   力端に，第３の直列ア−ムの中間点がコンパレ−タの
   （−）入力端にそれぞれ接続され、温度センサを含む回
   路に断線等の異常が生じたとき第２のコンパレ−タがオ
   ン信号を発するよう形成されてなることを特徴とする請
   求項１または請求項２記載の半導体装置の過熱保護回
   路。