KR100423367B1 - 전력변환장치 및 반도체 장치 - Google Patents

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KR100423367B1
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Abstract

본 발명은, 장치 전체적으로 회로 규모를 축소할 수 있는 전력변환장치를 얻는데 있다. 이러한 본 발명의 전력변환장치(1)는, 반도체 장치 2와 반도체 장치 3을 개별로 구비하고 있다. 반도체 장치 2는, IGBT(19) 등의 전력변환소자와, 제너 다이오드(20, 21)와, 파형 정형회로(30)와, 가열 차단회로(31)와, 보호소자(14)가, p형 실리콘 기판을 이용한 동일 칩 상에 형성된 구성을 가지고 있다. 반도체 장치 3은, 슈미트 회로(9)와, 전원회로(10)와, 고전압 검출회로(11)와, 보호소자(13)와, 논리 게이트(16)와, pnp 트랜지스터(17)에 의해서 구성된 출력회로가, p형 실리콘 기판을 이용한 동일 칩 상에 형성된 구성을 가지고 있다.

Description

전력변환장치 및 반도체 장치{POWER CONVERTER AND SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 전력변환소자를 구비한 전력변환장치의 구성, 및 그 전력변환장치에 이용되는 반도체 장치의 구성에 관한 것이다.
도 13은 종래의 전력변환장치(101)의 구성을 나타낸 회로도이다. 도 13에서는 종래의 전력변환장치(101)를, 점화(ignition) 코일(105)의 구동장치에 적용한 경우의 예를 나타낸 것이다. 점화 코일(105)은, 자동차의 엔진에 이용되는 점화 플러그(104)를 제어하는 것이다. 전력변환장치(101)는, 반도체 장치 102와 반도체 장치 103을 개별로 구비하고 있다. 반도체 장치(102)는, IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)(119) 등의 전력변환소자와, 제너 다이오드(120, 121)가, 실리콘 기판을 이용한 동일 칩 상에 형성된 구성을 가지고 있다. 여기서, IGBT 대신에, 파워 MOSFET나 바이폴라 파워 트랜지스터 등의 소자를 채용하여도 된다. 단, 전력변환소자로서 어느 소자를 채용하는지는 본원 발명에서 중요하지는 않고, 기존 및 현재연구되고 있는 어느 소자를 채용하여도 된다. 그래서, 이하의 설명에서는, 전력변환소자로서 IGBT가 채용되는 경우를 예를 들어 설명한다.
제너 다이오드(120, 121)는, 점화 코일을 구동하기 위한 구동장치에 특유한 소자이다. IGBT(119)는, 셀이라 불리는 작은 소자의 집합체로서 구성되어 있고, 이 셀들의 에미터 배선을 2 계통으로 분할하여 각각의 에미터 배선에 접속되는 셀의 수에 의도적으로 차이를 일으킨다. 에미터에 흐르는 전류 크기는 셀 수의 비로 결정되기 때문에, 전력변환소자에 흐르는 전류에 대해서 독특한 상관관계를 가지는 미소 전류를 검출함으로써, IGBT(119)의 콜렉터 전류(전력변환소자에 흐르는 주 전류)를 간접적으로 계측하는 것이 가능해진다.
반도체 장치(103)는, 차전압 비교회로(109)와, 전원회로(110)와, 고전압 검출회로(111)와, 보호소자(113, 114)와, 타이머 회로(115)와, 논리 게이트(116)와, npn 트랜지스터(117)에 의해서 구성된 출력회로와, 부귀환 제어회로(118)가 실리콘 기판을 이용한 동일한 칩 상에 형성된 구성을 가진다.
차전압 비교회로(109)는, 2개의 입력단자를 가지고 있고, 제 1 입력단자는, 저항 및 콘덴서로 이루어진 회로를 통해서, 전력변환장치(101)의 단자(107)(도시하지 않은 제어장치로부터의 제어입력단자)에 접속되어 있다. 또한, 제 2 입력단자는, 상기 회로를 통해서, 전력변환장치(101)의 단자(108)(도시하지 않은 상기 제어장치로부터의 기준 전위 입력용 단자)에 접속되어 있다. 또한, 차전압 비교회로(109)는, 반도체 장치(103)에 이용되고 있는 실리콘 기판의 전위가 변동하는 것에 기인하는 오동작을 방지하기 위해서, 히스테리시스 특성을 나타내는 파형정형기능을 갖는다. 차전압 비교회로(109)는, 히스테리시스 특성을 나타내는 슈미트 회로나, 그 외의 소자에 의해 구성된다.
타이머 회로(115)는, IGBT(119)가 장시간 연속하여 통전된 경우에 생기는, 발열에 기인하는 IGBT(119)의 파손을 방지하도록 설치되어 있다. IGBT(119)가 소정 시간(수백 밀리초) 이상 연속하여 통전되어, 콤퍼레이터의 정상(正相) 입력단자에 입력되는 콘덴서의 전압(IGBT(119)의 통전시간에 비례함)이, 역상(逆相) 입력단자에 입력되는 소정의 정전압보다도 높게 된 경우에, IGBT(119)의 발열량이 크게 된 것으로 간주하여, npn 트랜지스터(117)의 구동을 정지하기 위한 신호를 논리 게이트(116)에 입력하는 것이다.
전원회로(110)는, 반도체 장치(103)의 내부에 설치되어 있는 각 종 회로를 구동하기 위한 전원을 공급하는 회로이다. 자동차의 배터리 전압(배터리(106)의 전압)은 광범위(수V∼24V 정도)로 변동하기 때문에, 타이머 회로(115)나 차전압 비교회로(109)가 갖는 파형 정형회로 등을 안정하게 동작시키기 위해서, 배터리(106)의 전압에 의하지 않고, 일정한 전원 전압을 발생하는 전원회로(110)를 설치한 것이다.
고전압 검출회로(111)는, 배터리(106)의 전압이 매우 높아진 경우에, 파손을 방지하기 위해 IGBT(119)의 구동을 강제적으로 정지시키는 기능을 가지고 있다. 배터리(106)의 전압이 소정 전압(약 30V)보다도 높아진 경우를 검지하여, npn 트랜지스터(117)의 구동을 정지하기 위한 신호를 논리 게이트(116)에 입력한 것이다.
부귀환 제어회로(118)는, IGBT(119)의 에미터 전류 값을 검출하여, 소정 값이상의 주 전류가 흐르지 않도록 IGBT(119)의 동작을 제어하는 기능을 가지고 있다. 역상 입력단자에 입력되는 전압(IGBT(119)의 에미터에 접속된 저항의 전압으로, 에미터 전류에 비례함)이, 정상 입력단자에 입력되는 소정의 전압보다도 높아진 경우에, IGBT(119)의 구동을 정지하기 위한 신호를 IGBT(119)의 베이스 전극에 입력하는 것이다.
보호소자(113, 114)는, 회로에 인가되는 전압이 소정 전압 이상으로 상승하지 않도록 억제함으로써, 회로를 보호하는 기능을 가지고 있다.
반도체 장치(103)의 제어동작에 의해 IGBT(119)가 구동되면, 점화 코일(105)의 일차 권선측(전력변환장치(101)측)에 전류가 흘러, 이것에 의해 발생한 일차 권선 전압은, 점화 코일(105)의 이차 권선측(점화 플러그(104)측)에 권수비로 배가되어 전달된다. 이 전압에 의해 점화 플러그(104)의 갭간에 불꽃이 발생하여, 실린더(도시하지 않음) 내의 연료가 연소되어 엔진으로서의 동작을 할 수 있다.
점화 코일(105)의 일차 권선측에 전류가 흐르고 있는 상태로부터 IGBT(119)의 구동을 정지하여 전류를 차단하면, 점화 코일(105)에 축적된 에너지에 의해서, IGBT(119)의 콜렉터 전압을 정방향으로 인상하는 힘(역기전력)이 발생한다. 이때, 제너 다이오드(120)의 역방향 내압을 초과하는 전압이 발생하면, 제너 다이오드(120)가 구동하여, 그 결과, IGBT(119)의 게이트 전압이 상승하여, OFF 상태에 있는 IGBT(119)가 구동된다. 이에 따라, 콜렉터 전압이 일정 상태로 보존된다.
그러나, 도 13에 도시한 종래의 전력변환장치에 의하면, 반도체 장치(103)의 내부에 차전압 비교회로(109), 타이머 회로(115), 부귀환 제어회로(118) 등이 많은 회로가 형성되어 있고, 특히 반도체 장치(103)의 회로 규모가 크게 된다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 장치 전체적으로 회로 규모를 축소할 수 있는 전력변환장치, 및 그 전력변환장치에 이용되는 반도체 장치를 얻는 것을 목적으로 한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전력변환장치의 구성을 나타낸 회로도,
도 2는 도 1에 도시한 파형 정형회로의 제 1 구성을 나타낸 회로도,
도 3은 도 2에 도시한 슈미트 회로의 입력특성을 나타낸 그래프,
도 4는 도 1에 도시한 파형 정형회로의 제 2 구성을 나타낸 회로도,
도 5는 도 4에 도시한 슈미트 회로의 입출력 특성을 나타낸 그래프,
도 6은 출력회로의 다른 구성 예를 나타낸 회로도,
도 7은 도 1에 도시한 pnp 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도,
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 전력변환장치의 구성을 나타낸 회로도,
도 9는 전압제한회로의 구체적인 구성을 나타낸 회로도,
도 10은 전압제한회로의 구체적인 다른 구성을 나타낸 회로도,
도 11은 도 10에 도시한 전압제한회로의 구체적인 구조를 나타낸 평면도,
도 12는 도 11에 도시한 라인 X1-X1을 따른 위치에 관한 단면 구조를 나타낸 단면도,
도 13은 종래의 전력변환장치의 구성을 나타낸 회로도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 전력변환장치 2, 3 : 반도체 장치
9, 35 : 슈미트 회로 17 : pnp 트랜지스터
18 : 부귀환 제어회로 19 : IGBT
30 : 파형 정형회로 31, 37 : p 채널 MOSFET
40 : 전압제한회로 61, 66 : GND 단자
본 발명의 일면에 따른 전력변환장치는, 제 1 반도체 기판, 제 1 반도체 기판 상에 형성된 전력변환소자 및, 제 1 반도체 기판 상에 형성되고, 전력변환소자가 형성되어 있는 부분의 제 1 반도체 기판의 온도를 검출하여, 그 온도가 소정 온도 이상에 도달한 경우에, 전력변환소자의 구동을 정지하는 차단회로를 가지는 제 1 반도체 장치와, 제 1 반도체 기판과는 다른 제 2 반도체 기판 상에 형성되고, 외부 제어장치로부터 입력되는 신호에 의거하여, 전력변환소자의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 생성하여, 그 제어신호를 제 1 반도체 장치에 입력하는 제 2 반도체 장치를 구비한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치는, 상기한 전력변환장치에 있어서, 제 1 반도체 장치는, 제 1 반도체 기판 상에 형성된, 히스테리시스 특성을 나타내는 파형 정형회로를 더욱 가지고, 파형 정형회로는, 자신의 입력단자에 입력되는 전위를 구동전력으로서 동작하는 것을 특징으로 한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치는, 상기한 전력변환장치에 있어서, 제 2 반도체 장치는, 제 2 반도체 기판 상에 형성된, 제어신호를 출력하는 출력회로를 가지고, 출력회로는, n형 반도체 층 내에 형성된, pnp 트랜지스터 또는 p 채널 MOSFET에 의해서 구성된 것을 특징으로 한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치는, 상기한 전력변환장치에 있어서, 제 1 반도체 장치와 제 2 반도체 장치는, GND 레벨이 공급된 GND단자를 개별로 갖고 있는 것을 특징으로 한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치는, 상기한 전력변환장치에 있어서, 제 1 반도체 장치의 GND 레벨과, 제 2 반도체 장치의 GND 레벨간의 전위차를 소정 값 이내로 제한하는 전압제한회로를 더 구비한 것을 특징으로 한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치는, 상기한 전력변환장치에 있어서, 전압제한회로는, 제 2 반도체 기판 상에 형성된 것을 특징으로 한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치는, 제 1 반도체 기판 상에 형성된 전력변환소자를 가지는 제 1 반도체 장치와, 제 1 반도체 기판과는 다른 제 2 반도체 기판 상에 형성되고, 외부의 제어장치로부터 입력되는 신호에 의거하여, 전력변환소자의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 그 제어신호를 제1 반도체 장치에 입력하는 제 2 반도체 장치를 구비하고, 제 1 반도체 장치와 제 2 반도체 장치는, GND 레벨이 공급되는 GND 단자를 개별로 가지고 있는 것을 특징으로 한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치는, 상기한 전력변환장치에 있어서, 제 1 반도체 장치의 GND 레벨과, 제 2 반도체 장치의 GND 레벨간의 전위차를 소정 값 이내로 제한하는 전압제한회로를 더 구비한 것을 특징으로 한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치는, 상기한 전력변환장치에 있어서, 전압제한회로는, 제 2 반도체 기판 상에 형성된 것을 특징으로 한 것이다.
또한, 본 발명의 일면에 따른 반도체장치는, 반도체 기판과, 반도체 기판 상에 형성된 전력변환소자와, 반도체 기판 상에 형성되고, 전력변환소자가 형성되어 있는 부분의 반도체 기판의 온도를 검출하여, 그 온도가 소정 온도 이상에 도달한 경우에, 전력변환소자의 구동을 정지하는 차단회로를 구비한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 반도체 장치는, 상기한 반도체 장치에 있어서, 반도체 장치는, 반도체 기판 상에 형성된, 히스테리시스 특성을 나타내는 파형 정형회로를 더 구비하고, 파형 정형회로는, 자신의 입력단자에 입력되는 전위를 구동전력으로서 동작하는 것을 특징으로 한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 반도체 장치는, 제 1 도전형 반도체 기판과, 반도체 기판 상에 형성된, 제 1 도전형과는 다른 제 2 도전형의 반도체 층과, 반도체 층 내에 형성된 제 1 도전형 제 1 불순물 도입영역을 한쪽 전극으로 하고, 반도체 층 내에 형성된 제 2 도전형 제 2 불순물 도입영역을 다른 쪽 전극으로 하는 제 1 제너 다이오드와, 반도체 층 내에 형성된 제 1 도전형 제 3 불순물 도입영역을 한쪽 전극으로 하고, 반도체 층 내에 형성되어 제 1 제너 다이오드의 다른 쪽 전극에 접속된, 제 2 도전형 제 4 불순물 도입영역을 다른 쪽 전극으로 하는 제 2 제너 다이오드와, 반도체 층의 주면 상에 형성되고, 반도체 층의 전위를 제 1 제너 다이오드의 역방향 전압 이상의 전위로 고정하기 위한 배선을 구비한 것이다.
(실시예)
실시예 1.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전력변환장치의 구성을 나타낸 회로도이다. 도 1에서는, 본 실시예 1에 따른 전력변환장치(1)를, 점화 코일(5)의 구동장치에 적용한 경우의 예를 나타내고 있다. 점화 코일(5)은, 자동차 엔진에 이용되는 점화 플러그(4)를 제어하는 것이다. 전력변환장치(1)는, 반도체 장치 2와 반도체 장치 3을 개별로 구비하고 있다. 반도체 장치 2는, IGBT(19) 등의 전력변환소자와, 제어 다이오드(20, 21)와, 파형 정형회로(30)와, 가열 차단회로(31)와, 보호소자(14)가, p형 실리콘 기판을 이용한 동일 칩 상에 형성된 구성을 가지고 있다. 또한, 반도체 장치(2)는, GND 레벨이 공급되는 GND 단자(66)를 가지고 있다.
제너 다이오드(20, 21)는, 점화 코일을 구동하기 위한 구동장치에 특유한 소자이다. IGBT(19)는, 셀이라 불리는 작은 소자의 집합체로서 구성되어 있고, 이 셀들의 에미터 배선을 2 계통으로 분할하여, 각각의 에미터 배선에 접속되는 셀의 수에 의도적으로 차이가 일어난다. 에미터에 흐르는 전류의 크기는 셀 수의 비로 결정되기 때문에, 전력변환소자에 흐르는 전류에 대해서 독특한 상관관계를 가지는 미소 전류를 검출함으로써, IGBT(19)의 콜렉터 전류(전력변환소자에 흐르는 주 전류)를 간접적으로 계측하는 것이 가능해진다.
가열 차단회로(31)는, IGBT(19)가 형성되어 있는 부분의 p형 실리콘 기판의 온도를 검출하여, 그 부분의 온도가 소정 온도 이상에 도달한 경우에, 파형 정형회로(30)로부터 출력된 신호를 IGBT(19)에 전달하지 않도록 제한하는(즉, IGBT(19)의 구동을 정지하는) 기능을 가지고 있다. IGBT(19)가 형성되어 있는 부분의 p형 실리콘 기판의 온도를 IGBT(19)의 근처에 형성된, 다이오드나 트랜지스터 등의 열전변환 소자에 의해서 검출하고, 상기 온도-전압변환소자로부터의 전압과 소정의 정전압을 비교기에 의해서 비교한다. 그리고, 상기 온도-전압변환소자로부터의 전압이 상기 소정의 정전압보다도 높아진 경우에, IGBT(19)의 구동을 정지하는 것이다.
부귀환 제어회로(18)는, IGBT(19)의 에미터 전류 값을 검출하여, 소정 값 이상의 주 전류가 흐르지 않도록 IGBT(19)의 동작을 제어하는 기능을 가지고 있다. 역상 입력단자에 입력된 전압(IGBT(19)의 에미터에 접속된 저항의 전압으로, 에미터 전류에 비례함)이, 정상 입력단자에 입력되는 소정의 정전압보다도 높아진 경우에, IGBT(19)의 구동을 정지하기 위한 신호를 IGBT(19)의 베이스 전극에 입력하는 것이다.
보호소자(14)는, 회로에 인가되는 전압이 소정 전압 이상으로 상승하지 않도록 억제함으로써, 회로를 보호하는 기능을 가진다.
파형 정형회로(30)는, 반도체 장치(2)에 이용되고 있는 p형 실리콘 기판의 전위가, IGBT(19)에 흐르는 주 전류에 기인하여 명백히 상승하고, IGBT(19)의 한계값이 명백히 저하하는 것에 따라 오동작을 억제하기 위해서 설치되어 있다. 도 2는, 파형 정형회로(30)의 제 1 구성을 나타낸 회로도이다. 도 2에 도시한 파형 정형회로(30)는, 반도체 장치(2)의 단자(63)로부터 전위 VIN이 입력되는 제 1 입력단자와, 전원(36)으로부터 소정 정전압이 입력되는 제 2 입력단자와, 가열 차단회로(31)에 전위 VOUT를 출력하는 출력단자를 가지는 슈미트 회로(35)에 의해서 구성된다. 도 2에 도시한 슈미트 회로(35)는, 외부로부터 공급되는 전원 V+에 의해서 구동한다.
도 3은, 도 2에 도시한 슈미트 회로(35)의 입출력 특성을 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시한 것처럼, 슈미트 회로(35)는 히스테리시스 특성을 나타내는 회로이다. 출력단자의 전위 VOUT가 VL인 상태에서 제 1 입력단자에 전압 값 V2 이상의 전압이 입력되면, 출력단자의 전위 VOUT는, VH(>VL)가 된다. 한편, 출력단자의 전위 VOUT이, VH인 상태에서는, 제 1 입력단자에 전압 값 V1(<V2) 이하의 전압이 입력되지 않는 한, 출력단자의 전위 VOUT는 VL이 되지는 않는다. 이에 따라, V2-V1로 표시되는 히스테리시스 전압분만큼, IGBT(19)의 한계값이 명백히 저하하는 데에 기인하여 상기 오동작이 억제된다.
도 4는, 파형 정형회로(30)의 제 2 구성을 나타낸 회로도이다. 도 4에 도시하는 파형 정형회로(30)는, 도 2에 도시한 슈미트 회로(35)와 마찬가지로, 단자(63)로부터 전위 VIN이, 입력되는 제 1 입력단자와, 전원(36)으로부터 소정의 정전압이 입력되는 제 2 입력단자와, 가열 차단회로(31)에 전위 VOUT를 출력하는 출력단자를 가지는 슈미트 회로(35)에 의해서 구성된다. 도 2에 도시한 슈미트 회로(35)와는 다르고, 도 4에 도시하는 슈미트 회로(35)는, 외부로부터 공급되는 전원 V+이 아니라, 제 1 입력단자에 입력되는 전위 VIN을 구동전력으로서 동작한다.
도 5는, 도 4에 도시한 슈미트 회로(35)의 입출력 특성을 도시하는 그래프이다. 도 5에 도시한 것처럼, 도 4에 도시한 슈미트 회로(35)는, 자신의 전원전압의 고저를 히스테리시스 특성을 가지고 파형 정형한다. 구체적으로는, 소정 값(전압상승과정에서는 V2, 전압하강과정에서는 V1) 미만의 입력에 대해서는, 공급된 그 입력신호를 차단하여(하이 임피던스), 상기 소정 값 이상의 입력에 대해서는, 공급된 그 입력신호를 그대로 전달한다. 도 4에 도시한 슈미트 회로(35)에 의하면, 구동전력을 공급하기 위한 전원단자를 설치할 필요가 없기 때문에, 도 2에 도시한 슈미트 회로(35)와 비교하면, 회로 구성의 간략화를 도모할 수 있다.
도 1을 참조하여, 반도체 장치 3은, 전력변환장치(1)의 단자 7에 접속되어 있는 외부의 제어장치(도시하지 않음)로부터 단자 60에 입력되는 신호에 의거하여, IGBT(19)를 제어하기 위한 제어신호를 생성하여, 그 제어신호를 단자(62)를 통해서 반도체 장치 2의 단자 63에 입력하는 것이다. 반도체 장치(3)는, 슈미트 회로(9)와, 전원회로(10)와, 고전압 검출회로(11)와, 보호소자(13)와, 논리 게이트(16)와, pnp 트랜지스터(17)에 의해 구성된 출력회로가, p형 실리콘 기판을 이용한 동일 칩 상에 형성된 구성을 가지고 있다. 또한, 반도체 장치(3)는, GND 레벨이 공급되는 GND 단자(61)를 가지고 있다.
pnp 트랜지스터(17)의 에미터 전극은 노드 ND1에, 베이스 전극은 논리 게이트(16)의 출력단자에, 콜렉터 전극은 반도체 장치(3)의 단자(62)에, 각각 접속된다. 단, pnp 트랜지스터(17)로 이루어진 출력회로 대신에, p 채널 MOSFET에 의해서 출력회로를 구성하여도 된다. 도 6은, 출력회로의 다른 구성예를 도시하는 회로도이다. p채널 MOSFET(37)의 소스 전극은 노드 ND1에, 게이트 전극은 논리 게이트(16)의 출력단자에, 드레인 전극은 반도체 장치(3)의 단자(62)에, 각각 접속된다.
또한, 도 1을 참조하여, 슈미트 회로(9)는, 반도체 장치(3)에 이용되고 있는 p형 실리콘 기판의 전위가 변동하는 것에 기인하는 오동작을 방지하기 위해서 설치되어 있고, 히스테리시스 특성을 나타내는 파형 정형기능을 가지고 있다. 슈미트 회로(9)는, 정상 및 역상의 2개의 입력단자를 가지고, 정상 입력단자는, 반도체 장치(3)의 단자 60 및 저항으로 이루어진 소정 회로를 통해서, 전력변환장치(1)의 단자 7(도시하지 않은 제어장치로부터의 제어입력단자)에 접속되어 있다. 또한, 역상 입력단자에는, 전원으로부터 소정 기준 전위가 입력되고 있다.
전원회로(10)는, 반도체 장치(3)의 내부에 설치되어 있는 각 종 회로를 구동하기 위한 전원을 공급하는 회로로, 도 13에 도시한 종래의 전력변환장치(101)에 있어서의 전원회로(110)에 상당한다. 또한, 고전압 검출회로(11)는, 외부 배터리의 전압이 매우 높아진 경우에, 파손을 방지하기 위해서 IGBT(19)의 구동을 강제적으로 정지시키는 기능을 가진 것으로, 도 13에 도시한 종래의 전력변환장치(101)에서의 고전압 검출회로(111)에 상당한다.
보호소자(13)는, 회로에 인가되는 전압이 소정 전압 이상으로 상승하지 않도록 억제함으로써, 회로를 보호하는 기능을 가지고 있고, 도 13에 도시한 종래의 전력변환장치(101)에서의 보호소자(113)에 상당한다.
IGBT(19)가 구동되면, 점화 코일(5)의 일차 권선측(전력변환장치(1)측)에 전류가 흐르고, 이에 따라 발생한 일차 권선 전압은, 점화 코일(5)의 이차 권선측(점화 플러그(4)측)에, 권수비로 배가되어 전달된다. 이 전압에 의해서 점화 플러그(4)의 갭간에 불꽃이 발생하여, 실린더(도시하지 않음) 내의 연료가 연소되어, 엔진으로서의 동력을 얻을 수 있다.
점화 코일(5)의 일차 권선측에 전류가 흐르고 있는 상태에서 IGBT(19)의 구동을 정지하여 전류를 차단하면, 점화코일(5)에 축적된 에너지에 의해서, IGBT(19)의 콜렉터 전압을 정방향으로 인상하는 힘(역기전력)이 발생한다. 이때, 제너 다이오드(20)의 역방향 내압을 초과하는 전압이 발생하면, 제너 다이오드(20)가 구동하고, 그 결과 IGBT(19)의 베이스 전압이 상승하여, OFF 상태에 있는 IGBT(19)가 구동된다. 이에 따라, 콜렉터 전압이 일정 상태로 보존된다.
이와 같이 본 실시예 1에 따른 전력변환장치(1)에 의하면, 도 13에 도시한 종래의 반도체 장치(103)로부터 타이머 회로(115)를 생략함과 동시에, 타이머회로(115)보다도 간단한 구성의 가열 차단회로(31)를, IGBT(19)가 형성된 반도체 장치(2) 내에 형성하였다. 따라서, 전력변환장치(1) 전체로서 구성의 간략화를 도모할 수 있다. 또한, 가열 차단회로(31)는, IGBT(19)로부터 발열량을 직접적으로 검출하여, 그 검출 결과에 의거하여 IGBT(19)의 구동을 정지한다. 따라서, IGBT(119)의 연속 통전 시간에 따라서 IGBT(119)의 구동을 정지하는 종래의 타이머 회로(115)와 비교하면, 발열에 기인하는 IGBT(19)의 고장을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 도 1에 도시한 것처럼, 반도체 장치(3)의 GND 레벨을 공급하는 GND 단자(61)의 전위는, 도시하지 않은 제어장치로부터 기준 전위가 입력되는 전력변환장치(1)의 단자(8)의 전위와 동등하다. 따라서, 종래의 반도체 장치(103)에서의 차전압 비교회로(109) 대신에, 정상 입력단자에 입력되는 전압을, 역상 입력단자에 입력되는 정전압과 단순히 비교하는 만큼의 슈미트 회로(9)(차전압 비교회로(109)보다도 간단한 구성임)를 이용할 수 있다. 그 결과, 종래의 전력변환장치(101)와 비교하면, 전력변환장치 전체로서 구성의 간략화를 도모할 수 있다. 더구나, 슈미트 회로(9)는 단자(60)의 전위만을 검출하면 족하기 때문에, 회로를 구성할 때의 소자의 제약도 적어지게 되어, 원하는 전기적 특성을 얻는 것이 용이해진다.
또한, 종래의 반도체 장치 103에서의 npn 트랜지스터(117) 대신에 반도체 장치 3의 출력회로에 pnp 트랜지스터(17) 또는 p 채널 MOSFET(37)을 채용한 것에 의해, 아래의 효과를 얻을 수 있다.
도 7은, 도 1에 도시한 pnp 트랜지스터(17)의 구조를 나타낸 단면도이다. p형 실리콘 기판(80)의 상면 상에, n-형 에피택셜층(82)이 형성된다. 에피택셜층(82)의 상면 내에는, p형 에미터 영역(87)이 선택적으로 형성되어 있고, 에미터 영역(87)을 둘러싸고, p형 콜렉터 영역(85)이 형성되어 있다. 또한, 에피택셜층(82)의 상면 내에는 n형 베이스 영역(86)이 선택적으로 형성되어 있고, 에미터 영역(87), 콜렉터 영역(85), 및 베이스 영역(86)을 둘러싸며, p형 확산층(83)이 형성되어 있다. 또한, 에미터 영역(87), 콜렉터 영역(85), 및 베이스 영역(86)의 아래쪽에서, 에피택셜층(82)의 저면 내 및 실리콘 기판(80)의 상면 내에는, n+형 매립 확산층(84)이 형성되어 있다. 또한, 에피택셜층(82)의 상면 상에는 실리콘 산화막(88)이 선택적으로 형성되어 있고, 실리콘 기판(80)의 이면에는, 금속층(81)이 형성되어 있다.
pnp 트랜지스터(17)가 OFF 상태에 있는 경우에 있어서, 콜렉터 영역(85)의 전위보다도 실리콘 기판(80) 및 에피택셜층(82)의 전위쪽이 과도적으로 높아진 경우라도, pnp 트랜지스터(17)의 오동작을 억제할 수 있다. 즉, p형 콜렉터 영역(85)와 n-형 에피택셜층(82)에 의해서 형성되는 pn 접합은 역 바이어스가 되기 때문에, pn 접합의 역방향 내압을 초과하지 않은 범위 내에서는, pnp 트랜지스터(17)가 ON 상태가 되는 경우는 없다.
실시예 2.
도 8은, 본 발명의 실시예 2에 따른 전력변환장치의 구성을 나타낸 회로도이다. 도 8에 도시한 것처럼, 본 실시예 2에 따른 전력변환장치는, 도 1에 도시한 상기 실시예 1에 따른 전력변환장치를 기초로 하여서, 반도체 장치(3) 내에 전압제한회로(40)를 더 형성한 것이다. 전압제한회로(40)의 일단은 단자 61에 접속되고, 타단은 반도체 장치(3)의 단자 69를 통해서, 반도체 장치(2)의 단자 66에 접속된다. 본 실시예 2에 따른 전력변환장치의 그 외의 구성은, 상기 실시예 1에 따른 전력변환장치의 구성과 마찬가지이다.
전압제한회로(40)는, 반도체 장치 3의 GND 레벨을 공급하는 단자 61과, 반도체 장치 2의 GND 레벨을 공급하는 단자 66간에 소정 값 이상의 전위차가 생긴 경우에, 단자 61과 단자 66간을 도통하여, 상기 전위차를 억제하는 기능을 가지고 있다.
도 9, 10은, 전압제한회로(40)의 구체적인 구성을 각각 나타낸 회로도이다. 도 9에 도시한 전압제한회로(40)는, 복수의 다이오드(41)를 직렬 접속한 제 1 다이오드열과, 마찬가지로 복수의 다이오드(41)를 직렬 접속한 제 2 다이오드열을 서로 역방향으로 병렬 접속하여 구성된다. 단, 상기 각 다이오드열은, 각각 1개의 다이오드(41)에 의해 구성되어도 된다. 또한, 도 10에 도시한 전압제한회로(40)는, 2개의 제너 다이오드(43, 44)를 역방향으로 직렬 접속하여 구성된다. 단, 상기 각 제너 다이오드(43, 44)는, 각각 복수의 제너 다이오드를 직렬 접속하여 구성하여도 된다.
도 11은, 도 10에 도시한 전압제한회로(40)의 구체적인 구조를 나타낸 평면도이고, 도 12는 도 11에 도시한 라인 X1-X1을 따른 위치에 관한 단면 구조를 나타낸 단면도이다. 도 11, 12를 참조하여, p형 실리콘 기판(47) 상에는, n-형 에피택셜 성장층(48)이 형성되어 있다. 에피택셜 성장층(48)내에는, 모든 불순물 도입에 의해서, p형 분리 확산영역(49), p형 베이스 확산영역(50), 및 n+형 에미터 확산영역(51)이, 각각 선택적으로 형성되어 있다. 분리 확산영역(49)은, 에피택셜 성장층(48)의 상면으로부터 실리콘 기판(47)의 상면에 도달하게 형성되어 있다. 베이스 확산영역(50)은, 에피택셜 성장층(48)의 상면으로부터, 실리콘 기판(47)의 상면에 달하지 않은 깊이로 형성되어 있다. 또한, 베이스 확산영역(50)은, 분리 확산영역(49)이 형성되어 있지 않은 부분의 에피택셜 성장층(48)의 상부를 포함하도록, 또, 분리 확산영역(49)과 부분적으로 겹치도록 형성된다. 에미터 확산영역(51)은, 베이스 확산영역(50)에 둘러싸이도록 에피택셜 성장층(48)의 상면으로부터, 베이스 확산영역(50)보다도 얕게 형성되어 있다. 에미터 확산영역(51)의 일부는, 베이스 확산영역(50)과 분리 확산영역(49)이 겹치는 영역 내에 존재하고 있다.
에피택셜 성장층(48)의 상면 상에는, 소자 분리 절연막(54)이 형성되어 있다. 애노드 A1, A2에 대응하는 금속 배선(55a, 56a)은, 각각 분리 확산영역(49)에 접속되어 있고, 캐소드 K1, K2에 대응하는 금속 배선(55k, 56k)은, 각각 에미터 확산영역(51)에 접속되어 있다. 금속 배선 55a는 단자 61에 접속되고, 금속 배선 56a는 단자 69에 접속되어 있다. 또한, 금속 배선(55k, 56k)은, 서로 접속되어 있다.
제너 다이오드(43, 44)의 순방향 전압을 Vf(V), 역방향 전압을 Vz(V)로 하였을 때에, 실리콘 기판(47)의 기판 전위를 제로(V)로 하여 단자 69에 (Vz+Vf)(V)를초과하는 전압, 또는 -(Vz+Vf)(V) 미만의 전압이 인가되면 전류가 흐르는 한편, -(Vz+Vf)(V) 이상 (Vz+Vf)(V) 이하의 범위 내의 전압이 인가되면 하이 임피던스가 된다.
또한, 에피택셜 성장층(48) 내에는, 소자간의 절연성을 확보하기 위해서, n+형 매립 확산영역(52, 53)이 선택적으로 형성된다. 매립 확산영역(52, 53)은, 제너 다이오드(44)의 분리 확산영역(49)을 둘러싸서 형성되어 있다.
또한, 에피택셜 성장층(48)의 상면 상에는, 전극(46)에 접속된 금속 배선(57)이 형성된다. 에피택셜 성장층(48)의 전위는, 전극(46)으로부터 금속배선(57)을 통해서 공급된 전위에 의해서, Vz(V) 이상의 전위(제너 다이오드(44)의 역방향 전압 이상의 전위)로 고정된다.
도 12를 참조하면, 실리콘 기판(47)을 에미터, 금속배선(57)이 형성되어 있는 부분의 에피택셜 성장층(48)을 베이스, 제너 다이오드(43)의 분리 확산영역(49)을 콜렉터로 하는 기생 pnp 트랜지스터가 존재하는 것을 알 수 있다. 전극(46)으로부터 금속배선(57)을 통해서 에피택셜 성장층(48)의 전위를 Vz(V) 이상의 전위로 고정함으로써, 이 기생 pnp 트랜지스터가 구동하는 데에 따른, 실리콘 기판(47)으로부터 제너 다이오드(43)의 분리 확산영역(49)으로의 전류 유입을 방지할 수 있다.
이와 같이 본 실시예 2에 따른 전력변환장치에 의하면, 반도체 장치(3)의 GND 레벨을 공급하는 단자 61과, 반도체 장치 2의 GND 레벨을 공급하는 단자 66의 사이에는, 양 단자간에 소정 값 이상의 전위차가 생긴 경우에 그 전위차를 억제하기 위한 전압제한회로(40)가 설치되어 있다. 따라서, 단자 61과 단자 66간에 매우 큰 전위차가 생기는 것에 기인하여 발생하는 오동작을 억제할 수 있고, 보다 오동작이 적은 전력변환장치를 얻을 수 있다.
또한, 전압제한회로(40)는, 반도체 장치 3 내에 형성되어 있기 때문에, 전압제한회로(40)를 반도체 장치 3과는 독립한 부품으로서 형성하는 경우와 비교하면, 부품점수를 삭감할 수 있다.
본 발명의 일면에 따른 전력변환장치에 따르면, 차단회로는, 전력변환소자로부터의 발열을 직접적으로 검출하여, 그 검출 결과에 의거하여 전력변환소자의 구동을 정지한다. 따라서, 전력변환소자의 연속 통전 시간에 따라서 전력변환소자의 구동을 정지하는 타이머 회로를 이용한 타입의 전력변환장치와 비교하면, 발열에 기인하는 전력변환소자의 고장을, 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
더구나, 차단회로는, 타이머 회로보다도 간단한 구성으로 할 수 있기 때문에, 전력변환장치 전체로서 구성의 간략화를 도모할 수도 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치에 따르면, 외부로부터 구동전력을 공급하기 위한 전원 단자를 파형 정형회로에 설치할 필요가 없기 때문에, 외부로부터 공급되는 전원에 의해서 구동하는 타입의 파형 정형회로와 비교하면, 회로구성의 간략화를 꾀할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치에 따르면, pnp 트랜지스터 또는 p 채널 MOSFET가 OFF 상태에 있는 경우에 있어서, 제 2 반도체 기판의 전위가 과도적으로 고전위로 되었다 하더라도, pnp 트랜지스터 또는 p채널 MOSFET가 오동작하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치에 따르면, 정상 입력단자에 입력되는 전압과 역상 입력단자에 입력되는 정전압을 단순히 비교한 대로의 슈미트 회로를 제 2 반도체 기판 상에 형성함으로써, 전력변환소자의 주 전류에 기인하여 제 2 반도체 기판의 전위가 변동하는 것에 따른 오동작을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치에 따르면, 제 1 반도체 장치의 GND 레벨과, 제 2 반도체 장치의 GND 레벨간에 매우 큰 전위차가 생기는 것에 기인하여 발생하는 오동작을 억제할 수 있어, 보다 오동작이 적은 전력변환장치를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치에 따르면, 전압제한회로를 제 2 반도체 장치와는 독립한 부품으로서 형성하는 경우와 비교하면, 부품 점수를 삭감할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치에 따르면, 정상 입력단자에 입력되는 전압과 역상 입력단자에 입력되는 정전압을 단순히 비교한 대로의 슈미트 회로를 제 2 반도체 기판 상에 형성함으로써, 전력변환소자의 주 전류에 기인하여 제 2 반도체 기판의 전위가 변동하는 것에 따른 오동작을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치에 따르면, 제 1 반도체 장치의 GND 레벨과, 제 2 반도체 장치의 GND 레벨간에 매우 큰 전위차가 생기는 것에 기인하여 발생하는 오동작을 억제할 수 있어, 보다 오동작이 적은 전력변환장치를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전력변환장치에 따르면, 전압제한회로를 제 2 반도체 장치와는 독립한 부품으로서 형성하는 경우와 비교하면, 부품 점수를 삭감할 수 있다.
또한, 본 발명의 일면에 따른 반도체장치에 따르면, 차단회로는, 전력변환소자로부터의 발열을 직접적으로 검출하여, 그 검출 결과에 의거하여 전력변환소자의 구동을 정지한다. 따라서, 발열에 기인하는 전력변환소자의 고장을, 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 반도체장치에 따르면, 외부로부터 구동전력을 공급하기 위한 전원단자를 파형 정형회로에 설치할 필요가 없기 때문에, 외부로부터 공급되는 전원에 의해서 구동하는 타입의 파형 정형회로와 비교하면, 회로구성의 간략화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 반도체장치에 따르면, 배선에 의해서 반도체 층의 전위를 제 1 제너 다이오드의 역방향 전압 이상의 전위로 고정함으로써, 반도체 기판을 에미터, 반도체 층을 베이스, 제 3 불순물 도입영역을 콜렉터로 하는 기생 트랜지스터가 구동하는 것을 막을 수 있다.

Claims (3)

  1. 제 1 반도체 기판과, 이 제 1 반도체 기판 상에 형성된 전력변환소자 및, 상기 제 1 반도체 기판 상에 형성되고 상기 전력변환소자가 형성되어 있는 부분의 상기 제 1 반도체 기판의 온도를 검출하여 그 온도가 소정 온도 이상에 도달한 경우에 상기 전력변환장치의 구동을 정지하는 차단회로를 가지는 제 1 반도체 장치와,
    상기 제 1 반도체 기판과는 다른 제 2 반도체 기판 상에 형성되고, 외부의 제어장치로부터 입력되는 신호에 의거하여, 상기 전력변환소자의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 생성하여, 그 제어신호를 상기 제 1 반도체 장치에 입력하는 제 2 반도체 장치를 구비하는 전력변환장치.
  2. 제 1 반도체 기판 상에 형성된 전력변환소자를 가지는 제 1 반도체 장치와,
    상기 제 1 반도체 기판과는 다른 제 2 반도체 기판 상에 형성되고, 외부의 제어장치로부터 입력되는 신호에 의거하여, 상기 전력변환소자의 구동을 억제하기 위한 제어신호를 생성하여, 그 제어신호를 상기 제 1 반도체 장치에 입력하는 제 2 반도체 장치를 구비하고,
    상기 제 1 반도체 장치와 상기 제 2 반도체 장치는, GND 레벨이 공급되는 GND 단자를 개별로 가지고 있는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판 상에 형성된 전력변환소자와,
    상기 반도체 기판 상에 형성되고, 상기 전력변환소자가 형성되어 있는 부분의 상기 반도체 기판의 온도를 검출하여, 그 온도가 소정 온도 이상에 이른 경우에, 상기 전력변환소자의 구동을 정지하는 차단회로를 구비하는 반도체 장치.
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