KR100687018B1 - 과열보호회로를 구비한 반도체장치 및 그것을 이용한전자회로 - Google Patents

과열보호회로를 구비한 반도체장치 및 그것을 이용한전자회로 Download PDF

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Abstract

파워 MOSFET를 형성한 동일한 반도체기판 상에, 과열보호회로가 형성되어 있다. 그 구성으로서는 입력단자와 파워 MOSFET의 게이트 사이에 제 1 저항이 접속되고, 입력단자와 접지점 사이에 제 2 저항과 온도검출소자와 제 3 저항이 이 순서로 접속되고, 온도검출소자와 제 3 저항의 직렬회로에 병렬로 클램프용 FET가 접속되고, 클램프용 MOSFET에 병렬로 전류조정용 FET 및 제 4 저항의 직렬회로가 접속되고, 입력단자와 접지점 사이에 제 5 및 제 6 저항의 직렬회로가 접속되고, 제 5 및 제 6 저항의 접속점이 전류조정용 FET의 게이트에 접속되고, 파워 MOSFET의 게이트와 접지점 사이에 스위칭용 FET가 접속되고, 온도검출소자 및 제 3 저항의 접속점이 스위칭용 FET의 게이트에 접속된다.

Description

과열보호회로를 구비한 반도체장치 및 그것을 이용한 전자회로{SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING OVERHEAT PROTECTING CIRCUIT AND ELECTRONIC CIRCUIT USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 반도체장치를 설명하기 위한 회로구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 관한 반도체장치에 있어서의 과열보호회로의 특성도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 관한 반도체장치를 설명하기 위한 회로구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 관한 반도체장치를 설명하기 위한 회로구성도이다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 관한 반도체장치를 설명하기 위한 회로구성도이다.
도 6은 선행기술에 관한 반도체장치를 설명하기 위한 회로구성도이다.
본 발명은 파워 반도체소자를 구비한 반도체장치 및 이 반도체장치를 이용한 전자회로에 관한 것으로, 특히 과전류 보호기능을 갖는 반도체장치에 관한 것이다. 본 발명에 관한 반도체장치는 파워 반도체소자를 구비한 반도체장치로서, 소자의 과열보호가 필요한 경우에 특히 유용하다.
파워 반도체소자를 구비한 반도체장치의 선행기술로서, 과열보호기능을 구비한 구성이, 예컨대, 일본 특허 공개 소63-229757호 공보에 개시되어 있다. 도 6은 일본 특허 공개 소63-229757호 공보에 개시된 선행기술에 관한 반도체장치를 설명하기 위한 회로구성도이다.
파워 MOSFET에 의해서 구성되는 파워 반도체소자(11)는 전원(13)[전압(Vdd)]으로부터 부하(12)[저항(RL)]에 공급되는 전력을 제어하는 것이다. 또한, 이와 같은 파워 반도체소자(11)를 보호하기 위해서 이 파워 반도체소자(11)가 형성된 동일한 반도체기판에, 과전류 보호부(14)와 온도 보호부(15)가 형성되어 있다.
상기 과전류 보호부(14)는 파워 MOSFET로 이루어지는 트랜지스터(141)를 갖는다. 이 트랜지스터(141)는 상기 파워 반도체소자(11)를 구성하는 파워 MOSFET의 영역 중 1/100~1/3000의 약간의 영역에 대해서 소스전극만 파워 반도체소자(11)로부터 분리되고, 그 외는 파워 반도체소자(11)와 공통된 구조를 갖는 파워 MOSFET로 이루어진다. 즉, 구동신호 입력단자에 입력되는 전압(Vin)이 상기 파워 반도체소자(11) 및 트랜지스터(141)를 구성하는 파워 MOSFET의 게이트에 저항(R11)을 통해서 점(A)의 전위(Va)로서 공통으로 공급된다. 또한, 상기 파워 반도체소자(11) 및 트 랜지스터(141)의 드레인 전극은 부하(12)에 공통으로 접속된다.
또한, 상기 트랜지스터(141)의 소스 전극은 저항(R12)을 통해서 접지된다. 또한, 트랜지스터(141)의 게이트가 되는 점(A)에는 트랜지스터(142)의 드레인이 접속되어 있다. 이 트랜지스터(142)는 상기 저항(R12)의 단자전압이 되는 점(B)의 전위(Vb)에 의해 제어된다. 이것에 의해서 파워 반도체소자(11)에 과전류가 흘렀을 때, 과전류에 비례한 전류가 트랜지스터(141)에 흐르고, 그것에 의해서 점(B)의 전위가 증대하였을 때에, 트랜지스터(142)가 도통하여 점(A)의 전위를 내린다. 그 결과, 파워 반도체소자(11)에 흐르는 전류가 제한된다.
상기 온도 보호부(15)는 상기 입력전압(Vin)이 저항(R13)을 통해서 공급되는 온도검출소자(151)를 구비하고, 이 온도검출소자(151)는 저항(R14)을 통해서 접지되어 있다. 온도검출소자(151)는 복수의 폴리실리콘 다이오드의 직렬회로로 이루어진다.
또한, 상기 온도검출소자(151)와 저항(R14)의 직렬회로에, 제너 다이오드(152)가 병렬로 접속되고, 상기 온도검출소자(151)와 저항(R14)의 직렬회로에 정전압이 인가된다.
또한, 상기 온도 보호부(15)에는 트랜지스터(153)가 설치되어 있고, 이 트랜지스터(153)는 상기 점(A)과 접지점 사이에 접속되고, 그 게이트 전극은 상기 온도검출소자(151)와 저항(R14)의 접속점(C)에 접속되어 있다.
여기서, 상기 온도 보호부(15)의 동작에 대해서 설명한다. 파워 반도체소자(11)가 발열하고, 반도체기판의 온도가 상승하면 이 온도상승을 온도검출소자(151) 가 검출한다. 구체적으로 설명하면, 반도체기판의 온도가 상승하면 온도검출소자(151)의 단자간 전압이 감소하고, 이것에 따라 점(C)의 전위(Vc)도 상승한다. 또한, 반도체기판의 온도가 특정되는 온도이상으로 상승하고, 전위(Vc)가 트랜지스터(153)의 한계전압 이상으로 되면 이 트랜지스터(153)에 채널이 형성되어 트랜지스터(153)가 도통하게 된다. 그 결과, 점(A)의 전위(Va)가 저하하게 된다. 따라서, 파워 반도체소자(11)는 차단되게 되고, 이 파워 반도체소자(11)는 열파괴로부터 보호된다.
상기 파워용 반도체장치는 일반적으로는 시스템 LSI나 마이크로 컴퓨터에 의해 구동된다. 최근, 에너지절약화의 흐름 때문에 이들 시스템 LSI나 마이크로 컴퓨터의 전원전압은 5V의 전압에서 3V이하의 전압으로 보다 낮게 되어 오고 있다.
종래의 과열보호회로에서는 3V이하에서 5V이상이라는 넓은 전압범위에서, 과열보호를 일정값으로 할 수 없으므로 충분한 신뢰성을 얻는 것이 곤란하게 되어 있다.
그 이유는 이하와 같다. 온도검출소자(151)의 단자간 전압에 따라 과열보호동작이 정상으로 작동하기 위해서는 온도검출소자(151)와 저항(R4)의 직렬회로에 정전압이 인가되고, 결정된 온도에서 점(C)의 전위(Vc)가 소정 설정값이 되는 것이 필요하다.
그러나, 상기 직렬회로의 전압을 결정하는 제너 다이오드(152)의 제너 전압은 그 제조시점에서 일정값으로 고정된다. 제너 전압을 입력전압범위의 상한에 맞추어 설정한 경우, 제너 전압보다 대폭적으로 낮은 전압이 구동신호 입력단자에 입 력되면 제너 다이오드(152)의 단자간 전압은 입력전압에 따라 저하해 버린다.
따라서, 온도검출소자(151)와 저항(R4)의 직렬회로에 인가되는 전압이 저하하고, 전위(Vc)도 또한 설정값보다 저하해 버린다. 이와 같은 상태에서는 반도체기판의 온도가 상승하여 온도검출소자(151)의 단자간 전압이, 과열보호가 작용하는 값까지 감소하여도 점(C)의 전위(Vc)가 트랜지스터(153)의 한계값에 도달하지 않기 때문에 트랜지스터(153)가 도통하지 않고, 점(A)의 전압(Va)은 저하하지 않으므로 파워 반도체소자(11)는 차단되지 않는다.
이 경우, 설정이상까지 온도가 올라가서, 온도검출소자(151)의 단자간 전압의 감소에 의한 전위(Vc)의 상승이 트랜지스터(153)의 한계값을 초과하여 처음으로 과열보호동작이 행해진다.
예컨대, 가령 입력전압이 5V정도이고 과열온도 보호값을 140℃로 하면 입력전압이 3V정도로 낮게 된 경우, 상기 이유 때문에 기판온도는 200℃에나 도달하고, 반도체의 보증접합온도 150℃를 초과하여, 현저하게 신뢰성이 손상되는 것으로 생각된다.
한편, 제너 전압을 입력전압범위의 하한에 맞추어 설정한 경우, 상기 문제는 일어나지 않는다.
그러나, 제너 전압을 저하시키기 위해서는 PN접합의 전계강도를 높일 필요가 있다. 구체적으로는 기판에 주입되는 N형 불순물 및 P형 불순물의 농도를 짙게 할 필요가 있지만, 예컨대, 1V~2V정도의 제너 전압을 갖는 제너 다이오드를 만들고자 하면 각 불순물의 농도가 지나치게 짙게 되어 제조가 매우 곤란한다. 특히, 파워 반도체소자를 만드는 확산 조건으로, 동시에 이와 같은 다이오드를 만드는 것은 불가능하다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적은 넓은 입력전압범위에서 과열보호를 일정 온도값으로 걸리게 하여 충분한 신뢰성을 얻을 수 있는 반도체장치 및 이것을 이용한 전자회로를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 반도체장치는 제어단자를 가지며 반도체기판 상에 형성된 파워 반도체소자와, 파워 반도체소자의 제어단자와 접지단자 사이에 설치되고, 또한, 반도체기판 상에 형성된 과열보호회로를 구비하고 있다.
상기 과열보호회로는 파워 반도체소자를 구동하는 구동신호가 입력되는 구동신호 입력단자와, 구동신호 입력단자와 파워 반도체소자의 제어단자 사이에 접속된 제 1 저항과, 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 2 저항과, 제 2 저항의 타단에 접속된 고전위측 단자를 가지며 반도체기판의 온도의 변화에 따라 단자간 전압을 변화시키는 온도검출용 반도체소자와, 온도검출용 반도체소자의 저전위측 단자와 접지단자 사이에 접속된 제 3 저항과, 온도검출용 반도체소자의 저전위측 단자에 접속된 제어단자를 가지며 파워 반도체소자의 제어단자와 접지단자에 각각 접속된 2개의 주단자를 갖는 스위칭용 반도체소자와, 제 2 저항의 타단에 접속된 고전위측 단자를 가짐과 아울러 접지단자에 접속된 저전위측 단자를 갖고, 온도검출용 반도체소자의 고전위측 단자와 접지단자 사이의 전압을 거의 일정한 전압으로 유지하는 클램프용 반도체소자와, 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자로의 전류의 유입량을 대략 일정하게 유지하는 전류 안정화회로를 구비하고 있다.
상기 과열보호회로는 스위칭용 반도체소자를 온함으로써 파워 반도체소자의 제어단자의 전위를 내려 파워 반도체소자의 동작을 정지시키도록 하는 것이 바람직하다.
또한 상기 클램프용 반도체소자는 드레인과 게이트를 공통으로 접속한 MOSFET로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 파워 반도체소자도 MOSFET로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 전류 안정화회로는 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속된 전류 바이패스용 트랜지스터와, 전류 바이패스용 트랜지스터의 소스와 접지단자 사이에 접속된 제 4 저항과, 구동신호 입력단자와 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트 사이에 접속된 제 5 저항과, 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트와 접지단자 사이에 접속된 제 6 저항으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전류 안정화회로는 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속되고 접지단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 출력측 소자가 되는 전류 바이패스용 트랜지스터와, 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 4 저항과, 제 4 저항의 타단과 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트에 드레인 및 게이트가 접속되고 접지단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 입력측 소자가 되는 바이패스 전류조정용 트랜지스터로 이루어지는 구성이어도 좋다.
또한, 상기 전류 안정화회로는 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속되고 접속단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 출력측 소자가 되는 전류 바이패스용 트랜지스터와, 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 4 저항과, 제 4 저항의 타단에 드레인 및 게이트가 접속된 전압조정용 트랜지스터와, 전압조정용 트랜지스터의 소스와 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트에 드레인 및 게이트가 접속되고 접지단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 입력측 소자가 되는 바이패스 전류조정용 트랜지스터로 이루어지는 구성이어도 좋다.
또한, 상기 전류 안정화회로는 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속되고 접지단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 출력측 소자가 되는 전류 바이패스용 트랜지스터와, 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 4 저항과, 제 4 저항의 타단에 드레인이 접속된 전압조정용 트랜지스터와, 전압조정용 트랜지스터의 소스와 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트에 드레인 및 게이트가 접속되고 접지단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 입력측 소자가 되는 바이패스 전류조정용 트랜지스터와, 구동신호 입력단자와 전압조정용 트랜지스터의 게이트 사이에 접속된 제 5 저항과, 전압조정용 트랜지스터의 게이트와 접지단자 사이에 접속된 제 6 저항으로 이루어지는 구성이어도 좋다.
또한, 본 발명의 전자회로는 제어단자를 가지며 반도체기판 상에 형성된 파워 반도체소자와, 파워 반도체소자의 제어단자와 접지단자 사이에 설치되고, 또한, 반도체기판 상에 형성된 과열보호회로와, 파워 반도체소자를 통해 부하에 전력공급하는 전원과, 파워 반도체소자를 구동하는 구동회로를 구비하고 있다. 또한, 과열 보호회로 등이 상기 특징을 구비한 것이다.
본 발명에 관한 반도체장치에 있어서는 파워 반도체소자가 형성되는 반도체기판 상에 저입력전압에서부터 고입력전압까지 일정하게 동작하는 과전류 보호회로를 설치함으로써 반도체소자로의 입력전압이 3V이하정도로 낮게 된 경우에도 일정한 과열온도보호값으로, 파워 반동체소자에 흐르는 전류가 차단제어되기 때문에 저전압으로 동작하는 시스템 LSI나 마이크로 컴퓨터로 구동할 수 있게 되고, 종래와 같이 5V정도의 고입력전압으로 구동하는 것도, 넓은 범위의 다품종의 시스템 LSI나 마이크로 컴퓨터를 이용하여 3V이하로 구동시킬 수도 있게 된다. 또한, 입력전압의 변동에 대해 일정한 과열온도보호값으로 파워 반도체소자가 보호되게 되고, 신뢰성이 향상되는 것이다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 파워용 반도체장치 및 이것을 이용한 전자회로의 구성을 나타내는 회로구성도이다. 이 파워용 반도체장치는 종형 파워 MOSFET에 의해서 구성되는 파워 반도체소자(2)를 이용하여 전압(Vdd)을 갖는 전원(8)으로부터 부하(7)에 공급되는 전력을 제어하는 것이다. 파워 반도체소자(2)를 보호하기 위해서 파워 반도체소자(2)가 형성된 동일한 반도체기판(1)에, 과열보호회로(9A)가 형성되어 있다.
과열보호회로(9A)에는 구동회로(도시안함)가 접속되는 구동신호 입력단자(IN)와 파워 반도체소자(2)의 게이트 사이에 접속된 저항(R1)과, 구동신호 입력단자(IN)에 일단이 접속된 저항(R2)과, 저항(R2)과 직렬로 접속된 트랜지스터(4)가 포함되어 있다.
트랜지스터(4)는 드레인과 게이트가 서로 접속되어 저항(R2)의 타단에 접속되고, 소스가 접지되어 있다. 트랜지스터(4)의 드레인과 접지점 사이의 전압은 넓은 온도범위에서 거의 일정하게 되는 전압특성을 갖는다. 이 전압은 도 1에 나타낸 점(B)의 전위(Vb)에 상당하고, 이하, 전위(Vb)라고 한다.
일본 특허 공개 소63-229757호 공보 등에서는 트랜지스터(4) 대신에 제너 다이오드를 배치하여 일정한 전압을 발생시키도록 하고 있다. 그런데, 파워 반도체소자(2)를 만드는 확산조건에서는 반도체기판(1)에 주입되는 N형 불순물 및 P형 불순물의 농도가 지나치게 짙게 되어서 2V정도의 정전압을 발생하는 제너 다이오드와 파워 반도체소자(2)를 반도체기판(1) 상에 동시에는 만드는 것이 가능하지 않다.
본 실시예에서는 입력전압이 3V이하의 낮은 전압값인 상태에서부터 동작시키기 때문에 제너 다이오드 대신에 트랜지스터(4)를 형성하여 전위(Vb)가 약 1~2V정도의 저전압이 되도록 설정되어 있다.
또한, 저항(R2)의 타단은 복수의 폴리실리콘 다이오드의 직렬회로로 이루어지는 온도검출소자(6)의 일단(애노드)과도 접속되어 있고, 이 온도검출소자(6)의 타단(캐소드)은 저항(R3)을 통해 접지되어 있다.
여기서, 트랜지스터(4)의 양 단자간의 전압과 온도검출소자(6)의 단자간 전압의 온도관계의 일례에 대해서 설명한다. 트랜지스터(4)의 양 단자간의 전압은 25℃에서 2.089V, 125℃에서 2.068V이고, 온도계수는 -21mV/100℃이다. 또한, 온도검출소자(6)의 단자간 전압은 25℃에서 2.24V, 125℃에서 1.64V이고, 온도계수는 -600mV/100℃이다. 양자의 온도계수는 약 30배정도의 차가 있다. 트랜지스터(4)의 단자간 전압의 온도계수는 작은 쪽이 더 바람직하다.
또한, 과열보호회로(9A)에는 트랜지스터(3)가 설치되어 있다. 이 트랜지스터(3)는 드레인 및 소스가 각각 파워 반도체소자(2)의 게이트 및 접지점과 접속되고, 게이트가 온도검출소자(6)와 저항(R3)의 접속점(C)에 접속되어 있다. 여기서, 점(C)의 전위(Vc)는 반도체기판(1)의 온도가 미리 설정된 과열온도보호값에 도달하였을 때에 트랜지스터(3)의 한계전압을 넘도록 설정되어 있다.
상기 구성에 있어서 파워 반도체소자(2)에 큰 전류가 흘러 반도체기판(1)이 발열하고, 반도체기판(1)의 온도가 상승하면 온도검출소자(6)를 구성하는 폴리실리콘 다이오드의 금지대(forbidden band) 폭을 좁게 함으로써 온도검출소자(6)의 단자간 전압은 작게 된다.
한편, 온도검출소자(6)의 고전압측 단자와 접지점 사이의 전압은 온도검출소자(6) 및 저항(R3)의 직렬회로와 병렬로 접속된 트랜지스터(4)에 의해서 반도체기판(1)의 온도변화에 상관없이 거의 일정하게 유지되어 있다. 그 결과, 온도검출소자(6)의 단자간 전압이 작게 됨에 따라서 점(C)의 전위(Vc)는 상승한다. 또한, 반도체기판(1)의 온도가 미리 설정된 과열온도보호값에 도달하였을 때에 상기 전위(Vc)가 트랜지스터(3)의 한계전압을 초과하면 트랜지스터(3)가 도통하여 도 1에 나타낸 점(A)은 접지되게 되고, 그 전위(Va)는 0V가 된다.
이 경우, 점(A)의 전위(Va)는 파워 반도체소자(2)의 게이트 전위와 동일하기 때문에 파워 반도체소자(2)는 오프상태로 되고, 열파괴로부터 보호된다. 트랜지스 터(3)는 온도검출소자(6)의 출력을 받아서 파워 반도체소자(2)의 온오프를 행하는 스위치의 역할을 하고 있다.
본 실시예에서는 또한 구동신호 입력단자(IN)에 가하는 전압이 약 3V에서 6V의 넓은 범위로 변화하여도 동일한 과열보호온도로 보호동작을 하게 하기 위해서 과열보호회로(9A)에는 구동신호 입력단자(IN)에 가하는 전압이 변화하여도 트랜지스터(4)에 흐르는 전류를 거의 일정하게 유지하기 위한 회로가 조립되어 있다. 그 이유는 이 회로가 아니면 구동신호 입력단자(IN)에 가하는 전압이 변화하였을 때에, 그것에 따라 트랜지스터(4)에 흐르는 전류가 변화하고, 이것에 의해서 트랜지스터(4)의 단자간 전압이 변화하고, 파워 반도체소자(2)를 커트오프시키는 과열보호온도가 변화하기 때문이다.
트랜지스터(4)에 흐르는 전류를 거의 일정하게 유지하기 위한 회로는 구체적으로는 구동신호 입력단자(IN)와 접지점 사이에 접속된 저항(R5) 및 저항(R6)의 직렬회로와, 저항(R5)과 저항(R6)의 접속점에 게이트가 접속된 트랜지스터(5)로 구성되어 있다. 트랜지스터(5)는 소스가 저항(R4)을 통해 접지되고, 드레인이 저항(R2), 트랜지스터(4), 온도검출소자(6)와 접속되어 있다.
본 실시예에 있어서의 과열보호회로(9A)의 동작을 도 2를 이용하여 설명한다.
구동신호 입력단자(IN)로의 입력전압이 저전압(가령, 3V로 한다)인 경우에, 저항(R5,R6)의 접속점의 전압이 트랜지스터(5)의 한계전압 이하로 되어 트랜지스터(5)가 동작하지 않도록 저항(R5,R6)의 저항값이 설정되어 있다.
구동신호 입력단자(IN)의 입력전압이 저전압(가령, 3V로 함)인 경우에 트랜지스터(5)가 오프이므로, 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 저항(R2)을 흐르는 전류(I1)는 트랜지스터(4)를 흐르는 전류(I3)와 동일하게 되고, 점(B)의 전위(Vb)는 전류(I3)에서 결정되는 트랜지스터(4)의 드레인-소스 간 전압과 동일하다.
이 상태에서 파워 반도체소자(2)에 큰 전류가 흘러 반도체기판(1)이 발열하고, 상기한 바와 같이, 반도체기판(1)의 온도가 상승하면 이것이 온도검출소자(6)에 의해 검출되어 점(C)의 전위(Vc)가 상승한다. 반도체기판(1)의 온도가 과열온도보호값에 도달하고, 상기 전위(Vc)가 트랜지스터(3)의 한계전압을 초과하면 트랜지스터(3)가 도통하고, 파워 반도체소자(2)의 게이트가 접지되고, 파워 반도체소자(2)는 오프상태로 된다. 그 결과, 파워 반도체소자(2)가 열파괴로부터 보호된다.
다음에, 구동신호 입력단자(IN)의 전압이 상승(가령, 5V로 함)한 경우를 고려한다.
저항(R2)을 흐르는 전류(I1)는 구동신호 입력단자(IN)로의 입력전압에 따라 증가한다. 그 결과, 트랜지스터(4)에 흐르는 전류도 증가하여 점(B)의 전위(Vb)가, 도 2에 있어서 기호(Vb)(점선)로 나타내는 바와 같이 상승하도록 작용한다. 그런데, 구동신호 입력단자(IN)의 전압의 상승에 의해 트랜지스터(5)의 게이트 전압도 상승하기 때문에 이것이 트랜지스터(5)의 한계전압이상으로 되면 트랜지스터(5)는 온되고, 도 2에 나타내는 바와 같이, 트랜지스터(5)에 전류(I2)가 흐르기 시작한다. 이 전류(I2)는 트랜지스터(5)의 소스 전위[점(D)의 전위(Vd)]와 저항(R4)에 의해 결정된다.
상기 전류(I2)가 흐르는 것이, 도 2에 나타내는 바와 같이, 트랜지스터(4)에 흐르는 전류(I3)가 거의 일정하게 되도록 작용한다. 그 때문에, 구동신호 입력단자(IN)의 전압이 상승하여도 전위(Vb)는 도 2에 나타낸 기호 Vb(실선)와 같이, 구동신호 입력단자(IN)의 전압의 변화에 상관없이, 거의 일정한 전위가 유지된다.
상기와 같이, 전위(Vb)가 일정하면 온도검출소자(6)의 단자간 전압변동량과 점(C)의 전위(Vc)의 변동량은 구동신호 입력단자(IN)의 전압이 저전압의 경우와 동일한 상태로 유지되기 때문에 온도변화에 대한 온도검출소자(6)의 감도 나아가서는 트랜지스터(3)의 게이트 전위 변동감도는 바뀌지 않는다. 따라서, 구동신호 입력단자(IN)의 전압의 변화에 상관없이, 파워 반도체소자(2)는 동일한 과열온도보호값으로 열파괴로부터 보호된다.
일반적으로는 입력전류를 적게 하기 위하여, 온도검출소자(6)에 접속되는 저항(R3)은, 예컨대, 1㏁정도의 고저항으로 하기 때문에 트랜지스터(3)가 온하는 경우에 저항(R3)에 흐르는 전류는 트랜지스터(3)의 한계전압을 가령 1V로 한 경우에 1V/1㏁=1㎂로 되고, 전위(I1)에 대해서 충분히 무시할 수 있는 정도로 작다. 따라서, 저항(R3)을 흐르는 전류는 전위(Vb)의 변동에 거의 영향을 주지 않는다.
본 실시예에 의하면 상기 구성의 과열보호회로를 설치함으로써 반도체소자로의 입력전압이 3V이하정도로 낮게 된 경우에도 과열온도보호값을 일정하게 유지할 수 있고, 파워 반도체소자를 열파괴로부터 보호할 수 있다. 그 때문에, 저전압으로 동작하는 시스템 LSI나 마이크로 컴퓨터로 파워 반도체소자를 구동할 수 있다. 이것에 의해서 본 실시예의 반도체장치를 포함하는 전자회로의 소비전력을 삭감할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에 의하면 종래의 고입력전압으로 구동하는 구동회로도 사용가능하기 때문에 구동회로의 종류에 상관없이, 한개의 장치로 대응할 수 있다.
또한, 구동회로의 이상 등으로, 입력전압이 변동한 경우에도 일정한 과열온도보호값으로 파워 반도체소자는 보호된다. 그 때문에, 반도체장치 및 이것을 이용한 전자회로의 신뢰성이 대폭적으로 향상한다.
(제 2 실시예)
도 3은 본 발명의 제 2 실시예의 파워용 반도체장치의 구성을 나타내는 회로구성도이다.
이 제 2 실시예는 도 1의 과열보호회로(9A) 대신에 과열보호회로(9B)를 이용한 것이다. 이 과열보호회로(9B)는 과열보호회로(9A)와 마찬가지로, 구동신호 입력단자(IN)로의 입력전압이 3V이하인 전압에서부터 5V이상의 전압까지, 예컨대, 1V에서 6V까지의 넓은 범위에서 일정한 과열온도 보호동작을 행하기 위해서 트랜지스터(4)에 흐르는 전류를 거의 일정하게 하는 것이다.
상기 과열보호회로(9B)는 과열보호회로(9A)와는 회로구성이 일부 다르다. 즉, 상기 과열보호회로(9B)에서는 구동신호 입력단자(IN)에 저항(RA)의 일단이 접속되고, 저항(RA)의 타단에 트랜지스터(QA)의 드레인 및 게이트가 접속되고, 트랜지스터(QA)의 소스가 접지점에 접속되어 있다. 또한, 트랜지스터(5)의 드레인이 저항(R2)의 타단과 트랜지스터(4)의 드레인 및 게이트와 온도검출소자(6)의 고전위측 단자에 접속되고, 트랜지스터(5)의 게이트가 트랜지스터(QA)의 드레인 및 게이트와 접속되고, 트랜지스터(5)의 소스가 접지되어 있다. 또한, 트랜지스터(QA)와 트랜지스터(5)가 전류반복기를 구성하고 있다. 그 외의 구성은 도 1의 과열보호회로(9A)와 마찬가지이다.
상기 과열보호회로(9B)는 구동신호 입력단자(IN)로의 입력전압이 저전압인 경우에, 구동신호 입력단자(IN)로의 입력전압이 트랜지스터(5)의 한계전압 이하로 되어 트랜지스터(5)가 작용하지 않도록 하고 있다.
트랜지스터(5)의 한계전압은 입력전압의 하한에 따라 결정된다. 예컨대, 입력전압범위의 하한이 1V이면 트랜지스터(5)의 한계전압도 또한 1V정도로 설정된다.
저전압(가령, 1V로 함)인 경우에, 트랜지스터(5)가 오프이므로, 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 저항(R2)을 흐르는 전류(I1)는 트랜지스터(4)를 흐르는 전류(I3)와 동일하게 되고, 점(B)의 전위(Vb)는 전류(I3)에서 결정되는 트랜지스터(4)의 드레인-소스 간 전압과 동일하다.
이 상태에서, 파워 반도체소자(2)에 큰 전류가 흘러 반도체기판(1)이 발열하고, 반도체기판(1)의 온도가 상승하면 이것이 온도검출소자(6)에 의해 검출되어 점(C)의 전위(Vc)가 상승한다. 반도체기판(1)의 온도가 과열온도보호값에 도달하고, 상기 전위(Vc)가 트랜지스터(3)의 한계전압을 초과하면 트랜지스터(3)가 도통하고, 파워 반도체소자(2)의 게이트가 접지되고, 파워 반도체소자(2)는 오프상태로 된다. 그 결과, 파워 반도체소자(2)가 열파괴로부터 보호된다.
다음에, 구동신호 입력단자(IN)의 전압이 상승(가령, 5V로 함)한 경우를 고려한다.
저항(R2)을 흐르는 전류(I1)는 구동신호 입력단자(IN)로의 입력전압에 따라 증가한다. 그 결과, 트랜지스터(4)에 흐르는 전류도 증가하여 점(B)의 전압(Vb)이, 도 2에 있어서 기호 Vb(점선)로 나타내는 바와 같이, 상승하도록 작용한다. 그런데, 구동신호 입력단자(IN)의 전압의 상승에 의해 트랜지스터(5) 및 이것과 게이트가 공통의 트랜지스터(QA)에 있어서 게이트 전위가 한계전위를 초과하여 상승하고, 트랜지스터(5) 및 트랜지스터(QA)가 온되어 전류반복기에 전류가 흐리기 시작한다. 이 때, 트랜지스터(QA)에는 저항(RA)의 저항값에 따른 전류가 흐른다. 그 결과, 게이트가 트랜지스터(QA)와 공통인 트랜지스터(5)에는, 트랜지스터(QA)와의 미러비에 의해 결정되는 전류가 트랜지스터(5)의 드레인 전류(I2)로서 흐른다.
상기 전류(I2)가 흐르는 것이, 도 2에 나타내는 바와 같이, 트랜지스터(4)에 흐르는 전류(I3)가 거의 일정하게 되도록 작용한다. 그 때문에, 구동신호 입력단자(IN)의 전압이 상승하여도 전위(Vb)는 도 2에 나타낸 기호 Vb(실선)와 같이 구동신호 입력단자(IN)의 전압의 변화에 대해서 거의 일정한 전위로 된다.
상기와 같이, 전위(Vb)가 일정하면 온도검출소자(6)의 단자간 전압변동량과 점(C)의 전위(Vc)의 변동량은 구동신호 입력단자(IN)의 전압이 저전압인 경우와 동일한 상태로 유지되기 때문에, 온도변화에 대한 온도검출소자(6)의 감도 나아가서는 트랜지스터(3)의 게이트 전위 변동감도는 변하지 않는다. 따라서, 구동신호 입력단자(IN)의 전압의 변화에 상관없이, 파워 반도체소자(2)는 동일한 과열온도보호값으로 열파괴로부터 보호된다. 그 외의 점에 대해서는 과열보호회로(9A)와 마찬가지이다.
이 구성에 의하면 본 발명의 제 1 실시예와 마찬가지의 효과가 있다.
또한, 본 실시예에 의하면 다음과 같은 이점이 있다.
제 1 실시예에 있어서 입력전압이 고전압에서 저전압으로 스텝형상으로 변화한 경우 등, 트랜지스터(5)의 게이트에는 그 전압변화에 직접 대응하여 신호가 입력되기 때문에 비도통상태로부터 도통상태로 급격하게 천이한다. 그 결과, 전위(Vb)도 급격하게 변동하고, 전위가 안정되기까지의 동안에, 과열보호동작이 불안정하게 되는 경우가 있다.
한편, 본 실시예에 의하면 입력전압이 급격하게 변화한 경우에, 트랜지스터(QA) 및 트랜지스터(5)가 온되기 시작하지만, 이 때, 각 트랜지스터(QA,5)의 게이트에 입력되는 신호로서는 저항(RA)에 의한 전압강하분만큼 감소한 값이 입력된다. 따라서, 점(B)의 전위(Vb)는 제 1 실시예의 경우와 비교하여 완만하게 변화하고, 과열보호동작의 안정도가 향상한다.
(제 3 실시예)
도 4는 본 발명의 제 3 실시예의 파워용 반도체장치의 구성을 나타내는 회로구성도이다.
이 제 3 실시예는 도 3의 과열보호회로(9B) 대신에 과열보호회로(9C)를 이용한 것이다. 이 과열보호회로(9C)는 도 3의 트랜지스터(QA)와 저항(RA) 사이에 게이트와 드레인을 공통 접속한 트랜지스터(QB)를 접속하고, 구동신호 입력단자(IN)로의 입력전압이 트랜지스터(5)의 한계전압과 트랜지스터(QB)의 한계전압의 합 이하에서는 트랜지스터(5)가 작용하지 않도록 하여 과열보호온도 일정제어가 작용하는 입력전압을 도 3의 실시예보다 높게 할 수 있는 것이다.
이 구성에 의하면 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예와 마찬가지의 효과가 있다.
(제 4 실시예)
도 5는 본 발명의 제 4 실시예의 파워용 반도체장치의 구성을 나타내는 회로구성도이다.
이 제 4 실시예는 도 3의 과열보호회로(9B) 대신에 과열보호회로(9D)를 이용한 것이다. 이 과열보호회로(9D)는 도 3의 트랜지스터(QA)와 저항(RA) 사이에 트랜지스터(QB)를 접속하고, 구동신호 입력단자(IN)와 접지점 사이에 저항(RB,RC)의 직렬회로를 접속하고, 저항(RB,RC)의 접속점에 트랜지스터(QB)의 게이트를 접속하고, 구동신호 입력단자(IN)로의 입력전압을 저항(RB), 저항(RC)으로 분압한 전압이 트랜지스터(5)의 한계전압과 트랜지스터(QB)의 한계전압의 합 이하에서는 트랜지스터(5)가 작용하지 않도록 하여 과열보호온도 일정제어가 작용하는 입력전압이 도 3 및 도 4의 각 실시예보다 높게 할 수 있는 것이다.
이 구성에 의하면 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예와 마찬가지의 효과가 있다.
또한, 본 실시예에서는 파워 반도체소자(2), 트랜지스터(3,4,5)를 각각 N채널의 MOSFET로 구성하였지만 P채널 MOSFET로 구성하도록 하여도 마찬가지로 실시할 수 있다.
파워 반도체소자(2)에 대해서는 N형 실리콘기판을 드레인 전극으로 하는 고 내압 N채널 DMOSFET이어도, P형 실리콘기판을 드레인 전극으로 하는 고내압 P채널 DMOSFET이어도 좋다.
또한, 파워 반도체소자(2)는 양극성 트랜지스터이어도 좋다.
또한, 부하나 전원의 종류나 구동신호 입력단자(IN)에 접속되는 구동회로에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.
본 발명의 반도체장치 및 이것을 이용한 전자회로에 의하면 넓은 입력전압범위에서 과열보호를 일정 온도값으로 걸리게 하여 충분한 신뢰성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 제어단자를 가지며 반도체기판 상에 형성된 파워 반도체소자와, 상기 파워 반도체소자의 제어단자와 접지단자 사이에 설치되고, 또한, 상기 반도체기판 상에 형성된 과열보호회로를 구비한 반도체장치로서:
    상기 과열보호회로는 상기 파워 반도체소자를 구동하는 구동신호가 입력되는 구동신호 입력단자;
    상기 구동신호 입력단자와 상기 파워 반도체소자의 제어단자 사이에 접속된 제 1 저항;
    상기 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 2 저항;
    상기 제 2 저항의 타단에 접속된 고전위측 단자를 가지며 상기 반도체기판의 온도의 변화에 따라 단자간 전압을 변화시키는 온도검출용 반도체소자;
    상기 온도검출용 반도체소자의 저전위측 단자와 상기 접지단자 사이에 접속된 제 3 저항;
    상기 온도검출용 반도체소자의 저전위측 단자에 접속된 제어단자를 가지며 상기 파워 반도체소자의 제어단자와 상기 접지단자에 각각 접속된 2개의 주단자를 갖는 스위칭용 반도체소자;
    상기 제 2 저항의 타단에 접속된 고전위측 단자를 가짐과 아울러 상기 접지단자에 접속된 저전위측 단자를 갖고, 상기 온도검출용 반도체소자의 고전위측 단자와 상기 접지단자 사이의 전압을 거의 일정한 전압으로 유지하는 클램프용 반도체소자; 및
    상기 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자로의 전류의 유입량을 거의 일정하게 유지하는 전류 안정화회로를 구비하고,
    상기 스위칭용 반도체소자를 온함으로써 상기 파워 반도체소자의 제어단자의 전위를 내려 상기 파워 반도체소자의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 클램프용 반도체소자는 드레인과 게이트를 공통으로 접속한 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전류 안정화회로는 상기 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속된 전류 바이패스용 트랜지스터;
    상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 소스와 상기 접지단자 사이에 접속된 제 4 저항;
    상기 구동신호 입력단자와 상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트 사이에 접속된 제 5 저항; 및
    상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트와 상기 접지단자 사이에 접속된 제 6 저항으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전류 안정화회로는 상기 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속되고 상기 접지단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 출력측 소자가 되는 전류 바이패스용 트랜지스터;
    상기 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 4 저항; 및
    상기 제 4 저항의 타단과 상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트에 드레인 및 게이트가 접속되고 상기 접지단자에 소스가 접속되며, 상기 전류반복기의 입력측 소자가 되는 바이패스 전류조정용 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전류 안정화회로는 상기 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속되고 상기 접속단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 출력측 소자가 되는 전류 바이패스용 트랜지스터;
    상기 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 4 저항;
    상기 제 4 저항의 타단에 드레인 및 게이트가 접속된 전압조정용 트랜지스터; 및
    상기 전압조정용 트랜지스터의 소스와 상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트에 드레인 및 게이트가 접속되고 상기 접지단자에 소스가 접속되며, 상기 전류반복기의 입력측 소자가 되는 바이패스 전류조정용 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전류 안정화회로는 상기 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속되고 상기 접지단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 출력측 소자가 되는 전류 바이패스용 트랜지스터;
    상기 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 4 저항;
    상기 제 4 저항의 타단에 드레인이 접속된 전압조정용 트랜지스터;
    상기 전압조정용 트랜지스터의 소스와 상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트에 드레인 및 게이트가 접속되고 상기 접지단자에 소스가 접속되며, 상기 전류반복기의 입력측 소자가 되는 바이패스 전류조정용 트랜지스터;
    상기 구동신호 입력단자와 상기 전압조정용 트랜지스터의 게이트 사이에 접속된 제 5 저항; 및
    상기 전압조정용 트랜지스터의 게이트와 상기 접지단자 사이에 접속된 제 6 저항으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  8. 제어단자를 가지며 반도체기판 상에 형성된 파워 반도체소자와, 상기 파워 반도체소자의 제어단자와 접지단자 사이에 설치되고, 또한, 상기 반도체기판 상에 형성된 과열보호회로와, 상기 파워 반도체소자를 통해 부하에 전력공급하는 전원과, 상기 파워 반도체소자를 구동하는 구동회로를 구비한 전자회로로서:
    상기 과열보호회로는 상기 구동회로로부터 상기 파워 반도체소자를 구동하는 구동신호가 입력되는 구동신호 입력단자;
    상기 구동신호 입력단자와 상기 파워 반도체소자의 제어단자 사이에 접속된 제 1 저항;
    상기 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 2 저항;
    상기 제 2 저항의 타단에 접속된 고전위측 단자를 가지며 상기 반도체기판의 온도의 변화에 따라 단자간 전압을 변화시키는 온도검출용 반도체소자;
    상기 온도검출용 반도체소자의 저전위측 단자와 상기 접지단자 사이에 접속된 제 3 저항;
    상기 온도검출용 반도체소자의 저전위측 단자에 접속된 제어단자를 가지며 상기 파워 반도체소자의 제어단자와 상기 접지단자에 각각 접속된 2개의 주단자를 갖는 스위칭용 반도체소자;
    상기 제 2 저항의 타단에 접속된 고전위측 단자를 가짐과 아울러 상기 접지단자에 접속된 저전위측 단자를 갖고, 상기 온도검출용 반도체소자의 고전위측 단자와 상기 접지단자 사이에 전압을 거의 일정한 전압으로 유지하는 클램프용 반도체소자; 및
    상기 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자로의 전류의 유입량을 거의 일정하게 유지하는 전류 안정화회로를 구비하고,
    상기 스위칭용 반도체소자를 온함으로써 상기 파워 반도체소자의 제어단자의 전위를 내려 상기 파워 반도체소자의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 전자회로.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서, 상기 클램프용 반도체소자는 드레인과 게이트를 공통으로 접속한 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로.
  11. 제8항에 있어서, 상기 전류 안정화회로는 상기 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속된 전류 바이패스용 트랜지스터;
    상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 소스와 상기 접지단자 사이에 접속된 제 4 저항;
    상기 구동신호 입력단자와 상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트 사이에 접속된 제 5 저항; 및
    상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트와 상기 접지단자 사이에 접속된 제 6 저항으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로.
  12. 제8항에 있어서, 상기 전류 안정화회로는 상기 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속되고 상기 접지단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 출력측 소자가 되는 전류 바이패스용 트랜지스터;
    상기 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 4 저항; 및
    상기 제 4 저항의 타단과 상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트에 드레인 및 게이트가 접속되고 상기 접지단자에 소스가 접속되며, 상기 전류반복기의 입력측 소자가 되는 바이패스 전류조정용 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로.
  13. 제8항에 있어서, 상기 전류 안정화회로는 상기 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속되고 상기 접지단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 출력측 소자가 되는 전류 바이패스용 트랜지스터;
    상기 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 4 저항;
    상기 제 4 저항의 타단에 드레인 및 게이트가 접속된 전압조정용 트랜지스터; 및
    상기 전압조정용 트랜지스터의 소스와 상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트에 드레인 및 게이트가 접속되고 상기 접지단자에 소스가 접속되며, 상기 전류반복기의 입력측 소자가 되는 바이패스 전류조정용 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로.
  14. 제8항에 있어서, 상기 전류 안정화회로는 상기 클램프용 반도체소자의 고전위측 단자에 드레인이 접속되고 상기 접지단자에 소스가 접속되며, 전류반복기의 출력측 소자가 되는 전류 바이패스용 트랜지스터;
    상기 구동신호 입력단자에 일단이 접속된 제 4 저항;
    상기 제 4 저항의 타단에 드레인이 접속된 전압조정용 트랜지스터;
    상기 전압조정용 트랜지스터의 소스와 상기 전류 바이패스용 트랜지스터의 게이트에 드레인 및 게이트가 접속되고 상기 접지단자에 소스가 접속되며, 상기 전류반복기의 입력측 소자가 되는 바이패스 전류조정용 트랜지스터;
    상기 구동신호 입력단자와 상기 전압조정용 트랜지스터의 게이트 사이에 접속된 제 5 저항; 및
    상기 전압조정용 트랜지스터의 게이트와 상기 접지단자 사이에 접속된 제 6 저항으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자회로.
  15. 제8항에 있어서, 상기 구동회로는 마이크로 컴퓨터 또는 LSI로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자회로.
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