CN104242882A - 半导体装置及其控制方法 - Google Patents

半导体装置及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104242882A
CN104242882A CN201410240733.2A CN201410240733A CN104242882A CN 104242882 A CN104242882 A CN 104242882A CN 201410240733 A CN201410240733 A CN 201410240733A CN 104242882 A CN104242882 A CN 104242882A
Authority
CN
China
Prior art keywords
semiconductor device
switch element
sensing element
chip
electric current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201410240733.2A
Other languages
English (en)
Inventor
前川祐也
鸟居克行
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanken Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanken Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sanken Electric Co Ltd filed Critical Sanken Electric Co Ltd
Publication of CN104242882A publication Critical patent/CN104242882A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0828—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in composite switches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48257—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a die pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K2017/0806—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage against excessive temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0027—Measuring means of, e.g. currents through or voltages across the switch

Landscapes

  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

本发明提供半导体装置及其控制方法，通过准确监视温度来合适进行过热保护动作。在发射极端子侧从动作电流(ICE)分支出的第1检测电流、第2检测电流分别流过第1感应元件(21)、第2感应元件(22)，此时在该两端产生的电压分别被检测为输出电压(VS1、VS2)。第1感应元件(21)是在形成有IGBT(10)的开关元件芯片上的电阻元件。第2感应元件(22)是与开关元件芯片分开单独设置的电阻元件。通过一同使用(VS1)和(VS2)，可以一同计算出动作电流(ICE)和IGBT(10)的温度(T)。

Description

半导体装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及具有开关元件和进行用于对该开关元件的过电流保护、过热保护的控制的控制电路的半导体装置。并且，涉及该半导体装置的控制方法。
背景技术
作为进行大电流的开关动作的开关元件(功率半导体元件)，使用了功率MOSFET或绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor：IGBT)等。在使用这样的开关元件的半导体装置中，在由于负载的短路等而使过电流流动、或者发生过度的温度上升的情况下，有时开关元件受到破坏。因此，有效的是，在流过开关元件的电流超过规定的值的情况下进行强制性地切断该开关元件的动作(过电流保护动作)、在该开关元件过热而使其温度超过规定的值的情况下进行强制性地切断该开关元件的动作(过热保护动作)。
此时，也能够通过将例如热电偶等的温度检测元件安装在半导体芯片上来测定温度，然而在使用与半导体芯片分开的温度检测元件的情况下，没有延迟地准确测定半导体芯片自身的温度是困难的。因此，有效的是，与开关元件(功率MOSFET、IGBT等)一样在半导体芯片(半导体晶片)中也形成有温度检测用的元件。此时，为了不增大芯片面积，在专利文献1中记载了一种使用开关元件(功率MOSFET)自身的一部分用于温度检测的技术。在该技术中，在使功率MOSFET从断开状态处于接通状态后立即，调查例如在功率MOSFET的结构中形成的pn结(寄生二极管)的反方向电流。
在专利文献1记载的技术中，通过测定寄生二极管的反向恢复时间(或者反向恢复电流)来估计温度。这里测定的温度是构成开关元件(功率MOSFET)自身的一部分的pn结的温度，因而与使用温度检测用的元件的情况相比，可以进行更准确且没有延迟的温度测定。并且，无需在半导体芯片中单独形成温度检测用的结构。
在IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)中，形成有开关元件的开关元件芯片和形成有进行上述的控制(过电流保护动作、过热保护动作)的控制电路的控制电路芯片被密封在相同的封装内。由此，可以安全使用开关元件。
【专利文献1】日本特开2011－142700号公报
然而，作为开关元件的温度上升的原因之一，有时在开关元件的接通时大电流流过。因此，开关元件的温度最高多数情况是在开关元件接通而经过一定时间后。
与此相对，在上述技术中测定温度仅是在开关元件从断开到接通后立即的状态。因此，在上述技术中，监视原本最高温度的必要性高，在温度最高的时点进行测定是困难的。
即，得到可以通过准确监视温度来合适进行过热保护动作的半导体装置是困难的。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而作成的，本发明的目的是提供解决上述问题的发明。
为了解决上述课题，本发明采用以下所示的结构。
本发明的半导体装置具有：形成有开关元件的开关元件芯片；和控制电路芯片，其形成有控制电路，且与所述开关元件芯片分开，该控制电路在所述开关元件过热时进行切断所述开关元件的过热保护动作，其特征在于，在所述开关元件芯片中，输出从所述开关元件的动作电流分支出的检测电流，该半导体装置具有：第1感应元件，其设置在所述开关元件芯片上，并被构成为检测出所述检测电流流过时的输出电压的结构；和第2感应元件，其设置在所述开关元件芯片的外部，并被构成为检测出所述检测电流流过时的输出电压的结构，所述控制电路通过所述第2感应元件的输出电压来检测所述动作电流，且利用所述第2感应元件的输出电压和检测出的所述动作电流来进行所述过热保护动作。
本发明按以上方式构成，因而可以得到一种可以通过准确监视温度来适当地进行过热保护动作的半导体装置。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的半导体装置的电路图。
图2是平面型的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的截面图(a)、电路图标号(b)、等效电路(c)。
图3是在本发明的第1实施方式的半导体装置中使用的IGBT的俯视图。
图4是平面型的功率MOSFET的截面图(a)、等效电路(b)。
图5是示出本发明的第1实施方式的半导体装置(半导体模块)的结构的截面图。
图6是本发明的第2实施方式的半导体装置的电路图。
图7是在本发明的第2实施方式的半导体装置中检测的监视电压VS的时间变化的一例的图。
标号说明
1、2：半导体装置；10、11：IGBT(绝缘栅双极型晶体管)；21：第1感应元件；22：第2感应元件；23：电阻体；31：VS1检测电路；32：VS2检测电路；33：驱动电路(控制电路)；34：开关；51：p +层(集电层)；52：n－层；53：p－层；54：n+层；55：氧化膜(栅绝缘膜)；56：栅电极；57：发射电极；58：层间绝缘膜；59：集电电极；60：栅连接电极；61：源电极；62：漏电极；71：引线架(第1引线架)；72：引线架(第2引线架)；73：模塑层；74：散热板；75：接合线；81：开关元件芯片；82：二极管芯片；83：控制电路芯片；100：负载。
具体实施方式
以下，对成为本发明的实施方式的半导体装置进行说明。在该半导体装置中，作为开关元件使用IGBT。该半导体装置被构成为如下的IPM，即，具有该IGBT和通过流过该IGBT的动作电流及其温度来进行强制性地切断IGBT的动作的控制电路。这里，由于特别是可以正确检测IGBT的动作时的温度，因而可以在高温时合适地进行强制性切断IGBT的动作(过热保护动作)。并且，还可以在过电流流过时进行强制性切断IGBT的动作(过电流保护动作)。因此，这里在动作时的IGBT中被监视的量是动作电流(流过发射极和集电极之间的电流)和温度。这里，动作电流和温度都使用分支出动作电流的一部分得到的检测电流来进行测定。
(第1实施方式)
在第1实施方式的半导体装置中，作为开关元件的IGBT的发射极电流路径被分支为3份，其中的一个路径直接与发射极端子连接，其它2个路径分别经由不同的感应元件(第1感应元件、第2感应元件)与发射极端子连接。在该两个感应元件上测定出分别流过第1检测电流和第2检测电流而产生的电压，从而测定出IGBT的动作电流和温度。
图1是示出该半导体装置1的结构的电路图。这里使用的开关元件是IGBT10。IGBT10形成在主要由硅构成的半导体芯片(开关元件芯片)中。在该IGBT10中，发射极(E)侧的输出在内部被分支成3份，为了方便起见，IGBT10如图1所示作了记载。后面对其具体结构进行描述。其中，该IGBT10的动作与通常公知的IGBT相同。
该IGBT10的开关动作由其栅极(G)电压Vg决定，以电压VBB－VC驱动的负载100与集电极(C)侧连接。VC是IGBT10的集电极电压，在IGBT10处于接通状态且VC下降的情况下，电流流过负载100。即，该IGBT10用于进行负载100的开关动作。
IGBT10的发射极电极被分割为3份，一个与发射极端子(E)直接连接。其它2个分别与第1感应元件(感应元件)21、电阻体23的一端连接，第1感应元件21、电阻体23的另一端与发射极端子(E)连接。在第1感应元件21中，在发射极端子侧从动作电流ICE分支出的第1检测电流流过，此时在第1感应元件21的两端产生的电压作为输出电压VS1在端子M1被检测出。
另一方面，在电阻体23的一端设置有端子M2，端子M2与第2感应元件(感应元件)22的一端连接。第2感应元件22的另一端与发射极端子(E)连接。因此，端子M2的电压成为电阻体23的两端的电压和第2感应元件22的两端的电压。这里，设电阻体23的电阻值为RC，设第2感应元件22的电阻值为R2，则当设定成RC＞＞R2时，分支到电阻体23侧的动作电流不流经电阻体23，而主要流经第2感应元件22侧。因此，实际上，与电阻体23的有无无关，分支到电阻体23侧的电流(第2检测电流)的大部分流经第2感应元件22，在端子M2检测第2感应元件22的输出电压VS2。第2检测电流也与第1检测电流一样，成为从动作电流ICE分支出的电流。第1感应元件21的输出电压VS1(第1感应元件21的一端的电位)、第2感应元件22的输出电压VS2(第2感应元件22的一端的电位)经过端子M1、M2而分别被VS1检测电路31、VS2检测电路32所检测。VS1、VS2分别与第1检测电流、第2检测电流成正比，各检测电流均与动作电流ICE成正比。另外，在IGBT10的集电极和发射极之间连接有再生二极管FWD。
这里，第1感应元件21是在形成有IGBT10的开关元件芯片上形成的电阻元件。另一方面，第2感应元件22是与开关元件芯片分开而远离设置的电阻元件。一般，由于电阻值有温度依赖性，因而第1感应元件21的电阻值R1、第2感应元件22的电阻值R2均依赖于各自的温度而单调地变化。其中，此处为，假定R1＞＞R2。这里，由于第1感应元件21形成在IGBT10中，因而R1成为IGBT10的温度T的函数。另一方面，第2感应元件22的温度与IGBT100的温度T不同。特别是，若使第2感应元件22以可忽略IGBT10的散热影响的程度而远离于IGBT10，则其温度变化与IGBT10的温度T的变化相比，达到可忽视的程度。即，与第1感应元件21的电阻值R1有明确的温度依赖性相比，第2感应元件22的电阻值R2可以视为恒定。或者，IGBT10的过热时的第2感应元件22的电阻值R2的变化比第1感应元件21的电阻值R1的变化小。
因此，VS1成为温度T和集电极电流ICE的函数(VS1(T、ICE))。一般不能仅从实测的VS1的值一同估计出T和ICE，然而若ICE是已知的，则可以计算T。另一方面，VS2成为仅ICE的函数(VS2(ICE))。VS2和ICE的关系可以根据第2感应元件22的电阻值R2等预先识别。因此，可以从实测的VS2计算ICE。若考虑从VS2计算出的ICE，则可以将VS1作为仅T的函数，因而可以从VS1的实测值计算T。即，通过一同使用VS1和VS2，可以一同计算出动作电流ICE和IGBT10的温度T。在图1的结构中，在VS1检测电路31、VS2检测电路32中，也可以识别出规定的时间内的VS1、VS2的峰值，将这些值用于计算ICE和T。并且，特别是在VS1检测电路31中，通过进行VS2和VS1的运算处理(例如差分的计算)，还可以容易进行T的计算。并且，还可以从VS1检测电路31对外部进行与温度T对应的电压输出。
驱动电路(控制电路)33通常根据来自端子IN的输入而控制Vg，控制IGBT10的接通断开。不过，驱动电路33由VS2检测电路32的输出而识别出动作电流ICE，由VS1检测电路31的输出而识别出温度T，在ICE或T超过了或者被预测为超过规定的值的情况下，可以与端子IN的输入无关而控制Vg，进行强制性地切断IGBT10的控制。因此，在图1的结构中，可以合适地进行基于动作电流ICE的保护动作(过电流保护动作)和基于温度T的保护动作(过热保护动作)。
驱动电路33、VS1检测电路31、VS2检测电路32由与开关元件芯片不同的半导体芯片(控制电路芯片)构成。第2感应元件22，在控制电路芯片中，在不受到开关元件芯片的温度上升影响的部位，被设置为电阻元件。或者，作为第2感应元件22，还可以连接设置在半导体模块的外部的电阻元件来使用。再生二极管FWD可以由这些开关元件芯片、与控制电路芯片不同的半导体芯片(二极管芯片)构成，然而它也可以不设置在半导体模块的内部，而采用从外部连接的结构。
下面，对图1中的IGBT10的具体结构、特别是发射极电流路径的分支结构进行说明。图2的(a)是示出通常公知的平面型IGBT的单位结构的截面图，图2的(b)是对应的电路图标号，图2的(c)是其等效电路。图3是IGBT10的俯视图，图2的(a)的截面图相当于图3中的A－A截面，示出该IGBT10中的单位结构的截面结构。在该单位结构中，在成为集电极层的p+层51上形成有成为漂移层的n－层52。在该n－层52的表面侧，通过选择性杂质扩散或者离子注入，局部地形成有p－层(发射极层)53。在p－层53中通过离子注入局部地形成有MOSFET的与源区对应的n+层54。经由氧化膜(栅绝缘膜)55形成在表面的栅电极56在表面形成为覆盖n－层52、p－层53、n+层54。
并且，在表面侧，发射电极57经由层间绝缘膜58形成在与n－层52之间，从而形成为不与52n－层接触而与p－层53、n+层54接触。在背面侧，在p+层51的整面形成有集电电极59。在该结构中，在接通时电子以实线箭头所示的方式流过，空穴以虚线箭头所示的方式流过。
栅电极56在与图2的(a)中的纸面垂直的方向延伸而形成，p－层53、n+层54在栅电极56的左右两侧在与栅电极56相同的方向上并行延伸而形成。在实际的结构中，由于使大电流流过发射电极57和集电电极59之间，因而如图3所示，图2的(a)所示的单位结构在左右方向上并列形成有多个。在图3中并列形成有多个的栅电极56通过栅连接电极60而并联连接，IGBT10根据施加给公共的栅连接电极60的电压Vg而进行接通断开动作。
因此，如图1所示，由于对发射极电流路径进行分支，因而根据在图3中在左右方向上排列多个的单位结构，将发射电极57分割成发射第1电极571、发射第2电极572、发射第3电极573即可。例如，通过使第1感应元件21与发射第2电极572连接，使第2感应元件22与发射第3电极573连接，可以实现图1的结构。图3示出平面型的IGBT的结构，然而在沟槽型的IGBT中，也可以同样分割发射电极。
并且，作为第1感应元件21，可以使用利用图2的(a)中的扩散层即p－层(发射极层)53的扩散电阻(寄生电阻)。在该情况下，实质上，p－层53的平面形状与通常的IGBT一样，通过设计发射第2电极572的形状，可以形成利用p－层53的扩散电阻。在这样的扩散电阻中，例如在温度从25℃上升到150℃的情况下，电阻值上升到1.5倍左右。因此，若第1检测电流或者ICE是已知的，则可以由VS1计算出温度T。并且，由于p－层53为IGBT的一部分，因而这里测定的温度是IGBT10(开关元件芯片)自身的温度。因此，在上述结构中，可以准确地测定IGBT10的温度T，驱动电路33可以使用该温度T合适地控制IGBT10。
或者，由于与将发射电极57进行小幅分割而形成的发射第2电极572、发射第3电极573连接的半导体层的面积变小，因而由该半导体层引起的寄生电阻的值比与发射第1电极571连接的寄生电阻大。可以使用该寄生电阻作为第1感应元件21、电阻体23。在该情况下，容易设定R1、RC＞＞R2。并且，在该情况下，RC也具有与R1相同的温度依赖性，然而在图1的电路结构中，只要是RC＞＞R2，端子M2的电位就始终为第2感应元件22的输出电压VS2，因而可以进行上述的动作。并且，也可以采用在发射第3电极573上不形成寄生电阻(RC～∞)的结构。
在上述的结构中，在使用IGBT10的构成要素自身来测定IGBT10的温度方法方面，与专利文献1中记载的技术相同。然而，在专利文献1记载的技术中，测定接通紧后的反向恢复电流流过的短时间期间的温度，而在上述的结构中，可以计测在接通时(ICE流过期间)的任意时点的温度。因此，可以更合适地进行对IGBT10的过热保护动作。
并且，在专利文献1记载的技术中，计测在功率MOSFET中的反向恢复电流，在IGBT的情况下应用相同技术是困难的。以下对该方面进行说明。图4示出通常公知的平面型的功率MOSFET的截面图(a)、等效电路(b)。图4的(a)、(b)对应于IGBT中各自的图2的(a)、(c)。如图4的(a)所示，功率MOSFET除了没有成为集电极区域的p+层51以外，具有与IGBT10(图2的(a))相同的结构，表面侧的电极为源电极61，背面侧的电极为漏电极62。图4的(a)示出功率MOSFET的单位结构的截面，实际上与图3一样，该结构排列多个而形成。
在功率MOSFET的等效电路(图4的(b))中，n－层52和p－层53之间的pn结作为寄生二极管进行工作。该寄生二极管在功率MOSFET的接通时为反向偏置，因而在专利文献1记载的技术中，通过测定该寄生二极管的反向恢复电流来测定温度。另外，该寄生二极管针对功率MOSFET，与图1的电路中的再生二极管FWD一样进行工作。
与此相对，如图2的(c)所示，IGBT的等效电路成为在功率MOSFET的漏极和源极之间连接有pnp型的双极型晶体管的形态。因此，尽管在等效电路中部分地与图4的(b)一样形成有寄生二极管，然而测定该寄生二极管自身的反方向电流是困难的，或者在功率MOSFET上实质上未形成寄生二极管。另外，这样由于未形成寄生二极管，因而在图1的电路中，再生二极管FWD连接在集电极和发射极之间。因此，将使用寄生二极管的专利文献1记载的技术应用于IGBT是困难的。与此相对，如上所述，本发明的实施方式的技术可以应用于IGBT。
另一方面，在功率MOSFET中，也与图3(IGBT10)一样，图4的(a)所示的单位结构排列有多个，各电极并联连接来使用。因此，与在IGBT10中分割发射电极57来使集电极电流ICE进行分支一样，可以同样分割源电极61来使漏极电流进行分支。即，显然也可以将图1的结构应用于功率MOSFET。在该情况下，显然也可以同样形成第1感应元件、以及可以测定在功率MOSFET接通时的任意时点的温度。
图5是示出图1的结构的半导体装置1(半导体模块)的结构的一例的截面图。在该结构中，使用所分离的2个引线架(第1引线架)71、引线架(第2引线架)72、以及由树脂材料构成的模塑层73，安装所使用的半导体芯片。图5中的引线架71的左端、引线架72的右端从模塑层73突出，成为该半导体模块中的引线端子。另外，实际上在左右在与图5中的纸面垂直的方向上排列有多个引线端子，成为在图1的电路中用于输入输出的多个端子。
图1中的形成有IGBT10的开关元件芯片81、形成有再生二极管FWD的二极管82搭载在左侧的引线架71上。如上所述，在开关元件芯片81中，作为IGBT10的构成要素的一部分还形成有第1感应元件21。由于大电流流过开关元件芯片81、二极管芯片82，因而需要有效地进行这些芯片的散热。因此，在引线架71的背面接合有散热板74，该散热板74在模塑层73的背面侧露出。构成模塑层73的树脂材料的热传导率低，然而根据该结构，可以有效地进行从开关元件芯片81、二极管82的散热。
另一方面，图1中的形成有VS1检测电路31、VS2检测电路32、驱动电路33、第2感应元件22的控制电路芯片83搭载在右侧的引线架72上。开关元件芯片81、二极管芯片82、引线架71之间、开关元件芯片81和控制电路芯片83之间、控制电路芯片83和引线架72之间等分别使用接合线75连接，以构成图1的电路。因此，在开关元件芯片81、二极管芯片82、控制电路芯片83的上表面合适地形成有用于连接接合线的接合焊盘。
如上所述，第2感应元件22设置在IGBT10的发热达不到的部位是优选的。并且，为了合适进行VS1检测电路31、VS2检测电路32、驱动电路33的动作，抑制形成有这些电路的控制电路芯片83为高温是优选的。因此，在上述结构中，在热传导率低的模塑层73中使控制电路芯片83与开关元件芯片81、二极管芯片82分开，而且将它们搭载在不同的引线架上。此时，可以忽略细的接合线75的热传导。
通过使半导体模块的内部结构如图5所示，可以实现图1的电路结构，使其合适进行动作。只要可以减小从开关元件芯片到控制电路芯片的热传导，就也可以使用其它构造。并且，如上所述，第2感应元件22可以与图5的结构的外部连接。
(第2实施方式)
在第2实施方式的半导体装置中，也可以同时准确地监视IGBT的温度。不过，为此的电路结构与第1实施方式不同。图6是示出该半导体装置2的结构的图。与第1实施方式不同，这里使用的IGBT11的发射电极被分支成2个。该分支的一方与发射极端子(E)直接连接，另一方与第1感应元件21的一端连接。并且，分支的另一方连接有第1感应元件21的一端，第1感应元件21的另一方与发射极端子(E)连接。在该IGBT11中，从分支的另一方输出仅1个***的检测电流。并且，第1感应元件21的一端与端子M连接，在端子M上连接有开关34的一端。开关34的另一端与VS2检测电路32连接。
并且，与上述一样，假定R1＞＞R2。因此，在开关34断开的情况(图6所示的状态)下，端子M的电压(监视电压)VS为第1感应元件21的输出电压即VS1。另一方面，在开关34接通的情况下，端子M的电压VS实质上为第2感应元件22的输出电压即VS2。另外，作为开关34，实际上使用MOSFET等的电子式的开关元件，其接通断开是由脉冲信号来进行控制的。通过将该脉冲信号也输入到VS1检测电路31、VS2检测电路32，进行在开关34断开的情况下使VS1检测电路31有效、在开关34接通的情况下使VS2检测电路32有效的控制，从而与第1实施方式一样，可以检测VS1(T、ICE)、VS2(ICE)。由此，与第1实施方式一样，可以计算ICE、T。可以根据计算出的ICE、T，可以同样进行过电流保护动作、过热保护动作。
在该情况下，通过使用开关34，可以分别在不同时间内检测VS1、VS2。图7是示出在该情况下的端子M的电压VS的时间经过的一例的图。在该例中，最初设定开关34断开的期间P1(VS1检测期间)，之后设定开关34接通的期间P2(VS2检测期间)。在该结构中，在期间P2结束后，可以计算ICE、T。期间P1、P2的设定是任意的，也可以采用按P2、P1的顺序进行的设定，也可以采用以短的周期重复P1、P2的设定。即，通过在预先设定的时机操作开关34，可以合适设定P1、P2。该控制也可以由控制电路33进行，也可以从半导体装置2的外部进行。显然，在任何一种情况下，都可以计算ICE、T。并且，该控制显然也可以在IGBT11接通时的任意时点进行。
与第1实施方式一样，IGBT11形成在开关元件芯片上。此时，与图5的结构一样，与端子M连接的接合焊盘形成在开关元件芯片上，该接合焊盘和控制电路芯片侧的接合焊盘由接合线连接以形成图6的电路。此时，接合焊盘在这些芯片上占据大的面积，因而为了减小芯片的面积而使制造成本下降，接合线的数量少是优选的。在该情况下，在图6的结构中，针对IGBT11取出的端子除了对通常的动作最小限度所需的栅极(G)、集电极(C)、发射极(E)端子以外，仅为监视使用的端子M。因此，可以减少在形成有IGBT11的开关元件芯片中使用的接合焊盘的数量，减小芯片面积。
与此相对，在专利文献1记载的技术中，为了同时进行温度检测和电流检测，有必要独立设置各自所需要的接合焊盘。其数量通过分别各为2个，因而接合焊盘占据的面积变大，减小芯片尺寸是困难的。即，在第2实施方式中，可以使用单一端子M来一同测定集电极电流ICE和温度T，因而可以减小形成有IGBT11的开关元件芯片的芯片尺寸。对应于此，显然还可以减少控制电路芯片中的接合焊盘的数量。
即，在第2实施方式的半导体装置2中，除了可以一同准确地检测开关元件的动作电流和温度，还可以减少接合焊盘的数量，减小使用的半导体芯片的尺寸。伴随于此，可以减少使用的接合线的根数，因而也可以抑制由接合线的连接引起的可靠性的下降。
并且，在IGBT11中，从动作电流分支出仅1个***的检测电流，因而可以减小检测电流相对于IGBT11的动作电流ICE的比例。因此，可以减少由于使检测电流流过感应元件而产生的各种损失。
另外，在上述结构以外，只要可以使检测电流流入2种感应元件并测定各自的输出电压，就能够实现各种电流结构。并且，作为第1感应元件，只要是在开关元件芯片内与开关元件一起形成、对输出电压具有温度依赖性的感应元件，就也可以使用扩散电阻以外的元件。第2感应元件与第1感应元件相反，只要是具有其输出电压难以受到开关元件的温度上升的影响、或者设置在其温度被视为一定的部位的感应元件，就可以使用任意元件。也能够根据这些感应元件的种类等合适设定整体的结构、例如图5所示的半导体模块的结构。

Claims (10)

1.一种半导体装置，其具有：形成有开关元件的开关元件芯片；和控制电路芯片，其形成有控制电路，且与所述开关元件芯片分开，该控制电路在所述开关元件过热时进行切断所述开关元件的过热保护动作，
该半导体装置的特征在于，
在所述开关元件芯片中，输出从所述开关元件的动作电流分支出的检测电流，
该半导体装置具有：
第1感应元件，其设置在所述开关元件芯片上，并被构成为检测出所述检测电流流过时的输出电压的结构；和
第2感应元件，其设置在所述开关元件芯片的外部，并被构成为检测出所述检测电流流过时的输出电压，
所述控制电路通过所述第2感应元件的输出电压来检测所述动作电流，且利用所述第2感应元件的输出电压和检测出的所述动作电流来进行所述过热保护动作。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，在所述动作电流超过预先设定的值的情况下，所述控制电路进行切断所述开关元件的过电流保护动作。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述开关元件过热时的所述第2感应元件的电阻值的变化比所述开关元件过热时的所述第1感应元件的电阻值的变化小。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，所述第1感应元件使用在所述开关元件芯片中构成所述开关元件的扩散层来形成。
5.根据权利要求1至权利要求4中任意一项所述的半导体装置，其特征在于，所述第2感应元件是形成在所述控制电路芯片中的电阻元件。
6.根据权利要求1至权利要求5中任意一项所述的半导体装置，其特征在于，所述开关元件是绝缘栅双极型晶体管。
7.根据权利要求1至权利要求6中任意一项所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体装置具有将搭载在第1引线架上的所述开关元件芯片和搭载在与所述第1引线架分开的第2引线架上的所述控制电路芯片隔开而密封在模塑层中的结构。
8.根据权利要求1至权利要求7中任意一项所述的半导体装置，其特征在于，
在所述开关元件芯片中，从所述动作电流分别分支出第1检测电流和第2检测电流而进行输出，
所述半导体装置被构成为在所述第1感应元件上流过所述第1检测电流且在所述第2感应元件上流过所述第2检测电流。
9.根据权利要求1至权利要求7中任意一项所述的半导体装置，其特征在于，
在所述开关元件芯片中，从所述动作电流分支出1个***的所述检测电流而进行输出，
所述半导体装置被构成为通过开关来选择检测所述检测电流所致的第1感应元件的输出电压和所述检测电流所致的所述第2感应元件的输出电压中的一方。
10.一种半导体装置的控制方法，该半导体装置是权利要求9所述的半导体装置，该控制方法的特征在于，
在预先设定的时机操作所述开关，并设置有检测所述第1感应元件的输出电压的期间和检测所述第2感应元件的输出电压的期间。
CN201410240733.2A 2013-06-11 2014-05-30 半导体装置及其控制方法 Pending CN104242882A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-122820 2013-06-11
JP2013122820A JP6171599B2 (ja) 2013-06-11 2013-06-11 半導体装置及びその制御方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104242882A true CN104242882A (zh) 2014-12-24

Family

ID=52005287

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410240733.2A Pending CN104242882A (zh) 2013-06-11 2014-05-30 半导体装置及其控制方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9742389B2 (zh)
JP (1) JP6171599B2 (zh)
CN (1) CN104242882A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109643887A (zh) * 2016-09-01 2019-04-16 伊顿智能动力有限公司 保护开关器

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6171599B2 (ja) * 2013-06-11 2017-08-02 サンケン電気株式会社 半導体装置及びその制御方法
US9829387B2 (en) * 2014-10-28 2017-11-28 Infineon Technologies Austria Ag System and method for temperature sensing
CN104749425A (zh) * 2015-04-02 2015-07-01 佛山市柏克新能科技股份有限公司 过流快速检测电路
JP6623556B2 (ja) * 2015-05-27 2019-12-25 株式会社デンソー 半導体装置
US9912225B2 (en) * 2015-10-30 2018-03-06 Faraday & Future Inc. Method and system for overcurrent protection for insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules
DE102015223470A1 (de) * 2015-11-26 2017-06-01 Robert Bosch Gmbh Halbleiterbauelement mit einem Substrat und einem ersten Temperaturmesselement sowie Verfahren zum Bestimmen eines durch ein Halbleiterbauelement fließenden Stromes sowie Steuergerät für ein Fahrzeug
GB2563686A (en) * 2017-06-23 2018-12-26 Nidec Control Techniques Ltd Method and apparatus for monitoring a semiconductor switch
JP6827401B2 (ja) * 2017-10-25 2021-02-10 三菱電機株式会社 パワー半導体モジュールの製造方法およびパワー半導体モジュール
JP6820825B2 (ja) * 2017-11-09 2021-01-27 三菱電機株式会社 半導体装置及びその駆動方法
JP6758538B2 (ja) * 2018-05-23 2020-09-23 三菱電機株式会社 電力用半導体素子の保護回路およびパワーモジュール
JP2020123929A (ja) * 2019-01-31 2020-08-13 トヨタ自動車株式会社 スイッチング回路
JP7343333B2 (ja) * 2019-08-27 2023-09-12 日立Astemo株式会社 電力変換装置
JP7467918B2 (ja) 2020-01-09 2024-04-16 富士電機株式会社 半導体装置
JP7462474B2 (ja) * 2020-05-25 2024-04-05 日立Astemo株式会社 電力変換装置
JP7472663B2 (ja) * 2020-06-05 2024-04-23 富士電機株式会社 電力変換装置
WO2023248335A1 (ja) * 2022-06-21 2023-12-28 三菱電機株式会社 半導体装置及び電力変換装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001142700A (ja) * 1999-10-01 2001-05-25 Hitachi Ltd パイプラインプロセッサにおける電力有効処理メカニズム
CN1601748A (zh) * 2003-09-26 2005-03-30 松下电器产业株式会社 具有过热保护电路的半导体装置及使用该装置的电子电路
US20080198526A1 (en) * 2007-02-21 2008-08-21 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device
US20110221479A1 (en) * 2010-03-12 2011-09-15 Omron Corporation Sensor output ic and sensor device
CN102904555A (zh) * 2011-07-29 2013-01-30 英飞凌科技奥地利有限公司 具有温度保护电子开关的电路

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4893158A (en) * 1987-06-22 1990-01-09 Nissan Motor Co., Ltd. MOSFET device
JPH07113861B2 (ja) * 1988-01-29 1995-12-06 株式会社日立製作所 半導体素子の状態検出及び保護回路とそれを用いたインバータ回路
JP2519304B2 (ja) * 1988-09-02 1996-07-31 株式会社日立製作所 半導体装置及びその回路
US5128823A (en) * 1989-06-14 1992-07-07 Nippondenso Co., Ltd. Power semiconductor apparatus
JP3377803B2 (ja) * 1991-07-08 2003-02-17 テキサス インスツルメンツ インコーポレイテツド 温度依存限流回路および限流方法
JP3193827B2 (ja) * 1994-04-28 2001-07-30 三菱電機株式会社 半導体パワーモジュールおよび電力変換装置
JPH09102505A (ja) * 1995-10-02 1997-04-15 Toshiba Corp 半導体装置
JP4093678B2 (ja) * 1999-05-11 2008-06-04 三菱電機株式会社 電動機制御装置
DE602005006584D1 (de) * 2005-11-04 2008-06-19 Infineon Technologies Ag Anordnung mit mindestens zwei Halbleiterschalter und einem gemeinsamen Überspannungsschutz
JP4177392B2 (ja) * 2006-06-08 2008-11-05 三菱電機株式会社 半導体電力変換装置
US20080043393A1 (en) * 2006-08-18 2008-02-21 Honeywell International Inc. Power switching device
JP5404432B2 (ja) * 2010-01-05 2014-01-29 三菱電機株式会社 半導体装置およびそれを用いた駆動回路
JP5200037B2 (ja) * 2010-01-21 2013-05-15 三菱電機株式会社 パワーモジュール
US8785931B2 (en) 2010-09-03 2014-07-22 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device
EP2746890B1 (en) * 2012-12-19 2017-09-27 Nxp B.V. Current monitoring circuits and methods
EP2747285A1 (en) * 2012-12-19 2014-06-25 Nxp B.V. Current monitoring circuits and methods and transistor arrangement
JP6171599B2 (ja) * 2013-06-11 2017-08-02 サンケン電気株式会社 半導体装置及びその制御方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001142700A (ja) * 1999-10-01 2001-05-25 Hitachi Ltd パイプラインプロセッサにおける電力有効処理メカニズム
CN1601748A (zh) * 2003-09-26 2005-03-30 松下电器产业株式会社 具有过热保护电路的半导体装置及使用该装置的电子电路
US20080198526A1 (en) * 2007-02-21 2008-08-21 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device
US20110221479A1 (en) * 2010-03-12 2011-09-15 Omron Corporation Sensor output ic and sensor device
CN102904555A (zh) * 2011-07-29 2013-01-30 英飞凌科技奥地利有限公司 具有温度保护电子开关的电路

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109643887A (zh) * 2016-09-01 2019-04-16 伊顿智能动力有限公司 保护开关器
US10964506B2 (en) 2016-09-01 2021-03-30 Eaton Intelligent Power Limited Circuit breaker
CN109643887B (zh) * 2016-09-01 2021-06-29 伊顿智能动力有限公司 保护开关器

Also Published As

Publication number Publication date
US20140362490A1 (en) 2014-12-11
JP6171599B2 (ja) 2017-08-02
US9742389B2 (en) 2017-08-22
JP2014241672A (ja) 2014-12-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104242882A (zh) 半导体装置及其控制方法
US8742825B2 (en) MOSFET with temperature sense facility
US20160313191A1 (en) Method and apparatus for determining an actual junction temperature of an igbt device
US8183892B2 (en) Monolithic low impedance dual gate current sense MOSFET
JP3599575B2 (ja) 電圧駆動型半導体装置の温度検出回路とそれを用いる駆動装置及び電圧駆動型半導体装置
CN104348338A (zh) 半导体元件模块和栅极驱动电路
CN101414816A (zh) 具有内置二极管igbt的半导体器件和具有内置二极管dmos的半导体器件
CN105258817A (zh) 用于分立半导体器件的集成温度传感器
CN102655367A (zh) 功率模块
CN103033275A (zh) 用于测定半导体开关的温度的方法和设备
CN113567825B (zh) Igbt模块键合线断裂在线监测装置、监测方法和应用
JP2016012670A (ja) 半導体モジュール
JP2023123656A (ja) 電気素子試験装置
CN114217202A (zh) 一种基于多个电参数的igbt模块键合线状态监测评估方法
CN104348454A (zh) 半导体装置
Baker et al. Proof-of-concept for a kelvin-emitter on-chip temperature sensor for power semiconductors
Baker An electrical method for junction temperature measurement of power semiconductor switches
JP6824271B2 (ja) 第１温度測定素子を備える半導体デバイスおよび半導体デバイスを流れる電流を決定する方法
KR101465042B1 (ko) 반도체장치 및 그 시험방법
JP3534082B2 (ja) オンチップ温度検出装置
CN116230713A (zh) 一种带有温度检测的功率器件
KR102377401B1 (ko) 전력 반도체 소자의 쇼트 서킷 검출 장치 및 전력 반도체 시스템
CN221224021U (zh) 功率模块的温度检测电路、逆变器、电机、压缩机及车辆
CN111273073B (zh) Igbt芯片及半导体功率模块
Baker Combined Junction Temperature and Bond-wire Lift-off Monitoring Using Auxiliary-Emitter Resistor

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20141224