JP2004127983A

JP2004127983A - 電力用半導体装置

Info

Publication number: JP2004127983A
Application number: JP2002286031A
Authority: JP
Inventors: Noritaka Itani; 為谷　典孝
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】温度変化に対して精度よく過電流検出を可能とした電力用半導体装置を提供する。
【解決手段】電力用半導体装置は、半導体チップ上に形成され、２つの主端子Ｃ、Ｅと、主端子間の導通を制御する制御端子Ｇと、電流検出のためのセンス端子Ｓとを有するスイッチング素子１１ｘ〜１１ｚと、半導体チップ上に取り付けられ、スイッチング素子１１ｘの温度を検出する温度センサ１５と、スイッチング素子１１ｘのセンス端子Ｓからの出力を一方の入力とし、温度センサ１５の出力を他方の入力とし、それらの入力の比較結果を電流検出信号と出力するコンパレータ２１とを備える。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はモータを駆動する電力用半導体装置に関し、特に、電力用半導体装置における過電流及び過電圧保護に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、モータを駆動する素子であって、ＩＧＢＴ等の半導体素子からなる複数の電力用スイッチング素子を、それらを駆動するドライブ回路とともに１つのパッケージに封止したパワーモジュールがある。そのようなパワーモジュールにおいては、電流検出用抵抗（シャント抵抗）を用いて過電流、短絡電流を検出して回路保護を行なっている。すなわち、過電流保護のために、パワーモジュール外部にてシャント抵抗を接続し、そのシャント抵抗を流れる電流を検出することで過電流を検出している。
【０００３】
図６に従来のパワーモジュールとそれに接続したシャント抵抗を示す。同図に示すように、パワーモジュール５は複数のＩＧＢＴ１１ｕ〜１１ｗ、１１ｘ〜１１ｚと、上アームのＩＧＢＴ１１ｕ〜１１ｗを駆動するドライブ回路５１と、下アームのＩＧＢＴ１１ｘ〜１１ｚを駆動するドライブ回路５３と、過電流、過電圧を検出したときにＩＧＢＴの駆動を停止させる保護回路５５とを含む。
【０００４】
パワーモジュール５にはシャント抵抗Ｒｓが接続され、下アームのＩＧＢＴＩＧＢＴ１１ｘ〜１１ｚに流れる過電流を検出するようになっている。シャント抵抗Ｒｓで検出された電流値は抵抗Ｒ２とコンデンサＣ１からなるフィルタ回路を通して保護回路５５に入力される。保護回路５５は過電流、過電圧が検出されると、ＩＧＢＴを停止させるようにドライブ回路５３を制御する。
【０００５】
以上のような外部にシャント抵抗を接続して過電流を検出する方法では、装置の規模が大きくなるという問題があった。
【０００６】
また、シャント抵抗を用いない過電流検出方法としてＩＧＢＴのセンス端子からの出力を用いる方法が考案されている。この場合は、ＩＧＢＴのセンス端子からの出力は温度依存性が高いため、温度補正する必要があり、例えば、正の温度特性を有する抵抗を用いてＩＧＢＴのセンス端子からの出力を温度補正して過電流を検出する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−１９１６４号公報（第４頁〜第７頁、第１図〜第５図）
【０００８】
また、電流検出において温度補正を行なう技術としてコンパレータを用いた方法がある（例えば、特許文献２、３参照。）。
【特許文献２】
特開２００１−３４５６８６号公報（第４頁〜第８頁、第１図〜第３図）
【特許文献３】
特開２００２−２６７０７号公報（第４頁〜第５頁、第１図〜第２図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ＩＧＢＴのプロセス技術の進展によるＩＧＢＴの出力特性の向上にともないＩＧＢＴの出力の温度依存性が増大し、より温度変化の影響を受けやすくなったことから、特許文献１等に見られる従来の正の温度特性を有する抵抗を用いた温度補正では、十分な補正が行なえず、検出精度が悪化するという問題が生じてきた。
【００１０】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、温度変化に対して精度よく過電流検出を可能とした電力用半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力用半導体装置は、半導体チップ上に形成され、２つの主端子と、主端子間の導通を制御する制御端子と、電流検出のためのセンス端子とを有するスイッチング素子と、半導体チップ上に取り付けられ、前記スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、スイッチング素子のセンス端子からの出力を一方の入力とし、前記温度センサの出力を他方の入力とし、それらの入力の比較結果を電流検出信号と出力するコンパレータとを備える。上記構成によれば、スイッチング素子が形成された半導体チップ上に取り付けられた温度センサからの出力を用いてコンパレータの基準電圧を温度補正するため、スイッチング素子の電流検出のためのセンス端子からの出力に対する温度補正を実現している。特に、半導体チップ上の温度を補正のための温度情報として用いていることから、より精度よく温度補正が実現できる。
【００１２】
上記の電力用半導体装置において、電流検出信号を電力用半導体装置の外部に出力するための外部端子を備えてもよい。外部端子により電力用半導体装置の外部に電流検出信号が取り出せるため、ユーザはマイコンを用いたるフィードバック制御が可能となる。このようなフィードバックにより１シャントのベクトル制御と同等の制御が可能となり、外部の回路構成を容易化でき、製造コストを低減できる。
【００１３】
上記の電力用半導体装置において、スイッチング素子のセンス端子からの出力を増幅する増幅回路を備え、かつ、その増幅回路の出力特性を補正するための補正用端子を外部に設けてもよい。これにより、ユーザは増幅回路の出力特性を外部から補正でき、検出精度の補正が可能となる。
【００１４】
上記の電力用半導体装置において、スイッチング素子のセンス端子からの出力を増幅する増幅回路と、その増幅回路の出力特性を調整するトリミング回路とをさらに備えてもよい。コンパレータ、増幅回路及びトリミング回路は同一集積回路内に設けられている。この構成により、フィードバック制御が可能となる。このようなフィードバックにより１シャントのベクトル制御と同等の制御が可能となり、外部の回路構成を容易化でき、製造コストを低減できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照して、本発明に係る電力用半導体装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
実施の形態１．
図１に、本発明に係る電力用半導体装置の要部の構成を示す。電力用半導体装置は、Ｕ相の電力用スイッチング素子であるＩＧＢＴ１１ｕ、１１ｘと、Ｖ相の電力用スイッチング素子であるＩＧＢＴ１１ｖ、１１ｙと、Ｗ相の電力用スイッチング素子であるＩＧＢＴ１１ｗ、１１ｚとを有している。各ＩＧＢＴ１１ｕ〜１１ｗ、１１ｘ〜１１ｚはゲート端子Ｇ、コレクタ端子Ｃ、エミッタ端子Ｅを有している。また、各相の下アームのＩＧＢＴ１１ｘ〜１１ｚは電流検出用のセンス端子Ｓを有している。
【００１７】
また、電力用半導体装置は温度補正回路２３、エラー信号出力回路２５、ドライブ回路２７を有する。ＩＧＢＴ１１ｕ〜１１ｗ、１１ｘ〜１１ｚは半導体ＩＣチップ上に形成されている。ドライブ回路２７、エラー信号出力回路２５及び温度補正回路２３等も別の半導体ＩＣチップ上に形成されている。これらのＩＣチップが１つのパッケージ内に封止されてパワーモジュールを構成する。
【００１８】
Ｕ相の下アームのＩＧＢＴ１１ｘのセンス端子Ｓはコンパレータ２１の一の入力端子に接続される。また、コンパレータ２１の他方の入力端子は温度補正回路２３を介してＩＧＢＴが形成されたＩＣチップ上に取り付けられた温度センサ１５に接続される。コンパレータ２１他方の入力端子は基準電圧を入力するものであり、温度センサ１５からの出力を入力することにより基準電圧の温度補正を実現している。
【００１９】
コンパレータ２１の出力はエラー信号出力回路２５に入力される。エラー信号出力回路２５は外部端子４３を介して電力用半導体装置外部にエラー信号を出力する。
【００２０】
また、ＩＧＢＴ１１ｘは端子４１を介して入力されたドライブ信号に基いてドライブ回路２７により駆動される。
【００２１】
なお、Ｖ相、Ｗ相の下アームのＩＧＢＴ１１ｙ、１１ｚに対してもＵ相のＩＧＢＴ１１ｘと同様にドライブ回路、温度補正回路等が設けられているが、説明の便宜上、図１ではこれらの構成は省略している。
【００２２】
図２は、オンチップ温度センサ１５の出力温度特性と温度補正回路による補正後の出力特性を示した図である。同図において線Ａは温度センサ１５の出力電圧の温度依存性を示し、線Ｂは温度補正回路２３の出力電圧の温度依存性を示す。すなわち、温度センサ１５はそれが取りつけられたチップの温度に応じた電圧を出力するが、その出力は例えば図２の線Ａに示すような温度特性を有する。温度補正回路２３は温度センサ１５からの出力をコンパレータ２１の入力に適した特性に補正する。
【００２３】
上記の構成を有する電力用半導体装置の過電流検出について以下に説明する。ＩＧＢＴ１１ｘのセンス端子Ｓからの出力は抵抗２２により電圧に変換されてコンパレータ２１の一方の入力端子に入力される。温度センサ１５からの出力は温度補正回路２３により補正されてコンパレータ２１に基準電圧として入力される。コンパレータ２１は入力した２つの電圧値を比較して比較結果をエラー信号出力回路２５に出力する。
【００２４】
コンパレータ２１の出力はエラー信号出力回路２５に入力され、エラー信号出力回路２５はコンパレータ２１の出力に基き、外部に対して過電流検出の有無を知らせるエラー信号を出力する。さらに、エラー信号出力回路２５は過電流を検出したときは、ドライブ回路２７に対してＩＧＢＴ１１ｕ〜１１ｗ、１１ｘ〜１１ｚの駆動を停止させるための指示を出す。
【００２５】
以上のように、ＩＧＢＴが形成されたＩＣチップ上に取り付けられた温度センサ１５からの出力を用いてコンパレータ２１の基準電圧を温度補正することにより、ＩＧＢＴのセンサ端子Ｓからの出力に対する温度補正を実現している。特に、チップ上の温度を補正のための温度情報として用いていることから、温度補正の精度を向上できる。
【００２６】
実施の形態２．
図３に本発明に係る別の電力用半導体装置の構成を示す。本実施形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の電力用半導体装置の構成に加えて、コンパレータ２１とセンス端子Ｓとの間に増幅回路３１を挿入し、その増幅回路３１の出力（すなわち、検出電流値に対応する電圧）を外部に出力するための端子４５を設けたものである。
【００２７】
センス端子Ｓからの信号電圧は微弱であるため、増幅回路３１により増幅することにより、端子４５を介して電力用半導体装置外部への検出電流値の出力が可能となり、外部マイコンへのフィードバックが可能となる。このようなフィードバックにより１シャントのベクトル制御と同等の制御が可能となり、回路構成を容易化でき、製造コストを低減できる。
【００２８】
なお、図３では、増幅回路３１の出力を端子４５に接続しているが、コンパレータ２１の出力を端子４５に接続してもよい。これにより、温度補正された過電流検出情報を外部に出力できる。
【００２９】
実施の形態３．
本実施形態では、実施の形態２における電力用半導体装置において増幅回路３１の利得を電力用半導体装置外部で調整可能にした構成を示す。このため、図４に示すように、外部端子４７ａ、４７ｂを設け、これらの外部端子４７ａ、４７ｂを介して増幅回路３１に対して帰還抵抗Ｒ１を外部接続可能な構成としている。ユーザは、所望の抵抗を外部端子４７ａ、４７ｂを介して外付けするにより増幅回路の出力を任意に電力用半導体装置外部から調整可能でき、所望のレベルの電流検出信号を得ることができる。
【００３０】
実施の形態４．
図５に本実施の形態における電力用半導体装置の構成を示す。本実施の形態では、図３に示す回路構成においてさらにトリミング回路３３を設けている。トリミング回路３３は増幅回路３１の出力特性を調整する回路であり、コンパレータ２１及び増幅回路３１が設けられたＩＣと同じＩＣ内に設けられている。トリミング回路３３は、例えば増幅回路３１のフィードバック抵抗値等を変更することにより増幅回路３１の利得を調整する。トリミング回路３３は例えばＤ／Ａコンバータからなる。トリミング回路３３には制御信号により外部から制御可能となっている。このように外部から制御可能なトリミング回路３３により増幅回路３１の出力特性を調整できるため、増幅回路３１の出力を用いたフィードバック制御が可能となる。このようなフィードバックにより１シャントのベクトル制御と同等の制御が可能となり、外部の回路構成を容易化でき、製造コストを低減できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、スイッチング素子が形成された半導体チップ上に取り付けられた温度センサからの出力を用いてコンパレータの基準電圧を温度補正するため、スイッチング素子の電流検出のためのセンス端子からの出力に対する温度補正を実現できる。特に、半導体チップ上の温度を補正のための温度情報として用いていることから、より精度よく温度補正が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の電力用半導体装置の要部の構成図
【図２】オンチップ温度センサの出力の温度特性と温度補正回路による補正後の温度特性を示した図
【図３】本発明の実施の形態２の電力用半導体装置の要部の構成図
【図４】本発明の実施の形態３の電力用半導体装置の要部の構成図
【図５】本発明の実施の形態４の電力用半導体装置の要部の構成図
【図６】従来の電力用半導体装置の要部の構成図
【符号の説明】
１１ｕ〜１１ｗ，１１ｘ〜１１ｚ　ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、　１５　オンチップ温度センサ、　２１　コンパレータ、　２３　温度補正回路、　２７ドライブ回路、　２５　エラー信号出力回路、　３１　増幅回路、　４５　電流検出信号用端子、　４７ａ，４７ｂ　増幅回路の出力特性制御用の外部端子、Ｃ　ＩＧＢＴのコレクタ端子、　Ｅ　ＩＧＢＴのエミッタ端子、　Ｓ　ＩＧＢＴの電流検出用センス端子。

Claims

半導体チップ上に形成され、２つの主端子と、主端子間の導通を制御する制御端子と、電流検出のためのセンス端子とを有するスイッチング素子と、
前記半導体チップ上に取り付けられ、前記スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、
前記スイッチング素子のセンス端子からの出力を一方の入力とし、前記温度センサの出力を他方の入力とし、それらの入力の比較結果を電流検出信号と出力するコンパレータと
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
前記電流検出信号を電力用半導体装置の外部に出力するための外部端子を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
前記スイッチング素子のセンス端子からの出力を増幅する増幅回路をさらに備え、その増幅回路の出力特性を補正するための補正用端子を外部に設けたことを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
前記スイッチング素子のセンス端子からの出力を増幅する増幅回路と、その増幅回路の出力特性を調整するトリミング回路とをさらに備え、前記コンパレータ、前記増幅回路及び前記トリミング回路は同一集積回路に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。