JP2012199385A - 半導体装置と制御手段とを備えるシステム、及び、半導体装置を流れる電流の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置と制御手段とを備えるシステム。半導体装置の半導体基板には、メイン素子と、第1検出素子と第2検出素子が形成されている。制御手段は、第1検出素子の電流密度Id1と、第2検出素子の電流密度Id2と、係数K1と、係数K2から、Im=K1Id1+K2Id2の数式により得られる値Imに基づいて半導体装置を流れる電流を制御する。半導体装置を動作させたときに、メイン素子が形成されている領域の中で、第1検出素子の温度に近い温度となる領域の面積が面積SHであり、第2検出素子の温度に近い温度となる領域の面積が面積SLである。係数K1と係数K2の比K1/K2が、面積SHと面積SLの比SH/SLと略等しい。
【選択図】図1
Description
(式1) Im=K1Id1+K2Id2
の数式により得られる値Imに基づいて半導体装置を流れる電流を制御する。半導体装置を動作させたときに、メイン素子が形成されている領域の中で第2検出素子の温度よりも第1検出素子の温度に近い温度となる領域の面積が面積SHである。半導体装置を動作させたときに、メイン素子が形成されている領域の中で第1検出素子の温度よりも第2検出素子の温度に近い温度となる領域の面積が面積SLである。係数K1と係数K2の比K1/K2が、面積SHと面積SLの比SH/SLと略等しい。
(式2) Ix=SHId1+SLId2
上述した請求項1において、例えば、係数K1として面積SHを採用し、係数K2として面積SL採用を採用すると、上述した式1と式2が一致する。したがって、この場合には、請求項1のシステムは、メイン素子に流れる電流を正確に検出することができる。但し、実際のシステムにおいては、電流Ixそのものを検出する必要はなく、電流Ixに比例する値(例えば、電流Ixの1/100の値等)を検出すればよい。電流Ixに正確に比例する値を検出できれば、電流Ixに応じて適切に電流を制御できる。このために、請求項1のシステムでは、係数K1と係数K2の比K1/K2が、面積SHと面積SLの比SH/SLと略等しくなっている。このように、比K1/K2が比SH/SLと略等しいと、上述した式1で算出される値Imは、電流Ixに正確に比例する。例えば、係数K1として面積SHの1/100の値を採用し、係数K2として面積SLの1/100の値を採用すると、上述した式1で算出される値Imは、電流Ixの1/100の値となる。このように、請求項1のシステムは、メイン素子領域に流れる電流Ixに正確に比例する値Imを算出し、算出した値Imに基づいて電流を制御するので、適切に電流を制御することができる。
また、比K1/K2が比SH/SLと略等しいとは、比K1/K2が、比SH/SLに対して±10%の誤差範囲内にあることを意味する。
また、「値Imに基づいて半導体装置を流れる電流を制御する」とは、値Imが閾値を超えたときに半導体装置に流れる電流を制限するもの(いわゆる、保護動作)であってもよいし、値Imが目標値となるように制御するもの(いわゆる、フィードバック制御)であってもよい。また、「半導体装置を流れる電流を制御する」とは、電流制御対象の半導体装置自体を制御することでその電流を制御してもよいし、電流制御対象の半導体装置とは別の半導体装置によって電流制御対象の半導体装置を流れる電流を制御してもよい。例えば、電流制御対象の半導体装置がダイオードである場合には、ダイオードに接続されている素子を用いてダイオードに流れる電流を制御してもよい。
また、制御は、値Imのみに基づいて行ってもよいが、その他の値を考慮して行ってもよい。例えば、3つの検出素子が存在する場合には、
Imm=Im+K3Id3=K1Id1+K2Id2+K3Id3
(K1:K2:K3=SH:SL:SK)
となる値Immに基づいて制御を行ってもよい(なお、上式において、電流密度Id3は第3検出素子の電流密度であり、面積SKは半導体装置を動作させたときに、メイン素子が形成されている領域の中で第1検出素子の温度及び第2検出素子の温度よりも第3検出素子の温度に近い温度となる領域の面積である。)。このような値Immに基づいて制御を行うことも、値Imに基づいて制御を行うことと等しい。
また、値Imは、電流密度Id1、Id2を検出し、検出した電流密度Id1、Id2を用いて算出してもよいし、第1検出素子を流れる電流と第2検出素子を流れる電流を検出し、検出した電流を用いて値Imを算出してもよいし、値Imに相当する物理量を検出できるように半導体装置を構成しておき、値Imそのものを検出してもよい。
また、各領域の面積(面積SH、面積SL等)及び後述する各検出素子の面積は、半導体基板を平面視したときの面積を意味する。
また、半導体基板の深さ方向にはそれほど温度勾配は生じないので、上述した温度(第1検出素子の温度、第2検出素子の温度、各領域の温度)は、半導体基板の深さ方向においては任意の深さにおける温度を用いることができる。但し、当該温度は、半導体基板の表面における温度であることが好ましい。
(式3) Im=L1I1+L2I2
の数式により値Imを算出する。係数L1と係数L2の比L1/L2は、面積SHと面積SLの比SH/SLと略等しい。
(式4) Im=L1S0Id1+L2S0Id2
ここで、式4の中の項L1S0と項L2S0は、L1S0/L2S0=SH/SL=K1/K2の関係を満たす。したがって、L1S0=K1、L2S0=K2と当てはめることができる。したがって、上式4(すなわち、上式3)は上式1と等しい。すなわち、請求項2の式と請求項1の式は等しい。したがって、請求項2の構成によれば、請求項1で定めた値Imに基づいて、適切にメイン素子を流れる電流を制御することができる。
(式5) Im=I1+I2
の数式により値Imを算出する。面積S1と面積S2の比S1/S2は、面積SHと面積SLの比SH/SLと略等しい。
(式6) Im=S1Id1+S2Id2
ここで、S1/S2=SH/SL=K1/K2の関係が満たされるので、S1=K1、S2=K2と当てはめることができる。したがって、上式6(すなわち、上式5)は上式1と等しい。すなわち、請求項3の式と請求項1の式は等しい。すなわち、請求項3の構成によれば、第1検出素子に流れる電流I1と第2検出素子に流れる電流I2を検出し、これらを合計するだけで値Imを算出することができる。
(式7) I3=I1+I2=S3Id1+S4Id2
ここで、S3/S4=SH/SL=K1/K2の関係が満たされるので、S3=K1、S4=K2と当てはめることができる。したがって、上式7は上式1と等しい。すなわち、電流I3は、値Imそのものである。すなわち、請求項4の電流I3は、請求項1の値Imと等しい。この構成によれば、電流I3を検出するだけで値Imが得られる。すなわち、演算を行うことなく値Imが得られる。
(特徴1)メイン素子の上面側の電極がメイン素子用ボンディングワイヤーを介してリードフレームに接続されており、各検出素子の電極が検出素子用ボンディングワイヤーを介してリードフレームに接続されている。メイン素子の半導体層中の電気抵抗を抵抗R1、メイン素子の上面側の電極からメイン素子用ボンディングワイヤーのリードフレーム側の端部までの配線抵抗を抵抗Rw1、少なくとも1つの検出素子の半導体層の電気抵抗をR2、その検出素子の上面側の電極から検出素子用ボンディングワイヤーのリードフレーム側の端部までの配線抵抗を抵抗Rw2とすると、R1/Rw1=R2/Rw2の関係が略満たされている。
(特徴2)1つの検出素子用ボンディングワイヤーに対して複数の検出素子の上面側の電極が接続されており、その複数の検出素子の中でその検出素子用ボンディングワイヤーから最も遠い検出素子が、上記抵抗の比の関係を満たしている。
(特徴3)メイン素子と各検出素子が、同種の半導体素子である。
(特徴4)メイン素子と各検出素子が、半導体基板の厚さ方向に電流を流す素子である。
(式8) Imm=L1I22+L2I24+L3I26
係数L1、L2、L3については、後に詳細を説明する。制御装置50は、電流I22、I24、I26をモニタしながら、繰り返し値Immを算出する。制御装置50は、値Immが閾値ImmTHに達した場合には、ゲート電圧を低下させてIGBT22〜28をオフさせる。これによって、メイン素子であるIGBT28に過電流が流れることを防止する。後に詳述するが、式8によって算出される値Immは、半導体基板20内で温度分布が生じた場合であっても、メイン素子であるIGBT28に流れる電流Ixに対して略一定の比率を維持する値となる。したがって、値Immの閾値ImmTHを規定することで、メイン素子であるIGBT28に流れる電流Ixの許容最大値を規定することになる。
I32=S32Id22
同様に、領域34内の表面温度は検出領域24の表面温度と略等しくなるので、領域34内の電流密度は検出領域24内の電流密度Id24と略等しくなる。したがって、領域34内を流れる電流I34は、以下の数式に示す値と略一致する。
I34=S34Id24
同様に、領域36内の表面温度は検出領域26の表面温度と略等しくなるので、領域36内の電流密度は検出領域26内の電流密度Id26と略等しくなる。したがって、領域36内を流れる電流I36は、以下の数式に示す値と略一致する。
I36=S36Id26
メイン素子であるIGBT28を流れる電流Ixは、これらの電流I32〜I36を加算した電流となる。すなわち、
(式9) Ix=I32+I34+I36=S32Id22+S34Id24+S36Id26
の関係が満たされる。
(式10) Imm=(S32I22+S34I24+S36I26)/100
と変形することができる。また、実施例1では、検査領域22〜26の面積が何れも面積S0であるので、I22=S0Id22、I24=S0Id24、I26=S0Id26と表すことができる。したがって、上述した式10は、以下のように変形することができる。
(式11) Imm=(S32Id22+S34Id24+S36Id26)S0/100
式9と式11を比較することで明らかなように、値Immは、電流IxをS0/100倍した値である。したがって、上述した式8で得られる値Immは、半導体装置10に流れる電流Ixに略比例する値となる。このため、値Immは、半導体基板20内に温度分布が生じた場合でも、電流Ixに対して略一定の比率を維持するように変化する。したがって、値Immに基づいてIGBT22〜28をオフさせることで、半導体装置10に過電流が流れることを確実に防止することができる。
一方、従来の技術のように、平均値に基づいて半導体装置を制御すると、電流Ixの変化率と値Immの変化率が大きく異なる。例えば、値Immを、電流I22〜I26の平均値により算出する場合を考える。この場合、半導体基板20の中心の領域32が高温となって電流I32が10%減少すると、値Immは1/30だけ減少する。すなわち、実際の電流Ixが1/240しか減少していないにも係わらず、値Immは1/30も減少してしまう。このように、従来技術では、温度変化が生じたときに、値Immの変化率と電流Ixの変化率が大きく異なってしまう。
このように、実施例1の技術によれば、値Immが電流Ixに対して略一定の比率を維持するように変化するので、実際の電流Ixに応じて正確に半導体装置10を制御することができる。
(式12) Imm=I22+I24+I26
制御装置50は、値Immが閾値ImmTHに達した場合に、ゲート電圧を低下させてIGBT22〜28をオフさせる。これによって、半導体装置10に過電流が流れることを防止する。
(式13) Imm=(S32Id22+S34Id24+S36Id26)/100
と変形することができる。また、実施例2の半導体装置でも実施例1の半導体装置と同様に、メイン素子領域28を流れる電流Ixは、上述した式9に示す値となる。式9と式13を比較することで明らかなように、実施例2において算出される値Immは、メイン素子領域28を流れる電流Ixの約1/100の値である。すなわち、実施例2のシステムでも、メイン素子であるIGBT28に流れる電流Ixに応じて適切に半導体装置10を制御することができる。また、このような構成によれば、制御装置50で行う演算が実施例1よりも簡略化される。
(式14) Imm=L1I122+L2I124+L3I126
なお、係数L1〜L3は、実施例1と同様の係数である。この式14は、上述した式8に相当する。すなわち、式14で算出される値Immは、電流Ixに略比例する値である。したがって、実施例4のシステムでも、実施例1のシステムと同様に、メイン素子であるIGBT28に流れる電流Ixに応じて適切に半導体装置10を制御することができる。
Imm=L1I22+L2I24+L3I26
の数式によって値Immを算出する。なお、係数L1〜L3は、上述したように分布する領域32〜36の面積S32〜S36に基づいて、L1:L2:L3=S32:S34:S36の関係を満たすように定められている。したがって、実施例5のシステムでも、実施例1のシステムと同様に、メイン素子であるIGBT28に流れる電流に応じて適切に半導体装置10を制御することができる。このように、メイン素子領域28が偏った形で配置されていたり、より複雑な形状で配置されている場合でも、メイン素子領域28内の温度分布に基づいて係数L1〜L3が定められていれば、適切に半導体装置10を制御することができる。実施例2〜4でも、同様のことがいえる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
20:半導体基板
22〜26:検出領域
28:メイン素子領域
70:エミッタ領域
72:ボディ領域
74:ドリフト領域
76:コレクタ領域
78:ゲート電極
80:ゲート絶縁膜
82:エミッタ電極
84:コレクタ電極
86:ゲートパッド
Claims (6)
- 半導体装置と制御手段とを備えるシステムであって、
半導体装置は、半導体基板を備えており、
半導体基板には、メイン素子と、第1検出素子と、第2検出素子が形成されており、
制御手段は、第1検出素子の電流密度Id1と、第2検出素子の電流密度Id2と、予め決められた係数K1と、予め決められた係数K2から、
Im=K1Id1+K2Id2
の数式により得られる値Imに基づいて半導体装置を流れる電流を制御し、
半導体装置を動作させたときに、メイン素子が形成されている領域の中で第2検出素子の温度よりも第1検出素子の温度に近い温度となる領域の面積が面積SHであり、
半導体装置を動作させたときに、メイン素子が形成されている領域の中で第1検出素子の温度よりも第2検出素子の温度に近い温度となる領域の面積が面積SLであり、
係数K1と係数K2の比K1/K2が、面積SHと面積SLの比SH/SLと略等しい、
ことを特徴とするシステム。 - 半導体基板を平面視したときに、第1検出素子の面積が、第2検出素子の面積と略等しく、
制御手段が、
第1検出素子を流れる電流I1と、第2検出素子を流れる電流I2を検出し、
電流I1と、電流I2と、予め決められた係数L1と、予め決められた係数L2から、
Im=L1I1+L2I2
の数式により値Imを算出し、
係数L1と係数L2の比L1/L2が、面積SHと面積SLの比SH/SLと略等しい、
ことを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 半導体基板を平面視したときに、第1検出素子の面積が面積S1であり、第2検出素子の面積が面積S2であり、
制御手段が、
第1検出素子を流れる電流I1と、第2検出素子を流れる電流I2を検出し、
Im=I1+I2
の数式により値Imを算出し、
面積S1と面積S2の比S1/S2が、面積SHと面積SLの比SH/SLと略等しい、
ことを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 半導体基板を平面視したときに、第1検出素子の面積が面積S3であり、第2検出素子の面積が面積S4であり、
第1検出素子の電極と第2検出素子の電極の両方に対して電気的に接続されており、第1検出素子を流れる電流I1と第2検出素子を流れる電流I2が流れるように構成されている配線をさらに有し、
制御手段が、
前記配線を流れる電流I3を検出し、
面積S3と面積S4の比S3/S4が、面積SHと面積SLの比SH/SLと略等しい、
ことを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 半導体装置と制御手段とを備えるシステムであって、
半導体装置は、半導体素子が形成されている半導体基板と、半導体基板の第1領域内を流れる電流を検出する第1検出素子と、半導体基板の第2領域内を流れる電流を検出する第2検出素子を備えており、
制御手段は、第1検出素子で検出される電流I1と、第2検出素子で検出される電流I2と、予め決められた係数L1と、予め決められた係数L2から、
Im=L1I1+L2I2
の数式により得られる値Imに基づいて半導体装置を流れる電流を制御し、
半導体装置を動作させたときに、半導体素子が形成されている領域の中で第2検出素子の温度よりも第1検出素子の温度に近い温度となる領域の面積が面積SHであり、
半導体装置を動作させたときに、半導体素子が形成されている領域の中で第1検出素子の温度よりも第2検出素子の温度に近い温度となる領域の面積が面積SLであり、
係数L1と係数L2の比L1/L2が、面積SHと面積SLの比SH/SLと略等しい、
ことを特徴とするシステム。 - 半導体基板を備えており、
半導体基板には、メイン素子と、第1検出素子と、第2検出素子が形成されている、
という構成を備える半導体装置を流れる電流の制御方法であって、
第1検出素子の電流密度Id1と、第2検出素子の電流密度Id2と、予め決められた係数K1と、予め決められた係数K2から、
Im=K1Id1+K2Id2
の数式により得られる値Imに基づいて半導体装置を流れる電流を制御し、
半導体装置を動作させたときに、メイン素子が形成されている領域の中で第2検出素子の温度よりも第1検出素子の温度に近い温度となる領域の面積が面積SHであり、
半導体装置を動作させたときに、メイン素子が形成されている領域の中で第1検出素子の温度よりも第2検出素子の温度に近い温度となる領域の面積が面積SLであり、
係数K1と係数K2の比K1/K2が、面積SHと面積SLの比SH/SLと略等しい、
ことを特徴とする制御方法。
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