JP4284790B2 - Semiconductor module temperature detection device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の素子からなる半導体モジュールの温度を検出する、半導体モジュールの温度検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電気自動車等のモータをインバータ装置で駆動する場合、並列接続した複数のIGBT素子でインバータ回路における各相のアームを構成し、各相のアームを構成するIGBT素子をスイッチング動作させて、例えば3相の交流出力を得るようにしたものがある。
【0003】
このようなインバータ回路において過電流が流れると、IGBT素子の温度が上昇して破壊に至るおそれがあるため、IGBT素子の破壊が起こる前に、IGBT素子をカットオフさせるなどして、保護を行う必要がある。このような制御を行うためには、IGBT素子の温度を正確に検出する必要がある。
【0004】
特開平10−38964号公報には、複数のIGBT素子からなる半導体モジュールにおいて、各IGBT素子に温度検出用のダイオードを設け、それらのダイオードを並列接続し、その出力電圧から温度検出回路にて半導体モジュールの温度を検出するものが記載されている。すなわち、並列接続された温度検出用ダイオードに定電流を流したとき、ダイオードの端子間に発生する電圧VFが、温度の上昇とともに低下する負の温度係数を有することを利用して、並列接続された温度検出用ダイオードの出力電圧が閾値以下になると、複数のIGBT素子の少なくとも1つが所定温度以上になったことを検出する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開平10−38964号公報に記載された技術について、本発明者らがさらに検討を行ったところ、複数(例えば3つ)のIGBT素子のうちの1つが高温になった場合、並列接続された温度検出用ダイオードに供給される電流が1つのダイオードに集中して流れるため、所望の検出温度より高い温度で異常を検出することになり、検出温度に誤差が生じることがわかった。すなわち、本発明者らの実測によれば、ダイオードに流れる電流IFと、ダイオードの端子間に発生する電圧VFは、図6に示すように約−3mV/℃の温度係数を有しているが、ダイオードの順方向電流が、2倍、3倍と増えていくにつれ、VF−T(温度)特性が図の上側に移動するため、温度検出用ダイオードの出力電圧が基準電圧(図では0.84V)以下になるときの検出温度が図の右側に移動し、順方向電流が3倍になると、検出温度に27℃もの誤差が生じる。
【0006】
本発明は上記問題に鑑みたもので、検出温度に生じる誤差を低減することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、半導体モジュールを構成する複数の素子(11、21、31)のそれぞれの温度を検出する温度検出素子として、ダイオード(12)を形成するPN接合したP型領域(121a)およびN型領域(122a)と、P型領域およびN型領域のうちの一方の領域から延びて形成された抵抗領域(131)とを有し、ダイオードと抵抗領域による抵抗(13)とが電気的に直列接続された構成のものとし、抵抗領域の抵抗値が、P型領域およびN型領域による抵抗値よりも大きくなっていることを特徴としている。
【0008】
このようにダイオードに抵抗を直列に接続することにより、抵抗によって電流制限が行われ他の素子とのバランスがとられて、複数の素子のうちの1つが高温になった場合でも、その素子に設けられた温度検出素子に電流が集中して流れることがないため、検出温度に生じる誤差を少なくすることができる。
【0009】
請求項2に記載の発明では、温度検出素子として、ダイオード(12)を形成するPN接合したP型領域(121a)およびN型領域(122a)と、P型領域およびN型領域のうちの一方の領域から延びて形成された抵抗領域(131)とを有し、一方の領域は、その領域全体を等電位化するために第1のコンタクト(123a)を介して金属膜(127)に接続され、抵抗領域は、第2のコンタクト(132)を介して取り出し電極(133)に接続されており、ダイオードと抵抗領域による抵抗(13)とが電気的に直列接続された構成になっていることを特徴としている。
【0010】
この発明においても、ダイオードに抵抗を直列に接続することにより、請求項1に記載の発明と同様、検出温度に生じる誤差を少なくすることができる。また、抵抗領域を、第2のコンタクトを介して取り出し電極に接続し、ダイオードを形成するP型領域およびN型領域のうちの一方の領域を、その領域全体を等電位化する第1のコンタクトを介して金属膜に接続しているから、ダイオードとしての機能を良好に維持したまま、ダイオードに抵抗を直列接続した構成にすることができる。この場合、請求項3に記載の発明のように、第1のコンタクトを介して一方の領域に接続する金属膜を、電気的にオープンな状態にしておくことが好ましい。
【0011】
また、請求項4に記載の発明のように、抵抗領域を、平面的に見て蛇行した形状にすれば、小さな面積で大きな抵抗値を得ることができる。
【0012】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図1に、本発明の一実施形態にかかる半導体モジュールの温度検出装置の概略構成を示す。この半導体モジュールは、3つのIGBT素子11、21、31で構成され、3つのIGBT素子11、21、31が並列接続されて、電気自動車のモータを駆動するインバータ回路における1つの相のアームを構成している。
【0014】
IGBT素子11には、その近傍にIGBT素子11の温度を検出する温度検出用のダイオード(2つのダイオード12a、12bで構成)12と抵抗13が配置され、IGBT素子21には、その近傍にIGBT素子21の温度を検出する温度検出用のダイオード(2つのダイオード22a、22bで構成)22と抵抗23が配置され、IGBT素子31には、その近傍にIGBT素子31の温度を検出する温度検出用のダイオード(2つのダイオード32a、32bで構成)32と抵抗33が配置されている。
【0015】
IGBT素子11(21、31)に配置されたダイオード12(22、32)と抵抗13(23、33)は直列に接続されて温度検出素子を構成しており、それぞれの温度検出素子は、並列接続されて定電流源40から定電流iTが供給されるようになっている。
【0016】
このように温度検出用のダイオード12(22、32)に抵抗13(23、33)を直列に接続することにより、抵抗13(23、33)によって電流制限が行われ、3つのIGBT素子11、21、31のうちの1つが高温になった場合でも、そのIGBT素子に配置された温度検出素子に、定電流源40からの電流が集中して流れることがなく、IGBT素子11、21、31の温度検出を精度よく行うことができる。
【0017】
なお、各温度検出素子の接続点の電圧、すなわち並列接続された温度検出素子の出力電圧Tは、温度検出回路50に入力され、この温度検出回路50から半導体モジュールの温度を示す信号Oが出力される。
【0018】
各温度検出素子を構成するダイオード12(22、32)と抵抗13(23、33)は同一構成のものである。図2に、ダイオード12と抵抗13を例にとって、その平面構成を示す。また、ダイオード12を構成する2つのダイオード12a、12bのうちの一方のダイオード12aの断面構成を図3に示す。
【0019】
ダイオード12aは、平面的に見て長方形状のもので、PN接合したP型領域121aとN型領域122aで構成されている。P型領域121aとN型領域122aは、図3に示すように、半導体基板125の表面に形成された絶縁膜126の上に、多結晶シリコンで形成されている。また、P型領域121aとN型領域122aには、コンタクト123a、124aがそれぞれ形成されており、P型領域121aは、コンタクト123aを介して金属膜(例えば、アルミ膜、以下同じ)127に接続され、N型領域122aは、コンタクト124aを介して金属膜128に接続されている。
【0020】
また、ダイオード12bは、図2に示すように、平面的に見て長方形状のもので、PN接合したP型領域121bとN型領域122b(それぞれ多結晶シリコンで形成されたもの)で構成されている。また、P型領域121bとN型領域122bには、コンタクト123b、124bがそれぞれ形成されている。ダイオード12bのN型領域122bに形成されたコンタクト124bは、取り出し端子(図1に示す端子14b)に接続された金属膜(取り出し電極)に接続され、ダイオードの12bのP型領域121bは、コンタクト123bを介してダイオード12aのN型領域122aに接続された金属膜128に接続されている。このことにより、ダイオード12bとダイオード12aは、直列に接続される。
【0021】
上記したコンタクト123a、124a、123b、124bは、図2に示すように、平面的に見てPN接合をそれぞれ囲むように形成され、それぞれの領域を、金属膜と接続して等電位化するために設けられている。なお、コンタクト123aを介してP型領域121aに接続された金属膜127は、所定の電位に接続してもよいが、図3に示すように、電気的にオープンな状態とするのが好ましい。
【0022】
また、図2に示すように、ダイオード12aのP型領域121aからP型の多結晶シリコンの抵抗領域131が延びて形成されている。この抵抗領域131は、その端部に形成されたコンタクト132を介して、図3に示すように、取り出し端子(図1に示す端子14a)に接続された金属膜(取り出し電極)133に接続されている。この場合、温度検出素子の感温特性を向上させるためには、抵抗領域131の抵抗温度特性を0(ほぼ0)に設定しておくのが好ましい。この設定は、多結晶シリコンへのインプラ条件により行うことができる。また、抵抗領域131は、P型領域121aと同一導電型であるのが好ましいが、異なる導電型であってもよい。
【0023】
なお、ダイオード12a、12bを形成するP型領域121a、121bとN型領域122a、122bにおいても抵抗成分があるが、両者の抵抗値(合計)は、例えばシート抵抗値の1割以下の約20Ω以下程度のものであるのに対し、上記した抵抗領域131の抵抗値は、数百Ω(例えば、500Ω以上)であり、このような大きな抵抗値を有することによって、高温になったIGBT素子の温度検出素子への電流集中を効果的に防止することができる。この場合、抵抗領域131を、図2に示すように、平面的に蛇行した形状とすることにより、小さな面積で大きな抵抗値を得ることができる。
【0024】
次に、図1に示す温度検出回路50について説明する。図4にその具体的な構成を示す。また、図5にそのタイミングチャートを示す。
【0025】
温度検出回路50は、三角波の基準電圧A(図5(a)参照)を発生する三角波電圧発生回路51と、温度検出素子の出力電圧Tと基準電圧Aとを比較し、その大小関係に応じたデューティ比の信号Oを出力する比較回路52とから構成されている。出力信号Oをデューティ比の信号で出力するのは、例えばホトカプラを介して信号Oを出力するためである。
【0026】
上記した温度検出素子の出力電圧Tは、ダイオード2個分で約1.4Vと低いため、比較回路52では、出力電圧Tと基準信号Aのそれぞれに対してヒステリシスをもたせ、出力信号Oを、耐ノイズ性を向上させた信号としている。
【0027】
このため、比較回路52は以下のように構成されている。すなわち、比較回路52の出力信号O(図5(e)参照)がハイレベルになるタイミングで、スイッチ52aを、図5(b)に示すように一定期間オフさせる。スイッチ52aがオフすると、定電流源52bからの電流がトランジスタ52cを介して抵抗52dに流れ込むため、基準電圧A’との比較に用いる温度検出素子の出力電圧T’(図4および図5(d)参照)が一定期間上昇する。このことにより、外乱ノイズに対してチャタリングを起こさないようにすることができる。
【0028】
また、比較回路52の出力信号O(図5(e)参照)がローレベルになるタイミングで、スイッチ52eを、図5(b)に示すように一定期間オフさせる。スイッチ52eがオフすると、定電流源52fからの電流がトランジスタ52gを介して抵抗52hに流れ込むため、出力電圧T’との比較に用いる基準電圧A’(図4および図5(d)参照)が一定期間上昇する。このことにより、基準電圧A’≫出力電圧T’となるため、耐ノイズ性を向上させることができる。
【0029】
そして、出力電圧T’と基準電圧A’の比較により、図5(e)に示す信号Oが出力される。なお、3つのIGBT素子11、21、31のいずれかが高温になって、温度検出素子の出力電圧Tが図5(a)示すようにTHになると、出力電圧Oは図5(f)に示すように、ローレベルの長いデューティ信号になる。この信号を用いてIGBT素子の加熱を判定することができる。
【0030】
なお、上記した実施形態においては、温度検出用のダイオードを2つ備えるものを示したが、1つもしくは3つ以上としてもよい。また、ダイオードのP型領域に抵抗領域を延ばして形成するものを示したが、N型領域に抵抗領域を延ばして形成してもよく、P型領域とN型領域の両方に抵抗領域を延ばして形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかる半導体モジュールの温度検出装置の概略構成を示す図である。
【図2】図1中のダイオード12と抵抗13の平面構成を示す図である。
【図3】ダイオード12を構成する2つのダイオード12a、12bのうちの一方のダイオード12aの断面構成を示す図である。
【図4】図1に示す温度検出回路50の具体的な構成を示す図である。
【図5】図4に示す温度検出回路50の各部の波形を示すタイミングチャートである。
【図6】ダイオードに流れる電流IFと、ダイオードの端子間に発生する電圧VFと、温度Tとの関係を示す図である。
【符号の説明】
11、21、31…IGBT素子、12(12a、12b)、22(22a、22b)、32(32a、32b)…ダイオード、13、23、33…抵抗、40…定電流源、50…温度検出回路、121a、121b…P型領域、122a、122b…N型領域、123a、124a、123b、124b、132…コンタクト、127、128、133…金属膜、131…抵抗領域。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a temperature detection device for a semiconductor module that detects the temperature of a semiconductor module composed of a plurality of elements.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when a motor such as an electric vehicle is driven by an inverter device, an arm of each phase in the inverter circuit is constituted by a plurality of IGBT elements connected in parallel, and the IGBT elements constituting the arms of each phase are switched, for example, There is one that obtains three-phase AC output.
[0003]
If an overcurrent flows in such an inverter circuit, the temperature of the IGBT element may rise and may be destroyed. Therefore, before the IGBT element breaks down, the IGBT element is cut off to protect it. There is a need. In order to perform such control, it is necessary to accurately detect the temperature of the IGBT element.
[0004]
In Japanese Patent Laid-Open No. 10-38964, in a semiconductor module composed of a plurality of IGBT elements, a diode for temperature detection is provided for each IGBT element, these diodes are connected in parallel, and a semiconductor is detected by a temperature detection circuit from the output voltage. It describes what detects the temperature of the module. That is, when a constant current is passed through the temperature detecting diodes connected in parallel, the voltage VF generated between the terminals of the diodes has a negative temperature coefficient that decreases as the temperature rises. When the output voltage of the detected temperature detecting diode becomes equal to or lower than the threshold value, it is detected that at least one of the plurality of IGBT elements is equal to or higher than the predetermined temperature.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The inventors further studied the technique described in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 10-38964. When one of a plurality (for example, three) IGBT elements becomes a high temperature, it is connected in parallel. Since the current supplied to the temperature detection diode is concentrated in one diode, the abnormality is detected at a temperature higher than the desired detection temperature, and it has been found that an error occurs in the detection temperature. That is, according to actual measurement by the present inventors, the current IF flowing through the diode and the voltage VF generated between the terminals of the diode have a temperature coefficient of about −3 mV / ° C. as shown in FIG. As the forward current of the diode increases twice or three times, the VF-T (temperature) characteristic moves to the upper side of the figure, so that the output voltage of the temperature detecting diode becomes the reference voltage (0. 0 in the figure). 84V) If the detected temperature moves to the right side of the figure and the forward current triples, an error of 27 ° C. occurs in the detected temperature.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to reduce errors occurring in the detected temperature.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the first aspect of the present invention, the diode (12) is formed as a temperature detection element for detecting the temperature of each of the plurality of elements (11, 21, 31) constituting the semiconductor module. A PN junction P-type region (121a) and N-type region (122a), and a resistance region (131) formed extending from one of the P-type region and the N-type region. A resistance (13) of the region is electrically connected in series, and the resistance value of the resistance region is larger than the resistance values of the P-type region and the N-type region.
[0008]
By connecting the resistor in series with the diode in this way, the current is limited by the resistor and balanced with the other elements, and even when one of the plurality of elements becomes high temperature, Since current does not flow in a concentrated manner to the provided temperature detecting element, errors occurring in the detected temperature can be reduced.
[0009]
In the invention according to
[0010]
Also in the present invention, by connecting a resistor in series with the diode, an error occurring in the detected temperature can be reduced as in the first aspect of the present invention. The resistance region is connected to the extraction electrode via the second contact, and one of the P-type region and the N-type region forming the diode is made the first contact for equalizing the entire region. Therefore, the resistor can be connected in series to the diode while maintaining the good function as the diode. In this case, it is preferable that the metal film connected to one region through the first contact is in an electrically open state as in the invention described in claim 3.
[0011]
Further, as in the invention described in claim 4, if the resistance region has a meandering shape in plan view, a large resistance value can be obtained with a small area.
[0012]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. FIG. 1 shows a schematic configuration of a temperature detection apparatus for a semiconductor module according to an embodiment of the present invention. This semiconductor module is composed of three
[0014]
The IGBT element 11 is provided with a temperature detection diode (configured by two
[0015]
The diode 12 (22, 32) and the resistor 13 (23, 33) arranged in the IGBT element 11 (21, 31) are connected in series to constitute a temperature detection element, and each temperature detection element is connected in parallel. The constant current i T is supplied from the constant current source 40 by being connected.
[0016]
Thus, by connecting the resistor 13 (23, 33) in series to the temperature detecting diode 12 (22, 32), current limitation is performed by the resistor 13 (23, 33), and the three IGBT elements 11, Even when one of the
[0017]
Note that the voltage at the connection point of each temperature detection element, that is, the output voltage T of the temperature detection element connected in parallel, is input to the
[0018]
The diode 12 (22, 32) and the resistor 13 (23, 33) constituting each temperature detection element have the same configuration. FIG. 2 shows a planar configuration of the diode 12 and the
[0019]
The
[0020]
As shown in FIG. 2, the
[0021]
As shown in FIG. 2, the above-described
[0022]
Further, as shown in FIG. 2, a
[0023]
The P-
[0024]
Next, the
[0025]
The
[0026]
Since the output voltage T of the temperature detecting element is as low as about 1.4 V for two diodes, the
[0027]
For this reason, the
[0028]
At the timing when the output signal O (see FIG. 5E) of the
[0029]
Then, a signal O shown in FIG. 5E is output by comparing the output voltage T ′ with the reference voltage A ′. When any of the three
[0030]
In the above-described embodiment, the two temperature detection diodes are shown. However, one or three or more diodes may be used. In addition, although the resistor region is formed to extend in the P-type region of the diode, the resistor region may be formed to extend in the N-type region, and the resistor region may be extended to both the P-type region and the N-type region. May be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a temperature detection apparatus for a semiconductor module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a planar configuration of a diode 12 and a
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional configuration of one of the two
4 is a diagram showing a specific configuration of a
5 is a timing chart showing waveforms at various parts of the
6 is a diagram illustrating a relationship between a current IF flowing through a diode, a voltage VF generated between the terminals of the diode, and a temperature T. FIG.
[Explanation of symbols]
11, 21, 31 ... IGBT element, 12 (12a, 12b), 22 (22a, 22b), 32 (32a, 32b) ... Diode, 13, 23, 33 ... Resistance, 40 ... Constant current source, 50 ... Temperature detection Circuit, 121a, 121b ... P-type region, 122a, 122b ... N-type region, 123a, 124a, 123b, 124b, 132 ... Contact, 127, 128, 133 ... Metal film, 131 ... Resistance region.
Claims (4)
前記温度検出素子のぞれぞれは、
ダイオード(12)を形成するPN接合したP型領域(121a)およびN型領域(122a)と、前記P型領域および前記N型領域のうちの一方の領域から延びて形成された抵抗領域(131)とを有し、前記ダイオードと前記抵抗領域による抵抗(13)とが電気的に直列接続された構成になっており、前記抵抗領域の抵抗値は、前記P型領域および前記N型領域による抵抗値よりも大きくなっていることを特徴とする半導体モジュールの温度検出装置。A semiconductor module composed of a plurality of elements (11, 21, 31), temperature detection elements (12 and 13, 22 and 23, 32 and 33) provided in each element and connected in parallel to each other, and the parallel connection In the temperature detection device for a semiconductor module, comprising a temperature detection circuit (50) for detecting the temperature of the semiconductor module based on the output voltage of the temperature detection element,
Each of the temperature detection elements is
A PN-junction P-type region (121a) and N-type region (122a) forming the diode (12), and a resistance region (131) formed extending from one of the P-type region and the N-type region ), And the resistor and the resistor (13) by the resistor region are electrically connected in series, and the resistance value of the resistor region depends on the P-type region and the N-type region. A temperature detecting device for a semiconductor module, wherein the temperature detecting device is larger than a resistance value.
前記温度検出素子のぞれぞれは、
ダイオード(12)を形成するPN接合したP型領域(121a)およびN型領域(122a)と、前記P型領域および前記N型領域のうちの一方の領域から延びて形成された抵抗領域(131)とを有し、
前記一方の領域は、その領域全体を等電位化するために第1のコンタクト(123a)を介して金属膜(127)に接続され、前記抵抗領域は、第2のコンタクト(132)を介して取り出し電極(133)に接続されており、
前記ダイオードと前記抵抗領域による抵抗(13)とが電気的に直列接続された構成になっていることを特徴とする半導体モジュールの温度検出装置。A semiconductor module composed of a plurality of elements (11, 21, 31), temperature detection elements (12 and 13, 22 and 23, 32 and 33) provided in each element and connected in parallel to each other, and the parallel connection In the temperature detection device for a semiconductor module, comprising a temperature detection circuit (50) for detecting the temperature of the semiconductor module based on the output voltage of the temperature detection element,
Each of the temperature detection elements is
A PN-junction P-type region (121a) and N-type region (122a) forming the diode (12), and a resistance region (131) formed extending from one of the P-type region and the N-type region )
The one region is connected to the metal film (127) via the first contact (123a) in order to make the entire region equipotential, and the resistance region is connected via the second contact (132). Connected to the extraction electrode (133),
The temperature detection device for a semiconductor module, wherein the diode and the resistor (13) by the resistance region are electrically connected in series.
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