JP4442372B2

JP4442372B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP4442372B2
Application number: JP2004268103A
Authority: JP
Inventors: 真光　　邦明; 孝紀手嶋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2024-09-15
Also published as: JP2006087191A

Description

本発明は、スイッチングを行う半導体パワー素子と、この半導体パワー素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオードとからなるパワー部を有し、その過熱判定を行うようにした半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a power unit including a semiconductor power element that performs switching and a free wheel diode connected in reverse parallel to the semiconductor power element, and that performs overheat determination.

従来、スイッチングを行う半導体パワー素子と、この半導体パワー素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオードとからなるパワー部を有する半導体装置として、例えば、図１０に示す、電気自動車のモータを駆動する装置に適用されたものがある。この装置では、上記したパワー部が、３相のインバータ１０２に用いられるとともに、昇圧コンバータ１０１にも用いられている。 Conventionally, as a semiconductor device having a power unit composed of a semiconductor power element that performs switching and a free wheel diode connected in reverse parallel to the semiconductor power element, for example, in a device that drives a motor of an electric vehicle shown in FIG. Some have been applied. In this apparatus, the above-described power section is used for the three-phase inverter 102 and also for the boost converter 101.

図に示す装置では、バッテリ１００の電圧（例えば２００Ｖ）が昇降圧コンバータ１０１で昇圧されてコンデンサ１０３に昇圧電圧（例えば６５０Ｖ）が生成される。その昇圧電圧が３相のインバータ１０２で３相交流電圧に変換され、それによりモータ１０４が駆動される。また、電力回生時は、昇降圧コンバータ１０１で降圧される。 In the apparatus shown in the figure, the voltage of the battery 100 (for example, 200V) is boosted by the buck-boost converter 101, and a boosted voltage (for example, 650V) is generated in the capacitor 103. The boosted voltage is converted into a three-phase AC voltage by the three-phase inverter 102, and the motor 104 is driven thereby. In addition, the voltage is stepped down by the step-up / down converter 101 during power regeneration.

ここで、昇降圧コンバータ１０１は、コンデンサ１０１ａ、コイル１０１ｂ、半導体パワー素子（例えば、図に示すような絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：以下、ＩＧＢＴという）１０１ｃ、１０１ｄ、フリーホイールダイオード１０１ｅ、１０１ｆから構成されており、モータ駆動時には、ＩＧＢＴ１０１ｃをオフにするとともにＩＧＢＴ１０１ｄをデューティ制御して、コンデンサ１０３に昇圧電圧を生成し、また電力回生時には、ＩＧＢＴ１０１ｄをオフにするとともにＩＧＢＴ１０１ｃをデューティ制御して、コンデンサ１０３の電圧を降圧する。なお、モータ駆動時には、ＩＧＢＴ１０１ｃに逆並列接続されたフリーホイールダイオード１０１ｅに電流が流れ、電力回生時には、ＩＧＢＴ１０１ｄに逆並列接続されたフリーホイールダイオード１０１ｆに電流が流れる。 Here, the step-up / down converter 101 is composed of a capacitor 101a, a coil 101b, a semiconductor power element (eg, insulated gate bipolar transistor: hereinafter referred to as IGBT) 101c, 101d, and free wheel diodes 101e, 101f. When the motor is driven, the IGBT 101c is turned off and the IGBT 101d is duty controlled to generate a boosted voltage in the capacitor 103. Also, during the power regeneration, the IGBT 101d is turned off and the IGBT 101c is duty controlled to Step down the voltage. When the motor is driven, a current flows through the free wheel diode 101e connected in reverse parallel to the IGBT 101c. During power regeneration, a current flows through the free wheel diode 101f connected in reverse parallel to the IGBT 101d.

上記した装置において、インバータ１０２を構成するＩＧＢＴや昇降圧コンバータ１０１を構成するＩＧＢＴに過電流が流れると、ＩＧＢＴの温度が上昇して破壊に至る虞があるため、ＩＧＢＴの温度を温度検出素子によって検出し、ＩＧＢＴの温度が所定温度以上になる過熱判定が行われると、ＩＧＢＴの動作を停止して素子の保護を図るものが多数提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−３８９６４号公報 In the above-described apparatus, if an overcurrent flows through the IGBT that constitutes the inverter 102 or the IGBT that constitutes the buck-boost converter 101, there is a possibility that the temperature of the IGBT will rise and cause destruction. Many detections have been proposed to protect the element by stopping the operation of the IGBT when it is detected and overheat determination is made when the temperature of the IGBT becomes equal to or higher than a predetermined temperature (see, for example, Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 10-38964

上記した特許文献１等に記載された装置では、ＩＧＢＴの方がそれに逆並列接続されたフリーホイールダイオードよりも発熱が大きかったため、温度検出素子はもっぱらＩＧＢＴに設けられてきた。しかし、図１０に示す構成の場合、昇降圧コンバータ１０１を構成するＩＧＢＴ１０１ｃ、１０１ｄに逆並列接続されたフリーホイールダイオード１０１ｅ、１０１ｆには、インバータを構成するＩＧＢＴに逆並列接続されたフリーホイールダイオードに比べ、通電が集中するため、ＩＧＢＴのみなならずフリーホイールダイオードに対しても発熱に対策を施す必要がある。この場合、フリーホイールダイオードを、熱的にマージンをもったサイズで構成することにより、その対応を図ることができるが、コスト低減の理由等からフリーホイールダイオードのサイズを小さくした場合には、他の対策を施さなくてはならない。 In the device described in the above-mentioned Patent Document 1 and the like, the IGBT generates heat more than the free wheel diode connected in reverse parallel thereto, and therefore the temperature detection element has been provided exclusively in the IGBT. However, in the case of the configuration shown in FIG. 10, the free wheel diodes 101e and 101f connected in reverse parallel to the IGBTs 101c and 101d constituting the buck-boost converter 101 are replaced with free wheel diodes connected in reverse parallel to the IGBT constituting the inverter. In comparison, since energization is concentrated, it is necessary to take measures against heat generation not only for the IGBT but also for the free wheel diode. In this case, it is possible to cope with this by configuring the freewheel diode with a size having a thermal margin, but if the size of the freewheel diode is reduced for reasons of cost reduction, etc. You must take measures.

本発明は上記問題に鑑みたもので、半導体パワー素子のみならずそれに逆並列接続されたフリーホイールダイオードの過熱判定も行えるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to make it possible to perform overheat determination not only for semiconductor power elements but also for freewheel diodes connected in reverse parallel thereto.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体パワー素子と、この半導体パワー素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオードとからなるパワー部と、
前記半導体パワー素子の温度を検出する第１の温度検出素子と、
前記第１の温度検出素子によって検出された温度が第１の閾値を超えたときに過熱判定を行う温度検出回路と、を備えた半導体装置において、
前記フリーホイールダイオードの温度を検出する第２の温度検出素子を備え、
前記温度検出回路は、前記第２の温度検出素子によって検出された温度が前記第１の閾値と異なる第２の閾値を超えたときにも過熱判定を行うことを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a power unit including a semiconductor power element and a free wheel diode connected in reverse parallel to the semiconductor power element;
A first temperature detecting element for detecting a temperature of the semiconductor power element;
In a semiconductor device comprising: a temperature detection circuit that performs overheat determination when a temperature detected by the first temperature detection element exceeds a first threshold;
A second temperature detecting element for detecting the temperature of the freewheeling diode;
The temperature detection circuit performs overheat determination even when the temperature detected by the second temperature detection element exceeds a second threshold different from the first threshold.

このことにより、半導体パワー素子のみならずそれに逆並列接続されたフリーホイールダイオードの過熱判定も行うことができる。 As a result, it is possible to make an overheat determination not only for the semiconductor power element but also for the free wheel diode connected in reverse parallel thereto.

この請求項１に記載の発明は、さらに、前記パワー部に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記第１、第２の温度検出素子は、第１、第２のダイオードであって、並列接続され、この並列された前記第１、第２のダイオードの検出温度電圧が前記温度検出回路に入力されるようになっており、
前記温度検出回路は、前記電流検出手段にて検出されたパワー部に流れる電流により、前記半導体パワー素子に電流が流れていることを判別したときには前記第１の閾値を設定し、前記フリーホイールダイオードに電流が流れていることを判別したときには前記第２の閾値を設定する閾値設定手段と、前記並列接続された第１、第２のダイオードの検出温度電圧を前記閾値設定手段にて設定された前記第１、第２の閾値のいずれか一方と比較して前記過熱判定を行う判定手段とを有する。 The invention according to claim 1 further includes a current detection means for detecting a current flowing through the power unit,
The first and second temperature detecting elements are first and second diodes connected in parallel, and the detected temperature voltages of the paralleled first and second diodes are input to the temperature detecting circuit. Is supposed to be
The temperature detection circuit sets the first threshold when determining that a current is flowing in the semiconductor power element based on a current flowing in the power unit detected by the current detection means, and the free wheel diode And the threshold temperature setting means for setting the second threshold value, and the detected temperature voltages of the first and second diodes connected in parallel are set by the threshold value setting means. Determination means for performing the overheat determination in comparison with any one of the first and second threshold values.

ここで、第１、第２のダイオードの特性がばらついて、例えばオフセット的にずれたり、温度特性が異なっている場合、単にそれらを並列接続すると、電圧が低い側のダイオードに検出電圧が固定されて、半導体パワー素子とフリーホイールダイオードの両者の温度を検出できなくなる虞がある。このことに対処するためには、請求項２に記載の発明のように構成すればよい。すなわち、請求項２に記載の発明では、前記パワー部に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記第１、第２の温度検出素子は、第１、第２のダイオードであって、前記第１、第２のダイオードの検出温度電圧が前記温度検出回路に入力されるようになっており、
前記温度検出回路は、前記電流検出手段にて検出されたパワー部に流れる電流により、前記半導体パワー素子に電流が流れていることを判別したときには前記第１の閾値を設定し、前記フリーホイールダイオードに電流が流れていることを判別したときには前記第２の閾値を設定する閾値設定手段と、前記閾値設定手段が前記第１の閾値を設定しているときに前記第１のダイオードの検出電圧を選択し、前記閾値設定手段が前記第２の閾値を設定しているときに前記第２のダイオードの検出電圧を選択する選択手段と、前記選択手段にて選択された前記第１、第２のダイオードの検出電圧のいずれか一方を前記閾値設定手段にて設定された前記第１、第２の閾値のいずれか一方と比較して前記過熱判定を行う判定手段とを有する。 Here, if the characteristics of the first and second diodes vary and, for example, they are offset in offset or the temperature characteristics are different, simply connecting them in parallel fixes the detection voltage to the diode on the lower voltage side. As a result, the temperatures of both the semiconductor power element and the free wheel diode may not be detected. In order to cope with this, it may be configured as in the second aspect of the invention. That is, the invention according to claim 2 includes a current detection means for detecting a current flowing through the power unit,
The first and second temperature detection elements are first and second diodes, and the detection temperature voltage of the first and second diodes is input to the temperature detection circuit,
The temperature detection circuit sets the first threshold when determining that a current is flowing in the semiconductor power element based on a current flowing in the power unit detected by the current detection means, and the free wheel diode A threshold value setting means for setting the second threshold value when it is determined that a current is flowing through the first threshold voltage, and a detection voltage of the first diode when the threshold value setting means is setting the first threshold value. A selection unit that selects a detection voltage of the second diode when the threshold setting unit sets the second threshold; and the first and second selected by the selection unit Determining means for comparing the detected voltage of the diode with either one of the first and second threshold values set by the threshold value setting means to make the overheat determination.

第２のダイオードは、フリーホイールダイオードと同一ＩＣチップに形成することができる。この場合、第２のダイオードを、フリーホイールダイオードが形成された半導体基板上に酸化膜等の絶縁膜上に形成すれば、フリーホイールダイオードを流れる主電流から第２のダイオードを分離することができる。また、第２のダイオードを、フリーホイールダイオードの素子形成領域と分離された分離島に形成された拡散ダイオードとすることもできる。この場合、請求項３に記載の発明のように、拡散ダイオードの接続配線の電位により拡散ダイオードが分離島と逆バイアスされるようにすれば、フリーホイールダイオードを流れる主電流から拡散ダイオードを分離することができる。 The second diode can be formed on the same IC chip as the freewheeling diode. In this case, if the second diode is formed on an insulating film such as an oxide film on the semiconductor substrate on which the free wheel diode is formed, the second diode can be separated from the main current flowing through the free wheel diode. . Alternatively, the second diode may be a diffusion diode formed on an isolated island separated from the element formation region of the freewheel diode. In this case, as in the third aspect of the invention, if the diffusion diode is reverse-biased with the isolation island by the potential of the connection wiring of the diffusion diode, the diffusion diode is separated from the main current flowing through the freewheel diode. be able to.

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構成を示す。この図１に示す実施形態は、ＩＧＢＴ１１と、このＩＧＢＴ１１に逆並列接続されたフリーホイールダイオード２１とからなるパワー部に対し、その過熱判定および過熱判定に基づく制御が行えるようにしたものである。このパワー部は、図１０に示す昇降圧コンバータ１０１における、ＩＧＢＴ１０１ｃとそれに逆並列接続されたフリーホイールダイオード１０１ｅからなるパワー部と、ＩＧＢＴ１０１ｄとそれに逆並列接続されたフリーホイールダイオード１０１ｆからなるパワー部の一方を示している。なお、他方のパワー部についても図１に示すものと同様の構成にて過熱判定およびその過熱判定に基づく制御が行えるようになっている。 (First embodiment)
FIG. 1 shows a configuration of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 1, overheat determination and control based on overheat determination can be performed on a power unit including the IGBT 11 and a free wheel diode 21 connected in reverse parallel to the IGBT 11. This power unit includes a power unit composed of an IGBT 101c and a free wheel diode 101e connected in reverse parallel thereto, and a power unit composed of an IGBT 101d and a free wheel diode 101f connected in reverse parallel thereto, in the buck-boost converter 101 shown in FIG. Shows one side. Note that the other power unit is configured to perform overheat determination and control based on the overheat determination with the same configuration as that shown in FIG.

パワー部を構成するＩＧＢＴ１１は、駆動回路３０によって駆動される。ＩＧＢＴ１１を構成する半導体回路（ＩＣチップ）１０には、ＩＧＢＴ１１の温度を検出する第１の温度検出素子として第１のダイオード１２が形成され、フリーホイールダイオード２１を構成する半導体回路（ＩＣチップ）２０には、フリーホイールダイオード２１の温度を検出する第２の温度検出素子として第２のダイオード２２が形成されている。それら第１、第２のダイオード１２、２２は、並列接続されており、第１、第２のダイオード１２、２２による検出温度電圧Ｖｔｅｍｐが温度検出回路４０に入力される。 The IGBT 11 constituting the power unit is driven by the drive circuit 30. In the semiconductor circuit (IC chip) 10 constituting the IGBT 11, a first diode 12 is formed as a first temperature detecting element for detecting the temperature of the IGBT 11, and the semiconductor circuit (IC chip) 20 constituting the free wheel diode 21. The second diode 22 is formed as a second temperature detecting element for detecting the temperature of the freewheel diode 21. The first and second diodes 12 and 22 are connected in parallel, and the detected temperature voltage Vtemp by the first and second diodes 12 and 22 is input to the temperature detection circuit 40.

また、パワー部を流れる電流Ｉｃを検出するため、ＩＧＢＴ１１の電流センサ出力端子に電流検出用抵抗５０が接続されており、それによる電流検出電圧Ｖｓｅが温度検出回路４０に入力される。 In addition, a current detection resistor 50 is connected to the current sensor output terminal of the IGBT 11 to detect the current Ic flowing through the power unit, and the current detection voltage Vse is input to the temperature detection circuit 40.

温度検出回路４０は、上記した検出温度電圧Ｖｔｅｍｐ、電流検出電圧Ｖｓｅにより、ＩＧＢＴ１１あるいはフリーホイールダイオード２１の過熱判定を行う。 The temperature detection circuit 40 determines whether the IGBT 11 or the free wheel diode 21 is overheated based on the detected temperature voltage Vtemp and the current detection voltage Vse.

次に、上記した温度検出回路４０の具体的な構成について説明する。図２に、その構成を示す。温度検出回路４０は、図に示すように、並列接続された第１、第２のダイオード１２、２２に定電流を流す定電流源４１と、検出温度電圧Ｖｔｅｍｐを閾値Ｖｒｅｆ０と比較する第１の比較器４２と、電流検出電圧Ｖｓｅを第３の閾値Ｖｒｅｆ３と比較する第２の比較器４３と、第２の比較器４３の出力により第１の閾値Ｖｒｅｆ１と第２の閾値Ｖｒｅｆ２（第１の閾値Ｖｒｅｆ１より小さい値）のいずれか一方を第１の比較器４２の閾値Ｖｒｅｆ０とする閾値切替回路４４とから構成されている。 Next, a specific configuration of the temperature detection circuit 40 will be described. FIG. 2 shows the configuration. As shown in the figure, the temperature detection circuit 40 includes a constant current source 41 for supplying a constant current to the first and second diodes 12 and 22 connected in parallel, and a first voltage for comparing the detected temperature voltage Vtemp with a threshold value Vref0. The comparator 42, the second comparator 43 that compares the current detection voltage Vse with the third threshold value Vref 3, and the first threshold value Vref 1 and the second threshold value Vref 2 (the first threshold value Vref 2) according to the output of the second comparator 43. The threshold value switching circuit 44 is configured such that any one of the threshold values Vref1) is set to the threshold value Vref0 of the first comparator 42.

この温度検出回路４０の作動を図３に示すタイミングチャートを参照して説明する。 The operation of the temperature detection circuit 40 will be described with reference to the timing chart shown in FIG.

ＩＧＢＴ１１に電流が流れているときには、ＩＧＢＴ１１の電流センサ出力端子から電流検出用抵抗５０に電流が流れ、電流検出電圧Ｖｓｅが第３の閾値Ｖｒｅｆ３より高くなるため、第２の比較器４３の出力はハイレベル（Ｈｉ）になる。また、フリーホイールダイオード２１に電流が流れているときには、ＩＧＢＴ１１の電流センサ出力端子から電流検出用抵抗５０に電流が流れないため、電流検出電圧Ｖｓｅは第３の閾値Ｖｒｅｆ３より低くなり、第２の比較器４３の出力はローレベル（Ｌｏ）になる。このように電流検出電圧Ｖｓｅにより、ＩＧＢＴ１１とフリーホイールダイオード２１のいずれに電流が流れているかの通電方向を判別することができる。 When current flows through the IGBT 11, current flows from the current sensor output terminal of the IGBT 11 to the current detection resistor 50, and the current detection voltage Vse becomes higher than the third threshold value Vref3. Therefore, the output of the second comparator 43 is Becomes high level (Hi). Further, when a current flows through the free wheel diode 21, no current flows from the current sensor output terminal of the IGBT 11 to the current detection resistor 50. Therefore, the current detection voltage Vse becomes lower than the third threshold value Vref3, and the second The output of the comparator 43 becomes low level (Lo). In this way, it is possible to determine the energization direction of the current flowing through either the IGBT 11 or the free wheel diode 21 based on the current detection voltage Vse.

そして、ＩＧＢＴ１１に電流が流れているときには、第２の比較器４３の出力がハイレベルになるため、閾値切替回路４４は第１の閾値Ｖｒｅｆ１を選択し、第１の比較器４２の閾値Ｖｒｅｆ０を第１の閾値Ｖｒｅｆ１に設定する。また、フリーホイールダイオード２１に電流が流れているときには、第２の比較器４３の出力がローレベルになるため、閾値切替回路４４は第２の閾値Ｖｒｅｆ２を選択し、第１の比較器４２の閾値Ｖｒｅｆ０を第２の閾値Ｖｒｅｆ２に設定する。 When the current flows through the IGBT 11, the output of the second comparator 43 is at a high level. Therefore, the threshold switching circuit 44 selects the first threshold Vref 1 and sets the threshold Vref 0 of the first comparator 42. The first threshold value Vref1 is set. When the current flows through the freewheeling diode 21, the output of the second comparator 43 is at a low level. Therefore, the threshold switching circuit 44 selects the second threshold Vref 2, and the first comparator 42 The threshold value Vref0 is set to the second threshold value Vref2.

したがって、ＩＧＢＴ１１に電流が流れているときには、検出温度電圧Ｖｔｅｍｐが第１の比較器４２において第１の閾値Ｖｒｅｆ１と比較され、フリーホイールダイオード２１に電流が流れているときには、検出温度電圧Ｖｔｅｍｐが第１の比較器４２において第２の閾値Ｖｒｅｆ２と比較される。 Therefore, when current flows through the IGBT 11, the detected temperature voltage Vtemp is compared with the first threshold value Vref1 in the first comparator 42, and when current flows through the freewheel diode 21, the detected temperature voltage Vtemp is The first comparator 42 compares with the second threshold value Vref2.

ここで、検出温度電圧Ｖｔｅｍｐは、検出温度が高くなると、低くなる。したがって、ＩＧＢＴ１１に電流が流れている状態で検出温度電圧Ｖｔｅｍｐが第１の閾値Ｖｒｅｆ１より低くなると、第１の比較器４２は過熱判定を行い、またフリーホイールダイオード２１に電流が流れている状態で検出温度電圧Ｖｔｅｍｐが第２の閾値Ｖｒｅｆ２より低くなると、第１の比較器４２は過熱判定を行う。図３は、ＩＧＢＴ１１に電流が流れている状態で検出温度電圧Ｖｔｅｍｐが第１の閾値Ｖｒｅｆ１より高くなっているため、第１の比較器４２は過熱判定を行わないが、フリーホイールダイオード２１に電流が流れている状態で検出温度電圧Ｖｔｅｍｐが第２の閾値Ｖｒｅｆ２より低くなったため、第１の比較器４２が過熱判定を行うことを示している。 Here, the detected temperature voltage Vtemp decreases as the detected temperature increases. Therefore, when the detected temperature voltage Vtemp becomes lower than the first threshold value Vref1 in a state where current flows through the IGBT 11, the first comparator 42 performs overheat determination, and also in a state where current flows through the freewheel diode 21. When the detected temperature voltage Vtemp becomes lower than the second threshold value Vref2, the first comparator 42 performs overheat determination. FIG. 3 shows that the detected temperature voltage Vtemp is higher than the first threshold value Vref1 in a state where current flows through the IGBT 11, and therefore the first comparator 42 does not perform overheat determination, Since the detected temperature voltage Vtemp is lower than the second threshold value Vref2 in the state where the current flows, the first comparator 42 performs the overheat determination.

なお、上記した図２に示す構成において、第１、第２のダイオード１２、２２の特性がばらついて、例えばオフセット的にずれたり、温度特性が異なっている場合、単にそれらを並列接続すると、電圧が低い側のダイオードに検出電圧が固定されて、ＩＧＢＴとフリーホイールダイオードの両者の温度を検出できなくなる虞がある。このことに対処するためには、図４のように構成すればよい。 In the configuration shown in FIG. 2 described above, when the characteristics of the first and second diodes 12 and 22 vary, for example, when they are offset or are different in temperature characteristics, if they are simply connected in parallel, the voltage The detection voltage is fixed to the low-side diode, and the temperatures of both the IGBT and the freewheel diode may not be detected. In order to cope with this, the configuration shown in FIG.

すなわち、図４に示すように、定電流源４１ａから第１のダイオード１２に定電流を流し、定電流源４１ｂから第２のダイオード２２に定電流を流し、第１、第２のダイオード１２、２２の検出温度電圧のいずれか一方を選択回路４５で選択する。選択回路４５は、第２の比較器４３の出力により第２の比較器４３の出力がハイレベルのとき（すなわち閾値切替回路４４が第１の閾値Ｖｒｅｆ１を選択するとき）、第１のダイオード１２の検出温度電圧を選択し、第２の比較器４３の出力がローレベルのとき（すなわち閾値切替回路４４が第２の閾値Ｖｒｅｆ２を選択するとき）、第２のダイオード２２の検出温度電圧を選択する。このことにより、図２に示す構成のものと同様、ＩＧＢＴ１１に電流が流れているときには、第１のダイオード１２の検出温度電圧が第１の比較器４２において第１の閾値Ｖｒｅｆ１と比較され、フリーホイールダイオード２１に電流が流れているときには、第２のダイオード２２の検出温度電圧が第１の比較器４２において第２の閾値Ｖｒｅｆ２と比較される。 That is, as shown in FIG. 4, a constant current is supplied from the constant current source 41a to the first diode 12, a constant current is supplied from the constant current source 41b to the second diode 22, and the first and second diodes 12, One of the 22 detected temperature voltages is selected by the selection circuit 45. When the output of the second comparator 43 is at a high level by the output of the second comparator 43 (that is, when the threshold switching circuit 44 selects the first threshold Vref1), the selection circuit 45 selects the first diode 12. When the output of the second comparator 43 is at a low level (that is, when the threshold switching circuit 44 selects the second threshold Vref2), the detection temperature voltage of the second diode 22 is selected. To do. As a result, as in the configuration shown in FIG. 2, when a current flows through the IGBT 11, the detected temperature voltage of the first diode 12 is compared with the first threshold value Vref 1 in the first comparator 42. When a current flows through the wheel diode 21, the detected temperature voltage of the second diode 22 is compared with the second threshold value Vref2 in the first comparator.

図５に、上記したフリーホイールダイオード２１を構成する半導体回路の模式的な構成を示す。（ａ）は、平面構成を示し、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ断面構成を示す。但し、（ａ）の平面構成においては、（ｂ）に示す保護膜２１３を形成していない状態となっている。 FIG. 5 shows a schematic configuration of a semiconductor circuit constituting the above-described free wheel diode 21. (A) shows a plane structure, (b) shows the AA cross-section structure in (a). However, in the planar configuration of (a), the protective film 213 shown in (b) is not formed.

この半導体回路は、ｎ^-型の半導体基板２０１にフリーホイールダイオード２１を形成するためのｐ層２０２が形成され、その表面に主電極２０３が形成されるとともに半導体基板２０１の裏面に他方の電極２０４が形成された構成となっている。また、半導体基板２０１の表面の所定領域に酸化膜２０５を介してポリシリコンによるダイオード（第２のダイオード２２）２０６およびそれに通電するための第１、第２の配線２０７、２０８と電極パッド２０９、２１０が形成されている。このような構成により、ダイオード２０６は、主電極２０３を介して流れる主電流の通電部と分離される。また、フリーホイールダイオード２１の素子形成領域の周囲にはガードリング２１１が形成され、さらにその外周には外周部の電位を固定するためのｎ⁺層２１２が形成されており、このガードリング２１１上およびダイオード２０６と第１、第２の配線２０７、２０８上に保護膜２１３が形成されている。このような構成において、電極パッド２０９、２１０にワイヤボンドなどで結線することにより、外部にフリーホイールダイオード２１の温度に応じた信号を取り出すことができる。なお、電極パッド２０９、２１０は、素子内のどこにあっても良いが、素子の端や角部が望ましい。また、第１、第２の配線２０７、２０８は、出来る限り近接並行配置が望ましい。 In this semiconductor circuit, a p-layer 202 for forming the freewheel diode 21 is formed on an n ⁻ type semiconductor substrate 201, a main electrode 203 is formed on the surface thereof, and the other electrode 204 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 201. Is formed. Further, a diode made of polysilicon (second diode 22) 206 and first and second wirings 207 and 208 for energizing it through an oxide film 205 in a predetermined region on the surface of the semiconductor substrate 201, and an electrode pad 209, 210 is formed. With such a configuration, the diode 206 is separated from the energizing portion of the main current flowing through the main electrode 203. A guard ring 211 is formed around the element formation region of the freewheel diode 21, and an n ⁺ layer 212 for fixing the outer peripheral potential is formed on the outer periphery of the guard ring 211. A protective film 213 is formed on the diode 206 and the first and second wirings 207 and 208. In such a configuration, a signal corresponding to the temperature of the freewheel diode 21 can be taken out by connecting the electrode pads 209 and 210 with wire bonds or the like. The electrode pads 209 and 210 may be located anywhere in the element, but the ends and corners of the element are desirable. Further, it is desirable that the first and second wirings 207 and 208 be arranged in parallel as close as possible.

図６に、図５に示す半導体回路の製造方法を示す。まず、ｎ^-型の半導体基板２０１を用意し（図６（ａ））、それにフリーホイールダイオード２１およびガードリング２１１を形成するためにｐ層の拡散を行い（図６（ｂ））、続いてｎ⁺層層２１２を外周部に形成する（図６（ｃ））。次に、半導体基板２０１の表面に酸化膜２０５を形成してパターニングし、半導体基板２０１の中央部の酸化膜２０５上にｐ型、ｎ型のポリシリコンを形成してダイオード２０６を構成する（図６（ｄ））。この後、半導体基板２０１の表面に電極（主電極２０３、第１、第２の配線２０７、２０８、ガードリングの電極など）を形成する（図６（ｅ））。さらに、ガードリング２１１上およびダイオード２０６と第１、第２の配線２０７、２０８上に保護膜２１３を形成し、裏面に電極２０４を形成する（図６（ｆ））。 FIG. 6 shows a method for manufacturing the semiconductor circuit shown in FIG. First, an n ⁻ -type semiconductor substrate 201 is prepared (FIG. 6A), and a p-layer is diffused to form the freewheel diode 21 and the guard ring 211 (FIG. 6B), and then An n ⁺ layer 212 is formed on the outer periphery (FIG. 6C). Next, an oxide film 205 is formed on the surface of the semiconductor substrate 201 and patterned, and p-type and n-type polysilicon are formed on the oxide film 205 at the center of the semiconductor substrate 201 to form the diode 206 (FIG. 6 (d)). Thereafter, electrodes (main electrode 203, first and second wirings 207 and 208, guard ring electrodes, and the like) are formed on the surface of the semiconductor substrate 201 (FIG. 6E). Further, a protective film 213 is formed on the guard ring 211 and on the diode 206 and the first and second wirings 207 and 208, and the electrode 204 is formed on the back surface (FIG. 6 (f)).

このような製造方法を用いれば、フリーホイールダイオード２１を製造する従来の製造方法に対し、ポリシリコンによるダイオード２０６およびそれに通電するための第１、第２の配線２０７、２０８を形成するのみで、図５に示す半導体回路２０を製造することができる。
（第２実施形態）
上記した第１実施形態では、半導体基板２０１の表面に酸化膜２０５を介してポリシリコンによるダイオード２０６およびそれに通電するための第１、第２の配線２０７、２０８を形成するものを示したが、図７に示すように、半導体基板２０１の表層部にｐ型の分離島２１４を形成し、この分離島２１４にｎ型拡散層２０６ａ、ｐ型拡散層２０６ｂを形成してダイオード２０６を構成するようにしてもよい。なお、ダイオード２０６に通電するための第１、第２の配線２０７、２０８および電極パッド２０９、２１０は、図７には図示してないが、第１実施形態と同様、半導体基板２０１の表面に形成された酸化膜２０５上に形成されている。 If such a manufacturing method is used, it is only necessary to form the diode 206 made of polysilicon and the first and second wirings 207 and 208 for supplying electricity to the conventional manufacturing method for manufacturing the freewheel diode 21. The semiconductor circuit 20 shown in FIG. 5 can be manufactured.
(Second Embodiment)
In the first embodiment described above, the semiconductor substrate 201 is formed with the polysilicon diode 206 and the first and second wirings 207 and 208 for energizing the diode 206 through the oxide film 205. As shown in FIG. 7, a p-type isolation island 214 is formed on the surface layer portion of the semiconductor substrate 201, and an n-type diffusion layer 206a and a p-type diffusion layer 206b are formed on the isolation island 214 to constitute the diode 206. It may be. Although the first and second wirings 207 and 208 and the electrode pads 209 and 210 for energizing the diode 206 are not shown in FIG. 7, they are formed on the surface of the semiconductor substrate 201 as in the first embodiment. It is formed on the formed oxide film 205.

ここで、図７に示すように、分離島２１４には主電極２０３の一部が接しているため、分離島２１４は主電極２０３の電位、すなわちパワー部における基準電位（例えばＧＮＤ電位）に固定される。また、第１、第２の配線２０７、２０８のうち電位が高い方の配線（ダイオード２０６を構成するｐ型拡散層２０６ｂに接続された配線２０８）の電位により、ダイオード２０６は分離島２１４と逆バイアスされる。したがって、ダイオード２０６（第２のダイオード２２）は、フリーホイールダイオード２１を流れる主電流から分離される。 Here, as shown in FIG. 7, since a part of the main electrode 203 is in contact with the isolation island 214, the isolation island 214 is fixed to the potential of the main electrode 203, that is, the reference potential (eg, GND potential) in the power portion. Is done. Also, the diode 206 is opposite to the isolation island 214 due to the potential of the higher one of the first and second wirings 207 and 208 (the wiring 208 connected to the p-type diffusion layer 206b constituting the diode 206). Biased. Therefore, the diode 206 (second diode 22) is isolated from the main current flowing through the freewheeling diode 21.

このように第２のダイオード２２を分離島２１４と確実に逆バイアスするためには、図２に示す定電流源４１を第１、第２のダイオード１２、２２のアノード側ではなく、カソード側に設け、第２のダイオード２２のアノード（図７のｐ型拡散層）の電位を電源電位に固定するのが好ましい。すなわち、図８に示すように構成するのが好ましい。
（第３実施形態）
上記した第２実施形態では、第２の温度検出素子を拡散ダイオード２０６で構成するものを示したが、図９に示すように拡散抵抗２１５で構成するようにしてもよい。この図９に示す構成は、図７に示すｎ型拡散層２０６ａ、ｐ型拡散層２０６ｂの替わりに拡散抵抗２１５を形成したものであって、その他の構成は図７に示すものと同じである。 In order to reliably reverse-bias the second diode 22 with the isolation island 214 in this way, the constant current source 41 shown in FIG. 2 is not on the anode side of the first and second diodes 12 and 22 but on the cathode side. It is preferable to fix the potential of the anode (p-type diffusion layer in FIG. 7) of the second diode 22 to the power supply potential. That is, it is preferable to configure as shown in FIG.
(Third embodiment)
In the second embodiment described above, the second temperature detection element is configured by the diffusion diode 206, but may be configured by the diffusion resistance 215 as shown in FIG. The configuration shown in FIG. 9 is obtained by forming a diffusion resistor 215 instead of the n-type diffusion layer 206a and the p-type diffusion layer 206b shown in FIG. 7, and the other configuration is the same as that shown in FIG. .

この実施形態においても、分離島２１４には主電極２０３の一部が接しているため、分離島２１４は基準電位（例えばＧＮＤ電位）に固定され、拡散抵抗２１５に接続された第１、第２の配線２０７、２０８のうち電位が高い方の配線の電位により、拡散抵抗２１５は分離島２１４と逆バイアスされる。したがって、拡散抵抗２１５は、フリーホイールダイオード２１を流れる主電流から分離される。 Also in this embodiment, since a part of the main electrode 203 is in contact with the isolation island 214, the isolation island 214 is fixed to a reference potential (for example, GND potential), and is connected to the diffused resistor 215. The diffused resistor 215 is reverse-biased with the isolation island 214 by the potential of the higher wiring of the wirings 207 and 208. Accordingly, the diffused resistor 215 is separated from the main current flowing through the free wheel diode 21.

なお、この実施形態のように、第２の温度検出素子を拡散抵抗２１５で構成した場合には、ＩＧＢＴ１１の温度を検出するダイオード１２と温度特性が異なるため、それと並列接続した構成とすることはできない。したがって、この実施形態では、図４の構成においてダイオード２２を拡散抵抗２１５に置き換え、ＩＧＢＴ１１の温度を検出するダイオード１２による検出温度電圧を第１の閾値と比較し、フリーホイールダイオード２１の温度を検出する拡散抵抗２１５による検出温度電圧を第２の閾値と比較し、そのいずれかにおいて過熱判定をすると、それを示す信号を駆動回路３０に出力する構成となる。
（その他の実施形態）
なお、上記した第１、第２実施形態において、パワー部を流れる電流ＩｃをＩＧＢＴ１１の電流センサ出力端子に接続された電流検出用抵抗５０によって検出するものを示したが、それ以外の部位からパワー部を流れる電流Ｉｃを検出するようにしてもよい。 As in this embodiment, when the second temperature detection element is configured by the diffused resistor 215, the temperature characteristic is different from that of the diode 12 that detects the temperature of the IGBT 11, so that a configuration in which the second temperature detection element is connected in parallel with the diode 12 is not possible. Can not. Therefore, in this embodiment, the diode 22 is replaced with the diffusion resistor 215 in the configuration of FIG. 4, the temperature detected by the diode 12 that detects the temperature of the IGBT 11 is compared with the first threshold value, and the temperature of the freewheel diode 21 is detected. The detected temperature voltage by the diffusion resistor 215 is compared with the second threshold value, and if any one of them is overheated, a signal indicating that is output to the drive circuit 30.
(Other embodiments)
In the first and second embodiments described above, the current Ic flowing through the power unit is detected by the current detection resistor 50 connected to the current sensor output terminal of the IGBT 11, but the power is supplied from other parts. The current Ic flowing through the part may be detected.

また、第１、第２の実施形態では、温度検出回路４０において、第２の比較器４３と閾値切替回路４４により、ＩＧＢＴ１１に電流が流れていることを判別したときには第１の閾値Ｖｒｅｆ１を設定し、フリーホイールダイオード２１に電流が流れていることを判別したときには第２の閾値Ｖｒｅｆ２を設定する閾値設定手段を構成し、また第１の比較器３２にて、並列接続された第１、第２のダイオード１２、２２の検出温度電圧Ｖｔｅｍｐを第１、第２の閾値Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２のいずれか一方と比較して過熱判定を行う判定手段を構成し、また図４に示す選択回路４５にて選択手段を構成するものを示したが、それらの構成は、図２に示すようなものに限らず、他の回路構成のものであってもよい。 In the first and second embodiments, in the temperature detection circuit 40, when it is determined by the second comparator 43 and the threshold switching circuit 44 that a current is flowing through the IGBT 11, the first threshold Vref1 is set. When it is determined that a current is flowing through the freewheeling diode 21, a threshold setting unit that sets the second threshold Vref 2 is configured, and the first comparator 32 connects the first and first connected in parallel. The detection temperature voltage Vtemp of the two diodes 12 and 22 is compared with one of the first and second threshold values Vref1 and Vref2, and a determination means for performing overheat determination is configured, and the selection circuit 45 shown in FIG. Although the constituents of the selecting means are shown, those constituents are not limited to those shown in FIG. 2 and may be of other circuit configurations.

また、上記した実施形態では、半導体パワー素子としてＩＧＢＴ１１を用いるものを示したが、ＭＯＳＦＥＴなどの素子であってもよい。また、本発明は、図１０の昇降圧コンバータを構成するパワー部に適用されるものに限らず、図１０の３相のインバータを構成するパワー部に適用してもよく、またその他の回路におけるパワー部に適用してもよい。 In the above-described embodiment, the IGBT 11 is used as the semiconductor power element. However, an element such as a MOSFET may be used. Further, the present invention is not limited to the power unit constituting the buck-boost converter of FIG. 10, but may be applied to the power unit constituting the three-phase inverter of FIG. You may apply to a power part.

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 図１中の温度検出回路４０の具体的な構成を示す図である。It is a figure which shows the specific structure of the temperature detection circuit 40 in FIG. 図３に示す温度検出回路４０の作動説明に供するタイミングチャートである。It is a timing chart with which it uses for operation | movement description of the temperature detection circuit 40 shown in FIG. 温度検出回路４０の他の具体的な構成を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing another specific configuration of the temperature detection circuit 40. 図１、２に示すフリーホイールダイオード２１を構成する半導体回路の模式的な構成を示す図である。It is a figure which shows the typical structure of the semiconductor circuit which comprises the freewheel diode 21 shown in FIG. 図５に示す半導体回路の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor circuit shown in FIG. 本発明の第２実施形態におけるフリーホイールダイオード２１を構成する半導体回路の模式的な構成を示す図である。It is a figure which shows the typical structure of the semiconductor circuit which comprises the freewheel diode 21 in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態における温度検出回路４０の具体的な構成を示す図である。It is a figure which shows the specific structure of the temperature detection circuit 40 in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３実施形態におけるフリーホイールダイオード２１を構成する半導体回路の模式的な構成を示す図である。It is a figure which shows the typical structure of the semiconductor circuit which comprises the freewheel diode 21 in 3rd Embodiment of this invention. 従来の電気自動車のモータを駆動する装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the apparatus which drives the motor of the conventional electric vehicle.

符号の説明Explanation of symbols

１１…ＩＧＢＴ、１２…第１のダイオード、２１…フリーホイールダイオード、２２…第２のダイオード、３０…駆動回路、４０…温度検出回路、４１…定電流源、４２…第１の比較器、４３…第２の比較器、４４…閾値切替回路、５０…電流検出用抵抗。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... IGBT, 12 ... 1st diode, 21 ... Freewheel diode, 22 ... 2nd diode, 30 ... Drive circuit, 40 ... Temperature detection circuit, 41 ... Constant current source, 42 ... 1st comparator, 43 ... second comparator, 44 ... threshold switching circuit, 50 ... current detection resistor.

Claims

半導体パワー素子と、この半導体パワー素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオードとからなるパワー部と、
前記半導体パワー素子の温度を検出する第１の温度検出素子と、
前記第１の温度検出素子によって検出された温度が第１の閾値を超えたときに過熱判定を行う温度検出回路と、を備えた半導体装置において、
前記フリーホイールダイオードの温度を検出する第２の温度検出素子を備え、
前記温度検出回路は、前記第２の温度検出素子によって検出された温度が前記第１の閾値と異なる第２の閾値を超えたときにも過熱判定を行う半導体装置であって、
前記パワー部に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記第１、第２の温度検出素子は、第１、第２のダイオードであって、並列接続され、この並列された前記第１、第２のダイオードの検出温度電圧が前記温度検出回路に入力されるようになっており、
前記温度検出回路は、前記電流検出手段にて検出されたパワー部に流れる電流により、前記半導体パワー素子に電流が流れていることを判別したときには前記第１の閾値を設定し、前記フリーホイールダイオードに電流が流れていることを判別したときには前記第２の閾値を設定する閾値設定手段と、前記並列接続された第１、第２のダイオードの検出温度電圧を前記閾値設定手段にて設定された前記第１、第２の閾値のいずれか一方と比較して前記過熱判定を行う判定手段とを有することを特徴とする半導体装置。 A power unit composed of a semiconductor power element and a freewheel diode connected in reverse parallel to the semiconductor power element;
A first temperature detecting element for detecting a temperature of the semiconductor power element;
In a semiconductor device comprising: a temperature detection circuit that performs overheat determination when a temperature detected by the first temperature detection element exceeds a first threshold value;
A second temperature detecting element for detecting the temperature of the freewheeling diode;
The temperature detection circuit is a semiconductor device that performs overheat determination even when a temperature detected by the second temperature detection element exceeds a second threshold different from the first threshold,
A current detecting means for detecting a current flowing through the power unit;
The first and second temperature detecting elements are first and second diodes connected in parallel, and the detected temperature voltages of the paralleled first and second diodes are input to the temperature detecting circuit. Is supposed to be
The temperature detection circuit sets the first threshold when determining that a current is flowing in the semiconductor power element based on a current flowing in the power unit detected by the current detection means, and the free wheel diode And the threshold temperature setting means for setting the second threshold value, and the detected temperature voltages of the first and second diodes connected in parallel are set by the threshold value setting means. the first, semiconductor device you; and a determination means for performing the overheat determination as compared to either the second threshold value.

半導体パワー素子と、この半導体パワー素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオードとからなるパワー部と、
前記半導体パワー素子の温度を検出する第１の温度検出素子と、
前記第１の温度検出素子によって検出された温度が第１の閾値を超えたときに過熱判定を行う温度検出回路と、を備えた半導体装置において、
前記フリーホイールダイオードの温度を検出する第２の温度検出素子を備え、
前記温度検出回路は、前記第２の温度検出素子によって検出された温度が前記第１の閾値と異なる第２の閾値を超えたときにも過熱判定を行う半導体装置であって、
前記パワー部に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記第１、第２の温度検出素子は、第１、第２のダイオードであって、前記第１、第２のダイオードの検出温度電圧が前記温度検出回路に入力されるようになっており、
前記温度検出回路は、前記電流検出手段にて検出されたパワー部に流れる電流により、前記半導体パワー素子に電流が流れていることを判別したときには前記第１の閾値を設定し、前記フリーホイールダイオードに電流が流れていることを判別したときには前記第２の閾値を設定する閾値設定手段と、前記閾値設定手段が前記第１の閾値を設定しているときに前記第１のダイオードの検出電圧を選択し、前記閾値設定手段が前記第２の閾値を設定しているときに前記第２のダイオードの検出電圧を選択する選択手段と、前記選択手段にて選択された前記第１、第２のダイオードの検出電圧のいずれか一方を前記閾値設定手段にて設定された前記第１、第２の閾値のいずれか一方と比較して前記過熱判定を行う判定手段とを有することを特徴とする半導体装置。 A power unit composed of a semiconductor power element and a freewheel diode connected in reverse parallel to the semiconductor power element;
A first temperature detecting element for detecting a temperature of the semiconductor power element;
In a semiconductor device comprising: a temperature detection circuit that performs overheat determination when a temperature detected by the first temperature detection element exceeds a first threshold;
A second temperature detecting element for detecting the temperature of the freewheeling diode;
The temperature detection circuit is a semiconductor device that performs overheat determination even when a temperature detected by the second temperature detection element exceeds a second threshold different from the first threshold,
A current detecting means for detecting a current flowing through the power unit;
The first and second temperature detection elements are first and second diodes, and the detection temperature voltage of the first and second diodes is input to the temperature detection circuit,
The temperature detection circuit sets the first threshold when determining that a current is flowing in the semiconductor power element based on a current flowing in the power unit detected by the current detection means, and the free wheel diode A threshold value setting means for setting the second threshold value when it is determined that a current is flowing through the first threshold voltage, and a detection voltage of the first diode when the threshold value setting means is setting the first threshold value. A selection unit that selects a detection voltage of the second diode when the threshold setting unit sets the second threshold; and the first and second selected by the selection unit And determining means for performing the overheat determination by comparing any one of the detection voltages of the diodes with any one of the first and second threshold values set by the threshold setting means. That the semiconductor device.

前記フリーホイールダイオードと前記第２のダイオードは、同一ＩＣチップに形成され、前記第２のダイオードは、前記フリーホイールダイオードの素子形成領域と分離された分離島に形成された拡散ダイオードであり、前記拡散ダイオードの接続配線の電位により前記拡散ダイオードが前記分離島と逆バイアスされていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。 The free wheel diode and the second diode are formed on the same IC chip, and the second diode is a diffusion diode formed on an isolated island separated from an element formation region of the free wheel diode, the semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the diffusion diode by the potential of the connecting wires of the diffusion diode is characterized in that it is the isolation island and reverse bias.