JP5293083B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、過熱保護回路を備えた半導体装置に関する。

パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子を過熱状態から保護する過熱保護回路が用いられている。特許文献１に記載された過熱保護装置は、スイッチングモジュ−ルの温度を検出し、スイッチングモジュ−ルに内蔵されたスイッチング素子の負荷への通電電流値に対応した温度変化速度を算出し、これら検出温度と温度変化速度の算出値とに基づいてスイッチングモジュ−ルの内部温度を推定している。そして、推定値に基づいてスイッチング素子の電流制御に用いる目標電流値を補正する。また、特許文献２に記載されたインバータ装置は、インバータ回路のスイッチング素子の温度に応じた温度信号とモータ電流に応じた電流信号とに基づいてスイッチング素子の通電を制限している。
特開平１０−３３７０８４号公報 特開平１１−３４１８８４号公報

図６は、過熱検出回路の従来構成を示している。ＩＣ１には、ＭＯＳＦＥＴ２と、その近傍に位置して温度検出用のダイオード３が形成されている。定電流回路４はダイオード３に一定の電流を流し、抵抗５、６は一対の電圧線７、８の間の基準電圧Ｖｃを分圧してしきい値電圧Ｖthを生成している。コンパレータ９は、ダイオード３の順方向電圧Ｖｆとしきい値電圧Ｖthとを比較して過熱検出信号を出力する。ＭＯＳＦＥＴ２に対するオンオフ指令信号は、ＡＮＤゲート１０において過熱検出信号でゲートされた後ＭＯＳＦＥＴ２のゲートに与えられる。

被保護素子であるＭＯＳＦＥＴ２のサイズが大きい場合、ＭＯＳＦＥＴ２に隣接してダイオード３を配置しても、ＭＯＳＦＥＴ２の各部で発生した熱がチップを伝搬してダイオード３に達するまでに時間を要する。そのため、例えば負荷ＲＬが短絡して大電流が流れＭＯＳＦＥＴ２の温度が急激に上昇しても、熱の伝搬遅れ時間を経過した後でなければＭＯＳＦＥＴ２のゲートを遮断することができない。

特に、電源電圧ＶＢが高い場合またはＩＣ１の周囲環境温度が高い場合には、ＭＯＳＦＥＴ２が過熱状態になってから熱破壊に至るまでの時間が一層短くなり、熱破壊に対する余裕度が低下する。さらに、ＩＣ１の発熱をプリント基板やケースに逃す高放熱パッケージを採用すると、ＭＯＳＦＥＴ２からダイオード３への熱の伝搬がさらに遅れる。これに対し、単純にしきい値電圧Ｖthを一定値だけ高めると、動作条件によっては逆に熱破壊に対して余裕を確保し過ぎることになり、過熱検知による負荷の停止が増加して運転率を低下させることになる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、被保護トランジスタについて不必要な過熱検知を抑えつつ当該被保護トランジスタを熱破壊から確実に保護できる過熱保護回路を備えた半導体装置を提供することにある。

請求項１に記載した半導体装置は、被保護トランジスタの近傍に温度検出回路を配置している。比較回路は、当該配置位置の温度に応じたレベルを持つ温度検出信号と、保護制御の開始温度に対応したレベルを持つしきい値信号とを比較し、温度検出信号がしきい値信号を超えたときに過熱検出信号を出力する。保護制御回路は、この過熱検出信号に応じて被保護トランジスタの保護制御を実行する。

本半導体装置は、被保護トランジスタが熱破壊を起こしやすい状態になるほどしきい値信号のレベル（つまり保護制御の開始温度）を低温側に補正するしきい値補正回路を少なくとも１種類備えている。第２のしきい値補正回路は、被保護トランジスタに対して電流を供給する電源の電圧が高くなるほどしきい値信号のレベルを低温側に補正する。第３のしきい値補正回路は、周囲環境温度が高くなるほどしきい値信号のレベルを低温側に補正する。

第２および第３のしきい値補正回路の何れか１つを備えると、電源電圧が低い場合または周囲環境温度が低い場合など、被保護トランジスタについて過熱状態の発生から熱破壊に至るまでに比較的長い時間を確保できる場合（熱破壊余裕度が大きい場合）には、しきい値信号のレベルを比較的高温側に保つことで、被保護トランジスタが不必要に過熱保護状態となることを防止できる。逆に、過熱状態の発生から熱破壊に至るまでに比較的短い時間しか確保できない場合（熱破壊余裕度が小さい場合）には、しきい値信号のレベルをより低温側に補正して、検出温度が上昇し始めた早い時点で被保護トランジスタの保護制御を開始し、被保護トランジスタを熱破壊から確実に保護する。

請求項２に記載した手段によれば、温度検出回路は、ダイオードの順方向電圧を出力するように構成され、しきい値生成回路は、定電圧を分圧してしきい値電圧を出力する。そして、しきい値補正回路は、しきい値生成回路の分圧点を通して分圧用抵抗に電流を流すことによりしきい値電圧のレベルを補正する。

請求項３に記載した手段によれば、第１のしきい値補正回路は、被保護トランジスタに流れる電流が大きくなるほどしきい値信号のレベルを低温側に補正する。第１のしきい値補正回路の電流検出回路は、被保護トランジスタと制御端子同士が接続されたセンス用トランジスタにより構成されている。被保護トランジスタに流れる電流が大きくなると、しきい値生成回路の分圧点に出力される電流も増加してしきい値電圧のレベルが補正される。

請求項４に記載した第２のしきい値補正回路によれば、被保護トランジスタに対し電流を供給する電源電圧が高くなると、高電位側電源線から抵抗を介して第１のカレントミラー回路に流れる電流が増加し、それに伴い第２のカレントミラー回路からしきい値生成回路の分圧点に出力する電流も増加してしきい値電圧のレベルが補正される。

請求項５に記載した第３のしきい値補正回路によれば、半導体装置の周囲環境温度が上昇すると、第３のカレントミラー回路の入力側トランジスタのベース・エミッタ間電圧が低下するので第３のカレントミラー回路に流れる電流が増加し、それに伴い第４のカレントミラー回路からしきい値生成回路の分圧点に出力する電流も増加してしきい値電圧のレベルが補正される。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図４を参照しながら説明する。
図１は、ＩＣ（半導体装置）として形成された過熱検出回路の構成を示しており、図６と同一部分には同一符号を付している。車両の電子制御ユニットに搭載されるＩＣ１１は、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴ２（被保護トランジスタ）を内蔵しており、ＩＣ１１の端子１２と車載バッテリ（図示せず）との間に接続された負荷ＲＬ（図中、抵抗の記号で示す）を駆動するようになっている。ＩＣ１１は、端子１２の他にも電源端子をはじめ種々の端子を備えているが、図１では省略している。

ＩＣ１１の部分的な素子配置図である図２に示されるように、ＭＯＳＦＥＴ２に隣接して温度検出回路としてのダイオード３が形成されている。ダイオード３は、定電流回路４により定電流駆動され、当該配置位置の温度に応じた電圧レベルを持つ温度検出信号を出力する。周知のように、ダイオード３の順方向電圧Ｖｆは−２ｍＶ／℃の負の温度係数を持っている。一対の電圧線７、８には、バンドギャップ回路（図示せず）から温度変動率の極めて小さい高精度の基準電圧Ｖｃが供給されている。

しきい値生成回路１３は、分圧用抵抗５、６により基準電圧Ｖｃを分圧してしきい値電圧Ｖthを生成する。比較回路であるコンパレータ９は、ダイオード３の順方向電圧Ｖｆ（温度検出信号）としきい値電圧Ｖth（しきい値信号）とを比較して過熱検出信号を出力する。ＭＯＳＦＥＴ２に対するオンオフ指令信号と過熱検出信号はＡＮＤゲート１０に入力され、その出力信号がＭＯＳＦＥＴ２のゲート（制御端子）に与えられる。ここでの保護制御は、ＭＯＳＦＥＴ２に対するゲート遮断制御である。

さらに、ＩＣ１１は、第１、第２、第３のしきい値補正回路１４、１５、１６を備えている。第１のしきい値補正回路１４は、ＭＯＳＦＥＴ２に流れる電流ＩＬが大きくなるほどしきい値生成回路１３が出力するしきい値電圧Ｖthを高め、しきい値信号のレベルを低温側に補正するようになっている。具体的には、ＭＯＳＦＥＴ２とゲート同士、ドレイン同士が接続されたセンスＭＯＳＦＥＴ１７を備えている。ＭＯＳＦＥＴ１７のソースは、逆流防止用のダイオード１８を介してしきい値生成回路１３の分圧ノード１９（分圧点）に接続されている。

第２のしきい値補正回路１５は、ＭＯＳＦＥＴ２に対して電流を流し出す車載バッテリの電源電圧ＶＢが高くなるほど、しきい値生成回路１３が出力するしきい値電圧Ｖthを高め、しきい値信号のレベルを低温側に補正するようになっている。この第２のしきい値補正回路１５は、第１、第２のカレントミラー回路２０、２１、抵抗２２およびダイオード２３から構成されている。

第１のカレントミラー回路２０を構成するトランジスタ２４、２５は、電源電圧ＶＢを有する一対の電源線２６、８のうち低電位側の電源線８に接地されており、第２のカレントミラー回路２１を構成するトランジスタ２７、２８は、高電位側の電源線２６に接地されている。電源線２６とトランジスタ２４との間には抵抗２２が接続されており、トランジスタ２８のコレクタは、逆流防止用のダイオード２３を介してしきい値生成回路１３の分圧ノード１９に接続されている。

第３のしきい値補正回路１６は、ＩＣ１１の周囲環境温度（雰囲気温度）が高くなるほど、しきい値生成回路１３が出力するしきい値電圧Ｖthを高め、しきい値信号のレベルを低温側に補正するようになっている。この第３のしきい値補正回路１６は、第３、第４のカレントミラー回路２９、３０、抵抗３１およびダイオード３２から構成されている。

第３のカレントミラー回路２９を構成するトランジスタ３３、３４は、基準電圧Ｖｃを有する一対の電圧線７、８のうち低電位側の電圧線８に接地されており、第４のカレントミラー回路３０を構成するトランジスタ３５、３６は、高電位側の電圧線７に接地されている。電圧線７とトランジスタ３３との間には抵抗３１が接続されており、トランジスタ３６のコレクタは、逆流防止用のダイオード３２を介してしきい値生成回路１３の分圧ノード１９に接続されている。

次に、本実施形態の作用および効果について図３および図４も参照しながら説明する。
ダイオード３の配置位置における温度が保護制御の開始温度よりも低い場合、ダイオード３の順方向電圧Ｖｆはしきい値電圧Ｖthよりも高くなる。このとき、コンパレータ９は非過熱状態を示すＨレベルの過熱検出信号を出力し、ＭＯＳＦＥＴ２はオンオフ指令信号に従って通常のオンオフ動作を行う。一方、ダイオード３の配置位置における温度が保護制御の開始温度よりも高い場合、ダイオード３の順方向電圧Ｖｆはしきい値電圧Ｖthよりも低くなる。このとき、コンパレータ９は過熱状態を示すＬレベルの過熱検出信号を出力し、ＭＯＳＦＥＴ２は電流遮断状態になって過熱状態から保護される。

この過熱保護制御に用いられるしきい値電圧Ｖthは、第１、第２、第３のしきい値補正回路１４、１５、１６により補正される。図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれしきい値補正回路１４、１５、１６の単独での補正特性を示している。縦軸の補正値は、しきい値電圧Ｖthの補正分を示している。第１のしきい値補正回路１４では、ＭＯＳＦＥＴ２に流れる電流ＩＬの１／Ｎ倍（Ｎ＞１）の電流がセンスＭＯＳＦＥＴ１７に流れ、その電流が補正電流Ｉ１として分圧ノード１９を介して分圧用抵抗６に流れる。その結果、しきい値電圧Ｖthは、ＭＯＳＦＥＴ２に流れる電流ＩＬに比例して増加する。

第２のしきい値補正回路１５では、電源電圧ＶＢに比例した電流が抵抗２２に流れる。例えば第１、第２のカレントミラー回路２０、２１のミラー比がともに１：１の場合、（ＶＢ−ＶBE）／Ｒ22に等しい補正電流Ｉ２が分圧ノード１９を介して分圧用抵抗６に流れる。その結果、しきい値電圧Ｖthは、電源電圧ＶＢに比例して増加する。

第３のしきい値補正回路１６では、トランジスタ３３のベース・エミッタ間電圧ＶBEが−２ｍＶ／℃の温度特性を持つ。このため、高精度の基準電圧Ｖｃの下では、トランジスタ３３に流れる電流は、トランジスタ３３の温度にほぼ比例して増加し、分圧ノード１９を介して分圧用抵抗６に流れる。トランジスタ３３は、ＭＯＳＦＥＴ２の発熱の影響が小さくなるように、ＭＯＳＦＥＴ２から極力離して配置されている。その結果、トランジスタ３３の温度は、ＩＣ１１の周囲環境温度（ＩＣ１１の雰囲気温度）に近い温度となり、しきい値電圧Ｖthは、ＩＣ１１の周囲環境温度に比例して増加する。

図４は、過熱保護回路の過熱検出特性を示している。横軸はダイオード３の検出に係る温度で、縦軸はしきい値生成回路１３が出力するしきい値電圧Ｖthである。実線ＬＡはダイオード３の順方向電圧Ｖｆの温度特性であり、破線ＬＢはしきい値電圧Ｖthの異なる２つのレベルを示している。上述したように、しきい値電圧Ｖthは、ＭＯＳＦＥＴ２に流れる電流が大きくなるほど、電源電圧ＶＢが高くなるほど、またはＩＣ１１の周囲環境温度（雰囲気温度）が高くなるほど上昇する。こうした状況変化によりしきい値電圧がＶth1からＶth2に変化すると、過熱保護制御の開始温度はＴ１からＴ２に下がり、検出温度がより低い時点から過熱保護制御が開始される。つまり、しきい値補正回路１４、１５、１６を備えることにより、ＭＯＳＦＥＴ２が熱破壊を起こし易い状態になるほど、しきい値電圧Ｖthのレベル（つまり過熱保護制御の開始温度）を低温側に補正し、温度上昇が生じるとその早い時点から過熱保護制御に移行する。

以上説明した本実施形態によれば、ＭＯＳＦＥＴ２に流れる負荷電流ＩＬが小さい場合、電源電圧ＶＢが低い場合または周囲環境温度が低い場合など、ＭＯＳＦＥＴ２の熱的なストレスが小さく、過熱状態の発生から熱破壊に至るまでに比較的長い余裕時間を確保できる場合には、しきい値電圧Ｖthのレベルを比較的高温側に保つことで、ＭＯＳＦＥＴ２が不必要に過熱保護状態となることを防止できる。これにより、負荷ＲＬへの通電を極力維持することができる。逆に、ＭＯＳＦＥＴ２の熱的なストレスが大きく、過熱状態の発生から熱破壊に至るまでに比較的短い余裕時間しか確保できない場合には、しきい値電圧Ｖthのレベルをより低温側に補正して、検出温度が上昇し始めた早い時点でＭＯＳＦＥＴ２の保護制御を開始する。これにより、ＭＯＳＦＥＴ２を熱破壊から確実に保護することができる。

第１、第２、第３のしきい値補正回路１４、１５、１６は、互いに異なる動作状態である負荷電流ＩＬ、電源電圧ＶＢ、周囲環境温度を基礎として補正電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の大きさを決定する。そして、これらの補正電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を加算した合成電流により、しきい値電圧Ｖthのレベルを補正する。従って、種々の要因から広くＭＯＳＦＥＴ２を保護することができる。

ＭＯＳＦＥＴ２のサイズが大きい場合または高放熱パッケージを採用した場合、ＭＯＳＦＥＴ２の各部で発生した熱がチップを伝搬してダイオード３に到達するまでに時間を要する。本実施形態によれば、その時の動作状態に基づく上記余裕時間に応じてしきい値電圧Ｖthのレベルを補正することにより、過熱保護制御への移行タイミングを制御し、以て伝搬遅れによる検出遅れを未然に回避することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る過熱検出回路の構成を示している。図１と同一部分には同一符号を付して示し、以下では異なる部分についてのみ説明する。
ＩＣ４１は、図１に示す第１のしきい値補正回路１４に替えて第１のしきい値補正回路４２を備えている。この第１のしきい値補正回路４２は、ＭＯＳＦＥＴ２に対し直列に設けられた抵抗４３と、この抵抗４３の端子間電圧を増幅する増幅回路４４と、増幅された電圧を電流に変換する電圧−電流変換回路４５とから構成されている。電圧−電流変換回路４５は、ダイオード１８を介してしきい値生成回路１３の分圧ノード１９に電流を出力する。

この第１のしきい値補正回路４２は、抵抗４３の抵抗値、増幅回路４４の増幅率、電圧−電流変換回路４５の変換率に応じて、ＭＯＳＦＥＴ２に流れる電流ＩＬに比例した補正電流Ｉ１を出力する。その結果、しきい値電圧Ｖthは、ＭＯＳＦＥＴ２に流れる電流ＩＬに比例して増加する。本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、第１のしきい値補正回路４２を採用することで、電流ＩＬと補正電流Ｉ１との比例関係をより高精度に保つことができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
第２、第３のしきい値補正回路１５、１６は、何れか１つまたは何れか２つを備える構成としてもよい。何れのしきい値補正回路を具備するかは、当該ＩＣ１１、４１に用いられる電源電圧ＶＢ、負荷電流ＩＬ、温度環境などに基づいて適宜決めればよい。

被保護トランジスタはバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴなどの半導体素子であってもよい。
温度検出回路は、ダイオードの順方向電圧Ｖｆを利用したものに限られず、その他の温度検出素子を用いてもよい。

第２、第３のしきい値補正回路１５、１６は、バイポーラトランジスタに替えてＭＯＳＦＥＴにより構成してもよい。
第１ないし第３のしきい値補正回路は、分圧用抵抗５、６の抵抗値を変化させてしきい値電圧Ｖthのレベルを補正する構成としてもよい。また、第１ないし第３のしきい値補正回路を電圧出力型とし、各出力電圧を加算した上で抵抗を介して分圧ノード１９に印加してもよい。また、しきい値生成回路の構成も抵抗分圧回路に限られない。

過熱検出信号が出力されたときのＭＯＳＦＥＴ２の過熱保護制御は、ゲート遮断に限られず、ゲート電圧の低減制御による電流抑制制御であってもよい。
コンパレータ９に対しヒステリシスを付与してもよい。

本発明の第１の実施形態を示す過熱検出回路の構成図 ＩＣの部分的な素子配置図 ３種類のしきい値補正回路の各補正特性を示す図 過熱保護回路の過熱検出特性を示す図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図 従来技術を示す図１相当図

符号の説明

図面中、２はＭＯＳＦＥＴ（被保護トランジスタ）、３はダイオード（温度検出回路）、５、６は分圧用抵抗、７は電圧線（高電位側電圧線）、８は電圧線、電源線（低電位側電圧線、低電位側電源線）、９はコンパレータ（比較回路）、１０はＡＮＤゲート（保護制御回路）、１１、４１はＩＣ（半導体装置）、１３はしきい値生成回路、１４、４２は第１のしきい値補正回路、１５は第２のしきい値補正回路、１６は第３のしきい値補正回路、１７はセンスＭＯＳＦＥＴ（電流検出回路、センス用トランジスタ）、１９は分圧ノード（分圧点）、２０、２１は第１、第２のカレントミラー回路、２２、３１、４３は抵抗、２４、２７、３３、３５はトランジスタ（入力側トランジスタ）、２５、２８、３４、３６はトランジスタ（出力側トランジスタ）、２６は電源線（高電位側電源線）、２９、３０は第３、第４のカレントミラー回路、４４は増幅回路、４５は電圧−電流変換回路である。

Claims (5)

1. 被保護トランジスタと、この被保護トランジスタの近傍に配置され当該配置位置の温度に応じたレベルを持つ温度検出信号を出力する温度検出回路と、保護制御の開始温度に対応したレベルを持つしきい値信号を出力するしきい値生成回路と、前記温度検出信号が前記しきい値信号を超えたときに過熱検出信号を出力する比較回路と、前記過熱検出信号が出力されると前記被保護トランジスタの保護制御を実行する保護制御回路とを備えた半導体装置において、
   前記被保護トランジスタに対して電流を供給する電源の電圧が高くなるほど前記しきい値生成回路が出力するしきい値信号のレベルを低温側に補正する第２のしきい値補正回路と、周囲環境温度が高くなるほど前記しきい値生成回路が出力するしきい値信号のレベルを低温側に補正する第３のしきい値補正回路のうち少なくとも何れか１つのしきい値補正回路を備えていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記温度検出回路は、ダイオードの順方向電圧を出力するように構成され、
   前記しきい値生成回路は、定電圧を供給する一対の電圧線の間に接続された分圧用抵抗を備え、その分圧点からしきい値電圧を出力するように構成され、
   前記第２および第３のしきい値補正回路は、前記しきい値生成回路の分圧点を通して前記分圧用抵抗に電流を流すことにより前記しきい値電圧のレベルを補正することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記被保護トランジスタに流れる電流が大きくなるほど前記しきい値生成回路が出力するしきい値信号のレベルを低温側に補正する第１のしきい値補正回路を備え、
   前記第１のしきい値補正回路の電流検出回路は、前記被保護トランジスタと制御端子同士が接続されたセンス用トランジスタにより構成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 前記第２のしきい値補正回路は、
   前記被保護トランジスタに対し電流を供給する一対の電源線のうち低電位側電源線に接続された第１のカレントミラー回路と、
   この第１のカレントミラー回路の入力側トランジスタと高電位側電源線との間に接続された抵抗と、
   前記高電位側電源線と前記第１のカレントミラー回路の出力側トランジスタとの間に入力側トランジスタが接続され、出力側トランジスタを通して前記しきい値生成回路の分圧点に電流を出力する第２のカレントミラー回路とから構成されていることを特徴とする請求項２または３記載の半導体装置。
5. 前記第３のしきい値補正回路は、
   前記一対の電圧線のうち低電位側電圧線に接続された第３のカレントミラー回路と、
   この第３のカレントミラー回路の入力側トランジスタと高電位側電圧線との間に接続された抵抗と、
   前記高電位側電圧線と前記第３のカレントミラー回路の出力側トランジスタとの間に入力側トランジスタが接続され、出力側トランジスタを通して前記しきい値生成回路の分圧点に電流を出力する第４のカレントミラー回路とから構成されていることを特徴とする請求項２ないし４の何れかに記載の半導体装置。

Images