JP7491066B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関し、特にパワー半導体素子とこのパワー半導体素子の動作を停止して保護および通知をするアラーム機能およびパワー半導体素子の動作を停止しないで異常状態の通知をするワーニング機能とを備えた半導体装置に関する。

一般に、モータの可変速装置などに適用されるインバータ装置には、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）と呼ばれる半導体装置が使用されている。ＩＰＭは、電力変換を行うパワー半導体素子とこのパワー半導体素子を制御する制御回路とを一つのパッケージに集約している。制御回路には、パワー半導体素子を駆動する駆動回路およびパワー半導体素子を保護する保護回路が備えられている。保護回路としては、制御回路の電源電圧の低下を検出する制御電圧低下検出回路、パワー半導体素子のチップの過熱状態を検出するチップ温度検出回路およびパワー半導体素子の過電流状態を検出する過電流検出回路が備えられている。

また、ＩＰＭの制御回路には、パワー半導体素子の異常を検出してアラームを出力する前に、アラームの前兆となるワーニングを出力する機能を備えたものがある（たとえば、特許文献１参照）。

図１２は従来の半導体装置の構成例を示す回路ブロック図、図１３は従来の半導体装置の過熱保護動作を示すタイミングチャートである。
従来の半導体装置１０は、パワー半導体素子２０および制御回路３０を備えている。パワー半導体素子２０は、図示の例では、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いている。なお、パワー半導体素子２０は、ＩＧＢＴの他に、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いることもある。

パワー半導体素子２０は、温度センサ２１および電流センサ２２を有している。温度センサ２１は、パワー半導体素子２０のＩＧＢＴチップに形成された温度検出用ダイオードとすることができる。電流センサ２２は、たとえば、ＩＧＢＴチップに形成されたセンスＩＧＢＴおよびこのセンスＩＧＢＴから出力される電流を電圧に変換する電流センス抵抗とすることができる。

制御回路３０は、パワー半導体素子２０のゲートをオン／オフ制御するゲート制御回路３１を備えている。制御回路３０は、また、アラーム検出回路として、制御電圧低下検出回路３２、過電流検出回路３３、チップ温度検出回路３４、アラーム信号生成回路３５、ＭＯＳＦＥＴ３６、定電流回路３７およびオア回路３８を備えている。制御回路３０は、さらに、ワーニング検出回路として、温度ワーニング検出回路３９、ＭＯＳＦＥＴ４０および定電流回路４１を備えている。

半導体装置１０は、外部からパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を受ける入力端子４２、アラーム信号を外部へ出力するアラーム信号出力端子４３、ワーニング信号を外部へ出力するワーニング信号出力端子４４、負荷に接続される出力端子４５，４６および制御電源端子４７を有している。入力端子４２は、ゲート制御回路３１の入力に接続され、ゲート制御回路３１の出力は、パワー半導体素子２０のゲートに接続されている。パワー半導体素子２０のコレクタは、出力端子４５に接続され、パワー半導体素子２０のエミッタは、電流センサ２２を介して出力端子４６に接続されている。

制御電圧低下検出回路３２は、比較器３２ａおよび基準電圧源３２ｂを有し、比較器３２ａの反転入力は、制御電源端子４７を介して制御電源４８に接続され、比較器３２ａの非反転入力は、基準電圧源３２ｂに接続されている。比較器３２ａの出力は、アラーム信号生成回路３５の入力およびオア回路３８の入力に接続されている。

過電流検出回路３３は、比較器３３ａおよび基準電圧源３３ｂを有し、比較器３３ａの非反転入力は、電流センサ２２の出力に接続され、比較器３３ａの反転入力は、基準電圧源３３ｂに接続されている。比較器３３ａの出力は、アラーム信号生成回路３５の入力およびオア回路３８の入力に接続されている。

チップ温度検出回路３４は、比較器３４ａおよび基準電圧源３４ｂを有し、比較器３４ａの反転入力は、温度センサ２１の出力に接続され、比較器３４ａの非反転入力は、基準電圧源３４ｂに接続されている。比較器３４ａの出力は、アラーム信号生成回路３５の入力およびオア回路３８の入力に接続されている。チップ温度検出回路３４は、また、電源３４ｃを有し、温度センサ２１に電源を供給している。

アラーム信号生成回路３５の出力は、ＭＯＳＦＥＴ３６のゲートに接続され、ＭＯＳＦＥＴ３６のドレインは、定電流回路３７およびアラーム信号出力端子４３に接続され、ＭＯＳＦＥＴ３６のソースは、グランドに接続されている。オア回路３８の出力は、ゲート制御回路３１の駆動停止信号入力に接続されている。

温度ワーニング検出回路３９は、比較器３９ａおよび基準電圧源３９ｂを有し、比較器３９ａの反転入力は、温度センサ２１の出力に接続され、比較器３９ａの非反転入力は、基準電圧源３９ｂに接続されている。比較器３９ａの出力は、ＭＯＳＦＥＴ４０のゲートに接続され、ＭＯＳＦＥＴ４０のドレインは、定電流回路４１およびワーニング信号出力端子４４に接続され、ＭＯＳＦＥＴ４０のソースは、グランドに接続されている。

ここで、制御電圧低下検出回路３２では、比較器３２ａが制御電源４８の電圧と基準電圧源３２ｂの電圧とを比較している。制御電源４８の電圧は、正常の場合、基準電圧源３２ｂの電圧より高いので、比較器３２ａは、ロー（Ｌ）レベルの信号を出力している。

過電流検出回路３３では、比較器３３ａが電流センサ２２の出力電圧と基準電圧源３３ｂの電圧とを比較している。電流センサ２２の出力電圧は、正常の場合、基準電圧源３３ｂの電圧よりも低いので、比較器３３ａは、Ｌレベルの信号を出力している。

チップ温度検出回路３４では、比較器３４ａが温度センサ２１の出力電圧と基準電圧源３４ｂの電圧とを比較している。温度センサ２１の出力電圧は、正常の場合、基準電圧源３４ｂの電圧よりも高いので、比較器３４ａは、Ｌレベルの信号を出力している。

このように、半導体装置１０が正常動作の場合、制御電圧低下検出回路３２、過電流検出回路３３およびチップ温度検出回路３４は、Ｌレベルの信号を出力しているので、アラーム信号生成回路３５は、Ｌレベルの信号を出力している。このため、ＭＯＳＦＥＴ３６は、オフ状態にあるので、アラーム信号出力端子４３は、図１３に示したように、制御電源４８の電圧（図示の例では、１５ボルト（Ｖ））になっている。このとき、オア回路３８の出力も、Ｌレベルの駆動停止信号を出力しているので、ゲート制御回路３１は、パワー半導体素子２０にゲート信号の供給を維持し、正常動作を継続する。

一方、温度ワーニング検出回路３９では、比較器３９ａが温度センサ２１の出力電圧と基準電圧源３９ｂの電圧とを比較している。温度センサ２１の出力電圧は、正常動作の場合、基準電圧源３９ｂの電圧よりも高いので、比較器３９ａは、Ｌレベルの信号を出力している。このため、ＭＯＳＦＥＴ４０は、オフ状態にされるので、ワーニング信号出力端子４４は、制御電源４８の電圧（図示の例では、１５Ｖ）になっている。

なお、制御電圧低下検出回路３２の比較器３２ａ、過電流検出回路３３の比較器３３ａ、チップ温度検出回路３４の比較器３４ａおよび温度ワーニング検出回路３９の比較器３９ａは、それぞれヒステリシスを持った比較器である。

ここで、半導体装置１０が正常動作をしているときに、負荷が重たくなるなどしてパワー半導体素子２０のチップ温度が上昇した場合の半導体装置１０の動作について図１３を参照しながら説明する。

まず、パワー半導体素子２０のチップ温度Ｔｊが温度ワーニングレベル未満のときチップ温度検出回路３４および温度ワーニング検出回路３９は、それぞれＬレベルの信号を出力している。このため、ＭＯＳＦＥＴ３６，４０は、オフ状態であるので、アラーム信号出力端子４３およびワーニング信号出力端子４４は、制御電源４８の電圧になっている。

パワー半導体素子２０のチップ温度Ｔｊが上昇して温度ワーニングレベルに達すると、温度ワーニング検出回路３９の比較器３９ａは、ハイ（Ｈ）レベルの信号を出力する。これにより、ＭＯＳＦＥＴ４０は、オン状態になるので、ワーニング信号出力端子４４は、０Ｖの電圧になる。ワーニング信号出力端子４４に接続された外部の装置は、ワーニング信号出力端子４４の端子電圧が０Ｖまで低下したことを検出することによって、パワー半導体素子２０のチップ温度Ｔｊが上昇して温度ワーニングレベル以上に上昇したことを認識することができる。

パワー半導体素子２０のチップ温度Ｔｊがさらに上昇して過熱保護レベルに達すると、チップ温度検出回路３４の比較器３４ａは、Ｈレベルの信号を出力する。これにより、オア回路３８は、Ｈレベルの駆動停止信号を出力し、ゲート制御回路３１の動作を停止する。同時に、アラーム信号生成回路３５が過熱状態に相当するパルス幅を持ったＨレベルのアラーム信号を生成して出力する。Ｈレベルのアラーム信号出力期間では、ＭＯＳＦＥＴ３６は、オン状態になるので、アラーム信号出力端子４３は、０Ｖの電圧になる。アラーム信号出力端子４３に接続された外部の装置は、アラーム信号出力端子４３の端子電圧がアラーム信号のＨレベルの期間、０Ｖまで低下したことを検出することによって、パワー半導体素子２０のチップ温度Ｔｊが温度ワーニングレベル以上に上昇したと認識する。

パワー半導体素子２０が動作を停止すると、チップ温度Ｔｊが徐々に低下していき、チップ温度Ｔｊが過熱保護リセットレベルを下回ると、チップ温度検出回路３４の比較器３４ａは、Ｌレベルの信号を出力する。これにより、オア回路３８は、Ｌレベルの駆動停止信号を出力し、ゲート制御回路３１の動作を再開する。

チップ温度Ｔｊがさらに低下して、チップ温度Ｔｊが温度ワーニングリセットレベルを下回ると、温度ワーニング検出回路３９の比較器３９ａは、Ｌレベルの信号を出力する。これにより、ＭＯＳＦＥＴ４０は、オフ状態になるので、ワーニング信号出力端子４４は、制御電源４８の電圧を出力する。

以上は、パワー半導体素子２０のチップ温度Ｔｊが温度ワーニングレベル以上に上昇した場合について説明したが、制御電圧低下検出回路３２または過電流検出回路３３がそれぞれ異常を検出した場合もチップ温度検出回路３４の場合と同等の動作をする。ただし、アラーム信号生成回路３５は、生成するアラーム信号のパルス幅を要因ごとに変更している。好ましい例では、アラーム信号のパルス幅は、過電流検出回路３３による過電流検出時に２ミリ秒（ｍｓ）、制御電圧低下検出回路３２による制御電圧低下検出時に４ｍｓ、チップ温度検出回路３４による過熱検出時に８ｍｓとしてある。

特開２０００－３４１９６０号公報

しかしながら、上述した従来の半導体装置では、アラームが発生したのかワーニングが発生したのかを区別して外部の装置へ通知するための出力端子を別々に設ける必要があり、制御端子の数が増えてしまうという課題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、出力端子を増やすことなくアラーム信号およびワーニング信号を区別して送出できる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記の課題を解決するために、１つの案では、パワー半導体素子と、パワー半導体素子を駆動するゲート制御回路、パワー半導体素子の異常を検出するアラーム検出回路、アラーム検出回路によるアラーム検出時にゲート制御回路を停止してパワー半導体素子を保護する保護回路、および、アラーム検出回路によるアラーム検出時にアラーム要因ごとにパルス幅の異なる単発のアラーム信号を生成するアラーム信号生成回路を有する制御回路と、アラーム信号を出力するアラーム信号出力端子とを備えた半導体装置が提供される。この半導体装置の制御回路は、アラーム検出より早いタイミングで検出されるワーニングを検出するワーニング検出回路と、ワーニング検出回路によりワーニングが検出されている間、アラーム信号よりもパルス幅の短い連続パルスで構成されるワーニング信号を生成するパルス生成回路とを備え、パルス生成回路が生成したワーニング信号をアラーム信号出力端子から出力するようにし、パルス生成回路は、制御回路がワーニング検出回路を複数有するとき、ワーニング信号をワーニングの要因ごとに異なるパルス幅にしている。

上記構成の半導体装置は、アラーム信号およびワーニング信号を共通のアラーム信号出力端子から出力するようにしたので、アラーム信号およびワーニング信号を外部に通知する出力端子の数の増加を抑えことができる。

第１の実施の形態に係る半導体装置の構成例を示す回路ブロック図である。 アラーム信号生成回路の構成例を示す回路図である。 パルス生成回路の構成例を示す回路図である。 半導体装置の過熱保護動作を示すタイミングチャートである。 アラーム発生時の動作を示すタイミングチャートである。 温度ワーニング発生時の動作を示すタイミングチャートである。 第２の実施の形態に係る半導体装置の構成例を示す回路ブロック図である。 パルス生成回路の構成例を示す回路図である。 制御電圧低下ワーニング発生時または温度ワーニング発生時の動作を示すタイミングチャートである。 第２の実施の形態の半導体装置におけるパルス生成回路の変形例を示す回路図である。 制御電圧低下ワーニングおよび温度ワーニングの同時発生時の動作を示すタイミングチャートである。 従来の半導体装置の構成例を示す回路ブロック図である。 従来の半導体装置の過熱保護動作を示すタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図中、同一の符号で示される部分は、同一の構成要素を示している。また、各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を部分的に組み合わせて実施することができる。

図１は第１の実施の形態に係る半導体装置の構成例を示す回路ブロック図、図２はアラーム信号生成回路の構成例を示す回路図、図３はパルス生成回路の構成例を示す回路図である。なお、図１において、図１２に示した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付してある。

第１の実施の形態に係る半導体装置１０ａは、パワー半導体素子２０および制御回路３０ａを備えている。パワー半導体素子２０は、図示の例では、ＩＧＢＴを用いており、温度センサ２１および電流センサ２２を有している。

制御回路３０ａは、パワー半導体素子２０のゲートをオン／オフ制御するゲート制御回路３１を備えている。制御回路３０ａは、また、アラーム検出回路として、制御電圧低下検出回路３２、過電流検出回路３３、チップ温度検出回路３４およびアラーム信号生成回路３５を備え、ワーニング検出回路として、温度ワーニング検出回路３９を備えている。制御回路３０ａは、さらに、オア回路３８，５０、ＭＯＳＦＥＴ３６ａおよび定電流回路３７ａを備えている。

半導体装置１０ａは、パワー半導体素子２０をオン／オフ制御する信号を受ける入力端子４２、アラーム信号およびワーニング信号を外部へ出力するアラーム信号出力端子４３ａ、負荷に接続される出力端子４５，４６および制御電源端子４７を有している。入力端子４２は、ゲート制御回路３１の入力に接続され、ゲート制御回路３１の出力は、パワー半導体素子２０のゲートに接続されている。パワー半導体素子２０のコレクタは、出力端子４５に接続され、パワー半導体素子２０のエミッタは、電流センサ２２を介して出力端子４６に接続されている。

制御電圧低下検出回路３２は、比較器３２ａおよび基準電圧源３２ｂを有し、比較器３２ａの反転入力は、制御電源端子４７を介して制御電源４８に接続され、比較器３２ａの非反転入力は、基準電圧源３２ｂに接続されている。比較器３２ａの出力は、アラーム信号生成回路３５の入力およびオア回路３８の入力に接続されている。この実施の形態では、制御電源４８の正常時の電圧を１５Ｖ、基準電圧源３２ｂの電圧を１１Ｖとしている。したがって、制御電源４８の電圧が１１Ｖ以下に低下すると、比較器３２ａは、Ｈレベルの電圧低下検出信号ＬＶを出力する。

過電流検出回路３３は、比較器３３ａおよび基準電圧源３３ｂを有し、比較器３３ａの非反転入力は、電流センサ２２の出力に接続され、比較器３３ａの反転入力は、基準電圧源３３ｂに接続されている。比較器３３ａの出力は、アラーム信号生成回路３５の入力およびオア回路３８の入力に接続されている。パワー半導体素子２０のコレクタ電流が基準電圧源３３ｂの電圧に相当する電流の値を超えると、比較器３３ａは、Ｈレベルの過電流検出信号ＯＣを出力する。

チップ温度検出回路３４は、比較器３４ａおよび基準電圧源３４ｂを有し、比較器３４ａの反転入力は、温度センサ２１の出力に接続され、比較器３４ａの非反転入力は、基準電圧源３４ｂに接続されている。比較器３４ａの出力は、アラーム信号生成回路３５の入力およびオア回路３８の入力に接続されている。基準電圧源３４ｂの電圧は、この実施の形態では、パワー半導体素子２０のチップ温度が１７５℃に達したときの温度センサ２１の出力電圧に相当する値にしている。したがって、パワー半導体素子２０のチップ温度が１７５℃を超えると、比較器３４ａは、Ｈレベルの過熱検出信号ＯＨを出力する。チップ温度検出回路３４は、また、電源３４ｃを有し、温度センサ２１に電源を供給している。

温度ワーニング検出回路３９は、比較器３９ａおよび基準電圧源３９ｂを有し、比較器３９ａの反転入力は、温度センサ２１の出力に接続され、比較器３９ａの非反転入力は、基準電圧源３９ｂに接続されている。比較器３９ａの出力は、パルス生成回路４９の入力に接続されている。この実施の形態では、基準電圧源３９ｂの電圧は、パワー半導体素子２０のチップ温度が１７５℃よりも低い１５０℃に達したときの温度センサ２１の出力電圧に相当する値にしている。したがって、パワー半導体素子２０のチップ温度が１５０℃以上になると、比較器３９ａは、Ｈレベルの温度ワーニング検出信号ＯＨＷを出力する。

オア回路３８は、保護回路を構成し、制御電圧低下検出回路３２の電圧低下検出信号ＬＶ、過電流検出回路３３の過電流検出信号ＯＣまたはチップ温度検出回路３４の過熱検出信号ＯＨを受けると、Ｈレベルの駆動停止信号をゲート制御回路３１に出力する。ゲート制御回路３１は、Ｈレベルの駆動停止信号を受けると、パワー半導体素子２０の動作を停止する。

アラーム信号生成回路３５は、制御電圧低下検出回路３２の電圧低下検出信号ＬＶ、過電流検出回路３３の過電流検出信号ＯＣまたはチップ温度検出回路３４の過熱検出信号ＯＨを受けると、一定期間のみ出力するアラーム信号ＡＬＭを生成する。このアラーム信号ＡＬＭは、アラーム要因ごとに異なるパルス幅を有する単一のパルスである。この実施の形態では、過電流検出信号ＯＣを受けた時に２ｍｓ、電圧低下検出信号ＬＶを受けた時に４ｍｓ、過熱検出信号ＯＨを受けた時に８ｍｓのパルス幅のアラーム信号ＡＬＭが生成される。

パルス生成回路４９は、アラーム信号生成回路３５のアラーム信号ＡＬＭおよび温度ワーニング検出回路３９の温度ワーニング検出信号ＯＨＷを受けて、アラーム信号ＡＬＭの入力がなく、温度ワーニング検出信号ＯＨＷの入力があるときに、ワーニング信号ＷＮＧを生成する。このワーニング信号ＷＮＧは、アラーム信号ＡＬＭのパルス幅の下限値である２ｍｓよりも小さいパルス幅を有する連続パルスである。この実施の形態では、ワーニング信号ＷＮＧのパルス幅は、１ｍｓである。

アラーム信号生成回路３５の出力およびパルス生成回路４９の出力は、オア回路５０の入力に接続され、オア回路５０の出力は、ＭＯＳＦＥＴ３６ａのゲートに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ３６ａのドレインは、定電流回路３７ａおよびアラーム信号出力端子４３ａに接続され、ＭＯＳＦＥＴ３６ａのソースは、グランドに接続されている。これにより、アラーム信号出力端子４３ａには、アラーム信号生成回路３５がアラーム信号ＡＬＭを出力したとき一定期間Ｌレベルの信号が出力される。また、パルス生成回路４９がワーニング信号ＷＮＧを出力したときには、アラーム信号出力端子４３ａにワーニング信号ＷＮＧとは論理レベルが反転した連続パルスが出力される。

次に、アラーム信号生成回路３５およびパルス生成回路４９の具体的な回路構成例について説明する。アラーム信号生成回路３５は、図２に示し、パルス生成回路４９は、図３に示している。

アラーム信号生成回路３５は、３つの異なるパルス幅のワンショットパルスを生成する回路を有し、入力される過電流検出信号ＯＣ、電圧低下検出信号ＬＶまたは過熱検出信号ＯＨに応じたパルス幅のワンショットパルスを生成して出力する構成を有している。すなわち、アラーム信号生成回路３５は、インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３，ＩＮＶ４，ＩＮＶ５と、オア回路ＯＲ１と、アンド回路ＡＮＤ１と、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ３と、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタＭＮ１と、定電流源ＣＣ１，ＣＣ２，ＣＣ３と、コンデンサＣ１とを有している。

過電流検出信号ＯＣを入力する端子は、インバータ回路ＩＮＶ１の入力とオア回路ＯＲ１の第１の入力とに接続され、インバータ回路ＩＮＶ１の出力は、ＭＯＳトランジスタＭＰ１のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭＰ１のソースは、電源Ｖｄｄのラインに接続され、ＭＯＳトランジスタＭＰ１のドレインは、定電流源ＣＣ１の正極端子に接続されている。

電圧低下検出信号ＬＶを入力する端子は、インバータ回路ＩＮＶ２の入力とオア回路ＯＲ１の第２の入力とに接続され、インバータ回路ＩＮＶ２の出力は、ＭＯＳトランジスタＭＰ２のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭＰ２のソースは、電源Ｖｄｄのラインに接続され、ＭＯＳトランジスタＭＰ２のドレインは、定電流源ＣＣ２の正極端子に接続されている。

過熱検出信号ＯＨを入力する端子は、インバータ回路ＩＮＶ３の入力とオア回路ＯＲ１の第３の入力とに接続され、インバータ回路ＩＮＶ３の出力は、ＭＯＳトランジスタＭＰ３のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭＰ３のソースは、電源Ｖｄｄのラインに接続され、ＭＯＳトランジスタＭＰ３のドレインは、定電流源ＣＣ３の正極端子に接続されている。

オア回路ＯＲ１の出力は、インバータ回路ＩＮＶ４の入力とアンド回路ＡＮＤ１の一方の入力とに接続され、インバータ回路ＩＮＶ４の出力は、ＭＯＳトランジスタＭＮ１のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭＮ１のドレインは、定電流源ＣＣ１，ＣＣ２，ＣＣ３の負極端子と、コンデンサＣ１の一方の端子と、インバータ回路ＩＮＶ５の入力とに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭＮ１のソースおよびコンデンサＣ１の他方の端子は、グランドに接続されている。インバータ回路ＩＮＶ５の出力は、アンド回路ＡＮＤ１の他方の入力に接続され、アンド回路ＡＮＤ１の出力は、アラーム信号生成回路３５がアラーム信号ＡＬＭを出力する端子に接続されている。

ここで、インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ４，ＩＮＶ５、ＭＯＳトランジスタＭＰ１，ＭＮ１、定電流源ＣＣ１、コンデンサＣ１およびアンド回路ＡＮＤ１は、過電流を検出したときにアラーム信号ＡＬＭを生成するワンショット回路を構成している。すなわち、アラーム信号生成回路３５がＨレベルの過電流検出信号ＯＣを受けていない正常時は、オア回路ＯＲ１がＬレベルの信号を出力し、インバータ回路ＩＮＶ４がＨレベルの信号を出力しているので、ＭＯＳトランジスタＭＮ１は、オンしている。これにより、コンデンサＣ１は、電荷が放電されて、両端の電圧が０Ｖになっており、インバータ回路ＩＮＶ５は、Ｈレベルの信号を出力している。したがって、アンド回路ＡＮＤ１は、その一方の入力にオア回路ＯＲ１が出力しているＬレベルの信号を入力しているので、Ｌレベルのアラーム信号ＡＬＭを出力している。ここで、アラーム信号生成回路３５がＨレベルの過電流検出信号ＯＣを受けると、アンド回路ＡＮＤ１は、その両方の入力にＨレベルの信号を入力するので、Ｈレベルのアラーム信号ＡＬＭを出力している。このとき、ＭＯＳトランジスタＭＮ１がオフし、ＭＯＳトランジスタＭＰ１がオンするので、コンデンサＣ１は、定電流源ＣＣ１によって定電流充電され、コンデンサＣ１の充電電圧が上昇していく。コンデンサＣ１の充電電圧がインバータ回路ＩＮＶ５の閾値電圧を超えると、インバータ回路ＩＮＶ５は、Ｌレベルの信号を出力し、アンド回路ＡＮＤ１は、Ｌレベルのアラーム信号ＡＬＭを出力する。過電流検出信号ＯＣがＨレベルになってからインバータ回路ＩＮＶ５の出力がＬレベルになるまでの期間に相当するパルス幅は、定電流源ＣＣ１の定電流の値とコンデンサＣ１の容量値とによって決定され、２ｍｓに調整されている。

電圧低下検出信号ＬＶまたは過熱検出信号ＯＨを受けた場合も、過電流検出信号ＯＣを受けた場合と同様に、パルス幅が４ｍｓまたは８ｍｓのアラーム信号ＡＬＭが生成される。このためには、定電流源ＣＣ２の定電流の値は、定電流源ＣＣ１の定電流の値の半分に設定され、定電流源ＣＣ３の定電流の値は、定電流源ＣＣ２の定電流の値の半分に設定されている。

パルス生成回路４９は、図３に示したように、インバータ回路ＩＮＶ６と、アンド回路ＡＮＤ２，ＡＮＤ３と、発振器ＯＳＣ１とを有している。アラーム信号生成回路３５からのアラーム信号ＡＬＭを受ける端子は、インバータ回路ＩＮＶ６の入力に接続され、インバータ回路ＩＮＶ６の出力は、アンド回路ＡＮＤ２の一方の入力に接続されている。アンド回路ＡＮＤ２の他方の入力は、温度ワーニング検出回路３９の温度ワーニング検出信号ＯＨＷを受ける端子に接続され、アンド回路ＡＮＤ２の出力は、アンド回路ＡＮＤ３の一方の入力に接続されている。アンド回路ＡＮＤ３の他方の入力は、発振器ＯＳＣ１の出力に接続され、アンド回路ＡＮＤ３の出力は、パルス生成回路４９がワーニング信号ＷＮＧを出力する端子に接続されている。発振器ＯＳＣ１は、パルス幅が過電流検出信号ＯＣのパルス幅である２ｍｓよりも短い、たとえば、１ｍｓのパルス信号を連続出力する。

このパルス生成回路４９は、アラーム信号ＡＬＭも温度ワーニング検出信号ＯＨＷも受けていないとき、アンド回路ＡＮＤ２は、Ｌレベルの信号を出力し、このため、アンド回路ＡＮＤ３は、Ｌレベルのワーニング信号ＷＮＧを出力する。Ｈレベルのアラーム信号ＡＬＭを受けたときも、アンド回路ＡＮＤ２は、Ｌレベルの信号を出力し、アンド回路ＡＮＤ３は、Ｌレベルのワーニング信号ＷＮＧを出力する。Ｌレベルのアラーム信号ＡＬＭを受けているときには、アンド回路ＡＮＤ２は、温度ワーニング検出信号ＯＨＷがＬレベルのときはＬレベルの信号を出力し、温度ワーニング検出信号ＯＨＷがＨレベルのときはＨレベルの信号を出力する。Ｈレベルの温度ワーニング検出信号ＯＨＷを受けているとき、アンド回路ＡＮＤ３は、発振器ＯＳＣ１のパルス信号をワーニング信号ＷＮＧとして出力する。

次に、この半導体装置１０ａのアラームまたはワーニング発生時の動作について説明する。
図４は半導体装置の過熱保護動作を示すタイミングチャート、図５はアラーム発生時の動作を示すタイミングチャート、図６は温度ワーニング発生時の動作を示すタイミングチャートである。

半導体装置１０ａの過熱保護動作は、図４に示したように、パワー半導体素子２０のチップ温度Ｔｊが上昇して、温度ワーニングレベルの１５０℃以上になると、温度ワーニング検出回路３９は、温度ワーニング検出信号ＯＨＷを出力する。パルス生成回路４９は、温度ワーニング検出信号ＯＨＷを受けると、ワーニング信号ＷＮＧを生成し、アラーム信号出力端子４３ａから出力することを示している。このワーニング信号ＷＮＧが出力されていても、パワー半導体素子２０のゲートには、正常動作時のゲート信号が入力されており、半導体装置１０ａは、動作していることになる。

パワー半導体素子２０のチップ温度Ｔｊがさらに上昇して、過熱保護レベルの１７５℃を超えると、チップ温度検出回路３４が過熱検出信号ＯＨを出力する。アラーム信号生成回路３５は、過熱検出信号ＯＨを受けると、パルス幅が８ｍｓのアラーム信号ＡＬＭを生成し、アラーム信号出力端子４３ａから出力している。この間、駆動停止信号により、パワー半導体素子２０は、動作停止状態にある。

パワー半導体素子２０が動作を停止することで、パワー半導体素子２０のチップ温度Ｔｊが低下し、チップ温度Ｔｊが過熱保護リセットレベルを下回ると、チップ温度検出回路３４は、Ｌレベルの過熱検出信号ＯＨを出力する。これにより、アラーム信号生成回路３５は、アラーム信号ＡＬＭの生成を停止し、Ｌレベルのアラーム信号ＡＬＭを出力するので、パルス生成回路４９は、ワーニング信号ＷＮＧを生成し、アラーム信号出力端子４３ａから出力することになる。このとき、駆動停止信号がＬレベルとなることで、パワー半導体素子２０は、動作を再開する。

パワー半導体素子２０のチップ温度Ｔｊがさらに低下し、チップ温度Ｔｊが温度ワーニングリセットレベルを下回ると、温度ワーニング検出回路３９は、Ｌレベルの温度ワーニング検出信号ＯＨＷを出力する。これにより、パルス生成回路４９は、ワーニング信号ＷＮＧを生成しなくなり、アラーム信号出力端子４３ａは、正常状態を表すＨレベルの電位を出力することになる。

次に、制御電圧低下検出回路３２が制御電圧の低下を検出するか、過電流検出回路３３が過電流を検出する場合、図５に示したように、電圧低下検出信号ＬＶまたは過電流検出信号ＯＣは、Ｈレベルとなる。このとき、チップ温度検出回路３４および温度ワーニング検出回路３９は、温度の異常を検出しない停止状態にあるとする。電圧低下検出信号ＬＶまたは過電流検出信号ＯＣを受けたアラーム信号生成回路３５は、保護要因ごとのアラーム信号ＡＬＭを生成する。すなわち、アラーム信号生成回路３５が電圧低下検出信号ＬＶを受けたとき、パルス幅（ｔＡＬＭ）＝４ｍｓのアラーム信号ＡＬＭが生成され、過電流検出信号ＯＣを受けたときには、パルス幅（ｔＡＬＭ）＝８ｍｓのアラーム信号ＡＬＭが生成される。アラーム信号ＡＬＭが生成されている間、アラーム信号出力端子４３ａには、アラーム信号ＡＬＭと同じパルス幅の期間、異常状態を表すＬレベルの電位を出力する。制御電圧低下検出回路３２が制御電圧の低下を検出している間、または過電流検出回路３３が過電流を検出している間、駆動停止信号が出力されて、パワー半導体素子２０は、動作を停止している。

次に、制御電圧低下検出回路３２、過電流検出回路３３およびチップ温度検出回路３４が異常を検出していないときに、温度ワーニング検出回路３９だけが動作した場合、図６に示したように、アラーム信号ＡＬＭおよび駆動停止信号は、Ｌレベルの状態にある。温度ワーニング検出回路３９が温度ワーニング検出信号ＯＨＷを出力しているので、パルス生成回路４９が、ワーニング信号ＷＮＧを生成し、アラーム信号出力端子４３ａには、温度ワーニングを検出していることを示す連続パルスを出力する。

図７は第２の実施の形態に係る半導体装置の構成例を示す回路ブロック図、図８はパルス生成回路の構成例を示す回路図、図９は制御電圧低下ワーニング発生時または温度ワーニング発生時の動作を示すタイミングチャートである。

第２の実施の形態に係る半導体装置１０ｂは、第１の実施の形態に係る半導体装置１０ａの制御回路３０ａに制御電圧低下ワーニング検出回路５１を加えた制御回路３０ｂを備えている。制御回路３０ｂでは、パルス生成回路４９ａは、温度ワーニング検出信号ＯＨＷと電圧低下ワーニング信号ＬＶＷとを受けるよう構成されている。なお、制御回路３０ｂでは、制御電圧低下ワーニング検出回路５１およびパルス生成回路４９ａ以外は第１の実施の形態に係る半導体装置１０ａのものと同じであるので、ここでは、詳述しない。

制御電圧低下ワーニング検出回路５１は、比較器５１ａおよび基準電圧源５１ｂを有し、比較器５１ａの反転入力は、制御電源端子４７を介して制御電源４８に接続され、比較器５１ａの非反転入力は、基準電圧源５１ｂに接続されている。比較器５１ａの出力は、パルス生成回路４９ａの入力に接続されている。この実施の形態では、制御電源４８の正常時の電圧を１５Ｖ、基準電圧源５１ｂの電圧を１３Ｖとしている。したがって、制御電源４８の電圧が１３Ｖ以下に低下すると、比較器５１ａは、Ｈレベルの電圧低下ワーニング信号ＬＶＷを出力する。

パルス生成回路４９ａは、温度ワーニング検出回路３９の温度ワーニング検出信号ＯＨＷまたは制御電圧低下ワーニング検出回路５１の電圧低下ワーニング信号ＬＶＷを受けて、要因ごとにパルス幅の異なるワーニング信号ＷＮＧを生成する。

詳述すれば、パルス生成回路４９ａは、図８に示したように、インバータ回路ＩＮＶ７と、アンド回路ＡＮＤ４，ＡＮＤ５，ＡＮＤ６，ＡＮＤ７と、オア回路ＯＲ２と、発振器ＯＳＣ２と、ＴフリップフロップＴＦＦ１とを有している。アラーム信号生成回路３５からのアラーム信号ＡＬＭを受ける端子は、インバータ回路ＩＮＶ７の入力に接続され、インバータ回路ＩＮＶ７の出力は、アンド回路ＡＮＤ４，ＡＮＤ５の一方の入力に接続されている。アンド回路ＡＮＤ４の他方の入力は、制御電圧低下ワーニング検出回路５１の電圧低下ワーニング信号ＬＶＷを受ける端子に接続され、アンド回路ＡＮＤ４の出力は、アンド回路ＡＮＤ６の一方の入力に接続されている。アンド回路ＡＮＤ５の他方の入力は、温度ワーニング検出回路３９の温度ワーニング検出信号ＯＨＷを受ける端子に接続され、アンド回路ＡＮＤ５の出力は、アンド回路ＡＮＤ７の一方の入力に接続されている。アンド回路ＡＮＤ６，ＡＮＤ７の出力は、オア回路ＯＲ２の入力に接続され、オア回路ＯＲ２の出力は、パルス生成回路４９ａがワーニング信号ＷＮＧを出力する端子に接続されている。アンド回路ＡＮＤ６の他方の入力は、発振器ＯＳＣ２の出力とＴフリップフロップＴＦＦ１のＴ入力とに接続され、アンド回路ＡＮＤ７の他方の入力は、ＴフリップフロップＴＦＦ１のＱ出力に接続されている。

発振器ＯＳＣ２は、パルス幅が０．５ｍｓのパルス信号を連続出力するものであり、ＴフリップフロップＴＦＦ１は、発振器ＯＳＣ２によって出力されたパルス信号からパルス幅が１ｍｓのパルス信号を生成するものである。

このパルス生成回路４９ａは、アラーム信号ＡＬＭ、電圧低下ワーニング信号ＬＶＷおよび温度ワーニング検出信号ＯＨＷを受けていないとき、アンド回路ＡＮＤ４，ＡＮＤ５は、Ｌレベルの信号を出力する。このため、アンド回路ＡＮＤ６，ＡＮＤ７も、Ｌレベルの信号を出力し、オア回路ＯＲ２は、Ｌレベルのワーニング信号ＷＮＧを出力する。

パルス生成回路４９ａは、また、Ｈレベルのアラーム信号ＡＬＭを受けたときも、アンド回路ＡＮＤ４，ＡＮＤ５，ＡＮＤ６，ＡＮＤ７は、Ｌレベルの信号を出力するので、オア回路ＯＲ２は、Ｌレベルのワーニング信号ＷＮＧを出力する。

パルス生成回路４９ａは、また、Ｈレベルのアラーム信号ＡＬＭを受けていないときに、Ｈレベルの電圧低下ワーニング信号ＬＶＷを受けると、アンド回路ＡＮＤ４は、Ｈレベルの信号を出力する。これにより、アンド回路ＡＮＤ６は、発振器ＯＳＣ２によって出力されたパルス信号を出力するので、オア回路ＯＲ２は、そのパルス信号をワーニング信号ＷＮＧとして出力する。

パルス生成回路４９ａは、さらに、Ｈレベルのアラーム信号ＡＬＭを受けていないときに、Ｈレベルの温度ワーニング検出信号ＯＨＷを受けると、アンド回路ＡＮＤ５は、Ｈレベルの信号を出力する。これにより、アンド回路ＡＮＤ７は、ＴフリップフロップＴＦＦ１の出力信号を出力するので、オア回路ＯＲ２は、その出力信号をワーニング信号ＷＮＧとして出力する。

したがって、パルス生成回路４９ａは、電圧低下ワーニング信号ＬＶＷが入力されたか温度ワーニング検出信号ＯＨＷが入力されたかに応じて、パルス幅の異なる信号をワーニング信号ＷＮＧとして出力する。

以上のように、この半導体装置１０ｂでは、制御電圧が１３Ｖ以下に低下するかチップ温度が１５０℃以上になると、制御電圧低下ワーニング検出回路５１が電圧低下ワーニング信号ＬＶＷを出力するか、温度ワーニング検出回路３９が温度ワーニング検出信号ＯＨＷを出力する。図９に示したように、電圧低下ワーニング信号ＬＶＷまたは温度ワーニング検出信号ＯＨＷが出力している間、アラーム信号出力端子４３ａには、ワーニング信号ＷＮＧとして連続パルス信号が出力される。

ワーニング信号ＷＮＧとして連続パルス信号が出力されている間に、制御電圧低下、チップの過熱または過電流が生じると、保護要因ごとのパルス幅（ｔＡＬＭ）を有するアラーム信号ＡＬＭが出力され、アラーム信号出力端子４３ａには、Ｌレベルの信号が出力される。制御電圧低下、チップの過熱または過電流が生じている間、駆動停止信号が出力され、パワー半導体素子２０は、動作が停止される。

図１０は第２の実施の形態の半導体装置におけるパルス生成回路の変形例を示す回路図、図１１は制御電圧低下ワーニングおよび温度ワーニングの同時発生時の動作を示すタイミングチャートである。

第２の実施の形態では、温度ワーニング検出回路３９および制御電圧低下ワーニング検出回路５１のいずれか一方が動作した場合を示したが、この変形例では、温度ワーニング検出回路３９および制御電圧低下ワーニング検出回路５１が同時に動作した場合を示す。この変形例では、温度ワーニング検出回路３９が動作中に制御電圧低下ワーニング検出回路５１が動作した場合を例に示している。

図１０に示したように、この変形例でのパルス生成回路４９ｂは、インバータ回路ＩＮＶ８，ＩＮＶ９と、アンド回路ＡＮＤ８，ＡＮＤ９，ＡＮＤ１０，ＡＮＤ１１と、オア回路ＯＲ３と、発振器ＯＳＣ３と、ＴフリップフロップＴＦＦ２とを有している。アラーム信号生成回路３５からのアラーム信号ＡＬＭを受ける端子は、インバータ回路ＩＮＶ８の入力に接続され、インバータ回路ＩＮＶ８の出力は、アンド回路ＡＮＤ８，ＡＮＤ９の一方の入力に接続されている。アンド回路ＡＮＤ８の他方の入力は、制御電圧低下ワーニング検出回路５１の電圧低下ワーニング信号ＬＶＷを受ける端子に接続され、アンド回路ＡＮＤ８の出力は、アンド回路ＡＮＤ１０の一方の入力とインバータ回路ＩＮＶ９の入力とに接続されている。アンド回路ＡＮＤ９の他方の入力は、温度ワーニング検出回路３９の温度ワーニング検出信号ＯＨＷを受ける端子に接続され、アンド回路ＡＮＤ９の出力は、アンド回路ＡＮＤ１１の第２の入力に接続されている。アンド回路ＡＮＤ１０の他方の入力は、発振器ＯＳＣ３の出力とＴフリップフロップＴＦＦ２のＴ入力とに接続されている。アンド回路ＡＮＤ１１の第１の入力は、インバータ回路ＩＮＶ９の出力に接続され、アンド回路ＡＮＤ１１の第３の入力は、ＴフリップフロップＴＦＦ２のＱ出力に接続されている。

発振器ＯＳＣ３は、パルス幅が０．５ｍｓのパルス信号を連続出力するものであり、ＴフリップフロップＴＦＦ２は、発振器ＯＳＣ３によって出力されたパルス信号を分周してパルス幅が１ｍｓのパルス信号を生成するものである。

このパルス生成回路４９ｂは、アラーム信号ＡＬＭ、電圧低下ワーニング信号ＬＶＷおよび温度ワーニング検出信号ＯＨＷの入力がないときに、温度ワーニング検出信号ＯＨＷが入力されると、パルス生成回路４９ａと同じ動作をする。すなわち、パルス生成回路４９ｂでは、電圧低下ワーニング信号ＬＶＷの入力がなければ、アンド回路ＡＮＤ８の出力は、Ｌレベルであり、このＬレベルは、インバータ回路ＩＮＶ９により論理反転されてアンド回路ＡＮＤ１１の第１の入力に入力されている。このため、アンド回路ＡＮＤ１１は、パルス生成回路４９ａで温度ワーニング検出信号ＯＨＷだけが入力されたときと同じ状態になる。すると、パルス生成回路４９ｂは、パルス幅が１ｍｓのワーニング信号ＷＮＧを出力し、図１１に示したように、アラーム信号出力端子４３ａからは、ワーニング信号ＷＮＧとは位相が反転された信号が出力される。

温度ワーニング検出信号ＯＨＷが入力されている間に、さらに、電圧低下ワーニング信号ＬＶＷの入力があると、アンド回路ＡＮＤ８の出力は、Ｈレベルになり、アンド回路ＡＮＤ１０は、発振器ＯＳＣ３からのパルス信号の入力が有効になる。これにより、オア回路ＯＲ３は、パルス幅が０．５ｍｓのワーニング信号ＷＮＧを出力する。一方、アンド回路ＡＮＤ１１は、第１の入力にインバータ回路ＩＮＶ９が出力するＬレベルの信号が入力されているので、ＴフリップフロップＴＦＦ２からのパルス信号の入力が禁止される。このため、オア回路ＯＲ３から出力されるワーニング信号ＷＮＧとしては、図１１に示したように、アンド回路ＡＮＤ１０が出力した信号が優先して出力される。

このように、このパルス生成回路４９ｂでは、電圧低下ワーニング信号ＬＶＷまたは温度ワーニング検出信号ＯＨＷが単独で入力されたときには、それぞれの信号に応じたパルス幅のワーニング信号ＷＮＧが出力される。また、電圧低下ワーニング信号ＬＶＷおよび温度ワーニング検出信号ＯＨＷが同時入力されたときは、温度ワーニングよりも電圧低下ワーニングの方が緊急な対処が望まれるので、ここでは、優先順位の高い電圧低下ワーニング信号ＬＶＷに対応するワーニング信号ＷＮＧを出力するようにしている。

なお、第１の実施の形態では、ワーニングの例として温度ワーニング検出回路３９を備えた場合を例に示したが、温度ワーニング検出回路３９に代えて、第２の実施の形態における制御電圧低下ワーニング検出回路５１を備えていてもよい。

１０ａ，１０ｂ 半導体装置
２０ パワー半導体素子
２１ 温度センサ
２２ 電流センサ
３０ａ，３０ｂ 制御回路
３１ ゲート制御回路
３２ 制御電圧低下検出回路
３２ａ 比較器
３２ｂ 基準電圧源
３３ 過電流検出回路
３３ａ 比較器
３３ｂ 基準電圧源
３４ チップ温度検出回路
３４ａ 比較器
３４ｂ 基準電圧源
３４ｃ 電源
３５ アラーム信号生成回路
３６ａ ＭＯＳＦＥＴ
３７ａ 定電流回路
３８ オア回路（保護回路）
３９ 温度ワーニング検出回路
３９ａ 比較器
３９ｂ 基準電圧源
４２ 入力端子
４３ａ アラーム信号出力端子
４５，４６ 出力端子
４７ 制御電源端子
４８ 制御電源
４９，４９ａ，４９ｂ パルス生成回路
５０ オア回路
５１ 制御電圧低下ワーニング検出回路
５１ａ 比較器
５１ｂ 基準電圧源
ＡＮＤ１，ＡＮＤ２，ＡＮＤ３，ＡＮＤ４，ＡＮＤ５，ＡＮＤ６，ＡＮＤ７，ＡＮＤ８，ＡＮＤ９，ＡＮＤ１０，ＡＮＤ１１ アンド回路
Ｃ１ コンデンサ
ＣＣ１，ＣＣ２，ＣＣ３ 定電流源
ＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３，ＩＮＶ４，ＩＮＶ５，ＩＮＶ６，ＩＮＶ７，ＩＮＶ８，ＩＮＶ９ インバータ回路
ＭＮ１，ＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ３ ＭＯＳトランジスタ
ＯＲ１，ＯＲ２，ＯＲ３ オア回路
ＯＳＣ１，ＯＳＣ２，ＯＳＣ３ 発振器
ＴＦＦ１，ＴＦＦ２ Ｔフリップフロップ

Claims (3)

1. パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を駆動するゲート制御回路、前記パワー半導体素子の異常を検出するアラーム検出回路、前記アラーム検出回路によるアラーム検出時に前記ゲート制御回路を停止して前記パワー半導体素子を保護する保護回路、および、前記アラーム検出回路によるアラーム検出時にアラーム要因ごとにパルス幅の異なる単発のアラーム信号を生成するアラーム信号生成回路を有する制御回路と、前記アラーム信号を出力するアラーム信号出力端子とを備えた半導体装置において、
   前記制御回路は、前記アラーム検出より早いタイミングで検出されるワーニングを検出するワーニング検出回路と、前記ワーニング検出回路によりワーニングが検出されている間、前記アラーム信号よりもパルス幅の短い連続パルスで構成されるワーニング信号を生成するパルス生成回路とを備え、
   前記パルス生成回路が生成したワーニング信号を前記アラーム信号出力端子から出力するようにし、
   前記パルス生成回路は、前記制御回路が前記ワーニング検出回路を複数有するとき、前記ワーニング信号をワーニングの要因ごとに異なるパルス幅にしている、
   半導体装置。
2. 前記ワーニング信号は、パルス幅を前記アラーム信号のパルス幅の下限値よりも短くした、請求項１記載の半導体装置。
3. 前記パルス生成回路は、複数の前記ワーニング検出回路が同時にワーニングを検出した場合、あらかじめ決められた優先順位にしたがい１つの前記ワーニング検出回路の前記ワーニング信号を出力するようにした、請求項１記載の半導体装置。

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