JPH11505975A - 集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）と、温度に依存して動作し前記の電力トランジスタと熱的に結合されている回路装置（１４）が設けられている集積回路に関する。この場合、ｐｎｐトランジスタまたはｎｐｎトランジスタ（Ｔ５）が設けられており、温度に依存して変化するこのトランジスタの逆方向電流により、前記の電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）のベース電流における変化が引き起こされるように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 集積回路 本発明は、電力トランジスタおよび該電力トランジスタの電力損失を温度に依 存して低減調整する回路装置を備えた集積回路に関する。 従来の技術 半導体素子殊に電力トランジスタを、有効な出力が一般に許容されている連続 要求つまりはそれによって生じる連続損失をはるかに超えるように設計すること は公知である。これにより半導体素子を低コストで製造することができる。なぜ ならば、それらを有効な出力による連続動作のために設計する必要がないからで ある。また、素子の温度に依存して起動可能な保護回路を半導体素子のために設 けることも知られており、このことにより長期間持続する連続負荷（これに対し て素子は設計されていない）に起因する素子の損傷を回避できるようになる。 さらに、限界温度を超えたときに半導体素子が遮断されるようにした回路装置 も公知である。この場合、電力トランジスタの遮断は、集積されたセンサ素子に おいて順方向電圧ないしは逆方向電流を測定することにより行われ、このセンサ 素子により半導体素子が相応に制御される。これについてはTietze und Schenk ,9.Auflage，p.523 を参照。 また、DD-PS 227 835 から、集積された過剰温度保護回路装置が公知である。 この装置の場合、トランジスタのベース−エミッタ電圧にヒステリシスが与えら れるよう複数のバイポーラトランジスタが結線されており、その際、トランジス タのスイッチオン状態ではカレントミラーの使用により、動作電流よりも小さく かつそれに対し常に一定の比をもつ電流が流れ出るよう、動作電流が変えられる 。この場合、温度に依存して電力トランジスタのオンないしオフが行われる。遮 断をしなければ電力損失の低減調整は不可能である。さらに欠点となるのは、こ の回路は約１５０°Ｃまでの温度範囲でしか使用できないことである。 発明の利点 これに対し、請求項１記載の特徴を備えた本発明による集積回路により得られ る利点とは、たとえば約２００°Ｃを超えるかもしれない著しく高い温度であっ ても、電力トランジスタにおける電力損失を温度に依存して低減調整できること である。トランジスタが設けられており、温度に依存して変化するこのトランジ スタの逆方向電流ないし阻止電流により電力トランジスタのベース電流に変化が 引き起こされるようにした構成によって、有利には著しく高い温度において電力 トランジスタを安定した許容度で調整することが可能となる。電力トランジスタ のベース電流を温度に依存 して調整する構成により、回路構成全体を著しく簡単にすることができ、ひいて は低コストで組み立てることができる。殊に有利であるのは、電力トランジスタ の調整を行わせるために逆方向電流を利用したことによって、ベース電流つまり は電力トランジスタの制御された低減調整が可能となる。 従属請求項に記載の特徴により本発明の有利な実施形態が可能である。 図面 次に、添付の図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳細に説明す る。 図１は、本発明による集積回路の回路構成図である。 図２は、温度に依存する逆方向電流経過特性を示すダイアグラムである。 図３は、別の変形実施例による本発明の回路装置を示す図である。 図４ａおよび図４ｂは、各回路装置における温度に依存する制御電流経過特性 を示すダイアグラムである。 実施例の説明 図１には、全体で参照符号１０の付された集積回路が示されている。この集積 回路１０は電力トランジスタ１２と回路装置１４を有しており、これらは詳細に は以下のように結線されている。 集積回路１０はコレクタ端子Ｃ、ベース端子Ｂならびにエミッタ端子Ｅを有し ている。電力トランジスタ１２はトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３により形成され ており、これらのトランジスタはダーリントン接続で結線されている。トランジ スタＴ１，Ｔ２，Ｔ３はｎｐｎトランジスタとして構成されている。 回路装置１４はトランジスタＴ４，Ｔ５，Ｔ６を有しており、この場合、トラ ンジスタＴ５はｐｎｐまたはｎｐｎトランジスタとして構成されており、トラン ジスタＴ４およびＴ６はｎｐｎトランジスタとして構成されている。 ベース端子ＢはトランジスタＴ４のコレクタと接続されている。トランジスタ Ｔ４のエミッタはトランジスタＴ１のベースと接続されている。トランジスタＴ １，Ｔ２，Ｔ３のコレクタはコレクタ端子Ｃと接続されている。トランジスタＴ １のエミッタは、トランジスタＴ２，Ｔ３のベースと接続されている。トランジ スタＴ３のエミッタはエミッタ端子Ｅと接続されている。トランジスタＴ５のベ ースは、抵抗Ｒ３を介してトランジスタＴ５のエミッタと接続されている。抵抗 Ｒ３は、正の温度係数を有する温度依存形抵抗として形成されている。また、ト ランジスタＴ４のコレクタは、ｐｎｐトランジスタであればトランジスタＴ５の エミッタと接続されており、そうでなくｎｐｎトランジスタであれば（図１ａ） トランジスタＴ５のコレク タと接続されており、さらには抵抗Ｒ２を介してトランジスタＴ６のコレクタと 接続されている。また、トランジスタＴ６のコレクタはトランジスタＴ４のベー スと接続されている。ｐｎｐトランジスタであればトランジスタＴ５のコレクタ は、そうではなくｎｐｎトランジスタであればトランジスタＴ５のエミッタは、 トランジスタＴ６のベースと接続されているとともに、抵抗Ｒ４を介してエミッ タ端子Ｅと接続されている。トランジスタＴ６のエミッタも、やはりエミッタ端 子Ｅと接続されている。 この集積回路１０は以下のように動作する： 集積回路１０を所定のようにして使用しているとき、電力トランジスタ１２に よりコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅの間において負荷をスイッチングすること ができる。電力トランジスタ１２の制御は、ベース端子ＢとトランジスタＴ１の ベースとの間に”長手方向に”接続されたトランジスタＴ４を介して行われる。 したがってトランジスタＴ４によって、電力トランジスタ１２のベース電流Ｉを 制御することができる。トランジスタＴ５はその阻止電流ないし逆方向電流Ｉ_{CE R} を、抵抗Ｒ４およびトランジスタＴ６のベースへ供給する。トランジスタＴ５ のベースとエミッタは抵抗Ｒ３を介して低抵抗で接続されているので、ベースと エミッタとの間において小さい電流に対し短絡が生じ、したがってＩ_CER〜Ｉ_CES （Ｉ_CESモード ）となる。その結果、トランジスタＴ６のベースに電圧が生じるが、この電圧は トランジスタＴ６をアクティブにするには小さすぎるものである。 そして、殊に電力トランジスタ１２のところで引き起こされる電力損失に起因 して集積回路１０が加熱すると、抵抗Ｒ３の抵抗値がその正の温度係数ゆえに著 しく高まる。これによりトランジスタＴ５はＩ_CEOモードへ移行し、つまりトラ ンジスタＴ５のベースはほとんどあたかもオープンであるかのように振る舞い、 その結果、Ｉ_CER〜Ｉ_CEOとなる。回路装置１４の加熱により抵抗Ｒ３の抵抗値が べき関数的に高まる一方、トランジスタＴ５の逆方向電流は指数関数的に上昇す る。トランジスタＴ５のベース−エミッタ間ブレークダウン電圧は、同時に＜− ２ｍＶ／Ｋで減少する。トランジスタＴ５の逆方向電流が著しく高められ約２の １０乗上昇することにより、トランジスタＴ６のベース−エミッタ電圧Ｕ_BEが高 められ、その結果、このトランジスタはアクティブになる。このことによりトラ ンジスタＴ４のベースが制御され、したがってトランジスタＴ４を介して電力ト ランジスタ１２のベース電流が制御されることになる。以上のことから明らかな ように、トランジスタＴ５の逆方向電流の高さを調整することによって、電力ト ランジスタ１２のベース電流Ｉを制御できるようになる。 調整される逆方向電流の大きさに応じて、ベース電 流Ｉが程度の差こそあれ制御され、その結果、電力トランジスタ１２の電力損失 を継続的に低減することができる。加熱が発生したことでトランジスタＴ５の逆 方向電流を連続的に上昇させることによって、同じ程度で電力トランジスタ１２ のベース電流Ｉが減少するので、それが連続的に低下してくる。そして電力トラ ンジスタ１２のベース電流が連続的に低下することにより、コレクタ端子Ｃとエ ミッタ端子Ｅの間において制御不能な過度の電圧上昇が生じてしまうのが防止さ れる。殊に、電力トランジスタ１２を車両の点火コイルに使用する場合には、こ のようにすることで制御不能な過度の電圧上昇に起因する早すぎる点火過程を回 避することができる。 電力トランジスタ１２の制御にもかかわらず、トランジスタＴ４のコレクタへ 集積回路１０のベース給電が行われる。このようにすることで、電力トランジス タ１２が制御されているにもかかわらず回路装置１４つまりは温度センサ素子と して接続されたトランジスタＴ５が十分な大きさの駆動電圧を得ることができる ようになる。このことにより、電力トランジスタ１２のスイッチング状態とは無 関係に回路装置１４の機能が保証される。この集積回路におけるベース端子Ｂと エミッタ端子Ｅとの間の電圧Ｕ_BEは、温度の上昇につれてトランジスタＴ４が調 整されることにより増加する一方、点Ｂ′とエミッタ端子Ｅとの間の電圧Ｕ_B ′_Eは温度の上昇とともに低下する。 抵抗Ｒ３の大きさまたはその正の温度係数の選定により制御条件が与えられ、 これによりＩ_CESモードからＩ_CEOモードへのトランジスタＴ５の移行ひいては電 力トランジスタ１２の温度調整において生じる動作点を設定できるようになる。 このようにして、たとえば２００°Ｃを超えるかもしれない著しく高い温度にお いて、電力トランジスタ１２の温度調整を実施できるようになる。 図２には、Ｉ_CESモードからＩ_CEOモードへのトランジスタＴ５における逆方向 電流Ｉ_CERの移行が示されている。この場合、逆方向電流Ｉ_CERは温度に関し対数 表示で描かれている。ここには、温度の上昇に伴い実質的に抵抗Ｒ３により制御 されここでは参照符号Ｉ_CERの付された逆方向電流が、Ｉ_CESモードからＩ_CEOモ ードへと移行している様子が明瞭に示されている。温度が約１５５°Ｃ付近にな るまで逆方向電流Ｉ_CERが徐々に上昇した後、この電流は温度２００°Ｃを超え るまで急峻な側縁でＩ_CEOモードへと移行している。逆方向電流Ｉ_CERの側縁部分 の上昇によりトランジスタＴ４の相応の導通制御が行われ、つまりは電力トラン ジスタ１２のベース電流の相応の制御が行われるようになる。 図３には別の集積回路１０が示されており、この場合、図１と同じ部材には同 じ参照符号が付されており 、それらについて繰り返し説明はしない。ここでは回路装置１４に付加的にトラ ンジスタＴ７とＴ８が設けられており、これらのトランジスタはそれぞれｎｐｎ トランジスタとして構成されている。この場合、ｐｎｐトランジスタであればト ランジスタＴ５のコレクタが、ｎｐｎトランジスタ（図３ａ）であればトランジ スタＴ５のエミッタが、トランジスタＴ６のベースのほかに同時にトランジスタ Ｔ７のベースおよびトランジスタＴ８のベースとも接続されている。トランジス タＴ７のコレクタはトランジスタＴ１のベースと接続されている。トランジスタ Ｔ８のコレクタはトランジスタＴ１のエミッタと接続されている。トランジスタ Ｔ７およびＴ８のエミッタはエミッタ端子Ｅと接続されている。 付加的なトランジスタＴ７およびＴ８はやはり、トランジスタＴ５の逆方向電 流により制御される。トランジスタＴ７およびＴ８の導通制御もやはりトランジ スタＴ５の動作点ではじめて行われ、つまり温度の上昇に起因してトランジスタ Ｔ５がＩ_CESモードからＩ_CEOモードへ移行してはじめて行われる。トランジスタ Ｔ７およびＴ８をエミッタ回路中に接続することにより、トランジスタＴ５の逆 方向電流の上昇時（これはトランジスタＴ７およびＴ８のベース電流の上昇に対 応する）、トランジスタＴ７およびＴ８のコレクタ−エミッタ電圧Ｕ_CEが上昇す るようになる。そ してこのことによってトランジスタＴ７およびＴ８は”熱除去装置”としてはた らき、これは殊に高温時に電力トランジスタ１２のベース電流の低減調整を制御 する。図４ａおよび図４ｂには、回路全体におけるコレクタ電流Ｉ_Cに関する様 々な特性曲線がシミュレーションカーブに基づき描かれている。図４ｂには、図 ４ａによる経過特性が高い方の温度範囲に関する部分拡大図として示されている 。 そこには全部で３つの経過特性曲線が示されており、それらは温度に依存する コレクタ電流Ｉ_Cの経過特性を表すものである。第１の特性曲線１６は、図１に 示した回路装置による経過特性を再現したものである。この場合、温度が上昇す るにつれてコレクタ電流ＩＣはたとえば１０Ａの値から約２Ａの値まで１９５° Ｃ付近で低減しており、その後、電力トランジスタ１２のいわゆる”熱ドリフト ”によって温度が上昇するにつれて再び上昇している。第２の特性曲線１８は、 トランジスタＴ７が付加的に接続された場合のコレクタ電流Ｉ_Cの経過特性を表 している。コレクタ電流Ｉ_Cが５００ｍＡよりも小さい値まで著しく低減してい ることのほかに、電力トランジスタ１２の”熱ドリフト”の開始が約２００°Ｃ のかなり高い温度までずらされている。それと同時に、それよりもさらに高い温 度のところではコレクタ電流Ｉ_Cの上昇が著しく僅かに停滞している。第３の特 性曲線２０は、トランジス タＴ５の逆方向電流によりトランジスタＴ６，Ｔ７，Ｔ８が同時に導通制御され たときのコレクタ電流Ｉ_Cの経過特性を表している。この場合、電力トランジス タ１２の”熱ドリフト”の開始が約２１０°Ｃというかなり高い温度のところま でさらにずらされており、その際、温度上昇はやはり著しく制限されたものにな っている。このようにして、電力トランジスタ１２におけるコレクタ電流Ｉ_Cの 低減調整を、２００°Ｃをはるかに超える温度までずらして行わせることができ る。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年３月１３日 【補正内容】 さらに、限界温度を超えたときに半導体素子が遮断されるようにした回路装置 も公知である。この場合、電力トランジスタの遮断は、集積されたセンサ素子に おいて順方向電圧ないしは逆方向電流を測定することにより行われ、このセンサ 素子により半導体素子が相応に制御される。これについては Tietze und Schenk ,9.Auflage，p.523 を参照。 また、DD-PS 227 835から、集積された過剰温度保護回路装置が公知である。 この装置の場合、トランジスタのベース−エミッタ電圧にヒステリシスが与えら れるよう複数のバイポーラトランジスタが結線されており、その際、トランジス タのスイッチオン状態ではカレントミラーの使用により、動作電流よりも小さく かつそれに対し常に一定の比をもつ電流が流れ出るよう、動作電流が変えられる 。この場合、温度に依存して電力トランジスタのオンないしオフが行われる。遮 断をしなければ電力損失の低減調整は不可能である。さらに欠点となるのは、こ の回路は約１５０°Ｃまでの温度範囲でしか使用できないことである。 さらにGB-A 2 234 112 から、温度感応形素子を有する過剰温度保護機能を備 えた半導体スイッチが公知である。この温度感応形素子は阻止方向に接続された ダイオードとして構成されており、過度に加熱したときには半導体スイッチの駆 動電流を流すように構成されている。 発明の利点 請求の範囲 １．電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）と、温度に依存して動作し前記電力 トランジスタと熱的に結合されている回路装置（１４）が設けられている集積回 路において、 ｐｎｐトランジスタまたはｎｐｎトランジスタ（Ｔ５）が設けられており、 該トランジスタのベース−エミッタ区間は、正の温度係数を有する温度依存 型の抵抗（Ｒ３）と接続されており、 温度に依存して変化する前記トランジスタの逆方向電流により、前記電力ト ランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）のベース電流における変化が引き起こされるこ とを特徴とする集積回路。 ２．第２のトランジスタ（Ｔ４）が設けられており、該第２のトランジスタのコ レクタは集積回路（１０）のベース端子（Ｂ）と接続されており、該第２のトラ ンジスタのエミッタは前記電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）のベースと接 続されていて、該ベースを介して前記電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）の ベース電流（Ｉ）が流れる、請求項１記載の集積回路。 ３．前記第２のトランジスタ（Ｔ４）は第３のトランジスタ（Ｔ６）を介して導 通制御され、該第３のト ランジスタ（Ｔ６）のベースは前記トランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの 場合）またはエミッタ（ｎｐｎの場合）と接続されている、請求項１または２記 載の集積回路。 ４．前記トランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの場合）またはエミッタ（ｎ ｐｎの場合）は、第２の抵抗（Ｒ４）を介して集積回路（１０）のエミッタ端子 （Ｅ）と接続されている、請求項３記載の集積回路。 ５．前記トランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの場合）またはエミッタ（ｎ ｐｎの場合）は、第４のトランジスタ（Ｔ７）のベースと接続されており、該第 ４のトランジスタ（Ｔ７）のコレクタは前記電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ ３）のベースと接続されており、該第４のトランジスタ（Ｔ７）のエミッタは前 記エミッタ端子（Ｅ）と接続されている、請求項１〜４のいずれか１項記載の集 積回路。 ６．前記電力トランジスタは、第１の部分トランジスタ（Ｔ１）および第２の部 分トランジスタ（Ｔ２，Ｔ３）によるダーリントン接続回路を有しており、前記 トランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの場合）またはエミッタ（ｎｐｎの場 合）は、第５のトランジスタ（Ｔ８）のベースと接続されており、該第５のトラ ンジスタ（Ｔ８）のコレクタは前記第１の部分トランジスタ（Ｔ１）のエミッタ と接続され ており、該第５のトランジスタ（Ｔ８）のエミッタは前記エミッタ端子（Ｅ）と 接続されている、請求項１〜５のいずれか１項記載の集積回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）と、温度に依存して動作し前記電力 トランジスタと熱的に結合されている回路装置（１４）が設けられている集積回 路において、 ｐｎｐトランジスタまたはｎｐｎトランジスタ（Ｔ５）が設けられており、 温度に依存して変化する該トランジスタの逆方向電流により、前記電力トランジ スタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）のベース電流における変化が引き起こされることを特 徴とする集積回路。 ２．トランジスタ（Ｔ４）が設けられており、該トランジスタのコレクタは集積 回路（１０）のベース端子（Ｂ）と接続されており、該トランジスタのエミッタ は前記トランジスタ（Ｔ１）のベースと接続されていて、該ベースを介して前記 電力トランジスタ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）のベース電流（Ｉ）が流れる、請求項１ 記載の集積回路。 ３．前記トランジスタ（Ｔ５）のベース−エミッタ区間は、正の温度係数を有す る温度依存型の抵抗（Ｒ３）と接続されている、請求項１または２記載の集積回 路。 ４．前記トランジスタ（Ｔ４）はトランジスタ（Ｔ６）を介して導通制御され、 該トランジスタ（Ｔ６） のベースは前記トランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの場合）またはエミッ タ（ｎｐｎの場合）と接続されている、請求項１〜３のいずれか１項記載の集積 回路。 ５．前記トランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの場合）またはエミッタ（ｎ ｐｎの場合）は、抵抗（Ｒ４）を介して集積回路（１０）のエミッタ端子（Ｅ） と接続されている、請求項４記載の集積回路。 ６．前記トランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの場合）またはエミッタ（ｎ ｐｎの場合）は、トランジスタ（Ｔ７）のベースと接続されており、該トランジ スタ（Ｔ７）のコレクタは前記トランジスタ（Ｔ１）のベースと接続されており 、該トランジスタ（Ｔ７）のエミッタは前記エミッタ端子（Ｅ）と接続されてい る、請求項１〜５のいずれか１項記載の集積回路。 ７．前記トランジスタ（Ｔ５）のコレクタ（ｐｎｐの場合）またはエミッタ（ｎ ｐｎの場合）は、トランジスタ（Ｔ８）のベースと接続されており、該トランジ スタ（Ｔ８）のコレクタは前記トランジスタ（Ｔ１）のエミッタと接続されてお り、該トランジスタ（Ｔ８）のエミッタは前記エミッタ端子（Ｅ）と接続されて いる、請求項１〜６のいずれか１項記載の集積回路。