JP7600565B2

JP7600565B2 - 半導体装置

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Publication number: JP7600565B2
Application number: JP2020141295A
Authority: JP
Inventors: 啓皆川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2024-12-17
Anticipated expiration: 2040-08-25
Also published as: JP2022037262A; JP2025023188A; JP7827121B2; US20220069815A1; US11575371B2; CN114124053A

Description

本発明は、ＩＧＢＴなどのパワー半導体スイッチング素子およびこれを駆動する駆動回路からなるパワーモジュールを複数備えて構成される半導体装置に係り、特にパワー半導体スイッチング素子の温度検出機能および加熱保護機能を有する半導体装置に関する。

一般に、ＩＧＢＴなどのパワー半導体スイッチング素子を用いて動作する装置には過熱保護機能が備えられている。この機能はパワー半導体スイッチング素子の温度を検出して一定の温度を超えた場合は警報出力をしたり、装置の動作を停止させるなどの保護動作を実行するものである。

従来、複数のパワー半導体スイッチング素子の温度を集約して検出する技術が提案されている。例えば、特許文献１に記載の三相ブリッジ回路を内蔵する半導体モジュールでは、各半導体素子（ＩＧＢＴ）上に設けられた温度検出用ダイオードから出力される電圧をアナログ絶縁アンプで増幅して温度情報として使用する。そして、各半導体素子の温度情報の中から温度が最も高い箇所の温度情報を選択して、当該温度情報が閾値以上になった場合に保護動作を実行する。

特開２０００－１３４０７４号公報

しかしながら、温度検出用ダイオードの出力電圧と温度にはばらつきがあるので、特許文献１に記載されているような温度検出用ダイオードの出力電圧を増幅した値を比較するという手法では、最も高い温度のＩＧＢＴを正確に選択できるとは限らない。また選択したＩＧＢＴの実際の温度と温度検出用ダイオードの出力電圧値をもとに推定した温度との間でずれが生じている可能性もある。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたものであり、複数のパワー半導体スイッチング素子を用いて構成される半導体装置において、各パワー半導体スイッチング素子の温度を精度よく検知し、かつ効率的に収集することのできる半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は、
温度検出用ダイオードを備えたパワー半導体スイッチング素子と、
前記パワー半導体スイッチング素子をオンオフ動作させる出力回路を備え、前記温度検出用ダイオードの順方向電圧の値が第１の基準電圧値以下になると注意を促すためのワーニング信号を出力し、前記順方向電圧の値が前記第１の基準電圧値よりも小さい第２の基準電圧値以下になると、前記パワー半導体スイッチング素子のオンオフ動作を停止させるための保護動作信号を出力する駆動回路と、
を有するパワーモジュールを複数備え、
各パワーモジュールの前記ワーニング信号の論理和として外部ワーニング信号を出力する半導体装置であって、
夫々の前記パワーモジュールは、前記ワーニング信号の出力を許可又は禁止する切替手段を備えたことを特徴とする。

本発明では、パワー半導体スイッチング素子ごとに、当該素子に搭載された温度検出用ダイオードの順方向電圧が一定の閾値電圧を超えたか否かを判定し、その判定結果の論理和として外部に出力する。また、夫々の前記パワーモジュールは、前記ワーニング信号の出力を許可又は禁止する切替手段を備える。これによりワーニング信号や保護動作信号を出力するか否かを判定する基準電圧の調整を効率よく行うことができる。

好ましくは、前記第１の基準電圧値および／又は前記第２の基準電圧値は調整可能にするのがよい。これにより、まずパワーモジュールごとに精度良く温度検出を行い、その検出結果を論理和を出力することにより、精度のよい温度検出によるワーニング信号を効率よく外部に出力することができる。

また、本発明に係る半導体装置の前記駆動回路は、
前記順方向電圧と前記第１の基準電圧とを比較して、前記ワーニング信号を出力する第１のコンパレータと、
前記順方向電圧と前記第２の基準電圧とを比較して、前記保護動作信号を出力する第２のコンパレータを備え、
前記第１のコンパレータと前記第２のコンパレータは、ヒステリシスコンパレータであることを特徴とする。

コンパレータとしてヒステリシスコンパレータを用いることにより、ワーニングや保護動作信号による過熱保護の発生／復帰を繰り返すことがなく安定した動作が実現できる。

なお、半導体装置が単相インバータの場合は、上アーム用パワーモジュールと、下アーム用パワーモジュールのワーニング信号を集約して外部へ出力するのが好ましい。また、半導体装置が三相インバータの場合は、さらに、各相のワーニング信号を集約して外部へ出力するのが好ましい。

以上の如く、本発明によれば、各半導体スイッチング素子の温度を精度よく検知することができ、また半導体装置として効率的に温度情報を収集することができる。

本発明の第１の実施の形態による半導体装置の構成図である。図１の動作を説明するためのタイミングチャートである。図１の他の実施例である。本発明の第２の実施の形態による半導体装置の構成図である。本発明の第３の実施の形態による半導体装置の構成図である。本発明の第４の実施の形態による半導体装置の構成図である。

以下に本発明に係る半導体装置の第１の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態による半導体装置１の構成図である。この図に示すように、半導体装置１は、複数のパワーモジュール２（２ａ～２ｎ）で構成される。各パワーモジュール２（２ａ～２ｎ）は、ＩＧＢＴなどのパワー半導体スイッチング素子１０と駆動回路２０で構成される。パワー半導体スイッチング素子１０は、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴなどでも良いが、以下ＩＧＢＴを例に説明する。本実施の形態におけるＩＧＢＴ１０はチップ内に温度検出用ダイオード１２を備える。

駆動回路２０は、入力される駆動信号４１に基づいてＩＧＢＴ１０のゲート端子に電圧を印加してＩＧＢＴ１０をオンオフ動作させる出力回路２１を備える。駆動回路２０は、また定電流源２４を備える。そしてこの定電流源２４からＩＧＢＴ１０の温度検出用ダイオード１２に定電流を流し、順方向電圧（以下、「検出電圧」という。）を検知する。この検出電圧は、コンパレータ２２およびコンパレータ２３の反転入力端子に入力される。コンパレータ２２の非反転入力端子は基準電圧値Ｖｒｅｆ１の電圧を出力する基準電圧源２５、コンパレータ２３の非反転入力端子は基準電圧値Ｖｒｅｆ２の電圧を出力する基準電圧源２６に夫々接続される。なお基準電圧値Ｖｒｅｆ２は基準電圧値Ｖｒｅｆ１よりも小さい値が設定される。これらコンパレータ２２，２３はヒステリシスコンパレータを用いるのが好ましい。

複数のパワーモジュール２（２ａ～２ｎ）の各駆動回路２０のコンパレータ２２の出力は、ＯＲ回路からなる集約回路３の入力端に接続される。集約回路３の出力端からは、各ＩＧＢＴ１０の温度に関して注意を促すためのワーニング信号４３のＯＲ条件の演算結果として外部ワーニング信号４４が出力される。

各駆動回路２０のコンパレータ２３の出力端からは保護動作信号４２が出力される。この保護動作信号４２は、例えば、ＰＷＭ回路（図示せず）などの外部回路に入力される。外部回路は、保護動作信号４２を入力すると、スイッチング周波数を低下させたり、動作を停止させたりするなど所定の保護動作を実行する。なお、簡便な保護方法の一例としては、保護動作信号４２を当該保護動作信号４２を出力した駆動回路２０の出力回路２１に入力し、保護動作信号４２がオン（イネーブル状態）のときは、駆動信号４１によらず出力回路の２１の出力を強制的にオフ状態にするという方法がある。このようにすれば簡単な構成で、過熱保護機能を実現することができる。

温度検出用ダイオード１２の順方向電圧は温度依存性があり、温度が高くなるに従って、順方向電圧の値が小さくなる。したがって、コンパレータ２２の出力は検出電圧の値が基準電圧値Ｖｒｅｆ１以下になるとオン（Ｈｉｇｈレベル）になり、ワーニング信号４３がオン（イネーブル）になる。これにより、ＩＧＢＴ１０のチップ温度が異常レベルに近づいていることを外部に通知する。

上記の構成を有するパワーモジュールの温度異常時の作用について図２を用いて説明する。図２（ａ）～（ｄ）に示すグラフにおいて水平方向は時間軸である。垂直方向については、図２（ａ）は温度変化とコンパレータ２２，２３の動作タイミング、図２（ｂ）は保護動作信号（アラーム）４２の出力タイミングの波形、図２（ｃ）はワーニング信号４３の波形、図２（ｄ）はパワーモジュールの駆動回路２１のＯＵＴ端子からの出力パルス波形を示している。

上記の構成を有する半導体装置１において、全てのＩＧＢＴ１０の温度が所定値以下で、全てのパワーモジュール２（２ａ～２ｎ）が正常に動作しているときは、温度検出用ダイオード１２の順方向電圧（検出電圧）の値は基準電圧値Ｖｒｅｆ１よりも大きいので、どのパワーモジュール２（２ａ～２ｎ）からもワーニング信号４３は出力されない。この結果、集約回路３の出力である外部ワーニング信号４４はオフ（ディスエイブル）となる。

いま、あるパワーモジュール２のＩＧＢＴ１０の温度が徐々に上昇して、時刻ｔ１の時点で温度ワーニングレベルを超える、即ち温度検出用ダイオード１２の検出電圧が基準電圧値Ｖｒｅｆ１以下になるとコンパレータ２２の出力がオンになり集約回路３の出力（ワーニング出力端子）がＨｉｇｈレベルになる。その後ＩＧＢＴ１０の温度上昇が続き時刻ｔ２の時点で過熱保護レベルを超える、すなわち温度検出用ダイオード１２の検出電圧が基準電圧値Ｖｒｅｆ２以下になるとコンパレータ２３の出力がオンになり保護動作信号４２がイネーブルになる。外部回路（図示せず）は、保護動作信号４２がイネーブル状態になったことを検知して、保護動作を実施する。図２（ｄ）の例では、保護動作期間中はＩＧＢＴ１０のゲート電流を遮断して動作を停止させる。これにより、当該ＩＧＢＴ１０の温度が低下し始める。そして時刻ｔ３の時点で基準電圧値Ｖｒｅｆ２に対して検出電圧値がヒステリシス分大きくなるとコンパレータ２３の出力がオフし、保護動作信号４２がリセットされる。この結果、外部回路（図示せず）は、再び動作を開始し、ＩＧＢＴ１０のゲート端子に再び電圧パルスが供給され、オンオフ・スイッチングを再開する。その後、温度がさらに低下して時刻ｔ４の時点で基準電圧値Ｖｒｅｆ１に対して検出電圧値がヒステリシス分大きくなると、コンパレータ２２の出力がオフし、この結果ワーニング信号４３がリセットされる。

以上のごとく、本実施の形態によれば、パワーモジュール２（２ａ～２ｎ）ごとに過熱保護のための保護動作信号を出力する一方で、外部に注意を促すワーニング信号については集約回路によって一つに集約して出力する。これにより、過熱異常になったパワーモジュールについては確実に保護動作を実行する一方、ワーニング信号については集約することにより、処理が簡略化できるので半導体装置として効率的な温度情報の収集が可能となる。

（他の実施例）
図１では、各パワーモジュール２（２ａ～２ｎ）から出力されるワーニング信号４３の先に集約回路３を設けた。この集約回路３は、パワーモジュール２（２ａ～２ｎ）とは別の基板とし半導体装置１に装着することができる。これに対して、図３に示すように集約回路３をパワーモジュール２（２ａ～２ｎ）のいずれか一つのパワーモジュール内に設けるようにしてもよい。

（応用例）
次に本発明の応用例を説明する。ワーニング信号をどのような単位で集約するかが重要になるが、単相インバータ回路を内蔵する半導体装置１の場合は、上アームを構成するパワーモジュールと下アームを構成するパワーモジュールをペアとして、夫々のパワーモジュールのワーニング信号４３を集約回路３によって論理和を演算し、その結果を外部ワーニング信号４４として出力することができる。

半導体装置１が三相インバータ回路を内蔵する場合は、さらに各相を構成するパワーモジュールのワーニング信号を集約回路によって論理和を演算し、その結果をワーニング信号４３として出力することができる。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態は、基準電圧値Ｖｒｅｆ１を外部から可変設定可能にしたものである。図４は本実施の形態による半導体装置１の構成図である。図１との主な構成の違いは、定電流源３１の出力端を可変抵抗器３２の一端とコンパレータ２２の非反転入力端子に接続し、可変抵抗器３２の他端を基準電位（ＧＮＤ）に接続した。また、定電流源３１の出力を基準電圧源３３の正極側に接続し、基準電圧源３３の負極側をコンパレータ２３の非反転出力端子に接続した。基準電圧源３３の両端電圧は基準電圧値Ｖｒｅｆ３である。その他は図１と同様であるので同一要素には同一符号を付して説明を割愛する。

上記の構成を有する半導体装置１において、コンパレータ２２，２３の反転入力端子には、ＩＧＢＴ１０に内蔵されている温度検出用ダイオード１２の順方向電圧（検出電圧）が印加される。一方、定電流源３１から可変抵抗器３２には定電流が流れ、可変抵抗器の両端に発生する電圧が、コンパレータ２２の非反転入力端子に印加される。この電圧値Ｖｒｅｆ１は、コンパレータ２２が温度検出用ダイオード１２の検出電圧をもとにワーニング信号を出力するか否かを判定する基準電圧値となる。一方、コンパレータ２３の非反転入力端子には、基準電圧値（Ｖｒｅｆ１－Ｖｒｅｆ３）が印加される。この基準電圧値（Ｖｒｅｆ１－Ｖｒｅｆ３）は、パワーモジュール２が保護動作信号４２を出力するか否かを判定する基準電圧値となる。

本実施の形態による半導体装置１ではコンパレータ２２がワーニング信号４３をオンする際の基準電圧値Ｖｒｅｆ１を調整することができる。一般に温度検出用ダイオード１２に定電流を流したときの順方向電圧値とＩＧＢＴの温度にはばらつきがある。また、相ごとに検出電圧が異なる場合もある。したがって、半導体装置１の試験時にＩＧＢＴ１０をオン状態にしてコレクタ電流を流し、ＩＧＢＴ１０が一定の温度に達したときの検出電圧値に基づいて、ワーニング信号出力時の温度における検出電圧値が基準電圧値Ｖｒｅｆ１になるように可変抵抗器３２を調整する。

このように基準電圧値が調整された半導体装置１において、あるパワーモジュール２のＩＧＢＴ１０の検出電圧値が基準電圧値Ｖｒｅｆ１になるとそのパワーモジュールのワーニング信号４３が出力される。そして、ワーニング信号出力時点からさらに検出電圧値がＶｒｅｆ３だけ低下すると保護動作信号４２が出力される。

本実施の形態では、パワーモジュール２ごとに基準電圧値Ｖｒｅｆ１が調整可能に構成されているので、第１の実施の形態の効果に加えて、温度検出用ダイオード１２に定電流を流したときの順方向電圧値とＩＧＢＴの温度とのばらつき誤差を低減して、ＩＧＢＴの温度を精度よく検知することができるという効果を奏する。

なお、本実施の形態においても、図３に示すように集約回路３をある一つのパワーモジュールに実装できることは言うまでもない。

次に本発明の第３の実施の形態について説明する。
本実施の形態の特徴は、ワーニング信号を出力する判定基準となる基準電圧値Ｖｒｅｆ１のみでなく、保護動作信号４２を出力する判定基準となる基準電圧値Ｖｒｅｆ２についても調整可能に構成したことである。図５は本実施の形態による半導体装置１の構成図である。図４との主な違いは、定電流源３４と可変抵抗器３５を新たに設け、定電流源３４の出力を可変抵抗器３５の一端およびコンパレータ２３の非反転入力端子に接続し、可変抵抗器３５の他端を基準電位（ＧＮＤ）に接続した。その他は図４と同様であるので同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態によれば、ワーニング信号４３を出力するか否かを判定するときの基準となる基準電圧値Ｖｒｅｆ１のみならず、パワーモジュール２が保護動作信号４２を出力するか否かを判定するときの基準となる基準電圧値Ｖｒｅｆ２についても夫々独立して調整することができる。

本実施の形態によれば、第１、第２の実施の形態の効果に加えて、さらに保護動作信号を出力する際にも、精度よく温度を検出することができる。

次に本発明の第４の実施の形態について説明する。
本実施の形態の特徴は、図６に示すように各パワーモジュールと集約回路３との間にパワーモジュールから出力されるワーニング信号４３を通過させるか否かを切り替える切替回路４を設けたことである。

この切替回路４は、夫々のワーニング信号４３の通過を手動で許可／禁止させるスイッチ４ａと、集約回路（ＯＲ回路）３の入力側にプルダウン抵抗４ｂを備える。その他は図４と同様であるので同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態による半導体装置１では、可変抵抗器３２によって基準電圧値Ｖｒｅｆ１を調整する際に、切替回路４において、調整対象のパワーモジュールのスイッチについてのみオンし、その他のスイッチはオフする。これにより集約回路３から出力される外部ワーニング信号４４は調整対象のパワーモジュールのワーニング信号のみになるので、調整が容易になる。また全てのＩＧＢＴを一括して所定の温度にした状態で、夫々の可変抵抗器３２の調整をすることができるので、調整の効率化を図ることができる。なお、可変抵抗器３２の調整後は、切替回路４の全てのスイッチ４ａをオンにして、運用状態では各パワーモジュールのワーニング信号４３が集約回路３に入力されるようにする。

なお、図３のように集約回路をあるパワーモジュールの駆動回路内に設けた構成や図５の２つの基準電圧値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２を調整可能にした構成に対して切替回路４を設けるようにしてもよい。

以上、本実施の形態によれば第１～第３の実施の形態の効果に加えて、基準電圧値を調整するときの効率を向上させることができる。なお、インバータを構成する基板を筐体内に収納して半導体装置を実現する構成においては、切替回路のスイッチや、基準電圧値調整用の可変抵抗器（トリマ）のつまみの操作は基板を実装した状態でできるように、基板端部に設けるか、あるいは基板外に引き出して、複数のパワーモジュールの基準電圧値を一括して調整できるようにしてもよい。

本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実現することができる。例えば、切替回路４のスイッチの切替は、調整モード、運用モードなどのモードによってコンピュータからの指令によって自動的に切り替わるようにしてもよい。

１半導体装置
２（２ａ-２ｎ）パワーモジュール
３集約回路
４切替回路
４ａスイッチ
４ｂプルダウン抵抗
１０パワー半導体スイッチング素子
１２温度検出用ダイオード
２０駆動回路
２１出力回路
２２，２３コンパレータ（ヒステリシスコンパレータ）
２４，３１，３４定電流源
２５，２６，３３基準電圧源
３２，３５可変抵抗器
４１駆動信号
４２保護動作信号
４３ワーニング信号
４４外部ワーニング信号

Claims

温度検出用ダイオードを備えたパワー半導体スイッチング素子と、
前記パワー半導体スイッチング素子をオンオフ動作させる出力回路を備え、前記温度検出用ダイオードの順方向電圧の値が第１の基準電圧値以下になると注意を促すためのワーニング信号を出力し、前記順方向電圧の値が前記第１の基準電圧値よりも小さい第２の基準電圧値以下になると、前記パワー半導体スイッチング素子のオンオフ動作を停止させるための保護動作信号を出力する駆動回路と、
を有するパワーモジュールを複数備え、
各パワーモジュールの前記ワーニング信号の論理和として外部ワーニング信号を出力する半導体装置であって、
夫々の前記パワーモジュールは、前記ワーニング信号の出力を許可又は禁止する切替手段を備えたことを特徴とする半導体装置。
前記第１の基準電圧値は、前記パワーモジュールごとに調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第２の基準電圧値は、前記パワーモジュールごとに調整可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
前記駆動回路は、
前記順方向電圧と前記第１の基準電圧とを比較して、前記ワーニング信号を出力する第１のコンパレータと、
前記順方向電圧と前記第２の基準電圧とを比較して、前記保護動作信号を出力する第２のコンパレータを備え、
前記第１のコンパレータと前記第２のコンパレータは、ヒステリシスコンパレータであることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記半導体装置はインバータであって、
前記パワーモジュールは、当該インバータの上アーム用パワーモジュールと、下アーム用パワーモジュールであり、前記上アーム用パワーモジュールのワーニング信号と前記下アーム用パワーモジュールのワーニング信号の論理和を出力することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記半導体装置は三相インバータであって、
前記パワーモジュールは、当該三相インバータを構成する各相のパワーモジュールのワーニング信号の論理和を出力することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。