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公開番号2025063380
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-16
出願番号2023172499
出願日2023-10-04
発明の名称半導体装置
出願人富士電機株式会社
代理人弁理士法人扶桑国際特許事務所
主分類H03K 17/082 20060101AFI20250409BHJP(基本電子回路)
要約【課題】過電流状態における高温下での大電流動作を制限して出力素子の動作の信頼性の向上を図る。
【解決手段】半導体装置10は、出力素子M0、温度検出回路11、電流制限回路12および過電流検出回路13を有する。出力素子M0は、負荷L0を駆動するパワー半導体素子であり、負荷L0に接続してスイッチングにより負荷L0を作動する。温度検出回路11は、出力素子M0の動作時における温度を検出する。過電流検出回路13は、出力素子M0の過電流状態を検出する。電流制限回路12は、過電流状態が検出され、かつ温度が設定温度を超過した場合、出力素子M0のゲート電圧を、温度が設定温度を超過する前の場合の出力素子M0のターンオン時より低い電圧に設定し、出力素子M0に流れる電流を制限する。また、温度が設定温度より低下するにつれてゲート電圧を上昇させる動作を行う。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
負荷に接続される出力端子と電源に接続される電源端子とに接続される出力素子と、
前記出力素子の過電流状態を検出する過電流検出回路と、
前記出力素子の動作時における温度を検出する温度検出回路と、
前記過電流状態が検出され、かつ前記温度が設定温度を超過した場合、前記出力素子のゲート電圧を、設定温度を超過していない場合の前記出力素子のターンオン時より低い電圧に設定し、前記温度が前記設定温度より低い基準温度に低下するにつれて前記ゲート電圧を上昇させて、前記出力素子に流れる電流を制限する電流制限回路と、
を有する半導体装置。
続きを表示（約 2,800 文字）【請求項２】
前記基準温度は、第１温度から第ｎ－１温度までの合計ｎ－１（ｎは３以上の自然数）個の温度であり、
前記温度検出回路は、合計ｎ段階の前記設定温度および前記基準温度に対する合計ｎ個の温度検出信号を出力し、前記電流制限回路は、ｎ個の前記温度検出信号にもとづいて前記出力素子に流れる電流を制限する、
請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
温度検出信号群は前記温度検出信号の集合体であり、
前記電流制限回路は、
前記温度が前記設定温度を超過することを示す前記温度検出信号を受信した場合、ｐ個（ｐはｎより小さい自然数）のゲート電荷引抜き信号を生成して、ｐ個の前記ゲート電荷引抜き信号により前記出力素子のゲートから電荷を引き抜き、
前記温度が前記設定温度を超過した後に、前記温度が前記基準温度を下回ったことを示す前記温度検出信号群を受信した場合、ｐ個より少ないｑ個（ｑは自然数）の前記ゲート電荷引抜き信号を生成して、ｑ個の前記ゲート電荷引抜き信号により前記ゲートからゲート電荷を引き抜く、
請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記温度検出回路は、
温度検出用定電流源と、
前記温度検出用定電流源からの電流にもとづく温度検出電圧が温度上昇に伴って減少する温度センスダイオードを含む検出回路と、
前記温度検出用定電流源からの電流にもとづいて基準電圧を発生する基準電圧発生部と、
前記基準電圧と前記温度検出電圧とを比較し、前記基準電圧が前記温度検出電圧より高い場合に所定レベルの前記温度検出信号を出力する比較回路と、
を有する請求項２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記基準電圧発生部は、前記温度検出用定電流源からの電流にもとづいて、１番目からｎ番目に向かって電圧値が小さくなるｎ個の前記基準電圧を発生し、
前記比較回路は、ｎ個のうちのｋ（１≦ｋ≦ｎ）番目の前記基準電圧と前記温度検出電圧とを比較し、ｋ番目の前記基準電圧が前記温度検出電圧より高い場合に、ｋ番目以下の所定レベルの前記温度検出信号を出力する、
請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
前記温度検出用定電流源は、第１の定電流源と第２の定電流源を含み、
前記基準電圧発生部は、第１の抵抗から第ｎの抵抗までの、高電位側から低電位側へ順に直列接続された合計ｎ個の抵抗を含み、前記比較回路は、第１のコンパレータから第ｎのコンパレータまでの合計ｎ個のコンパレータを含み、
前記第１の定電流源の入力端は、前記第２の定電流源の入力端および電源部に接続され、
前記第１の定電流源の出力端は、前記温度センスダイオードのアノード、前記第１のコンパレータから前記第ｎのコンパレータまでの合計ｎ個のコンパレータの反転入力端子に接続され、
前記第２の定電流源の出力端は、前記第１のコンパレータの非反転入力端子および前記第１の抵抗の一端に接続され、前記第１のコンパレータの出力端から１番目の所定レベルの１番目の温度検出信号が出力され、
第ｋのコンパレータの非反転入力端子は、第ｋの抵抗の高電位端に直接接続され、前記第ｋのコンパレータの出力端から所定レベルのｋ番目の温度検出信号が出力され（１≦ｋ≦ｎ）、
前記第ｎの抵抗の他端は、前記温度センスダイオードのカソードおよびグランドに接続される、
請求項４記載の半導体装置。
【請求項７】
前記基準温度は、第１温度から第ｎ－１温度であり、
前記電流制限回路は、
前記温度が前記設定温度以上の第１の温度範囲、または前記温度が前記設定温度以上となった後、前記設定温度よりも低い前記第１温度以上で前記設定温度未満の第２の温度範囲にあることを示す前記温度検出信号群を受信した場合、第１のゲート電荷引抜き信号から第ｎ－１のゲート電荷引抜き信号までの全てのゲート電荷引抜き信号を生成して、ｎ－１個の経路を介して前記ゲートからゲート電荷を引き抜き、
前記温度が前記設定温度以上となった後、第ｒ－１温度よりも低い第ｒ温度以上で前記第ｒ－１温度未満の第ｒ＋１の温度範囲にあることを示す前記温度検出信号群を受信した場合、前記第１のゲート電荷引抜き信号から前記第ｎ－１のゲート電荷引抜き信号までのうち、第ｒのゲート電荷引抜き信号から前記第ｎ－１のゲート電荷引抜き信号までを生成して、ｎ－ｒ個の経路を介して前記ゲートから前記ゲート電荷を引き抜く（２≦ｒ≦ｎ－１）、
請求項３記載の半導体装置。
【請求項８】
前記温度検出回路は、
第ｋの温度範囲において、所定レベルのｋ番目の温度検出信号から所定レベルのｎ番目の温度検出信号までを出力し、
前記電流制限回路は、
第１の状態保持回路から第ｎ－１の状態保持回路までを有し、
第ｑのゲート電圧制御回路は、前記過電流状態が検出された場合に前記過電流検出回路から出力される過電流検出信号の受信時に、所定レベルの１番目の温度検出信号を受信した後、所定レベルのｑ番目の温度検出信号を受信しなくなるまで、前記第ｑのゲート電荷引抜き信号を出力する第ｑの状態保持回路と、前記第ｑのゲート電荷引抜き信号にもとづくスイッチングによって前記ゲートを装置の出力端子に導通させる第ｑのスイッチを含む、
請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
前記温度検出回路は、
温度検出用定電流源と、
前記温度検出用定電流源からの電流にもとづく温度検出電圧が温度上昇に伴って減少する温度センスダイオードを含む検出回路と、
前記温度検出用定電流源からの電流にもとづいて基準電圧を発生する基準電圧発生部と、
前記基準電圧と前記温度検出電圧とを比較し、前記基準電圧が前記温度検出電圧より低い場合に所定レベルの前記温度検出信号を出力する比較回路と、
を有する請求項２記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記基準電圧発生部は、前記温度検出用定電流源からの電流にもとづいて、１番目からｎ番目に向かって電圧値が小さくなるｎ個の前記基準電圧を発生し、
前記比較回路は、ｎ個のうちのｋ（１≦ｋ≦ｎ）番目の前記基準電圧と前記温度検出電圧とを比較し、ｋ番目の前記基準電圧が前記温度検出電圧より低い場合に、ｋ番目以下の所定レベルの前記温度検出信号を出力する、
請求項９記載の半導体装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、パワー半導体素子を用いた出力素子と、出力素子の駆動回路およびその周辺の保護回路等を１パッケージ化した半導体装置の開発が進んでいる。このような半導体装置は、例えば、トランスミッション、エンジンおよびブレーキなどの車両電装システムに広く利用されており、小型化、高性能化および高信頼性に応える製品が要望されている。
【０００３】
関連技術として、過電流検出閾値を内部回路の閾値制御部により切り替える技術が提案されている（特許文献１）。また、温度検出信号にもとづき、過電流状態検出後のヒカップ動作時のオン／オフ時間を制御する技術が提案されている（特許文献２）。
【０００４】
さらに、コンデンサの充電電圧と、比較電圧生成回路が発生する比較電圧との比較結果にもとづいて、比較結果信号を出力する複数の電圧比較器を備える技術が提案されている（特許文献３）。また、検出電圧にヒステリシス特性を有し、閾値電圧に対する入力電圧レベルに応じてオン／オフするＲＳフリップフロップを含む電圧検出回路が提案されている（特許文献４）。
【０００５】
さらに、ＲＳフリップフロップのセット部に発振部からの出力信号と寿命末期信号が入力されるＡＮＤ回路が接続され、リセット部に該出力信号が入力されるＮＯＴ回路が接続される技術が提案されている（特許文献５）。また、メインＭＯＳトランジスタのゲートに接続され、メインＭＯＳトランジスタのオンオフを制御することによりパワースイッチング素子におけるゲート電流を切り替えるスイッチ回路を備える技術が提案されている（特許文献６）。さらにまた、抵抗の異なるゲート電荷引抜き回路を複数並列に設置したゲート駆動回路が提案されている（特許文献７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
国際公開第２０２１／１２５２６９号
特開２０１９－２０５３００号公報
特開２０１３－６２７２５号公報
特開平１－３１６６６８号公報
特開平８－９８４３２号公報
特開２０１５－１９５７００号公報
特開２０２１－１０３８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、過電流状態における出力素子の温度情報にもとづき負荷が短絡時に出力素子に流れる電流を制限することで、高温下での大電流動作を制限して、出力素子の動作の信頼性の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、半導体装置が提供される。半導体装置は、負荷に接続される出力端子と電源に接続される電源端子とに接続される出力素子と、出力素子の過電流状態を検出する過電流検出回路と、出力素子の動作時における温度を検出する温度検出回路と、過電流状態が検出され、かつ温度が設定温度を超過した場合、出力素子のゲート電圧を、設定温度を超過していない場合の出力素子のターンオン時より低い電圧に設定し、温度が設定温度より低い基準温度に低下するにつれてゲート電圧を上昇させて、出力素子に流れる電流を制限する電流制限回路と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
１側面によれば、過電流状態における高温下での大電流動作を制限して出力素子の動作の信頼性の向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
半導体装置の構成および動作の一例を説明するための図である。
半導体装置の構成の一例を示す図である。
温度検出回路の構成の一例を示す図である。
電流制限回路の構成の一例を示す図である。
電流制限回路の動作の一例を示すタイムチャートである。
電流制限回路の構成の一例を示す図である。
温度検出回路の構成の一例を示す図である。
電流制限回路の構成の一例を示す図である。
電流制限回路の動作の一例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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