JP5404432B2 - Semiconductor device and drive circuit using the same - Google Patents
Semiconductor device and drive circuit using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP5404432B2 JP5404432B2 JP2010000335A JP2010000335A JP5404432B2 JP 5404432 B2 JP5404432 B2 JP 5404432B2 JP 2010000335 A JP2010000335 A JP 2010000335A JP 2010000335 A JP2010000335 A JP 2010000335A JP 5404432 B2 JP5404432 B2 JP 5404432B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- current
- switching element
- reverse recovery
- main switching
- semiconductor device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 44
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 97
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 83
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 claims description 23
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 9
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
Landscapes
- Power Conversion In General (AREA)
Description
本発明は、スイッチング素子を備える半導体装置に関し、特に、スイッチング素子の温度検出(測定)の技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device including a switching element, and more particularly to a technique for temperature detection (measurement) of the switching element.
パワーエレクトロニクス機器において、負荷(モータ等)への電力供給の実行/停止を切り替えるスイッチング素子としてシリコンIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やシリコンMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などが使用されている。また近年では、1kV前後からそれ以上の高圧を制御するスイッチング素子として、炭化珪素MOSFETの採用も検討されている。これらはいずれも絶縁ゲート型の半導体素子である。 In power electronics equipment, a silicon IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a silicon MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), or the like is used as a switching element for switching execution / stop of power supply to a load (motor, etc.). In recent years, adoption of a silicon carbide MOSFET as a switching element for controlling a high voltage higher than about 1 kV has been studied. These are all insulated gate semiconductor elements.
電力制御用のスイッチング素子を備える半導体装置の中には、負荷が短絡状態になるなどして生じる過電流による当該スイッチング素子の破壊を防止する機能(過電流保護機能)を有するものがある。その代表例としては、スイッチング素子を流れる電流の検出用素子(電流センス素子)を有し、それによって過電流が検出されるとスイッチング素子がオフするように制御される半導体装置が挙げられる。 Some semiconductor devices including a switching element for power control have a function (overcurrent protection function) for preventing destruction of the switching element due to an overcurrent generated when a load is short-circuited. A typical example is a semiconductor device that has an element for detecting a current flowing through a switching element (current sense element), and is controlled so that the switching element is turned off when an overcurrent is detected.
また一般的に、スイッチング素子には定格温度(スイッチング素子の正常な動作を保証する最高温度)が定められている。そして、スイッチング素子が定格温度以上になると駆動を停止することにより、当該スイッチング素子を保護する機能(温度保護機能)を有する半導体装置も提案されている(例えば下記の特許文献1,2)。
Generally, a rated temperature (a maximum temperature that guarantees a normal operation of the switching element) is set for the switching element. A semiconductor device having a function (temperature protection function) for protecting the switching element by stopping driving when the switching element reaches a rated temperature or more has been proposed (for example,
温度保護機能を実現するためには、半導体装置が、スイッチング素子の温度を検出する機能を有する必要がある。例えば特許文献1の半導体装置では、スイッチング素子(110)の近傍に温度検出用ダイオード(120)を設置し、その順方向電圧降下を検出することでスイッチング素子の温度を検出している。さらに特許文献1の半導体装置は、電流センス素子を用いてスイッチング素子を流れる電流を算出し、それを元に算出した電力にスイッチング素子と温度検出用ダイオードとの間の熱抵抗を乗算することで、補正温度(温度検出用ダイオードの位置とスイッチング素子の接合部との温度差)を得る。そしてこの補正温度を、温度検出用ダイオードで検出した温度に加算することでスイッチング素子の接合部の正確な温度を算出し、より適切な温度保護機能を実現している。
In order to realize the temperature protection function, the semiconductor device needs to have a function of detecting the temperature of the switching element. For example, in the semiconductor device of
また特許文献2の半導体装置では、スイッチング素子であるパワーバイポーラトランジスタ(4)がオフする期間に、意図的にパワーバイポーラトランジスタがオンしない程度の一定の微小電流をそのベース・エミッタ間のpn接合(寄生ダイオード)に流し、その順方向電圧を検出することによって当該パワーバイポーラトランジスタの温度を検出している。つまり特許文献2の半導体装置は、ベース・エミッタ間の寄生ダイオードを温度検出用のダイオードとして利用しており、特別な温度検出手段を設けることなくスイッチング素子の温度を検出可能なように構成されている。 Further, in the semiconductor device of Patent Document 2, during a period in which the power bipolar transistor (4) that is a switching element is turned off, a constant minute current that does not intentionally turn on the power bipolar transistor is applied to a pn junction between its base and emitter ( The temperature of the power bipolar transistor is detected by detecting the forward voltage. That is, the semiconductor device of Patent Document 2 uses a parasitic diode between the base and emitter as a diode for temperature detection, and is configured to detect the temperature of the switching element without providing a special temperature detection means. Yes.
上記のように、特許文献1の半導体装置では、スイッチング素子に設けられた温度検出用ダイオードと電流センス素子を使用して、スイッチング素子の温度を算出している。そのため、温度検出用ダイオードおよび電流センス素子をスイッチング素子と同一の半導体チップ内に配設する必要がある。またスイッチング素子の温度を算出するためには、温度検出用ダイオードの順方向電圧に対応する信号や、電流センス素子を流れる電流を電圧に変換した信号を、チップ外部の演算手段に入力する必要がある。
As described above, in the semiconductor device of
よってチップ上に、それらの信号を取り出すためのパッドを、スイッチング素子の端子とは別に設けなければならない。従って、チップ面積が増大するという問題を伴う。特に特許文献1の手法では、スイッチング装置の電流検出と温度検出の両方を行う場合、電流検出用のパッドと温度検出用のパッドを別々に設ける必要がある。
Therefore, pads for taking out these signals must be provided on the chip separately from the terminals of the switching elements. Therefore, there is a problem that the chip area increases. In particular, in the method disclosed in
この点、特許文献2の半導体装置は、特別な温度検出手段を設けることなくスイッチング素子の温度を検出可能である。しかしその温度検出は、オフ状態のバイポーラトランジスタのベース・エミッタ間のpn接合で形成されるダイオードに微小電流を流すことで行われるため、その適用範囲は、オフ状態のときに制御回路から順方向電流を流すことが可能なpn接合を持つ構造のスイッチング素子に限られる。 In this regard, the semiconductor device of Patent Document 2 can detect the temperature of the switching element without providing a special temperature detecting means. However, since the temperature is detected by passing a minute current through a diode formed by the pn junction between the base and emitter of the bipolar transistor in the off state, the applicable range is forward from the control circuit in the off state. The switching element is limited to a structure having a pn junction through which a current can flow.
例えばIGBTやMOSFETといったゲート絶縁型のスイッチング素子には、ゲート・ソース間に電流を流すことができないため、特許文献2の温度検出方法を適用することはできない。つまり、ゲート絶縁型のスイッチング素子の温度検出をダイオードを用いて行うには、スイッチング素子と同一チップに、温度検出用ダイオードとそれから信号を取り出すためのパッドを別途設ける必要がある。 For example, since a current cannot flow between the gate and the source, such as an IGBT or a MOSFET, the temperature detection method of Patent Document 2 cannot be applied. That is, in order to detect the temperature of the gate-insulated switching element using a diode, it is necessary to separately provide a temperature detection diode and a pad for extracting a signal from the same chip as the switching element.
特に、電流密度を高くできる炭化珪素スイッチング素子は、シリコンのスイッチング素子と比較して格段に形成面積を縮小できるため、チップ上に設けるパッドの数の増加によってチップ面積が増大するデメリットは、炭化珪素スイッチング素子を備える半導体装置にとって非常に大きい。 In particular, since the silicon carbide switching element capable of increasing the current density can remarkably reduce the formation area as compared with the silicon switching element, the disadvantage that the chip area increases due to the increase in the number of pads provided on the chip is silicon carbide. It is very large for a semiconductor device provided with a switching element.
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、半導体チップに設けるパッドの数を増加させることなくスイッチング素子の温度を検出でき、絶縁ゲート型スイッチング素子にも適用可能な汎用性を備える半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and can detect the temperature of a switching element without increasing the number of pads provided on a semiconductor chip, and can be applied to an insulated gate switching element. An object of the present invention is to provide a semiconductor device having the characteristics.
本発明に係る半導体装置は、主スイッチング素子と、前記主スイッチング素子に並列接続した、前記主スイッチング素子よりも流れる電流が小さく設定された電流検出のための電流センス素子および抵抗素子の直列回路と、前記電流センス素子と前記抵抗素子との間に接続したセンス端子の電圧に基づき、前記電流センス素子の寄生ダイオードに逆回復電流が流れた時間である逆回復時間が、前記主スイッチング素子が定格温度である場合の前記逆回復時間より長いか否かを検出し、その検出結果に基づいて前記主スイッチング素子の温度が定格値を超えているか否かの判別を行う逆回復時間検出回路とを備え、前記逆回復時間検出回路は、前記主スイッチング素子のターンオン直後の所定タイミングにおける前記センス端子の電圧を所定の閾値と比較することで、前記逆回復時間が前記主スイッチング素子が定格温度である場合の前記逆回復時間より長いか否かを検出し、前記所定の閾値は、前記主スイッチング素子が定格温度である場合の、前記所定タイミングにおける前記センス端子の電圧に等しいものである。
A semiconductor device according to the present invention includes a main switching element, a series circuit of a current sensing element and a resistance element, which are connected in parallel to the main switching element and for detecting a current that is set to flow less than the main switching element. the current based on the voltage of the sense terminal connected between the sense element and the resistive element, the reverse recovery time reverse recovery current is the time that has flowed to the parasitic diode of the current sense element, the main switching element is rated A reverse recovery time detection circuit that detects whether or not the reverse recovery time is longer than the case of temperature, and determines whether or not the temperature of the main switching element exceeds a rated value based on the detection result. The reverse recovery time detection circuit has a predetermined voltage at the sense terminal at a predetermined timing immediately after the main switching element is turned on. By comparing the values, the reverse recovery time the main switching device detects whether longer or not than the reverse recovery time when the rated temperature, the predetermined threshold value, the main switching element is at the rated temperature In some cases, the voltage is equal to the voltage of the sense terminal at the predetermined timing.
電流センス素子の寄生ダイオードの逆回復時間は、主スイッチング素子の温度と相関関係があるため、本発明によれば、主スイッチング素子の温度検出が可能である。その温度検出(逆回復時間の検出)は、主スイッチング素子を流れる主電流の検出にも使用されるセンス端子を用いて行われるので、主スイッチング素子のチップに温度検出専用のパッドを設ける必要がない。特にこの効果は、チップ面積を格段に小さくできることで知られる炭化珪素スイッチング素子を備える半導体装置に非常に有効である。また温度検出は、還流電流に起因して生じる逆回復電流を利用して行われるため、絶縁ゲート型のスイッチング素子にも適用可能である。 Since the reverse recovery time of the parasitic diode of the current sense element has a correlation with the temperature of the main switching element, the temperature of the main switching element can be detected according to the present invention. The temperature detection (reverse recovery time detection) is performed using a sense terminal that is also used to detect the main current flowing through the main switching element, so it is necessary to provide a dedicated pad for temperature detection on the main switching element chip. Absent. In particular, this effect is very effective for a semiconductor device including a silicon carbide switching element that is known to be able to significantly reduce the chip area. Further, since temperature detection is performed using a reverse recovery current caused by the return current, it can also be applied to an insulated gate type switching element.
<実施の形態1>
図1は、本発明に係る半導体装置の構成を示す回路図である。当該半導体装置は、スイッチングデバイス10と、そのセンス電圧端子SEに接続した電流検出回路4および逆回復時間検出回路5を備える。スイッチングデバイス10は、電源のスイッチングにより負荷へ供給する電力を制御する主スイッチング素子1と、主スイッチング素子1と並列に接続された電流センス素子2およびセンス抵抗3の直列回路とを備えている。上記のセンス電圧端子SEは、電流センス素子2とセンス抵抗3との接続ノードに設けられている。
<
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a semiconductor device according to the present invention. The semiconductor device includes a
本実施の形態では、主スイッチング素子1および電流センス素子2は、炭化珪素を用いて形成されたMOSFETであるとする。電流センス素子2は、主スイッチング素子1を流れる電流よりも小さいセンス電流(主スイッチング素子1を流れる電流の1/5000〜1/10000程度)が流れるように、主スイッチング素子1よりも少数のセルにより構成されている。センス抵抗3は、電流センス素子2を流れる電流(センス電流)を電圧Vs(以下「センス電圧」と称す)に変換する。主スイッチング素子1および電流センス素子2のライフタイム(少数キャリアが消滅するまでの時間)は数nsec〜数μsec程度であるが、主スイッチング素子1のライフタイムは、電流センス素子2のライフタイムよりも短く設定されている。ライフタイムの制御は電子線照射やイオン照射、放射線照射などにより可能である。
In the present embodiment, it is assumed that
電流検出回路4は、電流センス素子2を流れる電流によってセンス抵抗3に生じるセンス電圧Vsに基づき、主スイッチング素子1を流れる電流値を検出する。また逆回復時間検出回路5は、電流センス素子2の寄生ダイオードに逆回復電流が流れるときのセンス電圧Vsに基づき、その逆回復電流が流れた時間すなわち逆回復時間を測定し、その測定値に基づいて主スイッチング素子1の温度を検出する。
The current detection circuit 4 detects the current value flowing through the
ここで、逆回復電流および逆回復時間について説明する。例えば図2のように、pn接合ダイオード6のカソードを接地電位7に、アノードを矩形電圧発生器8に接続させた場合を考える。矩形電圧発生器8が正電圧を出力しているときは、pn接合ダイオード6においてアノードからカソードへの向き(図2の実線矢印)に順方向電流が流れる。その状態から矩形電圧発生器8の出力が負電圧に変化すると、pn接合の少数キャリア蓄積効果により、pn接合ダイオード6においてカソードからアノードへの向き(図2の破線矢印)に逆方向電流が特定の時間だけ流れる。この逆方向電流が逆回復電流であり、それが流れる時間を逆回復時間と呼ぶ。
Here, the reverse recovery current and the reverse recovery time will be described. For example, as shown in FIG. 2, consider the case where the cathode of the
図3は、図2の例においてpn接合ダイオード6に生じる逆回復電流の波形図である。逆回復電流の大きさは、アノード電圧が正から負に切り替わった直後(つまりpn接合ダイオード6がオフした直後)に最大となり、その後はなだらかに減少して0になる。逆回復電流が流れる期間は、電流の向きが順方向から逆方向に切り替わる時刻taから電流の値が0になる時刻tbまでの間ということになるが、一般に逆回復時間は、逆回復電流が流れ始めたとき(時刻ta)から逆回復電流の大きさが最大値の10%に減少するまでの時間とされることが多い。本発明における逆回復時間の見積もり方については後述する。また逆回復時間は、ライフタイムを短くすると短縮されることが分かっている。
FIG. 3 is a waveform diagram of the reverse recovery current generated in the
本実施の形態においては、電流センス素子2の寄生ダイオードに生じる逆回復電流が流れる時間の長さ(逆回復時間)に基づいて、主スイッチング素子1の温度を検出する。以下、その温度検出方法について説明する。
In the present embodiment, the temperature of
図4は、図1の半導体装置を用いて構成したインバータ回路の構成図である。当該インバータ回路は、スイッチングデバイス10a,10bから成る直列回路と、スイッチングデバイス10c,10dから成る直列回路とが、電源VBのスイッチングを行うことによって負荷9を駆動する駆動回路である。
FIG. 4 is a configuration diagram of an inverter circuit configured using the semiconductor device of FIG. The inverter circuit is a drive circuit that drives the
図4に示すスイッチングデバイス10a〜10bは、それぞれ図1のスイッチングデバイス10と同様の構成を有するものである。また図4での図示は省略するが、スイッチングデバイス10a〜10dのセンス電圧端子SEの各々には、図1ように電流検出回路4および逆回復時間検出回路5に接続される。以下では便宜上、スイッチングデバイス10a,10cを「上側スイッチングデバイス」、スイッチングデバイス10b,10dを「下側スイッチングデバイス」と称することもある。
The
負荷9はモータ等の誘導性の負荷である。当該負荷9は、スイッチングデバイス10a,10b間の接続ノードとスイッチングデバイス10c,10d間の接続ノードとの間に接続されている。
The
炭化珪素のスイッチング素子を用いたインバータ回路では、各スイッチング素子にショットキーバリアダイオードの還流ダイオードを並列接続させることが多い。しかし本発明ではそれを用いずに、主スイッチング素子1および電流センス素子2(MOSFET)のソース・ドレイン間のpn接合で構成される寄生ダイオードを、還流ダイオードとして働かせる。
In an inverter circuit using silicon carbide switching elements, a Schottky barrier diode free-wheeling diode is often connected in parallel to each switching element. However, in the present invention, a parasitic diode composed of a pn junction between the source and the drain of the
図5は、スイッチングデバイス10a〜10dを駆動させる駆動信号V1〜V4の電圧波形図である。図5の如く、上側スイッチングデバイス10aの駆動信号V1と下側スイッチングデバイス10bの駆動信号V2が交互に活性化(H(High)レベルになる)し、上側スイッチングデバイス10cの駆動信号V3と下側スイッチングデバイス10dの駆動信号V4も交互に活性化する。また駆動信号V1,V4は互いに同位相であり、駆動信号V2,V3も互いに同位相である。
FIG. 5 is a voltage waveform diagram of drive signals V1 to V4 for driving the
一般的に、上側と下側のスイッチングデバイス(例えば上側スイッチングデバイス10aと下側スイッチングデバイス10b)が同時にオンすることを確実に防止する目的で、その両者の駆動信号の活性期間同士の間には、デッドタイムと呼ばれる一定のマージン期間(図5の時刻t2〜t3)が設けられる。このデッドタイムでは、上側と下側のスイッチングデバイスは共にオフ状態になる。
Generally, in order to reliably prevent the upper and lower switching devices (for example, the
図5を参照し、駆動信号V1,V4がHレベルになる時刻t1〜t2の期間では、上側スイッチングデバイス10aと下側スイッチングデバイス10dがオンし、図6に示す破線矢印の経路に主電流が流れる。
Referring to FIG. 5, in the period from time t1 to t2 when drive signals V1 and V4 are at the H level,
そして時刻t2で駆動信号V1,V4が非活性化(L(Low)レベルになる)すると、上側スイッチングデバイス10aと下側スイッチングデバイス10dが共にオフになり、主電流が遮断される。時刻t2から、その次に駆動信号V2,V3がHレベルになる時刻t3までの期間は、デッドタイムである。このデッドタイムの間は、誘導性の負荷9に蓄積されたエネルギーが放出されるため、図7に示す破線矢印の経路に還流電流が流れる。この還流電流は、スイッチングデバイス10b,10cの主スイッチング素子1および電流センス素子2の各寄生ダイオードを順方向に流れる。
When the drive signals V1 and V4 are deactivated (at L (Low) level) at time t2, both the
その後、時刻t3で駆動信号V2,V3がHレベルになり、下側スイッチングデバイス10bおよび上側スイッチングデバイス10cがオンすると、それらの主スイッチング素子1と電流センス素子2の各寄生ダイオードはオフになる。上記のように、デッドタイムの間はスイッチングデバイス10b,10cの主スイッチング素子1と電流センス素子2の各寄生ダイオードには順方向に逆回復電流が流れているため、時刻t3でそれらの寄生ダイオードがオフになると、それら寄生ダイオードに逆回復電流が流れる。
Thereafter, at time t3, when the drive signals V2 and V3 become H level and the
電流センス素子2の寄生ダイオードに流れる逆回復電流は、センス抵抗3を流れるので、センス電圧Vsの波形にも現れる。図8は、下側スイッチングデバイス10bのセンス電圧端子SEに出力されるセンス電圧Vsの波形図である。同図のように、下側スイッチングデバイス10bのセンス電圧Vsには、それがターンオンする時刻t3に、逆回復電流に起因するピークが現れる。逆回復電流が0になると、センス電圧Vsは、主スイッチング素子1を流れる電流に比例した値となる。図8に示したセンス電圧Vsの逆回復電流によるピークの部分の拡大図を図9に示す。図9の時刻tR1〜tR2が、電流センス素子2の寄生ダイオードに逆回復電流が流れた期間である。
Since the reverse recovery current that flows through the parasitic diode of the current sense element 2 flows through the sense resistor 3, it also appears in the waveform of the sense voltage Vs. FIG. 8 is a waveform diagram of the sense voltage Vs output to the sense voltage terminal SE of the
また図10は、pn接合における逆回復時間の温度特性を示すグラフである。逆回復時間は、同図のように温度に比例して長くなることが知られている(緒方修二、他4名、「3kV 600A 4H−SiC平型pnダイオードの静特性」、電気学会論文誌B、第126巻7号、p.663〜p.668、2006年)。 FIG. 10 is a graph showing the temperature characteristics of the reverse recovery time in the pn junction. It is known that the reverse recovery time becomes longer in proportion to the temperature as shown in the figure (Shoji Ogata, four others, "Static characteristics of 3kV 600A 4H-SiC flat pn diode", IEEJ Transactions B, 126: 7, p.663-p.668, 2006).
従って、センス電圧端子SEに接続される逆回復時間検出回路5は、センス電圧Vsに現れる逆回復電流の波形から逆回復時間を見積もることにより、電流センス素子2の温度を検出できる。電流センス素子2は、主スイッチング素子1と同一の半導体チップ内に配置されるため、電流センス素子2と主スイッチング素子1の温度はほぼ等しい。よって電流センス素子2の温度を検出することで、主スイッチング素子1の温度が分かる。
Therefore, the reverse recovery time detection circuit 5 connected to the sense voltage terminal SE can detect the temperature of the current sense element 2 by estimating the reverse recovery time from the waveform of the reverse recovery current appearing in the sense voltage Vs. Since the current sense element 2 is disposed in the same semiconductor chip as the
ここで、主スイッチング素子1および電流センス素子2の温度検出を行うタイミングについて説明する。本発明では、センス電圧Vsの波形を用いて温度検出を行うものであるが、センス電圧Vsは主スイッチング素子1を流れる主電流の検出という本来の目的にも使用される。電流検出回路4が、逆回復電流が流れているときのセンス電圧Vsを基にして主電流の検出を行うと、主電流を正確に検出することができず、過電流保護機能を誤って動作させる懸念がある。そのため、電流検出回路4による電流検出は、逆回復電流が流れていない期間に行う必要がある。
Here, the timing for detecting the temperature of the
電流センス素子2の寄生ダイオードにおける逆回復電流は、スイッチングデバイス10がオンした直後の期間、例えば下側スイッチングデバイス10bであれば図9の時刻tR1〜tR2に流れる。本実施の形態では、電流センス素子2の寄生ダイオードに逆回復電流が流れると想定される、ターンオン直後の一定期間(少なくとも図9の時刻tR1〜tR2を含む期間)を逆回復時間検出回路5による温度検出の期間とする。そしてそれ以降を電流検出回路4による電流検出の期間として、温度検出の期間と電流検出の期間とを分ける。これにより電流および温度の誤検出を回避し、その精度を高めることができる。
The reverse recovery current in the parasitic diode of the current sense element 2 flows during the period immediately after the
次に、本実施の形態における逆回復時間の見積もり方法について説明する。本実施の形態では、図11のように所定の閾値電圧Vs1を設定し、センス電圧Vsが閾値電圧Vs1以上になっている時間tRを、逆回復時間と定義する。この時間tRは、逆回復電流が流れる時間(図9の時刻tR1〜tR2)と相関関係にあるため、時間tRも図10の如く温度に比例する特性となる。従って、時間tRから、主スイッチング素子1および電流センス素子2の温度を検出することができる。
Next, a method for estimating the reverse recovery time in the present embodiment will be described. In the present embodiment, a predetermined threshold voltage Vs1 is set as shown in FIG. 11, and a time tR when the sense voltage Vs is equal to or higher than the threshold voltage Vs1 is defined as a reverse recovery time. Since the time tR is correlated with the time during which the reverse recovery current flows (time tR1 to tR2 in FIG. 9), the time tR also has a characteristic proportional to the temperature as shown in FIG. Therefore, the temperatures of the
このように本実施の形態に係る半導体装置は、スイッチングデバイス10のセンス電圧端子SEから出力されるセンス電圧Vsの波形の一部を用いて、主スイッチング素子1の温度検出を行う。つまりセンス電圧端子SEは、主スイッチング素子1の電流検出を行う電流検出回路4と、温度検出を行う逆回復時間検出回路5とで共有することができる。つまりスイッチングデバイス10のチップに温度検出専用のパッドを設ける必要はない。電流検出機能と温度検出機能の両方を備える従来のスイッチングデバイス(例えば特許文献1)に比べ、少なくともパッド1個分の面積縮小が可能である。特にこの効果は、チップ面積を格段に小さくできることで知られる炭化珪素スイッチング素子を備える半導体装置に非常に有効である。
As described above, the semiconductor device according to the present embodiment detects the temperature of the
温度検出は、電流センス素子2の寄生ダイオードにおいて還流電流に起因して生じる逆回復電流を利用して行われるため、絶縁ゲート型のスイッチング素子にも適用可能である。また温度検出は、主スイッチング素子1の近傍に配設される電流センス素子2の寄生ダイオードを利用して行われるため、主スイッチング素子1の近傍の接合部温度を検出することができる。電流センス素子2は、主スイッチング素子1のチップの中央部に配置することが好ましいが、チップ端部に配置してもよい。チップ端部に配置した場合は、チップ中央部と端部との温度差を考慮して、逆回復時間を規定する閾値電圧Vs1の値を設定することが好ましい。
Since the temperature detection is performed using a reverse recovery current caused by the return current in the parasitic diode of the current sense element 2, it can also be applied to an insulated gate type switching element. Moreover, since temperature detection is performed using the parasitic diode of the current sense element 2 disposed in the vicinity of the
さらに本実施の形態では、主スイッチング素子1のライフタイムを電流センス素子2のライフタイムより短くすることで、主スイッチング素子1の寄生ダイオードにおける逆回復時間を短くしている。これにより、主スイッチング素子1の寄生ダイオードの逆回復電流による電力ロスを抑制できる。
Furthermore, in this embodiment, the reverse recovery time in the parasitic diode of the
なお、電流センス素子2に接続させるセンス抵抗3は、主スイッチング素子1および電流センス素子2と同一チップに内蔵させてもよいし、ディスクリート部品の抵抗素子として外付けしてもよい。
The sense resistor 3 connected to the current sense element 2 may be built in the same chip as the
<実施の形態2>
実施の形態1では、電流センス素子2の寄生ダイオードに逆回復電流が流れる時間、即ちセンス電圧Vsが所定の閾値電圧Vs1以上になる時間の長さを測定することによって、主スイッチング素子1の温度を検出した。この方法によれば、逆回復時間の具体的な長さが分かるので、主スイッチング素子1の具体的な温度の値を知ることもできる。
<Embodiment 2>
In the first embodiment, the temperature of the
しかし実使用上は、主スイッチング素子1の温度が定格温度(主スイッチング素子1の正常動作が保証される最高温度)を超えたが否かさえ判断できれば充分なことが殆どである。つまり、測定した逆回復時間が、定格温度の場合の逆回復時間より長いか否かさえ検出できればよい。
However, in actual use, it is almost always sufficient to determine whether or not the temperature of the
そこで実施の形態2では、より簡易的な温度検出手法を提案する。ここでも図4および図5に示したインバータの下側スイッチングデバイス10bにおける、主スイッチング素子1の温度検出を例に挙げて説明する。
Therefore, in the second embodiment, a simpler temperature detection method is proposed. Here, the temperature detection of the
本実施の形態の逆回復時間検出回路5は、図12に示すように、下側スイッチングデバイス10bがオンする時刻t3から一定のディレイ時間後の時刻tDのみにセンス電圧Vsを検出し、それを所定の閾値電圧Vs2と比較して、センス電圧Vsが閾値電圧Vs2を超えているか否かを判定する。閾値電圧Vs2は、主スイッチング素子1が定格温度である場合の、時刻tDにおけるセンス電圧Vsの値に予め設定される。
As shown in FIG. 12, the reverse recovery time detection circuit 5 of the present embodiment detects the sense voltage Vs only at time tD after a certain delay time from time t3 when the
例えば時刻tD後のセンス電圧Vsが閾値電圧Vs2よりも大きければ、定格温度の場合よりも逆回復時間が長くなっていることが分かり、主スイッチング素子1が定格温度を超えていると判断できる。逆に、時刻tD後のセンス電圧Vsが閾値電圧Vs2以下であれば、定格温度の場合より逆回復時間が短くなっていることが分かり、主スイッチング素子1が定格温度以下であると判断できる。
For example, if the sense voltage Vs after time tD is greater than the threshold voltage Vs2, it can be seen that the reverse recovery time is longer than that at the rated temperature, and it can be determined that the
このように本実施の形態では、逆回復時間検出回路5が、定格温度の場合よりも逆回復時間より長いか否かだけを検出するので、主スイッチング素子1の具体的な温度の検出はできないが、少なくとも主スイッチング素子1の温度が定格値を超えているか否かの判別は可能である。本実施の形態によれば、逆回復時間検出回路5が時間を測定する必要がないため、実施の形態1に比べ逆回復時間検出回路5を簡易な回路で構成でき、本発明に係る半導体装置の低コスト化に寄与できる。
As described above, in the present embodiment, the reverse recovery time detection circuit 5 detects only whether or not the reverse recovery time is longer than that at the rated temperature, so that the specific temperature of the
<実施の形態3>
上記したように、電流検出回路4による電流検出は、電流センス素子2の寄生ダイオードに逆回復電流が流れていない期間に行う必要がある。そのため電流検出は、図13に示すように逆回復電流が流れる期間より後の時刻tDsから開始することが望ましい。
<Embodiment 3>
As described above, the current detection by the current detection circuit 4 needs to be performed during a period in which no reverse recovery current flows through the parasitic diode of the current sense element 2. Therefore, the current detection is desirably started from time tDs after the period in which the reverse recovery current flows as shown in FIG.
逆回復電流が流れる時間は温度によって変化するため、電流検出を開始する時刻tDsのタイミングを固定する場合は、逆回復電流が0になると予想される期間に対しある程度のマージン期間を確保する必要がある。そのマージン期間を長くすると電流の誤検出を防止できるが、電流検出の開始タイミングが遅れてしまう。そこで実施の形態3では、電流検出を開始する時刻tDsを、そのときの温度、つまり逆回復時間の測定結果に応じて制御する。 Since the time during which the reverse recovery current flows varies depending on the temperature, when fixing the timing of the current detection start time tDs, it is necessary to secure a certain margin period with respect to the period in which the reverse recovery current is expected to be zero. is there. Increasing the margin period can prevent erroneous detection of current, but delays the current detection start timing. Therefore, in the third embodiment, the time tDs at which the current detection is started is controlled according to the temperature at that time, that is, the measurement result of the reverse recovery time.
図10のグラフから分かるように、電流センス素子2の寄生ダイオードに逆回復電流が流れる期間の長さは、温度が高くなる程長くなる。そこで本実施の形態では、スイッチングデバイス10がオンする時刻t3から電流検出を開始する時刻tDsまでのディレイ時間を、高温時(逆回復時間が長いとき)にはより長く、低温時(逆回復時間が短いとき)にはより短くする。
As can be seen from the graph of FIG. 10, the length of the period during which the reverse recovery current flows through the parasitic diode of the current sensing element 2 increases as the temperature increases. Therefore, in the present embodiment, the delay time from the time t3 when the
図4および図5に示したようなインバータ回路においては、各スイッチングデバイスの駆動信号は矩形波状の繰り返し信号である。そこで電流検出を開始する時刻tDsの制御は、駆動信号の1周期前における温度検出結果、すなわち前回の逆回復時間の測定結果に基づいて行うとよい。 In the inverter circuit as shown in FIG. 4 and FIG. 5, the driving signal of each switching device is a rectangular wave-like repetitive signal. Therefore, the control of the time tDs at which the current detection is started may be performed based on the temperature detection result one cycle before the drive signal, that is, the previous reverse recovery time measurement result.
本実施の形態によれば、逆回復時間検出回路5が、電流検出の開始タイミングの遅れを最小限に抑えつつ、逆回復電流に影響されない正確な電流検出を行うことができるようになる。 According to the present embodiment, the reverse recovery time detection circuit 5 can perform accurate current detection that is not affected by the reverse recovery current while minimizing the delay of the current detection start timing.
1 主スイッチング素子、2 電流センス素子、3 センス抵抗、4 電流検出回路、5 逆回復時間検出回路、10 スイッチングデバイス、SE センス電圧端子。 1 main switching element, 2 current sense element, 3 sense resistor, 4 current detection circuit, 5 reverse recovery time detection circuit, 10 switching device, SE sense voltage terminal.
Claims (11)
前記主スイッチング素子に並列接続した、前記主スイッチング素子よりも流れる電流が小さく設定された電流検出のための電流センス素子および抵抗素子の直列回路と、
前記電流センス素子と前記抵抗素子との間に接続したセンス端子の電圧に基づき、前記電流センス素子の寄生ダイオードに逆回復電流が流れた時間である逆回復時間が、前記主スイッチング素子が定格温度である場合の前記逆回復時間より長いか否かを検出し、その検出結果に基づいて前記主スイッチング素子の温度が定格値を超えているか否かの判別を行う逆回復時間検出回路とを備え、
前記逆回復時間検出回路は、前記主スイッチング素子のターンオン直後の所定タイミングにおける前記センス端子の電圧を所定の閾値と比較することで、前記逆回復時間が前記主スイッチング素子が定格温度である場合の前記逆回復時間より長いか否かを検出し、
前記所定の閾値は、前記主スイッチング素子が定格温度である場合の、前記所定タイミングにおける前記センス端子の電圧に等しい
ことを特徴とする半導体装置。 A main switching element;
A series circuit of a current sensing element and a resistance element for current detection, which is connected in parallel to the main switching element, and a current flowing smaller than the main switching element is set,
Based on the voltage of the sense terminal connected between the current sense element and the resistance element, the reverse recovery time, which is the time when the reverse recovery current flows through the parasitic diode of the current sense element , the main switching element is rated temperature And a reverse recovery time detection circuit that detects whether or not the reverse recovery time is longer than the reverse recovery time and determines whether or not the temperature of the main switching element exceeds a rated value based on the detection result. ,
The reverse recovery time detection circuit compares the voltage of the sense terminal at a predetermined timing immediately after turn-on of the main switching element with a predetermined threshold, so that the reverse recovery time is when the main switching element is at a rated temperature. Detecting whether it is longer than the reverse recovery time ,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the predetermined threshold value is equal to a voltage of the sense terminal at the predetermined timing when the main switching element is at a rated temperature.
前記主スイッチング素子に並列接続した、前記主スイッチング素子よりも流れる電流が小さく設定された電流検出のための電流センス素子および抵抗素子の直列回路と、A series circuit of a current sensing element and a resistance element for current detection, which is connected in parallel to the main switching element, and a current flowing smaller than the main switching element is set,
前記電流センス素子と前記抵抗素子との間に接続したセンス端子の電圧に基づき、前記電流センス素子の寄生ダイオードに逆回復電流が流れた時間である逆回復時間を測定し、その測定値に基づいて前記主スイッチング素子の温度を検出する逆回復時間検出回路とを備え、Based on the voltage of the sense terminal connected between the current sense element and the resistance element, the reverse recovery time, which is the time when the reverse recovery current flows through the parasitic diode of the current sense element, is measured, and based on the measured value And a reverse recovery time detection circuit for detecting the temperature of the main switching element,
前記電流検出回路による前記主電流の検出と前記逆回復時間検出回路による前記逆回復時間の検出とは、互いに異なる期間に行われるThe detection of the main current by the current detection circuit and the detection of the reverse recovery time by the reverse recovery time detection circuit are performed in different periods.
ことを特徴とする半導体装置。A semiconductor device.
前記主スイッチング素子のターンオン直後の所定期間内に、前記センス端子の電圧が所定の閾値を越えた時間を測定することで、前記逆回復時間を検出するThe reverse recovery time is detected by measuring the time when the voltage at the sense terminal exceeds a predetermined threshold within a predetermined period immediately after the main switching element is turned on.
請求項2記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 2.
請求項1から請求項3のいずれか一つに記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1.
請求項4記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 4.
請求項1から請求項5のいずれか一つに記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1.
請求項1から請求項6のいずれか一つに記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1.
請求項1から請求項7のいずれか一つに記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1.
請求項8記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 8.
請求項1から請求項9のいずれか一つに記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the main switching element and the current sense element are formed using silicon carbide.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010000335A JP5404432B2 (en) | 2010-01-05 | 2010-01-05 | Semiconductor device and drive circuit using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010000335A JP5404432B2 (en) | 2010-01-05 | 2010-01-05 | Semiconductor device and drive circuit using the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011142700A JP2011142700A (en) | 2011-07-21 |
JP5404432B2 true JP5404432B2 (en) | 2014-01-29 |
Family
ID=44458152
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010000335A Active JP5404432B2 (en) | 2010-01-05 | 2010-01-05 | Semiconductor device and drive circuit using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5404432B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105572557A (en) * | 2014-10-28 | 2016-05-11 | 英飞凌科技奥地利有限公司 | System and method for temperature sensing |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6171599B2 (en) | 2013-06-11 | 2017-08-02 | サンケン電気株式会社 | Semiconductor device and control method thereof |
JP7343333B2 (en) * | 2019-08-27 | 2023-09-12 | 日立Astemo株式会社 | power converter |
JP6995175B1 (en) * | 2020-09-07 | 2022-01-14 | 三菱電機株式会社 | Switching equipment and power conversion equipment |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3870542B2 (en) * | 1998-03-31 | 2007-01-17 | 三菱電機株式会社 | Refrigeration and air conditioning equipment |
JP4832731B2 (en) * | 2004-07-07 | 2011-12-07 | 株式会社東芝 | Power semiconductor device |
JP2006136086A (en) * | 2004-11-04 | 2006-05-25 | Hitachi Ltd | Current detection method, current detector, power converter using current detector and vehicle using power converter |
JP2007014059A (en) * | 2005-06-28 | 2007-01-18 | Toyota Motor Corp | Switching circuit |
JP4816182B2 (en) * | 2006-03-23 | 2011-11-16 | 株式会社日立製作所 | Switching element drive circuit |
-
2010
- 2010-01-05 JP JP2010000335A patent/JP5404432B2/en active Active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105572557A (en) * | 2014-10-28 | 2016-05-11 | 英飞凌科技奥地利有限公司 | System and method for temperature sensing |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2011142700A (en) | 2011-07-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7907379B2 (en) | Overload protection for a circuit arrangement having a transistor | |
JP5645782B2 (en) | Power module | |
CN107852155B (en) | Overcurrent protection device for semiconductor element | |
CN108809059B (en) | Driving device for semiconductor element | |
JP5831528B2 (en) | Semiconductor device | |
US20120025794A1 (en) | Drive controller | |
JP2019519182A (en) | Coupling temperature and current detection | |
JP6070635B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2009225506A (en) | Power converter | |
US9608609B2 (en) | Semiconductor device | |
US11387642B2 (en) | Overcurrent sense control of semiconductor device | |
JP2010200411A (en) | Semiconductor device | |
JP5404432B2 (en) | Semiconductor device and drive circuit using the same | |
WO2016117329A1 (en) | Drive device | |
JP7219731B2 (en) | Semiconductor device driving device and power conversion device | |
JP2011024382A (en) | Gate drive circuit | |
JP2020072569A (en) | Power conversion device | |
JP5831527B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2019062737A (en) | Driver | |
JP5035700B2 (en) | Reverse bias safe operating area measuring device | |
JP2008301617A (en) | Protective device for power converter | |
US20240291402A1 (en) | Semiconductor device and power conversion device | |
JP5915232B2 (en) | Switching element control circuit and switching element control method | |
Ratanpuri et al. | Current Source Gate Driver Integrated with Short Circuit Protection and Soft Turn-off Scheme | |
JP2004312796A (en) | Gate drive circuit of power converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20111108 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130514 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130709 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130730 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130906 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20131001 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20131029 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5404432 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |