(57)【要約】【課題】装置としての信頼性の向上を図った半導体スイッチング装置を得る。【解決手段】アノード・カソード間電圧検出手段５１は温度検出用ダイオード３のアノード・カソード間電圧Ｖ５１を検出する。ゲート・カソード間電圧検出手段５２はゲート・カソード間電圧Ｖ５２を検出する。主電流温度特性記憶手段５３はＧＣＴサイリスタ２の主電流温度特性情報Ｃ５３を格納している。主電流算出手段５４はアノード・カソード間電圧Ｖ５１、ゲート・カソード間電圧Ｖ５２及び主電流温度特性情報Ｃ５３に基づき、ＧＣＴサイリスタ２の主電流の電流値を素子温度を考慮して算出する。【選択図】　　　　図６
2004048848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子温度を検出可能な温度検出用素子を作り込んだ半導体スイッチング素子と、
前記温度検出用素子から前記素子温度と関連する素子温度関連データを得る素子温度関連データ取得手段と、
前記半導体スイッチング素子の制御電圧を検出する制御電圧検出手段と、
前記素子温度関連データに基づき前記素子温度を認識し、前記素子温度及び前記制御電圧に基づき、前記半導体スイッチング素子を流れる主電流を算出する主電流算出手段と、
を備える半導体スイッチング装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体スイッチング装置であって、
前記半導体スイッチング素子に関し、複数の素子温度ごとに設定される複数種の主電流特性を規定した主電流温度特性情報を記憶する主電流温度特性記憶手段をさらに備え、
前記主電流算出手段は、前記主電流温度特性情報の前記複数種の主電流特性から前記素子温度に適合する主電流特性を抽出し、抽出した前記主電流特性を参照して、前記制御電圧時の前記主電流を算出する、
半導体スイッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体スイッチング装置に関し、特に大容量の電力を扱うパワーデバイス等の半導体スイッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＴＯ（Ｇａｔｅ　Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ）サイリスタやＧＣＴ（Ｇａｔｅ　Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ　Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ）サイリスタ等の圧接型半導体素子を使用した半導体スイッチング装置は比較的大きな電力供給が可能なパワーデバイスとして着目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの半導体スイッチング装置は保護機能がないため、以下に示すような要因で素子破壊が起こり、半導体スイッチング装置としての信頼性に問題があった。
【０００４】
▲１▼　圧接型半導体素子の接合温度が定格値を越えることで特性が低下し破壊に至る。
【０００５】
▲２▼　定格値以上の主電流を遮断しようとする場合に遮断失敗により破壊に至る。
【０００６】
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、素子としての信頼性の向上を図った半導体スイッチング装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る請求項１記載の半導体スイッチング装置は、素子温度を検出可能な温度検出用素子を作り込んだ半導体スイッチング素子と、前記温度検出用素子から前記素子温度と関連する素子温度関連データを得る素子温度関連データ取得手段と、前記半導体スイッチング素子の制御電圧を検出する制御電圧検出手段と、前記素子温度関連データに基づき前記素子温度を認識し、前記素子温度及び前記制御電圧に基づき、前記半導体スイッチング素子を流れる主電流を算出する主電流算出手段とを備えている。
【０００８】
さらに、請求項２の発明は、請求項１記載の半導体スイッチング装置であって、前記半導体スイッチング素子に関し、複数の素子温度ごとに設定される複数種の主電流特性を規定した主電流温度特性情報を記憶する主電流温度特性記憶手段をさらに備え、前記主電流算出手段は、前記主電流温度特性情報の前記複数種の主電流特性から前記素子温度に適合する主電流特性を抽出し、抽出した前記主電流特性を参照して、前記制御電圧時の前記主電流を算出する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態である半導体スイッチング装置の構成を示す説明図である。同図に示すように、半導体スイッチング装置はＧＣＴサイリスタパッケージ１及びゲートドライバ５から構成される。
【００１０】
ＧＣＴサイリスタパッケージ１内にはＧＣＴサイリスタ２及び温度検出用ダイオード３が設けられる。温度検出用ダイオード３のアノード及びカソード電圧は端子Ｐ１及びＰ２に電気的に接続され、ＧＣＴサイリスタ２のゲート及びカソードは端子Ｐ３及びＰ４に電気的に接続される。
【００１１】
ゲートドライバ５はＧＣＴサイリスタ２のオン／オフを制御する信号をＧＣＴサイリスタ２のゲートに与える。また、ゲートドライバ５は主電流検出部５０を有し、主電流検出部５０は端子Ｐ１〜Ｐ４を介してＧＣＴサイリスタパッケージ１内の温度検出用ダイオード３のアノード・カソード間電圧及びＧＣＴサイリスタ２のゲート・カソード間電圧を得て、後に詳述するようにＧＣＴサイリスタ２を流れる主電流を検出する。
【００１２】
図２はＧＣＴサイリスタパッケージ１の内部構成を具体的に示す断面図である。この構造は、単体ウェハを圧接するＧＣＴサイリスタ２において温度検出用ダイオード３をウェハ中央部に配置した構造を示している。
【００１３】
同図に示すように、Ｐ層１１、Ｎ層１２及びＰ層１３からなる積層構造のＰ層１３上にＮ層１４及びゲート電極１５が絶縁膜１７によって絶縁性を保ちながら選択的に形成される。なお、上面から見た場合（図示せず）、Ｎ層１４は同心円にそって島状に配置され、ゲート電極１５は同心円状に配置される。
【００１４】
Ｎ層１４上にカソード電極１６が設けられ、カソード電極１６にＭｏ板１８が圧接され、Ｍｏ板１８上にＣｕブロック１９が設けられ、Ｃｕブロック１９上にカソード電極２０が設けられる。一方、ゲート電極１５はゲート接触部２１ａを介してゲート取り出し部２１に電気的に接続される。ゲート接触部２１ａはバネ２８の弾性力によってゲート電極１５と電気的接触が図られる。
【００１５】
このように、Ｐ層１１、Ｎ層１２、Ｐ層１３、Ｎ層１４、ゲート電極１５及びカソード電極１６等によりＧＣＴサイリスタ２が構成され、ゲート電極１５より得られるゲート電圧がゲート取り出し部２１によって取り出され、カソード電極１６より得られるカソード電圧がカソード電極２０によって取り出される。
【００１６】
一方、Ｐ層１３上の中心部の表面内に酸化膜２７が選択的に形成され、酸化膜２７上にＰ領域２５及びＮ領域２６が互いに接して形成される。Ｐ領域２５はカソード接触部２３ａを介してアノード検出端子２２と電気的に接続され、Ｎ領域２６はカソード接触部２３ａを介してカソード電極端子２３に電気的に接続される。アノード接触部２２ａ及びカソード接触部２３ａはバネ２９及び３０の弾性力によってそれぞれＰ領域２５及びＮ領域２６との電気的接触が図られる。
【００１７】
このように、Ｐ領域２５及びＮ領域２６により温度検出用ダイオード３が形成され、Ｐ領域２５より得られるアノード電圧がアノード検出端子２２によって取り出され、Ｎ領域２６より得られるカソード電圧がカソード電極端子２３によって取り出される。
【００１８】
図２に示すように、温度検出用ダイオード３（Ｐ領域２５及びＮ領域２６）は、酸化膜２７によって、ＧＣＴサイリスタ２（Ｐ層１１、Ｎ層１２、Ｐ層１３、Ｎ層１４、ゲート電極１５及びカソード電極１６等）と電気的に分離しているため、温度検出用ダイオード３はＧＣＴサイリスタ２の主電流及び主電圧の影響を受けることはない。
【００１９】
なお、図２では単体ウェハを圧接する構造を示したが、複数の半導体素子を一括して圧接する構造の場合には、複数個の半導体素子に対し１個又は複数個の温度検出用ダイオードが配置されるようにして、複数の半導体素子と同様に圧接する構造を得ても良い。
【００２０】
図３はＧＣＴサイリスタパッケージ１の内部構成を示す断面図である。図３は図２の右方向から見た断面に相当する。
【００２１】
同図に示すように、Ｃｕブロック１９に溝３５が設けられ、溝３５内にシールド線３１が配置される。シールド線３１は断面形状が円状のアノード検出線２２Ｌ、アノード検出線２２Ｌを外周を覆った絶縁膜３２、絶縁膜３２の外周に設けられた円筒状のカソード電極線２３Ｌ、カソード電極線２３Ｌの外周を覆った絶縁膜３３から構成される。
【００２２】
なお、図３のように、アノード検出端子２２及びカソード電極端子２３として、シールド線３１内にアノード検出線２２Ｌ及びカソード電極線２３Ｌを設けた構成では、図２に示すようなバネ２９及びバネ３０を弾性力を利用することなく、アノード検出線２２Ｌ及びカソード電極線２３ＬをＰ領域２５及びＮ領域２６に直接接続するようにしても良い。
【００２３】
図４はＧＣＴサイリスタパッケージ１の上面から見た第１の構成例を示す上面図である。
【００２４】
図４で示す構成例では、円状のカソード電極２０の外周にゲート取り出し部２１を配置し、ゲート取り出し部２１が一部設けられていないカソード電極２０の外周部分からアノード検出端子２２及びカソード電極端子２３を有するシールド線３１が引き出される。
【００２５】
図５はＧＣＴサイリスタパッケージ１の上面から見た第２の構成例を示す上面図である。
【００２６】
図５で示す構成例では、円状のカソード電極２０から四方に延びてゲート取り出し部２１及びカソード取り出し端子２４が引き出され、ゲート取り出し部２１及びカソード取り出し端子２４が形成されていないカソード電極２０からシールド線３１が引き出される。
【００２７】
図６は主電流検出部５０の内部構成を示すブロック図である。同図において、アノード・カソード間電圧検出手段５１（素子温度関連データ取得手段）は端子Ｐ１及びＰ２を介して温度検出用ダイオード３のアノード・カソード間電圧Ｖ５１（素子温度関連データ）を検出して主電流算出手段５４に出力する。なお、アノード・カソード間電圧Ｖ５１は常時一定電流を温度検出用ダイオード３に流し発生する電圧降下に相当する。
【００２８】
ゲート・カソード間電圧検出手段５２（制御電圧検出手段）は端子Ｐ３及びＰ４を介してゲート・カソード間電圧Ｖ５２（制御電圧）を検出して主電流算出手段５４に出力する。なお、ゲート・カソード間電圧Ｖ５２はＧＣＴサイリスタ２生じるゲート・カソード間の電圧降下に相当する。
【００２９】
主電流温度特性記憶手段５３はＧＣＴサイリスタ２の主電流温度特性情報Ｃ５３を格納しており、主電流温度特性情報Ｃ５３は主電流算出手段５４に出力可能である。
【００３０】
主電流算出手段５４は、本実施の形態ではマイクロコンピュータを想定しており、アノード・カソード間電圧Ｖ５１、ゲート・カソード間電圧Ｖ５２及び主電流温度特性情報Ｃ５３に基づき、ＧＣＴサイリスタ２の主電流を後に詳述する内容で算出する。
【００３１】
図７は本実施の形態の半導体スイッチング装置の主電流検出部５０の主電流算出手段５４による主電流算出動作を示すフローチャートである。
【００３２】
同図を参照して、ステップＳ１で温度検出用ダイオード３のアノード・カソード間電圧Ｖ５１に基づき接合温度Ｔｊ（ＧＣＴサイリスタ２の素子温度）を算出する。
【００３３】
図８は温度検出用ダイオードの接合温度特性を示すグラフである。同図の接合温度特性Ｌ１に示すように、アノード・カソード間電圧Ｖ５１と温度検出用ダイオード３の接合温度とは明確な相関関係を有している。したがって、主電流算出手段５４は、接合温度特性Ｌ１を参照して、アノード・カソード間電圧Ｖ５１に基づき接合温度Ｔｊを正確に算出することができる。
【００３４】
図７に戻って、ステップＳ２で、ステップＳ１で算出した接合温度Ｔｊに適合する主電流特性を主電流温度特性情報Ｃ５３から抽出する。
【００３５】
図９はＧＣＴサイリスタの主電流特性を示すグラフである。同図において、主電流特性Ｌ１１は接合温度Ｔｊが１２５℃の場合、主電流特性Ｌ１２は接合温度Ｔｊが６０℃の場合、主電流特性Ｌ１３は接合温度Ｔｊが２５℃の場合を示している。図９に示すような複数の（実際は十分に多数の）接合温度Ｔｊごとに設定される複数種の主電流特性を規定した情報が主電流温度特性情報Ｃ５３として主電流温度特性記憶手段５３に記憶されている。なお、Ｉ１は定格遮断電流である。
【００３６】
例えば、ステップＳ１で算出した接合温度Ｔｊが６０℃で、主電流温度特性情報Ｃ５３が主電流特性Ｌ１１〜Ｌ１３を規定している場合、主電流特性Ｌ１１〜Ｌ１３のうち主電流特性Ｌ１２がステップＳ２で抽出されることになる。このように、主電流算出手段５４は、主電流温度特性情報Ｃ５３に規定された複数種の主電流特性のうち認識した接合温度Ｔｊに該当する主電流特性を抽出することにより、素子温度（接合温度Ｔｊ）に適した主電流特性を得ることができる。
【００３７】
そして、ステップＳ３において、ステップＳ２で抽出した主電流特性を用いて、ゲート・カソード間電圧に基づきＧＣＴサイリスタ２の主電流を算出する。
【００３８】
図９に示すように、主電流はＧＣＴサイリスタ２のゲート・カソード間電圧と正の相関関係がある。したがって、ステップＳ３において、ステップＳ２で抽出した主電流特性を参照してゲート・カソード間電圧Ｖ５２に基づきＧＣＴサイリスタ２の主電流を正確に算出することができる。
【００３９】
上記の例では、主電流特性Ｌ１２を参照することにより、ゲート・カソード間電圧に基づき、素子温度が６０℃の場合の主電流を正確に算出することができる。
【００４０】
図１０は定格遮断電流が流れた場合のゲート・カソード間電圧と接合温度Ｔｊとの関係を示すグラフである。同図に示すように、接合温度Ｔｊが上昇するとゲート・カソード間電圧が小さくとも定格遮断電流Ｉ１に達することがわかる。
【００４１】
このように、本実施の形態のＧＣＴサイリスタパッケージ１はＧＣＴサイリスタ２の形成領域の一部にＧＣＴサイリスタ２と絶縁性を維持して温度検出用ダイオード３を設けることにより、ＧＣＴサイリスタ２の素子温度を認識可能にしたため、当該素子温度に基づきＧＣＴサイリスタ２を流れる主電流を正確に認識することができる。
【００４２】
その結果、本実施の形態の半導体スイッチング装置はＧＣＴサイリスタ２を流れる主電流の電流値を正確に認識することができるため、以下のように主電流の電流値に基づく精度の良い保護処理が実行可能となり、装置としての信頼性が向上する。
【００４３】
ＧＣＴサイリスタ２に定格遮断電流Ｉ１を越える異常な電流値の主電流が流れた場合、ゲートドライバ５からＧＣＴサイリスタ２にターンオフ制御信号を付与することなくターンオン状態を維持させる。なぜならば、定格遮断電流Ｉ１を越える主電流をゲート制御により遮断した場合にはＧＣＴサイリスタ２は遮断失敗により破壊する恐れがあり、一方、ＧＣＴサイリスタ２に定格遮断電流Ｉ１を越える主電流が流れても定格サージオン電流（サージ破壊が生じうる電流）以下であればＧＣＴサイリスタ２は破壊しないからである。
【００４４】
したがって、このような場合、半導体スイッチング装置外に別途設けた保護装置によってＧＣＴサイリスタ２の主電流を遮断する制御を行うことにより、発明が解決しようとする課題で述べた問題点▲２▼の解消を図ることができる。
【００４５】
なお、本実施の形態ではＧＣＴサイリスタ２の温度検出用素子として温度検出用ダイオード３を設けたが、他に、サーミスタ、トランジスタ等、ＧＣＴサイリスタ２の温度検出が可能な素子温度関連データが取得可能な素子であれば代用可能である。
【００４６】
また、ステップＳ１で接合温度Ｔｊを算出する際、算出した接合温度Ｔｊが所定の定格値を越えた場合に、ゲートドライバ５からのターンオフ制御信号によってＧＣＴサイリスタ２のスイッチングを停止させる制御を行うことにより、発明が解決しようとする課題で述べた問題点▲１▼の解消を図ることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明における請求項１記載の半導体スイッチング装置の主電流算出手段は、温度検出用素子の素子温度関連データに基づき半導体スイッチング素子の素子温度を算出するため、半導体スイッチング素子の素子温度を考慮した正確な主電流の算出を行うことができる。
【００４８】
その結果、主電流に基づく精度の高い保護処理が可能となるため、装置としての信頼性の向上を図った半導体スイッチング装置を得ることができる。
【００４９】
請求項２記載の半導体スイッチング装置における主電流温度特性記憶手段は複数の素子温度ごとに設定される複数種の主電流特性を規定した主電流温度特性情報を記憶しているため、主電流算出手段は、複数種の主電流特性のうち認識した素子温度に該当する主電流特性を抽出することにより、素子温度に適した主電流特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態である半導体スイッチング装置の構成を示す説明図である。
【図２】ＧＣＴサイリスタパッケージの内部構成を具体的に示す断面図である。
【図３】ＧＣＴサイリスタパッケージの内部構成を示す断面図である。
【図４】ＧＣＴサイリスタパッケージの上面から見た第１の構成例を示す上面図である。
【図５】ＧＣＴサイリスタパッケージの上面から見た第２の構成例を示す上面図である。
【図６】主電流検出部の内部構成を示すブロック図である。
【図７】本実施の形態の半導体スイッチング装置の主電流算出動作を示すフローチャートである。
【図８】温度検出用ダイオードの接合温度特性を示すグラフである。
【図９】ＧＣＴの主電流特性を示すグラフである。
【図１０】定格遮断電流が流れた場合のゲート・カソード間電圧と接合温度Ｔｊとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１　ＧＣＴサイリスタパッケージ、２　ＧＣＴサイリスタ、３　温度検出用ダイオード、５　ゲートドライバ、５０　主電流検出部、５１　アノード・カソード間電圧検出手段、５２　ゲート・カソード間電圧検出手段、５３　主電流温度特性記憶手段、５４　主電流算出手段。
【図１】
2004048848.tif 000003
【図２】
2004048848.tif 000004
【図３】
2004048848.tif 000005
【図４】
2004048848.tif 000006
【図５】
2004048848.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004048848.tif 000009
【図８】
2004048848.tif 000010
【図９】
2004048848.tif 000011
【図１０】
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