(57)【要約】【課題】ＡＣ負荷を制御する半導体装置を構成するメイン素子の温度を精度良く検知してメイン素子の過熱を確実に防止する。【解決手段】半導体装置を構成するメイン素子のゲート部に、正の温度特性を有する素子からなる過熱検知部を設けその過熱検知部にてメイン素子の温度をダイレクトで検知し、メイン素子の温度が素子のジャンクション温度にならないようにゲート信号を遮断するように構成することで、複雑な回路構成を用いることなく、メイン素子が過熱により破壊されること防止する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ負荷を制御する半導体装置であって、当該半導体装置を構成するメイン素子の温度を装置動作時に検知する過熱検知部を備え、その過熱検知部が正の温度特性を有する素子であり、前記メイン素子の温度が設定温度になったときに前記メイン素子のゲート信号を遮断するように構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記過熱検知部が、前記メイン素子のゲート部上に高熱伝導性のペーストまたは半田にて固着されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記過熱検知部が、前記メイン素子のゲート部に設けられた溝内に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記過熱検知部が、正の温度特性を有する導電性ポリマーからなるサーミスタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記メイン素子が、サイリスタまたはトライアックであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
当該半導体装置が、出力端子とゲート端子を有する第１のトライアックと、出力端子とゲート端子を有する第２のトライアックとを備え、前記第１のトライアックの出力端子の１つが前記第２のトライアックのゲート端子に接続されてなるソリッドステートリレーであり、前記第２のトライアックに前記過熱検知部が設けられていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置を備えていることを特徴とする電子機器。
【請求項８】
ＡＣ負荷を制御する半導体装置であって、当該半導体装置を構成するメイン素子のゲート部に、負の温度特性を有するサーミスタからなる過熱検知部が設けられており、その過熱検知部にて前記メイン素子の温度を検知して前記メイン素子のゲート信号を制御する過熱保護機能を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
前記メイン素子が、サイリスタまたはトライアックであることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
【請求項１０】
請求項８または９記載の半導体装置を備え、前記メイン素子の過熱時に温度ヒューズを溶断するように構成されていることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、エアコンや石油ファンヒータ等のＡＣファンモータ、複写機等のＡＣランプなどのＡＣ負荷を制御する半導体装置、及び、ＡＣ負荷制御用の半導体装置を備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置を構成するメイン素子のゲート制御部に過熱遮断機能を有する半導体装置として、ＤＣ負荷を制御する半導体装置においては、装置自体にダイオード等を使用し、過熱遮断機能をもたせた装置が知られている。
【０００３】
一方、ＡＣ負荷を制御する半導体装置においては、サーミスタ等の電流制限素子を回路上で使用し、装置の温度異常を検出する方法は知られている。
【０００４】
具体的には、例えば、サイリスタの熱破壊を防ぐため、サイリスタの冷却フィンに感熱サイリスタを固定するとともに、感熱サイリスタをサイリスタのゲート−カソード間に挿入し、サイリスタが所定の温度以上になると、サイリスタへのゲート信号を自動的に遮断するサイリスタの保護方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、光結合素子において、正極性または負極性の温度係数を有する抵抗素子（感熱素子）を入力側（受光素子側）や出力側（発光素子側）に接続して素子を保護する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
さらに、温度検出機能を有する半導体装置に関するものとして、半導体素子の形成領域に、半導体チップの温度状況を検出する感熱素子が配置された半導体装置が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】実開昭５８−７００９５号公報
【特許文献２】特開平８−１８６２８５号公報
【特許文献３】特開平１０−１１６９８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した特許文献１〜３に記載の技術では以下のような課題がある。
【０００８】
まず、特許文献１に記載のサイリスタの保護方法は、サイリスタの熱破壊を防ぐため、サイリスタの冷却フィンに固定した感熱サイリスタを、サイリスタのゲート−カソード間に挿入し、サイリスタが所定の温度以上になると、サイリスタへのゲート信号を自動的に遮断する方法であり、サイリスタへのゲート信号を感熱サイリスタで遮断するには、感熱サイリスタの誤動作等の対策を実施する必要がある。このため、回路的に保護回路等を含めて設計を行う必要があって構造が複雑になる。また、サイリスタのゲート感度に適合した仕様でかつ冷却フィンへの熱伝導を考慮した感熱サイリスタを選択する必要がある。さらに、熱で感熱サイリスタ自身も発熱するので、サイリスタのゲート感度も変化する等を考慮した設計が必要になる。
【０００９】
特許文献２に記載の技術は、光結合素子において、正極性または負極性の温度係数を有する抵抗素子を用いて光結合素子を過熱から保護しようとするものであり、回路構成を簡易な構成とすることは可能であるが、メインの発熱素子から離間した位置に配置した感熱素子を回路的に使用するため、保護温度の設計が難しいという課題がある。
【００１０】
特許文献３には、半導体チップの温度状況を検出する感熱素子を配置することが記載されているが、その対象とする半導体素子は、バイポーラトランジスター、パワーＩＣ等のＤＣ負荷制御用の素子であり、ＡＣ負荷制御用の素子に関しては何ら提案されていない。
【００１１】
本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、ＡＣ負荷を制御する半導体装置を構成するメイン素子の温度を、簡単な構成のもとに精度良く検知することが可能で、メイン素子の過熱を確実に防止することが可能な半導体装置と、そのような半導体装置を備えた電子機器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の半導体装置は、ＡＣ負荷を制御する装置であって、当該半導体装置を構成するメイン素子の温度を装置動作時に検知する過熱検知部を備え、その過熱検知部が正の温度特性を有する素子であり、前記メイン素子の温度が設定温度（例えば素子のジャンクション温度よりも所定量だけ低い温度）になったときに前記メイン素子のゲート信号を遮断するように構成されていることを特徴としている。
【００１３】
この発明の半導体装置において、前記過熱検知部は、前記メイン素子のゲート部上に高熱伝導性のペーストまたは半田で固着されていてもよいし、あるいは、前記メイン素子のゲート部に設けられた溝内に形成されていてもよい。また、過熱検知部としては、正の温度特性を有する導電性ポリマーからなるサーミスタを用いてもよい。
【００１４】
この発明の半導体装置において、前記メイン素子としては、サイリスタまたはトライアックを挙げることができる。
【００１５】
この発明の半導体装置の具体的な構成として、出力端子とゲート端子を有する第１のトライアックと、出力端子とゲート端子を有する第２のトライアックとからなり、前記第１のトライアックの出力端子の１つが前記第２のトライアックのゲート端子に接続されてなるソリッドステートリレーを挙げることができる。この場合、前記過熱検知部を前記第２のトライアックに設けておけばよい。
【００１６】
本発明の電子機器は、以上の特徴を有する半導体装置を備えていることによって特徴づけられる。なお、電子機器の具体的な例としては、例えばエアコンや石油ファンヒータ等の家電製品、複写機等のＯＡ機器などが挙げられるが、これに限られることなく、ＡＣ負荷を有するものであれば、他の任意の種類の電子機器にも本発明を適用できる。
【００１７】
本発明の半導体装置は、ＡＣ負荷を制御する装置であって、当該半導体装置を構成するメイン素子のゲート部に、負の温度特性を有するサーミスタからなる過熱検知部が設けられており、その過熱検知部にて前記メイン素子の温度を検知して前記メイン素子のゲート信号を制御する過熱保護機能を備えていることを特徴としている。
【００１８】
この発明の半導体装置において、前記メイン素子としては、サイリスタまたはトライアックを挙げることができる。
【００１９】
このような特徴を有する半導体装置を備えている電子機器も本発明に含まれ、この電子機器の場合、前記メイン素子の過熱時に温度ヒューズを溶断するように構成することにより過熱保護機能をもたせる。なお、電子機器の電子機器の具体的な例としては、例えばエアコンや石油ファンヒータ等の家電製品、複写機等のＯＡ機器などが挙げられるが、これに限られることなく、ＡＣ負荷を有するものであれば、他の任意の種類の電子機器にも本発明を適用できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、半導体装置を構成するメイン素子のゲート部に、正の温度特性を有する素子からなる過熱検知部を設けているので、メイン素子の温度を簡単な構成で精度良く検知することができる。そして、この発明では、前記過熱検知部にてメイン素子の温度をダイレクトで検知し、メイン素子の温度が素子のジャンクション温度にならないようにゲート信号を遮断するようにしているので、メイン素子を熱破壊から保護することが可能になる。従って、このような特徴を有する半導体装置を電子機器に用いることにより、電子機器に過熱保護機能を持たせることができる。
【００２１】
また、本発明によれば、半導体装置を構成するメイン素子のゲート部に、負の温度特性を有するサーミスタからなる過熱検知部を設け、その過熱検知部にて前記メイン素子の温度をダイレクトで検知してメイン素子のゲート信号を制御するようにしているので、メイン素子の温度が異常になった場合に装置が動作するという、正の温度特性をもつ過熱遮断機能を有する保護用の半導体装置を提供できる。そして、このような半導体装置を電子機器に適用することで、電子機器のヒューズを確実に溶断させることができ、電子機器を保護することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
まず、ＡＣ負荷の制御を行う半導体装置の１つであるソリッドステートリレー（ＳＳＲ）の一例を図１を参照しながら説明する。
【００２４】
図１のソリッドステートリレー１は、入力側に発光素子である赤外発光ダイオード４が設けられ、出力側に、赤外発光ダイオード４からの光を受光するフォトトライアック３と駆動用のメイントライアック２が設けられている。なお、ソリッドステートリレー１の出力側に並列接続されている抵抗５及びコンデンサ６は、ノイズ吸収回路を構成する素子である。
【００２５】
この構造のソリッドステートリレー１において、入力側に入力電流を流すと、赤外発光ダイオード４が発光し、その光でフォトトライアック３がオンとなり、次段のメイントライアック２のゲートに電流が流れる。なお、メイントライアック２は、主にＡＣ電源に接続されるため、ゲート電流も「＋」や「−」の信号となる。そして、メイントライアック２のゲートに電流が流れると、メイントライアック２にトリガーがかかり、メイントライアック２がオンとなり、メイントライアック２がオンとなることで、ソリッドステートリレー１の出力側に接続される電子機器の負荷（ＡＣ負荷）が制御される。
【００２６】
このように動作するソリッドステートリレー１では、メイン素子であるメイントライアック２が発熱するため、素子のジャンクション温度以下に制御して使用する必要がある。
【００２７】
そこで、本発明では、ソリッドステートリレー（半導体装置）のメイン素子である駆動用のメイントライアックのゲート部に過熱検知部を形成して、メイントライアックの温度が設定温度（例えば素子のジャンクション温度よりも所定量だけ低い温度）になったときに、メイントライアックのゲート電極へのゲート信号を遮断してメイントライアックを熱破壊から保護するように構成している点に特徴がある。
【００２８】
このような過熱遮断制御に用いる過熱検知部としては、図７に例示するような正の温度特性を有するサーミスタ、あるいは、図８に例示するような負の温度特性を有するサーミスタを挙げることができる。
【００２９】
過熱検知部として正の温度特性を有するサーミスタを用いる場合、図２の等価回路（トライアックの片極側の等価回路）に示すように、過熱検知部Ｓ１をトライアックのゲート部に直列に設けることにより、メイン素子であるメイントライアック２の温度が素子のジャンクション温度にならないように、ゲート信号を遮断することが可能になる。なお、過熱感知部として負の温度特性を有するサーミスタを用いる場合については後述する。
【００３０】
次に、ソリッドステートリレーのメイン素子として用いる駆動用のメイントライアックの具体的な構成（構成例１及び構成例２）を以下に示す。
【００３１】
＜構成例１＞
メイントライアックは、図３に示すように、ＮＰＮＰＮの５層構造を有する半導体チップ１０の上下面に、それぞれＴ１電極（カソード電極）１１及びゲート電極１３とＴ２電極（アノード電極）１２とが形成された素子で、２つの逆阻止サイリスタを逆並列接続した構成を有する。なお、半導体チップ１０の片面のＴ１電極１１とゲート電極１３の形状・配置は図５の平面図に示すような形態となっている。
【００３２】
そして、この例では、図２に示す過熱検知部Ｓ１として、正の温度特性（図７参照）を有するサーミスタ１４（例えば導電性ポリマー製）を用い、そのサーミスタ１４を、メイントライアック２のゲート電極１３上に高熱伝導性のペーストまたは半田を用いて固着している点に特徴がある。
【００３３】
このように、ペーストまたは半田にてサーミスタ１４をゲート電極１３上に固着することにより、メイントライアック２の温度を熱ロスがない状態で精度良く検知することができる。
【００３４】
＜構成例２＞
この例のメイントライアックも、前記した＜構成例１＞と基本的に同じ構成であり、図４に示すように、ＮＰＮＰＮの５層構造を有する半導体チップ２０の上下面に、それぞれＴ１電極（カソード電極）１１及びゲート電極１３とＴ２電極（アノード電極）１２とが形成されている。なお、半導体チップ２０の片面のＴ１電極１１とゲート電極１３の形状・配置についても同様に図５の平面図に示すような形態となっている。
【００３５】
そして、この例では、メイントライアック２のゲート電極１３の下層に、正の温度特性を有する導電性ポリマーからなるサーミスタ２４が埋め込まれている点に特徴がある。なお、サーミスタ２４は、半導体チップ２０のゲート部に加工した溝２０ａ内に形成されている。
【００３６】
この例においても、図２に示すような等価回路が形成される。しかも、メイントライアック２の温度をダイレクトで検知することができ、精度の高い温度検知が可能になる。
【００３７】
以上の図４に示す構造は、例えば図６に示すように、まず、５層構造の半導体チップ２０を作製する（図６（Ａ））。次に、半導体チップ２０のゲート部にエッチングにて溝（メサ溝）２０ａを加工し（図６（Ｂ））、その溝２０ａの内部に、正の温度特性を有する導電性ポリマーを充填してサーミスタ２４を形成する（図６（Ｃ））。そして、半導体チップ２０の上下面に、それぞれＴ１電極（カソード電極）１１及びゲート電極１３とＴ２電極（アノード電極）１２とを形成する（図６（Ｄ））、という工程によって得ることができる。
【００３８】
次に、過熱検知部として負の温度特性を有するサーミスタを用いる場合の具体的な構成例を、図９及び図１０を参照しながら説明する。
【００３９】
この例の半導体装置１０２は、ＡＣ電源１０４から電力が供給されるＡＣ負荷１０１を制御する装置であって、負荷制御素子１２１とこの負荷制御素子１２１を保護する過熱保護装置１２２によって構成されている。なお、ＡＣ負荷１０１は、例えばエアコンや石油ファンヒータのＡＣファンモータ、複写機のＡＣランプなどである。
【００４０】
過熱保護装置１２２は、図１０に示すように、メイン素子であるトライアック１２２ａと、このトライアック１２２ａの温度を検知する過熱検知部１２２ｂを備えている。過熱検知部１２２ｂには、負の温度特性（図８参照）を有するサーミスタが用いられている。なお、過熱検知部１２２ｂを構成するサーミスタは、例えば図３に示した構造のように、トライアックのゲート電極上に、高熱伝導性のペーストまたは半田を用いて固着するという方法でトライアック１２２ａのゲート部に設けられている。
【００４１】
そして、この例では、図１１の等価回路（トライアックの片極側の等価回路）に示すように、ゲート−アノード間に過熱検知部Ｓ２（１２２ｂ）を直列に接続して、正の温度特性をもつ過熱遮断機能を有する装置を構成している点に特徴がある。このような構成の装置を用いると、負荷制御素子１２１の温度が異常になった場合、過熱保護装置１２２のトライアック１２２ａがオンとなり、過熱保護装置１２２が動作することによって、電子機器１００のヒューズ１０３が遮断され、負荷制御素子１２１並びに電子機器１００の熱破壊を防ぐことができる。
【００４２】
ここで、以上の各例では、メイン素子がトライアックである半導体装置について説明したが、本発明はこれに限られることなく、サイリスタまたは他の半導体素子をメイン素子としてＡＣ負荷を制御する各種の半導体装置に適用することができる。
【００４３】
次に、本発明の電子機器の具体的な構成例を図１２のブロック図を参照しながら説明する。
【００４４】
この例の電子機器２００は、ＡＣ負荷２０１とこれを制御する半導体装置２０２とを備えている。電子機器２００はＡＣ電源２０４に接続され、そのＡＣ電源２０４からＡＣ負荷２０１に電力が供給される。電子機器２００の電力供給ラインにはヒューズ２０３が直列接続されている。なお、ＡＣ負荷２０１は、例えばエアコンや石油ファンヒータのＡＣファンモータ、複写機のＡＣランプなどである。
【００４５】
そして、この例では、半導体装置２０２として、図１〜図４に示した構成を有する装置つまり過熱保護機能を有するソリッドステートリレーを用いている点に特徴がある。
【００４６】
このように、過熱保護機能を有するソリッドステートリレーを電子機器２００に使用することにより、電子機器２００が熱破壊することを防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、例えばエアコンや石油ファンヒータ等の家電製品、複写機等のＯＡ機器などの各種の電子機器を過熱から保護するのに有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】ソリッドステートリレーの回路構成図である。
【図２】過熱検知部を設けたトライアックの片極側の等価回路を示す図である。
【図３】本発明に用いるトライアックの一例を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明に用いるトライアックの他の例を模式的に示す断面図である。
【図５】トライアックのＴ１電極とゲート電極の形状・配置を示す平面図である。
【図６】図４のトライアックの作製工程を模式的に示す図である。
【図７】正の特性を有するサーミスタの温度−抵抗値の関係を示すグラフである。
【図８】負の特性を有するサーミスタの温度−抵抗値の関係を示すグラフである。
【図９】過熱保護機能を有する電子機器の構成を示すブロック図である。
【図１０】図９の電子機器に用いる過熱保護装置（半導体装置）の構成を示すブロック図である。
【図１１】過熱検知部を設けたトライアックの片極側の等価回路を示す図である。
【図１２】過熱保護機能を有する半導体装置を使用した電子機器の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４９】
Ｓ１  過熱検知部（正の温度特性）
Ｓ２  過熱検知部（負の温度特性）
１  ソリッドステートリレー（半導体装置）
２  メイントライアック（メイン素子）
３  フォトトライアック
４  赤外発光ダイオード
５  抵抗
６  コンデンサ
１０，２０  半導体チップ
２０ａ  溝
１１  Ｔ１電極
１２  Ｔ２電極
１３  ゲート電極
１４，２４  サーミスタ（過熱検知部）
１００  電子機器
１０１  ＡＣ負荷
１０２  半導体装置
１２１  負荷制御素子
１２２  過熱保護装置
１２２ａ  トライアック
１２２ｂ  過熱検知部
１０３  ヒューズ
１０４  ＡＣ電源
２００  電子機器
２０１  ＡＣ負荷
２０２  半導体装置（ソリッドステートリレー）
２０３  ヒューズ
２０４  ＡＣ電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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