(57)【要約】  【課題】  高温異常動作の発生し得るｎチャンネルＭＯＳＦＥＴと、その熱保護動作のために異常温度を的確に検出することが可能な熱保護回路を有する半導体装置熱を提供することを目的とする。  【解決手段】  電源３０から電源電圧を供給され、基準電圧源３１と、負荷回路である定電流源２ａと、コレクタを電源３０に、ベースを基準電圧源３１に、エミッタを定電流源２ａにそれぞれ接続し、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２の近傍に設置した熱保護検出用トランジスタ５１と、そのエミッタ電圧と基準電圧ＶＲＥＦを抵抗分割した電圧とを比較するコンパレータ１ａとを有する熱保護回路を有することにより、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタ電流が確保され、また、コレクタ電圧が電源電圧に固定されるので、寄生素子の影響を受けることなく、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２の異常温度を的確に検出して熱保護動作が可能となる。【選択図】図１
2005268703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴと、熱保護回路とを有する半導体装置であって、
前記熱保護回路は、基準電圧源と、負荷回路と、コレクタを電源に接続し、ベースを前記基準電圧源に接続し、エミッタを前記負荷回路に接続し、前記ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴの近傍に設置したｎｐｎトランジスタと、前記トランジスタのエミッタ電圧を所定の電圧と比較するコンパレータとを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記熱保護回路の前記負荷回路は、定電流源であ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】
前記熱保護回路の前記所定の電圧は、前記基準電圧源の電圧を分割して得られ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】
前記熱保護回路の前記ｎｐｎトランジスタのコレクタは、前記電源の代わりに別に設けられた電源に接続されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温異常動作の発生し得る、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴとその熱保護回路を有する半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置において、高温異常動作に起因する、回路の破壊、信頼性の低下を防ぐために、熱保護回路が付加されるようになってきた。
【０００３】
従来の熱保護回路として、図３に示すような熱保護回路が特許文献１で提案されている。以下、図３を参照しながら、特許文献１に記載されている、従来の熱保護回路について説明する。図３において、３０は電源、１は制御回路、２は定電流源であり、この定電流源２はトランジスタ２１〜２４からなるカレントミラーによって構成される。ＶＯＵＴは制御回路１の出力端子であり出力電圧ＶＯＵＴが出力される。３，４は、基準電圧源３１から入力される基準電圧値ＶＲＥＦを抵抗分割し、トランジスタ５１を常温時にオフ状態とするバイアス抵抗であり、それぞれの抵抗値はＲ３，Ｒ４である。１１，１２はそれぞれｎｐｎトランジスタ９，１０に接続されたベース抵抗、１３は定電流源２の電流値を決定する抵抗、２５はダイオード１４に流れる電流を決定する抵抗である。トランジスタ５１は熱保護検出のためのものであり、トランジスタ９はバッファ用のものである。またトランジスタ１０は、オン時にコレクタに接続された制御回路１をシャットダウンするためのものである。
【０００４】
はじめに、常温時の熱保護回路の動作について説明する。この熱保護回路において、熱保護検出用トランジスタ５１は基準電圧のバイアス抵抗３，４による分割で、制御回路１の通常動作に影響のないように、常温時にはオフし得るベース・エミッタ間電圧にバイアスされている。したがって常温時には、熱保護検出用トランジスタ５１がオフしているため、トランジスタ８はオンしており、トランジスタ９，１０はオフしている。トランジスタ１０がオフの状態にあるときにはトランジスタ１０のコレクタ電流は流れないため、制御回路１が通常動作をし、正規の値の出力電圧ＶＯＵＴが出力され、熱保護の対象となる回路の動作を許可する。トランジスタ９がオフ状態であるときには、コレクタ電流が流れないために、トランジスタ２３のコレクタ電流はダイオード１４を通って熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタに流れる。
【０００５】
次に、雰囲気温度が上昇し異常温度となり、熱保護回路が動作する状態について述べる。熱保護検出用トランジスタ５１がオンし得るベース・エミッタ間電圧は、負の温度特性を持つために、雰囲気温度の上昇により下降し、基準電圧のバイアス抵抗３，４の抵抗分割による電圧値［ＶＲＥＦ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）］に達すると、熱保護検出用トランジスタ５１がオンし、トランジスタ８はオフ、トランジスタ９，１０はオン状態となる。トランジスタ１０がオン状態となれば、トランジスタ１０のコレクタ電流が流れることで、制御回路１がシャットダウンされ、出力電圧ＶＯＵＴは０Ｖ付近に下降し、熱保護の対象となる回路をシャットダウンする。トランジスタ９がオン状態であるときには、トランジスタ２３のコレクタ電流はダイオード１４を通ることなく、トランジスタ９のコレクタ電流となる。
【０００６】
さらに、温度が下降して熱保護回路が解除される動作について説明する。解除前、熱保護検出用トランジスタ５１がオン、トランジスタ８はオフ、トランジスタ９，１０はオンしている。制御回路１はシャットダウンされ、出力電圧ＶＯＵＴは０Ｖ付近まで下降している。同じくトランジスタ９がオン状態であるときには、トランジスタ２３のコレクタ電流は、ダイオードＤ１（１４）を通ることなく、トランジスタ９のコレクタ電流となる。温度下降により、熱保護検出用トランジスタ５１のオンし得るベース・エミッタ間電圧は負の温度係数を持つために上昇し、基準電圧ＶＲＥＦがバイアス抵抗Ｒ３，Ｒ４によって抵抗分割された電圧値［ＶＲＥＦ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）］に達すると、熱保護検出用トランジスタ５１はオフ、トランジスタ８はオンしてトランジスタ９，１０はオフする。トランジスタ１０がオフ状態であるときには、コレクタ電流が流れないために制御回路１は通常動作をし、正規の出力電圧ＶＯＵＴが出力される。トランジスタ９がオフ状態になると、トランジスタ２３のコレクタ電流はダイオード１４を通って熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタに流れる。
【０００７】
以上のように、特許文献１の熱保護回路によれば、トランジスタ９のオンオフ状態によって、トランジスタ１０へのコレクタ電流が異なり、このことにより、熱保護検出用トランジスタ５１のオン時とオフ時のベース・エミッタ間電圧が変化し、温度ヒステリシス幅を持たせることができる。
【特許文献１】特開平６−１２１４５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記のような構成の熱保護回路の構成では、被熱保護回路がｎチャンネルＭＯＳＦＥＴの場合、熱検出が不正確になるといった課題がある。図４は、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴの熱保護に前記従来の熱保護回路を適用した場合の回路である。図４において、５２はｎチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、このｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２のゲートには電圧Ｖｇ１が印加されており、ソースが接地され、ドレインは、他方が負荷４０に接続されたインダクタＬ７及びｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６のドレインに接続されている。ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６のゲートには電圧Ｖｇ２が印加されており、ソースは電源３０に接続されている。
【０００９】
また、図５（ａ）は、図４の二点鎖線で囲んだ部分５で示した、熱保護検出用トランジスタ５１及びｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２近傍を抽出した図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の断面構造を示す図である。図５（ａ）において、５１は熱保護検出用トランジスタであり、この熱保護検出用トランジスタ５１のエミッタが接地されている。５２はｎチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、このｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２のソースが接地されており、ゲートに電圧Ｖｇ１が印加されている。
【００１０】
ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２は被熱保護回路であるので、熱保護検出用トランジスタ５１に接近させて配置されている。図５（ｂ）に示すように、ｐ型半導体を基板とし（図中のＰ−ＳＵＢ）、ｎ型半導体のウェル（図中のＮＷ）内にｎｐｎトランジスタである熱保護検出用トランジスタ５１が形成され、その近傍にｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２が形成される。しかし、熱保護検出用トランジスタ５１の近傍に、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２が配置されると、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、Ｐ−ＳＵＢをベース、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタをコレクタ、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２のドレインをエミッタとする、寄生のｎｐｎトランジスタ５３が生じる。通常、Ｐ−ＳＵＢは接地され、この寄生トランジスタ５３のベース−エミッタは、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２のドレイン−ソース間に逆並列に接続されるボディダイオードと呼ばれる。
【００１１】
図４において、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６とｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２は交互にオンオフを繰り返し、インダクタ７を介して負荷４０へ電流を流して電力を供給する。ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６がオン状態の時、インダクタ７に蓄えられた磁気エネルギーは、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６のターンオフとともに放出され始める。このとき、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２は、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６との同時オンを回避するために、わずかな遅延時間の後にターンオンする。この遅延時間の間に前述のｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２のボディダイオードが導通する期間が生じる。すなわち、寄生トランジスタ５３のベース−エミッタに電流が流れ、寄生トランジスタ５３がオン状態となる。このことにより、定電流源２から供給される電流は、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタ電流と寄生トランジスタ５３のコレクタ電流に分流され、寄生トランジスタ５３のコレクタ電流はｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２のドレインに流れる。
【００１２】
熱保護検出用トランジスタ５１のベース−エミッタ間電圧の負の温度特性を利用した熱保護回路においては、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタ電流を調整することにより、検出温度を調整することや、特許文献１のように温度ヒステリシスを設けることを可能としていたが、前記のように熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタ電流が調整不能となると、それらの機能が損なわれる。
【００１３】
さらに、寄生トランジスタ５３がオンにより、定電流源２から供給される電流より大きな電流が、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタからｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２のドレインに流れると、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタ電位が下降し、異常温度でないにもかかわらず熱保護動作を起こすといった誤動作を起こす。
【００１４】
以上のように、ボディダイオードが導通する可能性のあるｎチャンネルＭＯＳＦＥＴを内蔵した半導体装置の場合、そのｎチャンネルＭＯＳＦＥＴを被熱保護回路とする熱保護回路を、被熱保護回路の近傍に配置できず、被熱保護回路の熱保護を正確に検出することが困難であるという問題点を有していた。
【００１５】
前記問題に鑑み、本発明は、寄生トランジスタがオンすることによる誤動作を防止し、熱保護検出用トランジスタを被熱保護回路の近傍に配置することのできる熱保護回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、基準電圧源と、負荷回路と、コレクタを電源に接続し、ベースを前記基準電圧源に接続し、エミッタを前記負荷回路に接続し、前記ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴの近傍に設置したｎｐｎトランジスタと、前記トランジスタのエミッタ電圧を所定の電圧と比較するコンパレータとを有する熱保護回路を有している。
【００１７】
また、この熱保護回路の前記負荷回路は定電流源であってもよい。また、この熱保護回路の前記所定の電圧は、前記基準電圧源の電圧を分割して得られる構成としてもよい。さらに、この熱保護回路の前記ｎｐｎトランジスタのコレクタは、前記電源の代わりに別に設けられた電源に接続されてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、前記した構成を有することにより、熱保護検出用トランジスタに流れる電流は、寄生トランジスタがオンすることによる影響を受けず、熱保護回路の誤動作を防止することが可能である。このため、熱保護検出用トランジスタを被熱保護素子であるｎチャンネルＭＯＳＦＥＴの近傍に配置することができ、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴの異常温度を的確に検出して熱保護動作を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施の形態における熱保護回路の回路図である。図１において、１ａはコンパレータであり、このコンパレータ１ａの出力がＬレベルの時には正常動作、Ｈレベルの時には熱保護動作するものとする。２ａは定電流源であり、定電流Ｉ２を流す。５１は熱保護検出用トランジスタであり、この熱保護検出用トランジスタ５１のベースが基準電圧源３１に、コレクタが電源３０に、エミッタが定電流源２ａ及びコンパレータ１ａの非反転入力端子に、それぞれ接続されている。３，４は、基準電圧源３１から入力される基準電圧値ＶＲＥＦを抵抗分割し、コンパレータ１ａの反転入力端子に入力される電圧を決定する分割抵抗であり、各々の抵抗値をＲ３，Ｒ４とする。５２はｎチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、このｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２のゲートには電圧Ｖｇ１が印加されており、ソースが接地され、ドレインは、他方が負荷４０に接続されたインダクタ７及びｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６のドレインに接続されている。ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６のゲートには電圧Ｖｇ２が印加されており、ソースは電源に接続されている。
【００２１】
はじめに、常温時の熱保護回路の動作について説明する。図１の熱保護回路において、熱保護検出用トランジスタ５１のベースには基準電圧値ＶＲＥＦが印加されており、常時オンするベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅにバイアスされている。従って、コンパレータ１ａの非反転入力端子には、（ＶＲＥＦ−Ｖｂｅ）が印加される。また、コンパレータ１ａの反転入力端子には、基準電圧値ＶＲＥＦを分割抵抗３，４により分割した電圧、すなわち、［ＶＲＥＦ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）］で表される電圧が印加される。常温時においては、次式（数１）であり、コンパレータ１ａの出力電圧がＬレベルとなるように設定されている。
（数１）
ＶＲＥＦ−Ｖｂｅ  ＜  ＶＲＥＦ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）
すなわち、常温時の通常動作に影響のないように設定されており、常温時において、コンパレータ１ａからはＬレベルが出力され、熱保護の対象となる回路の動作を許可する。
【００２２】
次に、雰囲気温度が上昇し異常温度となり、熱保護回路が動作する状態について説明する。コンパレータ１ａの非反転入力端子に入力される、熱保護検出用トランジスタ５１のエミッタ電圧は、熱保護検出用トランジスタ５１のオンし得るベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅが負の温度特性を持っているために、温度の上昇に伴い低下する。やがて異常温度となって動作温度の制限値を超えると、コンパレータ１ａの反転入力端子に入力される電圧は反転入力端子の電位を上回り、次式（数２）となり、コンパレータ１ａの出力電圧の信号がＨレベルに反転し、その信号により熱保護の対象となる回路をシャットダウンさせる。
（数２）
ＶＲＥＦ−Ｖｂｅ  ＞  ＶＲＥＦ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）
逆に、雰囲気温度が動作温度の制限値以上の値から下降した場合には、同じ雰囲気温度において、熱保護検出用トランジスタ５１のベース−エミッタ間電圧Ｖｂｅの上昇によって、コンパレータ１ａの非反転入力端子の電圧が低下して反転入力端子の電圧を下回り、コンパレータ１ａの出力はＬレベルに反転する。このことにより、回路のシャットダウンが解除され、回路を再起動させることができる。
【００２３】
図２（ａ）は、図１の二点鎖線で囲んだ部分５で示した、熱保護回路における熱保護検出用トランジスタ５１及びｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２近傍を抽出した図、図２（ｂ）に図２（ａ）の断面構造を示す図である。図２（ａ）において、５１は熱保護検出用トランジスタである。５２はｎチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、ソースが接地されており、ゲートに電圧Ｖｇ１が印加されている。ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２は、被熱保護回路であるので、熱保護検出用トランジスタ５１に接近させて配置されている。図２（ｂ）に示すように、ｐ型半導体を基板とし（図中のＰ−ＳＵＢ）、ｎ型半導体のウェル（図中のＮＷ）内にｎｐｎトランジスタである熱保護検出用トランジスタ５１が形成され、その近傍にｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２が形成される。
【００２４】
ところで、熱保護検出用トランジスタ５１の近傍に、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２が配置されると、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、Ｐ−ＳＵＢをベース、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタをコレクタ、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２のドレインをエミッタとする、寄生のｎｐｎトランジスタ５３が生じる。
【００２５】
図１において、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６とｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２は交互にオンオフを繰り返し、インダクタ７を介して負荷４０へ電流を流して電力を供給する。ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６がオン状態の時、インダクタ７に蓄えられた磁気エネルギーは、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６のターンオフとともに放出され始める。このとき、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２は、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ６との同時オンを回避するために、わずかな遅延時間の後にターンオンする。この遅延時間の間、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２のドレイン電位がインダクタ７の誘起電圧によって基板電位（接地電位）よりも低下して負電位になる。この時、寄生トランジスタ５３のベース−エミッタに電流が流れ、寄生トランジスタ５３がオン状態となる。
【００２６】
この時、寄生トランジスタ５３を介して、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタから、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ５２のドレインに電流が流れる。しかし、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタからエミッタへ流れる電流は、熱保護検出用トランジスタ５１のエミッタに接続された定電流源２ａによって設定されており、寄生トランジスタ５３の影響は受けない。また、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタは、電源に接続されているため、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタ電位は、電源電圧から変動することはない。すなわち、熱保護検出用トランジスタ５１は寄生トランジスタ５３のオンオフによる影響を受けることがなく、誤動作を起こさない。
【００２７】
なお、コンパレータ１ａの出力が反転する際の温度は、トランジスタのオンし得るベース−エミッタ間電圧Ｖｂｅが、次式（数３）で表されることから、定電流源２ａの電流値Ｉ２によって調整可能であることが分かる。
（数３）
Ｖｂｅ＝（ｋ・Ｔ／ｑ）ｌｎ［Ｉ２／Ｉｓ］
前記実施の形態では、雰囲気温度の上昇によって異常温度として熱保護動作する温度と、雰囲気温度の下降によって熱保護動作が解除される温度は、等しいものとして説明したが、定電流源２ａの構成によって温度ヒステリシスを設けることが可能である。例えば、コンパレータ１ａの出力を検出し、コンパレータ１ａの出力がＨレベルの時の定電流源２ａの定電流値をＬレベルの時の定電流値よりも小さくなるように設定すればよい。
【００２８】
また、熱保護検出用トランジスタ５１に流す電流の設定に定電流源２ａを用いたが、これは定電流源に限定されず、例えば抵抗であってもよい。この抵抗値をｒとすると、熱保護検出用トランジスタ５１に流れる電流は、（ＶＲＥＦ−Ｖｂｅ）／ｒで表される。
【００２９】
さらに、本実施の形態に用いた基準電圧源３１の基準電圧ＶＲＥＦは、温度による変動が小さいほどよい。また、コンパレータ１ａの反転入力端子に印加する電圧を、基準電圧ＶＲＥＦから抵抗分割によって生成したが、この方法に限定されるものではなく、例えば別の基準電圧源を用いても構わない。その場合、前述のように別の基準電圧源が温度による変動が小さいものが望ましい。あるいは、基準電圧源３１の基準電圧ＶＲＥＦが温度特性を有する場合、反転入力端子に印加する電圧に基準電圧源３１とは逆の温度特性を有する別の基準電圧源を用いることによって、両者の温度特性を相殺するとよい。
【００３０】
また、本発明の実施の形態では、熱保護検出用トランジスタ５１のコレクタを電源３０に接続したが、別の電源に接続してもよい。熱保護検出用トランジスタ５１と寄生トランジスタ５３とは、構造上コレクタを共有するので、寄生トランジスタ５３がオン状態となった場合に流れるコレクタ電流が熱保護検出用トランジスタ５１の動作に影響しなければよい。すなわち、両トランジスタ５１及び５３の共有するコレクタは十分な電流供給能力を有する電源に接続されていればよい。
【００３１】
以上のように本発明は、熱保護検出用トランジスタと、半導体装置に内蔵されたｎチャンネルＭＯＳＦＥＴとの間の寄生トランジスタに電流が流れても、熱保護検出用トランジスタのコレクタ電位を固定することによって、熱保護検出用トランジスタの誤動作を防ぐことができるため、熱保護回路をパワー素子の近傍に配置することができ、パワー素子の熱保護の正確な検出が可能となる熱保護回路を実現できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上本発明は、高温異常動作の発生し得るｎチャンネルＭＯＳＦＥＴとその熱保護回路を有する半導体装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施の形態における熱保護回路の回路図
【図２】図１おける熱保護検出用トランジスタ５１及びｎチャンネルＭＯＳ５２の説明図
【図３】従来の熱保護回路の回路図
【図４】従来の熱保護回路を、負荷４０に接続されたインダクタが接続したスイッチング素子を被熱保護回路として適用した場合の回路図
【図５】図４の熱保護検出用トランジスタ５１及びｎチャンネルＭＯＳ５２の説明図
【符号の説明】
【００３４】
１  制御回路
１ａ  コンパレータ
２，２ａ  定電流源
３，４  バイアス抵抗
５  熱保護検出用トランジスタ５１及びｎチャンネルＭＯＳ５２
６  ｐチャンネルＭＯＳ
７  インダクタ
８，９，１０  ｎｐｎトランジスタ
１１，１２，１３，２５  抵抗
１４  ダイオード
３０  電源
３１  基準電圧源
４０  負荷
５１  熱保護検出用トランジスタ
５２  ｎチャンネルＭＯＳ
５３  寄生トランジスタ
【図１】
2005268703.tif 000003
【図２】
2005268703.tif 000004
【図３】
2005268703.tif 000005
【図４】
2005268703.tif 000006
【図５】
2005268703.tif 000007