(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷電流の流れる主回路に設けられたパワー素子と、前記パワー素子とは独立した基板に形成されるとともに、その内部に温度検出部を備え、前記パワー素子の発熱量が許容範囲を超えたときに前記パワー素子を遮断する過熱保護回路とを備えた過熱保護機能半導体スイッチにおいて、前記過熱保護回路は、前記過熱保護回路に通電を開始した時点での使用環境温度を検知し、その温度に応じて前記パワー素子の発熱量の許容範囲である過熱保護レベルを設定する制御回路を少なくとも有したことを特徴とする過熱保護機能半導体スイッチ。
【請求項２】
前記過熱保護回路は、前記パワー素子に対して所定の比率の電流が流れる分流素子と、前記分流素子の温度を検知する前記温度検出部としての温度検知回路とを備え、前記制御回路は、前記パワー素子と前記分流素子との電流の比率と、前記分流素子の温度変動とに基づいて、前記パワー素子の発熱量と前記過熱保護レベルとを比較する請求項１記載の過熱保護機能半導体スイッチ。
【請求項３】
負荷電流の流れる主回路に設けられたパワー素子と、前記パワー素子とは独立した基板に形成されるとともに、その内部に温度検出部を備え、前記パワー素子の発熱量が許容範囲を超えたときに前記パワー素子を遮断する過熱保護回路とを備えた過熱保護機能半導体スイッチにおいて、前記過熱保護回路は、前記過熱保護回路に通電を開始した時点での使用環境温度を検知するとともに、この使用環境温度を逐次更新して、その温度に応じて前記パワー素子の発熱量の許容範囲である過熱保護レベルを逐次更新して設定する制御回路を少なくとも有したことを特徴とする過熱保護機能半導体スイッチ。
【請求項４】
前記過熱保護回路は、前記パワー素子に対して所定の比率の電流が流れる分流素子と、前記分流素子の温度を検知する前記温度検出部としての温度検知回路と、前記分流素子に流れる電流を検出する電流検出回路とを備え、前記制御回路は、前記分流素子の温度と電流とに基づいて、前記使用環境温度を逐次計算するとともに、前記パワー素子と前記分流素子との電流の比率と、前記分流素子の温度変動に基づいて、前記パワー素子の発熱量と前記過熱保護レベルとを比較する請求項３記載の過熱保護機能半導体スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体スイッチに関し、特に、主回路に異常電流が流れたときのパワー素子の発熱や熱破壊を低減する過熱保護機能半導体スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の過熱保護機能半導体スイッチ１００として、特開２００１−７２９４に提案されているものを図４に示す。このものは、パワー素子１１０と、パワー素子１１０とは独立した半導体基板に形成した分流素子１２０と、温度検出部１３０と、過熱保護部１４０とを主要構成要素としている。
【０００３】
パワー素子１１０は、負荷（図示せず）と負荷を駆動する電源（図示せず）とで構成される主回路を開閉するものであり、例えば、三端子型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴにて構成されている。このものは、ゲート端子への信号の入力に応じて導通や遮断の制御が行われており、これにより主回路を開閉している。
【０００４】
分流素子１２０は、主回路に流れる負荷電流（パワー素子１１０に流れる電流と同等）に対して所定の比率分の大きさの電流を流すものであり、例えば、三端子型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴにて構成されている。このものは、パワー素子１１０のドレイン端子及びソース端子間と並列に接続されており、また、パワー素子１１０のゲート端子へ入力する信号と同じ信号で導通や遮断の制御が行われている。
【０００５】
温度検出部１３０は、分流素子１２０の温度を検知するものであり、例えば、その主要回路部をダイオード１３１を複数直列に接続することにより構成されている。このものは、温度上昇に伴いそれ自身の順方向電圧が低下するという負の温度特性を有する。これにより、分流素子１２０の温度変化を自らの特性変化により間接的に検出してその値を後述する過熱保護部１４０へ出力している。
【０００６】
過熱保護部１４０は、過度な発熱による熱破壊からパワー素子１１０を保護するためのものであり、例えば、三端子型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴにて構成されている。このものは、パワー素子１１０の温度が所定の温度に達したとき、温度検出部１３０からの出力に基づきパワー素子１１０のゲート端子を遮断して主回路を遮断している。すなわち、パワー素子１１０のそれ以上の温度上昇を抑制して熱破壊を防止している。
【０００７】
この過熱保護機能半導体スイッチ１００によると、温度検出部１３０が分流素子１２０の発熱に感応してその温度に相当する値を過熱保護部１４０に出力する。過熱保護部１４０は、その出力を受けてパワー素子１１０の温度を判断し、温度検出部１３０からの出力が所定の値を上回ったとき、すなわち、パワー素子１１０の温度が所定の温度を上回ったときに分流素子１２０及びパワー素子１１０のゲート端子を遮断し、それ以外ならそれぞれのゲート端子を導通し続けることにより、パワー素子１１０の温度が所定の温度を超過することを抑制して熱破壊を防止することができるのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術は、パワー素子１１０と過熱保護部１４０とが同一の半導体基板上に形成されていることで発生するパワー素子１１０と過熱保護部１３０との熱結合により過熱保護部１３０が正常に動作しなくなる可能性を改善するものであった。しかし、このものでは、温度検出部１３０で検知した温度が、実際に分流素子１２０の温度変化によるものなのか、または、使用環境温度（周囲温度）が変化したことによるものなのかを判断することができず、保護動作にばらつきが生じることがあり、最悪の場合、パワー素子１１０の熱破壊を引き起こす恐れがあった。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、パワー素子の温度変化のみを検知し、過熱保護精度を向上させた過熱保護機能半導体スイッチを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の過熱保護機能半導体スイッチは、負荷電流の流れる主回路に設けられたパワー素子と、前記パワー素子とは独立した基板に形成されるとともに、その内部に温度検出部を備え、前記パワー素子の発熱量が許容範囲を超えたときに前記パワー素子を遮断する過熱保護回路とを備えた過熱保護機能半導体スイッチにおいて、前記過熱保護回路は、前記過熱保護回路に通電を開始した時点での使用環境温度を検知し、その温度に応じて前記パワー素子の発熱量の許容範囲である過熱保護レベルを設定する制御回路を少なくとも有したことを特徴としている。
【００１１】
請求項２に係る発明の過熱保護機能半導体スイッチは、請求項１記載の構成において、前記過熱保護回路は、前記パワー素子に対して所定の比率の電流が流れる分流素子と、前記分流素子の温度を検知する前記温度検出部としての温度検知回路とを備え、前記制御回路は、前記パワー素子と前記分流素子との電流の比率と、前記分流素子の温度変動とに基づいて、前記パワー素子の発熱量と前記過熱保護レベルとを比較することとしている。
【００１２】
請求項３に係る発明の過熱保護機能半導体スイッチは、負荷電流の流れる主回路に設けられたパワー素子と、前記パワー素子とは独立した基板に形成されるとともに、その内部に温度検出部を備え、前記パワー素子の発熱量が許容範囲を超えたときに前記パワー素子を遮断する過熱保護回路とを備えた過熱保護機能半導体スイッチにおいて、前記過熱保護回路は、前記過熱保護回路に通電を開始した時点での使用環境温度を検知するとともに、この使用環境温度を逐次更新して、その温度に応じて前記パワー素子の発熱量の許容範囲である過熱保護レベルを逐次更新して設定する制御回路を少なくとも有することとしている。
【００１３】
請求項４に係る発明の過熱保護機能半導体スイッチは、請求項３記載の構成において、前記過熱保護回路は、前記パワー素子に対して所定の比率の電流が流れる分流素子と、前記分流素子の温度を検知する前記温度検出部としての温度検知回路と、前記分流素子に流れる電流を検出する電流検出回路とを備え、前記制御回路は、前記分流素子の温度と電流とに基づいて、前記使用環境温度を逐次計算するとともに、前記パワー素子と前記分流素子との電流の比率と、前記分流素子の温度変動に基づいて、前記パワー素子の発熱量と前記過熱保護レベルとを比較することとしている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る過熱保護機能半導体スイッチを示すブロック図であり、図２は、その温度検知回路４を示す回路図である。
【００１８】
この実施形態の過熱保護機能半導体スイッチは、パワー素子１と、過熱保護回路２とを主要構成要素としている。このうち、過熱保護回路２は、分流素子３と、温度検知回路４と、制御回路５で構成している。
【００１９】
パワー素子１は、負荷Ｚと負荷Ｚを駆動する電源ＶＥとで構成される主回路を開閉するものであり、例えば、ドレイン端子、ソース端子、ゲート端子を有する三端子型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴにて構成されている。このものは、ドレイン端子が負荷Ｚを介して電源ＶＥの高電位側へ、ソース端子が電源ＶＥの低電位側へ接続されており、また、ゲート端子は外部回路（図示せず）を介して後述する制御回路５に接続されている。その動作は、制御回路５からこのゲート端子へ入力される信号に応じてパワー素子１自身を導通や遮断し、この制御により主回路を開閉している。
【００２０】
過熱保護回路２は、主回路に流れる負荷電流の過電流等による異常発熱からパワー素子１を保護するためのものであり、上述したように、分流素子３と、温度検知回路４と、制御回路５とを備えている。
【００２１】
これらのうち、分流素子３は、パワー素子１に流れる電流（負荷電流）の大きさに対して所定の比率の電流（以降、分流電流と称する）を流すためのものであり、例えば、ドレイン端子、ソース端子、ゲート端子を有する三端子型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴにて構成されている。このものは、分流電流をパワー素子１に流れる電流より所定の比率で小さくなるように設定する外部回路（図示せず）を介してパワー素子１と並列に接続されており、また、ゲート端子はパワー素子１のゲート端子と接続して制御回路５へ接続されている。その動作は、制御回路５からのゲート端子へ入力される信号に応じて分流素子３自身を導通や遮断し、この制御により過熱保護回路２を開閉している。
【００２２】
温度検知回路４は、分流素子３の温度を検知するものであり、制御回路５と過熱保護回路２の低電位側に接続されている。例えば、図２（ａ）においては、温度検知回路４をダイオード４１にて構成している。このダイオード４１は、アノード側が制御回路に接続されており、カソード側が過熱保護回路２の低電位側に接続されている。その動作は、パワー素子１が導通すると、同時に分流素子３にも分流電流が流れて分流素子３が発熱する。ダイオード４１は、温度が上昇すればその順方向電圧が降下するという温度特性を持っているので、分流素子３の発熱によりアノード側の電位は発熱前の電位より降下することになる。この電位の変化を温度変化の出力値として制御回路５に伝達している。
【００２３】
また、図２（ｂ）においては、温度検知回路４を、例えば、多結晶シリコンにて形成した抵抗４２にて構成している。この抵抗４２は、一端が制御回路５に、他端が過熱保護回路２の低電位側に接続されている。その動作は、パワー素子１が導通すると、同時に分流素子３にも分流電流が流れて分流素子３が発熱する。抵抗４２は、温度が上昇すればその抵抗値が減少するという温度特性を持っているので、分流素子３の発熱により抵抗４２の高電位側の電位は発熱前の電位より降下することになる。この電位の変化を温度変化の出力値として制御回路５に伝達している。
【００２４】
また、図２（ｃ）においては、温度検知回路４を、例えば、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ４３にて形成したパンチスルー回路にて構成している。このパンチスルー回路は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ４３のドレイン端子が制御回路５に、ソース端子が過熱保護回路２の低電位側に接続されている。また、ゲート端子はソース端子と短絡している。その動作は、パワー素子１が導通すると、同時に分流素子３にも分流電流が流れて分流素子３が発熱する。パンチスルー回路は、温度が上昇すればその抵抗値が減少するという温度特性を持っているので、分流素子３の発熱によりパンチスルー回路の高電位側の電位は発熱前の電位より降下することになる。この電位の変化を温度変化の出力値として制御回路５に伝達している。
【００２５】
制御回路５は、温度検知回路４からの信号に基づいてパワー素子１の過熱保護レベルを調整し、パワー素子１が少なくとも過熱保護レベルを超えている間、主回路を遮断するものである。このものは、温度検知回路４と分流素子３との間に接続されている。その動作は、まず、分流電流が流れる前の分流素子３の温度に応じた信号から使用環境温度に適した過熱保護レベル信号を設定する。次いで、分流電流が流れているときの分流素子３の発熱温度に応じた信号を逐次温度検知回路４から受信して発熱による分流素子３の温度変化に相当する信号を計算する。この温度変化信号と設定されている過熱保護レベル信号とを比較し、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号より小さいときは、パワー素子１及び分流素子３のゲート端子へ信号を送り続けてパワー素子１及び分流素子３を導通させ続け、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号より大きいときは、ゲート端子への信号送出を中断してパワー素子１及び分流素子３を遮断している。
【００２６】
次に、その動作について説明する。
【００２７】
まず、過熱保護回路２の通電と同時に温度検知回路４は、その時点での分流素子３の温度を検知し、使用環境温度に応じた信号を制御回路５に送信する。制御回路５は、その信号を受けて使用環境温度に適した過熱保護レベル信号を設定する。次いで、パワー素子１が導通すると、負荷Ｚに負荷電流が流れる。その負荷電流の一部（分流電流）は、外部回路にて所定の比率（例えば１００分の１倍）でパワー素子１に流れる電流より小さくなるように加工されて分流素子３を流れる。この分流電流により分流素子３は発熱するが、そのときの温度を温度検知回路４は逐次検知しており、その温度に応じた信号を制御回路５に送信し続ける。制御回路５は、分流素子３の導通開始時からの温度変化を計算し、その温度に相当する信号と過熱保護レベル信号とを比較する。ところで、パワー素子１の温度変化と分流素子３の温度変化との比は、それぞれに流れる電流の比（負荷電流／分流電流）に比例するので、分流素子３の温度変化を検知することは、間接的にパワー素子１の温度変化を検知していることになる。したがって、この分流素子３の温度変化信号と設定されている過熱保護レベル信号とを比較することによりパワー素子１の過熱保護を行うことができ、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号を上回っているときは、分流素子３及びパワー素子１のゲート端子へ信号送出を中断して分流素子３及びパワー素子１を遮断し、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号を下回っているときは、ゲート端子に信号を送出して分流素子３及びパワー素子１を導通してパワー素子１の熱損失を精度よく抑制している。
【００２８】
以上説明した実施形態の過熱保護機能半導体スイッチによると、過熱保護回路にパワー素子１に対して所定の比率の電流が流れる分流素子３と、分流素子３の温度を検知する温度検知回路４とを備え、制御回路５をパワー素子１と分流素子３との電流の比率と、分流素子３の温度変動とに基づいて過熱保護レベルを調整できるようにすることにより、分流素子３の温度変化を精度よく検知できるとともに使用環境温度を考慮に入れた過熱保護が可能になるので、結果的に、パワー素子１の温度変化を精度よく捉えることになり、パワー素子１の過熱保護精度を向上することができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図３は、本実施形態に係る過熱保護機能半導体スイッチを示すブロック図である。
【００３０】
この過熱保護機能半導体スイッチは、過熱保護回路２に電流検出回路６が加わったこと及び制御回路５を制御回路７に置き換えたことが第１の実施形態と異なるもので、他の構成要素は、第１の実施形態のものと実質的に同一であるので説明を省略する。また、同一部材においては、第１の実施形態と同一の番号を付す。
【００３１】
電流検出回路６は、分流素子３に流れる電流の大きさを検出するものである。このものは、分流素子３のソース端子と過熱保護回路２の低電位側との間に接続されており、また、後述する制御回路７にも接続されている。その動作は、分流素子３に流れる電流の大きさを検出してその信号を制御回路７に送信している。
【００３２】
制御回路７は、温度検知回路４及び電流検出回路６からの信号に基づいてパワー素子１の過熱保護レベルを調整し、パワー素子１が少なくとも過熱保護レベルを超えている間、主回路を遮断するものである。このものは、温度検知回路４と分流素子３との間に接続され、また、電流検知回路６とも接続されている。その動作は、まず、分流電流が流れる前の分流素子３の温度に応じた信号から使用環境温度を記憶する。次いで、電流検知回路６からの信号に基づいて計算される分流素子３の発熱温度と温度検知回路４からの信号に基づく実際の分流素子３の温度とを減算することにより、使用環境温度の変化分と分流素子３の温度変化分を逐次計算する。そして、使用環境温度の変化分と最初に記憶した使用環境温度とを加算して使用環境温度を逐次更新してその使用環境温度に適した過熱保護レベル信号を設定する。また、分流素子３の温度変化信号と過熱保護レベル信号とを比較し、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号より小さいときは、パワー素子○○及び分流素子○○のゲート端子へ信号を送り続けてパワー素子○○及び分流素子○○を導通させ続け、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号より大きいときは、ゲート端子への信号送出を中断してパワー素子１及び分流素子３を遮断している。
【００３３】
次に、その動作について説明する。
【００３４】
まず、過熱保護回路２の通電と同時に温度検知回路４は、その時点での分流素子３の温度を検知し、その使用環境温度に応じた信号を制御回路７に送信する。制御回路７は、その信号を記憶する。次いで、パワー素子１が導通すると、負荷Ｚに負荷電流が流れる。その負荷電流の一部（分流電流）は、外部回路にて所定の比率（例えば、１００分の１倍）でパワー素子１に流れる電流より小さくなるように加工されて分流素子３を流れる。この分流電流により分流素子３は発熱するが、そのときの電流と温度を逐次電流検知回路６と温度検知回路４がそれぞれ検知しており、その電流と温度に応じた信号を制御回路７に送信し続ける。制御回路７は、それぞれの信号から分流素子３の温度変化分と使用環境温度の変化分を計算する。そして、使用環境温度の変化分と記憶した初期の使用環境温度とを加算して使用環境温度を逐次更新する。また、その使用環境温度に適した過熱保護レベル信号を逐次更新して分流素子３の温度変化信号と過熱保護レベル信号とを比較する。ところで、パワー素子１の温度変化と分流素子３の温度変化との比は、それぞれに流れる電流の比（負荷電流／分流電流）に比例するので、分流素子３の温度変化を検知することは、間接的にパワー素子１の温度変化を検知していることになる。したがって、この分流素子３の温度変化信号と設定されている過熱保護レベル信号とを比較することによりパワー素子１の過熱保護を行うことができ、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号を上回っているときは、分流素子３及びパワー素子１のゲート端子へ信号送出を中断して分流素子３及びパワー素子１を遮断し、温度変化信号の大きさが過熱保護レベル信号を下回っているときは、ゲート端子に信号を送出して分流素子３及びパワー素子１を導通してパワー素子１の熱損失を精度よく抑制している。
【００３５】
以上説明した実施形態の過熱保護機能半導体スイッチによると、過熱保護回路２を、パワー素子１に対して所定の比率の電流が流れる分流素子３と、分流素子３の温度を検知する温度検知回路４と、分流素子３に流れる電流を検出する電流検出回路６とを備え、制御回路７は、パワー素子１と分流素子３との電流の比率と、分流素子３の温度変動と、分流素子３の電流変動とに基づいて過熱保護レベルを調整することにより、分流素子３の温度変化を精度よく検知できるとともに使用環境温度を考慮に入れた過熱保護が可能になり、また、使用環境温度の変化も検知することができるので、結果的に、パワー素子１の絶対温度を精度よく捉えることになり、パワー素子１の過熱保護精度をさらに向上することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本願発明の過熱保護機能半導体スイッチは、過熱保護回路が使用環境温度を検知してその温度に応じて過熱保護レベルを設定する制御回路を少なくとも備えることにより、パワー素子の温度変化を精度よく検知できるとともに使用環境温度を考慮に入れた過熱保護が可能となるので、パワー素子の過熱保護精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態に係る過熱保護機能半導体スイッチを示すブロック図である。
【図２】  本発明の実施形態に係る過熱保護機能半導体スイッチの温度検知回路を示す回路図である。
【図３】  本発明の第２の実施形態に係る過熱保護機能半導体スイッチを示すブロック図である。
【図４】  従来の過熱保護機能半導体スイッチを示すブロック図及び回路図である。
【符号の説明】
１     パワー素子
２     過熱保護回路
３     分流素子
４     温度検知回路
４１   ダイオード
４２   抵抗
４３   ＭＯＳＦＥＴ
５     制御回路
６     電流検知回路
７     制御回路
【図１】
0003906682.tif 000002
【図２】
0003906682.tif 000003
【図３】
0003906682.tif 000004
【図４】
0003906682.tif 000005