(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子（１１、２１、３１）からなる半導体モジュールと、各素子に設けられ互いに並列に接続された温度検出素子（１２と１３、２２と２３、３２と３３）と、前記並列接続された温度検出素子の出力電圧に基づいて前記半導体モジュールの温度検出を行う温度検出回路（５０）とを備えた半導体モジュールの温度検出装置において、
前記温度検出素子のぞれぞれは、
ダイオード（１２）を形成するＰＮ接合したＰ型領域（１２１ａ）およびＮ型領域（１２２ａ）と、前記Ｐ型領域および前記Ｎ型領域のうちの一方の領域から延びて形成された抵抗領域（１３１）とを有し、前記ダイオードと前記抵抗領域による抵抗（１３）とが電気的に直列接続された構成になっており、前記抵抗領域の抵抗値は、前記Ｐ型領域および前記Ｎ型領域による抵抗値よりも大きくなっていることを特徴とする半導体モジュールの温度検出装置。
【請求項２】
複数の素子（１１、２１、３１）からなる半導体モジュールと、各素子に設けられ互いに並列に接続された温度検出素子（１２と１３、２２と２３、３２と３３）と、前記並列接続された温度検出素子の出力電圧に基づいて前記半導体モジュールの温度検出を行う温度検出回路（５０）とを備えた半導体モジュールの温度検出装置において、
前記温度検出素子のぞれぞれは、
ダイオード（１２）を形成するＰＮ接合したＰ型領域（１２１ａ）およびＮ型領域（１２２ａ）と、前記Ｐ型領域および前記Ｎ型領域のうちの一方の領域から延びて形成された抵抗領域（１３１）とを有し、
前記一方の領域は、その領域全体を等電位化するために第１のコンタクト（１２３ａ）を介して金属膜（１２７）に接続され、前記抵抗領域は、第２のコンタクト（１３２）を介して取り出し電極（１３３）に接続されており、
前記ダイオードと前記抵抗領域による抵抗（１３）とが電気的に直列接続された構成になっていることを特徴とする半導体モジュールの温度検出装置。
【請求項３】
前記第１のコンタクトを介して前記一方の領域に接続された前記金属膜は、電気的にオープンな状態になっていることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュールの温度検出装置。
【請求項４】
前記抵抗領域は、平面的に見て蛇行した形状になっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体モジュールの温度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の素子からなる半導体モジュールの温度を検出する、半導体モジュールの温度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気自動車等のモータをインバータ装置で駆動する場合、並列接続した複数のＩＧＢＴ素子でインバータ回路における各相のアームを構成し、各相のアームを構成するＩＧＢＴ素子をスイッチング動作させて、例えば３相の交流出力を得るようにしたものがある。
【０００３】
このようなインバータ回路において過電流が流れると、ＩＧＢＴ素子の温度が上昇して破壊に至るおそれがあるため、ＩＧＢＴ素子の破壊が起こる前に、ＩＧＢＴ素子をカットオフさせるなどして、保護を行う必要がある。このような制御を行うためには、ＩＧＢＴ素子の温度を正確に検出する必要がある。
【０００４】
特開平１０−３８９６４号公報には、複数のＩＧＢＴ素子からなる半導体モジュールにおいて、各ＩＧＢＴ素子に温度検出用のダイオードを設け、それらのダイオードを並列接続し、その出力電圧から温度検出回路にて半導体モジュールの温度を検出するものが記載されている。すなわち、並列接続された温度検出用ダイオードに定電流を流したとき、ダイオードの端子間に発生する電圧ＶＦが、温度の上昇とともに低下する負の温度係数を有することを利用して、並列接続された温度検出用ダイオードの出力電圧が閾値以下になると、複数のＩＧＢＴ素子の少なくとも１つが所定温度以上になったことを検出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開平１０−３８９６４号公報に記載された技術について、本発明者らがさらに検討を行ったところ、複数（例えば３つ）のＩＧＢＴ素子のうちの１つが高温になった場合、並列接続された温度検出用ダイオードに供給される電流が１つのダイオードに集中して流れるため、所望の検出温度より高い温度で異常を検出することになり、検出温度に誤差が生じることがわかった。すなわち、本発明者らの実測によれば、ダイオードに流れる電流ＩＦと、ダイオードの端子間に発生する電圧ＶＦは、図６に示すように約−３ｍＶ／℃の温度係数を有しているが、ダイオードの順方向電流が、２倍、３倍と増えていくにつれ、ＶＦ−Ｔ（温度）特性が図の上側に移動するため、温度検出用ダイオードの出力電圧が基準電圧（図では０．８４Ｖ）以下になるときの検出温度が図の右側に移動し、順方向電流が３倍になると、検出温度に２７℃もの誤差が生じる。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みたもので、検出温度に生じる誤差を低減することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体モジュールを構成する複数の素子（１１、２１、３１）のそれぞれの温度を検出する温度検出素子として、ダイオード（１２）を形成するＰＮ接合したＰ型領域（１２１ａ）およびＮ型領域（１２２ａ）と、Ｐ型領域およびＮ型領域のうちの一方の領域から延びて形成された抵抗領域（１３１）とを有し、ダイオードと抵抗領域による抵抗（１３）とが電気的に直列接続された構成のものとし、抵抗領域の抵抗値が、Ｐ型領域およびＮ型領域による抵抗値よりも大きくなっていることを特徴としている。
【０００８】
このようにダイオードに抵抗を直列に接続することにより、抵抗によって電流制限が行われ他の素子とのバランスがとられて、複数の素子のうちの１つが高温になった場合でも、その素子に設けられた温度検出素子に電流が集中して流れることがないため、検出温度に生じる誤差を少なくすることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、温度検出素子として、ダイオード（１２）を形成するＰＮ接合したＰ型領域（１２１ａ）およびＮ型領域（１２２ａ）と、Ｐ型領域およびＮ型領域のうちの一方の領域から延びて形成された抵抗領域（１３１）とを有し、一方の領域は、その領域全体を等電位化するために第１のコンタクト（１２３ａ）を介して金属膜（１２７）に接続され、抵抗領域は、第２のコンタクト（１３２）を介して取り出し電極（１３３）に接続されており、ダイオードと抵抗領域による抵抗（１３）とが電気的に直列接続された構成になっていることを特徴としている。
【００１０】
この発明においても、ダイオードに抵抗を直列に接続することにより、請求項１に記載の発明と同様、検出温度に生じる誤差を少なくすることができる。また、抵抗領域を、第２のコンタクトを介して取り出し電極に接続し、ダイオードを形成するＰ型領域およびＮ型領域のうちの一方の領域を、その領域全体を等電位化する第１のコンタクトを介して金属膜に接続しているから、ダイオードとしての機能を良好に維持したまま、ダイオードに抵抗を直列接続した構成にすることができる。この場合、請求項３に記載の発明のように、第１のコンタクトを介して一方の領域に接続する金属膜を、電気的にオープンな状態にしておくことが好ましい。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明のように、抵抗領域を、平面的に見て蛇行した形状にすれば、小さな面積で大きな抵抗値を得ることができる。
【００１２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１に、本発明の一実施形態にかかる半導体モジュールの温度検出装置の概略構成を示す。この半導体モジュールは、３つのＩＧＢＴ素子１１、２１、３１で構成され、３つのＩＧＢＴ素子１１、２１、３１が並列接続されて、電気自動車のモータを駆動するインバータ回路における１つの相のアームを構成している。
【００１４】
ＩＧＢＴ素子１１には、その近傍にＩＧＢＴ素子１１の温度を検出する温度検出用のダイオード（２つのダイオード１２ａ、１２ｂで構成）１２と抵抗１３が配置され、ＩＧＢＴ素子２１には、その近傍にＩＧＢＴ素子２１の温度を検出する温度検出用のダイオード（２つのダイオード２２ａ、２２ｂで構成）２２と抵抗２３が配置され、ＩＧＢＴ素子３１には、その近傍にＩＧＢＴ素子３１の温度を検出する温度検出用のダイオード（２つのダイオード３２ａ、３２ｂで構成）３２と抵抗３３が配置されている。
【００１５】
ＩＧＢＴ素子１１（２１、３１）に配置されたダイオード１２（２２、３２）と抵抗１３（２３、３３）は直列に接続されて温度検出素子を構成しており、それぞれの温度検出素子は、並列接続されて定電流源４０から定電流ｉTが供給されるようになっている。
【００１６】
このように温度検出用のダイオード１２（２２、３２）に抵抗１３（２３、３３）を直列に接続することにより、抵抗１３（２３、３３）によって電流制限が行われ、３つのＩＧＢＴ素子１１、２１、３１のうちの１つが高温になった場合でも、そのＩＧＢＴ素子に配置された温度検出素子に、定電流源４０からの電流が集中して流れることがなく、ＩＧＢＴ素子１１、２１、３１の温度検出を精度よく行うことができる。
【００１７】
なお、各温度検出素子の接続点の電圧、すなわち並列接続された温度検出素子の出力電圧Ｔは、温度検出回路５０に入力され、この温度検出回路５０から半導体モジュールの温度を示す信号Ｏが出力される。
【００１８】
各温度検出素子を構成するダイオード１２（２２、３２）と抵抗１３（２３、３３）は同一構成のものである。図２に、ダイオード１２と抵抗１３を例にとって、その平面構成を示す。また、ダイオード１２を構成する２つのダイオード１２ａ、１２ｂのうちの一方のダイオード１２ａの断面構成を図３に示す。
【００１９】
ダイオード１２ａは、平面的に見て長方形状のもので、ＰＮ接合したＰ型領域１２１ａとＮ型領域１２２ａで構成されている。Ｐ型領域１２１ａとＮ型領域１２２ａは、図３に示すように、半導体基板１２５の表面に形成された絶縁膜１２６の上に、多結晶シリコンで形成されている。また、Ｐ型領域１２１ａとＮ型領域１２２ａには、コンタクト１２３ａ、１２４ａがそれぞれ形成されており、Ｐ型領域１２１ａは、コンタクト１２３ａを介して金属膜（例えば、アルミ膜、以下同じ）１２７に接続され、Ｎ型領域１２２ａは、コンタクト１２４ａを介して金属膜１２８に接続されている。
【００２０】
また、ダイオード１２ｂは、図２に示すように、平面的に見て長方形状のもので、ＰＮ接合したＰ型領域１２１ｂとＮ型領域１２２ｂ（それぞれ多結晶シリコンで形成されたもの）で構成されている。また、Ｐ型領域１２１ｂとＮ型領域１２２ｂには、コンタクト１２３ｂ、１２４ｂがそれぞれ形成されている。ダイオード１２ｂのＮ型領域１２２ｂに形成されたコンタクト１２４ｂは、取り出し端子（図１に示す端子１４ｂ）に接続された金属膜（取り出し電極）に接続され、ダイオードの１２ｂのＰ型領域１２１ｂは、コンタクト１２３ｂを介してダイオード１２ａのＮ型領域１２２ａに接続された金属膜１２８に接続されている。このことにより、ダイオード１２ｂとダイオード１２ａは、直列に接続される。
【００２１】
上記したコンタクト１２３ａ、１２４ａ、１２３ｂ、１２４ｂは、図２に示すように、平面的に見てＰＮ接合をそれぞれ囲むように形成され、それぞれの領域を、金属膜と接続して等電位化するために設けられている。なお、コンタクト１２３ａを介してＰ型領域１２１ａに接続された金属膜１２７は、所定の電位に接続してもよいが、図３に示すように、電気的にオープンな状態とするのが好ましい。
【００２２】
また、図２に示すように、ダイオード１２ａのＰ型領域１２１ａからＰ型の多結晶シリコンの抵抗領域１３１が延びて形成されている。この抵抗領域１３１は、その端部に形成されたコンタクト１３２を介して、図３に示すように、取り出し端子（図１に示す端子１４ａ）に接続された金属膜（取り出し電極）１３３に接続されている。この場合、温度検出素子の感温特性を向上させるためには、抵抗領域１３１の抵抗温度特性を０（ほぼ０）に設定しておくのが好ましい。この設定は、多結晶シリコンへのインプラ条件により行うことができる。また、抵抗領域１３１は、Ｐ型領域１２１ａと同一導電型であるのが好ましいが、異なる導電型であってもよい。
【００２３】
なお、ダイオード１２ａ、１２ｂを形成するＰ型領域１２１ａ、１２１ｂとＮ型領域１２２ａ、１２２ｂにおいても抵抗成分があるが、両者の抵抗値（合計）は、例えばシート抵抗値の１割以下の約２０Ω以下程度のものであるのに対し、上記した抵抗領域１３１の抵抗値は、数百Ω（例えば、５００Ω以上）であり、このような大きな抵抗値を有することによって、高温になったＩＧＢＴ素子の温度検出素子への電流集中を効果的に防止することができる。この場合、抵抗領域１３１を、図２に示すように、平面的に蛇行した形状とすることにより、小さな面積で大きな抵抗値を得ることができる。
【００２４】
次に、図１に示す温度検出回路５０について説明する。図４にその具体的な構成を示す。また、図５にそのタイミングチャートを示す。
【００２５】
温度検出回路５０は、三角波の基準電圧Ａ（図５（ａ）参照）を発生する三角波電圧発生回路５１と、温度検出素子の出力電圧Ｔと基準電圧Ａとを比較し、その大小関係に応じたデューティ比の信号Ｏを出力する比較回路５２とから構成されている。出力信号Ｏをデューティ比の信号で出力するのは、例えばホトカプラを介して信号Ｏを出力するためである。
【００２６】
上記した温度検出素子の出力電圧Ｔは、ダイオード２個分で約１．４Ｖと低いため、比較回路５２では、出力電圧Ｔと基準信号Ａのそれぞれに対してヒステリシスをもたせ、出力信号Ｏを、耐ノイズ性を向上させた信号としている。
【００２７】
このため、比較回路５２は以下のように構成されている。すなわち、比較回路５２の出力信号Ｏ（図５（ｅ）参照）がハイレベルになるタイミングで、スイッチ５２ａを、図５（ｂ）に示すように一定期間オフさせる。スイッチ５２ａがオフすると、定電流源５２ｂからの電流がトランジスタ５２ｃを介して抵抗５２ｄに流れ込むため、基準電圧Ａ’との比較に用いる温度検出素子の出力電圧Ｔ’（図４および図５（ｄ）参照）が一定期間上昇する。このことにより、外乱ノイズに対してチャタリングを起こさないようにすることができる。
【００２８】
また、比較回路５２の出力信号Ｏ（図５（ｅ）参照）がローレベルになるタイミングで、スイッチ５２ｅを、図５（ｂ）に示すように一定期間オフさせる。スイッチ５２ｅがオフすると、定電流源５２ｆからの電流がトランジスタ５２ｇを介して抵抗５２ｈに流れ込むため、出力電圧Ｔ’との比較に用いる基準電圧Ａ’（図４および図５（ｄ）参照）が一定期間上昇する。このことにより、基準電圧Ａ’≫出力電圧Ｔ’となるため、耐ノイズ性を向上させることができる。
【００２９】
そして、出力電圧Ｔ’と基準電圧Ａ’の比較により、図５（ｅ）に示す信号Ｏが出力される。なお、３つのＩＧＢＴ素子１１、２１、３１のいずれかが高温になって、温度検出素子の出力電圧Ｔが図５（ａ）示すようにＴＨになると、出力電圧Ｏは図５（ｆ）に示すように、ローレベルの長いデューティ信号になる。この信号を用いてＩＧＢＴ素子の加熱を判定することができる。
【００３０】
なお、上記した実施形態においては、温度検出用のダイオードを２つ備えるものを示したが、１つもしくは３つ以上としてもよい。また、ダイオードのＰ型領域に抵抗領域を延ばして形成するものを示したが、Ｎ型領域に抵抗領域を延ばして形成してもよく、Ｐ型領域とＮ型領域の両方に抵抗領域を延ばして形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる半導体モジュールの温度検出装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１中のダイオード１２と抵抗１３の平面構成を示す図である。
【図３】ダイオード１２を構成する２つのダイオード１２ａ、１２ｂのうちの一方のダイオード１２ａの断面構成を示す図である。
【図４】図１に示す温度検出回路５０の具体的な構成を示す図である。
【図５】図４に示す温度検出回路５０の各部の波形を示すタイミングチャートである。
【図６】ダイオードに流れる電流ＩＦと、ダイオードの端子間に発生する電圧ＶＦと、温度Ｔとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１１、２１、３１…ＩＧＢＴ素子、１２（１２ａ、１２ｂ）、２２（２２ａ、２２ｂ）、３２（３２ａ、３２ｂ）…ダイオード、１３、２３、３３…抵抗、４０…定電流源、５０…温度検出回路、１２１ａ、１２１ｂ…Ｐ型領域、１２２ａ、１２２ｂ…Ｎ型領域、１２３ａ、１２４ａ、１２３ｂ、１２４ｂ、１３２…コンタクト、１２７、１２８、１３３…金属膜、１３１…抵抗領域。
【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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