半導(dǎo)體裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供半導(dǎo)體裝置及其控制方法，通過準(zhǔn)確監(jiān)視溫度來合適進(jìn)行過熱保護(hù)動作。在發(fā)射極端子側(cè)從動作電流(ICE)分支出的第1檢測電流、第2檢測電流分別流過第1感應(yīng)元件(21)、第2感應(yīng)元件(22)，此時在該兩端產(chǎn)生的電壓分別被檢測為輸出電壓(VS1、VS2)。第1感應(yīng)元件(21)是在形成有IGBT(10)的開關(guān)元件芯片上的電阻元件。第2感應(yīng)元件(22)是與開關(guān)元件芯片分開單獨(dú)設(shè)置的電阻元件。通過一同使用(VS1)和(VS2)，可以一同計算出動作電流(ICE)和IGBT(10)的溫度(T)。
【專利說明】半導(dǎo)體裝置及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有開關(guān)元件和進(jìn)行用于對該開關(guān)元件的過電流保護(hù)、過熱保護(hù)的控制的控制電路的半導(dǎo)體裝置。并且，涉及該半導(dǎo)體裝置的控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]作為進(jìn)行大電流的開關(guān)動作的開關(guān)元件(功率半導(dǎo)體元件)，使用了功率MOSFET或絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor:1GBT)等。在使用這樣的開關(guān)元件的半導(dǎo)體裝置中，在由于負(fù)載的短路等而使過電流流動、或者發(fā)生過度的溫度上升的情況下，有時開關(guān)元件受到破壞。因此，有效的是，在流過開關(guān)元件的電流超過規(guī)定的值的情況下進(jìn)行強(qiáng)制性地切斷該開關(guān)元件的動作(過電流保護(hù)動作)、在該開關(guān)元件過熱而使其溫度超過規(guī)定的值的情況下進(jìn)行強(qiáng)制性地切斷該開關(guān)元件的動作(過熱保護(hù)動作)。
[0003]此時，也能夠通過將例如熱電偶等的溫度檢測元件安裝在半導(dǎo)體芯片上來測定溫度，然而在使用與半導(dǎo)體芯片分開的溫度檢測元件的情況下，沒有延遲地準(zhǔn)確測定半導(dǎo)體芯片自身的溫度是困難的。因此，有效的是，與開關(guān)元件(功率M0SFET、IGBT等)一樣在半導(dǎo)體芯片(半導(dǎo)體晶片)中也形成有溫度檢測用的元件。此時，為了不增大芯片面積，在專利文獻(xiàn)I中記載了一種使用開關(guān)元件(功率M0SFET)自身的一部分用于溫度檢測的技術(shù)。在該技術(shù)中，在使功率MOSFET從斷開狀態(tài)處于接通狀態(tài)后立即，調(diào)查例如在功率MOSFET的結(jié)構(gòu)中形成的pn結(jié)(寄生二極管)的反方向電流。
[0004]在專利文獻(xiàn)I記載的技術(shù)中，通過測定寄生二極管的反向恢復(fù)時間(或者反向恢復(fù)電流)來估計溫度。這里測定的溫度是構(gòu)成開關(guān)元件(功率M0SFET)自身的一部分的pn結(jié)的溫度，因而與使用溫度檢測用的元件的情況相比，可以進(jìn)行更準(zhǔn)確且沒有延遲的溫度測定。并且，無需在半導(dǎo)體芯片中單獨(dú)形成溫度檢測用的結(jié)構(gòu)。
[0005]在IPM(Intelligent Power Module,智能功率模塊)中，形成有開關(guān)元件的開關(guān)元件芯片和形成有進(jìn)行上述的控制(過電流保護(hù)動作、過熱保護(hù)動作)的控制電路的控制電路芯片被密封在相同的封裝內(nèi)。由此，可以安全使用開關(guān)元件。
[0006]【專利文獻(xiàn)I】日本特開2011- 142700號公報
[0007]然而，作為開關(guān)元件的溫度上升的原因之一，有時在開關(guān)元件的接通時大電流流過。因此，開關(guān)元件的溫度最高多數(shù)情況是在開關(guān)元件接通而經(jīng)過一定時間后。
[0008]與此相對，在上述技術(shù)中測定溫度僅是在開關(guān)元件從斷開到接通后立即的狀態(tài)。因此，在上述技術(shù)中，監(jiān)視原本最高溫度的必要性高，在溫度最高的時點(diǎn)進(jìn)行測定是困難的。
[0009]S卩，得到可以通過準(zhǔn)確監(jiān)視溫度來合適進(jìn)行過熱保護(hù)動作的半導(dǎo)體裝置是困難的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明是鑒于上述問題而作成的，本發(fā)明的目的是提供解決上述問題的發(fā)明。
[0011]為了解決上述課題，本發(fā)明采用以下所示的結(jié)構(gòu)。
[0012]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置具有:形成有開關(guān)元件的開關(guān)元件芯片；和控制電路芯片，其形成有控制電路，且與所述開關(guān)元件芯片分開，該控制電路在所述開關(guān)元件過熱時進(jìn)行切斷所述開關(guān)元件的過熱保護(hù)動作，其特征在于，在所述開關(guān)元件芯片中，輸出從所述開關(guān)元件的動作電流分支出的檢測電流，該半導(dǎo)體裝置具有:第I感應(yīng)元件，其設(shè)置在所述開關(guān)元件芯片上，并被構(gòu)成為檢測出所述檢測電流流過時的輸出電壓的結(jié)構(gòu)；和第2感應(yīng)元件，其設(shè)置在所述開關(guān)元件芯片的外部，并被構(gòu)成為檢測出所述檢測電流流過時的輸出電壓的結(jié)構(gòu)，所述控制電路通過所述第2感應(yīng)元件的輸出電壓來檢測所述動作電流，且利用所述第2感應(yīng)元件的輸出電壓和檢測出的所述動作電流來進(jìn)行所述過熱保護(hù)動作。
[0013]本發(fā)明按以上方式構(gòu)成，因而可以得到一種可以通過準(zhǔn)確監(jiān)視溫度來適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行過熱保護(hù)動作的半導(dǎo)體裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的第I實施方式的半導(dǎo)體裝置的電路圖。
[0015]圖2是平面型的IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)的截面圖(a)、電路圖標(biāo)號(b)、等效電路(C)。
[0016]圖3是在本發(fā)明的第I實施方式的半導(dǎo)體裝置中使用的IGBT的俯視圖。
[0017]圖4是平面型的功率MOSFET的截面圖(a)、等效電路(b)。
[0018]圖5是示出本發(fā)明的第I實施方式的半導(dǎo)體裝置(半導(dǎo)體模塊)的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0019]圖6是本發(fā)明的第2實施方式的半導(dǎo)體裝置的電路圖。
[0020]圖7是在本發(fā)明的第2實施方式的半導(dǎo)體裝置中檢測的監(jiān)視電壓Vs的時間變化的一例的圖。
[0021]標(biāo)號說明
[0022]1、2:半導(dǎo)體裝置；10、11:1GBT(絕緣柵雙極型晶體管)；21:第I感應(yīng)元件；22:第2感應(yīng)元件；23:電阻體；31:VS1檢測電路；32:VS2檢測電路；33:驅(qū)動電路(控制電路)；34:開關(guān)；51:p+層(集電層);52:n—層；53:p —層；54:n+層；55:氧化膜(柵絕緣膜);56:柵電極；57:發(fā)射電極；58:層間絕緣膜；59:集電電極；60:柵連接電極；61:源電極；62:漏電極；71:引線架(第I引線架)；72:引線架(第2引線架)；73:模塑層；74:散熱板；75:接合線；81:開關(guān)兀件芯片；82:_■極管芯片；83:控制電路芯片；100:負(fù)載。

【具體實施方式】
[0023]以下，對成為本發(fā)明的實施方式的半導(dǎo)體裝置進(jìn)行說明。在該半導(dǎo)體裝置中，作為開關(guān)元件使用IGBT。該半導(dǎo)體裝置被構(gòu)成為如下的IPM，S卩，具有該IGBT和通過流過該IGBT的動作電流及其溫度來進(jìn)行強(qiáng)制性地切斷IGBT的動作的控制電路。這里，由于特別是可以正確檢測IGBT的動作時的溫度，因而可以在高溫時合適地進(jìn)行強(qiáng)制性切斷IGBT的動作(過熱保護(hù)動作)。并且，還可以在過電流流過時進(jìn)行強(qiáng)制性切斷IGBT的動作(過電流保護(hù)動作)。因此，這里在動作時的IGBT中被監(jiān)視的量是動作電流(流過發(fā)射極和集電極之間的電流)和溫度。這里，動作電流和溫度都使用分支出動作電流的一部分得到的檢測電流來進(jìn)行測定。
[0024](第I實施方式)
[0025]在第I實施方式的半導(dǎo)體裝置中，作為開關(guān)元件的IGBT的發(fā)射極電流路徑被分支為3份，其中的一個路徑直接與發(fā)射極端子連接，其它2個路徑分別經(jīng)由不同的感應(yīng)元件(第I感應(yīng)元件、第2感應(yīng)元件)與發(fā)射極端子連接。在該兩個感應(yīng)元件上測定出分別流過第I檢測電流和第2檢測電流而產(chǎn)生的電壓，從而測定出IGBT的動作電流和溫度。
[0026]圖1是示出該半導(dǎo)體裝置I的結(jié)構(gòu)的電路圖。這里使用的開關(guān)元件是IGBT10。IGBTlO形成在主要由硅構(gòu)成的半導(dǎo)體芯片(開關(guān)元件芯片)中。在該IGBTlO中，發(fā)射極(E)側(cè)的輸出在內(nèi)部被分支成3份，為了方便起見，IGBTlO如圖1所示作了記載。后面對其具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。其中，該IGBTlO的動作與通常公知的IGBT相同。
[0027]該IGBTlO的開關(guān)動作由其柵極(G)電壓Vg決定，以電壓Vbb — Vc驅(qū)動的負(fù)載100與集電極(C)側(cè)連接。\是IGBTlO的集電極電壓，在IGBTlO處于接通狀態(tài)且\下降的情況下，電流流過負(fù)載100。S卩，該IGBTlO用于進(jìn)行負(fù)載100的開關(guān)動作。
[0028]IGBTlO的發(fā)射極電極被分割為3份，一個與發(fā)射極端子(E)直接連接。其它2個分別與第I感應(yīng)元件(感應(yīng)元件)21、電阻體23的一端連接，第I感應(yīng)元件21、電阻體23的另一端與發(fā)射極端子(E)連接。在第I感應(yīng)元件21中，在發(fā)射極端子側(cè)從動作電流Ira分支出的第I檢測電流流過，此時在第I感應(yīng)元件21的兩端產(chǎn)生的電壓作為輸出電壓Vsi在端子M1被檢測出。
[0029]另一方面，在電阻體23的一端設(shè)置有端子M2，端子M2與第2感應(yīng)元件(感應(yīng)元件)22的一端連接。第2感應(yīng)元件22的另一端與發(fā)射極端子(E)連接。因此，端子M2的電壓成為電阻體23的兩端的電壓和第2感應(yīng)元件22的兩端的電壓。這里，設(shè)電阻體23的電阻值為R。，設(shè)第2感應(yīng)元件22的電阻值為R2,則當(dāng)設(shè)定成R。> > R2時，分支到電阻體23側(cè)的動作電流不流經(jīng)電阻體23，而主要流經(jīng)第2感應(yīng)元件22側(cè)。因此，實際上，與電阻體23的有無無關(guān)，分支到電阻體23側(cè)的電流(第2檢測電流)的大部分流經(jīng)第2感應(yīng)元件22，在端子M2檢測第2感應(yīng)元件22的輸出電壓Vs2。第2檢測電流也與第I檢測電流一樣，成為從動作電流Ice分支出的電流。第I感應(yīng)元件21的輸出電壓Vsi (第I感應(yīng)元件21的一端的電位)、第2感應(yīng)元件22的輸出電壓Vs2 (第2感應(yīng)元件22的一端的電位)經(jīng)過端子MpM2而分別被Vsi檢測電路31、Vs2檢測電路32所檢測。Vs1、Vs2分別與第I檢測電流、第2檢測電流成正比，各檢測電流均與動作電流Ice成正比。另外，在IGBTlO的集電極和發(fā)射極之間連接有再生二極管FWD。
[0030]這里，第I感應(yīng)元件21是在形成有IGBTlO的開關(guān)元件芯片上形成的電阻元件。另一方面，第2感應(yīng)元件22是與開關(guān)元件芯片分開而遠(yuǎn)離設(shè)置的電阻元件。一般，由于電阻值有溫度依賴性，因而第I感應(yīng)元件21的電阻值R1、第2感應(yīng)元件22的電阻值R2均依賴于各自的溫度而單調(diào)地變化。其中，此處為，假定Ri>>R2。這里，由于第I感應(yīng)元件21形成在IGBTlO中，因而R1成為IGBTlO的溫度T的函數(shù)。另一方面，第2感應(yīng)元件22的溫度與IGBT100的溫度T不同。特別是，若使第2感應(yīng)元件22以可忽略IGBTlO的散熱影響的程度而遠(yuǎn)離于IGBT10，則其溫度變化與IGBTlO的溫度T的變化相比，達(dá)到可忽視的程度。即，與第I感應(yīng)元件21的電阻值R1有明確的溫度依賴性相比，第2感應(yīng)元件22的電阻值R2可以視為恒定?；蛘?，IGBTlO的過熱時的第2感應(yīng)元件22的電阻值R2的變化比第I感應(yīng)元件21的電阻值R1的變化小。
[0031]因此，Vsi成為溫度T和集電極電流Ice的函數(shù)(VS1(T、ICE))。一般不能僅從實測的Vsi的值一同估計出T和Ira，然而若Ice是已知的，則可以計算T。另一方面，Vs2成為僅Ice的函數(shù)(VS2(ICE))。Vs2和Ice的關(guān)系可以根據(jù)第2感應(yīng)元件22的電阻值R2等預(yù)先識別。因此，可以從實測的Vs2計算Ira。若考慮從Vs2計算出的、，則可以將Vsi作為僅T的函數(shù)，因而可以從Vsi的實測值計算T。即，通過一同使用Vsi和Vs2，可以一同計算出動作電流込和IGBTlO的溫度T。在圖1的結(jié)構(gòu)中，在Vsi檢測電路31、VS2檢測電路32中，也可以識別出規(guī)定的時間內(nèi)的vs1、Vs2的峰值，將這些值用于計算込和T。并且，特別是在Vsi檢測電路31中，通過進(jìn)行Vs2和Vsi的運(yùn)算處理(例如差分的計算)，還可以容易進(jìn)行T的計算。并且，還可以從Vsi檢測電路31對外部進(jìn)行與溫度T對應(yīng)的電壓輸出。
[0032]驅(qū)動電路(控制電路)33通常根據(jù)來自端子IN的輸入而控制Vg，控制IGBTlO的接通斷開。不過，驅(qū)動電路33由Vs2檢測電路32的輸出而識別出動作電流ICE，由Vsi檢測電路31的輸出而識別出溫度T，在Ice或T超過了或者被預(yù)測為超過規(guī)定的值的情況下，可以與端子IN的輸入無關(guān)而控制Vg，進(jìn)行強(qiáng)制性地切斷IGBTlO的控制。因此，在圖1的結(jié)構(gòu)中，可以合適地進(jìn)行基于動作電流Ice的保護(hù)動作(過電流保護(hù)動作)和基于溫度T的保護(hù)動作(過熱保護(hù)動作)。
[0033]驅(qū)動電路33、VS1檢測電路31、VS2檢測電路32由與開關(guān)元件芯片不同的半導(dǎo)體芯片(控制電路芯片)構(gòu)成。弟2感應(yīng)兀件22,在控制電路芯片中，在不受到開關(guān)兀件芯片的溫度上升影響的部位，被設(shè)置為電阻元件?；蛘?，作為第2感應(yīng)元件22，還可以連接設(shè)置在半導(dǎo)體模塊的外部的電阻元件來使用。再生二極管FWD可以由這些開關(guān)元件芯片、與控制電路芯片不同的半導(dǎo)體芯片(二極管芯片)構(gòu)成，然而它也可以不設(shè)置在半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部，而采用從外部連接的結(jié)構(gòu)。
[0034]下面，對圖1中的IGBTlO的具體結(jié)構(gòu)、特別是發(fā)射極電流路徑的分支結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖2的(a)是示出通常公知的平面型IGBT的單位結(jié)構(gòu)的截面圖，圖2的(b)是對應(yīng)的電路圖標(biāo)號，圖2的(c)是其等效電路。圖3是IGBTlO的俯視圖，圖2的(a)的截面圖相當(dāng)于圖3中的A — A截面，示出該IGBTlO中的單位結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)。在該單位結(jié)構(gòu)中，在成為集電極層的P+層51上形成有成為漂移層的η—層52。在該η—層52的表面?zhèn)龋ㄟ^選擇性雜質(zhì)擴(kuò)散或者離子注入，局部地形成有P—層(發(fā)射極層)53。在P—層53中通過離子注入局部地形成有MOSFET的與源區(qū)對應(yīng)的η+層54。經(jīng)由氧化膜(柵絕緣膜)55形成在表面的柵電極56在表面形成為覆蓋η —層52、P —層53、η+層54。
[0035]并且，在表面?zhèn)?，發(fā)射電極57經(jīng)由層間絕緣膜58形成在與η—層52之間，從而形成為不與52η —層接觸而與P —層53、η+層54接觸。在背面?zhèn)?，在?層51的整面形成有集電電極59。在該結(jié)構(gòu)中，在接通時電子以實線箭頭所示的方式流過，空穴以虛線箭頭所示的方式流過。
[0036]柵電極56在與圖2的(a)中的紙面垂直的方向延伸而形成，P —層53、n+層54在柵電極56的左右兩側(cè)在與柵電極56相同的方向上并行延伸而形成。在實際的結(jié)構(gòu)中，由于使大電流流過發(fā)射電極57和集電電極59之間，因而如圖3所示，圖2的(a)所示的單位結(jié)構(gòu)在左右方向上并列形成有多個。在圖3中并列形成有多個的柵電極56通過柵連接電極60而并聯(lián)連接，IGBTlO根據(jù)施加給公共的柵連接電極60的電壓Vg而進(jìn)行接通斷開動作。
[0037]因此，如圖1所示，由于對發(fā)射極電流路徑進(jìn)行分支，因而根據(jù)在圖3中在左右方向上排列多個的單位結(jié)構(gòu)，將發(fā)射電極57分割成發(fā)射第I電極571、發(fā)射第2電極572、發(fā)射第3電極573即可。例如，通過使第I感應(yīng)元件21與發(fā)射第2電極572連接，使第2感應(yīng)元件22與發(fā)射第3電極573連接，可以實現(xiàn)圖1的結(jié)構(gòu)。圖3示出平面型的IGBT的結(jié)構(gòu)，然而在溝槽型的IGBT中，也可以同樣分割發(fā)射電極。
[0038]并且，作為第I感應(yīng)元件21，可以使用利用圖2的(a)中的擴(kuò)散層即p一層(發(fā)射極層)53的擴(kuò)散電阻(寄生電阻)。在該情況下，實質(zhì)上，P 一層53的平面形狀與通常的IGBT一樣，通過設(shè)計發(fā)射第2電極572的形狀，可以形成利用P—層53的擴(kuò)散電阻。在這樣的擴(kuò)散電阻中，例如在溫度從25°C上升到150°C的情況下，電阻值上升到1.5倍左右。因此，若第I檢測電流或者、是已知的，則可以由Vsi計算出溫度T。并且，由于P—層53為IGBT的一部分，因而這里測定的溫度是IGBTlO (開關(guān)元件芯片)自身的溫度。因此，在上述結(jié)構(gòu)中，可以準(zhǔn)確地測定IGBTlO的溫度T，驅(qū)動電路33可以使用該溫度T合適地控制IGBT10。
[0039]或者，由于與將發(fā)射電極57進(jìn)行小幅分割而形成的發(fā)射第2電極572、發(fā)射第3電極573連接的半導(dǎo)體層的面積變小，因而由該半導(dǎo)體層引起的寄生電阻的值比與發(fā)射第I電極571連接的寄生電阻大。可以使用該寄生電阻作為第I感應(yīng)元件21、電阻體23。在該情況下，容易設(shè)定RpRc >> R2。并且，在該情況下，Rc也具有與R1相同的溫度依賴性，然而在圖1的電路結(jié)構(gòu)中，只要是R。>> R2，端子M2的電位就始終為第2感應(yīng)元件22的輸出電壓VS2，因而可以進(jìn)行上述的動作。并且，也可以采用在發(fā)射第3電極573上不形成寄生電阻(Rc?°o )的結(jié)構(gòu)。
[0040]在上述的結(jié)構(gòu)中，在使用IGBTlO的構(gòu)成要素自身來測定IGBTlO的溫度方法方面，與專利文獻(xiàn)I中記載的技術(shù)相同。然而，在專利文獻(xiàn)I記載的技術(shù)中，測定接通緊后的反向恢復(fù)電流流過的短時間期間的溫度，而在上述的結(jié)構(gòu)中，可以計測在接通時(Ice流過期間)的任意時點(diǎn)的溫度。因此，可以更合適地進(jìn)行對IGBTlO的過熱保護(hù)動作。
[0041]并且，在專利文獻(xiàn)I記載的技術(shù)中，計測在功率MOSFET中的反向恢復(fù)電流，在IGBT的情況下應(yīng)用相同技術(shù)是困難的。以下對該方面進(jìn)行說明。圖4示出通常公知的平面型的功率MOSFET的截面圖(a)、等效電路(b)。圖4的(a)、(b)對應(yīng)于IGBT中各自的圖2的(a)、(C)。如圖4的(a)所示，功率MOSFET除了沒有成為集電極區(qū)域的p+層51以外，具有與IGBTlO (圖2的(a))相同的結(jié)構(gòu)，表面?zhèn)鹊碾姌O為源電極61，背面?zhèn)鹊碾姌O為漏電極62。圖4的(a)示出功率MOSFET的單位結(jié)構(gòu)的截面，實際上與圖3 —樣，該結(jié)構(gòu)排列多個而形成。
[0042]在功率MOSFET的等效電路(圖4的(b))中，η —層52和p —層53之間的pn結(jié)作為寄生二極管進(jìn)行工作。該寄生二極管在功率MOSFET的接通時為反向偏置，因而在專利文獻(xiàn)I記載的技術(shù)中，通過測定該寄生二極管的反向恢復(fù)電流來測定溫度。另外，該寄生二極管針對功率M0SFET，與圖1的電路中的再生二極管FWD —樣進(jìn)行工作。
[0043]與此相對，如圖2的(C)所示，IGBT的等效電路成為在功率MOSFET的漏極和源極之間連接有pnp型的雙極型晶體管的形態(tài)。因此，盡管在等效電路中部分地與圖4的(b)
一樣形成有寄生二極管，然而測定該寄生二極管自身的反方向電流是困難的，或者在功率MOSFET上實質(zhì)上未形成寄生二極管。另外，這樣由于未形成寄生二極管，因而在圖1的電路中，再生二極管FWD連接在集電極和發(fā)射極之間。因此，將使用寄生二極管的專利文獻(xiàn)I記載的技術(shù)應(yīng)用于IGBT是困難的。與此相對，如上所述，本發(fā)明的實施方式的技術(shù)可以應(yīng)用于 IGBT。
[0044]另一方面，在功率MOSFET中，也與圖3 (IGBTlO) —樣，圖4的(a)所示的單位結(jié)構(gòu)排列有多個，各電極并聯(lián)連接來使用。因此，與在IGBTlO中分割發(fā)射電極57來使集電極電流込進(jìn)行分支一樣，可以同樣分割源電極61來使漏極電流進(jìn)行分支。S卩，顯然也可以將圖1的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于功率M0SFET。在該情況下，顯然也可以同樣形成第I感應(yīng)元件、以及可以測定在功率MOSFET接通時的任意時點(diǎn)的溫度。
[0045]圖5是示出圖1的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置I (半導(dǎo)體模塊)的結(jié)構(gòu)的一例的截面圖。在該結(jié)構(gòu)中，使用所分離的2個引線架(第I引線架)71、引線架(第2引線架)72、以及由樹脂材料構(gòu)成的模塑層73，安裝所使用的半導(dǎo)體芯片。圖5中的引線架71的左端、引線架72的右端從模塑層73突出，成為該半導(dǎo)體模塊中的引線端子。另外，實際上在左右在與圖5中的紙面垂直的方向上排列有多個引線端子，成為在圖1的電路中用于輸入輸出的多個端子。
[0046]圖1中的形成有IGBTlO的開關(guān)元件芯片81、形成有再生二極管FWD的二極管82搭載在左側(cè)的引線架71上。如上所述，在開關(guān)元件芯片81中，作為IGBTlO的構(gòu)成要素的一部分還形成有第I感應(yīng)元件21。由于大電流流過開關(guān)元件芯片81、二極管芯片82，因而需要有效地進(jìn)行這些芯片的散熱。因此，在引線架71的背面接合有散熱板74，該散熱板74在模塑層73的背面?zhèn)嚷冻?。?gòu)成模塑層73的樹脂材料的熱傳導(dǎo)率低，然而根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以有效地進(jìn)行從開關(guān)元件芯片81、二極管82的散熱。
[0047]另一方面，圖1中的形成有Vsi檢測電路31、Vs2檢測電路32、驅(qū)動電路33、第2感應(yīng)元件22的控制電路芯片83搭載在右側(cè)的引線架72上。開關(guān)元件芯片81、二極管芯片82、引線架71之間、開關(guān)元件芯片81和控制電路芯片83之間、控制電路芯片83和引線架72之間等分別使用接合線75連接，以構(gòu)成圖1的電路。因此，在開關(guān)元件芯片81、二極管芯片82、控制電路芯片83的上表面合適地形成有用于連接接合線的接合焊盤。
[0048]如上所述，第2感應(yīng)元件22設(shè)置在IGBTlO的發(fā)熱達(dá)不到的部位是優(yōu)選的。并且，為了合適進(jìn)行Vsi檢測電路31、Vs2檢測電路32、驅(qū)動電路33的動作，抑制形成有這些電路的控制電路芯片83為高溫是優(yōu)選的。因此，在上述結(jié)構(gòu)中，在熱傳導(dǎo)率低的模塑層73中使控制電路芯片83與開關(guān)元件芯片81、二極管芯片82分開，而且將它們搭載在不同的引線架上。此時，可以忽略細(xì)的接合線75的熱傳導(dǎo)。
[0049]通過使半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，可以實現(xiàn)圖1的電路結(jié)構(gòu)，使其合適進(jìn)行動作。只要可以減小從開關(guān)元件芯片到控制電路芯片的熱傳導(dǎo)，就也可以使用其它構(gòu)造。并且，如上所述，第2感應(yīng)元件22可以與圖5的結(jié)構(gòu)的外部連接。
[0050](第2實施方式)
[0051]在第2實施方式的半導(dǎo)體裝置中，也可以同時準(zhǔn)確地監(jiān)視IGBT的溫度。不過，為此的電路結(jié)構(gòu)與第I實施方式不同。圖6是示出該半導(dǎo)體裝置2的結(jié)構(gòu)的圖。與第I實施方式不同，這里使用的IGBTll的發(fā)射電極被分支成2個。該分支的一方與發(fā)射極端子(E)直接連接，另一方與第I感應(yīng)元件21的一端連接。并且，分支的另一方連接有第I感應(yīng)元件21的一端，第I感應(yīng)元件21的另一方與發(fā)射極端子(E)連接。在該IGBTll中，從分支的另一方輸出僅I個系統(tǒng)的檢測電流。并且，第I感應(yīng)元件21的一端與端子M連接，在端子M上連接有開關(guān)34的一端。開關(guān)34的另一端與Vs2檢測電路32連接。
[0052]并且，與上述一樣，假定Ri>>R2。因此，在開關(guān)34斷開的情況(圖6所示的狀態(tài))下，端子M的電壓(監(jiān)視電壓)Vs為第I感應(yīng)元件21的輸出電壓即VS1。另一方面，在開關(guān)34接通的情況下，端子M的電壓Vs實質(zhì)上為第2感應(yīng)元件22的輸出電壓即VS2。另外，作為開關(guān)34，實際上使用MOSFET等的電子式的開關(guān)元件，其接通斷開是由脈沖信號來進(jìn)行控制的。通過將該脈沖信號也輸入到Vsi檢測電路31、VS2檢測電路32，進(jìn)行在開關(guān)34斷開的情況下使Vsi檢測電路31有效、在開關(guān)34接通的情況下使Vs2檢測電路32有效的控制，從而與第I實施方式一樣，可以檢測Vsi (T、Ice)、Vs2 (Ice)。由此,與第I實施方式一樣，可以計算IeE、T?？梢愿鶕?jù)計算出的IeE、T，可以同樣進(jìn)行過電流保護(hù)動作、過熱保護(hù)動作。
[0053]在該情況下，通過使用開關(guān)34，可以分別在不同時間內(nèi)檢測VS1、Vs20圖7是示出在該情況下的端子M的電壓Vs的時間經(jīng)過的一例的圖。在該例中，最初設(shè)定開關(guān)34斷開的期間P1 (Vsi檢測期間)，之后設(shè)定開關(guān)34接通的期間P2 (Vs2檢測期間)。在該結(jié)構(gòu)中，在期間P2結(jié)束后，可以計算ICE、T。期間P1I2的設(shè)定是任意的，也可以采用按P2I1的順序進(jìn)行的設(shè)定，也可以采用以短的周期重復(fù)P1、P2的設(shè)定。即，通過在預(yù)先設(shè)定的時機(jī)操作開關(guān)34，可以合適設(shè)定PpP215該控制也可以由控制電路33進(jìn)行，也可以從半導(dǎo)體裝置2的外部進(jìn)行。顯然，在任何一種情況下，都可以計算ICE、T。并且，該控制顯然也可以在IGBTll接通時的任意時點(diǎn)進(jìn)行。
[0054]與第I實施方式一樣,IGBTll形成在開關(guān)兀件芯片上。此時,與圖5的結(jié)構(gòu)一樣，與端子M連接的接合焊盤形成在開關(guān)元件芯片上，該接合焊盤和控制電路芯片側(cè)的接合焊盤由接合線連接以形成圖6的電路。此時，接合焊盤在這些芯片上占據(jù)大的面積，因而為了減小芯片的面積而使制造成本下降，接合線的數(shù)量少是優(yōu)選的。在該情況下，在圖6的結(jié)構(gòu)中，針對IGBTll取出的端子除了對通常的動作最小限度所需的柵極(G)、集電極(C)、發(fā)射極(E)端子以外，僅為監(jiān)視使用的端子M。因此，可以減少在形成有IGBTll的開關(guān)元件芯片中使用的接合焊盤的數(shù)量，減小芯片面積。
[0055]與此相對，在專利文獻(xiàn)I記載的技術(shù)中，為了同時進(jìn)行溫度檢測和電流檢測，有必要獨(dú)立設(shè)置各自所需要的接合焊盤。其數(shù)量通過分別各為2個，因而接合焊盤占據(jù)的面積變大，減小芯片尺寸是困難的。即，在第2實施方式中，可以使用單一端子M來一同測定集電極電流Ice和溫度T，因而可以減小形成有IGBTll的開關(guān)元件芯片的芯片尺寸。對應(yīng)于此，顯然還可以減少控制電路芯片中的接合焊盤的數(shù)量。
[0056]S卩，在第2實施方式的半導(dǎo)體裝置2中，除了可以一同準(zhǔn)確地檢測開關(guān)元件的動作電流和溫度，還可以減少接合焊盤的數(shù)量，減小使用的半導(dǎo)體芯片的尺寸。伴隨于此，可以減少使用的接合線的根數(shù)，因而也可以抑制由接合線的連接引起的可靠性的下降。
[0057]并且，在IGBTll中，從動作電流分支出僅I個系統(tǒng)的檢測電流，因而可以減小檢測電流相對于IGBTll的動作電流Ice的比例。因此，可以減少由于使檢測電流流過感應(yīng)元件而產(chǎn)生的各種損失。
[0058]另外，在上述結(jié)構(gòu)以外，只要可以使檢測電流流入2種感應(yīng)元件并測定各自的輸出電壓，就能夠?qū)崿F(xiàn)各種電流結(jié)構(gòu)。并且，作為第I感應(yīng)元件，只要是在開關(guān)元件芯片內(nèi)與開關(guān)元件一起形成、對輸出電壓具有溫度依賴性的感應(yīng)元件，就也可以使用擴(kuò)散電阻以外的元件。第2感應(yīng)元件與第I感應(yīng)元件相反，只要是具有其輸出電壓難以受到開關(guān)元件的溫度上升的影響、或者設(shè)置在其溫度被視為一定的部位的感應(yīng)元件，就可以使用任意元件。也能夠根據(jù)這些感應(yīng)元件的種類等合適設(shè)定整體的結(jié)構(gòu)、例如圖5所示的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體裝置，其具有:形成有開關(guān)元件的開關(guān)元件芯片；和控制電路芯片，其形成有控制電路，且與所述開關(guān)元件芯片分開，該控制電路在所述開關(guān)元件過熱時進(jìn)行切斷所述開關(guān)元件的過熱保護(hù)動作， 該半導(dǎo)體裝置的特征在于， 在所述開關(guān)元件芯片中，輸出從所述開關(guān)元件的動作電流分支出的檢測電流， 該半導(dǎo)體裝置具有: 第I感應(yīng)元件，其設(shè)置在所述開關(guān)元件芯片上，并被構(gòu)成為檢測出所述檢測電流流過時的輸出電壓的結(jié)構(gòu)；和 第2感應(yīng)元件，其設(shè)置在所述開關(guān)元件芯片的外部，并被構(gòu)成為檢測出所述檢測電流流過時的輸出電壓， 所述控制電路通過所述第2感應(yīng)元件的輸出電壓來檢測所述動作電流，且利用所述第2感應(yīng)元件的輸出電壓和檢測出的所述動作電流來進(jìn)行所述過熱保護(hù)動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在所述動作電流超過預(yù)先設(shè)定的值的情況下，所述控制電路進(jìn)行切斷所述開關(guān)元件的過電流保護(hù)動作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述開關(guān)元件過熱時的所述第2感應(yīng)元件的電阻值的變化比所述開關(guān)元件過熱時的所述第I感應(yīng)元件的電阻值的變化小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第I感應(yīng)元件使用在所述開關(guān)元件芯片中構(gòu)成所述開關(guān)元件的擴(kuò)散層來形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求4中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第2感應(yīng)元件是形成在所述控制電路芯片中的電阻元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求5中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述開關(guān)元件是絕緣柵雙極型晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求6中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體裝置具有將搭載在第I引線架上的所述開關(guān)元件芯片和搭載在與所述第I引線架分開的第2引線架上的所述控制電路芯片隔開而密封在模塑層中的結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求7中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在所述開關(guān)元件芯片中，從所述動作電流分別分支出第I檢測電流和第2檢測電流而進(jìn)行輸出， 所述半導(dǎo)體裝置被構(gòu)成為在所述第I感應(yīng)元件上流過所述第I檢測電流且在所述第2感應(yīng)元件上流過所述第2檢測電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求7中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在所述開關(guān)元件芯片中，從所述動作電流分支出I個系統(tǒng)的所述檢測電流而進(jìn)行輸出， 所述半導(dǎo)體裝置被構(gòu)成為通過開關(guān)來選擇檢測所述檢測電流所致的第I感應(yīng)元件的輸出電壓和所述檢測電流所致的所述第2感應(yīng)元件的輸出電壓中的一方。
10.一種半導(dǎo)體裝置的控制方法，該半導(dǎo)體裝置是權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體裝置，該控制方法的特征在于， 在預(yù)先設(shè)定的時機(jī)操作所述開關(guān)，并設(shè)置有檢測所述第I感應(yīng)元件的輸出電壓的期間和檢測所述第2感應(yīng)元件的輸出電壓的期間。
【文檔編號】H03K17/08GK104242882SQ201410240733
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月11日
【發(fā)明者】前川祐也, 鳥居克行 申請人:三墾電氣株式會社