具有保護電路的半導體裝置的製作方法
2023-06-10 19:11:41 4
專利名稱：具有保護電路的半導體裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有執行電源電壓降低保護和過熱保護的保護電路的半導體裝置。
背景技術：
在作為電壓驅動型半導體裝置一種的、內置IGTB(Insulated Gate BipolarTransistor)控制電路的IGTB模塊中，為避免在電源電壓降低時不能發生控制電源電壓而負載驅動電路不能正常動作，裝備電源電壓降低保護電路。現有技術的電壓降低保護電路，在第二電壓(正輸入端)比相當於閾值的第一電壓(負輸入端)升高的情況下，具有對於驅動電路進行反轉輸出的電源電壓降低切斷功能。
另外，在專利文獻1和專利文獻2中公開了半導體裝置的發熱檢測電路。
專利文獻1特開平6-74833號公報(圖1(A)和(0015)段的記載)專利文獻2特開2000-124781號公報(從(0007)段到(0014)段的記載)發明內容在所述專利文獻1和專利文獻2中，存在這樣的問題在半導體裝置的發熱檢測電路外，需要另外設置檢測控制電路的電源電壓變動的電路，故此，電路結構複雜，製作集成電路時半導體晶片面積變大。
本發明的目的是提供讓所述電源電壓降低保護電路也具有作為過熱保護電路的功能並且能夠減小電路規模的半導體裝置。
本發明的半導體裝置，在電源電壓降低保護電路中也配置具有正的溫度特性的半導體元件、裝備兼有電源電壓降低保護功能和過熱保護功能的電路。
根據本發明，因為在電源電壓降低保護電路中也裝備具有正溫度特性的半導體元件，用一個電路結構兼用兩種功能，所以縮小半導體晶片的面積。
圖1是第一實施例的具有過熱保護功能的電源電壓降低保護電路的電路圖；圖2是第一實施例的具有逆變器IC的電動機驅動裝置的說明圖；圖3是形成第一實施例的逆變器IC的電介質分離基板的截面說明圖；圖4是在第一實施例中在比較器的正輸入端和負輸入端上施加的電壓的溫度變化的說明圖；圖5是在第一實施例中伴隨溫度變化的比較器的邏輯輸出的說明圖；圖6是在第一實施例中在比較器的正輸入端和負輸入端上施加的電壓和驅動電路電源電壓的關係的說明圖；圖7是在第一實施例中伴隨驅動電路電源電壓的變化的比較器的邏輯輸出的說明圖；圖8是第二實施例的具有過熱保護功能的電源電壓降低保護電路的電路圖；圖9是在第二實施例中在比較器的正輸入端和負輸入端上施加的電壓的溫度變化的說明圖；圖10是在第二實施例中伴隨溫度變化的比較器的邏輯輸出的說明圖；圖11是在第二實施例中在比較器的正輸入端和負輸入端上施加的電壓和驅動電路電源電壓的關係的說明圖；圖12是在第二實施例中伴隨驅動電路電源電壓的變化的比較器的邏輯輸出的說明圖；圖13是形成第三實施例的逆變器IC的SOI基板的截面說明圖；圖14是第四實施例的具有前置驅動器IC的電動機驅動裝置的說明圖。
符號說明1 逆變器IC，2 電動機，3 商用交流電源，4 整流平滑電路，5 微處理器，6 位置檢測電路，7 驅動控制電路部，8 輸出級功率元件部，9 矽單晶島，10 SiO2絕緣分離層，11 多晶矽基板，12 單晶矽基板，13 單晶矽層，14 SiO2絕緣層，15 多晶矽層，16 矽支持基板，17 前置驅動器IC，18 輸出級功率元件，R1～R9 電阻，U1～U3 比較器，A1～An、B1～Bn 齊納二極體，D1～D2 二極體。
具體實施例方式
使用附圖和實施例詳細說明本發明。
第一實施例根據圖1到圖5說明本實施例。圖2是本實施例的使用內置IGBT的逆變器IC的電動機驅動裝置的說明圖。圖2的符號1是逆變器IC，2是電動機，3是商用交流電源，4是整流平滑電路，5是作為控制部的微處理器，6是檢測電動機轉子位置的位置檢測電路，7是在逆變器IC中內置的驅動控制電路部，8是輸出級功率元件部，Vs是輸出級功率元件電源電壓，Vcc是驅動控制電路電源電壓。
圖2中，驅動控制電路部7，進而具有未圖示的驅動電路部、保護電路部、電平移位電路部和邏輯電路部，接收微處理器5發出的控制信號後向輸出級功率元件部8發送例如經脈衝寬度調製(PWM)的柵極驅動信號。此外，保護電路部，檢測過電流或者過熱或者電壓降低，並向微處理器5或所述邏輯部發送檢測信號，限制輸出級功率元件部8的輸出電流。
輸出級功率元件部8具有3個上下臂，該上下臂圖騰柱連接作為上下各自的臂的功率半導體元件的IGBT或者功率MOSFET，輸出頻率可變的U相、V相、W相的3相交流，驅動負載電動機2。電動機2是3相無刷DC電動機，內置輸出永磁轉子位置的位置傳感器，將其信號向位置檢測電路輸出。整流平滑電路4整流100V～120V或者200V～240V的額定商用交流電源3，給輸出級功率元件部8供給輸出級功率元件電源電壓Vs。驅動控制電路電源電壓Vcc在本實施例中是15V，但是不限於該電壓。
本實施例的逆變器IC1，驅動控制電路部7和輸出級功率元件部形成在相同的矽半導體基板上，安裝在同一組件內。本實施例的逆變器IC1，如圖3中的截面圖所示，具有單晶矽基板12和多晶矽基板11以及用SiO2絕緣分離層10絕緣分離的矽單晶島9，在該矽單晶島9上形成構成驅動控制電路部7、輸出級功率元件部8的半導體元件和電阻或電容器等電路元件。以下，把圖3所示的、在多晶矽基板11上配置用SiO2絕緣分離層10絕緣分離的矽單晶島9構成的矽半導體基板，稱為電介質分離基板。
圖1是具有本實施例的逆變器IC1的驅動控制電路部7的保護電路部裝備的溫度檢測功能的電源電壓變動切斷電路的電路圖。在圖1中，符號R1～R3是電阻，A1～An是多個串聯的齊納二極體，U1是比較器，Vcc是驅動控制電路電源電壓。在比較器U1的正輸入端，連接串聯的齊納二極體的陰極和電阻R1的連接點，在比較器U1的負輸入端，連接電阻R2和電阻R3的連接點。再有，如圖1所示，串聯的齊納二極體的陽極和電阻R3的一端為等電位，在圖1中時被連接到接地電位。此外，比較器U1也可以使用運算放大器。
在本實施例中，因為串聯表示恆電壓特性的齊納二極體，所以即使驅動控制電路電源電壓Vcc變動，也可以忽略比較器U1的正輸入端的電壓變動。以下，所謂恆電壓特性，意味如與電阻串聯的齊納二極體的齊納電壓那樣，即使是使施加在與電阻串聯的元件上的電壓變動而流過元件的電流變化很大，而半導體元件兩端的電壓的變化比外加電壓的變動小的特性。
如圖1所示，因為在齊納二極體上施加逆偏壓，所以齊納電壓具有伴隨溫度上升而電壓變大的正的溫度係數，但是在一個齊納二極體上齊納電壓的溫度係數例如3mV/℃很小。在本實施例中把多個齊納二極體如圖1所示串聯後，擴大了溫度係數。例如，在圖1中如果串聯兩個齊納二極體的話，則因為溫度係數變大到2倍的6mV/℃，所以即使接受驅動控制電路電源電壓Vcc的變動後，溫度檢測誤差的精度也比使用一個齊納二極體的情況好。串聯的齊納二極體的數目越多，溫度係數也就越大，所以就更難於受噪聲影響，故此，串聯的齊納二極體的齊納電壓，按過熱保護動作溫度，可以連接落入比較器的輸入電壓範圍內的數個齊納二極體，其數目沒有特別限制。通常，可以串聯1到5個齊納二極體。串聯的各齊納二極體的齊納電壓，可以相同，也可以不同。
在本實施例中，因為串聯的齊納二極體具有大的正溫度係數，所以隨著溫度的升高比較器U1的正輸入端的電壓升高。另外，在R2和R3的連接點的電壓，因為用電阻R2和電阻R3分壓驅動控制電路電源電壓Vcc，所以即使電阻R2和電阻R3的電阻值因溫度變化而變化，但是其比值可認為與溫度變動無關是恆定的，所以比較器U1的負輸入端的電壓也成為恆定而作為閾值起作用。特別在本實施例中，如圖3所示，是將比較器U1、齊納二極體DZ1、DZ2、電阻R1、R2、R3形成在同一電介質分離基板上，所以上述電阻R2、R3的電阻值的比的溫度變化就小到可忽略。
在本實施例中，在驅動控制電路電源電壓Vcc恆定或者可允許其變動範圍大的情況下，在比較器U1的正輸入端上施加的電壓，如圖4所示，隨溫度上升齊納電壓升高，如圖4所示在設定為過熱保護溫度的135℃下，和在比較器U1的負輸入端上施加的電壓一致，如圖5所示比較器U1的輸出從L電平反轉為H電平。
在本實施例中，如圖4所示，因為在比較器U1的負端子上施加的比較器的基準電壓，在從0℃到200℃的寬廣的溫度範圍內不變化而是穩定的，所以可以高精度檢測設備溫度是否超過了過熱保護溫度。
在本實施例中，在比較器U1的正輸入端上施加齊納電壓、在比較器U1的負輸入端上施加電阻分壓驅動控制電路電源電壓Vcc的基準電壓，但是反過來，也可以在比較器U1的負輸入端上施加齊納電壓、在比較器U1的正輸入端上施加電阻分壓驅動控制電路電源電壓Vcc的基準電壓，在這種情況下，比較器U1的輸出從H電平反轉到L電平。
此外，在圖1中，在溫度變化小或者溫度恆定的情況下，如果驅動控制電路電源電壓Vcc降低，則因為齊納電壓的變化小而可以忽略，所以比較器U1的正端子的電壓不變化，用電阻R2和電阻R3分壓的比較器U1的負端子的電壓如圖6所示降低下去，在該電壓比齊納電壓低的情況下，如圖7所示，比較器U1的輸出從L電平反轉到H電平。
第二實施例根據圖8說明本實施例。本實施例，除逆變器IC1的驅動控制電路部7的保護電路部與第一實施例不同外，和第一實施例相同。圖8是具有位於本實施例的驅動控制電路部7的保護電路部中的過熱保護功能的電源電壓降低保護電路的電路圖。圖8中，符號R4～R6是電阻，B1～Bn是多個串聯的齊納二極體，U2是比較器，Vcc是驅動控制電路電源電壓。
在本實施例中比較器的邏輯輸出與第一實施例不同。齊納二極體的逆向電壓具有正的溫度係數，但是在比較器U2的正輸入端上連接的電壓是用電阻R4和串聯的齊納二極體分壓驅動控制電路電源電壓Vcc的部分的電壓。因此，如溫度上升，則因為齊納二極體分擔的電壓變大，電阻R4分擔的電壓變大，所以在比較器U2的正輸入端上連接的電壓具有負的溫度係數，隨溫度上升降低。另外，電阻R5和電阻R6的連接點的電壓，因為和第一實施例相同與溫度無關為恆定，所以比較器U2的負輸入端的電壓恆定。
因此，隨溫度上升齊納電壓升高，如圖9、圖10所示，在設定為過熱保護溫度的135℃下比較器的輸出從H電平反轉為L電平。
在本實施例中，串聯的齊納二極體的正向電壓，按過熱保護動作溫度，可以連接落入比較器的輸入電壓範圍內的個數的齊納二極體，對其數目沒有特別限制。通常，可以串聯1到5個齊納二極體。串聯的各齊納二極體的齊納電壓可以相同，也可以不同。
在本實施例中，在溫度變化小或者溫度恆定的情況下，在驅動控制電路電源電壓Vcc由於某種原因降低了ΔVcc時，在圖8所示的具有溫度檢測功能的電源電壓變動切斷電路中，因為可以忽略串聯的齊納二極體的逆向電壓的變化，所以電阻R4分壓的電壓，就降低驅動控制電路電源電壓Vcc的變化量ΔVcc。另一方面，比較器U2的負輸入端，輸入用電阻R5和電阻R6分壓驅動控制電路電源電壓Vcc的電壓，在驅動控制電路電源電壓Vcc由於某種原因降低ΔVcc時，用電阻R5和電阻R6分壓該ΔVcc的電壓降低。因此，如圖11所示，比較器U2的正輸入端的電壓，低於負輸入端的電壓，如圖12所示比較器的輸出從H電平反轉到L電平。
第三實施例根據圖13說明本實施例。在本實施例中，在圖13所示的SOI(Silicon OnInsulator)基板上形成逆變器IC1這點與第一實施例或第二實施例不同，除此之外和第一實施例、第二實施例相同。圖13表示SOI基板的截面，符號16是矽支持基板，13是單晶矽層，14是SiO2絕緣層，15是多晶矽層，多個單晶矽層13用SiO2絕緣層互相絕緣分離。在本實施例中，在該單晶矽層13上形成構成驅動控制電路部7和輸出級功率元件部8的半導體元件、電阻或電容器等電路元件。
具有位於本實施例的逆變器IC1的驅動控制電路部7的保護電路部中的溫度檢測功能的電源電壓降低保護電路，是和第一實施例或第二實施例同樣的電路結構，將該電路形成在了圖13所示的單晶矽層13上。
第四實施例根據圖14說明本實施例。在本實施例中，如圖14所示，代替從第一實施例到第三實施例的逆變器IC1，使用前置驅動器IC17和輸出級功率元件18，其他和第一實施例到第三實施例相同。
前置驅動器IC17，具有驅動控制電路部7，該驅動控制電路部7，具有未圖示的驅動電路部、保護電路部、電平移位電路部和邏輯電路部，接收微處理器5發出的控制信號後，向輸出級功率元件18發送例如經脈衝寬度調製的(PWM)的柵極驅動信號。此外，保護電路部，檢測過電流或過熱，向微處理器5或所述邏輯部發送檢測信號，限制輸出級功率元件18的輸出電流。
本實施例的輸出級功率元件18，具有3個圖騰柱連接上下各臂的IGBT或者功率MOSFET的臂，輸出頻率可變的U相、V相、W相的3相交流，驅動負載電動機2。電動機2是3相無刷DC電動機，內置輸出永磁轉子位置的位置傳感器，向位置檢測電路6輸出該信號。
本實施例的整流平滑電路部4，整流100V～120V或者200V～240V的額定商用交流電源3，給輸出級功率元件18供給輸出級功率元件電源電壓Vs。驅動控制電路電源電壓Vcc在本實施例中是15V，但是不限於該電壓。
權利要求
1.一種半導體裝置，其特徵在於具有電源電壓降低保護電路；所述電源電壓降低保護電路，在電源電壓降低保護動作的開始電壓中具有正的溫度依存性，電源電壓降低保護電路也具有所述半導體裝置的過熱保護功能。
2.根據權利要求1所述的半導體裝置，其特徵在於所述電源電壓降低保護電路，具有比較器、半導體元件和電阻器。
3.根據權利要求2所述的半導體裝置，其特徵在於所述半導體元件是齊納二極體。
4.一種半導體裝置，其特徵在於具有電源電壓降低保護電路，該電源電壓降低保護電路，具有第一電壓輸出電路、第二電壓輸出電路、比較所述第一電壓輸出電路的輸出電壓和所述第二電壓輸出電路的輸出電壓的比較器；在所述半導體裝置的溫度恆定的情況下，存在所述第一電壓輸出電路的輸出電壓和所述第二電壓輸出電路的輸出電壓的電壓差成為零的電源電壓；在所述半導體裝置的電源電壓恆定的情況下，存在所述第一電壓輸出電路的輸出電壓和所述第二電壓輸出電路的輸出電壓的電壓差成為零的半導體裝置的溫度。
5.根據權利要求4所述的半導體裝置，其特徵在於所述第一電壓輸出電路或者第二電壓輸出電路具有半導體元件和電阻器。
6.根據權利要求5所述的半導體裝置，其特徵在於所述半導體元件是齊納二極體。
7.一種半導體裝置，其特徵在於具有將一端連接到電源的第一電阻器；將一端連接到該第一電阻器的另一端的半導體元件；將一端連接到所述電源的第二電阻器；將一端連接到該第二電阻器的另一端的第三電阻器；和比較器；連接所述第一電阻器和半導體元件的連接點與所述比較器的一個輸入端；連接所述第二電阻器和所述第三電阻器的連接點與所述比較器的另一個輸入端；把所述半導體元件的另一端和所述第三電阻器的另一端連接到相同電位；所述半導體元件，對於所述電源電壓的變化表示恆電壓特性，而且表示該恆電壓特性的電壓表示正的溫度依存性；根據表示該正的溫度依存性的電壓進行半導體裝置的過熱保護動作。
8.根據權利要求7所述的半導體裝置，其特徵在於所述半導體元件，是齊納二極體，和所述第一電阻器的連接點是陰極，和所述第三電阻器的連接點是陽極。
9.根據權利要求8所述的半導體裝置，其特徵在於代替所述第一電阻器，齊納二極體的陰極連接到所述電源；代替所述半導體元件，把第四電阻器的一端連接到所述齊納二極體的陽極。
10.一種半導體集成電路，其特徵在於具有輸出級功率元件部和驅動該輸出級功率元件部的驅動控制電路部；所述輸出級功率元件部具有圖騰柱連接功率半導體元件的3個臂；所述驅動控制電路部，具有驅動電路部、邏輯電路部和保護電路部；該保護電路部，具有一端連接到電源的第一電阻器；將一端連接到該第一電阻器的另一端的半導體元件；將一端連接到所述電源的第二電阻器；將一端連接到該第二電阻器的另一端的第三電阻器；和具有一個輸入端和另一個輸入端的比較器；連接所述第一電阻器和多個半導體元件的串聯體的連接點與所述比較器的一個輸入端；連接所述第二電阻器和所述第三電阻器的連接點與所述比較器的負輸入端；把所述半導體元件的另一端和所述第三電阻器的另一端連接到相同電位；所述半導體元件，對於所述電源電壓的變化表示恆電壓特性，而且表示該恆電壓特性的電壓表示正的溫度依存性。
11.根據權利要求10所述的半導體集成電路，其特徵在於所述保護電路部的所述半導體元件是齊納二極體。
12.根據權利要求11所述的半導體集成電路，其特徵在於代替所述保護電路部的所述第一電阻器，齊納二極體的陰極連接到所述電源；代替所述半導體元件把第四電阻器的一端連接到所述齊納二極體的陽極。
13.根據權利要求10所述的半導體集成電路，其特徵在於輸出級功率元件部和驅動控制電路部，被形成在同一矽半導體基板上；該矽半導體基板，具有用絕緣分離層絕緣分離的矽單晶部；在該矽單晶部上配置有所述輸出級功率元件部和驅動控制電路部。
14.根據權利要求13所述的半導體集成電路，其特徵在於具有用所述絕緣分離層絕緣分離的矽單晶部的矽半導體基板是電介質分離半導體基板。
15.根據權利要求13所述的半導體集成電路，其特徵在於具有用所述絕緣分離層絕緣分離的矽單晶部的矽半導體基板是SOI半導體基板。
16.一種半導體集成電路，其特徵在於具有驅動在半導體集成電路中連接的輸出級功率元件部的驅動控制電路部；該驅動控制電路部，具有驅動具有圖騰柱連接功率半導體元件的3個臂的所述輸出級功率元件部的驅動電路部、邏輯電路部和保護電路部；該保護電路部，具有一端連接到電源的第一電阻器；將一端連接到該第一電阻器的另一端的半導體元件；將一端連接到所述電源的第二電阻器；將一端連接到該第二電阻器的另一端的第三電阻器；和具有一個輸入端和另一個輸入端的比較器；連接所述第一電阻器和多個半導體元件的串聯體的連接點與所述比較器的一個輸入端；連接所述第二電阻器和所述第三電阻器的連接點與所述比較器的負輸入端；把所述半導體元件的另一端和所述第三電阻器的另一端連接到相同電位；所述半導體元件，對於所述電源電壓的變化表示恆電壓特性，而且表示該恆電壓特性的電壓表示正的溫度依存性。
17.根據權利要求16所述的半導體集成電路，其特徵在於所述保護電路部的所述半導體元件是齊納二極體。
18.根據權利要求17所述的半導體集成電路，其特徵在於代替所述保護電路部的所述第一電阻器，齊納二極體的陰極連接到所述電源；代替所述半導體元件把第四電阻器的一端連接到所述齊納二極體的陽極。
19.根據權利要求16所述的半導體集成電路，其特徵在於所述驅動控制電路部被配置在在矽半導體基板上配置的、用絕緣分離層絕緣分離的矽單晶部上。
20.根據權利要求19所述的半導體集成電路，其特徵在於具有用所述絕緣分離層絕緣分離的矽單晶部的矽半導體基板是電介質分離半導體基板。
21.根據權利要求19所述的半導體集成電路，其特徵在於具有用所述絕緣分離層絕緣分離的矽單晶部的矽半導體基板是SOI半導體基板。
全文摘要
本發明的目的是提供讓電源電壓降低保護電路具有過熱保護功能的半導體裝置。本發明的半導體裝置的保護電路，用電阻和具有正的齊納電壓溫度依存性的齊納二極體的串聯體分割電源電壓後，連接到比較器的一個輸入端，在比較器的另一個輸入端，施加用電阻分割的電源電壓，比較齊納電壓和電阻分割電壓來檢測無過熱時的電源電壓有無變動，用齊納電壓的變動來檢測無電源電壓變動時的半導體裝置有無過熱。
文檔編號H03K17/14GK1921311SQ20061000738
公開日2007年2月28日 申請日期2006年2月13日 優先權日2005年8月26日
發明者根本大, 櫻井健司, 內海智之, 長谷川裕之 申請人:株式會社日立製作所