半导体装置的制作方法

本发明涉及一种能够测定芯片温度的半导体装置。

背景技术：

作为能够测定芯片温度的半导体装置，提出了如下一种电力转换装置：该电力转换装置在开关元件从断开(off)切换为接通(on)时，测量栅极接通电压和从开关元件流向负载的电流来求出元件温度(参照专利文献1)。另外，提出了如下一种半导体装置：通过使以规定的频率振动的电压检测信号输入到控制电极，来检测与施加于igbt的电压具有固定的关系的第一电压，基于检测出的第一电压来计算igbt的温度(参照专利文献2)。另外，提出了一种通过二极管等温度检测元件来检测功率半导体器件的温度的温度检测系统(参照专利文献3)。

在专利文献1所记载的装置中，基于导通(turnon)时的栅极接通电压来求出元件温度，但是导通时的栅极接通电压容易变得不稳定，难以基于栅极接通电压来精度良好地求出元件温度。在专利文献2所记载的装置中，仅根据与施加于igbt的电压具有固定的关系的第一电压来计算igbt的温度，因此难以精度良好地求出igbt的温度。在专利文献3所记载的系统中，在半导体芯片上配置二极管等温度检测元件，因此存在如下问题：构造、制造工序变得复杂，封装的控制端子数增加。特别是，无法应用于不能增加控制端子的封装。

专利文献1：日本特开2008-125157号公报

专利文献2：日本特开2008-305984号公报

专利文献3：日本特开2009-158540号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种无须在半导体芯片上另外设置温度检测元件且不增加封装的控制端子数而能够通过简单的结构来精度良好地测定芯片温度的半导体装置。

用于解决问题的方案

本发明的一个方式的主旨在于，一种半导体装置，具备：(a)开关元件，其具有控制电极、第一主电极以及第二主电极；(b)栅极驱动电路，其连接在控制电极与第一主电极之间，输出用于对控制电极进行驱动的栅极驱动信号；(c)密勒电压检测器，其检测开关元件的控制电极与第一主电极间的关断(turnoff)时的密勒电压；(d)电流值检测电路，其检测流过开关元件的主电流；以及(e)温度计算电路，其根据所检测出的密勒电压和主电流来计算开关元件的温度。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种无须在半导体芯片上设置温度检测元件且不增加封装的控制端子数而能够通过简单的结构来精度良好地测定芯片温度的半导体装置。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的一例的电路图。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的栅极-发射极间电压、集电极-发射极间电压以及集电极电流的关断波形的曲线图。

图3的(a)是本发明的实施方式所涉及的半导体装置的动作时的控制信号的时序图，图3的(b)是本发明的实施方式所涉及的半导体装置的动作时的栅极驱动信号的时序图。

图4是表示使集电极电流发生变化时的芯片温度与密勒电压之间的关系的曲线图。

图5的(a)是表示在芯片温度为25℃时使栅极-发射极间电压发生变化的情况下的集电极-发射极间电压与集电极电流之间的关系的曲线图，图5的(b)是表示在芯片温度为125℃时使栅极-发射极间电压发生变化的情况下的集电极-发射极间电压与集电极电流之间的关系的曲线图。

图6是表示在芯片温度为25℃时使集电极电流发生变化的情况下的栅极-发射极间电压与集电极-发射极间电压之间的关系的曲线图。

图7是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的温度检测方法的一例的流程图。

图8的(a)是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的关断时的栅极电压波形的曲线图，图8的(b)是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的关断时的栅极电流波形的曲线图。

附图标记说明

1：控制电路；2：栅极驱动电路；3：延迟电路；4：电压检测电路；5：电流传感器；6：电流值检测电路；7：温度计算电路；8：判定电路；10：密勒电压检测器；11：开关元件；11a：控制电极；11b：第一主电极；11c：第二主电极；12：续流二极管。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式。在下面的说明所参照的附图的记载中，对同一或类似的部分标注同一或类似的标记。但是，应当注意的是，附图是示意性的，厚度与平面尺寸的关系、各层的厚度的比率等与实际不同。因而，关于具体的厚度、尺寸，应该参考下面的说明来判断。另外，在附图相互之间也包含彼此的尺寸的关系、比率不同的部分，这是不言而喻的。

在本说明书中，关于“第一主电极”，在igbt中是指成为发射极区和集电极区中的任一方的半导体区。在mosfet、mossit、或者更一般化的misfet、missit中，“第一主电极”是指成为源极区和漏极区中的任一方的主电极的半导体区。关于“第二主电极”，在igbt中是指成为不是上述第一主电极的、发射极区和集电极区中的任一方的半导体区。在mosfet等中，“第二主电极”是指成为不是上述第一主电极的、源极区和漏极区中的任一方的半导体区。即，若第一主电极是发射极区则第二主电极是指集电极区，若第一主电极是源极区则第二主电极是指漏极区。

并且，以下所示的实施方式是对用于将本发明的技术思想具体化的半导体装置的制造方法进行例示的，本发明的技术思想并不将结构部件的材质、其形状、构造、配置等特别指定为下述的内容。本发明的技术思想能够在权利要求书所记载的权利要求所规定的技术范围内追加各种变更。

(半导体装置的结构)

如图1所示，本发明的实施方式所涉及的半导体装置具备：开关元件11，其具有控制电极(栅极电极)11a、第一主电极(发射极电极)11b以及第二主电极(集电极电极)11c；栅极驱动电路2，其连接在开关元件11的栅极电极11a与发射极电极11b之间，对开关元件11的栅极电极11a进行驱动；以及控制电路1，该控制电路1的输出端子与栅极驱动电路2的输入端子连接，该控制电路1对栅极驱动电路2进行控制。

控制电路1生成用于脉宽调制(pwm)控制的控制信号signal_pwm，并将生成的控制信号signal_pwm输出到栅极驱动电路2。栅极驱动电路2根据来自控制电路1的控制信号signal_pwm，向开关元件11的栅极电极11a施加作为栅极驱动信号的脉冲电压。

开关元件11是构成例如对三相交流电动机进行驱动的电力转换电路的一部分的igbt。对开关元件11连接有续流二极管12。开关元件11的栅极开关电压例如是-15v以上且15v以下的程度。

图2中示出开关元件11的关断波形的一例。在开关元件11关断时，由于集电极-发射极间电压vce的变动，栅极-集电极间电容发生变化，为了使栅极-集电极间电容进行放电而发生栅极-发射极间电压vge变得平坦的密勒效应(millereffect)。发生密勒效应的密勒期间δt的长度依赖于栅极-集电极间电容与栅极电阻之积。在本说明书中，将该密勒期间δt内的栅极-发射极间电压vge定义为“密勒电压vm”。

如图1所示，本发明的实施方式所涉及的半导体装置还具备密勒电压检测器10，该密勒电压检测器10检测开关元件11的栅极电极11a与发射极电极11b间的关断时的密勒电压vm。能够使用各种电压计来作为密勒电压检测器10。密勒电压检测器10具备：延迟电路3，该延迟电路3的输入端子连接于节点n1，该节点n1将控制电路1的输出端子与栅极驱动电路2的输入端子连接；以及电压检测电路4，该电压检测电路4的第一输入端子与延迟电路3的输出端子连接。电压检测电路4的第二输入端子连接于节点n2，该节点n2将开关元件11的栅极电极11a与栅极驱动电路2的输出端子连接。电压检测电路4的第三输入端子连接于节点n4，该节点n4将开关元件11的发射极电极11b与栅极驱动电路2的输出端子连接。

延迟电路3向电压检测电路4输出使来自控制电路1的控制信号signal_pwm延迟而成的延迟信号。如图3所示，在控制信号signal_pwm与栅极驱动信号之间产生滞后时间α。在经过了该滞后时间α之后栅极驱动信号下降，开始由栅极电阻规定的密勒期间β。在该密勒期间β中的β/2以上且5β/6以下的范围内，密勒电压vm稳定。因此，优选的是，将成为对密勒电压vm进行检测的时刻的因延迟电路3产生的延迟时间设定为滞后时间α与密勒期间β的1/2以上且5/6以下之和，所述滞后时间α是控制信号signal_pwm与栅极驱动信号之间的滞后时间。因而，例如在经过了密勒期间β的3/4的时刻测定密勒电压vm的情况下，能够通过以下的式(1)来表示因延迟电路3产生的延迟时间t。

t＝α+(3β/4)…(1)

电压检测电路4在与从延迟电路3输出的延迟信号相应的时刻，检测开关元件11的关断时的密勒电压vm。在导通时由于反向恢复电流的影响而栅极电压不稳定，而关断时的栅极电压相比于导通时稳定，从而能够精度良好地检测密勒电压vm。

对开关元件11的发射极电极11b配置有电流传感器5。例如能够使用电流互感器(ct)来作为电流传感器5。ct将在开关元件11的发射极电极11b与集电极电极11c之间流过的主电流(集电极电流)ic转换为测定用电流。在电流传感器5上连接有电流值检测电路6的输入端子。电流值检测电路6检测由电流传感器5检测出的集电极电流ic的值。

温度计算电路7的第一输入端子及第二输入端子分别与电压检测电路4的输出端子及电流值检测电路6的输出端子连接。温度计算电路7根据由电压检测电路4检测出的密勒电压vm的值、以及由电流值检测电路6检测出的集电极电流ic的值，来计算开关元件11的温度(结温)tj来作为芯片温度。

在此，说明芯片温度tj、密勒电压vm以及集电极电流ic的相对关系。图4表示使集电极电流ic以3个等级变化的情况下的芯片温度tj与密勒电压vm之间的关系。在图4中，“ic大”的标记示出集电极电流ic相对地大的情况，“ic中”的标记示出集电极电流ic为相对地第二大的情况，“ic小”的标记示出集电极电流ic相对地小的情况。根据图4可知，当集电极电流ic变大时密勒电压vm变高。

图5的(a)表示在芯片温度tj为25℃时使栅极-发射极间电压vge变化为vge＝8v、10v、12v、15v、20v的情况下的集电极-发射极间电压vce与集电极电流ic之间的关系的典型例。图5的(b)表示在芯片温度tj为125℃时使栅极-发射极间电压vge变化为vge＝8v、10v、12v、15v、20v的情况下的集电极-发射极间电压vce与集电极电流ic之间的关系的典型例。根据图5的(a)和图5的(b)可知，当芯片温度tj变高时密勒电压vm变低。

图6表示在芯片温度tj为25℃时使集电极电流ic变化为ic＝150a、300a、600a的情况下的栅极-发射极间电压vge与集电极-发射极间电压vce之间的关系。根据图6可知，当集电极电流ic变大时密勒电压vm变高。

根据以上，当芯片温度tj变高时，密勒电压vm变低且集电极电流ic变大。另一方面，当芯片温度tj变低时，密勒电压vm变高且集电极电流ic变小。这样，芯片温度tj依赖于密勒电压vm和集电极电流ic而变化。因而，温度计算电路7能够如以下的式(2)那样使用密勒电压vm和集电极电流ic的函数f(vm,ic)来计算芯片温度tj。

tj＝a×f(vm,ic)+b…(2)

在此，a是倾斜的斜率，b是常数。能够根据事前测定的数据来适当地创建a、b的值以及函数f(vm,ic)的特性。

温度计算电路7的输出端子与判定电路8的输入端子连接。判定电路8的输出端子与控制电路1的输入端子连接。判定电路8将由温度计算电路7计算出的芯片温度tj与规定的温度ta进行比较，来判定芯片温度tj是否低于规定的温度ta。能够根据开关元件11的种类、使用环境来适当设定规定的温度ta。判定电路8在判定为芯片温度tj低于规定的温度ta的情况下，输出“0”来作为判定信号signal_tmp。在判定为芯片温度tj为规定的温度ta以上的情况下，输出“1”来作为判定信号signal_tmp。

控制电路1在来自判定电路8的判定信号signal_tmp为“0”的情况下，继续进行控制信号signal_pwm的生成，由此继续进行开关元件11的驱动。另一方面，控制电路1在来自判定电路8的判定信号signal_tmp为“1”的情况下，停止控制信号signal_pwm的生成，由此停止开关元件11的驱动。

(半导体装置的控制方法)

接着，参照图7的流程图来说明本发明的实施方式所涉及的半导体装置的包括温度检测方法在内的控制方法的一例。

在步骤s1中，控制电路1生成用于pwm控制的控制信号signal_pwm，并将生成的控制信号signal_pwm输出到栅极驱动电路2。栅极驱动电路2根据来自控制电路1的控制信号signal_pwm来向开关元件11的栅极电极11a施加作为栅极驱动信号的脉冲电压，由此对开关元件11的栅极电极11a进行驱动。延迟电路3输出使来自控制电路1的控制信号signal_pwm延迟规定的时间t而成的延迟信号。电压检测电路4在与来自延迟电路3的延迟信号相应的时刻检测开关元件11的栅极电极11a与发射极电极11b间的关断时的密勒电压vm。电流值检测电路6检测由电流传感器5检测出的集电极电流ic的值。

在步骤s2中，温度计算电路7根据由电压检测电路4检测出的关断时的密勒电压vm的值、以及由电流值检测电路6检测出的集电极电流ic的值，利用式(2)计算开关元件11的温度tj来作为芯片温度。

在步骤s3中，判定电路8判定由温度计算电路7计算出的芯片温度tj是否低于规定的温度ta。判定电路8在判定为芯片温度tj低于规定的温度ta的情况下，转移至步骤s4。在步骤s4中，判定电路8输出“0”来作为判定信号signal_tmp。控制电路1在来自判定电路8的判定信号signal_tmp为“0”的情况下，继续进行控制信号signal_pwm的生成，由此继续进行开关元件11的驱动。

另一方面，在步骤s3中判定为芯片温度tj为规定的温度ta以上的情况下，转移至步骤s5。在步骤s5中，判定电路8输出“1”来作为判定信号signal_tmp。控制电路1在来自判定电路8的判定信号signal_tmp为“1”的情况下，停止控制信号signal_pwm的生成，来停止开关元件11的驱动。

如以上所说明的那样，根据本发明的实施方式所涉及的半导体装置，根据关断时的密勒电压vm的值和集电极电流ic的值来计算开关元件11的温度tj作为芯片温度。由此，不在现有的封装中增加控制端子数，能够通过简单的结构来精度良好地计算开关元件11的温度。

(其它实施方式)

如上所述，虽然通过实施方式记载了本发明，但是不应理解为构成本公开的一部分的论述和附图对本发明进行限定。根据本公开，本领域技术人员会清楚各种代替实施方式、实施例以及运用技术。

例如，电压检测电路4也可以具有对开关元件11的关断时的栅极电流进行检测的电流传感器来代替对开关元件11的关断时的密勒电压vm进行检测的电压计等。在该情况下，电压检测电路4也可以根据检测出的栅极电流的变化来求出静电电容并根据静电电容q来检测密勒电压vm。例如，图8的(a)和图8的(b)中分别示出开关元件11的关断时的栅极电压波形和栅极电流波形。如图8的(b)的斜线的区域所示，根据密勒期间β内的栅极电流的变化的积分值来求出静电电容q，由此能够检测密勒电压vm。

另外，例示了开关元件11是igbt的情况，但是并不限定于此。作为开关元件11，例如也可以是mos晶体管、mis晶体管等。mos晶体管存在mosfet、mossit。同样地，mis晶体管存在misfet、missit。