JPS594293Y2 - 半導体の接合の温度を監視する回路 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は半導体の温度を監視する手段、特に、大電流
が流れる電力半導体の接合の温度を監視する手段に関す
る。

ダイオード並びにサイリスタのような固体装置は現在電
力の用途で周知である。

電力半導体の中で発生される熱の大部分が、電流を通す
その接合の所で発生されることも周知である。

その結果、接合は半導体の中で最高の温度に達し、この
温度が高くなりすぎた場合、半導体の故障が起る場所に
なるのが普通である。

半導体素子から熱を逃がす為に用いられる構造の温度を
測定することによって、接合の温度を満足出来る程度の
精度で決定することは出来ない。

この構造は熱伝達特性が遅い為、外部温度の測定は接合
の温度を正確に反映していない。

電力半導体の用途では、接合の温度を直接的に測定する
のは実際的には不可能である。

その結果、使われる保護装置には間接的な方法が用いら
れている。

一番古くから最もよく知られている保護装置は、勿論ヒ
ユーズであり、使われる特定のヒユーズは、半導体にと
って安全と考えられる電流の値でとぶように設定される
。

これはどちらかと云えば大まかで手軽なやり方であり、
これは半導体の全通電容量を利用していないし、あらゆ
る過渡状態に対して半導体を保護する程敏速でない傾向
がある。

更に、ヒユーズを用いた場合、ヒユーズの熱特性を半導
体と整合させると云う問題がある。

電力半導体を過大温度から保護する固体電子回路も知ら
れている。

当然のことながら、こう云う回路の方がヒユーズより感
度も高く動作も速い。

この種の回路が米国特許第３６２２８４９号に記載され
ている。

この米国特許に記載される回路は、半導体の熱散逸構造
の温度を表わす信号と、半導体に流れる電流を表わす信
号とを組合せ、半導体の接合の温度を表わす第３の信号
にする。

この特許から引用すると、次の様に述べられている。

導電しているサイリスタの接合の温度が、危険な程高い
接合温度に対応する予め選ばれたレベルに達したかどう
かを判断する温度監視装置が提供される。

監視装置は、サイリスタの一部分と、該サイリスタの内
部のＰＮ接合及び該接合にごく接近した放熱部上の外部
基準点の間にある関連した加圧集成体との熱応答を合成
する回路を有する。

合成回路が、接合に流れる電流のレベルを表わす測定信
号を利用し、この信号を接合で消費された電力を表わす
信号に交換する。

この後の方の信号を熱伝達模擬装置に供給し、そこで接
合と放熱部の基準点との間の温度差を表わす信号に変換
する。

この信号を放熱部の温度を表わす測定信号と加算器回路
で組合せ、接合の温度自体を表わす出力信号にする。

加算器回路の出力をレベル検出器に供給し、入力が予め
選ばれたレベルより高くなった時、停止信号を発生する
ことが好ましい。

この時、この停止信号に応答する手段を用いて、導電し
ているサイリスタに対するゲート信号を抑圧し、それが
オフに転じて冷えるようにすることが出来る。

この考案の目的は、これに幾分関係しているが、一層直
接的に接合の温度を求める監視回路を提供することであ
る。

周知のように、電力半導体は、陽極から陰極まで電流を
通す時の接合の数がいろいろ違う。

例えばダイオードは接合が１個であり、サイリスタは何
個かの接合を有する。

以下の説明で、接合と云う言葉は接合が１個の半導体も
何個もある半導体を含む。

この考案の半導体温度監視装置は本質的には、接合を通
る電流を表わす信号を求める手段と、電流制御器と、半
導体の熱系統の抵抗−静電容量相似回路と、直流源と、
電圧レベル検出器とで構成される。

電流制御器が相似回路と接続され、その組合せが直流源
に接続される。

制御器は接合電流を表わす信号によって制御され、相似
回路を介して電流を通す。

その制御は、通される電流と制御信号との関係が半導体
接合の電力消費特性に近似するようにする。

相似回路の両端の電圧が接合温度を表わし、これをレベ
ル検出器で測定する゛。

この監視装置を過熱に対して半導体回路を保護する場合
に用いる時、この電圧を用いて、過大な接合温度を表わ
すレベルに達した時、回路の動作を停止することが出来
る。

レベル検出器によって測定された電圧には、接合に於け
る電力消費、熱拡散速度、並びに半導体構造の温度状態
が織り込まれている。

熱が接合から拡散する時の速度は、この構造の過渡的な
熱インピーダンスの関数である。

半導体構造とは、半導体セルとこのセルに対する熱散逸
構造との組合せを云う。

例えば放熱部に装着したセルを云う。過渡的な熱インピ
ーダンスは、時間の関係として表わした、熱散逸構造、
即ち放熱部の温度より高い接合の温度上昇分と、接合で
消費された電力との比である。

これは幾つかの因子の関数であり、因子としては、（１
）半導体を取付けた放熱部の寸法、（２）放熱部と熱交
換する冷却用流体の種類並びに速度、及び（３）放熱部
の熱散逸能力がある。

接合に於ける消費電力が判っていると、過渡的な熱イン
ピーダンスも判っていれば、接合の温度を決定すること
が出来る。

半導体構造の過渡的な熱インピーダンス並びに接合の電
力消費特性は、いずれも構造に特有なものである。

セルの場合、これらの特性はセルの製造業者から知るこ
とが出来るのが普通であり、セルを放熱部と組合せた場
合、これらの特性はセルを放熱部に取付ける業者の測定
から求められる。

次にこの考案を図面について更に詳しく説明する。

第１図に温度監視回路１０が示されており、これが電流
感知装置１２によって電流変換回路１１と結合される。

回路１１は本質的には電力入力線１３、遮断器１４、電
流変換装置１５及び電力出力線１６で構威される。

この電力回路は、種々の目的、例えば、線１３の多相交
流を線１６の直流に変換し、線１３の多相交流を線１６
の別の周波数の多相交流に変換し、線１３の直流を線１
６の交流に変換する為に使うことが出来る。

或いは電流変換装置は遮断器として役に立つような形式
にすることが出来る。

変換装置自体が、電圧並びに電流条件に応じて、ブリッ
ジ又はその他の形式で直並列に接続されたサイノスタ又
はダイオードのような多数の半導体を持っている。

その半導体の保護を最も必要とする大電力等変換装置は
、非常に多数の半導体を含んでいる。

温度監視回路１０は本質的には電流から電圧への変換器
１７と、電流制御器１８と、抵抗−静電容量相似回路１
９と、電圧レベル検出器２０と、直流源２１．２２とで
構成される。

変換器１７が感知装置１２から入力信号を受取り、制御
器１８に対する信号を発生する。

制御器１８及び相似回路１９が母線２１゜２２の間に相
互接続され、レベル検出器２０が相似回路１９に接続さ
れる。

レベル検出器は、破線２３で示すように、遮断器１４と
作動的に結合してもよい。

感知装置１２が変換装置１５内にある半導体の接合に流
れる電流を感知し、変換器１７が感知装置の出力を接合
電流の関数である直流電圧に変換する。

変換装置の内部にある半導体は同じであるか又は大体同
じであり、互いに電流を分担する回路形式に接続されて
いるから、この電圧は、任意の１つの半導体に流れる電
流の関数でもある。

この為、制御器１８を制御する為にそれに対して印加さ
れる信号は、１つの半導体の接合に流れる電流を表わす
電圧であり、この電圧に応答して、制御器が該制御器並
びに相似回路１９を介して母線２１．２２の間に電流を
流れさせる。

相似回路１９は、変換装置に使われる種類の半導体の熱
回路をシミュレートするように構成された抵抗−静電容
量回路である。

変換器１７からの電圧が制御器１８を通る電流を制御す
る。

この制御器の制御は、制御器の電流並びに変換器の電圧
を座標としてグラフを描いた時、得られる曲線が半導体
接合の電力消費特性に近似するようになっている。

この為、回路のパラメータは接合温度を表わす相似回路
１９の電圧に対して選ぶことが出来る。

この電圧を検出器２０で測定し、温度で表示してもよい
し、或いは接合温度が高くなりすぎた時、制御機能を開
始する、例えば遮断器１４を引はずすと云うような他の
目的に使うことが出来る。

第１図に示す回路で、電流制御器は電流源又は電流吸収
部のいづれとして相似回路に接続してもよく、その結果
は制御器を通る電流の向きが違うだけである。

こ・では、電流が源から流れ出し、吸収部に流れ込むと
定義する。

第２図に電流吸収部として動作する場合の相似回路が示
されている。

次にこの考案の好ましい実施例を第２図について説明す
る。

この図には温度監視回路が更に詳しく示されている。

第２図の回路は入力２４、入力バッファ２５、電流制御
器２６、相似回路２７、出力バッファ２８、電圧レベル
検出器２９及び１対の直流母線３０．３１を有する。

入力端子３３及び３４が、直列の抵抗３５，３６．３７
で構成された分圧器に接続されている。

ツェナーダイオード３８がバッファ２５の所で抵抗３６
及び３７の両端に接続されている。

分圧器の片側が負の母線３１に接続される。

分圧器の正の出力がバッファ２５の演算増幅器３９を介
して、電流制御器２６にある演算増幅器４０゜４１．４
２の直接入力に送られる。

増幅器４０の出力がＮＰＮ）ランジスタ４３のベースに
接続され、このトランジスタのコレクタ・エミッタ通路
が母線４６及び３１の間に抵抗４４．４５と直列に接続
されている。

この増幅器の反転入力はトランジスタのエミッタに直接
的に接続されている。

増幅器４１の出力がトランジスタ４７のベースに接続さ
れ、このトランジスタのコレクタ・エミッタ通路が母線
４６及び３１の間に抵抗４８．４９と直列に接続されて
いる。

この増幅器の反転入力が抵抗５０を介してトランジスタ
のエミッタに接続されると共に、抵抗５１，５２゜５３
を介して母線３０．３１にも接続されている。

増幅器４２はトランジスタ５４及び抵抗５５乃至６０に
対し、増幅器４１と同様に回路接続されている。

第２図のブロック２７は変換装置１５に使われる半導体
の熱系統に対する近似的な電気的相似回路である。

即ち抵抗−静電容量回路である。この等何回路で、静電
容量は熱容量に相当し、電気抵抗は熱抵抗に相等し、電
流は熱伝達速度又は熱発生速度に相当し、電圧は温度に
相当する。

この為、回路２７で、半導体の熱状態を電気的に表わす
ものは次の通りである。

コンデンサ６１乃至６４の静電容量が夫々接合、ウェー
バ、本体及び放熱部の熱容量に相当し、抵抗６５乃至６
８の抵抗値が夫々接合からウェーバへ、ウェーバから本
体へ、本体から放熱部へ、並びに放熱部から周囲への熱
抵抗に相当する。

換言すれば、コンテ゛ンサ６１乃至６４の静電容量は、
夫々接合、ウェーバ、本体及び放熱部の実効的な熱容量
に本体相当するものと考えてよく、抵抗６５乃至６８の
抵抗値はこれらの要素の間の実効的な熱抵抗に大体相当
するものと考えてよい。

コンデ゛ンサ６１乃至６４及び抵抗６５乃至６８の電気
回路が、半導体の熱系統を近似的にしか表わさないこと
に注意されたい。

この特定の回路は、監視装置に必要と考えられる最小限
の数のコンテ゛ンサ及び抵抗を用いている。

コンデ゛ンサ及び抵抗の数を増やすことにより、更に厳
密な相似をすることが出来る。

コンテ゛ンサ及び抵抗の回路が母線３０．４６に接続さ
れる。

電圧レベル検出器２９が相似回路のコンテ゛ンサ６１の
両端に接続される。

この接続は演算増幅器６９を含むバッファ回路２８を介
して行なわれ、検出器がコンデンサから殆んど電流を取
出さずに、コンデンサの電圧を監視することが出来るよ
うな回路形式になっている。

第２図に示す特定の温度監視回路の電源は２種電圧直流
源である。

即ち、正の１５Ｖの母線と、負の１５Ｖの母線と、０■
又は共通母線とを持つ源である。

この電源が米国特許第３８６６０９４号に記載されるよ
うな、電圧の過渡状態が存在している場合その出力を禁
止する禁止形電源であることが好ましい。

２９に示すようなレベル検出器が、変化する電圧レベル
を一定の電圧レベルと比較することによって動作する。

一定の電圧が電源から得られるから、電源の過渡状態に
よって検出器の擬似的な動作が起る慣れがあり、この為
、電源にこのような動作を禁止する手段を設けるのが好
ましい。

次に第３図に示すグラフを参照して、第２図に示す回路
の動作を説明する。

入力２４の端子３３．３４の電圧は、電流変換器１５と
作動的に結合した電流から電圧への変換器から得られる
電圧であり、変換装置の半導体に流れる電流を表わす、
云い換えれば、これは接合電流の関数である直流電圧で
ある。

この電圧が分圧器３５乃至３７に印加される。３７の調
節により、電流制御器２６で使うのに適当な値に電圧を
選ぶことが出来る。

ツェナーダイオード３８は、過大電圧に対して演算増幅
器を保護する為に設けられている。

分圧器の中間点で選ばれた正の電圧がバッファ２５を介
して演算増幅器４０，４１．４２の直接入力に印加され
る。

バッファの演算増幅器３９が高入力インピーダンスを低
出力インピーダンスに変換する。

この回路の動作にとってバッファは不可欠ではないが、
制御器が分圧器の電流の平衝を乱さない、即ち制御器が
取出す電流によって、分圧器の電圧と接合の電流との比
例性が乱されないと云う意味で、それが分圧器を電流制
御器から隔離する点で、用いる方が非常に有用である。

この為、演算増幅器４０乃至４２の直接入力に印加され
る電圧ｙａな接合電流の関数である。

演算増幅器４０から発生される正の電圧がトランジスタ
４３のベースに印加され、このトランジスタのコレクタ
・エミッタ通路及び抵抗４４．４５を介して、母線４６
から母線３１への電流■□を通すようにする。

増幅器の制御は、その直接入力に印加される正の電圧■
８と、トランジスタのエミッタからその反転入力に印加
される正の饋還電圧とによって行なわれる。

トランジスタが通す電流１１は、増幅器の出力と抵抗４
４．４５の抵抗値とによって決まる。

この為、電流１１と電圧■８との間に直接点な関係が存
在する。

この関係が第３図のグラフに示されており、電流■を縦
軸、電圧■８を横軸にとっである。

このグラフで、電流■１が電流並びに電圧０から始まっ
て線形であることが示されている。

実際には、この電流は必ずしも完全に線形ではないが、
説明の便宜上線形と考えてよい程度に線形に近い。

増幅器４１．トランジスタ４７、抵抗４８．４９が、増
幅器の反転入力に印加される信号を別にすれば、素子４
０．４３，４４．４５で構成される回路と同様な回路を
構成する。

この場合、抵抗５０が饋還電圧を変更し、抵抗５３，５
２．５１によって負のバイアスが印加される。

このバイアスが、トランジスタをオンに転するのに必要
な電圧ｖ８を高くする。

第３図は、トランジスタ４７が通す電流■２が電圧■１
の所で０から始まり、電流■１の勾配とは異なる勾配で
線形に上昇することが示されている。

この勾配は、トランジスタのベースに対する電圧並びに
抵抗４８．４９の抵抗値によって決まる。

増幅器４２、トランジスタ５４及び抵抗５５乃至６０が
、前後に述べたのと同様な回路を構成する。

この場合、トランジスタ５４が通す電流■３が、電圧■
２の所のゼロから、他の２つの電流の勾配とは異なる勾
配で線形に上昇することが第３図に示されている。

第２図に示すように、電流ＩＩ、Ｉ２．Ｉ３は、コンデ
ンサ６１の所で相似回路２７にも接続された母線４６か
ら得られる。

この為、これらの電流の和を■、で表わすことが出来る
。

電流■、が、相似回路から、コンデンサ６１と抵抗６５
との接続点で得られる。

第３図で、電流１１．Ｉ２．Ｉ３をグラフ上で合計する
と、（第２図で代数的に合計するように）、その和は曲
線■８で表わすことが出来る。

曲線ＩＲは、理想と記した破線の曲線の近似として一連
の直線で構成されている。

理想の曲線は接合の電力消費特性を表わす。

即ち、接合で消費されたワット数に、半導体の材料の抵
抗値による損失を加えた値に対して示す接合電流のグラ
フである。

制御器の電流が熱発生速度に相当するから、第３図の電
流■をワット数で表わすことが出来、勿論電圧■８は接
合電流を表わす。

この為、この図に示す破線の曲線は、接合の電力消費特
性をも表わすものである。

この特性曲線は半導体の製造業者から又は試験によって
求めることが出来る。

第３図の軸線■、は、部品４０乃至４５及び４７乃至６
０を適当に選ぶことにより、この電力消費特性に近似す
るようにすることが出来る。

即ち、選ばれる抵抗の抵抗値、並びに増幅器及びトラン
ジスタの動作特性は、合計すると電流■８になるような
ＩＩ、Ｉ２．Ｉ３を発生するようにする。

第２図は第３段の電流制御器２６を示している。

即ち制御器の内、電流１１を発生する部品４０及び４３
乃至４５は、第１段とみなすことが出来、電流■２を発
生する部品４１及び４７乃至５３は第２段とみなすこと
が出来、電流Ｉ３を発生する部品４２及び５４乃至６０
は第３段とみなすことが出来る。

この発明の好ましい実施例では、３つの段の電流１、、
Ｌ、Ｉ３が、接合の電力消費特性の妥当な近似ＩＲを生
ずる。

然し、更に厳密な近似が要求される場合もあり、その場
合、４段目又は更に多くの段を付は加えることが出来る
。

更に段を付は加えることは、当業者に容易に考えられよ
う。

第２図の２７に示す抵抗−コンテ゛ンサ回路は半導体の
熱系統を近似的に電気的に表わす相似回路である。

任意の所定の時、コンデンサ６１に流れる電流は半導体
の接合に於ける熱発生速度に相当し、コンデンサの両端
の電圧は接合の温度上昇に相当する。

回路の部品６２乃至６８が、接合から熱を取去る半導体
構造を表わす、接合の電力消費特性が、事実上は接合の
加熱を表わすものであり、電流■、がその特性を近似す
るものであるから、２７に示すような相似回路で、コン
デンサ６１の両端の電圧が接合温度を表わすことになる
。

コンテ゛ンサ６１の両端の電圧が電圧レベル検出器２９
によって監視される。

母線４６からレベル検出器へ通ずる回路にあるバッファ
２８は、レベル検出器がこの母線から大した電流を取出
さないようにする。

第２図に示すバッファ２８は本質的に演算増幅器であり
、その回路形式は、母線から取出す電流は無視し得るが
、コンデンサの電圧に追従出来るようになっている。

電流ＩＲの値に変化があれば、それはコンデンサ６１の
両端の電圧に反映する。

この為、レベル検出器が接合温度を正確に読取ろうとす
れば、この電流を狂わせてはならない。

検出器２９は接合温度の表示、接合温度の記録、又は半
導体の温度が過大になった場合、交換装置の動作停止と
云うような多数の機能に利用することが出来る。

第２図の回路では、相似回路２７が前に電流吸収部と定
義した形式で動作させられる電流制御器２６と共に使わ
れている。

温度監視回路は、前に定義した電流源の形で作用する制
御器と共に相似回路を用いてもよい。

前に定義したように、電流は源から流れ出し、吸収部に
流れ込むものと考える。

制御器を電流源として動作させる場合が第４図に示され
ており、次にこれを説明する。

電流源の場合、制御器２６及び相似回路２７について第
２図に示した多くの部品が、第４図に示すように配置さ
れる。

配置換えになった部品は同じ参照数字に１００を付は加
えである。

例えば第２図の増幅器４０は第４図では増幅器１４０で
あり、第２図のＮＰＮ）ランジスタ４３は第４図ではＰ
ＮＰ）ランジスタ１４３と云う風になっている。

第４図は電流■１を発生する回路部品を示しているが、
電流■２及びＩ３を発生する部品も同様に配置されてい
る。

相似回路の場合、新しい配置を示すのに十分な部品だけ
が第４図に示されている。

温度監視回路の動作は、制御器を電流吸収部又は電流源
のいづれの形で使っても同じである。

第１図の１５に示すような変換装置を保護する為にこの
考案を実際に応用する場合、第２図に示す１つの監視回
路で普通は役に立つ。

監視装置のパラメータを決める時、変換装置にある半導
体に対する最悪の動作状態を考え、この状態に対し更に
例えば２０％の安全率だけ増やす。

例えば、変換装置にある半導体の間の電流の分担が、そ
の内の１つが通す最大の電流が１０ＯＡとなるようにな
っている場合、監視装置はそれが１２ＯＡの場合のよう
に設計する。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの考案のブロック図、第２図は温度監視回路
の好ましい実施例の回路図、第３図は第２図に示す回路
の動作を例示するグラフ、第４図は第２図に示す回路の
変形の回路図である。 主な符号の説明 １２：電流感知装置、１８，２６ ：
電流制御器、１９．２７ ：相似回路、２０．２９ ：
電圧レベル検出器、２１．２２ ； ３０，３１ ：直
流母線。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 半導体を通る電流の関数である直流電圧を発生する手段
   と、前記半導体の接合の熱容量を表わす第１の静電容量
   手段、ウェーハ、本体および放熱部の熱容量を表わす別
   の静電容量手段、並びに接合する周囲への熱抵抗を表わ
   す抵抗手段を含む前記半導体の熱系統の抵抗−静電容量
   相似回路と、多数の段を持ち、各段に通される電流の大
   きさが前記直流電圧の値によって制御され、各段は並列
   に接続されていて、この並列接続の片側が前記第１の静
   電容量手段の片側に接続されている電流制御器と、一方
   の極が前記並列接続の他方の側に接続され且つ他方の極
   が前記第１の静電容量の他方の側に接続された直流電流
   源と前記電流制御器の夫々の段に前記直流電圧を印加し
   て、夫々の段が通す電流の大きさを前記直流電圧の値に
   従って制御し、この制御により、電流と電圧を座標のす
   るグラフで、各段が通す電流の和が半導体接合の電力消
   費特性に近似する曲線になるようにする手段と、前記第
   １の静電容量手段に接続されてその電圧レベルを測定す
   る電圧レベル検出器とを有し、該電圧レベルが半導体の
   接合の温度を表わすようにした、半導体の接合の温度を
   監視する回路。