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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024115160
(43)【公開日】2024-08-26
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H03K 17/08 20060101AFI20240819BHJP
H03K 17/082 20060101ALI20240819BHJP
【ＦＩ】
H03K17/08 Z
H03K17/082
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023020685
(22)【出願日】2023-02-14
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002918
【氏名又は名称】弁理士法人扶桑国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】藤井 優孝
【テーマコード（参考）】
5J055
【Ｆターム（参考）】
5J055AX32
5J055AX34
5J055AX52
5J055AX53
5J055AX62
5J055BX16
5J055DX09
5J055DX55
5J055EY01
5J055EZ03
5J055EZ10
5J055EZ25
5J055EZ32
5J055FX04
5J055FX06
5J055FX09
5J055FX13
5J055FX18
5J055FX32
5J055FX38
5J055GX00
5J055GX01
5J055GX02
5J055GX06
(57)【要約】
【課題】製造プロセスの簡素化およびチップ面積の削減を図る。
【解決手段】制御回路１ｂは、出力素子１ａ１がオン状態の場合に、センス素子１ａ２の高電位端子Ｃ１を出力素子１ａ１の高電位端子Ｃ２に接続し、かつセンス素子１ａ２の低電位端子ＳＥを非接地にして、センス素子１ａ２を出力素子１ａ１に流れる電流を検出するための電流センス素子として機能させる。また、出力素子１ａ１がオフ状態の場合に、センス素子１ａ２の高電位端子Ｃ１と出力素子１ａ１の高電位端子Ｃ２との接続を遮断して高電位端子Ｃ１に定電流Ｉｒｅｆを流し、かつセンス素子１ａ２の低電位端子ＳＥを接地して、センス素子１ａ２を出力素子１ａ１の温度を検出するための温度センス素子として機能させる。
【選択図】図１
【解決手段】制御回路１ｂは、出力素子１ａ１がオン状態の場合に、センス素子１ａ２の高電位端子Ｃ１を出力素子１ａ１の高電位端子Ｃ２に接続し、かつセンス素子１ａ２の低電位端子ＳＥを非接地にして、センス素子１ａ２を出力素子１ａ１に流れる電流を検出するための電流センス素子として機能させる。また、出力素子１ａ１がオフ状態の場合に、センス素子１ａ２の高電位端子Ｃ１と出力素子１ａ１の高電位端子Ｃ２との接続を遮断して高電位端子Ｃ１に定電流Ｉｒｅｆを流し、かつセンス素子１ａ２の低電位端子ＳＥを接地して、センス素子１ａ２を出力素子１ａ１の温度を検出するための温度センス素子として機能させる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スイッチングして負荷を作動する出力素子と、センス素子と、を含む半導体デバイス部と、
前記出力素子がオン状態の場合に、前記センス素子の第１の高電位端子を前記出力素子の第２の高電位端子に接続し、かつ前記センス素子の低電位端子を非接地にした状態にして前記センス素子をオンして、前記センス素子を前記出力素子に流れる電流を検出するための電流センス素子として機能させ、
前記出力素子がオフ状態の場合に、前記センス素子の前記第１の高電位端子と前記出力素子の前記第２の高電位端子との接続を遮断して、前記センス素子の前記低電位端子を接地した状態で前記第１の高電位端子から定電流を流し、前記センス素子をオンして、前記センス素子を前記出力素子の温度を検出するための温度センス素子として機能させる制御回路と、
を有する半導体装置。
前記出力素子がオン状態の場合に、前記センス素子の第１の高電位端子を前記出力素子の第２の高電位端子に接続し、かつ前記センス素子の低電位端子を非接地にした状態にして前記センス素子をオンして、前記センス素子を前記出力素子に流れる電流を検出するための電流センス素子として機能させ、
前記出力素子がオフ状態の場合に、前記センス素子の前記第１の高電位端子と前記出力素子の前記第２の高電位端子との接続を遮断して、前記センス素子の前記低電位端子を接地した状態で前記第１の高電位端子から定電流を流し、前記センス素子をオンして、前記センス素子を前記出力素子の温度を検出するための温度センス素子として機能させる制御回路と、
を有する半導体装置。
【請求項2】
前記制御回路は、論理回路と、定電流源と、前記定電流源の出力端を前記センス素子の前記第１の高電位端子に対して接続または非接続にする第１のスイッチと、前記センス素子の前記低電位端子を接地または非接地にする第２のスイッチと、を備え、
前記センス素子の前記第１の高電位端子を前記出力素子の前記第２の高電位端子に対して接続または非接続にする第３のスイッチが前記半導体デバイス部の内部または外部に配置され、
前記論理回路は、前記出力素子をスイッチングするための駆動制御信号のレベルと、温度検出制御信号とのレベルにもとづいて、前記第１のスイッチのスイッチ制御を行う第１のスイッチ制御信号、前記第２のスイッチのスイッチ制御を行う第２のスイッチ制御信号および前記第３のスイッチのスイッチ制御を行う第３のスイッチ制御信号を生成して出力する、
請求項１記載の半導体装置。
前記センス素子の前記第１の高電位端子を前記出力素子の前記第２の高電位端子に対して接続または非接続にする第３のスイッチが前記半導体デバイス部の内部または外部に配置され、
前記論理回路は、前記出力素子をスイッチングするための駆動制御信号のレベルと、温度検出制御信号とのレベルにもとづいて、前記第１のスイッチのスイッチ制御を行う第１のスイッチ制御信号、前記第２のスイッチのスイッチ制御を行う第２のスイッチ制御信号および前記第３のスイッチのスイッチ制御を行う第３のスイッチ制御信号を生成して出力する、
請求項１記載の半導体装置。
【請求項3】
前記論理回路は、
前記出力素子をターンオンさせるレベルの前記駆動制御信号および前記センス素子を前記電流センス素子として機能させるレベルの前記温度検出制御信号が入力した場合、
前記第１のスイッチ制御信号により前記第１のスイッチをオフして前記定電流源の出力端を前記センス素子の前記第１の高電位端子に対して非接続にし、前記第２のスイッチ制御信号により前記第２のスイッチをオフして前記センス素子の前記低電位端子を非接地にし、前記第３のスイッチ制御信号により前記第３のスイッチをオンして前記センス素子の前記第１の高電位端子を前記出力素子の前記第２の高電位端子に接続して、前記センス素子を前記電流センス素子として機能させる、
請求項２記載の半導体装置。
前記出力素子をターンオンさせるレベルの前記駆動制御信号および前記センス素子を前記電流センス素子として機能させるレベルの前記温度検出制御信号が入力した場合、
前記第１のスイッチ制御信号により前記第１のスイッチをオフして前記定電流源の出力端を前記センス素子の前記第１の高電位端子に対して非接続にし、前記第２のスイッチ制御信号により前記第２のスイッチをオフして前記センス素子の前記低電位端子を非接地にし、前記第３のスイッチ制御信号により前記第３のスイッチをオンして前記センス素子の前記第１の高電位端子を前記出力素子の前記第２の高電位端子に接続して、前記センス素子を前記電流センス素子として機能させる、
請求項２記載の半導体装置。
【請求項4】
前記論理回路は、
前記出力素子をターンオフさせるレベルの前記駆動制御信号および前記センス素子を前記温度センス素子として機能させるレベルの前記温度検出制御信号が入力した場合、
前記第１のスイッチ制御信号により前記第１のスイッチをオンして前記定電流源の出力端を前記センス素子の前記第１の高電位端子に接続し、前記第２のスイッチ制御信号により前記第２のスイッチをオンして前記センス素子の前記低電位端子を接地し、前記第３のスイッチ制御信号により前記第３のスイッチをオフして前記センス素子の前記第１の高電位端子を前記出力素子の前記第２の高電位端子に対して非接続にして、前記センス素子を前記温度センス素子として機能させる、
請求項２記載の半導体装置。
前記出力素子をターンオフさせるレベルの前記駆動制御信号および前記センス素子を前記温度センス素子として機能させるレベルの前記温度検出制御信号が入力した場合、
前記第１のスイッチ制御信号により前記第１のスイッチをオンして前記定電流源の出力端を前記センス素子の前記第１の高電位端子に接続し、前記第２のスイッチ制御信号により前記第２のスイッチをオンして前記センス素子の前記低電位端子を接地し、前記第３のスイッチ制御信号により前記第３のスイッチをオフして前記センス素子の前記第１の高電位端子を前記出力素子の前記第２の高電位端子に対して非接続にして、前記センス素子を前記温度センス素子として機能させる、
請求項２記載の半導体装置。
【請求項5】
前記論理回路は、
セット端子、リセット端子、出力端子および第１の反転出力端子を備えるＲＳ型フリップフロップと、クロック端子、入力端子および第２の反転出力端子を備えるＤ型フリップフロップとを備え、
前記ＲＳ型フリップフロップに対し、前記セット端子には、前記駆動制御信号が入力され、前記リセット端子には、前記温度検出制御信号が入力され、前記出力端子から前記第３のスイッチ制御信号が出力され、前記第１の反転出力端子から前記第１のスイッチ制御信号および前記第２のスイッチ制御信号が出力され、
前記Ｄ型フリップフロップに対し、前記クロック端子には、前記駆動制御信号が入力され、前記入力端子には、前記温度検出制御信号が入力され、前記第２の反転出力端子から前記センス素子を駆動するセンス素子用駆動制御信号が出力される、
請求項２記載の半導体装置。
セット端子、リセット端子、出力端子および第１の反転出力端子を備えるＲＳ型フリップフロップと、クロック端子、入力端子および第２の反転出力端子を備えるＤ型フリップフロップとを備え、
前記ＲＳ型フリップフロップに対し、前記セット端子には、前記駆動制御信号が入力され、前記リセット端子には、前記温度検出制御信号が入力され、前記出力端子から前記第３のスイッチ制御信号が出力され、前記第１の反転出力端子から前記第１のスイッチ制御信号および前記第２のスイッチ制御信号が出力され、
前記Ｄ型フリップフロップに対し、前記クロック端子には、前記駆動制御信号が入力され、前記入力端子には、前記温度検出制御信号が入力され、前記第２の反転出力端子から前記センス素子を駆動するセンス素子用駆動制御信号が出力される、
請求項２記載の半導体装置。
【請求項6】
前記制御回路は、前記電流センス素子から出力されるセンス電流を電圧のセンス電流検出信号として出力する電流検出用抵抗と、前記センス電流検出信号と電流検出用基準電圧との比較により、前記出力素子の電流状態を検出する電流検出回路をさらに有する、請求項１記載の半導体装置。
【請求項7】
前記制御回路は、前記定電流を流した際の前記センス素子の温度特性に依存して降下する前記温度センス素子から出力されるセンス電圧検出信号と、温度検出用基準電圧との比較により、前記出力素子の温度状態を検出する温度検出回路をさらに有する、請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ＩＰＭ（Intelligent Power Module）等の半導体装置には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子を含む半導体チップが内蔵されている。また、半導体チップには、過電流や過熱などの異常状態に対する保護機能が備えられている。
【0003】
関連技術としては、例えば、パワートランジスタが設けられた半導体基板内に一体に設けられ、定電流源より出力される定電流にもとづいて、温度に応じた電圧を発生する温度検出素子を備えるパワートランジスタの駆動回路が提案されている（特許文献１）。また、パワー半導体デバイスのメインゲート抵抗値とセンスゲート抵抗値を補正するゲート駆動回路を備えてメイン領域とセンス領域間の電流スイッチタイミングおよび過渡特性のずれを補正するパワー半導体デバイスが提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１３－２１９６３３号公報
【特許文献2】特開２０１２－８５１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、１つのセンス素子で温度と電流の検出を可能とする構成により製造プロセスの簡素化およびチップ面積の削減を可能にした半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、半導体装置が提供される。半導体装置は、スイッチングして負荷を作動する出力素子と、センス素子と、を含む半導体デバイス部と、出力素子がオン状態の場合に、センス素子の第１の高電位端子を出力素子の第２の高電位端子に接続し、かつセンス素子の低電位端子を非接地にした状態にしてセンス素子をオンして、センス素子を出力素子に流れる電流を検出するための電流センス素子として機能させ、出力素子がオフ状態の場合に、センス素子の第１の高電位端子と出力素子の第２の高電位端子との接続を遮断して、センス素子の低電位端子を接地した状態で第１の高電位端子から定電流を流し、センス素子をオンして、センス素子を出力素子の温度を検出するための温度センス素子として機能させる制御回路と、を有する。
【発明の効果】
【0007】
１側面によれば、製造プロセスの簡素化およびチップ面積の削減が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】半導体装置の一例を説明するための図である。
【図2】改善前の半導体装置の構成の一例を示す図である。
【図3】温度検出用ダイオードの温度特性を示す図である。
【図4】半導体装置の構成の一例を示す図である。
【図5】スイッチのスイッチング動作を説明するための図である。
【図6】電流検出モード時のスイッチング状態における半導体装置の構成を示す図である。
【図7】温度検出モード時のスイッチング状態における半導体装置の構成を示す図である。
【図8】センスＩＧＢＴの温度特性を示す図である。
【図9】論理回路の構成の一例を示す図である。
【図10】論理回路の構成の一例を示す図である。
【図11】半導体装置の変形例を示す図である。
【図12】ハイサイド回路に適用された半導体装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において実質的に同一の構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する場合がある。
【0010】
図１は半導体装置の一例を説明するための図である。半導体装置１は、半導体デバイス部１ａと制御回路１ｂを備える。半導体デバイス部１ａは、出力素子１ａ１およびセンス素子１ａ２を含む。
【0011】
出力素子１ａ１は、例えば、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）のような電圧制御型のパワー半導体素子であり、制御回路１ｂから出力される駆動信号ｓ１ｍにもとづきスイッチングして負荷を作動する。センス素子１ａ２は、例えば、センスＩＧＢＴであり、制御回路１ｂから出力される駆動信号ｓ１ｓにもとづいてスイッチングして駆動する。
【0012】
ここで、制御回路１ｂは、出力素子１ａ１がターンオン状態の場合に電流検出モードになる。例えば、駆動信号ｓ１ｍがＨレベル出力のとき、出力素子１ａ１はターンオン状態になる。
【0013】
この場合、制御回路１ｂは、センス素子１ａ２の高電位端子Ｃ１（第１の高電位端子）を出力素子１ａ１の高電位端子Ｃ２（第２の高電位端子）に接続し、かつセンス素子１ａ２の低電位端子ＳＥを非接地にする。そして、制御回路１ｂは、駆動信号ｓ１ｓによりセンス素子１ａ２をターンオン状態にして駆動し（例えば、駆動信号ｓ１ｓをＨレベル出力にする）、センス素子１ａ２を出力素子１ａ１に流れる電流を検出するための電流センス素子として機能させる。
【0014】
また、制御回路１ｂは、出力素子１ａ１がターンオフ状態の場合に温度検出モードになる。例えば、駆動信号ｓ１ｍがＬレベル出力のとき、出力素子１ａ１はターンオフ状態になる。
【0015】
この場合、制御回路１ｂは、センス素子１ａ２の高電位端子Ｃ１と出力素子１ａ１の高電位端子Ｃ２との接続を遮断して高電位端子Ｃ１に対して定電流Ｉｒｅｆを流し、かつセンス素子１ａ２の低電位端子ＳＥを接地する。そして、制御回路１ｂは、駆動信号ｓ１ｓによりセンス素子１ａ２をターンオン状態にして駆動し、センス素子１ａ２を出力素子１ａ１の温度を検出するための温度センス素子として機能させる。
【0016】
このように、半導体装置１では、制御回路１ｂが出力素子１ａ１のターンオン／ターンオフの状態にもとづいて、センス素子１ａ２を電流センス素子または温度センス素子として機能させる構成とした。
【0017】
これにより、同一のセンス素子１ａ２を用いて、出力素子１ａ１の電流検出および温度検出の両方に対して、出力素子１ａ１のスイッチング状態に応じて切り分けて実行することができるので、従来のような温度検出に特化していた温度検出用ダイオードが不要となり、製造プロセスの簡素化およびチップ面積の削減が可能になる。
【0018】
次に本発明の半導体装置１の詳細を説明する前に、温度検出用ダイオードを用いる場合の半導体装置について図２、図３を用いて説明する。図２は温度検出用ダイオードを用いる場合の半導体装置の構成の一例を示す図である。半導体装置１００は、ＩＧＢＴチップ１１０および制御回路１２０を備える。ＩＧＢＴチップ１１０は、メインＩＧＢＴ１１１、センスＩＧＢＴ１１２および温度検出用ダイオードＤＩを含む。制御回路１２０は、駆動回路１２１、温度検出回路１２２、電流検出回路１２３、保護回路１２４、定電流源ＩＲおよびセンス抵抗Ｒｓを含む。
【0019】
ＩＧＢＴチップ１１０において、メインＩＧＢＴ１１１は、駆動信号ｓ１１にもとづいてスイッチングして負荷を作動する。なお、メインＩＧＢＴ１１１のエミッタとＧＮＤとの間に負荷（図示せず）が接続可能である。センスＩＧＢＴ１１２は、メインＩＧＢＴ１１１を流れるコレクタ電流Ｉｃに比例するセンス電流Ｉｓを流す電流センス用パワー半導体素子である。また、メインＩＧＢＴ１１１の近傍には、メインＩＧＢＴ１１１の温度を検出する素子として温度検出用ダイオードＤＩが設けられている。
【0020】
コレクタ電極Ｃは、メインＩＧＢＴ１１１のコレクタおよびセンスＩＧＢＴ１１２のコレクタに接続される。メインＩＧＢＴ１１１のゲートは、センスＩＧＢＴ１１２のゲートおよび駆動回路１２１の出力端に接続される。メインＩＧＢＴ１１１のメインエミッタは、ＧＮＤに接続される。センスＩＧＢＴ１１２のセンスエミッタは、電流検出回路１２３の入力端およびセンス抵抗Ｒｓの一端に接続される。センス抵抗Ｒｓの他端は、ＧＮＤに接続される。
【0021】
温度検出用ダイオードＤＩのアノードは、温度検出回路１２２の入力端および定電流源ＩＲの出力端に接続される。温度検出用ダイオードＤＩのカソードは、ＧＮＤに接続される。
【0022】
制御回路１２０において、駆動回路１２１は、入力端子Ｉｎを介して送信される駆動制御信号ｓ０にもとづいて、メインＩＧＢＴ１１１を駆動するための駆動信号ｓ１１を生成する。定電流源ＩＲは、電源電圧Ｖｃｃが印加されて定電流Ｉｒｅｆを出力する。
【0023】
温度検出回路１２２は、メインＩＧＢＴ１１１の過熱状態の検出を行う。この場合、定電流源ＩＲから出力される定電流Ｉｒｅｆが温度検出用ダイオードＤＩを流れることで生じる電位が温度検出電圧Ｖｄｉとして温度検出回路１２２に入力される。温度検出回路１２２では、温度検出電圧Ｖｄｉにもとづいて、メインＩＧＢＴ１１１の温度状態を検出し、メインＩＧＢＴ１１１の温度状態が過熱状態であることを検出した場合に、過熱検出信号ｓ１２を出力する。
【0024】
電流検出回路１２３は、メインＩＧＢＴ１１１の過電流状態の検出を行う。この場合、駆動信号ｓ１１にもとづいてメインＩＧＢＴ１１１がターンオンすると、センスＩＧＢＴ１１２もターンオンして、センスＩＧＢＴ１１２のセンスエミッタからセンス電流Ｉｓが出力される。
【0025】
また、センスＩＧＢＴ１１２から出力されるセンス電流Ｉｓは、制御回路１２０に入力される。そして、センス電流Ｉｓがセンス抵抗Ｒｓを流れることで生じる電位がセンス電圧Ｖｓとして電流検出回路１２３に入力される。電流検出回路１２３では、センス電圧ＶｓにもとづいてメインＩＧＢＴ１１１の電流状態を検出し、電流状態が過電流状態であることを検出した場合に、過電流検出信号ｓ１３を出力する。
【0026】
保護回路１２４は、過熱検出信号ｓ１２、過電流検出信号ｓ１３の少なくとも一方を受信した場合、駆動停止信号ｓ１４を駆動回路１２１に出力する。駆動回路１２１は、駆動停止信号ｓ１４を受信すると、メインＩＧＢＴ１１１をターンオフしてメインＩＧＢＴ１１１の駆動を停止する。
【0027】
図３は温度検出用ダイオードの温度特性を示す図である。縦軸は温度検出電圧Ｖｄｉであり、横軸は温度である。温度検出用ダイオードＤＩは、温度検出電圧Ｖｄｉが温度上昇に伴って減少する負の温度特性を有している。
【0028】
したがって、定電流源ＩＲから温度検出用ダイオードＤＩに向けて流れる定電流Ｉｒｅｆにもとづく、温度検出用ダイオードＤＩのアノードにおける温度検出電圧Ｖｄｉ（順方向電圧）は、温度上昇に伴って減少することになる。このため、温度検出回路１２２では、温度検出電圧Ｖｄｉが基準電圧以下となった場合に、メインＩＧＢＴ１１１の温度状態が過熱状態であると検出する。
【0029】
ここで、上記の半導体装置１００では、メインＩＧＢＴ１１１の電流検出には、ＩＧＢＴチップ１１０に内蔵されているセンスＩＧＢＴ１１２を用い、メインＩＧＢＴ１１１の温度検出には、ＩＧＢＴチップ１１０に内蔵されている温度検出用ダイオードＤＩを用いている。このように、ＩＧＢＴチップ１１０では、電流検出と温度検出には別々の素子を用い、温度検出用に温度検出用ダイオードＤＩが内蔵されている。本発明は、１つのセンス素子で温度と電流の検出を可能とする構成により、製造プロセスの簡素化およびチップ面積の削減を可能にした半導体装置を提供するものである。
【0030】
次に本発明の半導体装置１の構成および動作について以降詳しく説明する。図４は半導体装置の構成の一例を示す図である。半導体装置１０は、例えば、ＩＰＭに適用される装置であり、ＩＧＢＴチップ１１および制御回路１２を備える。ＩＧＢＴチップ１１は、図１の半導体デバイス部１ａに対応し、制御回路１２は、図１の制御回路１ｂに対応する。
【0031】
ＩＧＢＴ１１は、メインＩＧＢＴ１１ｍ、センスＩＧＢＴ１１ｓおよびスイッチｓｗ３（第３のスイッチ）を含む。制御回路１２は、ゲート駆動回路（メインＩＧＢＴ）１２ｍ、ゲート駆動回路（センスＩＧＢＴ）１２ｓ、温度検出回路１２ｂ、電流検出回路１２ｃ、アラーム出力・保護回路１２ｄ、論理回路１２ｅ、スイッチｓｗ１（第１のスイッチ）、スイッチｓｗ２（第２のスイッチ）、定電流源ＩＲおよびセンス抵抗Ｒｓを含む。
【0032】
温度検出回路１２ｂは、コンパレータｃｍｐ１および温度検出用の基準電圧Ｖｏｈを出力する基準電圧源を含み、コンパレータｃｍｐ１の非反転入力端子（＋）に基準電圧Ｖｏｈが入力される。また、電流検出回路１２ｃは、コンパレータｃｍｐ２および電流検出用の基準電圧Ｖｏｃを出力する基準電圧源を含み、コンパレータｃｍｐ２の反転入力端子（－）に基準電圧Ｖｏｃが入力される。
【0033】
スイッチｓｗ１、ｓｗ２、ｓｗ３において、スイッチｓｗ１の第１端子ａ１は、スイッチｓｗ３の第１端子ａ３、センスＩＧＢＴ１１ｓのコレクタおよびコンパレータｃｍｐ１の反転入力端子（－）に接続される。スイッチｓｗ１の第２端子ｂ１は、定電流源ＩＲの出力端に接続される。定電流源ＩＲの入力端には電源電圧Ｖｃｃが印加される。
【0034】
スイッチｓｗ２の第１端子ａ２は、ＧＮＤに接続される。スイッチｓｗ２の第２端子ｂ２は、センスＩＧＢＴ１１ｓのセンスエミッタ、センス抵抗Ｒｓの一端およびコンパレータｃｍｐ２の非反転入力端子（＋）に接続される。スイッチｓｗ３の第２端子ｂ３は、コレクタ電極ＣおよびメインＩＧＢＴ１１ｍのコレクタに接続される。なお、メインＩＧＢＴ１１ｍのメインエミッタおよびセンス抵抗Ｒｓの他端は、ＧＮＤに接続される。
【0035】
ここで、ゲート駆動回路１２ｍは、入力端子Ｉｎ１を介して、例えば、マイコンから送信される駆動制御信号ＶＭＩＮにもとづいて、メインＩＧＢＴ１１ｍをターンオン／ターンオフするための駆動信号ｓ１ｍを生成し、メインＩＧＢＴ１１ｍのゲートに駆動信号ｓ１ｍを出力してメインＩＧＢＴ１１ｍをスイッチングさせる。例えば、駆動信号ｓ１ｍがＨレベルの場合にＩＧＢＴ１１ｍはターンオンし、駆動信号ｓ１ｍがＬレベルの場合にＩＧＢＴ１１ｍはターンオフする。
【0036】
論理回路１２ｅは、駆動制御信号ＶＭＩＮと、入力端子Ｉｎ２を介して、例えば、マイコンから送信される温度検出制御信号ｓ２とにもとづいて、センスＩＧＢＴ１１ｓを駆動させるための駆動制御信号ＶＳＩＮを出力する。
【0037】
さらに、論理回路１２ｅは、駆動制御信号ＶＭＩＮと温度検出制御信号ｓ２とにもとづいて、スイッチｓｗ１、ｓｗ２、ｓｗ３をそれぞれオン／オフしてスイッチングさせるスイッチ制御信号ｓｃ１（第１のスイッチ制御信号）、スイッチ制御信号ｓｃ２（第２のスイッチ制御信号）およびスイッチ制御信号ｓｃ３（第３のスイッチ制御信号）を生成して出力する。なお、論理回路１２ｅの内部構成については、図９、図１０で後述する。
【0038】
ゲート駆動回路１２ｓは、論理回路１２ｅから出力された駆動制御信号ＶＳＩＮ（センス素子用駆動制御信号）にもとづいて、センスＩＧＢＴ１１ｓをターンオン／ターンオフするための駆動信号ｓ１ｓを生成し、センスＩＧＢＴ１１ｓのゲートに駆動信号ｓ１ｓを出力してセンスＩＧＢＴ１１ｓをスイッチングさせる。例えば、駆動信号ｓ１ｓがＨレベルの場合にセンスＩＧＢＴ１１ｓはターンオンし、駆動信号ｓ１ｓがＬレベルの場合にセンスＩＧＢＴ１１ｓはターンオフする。
【0039】
（スイッチ制御）
図５はスイッチのスイッチング動作を説明するための図である。テーブルＴａは、動作モード、メインＩＧＢＴとセンスＩＧＢＴのターンオン／ターンオフ状態、温度検出制御信号ｓ２のレベル、駆動制御信号ＶＭＩＮのレベル、駆動制御信号ＶＳＩＮのレベルおよびスイッチｓｗ１、ｓｗ２、ｓｗ３のスイッチング状態（オン／オフ状態）の対応関係を示している。
図５はスイッチのスイッチング動作を説明するための図である。テーブルＴａは、動作モード、メインＩＧＢＴとセンスＩＧＢＴのターンオン／ターンオフ状態、温度検出制御信号ｓ２のレベル、駆動制御信号ＶＭＩＮのレベル、駆動制御信号ＶＳＩＮのレベルおよびスイッチｓｗ１、ｓｗ２、ｓｗ３のスイッチング状態（オン／オフ状態）の対応関係を示している。
【0040】
〔電流検出モード〕駆動制御信号ＶＭＩＮがオンしてＨレベルとなり、メインＩＧＢＴ１１ｍは、ターンオン状態になる。また、温度検出制御信号ｓ２は、温度検出モードをオフとするＬレベルとなる。論理回路１２ｅは、Ｈレベルの駆動制御信号ＶＭＩＮと、Ｌレベルの温度検出制御信号ｓ２とを受信することで、駆動制御信号ＶＳＩＮがオンしてＨレベルとなり、センスＩＧＢＴ１１ｓはターンオン状態になる。
【0041】
そして、メインＩＧＢＴ１１ｍとセンスＩＧＢＴ１１ｓとが共にターンオン状態の場合、スイッチｓｗ１、ｓｗ２の各スイッチ制御端子は、論理回路１２ｅから出力されるスイッチ制御信号ｓｃ１、ｓｃ２をそれぞれ受けて共にオフし、さらに、スイッチｓｗ３のスイッチ制御端子は、論理回路１２ｅから出力されるスイッチ制御信号ｓｃ３を受けてオンする。このようなスイッチ状態になると、センスＩＧＢＴ１１ｓは電流センス素子として機能して、制御回路１２は電流検出モードになる。
【0042】
〔温度検出モード〕駆動制御信号ＶＭＩＮがオフしてＬレベルとなり、メインＩＧＢＴ１１ｍは、ターンオフ状態になる。また、温度検出制御信号ｓ２は、温度検出モードをオンとするためのＨレベルとなる。論理回路１２ｅは、Ｌレベルの駆動制御信号ＶＭＩＮと、Ｈレベルの温度検出制御信号ｓ２とを受信することで、駆動制御信号ＶＳＩＮがオンしてＨレベルとなり、センスＩＧＢＴ１１ｓはターンオン状態になる。
【0043】
そして、メインＩＧＢＴ１１ｍがターンオフ状態であり、センスＩＧＢＴ１１ｓがターンオン状態の場合、スイッチｓｗ１、ｓｗ２の各スイッチ制御端子は、論理回路１２ｅから出力されるスイッチ制御信号ｓｃ１、ｓｃ２をそれぞれ受けて共にオンし、さらに、スイッチｓｗ３のスイッチ制御端子は、論理回路１２ｅから出力されるスイッチ制御信号ｓｃ３を受けてオフする。このようなスイッチ状態になると、センスＩＧＢＴ１１ｓは温度センス素子として機能して、制御回路１２は温度検出モードになる。
【0044】
（電流検出モード）
図６は電流検出モード時のスイッチング状態における半導体装置の構成を示す図である。電流検出モードでは、上述のように、スイッチｓｗ１がオフ、スイッチｓｗ２がオフ、スイッチｓｗがオンとなる。
図６は電流検出モード時のスイッチング状態における半導体装置の構成を示す図である。電流検出モードでは、上述のように、スイッチｓｗ１がオフ、スイッチｓｗ２がオフ、スイッチｓｗがオンとなる。
【0045】
スイッチｓｗ１がオフすると、定電流源ＩＲの出力端と、センスＩＧＢＴ１１ｓのコレクタ（第１の高電位端子）とが非接続になる。スイッチｓｗ２がオフすると、センスＩＧＢＴ１１ｓのセンスエミッタ（低電位端子）が非接地になる。スイッチｓｗ３がオンすると、センスＩＧＢＴ１１ｓのコレクタと、メインＩＧＢＴ１１ｍのコレクタ（第２の高電位端子）とが接続される。
【0046】
このようなスイッチ状態において、センスＩＧＢＴ１１ｓのセンスエミッタから出力されるセンス電流Ｉｓが電流検出回路１２ｃに向けて流れる。また、センス抵抗Ｒｓの一端が電流検出回路１２ｃのコンパレータｃｍｐ２の非反転入力端子（＋）に接続され、センス抵抗Ｒｓの他端がＧＮＤに接続されているから、センス電流Ｉｓがセンス抵抗Ｒｓを流れることで生じる電位がセンス電圧Ｖｓとしてコンパレータｃｍｐ２に入力される。
【0047】
コンパレータｃｍｐ２では、センス電圧Ｖｓと電流検出用の基準電圧Ｖｏｃとを比較し、センス電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｏｃ以上の場合にメインＩＧＢＴ１１ｍの電流状態が過電流状態であることを検出し、過電流検出信号ｓ４（Ｈレベル）を出力する。
【0048】
（温度検出モード）
図７は温度検出モード時のスイッチング状態における半導体装置の構成を示す図である。温度検出モードでは、上述のように、スイッチｓｗ１がオン、スイッチｓｗ２がオン、スイッチｓｗ３がオフとなる。
図７は温度検出モード時のスイッチング状態における半導体装置の構成を示す図である。温度検出モードでは、上述のように、スイッチｓｗ１がオン、スイッチｓｗ２がオン、スイッチｓｗ３がオフとなる。
【0049】
スイッチｓｗ１がオンすると、定電流源ＩＲの出力端と、センスＩＧＢＴ１１ｓのコレクタとが接続される。スイッチｓｗ２がオンすると、センスＩＧＢＴ１１ｓのセンスエミッタが接地する。スイッチｓｗ３がオフすると、センスＩＧＢＴ１１ｓのコレクタと、メインＩＧＢＴ１１ｍのコレクタとが非接続になる。
【0050】
このようなスイッチ状態において、定電流源ＩＲから出力される定電流ＩｒｅｆがセンスＩＧＢＴ１１ｓに流れる。このときのセンスＩＧＢＴ１１ｓに生じる電位であるコレクタ－センスエミッタ間電圧がメインＩＧＢＴ１１ｍの温度状態を示す温度検出電圧Ｖｓｃｅとして温度検出回路１２ｂのコンパレータｃｍｐ１に入力される。
【0051】
コンパレータｃｍｐ１は、温度検出電圧Ｖｓｃｅと、温度検出用の基準電圧Ｖｏｈとを比較し、比較結果にもとづいてメインＩＧＢＴ１１ｍの温度状態が過熱状態であることを検出した場合に、過熱検出信号ｓ３（Ｈレベル）を出力する。
【0052】
図８はセンスＩＧＢＴの温度特性を示す図である。縦軸は温度検出電圧Ｖｓｃｅであり、横軸は温度である。センスＩＧＢＴ１１ｓは、温度検出電圧Ｖｓｃｅが温度上昇に伴って減少する負の温度特性を有している。
【0053】
したがって、定電流源ＩＲからセンスＩＧＢＴ１１ｓに向けて流れる定電流Ｉｒｅｆにもとづく、センスＩＧＢＴ１１ｓのコレクタ－センスエミッタ間における温度検出電圧Ｖｓｃｅは、温度上昇に伴って減少することになる。このため、温度検出回路１２ｂのコンパレータｃｍｐ１では、温度検出電圧Ｖｓｃｅが基準電圧Ｖｏｈ以下となった場合に、メインＩＧＢＴ１１ｍの温度状態が過熱状態であると検出する。
【0054】
（アラーム出力および保護）
アラーム出力・保護回路１２ｄは、過熱検出信号ｓ３、過電流検出信号ｓ４の少なくとも一方を受信した場合に、出力端子ＡＬＭを介して、アラーム信号ｓ６を出力してアラーム状態を外部に通知する。また、アラーム出力・保護回路１２ｄは、過熱検出信号ｓ３、過電流検出信号ｓ４の少なくとも一方を受信した場合、駆動停止信号ｓ５をゲート駆動回路１２ｍに出力する。ゲート駆動回路１２ｍは、駆動停止信号ｓ５を受信すると、メインＩＧＢＴ１１ｍをターンオフしてメインＩＧＢＴ１１ｍの駆動を停止する。
アラーム出力・保護回路１２ｄは、過熱検出信号ｓ３、過電流検出信号ｓ４の少なくとも一方を受信した場合に、出力端子ＡＬＭを介して、アラーム信号ｓ６を出力してアラーム状態を外部に通知する。また、アラーム出力・保護回路１２ｄは、過熱検出信号ｓ３、過電流検出信号ｓ４の少なくとも一方を受信した場合、駆動停止信号ｓ５をゲート駆動回路１２ｍに出力する。ゲート駆動回路１２ｍは、駆動停止信号ｓ５を受信すると、メインＩＧＢＴ１１ｍをターンオフしてメインＩＧＢＴ１１ｍの駆動を停止する。
【0055】
【0056】
図９に示すＲＳ型フリップフロップ１２ｅ１において、セット端子（Ｓ）には、駆動制御信号ＶＭＩＮが入力され、リセット端子（Ｒ）には、温度検出制御信号ｓ２が入力される。また、出力端子Ｑからスイッチ制御信号ｓｃ３が出力され、反転出力端子ＱＮからの出力は、スイッチ制御信号ｓｃ１、ｓｃ２になる。
【0057】
ここで、ＲＳ型フリップフロップ１２ｅ１の真理値表Ｔ１において、（ＶＭＩＮ、ｓ２）＝（Ｓ、Ｒ）＝（０、０）のとき、（ｓｃ３、ｓｃ１／ｓｃ２）＝（Ｑ、ＱＮ）＝（保持、保持）となり、出力レベルが保持される。
【0058】
また、（ＶＭＩＮ、ｓ２）＝（Ｓ、Ｒ）＝（０、１）のとき、（ｓｃ３、ｓｃ１／ｓｃ２）＝（Ｑ、ＱＮ）＝（０、１）となり、温度検出モードになる。すなわち、スイッチ制御信号ｓｃ３がＬレベル、スイッチ制御信号ｓｃ１、ｓｃ２がＨレベルになるので、スイッチｓｗ３がオフ、スイッチｓｗ１、ｓｗ２がオンして、センスＩＧＢＴ１１ｓは温度センス素子となり、温度検出モードになる。
【0059】
さらに、（ＶＭＩＮ、ｓ２）＝（Ｓ、Ｒ）＝（１、０）のとき、（ｓｃ３、ｓｃ１／ｓｃ２）＝（Ｑ、ＱＮ）＝（１、０）となり、電流検出モードになる。すなわち、スイッチ制御信号ｓｃ３がＨレベル、スイッチ制御信号ｓｃ１、ｓｃ２がＬレベルになるので、スイッチｓｗ３がオン、スイッチｓｗ１、ｓｗ２がオフして、センスＩＧＢＴ１１ｓは電流センス素子となり、電流検出モードになる。
【0060】
なお、（ＶＭＩＮ、ｓ２）＝（Ｓ、Ｒ）＝（１、１）のとき、（ｓｃ３、ｓｃ１／ｓｃ２）＝（Ｑ、ＱＮ）＝（禁止、禁止）となる（ＶＭＩＮ＝ｓ２＝Ｈレベルとする設定は行わない）。
【0061】
一方、ＲＳ型フリップフロップ１２ｅ１は、２入力１出力の否定論理和素子（ＮＯＲ素子）ＩＣ１、ＩＣ２を含む。ＮＯＲ素子ＩＣ１の一方の端子は、リセット端子（Ｒ）になり、ＮＯＲ素子ＩＣ２の一方の端子は、セット端子（Ｓ）になる。ＮＯＲ素子ＩＣ１の出力端子は、出力端子Ｑになり、ＮＯＲ素子ＩＣ２の出力端子は、反転出力端子ＱＮになる。ＮＯＲ素子ＩＣ１の他方の入力端子は、ＮＯＲ素子ＩＣ２の反転出力端子ＱＮに接続され、ＮＯＲ素子ＩＣ２の他方の入力端子は、ＮＯＲ素子ＩＣ１の出力端子Ｑに接続される。
【0062】
図１０に示すＤ型フリップフロップ１２ｅ２において、クロック端子（ＣＬＫ）には、駆動制御信号ＶＭＩＮが入力され、入力端子（Ｄ）には、温度検出制御信号ｓ２が入力される。また、反転出力端子ＱＮから駆動制御信号ＶＳＩＮが出力される（出力端子Ｑは未使用である）。
【0063】
ここで、Ｄ型フリップフロップ１２ｅ２の真理値表Ｔ２において、（ＶＭＩＮ、ｓ２）＝（ＣＬＫ、Ｄ）＝（０、０）のとき、ＶＳＩＮ＝ＱＮ＝保持となり、出力レベルが保持される。（ＶＭＩＮ、ｓ２）＝（ＣＬＫ、Ｄ）＝（０、１）のとき、ＶＳＩＮ＝ＱＮ＝保持となり、出力レベルが保持される。
【0064】
また、（ＶＭＩＮ、ｓ２）＝（ＣＬＫ、Ｄ）＝（１、０）のとき、ＶＳＩＮ＝ＱＮ＝１となり、センスＩＧＢＴ１１ｓがターンオン状態になる。なお、（ＶＭＩＮ、ｓ２）＝（ＣＬＫ、Ｄ）＝（１、１）のとき、ＶＳＩＮ＝ＱＮ＝０となるが、ＶＭＩＮ＝ｓ２＝Ｈレベルとする設定は行わないので、この論理状態は使用しない。
【0065】
一方、Ｄ型フリップフロップ１２ｅ２は、２入力１出力の否定論理積素子（ＮＡＮＤ素子）ＩＣ１１、ＩＣ１２、ＩＣ１３、ＩＣ１４を含む。ＮＡＮＤ素子ＩＣ１１の一方の端子は、入力端子（Ｄ）になり、ＮＡＮＤ素子ＩＣ１２の一方の端子は、クロック端子（ＣＬＫ）になる。ＮＡＮＤ素子ＩＣ１３の出力端子は、出力端子Ｑになり、ＮＡＮＤ素子ＩＣ１４の出力端子は、反転出力端子ＱＮになる。
【0066】
ＮＡＮＤ素子ＩＣ１１の他方の入力端子は、クロック端子（ＣＬＫ）に接続される。ＮＡＮＤ素子ＩＣ１２の他方の入力端子は、ＮＡＮＤ素子ＩＣ１１の出力端子およびＮＡＮＤ素子ＩＣ１３の一方の入力端子に接続される。
【0067】
ＮＡＮＤ素子ＩＣ１２の出力端子は、ＮＡＮＤ素子ＩＣ１４の一方の入力端子に接続される。ＮＡＮＤ素子ＩＣ１３の他方の入力端子は、ＮＡＮＤ素子ＩＣ１４の反転出力端子ＱＮに接続され、ＮＡＮＤ素子ＩＣ１４の他方の入力端子は、ＮＡＮＤ素子ＩＣ１３の出力端子Ｑに接続される。
【0068】
（半導体装置の変形例）
図１１は半導体装置の変形例を示す図である。半導体装置１０ａでは、スイッチｓｗ３がＩＧＢＴチップ１１－１の外部に配置されるものであり、その他の構成は図４と同じである。スイッチｓｗ３の第１端子ａ３は、端子Ｃｓｅｎｃｅを介して、コンパレータｃｍｐ１の反転入力端子（－）、スイッチｓｗ１の第１端子ａ１およびセンスＩＧＢＴ１１ｓのコレクタに接続される。スイッチｓｗ３の第２端子ｂ３は、コレクタ電極Ｃと、端子Ｃｍａｉｎを介してメインＩＧＢＴ１１ｍのコレクタに接続される。
図１１は半導体装置の変形例を示す図である。半導体装置１０ａでは、スイッチｓｗ３がＩＧＢＴチップ１１－１の外部に配置されるものであり、その他の構成は図４と同じである。スイッチｓｗ３の第１端子ａ３は、端子Ｃｓｅｎｃｅを介して、コンパレータｃｍｐ１の反転入力端子（－）、スイッチｓｗ１の第１端子ａ１およびセンスＩＧＢＴ１１ｓのコレクタに接続される。スイッチｓｗ３の第２端子ｂ３は、コレクタ電極Ｃと、端子Ｃｍａｉｎを介してメインＩＧＢＴ１１ｍのコレクタに接続される。
【0069】
このように、ＩＧＢＴチップ１１－１にはメインＩＧＢＴ１１ｍおよびセンスＩＧＢＴ１１ｓを内蔵させ、スイッチｓｗ３を外部に配置する外付けタイプにすることにより、ＩＧＢＴチップ１１－１の回路規模の削減が可能になる。
【0070】
（ハイサイド回路への適用）
図１２はハイサイド回路に適用された半導体装置の一例を示す図である。上述の半導体装置１０はローサイド回路に適用した場合の構成を示したが、図１２の半導体装置１０ｂは、ハイサイド回路に適用した場合の構成である。
図１２はハイサイド回路に適用された半導体装置の一例を示す図である。上述の半導体装置１０はローサイド回路に適用した場合の構成を示したが、図１２の半導体装置１０ｂは、ハイサイド回路に適用した場合の構成である。
【0071】
半導体装置１０ｂでは、メインＩＧＢＴ１１ｍのエミッタが、スイッチｓｗ２の第１端子ａ２、センス抵抗Ｒｓの他端、基準電圧Ｖｏｃを出力する基準電圧源の負極側端子および基準電圧Ｖｏｈを出力する基準電圧源の負極側端子に接続される。その他の構成は図４と同じである。
【0072】
以上説明したように、本発明によれば、センス素子を出力素子の電流検出および温度検出の両方に使用可能な構成としたため、温度検出用ダイオードが不要となり、製造プロセスが簡素化され、さらにチップ面積の削減の効果を得ることができる。
【0073】
以上、実施の形態を例示したが、実施の形態で示した各部の構成は同様の機能を有する他のものに置換することができる。例えば、出力素子としてＳｉＣ（シリコンカーバイド）などのワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。また、他の任意の構成物や工程が付加されてもよい。さらに、前述した実施の形態のうちの任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
【符号の説明】
【0074】
１ 半導体装置
１ａ 半導体デバイス部
１ａ１ 出力素子
１ａ２ センス素子
１ｂ 制御回路
Ｃ１ 第１の高電位端子
Ｃ２ 第２の高電位端子
ＳＥ 低電位端子
ｓ１ｍ 駆動信号（出力素子用）
ｓ１ｓ 駆動信号（センス素子用）
Ｉｒｅｆ 定電流
１ａ 半導体デバイス部
１ａ１ 出力素子
１ａ２ センス素子
１ｂ 制御回路
Ｃ１ 第１の高電位端子
Ｃ２ 第２の高電位端子
ＳＥ 低電位端子
ｓ１ｍ 駆動信号（出力素子用）
ｓ１ｓ 駆動信号（センス素子用）
Ｉｒｅｆ 定電流
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】