半导体开关控制装置 【技术领域】
本发明涉及半导体开关控制装置、半导体开关装置、负载驱动系统、以及半导体开关控制程序。更具体地，本发明涉及保护半导体开关不会由于过载而被损坏的半导体开关控制装置。
背景技术
近年来，为了实现汽车的安全、舒适、以及能源节省，一直在发展计算机化。作为示例，已经用半导体开关替换机械继电器，这有助于被安装在汽车上装置的缩小规模。此外在装置中已经要求缩小规模，并且根据此，一直在发展半导体开关的半导体芯片设计规则的小型化。更具体地，半导体芯片的尺寸已经被逐渐地从1.2μm、1.0μm、0.5μm、0.35μm小型化到0.25μm，并且从现在开始将会需要进一步的小型化。
尽管设计规则的小型化增加每单位面积能够在半导体芯片中流动的电流的密度，但是由于增加的电流密度已经出现发热的新问题。特别地，主要的问题在于由于过渡状态中的发热，主要由于负载短路中的发热导致损坏耐受性的降低。为了保护半导体开关，电子机器制造商和半导体制造商进行温度检测装置、电流限制装置、电流检测装置等等的研究。
例如，在专利文献1(日本未经审查的专利申请公开No.2000-299631)中公布了电源控制装置。
在图9中，半导体开关124的导通电阻被用作负载电流检测装置。然后，通过温度检测装置(D1至D4，和差分放大器105)检测半导体开关124的温度，通过电流检测装置(半导体开关124的导通电阻和差分放大器106)检测负载电流，并且基于温度检测的结果，通过驱动控制单元107移位用于判断过电流的比较器的基准电势的电平。当该温度校正的基准电势被超过时，FET 102被控制为截止。并且以该方式，提供了在从电源101到负载103的电力供给的控制中的过电流截断(break)功能。
根据此构造，(1)在没有使用额外的电流感测电阻器(所谓的分路(shunt)电阻器)的情况下能够抑制电源供给控制装置的热损失，(2)能够通过在检测到负载电流之后补偿温度来克服半导体开关的导通电阻的温度依赖性的问题，然后实现负载电流的高精确度检测，并且(3)实现对于每个负载的单独的控制。
此外，专利文献2(日本未经审查的实用新型申请公开No.H1-37135)公布了功率晶体管的保护装置。
在专利文献2中，检测了在功率晶体管中流动的电流和被施加的电压中的每一个。然后，计算检测到的电流和电压的乘积。当电流和电压的乘积的值被保持一段时间时预测温度的增加，根据电流和电压的乘积的值在某延迟时间之后截止功率晶体管。通过根据发热值改变截止控制的时间，能够对于不引起开关的热破坏的瞬时过电流不操作保护功能并且根据当功率晶体管的温度的增加可能引起破坏时的时间执行截止控制。
如专利文献1中公布的通过电流检测的截止控制看起来是有效的。但是我们现在已经发现由于如下的驱动灯冲击电流的响应的不足导致在实践中很少使用。更具体地，当导通作为负载地灯时，是灯的标称额定电流的六到十倍的冲击电流流动。该冲击电流取决于灯本身的温度、被施加的电压、以及灯制造商等等而显著地变化。
此外，任何制造商都不推荐的灯可能被汽车的用户用作负载。当基准电流Iref的设置不正确时，在驱动灯的点亮步骤中冲击电流会超过Iref，这使得由于不管它的正常状态的截止控制而不能点亮灯。
此外，如果为了避免此种情况而将Iref的值设置得较高，则要求使用其额定电流较高的半导体开关，这可能会增加成本。
通过考虑时间经过和发热值，并且仅当预计半导体开关的温度引起热破坏时截止半导体开关，专利文献2解决了专利文献1的问题。但是我们现在已经发现根据专利文献2，基于从功率消耗和它的持续时间得出的发热值执行控制。可能会出现任何问题，例如，当周围温度高时，半导体开关早于所预计的而被破坏。另一方面，当周围温度低时，即使当不需要执行截止控制时也频繁地截止半导体开关，这使得不能实现稳定的操作。
【发明内容】
本发明的实施例的第一示例性方面是半导体开关控制装置，该半导体开关控制装置执行半导体开关的开关控制，该半导体开关对从电源到负载的电力供给进行开关，该半导体开关控制装置包括：电流检测单元，该电流检测单元检测在半导体开关中流动的电流；电压检测单元，该电压检测单元检测被施加到半导体开关的电压；温度检测单元，该温度检测单元检测半导体开关的温度；计算单元，该计算单元基于由电流检测单元检测到的检测电流值、由电压检测单元检测到的检测电压值、以及由温度检测单元检测到的检测温度值来计算半导体开关的温度；以及驱动器，当在计算单元中计算的半导体开关的温度超过设定阈值时该驱动器断开半导体开关。
根据此种构造，代替单独地使用检测温度和功率消耗，除了电流值和电压值之外还考虑那个时间的温度，从而使得能够以高精确度获得取决于半导体开关在那个时间的状况的半导体开关温度TJ。这样，因为能够执行切断控制从而半导体开关的温度不超过设定值，因此能够确实地防止半导体开关被热破坏。另一方面，当半导体开关的温度低于设定值时，没有执行不必要的切断，从而能够高精确度并且没有故障地操作可能稳定操作的半导体开关。
【附图说明】
结合附图，根据某些示例性实施例的以下描述，以上和其它示例性方面、优点和特征将更加明显，其中：
图1是示出根据本发明的第一示例性实施例的负载驱动系统的构造的图；
图2是示出根据第一示例性实施例的电流检测单元和电流限制单元的构造示例的图；
图3是示出根据第一示例性实施例的电压检测单元的构造示例的图；
图4是示出根据第一示例性实施例的温度检测单元的构造示例的图；
图5是示出根据第一示例性实施例的过渡热阻值提供单元的构造示例的图；
图6是示出由根据第一示例性实施例的过渡热阻值提供单元提供的过渡热阻特性的示例的图；
图7是示出根据第一示例性实施例的计算单元的构造示例的图；
图8是示出根据第二示例性实施例的构造的图；以及
图9是示出现有技术的图。
【具体实施方式】
(第一示例性实施例)
现在将描述本发明的第一示例性实施例。
图1是示出负载驱动系统200的构造的图。
负载驱动系统200具有下述构造，其中来自于电池201的电流通过半导体开关装置300被提供给负载(例如，灯)202。
半导体开关装置300包括电池201和负载202之间的半导体开关M0。
尽管IGBT(绝缘栅双极晶体管)、功率MOSFET、双极晶体管、以及MOS晶体管等等可以被用作半导体开关M0，但是不限于它们。
半导体开关装置300进一步包括电流检测单元210、电流限制单元220、电压检测单元230、温度检测单元240、过渡热阻值提供单元250、计算单元260、以及驱动器270。
这些电流检测单元210、电流限制单元220、电压检测单元230、温度检测单元240、过渡热阻值提供单元250、计算单元260、以及驱动器270组成半导体开关控制装置310。
电流检测单元2 10检测在半导体开关M0中流动的电流Ids以基于电流Ids将电流信号SIds输出至计算单元260。此外，为了防止电流Ids被超过，电流限制单元220将在半导体开关M0中流动的电流Ids限制为事先设置的电流值Ilimit。
现在，图2示出电流检测单元210和电流限制单元220的构造示例。
在图2中，M0是半导体开关。此外，并联晶体管M01是具有与半导体开关M0相同构造的晶体管。感测电阻器Rs被连接至并联晶体管M01的源极，并且并联晶体管M01和半导体开关M0都具有公共的漏极和栅极。
同样地，在感测电阻器Rs的两端生成与在半导体开关M0中流动的电流Ids成比例的电压。通过差分放大器A1放大该电压，并且将其作为电流值信号SIds输出至计算单元260。
此外，当在感测电阻器Rs的两端生成的电压变得较高时开关M1处于导通状态，并且半导体开关M0的栅极电势被限制。
因为半导体开关M0的栅极电势被限制，所以在半导体开关M0中流动的电流Ids被限制。限制电流值Ilimit被设置为不超过接合线的熔断电流的值。通过调整开关M1、感测电阻器Rs、以及驱动器270的阻抗来设置并且调整限制电流值Ilimit的大小。
现在，电流检测单元210由并联晶体管M01、感测电阻器Rs、以及差分放大器A1组成，并且电流限制单元220由开关M1组成。
电压检测单元230检测半导体开关M0的漏极与源极之间的电势差Vds并且将电势差Vds输出至计算单元260。当负载202由于任何故障处于负载短路状态时，换言之，当半导体开关M0的漏极与源极之间电压变为高(例如，Vds＞3V)时，电压检测电压230输出过电压信号。
图3示出电压检测单元230的示例。
通过差分放大器A2放大半导体开关M0的漏极与源极之间的电压Vds并且将其作为检测到的电压值Svds输出。此外，事先设置电压限制值Vroc。
作为示例，电压限制值Vroc可以是对应于当半导体开关M0的漏极与源极之间的电压Vds是3V时检测到的电压值Svds的值。然而，可以根据半导体开关M0的耐受电压适当地对其进行设置。
当检测到的电压值Svds超过电压限制值Vroc时，从差分放大器A3输出过电压信号Svexc。过电压信号Svexc是温度检测单元240和过渡热阻值提供单元250的操作触发信号。
温度检测单元240通过作为触发的过电压信号Svexc保持半导体开关M0的初始温度TJ0并且将该值输出至计算单元260。
在图4中示出温度检测单元240的示例。
通过差分放大器A4将被布置在半导体开关M0的附近的二极管D1的电压下降的温度特性输出至缓冲器B1。缓冲器B1包括差分放大器A5和被布置在差分放大器A5的非反相输入端子中的用于固定电势的电容器C，并且开关SW进一步被布置在电容器C的前级中。
通过来自于电压检测单元230的过电压信号Svexc断开开关SW，并且由电容器C保持输入电压。
缓冲器B1输出非反相输入端子的电压作为温度信号STJ0。过渡热阻值提供单元250计算依赖于当负载短路发生时的时间的过渡热阻值Zth，并且将该过渡热阻值Zth输出至计算单元260。
图5示出过渡热阻值提供单元250的示例。
通过来自于电压检测单元230的过电压信号SVexc切断被并联地连接至电容器C2的MOS晶体管Tr0，并且通过恒流将电荷存储在电容器中。通过差分放大器A6放大电容器C2的电压下降，并且将其作为过渡热阻信号输出。
因为过渡热阻相对于时间是非线性的，因此取决于电压减少改变在电容器C2中流动的恒流，以便于调整特性。总之，pMOS晶体管和nMOS晶体管的串联单元U1、U2以及U3被并联地放置在电容器C2和半导体开关M0的漏极被连接至的线LVbat之间。
此外，四个电阻器被串联地连接在线LVbat与接地电源GND之间。然后，从接地电源侧开始电阻器被称为R1、R2、R3、R4，并且R1和R2之间的部分被称为nod1，R2和R3之间的部分被称为nod2，并且R3和R4之间的部分被称为nod3。
单元U1的nMOS晶体管的栅极被连接至nod1，单元U2的nMOS晶体管的栅极被连接至nod2，并且单元U3的nMOS晶体管的栅极被连接至nod3。
在此构造中，从nod1至nod3的电势随着时间而发生变化，并且根据各个节点的电势顺序地导通nMOS晶体管。
因此，从过渡热阻值提供单元输出根据如图6中所示的非线性过渡热阻特性的过渡热阻信号Sz。
计算单元260计算半导体开关M0的接合温度TJ，并且当半导体开关M0的接合温度TJ超过预置温度(例如，175℃)时，执行切断控制以便于保护半导体开关M0被热破坏。
现在，通过下面的表达式1获得半导体开关M0的接合温度TJ。
TJ＝Ids×Vds×Zth+TJ0...... (表达式1)
在图7中示出计算单元260的构造示例。
第一级St1表示对数变换器，该对数变换器被提供有电流信号SIds、电压信号SVds、以及过渡热阻信号Sz。第二级St2是加法器，该加法器将通过对数变换前述的信号获得的值相加。
在第三级St3中反转电压，并且第四级St4中的反转对数变换器实现下面的乘法，(电流信号SIds)×(电压信号SVds)×(过渡热阻信号Sz) 。
在第五级St5中，对温度信号SIJ0进行加法计算，并且在第六级St6中反转电压。在第七级St7中，将值与预定的温度阈值(VrJt)相比较。如果该值超过预定值，那么接合温度检测信号Sdet被输出至驱动器270。
驱动器270在接收接合温度检测信号Sdet时切断半导体开关M0。
根据具有此种构造的第一示例性实施例，能够实现下面的效果。
(1)在第一示例性实施例中，通过在计算单元260中计算从(表达式1)中获得半导体开关M0的接合温度TJ，所述计算不仅根据在半导体开关M0中流动的电流值Ids和电压值Vds而且根据取决于从负载短路的出现开始的时间的过渡热阻值Zth和当过电压开始流动时(当负载短路出现时)的半导体开关M0的温度TJ0。
从前述的描述中，除了考虑关于电流和电压的电能之外，还考虑当过电压出现时的温度和过渡热电阻特性，从而能够在取决于其情况以高精确度获得半导体开关M0的接合温度TJ。
因此，能够执行切断控制使得半导体开关M0的接合温度TJ不超过设定值，从而能够确实地防止半导体开关M0被热破坏。另一方面，当半导体开关M0的接合温度TJ低于设定温度时不执行不必要的切断，从而能够以高精确度并且没有故障地操作能够稳定操作的半导体开关M0。
还可以存在下述方法，其中在半导体开关的附近提供温度传感器以当由温度传感器检测到的温度超过半导体开关的耐热温度时切断半导体开关。但是，即使当温度传感器被布置并且形成在半导体开关的附近时，温度传感器也不能跟随由于负载短路中的功率消耗导致的半导体开关的瞬时发热速度。因此，此种构造在真实的负载短路中不起作用，并且热破坏经常损坏半导体开关。即使当它起作用时，也可能给半导体开关导致严重的损坏，这导致半导体开关的迅速劣化。
另一方面，根据示例性实施例，代替单纯地执行温度检测，从过渡热阻Zth、电压减少Vds、电流值Ids、以及半导体开关M0的负载短路的出现时的接合温度TJ0精确地估计半导体开关M0的温度，从而能够响应于半导体开关M0的瞬时发热速度并且防止半导体开关M0的热破坏和劣化。
(2)此外，因为在第一示例性实施例中没有执行单纯地基于电流感测的结果的半导体开关的截止控制，所以肯定可以执行正常环境下的负载的驱动。
(3)此外，当过电流在半导体开关M0中流动时，通过电流限制单元220限制在半导体开关M0中流动的电流。因此，能够抑制过电流并且保护半导体开关M0。例如，可以保护半导体开关M0的接合线。
(第二示例性实施例)
现在，将会描述本发明的第二示例性实施例。
图8示出第二示例性实施例的构造。
尽管第二示例性实施例的基本构造与第一示例性实施例的相类似，但是第二示例性实施例具有下述特性特征，其在于利用软件以可编程的方式形成过渡热阻值提供单元和计算单元。
在图8中，半导体开关装置300包括计算控制单元280，并且该计算控制单元280包括A/D转换器(模拟/数字)转换器)281、存储器282、计时器283、以及MCU(微控制器单元)284。
A/D转换器281 A/D转换来自于电流检测单元210、温度检测单元240、以及电压检测单元230的检测信号，并且将信号输出至MCU 284。
半导体开关M0的过渡热阻值的特性被预先存储在存储器282中。从而存储器形成过渡热阻值提供单元。此外，在存储器282中设置半导体开关M0的耐热温度阈值。
当MCU 284已经接收到过电压信号SVexc时激活计时器283，并且不断地将从启动起经过的时间输出至MCU 284。
例如，MCU(微控制器单元)包括CPU和主存储器，并且执行半导体开关的控制程序。更具体地，通过半导体开关的控制程序计算半导体开关M0的接合温度TJ，并且根据该接合温度TJ将控制信号输出至驱动器270。
计算单元由MCU组成。
在此构造中，电流检测单元210、电压检测单元230、以及温度检测单元240中的每一个输出通过A/D转换器281被发送到微控制器单元(MCU)284。当由于任何故障导致负载202变成负载短路状态时，换言之，当半导体开关M0的漏极和源极之间的电压Vds变为高(例如，Vds＞3V)时，执行下面的处理。
总之，通过电压检测单元230的过电压信号SVexc作为触发，温度检测单元240检测半导体开关M0的温度TJ0，并且通过A/D转换器281将温度TJ0提供给微控制器单元284。然后，微控制器单元284在微控制器单元中保持初始的接合温度TJ0。微控制器单元284在保持初始接合温度TJ0的同时激活计时器283。计时器283将从启动起经过的时间不断地输出至微控制器单元284。微控制器单元284通过参考存储器282的过渡热阻特性获得与从计时器283获得的经过时间相对应的过渡热阻值Zth。然后，微控制器单元284通过下面的计算计算半导体开关的接合温度TJ。
TJ＝Ids×Vds×Zth+TJ0
当是计算结果的半导体开关M0的接合温度TJ超过事先设置的温度时，微控制器单元284指示驱动器270切断半导体开关M0。
注意的是，通过电流限制单元220在与上述控制操作同时地将在半导体开关M0中流动的电流量限制到预定的电流值Ilimit以防止过电流与第一示例性实施例的操作相类似。
根据第二示例性实施例，由于通过软件形成计算控制单元280，因此能够容易地根据负载的特性、半导体开关、以及用户的要求将各种参数设置或者更改为最佳的值。结果，能够执行根据应用的最佳控制并且能够提供具有满足用户的要求的增加的可用性的产品。
本发明不限于上述示例性实施例，但是在不脱离已经描述了本发明的精神的情况下可以进行各种修改。
尽管包括电流限制单元的构造被示出作为半导体开关控制单元(半导体开关控制装置)，但是电流限制单元可以被省略，只要在没有电流限制单元的情况下实现了防止半导体开关被热破坏的主要目的。
尽管在上述示例性实施例中温度检测单元通过被放置在半导体开关附近的二极管来检测温度，但是可以放置多个二极管来代替一个二极管，或者双极晶体管可以被采用来代替二极管。
本领域的技术人员能够根据需要组合第一和第二示例性实施例。
虽然已经按照若干示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解本发明可以在所附的权利要求的精神和范围内以各种修改来实践，并且本发明并不限于上述的示例。
此外，权利要求的范围不受到上述的示例性实施例的限制。
此外，应当注意的是，申请人意在涵盖所有权利要求要素的等同形式，即使在后期的审查过程中对权利要求进行过修改亦是如此。