DE112021007901T5

DE112021007901T5 - Halbleitervorrichtung und Leistungsumwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112021007901T5
Application number: DE112021007901.8T
Authority: DE
Inventors: Chihiro Kawahara; Kenichi Morokuma
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2024-04-18
Also published as: CN117581462A; JP7042991B1; WO2023275981A1; JPWO2023275981A1

Abstract

In einer Halbleitervorrichtung (100), die ein Halbleiterelement (10) ansteuert und steuert, ist eine Stromsteuereinheit (1) mit einer Impulsstromzufuhr (20) zum Durchfließenlassen eines Stroms zwischen einem Steueranschluss (G) und einem negativen Elektrodenanschluss (S) des Halbleiterelements (10) bereitgestellt. Eine Zeitsteuereinheit (3) veranlasst die Impulsstromzufuhr (20) dazu, während einer An-Periode, nachdem das Halbleiterelement in einen Zustand An gewechselt ist, oder während einer Aus-Periode, nachdem das Halbleiterelement in einen Zustand Aus gewechselt ist, einen gepulsten Strom abzugeben. Eine Temperaturschätzeinheit (7) schätzt die Temperatur des Halbleiterelements (10) auf Grundlage von Änderungen des Stroms und der Spannung aufgrund der Stromzufuhr von der Impulsstromzufuhr (20).

Description

BEZEICHNUNG DER ERFINDUNG:
Halbleitervorrichtung und Leistungsumwandlungsvorrichtung
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Halbleitervorrichtung und eine Leistungsumwandlungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
In einem Leistungswandler, der ein Leistungshalbleiterelement wie einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated gate bipolar transistor - IGBT) und einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (metal oxide semiconductor field effect transistor - MOSFET) verwendet, wurde zur Miniaturisierung eine Erhöhung der Dichte des durch das Leistungshalbleiterelement fließenden Strom propagiert.
Durch das Erhöhen der Stromdichte erhöht sich jedoch ein Energieverlust des Leistungshalbleiterelements und es kommt zu einem Temperaturanstieg im Leistungshalbleiterelement. Das Leistungshalbleiterelement weist eine maximal zulässige Betriebstemperatur auf, die durch die Eigenschaften seiner Halbleitermaterialien und dergleichen, vorgegeben wird, und wenn die Temperatur höher als die maximal zulässige Betriebstemperatur ist, kann es zu einem thermischen Drift im Leistungshalbleiterelement kommen, was zur Zerstörung der Leistungshalbleitervorrichtung führen kann. Aus diesem Grund hat in den letzten Jahren bei Leistungshalbleiterelementen das Temperaturmanagement an Bedeutung gewonnen.
Zum Managen der Temperatur des vorstehend beschriebenen Leistungshalbleiterelements ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem ein Temperatursensor wie ein Thermistor an einer Rippe oder dergleichen zur Kühlung des Leistungshalbleiterelements angebracht ist, um die Temperatur des Leistungshalbleiterelements indirekt zu schätzen. Da die thermische Zeitkonstante von dem Leistungshalbleiterelement zu der Rippe im Allgemeinen groß ist, kann durch dieses Verfahren jedoch möglicherweise keine schnelle Änderung der Temperatur des Leistungshalbleiterelements aufgrund einer Laständerung in einer kurzen Zeit gemessen werden.
Eines der Verfahren zur Lösung dieses Problems ist in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2016-12670 (PTL1) offenbart. Bei diesem Verfahren ist an einem Leistungshalbleiterelement eine Vielzahl von Gate-Elektroden bereitgestellt, um aus einem Widerstandswert zwischen den Gate-Elektroden in einem erregten Zustand eine Temperatur zu erhalten.
Ein weiteres Verfahren ist in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2020 - 72569 (PTL2) offenbart. Bei diesem Verfahren werden Informationen, die eine Beziehung zwischen einer zeitlichen Änderung der Gate-Spannung während eines Schaltvorgangs der Halbleitervorrichtung und der Temperatur eines Leistungshalbleiterelements angeben, im Voraus gespeichert und wird die Temperatur des Leistungshalbleiterelements ab einem Zeitpunkt geschätzt, zu dem die Gate-Spannung ansteigt.
ENTGEGENHALTUNGSLISTE
PATENTLITERATUR

PTL 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2016-12670
PTL 2: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2020-72569

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Für das in PTL1 offenbarte Verfahren muss jedoch eine Vielzahl von Gate-Elektroden bereitgestellt werden, um den Wert des Gate-Widerstands an dem Leistungshalbleiterelement abzulesen, und dies führt zu einer Abnahme der effektiven Fläche des Leistungshalbleiterelements und beschränkt eine Größenreduzierung eines Leistungsmoduls, welches das Leistungshalbleiterelement beinhaltet. Darüber hinaus benötigt das in PTL2 offenbarte Verfahren einen hochgenauen Zeitmessmechanismus und einen Hochgeschwindigkeitsprozessor, um die Zeit zu messen, in der die Gate-Spannung ansteigt, und durch das Bereitstellen eines solchen Messmechanismus kann eine Verkleinerung des Leistungsmoduls begrenzt werden.
Die vorliegende Offenbarung erfolgte angesichts der vorstehenden Probleme und eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die ein Leistungshalbleiterelement ansteuert und steuert und die verkleinert werden kann, ohne eine effektive Fläche des Leistungshalbleiterelements zu reduzieren, und dabei eine Temperaturmessfunktion des Leistungshalbleiterelements erfüllt.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem Aspekt, die ein Halbleiterelement ansteuert und steuert, beinhaltet eine Impulsstromzufuhr, eine Ansteuersteuerungseinheit, eine Stromerfassungseinheit, eine Spannungserfassungseinheit, eine Temperaturerfassungseinheit und eine Zeitsteuereinheit. Das Halbleiterelement beinhaltet einen positiven Elektrodenanschluss, einen negativen Elektrodenanschluss und einen Steueranschluss zum Aufnehmen einer zugeführten Ansteuerspannung zum Steuern eines zwischen dem positiven Elektrodenanschluss und dem negativen Elektrodenanschluss fließenden Stroms. Die Impulsstromzufuhr wird bereitgestellt, um einen gepulsten Strom zwischen dem Steueranschluss und dem negativen Elektrodenanschluss durchfließen zu lassen. Die Ansteuersteuerungseinheit führt dem Steueranschluss die Ansteuerspannung zu, um das Halbleiterelement in einen Zustand An und einen Zustand Aus zu schalten. Die Stromerfassungseinheit erfasst einen Strom, der aufgrund der Impulsstromzufuhr durch das Halbleiterelement fließt. Die Spannungserfassungseinheit erfasst eine Spannung zwischen dem Steueranschluss oder dem negativen Elektrodenanschluss und einem Referenzpotential. Die Temperaturschätzeinheit schätzt die Temperatur des Halbleiterelements auf Grundlage der Erfassungswerte der Stromerfassungseinheit und der Spannungserfassungseinheit. Die Zeitsteuereinheit steuert eine Zeitsteuerung derart, dass die Impulsstromzufuhr dazu veranlasst wird, einen Strom abzugeben. Die Zeitsteuereinheit veranlasst die Impulsstromzufuhr dazu, während einer An-Periode, nachdem das Halbleiterelement in den Zustand An gewechselt ist, oder während einer Aus-Periode, nachdem das Halbleiterelement in den Zustand Aus gewechselt ist, einen Strom abzugeben.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Die Halbleitervorrichtung gemäß dem vorstehenden Aspekt lässt während der An-Periode oder der Aus-Periode des Halbleiterelements mittels der Impulsstromzufuhr einen Strom zwischen dem Steueranschluss und dem negativen Elektrodenanschluss des Halbleiterelements fließen und schätzt auf Grundlage des Stroms und einer durch den Strom erzeugten Spannung die Temperatur. Daher ist es möglich, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, deren Größe reduziert werden kann, ohne die effektive Fläche des Halbleiterelements zu verringern, und die eine Temperaturmessfunktion aufweist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel für ein Leistungsmodul 101 gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
1B ist ein Schaltplan, der ein Konfigurationsbeispiel für eine Stromsteuereinheit 1 in 1A veranschaulicht.
2 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine Modifikation des Leistungsmoduls 101 in 1A veranschaulicht.
3 ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung eines durch eine Halbleitervorrichtung 100 in 1A durchgeführten Temperaturschätzverfahrens.
4 ist ein Diagramm, das eine Änderung einer Gate-Kapazität eines typischen MOSFET veranschaulicht.
5 ist ein Konfigurationsdiagramm, das einen ersten Modus eines Leistungsmoduls gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht.
6 ist ein Konfigurationsdiagramm, das einen zweiten Modus des Leistungsmoduls gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht.
7 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Teils, der in der Schaltungskonfiguration von 6 die Stromsteuereinheit 1, eine Ausgangsstufe einer Treiberschaltung 42, ein Widerstandselement 8 und ein Leistungshalbleiterelement 10 beinhaltet.
8 ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zum Messen der Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 durch die in den 6 und 7 veranschaulichte Halbleitervorrichtung 100.
9 ist ein Konfigurationsdiagramm, das einen dritten Modus des Leistungsmoduls gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht.
10A ist ein Konfigurationsdiagramm eines Teils, der (für den Fall, in dem eine Stromzufuhr eine Stromsenke ist) in der Schaltungskonfiguration von 9 die Stromsteuereinheit 1, eine Ausgangsstufe der Treiberschaltung 42, das Widerstandselement 8 und das Leistungshalbleiterelement 10 beinhaltet.
10B ist ein Konfigurationsdiagramm eines Teils, der (für den Fall, in dem die Stromzufuhr eine Stromquelle ist) in der Schaltungskonfiguration von 9 die Stromsteuereinheit 1, die Ausgangsstufe der Treiberschaltung 42, das Widerstandselement 8 und das Leistungshalbleiterelement 10 beinhaltet.
11A ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zum Messen der Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 in der Schaltungskonfiguration der Stromsteuereinheit in 10A.
11B ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zum Messen der Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 in der Schaltungskonfiguration der Stromsteuereinheit in 10B.
12 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Leistungsmodul gemäß einer vierten Ausführungsform veranschaulicht.
13 ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zum Messen von Temperaturen der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C durch die in 12 veranschaulichte Halbleitervorrichtung 100 (erstes Verfahren).
14 ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zum Messen von Temperaturen der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C durch die in 12 veranschaulichte Halbleitervorrichtung 100 (zweites Verfahren).
15 ist ein Diagramm, das auf eine substanziellere Weise die Wellenform eines Ausgangsstroms der Stromsteuereinheit 1 und die Wellenform einer Erfassungsspannung veranschaulicht, die durch eine Spannungserfassungseinheit 6 erfasst werden, wenn ein Schaltsteuersignal 31 auf einem L-Pegel liegt.
16 ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung der Arbeitsweise einer Temperaturschätzeinheit in einem Leistungsmodul gemäß einer sechsten Ausführungsform.
17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für Kapazitätskennlinien des Leistungshalbleiterelements veranschaulicht.
18 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Leistungsmodul gemäß einer siebten Ausführungsform veranschaulicht.
19 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungsumwandlungssystems veranschaulicht, bei dem eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform verwendet wird.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Für gleiche oder einander entsprechende Teile in den Zeichnungen werden die gleichen Bezugszeichen verwendet und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
Erste Ausführungsform
1A ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel für ein Leistungsmodul 101 gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. 1B ist ein Schaltplan, der ein Konfigurationsbeispiel für eine Stromsteuereinheit 1 in 1A veranschaulicht. Die Konfiguration des Leistungsmoduls 101 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschrieben.
Wie in 1A veranschaulicht, beinhaltet das Leistungsmodul 101 ein Leistungshalbleiterelement 10 und eine das Leistungshalbleiterelement 10 ansteuernde und steuernde Halbleitervorrichtung 100. Die Halbleitervorrichtung 100 steuert das Schalten des Leistungshalbleiterelements 10 und misst eine Elementtemperatur des Leistungshalbleiterelements 10.
Die Halbleitervorrichtung 100 beinhaltet eine Gate-Ansteuereinheit 4, eine Stromsteuereinheit 1, eine Zeitsteuereinheit 3, eine Stromerfassungseinheit 5, eine Spannungserfassungseinheit 6, eine Temperaturschätzeinheit 7 und ein Widerstandselement 8 (auch als Gate-Widerstand bezeichnet). Hier beinhaltet die Gate-Ansteuereinheit 4 eine Treiberschaltung 42 als eine Ansteuersteuerungseinheit, die mit dem Leistungshalbleiterelement 10 verbunden ist und das Leistungshalbleiterelement 10 ansteuert, und eine Hauptsteuereinheit 41, welche die Treiberschaltung 42 steuert.
Die Stromsteuereinheit 1 ist mit der Treiberschaltung 42 verbunden und führt über die Treiberschaltung 42 zwischen einem Steueranschluss G und einem negativen Elektrodenanschluss S des Leistungshalbleiterelements 10 einen Strom zu. Wie in 1B veranschaulicht, beinhaltet die Stromsteuereinheit 1 eine Impulsstromzufuhr 20, die einen gepulsten Strom zuführen kann. Genauer beinhaltet die Impulsstromzufuhr 20 zum Beispiel eine Stromzufuhr 11 und einen zur Stromzufuhr 11 parallel geschalteten Stromsteuerschalter 12. Wenn der Stromsteuerschalter 12 aus einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand geschaltet wird, beginnt die Impulsstromzufuhr 20 eine Stromabgabe, und wenn der Stromsteuerschalter 12 aus dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet wird, beendet die Impulsstromzufuhr 20 die Stromabgabe.
Als Stromzufuhr 11 können verschiedene Arten von gemeinhin bekannten Stromversorgungen verwendet werden. Zum Beispiel kann ein bipolarer Transistor, ein Stromspiegel oder eine an der Ausgangsseite einer konstanten Spannungsquelle mit einem Widerstand bereitgestellte Stromzufuhr verwendet werden. Zusätzlich kann es sich bei der Stromzufuhr 11 je nach Schaltungskonfiguration um eine Stromquelle, die einen Strom abgibt, oder um eine Stromsenke, die einen Strom aufnimmt, handeln. Als Stromsteuerschalter 12 kann ein Schaltelement, das mit einer relativ hohen Geschwindigkeit arbeitet, zum Beispiel ein MOSFET, verwendet werden. Wenn Messgenauigkeit erforderlich ist, kann eine ultraschnelle Vorrichtung, wie ein GaN-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (High Electron Mobility Transistor - HEMT), als Stromsteuerschalter 12 verwendet werden.
Wie in 1B veranschaulicht, ist ein Ende von jedem der Stromzufuhr 11 und des Stromsteuerschalters 12 mit einem Referenzpotentialknoten 90, der ein Referenzpotential anlegt, verbunden. Hier ist das Referenzpotential zum Beispiel eine Steuermasse der Treiberschaltung 42 oder eine Stromversorgungsspannung der Treiberschaltung 42.
Das andere Ende von jedem der Stromzufuhr 11 und des Stromsteuerschalters 12 ist direkt oder indirekt mit dem Steueranschluss G oder dem negativen Elektrodenanschluss S des Leistungshalbleiterelements 10 verbunden. Ist es indirekt verbunden, ist das andere Ende von jedem der Stromzufuhr 11 und des Stromsteuerschalters 12 über ein Halbleiterschaltelement oder einen Widerstand, bei dem es sich um ein anderes auf der Treiberschaltung 42 angebrachtes elektronisches Bauelement handelt, mit dem Steueranschluss G oder dem negativen Elektrodenanschluss S des Leistungshalbleiterelements 10 verbunden. Ein Fall, in dem das andere Ende von jedem der Stromzufuhr 11 und des Stromsteuerschalters 12 mit dem negativen Elektrodenanschluss S des Leistungshalbleiterelements 10 verbunden ist, wird nachfolgend beispielhaft beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird der Steueranschluss G auch als Gate G bezeichnet und der negative Elektrodenanschluss S wird auch als Source S bezeichnet.
Die Spannungserfassungseinheit 6 ist mit der Treiberschaltung 42 verbunden und erfasst über die Treiberschaltung 42 direkt oder indirekt eine Spannung zwischen dem Steueranschluss G oder dem negativen Elektrodenanschluss S und dem Referenzpotential. Wird die Spannung indirekt erfasst, ist zwischen die Spannungserfassungseinheit und das Leistungshalbleiterelement ein Halbleiterschaltelement, ein Widerstand oder dergleichen, bei dem es sich um ein anderes auf der Treiberschaltung 42 angebrachtes elektronisches Bauelement handelt, eingefügt. Der Erfassungswert der Spannungserfassungseinheit 6 beinhaltet einen Einfluss einer Potentialwirkung durch die anderen elektronischen Bauelemente.
Die Zeitsteuereinheit 3 gibt zum Steuern des Stromsteuerschalters 12 der Stromsteuereinheit 1 auf Grundlage eines Befehls 412 von der Hauptsteuereinheit 41 der Gate-Ansteuereinheit 4 ein Schaltsteuersignal 31 aus. Obwohl die Zeitsteuereinheit 3 und die Gate-Ansteuereinheit 4 in 1A zum Zwecke der Beschreibung explizit voneinander unterschieden werden, kann die Zeitsteuereinheit 3 in der Hauptsteuereinheit 41 enthalten sein. Zudem können die Treiberschaltung 42 und die Zeitsteuereinheit 3 auf demselben Substrat angebracht sein oder die Hauptsteuereinheit 41, die Treiberschaltung 42, die Zeitsteuereinheit 3 und die Stromsteuereinheit 1 können zusammen auf demselben Substrat angebracht sein.
Wie vorstehend beschrieben, steuert die Hauptsteuereinheit 41 die Treiberschaltung 42 und die Zeitsteuereinheit 3. Als Hauptsteuereinheit 41 wird zum Beispiel eine funktionelle Vorrichtung, wie ein Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application specific integrated circuit - ASIC) oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA), verwendet.
Das Leistungshalbleiterelement 10 kann ein beliebiges von einem MOSFET, einem IGBT, einem Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (metal-semiconductor fieldeffect transistor - MESFET), einem bipolaren Transistor und dergleichen sein. Ein Fall, in dem das Leistungshalbleiterelement 10 ein MOSFET ist, wird nachfolgend beispielhaft beschrieben. Als ein Material des Leistungshalbleiterelements 10 können neben Si SiC, GaN, Ga₂O₃, Diamant oder dergleichen verwendet werden. Wie in 1A veranschaulicht, beinhaltet das Leistungshalbleiterelement 10 einen positiven Elektrodenanschluss D, einen negativen Elektrodenanschluss S und einen Steueranschluss G. Ein Strom, der zwischen dem positiven Elektrodenanschluss D und dem negativen Elektrodenanschluss S fließt, wird durch eine an den Steueranschluss G angelegte Ansteuerspannung gesteuert.
Der Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 ist beispielsweise über das Widerstandselement 8, das in einer Gate-Verdrahtungseinheit 2 bereitgestellt ist, mit der Treiberschaltung 42 verbunden. Die Gate-Verdrahtungseinheit 2 stellt eine Reihe von Schleifenverdrahtungen, die den Steueranschluss G und den negativen Elektrodenanschluss S des Leistungshalbleiterelements 10 und die Treiberschaltung 42 verbinden, dar.
Die Stromerfassungseinheit 5 erfasst einen Strom, der durch die Gate-Verdrahtungseinheit 2 fließt. Daher erfasst die Stromerfassungseinheit 5 den Strom, der, wenn der Stromsteuerschalter 12 geöffnet ist, durch die Stromzufuhr 11 durch das Leistungshalbleiterelement 10 hindurch geströmt wird. In 1A schätzt die Stromerfassungseinheit 5 zum Beispiel den Strom anhand der Spannung über dem Widerstandselement 8, das mit dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 verbunden ist. In diesem Fall kann beispielsweise ein Instrumentenverstärker als Stromerfassungseinheit 5 verwendet werden. Obwohl in 1A das Widerstandselement 8 deutlich veranschaulicht ist, kann je nach Anwendung kein Gate-Widerstand außerhalb des Leistungshalbleiterelements 10 bereitgestellt sein. Beispiele für andere Konfigurationen der Stromerfassungseinheit 5 sind ein Stromwandler, ein Hall-Element und eine Rogowskispule.
Die Temperaturschätzeinheit 7 berechnet den Widerstandswert des Leistungshalbleiterelements 10 auf Grundlage des Erfassungswerts der Spannungserfassungseinheit 6, des Erfassungswerts der Stromerfassungseinheit 5 und von Steuerinformationen 32 der Zeitsteuereinheit 3. Die Temperaturschätzeinheit 7 wandelt den neu gemessenen Widerstandswert des Leistungshalbleiterelements 10 durch Vergleich mit Umwandlungsdaten, die eine Beziehung zwischen Widerstandswerten und Elementtemperaturen angeben und die im Voraus gemessen und aufgezeichnet wurden, in eine Temperatur um. Die umgewandelten Temperaturinformationen werden wieder in die Hauptsteuereinheit 41 eingespeist. Wenn die Temperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet, kann die Hauptsteuereinheit 41 ein Ansteuermuster ändern, um den Verlust des Leistungshalbleiterelements zu verringern, und kann zudem Warninformationen an ein Host-System ausgeben. Obwohl die Hauptsteuereinheit 41 und die Temperaturschätzeinheit 7 in 1A zum Zwecke der Beschreibung als separate Bauteile veranschaulicht sind, kann die Funktion der Temperaturschätzeinheit 7 in der Hauptsteuereinheit 41 enthalten sein.
2 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine Modifikation des Leistungsmoduls 101 in 1A veranschaulicht. Das Leistungsmodul 101 in 2 unterscheidet sich von dem Leistungsmodul 101 in 1A dadurch, dass das Widerstandselement 8 nicht mit dem Draht (Gate-Draht), der mit dem Steueranschluss G verbunden ist, sondern mit dem Draht (Source-Draht) verbunden ist, der mit dem negativen Elektrodenanschluss S verbunden ist. In diesem Fall ist das Widerstandselement 8 auch dazu bereitgestellt, den durch die Gate-Verdrahtungseinheit 2 fließenden Strom zu erfassen. Die anderen Konfigurationen in 2 sind die gleichen wie jene in 1A, und somit werden für gleiche oder einander entsprechende Teile in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen verwendet und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
[Verfahren zum Schätzen einer Temperatur eines Leistungshalbleiterelements]
Ein Verfahren zum Schätzen der Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 durch die Halbleitervorrichtung 100 in 1A wird nachstehend genauer beschrieben.
3 ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung des durch eine Halbleitervorrichtung 100 in 1A durchgeführten Temperaturschätzverfahrens. In 3 zeigen Wellenformen bis zum Zeitpunkt t2 Spannungswellenformen und Signalwellenformen während eines normalen Schaltvorgangs, bei dem keine Temperaturmessung erfolgt, an und zeigen Wellenformen nach dem Zeitpunkt t2 Spannungswellenformen und Signalwellenformen, bei denen zusammen mit dem Schaltvorgang eine Temperaturmessung erfolgt, an. Zunächst wird die Arbeitsweise der Halbleitervorrichtung 100 während eines normalen Schaltvorgangs beschrieben.
(Arbeitsweise der Halbleitervorrichtung während eines normalen Vorgangs)
Die Treiberschaltung 42 gibt zum Ansteuern des Leistungshalbleiterelements 10 ein positives Potential Vcc, das höher als eine Schwellenspannung ist, und ein Potential Vee (normalerweise ein negatives Potential oder ein Nullpotential), das kleiner oder gleich der Schwellenspannung ist, aus. Insbesondere legt die Treiberschaltung 42 auf Grundlage eines Eingangssignals 411 von der Hauptsteuereinheit 41 ein positives Potential Vcc oder ein negatives oder Nullpotential Vee als eine Gate-Spannung an den Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 an.
Während des normalen Vorgangs steuert die Zeitsteuereinheit 3 den Stromsteuerschalter 12 der Stromsteuereinheit 1 so, dass er immer leitfähig ist. Daher wird, wenn ein Element vom Anreicherungstyp, wie zum Beispiel ein n-leitender MOSFET, als der Stromsteuerschalter 12 verwendet wird, konstant ein Signal mit hohem (H-) Pegel als Schaltsteuersignal 31 des Stromsteuerschalters 12 eingespeist. Wenn ein Element vom Verarmungstyp, wie ein p-leitender MOSFET, als der Stromsteuerschalter 12 verwendet wird, wird konstant ein Signal mit niedrigem (L-) Pegel als Schaltsteuersignal 31 eingespeist.
Insbesondere gilt unter Bezugnahme auf 3, dass, wenn das Eingangssignal 411 an die Treiberschaltung 42 während eines Einschaltvorgangs zum Zeitpunkt t0 zu einem H-Pegel wechselt, das positive Potential Vcc an den Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 angelegt wird, sodass die Gate-Spannung ansteigt. Die Gate-Spannung erreicht zum Zeitpunkt t0' nach einem Anstiegszeitraum mit einer Zeitkonstante des Widerstandswerts des Widerstandselements 8 und der Elementkapazität des Leistungshalbleiterelements 10 das positive Potential Vcc. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Gate-Strom, der von der Treiberschaltung 42 dem Leistungshalbleiterelement 10 zugeführt wird, über den Stromsteuerschalter 12 direkt zu dem Referenzpotentialknoten 90. Zusätzlich fließt der Strom von der Stromzufuhr 11 über den Stromsteuerschalter 12 auch zu dem Referenzpotentialknoten 90 und wird nicht an die Treiberschaltung 42 abgegeben. Es ist zu beachten, dass die Miller-Spannung V_miller in dem Anstiegszeitraum zwischen Zeitpunkt t0 und Zeitpunkt t0' beobachtet wird.
Im Falle eines Abschaltvorgangs wechselt das Eingangssignal 411 der Treiberschaltung 42 zum Zeitpunkt t1 vom H-Pegel zum L-Pegel. Infolgedessen wird ein negatives oder Nullpotential Vee an den Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 angelegt, sodass die Gate-Spannung abfällt. Die Gate-Spannung erreicht zum Zeitpunkt t1' nach einem Abfallzeitraum wie bei dem Einschaltvorgang ein negatives oder Nullpotential Vee. Wie bei dem Einschaltvorgang fließt der Gate-Strom über den Stromsteuerschalter 12 zu dem Referenzpotentialknoten 90. Der Strom von der Stromzufuhr 11 fließt über den Stromsteuerschalter 12 zu dem Referenzpotentialknoten 90 und wird nicht an die Treiberschaltung 42 abgegeben. Dabei wird die Miller-Spannung auch im Abfallzeitraum beobachtet.
(Temperaturmessung während An-Periode)
Als Nächstes wird die Arbeitsweise der Halbleitervorrichtung 100, wenn eine Temperaturmessung erfolgt, beschrieben. Die Temperatur wird in einer Periode gemessen, in der die Gate-Spannung mit Ausnahme des Anstiegszeitraums oder des Abfallzeitraums der Gate-Spannung stabil ist. Die Periode, in der die Gate-Spannung stabil ist, beinhaltet eine Periode, in der die Gate-Spannung bei positivem Potential Vcc stabil ist (nachfolgend als „An-Periode“ bezeichnet), und eine Periode, in der die Gate-Spannung bei negativem oder Nullpotential Vee stabil ist (nachfolgend als „Aus-Periode“ bezeichnet).
Zunächst wird eine Temperaturmessung während der An-Periode beschrieben. Unter Bezugnahme auf 3 schaltet das Schaltsteuersignal 31 nach einem Verstreichen einer bestimmten Verzögerungsperiode ab dem Zeitpunkt t2, zu dem das Treibereingangssignal 411 auf den H-Pegel wechselte, zum Zeitpunkt t3 auf den L-Pegel um. Diese Verzögerungszeit kann einfach als eine Zeitkonstante des Widerstandswerts des Widerstandselements 8 und der Elementkapazität des Leistungshalbleiterelements 10 oder länger eingestellt werden. Wenn die Verzögerungszeit kurz ist, wird auch ein Gate-Ansteuerstrom von der Treiberschaltung 42 durch die Stromerfassungseinheit 5 erfasst, was die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinflusst. Ist die Verzögerungszeit hingegen lang, liegt der Zeitpunkt t4, zu dem das Schaltsteuersignal 31 auf den H-Pegel zurückkehrt, nahe dem Zeitpunkt t5, zu dem das Ausschalten begonnen wird. Infolgedessen wird auch der Gate-Ansteuerstrom von der Treiberschaltung 42 durch die Stromerfassungseinheit 5 erfasst, was die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinflusst.
Wenn das Schaltsteuersignal 31 auf den L-Pegel geschaltet wird (Zeitpunkt t3), wird der Stromsteuerschalter 12 in 1B ausgeschaltet. Folglich fließt der Strom von der Stromzufuhr 11 nicht zum Referenzpotentialknoten 90, sondern zum Leistungshalbleiterelement 10. Zu diesem Zeitpunkt wird die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung durch den folgenden Ausdruck (1) ausgedrückt.
[Ausdruck 1] $V_{l g} (t - t 3) = (R_{g} + R_{g i n t}) \cdot I_{g} + \frac{t - t 3}{C_{d i e}} \cdot I_{g} |_{t \geq t 3}$
Im Ausdruck (1) stellt V_Ig(t - t3) eine durch die Spannungserfassungseinheit 6 zum Zeitpunkt t erfasste Spannung dar. R_gint ist ein Wert eines Gate-Widerstands (Gate-Innenwiderstand) im Leistungshalbleiterelement 10. Der Gate-Innenwiderstand wird durch ein Material, wie zum Beispiel Polysilizium, auf dem Leistungshalbleiterelement 10 erzeugt. Alternativ beinhaltet der Gate-Innenwiderstand aufgrund eines Gate-Verdrahtungsmusters auf dem Leistungshalbleiterelement 10 einen parasitären Widerstand. R_g stellt den Widerstand an der Treiberschaltung 42 und den Wert des Widerstandselements 8 dar und stellt eine andere Widerstandskomponente als der durch das Leistungshalbleiterelement 10 selbst verursachte Widerstand dar. C_die stellt einen Kapazitätswert, der von der Gate-Seite des Leistungshalbleiterelements 10 gesehen wird, dar. I_g stellt einen Zufuhrstrom von der Stromzufuhr 11 dar.
Wenn in der in 1B veranschaulichten Stromsteuereinheit 1 der Stromsteuerschalter 12 ausgeschaltet und die Stromeinspeisung von der Stromzufuhr 11 in das Leistungshalbleiterelement 10 gestartet wird, wird die Spannung V_Ig gemäß dem Ausdruck (1) erzeugt. Insbesondere wird zunächst konstant eine Spannung V0 = (R_g + R_gint) · I_g erzeugt, die durch Multiplizieren des Gesamtwerts des Gate-Innenwiderstands des Leistungshalbleiterelements 10, des Werts des Widerstandselements 8 und des Widerstands an der Treiberschaltung 42 mit dem Wert des von der Stromzufuhr 11 zugeführten Stroms erhalten wird, wie durch den ersten Term auf der rechten Seite von Ausdruck (1) dargestellt.
Darüber hinaus steigt nach dem Zeitpunkt t3, zu dem der Stromsteuerschalter 12 ausgeschaltet wird, aufgrund des Aufladens der parasitären Kapazität des Leistungshalbleiterelements 10 eine Ladespannung gemäß (t - t3) · I_g/C_die, wie durch den zweiten Term auf der rechten Seite des Ausdrucks (1) dargestellt. Wenn die parasitäre Kapazität C_die konstant ist und der Strom I_g der Stromzufuhr 11 einen konstanten Wert aufweist, steigt die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung linear an. Daher kann der Widerstandswert R_g + R_gint unter Verwendung des Spannungserfassungswerts zum optionalen Zeitpunkt t3', der verstrichenen Zeit (t3' - t3) ab dem Zeitpunkt t3, zu dem der Stromsteuerschalter 12 ausgeschaltet wird, und des durch die Stromerfassungseinheit 5 erfassten Gate-Stromwerts I_g berechnet werden.
Tatsächlich weist jeder der Widerstandswerte R_g und R_gint eine Temperaturabhängigkeit auf. Bei linearer Temperaturabhängigkeit werden die Widerstandswerte R_g und R_gint als R_g(T) ≈ R_g0(1 + K₁ · T) und R_gint(T) ≈ R_gint0(1 + K₂ · T) dargestellt. Wenn die Temperaturabhängigkeit des Widerstands R_g, abgesehen von dem Gate-Innenwiderstand des Leistungshalbleiterelements 10, ausreichend kleiner ist als die Temperaturabhängigkeit des Gate-Innenwiderstands R_gint des Leistungshalbleiterelements 10, d. h., wenn ΔR_g < ΔR_gint, stellt die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts R_g + R_gint die Temperaturabhängigkeit des Gate-Innenwiderstands des Leistungshalbleiterelements 10 dar. Daher kann die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 berechnet werden, indem der durch die vorstehend beschriebene Berechnung erhaltene Widerstandswert R_g + R_gint mit Kalibrierungsdaten verglichen wird, die die Beziehung zwischen Widerstandswerten und Temperaturen darstellen und im Voraus aufgezeichnet wurden. Die vorstehend beschriebenen Kalibrierungsdaten können z. B. dadurch erfasst werden, dass der Widerstandswert R_g + R_gint in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben erhalten wird, wenn das Leistungsmodul 101 in einem thermostatischen Bad installiert ist und die Elementtemperatur des Leistungshalbleiterelements 10 von außen verändert wird. Wenn es schwierig ist, Kalibrierungsdaten zu erfassen, wird eine Änderungsrate (Temperaturkoeffizient) des Gate-Innenwiderstands R_gint aufgrund der Temperatur im Voraus erfasst und die Berechnung kann stattdessen anhand des erfassten Temperaturkoeffizienten erfolgen.
(Temperaturmessung während Aus-Periode)
Als Nächstes wird die Temperaturmessung während der Aus-Zeit beschrieben. Das Schaltsteuersignal 31 schaltet in 3 nach einem Verstreichen einer bestimmten Verzögerungsperiode ab dem Zeitpunkt t5, zu dem das Treibereingangssignal 411 auf den L-Pegel wechselte, zum Zeitpunkt t6 auf den L-Pegel um. Wie vorstehend beschrieben, kann diese Verzögerungszeit einfach als eine Zeitkonstante des Widerstandswerts des Widerstandselements 8 und der Elementkapazität des Leistungshalbleiterelements 10 oder länger eingestellt werden. Wenn die Verzögerungszeit kurz ist, wird auch der Gate-Ansteuerstrom von der Treiberschaltung 42 durch die Stromerfassungseinheit 5 erfasst, was die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinflusst.
Wenn das Schaltsteuersignal 31 auf den L-Pegel geschaltet wird (Zeitpunkt t6), wird der Stromsteuerschalter 12 in 1B ausgeschaltet. Folglich fließt der Strom von der Stromzufuhr 11 nicht zum Referenzpotentialknoten 90, sondern zum Leistungshalbleiterelement 10.
Wenn der Stromsteuerschalter 12 ausgeschaltet und die Stromeinspeisung von der Stromzufuhr 11 in das Leistungshalbleiterelement 10 gestartet wird, wird die Spannung V_Ig gemäß dem Ausdruck (1) erzeugt (der Zeitpunkt t3 ist dabei hier durch den Zeitpunkt t6 ersetzt). Insbesondere wird die Spannung V0 = (R_g + R_gint) · I_g durch Multiplizieren des Gesamtwerts des Gate-Innenwiderstands des Leistungshalbleiterelements 10 und des Werts des Widerstandselements 8 mit dem von der Stromzufuhr zugeführten Strom I_g erzeugt. Außerdem nimmt (t - t6) · I_g/C_die, d. h. die Ladespannung der parasitären Kapazität des Leistungshalbleiterelements 10, mit der Zeit zu. Ähnlich wie bei der Messung während der An-Periode, wenn die parasitäre Kapazität C_die einen konstanten Wert aufweist und der Gate-Strom I_g einen konstanten Wert aufweist, steigt die Erfassungsspannung der Spannungserfassungseinheit 6 linear an. Daher kann der Widerstandswert R_g + R_gint unter Verwendung des Spannungserfassungswerts zum optionalen Zeitpunkt t6' zwischen dem Zeitpunkt t6 und dem Zeitpunkt t7, der verstrichenen Zeit (t6' - t6) ab dem Zeitpunkt t6, zu dem der Stromsteuerschalter 12 ausgeschaltet wird, und des durch die Stromerfassungseinheit 5 erfassten Gate-Stromwerts I_g berechnet werden. Wenn die Temperaturabhängigkeit des Gate-Widerstands, abgesehen von dem Gate-Innenwiderstand des Leistungshalbleiterelements 10, ausreichend kleiner ist als die Temperaturabhängigkeit des Gate-Innenwiderstands, stellt die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts R_g + R_gint die Temperaturabhängigkeit des Gate-Innenwiderstands des Leistungshalbleiterelements 10 dar. Daher kann die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 berechnet werden, indem der durch die vorstehend beschriebene Berechnung erhaltene Widerstandswert R_g + R_gint mit Kalibrierungsdaten verglichen wird, die die Beziehung zwischen den Widerstandswerten und den Temperaturen darstellen und im Voraus aufgezeichnet wurden.
[Wirkung der ersten Ausführungsform]
Wie vorstehend beschrieben, misst das Leistungsmodul 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Spannungsänderung, wenn der Gate-Strom I_g während der An-Periode oder der Aus-Periode des Leistungshalbleiterelements 10 aus der Stromzufuhr 11 eingespeist wird, und ist dadurch in der Lage, die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 stabil zu erhalten. Die Zeit für den Beginn der Einspeisung des Gate-Stroms kann als ein Zeitpunkt nach dem Verstreichen einer Verzögerungszeit bestimmt werden, die einfach als Zeitkonstante des Gate-Widerstands und der Elementkapazität festgelegt wird, oder als eine Zeit, die länger oder gleich der Zeitkonstante ab dem Anstiegszeitpunkt oder dem Abfallzeitpunkt der Ansteuerspannung ist.
Zweite Ausführungsform
In der Praxis ändert sich die Gate-Kapazität C_die des Leistungshalbleiterelements 10 in Abhängigkeit von einer Anschlussspannung des Leistungshalbleiterelements 10. In Anbetracht dessen beschreibt die zweite Ausführungsform ein Verfahren zum Unterdrücken des Einflusses einer Änderung der Gate-Kapazität C_die.
4 ist ein Diagramm, das eine Änderung einer Gate-Kapazität eines typischen MOSFET veranschaulicht. Wie in 4 veranschaulicht, weist die Gate-Kapazität C_die in einem Bereich (Speicherbereich), in dem eine Gate-Source-Spannung V_gs ausreichend niedrig ist, und einem Bereich (Inversionsbereich), in dem die Gate-Source-Spannung V_gs ausreichend hoch ist, einen im Wesentlichen konstanten Wert auf. Andererseits schwankt die Gate-Kapazität C_die in einem Übergangsbereich, in dem sich die Gate-Source-Spannung V_gs in einem Zwischenbereich (Verarmungsbereich) befindet, stark. Je nach Leistungshalbleiterelement 10 beträgt eine Schwankung der Gate-Kapazität C_die im Zwischenbereich etwa 30 % der Gate-Kapazität C_die im Speicherbereich. Diese Kennlinien können im Voraus bestätigt werden, zum Beispiel durch Messen der Abhängigkeit der Gate-Kapazität C_die von der Gate-Source-Spannung V_gs bei dem MOSFET vor dem Versand.
Daher steigt die Spannung der Spannungserfassungseinheit 6 in dem Zwischenbereich, in dem die Kapazität stark schwankt, nicht wie in Ausdruck (1) dargestellt linear an, was die Genauigkeit der Temperaturschätzung beeinträchtigt. Gemäß dem in 3 veranschaulichten Zeitdiagramm erhöht sich beispielsweise die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung aufgrund der Zufuhr eines Stroms von der Stromzufuhr 11 an das Leistungshalbleiterelement 10 und die an das Leistungshalbleiterelement 10 angelegte Gate-Source-Spannung V_gs ändert sich.
In Anbetracht des vorstehenden Punktes hält die Zeitsteuereinheit 3 gemäß einem Aspekt des Leistungsmoduls 101 der zweiten Ausführungsform das Schaltsteuersignal 31 nur für eine bestimmte Zeit von t4 bis t3, in der eine Änderung des durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfassten Spannungswerts kleiner oder gleich einer bestimmten Spannung V1 ist, auf dem L-Pegel und setzt das Schaltsteuersignal 31, wenn eine Änderung der Erfassungsspannung die Spannung V1 übersteigt, auf den H-Pegel. Das Schaltsteuersignal 31 kehrt zum Zeitpunkt t4 auf den H-Pegel zurück, wodurch der Stromsteuerschalter 12 durchgeschaltet wird und die zwischen dem Gate und der Source des Leistungshalbleiterelements 10 angelegte Spannung V_gs gleich der von der Treiberschaltung 42 zugeführten Spannung wird. Wie vorstehend beschrieben, erfolgt die Zeitsteuerung so, dass eine Änderung der durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfassten Spannung kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist, der gemäß den Kapazitätskennlinien des Leistungshalbleiterelements 10 bestimmt wurde, wodurch die Schwankung der Elementkapazität C_die verhindert werden kann und die Verschlechterung der Temperaturschätzungsgenauigkeit verhindert werden kann.
Ferner ändert sich die Elementkapazität C_die auch in Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung des Leistungshalbleiterelements 10. Daher ist eine Änderung der Elementkapazität C_die in der An-Periode und der Aus-Periode unterschiedlich. Dementsprechend hält die Zeitsteuereinheit 3 bei der Messung während der Aus-Periode das Schaltsteuersignal 31 nur während einer bestimmten Zeit von t5 bis t6, in der eine Änderung der Erfassungsspannung der Spannungserfassungseinheit kleiner oder gleich einer sich von der Spannung V1 unterscheidenden bestimmten Spannung V2 ist, auf dem L-Pegel und schaltet den Stromsteuerschalter 12 aus. Das Schaltsteuersignal 31 kehrt zum Zeitpunkt t6 auf den H-Pegel zurück, wodurch der Stromsteuerschalter 12 durchgeschaltet wird und die Gate-Source-Spannung V_gs des Leistungshalbleiterelements 10 gleich der von der Treiberschaltung 42 zugeführten Spannung wird.
Das Leistungsmodul 101 gemäß der zweiten Ausführungsform kann eine Abnahme der Temperaturschätzungsgenauigkeit verhindern, indem es durch die Hauptsteuereinheit 41 eine Zeitsteuerung derart durchführt, dass eine Änderung der durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfassten Spannung kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist.
Dritte Ausführungsform
Im Folgenden wird die Konfiguration der Halbleitervorrichtung 100 des Leistungsmoduls 101 gemäß der dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 5 bis 11B beschrieben. Im Gegensatz zu den 1A und 1B ist die Konfiguration der Stromsteuereinheit 1 im Leistungsmodul 101 gemäß der dritten Ausführungsform genauer veranschaulicht. Die Konfiguration des Leistungsmoduls 101 gemäß der dritten Ausführungsform ähnelt bei den Bauteilen mit Ausnahme der Stromsteuereinheit 1 der ersten und zweiten Ausführungsform, und daher werden für die gleichen oder einander entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt. Dabei kann als Stromzufuhr 11, die die Stromsteuereinheit 1 bildet, eine Stromquelle, die einem Verbraucher einen Strom zuführt, verwendet werden oder kann eine Stromsenke, die einen Strom von einem Verbraucher aufnimmt, verwendet werden.
[Erster Modus]
5 ist ein Konfigurationsdiagramm, das einen ersten Modus des Leistungsmoduls gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht. 5 veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Stromsteuereinheit 1 auf der Seite der Source S des Leistungshalbleiterelements 10 angeordnet ist. In diesem Fall ist das Referenzpotential der Stromsteuereinheit 1 eine Steuermasse 900 der Treiberschaltung 42. Daher sind die Stromzufuhr 11 und der Stromsteuerschalter 12 zwischen den negativen Elektrodenanschluss S des Leistungshalbleiterelements 10 und die Steuermasse 900 geschaltet.
Der Strom von der Stromzufuhr 11 fließt, wenn das Schaltsteuersignal 31 auf dem H-Pegel liegt, das heißt, wenn der Stromsteuerschalter 12 leitfähig ist, zu dem Referenzpotential 900. Liegt das Schaltsteuersignal 31 auf dem L-Pegel, fließt der Strom von der Stromzufuhr 11 in Richtung des Leistungshalbleiterelements 10 und fließt von der Source S in das Leistungshalbleiterelement 10. Daher ändert sich die Gate-Source-Spannung V_gs des Leistungshalbleiterelements 10 in der An-Periode während der Zeit vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 in 3 wie angegeben und in der Aus-Periode während der Zeit vom Zeitpunkt t6 bis zum Zeitpunkt t7 in 3 wie angegeben.
Hier unterscheiden sich die Gate-Source-Spannung und die Drain-Source-Spannung, die an das Leistungshalbleiterelement 10 angelegt werden, während der An-Periode und während der Aus-Periode und infolgedessen ist die Kapazität C_die des Leistungshalbleiterelements 10 ebenfalls unterschiedlich. Aus diesem Grund ist die Spannungswellenform der Gate-Spannung in der An-Periode und der Aus-Periode nicht gleich und somit hat die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung, wie zum Beispiel in 3 veranschaulicht, unterschiedliche Werte, wie zum Beispiel V1 während der An-Periode und V2 während der Aus-Periode.
[Zweiter Modus]
6 ist ein Konfigurationsdiagramm, das einen zweiten Modus des Leistungsmoduls gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht. 6 veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Stromsteuereinheit 1 auf der Gate-Seite des Leistungshalbleiterelements 10 angeordnet ist. In 6 wird eine Stromquelle als Stromzufuhr 11 verwendet. Das Referenzpotential der Stromsteuereinheit 1 ist die Steuermasse 900 der Treiberschaltung 42.
7 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Teils, der in der Schaltungskonfiguration von 6 die Stromsteuereinheit 1, eine Ausgangsstufe der Treiberschaltung 42, das Widerstandselement 8 und das Leistungshalbleiterelement 10 beinhaltet.
Unter Bezugnahme auf 7 beinhaltet die Ausgangsstufe der Treiberschaltung 42 einen hochpotentialseitigen Schalter 42H und einen niederpotentialseitigen Schalter 42L, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Ein Ende des hochpotentialseitigen Schalters 42H ist mit dem positiven Potential Vcc verbunden. Ein Ende des niederpotentialseitigen Schalters 42L ist über die Stromzufuhr 11 und den Stromsteuerschalter 12 der Stromsteuereinheit 1 mit dem Referenzpotential 900 verbunden. Die anderen Enden (das heißt ein Verbindungspunkt der Schalter 42H und 42L) des hochpotentialseitigen Schalters 42H und des niederpotentialseitigen Schalters 42L sind über das Widerstandselement 8 mit dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 verbunden. Daher sind die Stromzufuhr 11 und der Stromsteuerschalter 12 zwischen den Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 und die ein Referenzpotential anlegende Steuermasse 900 geschaltet.
Gemäß der vorstehenden Konfiguration kann der Strom von der Stromzufuhr 11 der Stromsteuereinheit 1 nur dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 zugeführt werden, wenn der Ausgang der Treiberschaltung 42 auf dem L-Pegel liegt (das heißt, nur wenn sich der niederpotentialseitige Schalter 42L in einem Zustand An befindet).
8 ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zum Messen der Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 durch die in den 6 und 7 veranschaulichte Halbleitervorrichtung 100. Wie in 8 veranschaulicht, setzt die Hauptsteuereinheit 41 das Schaltsteuersignal 31 während einer Zeit vom Zeitpunkt t6 bis zum Zeitpunkt t7 ab dem Zeitpunkt t5, zu dem das Treibereingangssignal 411 auf dem L-Pegel liegt, auf den L-Pegel, wodurch von der Stromzufuhr 11 zum Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 ein Strom eingespeist wird.
[Dritter Modus]
9 ist ein Konfigurationsdiagramm, das einen dritten Modus des Leistungsmoduls gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht. 9 veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Stromsteuereinheit 1 auf der Gate-Seite des Leistungshalbleiterelements 10 angeordnet ist. In 9 kann eine Stromquelle oder eine Stromsenke als Stromzufuhr 11 verwendet werden. Das Referenzpotential 901 der Treiberschaltung 42 wird später unter Bezugnahme auf die 10A und 10B beschrieben.
10A und 10B sind Konfigurationsdiagramme eines Teils, der in der Schaltungskonfiguration von 9 die Stromsteuereinheit 1, eine Ausgangsstufe der Treiberschaltung 42, das Widerstandselement 8 und das Leistungshalbleiterelement 10 beinhaltet. Der Schaltplan aus 10A veranschaulicht einen Fall, in dem eine Stromsenke als Stromzufuhr 11 verwendet wird, und der Schaltplan aus 10B veranschaulicht einen Fall, in dem eine Stromquelle als Stromzufuhr 11 verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf 10A beinhaltet die Ausgangsstufe der Treiberschaltung 42 den hochpotentialseitigen Schalter 42H und den niederpotentialseitigen Schalter 42L, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Ein Ende des hochpotentialseitigen Schalters 42H ist über die Stromzufuhr 11 und den Stromsteuerschalter 12 der Stromsteuereinheit 1 mit dem Referenzpotential 901 verbunden. Das Referenzpotential 901 ist in diesem Fall gleich der Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42. Ein Ende des niederpotentialseitigen Schalters 42L ist mit dem Massepotential Vee der Treiberschaltung 42 verbunden. Die anderen Enden (das heißt ein Verbindungspunkt der Schalter 42H und 42L) des hochpotentialseitigen Schalters 42H und des niederpotentialseitigen Schalters 42L sind über das Widerstandselement 8 mit dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 verbunden. Daher sind die Stromzufuhr 11 und der Stromsteuerschalter 12 zwischen den Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 und das Referenzpotential 901, das gleich der Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42 ist, geschaltet.
Unter Bezugnahme auf 10B beinhaltet die Ausgangsstufe der Treiberschaltung 42 den hochpotentialseitigen Schalter 42H und den niederpotentialseitigen Schalter 42L, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Ein Ende des hochpotentialseitigen Schalters 42H ist über einen Trennschalter 43 mit der Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42 verbunden und ist über die Stromzufuhr 11 und den Stromsteuerschalter 12 der Stromsteuereinheit 1 mit dem Referenzpotential 901 verbunden. Das Referenzpotential 901 ist in diesem Fall höher als die Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42. Die anderen Enden (das heißt ein Verbindungspunkt der Schalter 42H und 42L) des hochpotentialseitigen Schalters 42H und des niederpotentialseitigen Schalters 42L sind über das Widerstandselement 8 mit dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 verbunden. Daher sind die Stromzufuhr 11 und der Stromsteuerschalter 12 zwischen den Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 und das Referenzpotential 901, das höher als die Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42 ist, geschaltet.
Der Trennschalter 43 ist dazu bereitgestellt, während der Zufuhr von Strom von der Stromzufuhr 11 der Stromsteuereinheit 1 die Treiberschaltung 42 von der Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42 zu trennen. Somit kann die Stromabgabe von der Stromzufuhr 11 der Stromsteuereinheit 1 dem Leistungshalbleiterelement 10 zugeführt werden. Der Trennschalter 43 wird zur gleichen Zeit wie das Schaltsteuersignal 31 gesteuert. Wenn ein n-leitender MOSFET als Trennschalter 43 verwendet wird, kann ein Signal, das durch Umsetzen des Referenzpotentials des Schaltsteuersignals 31 mit einem Pegelumsetzer oder dergleichen erhalten wird, als das Steuersignal des Trennschalters 43 verwendet werden.
11A ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zum Messen der Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 in der Schaltungskonfiguration der Stromsteuereinheit in 10A.
Wie in 10A veranschaulicht, ist die Stromzufuhr 11 der Stromsteuereinheit 1 als eine Stromsenke mit der Hochpotentialseite der Ausgangsstufe der Treiberschaltung 42 verbunden. In diesem Fall kann die Hauptsteuereinheit 41 den Strom von dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 zu der Stromzufuhr 11 leiten, indem das Schaltsteuersignal 31 während der An-Periode in 11A nur vom Zeitpunkt t3 bis Zeitpunkt t4 auf den L-Pegel gesetzt wird. Während der Zeit vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 nimmt, wie in 11A veranschaulicht, die Gate-Spannung ab und die Erfassungsspannung der Spannungserfassungseinheit 6 zu.
11B ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zum Messen der Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 in der Schaltungskonfiguration der Stromsteuereinheit in 10B.
Wie in 10B veranschaulicht, ist die Stromzufuhr 11 der Stromsteuereinheit 1 als eine Stromquelle mit der Hochpotentialseite der Ausgangsstufe der Treiberschaltung 42 verbunden. In diesem Fall kann die Hauptsteuereinheit 41 dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 den Strom von der Stromzufuhr 11 zuführen, indem das Schaltsteuersignal 31 während der An-Periode in 11B nur vom Zeitpunkt t3 bis Zeitpunkt t4 auf den L-Pegel gesetzt wird. Während der Zeit vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 nimmt, wie in 11A veranschaulicht, die Gate-Spannung zu und die Erfassungsspannung der Spannungserfassungseinheit 6 zu.
Wie vorstehend beschrieben, kann, wenn die die in 9 veranschaulichte Schaltungskonfiguration aufweisende Stromsteuereinheit 1 verwendet wird, die Treiberschaltung 42 dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterelements 10 den Strom nur während der An-Periode des Leistungshalbleiterelements 10 zuführen. Zusätzlich kann durch die Verwendung der Schaltungskonfiguration aus 5, 6 und 9 der dritten Ausführungsform die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 sogar dann geschätzt werden, wenn die Stromabgabe dem Steueranschluss G oder dem negativen Elektrodenanschluss S des Leistungshalbleiterelements 10 von der Stromsteuereinheit 1 zugeführt wird.
Vierte Ausführungsform
Die vierte Ausführungsform beschreibt ein Beispiel, in dem eine Vielzahl von Leistungshalbleiterelementen 10 parallel geschaltet ist. Nachfolgend wird ein Fall beschrieben, in dem drei Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C parallel geschaltet sind, wobei jedoch die Anzahl der Vielzahl von Leistungshalbleiterelementen 10, die parallel geschaltet sind, nicht auf drei beschränkt ist. Dabei wird, wenn auf die Vielzahl von Leistungshalbleiterelementen 10A, 10B und 10C gemeinsam Bezug genommen wird oder wenn auf eines beliebiges der Leistungshalbleiterelemente Bezug genommen wird, dies als Leistungshalbleiterelement 10 bezeichnet.
12 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Leistungsmodul gemäß der vierten Ausführungsform veranschaulicht. Die Halbleitervorrichtung 100 in 12 unterscheidet sich von der Halbleitervorrichtung 100 in 1A dadurch, dass sie ferner eine Umschaltschaltung (MUX) 51 und Widerstandselemente 8A, 8B und 8C beinhaltet, die mit den Steueranschlüssen G der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B bzw. 10C verbunden sind. Die anderen Konfigurationen in 12 sind die gleichen wie jene in 1A, und somit werden für gleiche oder einander entsprechende Teile in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen verwendet und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
Die Umschaltschaltung 51 ist zwischen die Stromerfassungseinheit 5 und den Steueranschluss G eines jeden der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C geschaltet. In diesem Fall erfasst die Stromerfassungseinheit 5 einen Strom, der durch Gate-Drähte fließt, welche die Widerstandselemente 8A, 8B und 8C beinhalten. Insbesondere wird der Gate-Strom I_g jedes Leistungshalbleiterelements 10 anhand der Spannung über jedem der Widerstandselemente 8A, 8B und 8C erfasst. Ein Signal zum Steuern des Schaltens durch die Umschaltschaltung 51 kann über die Temperaturschätzeinheit 7 zugeführt werden oder kann direkt von der Hauptsteuereinheit 41 zugeführt werden. Die Stromerfassungseinheit ist dazu bereitgestellt, einen Strom zu erfassen, der zum Beispiel durch die die Widerstandselemente 8A, 8B und 8C beinhaltende Gate-Verdrahtungseinheit fließt.
Wie in der ersten Ausführungsform kann je nach Anwendungen kein Gate-Widerstand außerhalb des Leistungshalbleiterelements 10 bereitgestellt sein oder kann das Widerstandselement auf der Quellseite bereitgestellt sein. Beispiele für andere Konfigurationen der Stromerfassungseinheit 5 sind ein Stromwandler, ein Hall-Element und eine Rogowskispule.
13 und 14 sind Zeitdiagramme zur Beschreibung eines Verfahrens zum Messen von Temperaturen der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C durch die in 12 veranschaulichte Halbleitervorrichtung 100. Die folgenden zwei Verfahren sind als Zeitsteuerung für das Schalten der Umschaltschaltung 51 in 12 denkbar.
[Erstes Verfahren]
Wie in 13 veranschaulicht, dient das erste Verfahren zum Umschalten der in einem Schaltzyklus zu messenden Gate-Verdrahtungseinheit 2. Obwohl 13 das Messverfahren während der An-Periode veranschaulicht, kann die Temperatur eines jeden Leistungshalbleiterelements 10 in ähnlicher Weise während der Aus-Periode gemessen werden.
Insbesondere wird während der An-Periode oder der Aus-Periode der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C ein Umschalter der Umschaltschaltung 51 der Reihe nach auf die Anschlüsse posA, posB und posC geschaltet. Hier ist der Anschluss posA mit dem Widerstandselement 8A verbunden, der Anschluss posB mit dem Widerstandselement 8B verbunden und der Anschluss posC mit dem Widerstandselement 8C verbunden. Das heißt, die Anschlüsse sind mit den Leistungshalbleiterelementen 10A, 10B bzw. 10C verbunden.
Zum Beispiel verbindet in dem Beispiel aus 13 die Hauptsteuereinheit 41 zu Beginn der Sequenz den Umschalter der Umschaltschaltung mit dem Anschluss posA. Daher wird zunächst die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10A gemessen.
Die Zeitsteuereinheit 3 schaltet das Schaltsteuersignal 31 zum Zeitpunkt t3A nach einem Verstreichen einer bestimmter Verzögerungszeit ab dem Zeitpunkt t2, zu dem das Treibereingangssignal auf den H-Pegel gesetzt wurde, auf den L-Pegel. Infolgedessen misst die Stromerfassungseinheit 5 einen Strom IA eines Pfads, der durch das Leistungshalbleiterelement 10A verläuft. Die Spannungserfassungseinheit 6 misst die Spannung der Parallelschaltung der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C. Das heißt, gemäß dem Ausdruck (1) steigt die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung auf die Spannung V0, die der Widerstandskomponente des Leistungshalbleiterelements entspricht, und steigt dann gemäß der Elementkapazität C_die, dem Gate-Stromwert I_g und einer Erregungsperiode von t4A bis t3A auf die Spannung V1. Die Temperaturschätzeinheit 7 berechnet einen äquivalenten Widerstandswert des Leistungshalbleiterelements 10A aus dem Spannungswert und dem Stromwert in dieser Periode und schätzt die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10A aus einem Vergleich mit im Voraus erfassten Kalibrierungsdaten.
Die Zeitsteuereinheit 3 setzt das Schaltsteuersignal 31 zum Zeitpunkt t4A nach einem Verstreichen einer bestimmten Zeit ab dem Zeitpunkt t3A auf den H-Pegel. Infolgedessen kehrt die Gate-Spannung des Leistungshalbleiterelements 10A, wenn die Stromeinspeisung in das Leistungshalbleiterelement 10A angehalten wird, zu der Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42 zurück. Die vorstehende bestimmte Zeit ist derart ausgewählt, dass eine Spannungserhöhung, von der bestimmt wurde, dass sie die Schwankung der Kapazität C_die des Leistungshalbleiterelements reduziert, wie zum Beispiel in der zweiten Ausführungsform beschrieben erhalten wird.
Anschließend schaltet die Umschaltschaltung 51 zum Zeitpunkt t8 nach dem Verstreichen einer bestimmten Verzögerungszeit ab dem Zeitpunkt t4A den Umschalter auf den Anschluss posB. Diese Verzögerungszeit ist zum Beispiel länger als eine Zeitkonstante, die aus den Werten einer Änderung (V1) der Gate-Spannung, der Kapazität C_die des Leistungshalbleiterelements, dem Gate-Widerstand R_g und dem Gate-Innenwiderstand R_gint berechnet werden kann.
Danach setzt die Zeitsteuereinheit 3 das Schaltsteuersignal 31 zum Zeitpunkt t3B wieder auf den L-Pegel, wodurch jedem Leistungshalbleiterelement 10 ein Strom von der Stromzufuhr 11 der Stromsteuereinheit 1 zugeführt wird. Da der Umschalter der Umschaltschaltung 51 mit dem Anschluss posB verbunden ist, erfasst die Stromerfassungseinheit 5 einen Strom IB eines Pfads, der durch das Leistungshalbleiterelement 10B verläuft. Die Spannungserfassungseinheit 6 erfasst die Spannung der Parallelschaltung der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C. Das heißt, gemäß dem Ausdruck (1) steigt die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung auf die Spannung V0, die der Widerstandskomponente des Leistungshalbleiterelements entspricht, und steigt dann gemäß der Elementkapazität C_die, dem Gate-Stromwert I_g und einer Erregungsperiode von t4B bis t3B auf die Spannung V1. In 13 ist die Zeit vom Zeitpunkt t3B bis zum Zeitpunkt t4B die gleiche wie die Zeit vom Zeitpunkt t3A bis zum Zeitpunkt t4A, sodass die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung in ähnlicher Weise auf V1 ansteigt. Die Temperaturschätzeinheit 7 berechnet einen äquivalenten Widerstandswert des Leistungshalbleiterelements 10B aus dem Spannungswert und dem Stromwert in dieser Periode und schätzt die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10B aus einem Vergleich mit im Voraus erfassten Kalibrierungsdaten.
Die Zeitsteuereinheit 3 setzt das Schaltsteuersignal 31 zum Zeitpunkt t4B nach einem Verstreichen einer bestimmten Zeit ab dem Zeitpunkt t3B auf den H-Pegel. Infolgedessen kehrt die Gate-Spannung des Leistungshalbleiterelements 10B, wenn die Stromeinspeisung in das Leistungshalbleiterelement 10B angehalten wird, zu der Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42 zurück.
Anschließend schaltet die Umschaltschaltung 51 zum Zeitpunkt t9 nach dem Verstreichen einer bestimmten Verzögerungszeit ab dem Zeitpunkt t4B den Umschalter auf den Anschluss posC. Diese Verzögerungszeit ist zum Beispiel länger als eine Zeitkonstante, die aus den Werten einer Änderung (V1) der Gate-Spannung, der Kapazität C_die des Leistungshalbleiterelements, dem Gate-Widerstand R_g und dem Gate-Innenwiderstand R_gint berechnet werden kann.
Danach setzt die Zeitsteuereinheit 3 das Schaltsteuersignal 31 zum Zeitpunkt t3C wieder auf den L-Pegel, wodurch jedem Leistungshalbleiterelement 10 ein Strom von der Stromzufuhr 11 der Stromsteuereinheit 1 zugeführt wird. Da der Umschalter der Umschaltschaltung 51 mit dem Anschluss posC verbunden ist, erfasst die Stromerfassungseinheit 5 einen Strom IC eines Pfads, der durch das Leistungshalbleiterelement 10C verläuft. Die Spannungserfassungseinheit 6 erfasst die Spannung der Parallelschaltung der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C. Das heißt, gemäß dem Ausdruck (1) steigt die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung auf die Spannung V0, die der Widerstandskomponente des Leistungshalbleiterelements entspricht, und steigt dann gemäß der Elementkapazität C_die, dem Gate-Stromwert I_g und einer Erregungsperiode von t4C bis t3C auf die Spannung V1. In 13 ist die Zeit vom Zeitpunkt t3C bis zum Zeitpunkt t4C die gleiche wie die Zeit vom Zeitpunkt t3A bis zum Zeitpunkt t4A, sodass die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung in ähnlicher Weise auf V1 ansteigt. Die Temperaturschätzeinheit 7 berechnet einen äquivalenten Widerstand des Leistungshalbleiterelements 10C aus dem Spannungswert und dem Stromwert in dieser Periode und schätzt die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10C aus einem Vergleich mit im Voraus erfassten Kalibrierungsdaten.
In der vorstehenden Beschreibung sind die Gate-Innenwiderstände, die externen Widerstandselemente 8A, 8B und 8C, die Elementkapazitäten C_die und die Elementtemperaturen der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C unterschiedlich und sind daher auch die durch die Stromerfassungseinheit 5 erfassten Ströme IA, IB und IC unterschiedlich.
Wie vorstehend beschrieben, können die Elementtemperaturen der parallel geschalteten Leistungshalbleiterelemente 10 einzeln gemessen werden, ohne die Treiberschaltung 42 und die Stromerfassungseinheit 5 zu erhöhen, indem das Anschlussziel der Stromerfassungseinheit 5 durch die Umschaltschaltung 51 umgeschaltet wird.
[Zweites Verfahren]
Bei dem ersten Verfahren wird die Temperatur in einem einzigen Schaltzyklus mehrmals gemessen, sodass die Gate-Spannung stark schwanken kann, wodurch der Verlust des Leistungshalbleiterelements 10 zunehmen kann. Das zweite Verfahren wird zur Verbesserung dieses Aspekts bereitgestellt.
Wie in 14 veranschaulicht, dient das zweite Verfahren zum Umschalten der für jeden Schaltzyklus zu messenden Gate-Verdrahtungseinheit 2. Obwohl 14 das Messverfahren während der An-Periode veranschaulicht, kann die Temperatur eines jeden Leistungshalbleiterelements 10 in ähnlicher Weise während der Aus-Periode gemessen werden, mit der Ausnahme, dass sich die Gate-Spannung und das Treibereingangssignal 411 unterscheiden. Obwohl in der folgenden Beschreibung der Anschluss posA als Standardanschlussziel des Umschalters der Umschaltschaltung 51 gewählt wird, können der Anschluss posB und posC als Standardanschlussziel bestimmt werden.
Wenn das Treibereingangssignal 411 zum Zeitpunkt t2A auf H gesetzt wird, beginnen die Gate-Spannungen der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C zu steigen.
Danach beginnt, wenn die Zeitsteuereinheit 3 das Schaltsteuersignal 31 zum Zeitpunkt t3A nach einem Verstreichen einer bestimmten Zeit auf den L-Pegel setzt, ein Strom von der Stromsteuereinheit zu den Leistungshalbleiterelementen 10A, 10B und 10C zu fließen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Umschalter der Umschaltschaltung 51 mit dem Anschluss posA verbunden, sodass die Stromerfassungseinheit 5 den durch das Leistungshalbleiterelement 10A fließenden Strom IA erfasst. Gleichzeitig erfasst die Spannungserfassungseinheit 6 die Spannung der Parallelschaltung der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C. Das heißt, gemäß dem Ausdruck (1) steigt die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung auf die Spannung V0, die der Widerstandskomponente des Leistungshalbleiterelements entspricht, und steigt dann gemäß der Elementkapazität C_die, dem Gate-Stromwert I_g und einer Erregungsperiode von t4A bis t3A auf die Spannung V1. Die Temperaturschätzeinheit 7 berechnet einen äquivalenten Widerstandswert des Leistungshalbleiterelements 10A aus dem Spannungswert und dem Stromwert in dieser Periode und schätzt die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10A aus einem Vergleich mit im Voraus erfassten Kalibrierungsdaten.
Wenn dann die Zeitsteuereinheit 3 das Schaltsteuersignal 31 auf den H-Pegel setzt, wird die Stromeinspeisung in das Leistungshalbleiterelement 10A angehalten und die Gate-Spannung des Leistungshalbleiterelements 10A kehrt zu der Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42 zurück.
Als Nächstes verbindet die Hauptsteuereinheit 41 den Umschalter der Umschaltschaltung 51 mit dem Anschluss posB. In 14 ist die Schaltzeit der Umschaltschaltung 51 die gleiche wie die Zeit, zu der das Treibereingangssignal 411 auf den H-Pegel geändert wird, es muss aber nicht notwendigerweise die gleiche Zeit sein. Es ist lediglich ausreichend, dass das Schalten der Umschaltschaltung 51 vor der Zeit erfolgen kann, zu der das Schaltsteuersignal 31 erneut auf den L-Pegel gesetzt wird.
Zum Zeitpunkt t3B setzt die Zeitsteuereinheit 3 das Schaltsteuersignal 31 wieder auf den L-Pegel in einem Zustand, in dem der Umschalter der Umschaltschaltung 51 mit dem Anschluss posB verbunden ist. Infolgedessen fließt der Strom von der Stromsteuereinheit 1 durch die Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C. Zu diesem Zeitpunkt erfasst die Stromerfassungseinheit 5 den Strom IB eines Pfads, der durch das Leistungshalbleiterelement 10B verläuft. Die Spannungserfassungseinheit 6 erfasst die Spannung der Parallelschaltung der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C. Das heißt, gemäß dem Ausdruck (1) steigt die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung auf die Spannung V0, die der Widerstandskomponente des Leistungshalbleiterelements entspricht, und steigt dann gemäß der Elementkapazität C_die, dem Gate-Stromwert I_g und einer Erregungsperiode von t4B bis t3B auf die Spannung V1. Die Temperaturschätzeinheit 7 berechnet einen äquivalenten Widerstandswert des Leistungshalbleiterelements 10B aus dem Spannungswert und dem Stromwert in dieser Periode und schätzt die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10B aus einem Vergleich mit im Voraus erfassten Kalibrierungsdaten.
Wenn dann die Zeitsteuereinheit 3 das Schaltsteuersignal 31 zum Zeitpunkt t4B auf den H-Pegel setzt, wird kein Strom von der Stromsteuereinheit 1 abgegeben, sodass die Gate-Spannung des Leistungshalbleiterelements zur Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42 zurückkehrt. Danach setzt die Hauptsteuereinheit 41 das Treibereingangssignal 411 zum Zeitpunkt t5B auf den L-Pegel, um jedes Leistungshalbleiterelement 10 auszuschalten.
Als Nächstes verbindet die Hauptsteuereinheit 41 den Umschalter der Umschaltschaltung 51 mit dem Anschluss posC. In 14 ist die Schaltzeit der Umschaltschaltung 51 die gleiche wie die Zeit, zu der das Treibereingangssignal 411 auf den H-Pegel geändert wird, es muss aber nicht notwendigerweise die gleiche Zeit sein. Es ist lediglich ausreichend, dass das Schalten der Umschaltschaltung 51 vor der Zeit erfolgen kann, zu der das Schaltsteuersignal 31 erneut auf den L-Pegel gesetzt wird.
Zum Zeitpunkt t3C setzt die Zeitsteuereinheit 3 das Schaltsteuersignal 31 wieder auf den L-Pegel in einem Zustand, in dem der Umschalter der Umschaltschaltung 51 mit dem Anschluss posC verbunden ist. Infolgedessen fließt der Strom von der Stromsteuereinheit 1 durch die Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C. Zu diesem Zeitpunkt erfasst die Stromerfassungseinheit 5 den Strom IB eines Pfads, der durch das Leistungshalbleiterelement 10C verläuft. Die Spannungserfassungseinheit 6 erfasst die Spannung der Parallelschaltung der Leistungshalbleiterelemente 10A, 10B und 10C. Das heißt, gemäß dem Ausdruck (1) steigt die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasste Spannung auf die Spannung V0, die der Widerstandskomponente des Leistungshalbleiterelements entspricht, und steigt dann gemäß der Elementkapazität C_die, dem Gate-Stromwert I_g und einer Erregungsperiode von t4C bis t3C auf die Spannung V1. Die Temperaturschätzeinheit 7 berechnet einen äquivalenten Widerstandswert des Leistungshalbleiterelements 10C aus dem Spannungswert und dem Stromwert in dieser Periode und schätzt die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10C aus einem Vergleich mit im Voraus erfassten Kalibrierungsdaten.
Wenn dann die Zeitsteuereinheit 3 das Schaltsteuersignal 31 zum Zeitpunkt t4C auf den H-Pegel setzt, wird kein Strom von der Stromsteuereinheit 1 abgegeben, sodass die Gate-Spannung des Leistungshalbleiterelements zur Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42 zurückkehrt. Danach setzt die Hauptsteuereinheit 41 das Treibereingangssignal 411 zum Zeitpunkt t5C auf den L-Pegel, um jedes Leistungshalbleiterelement 10 auszuschalten.
Wie vorstehend beschrieben, kann in dem Leistungsmodul 101 gemäß der vierten Ausführungsform die Temperatur der Vielzahl von Leistungshalbleiterelementen 10, die parallel geschaltet sind, einzeln erfasst werden, indem die Stromerfassungseinheit 5 über die Umschaltschaltung 51 mit jedem der Vielzahl von Leistungshalbleiterelementen 10 verbunden wird.
Fünfte Ausführungsform
Die fünfte Ausführungsform beschreibt das Verfahren zum Schätzen der Temperatur durch die Temperaturschätzeinheit 7 ausführlich. Abgesehen von der Temperaturschätzeinheit 7 ähneln die Konfigurationen denen, die in der ersten bis vierten Ausführungsform beschrieben sind, und somit wird deren Beschreibung nicht wiederholt. Obwohl nachfolgend die Temperaturmessung während der An-Periode des Leistungshalbleiterelements 10 beschrieben wird, gilt dasselbe für die Temperaturmessung während der Aus-Periode.
15 ist ein Diagramm, das auf eine substanziellere Weise die Wellenform der Stromabgabe von der Stromsteuereinheit 1 und die Wellenform der Erfassungsspannung veranschaulicht, die durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfasst wird, wenn das Schaltsteuersignal 31 auf dem L-Pegel liegt.
Unter Bezugnahme auf 15 fließt der von der Stromzufuhr 11 zum Stromsteuerschalter 12 in der Stromsteuereinheit 1 fließende Strom, wenn das Schaltsteuersignal 31 zum Zeitpunkt t3 auf dem L-Pegel liegt, zum Leistungshalbleiterelement 10. Zu diesem Zeitpunkt werden aufgrund der Verdrahtungsinduktivität und einer Änderung des Stroms von der Stromzufuhr 11 ein Stoßstrom und eine Stoßspannung erzeugt. Infolgedessen tritt in der Wellenform des Ausgangsstroms der Stromsteuereinheit 1 und der Wellenform der Erfassungsspannung der Stromerfassungseinheit 5 Schwingung auf. Ferner steigt abgesehen von den vorstehenden Faktoren die Wellenform der Erfassungsspannung der Stromerfassungseinheit 5 aufgrund des Einflusses von externem Rauschen und von der Stromzufuhr 11 erzeugtem Rauschen nicht notwendigerweise linear an.
Im vorstehenden Fall misst die Stromerfassungseinheit 5 die Spannung zum Zeitpunkt t31, zu dem der Stoßstrom und die Stoßspannung niedriger sind als zum Zeitpunkt t3. Wenn eine Zeitdifferenz Δt zwischen dem Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t31 gemessen wird, kann der äquivalente Widerstandswert des Leistungshalbleiterelements 10 aus den zum Zeitpunkt t31 erfassten Werten der Spannung und des Stroms berechnet werden. Liegt die Zeitdifferenz Δt zwischen dem Zeitpunkt t31 und dem Zeitpunkt t3 innerhalb eines bestimmten zulässigen Bereichs, so wird davon ausgegangen, dass der vorstehende Widerstandswert den Widerstand des Leistungshalbleiterelements 10 darstellt. Die zulässige Abweichung zwischen dem Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t31 kann derart gewählt werden, dass I_g · (t31 - t3)/C_die, d. h. ein aus dem Ausgangsstrom von der Stromsteuereinheit 1 und der Kapazität C_die des Leistungshalbleiterelements 10 berechneter Spannungswert, kleiner oder gleich der Erfassungsempfindlichkeit der Spannungserfassungseinheit 6 ist. Wie vorstehend beschrieben, kann die Temperatur des Leistungshalbleiterelements 10 anhand von Erfassungsdaten zu einem Zeitpunkt t31 geschätzt werden.
Wenn weiterhin die Genauigkeit der Temperaturmessung erforderlich ist, erfasst die Spannungserfassungseinheit 6 auch zum Zeitpunkt t32, unmittelbar bevor das Schaltsteuersignal 31 auf den H-Pegel zurückkehrt, die Spannung. Folglich kann die Steigung des durch die Spannungserfassungseinheit 6 erfassten Spannungsanstiegs aus der Potentialdifferenz ΔV = V1A - V0A der zu zwei Zeitpunkten, d. h. zum Zeitpunkt t31 und zum Zeitpunkt t32, erfassten Spannungen und der Zeitdifferenz Δt' = t32 - t31 berechnet werden. Durch Messung zum Zeitpunkt t3, zu dem der Stromsteuerschalter 12 auf den L-Pegel geändert wird, kann der Spannungswert V0 zum Zeitpunkt t3 zusammen mit der Information über die Steigung des Spannungsanstiegs berechnet werden. Ferner kann der Widerstandswert zu diesem Zeitpunkt aus dem Stromwert berechnet werden.
Obwohl vorstehend das Beispiel, in dem die Temperatur zu zwei oder weniger Zeitpunkten gemessen wird, beschrieben wurde, kann die Berechnungsgenauigkeit der Steigung verbessert werden, indem die Anzahl von Datenpunkten weiter erhöht wird. Im Allgemeinen wird die Steigung aus einer Vielzahl von Datenpunkten unter Verwendung einer Methode der kleinsten Quadrate oder dergleichen berechnet. Somit werden Rauschen von der Stromsteuereinheit 1 und Messfehler der Spannungserfassungseinheit 6 gemittelt. Wie vorstehend beschrieben, kann die Genauigkeit der Temperaturmessung durch die Verwendung von Zeitinformationen für die Berechnung verbessert werden.
Sechste Ausführungsform
Die sechste Ausführungsform beschreibt einen Temperaturschätzvorgang durch die Temperaturschätzeinheit 7, die ein Verfahren, das sich von dem der fünften Ausführungsform unterscheidet, verwendet. Abgesehen von der Temperaturschätzeinheit 7 ähneln die Konfigurationen denen, die in der ersten bis vierten Ausführungsform beschrieben sind, und somit wird deren Beschreibung nicht wiederholt. Obwohl nachfolgend die Temperaturmessung während der An-Periode des Leistungshalbleiterelements 10 beschrieben wird, gilt dasselbe für die Temperaturmessung während der Aus-Periode.
16 ist ein Zeitdiagramm zur Beschreibung der Arbeitsweise der Temperaturschätzeinheit in einem Leistungsmodul gemäß der sechsten Ausführungsform. 17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für Kapazitätskennlinien eines Leistungshalbleiterelements veranschaulicht.
Wie in 17 veranschaulicht, ändert sich die Kapazität C_die des Leistungshalbleiterelements gemäß der Gate-Source-Spannung V_gs und der Drain-Source-Spannung V_ds des Leistungshalbleiterelements. 16 veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Kapazitätskennlinie stark in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung V_gs innerhalb eines Bereichs der maximalen Spannungsschwankung V1 zum Zeitpunkt der Temperaturmessung schwankt, da die Stromversorgungsspannung Vcc der Treiberschaltung 42 niedrig ist.
Wenn die Abhängigkeit der Elementkapazität C_die des Leistungshalbleiterelements 10 von der Gate-Source-Spannung V_gs berücksichtigt wird, wird der vorstehende Ausdruck (1) als folgender Ausdruck (2) dargestellt. In dem folgenden Ausdruck (2) stellt C_die(V_gs) eine Funktion der Gate-Source-Spannung V_gs der Elementkapazität C_die dar.
[Ausdruck 2] $V_{I g} (t - t 3) = (R_{g} + R_{g i n t}) \cdot I_{g} + \frac{t - t 3}{C_{d i e} (V_{g s})} \cdot I_{g} |_{t \geq t 3}$
Um die Spannung V_Ig zum Zeitpunkt t gemäß vorstehendem Ausdruck (2) zu erhalten, ist es notwendig, die Elementkapazität C_die gemäß der Gate-Source-Spannung V_gs zu korrigieren. In Anbetracht dessen wird in der sechsten Ausführungsform die Kapazitätskennlinie, welche die Beziehung zwischen der Elementkapazität C_die des Leistungshalbleiterelements 10 und der Gate-Source-Spannung V_gs angibt, im Voraus erfasst und werden ihre Daten in einem Speicher der Hauptsteuereinheit 41 gespeichert.
Ferner erfasst die Spannungserfassungseinheit 6, wie in 16 dargestellt, vom Zeitpunkt t31 bis zum Zeitpunkt t32 kontinuierlich Spannungsdaten. Die Gate-Source-Spannung des Leistungshalbleiterelements 10 kann durch die Verwendung der Erfassungsdaten der Spannungserfassungseinheit 6 und des Werts der Stromversorgungsspannung Vcc oder der Massenspannung Vee berechnet werden. Eine Näherungsgerade V fit der Erfassungsspannung der Spannungserfassungseinheit 6, wenn die Elementkapazität C_die konstant ist, kann aus den im Voraus erfassten Kapazitätskenndaten, den Gate-Source-Spannungsdaten und den Messzeitinformationen berechnet werden. Die Näherungsgerade V_fit der Erfassungsspannung ist, da die Elementkapazität C_die konstant ist, linear. Daher kann die Spannung V0 zum Zeitpunkt t3 aus den Zeitinformationen zum Zeitpunkt t31 und zum Zeitpunkt t32 und den ungefähren Spannungen zu den Zeitpunkten t31 und t32 berechnet werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann die Genauigkeit der Temperaturmessung verbessert werden, indem die Kapazitätskenndaten, die die Beziehung zwischen der Elementkapazität C_die des Leistungshalbleiterelements 10 und der Gate-Source-Spannung V_gs angeben, im Voraus erfasst werden. Obwohl die Abhängigkeit bezüglich der Gate-Source-Spannung V_gs vorstehend beschrieben wurde, kann eine Korrektur auch auf ähnliche Weise bei der Drain-Source-Spannung V_ds erfolgen.
Siebte Ausführungsform
18 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Leistungsmodul gemäß der siebten Ausführungsform veranschaulicht. Die Halbleitervorrichtung 100 des Leistungsmoduls 101 in 18 unterscheidet sich von den Halbleitervorrichtungen der Leistungsmodule gemäß der ersten bis sechsten Ausführungsform dadurch, dass statt der Stromerfassungseinheit 5 ein Differenzspannungsmesser 52 bereitgestellt ist. Die anderen Konfigurationen in 18 sind die gleichen wie jene in 1A und dergleichen, und somit werden für gleiche oder einander entsprechende Teile in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen verwendet und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
Die Halbleitervorrichtung 100 des Leistungsmoduls 101 gemäß der siebten Ausführungsform erfasst die Spannung über dem Widerstandselement 8 durch den Differenzspannungsmesser 52 (zum Beispiel einen Instrumentenverstärker). Je nach Konfiguration der Treiberschaltung 42 kann zusätzlich zu dem Widerstandselement 8 in 18 ein zusätzlicher Gate-Widerstand bereitgestellt werden. Dadurch wird es möglich, bei der Herstellung eines Treibersubstrats einen Freiheitsgrad einer Substratverdrahtung zu verbessern.
Die Temperaturschätzeinheit 7 verwendet einen durch Subtrahieren des Erfassungswerts durch den Differenzspannungsmesser 52 von der Erfassungsspannung der Spannungserfassungseinheit 6 erhaltenen Wert als einen Spannungswert und berechnet einen Widerstandswert unter Verwendung des so erhaltenen Spannungswerts und eines auf dem Erfassungswert des Differenzspannungsmessers 52 basierenden Stromwerts. Auf diese Weise kann der Spannungsabfall aufgrund des Widerstandselements 8 beseitigt werden, sodass die Temperaturschätzungsgenauigkeit verbessert werden kann.
Achte Ausführungsform
In der achten Ausführungsform werden die Leistungsmodule 101 gemäß der ersten bis siebten vorstehend beschriebenen Ausführungsform bei einer Leistungsumwandlungsvorrichtung verwendet. Die achte Ausführungsform beschreibt einen Fall, in dem die vorliegende Offenbarung bei einem dreiphasigen Wechselrichter verwendet wird, obwohl die vorliegende Offenbarung nicht auf eine konkrete Leistungsumwandlungsvorrichtung beschränkt ist.
19 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungsumwandlungssystems veranschaulicht, bei dem die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform verwendet wird.
Das in 19 veranschaulichte Leistungsumwandlungssystem beinhaltet eine Stromversorgung 120, eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 110 und einen Verbraucher 130. Die Stromversorgung 120 ist eine Gleichstromversorgung und führt der Leistungsumwandlungsvorrichtung 110 Gleichstrom zu. Die Stromversorgung 120 kann beliebiger Art sein. Zum Beispiel kann die Stromversorgung 120 ein DC-System, eine Solarzelle und eine Speicherbatterie sein oder kann aus einer Gleichrichterschaltung oder einem AC/DC-Wandler, die bzw. der mit einem AC-System verbunden ist, bestehen. Alternativ kann die Stromversorgung 120 aus einem DC/DC-Wandler bestehen, der einen Gleichstromausgang von dem Gleichstromsystem in eine vorbestimmte Leistung umwandelt.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 110 ist ein dreiphasiger Wechselrichter, der zwischen die Stromversorgung 120 und den Verbraucher 130 geschaltet ist, den von der Stromversorgung 120 zugeführten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und dem Verbraucher 130 Wechselstrom zuführt. Wie in 19 veranschaulicht, beinhaltet die Leistungsumwandlungsvorrichtung 110 eine Hauptumwandlungsschaltung 111, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und den Wechselstrom abgibt, und eine Steuerschaltung 112, die ein Steuersignal zum Steuern der Hauptumwandlungsschaltung 111 an die Hauptumwandlungsschaltung 111 ausgibt.
Der Verbraucher 130 ist ein Dreiphasen-Elektromotor, der durch den Wechselstrom angetrieben wird, der von der Leistungsumwandlungsvorrichtung 110 zugeführt wird. Der Verbraucher 130 ist nicht auf eine konkrete Anwendung beschränkt, es handelt sich um einen Elektromotor, der an verschiedenen elektrischen Vorrichtungen angebracht ist, wie ein Elektromotor für ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Schienenfahrzeug, einen Aufzug oder eine Klimaanlage.
Nachfolgend wird die Leistungsumwandlungsvorrichtung 110 ausführlich beschrieben. Die Hauptumwandlungsschaltung 111 beinhaltet ein Schaltelement und eine Freilaufdiode (nicht veranschaulicht), wandelt von der Stromversorgung 120 zugeführten Gleichstrom durch Schalten des Schaltelements in Wechselstrom um und führt den Wechselstrom dem Verbraucher 130 zu. Obwohl es verschiedene konkrete Schaltungsstrukturen der Hauptumwandlungsschaltung 111 gibt, kann die Hauptumwandlungsschaltung 111 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine zweistufige dreiphasige Vollbrückenschaltung sein, die sechs Schaltelemente und sechs Freilaufdioden beinhaltet, die antiparallel zu den jeweiligen Schaltelementen sind. Mindestens eines der Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 111 ist das Leistungshalbleiterelement 10, das in dem Leistungsmodul 101 gemäß einer der vorstehend beschriebenen ersten bis siebten Ausführungsform beinhaltet ist. Die sechs Schaltelemente sind je zwei Schaltelemente in Reihe geschaltet, um einen oberen und einen unteren Arm zu bilden, und jeder von dem oberen und dem unteren Arm bildet jede Phase (U-Phase, V-Phase, W-Phase) der Vollbrückenschaltung. Die Ausgangsanschlüsse des oberen und des unteren Arms, d. h. drei Ausgangsanschlüsse der Hauptumwandlungsschaltung 111, sind mit dem Verbraucher 130 verbunden.
Da darüber hinaus, wie in der vorstehenden ersten bis siebten Ausführungsform beschrieben, die Halbleitervorrichtung 100 (nicht veranschaulicht), die jedes Schaltelement ansteuert, in das Leistungsmodul 101 integriert ist, beinhaltet die Hauptumwandlungsschaltung 111 die Halbleitervorrichtung 100. Die Halbleitervorrichtung 100 erzeugt ein Ansteuersignal zum Ansteuern der Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 111 und führt Steuerelektroden der Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 111 das Ansteuersignal zu. Insbesondere gibt die Ansteuerschaltung an die Steuerelektrode jedes Schaltelements ein Ansteuersignal zum Einschalten des Schaltelements und ein Ansteuersignal zum Ausschalten des Schaltelements gemäß einem Steuersignal von der später zu beschreibenden Steuerschaltung 112 aus. Wenn das Schaltelement in einem Zustand An gehalten wird, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal (An-Signal), das größer oder gleich einer Schwellenspannung des Schaltelements ist, und wenn das Schaltelement in einem Zustand Aus gehalten wird, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal (Aus-Signal), das kleiner oder gleich der Schwellenspannung des Schaltelements ist.
Die Steuerschaltung 112 steuert die Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 111, sodass dem Verbraucher 130 der gewünschte Strom zugeführt wird. Insbesondere berechnet die Steuerschaltung 112 anhand des dem Verbraucher 130 zuzuführenden Stroms eine Zeit (An-Zeit), während der jedes Schaltelement der Hauptumwandlungsschaltung 111 einzuschalten ist. Zum Beispiel kann die Steuerschaltung 112 die Hauptumwandlungsschaltung 111 durch PBM-Steuerung steuern, welche die An-Zeit des Schaltelements gemäß der auszugebenden Spannung moduliert. Dann gibt die Steuerschaltung 112 einen Steuerbefehl (Steuersignal) an die in der Hauptumwandlungsschaltung 111 beinhaltete Halbleitervorrichtung 100 aus, sodass zu jedem Zeitpunkt das An-Signal an das einzuschaltende Schaltelement ausgegeben wird und das Aus-Signal an das auszuschaltende Schaltelement ausgegeben wird. Die Halbleitervorrichtung 100 gibt gemäß dem Steuersignal das An-Signal oder das Aus-Signal als ein Ansteuersignal an die Steuerelektrode jedes Schaltelements aus.
In der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Leistungsmodul 101 gemäß einer der ersten bis siebten Ausführungsform als Leistungsmodul 101, das die Hauptumwandlungsschaltung 111 bildet, verwendet, wodurch die Zuverlässigkeit der Leistungsumwandlungsvorrichtung auf Grundlage des Temperaturmessergebnisses des Leistungshalbleiterelements verbessert werden kann.
Durch die vorliegende Ausführungsform wurde das Beispiel beschrieben, bei dem die vorliegende Offenbarung bei einem zweistufigen Dreiphasenwechselrichter verwendet wird. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann bei verschiedenen Leistungsumwandlungsvorrichtungen verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform wurde die zweistufige Leistungsumwandlungsvorrichtung beschrieben. Es kann aber auch eine drei- oder mehrstufige Leistungsumwandlungsvorrichtung verwendet werden, oder die vorliegende Offenbarung kann, wenn einem einphasigen Verbraucher Strom zugeführt wird, bei einem einphasigen Wechselrichter verwendet werden. In einem Fall, in dem einem Gleichstromverbraucher oder dergleichen Strom zugeführt wird, kann die vorliegende Offenbarung auch bei einem DC/DC-Wandler oder einem AC/DC-Wandler verwendet werden.
Darüber hinaus ist die Leistungsumwandlungsvorrichtung, bei der die vorliegende Offenbarung verwendet wird, nicht auf die vorstehend beschriebene beschränkt, die für einen als Verbraucher dienenden Elektromotor verwendet wird, und kann zum Beispiel als eine Stromversorgungsvorrichtung einer Funkenerodiermaschine, einer Laserstrahlmaschine, eines Induktionsheizkochers oder eines kontaktlosen Stromeinspeisesystems und als ein Leistungsverbesserer eines Solarstromerzeugungssystems, ein Stromspeichersystem oder dergleichen verwendet werden.
Die hier offenbarten Ausführungsformen und Modifikationen sind in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend zu betrachten. Der Umfang der vorliegenden Anmeldung ist nicht durch die vorstehende Beschreibung definiert, sondern durch die Ansprüche, und soll Bedeutungen beinhalten, die den Ansprüchen und allen Modifikationen innerhalb des Umfangs entsprechen.
BEZUGSZEICHENLISTE
1: Stromsteuereinheit, 2: Gate-Verdrahtungseinheit, 3: Zeitsteuereinheit, 4: Gate-Ansteuereinheit, 5: Stromerfassungseinheit, 6: Spannungserfassungseinheit, 7: Temperaturschätzeinheit, 8, 8A bis 8C: Widerstandselement (Gate-Widerstand), 10, 10A bis 10C: Leistungshalbleiterelement, 11: Stromzufuhr, 12: Stromsteuerschalter, 31: Schaltsteuersignal, 32: Steuerinformationen, 41: Hauptsteuereinheit, 42: Treiberschaltung, 42H: hochpotentialseitiger Schalter, 42L: niederpotentialseitiger Schalter, 43: Trennschalter, 51: Umschaltschaltung, 52: Differenzspannungsmesser, 90: Referenzpotentialknoten, 100: Halbleitervorrichtung, 101: Leistungsmodul, 110: Leistungsumwandlungsvorrichtung, 111: Hauptumwandlungsschaltung, 112: Steuerschaltung, 120: Stromversorgung 130: Verbraucher, 411: Treibereingangssignal, 412: Befehl
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2016012670 [0006, 0007]
JP 2020 [0007]
JP 72569 [0007]
JP 2020072569 [0007]

Claims

Halbleitervorrichtung, die ein Halbleiterelement ansteuert und steuert, wobei das Halbleiterelement einen positiven Elektrodenanschluss, einen negativen Elektrodenanschluss und einen Steueranschluss zum Aufnehmen einer zugeführten Ansteuerspannung zum Steuern eines zwischen dem positiven Elektrodenanschluss und dem negativen Elektrodenanschluss fließenden Stroms beinhaltet. die Halbleitervorrichtung, umfassend: eine Impulsstromzufuhr, die bereitgestellt wird, um einen gepulsten Strom zwischen dem Steueranschluss und dem negativen Elektrodenanschluss durchfließen zu lassen; eine Ansteuersteuerungseinheit, um dem Steueranschluss die Ansteuerspannung zuzuführen, um das Halbleiterelement in einen Zustand An und einen Zustand Aus zu schalten; eine Stromerfassungseinheit, um einen Strom zu erfassen, der aufgrund der Impulsstromzufuhr durch das Halbleiterelement fließt, eine Spannungserfassungseinheit, um eine Spannung zwischen dem Steueranschluss oder dem negativen Elektrodenanschluss und einem Referenzpotential zu erfassen; eine Temperaturschätzeinheit, um eine Temperatur des Halbleiterelements auf Grundlage von Erfassungswerten der Stromerfassungseinheit und der Spannungserfassungseinheit zu schätzen; und eine Zeitsteuereinheit, um eine Zeitsteuerung derart zu steuern, dass die Impulsstromzufuhr dazu veranlasst wird, einen Strom abzugeben, wobei die Zeitsteuereinheit die Impulsstromzufuhr dazu veranlasst, während einer An-Periode, nachdem das Halbleiterelement in den Zustand An gewechselt ist, oder während einer Aus-Periode, nachdem das Halbleiterelement in den Zustand Aus gewechselt ist, einen Strom abzugeben.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zeitsteuereinheit die Impulsstromzufuhr dazu veranlasst, eine Stromabgabe nach einer bestimmten Zeit, zu der das Halbleiterelement in den Zustand An gewechselt ist, oder nach einer bestimmten Zeit, zu der das Halbleiterelement in den Zustand Aus gewechselt ist, zu beginnen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitsteuereinheit die Impulsstromzufuhr dazu veranlasst, eine Stromabgabe zu beenden, wenn, nachdem sie die Impulsstromzufuhr dazu veranlasst hat, die Stromabgabe zu beginnen, eine Änderung der durch die Stromerfassungseinheit erfassten Spannung einen Schwellenwert überschreitet.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Halbleiterelement ein Widerstandselement zur Stromerfassung durch die Stromerfassungseinheit beinhaltet.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Impulsstromzufuhr zwischen den negativen Elektrodenanschluss und das Referenzpotential geschaltet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Impulsstromzufuhr zwischen den Steueranschluss und das Referenzpotential geschaltet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Halbleiterelement ein erstes Halbleiterelement ist, die Halbleitervorrichtung ferner ein zweites Halbleiterelement, das parallel zu dem ersten Halbleiterelement geschaltet ist, ansteuert und steuert und die Halbleitervorrichtung ferner eine Umschaltschaltung beinhaltet, um eine Verbindung zwischen Folgendem umzuschalten: der Stromerfassungseinheit; und dem ersten Halbleiterelement und dem zweiten Halbleiterelement.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stromerfassungseinheit einen Strom erfasst, der durch einen Draht fließt, der mit dem negativen Elektrodenanschluss verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stromerfassungseinheit einen Strom erfasst, der durch einen Draht fließt, der mit dem Steueranschluss verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Temperaturschätzeinheit die Erfassungswerte der Stromerfassungseinheit und der Spannungserfassungseinheit in einer Zeit, in der ein Strom von der Impulsstromzufuhr abgegeben wird, zu einer Vielzahl von Zeitpunkten erfasst.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Temperaturschätzeinheit einen Widerstandswert, der aus den Erfassungswerten der Stromerfassungseinheit und der Spannungserfassungseinheit berechnet wurde, auf folgender Grundlage korrigiert: einer verstrichenen Zeit von einem Beginn einer Stromabgabe von der Impulsstromzufuhr zu einem Erfassungszeitpunkt eines Stroms und einer Spannung, der oder die durch die Stromerfassungseinheit und die Spannungserfassungseinheit erfasst wurde; und eines Werts einer Eingangskapazität des Steueranschlusses des Halbleiterelements.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Stromerfassungseinheit Folgendes beinhaltet: ein Widerstandselement, dessen eines Ende mit dem Steueranschluss oder dem negativen Elektrodenanschluss verbunden ist; und einen Differenzspannungsmesser zum Erfassen einer in dem Widerstandselement erzeugten Spannung.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Temperaturschätzeinheit einen Widerstandswert aus Folgendem berechnet: einem Spannungswert, der durch Subtrahieren des Erfassungswerts des Differenzspannungsmessers von dem Erfassungswert der Spannungserfassungseinheit erhalten wird; und einem auf dem Erfassungswert des Differenzspannungsmessers basierenden Stromwert.
Leistungsumwandlungsvorrichtung, umfassend: die Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13; und ein Halbleiterelement.