JP2013201827A

JP2013201827A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2013201827A
Application number: JP2012068368A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Hirose; 敏広瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-10-03
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: JP5900082B2

Abstract

【課題】本発明は、半導体装置に係り、簡易な構成で電力損失を改善させることにある。
【解決手段】同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど小さくなる第１の動作電圧領域と、同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど大きくなる第２の動作電圧領域と、を有する半導体素子を備える半導体装置は、上記第２の動作電圧領域での電圧動作時に、上記第１の動作電圧領域での電圧動作時に比べて、上記半導体素子を高温動作させる、例えば、半導体素子を冷却する冷却器による冷却量を小さくする動作制御手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に係り、特に、同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど小さくなる第１の動作電圧領域と、同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど大きくなる第２の動作電圧領域と、を有する半導体素子を備える半導体装置に関する。

従来、電力損失を低減させた半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この半導体装置は、電源と負荷との間に並列接続されるバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）及びユニポーラ型トランジスタ（ＭＯＳ）を備えている。この半導体装置においては、負荷状態に応じて駆動素子が選択され、バイポーラ型トランジスタ及びユニポーラ型トランジスタのうち飽和電圧が低い方のトランジスタが駆動素子として用いられるので、電力損失の低減を図ることができる。

特開２０１０−２７９１９３号公報

しかし、上記した特許文献１記載の装置では、電力損失の低減を図るうえで、並列接続される種類の異なるバイポーラ型トランジスタとユニポーラ型トランジスタとを用意することが必要であるので、部品点数が多く回路規模が大きくなり、その結果として、コスト的メリットを見出すことが極めて困難である。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で電力損失を改善させることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど小さくなる第１の動作電圧領域と、同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど大きくなる第２の動作電圧領域と、を有する半導体素子を備える半導体装置であって、前記第２の動作電圧領域での電圧動作時に、前記第１の動作電圧領域での電圧動作時に比べて、前記半導体素子を高温動作させる動作制御手段を備える半導体装置により達成される。

本発明によれば、簡易な構成で電力損失を改善させることができる。

本発明の一実施例である半導体装置の構成図である。本実施例の半導体装置が備える半導体素子の順方向電圧と順電流との関係についての温度特性を表した図である。本実施例の半導体装置において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。本発明の変形例である半導体装置において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。本変形例の半導体装置において温度と損失との関係を表した図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る半導体装置の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施例である半導体装置１０の構成図を示す。

本実施例の半導体装置１０は、ハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車などの車両に搭載される車載パワーコントロールユニット１２に用いられるものである。本実施例において、車両は、図１に示す如く、エンジン１４と、２つのモータ・ジェネレータ（ＭＧ）１６，１８と、減速機２０と、を用いて、タイヤ２２が駆動されると共に、タイヤ２２の減速時に回生が行われる車両である。すなわち、タイヤ２２は、燃料供給に伴うエンジン１４の回転トルクと車載バッテリ２４からの電力供給に伴うＭＧ１６，１８の回転トルクとで回転駆動されると共に、タイヤ減速時の回生トルクは、ＭＧ１６，１８の発電により電気エネルギに変換されて車載バッテリ２４を充電する。

車載パワーコントロールユニット１２は、車載バッテリ２４と、昇圧コンバータ２６と、２つのインバータ２８，３０と、を備えている。車載バッテリ２４は、例えば２４４ボルト程度の直流電圧を出力する充放電可能な二次バッテリである。昇圧コンバータ２６は、車載バッテリ２４の出力直流電圧を最大、所定の直流電圧（例えば６５０ボルト）まで昇圧すると共に、また、ＭＧ１６，１８による発電により得られた直流電圧を車載バッテリ２４を充電可能な直流電圧まで降圧するコンバータである。

インバータ２８は、ＭＧ１６を制御する駆動回路であり、車載バッテリ２４とＭＧ１６との間において電圧を直流から交流へ変換しかつ交流から直流へ変換する電力変換機である。また、インバータ３０は、ＭＧ１８を制御する駆動回路であり、車載バッテリ２４とＭＧ１８との間において電圧を直流から交流へ変換しかつ交流から直流へ変換する電力変換機である。

上記の構成において、エンジン１４は、燃料供給によりタイヤ２２を回転させる回転トルクを発生する。また、車載パワーコントロールユニット１２は、タイヤ２２を回転駆動させる際、昇圧コンバータ２６及びインバータ２８，３０を駆動させることで車載バッテリ２４の出力直流電圧を昇圧させてＭＧ１６，１８へ電力供給を行う。この場合、ＭＧ１６，１８は、かかる電力供給によりタイヤ２２を回転させる回転トルクを発生する。エンジン１４及び／又はＭＧ１６，１８に回転トルクが発生すると、タイヤ２２が回転駆動される。

また、車載パワーコントロールユニット１２は、タイヤ２２の減速時、昇圧コンバータ２６及びインバータ２８，３０を駆動させることでＭＧ１６，１８を発電させてタイヤ２２の回転トルクを電気エネルギに変換しかつ降圧させる。この場合には、タイヤ２２の回転トルクを変換した電気エネルギが降圧変換されて車載バッテリ２４に供給されることで、車載バッテリ２４の充電が行われる。

本実施例において、半導体装置１０は、バイポーラ型の半導体素子４０を備えている。半導体素子４０は、昇圧コンバータ２６を構成するパワー半導体又はインバータ２８，３０を構成するパワー半導体であって、半導体スイッチング素子４２と半導体ダイオード４４とからなる。半導体スイッチング素子４２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。また、半導体ダイオード４４は、ＰＩＮダイオードなどである。

図２は、本実施例の半導体装置１０が備える半導体素子４０の順方向電圧と順電流との関係（例えば、半導体スイッチング素子４２のゲート−エミッタ間電圧を一定とした場合におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥとコレクタ電流ＩＣとの関係、すなわち、半導体スイッチング素子４２のオン電圧特性）についての温度特性を表した図を示す。

半導体素子４０は、順方向電圧と順電流との間に図２に示す如き関係を有している。半導体素子４０は、この順方向電圧と順電流との関係に関し、同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど小さくなる第１の動作電圧領域と、同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど大きくなる第２の動作電圧領域と、を有し、温度特性が逆特性に切り替わるポイント（以下、適宜、クロスポイントと称す。）を有している。第１の動作電圧領域は、第２の動作電圧領域に対して高電圧側及び高電流側に設定されている。

例えば、ＩＧＢＴである半導体スイッチング素子４２において、第１の動作電圧領域は、同じコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅに対して流れるコレクタ電流Ｉｃが温度が高いほど小さくなるものであり、また、第２の動作電圧領域は、同じコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅに対して流れるコレクタ電流Ｉｃが温度が高いほど大きくなるものである。尚、上記した半導体素子４０は、熱的安定性の確保のため、第１の動作電圧領域で動作されることが一般的である。

車載パワーコントロールユニット１２は、また、冷却器５０を備えている。冷却器５０は、昇圧コンバータ２６及びインバータ２８，３０の近傍（特に、半導体スイッチング素子４２の近傍）に配置されており、昇圧コンバータ２６及びインバータ２８，３０を冷却する水冷式の冷却機器である。尚、冷却器５０は、空冷式のものであってもよい。昇圧コンバータ２６及びインバータ２８，３０の発した熱は、冷却器５０において媒体（水）に伝達される。

冷却器５０には、冷却通路５２を介してウォータポンプ５４及びラジエータ５６が接続されている。ウォータポンプ５４は、冷却器５０とラジエータ５６との間で冷却通路５２を介して媒体（水）を循環させる電動ポンプである。ウォータポンプ５４には、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）６０が接続されている。ＥＣＵ６０は、昇圧コンバータ２６及びインバータ２８，３０の作動時にウォータポンプ５４を作動させて媒体（水）を循環させる。冷却器５０において熱が伝達された媒体（水）は、ウォータポンプ５４の作動により冷却通路５２を流通してラジエータ５６に送られる。ラジエータ５６は、媒体（水）に伝達された熱を放熱する。

ＥＣＵ６０には、また、半導体素子４０の温度を検出するための温度センサ６２が接続されている。温度センサ６２は、半導体素子４０の温度に応じた信号を出力する。ＥＣＵ６０は、温度センサ６２の出力信号に基づいて半導体素子４０の温度を検出する。

図３は、本実施例の半導体装置１０においてＥＣＵ６０が実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。

本実施例において、ＥＣＵ６０には、車両において低負荷運転動作が要求されているか否かを示す情報が供給される。この情報は、車両運転者によるエコモード運転のスイッチオン動作の有無や，車両が出力アップされず低負荷運転を継続しているか否か、或いは、ナビゲーションシステムとの協調で車両の低負荷運転が予想されるか否かを示す情報などである。また、「低負荷運転動作」とは、半導体装置１０の半導体素子４０が、熱的余裕のある上記のクロスポイント未満の領域すなわち第２の動作電圧領域で動作すること、例えば、半導体スイッチング素子４２が比較的低いコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅと比較的低いコレクタ電流Ｉｃとでオン動作することである。

ＥＣＵ６０は、車両において低負荷運転動作が要求されているか否かを判別する（ステップ１００）。車両において低負荷運転動作が実行されている場合、半導体装置１０の半導体素子４０は、同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど大きくなる第２の動作電圧領域で動作する。ＥＣＵ６０は、上記の判別の結果、低負荷運転動作が要求されていない場合は、昇圧コンバータ２６及びインバータ２８，３０の作動時にウォータポンプ５４を通常どおりの出力が生じるように作動させて冷却器５０を所望の冷却性能が発揮されるように作動させる（ステップ１０２）。この場合は、半導体装置１０の昇圧コンバータ２６及びインバータ２８，３０の各半導体素子４０は、所望の状態に冷却されることとなる。

一方、ＥＣＵ６０は、上記の判別の結果、低負荷運転動作が要求されている場合は、昇圧コンバータ２６及びインバータ２８，３０の作動時にウォータポンプ５４の出力を通常の出力よりも低下させることで、冷却器５０の冷却性能を所望の冷却性能よりも低下させる（ステップ１０４）。尚、この場合におけるウォータポンプ５４の出力の通常時からの低下度合い又は冷却器５０の冷却性能の通常時からの低下度合いは、予め定められたものであってよく、例えば、ウォータポンプ５４の作動停止又は冷却器５０の冷却停止などであってよい。

この場合、すなわち、冷却器５０の冷却性能が低下される場合は、各半導体素子４０が冷却器５０により冷却され難くなるので、それらの各半導体素子４０が所望の冷却による温度よりも高温状態になる。半導体素子４０が第２の動作電圧領域において高温状態になると、低温状態の場合に比べて、その半導体素子４０において同じ動作電圧に対して流れる動作電流が大きくなり、その半導体素子４０のオン時に電流が流れ易くなる。

従って、本実施例によれば、低負荷運転動作時に高負荷運転動作時に比べて冷却器５０の冷却性能を下げて半導体素子４０を高温で動作させることで、半導体素子４０の定常損を低減することができる。このため、低負荷運転動作時に、電力損失を低減することができ、昇圧コンバータ２６及びインバータ２８，３０の作動効率を向上させることができ、その結果として、車両の燃費損失を改善することが可能である。特に、昇圧コンバータ２６の上アームの半導体素子４０は、車載バッテリ２４とＭＧ１６，１８との間の電力経路上にあるので、多大な電力損失が発生するおそれがあるが、上記の構成によれば、その電力損失を低減させることができるので、電力損失低減を効果的に行うことが可能である。

また、上記の構成においては、低負荷運転動作時に電力損失を低減するうえで、ウォータポンプ５４の出力が通常の出力よりも低下される。このため、本実施例によれば、低負荷運転動作時にウォータポンプ５４で消費される電力自体を低減することができ、そのウォータポンプ５４での補機損失を低減することができるので、電力損失低減効果を向上させることが可能である。

また、上記した構成においては、低負荷運転動作時に電力損失を低減するうえで、並列接続される種類の異なる複数の半導体素子を用意することは不要であるので、部品点数を最小限とし回路規模を小さくすることができ、低コスト化を図ることが可能である。このように、本実施例の半導体装置１０によれば、簡易な構成で電力損失を改善させることが可能である。

更に、本実施例において、ＥＣＵ６０は、上記ステップ１０４において冷却器５０の冷却性能を低下させた以後、半導体素子４０の温度が規格超過に至っているか否かを判別する（ステップ１０６）。尚、この規格は、半導体素子４０が正常に動作する範囲として予め定められている上限の温度のことである。ＥＣＵ６０は、上記の判別の結果、半導体素子４０の温度が規格超過に至っていない場合は、上記ステップ１００以降の処理を繰り返し実行する。

一方、ＥＣＵ６０は、上記ステップ１０６において半導体素子４０の温度が規格超過に至っていると判別した場合は、以後、半導体素子４０が正常に動作しなくなる可能性があるので、次に上記ステップ１０２の処理を実行する。すなわち、ウォータポンプ５４の出力低下を解除して冷却器５０の冷却性能の低下を解除することで、昇圧コンバータ２６及びインバータ２８，３０の作動時にウォータポンプ５４を通常どおりの出力が生じるように作動させて冷却器５０を所望の冷却性能が発揮されるように作動させる。

かかる冷却器５０の冷却性能が所望のものに戻れば、半導体素子４０の冷却が通常どおりに行われ、半導体素子４０の正常動作が確保されることとなる。従って、本実施例によれば、冷却器５０の冷却性能を強制的に下げて半導体素子４０の温度上昇を促すことでできるだけ電力損失を改善させつつ、その半導体素子４０が温度上昇に伴って正常動作が確保されなくなる事態を回避することができる。

尚、上記の実施例においては、ＥＣＵ６０が図３に示すルーチン中ステップ１００〜１０６の処理を実行することが特許請求の範囲に記載した「動作制御手段」に、ＥＣＵ６０が温度センサ６２の出力信号に基づいて半導体素子４０の温度を検出することが特許請求の範囲に記載した「温度検出手段」に、それぞれ相当している。

ところで、上記の実施例においては、低負荷運転動作時に全体的な電力損失を低減するうえで、ウォータポンプ５４の出力を低下させ或いは冷却器５０の冷却性能を低下させることとしているが、そのウォータポンプ５４の出力の通常時からの低下度合い或いは冷却器５０の冷却性能の通常時からの低下度合いを、半導体素子４０が最適な温度に調整されるように設定することとしてもよい。

半導体素子４０は、第２の動作電圧領域では高温状態の方が低温状態に比べて定常損が低減する一方で、スイッチング損失が増加する傾向にあるため、半導体素子４０を温度上昇させて定常損を下げたとしても、全体として電力損失の低減を図ることができないおそれがある。そこで、半導体素子４０の温度と損失との特性関係を規定したマップを予め用意したうえで、半導体素子４０の定常損とスイッチング損との双方を考慮して、ウォータポンプ５４の出力の通常時からの低下度合い或いは冷却器５０の冷却性能の通常時からの低下度合いを適切に設定することとしてもよい。かかる変形例によれば、低負荷運転動作時に全体的な電力損失効果が最も発揮されるように半導体素子４０の温度が最適温度に調整されるので、全体的な電力損失を低減することが可能となる。

また、低負荷運転動作時にウォータポンプ５４の出力を所定出力に低下させ或いは冷却器５０の冷却性能を所定冷却性能に低下させたうえで、その出力低下或いは冷却性能低下を、全体的な電力損失低減効果が得られる時点まで継続し、その電力損失低減効果が得られなくなった場合に解除することとしてもよい。

すなわち、かかる変形例において、ＥＣＵ６０は、まず、図３に示すルーチンに代えて図４に示すルーチンを実行することとし、昇圧コンバータ２６やインバータ２８，３０の動作状態（例えば、温度や電圧，電流、キャリア）と、定常損、補機損、及びスイッチング損の各損失及び全体的な損失との関係を規定したマップを予め用意することとするのがよい。

そして、ＥＣＵ６０は、ステップ１０４において冷却器５０の冷却性能を低下させた後、昇圧コンバータ２６やインバータ２８，３０の動作状態（例えば、温度や電圧，電流、キャリア）をモニタし（ステップ２００）、そのモニタした動作状態に基づいて、半導体素子４０を動作させるうえで生じる電力損失の低減効果が得られるか否かを判別する（ステップ２０２）。そして、その電力損失低減効果が得られると判別した場合は次にステップ１０６において半導体素子４０の温度が規格超過に至ったか否かを判別し、一方、その電力損失低減効果が得られないと判別した場合は次にステップ１０２において冷却器５０の冷却性能を通常どおりの所望のものに戻す。

尚、上記ステップ２００におけるモニタ及び上記ステップ２０２における判別は、ステップ１０６において半導体素子４０の温度が規格超過に至ったか否かを判別する前に行われるものとしたが、ステップ１０６において半導体素子４０の温度が規格超過に至っていないと判別された場合に行われるものとしてもよい。

かかる変形例によれば、図５に示す如き温度−損失特性に従って、半導体素子４０の温度を電力損失が最大限低減される最適な温度に調整することができるので、定常損と補機損とスイッチング損とを考慮した全体的な電力損失を低減することが可能となる。尚、ＥＣＵ６０が図４に示すルーチン中ステップ２０２の処理を実行することが特許請求の範囲に記載した「損失低減効果判別手段」に相当している。

また、上記の実施例においては、ウォータポンプ５４を用いて媒体を冷却通路５２内で循環させて昇圧コンバータ２６やインバータ２８，３０の熱をラジエータ５６で放熱することで、昇圧コンバータ２６やインバータ２８，３０を冷却することとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、空冷ファンを用いて昇圧コンバータ２６やインバータ２８，３０を冷却することとしてもよい。

また、上記の実施例においては、低負荷運転動作時にウォータポンプ５４の出力を低下させて冷却器５０による冷却量を小さくすることで、半導体素子４０を高温動作させることとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、低負荷運転動作時に、半導体素子４０を加熱する加熱装置を用いて半導体素子４０を加熱することですなわち半導体素子４０の加熱量を大きくすることで、半導体素子４０を高温動作させることとしてもよい。更に、この場合は、冷却器５０による冷却量を小さくしつつ同時に半導体素子４０を加熱する加熱量を大きくすることとしてもよい。

また、上記の実施例は、半導体素子４０として、ＩＧＢＴである半導体スイッチング素子４２、及び、半導体ＰＩＮダイオードなどの半導体ダイオード４４を用いた例であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、上記の如く、少なくとも、同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど小さくなる第１の動作電圧領域と、同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど大きくなる第２の動作電圧領域と、を有する半導体素子であれば十分である。

更に、上記の実施例においては、半導体装置１０が車両に搭載されるものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、車両以外のものに適用することは可能である。

１０半導体装置
２６昇圧コンバータ
２８，３０インバータ
４０半導体素子
４２半導体スイッチング素子
４４半導体ダイオード
５０冷却器
５４ウォータポンプ
６０電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６２温度センサ

Claims

同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど小さくなる第１の動作電圧領域と、同じ動作電圧に対して流れる動作電流が温度が高いほど大きくなる第２の動作電圧領域と、を有する半導体素子を備える半導体装置であって、
前記第２の動作電圧領域での電圧動作時に、前記第１の動作電圧領域での電圧動作時に比べて、前記半導体素子を高温動作させる動作制御手段を備えることを特徴とする半導体装置。
前記動作制御手段は、前記第２の動作電圧領域での電圧動作時に、前記第１の動作電圧領域での電圧動作時に比べて、前記半導体素子を冷却する冷却器による冷却量を小さくすることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記動作制御手段は、前記第２の動作電圧領域での電圧動作時に、前記第１の動作電圧領域での電圧動作時に比べて、前記半導体素子を加熱する加熱器による加熱量を大きくすることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
前記半導体素子の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記動作制御手段は、前記半導体素子を高温動作させた後、前記温度検出手段により検出される前記半導体素子の温度が規格超過に至った場合に、該半導体素子の高温動作を解除することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の半導体装置。
前記動作制御手段により前記半導体素子が高温動作された後、該半導体素子を動作させるうえで生じる電力損失の低減効果があるか否かを判別する損失低減効果判別手段を備え、
前記動作制御手段は、前記半導体素子を高温動作させた後、前記損失の損失低減効果が無いと判別される場合に、該半導体素子の高温動作を解除することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の半導体装置。
前記半導体素子は、昇圧コンバータに用いられる素子であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の半導体装置。