JP2013258857A - 半導体モジュール及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサを設けることなく、安価で動作時にスイッチング素子温度を検出することが可能な半導体モジュールを提供する。
【解決手段】半導体モジュールである電力供給装置１００は、各スイッチング素子ＳＴのゲート−ソース電圧ＶGSを検出するゲート−ソース電圧検出回路９１と、検出タイミング信号をゲート−ソース電圧検出回路９１に出力するゲート−ドレイン電圧検出回路９２と、検出タイミング信号が入力されたとき、ゲート−ソース電圧検出回路９１にて検出されたゲート−ソース電圧ＶGSを保持するサンプルホールド回路９３と、保持されたゲート−ソース電圧ＶGSをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器９５と、Ａ／Ｄ変換されたゲート−ソース電圧ＶGSを、予め取得したスイッチング素子ＳＴのゲート−ソース電圧ＶGSと温度との相関関係を示すデータと照合して、スイッチング素子ＳＴの温度を推定する温度推定部８３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュール及びその制御方法に関する。

ＩＧＢＴやＦＷＤなどの半導体デバイスから構成されたスイッチング素子が搭載され、パワーモジュールと呼ばれる半導体モジュールでは、スイッチング素子が過熱されると、誤作動や故障が生じるおそれがある。よって、スイッチング素子温度を測定する必要がある。

そのため、ハイブリッド車両などに搭載され、インバータ装置などを含む電力供給装置などのパワーエレクトロニクス回路では、サーミスタやダイオードなどの温度センサをスイッチング素子の内部や周辺部に設けて温度を測定している。この方法は、温度測定が簡易であるので多用されている。

また、半導体デバイスに直接測定電流を与え、デバイスの温度特性曲線を参照して、半導体デバイス温度を推定することもある。この方法は、高精度の温度測定が可能であるので、主に評価試験で用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１１１４４６号公報

しかしながら、温度センサを設ける方法では、測定箇所毎に温度センサを設ける必要があるので、高コストとなる。さらに、この方法では、温度センサを埋込んで設ける場合、温度センサの不良によって、半導体モジュールの歩留まりが低下する要因になる。また、スイッチング素子−温度センサ間の温度抵抗により、測定精度が悪化する。

一方、半導体デバイスの温度特性曲線からの温度を推定する方法では、デバイス自体に測定電流を与えるので、デバイス動作時に温度検出が不可能であり、実際の製品に適用することができない。

本発明は、以上の点に鑑み、温度センサを設けることなく、安価で動作時にスイッチング素子温度を検出することが可能な半導体モジュール、及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体モジュールは、ゲート駆動回路からのゲート信号によって複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替えることにより、二次電池からの電流を回転電機に供給する半導体モジュールであって、前記各スイッチング素子のゲート−ソース電圧を検出するゲート−ソース電圧検出回路と、検出タイミング信号を前記ゲート−ソース電圧検出回路に出力するタイミング信号出力回路と、前記検出タイミング信号が入力されたとき、前記ゲート−ソース電圧検出回路にて検出されたゲート−ソース電圧を保持するサンプルホールド回路と、前記保持されたゲート−ソース電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換されたゲート−ソース電圧を、予め取得した前記スイッチング素子のゲート−ソース電圧と温度との相関関係を示すデータと照合して、前記スイッチング素子の温度を推定する温度推定部とを備えたことを特徴とする。

本発明の半導体モジュールの制御方法は、ゲート駆動回路からのゲート信号によって複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替えることにより、二次電池からの電流を回転電機に供給する半導体モジュールの制御方法であって、前記各スイッチング素子のゲート−ソース電圧を検出する工程と、検出タイミング信号を前記ゲート−ソース電圧検出回路に出力する工程と、前記検出タイミング信号が入力されたとき、前記検出されたゲート−ソース電圧を保持する工程と、前記保持されたゲート−ソース電圧をＡ／Ｄ変換する工程と、前記Ａ／Ｄ変換されたゲート−ソース電圧を、予め取得した前記スイッチング素子のゲート−ソース電圧と温度との相関関係を示すデータと照合して、前記スイッチング素子の温度を推定する工程とを備えたことを特徴とする。

これら本発明によれば、サーミスタやダイオードなどの温度センサを設けることなく、各スイッチング素子のゲート−ソース電圧検出するゲート−ソース電圧検出回路、各スイッチング素子のゲート−ドレイン電圧検出するゲート−ドレイン電圧検出回路、検出されたゲート−ソース電圧を保持するサンプルホールド回路などを追加するだけよい。よって、各スイッチング素子毎に温度センサを設ける場合に比べて、安価にスイッチング素子の温度を推定することができる。

そして、サンプルホールド回路を設けたことにより、従来利用されていなかったスイッチング素子の動特性を利用することが可能となる。これにより、スイッチング切換時におけるスイッチング素子の動特性の温度依存性を利用して、動作時のスイッチング素子温度を推定することが可能となる。

また、本発明の半導体モジュールの制御方法において、前記推定されたスイッチング素子の温度が、予め定められた閾温度を超えた場合、前記ゲート駆動回路からのゲート信号によって当該スイッチング素子をオフする工程をさらに備えることが好ましい。

この場合、スイッチング素子が閾温度を超えるほどに過熱されて故障することを確実に防止することが可能となる。

本発明の実施形態に係る半導体モジュールである電力供給装置の全体構成を示す回路図。 図１のＡ部分の詳細を示す回路図。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図２で示した回路図に流れる時間経過による電流Ｉの変化を説明する図。 ゲート−ソース電圧ＶGS、電流Ｉ及びドレイン−ソース電圧ＶDSの時間経過による変化を示すグラフ。 スイッチング素子のゲート−ソース電圧の温度特性を示すグラフ。

本発明の実施形態に係る半導体モジュールである電力供給装置１００について図面を参照して説明する。電力供給装置１００は、例えばハイブリッド車両、燃料電池車両、電動車両などの車両に搭載される。

図１に示すように、電力供給装置１００は、電動機（回転電機）１０と、原動機２０（回転電機）と、電動機１０を駆動制御する第１のインバータ回路３０と、原動機２０を駆動制御する第２のインバータ回路４０と、インバータ回路３０，４０の各スイッチング素子ＳＴをオン・オフ駆動するゲート駆動回路５０と、直流電源として機能するバッテリ（二次電池）６０と、バッテリ６０からの供給電力の電圧の昇降圧を行うコンバータ回路７０と、ゲート駆動回路５０及びコンバータ回路７０などの動作制御を行うＥＣＵ（制御部）８０と備えている。

電動機１０及び原動機２０は、共に３相回転電機、例えばブラシレスＤＣモータである。

インバータ回路３０，４０は、コンバータ回路７０からの供給電力の直流・交流変換を行って、それぞれ電動機１０、原動機２０に三相交流電力を供給する。

インバータ回路３０，４０は、それぞれＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolarmode Transistor）などの半導体デバイスとダイオードとからなる複数のスイッチング素子ＳＴをブリッジ接続してなるブリッジ回路から構成されている。

それぞれのインバータ回路３０，４０は、各２段に配置された半導体デバイスＵ１〜Ｕ２，Ｖ１〜Ｖ２，Ｗ１〜Ｗ２により２つの直列回路が構成されると共に、３つの直列回路が並列に接続されたトリプルブリッジインバータ回路である。

各半導体デバイスＵ１，Ｖ１，Ｗ１のコレクタは高電位側電源に、各半導体デバイスＵ２，Ｖ２，Ｗ２のエミッタは低電位側電源にそれぞれ接続されている。各半導体デバイスＵ１，Ｖ１，Ｗ１のエミッタは、各半導体デバイスＵ２，Ｖ２，Ｗ２のコレクタに接続されている。そして、各半導体デバイスＵ１，Ｕ２，Ｖ１、Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるようにしてダイオードＤＵ１，ＤＵ２，ＤＶ１，ＤＶ２，ＤＷ１，ＤＷ２がそれぞれ接続されている。

ここで、半導体デバイスＵ１，Ｕ２はＵ相に、半導体デバイスＶ１，Ｖ２はＶ相に、半導体デバイスＷ１，Ｗ２はＷ相にそれぞれ対応しており、各相の半導体デバイスの中間接続点に電動機１０又は原動機２０の端子がそれぞれ接続されている。なお、第１のインバータ回路３０は、平滑コンデンサ３１を備えている。

このようにして、Ｕ相のスイッチング素子ＳＴＵ１，ＳＴＵ２は、半導体デバイスＵ１，Ｕ２とダイオードＤＵ１，ＤＵ２とから、Ｖ相のスイッチング素子ＳＴＶ１，ＳＴＶ２は、半導体デバイスＶ１，Ｖ２とダイオードＤＶ１，ＤＶ２とから、Ｗ相のスイッチング素子ＳＴＷ１，ＳＴＷ２は、半導体デバイスＷ１，Ｗ２とダイオードＤＷ１，ＤＷ２とからそれぞれ構成されている。

ゲート駆動回路５０は、ＥＣＵ８０から入力されるゲート信号に応じて、各半導体デバイスＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２をオン・オフ駆動するパルス、つまり各半導体デバイスＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２のコレクタ−エミッタ間の導通（オン）と遮断（オフ）を制御するパルスを、各半導体デバイスＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２のゲートに入力する。

バッテリ６０は、例えば、直列に接続されたリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などの二次電池である。

コンバータ回路７０は、入力電圧の昇降圧を行うチョッパ回路を構成する高電位側半導体デバイスＨと、チョッパ回路を構成すると共に、高電位側半導体デバイスＨに直列に接続された低電位側半導体デバイスＬとを備えている。

さらに、高電位側半導体デバイスＨのコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるように、フリーホイールダイオードとしてダイオードＤＨが接続され、低電位側半導体デバイスＬのコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるように、フリーホイールダイオードとしてダイオードＤＬが接続されている。また、コンバータ回路７０は、リアクトルであるコイル７１を備えている。

ＥＣＵ８０は、電動機１０及び原動機２０に対して回転直交座標をなすｄｑ座標上で電流のフィードバック制御を行う。ＥＣＵ８０は、ゲート駆動回路５０の制御を行うインバータ制御部８１、コンバータ回路７０の動作制御を行うコンバータ制御部８２などを備えている。

インバータ制御部８１は、例えば電動機１０の駆動時に、正弦波状の各相出力電圧と三角波等のキャリア信号とに基づくパルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）により、第１のインバータ回路３０の各スイッチング素子ＳＴをオン・オフ駆動させる各パルスからなるゲート信号（パルス幅変調信号）を生成して、ゲート駆動回路５０に出力する。

このように、ＥＣＵ８０は、インバータ回路３０，４０の各半導体デバイスのオン・オフ状態を切り替えることによって、バッテリ６０から供給される直流電力を３相交流電力に変換し、３相の電動機１０又は原動機２０の固定子巻線への通電を順次転流させることで、各相の固定子巻線に交流の電流を通電する。

以上のように構成された電力供給装置１００において、スイッチング素子ＳＴＵ１，ＳＴＵ２，ＳＴＶ１，ＳＴＶ２，ＳＴＷ１，ＳＴＷ２（こららを合わせてスイッチング素子ＳＴという）の動作時の温度を推定する方法について説明する。この方法は、スイッチング素子ＳＴを構成する半導体デバイスの動特性、具体的にはゲート（ベース）−ソース（エミッタ）間の電圧閾値Ｖthの温度依存性を利用して、スイッチング素子温度を推定するものである。

図２に示すように、電力供給装置１００は、各スイッチング素子ＳＴに対して、スイッチング素子ＳＴを構成する半導体デバイスのゲート−ソース電圧ＶGSを検出するゲート−ソース電圧検出回路９１、同半導体デバイスのゲート−ドレイン電圧ＶGDを検出するゲート−ドレイン電圧検出回路９２、スイッチング素子ＳＴを構成するダイオードを流れる電流Ｉを検出する電流センサ９３を備えている。

さらに、電力供給装置１００は、サンプルホールド回路９４及びＡ／Ｄ変換器９５を備えている。

サンプルホールド回路９４は、ゲート−ドレイン電圧検出回路９２又は電流センサ９３からホールド信号を受けたとき、ゲート−ソース電圧検出回路９１が検出した半導体デバイスのゲート−ソース電圧ＶGSをホールドする。

Ａ／Ｄ変換器９５は、サンプルホールド回路９４がホールドしたゲート−ドレイン電圧ＶGD (th)をＡ／Ｄ変換する。

そして、ＥＣＵ８０は、温度推定部８３を備えている。温度推定部８３は、Ａ／Ｄ変換器９５でＡ／Ｄ変換されたゲート−ドレイン電圧ＶGD(th)からスイッチング素子ＳＴの温度を推定する。

以下、図１に破線で囲んだ、ＩＧＢＴである半導体デバイスＵ２を含むスイッチング素子ＳＴＵ２の温度を推定する場合を例に挙げて説明する。

半導体デバイスＵ１がオフ、半導体デバイスＵ２がオンであるとき、図３（ａ）に矢印で示すように電流が流れている。よって、図４に示すように、ゲート−ソース電圧検出回路９１が検出する半導体デバイスＵ２のゲート−ソース電圧ＶGSは０であり、ゲート−ドレイン電圧検出回路９２が検出する半導体デバイスＵ２のドレイン−ソース電圧ＶDSはＶDS(0)である。そして、ダイオードＤＵ２は順バイアス状態であるので、電流センサ９３が検出する電流Ｉは負の値となる。

その後、時刻ｔ１に、半導体デバイスＵ１をオンに、且つ半導体デバイスＵ２をオフに同時にスイッチングすると、図３（ｂ）に矢印で示すように電流が逆流し始める。よって、図４に示すように、ゲート−ソース電圧検出回路９１が検出する半導体デバイスＵ２のゲート−ソース電圧ＶGSが立ち上がる。

そして、時刻ｔ１の直後の時刻ｔthに、ゲート−ドレイン電圧検出回路９２が検出する半導体デバイスＵ２のドレイン−ソース電圧ＶDSが降下して、電流センサ９３が検出する電流Ｉが０に近付く。このとき、即ち、ゲート−ドレイン電圧検出回路９２が半導体デバイスＵ２のドレイン−ソース電圧ＶDSが降下を検出したとき、又は、電流センサ９３が電流Ｉの上昇を検出したとき、ゲート−ドレイン電圧検出回路９２又は電流センサ９３がタイミング信号をサンプルホールド回路９４に出力する。ゲート−ドレイン電圧検出回路９２又は電流センサ９３が、本発明のタイミング信号出力回路に相当する。

そして、タイミング信号が入力されたサンプルホールド回路９４は、ゲート−ソース電圧検出回路９１にホールド信号を送り、ゲート−ソース電圧検出回路９１が検出した半導体デバイスＵ２のゲート−ソース電圧ＶGSを閾電圧ＶGS(th)としてホールドする。

その後、電流Ｉが時刻ｔ２まで直線的に上昇するが、さらに、その後の時刻ｔ３までダイオードＤＵ２の逆回復特性である期間中は、図３（ｃ）に矢印で示すように転流が発生して、ダイオードＤＵ２に逆電流が流れる。この逆電流はエネルギ損失に変換されて、図４に示すように、半導体デバイスＵ２のゲート−ソース電圧ＶGSはゲート電圧ＶGGまで上昇して、時刻ｔ４で定常化する。また、半導体デバイスＵ２のゲート−ドレイン電圧ＶGDは飽和電圧ＶGD(sat)まで低下する。

図５のグラフに示したように、ゲート−ソース閾電圧ＶGS(th)とスイッチング素子温度とには相関関係がある。

温度推定部８３は、Ａ／Ｄ変換器９５でＡ／Ｄ変換された半導体デバイスＵ２のゲート−ドレイン閾電圧ＶGD(th)を、予め取得したゲート−ソース閾電圧ＶGS(th)に対応したスイッチング素子温度との相関関係と照合して、スイッチング素子温度を推定する。

温度推定部８３は、図示しないＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム及び各種設定値のデータ等を記憶したＲＯＭ８４、ＣＰＵが処理するプログラムやデータを一時的に記憶する図示しないＲＡＭ等を備え、ＣＰＵがプログラムを実行することによってスイッチング素子温度を求める。

例えば、図４のグラフに示すような温度特性をゲート−ソース閾電圧ＶGS(th)に応じたスイッチング素子温度が格納されたテーブルがＲＯＭ８４に記憶させておく。そして、温度推定部８３は、Ａ／Ｄ変換器９５でＡ／Ｄ変換された半導体デバイスＵ２のゲート−ドレイン閾電圧ＶGD (th)に対応するスイッチング素子温度をテーブルから読み出し、この読み出した温度をスイッチング素子温度と推定する。

あるいは、図４のグラフに示すような温度特性を多項式等で近似した曲線式をプログラムに入れておく。そして、温度推定部８３は、Ａ／Ｄ変換された半導体デバイスＵ２のゲート−ドレイン閾電圧ＶGD (th)を曲線式に当てはめて、スイッチング素子温度を推定してもよい。

そして、推定されたスイッチング素子ＳＴＵ２の温度が、予め定められた閾温度を超えた場合、ゲート駆動回路５０からのゲート信号によって当該スイッチング素子ＳＴＵ２をオフする。これにより、スイッチング素子ＳＴＵ２が閾温度を超えるほどに過熱されて、故障することを確実に防止することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る電力供給装置１００によれば、サーミスタやダイオードなどの温度センサを設けることなく、ゲート−ソース電圧検出回路９１、ゲート−ドレイン電圧検出回路９２、サンプルホールド回路９４などを追加するだけで、スイッチング素子ＳＴの温度を推定することができる。

そして、サンプルホールド回路９４を設けたことにより、従来利用されていなかったスイッチング素子ＳＴの動特性を利用することが可能となった。これにより、スイッチング切換時におけるスイッチング素子ＳＴの動特性の温度依存性を利用して、動作時のスイッチング素子温度を推定することが可能となった。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、スイッチング素子ＳＴを構成する半導体デバイスがＩＧＢＴである場合について説明したがこれに限定されない。例えば、スイッチング素子ＳＴを構成する半導体デバイスはトランジスタであってもよい。この場合、ゲート−ソース電圧ＶGSの代わりにベース−エミッタ電圧ＶBE、ゲート−ドレイン電圧ＶGDの代わりにベース−コレクタ電圧ＶBCをそれぞれ検出すればよい。

１０…電動機（回転電機）、 ２０…原動機（回転電機）、 ３０…第１のインバータ回路、 ４０…第２のインバータ回路、 ５０…ゲート駆動回路、 ６０…バッテリ（二次電池）、 ７０…コンバータ回路、 ８０…ＥＣＵ（制御部）、 ８１…インバータ制御部、 ８２…コンバータ制御部、 ８３…温度推定部、 ８４…ＲＯＭ、 ９１…ゲート−ソース電圧検出回路、 ９２…ゲート−ドレイン電圧検出回路（タイミング信号出力回路）、 ９３…電流センサ（タイミング信号出力回路）、 ９４…サンプルホールド回路、 ９５…Ａ／Ｄ変換器、 １００…電力供給装置、 Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２…半導体デバイス、 ＤＵ１，ＤＵ２，ＤＶ１，ＤＶ２，ＤＷ１，ＤＷ２、ＤＨ、ＤＬ…ダイオード、 Ｈ…高電位側半導体デバイス、 Ｌ…低電位側半導体デバイス、 ＳＴ，ＳＴＵ１，ＳＴＵ２，ＳＴＶ１，ＳＴＶ２，ＳＴＷ１，ＳＴＷ２…スイッチング素子。

Claims (3)

1. ゲート駆動回路からのゲート信号によって複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替えることにより、二次電池からの電流を回転電機に供給する半導体モジュールであって、
   前記各スイッチング素子のゲート−ソース電圧を検出するゲート−ソース電圧検出回路と、
   検出タイミング信号を前記ゲート−ソース電圧検出回路に出力するタイミング信号出力回路と、
   前記検出タイミング信号が入力されたとき、前記ゲート−ソース電圧検出回路にて検出されたゲート−ソース電圧を保持するサンプルホールド回路と、
   前記保持されたゲート−ソース電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換されたゲート−ソース電圧を、予め取得した前記スイッチング素子のゲート−ソース電圧と温度との相関関係を示すデータと照合して、前記スイッチング素子の温度を推定する温度推定部とを備えたことを特徴とする半導体モジュール。
2. ゲート駆動回路からのゲート信号によって複数のスイッチング素子のオン・オフを切り替えることにより、二次電池からの電流を回転電機に供給する半導体モジュールの制御方法であって、
   前記各スイッチング素子のゲート−ソース電圧を検出する工程と、
   検出タイミング信号を前記ゲート−ソース電圧検出回路に出力する工程と、
   前記検出タイミング信号が入力されたとき、前記検出されたゲート−ソース電圧を保持する工程と、
   前記保持されたゲート−ソース電圧をＡ／Ｄ変換する工程と、
   前記Ａ／Ｄ変換されたゲート−ソース電圧を、予め取得した前記スイッチング素子のゲート−ソース電圧と温度との相関関係を示すデータと照合して、前記スイッチング素子の温度を推定する工程とを備えたことを特徴とする半導体モジュールの制御方法。
3. 前記推定されたスイッチング素子の温度が、予め定められた閾温度を超えた場合、前記ゲート駆動回路からのゲート信号によって当該スイッチング素子をオフする工程をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュールの制御方法。
   

Images