JP2014228500A - 温度測定装置、温度測定方法および半導体モジュール - Google Patents

温度測定装置、温度測定方法および半導体モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、測温素子に流れる電流が変化しても正確な温度測定が可能な温度測定装置の提供を目的とする。【解決手段】温度測定装置100は、駆動電流IFを出力する測温素子駆動部8と、駆動電流IFによって駆動される測温素子と、測温素子駆動部8と測温素子との温度差を検出温度差として検出する温度差測定器16とを備え、駆動電流IFは、測温素子駆動部8の温度上昇に伴って減少するように設定され、かつ測温素子の出力電圧は、測温素子の温度上昇に伴って減少するように設定されるか、もしくは、駆動電流IFは、測温素子駆動部8の温度上昇に伴って増大するように設定され、かつ測温素子の出力電圧は、測温素子の温度上昇に伴って増大するように設定される。【選択図】図1

Description

本発明は温度測定装置および温度測定装置を用いた温度測定方法に関し、例えば、半導体モジュールの温度を測定する温度測定装置に関する。
パワー半導体チップを搭載した半導体モジュールにおいて、パワー半導体チップを保護するために、パワー半導体チップの温度を測定して管理する必要がある。パワー半導体チップの温度を測定するために、温度測定装置がパワー半導体モジュール内に配置される。
従来の温度測定装置は、定電流回路と、測温素子であるダイオードを備え、定電流回路によりダイオードを駆動する。ダイオードの両端に発生する電圧に基づき、ダイオードの電圧−温度特性を参照して温度を求める。
例えば、特許文献1では、ダイオードに流す電流を電流複製回路により複製して参照抵抗に流し、ダイオードの両端に発生する電圧と、参照抵抗による電圧とを比較することでダイオードの温度を求めている。
特開昭58−127134号公報
従来の温度測定装置は、定電流回路が生成する電流は温度によらず一定値であるとの前提のもとに温度を測定していた。ところが、実際には定電流回路自体の温度が変化すると定電流回路の出力する電流値も変化する。よって、温度測定装置により測定した温度と、実際の温度にずれが生じる問題があった。
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、測温素子に流れる電流が変化しても正確な温度測定が可能な温度測定装置の提供を目的とする。
本発明に係る温度測定装置は、駆動電流を出力する測温素子駆動部と、駆動電流によって駆動される測温素子と、を備え、測温素子駆動部と測温素子との温度差を検出温度差として検出する温度差測定器をさらに備えるか、もしくは、測温素子駆動部は参照抵抗と、当該参照抵抗に流れる電流が複製された電流が流れる測温抵抗とを備える。
本発明に係る温度測定装置によれば、測温素子駆動部と測温素子との温度差を検出温度差として検出する温度差測定器を備える場合、駆動電流は、測温素子駆動部の温度上昇に伴って減少するように設定され、かつ測温素子の出力電圧は、測温素子の温度上昇に伴って減少するように設定されるか、もしくは、駆動電流は、測温素子駆動部の温度上昇に伴って増大するように設定され、かつ測温素子の出力電圧は、測温素子の温度上昇に伴って増大するように設定されていれば、所定の計算を行うことにより、出力電圧と検出温度差から、測温素子の正確な温度を求めることが可能である。
また、本発明に係る温度測定装置によれば、測温素子駆動部が参照抵抗と、当該参照抵抗に流れる電流が複製された電流が流れる測温抵抗とを備える場合、駆動電流は、参照抵抗に流れる電流が複製された電流であり、測温抵抗の抵抗値は、参照抵抗の抵抗値よりも温度依存性が大きければ、駆動電流が温度により変化する場合であっても、精度良く温度を測定することが可能である。
実施の形態1における温度測定装置の構成を示す図である。 実施の形態1における参照抵抗に流れる電流の温度依存性を示す図である。 実施の形態1における出力電圧VFの温度依存性を示す図である。 実施の形態2における温度測定方法に使用する相互マトリクスを示す図である。 実施の形態3における温度測定装置の構成を示す図である。 実施の形態3における測温抵抗の抵抗値の温度依存性を示す図である。 実施の形態3における測温抵抗の両端電圧の温度依存性を示す図である。
<実施の形態1>
<構成>
図1に、本実施の形態における温度測定装置100の構成を示す。温度測定装置100は、測温素子駆動部8と、測温部9と、温度差測定器16とから構成される。温度測定装置100は、例えば、パワーモジュール内部のパワー半導体チップの温度を測定するために用いられる。測温素子駆動部8は、パワーモジュールの制御基板上に配置される。また、測温部9は、パワー半導体チップが配置されるパワー基板上に配置される。制御基板はパワーモジュールの上部に設置されていて、一般にパワーモジュールの下部にあるパワー基板よりも温度が低い。例えばパワー基板の温度が150℃前後の時、制御基板は100℃前後となる。
測温素子駆動部8は、電流複製回路8Aと電流制御回路8Bとを備える。電流複製回路8Aは例えばカレントミラー回路であり、電流供給源5からの電流I6と、電流I6を複製した駆動電流IFを出力する。
電流制御回路8Bは、電流I6に温度依存性を与える回路である。電流制御回路8Bは、温度依存性を有する参照抵抗R7、定電圧源1に直列接続された分圧抵抗R2,R3を備える。分圧抵抗R2,R3は定電圧源1の電圧を分圧して基準電圧を発生させる。電流制御回路8Bは、さらに電圧比較器4とトランジスタを備える。電圧比較器4は、参照抵抗R7により発生する電圧と基準電圧との差を増幅してトランジスタのゲートに入力する。トランジスタのドレインは電流複製回路8Aの電流I6の出力に接続され、ソースは参照抵抗R7に接続される。
測温部9は、測温素子としての測温ダイオード10、直列接続された分圧抵抗R12,R13を備える。測温ダイオード10には、電流複製回路8Aから出力される駆動電流IFが流れる。抵抗R12,R13は、定電圧源11を分圧して基準電圧を発生させる。測温部9は、電圧比較器14をさらに備える。電圧比較器14は、測温ダイオード10による電圧と基準電圧との差を増幅して出力電圧VFを出力する。
温度差測定器16は熱電対であり、測温素子駆動部8と測温部9の温度差を検出する。より具体的には、図1に示す様に、基準抵抗R7と測温ダイオード10との温度差、即ち制御基板とパワー基板の温度差を検出する。
<動作>
定電圧源1の電圧を分圧抵抗R2,R3で分圧した電圧を基準電圧とし、参照抵抗7に生じる電圧が基準電圧と一致するように電流供給源5からの電流I6を電圧比較器4によって制御する。これにより電流I6は参照抵抗7の抵抗値に依存した一定の電流となる。
電流I6は電流複製回路8Aによって複製され、複製された駆動電流IFは、測温素子である測温ダイオード10に流れる。駆動電流IFによって測温ダイオード10に発生した電圧は、電圧比較器14によって、定電圧源11の電圧を分圧抵抗R12,R13で分圧した電圧と比較され、その比較結果によって出力電圧VFが発生する。
温度差測定器16は、参照抵抗7の温度と測温ダイオード10の温度の差を検出する。この温度差を検出温度差として定義する。
本実施の形態では、参照抵抗R7の抵抗値は温度の上昇とともに大きくなる温度依存性を有する。つまり、参照抵抗R7の温度が上昇に伴って、電流I6は減少する。よって、参照抵抗R7に流れる電流I6の温度依存性は図2の様に表される。なお、駆動電流IFは電流I6を複製した電流であるため、駆動電流IFの温度依存性も図2の様に表される。
また、測温ダイオード10の抵抗値は、温度の上昇とともに小さくなる温度依存性を有する。つまり、測温ダイオード10の両端に発生する電圧は測温ダイオード10の温度上昇とともに小さくなる。測温ダイオード10の両端に発生する電圧が小さくなると、出力電圧VFも小さくなる。
即ち、本実施の形態では、図3に示すように、一定の駆動電流IFの元での出力電圧VFは、温度上昇とともに減少する。また、駆動電流IFが減少すると、出力電圧VFも減少する。本実施の形態では、駆動電流IFおよび出力電圧VFのどちらも、温度の上昇に伴って減少するように設定してある。
<温度測定方法>
温度測定装置100を使用した温度測定方法について説明する。図2に、測温素子駆動部8により発生する駆動電流IFの温度依存性を示す。図3に、一定の駆動電流IFの元での出力電圧VFの温度依存性を示す。温度測定装置100の出力電圧をVF、温度差測定器16が検出する温度差を検出温度差とする。
最初に、参照抵抗7の温度を任意の温度に仮定する。これを第1温度とする。次に、図2を参照して、第1温度において参照抵抗R7を流れる電流I6を求める。駆動電流IFは電流I6を複製した電流であるため、駆動電流IFが求まる。
次に、図3を参照して、求めた駆動電流IFの元での出力電圧VFの温度依存性から、得られた出力電圧VFにおける測温ダイオード10の温度を求める。これを第2温度とする。そして、第2温度から第1温度を差し引いて温度差を計算する。この温度差を仮定温度差として定義する。
仮定温度差が検出温度差よりも大きい場合、第1温度をより大きく仮定して第2温度を求めなおし、再び仮定温度差を計算する。一方、仮定温度差が検出温度差よりも小さい場合、第1温度をより小さく仮定して第2温度を求めなおし、再び仮定温度差を計算する。この工程を繰り返すことにより、仮定温度差の値は徐々に検出温度差に近づいていく。仮定温度差が検出温度差に一致したときの第1温度、第2温度が、それぞれ測温素子駆動部8と測温ダイオード10の正確な温度である。
以下で、上述の手順により測温素子駆動部8と測温ダイオード10の正確な温度が求められる理由を説明する。本実施の形態における温度測定装置100の構成では、参照抵抗R7の温度の仮定値(第1温度)をより高く変更すると、参照抵抗7の抵抗値はより大きいと仮定されるため、その結果として電流I6および駆動電流IFの仮定値は小さくなる(図2)。
一方、図3に示すように、一定の駆動電流IFの元での測温ダイオード10の出力は温度の上昇ととともに小さくなるようにしてあるから、所定の出力電圧を生じるのに必要な測温ダイオード10の温度は、駆動電流IFの減少に伴って小さくなる。よって、参照抵抗R7の第1温度を高くすると、測温ダイオード10の第2温度は、より低くなる。よって、参照抵抗R7の温度が測温ダイオード10の温度より低い場合、仮定温度差は必ず縮小する。逆に、参照抵抗R7の第1温度を低く仮定すると、測温ダイオード10の第2温度は高くなるため、仮定温度差は必ず拡大する。
以上より、仮定温度差と検出温度差とが一致しない場合、仮定温度差が検出温度差よりも大きい場合は、参照抵抗R7の第1温度をより高く仮定しなおす。一方、仮定温度差が検出温度差よりも小さい場合は、参照抵抗R7の第1温度をより低く仮定しなおす。この工程を繰り返すことにより、必ず仮定温度差を検出温度差に一致させることができる。すなわち、測温素子駆動部8の温度と測温ダイオード10の温度を正確に求めることができる。
以下で、数値的実例を挙げて説明する。図3に示すように、駆動電流IFが減少すると、同じ温度であっても出力電圧VFが低下する。つまり、駆動電流IFが温度によらず一定であると仮定する従来の技術では、温度が上昇したものと誤解される。例えば、図3に従えば、測温ダイオード10の温度が150℃のとき、駆動電流IFが100μAであれば出力電圧VFは1.6Vである。もしも制御基板温度の変動により駆動電流IFが95μAに減少すると、パワー基板の温度が実際には150℃のまま変わらなくても、その出力電圧VFは1.5Vに減少する。駆動電流IFが100μAで変わらないと仮定する従来の技術では、温度が155℃程度に上昇したものと間違えて、不正確な温度を得ることになる。
例えば、最初に参照抵抗R7の第1温度を100℃と仮定して、測温ダイオード10の温度(第2温度)を求める。図2を参照すると、参照抵抗R7の温度(制御基板の温度)が100℃のときの電流I6(即ち駆動電流IF)は100μAである。このとき、出力電圧VFが1.6Vであるとすると、図3を参照して、測温ダイオード10の温度、即ちパワー基板の温度は150℃となる。ここで、温度差測定器16が検出した検出温度差が50℃であったなら、仮定温度差と検出温度差の値は一致するため、第1温度および第2温度は正しい。
次に、仮定温度差が50℃で、検出温度差が40℃であった場合について考える。この場合、仮定温度差を縮小させる必要がある。つまり、第1温度をより大きく仮定し直す(即ち、駆動電流IFをより小さく仮定し直す)必要がある。例えば駆動電流IFを95μAと仮定し直すと、第1温度(即ち制御基板の温度)は、図2に従えば105℃となる。また、図3より、駆動電流IFが95μAのときに1.6Vの出力電圧VFが得られる測温ダイオード10の第2温度(即ちパワー基板の温度)は、145℃である。よって、仮定温度差は40℃となり、検出温度差と一致する。1回の仮定値変更で仮定温度差と検出温度差が一致しない場合は、仮定温度差を縮小させる必要があるか拡大させる必要があるかに従って繰り返し反復計算を行えば必ず仮定温度差を検出温度差に一致させることができる。
次に、仮定温度差が50℃で、検出温度差が60℃であった場合について考える。この場合、仮定温度差を大きくする必要がある。つまり、第1温度をより小さく仮定し直す(即ち、駆動電流IFをより大きく仮定しなおす)必要がある。例えば駆動電流IFを105μAと仮定し直すと、第1温度(即ち制御基板の温度)は、図2に従えば95℃となる。また、図3より、駆動電流IFが105μAのときに1.6Vの出力電圧VFが得られる測温ダイオード10の第2温度(即ちパワー基板の温度)は、155℃である。よって、仮定温度差は60℃となり、検出温度差と一致する。
本実施の形態における温度測定装置100では、駆動電流IFおよび出力電圧VFが温度上昇に伴って減少するように設計されているため、仮定温度差と検出温度差とを必ず一致させて、測温素子駆動部8(参照抵抗R7)および測温部9(測温ダイオード10)の正確な温度を求めることができる。
本実施の形態における温度測定装置100では、温度の上昇とともに出力電圧VFが小さくなるように設計されているため、一定の出力電圧VFが得られている状況下で駆動電流IFをより小さく仮定し直すと、計算される測温ダイオード10の温度(第2温度)はより低くなる。例えば1.6Vの出力電圧VFが得られているとき、駆動電流IFを100μAと仮定すると、図3に従えば測温ダイオード10の温度(第2温度)は150℃と求められる。駆動電流IFを95μAと低く仮定し直すと、図3に従えば測温ダイオード10の温度(第2温度)は145℃に低下する。
また、本実施の形態における温度測定装置100では、温度の上昇とともに駆動電流IFが小さくなるように設計されているため、駆動電流IFを小さく仮定し直すということは参照抵抗R7の第1温度(即ち、制御基板の温度)を高く仮定し直すということと同義である。
前述したように、温度測定装置100を半導体モジュール内に配置する場合、参照抵抗R7の温度は測温ダイオード10の温度よりも低くなるため、駆動電流IFを小さく仮定し直すと、参照抵抗R7の第1温度(即ち制御基板の温度)は上がり、測温ダイオード10の第2温度(即ちパワー基板の温度)は下がるため、両者の温度差(即ち仮定温度差)は必ず縮小する。逆も同様で、駆動電流IFを大きく仮定し直すと、参照抵抗R7の第1温度は下がり、測温ダイオード10の第2温度は上がるため、仮定温度差は必ず拡大する。
上述のように、駆動電流IF(または第1温度)を仮定し直すことで、必ず仮定温度差を拡大または縮小させることができ、仮定温度差を検出温度差に一致させることが可能である。
また、駆動電流IFおよび出力電圧VFが温度上昇に伴って増大するように設計されている場合は、駆動電流IFを大きく仮定し直すと、参照抵抗R7の第1温度(即ち制御基板の温度)は上がり、測温ダイオードの第2温度(即ちパワー基板の温度)は下がるため、両者の温度差(即ち仮定温度差)は必ず縮小する。逆も同様で、駆動電流IFを小さく仮定し直すと、参照抵抗R7の第1温度は下がり、測温ダイオード10の第2温度は上がるため、仮定温度差は必ず拡大するので、同様に一致させることが可能である。
なお、例えば、温度上昇に伴って、駆動電流IFが増大し、出力電圧VFが低下する、などのように、駆動電流IFの温度依存性の方向と出力電圧VFの温度依存性の方向が異なる場合は、駆動電流IF(または第1温度)を仮定し直しても仮定温度差が変化せず検出温度差に一致し得ない場合がある。この場合、正しい温度を求めることができない。
<効果>
本実施の形態における温度測定装置100は、駆動電流IFを出力する測温素子駆動部8と、駆動電流IFによって駆動される測温素子(即ち測温ダイオード10)と、を備え、測温素子駆動部8と測温素子との温度差を検出温度差として検出する温度差測定器16をさらに備える。
従って、駆動電流IFは、測温素子駆動部8の温度上昇に伴って減少するように設定され、かつ測温素子の出力電圧は、測温素子の温度上昇に伴って減少するように設定されるか、もしくは、駆動電流IFは、測温素子駆動部8の温度上昇に伴って増大するように設定され、かつ測温素子の出力電圧は、測温素子の温度上昇に伴って増大するように設定されていれば、所定の計算を行うことにより、出力電圧VFと検出温度差から、測温素子の正確な温度を求めることが可能である。
また、本実施の形態における温度測定装置100は、駆動電流IFを出力する測温素子駆動部8と、駆動電流IFによって駆動される測温素子(即ち測温ダイオード10)と、測温素子駆動部8と測温素子との温度差を検出温度差として検出する温度差測定器16と、を備え、駆動電流IFは、測温素子駆動部8の温度上昇に伴って減少するように設定され、かつ測温素子の出力電圧は、測温素子の温度上昇に伴って減少するように設定されるか、もしくは、駆動電流IFは、測温素子駆動部8の温度上昇に伴って増大するように設定され、かつ測温素子の出力電圧は、測温素子の温度上昇に伴って増大するように設定されることを特徴とする。
従って、駆動電流IFおよび出力電圧(即ち温度測定装置100の出力電圧VF)は、それぞれ、測温素子駆動部8と測温ダイオード10の温度上昇に伴って減少し、かつ、測温素子の出力電圧は駆動電流IFの減少にともなって減少するように設定されているため、所定の計算を行うことにより、出力電圧VFと検出温度差から、測温素子の正確な温度を求めることが可能である。
また、本実施の形態における温度測定装置100を用いた温度測定方法は、測温素子駆動部8の温度を第1温度として仮定するステップ(a)と、測温素子駆動部8の駆動電流−温度特性から、第1温度に対する駆動電流IFを求めるステップ(b)と、ステップ(b)で求めた第1温度に対する駆動電流の元での測温素子(即ち測温ダイオード10)の出力電圧−温度特性から、測温素子の出力電圧に対する温度を第2温度として求めるステップ(c)と、第2温度から第1温度を差し引いた仮定温度差を求めるステップ(d)と、仮定温度差と検出温度差との大小関係に応じて、第1温度を仮定しなおすステップ(e)と、を備え、ステップ(a)〜(e)を、仮定温度差と検出温度差とが一致するまで繰り返すことを特徴とする。
従って、仮定温度差と検出温度差が一致するまで第1温度(即ち測温素子駆動部8の温度)を、仮定温度差と検出温度差との大小関係に応じて仮定し直すことにより、必ず仮定温度差と検出温度差を一致させて、正確な測温素子駆動部8の温度と測温素子(即ち測温ダイオード10)の温度を得ることが可能である。
また、本実施の形態における半導体モジュールは、温度測定装置100と、半導体チップと、を備えることを特徴とする。
従って、半導体モジュール内に温度差がある場合であっても、温度測定装置100を用いて、温度差による駆動電流IFの変化の影響を受けずに温度測定が可能なため、半導体チップの温度を精度良く測定することが可能である。
<実施の形態2>
本実施の形態における温度測定装置は、実施の形態1における温度測定装置100(図1)と同じため、説明を省略する。実施の形態1においては、仮定温度差と検出温度差とを繰り返し比べることによって、正確な温度を求めた。
一方、本実施の形態では、第1温度、第2温度および検出温度のあらゆる組み合わせについて得られる測温ダイオード10の温度を予め計算し、例えば図4に示す相互マトリクスを予め用意しておく。なお、第2温度は、出力電圧VFと第1温度により決まる。図4は、第1温度(測温素子駆動部の仮定の温度)を100℃に固定し、第2温度と検出温度差とを変化させた場合に得られる測温ダイオード10の正確な温度である。
検出温度差が40℃、出力電圧VFが1.6Vであった場合について説明する。まず、第1温度を、例えば100℃に設定する。次に、図2を参照して測温素子駆動部8の温度が100℃のときの駆動電流IFを求める。この場合、100μAと求まる。次に、図3を参照して、駆動電流IFが100μAの元での出力電圧VF=1.6Vに対する測温ダイオード10の温度を求める。この場合、150℃と求まる。
よって、図4において、測温ダイオード10の温度が150℃で検出温度差が40℃の欄を参照することで、測温ダイオード10の正確な温度は145℃であることがわかる。
なお、相互マトリクスの細かさは必要に応じて調整できる。また、例えば図4において、第2温度、検出温度差の値が相互マトリクスの行又は列の中間にある場合は、相互マトリクスを補間することにより、検出温度を求めればよい。
<効果>
本実施の形態にける温度測定装置を用いた温度測定方法において、温度測定装置は、相互マトリクスをさらに備え、相互マトリクスには、第1温度、前記第2温度および検出温度差のあらゆる組み合わせに対して、実施の形態1におけるステップ(a)〜(e)を仮定温度差と検出温度差とが一致するまで繰り返して得た測温素子の温度が記載されており、第1温度、前記第2温度および検出温度差に基づいて相互マトリクスを参照して、測温素子の温度を求めるステップ(f)をさらに備える。
従って、繰り返し計算が収束した後の値を予め相互マトリクスとして用意しておくことにより、測定の都度繰り返し計算をすることなく、即座に正確な測温素子(即ち測温ダイオード10)の温度を求めることが可能である。よって、繰り返し計算を行うための回路が不要であり、より低コストの温度測定装置を実現できる。
<実施の形態3>
<構成>
図5に、本実施の形態における温度測定装置200の構成を示す。温度測定装置200は、測温素子駆動部18と、測温素子としての測温ダイオード24とから構成される。温度測定装置200は、実施の形態1における温度測定装置100と同様に、例えば、パワーモジュール内部のパワー半導体チップの温度を測定するために用いられる。
測温素子駆動部18は、電流複製回路18A、参照抵抗R22および測温抵抗R20を備える。電流複製回路18Aは例えばカレントミラー回路であり、参照抵抗R22に電流供給源17からの電流I21を流す。また、電流複製回路18Aは、電流I21を複製した電流I19と駆動電流IFとを、測温抵抗R20と測温ダイオード24にそれぞれ流す。
<動作>
測温抵抗R20の抵抗値の温度依存性は、参照抵抗R22の抵抗値の温度依存性よりも大きい。測温抵抗R20の抵抗値の温度依存性は、例えば図6により表される。測温抵抗R20は例えばサーミスタであり、非常に大きい温度依存性を有する。つまり、測温抵抗R20の温度依存性の曲線は大きく傾いている。図6から、測温抵抗R20の温度が1℃変化しただけでその抵抗値は3パーセント変化することがわかる。抵抗値が3パーセント変化するということは、電流I19を一定とすると、測温抵抗R20の両端に発生する電圧が3パーセント変化することを意味する(図7)。
例えば、温度を一定として、測温抵抗R20に流れる電流I19が1パーセント変化したと仮定すると、測温抵抗R20の両端の電圧は1パーセント変化する。これは、およそ0.3℃の温度変化と同等の電圧変化である。一方、温度が例えば5℃変化したと仮定すると、測温抵抗R20の両端の電圧は、およそ15パーセント(3パーセント×5)変化する。つまり、測温抵抗R20の両端の電圧は、温度変化と電流I19の変化の両方の影響を受けるが、主として温度変化の影響を受けることがわかる。
よって、測温抵抗R20の両端電圧の温度依存性に対する、電流I19の変化の影響は小さいと考えられる。以上から、図7に示すように、電流I19の変化を無視して、電流I19は標準の値(例えば100μA)で一定であると仮定して、1本の曲線のみで測温抵抗R20の両端電圧の温度依存性を表しても誤差は小さい。
また、参照抵抗R22を流れる電流I21(即ち駆動電流IF)の、制御基板の温度(即ち、測温抵抗R20および参照抵抗R22の温度)依存性は、理想的にはゼロであるが、非常に小さい。例えば1℃温度が変化すると、0.1パーセント電流が変化する関係であるとする。つまり、参照抵抗R22の抵抗値の温度依存性は、測温抵抗R20の抵抗値の温度依存性よりも小さく設定される。参照抵抗R22の電流−温度依存性は予めわかっているとする。
また、測温ダイオード24(即ちパワー基板)の温度と出力電圧VFの関係は、実施の形態1と同じく図3で表されるとする。
<温度測定方法>
まず、測温抵抗R20の両端の電圧を測定する。次に、図7を参照して、測定により得た電圧に対応する測温抵抗R20の温度(即ち制御基板の温度)を求める。
次に、図2を参照して、制御基板の温度に対応する、参照抵抗R22に流れる電流I21を求める。駆動電流IFは電流I21を複製したものであるから、駆動電流IFが求まる。参照抵抗R22の抵抗値の温度依存性は、測温抵抗R20の抵抗値の温度依存性よりも小さいため、駆動電流IFをほぼ正確に求めることができる。
次に、図3を参照して、図2により求めた駆動電流IFの元での出力電圧VFの温度依存性から、測定で得た出力電圧VFにおける測温ダイオード24の温度を求める。以上の手順により、温度変化により駆動電流IFが変化した場合であっても、精度良く測温ダイオード10の温度(即ちパワー基板の温度)を測定することが可能である。
本実施の形態では、測温抵抗R20の抵抗値(両端の電圧)は、大きな温度依存性を持つ。図7の例によると、1℃温度が変化すると3パーセント両端電圧が変化する。また、1パーセント電流I19が変化すると、当然1パーセント両端電圧が変化する。つまり、電流I19が±1パーセント程度変化している場合であっても、温度誤差を0.3℃程度に抑制して、制御基板の温度を測定することが可能である。さらに、参照抵抗R22の抵抗値(電流値)は、温度が1℃変化すると0.1パーセント変化するため、0.3℃の温度誤差は0.03パーセントの電流誤差に転化され、結果として電流の誤差を1パーセントから0.03パーセントへと、1/30程度に抑制して駆動電流IFを求めることが可能である。よって、参照抵抗R22に対して比較的大きい温度依存性を有する測温抵抗R20を備える構成とすることにより、温度の測定精度を30倍程度向上させることが可能である。
なお、図6に示したように、測温抵抗R20の抵抗値は温度上昇に伴って減少するが、温度上昇に伴って増大する特性を有してもよい。
<効果>
本実施の形態における温度測定装置200は、駆動電流IFを出力する測温素子駆動部18と、駆動電流IFによって駆動される測温素子(即ち測温ダイオード24)と、を備え、測温素子駆動部18は参照抵抗R22と、参照抵抗R22に流れる電流I21が複製された電流I19が流れる測温抵抗R20とを備える。
従って、駆動電流IFは、参照抵抗R22に流れる電流I21が複製された電流であり、測温抵抗R20の抵抗値は、参照抵抗R22の抵抗値よりも温度依存性が大きければ、駆動電流IFが温度により変化する場合であっても、精度良く温度を測定することが可能である。
また、本実施の形態における温度測定装置200は、駆動電流IFを出力する測温素子駆動部18と、駆動電流IFによって駆動される測温素子(即ち測温ダイオード24)と、を備え、測温素子駆動部18は、参照抵抗R22と、参照抵抗R22に流れる電流I21が複製された電流I19が流れる測温抵抗R20とを備え、駆動電流IFは、参照抵抗R22に流れる電流I21が複製された電流であり、測温抵抗R20の抵抗値は、参照抵抗R22の抵抗値よりも温度依存性が大きいことを特徴とする。
従って、温度依存性の小さい参照抵抗R22と、温度依存性の大きい測温抵抗R20とを備える構成とすることにより、駆動電流IFが温度により変化する場合であっても、精度良く温度を測定することが可能である。
また、本実施の形態における温度測定方法は、温度測定装置200を用いた温度測定方法であって、測温抵抗R20の両端の電圧を測定するステップ(a)と、測温抵抗R20の電圧−温度特性から、ステップ(a)において測定した電圧における測温素子駆動部18の温度を求めるステップ(b)と、参照抵抗R22の電流−温度特性から、ステップ(b)で求めた温度において参照抵抗R22に流れる電流を求めるステップ(c)と、ステップ(c)で求めた電流を駆動電流IFとして、駆動電流IFの元での測温素子(即ち測温ダイオード24)の出力電圧VF−温度特性から、測温素子の出力電圧VFに対する温度を求めるステップと、を備える。
従って、まず、参照抵抗R22よりも温度依存性の大きい測温抵抗R20により制御基板の温度を測定することにより、電流変化の影響を抑制して、正確な温度を得ることが可能である。そして、測温抵抗R20よりも温度依存性の小さい参照抵抗R22の電流−温度特性により駆動電流を測定することにより、温度変化による誤差を抑制して、精度の高い駆動電流IFを得ることが可能である。よって、精度の高い駆動電流IFを得ることにより、測温素子(即ち測温ダイオード24)によって測温素子の温度(即ちパワー基板の温度)を精度良く測定することが可能である。
また、本実施の形態における半導体モジュールは、温度測定装置200と、半導体チップと、を備えることを特徴とする。
従って、半導体モジュール内に温度差がある場合であっても、温度測定装置200を用いて、温度差による駆動電流IFの変化の影響を受けずに温度測定が可能なため、半導体チップの温度を精度良く測定することが可能である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1,11 定電圧源、4,14 電圧比較器、5,17 電流供給源、8 測温素子駆動部、8A,18A 電流複製回路、8B 電流制御回路、9 測温部、10,24 測温ダイオード、16 温度差測定器、R2,R3,R12,R13 分圧抵抗、R7,R22 参照抵抗、R20 測温抵抗、100,200 温度測定装置、VF 出力電圧、I6,I19,I21 電流、IF 駆動電流。

Claims (7)

  1. 駆動電流を出力する測温素子駆動部と、
    前記駆動電流によって駆動される測温素子と、
    を備え、
    前記測温素子駆動部と前記測温素子との温度差を検出温度差として検出する温度差測定器をさらに備えるか、もしくは、前記測温素子駆動部は参照抵抗と、当該参照抵抗に流れる電流が複製された電流が流れる測温抵抗とを備える、
    温度測定装置。
  2. 前記測温素子駆動部と前記測温素子との温度差を検出温度差として検出する温度差測定器を備え、
    前記駆動電流は、前記測温素子駆動部の温度上昇に伴って減少するように設定され、かつ前記測温素子の出力電圧は、当該測温素子の温度上昇に伴って減少するように設定されるか、もしくは、
    前記駆動電流は、前記測温素子駆動部の温度上昇に伴って増大するように設定され、かつ前記測温素子の出力電圧は、当該測温素子の温度上昇に伴って増大するように設定されることを特徴とする、
    請求項1に記載の温度測定装置。
  3. 請求項2に記載の温度測定装置を用いた温度測定方法であって、
    (a)前記測温素子駆動部の温度を第1温度として仮定するステップと、
    (b)前記測温素子駆動部の駆動電流−温度特性から、前記第1温度に対する駆動電流を求めるステップと、
    (c)前記ステップ(b)で求めた前記第1温度に対する駆動電流の元での前記測温素子の出力電圧−温度特性から、当該測温素子の出力電圧に対する温度を第2温度として求めるステップと、
    (d)前記第2温度から前記第1温度を差し引いた仮定温度差を求めるステップと、
    (e)前記仮定温度差と、前記検出温度差との大小関係に応じて、前記第1の温度を仮定しなおすステップと、
    を備え、
    前記ステップ(a)〜(e)を、前記仮定温度差と前記検出温度差とが一致するまで繰り返すことを特徴とする、
    温度測定方法。
  4. 前記温度測定装置は、相互マトリクスをさらに備え、
    前記相互マトリクスには、前記第1温度、前記第2温度および前記検出温度差のあらゆる組み合わせに対して、前記ステップ(a)〜(e)を前記仮定温度差と前記検出温度差とが一致するまで繰り返して得た前記測温素子の温度が記載されており、
    (f)前記第1温度、前記第2温度および前記検出温度差に基づいて前記相互マトリクスを参照して、前記測温素子の温度を求めるステップをさらに備える、
    請求項3に記載の温度測定方法。
  5. 前記駆動電流は、前記参照抵抗に流れる電流が複製された電流であり、
    前記測温抵抗の抵抗値は、前記参照抵抗の抵抗値よりも温度依存性が大きいことを特徴とする、
    請求項1に記載の温度測定装置。
  6. 請求項5に記載の温度測定装置を用いた温度測定方法であって、
    (a)前記測温抵抗の両端の電圧を測定するステップと、
    (b)前記測温抵抗の電圧−温度特性から、前記ステップ(a)において測定した電圧における前記測温素子駆動部の温度を求めるステップと、
    (c)前記参照抵抗の電流−温度特性から、前記ステップ(b)で求めた温度において前記参照抵抗に流れる電流を求めるステップと、
    (d)前記ステップ(c)で求めた電流を前記駆動電流として、前記駆動電流の元での前記測温素子の出力電圧−温度特性から、当該測温素子の出力電圧に対する温度を求めるステップと、
    を備える、
    温度測定方法。
  7. 請求項1、請求項2、請求項5のいずれかに記載の温度測定装置と、
    半導体チップと、
    を備える、
    半導体モジュール。
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