JP2015083993A - 温度推定装置および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の温度の推定精度を向上できる温度推定装置を提供する。【解決手段】第１温度検出部３１は半導体素子１０から離れた第１位置に設けられる。第２温度検出部３２は第１位置とは異なる第２位置に設けられる。記憶部４１には、半導体素子１０の素子温度と第１位置の第１温度との間の第１温度差と、第１温度と第２位置の第２温度との間の第２温度差との関係が予め記録される。温度推定部４０は、第１温度検出部３１が検出する第１温度と、第２温度検出部３２が検出する第２温度と、記憶部４１に記録された関係とに基づいて、素子温度を推定する。第２温度検出部３２は冷却部５の温度を検出する。【選択図】図５

Description

この発明は、温度推定装置および半導体装置に関し、特に半導体モジュールに収納される半導体素子の温度を推定する温度推定装置に関する。

スイッチングを行って直流電圧を他の電圧に変換する半導体スイッチング装置として、インバータや、チョッパが知られている。インバータは直流電圧を交流電圧に変換し、チョッパは直流電圧を昇圧／降圧して他の直流電圧に変換する。チョッパは力率改善回路として採用されることもある。

このような半導体スイッチング装置は半導体素子（例えばスイッチング素子又はダイオードなど）を有し、小型化或いは低コスト化を実現するため、パッケージに当該半導体素子を収納したモジュールとして製造されることが多い。

一方で、半導体素子の過熱を抑制するため、半導体スイッチング回路の温度を検知する要求がある。当該温度を検知する構成としては、これを簡易に実現すべく、抵抗（以下「温度検知用抵抗」）が採用される場合がる。温度検知用抵抗は、通常の抵抗であっても（その抵抗値が温度依存性を有するので）かまわないが、より感度が高いサーミスタ（正特性サーミスタ又は負特性サーミスタ）が採用されることが多い。

温度検知用抵抗は、半導体スイッチング装置の近くに設けることが要求される。そして温度検知用抵抗における温度変化は、温度検知用抵抗の抵抗値の温度変化として検出できるので、温度検知用抵抗に電流を供給し、当該温度検知用抵抗における電圧降下を検知する。

このような温度検出技術が特許文献１に記載されている。特許文献１では、インバータの端子に温度検知用抵抗を設けている。

特許第４６３９９５０号公報

特許文献１において、温度検知用抵抗はインバータの端子から熱を受け取るものの、インバータに収納されるスイッチング素子自体の温度がそのまま検出されるわけではない。検出される検出温度はスイッチング素子自体の温度よりも低い。

そこで、検出温度からスイッチング素子の温度を推定すべく、検出温度に例えば予め定められた定数を加えることが考えられる。しかしながら、検出温度と推定温度との差は実際には一定であるわけではなく、半導体素子の発熱量に依存する。よってこのような推定方法では、温度の推定精度が低い。

そこで、本発明は、半導体素子の温度の推定精度を向上できる温度推定装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる温度推定装置の第１の態様は、半導体モジュール（１）に収納される半導体素子（１０，Ｑ１〜Ｑ６）の素子温度を推定する装置であって、前記半導体素子から離れた第１位置に設けられる第１温度検出部（３１）と、前記第１位置とは異なる第２位置に設けられる第２温度検出部（３２）と、前記素子温度と前記第１位置の第１温度（ＴＨ１）との間の第１温度差と、前記第１温度と前記第２位置の第２温度（ＴＨ２）との間の第２温度差との関係が予め記録された記憶部（４１）と、前記第１温度検出部が検出する前記第１温度と、前記第２温度検出部が検出する前記第２温度と、前記関係とに基づいて、前記素子温度を推定する温度推定部（４０）とを備え、前記半導体モジュール（１）は、前記半導体素子（１０，Ｑ１〜Ｑ６）と金属導体を介して接続される端子（１１）と、冷却する冷却部（５）とを有し、前記第２温度検出部（３２）は前記冷却部の温度を検出する。

本発明にかかる温度推定装置の第２の態様は、半導体モジュール（１）に収納される半導体素子（１０，Ｑ１〜Ｑ６）の素子温度を推定する装置であって、前記半導体素子から離れた第１位置に設けられる第１温度検出部（３１）と、前記第１位置とは異なる第２位置に設けられる第２温度検出部（３２）と、前記素子温度と前記第１位置の第１温度（ＴＨ１）との間の第１温度差と、前記第１温度と前記第２位置の第２温度（ＴＨ２）との間の第２温度差との関係が予め記録された記憶部（４１）と、前記第１温度検出部が検出する前記第１温度と、前記第２温度検出部が検出する前記第２温度と、前記関係とに基づいて、前記素子温度を推定する温度推定部（４０）と、前記半導体モジュール（１）からの熱を所定の熱媒体へと伝達する冷却部（５）とを備え、前記半導体モジュール（１）は、前記半導体素子（１０，Ｑ１〜Ｑ６）と金属導体を介して接続される端子（１１）を有し、前記第２温度検出部（３２）は前記熱媒体の温度を検出する。

本発明にかかる温度推定装置の第３の態様は、第１の態様にかかる温度推定装置であって、前記熱媒体は、空気、水または冷媒回路を流れる冷媒である。

本発明にかかる半導体装置の第１の態様は、第１から第３のいずれか一つの態様にかかる温度推定装置と、前記半導体モジュール（１）とを備える。

本発明にかかる温度推定装置の第１の態様および半導体装置の第１の態様によれば、半導体素子の発熱量に応じて素子温度を推定することになるので、比較的精度よく推定することができる。また、金属導体は熱伝導率が低いので、熱的に半導体素子に近い部分の温度を検出することとなる。よって温度の推定精度を向上できる。また、半導体モジュールからの熱の大部分が伝達される冷却部に温度検出部が設けられる。よって、半導体素子の発熱量に基づいた温度の推定精度を向上できる。

本発明にかかる温度推定装置の第２および第３の態様によれば、半導体素子の発熱量に応じて素子温度を推定することになるので、比較的精度よく推定することができる。また、金属導体は熱伝導率が低いので、熱的に半導体素子に近い部分の温度を検出することとなる。よって温度の推定精度を向上できる。半導体モジュールからの熱の大部分が冷却部を介して熱媒体に伝達されるので、温度の推定精度を向上できる。

半導体装置と温度推定装置との概念的な構成の一例を示す回路図である。 半導体モジュールの概念的な回路構成の一例を示す回路図である。 温度推定装置の概念的な構成の一例を示す回路図である。 半導体装置と温度推定装置との概念的な構成の一例を示す回路図である。 半導体装置と温度推定装置との概念的な構成の一例を示す回路図である。 半導体装置と温度推定装置との概念的な構成の一例を示す回路図である。 半導体装置と温度推定装置との概念的な構成の一例を示す回路図である。

図１は温度推定装置４の概念的な構成を示す図である。温度推定の対象となる半導体素子１０は半導体モジュール１に収納される。半導体モジュール１は例えばインバータモジュールであり、半導体素子１０は例えばスイッチング素子である。図２には、インバータモジュール１の回路構成が例示されている。例えばインバータモジュール１は半導体素子１０の一例たるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有している。インバータモジュール１は直流電源線Ｌ１，Ｌ２の間の直流電圧Ｖｄｃを入力し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングによって当該直流電圧Ｖｄｃを三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗへ変換する。かかる変換動作において半導体素子１０（スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６）に電流が流れ、これによって半導体素子１０は発熱する。

図１の例示では、半導体モジュール１は例えば基板２に取り付けられる。より詳細には半導体モジュール１は、半導体素子１０と金属導体（図示省略）を介して接続される端子１１を有しており、当該端子１１が例えば半田付け等によって基板２と電気的に接続される。図１では端子１１が基板２を貫通した状態で、基板２に設けられる接続部（パッド）２１と電気的に接続されている。このように端子１１が基板２を貫通する半導体モジュール１はいわゆる挿入型電子部品の一種である。ただし半導体モジュール１は挿入型電子部品に限らず、端子１１が基板２を貫通しない表面取付型電子部品であってもよい。

また図１の例示では、冷却部５が設けられている。冷却部５は例えばヒートシンクであって、半導体モジュール１を冷却する。図１の例示では、冷却部５は半導体モジュール１に直接に接している。かかる冷却部５は半導体モジュール１からの熱を受け取って熱媒体（図１の例示では空気）へと放熱することで、半導体モジュール１を冷却する。

図１の例示では冷却部５が設けられるので、半導体モジュール１からの熱は主として冷却部５へと伝達され、基板２へは副次的に伝達される。図１では、半導体素子１０から冷却部５への熱の移動を破線の矢印で示し、半導体素子１０から基板２への熱の移動を一点差線の矢印で示している。なお冷却部５は必ずしも設けられている必要はない。

温度推定装置４は２つの温度検出部３１，３２と温度推定部４０と記憶部４１とを備える。例えば温度検出部３１は図３に示すように抵抗３１１と温度検出抵抗３１２とを備える。抵抗３１１と温度検出抵抗３１２とは互いに直列に接続され、これらの直列体には直流電源が接続される。図３の例示では、抵抗３１１は温度検出抵抗３１２よりも高電位側に設けられる。このような抵抗３１１はいわゆるプルアップ抵抗として機能する。温度検出抵抗３１２はいわゆるサーミスタであって、その抵抗値が温度に応じて比較的大きく変化する。よって抵抗３１１または温度検出抵抗３１２の両端電圧は温度に依存して変化する。図３の例示では、温度検出抵抗３１２の両端電圧が温度推定部４０へと出力される。温度推定部４０は当該両端電圧に基づいて温度検出部３１の検出温度を認識する。なお図３の例示では、当該両端電圧はＡＤ変換部４２を介して温度推定部４０へと入力される。ＡＤ変換部４２はアナログデータをデジタルデータに変換する変換部である。

また例えば温度検出部３２も抵抗３２１と温度検出抵抗３２２とを備え、温度推定装置４はＡＤ変換部４３を備える。これらはそれぞれ抵抗３１１及び温度検出抵抗３１２並びにＡＤ変換部４２と同様に機能するので、繰り返しの説明を避ける。

図１を参照して、温度検出部３１は半導体素子１０から離れた第１位置に設けられてその温度ＴＨ１を検出する。図１の例示では、温度検出部３１は接続部２１に設けられる。なお端子１１と接続部２１とは通常金属で形成されており、直接もしくは合金である半田９１を介して互いに接触するので、端子１１の温度と接続部２１の温度とは互いにほぼ等しい。よって温度検出部３１は端子１１の温度を検出する、とも理解できる。

温度検出部３２は第１位置とは異なる第２位置に設けられて、その温度ＴＨ２を検出する。図１の例示では、温度検出部３２は基板２に設けられる。例えば半導体モジュール１と温度検出部３１との距離は半導体モジュール１と温度検出部３２との距離よりも長い。

記憶部４１は例えば不揮発性記録媒体である。記憶部４１には、温度ＴＨ１と半導体素子１０の素子温度ＴＥとの温度差ΔＴ１と、温度ＴＨ１，ＴＨ２の温度差ΔＴ２との間の関係が記録される。かかる関係は予め実験またはシミュレーションによって決定することができる。例えば実際の製品の一つに対して半導体素子１０の素子温度ＴＥを直接に測定する温度検出部を設け、半導体モジュール１への負荷（例えば電流値）を変えながら、さらには周囲の温度或いは冷却部５への風量を変えながら、温度ＴＨ１，ＴＨ２を検出すればよい。ただし、実際の製品では素子温度ＴＥを検出する温度検出部は設けられない。

ここでは以下の関係式において関数Ｋ（ΔＴ２）が上記関係として記憶部４１に記録される。

ΔＴ１＝Ｋ（ΔＴ２） ・・・（１）

ΔＴ１＝ＴＥ−ＴＨ１，ΔＴ２＝ＴＨ１−ＴＨ２を式（１）に代入すると、以下の式が導かれる。

ＴＥ＝ＴＨ１＋Ｋ（ＴＨ１−ＴＨ２） ・・・（２）

温度推定部４０は、温度検出部３１，３２によって検出される温度ＴＨ１，ＴＨ２と、記憶部４１に記録された関数Ｋ（ＴＨ１−ＴＨ２）とに基づいて、素子温度ＴＥを算出する。より詳細には式（２）に基づいて素子温度ＴＥを算出する。

なおここでは、温度推定部４０はマイクロコンピュータと記憶装置を含んで構成される。マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップ（換言すれば手順）を実行する。上記記憶装置は、例えばＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＰＲＯＭ(Erasable Programmable ROM)等）、ハードディスク装置などの各種記憶装置の１つ又は複数で構成可能である。当該記憶装置は、各種の情報やデータ等を格納し、またマイクロコンピュータが実行するプログラムを格納し、また、プログラムを実行するための作業領域を提供する。なお、マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップに対応する各種手段として機能するとも把握でき、あるいは、各処理ステップに対応する各種機能を実現するとも把握できる。また、温度推定部４０はこれに限らず、温度推定部４０によって実行される各種手順、あるいは実現される各種手段又は各種機能の一部又は全部をハードウェアで実現しても構わない。

以上のように、温度推定部４０は２つの温度検出部３１，３２が検出する温度ＴＨ１，ＴＨ２を用いて半導体素子１０の素子温度ＴＥを推定する。これにより、一つの温度ＴＨ１のみを用いて素子温度ＴＥを推定する場合に比して、素子温度ＴＥの推定精度を向上できる。この点について次に詳述する。素子温度ＴＥは温度ＴＨと温度差ΔＴ１との和である。かかる温度差は半導体素子１０の発熱量に依存するものであって、周囲の温度には依存しない。一方、温度ＴＨ１は半導体素子１０の発熱量に応じて上昇するものの、周囲の温度によっても変動する。よって、温度差ΔＴ１と温度ＴＨ１との間の関係は、任意の周囲温度に対して一意には決まらない。したがって温度ＴＨ１のみから温度差ΔＴ１を推定することは難しく、ひいては素子温度ＴＥ１を推定することは難しい。

一方で温度差ΔＴ１，ΔＴ２はそれぞれ理想的には周囲の温度に依存せずに半導体素子１０の発熱量に依存する。なぜなら、周囲の温度は温度ＴＨ１，ＴＨ２に共通して影響するところ、その差を採れば周囲の温度の分がキャンセルされるからである。よって、温度差ΔＴ１と温度差ΔＴ２との間の関係は理想的には周囲の温度に依存せずに当該発熱量に依存することとなる。よって、温度差ΔＴ２（＝ＴＨ１−ＴＨ２）から温度差ΔＴ１を算出することができ、ひいては素子温度ＴＥを算出することができる。

以上のように、周囲の温度変動の影響を抑制して素子温度ＴＥを推定することができ、素子温度ＴＥの推定精度を向上できるのである。

また上記関係が比例関係となるように、温度検出部３１，３２を設けてもよい。かかる第１位置及び第２位置も例えば予め実験またはシミュレーションによって決定することができる。例えば実際の製品の一つに対して半導体素子１０の素子温度ＴＥを直接に測定する温度検出部を設け、半導体モジュール１への負荷を変えながら、さらには周囲の温度を変えながら、温度ＴＨ１，ＴＨ２を検出すればよい。そして、温度差ΔＴ１，ΔＴ２の関係が周囲の温度に依らずに比例関係となる第１位置及び第２位置を特定する。

温度差ΔＴ１，ΔＴ２の比例関係での比例係数ｋも当該実験によって算出できる。かかる比例係数ｋは予め記憶部４１に記録される。

このように温度差ΔＴ１（＝ＴＥ−ＴＨ１）と温度差ΔＴ２（＝ＴＨ１−ＴＨ２）とが比例すれば以下の式が成立する。

ＴＥ＝ＴＨ１＋ｋ・（ＴＨ１−ＴＨ２） ・・・（３）

この場合、温度推定部４０は、温度検出部３１，３２によって検出される温度ＴＨ１，ＴＨ２と、記憶部４１に記録された比例係数ｋとに基づいて素子温度ＴＥを算出する。より詳細には式（３）に基づいて素子温度ＴＥを算出する。

これによれば演算処理を簡易にすることができ、また記憶部４１の記憶容量を低減できる。本実施の形態では温度差ΔＴ１と温度差ΔＴ２とは比例する。

また図１では、温度検出部３１は端子１１の温度を検出する。端子１１は金属導体を介して半導体素子１０に接続されるところ、金属導体は熱伝導率が高いので、端子１１は半導体素子１０と熱的に近い。よって、素子温度ＴＥと温度ＴＨ１との温度差ΔＴ１が小さい。したがって、端子１１よりも半導体モジュール１から離れた位置で温度ＴＨ１を検出する場合に比して、素子温度ＴＥの推定精度を向上することができる。

また温度検出部３２は基板２に設けられる。よって温度検出部３２を容易に取り付けやすい。例えば温度検出抵抗３２２を基板２に対して容易に取り付けることができる。

図４に例示する温度推定装置４は、温度検出部３１の位置という点で図１の温度推定装置４と相違する。図４では温度検出部３１は半導体モジュール１の表面に設けられる。この場合であっても、温度検出部３１は半導体素子１０に近い位置の温度を検出するので、半導体モジュール１から熱的に遠く離れた位置で検出する場合に比して、素子温度ＴＥの推定精度を向上することができる。

図５に例示する温度推定装置４は、温度検出部３２の位置という点で図４の温度推定装置４と相違する。図５では温度検出部３２は冷却部５の温度を検出する。これによれば、半導体モジュール１からの熱が主として伝達される経路（冷却部５）に温度検出部３２が設けられることとなる。よって、半導体モジュール１からの熱が副次的に伝達される基板２上に温度検出部３２が設けられる図４の温度推定装置４に比して、素子温度ＴＥの推定精度を向上することができる。

図６に例示する温度推定装置４は、温度検出部３２の位置という点で図４の温度推定装置４と相違する。温度検出部３２は冷却部５からの熱を受け取る熱媒体（図６の例示では空気）の温度を検出する。なお図６の例示に拘わらず、熱媒体は水であってもよい。また例えば冷媒回路が設けられる電気機器に本半導体装置が設けられる場合、冷媒回路を流れる冷媒を冷却部５の熱媒体として採用してもよい。半導体モジュール１からの熱は主として冷却部５を介して熱媒体へと伝達される。よって半導体モジュール１からの熱が副次的に伝達される基板２上に温度検出部３２が設けられる図４の温度推定装置４に比して、素子温度ＴＥの推定精度を向上することができる。

図７に例示する温度推定装置４は、温度検出部３１，３２の位置という点で図１の温度推定装置と相違する。半導体モジュール１は半導体素子１０を覆う樹脂部を有し、温度検出部３１は当該樹脂部の内部に設けられる。温度検出部３２は半導体モジュール１の表面に設けられる。この場合、温度検出部３１，３２のいずれもが半導体素子１０に近い位置に設けられるので、温度検出部３１，３２のいずれもが基板２のうち半導体モジュール１から熱的に遠い位置に設けられる場合に比して、素子温度ＴＥの推定精度を向上することができる。

なお本実施の形態では、温度検出部３１が温度検出部３２よりも半導体素子１０に近い場合が示されている。言い換えれば、温度ＴＨ１が温度ＴＨ２よりも高い場合が示されている。ただし、これに限らず、温度ＴＨ１が温度ＴＨ２よりも低くてもよい。例えば図１，４〜７の温度推定装置４において、温度検出部３１，３２の位置が逆になってもよい。この場合であっても、式（１），（３）を用いて素子温度ＴＥを算出できる。ただし、式（３）において、比例係数ｋは負の値を採る。

上述のようにして推定された素子温度ＴＥが予め定められた基準値Ｔｒｅｆを超えたときに、半導体素子１０が過熱状態であると判断する判断部が設けられてもよい。また半導体素子１０が過熱状態であると判断したときに、半導体素子１０へと流れる電流を低減すべく、半導体モジュール１（例えばスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６）を制御したり、或いは半導体モジュール１への電源供給を遮断すればよい。これは、半導体モジュール１を制御する制御部などによって実現される。これにより、半導体素子１０の素子温度ＴＥを低減して過熱状態を回避することができる。

かかる制御方法によれば、次に詳述するように従来に比して半導体モジュール１の通常動作可能な温度範囲を向上できる。即ち、例えば温度ＴＨ１に予め定められた所定値を加えて素子温度ＴＥを推定し、この素子温度ＴＥが基準値Ｔｒｅｆを超えたときに、半導体モジュール１へと流れる電流を低減（或いは遮断）する場合、推定された素子温度ＴＥは予め高めに見積もられることになる。したがって、このような制御方法では、本来動作可能な領域でも過熱状態と判断されて電流を低減することになる。一方、本実施の形態では高い精度で素子温度ＴＥを推定できるので、通常動作可能な温度範囲を向上できるのである。

なお第１位置及び第２位置は、図１，４〜７のように、半導体モジュール１からの複数の伝熱経路（破線矢印及び一点差線矢印）のうち一つの伝熱経路上に設けられることが望ましい。第１位置及び第２位置が異なる伝熱経路に設けられた状況において、一方の伝熱経路における周囲温度が他方の伝熱経路における周囲温度とは異なるように変化した場合、温度差ΔＴ１，ΔＴ２の関係が変化しえる。これに対して、同一伝熱経路に第１位置および第２位置が設けられれば当該関係の変化の影響を受けないので推定温度の精度を向上できる。

１ 半導体モジュール
２ 基板
４ 温度推定装置
１０ 半導体素子
３１，３２ 温度検出部
４０ 温度推定部

Claims (4)

1. 半導体モジュール（１）に収納される半導体素子（１０，Ｑ１〜Ｑ６）の素子温度を推定する装置であって、
   前記半導体素子から離れた第１位置に設けられる第１温度検出部（３１）と、
   前記第１位置とは異なる第２位置に設けられる第２温度検出部（３２）と、
   前記素子温度と前記第１位置の第１温度（ＴＨ１）との間の第１温度差と、前記第１温度と前記第２位置の第２温度（ＴＨ２）との間の第２温度差との関係が予め記録された記憶部（４１）と、
   前記第１温度検出部が検出する前記第１温度と、前記第２温度検出部が検出する前記第２温度と、前記関係とに基づいて、前記素子温度を推定する温度推定部（４０）と
   を備え、
   前記半導体モジュール（１）は、
   前記半導体素子（１０，Ｑ１〜Ｑ６）と金属導体を介して接続される端子（１１）と、
   冷却する冷却部（５）と
   を有し、
   前記第２温度検出部（３２）は前記冷却部の温度を検出する、温度推定装置。
2. 半導体モジュール（１）に収納される半導体素子（１０，Ｑ１〜Ｑ６）の素子温度を推定する装置であって、
   前記半導体素子から離れた第１位置に設けられる第１温度検出部（３１）と、
   前記第１位置とは異なる第２位置に設けられる第２温度検出部（３２）と、
   前記素子温度と前記第１位置の第１温度（ＴＨ１）との間の第１温度差と、前記第１温度と前記第２位置の第２温度（ＴＨ２）との間の第２温度差との関係が予め記録された記憶部（４１）と、
   前記第１温度検出部が検出する前記第１温度と、前記第２温度検出部が検出する前記第２温度と、前記関係とに基づいて、前記素子温度を推定する温度推定部（４０）と、
   前記半導体モジュール（１）からの熱を所定の熱媒体へと伝達する冷却部（５）と
   を備え、
   前記半導体モジュール（１）は、前記半導体素子（１０，Ｑ１〜Ｑ６）と金属導体を介して接続される端子（１１）を有し、
   前記第２温度検出部（３２）は前記熱媒体の温度を検出する、温度推定装置。
3. 前記熱媒体は、空気、水または冷媒回路を流れる冷媒である、請求項２に記載の温度推定装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の温度推定装置と、
   前記半導体モジュール（１）と
   を備える、半導体装置。

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