JP2016046424A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の半導体素子が並列接続されている半導体装置に於いて、半導体素子の電気特性のばらつきに起因して一部の半導体素子の温度が他の半導体素子の温度よりも高くなってしまうという問題を解消すること。
【解決手段】 本発明の半導体装置は、互いに電気的に並列に接続された複数の半導体素子と、複数の半導体素子の通電電流を制御する制御回路と、複数の半導体素子の間の温度差を検出する熱電素子とを含み、制御回路は、熱電素子が複数の半導体素子の間の温度差を検出した場合には、温度の相対的に高い半導体素子の通電電流を低減し、温度の相対的に低い半導体素子の通電電流を増大し、これにより、複数の半導体素子の間の温度差の抑制し、複数の半導体素子の全てについて、出力電流を最大限まで上げて利用できることとなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置に係り、より詳細には、複数の電気的に並列接続された半導体素子を含む半導体装置に於いて、各素子に通電させる電流を制御するための構成に係る。

大型の電機、例えば、電気自動車やハイブリッド車の電動機など、を駆動するための電流の供給を行う電流回路に於いては、駆動対象である電機に供給される電流量が相当に大きいため、その電流を一つの半導体素子を用いて出力することが困難な場合がある。そこで、上記の如き、大電流用の電流回路の出力部に於いては、複数の半導体素子を電気的に並列に接続し、供給すべき大電流を複数の半導体素子に分配して出力する半導体装置が用いられる。そのような複数の半導体素子が並列接続されてなる半導体装置の場合、それらの半導体素子に流れる電流の大きさに偏りがあり、これにより、一部の半導体素子に流れる電流値が大きくなって、その半導体素子が許容可能な電流の限界を超えることとなると、半導体装置全体としてそれ以上大きな電流を流せないといった状況になり得る。そこで、半導体装置に於いて、並列接続される半導体素子の回路は、複数の半導体素子にほぼ等しく電流が分配されるように構成されることが好ましい。この点に関し、例えば、特許文献１では、２個以上の半導体素子を並列に接続導体で接続し、並列接続導体と電源又は負荷との間を接続導体で接続する回路に於いて、平行に密接した接続導体の間に絶縁材を介在させ、平行に密接した接続導体の長さ当たりのインダクタンスが不平行又は密接していない接続導体の長さ当たりのインダクタンスよりも小さくして、各半導体素子の分担電流の平均化を図る構成が提案されている。

特開平１１−１４６６３３

ところで、上記の如き複数の半導体素子が並列接続されている半導体装置に於いて、各半導体素子、より具体的には、例えば、トランジスタに対しては、同一の電圧の制御信号（ゲート信号、ベース信号など）が与えられて駆動され、同一の条件にて冷却が為されるのが一般的である。しかしながら、実際には、半導体素子に於いては、個々に電気特性のばらつきがあり、同一の制御信号を与えられても、これに応答して半導体素子に流れる出力電流（通電電流：ドレイン−ソース電流、コレクタ−エミッタ電流など）の量にずれが生ずることがあり、その場合、半導体素子によってその発熱量に差が生ずることとなる。そして、制御信号に対する出力電流が相対的に大きく、発熱量が相対的に大きい半導体素子の温度が上限に達してしまうと、（他の半導体素子に余裕があっても、）出力電流を制限しなければならず、半導体装置に於ける全ての半導体素子の性能を十分に生かせないこととなる。この点に関し、トランジスタ等の半導体素子を電流増幅に利用する場合に於いては、出力電流は、制御信号電圧の増大に対応して増大する。従って、上記の如く、半導体素子によって制御信号電圧に対する出力電流の大きさにずれが生ずる場合には、制御電圧信号に対する出力電流の大きさが大きい素子に対しては、制御信号電圧を低減し、制御信号電圧に対する出力電流の大きさが小さい素子に対しては、制御信号電圧を増大することによって、制御電圧信号に対する出力電流の大きさに違いのある半導体素子の全てにそれぞれの出力電流を等しく通電させることが可能となり、そうすると、上記の如き、一部の半導体素子の温度が他の半導体素子の温度よりも高くなってしまうという問題を解消することが可能となる。

かくして、本発明の一つの課題は、複数の半導体素子が並列接続されている半導体装置に於いて、半導体素子の電気特性のばらつき、より具体的には、制御信号電圧に対する出力電流の大きさのずれに起因して一部の半導体素子の温度が他の半導体素子の温度よりも高くなってしまうという問題を解消可能な新規な構成を提供することである。

本発明によれば、上記の課題は、半導体装置であって、互いに電気的に並列に接続された複数の半導体素子と、複数の半導体素子の通電電流を制御する制御回路と、複数の半導体素子の間の温度差を検出する熱電素子とを含み、制御回路は、熱電素子が複数の半導体素子の間の温度差を検出した場合には、温度の相対的に高い半導体素子の通電電流を低減し、温度の相対的に低い半導体素子の通電電流を増大する半導体装置によって達成される。

上記の構成に於いて、半導体素子の各々は、例えば、トランジスタ、サイリスタなどの、制御信号入力端子と、電流源に接続される電源端子と、制御信号入力端子に入力される電圧の増大と共に増大する電流が電源端子を経て出力される電流出力端子とを有し、電源端子と電流出力端子とに於いて互いに電気的に並列に接続されてよい。各半導体素子の出力電流は、制御回路から制御信号入力端子へ与える制御信号の電圧に増減に対応して増減されることとなる。熱電素子は、典型的には、一方の面と他方の面にて温度差が生じた場合にゼーベック効果等の熱電変換作用によって電位差を発生する素子であってよい。かかる熱電素子は、複数の半導体素子の間、例えば、各半導体素子が配置される放熱板の間などにて配置され、熱電素子の両側に在る半導体素子の温度差があるときに、電位差を発生し、その電位差が制御回路へ入力されるよう構成されていてよい。半導体素子の出力電流が、上記の如く、制御信号入力端子に入力される電圧の増減に対応して増減する場合には、制御回路は、熱電素子の出力に基づいて、温度の相対的に高い半導体素子への制御信号電圧を低減して、通電電流を低減し、温度の相対的に低い半導体素子への制御信号電圧を増大して、通電電流を増大することとなる。

上記の構成によれば、互いに電気的に並列に接続された複数の半導体素子を有する半導体装置に於いて、熱電素子により検出される半導体素子の間の温度差に応じて、かかる温度差が解消する方向に、各半導体素子の通電電流の調整が為されることとなる。各半導体素子の発熱量及び温度は、各半導体素子の通電電流に対応しているので、半導体素子間で温度差が生じないようにすることで、各半導体素子の通電電流がほぼ等しい状態となることが期待される。そして、かかる構成によれば、複数の半導体素子のうちのいずれかの温度のみが突出して高温となり、上限に到達してしまうといった現象を回避でき、複数の半導体素子の全てについて、それらの最大限まで出力電流を上げることが可能となる。

実施の形態に於いて、半導体素子の通電電流の増減処理又は制御信号電圧の増減処理は、処理の前後に於いて、半導体素子の全体の出力電流値が実質的に等しくなるように又は維持されるように実行されてよい。また、半導体装置の複数の半導体素子には、それぞれ、放熱板が備えられ、放熱板は、冷却用冷媒を循環させて放熱するシステム等によって、冷却されるようになっていてよい。また、放熱板は、空冷式に冷却されるものであってもよい。

かくして、上記の本発明によれば、既に述べた如く、互いに電気的に並列に接続された複数の半導体素子を有する半導体装置に於いて、半導体素子の間に於いて温度差が生じないように通電電流が調節されることとなる。各半導体素子の温度は、出力電流に対応すると考えられるので、従って、複数の半導体素子に於いて、電気特性にばらつきがあり、所与の制御指令に対する出力電流量にずれが生ずる場合でも、複数の半導体素子に流れる電流を実質的に均等に分配することが可能となる。また、複数の半導体素子に於いて温度差がない状態で、複数の半導体素子の各々の通電電流を一斉に増大することが可能となることから、一部の半導体素子のみがその電流又は温度の許容限界に達することにより、電流が上げられなくといった状態が解消され、複数の半導体素子の全ての性能を十分に利用できることとなる。更に、本発明によれば、使用する半導体素子の電気特性にばらつきに起因する上記の問題が熱電素子による温度差に基づく通電電流の調節によって解消するので、半導体装置に用いる半導体素子の電気特性のばらつきの許容条件を緩和することができ、従って、半導体装置の製造コスト及び労力の軽減も期待される。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）は、本発明が適用された複数の半導体素子が並列接続された半導体装置の構造の模式図であり、図１（Ｂ）は、熱電素子の両側面間の温度差に対して発生する電圧の関係を模式的に表した図である。 図２は、本発明による半導体装置の半導体素子に対する制御信号電圧の制御処理をフローチャートの形式にて表した図である。

１ａ、１ｂ…半導体素子（トランジスタ）
２…放熱板
３…絶縁板
４…熱電素子
５…制御回路
６…冷却用冷媒回路
７…ポンプモータ
８…ラジエータ
ＷＬ…冷媒流

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。

本発明による半導体装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド車の電動機など、大型の電機の駆動のために、大電流を出力する電流回路の出力部に於いて有利に用いられる。既に触れた如く、大型の電機を駆動するための電流回路の出力部に於いては、複数の半導体素子が電気的に並列に接続され、供給すべき大電流は、複数の半導体素子に分配されて出力されることとなる。こうすることにより、一つ当たりの半導体素子に通電する電流量が小さくなり、これに対応して、個々の半導体素子の発熱量又は温度上昇の抑制が図られることとなる。

かかる構成に於いて、個々の半導体素子としては、より具体的には、トランジスタ（電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、サイリスタ等）などの、制御信号入力端子（ゲート、ベース等）と、電流源に接続される電源端子（ドレイン、コレクタ等）と、制御信号入力端子に入力される電圧の増大と共に増大する電流が電源端子を経て出力される電流出力端子（ソース、エミッタ等）とを有し、通常、かかる半導体素子の電源端子と電流出力端子との間で、互いに電気的に並列接続される。そして、並列接続される半導体素子としては、通常、同一の規格又は仕様のものが用いられ、設計段階では、個々の半導体素子は、或る制御信号電圧の入力に対して、同一の大きさの電流が通電することが期待されるので、半導体装置全体の出力電流が均等に個々の半導体素子に分配されるように、並列接続される半導体素子の制御信号入力端子には、それぞれ、制御信号として、同一の高さの信号電圧が入力されることとなる。

しかしながら、「発明の概要」の欄にて触れられている如く、実際の半導体素子に於いては、或る程度の電気特性のばらつきがあり、入力された制御信号電圧に対する出力電流の大きさには、半導体素子によって、ずれが存在する場合がある。そのようなずれが存在すると、半導体素子の温度が許容可能な作動温度の上限よりも或る程度低いとき（例えば、１００℃程度）には、さほどに問題とならないところ、出力電流が半導体素子の限界に近付き、半導体素子の温度が許容可能な作動温度の上限に近づいたときには（例えば、１５０℃程度）、制御信号電圧に対する出力電流の大きさが相対的に大きい半導体素子が、他の素子もよりも早期に、その温度が作動温度の上限に到達してしまうことがあり、そうなると、他の素子には、出力可能な電流に余裕がある場合であっても（同一の制御信号電圧を供給しているため）、相対的に温度の高い素子の保護のために、半導体装置全体の出力電流を制限しなければならなくなる。即ち、半導体素子の電気特性のばらつきによって、半導体装置全体で出力可能な電流が制限されてしまうこととなる。

かかる問題を解消すべく、本発明に於いては、上記の並列接続される半導体素子間の温度差を熱電素子を用いて検出し、温度差が解消されるように各半導体素子へ入力される制御信号電圧が増減される。典型的には、半導体素子の温度は、そこに通電されている出力電流に対応し、出力電流の大きさは、制御信号電圧の高さに対応しているので、温度の高い半導体素子の制御信号電圧を低減させることで半導体素子の出力電流を下げ、これにより、半導体素子の温度を低下させる一方、温度の低い半導体素子の制御信号電圧を上昇させることで半導体素子の出力電流を上げ、これにより、半導体素子の温度を増大させる。そして、半導体素子間の温度差が解消された状態に於いては、各半導体素子に実質的に等しい出力電流が通電されている状態となっていることが期待される。

具体的な実施の形態として、図１（Ａ）に模式的に描かれている如く、本発明による半導体装置の基本的な構成に於いては、この分野の通常の半導体装置と同様に、複数の（図示の例では、二つ）半導体素子１ａ、１ｂが放熱板２ａ、２ｂ上にそれぞれ通常の態様にて載置され、放熱板２ａ、２ｂが更に絶縁板３上に載置される。そして、絶縁板３の下方に於いては、半導体素子から放出される熱を更に外部へ放出すること促進するための冷却システムが設けられる。図１（Ａ）では、冷却用液体冷媒を循環させて放熱するシステムの例が模式的に描かれており、かかる冷却用冷媒循環システムの場合には、流路６に於いて、ポンプモータ７に圧送された冷媒ＷＬが循環し、半導体素子を載せた絶縁板３が載せられた冷却板６ａにて半導体素子の発した熱を吸熱し、ラジエータ８にて冷媒ＷＬの吸収した熱が放熱される。なお、半導体素子から放出される熱を更に外部へ放出するためのシステムは、例えば、空冷式であってもよい。

半導体素子の出力電流の制御は、制御回路５から各半導体素子の制御信号入力端子へ制御信号Ｇａ、Ｇｂを供給することにより為される。既に述べた如く、半導体素子の出力電流の大きさは、制御信号Ｇａ、Ｇｂの電圧に対応して増減し、設計上、半導体素子１ａ、１ｂは、同一の規格仕様のものであるので、制御信号Ｇａ、Ｇｂとしては、基本的には、同一の電圧信号が与えられ、これらに対応する半導体素子１ａ、１ｂの出力電流の和が要求される電流量となるように制御信号Ｇａ、Ｇｂの電圧が連動して増減されることとなる。しかしながら、実際には、半導体素子１ａ、１ｂの電気特性にずれがあり、同一の制御信号電圧を付与した場合にも、出力電流に差が生じ、これにより、温度差が生じ得る。この問題を解決するために、本発明の構成に於いては、更に、熱電素子４が半導体素子１ａ、１ｂの放熱板２ａ、２ｂの間に配置され、半導体素子１ａ、１ｂ間の温度差の検出が為される。熱電素子４は、典型的には、本実施形態にて利用される半導体素子の作動温度（１００〜１５０℃程度）に於いて、ゼーベック効果等の熱電変換作用によって電位差を発生する任意の素子であってよい。かかる熱電素子４は、二つの温度を受容する面を有し、それら両面の温度差の大きさと向きに対応して、図１（Ｂ）に例示されている如く、電位差（発電電圧）を発生する。なお、理解されるべきことは、熱電素子４の二つの温度受容面の温度差の向きが逆転すると、発電電圧の正負が逆転するということである。この特性によって、発電電圧の正負を参照して、熱電素子４の両側の半導体素子１ａ、１ｂのうちのいずれの温度が相対的に高いかを判断できることとなる。そして、半導体素子１ａ、１ｂ間に配置された熱電素子４に発生した電位差（発電電圧）は、半導体素子間の温度差を表す信号ΔＶｔとして、制御回路５へ入力され、上記の如く、温度の高い半導体素子の制御信号電圧を低減させる一方で、温度の低い半導体素子の制御信号電圧を上昇させる処理に於いて利用される。

作動に於いて、制御回路５は、図示していない任意の制御装置等からの指令に基づき、要求された電流が半導体装置全体として出力されるように、各半導体素子１ａ、１ｂへの制御信号電圧Ｇａ、Ｇｂを決定する。しかる後、熱電素子の発電電圧を参照して、制御信号電圧Ｇａ、Ｇｂの調整又は修正が為される。具体的には、図２に示されている如く、まず、熱電素子の発電電圧ΔＶｔが、所定の電圧閾値δＶよりも大きいか否かが判定される（ステップ１０）。電圧閾値δＶは、正の微小値であり、発電電圧ΔＶｔの絶対値が電圧閾値δＶよりも小さいときには、発電電圧ΔＶｔが実質的に０であるとみなすことのできる電圧である。また、熱電素子が、半導体素子１ａ、１ｂ間に於いて、半導体素子１ａの温度が高いときには、正の電圧を生ずるよう配置されているものとする。かくして、熱電素子の発電電圧ΔＶｔが電圧閾値δＶより大きいときは（ステップ１０）、半導体素子１ａの温度が高いことになるので、半導体素子１ａへの制御信号電圧Ｇａが任意に設定される所定の増分Δｇだけ低減され、これに対応して、温度が低い半導体素子１ｂへの制御信号電圧Ｇｂが所定の増分Δｇだけ増大される（ステップ１５）。これにより、温度が高い半導体素子１ａの出力電流が低下し、その温度の低下が期待される。また、温度が低い半導体素子１ｂへの制御信号電圧Ｇｂを増大していることから、半導体素子１ａの出力電流の低下分が補填されることとなる。この点に関し、半導体素子１ａの制御信号電圧Ｇａの低下幅と半導体素子１ｂの制御信号電圧Ｇｂの増大幅とは、（図の例では、同じ値であるが、）異なる値であってもよい。好適には、かかる温度差による制御信号電圧の調整処理の前後で、総出力電流量が維持されるように、制御信号電圧Ｇａの低下幅と制御信号電圧Ｇｂの増大幅とが設定されてよい。実際の装置に於いて、処理の前後で総出力電流量に変動がある場合には、要求電流値から決定される制御信号電圧Ｇａ、Ｇｂが修正されてよい。

一方、熱電素子の発電電圧ΔＶｔが、所定の電圧閾値δＶよりも小さいと判定されたときには（ステップ１０）、熱電素子の発電電圧ΔＶｔが、所定の電圧閾値−δＶよりも小さいか否かが判定される（ステップ２０）。ΔＶｔ＜−δＶであるときには、半導体素子１ｂの温度が高いことになるので、半導体素子１ｂへの制御信号電圧Ｇｂが任意に設定される所定の増分Δｇだけ低減され、これに対応して、温度が低い半導体素子１ａへの制御信号電圧Ｇａが所定の増分Δｇだけ増大される（ステップ２５）。これにより、温度が高い半導体素子１ｂの出力電流が低下し、その温度の低下が期待され、温度が低い半導体素子１ａの出力電流が増大し、半導体素子１ｂの出力電流の低下分が補填されることとなる。かかる処理の制御信号電圧の低下幅及び増大幅も異なる値であってもよく、好適には、処理の前後で、総出力電流量が維持されるように、制御信号電圧Ｇｂの低下幅と制御信号電圧Ｇａの増大幅とが設定されてよい。実際の装置に於いて、処理の前後で総出力電流量に変動がある場合には、要求電流値から決定される制御信号電圧Ｇａ、Ｇｂが修正されてよい。

上記の処理１０〜１５及び２０〜２５は、それぞれ、熱電素子の発電電圧ΔＶｔの大きさ（絶対値）が電圧閾値δＶよも小さくなるまで反復して実行されてよい。かかる反復処理により、｜ΔＶｔ｜＜δＶが成立した際には、半導体素子間の温度差は、実質的に０となった状態が達成されることとなる。

かくして、上記の構成によれば、半導体装置にて、互いに並列接続された半導体素子間の温度差を監視し、温度差がなくなるように各半導体素子の出力電流の分配が実行されることとなる。半導体素子の出力電流は、その温度に対応しているので、温度差がない状態では、各半導体素子の出力電流の大きさは、実質的に等しくなっていることが期待される。更に、上記の構成によれば、一部の半導体素子の温度が突出して上昇することが回避できることとなり、一部の半導体素子の温度がその許容可能な上限に達することにより、通電電流が制限される、といった状況が回避できることとなる。即ち、半導体装置に於ける全ての半導体素子の性能を最大限に利用することができるようになる点で有利である。また、半導体素子の個々の電気特性のばらつきが許容されることから、半導体素子の選択条件が緩和され、半導体装置の製造コスト及び労力の軽減も期待される。

なお、図示の例では、半導体装置にて並列接続された半導体素子の数は、二つであったが、本発明の構成が、三つ以上の半導体素子が並列接続されている場合にも適用可能であることは理解されるべきである。（その場合には、例えば、各半導体素子の温度が、全体の中間の温度又は平均の温度に近づくように各半導体素子への制御信号電圧を調整する、といったことが考えられる。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (1)

1. 半導体装置であって、
   互いに電気的に並列に接続された複数の半導体素子と、
   前記複数の半導体素子の通電電流を制御する制御回路と、
   前記複数の半導体素子の間の温度差を検出する熱電素子と、
   を含み、前記制御回路は、前記熱電素子が前記複数の半導体素子の間の温度差を検出した場合には、温度の相対的に高い半導体素子の通電電流を低減し、温度の相対的に低い半導体素子の通電電流を増大する半導体装置。
   

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