JP2017169145A - Semiconductor device, maintenance device, and maintenance method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control characteristic fluctuation by measuring parameters representing characteristic fluctuation of a semiconductor element, and then predicting the life of the semiconductor element based on the measurement results.SOLUTION: A semiconductor device 100 includes a semiconductor element 10 formed on a substrate having a polytype crystal structure, a measurement unit 20 including a first measurement section 21 for measuring the overshoot time of the gate voltage of the semiconductor element, and a second measurement section 22 for measuring the threshold voltage and ON voltage of the semiconductor element, a prediction unit 30 for predicting the life of the semiconductor element based on the measurement results from the measurement unit, and an adjustment unit 12 for changing the resistance value of a gate resistor Rg for connection to the gate G of the semiconductor element, based on the prediction results from the prediction unit. Life of the semiconductor element can be prolonged by changing the resistance value of a gate resistor in the adjustment unit, thereby adjusting the overshoot time of the gate voltage.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体装置、メンテナンス装置、及びメンテナンス方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, a maintenance device, and a maintenance method.

近年、シリコンカーバイド化合物半導体(SiC)素子、窒化ガリウム化合物半導体(GaN)素子等の次世代半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールの開発が進められている。SiC素子及びGaN素子は、従来のシリコン半導体(Si)素子に対して絶縁破壊電界強度が高いことから高耐圧であり、また不純物濃度をより高く、活性層をより薄くすることができることから高効率且つ高速動作が可能な小型のパワー半導体モジュール(半導体装置とも呼ぶ)を実現することができる。   In recent years, power semiconductor modules equipped with next-generation semiconductor devices such as silicon carbide compound semiconductor (SiC) devices and gallium nitride compound semiconductor (GaN) devices have been developed. SiC devices and GaN devices have a high breakdown voltage because they have higher breakdown field strength than conventional silicon semiconductor (Si) devices, and have a higher impurity concentration and a thinner active layer, resulting in high efficiency. In addition, a small power semiconductor module (also referred to as a semiconductor device) capable of high-speed operation can be realized.

変流器(CT)、ホール素子、シャント抵抗、磁気抵抗素子、DESATダイオード、サーミスタ等の半導体素子の動作状態をセンシングするセンサを設ける或いは半導体素子内に組み込んで保護機能を搭載することで、パワー半導体モジュールをインテリジェント化することができる。例えば、特許文献1には、保護機能を搭載してインテリジェント化されたインバータ回路であり、保護機能により過電流を検出すると半導体素子をオフするとともに駆動回路と回路のGNDとを短絡することで、回転中のモータからこれを構成するコイルに蓄積されたエネルギーにより生じる回生電流が流れ込んで、オフした半導体素子が誤動作しないよう保護するインバータ回路が開示されている。   By providing a sensor that senses the operating state of a semiconductor element such as a current transformer (CT), Hall element, shunt resistor, magnetoresistive element, DESAT diode, thermistor, etc. The semiconductor module can be made intelligent. For example, Patent Document 1 is an intelligent inverter circuit equipped with a protection function, and when an overcurrent is detected by the protection function, the semiconductor element is turned off and the drive circuit and the circuit GND are short-circuited. An inverter circuit is disclosed that protects a semiconductor element that has been turned off from malfunctioning by a regenerative current generated by energy accumulated in a coil that constitutes the rotating motor from a rotating motor.

また、特許文献2には、複数の開閉素子、多チャンネルAD変換器、及び直並列変換器を含んでインテリジェント化された電子制御装置であり、マイクロプロセッサにより、複数の開閉素子の動作状態の異常判定信号等に応動してそれらを開閉制御し、多チャンネルAD変換器及び直並列変換器を介して通電電流を読み出し、複数の開閉素子を駆動する制御信号の種別に依らず閉駆動時に読み出すよう読出タイミングが調整される電子制御装置が開示されている。直並列変換器により電子制御装置とマイクロプロセッサ間の配線数を削減することを可能としている。
特許文献1 特開2010−239760号公報
特許文献2 特開2011−239550号公報
Patent Document 2 discloses an intelligent electronic control device including a plurality of switching elements, a multi-channel AD converter, and a series-parallel converter. In response to the determination signal, etc., they are controlled to open and close, and the energization current is read through the multi-channel AD converter and the serial-parallel converter, and is read at the time of closing drive regardless of the type of control signal for driving a plurality of opening / closing elements. An electronic control device in which the read timing is adjusted is disclosed. The series-parallel converter can reduce the number of wires between the electronic control unit and the microprocessor.
Patent Document 1 JP 2010-239760 A Patent Document 2 JP 2011-239550 A

しかしながら、発明者により、SiC、GaN等のポリタイプ結晶構造を有する基板に形成されるSiC素子、GaN素子等は繰り返し使用することで電気的特性が変動する可能性があることが見出された。このような特性変動は、例えば数100時間、或いは数1000時間といった長時間の駆動により緩やかに発現するものであり、また必ずしも半導体素子の誤動作をもたらすものではないため、上記のような保護機能により変動を抑制して半導体素子を保護することはできない。また、このような特性変動を有する半導体素子を、初期不良としてスクリーニングすることも難しい。   However, the inventor has found that the electrical characteristics of the SiC element, GaN element, and the like formed on the substrate having a polytype crystal structure such as SiC, GaN, etc. may be changed by repeated use. . Such characteristic fluctuations are gradually manifested by long-time driving such as several hundred hours or several thousand hours, and do not necessarily cause malfunction of the semiconductor element. The semiconductor element cannot be protected by suppressing the fluctuation. It is also difficult to screen a semiconductor element having such a characteristic variation as an initial failure.

本発明の第1の態様においては、ポリタイプ結晶構造を有する基板に形成される半導体素子と、前記半導体素子のゲート電圧のオーバーシュート時間を含むパラメータを測定する測定部と、を備える半導体装置が提供される。   In a first aspect of the present invention, a semiconductor device comprising: a semiconductor element formed on a substrate having a polytype crystal structure; and a measurement unit that measures a parameter including an overshoot time of a gate voltage of the semiconductor element. Provided.

本発明の第2の態様においては、半導体素子を備える半導体装置をメンテナンスするためのメンテナンス装置であって、半導体素子の特性変動の指標となるパラメータを測定する測定部と、測定されたパラメータを用いて半導体素子の寿命を予測する予測部とを備えるメンテナンス装置が提供される。   In a second aspect of the present invention, a maintenance device for maintaining a semiconductor device including a semiconductor element, wherein a measurement unit that measures a parameter that serves as an index of characteristic variation of the semiconductor element, and the measured parameter are used. A maintenance device is provided that includes a prediction unit that predicts the lifetime of the semiconductor element.

本発明の第3の態様においては、半導体素子を備える半導体装置のメンテナンス方法であって、半導体素子の特性変動の指標となるパラメータを測定する測定段階と、測定されたパラメータを用いて半導体素子の寿命を予測する予測段階とを備えるメンテナンス方法が提供される。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for maintaining a semiconductor device including a semiconductor element, wherein a measurement step of measuring a parameter serving as an index of characteristic variation of the semiconductor element, and a semiconductor element using the measured parameter are measured. A maintenance method is provided comprising a prediction stage for predicting the lifetime.

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。   The summary of the invention does not enumerate all the features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.

本実施形態に係る半導体装置の構成を示す。1 shows a configuration of a semiconductor device according to the present embodiment. 半導体素子に入力されるゲート電圧の過渡特性の一例を示す。An example of transient characteristics of a gate voltage input to a semiconductor element is shown. 測定部の構成の一例を示す。An example of a structure of a measurement part is shown. 半導体装置の稼働時間に対する半導体素子の閾値電圧の変動の一例を示す。An example of the fluctuation | variation of the threshold voltage of a semiconductor element with respect to the operation time of a semiconductor device is shown. 閾値電圧の変動による半導体素子の寿命予測と寿命調整の一例を示す。An example of the lifetime prediction and lifetime adjustment of a semiconductor element by the fluctuation | variation of a threshold voltage is shown. 半導体装置の稼働時間に対する半導体素子のオン電圧の変動の一例を示す。An example of the fluctuation | variation of the ON voltage of a semiconductor element with respect to the operation time of a semiconductor device is shown. 半導体装置を遠隔監視するメンテナンス装置の構成を示す。1 shows a configuration of a maintenance device for remotely monitoring a semiconductor device. 変形例1に係る半導体装置及びメンテナンス装置の構成を示す。The structure of the semiconductor device which concerns on the modification 1 and a maintenance apparatus is shown. 変形例1に係るメンテナンス装置を用いた半導体装置のメンテナンス方法の手順を示す。The procedure of the maintenance method of the semiconductor device using the maintenance apparatus which concerns on the modification 1 is shown. 変形例2に係る半導体装置の構成を示す。The structure of the semiconductor device which concerns on the modification 2 is shown.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.

図1は、本実施形態に係る半導体装置100の構成を示す。半導体装置100は、半導体素子の特性変動の指標となるパラメータを測定し、その結果に基づいて半導体素子の寿命を予測し、特性変動を制御することで半導体素子を保護する又は目標寿命を尽くすよう調整することを目的とする。半導体装置100は、半導体素子10、調整部12、測定部20、及び予測部30を備える。   FIG. 1 shows a configuration of a semiconductor device 100 according to the present embodiment. The semiconductor device 100 measures a parameter serving as an index of the characteristic variation of the semiconductor element, predicts the lifetime of the semiconductor element based on the result, and controls the characteristic variation to protect the semiconductor element or exhaust the target lifetime. The purpose is to adjust. The semiconductor device 100 includes a semiconductor element 10, an adjustment unit 12, a measurement unit 20, and a prediction unit 30.

なお、半導体素子10、その他の構成各部は、外部からスイッチング信号を入力するためのスイッチング端子19G、電流を通電するためのドレイン端子19D及びソース端子19S、並びに外部に信号を出力するための出力端子19Oの間に接続されている。   The semiconductor element 10 and other components include a switching terminal 19G for inputting a switching signal from the outside, a drain terminal 19D and a source terminal 19S for energizing current, and an output terminal for outputting a signal to the outside. It is connected between 19O.

半導体素子10は、本実施形態の半導体装置100に組み込まれるスイッチング素子であり、一例として、SiC基板、GaN基板等のポリタイプ結晶構造を有する基板に形成された金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を採用する。なお、半導体素子10として、MOSFETに限らず、化合物半導体から構成され得る素子、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を採用してもよい。半導体素子10は、ゲート電極(単にゲートとも呼ぶ)G、ドレイン電極(単にドレインとも呼ぶ)D、及びソース電極(単にソースとも呼ぶ)Sを有し、それぞれ後述する調整部12、ドレイン端子19D、及びソース端子19Sに接続されている。   The semiconductor element 10 is a switching element incorporated in the semiconductor device 100 of the present embodiment. As an example, a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) formed on a substrate having a polytype crystal structure such as a SiC substrate or a GaN substrate. ). The semiconductor element 10 is not limited to a MOSFET, but may be an element that can be composed of a compound semiconductor, such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT). The semiconductor element 10 includes a gate electrode (also simply referred to as a gate) G, a drain electrode (also simply referred to as a drain) D, and a source electrode (also simply referred to as a source) S. And the source terminal 19S.

調整部12は、半導体素子10のゲートGに抵抗値の異なる抵抗素子を切り換え接続するユニットであり、複数の抵抗素子12R及び複数のスイッチ12Sを有する。   The adjustment unit 12 is a unit that switches and connects resistance elements having different resistance values to the gate G of the semiconductor element 10, and includes a plurality of resistance elements 12R and a plurality of switches 12S.

複数の抵抗素子12Rは、例えば0.01〜10Ωの範囲内で互いに異なる抵抗値を有する素子であり、それぞれの一端が半導体素子10のゲートGに接続される。   The plurality of resistance elements 12 </ b> R are elements having different resistance values within a range of 0.01 to 10Ω, for example, and one end of each of the resistance elements 12 </ b> R is connected to the gate G of the semiconductor element 10.

複数のスイッチ12Sは、後述する予測部30から入力される予測結果により制御されて開閉する素子であり、それぞれの一端が複数の抵抗素子12Rにそれぞれ接続され、それぞれの他端がスイッチング端子19Gに接続される。   The plurality of switches 12S are elements that are controlled to open and close based on a prediction result input from the prediction unit 30 described later, and one end of each is connected to the plurality of resistance elements 12R, and the other end is connected to the switching terminal 19G. Connected.

それにより、複数の抵抗素子12Rがスイッチング端子19GとゲートGとの間に並列される。調整部12は、複数のスイッチ12Sによりいずれかの抵抗値を有する抵抗素子12Rをスイッチング端子19GとゲートGとの間にゲート抵抗Rgとして接続することで、ゲート抵抗の抵抗値を変更可能とする。または、1つの抵抗素子12Rと可変パルス電流源とを組み合わせてゲートGへ流れるゲート電流を変化させることで、等価的にゲート抵抗の抵抗値を変更可能となるようにしてもよい。ここでゲート電流とは、半導体素子10をスイッチングさせるためにスイッチング端子19Gに入力するスイッチング信号である。なお、ゲート抵抗の抵抗値と半導体素子10の性能との関係及び調性部12が果たす機能については後述する。   Thereby, the plurality of resistance elements 12R are arranged in parallel between the switching terminal 19G and the gate G. The adjustment unit 12 can change the resistance value of the gate resistance by connecting the resistance element 12R having any one of the resistance values as a gate resistance Rg between the switching terminal 19G and the gate G by using the plurality of switches 12S. . Alternatively, the resistance value of the gate resistance may be changed equivalently by combining the single resistance element 12R and the variable pulse current source to change the gate current flowing to the gate G. Here, the gate current is a switching signal input to the switching terminal 19 </ b> G in order to switch the semiconductor element 10. The relationship between the resistance value of the gate resistance and the performance of the semiconductor element 10 and the function performed by the toning unit 12 will be described later.

測定部20は、半導体素子10の特性変動の指標となるパラメータを測定するユニットであり、第1測定部21及び第2測定部22を有する。なお、パラメータとして、ゲート電圧のオーバーシュート時間及びその累計、閾値電圧及びその変動、オン電圧及びオン抵抗等を選択することができる。   The measurement unit 20 is a unit that measures a parameter that is an index of characteristic variation of the semiconductor element 10, and includes a first measurement unit 21 and a second measurement unit 22. Note that the overshoot time of the gate voltage and its total, the threshold voltage and its variation, the on-voltage, the on-resistance, and the like can be selected as parameters.

第1測定部21は、半導体素子10のゲート電圧のオーバーシュート時間を測定し、その結果を後述する予測部30に送信する。第1測定部21は、半導体素子10のゲートGに接続し、ゲート電圧を検出してその過渡特性を分析することでオーバーシュート時間を算出する。さらに、第1測定部21は、測定対象期間内においてオーバーシュート時間を積算することで、半導体素子10のスイッチングに応じた累計のオーバーシュート時間を測定する。ここで、測定対象期間は、例えば、半導体装置100を外部システムに組み込んで実稼働を開始した後の期間としてよい。   The first measurement unit 21 measures the overshoot time of the gate voltage of the semiconductor element 10 and transmits the result to the prediction unit 30 described later. The first measurement unit 21 is connected to the gate G of the semiconductor element 10, detects the gate voltage, and analyzes the transient characteristics thereof to calculate the overshoot time. Furthermore, the first measurement unit 21 measures the cumulative overshoot time corresponding to the switching of the semiconductor element 10 by accumulating the overshoot time within the measurement target period. Here, the measurement target period may be, for example, a period after the semiconductor device 100 is incorporated in an external system and actual operation is started.

なお、第1測定部21は、さらに半導体装置100の稼働時間を測定し、その結果を予測部30に出力してもよい。   The first measurement unit 21 may further measure the operating time of the semiconductor device 100 and output the result to the prediction unit 30.

第2測定部22は、半導体素子10の閾値電圧及びオン電圧を測定し、それらの結果を後述する予測部30に送信する。なお、第2測定部22の構成及び半導体素子10の閾値電圧及びオン電圧を測定方法については後述する。   The second measurement unit 22 measures the threshold voltage and the on-voltage of the semiconductor element 10 and transmits the results to the prediction unit 30 described later. The configuration of the second measuring unit 22 and the method for measuring the threshold voltage and the on-voltage of the semiconductor element 10 will be described later.

予測部30は、測定部20に接続して、これから入力される半導体素子10に係る各種パラメータを用いて半導体素子10の寿命を予測するユニットである。本実施形態では、半導体素子10に係るパラメータとして、ゲート電圧のオーバーシュート時間(及びその累計)、閾値電圧Vth及びオン電圧VONを利用する。なお、半導体素子10の寿命を予測する方法については後述する。 The prediction unit 30 is a unit that is connected to the measurement unit 20 and predicts the lifetime of the semiconductor element 10 using various parameters related to the semiconductor element 10 to be input. In the present embodiment, the gate voltage overshoot time (and its total), the threshold voltage V th, and the ON voltage V ON are used as parameters related to the semiconductor element 10. A method for predicting the lifetime of the semiconductor element 10 will be described later.

図2に、半導体素子10のゲートGに入力されるゲート電圧の過渡特性の一例を示す。ゲート電圧は、半導体素子10のドレイン−ソース間の接続を開閉制御するためのスイッチング信号であり、半導体装置100を組み込んだ外部システムからスイッチング端子19G及び調整部12を介して半導体素子10のゲートGに入力される。ゲート電圧は、半導体装置100内のインピーダンスだけでなく外部システム内のインピーダンスも受けて、過渡的に時間変化する。ゲート電圧は、一例として半導体素子10のドレイン−ソース間の接続を開くターンオフ信号であり、ターンオン電圧から急激に立下り、閾電圧を越え、アンダーシュートを伴ってターンオン電圧より低いターンオフ電圧に飽和する。   FIG. 2 shows an example of a transient characteristic of the gate voltage input to the gate G of the semiconductor element 10. The gate voltage is a switching signal for controlling the opening and closing of the connection between the drain and the source of the semiconductor element 10, and the gate G of the semiconductor element 10 from the external system incorporating the semiconductor device 100 through the switching terminal 19 </ b> G and the adjustment unit 12. Is input. The gate voltage receives not only the impedance in the semiconductor device 100 but also the impedance in the external system, and changes temporally. As an example, the gate voltage is a turn-off signal that opens a connection between the drain and source of the semiconductor element 10. .

ゲート電圧の過渡特性において、ゲートGに接続するゲート抵抗Rgの抵抗値に対して、特にゲート電圧の立ち上がり又は立下りの傾き、ゲート電圧のオーバーシュート又はアンダーシュート(特に断らない限り、基準電圧を一時的に越える変化を伴うという意図で、オーバーシュートと称する)の程度が変動する。ゲート電圧が基準電圧を上回る又は下回る時間をオーバーシュート時間と呼ぶ。基準電圧は、半導体素子10の定格電圧より一意に定められる電圧であり、例えば−10Vである。   In the transient characteristics of the gate voltage, the rise or fall slope of the gate voltage, the overshoot or undershoot of the gate voltage (unless otherwise specified, the reference voltage The degree of the overshoot is fluctuated with the intention of accompanying a temporary change. The time when the gate voltage is above or below the reference voltage is called the overshoot time. The reference voltage is a voltage that is uniquely determined from the rated voltage of the semiconductor element 10 and is, for example, −10V.

ゲート電圧は、ゲート抵抗の大きな抵抗値Rg1(例えば6.8Ω)に対して、緩やかな立下り及び短いオーバーシュート時間(例えばdT1=50〜100ナノ秒)を呈する。緩やかな立下りは半導体素子10の遅いスイッチング速度をもたらし、短いオーバーシュート時間は後述するように半導体素子10の長い耐用時間をもたらす。ただし、大きな抵抗値のゲート抵抗は、半導体素子10の性能低下(すなわち、低効率)をもたらす。一方、ゲート電圧は、ゲート抵抗の小さな抵抗値Rg2(例えば4.7Ω)に対して、急な立下り及び長いオーバーシュート時間(例えばdT2=150〜500ナノ秒)を呈する。急な立下りは半導体素子10の速いスイッチング速度をもたらし、長いオーバーシュート時間は後述するように半導体素子10の短い耐用時間をもたらす。ただし、小さい抵抗値のゲート抵抗により、半導体素子10の性能改善(すなわち、高効率)が図られる。   The gate voltage exhibits a gradual fall and a short overshoot time (for example, dT1 = 50 to 100 nanoseconds) with respect to a resistance value Rg1 (for example, 6.8Ω) having a large gate resistance. A gradual fall results in a slow switching speed of the semiconductor element 10 and a short overshoot time results in a long lifetime of the semiconductor element 10 as will be described later. However, the gate resistance having a large resistance value causes a decrease in performance (that is, low efficiency) of the semiconductor element 10. On the other hand, the gate voltage exhibits a sharp fall and a long overshoot time (for example, dT2 = 150 to 500 nanoseconds) with respect to a resistance value Rg2 (for example, 4.7Ω) having a small gate resistance. A sudden fall results in a fast switching speed of the semiconductor element 10 and a long overshoot time results in a short lifetime of the semiconductor element 10 as described below. However, performance improvement (that is, high efficiency) of the semiconductor element 10 is achieved by the gate resistance having a small resistance value.

なお、ゲート電圧として、アンダーシュートを伴うオフ信号について説明したが、半導体素子10のドレイン−ソース間の接続を閉じるオン信号であり、オフ電圧から急激に立ち上がり、閾電圧を越え、オーバーシュートを伴ってオフ電圧より高いオン電圧に飽和するゲート電圧においても、ゲート抵抗の抵抗値に対して同様の振る舞いを呈するとともに、半導体素子10の性能変化をもたらす。   In addition, although the off signal with an undershoot was demonstrated as gate voltage, it is an on signal which closes the connection between the drain-source of the semiconductor element 10, rises rapidly from an off voltage, exceeds a threshold voltage, and with an overshoot Even at a gate voltage saturated to an on voltage higher than the off voltage, the same behavior as the resistance value of the gate resistance is exhibited, and the performance of the semiconductor element 10 is changed.

従って、調整部12によりゲート抵抗Rgの抵抗値を変更する、例えば、より小さな抵抗値に変更することにより半導体素子10の効率を改善するとともにスイッチング速度を上げることができ、より大きな抵抗値に変更することにより半導体素子10の耐用時間を延ばす、すなわち延命することができる。   Accordingly, the adjustment unit 12 changes the resistance value of the gate resistance Rg, for example, by changing to a smaller resistance value, the efficiency of the semiconductor element 10 can be improved and the switching speed can be increased, and the resistance value is changed to a larger resistance value. By doing so, the service life of the semiconductor element 10 can be extended, that is, the life can be extended.

図3に、第2測定部22の構成を示す。第2測定部22は、DESATダイオード22a、電流源22b、及び比較器22cを有する。   FIG. 3 shows the configuration of the second measurement unit 22. The second measurement unit 22 includes a DESAT diode 22a, a current source 22b, and a comparator 22c.

DESATダイオード(単にダイオードとも呼ぶ)22aは、例えば複数のダイオードを直列して構成され、カソード及びアノードをそれぞれ半導体素子10のドレインD及び比較器22cに接続する。DESATダイオード22aは、直列された複数のダイオードのそれぞれの降下電圧の和に等しい降下電圧Vfを有する。   The DESAT diode (also simply referred to as a diode) 22a is configured by, for example, a plurality of diodes connected in series, and has a cathode and an anode connected to the drain D of the semiconductor element 10 and the comparator 22c, respectively. The DESAT diode 22a has a drop voltage Vf equal to the sum of the drop voltages of the plurality of diodes connected in series.

電流源22bは、ダイオード22aのアノードに接続され、定電流Idesatを、ダイオード22aを介して半導体素子10のドレインDに流し入れる。 The current source 22b is connected to the anode of the diode 22a, and flows a constant current Idesat into the drain D of the semiconductor element 10 through the diode 22a.

比較器22cは、ダイオード22aのアノード電位(DESAT電位とも呼ぶ)VdesatをリファレンスVrefと比較し、その結果OUTを出力する。DESAT電位Vdesatは、半導体素子10のドレイン電圧V(ドレイン−ソース間電圧VDSに相当する)とダイオード22aの降下電圧Vfの和に等しい。 The comparator 22c compares the anode potential (also referred to as DESAT potential) V desat of the diode 22a with the reference V ref and outputs OUT as a result. The DESAT potential V desat is equal to the sum of the drain voltage V D of the semiconductor element 10 (corresponding to the drain-source voltage V DS ) and the drop voltage Vf of the diode 22a.

従って、第2測定部22は、例えばリファレンスVrefを変化させつつ比較器22cの出力OUTを監視することで、出力OUTが変化したときのリファレンスVrefよりドレイン電圧V=Vref−Vfを得ることができる。 Therefore, the second measurement unit 22 monitors the output OUT of the comparator 22c while changing the reference V ref , for example, so that the drain voltage V D = V ref −Vf is obtained from the reference V ref when the output OUT changes. Can be obtained.

なお、DESAT電位Vdesatを更に別の比較器で増幅し、リファレンスVrefと比較器22cで比較し、その出力OUTが変化したときのリファレンスVrefよりドレイン電圧Vを得る構成としてもよい。 The DESAT potential V desat may be further amplified by another comparator, compared with the reference V ref by the comparator 22c, and the drain voltage V D may be obtained from the reference V ref when the output OUT changes.

第2測定部22は、次のように半導体素子10の閾値電圧Vthを測定する。第2測定部22は、半導体素子10のドレインD及びソースSの間に例えば20Vの電圧(すなわち、ドレイン−ソース間電圧VDS)を印加し、電流源22bからダイオード22aを介して例えば18mAの電流(すなわち、ドレイン電流I)を半導体素子10のドレインDに流し込む。この状態において、第2測定部22は、半導体素子10のゲートGに徐々に増大する電圧(すなわち、ゲート電圧)を印加しつつドレイン電圧Vを測定する。なお、ゲート電圧は、第1測定部21により検出される。このとき、閾値電圧Vthに等しいゲート電圧にて、ドレイン電圧Vが降下する。第2測定部22は、ドレイン電圧Vの降下を検知しながらゲート電圧を検出することで、半導体素子10の閾値電圧Vthを得る。 The second measuring unit 22 measures the threshold voltage Vth of the semiconductor element 10 as follows. The second measurement unit 22 applies a voltage of, for example, 20 V (that is, a drain-source voltage V DS ) between the drain D and the source S of the semiconductor element 10, and has a current of, for example, 18 mA from the current source 22 b through the diode 22 a. A current (that is, a drain current I D ) is supplied to the drain D of the semiconductor element 10. In this state, the second measuring unit 22, gradually increasing voltage to the gate G of the semiconductor device 10 (i.e., the gate voltage) to measure the drain voltage V D while applying a. The gate voltage is detected by the first measurement unit 21. In this case, at equal gate voltage to the threshold voltage V th, the drain voltage V D falls. The second measurement unit 22, by detecting the gate voltage while detecting a drop in the drain voltage V D, to obtain a threshold voltage V th of the semiconductor device 10.

なお、第2測定部22は、閾値電圧Vthに代えて又はこれとともに、例えば、半導体装置100を外部システムに組み込んだ初期の閾値電圧Vthからの変動を算出し、出力してもよい。 Incidentally, the second measuring unit 22 or together with place of the threshold voltage V th, for example, to calculate the variation of the semiconductor device 100 from the initial threshold voltage V th incorporating an external system, may be output.

第2測定部22は、次のように半導体素子10のオン電圧VONを測定する。第2測定部22は、半導体素子10のゲートGに例えば20Vの電圧(すなわち、ゲート電圧)を印加し、電流源22bからダイオード22aを介して例えば18Aの電流(すなわち、ドレイン電流I)を半導体素子10のドレインDに流し込む。第2測定部22は、この状態において、ドレイン電圧Vを検出することで半導体素子10のオン電圧VONを得る。なお、半導体素子10のオン抵抗は、得られたオン電圧VONをドレイン電流Iにより除算することにより得られる。 The second measuring unit 22 measures the ON voltage V ON of the semiconductor element 10 as follows. The second measurement unit 22 applies, for example, a voltage of 20 V (ie, gate voltage) to the gate G of the semiconductor element 10, and applies a current of 18 A (ie, drain current I D ) from the current source 22b via the diode 22a. It flows into the drain D of the semiconductor element 10. In this state, the second measurement unit 22 detects the drain voltage V D to obtain the on-voltage V ON of the semiconductor element 10. The on-resistance of the semiconductor element 10 is obtained by dividing the obtained on-voltage V ON by the drain current ID .

なお、半導体素子10の閾値電圧Vth及びオン電圧VONを測定する際のゲート電圧V、ドレイン電流I、及びドレイン−ソース間電圧VDSに対する条件は、半導体装置100の実稼働時におけるそれらと異なる。そのため、半導体装置100が組み込まれた外部システムの停止時、メンテナンス時等の非稼働時にテスト期間を設け、その期間内に閾値電圧Vth、オン電圧VON等の半導体素子10の各種パラメータを測定することとする。 The conditions for the gate voltage V G , the drain current I D , and the drain-source voltage V DS when measuring the threshold voltage V th and the on-voltage V ON of the semiconductor element 10 are as follows when the semiconductor device 100 is in actual operation. Different from them. Therefore, a test period is provided when the external system in which the semiconductor device 100 is incorporated is stopped or during maintenance, and various parameters of the semiconductor element 10 such as the threshold voltage V th and the ON voltage V ON are measured within the test period. I decided to.

図4は、半導体装置100の稼働時間に対する半導体素子10の閾値電圧Vthの変動の一例を示す。ここで、閾値電圧Vthは、小さい(例えば4.7Ω)及び大きい(例えば6.8Ω)ゲート抵抗Rgのそれぞれに対して測定されている。閾値電圧Vthは稼働時間に対して増大し、その増大の程度は小さいゲート抵抗に対して急であり、大きなゲート抵抗に対して緩やかであることがわかる。 FIG. 4 shows an example of variation of the threshold voltage Vth of the semiconductor element 10 with respect to the operation time of the semiconductor device 100. Here, the threshold voltage Vth is measured for each of a small (eg, 4.7Ω) and large (eg, 6.8Ω) gate resistance Rg. It can be seen that the threshold voltage Vth increases with the operating time, and the degree of increase is abrupt for a small gate resistance and moderate for a large gate resistance.

SiC、GaN等のポリタイプ結晶構造を有する基板に形成されるSiC素子、GaN素子等は、繰り返し使用されることで、特にオーバーシュートにより基準電圧を超えるゲート電圧Vが素子にストレスを与え、これが蓄積されることで、閾値電圧Vthが変動する。閾値電圧Vthの増大は例えば半導体素子10のONタイミングの遅延をもたらし、半導体装置100の定格性能を損なう原因となる。 SiC, SiC elements formed on a substrate having a polytype crystal structure of GaN and the like, such as GaN devices, by being repeatedly used, stress the gate voltage V G is element especially above the reference voltage by an overshoot, By accumulating this, the threshold voltage Vth varies. The increase in the threshold voltage V th causes, for example, a delay in the ON timing of the semiconductor element 10 and causes a deterioration in the rated performance of the semiconductor device 100.

先述の通り、小さいゲート抵抗は長いオーバーシュート時間をもたらし、大きいゲート抵抗は短いオーバーシュート時間をもたらす。従って、閾値電圧Vthの変動をゲート電圧Vのオーバーシュート時間によりスケールすることができると期待される。そこで、閾値電圧Vthについて、その増大の許容範囲を定め、閾値電圧Vthが許容範囲外となるまでの増大により半導体素子10の耐用を定め、その耐用時間(すなわち、寿命)を予測部30によりゲート電圧Vのオーバーシュート時間の測定結果より予測する。 As described above, a small gate resistance results in a long overshoot time, and a large gate resistance results in a short overshoot time. Therefore, it is expected that the change in the threshold voltage V th can be scaled by the overshoot time of the gate voltage V G. Therefore, the threshold voltage V th, determines the allowable range of the increase, determines the service of semiconductor device 10 by increasing up to the threshold voltage V th is the allowable range, the prediction unit and the service life (i.e., the life) 30 predicting from the measurement result of the overshoot time of the gate voltage V G through.

図5は、予測部30による閾値電圧Vthの変動による半導体素子10の寿命予測と寿命調整の一例を示す。ここでは、一例として、半導体素子10の耐用限界を閾値電圧Vthの5%増大と定め、閾値電圧Vthの増大がこの限界に達すると予測される設計時間Tを半導体素子10の目標寿命と定める。図中、原点と、設計時間Tにて閾値電圧Vthの5%増大を示す点と、を結ぶ一点鎖線を目標寿命曲線L0と呼ぶ。なお、設計時間Tは、例えば、図4に示した閾値電圧Vthの変動の一例より40000時間又は10000時間のオーダーである。 FIG. 5 shows an example of the life prediction and life adjustment of the semiconductor element 10 by the fluctuation of the threshold voltage Vth by the prediction unit 30. Here, as an example, define the useful limits of the semiconductor element 10 and 5% increase in the threshold voltage V th, target life design time T 4 the semiconductor device 10 to an increase in the threshold voltage V th is expected to reach this limit It is determined. In the figure, referred to the origin, the point indicating the 5% increase in the threshold voltage V th at design time T 4, the target life curve L0 the one-dot chain line connecting. Incidentally, design time T 4, for example, of the order of 40000 hours or 10,000 hours from an example of a change of a threshold voltage V th shown in Fig.

予測部30は、まず、測定部20から、ゲート電圧Vのオーバーシュート時間の測定結果及び半導体装置100の稼働時間の測定結果を受信する。なお、予測部30は、これらの測定結果を、半導体装置100の稼働時に定期的に受信してもよいし、メンテナンス時等の非稼働時に適宜受信してもよい。次に、予測部30は、受信した累計のオーバーシュート時間の測定結果から閾値電圧Vthの変動を、それらの相間関係を利用して予測する。累計のオーバーシュート時間tと閾値電圧Vthの変動との相間関係は、予め、例えば試験用の半導体装置100を用いて試験することで得ることができ、例えば一次関数を用いてΔVth=a+btと与えることができる。次に、予測部30は、予測した閾値電圧Vthの変動を目標寿命曲線L0と比較する。 Prediction unit 30 first from the measurement unit 20, receives the measurement result of the operating time of the measurement results and the semiconductor device 100 of the overshoot time of the gate voltage V G. Note that the prediction unit 30 may periodically receive these measurement results when the semiconductor device 100 is in operation, or may appropriately receive the measurement results when the semiconductor device 100 is not in operation. Next, the predicting unit 30 predicts the fluctuation of the threshold voltage Vth from the received measurement result of the accumulated overshoot time using the interphase relationship. The interphase relationship between the accumulated overshoot time t and the fluctuation of the threshold voltage Vth can be obtained in advance by using, for example, a test semiconductor device 100, for example, ΔV th = a + bt using a linear function. And can be given. Next, the prediction unit 30 compares the predicted variation in the threshold voltage Vth with the target life curve L0.

例えば、図5に点P1〜P3を用いて示すように、予測された閾値電圧Vthの変動が目標寿命曲線L0上またはこの近傍に位置する場合、予測部30は、半導体素子10の寿命τを目標寿命Tに等しい又はほぼ等しいと予測し、この予測結果を調整部12に送信する。最後に、調整部12は、受信した寿命の予測結果から、半導体装置100は定格に従って使用されていると判断して、現行のゲート抵抗Rgの抵抗値を維持する。 For example, as shown by using points P1 to P3 in FIG. 5, when the predicted variation of the threshold voltage Vth is located on or near the target life curve L0, the prediction unit 30 determines the life τ of the semiconductor element 10. 0 is predicted to be equal to or approximately equal to the target life T 4 , and this prediction result is transmitted to the adjustment unit 12. Finally, the adjustment unit 12 determines that the semiconductor device 100 is used according to the rating from the received life prediction result, and maintains the current resistance value of the gate resistance Rg.

また、例えば図5に点P4を用いて示すように、予測された閾値電圧Vthの変動が目標寿命曲線L0より高い位置にある場合、予測部30は、半導体素子10の寿命τを目標寿命Tより短いと評価し、目標寿命曲線L0からの予測された変動のずれより寿命τを具体的に予測し、この予測結果を調整部12に送信する。最後に、調整部12は、受信した寿命の予測結果から、半導体装置100は定格より厳しい条件で使用されていると判断して、ゲート抵抗Rgの抵抗値を大きな値に変更する。それにより、ゲート電圧Vの変化速度を調整する、すなわちオーバーシュート時間を短くして、閾値電圧の変動を抑制することで半導体素子10を延命することができる。なお、残りの寿命が目標寿命Tと現在の稼働時間Tとの差にほぼ等しくなるように、調整部12により、適当な抵抗値にゲート抵抗を変更してもよい。 Further, for example, as shown by using the point P4 in FIG. 5, when the predicted variation in the threshold voltage Vth is higher than the target life curve L0, the prediction unit 30 sets the life τ 1 of the semiconductor element 10 as the target. The service life is evaluated as being shorter than the life T 4 , the service life τ 1 is specifically predicted from the predicted deviation from the target life curve L 0, and the prediction result is transmitted to the adjustment unit 12. Finally, the adjustment unit 12 determines that the semiconductor device 100 is being used under conditions stricter than the rating based on the received prediction result of the lifetime, and changes the resistance value of the gate resistance Rg to a large value. Thereby adjusting the rate of change of the gate voltage V G, i.e. by shortening the overshoot time, it is possible to prolong the semiconductor device 10 by suppressing the fluctuation of the threshold voltage. Note that the gate resistance may be changed to an appropriate resistance value by the adjustment unit 12 so that the remaining life becomes substantially equal to the difference between the target life T 4 and the current operating time T 1 .

なお、予測部30は、予測した半導体素子10の寿命が目標寿命にほぼ等しい又は超えている場合、或いは測定部20から受信した累計のオーバーシュート時間の測定結果が目標寿命に相当するオーバーシュート時間にほぼ等しい又は超えている場合、半導体素子10に係るパラメータがアラートレベルに達したとして、アラート信号を出力端子19Oから外部システム等に出力してもよい。このとき、外部からの設定等により、調整部12は、予測部30による寿命予測に従ってゲート抵抗の抵抗値を変更しないで、高速スイッチング、高効率を優先して半導体装置100を稼働しつづけてもよい。   Note that the prediction unit 30 determines that the predicted lifetime of the semiconductor element 10 is approximately equal to or exceeds the target lifetime, or the measurement result of the accumulated overshoot time received from the measurement unit 20 corresponds to the target lifetime. If the parameter related to the semiconductor element 10 reaches the alert level, an alert signal may be output from the output terminal 19O to an external system or the like. At this time, the adjustment unit 12 may continue to operate the semiconductor device 100 by giving priority to high-speed switching and high efficiency without changing the resistance value of the gate resistance in accordance with the lifetime prediction by the prediction unit 30 due to external setting or the like. Good.

また、例えば図5に点P5を用いて示すように、予測された閾値電圧Vthの変動が目標寿命曲線L0より低い位置にある場合、予測部30は、半導体素子10の寿命τを目標寿命Tより長いと評価し、目標寿命曲線L0からの予測された変動のずれより寿命τを具体的に予測し、この予測結果を調整部12に送信する。最後に、調整部12は、受信した寿命の予測結果から、半導体装置100は定格より緩い条件で使用されていると判断して、ゲート抵抗Rgの抵抗値を小さい値に変更する。それにより、ゲート電圧Vの立下り時間を短くして、スイッチング速度を上げるとともに効率を改善することができる。なお、許容される範囲で閾値電圧の変動を助長し、半導体素子10を寿命を短くする、例えば、残りの寿命が目標寿命Tと現在の稼働時間Tとの差にほぼ等しくなるように、調整部12により、適当な抵抗値にゲート抵抗を変更してもよい。 In addition, for example, as shown with reference to FIG. 5 two points P5, if the variation of the predicted threshold voltage V th is at a low target life curve L0 position, the prediction unit 30, the target lifetime tau 2 of the semiconductor element 10 The service life is evaluated to be longer than the service life T 4 , and the service life τ 2 is specifically predicted based on the deviation of the predicted fluctuation from the target service life curve L 0, and the prediction result is transmitted to the adjustment unit 12. Finally, the adjustment unit 12 determines that the semiconductor device 100 is used under a condition looser than the rating based on the received prediction result of the lifetime, and changes the resistance value of the gate resistance Rg to a small value. Thus, by shortening the fall time of the gate voltage V G, it is possible to improve the efficiency with increasing the switching speed. It is noted that the threshold voltage is fluctuated within an allowable range and the life of the semiconductor element 10 is shortened. For example, the remaining life is approximately equal to the difference between the target life T 4 and the current operating time T 2. The adjustment unit 12 may change the gate resistance to an appropriate resistance value.

このように、半導体素子10のスイッチング速度、効率等、定格性能を可能な限り引き出しつつ半導体素子10の劣化を抑えて延命することができる。   In this way, it is possible to extend the life by suppressing the deterioration of the semiconductor element 10 while drawing out the rated performance such as the switching speed and efficiency of the semiconductor element 10 as much as possible.

なお、予測部30は、半導体装置100の非稼働時に測定部20により半導体素子10の閾値電圧Vthを測定し、その結果を用いて半導体素子10の寿命を直接的に予測し、その結果に基づいて寿命を調整してもよい。寿命予測及び寿命調整の詳細は、先述の通りである。 The prediction unit 30 measures the threshold voltage Vth of the semiconductor element 10 by the measurement unit 20 when the semiconductor device 100 is not in operation, and directly predicts the lifetime of the semiconductor element 10 using the result. You may adjust a lifetime based on it. Details of life prediction and life adjustment are as described above.

また、予測部30は、半導体装置100の非稼働時に測定部20により半導体素子10のオン電圧VONを測定し、その結果が許容範囲を超えた場合、半導体素子10に係るパラメータがアラートレベルに達したとして、アラート信号を出力端子19Oから外部システム等出力してもよい。 Further, the prediction unit 30 measures the on-voltage V ON of the semiconductor element 10 by the measurement unit 20 when the semiconductor device 100 is not in operation, and if the result exceeds the allowable range, the parameter related to the semiconductor element 10 is set to the alert level. If the alert signal has been reached, an alert signal may be output from the output terminal 19O.

図6は、半導体装置100の稼働時間に対する半導体素子10のオン電圧VONの変動の一例を示す。オン電圧VONは、半導体素子10のボディダイオード通電により生じる光によりその内部に欠陥が生じることで増大することが経験的に知られている。これは、ボディダオードとは、半導体素子の構造上内部に寄生して形成されるダイオードのことである。このボディダイオードに電流が流れ続けると、SiCウェハ、あるいはSiCエピタキシャル層、又はその両方に基底面転位を起点として積層欠陥が成長するためである。オン電圧VONは、稼働時間に対して不連続に増大する。詳細には、半導体装置100の実稼働開始後、稼働時間1(任意単位)程度で約1%増大し、稼働時間5から10の間にさらに約5%増大し、稼働時間10から35の間、ほぼ一定し、稼働時間35から40の間にさらに約10%増大する。オン抵抗VONの増大は、損失の増大をもたらす。そこで、オン電圧VONについて許容範囲を定め、測定結果がこれを超えた場合に予測部30によりアラート信号を出力することとする。 FIG. 6 shows an example of the variation of the ON voltage V ON of the semiconductor element 10 with respect to the operating time of the semiconductor device 100. It has been empirically known that the ON voltage V ON increases when a defect is generated inside the semiconductor element 10 due to light generated by energization of the body diode of the semiconductor element 10. The body diode is a diode formed parasitically on the inside of the structure of the semiconductor element. This is because if a current continues to flow through the body diode, stacking faults grow on the SiC wafer, the SiC epitaxial layer, or both starting from the basal plane dislocation. The on-voltage V ON increases discontinuously with the operating time. Specifically, after the actual operation of the semiconductor device 100 is started, the operating time is increased by about 1% in about 1 (arbitrary unit), further increased by about 5% during the operating time 5 to 10, and between the operating times 10 and 35. Approximately constant and increases by about 10% during the operating time 35-40. An increase in on-resistance V ON results in an increase in loss. Therefore, an allowable range is determined for the ON voltage V ON , and an alert signal is output by the prediction unit 30 when the measurement result exceeds this range.

半導体装置100は、ネットワーク220を介してモニタリング装置に接続し、そのモニタリング装置により半導体素子10の特性変動を監視してもよい。   The semiconductor device 100 may be connected to a monitoring device via the network 220, and the characteristic variation of the semiconductor element 10 may be monitored by the monitoring device.

図7に、複数の半導体装置100を遠隔監視するメンテナンス装置200の構成を示す。メンテナンス装置200は、本実施形態に係る複数の半導体装置100及びモニタリング装置210を備える。複数の半導体装置100及びモニタリング装置210は、相互に通信可能にネットワーク220に接続されている。   FIG. 7 shows a configuration of a maintenance device 200 that remotely monitors a plurality of semiconductor devices 100. The maintenance device 200 includes a plurality of semiconductor devices 100 and a monitoring device 210 according to the present embodiment. The plurality of semiconductor devices 100 and the monitoring device 210 are connected to the network 220 so that they can communicate with each other.

複数の半導体装置100は、複数の外部システム(不図示)にそれぞれ組み込まれている。複数の半導体装置100は、出力端子19Oを介してネットワーク220に接続し、予測部30による寿命予測の結果、測定部20による特性変動の指標となるパラメータの測定結果等をモニタリング装置210に送信する。   The plurality of semiconductor devices 100 are respectively incorporated in a plurality of external systems (not shown). The plurality of semiconductor devices 100 are connected to the network 220 via the output terminal 19 </ b> O, and transmit, to the monitoring device 210, the results of lifetime prediction by the prediction unit 30, the measurement results of parameters that serve as indicators of characteristic fluctuations by the measurement unit 20 .

モニタリング装置210は、コンピュータ、マイクロコントローラ等を含む情報処理装置であり、例えば監視用プログラムを実行することによりモニタリング機能を発現する。モニタリング装置210は、複数の半導体装置100から半導体素子10の寿命予測の結果、特性変動の指標となるパラメータの測定結果等を受信し、モニタに一括表示する。   The monitoring device 210 is an information processing device including a computer, a microcontroller, and the like, and exhibits a monitoring function by executing a monitoring program, for example. The monitoring device 210 receives, as a result of life prediction of the semiconductor element 10 from a plurality of semiconductor devices 100, measurement results of parameters that serve as indicators of characteristic fluctuations, etc., and collectively displays them on the monitor.

なお、モニタリング装置210は、複数の半導体装置100から受信した半導体素子10の寿命予測の結果、特性変動の指標となるパラメータの測定結果等に基づいて、寿命調整するためのゲート抵抗Rgの抵抗値の設定信号を生成し、複数の半導体装置100に送信してもよい。複数の半導体装置100は、モニタリング装置210から受信する設定信号に従って、調整部12によりゲート抵抗の抵抗値を変更する。   Note that the monitoring device 210 has a resistance value of the gate resistance Rg for adjusting the lifetime based on a result of the lifetime prediction of the semiconductor element 10 received from the plurality of semiconductor devices 100, a measurement result of a parameter serving as an index of characteristic variation, and the like. May be generated and transmitted to a plurality of semiconductor devices 100. In the plurality of semiconductor devices 100, the adjustment unit 12 changes the resistance value of the gate resistance in accordance with the setting signal received from the monitoring device 210.

なお、先述の半導体素子10の特性変動の指標となるパラメータを測定する測定部20及び測定部20による各種パラメータの測定結果を用いて半導体素子10の寿命を予測する予測部30を組み込んだ、半導体装置100と独立に構成されるメンテナンス装置を用いて、半導体装置100が備える半導体素子10のパラメータを測定し、その結果に基づいて半導体素子の寿命を予測し、特性変動を制御してもよい。   Note that a semiconductor incorporating a measurement unit 20 that measures a parameter that is an index of characteristic variation of the semiconductor element 10 and a prediction unit 30 that predicts the lifetime of the semiconductor element 10 using measurement results of various parameters by the measurement unit 20. A maintenance device configured independently of the device 100 may be used to measure parameters of the semiconductor element 10 included in the semiconductor device 100, predict the lifetime of the semiconductor element based on the result, and control the characteristic variation.

図8は、変形例1に係る半導体装置110及びメンテナンス装置120の構成を示す。ここで、先述の半導体装置100における構成各部と同一又は対応する構成については同一の符号を付し、その詳細説明を省略することとする。   FIG. 8 shows the configuration of the semiconductor device 110 and the maintenance device 120 according to the first modification. Here, components that are the same as or correspond to the respective components of the semiconductor device 100 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

半導体装置110は、半導体素子10及び調整部12を備える。半導体素子10及び調整部12は、外部からスイッチング信号を入力するためのスイッチング端子19G、電流を通電するためのドレイン端子19D及びソース端子19S、半導体素子10のゲートGからゲート電圧を外部に出力するための出力端子19O、並びに外部から設定信号を調整部12に入力するための入力端子19Iの間に接続されている。   The semiconductor device 110 includes a semiconductor element 10 and an adjustment unit 12. The semiconductor element 10 and the adjustment unit 12 output a gate voltage to the outside from a switching terminal 19G for inputting a switching signal from the outside, a drain terminal 19D and a source terminal 19S for supplying a current, and a gate G of the semiconductor element 10. And an input terminal 19I for inputting a setting signal to the adjustment unit 12 from the outside.

メンテナンス装置120は、半導体素子10を備える半導体装置110に着脱可能に接続して、これをメンテナンスするための装置であり、測定部20、予測部30、及び設定部40を備える。   The maintenance device 120 is a device for detachably connecting to the semiconductor device 110 including the semiconductor element 10 and maintaining it, and includes a measurement unit 20, a prediction unit 30, and a setting unit 40.

測定部20は、先述の半導体装置100が備えるそれと同様に構成されている。ただし、第1測定部21は、半導体装置110の出力端子19Oに接続され、これを介して半導体素子10のゲート電圧が入力される。また、第2測定部22は、半導体装置110のドレイン端子19Dに接続され、これを介して半導体素子10のドレイン電圧が入力される。   The measurement unit 20 is configured in the same manner as that of the semiconductor device 100 described above. However, the 1st measurement part 21 is connected to the output terminal 19O of the semiconductor device 110, and the gate voltage of the semiconductor element 10 is input through this. The second measuring unit 22 is connected to the drain terminal 19D of the semiconductor device 110, and the drain voltage of the semiconductor element 10 is input through the second measuring unit 22.

予測部30は、先述の半導体装置100が備えるそれと同様に構成されている。ただし、半導体素子10の寿命の予測結果を設定部40に出力する。   The prediction unit 30 is configured in the same manner as that of the semiconductor device 100 described above. However, the prediction result of the lifetime of the semiconductor element 10 is output to the setting unit 40.

設定部40は、予測部30により予測された寿命が目標寿命よりも短い場合に、半導体素子10のゲート電圧の変化速度の設定値を変更する。ここで、設定値として、例えばゲート抵抗Rgの抵抗値を用いることができる。設定部40は、変更した設定値を入力端子19Iを介して半導体装置110の調整部12に送信する。それにより、調整部12は、ゲート抵抗Rgの抵抗値を設定値に変更する。ここで、調整部12が1つの抵抗素子と可変パルス電流源で構成されている場合は、設定値であるゲート抵抗Rgの値となるように、可変パルス電流源の電流値を変更し、ゲート電流を変更することで等価的にゲート抵抗Rgの抵抗値を設定値に変更する。   The setting unit 40 changes the set value of the change rate of the gate voltage of the semiconductor element 10 when the life predicted by the prediction unit 30 is shorter than the target life. Here, for example, the resistance value of the gate resistance Rg can be used as the set value. The setting unit 40 transmits the changed setting value to the adjustment unit 12 of the semiconductor device 110 via the input terminal 19I. Thereby, the adjustment unit 12 changes the resistance value of the gate resistance Rg to a set value. Here, when the adjustment unit 12 is configured by one resistive element and a variable pulse current source, the current value of the variable pulse current source is changed so as to be the value of the gate resistance Rg which is a set value, and the gate By changing the current, the resistance value of the gate resistance Rg is equivalently changed to the set value.

なお、メンテナンス装置120は、ネットワークを介して半導体装置110に接続されることとしてもよい。   Note that the maintenance device 120 may be connected to the semiconductor device 110 via a network.

図9に、変形例1に係るメンテナンス装置120を用いた半導体装置110のメンテナンス方法の手順を示す。   FIG. 9 shows a procedure of a maintenance method for the semiconductor device 110 using the maintenance device 120 according to the first modification.

ステップS1では、測定部20により、半導体素子10の特性変動の指標となるパラメータを測定する。パラメータとして、ゲート電圧のオーバーシュート時間及びその累計、閾値電圧及びその変動、オン電圧及びオン抵抗等を選択することができる。   In step S <b> 1, the measurement unit 20 measures a parameter that is an index of characteristic variation of the semiconductor element 10. As parameters, it is possible to select an overshoot time of the gate voltage and its total, a threshold voltage and its fluctuation, an on voltage, an on resistance, and the like.

ステップS2では、予測部30により、測定部20により測定されたパラメータを用いて半導体素子10の寿命を予測する。例えば、予測部30は、ゲート電圧のオーバーシュート時間の累計より、半導体素子10の寿命を予測する。寿命予測の詳細は、先述の通りである。   In step S <b> 2, the lifetime of the semiconductor element 10 is predicted by the prediction unit 30 using the parameters measured by the measurement unit 20. For example, the prediction unit 30 predicts the lifetime of the semiconductor element 10 from the accumulated gate voltage overshoot time. The details of the life prediction are as described above.

ステップS3では、設定部40により、半導体素子10のゲート電圧の変化速度の設定値を変更する。設定部40は、予測部30により予測された半導体素子10の寿命が予め設定された目標寿命より短い場合、設定値として、ゲート抵抗Rgの抵抗値を大きな値に変更する。それにより、調整部12によりゲート抵抗Rgが大きな設定値に変更され、オーバーシュート時間が短くなり、閾値電圧の変動が抑制されることで半導体素子10が延命される。   In step S <b> 3, the setting unit 40 changes the set value of the change rate of the gate voltage of the semiconductor element 10. When the lifetime of the semiconductor element 10 predicted by the prediction unit 30 is shorter than the preset target lifetime, the setting unit 40 changes the resistance value of the gate resistance Rg to a large value as the setting value. Thereby, the gate resistance Rg is changed to a large set value by the adjustment unit 12, the overshoot time is shortened, and the fluctuation of the threshold voltage is suppressed, thereby extending the life of the semiconductor element 10.

なお、設定部40は、半導体素子10の寿命がおよそ目標寿命で尽きるように、設定値としてのゲート抵抗Rgの抵抗値を変更してもよい。また、予測部30により予測された半導体素子10の寿命が予め設定された目標寿命より長い場合、設定値としてのゲート抵抗Rgの抵抗値を小さい値に変更してもよい。それにより、調整部12によりゲート抵抗Rgが小さい設定値に変更され、ゲート電圧Vの立下り時間が短くなり、スイッチング速度が上げるとともに効率が改善される。または、可変パルス電流源の電流値を小さい値に変更し、ゲート電流を少なくすることで等価的にゲート抵抗Rgの抵抗値を小さい設定値に変更してもよい。 Note that the setting unit 40 may change the resistance value of the gate resistance Rg as a setting value so that the life of the semiconductor element 10 is almost the target life. Further, when the lifetime of the semiconductor element 10 predicted by the prediction unit 30 is longer than a preset target lifetime, the resistance value of the gate resistance Rg as a set value may be changed to a small value. Thus, changes to the gate resistor Rg is lower the set value by the adjustment unit 12, the fall time of the gate voltage V G is reduced, efficiency is improved with increased switching speed. Alternatively, the resistance value of the gate resistance Rg may be equivalently changed to a small set value by changing the current value of the variable pulse current source to a small value and reducing the gate current.

なお、本実施形態の半導体装置100は、例えば、パワーコンディショナ(PCS)、インバータ、スマートグリッド等の電力装置である外部システムに組み込むことができる。   Note that the semiconductor device 100 of this embodiment can be incorporated into an external system that is a power device such as a power conditioner (PCS), an inverter, or a smart grid.

図10は、変形例2に係る半導体装置111の回路構成を示す。半導体装置111は、半導体装置100と同様に、半導体素子10、調整部12、測定部20、及び予測部30を備える。半導体装置111の基本的な構成は先述の半導体装置100と同様であるため、半導体装置100と同様又は対応する構成については詳細説明を省略する。   FIG. 10 shows a circuit configuration of the semiconductor device 111 according to the second modification. Similar to the semiconductor device 100, the semiconductor device 111 includes the semiconductor element 10, the adjustment unit 12, the measurement unit 20, and the prediction unit 30. Since the basic configuration of the semiconductor device 111 is the same as that of the semiconductor device 100 described above, detailed description of the same or corresponding configuration as the semiconductor device 100 is omitted.

調整部12は、半導体素子10のゲートGに接続される抵抗素子の抵抗値を、これに流れるゲート電流を調整することで等価的に変更するユニットであり、1つの抵抗素子12R並びに2つの可変パルス電流源12T及び12Uを有する。   The adjustment unit 12 is a unit that equivalently changes the resistance value of the resistance element connected to the gate G of the semiconductor element 10 by adjusting the gate current flowing therethrough, and includes one resistance element 12R and two variable elements. It has pulse current sources 12T and 12U.

抵抗素子12Rは、例えば0.01〜10Ωの範囲内で抵抗値を有する素子であり、一端が半導体素子10のゲートGに接続される。   The resistance element 12 </ b> R is an element having a resistance value within a range of 0.01 to 10Ω, for example, and one end is connected to the gate G of the semiconductor element 10.

可変パルス電流源12T及び12Uは、予測部30から入力される予測結果により制御されて所定のゲート電流を通電させるユニットである。可変パルス電流源12Tの一端は高電位側VHに接続され、他端がスイッチング端子19Gに接続される。また、可変パルス電流源12Uの一端はスイッチング端子19Gに接続され、他端がソース端子19Sに接続される。それにより、可変パルス電流源12T及び12Uは、スイッチング端子19Gを間に挟み、高電位側VHとソース端子19S(すなわち低電位側VL)の間に並列される。   The variable pulse current sources 12T and 12U are units that are controlled by a prediction result input from the prediction unit 30 and energize a predetermined gate current. One end of the variable pulse current source 12T is connected to the high potential side VH, and the other end is connected to the switching terminal 19G. One end of the variable pulse current source 12U is connected to the switching terminal 19G, and the other end is connected to the source terminal 19S. Thereby, the variable pulse current sources 12T and 12U are arranged in parallel between the high potential side VH and the source terminal 19S (that is, the low potential side VL) with the switching terminal 19G interposed therebetween.

調整部12は、可変パルス電流源12T又は12Uにより、所定のゲート電流を抵抗素子12Rに通電又は逆方向に通電させることで、等価的にゲート抵抗の抵抗値を変更可能とする。なお、ゲート抵抗の抵抗値と半導体素子10の性能との関係及び調性部12が果たす機能については前述したものと同様である。   The adjustment unit 12 can change the resistance value of the gate resistance equivalently by energizing the resistance element 12R with a predetermined gate current by the variable pulse current source 12T or 12U or in the opposite direction. The relationship between the resistance value of the gate resistance and the performance of the semiconductor element 10 and the function performed by the toning unit 12 are the same as those described above.

スイッチング素子をターンオンする際、ゲート電圧はターンオフ電圧からターンオン電圧となる。このとき可変パルス電流源12Uにパルス電流を通電させると、ゲートGに流れ込む電流が可変パルス電流源12Uの通電期間のみ小さくなるため、等価的にゲート抵抗が大きくなる。また、スイッチング素子をターンオフする際は、可変パルス電流源12Tにパルス電流を通電させることで、ゲートGから引き出される電流が通電期間のみ小さくなるため、等価的にゲート抵抗が大きくなる。ここでは、等価的にゲート抵抗を大きくするための動作を説明したが、ゲート抵抗を等価的に小さくする動作に関しては、動作させる可変パルス電流源を上記と逆にすることで実現可能である。   When the switching element is turned on, the gate voltage changes from the turn-off voltage to the turn-on voltage. At this time, if a pulse current is applied to the variable pulse current source 12U, the current flowing into the gate G is reduced only during the energization period of the variable pulse current source 12U, so that the gate resistance is equivalently increased. When the switching element is turned off, the pulse current is supplied to the variable pulse current source 12T, so that the current drawn from the gate G is reduced only during the conduction period, so that the gate resistance is equivalently increased. Although the operation for increasing the gate resistance equivalently has been described here, the operation for reducing the gate resistance equivalently can be realized by reversing the variable pulse current source to be operated.

なお、抵抗素子12Rを省略し、可変パルス電流源12T及び12Uのみで調整部12を構成してもよい。   Note that the resistor 12R may be omitted, and the adjustment unit 12 may be configured with only the variable pulse current sources 12T and 12U.

従って、変形例2においても、調整部12によりゲート抵抗の抵抗値を等価的に変更する。例えば、ゲート抵抗に通電するゲート電流を大きくし、より小さな抵抗値に等価的に変更することにより半導体素子10の効率を改善し、スイッチング速度を上げることができる。また、より小さな電流値に変更し、より大きな抵抗値に変更することにより半導体素子10の耐用時間を延ばす、すなわち延命することができる。   Therefore, also in the modified example 2, the adjustment unit 12 changes the resistance value of the gate resistance equivalently. For example, the efficiency of the semiconductor element 10 can be improved and the switching speed can be increased by increasing the gate current flowing through the gate resistance and changing it to a smaller resistance value equivalently. Further, by changing to a smaller current value and to a larger resistance value, the service life of the semiconductor element 10 can be extended, that is, the life can be extended.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。   The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.

10…半導体素子、12…調整部、12R…抵抗素子、12S…スイッチ、12T,12U…可変パルス電流源、19D…ドレイン端子、19G…スイッチング端子、19I…入力端子、19O…出力端子、19S…ソース端子、20…測定部、21…第1測定部、22…第2測定部、22a…DESATダイオード(ダイオード)、22b…電流源、22c…比較器、30…予測部、40…設定部、100,110,111…半導体装置、120…メンテナンス装置、200…メンテナンス装置、210…モニタリング装置、220…ネットワーク。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor element, 12 ... Adjustment part, 12R ... Resistance element, 12S ... Switch, 12T, 12U ... Variable pulse current source, 19D ... Drain terminal, 19G ... Switching terminal, 19I ... Input terminal, 19O ... Output terminal, 19S ... Source terminal 20 ... Measurement unit 21 ... First measurement unit 22 ... Second measurement unit 22a ... DESAT diode (diode) 22b ... Current source 22c ... Comparator 30 ... Prediction unit 40 ... Setting unit DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,110,111 ... Semiconductor device, 120 ... Maintenance apparatus, 200 ... Maintenance apparatus, 210 ... Monitoring apparatus, 220 ... Network.

Claims (19)

ポリタイプ結晶構造を有する基板に形成される半導体素子と、
前記半導体素子のゲート電圧のオーバーシュート時間を含むパラメータを測定する測定部と、
を備える半導体装置。
A semiconductor element formed on a substrate having a polytype crystal structure;
A measurement unit for measuring a parameter including an overshoot time of the gate voltage of the semiconductor element;
A semiconductor device comprising:
前記基板は、SiC基板またはGaN基板である請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate is a SiC substrate or a GaN substrate. 前記測定部は、測定対象期間内における前記半導体素子のスイッチングに応じた累計のオーバーシュート時間を測定する請求項1または2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the measurement unit measures a cumulative overshoot time according to switching of the semiconductor element within a measurement target period. 前記測定部は、前記パラメータの少なくとも一つとして、前記半導体素子の閾値電圧の変動を測定する請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the measurement unit measures a variation in a threshold voltage of the semiconductor element as at least one of the parameters. 前記測定部は、前記パラメータの少なくとも一つとして、前記半導体素子のオン電圧およびオン抵抗の少なくとも一方を測定する請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the measurement unit measures at least one of an on-voltage and an on-resistance of the semiconductor element as at least one of the parameters. 前記測定部は、当該半導体装置のテスト期間において、前記パラメータを測定する請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the measurement unit measures the parameter during a test period of the semiconductor device. 前記パラメータを用いて前記半導体素子の寿命を予測する予測部を更に備える請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising a prediction unit that predicts a lifetime of the semiconductor element using the parameter. 前記予測部は、前記パラメータが許容範囲外となるまでの期間を予測する請求項7に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 7, wherein the prediction unit predicts a period until the parameter is out of an allowable range. 前記予測部により予測された寿命が目標寿命よりも短い場合に、前記半導体素子のゲート電圧の変化速度を調整する調整部を更に備える請求項7または8に記載の半導体装置。   9. The semiconductor device according to claim 7, further comprising: an adjustment unit that adjusts a change rate of a gate voltage of the semiconductor element when the life predicted by the prediction unit is shorter than a target life. 前記調整部は、外部からスイッチング信号を入力するスイッチング端子と前記半導体素子のゲートの間に接続するゲート抵抗の抵抗値、又は可変パルス電流源によるゲート電流値を変更する請求項9に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 9, wherein the adjustment unit changes a resistance value of a gate resistor connected between a switching terminal for inputting a switching signal from the outside and a gate of the semiconductor element, or a gate current value by a variable pulse current source. apparatus. 前記予測部は、前記パラメータがアラートレベルに達したことに応じてアラート信号を出力する請求項7から10のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 7, wherein the prediction unit outputs an alert signal in response to the parameter reaching an alert level. 請求項1から11の何れか一項に記載の半導体装置と、
前記半導体装置とネットワークを介して接続されるモニタリング装置と、
を備えるメンテナンス装置。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 11,
A monitoring device connected to the semiconductor device via a network;
A maintenance device comprising:
半導体素子を備える半導体装置をメンテナンスするためのメンテナンス装置であって、
前記半導体素子の特性変動の指標となるパラメータを測定する測定部と、
測定された前記パラメータを用いて前記半導体素子の寿命を予測する予測部と
を備えるメンテナンス装置。
A maintenance device for maintaining a semiconductor device including a semiconductor element,
A measurement unit that measures a parameter that is an index of characteristic variation of the semiconductor element;
A maintenance device comprising: a prediction unit that predicts the lifetime of the semiconductor element using the measured parameter.
前記予測部により予測された寿命が目標寿命よりも短い場合に、前記半導体装置における、前記半導体素子のゲート電圧の変化速度の設定値を変更する設定部を更に備える請求項13に記載のメンテナンス装置。   The maintenance device according to claim 13, further comprising a setting unit that changes a set value of a change rate of a gate voltage of the semiconductor element in the semiconductor device when the life predicted by the prediction unit is shorter than a target life. . 前記設定部は、前記半導体装置が外部からスイッチング信号を入力するスイッチング端子と前記半導体素子のゲートとの間に接続するゲート抵抗の抵抗値、又は可変パルス電流源によるゲート電流値を定める前記設定値を変更する請求項14に記載のメンテナンス装置。   The setting unit is configured to determine a resistance value of a gate resistor connected between a switching terminal to which the semiconductor device inputs a switching signal from the outside and a gate of the semiconductor element, or a gate current value by a variable pulse current source. The maintenance device according to claim 14, wherein the maintenance device is changed. 前記メンテナンス装置は、ネットワークを介して前記半導体装置に接続される請求項13から15のいずれか一項に記載のメンテナンス装置。   The maintenance device according to claim 13, wherein the maintenance device is connected to the semiconductor device via a network. 半導体素子を備える半導体装置のメンテナンス方法であって、
前記半導体素子の特性変動の指標となるパラメータを測定する測定段階と、
測定された前記パラメータを用いて前記半導体素子の寿命を予測する予測段階と
を備えるメンテナンス方法。
A maintenance method for a semiconductor device including a semiconductor element,
A measurement step of measuring a parameter serving as an index of characteristic variation of the semiconductor element;
A prediction step of predicting the lifetime of the semiconductor element using the measured parameter.
前記予測段階において予測された寿命が目標寿命よりも短い場合に、前記半導体装置における、前記半導体素子のゲート電圧の変化速度の設定値を変更する設定段階を更に備える請求項17に記載のメンテナンス方法。   18. The maintenance method according to claim 17, further comprising a setting step of changing a setting value of a change rate of a gate voltage of the semiconductor element in the semiconductor device when a lifetime predicted in the prediction step is shorter than a target lifetime. . 前記設定段階は、前記半導体装置が外部からスイッチング信号を入力するスイッチング端子と前記半導体素子のゲートの間に接続するゲート抵抗の抵抗値、又は可変パルス電流源によるゲート電流値を定める前記設定値を変更する請求項18に記載のメンテナンス方法。   In the setting step, the setting value for determining a resistance value of a gate resistor connected between a switching terminal to which the semiconductor device inputs a switching signal from the outside and a gate of the semiconductor element, or a gate current value by a variable pulse current source is set. The maintenance method according to claim 18 to be changed.
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