JP2019013102A - 半導体装置、パワーモジュール、および電力変換装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
具体的に、上記のサーミスタを用いてパワーモジュールの表面温度を検出する方法の場合には、サーミスタによって検出されるのは、パワーモジュールのケースの温度(以下、ケース温度と称する)である。パワーモジュールのケースには、熱源である半導体素子の接合部から熱が遅延して伝わるので、ケース温度は接合温度よりも低くなっている可能性がある。このため、半導体素子の接合温度は検出温度から推定する必要があり、検出温度がSi半導体素子の故障温度である150℃に達する前に半導体素子への通電を停止しなければならない。
[温度検出方法]
図1は、第1の実施形態の場合において、半導体素子の温度検出方法を説明するための図である。本実施形態では、半導体素子として絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)Tr1,Tr2を用いて構成されたハーフブリッジ回路20を例に挙げて説明する。ハーフブリッジ回路20は、たとえば電力変換装置の少なくとも一部を構成し、パルス幅変調(Pulse Width Modulation)によって制御されるものである。
以下、電界効果トランジスタのボディダイオードについて説明する。図2では横型MISFETの場合について説明し、図3では縦型MISFETの場合について説明する。
次に、上記のMISFETのゲート電圧を制御するとともに、ボディダイオードのアノード・カソード間電圧を検出するための半導体装置の構成例について説明する。
Vtemp=(VU−VH)×R2/R1+Vref …(1)
で表される。
図5は、図4の半導体装置の動作を示すタイミング図である。図5には、上から順に、ゲート制御信号VT、VB、制御信号CTL1,CTL2、および接続ノードUの電位VUの各波形が模式的に示されている。以下、主として図4および図5を参照して、図4の半導体装置50Aの動作について説明する。
上記のとおり第1の実施形態の半導体装置50Aによれば、パワーMISFETのボディダイオードの温度特性に基づいてパワーMISFETの接合温度を測定するので、従来方法に比べてより正確にMISFETの接合温度を測定することができる。さらに、サーミスタ、ダイオードなどの温度検出のためのセンサを設ける必要がないので、システムを構成するパーツを従来よりも削減することができる。
以下、高電位側の電界効果トランジスタTr1に代えて、低電位側の電界効果トランジスタTr2の温度を測定する例について説明する。
図6は、第1の実施形態の変形例の場合において、半導体素子の温度検出方法を説明するための図である。図6の説明図は図1の説明図に対応するものであり、電界効果トランジスタTr1,Tr2を用いて構成されたハーフブリッジ回路20が示されている。このハーフブリッジ回路20は電力変換装置の少なくとも一部を構成するものと考えてよい。図6の場合には、接続ノードUと低電位ノード24(低電位ノード24は、電界効果トランジスタTr2とシャント抵抗RESとの接続ノードである)との間に、電界効果トランジスタTr2の並列に負荷としてのインダクタ23が接続される。
次に、実施の形態1の変形例における半導体装置の構成について説明する。
図8は、図7の半導体装置の動作を示すタイミング図である。図8のタイミング図は、図5のタイミング図に対応するものであり、上から順に、ゲート制御信号VT、VB、制御信号CTL1,CTL2、および接続ノードUの電位VUの各波形が模式的に示されている。以下、主として図7および図8を参照して、図7の半導体装置50Bの動作について説明する。
以上の第1の実施形態の変形例の半導体装置50Bによっても、第1の実施形態の半導体装置50Aと同様の効果を奏することができる。
第2の実施形態では、半導体装置50Cによって電力変換装置としてのモータ制御用のインバータ装置25を制御する例について説明する。
図9は、第2の実施形態による半導体装置の構成を示すブロック図である。図9の半導体装置50Cは、電力変換装置としてのインバータ装置25(三相ブリッジ回路とも称する)を構成する電界効果トランジスタTr1〜Tr6のオン・オフを制御し、また、上アームの電界効果トランジスタTr1,Tr3,Tr5のボディダイオードのカソード・アノード間電圧を検出するように構成されている。半導体装置50Cとインバータ装置25とはパワーモジュールの一部として構成されていてもよい。
本実施形態では、いずれか2相のみに電流を流す2相励磁方式によって三相モータMが駆動される。この場合、モータ電流が流れる2相は、インバータ装置25によって60度の電気角ごとに切り替えられる。
図10のモータ制御法によれば、通電相を切り替えた後の最初のデッドタイムの期間内において、電界効果トランジスタTr1〜Tr6のボディダイオードの順方向電圧を検出するようにすれば、三相モータMの駆動制御にほとんど影響を与えずに接合温度を検出することができる。なぜなら、今まで通電していなかった固定子巻線に通電を開始した直後の状態では、当該固定子巻線に流す電流の大きさは、定常状態の電流値よりも小さな電流値(たとえば、1〜2A程度)に制御することができるからである。この場合の小さな電流値は、ボディダイオードの順方向電圧Vfの測定に適した値になるように調整される。
以下、上記のタイミング112P(図10の場合、電気角240)後の最初のデッドタイムにおいて、V相上アームの電界効果トランジスタTr3の接合温度を検出する場合についてさらに説明する。
以下、これまでの説明を総括して、図9のコントローラ56の動作について説明する。
第2の実施形態の半導体装置によれば、三相モータを制御するインバータ装置を構成する少なくとも1つのMISFETの接合温度を従来よりも精度良く検出することができる。さらに、サーミスタ、ダイオードなどの温度検出のためのセンサを設ける必要がないので、システムを構成するパーツを従来よりも削減することができる。
電力変換装置を構成するブリッジ回路の構成は特に限定されない。たとえば、Hブリッジ(フルブリッジ)の場合にも上述した接合温度の検出方法を適用することができる。具体的にHブリッジの場合は、前述した図11において、電界効果トランジスタTr5,Tr6と固定子巻線L3とが存在しないものと考えれば、図11を参照した前述の動作説明がそのまま成立する。
Claims (15)
- 電力変換装置を構成する複数の電界効果トランジスタを制御する半導体装置であって、
各前記電界効果トランジスタはボディダイオードを有し、
前記電力変換装置は、
互いに異なる基準電位を与えるための第1の電源ノードおよび第2の電源ノードと、
負荷に接続するための第1の接続ノードと、
前記第1の電源ノードと前記第1の接続ノードとの間に接続された第1の電界効果トランジスタと、
前記第2の電源ノードと前記第1の接続ノードとの間に接続された第2の電界効果トランジスタとを含み、
前記半導体装置は、
パルス幅制御によって前記電力変換装置を構成する各前記電界効果トランジスタのオン・オフを制御するコントローラと、
前記第1の接続ノードと前記第1の電源ノードとの間の電位差を検出可能に構成された差動増幅器とを備える、半導体装置。 - 前記コントローラは、第1の期間において、前記第1の電界効果トランジスタをオフ状態に制御しかつ前記第2の電界効果トランジスタをオン状態に制御し、これにより、前記負荷および前記第2の電界効果トランジスタを通って前記第1の電源ノードと前記第2の電源ノードとの間で電流が流れ、
前記コントローラは、前記第1の期間に続く第2の期間において、前記第1および第2の電界効果トランジスタを共にオフ状態に制御し、
前記コントローラは、前記第2の期間内において、前記差動増幅器によって前記第1の接続ノードと前記第1の電源ノードとの間の電位差を検出する、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記半導体装置は、
前記第1の接続ノードと前記差動増幅器の第1の入力ノードとの間に接続された第1のスイッチと、
前記差動増幅器の出力ノードに接続されたサンプル・ホールド回路とをさらに備え、
前記コントローラは、前記第2の期間において、前記第1のスイッチをオン状態に制御するとともに、前記サンプル・ホールド回路に前記差動増幅器の出力をサンプリングさせる、請求項2に記載の半導体装置。 - 前記電力変換装置は、さらに、
前記負荷に接続するための前記第1の接続ノードと異なる第2の接続ノードと、
前記第1の電源ノードと前記第2の接続ノードとの間に接続された第3の電界効果トランジスタと、
前記第2の電源ノードと前記第2の接続ノードとの間に接続された第4の電界効果トランジスタとを含み、
前記差動増幅器は、さらに、前記第2の接続ノードと前記第1の電源ノードとの間の電位差を検出可能に構成される、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記コントローラは、第1の期間において、前記第1および第4の電界効果トランジスタをオン状態に制御しかつ前記第2および第3の電界効果トランジスタをオフ状態に制御し、
前記コントローラは、前記第1の期間に続く第2の期間において、前記第1の電界効果トランジスタをオン状態に制御しかつ前記第2〜第4の電界効果トランジスタをオフ状態に制御し、
前記コントローラは、前記第2の期間内において、前記差動増幅器によって前記第2の接続ノードと前記第1の電源ノードとの間の電位差を検出する、請求項4に記載の半導体装置。 - 前記半導体装置は、
前記第1の接続ノードと前記差動増幅器の第1の入力ノードとの間に接続された第1のスイッチと、
前記第2の接続ノードと前記差動増幅器の前記第1の入力ノードとの間に接続された第2のスイッチと、
前記差動増幅器の出力ノードに接続されたサンプル・ホールド回路とをさらに備え、
前記コントローラは、前記第2の期間において、前記第1のスイッチをオフ状態に制御し、かつ前記第2のスイッチをオン状態に制御し、かつ前記サンプル・ホールド回路に前記差動増幅器の出力をサンプリングさせる、請求項5に記載の半導体装置。 - 前記負荷は、Y結線された第1の固定子巻線、第2の固定子巻線、および第3の固定子巻線を有する三相モータであり、
前記第1の接続ノードは前記第1の固定子巻線と接続され、
前記第2の接続ノードは前記第2の固定子巻線と接続され、
前記電力変換装置は、
前記第3の固定子巻線と接続するための第3の接続ノードと、
前記第1の電源ノードと前記第3の接続ノードとの間に接続された第5の電界効果トランジスタと、
前記第2の電源ノードと前記第3の接続ノードとの間に接続された第6の電界効果トランジスタとを含み、
前記差動増幅器は、さらに、前記第3の接続ノードと前記第1の電源ノードとの間の電位差を検出可能に構成される、請求項4に記載の半導体装置。 - 前記コントローラは、第1の期間において、前記第1および第6の電界効果トランジスタをオン状態に制御しかつ前記第2〜第5の電界効果トランジスタをオフ状態に制御し、
前記コントローラは、前記第1の期間に続く第2の期間において、前記第1および第4の電界効果トランジスタをオン状態に制御しかつ前記第2、第3、第5および第6の電界効果トランジスタをオフ状態に制御し、
前記コントローラは、前記第2の期間に続く第3の期間において、前記第1の電界効果トランジスタをオン状態に制御し、前記第2〜第6の電界効果トランジスタをオフ状態に制御し、
前記コントローラは、前記第3の期間内において、前記第2の接続ノードと前記第1の電源ノードとの間の電位差を検出する、請求項7に記載の半導体装置。 - 前記半導体装置は、
前記第1の接続ノードと前記差動増幅器の第1の入力ノードとの間に接続された第1のスイッチと、
前記第2の接続ノードと前記差動増幅器の前記第1の入力ノードとの間に接続された第2のスイッチと、
前記第3の接続ノードと前記差動増幅器の前記第1の入力ノードとの間に接続された第3のスイッチと、
前記差動増幅器の出力ノードに接続されたサンプル・ホールド回路とをさらに備え、
前記コントローラは、前記第3の期間において、前記第1および第3のスイッチをオフ状態に制御し、かつ前記第2のスイッチをオン状態に制御し、かつ前記サンプル・ホールド回路に前記差動増幅器の出力をサンプリングさせる、請求項8に記載の半導体装置。 - 前記コントローラは、前記第1〜第6の電界効果トランジスタのうち前記第1の電源ノードと前記第2の電源ノードとの間に互いに直列に接続された2個のトランジスタにおいて、一方のトランジスタをオン状態からオフ状態に切り替えかつ他方のトランジスタをオフ状態からオン状態に切り替える場合には、前記一方のトランジスタをオフ状態に切り替えてからデッドタイムの経過後に前記他方のトランジスタをオン状態に切り替え、
前記コントローラは、選択された一部のデッドタイムの期間内に前記差動増幅器によって対応のノード間の電位差を検出する、請求項7に記載の半導体装置。 - 前記第1の電源ノードの電位は、前記第2の電源ノードの電位よりも高電位であり、
前記コントローラは、前記第1の固定子巻線から前記第2の固定子巻線の方向への通電から前記第1の固定子巻線から前記第3の固定子巻線の方向への通電に切り替えた後、最初に前記第6の電界効果トランジスタをオン状態からオフ状態に切り替えてから前記第5の電界効果トランジスタをオフ状態からオン状態に切り替えるまでのデッドタイムの期間内に、前記差動増幅器を用いて前記第3の接続ノードと前記第1の電源ノードとの間の電位差を検出する、請求項10に記載の半導体装置。 - 前記第2の電源ノードの電位は、前記第1の電源ノードの電位よりも高電位であり、
前記コントローラは、前記第1の固定子巻線から前記第2の固定子巻線の方向への通電から前記第3の固定子巻線から前記第2の固定子巻線の方向への通電に切り替えた後、最初に前記第6の電界効果トランジスタをオン状態からオフ状態に切り替えてから前記第5の電界効果トランジスタをオフ状態からオン状態に切り替えるまでのデッドタイムの期間内に、前記差動増幅器を用いて前記第3の接続ノードと前記第1の電源ノードとの間の電位差を検出する、請求項10に記載の半導体装置。 - 前記差動増幅器が対応のノード間の電位差を検出しているときのデッドタイムの長さは、前記差動増幅器が電位差を検出していないときのデッドタイムの長さよりも長い、請求項10に記載の半導体装置。
- パワーモジュールであって、
互いに異なる基準電位を与えるための第1の電源ノードおよび第2の電源ノードと、
負荷に接続するための第1の接続ノードと、
前記第1の電源ノードと前記第1の接続ノードとの間に接続された第1の電界効果トランジスタと、
前記第2の電源ノードと前記第1の接続ノードとの間に接続された第2の電界効果トランジスタとを備え、
前記第1および第2の電界効果トランジスタの各々はボディダイオードを有し、
前記パワーモジュールは、さらに、
パルス幅制御によって各前記電界効果トランジスタのオン・オフを制御するコントローラと、
前記第1の接続ノードと前記第1の電源ノードとの間の電位差を検出可能に構成された差動増幅器とを備える、パワーモジュール。 - 電力変換装置の制御方法であって、
前記電力変換装置は、
互いに異なる基準電位を与えるための第1の電源ノードおよび第2の電源ノードと、
負荷に接続するための第1の接続ノードと、
前記第1の電源ノードと前記第1の接続ノードとの間に接続された第1の電界効果トランジスタと、
前記第2の電源ノードと前記第1の接続ノードとの間に接続された第2の電界効果トランジスタとを含み、
各前記電界効果トランジスタはボディダイオードを有し、
前記制御方法は、
第1の期間において、前記第1の電界効果トランジスタをオフ状態に制御しかつ前記第2の電界効果トランジスタをオン状態に制御し、これにより、前記負荷および前記第2の電界効果トランジスタを通って前記第1の電源ノードと前記第2の電源ノードとの間で電流が流れるステップと、
前記第1の期間に続く第2の期間において、前記第1および第2の電界効果トランジスタを共にオフ状態に制御するステップと、
前記第2の期間内において、差動増幅器によって前記第1の接続ノードと前記第1の電源ノードとの間の電位差を検出するステップとを備える、電力変換装置の制御方法。
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