JP2019519182A - 結合部の温度と電流の検知 - Google Patents
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Abstract
Description
ア 信頼でき、精確であり、低コストであり、簡便であり、コンポーネントの数が少ない監視、
イ 電力回路を備えたチップ上に追加の外部端子(例えば、一つ以上のピン)を必要としない監視、
ウ 電力回路のスイッチング動作に影響を与えない監視、
エ 素子温度及び/又は定格電流の近傍又はそれ以上における素子の動作を可能にする監視、
オ 電力回路の信頼性及び/又は寿命を改善する、及び/又は素子(例えば、スイッチング素子及び/又はダイオード)が故障する前の回復措置を可能にする監視。
ア パワースイッチング素子が定常状態にある時にそのパワースイッチング素子の第一の導通端子からそのパワースイッチング素子の第二の導通端子に流れる電流と、
イ パワースイッチング素子とフリーホイールダイオードがそれぞれ定常状態にある時のそのパワースイッチング素子と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードの温度と、
ウ フリーホイールダイオードがパワースイッチング素子と逆並列に接続され、パワースイッチング素子とフリーホイールダイオードがそれぞれ定常状態にある時にそのフリーホイールダイオードのアノードからそのフリーホイールダイオードのカソードに流れる電流と、
の中の少なくとも一つから成り、この少なくとも一つの動作状況は、好ましくは、更に、パワースイッチング素子が定常状態にある時のパワースイッチング素子の温度を含む。
(1)素子の温度を測定するために、パワースイッチング素子、例えば、IGBTのゲート・エミッタキャパシタンス(一般的に酸化物)と並列に配置された温度検知抵抗(図2(b))、
(2)素子の温度を測定するために、フリーホイールダイオードチップに追加された追加の温度検知端子と並列に配置された温度検知抵抗(図3(b))、
(3)パワースイッチング素子、例えば、IGBTの補助エミッタに追加された電流ミラー部(素子の電流エミッタの出力は、素子を通って流れる主電流を測定するために、素子のゲートに接続される)(図5)、
(4)ダイオードを通って流れる電流を測定するために、フリーホイールダイオードチップに追加された電流ミラー部。
(a)逆電圧が印加された場合に、導通が阻止される。
(b)並列ではあるが、逆向きに配置された、例えば、負電圧に関するダイオードと正電圧に関するIGBTに対する二つのセンサーの間の識別を実現できる(図11に関する実施形態の以下の記述を参照)。
(c)0Vとダイオードターンオン電圧(例えば、0.7V)の間において、ダイオード漏れ電流しか流れない。これは、パワー素子製造業者が、この範囲内の電圧を用いて、IGBTゲートの漏れ電流を依然として測定することを可能にする。
(i)IGBT:IGBT温度を表す正のゲート電流は、ゲート駆動部へのターンオフコマンドから数μ秒(例えば、5〜50μ秒)後に測定される。この遅延時間は、IGBTゲートキャパシタンスを充電する容量性電流が、温度測定の精度を悪化させないように十分に減衰することを可能にするのに有利である。
(ii)ダイオード:ダイオード温度を表す負のゲート電流が、(a)不感時間と、(b)IGBTゲートキャパシタンス放電電流の減衰を可能にする、(i)とは別の遅延との二つの遅延時間後に測定される。(a)は、一般的に、逆並列IGBTのターンオフ後の遅延時間(不感時間)とゲート電流測定が実施されている時のダイオードスイッチングが容量結合効果に起因してゲート電流を中断させるまで、(フリーホイールダイオードが導通している場合の)フリーホイールダイオードに通じる逆向きのIGBTがターンオンしないので有利である。このことは図14に図示されている。
3 パワースイッチング素子
5,5a,5b 検知回路又は別の検知回路
7 駆動回路
9a,9b パワースイッチング素子の導通端子
13 フリーホイールダイオード
15a,15b フリーホイールダイオードのアノード導通端子及びカソード導通端子
19 ドライブ入力線
21 素子制御端子
23 温度検知電流源
25 ブロッキングダイオード
27 パワースイッチング素子の補助エミッタ端子
29,31 インピーダンス
33 スイッチ
35 スイッチ制御端子
37 フリーホイールダイオードを有するチップ
39 補助導通端子
41 温度検知抵抗
43 電流ミラー部
49 パワースイッチング素子を有するチップ
51 マルチチップモジュール
53 モジュール駆動回路
Claims (34)
- パワースイッチング素子であって、オン状態において、その素子の第一の素子導通端子からその素子の第二の素子導通端子に電流を導通させるパワースイッチング素子と、
このパワースイッチング素子と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードであって、非ブロッキング状態において、そのフリーホイールダイオードのアノード導通端子からそのフリーホイールダイオードのカソード導通端子に電流を導通させるフリーホイールダイオードと、
このパワースイッチング素子のスイッチングを制御するために、このパワースイッチング素子の素子制御端子に接続されたドライブ入力線と、
を備えた電力回路において、
この電力回路が、前記の導通端子の中の少なくとも一つに接続された少なくとも一つの温度検知電流源を備えた検知回路を有し、この検知回路が、この温度検知電流源からドライブ入力線に少なくとも一つの検知信号を供給し、この検知信号が、少なくとも一つの温度を表し、
前記の温度検知電流源がパワースイッチング素子と熱的に接続され、前記の検知信号により表される温度が、パワースイッチング素子の温度であり、前記の少なくとも一つの導通端子が、パワースイッチング素子の前記の一つの素子導通端子から成ることと、前記の温度検知電流源がフリーホイールダイオードと熱的に接続され、前記の検知信号により表される温度が、フリーホイールダイオードの温度であり、前記の少なくとも一つの導通端子が、フリーホイールダイオードの前記のアノード導通端子又はカソード導通端子から成ることとの中の一つ以上である、
電力回路。 - パワースイッチング素子のスイッチングを制御するために、パワースイッチング素子の素子制御端子を制御するための駆動信号を前記のドライブ入力線に供給するように接続された駆動回路を備え、
この駆動回路が、ドライブ入力線上に受信される前記の前記の検知信号に基づき本電力回路の少なくとも一つの動作状況を決定するように構成され、
この少なくとも一つの動作状況が、
パワースイッチング素子が定常状態にある時のパワースイッチング素子の前記の表される温度と、
パワースイッチング素子とフリーホイールダイオードがそれぞれ定常状態にある時のフリーホイールダイオードの前記の表される温度と、
の中の少なくとも一つから成る、
請求項1に記載の電力回路。 - 前記の検知回路が、パワースイッチング素子と熱的に接続された温度検知電流源と、フリーホイールダイオードと熱的に接続された温度検知電流源とを備えるとともに、更に、ブロッキングダイオードを備え、前記の各検知信号が、この温度検知電流源を流れる電流から成り、これらのブロッキングダイオードの中の一方が、ドライブ入力線に流れ出る電流を阻止するように接続され、これらのブロッキングダイオードの中の他方が、ドライブ入力線から流れ込む電流を阻止するように接続されている、
請求項1又は2に記載の電力回路。 - 前記の検知回路が、少なくとも、パワースイッチング素子と熱的に接続された温度検知電流源を備え、前記の少なくとも一つの導通端子が、パワースイッチング素子の補助エミッタ端子から成る、
請求項1から3までのいずれか一つに記載の電力回路。 - 前記の検知回路が、温度と過電流を検知する回路であり、この検知回路が、
素子制御端子と並列に接続された温度検知電流源と、
パワースイッチング素子の補助エミッタ端子と直列に接続されたインピーダンスと、
温度検知電流源から前記のインピーダンスに流れる電流を阻止するように接続され、補助エミッタ端子から温度検知電流源に電流が流れることを許容するように構成されたブロッキングダイオードと、
を有し、
ドライブ入力線により受信される検知信号が、温度検知電流源を通って流れる電流を表す信号であり、このブロッキングダイオードは、前記のインピーダンスに加わる電圧がこのブロッキングダイオードの閾値電圧に応じた閾値を上回った場合に、補助エミッタ端子からの電流の流れが電流源の出力電流を増加させるように構成される、
請求項4に記載の電力回路。 - 前記の検知回路が、温度と過電流を検知する回路であり、この検知回路が、
素子制御端子と並列に接続された温度検知電流源と、
パワースイッチング素子の補助エミッタ端子と直列なインピーダンスと、
このインピーダンスに接続されたスイッチング制御端子を有するスイッチであって、補助エミッタ端子からの電流が、このインピーダンスに閾値電圧を上回る電圧を加えた場合に、ターンオンするように構成されたスイッチと、
を備え、
ドライブ入力線が、温度検知電流源を通って流れる電流に応じた前記の検知信号と、前記のスイッチを通って流れる電流に応じた過電流検知信号とを受信するように接続されている、
請求項4に記載の電力回路。 - 前記のスイッチが、オン状態の時に、パワースイッチング素子の素子制御端子を放電させて、パワースイッチング素子の第一の素子導通端子から第二の素子導通端子に流れる電流を低減させるように構成される、
請求項6に記載の電力回路。 - フリーホイールダイオードであって、非ブロッキング状態において、そのフリーホイールダイオードのアノード導通端子からそのフリーホイールダイオードのカソード導通端子に電流を導通させるフリーホイールダイオードと、
このフリーホイールダイオードの前記の一つの導通端子に接続された検知回路であって、前記のフリーホイールダイオードの接続された導通端子における電圧及び/又は電流に応じた検知信号を供給する検知回路と、
を備えた電力回路。 - パワースイッチング素子であって、前記のフリーホイールダイオードが、このパワースイッチング素子と逆並列に接続され、オン状態において、その素子の第一の素子導通端子からその素子の第二の素子導通端子に電流を導通させるパワースイッチング素子と、
このパワースイッチング素子のスイッチングを制御するために、このパワースイッチング素子の素子制御端子に接続されたドライブ入力線であって、更に、前記の検知信号を受信するように構成されたドライブ入力線と、
を備えた請求項8に記載の電力回路。 - パワースイッチング素子のスイッチングを制御するために、パワースイッチング素子の素子制御端子を制御するための駆動信号を前記のドライブ入力線に供給するように接続された駆動回路を備え、この駆動回路は、パワースイッチング素子とフリーホイールダイオードがそれぞれ定常状態にある時に検知回路からドライブ入力線上に受信される前記の検知信号に基づき前記のフリーホイールダイオードの少なくとも一つの動作状況を決定するように構成される、
請求項8又は9に記載の電力回路。 - 前記の少なくとも一つの動作状況が、
前記の検知回路がフリーホイールダイオードと熱的に接続され、パワースイッチング素子とフリーホイールダイオードがそれぞれ定常状態にある時のフリーホイールダイオードの温度と、
パワースイッチング素子とフリーホイールダイオードがそれぞれ定常状態にある時のフリーホイールダイオードのアノード導通端子からフリーホイールダイオードのカソード導通端子に流れる電流の値と、
の中の少なくとも一つから成る、
請求項10に記載の電力回路。 - フリーホイールダイオードを有するチップを備え、このチップが、このチップの外部端子である補助導通端子を有し、検知回路に接続されたフリーホイールダイオードの導通端子が、この補助導通端子である、
請求項8から11までのいずれか一つに記載の電力回路。 - 前記の検知回路が、温度検知抵抗を有し、前記の検知信号が、この温度検知抵抗を通って流れる電流から成る、
請求項8から12までのいずれか一つに記載の電力回路。 - 前記の検知回路が、フリーホイールダイオードを通って流れる電流をミラーリングする電流ミラー部を有し、前記の検知信号が、この電流ミラー部を通って流れる電流に依存する、
請求項8から13までのいずれか一つに記載の電力回路。 - 前記の検知回路が、フリーホイールダイオードの導通端子に接続された温度検知電流源を有し、前記の検知信号が、この温度検知電流源を通って流れる電流に依存する、
請求項8から14までのいずれか一つに記載の電力回路。 - 前記のパワースイッチング素子の前記の素子導通端子に接続された別の検知回路を備え、この別の検知回路が、パワースイッチング素子の動作状況を表す検知信号をドライブ入力線に供給し、この別の検知回路と、フリーホイールダイオードに接続された前記の検知回路とが、それぞれブロッキングダイオードを有し、前記の各検知信号が、電流の流れから成り、これらのブロッキングダイオードの中の一方が、ドライブ入力線に流れ出る電流を阻止するように接続され、これらのブロッキングダイオードの中の他方が、ドライブ入力線から流れ込む電流を阻止するように接続されている、
少なくとも請求項9に記載の電力回路。 - パワースイッチング素子であって、オン状態において、その素子の第一の素子導通端子からその素子の第二の素子導通端子に電流を導通させるパワースイッチング素子を備えた電力回路において、この電力回路が、
このパワースイッチング素子の前記の一つの素子導通端子に接続された検知回路であって、前記の第一の素子導通端子から前記の第二の素子導通端子に流れる電流を表す検知信号を供給する検知回路と、
パワースイッチング素子のスイッチングを制御するために、パワースイッチング素子の素子制御端子に接続されたドライブ入力線であって、更に、前記の検知信号を受信するように構成されたドライブ入力線と、
を備えた電力回路。 - パワースイッチング素子のスイッチングを制御するために、パワースイッチング素子の素子制御端子を制御するための駆動信号を前記のドライブ入力線に供給するように接続された駆動回路を備え、この駆動回路は、パワースイッチング素子が定常状態にある時にドライブ入力線上に受信される前記の検知信号に基づき、本電力回路の少なくとも一つの動作状況を決定するように構成される、
請求項17に記載の電力回路。 - 前記の動作状況が、パワースイッチング素子が定常状態にある時にパワースイッチング素子の第一の素子導通端子からパワースイッチング素子の第二の素子導通端子に流れる電流の値を含む、
請求項18に記載の電力回路。 - 前記の第一の素子導通端子又は第二の素子導通端子がエミッタ端子であり、パワースイッチング素子が補助エミッタ端子を有し、
前記の検知回路に接続された素子導通端子が、この補助エミッタ端子であり、
前記の検知回路が、この補助エミッタ端子からの電流をミラーリングするように接続された電流ミラー部を有し、この検知回路が、この電流ミラー部を通って流れる電流に応じて前記の検知信号を発生させる、
請求項17から19までのいずれか一つに記載の電力回路。 - 更に、パワースイッチング素子に逆並列に接続されたフリーホイールダイオードを備え、このフリーホイールダイオードは、非ブロッキング状態において、このフリーホイールダイオードのアノード導通端子からこのフリーホイールダイオードのカソード導通端子に電流を導通させ、
本電力回路が、
このフリーホイールダイオードの前記の一つの導通端子に接続された別の検知回路であって、このフリーホイールダイオードの接続された導通端子に加わる電圧に応じた検知信号を供給する別の検知回路と、
この別の検知回路から検知信号を受信するように構成されたドライブ入力線と、
を備えた、
請求項17から20までのいずれか一つに記載の電力回路。 - 前記の駆動回路は、パワースイッチング素子とフリーホイールダイオードがそれぞれ定常状態にある時に前記の別の検知回路からドライブ入力線上に受信される前記の検知信号に基づき、本電力回路の少なくとも一つの動作状況を決定するように構成される、
少なくとも請求項18及び21に記載の電力回路。 - パワースイッチング素子の一つの素子導通端子に接続された前記の検知回路と、前記の別の検知回路とが、それぞれブロッキングダイオードを有し、前記の各検知信号が、電流の流れから成り、これらのブロッキングダイオードの中の一方が、ドライブ入力線に流れ出る電流を阻止するように接続され、これらのブロッキングダイオードの中の他方が、ドライブ入力線から流れ込む電流を阻止するように接続されている、
少なくとも請求項21に記載の電力回路。 - 前記の検知信号による電流指標が、パワースイッチング素子の過電流状況を表し、
前記の検知回路が、
パワースイッチング素子の補助エミッタ端子と直列なインピーダンスと、
このインピーダンスに接続されたスイッチ制御端子を有するスイッチであって、この補助エミッタ端子からの電流が、このインピーダンスに閾値電圧を上回る電圧を加えた場合に、ターンオンするように構成されたスイッチと、
を備え、
前記のドライブ入力線が、このスイッチを通って流れる電流に応じた前記の検知信号を受信するように接続されている、
請求項17から23までのいずれか一つに記載の電力回路。 - 前記の検知回路が、この検知回路に接続された導通端子に対して、0.5〜10kΩのインピーダンスを示し、
任意選択として、このインピーダンスを有する検知回路が、前記の別の検知回路である、
請求項1から24までのいずれか一つに記載の電力回路。 - 前記の素子制御端子が、任意選択として、酸化物層を有する電気絶縁ゲート端子である、
請求項1から25までのいずれか一つに記載の電力回路。 - 前記のパワースイッチング素子が、IGBT、MOSFET、パワーJFET又はHEMTである、
請求項1から26までのいずれか一つに記載の電力回路。 - パワースイッチング素子を備えた半導体チップの形であり、前記の検知回路とドライブ入力線が、それぞれこの半導体チップに集積され、この半導体チップは、任意選択として、更に、前記の別の検知回路を備える、
請求項1から27までのいずれか一つに記載の電力回路。 - パワースイッチング素子を備えた半導体チップから成り、前記の検知回路が、この半導体チップの表面に結合され、本電力回路が、任意選択として、好ましくは、この表面に結合された前記の別の検知回路を備える、
請求項1から28までのいずれか一つに記載の電力回路。 - 請求項1から29までのいずれか一つ又は一つ以上に記載の電力回路。
- 請求項1から30までのいずれか一つに記載の少なくとも一つの電力回路を備えたマルチチップモジュールにおいて、
このマルチチップモジュールが、複数の半導体チップを備え、これらの半導体チップの各々が、前記の各電力回路のパワースイッチング素子を有し、
このマルチチップモジュールが、パワースイッチング素子の素子制御端子を制御することによりパワースイッチング素子のスイッチングを制御するように構成されたモジュール駆動回路を備え、このモジュール駆動回路が、各電力回路の駆動回路を有し、
このモジュール駆動回路は、前記の少なくとも一つの電力回路の各々のドライブ入力線から少なくとも一つの検知信号を受信して、その受信された各検知信号に基づきマルチチップモジュールの少なくとも一つの動作状況を決定するように構成される、
マルチチップモジュール。 - 前記のモジュール駆動回路は、前記の別の検知回路から検知信号を受信するように構成され、このモジュール駆動回路が、前記のフリーホイールダイオードを備えた各電力回路からドライブ入力線上に受信される前記の各検知信号に基づき、前記の少なくとも一つの動作状況を決定する、
請求項1から31までのいずれか一つに記載のマルチチップモジュール。 - 電力回路のパワースイッチング素子を駆動する駆動回路において、
この駆動回路は、この素子のスイッチングを制御するために、パワースイッチング素子の素子制御端子に接続されたドライブ出力線を有し、このドライブ出力線は、更に、少なくとも一つの検知信号を受信し、この駆動回路は、この少なくとも一つの検知信号に基づき、この電力回路の少なくとも一つの動作状況を決定し、この動作状況が、
パワースイッチング素子が定常状態にある時にパワースイッチング素子の第一の素子導通端子からパワースイッチング素子の第二の素子導通端子に流れる電流と、
パワースイッチング素子とフリーホイールダイオードがそれぞれ定常状態にある時のパワースイッチング素子と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードの温度と、
フリーホイールダイオードがパワースイッチング素子と逆並列に接続され、パワースイッチング素子とフリーホイールダイオードがそれぞれ定常状態にある時にフリーホイールダイオードのアノードからフリーホイールダイオードのカソードに流れる電流と、
の中の少なくとも一つから成り、
この少なくとも一つの動作状況が、好ましくは、更に、パワースイッチング素子が定常状態にある時のパワースイッチング素子の温度を含む、
駆動回路。 - 請求項33に記載の駆動回路を備え、更に、パワースイッチング素子とフリーホイールダイオードの中の少なくとも一つを備えた電力回路において、
好ましくは、請求項1から30までのいずれか一つ又は一つ以上に記載された電力回路。
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