JP2020525797A - 発光によりパワーエレクトロニクス部品の冷却路の熱劣化を測定するためのデバイス - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのスイッチング半導体素子（１００）と、半導体素子（１００）を冷却するための冷却路と、予め決定した電流強度で素子を流れる電流に基づいて冷却路の劣化を判定するためのデバイス（２００）とを備える電気エネルギーを変換するためのデバイス（１０）を提供する。デバイス（１０）は、半導体素子（１００）が、電流が予め決定さし電流強度で半導体素子（１００）を流れたときに半導体素子の温度に依存する輝度を有する光を生成する光学的に活性の半導体材料を備え、劣化を判定するためのデバイス（２００）が、生成された光の輝度を検出するための輝度センサ（２１０）を備えることを特徴とする。このデバイスは、劣化を判定するためのデバイスおよび素子が互いに本質的に電気的に絶縁されており、劣化の判定が高分解能で可能であるという利点を有する。

Description

本発明は、電気エネルギーを変換するためのデバイス、および発光によって冷却路の劣化を判定するための方法に関する。

多くのパワーエレクトロニクスデバイスにおいて、スイッチング半導体素子がエネルギー変換のために使用される。これらの素子は冷却路によって冷却される。このようなデバイスの応用分野には、例えば電気自動車、ソーラーシステムまたは風力タービンにおける、電力制御ユニット、インバータ、または直流変圧器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）としての使用が含まれる。素子の正しい機能には、冷却路が正しく機能することが必要である。多くの用途では、素子の誤動作または故障を回避または防止することができるように、冷却路の劣化を判定することが有益であるか、または必要である。

このようなデバイスに使用される例示的な半導体素子には、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）およびダイオードが含まれ、これらは、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ）において実現することができる。

上述のデバイスに使用される電子半導体素子は、スイッチングに使用され、そしてフリーホイール路を有し、このフリーホイール路は、そのスイッチング素子に対して遮断方向に配置され、そして一般にダイオードに対応する。

金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）は、機能的に条件づけられた構造に基づいて、ボディダイオードとして一般に知られたそのようなフリーホイール路を既に含んでいる。

このようなフリーホイール路を本質的に有していないスイッチング半導体素子、特に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）は、一般に、別個のフリーホイールダイオードによって補われる。回路最適化のために、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）は、この場合には通常ショットキーダイオードとして構成された別個のフリーホイールダイオードによって補うこともできる。

半導体素子のｐｎ接合が流れ方向に作動されて電流が流れると、光子を放出することができる（発光）。使用される半導体およびｐｎ接合の状態（ドーピング濃度）に応じて、異なる強度および波長の光が放出される。この放出光の強度は、ｐｎ接合を流れる電流と、素子の温度とに依存する。

本発明によれば、電気エネルギーを変換する請求項１に記載のデバイスを提供し、このデバイスは、少なくとも１つの半導体素子と、冷却のための冷却路と、予め決定した電流強度で素子を流れる電流に基づいて冷却路の劣化を判定するためのデバイスとを備える。本デバイスは、半導体素子が、電流が予め決定した電流強度で半導体素子を通して流れたときにデバイスの温度に依存する輝度を有する光を生成する光学的に活性の半導体構造を含み、劣化を判定するためのデバイスが、生成された光の輝度を検出するための輝度センサを含むことを特徴とする。

請求項１０に記載の本発明による方法は、半導体素子の冷却路の劣化を決定するために用い、この電子的な半導体素子は、所定の電流強度を有する電流が半導体素子を通して流れたときに温度に依存した輝度を有する光を生成する、光学的に活性の半導体構造を備える。本発明による方法は、生成された光の輝度を輝度センサによって検出するステップと、検出した輝度を使用して、流れる電流に基づいて冷却路の劣化を判定するステップとを含む。

発明の利点
本発明によるデバイスは、電流強度を判定するためのデバイスと素子とが本質的に電気的に絶縁されるという利点を有する。電気絶縁なしに低い電圧レベルで信号を評価することも可能である。さらに、本発明によるデバイスは、構造体積が小さく、製造コストが低い。さらに、本発明は、電気エネルギーを変換するためのデバイスが、例えば、限界値を超えて劣化が進んだときに、素子を適時に交換することによって、よりフェールセーフな状態で作動することを可能にする。

本デバイスの特別な実施形態では、フォトダイオードを輝度センサとして設けており、これにより、良好に輝度を測定することが可能になる。

劣化を判定するためのデバイスは、電流が予め決定した電流強度で素子を通して流れる所定の期間の経過後に、劣化を判定するように構成してもよい。

これにより、素子内で生じた熱損失が冷却路に達するのに十分長い期間にわたって、所定の強度を有する測定電流を印加することが可能になり、これにより素子は、冷却路の機能に応じて加熱され、したがって、放出される光に対し熱の影響が及ぼされる。

劣化を判定するためのデバイスは、予め決定した期間にわたってフォトダイオードの光電流強度を加算することによって電荷を決定するように構成してもよい。このようにして、素子における初期の熱分布効果によって引き起こされる劣化度合の判定における誤差は、簡単に低減することができる。

劣化を判定するためのデバイスは、判定した計算パラメータ（電荷）および基準計算パラメータ（基準電荷）を使用して劣化を判定するように構成してもよい。

多くの用途では、初期値との相対変化を知ることのみが必要である。特に、素子の交換は、例えば、基準計算パラメータ（基準電荷）からの特定の計算パラメータ（電荷）の所定の最小のずれによってトリガすることができる。

発光効率が高まるという利点により、さらなる実施形態では、フリーホイール路を有するスイッチが、少なくとも部分的に透明に構成された少なくとも１つの半導体素子を含む。機能に基づいた金属被覆（例えばドレインまたはソース電極）は、部分的に開放し、及び／又はカプセルは透明に構成することができ、これにより、光は半導体及び／又は半導体のカプセルから出ることができる。

好ましくは、半導体素子の本質的に透明な縁部（チップ縁部）は、この目的のために使用し、したがって半導体素子の透明性を達成するためのさらなる別の手段を必要に応じて省略することができる。

関連する半導体素子は、好ましくは、ボディダイオード及び／又は別個の逆並列フリーホイールダイオードを有する金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、または、または逆並列フリーホイールダイオードを有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。

光を生成するためには、上記ボディダイオードまたはフリーホイールダイオードを使用するか、またはＩＧＢＴの場合にはコレクタのｐｎ接合を使用する。

半導体素子は、発光のための光学的に活性のゾーンを含むことができる。これにより、発光効率を高めることができ、輝度の判定を改善することができる。

このことにより、代替的または付加的に、半導体素子が、発光率を高めるドーピングを含むように構成することもできる。

本デバイスは、生成された光を輝度センサに導くように配置した導光素子を備えることができる。これにより、発光効率を高め、輝度判定を改善することもできる。

本デバイスは、電気自動車用の電力制御ユニットまたはインバータとしてもよい。

本発明の有利な構成を従属請求項に明記し、発明を実施するための形態において記述する。

図面および以下の説明に基づいて、本発明の例示的な実施形態を詳細に説明する。

本発明の例示的な実施形態を示す概略図である。 別の例示的な実施形態を示す断面図である。 損なわれていない素子および劣化した冷却路を有する素子についての、測定電流と、素子の温度と、フォトダイオード電流との間の関係を示す例示的な測定曲線図である。

図１は、本発明の例示的な実施形態を概略的に示す。

この図は、電気エネルギーを変換するためのデバイス１０を示す。これは、少なくとも１つのスイッチング半導体素子１００によって実現される。図示の例では、スイッチング半導体素子は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、例えば、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ−ＭＯＳＦＥＴ、またはＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴであり、ＭＯＳＦＥＴのダイオードまたはボディダイオード１１０が光を生成するために使用される。しかし、本発明から逸脱することなく、他の素子を代わりに使用することができる。この半導体素子１００は、冷却路を介して半導体素子１００に接続した冷却器４００を使用して冷却する。さらに、デバイス１０は、半導体素子１００を流れる電流に基づいて半導体素子１００の冷却路の劣化を判定するためのデバイス２００を備える。その電流の電流強度は、予め決定してもよいし、または所定の線に追従することができる。

半導体素子１００は高ドープされた基板路１２０を備え、この基板路１２０は光学的に活性の半導体材料を含み、そしてソース電極１１１とドレイン電極１１２との間に別のソースバルク接続１２１を介してダイオード１１０に並列で接続している。この光学的に活性の半導体材料は、半導体素子１００のボディダイオードの一部を形成し、電流が半導体素子１００を通して流れたときに、電流および温度に依存する輝度で光を生成する。冷却路の劣化度合を判定するためのデバイス２００は、この生成された光の輝度を検出するための輝度センサ２１０を備える。図示の例では、輝度センサ２１０はフォトダイオードであるが、本発明から逸脱することなく、代替的にまたは付加的に他の輝度センサを使用することもできる。いくつかの例示的な実施形態では、輝度と温度との間の関係は逆であり、温度が上昇するにつれて輝度は減少する。

半導体素子１００は、少なくとも部分的に透明な電極及び／又は少なくとも部分的に透明なカプセルを含み、これらを通して、生成された光が電子素子１００から出ることができる。

別の例示的な実施形態では、この素子は、下側に部分的に透明なドレイン金属被覆を含む。ソース金属被覆に加えて、上側にゲート金属被覆を開放することも可能である。第３のオプションは、透明なチップエッジを使用することである。これにより、特別な金属被覆及び／又は開口部が不要になる。

デバイス１０は、生成された光をフォトダイオード２１０に導くように配置した導光素子３００を備える。素子１００と輝度センサ２１０との間のこの光伝送路によって、素子１００および輝度センサ２１０の電位は分離している。このことは、特に高電圧用途では有利である。輝度センサ２１０は、素子１００に組み込んでもよい。

別の例示的な実施形態では、導光素子を省略し、散乱光を直接評価する。

次いで、所定の測定電流強度で生成された光の輝度を輝度センサによって検出することができ、検出した輝度を使用して、冷却路の劣化度合を判定することができる。既知の電流で発光の温度依存性を使用する。

図示の例では、フォトダイオードを流れる電流の電流強度を所定の期間にわたって加算することによって、計算パラメータ／電荷を判定することができる。

図３は、損なわれていない素子および劣化した冷却路を有する素子について、測定電流、素子の温度、およびフォトダイオード電流の間の関係を例示的な測定曲線により示す。

予め決定した電流強度を有する測定電流Ｉ_{Ｓｅｎｓｅ}を、所定の期間Δｔにわたって印加する。上方の曲線がこのことを示す。これにより、素子内の温度Ｔは期間Δｔにわたって上昇する。この測定電流を遮断した後、温度は再び低下する。劣化した冷却路に基づいて、劣化した冷却路を有する素子の温度（破線の曲線）は、損なわれていない素子の温度（実線の曲線）よりも強度に上昇する。中央の曲線がこのことを示す。この異なる温度波形は、対応して異なる光電流Ｉ_Ｆｏｔｏをもたらす。期間Δｔにわたる光電流Ｉ_Ｆｏｔｏの差分が合計されると、計算パラメータ／電荷に対応する曲線間の面積が生じる。

この例では、予め決定した電流強度を有する測定電流Ｉ_{Ｓｅｎｓｅ}は一定である。しかしながら、予め決定した方式で、予め決定した期間にわたって電流強度が変化する測定電流Ｉ_{Ｓｅｎｓｅ}も可能である。

フォトダイオードを流れる電流は、評価の前に増幅し、デジタル信号に変換し、処理することができる。この処理は、例えば、平滑化、フィルタリング、及び／又は時間同期を含むことができる。

この方法の例示的な実施形態では、同じ条件下で、具体的には同じ初期温度で規則的に測定を繰り返す必要がある。この繰り返しは、例えば、予め決定した冷却剤温度を超えた場合に行うことができる。この場合、システムは、それら計算パラメータを比較するための内部メモリを含む。

この方法の例示的な実施形態では、半導体は、例えば、予め決定した冷却剤温度を超えた場合、予め決定した光量が放出されるまで、予め決定した電流で加熱する。このために必要な時間を測定する。この時間が短ければ短いほど、冷却路を介する半導体の接続が劣悪となっている。

したがって、さらなる例示的な実施形態では、本デバイスは、増幅器及び／又はアナログ−デジタル変換器及び／又は信号前処理要素を備える。

図２は、別の例示的な実施形態を断面図で示す。

この場合には、スイッチング半導体素子１００は、スイッチング動作時に素子１００内で生じる熱を放出するために、冷却器４００上に配置する。冷却器４００が配置された素子１００の側と反対側で、光学的活性領域に対し透明な素子１００のカプセルを配置している。この場合、その透明なカプセルは反対側を形成している。この透明カプセルにより、高ドープされた基板部分で生じる光は、フォトダイオード２１０の方に素子１００から出ることができる。この例では、フォトダイオード２１０はプリント回路基板２００（ＰＣＢ）上に配置している。

本発明における方法の例示的な実施形態では、半導体（例えば、電界効果トランジスタのボディダイオード）のｐｎ接合に、所定の固定した期間Δｔにわたって、所定のゼロに等しくない一定の測定電流Ｉ_{Ｓｅｎｓｅ}を印加する。この半導体は、測定電流Ｉ_{Ｓｅｎｓｅ}によって加熱され、発光するように励起される。その期間Δｔの経過後に、結果として生じる熱流は、半導体の冷却路に達する（熱結合）。

所定の期間にわたって、発光の強度は、光感知センサ、例示的な実施形態では、フォトダイオードによって検出し、その結果として光電流が生じる。

例示的な実施形態では、フォトダイオードの光電流を時間Δｔにわたって加算し、評価のために計算パラメータ、例えば、電荷量を得る。熱結合が劣化し、その結果として熱インピーダンスが増加した場合には、加熱時に熱を十分に放出することができず、半導体の温度Ｔが接合部でより強く増大する。より高い温度によって発光が低下し、その結果、所定の計算パラメータ、例えば所定の電荷量と、冷却路の温度、ひいては劣化との間に明らかな依存性が生じる。

例示的な実施形態では、所定の計算パラメータ、例えば所定の電荷量は、基準計算パラメータ、例えば無損傷の半導体に流れる予め決定した目標電荷量から減算し、及び／又は目標電荷量に関連付ける。これにより、基準計算パラメータ、例えば目標電荷からの相対的なずれを得て、この例示的な実施形態における劣化の尺度として用いる。

この相対的なずれの大きさが所定の閾値、例えば０．１（通常に対して少なくとも１０％のドリフトに対応する）を超える場合、この方法の例示的な構成では、この半導体を、基本的な機能とは無関係に交換する。

冷却路の劣化は耐用期間にわたって比較的ゆっくり進み、したがって、作動中にその状態を検出する必要はない。

したがって、本方法のこの構成または他の構成では、本方法は、この半導体のスイッチオンプロセス（例えば、車両を開ける場合または半導体を含む車両のエンジンを始動する場合の半導体を含むシステムの初期化）の一部として、及び／又は半導体のシャットダウンプロセス（例えば、エンジンまたは車両をスイッチオフする場合のシステムのシャットダウン）の場面で、バックグラウンドプロセスとして実行する。

Claims (10)

1. 電気エネルギーを変換するためのデバイス（１０）であって、
   少なくとも１つのスイッチング用の半導体素子（１００）と、該半導体素子（１００）を冷却するための冷却路と、予め決定した電流強度で前記素子を流れる電流に基づいて冷却路の劣化を判定するためのデバイス（２００）と、を備えるデバイス（１０）において、
   前記半導体素子（１００）が、前記予め決定した電流強度で電流が前記半導体素子を通して流れたときに、温度に依存する輝度を有する光を生成する光学的に活性の半導体材料（１２０）を含み、前記劣化を判定するためのデバイス（２００）が、前記生成された光の輝度を検出するための輝度センサ（２１０）を含むこと、
   を特徴とするデバイス（１０）。
2. 請求項１に記載のデバイスにおいて、
   前記輝度センサ（２１０）がフォトダイオードを含む、デバイス。
3. 請求項１または２に記載のデバイスにおいて、
   前記劣化を判定するためのデバイス（２００）が、予め決定した電流強度で電流が前記素子を通して流れる予め決定した期間の後に劣化を判定するように構成された、デバイス。
4. 請求項２または３に記載のデバイスにおいて、
   前記劣化を判定するためのデバイス（２００）が、予め決定した期間にわたってフォトダイオードの光電流強度を加算することによって電荷量を決定するように構成された、デバイス。
5. 請求項４に記載のデバイスにおいて、
   前記劣化を判定するためのデバイス（２００）が、決定した電荷量および目標電荷量を使用して劣化を判定するように構成された、デバイス。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
   前記半導体素子（１００）が、少なくとも部分的に透明なソース電極（１１１）を有する少なくとも１つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）及び／又は少なくとも部分的に透明なカプセルを含んで、生成された光が前記ＭＯＳＦＥＴから出ることができ、前記ＭＯＳＦＥＴがＧａＮベースのＭＯＳＦＥＴまたはＳｉＣベースのＭＯＳＦＥＴであり、前記ＭＯＳＦＥＴのダイオード（１１０）またはボディダイオードが光を生成するために使用され、前記デバイスが、ソース電極（１１１）とドレイン電極（１１２）との間に前記ダイオード（１１０）に並列で接続された基板路（１２０）を含む、デバイス。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
   前記半導体素子（１００）が、発光のための光学的に活性のゾーン（１２０）及び／又は光の生成率を高めるドーピングを含む、デバイス。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
   前記デバイスが、生成された光を前記輝度センサ（２１０）に導くように配置された導光素子（３００）を備える、デバイス。
9. 請求項１〜８までのいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
   前記デバイスが、電気自動車用の電力制御ユニットまたはインバータである、デバイス。
10. 予め決定した電流強度で半導体素子（１００）を通して流れる電流を使用して、前記半導体素子（１００）の冷却路の劣化を決定する方法であって、前記半導体素子（１００）が、予め決定した電流強度で電流が前記半導体素子（１００）を流れたときに、温度に依存した輝度を有する光を生成する光学的に活性の半導体材料を含み、 輝度センサ（２１０）によって、生成された光の輝度を検出するステップと、
    検出された輝度を使用して劣化を判定するステップと、
    を含む方法。

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