JP2021069234A - 半導体素子制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の制御装置において、半導体素子の温度変化による劣化を正確に判断し保護する。【解決手段】半導体素子の制御装置は、半導体素子の温度を検出する素子温度センサと、半導体素子に対して所定の保護動作を実行するための保護部と、素子温度センサによる検出温度と、上限閾値とを比較することにより、保護部による保護動作の要否を判断する判断部とを備え、判断部は、素子温度センサによる検出温度が下限閾値を下回ったときに、上限閾値を低下させる。【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、半導体素子の制御装置に関する。

特許文献１に、半導体素子の制御装置の一例として、エレベータの制御装置が開示されている。この制御装置は、インバータ内の半導体素子が寿命に到達したと判断されると、通常動作から保護動作に変更する保護部と、インバータ内の半導体素子の発熱温度変化から寿命を判定する判断部とを備える。

特許４８９６９９２号公報

上記した制御装置では、かご走行パターン毎に異なる半導体素子の発熱温度変化幅の推定値が、かご走行パターンに対応付けて予め登録されており、走行指令に基づいて、かご走行パターンに対応する発熱温度変化幅での発熱回数が積算される。そして、積算された発熱回数に基づいて、半導体素子が寿命に到達したかどうかが、判断部によって判定される。一般的に、半導体素子のような脆性部材は、温度変化だけでなく、これまで経験した最大温度や最小温度といった温度履歴が、半導体素子の劣化に影響することが知られている。しかしながら、上述した制御装置では、半導体素子のこれまでに経験した最大温度や最小温度によらず、寿命判定の閾値が一定であるため、正確に劣化の度合いを判断し損ねるおそれが生じる。本明細書では、このような問題を解決又は少なくとも低減し、半導体素子の劣化を正確に判断し得る技術を提供する。

本明細書が開示する、半導体素子の制御装置は、半導体素子の温度を検出する素子温度センサと、半導体素子に対して所定の保護動作を実行するための保護部と、素子温度センサによる検出温度と、上限閾値を比較することにより、保護部による保護動作の要否を判断する判断部とを備え、判断部は素子温度センサによる検出温度が下限閾値を下回ったときに、上限閾値を低下させる。

上記した制御装置は、半導体素子の温度を検出する温度センサによって、半導体素子温度が監視され、半導体素子の最低温度が下限閾値を下回ったときに、上限閾値を低下させる。従って、半導体素子の最大温度と最小温度の差が一定の値を超えないよう制御することができる。その結果、半導体素子が実際に経験した温度履歴を考慮して、半導体素子を適切に保護することができる。

実施例の制御装置１０の構成を示す。 処理装置１４による半導体素子２の保護動作に係る処理を示す。 所定の期間における最小値Ｔｍｉｎ及び最大値Ｔｍａｘ取得の模式図を示す。

図面を参照して、実施例の制御装置１０について説明する。本実施例の制御装置１０は、半導体素子２の動作を制御する装置である。半導体素子２は、パワー半導体素子であり、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータといった電力変換回路のスイッチング素子であってよい。以下の説明では、単一の半導体素子２について代表して説明するが、本実施例の制御装置１０は、複数の半導体素子を有する各種の回路に対しても、同様に適用することができる。特に限定されないが、本実施例の制御装置１０は、例えば電気自動車（ハイブリッド車や燃料電池車を含む）の電力変換回路に対して好適に採用することができる。

図１に示すように、制御装置１０は、素子温度センサ１２と、処理装置１４と、駆動回路２４とを備える。素子温度センサ１２は、半導体素子２の近傍に位置し、又は半導体素子２に内蔵されており、半導体素子２の温度を検出する。ここで、素子温度センサ１２の具体的な構成については、特に限定されない。素子温度センサ１２は、半導体素子２の温度を、直接的又は間接的に測定し得るものであればよい。例えば、素子温度センサ１２は、半導体素子２を冷却するために用いられる冷却水の水温を検出する水温センサであってよい。

処理装置１４は、素子温度センサ１２に接続され、素子温度センサ１２による検出温度、即ち、半導体素子２の温度を監視する。素子温度センサ１２による検出温度が、所定の上限閾値を上回る場合に、処理装置１４は、駆動回路２４に対して所定の保護信号を出力する。

半導体素子２のゲートには、駆動回路２４が接続されている。駆動回路２４は、外部の制御装置から入力されるＰＷＭ信号ＰＷＭ１に基づいて、半導体素子２を断続的にオンオフさせる。駆動回路２４は、処理装置１４にも接続されている。駆動回路２４は、処理装置１４から前述した保護信号を受信した場合、ＰＷＭ信号ＰＷＭ１にかかわらず、予め定められた保護動作を実行する。ここでいう保護動作とは、特に限定されないが、半導体素子２の温度上昇を抑制するために、半導体素子２のオン動作を禁止又は制限するものである。

処理装置１４は、出力部１６と、メモリ１８と、判断部２０と、保護部２２とを備える。前述したように、処理装置１４には、素子温度センサ１２による検出温度が入力される。処理装置１４は、入力された検出温度を、メモリ１８内へ累積的に記録する。これにより、メモリ１８には、半導体素子２がこれまでに経験した温度の履歴が、温度履歴データとして記録されていく。温度履歴データの内容は、特に限定されないが、少なくとも後述する最大値Ｔｍａｘ及び最小値Ｔｍｉｎが記録されているとよい。

処理装置１４は、メモリ１８に記録された温度履歴データを、出力部１６を介して外部へ出力することができる。出力部１６は、例えば有線又は無線の通信手段である。温度履歴データの出力は、例えば外部からのリクエストに応じて、随時に実行されてもよい。例えば、自動車に採用されている場合は、自動車の修理やメンテナンス時において、作業者が温度履歴データを参照できるようにしてもよい。あるいは、予め定められたタイミング又はスケジュールに従って、温度履歴データの出力が自動的に実行されてもよい。例えば、自動車に採用されている場合は、自動車の始動時や所定の走行距離への到達時に、温度履歴データが外部のサーバへ自動的に送信されてもよい。

判断部２０及び保護部２２は、前述した半導体素子２の保護動作を実行するために設けられている。判断部２０は、素子温度センサ１２による検出温度と、メモリ１８に登録されている上限閾値とを比較することにより、保護動作の要否を判断する。そして、判断部２０によって保護動作が必要と判断されたときは、保護部２２が駆動回路２４へ保護信号を出力する。これにより、駆動回路２４において前述した保護動作が実行される。

図２を参照して、処理装置１４による半導体素子２の保護動作に係る処理について説明する。先ず、ステップＳ３０では、判断部２０は、素子温度センサ１２から、半導体素子２の温度Ｔを取得する。次に、ステップＳ３２では、判断部２０は、取得した半導体素子２の温度Ｔと、予め記憶された最小値Ｔｍｉｎとを比較する。最小値Ｔｍｉｎは、半導体素子２がそれまでに経験した温度の内、最も低い温度のことを指す。判断部２０は、取得した半導体素子２の温度Ｔが、最小値Ｔｍｉｎ未満であると判断した場合（Ｓ３２でＹＥＳ）に、ステップＳ４２の処理に進む。その一方で、判断部２０は、取得した半導体素子２の温度Ｔが、最小値Ｔｍｉｎ以上であると判断した場合（Ｓ３２でＮＯ）には、ステップＳ３４の処理に進む。

ステップＳ４２では、メモリ１８は、取得した半導体素子２の温度Ｔを、半導体素子２が経験した新たな温度情報として最小値Ｔｍｉｎを記録する。次いで、処理装置１４は、ステップＳ３４の処理に進む。

ステップＳ３４では、判断部２０は、取得した半導体素子２の温度Ｔと、予め登録されている最大値Ｔｍａｘとを比較する。最大値Ｔｍａｘは、半導体素子２がそれまでに経験した温度の内、最も高い温度のことを指す。判断部２０は、取得した半導体素子２の温度Ｔが、最大値Ｔｍａｘを上回ると判断した場合（Ｓ３４でＹＥＳ）に、ステップＳ４４の処理に進む。その一方で、判断部２０は、取得した半導体素子２の温度Ｔが、最大値Ｔｍａｘ以下であると判断した場合（Ｓ３４でＮＯ）には、ステップＳ３６の処理に進む。

ステップＳ４４では、メモリ１８は、取得した半導体素子２の温度Ｔを、半導体素子２が経験した新たな温度情報として最大値Ｔｍａｘを記録する。次いで、処理装置１４は、ステップＳ３６の処理に進む。これまでのステップにより、図３に例示するように、所定の期間における半導体素子２の温度履歴に関して、時刻ｔ１における温度Ｔ１は最小値Ｔｍｉｎとして、時刻ｔ２における温度Ｔ２は最大値Ｔｍａｘとして、メモリ１８に記憶される。ここでいう所定の期間は、図３に示すように時間で定められてもよく、例えば自動車であれば走行距離で定められてもよい。

ステップＳ３６では、判断部２０は、メモリ１８に記録された最大値Ｔｍａｘと最小値Ｔｍｉｎとの温度差を計算するとともに、当該温度差を予め登録されている閾値ΔＴと比較する。判断部２０は、最大値Ｔｍａｘと最小値Ｔｍｉｎとの温度差が、閾値ΔＴを上回る場合、保護又は警告が必要と判断する。この場合、ステップＳ４６の処理に進み、判断部２０は、保護部２２に対して半導体素子２の保護を行うように指令を与える。保護部２２は、判断部２０からの指令に沿って、駆動回路２４とともに半導体素子２に対して保護動作を実行する。あるいは、判断部２０は、ユーザインターフェース（図示省略）を介して、ユーザに注意を喚起するための警告を与えてもよい。その後、処理装置１４は、ステップＳ３８の処理に進む。一方で、最大値Ｔｍａｘと最小値Ｔｍｉｎとの温度差がΔＴ以下であれば（Ｓ３６でＮＯ）、ステップＳ４６をスキップしてステップＳ３８にそのまま進む。

ステップＳ３８では、判断部２０は、メモリ１８に記録された最小値Ｔｍｉｎと、メモリ１８に予め登録されている下限閾値Ｔｔｈ１とを比較する。判断部２０は、最小値Ｔｍｉｎが、下限閾値Ｔｔｈ１未満と判断する場合（Ｓ３８でＹＥＳ）に、ステップＳ４８の処理に進む。

ステップＳ４８では、判断部２０は、上限閾値Ｔｔｈ２を低下させるべきと判断し、メモリ１８に登録された現在の上限閾値Ｔｔｈ２を、それよりも低い新たな上限閾値Ｔｔｈ２へ更新する。このときの低下幅は、最小値Ｔｍｉｎと下限閾値Ｔｔｈ１から決定され、下限閾値Ｔｔｈ１と最小値Ｔｍｉｎの差以上となるよう設定される。つまり、半導体素子２の最小値Ｔｍｉｎが下限閾値Ｔｔｈ１を下回ったときに、少なくともその下回った温度幅だけ、上限閾値Ｔｔｈ２を低下させる。従って、半導体素子２が経験する最大温度と最小温度の差が、一定の値を超えないよう制御することができる。その結果、半導体素子２が実際に経験した温度履歴を考慮して、半導体素子２を適切に保護することができる。ここで、上限閾値Ｔｔｈ２は、所定の期間でリセットされ、初期値に変更されてもよい。

処理装置１４は、上述した一連の処理、即ち、図２に示す処理フローを１サイクルとして、所定の間隔で繰り返し実行する。これにより、メモリ１８に登録された上限閾値Ｔｔｈ２が、半導体素子２の経験した最小値Ｔｍｉｎに応じて更新されていく。前述したように、処理装置１４は、判断部２０及び保護部２２により、素子温度センサ１２による検出温度が、メモリ１８に登録されている上限閾値Ｔｔｈ２を上回るときに、駆動回路２４に保護信号を出力して、半導体素子２に対する保護動作を実行する。その結果、半導体素子２が実際に経験した温度履歴を考慮して、半導体素子２を適切に保護することができる。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

２：半導体素子
１０：半導体素子制御装置
１２：素子温度センサ
１４：処理装置
１６：出力部
１８：メモリ
２０：判断部
２２：保護部
２４：駆動回路
Ｔｍｉｎ：最小値
Ｔｍａｘ：最大値
Ｔｔｈ１：下限閾値
Ｔｔｈ２：上限閾値

Claims (1)

1. 半導体素子の制御装置であって、
   前記半導体素子の温度を検出する素子温度センサと、
   前記半導体素子に対して所定の保護動作を実行するための保護部と、
   前記素子温度センサによる検出温度と、上限閾値とを比較することにより、前記保護部による前記保護動作の要否を判断する判断部と、
   を備え、
   前記判断部は、前記素子温度センサによる検出温度が下限閾値を下回ったときに、前記上限閾値を低下させる、
   制御装置。

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