JP2024022927A - semiconductor equipment - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置を構成する素子の温度を精度良く算出し、素子の過熱保護を行う。【解決手段】インバータ1の制御部Cntは、所定時間に取得されるカウンタ値をスイッチング素子Q1~Q6の発熱に影響するパラメータから算出し、温度センサTs1、TS2の結果から求められたカウンタ値に加算することで、推定素子温度が所定温度を超過しないように制限電流を算出する。パラメータとして、スイッチング素子Q1~Q6自体の温度に対応する素子温度変数X(n)と、素子の温度上昇に対するスイッチング素子Q1~Q6と伝熱接続され、熱容量が大きい部位の温度上昇を模擬する模擬温度変数ΔY(n)と、を備える。制御部Cntは、電流検出部Si1、Si2によって検出される電流値から、素子温度変数X(n)及び模擬温度変数ΔY(n)と、に基づきカウンタ上限値Z_limit(n)を算出する。【選択図】図7An object of the present invention is to accurately calculate the temperature of an element constituting a semiconductor device and protect the element from overheating. [Solution] A control unit Cnt of an inverter 1 calculates a counter value acquired at a predetermined time from parameters that affect heat generation of switching elements Q1 to Q6, and calculates a counter value obtained from the results of temperature sensors Ts1 and TS2. By adding them, a limiting current is calculated so that the estimated element temperature does not exceed a predetermined temperature. As parameters, an element temperature variable X(n) corresponding to the temperature of the switching elements Q1 to Q6 themselves, and a simulator that simulates the temperature rise of a part that is thermally connected to the switching elements Q1 to Q6 and has a large heat capacity in response to the temperature rise of the element. temperature variable ΔY(n). The control unit Cnt calculates the counter upper limit value Z_limit(n) based on the element temperature variable X(n) and the simulated temperature variable ΔY(n) from the current values detected by the current detection units Si1 and Si2. [Selection diagram] Figure 7

Description

本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.

半導体装置を構成する素子は、温度の影響を受けやすい。例えば、フォークリフトといった産業車両の駆動用モータの回転制御に用いられる半導体装置においては、高い出力が要求される。加えて、荷役中は駆動用モータを概ね停止させる一方で、走行中は駆動用モータを比較的高速に回転させるため、出力の時間変化が大きい。そのため、半導体装置を構成する素子の発熱量が頻繁に上下動している。 Elements that constitute a semiconductor device are easily affected by temperature. For example, semiconductor devices used to control the rotation of drive motors of industrial vehicles such as forklifts require high output. In addition, while the drive motor is generally stopped during cargo handling, the drive motor is rotated at a relatively high speed while the vehicle is traveling, so the output changes significantly over time. Therefore, the amount of heat generated by the elements constituting the semiconductor device frequently fluctuates up and down.

そこで、半導体装置を構成する素子の温度を温度センサなどにより測定し、その測定した温度により素子の過熱保護が行われている。 Therefore, the temperature of the elements constituting the semiconductor device is measured using a temperature sensor or the like, and the elements are protected from overheating based on the measured temperature.

例えば、温度推定計算部が推定したPWMキャリヤ周期毎の電力用半導体素子のジャンクション温度が所定値を超えた場合、所定の保護動作を実行するインバータ装置の技術が提案されている(特許文献1参照)。 For example, a technique has been proposed for an inverter device that performs a predetermined protective operation when the junction temperature of a power semiconductor element for each PWM carrier cycle estimated by a temperature estimation calculation unit exceeds a predetermined value (see Patent Document 1). ).

特開2018-46647号公報JP2018-46647A

半導体装置を構成する素子の過熱保護を行うために、半導体装置を構成する素子の温度を測定する温度センサを複数配置したり、温度センサを測定したい素子の近くの場所など理想の場所に置いたりすることにより過熱保護対象である素子の温度を精度よく測定することができる。 In order to protect the elements that make up a semiconductor device from overheating, you can place multiple temperature sensors that measure the temperature of the elements that make up the semiconductor device, or place the temperature sensor in an ideal location such as near the element you want to measure. By doing so, it is possible to accurately measure the temperature of the element to be protected against overheating.

しかしながら、温度センサの数を増加した場合には、ある程度測定温度の精度の向上が見込めるもの、コストの増加を招くこととなる。また、半導体装置の構成などの製品レイアウトの制限によっては、理想の場所に温度センサを配置することができず、精度よく素子の温度を測定できない場合がある。温度センサの数やレイアウトの制約により、素子温度と温度センサの値が乖離し、素子温度の実際の状態が不明となる場合がある。その結果、温度測定の精度の低下を招き、素子の過熱保護を十分に行えない場合があった。 However, when the number of temperature sensors is increased, although the accuracy of measured temperature can be expected to improve to some extent, it results in an increase in cost. Further, depending on restrictions on product layout such as the configuration of a semiconductor device, it may not be possible to arrange the temperature sensor at an ideal location, and the temperature of the element may not be accurately measured. Due to constraints on the number and layout of temperature sensors, the element temperature and the value of the temperature sensor may deviate, and the actual state of the element temperature may become unclear. As a result, the accuracy of temperature measurement deteriorates, and the element may not be sufficiently protected from overheating.

本発明の一側面に係る目的は、半導体装置を構成する素子の温度を精度良く算出し、素子の過熱保護を行うことである。 An object of one aspect of the present invention is to accurately calculate the temperature of an element constituting a semiconductor device and protect the element from overheating.

本発明に係る一つの形態である半導体装置は、半導体装置を構成する素子と、前記素子により発熱された温度を測定する温度測定手段と、前記素子に流れる電流を検出する電流検出部と、前記素子を制御する制御部と、を有する。前記制御部は、所定時間に取得されるカウンタ値を前記素子の発熱に影響するパラメータから算出し、前記温度測定手段の結果から求められたカウンタ値に加算することで、推定素子温度が所定温度を超過しないように制限電流を算出するものである。前記パラメータとして、前記素子自体の温度に対応する素子温度変数と、前記素子の温度上昇に対する素子と伝熱接続され、熱容量が大きい部位の温度上昇を模擬する模擬温度変数と、を備える。前記制御部は、前記電流検出部によって検出される電流値から、前記素子温度変数及び前記模擬温度変数と、に基づき制限電流を算出するカウンタ増加量抽出手段を有する。 A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes an element constituting the semiconductor device, a temperature measuring means for measuring the temperature generated by the element, a current detecting section for detecting a current flowing through the element, and a current detecting section for detecting a current flowing through the element. and a control section that controls the element. The control unit calculates a counter value obtained at a predetermined time from a parameter that affects heat generation of the element, and adds it to the counter value obtained from the result of the temperature measuring means, so that the estimated element temperature becomes a predetermined temperature. The limit current is calculated so as not to exceed the current limit. The parameters include an element temperature variable that corresponds to the temperature of the element itself, and a simulated temperature variable that simulates the temperature rise of a portion that is thermally connected to the element and has a large heat capacity in response to a temperature rise of the element. The control unit includes a counter increment extraction unit that calculates a limit current based on the element temperature variable and the simulated temperature variable from the current value detected by the current detection unit.

これにより、制御部は、電流検出部によって検出される電流値から、素子自体の温度に対応する温度変数と、素子の温度上昇に対する素子と伝熱接続され、熱容量が大きい部位の温度上昇を模擬する模擬温度変数と、に基づいて制限電流を算出することができる。このため、最小限の温度測定手段に基づき、素子自体の温度に加えて、温度測定手段と素子間の温度の乖離による応答遅れを考慮して制限電流を算出することができる。これにより、コストの増加を抑制しつつ、温度測定の精度の向上を図ることができる。その結果、半導体装置を構成する素子の温度を精度良く算出し、素子の過熱保護を行うことができる。 As a result, the control unit simulates the temperature variable corresponding to the temperature of the element itself and the temperature rise of a part that is thermally connected to the element and has a large heat capacity based on the current value detected by the current detection unit. The limiting current can be calculated based on the simulated temperature variable. Therefore, the limited current can be calculated based on the minimum number of temperature measuring means, taking into account the response delay due to the temperature difference between the temperature measuring means and the element, in addition to the temperature of the element itself. Thereby, it is possible to improve the accuracy of temperature measurement while suppressing an increase in cost. As a result, the temperature of the elements constituting the semiconductor device can be calculated with high accuracy, and the elements can be protected from overheating.

また、前記素子の配列方向と前記素子を冷却するヒートシンクの板の延在方向が同一方向で、前記温度測定手段は前記ヒートシンクの上下流側に配置されていてもよい。 Further, the arrangement direction of the elements and the extending direction of a plate of a heat sink that cools the elements may be the same direction, and the temperature measuring means may be arranged upstream and downstream of the heat sink.

これにより、素子を密度高く配置することができつつ、温度測定手段が測定した取得値の影響を抑制することができる。 Thereby, the elements can be arranged with high density, and the influence of the obtained value measured by the temperature measuring means can be suppressed.

また、前記制御部は、制限電流を算出するために利用する、カウンタ上限値を有し、前記制限電流の算出に用いる、温度上昇のマージンに対応するマージン係数が設定可能であってもよい。 Further, the control unit may have a counter upper limit value used to calculate the limited current, and may be able to set a margin coefficient corresponding to a margin of temperature rise used to calculate the limited current.

これにより、多用途展開の際に、温度上昇のマージンに対応するマージン係数などのパラメータ調整において、容易に対応することが可能となる。その結果、設計工数の削減を図ることが可能となる。 This makes it possible to easily adjust parameters such as margin coefficients corresponding to the margin of temperature rise when developing the device for multiple uses. As a result, it is possible to reduce design man-hours.

本発明によれば、半導体装置を構成する素子の温度を精度良く算出し、素子の過熱保護を行うことができる。 According to the present invention, it is possible to accurately calculate the temperature of an element constituting a semiconductor device, and to protect the element from overheating.

本発明の実施形態に係わる半導体装置の一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 温度センサと、スイッチング素子との関係を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing the relationship between a temperature sensor and a switching element. カウンタ値Z(n)と電流値との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between counter value Z(n) and current value. 制限電流を算出する処理を示すフローチャートの一例である。It is an example of the flowchart which shows the process which calculates a limit current. 変数と電流との関係を示すテーブルの一例である。This is an example of a table showing the relationship between variables and current. 変数と電流との関係を示すテーブルの一例である。This is an example of a table showing the relationship between variables and current. カウンタ値Z(n)と電流値との関係を示すグラフの一例である。It is an example of a graph showing the relationship between counter value Z(n) and current value.

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。 Embodiments will be described in detail below based on the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係わる半導体装置の一例を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing an example of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

図1では、半導体装置としてインバータ1を示している。インバータ1は、制御部Cnt、スイッチング素子Q1~Q6、温度センサTs1、Ts2、電流検出部Si1、Si2、及び、コンデンサCを備える。 In FIG. 1, an inverter 1 is shown as a semiconductor device. The inverter 1 includes a control section Cnt, switching elements Q1 to Q6, temperature sensors Ts1 and Ts2, current detection sections Si1 and Si2, and a capacitor C.

スイッチング素子Q1~Q6は、半導体装置を構成する素子の一例である。スイッチング素子Q1~Q6として、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)を用いている。但し、スイッチング素子として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等を用いてもよい。スイッチング素子Q1~Q6は、それぞれダイオードD1~D6を備える。6つのダイオードD1~D6はそれぞれ、6つのスイッチング素子(MOSFET)Q1~Q6の寄生ダイオードである。 Switching elements Q1 to Q6 are examples of elements constituting a semiconductor device. MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) are used as the switching elements Q1 to Q6. However, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or the like may be used as the switching element. Switching elements Q1 to Q6 each include diodes D1 to D6. The six diodes D1 to D6 are parasitic diodes of the six switching elements (MOSFETs) Q1 to Q6, respectively.

正極母線Lpと負極母線Lnとの間に、u相上アームを構成するスイッチング素子Q1と、u相下アームを構成するスイッチング素子Q2が直列接続されている。正極母線Lpと負極母線Lnとの間に、v相上アームを構成するスイッチング素子Q3と、v相下アームを構成するスイッチング素子Q4が直列接続されている。正極母線Lpと負極母線Lnとの間に、w相上アームを構成するスイッチング素子Q5と、w相下アームを構成するスイッチング素子Q6が直列接続されている。 A switching element Q1 forming the u-phase upper arm and a switching element Q2 forming the u-phase lower arm are connected in series between the positive electrode bus Lp and the negative electrode bus Ln. A switching element Q3 forming a v-phase upper arm and a switching element Q4 forming a v-phase lower arm are connected in series between the positive electrode bus Lp and the negative electrode bus Ln. A switching element Q5 forming a w-phase upper arm and a switching element Q6 forming a w-phase lower arm are connected in series between the positive electrode bus Lp and the negative electrode bus Ln.

インバータ1をMOSFETと、MOSFETの寄生ダイオードで構成することにより、半導体装置の構成をメカニカルスイッチ等で構成するよりも簡単な構成で作成することができ、半導体装置の小型化を図ることができる。 By configuring the inverter 1 with a MOSFET and a parasitic diode of the MOSFET, the configuration of the semiconductor device can be created with a simpler configuration than configuring it with a mechanical switch or the like, and the size of the semiconductor device can be reduced.

スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2との接続点がモータMのu相入力端子に接続され、スイッチング素子Q3とスイッチング素子Q4との接続点がモータMのv相入力端子に接続され、スイッチング素子Q5とスイッチング素子Q6との接続点がモータMのw相入力端子に接続されている。 The connection point between switching element Q1 and switching element Q2 is connected to the u-phase input terminal of motor M, the connection point between switching element Q3 and switching element Q4 is connected to the v-phase input terminal of motor M, and switching element Q5 and A connection point with switching element Q6 is connected to a w-phase input terminal of motor M.

上下のアームを構成するスイッチング素子Q1~Q6のスイッチング動作に伴い、蓄電装置Bから供給される直流電力を互いに120度位相が異なる3相の交流電力に変換してモータMに供給できるようになっている。モータMは、例えば車両駆動用モータや荷役用モータである。 With the switching operations of the switching elements Q1 to Q6 that make up the upper and lower arms, the DC power supplied from the power storage device B can be converted into three-phase AC power with a phase difference of 120 degrees and supplied to the motor M. ing. The motor M is, for example, a vehicle drive motor or a cargo handling motor.

各スイッチング素子Q1~Q6のゲート端子には、制御部Cntが接続されている。制御部Cntは、制御信号であるパルスパターンに基づいてインバータ1のスイッチング素子Q1~Q6をスイッチング動作させる。 A control unit Cnt is connected to the gate terminal of each of the switching elements Q1 to Q6. The control unit Cnt causes the switching elements Q1 to Q6 of the inverter 1 to perform switching operations based on a pulse pattern that is a control signal.

電流検出部Si1は、モータMのv相入力端子に接続され、インバータ1からv相を通じてモータMへ供給される電流を検出する。電流検出部Si2は、モータMのw相入力端子に接続され、インバータ1からw相を通じてモータMへ供給される電流を検出する。制御部Cntは、電流検出部Si1で検出されたv相を通じてモータMへ供給される電流と、電流検出部Si2で検出されたw相を通じてモータMへ供給される電流と、に基づいて、インバータ1からu相を通じてモータMへ供給される電流を検出する。これにより、制御部Cntは、インバータ1からモータMへ供給される電流を検出することができる。 The current detection unit Si1 is connected to the v-phase input terminal of the motor M, and detects the current supplied from the inverter 1 to the motor M through the v-phase. The current detection unit Si2 is connected to the w-phase input terminal of the motor M, and detects the current supplied from the inverter 1 to the motor M through the w-phase. The control unit Cnt controls the inverter based on the current supplied to the motor M through the v phase detected by the current detection unit Si1 and the current supplied to the motor M through the w phase detected by the current detection unit Si2. The current supplied to motor M through phase 1 to u is detected. Thereby, the control unit Cnt can detect the current supplied from the inverter 1 to the motor M.

温度センサTs1、温度センサTs2は、温度測定手段の一例である。温度センサTs1、温度センサTs2を特に区別して説明しない場合には、以下、「温度センサTs」とも呼ぶ。温度センサTsは、インバータ1を構成するMOSFETなどの素子の温度を測定する。 The temperature sensor Ts1 and the temperature sensor Ts2 are examples of temperature measuring means. Unless the temperature sensor Ts1 and the temperature sensor Ts2 are specifically explained separately, they will also be referred to as "temperature sensor Ts" hereinafter. The temperature sensor Ts measures the temperature of elements such as MOSFETs that constitute the inverter 1.

温度センサTsは、インバータ1を構成するスイッチング素子Q1~Q6の近傍に配置して、インバータ1を構成するMOSFETなどのスイッチング素子Q1~Q6の部品温度を測定してもよい。また、温度センサTsは、MOSFETなどのスイッチング素子Q1~Q6の直接隣に配置してスイッチング素子Q1~Q6の温度を直接測定してもよい。温度センサTsと、スイッチング素子Q1~Q6と、は互いに伝熱接続されている。伝熱接続とは、物体又は空間を通じて素子の熱が伝達可能に接続されている状態をいい、スイッチング素子Q1~Q6の熱が熱伝導、対流、放射等により温度センサTsに移動しうる状態をいう。 The temperature sensor Ts may be placed near the switching elements Q1 to Q6 that make up the inverter 1 to measure the temperature of the components of the switching elements Q1 to Q6 such as MOSFETs that make up the inverter 1. Further, the temperature sensor Ts may be placed directly next to the switching elements Q1 to Q6 such as MOSFETs to directly measure the temperature of the switching elements Q1 to Q6. The temperature sensor Ts and the switching elements Q1 to Q6 are thermally connected to each other. Heat transfer connection refers to a state in which the elements are connected so that heat can be transmitted through an object or space, and a state in which the heat of the switching elements Q1 to Q6 can be transferred to the temperature sensor Ts by heat conduction, convection, radiation, etc. say.

図2は、温度センサTs1、Ts2と、スイッチング素子Q1との関係を示す斜視図である。図2に示すように、インバータ1は、ヒートシンクHsに載置されている。ヒートシンクHsは、同一方向に延在する複数の板状体Pにより構成されている。本実施形態においては、板状体Pが延在する方向をヒートシンクHsの上下流側とする。ヒートシンクHsは、インバータ1を構成するスイッチング素子Q1~Q6を冷却する。 FIG. 2 is a perspective view showing the relationship between temperature sensors Ts1, Ts2 and switching element Q1. As shown in FIG. 2, the inverter 1 is placed on a heat sink Hs. The heat sink Hs is composed of a plurality of plate-like bodies P extending in the same direction. In this embodiment, the direction in which the plate-like body P extends is defined as the upstream and downstream sides of the heat sink Hs. The heat sink Hs cools the switching elements Q1 to Q6 that constitute the inverter 1.

温度センサTs1、温度センサTs2は、図2に示すように、ヒートシンクHsを構成する板状体Pの延在方向と同一方向で、かつ、ヒートシンクHsの上下流側(ヒートシンクHsの延在方向における、端部側)に配置されている。これにより、スイッチング素子Q1~Q6を密度高く配置することができ、かつ、温度センサTs1、温度センサTs2が取得した熱抵抗・熱容量の差分に基づく取得値の影響を最小限に抑制することができる。 As shown in FIG. 2, the temperature sensor Ts1 and the temperature sensor Ts2 are arranged in the same direction as the extending direction of the plate-like body P constituting the heat sink Hs, and on the upstream and downstream sides of the heat sink Hs (in the extending direction of the heat sink Hs). , end side). As a result, the switching elements Q1 to Q6 can be arranged with high density, and the influence of the obtained values based on the difference in thermal resistance and heat capacity obtained by the temperature sensor Ts1 and the temperature sensor Ts2 can be suppressed to a minimum. .

制御部Cntは、所定時間に取得されるカウンタ値Z(n)をスイッチング素子Q1~Q6の発熱に影響するパラメータから算出して、温度センサTs1、温度センサTs2から取得した温度から求められたカウンタ値に加算して算出する。制御部Cntは、出力した電流を元にスイッチング素子Q1~Q6の温度上昇の推定素子温度の値を示す。カウンタ値Z(n)とは、カウント周期毎のスイッチング素子Q1~Q6の温度上昇量である。カウンタ値Z(n)は、所定時間に取得される。例えば、スイッチング素子Q1の温度の推定値は、下記式1により決定する。 The control unit Cnt calculates the counter value Z(n) acquired at a predetermined time from the parameters that affect the heat generation of the switching elements Q1 to Q6, and calculates the counter value Z(n) obtained from the temperature acquired from the temperature sensor Ts1 and the temperature sensor Ts2. Calculate by adding to the value. The control unit Cnt indicates the estimated element temperature value of the temperature rise of the switching elements Q1 to Q6 based on the output current. The counter value Z(n) is the amount of temperature rise of the switching elements Q1 to Q6 for each count period. The counter value Z(n) is acquired at a predetermined time. For example, the estimated value of the temperature of the switching element Q1 is determined by Equation 1 below.

温度センサTs1により測定された測定温度T1+カウンタ値Z(n)=スイッチング素子Q1の温度の推定値・・・式1 Measured temperature T1 measured by temperature sensor Ts1 + counter value Z(n) = estimated value of temperature of switching element Q1...Equation 1

パラメータとは、電流I(n)=t(n-1)からt(n)までの区間の、電流センサで検出した電流の実効値を示す。上述の式1では、温度センサTs1により測定された測定温度T1を推定しているがこれに限られない。例えば、式1において、温度センサTs1により測定された測定温度T1の代わりに、温度センサTs2により測定された測定温度T2を代入することにより、同様に、温度センサTs2により測定された測定温度T2を用いて、スイッチング素子の温度の推定値を算出することができる。 The parameter indicates the effective value of the current detected by the current sensor in the interval from current I(n)=t(n-1) to t(n). In Equation 1 above, the measured temperature T1 measured by the temperature sensor Ts1 is estimated, but the estimation is not limited to this. For example, in Equation 1, by substituting the measured temperature T2 measured by the temperature sensor Ts2 instead of the measured temperature T1 measured by the temperature sensor Ts1, the measured temperature T2 measured by the temperature sensor Ts2 can be similarly calculated. can be used to calculate an estimated value of the temperature of the switching element.

図3は、カウンタ値Z(n)と電流値との関係を示すグラフである。縦軸のカウンタ値は、温度と比例関係がある値である。電流値は、インバータ1に流れる電流である。電流値は、スイッチング素子Q1~Q6を介してインバータ1に流れる電流であってもよい。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between counter value Z(n) and current value. The counter value on the vertical axis is a value that is proportional to the temperature. The current value is the current flowing through the inverter 1. The current value may be a current flowing through the inverter 1 via the switching elements Q1 to Q6.

カウンタ値Z(n)は、今回(n)のカウント周期、すなわちn回目でのカウンタ値を示す。カウンタ値Z(n-1)は、前回(n-1)のカウント周期、すなわちn-1回目でのカウンタ値を示す。カウンタ上限値Z_limit(n)は、カウンタ周期n回目でのカウンタ閾値を示す。カウンタ上限値Z_limit(n)は、図4において説明する制限電流を算出する処理を示すフローチャートにおいて算出することができる電流を決定するために使用される値である。 The counter value Z(n) indicates the current count cycle (n), that is, the counter value at the nth count. The counter value Z(n-1) indicates the counter value at the previous (n-1) count cycle, that is, the (n-1)th count period. The counter upper limit value Z_limit(n) indicates the counter threshold value at the n-th counter cycle. The counter upper limit value Z_limit(n) is a value used to determine the current that can be calculated in the flowchart illustrating the process of calculating the limit current described in FIG. 4.

図4は、制限電流を算出する処理を示すフローチャートの一例である。制限電流を算出する場合、制御部Cntは、カウンタ増加量抽出手段として機能する。この場合、制御部Cntは、電流検出部Si1、Si2によって検出される電流値から、温度変数X(n)及び模擬温度変数Y(n)と、に基づき、制限電流を算出する。具体的には、制御部Cntは、例えば、図4のフローチャートに従い、以下のステップで電流制限を実施する。はじめに、制御部Cntは、前回(n-1回目)から今回(n回目)に流れた電流を元にカウントアップ値を算出する(ステップS1)。そして、制御部Cntは、今回(n回目)から次回(n+1回目)で温度が超過しないように、制限電流を算出する(ステップS2)。 FIG. 4 is an example of a flowchart showing the process of calculating the limited current. When calculating the limit current, the control unit Cnt functions as a counter increase amount extraction means. In this case, the control unit Cnt calculates the limit current based on the temperature variable X(n) and the simulated temperature variable Y(n) from the current values detected by the current detection units Si1 and Si2. Specifically, the control unit Cnt implements current limitation in the following steps, for example, according to the flowchart of FIG. 4. First, the control unit Cnt calculates a count-up value based on the current flowing from the previous time (n-1st time) to the current time (nth time) (step S1). Then, the control unit Cnt calculates a limiting current so that the temperature does not exceed from this time (nth time) to the next time (n+1th time) (step S2).

制御部Cntは、ステップS1及びステップS2の処理を繰り返し実行することにより、制限電流を算出し続けることができる。制御部Cntは、算出した制限電流に基づいて電流を制限することにより、スイッチング素子Q1~Q6の過熱保護を行うことができる。 The control unit Cnt can continue to calculate the limit current by repeatedly performing the processes of step S1 and step S2. The control unit Cnt can protect the switching elements Q1 to Q6 from overheating by limiting the current based on the calculated limit current.

具体的には、制御部Cntは、推定したカウンタ値を用いて、下記式2により今回のカウンタ値Z(n)を算出する。
カウンタ値Z(n)=X(n)+Y(n-1)+ΔY(n)・・・式2
Specifically, the control unit Cnt uses the estimated counter value to calculate the current counter value Z(n) using Equation 2 below.
Counter value Z(n)=X(n)+Y(n-1)+ΔY(n)...Formula 2

X(n)は、熱容量が小さい部分(素子内部など)の温度上昇を模擬する変数(素子温度変数)である。X(n)は、素子自体の温度に対応する変数である。
ΔY(n)は、素子の温度上昇に対応する素子と伝熱接続され、熱容量が大きい部分(素子から温度センサなど)の温度上昇を模擬する変数(模擬温度変数)である。X(n)は、図5(1)に示すテーブルから算出する。ΔY(n)は、図5(2)に示すテーブルから算出する。
X(n) is a variable (element temperature variable) that simulates a temperature rise in a portion with a small heat capacity (such as inside the element). X(n) is a variable corresponding to the temperature of the element itself.
ΔY(n) is a variable (simulation temperature variable) that simulates the temperature rise of a portion having a large heat capacity (from the element to the temperature sensor, etc.) that is heat-conductively connected to the element that corresponds to the temperature rise of the element. X(n) is calculated from the table shown in FIG. 5(1). ΔY(n) is calculated from the table shown in FIG. 5(2).

図5は、変数と電流との関係を示すテーブルの一例である。電流I(n)=t(n-1回目)からt(n回目)までの区間における電流検出部Si1、Si2で検出した電流の実効値を示す。Y(n-1)は、前回(n-1回目)のカウンタ値を示す。ΔY(n)は、前回(n-1回目)から今回(n回目)のカウンタ値の増加量を示す。 FIG. 5 is an example of a table showing the relationship between variables and current. Current I(n) indicates the effective value of the current detected by the current detection units Si1 and Si2 in the interval from t (n-1st time) to t (nth time). Y(n-1) indicates the previous (n-1th) counter value. ΔY(n) indicates the amount of increase in the counter value from the previous time (n-1st time) to the current time (nth time).

図5(1)は、電流I(n)と変数X(n)との関係を示すテーブルである。例えば、制御部Cntは、電流I(n)=400Aのときは、図5(1)のテーブルを参照して、変数X(n)=「15」を決定する。 FIG. 5(1) is a table showing the relationship between current I(n) and variable X(n). For example, when the current I(n)=400A, the control unit Cnt refers to the table in FIG. 5(1) and determines the variable X(n)=“15”.

図5(2)は、Y(n-1)と電流I(n)と変数ΔY(n)との関係を示すテーブルである。例えば、制御部Cntは、Y(n-1)=5、電流I(n)=400Aのときは、図5(2)のテーブルを参照して、ΔY(n)=「10」を決定する。 FIG. 5(2) is a table showing the relationship between Y(n-1), current I(n), and variable ΔY(n). For example, when Y(n-1)=5 and current I(n)=400A, the control unit Cnt refers to the table in FIG. 5(2) and determines ΔY(n)=“10”. .

制御部Cntは、今回の変数Y(n)を下記式3により決定する。 The control unit Cnt determines the current variable Y(n) using Equation 3 below.

Y(n)=Y(n-1)+ΔY(n)・・・式3 Y(n)=Y(n-1)+ΔY(n)...Formula 3

変数Y(n)は、素子から温度センサなど、熱容量が大きい部分の温度上昇分の応答遅れを模擬的に再現する値である。そのため、変数Y(n)は素子の温度上昇に対する温度センサTs1、温度センサTs2の応答遅れに対応する。制御部Cntは、式3を参照して、Y(n-1)=「5」、ΔY(n)=「10」を入力して、変数Y(n)=「15」を算出する。 The variable Y(n) is a value that simulates a response delay due to a temperature rise in a portion having a large heat capacity, such as from an element to a temperature sensor. Therefore, the variable Y(n) corresponds to the response delay of the temperature sensor Ts1 and the temperature sensor Ts2 with respect to the temperature rise of the element. The control unit Cnt refers to Equation 3, inputs Y(n-1)=“5” and ΔY(n)=“10”, and calculates the variable Y(n)=“15”.

式2に式3を代入することにより式2を書き換えて、カウンタ値Z(n)を下記式2’により算出することができる。 By substituting equation 3 into equation 2, equation 2 can be rewritten and the counter value Z(n) can be calculated using equation 2' below.

カウンタ値Z(n)=X(n)+Y(n)・・・式2’ Counter value Z(n)=X(n)+Y(n)...Formula 2'

制御部Cntは、算出した変数X(n)=「15」、算出した変数Y(n)=「15」を上記式2’に入力してカウンタ値Z(n)を算出する。制御部Cntは、カウンタ値Z(n)=15+15=「30」を算出する。 The control unit Cnt calculates the counter value Z(n) by inputting the calculated variable X(n) = "15" and the calculated variable Y(n) = "15" into the above equation 2'. The control unit Cnt calculates the counter value Z(n)=15+15=“30”.

次に、制御部Cntは、カウンタ上限値Z_limit(n)(制限電流)を下記式4により決定する。 Next, the control unit Cnt determines the counter upper limit value Z_limit(n) (limiting current) using the following equation 4.

カウンタ上限値Z_limit(n)=素子定格温度ET-センサ温度T-α・・・式4 Counter upper limit value Z_limit (n) = Element rated temperature ET - Sensor temperature T - α...Formula 4

素子定格温度ETは、スイッチング素子Q1~Q6の定格温度である。例えば、175℃が設定される。センサ温度Tは、温度センサTsにより測定されたその時の基板温度である。マージンに対応する係数(マージン係数)αは、温度上昇のマージンに対応する値である。マージンに対応する係数(マージン係数)αは、制限電流の算出に用いる際に設定可能な値である。マージンに対応する係数αには、次回までの温度センサTsの温度上昇分などの見込み量が含まれる。マージンに対応する係数αとして例えば「10℃」が設定される。 The element rated temperature ET is the rated temperature of the switching elements Q1 to Q6. For example, 175°C is set. The sensor temperature T is the current substrate temperature measured by the temperature sensor Ts. The coefficient corresponding to the margin (margin coefficient) α is a value corresponding to the margin of temperature rise. The coefficient corresponding to the margin (margin coefficient) α is a value that can be set when used to calculate the limit current. The coefficient α corresponding to the margin includes an expected amount of temperature rise of the temperature sensor Ts until the next time. For example, "10° C." is set as the coefficient α corresponding to the margin.

制御部Cntは、マージンに対応する係数αのパラメータ調整において、容易に対応することが可能となる。その結果、設計工数の削減を図ることが可能となる。 The control unit Cnt can easily adjust the parameter of the coefficient α corresponding to the margin. As a result, it is possible to reduce design man-hours.

制御部Cntは、次回(n+1回目)のカウンタ値が閾値以下となるような下記式5を満たす電流上限値I_limit(n+1)を選定する。選定された電流上限値I_limit(n+1)に基づいて、出力可能な電流の上限値を設定することができる。 The control unit Cnt selects the current upper limit value I_limit(n+1) that satisfies the following formula 5 such that the next (n+1th) counter value is equal to or less than the threshold value. Based on the selected current upper limit value I_limit(n+1), the upper limit value of the current that can be output can be set.

X(n+1)+Y(n)+ΔY(n+1)<Z_limit(n)・・・式5 X(n+1)+Y(n)+ΔY(n+1)<Z_limit(n)...Formula 5

電流上限値I_limit(n+1)は、図6に示すテーブルから算出する。 The current upper limit value I_limit (n+1) is calculated from the table shown in FIG.

図6は、変数と電流との関係を示すテーブルの一例である。電流I=X’(n+1回目)の電流の実効値を示す。変数Y(n)は、今回(n回目)のカウンタ値を示す。変数ΔY’(n+1)は、次回(n+1回目)のカウンタ値の増加量を示す。 FIG. 6 is an example of a table showing the relationship between variables and current. The effective value of current I=X' (n+1st time) is shown. The variable Y(n) indicates the current (nth) counter value. The variable ΔY'(n+1) indicates the next (n+1st) increase in the counter value.

図6(1)は、電流Iと変数X’(n+1)との関係を示すテーブルである。図6(2)は、電流I(n)と変数ΔY(n)と変数ΔY’(n+1)との関係を示すテーブルである。制御部Cntは、図6(1)、図6(2)を参照して、下記式6を満たす電流上限値I_limit(n+1)を選定する。 FIG. 6(1) is a table showing the relationship between the current I and the variable X'(n+1). FIG. 6(2) is a table showing the relationship between the current I(n), the variable ΔY(n), and the variable ΔY'(n+1). The control unit Cnt selects the current upper limit value I_limit(n+1) that satisfies the following formula 6 with reference to FIGS. 6(1) and 6(2).

Z’(n+1)=X’(n+1)+Y(n)+ΔY’(n+1)・・・式6 Z'(n+1)=X'(n+1)+Y(n)+ΔY'(n+1)...Formula 6

上記式6に当てはめると、電流I=500Aのときに、Z’(n+1)=20+15+7=「42」、電流I=400Aのときに、Z’(n+1)=15+15+5=「35」、電流I=300Aのときに、Z’(n+1)=10+15+2=「27」、電流I=200Aのときに、Z’(n+1)=5+15+0=「20」がそれぞれ算出される。 Applying the above formula 6, when current I = 500A, Z'(n+1) = 20 + 15 + 7 = "42", when current I = 400A, Z'(n + 1) = 15 + 15 + 5 = "35", current I = When the current is 300A, Z'(n+1)=10+15+2='27' is calculated, and when the current I=200A, Z'(n+1)=5+15+0='20' is calculated.

したがって、例えば、Z(n)=「30」でZ_limit(n)=「38」の場合、制御部Cntは、Z_limit(n)=「38」以下となっている電流I=「400A」を電流上限値I_limit(n+1)として選定する。 Therefore, for example, when Z(n) = "30" and Z_limit(n) = "38", the control unit Cnt controls the current I = "400A" which is less than or equal to Z_limit(n) = "38". The upper limit value I_limit (n+1) is selected.

図7は、カウンタ値Z(n)と電流値との関係を示すグラフの一例である。Z_limit以下となるように、カウンタ上限値Z_limit(n)を設定した場合には、電流Iを設定した場合には、図7に示すように、温度センサTsにより取得されたスイッチング素子Q1~Q6の温度が上昇した場合には、電流上限値I_limit(n+1)による電流制限が下降する。 FIG. 7 is an example of a graph showing the relationship between counter value Z(n) and current value. When the counter upper limit value Z_limit(n) is set to be equal to or less than Z_limit, when the current I is set, as shown in FIG. When the temperature rises, the current limit based on the current upper limit value I_limit (n+1) decreases.

電流制限が下降した場合には、制御部Cntは、スイッチング素子Q1~Q6のduty比を制御することにより、電流上限値I_limit(n+1)以下となるように制御することができる。 When the current limit decreases, the control unit Cnt can control the current to be equal to or less than the upper limit value I_limit (n+1) by controlling the duty ratios of the switching elements Q1 to Q6.

上述の実施形態により、制御部Cntは、電流I(n)から、スイッチング素子Q1~Q6自体の温度に対応する変数X(n)と、スイッチング素子Q1~Q6の温度上昇に対する温度センサTs1、Ts2の応答遅れに対応する変数Y(n)と、に基づいて算出することができる。このため、最小限の温度センサTs1、Ts2に基づき、温度センサTs1、Ts2の応答遅れを考慮して電流I(n)を算出することができる。これにより、製品コストの増加を抑制しつつ、温度測定の精度の向上を図ることができる。その結果、インバータ1を構成するスイッチング素子Q1~Q6の温度を精度良く算出し、スイッチング素子Q1~Q6の過熱保護を行うことができる。 According to the above-described embodiment, the control unit Cnt converts the current I(n) into a variable X(n) corresponding to the temperature of the switching elements Q1 to Q6 themselves, and temperature sensors Ts1 and Ts2 corresponding to the temperature rise of the switching elements Q1 to Q6. It can be calculated based on the variable Y(n) corresponding to the response delay. Therefore, the current I(n) can be calculated based on the minimum temperature sensors Ts1 and Ts2, taking into account the response delay of the temperature sensors Ts1 and Ts2. Thereby, it is possible to improve the accuracy of temperature measurement while suppressing an increase in product cost. As a result, the temperatures of the switching elements Q1 to Q6 that constitute the inverter 1 can be calculated with high accuracy, and the switching elements Q1 to Q6 can be protected from overheating.

また、制御部Cntは、マージンに対応する係数αなどのパラメータ調整において、容易に対応することが可能となる。その結果、半導体装置を多用途展開するような場合に、設計工数の削減を図ることが可能となる。 Furthermore, the control unit Cnt can easily adjust parameters such as the coefficient α corresponding to the margin. As a result, it is possible to reduce the number of design steps when the semiconductor device is used for multiple purposes.

<変形例1>
温度センサTsは、インバータ1を構成する部品の温度(以下、「部品温度」とも呼ぶ)を測定してもよい。例えば、温度センサTsは、インバータ1、制御部Cntなど、車両を構成する構成部品の部品温度を測定してもよい。
<Modification 1>
The temperature sensor Ts may measure the temperature of the components that make up the inverter 1 (hereinafter also referred to as "component temperature"). For example, the temperature sensor Ts may measure the temperature of components constituting the vehicle, such as the inverter 1 and the control unit Cnt.

1 インバータ
M モータ
Si1、Si2 電流検出部
C コンデンサ
Ts、Ts1、Ts2 温度センサ
B 蓄電装置
Cnt 制御部
Q1~Q6 スイッチング素子
D1~D6 ダイオード
Hs ヒートシンク
P 板状体

1 Inverter M Motors Si1, Si2 Current detection section C Capacitors Ts, Ts1, Ts2 Temperature sensor B Power storage device Cnt Control section Q1 to Q6 Switching elements D1 to D6 Diode Hs Heat sink P Plate body

Claims (3)

半導体装置を構成する素子と、
前記素子により発熱された温度を測定する温度測定手段と、
前記素子に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記素子を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、
所定時間に取得されるカウンタ値を前記素子の発熱に影響するパラメータから算出し、前記温度測定手段の結果から求められたカウンタ値に加算することで、推定素子温度が所定温度を超過しないように制限電流を算出するものであって、
前記パラメータとして、
前記素子自体の温度に対応する素子温度変数と、
前記素子の温度上昇に対する素子と伝熱接続され、熱容量が大きい部位の温度上昇を模擬する模擬温度変数と、を備え、
前記制御部は、前記電流検出部によって検出される前記電流値から、前記素子温度変数及び前記模擬温度変数と、に基づき制限電流を算出するカウンタ増加量抽出手段を有することを特徴とする半導体装置。
Elements that constitute a semiconductor device,
temperature measuring means for measuring the temperature generated by the element;
a current detection unit that detects a current flowing through the element;
a control unit that controls the element;
The control unit includes:
A counter value obtained at a predetermined time is calculated from a parameter that affects heat generation of the element, and is added to a counter value obtained from the result of the temperature measuring means, so that the estimated element temperature does not exceed a predetermined temperature. It calculates the limiting current,
As the parameter,
an element temperature variable corresponding to the temperature of the element itself;
a simulating temperature variable that simulates a temperature rise of a portion that is heat-conductingly connected to the element and has a large heat capacity in response to a temperature rise of the element;
The semiconductor device characterized in that the control section has a counter increment extraction means for calculating a limiting current based on the element temperature variable and the simulated temperature variable from the current value detected by the current detection section. .
前記素子の配列方向と前記素子を冷却するヒートシンクの板の延在方向が同一方向で、
前記温度測定手段は前記ヒートシンクの上下流側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The arrangement direction of the elements and the extending direction of a heat sink plate that cools the elements are the same direction,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the temperature measuring means is arranged upstream and downstream of the heat sink.
前記制御部は、
制限電流を算出するために利用する、カウンタ上限値を有し、
前記制限電流の算出に用いる、温度上昇のマージンに対応するマージン係数が設定可能であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
The control unit includes:
It has a counter upper limit value used to calculate the limit current,
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a margin coefficient corresponding to a temperature rise margin used for calculating the limited current can be set.
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