JP5710031B2 - 半導体素子の温度検出システム及び半導体モジュール並びに半導体モジュールシステム - Google Patents
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Description
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による半導体素子の温度制御システムを示す構成図である。
図示の半導体素子の温度制御システムは、温度データ符号化部100、温度データ送信部110、温度データ受信部120、温度データ逆符号化部130、温度データ閾値比較部140、温度データ補正部150、補正用データ保持部160、制御回路部170、電気絶縁部180、ゲート駆動回路部190、温度データ量子化部200、温度データ標本化部210、温度データ計測部220、電力用半導体素子230を備えている。
電力用半導体素子230としてIGBTを元に説明すると、IGBTは数100Vから数1000Vの耐圧を持ち、ゲート(G)電圧のON/OFFのスイッチング制御により、大容量の電流を流すことが出来る。電流方向の制御のため複数個の素子によりブリッジ回路が構成されることが多く、図1中の電力用半導体素子230では、図面上側の素子と下側の素子の駆動のため、2つのゲート駆動信号(パワーデバイスゲート駆動信号320)を入力としている。
{1,0,0} {1} ・・・温度範囲領域1
{0、1、1} {0、1} ・・・温度範囲領域2
{0、1、0} {0、0、1} ・・・温度範囲領域3
{0、0、1} {0、0、0、1} ・・・温度範囲領域4
{0、0、0} {0、0、0、0、1}・・・温度範囲領域5
温度範囲領域1 {b4、b3、b2、b1、b0}・・分解能1℃
温度範囲領域2 {b4、b3、b2、b1} ・・分解能2℃
温度範囲領域3 {b4、b3、b2} ・・分解能4℃
温度範囲領域4 {b4、b3} ・・分解能8℃
温度範囲領域5 {b4} ・・分解能16℃
温度範囲領域0 {1、 1、 1、 1、 1、 1}
温度範囲領域1 {1、b4、b3、b2、b1、b0}
温度範囲領域2 {0、 1、b4、b3、b2、b1}
温度範囲領域3 {0、 0、 1、b4、b3、b2}
温度範囲領域4 {0、 0、 0、 1、b4、b3}
温度範囲領域5 {0、 0、 0、 0、 1、b4}
1×25+b4×24+b3×23+b2×22+b1×2+b0
の10進数として見た場合、元データ(先述の生データ)と比例関係にはなっていないが、元データの数値列に対して「単調増加」となっていることは明白である(それを説明したものが図4である)。
このように温度データ符号化部100にて符号化された温度データ(符号化後温度データ440)は、電気絶縁部180を挟んで通信するために、温度データ送信部110に送られる。
・159℃を超える温度値は存在せず最大で159℃(ビットフォーマットで、10011111)である。
・温度範囲領域2〜5に相当する領域の下位ビットが欠落している。
このため、欠落した下位ビットに関しては、以下のように逆符号化する。
「欠落した(分解能を落とした)部分のビットはすべて1とする(要するに、その分解能の範囲の中で最大の温度値とする」
補正前温度データtに対し、補正用データ保持部160から取得した補正用データ(補正用データ1:aと補正用データ2:b)により、
補正後温度データt’は、
t’=a×t+b
として演算される。
図7に示す通り、
s=(s’―b)/a
の演算にて、補正前温度閾値sに変換可能である。また、図7から明らかなように、温度補正演算が線形変換であるため、補正後温度データt’が補正後温度閾値s’を超えているかどうかの評価(比較)結果は、補正前温度データtが補正前温度閾値sを超えているかの評価(比較)結果と同一である。そのことから、s’とaとbの値があれば、sの事前導出が可能で、温度データ補正部150の処理内容を行わなくても高精度な温度閾値比較を行うことが出来る。
半導体素子の温度をデジタル温度データとして検出するデジタル温度データ計測部と、デジタル温度データを、高い温度範囲領域よりも低い温度範囲領域のデータ分解能が低く、かつ2の補数の数値として評価した場合に、デジタル温度データの増加と共に単調増加する、所定の長さの符号化データに符号化する温度データ符号化部とを備えたので、温度データの検出範囲を広く持ちながら、その温度データの値を元に特殊処理を行うことが必要となる高温時における温度データ分解能を細かく持つことが可能となり、また固定長データであるため、本温度データを通信するのに必要となる機構が簡単となると共に、データビット長が圧縮されているため、高速な温度データ通信が可能となる。また、符号化した温度データに対し特定の演算を行う際に、一般的なコンピュータが扱う数値符号(2の補数)に変換する処理を行わなくても、そのままの値で演算が可能となるため、温度データに関連する処理の高速化が可能となる。
図10は、実施の形態2による半導体モジュールの概略構成図であり、特にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とFWDi(フリーホイールダイオード)とIGBTを動作させる制御ICと温度計測部220と温度データ符号化部100と、これらを半導体モジュールにより駆動される負荷(モータなど)または基板、コントローラに接続するためのインタフェースVcc、GND、IN、Fo、C、Eとを備える。ここで、Vccは電源、GNDはグランド、INはIGBTのゲート信号を駆動するための入力、Foはエラー発生時にコントローラ側に出力するエラーを示している。CはIGBTのコレクタ、EはIGBTのエミッタ側となり、駆動する負荷側へ接続される。
図11は、実施の形態3による半導体モジュール及び半導体モジュールシステムの概略構成図であり、図において、IPMは半導体モジュール(インテリジェントパワーモジュール)を示し、IPM700は、温度データ符号化部100、温度データ送信部110、温度データ受信部120、温度データ逆符号化部130、温度データ閾値比較部140、温度データ補正部150、補正用データ保持部160、電気絶縁部180、温度データ量子化部200、温度データ標本化部210、温度データ計測部220、電力用半導体素子230、制御IC701、絶縁前制御回路部702、コントローラ通信回路部704を備えている。すなわち、本実施の形態のIPM700は、実施の形態1における制御回路部170に代えて絶縁前制御回路部702を設けると共に、ゲート駆動回路部190を制御IC701とし、かつ、コントローラ通信回路部704を設けたものである。
すなわち、温度データ閾値比較部140での比較判定により過熱保護を行う状況が発生した場合、過熱保護指令信号340により絶縁前制御回路部702の中でコントローラ706からのコントローラゲート指令信号703を無効化し、パワーデバイスゲート指令信号300に伝えると共に、その無効化の状態が発生していることを、直接、過熱保護指令信号340によりコントローラ706に伝えるよう構成されている。
通常、電力用半導体素子230は数100V、制御IC701は数10Vの電源により動作しており、またIPM700に対しコントローラゲート指令信号703を与えるコントローラ706は、3.3Vや5Vの電源で動作している。
Claims (8)
- 半導体素子の温度をデジタル温度データとして検出するデジタル温度データ計測部と、
前記デジタル温度データを、高温部の検出上限値を基準値とし、当該検出上限値から検出最小分解能を基本単位とした2のべき乗の値範囲毎に温度範囲領域を設定し、前記高温部からの温度範囲領域毎に、ビット1の前にビット0を温度範囲領域数毎に増やしながら並べていく前置符号と、前記高温部からの温度範囲領域毎に、その検出分解能を半分とし、1ビットずつ温度データの下位ビットを削除するデータ符号とを連接し、これを、予め定められた温度検出下限値を含むデータ範囲までを含むように規定する、所定の長さの符号化データに符号化する温度データ符号化部とを備えたことを特徴とする半導体素子の温度検出システム。 - 半導体素子の温度をデジタル温度データとして検出するデジタル温度データ計測部と、
前記デジタル温度データの所定の下位ビットに基づき複数の温度範囲領域を決定し、前記所定の下位ビットを除く上位ビットから前置符号を生成する前置符号変換部、
前記デジタル温度データの所定の下位ビットから、前記温度範囲領域に応じた有意データを取得する有意データ取得部、及び
前記前置符号と前記有意データとを連接して符号化データを生成する連接部
を具備する温度データ符号化部と
を備えることを特徴とする半導体素子の温度検出システム。 - 前記前置符号変換部は、
所定の温度範囲領域を基準としてN番目(Nは正の整数)に高い温度範囲領域に対して、N−1個のビット0に続く1個のビット1からなる前置符号を生成する
ことを特徴とする、請求項2に記載の半導体素子の温度検出システム。 - 前記有意データ取得部は、
所定の温度範囲領域を基準としてN番目(Nは正の整数)に高い温度範囲領域に対して、最下位のN−1個ビットを削除して有意データを取得する
ことを特徴とする、請求項2に記載の半導体素子の温度検出システム。 - 前記温度データ符号化部が符号化した温度データと、予め定められた温度閾値を符号化した符号化後閾値とを比較して、前記温度データと前記閾値との比較結果を得る温度データ閾値比較部を備えたことを特徴とする、請求項1記載の半導体素子の温度検出システム。
- 前記温度データ符号化部が生成した符号化データを受信する温度データ受信部との通信方法を調歩同期方式とすることを特徴とする、請求項1記載の半導体素子の温度検出システム。
- 半導体素子と、
前記半導体素子の温度をデジタル温度データとして検出するデジタル温度データ計測部と、
前記デジタル温度データの所定の下位ビットに基づき複数の温度範囲領域を決定し、前記所定の下位ビットを除く上位ビットから前置符号を生成する前置符号変換部、
前記デジタル温度データの所定の下位ビットから、前記温度範囲領域に応じた有意データを取得する有意データ取得部、及び
前記前置符号と前記有意データとを連接して符号化データを生成する連接部
とを具備する温度データ符号化部と
を備えたことを特徴とする半導体モジュール。 - 半導体素子と、
前記半導体素子のゲートを制御するための指令信号を出力するコントローラと、
前記半導体素子の温度をデジタル温度データとして検出するデジタル温度データ計測部と、
前記デジタル温度データの所定の下位ビットに基づき複数の温度範囲領域を決定し、前記所定の下位ビットを除く上位ビットから前置符号を生成する前置符号変換部、
前記デジタル温度データの所定の下位ビットから、前記温度範囲領域に応じた有意データを取得する有意データ取得部、及び
前記前置符号と前記有意データとを連接して符号化データを生成する連接部
とを具備する温度データ符号化部と、
前記デジタル温度データに基づき、前記コントローラの指令信号の有効または無効の判断をして制御信号を生成する制御部と、前記制御信号に基づき前記半導体素子のゲートを駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
を備えたことを特徴とする半導体モジュールシステム。
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