JP6162639B2 - 温度算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度算出装置に関する。

従来、半導体素子上に温度検出素子を配置し、温度検出素子と接続された温度検出回路によって、温度検出素子の信号を検出することによって半導体素子の温度を実測する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２５４１５８号公報

しかしながら、上述の従来技術においては、温度検出素子と温度検出回路とを接続するために、半導体素子上にパッドを設ける必要がある。このため、半導体素子におけるパッドが占める領域の面積が増加し、電流を流すことができるアクティブ領域の面積が減少する。このため、半導体素子の面積が増加し、コストアップする。

そこで、本発明の一つの案では、半導体素子上に温度検出素子を配置することなく、半導体素子の温度を算出する。

一つの案では、半導体素子の温度を算出する温度算出装置であって、前記半導体素子がオン状態とオフ状態との間で切り替わるときの電流又は電圧の波形に含まれるリンギング振幅を算出する第１の算出手段と、前記リンギング振幅に基づいて、前記半導体素子の温度を算出する第２の算出手段とを含む、温度算出装置が提供される。

一態様によれば、半導体素子上に温度検出素子を配置することなく、半導体素子の温度を算出することができる。

本実施形態に係る温度算出装置の回路構成を例示する図。 本実施形態に係る半導体素子をスイッチング動作させたときの電流又は電圧の波形を例示する図。 本実施形態に係る半導体素子の温度とドレイン−ソース間電圧との関係を例示する図。 本実施形態に係る温度算出装置による温度算出方法を例示するフローチャート。 本実施形態に係る温度算出装置の他の回路構成を例示する図。 本実施形態に係る温度算出装置の更に他の回路構成を例示する図。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。また、以下の実施形態では、温度算出装置の一例として、スイッチング回路を構成する半導体素子の温度を算出する温度算出装置について説明するが、本発明はこの点において限定されるものではない。例えば、温度算出装置は、コンバータ、スイッチング回路を１アームとする三相インバータ回路等にも適用可能である。

図１は、本実施形態に係る温度算出装置２の回路構成を例示する図である。図１に示すように、本実施形態に係る温度算出装置２は、スイッチング回路１を構成する半導体素子の温度を算出する装置として構成されている。

以下では、まず、スイッチング回路１の構成及び動作について説明し、次に、温度算出装置２の構成及び動作について説明する。

スイッチング回路１は、図１に示すように、例えば直列に接続された２つの半導体素子としてのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン／オフ（スイッチング動作）が交互に繰り返されることにより、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路として機能する。

スイッチング回路１は、直流電源１１と、電源電圧を安定させる平滑コンデンサ１２と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と、グランドから電源電圧への方向（ドレインからソースへの方向）を順方向とする帰還ダイオードＤ１、Ｄ２と、スイッチング素子Ｑ１のゲートにパルス状の電圧を印加するパルス電源１３と、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング速度を調整するゲート抵抗１４と、スイッチング素子Ｑ２と並列に接続された誘導性負荷１５とを有する。

スイッチング素子Ｑ１は、グランド（基準電位）に短絡するローサイド（下アーム）のスイッチング素子である。スイッチング素子Ｑ２は、電源電圧に短絡するハイサイド（上アーム）のスイッチング素子である。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２としては、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated
Gate Bipolar Transistor）等のトランジスタが挙げられる。また、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の材料としては、例えばシリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）等を用いることができるが、パワー半導体として用いる場合には、小型化、軽量化等が可能であることから、ＳｉＣ、ＧａＮを好適に用いることができる。

次に、スイッチング回路１の動作について説明する。図２は、スイッチング回路１を構成する半導体素子をスイッチング動作させたときの電流又は電圧の波形を例示する図である。図３は、半導体素子の温度とドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓとの関係を例示する図である。なお、図３中、横軸は時間を、縦軸は半導体素子のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓを表す。また、図３中、波形に含まれる複数の極大値を波高値と呼ぶ。

次に、スイッチング回路１の動作について説明する。

スイッチング素子Ｑ１がオフ状態で、スイッチング素子Ｑ２がオン状態である場合において、パルス電源１３によって、スイッチング素子Ｑ１のゲートにオン電圧以上のハイレベルのゲート電圧が印加されると、オフ状態のスイッチング素子Ｑ１はオン状態に切り替わり、オン状態のスイッチング素子Ｑ２はオフ状態に切り替わる。

一方、スイッチング素子Ｑ１がオン状態で、スイッチング素子Ｑ２がオフ状態である場合において、パルス電源１３によって、スイッチング素子Ｑ１のゲートにローレベルのゲート電圧が印加されると、オン状態のスイッチング素子Ｑ１はオフ状態に切り替わり、オフ状態のスイッチング素子Ｑ２はオン状態に切り替わる。

そして、スイッチング回路１は、パルス電源１３によるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン／オフが交互に繰り返されることにより、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換動作を行う。

ここで、スイッチング回路１が前述したように電力変換動作されると、図２に示すように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン／オフに伴って、スイッチング波形（以下、「波形」とも呼ぶ。）の立ち上がり又は立ち下がり部分に、リンギング（図中、実線丸印で示す。）が発生する。

具体的には、パルス電源１３によって印加されるスイッチング素子Ｑ１のゲート電圧Ｖｇがハイレベルからローレベルになる場合、スイッチング素子Ｑ１がオフし（オン状態からオフ状態になり）、スイッチング素子Ｑ２がオンする（オフ状態からオン状態になる）。このとき、スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓの立ち下がり部分、ドレインーソース間電圧Ｖｄｓの立ち上がり部分及びドレイン電流Ｉｄの立ち下がり部分並びに帰還ダイオードＤ２のダイオード電流Ｉｄｉｏの立ち下がり部分にリンギングが発生する。

また、パルス電源１３によって印加されるスイッチング素子Ｑ１のゲート電圧Ｖｇがローレベルからハイレベルになる場合、スイッチング素子Ｑ１がオンし（オフ状態からオン状態になり）、スイッチング素子Ｑ２がオフする（オン状態からオフ状態になる）。このとき、スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓの立ち上がり部分及びドレイン電流Ｉｄの立ち下がり部分、スイッチング素子Ｑ２のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓの立ち上がり部分並びに帰還ダイオードＤ２のダイオード電流Ｉｄｉｏの立ち上がり部分にリンギング（図中、破線丸印で示す。）が発生する。

リンギングの振幅（以下、「リンギング振幅」とも呼ぶ。）は、図３に示すように、導通している素子（以下、「導通素子」とも呼ぶ。）の温度によって変化する。すなわち、半導体素子の温度が２５℃（図中、実線で示す。）、１２５℃（図中、破線で示す。）、１７５℃（図中、点線で示す。）と異なる場合、リンギング振幅が変化する。例えば、半導体素子のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓの波形におけるリンギング振幅は、半導体素子の温度が高くなると小さくなる（図中、矢印を参照。）。

表１に、図２で示した各々の電流又は電圧の波形にリンギングが発生するタイミングと、そのときの導通素子との関係を示す。

表１に示すように、スイッチング素子Ｑ１がオフする場合には、帰還ダイオードＤ１が導通していることから、リンギング振幅は帰還ダイオードＤ１の温度によって変化する。また、スイッチング素子Ｑ１がオンする場合には、スイッチング素子Ｑ１が導通していることから、リンギング振幅はスイッチング素子Ｑ１の温度によって変化する。

次に、温度算出装置２の構成について、図１を参照しながら説明する。

温度算出装置２は、半導体素子がオン状態とオフ状態との間で切り替わるときの電流又は電圧の波形に含まれるリンギング振幅を算出する第１の算出手段と、リンギング振幅に基づいて、半導体素子の温度を算出する第２の算出手段とを含む。

第１の算出手段は、半導体素子がオン状態とオフ状態との間で切り替わるときの波形に含まれるリンギング振幅を算出する。第１の算出手段は、交流成分抽出手段２１と、整流手段２２と、平滑手段２３と、ピークホールド２４とを有する。また、第１の算出手段には、負荷２５が接続されている。

交流成分抽出手段２１は、半導体素子がオン状態とオフ状態との間で切り替わるときの直流成分（ＤＣ成分）と交流成分（ＡＣ成分）とを含む波形を抽出する。交流成分抽出手段２１としては、特に限定されないが、例えばコンデンサを含む回路等が挙げられる。

整流手段２２は、ＡＣ成分のみが抽出された波形を整流する。整流手段２２としては、特に限定されないが、例えばダイオードを含む半波整流回路、全波整流回路等が挙げられる。

平滑手段２３は、整流された波形を平滑する。平滑手段２３としては、特に限定されないが、例えばコンデンサを含む平滑回路、コイルを含む平滑回路等が挙げられる。

ピークホールド２４は、所定の時間経過後の平滑された波形中の最も大きい値を一定に保持する。ピークホールド２４としては、特に限定されないが、例えばコンパレータを含む回路等が挙げられる。

第２の算出手段は、第１の算出手段で算出されたリンギング振幅に基づいて、半導体素子の温度を算出する。第２の算出手段としては、特に限定されないが、例えばＣＰＵと記憶手段とを含む構成等が挙げられる。

次に、本実施形態に係る温度算出装置２の動作について説明する。なお、以下では、一例として、スイッチング回路１に含まれるスイッチング素子Ｑ１のドレイン電流Ｉｄの立ち上がり部分の波形に含まれるリンギング振幅に基づいて、スイッチング素子Ｑ１の温度を算出する場合について説明するが、本発明はこの点において限定されるものではない。

図４は、本実施形態に係る温度算出装置２による温度算出方法を例示するフローチャートである。以下、図４を参照しながら、ステップＳ１からステップＳ５について説明する。なお、図４中、ステップＳ１からステップＳ４の右側に示している波形は、各々のステップＳ１〜Ｓ４における波形の概略を示したものである。

（Ｓ１）ＡＣ成分のみ抽出
交流成分抽出手段２１は、例えばダイオードを含む検波回路により検波された半導体素子がオン状態とオフ状態との間で切り替わるときのＤＣ成分とＡＣ成分とを含むドレイン電流Ｉｄの立ち上がり部分の波形からＡＣ成分のみを抽出する。

（Ｓ２）整流
整流手段２２は、ＡＣ成分のみが抽出された波形を整流する。なお、図４では、波形を半波整流した場合を示す。

（Ｓ３）平滑
平滑手段２３は、整流された波形を平滑する。

（Ｓ４）ピークホールド
ピークホールド２４は、所定の時間経過後の平滑された波形中の最も大きい値を一定に保持する。ここで、所定の時間は、検波されるパラメータ（例えば、ドレイン電流Ｉｄ、ダイオード電流Ｉｄｉｏ、ドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ）に応じて、設定されることが好ましい。また、所定の時間は、ＡＣ成分のみが抽出された波形において、一つ目の波高値が検出される時間を経過した後の時間であって、二つ目の波高値が検出される時間を経過する前の時間となるように設定されることが好ましい。所定の時間の設定方法としては、特に限定されないが、例えばゲート信号等によって設定される。

（Ｓ５）半導体素子の温度の算出
第２の算出手段は、第１の算出手段で算出されたリンギング振幅に基づいて、スイッチング素子Ｑ１の温度を算出する。具体的には、第２の算出手段は、例えば予め記憶手段に記憶されたスイッチング素子Ｑ１の温度とドレイン電流Ｉｄの立ち上がり部分の波形に含まれるリンギング振幅との間の関係と、第１の算出手段で算出されたリンギング振幅に基づいて、スイッチング素子Ｑ１の温度を算出する。

以上のステップにより、温度算出装置２の動作が終了する。

以上に説明したように、本実施形態係る温度算出装置２によれば、半導体素子がオン状態とオフ状態との間で切り替わるときの波形に含まれるリンギング振幅を算出する第１の算出手段と、リンギング振幅に基づいて、半導体素子の温度を算出する第２の算出手段とを含む。

このため、半導体素子上に温度検出素子を配置することなく、半導体素子の温度を算出することができる。また、温度検出回路と、温度検出素子と接続され温度検出素子の信号を検出する温度検出回路とを接続するためのパッドを半導体素子上に設ける必要がない。このため、半導体素子における電流を流すことができるアクティブ領域の面積が増加する。結果として、半導体素子を小型化することができ、高集積化が可能となり、コストダウンを図ることができる。

また、本実施形態では、前述した温度算出装置２の動作における算出対象を、ドレイン電流Ｉｄの立ち上がり部分の波形からドレイン電流Ｉｄの立ち下がり部分の波形にすることにより、帰還ダイオードＤ１の温度を算出することができる。すなわち、温度算出装置２は、ドレイン電流Ｉｄの立ち下がり部分の波形に含まれるリンギング振幅に基づいて、帰還ダイオードＤ１の温度を算出することができる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。

図５は、本実施形態に係る温度算出装置２の他の回路構成を例示する図である。図５に示すように、温度算出装置２は、帰還ダイオードＤ２のダイオード電流Ｉｄｉｏの波形に基づいて、スイッチング素子Ｑ１及び帰還ダイオードＤ１の温度を算出する点で、前述した実施形態に係る温度算出装置２と相違する。

すなわち、図５に示す温度算出装置２は、半導体素子がオン状態とオフ状態との間で切り替わるときのダイオード電流Ｉｄｉｏの波形に含まれるリンギング振幅を算出する第１の算出手段と、リンギング振幅に基づいて、半導体素子の温度を算出する第２の算出手段とを含む。

図５に示す温度算出装置２によれば、前述した図１に示す温度算出装置２と同様の作用・効果が得ることができる。

また、本実施形態に係る温度算出装置２は、例えば図６に示すように、スイッチング素子Ｑ１のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓの波形に基づいて、帰還ダイオードＤ１の温度を算出することもできる。なお、算出方法については、前述した温度算出装置２の動作と同様であるため、説明は省略する。

以上、温度算出装置２を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

例えば、温度算出装置２としては、スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓ、スイッチング素子Ｑ２のドレイン−ソース間電圧Ｖｋａに基づいて、半導体素子の温度を算出する構成であってもよい。

１ スイッチング回路
２ 温度算出装置
２１ 交流成分抽出手段
２２ 整流手段
２３ 平滑手段
２４ ピークホールド
Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子

Claims (6)

1. 半導体素子の温度を算出する温度算出装置であって、
   前記半導体素子がオン状態とオフ状態との間で切り替わるときの電流又は電圧の波形に含まれるリンギング振幅を算出する第１の算出手段と、
   前記リンギング振幅に基づいて、前記半導体素子の温度を算出する第２の算出手段と
   を含む、
   温度算出装置。
2. 前記第１の算出手段は、
   直流成分と交流成分とを含む前記電流又は電圧の波形から前記交流成分のみの波形を抽出する交流成分抽出手段と、
   前記交流成分のみが抽出された波形を整流する整流手段と、
   前記整流された波形を平滑する平滑手段と、
   前記半導体素子がオン状態とオフ状態との間で切り替わった後、所定の時間経過後の前記平滑された波形において最も大きい値を一定に保持するピークホールドと
   を有し、
   前記ピークホールドによって保持された波形における最も大きい値に基づいてリンギング振幅を算出する、
   請求項１に記載の温度算出装置。
3. 前記所定の時間は、前記交流成分のみが抽出された波形において、一つ目の波高値が検出される時間を経過した後の時間であって、二つ目の波高値が検出される時間を経過する前の時間となるように設定される、
   請求項２に記載の温度算出装置。
4. 前記半導体素子がオン状態とオフ状態との間で切り替わるときの電流又は電圧の波形を検波する検波回路を更に含む、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度算出装置。
5. 前記半導体素子は、インバータ回路を構成するスイッチング素子である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の温度算出装置。
6. 前記半導体素子は、シリコンカーバイドを含む、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温度算出装置。

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