JP6430026B2 - マルチダイパワーモジュールを備えるシステム、およびマルチダイパワーモジュールの動作を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は包括的には、マルチダイパワーモジュールの動作を制御するシステムおよび方法に関する。

マルチダイパワーモジュールは従来、いくつかの並列に接続されたパワーダイから構成され、単一のパワーダイの電流性能を超えて電流性能を高めるために使用される。

例えば、三相コンバーターは、スイッチあたり４つの並列パワーダイから構成され、全部で２４個のパワーダイを与える。

ＳｉＣ（炭化ケイ素）トランジスタおよびＧａＮ（窒化ガリウム）トランジスタのような、新生のデバイス技術は通常、ウェハー基板の歩留まりおよびコストに関する制約に起因して、高電流密度、小電力のダイにおいて実現される。

より高い電力のＳｉＣベースモジュールを実現するには、多数の並列接続ＳｉＣダイが必要である。並列接続モジュールとは異なり、並列接続ダイは、理想的には同じ負荷電流を整流する単一のスイッチを構成する。

しかしながら、使用されるダイのタイプ、すなわち、ダイオードが使用されるか、または電圧駆動スイッチ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）が使用されるかにかかわらず、負荷電流の均衡の取れた分配を静的にも、動的にも制限する特性がダイ内に存在する。

さらに、マルチダイパワーモジュール内の各ダイの温度は、基板上のその幾何学ロケーションによる影響を受ける。このような温度差により、結果としてダイが最大限に利用されなくなり、それゆえ、所与の定格電流を達成するために、より多くのダイが並列にされる必要があるので、パワーモジュールの全体的なコストおよび物理的な表面積が増加する。

ダイの温度をバランスさせることは、フィードバック制御によって解決することができる。

電流フィードバック制御ループの場合、高速および高精度のセンサーおよびプロセッサを用いなければならない。

温度フィードバック制御の場合、余分な構成要素が、パワーモジュールのコスト、重量、容積および電力消費に影響を与える。

そのようなフィードバック制御の一例が、図１を参照して与えられる。

図１は、従来技術によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するシステムの一例を表している。

マルチダイパワーモジュール１０は、例えば、１００_１〜１００_３で示す３つのダイから構成される。

マルチダイパワーモジュール１０の動作を制御するシステムは、コントローラー１５０を備え、このコントローラーは、マルチダイパワーモジュール１０に印加される制御信号をホストコントローラーから受信し、変更された信号を用いてダイを制御する前に、検知された電流および／または検知された温度に従ってダイごとに個別に制御信号を変更する。

ダイごとに個別に変更された制御信号は、ダイ１００_１〜１００_３の１１０_１〜１１０_３で示す個別のゲートコネクターに個別に供給される。

本発明は、ダイの温度のバランス化を向上させ、次いで、高度に動的な制御の実施を必要とすることなく、マルチダイパワーモジュールの最大能力を高めることを目的とする。

したがって、本発明は、ダイから構成されるマルチダイパワーモジュールと、マルチダイパワーモジュールのダイをアクティブ化する複数の連続した入力パターンを受信するコントローラーとを備えるシステムであって、ダイは、ダイの複数のクラスターにグループ化されていることを特徴とし、コントローラーは、ダイのクラスターごとに１つのゲートソース間（Gate to Source：ゲートツーソース）信号を出力する手段を備え、各出力されるゲートソース間信号は、他のゲートソース間信号と異なり、少なくとも１つの第１の出力されるゲートソース間信号は、複数の入力パターンのうちの少なくとも１つの入力パターンの間にダイのアクティブ化を低減することを特徴とする、システムに関する。

したがって、ダイの電気損失をクラスター間で変更することができる。クラスターは少なくとも１つのダイを含むので、１つのゲートソース間信号を出力する手段の数は、ダイの数に対して限定される。

特定の特徴によれば、複数の入力パターンのうちの少なくとも１つの入力パターンの間のダイのアクティブ化の低減は、少なくとも１つの入力パターンの間のダイのアクティブ化を無効にすることによって行われる。

したがって、少なくとも１つの第１のクラスター内のダイの導通損失およびスイッチング損失は、少なくとも１つの入力パターンの間、零（null：ヌル）である。異なるクラスターのダイ間の損失は、任意の損失プロファイルに導くことができる。

特定の特徴によれば、ダイは、マルチダイパワーモジュール内のそれらのロケーションに従ってクラスターにグループ化される。

したがって、例えば、冷熱源までの距離または周囲の熱源の存在に起因して同様の冷却能力を共有するダイは、容易にクラスター化される。クラスターのダイは、同一の損失を受けるとき、同一の接合部温度も受ける。

特定の特徴によれば、ダイは、マルチダイパワーモジュール内のそれらの近傍ダイの数に従ってクラスターにグループ化される。

したがって、例えば、冷熱源までの距離または周囲の熱源の存在に起因して同様の冷却能力を共有するダイは、容易にクラスター化される。クラスターのダイは、同一の損失を受けるとき、同一の接合部温度も受ける。

したがって、ダイの電気損失を、クラスター間で、ダイの冷却能力に応じて変更することができる。ダイ損失プロファイルをクラスター間で適応させて、クラスター間で異なるダイ冷却能力を補償することができる。その結果、マルチチップモジュール全体にわたってダイの温度を同じ接合部温度にバランスさせることができる。熱ストレス（thermal stress：熱応力）は、ダイ間で同一になるので、ダイの経年劣化もバランスされる。マルチダイパワーモジュールは、ピークのダイ温度ではなく、平均の接合部温度について寸法決めすることができ、パワーモジュールのより高い電流における動作および／またはより長い寿命が可能になる。

特定の特徴によれば、少なくとも１つの第２の出力されるゲートソース間信号は、複数の入力パターンと同一である。

したがって、最良の冷却能力を有するダイは、決して非アクティブ化されない。したがって、良好にバランスされた温度に達することができる損失プロファイルを達成するために、良好でない冷却能力を有する他のダイを非アクティブ化する必要性が少なくなる。その結果、電流は、ダイ間でより良好に共有され、より多くの数のダイが電流の共有に同時に寄与する。

特定の特徴によれば、コントローラーは、複数の入力パターンのうちの少なくとも１つの入力パターンの間のダイのアクティブ化の低減に関係した情報を記憶する記憶手段を備える。

したがって、ダイまたはクラスターにわたる個別の接合部温度の検知も、推定も、取得も、処理も必要とすることなく、開ループの方法でクラスターの非アクティブ化を実現することができる。アクティブ化の低減に関係した情報は事前に計算されるので、マルチダイパワーモジュールの制御の実施は単純である。

特定の特徴によれば、コントローラーは、
ダイのアクティブ化の低減に関係した情報を、受信された連続した入力パターンに従って配列する手段と、
配列された情報と連続した入力パターンとから各クラスターの出力されるゲートソース間信号を作成する手段と、
をさらに備える。

したがって、ダイまたはクラスターにわたる個別の接合部温度の検知も推定も必要とすることなく、開ループの方法でクラスターの非アクティブ化を実現することができる。アクティブ化の低減に関係した情報は事前に計算されるので、マルチダイパワーモジュールの制御の実施は単純である。

特定の特徴によれば、各クラスターの出力されるゲートソース間信号を作成する手段は、ダイのアクティブ化の低減に関係した情報が入力パターンの非アクティブ化を示しているときは、入力パターンのアクティブ化パルスを省き、ダイのアクティブ化の低減に関係した情報が入力パターンの非アクティブ化を示していないときは、入力パターンを再コピーする。

したがって、出力されるゲートソース間信号の作成は、入力パターンから容易である。クラスターがアクティブ化パルスを省くと、ダイは、その入力パターンの間、マルチダイパワーモジュールの導通損失およびスイッチング損失に寄与しない。

特定の特徴によれば、各クラスターの出力されるゲートソース間信号を作成する手段は、アクティブ化の低減に関係した情報が入力パターンの非アクティブ化を示しているときは、入力パターンのアクティブ化パルスを短縮し、アクティブ化の低減に関係した情報が入力パターンの非アクティブ化を示していないときは、入力パターンを再コピーする。

したがって、アクティブ化パルスが、クラスターについて短縮されると、ダイは、その入力パターンの間、マルチダイパワーモジュールのスイッチング損失に寄与しないが、導通損失に寄与する。各ダイにおける動的な損失は、通常、整流電流に対して線形であるので、バランスされた温度に向けたマルチダイパワーモジュールの可制御性は高められる。

本発明はまた、ダイから構成されるマルチダイパワーモジュールの動作を制御する方法であって、コントローラーによって実行されるステップであって、
マルチダイパワーモジュールのダイをアクティブ化する複数の連続した入力パターンを受信するステップと、
ダイのクラスターごとに１つのゲートソース間信号を出力するステップであって、各出力されるゲートソース間信号は、他のゲートソース間信号と異なり、少なくとも１つの第１の出力されるゲートソース間信号は、複数の入力パターンのうちの少なくとも１つの入力パターンの間にダイのアクティブ化を低減する、ステップと、
を含むことを特徴とする、方法に関する。

したがって、ダイの電気損失をクラスター間で変更することができる。クラスターは少なくとも２つ以上のダイを含むので、１つのゲートソース間信号を出力する手段の数は、ダイの数に対して限定される。

本発明はまた、ダイのクラスターから構成されるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するデバイスであって、
マルチダイパワーモジュールのダイをアクティブ化する複数の連続した入力パターンを受信する手段と、
ダイのクラスターごとに１つのゲートソース間信号を出力する手段であって、各出力されるゲートソース間信号は、他のゲートソース間信号と異なり、少なくとも１つの第１の出力されるゲートソース間信号は、複数の入力パターンのうちの少なくとも１つの入力パターンの間にダイのアクティブ化を低減する、手段と、
を備えることを特徴とする、デバイスに関する。

したがって、ダイの電気損失をクラスター間で変更することができる。クラスターは少なくとも１つのダイを含むので、１つのゲートソース間信号を出力する手段の数は、ダイの数に対して限定される。

本発明の特性は、例示の実施形態の以下の説明を読むことからさらに明らかになり、その説明は添付の図面を参照しながら行われる。

従来技術によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するシステムの一例を表す図である。 本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するシステムの一例を表す図である。 マルチダイパワーモジュールにおける熱定常状態時のダイの単純化された等価熱回路を表す図である。 本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するコントローラーのアーキテクチャの第１の例を表す図である。 本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するコントローラーのアーキテクチャの第２の例を表す図である。 本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御する電力パターンを求めるアルゴリズムを表す図である。 本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するコントローラーによって用いられる電力パターンの一例を表す図である。 本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するコントローラーによって用いられる電力パターンの一例を表す図である。 本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するコントローラーによって用いられる電力パターンの一例を表す図である。 本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するコントローラーによって用いられる電力パターンの一例を表す図である。 本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するコントローラーによって用いられる電力パターンの一例を表す図である。 本発明が実施されていないときのダイごとの電力損失を表す図である。 本発明が実施されていないときのダイごとの温度を表す図である。 本発明によるダイごとの電力損失を表す図である。 本発明によるダイごとの温度を表す図である。

図２は、本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するシステムの一例を表している。

マルチダイパワーモジュール２０は、例えば、２１０_１〜２１０_３で示す３つのダイから構成される。

マルチダイパワーモジュール２０の動作を制御するシステムは、コントローラー２５０を備え、このコントローラーは、マルチダイパワーモジュール２０に印加される入力制御信号をホストコントローラーから受信し、コントローラー２５０のメモリに記憶されたテーブルであって、各クラスターのアクティブ化パターンを含むテーブルに従って、この入力制御信号を変更する。

例として、入力信号は、変更された信号によって制御されるダイが導通損失を受けないように、少なくとも１つのアクティブ化期間を省くことによって変更されるか、または信号は、変更された信号によって制御されるダイが受けるスイッチング損失が少なくなるように、アクティブ化期間を短縮することによって変更される。

本発明によれば、ダイのクラスターが決定され、コントローラー２５０は、ダイのクラスターごとに、アクティブ化パターンおよび入力制御信号に従ってそのクラスターのダイを駆動するゲートソース間信号を提供する。

クラスターに用いられるアクティブ化パターンは、互いに異なる。

例えば、マルチダイパワーモジュール２０は、３つのクラスター２００_１、２００_２および２００_３に分割される。

第１のクラスター２００_１は、２１０_１で示すダイを備える。

第２のクラスター２００_２は、２１０_２で示すダイを備える。

第３のクラスター２００_３は、２１０_３で示すダイを備える。

クラスターは、例えば、マルチダイパワーモジュール２０内のダイの対称軸および位置に従って規定される。

一変形形態では、第１のクラスターおよび第３のクラスターは、単一のクラスターを形成するためにグループ化される。

図２の例では、２つの近傍ダイを有するダイは、第２のクラスターに属する。１つの近傍ダイを有するダイは、第１のクラスターまたは第３のクラスターに属する。４つの近傍ダイを有するダイは、第３のクラスターに属する。

ダイの冷却能力は、周囲のダイの数に依存する。周囲のダイの数が多いほど、ダイにおいて放散することができる熱は少なくなり、各ダイにおいて同じ損失が放散される場合、ダイの温度はより高くなる。

クラスターは、例えば、マルチダイパワーモジュール２０の製造時に決定される。

そのような動作は、図３を参照してより詳細に説明される。

図３は、マルチダイパワーモジュールにおける熱定常状態時のダイの単純化された等価熱回路を表している。

図３は、３つの近傍ダイの単純化された熱回路を表している。この熱回路において、支配的な熱経路は、ダイからダイへのものと、ダイからケースへのものとである。ヒートシンクは、シンク温度Ｔ_ｓｉｎｋを受けているマルチダイパワーモジュールパッケージの外部への電力損失の熱伝達を可能にする。

電気回路との類推によって、パワーダイが受ける導通損失またはスイッチング損失に起因する熱源Ｑ_１〜Ｑ_３は電流源とみなすことができ、シンク温度よりも上方への温度上昇ΔＴ_１〜ΔＴ_３は電圧とみなすことができ、材料体Ｒ_Ｌ１〜Ｒ_Ｌ４、Ｒ_ｌ１〜Ｒ_ｌ５は熱抵抗として挙動し、熱伝導率は、この抵抗と、キャパシタンスとしての熱容量とに関係している。

Ｒ_Ｌ２およびＲ_Ｌ３は、３つの近傍ダイの間の熱経路を表している。Ｒ_ｌ２およびＲ_ｌ３は、パワーダイとヒートシンクとの間の熱経路を表している。Ｒ_Ｌ１およびＲ_Ｌ４は、パワーモジュールおよび／またはヒートシンクの端部に位置する追加の熱経路を表している。

並列のダイの間で損失をバランスさせる（Ｑ_１＝Ｑ_２＝Ｑ_３）にもかかわらず、ダイの温度上昇（ΔＴ_１、ΔＴ_２、ΔＴ_３）は、ダイの不均一な込み合いに起因してアンバランスである。この温度アンバランスは、ダイの間の熱ストレスの差の原因であり、このため、ダイの間の経年劣化の差の原因である。その結果、マルチダイパワーモジュール２０の寿命は、小さなストレスを受けたダイの寿命を問わず、最も大きなストレスを受けたダイの寿命によって決まる。

図４Ａは、本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するコントローラーのアーキテクチャの第１の例を表している。

コントローラー２５０は、例えば、バス４０１によって相互に接続された構成要素と、提供されるゲートソース間信号ＣＬを異なるクラスターについて調整するためにプログラムによって制御されるプロセッサ４００とに基づくアーキテクチャを有する。

バス４０１はプロセッサ４００をリードオンリーメモリＲＯＭ４０２、ランダムアクセスメモリＲＡＭ４０３および電力インターフェース４０６にリンクする。

メモリ４０３は、変数と、異なるクラスターのアクティブ化パターンとを収容するように意図されたレジスタを含む。

アクティブ化パターンがリアルタイムで決定される場合、メモリ４０３は、提供されるゲートソース間信号ＣＬを異なるクラスターについて調整するアルゴリズムに関係したプログラムの命令を含む。

プロセッサ４００は、マルチダイパワーモジュールに印加される入力ゲート信号パターンを受信し、入力ゲート信号パターンのアクティブ化サイクルごとにおよびクラスターごとに、アクティブ化パターンに従ってクラスターのダイのアクティブ化を決定する。

電力インターフェース４０６は、第１のクラスターのアクティブ化パターンを用いてゲートソース間信号ＣＬ１を作成する。電力インターフェース４０６は、第２のクラスターのアクティブ化パターンを用いてゲートソース間信号ＣＬ２を作成する。電力インターフェース４０６は、第３のクラスターのアクティブ化パターンを用いてゲートソース間信号ＣＬ３を作成する。

各クラスターについて、プロセッサ４００が、アクティブ化パターンに従ってクラスターのダイのアクティブ化を決定したとき、ゲートソース間信号は、入力ゲート信号を再コピーしたものである。

プロセッサ４００が、アクティブ化パターンに従ってクラスターのダイのアクティブ化を決定しなかったとき、ゲートソース間信号は、入力ゲート信号のアクティブ化を省く。

一変形形態では、プロセッサ４００が、アクティブ化パターンに従ってクラスターのダイのアクティブ化を決定しなかったとき、ゲートソース間信号は、入力ゲート信号のアクティブ化を短縮する。

リードオンリーメモリ２は、図５において開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムの命令を含み、それらの命令は、コントローラー２５０が起動されるときに、ランダムアクセスメモリ４０３に転送される。

コントローラー２５０は、ＰＣ（パーソナルコンピューター）、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）若しくはマイクロコントローラーのようなプログラム可能なコンピューティングマシンによって１組の命令若しくはプログラムを実行することによってソフトウェアにおいて実施することができるか、またはソフトウェアでなければ、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）若しくはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）のような、マシン若しくは専用コンポーネントによってハードウェアにおいて実施することができる。

換言すれば、コントローラー２５０は、図５において開示されるアルゴリズムをコントローラー２５０に実行させる回路部、または回路部を備えるデバイスを備える。

コントローラー２５０は、例えば、プリプログラムされたＣＰＬＤ（複合プログラム可能論理デバイス）によって実現することができる。

図４Ｂは、本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するコントローラーのアーキテクチャの第２の例を表している。

コントローラー２５０は、例えば、カウンターのようなシーケンサー４２０と、リードオンリーメモリＲＯＭ４２２と、電力インターフェース４２６とに基づくアーキテクチャを有する。

リードオンリーメモリＲＯＭ４２２は、種々のクラスターに提供される電力パターンを記憶する。

シーケンサー４２０は、マルチダイパワーモジュールに印加される入力ゲート信号パターンを受信し、クラスターのダイに印加される電力パターンをクラスターごとに提供するようにＲＯＭ４２２に命令する。ゲートソース間信号ＣＬ１は、第１のクラスターのダイに供給される。ゲートソース間信号ＣＬ２は、第２のクラスターのダイに供給される。ゲートソース間信号ＣＬ３は、第３のクラスターのダイに供給される。

図５は、本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御する電力パターンを求めるアルゴリズムを表している。

本アルゴリズムは、コントローラー２５０のプロセッサ４００が実行することもできるし、マルチダイパワーモジュール２０の設計中に実行することもできる。

基本的に、本アルゴリズムは、熱アンバランスを補償する好適な分布に適合したアンバランスな電力損失を生み出す。その結果、マルチダイパワーモジュール２０のダイ２００の温度はバランスされる。

ステップＳ５０において、プロセッサ４００は、マルチダイパワーモジュール２０内のダイの対称軸および位置を求める。

例えば、マルチダイパワーモジュール２０は、３つのクラスターに分割される。

第１のクラスター２００_１は、２１０_１で示すダイを備える。

第２のクラスター２００_２は、２１０_２で示すダイを備える。

第３のクラスター２００_３は、２１０_３で示すダイを備える。

次のステップＳ５１において、プロセッサ４００は、行列Ｍ_Ｔを取得する。行列Ｍ_Ｔは、Ｔ＝Ｍ_ＴＱ等である。

定常状態では、熱損失を温度と関連させる線形関係が存在する。この線形関係は、Ｍ_ＴＱ＝Ｔとして表すことができる。ここで、Ｔは、定常状態におけるマルチダイパワーモジュール２０の温度のベクトルまたはマルチダイパワーモジュール２０のクラスターの温度のベクトルを表す一方、Ｑは、マルチダイパワーモジュール２０の損失のベクトルを表す。行列ＴおよびＱは、マルチダイパワーモジュール２０の設計中の測定および／またはシミュレーションを通じて求められる。Ｍ_Ｔは線形行列である。

行列Ｍ_Ｔは、本質的には、パワーモジュールの幾何形状設計から得られ、例として、マルチダイパワーモジュール２０の最初のサンプルが製造されると測定することができる。

他の例として、例えば、３ＤＣＡＤシステムを用いたマルチダイパワーモジュール２０の設計（幾何形状および材料）から熱回路網を推定することができる。熱回路網パラメーター、例えば、図３を参照して論述したようなＲ_ＬおよびＲ_ｌが判明すると、損失と温度との間の関係は、線形であり、例えば、テブナン・ノートン（Thevenin-Norton）の定理を用いて、またはループ方程式およびノード方程式を用いて形式的に特定することできる。次に、バランスされた温度を達成するのに必要とされる損失分布は、特定された線形関係を用いて容易に求められる。

次のステップＳ５２において、プロセッサ４００は、ダイ間で温度をバランスさせるのに必要とされる損失プロファイルｑを求める。ｑ＝Ｍ_Ｔ ^−１（１．．．１）である。

次のステップＳ５３において、プロセッサ４００は行列Ｍ_ｔを作成する。行列Ｍ_ｔの列は、所与のクラスターのダイを駆動するパターンが本発明に従って変更されたときのクラスターにわたるダイごとの予想損失プロファイルを示す。第１の例によれば、ｉおよびｊが行列Ｍ_ｔのラインを示す場合に、係数Ｍ_{ｔ ｉ，ｊ}は以下のように求められる。

Ｍ_{ｔ ｉ，ｉ}＝０ ∀ｉであり、Ｍ_{ｔ ｉ，ｊ}＝Ｎ／（Ｎ−Ｎ_ｄｉ）である。ここで、Ｎは、マルチダイパワーモジュール２０のパワーダイの数であり、Ｎ_ｄｉは、ｉ番目のクラスターのパワーダイの数である。

第２の例によれば、行列Ｍ_ｔの第１列は、全てのクラスターのダイを駆動するパターンが変更されていないときのクラスターにわたる損失プロファイルを示す。ｉおよびｊが行列Ｍ_ｔのラインを示す場合に、係数Ｍ_{ｔ ｉ，ｊ}は以下のように求められる。

次のステップＳ５４において、プロセッサ４００は、ｔ＝Ｍ_ｔ ^−１ｑ等の、所望の損失プロファイルｑを実現するのに必要とされる重みベクトルｔを求める。

クラスターにわたるスイッチングサイクルの総数に対する非アクティブ化されたサイクルの比が、重みベクトルｔの係数ｔ_ｋに比例するとき、スイッチングサイクルの総数にわたって実現される損失プロファイルは、求められたベクトルｑに一致し、温度プロファイルは、単一性ベクトル（unicity vector）に一致する。次のステップＳ５５において、プロセッサ４００は、クラスターごとに整数Ｎ_ｓｋを求める。

例えば、Ｎ_ｓｋ＝ｒｏｕｎｄ（ｔ_ｋ＊Ｎ_ｓ）である。ここで、Ｎ_ｓはパターンの総数である。整数Ｎ_ｓｋおよびＮ_ｓは、求められた重みベクトルｔまでの距離を最小にするように求められる。

次のステップＳ５６において、プロセッサ４００は、求められた数Ｎ_ｓｋからクラスターのアクティブ化パターンを求める。

パターンの例は、図６に与えられている。

図６は、本発明によるマルチダイパワーモジュールの動作を制御するコントローラーによって用いられる電力パターンの例を表している。

図６Ａおよび図６Ｂは、マルチダイパワーモジュールのクラスターのアクティブ化パターンの例を表している。

図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｅの例では、マルチダイパワーモジュールは、２つのクラスターに分解されている。第１のクラスターは、２つのダイを備え、第２のクラスターは、第１のクラスターのダイの間に位置する単一のダイを備える。

その場合、第１の例によれば、図５のアルゴリズムは、例えば、以下の結果を提供する。

６００で示すパターンは入力ゲート信号である。

６０１で示すパターンは、第１のクラスターの第１のダイのアクティブ化パターンであり、６０２で示すパターンは、第２のクラスターのダイのアクティブ化パターンであり、６０３で示すパターンは、第１のクラスターの第２のダイのアクティブ化パターンである。

６０１、６０２および６０３のハッチングエリアは、非アクティブスイッチングを表し、空白エリアは、アクティブスイッチングを表している。一変形形態では、６０１、６０２、６０３のハッチングエリアは、ゲートソース間信号が、より少ないスイッチング損失を達成するように変更されているスイッチングサイクルを表し、空白エリアは、ゲートソース間信号が変更されず、入力ゲート信号に等しいスイッチングサイクルを表している。その結果、第１のクラスターのゲートソース間信号は、６０４で示され、５つの連続した非アクティブスイッチング期間を含む。第２のクラスターのゲートソース間信号は、６０５で示され、９つの連続したアクティブスイッチング期間を含む。或るクラスターが非アクティブであるとき、他のクラスターはアクティブであることに留意すべきである。

６２０で示すパターンは入力ゲート信号である。

６２１で示すパターンは、第１のクラスターのダイのアクティブ化パターンであり、６２２で示すパターンは、第２のクラスターのダイのアクティブ化パターンであり、６２３で示すパターンは、第１のクラスターの第２のダイに印加されるアクティブ化パターンである。

６２１、６２２および６２３のハッチングエリアは、非アクティブスイッチングを表し、空白エリアは、アクティブスイッチングを表している。

その結果、第１のクラスターのゲートソース間信号は、６２４で示され、５つの非アクティブスイッチング期間を含む一方、第２のクラスターのゲートソース間信号は、６２５で示され、９つの非アクティブスイッチング期間を含む。クラスター間の非アクティブ化期間はインターリーブされ、スイッチングサイクルの総数にわたって熱ストレスは拡散される。

図６Ｃおよび図６Ｄは、マルチダイパワーモジュールのクラスターに対して印加される電力パターンの例を表している。

図６Ｃおよび図６Ｄの例では、マルチダイパワーモジュールは、３つのクラスターに分解されている。

その場合、図５のアルゴリズムは、例えば、以下の結果を提供する。

６３０で示すパターンは、第１のクラスターのダイのアクティブ化パターンであり、６３１で示すパターンは、第２のクラスターのダイのアクティブ化パターンであり、６３２で示すパターンは、第３のクラスターのダイのアクティブ化パターンである。

６４０で示すパターンは、第１のクラスターのダイのアクティブ化パターンであり、６４１で示すパターンは、第２のクラスターのダイのアクティブ化パターンであり、６４２で示すパターンは、第３のクラスターのダイのアクティブ化パターンである。

６３０、６３１、６３２、６４０、６４１および６４２のハッチングエリアは、非アクティブスイッチングを表し、空白エリアは、アクティブスイッチングを表している。

図６Ｅは、第２の例によるマルチダイパワーモジュールのクラスターに対して印加される電力パターンの例を表している。

その場合、図５のアルゴリズムは、例えば、以下の結果を提供する。

６５０で示すパターンは、第１のクラスターのダイのアクティブ化パターンであり、６５１で示すパターンは、第２のクラスターのダイのアクティブ化パターンであり、６５２で示すパターンは、第３のクラスターのダイのアクティブ化パターンである。

６５０、６５１、６５２のハッチングエリアは、非アクティブスイッチングを表し、空白エリアは、アクティブスイッチングを表している。

第２の例によれば、第１のクラスターのダイは、常に非アクティブ化されている。第２のクラスターのダイは、２９個の連続した入力パターンのうちの２つの入力パターンの間にのみ非アクティブ化されている。

図７は、本発明が実施されていないときのダイごとの電力損失および温度を表している。

図７Ａは、ダイのクラスターにわたるダイごとの電力損失プロファイルを示している。横軸はダイを表し、縦軸は、対応するダイの電力損失を示している。電力損失は、全てのダイ間でバランスされている。

図７Ｂは、ダイの接合部温度を示している。横軸はダイを表し、縦軸は、対応するダイの接合部温度を示している。マルチダイパワーモジュールの端部に位置するダイは、より良好な冷却を受け、それらの温度は、マルチダイパワーモジュールの中心に位置するダイの温度よりも相対的に低い。

図８は、本発明によるダイごとの電力損失および温度を表している。

図８Ａは、ダイのクラスターにわたるダイごとの電力損失プロファイルを示している。横軸はダイを表し、縦軸は、対応するダイの電力損失を示している。電力損失は、本発明に従って、ダイ間でアンバランスにされている。マルチダイパワーモジュールの端部に位置するダイは、マルチダイパワーモジュールの中心に位置するダイよりも高いレベルの損失を受けるように構成されている。

図８Ｂは、ダイの接合部温度を示している。横軸はダイを表し、縦軸は、対応するダイの接合部温度を示している。マルチダイパワーモジュールの端部に位置するダイのより良好な冷却能力は、電力損失により高く寄与することによって補償される。その結果、温度はダイ間でバランスされる。

当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上述した本発明の実施形態に対して多くの変更を行うことができる。

Claims (11)

1. 並列に接続されたダイから構成されるマルチダイパワーモジュールと、該マルチダイパワーモジュールの該ダイがアクティブ化される必要があるときを示す複数の連続した入力パターンからなる入力信号を受信するコントローラーと、を備えるシステムであって、前記ダイは、前記マルチダイパワーモジュール内の前記ダイのロケーションに従って、ダイの少なくとも２つのクラスターにグループ化されていることを特徴とし、前記コントローラーは、クラスターごとに１つのゲートソース間信号を出力する手段を備え、各出力されるゲートソース間信号は、他の前記ゲートソース間信号と異なり、少なくとも１つの出力されるゲートソース間信号は、前記複数の連続した入力パターンのうちの少なくとも１つの入力パターンの一部の間に少なくとも１つのクラスターの１つのダイをアクティブにしないことを特徴とする、システム。
2. 少なくとも１つの出力されるゲートソース間信号は、前記複数の連続した入力パターンのうちの少なくとも１つの入力パターンの間に少なくとも１つのクラスターの１つのダイをアクティブにしないことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記マルチダイパワーモジュール内の前記ダイのロケーションは、前記マルチダイパワーモジュール内のそれらの近傍ダイの数を表現していることを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。
4. 少なくとも１つの他の出力されるゲートソース間信号は、前記複数の連続した入力パターンのうちのそれぞれの入力パターンの間に少なくとも１つの他のクラスターの１つのダイをアクティブにすることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記コントローラーは、前記複数の連続した入力パターンのうちの少なくとも１つの入力パターンの間の前記ダイの非アクティブ化に関係した情報を記憶する記憶手段を備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記コントローラーは、
   前記ダイの前記非アクティブ化に関係した前記情報を、前記受信された連続した入力パターンに従って配列する手段と、
   前記配列された情報と前記連続した入力パターンとから各クラスターの出力されるゲートソース間信号を作成する手段と
   をさらに備えることを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
7. 各クラスターの出力されるゲートソース間信号を作成する前記手段は、前記ダイのアクティブ化の低減に関係した情報が前記入力パターンの非アクティブ化を示しているときは、入力パターンのアクティブ化パルスを省き、前記ダイのアクティブ化の低減に関係した情報が前記入力パターンの非アクティブ化を示していないときは、前記入力パターンを再コピーすることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
8. 各クラスターの出力されるゲートソース間信号を作成する前記手段は、前記アクティブ化の低減に関係した情報が前記入力パターンの非アクティブ化を示しているときは、入力パターンのアクティブ化パルスを短縮し、前記アクティブ化の低減に関係した情報が前記入力パターンの非アクティブ化を示していないときは、前記入力パターンを再コピーすることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
9. 並列に接続されたダイから構成されるマルチダイパワーモジュールの動作を制御する方法であって、前記ダイは、前記マルチダイパワーモジュール内の前記ダイのロケーションに従って、ダイの少なくとも２つのクラスターにグループ化され、各クラスターは、少なくとも１つのダイを備え、前記方法は、コントローラーにより実行されるステップを備え、
   該マルチダイパワーモジュールの該ダイがアクティブ化される必要があるときを示す複数の連続した入力パターンからなる入力信号を受信するステップと、
   クラスターごとに１つのゲートソース間信号を出力するステップであって、各ゲートソース間信号は、他のゲートソース間信号と異なり、少なくとも１つの出力されるゲートソース間信号は、前記複数の連続した入力パターンのうちの少なくとも１つの入力パターンの一部の間に少なくとも１つのクラスターの１つのダイをアクティブにしない、出力するステップと
   を含むことを特徴とする、方法。
10. 少なくとも１つの出力されるゲートソース間信号は、前記複数の連続した入力パターンのうちの少なくとも１つの入力パターンの間に少なくとも１つのクラスターの１つのダイをアクティブにしないことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 少なくとも１つの他の出力されるゲートソース間信号は、前記複数の連続した入力パターンのうちのそれぞれの入力パターンの間に少なくとも１つの他のクラスターの１つのダイをアクティブにすることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。

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