JP6527436B2 - 電子装置 - Google Patents

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Description

本開示は半導体集積回路装置に関し、例えば電流センス機能付き電力用半導体装置を駆動する半導体集積回路装置に適用可能である。
電力変換装置を構成する三相のインバータ回路は、6個の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)と、これらIGBTと逆並列に接続されたフリーホイールダイオード(FWD)とが2個ずつ直列に接続された直列回路が直流電源に並列に接続された構成を有し、各直列回路のIGBT間の接続点に電動モータなどのインダクタンス負荷が接続されている。電力変換装置に使用されるIGBTでは、過電流が流れたときにIGBTを破壊から保護するために過電流保護回路が設けられている(例えば、米国特許出願公開第2014/0375333号明細書)。過電流の電流検出手段として、IGBTのメイン電流を流す部分とは別に検出専用(センス)電流を流す部分(カレントミラー回路)を設け、センス電流(カレントミラー電流)を検出して、メイン電流の検出手段としている。以下、メイン電流値をセンス電流値で除した値をカレントミラー比という。
米国特許出願公開第2014/0375333号明細書
IGBT等の電力用半導体装置の特性からカレントミラー比のバラツキが大きく、電流検出精度が落ちる。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本開示のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、半導体集積回路装置は、電力用半導体装置の特性データに基づいてカレントミラー比のバラツキを補正する回路を備える。
上記半導体集積回路装置によれば、電流検出の精度を向上することができる。
比較例に係る電動機システムの一部を示すブロック図。 IGBTのセンス電流を説明するための図。 IGBTのカレントミラー比とコレクタ−エミッタ間飽和電圧との関係を示す図。 IGBTのカレントミラー比と電流検出用抵抗との関係を示す図。 IGBTのカレントミラー比とゲート−エミッタ間電圧との関係を示す図。 IGBTのカレントミラー比と温度との関係を示す図。 IGBTのカレントミラー比とコレクタ電流との関係を示す図。 実施例1に係る電動機システムの構成を示すブロック図。 図8の電動機システムの一部である電子装置の構成を示すブロック図。 図9の制御回路の機能を示すブロック図。 図9の電子装置の製造方法を示すフローチャート。 図9の電子装置の製造時の初期設定処理を示すフローチャート。 図9の電子装置の通常動作時の基準電圧変更処理を示すフローチャート。 図9の電子装置の通常動作時の駆動電流確認処理を示すフローチャート。 変形例1に係る電子装置の構成を示すブロック図。 図15の電子装置の通常動作時の基準電圧変更処理を示すフローチャート。 変形例2に係る電子装置の構成を示すブロック図。 図17の駆動回路の構成を示すブロック図。 図17の制御回路の機能を示すブロック図。 図17の電子装置の製造時の初期設定処理を示すフローチャート。 変形例3に係る電子装置の構成を示すブロック図。 図21の制御回路の機能を示すブロック図。 図21の電子装置の製造時の初期設定処理を示すフローチャート。 実施例2に係る電子装置の構成を示すブロック図。 図24の制御回路の機能を示すブロック図。 図24の電子装置の製造時の初期設定処理を示すフローチャート。 実施形態に係る電子装置の構成を示すブロック図。 実施形態1に係る半導体集積回路装置の構成を示すブロック図。 実施形態2に係る半導体集積回路装置の構成を示すブロック図。
以下、実施形態、実施例および変形例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。
まず、本開示に先立って本願発明者が検討した技術(以下、比較例という。)について説明する。
図1は比較例に係る電動機システムの一部を示すブロック図である。図2はIGBTのセンス電流を説明するための図である。電動機システム1Rは三相モータ10とインバータ回路20とドライバIC30Rと制御回路40Rとを備える。三相モータ10は3個の変流器(コイル)11を備える。なお、2つの位相電流検出ができれば、各相の電流計算は可能であるので、変流器は2個でもよい。インバータ回路20は6個の電力用半導体装置21によって三相ブリッジ構成する。図2に示すように、電力用半導体装置21はスイッチングトランジスタであるIGBT22を備え、IGBT22はゲート端子Gとコレクタ端子Cと駆動電流を流すエミッタ端子Eとセンス電流を流す電流検出端子SEとを備える。ドライバIC30Rは電力用半導体21を駆動し、制御回路40RはドライバIC30Rを制御する。
IGBT22を使ったインバータ回路において、モータ駆動を行うためには、駆動する電流をモニタしながらIGBT22を駆動するドライブ信号(PWM信号)を制御する必要がある。電流のモニタは下記の2つを行う。
(1)各位相のモータ駆動電流を変流器11、制御回路40RのA/D変換器などを使ってモニタし、通常電流検出用としてモータ駆動制御に利用する。
(2)センス電流をドライバIC30Rでの電圧比較回路やA/D変換器などを使ってモニタし、過電流検出用として過電流時にドライバ信号を遮断するために利用する。
IGBT22の駆動電流(Id)はエミッタ電流(Ie)であり、センス電流はIGBT22内のカレントミラー回路の電流であるのでカレントミラー電流(Iγ)ともいう。エミッタ電流(Ie)とカレントミラー電流(Iγ)との比(Ie/Iγ)をカレントミラー比(γ)という。カレントミラー比は1000〜10000程度が選択される。モータの通常の駆動電流(Id)を400A程度とすると、定格電流は1600A程度である。
過電流はカレントミラー電流(Iγ)を電流検出用抵抗(抵抗値(Rs))によって電圧(Vs)に変換し、コンパレータ(CMP)で基準電圧(VREF)と比較することにより検出することができる。電流検出用抵抗の抵抗値(Rs)の精度が±1%以内である場合、検出電圧(Vs)は下記の式(1)で表される。
Vs=Iγ×Rs
=Ie×(1/γ)×Rs
=Id×(1/γ)×Rs ・・・・・・(1)
したがって、定格電流値を超える異常判断にセンス電流を利用する場合、カレントミラー比(γ)を4000、電流検出用抵抗の抵抗値(Rs)を5Ωとすると、過電流検出における検出電圧(Vs)は、下記のとおりである。
Vs=1600A×(1/4000)×5Ω=2V
そこで、基準電圧(VREF)を2Vに設定しておくと、モータの駆動電流に定格電流値が流れるとコンパレータ(CPM)は過電流を検出する。
次に、カレントミラー比にバラツキについて以下説明する。
図3はIGBTのカレントミラー比とコレクタ−エミッタ間飽和電圧との関係を示す図である。条件は、周囲温度(Tc)=25℃、ゲート−エミッタ間電圧(VGE)=15V、検出抵抗(Rs)=2.9Ω、コレクタ電流(IC)=500A、である。コレクタ−エミッタ間飽和電圧(VCE(sat))のバラツキ範囲(A=1.15〜1.75V)でカレントミラー比(γ)は4000±75%バラついている。全条件(Tc=−40〜175℃、VGE=14〜18V、Rs=2.9Ω、IC=500A)を想定すると、カレントミラー比(γ)は4000 −75%/140% と非常に大きい値となり、4000±10%には収まらない。
図4はIGBTのカレントミラー比と電流検出用抵抗との関係を示す図である。条件は、Tc=25℃、VGE=15V、IC=500A、である。カレントミラー比(γ)は、Rs=2.9Ωで±75%、Rs=0.5Ωで−40%/45%、Rs=20Ωで±80%バラついているが、Rsが小さい程、精度が上がる傾向にある。
図5はIGBTのカレントミラー比とゲート−エミッタ間飽和電圧との関係を示す図である。条件は、Tc=25℃、Rs=2.9Ω、IC=500A、である。カレントミラー比(γ)は、VG=15Vで±75%、VG=14Vで−75%/75%、VG=18Vで−20%/50%バラついているが、VGEが大きい程、精度が上がる傾向にある。
図6はIGBTのカレントミラー比と周囲温度との関係を示す図である。条件は、Rs=2.9Ω、VGE=15V、IC=500A、である。カレントミラー比(γ)は、Tc=25℃で±75%、TC=−40℃で−75%/110%、Tc=175℃で−75%/5%バラついている。全温度(−40〜175℃)を考慮すると、−75%/110%(25℃基準)の精度が推定される。
図7はIGBTのカレントミラー比とコレクタ電流との関係を示す図である。条件は、Rs=2.9Ω、VGE=15V、Tc=25℃、である。カレントミラー比(γ)は、IC=500Aで±75%、IC=100Aで−50%/0%、IC=600Aで−90%/100%バラついているが、ICが小さい程、精度が上がる傾向にある。
上述したように、IGBTの特性からカレントミラー比のバラツキが大きく、例えば検出電圧(Vs)の温度特性は下記のようになる。
Vs=1600A×(1/4000)×5Ω=2V ・・・常温時
Vs=1600A×(1/3000)×5Ω=2.67V ・・・高温時(150℃)
Vs=1600A×(1/5000)×5Ω=1.6V ・・・低温時(−45℃)
コンパレータ(CMP)の基準電圧(VREF)が常温時と同じであると、高温時では小さい電流で過電流を検出し、低温時では定格電流よりも大きくなっても過電流が検出できなくなり、電流検出精度が落ちる。その結果、過電流検知時に検知電流検知時間にバラツキが生じ、その後の保護措置に遅れが生じ、最悪の場合、素子の破壊が発生する。そのため、実際のインバータ設計環境ではIGBTを実装したボードで電流検出用抵抗の抵抗値を個別に調整したり、バラツキの低いデバイスを選別したりする必要がある。
<実施形態>
図27は実施形態に係る電子装置の構成を示すブロック図である。
実施形態に係る電子装置は、電力用半導体装置(PS)と、電力用半導体装置(PS)を駆動する第1の半導体集積回路装置(IC1)と、第1の半導体集積回路装置(IC1)を制御する第2の半導体集積回路装置(IC2)と、を備える。電力用半導体装置(PS)はセンス電流(Iγ)を出力する端子(ST)を備える。第1の半導体集積回路装置(IC1)は、センス電流(Iγ)に基づいて過電流を検出する過電流検出回路(OCDC)と、電力用半導体装置(OS)の温度を検出する温度検出回路(TDC)と、を備える。第2の半導体集積回路装置(IC2)は、電力用半導体装置(PS)のカレントミラー比の温度特性を格納する記憶装置(MEM)と、温度検出回路(TDC)の出力に基づいて温度を算出する温度検出部(TDU)と、温度検出部(TDU)が検出した温度と記憶装置(MEM)に格納されたカレントミラー比の温度特性とに基づいて、過電流検出回路(OCDC)を制御する過電流検出制御部(OCDCU)と、を備える。
例えば、過電流検出回路(OCDC)は、カレントミラー電流(Iγ)を電流検出用抵抗(抵抗値(Rs))によって電圧(Vs)に変換し、コンパレータ(CMP)で基準電圧(VREF)と電圧(vs)とを比較して過電流を検出し、電力用半導体装置のカレントミラー比(γ)の温度特性データに基づいて、基準電圧(VREF)を変更可能とする。第1実施形態では、電力用半導体装置のカレントミラー比(γ)の温度特性データまたはそれを取得する情報を電力用半導体装置自身に保持させる。第2実施形態では、電力用半導体装置のカレントミラー比(γ)の温度特性データを測定して、過電流を検出する半導体集積回路装置とは別の半導体集積回路装置にカレントミラー比(γ)の温度特性データを保持させる。
実施形態に係る電子装置の第1の半導体集積回路装置(IC1)の第1実施形態について説明する。図28は第1実施形態に係る半導体集積回路装置を説明するためのブロック図である。
第1実施形態に係る半導体集積回路装置(IC1)は、別の半導体集積回路装置(IC2)からの信号(S1)を入力するための第1端子(T1)と、電力用半導体装置(PS)のゲート端子(GT)と接続するための第2端子(T2)と、電力用半導体装置(PS)のセンス電流端子(ST)および電流検出用抵抗(RD)と接続するための第3端子(T3)と、を備える。また、半導体集積回路装置(IC1)は、第3端子に接続されるコンパレータ(CMP)と、コンパレータ(CMP)に接続される基準電圧生成回路(VRG)と、信号(S1)およびコンパレータ(CMP)の出力信号(OCD)に基づいた駆動信号(DRV)を第2端子(T2)に出力する駆動回路(DRIVER)と、を備える。また、半導体集積回路装置(IC1)は、電力用半導体装置(PS)の温度情報(TEMP)を入力するための第4端子(T4)と、電力用半導体装置(PS)のカレントミラー比の温度特性に関する情報(CHAR)を電力用半導体装置(PS)から入力するための第5端子(T5)と、温度情報(TEMP)を第1データ(D1)に変換する変換回路と、を備える。また、半導体集積回路装置(IC1)は、カレントミラー比の温度特性に関する情報(CHAR)を第2データ(D2)に変換する変換回路と、第1データ(D1)および第2データ(D2)に基づいた基準電圧生成回路(VRG)の電圧を制御する情報(VREFC)を入力するための第6端子(T6)と、を備える。
実施形態に係る電子装置の第1の半導体集積回路装置(IC1)の第2実施形態について説明する。図29は第2実施形態に係る半導体集積回路装置を説明するためのブロック図である。
第2実施形態に係る半導体集積回路装置(IC1)は、別の半導体集積回路装置(IC2)からの信号(S1)を入力するための第1端子(T1)と、電力用半導体装置(PS)のゲート端子(GT)と接続するための第2端子(T2)と、電力用半導体装置(PS)のセンス電流端子(ST)および電流検出用抵抗(RD)と接続するための第3端子(T3)と、を備える。また、半導体集積回路装置(IC1)は、第3端子に接続されるコンパレータ(CMP)と、コンパレータ(CMP)に接続される基準電圧生成回路(VRG)と、信号(S1)およびコンパレータ(CMP)の出力(OCD)に基づいた駆動信号(DRV)を第2端子(T2)に出力する駆動回路(DRIVER)と、を備える。また、半導体集積回路装置(IC1)は、電力用半導体装置(PS)の温度情報(TEMP)を入力するための第4端子(T4)と、温度情報(TEMP)を第1データ(D1)に変換する変換回路と、第3端子(T3)の電圧(Vs)を第2データ(D2)に変換する変換回路と、を備える。また、第1データ(D1)、第2データ(D2)および電力用半導体装置(PS)の出力である駆動電流を検出する変流器のデータに基づいた基準電圧生成回路(VRG)の電圧を制御する情報(VREFC)を入力するための第6端子(T6)と、を備える。
実施形態によれば、カレントミラー比の温度特性に基づいて過電流検出回路を制御することができるので、カレントミラー比が温度に対してバラついたとしても過電流を精度よく検出することが可能となる。第1実施形態によれば、カレントミラー比の温度特性に関する情報を電力用半導体装置から取得可能であり、カレントミラー比の温度特性に関する情報と電力用半導体装置の温度情報に基づいて基準電圧を変更することが可能となる。第2実施形態によれば、カレントミラー比の温度特性が測定可能であり、カレントミラー比の温度特性と電力用半導体装置の温度情報に基づいて基準電圧を変更することが可能となる。これらにより、カレントミラー比が温度に対してバラついたとしても過電流を精度よく検出することが可能となる。
過電流を精度よく検出することができると、負荷短絡状態などの異常電流発生モードで高精度かつ高速にパワーデバイス(電力用半導体装置)の保護動作に移行することが可能となる。その結果、パワーデバイスの破壊耐量設計の最適化を行い、パワーデバイスの電気的特性を改善することが可能となる。
第1実施形態の第1実施例(実施例1)は電力用半導体装置のカレントミラー比(γ)の温度特性データを取得するための情報を電力用半導体装置自身に保持させるものである。
(電動機システム)
図8は実施例1に係る電動機システムの構成を示すブロック図である。電動機システム1は三相モータ10と電力用半導体装置を6個用いたインバータ回路20と6個のドライバIC30と制御回路40と直流電源50とを備える。インバータ回路20はパワーモジュールともいう。インバータ回路20、6個のドライバIC30および制御回路40で構成される部分を電子装置2という。インバータ回路20は、車両等の駆動時には直流電源(DC)50の電圧から、三相モータ10の各相に電流を流すように、インバータ回路20内部のスイッチングトランジスタ22をON/OFF制御し、このスイッチングの周波数により車両等の速度を変化させる。また、車両等の制動時には、三相モータ10の各相に生じる電圧に同期してスイッチングトランジスタ22をON/OFF制御し、いわゆる整流動作を行い、直流電圧に変換して回生を行う。
三相モータ10は回転子が永久磁石で、電機子がコイルで構成され、三相(U相、V相、W相)の電機子巻き線は120度間隔に配置される。コイルはデルタ結線され、常にU相、V相、W相の3つのコイルに電流が流れる。三相モータ10は変流器等の電流検出器11と角速度および位置検出器12を備える。
インバータ回路20は、電力用半導体装置によりU相、V相、W相のブリッジ回路を構成している。U相のブリッジ回路は電力用半導体装置21Uと電力用半導体装置21Xの接続点が三相モータ10に接続されている。V相のブリッジ回路は電力用半導体装置21Vと電力用半導体装置21Yの接続点が三相モータ10に接続されている。W相のブリッジ回路は電力用半導体装置21Wと電力用半導体装置21Zの接続点が三相モータ10に接続されている。ここで、電力用半導体装置21U,21V,21W,21X,21Y,21Zの構成は同じであるので、これらを総称して電力用半導体装置21ということもある。電力用半導体装置21はIGBTで構成されるスイッチングトランジスタ(以下、IGBTという。)22および温度検出用ダイオードD1を備えた半導体チップと、IGBT22のエミッタとコレクタ間に並列に接続された還流ダイオード(FWD)D2を備えた半導体チップとで構成される。還流ダイオードD2は、IGBT22に流れる電流とは逆方向で電流を流すように接続されている。IGBT22と温度検出用ダイオードD1とが形成される半導体チップと還流ダイオードD2が形成される半導体チップとは同一のパッケージに封入するのが好ましい。還流ダイオードD2はIGBT22と温度検出用ダイオードD1とが形成された半導体チップと同一チップに形成されてもよい。
第1の半導体集積回路装置であるドライバIC30はIGBT22のゲートを駆動する信号を生成する駆動回路(DRIVER)31と過電流検出回路(OVER CURRENT)32と温度検出回路(TEMP. DETECT)33とID読み出し回路(ID READ CIRCUIT)34を1つの半導体基板に備える。第2の半導体集積回路装置である制御回路40はCPU41とPWM回路(PWM)42とI/Oインタフェース(I/O IF)43とを1つの半導体基板に備える。
(電子装置)
図9は図8の電動機システムの一部である電子装置を示すブロック図である。電力用半導体装置21はスイッチングトランジスタであるIGBT22と温度検出用ダイオードD1とチップ固有のIDコードを記憶するID回路(ID CIRCUIT)24とを1つの半導体基板上に備える。電力用半導体装置21はゲート端子Gとコレクタ端子Cと駆動電流を流すエミッタ端子Eとセンス電流を流す電流検出端子SEとを備える。ID回路24はラダー抵抗と電気フューズ等で構成される。電力用半導体装置21のウェア製造時のウェハテストにおいて、常温、高温テストを実施し、その際に得られた電力用半導体装置21の特性データ(カレントミラー比(γ)の温度特性)をIDコードと共にウェハ測定データライブラリとして記憶装置56に格納する。なお、ウェハテストの際に電力用半導体装置21のID回路24の電気フューズを切断する等によってIDコードを設定する。
ドライバIC30は駆動回路31と電流検出回路32と温度検出回路33とID読み読出し回路34とアイソレータ35とCPUインタフェース(CPU_IF)回路36とを備える。駆動回路31は制御回路40から端子T1を介して入力されるPWM(Pulse Width Modulation)信号に基づいてIGBT22をオン・オフするためにゲート電極を駆動するドライブ信号(DRV)を生成し端子T2に出力する。駆動回路31の端子T2とIGBT22のゲート端子Gとの間に抵抗51が設けられている。駆動回路31は後述する過電流検出信号(OCD)に基づいて、ドライブ信号(DRV)をLowにするとともに、遮断信号(COS)を出力し、遮断用トランジスタ53をオンすることによって、抵抗51とIGBT22のゲート端子Gとの間の電位をLowにする。遮断用トランジスタ53とIGBT22のゲート端子Gとの間に抵抗52が設けられている。
電流検出回路32はコンパレータ321と基準電圧生成回路322とを備える。過電流検出回路321はセンス電流を端子T3に接続される電流検出抵抗54で検出電圧(Vs)に変換し、検出電圧(Vs)と基準電圧生成回路322の基準電圧(VREF)とをコンパレータ321で比較して過電流を検出する。検出電圧(Vs)が基準電圧(VREF)よりも大きいとき、過電流検出回路321は過電流検出信号(OCD)を駆動回路31に送られIGBT22の駆動信号を遮断するとともに、アイソレータ35、端子T11、制御回路40のI/Oインタフェース43を介してCPU41に送る。また、後述するA/D変換回路331は検出電圧(Vs)を変換し、端子T8、アイソレータ35、CPUインタフェース36、端子T10、制御回路40のI/Oインタフェース44を介してCPU41に送る。基準電圧生成回路322の基準電圧(VREF)は端子T6から入力される信号によって変更することが可能である。
温度検出回路33は温度検出用ダイオードD1の順方向電圧(VF)の検出回路であるA/D変換回路331と温度検出用ダイオードD1へのバイアス電流を供給する電流バイアス回路(BIAS)332とを備える。電力用半導体装置21のチップ温度は、温度検出用ダイオードD1の順方向電圧を使って、温度測定を行う。温度検出回路33は電流バイアス回路332から端子T12および端子(温度検出用ダイオードのアノード端子)TDを介して定電流(IF)を温度検出用ダイオードD1に流し、検出電圧(VF)をA/D変換回路331で変換し、端子T8、アイソレータ35、CPUインタフェース36、端子T10、制御回路40のI/Oインタフェース44を介してCPU41に送る。
ID読出回路34は端子T5を介してID回路24のIDコードを読み出し、端子T9、アイソレータ35、CPUインタフェース36、端子T10、制御回路40のI/Oインタフェース44を介してCOU41に送る。ID読出回路34はA/D変換回路等で構成される。
アイソレータ35はドライバIC30と制御回路40との間を伝送する信号を磁気結合によって伝達する。アイソレータ35は配線で形成されたオンチップトランスを層間膜で絶縁することにより構成される。
CPUインタフェース36はドライバIC30の回路と制御回路40のCPU41とをSPI(Serial Peripheral Interface)等で接続するためのインタフェースである。
制御回路40はCPU41とPWM回路(PWM)42と記憶装置(MEMORY)47と外部デバイスとのインタフェース入出力部であるI/Oインタフェース(I/O_IF)44とA/D変換器(ADC)45と外部PC(Personal Computer)とのインタフェース部であるPCインタフェース(PC_IF)46とを1つの半導体基板上に備え、例えばマイクロコンピュータユニット(MCU)で構成される。記憶装置47はフラッシュメモリ等の電気的に書き換えが可能な不揮発性メモリで構成するのが好ましい。また、CPU41が実行するプログラムはフラッシュメモリ等の電気的に書き換えが可能な不揮発性メモリに格納するのが好ましく、記憶装置47に格納するようにしてもよい。
なお、CPU41が実行するプログラムを制御回路40の不揮発性メモリへの格納は以下のいずれであってもよい。
(1)第2の半導体集積回路装置である制御回路40のウェハ製造時。
(2)制御回路40のパッケージに封入後、電子装置2のプリント基板に実装される前。
(3)電子装置2のプリント基板に実装後(PC57からPCインタフェース46を介して格納)。
図10は図9の制御回路の機能を示すブロック図である。制御回路40は外気温度検出部411、過電流検出制御部414、温度検出部416および電流検出部417を備える。また、制御回路40は、図示していないモータのトルクや回転数に応じて電力用半導体装置のスイッチングトランジスタをON/OFF制御するドライブ信号を生成するPWM制御部を備える。破線で示すブロックはソフトウェアの処理(CPU41がプログラムを実行する処理)であるが、それに限定されるものではなく、例えばハードウェハで構成してもよい。
外気温度検出部411は平均化処理部412と選択部413から構成される。サーミスタ等の温度センサである外気温度検出器55の出力をA/D変換器45で変換し、平均化処理部413で入力信号をサンプリングし複数分を平均化してノイズ除去した信号、またはPC57からPCインタフェース46を介して入力される環境温度の温度設定値、を選択部413で選択する。後述するように、恒温槽等の電子装置2の環境温度を設定可能な空間の温度設定をPC57で行うか、温度設定値をPC57が取得するので、PC57が環境温度の設定値を制御回路40に入力することができる。環境温度は外気温度検出器55またはPC57のいずれかで検出すればよいので、いずれか一方はなくてもよい。この場合、外気温度検出部411の選択部413はなくてもよく、PC57により環境温度を検出する場合、平均化処理部412はなくてもよい。
選択部413の出力である温度情報およびA/D変換回路331の出力を温度検出部416で変換した温度検出用ダイオードの電圧情報が過電流検出制御部414に入力される。ID認識部415はID読出回路からの信号に基づいてIDコードを認識し、IDコードに対応する素子特性をPC57のウェハ測定データライブラリが格納されている外部記憶装置(STORAGE)56から取得して記憶装置47に格納する。ID認識部415が取得したIDコードに対応する素子特性を記憶装置47に格納する。電流検出部417は変流器11の出力をA/D変換器45で変換した駆動電流(Id)に対応する値と検出電圧(Vs)をA/D変換回路331で変換したカレントミラー電流(Iγ)に対応する値を入力する。
(電子装置の製造方法)
電子装置2の製造方法の一工程であるカレントミラー比(γ)の温度特性データの取得方法について図11乃至図14を用いて説明する。
図11は実施例1に係る電子装置の製造方法を説明するための図である。図12は実施例1に係る電子装置の製造時の初期設定処理のフローチャートである。
図11に示すように、カレントミラー比(γ)の温度特性データを電子装置に格納する工程は電子装置の製造工程におけるテスト工程等で行う。電力用半導体装置21とドライバIC30と制御回路40とを備える電子装置2を準備する(ステップS10)。電子装置2を恒温槽等の環境温度が設定可能な空間に搬入し、外気温度検出器55やPC57を接続する。後述する方法でカレントミラー比(γ)の温度特性を取得する(ステップS20)。電子装置2から外気温度検出器55やPC57を取り外し、環境温度が設定可能な空間から搬出する。
図12に示すように、まず、ID認識部415は電力用半導体装置21のIDコードを読み取る(ステップS21)。次に、ID認識部415はIDコードによってウェハ測定データライブラリが格納される外部記憶装置56からカレントミラー比(γ)の温度特性データを取得し、記憶装置47に格納する(ステップS22)。過電流検出制御部414は記憶装置47から常温時のカレントミラー比(γ)を抽出する(ステップS23)。過電流検出制御部414は式(1)の計算結果で得られる電圧値を基準電圧生成回路322に設定する(ステップS25)。
上述の初期設定処理は電子装置2を構成する全(6個)の電力用半導体装置に対応する全(6個)のドライバICに適用する。
(通常動作時の動作)
次に、電子装置(電動機システム)の通常動作時(モータ運転時)の動作について図13および図14を用いて説明する。なお、外気温度検出器55やPC57はカレントミラー比(γ)の温度特性データを取得する際には必要であるが、通常動作時には必要ない。
図13は実施例1に係る制御回路の通常動作時の基準電圧変更処理のフロー図である。図14は実施例1に係る制御回路の通常動作時の駆動電流確認処理のフロー図である。
温度検出用ダイオードD1によって電力用半導体装置21の温度を計測する(ステップS31)。温度検出部416は、ドライバIC30の電流バイアス回路332から定電流(IF)を温度検出用ダイオードD1に流して検出した検出電圧(VF)をA/D変換回路331で変換した電圧情報を温度情報に変換して電力用半導体装置の温度を計測する。過電流検出制御部414は記憶装置47から温度変換部416で取得した温度測定結果に対応するカレントミラー比(γ)を抽出する(ステップS32)。過電流検出制御部414は式(1)の計算結果で得られる電圧値を基準電圧生成回路322に設定する(ステップS33)。上述の基準電圧変更処理は定期的周期(例えば10ms−100ms)で実行する。
電流検出部417は電力用半導体装置のセンス電流端子SEからのカレントミラー電流(Iγ)に基づく電流測定と、変流器11からの駆動電流(Id)に基づく電流測定と、を並行して行う(ステップS34)。Iγに基づく測定電流とIdの基づく測定電流とがほぼ同一であるか判定する(ステップS35)。この判定は、例えば特定時間内での差分データ累積が所定値を超えないことで行う。NOの場合はステップS36に移り、YESの場合は終了する。ステップS36ではドライブ信号を停止または抑制する異常状態処理を行う。これにより、カレントミラー電流と駆動電流とが所定の範囲内になく過電流が検出できない場合でも電力用半導体装置を保護することが可能となる。
実施例1によれば、電力用半導体装置にIDコードし、IDコードに対応するウェハ測定データライブラリから制御回路の記憶装置のカレントミラー比の温度特性を格納し、カレントミラー比の温度特性に基づいて過電流検出回路を制御することができるので、カレントミラー比が温度に対してバラついたとしても過電流を精度よく検出することが可能となる。
<変形例1>
電力用半導体装置の温度測定はオンチップの温度検出用ダイオードを用いなくても測定が可能であり、実施例1の第1変形例(変形例1)では電力用半導体装置を搭載したパワーモジュールにサーミスタを載置して温度測定を行う。
図15は変形例1に係る電子装置の構成を示すブロック図である。変形例1に係る電子装置2Aは電力用半導体装置を除いて実施例1に係る電子装置と同様である。電力用半導体装置21Aに温度検出用ダイードが内蔵されていない。それに伴って、サーミスタ58が電力用半導体装置21を搭載するパワーモジュールに載置され、サーミスタ58の一端がドライバIC30の端子T4に接続される。電力用半導体装置21Aは温度検出用ダイードが内蔵されていないことを除き実施例1に係る電力用半導体装置と同様である。
図16は変形例1に係る電子装置の通常動作時の基準電圧変更処理のフローチャートである。変形例1に係る電子装置の動作時の基準電圧変更処理は温度計測にサーミスタを用いることを除いて実施例1と同様である。なお、変形例1の製造時の初期設定処理および通常動作時の駆動電流確認処理は実施例1と同様である。
変形例1では、電力用半導体装置ごとに温度検出用ダイオードを内蔵する必要がないため、電力用半導体装置1個あたりのボンディングワイヤ本数に制限があるなどの実装条件に制限がある場合でも温度検出が可能となる。
<変形例2>
電力用半導体装置の常温時のカレントミラー比(γ)が設計基準値のカレントミラー比(γ)と異なる場合がある。そこで、実施例1の第2の変形例(変形例2)では、初期設定処理において、カレントミラー比(γ)を測定して設計基準値のカレントミラー比(γ)と同一となるようにゲートドライブ電圧を制御する。
図17は変形例2に係る電子装置の構成を示すブロック図である。図18は図17の駆動回路の構成を示すブロック図である。変形例2に係る電子装置はドライバICの駆動回路およびその制御が実施例1と異なるが、その他は実施例1と同様である。実施例1との相違点を中心に説明する。
電子装置2Bは電力用半導体装置21とドライバIC30Bと制御回路40Bとを備える。ドライバIC30Bは駆動回路31Bとアイソレータ35BとCPUインタフェース36Bとを備える。駆動回路31Bは駆動トランジスタ311と駆動電圧制御回路(VCNT)312とを備え、駆動電圧制御回路312によって駆動回路31Bの外部に位置するブースト回路37の電圧を制御することにより、駆動トランジスタ311の駆動電圧を変更する。カレントミラー比(γ)を上げたい場合は、ブースト回路37の出力電圧を上昇させ、逆にカレントミラー比(γ)下げたい場合は、ブースト回路37の電圧を下降させることで、駆動電圧を調整することができる。駆動電圧制御回路312を制御する信号はCPU41からI/Oインタフェース44、端子T10、CPUインタフェース36B、アイソレータ35B、端子T7を介して入力される。アイソレータ35B、CPUインタフェース36Bは入出信号線の本数が異なるが実施例1のアイソレータ35、CPUインタフェース36と同様な構成である。
図19は図17の制御回路の機能を示すブロック図である。制御回路40Bは、実施例1の制御回路40の過電流検出制御部414および電流検出部417よりも機能が追加になった過電流検出制御部414Bおよび電流検出部417Bを備える。過電流検出制御部414Bは駆動回路31Bの駆動電圧制御回路312を制御する信号を生成する機能が追加になっている。電流検出部417Bは測定した駆動電流(Id)とカレントミラー電流(Iγ)とからカレントミラー比(γ)を計算する機能が追加になっている。
図20は変形例2に係る電子装置の製造時の初期設定処理のフローチャートである。
まず、ID認識部415は電力用半導体装置21のIDコードを読み取る(ステップS21)。次に、ID認識部415はIDコードによってウェハ測定データライブラリが格納される外部記憶装置56からカレントミラー比(γ)の温度特性データを取得し、記憶装置47に格納する(ステップS22)。過電流検出制御部414Bは記憶装置47から常温時のカレントミラー比(γ)を抽出する(ステップS23)。過電流検出制御部414Bは抽出したカレントミラー比(γ)と設計基準値のカレントミラー比(γ)とを比較して異なる場合は、電流検出部417Bで計測したカレントミラー比(γ)と設計基準値のカレントミラー比(γ)とが同一値になるように駆動電圧制御迂回路312を調整する(ステップS24)過電流検出制御部414Bは式(1)の計算結果で得られる電圧値を基準電圧生成回路322に設定する(ステップS25)。なお、変形例2の通常動作時の基準電圧変更処理および駆動電流確認処理は実施例1と同様である。
変形例2によれば、カレントミラー比を設計基準値近傍にすることができるので、実施例1よりも精度よく過電流を検出することが可能となる。
変形例2の温度検出ダイオードD1に代えて変形例1と同様にサーミスタ58を用いてもよい。
<変形例3>
実施例1、変形例1および変形例2では、電力用半導体装置はIDコードを格納し、電力用半導体装置の素子特性は外部記憶装置56にウェハ測定データライブラリとして格納されている。実施例1の第3の変形例(変形例3)では、電力用半導体装置の素子特性は電力用半導体装置自身に格納されている。
図21は変形例3に係る電子装置の構成を示すブロック図である。変形例3に係る電子装置は電力用半導体装置のID回路、ドライバICのID読出回路およびその制御が実施例1と異なるが、その他は実施例1と同様である。実施例1との相違点を中心に説明する。電子装置2Cは電力用半導体装置21CとドライバIC30Cと制御回路40Cとを備える。電力用半導体装置21Cは電力用半導体装置の素子特性を格納するID回路24Cを備える。電力用半導体装置21Cのウェア製造時のウェハテストにおいて、常温、高温テストを実施し、その際に得られた電力用半導体装置21Cの特性データ(カレントミラー比(γ)の温度特性)をID回路24Cに格納する。なお、ウェハテストの際に電力用半導体装置21CのID回路24Cの電気フューズを切断する等によって特性データを設定する。ドライバIC30CはID回路24Cの内容を読み出すID読出回路34Cを備える。ID読出回路34Cは実施例1のID読出回路34と同様にA/D変換回路等で構成される。
図22は図21の制御回路の機能を示すブロック図である。制御回路40CはPCインタフェース46を有しないこと、外気温度検出部411Cに選択部413を有しないことおよびIDコードを読み出すID認識部415に代わってカレントミラー比(γ)の温度特性データを読み出すID認識部415Cがある他は、実施例1の制御回路40と同様である。
図23は変形例3に係る電子装置の製造時の初期設定処理のフローチャートである。
まず、ID認識部415Cは電力用半導体装置21のIDコードを読み取る(ステップS21C)。ここで、IDコードにはカレントミラー比(γ)の温度特性が含まれる。次に、ID認識部415はIDコードに含むカレントミラー比(γ)の温度特性データを取得し、記憶装置47に格納する(ステップS22)。過電流検出制御部414は記憶装置47から常温時のカレントミラー比(γ)を抽出する(ステップS23)。過電流検出制御部414は式(1)の計算結果で得られる電圧値を基準電圧生成回路322に設定する(ステップS25)。なお、実施例2の通常動作時の基準電圧変更処理および駆動電流確認処理は実施例1と同様である。
変形例3によれば、ウェハ測定データライブラリを別途用意する必要がなく、また外部PCとの接続がないため、実施例1よりも初期設定工程の手間を簡略化することが可能である。
変形例3の温度検出ダイオードに代えて変形例1と同様にサーミスタ58を用いてもよい。また、変形例3の駆動回路に変形例2と同様に駆動電圧制御回路312を設けて制御回路の過電流検出制御部で制御するようにしてもよい。
第2実施形態の第2実施例(実施例2)は、電力用半導体装置のカレントミラー比(γ)の温度特性データを測定して、過電流を検出する半導体集積回路装置とは別の半導体集積回路装置にカレントミラー比(γ)の温度特性データを保持させる。
図24は実施例2に係る電子装置の構成を示すブロック図である。実施例2に係る電子装置2Dは電力用半導体装置にID回路がなく、ドライバICにID読出回路がなく、制御回路にID認識部がない点が実施例1と異なるが、その他は実施例1と同様である。電子装置2Dは電子装置2に代わって電動機システム1に用いられる。実施例1との相違点を中心に説明する。
図25は図24の制御回路の機能を示すブロック図である。制御回路40DはID認識部415を備えないで、実施例1の制御回路40の過電流検出制御部414および電流検出部417よりも機能が変更になった過電流検出制御部414Dおよび電流検出部417Dを備える。過電流検出制御部414Dは電流検出部が計算したカレントミラー比(γ)を記憶装置47に格納する機能を備える。電流検出部417Dは測定した駆動電流(Id)とカレントミラー電流(Iγ)とからカレントミラー比(γ)を計算する機能を備える。環境温度は外気温度検出器55またはPC57のいずれかで検出すればよいので、いずれか一方はなくてもよい。この場合、外気温度検出部411の選択部413はなくてもよく、PC57により環境温度を検出する場合、平均化処理部412はなくてもよい。
図26は実施例2に係る電子装置の製造時の初期設定処理のフローチャートである。
まず、環境温度を常温(A℃)に設定する(ステップS41)。電流検出部417Dは駆動電流(Id)およびセンス電流(Iγ)を測定し、カレントミラー比(γ)を計算し、過電流検出制御部414Dは計算したカレントミラー比(γ)を記憶装置に格納する(ステップS42)。環境温度を高温(H℃)に設定する(ステップS43)。電流検出部417Dは駆動電流(Id)およびセンス電流(Iγ)を測定し、カレントミラー比(γ)を計算し、過電流検出制御部414Dは計算したカレントミラー比(γ)を記憶装置に格納する(ステップS44)。環境温度を高温(L℃)に設定する(ステップS45)。電流検出部417Dは駆動電流(Id)およびセンス電流(Iγ)を測定し、カレントミラー比(γ)を計算し、過電流検出制御部414Dは計算したカレントミラー比(γ)を記憶装置に格納する(ステップS46)。次に、過電流検出制御部414Dは記憶装置47から常温時のカレントミラー比(γ)を抽出する(ステップS23)。過電流検出制御部414Dは式(1)の計算結果で得られる電圧値を基準電圧生成回路322に設定する(ステップS25)。なお、実施例2の通常動作時の基準電圧変更処理および駆動電流確認処理は実施例1と同様である。
実施例2では、電力用半導体装置ごとにID回路を内蔵する必要がないため、電力用半導体装置1個あたりのボンディングワイヤ本数に制限があるなどの実装条件に制限がある場合でもカレントミラー比の温度特性の取得が可能となる。
実施例2の温度検出ダイオードに代えて変形例1と同様にサーミスタ58を用いてもよい。また、実施例2の駆動回路に変形例2と同様に駆動電圧制御回路312を設けて制御回路の過電流検出制御部で制御するようにしてもよい。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態、実施例および変形例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態、実施例および変形例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
実施態様を下記に付記する。
(付記1)
電子装置の製造方法は、
(a)スイッチング素子と駆動電流を出力する端子とセンス電流を出力する端子とを備える電力用半導体装置と、前記スイッチング素子を駆動するゲート回路を有する第1の半導体集積回路装置と、前記ゲート回路を制御する制御部と電気的に書き換えが可能な不揮発性メモリを有する第2の半導体集積回路装置と、準備する工程と、
(b)前記電力用半導体装置のカレントミラー比の温度特性を取得する工程と、
を含む。
(付記2)
付記1の電子装置の製造方法において、
前記(b)工程は、
(b1)第1の温度環境の温度を検出し、不揮発性メモリに格納するステップと、
(b2)前記第1の温度環境で前記カレントミラー比を検出し、前記不揮発性メモリに格納するステップと、
(b3)第2の温度環境の温度を検出するステップと、
(b4)前記第2の温度環境で前記カレントミラー比を検出するステップと、
(b5)前記(b1)から(b4)のステップで得られる前記温度および前記カレントミラー比に基づいて温度特性を取得し、前記不揮発性メモリに格納するステップと、
を含む。
(付記3)
(付記1)の電子装置の製造方法において、
前記(b)工程は、
(b1)前記電力用半導体装置から当該電力用半導体装置の識別情報を認識するステップと、
(b2)前記識別情報に対応するカレントミラー比の温度特性を外部データベースから取得し、前記不揮発性メモリに格納するステップと、
を含む。
(付記4)
(付記3)の電子装置の製造方法において、
前記カレントミラー比の温度特性データは当該電力用半導体装置の製造時のウェハテストにより得るものである。
(付記5)
(付記1)の電子装置の製造方法において、
前記(b)工程は、
(b1)前記電力用半導体装置からカレントミラー比の温度特性を取得するステップと、
(b2)前記取得したカレントミラー比の温度特性を前記不揮発性メモリに格納するステップと、
を含む。
1・・・電動機システム
10・・・三相モータ
11・・・変流器
20・・・インバータ回路
21・・・電力用半導体装置
22・・・IGBT
30・・・ドライバIC
31・・・駆動回路
311・・・駆動トランジスタ
312・・・駆動電圧制御回路
32・・・過電流検出回路
321・・・コンパレータ
322・・・基準電圧生成回路
33・・・温度検出回路
331・・・A/D変換回路
332・・・電流バイアス回路
34・・・ID読出回路
35・・・アイソレータ
36・・・CPUインタフェース回路
40・・・制御回路
41・・・CPU
42・・・PWM回路
43・・・I/Oインタフェース
44・・・I/Oインタフェース
45・・・A/D変換回路
46・・・PCインタフェース
47・・・記憶装置

Claims (8)

  1. 電力用半導体装置と、
    前記電力用半導体装置を駆動する第1の半導体集積回路装置と、
    前記第1の半導体集積回路装置を制御する第2の半導体集積回路装置と、
    を備え、
    前記電力用半導体装置は、
    駆動電流を出力する端子と、
    センス電流を出力する端子と、
    当該電力用半導体装置のIDコードを有するID回路と、
    を備え、
    前記第1の半導体集積回路装置は、
    前記電力用半導体装置を駆動する駆動回路と、
    前記センス電流に基づいて過電流を検出する過電流検出回路と、
    前記電力用半導体装置の温度を検出する温度検出回路と、
    前記IDコードを前記ID回路から読み出すID読出回路と、
    を備え、
    前記第2の半導体集積回路装置は、
    前記電力用半導体装置のカレントミラー比の温度特性を格納する記憶装置と、
    前記温度検出回路の出力に基づいて温度を算出する温度検出部と、
    前記温度検出部が検出した温度と前記記憶装置に格納されたカレントミラー比の温度特性とに基づいて、前記過電流検出回路を制御する過電流検出制御部と、
    前記ID読出回路からの前記IDコードを認識するID認識部と、
    を備え、
    前記IDコードに基づいて前記電力用半導体装置の製造時のウェハテストによって得られた前記温度特性を前記記憶装置に格納する電子装置
  2. 請求項の電子装置において、
    前記第2の半導体集積回路装置は外部記憶装置に格納される前記カレントミラー比の温度特性を前記記憶装置に格納するためのPCインタフェースを備える電子装置
  3. 請求項の電子装置において、
    前記IDコードには前記カレントミラー比の温度特性が含まれている電子装置
  4. 電力用半導体装置と、
    前記電力用半導体装置を駆動する第1の半導体集積回路装置と、
    前記第1の半導体集積回路装置を制御する第2の半導体集積回路装置と、
    を備え、
    前記電力用半導体装置は、
    駆動電流を出力する端子と、
    センス電流を出力する端子と、
    を備え、
    前記第1の半導体集積回路装置は、
    前記電力用半導体装置を駆動する駆動回路と、
    前記センス電流に基づいて過電流を検出する過電流検出回路と、
    前記電力用半導体装置の温度を検出する温度検出回路と、
    前記センス電流を検出する回路と、
    を備え、
    前記第2の半導体集積回路装置は、
    前記電力用半導体装置のカレントミラー比の温度特性を格納する記憶装置と、
    前記温度検出回路の出力に基づいて温度を算出する温度検出部と、
    前記温度検出部が検出した温度と前記記憶装置に格納されたカレントミラー比の温度特性とに基づいて、前記過電流検出回路を制御する過電流検出制御部と、
    前記電力用半導体装置の駆動電流と前記センス電流とを取得する電流検出部と、
    を備え、
    前記駆動回路は駆動電圧を制御する駆動電圧制御回路を備え、
    前記過電流検出制御部は前記電流検出部で検出した前記駆動電流と前記センス電流とに基づいて前記駆動電圧制御回路を制御する電子装置
  5. 請求項の電子装置において、
    前記過電流検出制御部は前記電流検出部で検出した前記駆動電流と前記センス電流とに基づいてカレントミラー比を計算し前記記憶装置に格納する電子装置
  6. 請求項1または4の電子装置において、
    前記第2の半導体集積回路装置はCPUとプログラムを格納するメモリとを備える電子装置
  7. 請求項の電子装置において、
    前記記憶装置およびメモリはフラッシュメモリである電子装置
  8. 請求項1または4の電子装置において、
    前記駆動回路は、前記過電流検出回路からの信号に基づいて駆動を停止または抑制する電子装置
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