JP6894983B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュールに関する。

従来、スイッチング素子のオン／オフ動作を制御するパワーモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

従来のパワーモジュール９００は、図１６に示すように、第１電極、第２電極及びゲート電極を有するスイッチング素子８００と、スイッチング素子８００のオン／オフ動作を制御するためにゲート電圧を制御するゲート電圧制御部９１０とを備える。

従来のパワーモジュール９００によれば、ゲート電圧制御部９１０によってゲート電圧を制御することによりスイッチング素子８００のオン／オフ動作を制御することができる。

国際公開第２０１２／１５３４５９号

ところで、近年、デバイスの実使用時にデバイスの劣化（以下、単に「劣化」という。）を判定することができるパワーモジュールが求められている。しかしながら、実使用時（動作時）に劣化を判定することは現実には困難であり、劣化した状態で使用を続けてデバイスが破損してしまうおそれがある、という問題があった。これを回避するためには劣化する前に定期的にデバイスを交換することが考えられるが、この場合には、交換頻度が高くなり稼働率が低下するだけでなく、コストも高くなる、という問題がある。

そこで、本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、実使用時に劣化を判定することによりデバイスが破損することを防ぐことができ、かつ、稼働率を高くすることができ、かつ、コストを低く抑えることができるパワーモジュールを提供することを目的とする。

［１］本発明のパワーモジュールは、第１電極、第２電極及び第３電極を有するスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御モードと、ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給する前に検出された閾値電圧と前記ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給した後に検出された閾値電圧とを含む情報に基づいてΔＶｇｓを算出し、前記ΔＶｇｓを含む情報に基づいてデバイスの劣化を判定する劣化判定モードとを切り替えて実施するように構成されていることを特徴とする。

なお、本明細書中、ΔＶｇｓは、ストレス用電流をスイッチング素子に供給する前に閾値電圧を測定し、ストレス用電流をスイッチング素子に所定期間供給した後、再び閾値電圧を測定することによって得られた２つの閾値電圧に基づいて算出された値（基本的には、ストレス用電流をスイッチング素子に供給する前に検出された閾値電圧と、ストレス用電流をスイッチング素子に供給した後に検出された閾値電圧の差）のことをいう。

［２］本発明のパワーモジュールにおいては、前記スイッチング素子と、前記劣化判定モードにおいて閾値電圧を測定する際には、第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、前記制御モードにおいては、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御するために前記第３電極電圧を制御する第３電極電圧制御部と、前記劣化判定モードにおいて、前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定するオン／オフ状態判定部と、前記スイッチング素子の初期ΔＶｇｓを記憶し、かつ、前記劣化判定モードにおいて、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったと判定されたときに、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を閾値電圧として記憶する記憶部と、前記劣化判定モードにおいて、前記ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給する前に検出された閾値電圧と、前記ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給した後に検出された閾値電圧とを含む情報に基づいて前記ΔＶｇｓを算出し、当該ΔＶｇｓ及び前記初期ΔＶｇｓを含む情報に基づいて前記デバイスの劣化を判定する劣化判定部と、前記スイッチング素子と直列に接続され、負荷抵抗及び駆動電源を有するパワー回路とを備えることが好ましい。

［３］本発明のパワーモジュールにおいて、前記パワーモジュールは、前記制御モード実施前に前記スイッチング素子の前記初期ΔＶｇｓを検出する初期測定モードを実施するように構成されており、前記初期測定モードにおいて、前記第３電極電圧制御部は、閾値電圧を測定する際には、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、前記オン／オフ状態判定部は、前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定し、前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったと判定されたときに、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を閾値電圧として記憶し、前記劣化判定部は、前記ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給する前に検出された前記閾値電圧である初期閾値電圧と、前記ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給した後に検出された閾値電圧とを含む情報に基づいて前記初期ΔＶｇｓを算出することが好ましい。

［４］本発明のパワーモジュールにおいては、前記第３電極電圧制御部は、前記制御モードにおいて、前記スイッチング素子をオン状態とするときに、前記初期測定モードで測定された前記初期閾値電圧を含む情報に基づいて前記第３電極電圧を制御することが好ましい。

［５］本発明のパワーモジュールにおいては、前記スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出部をさらに備え、前記記憶部は、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報、及び、初期動作温度を含む情報をさらに記憶し、前記劣化判定部は、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報、並びに、前記初期ΔＶｇｓ、前記劣化判定モードにおいて検出された前記ΔＶｇｓ、前記初期動作温度、及び、前記劣化判定モードにおいて前記温度検出部で検出された前記スイッチング素子の動作温度を含む情報に基づいて前記デバイスの劣化を判定することが好ましい。

［６］本発明のパワーモジュールにおいては、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の前記動作温度と、前記初期閾値電圧、及び、前記スイッチング素子の前記初期動作温度とを含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出する閾値電圧算出部をさらに備え、前記第３電極電圧制御部は、前記制御モードにおいて、前記スイッチング素子をオン状態とするときに、前記閾値電圧算出部によって算出された前記動作時の閾値電圧に基づいて前記第３電極電圧を制御することが好ましい。

［７］本発明のパワーモジュールにおいて、前記パワーモジュールは、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性を測定する温度特性測定モードをさらに実施するパワーモジュールであって、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性を算出する温度特性算出部をさらに備え、前記温度特性測定モードにおいて、前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、前記オン／オフ状態判定部は、前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記スイッチング素子の前記動作温度を記憶するとともに、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を前記スイッチング素子の温度特性測定時閾値電圧として記憶し、前記温度特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期閾値電圧を測定したときの前記スイッチング素子の前記初期動作温度、前記温度特性測定モードにおいて前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の前記動作温度、及び、前記温度特性測定時閾値電圧を含む情報に基づいて前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性を算出することが好ましい。

［８］本発明のパワーモジュールにおいては、前記スイッチング素子を流れる第１電極電流を検出する第１電極電流検出部をさらに備え、記劣化判定モードにおいて、前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部による前記第１電極電流の検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定することが好ましい。

［９］本発明のパワーモジュールにおいては、前記劣化判定部による前記デバイスの劣化の検出結果を外部に表示するアラーム部をさらに備えることが好ましい。

［１０］本発明のパワーモジュールにおいては、前記劣化判定モードにおいて前記スイッチング素子に前記ストレス用電流を供給するストレス用電流供給部をさらに備えることが好ましい。

［１１］本発明のパワーモジュールにおいては、前記パワー回路においては、供給する電力が一定であり、前記劣化判定モードにおいて、前記ストレス用電流は、前記駆動電源から流れる電流から供給されることが好ましい。

［１２］本発明のパワーモジュールにおいては、前記第３電極電圧制御部は、前記スイッチング素子の閾値電圧を検出する場合には、前記第３電極電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるように前記第３電極電圧を制御することが好ましい。

［１３］本発明のパワーモジュールにおいては、前記第３電極電圧制御部は、前記スイッチング素子の閾値電圧を検出する場合には、前記第３電極電圧が、時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるように、前記第３電極電圧を制御することが好ましい。

［１４］本発明のパワーモジュールにおいて、前記スイッチング素子は、ＧａＮ、ＳｉＣ又はＧａ_２Ｏ_３を含む材料により形成されたものであることが好ましい。

本発明のパワーモジュールによれば、ストレス用電流をスイッチング素子に供給する前に検出された閾値電圧とストレス用電流をスイッチング素子に供給した後に検出された閾値電圧とを含む情報に基づいてΔＶｇｓを算出し、当該ΔＶｇｓを含む情報に基づいて劣化を判定する劣化判定モードを実施するように構成されているため、実使用時（動作時）に劣化を判定することができ、劣化した状態で使用を続けることに起因してデバイスが破損することを防ぐことができる。

本発明のパワーモジュールによれば、ストレス用電流をスイッチング素子に供給する前に検出された閾値電圧とストレス用電流をスイッチング素子に供給した後に検出された閾値電圧とを含む情報に基づいてΔＶｇｓを算出し、当該ΔＶｇｓを含む情報に基づいて劣化を判定する劣化判定モードを実施するように構成されているため、デバイスを使用する者が劣化するタイミングを知ることができ、そのタイミング（劣化する段階のタイミング）でデバイスを交換することができるため、デバイスが劣化する前に定期的にデバイスを交換する必要がなくなる。従って、交換頻度が低くなるため、稼働率を高くすることができ、かつ、コストを低く抑えることができる。

実施形態１に係るパワーモジュール１の回路図である。 スイッチング素子の閾値電圧Ｖｔｈ・動作温度Ｔの関係を示すグラフの模式図である。 初期測定モードにおいてストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子に供給する前に閾値電圧（初期閾値電圧Ｖｔｈ_０）を測定するときのブロック図である。 実施形態１における初期閾値電圧測定モード及び（又は）劣化判定モードを説明するために示す、ゲート電圧のグラフの模式図である。 劣化判定モードにおけるゲート電圧の模式的な波形図である。 初期測定モードにおいてストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子に供給した後に閾値電圧を測定するときのブロック図である。 制御モードのブロック図である。 制御モードにおいて、閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加する場合の効果について説明するために示すゲート電圧（ゲート・ソース間電圧）Ｖｇｓの時間変化のグラフの模式図である。図８（ａ）は比較例に係るパワーモジュールにおいてゲート電極にゲート電圧を印加する場合のゲート・ソース間電圧Ｖｇｓの時間変化を示すグラフの模式図であり、図８（ｂ）は実施形態１に係るパワーモジュール１において閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加する場合のゲート・ソース間電圧Ｖｇｓの時間変化を示すグラフの模式図である。 劣化判定モードにおいてストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子に供給する前に閾値電圧を測定するときのブロック図である。 劣化判定モードにおいてストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子に供給した後に閾値電圧を測定するときのブロック図である。 実施形態２における温度特性測定モードを説明するために示すブロック図である。 実施形態３に係るパワーモジュール２の回路図である。 変形例１に係るパワーモジュール３の回路図である。 変形例２に係るパワーモジュール４の回路図である。 変形例３に係るパワーモジュールの初期閾値電圧測定モード及び（又は）劣化判定測定モードを説明するために示すグラフの模式図である。 従来のパワーモジュール９００を説明するために示す図である。

以下、本発明のパワーモジュールについて、図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、各図面は模式図であり、必ずしも実際の回路構成やグラフを厳密に反映したものではない。

［実施形態１］
１．実施形態１に係るパワーモジュール１の構成
実施形態１に係るパワーモジュール１は、図１に示すように、スイッチング素子２００と、ゲート電圧制御部１０（第３電極電圧制御部）と、スイッチング電流検出部（第１電極電流検出部）２０と、オン／オフ状態判定部３０と、記憶部４０と、温度検出部５０と、劣化判定部６０と、閾値電圧算出部７０と、アラーム部８０と、計測用電流供給部１００と、ストレス用電流供給部１０２と、パワー回路４００とを備える。実施形態１に係るパワーモジュール１は、高耐熱性・高絶縁性の樹脂やセラミックス等により形成されたパッケージで覆われている。実施形態１に係るパワーモジュール１には、直流の電源電圧Ｖ_ＤＤを入力する（＋）側入力端子Ｔ１、接地側の（−）側入力端子Ｔ２、（＋）側出力端子Ｔ３、接地側の（−）側出力端子Ｔ４、駆動信号（例えば、ゲートパルス）Ｐｇを入力する制御端子Ｔ５、及び、外部のアラーム部（図示せず）に警報信号を送信するためのアラーム信号端子Ｔ６が設けられている。パワー回路４００とスイッチング素子２００との間にはスイッチＳＷ３が設けられている。

（＋）側入力端子Ｔ１と（−）側入力端子Ｔ２との間には、電源電圧Ｖ_ＤＤを印加するためのゲートドライブ用電源３００が接続されている。ゲートドライブ用電源３００は、ゲート電圧制御部１０を介してスイッチング素子２００のゲート電極と接続されており、ゲート電極に電圧を供給する。（＋）側出力端子Ｔ３及び（−）側出力端子Ｔ４には、パワー回路４００が接続されている。

パワー回路４００は、スイッチング素子２００と直列に接続されている。パワー回路４００は、負荷抵抗４１０及び直流の駆動電源４２０を有し、負荷抵抗４１０及び直流の駆動電源４２０が（＋）側出力端子Ｔ３と（−）側出力端子Ｔ４との間に直列に接続されている。なお、（−）側出力端子Ｔ４は接地されている。

スイッチング素子２００は、ソース電極（第２電極）、ドレイン電極（第１電極）及びゲート電極（第３電極）を備えるＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子２００は、ゲート電極に閾値電圧を超えるゲート電圧（第３電極電圧）を印加するとオン状態となり、ゲート電圧が閾値電圧を下回るとオフ状態となる。ゲート電圧は、電源電圧Ｖ_ＤＤから供給され、ゲート電圧制御部１０によって制御される。なお、スイッチング素子２００は、実施形態１においてはＭＯＳＦＥＴを用いるが、適宜のスイッチング素子を用いることができる。また、スイッチング素子２００は、ＧａＮを含む材料により形成されたものである。スイッチング素子２００においては、ＧａＮを含む場合、ゲート電極の絶対最大定格電圧と閾値電圧との差が小さくなる。

スイッチング素子２００のドレイン電極は、（＋）側出力端子Ｔ３を介してパワー回路４００と接続されている。スイッチング素子２００のゲート電極は、ゲート電圧制御部１０と接続されている。スイッチング素子２００のソース電極は抵抗を介して（−）側出力端子Ｔ４と接続されている。

ゲート電圧制御部１０は、入力された駆動信号Ｐｇ(例えば、ゲートパルス）に基づいて、初期測定モード及び劣化判定モードにおいて閾値電圧を測定する際には、ゲート電圧が段階的に高くなるようにゲート電圧を制御し、制御モードにおいては、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を制御するためにゲ―ト電圧を制御する。ゲート電圧制御部１０は、オン／オフ状態判定部３０、記憶部４０及び閾値電圧算出部７０と接続されている。

スイッチング電流検出部２０は、スイッチング素子２００のソース電極と接続され、初期測定モード及び劣化判定モードにおいて、スイッチング素子２００のスイッチング電流Ｉｄ（第１電極電流、ドレイン電流あるいはソース電流という）を検出する。また、スイッチング電流検出部２０は、オン／オフ状態判定部３０と接続されている。なお、スイッチング電流検出部２０は、スイッチング素子２００のソース電極に接続した抵抗に電流を流して電圧に変換することによって計測しているが、適宜の検出装置（例えば、ロゴスキーコイル等）を用いてもよい。

オン／オフ状態判定部３０は、初期測定モード及び劣化判定モードにおいて、スイッチング電流検出部２０から受信したスイッチング電流の検出結果に基づいてスイッチング素子２００のオン／オフ状態を判定する。オン／オフ状態判定部３０は、ゲート電圧制御部１０及びスイッチング電流検出部２０と接続されている。

記憶部４０には、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報及び劣化判定に用いる規格値があらかじめ記憶されている。また、記憶部４０は、初期測定モード又は劣化判定モードで検出・算出される、スイッチング素子２００の初期ΔＶｇｓ、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０及び閾値電圧Ｖｔｈ、並びに、スイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ_０及び動作温度Ｔを記憶する。また、記憶部４０は、初期測定モード及び劣化判定モードにおいて、オン／オフ状態判定部３０によってスイッチング素子２００がオン状態になったと判定されたときに、ゲート電極に印加したゲート電圧を閾値電圧として記憶する。記憶部４０は、ゲート電圧制御部１０、温度検出部５０、劣化判定部６０（具体的にはΔＶｇｓ算出部６２及び規格判定部６４）及び閾値電圧算出部７０と接続されている。
なお、初期動作温度Ｔ_０とは、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定したときの温度のことを言う。

温度検出部５０は、温度検出素子５２を有する。温度検出素子５２としては、ダイオードやサーミスタ等適宜の温度検出素子を用いることができる。

劣化判定部６０は、劣化判定モードにおいて、ストレス用電流供給部１０２がストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給する前に検出された閾値電圧と、ストレス用電流供給部１０２がストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給した後に検出された閾値電圧とを含む情報に基づいてΔＶｇｓを算出し、当該ΔＶｇｓ及び記憶部４０に記憶された初期ΔＶｇｓを含む情報に基づいて劣化を判定する。劣化判定部６０は、ΔＶｇｓ算出部６２と、規格判定部６４とを有する。
ΔＶｇｓ算出部６２は、記憶部４０及び温度検出部５０と接続されており、劣化判定モード及び初期測定モードにおいて、ΔＶｇｓ（又は初期ΔＶｇｓ）を算出する。ΔＶｇｓ算出部６２は、劣化判定モードにおいては、温度検出部５０からの動作温度の情報と、記憶部４０に記憶された閾値電圧の情報に基づいて（すなわち、初期動作温度Ｔ_０からの温度変化を考慮した閾値電圧に基づいて）ΔＶｇｓを算出する。
規格判定部６４は、「ΔＶｇｓ算出部６２で算出されたΔＶｇｓと記憶部４０に記憶された初期ΔＶｇｓとの差」と、記憶部４０に記憶された規格値とを比較する。ΔＶｇｓと初期ΔＶｇｓとの差が規格値よりも大きい場合には劣化していると判定する。

閾値電圧算出部７０は、記憶部４０から、スイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ_０、スイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ_０を含む情報、並びに、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報を読み取るとともに、温度検出部５０からスイッチング素子２００の動作温度Ｔを読み取り、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０−α（Ｔ−Ｔ_０）の特性式に代入し、動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出する。

アラーム部８０は、劣化判定部６０による劣化の検出結果を外部に表示する。特に、規格判定部６４において劣化していると判定された場合、アラーム部８０は、外部のアラームへ向かって警報信号を送信する。

計測用電流供給部１００は、スイッチング素子２００のドレイン電極とスイッチＳＷ１を介して接続されており、劣化判定モード及び初期測定モードにおいてはスイッチＳＷ１をオンすることにより、スイッチング素子２００のドレイン電極に比較的小電流の計測用電流Ｉｍを供給する。
ストレス用電流供給部１０２は、計測用電流供給部１００と並列に接続されている。ストレス用電流供給部１０２は、スイッチング素子２００のドレイン電極とスイッチＳＷ２を介して接続されており、劣化判定モード及び初期測定モードにおいてはスイッチＳＷ２をオンすることにより、スイッチング素子２００に比較的大電流のストレス用電流Ｉｓを供給する。

なお、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報は、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度係数をαとし、動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、初期閾値電圧をＶｔｈ_０とし_、温度検出部５０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度をＴとし、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度をＴ_０としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０−α（Ｔ−Ｔ_０）の関係を満たす特性式である（図２参照。）。すなわち、閾値電圧Ｖｔｈとスイッチング素子２００の動作温度Ｔとの関係は、傾きが負の１次関数となっている。

２．実施形態１に係るパワーモジュール１の動作について
実施形態１に係るパワーモジュール１は、制御モード実施前にスイッチング素子２００の初期ΔＶｇｓを検出する初期測定モードと、ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極を有するスイッチング素子２００のオン／オフ動作を制御する制御モードと、ストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給する前に検出された閾値電圧とストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給した後に検出された閾値電圧とを含む情報に基づいてΔＶｇｓを算出し、ΔＶｇｓを含む情報に基づいて劣化を判定する劣化判定モードとを切り替えて実施するように構成されている。実施形態１に係るパワーモジュール１は、まず、初期測定モードを実施することにより、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０、初期ΔＶｇｓ及び初期動作温度Ｔ_０を検出・算出する。次に、制御モードを実施することにより、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を制御する。そして、所定のタイミング（例えば、制御モードを所定時間実施した後）で、劣化判定モードに切り替えて劣化判定を行う。劣化判定の結果問題がなければ再び制御モードに戻り、問題がある場合には、アラーム部８０から外部のアラームに向けて警報信号を送出する。

（１）初期測定モード
初期測定モードは、スイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ_０、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０及び初期ΔＶｇｓを測定するモードである。このモードは、制御モード実施前（スイッチＳＷ３をオンして駆動電源４２０からスイッチング素子２００に電力を供給する前）に行う。
なお、事前に記憶部４０にスイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報を記憶させておく。スイッチング素子２００の温度変動に起因して閾値電圧が初期閾値電圧Ｖｔｈ_０から変動するため（温度が高くなると閾値電圧が小さくなる。図２参照。）、温度変動を考慮して閾値電圧を算出しなければΔＶｇｓを正確に算出することが難しいからである。また、実際上、ΔＶｇｓは比較的小さい値になるため、温度変動を考慮した閾値電圧を用いてΔＶｇｓを算出する必要があるからでもある。

（１−１）１回目の閾値電圧の測定
スイッチＳＷ２、ＳＷ３をＯＦＦにした状態でスイッチＳＷ１をＯＮにし、計測用電流供給部１００からスイッチング素子２００に計測用電流Ｉｍを供給する（図１及び図３参照。）。次に、ゲート電圧制御部１０は、想定されている初期閾値電圧よりも低い電圧をゲート電極に印加するようにゲート電圧を制御する。このとき、スイッチング電流検出部２０によってスイッチング電流は検出されない（スイッチング電流の値が０である）ため、オン／オフ状態判定部３０は、スイッチング素子２００がオフ状態であると判定する。オン／オフ状態判定部３０によってスイッチング素子２００がオフ状態であると判定すると、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が一段階高くなるようにゲート電圧を制御する(図４参照。)。

これを繰り返してゲート電圧を段階的に高くしていき（具体的には階段状に高くしていき）、スイッチング電流検出部２０によってスイッチング電流が検出されたとき（スイッチング電流の値が０でなくなったとき）、オン／オフ状態判定部３０は、スイッチング素子２００がオン状態であると判定する（図３参照。）。このとき、温度検出部５０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度を初期動作温度Ｔ_０として記憶部４０へ送信するとともに、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電極に印加したゲート電圧Ｖｇｓを初期閾値電圧Ｖｔｈ_０として記憶部４０へ送信する。そして、記憶部４０では、当該ゲート電圧Ｖｇｓを初期閾値電圧Ｖｔｈ_０として記憶する。

（１−２）ストレス用電流Ｉｓ供給
次に、スイッチＳＷ１、ＳＷ３をＯＦＦにした状態でスイッチＳＷ２をＯＮにし、ストレス用電流供給部１０２から所定の電流量でスイッチング素子２００にストレス用電流Ｉｓを供給する（図１及び図５参照。）。ゲート電圧制御部１０は、スイッチング素子２００が所定時間オンした状態となるようにゲート電圧を制御する（図５参照。）。これによりスイッチング素子２００に所定の電力を印加することとなるため、スイッチング素子２００が発熱する。

（１−３）２回目の閾値電圧の測定
次に、スイッチＳＷ２、ＳＷ３をＯＦＦにした状態でスイッチＳＷ１をＯＮにし、計測用電流供給部１００からスイッチング素子２００に計測用電流Ｉｍを供給する（図１参照。）。
そして、上記（１−１）と同様の方法で閾値電圧を測定し、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電極に印加したゲート電圧Ｖｇｓを「ストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子に供給した後に検出された閾値電圧」（閾値電圧Ｖｔｈ_１）として記憶部４０へ送信する（図６参照。）。そして、記憶部４０では、当該ゲート電圧Ｖｇｓを閾値電圧Ｖｔｈ_１として記憶する。

（１−４）ΔＶｇｓ算出
次に、劣化判定部６０のΔＶｇｓ算出部６２において、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０と閾値電圧Ｖｔｈ_１に基づいて（初期閾値電圧Ｖｔｈ_０から閾値電圧Ｖｔｈ_１を引き算して）、ΔＶｇｓ（初期ΔＶｇｓ）を算出する。ΔＶｇｓ算出部６２は、算出されたΔＶｇｓ（初期ΔＶｇｓ）を記憶部４０へ送信し、記憶部４０は、当該ΔＶｇｓを初期ΔＶｇｓとして記憶する（図６参照。）。

（２）制御モード
初期測定モードが終了したら、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦにした状態でスイッチＳＷ３をＯＮにし、パワー回路４００とスイッチング素子２００とを導通し、駆動電源４２０からスイッチング素子２００に電流を供給する（図１参照。）。

スイッチング素子２００をオン状態とするとき、ゲート電極に印加するゲート電圧を以下のようにして決定する（図７参照。）。
まず、温度検出部５０が温度検出素子５２を介してスイッチング素子２００の動作温度Ｔを検出する。
閾値電圧算出部７０は、記憶部４０から、初期測定モードで検出したスイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ_０、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ_０を含む情報、並びに、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報αを読み取るとともに、温度検出部５０からスイッチング素子２００の動作温度Ｔを読み取り、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０−α（Ｔ−Ｔ_０）の特性式に代入し、動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出する。
次に、ゲート電圧制御部１０は、閾値電圧算出部７０で算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいて、当該閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加する（ゲート電圧を制御する。図８（ｂ）参照。）。これにより、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を制御する。

なお、実施形態１に係るパワーモジュール１においては、逐次スイッチング素子２００の温度に追従してゲート電圧を制御してもよいし、所定時間ごとにスイッチング素子２００の動作温度を検出して動作時の閾値電圧を算出し、当該動作時の閾値電圧に基づいてゲート電圧を制御してもよい。

（３）劣化判定モード
実施形態１に係るパワーモジュール１は、所定のタイミングで（例えば、制御モードを所定時間実施する毎に）、劣化判定モードを実施する。劣化判定部６０は、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報、並びに、初期ΔＶｇｓ、劣化判定モードにおいて検出されたΔＶｇｓ、初期動作温度Ｔ_０、及び、劣化判定モードにおいて温度検出部５０で検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔを含む情報に基づいて劣化を判定する。
劣化判定モードにおいては、（３−１）１回目の閾値電圧測定、（３−２）ストレス用電流供給、（３−３）２回目の閾値電圧測定、（３−４）ΔＶｇｓ算出、（３−５）規格判定（劣化判定）の順に工程を実施する。このうち、（３−１）１回目の閾値電圧測定から（３−３）２回目の閾値電圧測定までの方法は、初期測定モードにおける（１−１）１回目の閾値電圧測定から（１−３）２回目の閾値電圧測定までの方法と同様の方法である。すなわち、劣化判定モードにおいて、（３−１）１回目の閾値電圧測定により、このときのスイッチング素子２００の動作温度Ｔ_１及び検出した閾値電圧Ｖｔｈ_２を記憶部４０へ記憶し（図９参照。）、（３−２）初期測定モードにおけるストレス用電流供給の場合と同様の条件でストレス用電流Ｉｓを供給し、その後、（３−３）２回目の閾値電圧測定によって、閾値電圧Ｖｔｈ_３を検出し、検出した閾値電圧Ｖｔｈ_３を記憶部４０へ記憶する（図１０参照。）。

（３−４）ΔＶｇｓ算出
ΔＶｇｓ算出部６２は、記憶部４０から送信された、初期動作温度Ｔ_０、劣化判定モードにおける１回目の閾値電圧測定により記憶部４０に記憶されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ_１及び閾値電圧Ｖｔｈ_２、２回目の閾値電圧測定により記憶部４０に記憶された閾値電圧Ｖｔｈ_３に基づいてΔＶｇｓを算出する（図１０参照。）。
具体的には、まず劣化判定部６０（ΔＶｇｓ算出部６２）は、記憶部４０から、（初期測定モードで検出した）スイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ_０、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ_０、劣化判定モードにおける１回目の閾値電圧測定において記憶部４０に記憶されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ_１及び閾値電圧Ｖｔｈ_２、２回目の閾値電圧測定において記憶部４０に記憶された閾値電圧Ｖｔｈ_３を含む情報、並びに、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報（温度係数αを含む）を読み取り、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０−α（Ｔ−Ｔ_０）の特性式に代入して、温度補正された閾値電圧Ｖｔｈ_２’及びＶｔｈ_３’を算出する。
次に、温度補正された閾値電圧Ｖｔｈ_２’からＶｔｈ_３’を引き算してΔＶｇｓを算出する。算出されたΔＶｇｓは規格判定部６４に送信される。

（３−５）規格判定（劣化判定）
次に、規格判定部６４は、記憶部４０から初期ΔＶｇｓ及び規格値を読み取り、そして、ΔＶｇｓ算出部６２から送信されたΔＶｇｓに基づいて、（ΔＶｇｓ−初期ΔＶｇｓ）を算出し、その値と規格値とを比較する。そして、アラーム部８０は、劣化判定部６０（規格判定部６４）による劣化の検出結果を外部に表示する。実施形態１に係るパワーモジュール１は、（ΔＶｇｓ−初期ΔＶｇｓ）が規格値よりも小さい場合には、劣化していないと判断し、制御モードに戻る。（ΔＶｇｓ−初期ΔＶｇｓ）が規格値よりも大きい場合には、アラーム部８０から外部のアラーム（図示せず。）に向かって警報信号を送出する。

３．実施形態１に係るパワーモジュール１の効果
実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、ストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給する前に検出された閾値電圧とストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給した後に検出された閾値電圧とを含む情報に基づいてΔＶｇｓを算出し、当該ΔＶｇｓを含む情報に基づいて劣化を判定する劣化判定モードを実施するように構成されているため、実使用時（動作時）に劣化を判定することができ、劣化した状態で使用を続けることに起因してデバイスが破損することを防ぐことができる。

また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、ストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給する前に検出された閾値電圧とストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給した後に検出された閾値電圧とを含む情報に基づいてΔＶｇｓを算出し、当該ΔＶｇｓを含む情報に基づいて劣化を判定する劣化判定モードを実施するように構成されているため、デバイスを使用する者が、劣化するタイミングを知ることができ、そのタイミング（劣化する段階のタイミング）でデバイスを交換することができるため、劣化するタイミングを知ることができ劣化する前に定期的にデバイスを交換する必要がなくなる。従って、交換頻度が低くなるため、稼働率を高くすることができ、かつ、コストを低く抑えることができる。

また、実施形態１に係るパワーモジュール１は、劣化判定モードにおいて、ストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給する前に検出された閾値電圧Ｖｔｈ_２と、ストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給した後に検出された閾値電圧Ｖｔｈ_３とを含む情報に基づいてΔＶｇｓを算出し、当該ΔＶｇｓ及び初期ΔＶｇｓを含む情報に基づいて劣化を判定する劣化判定部６０を備える。このような構成とすることによって、製造バラツキに起因してスイッチング素子２００の閾値電圧にバラツキがあったとしても、パワーモジュールに実際に備えたスイッチング素子２００の実際の閾値電圧を測定することができるため、ΔＶｇｓを正確に算出することができる。その結果、実使用時に劣化を正確に判定することができる。

また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、劣化判定部６０は、初期測定モードにおいて、ストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給する前に検出された閾値電圧である初期閾値電圧Ｖｔｈ_０と、ストレス用電流Ｉｓをスイッチング素子２００に供給した後に検出された閾値電圧Ｖｔｈ_１とを含む情報に基づいて初期ΔＶｇｓを算出するため、スイッチング素子の製造バラツキによって実際の閾値電圧が設計上の閾値電圧から変動していた場合でも、実際の閾値電圧に基づいて（設計値ではなく、バラツキがあった場合でもそのスイッチング素子に対応した現実の）ΔＶｇｓを算出することができる。従って、設計値ではなく、実際の劣化を正確に判定することができる。

また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、ゲート電圧制御部１０は、制御モードにおいて、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、初期測定モードで測定された初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を含む情報に基づいてゲート電圧を制御するため、実際の閾値電圧がスイッチング素子２００の製造バラツキによって設計上の閾値電圧から変動していた場合でも、制御モードにおいて、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、実際の閾値電圧に基づいて実際の閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加することができる。従って、あらかじめ設計された閾値電圧を大きく超えるゲート電圧をゲート電極に印加する場合（比較例。図８（ａ）参照。）と比較して、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができるため、スイッチング速度を速くすることができ、その結果、スイッチング素子２００のスイッチング損失を小さくすることができる。

ところで、一般的に、スイッチング素子２００の実際の閾値電圧は、スイッチング素子２００の温度変動に起因して初期閾値電圧Ｖｔｈ_０から変動すること、及び、ΔＶｇｓが比較的小さいことから、実際のΔＶｇｓを正確に算出することは難しいが、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、劣化判定部６０は、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報、並びに、初期ΔＶｇｓ、劣化判定モードにおいて検出されたΔＶｇｓ、初期動作温度Ｔ_０、及び、劣化判定モードにおいて温度検出部５０で検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔを含む情報に基づいて劣化を判定するため、温度変動を考慮して閾値電圧を算出することができ、比較的小さい値になる実際のΔＶｇｓを正確に算出することができる。

また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、閾値電圧算出部７０は、温度検出部５０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔを含む情報に基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、制御モードにおいて、スイッチング素子２００をオンするときに、閾値電圧算出部７０によって算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するため、動作時のスイッチング素子２００の動作温度Ｔがスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ_０よりも高くなることに起因して動作時の閾値電圧Ｖｔｈが初期閾値電圧Ｖｔｈ_０から変動する場合でも、動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。

また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、ＧａＮを含む材料により形成されたスイッチング素子のようにゲート電極の絶対最大定格電圧と閾値電圧との差が小さい場合であっても、動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。また、閾値電圧Ｖｔｈが温度変動することに起因して「閾値電圧（設計上の閾値電圧）をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加してもスイッチング素子２００がオン状態にならない現象」が発生することを防ぐことができ、その結果、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を確実に制御することができる。

また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、劣化判定モードにおいて、オン／オフ状態判定部３０は、スイッチング電流検出部２０によるスイッチング電流Ｉｄの検出結果に基づいてスイッチング素子２００のオン／オフ状態を判定するため、スイッチング素子２００の閾値電圧を簡便に、かつ、確実に測定することができる。

また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、劣化判定部６０による劣化の検出結果を外部に表示するアラーム部８０を備えるため、デバイスの実使用時においても外部から劣化を知ることができる。

また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、劣化判定モードにおいてスイッチング素子２００にストレス用電流Ｉｓを供給するストレス用電流供給部１０２を備えるため、初期測定モードと劣化判定モードとで同じ条件の電力をスイッチング素子２００に供給することができる。このため、ΔＶｇｓと初期ΔＶｇｓとの差を正確に算出することができ、正確に劣化を判定することができる。

また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、ゲート電圧制御部１０は、劣化判定モード及び初期測定モードにおいては、ゲート電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるようにゲート電圧を制御するため、スイッチング素子２００の閾値電圧を効率的に、かつ、確実に測定することができる。

さらにまた、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、スイッチング素子２００がＧａＮを含む材料により形成されたものであるため、スイッチング素子２００のオン抵抗が低くなり、導通損失が小さいパワーモジュールとすることができる。

［実施形態２］
実施形態２に係るパワーモジュール（図示せず。）は、基本的には実施形態１に係るパワーモジュール１と同様の構成を有するが、温度特性算出部を備える点で実施形態１に係るパワーモジュール１の場合とは異なる。実施形態２に係るパワーモジュールは、制御モードを所定時間実施した後に、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性を測定する温度特性測定モードを実施する。

温度特性算出部９０は、温度検出部５０及び記憶部４０と接続されており、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性を算出する（図１１参照。）。

温度特性測定モードにおいては、以下のような動作を行う。
制御モードを所定時間実施した後に、駆動電源４２０から電流供給をしない状態で計測用電流供給部１００からスイッチング素子２００のドレイン電極に計測用電流Ｉｍを供給する。
次に、ゲート電圧制御部１０は、想定されている（動作時の）閾値電圧よりも低い電圧をゲート電極に印加するようにゲート電圧を制御する。このとき、スイッチング電流検出部２０によってスイッチング電流は検出されない（スイッチング電流の値が０である）ため、オン／オフ状態判定部３０は、スイッチング素子２００がオフ状態であると判定する。オン／オフ状態判定部３０によってスイッチング素子２００がオフ状態であると判定すると、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が一段階高くなるようにゲート電圧を制御する(図４参照。)。
これを繰り返してゲート電圧が段階的に高くなるように（具体的には階段状に高くなるように）していき、スイッチング電流検出部２０によってスイッチング電流が検出されたとき（スイッチング電流の値が０でなくなったとき）、オン／オフ状態判定部３０は、スイッチング素子２００がオン状態であると判定する。このとき、温度検出部５０で検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ_２を記憶部４０へ送信し、記憶部４０が記憶する（図１参照。）。また、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電極に印加したゲート電圧Ｖｇｓを温度特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ_４として記憶部４０へ送信し、記憶部４０は、当該ゲート電圧Ｖｇｓを温度特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ_４として記憶する。

次に、温度特性算出部９０は、記憶部４０から、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ_０及び温度特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ_４を含む情報を読み取るとともに、温度特性測定モードにおいて温度検出部５０から検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ_２を読み取り、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０−α（Ｔ−Ｔ_０）の特性式にＶｔｈ＝Ｖｔｈ_４、及び、Ｔ＝Ｔ_２をそれぞれ代入して、温度特性（具体的には温度係数α）を算出する。算出された温度係数αは記憶部４０に記憶される。

制御モードにおいては、閾値電圧算出部７０は、温度特性測定モードで算出された温度係数α、温度検出部５０で検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ、記憶部４０に記憶されている初期閾値電圧Ｖｔｈ_０及び初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ_０に基づいて動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し、当該閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御する。また、劣化判定モードにおいては、２回目の閾値電圧測定をした値に温度特性測定モードで測定された温度特性を用いて、温度補正された閾値電圧Ｖｔｈ_２’及びＶｔｈ_３’を算出する。

このように、実施形態２に係るパワーモジュールは、温度特性算出部をさらに備える点で実施形態１に係るパワーモジュール１の場合とは異なるが、実施形態１に係るパワーモジュール１の場合と同様に、ストレス用電流をスイッチング素子に供給する前に検出された閾値電圧とストレス用電流をスイッチング素子に供給した後に検出された閾値電圧とを含む情報に基づいてΔＶｇｓを算出し、当該ΔＶｇｓを含む情報に基づいて劣化を判定する劣化判定モードを実施するように構成されているため、ΔＶｇｓを算出し、当該ΔＶｇｓを含む情報に基づいて劣化を判定する劣化判定モードを実施するように構成されているため、実使用時（動作時）に劣化を判定することができ、劣化した状態でデバイスの使用を続けることに起因してデバイスが破損することを防ぐことができる。

また、実施形態２に係るパワーモジュールによれば、温度特性算出部９０を備え、温度特性算出部９０は、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ_０、温度特性測定モードにおいて温度検出部５０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ_２、及び、温度特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ_４を含む情報に基づいてスイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性を算出するため、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性にバラツキがあった場合であっても、劣化判定モードにおいて、スイッチング素子２００の温度特性のバラツキを考慮して正確に閾値電圧を算出することができ、その結果、ΔＶｇｓをより一層正確に算出することができる。

また、実施形態２に係るパワーモジュールによれば、温度特性算出部９０を備え、温度特性算出部９０は、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ_０、温度特性測定モードにおいて温度検出部５０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ、及び、温度特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ_４を含む情報に基づいてスイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性を算出するため、実際の温度特性がスイッチング素子２００の製造バラツキによって設計上の温度特性から変動していた場合であっても、動作時の閾値電圧を正確に算出することができ、動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超える電圧を正確にゲート電極に印加することができる。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。

なお、実施形態２に係るパワーモジュールは、温度特性算出部をさらに備える点以外の点においては実施形態１に係るパワーモジュール１と同様の構成を有するため、実施形態１に係るパワーモジュール１が有する効果のうち該当する効果を有する。

［実施形態３］
実施形態３に係るパワーモジュール２は、基本的には実施形態１に係るパワーモジュール１と同様の構成を有するが、ストレス用電流供給部を備えない点で実施形態１に係るパワーモジュール１の場合とは異なる。すなわち、実施形態３に係るパワーモジュール３においては、パワー回路４００は、供給する電力が一定であり、劣化判定モードにおいて、ストレス用電流Ｉｓは、駆動電源４２０から供給される（図１２参照。）。

パワー回路４００は、負荷抵抗４１０の抵抗値及び駆動電源４２０の電圧値が一定であるため、供給する電力が一定である。劣化判定モードにおいては、１回目の閾値電圧を測定した後、駆動電源４２０により一定期間、電力を供給した後（ストレス用電流Ｉｓに対応）、駆動電源４２０をオフにして２回目の閾値電圧を測定することによりΔＶｇｓを算出する。

このように、実施形態３に係るパワーモジュール２は、ストレス用電流供給部を備えない点で実施形態１に係るパワーモジュール１の場合とは異なるが、実施形態１に係るパワーモジュール１の場合と同様に、ストレス用電流をスイッチング素子に供給する前に検出された閾値電圧とストレス用電流をスイッチング素子に供給した後に検出された閾値電圧とを含む情報に基づいてΔＶｇｓを算出し、当該ΔＶｇｓを含む情報に基づいて劣化を判定する劣化判定モードを実施するように構成されているため、実使用時（動作時）に劣化を判定することができ、劣化した状態で使用を続けることに起因してデバイスが破損することを防ぐことができる。

また、実施形態３に係るパワーモジュール２によれば、ストレス用電流供給部を備えないため、ストレス用電流供給部を備える場合よりもレイアウト及び回路構成が簡便となり、小型化したデバイスとすることができる。

なお、実施形態３に係るパワーモジュール２は、ストレス用電流供給部を備えない点以外の点においては実施形態１に係るパワーモジュール１と同様の構成を有するため、実施形態１に係るパワーモジュール１が有する効果のうち該当する効果を有する。

以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。

（１）上記実施形態において記載した構成要素の数等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。

（２）上記各実施形態においては、制御モードで用いる閾値電圧を測定する際に計測用電流供給部１００からスイッチング素子２００に計測用電流Ｉｍを供給したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、スイッチング素子２００のドレイン電極と接続された閾値電圧測定用電源１０４を設け、スイッチング素子２００のドレイン電極に閾値電圧測定用の電流を供給することにより、制御モードで用いる閾値電圧を測定してもよい（変形例１に係るパワーモジュール３、図１３参照。）。このような構成とすることにより、ΔＶｇｓを測定する際に用いる計測用電流供給部１００から供給される電流とは異なる条件（電流量、電圧等）で閾値電圧を測定することができるため、制御モードで用いる閾値電圧を正確に測定することができる。

（３）上記各実施形態においては、初期測定モード、制御モード及び劣化判定モードを実施するパワーモジュールとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、制御モード及び劣化判定モードのみを実施するパワーモジュールとしてもよい。このとき、初期閾値電圧Ｖｔｈ_０及び初期ΔＶｇｓはあらかじめ記憶部に記憶されている。

（４）上記各実施形態においては、制御モードでは、動作時の閾値電圧を算出し、当該動作時の閾値電圧に基づいてゲート電圧を制御したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、制御モードでは、初期閾値電圧に基づいてゲート電圧を制御してもよい（変形例２に係るパワーモジュール４、図１４参照。）。

（５）上記各実施形態においては、スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報を、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ_０−α（Ｔ−Ｔ_０）の関係を満たす特性式としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報を、別の特性式としてもよいし、あらかじめ記憶部に記憶された温度−閾値電圧の関係（１対１）を示すデータであるとしてもよい。

（６）上記各実施形態においては、初期測定モード及び劣化判定モードにおいて、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるようにゲート電圧を制御したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるようにゲート電圧を制御してもよい（図１５参照。）。

（７）上記各実施形態において、パワーモジュールが１つのスイッチング素子を備えることとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。パワーモジュールが複数のスイッチング素子を備えてもよい。この場合、パワーモジュールは当該複数のスイッチング素子を制御してもよい。

（８）上記各実施形態において、スイッチング素子は、ＧａＮを含む材料により形成されたものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。スイッチング素子は、ＳｉＣやＧａ_２Ｏ_３等のワイドギャップ半導体を含む材料や、シリコンを含む材料により形成されたものであってもよい。

（９）上記実施形態においては、スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチング素子(例えば、ＨＥＭＴ、ＩＧＢＴ等)を用いてもよい。

（１０）上記各実施形態において、パワーモジュールの制御回路とパワー回路とを別々の半導体基体に形成してもよいし、パワーモジュールの制御回路とパワー回路とを同一の半導体基体に形成してもよい。また、スイッチング素子とスイッチング素子以外の回路部とを別々の半導体基体に形成してもよいし、スイッチング素子（例えば、ＧａＮの横型構造の半導体素子）とスイッチング素子以外の回路部とを同一の半導体基体に形成してもよい。

１，２，３，４，９００…パワーモジュール、１０，９１０…ゲート電圧制御部、２０…スイッチング電流検出部、３０…オフ状態判定部、４０…記憶部、５０…温度検出部、５２…温度検出素子、６０…劣化判定部、６２…ΔＶｇｓ算出部、６４…規格判定部、７０…閾値電圧算出部、８０…アラーム部、９０…温度特性算出部、１００…計測用電流供給部、１０２…ストレス用電流供給部、２００，８００…スイッチング素子、３００…ゲートドライブ用電源、４００…パワー回路、４１０…負荷抵抗４１０…駆動電源、Ｔ１…（＋）側入力端子、Ｔ２…（−）側入力端子、Ｔ３…（＋）側出力端子、Ｔ４…（−）側出力端子、Ｔ５…制御端子、Ｖ_ＤＤ…電源電圧、Ｉｄ…スイッチング電流、Ｖｔｈ，Ｖｔｈ_１，Ｖｔｈ_２，Ｖｔｈ_３…閾値電圧、Ｖｔｈ_０…初期閾値電圧、Ｖｔｈ_４…温度特性測定時閾値電圧、Ｔ，Ｔ_１，Ｔ_２…スイッチング素子の動作温度、Ｔ_０…初期動作温度、ＳＷ１、ＳＷ２，ＳＷ３…スイッチ

Claims (13)

1. 第１電極、第２電極及び第３電極を有するスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御モードと、ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給する前に検出された前記スイッチング素子の閾値電圧と、前記ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給した後に検出された前記スイッチング素子の閾値電圧との差であるΔＶｇｓを算出し、制御モード実施前のΔＶｇｓである初期ΔＶｇｓと前記ΔＶｇｓとの差と、あらかじめ記憶された規格値とを比較してデバイスの劣化を判定する劣化判定モードとを切り替えて実施するように構成されており、
   前記スイッチング素子と、
   前記劣化判定モードにおいて前記スイッチング素子の閾値電圧を測定する際には、第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、前記制御モードにおいては、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御するために前記第３電極電圧を制御する第３電極電圧制御部と、
   前記劣化判定モードにおいて、前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定するオン／オフ状態判定部と、
   前記スイッチング素子の前記初期ΔＶｇｓを記憶し、かつ、前記劣化判定モードにおいて、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったと判定されたときに、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を閾値電圧として記憶する記憶部と、
   前記劣化判定モードにおいて、前記ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給する前に検出された前記スイッチング素子の閾値電圧と、前記ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給した後に検出された前記スイッチング素子の閾値電圧の差である前記ΔＶｇｓを算出し、当該ΔＶｇｓと前記初期ΔＶｇｓとの差と規格値とを比較して前記デバイスの劣化を判定する劣化判定部と、
   前記スイッチング素子と直列に接続され、負荷抵抗及び駆動電源を有するパワー回路とを備え、
   前記劣化判定モードにおいては、当該ΔＶｇｓと前記初期ΔＶｇｓとの差が所定の規格値よりも大きい場合には、前記デバイスが劣化していると判定することを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記パワーモジュールは、前記制御モード実施前に前記スイッチング素子の前記初期ΔＶｇｓを検出する初期測定モードを実施するように構成されており、
   前記初期測定モードにおいて、
   前記第３電極電圧制御部は、閾値電圧を測定する際には、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、
   前記オン／オフ状態判定部は、前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定し、
   前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったと判定されたときに、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を閾値電圧として記憶し、
   前記劣化判定部は、前記ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給する前に検出された前記閾値電圧である初期閾値電圧から前記ストレス用電流を前記スイッチング素子に供給した後に検出された閾値電圧を引き算して前記初期ΔＶｇｓを算出することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記第３電極電圧制御部は、前記制御モードにおいて、前記スイッチング素子をオン状態とするときに、前記初期測定モードで測定された前記初期閾値電圧を含む情報に基づいて前記初期閾値電圧をわずかに超える前記第３電極電圧を前記第３電極に印加するように前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 前記スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出部をさらに備え、
   前記記憶部は、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報、及び、前記スイッチング素子の初期動作温度を含む情報をさらに記憶し、
   前記劣化判定部は、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報、前記初期動作温度、及び、前記劣化判定モードにおいて前記温度検出部で検出された前記スイッチング素子の動作温度を含む情報に基づいて、前記スイッチング素子の閾値電圧として、温度補正された閾値電圧を算出し、前記ΔＶｇｓとして、温度補正された閾値電圧を用いて温度補正されたΔＶｇｓを算出し、前記初期ΔＶｇｓと温度補正されたΔＶｇｓとの差と規格値とを比較して前記デバイスの劣化を判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
5. 前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の前記動作温度と、初期閾値電圧、及び、前記スイッチング素子の前記初期動作温度とを含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出する閾値電圧算出部をさらに備え、
   前記第３電極電圧制御部は、前記制御モードにおいて、前記スイッチング素子をオン状態とするときに、前記閾値電圧算出部によって算出された前記動作時の閾値電圧に基づいて前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール。
6. 前記パワーモジュールは、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性を測定する温度特性測定モードをさらに実施するパワーモジュールであって、
   前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性を算出する温度特性算出部をさらに備え、
   前記温度特性測定モードにおいて、
   前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、
   前記オン／オフ状態判定部は、前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、
   前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記スイッチング素子の前記動作温度を記憶するとともに、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を前記スイッチング素子の温度特性測定時閾値電圧として記憶し、
   前記温度特性算出部は、初期閾値電圧、前記スイッチング素子の前記初期動作温度、前記温度特性測定モードにおいて前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の前記動作温度、及び、前記温度特性測定時閾値電圧を含む情報に基づいて前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性を算出することを特徴とする請求項４又は５に記載のパワーモジュール。
7. 前記スイッチング素子を流れる第１電極電流を検出する第１電極電流検出部をさらに備え、
   前記劣化判定モードにおいて、前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部による前記第１電極電流の検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のパワーモジュール。
8. 前記劣化判定部による前記デバイスの劣化の検出結果を外部に表示するアラーム部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のパワーモジュール。
9. 前記劣化判定モードにおいて前記スイッチング素子に前記ストレス用電流を供給するストレス用電流供給部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のパワーモジュール。
10. 前記パワー回路においては、供給する電力が一定であり、
    前記劣化判定モードにおいて、前記ストレス用電流は、前記駆動電源から流れる電流から供給されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のパワーモジュール。
11. 前記第３電極電圧制御部は、前記スイッチング素子の閾値電圧を検出する場合には、前記第３電極電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるように前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のパワーモジュール。
12. 前記第３電極電圧制御部は、前記スイッチング素子の閾値電圧を検出する場合には、前記第３電極電圧が、時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるように、前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のパワーモジュール。
13. 前記スイッチング素子は、ＧａＮ、ＳｉＣ又はＧａ_２Ｏ_３を含む材料により形成されたものであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のパワーモジュール。

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