JP6924277B2 - パワーモジュール - Google Patents
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Description
(a)一般に、スイッチング素子の電気的・熱的特性のデータシートには、ターンオン時間tr及びターンオフ時間tfの規格値のみが記載されており、装置設計上の最大値MAX及び最小値MINの規格値が記載されていない。このため、モジュールの最悪(ワースト)設計ができず、スイッチング損失及び電圧サージのワースト値がわからない、という問題がある。
仮に、ターンオン時間tr及びターンオフ時間tfの最大値MAX(tr_max、tf_max)及び最小値MIN(tr_min、tf_min)が規格化できたとしても、スイッチング素子の製造バラツキのために、一般的には、標準値に対して、最大値MAX/最小値MINが、−50%/+100%の範囲内となる(図13参照。)。モジュールの設計において、この値をそのまま使用すると、スイッチング損失のワースト値(図13のSWlоss_max)が標準値(図13のSWlоss_typ)の2倍となり、放熱設計も2倍を想定しなければならない。
また、ターンオン期間tr/ターンオフ期間tfの最小値MINについては、寄生インダクタンスLd,Lsによって発生するサージ電圧Vdsgのワースト値(図13のVdsg_max)が標準値(図13のVdsg_typ)に対して約2倍となるため、スイッチング素子の電圧定格オーバや電磁妨害ノイズ(Electro−Magnetic Interference noise;EMIノイズ)の悪化が懸念される。
(b)スイッチング素子のオン時(導通時)のオン抵抗Ronは、オン/オフ動作等によってスイッチング素子の動作温度が上がると大きくなり、動作温度が下がると小さくなる特性を有している。そのため、スイッチング素子のオン/オフ動作によって動作温度が高くなると、モジュール損失(つまり導通損失)が大きくなるので、スイッチング損失と導通損失との合計である総合損失が大きくなる。
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、温度検出部10と、ゲート電圧制御部20(制御電極電圧制御部)と、スイッチング速度制御部30と、スイッチング速度算出部40と、記憶部50と、閾値電圧算出部60と、閾値電圧測定用電源70と、スイッチング電流検出部80と、オン/オフ状態判定部90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VDD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及び駆動信号(例えば、ゲートパルス)Pgを入力する制御端子T5が設けられている。
スイッチング速度制御部30は、第1制御駆動電流制御部32と、第2制御駆動電流制御部35と、駆動信号によりオン/オフ動作し、オン状態の時に第1制御駆動電流をスイッチング素子200の入力容量へ注入する第1スイッチ38と、駆動信号により、第1スイッチ38がオン状態の時にオフ状態になり、第1スイッチ38がオフ状態の時にオン状態になって、第2制御駆動電流を接地側へ放出する第2スイッチ39とを有する。第1スイッチ38及び第2スイッチ39は、駆動信号により相補的にオン/オフ動作する相補型トランジスタにより構成されていてもよい。
実施形態1に係るパワーモジュール1は、スイッチング素子200の初期閾値電圧Vth0を測定する初期閾値電圧測定モードと、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、初期閾値電圧測定モードを実施することにより、初期閾値電圧Vth0及び初期温度T0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。
まず、駆動電源420から電流供給をしない状態で閾値電圧測定用電源70からスイッチング素子200のドレイン電極に閾値電圧測定用の電流を供給する(図4参照。)。
次に、ゲート電圧制御部20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(具体的には、スイッチング速度制御部30の第1制御駆動電流制御部32に向かって信号を送り、そのようなゲート電圧となるように、スイッチング素子200に向かって流れる第1制御駆動電流I1及びスイッチング素子から接地側に向かって流れる第2制御駆動電流I2を制御する。)。このとき、スイッチング電流検出部80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90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90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20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5参照。)。
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80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90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10によって検出されたスイッチング素子200の動作温度を初期温度T0として記憶部50へ送信するとともに、ゲート電圧制御部20は、ゲート電極に印加したゲート電圧を初期閾値電圧Vth0として記憶部50へ送信する。そして、記憶部50では、当該ゲート電圧を初期閾値電圧Vth0として記憶する。
制御モードにおいては、スイッチング素子200をオン状態とするときに、初期閾値電圧測定モードにおいて測定された初期閾値電圧Vth0及び初期温度T0、温度検出部10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、あらかじめ記憶部50に記憶されている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(温度係数α)に基づいて(Vth=Vth0−α(T−T0)の特性式に代入して)動作時の閾値電圧Vthを算出し(図7参照。)、ゲート電圧制御部20は、閾値電圧算出部60で算出された動作時の閾値電圧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。
まず、温度検出部10が温度検出素子12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60は、記憶部50から、初期閾値電圧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Vth0、初期閾値電圧Vth0を測定したときのスイッチング素子200の初期温度T0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10からスイッチング素子200の動作温度Tを読み取り、Vth=Vth0−α(T−T0)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20は、閾値電圧算出部60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ように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。
まず、温度検出部10が温度検出素子12を介してスイッチング素子200の動作温度Tを検出する。
次に、スイッチング速度算出部40は、記憶部50から温度検出部10からスイッチング素子200の動作温度Tを読み取り、ゲート電流量Igを算出する。
デジタル・アナログコンバータ42は、ゲート電流量Igを、アナログ電圧である第1基準電圧Vtr及び第2基準電圧Vfrに変換し、当該スイッチング速度制御部30の第1制御駆動電流制御部32に第1基準電圧Vtrを入力するとともに、第2制御駆動電流制御部35に第2基準電圧Vfrを入力する。
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の動作温度Tを含む情報に基づいて算出されたスイッチング素子200の動作時の閾値電圧Vthに基づいてゲート電圧を制御するゲート電圧制御部20を備えるため、動作時のスイッチング素子200の動作温度が初期閾値電圧Vth0を測定したときのスイッチング素子200の初期温度T0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Vth0から変動する場合でも(図7参照。)、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(図8(b)参照。)。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。
特に、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場合のように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、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ため、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。
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。
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閾値電圧測定用電源70からスイッチング素子200のドレイン電極に閾値電圧測定用の電流を供給する(図10参照。)。
次に、ゲート電圧制御部20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80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90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90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20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5参照。)。
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80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90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10で検出されたスイッチング素子200の動作温度T1を記憶部50へ送信し、記憶部50が記憶する。また、ゲート電圧制御部20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Vth1として記憶部50へ送信し、記憶部50は、当該ゲート電圧Vgsを温度特性測定時閾値電圧Vth1として記憶する。
Claims (13)
- 第1電極、第2電極及び制御電極を有するスイッチング素子と、
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と、
前記スイッチング素子の前記動作温度を含む情報に基づいて算出された前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御電極電圧を制御する制御電極電圧制御部と、
前記スイッチング素子の前記動作温度に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御部とを備え、
前記スイッチング素子の初期閾値電圧、及び、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初期温度を含む情報、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を記憶する記憶部と、
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、前記スイッチング素子の初期閾値電圧、及び、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初期温度を含む情報、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とをさらに備え、
前記制御電極電圧制御部は、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スイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御電極電圧を制御することを特徴とするパワーモジュール。 - 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は、前記スイッチング素子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、前記初期閾値電圧をVth0とし、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をTとし、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初期温度をT0としたときに、Vth=Vth0−α(T−T0)の関係を満たす特性式であ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。
- 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に基づいて制御電極電流量を算出するスイッチング速度算出部をさらに備え、
前記スイッチング速度制御部は、
前記スイッチング速度算出部によって算出された前記制御電極電流量、及び、前記制御電極電圧制御部が制御する前記制御電極電圧に基づいて、前記スイッチング素子に向かって流れる第1制御駆動電流を制御する第1制御駆動電流制御部と、
前記スイッチング速度算出部によって算出された前記制御電極電流量、及び、前記制御電極電圧制御部が制御する制御電極電圧に基づいて、前記スイッチング素子から接地側に向かって流れる第2制御駆動電流を制御する第2制御駆動電流制御部とを有することを特徴とする請求項1又は2に記載のパワーモジュール。 - 前記第1制御駆動電流制御部は、前記制御電極電流量に基づいて算出された第1基準電圧に対応した第1制御駆動電流を前記スイッチング素子に向かって流し、
前記第2制御駆動電流制御部は、前記制御電極電流量に基づいて算出された第2基準電圧に対応した第2制御駆動電流を前記スイッチング素子から接地側に向かって流すことを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール。 - 前記第1制御駆動電流制御部は、
前記第1制御駆動電流を流す1段又は複数段の第1カレントミラー回路と、前記第1カレントミラー回路の入力側の第1駆動電流を検出してこれに対応する第1駆動電圧を生成し、前記第1駆動電圧を前記第1基準電圧に追従させて前記第1駆動電流を変化させる第1誤差増幅回路とを有し、
前記第2制御駆動電流制御部は、
前記第2制御駆動電流を流す1段又は複数段の第2カレントミラー回路と、前記第2カレントミラー回路の入力側の第2駆動電流を検出してこれに対応する第2駆動電圧を生成し、前記第2駆動電圧を前記第2基準電圧に追従させて前記第2駆動電流を変化させる第2誤差増幅回路とを有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。 - 前記パワーモジュールは、前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧を測定する初期閾値電圧測定モードと、前記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を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の前記第1電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、
前記スイッチング素子を流れるスイッチング電流を検出するスイッチング電流検出部と、
前記スイッチング素子のオン/オフ状態を判定するオン/オフ状態判定部とをさらに備え、
前記初期閾値電圧測定モードにおいては、
前記制御電極電圧制御部は、前記制御電極電圧が段階的に高くなるように前記制御電極電圧を制御し、
前記オン/オフ状態判定部は、前記スイッチング電流検出部で検出された前記スイッチング電流に基づいて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動作温度を記憶するとともに、前記制御電極に印加した制御電極電圧を前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧として記憶することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のパワーモジュール。 - 前記パワーモジュールは、前記制御モードを所定時間実施した後に、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は、
前記制御電極電圧制御部は、前記制御電極電圧が段階的に高くなるように前記制御電極電圧を制御し、
前記オン/オフ状態判定部は、前記スイッチング電流検出部で検出された前記スイッチング電流に基づいて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、前記制御電極に印加した前記制御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初期温度、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6に記載のパワーモジュール。 - 前記パワーモジュールは、前記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を所定時間実施した後に、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の前記第1電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、
前記スイッチング素子を流れるスイッチング電流を検出するスイッチング電流検出部と、
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とをさらに備え、
前記温度特性測定モードにおいては、
前記制御電極電圧制御部は、前記制御電極電圧が段階的に高くなるように前記制御電極電圧を制御し、
前記オン/オフ状態判定部は、前記スイッチング電流検出部で検出された前記スイッチング電流に基づいて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、前記制御電極に印加した前記制御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初期温度、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1〜5のいずれかに記載のパワーモジュール。 - 前記スイッチング素子は、MOSFET、IGBT又はHEMTであ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。
- 前記スイッチング素子は、GaN、SiC又はGa2O3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1〜9のいずれかに記載のパワーモジュール。
- 第1電極、第2電極及び制御電極を有するスイッチング素子と、
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と、
前記スイッチング素子の前記動作温度を含む情報に基づいて算出された前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御電極電圧を制御する制御電極電圧制御部と、
前記スイッチング素子の前記動作温度に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御部とを備え、
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に基づいて制御電極電流量を算出するスイッチング速度算出部をさらに備え、
前記スイッチング速度制御部は、
前記スイッチング速度算出部によって算出された前記制御電極電流量、及び、前記制御電極電圧制御部が制御する前記制御電極電圧に基づいて、前記スイッチング素子に向かって流れる第1制御駆動電流を制御する第1制御駆動電流制御部と、
前記スイッチング速度算出部によって算出された前記制御電極電流量、及び、前記制御電極電圧制御部が制御する前記制御電極電圧に基づいて、前記スイッチング素子から接地側に向かって流れる第2制御駆動電流を制御する第2制御駆動電流制御部とを有することを特徴とするパワーモジュール。 - 第1電極、第2電極及び制御電極を有するスイッチング素子と、
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と、
前記スイッチング素子の前記動作温度を含む情報に基づいて算出された前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御電極電圧を制御する制御電極電圧制御部と、
前記スイッチング素子の前記動作温度に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御部とを備え、
前記スイッチング素子の初期閾値電圧を測定する初期閾値電圧測定モードと、前記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を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の前記第1電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、
前記スイッチング素子を流れるスイッチング電流を検出するスイッチング電流検出部と、
前記スイッチング素子のオン/オフ状態を判定するオン/オフ状態判定部とをさらに備え、
前記初期閾値電圧測定モードにおいては、
前記制御電極電圧制御部は、前記制御電極電圧が段階的に高くなるように前記制御電極電圧を制御し、
前記オン/オフ状態判定部は、前記スイッチング電流検出部で検出された前記スイッチング電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、
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動作温度を記憶するとともに、前記制御電極に印加した制御電極電圧を前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧として記憶する記憶部を備えることを特徴とするパワーモジュール。 - 第1電極、第2電極及び制御電極を有するスイッチング素子と、
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と、
前記スイッチング素子の前記動作温度を含む情報に基づいて算出された前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御電極電圧を制御する制御電極電圧制御部と、
前記スイッチング素子の前記動作温度に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御部とを備え、
前記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を所定時間実施した後に、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の前記第1電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、
前記スイッチング素子を流れるスイッチング電流を検出するスイッチング電流検出部と、
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とをさらに備え、
前記温度特性測定モードにおいては、
前記制御電極電圧制御部は、前記制御電極電圧が段階的に高くなるように前記制御電極電圧を制御し、
前記オン/オフ状態判定部は、前記スイッチング電流検出部で検出された前記スイッチング電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、
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、前記制御電極に印加した前記制御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する記憶部を備え、
前記温度特性算出部は、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初期温度、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パワーモジュール。
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