JP6958203B2 - Semiconductor devices and drive control systems - Google Patents

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

本発明は、半導体装置及び駆動制御システムに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a drive control system .

従来から、パワー半導体素子とパワー半導体素子の一方の電極面に金属板を介して設置されたペルチェモジュールと、パワー半導体素子の前記電極面とは別の電極面に回路基板を介して設置されたペルチェモジュールとを具備するパワー半導体モジュールが知られている。 Conventionally, a Perche module installed on one electrode surface of a power semiconductor element and a power semiconductor element via a metal plate, and a Pelche module installed on an electrode surface different from the electrode surface of the power semiconductor element via a circuit substrate have been conventionally installed. A power semiconductor module including a Pelche module is known.

特開２００４−０１４５４７号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-014547

しかし、特許文献１のペルチェモジュールは、熱電素子のペルチェ効果を使用している。よって、故障などによりペルチェ効果が使えない時、或いはペルチェ効果を使わない時、ペルチェモジュールは、パワー半導体素子から冷却器までの抜熱経路上に熱抵抗部材として存在するため、パワー半導体素子の抜熱性能を阻害してしまう。 However, the Perche module of Patent Document 1 uses the Perche effect of the thermoelectric element. Therefore, when the Perche effect cannot be used due to a failure or the like, or when the Perche effect is not used, the Perche module exists as a thermal resistance member on the heat extraction path from the power semiconductor element to the cooler, so that the power semiconductor element is removed. It hinders thermal performance.

本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、パワー半導体素子の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子の動作時の損失を低減することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to improve the heat extraction performance of a power semiconductor element and reduce the loss during operation of the power semiconductor element.

本発明の一態様に係わる半導体装置は、ペルチェ効果及びゼーベック効果を有する熱電素子と、熱電素子に熱的に接続されているパワー半導体素子と、熱電素子のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替え制御する制御部とを備える。 The semiconductor device according to one aspect of the present invention is a control that switches and controls a thermoelectric element having a Perche effect and a Seebeck effect, a power semiconductor element thermally connected to the thermoelectric element, and the Perche effect and the Seebeck effect of the thermoelectric element. It has a part.

本発明によれば、パワー半導体素子の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子の動作時の損失を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to improve the heat extraction performance of the power semiconductor element and reduce the loss during operation of the power semiconductor element.

図１は、第１実施形態に係わる半導体装置１０ａの構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device 10a according to the first embodiment. 図２は、制御部４による切り替え制御の動作領域の一例を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing an example of an operation area of switching control by the control unit 4. 図３は、第２実施形態に係わる半導体装置１０ｂの構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device 10b according to the second embodiment. 図４は、第３実施形態に係わる半導体装置１０ｃの構成を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device 10c according to the third embodiment. 図５は、第４実施形態及び第５実施形態に係わる半導体装置１０を含むシステム全体の構成を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the entire system including the semiconductor device 10 according to the fourth embodiment and the fifth embodiment. 図６は、第４実施形態に係わる制御部４による切り替え制御の動作領域を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing an operation area of switching control by the control unit 4 according to the fourth embodiment. 図７は、第５実施形態に係わる制御部４による切り替え制御の動作領域を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing an operation area of switching control by the control unit 4 according to the fifth embodiment.

図面を参照して、実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。 An embodiment will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

（第１実施形態）
［半導体装置１０ａの構成］
図１を参照して、第１実施形態に係わる半導体装置１０ａの構成を説明する。半導体装置１０ａは、ペルチェ効果及びゼーベック効果を有する熱電素子３と、熱電素子３の一端に熱的に接続されているパワー半導体素子１と、熱電素子３のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替え制御する制御部４とを備える。 (First Embodiment)
[Structure of semiconductor device 10a]
The configuration of the semiconductor device 10a according to the first embodiment will be described with reference to FIG. The semiconductor device 10a controls to switch and control the thermoelectric element 3 having the Perche effect and the Seebeck effect, the power semiconductor element 1 thermally connected to one end of the thermoelectric element 3, and the Perche effect and the Seebeck effect of the thermoelectric element 3. It includes a part 4.

熱電素子３は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼーベック効果、及びゼーベック効果と逆に、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するペルチェ効果を使用可能な素子である。熱電素子３は、ゼーベック効果及びペルチェ効果のみならず、その他の熱電効果を有していても構わない。熱電素子３の内部の構造は、特に問わず、既知の構造を採用可能である。例えば、２種類の異種な金属または半導体の両端を接続したものが含まれる。「熱電素子３の一端」とは、２種類の異種な金属または半導体の両端の一方の端部を示し、「熱電素子３の他端」とは、２種類の異種な金属または半導体の両端の他方の端部を示す。 The thermoelectric element 3 is an element that can use the Seebeck effect that converts thermal energy into electrical energy and the Pelche effect that converts electrical energy into thermal energy, which is the opposite of the Seebeck effect. The thermoelectric element 3 may have other thermoelectric effects as well as the Seebeck effect and the Perche effect. As the internal structure of the thermoelectric element 3, a known structure can be adopted regardless of particular. For example, two kinds of dissimilar metals or semiconductors in which both ends are connected are included. "One end of the thermoelectric element 3" means one end of both ends of two kinds of dissimilar metals or semiconductors, and "the other end of the thermoelectric element 3" means both ends of two kinds of dissimilar metals or semiconductors. The other end is shown.

また、ゼーベック効果を使用可能なゼーベック素子及びペルチェ効果を使用可能なペルチェ素子を個別に用意して、ゼーベック素子とペルチェ素子とを並列に接続したモジュールとして熱電素子３を構成してもよい。 Further, the Seebeck element capable of using the Seebeck effect and the Perche element capable of using the Perche effect may be individually prepared, and the thermoelectric element 3 may be configured as a module in which the Seebeck element and the Perche element are connected in parallel.

パワー半導体素子１（電力用半導体素子）は、アナログ半導体に属する電力制御用の半導体素子あり、パワーデバイスとも呼ばれる。主に、整流ダイオード、パワートランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ））、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ(ＧＴＯ)、トライアックなどが含まれる。パワー半導体素子１には、半導体素子単体のみならず、これらの複数の素子を１つのパッケージに収めたパワーモジュールや、これらの素子に、制御回路、駆動回路、保護回路を追加してモジュール化したインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）も含まれる。パワー半導体素子１は、通電又は駆動によって損失が発生する発熱部材である。パワー半導体素子１は、インバータやコンバータ等の電力変換装置を構成する回路素子として利用される。 The power semiconductor element 1 (power semiconductor element) is a power control semiconductor element belonging to an analog semiconductor, and is also called a power device. Mainly, rectifying diodes, power transistors (power MOSFETs, isolated gate bipolar transistors (IGBT), high electron mobility transistors (HEMT)), thyristors, gate turn-off thyristors (GTO), triacs and the like are included. The power semiconductor element 1 is modularized by adding not only a single semiconductor element but also a power module in which these plurality of elements are housed in one package, and a control circuit, a drive circuit, and a protection circuit added to these elements. An intelligent power module (IPM) is also included. The power semiconductor element 1 is a heat generating member in which a loss is generated by energization or driving. The power semiconductor element 1 is used as a circuit element constituting a power conversion device such as an inverter or a converter.

パワー半導体素子１の一方の表面（「上面」と呼ぶ）には、少なくとも２つの電極（５、６）が電気的に接続されている。電極（５、６）は互いに電気的に絶縁されている。電極（５、６）の各々は、パワー半導体素子１の内部を流れる主電流が流れる主電極である。例えば、電極５を流れる電流がパワー半導体素子１に流入し、パワー半導体素子１の内部を流れた後に、電極６から流出する。パワー半導体素子１がダイオード或いはトランジスタであれば、電極（５、６）は、主に、アノード電極、カソード電極、ソース電極、ドレイン電極、エミッター電極、コレクター電極が含まれる。 At least two electrodes (5, 6) are electrically connected to one surface (referred to as "upper surface") of the power semiconductor device 1. The electrodes (5, 6) are electrically isolated from each other. Each of the electrodes (5, 6) is a main electrode through which a main current flowing inside the power semiconductor element 1 flows. For example, the current flowing through the electrode 5 flows into the power semiconductor element 1, flows inside the power semiconductor element 1, and then flows out from the electrode 6. If the power semiconductor element 1 is a diode or a transistor, the electrodes (5, 6) mainly include an anode electrode, a cathode electrode, a source electrode, a drain electrode, an emitter electrode, and a collector electrode.

電極５は、「熱電素子３の一端」の一例としての熱電素子３の上面に、直接、熱的に接している。電極５は、パワー半導体素子１の上面にも、直接、熱的に接している。よって、パワー半導体素子１の一方の表面（上面）に電気的に接続された電極５を介して、パワー半導体素子１は熱電素子３の一端（上面）に熱的に接続されている。ここでは、電極５が熱電素子３の上面に、直接、接している場合を示すが、電極５が熱電素子３の上面に、間接的に接していてもよい。例えば、電極５と熱電素子３の上面との間に熱伝導性を有する絶縁部材（ヒートスプレッダ或いは電気的絶縁シート）が介在しても構わない。電極５に高電圧が印可されても、熱電素子３を高電圧から保護することができる。なお、電極５のみならず、電極６も同様に、熱電素子３の一端（上面）に熱的に接続されていてもよい。熱電素子３の上面とパワー半導体素子１との間の熱抵抗が低減される。パワー半導体素子１に発生する熱は、電極５を介して、熱電素子３の上面に伝達される。 The electrode 5 is in direct thermal contact with the upper surface of the thermoelectric element 3 as an example of "one end of the thermoelectric element 3". The electrode 5 is also in direct thermal contact with the upper surface of the power semiconductor element 1. Therefore, the power semiconductor element 1 is thermally connected to one end (upper surface) of the thermoelectric element 3 via an electrode 5 electrically connected to one surface (upper surface) of the power semiconductor element 1. Here, the case where the electrode 5 is in direct contact with the upper surface of the thermoelectric element 3 is shown, but the electrode 5 may be indirectly in contact with the upper surface of the thermoelectric element 3. For example, an insulating member (heat spreader or electrically insulating sheet) having thermal conductivity may be interposed between the electrode 5 and the upper surface of the thermoelectric element 3. Even if a high voltage is applied to the electrode 5, the thermoelectric element 3 can be protected from the high voltage. Not only the electrode 5 but also the electrode 6 may be thermally connected to one end (upper surface) of the thermoelectric element 3 in the same manner. The thermal resistance between the upper surface of the thermoelectric element 3 and the power semiconductor element 1 is reduced. The heat generated in the power semiconductor element 1 is transferred to the upper surface of the thermoelectric element 3 via the electrode 5.

制御部４は、熱電素子３のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替える。具体的には、ペルチェ効果による熱輸送機能と、ゼーベック効果による発電機能とを切り替える。よって、例えば故障によってペルチェ効果を使えない時又は意図的に使わない時であっても、熱電素子３のゼーベック効果を使用することができる。これにより、パワー半導体素子１の損失により発生する熱エネルギーを回収することができる。 The control unit 4 switches between the Perche effect and the Seebeck effect of the thermoelectric element 3. Specifically, the heat transport function by the Perche effect and the power generation function by the Seebeck effect are switched. Therefore, for example, the Seebeck effect of the thermoelectric element 3 can be used even when the Perche effect cannot be used due to a failure or when it is not intentionally used. As a result, the thermal energy generated by the loss of the power semiconductor element 1 can be recovered.

第１実施形態に係わる半導体装置１０ａにおいて、「熱電素子３の他端」の一例としての熱電素子３の下面とパワー半導体素子１の他方の表面（「下面」と呼ぶ）の各々が同一の冷却器２に熱的に接続されている。よって、パワー半導体素子１及び熱電素子３の各上面の間は電極５を介して熱的に接続され、パワー半導体素子１及び熱電素子３の各下面の間は同一の冷却器２に熱的に接続されている。これにより、パワー半導体素子１（発熱部品）で発生した熱の冷却器２までの抜熱経路として、熱電素子３を経由する「上面側経路」と、熱電素子３を経由しない「下面側経路」とを並列させることができる。特許文献１のパワー半導体モジュールと比較して、新たに下面側経路が設けられたことにより、熱電素子３のペルチェ効果が使えない時、或いはペルチェ効果を使わない時、熱電素子３が熱抵抗部材としてパワー半導体素子１から冷却器２までの抜熱経路を阻害することが無くなる。 In the semiconductor device 10a according to the first embodiment, the lower surface of the thermoelectric element 3 as an example of the "other end of the thermoelectric element 3" and the other surface of the power semiconductor element 1 (referred to as "lower surface") are cooled in the same manner. It is thermally connected to the vessel 2. Therefore, the upper surfaces of the power semiconductor element 1 and the thermoelectric element 3 are thermally connected via the electrode 5, and the lower surfaces of the power semiconductor element 1 and the thermoelectric element 3 are thermally connected to the same cooler 2. It is connected. As a result, the "upper surface side path" that passes through the thermoelectric element 3 and the "lower surface side path" that does not pass through the thermoelectric element 3 as heat extraction paths to the cooler 2 of the heat generated in the power semiconductor element 1 (heat generating component). And can be arranged in parallel. Compared with the power semiconductor module of Patent Document 1, when the Peltier effect of the thermoelectric element 3 cannot be used or when the Pelche effect is not used due to the newly provided lower surface side path, the thermoelectric element 3 is a thermal resistance member. As a result, the heat removal path from the power semiconductor element 1 to the cooler 2 is not obstructed.

なお、図１には、パワー半導体素子１及び熱電素子３の各下面が、冷却器２に、直接、接続されている例を示す。しかし、これに限らず、パワー半導体素子１の下面と冷却器２の間、及び熱電素子３の下面と冷却器２の間の少なくとも一方に、熱伝導性を有する絶縁部材（ヒートスプレッダ或いは電気的絶縁シート）が介在しても構わない。 Note that FIG. 1 shows an example in which the lower surfaces of the power semiconductor element 1 and the thermoelectric element 3 are directly connected to the cooler 2. However, the present invention is not limited to this, and an insulating member (heat spreader or electrical insulation) having thermal conductivity is provided between the lower surface of the power semiconductor element 1 and the cooler 2 and between the lower surface of the thermoelectric element 3 and the cooler 2. A sheet) may intervene.

熱電素子３とパワー半導体素子１が冷却器２の同一冷却面上に熱的に接続されている。これにより、熱電素子３とパワー半導体素子１が異なる冷却面に接続される場合と比較して、半導体装置１０ａの実装容積が減少する。また、電極５の長さも短くなるため、熱電素子３の上面とパワー半導体素子１の上面との間の熱抵抗も低減される。 The thermoelectric element 3 and the power semiconductor element 1 are thermally connected on the same cooling surface of the cooler 2. As a result, the mounting volume of the semiconductor device 10a is reduced as compared with the case where the thermoelectric element 3 and the power semiconductor element 1 are connected to different cooling surfaces. Further, since the length of the electrode 5 is also shortened, the thermal resistance between the upper surface of the thermoelectric element 3 and the upper surface of the power semiconductor element 1 is also reduced.

冷却器２は、パワー半導体素子１で発生した熱を半導体装置１０ａの外部へ放出する機械部品（ヒートシンク、放熱器、ラジエータを含む）であり、既知の冷却方式、既知の機械構造、既知の材質を用いて実現可能である。 The cooler 2 is a mechanical component (including a heat sink, a radiator, and a radiator) that releases heat generated by the power semiconductor element 1 to the outside of the semiconductor device 10a, and has a known cooling method, a known mechanical structure, and a known material. It is feasible using.

なお、図１では、熱電素子３の下面とパワー半導体素子１の下面の各々が同一の冷却器２に直接、接している場合を示す。パワー半導体素子１が、全ての電極がパワー半導体素子１の上面に形成された横型構造を有する場合に有効な実施例である。しかし、後述するように、パワー半導体素子１の下面と冷却器２とが、熱伝導性を有する部材（ヒートスプレッダ或いは電気的絶縁シート）を介して間接的に熱的に接してもいても構わない。これにより、一部の電極がパワー半導体素子１の下面にも形成される縦型構造を有するパワー半導体素子１に対しても、実施形態を適用することができる。 Note that FIG. 1 shows a case where the lower surface of the thermoelectric element 3 and the lower surface of the power semiconductor element 1 are in direct contact with the same cooler 2. This is an effective embodiment when the power semiconductor device 1 has a horizontal structure in which all electrodes are formed on the upper surface of the power semiconductor device 1. However, as will be described later, the lower surface of the power semiconductor element 1 and the cooler 2 may be indirectly in thermal contact with each other via a member having thermal conductivity (heat spreader or electrically insulating sheet). .. Thereby, the embodiment can be applied to the power semiconductor device 1 having a vertical structure in which some electrodes are also formed on the lower surface of the power semiconductor device 1.

実施形態に係わる半導体装置１０ａは、ゼーベック効果により回収した熱エネルギー（電力）を蓄積するバッテリ１６を更に備える。制御部４は、バッテリ１６に蓄積した電力を用いて、ペルチェ効果による熱輸送機能を使用することができる。 The semiconductor device 10a according to the embodiment further includes a battery 16 that stores thermal energy (electric power) recovered by the Seebeck effect. The control unit 4 can use the heat transport function by the Perche effect by using the electric power stored in the battery 16.

[半導体装置１０ａの動作]
パワー半導体素子１で発生する熱の一部は、下面側経路により冷却器２に伝わる。一方、残りの一部は、上面側経路により熱電素子３の上面に伝達する。熱電素子３の下面は冷却器２に接続されている。よって、パワー半導体素子１で発生する熱によって、熱電素子３の上面と下面の間に温度差が生じる。制御部４は、ゼーベック効果を使用している時、前記した温度差によって発生する起電力を回収する。具体的な回収動作は、特に問わない。例えば、ソーラーパネルを用いた太陽光発電で一般的に使用されている制御装置であって、出力を最大化できる最適な電流×電圧の値（最大電力点あるいは最適動作点）を自動で求めることができる最大電力点追従制御装置（ＭＰＰＴ）を利用すればよい。 [Operation of semiconductor device 10a]
A part of the heat generated in the power semiconductor element 1 is transferred to the cooler 2 by the lower surface side path. On the other hand, the remaining part is transmitted to the upper surface of the thermoelectric element 3 by the path on the upper surface side. The lower surface of the thermoelectric element 3 is connected to the cooler 2. Therefore, the heat generated by the power semiconductor element 1 causes a temperature difference between the upper surface and the lower surface of the thermoelectric element 3. When using the Seebeck effect, the control unit 4 recovers the electromotive force generated by the temperature difference described above. The specific collection operation is not particularly limited. For example, in a control device generally used in photovoltaic power generation using a solar panel, the optimum current x voltage value (maximum power point or optimum operating point) that can maximize the output is automatically obtained. The maximum power point tracking control device (MPPT) that can be used may be used.

制御部４は、回収した電力（熱エネルギー）をバッテリ１６に蓄積する。 The control unit 4 stores the recovered electric power (heat energy) in the battery 16.

一方、制御部４は、ペルチェ効果を使用している時、熱電素子３の上面と下面の間に電力を印可して、熱電素子３内の熱を上面側から下面側へ輸送する。換言すれば、制御部４は、熱電素子３に電力を供給することにより、熱電素子３の上面を冷却し、熱電素子３の下面を加熱する。これにより、上面側経路により熱電素子３の上面に到達するパワー半導体素子１の熱を効率よく熱電素子３の下面まで伝達することができる。つまり、上面側経路の熱抵抗が低減され、パワー半導体素子１の抜熱性能が向上する。 On the other hand, when the Perche effect is used, the control unit 4 applies electric power between the upper surface and the lower surface of the thermoelectric element 3 to transport the heat in the thermoelectric element 3 from the upper surface side to the lower surface side. In other words, the control unit 4 cools the upper surface of the thermoelectric element 3 and heats the lower surface of the thermoelectric element 3 by supplying electric power to the thermoelectric element 3. As a result, the heat of the power semiconductor element 1 reaching the upper surface of the thermoelectric element 3 can be efficiently transferred to the lower surface of the thermoelectric element 3 by the path on the upper surface side. That is, the thermal resistance of the path on the upper surface side is reduced, and the heat extraction performance of the power semiconductor element 1 is improved.

なお、制御部４は、バッテリ１６に蓄積した電力を用いて、ペルチェ効果による熱輸送機能を使用することができる。つまり、バッテリ１６に蓄積した電力を用いて、熱電素子３の上面と下面の間に電力を印可してもよい。パワー半導体素子１の熱抵抗を低減する際の回収エネルギー（電力）の有効利用が可能となる。 The control unit 4 can use the heat transport function by the Perche effect by using the electric power stored in the battery 16. That is, the electric power stored in the battery 16 may be used to apply electric power between the upper surface and the lower surface of the thermoelectric element 3. It is possible to effectively use the recovered energy (electric power) when reducing the thermal resistance of the power semiconductor element 1.

[切り替え制御]
制御部４は、パワー半導体素子１の損失に応じて、ペルチェ効果及びゼーベック効果の切り替え制御を実行する。具体的には、制御部４は、パワー半導体素子１の損失を推定し、推定した損失が基準値よりも大きくなった場合にゼーベック効果からペルチェ効果に切り替える。 [Switching control]
The control unit 4 executes switching control between the Perche effect and the Seebeck effect according to the loss of the power semiconductor element 1. Specifically, the control unit 4 estimates the loss of the power semiconductor element 1 and switches from the Seebeck effect to the Perche effect when the estimated loss becomes larger than the reference value.

パワー半導体素子１の損失は、例えば、パワー半導体素子１から出力される電力［Ｗ］（以後、「電力［Ｗ］」と略す。）、パワー半導体素子１を流れる電流［Ａ］（以後、「電流［Ａ］」と略す。）、パワー半導体素子１に印可される電圧［Ｖ］（以後、「電圧［Ｖ］」と略す。）、パワー半導体素子１の温度[Ｔ]、或いは、パワー半導体素子１の上面と下面との温度差から推定することができる。制御部４は、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、電力［Ｗ］、温度［Ｔ］、温度差［ΔＴ］が大きいほど、パワー半導体素子１の大きな損失を推定する。 The loss of the power semiconductor element 1 is, for example, the power [W] output from the power semiconductor element 1 (hereinafter abbreviated as "power [W]") and the current [A] flowing through the power semiconductor element 1 (hereinafter, "" Current [A] "), voltage [V] applied to the power semiconductor device 1 (hereinafter abbreviated as" voltage [V] "), temperature [T] of the power semiconductor device 1, or power semiconductor. It can be estimated from the temperature difference between the upper surface and the lower surface of the element 1. The control unit 4 estimates that the larger the current [A], the voltage [V], the power [W], the temperature [T], and the temperature difference [ΔT], the larger the loss of the power semiconductor element 1.

半導体装置１０ａは、電流［Ａ］を測定する電流計、電圧［Ｖ］を測定する電圧計を備える。制御部４は、測定された電流［Ａ］及び電圧［Ｖ］から電力［Ｗ］を算出する。半導体装置１０ａは、パワー半導体素子１の上面及び下面の温度［Ｔ］を測定する温度センサを備える。制御部４は、測定された上面及び下面の温度から前記した温度差［ΔＴ］を算出する。 The semiconductor device 10a includes an ammeter for measuring the current [A] and a voltmeter for measuring the voltage [V]. The control unit 4 calculates the power [W] from the measured current [A] and voltage [V]. The semiconductor device 10a includes a temperature sensor that measures the temperature [T] of the upper surface and the lower surface of the power semiconductor element 1. The control unit 4 calculates the temperature difference [ΔT] described above from the measured temperatures of the upper surface and the lower surface.

制御部４は、図２に示す動作領域にしたがって、ペルチェ効果及びゼーベック効果の切り替え制御を実行する。図２に示す動作領域は、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、及び電圧［Ｖ］のいずれか１つと、温度［Ｔ］又は温度差［ΔＴ］のいずれか一方とによって定義される領域である。電力［Ｗ］、電流［Ａ］及び電圧［Ｖ］のいずれか１つと、温度［Ｔ］、或いは温度差［ΔＴ］とが図２に示す発電機能（ゼーベック効果）の領域に位置する場合、パワー半導体素子１の損失が基準値以下であると判断して、制御部４は、ゼーベック効果による発電機能を使用する。 The control unit 4 executes switching control of the Perche effect and the Seebeck effect according to the operation region shown in FIG. The operating region shown in FIG. 2 is a region defined by any one of power [W], current [A], and voltage [V], and either temperature [T] or temperature difference [ΔT]. be. When any one of the electric power [W], the current [A] and the voltage [V] and the temperature [T] or the temperature difference [ΔT] are located in the region of the power generation function (Seebeck effect) shown in FIG. Upon determining that the loss of the power semiconductor element 1 is equal to or less than the reference value, the control unit 4 uses the power generation function due to the Seebeck effect.

一方、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、及び電圧［Ｖ］のいずれか１つと、温度[Ｔ]又は温度差［ΔＴ］とが図２に示す熱輸送機能（ペルチェ効果）の領域に位置する場合、パワー半導体素子１の損失が基準値よりも大きいと判断して、制御部４は、ペルチェ効果による熱輸送機能を使用する。 On the other hand, any one of the power [W], the current [A], and the voltage [V] and the temperature [T] or the temperature difference [ΔT] are located in the region of the heat transport function (Perche effect) shown in FIG. In this case, it is determined that the loss of the power semiconductor element 1 is larger than the reference value, and the control unit 4 uses the heat transport function due to the Perche effect.

また、図２に示す電力［Ｗ］、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、温度[Ｔ]、及び温度差［ΔＴ］の代わりに、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、温度[Ｔ]、及び温度差［ΔＴ］の単位時間当たりの変化量（時間微分値）を適用しても構わない。これらの時間微分値が基準値よりも大きい場合、パワー半導体素子１で発生する損失及び熱が多くなることが予測される。よって、制御部４は、予め、ゼーベック効果からペルチェ効果に切り替えてもよい。更に、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、温度[Ｔ]、又は温度差［ΔＴ］の時間積分値を用いても構わない。 Further, instead of the power [W], the current [A], the voltage [V], the temperature [T], and the temperature difference [ΔT] shown in FIG. 2, the power [W], the current [A], and the voltage [V] , Temperature [T], and temperature difference [ΔT] per unit time (time differential value) may be applied. When these time differential values are larger than the reference values, it is predicted that the loss and heat generated in the power semiconductor element 1 will increase. Therefore, the control unit 4 may switch from the Seebeck effect to the Perche effect in advance. Further, a time integral value of power [W], current [A], voltage [V], temperature [T], or temperature difference [ΔT] may be used.

更に、制御部４は、パワー半導体素子１の損失が大きいほど、ペルチェ効果の能力を大きくする。つまり、制御部４は、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、温度[Ｔ]、又は温度差［ΔＴ］、或いはこれらの時間微分値又は時間積分値が大きいほど、熱電素子３の上面と下面の間に印可する電力を大きくする。図２に示すペルチェ効果の領域において、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、温度[Ｔ]、及び温度差［ΔＴ］、或いはこれらの時間微分値又は時間積分値が大きいほど、ペルチェ効果の能力を大きくする。 Further, the control unit 4 increases the ability of the Perche effect as the loss of the power semiconductor element 1 increases. That is, in the control unit 4, the larger the power [W], the current [A], the voltage [V], the temperature [T], or the temperature difference [ΔT], or the time derivative value or the time integral value thereof, the thermoelectric element. Increase the power applied between the upper and lower surfaces of 3. In the region of the Perche effect shown in FIG. 2, the larger the electric power [W], the current [A], the voltage [V], the temperature [T], and the temperature difference [ΔT], or the time derivative value or the time integral value thereof, the larger. , Increase the ability of the Perche effect.

[第１実施形態の作用効果]
熱電素子３のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替えることにより、ペルチェ効果を使えない、或いはペルチェ効果を使わない時であっても、パワー半導体素子１の損失により発生する熱エネルギーを熱電素子３のゼーベック効果で回収することができる。この回収エネルギーを利用すれば、半導体装置１０ａの熱抵抗を低減することができる。よって、パワー半導体素子１の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子１の動作時の損失を低減することができる。パワー半導体素子１の温度の上昇が抑えられるので、パワー半導体素子１の熱破壊を抑制できる。 [Action and effect of the first embodiment]
By switching between the Perche effect and the Seebeck effect of the thermoelectric element 3, the thermal energy generated by the loss of the power semiconductor element 1 can be transferred to the Seebeck effect of the thermoelectric element 3 even when the Perche effect cannot be used or the Perche effect is not used. Can be collected at. By utilizing this recovered energy, the thermal resistance of the semiconductor device 10a can be reduced. Therefore, the heat extraction performance of the power semiconductor element 1 can be improved, and the loss during operation of the power semiconductor element 1 can be reduced. Since the temperature rise of the power semiconductor element 1 is suppressed, the thermal destruction of the power semiconductor element 1 can be suppressed.

熱電素子３の下面とパワー半導体素子１の各々が同一の冷却器２に熱的に接続されている。パワー半導体素子１（発熱部品）で発生した熱の冷却器２までの抜熱経路として、熱電素子３を経由する経路と、熱電素子３を経由しない経路とを並列させることができる。これにより、熱電素子３のペルチェ効果が使えない時、或いはペルチェ効果を使わない時、熱電素子３が熱抵抗部材としてパワー半導体素子１から冷却器２までの抜熱経路を阻害することがない。よって、パワー半導体素子１の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子１の動作時の損失を低減することができる。 Each of the lower surface of the thermoelectric element 3 and the power semiconductor element 1 is thermally connected to the same cooler 2. As a heat extraction path to the cooler 2 of the heat generated by the power semiconductor element 1 (heat generating component), a path passing through the thermoelectric element 3 and a path not passing through the thermoelectric element 3 can be arranged in parallel. As a result, when the Perche effect of the thermoelectric element 3 cannot be used, or when the Perche effect is not used, the thermoelectric element 3 does not obstruct the heat extraction path from the power semiconductor element 1 to the cooler 2 as a thermal resistance member. Therefore, the heat extraction performance of the power semiconductor element 1 can be improved, and the loss during operation of the power semiconductor element 1 can be reduced.

熱電素子３とパワー半導体素子１が冷却器２の同一冷却面上に接続されている。これにより、熱電素子３とパワー半導体素子１が異なる冷却面に接続される場合と比較して、半導体装置１０ａの実装容積が減少する。また、電極５の長さも短くなるため、熱電素子３の一端とパワー半導体素子１との間の熱抵抗が低減される。 The thermoelectric element 3 and the power semiconductor element 1 are connected on the same cooling surface of the cooler 2. As a result, the mounting volume of the semiconductor device 10a is reduced as compared with the case where the thermoelectric element 3 and the power semiconductor element 1 are connected to different cooling surfaces. Further, since the length of the electrode 5 is also shortened, the thermal resistance between one end of the thermoelectric element 3 and the power semiconductor element 1 is reduced.

パワー半導体素子１の上面に電気的に接続された電極５を介して、パワー半導体素子１は熱電素子３の上面に熱的に接続されている。パワー半導体素子１に接続される電極５を有効利用して、パワー半導体素子１と熱電素子３の上面とを熱的にも接続できる。よって、半導体装置１０ａの実装容積が減少し、熱電素子の一端とパワー半導体素子との間の熱抵抗が低減される。 The power semiconductor element 1 is thermally connected to the upper surface of the thermoelectric element 3 via an electrode 5 electrically connected to the upper surface of the power semiconductor element 1. By effectively utilizing the electrode 5 connected to the power semiconductor element 1, the power semiconductor element 1 and the upper surface of the thermoelectric element 3 can be thermally connected. Therefore, the mounting volume of the semiconductor device 10a is reduced, and the thermal resistance between one end of the thermoelectric element and the power semiconductor element is reduced.

電極５はパワー半導体素子１の内部を通る主電流を通電する主電極である。主電流を通電するための断面積の大きい電極５を用いてパワー半導体素子１と熱電素子３の上面とを熱的にも接続できる。よって、熱電素子３の上面とパワー半導体素子１との間の熱抵抗が低減される。 The electrode 5 is a main electrode that carries a main current passing through the inside of the power semiconductor element 1. The power semiconductor element 1 and the upper surface of the thermoelectric element 3 can be thermally connected by using the electrode 5 having a large cross-sectional area for energizing the main current. Therefore, the thermal resistance between the upper surface of the thermoelectric element 3 and the power semiconductor element 1 is reduced.

制御部４は、パワー半導体素子１の損失を推定し、推定した損失が基準値よりも大きくなった場合にゼーベック効果からペルチェ効果に切り替える。損失が大きくなれば、発熱も多くなるため、ペルチェ効果を使うことで抜熱性能を高める。一方、損失が小さければ、発熱も少ないため、ゼーベック効果を使用して、パワー半導体素子１の損失により発生する熱エネルギーを電力として回収することができる。この回収エネルギー（電力）を利用すれば、半導体装置１０ａの熱抵抗を低減することができる。よって、パワー半導体素子１の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子１の動作時の損失を低減することができる。パワー半導体素子１の適切な温度管理が実現される。 The control unit 4 estimates the loss of the power semiconductor element 1 and switches from the Seebeck effect to the Perche effect when the estimated loss becomes larger than the reference value. The larger the loss, the more heat is generated, so the Pelche effect is used to improve the heat removal performance. On the other hand, if the loss is small, the heat generation is also small, so that the heat energy generated by the loss of the power semiconductor element 1 can be recovered as electric power by using the Seebeck effect. By utilizing this recovered energy (electric power), the thermal resistance of the semiconductor device 10a can be reduced. Therefore, the heat extraction performance of the power semiconductor element 1 can be improved, and the loss during operation of the power semiconductor element 1 can be reduced. Appropriate temperature control of the power semiconductor element 1 is realized.

制御部４は、パワー半導体素子１の損失を推定し、推定した損失が大きいほど、ペルチェ効果の能力を大きくすることを特徴とする。損失の大きさに応じてペルチェ効果の能力を適切に制御可能となる。よって、パワー半導体素子１の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子１の動作時の損失を低減することができる。パワー半導体素子１の適切な温度管理が実現される。 The control unit 4 estimates the loss of the power semiconductor element 1, and the larger the estimated loss, the greater the ability of the Perche effect. The ability of the Perche effect can be appropriately controlled according to the magnitude of the loss. Therefore, the heat extraction performance of the power semiconductor element 1 can be improved, and the loss during operation of the power semiconductor element 1 can be reduced. Appropriate temperature control of the power semiconductor element 1 is realized.

半導体装置１０ａは、ゼーベック効果により回収した電力を蓄積するバッテリ１６を更に備える。制御部４は、ペルチェ効果を使用する時に、バッテリ１６に蓄積された電力を熱電素子３の一端（上面）と他端（下面）の間に印可する。これにより、パワー半導体素子１の熱抵抗を低減する際に、回収エネルギー（電力）の有効利用が可能となる。パワー半導体素子１の温度を、熱輸送機能にかかる消費電力を抑えながら一定に保つことが可能である。 The semiconductor device 10a further includes a battery 16 that stores electric power recovered by the Seebeck effect. When using the Pelche effect, the control unit 4 applies the electric power stored in the battery 16 between one end (upper surface) and the other end (lower surface) of the thermoelectric element 3. As a result, when reducing the thermal resistance of the power semiconductor element 1, the recovered energy (electric power) can be effectively used. It is possible to keep the temperature of the power semiconductor element 1 constant while suppressing the power consumption required for the heat transport function.

（第２実施形態）
図３を参照して、第２実施形態に係わる半導体装置１０ｂの構成を説明する。パワー半導体素子１の上面に２つの電極（５，７）が電気的に接続され、パワー半導体素子１の下面に１つの電極６が電気的に接続されている。電極（５、６）の各々は、第１実施形態と同様にして、パワー半導体素子１の内部を流れる主電流が流れる主電極である。一方、電極７は、電極（５、６）の間の導通状態（電流量、電圧値、抵抗値及び出力電力を含む）を制御する制御電極である。具体的には、パワー半導体素子１が電界効果トランジスタである場合、電極５はソース電極に相当し、電極６はドレイン電極に相当し、電極７はゲート電極に相当する。 (Second Embodiment)
The configuration of the semiconductor device 10b according to the second embodiment will be described with reference to FIG. Two electrodes (5, 7) are electrically connected to the upper surface of the power semiconductor element 1, and one electrode 6 is electrically connected to the lower surface of the power semiconductor element 1. Each of the electrodes (5, 6) is a main electrode through which the main current flowing inside the power semiconductor element 1 flows, as in the first embodiment. On the other hand, the electrode 7 is a control electrode that controls a conduction state (including a current amount, a voltage value, a resistance value, and an output power) between the electrodes (5, 6). Specifically, when the power semiconductor element 1 is a field effect transistor, the electrode 5 corresponds to the source electrode, the electrode 6 corresponds to the drain electrode, and the electrode 7 corresponds to the gate electrode.

電極６は、電気的絶縁シート８を介して、冷却器２に対して間接的に熱的に接続されている。つまり、電極６と冷却器２の間に電気的絶縁シート８が介在している。電極５に高電圧が印可されても、冷却器２を高電圧から保護することができる。一方、熱電素子３の下面は、図１と同様に、冷却器２に対して、直接、熱的に接続されている。勿論、電気的絶縁シート８は、熱電素子３の下面と冷却器２の間に介在しても構わない。 The electrode 6 is indirectly and thermally connected to the cooler 2 via the electrically insulating sheet 8. That is, the electrically insulating sheet 8 is interposed between the electrode 6 and the cooler 2. Even if a high voltage is applied to the electrode 5, the cooler 2 can be protected from the high voltage. On the other hand, the lower surface of the thermoelectric element 3 is directly and thermally connected to the cooler 2 as in FIG. Of course, the electrically insulating sheet 8 may be interposed between the lower surface of the thermoelectric element 3 and the cooler 2.

第１実施形態では、パワー半導体素子１が全ての電極が上面に形成されている横型構造を有する場合に有効な実施例を示した。これに対して、第２の実施の形態は、主電極（５、６）の各々がパワー半導体素子１の上面および下面に形成された縦型構造を有するパワー半導体素子１に有効な実施例である。 In the first embodiment, an example is shown which is effective when the power semiconductor device 1 has a horizontal structure in which all electrodes are formed on the upper surface. On the other hand, the second embodiment is an embodiment effective for a power semiconductor device 1 having a vertical structure in which each of the main electrodes (5, 6) is formed on the upper surface and the lower surface of the power semiconductor device 1. be.

電極６は、熱伝導の良い銅材等を使用することによりヒートスプレッダとして機能させることができるので、パワー半導体素子１の抜熱性能が向上する。 Since the electrode 6 can function as a heat spreader by using a copper material or the like having good thermal conductivity, the heat extraction performance of the power semiconductor element 1 is improved.

なお、パワー半導体素子１と熱電素子３の最短距離Ｌ２は、電極６の熱伝導経路方向の厚みＬ１より長いことが望ましい。これにより、パワー半導体素子１で発生した熱を熱電素子３に対し熱干渉することなく冷却器２に伝えることができるので、熱電素子３が有する発電機能（ゼーベック効果）および熱輸送機能（ペルチェ効果）の能力を高効率で発揮させることができる。 It is desirable that the shortest distance L2 between the power semiconductor element 1 and the thermoelectric element 3 is longer than the thickness L1 of the electrode 6 in the heat conduction path direction. As a result, the heat generated by the power semiconductor element 1 can be transferred to the cooler 2 without causing thermal interference with the thermoelectric element 3, so that the thermoelectric element 3 has a power generation function (Seebeck effect) and a heat transport function (Pelche effect). ) Can be demonstrated with high efficiency.

半導体装置１０ｂは、パワー半導体素子１から冷却器２までの熱伝導経路に配置されたヒートスプレッダ又は電気的絶縁シートの少なくとも一方を更に備える。これにより、パワー半導体素子１から冷却器２までの抜熱性能を向上させることができる。 The semiconductor device 10b further includes at least one of a heat spreader or an electrically insulating sheet arranged in a heat conduction path from the power semiconductor element 1 to the cooler 2. Thereby, the heat extraction performance from the power semiconductor element 1 to the cooler 2 can be improved.

第２実施形態のその他の構成は第１実施形態と同じであり、説明を省略する。また、第２実施形態によれば、上記した第１実施形態の作用効果と同じ作用効果が得られる。 Other configurations of the second embodiment are the same as those of the first embodiment, and the description thereof will be omitted. Further, according to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained.

（第３実施形態）
図４を参照して、第３実施形態に係わる半導体装置１０ｃの構成を説明する。第２実施形態と同様にして、パワー半導体素子１の上面に２つの電極（５，７）が電気的に接続され、パワー半導体素子１の下面に１つの電極６が電気的に接続されている。電極６と冷却器２の間に電気的絶縁シート８が介在している。 (Third Embodiment)
The configuration of the semiconductor device 10c according to the third embodiment will be described with reference to FIG. Similar to the second embodiment, two electrodes (5, 7) are electrically connected to the upper surface of the power semiconductor element 1, and one electrode 6 is electrically connected to the lower surface of the power semiconductor element 1. .. An electrically insulating sheet 8 is interposed between the electrode 6 and the cooler 2.

図３の半導体装置１０ｂに比べて、電極６及び電気的絶縁シート８が、熱電素子３と冷却器２との間に介在している点が相違する。熱電素子３の下面は、電極６及び電気的絶縁シート８を介して、間接的に熱的に接続されている。 Compared to the semiconductor device 10b of FIG. 3, the electrode 6 and the electrically insulating sheet 8 are different in that they are interposed between the thermoelectric element 3 and the cooler 2. The lower surface of the thermoelectric element 3 is indirectly thermally connected via the electrode 6 and the electrically insulating sheet 8.

電極６は、熱伝導の良い銅材等を使用することにより、ヒートスプレッダとして機能させることができる。よって、例えば、図１の冷却器２として電極６を使用することもできる。よって、図１に示す実施例に、縦型構造を有するパワー半導体素子１を適用することが可能となる。 The electrode 6 can function as a heat spreader by using a copper material or the like having good thermal conductivity. Therefore, for example, the electrode 6 can be used as the cooler 2 in FIG. Therefore, it is possible to apply the power semiconductor element 1 having a vertical structure to the embodiment shown in FIG.

また、熱電素子３の下面と電極６の間に、熱伝導性を有する絶縁部材（ヒートスプレッダ或いは電気的絶縁シート）が介在しても構わない。 Further, an insulating member (heat spreader or electrically insulating sheet) having thermal conductivity may be interposed between the lower surface of the thermoelectric element 3 and the electrode 6.

なお、パワー半導体素子１と熱電素子３の最短距離Ｌ４は、電極６の熱伝導経路方向の厚みＬ３の２倍の長さより長いことが望ましい。これにより、４５度近似による熱拡散を推定した場合であっても、パワー半導体素子１と熱電素子３との熱干渉を抑制できる。よって、パワー半導体素子１で発生した熱を熱電素子３に対し熱干渉することなく冷却器２に伝えることができるので、熱電素子３が有する発電機能（ゼーベック効果）および熱輸送機能（ペルチェ効果）の能力を高効率で発揮させることができる。 The shortest distance L4 between the power semiconductor element 1 and the thermoelectric element 3 is preferably longer than twice the thickness L3 of the electrode 6 in the heat conduction path direction. As a result, even when the thermal diffusion is estimated by approximating 45 degrees, the thermal interference between the power semiconductor element 1 and the thermoelectric element 3 can be suppressed. Therefore, the heat generated by the power semiconductor element 1 can be transferred to the cooler 2 without causing thermal interference with the thermoelectric element 3, so that the thermoelectric element 3 has a power generation function (Seebeck effect) and a heat transport function (Pelche effect). It is possible to demonstrate the ability of.

半導体装置１０ｃは、パワー半導体素子１から冷却器２までの熱伝導経路に配置されたヒートスプレッダ又は電気的絶縁シート８の少なくとも一方を更に備える。これにより、パワー半導体素子１から冷却器２までの抜熱性能を向上させることができる。 The semiconductor device 10c further includes at least one of a heat spreader or an electrically insulating sheet 8 arranged in a heat conduction path from the power semiconductor element 1 to the cooler 2. Thereby, the heat extraction performance from the power semiconductor element 1 to the cooler 2 can be improved.

第３実施形態のその他の構成は第１実施形態と同じであり、説明を省略する。また、第３実施形態によれば、上記した第１実施形態の作用効果と同じ作用効果が得られる。 Other configurations of the third embodiment are the same as those of the first embodiment, and the description thereof will be omitted. Further, according to the third embodiment, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained.

（第４実施形態）
第４実施形態では、第１実施形態〜第３実施形態で示した半導体装置（１０ａ〜１０ｃ）と、半導体装置１０に接続される電源システム９及び負荷システム１１とを含むシステム全体に適用される実施例を説明する。半導体装置１０として、第１実施形態〜第３実施形態で示した半導体装置（１０ａ〜１０ｃ）を適用することが可能である。電源システム９は、半導体装置１０を介して、負荷システム１１に電力を供給する。例えば、電源システム９は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車（ＨＶ、ＰＨＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）等の車両に搭載された車両を駆動するためのバッテリである。負荷システム１１は、電源システム９から供給される電力を消費する。例えば、負荷システム１１は、上記した車両に搭載された車両を駆動するためのモータである。この場合、半導体装置１０は、電源システム９から供給される直流電圧を交流電圧に変換するインバータであって、負荷システム１１には変換された交流電圧が印可されて、負荷システム１１（モータ）は回転駆動する。 (Fourth Embodiment)
The fourth embodiment is applied to the entire system including the semiconductor devices (10a to 10c) shown in the first to third embodiments, the power supply system 9 and the load system 11 connected to the semiconductor device 10. An embodiment will be described. As the semiconductor device 10, the semiconductor devices (10a to 10c) shown in the first to third embodiments can be applied. The power supply system 9 supplies electric power to the load system 11 via the semiconductor device 10. For example, the power supply system 9 is a battery for driving a vehicle mounted on a vehicle such as an electric vehicle (EV), a hybrid vehicle (HV, PHV), or a fuel cell vehicle (FCV). The load system 11 consumes the power supplied from the power supply system 9. For example, the load system 11 is a motor for driving a vehicle mounted on the vehicle described above. In this case, the semiconductor device 10 is an inverter that converts the DC voltage supplied from the power supply system 9 into an AC voltage, and the converted AC voltage is applied to the load system 11 so that the load system 11 (motor) has a load system 11 (motor). It is driven to rotate.

図５のシステムは、上記以外にも、例えば、商業用交流電源（電源システム９）の交流電力を、コンバータ（半導体装置１０）で直流電力に変換して、車両に搭載されたバッテリ（負荷システム１１）に蓄電するシステムであってもよい。このように、半導体装置１０は、電力を供給する電源とこれを消費する電気的負荷との間で機能する電気部品について適用可能である。 In addition to the above, the system of FIG. 5 is, for example, a battery (load system) mounted on a vehicle by converting AC power of a commercial AC power supply (power supply system 9) into DC power by a converter (semiconductor device 10). It may be a system that stores electricity in 11). As such, the semiconductor device 10 is applicable to electrical components that function between a power source that supplies power and an electrical load that consumes it.

第１実施形態では、半導体装置１０ａが、電流［Ａ］を測定する電流計、電圧［Ｖ］を測定する電圧計、パワー半導体素子１の温度［Ｔ］を測定する温度センサを備え、これらの測定値からパワー半導体素子１の損失を推定した。そして、図２を参照して、パワー半導体素子１の損失に応じて、切り替え制御を実施した。 In the first embodiment, the semiconductor device 10a includes a current meter for measuring the current [A], a voltmeter for measuring the voltage [V], and a temperature sensor for measuring the temperature [T] of the power semiconductor element 1. The loss of the power semiconductor element 1 was estimated from the measured value. Then, with reference to FIG. 2, switching control was performed according to the loss of the power semiconductor element 1.

第４実施形態では、電源システム９から出力される電圧（以後、「出力電圧」と呼ぶ）及び電源システム９から出力される電流（以後、「出力電流」と呼ぶ）からパワー半導体素子１の損失を推定する。制御部４は、出力電圧又は出力電流が大きいほど、パワー半導体素子１の大きな損失を推定する。 In the fourth embodiment, the loss of the power semiconductor element 1 from the voltage output from the power supply system 9 (hereinafter referred to as “output voltage”) and the current output from the power supply system 9 (hereinafter referred to as “output current”). To estimate. The control unit 4 estimates that the larger the output voltage or the output current, the larger the loss of the power semiconductor element 1.

電源システム９は、出力電圧を測定する電圧計１２と、出力電流を測定する電流計１３とを備える。制御部４は、図６に示す動作領域にしたがって、ペルチェ効果及びゼーベック効果の切り替え制御を実行する。図６に示す動作領域は、出力電流と出力電圧とによって定義される領域である。 The power supply system 9 includes a voltmeter 12 for measuring the output voltage and an ammeter 13 for measuring the output current. The control unit 4 executes switching control of the Perche effect and the Seebeck effect according to the operation region shown in FIG. The operating region shown in FIG. 6 is a region defined by the output current and the output voltage.

出力電流と出力電圧とが図６に示す発電機能（ゼーベック効果）の領域に位置する場合、制御部４は、パワー半導体素子１の損失が基準値以下であると判断して、ゼーベック効果による発電機能を使用する。一方、出力電流と出力電圧とが図６に示す熱輸送機能（ペルチェ効果）の領域に位置する場合、制御部４は、パワー半導体素子１の損失が基準値よりも大きいと判断して、ペルチェ効果による熱輸送機能を使用する。 When the output current and the output voltage are located in the region of the power generation function (Seebeck effect) shown in FIG. 6, the control unit 4 determines that the loss of the power semiconductor element 1 is equal to or less than the reference value, and generates power by the Seebeck effect. Use the function. On the other hand, when the output current and the output voltage are located in the region of the heat transport function (Perche effect) shown in FIG. 6, the control unit 4 determines that the loss of the power semiconductor element 1 is larger than the reference value, and Perche. Use the heat transport function by effect.

また、図６に示す出力電流及び出力電圧の代わりに、出力電流及び出力電圧の単位時間当たりの変化量（時間微分値）を適用しても構わない。これらの時間微分値が基準値よりも大きい場合、パワー半導体素子１で発生する損失及び熱が多くなることが予測される。よって、制御部４は、予め、ゼーベック効果からペルチェ効果に切り替えてもよい。更に、出力電流及び出力電圧の時間積分値を用いても構わない。 Further, instead of the output current and output voltage shown in FIG. 6, the amount of change (time derivative value) of the output current and output voltage per unit time may be applied. When these time differential values are larger than the reference values, it is predicted that the loss and heat generated in the power semiconductor element 1 will increase. Therefore, the control unit 4 may switch from the Seebeck effect to the Perche effect in advance. Further, the time integral values of the output current and the output voltage may be used.

更に、制御部４は、図６に示す熱輸送機能（ペルチェ効果）の領域において、出力電流又は出力電圧、或いはこれらの時間微分値又は時間積分値が大きいほど、ペルチェ効果の能力を大きくしてもよい。 Further, in the region of the heat transport function (Perche effect) shown in FIG. 6, the control unit 4 increases the capacity of the Perche effect as the output current or output voltage, or their time differential value or time integral value is larger. May be good.

第４実施形態のその他の構成は第１実施形態と同じであり、説明を省略する。また、第４実施形態によれば、上記した第１〜第３実施形態の作用効果と同じ作用効果が得られることは言うまでもない。 Other configurations of the fourth embodiment are the same as those of the first embodiment, and the description thereof will be omitted. Further, it goes without saying that according to the fourth embodiment, the same effects as those of the above-mentioned first to third embodiments can be obtained.

（第５実施形態）
第４実施形態では、電源システム９から得られる情報に基づいてパワー半導体素子１の損失を推定し、切り返し制御を実行した。これに対して、第５実施形態では、負荷システム１１から得られる情報に基づいてパワー半導体素子１の損失を推定し、切り返し制御を実行する一例を説明する。第５実施形態は、負荷システム１１がモータである場合に適用できる実施例である。 (Fifth Embodiment)
In the fourth embodiment, the loss of the power semiconductor element 1 is estimated based on the information obtained from the power supply system 9, and the switchback control is executed. On the other hand, in the fifth embodiment, an example of estimating the loss of the power semiconductor element 1 based on the information obtained from the load system 11 and executing the switchback control will be described. A fifth embodiment is an embodiment that can be applied when the load system 11 is a motor.

モータ（負荷システム１１）が出力するトルク[Ｎｍ]及びモータの回転数[ｒｐｍ]からからパワー半導体素子１の損失を推定する。制御部４は、トルク又は回転数が大きいほど、パワー半導体素子１の大きな損失を推定する。 The loss of the power semiconductor element 1 is estimated from the torque [Nm] output by the motor (load system 11) and the rotation speed [rpm] of the motor. The control unit 4 estimates that the larger the torque or the rotation speed, the larger the loss of the power semiconductor element 1.

モータ（負荷システム１１）は、トルクを演算するトルク演算回路１４と、回転数を計数する回線数センサ１５とを備える。制御部４は、図７に示す動作領域にしたがって、ペルチェ効果及びゼーベック効果の切り替え制御を実行する。図７に示す動作領域は、モータのトルクと回転数とによって定義される領域である。 The motor (load system 11) includes a torque calculation circuit 14 for calculating torque and a line number sensor 15 for counting rotation speeds. The control unit 4 executes switching control of the Perche effect and the Seebeck effect according to the operation region shown in FIG. 7. The operating region shown in FIG. 7 is a region defined by the torque and the rotation speed of the motor.

モータのトルクと回転数とが図７に示す発電機能（ゼーベック効果）の領域に位置する場合、制御部４は、パワー半導体素子１の損失が基準値以下であると判断して、ゼーベック効果による発電機能を使用する。一方、モータのトルクと回転数とが図６に示す熱輸送機能（ペルチェ効果）の領域に位置する場合、制御部４は、パワー半導体素子１の損失が基準値よりも大きいと判断して、ペルチェ効果による熱輸送機能を使用する。 When the torque and the rotation speed of the motor are located in the region of the power generation function (Seebeck effect) shown in FIG. 7, the control unit 4 determines that the loss of the power semiconductor element 1 is equal to or less than the reference value, and the Seebeck effect is applied. Use the power generation function. On the other hand, when the torque and the rotation speed of the motor are located in the region of the heat transport function (Perche effect) shown in FIG. 6, the control unit 4 determines that the loss of the power semiconductor element 1 is larger than the reference value. Use the heat transport function by the Perche effect.

また、図７に示すモータのトルク及び回転数の代わりに、モータのトルク及び回転数の単位時間当たりの変化量（時間微分値）を適用しても構わない。これらの時間微分値が基準値よりも大きい場合、パワー半導体素子１で発生する損失及び熱が多くなることが予測される。よって、制御部４は、予め、ゼーベック効果からペルチェ効果に切り替えてもよい。更に、モータのトルク及び回転数の時間積分値を用いても構わない。 Further, instead of the torque and rotation speed of the motor shown in FIG. 7, the amount of change (time derivative value) of the torque and rotation speed of the motor per unit time may be applied. When these time differential values are larger than the reference values, it is predicted that the loss and heat generated in the power semiconductor element 1 will increase. Therefore, the control unit 4 may switch from the Seebeck effect to the Perche effect in advance. Further, the time integral value of the torque and the rotation speed of the motor may be used.

更に、制御部４は、図７に示す熱輸送機能（ペルチェ効果）の領域において、モータのトルク又は回転数、或いはこれらの時間微分値又は時間積分値が大きいほど、ペルチェ効果の能力を大きくしてもよい。 Further, in the region of the heat transport function (Perche effect) shown in FIG. 7, the control unit 4 increases the capacity of the Perche effect as the torque or rotation speed of the motor, or the time derivative value or time integral value thereof is larger. You may.

第５実施形態のその他の構成は第４実施形態と同じであり、説明を省略する。また、第５実施形態によれば、上記した第１〜第３実施形態の作用効果と同じ作用効果が得られることは言うまでもない。 Other configurations of the fifth embodiment are the same as those of the fourth embodiment, and the description thereof will be omitted. Further, it goes without saying that according to the fifth embodiment, the same effects as those of the above-mentioned first to third embodiments can be obtained.

上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 Although embodiments of the invention have been described above, the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the invention. Various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.

３ 熱電素子
１ パワー半導体素子
４ 制御部
２ 冷却器
５ 電極
８ 電気的絶縁シート
１６ バッテリ 3 Thermoelectric element 1 Power semiconductor element 4 Control unit 2 Cooler 5 Electrode 8 Electrical insulation sheet 16 Battery

Claims (10)

ペルチェ効果及びゼーベック効果を有する熱電素子と、
前記熱電素子の一端に熱的に接続されているパワー半導体素子と、
前記熱電素子のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替え制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記パワー半導体素子から出力される電力、前記パワー半導体素子に流れる電流、及び前記パワー半導体素子に印加される電圧のいずれか１つと、前記パワー半導体素子の温度又は前記パワー半導体素子の上面と下面との温度差のいずれか一方とによって定義される前記ペルチェ効果及び前記ゼーベック効果の動作領域にしたがって、前記ペルチェ効果及び前記ゼーベック効果を切り替え制御することを特徴とする半導体装置。 Thermoelectric elements with Perche effect and Seebeck effect,
A power semiconductor device that is thermally connected to one end of the thermoelectric element,
It is provided with a control unit that switches and controls the Perche effect and Seebeck effect of the thermoelectric element .
The control unit includes any one of the power output from the power semiconductor element, the current flowing through the power semiconductor element, and the voltage applied to the power semiconductor element, the temperature of the power semiconductor element, or the power semiconductor element. the semiconductor device according to the operation region of the Peltier effect and the Seebeck effect is defined by the one of the temperature difference, characterized that you control switches the Peltier effect and the Seebeck effect in the upper and lower surfaces and the. 前記熱電素子の他端と前記パワー半導体素子の各々が同一の冷却器に熱的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the other end of the thermoelectric element and each of the power semiconductor elements are thermally connected to the same cooler. 前記熱電素子と前記パワー半導体素子が前記冷却器の同一冷却面上に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein the thermoelectric element and the power semiconductor element are connected on the same cooling surface of the cooler. 前記熱電素子と前記パワー半導体素子との距離が前記パワー半導体素子と前記冷却器との距離より長いことを特徴とする請求項３の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, wherein the distance between the thermoelectric element and the power semiconductor element is longer than the distance between the power semiconductor element and the cooler. パワー半導体素子の一方の表面に電気的に接続された電極を介して、パワー半導体素子は前記熱電素子の一端に熱的に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。 Any one of claims 1 to 4, wherein the power semiconductor element is thermally connected to one end of the thermoelectric element via an electrode electrically connected to one surface of the power semiconductor element. The semiconductor device according to the section. 前記電極は前記パワー半導体素子の内部を通る主電流を通電することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5, wherein the electrode carries a main current passing through the inside of the power semiconductor element. 前記パワー半導体素子から前記冷却器までの熱伝導経路に配置されたヒートスプレッダ又は電気的絶縁シートの少なくとも一方を更に備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2 or 3, further comprising at least one of a heat spreader or an electrically insulating sheet arranged in a heat conduction path from the power semiconductor element to the cooler. 前記ゼーベック効果により回収した電力を蓄積するバッテリを更に備え、
前記制御部は、前記ペルチェ効果を使用する時に、前記バッテリに蓄積された電力を前記熱電素子の一端と他端の間に印可する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。 Further equipped with a battery for storing the power recovered by the Seebeck effect,
The control unit according to any one of claims 1 to 7 , wherein when the Pelche effect is used, the electric power stored in the battery is applied between one end and the other end of the thermoelectric element. The semiconductor device described. ペルチェ効果及びゼーベック効果を有する熱電素子と、 Thermoelectric elements with Perche effect and Seebeck effect,
前記熱電素子の一端に熱的に接続されているパワー半導体素子と、 A power semiconductor device that is thermally connected to one end of the thermoelectric element,
前記熱電素子のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替え制御する制御部と、を備える半導体装置と、 A semiconductor device including a control unit that switches and controls the Perche effect and Seebeck effect of the thermoelectric element.
前記半導体装置に電力を供給する電源システムと、備え、 A power supply system that supplies electric power to the semiconductor device is provided.
前記制御部は、前記電源システムから出力される出力電力と前記電源システムから出力される出力電流とによって定義される前記ペルチェ効果及び前記ゼーベック効果の動作領域にしたがって、前記ペルチェ効果及び前記ゼーベック効果を切り替え制御する The control unit performs the Perche effect and the Seebeck effect according to the operating regions of the Perche effect and the Seebeck effect defined by the output power output from the power supply system and the output current output from the power supply system. Switch control
ことを特徴とする駆動制御システム。A drive control system characterized by that. ペルチェ効果及びゼーベック効果を有する熱電素子と、 Thermoelectric elements with Perche effect and Seebeck effect,
前記熱電素子の一端に熱的に接続されているパワー半導体素子と、 A power semiconductor device that is thermally connected to one end of the thermoelectric element,
前記熱電素子のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替え制御する制御部と、を備える半導体装置と、 A semiconductor device including a control unit that switches and controls the Perche effect and Seebeck effect of the thermoelectric element.
前記半導体装置から供給される電力により回転駆動するモータと、備え、 A motor that is rotationally driven by the electric power supplied from the semiconductor device is provided.
前記制御部は、前記モータが出力するトルクと前記モータの回転数とによって定義される前記ペルチェ効果及び前記ゼーベック効果の動作領域にしたがって、前記ペルチェ効果及び前記ゼーベック効果を切り替え制御する The control unit switches and controls the Perche effect and the Seebeck effect according to the operating regions of the Perche effect and the Seebeck effect defined by the torque output by the motor and the rotation speed of the motor.
ことを特徴とする駆動制御システム。A drive control system characterized by that.
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