JP6958499B2 - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置および電力変換装置に関する。
特許文献１には、サーミスタを備えるパワーモジュールが開示されている。サーミスタは電力変換装置内に構成された流路に流れる冷却冷媒の温度を検出する。
特開２０１６−１０３９０１号公報
サーミスタを用いてチップ温度を検出する場合、チップの周囲温度からパワーデバイスチップの温度を推定することとなる。つまり、サーミスタを用いる場合、一般にチップ自体の温度を検出することはできない。また、チップ温度の別の検出方法として、例えば温度センスダイオードによる方法が考えられる。しかし、この方法ではチップに温度センスダイオードを付加することとなり、チップに内蔵する部品数が増加する。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、半導体チップの部品数を抑制しつつ、半導体チップ自体の温度を検出できる半導体装置および電力変換装置を得ることを目的とする。
第１の開示に係る半導体装置は、温度に応じて抵抗値の変化する半導体チップと、該半導体チップと直列に接続された外部抵抗と、該半導体チップと該外部抵抗とが形成する直列回路の両端に第１電圧が印加された状態で該外部抵抗の両端に印加される第２電圧を検出する検出部と、を備え、該検出部は、該第２電圧から該半導体チップの内部抵抗を算出し、該内部抵抗から該半導体チップの温度を算出する。
第２の開示に係る半導体装置は、温度に応じて抵抗値の変化する半導体チップと、該半導体チップと直列に接続された外部抵抗と、該半導体チップと該外部抵抗とが形成する直列回路の両端に第１電圧が印加された状態で該外部抵抗の両端に印加される第２電圧を検出する検出部と、を備え、該検出部は、該第２電圧から該半導体チップの温度を算出し、該半導体チップは、該直列回路に該第１電圧が供給されることでスイッチングし、該検出部は、スイッチングを開始してから該半導体チップに印加される電圧が予め定められた電圧に達するまでの時間から、該半導体チップの温度を算出する。
第３の開示に係る半導体装置は、温度に応じて抵抗値の変化する半導体チップと、該半導体チップと直列に接続された外部抵抗と、該半導体チップと該外部抵抗とが形成する直列回路の両端に第１電圧が印加された状態で該外部抵抗の両端に印加される第２電圧を検出する検出部と、を備え、該検出部は、該第２電圧から該半導体チップの温度を算出し、該半導体チップは、該直列回路に該第１電圧が供給されることでスイッチングし、該検出部は、スイッチング開始時の該半導体チップに印加される電圧の傾きから、該半導体チップの温度を算出する。
第４の開示に係る半導体装置は、温度に応じて抵抗値の変化する半導体チップと、該半導体チップと直列に接続された外部抵抗と、該半導体チップと該外部抵抗とが形成する直列回路の両端に第１電圧が印加された状態で該外部抵抗の両端に印加される第２電圧を検出する検出部と、を備え、該検出部は、該第２電圧から該半導体チップの温度を算出し、該半導体チップは、該直列回路に該第１電圧が供給されることでスイッチングし、該検出部は、スイッチングを開始してから該半導体チップに印加される電圧が予め定められた電圧に収束するまでの時間から、該半導体チップの温度を算出する。
第５の開示に係る半導体装置は、温度に応じて抵抗値の変化する半導体チップと、該半導体チップと直列に接続された外部抵抗と、該半導体チップと該外部抵抗とが形成する直列回路の両端に第１電圧が印加された状態で該外部抵抗の両端に印加される第２電圧を検出する検出部と、を備え、該検出部は、該第２電圧から該半導体チップの温度を算出し、該半導体チップは、並列に接続された複数の内部抵抗を有し、該半導体チップの該抵抗値は、該複数の内部抵抗の抵抗値である。
本発明に係る半導体装置では、外部抵抗に印加される第２電圧を検出することで、半導体チップの抵抗値を検出できる。従って、抵抗値と温度との関係から、半導体チップの温度を算出できる。
実施の形態１に係る電力変換装置を説明する図である。 実施の形態１に係る半導体装置を説明する図である。 実施の形態２に係る半導体チップの抵抗値の温度変化を説明する図である。 実施の形態２に係る半導体チップのスイッチング開始時の電圧波形を示す図である。 実施の形態３に係る半導体チップの抵抗値の温度変化を説明する図である。 実施の形態４に係る外部装置を説明する図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置および電力変換装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置１０１を説明する図である。電力変換装置１０１では、２つの半導体チップ１４が直列に接続され、ハーフブリッジ回路が形成されている。半導体チップ１４は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワーデバイスチップである。
電力変換装置１０１において、電源１０と並列にコンデンサ１２が並列に接続される。２つの半導体チップ１４が形成する直列回路は、コンデンサ１２と並列に接続される。また、各々の半導体チップ１４には還流ダイオードが接続される。各々の半導体チップ１４のゲート−エミッタ間には、駆動電源１８から電圧が供給される。これにより、半導体チップ１４は駆動する。
２つの半導体チップ１４のうち一方において、駆動電源１８とゲート端子との間に後述する外部抵抗が接続されている。また、２つの半導体チップ１４の接続点と、コンデンサ１２の負極との間にはトランス１６が接続されている。駆動電源１８が２つの半導体チップ１４を交互にスイッチングすることで、トランス１６に電圧が発生する。
図２は、実施の形態１に係る半導体装置１００を説明する図である。半導体装置１００は、半導体チップ１４と外部装置２０とを有する。外部装置２０は、半導体チップ１４のゲート端子と駆動電源１８との間に接続される。外部装置２０は、外部抵抗２１と検出部２２とを有する。
外部抵抗２１は一端が駆動電源１８と接続され、他端が半導体チップ１４のゲート端子と接続される。外部抵抗２１は半導体チップ１４と直列に接続されている。検出部２２は、外部抵抗２１と並列に接続される。
駆動電源１８は、交流電源である。これに限らず、駆動電源１８はパルス信号、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号、矩形波などを出力しても良い。駆動電源１８は、半導体チップ１４と外部抵抗２１とが形成する直列回路の両端に、第１電圧を供給する。半導体チップ１４は、第１電圧を供給されることでスイッチングする。
検出部２２は、半導体チップ１４と外部抵抗２１とが形成する直列回路の両端に第１電圧が印加された状態で、外部抵抗２１の両端に印加される第２電圧を検出する。検出部２２が検出する第２電圧は、駆動電源１８が供給する第１電圧を、外部抵抗２１と半導体チップ１４の内部抵抗とで分圧した値となる。
ここで、半導体チップ１４は温度係数を持つ内部抵抗を内蔵する。つまり、半導体チップ１４は温度に応じて抵抗値が変化する。半導体チップ１４の内部抵抗は、チップ形成時に寄生抵抗として自ずと発生するものであっても良く、チップ内部に設けられた抵抗素子であっても良い。
検出部２２は、第１電圧と検出した第２電圧から、半導体チップ１４の内部抵抗に印加される電圧を算出する。また、検出部２２は、第２電圧と、半導体チップ１４の内部抵抗に印加される電圧と、外部抵抗２１の抵抗値から、半導体チップ１４の内部抵抗を算出する。さらに、検出部２２は、算出した半導体チップ１４の内部抵抗とチップ温度との関係から、半導体チップ１４の温度を算出する。
ここで、外部抵抗２１は、半導体チップ１４の内部抵抗と比べて、温度変化に対する抵抗の変化量が小さいことが好ましい。外部抵抗２１は、温度係数がゼロに近いものを用いると良い。外部抵抗２１は例えばリード型抵抗器である。外部抵抗２１として、炭素皮膜を施した炭素皮膜抵抗器またはＮｉＣｒ系等の金属皮膜を蒸着させた金属皮膜抵抗器などが使用できる。
以上から本実施の形態では、外部抵抗２１と半導体チップ１４の内部抵抗との分圧比を用いて、半導体チップ１４自体の温度を算出できる。また、半導体チップ１４にオンチップダイオード等を付加しなくても、チップ温度を算出できる。従って、半導体チップ１４の部品数を抑制しつつ、半導体チップ１４自体の温度を検出できる。また、一般に電力変換装置１０１に対して小型であるサーミスタまたは温度センスダイオード等を用いないため、アセンブリ性および生産性を向上できる。
また、本実施の形態では、ハーフブリッジ回路と駆動電源１８との間に外部装置２０を接続するのみで、容易に温度検出機能を付加できる。このため、温度検出機能の有無に因らずハーフブリッジ回路を標準化できる。従って、温度検出機能を付加することによる工数およびコストの増大を抑制できる。外部装置２０は、半導体チップ１４のゲート端子と着脱可能に設けられても良い。外部装置２０は、例えばハーフブリッジ回路を形成する複数の半導体チップ１４および基板等を収納するケースの外部に設けられても良い。
本実施の形態では、検出部２２は第２電圧を検出し、半導体チップ１４の温度を算出した。これに限らず、検出部２２は少なくとも第２電圧を検出できれば良い。検出部２２が検出した第２電圧を用いて、外部機器または使用者が半導体チップ１４の温度を算出しても良い。
また、電力変換装置１０１は図１に示されるものに限らず、インバータ等であっても良い。電力変換装置１０１は少なくとも１つの半導体チップ１４を有する回路であれば良い。
また、半導体チップ１４および還流ダイオードはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても良い。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである。
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子およびダイオード素子は、一般に耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。このため、半導体チップ１４および還流ダイオードを小型化できる。小型化された半導体チップ１４および還流ダイオードを用いることにより、半導体装置１００および電力変換装置１０１を小型化できる。
さらに、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子およびダイオード素子は、一般に電力損失が低い。このため、半導体チップ１４および還流ダイオードを高効率化できる。これにより、半導体装置１００および電力変換装置１０１を高効率化できる。
これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体装置および電力変換装置について適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置および電力変換装置については実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る半導体チップ１４の抵抗値の温度変化を説明する図である。なお、図３では検出部２２が省略されている。本実施の形態では、半導体チップ１４の抵抗値は、半導体チップ１４の温度が低いほど大きくなる。図３に示されるように、半導体チップ１４は、内部抵抗１４ａと素子容量１４ｂとを有する。内部抵抗１４ａは、例えば−４０℃の低温時では１０Ω、２５℃の常温時では３Ω、１５０℃の高温時では０．００６Ωとなる。また、外部抵抗２１の抵抗値は例えば３Ωである。
ＩＧＢＴ等の半導体素子は、一般に高温下でテール電流が増大する。このため、高温下では、スイッチング速度が低下し、スイッチング損失が増加するおそれがある。これに対し、本実施の形態では、高温時に半導体チップ１４の内部抵抗が小さくなる。一般に内部抵抗が小さくなると、スイッチング速度は増加する。このため、高温下でのスイッチング速度の低下およびスイッチング損失を抑制できる。
図４は、実施の形態２に係る半導体チップ１４のスイッチング開始時の電圧波形を示す図である。図４は、スイッチング開始直後における半導体チップ１４のゲート−エミッタ間電圧波形のシミュレーション結果である。ゲート−エミッタ間電圧波形は、温度に応じて変化する。このため、駆動開始直後の電圧波形から半導体チップ１４の温度の推定が可能である。
検出部２２は、スイッチングを開始してから半導体チップ１４に印加される電圧が予め定められた電圧に達するまでの時間から、半導体チップ１４の温度を算出しても良い。具体的には、検出部２２はゲート−エミッタ間電圧が−１５Ｖから３Ｖに到達するまでの時間から、半導体チップ１４の温度を算出しても良い。
また、検出部２２は、スイッチング開始時のゲート−エミッタ間電圧の傾きから、半導体チップ１４の温度を算出しても良い。
また、駆動開始時において、半導体チップ１４のゲート−エミッタ間電圧は、内部抵抗１４ａと素子容量１４ｂで決まる時定数に応じて上昇する。本実施の形態では、内部抵抗１４ａがチップ温度に応じて変化する。このため、ゲート−エミッタ間電圧が一定値に収束するまでの時間は、チップ温度に応じて変化する。検出部２２は、スイッチングを開始してから半導体チップ１４のゲート−エミッタ間電圧が予め定められた電圧に収束するまでの時間から、半導体チップ１４の温度を算出しても良い。このとき、検出部２２はタイマーを有し、タイマーを用いて駆動開始からゲート−エミッタ間電圧が一定電圧に収束するまでの時間を検出する。
実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係る半導体チップ１４の抵抗値の温度変化を説明する図である。半導体チップ１４は、並列に接続された複数の内部抵抗１４ａ、１４ｃを有する。本実施の形態において半導体チップ１４の抵抗値は、複数の内部抵抗１４ａ、１４ｃの抵抗値である。内部抵抗１４ｃは、内部抵抗１４ａよりも温度変化に対する抵抗値の変化量が小さい。実施の形態２で説明したように、内部抵抗１４ａは負の温度係数を有する。また、内部抵抗１４ｃは温度係数がほぼ０である。内部抵抗１４ｃの抵抗値は、例えば−４０℃〜＋１５０℃の間で約１Ωである。
温度係数を有する半導体素子では、温度によっては高抵抗となるおそれがある。これに対し、本実施の形態では、内部抵抗１４ａが高抵抗となる低温時には、内部抵抗１４ｃを介して電流を流すことができる。従って、温度変化による半導体チップ１４の高抵抗化を抑制できる。
本実施の形態では、内部抵抗１４ｃは温度係数がほぼ０であるものとした。これに限らず、内部抵抗１４ｃの抵抗値は、内部抵抗１４ａの抵抗値よりも温度変化に対する変化量が小さく、少なくとも一部の温度領域で内部抵抗１４ａの抵抗値よりも小さければ良い。また、内部抵抗１４ｃは内部抵抗１４ａと同じものを用いても良い。この場合も、内部抵抗１４ａ、１４ｃを並列接続することで、個々の抵抗値が上昇しても、合成抵抗の上昇を緩和できる。また、半導体チップ１４は、並列に接続された３つ以上の内部抵抗を有しても良い。
実施の形態４．
図６は、実施の形態４に係る外部装置２２０を説明する図である。外部装置２２０は、検出部２２２を有する。検出部２２２は、微分回路を有する。微分回路では、出力が入力の導関数となる。このため、検出部２２２は第２電圧のピーク値を検出できる。検出部２２２は、第２電圧のピーク値から、外部抵抗２１と半導体チップ１４の内部抵抗との分圧比を算出する。これにより、容易に半導体チップ１４の温度を検出できる。
なお、本実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。
１００ 半導体装置、１０１ 電力変換装置、１４ 半導体チップ、１４ａ、１４ｃ 内部抵抗、２１ 外部抵抗、２２、２２２ 検出部

Claims (13)

  1. 温度に応じて抵抗値の変化する半導体チップと、
    前記半導体チップと直列に接続された外部抵抗と、
    前記半導体チップと前記外部抵抗とが形成する直列回路の両端に第１電圧が印加された状態で前記外部抵抗の両端に印加される第２電圧を検出する検出部と、
    を備え、
    前記検出部は、前記第２電圧から前記半導体チップの内部抵抗を算出し、前記内部抵抗から前記半導体チップの温度を算出することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記外部抵抗は、前記半導体チップのゲート端子と接続されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体チップは、前記直列回路に前記第１電圧が供給されることでスイッチングすることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 温度に応じて抵抗値の変化する半導体チップと、
    前記半導体チップと直列に接続された外部抵抗と、
    前記半導体チップと前記外部抵抗とが形成する直列回路の両端に第１電圧が印加された状態で前記外部抵抗の両端に印加される第２電圧を検出する検出部と、
    を備え、
    前記検出部は、前記第２電圧から前記半導体チップの温度を算出し、
    前記半導体チップは、前記直列回路に前記第１電圧が供給されることでスイッチングし、
    前記検出部は、スイッチングを開始してから前記半導体チップに印加される電圧が予め定められた電圧に達するまでの時間から、前記半導体チップの温度を算出することを特徴とする半導体装置。
  5. 温度に応じて抵抗値の変化する半導体チップと、
    前記半導体チップと直列に接続された外部抵抗と、
    前記半導体チップと前記外部抵抗とが形成する直列回路の両端に第１電圧が印加された状態で前記外部抵抗の両端に印加される第２電圧を検出する検出部と、
    を備え、
    前記検出部は、前記第２電圧から前記半導体チップの温度を算出し、
    前記半導体チップは、前記直列回路に前記第１電圧が供給されることでスイッチングし、
    前記検出部は、スイッチング開始時の前記半導体チップに印加される電圧の傾きから、前記半導体チップの温度を算出することを特徴とする半導体装置。
  6. 温度に応じて抵抗値の変化する半導体チップと、
    前記半導体チップと直列に接続された外部抵抗と、
    前記半導体チップと前記外部抵抗とが形成する直列回路の両端に第１電圧が印加された状態で前記外部抵抗の両端に印加される第２電圧を検出する検出部と、
    を備え、
    前記検出部は、前記第２電圧から前記半導体チップの温度を算出し、
    前記半導体チップは、前記直列回路に前記第１電圧が供給されることでスイッチングし、
    前記検出部は、スイッチングを開始してから前記半導体チップに印加される電圧が予め定められた電圧に収束するまでの時間から、前記半導体チップの温度を算出することを特徴とする半導体装置。
  7. 前記検出部は微分回路を有し、前記第２電圧のピーク値を検出することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体チップの前記抵抗値は、前記半導体チップの温度が低いほど大きくなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の半導体装置。
  9. 温度に応じて抵抗値の変化する半導体チップと、
    前記半導体チップと直列に接続された外部抵抗と、
    前記半導体チップと前記外部抵抗とが形成する直列回路の両端に第１電圧が印加された状態で前記外部抵抗の両端に印加される第２電圧を検出する検出部と、
    を備え、
    前記検出部は、前記第２電圧から前記半導体チップの温度を算出し、
    前記半導体チップは、並列に接続された複数の内部抵抗を有し、
    前記半導体チップの前記抵抗値は、前記複数の内部抵抗の抵抗値であることを特徴とする半導体装置。
  10. 前記複数の内部抵抗は、第１抵抗と、前記第１抵抗よりも温度変化に対する抵抗値の変化量が小さい第２抵抗と、含み、
    少なくとも一部の温度領域で、前記第２抵抗の抵抗値は前記第１抵抗の抵抗値よりも小さいことを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
  11. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の半導体装置。
  12. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
  13. 請求項１から１２の何れか１項に記載の半導体装置を備えることを特徴とする電力変換装置。
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