JP7042991B1 - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

半導体素子(10)を駆動制御する半導体装置(100)において、半導体素子(10)の制御端子(G)と負極端子(S)との間に電流を流すためのパルス電流源(20)が電流制御部(1)に設けられる。タイミング制御部(3)は、半導体素子がオン状態に遷移した後のオン期間中またはオフ状態に遷移した後のオフ期間中に、パルス電流源(20)にパルス状の電流を出力させる。温度推定部(7)は、パルス電流源(20)からの電流供給による電流および電圧の変化に基づいて半導体素子(10)の温度を推定する。

Description

本開示は、半導体装置および電力変換装置に関する。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)およびMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)などの電力用パワー半導体素子を用いた電力変換器においては、小型化のため電力用パワー半導体素子に流れる電流密度の大容量化が進められている。
しかしながら、電流密度を増加させることは電力用パワー半導体素子のエネルギー損失を増やし、電力用パワー半導体素子の温度上昇を招く。電力用パワー半導体素子にはその半導体材料特性等で規定される最大動作許容温度があり、その温度以上ではパワー半導体素子が熱暴走に至り破壊する可能性がある。このため、近年ではパワー半導体素子の温度管理がより重要となってきている。
このような電力用パワー半導体素子の温度管理を行うため、例えば電力用パワー半導体素子を冷却するフィン等にサーミスタ等の温度センサを取り付け、間接的にパワー半導体素子の温度を推定する手法が知られている。しかしながら、パワー半導体素子からフィンまでの熱時定数は一般に大きいため、この手法では短時間の負荷変動によるパワー半導体素子温度の急変を測定できない可能性がある。
この問題を解決する方法の一つが特開2016-12670号公報(特許文献1)に開示されている。本手法は、パワー半導体素子上に複数のゲート電極を設け、通電状態におけるゲート電極間の抵抗値から温度を求める方法である。
さらに別の方法が特開2020-72569号公報(特許文献2)に開示されている。本手法は、半導体デバイスのスイッチング動作時におけるゲート電圧の時間変化とパワー半導体素子の温度との関係を示す情報を予め記憶しておき、ゲート電圧上昇時間からパワー半導体素子の温度を推定する方法である。
特開2016-12670号公報 特開2020-72569号公報
しかしながら、特許文献1で開示された方法では、パワー半導体素子上のゲート抵抗の値を読み取るためにゲート電極を複数設ける必要があり、パワー半導体素子の有効面積が減少し、パワー半導体素子を備えたパワーモジュールの小型化の制約となる。また、特許文献2で開示された方法では、ゲート電圧上昇の時間を計測するために高精度な時間測定機構および高速なプロセッサが必要であり、このような計測機構を備えることはパワーモジュールの小型化の制約となりうる。
本開示は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、その目的の一つは、パワー半導体素子を駆動制御する半導体装置において、パワー半導体素子の温度測定機能を有しながらも、パワー半導体素子の有効面積を低減することなく小型化が可能な半導体装置を提供することである。
半導体素子を駆動制御する一態様の半導体装置は、パルス電流源と、駆動制御部と、電流検出部と、電圧検出部と、温度検出部と、タイミング制御部とを備える。半導体素子は、正極端子と、負極端子と、正極端子および負極端子間を流れる電流を制御する駆動電圧を供給するための制御端子とを有する。パルス電流源は、制御端子と負極端子との間にパルス状の電流を流すために設けられる。駆動制御部は、制御端子に駆動電圧を供給することにより、半導体素子をオン状態およびオフ状態に遷移させる。電流検出部は、パルス電流源によって半導体素子に流れる電流を検出する。電圧検出部は、制御端子または負極端子と基準電位との間の電圧を検出する。温度推定部は、電流検出部および電圧検出部の検出値に基づいて半導体素子の温度を推定する。タイミング制御部は、パルス電流源に電流を出力させるタイミングを制御する。タイミング制御部は、半導体素子がオン状態に遷移した後のオン期間中またはオフ状態に遷移した後のオフ期間中に、パルス電流源に電流を出力させる。
上記の態様の半導体装置によれば、半導体素子のオン期間中またはオフ期間中にパルス電流源によって半導体素子の制御端子と負極端子との間に電流を流し、この電流により生じた電圧および電流に基づいて温度が推定される。したがって、半導体素子の有効面積を低減することなく小型化が可能な、温度測定機能を有する半導体装置を提供できる。
実施の形態1によるパワーモジュール101の一例を示す構成図である。 図1Aの電流制御部1の構成例を示す回路図である。 図1Aのパワーモジュール101の変形例を示す構成図である。 図1Aの半導体装置100による温度推定方法を説明するためのタイミングチャートである。 典型的なMOSFETのゲート容量の変化を示す図である。 実施の形態3のパワーモジュールの第1の態様を示す構成図である。 実施の形態3のパワーモジュールの第2の態様を示す構成図である。 図6の回路構成において、電流制御部1、ドライバ回路42の出力段、抵抗素子8、およびパワー半導体素子10の部分を取り出して示した構成図である。 図6および図7に示す半導体装置100によるパワー半導体素子10の温度測定方法を説明するためのタイミング図である。 実施の形態3のパワーモジュールの第3の態様を示す構成図である。 図9の回路構成において、電流制御部1、ドライバ回路42の出力段、抵抗素子8、およびパワー半導体素子10の部分を取り出して示した構成図である(カレントシンクの電流源の場合)。 図9の回路構成において、電流制御部1、ドライバ回路42の出力段、抵抗素子8、およびパワー半導体素子10の部分を取り出して示した構成図である(カレントソースの電流源の場合)。 図10Aの電流制御部の回路構成の場合において、パワー半導体素子10の温度測定方法を説明するためのタイミング図である。 図10Bの電流制御部の回路構成の場合において、パワー半導体素子10の温度測定方法を説明するためのタイミング図である。 実施の形態4のパワーモジュールの構成図である。 図12の半導体装置100によるパワー半導体素子10A,10B,10Cの温度測定方法を示すタイミング図である(第一の方法)。 図12の半導体装置100によるパワー半導体素子10A,10B,10Cの温度測定方法を示すタイミング図である(第二の方法)。 スイッチ制御信号31がLレベルのときの電流制御部1の出力電流波形および電圧検出部6の検出電圧の波形をより実体に即して示した図である。 実施の形態6のパワーモジュールにおいて、温度推定部の動作を説明するためのタイミング図である。 パワー半導体素子の容量特性の一例を示す図である。 実施の形態7によるパワーモジュールの構成図である。 本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。
実施の形態1.
図1Aは、実施の形態1によるパワーモジュール101の一例を示す構成図である。図1Bは、図1Aの電流制御部1の構成例を示す回路図である。以下、図1Aおよび図1Bを参照して、パワーモジュール101の構成について説明する。
図1Aに示すように、パワーモジュール101は、パワー半導体素子10と、パワー半導体素子10を駆動制御する半導体装置100とを備える。半導体装置100は、パワー半導体素子10のスイッチングを制御するとともに、パワー半導体素子10の素子温度を測定する。
半導体装置100は、ゲート駆動部4と、電流制御部1と、タイミング制御部3と、電流検出部5と、電圧検出部6と、温度推定部7と、抵抗素子8(ゲート抵抗とも称する)とを備える。ここで、ゲート駆動部4は、パワー半導体素子10と接続されてパワー半導体素子10を駆動する駆動制御部としてのドライバ回路42と、ドライバ回路42を制御する主制御部41とを含む。
電流制御部1は、ドライバ回路42に接続され、ドライバ回路42を介してパワー半導体素子10の制御端子Gと負極端子Sとの間に電流を供給する。図1Bに示すように、電流制御部1は、パルス状の電流を供給できるパルス電流源20を含む。より具体的には、パルス電流源20は、たとえば電流源11と、電流源11に並列に接続された電流制御スイッチ12とを含む。電流制御スイッチ12が閉状態から開状態に切り替えられることにより、パルス電流源20は電流の出力を開始し、電流制御スイッチ12が開状態から閉状態に切り替えられることにより、パルス電流源20は電流の出力を終了する。
電流源11として、例えばバイポーラトランジスタを用いたり、カレントミラーを用いたり、定電圧源の出力側に抵抗を設けたものを用いたりしてもよく、一般的に知られている様々な電流源を用いることができる。また、電流源11は、その回路構成に応じて、電流を出力するカレントソースとして構成されてもよいし、電流を吸い込むカレントシンクとして構成されてもよい。電流制御スイッチ12は、例えばMOSFETなどの比較的高速動作するスイッチング素子を用いることができる。測定精度が要求される場合には、電流制御スイッチ12としてGaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)等の超高速デバイスを使用してもよい。
図1Bに示すように、電流源11および電流制御スイッチ12の各一端は、基準電位を与える基準電位ノード90に接続される。ここで、基準電位は、例えばドライバ回路42の制御グラウンドまたはドライバ回路42の電源電圧である。
電流源11および電流制御スイッチ12の各他端は、直接的または間接的にパワー半導体素子10の制御端子Gまたは負極端子Sに接続される。間接的に接続される場合、電流源11および電流制御スイッチ12の各他端は、ドライバ回路42に実装されたその他の電子部品である半導体スイッチング素子または抵抗器などを介してパワー半導体素子10の制御端子Gまたは負極端子Sに接続される。以下では、一例として、電流源11および電流制御スイッチ12の各他端が、パワー半導体素子10の負極端子Sに接続された場合について説明する。なお、以下の説明において、制御端子GをゲートGとも称し、負極端子SをソースSとも称する。
電圧検出部6は、ドライバ回路42に接続され、ドライバ回路42を介して制御端子Gまたは負極端子Sと基準電位との間の電圧を直接的または間接的に検出する。間接的に検出する場合、電圧検出部とパワー半導体素子の間には、ドライバ回路42に実装されたその他の電子部品である半導体スイッチング素子または抵抗器などが含まれる。電圧検出部6の検出値は、その他の電子部品による電位降下の影響を含む。
タイミング制御部3は、ゲート駆動部4の主制御部41からの指令412に基づいて、電流制御部1の電流制御スイッチ12を制御するためのスイッチ制御信号31を出力する。図1Aでは、説明のためにタイミング制御部3およびゲート駆動部4を明示的に区別して示しているが、タイミング制御部3は主制御部41に内包されていても構わない。また、ドライバ回路42とタイミング制御部3とを同じ基板上に実装しても構わないし、主制御部41、ドライバ回路42、タイミング制御部3、電流制御部1を全て同一の基板上に実装しても構わない。
主制御部41は、既に説明したように、ドライバ回路42およびタイミング制御部3を制御する。主制御部41として、例えばマイクロプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)などの機能デバイスが用いられる。
パワー半導体素子10は、MOSFET、IGBT、MESFET(Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor)、バイポーラトランジスタなどのいずれであってもよい。以下では、MOSFETを例に挙げて説明する。また、パワー半導体素子10の材料としては、Siのほかに、SiC、GaN、Ga、ダイヤモンドなどを用いてもよい。図1Aに示すように、パワー半導体素子10は、正極端子Dと、負極端子Sと、制御端子Gとを備える。制御端子Gに印加される駆動電圧によって、正極端子Dと負極端子Sとの間に流れる電流が制御される。
パワー半導体素子10の制御端子Gは、例えばゲート配線部2に設けられた抵抗素子8を通してドライバ回路42と接続される。ゲート配線部2は、パワー半導体素子10の制御端子G、負極端子S、およびドライバ回路42を接続する一連のループ配線を表す。
電流検出部5は、ゲート配線部2を流れる電流を検出する。したがって、電流検出部5は、電流制御スイッチ12が開状態のときに電流源11によってパワー半導体素子10に流れる電流を検出する。図1Aの場合、電流検出部5は、一例として、パワー半導体素子10の制御端子Gに接続された抵抗素子8の両端間の電圧から電流を推定する。この場合、電流検出部5として、たとえば計装アンプを使用できる。図1Aでは、抵抗素子8を明示しているが、アプリケーションによっては、パワー半導体素子10の外部にゲート抵抗を設けない場合もあり得る。電流検出部5の他の構成として、カレントトランス、ホール素子、ロゴスキーコイルなどが挙げられる。
温度推定部7は、電圧検出部6の検出値と、電流検出部5の検出値と、タイミング制御部3の制御情報32とに基づいて、パワー半導体素子10の抵抗値を計算する。温度推定部7は、事前に計測され記録された抵抗値と素子温度との関係を示す換算データとの比較により、新たに測定されたパワー半導体素子10の抵抗値を温度に換算する。換算された温度情報は主制御部41にフィードバックされる。主制御部41は、当該温度が予め定められたある値よりも大きくなった場合に、パワー半導体素子の損失を下げるように駆動パターンを変更したり、さらに上位のシステムに警告情報を出力したりすることができる。図1Aでは説明のために、主制御部41と温度推定部7とを別個の構成として示したが、温度推定部7の機能を主制御部41に内包させても構わない。
図2は、図1Aのパワーモジュール101の変形例を示す構成図である。図2のパワーモジュール101は、抵抗素子8が、制御端子Gに接続された配線(ゲート配線)でなく、負極端子Sに接続された配線(ソース配線)に接続されている点で、図1Aのパワーモジュール101と異なる。この場合も抵抗素子8は、ゲート配線部2に流れる電流を検出するために設けられていることに変わりは無い。図2のその他の点は図1Aの場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
[パワー半導体素子の温度推定方法]
以下、図1Aの半導体装置100によるパワー半導体素子10の温度の推定方法についてより具体的に説明する。
図3は、図1Aの半導体装置100による温度推定方法を説明するためのタイミングチャートである。図3において、時刻t2までの波形は温度測定を行わない通常のスイッチング動作時における電圧波形および信号波形を示し、時刻t2以降の波形はスイッチング動作とともに温度測定を行う場合の電圧波形および信号波形を示す。まず、通常のスイッチング動作時における半導体装置100の動作について説明する。
(通常時における半導体装置の動作)
ドライバ回路42は、パワー半導体素子10を駆動するために閾値電圧より大きい正電位Vccおよび閾値電圧以下の電位Vee(通常、負電位もしくはゼロ電位となる)を出力する。具体的に、ドライバ回路42は、主制御部41からの入力信号411に基づいて、パワー半導体素子10の制御端子Gに、ゲート電圧として正電位Vccまたは負もしくはゼロ電位Veeを印加する。
通常動作時では、タイミング制御部3は、電流制御部1の電流制御スイッチ12を常に導通状態に制御する。したがって、電流制御スイッチ12にn型MOSFETなどのエンハンスメント型素子が使用されている場合には、電流制御スイッチ12のスイッチ制御信号31として常にハイ(H)レベルの信号が入力される。電流制御スイッチ12にp型MOSFET等のディプレッション型素子が使用されている場合には、スイッチ制御信号31として常にロウ(L)レベルの信号が入力される。
具体的に図3を参照して、ターンオン動作の場合には、時刻t0でドライバ回路42への入力信号411がHレベルになると、パワー半導体素子10の制御端子Gに正電位Vccが印加され、ゲート電圧が上昇する。ゲート電圧は、抵抗素子8の抵抗値とパワー半導体素子10の素子容量とからなる時定数による立ち上がり期間を経て、時刻t0’の時点で正電位Vccに到達する。このとき、ドライバ回路42からパワー半導体素子10に供給されるゲート電流はそのまま電流制御スイッチ12を介して基準電位ノード90へと流れる。また、電流源11からの電流も同様に電流制御スイッチ12を介して基準電位ノード90に流れ、ドライバ回路42に出力されない。なお、時刻t0と時刻t0’との間の立ち上がり期間でミラー電圧V_millerが観測される。
ターンオフ動作の場合には、時刻t1でドライバ回路42の入力信号411が、HレベルからLレベルに変化する。これにより、パワー半導体素子10の制御端子Gには負もしくはゼロ電位Veeが印加され、ゲート電圧が下降する。ゲート電圧は、ターンオン時の場合と同様に立下り期間を経て時刻t1’の時点で負もしくはゼロ電位Veeに到達する。ターンオン動作の場合と同様に、ゲート電流は電流制御スイッチ12を介して基準電位ノード90に流れる。電流源11からの電流は、電流制御スイッチ12を介して基準電位ノード90へ流れ、ドライバ回路42に出力されない。なお、立ち下がり期間においてもミラー電圧が観測される。
(オン期間中での温度測定)
次に、温度計測を行う場合の半導体装置100の動作について説明する。温度計測は、ゲート電圧の立ち上がり期間および立ち下がり期間以外のゲート電圧が安定している期間で行われる。ゲート電圧が安定している期間には、ゲート電圧が正電位Vccで安定している期間(以下、「オン期間」と称する)と、ゲート電圧が負もしくはゼロ電位Veeで安定している期間(以下、「オフ期間」と称する)とがある。
まず、オン期間中での温度測定について説明する。図3を参照して、時刻t2でドライバ入力信号411がHレベルになってから、一定の遅延期間の経過後である時刻t3に、スイッチ制御信号31がLレベルに切り替わる。この遅延時間は、簡単には、抵抗素子8の抵抗値とパワー半導体素子10の素子容量とからなる時定数、またはそれ以上の時間として設定することができる。この遅延時間が短いと、ドライバ回路42からのゲート駆動電流も電流検出部5によって検出されるため、温度測定の精度に影響を与える。一方、この遅延時間が長いと、スイッチ制御信号31をHレベルに戻す時刻t4が、ターンオフ開始時刻t5に近くなる。この結果、ドライバ回路42からのゲート駆動電流も電流検出部5によって検出されるため、温度測定の精度に影響を与える。
スイッチ制御信号31がLレベルになると(時刻t3)、図1Bの電流制御スイッチ12がオフ状態になる。これにより、電流源11からの電流は基準電位ノード90にではなく、パワー半導体素子10のほうに流れる。このとき、電圧検出部6によって検出される電圧は次式(1)で表される。
Figure 0007042991000001
式(1)において、VIg(t-t3)は、時刻tにおいて電圧検出部6によって検出される電圧を表す。Rgintは、パワー半導体素子10に存在するゲート抵抗(内蔵ゲート抵抗)の値である。内蔵ゲート抵抗は、たとえば、パワー半導体素子10上にポリシリコン等の材料で作り込まれる。または、内蔵ゲート抵抗は、パワー半導体素子10上のゲート配線パターンによる寄生抵抗を含む。Rは、ドライバ回路42上の抵抗および抵抗素子8の値を表し、パワー半導体素子10自体に起因する抵抗以外の抵抗成分を表す。Cdieは、パワー半導体素子10のゲート側から見た容量値を表す。Iは電流源11からの供給電流を表す。
図1Bに示す電流制御部1において、電流制御スイッチ12がオフ状態になり、電流源11からパワー半導体素子10に対して電流注入が始まると、式(1)に従って電圧VIgが生じる。具体的にはまず、式(1)の右辺第1項に示すように、パワー半導体素子10の内蔵ゲート抵抗、抵抗素子8、およびドライバ回路42上の抵抗の合計値に電流源11から供給される電流値を乗じることによって得られる電圧V0=(R+Rgint)・Iが定常的に生じる。
さらに、式(1)の右辺第2項に示すように、電流制御スイッチ12がオフされた時刻t3以降、パワー半導体素子10の寄生容量の充電によって充電電圧が(t-t3)・I/Cdieに従って上昇する。寄生容量Cdieが一定で、電流源11の電流Iが一定の値である場合には、電圧検出部6によって検出される電圧は線形に上昇する。このため、任意時点t3’での電圧検出値、電流制御スイッチ12がオフされた時刻t3からの経過時間(t3’-t3)、および電流検出部5により検出されたゲート電流値Iを用いて、抵抗値R+Rgintが計算できる。
実際には、それぞれの抵抗値R,Rgintには温度依存性がある。抵抗値R,Rgintの各々が線形の温度依存性を持つ場合には、R(T)≒Rg0(1+K・T)、Rgint(T)≒Rgint0(1+K・T)として表される。パワー半導体素子10の内蔵ゲート抵抗以外の抵抗Rgの温度依存性が、パワー半導体素子10の内蔵ゲート抵抗Rgintの温度依存性よりも十分小さければ、すなわち、ΔR<ΔRgintであれば、抵抗値R+Rgintの温度依存性は、パワー半導体素子10の内蔵ゲート抵抗の温度依存性を表す。したがって、上述した計算により得られた抵抗値R+Rgintと、事前に記録された抵抗値と温度との関係を表す校正データとの比較によりパワー半導体素子10の温度を算出できる。このような校正データを取得するには、例えば、パワーモジュール101を恒温槽に設置して、パワー半導体素子10の素子温度を外部から変化させたときに、上記と同様の方法で抵抗値R+Rgintを求めることにより取得できる。校正データの取得が困難な場合には、温度による内蔵ゲート抵抗Rgintの変化率(温度係数)を予め取得しておき、取得した温度係数を用いた計算によって代えることができる。
(オフ期間中での温度測定)
次にオフ時間中での温度測定について説明する。図3の時刻t5で、ドライバ入力信号411がLレベルになってから、一定の遅延期間の経過後である時刻t6に、スイッチ制御信号31がLレベルに切り替わる。前述したように、この遅延時間は、簡単には、抵抗素子8の抵抗値とパワー半導体素子10の素子容量とからなる時定数、またはそれ以上の時間として設定することができる。この遅延時間が短いと、ドライバ回路42からのゲート駆動電流も電流検出部5によって検出されるため、温度測定の精度に影響を与える。
スイッチ制御信号31がLレベルになると(時刻t6)、図1Bの電流制御スイッチ12がオフ状態になる。これにより、電流源11からの電流は基準電位ノード90にではなく、パワー半導体素子10のほうに流れる。
電流制御スイッチ12がオフ状態になり、電流源11からパワー半導体素子10に対して電流注入が始まると、前述の式(1)に従って電圧VIgが生じる(ただし、時刻t3は時刻t6に置き換えられる)。具体的には、パワー半導体素子10の内蔵ゲート抵抗と抵抗素子8の合計値に電流源から供給される電流Iを掛けることによって生じる電圧V0=(R+Rgint)・Iが生じる。さらに、パワー半導体素子10の寄生容量の充電電圧である(t-t6)・Ig/Cdieが時間と共に上昇する。オン期間中での測定の場合と同様に、寄生容量Cdieが一定値で、ゲート電流Igが一定値の場合には、電圧検出部6の検出電圧は線形に上昇する。このため、時刻t6と時刻t7との間の任意時点t6’での電圧検出値、電流制御スイッチ12がオフされた時刻t6からの経過時間(t6’-t6)、および電流検出部5により検出されたゲート電流値Iを用いて、抵抗値R+Rgintが計算できる。パワー半導体素子10の内蔵ゲート抵抗以外のゲート抵抗の温度依存性が内蔵ゲート抵抗の温度依存性よりも十分に小さい場合には、抵抗値R+Rgintの温度依存性は、パワー半導体素子10の内蔵ゲート抵抗の温度依存性を表す。したがって、上述した計算により得られた抵抗値R+Rgintと、事前に記録された抵抗値と温度との関係を表す校正データとの比較によりパワー半導体素子10の温度を算出できる。
[実施の形態1の効果]
以上のように、本実施の形態のパワーモジュール101では、パワー半導体素子10のオン期間中またはオフ期間中に、電流源11からゲート電流Iを注入したときの電圧変化を測定することにより、パワー半導体素子10の温度を安定的に求めることができる。上記のゲート電流の注入開始のタイミングは、ドライバ電圧の立ち上がりや立下りタイミングから、簡単にはゲート抵抗と素子容量からなる時定数、またはそれ以上の時間として設定された遅延時間の経過後として定めることができる。
実施の形態2.
実際には、パワー半導体素子10のゲート容量Cdieは、パワー半導体素子10の端子電圧によって変化する。そこで、実施の形態2では、ゲート容量Cdieの変化の影響を抑制する方法について説明する。
図4は、典型的なMOSFETのゲート容量の変化を示す図である。図4のように示すように、ゲート容量Cdieは、ゲート-ソース間電圧Vgsが十分低い領域(蓄積領域)と、十分に高い領域(反転領域)では、ほぼ一定の値になる。これに対して、ゲート-ソース間電圧Vgsが中間領域(空乏領域)である遷移領域では、ゲート容量Cdieは大きく変動する。パワー半導体素子10によっては、中間領域におけるゲート容量Cdieの変動量は、蓄積領域のゲート容量Cdieに対して30%程度になる。このような特性は、例えば出荷前のMOSFETに対して、ゲート容量Cdieのゲート-ソース間電圧Vgs依存性を測定することにより、事前に確認することができる。
したがって、容量が大きく変動する中間領域では、電圧検出部6の電圧は式(1)に示すように線形に上昇しなくなり、温度の推定精度に影響を与える。例えば、図3に示すタイミングチャートによれば、パワー半導体素子10に電流源11から電流を供給することで、電圧検出部6によって検出される電圧は上昇し、パワー半導体素子10に印加されるゲート-ソース間電圧Vgsが変化する。
上記の点を考慮して、実施の形態2のパワーモジュール101の一態様によれば、タイミング制御部3は、電圧検出部6によって検出された電圧値の変化量がある一定の電圧V1以下になるような、一定期間t4-t3のみ、スイッチ制御信号31をLレベルに保持し、検出電圧の変化量が電圧V1を超えるとスイッチ制御信号31をHレベルにする。時刻t4でスイッチ制御信号31をHレベルに戻すことにより、電流制御スイッチ12が導通し、パワー半導体素子10のゲート-ソース間に加わる電圧Vgsは、ドライバ回路42から供給される電圧と等しくなる。このように電圧検出部6によって検出される電圧の変化量が、パワー半導体素子10の容量特性に応じて定まる閾値以下になるようにタイミング制御を行うことで、素子容量Cdieの変動を防ぎ、温度推定精度の低下を防止できる。
また、素子容量Cdieはパワー半導体素子10のドレイン-ソース間電圧によっても変化する。したがって、素子容量Cdieの変化の程度は、オン期間中とオフ期間中とで異なる。このため、オフ期間中での測定においては、タイミング制御部3は、電圧検出部の検出電圧の変化量が上記の電圧V1と異なるある一定の電圧V2以下になるような、一定期間t5-t6期間のみ、スイッチ制御信号31をLレベルに保持し電流制御スイッチ12をオフ状態にする。時刻t6でスイッチ制御信号31をHレベルに戻すことで、電流制御スイッチ12が導通し、パワー半導体素子10のゲート-ソース間電圧Vgsは、ドライバ回路42から供給される電圧に等しくなる。
実施の形態2のパワーモジュール101によれば、上記のように、主制御部41が電圧検出部6によって検出される電圧の変化量が閾値以下になるようにタイミング制御を行うことで、温度推定精度の低下を防止できる。
実施の形態3.
以下、図5~図11Bを参照して、実施の形態3によるパワーモジュール101の半導体装置100の構成について説明する。実施の形態3のパワーモジュール101では、電流制御部1の構成が図1Aおよび図1Bの場合と異なり、より具体的に示されている。電流制御部1以外の点ついては、実施の形態3のパワーモジュール101の構成は実施の形態1および実施の形態2の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。なお、電流制御部1を構成する電流源11として、負荷に対して電流を供給するカレントソースを用いることもできるし、負荷から電流を吸収するカレントシンクを用いることもできる。
[第1の態様]
図5は、実施の形態3のパワーモジュールの第1の態様を示す構成図である。図5では、電流制御部1をパワー半導体素子10のソースS側に配置した場合の例を示す。この場合、電流制御部1の基準電位は、ドライバ回路42の制御グラウンド900である。したがって、電流源11および電流制御スイッチ12は、パワー半導体素子10の負極端子Sと制御グラウンド900との間に接続されている。
電流源11からの電流は、スイッチ制御信号31がHレベルの場合、すなわち電流制御スイッチ12が導通状態の場合にはすべて基準電位900に流れる。スイッチ制御信号31がLレベルの場合には、電流源11からの電流はパワー半導体素子10の方向に流れ、ソースSからパワー半導体素子10に流入する。したがって、パワー半導体素子10のゲート-ソース間電圧Vgsは、オン期間中の場合には図3の時刻t3から時刻t4に示すように変化し、オフ期間中の場合は図3の時刻t6から時刻t7に示すように変化する。
ここで、オン期間中とオフ期間中では、パワー半導体素子10に印加されるゲート-ソース間電圧およびドレイン-ソース間電圧がそれぞれ異なり、結果としてパワー半導体素子10の容量Cdieも異なる。このため、オン期間中とオフ期間中とでゲート電圧の電圧波形は同一ではなく、したがって、電圧検出部6によって検出される電圧も例えば図3に示すようにオン期間中はV1,オフ期間中はV2というように異なる値をとる。
[第2の態様]
図6は、実施の形態3のパワーモジュールの第2の態様を示す構成図である。図6では、電流制御部1をパワー半導体素子10のゲート側に配置した場合の例を示す。図6の場合、電流源11にはカレントソースが用いられている。電流制御部1の基準電位は、ドライバ回路42の制御グラウンド900である。
図7は、図6の回路構成において、電流制御部1、ドライバ回路42の出力段、抵抗素子8、およびパワー半導体素子10の部分を取り出して示した構成図である。
図7を参照して、ドライバ回路42の出力段は、互いに直列接続された高電位側スイッチ42Hと低電位側スイッチ42Lとを含む。高電位側スイッチ42Hの一端は正電位Vccに接続される。低電位側スイッチ42Lの一端は電流制御部1の電流源11および電流制御スイッチ12を介して基準電位900に接続される。高電位側スイッチ42Hおよび低電位側スイッチ42Lの各他端(すなわち、これらのスイッチ42H,42Lの接続点)は、抵抗素子8を介してパワー半導体素子10の制御端子Gに接続される。したがって、電流源11および電流制御スイッチ12は、パワー半導体素子10の制御端子Gと基準電位を与える制御グラウンド900との間に接続されている。
上記の構成によれば、電流制御部1の電流源11からの電流は、ドライバ回路42の出力がLレベルの場合のみ(すなわち、低電位側スイッチ42Lがオン状態の場合のみ)パワー半導体素子10の制御端子Gに供給できる。
図8は、図6および図7に示す半導体装置100によるパワー半導体素子10の温度測定方法を説明するためのタイミング図である。図8に示すように、主制御部41は、ドライバ入力信号411がLレベルである時刻t5よりも後の、時刻t6から時刻t7の間に、スイッチ制御信号31をLレベルにすることにより、電流源11からの電流をパワー半導体素子10の制御端子Gへ入力する。
[第3の態様]
図9は、実施の形態3のパワーモジュールの第3の態様を示す構成図である。図9では、電流制御部1をパワー半導体素子10のゲート側に配置した場合の例を示す。図9の場合、電流源11にはカレントソースまたカレントシンクを用いることができる。ドライバ回路42の基準電位901に関しては、図10Aおよび図10Bを参照して後述する。
図10Aおよび図10Bは、図9の回路構成において、電流制御部1、ドライバ回路42の出力段、抵抗素子8、およびパワー半導体素子10の部分を取り出して示した構成図である。図10Aの回路図は、電流源11にカレントシンクを使用した場合を示し、図10Bの回路図は、電流源11にカレントソースを使用した場合を示す。
図10Aを参照して、ドライバ回路42の出力段は、互いに直列接続された高電位側スイッチ42Hと低電位側スイッチ42Lとを含む。高電位側スイッチ42Hの一端は、電流制御部1の電流源11および電流制御スイッチ12を介して基準電位901に接続される。この場合の基準電位901は、ドライバ回路42の電源電圧Vccに等しい。低電位側スイッチ42Lの一端はドライバ回路42のグランド電位Veeに接続される。高電位側スイッチ42Hおよび低電位側スイッチ42Lの各他端(すなわち、これらのスイッチ42H,42Lの接続点)は、抵抗素子8を介してパワー半導体素子10の制御端子Gに接続される。したがって、電流源11および電流制御スイッチ12は、パワー半導体素子10の制御端子Gとドライバ回路42の電源電圧Vccに等しい基準電位901との間に接続されている。
図10Bを参照して、ドライバ回路42の出力段は、互いに直列接続された高電位側スイッチ42Hと低電位側スイッチ42Lとを含む。高電位側スイッチ42Hの一端は、切り離し用スイッチ43を介してドライバ回路42の電源電圧Vccに接続されるとともに、電流制御部1の電流源11および電流制御スイッチ12を介して基準電位901に接続される。この場合の基準電位901は、ドライバ回路42の電源電圧Vccよりも高電位である。高電位側スイッチ42Hおよび低電位側スイッチ42Lの各他端(すなわち、これらのスイッチ42H,42Lの接続点)は、抵抗素子8を介してパワー半導体素子10の制御端子Gに接続される。したがって、電流源11および電流制御スイッチ12は、パワー半導体素子10の制御端子Gとドライバ回路42の電源電圧Vccよりも高電位の基準電位901との間に接続されている。
切り離し用スイッチ43は、電流制御部1の電流源11から電流供給中に、ドライバ回路42をドライバ回路42の電源電圧Vccから切り離すために設けられている。これにより、電流制御部1の電流源11から出力された電流を、パワー半導体素子10に供給できる。切り離し用スイッチ43は、スイッチ制御信号31と同じタイミングで制御される。切り離し用スイッチ43としてn型MOSFETを使用する場合、切り離し用スイッチ43の制御信号として、レベルシフタ等でスイッチ制御信号31の基準電位をシフトさせた信号を用いることができる。
図11Aは、図10Aの電流制御部の回路構成の場合において、パワー半導体素子10の温度測定方法を説明するためのタイミング図である。
図10Aに示すように、電流制御部1の電流源11は、ドライバ回路42の出力段の高電位側にカレントシンクとして接続される。この場合、主制御部41は、図11Aのオン期間中の時刻t3から時刻t4にのみ、スイッチ制御信号31をLレベルにすることにより、パワー半導体素子10の制御端子Gから電流源11に電流を吸収することができる。図11Aに示すように、この時刻t3から時刻t4の期間には、ゲート電圧は低下し、電圧検出部6の検出電圧は上昇する。
図11Bは、図10Bの電流制御部の回路構成の場合において、パワー半導体素子10の温度測定方法を説明するためのタイミング図である。
図10Bに示すように、電流制御部1の電流源11は、ドライバ回路42の出力段の高電位側にカレントソースとして接続される。この場合、主制御部41は、図11Bのオン期間中の時刻t3から時刻t4にのみ、スイッチ制御信号31をLレベルにすることにより、電流源11からの電流をパワー半導体素子10の制御端子Gに供給することができる。図11Aに示すように、この時刻t3から時刻t4の期間には、ゲート電圧は上昇し、電圧検出部6の検出電圧は上昇する。
上記のように、図9に示す回路構成の電流制御部1を使用した場合は、ドライバ回路42は、パワー半導体素子10がオン期間中の場合にのみ、パワー半導体素子10の制御端子Gに供給できる。また、実施の形態3の図5、図6および図9の回路構成を利用することにより、電流制御部1の出力する電流を、パワー半導体素子10の制御端子Gに供給した場合でも負極端子Sに供給した場合でも、パワー半導体素子10の温度を推定可能となる。
実施の形態4.
実施の形態4では、パワー半導体素子10が並列に複数接続されている場合の例について説明する。以下では、3個のパワー半導体素子10A,10B,10Cが並列に接続されている場合について説明するが、並列接続されている複数のパワー半導体素子10は、3個に限定されない。なお、複数のパワー半導体素子10A,10B,10Cを総称する場合、または任意の1個を示す場合にパワー半導体素子10と記載する。
図12は、実施の形態4のパワーモジュールの構成図である。図12の半導体装置100は、切り替え回路(MUX)51と、パワー半導体素子10A,10B,10Cのそれぞれの制御端子Gに接続される抵抗素子8A,8B,8Cとをさらに含む点で、図1Aの半導体装置100と異なる。図12のその他の点は図1Aの場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
切り替え回路51は、電流検出部5とパワー半導体素子10A,10B,10Cの各制御端子Gとの間に接続される。この場合、電流検出部5は、抵抗素子8A,8B,8Cをそれぞれ含むゲート配線を流れる電流を検出する。具体的には、抵抗素子8A,8B,8Cの各々の両端間の電圧から、各パワー半導体素子10のゲート電流Iを検出する。切り替え回路51による切り替えを制御する信号は、温度推定部7を経由して供給されてもよいし、主制御部41から直接供給されてもよい。電流検出部は例えば抵抗素子8A、8B、8Cを含むゲート配線部を流れる電流を検知するように設けられる。
実施の形態1の場合と同様に、アプリケーションによっては、パワー半導体素子10の外部にゲート抵抗を設けない場合もあるし、ソース側に抵抗素子を設ける場合もあり得る。電流検出部5の他の構成例として、カレントトランス、ホール素子、ロゴスキーコイルなどが挙げられる。
図13および図14は、図12の半導体装置100によるパワー半導体素子10A,10B,10Cの温度測定方法を示すタイミング図である。図12の切り替え回路51の切り替えタイミングとして以下の2つの方法が考えられる。
[第一の方法]
第一の方法は、図13に示すように、一つのスイッチングサイクル中に測定するゲート配線部2を切り替える方法である。図13では、オン期間中の測定方法について示しているが、オフ期間中においても同様に各パワー半導体素子10の温度を測定できる。
具体的には、パワー半導体素子10A,10B,10Cのオン期間中またはオフ期間中に、切り替え回路51の切り替えスイッチを端子posA,posB,posCの順に切り替える。ここで、端子posAは抵抗素子8Aに接続され、端子posBは抵抗素子8Bに接続され、端子posCは抵抗素子8Cに接続されている。すなわち、それぞれの端子はパワー半導体素子10A,10B,10Cと接続されている。
たとえば、図13の例では、主制御部41は、シーケンスの開始時には切り替え回路の切り替えスイッチを端子posAに接続する。したがって、初めにパワー半導体素子10Aの温度を測定することになる。
時刻t2でドライバ入力信号がHになった一定の遅延時間の経過後である時刻t3Aに、タイミング制御部3は、スイッチ制御信号31をLレベルにする。これにより、電流検出部5は、パワー半導体素子10Aを通る経路の電流IAを測定する。電圧検出部6は、パワー半導体素子10A,10B,10Cの並列接続回路の電圧を測定する。すなわち、式(1)に従って、電圧検出部6で検出される電圧は、パワー半導体素子の抵抗成分に対応する電圧V0まで立ち上がった後、素子容量Cdie、ゲート電流値I、通電期間t4A-t3Aに応じて、電圧V1まで上昇する。温度推定部7は、この期間の電圧値と電流値とから、パワー半導体素子10Aの等価的な抵抗値を算出し、事前に取得した校正データとの比較から、パワー半導体素子10Aの温度を推定する。
時刻t3Aから一定期間が経過した時刻t4Aに、タイミング制御部3は、スイッチ制御信号31をHレベルとする。これにより、パワー半導体素子10Aへの電流注入が止まると、パワー半導体素子10Aのゲート電圧はドライバ回路42の電源電圧Vccまで戻る。上記の一定期間は、例えば実施の形態2で説明したように、パワー半導体素子の容量Cdieの変動が小さくなるように定められた電圧上昇量となるように選定する。
次に、時刻t4Aから一定の遅延時間が経過した後の時刻t8において、切り替え回路51は、切り替えスイッチを端子posBに切り替える。この遅延時間は、例えば、ゲート電圧の変化分(V1)、パワー半導体素子の容量Cdie、ゲート抵抗R、内蔵ゲート抵抗Rgintの各値から計算できる時定数よりも長い値とする。
その後の時刻t3Bにおいて、タイミング制御部3は、スイッチ制御信号31を再度Lレベルとすることにより、電流制御部1の電流源11から各パワー半導体素子10に電流を供給する。切り替え回路51の切り替えスイッチが端子posBに接続されているので、電流検出部5は、パワー半導体素子10Bを通る経路の電流IBを検出する。電圧検出部6は、パワー半導体素子10A,10B,10Cの並列接続回路の電圧を検出する。すなわち、式(1)に従って、電圧検出部6で検出される電圧は、パワー半導体素子の抵抗成分に対応する電圧V0まで立ち上がった後、素子容量Cdie、ゲート電流値I、通電期間t4B-t3Bに応じて電圧V1まで上昇する。ここで、図13では、時刻t3Bから時刻t4Bまでの時間は、時刻t3Aから時刻t4Aまでの時間と同じとしているので、電圧検出部6によって検出される電圧は同じV1まで上昇する。温度推定部7は、この期間の電圧値と電流値とから、パワー半導体素子10Bの等価的な抵抗値を算出し、事前に取得した校正データとの比較から、パワー半導体素子10Bの温度を推定する。
時刻t3Bから一定期間が経過した時刻t4Bに、タイミング制御部3は、スイッチ制御信号31をHレベルとする。これにより、パワー半導体素子10Bへの電流注入が止まると、パワー半導体素子10Bのゲート電圧はドライバ回路42の電源電圧Vccまで戻る。
次に時刻t4Bから一定の遅延時間が経過した時刻t9において、切り替え回路51は、切り替え回路を端子posCに切り替える。この遅延時間は、例えば、ゲート電圧の変化分(V1)、パワー半導体素子の容量Cdie、ゲート抵抗R、内蔵ゲート抵抗Rgintの各値から計算できる時定数よりも長い値とする。
その後の時刻t3Cにおいて、タイミング制御部3は、スイッチ制御信号31を再度Lレベルにすることにより、電流制御部1の電流源11から各パワー半導体素子10へ電流を供給する。切り替え回路51の切り替えスイッチが端子posCに接続されているので、電流検出部5は、パワー半導体素子10Cを通る経路の電流ICを検出する。電圧検出部6は、パワー半導体素子10A,10B,10Cの並列接続回路の電圧を検出する。すなわち、式(1)に従って、電圧検出部6で検出される電圧は、パワー半導体素子の抵抗成分に対応する電圧V0まで立ち上がった後、素子容量Cdie、ゲート電流値I、通電期間t4C-t3Cに応じて電圧V1まで上昇する。ここで、図13では、時刻t3Cから時刻t4Cまでの時間は、時刻t3Aから時刻t4Aまでの時間と同じとしているので、電圧検出部6によって検出される電圧は同じV1まで上昇する。温度推定部7は、この期間の電圧値と電流値とから、パワー半導体素子10Cの等価的な抵抗を算出し、事前に取得した校正データとの比較から、パワー半導体素子10Cの温度を推定する。
なお、上記において、パワー半導体素子10A,10B,10Cの内蔵ゲート抵抗、外部抵抗素子8A,8B,8C、素子容量Cdie、および素子温度は異なるので、電流検出部5によって検出される電流IA,IB,ICもそれぞれ異なる。
上記のように、切り替え回路51によって電流検出部5の接続先を切り替えることによって、ドライバ回路42および電流検出部5を増やすことなく、並列接続されたパワー半導体素子10の素子温度を個別に測定できる。
[第二の方法]
上記の第一の方法では、単一のスイッチングサイクルの中で複数回温度を測定するため、ゲート電圧の変動が大きく、パワー半導体素子10の損失が増加する可能性がある。この点を改良したものが、次の第二の方法である。
第二の方法は、図14に示すように、スイッチングサイクルごとに測定するゲート配線部2を切り替えていく方法である。図14では、オン期間中の測定方法について示しているが、オフ期間中においても、ゲート電圧およびドライバ入力信号411が異なる以外は、同様に各パワー半導体素子10の温度を測定できる。また、以下では、切り替え回路51の切り替えスイッチの接続先の初期設定として端子posAが選択しているが、端子posB,posCを接続先の初期設定としても構わない。
時刻t2Aでドライバ入力信号411がHになると、パワー半導体素子10A,10B,10Cのゲート電圧が上昇を始める。
その後、一定の期間の経過後である時刻t3Aに、タイミング制御部3がスイッチ制御信号31をLレベルにすると、電流制御部からパワー半導体素子10A,10B,10Cに電流が流れ始める。このとき、切り替え回路51の切り替えスイッチは端子posAに接続されているので、電流検出部5は、パワー半導体素子10Aに流れる電流IAを検出する。同時に、電圧検出部6は、パワー半導体素子10A,10B,10Cの並列接続回路の電圧を検出する。すなわち、式(1)に従って、電圧検出部6で検出される電圧は、パワー半導体素子の抵抗成分に対応する電圧V0まで立ち上がった後、素子容量Cdie、ゲート電流値I、通電期間t4A-t3Aに応じて、電圧V1まで上昇する。温度推定部7は、この期間の電圧値と電流値とから、パワー半導体素子10Aの等価的な抵抗値を算出し、事前に取得した校正データとの比較から、パワー半導体素子10Aの温度を推定する。
その後、タイミング制御部3は、スイッチ制御信号31をHレベルにすると、パワー半導体素子10Aへの電流注入が止まり、パワー半導体素子10Aのゲート電圧はドライバ回路42の電源電圧Vccまで戻る。
次に、主制御部41は、切り替え回路51の切り替えスイッチを端子posBに接続する。図14では、切り替え回路51の切り替えのタイミングを、ドライバ入力信号411をHレベルに変化させるタイミングと同タイミングにしているが、必ずしも同じタイミングでなくてよい。切り替え回路51の切り替えタイミングは、スイッチ制御信号31を再度Lレベルにするタイミングよりも前であればよい。
時刻t3Bにおいて、切り替え回路51の切り替えスイッチが端子posBに接続されている状態で、タイミング制御部3は、スイッチ制御信号31を再度Lレベルにする。これにより、電流制御部1からの電流がパワー半導体素子10A,10B,10Cに流れる。このとき、電流検出部5は、パワー半導体素子10Bを通る経路の電流IBを検出する。電圧検出部6は、パワー半導体素子10A,10B,10Cの並列接続回路の電圧を検出する。すなわち、式(1)に従って、電圧検出部6で検出される電圧は、パワー半導体素子の抵抗成分に対応する電圧V0まで立ち上がった後、素子容量Cdie、ゲート電流値I、通電期間t4B-t3Bに応じて電圧V1まで上昇する。温度推定部7は、この期間の電圧値と電流値とから、パワー半導体素子10Bの等価的な抵抗値を算出し、事前に取得した校正データとの比較から、パワー半導体素子10Bの温度を推定する。
その後、時刻t4Bにおいて、タイミング制御部3がスイッチ制御信号31をHレベルにすると、電流制御部1から電流が出力されなくなるので、パワー半導体素子のゲート電圧はドライバ回路42の電源電圧Vccまで戻る。その後の時刻t5Bにおいて、主制御部41は、ドライバ入力信号411をLレベルにすることにより、各パワー半導体素子10をターンオフさせる。
次に、主制御部41は、切り替え回路51の切り替えスイッチを端子posCに接続する。図14では、切り替え回路51の切り替えのタイミングを、ドライバ入力信号411をHレベルに変化させるタイミングと同タイミングにしているが、必ずしも同じタイミングでなくてよい。切り替え回路51の切り替えタイミングは、スイッチ制御信号31を再度Lレベルにするタイミングよりも前であればよい。
時刻t3Cにおいて、切り替え回路51の切り替えスイッチが端子posCに接続されている状態で、タイミング制御部3は、スイッチ制御信号31を再度Lレベルにする。これにより、電流制御部1からの電流がパワー半導体素子10A,10B,10Cに流れる。このとき、電流検出部5は、パワー半導体素子10Cを通る経路の電流IBを検出する。電圧検出部6は、パワー半導体素子10A,10B,10Cの並列接続回路の電圧を検出する。すなわち、式(1)に従って、電圧検出部6で検出される電圧は、パワー半導体素子の抵抗成分に対応する電圧V0まで立ち上がった後、素子容量Cdie、ゲート電流値I、通電期間t4C-t3Cに応じて電圧V1まで上昇する。温度推定部7は、この期間の電圧値と電流値とから、パワー半導体素子10Cの等価的な抵抗値を算出し、事前に取得した校正データとの比較から、パワー半導体素子10Cの温度を推定する。
その後、時刻t4Cにおいて、タイミング制御部3がスイッチ制御信号31をHレベルにすると、電流制御部1から電流が出力されなくなるので、パワー半導体素子のゲート電圧はドライバ回路42の電源電圧Vccまで戻る。その後の時刻t5Cにおいて、主制御部41は、ドライバ入力信号411をLレベルにすることにより、各パワー半導体素子10をターンオフさせる。
上記のように、実施の形態4のパワーモジュール101では、電流検出部5を、切り替え回路51を介して複数のパワー半導体素子10にそれぞれ接続することによって、並列接続された複数のパワー半導体素子10の温度を個別に検出できる。
実施の形態5.
実施の形態5では、温度推定部7による温度推定方法の詳細について説明する。温度推定部7以外の点については、実施の形態1~4で説明したものと同様であるので説明を繰り返さない。また、以下では、パワー半導体素子10のオン期間中の温度測定について説明するが、オフ期間中の温度測定ついても同様である。
図15は、スイッチ制御信号31がLレベルのときの電流制御部1の出力電流波形および電圧検出部6の検出電圧の波形をより実体に即して示した図である。
図15を参照して、時刻t3で、スイッチ制御信号31がLレベルになると、電流制御部1において、電流源11から電流制御スイッチ12に流れていた電流は、パワー半導体素子10に流れるようになる。このとき、配線インダクタンスおよび電流源11からの電流変化に起因したサージ電流およびサージ電圧が生じる。これにより、電流制御部1の出力電流の波形および電流検出部5の検出電圧の波形に振動が生じる。さらに、上記以外の外部からノイズおよび電流源11から生じるノイズなどの影響により、電流検出部5の検出電圧の波形は必ずしも線形に上昇する波形にはならない。
上記のような場合には、電流検出部5は、時刻t3の時点よりも、サージ電流およびサージ電圧が減少した後の時刻t31における電圧を測定する。時刻t3から時刻t31までの時間差Δtを測定すると、時刻t31で検出された電圧および電流の値から、等価的なパワー半導体素子10の抵抗値を算出できる。時刻t31と時刻t3との間の時間差Δtがある許容範囲内であれば、上記の抵抗値はパワー半導体素子10の抵抗を表していると考えられる。時刻t3と時刻t31とのずれの許容量については、電流制御部1からの出力電流およびパワー半導体素子10の容量Cdieから計算される電圧値であるI・(t31-t3)/Cdieが電圧検出部6の検出感度以下となるように選択できる。このように、一点の時刻t31の検出データからパワー半導体素子10の温度を推定することができる。
さらに温度測定の精度が必要な場合は、スイッチ制御信号31をHレベルに戻す直前の時刻t32においても、電圧検出部6によって電圧を検出する。これにより、時刻t31および時刻t32の2時点電検出された電圧の電位差ΔV=V1A-V0A、および時間差Δt’=t32-t31より、電圧検出部6によって検出された電圧上昇の傾きを算出できる。電流制御スイッチ12をLレベルに変化させた時刻t3を測定すれば、上記の電圧上昇の傾きの情報と合わせて、時刻t3における電圧値V0を計算することができる。さらに、このときの電流値から、抵抗値を算出することができる。
上記では、温度測定時刻が2時点までの例を説明しているが、さらにデータ点数を増やすことで、傾きの計算精度を向上できる。一般的には、最小二乗法等を使用し、複数のデータ点から傾きを算出する。こうすることで、電流制御部1からのノイズや、電圧検出部6の測定誤差が平均化される。上記のように、時刻の情報を演算に使用することにより、温度測定精度を向上できる。
実施の形態6.
実施の形態6では、実施の形態5とは異なる手法を用いた温度推定部7による温度推定動作について説明する。温度推定部7以外の点については、実施の形態1~4で説明したものと同様であるので説明を繰り返さない。また、以下では、パワー半導体素子10のオン期間中の温度測定について説明するが、オフ期間中の温度測定ついても同様である。
図16は、実施の形態6のパワーモジュールにおいて、温度推定部の動作を説明するためのタイミング図である。図17は、パワー半導体素子の容量特性の一例を示す図である。
図17に示すように、パワー半導体素子の容量Cdieはパワー半導体素子のゲート-ソース間電圧Vgs、ドレイン-ソース間電圧Vdsに応じて変化する。図16では、ドライバ回路42の電源電圧Vccが低いために、温度測定時の最大電圧変動V1の範囲内で、容量特性がゲート-ソース間電圧Vgsに依存して大きく変動する例を示している。
パワー半導体素子10の素子容量Cdieのゲート-ソース間電圧Vgsに対する依存性を考慮した場合、前述の式(1)は次の式(2)のように表される。次式(2)において、Cdie(Vgs)は、素子容量Cdieのゲート-ソース間電圧Vgsの関数であることを表している。
Figure 0007042991000002
上式(2)に従って、時刻tにおける電圧VIgを求めるためには、ゲート-ソース間電圧Vgsに応じて素子容量Cdieを補正することが必要である。そこで、本実施の形態6では、事前にパワー半導体素子10の素子容量Cdieとゲート-ソース間電圧Vgsとの関係を示す容量特性を取得し、そのデータを主制御部41のメモリに記憶させる。
さらに、図16に示すように、電圧検出部6は、時刻t31-t32までの間の電圧データを連続的に取得する。電圧検出部6の検出データと、電源電圧Vccもしくはグラウンド電圧Veeの値とを用いることにより、パワー半導体素子10のゲート-ソース電圧を算出できる。事前に取得した容量特性データと、ゲート-ソース間電圧のデータ、および測定時刻の情報から、素子容量Cdieが一定であった場合の電圧検出部6の検出電圧の近似直線Vfitを算出できる。この検出電圧の近似直線Vfitは、素子容量Cdieが一定であるために、線形である。したがって、時刻t31および時刻t32の時間情報と、時刻t31,t32における近似電圧とから、時刻t3における電圧V0を算出できる。
上記のように、パワー半導体素子10の素子容量Cdieとゲート-ソース間電圧Vgsとの関係を示す容量特性のデータを事前に取得しておくことにより、温度測定精度を向上させることができる。なお、上記ではゲート-ソース間電圧Vgsに関する依存性について示したが、ドレイン-ソース間電圧Vdsに対しても同様の考え方で補正を行うことができる。
実施の形態7.
図18は、実施の形態7によるパワーモジュールの構成図である。図18のパワーモジュール101の半導体装置100は、電流検出部5に代えて差動電圧計52が設けられている点で、実施の形態1~6のパワーモジュールの半導体装置と異なる。図18のその他の構成は、図1Aなどの場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
実施の形態7のパワーモジュール101の半導体装置100では、差動電圧計52(たとえば、計装アンプ)によって抵抗素子8の両端の電圧を検出する。ドライバ回路42の構成によっては、図18の抵抗素子8以外に追加のゲート抵抗設けてもよい。このようにすることで、ドライバ基板を作製する際の基板配線の自由度を向上することができる。
温度推定部7は、電圧検出部6の検出電圧から差動電圧計52による検出値を減算した値を電圧値とし、このように得られた電圧値と差動電圧計52の検出値に基づく電流値とを用いて抵抗値を計算する。このようにすることで、抵抗素子8による電圧降下を取り除くことができるので、温度推定精度を向上させることができる。
実施の形態8.
実施の形態8は、上述した実施の形態1~7にかかるパワーモジュール101を電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態8として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
図19は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
図19に示す電力変換システムは、電源120、電力変換装置110、負荷130を備える。電源120は、直流電源であり、電力変換装置110に直流電力を供給する。電源120は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やAC/DCコンバータで構成することとしてもよい。また、電源120を、直流系統から出力される直流電力を設定された電力に変換するDC/DCコンバータによって構成することとしてもよい。
電力変換装置110は、電源120と負荷130の間に接続された三相のインバータであり、電源120から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷130に交流電力を供給する。電力変換装置110は、図19に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路111と、主変換回路111を制御する制御信号を主変換回路111に出力する制御回路112とを備えている。
負荷130は、電力変換装置110から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷130は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置110の詳細を説明する。主変換回路111は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており(図示せず)、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源120から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷130に供給する。主変換回路111の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路111は2レベルの三相フルブリッジ回路であり、6つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された6つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路111の各スイッチング素子の少なくともいずれかは、上述した実施の形態1~7のいずれかのパワーモジュール101が有するパワー半導体素子10である。6つのスイッチング素子は2つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相(U相、V相、W相)を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路111の3つの出力端子は、負荷130に接続される。
また、上述した実施の形態1~7で説明したように、各スイッチング素子を駆動する半導体装置100(図示なし)がパワーモジュール101に内蔵されているため、主変換回路111は半導体装置100を備えている。半導体装置100は、主変換回路111のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路111のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路112からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号(オン信号)であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号(オフ信号)となる。
制御回路112は、負荷130に所望の電力が供給されるよう主変換回路111のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷130に供給すべき電力に基づいて主変換回路111の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間(オン時間)を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するPWM制御によって主変換回路111を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路111が備える半導体装置100に制御指令(制御信号)を出力する。半導体装置100は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路111を構成するパワーモジュール101として実施の形態1~7にかかるパワーモジュール101を適用するため、パワー半導体素子の温度測定結果に基づいて電力変換装置の信頼性を向上できる。
本実施の形態では、2レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、本開示は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、2レベルの電力変換装置としたが3レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本開示を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはDC/DCコンバータやAC/DCコンバータに本開示を適用することも可能である。
また、本開示を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この出願の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 電流制御部、2 ゲート配線部、3 タイミング制御部、4 ゲート駆動部、5 電流検出部、6 電圧検出部、7 温度推定部、8,8A~8C 抵抗素子(ゲート抵抗)、10,10A~10C パワー半導体素子、11 電流源、12 電流制御スイッチ、31 スイッチ制御信号、32 制御情報、41 主制御部、42 ドライバ回路、42H 高電位側スイッチ、42L 低電位側スイッチ、43 切り離し用スイッチ、51 切り替え回路、52 差動電圧計、90 基準電位ノード、100 半導体装置、101 パワーモジュール、110 電力変換装置、111 主変換回路、112 制御回路、120 電源、130 負荷、411 ドライバ入力信号、412 指令。

Claims (14)

  1. 半導体素子を駆動制御する半導体装置であって、
    前記半導体素子は、正極端子と、負極端子と、前記正極端子および前記負極端子間を流れる電流を制御する駆動電圧を供給するための制御端子とを有し、
    前記半導体装置は、
    前記制御端子と前記負極端子との間にパルス状の電流を流すために設けられたパルス電流源と、
    前記制御端子に前記駆動電圧を供給することにより、前記半導体素子をオン状態およびオフ状態に遷移させる駆動制御部と、
    前記パルス電流源によって前記半導体素子に流れる電流を検出する電流検出部と、
    前記制御端子または前記負極端子と基準電位との間の電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電流検出部および前記電圧検出部の検出値に基づいて前記半導体素子の温度を推定する温度推定部と、
    前記パルス電流源に電流を出力させるタイミングを制御するタイミング制御部とを備え
    前記タイミング制御部は、前記半導体素子が前記オン状態に遷移した後のオン期間中または前記オフ状態に遷移した後のオフ期間中に、前記パルス電流源に電流を出力させる、半導体装置。
  2. 前記タイミング制御部は、前記半導体素子が前記オン状態に遷移してから一定時間後、または前記半導体素子が前記オフ状態に遷移してから一定時間後に、前記パルス電流源に電流の出力を開始させる、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記タイミング制御部は、前記パルス電流源に電流の出力を開始させてから、前記電流検出部によって検出された電圧の変化量が閾値を超えたときに、前記パルス電流源に電流の出力を終了させる、請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体素子は、前記電流検出部による電流検出用の抵抗素子を有する、請求項1~のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記パルス電流源は、前記負極端子と前記基準電位との間に接続される、請求項1~のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記パルス電流源は、前記制御端子と前記基準電位との間に接続される、請求項1~のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体素子は、第1の半導体素子であり、
    前記半導体装置は、前記第1の半導体素子と並列に接続された第2の半導体素子をさらに駆動制御し、
    前記半導体装置は、前記第1の半導体素子および前記第2の半導体素子と前記電流検出部との間の接続を切り替える切り替え回路をさらに備える、請求項1~のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記電流検出部は、前記負極端子に接続された配線に流れる電流を検出する、請求項1~のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記電流検出部は、前記制御端子に接続された配線に流れる電流を検出する、請求項1~のいずれか1項に記載の半導体装置。
  10. 前記温度推定部は、前記パルス電流源から電流が出力されている期間の複数時点において、前記電流検出部および前記電圧検出部の検出値を取得する、請求項1~のいずれか1項に記載の半導体装置。
  11. 前記温度推定部は、前記パルス電流源から電流の出力が開始されてから、前記電流検出部および前記電圧検出部による電流および電圧の検出時刻までの経過時間と、前記半導体素子の前記制御端子の入力容量の値とに基づいて、前記電流検出部および前記電圧検出部の検出値から計算した抵抗値を補正する、請求項1~のいずれか1項に記載の半導体装置。
  12. 前記電流検出部は、
    前記制御端子または前記負極端子に一端が接続された抵抗素子と、
    前記抵抗素子に生じる電圧を検出する差動電圧計とを含む、請求項1~11のいずれか1項に記載の半導体装置。
  13. 前記温度推定部は、前記電圧検出部の検出値から前記差動電圧計の検出値を減算することにより得られた電圧値と、前記差動電圧計の検出値に基づく電流値とから抵抗値を計算する、請求項12に記載の半導体装置。
  14. 請求項1~13のいずれか1項に記載の半導体装置と半導体素子とを搭載した電力変換装置。
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