TW201723445A - 半導體積體電路裝置及電子裝置 - Google Patents

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Abstract

由於切換元件之發熱部與溫度檢測器間之熱傳播時間所致，造成溫度之檢測延遲，切換元件之保護功能不完全。其解決手段在於，使半導體積體電路裝置具備溫度預測電路，以供預測內藏有切換電晶體之電力用半導體裝置之溫度。溫度預測電路具備有：延遲電路，將根據切換電晶體之穩態損失與切換損失而算得之電力值留下特定次數大小之歷程；且具備溫度預測值計算電路，根據延遲電路之值與對應於溫度散熱特性之時間係數，計算電力用半導體裝置之溫度預測值。

Description

半導體積體電路裝置及電子裝置
本發明係有關半導體積體電路裝置，可供適用在例如半導體積體電路裝置之溫度預測。
作為變流器等電力轉換裝置之切換元件，有使用絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）以作為電力用半導體裝置者。在IGBT晶片中內藏有溫度檢測用二極體，可用於IGBT之異常溫度之檢測。 本揭示所關連之先前技術文獻，例如日本特開2011-97812號公報所載。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2011-97812號公報
[發明所欲解決之問題] 由於切換元件之發熱部與溫度檢測器間的熱傳播時間所致，有發生溫度檢測延遲，切換元件之保護功能不充分之情況。 其他課題與新型特徵，應可從本說明書之記述及附圖而明瞭。 [解決問題之技術手段]
本揭示中，簡要說明其代表性概要，如以下所述： 半導體積體電路裝置具備有溫度預測電路，以供預測內藏有切換電晶體之電力用半導體裝置之溫度。溫度預測電路具備：延遲電路，將根據切換電晶體之穩態損失與切換損失所算得之電力值留下特定次數大小之歷程；及計算電路，其根據延遲電路之值與對應於溫度散熱特性之時間係數，計算電力用半導體裝置之溫度預測值。 [發明之功效]
根據上述半導體積體電路裝置，可降低溫度檢測之延遲。
以下，使用圖式以說明實施形態及實施例。其中，在以下的說明內，對於同一構成元件係留下同一符號以省略重複說明。
電動機（馬達）係作為與內燃機關（汽油引擎）組合之混合式汽車（HEV）或電動汽車（EV）等之動力源來使用。在驅動電動機之際，係使用進行直流－交流轉換之電力轉換裝置（變流器）以得到既定之扭矩及電源頻率。隨汽車之行進環境而使變流器之運轉溫度大幅變動，特別是在引擎室內搭載有變流器之HEV中，因引擎之發熱影響而使變流器趨於高溫。在變流器內之切換元件，除了受此種周圍溫度影響外，尚因切換元件本身之電流流動引起的穩態損失、及因為開／關（on／off）引起的切換損失之影響而使溫度上昇，在超過既定溫度後則有造成破壞之虞。
變流器內除了切換元件之外，另有使用驅動切換元件之驅動電路及控制驅動電路之控制電路。驅動電路除了有驅動切換元件之閘極電路外，尚有保護切換元件免受高溫等之破壞之過電流保護及過熱保護功能。切換元件係由半導體晶片所構成，例如在該半導體晶片中，內藏有IGBT所構成之切換電晶體與溫度檢測用之二極體。從驅動電路內之電流源提供電流之流動，利用溫度檢測用二極體之電流－溫度特性（溫度變高後，對同一電流值之順向電壓（VF）變低之特性），藉驅動電路內之比較器，來判斷在切換元件之晶片的溫度是否為對應於基準電壓之溫度以上。又，當溫度檢測用二極體得到之檢測溫度在設定值以上時，對於控制電路輸出警示信號，且閘極電路亦輸出信號以強制性地切斷切換元件。再者，在有警示信號輸出之情形時，控制電路亦進行裝置之強制停止。
以下舉一例來說明，由於切換元件之發熱部與溫度檢測器間之熱傳播時間所致，使得異常溫度之檢測延遲之情況。在一個半導體基板上具備有由IGBT所構成之切換電晶體與溫度檢測用二極體者，稱為IGBT晶片。
圖33係將溫度檢測用二極體配置在晶片中央之IGBT晶片之俯視圖。圖33之IGBT晶片21A，將溫度檢測用二極體D1配置在晶片中央。溫度檢測用二極體D1係連接於端子TE1、TE2；端子TE1連接於驅動電路，端子TE2連接於接地電位。再者，端子TE3係電流感測用射極端子。
圖34係將溫度檢測用二極體配置在晶片端之IGBT晶片之俯視圖。圖33之IGBT晶片21B，將溫度檢測用二極體D1配置在晶片端。溫度檢測用二極體D1係連接於端子TE1、TE2；端子TE1連接於驅動電路，端子TE2連接於接地電位。再者，端子TE3係電流感測用射極端子。
圖35係熱電阻與動作時間之關係圖，實線C表示晶片單體之熱電阻，虛線A、B係表示從溫度檢測用二極體之特性變化所算得之熱電阻。圖36表示溫度與動作時間之關係圖，實線C表示晶片單體之溫度（固定於100°C之情形），虛線A-B表示從溫度檢測用二極體之特性變化所算得之溫度。將溫度檢測用二極體D1配置在IGBT晶片21A之晶片中央之情形，如圖35及圖36之虛線A所示，響應時間為100ms，相對於此，將溫度檢測用二極體D1配置在晶片端之情形，如圖35及圖36之B所示，響應時間成為10s左右之遲滯。如上述，切換元件之發熱部與溫度檢測器間之熱傳播時間較大而有溫度檢測延遲之情形時，雖然有藉由溫度測定來實施切斷控制，但因為響應時間的延遲，較有可能會超過切換元件之容許動作溫度。又，考慮了響應時間，變成具有邊距（margin）之切斷設定值，因此切換元件之容許動作溫度範圍變小了。
＜實施形態＞ 圖37係實施形態之半導體積體電路裝置之方塊圖。圖37之半導體積體電路裝置ICD，具備有溫度預測電路TPC，可預測內藏有切換電晶體與溫度檢測用二極體之電力用半導體裝置的溫度。溫度預測電路TPC具備有：延遲電路DC，將根據切換電晶體之穩態損失與切換損失所算得之電力值留下特定次數大小之歷程；以及計算電路CC，根據延遲電路DC之值與對應於溫度散熱特性之時間係數TF，計算電力用半導體裝置之溫度預測值。
由於半導體積體電路裝置ICD可預測電力用半導體裝置之溫度，故能降低電力用半導體裝置之溫度檢測的延遲。 [實施例1]
（電動機系統） 圖1係實施例1之電動機系統之構成方塊圖。圖1的電動機系統1中，具備：3相馬達10；使用6個電力用半導體裝置之電力模組20；6個驅動器IC30；控制電路40、及直流電源50。將電力模組20、6個驅動器IC30、及控制電路40所構成之部分，稱為電子裝置2。電力模組20係在直輛等之驅動時以從直流電源50之電壓朝3相馬達10之各相提供電流之方式，控制電力模組20內部之切換電晶體22的開／關，以藉由該切換之頻率來改變車輛等之速度。又，在車輛等之制動時，係以同步於3相馬達10之各相所產生電壓之方式來控制切換電晶體22的開／關，進行所謂整流動作，以轉換成直流電壓而進行再生制動。
3相馬達10的轉子由永久磁石所構成，電樞由線圈所構成，3相（U相、V相、W相）之電樞繞組係配置成120度間隔。線圈為三角形接線，電流恆常地流向U相、V相、W相之3個線圈。3相馬達10具備電流檢測器11與角速度及位置檢測器12。
電力模組20係由電力用半導體裝置構成U相、V相、W相之橋接電路。U相之橋接電路將電力用半導體裝置21U與電力用半導體裝置21X的連接點接至3相馬達10。V相之橋接電路將電力用半導體裝置21V與電力用半導體裝置21Y的連接點接至3相馬達10。W相之橋接電路將電力用半導體裝置21W與電力用半導體裝置21Z的連接點接至3相馬達10。此處，電力用半導體裝置21U、21V、21W、21X、21Y、21Z之構成相同，因此，亦將其等總稱為電力用半導體裝置21。電力用半導體裝置21的構成中包含：具有由IGBT構成之切換電晶體（以下稱為IGBT。）22及溫度檢測用二極體D1之半導體晶片；以及，具有在IGBT22之射極與集極間並聯連接之回流二極體D2之半導體晶片。回流二極體D2係被連接成：其電流流向與流至IGBT22之電流為反方向。形成有 IGBT22與溫度檢測用二極體D1之半導體晶片，與形成有回流二極體D2之半導體晶片，最好被封入同一個封裝體內。形成有回流二極體D1之半導體晶片，可與形成有IGBT22及溫度檢測用二極體D1之半導體晶片為同一晶片。
作為第1半導體積體電路裝置之驅動器IC30，係在1個半導體基板上具備有：產生IGBT22之閘極之驅動信號之閘極電路31；溫度檢測電路32；及溫度預測計算電路33。作為第2半導體積體電路裝置之控制電路40，係在1個半導體基板上具備CPU41、PWM電路42、及I/O介面（I/O IF）43，例如可由微電腦單元（MCU）所構成。
（驅動器IC、控制電路） 圖2係實施例1之電動機系統的一部分之電子裝置之方塊圖。CPU41內之馬達控制部411，比較電流（扭矩）指令值與現在之電流（扭矩）測定值，按照馬達之角速度（旋轉數）與轉子位置，計算PWM信號之負載比或是對應於旋轉數之周期（1電源周期、1電源頻率的倒數），以PWM電路42來產生PWM信號。PWM信號經由驅動器IC30的閘極電路31，以進行電力用半導體裝置21之IGBT22的開／關控制。來自未圖示之加速器裝置等之電流指令值（扭矩指令值）、來自電流檢測器11之現在的電流測定值（扭矩測定值）、來自角速度及位置檢測器12之馬達的角速度（旋轉數）及轉子的位置，透過I/O介面44（類比信號係透過A/D轉換器）而輸入CPU41。馬達控制部411由CPU41所執行之軟體程式所構成。
又，馬達控制部411係採取與PWM信號之產生平行的方式，對於溫度預測計算電路33，將PWM信號之信號寬時間、驅動設定電流、及PWM信號之切換次數等電力參數等，透過I/O介面43而輸出至溫度預測計算電路。
溫度預測計算電路33由「根據來自馬達控制部411之電力參數的電力用半導體裝置21之電力值」，計算溫度預測值，然後將異常溫度之預測結果（溫度預測判定）透過I/O介面43通知至CPU41。馬達控制部411控制對於閘極電路31的PWM信號，以進行IGBT22之驅動信號的抑制或停止，藉此防止電力用半導體裝置21之異常溫度動作。
儲存於記憶裝置45之PWM基底表451中，包含著PWM信號之1電源周期之基本樣式，或是計算電力用半導體裝置21之散熱係數之PWM樣式。又，儲存在記憶裝置45之IGBT特性資料452中，包含著IGBT之飽和電壓－驅動電流之溫度特性、及驅動電流－切換損失之溫度特性。記憶裝置45之較佳構成方式，係由快閃記憶體等可供電性改寫之非揮發性記憶體所構成。又，CPU41所執行之軟體程式，較佳係儲存在快閃記憶體等可供電性改寫之非揮發性記憶體，儲存於記憶裝置45亦可。
驅動器IC30之溫度檢測電路32檢出溫度檢測用二極體D1之VF，高速地測定電力用半導體裝置21之溫度，然後透過溫度預測計算電路33或I/O介面43而通知至CPU41。又，溫度檢測電路32在當電力用半導體裝置21的溫度超過既定溫度（介面溫度等元件受到破壞之溫度）之呈現高熱之情形時，則對閘極電路31輸出信號，以進行將IGBT22關掉的切斷處理。溫度檢測電路32具備有比較器或三角波產生電路等所構成之A/D轉換器等。
再者，在驅動器IC30與控制電路40之間傳送之信號，藉由內藏於驅動器IC30之未圖示之絕緣器之磁性耦合而傳達。該絕緣器，係以使配線形成之晶載變壓器（on chip transformer）由層間膜加以絕緣之方式而構成。
（溫度預測電路） 圖3係實施例1之溫度預測計算電路之方塊圖。圖3之溫度預測計算電路33具備：根據電力參數以計算產生電力（Pd）之電力計算電路331；根據產生電力（Pd）與熱容以計算預測溫度（Tp）之熱歷程電路332；及根據預測溫度（Tp）、溫度測定值（Tm）、及基準溫度（T）以進行判定之溫度判定電路333。
（a）電力計算電路 圖4係實施例1之電力計算電路之方塊圖。圖4之電力計算電路331，根據由CPU41對於電力計算用參數暫存器3311所設定之電力參數，藉由穩態期間電力計算電路3312、切換電力計算電路3313、及加法器3314，計算每1電源周期之電力，然後經由電力儲存暫存器3315而輸出至CPU41及熱歷程電路332。
圖9係用以說明IGBT之切換動作之圖，顯示IGBT22之驅動信號（PWM信號的一部分）與驅動電流（Id）波形。在1個驅動信號中之電力係由以下之項目所構成。 （A）導通（on）期間（穩態期間、Ton）時因IGBT22之導通電阻所導致之穩態損失 （B）打開（turn on）期間（Tton）時之切換損失（打開損失） （C）關閉（turn off）期間（Ttoff）時之切換損失（關閉損失） 圖10係用以說明IGBT之驅動信號之圖。在1電源周期（Tac）中之IGBT22之驅動信號（PWM信號），係由高值（High）所佔期間（負載比）不同的複數個脈衝所構成。換言之，在1電源周期內，存在著使IGBT22導通之不同時間的複數個脈衝。
將每1電源周期之PWM信號寬時間設為t，將IGBT22之飽和電壓設為Vce（sat）、將驅動電流設為Id，則每1電源周期之穩態損失（Pd（static））可由下述之式（1）來求得，因此，由穩態期間電力計算電路3312計算下述之式（1）。
（式1）
將每1電源周期之IGBT22之導通（on）次數設為Non，將切斷（off）次數設為Noff，將打開（turn on）損失設為Eon，將關閉（turn off）損失設為Eoff，則每1電源周期之切換損失（Pd（switch））能以下述之式（2）來求得，因此，由切換電力計算電路3313計算下述之式（2）。
（式2）再者，電力用參數係指上述的t、Vce（sat）、Id、Non、Noff、Eon、及Eoff。由於1電源周期之產生電力值Pd為Pd（static）與Pd（switch）的合計，故可將穩態期間電力計算電路3312之輸出與切換電力計算電路3313之輸出以加法器3314加算後而求出。Pd係被儲存於電力儲存暫存器3315。如上述，藉由專用硬體的使用，可高速地進行產生電力之計算。
（b）熱歷程電路 圖5係實施例1之熱歷程電路之方塊圖。圖5之熱歷程電路332具備延遲電路3321與計算電路3322。延遲電路3321係將由電力計算電路331所算得之產生電力值（Pd），藉由熱歷程用取樣時脈（CLK）依序地讀入有既定時間次數大小之延遲電路DC0、DC1、DC2……DCm。在延遲電路DC0存入最新之產生電力值Pd（t），在延遲電路DCm存入最舊之產生電力值Pd（t-m）。
計算電路3322具備有積和電路3323與補正電路3325。積和電路3323係將延遲電路DC1、DC2、……、DCm-1、DCm之值、亦即Pd（t-1）、Pd（t-2）、……、Pd（t-m），以及時間係數（D（n）：n=1~m），藉由乘法器MLT1、MLT2、MLTm-1、MLTm而進行各自之乘算，然後藉加法器3324予以加算合計。亦即，係進行下述之式（3）之計算。
（式3）
時間係數（D（n））係對應於根據後述電力用半導體裝置21之熱產生等效模型（圖8）之溫度散熱特性，D（1）~D（m）之關係，係隨著時間經過而降低影響度，因此D（1）＞D（2）＞……D（m）。
補正電路3325對於積和電路3323之加算合成值，以設定於熱容暫存器3326之決定產生熱量與溫度上昇係數之熱容大小來補正，以求出預測溫度（Tp）。更具體而言，藉由加法器3327，從積和電路3323的輸出值，減去熱容暫存器3326的輸出值，作為預測溫度（Tp）而輸出至溫度判定電路333。此係因為，就算在IGBT22有造成溫度上昇之熱產生，但因為累積於熱容、及藉散熱板而散熱之故，而無溫度上昇現象。為使上述事實成立而減去熱容大小。如上述，藉由專用硬體的使用，可高速地進行預測溫度之計算。
（c）溫度判定電路 圖6係實施例1之溫度判定電路之方塊圖。圖6之溫度判定電路333具備：判斷電路3331、加法器3332、選擇器3333、比較器3334、及基準溫度設定暫存器3335。判斷電路3331判斷在熱歷程電路332所計算之預測溫度（Tp）的符號，藉由選擇器3333來進行選擇，當預測溫度（Tp）為負值時選擇由溫度檢測電路32所檢出之溫度測定值（Tm），當預測溫度（Tp）為0或正值時，選擇將溫度檢測電路32所測出之溫度測定值（Tm）以加法器3332加算至預測溫度（Tp）之值（溫度預測值（Tpr））。再者，電力計算電路331基本上用以從PWM波形計算消耗電力值，並非用以測定絕對溫度。因此，以溫度測定值（Tm）作為起點，加上作為消耗電力值帶來之上昇量之預想溫度（Tp）。因此，溫度預測值（Tpr）成為將預測溫度（Tp）加算至溫度測定值（Tm）者。比較器334將溫度預測值（Tpr）與設定於基準溫度設定暫存器3335之基準溫度（Tr）進行比較，當溫度預測值（Tpr）較基準溫度（Tr）為高時，判定為異常溫度，而將溫度預測判定（Jtp）輸出至CPU41。如上述，藉由專用硬體的使用，可高速地進行溫度判定。 由於在異常溫度之判定係使用溫度測定值，與溫度檢測電路32相同地，藉由在驅動器IC30內配備溫度預測計算電路33，而能無延遲的檢測異常溫度。又，藉由在各驅動器IC30內配備溫度預測計算電路33，可預測電力用半導體裝置21U、21V、21W、21X、21Y、21Z各自之溫度。藉此，能夠在無延遲之情況下，檢測出電力用半導體裝置21U、21V、21W、21X、21Y及21Z中任一者之異常溫度情況。
（熱產生等效模型） 圖7係電力用半導體裝置之構造之側視圖。圖8係電力用半導體裝置之熱產生等效模型之圖。圖7之電力用半導體裝置21，係由被密封在封裝體內之IGBT晶片23，以及藉由接著劑24而被安裝在IGBT晶片23之散熱座25所構成。電力用半導體裝置21被構裝在基板61上。IGBT晶片23之接合部60為熱源，在圖8之熱產生等效模型中，具有：在接合部60與IGBT晶片23的上面（封裝體的上面）62之間之第1晶片內熱電阻（θin1），以及接合部60與基板61間之第2晶片內熱電阻（θin2）。又，熱產生等效模型另具有：在IGBT晶片23的上面62與散熱座63（25）間之接觸熱電阻（θcnt），以及在散熱座63與周圍溫度64間之散熱板熱電阻（θhsnk）。又，熱產生等效模型另具有，在接合部60與接地電源間之接合部熱容53、在IGBT晶片23的上面與接地電源間之連接間熱容54、以及在散熱座63與接地電源間之散熱板熱容55。發生了由各熱電阻帶來之散熱，與經由各個熱容對於所產生熱的累積，以及延遲情況。
（馬達之旋轉速度與PWM信號之關係） 圖11係3相馬達控制中之PWM信號之圖例。圖11（A）係中速旋轉、圖11（B）係低速旋轉、圖11（C）係高速旋轉之波形。從圖11（A）至圖11（C）中，將載子周期（載子頻率的倒數）設為Tc／（1／fc），將1電源周期（1個電源頻率之倒數）設為Tac（1／fac）時，係表示Tc：Tac=1：20之情形。係對應旋轉速度及馬達相位來控制PWM信號寬，在提高旋轉速度時係控制成加大PWM信號寬，相反的，在下降旋轉速度時係控制成縮小PWM信號寬。馬達控制信號（PWM信號）係按照旋轉速度，以在每個電源周期（Tac）使馬達電流（驅動電流（Id））成為正弦波之方式，將PWM信號從驅動器IC30傳送至電力用半導體裝置21之IGBT22。
（溫度預測計算電路之動作時序圖） 圖15表示溫度預測計算電路之動作之時序圖。馬達控制部411將PWM波形之計算結果（PWM（T））設定於PWM電路42，PWM電路42根據該設定而產生及輸出PWM信號。與此平行地，馬達控制部411將從PWM（T）所求出之電力參數設定於電力計算用參數暫存器3311。PWM波形計算與根據於此之PWM信號輸出，有1電源周期（Tac）的延遲。電力計算電路331在每個電源周期根據電力參數以計算產生電力（Pd（T）），然後將Pd（T）儲存於電力儲存暫存器3315。
熱歷程電路332係將Pd（T）藉由熱歷程用取樣時脈（CLK）作為Pd（t）而讀入延遲電路DC0，在其後之CLK則作為Pd（t）而讀入延遲電路DC1，以反應在預測溫度（Tp（t））之計算，然後輸出至溫度判定電路333。溫度判定電路333輸出溫度預測判定（Jtp（t））。發生電力值（Pd（t））與根據其之預測溫度（Tp（t））輸出及溫度預測判定（Jtp（t））輸出，有1個熱歷程計算用取樣時脈周期（Tclk，亦稱熱歷程計算基本周期。）之延遲。
圖16係驅動信號與預測溫度值之關係之時序圖。圖16表示1電源周期（電源頻率）與1個取樣時脈周期（取樣時脈頻率）相同之情形時。再者，1電源周期一般約在1ms以下。如圖16所示，在高速旋轉時PWM信號的負載比趨大，預測溫度亦上昇。相反的，在低速旋轉時PWM信號的負載比趨小，預測溫度亦下降。該動作時序之預測溫度，係在每個取樣時脈周期（Tclk）計算，而能高速地進行溫度預測。
（溫度預測計算電路之動作方法） 圖25係溫度預測計算電路之初期設定方法之流程圖。CPU41之馬達控制部411，將異常溫度判斷值（基準溫度）設定於溫度判定電路333之基準溫度設定暫存器3335（步驟S11）。馬達控制部411將熱歷程電路332之延遲電路3321、3322、3323、3324之值予以清除（步驟S12）。馬達控制部411將電力計算電路331之電力儲存暫存器3315的值予以清除（步驟S13）。馬達控制部411對熱歷程電路332之時間係數（D（n））設定成對應於溫度散熱特性之值（步驟S14）。馬達控制部411對熱歷程電路332之熱容暫存器3326設定成相當於電力用半導體裝置之熱容之值（步驟S15）。
圖26係對於溫度預測計算電路之電力參數之設定方法之流程圖。CPU41之馬達控制部411在每個電源周期進行電力設定處理。取得電流指令值（扭矩指令）、現在之電流測定值、馬達之角速度及位置（步驟S21）。馬達控制部411藉步驟S21取得之值，使用PWM基底表451以產生其後之電源周期之PWM樣式（步驟S22）。馬達控制部411根據步驟S22所產生之PWM樣式，將PWM導通時間幅寬及切換切數，設定於電力計算用參數暫存器3311（步驟S23）。馬達控制部411從IGBT特性資料452取得飽和電壓、打開（turn on）損失值，及關閉（turn off）損失值，以現在的溫度測定值進行補正，設定於電力計算用參數暫存器3311（步驟S24）。
（電力計算電路之電力參數之導出方法） 由於馬達控制信號係在事前藉CPU41之馬達控制部411來作成PWM信號樣式，電力計算所必須之電力參數中之PWM信號寬時間（t）及切換次數（Non、Noff）為已知。以下說明，電力參數中之飽和電壓（Vce（sat））、驅動電流（Id）、切換損失（Eon、Eoff）之導出方法。
圖12係IGBT之飽和電壓－驅動電流特性之圖。圖12係閘極－射極間電壓（Vge）=15V時之特性。飽和電壓（Vce（sat））具有集極電流（Ic）亦即驅動電流（Id）之依存性，因此，係先將圖12所示之特性作為IGBT特性資料452而儲存在記憶裝置45，馬達控制部411根據Id測定值，從IGBT特性資料452求出Vce（sat）。
圖13係IGBT之驅動電流－打開損失特性。在圖13中，係集極－射極間電壓（Vce）=400V、Vge=15V時之特性。圖14係IGBT之驅動電流－關閉損失特性之圖。由於打開損失值（Eon）及關閉損失（Eoff）具有溫度依存性，因此，係預先將圖13及圖14所示之特性作為IGBT特性資料452而儲存在記憶裝置45，馬達控制部411根據於使用電力用半導體裝置21之溫度檢測用二極體D1而取自溫度檢測電路32之溫度測定值，從IGBT特性資料452求出Eon及Eoff。
如所述，由馬達控制部411導出電力參數中之Vce（sat）、Id、Eon、及Eoff。 藉此，可在無延遲的狀態下，求出電力參數中之飽和電壓（Vce（sat））、切換損失（Eon、Eoff）。又，如上述，由於馬達控制信號係在事前藉CPU41之馬達控制部411來作成PWM信號樣式，故電力計算所必須之電力參數中之PWM信號寬時間（t）及切換次數（Non、Noff）係為已知。藉此，能夠在無延遲的情況下，對於計算產生電力時所必須之電力參數預做準備。
（熱歷程電路之係數之導出方法） 圖17係IGBT之溫度上昇特性之圖。圖18係IGBT之溫度下降特性之圖。因圖8之等效電路中的熱容（散熱板熱容55、連接間熱容54、接合部熱容53）所致，圖17之溫度上昇，有T1時間（響應時間）之延遲，圖18之溫度下降，有T2時間（響應時間）之延遲。馬達控制部411根據該時間延遲（T1、T2）的關係而算出熱容，而設定於熱歷程電路332之熱容暫存器3326。該時間延遲（T1、T2），被包含於從電力用半導體裝置21內之熱產生源起算之溫度檢測用二極體D1之傳播時間，故其時間大小被除外。又，馬達控制部411根據圖17之溫度上昇開始所起算之斜率，以及圖18之溫度下降開始所起算之斜率，計算散熱係數（對應於散熱特性之時間係數（D（n））。
圖19、圖20、及圖21，係變更IGBT之閘極信號之負載比時之溫度特性圖。載子周期（Tc）係設定成與熱歷程電路322之取樣周期（Tclk）為相同數值，並使用電力用半導體裝置21之溫度檢測用二極體D1等，以監測在變更閘極信號之負載比時之溫度特性。一般而言，如圖19所示，負載比低之情況，信號寬時間減少，而使溫度下降。如圖20所示，相反地在提高負載比之情形，溫度呈上昇傾向。如圖21所示，在特定之負載比之情形，散熱與發熱相同而無溫度變化。
圖22係表示圖21之溫度為一定之情形時之載子周期圖。圖23表示較圖22之載子周期為短之情形時之溫度特性。圖24表示較圖22之載子周期為長之情形時之溫度特性。為量測載子頻率依存性，係維持於圖21之溫度為一定時之載子周波之負載比，在此情況下測定改變載子周期所導致的溫度特性。如圖23所示，載子周期（Tc2）較Tc1為短之情形時，由於每個既定時間之切換次數增加，溫度呈上昇傾向。相反的，如圖24所示，載子周期（Tc3）較Tc1為長之情形時，切換切數減少，溫度呈下降傾向。根據此載子周期與溫度之關係，即使在載子周期有大幅變更之情形時，藉由對散熱係數（對應於散熱特性之時間係數（D（n））的補正，可提高溫度預測值的精度。
圖27係溫度預測計算電路之各種係數導出處理之流程圖。馬達控制部411根據特定之PWM樣式以PWM電路42來產生PWM信號，透過閘極電路31而輸出至IGBT22（步驟S31）。馬達控制部411藉由溫度測定值，進行溫度計算電力331之電力參數及熱歷程電路332之係數補正（步驟S32）。為了補正溫度計算用之係數值，調查使PWM之驅動樣式發生各種改變時之溫度特性，而能計算個別之IGBT的特性及相對偏異性。其原因在於，散熱板亦因位置不同，而造成空氣或水的對流相異而造成係數相異或元件之Vce（sat）的相異，而發生消耗電量改變之類的元件特性面之差異，因而需進行調整。藉此，可提高溫度預測值的精度。
（馬達控制異常監視處理） 圖28係馬達控制之第1之異常監視處理之流程圖。由馬達控制部411來判斷，溫度預測計算電路33之判定結果有否顯示異常（ 步驟S41）。當溫度預測計算電路33之判定結果有顯示異常時（在步驟S41顯示Yes時），則由馬達控制部411進行異常處理（馬達控制之抑制處理）（步驟S42）。當溫度預測計算電路33之判定結果顯示正常時（在步驟S41為No之情形），則馬達控制部411進行正常處理。
藉此，由於可預測切換電晶體之溫度，即使當切換電晶體之發熱部與溫度檢測器之間之熱傳播時間偏長而有延遲溫度檢測之情形時，由於能以預測溫度來實施切斷控制，故，因為響應時間延遲而超過切換元件之容許動作溫度之可能性較低。又，由於無需為了考慮延遲之響應時間而提供具有邊限之切斷設定值，而不會使切換元件之容許動作溫度範圍變窄。
圖29係馬達控制之第2之異常監視處理之流程圖。由馬達控制部411進行上述之馬達控制之第1之異常監視處理。之後，當溫度預測值並非異常溫度時，馬達控制部411係判斷溫度檢測電路32是否顯示異常（步驟S51）。當溫度檢測電路32之溫度測定值有顯示異常時（步驟S51為Yes之情形），馬達控制部411則進行異常處理（馬達控制之抑制處理）（步驟S52）。當溫度檢測電路32之溫度測定值顯示為正常之情形時（在步驟S51為No之情形），則馬達控制部411進行正常處理。
藉此，由於能以溫度預測值與溫度測定值此2種系統來檢測異常溫度並進行切斷控制，因此，即使因不特定之理由而不能夠由溫度預測值來檢出異常溫度，仍能以溫度測定值來檢測異常溫度。 [實施例2]
圖30係實施例2之電動機系統之構成方塊圖。圖31係實施例2之電動機系統的一部分之電子裝置之方塊圖。在實施例1之電動機系統中，溫度預測計算電路33係被內置於各驅動器IC30，但在實施例2之電動機系統1S中，在驅動器IC30S內並未內置溫度預測計算電路，係在控制電路40S內置有6個溫度預測計算電路33S。除此之外，電動機系統1S與電動機系統1具有同樣構成。電子裝置2S係由電力模組20、6個驅動器IC30S、及控制電路40S所構成。
圖32係實施例2之溫度預測計算電路之方塊圖。溫度預測計算電路33S具備有與實施例1之溫度預測計算電路33之熱歷程電路332相同者，但不具備與實施例1之溫度預測計算電路33之電力計算電路331及溫度判定電路333相當者。在本實施例中，係以在CPU41之馬達控制部411S中之軟體程式，來實施在電力計算電路331中由硬體所進行之計算；係由CPU41之馬達控制部411S中之軟體程式，來實施在溫度判定電路333中由硬體所進行之判定。其中，溫度預測計算電路33S具備有：可用以儲存在馬達控制部411S所計算之產生電力之電力儲存暫存器3315；以及可用以儲存在熱歷程電路332所計算之預測溫度之預測溫度監測用暫存器3328。藉此，可減少電力計算電路及溫度判定電路之運算電路。又，可減少驅動器IC30S與控制電路40S間之信號往來，可減少絕緣器的數目。再者，亦可由CPU41以軟體程式來實施溫度預測計算電路33S的計算，而省略溫度預測計算電路33S。 實施例1之電力計算電路之電力參數的導出方法，在CPU41之馬達控制部411S之電力計算時，亦同樣進行。又，實施例1之溫度預測計算電路之各種係數導出方法，在實施例2亦同樣進行。又，實施例1之馬達控制異常監視處理，在實施例2亦同樣進行。
以上，本案發明者根據實施形態及實施例以具體說明本發明，但本發明並不侷限於上述實施形態及實施例，理所當然的可進行各種變更。
1、1S‧‧‧電動機系統
2、2S‧‧‧電子裝置
10‧‧‧3相馬達
20‧‧‧電力模組
21‧‧‧電力用半導體裝置
22‧‧‧IGBT（切換電晶體）
23‧‧‧晶片
24‧‧‧接著劑
25‧‧‧散熱座
30、30S‧‧‧驅動器IC
31‧‧‧閘極電路
32‧‧‧溫度檢測電路
33、33S‧‧‧溫度預測計算電路
331‧‧‧電力計算電路
332‧‧‧熱歷程電路
333‧‧‧溫度判定電路
40、40S‧‧‧控制電路
41‧‧‧CPU
42‧‧‧PWM電路
43‧‧‧I/O介面
D1‧‧‧溫度檢測用二極體
D2‧‧‧回流二極體
圖1係用以說明實施例1之電動機系統之方塊圖。 圖2係用以說明實施例1之電子裝置之方塊圖。 圖3係用以說明實施例1之溫度預測計算電路之方塊圖。 圖4係用以說明實施例1之電力計算電路之方塊圖。 圖5係用以說明實施例1之熱歷程電路之方塊圖。 圖6係用以說明實施例1之溫度判定電路之方塊圖。 圖7係用以說明電力用半導體裝置之構造之側視圖。 圖8係用以說明電力用半導體裝置之熱產生等效模型之圖。 圖9係用以說明IGBT之切換動作之圖。 圖10係用以說明IGBT之驅動信號之圖。 圖11係用以說明1電源周期中之PWM控制與馬達電流之關係之時序圖。 圖12係用以說明IGBT之飽和電壓－驅動電流特性之圖。 圖13係用以說明IGBT之驅動電流－打開損失特性之圖。 圖14係用以說明IGBT之驅動電流－關閉損失特性之圖。 圖15係用以說明溫度預測計算電路之動作之時序圖。 圖16用以說明溫度預測計算電路之動作之時序圖。 圖17係用以說明IGBT之溫度上昇特性之圖。 圖18係用以說明IGBT之溫度下降特性之圖。 圖19係用以說明IGBT之閘極信號之負載比與溫度特性之圖。 圖20係用以說明IGBT之閘極信號之負載比與溫度特性之圖。 圖21係用以說明IGBT之閘極信號之負載比與溫度特性之圖。 圖22係用以說明IGBT之閘極信號之載子周期與溫度特性之圖。 圖23係用以說明IGBT之閘極信號之載子周期與溫度特性之圖。 圖24係用以說明IGBT之閘極信號之載子周期與溫度特性之圖。 圖25係用以說明溫度預測計算電路之初期設定方法之流程圖。 圖26係用以說明對溫度預測計算電路之電力參數之設定方法之流程圖。 圖27係用以說明溫度預測計算電路之各種係數導出處理之流程圖。 圖28係用以說明馬達控制異常監視處理之流程圖。 圖29係用以說明馬達控制異常監視處理之流程圖。 圖30係用以說明實施例2之電動機系統之方塊圖。 圖31係用以說明實施例2之電子裝置之方塊圖。 圖32係用以說明實施例2之溫度預測計算電路之方塊圖。 圖33係用以說明溫度檢測用二極體之溫度測定延遲之俯視圖。 圖34係用以說明溫度檢測用二極體之溫度測定延遲之俯視圖。 圖35係用以說明溫度檢測用二極體之溫度測定延遲之曲線圖。 圖36係用以說明溫度檢測用二極體之溫度測定延遲之曲線圖。 圖37係用以說明實施形態之半導體積體電路裝置之方塊圖。

Claims (20)

  1. 一種半導體積體電路裝置，具備有溫度預測計算電路，以供預測內藏有切換電晶體與溫度檢測用二極體之電力用半導體裝置之溫度； 該溫度預測計算電路具備： 延遲電路，將根據該切換電晶體之穩態損失與切換損失所算得之電力值留下特定次數大小之歷程；及 計算電路，根據該延遲電路的值與對應於溫度散熱特性之時間係數，計算該電力用半導體裝置之預測溫度。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體積體電路裝置，其中， 該穩態損失，係根據基本控制周期大小之PWM信號寬與該切換電晶體之飽和電壓及驅動電流而計算； 切換損失係根據切換次數與打開損失及關閉損失而計算。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體積體電路裝置，其中，該時間係數係隨著時間經過而減少。
  4. 如申請專利範圍第1項之半導體積體電路裝置，其中該計算電路具備： 乘法器，將該延遲電路之值與對應於溫度散熱特性之時間係數各自進行乘算；及 第1加法器，用以加算該乘法器之值。
  5. 如申請專利範圍第1項之半導體積體電路裝置，其中該溫度預測計算電路，係以熱容來補正該計算電路之輸出，以求得預測溫度。
  6. 如申請專利範圍第5項之半導體積體電路裝置，其中該溫度預測計算電路，具備熱容暫存器與第2加法器； 該第2加法器，係從該計算電路之輸出減去該熱容暫存器之值。
  7. 如申請專利範圍第2項之半導體積體電路裝置，其中該溫度預測計算電路具備： 電力值計算電路，計算該電力值；及 溫度判定電路，根據該預測溫度以檢出該電力用半導體裝置之異常溫度。
  8. 如申請專利範圍第7項之半導體積體電路裝置，其中該電力值計算電路具備： 電力計算用參數暫存器，儲存該基本控制周期大小之PWM信號寬、該飽和電壓、該驅動電流、該切換次數、該打開損失、及該關閉損失； 第1電路，根據該基本控制周期大小之PWM信號寬、該飽和電壓、及該驅動電流，計算1電源周期之穩態損失； 第2電路，根據該切換次數、該打開損失、及該關閉損失，計算1電源周期之切換損失； 加法器，對於該第1電路之輸出與第2電路之輸出進行加算；及 電力儲存暫存器，儲存該加法器之輸出。
  9. 如申請專利範圍第5項之半導體積體電路裝置，其中該溫度預測計算電路，具備有根據該預測溫度以檢出該電力用半導體裝置之異常溫度之溫度判定電路； 該溫度判定電路具備： 判斷電路，判斷該預測溫度的符號； 加法器，對於該預測溫度與溫度測定值進行加算； 選擇器，根據該判斷電路之輸出，對該溫度測定值及該加法器的輸出進行選擇； 基準溫度設定暫存器，儲存基準溫度；及 比較器，比較該選擇器之輸出與該設定暫存器之輸出。
  10. 如申請專利範圍第7項之半導體積體電路裝置，更具備： 閘極電路，驅動該切換電晶體；及 溫度檢測電路，根據該溫度檢測用二極體以檢測溫度。
  11. 如申請專利範圍第10項之半導體積體電路裝置，其中， 在當該溫度檢測電路有檢出異常溫度之情形時，抑制或停止該閘極電路之輸出。
  12. 如申請專利範圍第2項之半導體積體電路裝置，更具備： CPU；及 用以產生驅動該切換電晶體之PWM信號之PWM電路。
  13. 如申請專利範圍第12項之半導體積體電路裝置，其中，該CPU計算該電力值，根據該預測溫度以檢出該電力用半導體裝置之異常溫度。
  14. 如申請專利範圍第13項之半導體積體電路裝置，更具備有可儲存PWM基底表與切換電晶體之特性資料之記憶裝置； 該CPU，根據電流指令值、驅動電流測定值、與馬達之角速度及位置，從該PWM基底表而產生PWM樣式，從該PWM樣式取得該PWM信號寬與切換次數，從該特性資料取得該飽和電壓、該打開損失、與該關閉損失，計算該電力值。
  15. 如申請專利範圍第14項之半導體積體電路裝置，其中， 該CPU取得溫度測定值，根據該溫度測定值與該特性資料，以補正該飽和電壓、該打開損失、與該關閉損失。
  16. 一種電子裝置，具備： 電力用半導體裝置； 用以驅動該電力用半導體裝置之第1半導體積體電路裝置；及 用以控制該第1半導體積體電路裝置之第2半導體積體電路裝置； 該電力用半導體裝置，具備切換電晶體與溫度檢測用二極體； 該第1半導體積體電路裝置具備： 閘極電路，驅動該切換電晶體； 溫度檢測電路，根據該溫度檢測用二極體而檢測溫度；及 溫度預測計算電路，預測該電力用半導體裝置之溫度； 該第2半導體積體電路裝置，具備： 控制部，將包含基本控制周期大小之PWM信號寬、切換次數、該切換電晶體之飽和電壓、打開損失、關閉損失、及驅動電流之參數值，輸出至該溫度預測計算電路；及 記憶部，儲存該切換電晶體之飽和電壓、打開損失、關閉損失、及驅動電流之特性資料； 該溫度預測計算電路具備： 電力計算電路，根據該參數以計算電力值； 熱延遲電路，將該電力值留下特定次數大小之歷程； 計算電路，根據該延遲電路之值與對應於溫度散熱特性之時間係數，計算該電力用半導體裝置之預測溫度；及 溫度判定電路，根據該預測溫度以判定異常溫度。
  17. 如申請專利範圍第16項之電子裝置，其中， 當該溫度判定電路判定為異常溫度之情形時，該控制部係抑制或停止該閘極電路。
  18. 如申請專利範圍第16項之電子裝置，其中， 該控制部係從該溫度檢測電路取得溫度測定值，根據該溫度測定值與該特性資料，以補正該飽和電壓、該打開損失、及該關閉損失。
  19. 一種電子裝置，具備： 電力用半導體裝置； 用以驅動該電力用半導體裝置之第1半導體積體電路裝置；及 用以控制該第1半導體積體電路裝置之第2半導體積體電路裝置； 該電力用半導體裝置，具備切換電晶體與溫度檢測用二極體； 該第1半導體積體電路裝置具備： 閘極電路，驅動該切換電晶體；及 溫度檢測電路，根據該溫度檢測用二極體而檢測溫度； 該第2半導體積體電路裝置，具備： 控制部，用以根據包含基本控制周期大小之PWM信號寬、切換次數、該切換電晶體之飽和電壓、打開損失、關閉損失、及驅動電流之參數值，計算該電力用半導體裝置之電力值； 記憶電路，儲存該切換電晶體之飽和電壓、打開損失、關閉損失、及驅動電流之特性資料；及 溫度預測計算電路，預測該電力用半導體裝置之溫度； 該溫度預測計算電路具備： 熱延遲電路，將該電力值留下特定次數大小之歷程；及 計算電路，根據該延遲電路之值與對應於溫度散熱特性之時間係數，計算該電力用半導體裝置之預測溫度； 該控制部，根據該預測溫度以判定異常溫度。
  20. 如申請專利範圍第19項之電子裝置，其中， 該控制部係從該溫度檢測電路取得溫度測定值，根據該溫度測定值與該特性資料，以補正該飽和電壓、該打開損失、及該關閉損失。
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