JP6527436B2 - 電子装置 - Google Patents
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Description
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
すなわち、半導体集積回路装置は、電力用半導体装置の特性データに基づいてカレントミラー比のバラツキを補正する回路を備える。
図1は比較例に係る電動機システムの一部を示すブロック図である。図2はIGBTのセンス電流を説明するための図である。電動機システム1Rは三相モータ10とインバータ回路20とドライバIC30Rと制御回路40Rとを備える。三相モータ10は3個の変流器(コイル)11を備える。なお、2つの位相電流検出ができれば、各相の電流計算は可能であるので、変流器は2個でもよい。インバータ回路20は6個の電力用半導体装置21によって三相ブリッジ構成する。図2に示すように、電力用半導体装置21はスイッチングトランジスタであるIGBT22を備え、IGBT22はゲート端子Gとコレクタ端子Cと駆動電流を流すエミッタ端子Eとセンス電流を流す電流検出端子SEとを備える。ドライバIC30Rは電力用半導体21を駆動し、制御回路40RはドライバIC30Rを制御する。
(1)各位相のモータ駆動電流を変流器11、制御回路40RのA/D変換器などを使ってモニタし、通常電流検出用としてモータ駆動制御に利用する。
(2)センス電流をドライバIC30Rでの電圧比較回路やA/D変換器などを使ってモニタし、過電流検出用として過電流時にドライバ信号を遮断するために利用する。
Vs=Iγ×Rs
=Ie×(1/γ)×Rs
=Id×(1/γ)×Rs ・・・・・・(1)
したがって、定格電流値を超える異常判断にセンス電流を利用する場合、カレントミラー比(γ)を4000、電流検出用抵抗の抵抗値(Rs)を5Ωとすると、過電流検出における検出電圧(Vs)は、下記のとおりである。
Vs=1600A×(1/4000)×5Ω=2V
そこで、基準電圧(VREF)を2Vに設定しておくと、モータの駆動電流に定格電流値が流れるとコンパレータ(CPM)は過電流を検出する。
図3はIGBTのカレントミラー比とコレクタ−エミッタ間飽和電圧との関係を示す図である。条件は、周囲温度(Tc)=25℃、ゲート−エミッタ間電圧(VGE)=15V、検出抵抗(Rs)=2.9Ω、コレクタ電流(IC)=500A、である。コレクタ−エミッタ間飽和電圧(VCE(sat))のバラツキ範囲(A=1.15〜1.75V)でカレントミラー比(γ)は4000±75%バラついている。全条件(Tc=−40〜175℃、VGE=14〜18V、Rs=2.9Ω、IC=500A)を想定すると、カレントミラー比(γ)は4000 −75%/140% と非常に大きい値となり、4000±10%には収まらない。
Vs=1600A×(1/4000)×5Ω=2V ・・・常温時
Vs=1600A×(1/3000)×5Ω=2.67V ・・・高温時(150℃)
Vs=1600A×(1/5000)×5Ω=1.6V ・・・低温時(−45℃)
コンパレータ(CMP)の基準電圧(VREF)が常温時と同じであると、高温時では小さい電流で過電流を検出し、低温時では定格電流よりも大きくなっても過電流が検出できなくなり、電流検出精度が落ちる。その結果、過電流検知時に検知電流検知時間にバラツキが生じ、その後の保護措置に遅れが生じ、最悪の場合、素子の破壊が発生する。そのため、実際のインバータ設計環境ではIGBTを実装したボードで電流検出用抵抗の抵抗値を個別に調整したり、バラツキの低いデバイスを選別したりする必要がある。
図27は実施形態に係る電子装置の構成を示すブロック図である。
実施形態に係る電子装置は、電力用半導体装置(PS)と、電力用半導体装置(PS)を駆動する第1の半導体集積回路装置(IC1)と、第1の半導体集積回路装置(IC1)を制御する第2の半導体集積回路装置(IC2)と、を備える。電力用半導体装置(PS)はセンス電流(Iγ)を出力する端子(ST)を備える。第1の半導体集積回路装置(IC1)は、センス電流(Iγ)に基づいて過電流を検出する過電流検出回路(OCDC)と、電力用半導体装置(OS)の温度を検出する温度検出回路(TDC)と、を備える。第2の半導体集積回路装置(IC2)は、電力用半導体装置(PS)のカレントミラー比の温度特性を格納する記憶装置(MEM)と、温度検出回路(TDC)の出力に基づいて温度を算出する温度検出部(TDU)と、温度検出部(TDU)が検出した温度と記憶装置(MEM)に格納されたカレントミラー比の温度特性とに基づいて、過電流検出回路(OCDC)を制御する過電流検出制御部(OCDCU)と、を備える。
第1実施形態に係る半導体集積回路装置(IC1)は、別の半導体集積回路装置(IC2)からの信号(S1)を入力するための第1端子(T1)と、電力用半導体装置(PS)のゲート端子(GT)と接続するための第2端子(T2)と、電力用半導体装置(PS)のセンス電流端子(ST)および電流検出用抵抗(RD)と接続するための第3端子(T3)と、を備える。また、半導体集積回路装置(IC1)は、第3端子に接続されるコンパレータ(CMP)と、コンパレータ(CMP)に接続される基準電圧生成回路(VRG)と、信号(S1)およびコンパレータ(CMP)の出力信号(OCD)に基づいた駆動信号(DRV)を第2端子(T2)に出力する駆動回路(DRIVER)と、を備える。また、半導体集積回路装置(IC1)は、電力用半導体装置(PS)の温度情報(TEMP)を入力するための第4端子(T4)と、電力用半導体装置(PS)のカレントミラー比の温度特性に関する情報(CHAR)を電力用半導体装置(PS)から入力するための第5端子(T5)と、温度情報(TEMP)を第1データ(D1)に変換する変換回路と、を備える。また、半導体集積回路装置(IC1)は、カレントミラー比の温度特性に関する情報(CHAR)を第2データ(D2)に変換する変換回路と、第1データ(D1)および第2データ(D2)に基づいた基準電圧生成回路(VRG)の電圧を制御する情報(VREFC)を入力するための第6端子(T6)と、を備える。
第2実施形態に係る半導体集積回路装置(IC1)は、別の半導体集積回路装置(IC2)からの信号(S1)を入力するための第1端子(T1)と、電力用半導体装置(PS)のゲート端子(GT)と接続するための第2端子(T2)と、電力用半導体装置(PS)のセンス電流端子(ST)および電流検出用抵抗(RD)と接続するための第3端子(T3)と、を備える。また、半導体集積回路装置(IC1)は、第3端子に接続されるコンパレータ(CMP)と、コンパレータ(CMP)に接続される基準電圧生成回路(VRG)と、信号(S1)およびコンパレータ(CMP)の出力(OCD)に基づいた駆動信号(DRV)を第2端子(T2)に出力する駆動回路(DRIVER)と、を備える。また、半導体集積回路装置(IC1)は、電力用半導体装置(PS)の温度情報(TEMP)を入力するための第4端子(T4)と、温度情報(TEMP)を第1データ(D1)に変換する変換回路と、第3端子(T3)の電圧(Vs)を第2データ(D2)に変換する変換回路と、を備える。また、第1データ(D1)、第2データ(D2)および電力用半導体装置(PS)の出力である駆動電流を検出する変流器のデータに基づいた基準電圧生成回路(VRG)の電圧を制御する情報(VREFC)を入力するための第6端子(T6)と、を備える。
図8は実施例1に係る電動機システムの構成を示すブロック図である。電動機システム1は三相モータ10と電力用半導体装置を6個用いたインバータ回路20と6個のドライバIC30と制御回路40と直流電源50とを備える。インバータ回路20はパワーモジュールともいう。インバータ回路20、6個のドライバIC30および制御回路40で構成される部分を電子装置2という。インバータ回路20は、車両等の駆動時には直流電源(DC)50の電圧から、三相モータ10の各相に電流を流すように、インバータ回路20内部のスイッチングトランジスタ22をON/OFF制御し、このスイッチングの周波数により車両等の速度を変化させる。また、車両等の制動時には、三相モータ10の各相に生じる電圧に同期してスイッチングトランジスタ22をON/OFF制御し、いわゆる整流動作を行い、直流電圧に変換して回生を行う。
図9は図8の電動機システムの一部である電子装置を示すブロック図である。電力用半導体装置21はスイッチングトランジスタであるIGBT22と温度検出用ダイオードD1とチップ固有のIDコードを記憶するID回路(ID CIRCUIT)24とを1つの半導体基板上に備える。電力用半導体装置21はゲート端子Gとコレクタ端子Cと駆動電流を流すエミッタ端子Eとセンス電流を流す電流検出端子SEとを備える。ID回路24はラダー抵抗と電気フューズ等で構成される。電力用半導体装置21のウェア製造時のウェハテストにおいて、常温、高温テストを実施し、その際に得られた電力用半導体装置21の特性データ(カレントミラー比(γ)の温度特性)をIDコードと共にウェハ測定データライブラリとして記憶装置56に格納する。なお、ウェハテストの際に電力用半導体装置21のID回路24の電気フューズを切断する等によってIDコードを設定する。
(1)第2の半導体集積回路装置である制御回路40のウェハ製造時。
(2)制御回路40のパッケージに封入後、電子装置2のプリント基板に実装される前。
(3)電子装置2のプリント基板に実装後(PC57からPCインタフェース46を介して格納)。
電子装置2の製造方法の一工程であるカレントミラー比(γ)の温度特性データの取得方法について図11乃至図14を用いて説明する。
図11は実施例1に係る電子装置の製造方法を説明するための図である。図12は実施例1に係る電子装置の製造時の初期設定処理のフローチャートである。
図11に示すように、カレントミラー比(γ)の温度特性データを電子装置に格納する工程は電子装置の製造工程におけるテスト工程等で行う。電力用半導体装置21とドライバIC30と制御回路40とを備える電子装置2を準備する(ステップS10)。電子装置2を恒温槽等の環境温度が設定可能な空間に搬入し、外気温度検出器55やPC57を接続する。後述する方法でカレントミラー比(γ)の温度特性を取得する(ステップS20)。電子装置2から外気温度検出器55やPC57を取り外し、環境温度が設定可能な空間から搬出する。
次に、電子装置(電動機システム)の通常動作時(モータ運転時)の動作について図13および図14を用いて説明する。なお、外気温度検出器55やPC57はカレントミラー比(γ)の温度特性データを取得する際には必要であるが、通常動作時には必要ない。
図13は実施例1に係る制御回路の通常動作時の基準電圧変更処理のフロー図である。図14は実施例1に係る制御回路の通常動作時の駆動電流確認処理のフロー図である。
温度検出用ダイオードD1によって電力用半導体装置21の温度を計測する(ステップS31)。温度検出部416は、ドライバIC30の電流バイアス回路332から定電流(IF)を温度検出用ダイオードD1に流して検出した検出電圧(VF)をA/D変換回路331で変換した電圧情報を温度情報に変換して電力用半導体装置の温度を計測する。過電流検出制御部414は記憶装置47から温度変換部416で取得した温度測定結果に対応するカレントミラー比(γ)を抽出する(ステップS32)。過電流検出制御部414は式(1)の計算結果で得られる電圧値を基準電圧生成回路322に設定する(ステップS33)。上述の基準電圧変更処理は定期的周期(例えば10ms−100ms)で実行する。
実施例1によれば、電力用半導体装置にIDコードし、IDコードに対応するウェハ測定データライブラリから制御回路の記憶装置のカレントミラー比の温度特性を格納し、カレントミラー比の温度特性に基づいて過電流検出回路を制御することができるので、カレントミラー比が温度に対してバラついたとしても過電流を精度よく検出することが可能となる。
電力用半導体装置の温度測定はオンチップの温度検出用ダイオードを用いなくても測定が可能であり、実施例1の第1変形例(変形例1)では電力用半導体装置を搭載したパワーモジュールにサーミスタを載置して温度測定を行う。
電力用半導体装置の常温時のカレントミラー比(γ)が設計基準値のカレントミラー比(γ)と異なる場合がある。そこで、実施例1の第2の変形例(変形例2)では、初期設定処理において、カレントミラー比(γ)を測定して設計基準値のカレントミラー比(γ)と同一となるようにゲートドライブ電圧を制御する。
まず、ID認識部415は電力用半導体装置21のIDコードを読み取る(ステップS21)。次に、ID認識部415はIDコードによってウェハ測定データライブラリが格納される外部記憶装置56からカレントミラー比(γ)の温度特性データを取得し、記憶装置47に格納する(ステップS22)。過電流検出制御部414Bは記憶装置47から常温時のカレントミラー比(γ)を抽出する(ステップS23)。過電流検出制御部414Bは抽出したカレントミラー比(γ)と設計基準値のカレントミラー比(γ)とを比較して異なる場合は、電流検出部417Bで計測したカレントミラー比(γ)と設計基準値のカレントミラー比(γ)とが同一値になるように駆動電圧制御迂回路312を調整する(ステップS24)過電流検出制御部414Bは式(1)の計算結果で得られる電圧値を基準電圧生成回路322に設定する(ステップS25)。なお、変形例2の通常動作時の基準電圧変更処理および駆動電流確認処理は実施例1と同様である。
実施例1、変形例1および変形例2では、電力用半導体装置はIDコードを格納し、電力用半導体装置の素子特性は外部記憶装置56にウェハ測定データライブラリとして格納されている。実施例1の第3の変形例(変形例3)では、電力用半導体装置の素子特性は電力用半導体装置自身に格納されている。
まず、ID認識部415Cは電力用半導体装置21のIDコードを読み取る(ステップS21C)。ここで、IDコードにはカレントミラー比(γ)の温度特性が含まれる。次に、ID認識部415はIDコードに含むカレントミラー比(γ)の温度特性データを取得し、記憶装置47に格納する(ステップS22)。過電流検出制御部414は記憶装置47から常温時のカレントミラー比(γ)を抽出する(ステップS23)。過電流検出制御部414は式(1)の計算結果で得られる電圧値を基準電圧生成回路322に設定する(ステップS25)。なお、実施例2の通常動作時の基準電圧変更処理および駆動電流確認処理は実施例1と同様である。
まず、環境温度を常温(A℃)に設定する(ステップS41)。電流検出部417Dは駆動電流(Id)およびセンス電流(Iγ)を測定し、カレントミラー比(γ)を計算し、過電流検出制御部414Dは計算したカレントミラー比(γ)を記憶装置に格納する(ステップS42)。環境温度を高温(H℃)に設定する(ステップS43)。電流検出部417Dは駆動電流(Id)およびセンス電流(Iγ)を測定し、カレントミラー比(γ)を計算し、過電流検出制御部414Dは計算したカレントミラー比(γ)を記憶装置に格納する(ステップS44)。環境温度を高温(L℃)に設定する(ステップS45)。電流検出部417Dは駆動電流(Id)およびセンス電流(Iγ)を測定し、カレントミラー比(γ)を計算し、過電流検出制御部414Dは計算したカレントミラー比(γ)を記憶装置に格納する(ステップS46)。次に、過電流検出制御部414Dは記憶装置47から常温時のカレントミラー比(γ)を抽出する(ステップS23)。過電流検出制御部414Dは式(1)の計算結果で得られる電圧値を基準電圧生成回路322に設定する(ステップS25)。なお、実施例2の通常動作時の基準電圧変更処理および駆動電流確認処理は実施例1と同様である。
(付記1)
電子装置の製造方法は、
(a)スイッチング素子と駆動電流を出力する端子とセンス電流を出力する端子とを備える電力用半導体装置と、前記スイッチング素子を駆動するゲート回路を有する第1の半導体集積回路装置と、前記ゲート回路を制御する制御部と電気的に書き換えが可能な不揮発性メモリを有する第2の半導体集積回路装置と、準備する工程と、
(b)前記電力用半導体装置のカレントミラー比の温度特性を取得する工程と、
を含む。
(付記2)
付記1の電子装置の製造方法において、
前記(b)工程は、
(b1)第1の温度環境の温度を検出し、不揮発性メモリに格納するステップと、
(b2)前記第1の温度環境で前記カレントミラー比を検出し、前記不揮発性メモリに格納するステップと、
(b3)第2の温度環境の温度を検出するステップと、
(b4)前記第2の温度環境で前記カレントミラー比を検出するステップと、
(b5)前記(b1)から(b4)のステップで得られる前記温度および前記カレントミラー比に基づいて温度特性を取得し、前記不揮発性メモリに格納するステップと、
を含む。
(付記3)
(付記1)の電子装置の製造方法において、
前記(b)工程は、
(b1)前記電力用半導体装置から当該電力用半導体装置の識別情報を認識するステップと、
(b2)前記識別情報に対応するカレントミラー比の温度特性を外部データベースから取得し、前記不揮発性メモリに格納するステップと、
を含む。
(付記4)
(付記3)の電子装置の製造方法において、
前記カレントミラー比の温度特性データは当該電力用半導体装置の製造時のウェハテストにより得るものである。
(付記5)
(付記1)の電子装置の製造方法において、
前記(b)工程は、
(b1)前記電力用半導体装置からカレントミラー比の温度特性を取得するステップと、
(b2)前記取得したカレントミラー比の温度特性を前記不揮発性メモリに格納するステップと、
を含む。
10・・・三相モータ
11・・・変流器
20・・・インバータ回路
21・・・電力用半導体装置
22・・・IGBT
30・・・ドライバIC
31・・・駆動回路
311・・・駆動トランジスタ
312・・・駆動電圧制御回路
32・・・過電流検出回路
321・・・コンパレータ
322・・・基準電圧生成回路
33・・・温度検出回路
331・・・A/D変換回路
332・・・電流バイアス回路
34・・・ID読出回路
35・・・アイソレータ
36・・・CPUインタフェース回路
40・・・制御回路
41・・・CPU
42・・・PWM回路
43・・・I/Oインタフェース
44・・・I/Oインタフェース
45・・・A/D変換回路
46・・・PCインタフェース
47・・・記憶装置
Claims (8)
- 電力用半導体装置と、
前記電力用半導体装置を駆動する第1の半導体集積回路装置と、
前記第1の半導体集積回路装置を制御する第2の半導体集積回路装置と、
を備え、
前記電力用半導体装置は、
駆動電流を出力する端子と、
センス電流を出力する端子と、
当該電力用半導体装置のIDコードを有するID回路と、
を備え、
前記第1の半導体集積回路装置は、
前記電力用半導体装置を駆動する駆動回路と、
前記センス電流に基づいて過電流を検出する過電流検出回路と、
前記電力用半導体装置の温度を検出する温度検出回路と、
前記IDコードを前記ID回路から読み出すID読出回路と、
を備え、
前記第2の半導体集積回路装置は、
前記電力用半導体装置のカレントミラー比の温度特性を格納する記憶装置と、
前記温度検出回路の出力に基づいて温度を算出する温度検出部と、
前記温度検出部が検出した温度と前記記憶装置に格納されたカレントミラー比の温度特性とに基づいて、前記過電流検出回路を制御する過電流検出制御部と、
前記ID読出回路からの前記IDコードを認識するID認識部と、
を備え、
前記IDコードに基づいて前記電力用半導体装置の製造時のウェハテストによって得られた前記温度特性を前記記憶装置に格納する電子装置。 - 請求項1の電子装置において、
前記第2の半導体集積回路装置は外部記憶装置に格納される前記カレントミラー比の温度特性を前記記憶装置に格納するためのPCインタフェースを備える電子装置。 - 請求項1の電子装置において、
前記IDコードには前記カレントミラー比の温度特性が含まれている電子装置。 - 電力用半導体装置と、
前記電力用半導体装置を駆動する第1の半導体集積回路装置と、
前記第1の半導体集積回路装置を制御する第2の半導体集積回路装置と、
を備え、
前記電力用半導体装置は、
駆動電流を出力する端子と、
センス電流を出力する端子と、
を備え、
前記第1の半導体集積回路装置は、
前記電力用半導体装置を駆動する駆動回路と、
前記センス電流に基づいて過電流を検出する過電流検出回路と、
前記電力用半導体装置の温度を検出する温度検出回路と、
前記センス電流を検出する回路と、
を備え、
前記第2の半導体集積回路装置は、
前記電力用半導体装置のカレントミラー比の温度特性を格納する記憶装置と、
前記温度検出回路の出力に基づいて温度を算出する温度検出部と、
前記温度検出部が検出した温度と前記記憶装置に格納されたカレントミラー比の温度特性とに基づいて、前記過電流検出回路を制御する過電流検出制御部と、
前記電力用半導体装置の駆動電流と前記センス電流とを取得する電流検出部と、
を備え、
前記駆動回路は駆動電圧を制御する駆動電圧制御回路を備え、
前記過電流検出制御部は前記電流検出部で検出した前記駆動電流と前記センス電流とに基づいて前記駆動電圧制御回路を制御する電子装置。 - 請求項4の電子装置において、
前記過電流検出制御部は前記電流検出部で検出した前記駆動電流と前記センス電流とに基づいてカレントミラー比を計算し前記記憶装置に格納する電子装置。 - 請求項1または4の電子装置において、
前記第2の半導体集積回路装置はCPUとプログラムを格納するメモリとを備える電子装置。 - 請求項6の電子装置において、
前記記憶装置およびメモリはフラッシュメモリである電子装置。 - 請求項1または4の電子装置において、
前記駆動回路は、前記過電流検出回路からの信号に基づいて駆動を停止または抑制する電子装置。
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