特許 6781523 スイッチから構成されるパワーモジュールの動作を制御するためのシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6781523

(24)【登録日】2020年10月20日

(45)【発行日】2020年11月4日

(54)【発明の名称】スイッチから構成されるパワーモジュールの動作を制御するためのシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 1/08 20060101AFI20201026BHJP

   H03K 17/14 20060101ALI20201026BHJP

【ＦＩ】

   H02M1/08 A

   H03K17/14

【請求項の数】8

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2017-501423(P2017-501423)

(86)(22)【出願日】2015年11月12日

(65)【公表番号】特表2017-521989(P2017-521989A)

(43)【公表日】2017年8月3日

(86)【国際出願番号】JP2015005657

(87)【国際公開番号】WO2016084324

(87)【国際公開日】20160602

【審査請求日】2017年1月11日

【審判番号】不服2019-12015(P2019-12015/J1)

【審判請求日】2019年9月11日

(31)【優先権主張番号】14194940.4

(32)【優先日】2014年11月26日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】503163527

【氏名又は名称】ミツビシ・エレクトリック・アールアンドディー・センター・ヨーロッパ・ビーヴィ

【氏名又は名称原語表記】ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｒ＆Ｄ ＣＥＮＴＲＥ ＥＵＲＯＰＥ Ｂ．Ｖ．

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100122437

【弁理士】

【氏名又は名称】大宅 一宏

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(72)【発明者】

【氏名】エヴァンチュク、ジェフリー

(72)【発明者】

【氏名】モロヴ、ステファン

【合議体】

【審判長】 田中 秀人

【審判官】 月野 洋一郎

【審判官】 山崎 慎一

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／３１３５９５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第７８３４５９８（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／１９３５４２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／２２１５２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１４８０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０４１９２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０００−１１６１４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H02M 1/08

H03K 17/14

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スイッチから構成されるパワーモジュールの動作を制御するためのシステムであって、各スイッチは、並列に接続される複数のパワーダイから構成され、
該システムは、
前記パワーモジュールのパワーダイごとに前記パワーダイの温度を検知する温度センサと、
前記パワーダイの前記検知された温度に基づいて、前記パワーダイの導通時間を短縮する１つのコントローラーと
を備え、
前記１つのコントローラーによって、前記複数のパワーダイのそれぞれの温度検知結果を入力として取得し、前記検知された温度が、前記複数のパワーダイ全てにわたる平均ダイ温度より高いパワーダイに関して前記導通時間を短縮する制御を行う
ことを特徴とする、システム。

【請求項2】

前記システムは、
前記パワーダイを通って流れる電流を検知する電流センサと、
検知された前記電流が所定の電流閾値より高い場合には、前記パワーダイに与えられる信号を遮断するゲート遮断回路と
をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記パワーダイの前記導通時間は、前記パワーダイに与えられる信号のデューティサイクルを変更することによって短縮されることを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。

【請求項4】

前記信号は、ゲーティング信号であることを特徴とする、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

前記システムは、前記検知された温度を変換するアナログ／デジタルコンバーターと、
前記検知された温度をスケーリングするスケーリングデバイスと
をさらに備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項6】

各パワーダイに与えられる信号は、それぞれの増幅器によって与えられることを特徴とする、請求項３から５のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項7】

前記１つのコントローラーは、ホストコントローラーによって与えられるデューティサイクルを変更することを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。

【請求項8】

スイッチから構成されるパワーモジュールの動作を制御するための方法であって、
各スイッチは、並列に接続される複数のパワーダイから構成され、
該方法は、１つのコントローラーにより前記パワーモジュールのパワーダイごとに実行され、
前記パワーダイの温度を検知するステップと、
前記パワーダイの前記検知された温度に基づいて、前記パワーダイの導通時間を短縮するステップと
を含み、
前記パワーダイの導通時間を短縮するステップは、前記１つのコントローラーによって、前記複数のパワーダイのそれぞれの温度検知結果を入力として取得し、前記検知された温度が、前記複数のパワーダイ全てにわたる平均ダイ温度より高いパワーダイに関して前記導通時間を短縮する制御を行う
ことを特徴とする、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は包括的には、マルチダイパワーモジュールの動作を制御するためのデバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

マルチダイパワーモジュールは従来、幾つかの並列に接続されたパワーダイから構成され、単一のパワーダイの電流性能を超えて電流性能を高めるために使用される。

【0003】

例えば、三相コンバーターは、スイッチあたり４つの並列パワーダイから構成され、全部で２４個のパワーダイを与える。

【0004】

ＳｉＣ（炭化ケイ素）トランジスタおよびＧａＮ（窒化ガリウム）トランジスタのような、新生のデバイス技術は通常、ウェハー基板の歩留まりおよびコストに関する制約に起因して、高電流密度、小電力のダイにおいて実現される。

【0005】

より高い電力のＳｉＣベースモジュールを実現するには、多数の並列接続ＳｉＣダイが必要である。並列接続モジュールとは異なり、並列接続ダイは、理想的には同じ負荷電流を整流する単一のスイッチを構成する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、使用されるダイのタイプ、すなわち、ダイオードが使用されるか、または電圧駆動スイッチ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）が使用されるかにかかわらず、負荷電流の均衡の取れた分配を静的にも、動的にも制限する特性がダイ内に存在する。各並列ダイを徐々に加えていくと、結果としてダイが最大限に利用されなくなり、それゆえ、所与の定格電流を達成するために、より多くのダイが並列にされる必要があるので、パワーモジュールの全体的なコストおよび物理的な表面積が増加する。

【0007】

ダイの電気的特性に加えて、パワーモジュール内のダイの物理的配置もダイの信頼性および利用を制限する。１つのそのような例は、隣接するダイからの加熱に起因するモジュール内の不均等な熱分布である。モジュールの設計によって、十分に間隔を置いてダイを配置できるようにし、その結果、パワーモジュールの物理的サイズを大きくしない限り、パワーモジュールの中心に近いダイは、パワーモジュールの周辺に近いダイより高い温度を受ける。

【0008】

別の幾何学的に考慮すべき事柄は、並列ダイの動的性能である。基板上のダイの相互接続のルーティングおよびダイの配置が異なることが不可避であることに起因して、並列ダイは、異なる時点で切り替わり始める可能性があり、それにより振動性の挙動が生じ、各ダイの最大能力に影響を及ぼす可能性がある。この現象は、シリコンを利用するデバイスに比べて切替時間が著しく短い、新生のワイドバンドギャップデバイスの場合に特に問題になる。

【0009】

さらに、例えば、１組のダイに過度の応力を加える結果として、ダイの熱界面が局所的に劣化することに起因して、その１組のダイにわたって局所的な温度上昇が生じる可能性がある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、モジュール内の熱的な不一致に起因するダイ定格低減を最小化することによって、マルチダイスイッチの切替速度を高めること、およびマルチダイパワーモジュールの最大能力を高めることを目的とする。

【0011】

したがって、本発明は、スイッチから構成されるパワーモジュールの動作を制御するためのデバイスであって、各スイッチは並列に接続される複数のパワーダイから構成され、このデバイスは、パワーモジュールのパワーダイごとに、
パワーダイの温度を検知する温度センサと、
パワーダイの検知された温度が、少なくとも１つのスイッチのパワーダイにわたる平均ダイ温度より高い場合には、ダイの導通時間を短縮するコントローラーと、
を備えることを特徴とする、デバイスに関する。

【0012】

また、本発明は、スイッチから構成されるパワーモジュールの動作を制御するための方法であって、各スイッチは並列に接続される複数のパワーダイから構成され、この方法は、パワーモジュールのパワーダイごとに実行される、
パワーダイの温度を検知するステップと、
パワーダイの検知された温度が少なくとも１つのスイッチのパワーダイにわたる平均ダイ温度より高い場合には、ダイの導通時間を短縮するステップと、
を含むことを特徴とする、方法に関する。

【0013】

このようにして、マルチダイパワーモジュールの最大能力が高められる。

【0014】

マルチダイパワーモジュールの各ダイを個々に制御することによって、ダイの相互接続のルーティングおよびダイの配置が異なること、マルチダイパワーモジュール内の不均等な熱分布、およびダイパラメーターの自然なばらつきに関連する問題を克服することができる。

【0015】

特定の特徴によれば、デバイスは、
パワーダイを通って流れる電流を検知する電流センサと、
検知された電流が所定の電流閾値より高い場合には、パワーダイに与えられる信号を遮断するゲート遮断回路と、
をさらに備える。

【0016】

特定の特徴によれば、パワーダイの導通時間は、パワーダイによって与えられる信号のデューティサイクルを変更することによって短縮される。

【0017】

このようにして、パワーダイ内の損失が低減され、局所的なダイ温度を下げる。

【0018】

特定の特徴によれば、その信号はゲーティング信号である。

【0019】

このようにして、そのデバイスは、ホストコントローラーに対してトランスペアレントに、ダイの働きを調節するように働く。

【0020】

特定の特徴によれば、デバイスは、検知された温度を変換するアナログ／デジタルコンバーターと、検知された温度をスケーリングするスケーリングデバイスとをさらに備える。

【0021】

特定の特徴によれば、各パワーダイに与えられる信号は、それぞれの増幅器によって与えられる。

【0022】

このようにして、ダイごとに増幅器を設けることによって、ゲートコントローラー寄生ループが低減され、切替速度を高めることができるか、または望ましくない振動を低減することができる。

【0023】

本発明の特性は、実施形態の一例の以下の説明を読むことからさらに明らかになり、その説明は添付の図面を参照しながら行われる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明による、マルチダイパワーモジュールの動作を制御するためのシステムの一例を表す図である。

【図2】本発明による、マルチダイパワーモジュールの動作を制御するためのシステムのコントローラーのアーキテクチャーの一例を表す図である。

【図3】本発明による、パワーダイの動作を制御するためのデバイスのアーキテクチャーの一例を表す図である。

【図4】本発明による、パワーダイの動作を制御するためのデバイスの信号調整モジュールのアーキテクチャーの一例を表す図である。

【図5】信号調整モジュールのゲート遮断回路のアーキテクチャーの一例を表す図である。

【図6】マルチダイパワーモジュールの動作を制御するためのシステムのコントローラーによって実行されるアルゴリズムを表す図である。

【図7】電流および温度検知手段の出力に従ってパワーダイの動作を制御するためのデバイスによって生成されるゲート電圧変動を表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

図１は、本発明による、マルチダイパワーモジュールの動作を制御するためのシステムの一例を表す図である。

【0026】

マルチダイパワーモジュール１５０の動作を制御するためのシステムは、マルチダイパワーモジュール１５０内の個々のダイごとに制御電極コマンドを調節するために、熱情報またはオン状態電圧または個々のダイ電圧／電流軌跡のようなパワーダイフィードバック機構を使用する。

【0027】

マルチダイパワーモジュール１５０の動作を制御するためのシステムは、ダイごとに、熱情報またはオン状態電圧またはダイ電圧／電流軌跡を入手し、入手された情報に従って各ダイを制御する。

【0028】

マルチダイパワーモジュール１５０の動作を制御するためのシステムは、ダイごとに１つずつの、パワーダイ３０５の動作を制御するための複数のデバイス１０２を備える。

【0029】

図１の例では、マルチダイパワーモジュール１５０の動作を制御するためのシステムは、５つのパワーダイ３０５ａ〜３０５ｅの動作をそれぞれ制御するための５つのデバイス１０２ａ〜１０２ｅを備える。

【0030】

パワーダイの動作を制御するための各デバイス１０２は、マルチダイパワーモジュール１５０の性能を高め、それにより、各ダイの利用率を上げるために、ダイ情報を使用し、そのダイを制御する。パワーダイの動作を制御するためのデバイス１０２のアーキテクチャーが図２に開示される。

【0031】

パワーダイの動作を制御するための各デバイス１０２は、接合部温度を判断し、それゆえ、ダイの最適制御を与えるために使用される種々の健康状態（state of health）特性、例えば、ゲート閾値電圧または他の測定可能な温度依存パラメーターを確定する低コスト回路を含む。パワーダイの動作を制御するための各デバイス１０２は、コントローラー１０４が並列な１組のダイ内の温度の均衡を図ることができるようにするために、ダイから入手された情報を用いて、入手された情報を接合部温度のような有用な健康状態測定値に変換する。コントローラー１０４およびパワーダイの動作を制御するための各デバイス１０２は、動作効率を改善するために、軽負荷に応答してダイの働きを調節する。

【0032】

パワーダイの動作を制御するための各デバイス１０２は、故障の場合に動作から除外することができ（不動態化（passivation））、それにより、パワーモジュール１５０全体の耐故障性を改善することができる。

【0033】

パワーダイの動作を制御するためのデバイス１０２の不均等な界面劣化に応答して、影響を受けるダイの熱ひずみを低減し、それにより、パワーモジュール１５０の全体的な信頼性を改善するために、各ダイの負荷を変更することができる。

【0034】

ここで、パワーダイの動作を制御するための各デバイスは単独の電源を必要としないことに留意されたい。

【0035】

コントローラーは図２を参照しながらさらに詳細に開示される。

【0036】

図２は、本発明による、マルチダイパワーモジュールの動作を制御するためのシステムのコントローラーのアーキテクチャーの一例を表す。

【0037】

コントローラー１０４は、例えば、バス２０１と、図６において開示されるようなプログラムによって制御されるプロセッサ２００とによって互いに接続されるコンポーネントに基づくアーキテクチャーを有する。

【0038】

バス２０１はプロセッサ２００をリードオンリーメモリＲＯＭ２０２、ランダムアクセスメモリＲＡＭ２０３および入出力インターフェースＩ／Ｏ２０５にリンクする。

【0039】

メモリ２０３は、図６において開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムの変数および命令を受信するように意図されたレジスタを含む。

【0040】

プロセッサ２００は、情報を受信し、入出力インターフェースＩ／Ｏ２０５を通してパワーダイの動作を制御するためのデバイス１０２に転送する。入出力インターフェースＩ／Ｏ２０５は２つのインターフェースに分割することができ、一方はホストコントローラーとのインターフェースであり、もう一方はパワーダイの動作を制御するためのデバイス１０２とのインターフェースである。

【0041】

入出力インターフェース２０５を通して、コントローラー１０４はホストコントローラーから起動コマンドまたはロードコマンドを受信する。コントローラー１０４はこの起動コマンドを解釈し、複数のダイにわたる同期制御を与える。

【0042】

コントローラー１０４は、パワーダイの動作を制御するための各デバイス１０２に、例えば、デューティサイクルのような情報を与える。

【0043】

リードオンリーメモリ２０２は、図６において開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムの命令を含み、それらの命令は、コントローラー１０４が起動されるときに、ランダムアクセスメモリ２０３に転送される。

【0044】

図６に関して以下に説明されるアルゴリズムのありとあらゆるステップは、ＰＣ（パーソナルコンピューター）、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）若しくはマイクロコントローラーのようなプログラム可能なコンピューティングマシンによって１組の命令若しくはプログラムを実行することによってソフトウェアにおいて実施することができるか、またはソフトウェアでなければ、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）若しくはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）のようなマシン若しくは専用コンポーネントによってハードウェアにおいて実施することができる。

【0045】

換言すれば、コントローラー１０４は、図６に関して以下で説明するアルゴリズムのステップをコントローラー１０４に実行させる回路部、または回路部を備えるデバイスを備える。

【0046】

コントローラー１０４は、例えば、プリプログラムされたＣＰＬＤ（複合プログラム可能論理デバイス）によって実現することができる。

【0047】

本発明によれば、同期制御パターンから、および検知された温度値から、コントローラー１０４はデューティサイクルを生成し、デューティサイクルは、検知された温度が所定の温度閾値より高い場合には、同期制御パターンに対応するデューティサイクルとは異なる。

【0048】

例えば、寄生インダクター３０６が、ダイ３０５の温度に影響を及ぼす振動性の挙動を引き起こす場合には、温度検知手段３０３によって検知され、ＡＤＣ３１０によって変換され、電圧および／または温度スケーリングデバイス４０１によってスケーリングされた温度が、所定の温度閾値より高く、コントローラー１０４は、パワーダイ３０５の導通時間を短縮するために、パワーダイをドライブする周期的な信号のデューティサイクルを小さくする。

【0049】

図３は、本発明による、パワーダイの動作を制御するためのデバイスのアーキテクチャーの一例を表す。

【0050】

パワーダイの動作を制御するための各デバイス１０２は、パワーダイ３０５の接合部温度を検知するための温度検知手段３０３、および／またはパワーダイ３０５を通って流れる電流を検知するための電流検知手段３０４を備える。

【0051】

温度検知手段３０３は熱電対とすることができるか、または接合部温度を判断するために閾値電圧または他の測定可能な温度依存パラメーターを監視することによって実現することができる。

【0052】

電流検知手段３０４は、例えば、ドレイン電流のスケーリングされたカレントミラーとして、またはセンサとは別に、例えば、電流変換器として、または電流への既知のオン状態電圧依存性を利用する推定器として、ダイ機能の一部とすることができる。

【0053】

電流検知手段３０４は、信号調整モジュール３１２に接続される。電流増幅器３０８および信号調整モジュール３１２は、例えば、短絡事象中に電流が所定の電流閾値より高いとき、パワーダイ３０５への電圧制御を遮断する。電流が所定の電流閾値より低いとき、電流増幅器３０８および信号調整モジュール３１２は、コントローラー１０４によって与えられる電圧制御信号に従ってパワーダイ３０５に与えられる電流を増幅する。

【0054】

インダクター３０６は、パワーダイ３０５と電流増幅器３０８との間の相互接続のルーティングの寄生インダクタンスを表すか、または何らかの結合ダイ間寄生を表す。

【0055】

温度検知手段３０３は、アナログ／デジタルコンバーター３１０に接続され、アナログ／デジタルコンバーターは信号調整モジュール３１２にデジタル信号を与える。

【0056】

信号調整モジュール３１２は、図４を参照しながらさらに詳細に開示される。

【0057】

図４は、本発明による、パワーダイの動作を制御するためのデバイスの信号調整モジュールのアーキテクチャーの一例を表す。

【0058】

信号調整モジュール３１２は、電圧および／または温度スケーリングデバイス４０１およびゲート遮断回路４００を備える。電圧および／または温度スケーリングデバイス４０１は、ＡＤＣによって変換された温度検知手段３０３のフィードバック信号をコントローラー１０４のためのスケーリングされた値に変換する。

【0059】

図５は、信号調整モジュールのゲート遮断回路のアーキテクチャーの一例を表す。

【0060】

ゲート遮断回路４００は、電流検知手段３０４から過電流事象が検知された場合に、コントローラー１０４によって電流増幅器３０８に与えられる電圧制御信号を遮断する。

【0061】

同期制御パターンが信号調整モジュール３１２のゲート遮断回路４００を通り抜けると、電流増幅器３０８が、コントローラー１０４から、周期的な信号のデューティサイクルのような同期制御パターンを受信する。

【0062】

ゲート遮断回路４００は、電流検知手段３０４からの検知された電流を限界値と比較する手段５０２から構成され、比較する手段は５０３のパスゲート信号回路を調節する。一例として、比較する手段５０２は、パスゲート信号５０３のスイッチを調節するコンパレーターによって実現することができ、それにより、ゲーティング信号を遮断できるようにするか、またはそのパワーデバイスを動作から除外する。

【0063】

図６は、マルチダイパワーモジュールの動作を制御するためのシステムのコントローラーによって実行されるアルゴリズムを表す。

【0064】

ステップＳ６００において、コントローラー１０４は、入出力インターフェース２０５を通して、ホストから起動コマンドを受信する。起動コマンドは、デューティサイクル、またはマルチダイパワーモジュール１５０によって与えられる電流とすることができる。

【0065】

ステップＳ６０２において、コントローラー１０４は、ダイごとに、各モジュール１５０からのダイの温度を表す情報を入手する。そのステップにおいて、コントローラー１０４は、温度の平均を計算する。

【0066】

ステップＳ６０３において、コントローラー１０４は、ロードコマンドに従ってデューティサイクルを決定し、各動作ダイのゲーティング信号を同期させる。

【0067】

ステップＳ６０４において、コントローラー１０４は、ダイごとに、ダイの温度をステップ６０２において求められた平均値と比較する。ダイの温度が平均値より高い場合には、コントローラー１０４はダイのデューティサイクルを小さくする。

【0068】

ステップＳ６０５において、コントローラーは、パワーダイの動作を制御するための各デバイス１０２に、デューティサイクルを表す情報を転送する。

【0069】

ステップＳ６０６において、コントローラー１０４は、各デバイスの状態監視のためのパラメーター情報を、または各デバイスの健康状態をホストコントローラーに通知することもできる。

【0070】

図７は、電流および温度検知手段の出力に従ってパワーダイの動作を制御するためのデバイスによって生成される電圧変動を表す。

【0071】

７００で示される曲線は、電流増幅器３０８によって与えられ、パワーダイ３０５に送信されることになる周期的な電圧に対応し、そのデューティサイクルはコントローラー１０４によって与えられる同期制御パターンに対応する。時点ｔ１およびｔ２’は電流の切替に対応する。

【0072】

示される曲線７０１は、電流増幅器３０８によって与えられる周期的な電圧制御信号に対応し、そのデューティサイクルはコントローラー１０４によって小さくされている。曲線７０１は、被検知温度が、ダイ間の温度均衡を図るために決定された目標温度より高い場合の動作モードに対応する。時点ｔ１’およびｔ２は、変更されたデューティサイクルによる電流の切替に対応する。

【0073】

示される曲線７０２は、時点ｔ３までの、電流増幅器３０８によって与えられる周期的な電圧制御信号に対応し、そのデューティサイクルは、曲線７０１と同様に、コントローラー１０４によって小さくされている。示される曲線７０２は、時点ｔ３後に、電流が所定の電流または温度閾値より高いときに、電流増幅器３０８および信号調整モジュール３１２がパワーダイ３０５への電流の供給を遮断する場合の動作モードに対応する。

【0074】

当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上述した本発明の実施形態に対して多くの変更を行うことができる。

【0075】

本発明のデバイスおよび方法は、多くの種類の分野においてマルチダイパワーモジュールの動作を制御するために適用可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】