▶ マシイネンフアブリーク・ラインハウゼン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツングの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-04-19
(54)【発明の名称】パワー半導体デバイスの動作の解析
(51)【国際特許分類】
G01R 31/26 20200101AFI20230412BHJP
【ＦＩ】
G01R31/26 A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022552525
(86)(22)【出願日】2021-02-12
(85)【翻訳文提出日】2022-09-29
(86)【国際出願番号】 EP2021053440
(87)【国際公開番号】W WO2021175564
(87)【国際公開日】2021-09-10
(31)【優先権主張番号】20160411.3
(32)【優先日】2020-03-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】390035459
【氏名又は名称】マシイネンフアブリーク・ラインハウゼン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング
(74)【代理人】
【識別番号】100069556
【弁理士】
【氏名又は名称】江崎 光史
(74)【代理人】
【識別番号】100111486
【弁理士】
【氏名又は名称】鍛冶澤 實
(74)【代理人】
【識別番号】100191835
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 真介
(74)【代理人】
【識別番号】100221981
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 大成
(72)【発明者】
【氏名】ブライアント・アンガス
【テーマコード（参考）】
2G003
【Ｆターム（参考）】
2G003AA01
2G003AB03
2G003AB16
2G003AE01
2G003AH05
(57)【要約】
パワー半導体デバイスＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３の動作を解析するための方法であって、当該方法は、デバイスＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３の一組の基準電圧Ｖｎ，Ｖｎ＋１，…ＶＮと、対応する基準電流Ｉｎ，Ｉｎ＋１，…ＩＮとを供給することと、Ｎｆｒａｍｅ個の測定点ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ）を得るため、Ｎｆｒａｍｅが、２以上の整数であるときに、予め決定された１つの時間間隔内に、デバイスＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３のオン電圧Ｖｍｅａｓ（１），…Ｖｍｅａｓ（ｋ），…Ｖｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ）と、対応するオン電流Ｉｍｅａｓ（１），…Ｉｍｅａｓ（ｋ），…Ｉｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ）とを測定することとを含む。Ｎｆｒａｍｅ個の測定点（ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ））に対して、少なくとも一回の最小二乗法による適合を実行することによって、一組の基準電圧Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮが適合される。パワー半導体デバイスＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３の動作を解析するため、当該適合された一組の基準電圧Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮが使用される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
パワー半導体デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）の動作を解析するための方法であって、－前記デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）の一組の基準電圧（Ｖｎ，Ｖｎ＋１，…ＶＮ）と、対応する基準電流（Ｉｎ，Ｉｎ＋１，…ＩＮ）とを供給することと、
－Ｎｆｒａｍｅ個の測定点（ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ））を得るため、Ｎｆｒａｍｅが、２以上の整数であるときに、予め決定された１つの時間間隔内に、前記デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）のオン電圧（Ｖｍｅａｓ（１），…Ｖｍｅａｓ（ｋ），…Ｖｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ））と、対応するオン電流（Ｉｍｅａｓ（１），…Ｉｍｅａｓ（ｋ），…Ｉｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ））とを測定することと、
－前記Ｎｆｒａｍｅ個の測定点（ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ））に対して、少なくとも一回の最小二乗法による適合を実行することによって、前記一組の基準電圧（Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ）を適合することと、
－前記パワー半導体デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）の動作を解析するため、当該適合された一組の基準電圧（Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ）を使用することとを含む当該方法。
【請求項2】
前記解析は、前記デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）の接合温度（Ｔｊ）を、当該適合された一組の基準電圧（Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ）に基づいて評価することを含む請求項１に記憶の方法。
【請求項3】
前記最小二乗法による適合のため、それぞれ２つの隣接した測定点（ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ））間の区分線形近似が実行される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
前記最小二乗法による適合は、－１つの近似率（Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮ）をそれぞれの基準電流（Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮ）に対して既定し、当該近似率（Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮ）は、被測定オン電流（Ｉｍｅａｓ（１），…Ｉｍｅａｓ（ｋ），…Ｉｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ））が、それぞれの前記基準電流（Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮ）にどの程度近いかを示すことと、
－一組の近似率（Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮ）をそれぞれの測定点（ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ））に対して決定し、結果としてＮｆｒａｍｅ組の近似率（Ｗｎ（１），…Ｗｎ（ｋ），…ＷＮ（Ｎｆｒａｍｅ））を決定することとを含む請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項5】
前記被測定オン電流（Ｉｍｅａｓ（１），…Ｉｍｅａｓ（ｋ），…Ｉｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ））が、特定の１つの基準電流（Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮ）に等しいときに、当該１つの基準電流（Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮ）に対応する１つの近似率（Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮ）が１に等しい一方で、前記被測定オン電流（Ｉｍｅａｓ（１），…Ｉｍｅａｓ（ｋ），…Ｉｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ））が、隣接した１つの基準電流（Ｉ２，…Ｉｎ＋１，…ＩＮ－１）に等しいときに、当該１つの基準電流（Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮ）に対応する前記近似率（Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮ）が０に等しいように、複数の前記近似率（Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮ）が規定される請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記予め決定された１つの時間間隔内の測定点（ＭＰ（ｋ））に対して、前記近似率（Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮ）が、以下の複数組の方程式：【数1】
【請求項7】
適合された一組の基準電圧（Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ）が、当該規定された複数の近似率（Ｗ１（１），…Ｗｎ（ｋ），…ＷＮ（Ｎｆｒａｍｅ））と、当該複数の被測定オン電圧（Ｖｍｅａｓ（１），…Ｖｍｅａｓ（ｋ），…Ｖｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ））とに基づいて決定される請求項４～６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項8】
前記適合された一組の基準電圧（Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ）は、ベクトルＶに関する方程式【数2】
【請求項9】
接合温度（Ｔｊ）を評価するステップが、一組の平均近似率（Ｗ１（ａｖ），…Ｗｎ（ａｖ），…ＷＮ（ａｖ））をＮｆｒａｍｅ組の前記近似率（Ｗ１（１），…Ｗｎ（ｋ），…ＷＮ（Ｎｆｒａｍｅ））に基づいて決定することと、前記接合温度（Ｔｊ）を前記一組の平均近似率（Ｗ１（ａｖ），…Ｗｎ（ａｖ），…ＷＮ（ａｖ））に基づいて評価することとを含む請求項４～８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項10】
前記一組の平均近似率（Ｗ１（ａｖ），…Ｗｎ（ａｖ），…ＷＮ（ａｖ））を決定することは、好ましくは以下の方程式【数3】
【請求項11】
前記接合温度（Ｔｊ）を評価するステップは、この接合温度（Ｔｊ）に対する評価された値を、この接合温度（Ｔｊ）に対する評価された値と前記適合された一組の基準電圧（Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ）との間の仮定された線形関係に基づいて計算することを含む請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項12】
前記接合温度（Ｔｊ）を評価するステップは、－前記接合温度（Ｔｊ）に対する評価された複数の値を、前記接合温度（Ｔｊ）に対する評価されたそれぞれの値と前記適合された一組の基準電圧（Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ）のうちの１つの基準電圧との間の仮定された線形関係に基づいて計算することと、
－評価されたそれぞれの接合温度（Ｔｊ）を、前記一組の平均近似率（Ｗ１（ａｖ），…Ｗｎ（ａｖ），…ＷＮ（ａｖ））のそれぞれの平均近似率にしたがって重み付けすることとを含む請求項９～１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項13】
パワー半導体デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）の動作を解析するため回路であって、－Ｎｆｒａｍｅ個の測定点（ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ））を得るため、Ｎｆｒａｍｅが、２以上の整数であるときに、予め決定された１つの時間間隔内に、前記デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）のオン電圧（Ｖｍｅａｓ（１），…Ｖｍｅａｓ（ｋ），…Ｖｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ））と、対応するオン電流（Ｉｍｅａｓ（１），…Ｉｍｅａｓ（ｋ），…Ｉｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ））とを測定するように構成されている測定装置（ＭＵ）と、
－前記デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）の一組の基準電圧（Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ）と、前記デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）の対応する一組の基準電流（Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮ）とを記憶するための記憶装置（ＳＵ）と、
－最小二乗法による適合を前記Ｎｆｒａｍｅ個の測定点（ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ））に対して実行することによって、前記一組の基準電圧（Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ）を適合し、
前記パワー半導体デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）の動作を、当該適合された一組の基準電圧（Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ）に基づいて解析するように構成されている評価装置（ＥＵ）とを含む当該回路。
【請求項14】
請求項１３に記載の回路（Ｃ）とパワー半導体デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）とを含むパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項15】
パワーコンバータ（ＰＣ）を含み、このパワーコンバータ（ＰＣ）は、パワー半導体デバイス（ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３）を含む請求項１４に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、パワー半導体デバイスの動作を解析するための方法及び回路に関し、且つ当該回路を含むパワーエレクトロニクスシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
パワーエレクトロニクスシステム、例えばパワーコンバータでは、パワー半導体デバイスの接合温度が、システムオペレーションに関する限界を決定する変数である。絶対限界を超えることは、カタストロフィックとみなされ得て、当該システムの寿命にわたる熱挙動が、信頼性及び劣化速度に悪影響を及ぼす。しかしながら、当該デバイス自体、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ又はダイオードは、電気的に「生きていて」（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ “ｌｉｖｅ”）、電気的に高いノイズ環境にあるので、当該接合温度の直接の測定は適さない。
【0003】
しかしながら、当該接合温度は、当該半導体デバイスに関する温度感受性の電気パラメータ（ＴＳＥＰ）に基づいて評価され得る。従来の手法では、接合温度を非常に低い電流で、すなわちミリアンペアのレンジ内でＴＳＥＰから評価していた。一般に、当該非常に低い電流は、パワーエレクトロニクスシステムの定格電流の１％未満である。したがって、このような方法は、パワーエレクトロニクスシステムの多くの用途に対して適用できず、特定の研究室の装置だけで有用であり得る。他の手法では、接合温度が、例えば定格電流の１０～１００％の高い電流で評価される。この場合、ルックアップテーブル又は方程式が、接合温度とオン電流（すなわち、順方向電流）との範囲にわたって測定された事前の校正データに適合されなければならない。しかしながら、当該適合は、使用前のそれぞれのシステムの綿密で且つ正確な校正を必要とする。当該校正は、産業用の用途に対しては実用的でない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
したがって、本発明の課題は、少なくとも定格電流までのオン電流で適用可能であり、且つ事前の校正を必要としない、パワー半導体デバイスの動作を解析するための改良された概念を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
この課題は、独立請求項に記載のカテゴリーによって解決される。さらなる構成及び実施の形態は、従属請求項に記載されている。
【0006】
当該改良された概念は、パワー半導体デバイスのオン電圧をＴＳＥＰとして利用し、オン電流に対するオン電圧の依存性を有効に排除し、接合温度に関する依存性だけを残すという思想に基づく。当該思想は、複数の測定点を予め規定された複数のビンに割り当て、最小二乗法による適合を当該所定の複数の測定点に対して実行することによって達成される。その結果、ユーザが、使用前に実際に校正を実行することなしに、校正が、通常動作中にオンラインで有効に実行される。
【0007】
当該改良された概念によれば、パワー半導体デバイスの動作を解析するための方法が提供される。当該デバイスの一組のＮ個の基準電圧と、当該デバイスの対応する一組のＮ個の基準電流とが提供される。Ｎは、２以上に等しい整数である。当該デバイスのＮｆｒａｍｅ個のオン電圧及びオン電流が、予め決定された１つの時間間隔内に測定される。当該複数の被測定電圧及び被測定電流は、Ｎｆｒａｍｅ個の測定点を示す。Ｎｆｒａｍｅは、２以上の整数である。当該一組の基準電圧は、最小二乗法による適合をＮｆｒａｍｅ個の測定点に対して実行することによって、特にこれらの測定点に対するＮｆｒａｍｅ個の被測定オン電圧に対して実行することによって適合される。主に、任意の最小二乗法が、当該適合のために使用され得る一方で、区間ごとの最小二乗法（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｍｅｔｈｏｄ）が、より好ましい。このとき、当該適合された一組の基準電圧は、パワー半導体デバイスの動作を解析するために使用される。
【0008】
当該改良された概念による方法は、少なくとも定格電流までのオン電流に対して良好に適用可能であり、事前の校正が回避され得る。当該方法は、精度と演算負荷との有益なトレードオフを提供する。大量のデータが使用されるので、誤差が大幅に低減され得る。当該方法は、多くの既知の手法ではできない、直流電流又は非常に低い周波数の交流電流に対処できる。
【0009】
当該方法の幾つかの構成によれば、、パワー半導体デバイスの動作の解析は、当該デバイスの接合温度を、当該適合された一組の基準電圧に基づいて評価することを含む。
【0010】
幾つかの構成によれば、、パワー半導体デバイスの動作の解析は、時間に対するオン電圧のシフトを決定することを含む。
【0011】
当該オン電圧のシフトは、パワー半導体デバイスの電気的な劣化を示す。これらのステップは、温度の不変点がパワー半導体デバイスの電流－電圧の特性曲線に存在する場合に特に適し、複数の基準電流のうちの１つの基準電流が、この不変点に相当する。
【0012】
幾つかの構成によれば、、最小二乗法による適合のため、区間ごとの線形近似が、それぞれ２つの隣接した測定点間で実行され、特に複数の測定点に対するそれぞれ２つの隣接した被測定オン電流間で実行される。連続する電圧－電流の近似が実行される他の手法に比べて、誤差が、演算の低い複雑性を維持しつつ、本発明の区間ごとの線形近似によって最小に低減され得る。
【0013】
幾つかの構成によれば、、最小二乗法による適合は、１つの近似率をそれぞれの基準電流ごとに決定することを含む。この場合、当該近似率は、電流領域内の被測定オン電流がそれぞれの基準電流にどの程度近いかを示す。一般に、それぞれの基準電流と対応する基準電位とに対する複数の測定点の近似は、近似率によって示されるように、特定の測定点、特に特定のオン電流が特定の基準電流にどの程度近い又は合致しているかの指標を提供する。したがって、当該近似率は、これらの被測定オン電圧のそれぞれの近似度又は合致度にしたがって、当該被測定オン電圧を重み付けするために使用され得る重み係数を示す。当該近似率を決定することは、例えば、当該近似率を計算するための１つ又は複数の方程式を提供すること、又は近似率を読み取るためのダイアグラム若しくはルックアップテーブル提供することを含んでもよい。
【0014】
好ましくは、最小二乗法による適合は、一組の近似率をそれぞれの測定点ごとに、特にそれぞれのオン電流ごとに決定することをさらに含む。その結果、Ｎｆｒａｍｅ組の近似率が生成される。当該一組の近似率を決定することは、例えば、当該近似率を１つ又は複数の方程式によって計算すること、又は当該近似率をダイアグラム若しくはルックアップテーブルから取り出すことを含んでもよい。
【0015】
幾つかの構成によれば、、予め決定された時間間隔内の１つの測定点に対して、当該被測定オン電流が、特定の１つの基準電流に等しいときに、当該１つの基準電流に対応する１つの近似率が１に等しい一方で、当該被測定オン電流が、隣接した１つの基準電流に等しいときに、当該１つの基準電流に対応する当該近似率が０に等しいように、複数の当該近似率が規定される。好ましくは、対応する測定点の被測定オン電流が、基準電流と隣接した基準電流との間にあるときに、特定の基準電流に対応する近似率が、１～０の値である。好ましくは、当該近似率は、所定の基準電流から隣接した基準電流まで線形に減少する。
【0016】
幾つかの構成によれば、、当該予め規定された時間間隔内の１つの測定点に対して、当該近似率が、以下の複数組の方程式によって規定される、すなわち計算され得る：
【0017】
【数1】
【0018】
幾つかの構成によれば、、当該適合された一組の基準電圧は、ベクトルＶに関する方程式
【0019】
【数2】
【0020】
幾つかの構成によれば、、当該適合された一組の基準電圧の計算は、（ａ）全てのＮｆｒａｍｅ個の測定点を当該時間間隔内に記録し、次いで全ての最小二乗行列計算を当該時間間隔の終了時に実行することによって進行され得るか、又は（ｂ）中間行列をそれぞれの測定点ごとに計算し、次いで最後の行列計算を当該時間間隔の終了時に実行することによって進行され得る（区間ごとの最小二乗法）。
【0021】
幾つかの構成によれば、接合温度を評価するステップが、一組の平均近似率をＮｆｒａｍｅ組の当該近似率に基づいて決定することと、当該接合温度を当該一組の平均近似率に基づいて評価することとを含む。
【0022】
幾つかの構成によれば、当該一組の平均近似率（Ｗ１（ａｖ），…Ｗｎ（ａｖ），…ＷＮ（ａｖ））を決定することは、好ましくは以下の方程式
【0023】
【数3】
【0024】
１つの時間間隔内の特定の基準電圧Ｖｎに対応する平均近似率Ｗｎ（ａｖ）は、基準電圧の評価の精度における信頼度の指標を有効に提供する。この平均近似率Ｗｎ（ａｖ）は、電気特性及び熱特性の確認において当該基準電圧をどのように使用するかを決定するための校正アルゴリズムによって使用され得る。
【0025】
幾つかの構成によれば、当該接合温度を評価するステップは、この接合温度に対する評価された値を、この接合温度に対する評価された値と当該適合された一組の基準電圧との間の仮定された線形関係に基づいて計算することを含む。
【0026】
幾つかの構成によれば、当該接合温度を評価するステップは、当該接合温度に対する評価された複数の値を、当該接合温度に対する評価されたそれぞれの値と当該適合された一組の基準電圧のうちの１つの基準電圧との間の仮定された線形関係に基づいて計算することを含む。評価されたそれぞれの接合温度が、当該一組の平均近似率のそれぞれの平均近似率にしたがって重み付けされる。次いで、当該接合温度に対して当該重み付けされた複数の評価値は、合計され、例えば、当該接合温度に対する最終評価を得るために規格化される。
【0027】
改良された概念によれば、パワー半導体デバイスの動作を解析するため回路も提供される。この回路は、測定装置と記憶装置と評価装置とを含む。当該測定装置は、Ｎｆｒａｍｅ個の測定点を得るため、Ｎｆｒａｍｅが、２以上の整数であるときに、予め決定された１つの時間間隔内に、当該デバイスのオン電圧と、対応するオン電流とを測定するように構成されている。当該記憶装置は、当該デバイスの一組の基準電圧と、当該デバイスの対応する一組の基準電流とを記憶するように構成されている。また、当該記憶装置は、近似率を決定するためにルックアップテーブル、ダイアグラム又はアルゴリズムを記憶するように構成されてもよい。当該評価装置は、最小二乗法による適合を当該Ｎｆｒａｍｅ個の測定点に対して実行することによって、特にこれらの測定点に対するＮｆｒａｍｅ個の被測定オン電圧に対して実行することによって、当該一組の基準電圧を適合するように構成されている。さらに、当該評価装置は、当該パワー半導体デバイスの動作を、当該適合された一組の基準電圧に基づいて解析するように構成されている。
【0028】
当該改良された概念によれば、パワーエレクトロニクスシステムも提供される。当該パワーエレクトロニクスシステムは、当該改良された概念による回路とパワー半導体デバイスとを含む。
【0029】
幾つかの構成によれば、当該パワー半導体デバイスは、ダイオード、特にＰＩＮダイオード又はショットキーダイオード又はサイリスタ又は電界効果トランジスタ、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ又はＨＥＭＴ又はバイポーラトランジスタ、例えばＩＧＢＴ又はＢＪＴを含む。
【0030】
当該パワーエレクトロニクスシステムの幾つかの構成によれば、当該パワーエレクトロニクスシステムは、パワーコンバータを含む。当該パワーコンバータは、当該パワー半導体デバイスを含む。
【0031】
当該改良された概念による回路のさらなる構成は、当該改良された概念による方法の様々な構成から容易に導かれ、且つ当該改良された概念による方法のさらなる構成は、当該改良された概念による回路の様々な構成から容易に導かれる。当該改良された概念によるパワーエレクトロニクスシステムのさらなる構成は、当該改良された概念による方法の様々な構成から容易に導かれ、当該改良された概念による方法のさらなる構成は、当該改良された概念によるパワーエレクトロニクスシステムの様々な構成から容易に導かれる。
【0032】
以下に、本発明を、図面を参照することによって代表的な構成に関して詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1a】パワー半導体デバイスの２つの異なる接合温度でのオン電圧に対するオン電流を示す。
【図1b】パワー半導体デバイスの異なるオン電流での接合温度に対するオン電圧を示す。
【図2】改良された概念による方法の代表的な工程のフローチャートである。
【図3】改良された概念による方法の代表的な工程の一部を示すＩ－Ｖ特性グラフである。
【図4】被測定オン電流Ｉｍｅａｓに依存する基準電流Ｉ１－Ｉ９に対する近似率Ｗ１－Ｗ９を示すダイアグラムである。
【図5】被測定電流Ｉｍｅａｓに依存する基準電流Ｉ１－Ｉ９に対する近似率Ｗ１－Ｗ９用の値を含むルックアップテーブルである。
【図6】改良された概念によるパワーエレクトロニクスシステムの代表的な構成のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0034】
図１ａは、パワー半導体デバイスの２つの異なる接合温度である２５℃及び１２５℃の接合温度Ｔｊでのオン電圧Ｖｏに対するオン電流Ｉｏの代表的なカーブを示す。これらのカーブは、交点ＣＰで交差する。Ｔｊ＝２５℃での一組の６つの離散した電流Ｉ１，Ｉ２，…，Ｉ６と対応する電圧Ｖ１（２５），Ｖ２（２５），…，Ｖ６（２５）が示されている。当然に、６つの電流の当該数は、任意の例であり、２以上のあらゆる数でもよい。
【0035】
図１ｂは、Ｔｊに対する電圧Ｖ１（２５），…，Ｖ６（２５）の依存性を示す。交点ＣＰより下の電圧は、一定の電流のときにＴｊの増大と共に減少する負の温度係数を示す一方で、交点ＣＰより上の電圧は、一定の電流のときにＴｊの増大と共に増大する正の温度係数を示すことが分かる。
【0036】
交点ＣＰは、Ｔｊ依存性を示さない。幾つかのパワー半導体デバイス、例えば幾つかのＰＩＮダイオードに対しては、交点ＣＰは、定格電流に近いか又は定格電流より上にあり得る。他のパワー半導体デバイス、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に対しては、当該交点は、定格電流の１０％より下にあり得る。さらに他のパワー半導体デバイスは、例えばオン電圧の非線形温度依存性に起因して、単一の交点ＣＰを有し得ない。
【0037】
上記の温度依存性に起因して、順方向電圧に基づくパワー半導体デバイスの動作の解析が複雑である。それにもかかわらず、改良された概念によれば、上記及び下記のように、有意義な解析が、従来の校正なしに、且つ適用可能な電流範囲を著しく限定することなしに実行され得る。
【0038】
以下に、当該改良された概念による方法の代表的な実施の形態を図２～５に関して説明する。
【0039】
図２のステップ１００では、パワー半導体デバイスの一組の基準電圧Ｖｎ，Ｖｎ＋１，…ＩＮ、特に基準オン電圧と、一組の対応する基準電流Ｉｎ，Ｉｎ＋１，…ＩＮ、特にオン電流とが決定される。例えば、予め規定された接合温度に対するパワー半導体デバイスの複数の基準電圧及び複数の基準電流が、定量的に予め規定され得る、例えばデータシートにおいて規定され得る。又は、当該複数の基準電圧及び当該複数の基準電流が、定量測定によって所定の接合温度に対して予め決定され得る。
【0040】
ステップ２００では、Ｎｆｒａｍｅ個の測定点ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ）を示す、当該パワー半導体デバイスのＮｆｒａｍｅ個のオン電圧Ｖｍｅａｓ（１），…Ｖｍｅａｓ（ｋ），…Ｖｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ）及び対応するＮｆｒａｍｅ個のオン電流Ｉｍｅａｓ（１），…Ｉｍｅａｓ（ｋ），…Ｉｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ）が、予め規定された１つの時間間隔内に測定される。Ｎｆｒａｍｅは、２以上の整数である一方で、ｋは、対応する測定点ＭＰ（ｋ）を生成するオン電圧に対する電流測定の特定の繰り返し回数である。
【0041】
図３は、幾つかの測定点と５つの基準電圧Ｖ１－Ｖ５と対応する基準電流Ｉ１－Ｉ５とを例示する。基準電流Ｉ１－Ｉ５は、互いに均等に離間されていて、基準電圧Ｖ１－Ｖ５は、基準電流Ｉ１－Ｉ５に対応する電圧である。図３も、それぞれ２つの隣接した基準電流Ｉ１－Ｉ５と対応する基準電圧Ｖ１－Ｖ５との間の区間ごとの線形近似されたＩ－Ｖカーブを示す。
【0042】
ステップ３００では、最小二乗法による適合（ａ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｆｉｔ）を、測定点ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ）に対するＮｆｒａｍｅ個の被測定オン電圧Ｖｍｅａｓ（１），…Ｖｍｅａｓ（ｋ），…Ｖｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ）に対して実行することによって、一組の基準電圧Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮが適合される。図３に示されているように、当該最小二乗法による適合は、測定点ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ）に対するそれぞれ２つの被測定オン電流Ｉｍｅａｓ（１），…Ｉｍｅａｓ（ｋ），…Ｉｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ）間の区間ごとの線形近似の仮定に基づく。
【0043】
当該最小二乗法による適合では、それぞれの基準電流Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮごとに１つの近似率Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮを規定する必要がある。当該近似率Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮは、電流領域内の被測定オン電流Ｉｍｅａｓ（１），…Ｉｍｅａｓ（ｋ），…Ｉｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ）が、それぞれの基準電流Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮにどの程度近いかを示し、したがって被測定オン電流Ｉｍｅａｓ（１），…Ｉｍｅａｓ（ｋ），…Ｉｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ）が、任意の基準電流Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮに対してどの程度近似しているかを示す。
【0044】
対応する測定点ＭＰ（ｋ）の被測定オン電流Ｉｍｅａｓ（ｋ）が、特定の１つの基準電流（Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮ）に等しいときに、当該１つの基準電流Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮに対応する１つの近似率Ｗ１（ｋ），…Ｗｎ（ｋ），…ＷＮ（ｋ）が１に等しい一方で、対応する測定点ＭＰ（ｋ）の被測定オン電流Ｉｍｅａｓ（ｋ）が、隣接した基準電流Ｉ２，…Ｉｎ＋１，…ＩＮ－１に等しいときに、当該１つの基準電流Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮに対応する近似率Ｗ１（ｋ），…Ｗｎ（ｋ），…ＷＮ（ｋ）が０に等しいように、予め決定された時間間隔内の測定点ＭＰ（ｋ）ごとの近似率Ｗ１（ｋ），…Ｗｎ（ｋ），…ＷＮ（ｋ）が規定される。これらの基準電流Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮ間では、近似率Ｗ１（ｋ），…Ｗｎ（ｋ），…ＷＮ（ｋ）は、到達した基準電流Ｉ１，…Ｉｎ，…ＩＮから隣接した基準電流Ｉ２，…Ｉｎ＋１，…ＩＮ－１まで線形に減少する。
【0045】
この規定は、例えば以下の複数組の方程式で示され得る：
【0046】
【数4】
【0047】
上記のいずれかの既定を使用することで、一組の近似率Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮが、それぞれの測定点ＭＰ（１），…ＭＰ（ｋ），…ＭＰ（Ｎｆｒａｍｅ）ごとに、特にそれぞれの被測定オン電流Ｉｍｅａｓ（１），…Ｉｍｅａｓ（ｋ），…Ｉｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ）ごとに決定される、すなわち上記の方程式によって計算されるか、又は上記のダイアグラム又はテーブルから読み取られる。その結果、Ｎｆｒａｍｅ組の近似率Ｗ１（１），…Ｗｎ（ｋ），…ＷＮ（Ｎｆｒａｍｅ）が決定される。
【0048】
次いで、適合された一組の基準電圧Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮが、当該決定されたＷ１（１），…Ｗｎ（ｋ），…ＷＮ（Ｎｆｒａｍｅ）と当該被測定オン電圧Ｖｍｅａｓ（１），…Ｖｍｅａｓ（ｋ），…Ｖｍｅａｓ（Ｎｆｒａｍｅ）とに基づいて決定される。特に、当該適合された一組の基準電圧（Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ）は、方程式
【0049】
【数5】
【0050】
当該適合された基準電位Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮは、被測定オン電圧Ｖｍｅａｓ用の電流に依存しない評価として使用され得る。
【0051】
ステップ４００では、平均近似率Ｗｎ（ａｖ）が、当該時間間隔の終了時に、式
【0052】
【数6】
【0053】
特別に適合された基準電圧Ｖｎに対する平均近似率Ｗｎ（ａｖ）は、電圧評価の精度の信頼度を示している。
【0054】
サンプル時間間隔の存続期間は、例えば、平均値の精度を向上させる長い期間と、当該時間間隔にわたってほぼ一定の接合温度Ｔｊと仮定される短い期間との間の妥協として選択され得る。
【0055】
ステップ５００では、適合された一組の基準電圧Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮが、パワー半導体デバイスの動作を解析するために使用される。
【0056】
特に、当該解析は、最大の平均近似率Ｗｎ（ａｖ）を有する基準電圧Ｖｎを適合された一組の基準電圧Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮから選択することと、当該接合温度Ｔｊと当該選択された基準電圧Ｖｎとの間の仮定された線形関係に基づいて、当該接合温度Ｔｊに対する評価値を計算することとを含んでもよい。
【0057】
例えば、当該解析は、適合された一組の基準電圧Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮのうちの幾つかの基準電圧又は全ての基準電圧に対する当該仮定された線形関係に基づいて、当該接合温度に対するそれぞれの評価値を計算することを含んでもよい。このとき、接合温度Ｔｊに対する評価値の重み付けされた平均値が決定されてもよい。当該重み付けは、それぞれの平均近似率Ｗ１（ａｖ），…Ｗｎ（ａｖ），…ＷＮ（ａｖ）にしたがって実行されてもよい。
【0058】
図６は、改良された概念によるパワーエレクトロニクスシステムの代表的な構成のブロック図である。特に、当該パワーエレクトロニクスシステムは、図２～５に関して説明したような改良された概念による方法を実行するように構成されている。
【0059】
当該システムは、改良された概念による回路Ｃと、パワーエレクトロニクス装置、例えば回路Ｃに結合されたパワーコンバータＰＣとから構成されている。パワーコンバータＰＣは、１つ又は複数のパワー半導体デバイスＰＳ１，ＰＳ２，…，ＰＳ６、例えばＩＧＢＴを有する。図６中の６つに等しいパワー半導体デバイスの数は、例示にすぎず、６つでなくてもよい。図６の例では、当該デバイスＰＳ１，…，ＰＳ６は、パワーコンバータ用の標準アプリケーションである６スイッチ三相２レベルインバータの一部として示されている。しかしながら、このインバータは、例示にすぎず、当該改良された概念は、このような構成に依拠しないので、当該パワー半導体デバイスは、このインバータに限定されない。
【0060】
ディプレッション型のＩＧＢＴのための回路記号が、図６に示されているが、この回路記号は、当該改良された概念による方法又は回路又はシステムを決して限定しない。特に、パワー半導体デバイスＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３は、エンハンスメント型のＩＧＢＴ、他のトランジスタ、サイリスタ又はダイオードを有してもよい。パワーコンバータＰＣも、例として使用されているにすぎない。特に、パワーコンバータＰＣは、別のパワーエレクトロニクス装置、例えば半導体遮断器、半導体リレー、静止型無効電力補償装置又はスイッチモードオーディオアンプ（ｓｗｉｔｃｈ－ｍｏｄｅ ａｕｄｉｏ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）に置換されてもよい。
【0061】
パワーコンバータＰＣは、例えば、パワー半導体デバイスＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３を駆動及び／又は制御するための駆動制御装置ＤＣＵを有してもよい。
【0062】
図６に示されているように、回路Ｃは、パワーコンバータＰＣに対して分離していてもよい。代わりに、例えば、パワーコンバータＰＣ又は駆動制御装置ＤＣＵが、回路Ｃを有してもよい。
【0063】
当該回路は、複数の半導体デバイスＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３のうちの少なくとも１つの半導体デバイスのオン電圧及びオン電流を予め決定された１つの時間間隔内に何回か繰り返して測定し、パワーコンバータＰＣと通信するための測定装置ＭＵを有する。測定装置ＭＵは、例えば１つ又は複数のアナログデジタル変換器及び／又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を有してもよい。代わりに、測定装置ＭＵは、マイクロコントローラユニットを有してもよい。
【0064】
回路Ｃは、基準電圧及び基準電流を記憶するための記憶装置ＳＵをさらに有する。記憶装置ＳＵは、適合された基準電圧、近似率及び平均近似率を記憶するためにも設けられている。また、上記の近似率を決定するための方程式、ダイアグラム又はルックアップテーブルが、記憶装置ＳＵ内に記憶されてもよい。
【0065】
（図示されていない）幾つかの構成では、記憶装置ＳＵは、例えば測定装置ＭＵのＦＰＧＡ又はマイクロコントローラユニット内の測定装置ＭＵに結合されてもよい。
【0066】
また、回路Ｃは、基準電圧を適合し、データを記憶装置ＳＵに記憶し、オプションとして接合温度に対する評価値を決定するための評価装置ＥＵ、例えばマイクロプロセッサを有する。特に、評価装置ＥＵは、図２～５に関して説明した全ての計算ステップを実行するように構成されてもよい。また、評価装置ＥＵは、記憶装置ＳＵ及び／又は測定装置ＭＵに結合されてもよい。
【0067】
上記の改良された概念による方法、回路又はシステムによって、パワー半導体デバイスの動作が、使用前の校正なしに、少なくとも当該パワー半導体デバイスの定格電流まで解析され得る。この解析は、最小二乗法を使用して、当該一組の基準電圧を複数の測定点に有効に適合させることによって、約１００ｍｓ又は約数百ｍｓ内に達成される。当該最小二乗法による適合は、適合された電圧を計算することを可能にする。当該適合された電圧は、オンライン中に、すなわちパワー半導体デバイス又は当該デバイスを有するシステム、例えばパワーコンバータの通常動作中に、校正を有効に実行するために使用され得る。
【0068】
当該改良された概念は、精度対演算負荷のより良好なトレードオフを可能にする。例えば、簡単なビニングが使用されるならば、多数の電流ビンが必要とされる結果として、当該結果データを使用するときに、演算負荷が増大するか、又は、大きい誤差が、当該結果電圧で発生する。
【0069】
改良された概念によれば、オン電圧の低下の高電流測定が使用され得る結果として、変換装置の通常動作との干渉が回避されるか、又は、スイッチを入れ切れされる特定の低電流の供給が必要とされる。
【0070】
また、複雑なルックアップテーブルが省略され得る。
【0071】
大容量データ群が使用され得るので、測定誤差が大幅に低減され得る。
【0072】
改良された概念によるシステム又は回路は、直流電流又は非常に低い交流電流を対処できる。このような場合、２つの基準電流だけが、有効データを特定の時間間隔内に有する。この場合、オン電流は、ほぼ一定である。
【0073】
改良された概念による実行は、次世代の「スマート」パワーコンバータの幾つかの特徴を可能にし得る接合温度の評価を含み得る。当該接合温度の評価は、ダイナミックレーティング制御（インテリジェント・オーバーレイト／ディレイト）、最適化されたパラレルインバータスタックの電流共有、状況監視（摩耗及び異常動作の検出）、予測保守の実行、温度のサイクルカウンティング、残りの有用な寿命の評価、開発及び型式検査中のインバータスタックの構成の改良された確認、及び改良された過温度の検出を含む。
【0074】
パワーコンバータのメーカーに対して結果として得られる利益は、最適化された性能（例えば、定格電流又は電流効率）対（例えば、マージンの減少による）コストのトレードオフを含み得る。パワーコンバータのエンドユーザーに対する利益は、異常動作の早期の検出と削減され得る動作コストとを含み得る。
【0075】
上記と同様に、当該方法は、ダイオードの逆回復電流ピーク値、オーバーシュートピーク電圧等のようなスイッチング特性を含む、電流に依存する他のＴＳＥＰに適用されてもよい。また、ＴＳＥＰは、本質的に全てのパワー半導体デバイスに対して適用されないが、同様な方法で、例えばゲート閾値電圧又は内部ゲート抵抗が適用され得る。１つの重要な側面は、動作点と温度の依存性とによる１つの測定を、温度の依存性だけによる分離した複数組の測定に変換することによって、動作点（例えば、電流）の依存性を取り除くことである。
【0076】
さらに、特に、対象となるある種のホットスポット温度が、厳しい環境のために測定困難である場合、当該概念は、パワーエレクトロニクス以外の電気機器の動作を解析するために使用されてもよい。当該場合は、例えば、電力変圧器の場合であり得る。この場合、変圧器のホットスポット温度又は巻線温度が対象となり得る。
【符号の説明】
【0077】
ＰＣ パワーコンバータ
ＤＣＵ 駆動制御装置
ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３ パワー半導体デバイス
Ｃ 回路
ＥＵ 評価装置
ＳＵ 記憶装置
ＭＵ 測定装置
Ｉｏ オン電流
Ｖｏ オン電圧
Ｔｊ 接合温度
Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ 基準電圧、適合された基準電圧
Ｉｎ，…Ｉｎ，…ＩＮ 基準電流
Ｉｍｅａｓ 被測定オン電流
Ｖｍｅａｓ 測定オン電圧
ＭＰ 測定点
Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮ 近似率（ｖａｌｉｄｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）
Ｗｎ（ａｖ），…Ｗｎ（ａｖ），…ＷＮ（ａｖ） 平均近似率
ＤＣＵ 駆動制御装置
ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３ パワー半導体デバイス
Ｃ 回路
ＥＵ 評価装置
ＳＵ 記憶装置
ＭＵ 測定装置
Ｉｏ オン電流
Ｖｏ オン電圧
Ｔｊ 接合温度
Ｖ１，…Ｖｎ，…ＶＮ 基準電圧、適合された基準電圧
Ｉｎ，…Ｉｎ，…ＩＮ 基準電流
Ｉｍｅａｓ 被測定オン電流
Ｖｍｅａｓ 測定オン電圧
ＭＰ 測定点
Ｗ１，…Ｗｎ，…ＷＮ 近似率（ｖａｌｉｄｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）
Ｗｎ（ａｖ），…Ｗｎ（ａｖ），…ＷＮ（ａｖ） 平均近似率
【図1a】
【図1b】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】