(57)【要約】      （修正有）【課題】制御可能な半導体、センサ及びコントローラを備えるデバイスを提供する。【解決手段】制御可能な半導体１０２は第１の動作パラメータ及び第２の動作パラメータに関連付けられ、少なくとも第１の動作パラメータは制御可能である。センサ１０６は制御可能な半導体デバイス１０２と通信し、第２の動作パラメータに関連するデータを取得する。コントローラ１０４は制御可能な半導体デバイス及びセンサと通信する。コントローラは、制御可能な半導体に関連付けられるデバイスデータにアクセスし、第１の動作パラメータを制御し、センサから第２の動作パラメータに関連するデータを受信するように構成される。コントローラは、デバイスデータに基づいて第１の予測値を求め、第２の動作パラメータに関連するデータを第１の予測値と比較し、この比較に基づいて第１の条件が検出される場合には、第１の動作パラメータを動的に変更する。【選択図】図７
2014197684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスであって、
制御可能な半導体デバイスであって、該制御可能な半導体デバイスが第１の動作パラメータ及び第２の動作パラメータを有し、少なくとも該第１の動作パラメータは制御可能である、制御可能な半導体デバイスと、
前記制御可能な半導体デバイスと通信する第１のセンサであって、前記制御可能な半導体デバイスについての前記第２動作パラメータの値を示す第２動作パラメータ・データを取得する、第１のセンサと、
前記制御可能な半導体デバイス、ストレージ・デバイス及び前記第１センサと通信するコントローラであって、該コントローラは前記制御可能な半導体デバイスに関連付けられ前記ストレージ・デバイスに格納されるデバイスデータにアクセスし、前記制御可能な半導体デバイスについての前記第１動作パラメータを前記制御可能な半導体デバイスが制御し、前記第１センサから前記第２動作パラメータ・データを受信するように構成される、コントローラとを備え、
前記制御可能な半導体デバイスに関連付けられる前記デバイスデータが、デフォルトドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）境界、デフォルト電力境界（ＰＢ）、デフォルトＲＭＳ電流境界（ＩＤＲＭＳ）、及びデフォルトＲＤＳ（ｏｎ）制限電流境界のうちの少なくとも１つを含み、
前記コントローラが、前記デバイスデータに基づいて第１の予測値を求め、前記第１センサからの前記第２動作パラメータ・データを前記第１予測値と比較し、該比較に基づいて、第１の条件が検出される場合に、前記第１条件、前記デバイスデータ、及び前記制御可能半導体デバイスの所定の信頼性特性に基づいて、前記第１動作パラメータを動的に変更する、デバイス。
【請求項２】
前記制御可能な半導体デバイスは、パワートランジスタ、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）、サイリスタ、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタ、及びエミッタターンオフ（ＥＴＯ）サイリスタのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１センサは、温度センサ、電圧センサ、及び電流センサのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１動作パラメータが、ゲートドライブ、ベースドライブ、トランジスタバイアス、安全動作領域（ＳＯＡ）条件、ドレイン−ソース間電圧閾値（ＶＤＳ）、ＲＭＳドレイン電流閾値（ＩＤＲＭＳ）、順方向及び逆方向バイアス安全動作領域（ＳＯＡ）パルス電流閾値（ＩＤＭ）、ドレイン−ソース間オン抵抗（ＲＤＳ（ｏｎ））によって制限される順方向バイアスＳＯＡドレイン電流（ＩＤ）境界、及びパワーデバイスの動作領域、ドレイン−ソース間電圧、コレクタ−エミッタ間電圧、アノード−カソード間電圧、ゲート電圧、ゲート電流、ベース電流、平均ドレインデバイス電流、平均コレクタデバイス電流、平均アノードデバイス電流、ピークドレイン電流、ピークコレクタ電流、ピークアノード電流、ＲＭＳドレイン電流、ＲＭＳコレクタ電流、ＲＭＳアノード電流、スイッチング周波数及び、デューティサイクルから構成されるグループから選択される少なくとも１つのパラメータを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記制御可能な半導体デバイスについての第３の動作パラメータの値を示す第３動作パラメータ・データを取得する第２のセンサをさらに備え、該第２のセンサは前記コントローラと通信し、該コントローラは、該第２のセンサから、前記第３動作パラメータ・データを受信し、
前記コントローラは、前記格納されるデバイスデータに基づいて、予測される第３の動作パラメータを求め、前記第３動作パラメータ・データを、前記予測される第３の動作パラメータと比較し、第１の条件が検出される場合に、前記第１条件、前記デバイスデータ、及び前記制御可能半導体デバイスの所定の信頼性特性に基づいて、前記第１動作パラメータを動的に変更する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１センサ及び前記コントローラのうちの少なくとも１つは、定期的及び概ね連続的の少なくとも一方において、前記第２動作パラメータ・データを取得するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２の動作パラメータは、ゲートドライブ、ベースドライブ、トランジスタバイアス、安全動作領域（ＳＯＡ）条件、ドレイン−ソース間電圧閾値（ＶＤＳ）、ＲＭＳドレイン電流閾値（ＩＤＲＭＳ）、順方向及び逆方向バイアス安全動作領域（ＳＯＡ）パルス電流閾値（ＩＤＭ）、ドレイン−ソース間オン抵抗（ＲＤＳ（ｏｎ））によって制限される順方向バイアスＳＯＡドレイン電流（ＩＤ）境界、前記パワーデバイスの動作領域、ドレイン電圧、ゲート電圧、ゲート電流、平均ドレインデバイス電流、ピークドレイン電流、ＲＭＳドレイン電流、ダイ温度、ケース温度、接合部温度（ＴＪ）、スイッチング周波数、及びデューティサイクルから構成されるグロープから選択される少なくとも１つの動作パラメータを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１条件が、温度過昇、電流トンネル現象、過電力、過電流、過電圧、冷媒問題、ヒートシンク問題、ダイ欠陥、ダイ相互接続ボンディング欠陥、ダイアタッチメント欠陥、及びデバイスパッケージ実装欠陥のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記コントローラは、前記第１条件の検出時に、或る動作を実行するように構成される、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記動作は、
（ａ）前記制御可能な半導体デバイスの動作を変更すること、
（ｂ）前記制御可能な半導体デバイスをシャットダウンすること、
（ｃ）前記制御可能な半導体デバイスの動作を中断すること、
（ｄ）前記制御可能な半導体デバイスの動作モードを切り替えること、
（ｅ）異なる第２の動作パラメータを検査すること、
（ｆ）前記第１条件を診断すること、
（ｇ）前記第１条件に基づいて、第２の条件が生じる可能性があるか否かを判定することであって、該第２の条件は、温度過昇、電流トンネル現象、過電力、過電流、過電圧、冷媒問題、ヒートシンク問題、ダイ欠陥、ダイボンディング欠陥、ダイアタッチメント欠陥、デバイスパッケージ実装欠陥、前記パワーデバイスのための熱インターフェース問題、該パワーデバイスの信頼性の低下、高電流負荷下での該パワーデバイスの故障、及び高電力負荷下での該パワーデバイスの故障のうちの少なくとも１つを含む、こと、並びに
（ｈ）通知を与えること、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第１センサが、２つ以上の場所において、前記制御可能な半導体デバイスをモニタする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記デバイスデータは、更に、破壊ドレイン−ソース間電圧ＢＶＤＳＳ、破壊ドレイン−ソース間電圧ＢＶＤＳＳｐ保護閾値、定格ドレイン−ソース間電圧ＶＤＳＳ、定格ドレイン−ソース間電圧ＶＤＳＳ保護閾値、最大単一パルス電流ＩＤＭ、最大単一パルス電流ＩＤＭ保護閾値、連続ドレイン電流ＩＤ、連続ドレイン電流ＩＤ保護閾値、アバランシェ電流ＩＡＲ、アバランシェ電流ＩＡＲ保護閾値、所定の接合部温度Ｔｊにおける単一パルスの場合のデフォルト順方向バイアス安全動作領域（ＦＢＳＯＡ）、所定の接合部温度Ｔｊにおける単一パルスの場合のデフォルト逆方向バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）、ノーマルモード及びアバランシェモードのうちの少なくとも一方の場合の接合部−ケース間過渡熱インピーダンス曲線、ヒートシンク−ケース間熱インピーダンスＺｔｈｈｃ、接合部−ケース間熱インピーダンスＺｔｈｊｃ、所定の温度Ｔにおけるオン状態抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）（ａｔｔｅｍｐ Ｔ）、正規化されたオン状態抵抗ＲＤＳ（ＯＮ）対温度、電力損ＴＨＳ（ＰＭ）の関数としてのヒートシンク温度ＴＨＳ、接合部温度ＴＪ閾値、インテグラルボディダイオードのリバースリカバリ電荷Ｑｒｒ及び前記インテグラルボディダイオードＱｒｒのリバースリカバリ時間ｔｒｒのうちの１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記制御可能な半導体デバイスは、ドレイン電極、ゲート電極、及びソース電極を有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含み、前記コントローラは、前記制御可能な半導体デバイスの前記ゲート電極にゲートドライブ信号を与える第１の出力と、前記コントローラが前記第２動作パラメータ・データを受信できるようにするために、前記第１のセンサに接続される第１の入力とを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記コントローラは第２の入力をさらに備え、該第２の入力は、バイアス電源を受信して、前記ゲートドライブ信号のための信号源を与えるように構成される、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記コントローラは、前記制御可能な半導体デバイスに関連付けられる前記デバイスデータを受信するように構成される第３の入力をさらに備える、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記コントローラは第２の出力をさらに備え、前記第２の出力は通知信号を含む、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記通知信号は、前記制御可能な半導体デバイスの動作モード、該制御可能な半導体デバイスのステータス、前記第１条件、障害通知、及び障害予測のうちの少なくとも１つに関する情報を含む、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記所定の信頼性特性が、平均故障間隔（ＭＴＢＦ）及び故障率のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記ＳＯＡ条件が、境界のセットによって決定され、該境界のセットが、ＳＯＡドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）境界、ＳＯＡ電力境界（ＰＢ）、ＳＯＡＲＭＳ電流境界（ＩＤＲＭＳ）、及びＳＯＡ ＲＤＳ（ｏｎ）制限電流境界を含み、前記コントローラが、更に、前記第２動作パラメータ・データに基づいて前記境界セットのうち少なくとも１つの境界を調整するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第２動作パラメータが、前記ＳＯＡ条件を含み、前記デバイスデータが、ノーマルモード及びアバランシェモードのうちの少なくとも一方の場合の接合部−ケース間過渡熱インピーダンス曲線、ヒートシンク−ケース間熱インピーダンスＺｔｈｈｃ、接合部−ケース間安定状態熱インピーダンスＺｔｈｊｃ、所定の温度Ｔにおけるオン状態抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）（ａｔｔｅｍｐ Ｔ）、正規化されたオン状態抵抗ＲＤＳ（ＯＮ）対温度のうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記デバイスデータが、更に、破壊ドレイン−ソース間電圧ＢＶＤＳＳ、破壊ドレイン−ソース間電圧ＢＶＤＳＳ保護閾値、定格ドレイン−ソース間電圧ＶＤＳＳ、定格ドレイン−ソース間電圧ＶＤＳＳ保護閾値、最大単一パルス電流ＩＤＭ、最大単一パルス電流ＩＤＭ保護閾値、連続ドレイン電流ＩＤ、連続ドレイン電流ＩＤ保護閾値、アバランシェ電流ＩＡＲ、アバランシェ電流ＩＡＲ保護閾値、所定の接合部温度Ｔｊにおける単一パルスの場合のデフォルト順方向バイアス安全動作領域（ＦＢＳＯＡ）、所定の接合部温度Ｔｊにおける単一パルスの場合のデフォルト逆方向バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）、所定の温度Ｔにおけるオン状態抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）（ａｔｔｅｍｐ Ｔ）、正規化されたオン状態抵抗ＲＤＳ（ＯＮ）対温度、電力損ＴＨＳ（ＰＭ）の関数としてのヒートシンク温度ＴＨＳ、接合部温度ＴＪ閾値、インテグラルボディダイオードのリバースリカバリ電荷Ｑｒｒ及び前記インテグラルボディダイオードＱｒｒのリバースリカバリ時間ｔｒｒのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記第１動作パラメータが、ドレイン−ソース間電圧閾値（ＶＤＳ）、ＲＭＳドレイン電流閾値（ＩＤＲＭＳ）、パルス電流閾値（ＩＤＭ）、ドレイン−ソース間オン抵抗（ＲＤＳ（ｏｎ））によって制限される順方向バイアスＳＯＡドレイン電流（ＩＤ）境界から構成されるグループから選択される１又はそれ以上のパラメータを含み、
前記第２の動作パラメータが、ケース温度Ｔｃ、前記接合部温度Ｔｊ及び前記デバイスに動作可能に接続された負荷特性から構成されるグループから選択される１又はそれ以上のパラメータを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記コントローラが、更に、
所定の温度範囲における前記制御可能な半導体デバイスの各接合部温度について、境界のセットを計算し、各境界が、前記制御可能な半導体デバイスについての前記デバイスデータ、及び前記制御可能な半導体デバイスについてのドレイン電流ＩＤ及びドレイン−ソース間電圧ＶＤＳの関数としての所定の信頼性特性に基づいており、各境界が各ＳＯＡを定めており、
所望される所定の信頼性特性に基づきＳＯＡを選択し、
前記選択されたＳＯＡに関連付けられる各境界及び所定の信頼性特性に従って、前記第１動作パラメータを動的に修正する、
ように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記所定の信頼性特性が、平均故障間隔（ＭＴＢＦ）を含み、前記計算された境界のセットが、最大ＭＴＢＦに対応する最小ＳＯＡを定める少なくとも１つの境界、及び最小ＭＴＢＦに対応する最大ＳＯＡを定める少なくとも１つの境界を含む、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２５】
デバイスであって、
第１の動作パラメータ及び第２の動作パラメータを有する制御可能な半導体デバイスであって、少なくとも該第１の動作パラメータは、前記制御可能な半導体デバイスが動作中に制御可能である、制御可能な半導体デバイスと、
前記制御可能な半導体デバイスと通信する第１のセンサであって、前記制御可能な半導体デバイスについての前記第２動作パラメータの値を示す前記第２動作パラメータ・データを取得する、第１のセンサと、
前記制御可能な半導体デバイス、ストレージ・デバイス及び前記第１センサと通信するコントローラであって、該コントローラは前記制御可能な半導体デバイスに関連付けられ、前記ストレージ・デバイスに格納されるデバイスデータにアクセスし、前記制御可能な半導体デバイスについての前記第１の動作パラメータを前記制御可能な半導体デバイスが制御し、前記第１のセンサから前記第２動作パラメータ・データを受信するように構成される、コントローラとを備え、
前記制御可能な半導体デバイスに関連付けられる前記デバイスデータは、ノーマルモード及びアバランシェモードのうちの少なくとも一方の場合の接合部−ケース間過渡熱インピーダンス曲線、ヒートシンク−ケース間熱インピーダンスＺｔｈｈｃ、接合部−ケース間安定状態熱インピーダンスＺｔｈｊｃ、所定の温度Ｔにおけるオン状態抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）（ａｔｔｅｍｐ Ｔ）、正規化されたオン状態抵抗ＲＤＳ（ＯＮ）対温度のうちの少なくとも１つを含み、
前記コントローラが、前記デバイスデータに基づいて第１の予測値を求め、前記第１センサからの前記第２動作パラメータ・データを前記第１の予測値と比較し、該比較に基づいて、第１の条件が検出される場合、前記第１条件、前記デバイスデータ、及び前記制御可能な半導体デバイスの所定の信頼性特性に基づいて、前記第１の動作パラメータを動的に変更する、デバイス。
【請求項２６】
前記所定の信頼性特性が、平均故障間隔（ＭＴＢＦ）及び故障率のうちの少なくとも１つを含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記第１動作パラメータが、ドレイン−ソース間電圧、コレクタ−エミッタ間電圧、アノード−カソード間電圧、ゲート電圧、ゲート電流、ベース電流、平均ドレインデバイス電流、平均コレクタデバイス電流、平均アノードデバイス電流、ピークドレイン電流、ピークコレクタ電流、ピークアノード電流、ＲＭＳドレイン電流、ＲＭＳコレクタ電流、ＲＭＳアノード電流、ダイ温度、ケース温度、接合部温度（ＴＪ）、スイッチング周波数及び、デューティサイクルのうちの少なくとも１つを含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記第２動作パラメータが、ゲートドライブ、ベースドライブ、トランジスタバイアス、安全動作領域（ＳＯＡ）条件、ドレイン−ソース間電圧閾値（ＶＤＳ）、ＲＭＳドレイン電流閾値（ＩＤＲＭＳ）、順方向及び逆方向バイアス安全動作領域（ＳＯＡ）パルス電流閾値（ＩＤＭ）、ドレイン−ソース間オン抵抗（ＲＤＳ（ｏｎ））によって制限される順方向バイアスＳＯＡドレイン電流（ＩＤ）境界、及びパワーデバイスの動作領域のうちの少なくとも１つを含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記第１条件が、温度過昇、電流トンネル現象、過電力、過電流、過電圧、冷媒問題、ヒートシンク問題、ヒートシンク−デバイス間パッケージインターフェース問題、ダイ欠陥、ダイ相互接続ボンディング欠陥、ダイアタッチメント欠陥、及びデバイスパッケージ実装欠陥のうちの少なくとも１つを含む、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項３０】
制御可能なパワースイッチであって、
リニアモード、スイッチングモード及びシャットダウンモードのうちの１つになるように制御可能な半導体デバイスと、
前記半導体デバイスと動作可能に通信する第１のセンサであって、前記半導体デバイスのダイ温度をモニタするように構成され、前記第１センサが、前記制御可能な半導体デバイスのダイにおいて少なくとも２つの異なる場所から温度データを取得し、前記場所のうち少なくとも１つが、前記ダイの概ね周辺付近であり、前記場所のうち少なくとも１つが、前記ダイの概ね中心付近である、第１のセンサと、
前記半導体デバイスについての第１の制御可能な動作パラメータの値を示す第１制御可能動作パラメータ・データを取得する第２のセンサであって、前記コントローラと通信して、前記第１制御可能動作パラメータ・データを前記コントローラに提供する、第２のセンサと、
前記半導体デバイス、ストレージ・デバイス及び前記第１センサと動作可能に通信するコントローラであって、前記半導体デバイスに関連付けられ、前記ストレージ・デバイスに格納される第１のデバイスデータ及び第２のデバイスデータにアクセスし、前記半導体デバイスのモードを制御し、前記第１センサから前記ダイ温度データを受信するように構成される、コントローラとを備え、
前記半導体デバイスに関連付けられる前記第１デバイスデータが、ノーマルモード及びアバランシェモードのうちの少なくとも一方の場合の接合部−ケース間過渡熱インピーダンス曲線、ヒートシンク−ケース間熱インピーダンスＺｔｈｈｃ、接合部−ケース間熱インピーダンスＺｔｈｊｃ、所定の温度Ｔにおけるオン状態抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）（ａｔｔｅｍｐ Ｔ）、正規化されたオン状態抵抗ＲＤＳ（ＯＮ）対温度、電力損ＴＨＳ（ＰＭ）の関数としてのヒートシンク温度ＴＨＳ、及び接合部温度ＴＪ閾値を含み、
前記半導体デバイスに関連付けられる前記第２デバイスデータが、更に、デフォルトドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）境界、デフォルト電力境界（ＰＢ）、デフォルトＲＭＳ電流境界（ＩＤＲＭＳ）、及びデフォルトＲＤＳ（ｏｎ）制限電流境界のうちの少なくとも１つを含み、
前記コントローラが、前記第１デバイスデータ及び前記ダイ温度データに基づいて、電流トンネル現象が存在するかどうかを判定し、電流トンネル現象が存在する場合に、前記コントローラが、前記半導体デバイスの前記モードを変更するように構成され、
前記コントローラが、前記第１センサからの前記ダイ温度データ、前記第２センサからの第１制御可能動作パラメータ・データ、及び前記第２デバイスデータに基づいて、第２の条件が存在するかどうかを判定し、該第２条件が存在する場合に、前記第１条件、前記デバイスデータ、及び前記半導体デバイスの所定の信頼性特性に基づいて、前記第１制御可能動作パラメータを動的に変更する、制御可能なパワースイッチ。
【請求項３１】
前記所定の信頼性特性が、平均故障間隔（ＭＴＢＦ）及び故障率のうちの少なくとも１つを含む、請求項３０に記載の制御可能なパワースイッチ。
【請求項３２】
請求項３０に記載の制御可能なパワースイッチにおいて、前記第１動作パラメータが、ドレイン−ソース間電圧、コレクタ−エミッタ間電圧、アノード−カソード間電圧、ゲート電圧、ゲート電流、ベース電流、平均ドレインデバイス電流、平均コレクタデバイス電流、平均アノードデバイス電流、ピークドレイン電流、ピークコレクタ電流、ピークアノード電流、ＲＭＳドレイン電流、ＲＭＳコレクタ電流、ＲＭＳアノード電流、ダイ温度、ケース温度、接合部温度（ＴＪ）、スイッチング周波数、及び、デューティサイクルのうち少なくとも１つを含む、制御可能なパワースイッチ。
【請求項３３】
第１の動作パラメータおよび第２の動作パラメータを有し、少なくとも該第１の動作パラメータが、制御可能なパラメータである、制御可能な半導体デバイスと、
前記制御可能な半導体デバイスと通信する第１のセンサであって、前記制御可能な半導体デバイスについての前記第２動作パラメータの値を示す第１のデータを取得する、第１のセンサと、
前記コントローラと通信する第２のセンサであって、第２のデータを取得し、該第２データが、前記制御可能な半導体デバイスに影響を及ぼす環境条件、及び前記制御可能な半導体デバイスに影響を及ぼす機械的条件のうちの少なくとも一つを含む、第２のセンサと、
前記制御可能な半導体デバイス、ストレージ・デバイス、前記第１センサ、及び前記第２センサと通信するコントローラであって、前記制御可能な半導体デバイスに関連付けられ、前記ストレージ・デバイスに格納されるデバイスデータにアクセスし、前記制御可能な半導体デバイスについての前記第１動作パラメータを制御し、前記第１センサ及び第２センサから、それぞれ前記第１データ及び前記第２データを受信するように構成される、コントローラとを備え、
前記制御可能な半導体デバイスに関連付けられる前記デバイスデータが、デフォルトドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）境界、デフォルト電力境界（ＰＢ）、デフォルトＲＭＳ電流境界（ＩＤＲＭＳ）、及びデフォルトＲＤＳ（ｏｎ）制限電流境界のうちの少なくとも１つを含み、
前記コントローラが、前記デバイスデータに基づいて第１の予測値を求め、前記第１センサからの前記第１データを前記第１予測値と比較し、該比較に基づいて、第１の条件が検出される場合に、前記コントローラは、前記第１動作パラメータを動的に修正する、デバイス。
【請求項３４】
請求項３３に記載のデバイスにおいて、前記環境条件が、温度、冷媒の流れ、及び湿度レベルのうちの少なくとも１つを含む、デバイス。
【請求項３５】
請求項３３に記載のデバイスにおいて、前記機械的条件が、応力、歪み、力、運動、振動、加速度、及び衝撃のうちの少なくとも１つを含む、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は概括的には半導体及びシステムに関する。より詳細には、本発明
は、パワー半導体及びシステムを動作させ、制御し、及びモニタするためのシステム、方
法及びデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体デバイスは当業者によく知られており、電子工学的な電力変換、レギュレ
ーション、及び制御のために一般的に用いられる。パワーシステムの構成ブロックとして
、パワー半導体デバイスはスイッチングモード及びリニアモードの両方において動作する
。パワー半導体は、軽量且つ小型であること、高電流レベルでの信頼性、障害分離、及び
診断能力のような競合する要件を満足させる。
【０００３】
パワートランジスタは１つのタイプのパワー半導体であり、ワットないしメガワット単
位の電力範囲の種々の用途において用いられる。用途の大部分はスイッチングモードでパ
ワー半導体を使用するが、用途によっては、デバイスを線形（リニア）領域で動作させる
必要ある。そのような用途には、定電流キャパシタ（コンデンサ）充放電、負荷において
徐々に電圧を立ち上げること（「ソフトスタート」）、及び誘導性負荷のスイッチングが
含まれる。
【０００４】
たとえば、Boris S. Jacobson他の発明者によって、２００３年１０月２４日に特許出
願第１０／６９２，５８０号（代理人整理番号第ＲＴＮ−１８３ＡＵＳ）として出願され
、２００４年５月２０日に公開された、「Intelligent Power System」と題するＵ．Ｓ．
第２００４／００９５０２３号において、制御モードパワーシステムの応用形態を見つけ
ることができる。
【０００５】
たとえば、図１は、キャパシタバンクＣ１〜Ｃｎを電圧源Ｖｉｎから充電することによ
って、リニアモードにおいて動作するトランジスタＱの一例を示しており、図２は、図１
のトランジスタ回路のためのパラメータを示すグラフである。ｔ０の前に、トランジスタ
はソース電圧を遮断している。瞬間ｔ０において、トランジスタは徐々にオンに切り替わ
り、キャパシタ（コンデンサ）バンクを充電し始める。時間間隔ｔ０〜ｔ１中に、トラン
ジスタには線形に減衰する電圧が印加され、定電流が流れる。トランジスタによって散逸
（消費）される電力は、Ｐ＝１／（ｔ１−ｔ０）∫ＩＶ（ｔ）ｄｔである。ただし、ｖ（
ｔ）はトランジスタにかかる電圧であり、積分区間はｔ０〜ｔ１であり、Ｉはトランジス
タの中に流れる定電流である。
【０００６】
金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）として知られているタイプの
パワートランジスタ、並びに絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に関連する
問題は、それらのトランジスタはスイッチとして最適化することはできるが、リニアモー
ドでの動作に関連付けられる連続的な電力損に耐えることができないことである。この１
つの理由は、ホットスポット又は電流トンネリングと呼ばれる現象である。理想的なデバ
イスの場合、ダイにわたる電流密度及び温度プロファイルはいずれも概ね均一である。し
かしながら、ドーピングが不均一であったり、ダイアタッチメント材料内に空隙があった
りすると、デバイスにわたる電流密度及び温度に変動が生じる可能性がある。トランジス
タゲート閾値電圧Ｖｔｈは通常、負の温度係数を有する。結果として、ダイのいくつかの
場所（特にダイの中央付近）が、他の場所よりも高い温度において動作し始めるとき、こ
れらの場所のＶｔｈが降下し、トランジスタ利得Ｇｍによって、電流密度が局所的に増加
せざるを得なくなる。電流が多くなると、利得がさらに増加し、結果として、最終的には
、デバイスに熱暴走及び壊滅的な故障が生じる。したがって、電流トンネル現象は、現時
点で入手することができるＭＯＳＦＥＴ及びＩＧＢＴをリニアモードの応用形態において
用いるのを実質的に妨げる。
【０００７】
たとえば、図３は、図１のトランジスタＱのようなトランジスタの場合の、温度の関数
としてのトランジスタゲート閾値電圧のグラフである。図３に示されるように、トランジ
スタゲート閾値電圧Ｖｔｈは、負の温度係数を有する。ダイのいくつかの場所（特に中央
付近）が、他の場所よりも高い温度で動作し始めるとき、これらの場所のＶｔｈが降下し
、トランジスタ利得Ｇｍによって、電流密度が局所的に増加せざるを得なくなる。電流が
多くなると、利得がさらに増加し、結果として、最終的には、デバイスに熱暴走及び壊滅
的な故障が生じる。
【０００８】
別の例として、図４は、図１のトランジスタのようなトランジスタの場合の、種々のド
レイン電流におけるトランジスタゲート−ソース間電圧対接合部温度のグラフである。図
４の傾きが０である曲線に対応するＩｄの値は、クロスオーバ電流Ｉｃｒｃと呼ばれる。
リニアモードにおけるトランジスタ性能を改善するための最も効率的な方法のうちの１つ
は、そのクロスオーバ電流を低減することである。
【０００９】
最新の処理技法を用いて製造されるＭＯＳＦＥＴデバイスは、前の世代のデバイスより
も、ゲート電荷が少なく、ゲート−ドレイン間電荷が少なく、オン抵抗ＲＤＳｏｎが小さ
い傾向がある。たとえば、表１は、Advanced Power Technology（APT）によって製造され
る３つの世代のＡＰＴ５０１０ＭＯＳＦＥＴの場合のクロスオーバ電流を示す。最新のＭ
ＯＳ  ＶＩ（登録商標）製法を用いて製造されるＡＰＴ５０１０ＬＬＣは、前の世代のデ
バイスよりも、ゲート電荷が少なく、ゲート−ドレイン間電荷が少なく、オン抵抗ＲＤＳ
ｏｎが小さい。残念なことに、このデバイスのスイッチング性能を改善すると、クロスオ
ーバ電流が増加し、そのリニア動作が劣化する。したがって、電流トンネル現象は、現在
のＭＯＳＦＥＴ及びＩＧＢＴをリニアモードの応用形態において用いることを実質的に妨
げる。
【００１０】
【表１】
2014197684.tif 000003
【００１１】
従来のパワー半導体デバイスが問題に直面する可能性がある別の領域は、その安全動作
領域である。一般的に、順方向バイアス安全動作領域（ＦＢＳＯＡ）曲線は、パワーデバ
イスがターンオン中に、又は順方向バイアス条件下で耐えることができる最大ドレイン電
圧及び電流を定義する。逆方向バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）曲線は、トランジス
タドレイン電圧が、その定格ドレイン−ソース破壊電圧ＢＶＤＳＳにクランプされるとき
に、誘導性負荷時のターンオフ下でのピークドレイン電流及び電圧を定義する。図５は、
順方向バイアス安全動作領域（ＦＢＳＯＡ）曲線の例示的なグラフであり、図６は、逆方
向バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）曲線の例示的なグラフである。
【００１２】
トランジスタは、全ての条件下で、ＦＢＳＯＡ及びＲＢＳＯＡの一定の境界内で動作し
なければならないことが期待されるであろう。しかしながら、ＦＢＳＯＡ曲線及びＲＢＳ
ＯＡ曲線は、最大ドレイン−ソース電圧定格だけを制限する。そうでなければ、デバイス
のための絶対的な限界を指示するのとは対照的に、それらの曲線は、しばしば平均故障間
隔（ＭＴＢＦ）として表される、「許容できる」信頼性のエリアを表す。また、ＦＢＳＯ
Ａ曲線は標準的には、２５℃のケース温度において、単一電流パルス及びいくつかの異な
るパルス幅の場合のデータを示す。大部分の応用形態は、連続動作と、より高いケース温
度とを必要とするので、ＦＢＳＯＡを具体的な事例毎に計算し直さなければならない。
【００１３】
結果として、多くの設計は、冷媒（冷却液）流が減少している非常時に高い接合部温度
で動作すること、又は止まっているモータにより多くの電流を供給すること等の、変化し
た環境条件又は電流条件を許容することができない。変化した環境条件を許容することが
できるパワー半導体デバイスを提供する１つの方法は、その用途にとって必要以上に大き
なデバイスを提供することである。しかしながら、そのように必要以上に大きくしても、
依然として、或る動作モードにおいてはデバイスが十分に活用されなくなり、別の動作モ
ードではデバイスに過度に負荷がかかるのは避けられない。
【００１４】
現在のところ、パワートランジスタは、診断能力及び予測能力がないという問題を抱え
ており、動作中のパワー半導体にとって何か良くないことがあるか否かを判定するのが難
しい。故障したデバイスは、故障したという事実が生じた後に、故障の考えられる原因を
判定するために検査されることができる。パワートランジスタ信頼性に共通の予測の方法
は、デバイスの接合部温度による。その予測の方法は、理論的なモデルに基づいており、
製造欠陥又は実際の動作条件のいずれかを考慮に入れない。たとえば、パワートランジス
タ信頼性を予測するための既存の方法は、ダイと基板との接触によって過大な応力がかか
ること、又はヒートシンクに完全に取り付けられていないことによって引き起こされるデ
バイス故障を考慮に入れないであろう。さらに、現在のところ、導入されるトランジスタ
の電力処理能力に従って、それらを検査すると共に較正する方法は存在しない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
一実施の形態では、本発明は、制御可能な半導体デバイス、第１のセンサ及びコントロ
ーラを備えるデバイスを提供する。制御可能な半導体デバイス（たとえば、パワートラン
ジスタ、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）、サイリスタ、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ
）、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタ、及びエミッタターンオフ（ＥＴＯ）サイリ
スタのうちの少なくとも１つ）が、第１の動作パラメータ及び第２の動作パラメータに関
連付けられ、少なくとも第１の動作パラメータは制御可能である。
【００１６】
第１の動作パラメータは、たとえば、ドレイン−ソース間電圧、コレクタ−エミッタ間
電圧、アノード−カソード間電圧、ゲート電圧、ゲート電流、ベース電流、平均ドレイン
デバイス電流、平均コレクタデバイス電流、平均アノードデバイス電流、ピークドレイン
電流、ピークコレクタ電流、ピークアノード電流、ＲＭＳドレイン電流、ＲＭＳコレクタ
電流、ＲＭＳアノード電流、ダイ温度、ケース温度、接合部温度（ＴＪ）、スイッチング
周波数、及びデューティサイクルのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００１７】
第２の動作パラメータは、たとえば、ゲートドライブ、ベースドライブ、トランジスタ
バイアス、安全動作領域（ＳＯＡ）条件、ドレイン−ソース間電圧閾値（ＶＤＳ）、ＲＭ
Ｓドレイン電流閾値（ＩＤＲＭＳ）、順方向及び逆方向バイアス安全動作領域（ＳＯＡ）
パルス電流閾値（ＩＤＭ）、ドレイン−ソース間オン抵抗（ＲＤＳ（ｏｎ））によって制
限される順方向バイアスＳＯＡドレイン電流（ＩＤ）境界、及びパワーデバイスの動作領
域のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００１８】
第１のセンサ（たとえば、温度センサ、電圧センサ、及び電流センサのうちの少なくと
も１つ）は、制御可能な半導体デバイスと通信し、第１のセンサは、制御可能な半導体デ
バイスの第２の動作パラメータに関連するデータを取得する。第１のセンサは、２つ以上
の場所において、制御可能な半導体をモニタすることができる。制御可能な半導体に影響
を及ぼす環境条件（たとえば、温度、冷媒流、及び湿度のうちの少なくとも１つ）並びに
機械的条件（たとえば、応力、歪み、力、運動、振動、加速度、及び衝撃のうちの少なく
とも１つ）を取得するセンサのような、さらに別のセンサを設けることもできる。
【００１９】
コントローラは制御可能な半導体デバイス及びセンサと通信する。コントローラは制御
可能な半導体に関連付けられるデバイスデータにアクセスし、制御可能な半導体の第１の
動作パラメータを制御し、第１のセンサから、第２の動作パラメータに関連するデータを
受信するように構成される。コントローラは、デバイスデータに基づいて第１の予測値を
求め、第２の動作パラメータに関連するデータを第１の予測値と比較し、この比較に基づ
いて第１の条件（たとえば、温度過昇、電流トンネル現象、過電力、過電流、過電圧、冷
媒問題、ヒートシンク問題、ダイ欠陥、ダイ相互接続ボンディング欠陥、ダイアタッチメ
ント欠陥、及びデバイスパッケージ実装欠陥のうちの少なくとも１つ）が検出される場合
には、コントローラは第１の動作パラメータを動的に変更する。
【００２０】
別の実施の形態では、本発明は、制御可能な半導体を動作させる方法を提供し、制御可
能な半導体は第１のセンサと通信する。制御可能な半導体が使用可能にされ、第１の動作
パラメータ（たとえば、ドレイン−ソース間電圧、コレクタ−エミッタ間電圧、アノード
−カソード間電圧、ゲート電圧、ゲート電流、ベース電流、平均ドレインデバイス電流、
平均コレクタデバイス電流、平均アノードデバイス電流、ピークドレイン電流、ピークコ
レクタ電流、ピークアノード電流、ＲＭＳドレイン電流、ＲＭＳコレクタ電流、ＲＭＳア
ノード電流、ダイ温度、ケース温度、接合部温度（ＴＪ）、スイッチング周波数、及びデ
ューティサイクルのうちの少なくとも１つ）が制御される。
【００２１】
第２の動作パラメータ（たとえば、ゲートドライブ、ベースドライブ、トランジスタバ
イアス、安全動作領域（ＳＯＡ）条件、ドレイン−ソース間電圧閾値（ＶＤＳ）、ＲＭＳ
ドレイン電流閾値（ＩＤＲＭＳ）、順方向及び逆方向バイアス安全動作領域（ＳＯＡ）パ
ルス電流閾値、（ＩＤＭ）、ドレイン−ソース間オン抵抗（ＲＤＳ（ｏｎ））によって制
限される順方向バイアスＳＯＡドレイン電流（ＩＤ）境界、制御可能な半導体の動作領域
のうちの少なくとも１つ）がモニタされる。
【００２２】
制御可能な半導体に関連するデバイスデータ情報（たとえば、破壊（ブレークダウン）
ドレイン−ソース間電圧ＢＶＤＳＳ、破壊ドレイン−ソース間電圧ＢＶＤＳＳ ｐ保護閾
値、定格ドレイン−ソース間電圧ＶＤＳＳ、定格ドレイン−ソース間電圧ＶＤＳＳ保護閾
値、最大単一パルス電流ＩＤＭ、最大単一パルス電流ＩＤＭ保護閾値、連続ドレイン電流
ＩＤ、連続ドレイン電流ＩＤ保護閾値、アバランシェ（なだれ）電流ＩＡＲ、アバランシ
ェ電流ＩＡＲ保護閾値、所定の接合部温度Ｔｊにおける単一パルスの場合のデフォルト順
方向バイアス安全動作領域（ＦＢＳＯＡ）、所定の接合部温度Ｔｊにおける単一パルスの
場合の場合のデフォルト逆方向バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）、ノーマルモード及
びアバランシェモードのうちの少なくとも一方の場合の接合部−ケース間過渡熱インピー
ダンス曲線、ヒートシンク−ケース間熱インピーダンスＺｔｈｈｃ、接合部−ケース間熱
インピーダンスＺｔｈｊｃ、所定の温度Ｔにおけるオン状態抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）（ａｔ  
ｔｅｍｐ  Ｔ）、正規化されたオン状態抵抗ＲＤＳ（ＯＮ）対温度、電力損ＴＨＳ（ＰＭ
）の関数としてのヒートシンク温度ＴＨＳ、接合部温度ＴＪ閾値、内蔵（インテグラル：
integral）ボディダイオードのリバースリカバリ（逆回復）電荷Ｑｒｒ及び内蔵ボディダ
イオードＱｒｒ.の逆回復時間ｔｒｒ.のうちの少なくとも１つ）がアクセスされる。
【００２３】
デバイスデータ情報及び第２の動作パラメータに基づいて、第１の条件（たとえば、温
度過昇、電流トンネル現象、過電力、過電流、過電圧、冷媒問題、ヒートシンク問題、ダ
イ欠陥、ダイ相互接続ボンディング欠陥、ダイアタッチメント欠陥、及びデバイスパッケ
ージ実装欠陥のうちの少なくとも１つ）が存在するか否かに関する判定が行われる。
【００２４】
第１の条件が存在している場合に、第１の動作が行われる。第１の動作は、たとえば、
（ａ）制御可能な半導体の動作を変更すること、
（ｂ）制御可能な半導体をシャットダウンすること、
（ｃ）制御可能な半導体の動作を中断すること、
（ｄ）制御可能な半導体の動作モードを切り替えること、
（ｅ）検出された第１の条件に基づいて、制御可能な半導体のための安全動作領域（Ｓ
ＯＡ）条件を決定し、第１のパラメータを調整してＳＯＡを保持すること、
（ｆ）異なる第２の動作パラメータを検査すること、
（ｇ）第１の条件を診断すること、
（ｈ）第１の条件に基づいて、第２の条件が生じる可能性があるか否かを判定すること
であって、第２の条件は、温度過昇、電流トンネル現象、過電力、過電流、過電圧、冷媒
問題、ヒートシンク問題、ダイ欠陥、ダイボンディング欠陥、ダイアタッチメント欠陥、
デバイスパッケージ実装欠陥、パワーデバイスのための熱インターフェース問題、パワー
デバイスの信頼性の低下、高電流負荷下でのパワーデバイスの故障、高電力負荷下でのパ
ワーデバイスの故障のうちの少なくとも１つを含む、こと、及び
（ｉ）通知を与えること、
のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２５】
さらなる実施の形態では、本発明は、制御可能な半導体のための動作条件を判定する方
法であって、制御可能な半導体は接合部とケースとを有し、当該方法は、
制御可能な半導体に関連付けられるデバイスデータにアクセスすることであって、デバ
イスデータは所定の平均故障間隔（ＭＴＢＦ）を含む、こと、
制御可能な半導体の接合部とケースとの間の熱インピーダンスＺｔｈｊｃを計算するこ
と、
制御可能な半導体の接合部温度Ｔｊ及びケース温度Ｔｃを少なくとも定期的に測定する
こと、
Ｔｊ、Ｔｃ及びＺｔｈｊｃに少なくとも或る程度基づいて、許容できる電力損を計算す
ること、及び
許容できる電力損及びＭＴＢＦに少なくとも或る程度基づいて、制御可能な半導体のた
めの少なくとも１つの動的な安全動作領域（ＳＯＡ）境界を画定することであって、動的
なＳＯＡは、Ｔｊ及びＴｃの定期的な測定に基づいて、少なくとも定期的に調整される、
こと、
を含む方法を提供する。
【００２６】
別の実施の形態では、本発明は、スイッチングモード及びリニアモードにおいて動作す
ることができると共にダイを含む制御可能な半導体デバイスのために、制御可能な半導体
デバイス内の電流トンネル現象を検出するための方法であって、順不同に、
（ａ）ダイの概ね中央付近の場所において中央ダイ温度をモニタするステップと、
（ｂ）ダイの概ね周辺付近の場所において周辺ダイ温度をモニタするステップと、
（ｃ）ダイの中央ダイ温度が、周辺温度よりも高く、且つ制御可能な半導体の動作モー
ドがスイッチングモードである場合には、制御可能な半導体の動作をシャットダウンする
ステップと、
（ｄ）ダイの中央ダイ温度が、周辺温度よりも高く、且つ制御可能な半導体の動作モー
ドがリニアモードである場合には、制御可能な半導体の動作を中断し、動作モードをスイ
ッチングモードに変更するステップと、
を含む方法を提供する。
【００２７】
さらなる実施の形態では、本発明は、制御可能な半導体の動作中に実際の不良及び潜在
的な不良を判定するための方法であって、順不同に、
（ａ）制御可能な半導体の１組のパラメータをモニタするステップであって、１組のパ
ラメータは、デバイスパラメータ、動作パラメータ、及び温度パラメータのうちの少なく
とも１つを含む、モニタするステップと、
（ｂ）制御可能な半導体のための１組のデバイスデータにアクセスするステップと、
（ｃ）１組のパラメータ及び１組のデバイスデータに少なくとも或る程度基づいて、制
御可能な半導体の予測される電力損及び予測される接合部温度を求めるステップと、
（ｄ）制御可能な半導体の実際の電力損及び実際の接合部温度を測定するステップと、
（ｅ）実際の電力損を予測される電力損と比較するステップと、
（ｆ）実際の接合部温度を予測される接合部温度と比較するステップと、
（ｇ）ステップ（ｅ）及び（ｆ）の比較に少なくとも或る程度基づいて、制御可能な半
導体において、実際の不良が生じたか否か、又は潜在的な不良が生じている可能性がある
か否かを判定するステップと、
（ｈ）制御可能な半導体の動作中にステップ（ａ）ないし（ｇ）を少なくとも定期的に
繰り返すステップと、
を含む方法を提供する。
【００２８】
さらに別の実施の形態では、本発明は、導入されるデバイスの電力処理能力を判定する
方法であって、
導入されるデバイスの温度を測定すること、
テストパルスの結果として予想される、導入されるデバイスのための予測される温度変
化を求めること、
導入されるデバイスにテストパルスを送信すること、
テストパルスの結果として生じる、導入されるデバイスの実際の温度変化を測定するこ
と、及び
実際の温度変化を予測される温度変化と比較すること、
を含む方法を提供する。
【００２９】
本発明のこれらの実施の形態及び他の実施の形態に関する詳細については、本明細書に
おいてさらに十分に説明する。
本発明の利点及び態様は、以下の詳細な説明及び添付図面との関連において、さらに十
分に理解されるであろう。
【００３０】
図面は縮尺どおりに描かれているわけではなく、本発明の原理を例示することに重点が
置かれている。さらに、図面では、同様の参照符号は類似の構成要素を指している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下の説明は、ＭＯＳＦＥＴデバイスを用いる例、特性及び特徴を提供することによっ
て、本発明の或る特定の特徴を説明する。しかしながら、本明細書において説明される本
発明の概念及び実施形態は、限定はしないが、制御可能な半導体、３端子半導体、並びに
バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ
）、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタ、エミッタターンオフ（ＥＴＯ）サイリスタ
のようなパワー半導体を含む、数多くの他のタイプの半導体デバイスに適応可能であるこ
とは理解すべきである。
【００３２】
一態様では、本発明は、従来のパワー半導体に、或るレベルの機能を追加し、新たなク
ラスの構成変更可能なパワーシステムを定義し、使用可能にする新たな特徴を提供する。
その新たなクラスの構成変更可能なパワーシステムは、これ以降、集積スマートパワース
イッチ（Integrated Smart Power Switch）（ＩＳＰＳ）と呼ばれるデバイスを含む。Ｉ
ＳＰＳの少なくともいくつかの実施態様は、電流トンネル現象、静的な安全動作領域（Ｓ
ＯＡ）、予測情報の不足、診断能力の不足、較正の不足、及び導入されるデバイスの不十
分な検査方法のような、一般的なパワー半導体の種々の問題を解決するのを助けることが
できる。
【００３３】
本発明の少なくともいくつかの実施態様は、以下の有利な特徴も提供する。
（１）複数の場所においてダイ温度をモニタすることによる電流トンネル現象の検出及
び／又は防止；
（２）デバイスのための許容されるダイ温度、デバイス電圧及び／又は電流、並びにデ
バイスに要求される信頼性のうちの１つ又は複数による安全動作領域（ＳＯＡ）の動的な
制御；
（３）ダイ、ダイボンディング、ダイアタッチメント、及びデバイス実装欠陥のような
欠陥を予め検出すると共に警告して、壊滅的な故障を防ぐのを助け、信頼性を高めるため
の自己診断及び予測；
（４）導入されるデバイスにパルスを与え、そのケース温度をモニタすることによる、
導入されるデバイスの較正及び検査；
（５）ケース温度上昇及び／又は電力処理能力によるデバイスのマッピング；並びに
（６）故障の可能性の事前警告。
【００３４】
図７は、本発明の一実施形態による、集積スマートパワースッチ（ＩＳＰＳ）１００の
第１のブロック図であり、図８は、本発明の一実施形態による、集積スマートパワースイ
ッチ（ＩＳＰＳ）の第２のブロック図である。
【００３５】
図７及び図８を参照すると、ＩＳＰＳ１００は、制御可能な半導体デバイス（本明細書
では、制御可能な半導体１０２とも呼ばれ、ＭＯＳＦＥＴパワーデバイスとして、図８に
おいてのみ例示される）と、少なくとも１つのセンサ１０６と、コントローラ１０４とを
備える。図７に示されるように、ＩＳＰＳ１００はオプションで、付加的なセンサ（第２
のセンサ１０６’及び第３のセンサ１０６’’として示される）を備えることができ、Ｉ
ＳＰＳ１００は、外部負荷１５０に電力を供給する。図７のブロックでは、簡単にするた
めに、複数の接続が簡略化された形で示されており、１本の線が各接続を指示しているこ
とに留意されたい。たとえば、第１のセンサ１０６は、２つ以上の場所において、制御可
能な半導体１０２をモニタすることができ、コントローラ１０４に２つ以上の信号を与え
ることができるが、図７はそれでも、１本の接続線を示す。
【００３６】
ＩＳＰＳ１００の動作中に、コントローラ１０４は、センサ１０６からの入力に応じて
（たとえば、フィードバックループとして）、制御可能な半導体１０２の動作を制御する
。たとえば、図８に示されるように、コントローラ１０４は、制御可能な半導体１０２の
ゲートドライブを制御し、センサ１０６（及びオプションではＩＳＰＳ１００内の他のセ
ンサ）から、コントローラ１０４が適切なゲートドライブを判定するのを助ける（オプシ
ョンでは、デバイスデータ１２５のような付加情報も合わせて用いる）ための種々の検出
された入力を受信する。コントローラ１０４は、少なくとも定期的に、センサ１０６から
データを受信する。コントローラ１０４は概ね連続的にセンサ１０６からデータを受信し
て、コントローラが、制御可能な半導体１０２に与える制御信号を介して、制御可能な半
導体１０２の動作を迅速且つ動的に変更できるようにすることが好都合である。
【００３７】
図８では、制御可能な半導体１０２は、金属酸化膜電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥ
Ｔ）として例示されるが、その特定のタイプの半導体には限定されない。本発明の少なく
ともいくつかの実施形態のために用いることができるＭＯＳＦＥＴの一例は、オレゴン州
、ベンド（Bend）のAdvanced Power Technology社から市販される部品番号ＡＰＴ１００
２１ＪＦＬＬを有する１０００Ｖ、３７Ａ、０．２１オームＭＯＳＦＥＴである。制御可
能な半導体１０２として、限定はしないが、ほとんどのタイプの３端子半導体、パワー半
導体、接合型ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）、及びＭＯＳＦＥＴを含む電界効果トランジスタ、バイ
ポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、
静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）、ゲートターンオフ
（ＧＴＯ）サイリスタ、並びにエミッタターンオフ（ＥＴＯ）サイリスタを含む、任意の
タイプの制御可能な半導体デバイスを用いることができる。
【００３８】
図８に示されるような、制御可能な半導体１０２がＭＯＳＦＥＴである例では、制御可
能な半導体１０２は種々の動作パラメータに関連付けられ、それらのパラメータのうちの
いくつかは、外部から制御することができるパラメータに関連し、それらのパラメータの
うちのいくつかは測定可能であり（たとえば、センサによる）、それらのパラメータのう
ちのいくつかは、制御可能な半導体１０２そのものに関連付けられる。たとえば、測定す
ることができる制御可能な半導体１０２の動作パラメータは、（限定はしないが）ドレイ
ン電圧、ゲート電圧、ゲート電流、平均ドレインデバイス電流、ピークドレイン電流、Ｒ
ＭＳドレイン電流、ダイ温度、ケース温度、接合部温度（ＴＪ）、スイッチング周波数、
及びデューティサイクルを含む。
【００３９】
制御することができる（たとえば、コントローラ１０４又は他の外部制御による）、制
御可能な半導体１０２の動作パラメータは、（限定はしないが）ゲートドライブ、トラン
ジスタバイアス、安全動作領域（ＳＯＡ）条件、ドレイン−ソース間電圧閾値（ＶＤＳ）
、ＲＭＳドレイン電流閾値（ＩＤＲＭＳ）、順方向及び逆方向バイアス安全動作領域（Ｓ
ＯＡ）パルス電流閾値（ＩＤＭ）、ドレイン−ソース間オン抵抗（ＲＤＳ（ｏｎ））によ
って制限される順方向バイアスＳＯＡドレイン電流（ＩＤ）境界、パワーデバイスの動作
領域を含む。
【００４０】
デバイスそのものに関連付けられる、制御可能な半導体１０２の動作パラメータは、（
限定はしないが）、破壊（ブレークダウン）ドレイン−ソース間電圧ＢＶＤＳＳ、破壊ド
レイン−ソース間電圧ＢＶＤＳＳ ｐ保護閾値、定格ドレイン−ソース間電圧ＶＤＳＳ、
定格ドレイン−ソース間電圧ＶＤＳＳ保護閾値、最大単一パルス電流ＩＤＭ、最大単一パ
ルス電流ＩＤＭ保護閾値、連続ドレイン電流ＩＤ、連続ドレイン電流ＩＤ保護閾値、アバ
ランシェ電流ＩＡＲ、アバランシェ電流ＩＡＲ保護閾値、所定の接合部温度Ｔｊにおける
単一パルスの場合のデフォルト順方向バイアス安全動作領域（ＦＢＳＯＡ）、所定の接合
部温度Ｔｊにおける単一パルスの場合のデフォルト逆方向バイアス安全動作領域（ＲＢＳ
ＯＡ）、ノーマルモード及びアバランシェモードのうちの少なくとも一方の場合の接合部
−ケース間過渡熱インピーダンス曲線、ヒートシンク−ケース間熱インピーダンスＺｔｈ
ｈｃ、接合部−ケース間熱インピーダンスＺｔｈｊｃ、所定の温度Ｔにおけるオン状態抵
抗ＲＤＳ（ｏｎ）（ａｔ  ｔｅｍｐ  Ｔ）、正規化されたオン状態抵抗ＲＤＳ（ＯＮ）対
温度、電力損ＴＨＳ（ＰＭ）の関数としてのヒートシンク温度ＴＨＳ、接合部温度ＴＪ閾
値、インテグラル（内蔵）ボディダイオードのリバースリカバリ（逆回復）電荷Ｑｒｒ及
び内蔵ボディダイオードＱｒｒの逆回復時間ｔｒｒ・のようなデバイスデータ１２５を含
む。
【００４１】
上記のデバイスデータ１２５は、たとえば、製造業者のデータシートの一部として提供
されることができ、コントローラ１０４に与えることができる。一実施形態では、デバイ
スデータがＩＳＰＳ１００の外部に位置する場合、コントローラ１０４は、必要に応じて
、デバイスデータ１２５にアクセスする。別の実施形態では、コントローラ１０４は、デ
バイスデータを受信して、その内蔵メモリ（たとえば、図８の不揮発性メモリ）に格納す
る。
【００４２】
動作パラメータは、制御可能な半導体１０２の動作に影響を及ぼすことがある、環境パ
ラメータ及び／又は機械的パラメータも含むことができる（同じく、図７において、環境
情報１０７及び機械的情報１０９と呼ばれる）。環境パラメータは、限定はしないが、温
度、冷媒流、湿度、及び外部負荷によって引き込まれる電流を含む。機械的パラメータは
、限定はしないが、応力、歪み、力、移動、振動、加速度、及び衝撃を含む。環境パラメ
ータ、特に温度及び湿度が、半導体デバイスの動作に大きな影響を及ぼす可能性があるこ
とは当業者には理解されよう。同様に、機械的パラメータも、特に機械的パラメータが半
導体デバイスの全て又は一部への物理的な損傷を引き起こす場合には、半導体デバイスの
性能に影響を及ぼす可能性がある。
【００４３】
センサ１０６として、上記の動作パラメータのうちの１つ又は複数を検出するように構
成される、当該技術分野において知られている任意のデバイスを用いることができる。本
発明の少なくともいくつかの実施形態は、複数のセンサ（たとえば、図７に示されるよう
な、第１のセンサ、第２のセンサ及び第３のセンサ１０６、１０６’及び１０６’’）を
用いることが好都合である。センサ１０６として、たとえば、電圧センサ、電流センサ、
温度センサ、機械センサ等を用いることができる。図８に示されるように、センサ１０６
として温度センサを用いることができる。図８のＩＳＰＳ１００は、電流センス１０８の
形で第２のセンサも備え、そのセンサはセンス抵抗１１０も含む。センサ１０６、電流セ
ンス１０８及びセンス抵抗１１０はともに、コントローラ１０４に動作パラメータデータ
を与える。この動作パラメータデータは、図８において、一例として、「温度センス」、
「ドレイン電圧センス」、「ゲート電圧センス」、「ゲート電流センス」、及び「電流セ
ンス」を付される、コントローラ１０４への入力として示される。
【００４４】
少なくとも１つの実施形態では、センサ１０６は、或る特定のタイプの不良及び問題を
検出するのを助けるために、ＩＳＰＳ１００上の２つ以上の場所において同じパラメータ
を検出するように構成される。たとえば、一実施形態では、センサ１０６は、制御可能な
半導体１０２上の２つ以上の場所において温度（たとえば、制御可能な半導体１０２のダ
イの中央における温度、ダイの周辺の１つ又は複数のスポットにおける温度等）を検出す
るように構成される。制御可能な半導体１０２が電流トンネル現象のような問題を引き起
こすとき、ダイの中央の温度が、その周辺の温度よりも高くなる。したがって、ダイの中
央とその周辺との間の温度差を検出することによって、電流トンネル現象の兆候が指示さ
れる。
【００４５】
センサ１０６を実装するための複数の方法があることは、当業者には理解されよう。た
とえば、センサ１０６は、特定の応用形態に応じて、複数の個別のセンサとして、また種
々の個々の点のための複数の入力を有する単一のセンサとして、さらには数多くの他の構
成で実装することができる。またセンサ１０６は、制御可能な半導体１０２及び／又はコ
ントローラ１０４の一部にすることもできる。
【００４６】
コントローラ１０４は、（ａ）１つ又は複数のセンサ１０６から入力を受信し；（ｂ）
バイアス電源１２２を（制御可能な半導体１０２をドライブするための入力として）受信
し；（ｃ）コマンド／制御信号１２８を受信し；（ｄ）制御可能な半導体１０２に関連付
けられるデバイスデータ１２５にアクセス及び／又はそれを格納し；（ｅ）（ａ）〜（ｄ
）の情報のうちの１つ又は複数を処理して、半導体デバイスの動作を制御し；（ｅ）ステ
ータス／通知信号１２４を与えることができるプログラマブルデバイスである。
【００４７】
図８に示されるように、一実施形態では、コントローラ１０４は、オンボードレギュレ
ータ及びフィルタ１１２と、入力受信バイアス電源１２２（たとえば、離隔しているバイ
アス電源）、ステータス、予測及び診断情報１２４を与えるための第１のインターフェー
ス１１８、並びにデバイスデータ及びコマンド信号１２６を受信するための第２のインタ
ーフェース１２０を含む入力及び出力信号インターフェースと、ゲートドライブ回路１１
４（たとえば、テキサス州、ダラスのTexas Instrumentsから市販されるＵＣＤ７１００
）と、オプションで不揮発性メモリ（たとえば、デバイスデータを格納するため）を有す
るデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）又はマイクロコントローラ１１４と、アナログ
／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ及びデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータとを備え
る。
【００４８】
コントローラ１０４は、後で説明する、図９、図１０、図１３、図１４及び図１５の方
法のうちの１つ又は複数を実施するようにプログラム可能であることが好都合である。こ
れらの方法は、限定はしないが、電流トンネル現象の保護、動的な安全動作領域、診断及
び予測、並びに導入されるデバイスの較正を含む、本発明の少なくともいくつかの新たな
特徴を実現する。一例として、それらの方法は、ＭＯＳＦＥＴとして実装される制御可能
な半導体１０２を用いて詳細に例示されるが、図９、図１０、図１３、図１４及び図１５
の方法は概ね任意のタイプのパワーデバイスに適用することができ、概ねの任意のタイプ
のパワーデバイスに合わせて構成することができることは、当業者には理解されよう。
【００４９】
たとえば、一実施形態では、図７及び図８のＩＳＰＳ１００のようなパワーデバイスを
制御するための方法は、２つ以上の場所において制御可能な半導体１０２のダイ温度を連
続的にモニタし、ホットスポットを検出して、制御可能な半導体１０２への損傷を防ぐ。
制御可能な半導体１０２が電流トンネル現象を生じるとき、ダイの中央の温度が、その周
辺の温度よりも高くなる。したがって、ダイの中央とその周辺との間の温度差を検出する
ことによって、電流トンネル現象の兆候が示される。
【００５０】
制御可能な半導体１０２がスイッチングモードにおいて動作するときに、温度センサの
ようなセンサ１０６が、ホットスポットを検出する場合には、制御可能な半導体１０２は
、シャットダウンするように指示される。別法では、制御可能な半導体１０２がリニアモ
ードにおいて動作する場合には、シャットダウンする代わりに、コントローラ１０４は、
制御可能な半導体１０２の動作を中断し、制御可能な半導体１０２のモードをスイッチン
グモードに変更し、等価な平均電流を与える動作、又は引き込む動作を再開することがで
きる。電流トンネル現象保護方法の１つの実施態様が図９に示されており、図９は、本発
明の一実施形態による、ＩＳＰＳ１００のようなパワーデバイスを制御するための制御方
法２００の流れ図（フローチャート）である。
【００５１】
図７、図８及び図９を参照すると、制御方法２００では、デバイスデータ１２５が、コ
ントローラ１０４において受信される（ブロック２１０）。コントローラ１０４は、数多
くの異なる方法で、デバイスデータ１２５を受信することができる。たとえば、デバイス
データ１２５は、ユーザ又は他のエンティティがコントローラ１０４に手動で入力するこ
とができる。またコントローラは、他の任意の場所（リモートデバイス上等）に格納され
るデバイスデータにアクセスすることができる。またコントローラ１０４は、電源投入時
に、デバイスデータ１２５をロードされるように初期化することができる。他の方法も実
現可能である。コントローラ１０４は、この方法の他のブロックのはるか以前に、デバイ
スデータを受信することができる。またブロック２１０では、コントローラ１０４がオン
ボードメモリを有する場合には、オプションで、デバイスデータ１２５は、コントローラ
１０４のメモリ等のＩＳＰＳ１００内に格納することができる。別法では、コントローラ
１０４は、外部に格納されるデバイスデータ１２５にアクセスすることができるか、又は
コントローラ１０４が必要とするときにいつでも、デバイスデータ１２５を要求すること
ができる。
【００５２】
該当する場合には、ステータス又は通知メッセージを生成して（ブロック２１５）、外
部ユーザに与えることができる。たとえば、ステータスメッセージは、デバイスデータ１
２５についての情報を含むことができる。図９の制御方法２００が進行するのに応じて、
ブロック２１５のステータスメッセージは、ＩＳＰＳ１００のための安全動作領域（ＳＯ
Ａ）についての通知、及び／又は検出されたＩＳＰＳ１００の実際の欠陥又は潜在的な欠
陥についての通知を含むことができる。
【００５３】
ＩＳＰＳ１００が使用可能にされる（ブロック２２０）。一例として、図１のＩＳＰＳ
の場合、これは、コントローラ１０４が、制御可能な半導体１０２を使用可能するだけの
十分な信号をパワーデバイスに与えることによって果たされる。たとえば、制御可能な半
導体１０２がＭＯＳＦＥＴである場合には、ＩＳＰＳは、コントローラ１０４が、そのＭ
ＯＳＦＥＴをリニアモード又はスイッチングモードのいずれかのモード（所与の応用形態
の場合に当てはまるいずれかのモード）になるようにドライブするだけの十分なゲートド
ライブ信号を与えることによって使用可能にされる。
【００５４】
ＩＳＰＳ１００の動作がモニタされる（ブロック２３０）。このモニタリングは、少な
くとも定期的に行われ、さらには、概ね連続的に行われることが好都合である。モニタリ
ング動作は、以下のデバイスパラメータ及び／又は動作パラメータ、すなわちダイ温度、
ケース温度、ドレイン電圧、ゲート電圧、ピークドレイン電流、二乗平均平方根（ＲＭＳ
）ドレイン電流、平均ドレイン電流、ゲート電流、接合部温度（ＴＪ）、スイッチング周
波数、及びデューティサイクルのうちの１つ又は複数をモニタすることを含む。
【００５５】
ブロック２３０において、さらに多くの動作パラメータをモニタすることができる。た
とえば、モニタすることができる他の動作パラメータは、（限定はしないが）環境情報１
０９（たとえば、温度、冷媒流、湿度、及び／又は外部負荷によって引き込まれる電流）
のような環境パラメータ又は条件、及び機械的情報１０９（たとえば、応力、歪み、力、
移動、振動、加速度、及び／又は衝撃）のような機械的パラメータ又は条件を含む。
【００５６】
ブロック２３０の後に、制御方法２００の過程は、３つの方法に分割され、それぞれが
概ね同時に実行されることがある（必ずしも実行される必要はない）。ブロック４００は
、安全動作領域（ＳＯＡ）方法４００を表しており、それは図１３に関連して、本明細書
においてさらに説明する。ブロック３００は、保護方法３００を表しており、それは、図
１０に関連して、本明細書においてさらに説明する。ブロック５００は、診断及び予測の
方法５００を表しており、それは、図１４に関連して、本明細書においてさらに説明する
。
【００５７】
保護方法３００（ブロック３００）の１つの出力は、シャットダウン及び障害タイプ報
告（ブロック３１４）であり、それは（ＩＳＰＳ１００がシャットダウンされる場合には
）、ＩＳＰＳ１００の動作を終了する（それゆえ、制御方法２００を終了する）ことに留
意されたい。
【００５８】
図１０は、本発明の一実施形態による、ＩＳＰＳ１００のようなパワーデバイスを保護
するための保護方法３００の流れ図である。保護方法３００は、概ね任意のタイプのパワ
ーデバイスを保護するように構成できることは当業者には理解されよう。保護方法３００
は、図９の制御方法２００の一部として実施することができるか、又は独立した方法とし
て実施することができる。図１０の保護方法３００が図９の制御方法２００の一部として
実施される場合には、ブロック３０１の一部であるブロック（ブロック３０２、３０４、
３０６を含む）は、図９のブロック２１０〜２３０を介して達成されるので、保護方法３
００は、図１０のブロック３０６の後から開始する。
【００５９】
一方、保護方法３００が独立した方法として実施される場合には、ブロック３０２、３
０４及び３０６が実行される。図１０のブロック３０２において実行される「データを入
力及び格納する」機能は、図９のブロック２１０の「デバイスデータを受信する（及びオ
プションで格納する）」機能と概ね同じであり、ブロック２１０について上記で与えられ
た説明がブロック３０２にも当てはまる。図１０のブロック３０４の「ＩＳＰＳを使用可
能にする」機能は、図９のブロック２２０の「ＩＳＰＳを使用可能にする」機能と概ね同
じであり、ブロック２２０について上記で与えられた説明がブロック３０４にも当てはま
る。同様に、図１０のブロック３０６の「デバイスパラメータ及び動作パラメータ並びに
ケース温度をモニタする」機能は、図１０のブロック２３０の「デバイスパラメータ及び
動作パラメータをモニタする」機能と概ね同じであり、ブロック２３０について上記で与
えられた説明がブロック３０６にも当てはまる。
【００６０】
再び図１０を参照し、合わせて図７及び図８も参照するとき、デバイスパラメータ及び
動作パラメータがモニタされた後に、保護方法３００は、その保護タスクを、４つのサブ
グループ、すなわち温度過昇及び電流トンネル現象保護３０９、過電力保護３１０、過電
流保護３１１、並びに過電圧保護３１２に分割する（ただし、サブグループは同時に機能
することができるが、そうする必要はない）。
【００６１】
温度過昇及び電流トンネル現象保護３０９サブグループ（ブロック３１５〜３２０）で
は、コントローラ１０４が、制御可能な半導体１０２内の接合部温度（ＴＪ）がＴＪ閾値
（ブロック３０２のデバイスデータによって求められる）以上である否かを検査する（ブ
ロック３１５）。ＴＪがＴＪ閾値以上である場合には、コントローラ１０４は制御可能な
半導体１０２をシャットダウンすると共に故障タイプを報告する通知を与える（ブロック
３１４）。
【００６２】
ＴＪがＴＪ閾値未満である場合には、コントローラ１０４は、制御可能な半導体１０２
内にホットスポット現象（電流トンネル現象とも呼ばれる）が検出されているか否かを検
査する。これは、当業者は理解するように、種々の異なる方法で果たすことができる。た
とえば、コントローラ１０４は、（ａ）デバイスにわたる電流密度及び温度の変化；（ｂ
）制御可能な半導体１０２のダイのいくつかの場所、特にダイの中央付近の場所が、低い
トランジスタゲート閾値電圧Ｖｔｈで動作し始めているか否か；及び／又は（ｃ）制御可
能な半導体１０２のいずれかの部分における電流密度の局所的な増加（順方向相互コンダ
クタンスが高くなることによって引き起こされる）を検査することができる。好ましい方
法は、ダイにわたる温度変化をモニタすることである。
【００６３】
ホットスポット／電流トンネル現象が検出されていない場合には、保護方法３００はブ
ロック３０６にジャンプして戻る。しかしながら、ブロック３１６が、ホットスポット／
電流トンネル現象が検出されており、且つＩＳＰＳ１００がスイッチングモードにあるこ
とを示す場合には（ブロック３１８）、コントローラは制御可能な半導体１０２をシャッ
トダウンし、故障タイプを報告する（３１４）。ブロック３１６が、ホットスポット／電
流トンネル現象が検出されていることを示す場合には、動作モードを変更することができ
るか否かが確かめられる（ブロック３１９）。たとえば、ＩＳＰＳ１００がリニアモード
にある場合には（ブロック３１８）、ＩＳＰＳ１００をオフに切り替えることなく、制御
可能な半導体デバイス１０２の動作を中断することができる（たとえば、ゲートドライブ
信号を変更することによって、制御可能な半導体デバイス１０２のバイアスを遮断するこ
とによる）（ブロック３２０）。負荷特性によって、パルス電流で動作することが許され
る場合には、コントローラ１０４は、制御可能な半導体１０２のモードをスイッチングモ
ードに変更し（ブロック３０２）、ＩＳＰＳ１００が等価な平均電流又は電力（応用形態
による）を与える動作、又は引き込む動作を再開して、ブロック３０６にジャンプして戻
る。ブロック２１９において、モードを変更できない（たとえば、負荷特性がパルス電流
に適合しないため）場合には、制御可能な半導体１０２はシャットダウンされ、故障タイ
プが報告される（ブロック３１４）。
【００６４】
過電力保護サブグループ３１０では、コントローラ１０４は、２つの測定される動作パ
ラメータ、すなわちドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）及びドレイン電流ＩＤから全トラ
ンジスタ損失ＰＭを求める（ブロック３２２）。これは、その瞬間の電圧及び電流の積を
時間間隔Ｔにわたって積分すること等の、いくつかの方法で果たすことができる。制御可
能な半導体１０２が一定の周波数でスイッチングする場合には、時間間隔Ｔはスイッチン
グ周波数の周期である。制御可能な半導体１０２がリニアモードにおいて、又は可変周波
数のスイッチングモードにおいて動作する場合には、制御可能な半導体の電力損は、或る
時間間隔にわたって損失を平均することによって求められ（find）、その時間間隔は、多
数のターンオン事象及びターンオフ事象を含むことが好ましい。損失が計算されるとき（
ブロック３２２）、その情報は、図１４に関連してさらに説明される診断及び予測の方法
５００に与えられる（ブロック３１３）。全損失ＰＭが損失ＰＭ閾値よりも大きい場合に
は（ブロック３２４）、コントローラ１０４はＩＳＰＳ１００をシャットダウンし、故障
／障害タイプに関する通知を与える（ブロック３１４）。しかしながら、全損失ＰＭが損
失閾値未満である場合には、その方法はブロック３０６にジャンプして戻る。
【００６５】
図１０を再び参照すると、過電流保護サブグループ３１１では、コントローラ１０４は
、パルス電流ＩＤＭが閾値を超えているか否かを検査する（ブロック３２６）。超えてい
る場合には、コントローラ１０４はＩＳＰＳ１００をシャットダウンし、故障／障害タイ
プを報告する（ブロック２１４）。パルス電流ＩＤＭが閾値を超えていない場合には、そ
の方法はブロック３０６にジャンプして戻る。
【００６６】
過電圧保護の場合、本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ＩＳＰＳ１００が、
ＩＳＰＳ１００への主電源を切る付加的な手段を有するとき、又はＩＳＰＳ１００が、半
導体、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、スパークギャップ、又は任意の他の適切なデバイ
スのような過渡電圧抑制素子を含む外部回路を有する場合にのみ、過電圧保護を与えるこ
とが実現可能であることに留意されたい。
【００６７】
過電圧保護サブグループ３１２では、コントローラ１０４は、制御可能な半導体１０２
のドレイン−ソース間過電圧ＶＤＳを検査し（ブロック３２８）、それが制御可能な半導
体１０２の破壊（ブレークダウン）電圧ＶＤＳＳ未満であるか否かを確かめる。たとえば
、コントローラ１０４がこれを果たすことができる１つの方法は、漏れ電流を測定するこ
とによる（たとえば、電流センサ１０８を用いる）。トランジスタ電圧ＶＤＳが、その破
壊電圧未満ＶＤＳＳである場合には、その方法はブロック３０６に戻る。ＶＤＳが、その
破壊電圧以上である場合には、コントローラは、アバランシェ（なだれ）条件を検査する
（ブロック３３０）。これを検査するための１つの方法は、制御可能な半導体の中にドレ
イン電流が流れている間に、ドレイン−ソース間電圧ＶＤＳが一定であるか否かを検査す
ることである。ＶＤＳが一定でない（そして、ブロック３２８の条件が満たされる）場合
には、制御可能な半導体１０２の中にアバランシェ条件は存在せず、最も起こる可能性が
高い結果は、制御可能な半導体１０２の故障である。したがって、ブロック３３０におい
て、アバランシェ条件が検出されない場合には、コントローラ１０４は、ＩＳＰＳ１００
をシャットダウンし、故障／障害タイプを報告する（ブロック２１４）。
【００６８】
しかしながら、コントローラ１０４が、ＶＤＳが一定のままであり、制御可能な半導体
の中に大きく減衰したドレイン電流が流れ、ブロック３２８の条件が満たされると判定す
る場合には、制御可能な半導体１０２はアバランシェ条件にある。その際、コントローラ
１０４は、ドレイン電流ＩＤがアバランシェ電流ＩＡＲ以上である否かを検査する（ブロ
ック３１２）か、又は接合部温度ＴＪが最大接合部温度ＴＪｍａｘ以上であるか否かを検
査する（ブロック３３２）。これらの条件のうちのいずれかが満たされる場合には、制御
可能な半導体１０２は故障しているか、又は故障に近づきつつあり、コントローラ１０４
はＩＳＰＳ１００をシャットダウンして、故障／障害タイプを報告する（ブロック２１４
）。ブロック３２２においていずれの条件も満たされない場合には、その方法はブロック
３０６にジャンプして戻る。
【００６９】
本発明の別の態様は、制御可能な半導体１０２の安全動作領域（ＳＯＡ）を動的に制御
するための方法を提供する（図７、図８）。この方法によれば、制御可能な半導体１０２
のダイ（たとえば、トランジスタダイ）を十分に使用できるようになり、また制御可能な
半導体１０２に要求される信頼性及び接合部温度に従って、電流を安全に増加させること
ができる。
【００７０】
図１１は、例示的な制御可能な半導体１０２（この例では、ＭＯＳＦＥＴ）の場合の順
方向バイアス安全動作領域（ＦＢＳＯＡ）の境界を例示するグラフである。これらの境界
は、制御可能な半導体１０２の場合に与えられるデバイスデータ（たとえば、デバイスデ
ータシート内にある）に基づいて与えられる（又は計算され得る）。たとえば、ＭＯＳＦ
ＥＴのドレイン−ソース間抵抗ＲＤＳはわかっているので、図１１に示されるＲＤＳ（ｏ
ｎ）制限電流境界は、ドレイン−ソース間に印加する電圧を増加していき、流れている電
流の量を測定することによって求めることができる。電圧を増加しても、流れることがで
きる電流の量には限界があり（すなわち、ピーク電流境界）、さらに、図１１のＦＢＳＯ
Ａ境界に沿って、制御可能な半導体１０２が電力境界に制約されて、最終的には、図１１
の電圧境界によって示される限界に達することも確認することができ、電圧境界を超えた
場合、制御可能な半導体１０２は、要求される／所望のＭＴＢＦでは動作しないであろう
。
【００７１】
図１２は、本発明の一実施形態による、動的な安全動作領域の概念を示すグラフである
。一定の接合部温度の場合の電圧及び電流のＭＴＢＦの関数を表す曲線が、３次元の表面
を形成する（この表面の断面は、図１２において、「平行な平面４５４」を付される斜線
部分として示される）。明確にするために、図１１のＲＤＳ（ｏｎ）制限電流境界は図１
２には示されない。図１２において破線によって画定される平面上のエリアは、最小（「
減少した」とも呼ばれる）ＭＴＢＦに対応する最大安全動作領域４５２（ＭＳＯＡ）を表
す。平行な平面４５４上のエリアは、増加したＭＴＢＦ及び減少したＳＯＡ４５６を表す
。動的な安全動作領域（ＤＳＯＡ）の概念を実現するために、図１３の方法は、ＭＴＢＦ
軸４５８に沿って上下にＳＯＡを効率的に「スライド」して、所望の性能を達成する。
【００７２】
図１３の方法（後でさらに説明する）によれば、接合部温度及びケース温度並びに負荷
特性に基づいてトランジスタ電圧及び電流を調整することによって、ＳＯＡをリアルタイ
ムに制御できるようになる。図１３の方法の動作は、（ａ）概ね全ての動作条件下でのＩ
ＳＰＳ１００の自己保護（すなわち、安全動作領域の保持するために、そのコントローラ
１０４によって、及びセンサ１０８を介して行われる測定によって、ＩＳＰＳ１００が自
己補正及び自己調整することができる）；（ｂ）ダイサイズの最適化及びコスト削減；並
びに（ｃ）バトルショート状態におけるパルス電流の安全な増加（たとえば、ＩＳＰＳ１
００のＳＯＡを、危機又は緊急時に最大ＳＯＡ４５２）によって許されるレベルまで増加
し、ＩＳＰＳ１００が大事な時にシャットダウンするのを防ぐ−ＩＳＰＳ１００は、たと
えば、コマンド／制御１２８を介して、そのようなバトルショート状態に入ることができ
る）を確保するのを助ける。
【００７３】
たとえば、電力損の偶発的な増加（たとえば、始動中、又はスイッチング損が上昇する
ときの高いスイッチング周波数での動作中）があることが予想される場合に、且つＩＳＰ
Ｓ１００が出力を下げた、すなわち「中間レベル」のＳＯＡ４５６でのみ動作することが
できるものと予想される場合には、１つの解決策は、指定された低い出力レベルにおいて
、より高い電力を取り扱うことができる、より大きなダイを用いることである。図１３の
方法を用いるとき、過渡条件の持続時間中に、より高い電力に向かって下方に平行な平面
をスライドし、それにより、より小型で、安価なダイで、その目的を果たすことができる
。
【００７４】
図１３は、本発明の一実施形態による、ＩＳＰＳ１００のようなパワーデバイスの場合
の安全動作領域（ＳＯＡ）を動的に制御するための方法４００（「ＳＯＡ方法」）の流れ
図である。ＳＯＡ方法４００は、概ね任意のタイプのパワーデバイスの動作パラメータを
動的に調整するように構成できることは当業者には理解されよう。さらに、図１３のＳＯ
Ａ方法４００は、図９の制御方法２００の一部として実施することができるか、又は独立
した方法として実施することができる。図１３のＳＯＡ方法４００が制御方法２００の一
部として実施される場合には、ブロック４０１の一部であるブロック（ブロック４０２、
４０４、４０６を含む）は実際には、図９のブロック２１０〜２３０によって達成されて
、ＳＯＡ方法４００は、図１３のブロック４０６の後から開始する。
【００７５】
一方、保護方法４００が独立した方法として実施される場合には、ブロック４０２、４
０４及び４０６が実行される。図１３のブロック４０２において実行される「データを入
力及び格納する」機能は、図９のブロック２１０の「デバイスデータを受信する（及びオ
プションで格納する）」機能と概ね同じであり、ブロック２１０の場合に上記で与えられ
た説明がブロック４０２にも当てはまる。図１３のブロック４０４の「ＩＳＰＳを使用可
能にする」機能は、図９のブロック２２０の「ＩＳＰＳを使用可能にする」機能と概ね同
じであり、ブロック２２０の場合に上記で与えられた説明がブロック４０４にも当てはま
る。同様に、図１３のブロック４０６の「デバイスパラメータ及び動作パラメータ並びに
ケース温度をモニタする」機能は、図９のブロック２３０の「デバイスパラメータ及び動
作パラメータをモニタする」機能と概ね同じであり、ブロック２３０の場合に上記で与え
られた説明がブロック４０６にも当てはまる。
【００７６】
図７、図８及び図１１を参照すると、コントローラ１０４がＴＪ、ＩＤ、ＭＴＢＦ、及
び他の適用可能な係数の関数として、電圧係数ｋを計算する（ブロック４１０）。以下の
式（１）に示されるように、順方向バイアス安全動作領域（ＦＢＳＯＡ）及び逆方向バイ
アス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）電圧境界ＶＢを計算するのを助けるために、この結果が
用いられる（ブロック４０２）。
【００７７】
ＶＢ＝ｋＢＶＤＳＳ                                              式（１）
ブロック４０２においてアクセスされるデバイスデータの一部である、単一パルス、２
５℃のＳＯＡ曲線から導出されるデフォルト境界を調整するために、ブロック４０２に、
電圧係数ｋ及び電圧境界ＶＢが与えられる。
【００７８】
ブロック４１４では、以下の式（２）に示されるように、コントローラ１０４が、パル
ス幅ＴＰ、周波数及びデューティサイクルＤを用いて、接合部−ケース間過渡熱インピー
ダンスＺｔｈｊｃ（ｔ）を計算する。
Zthjc=ZthD+(1-D)Zth(Tp+T)-Zth(T)+Zth(Tp)                              式（２）
ブロック４１６では、以下の式（３）に示されるように、コントローラ１０４が、Ｚｔ
ｈｊｃを用いて、ＦＢＳＯＡ電力境界ＰＢを計算する。
【００７９】
ＰＢ＝（Ｔｊ−Ｔｃａｓｅ）／Ｚｔｈｊｃ                            式（３）
ブロック４１８では、コントローラ１０４が、電力境界ＰＢからＲＭＳドレイン−ソー
ス間電流ＩＤＳＲＭＳを計算し（以下の式（４）を参照）、この情報は、ステップ４０２
に戻されるデフォルトＲＭＳ電流閾値を調整するために用いられる（ブロック４２０）。
すなわち、デフォルトＲＭＳ電流閾値を調整し、ブロック４０２においてアクセスされる
デバイスデータにフィードバックして、安全動作領域のこの態様が動的に調整される。
【００８０】
ＩＤＲＭＳ＝√（ＰＢ／ＲＤＳ（ｏｎ））                              式（４）
ブロック４２２では、コントローラ１０４が、以下の式（５）に従って、デューティサ
イクルＤ、スイッチング周波数ｆ、接合部温度Ｔｊ及び信頼性（すなわち、故障ＭＴＢＦ
間又は別の適切な信頼性特性間の平均時間）の関数として、ＦＢＳＯＡ及びＲＢＳＯＡパ
ルス電流（ＩＤＭ）境界を計算し、この情報は、ステップ４０２に戻されるデフォルトパ
ルス電流閾値ＩＤＭを調整するために用いられる（ブロック２４２）。
【００８１】
ＩＤＭ＝ＩＤＭ（Ｄ，ｆ，Ｔｊ，ＭＴＢＦ）                          式（５）
ブロック４２６では、コントローラ１０４が、以下の式（６）に従って、接合部温度の
関数として、正規化されたオン状態抵抗ＲＤＳ（ＯＮ）を用いて、ＦＢＳＯＡドレイン−
ソース間オン状態抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）制限境界を計算し、このデータは、ステップ４０２
に戻される、ＲＤＳ（ｏｎ）によって制限されるＦＢＳＯＡ境界を調整するために用いら
れる（ブロック４２８）。
【００８２】
ＩＤ＝ＶＤ／ＲＤＳ（ｏｎ）ＲＤＳ（ＯＮ）                          式（６）
また本発明は、ＩＳＰＳ１００のようなパワーデバイスにおける不良を自己診断及び／
又は予測するのを助ける診断及び予測の方法も提供する。たとえば、この自己診断及び予
測によれば、ＩＳＰＳ１００は、（限定はしないが）ダイ欠陥、ダイボンディング欠陥、
ダイアタッチメント欠陥及びデバイスパッケージ実装欠陥を含む欠陥を検出及び／又は予
測できるようになる。その診断及び予測の方法は予め警告を与え、それにより、パワーデ
バイスそのもの、及びそのパワーデバイスが導入される任意のシステムの壊滅的な故障を
防ぎ、信頼性を高めるのを助けることができる。自己診断及び予測の方法５００の１つの
実施態様が、図１４に例示される。
【００８３】
図１４の自己診断及び予測の方法５００が、図９の制御方法２００の一部として実施さ
れる場合には、ブロック５０１の一部であるブロック（ブロック５０２、５０４、５０６
を含む）は実際には、図９のブロック２１０〜２３０によって達成されるので、自己診断
及び予測の方法５００は、図１４のブロック５０６の後から開始する。
【００８４】
一方、自己診断及び予測の方法５００が独立した方法として実施される場合には、ブロ
ック５０２、５０４及び５０６が実行される。図１４のブロック５０２において実行され
る「データを入力し、出力し、格納する」機能は、図９のブロック２１０の「デバイスデ
ータを受信する（そしてオプションで格納する）」機能と概ね同じであり、ブロック２１
０について上記の説明がブロック５０２にも当てはまる。図１４のブロック５０４の「Ｉ
ＳＰＳを使用可能にする」機能は、図９のブロック２２０の「ＩＳＰＳを使用可能にする
」機能と概ね同じであり、ブロック２２０について上記で与えられた説明がブロック５０
４にも当てはまる。同様に、図１４のブロック５０６の「デバイス及び動作パラメータ並
びにケース温度をモニタする」機能は、図９のブロック２３０の「デバイス及び動作パラ
メータをモニタする」機能と概ね同じであり、ブロック２３０について上記で与えられた
説明がブロック５０６にも当てはまる。
【００８５】
図７、図８及び図１４を参照すると、コントローラ１０４が、ＩＳＰＳ１００がスイッ
チングモードにあるか否かを検査する（ブロック５１０）。制御可能な半導体１０２がリ
ニアモードにおいて動作する場合には、その方法はブロック５１４までスキップする。し
かしながら、制御可能な半導体１０２がスイッチングモードもある場合には、コントロー
ラ１０４は、ゲート電力損ＰＧＴ、スイッチング損ＰＳＷ、内蔵ボディダイオード電力損
ＰＤ及びトランジスタ漏れ電力損ＰＬＫを含む電力損を計算する（ブロック５１２）。こ
れらの計算はそれぞれ、後にさらに説明される。式（７）は、ゲート電力損ＰＧＴを計算
するために用いられる。積分区間が０〜Ｔである場合に、次のようになる。
【００８６】
ＰＧＴ＝１／Ｔ∫｜ＶＧＳ（ｔ）｜｜ＩＧ（ｔ）｜ｄｔ                式（７）
式（７）〜式（１２）の場合、時間間隔Ｔは以下のように定義される。制御可能な半導
体１０２が一定の周波数でスイッチングする場合には、時間間隔Ｔはスイッチング周波数
の周期である。制御可能な半導体１０２が可変周波数で動作する場合には、制御可能な半
導体１０２の電力損は、多数のターンオン事象及びターンオフ事象を含む動作時間間隔に
わたって、式（７）〜式（１２）において定義される損失を平均することによって求めら
れる。式（８）は、スイッチング電力損ＰＳＷを計算するために用いられる。ＶＤＳ＞０
、ＩＤ＞０であり、積分区間がｔ１〜ｔ２である場合に、次のようになる。
【００８７】
ＰＳＷ＝１／Ｔ∫ＶＤＳ（ｔ）ＩＤ（ｔ）ｄｔ                        式（８）
ただし、ｔ１は、正のｉｇの場合にｉｇ＞０．１Ｉｇｐｋであり、且つＶＤＳ＜０．１
ＶＤＳＳであるときの瞬間として定義され、ｔ２は、負のｉｇの場合にｉｇ＜０．１Ｉｇ
ｐｋであり、且つＩＤＳ＜０．１ＶＤＳＳであるときの瞬間として定義される。
【００８８】
本発明の内容に影響を及ぼすことなく、積分区間を定義するための他の判定基準を用い
ることができる。
式（９）〜式（１１）は、内蔵ボディダイオード電力損ＰＤを計算するために用いられ
る。
【００８９】
ＰＤ＝ＰＤ  ＣＯＮＤ＋ＰＤ  ＳＷ（ｔ）                            式（９）
ＶＤＳ＜０、ＩＤ＜０であり、積分区間が０〜Ｔである場合に、
ＰＤ  ＣＯＮＤ＝１／Ｔ∫ＶＤＳ（ｔ）ＩＤ（ｔ）ｄｔ              式（１０）
積分区間０〜ｔｒｒの場合に、
ＰＤ  ＳＷ＝Ｑｒｒ／Ｔ∫ＶＤＳ（ｔ）ｄｔ                        式（１１）
ただし、Ｑｒｒは逆回復電荷であり、ｔｒｒは逆回復時間である。
【００９０】
式（１２）は、漏れ電力損ＰＬＫを計算するために用いられる。ＶＤＳ＝ＶＤＤ０、Ｉ
Ｄ＞０であり、積分区間が０〜Ｔである場合に、次のようになる。
ＰＬＫ＝１／Ｔ∫ＶＤＳ（ｔ）ＩＤ（ｔ）ｄｔ                    式（１２）
ブロック５１４では、R. Severns（編集長）「MOSPOWER Applications Handbook」（Si
liconix Inc., 1984, pp. 4-17‐4-21）に記述されるのと類似の数値計算手順を用いて、
コントローラ１０４が、電力損ＰＣＡＬＣ及び接合部温度ＴＪＣＡＬＣについての２つの
非線形方程式（それぞれ、以下の式（１３）及び式（１４））を解く。
【００９１】
PCALC=PG+PSW+PD+PLK+IRMS2RDS（ｏｎ）（２５℃）RDSN              式（１３）
TJCALC=THS+PCLAC(Zthhc+Zthjc)                                 式（１４）
測定されたトランジスタ電力損ＰＭが、保護アルゴリズムからアクセスされる（ＰＭは
、保護方法３００、ブロック３１３から等の、数多くの異なる方法において特定及び／又
は取得されることができる）。計算された電力損及び接合部温度と、それらの測定された
ものとが、ブロック５１８、５２２、５２６及び５３０において比較される。ブロック５
１８、５２２、５２６及び５３０は、任意の順序で実行することができることに留意され
たい。例示される順序は一例として与えられており、限定するものではない。
【００９２】
ＰＣＡＬＣ≧ＰＭであり、且つＴＪＣＡＬＣ≧ＴＪＭである場合には（ブロック５１８
）、ブロック５２０の条件が存在するものと見なされる（すなわち、オン状態抵抗ＲＤＳ
（ｏｎ）が限度内にあり、熱インピーダンスＺｔｈｈｃ及びＺｔｈｊｃも同様である）。
ＩＳＰＳ１００は、問題がないものと見なされ、その方法はブロック５０６にジャンプし
て戻る。オプションでは、予測及び診断の情報は、ブロック５０２へのフィードバックの
一部として報告されることができる。
【００９３】
ＰＣＡＬＣ≧ＰＭであり、且つＴＪＣＡＬＣ＜ＴＪＭである場合には（ブロック５２２
）、オン状態抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）は限度内にあるが、Ｚｔｈｈｃ若しくはＺｔｈｊｃのい
ずれか、又はＺｔｈｈｃ及びＺｔｈｊｃの両方を含む、熱インターフェースインピーダン
スが、規定された値を超える（ブロック５２４）。熱インピーダンスが高くなる結果とし
て、接合部温度が高くなるので、デバイスが熱平衡に達するまで、ＲＤＳ（ｏｎ）が増加
する。こうして、検出された条件は過渡的な性質を有し、ターンオン中の或るパルス負荷
の場合、又は一定負荷の場合の熱インターフェース問題を診断するであろう。その予測は
、高電力負荷下でのデバイス信頼性の低下及び故障の可能性である。予測及び診断の情報
は、ブロック５０２へのフィードバックの一部として報告されることができ、その方法そ
のものは、ブロック５０６にジャンプして戻る。
【００９４】
ＰＣＡＬＣ＜ＰＭであり、且つＴＪＣＡＬＣ≧ＴＪＭである場合には（ブロック５２６
）、ブロック５２２について上記で説明した状況が逆になる。この条件では、合成熱イン
ピーダンスＺｔｈｈｃ＋Ｚｔｈｊｃは規定された値よりも小さいが、オン状態抵抗ＲＤＳ
（ｏｎ）は、正常値よりも高い（ブロック５２８）。これらの条件は、ダイ欠陥又はダイ
接続欠陥のいずれかを診断し、その予測は、高電流又は高電力負荷下でのデバイス信頼性
の低下及び故障の可能性である。予測及び診断の情報は、ブロック５０２へのフィードバ
ックの一部として報告することができ、その方法そのものは、ブロック５０６にジャンプ
して戻る。
【００９５】
ＰＣＡＬＣ＜ＰＭであり、且つＴＪＣＡＬＣ＜ＴＪＭである場合には（ブロック５３０
）、ＩＳＰＳ１００は、上記の欠陥のうちのいずれかを有することがあり、すなわち、合
成熱インピーダンス若しくはオン状態抵抗、又は熱インピーダンス及びオン状態抵抗の両
方が正常値よりも高い（ブロック５３２）。これらの条件は、制御可能な半導体１０２内
のダイ欠陥又はダイ接続欠陥のいずれかを指示することができる。その予測は、高電流又
は高電力負荷下でのデバイス信頼性の低下及び故障の可能性である。予測及び診断の情報
は、ブロック５０２へのフィードバックの一部として報告することができる。
【００９６】
ブロック５３４では、ヒートシンク温度ＴＨＳが、関数ＴＨＳ（ＰＭ）から求められる
予想される温度ＴＨＳ  ＳＥＴと比較される。ヒートシンク温度が、測定された電力損の
場合に予想される温度よりも高い場合には、ヒートシンク問題又はヒートシンク冷却問題
が報告され（ブロック５３６）、その方法そのものは、ブロック５０６にジャンプして戻
る。ブロック５３４及び５３６は、ブロック５１０〜５３２のいずれかの前、又はそれら
のいずれかの間を含む、ブロック５０６の後の実質的にいかなる時点でも実行することが
できるので、診断及び予測の方法５００において、この時点においてブロック５３４及び
５３６が実行されることを示すことは、一例として与えられており、限定するものではな
いことに留意されたい。
【００９７】
さらに別の態様では、本発明は、図７及び図８のＩＳＰＳ１００のような、導入される
パワーデバイスを較正する方法も提供する。この方法は、少なくとも１つには、ＩＳＰＳ
１００の電力処理能力が、そのケース−ヒートシンク間熱インピーダンスに依存すること
を基にする。すなわち、ＩＳＰＳ１００のその設計及び動作によれば、ＩＳＰＳ１００が
導入されるときに、その実装及び電力処理能力に基づいてＩＳＰＳ１００が較正されるよ
うになる。
【００９８】
図１５は、本発明の一実施形態による、分散制御及び集積スマートパワースイッチを用
いる、パワーデバイスを導入しているインテリジェントパワーシステム６００の第１の例
示的なブロック図である。システム６００は、任意の数の負荷、及び階層制御とは対照的
な分散制御で機能することができる、インテリジェントで構成変更可能なシステムである
。
【００９９】
３つの分散制御レベルを有する図１５のインテリジェントパワーシステム６００は、主
要エネルギー源及び蓄積装置を含む監視システム６１２を備え、それは、１つ又は複数の
ローカルパワーサブシステム６１４を制御し、ローカルパワーサブシステム６１４と通信
することができる。各ローカルパワーサブシステム６１４は、負荷と、図７及び図８の多
数のＩＳＰＳ１００とを含む。各ローカルパワーサブシステム６１４は、その動作のいく
つかの態様を制御し（パワー制御判定を行い、他のローカルコントローラと通信するロー
カルコントローラ６２６による）、ステータス及び動作の判定を監視システム６１２に通
信し（同じくローカルコントローラ６２６による）、必要に応じて、監視システム６１２
から監視制御を受信することができる。監視システム６１２は、必要に応じて、各パワー
サブシステム６１４間で電力を分配できるようにする。
【０１００】
監視システム６１２は、監視コントローラ６１６と、１つ又は複数のモニタリングセン
サ６１８と、共用電力６２０を制御できるようにする複数のＩＳＰＳとを備える。共用電
力６２０は、概ね全てのローカルパワーサブシステム６１４の要求を満たすことができる
、１組の１つ又は複数の電力源を表す。各ローカルパワーサブシステム６１４は、１つ又
は複数のローカルパワーデバイス６２３（先に説明された制御可能な半導体１０２に類似
）を含み、それらのパワーデバイスは１つ又は複数のローカルモニタリングセンサにデー
タを与え、ローカルモニタリングセンサは、ローカルコントローラ６２６に情報を伝達す
る。監視システム６１２では、モニタリングセンサ６１８が、共用電力６２０からデータ
を取得し、そのデータを監視コントローラ６１６に伝達する。
【０１０１】
ローカルパワーサブシステム６１４が負荷６２５に接続されると、監視コントローラ６
１６は、全てのローカルパワーサブシステム６１４に、所定の幅のターンオン（イネーブ
ル用）パルスを送信する。パワーデバイス６２３は、そのパルスの持続時間にわたって負
荷をかけられ、ローカルモニタリングセンサ６１９を介して、そのケース温度上昇をモニ
タし、ローカルコントローラ６２６に報告する。ローカルコントローラ６２６は、この情
報を監視コントローラ６１６に報告する。予想されるケース温度上昇は、監視コントロー
ラ６１６によってアクセスされ、ローカルコントローラ６２６のメモリに格納される、規
定されているケース−ヒートシンク間熱インピーダンス、及び各ローカルパワーサブシス
テム６１４の電力損に基づく。したがって、そのケース温度上昇に従って、そして最終的
には、その電力処理能力に従って、全てのローカルパワーサブシステム６１４がマップ化
される。一例として、この状況においては、マップ化は、パワーシステム全体の接続を示
す回路図において、各ＩＳＰＳが、その電力処理能力、たとえば統計的に平均的であるこ
と、平均よりも上であること及び平均よりも下であることを特定する対応する番号を有す
る状況を含む。マップ化することによって、監視コントローラ６１６は、各ローカルパワ
ーサブシステム６１４の中で電力をいかに分配するのが最も良いかを判定できるようにな
る。予想よりも高いケース温度上昇を有するデバイスは実装欠陥を有することがあるので
、ローカルパワーサブシステムをマップ化することは、改良保守を要するローカルパワー
サブシステムを特定する機会も与える。
【０１０２】
こうして、一実施形態では、本発明は、パワーデバイスのような導入されるデバイスの
温度を測定して、導入されるデバイスの電力処理能力を特定する方法を提供する。導入さ
れるデバイスのための予測される温度変化（たとえば、温度上昇）が求められる。予測さ
れる温度変化は、テストパルスの結果として予想される。テストパルスが、導入されるデ
バイスに送信される。テストパルスの結果として、導入されるデバイスの実際の温度変化
が測定される。実際の温度変化が、予測される温度変化と比較される。実際の温度変化と
予測される温度変化との比較を用いて、導入されるデバイスの電力処理能力を判定するこ
とができる。少なくとも或る程度、その電力処理能力に基づいて、導入されるデバイスに
負荷を割り当てること、少なくとも或る程度、その電力処理能力に基づいて、導入される
デバイスに動作可能に接続される負荷を調整すること、及び／又は少なくとも或る程度、
その電力処理能力に基づいて、導入されるデバイスに動作可能に接続される負荷を分配し
直すこと等の動作を行うことができる。
【０１０３】
マップ化した後に、各ローカルサブシステム６１４は、２つの制御レベルを用いて動作
し、各ローカルコントローラ６２６が他のローカルコントローラと通信すると共に、ＳＯ
Ａ判定を行うこと及び自己診断を与えること等を実施し続けるローカルＩＳＰＳを監視す
る。しかしながら、システム６００（一例にすぎないが、それは３つの制御レベルを有す
る）では、電力全体の流れ、ローカルコントローラ６２６間の競合の解決、及び各ローカ
ルサブシステムからのステータス情報の処理に関する判定は、監視コントローラ６１６に
よって実行され、監視コントローラ６１６は、（たとえば）ローカルサブシステム６１４
の電力容量のうちの或る量又は全ての量を別のローカルサブシステムに切り替えること、
ローカルサブシステム６１４のシャットダウンを無効にすること、報告される不良及び／
又は予測される不良についてのフィードバックを外部ユーザ６２８に与えること等によっ
て応答することができる。
【０１０４】
図１６は、図１５のインテリジェントパワーシステム６００のさらに別の実施態様を提
供する、２つの制御レベルを有するカスケード接続されたパワーシステム７００であり、
複数のＩＳＰＳデバイスをいかにカスケード接続することができるかを示す。図１６では
、コントローラ６１６が、４つのＩＳＰＳデバイス、ＩＳＰＳ６１４Ａ、６１４Ｂ、６１
４Ｃ及び６１４Ｄを監視する。ＩＳＰＳ６１４Ａは、電力源６１７Ａによって電力を供給
され、電源６１９Ａに電力を供給するために用いられる。同様に、ＩＳＰＳ６１４Ｂは、
電力源６１７Ｂによって電力を供給され、電源６１９Ｂに電力を供給するために用いられ
る。電源６１９ＡはＩＳＰＳ６１４Ｃに電力を供給し、電源６１９ＢはＩＳＰＳ６１４Ｃ
に電力を供給する。ＩＳＰＳ６１４Ｃ及びＩＳＰＳ６１４Ｄはそれぞれ、負荷６２５Ａ、
６２５Ｂ、６２５Ｃ、及び６２５Ｄに電力を与えることができる。コントローラ６１６は
、カスケード接続されるパワーシステム７００の全ての構成要素の中の電力の流れを制御
し（電力分配を含む）、各ＩＳＰＳ６１４をモニタして、シングルポイント故障を防止／
低減するのを助ける。しかしながら、このモニタリング及び制御の大部分の詳細は、シス
テム毎に固有のアルゴリズムの一部である。
【０１０５】
図１７は、本明細書において説明するＩＳＰＳの別の応用形態である。図１７は、エネ
ルギー蓄積ユニットを有する直流（ＤＣ）バスのために用いることができる、ＩＳＰＳベ
ーススイッチ及び放電回路８００を用いる、より単純な単一レベル制御を示す。この応用
形態では、ＩＳＰＳは、相互接続信号の数を削減し、性能（安全性、応答速度、及びシス
テムレベルの信頼性）を改善し、機能を追加する（本明細書において図９、図１０、図１
３、及び図１５に示される方法を用いる）。
【０１０６】
本発明の１つ又は複数の実施形態は、限定はしないが、上記で引用した、Boris S. Jac
obson等の発明人によって、２００３年１０月２４日に米国特許出願第１０／６９２，５
８０号（代理人整理番号第ＲＴＮ−１８３ＡＵＳ）として出願され、２００４年５月２０
日に公開された、「Intelligent Power System」と題するＵ．Ｓ．第２００４／００９５
０２３号を含む、数多くの異なるタイプのパワーシステムにおいて機能するように構成す
ることができる。
【０１０７】
これまでの説明及び関連する図に示されるように、本発明は、全て実際の動作条件を考
慮に入れる、故障の自己診断、故障の可能性の予測、導入されるデバイス／システムの較
正、及び動作パラメータの動的な自己調整を提供する、パワーシステムのためのシステム
、方法及びデバイスを提供する。本発明の少なくともいくつかの実施形態は、正常に機能
しているように見えるパワーデバイスにとって何か良くないことがあるか否かを判定する
能力を与える。さらに、本発明の少なくともいくつかの実施形態は、導入されるトランジ
スタの電力処理能力に従って、導入されるトランジスタを検査し、較正する方法を提供す
る。
【０１０８】
この応用形態の図において、いくつかの例では、特定のシステム構成要素の例示として
、複数のシステム構成要素又は方法ブロックが示され、複数の特定のシステム構成要素又
は方法ブロックの例示として、ただ１つのシステム要素又は方法ブロックが示されること
がある。複数の特定の構成要素又はブロックを示すことによって，本発明に従って実現さ
れるシステム又は方法が、その構成要素又はブロックを２つ以上含まなければならないこ
とを意味するものでもなければ、ただ１つの構成要素又はブロックを例示することによっ
て、その個々の構成要素又はブロックのうちのただ１つを有する実施形態に本発明を限定
するものでもないことは理解されたい。さらに、特定のシステム構成要素又は方法の場合
に示される構成要素又はブロックの全数は限定することを意図するものではない。いくつ
かの例では、特定のシステム構成要素又は方法ブロックの数は、特定のユーザ要件に対応
するように選択できることは、当業者には理解されよう。
【０１０９】
また複数の図面において、方法又は過程を例示する図、流れ図及び／又はフローダイヤ
グラムの場合に、長方形のブロックは「処理ブロック」であり、コンピュータソフトウエ
ア命令のような、１つ若しくは複数の命令（又は一群の命令）を表すことができる。菱形
のブロックは「判定ブロック」であり、処理ブロックによって表されるコンピュータソフ
トウエア命令の実行に影響を及ぼす、コンピュータソフトウエア命令のような１つ若しく
は複数の命令（又は一群の命令）を表すことができる。別法では、処理ブロック及び判定
ブロックは、デジタルシグナルプロセッサ回路、マイクロコントローラ、又は特定用途向
け集積回路（ＡＳＩＣ）のような機能的に等価な回路によって実行される動作を表す。さ
らに、動作及びブロックは、ハードウエア及びソフトウエアの組み合わせを用いて実施す
ることもできる。
【０１１０】
図、流れ図、ブロック図及びフローダイヤグラムは、任意の特定のプログラミング言語
の構文（シンタックス）を表すものではない。むしろ、図、流れ図、ブロック図及びフロ
ーダイヤグラムフローは、本発明に従って要求される処理を実行するための回路を製造し
、且つ／又はコンピュータソフトウエアを作成するために、当業者が必要とする機能的な
情報を例示する。ループ及び変数の初期化、並びに一時的変数の使用等の数多くのルーチ
ンプログラム要素は示されていないことに留意されたい。本明細書において別段の指示が
されない限り、示されるステップの特定のシーケンスは例示にすぎず、本発明の精神から
逸脱することなく変更することができることは当業者には理解されよう。したがって、他
に述べられない限り、本明細書において記述されるステップは順序どおりである必要はな
く、それは、可能であれば、それらのステップを任意の都合の良い、又は所望の順序で実
行することができることを意味する。
【０１１１】
さらに、本発明の全て又は一部を実施するために用いられるソフトウエアは、コンピュ
ータ使用可能媒体を含むコンピュータプログラム製品において具現することができる。た
とえば、そのようなコンピュータ使用可能媒体は、その上にコンピュータ読取り可能プロ
グラムコードセグメントを格納している、ハードドライブデバイス、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶ
Ｄ−ＲＯＭ、又はコンピュータディスケットのような読取り可能メモリデバイスを含むこ
とができる。コンピュータ読取り可能媒体は、その上でデジタル信号又はアナログ信号と
してプログラムコードセグメントを搬送する、光通信リンク、有線通信リンク又は無線通
信リンクのいずれかの通信リンクを含むこともできる。
【０１１２】
図に示される本発明の実施形態を説明する際に、明確にするために、特定の用語（たと
えば、言語、言い回し、製品ブランド名等）が用いられる。これらの名称は、単なる一例
として与えられており、限定するものではない。本発明は、そのように選択される特定の
用語には限定されず、それぞれの特定の用語は、少なくとも、全ての文法的な均等物、字
義的な均等物、科学的な均等物、技術的な均等物及び機能的な均等物、並びに類似の目的
を果たすために同じように動作する他のものを含む。さらに、実例、図面及び本文におい
て、具体的な特徴、構成要素、回路、モジュール、表、ソフトウエアモジュール、システ
ム等に特定の名称が与えられることがある。しかしながら、本明細書において用いられる
そのような用語は、説明するためのものであり、限定するものではない。
【０１１３】
本発明は、或る程度の詳細な事柄を伴う好ましい形態において説明及び図示してきたが
、好ましい形態の本開示は、単なる一例として行われたこと、並びに本発明の精神及び範
囲から逸脱することなく、構成の細部並びに部品の組み合わせ及び配列において多数の変
更を行うことができることは理解されたい。
【０１１４】
具体的な実施態様を参照しながら技術の原理を説明及び例示してきたが、その技術は、
数多くの他の異なる形態において、且つ数多くの環境において実施できることは理解され
よう。本明細書において開示される技術は、他の技術と組み合わせて用いることができる
。したがって、本発明は、説明した実施形態に限定されるべきではなく、むしろ、特許請
求の範囲の精神及び範囲によってのみ限定されるべきであると考える。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】リニアモードにおいて動作するトランジスタ回路の回路図である。
【図２】図１のトランジスタ回路のためのパラメータを示すグラフである。
【図３】図１のトランジスタの場合の、温度の関数としてのトランジスタゲート閾値電圧のグラフである。
【図４】図１のトランジスタの場合の、種々のドレイン電流におけるトランジスタゲート−ソース間閾値電圧対接合部温度曲線のグラフである。
【図５】順方向バイアス安全動作領域（ＦＢＳＯＡ）曲線の例示的なグラフである。
【図６】逆方向バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）曲線の例示的なグラフである。
【図７】本発明の一実施形態による、集積スマートパワースイッチ（ＩＳＰＳ）の第１のブロック図である。
【図８】本発明の一実施形態による、集積スマートパワースイッチ（ＩＳＰＳ）の第２のブロック図である。
【図９】本発明の一実施形態による、パワーデバイスを制御するための方法の流れ図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、パワーデバイスを保護するための方法の流れ図である。
【図１１】本発明の一実施形態による、順方向バイアス安全動作領域の境界を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施形態による、動的な安全動作領域の概念を示すグラフである。
【図１３】本発明の一実施形態による、パワーデバイスのための安全動作領域（ＳＯＡ）の動的に制御するための方法の流れ図である。
【図１４】本発明の一実施形態による、パワーデバイスのための不良を診断及び予測するための方法の流れ図である。
【図１５】本発明の一実施形態による、分散制御及び集積スマートパワースイッチを用いるインテリジェントパワーシステムの第１の例示的なブロック図である。
【図１６】本発明の一実施形態による、インテリジェントパワーシステムの第２の例示的なブロック図である。
【図１７】本発明の一実施形態による、インテリジェントパワーシステムの応用形態を例示する図である。
【図１】
2014197684.tif 000004
【図２】
2014197684.tif 000005
【図３】
2014197684.tif 000006
【図４】
2014197684.tif 000007
【図５】
2014197684.tif 000008
【図６】
2014197684.tif 000009
【図７】
2014197684.tif 000010
【図８】
2014197684.tif 000011
【図９】
2014197684.tif 000012
【図１０】
2014197684.tif 000013
【図１１】
2014197684.tif 000014
【図１２】
2014197684.tif 000015
【図１３】
2014197684.tif 000016
【図１４】
2014197684.tif 000017
【図１５】
2014197684.tif 000018
【図１６】
2014197684.tif 000019
【図１７】
2014197684.tif 000020
【外国語明細書】
2014197684000001.pdf