(57)【要約】  本発明のスイッチング素子制御回路１００は、第３電極電圧制御部１０と、温度検出部２０と、第１電極電流検出部３０と、初期閾値電圧を含む情報、及び、閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を記憶する記憶部４０と、初期閾値電圧、スイッチング素子の動作温度、及び、第１電極電流を含む情報、並びに、閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報に基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧を算出する閾値電圧算出部５０とを備え、第３電極電圧制御部１０は、閾値電圧算出部５０によって算出された動作時の閾値電圧に基づいて第３電極電圧を制御することを特徴とする。  本発明のスイッチング素子制御回路１００によれば、動作時の閾値電圧が初期閾値電圧から変動する場合でも、スイッチング損失を小さくすることができる。
2019058545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、第２電極と、第３電極とを備えるスイッチング素子のオン／オフ動作を制御するスイッチング素子制御回路であって、
前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御するために第３電極電圧を制御する第３電極電圧制御部と、
前記スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出部と、
前記スイッチング素子を流れる第１電極電流を検出する第１電極電流検出部と、
前記スイッチング素子の初期閾値電圧を含む情報、及び、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報を記憶する記憶部と、
前記初期閾値電圧、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度、及び、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を含む情報、並びに、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出する閾値電圧算出部とを備え、
前記第３電極電圧制御部は、前記スイッチング素子をオン状態とするときに、前記閾値電圧算出部によって算出された前記動作時の閾値電圧に基づいて前記第３電極電圧を制御することを特徴とするスイッチング素子制御回路。
【請求項２】
前記記憶部は、前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧を検出したときに前記スイッチング素子を流れる初期第１電極電流をさらに記憶するとともに、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報として、前記閾値電圧の第１電極電流係数をβとし、前記動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、前記初期閾値電圧をＶｔｈ０とし、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流をＩｄとし、前記初期第１電極電流をＩｄ０としたときに、所定の動作温度毎に準備された、各動作温度に対応する前記スイッチング素子の閾値電圧の第１電極電流特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋β（Ｉｄ−Ｉｄｏ）をさらに記憶し、
前記閾値電圧算出部は、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の前記動作温度に基づいて、当該動作温度に対応する前記スイッチング素子の閾値電圧の第１電極電流特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋β（Ｉｄ−Ｉｄｏ）を選択し、かつ、当該特性式、前記初期閾値電圧、前記初期ドレイン電流及び前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項３】
前記記憶部は、前記スイッチング素子の初期閾値電圧を検出したときの前記スイッチング素子の初期動作温度をさらに記憶するとともに、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報として、前記閾値電圧の温度係数をαとし、前記動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、前記初期閾値電圧をＶｔｈ０とし、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の前記動作温度をＴとし、前記初期動作温度をＴ０としたときに、所定の第１電極電流毎に準備された、各第１電極電流に対応する前記スイッチング素子の閾値電圧の温度特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）をさらに記憶し、
前記閾値電圧算出部は、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流に基づいて、当該第１電極電流に対応する前記スイッチング素子の閾値電圧の温度特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）を選択し、かつ、当該特性式、前記初期閾値電圧、前記初期動作温度及び前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項４】
前記記憶部は、前記スイッチング素子の初期閾値電圧を検出したときの、前記スイッチング素子の初期動作温度及び前記スイッチング素子を流れる初期第１電極電流をさらに記憶するとともに、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報として、前記動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、前記初期閾値電圧をＶｔｈ０とし、動作温度及び第１電極電流による閾値電圧を補正する関数をＦ（Ｔ，Ｉｄ）としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋Ｆ（Ｔ，Ｉｄ）の関係を満たす特性式をさらに記憶し、
前記閾値電圧算出部は、前記初期動作温度、前記初期第１電極電流、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の前記動作温度Ｔ及び前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を含む情報、並びに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋Ｆ（Ｔ，Ｉｄ）の関係を満たす特性式に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項５】
前記初期閾値電圧を含む情報、及び、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報は、あらかじめ前記記憶部に記憶されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項６】
前記スイッチング素子制御回路は、前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧を測定する初期閾値電圧測定モードと、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御モードとを実施するスイッチング素子制御回路であって、
前記スイッチング素子の前記第１電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、
前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定するオン／オフ状態判定部とをさらに備え、
前記初期閾値電圧測定モードにおいては、
前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、
前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、
前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を前記初期閾値電圧として記憶することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項７】
前記スイッチング素子制御回路は、前記制御モードを所定時間実施した後に、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を測定する動作温度・第１電極電流特性測定モードをさらに実施するスイッチング素子制御回路であって、
前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を算出する動作温度・第１電極電流特性算出部をさらに備え、
前記初期閾値電圧測定モードにおいて、前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度を初期動作温度として記憶し、かつ、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を初期第１電極電流として記憶し、
前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいては、
前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、
前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、
前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記第３電極に印加した第３電極電圧を前記スイッチング素子の特性測定時閾値電圧として記憶し、
前記動作温度・第１電極電流特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期動作温度、前記初期第１電極電流、前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいて前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度、前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいて前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流、及び、前記特性測定時閾値電圧を含む情報に基づいて前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を算出することを特徴とする請求項６に記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項８】
前記第３電極電圧制御部は、前記初期閾値電圧測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるように前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項６又は７に記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項９】
前記第３電極電圧制御部は、前記初期閾値電圧測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるように、前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項６又は７に記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項１０】
前記スイッチング素子制御回路は、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御モードを所定時間実施した後に、前記スイッチング素子における閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を測定する動作温度・第１電極電流特性測定モードを実施するスイッチング素子制御回路であって、
前記スイッチング素子の前記第１電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、
前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定するオン／オフ状態判定部と、
前記スイッチング素子における閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を算出する動作温度・第１電極電流特性算出部とをさらに備え、
前記記憶部は、前記スイッチング素子の初期動作温度及び初期第１電極電流をさらに記憶し、
前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいては、
前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、
前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、
前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度を記憶し、かつ、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を記憶し、かつ、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を前記スイッチング素子の特性測定時閾値電圧として記憶し、
前記動作温度・第１電極電流特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期動作温度、前記初期第１電極電流、前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいて、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流、及び、前記特性測定時閾値電圧を含む情報に基づいて前記スイッチング素子における閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項１１】
前記第３電極電圧制御部は、前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるように前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項１０に記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項１２】
前記第３電極電圧制御部は、前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧が、時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるように、前記第３電極電圧を制御することを特徴とする請求項１０に記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項１３】
前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報は、前記スイッチング素子の動作温度と、前記第１電極電流と、前記スイッチング素子の動作温度及び前記第１電極電流に対応する閾値電圧とが組となったデータを含むことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項１４】
前記スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はＨＥＭＴであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項１５】
前記スイッチング素子は、ＧａＮ、ＳｉＣ又はＧａ２Ｏ３を含む材料により形成されたものであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項１６】
第１電極と、第２電極と、第３電極とを備えるスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する、請求項１〜１５のいずれかに記載のスイッチング素子制御回路とを備えることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング素子制御回路及びパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スイッチング素子のオン／オフ動作を制御するスイッチング素子制御回路が知られている（例えば、特許文献１参照。）。【０００３】
従来のスイッチング素子制御回路９００は、図１４に示すように、スイッチング素子８００のオン／オフ動作を制御するためにゲート電圧を制御するゲート電圧制御部９１０を備える。【０００４】
従来のスイッチング素子制御回路９００によれば、ゲート電圧を制御することによってスイッチング素子８００のオン／オフ動作を制御することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１５３４５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、スイッチング速度を速くすることによりスイッチング損失を小さくすることが可能なスイッチング素子制御回路が求められている。これを実現するための方法の一つとして、閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加してターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることにより、スイッチング速度を速くし、スイッチング損失を小さくすることが考えられる（図３参照。）。【０００７】
しかしながら、動作時にスイッチング素子の動作温度が初期閾値電圧（出荷時の閾値電圧）を測定したときのスイッチング素子の動作温度（初期動作温度）よりも高くなることや動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子に流すことに起因して、動作時の閾値電圧が初期閾値電圧から変動してしまう。このため、動作時の閾値電圧をわずかに超える電圧をゲート電極に印加してターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることが難しく、スイッチング損失を小さくすることが難しい、という問題がある。【０００８】
そこで、本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、動作時の閾値電圧が初期閾値電圧から変動する場合でも、スイッチング損失を小さくすることが可能なスイッチング素子制御回路を提供することを目的とする。また、このようなスイッチング素子制御回路を備えるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
［１］本発明のスイッチング素子制御回路は、第１電極と、第２電極と、第３電極とを備えるスイッチング素子のオン／オフ動作を制御するスイッチング素子制御回路であって、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御するために第３電極電圧を制御する第３電極電圧制御部と、前記スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出部と、前記スイッチング素子を流れる第１電極電流を検出する第１電極電流検出部と、前記スイッチング素子の初期閾値電圧を含む情報、及び、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報を記憶する記憶部と、前記初期閾値電圧、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度、及び、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を含む情報、並びに、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出する閾値電圧算出部とを備え、前記第３電極電圧制御部は、前記スイッチング素子をオン状態とするときに、前記閾値電圧算出部によって算出された前記動作時の閾値電圧に基づいて前記第３電極電圧を制御することを特徴とする。【００１０】
［２］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記記憶部は、前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧を検出したときの前記スイッチング素子を流れる初期第１電極電流をさらに記憶するとともに、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報として、前記閾値電圧の第１電極電流係数をβとし、前記動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、前記初期閾値電圧をＶｔｈ０とし、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流をＩｄとし、前記初期第１電極電流をＩｄ０としたときに、所定の動作温度毎に準備された、各動作温度に対応する前記スイッチング素子の閾値電圧の第１電極電流特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋β（Ｉｄ−Ｉｄｏ）をさらに記憶し、前記閾値電圧算出部は、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の前記動作温度に基づいて、当該動作温度に対応する前記スイッチング素子の閾値電圧の第１電極電流特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋β（Ｉｄ−Ｉｄｏ）を選択し、かつ、当該特性式、前記初期閾値電圧、前記初期ドレイン電流及び前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出することが好ましい。【００１１】
［３］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記記憶部は、前記スイッチング素子の初期閾値電圧を検出したときの前記スイッチング素子の初期動作温度をさらに記憶するとともに、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報として、前記閾値電圧の温度係数をαとし、前記動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、前記初期閾値電圧をＶｔｈ０とし、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の前記動作温度をＴとし、前記初期動作温度をＴ０としたときに、所定の第１電極電流毎に準備された、各第１電極電流に対応する前記スイッチング素子の閾値電圧の温度特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）をさらに記憶し、前記閾値電圧算出部は、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流に基づいて、当該第１電極電流に対応する前記スイッチング素子の閾値電圧の温度特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）を選択し、かつ、当該特性式、前記初期閾値電圧、前記初期動作温度及び前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出することが好ましい。【００１２】
［４］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記記憶部は、前記スイッチング素子の初期閾値電圧を検出したときの、前記スイッチング素子の初期動作温度及び前記スイッチング素子を流れる初期第１電極電流をさらに記憶するとともに、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報として、前記動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、前記初期閾値電圧をＶｔｈ０とし、動作温度及び第１電極電流による閾値電圧を補正する関数をＦ（Ｔ，Ｉｄ）としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋Ｆ（Ｔ，Ｉｄ）の関係を満たす特性式をさらに記憶し、前記閾値電圧算出部は、前記初期動作温度、前記初期第１電極電流、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の前記動作温度Ｔ及び前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を含む情報、並びに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋Ｆ（Ｔ，Ｉｄ）の関係を満たす特性式に基づいて前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出することが好ましい。【００１３】
［５］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記初期閾値電圧を含む情報、及び、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報は、あらかじめ前記記憶部に記憶されていることが好ましい。【００１４】
［６］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子制御回路は、前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧を測定する初期閾値電圧測定モードと、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御モードとを実施するスイッチング素子制御回路であって、前記スイッチング素子の前記第１電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定するオン／オフ状態判定部とをさらに備え、前記初期閾値電圧測定モードにおいては、前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を前記初期閾値電圧として記憶することが好ましい。【００１５】
［７］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子制御回路は、前記制御モードを所定時間実施した後に、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を測定する動作温度・第１電極電流特性測定モードをさらに実施するスイッチング素子制御回路であって、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を算出する動作温度・第１電極電流特性算出部をさらに備え、前記初期閾値電圧測定モードにおいて、前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度を初期動作温度として記憶し、かつ、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を初期第１電極電流として記憶し、前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記第３電極に印加した第３電極電圧を前記スイッチング素子の特性測定時閾値電圧として記憶し、前記動作温度・第１電極電流特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期動作温度、前記初期第１電極電流、前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいて前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度、前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいて前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流、及び、前記特性測定時閾値電圧を含む情報に基づいて前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を算出することが好ましい。【００１６】
［８］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記第３電極電圧制御部は、前記初期閾値電圧測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるように前記第３電極電圧を制御することが好ましい。【００１７】
［９］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記第３電極電圧制御部は、前記初期閾値電圧測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるように、前記第３電極電圧を制御することが好ましい。【００１８】
［１０］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子制御回路は、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御モードを所定時間実施した後に、前記スイッチング素子における閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を測定する動作温度・第１電極電流特性測定モードを実施するスイッチング素子制御回路であって、前記スイッチング素子の前記第１電極に閾値電圧測定用電流を供給する閾値電圧測定用電源と、前記スイッチング素子のオン／オフ状態を判定するオン／オフ状態判定部と、前記スイッチング素子における閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を算出する動作温度・第１電極電流特性算出部とをさらに備え、前記記憶部は、前記スイッチング素子の初期動作温度及び初期第１電極電流をさらに記憶し、記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧制御部は、前記第３電極電圧が段階的に高くなるように前記第３電極電圧を制御し、前記オン／オフ状態判定部は、前記第１電極電流検出部で検出された前記第１電極電流に基づいて前記スイッチング素子がオンしたか否かを判定し、前記記憶部は、前記オン／オフ状態判定部によって前記スイッチング素子がオン状態になったことを判定したときに、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度を記憶し、かつ、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流を記憶し、かつ、前記第３電極に印加した前記第３電極電圧を前記スイッチング素子の特性測定時閾値電圧として記憶し、前記動作温度・第１電極電流特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期動作温度、前記初期第１電極電流、前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいて、前記温度検出部によって検出された前記スイッチング素子の動作温度、前記第１電極電流検出部によって検出された前記第１電極電流、及び、前記特性測定時閾値電圧を含む情報に基づいて前記スイッチング素子における閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性を算出することが好ましい。【００１９】
［１１］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記第３電極電圧制御部は、前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるように前記第３電極電圧を制御することが好ましい。【００２０】
［１２］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記第３電極電圧制御部は、前記動作温度・第１電極電流特性測定モードにおいては、前記第３電極電圧が、時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるように、前記第３電極電圧を制御することが好ましい。【００２１】
［１３］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報は、前記スイッチング素子の動作温度と、前記第１電極電流と、前記スイッチング素子の動作温度及び前記第１電極電流に対応する閾値電圧とが組となったデータを含むことが好ましい。【００２２】
［１４］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はＨＥＭＴであることが好ましい。【００２３】
［１５］本発明のスイッチング素子制御回路においては、前記スイッチング素子は、ＧａＮ、ＳｉＣ又はＧａ２Ｏ３を含む材料により形成されたものであることが好ましい。【００２４】
［１６］本発明のパワーモジュールは、第１電極と、第２電極と、第３電極とを備えるスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する、［１］〜［１５］のいずれかに記載のスイッチング素子制御回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のスイッチング素子制御回路及びパワーモジュールによれば、閾値電圧算出部は、温度検出部によって検出されたスイッチング素子の動作温度、及び、第１電極電流検出部によって検出された第１電極電流を含む情報に基づいてスイッチング素子の動作時の閾値電圧を算出し、第３電極電圧制御部は、スイッチング素子をオン状態とするときに、閾値電圧算出部によって算出された動作時の閾値電圧に基づいて第３電極電圧を制御するため、初期閾値電圧（出荷時の閾値電圧）を測定したときのスイッチング素子の初期動作温度よりも動作時のスイッチング素子の動作温度が高くなることや動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子に流すことに起因して動作時の閾値電圧が初期閾値電圧から変動する場合であっても、動作時の閾値電圧をわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態１に係るパワーモジュール１及びスイッチング素子制御回路１００を示す回路図である。
【図２】実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００を説明するために示すブロック図である。
【図３】閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加する場合の効果について説明するために示す図である。図３（ａ）は比較例に係るスイッチング素子制御回路においてゲート電極にゲート電圧を印加する場合のゲート・ソース間電圧の時間変化を示すグラフの模式図であり、図３（ｂ）は実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００において閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加する場合のゲート・ソース間電圧の時間変化を示す模式的なグラフである。
【図４】実施形態１において、所定の動作温度ごとに準備された、各動作温度に対応したスイッチング素子の閾値電圧Ｖｔｈのドレイン電流特性を示す模式的なグラフである。
【図５】実施形態２において、所定のドレイン電流ごとに準備された、各ドレイン電流に対応したスイッチング素子の閾値電圧Ｖｔｈの温度特性を示す模式的なグラフである。
【図６】実施形態４に係るパワーモジュール２及びスイッチング素子制御回路１０２を示す回路図である。
【図７】実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２における初期閾値電圧測定モードを説明するために示すブロック図である。
【図８】実施形態４における初期閾値電圧測定モードを説明するために示すゲート・ソース間電圧のグラフの模式図である。
【図９】実施形態５に係るパワーモジュール３及びスイッチング素子制御回路１０４を示す回路図である。
【図１０】実施形態５における動作温度・ドレイン電流特性測定モードを説明するために示すブロック図である。
【図１１】実施形態５に係るスイッチング素子制御回路における、スイッチング素子の閾値電圧Ｖｔｈとドレイン電流Ｉｄの関係を示すグラフの模式図である。
【図１２】実施形態５に係るスイッチング素子制御回路における、スイッチング素子の閾値電圧Ｖｔｈと動作温度Ｔの関係を示すグラフの模式図である。
【図１３】変形例２における初期閾値電圧測定モード（及び／又は温度特性測定モード）を説明するために示すグラフの模式図である。
【図１４】従来のスイッチング素子制御回路９００を説明するために示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明のスイッチング素子制御回路及びパワーモジュールについて、図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、各図面は模式図であり、必ずしも実際の回路構成やグラフを厳密に反映したものではない。
【００２８】
［実施形態１］
１．実施形態１に係るパワーモジュール１及びスイッチング素子制御回路１００の構成
実施形態１に係るパワーモジュール１は、図１に示すように、スイッチング素子２００と、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を制御する実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００とを備える。実施形態１に係るパワーモジュール１は、高耐熱性・高絶縁性の樹脂やセラミックス等により形成されたパッケージで覆われている。実施形態１に係るパワーモジュール１には、直流の電源電圧ＶＤＤを入力する（＋）側入力端子Ｔ１、接地側の（−）側入力端子Ｔ２、（＋）側出力端子Ｔ３、接地側の（−）側出力端子Ｔ４、及び、駆動信号（例えば、ゲートパルス）Ｐｇを入力する制御端子Ｔ５が設けられている。
【００２９】
（＋）側入力端子Ｔ１と（−）側入力端子Ｔ２との間には、電源電圧ＶＤＤを印加するためのゲートドライブ用電源３００が接続されている。ゲートドライブ用電源３００は、ゲート電圧制御部１０を介してスイッチング素子２００のゲート電極と接続されており、ゲート電極に電圧を供給する。（＋）側出力端子Ｔ３及び（−）側出力端子Ｔ４には、負荷回路４００が接続されている。負荷回路４００は、例えば、負荷抵抗４１０及び直流の駆動電源４２０を有し、これらが（＋）側出力端子Ｔ３と（−）側出力端子Ｔ４との間に直列に接続されている。なお、（−）側出力端子Ｔ４は接地されている。
【００３０】
スイッチング素子２００は、ソース電極（第２電極）、ドレイン電極（第１電極）及びゲート電極（第３電極）を備えるＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子２００は、ゲート電極に閾値電圧を超えるゲート電圧（第３電極電圧）を印加するとオン状態となり、ゲート電圧が閾値電圧を下回るとオフ状態となる。ゲート電圧は、電源電圧ＶＤＤから供給され、後述するゲート電圧制御部１０（第３電極電圧制御部）によって制御される。なお、スイッチング素子２００は、ＧａＮを含む材料により形成されたものである。この場合、ゲート電極の絶対最大定格電圧と閾値電圧との差が小さくなる。
【００３１】
スイッチング素子２００のドレイン電極は、（＋）側出力端子Ｔ３を介して負荷回路４００と接続されている。スイッチング素子２００のゲート電極は、ゲート電圧制御部１０と接続されている。スイッチング素子２００のソース電極は抵抗を介して（−）側出力端子Ｔ４と接続されている。
【００３２】
実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００は、ゲート電圧制御部１０（第３電極電圧制御部）と、温度検出部２０と、ドレイン電流検出部３０（第１電極電流検出部）と、記憶部４０と、閾値電圧算出部５０とを備える（図１参照。）。
ゲート電圧制御部１０は、閾値電圧算出部５０と接続されている。ゲート電圧制御部１０は、入力された駆動信号（例えば、ゲートパルス）Ｐｇに基づいてスイッチング素子２００のオン／オフを制御するためにゲート電圧を制御する。
温度検出部２０は、温度検出素子２２を有し、閾値電圧算出部５０と接続されている。温度検出素子２２としては、ダイオードやサーミスタ等適宜の温度検出素子を用いることができる。
ドレイン電流検出部３０は、ドレイン電流検出素子を有し、閾値電圧算出部５０と接続されている。ドレイン電流検出素子としては、抵抗を用いるがロゴスキーコイル等適宜の電流検出素子を用いることもできる。
記憶部４０は、閾値電圧算出部５０と接続されている。記憶部４０には、スイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ０（あらかじめ設定した、使用するスイッチング素子２００の閾値電圧の下限値）、及び、初期閾値電圧Ｖｔｈ０を測定したときにスイッチング素子２００を流れる初期ドレイン電流Ｉｄ０（初期第１電極電流）を含む情報、並びに、スイッチング素子２００の閾値電圧の動作温度・ドレイン電流特性に関する情報が、あらかじめ記憶されている。このため、スイッチング素子２００をスイッチング素子制御回路１００に組み込んだ後に初期閾値電圧Ｖｔｈ０、及び、初期ドレイン電流Ｉｄ０を計測する必要がない。
【００３３】
記憶部４０は、スイッチング素子２００の閾値電圧の動作温度・ドレイン電流特性に関する情報として、閾値電圧のドレイン電流係数をβとし、動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、初期閾値電圧をＶｔｈ０とし、ドレイン電流検出部３０によって検出されたドレイン電流をＩｄとし、初期ドレイン電流をＩｄ０としたときに、所定の動作温度毎（例えば、図４におけるＴＡ，ＴＢ，ＴＣ、ＴＤ参照。）に準備された、各動作温度に対応するスイッチング素子２００の閾値電圧のドレイン電流特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋β（Ｉｄ−Ｉｄｏ）を記憶する。
【００３４】
実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００は、スイッチング素子２００をオン状態とするとき、ゲート電極に印加するゲート電圧を以下のようにして決定する（図２参照。）。
【００３５】
まず、温度検出部２０は、温度検出素子２２を介してスイッチング素子２００の動作温度Ｔを検出する。また、ドレイン電流検出部３０は、スイッチング素子２００を流れるドレイン電流Ｉｄを検出する。
【００３６】
閾値電圧算出部５０は、記憶部４０から、スイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ０、及び、初期ドレイン電流Ｉｄ０を含む情報、並びに、スイッチング素子２００の閾値電圧の動作温度・ドレイン電流特性に関する情報を読み取り、かつ、温度検出部２０からスイッチング素子２００の動作温度Ｔを読み取り、かつ、ドレイン電流検出部３０からスイッチング素子２００を流れるドレイン電流Ｉｄを読み取る。
閾値電圧算出部５０は、温度検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔに基づいて、当該動作温度に対応する（実施形態１においては、図４における動作温度ＴＣに対応する）スイッチング素子２００の閾値電圧のドレイン電流特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋β（Ｉｄ−Ｉｄｏ）を選択し、かつ、当該特性式、初期閾値電圧Ｖｔｈ０、初期ドレイン電流Ｉｄ０及びドレイン電流検出部３０によって検出されたドレイン電流Ｉｄに基づいて（上記特性式に初期閾値電圧Ｖｔｈ０等を代入して）スイッチング素子２００の動作時の閾値電圧を算出する。なお、ドレイン電流係数（第１電極係数）βはドレイン電流の変化を閾値電圧の変化に換算する係数を示す。
【００３７】
次に、ゲート電圧制御部１０は、閾値電圧算出部５０で算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいて、当該閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加する（図３（ｂ）参照。）。このようにして、ゲート電極に印加するゲート電圧を決定する。
【００３８】
なお、実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００においては、常にスイッチング素子２００の動作温度及びドレイン電流に追従してゲート電圧を制御してもよいし、所定時間ごとにスイッチング素子２００の動作温度及びドレイン電流を検出して動作時の閾値電圧を算出し、当該動作時の閾値電圧に基づいてゲート電圧を制御してもよい。
【００３９】
２．実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００及びパワーモジュール１の効果
実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００及びパワーモジュール１によれば、閾値電圧算出部５０は、温度検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度、及び、ドレイン電流検出部３０によって検出されたドレイン電流を含む情報に基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、閾値電圧算出部５０によって算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するため、初期閾値電圧（出荷時の閾値電圧）を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ０よりも動作時のスイッチング素子２００の動作温度が高くなることや動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子２００に流すことに起因して動作時の閾値電圧Ｖｔｈが初期閾値電圧Ｖｔｈ０から変動する場合であっても、動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。
【００４０】
また、実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００によれば、閾値電圧算出部５０は、温度検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔに基づいて、当該動作温度Ｔに対応するスイッチング素子２００の閾値電圧のドレイン電流特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋β（Ｉｄ−Ｉｄｏ）を選択し、かつ、当該特性式及びドレイン電流検出部３０によって検出されたドレイン電流に基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出するため、比較的容易にスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出することができる。
【００４１】
実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００によれば、ＧａＮを含む材料により形成されたスイッチング素子のようにゲート電極の絶対最大定格電圧と閾値電圧との差が小さい場合であっても、動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。また、閾値電圧（設計上の閾値電圧）をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加してもスイッチング素子２００がオン状態にならない現象が発生することを防ぐことができ、その結果、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を確実に制御することができる。
【００４２】
また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、スイッチング素子２００がＧａＮを含む材料により形成されたものであるため、スイッチング素子２００のオン抵抗が低くなり、導通損失が小さいパワーモジュールとすることができる。
【００４３】
［実施形態２］
実施形態２に係るスイッチング素子制御回路は、基本的には実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００と同様の構成を有するが、動作時の閾値電圧の算出方法が実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合とは異なる。すなわち、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路において、記憶部４０は、スイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ０を検出したときにスイッチング素子２００を流れる初期ドレイン電流Ｉｄ０をさらに記憶するとともに、スイッチング素子２００の閾値電圧の動作温度・ドレイン電流特性に関する情報として、閾値電圧の温度係数をαとし、動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、初期閾値電圧をＶｔｈ０とし、温度検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度をＴとし、初期動作温度をＴ０としたときに成り立つ、所定のドレイン電流毎（例えば、図５におけるＩｄＡ，ＩｄＢ，ＩｄＣ、ＩｄＤ参照。）に準備されたスイッチング素子２００の閾値電圧の温度特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）をさらに記憶し、閾値電圧算出部５０は、ドレイン電流検出部３０によって検出されたドレイン電流に基づいて、当該ドレイン電流に対応する（実施形態２においては、図５におけるドレイン電流Ｉｄｃに対応する）スイッチング素子２００の閾値電圧の温度特性の特性式Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）を選択し、かつ、当該特性式及び温度検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔに基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧を算出する（図５参照。）。なお、温度係数αはスイッチング素子の動作温度の変化を閾値電圧の変化に換算する係数を示す。
【００４４】
このように、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路は、動作時の閾値電圧の算出方法が実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合とは異なるが、実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合と同様に、閾値電圧算出部５０は、温度検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度、及び、ドレイン電流検出部３０によって検出されたドレイン電流を含む情報に基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、閾値電圧算出部５０によって算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するため、初期閾値電圧（出荷時の閾値電圧）を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ０よりも動作時のスイッチング素子２００の動作温度が高くなることや動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子２００に流すことに起因して動作時の閾値電圧Ｖｔｈが初期閾値電圧Ｖｔｈ０から変動する場合であっても、動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。
【００４５】
なお、実施形態２に係るスイッチング素子制御回路１０２は、動作時の閾値電圧の算出方法以外の点においては実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００と同様の構成を有するため、実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００が有する効果のうち該当する効果を有する。
【００４６】
［実施形態３］
実施形態３に係るスイッチング素子制御回路（図示せず。）は、基本的には実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００と同様の構成を有するが、動作時の閾値電圧の算出方法が実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合とは異なる。すなわち、実施形態３に係るスイッチング素子制御回路において、記憶部４０は、スイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ０を検出したときの、スイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ０及びスイッチング素子２００を流れる初期ドレイン電流Ｉｄ０をさらに記憶するとともに、スイッチング素子２００の閾値電圧の動作温度・ドレイン電流特性に関する情報として、動作時の閾値電圧をＶｔｈとし、初期閾値電圧をＶｔｈ０とし、動作温度及びドレイン電流による閾値電圧を補正する関数をＦ（Ｔ，Ｉｄ）としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋Ｆ（Ｔ，Ｉｄ）の関係を満たす特性式を記憶する。
【００４７】
動作温度及びドレイン電流による閾値電圧を補正する関数Ｆ（Ｔ，Ｉｄ）は、スイッチング素子２００の動作温度Ｔ及びドレイン電流Ｉｄの関数であり、初期動作温度Ｔ０，初期ドレイン電流Ｉｄ０、動作時のスイッチング素子２００の動作温度Ｔ及び動作時にスイッチング素子を流れるドレイン電流Ｉｄを代入することにより初期閾値電圧Ｖｔｈ０からの補正量を算出することができる。関数Ｆ（Ｔ，Ｉｄ）は、例えば、関数Ｆ（Ｔ，Ｉｄ）＝−α（Ｔ−Ｔ０）＋β（Ｉｄ−Ｉｄｏ）とすることができる。
【００４８】
このように、実施形態３に係るスイッチング素子制御回路は、動作時の閾値電圧の算出方法が実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合とは異なるが、実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合と同様に、閾値電圧算出部５０は、温度検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度、及び、ドレイン電流検出部３０によって検出されたドレイン電流を含む情報に基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、閾値電圧算出部５０によって算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するため、初期閾値電圧（出荷時の閾値電圧）を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ０よりも動作時のスイッチング素子２００の動作温度が高くなることや動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子２００に流すことに起因して動作時の閾値電圧Ｖｔｈが初期閾値電圧Ｖｔｈ０から変動する場合であっても、動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。
【００４９】
また、実施形態３に係るスイッチング素子制御回路によれば、記憶部４０は、スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・第１電極電流特性に関する情報として、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋Ｆ（Ｔ，Ｉｄ）の関係を満たす特性式を記憶するため、より正確にスイッチング素子２００の動作温度Ｔ及びドレイン電流Ｉｄを考慮した（動作時の）閾値電圧を算出することができる。
【００５０】
なお、実施形態３に係るスイッチング素子制御回路は、動作時の閾値電圧の算出方法以外の点においては実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００と同様の構成を有するため、実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００が有する効果のうち該当する効果を有する。
【００５１】
［実施形態４］
実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２は、基本的には実施形態１に係るスイッチング素子制御回路と同様の構成を有するが、閾値電圧測定用電源及びオン／オフ状態判定部をさらに備える点で実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合とは異なる。すなわち、実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２は、スイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ０を測定する初期閾値電圧測定モードと、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を制御する制御モードとを切り替えて実施するスイッチング素子制御回路である（図６参照。）。
【００５２】
閾値電圧測定用電源６０は、スイッチング素子２００のドレイン電極と接続されており、初期閾値電圧測定モードにおいては、閾値電圧測定用スイッチ６２をオンすることにより、スイッチング素子２００のドレイン電極（第１電極）に閾値電圧測定用電流を供給する。
閾値電圧測定用スイッチ６２としては、適宜のスイッチを用いることができ、例えば、フォトカプラを用いることができる。
オン／オフ状態判定部７０は、初期閾値電圧測定モードにおいて、ドレイン電流検出部３０から受信した検出結果に基づいてスイッチング素子２００のオン／オフ状態を判定する。オン／オフ状態判定部７０は、ドレイン電流検出部３０及びゲート電圧制御部１０と接続されている。
ゲート電圧制御部１０は、オン／オフ状態判定部７０及び閾値電圧算出部５０だけでなく、記憶部４０とも接続されている。
【００５３】
実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２は、以下のような動作を行う。
【００５４】
（１）初期閾値電圧測定モードについて
初期閾値電圧測定モードは、スイッチング素子制御回路１００に接続されたスイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ０を測定するモードである。このモードは、スイッチング素子制御回路１０２及びスイッチング素子２００を駆動させる前に行う。
【００５５】
まず、駆動電源４２０から電流供給をしない状態で閾値電圧測定用電源６０からスイッチング素子２００のドレイン電極に閾値電圧測定用電流を供給する（図７参照。）。
次に、ゲート電圧制御部１０は、想定されている初期閾値電圧よりも低い電圧をゲート電極に印加するようにゲート電圧を制御する。このとき、ドレイン電流検出部３０によってドレイン電流は検出されない（ドレイン電流の値が０である）ため、オン／オフ状態判定部７０は、スイッチング素子２００がオフ状態であると判定する。オン／オフ状態判定部７０によってスイッチング素子２００がオフ状態であると判定すると、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が一段階高くなるようにゲート電圧を制御する(図８参照。)。
これを繰り返してゲート電圧を段階的に高くしていき（具体的には階段状に高くしていき）、ドレイン電流検出部３０によってドレイン電流が検出されたとき（ドレイン電流の値が０でなくなったとき）、オン／オフ状態判定部７０は、スイッチング素子２００がオン状態であると判定する（図７参照。）。このとき、ドレイン電流検出部３０によって検出されたスイッチング素子２００を流れるドレイン電流を記憶部４０へ送信するとともに、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電極に印加したゲート電圧Ｖｇｓを記憶部４０へ送信する。そして、記憶部４０では、当該ドレイン電流を初期ドレイン電流Ｉｄ０として記憶するとともに当該ゲート電圧Ｖｇｓを初期閾値電圧Ｖｔｈ０として記憶する。このとき、温度検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度を記憶部４０へ送信し、記憶部４０が初期動作温度Ｔ０として記憶してもよい。
【００５６】
（２）制御モードについて
制御モードにおいては、スイッチング素子をオン状態とするときに、初期閾値電圧測定モードにおいて測定された初期閾値電圧Ｖｔｈ０及び初期ドレイン電流Ｉｄ０、温度検出部２０により検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ、ドレイン電流検出部３０によって検出されたスイッチング素子２００を流れるドレイン電流Ｉｄ、及び、スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・ドレイン電流特性に関する情報に基づいて動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、閾値電圧算出部５０で算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加する（図３（ｂ）参照。）。
【００５７】
なお、実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２は、実施形態２における動作時の閾値電圧の算出方法の場合にも適用することができる。この場合、記憶部４０では、初期ドレイン電流Ｉｄ０の代わりに、スイッチング素子２００がオン状態であると判定したときの初期動作温度Ｔ０を記憶する。また、実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２は、実施形態３における動作時の閾値電圧の算出方法の場合にも適用することができる。この場合、記憶部４０では、初期ドレイン電流Ｉｄ０に加えて、スイッチング素子２００がオン状態であると判定したときの初期動作温度Ｔ０を記憶する。
【００５８】
このように、実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２は、閾値電圧測定用電源及びオン／オフ状態判定部をさらに備える点で実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合とは異なるが、実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００の場合と同様に、閾値電圧算出部５０は、温度検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度、及び、ドレイン電流検出部３０によって検出されたドレイン電流を含む情報に基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、閾値電圧算出部５０によって算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するため、初期閾値電圧（出荷時の閾値電圧）を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ０よりも動作時のスイッチング素子２００の動作温度が高くなることや動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子２００に流すことに起因して動作時の閾値電圧Ｖｔｈが初期閾値電圧Ｖｔｈ０から変動する場合であっても、動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。
【００５９】
また、実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２及びパワーモジュール２によれば、初期閾値電圧測定モードにおいて、スイッチング素子制御回路１０２に実際に接続されたスイッチング素子２００の実際の閾値電圧を測定することができるため、実際の閾値電圧がスイッチング素子２００の製造バラツキによって設計上の閾値電圧から変動していた場合でも、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、実際の閾値電圧に基づいて実際の閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をスイッチング素子２００のゲート電極に印加することができる。従って、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を確実に制御するために閾値電圧を大きく超えるゲート電圧をスイッチング素子２００のゲート電極に印加する場合（比較例。図３（ａ）参照。）と比較して、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができるため、スイッチング速度を速くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。
【００６０】
また、実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２及びパワーモジュール２によれば、上記したようにスイッチング素子２００をオン状態とするときに、実際の閾値電圧に基づいて実際の閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加することができるため、実際の閾値電圧がスイッチング素子２００の製造バラツキによって設計上の閾値電圧よりも高くなる方向に変動していた場合であっても、実際の閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加することができる。従って、閾値電圧（設計上の閾値電圧）をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加してもスイッチング素子２００がオン状態にならない現象が発生することを防ぐことができ、その結果、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を確実に制御することができる。
特に、スイッチング素子２００が（ＧａＮを含む場合のように）ゲート電極の絶対最大定格電圧と閾値電圧との差が小さい場合であっても、実際の閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加することができるため、閾値電圧（設計上の閾値電圧）をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加してもスイッチング素子２００がオン状態にならない現象が発生することを防ぐことができ、その結果、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を確実に制御することができる。
【００６１】
また、実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２及びパワーモジュール２によれば、初期閾値電圧測定モードにおいて、実際の閾値電圧を測定することができ、制御モードにおいては、スイッチング素子をオン状態とするときに、実際の閾値電圧を含む情報に基づいてゲート電極に印加するゲート電圧を制御することができるため、スイッチング素子２００を大量生産したとしても、スイッチング素子制御回路１０２にスイッチング素子２００を接続する前に、製造されたスイッチング素子それぞれの閾値電圧を測定する必要がない。従って、作業が煩雑にならず、生産性を高くすることが容易となる。
【００６２】
また、実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２によれば、ゲート電圧制御部１０は、初期閾値電圧測定モードにおいては、ゲート電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるようにゲート電圧を制御するため、スイッチング素子２００の閾値電圧を効率的に、かつ、確実に測定することができる。
【００６３】
なお、実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２は、閾値電圧測定用電源及びオン／オフ状態判定部をさらに備える点以外の点においては実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００と同様の構成を有するため、実施形態１に係るスイッチング素子制御回路１００が有する効果のうち該当する効果を有する。
【００６４】
［実施形態５］
実施形態５に係るスイッチング素子制御回路１０４は、基本的には実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２と同様の構成を有するが、動作温度・ドレイン電流特性算出部（動作温度・第１電極電流特性算出部）をさらに備える点で実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２の場合とは異なる。実施形態５に係るスイッチング素子制御回路１０４は、制御モードを所定時間実施した後に、スイッチング素子２００における閾値電圧の動作温度・ドレイン電流特性を測定する動作温度・ドレイン電流特性測定モード（動作温度・第１電極電流特性測定モード、以下、単に特性測定モードという。）を実施するスイッチング素子制御回路である。
【００６５】
動作温度・ドレイン電流特性算出部８０は、温度検出部２０、ドレイン電流検出部３０及び記憶部４０と接続されており（図９及び１０参照。）、スイッチング素子２００における閾値電圧の動作温度・ドレイン電流特性を算出する。
【００６６】
特性測定モードにおいては、以下のような動作を行う。
制御モードを所定時間実施した後に、駆動電源４２０から電流供給をしない状態で閾値電圧測定用電源６０からスイッチング素子２００のドレイン電極に閾値電圧測定用の電流を供給する（図１０参照。）。
次に、ゲート電圧制御部１０は、想定されている（動作時の）閾値電圧よりも低い電圧をゲート電極に印加するようにゲート電圧を制御する。このとき、ドレイン電流検出部３０によってドレイン電流は検出されない（ドレイン電流の値が０である）ため、オン／オフ状態判定部７０は、スイッチング素子２００がオフ状態であると判定する。オン／オフ状態判定部７０によってスイッチング素子２００がオフ状態であると判定すると、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が一段階高くなるようにゲート電圧を制御する(図８参照。)。
これを繰り返してゲート電圧が段階的に高くなるように（具体的には階段状に高くなるように）していき、ドレイン電流検出部３０によってドレイン電流が検出されたとき（ドレイン電流の値が０でなくなったとき）、オン／オフ状態判定部７０は、スイッチング素子２００がオン状態であると判定する。このとき、温度検出部２０で検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ１、及び、ドレイン電流検出部３０で検出されたスイッチング素子２００を流れるドレイン電流Ｉｄ１を記憶部４０へ送信し、記憶部４０が記憶する。また、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電極に印加したゲート電圧Ｖｇｓを特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ１として記憶部４０へ送信し、記憶部４０は、当該ゲート電圧Ｖｇｓを特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ１として記憶する。
【００６７】
次に、動作温度・ドレイン電流特性算出部８０は、記憶部４０から、初期閾値電圧Ｖｔｈ０、初期動作温度Ｔ０、初期ドレイン電流Ｉｄ０、及び、特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ１を含む情報を読み取るとともに、特性測定モードにおいて、ドレイン電流検出部３０によって検出されたドレイン電流Ｉｄ１、及び、温度検出部２０によって検出された動作温度Ｔ１を読み取り、動作温度・ドレイン電流特性を算出する（例えば、ドレイン電流係数β、図１１参照。）。算出された動作温度・ドレイン電流特性は記憶部４０に記憶される。
【００６８】
制御モードにおいては、閾値電圧算出部５０は、特性測定モードで算出された動作温度・ドレイン電流特性、動作時にドレイン電流検出部３０で検出されたスイッチング素子２００を流れるドレイン電流Ｉｄ、記憶部４０に記憶されている初期閾値電圧Ｖｔｈ０及び初期ドレイン電流Ｉｄ０に基づいて閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、当該閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御する。
【００６９】
なお、実施形態５に係るスイッチング素子制御回路１０４は、実施形態２における動作時の閾値電圧の算出方法の場合にも適用することができる。この場合、動作温度・ドレイン電流特性算出部８０では、ドレイン電流係数βの代わりに、温度係数αを算出する（図１２参照。）。また、実施形態５に係るスイッチング素子制御回路１０４は、実施形態３における動作時の閾値電圧の算出方法の場合にも適用することができる。動作温度・ドレイン電流特性算出部８０では、ドレイン電流係数β及び温度係数αを算出する（図１１及び図１２参照。）。
【００７０】
このように、実施形態５に係るスイッチング素子制御回路１０４は、動作温度・ドレイン電流特性算出部をさらに備える点で実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２の場合とは異なるが、実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２の場合と同様に、閾値電圧算出部５０は、温度検出部２０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度、及び、ドレイン電流検出部３０によって検出されたドレイン電流を含む情報に基づいてスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し、ゲート電圧制御部１０は、スイッチング素子２００をオン状態とするときに、閾値電圧算出部５０によって算出された動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するため、初期閾値電圧（出荷時の閾値電圧）を測定したときのスイッチング素子２００の初期動作温度Ｔ０よりも動作時のスイッチング素子２００の動作温度が高くなることや動作時に比較的大きな電流をスイッチング素子２００に流すことに起因して動作時の閾値電圧Ｖｔｈが初期閾値電圧Ｖｔｈ０から変動する場合であっても、動作時の閾値電圧Ｖｔｈをわずかに超える電圧をゲート電極に印加することができる。従って、ターンオン期間及びターンオフ期間を短くすることができ、その結果、スイッチング損失を小さくすることができる。
【００７１】
また、実施形態５に係るスイッチング素子制御回路１０４によれば、動作温度・ドレイン電流特性算出部８０を備えるため、異なるスイッチング素子２００の動作温度及び異なるドレイン電流で測定された閾値電圧（すなわち、複数の点で測定した閾値電圧）に基づいて動作温度・ドレイン電流特性を算出することとなる。従って、スイッチング素子制御回路に実際に接続されたスイッチング素子のドレイン電流特性が、製造バラツキによって設計上のドレイン電流特性から変動した場合であっても、スイッチング素子における閾値電圧の動作温度・ドレイン電流特性をより正確に算出することができる。その結果、実際の閾値電圧をわずかに超えるゲート電圧をゲート電極に印加することができる。
【００７２】
なお、実施形態５に係るスイッチング素子制御回路１０４は、動作温度・ドレイン電流特性算出部をさらに備える点以外の点においては実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２と同様の構成を有するため、実施形態４に係るスイッチング素子制御回路１０２が有する効果のうち該当する効果を有する。
【００７３】
以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
【００７４】
（１）上記実施形態において記載した構成要素の数等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。
【００７５】
（２）上記実施形態５においては、初期閾値電圧測定モードと、動作温度・ドレイン電流特性測定モードと、制御モードとを実施するスイッチング素子制御回路としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、動作温度・ドレイン電流特性測定モード及び制御モードのみを実施するスイッチング素子制御回路としてもよい。このとき、初期閾値電圧、初期動作温度及び初期ドレイン電流はあらかじめ記憶部に記憶されている。
【００７６】
（３）上記実施形態４及び５においては、初期閾値電圧測定モードにおいて、実施形態５においては、特性測定モードにおいて、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が時間経過に伴って階段状に高くなるようにゲート電圧を制御したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、初期閾値電圧測定モード及び温度特性測定モードにおいて、ゲート電圧制御部１０は、ゲート電圧が時間経過に伴って振幅の大きなパルスとなるパルス状の電圧になるようにゲート電圧を制御してもよい（図１３参照。）。
【００７７】
（４）上記実施形態１，４及び５においては、スイッチング素子における閾値電圧のドレイン電流特性を、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０＋β（Ｉｄ−Ｉｄｏ）の関係を満たす特性式であるとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、スイッチング素子における閾値電圧のドレイン電流特性に関する情報を、より実際のグラフに近い（多次元の）特性式としてもよい（図４の実線参照。）。
【００７８】
（５）上記各実施形態において、スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・ドレイン電流特性に関する情報を特性式で表していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、スイッチング素子の閾値電圧の動作温度・ドレイン電流特性に関する情報は、スイッチング素子の動作温度Ｔと、ドレイン電流Ｉｄと、スイッチング素子の動作温度Ｔ及びドレイン電流Ｉｄに対応する閾値電圧Ｖｔｈとが組となったデータ（Ｔ，Ｉｄ，Ｖｔｈ）を含んでもよい。この場合、動作時のドレイン電流及び動作温度を検出したときに当該ドレイン電流及び動作温度に対応する閾値電圧を動作時の閾値電圧とする。
【００７９】
（６）上記各実施形態において、スイッチング素子制御回路が、１つのスイッチング素子を制御したが、本発明はこれに限定されるものではない。スイッチング素子制御回路が、複数のスイッチング素子を制御してもよい。
【００８０】
（７）上記各実施形態において、スイッチング素子は、ＧａＮを含む材料により形成されたものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。スイッチング素子は、ＳｉＣやＧａ２Ｏ３等のワイドギャップ半導体を含む材料や、シリコンを含む材料により形成されたものであってもよい。
【００８１】
（８）上記実施形態においては、スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチング素子(例えば、ＨＥＭＴ、ＩＧＢＴ等)を用いてもよい。
【００８２】
（９）上記各実施形態において、スイッチング素子制御回路とスイッチング素子とが別々の半導体基体に形成されていてもよいし、スイッチング素子制御回路とスイッチング素子（例えば、ＧａＮの横型構造の半導体素子）とが同一の半導体基体に形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１，２，３…パワーモジュール、１０…ゲート電圧制御部、２０…温度検出部、３０…ドレイン電流検出部、４０…記憶部、５０…閾値電圧算出部、６０…閾値電圧測定用電源、６２…閾値電圧測定用スイッチ、７０…オン／オフ状態判定部、８０…動作温度・ドレイン電流特性算出部、１００，１０２，１０４，９００…スイッチング素子制御回路、２００，８００…スイッチング素子、３００…ゲートドライブ用電源、４００…負荷回路、４１０…負荷抵抗、４２０…駆動電源、Ｔ１…（＋）側入力端子、Ｔ２…（−）側入力端子、Ｔ３…（＋）側出力端子、Ｔ４…（−）側出力端子、Ｔ５…制御端子、ＶＤＤ…電源電圧、Ｖｔｈ…閾値電圧、Ｖｔｈ０…初期閾値電圧、Ｖｔｈ１…特性測定時閾値電圧、Ｉｄ…ドレイン電流、Ｉｄ０…初期ドレイン電流、Ｉｄ１…（動作温度・ドレイン電流特性測定時）ドレイン電流、Ｔ０…初期動作温度、Ｔ１…（動作温度・ドレイン電流特性測定時）動作温度
【図１】
2019058545.tif 000003
【図２】
2019058545.tif 000004
【図３】
2019058545.tif 000005
【図４】
2019058545.tif 000006
【図５】
2019058545.tif 000007
【図６】
2019058545.tif 000008
【図７】
2019058545.tif 000009
【図８】
2019058545.tif 000010
【図９】
2019058545.tif 000011
【図１０】
2019058545.tif 000012
【図１１】
2019058545.tif 000013
【図１２】
2019058545.tif 000014
【図１３】
2019058545.tif 000015
【図１４】
2019058545.tif 000016
【国際調査報告】
2019058545.tif 000017
2019058545.tif 000018
2019058545.tif 000019
2019058545.tif 000020