(57)【要約】  本発明のパワーモジュール１は、スイッチング素子２００と、スイッチング素子２００の動作温度Ｔを検出する温度検出部１０と、温度検出部１０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔを含む情報に基づいて算出されたスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいて制御電極電圧を制御する制御電極電圧制御部２０と、温度検出部１０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のスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御部３０とを備える。  本発明のパワーモジュール１によれば、スイッチング素子のスイッチング損失を小さくすることができ、かつ、総合損失の温度変動をより小さくすることができる。
2019123656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極、第２電極及び制御電極を有するスイッチング素子と、
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の前記動作温度を含む情報に基づいて算出された前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御電極電圧を制御する制御電極電圧制御部と、
前記スイッチング素子の前記動作温度に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御部とを備えることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記スイッチング素子の初期閾値電圧、及び、前記初期閾値電圧を測定したときの前記スイッチング素子の初期温度を含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報を記憶する記憶部と、
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、前記スイッチング素子の初期閾値電圧、及び、前記初期閾値電圧を測定したときの前記スイッチング素子の初期温度を含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度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さらに備え、
前記制御電極電圧制御部は、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スイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御電極電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報は、前記スイッチング素子における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、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、前記初期閾値電圧を測定したときの前記スイッチング素子の初期温度をＴ０としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）の関係を満たす特性式であることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
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制御電極電流量を算出するスイッチング速度算出部をさらに備え、
前記スイッチング速度制御部は、
前記スイッチング速度算出部によって算出された前記制御電極電流量、及び、前記制御電極電圧制御部が制御する前記制御電極電圧に基づいて、前記スイッチング素子に向かって流れる第１制御駆動電流を制御する第１制御駆動電流制御部と、
前記スイッチング速度算出部によって算出された前記制御電極電流量、及び、前記制御電極電圧制御部が制御する制御電極電圧に基づいて、前記スイッチング素子から接地側に向かって流れる第２制御駆動電流を制御する第２制御駆動電流制御部とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記第１制御駆動電流制御部は、前記制御電極電流量に基づいて算出された第１基準電圧に対応した第１制御駆動電流を前記スイッチング素子に向かって流し、
前記第２制御駆動電流制御部は、前記制御電極電流量に基づいて算出された第２基準電圧に対応した第２制御駆動電流を前記スイッチング素子から接地側に向かって流すことを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記第１制御駆動電流制御部は、
前記第１制御駆動電流を流す１段又は複数段の第１カレントミラー回路と、前記第１カレントミラー回路の入力側の第１駆動電流を検出してこれに対応する第１駆動電圧を生成し、前記第１駆動電圧を前記第１基準電圧に追従させて前記第１駆動電流を変化させる第１誤差増幅回路とを有し、
前記第２制御駆動電流制御部は、
前記第２制御駆動電流を流す１段又は複数段の第２カレントミラー回路と、前記第２カレントミラー回路の入力側の前記第２駆動電流を検出してこれに対応する第２駆動電圧を生成し、前記第２駆動電圧を前記第２基準電圧に追従させて前記第２駆動電流を変化させる第２誤差増幅回路とを有することを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記パワーモジュールは、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パワーモジュールであって、
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を流れるスイッチング電流を検出するスイッチング電流検出部と、
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、
前記制御電極電圧制御部は、前記制御電極電圧が段階的に高くなるように前記制御電極電圧を制御し、
前記オン／オフ状態判定部は、前記スイッチング電流検出部で検出された前記スイッチング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、前記スイッチング素子の動作温度を記憶するとともに、前記制御電極に印加した制御電極電圧を前記スイッチング素子の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１〜６のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記パワーモジュールは、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における閾値電圧の温度特性を測定する温度特性測定モードをさらに実施するパワーモジュールであって、
前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性を算出する温度特性算出部をさらに備え、
前記温度特性測定モードにおいては、
前記制御電極電圧制御部は、前記制御電極電圧が段階的に高くなるように前記制御電極電圧を制御し、
前記オン／オフ状態判定部は、前記スイッチング電流検出部で検出された前記スイッチング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、前記スイッチング素子の前記動作温度を記憶するとともに、前記制御電極に印加した前記制御電極電圧を前記スイッチング素子の温度特性測定時閾値電圧として記憶し、
前記温度特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期閾値電圧を測定したときの前記スイッチング素子の初期温度、前記温度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前記動作温度、及び、前記温度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温度特性を算出することを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
前記パワーモジュールは、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における閾値電圧の温度特性を測定する温度特性測定モードを実施するパワーモジュールであって、
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を流れるスイッチング電流を検出するスイッチング電流検出部と、
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温度特性を算出する温度特性算出部とをさらに備え、
前記温度特性測定モードにおいては、
前記制御電極電圧制御部は、前記制御電極電圧が段階的に高くなるように前記制御電極電圧を制御し、
前記オン／オフ状態判定部は、前記スイッチング電流検出部で検出された前記スイッチング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、前記制御電極に印加した前記制御電極電圧を前記スイッチング素子の温度特性測定時閾値電圧として記憶し、
前記温度特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期閾値電圧を測定したときの前記スイッチング素子の初期温度、前記温度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前記動作温度、及び、前記温度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温度特性を算出することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項１０】
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１〜９のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項１１】
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１〜１０のいずれかに記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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パワーモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照。）。【０００３】
従来のパワーモジュール９００は、図１２に示すように、第１電極、第２電極及びゲート電極を有するスイッチング素子８００と、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９２０とを備える。【０００４】
従来のパワーモジュール９００によれば、ゲート電圧制御部９２０によってゲート電圧を制御することによりスイッチング素子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】
図１３は、従来のパワーモジュールのスイッチング動作波形を示す模式的なグラフである。図１３中、符号ｔｒ＿ｍａｘはターンオン時間ｔｒの最大値を示し、符号ｔｒ＿ｔｙｐはターンオン時間ｔｒの標準値を示し、符号ｔｒ＿ｍｉｎはターンオン時間ｔｒの最小値を示し、符号ｔｆ＿ｍａｘはターンオフ時間ｔｆの最大値を示し、符号ｔｆ＿ｔｙｐはターンオフ時間ｔｆの標準値を示し、符号ｔｆ＿ｍｉｎはターンオフ時間ｔｆの最小値を示し、符号ＳＷｌоｓｓ＿ｍａｘはターンオン時間ｔｒの最大値のとき（ワースト値）のスイッチング損失を示し、符号ＳＷｌоｓｓ＿ｔｙｐはターンオン時間ｔｒの標準値のときのスイッチング損失を示し、符号ＳＷｌоｓｓ＿ｍｉｎはターンオン時間ｔｒの最小値のときのスイッチング損失を示し、符号Ｖｄｓｇ＿ｍａｘはターンオン時間ｔｒの最大値のときのサージ電圧を示し、符号Ｖｄｓｇ＿ｔｙｐはターンオン時間ｔｒの標準値のときのサージ電圧を示し、符号Ｖｄｓｇ＿ｍｉｎはターンオン時間ｔｒの標準値のときのサージ電圧を示す。【０００７】
ところで、近年、スイッチング損失を小さくすることが可能で、かつ、総合損失の温度変動を小さくすることが可能なパワーモジュールが求められている。【０００８】
スイッチング損失を小さくする方法としては、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によりスイッチング損失を小さくすることが考えられる（図８（ｂ）参照。）。しかしながら、動作時のスイッチング素子の動作温度Ｔ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初期温度Ｔ０よりも高くなることに起因して動作時の閾値電圧Ｖｔｈが初期閾値電圧Ｖｔｈ０から変動するため（図７参照。）、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。【０００９】
また、スイッチング損失を小さくする方法については、従来、以下の（ａ）及び（ｂ）のような課題があった。
（ａ）一般に、スイッチング素子の電気的・熱的特性のデータシートには、ターンオン時間ｔｒ及びターンオフ時間ｔｆの規格値のみが記載されており、装置設計上の最大値ＭＡＸ及び最小値ＭＩＮの規格値が記載されていない。このため、モジュールの最悪（ワースト）設計ができず、スイッチング損失及び電圧サージのワースト値がわからない、という問題がある。
仮に、ターンオン時間ｔｒ及びターンオフ時間ｔｆの最大値ＭＡＸ（ｔｒ＿ｍａｘ、ｔｆ＿ｍａｘ）及び最小値ＭＩＮ（ｔｒ＿ｍｉｎ、ｔｆ＿ｍｉｎ）が規格化できたとしても、スイッチング素子の製造バラツキのために、一般的には、標準値に対して、最大値ＭＡＸ／最小値ＭＩＮが、−５０％／＋１００％の範囲内となる（図１３参照。）。モジュールの設計において、この値をそのまま使用すると、スイッチング損失のワースト値（図１３のＳＷｌоｓｓ＿ｍａｘ）が標準値（図１３のＳＷｌоｓｓ＿ｔｙｐ）の２倍となり、放熱設計も２倍を想定しなければならない。
また、ターンオン期間ｔｒ／ターンオフ期間ｔｆの最小値ＭＩＮについては、寄生インダクタンスＬｄ，Ｌｓによって発生するサージ電圧Ｖｄｓｇのワースト値（図１３のＶｄｓｇ＿ｍａｘ）が標準値（図１３のＶｄｓｇ＿ｔｙｐ）に対して約２倍となるため、スイッチング素子の電圧定格オーバや電磁妨害ノイズ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｎｏｉｓｅ；ＥＭＩノイズ）の悪化が懸念される。
（ｂ）スイッチング素子のオン時（導通時）のオン抵抗Ｒｏｎは、オン／オフ動作等によってスイッチング素子の動作温度が上がると大きくなり、動作温度が下がると小さくなる特性を有している。そのため、スイッチング素子のオン／オフ動作によって動作温度が高くなると、モジュール損失（つまり導通損失）が大きくなるので、スイッチング損失と導通損失との合計である総合損失が大きくなる。【００１０】
本発明の発明者らは、上記（ａ）及び（ｂ）の課題を解決するために、スイッチング素子の動作温度に基づいてスイッチング速度を制御することにより総合損失の温度変動を小さくすることが可能なパワーモジュール（先願に係るパワーモジュール、図示せず。）を発明し、特願２０１６−２２１０４４号としてすでに出願している。【００１１】
しかしながら、先願に係るパワーモジュールは、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を前提としていないため、スイッチング時間を適切に調整することが難しく、総合損失の温度変動をより小さくすることが難しい、という問題がある。【００１２】
そこで、本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子のスイッチング損失を小さくすることができ、かつ、総合損失の温度変動をより小さくすることができ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】
【００１３】
［１］本発明のパワーモジュールは、第１電極、第２電極及び制御電極を有するスイッチング素子と、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含む情報に基づいて算出された前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御電極電圧を制御する制御電極電圧制御部と、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前記スイッチング素子のスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御部とを備えることを特徴とする。【００１４】
［２］本発明のパワーモジュールにおいては、前記スイッチング素子の初期閾値電圧、及び、前記初期閾値電圧を測定したときの前記スイッチング素子の初期温度を含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報を記憶する記憶部と、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、前記スイッチング素子の初期閾値電圧、及び、前記初期閾値電圧を測定したときの前記スイッチング素子の初期温度を含む情報、並びに、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度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さらに備え、前記制御電極電圧制御部は、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スイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御電極電圧を制御することが好ましい。【００１５】
［３］本発明のパワーモジュールにおいては、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報は、前記スイッチング素子における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、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、前記初期閾値電圧を測定したときの前記スイッチング素子の初期温度をＴ０としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）の関係を満たす特性式であることが好ましい。【００１６】
［４］本発明のパワーモジュールにおいては、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制御電極電流量を算出するスイッチング速度算出部をさらに備え、前記スイッチング速度制御部は、前記スイッチング速度算出部によって算出された前記制御電極電流量、及び、前記制御電極電圧制御部が前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御する前記制御電極電圧に基づいて、前記スイッチング素子に向かって流れる第１制御駆動電流を制御する第１制御駆動電流制御部と、前記スイッチング速度算出部によって算出された前記制御電極電流量、及び、前記制御電極電圧制御部が前記スイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御する制御電極電圧に基づいて、前記スイッチング素子から接地側に向かって流れる第２制御駆動電流を制御する第２制御駆動電流制御部とを有することが好ましい。【００１７】
［５］本発明のパワーモジュールにおいては、前記第１制御駆動電流制御部は、前記制御電極電流量に基づいて算出された第１基準電圧に対応した第１制御駆動電流を前記スイッチング素子に向かって流し、前記第２制御駆動電流制御部は、前記制御電極電流量に基づいて算出された第２基準電圧に対応した第２制御駆動電流を前記スイッチング素子から接地側に向かって流すことが好ましい。【００１８】
［６］本発明のパワーモジュールにおいては、前記第１制御駆動電流制御部は、前記第１制御駆動電流を流す１段又は複数段の第１カレントミラー回路と、前記第１カレントミラー回路の入力側の第１駆動電流を検出してこれに対応する第１駆動電圧を生成し、前記第１駆動電圧を前記第１基準電圧に追従させて前記第１駆動電流を変化させる第１誤差増幅回路とを有し、前記第２制御駆動電流制御部は、前記第２制御駆動電流を流す１段又は複数段の第２カレントミラー回路と、前記第２カレントミラー回路の入力側の前記第２駆動電流を検出してこれに対応する第２駆動電圧を生成し、前記第２駆動電圧を前記第２基準電圧に追従させて前記第２駆動電流を変化させる第２誤差増幅回路とを有することが好ましい。【００１９】
［７］本発明のパワーモジュールにおいては、前記パワーモジュールは、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パワーモジュールであって、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を流れるスイッチング電流を検出するスイッチング電流検出部と、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、前記制御電極電圧制御部は、前記制御電極電圧が段階的に高くなるように前記制御電極電圧を制御し、前記オン／オフ状態判定部は、前記スイッチング電流検出部で検出された前記スイッチング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、前記スイッチング素子の動作温度を記憶するとともに、前記制御電極に印加した制御電極電圧を前記スイッチング素子の前記初期閾値電圧として記憶することが好ましい。【００２０】
［８］本発明のパワーモジュールにおいては、前記パワーモジュールは、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における閾値電圧の温度特性を測定する温度特性測定モードをさらに実施するパワーモジュールであって、前記スイッチング素子における閾値電圧の温度特性を算出する温度特性算出部をさらに備え、前記温度特性測定モードにおいては、前記制御電極電圧制御部は、前記制御電極電圧が段階的に高くなるように前記制御電極電圧を制御し、前記オン／オフ状態判定部は、前記スイッチング電流検出部で検出された前記スイッチング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、前記スイッチング素子の前記動作温度を記憶するとともに、前記制御電極に印加した前記制御電極電圧を前記スイッチング素子の温度特性測定時閾値電圧として記憶し、前記温度特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期閾値電圧を測定したときの前記スイッチング素子の初期温度、前記温度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前記動作温度、及び、前記温度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温度特性を算出することが好ましい。【００２１】
［９］本発明のパワーモジュールにおいては、前記パワーモジュールは、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における閾値電圧の温度特性を測定する温度特性測定モードを実施するパワーモジュールであって、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を流れるスイッチング電流を検出するスイッチング電流検出部と、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温度特性を算出する温度特性算出部とをさらに備え、前記温度特性測定モードにおいては、前記制御電極電圧制御部は、前記制御電極電圧が段階的に高くなるように前記制御電極電圧を制御し、前記オン／オフ状態判定部は、前記スイッチング電流検出部で検出された前記スイッチング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、前記制御電極に印加した前記制御電極電圧を前記スイッチング素子の温度特性測定時閾値電圧として記憶し、前記温度特性算出部は、前記初期閾値電圧、前記初期閾値電圧を測定したときの前記スイッチング素子の初期温度、前記温度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前記動作温度、及び、前記温度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温度特性を算出することが好ましい。【００２２】
［１０］本発明のパワーモジュールにおいては、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】
［１１］本発明のパワーモジュールにおいては、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。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のパワーモジュールによれば、スイッチング素子の動作温度を含む情報に基づいて算出されたスイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御電極電圧を制御する制御電極電圧制御部を備えるため、動作時のスイッチング素子の動作温度が初期閾値電圧を測定したときのスイッチング素子の初期温度よりも高くなる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も（図７参照。）、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（図８（ｂ）参照。）。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、スイッチング素子のスイッチング損失を小さくすることができる。【００２５】
また、本発明のパワーモジュールによれば、スイッチング素子の動作温度に基づいてスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御部を備えるため、動作温度が高くなりモジュール損失（導通損失）が大きくなった場合でも、スイッチング速度を調整する（速くする）ことにより、総合損失（スイッチング損失と導通損失との合計）の温度変動を小さくすることができる。そして、本発明のパワーモジュールは、スイッチング素子の動作温度を含む情報に基づいて算出されたスイッチング素子の動作時の閾値電圧に基づいて制御電極電圧を制御する制御電極電圧制御部をさらに備えるため、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することにより短くなったターンオン期間及びターンオフ期間を考慮して、スイッチング時間をさらに適切に調整することが可能となる。その結果、総合損失の温度変動をより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の回路図である。
【図２】実施形態１における第１制御駆動電流制御部３２の回路図である。
【図３】実施形態１における第２制御駆動電流制御部３５の回路図である。
【図４】実施形態１における初期閾値電圧測定モードのブロック図である。
【図５】実施形態１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電圧のグラフの模式図である。
【図６】実施形態１における制御モードのブロック図である。
【図７】スイッチング素子の閾値電圧Ｖｔｈ・動作温度Ｔの関係を示すグラフの模式図である。
【図８】制御モードにおいて、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効果について説明するために示すゲート電圧（ゲート・ソース間電圧）Ｖｇｓの時間変化のグラフの模式図である。図８（ａ）は比較例に係るパワーモジュール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Ｖｇｓの時間変化を示すグラフの模式図であり、図８（ｂ）は実施形態１に係るパワーモジュール１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Ｖｇｓの時間変化を示すグラフの模式図である。
【図９】実施形態１に係るパワーモジュール１の効果を説明するために示すスイッチング動作波形を示す模式的なグラフである。
【図１０】実施形態２における温度特性測定モードのブロック図である。
【図１１】変形例に係るパワーモジュールの初期閾値電圧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１２】従来のパワーモジュール９００を説明するために示す図である。
【図１３】従来のパワーモジュール９００のスイッチング動作波形を示す模式的なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の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、温度検出部１０と、ゲート電圧制御部２０（制御電極電圧制御部）と、スイッチング速度制御部３０と、スイッチング速度算出部４０と、記憶部５０と、閾値電圧算出部６０と、閾値電圧測定用電源７０と、スイッチング電流検出部８０と、オン／オフ状態判定部９０と、パワー回路４００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２０及びスイッチング速度制御部３０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、パワー回路４００が接続されている。
【００３０】
パワー回路４００は、スイッチング素子２００と直列に接続されている。パワー回路４００は、負荷抵抗４１０及び直流の駆動電源４２０を有し、負荷抵抗４１０及び直流の駆動電源４２０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。
【００３１】
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（制御電極）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（制御電極電圧）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、ゲート電圧制御部２０及びスイッチング速度制御部３０によって制御される。なお、スイッチング素子２００は、実施形態１においてはＭＯＳＦＥＴを用いるが、適宜のスイッチング素子を用いることができる。また、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。スイッチング素子２００においては、ＧａＮを含む場合、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。
【００３２】
スイッチング素子２００のドレイン電極は、（＋）側出力端子Ｔ３を介してパワー回路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、スイッチング速度制御部３０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。
【００３３】
実施形態１に係るパワーモジュール１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。
【００３４】
温度検出部１０は、温度検出素子１２を有し、スイッチング素子２００の動作温度を検出する。温度検出素子１２としては、温度を電気量に変換して電気信号からなる温度検出結果を出力するダイオードやサーミスタ等の適宜の温度検出素子を用いることができる。
【００３５】
ゲート電圧制御部２０は、入力された駆動信号Ｐｇ(例えば、ゲートパルス）に基づいて、初期閾値電圧測定モードにおいて閾値電圧を測定する際には、ゲート電圧が段階的に高くなるようにゲート電圧を制御し、制御モードにおいては、スイッチング素子２００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。制御モードにおいては、スイッチング素子２００の動作温度を含む情報に基づいて、閾値電圧算出部６０で算出されたスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御する。ゲート電圧制御部２０は、スイッチング速度制御部３０の第１制御駆動電流制御部３２及び第２制御駆動電流制御部３５に向かって信号を送り、ゲート電圧が所望の電圧となるように、スイッチング素子２００に向かって流れる第１制御駆動電流及びスイッチング素子から接地側に向かって流れる第２制御駆動電流を制御する。ゲート電圧制御部２０は、スイッチング速度制御部３０、記憶部５０、閾値電圧算出部６０及びオン／オフ状態判定部９０と接続されている。
【００３６】
スイッチング速度制御部３０は、温度検出部１０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度に基づいてスイッチング素子２００のスイッチング速度を制御する。これにより、スイッチング素子２００のターンオン期間ｔｒ及びターンオフ期間ｔｆを調整する。
スイッチング速度制御部３０は、第１制御駆動電流制御部３２と、第２制御駆動電流制御部３５と、駆動信号によりオン／オフ動作し、オン状態の時に第１制御駆動電流をスイッチング素子２００の入力容量へ注入する第１スイッチ３８と、駆動信号により、第１スイッチ３８がオン状態の時にオフ状態になり、第１スイッチ３８がオフ状態の時にオン状態になって、第２制御駆動電流を接地側へ放出する第２スイッチ３９とを有する。第１スイッチ３８及び第２スイッチ３９は、駆動信号により相補的にオン／オフ動作する相補型トランジスタにより構成されていてもよい。
【００３７】
第１制御駆動電流制御部３２は、スイッチング速度算出部４０によって算出されたゲート電流量（制御電極電流量）、及び、ゲート電圧制御部２０がスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいて制御するゲート電圧に基づいて、スイッチング素子２００に向かって流れる第１制御駆動電流Ｉ１を制御する（図１及び図２参照。）。具体的には、第１制御駆動電流制御部３２は、ゲート電流量Ｉｇに基づいて算出された第１基準電圧Ｖｔｒに対応した第１制御駆動電流Ｉ１をスイッチング素子２００に向かって流す。第１制御駆動電流制御部３２は、入力側に流れる第１駆動電流Ｉ３に比例した第１制御駆動電流Ｉ１を流す１段（複数段であってもよい）の第１カレントミラー回路３３と、第１カレントミラー回路３３の入力側に流れる第１駆動電流Ｉ３を検出してこれに対応する第１駆動電圧Ｖ３を生成し、この第１駆動電圧Ｖ３を、制御端子Ｔ８から入力される第１基準電圧Ｖｔｒに追従させて、第１カレントミラー回路３３の入力側に流れる第１誤差増幅回路３４とを有する。
【００３８】
第１誤差増幅回路３４は、第１駆動電流Ｉ３の電流値を変化させるトランジスタ３４ａと、第１駆動電流Ｉ３を検出してこれに対応する第１駆動電圧Ｖ３を生成する抵抗３４ｂと、オペアンプ３４ｃとにより構成されている。オペアンプ３４ｃは、（＋）側入力端子が制御端子Ｔ８に接続され、（−）側入力端子に入力される第１駆動電圧Ｖ３を（＋）側入力端子に入力される第１基準電圧Ｖｔｒに追従させて、第１カレントミラー回路３３に流れる第１駆動電流Ｉ３を変化させる機能を有している。
【００３９】
第２制御駆動電流制御部３５は、スイッチング速度算出部４０によって算出されたゲート電流量Ｉｇ、及び、ゲート電圧制御部２０がスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいて制御するゲート電圧に基づいて、スイッチング素子２００に向かって流れる第２制御駆動電流Ｉ２を制御する（図１及び図３参照。）。具体的には、第２制御駆動電流制御部３５は、ゲート電流量Ｉｇに基づいて算出された第２基準電圧Ｖｆｒに対応した第２制御駆動電流Ｉ２をスイッチング素子２００から接地側に向かって流す。第２制御駆動電流制御部３５は、入力側に流れる第２駆動電流Ｉ４に比例した第２制御駆動電流Ｉ２を流す１段（複数段であってもよい）の第２カレントミラー回路３６と、第２カレントミラー回路３６の入力側に流れる第２駆動電流Ｉ４を検出してこれに対応する第２駆動電圧Ｖ４を生成し、この第２駆動電圧Ｖ４を、制御端子Ｔ１３から入力される第２基準電圧Ｖｆｒに追従させて、第２カレントミラー回路３６の入力側に流れる第２誤差増幅回路３７とを有する。
【００４０】
第２誤差増幅回路３７は、第２駆動電流Ｉ４の電流値を変化させるトランジスタ３７ａと、第２駆動電流Ｉ４を検出してこれに対応する第２駆動電圧Ｖ４を生成する抵抗３７ｂと、オペアンプ３７ｃとにより構成されている。オペアンプ３７ｃは、（＋）側入力端子が制御端子Ｔ１３に接続され、（−）側入力端子に入力される第２駆動電圧Ｖ４を、（＋）側入力端子に入力される第２基準電圧Ｖｆｒに追従させて、第２カレントミラー回路３６に流れる第２駆動電流Ｉ４を変化させる機能を有している。
【００４１】
スイッチング速度算出部４０は、温度検出部１０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔに基づいてゲート電流量Ｉｇを算出する。ゲート電流量Ｉｇは、デジタル／アナログ変換部（デジタル／アナログコンバータ）４２によって、アナログ電圧である第１基準電圧Ｖｔｒ及び第２基準電圧Ｖｆｒに変換された後、当該スイッチング速度制御部３０の第１制御駆動電流制御部３２に第１基準電圧Ｖｔｒを入力するとともに、第２制御駆動電流制御部３５に第２基準電圧Ｖｆｒを入力する。
【００４２】
記憶部５０は、スイッチング素子の初期閾値電圧Ｖｔｈ０、初期閾値電圧Ｖｔｈ０を測定したときのスイッチング素子２００の初期温度Ｔ０を含む情報、並びに、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報を記憶する。また、記憶部５０は、初期閾値電圧測定モードにおいて、オン／オフ状態判定部９０によってスイッチング素子２００がオン状態になったと判定されたときに、ゲート電極に印加したゲート電圧を閾値電圧として記憶する。記憶部５０は、温度検出部１０、ゲート電圧制御部２０及び閾値電圧算出部６０と接続されている。
【００４３】
なお、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報は、スイッチング素子２００における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１０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、初期閾値電圧を測定したときのスイッチング素子２００の初期温度をＴ０としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）の関係を満たす特性式である（図７参照。）。すなわち、閾値電圧Ｖｔｈとスイッチング素子２００の動作温度Ｔとの関係は、傾きが負の１次関数となっている。
【００４４】
閾値電圧算出部６０は、記憶部５０から、初期閾値電圧Ｖｔｈ０、スイッチング素子２００の初期温度Ｔ０を含む情報、並びに、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報を読み取るとともに、温度検出部１０からスイッチング素子２００の動作温度Ｔを読み取り、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）の特性式に代入し、動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出する。
【００４５】
閾値電圧測定用電源７０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７２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７２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。
【００４６】
スイッチング電流検出部８０は、スイッチング素子２００のソース電極と接続され、初期閾値電圧測定モードにおいて、スイッチング素子２００のスイッチング電流Ｉｄ（例えば、ドレイン電流あるいはソース電流）を検出する。また、スイッチング電流検出部８０は、オン／オフ状態判定部９０と接続されている。なお、スイッチング電流検出部８０は、スイッチング素子２００のソース電極に接続した抵抗に電流を流して電圧に変換することによって計測しているが、適宜の検出装置（例えば、ロゴスキーコイル等）を用いてもよい。
【００４７】
オン／オフ状態判定部９０は、初期閾値電圧測定モード及において、スイッチング電流検出部８０から受信したスイッチング電流の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９０は、ゲート電圧制御部２０及びスイッチング電流検出部８０と接続されている。
【００４８】
２．実施形態１に係るパワーモジュール１の動作について
実施形態１に係るパワーモジュール１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ように構成されている。
実施形態１に係るパワーモジュール１は、まず、初期閾値電圧測定モードを実施することにより、初期閾値電圧Ｖｔｈ０及び初期温度Ｔ０を検出・算出する。次に、制御モードを実施することにより、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を制御する。
【００４９】
（１）初期閾値電圧測定モード
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７０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４参照。）。
次に、ゲート電圧制御部２０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（具体的には、スイッチング速度制御部３０の第１制御駆動電流制御部３２に向かって信号を送り、そのようなゲート電圧となるように、スイッチング素子２００に向かって流れる第１制御駆動電流Ｉ１及びスイッチング素子から接地側に向かって流れる第２制御駆動電流Ｉ２を制御する。）。このとき、スイッチング電流検出部８０によってスイッチング電流は検出されない（スイッチング電流の値が０である）ため、オン／オフ状態判定部９０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９０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２０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５参照。)。
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）、スイッチング電流検出部８０によってスイッチング電流が検出されたとき（スイッチング電流の値が０でなくなったとき）、オン／オフ状態判定部９０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１０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度を初期温度Ｔ０として記憶部５０へ送信するとともに、ゲート電圧制御部２０は、ゲート電極に印加したゲート電圧を初期閾値電圧Ｖｔｈ０として記憶部５０へ送信する。そして、記憶部５０では、当該ゲート電圧を初期閾値電圧Ｖｔｈ０として記憶する。
【００５０】
なお、ゲート電圧制御部２０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、という効果がある。
【００５１】
（２）制御モード
制御モードにおいては、スイッチング素子２００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及び初期温度Ｔ０、温度検出部１０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ、及び、あらかじめ記憶部５０に記憶されているスイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報（温度係数α）に基づいて（Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）の特性式に代入して）動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出し（図７参照。）、ゲート電圧制御部２０は、閾値電圧算出部６０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。
【００５２】
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、及びターンオン期間ｔｒを以下のようにして決定する（図６参照。）。
【００５３】
（２−１）閾値電圧について
まず、温度検出部１０が温度検出素子１２を介してスイッチング素子２００の動作温度Ｔを検出する。
閾値電圧算出部６０は、記憶部５０から、初期閾値電圧測定モードで検出したスイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ０、初期閾値電圧Ｖｔｈ０を測定したときのスイッチング素子２００の初期温度Ｔ０を含む情報、並びに、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性に関する情報を読み取るとともに、温度検出部１０からスイッチング素子２００の動作温度Ｔを読み取り、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）の特性式に代入し、動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出する。
次に、ゲート電圧制御部２０は、閾値電圧算出部６０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ようにゲート電圧を制御する（図８（ｂ）参照。）。これにより、スイッチング素子２００のオン／オフ動作を制御する。
【００５４】
なお、実施形態１に係るパワーモジュール１においては、逐次スイッチング素子２００の温度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。
【００５５】
（２−２）スイッチング速度について
まず、温度検出部１０が温度検出素子１２を介してスイッチング素子２００の動作温度Ｔを検出する。
次に、スイッチング速度算出部４０は、記憶部５０から温度検出部１０からスイッチング素子２００の動作温度Ｔを読み取り、ゲート電流量Ｉｇを算出する。
デジタル・アナログコンバータ４２は、ゲート電流量Ｉｇを、アナログ電圧である第１基準電圧Ｖｔｒ及び第２基準電圧Ｖｆｒに変換し、当該スイッチング速度制御部３０の第１制御駆動電流制御部３２に第１基準電圧Ｖｔｒを入力するとともに、第２制御駆動電流制御部３５に第２基準電圧Ｖｆｒを入力する。
【００５６】
第１制御駆動電流制御部３２においては、第１誤差増幅回路３４が第１カレントミラー回路３３の入力側に流れる第１駆動電流Ｉ３を検出して、（１）入力側に流れる第１駆動電流Ｉ３に比例した第１制御駆動電流Ｉ１を出力側に流すとともに、（２）第１駆動電流Ｉ３に対応する第１駆動電圧Ｖ３を生成し、この第１駆動電圧Ｖ３を、制御端子Ｔ８から入力される第１基準電圧Ｖｔｒに追従させて、第１カレントミラー回路３３の入力側に流れる第１駆動電流Ｉ３を変化させる。
【００５７】
なお、上記（１）入力側に流れる第１駆動電流Ｉ３に比例した第１制御駆動電流Ｉ１を出力側（スイッチング素子側）に流す際には、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ように、第１制御駆動電流Ｉ１を出力側に流す。
【００５８】
動作時にスイッチング素子の動作温度が高くなった場合には、スイッチング速度算出部４０において、当該動作温度に対応したゲート電流量Ｉｇが再計算され、第１基準電圧Ｖｔｒが変化する。そして、第１基準電圧Ｖｔｒに追従している第１駆動電流Ｉ３が変化するため、第１制御駆動電流Ｉ１が変化する（ターンオン期間が短くなるように変化する）。
【００５９】
ちなみに、ターンオフ時においては、第２制御駆動電流制御部３５において（図３参照。）、第２誤差増幅回路３７が第２カレントミラー回路３６の入力側に流れる第２駆動電流Ｉ４を検出して、（１）入力側に流れる第２駆動電流Ｉ４に比例した第２制御駆動電流Ｉ２を出力側に流すとともに、（２）第２駆動電流Ｉ４に対応する第２駆動電圧Ｖ４を生成し、この第２駆動電圧Ｖ４を、制御端子Ｔ１３から入力される第２基準電圧Ｖｆｒに追従させて、第２カレントミラー回路３６の入力側に流れる第２駆動電流Ｉ４を変化させる。
【００６０】
３．実施形態１に係るパワーモジュール１の効果
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の動作温度Ｔを含む情報に基づいて算出されたスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するゲート電圧制御部２０を備えるため、動作時のスイッチング素子２００の動作温度が初期閾値電圧Ｖｔｈ０を測定したときのスイッチング素子２００の初期温度Ｔ０よりも高くなる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も（図７参照。）、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（図８（ｂ）参照。）。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。
【００６１】
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の動作温度Ｔに基づいてスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御部３０を備えるため、動作温度Ｔが高くなりモジュール損失（導通損失）が大きくなった場合でも、スイッチング速度を調整する（速くする。図９のｔｒ＿高温時参照。）ことにより（図９参照。）、総合損失（スイッチング損失と導通損失との合計）の温度変動を小さくすることが可能となる。そして、実施形態１に係るパワーモジュール１は、スイッチング素子２００の動作温度Ｔを含む情報に基づいて算出されたスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するゲート電圧制御部２０をさらに備えるため、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により短くなったターンオン期間及びターンオフ期間を考慮して、スイッチング時間を適切に調整することができる。その結果、総合損失の温度変動をより小さくすることができる。
【００６２】
また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、温度検出部１０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ、スイッチング素子２００の初期閾値電圧Ｖｔｈ０、及び、初期閾値電圧Ｖｔｈ０を測定したときのスイッチング素子２００の初期温度Ｔ０を含む情報、並びに、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度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Ｖｔｈを算出する閾値電圧算出部６０を備え、ゲート電圧制御部２０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６０によって算出されたスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するため、スイッチング素子２００の温度変化に対応した動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出することができる。このため、高い精度で動作時の閾値電圧Ｖｔｈを算出することができ、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。
【００６３】
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における閾値電圧の温度特性に関する情報は、スイッチング素子における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１０によって検出されたスイッチング素子の動作温度をＴとし、初期閾値電圧を測定したときのスイッチング素子の初期温度をＴ０としたときに、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）の関係を満たす特性式であるため、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。
【００６４】
また、実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、温度検出部１０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔに基づいてゲート電流量Ｉｇを算出するスイッチング速度算出部４０を備え、スイッチング速度制御部３０は、スイッチング速度算出部４０によって算出されたゲート電流量Ｉｇ、及び、ゲート電圧制御部２０がスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいて制御するゲート電圧に基づいて、スイッチング素子２００に向かって流れる第１制御駆動電流Ｉ１を制御する第１制御駆動電流制御部３２と、スイッチング速度算出部４０によって算出されたゲート電流量、及び、ゲート電圧制御部２０がスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいて制御するゲート電圧に基づいて、スイッチング素子２００から接地側に向かって流れる第２制御駆動電流Ｉ２を制御する第２制御駆動電流制御部３５とを有するため、ゲート電流量に基づいて適切に第１制御駆動電流Ｉ１及び第２制御駆動電流Ｉ２を制御できる。従って、所望の条件のゲート電圧を印加し、所望のターンオン期間及びターンオフ期間とすることができる。
【００６５】
実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、第１制御駆動電流制御部３２は、ゲート電流量Ｉｇに基づいて算出された第１基準電圧Ｖｔｒに対応した第１制御駆動電流Ｉ１をスイッチング素子２００に向かって流すため、スイッチング素子２００の動作温度Ｔが上昇した場合に、ゲート電流量Ｉｇ（ひいては第１基準電圧Ｖｔｒ）を調整し、第１制御駆動電流Ｉ１を制御することができ、ターンオン期間ｔｒを短くすることができる。その結果、スイッチング素子の動作温度が上昇することによって、導通損失が大きくなってもスイッチング損失（ターンオン損失）を小さくすることができ、その結果、総合損失の温度変動を確実に小さくすることができる。
【００６６】
実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、第２制御駆動電流制御部３５は、ゲート電流量Ｉｇに基づいて算出された第２基準電圧Ｖｆｒに対応した第２制御駆動電流Ｉ２をスイッチング素子から接地側に向かって流すため、スイッチング素子２００の動作温度Ｔが上昇した場合に、ゲート電流量（ひいては第２基準電圧Ｖｆｒ）を調整し、第２制御駆動電流Ｉ２を制御することによって、ターンオフ期間ｔｆを短くすることができる。その結果、スイッチング素子２００の動作温度Ｔが上昇することによって、導通損失が大きくなってもスイッチング損失（ターンオフ損失）を小さくすることができる。従って、総合損失の温度変動を確実に小さくすることができる。
【００６７】
実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、第１制御駆動電流制御部３２は、第１制御駆動電流Ｉ１を流す第１カレントミラー回路３３と、第１駆動電流Ｉ３を検出してこれに対応する第１駆動電圧Ｖ３を生成し、第１駆動電圧Ｖ３を第１基準電圧Ｖｔｒに追従させて第１駆動電流Ｉ３を変化させる第１誤差増幅回路３４とを有し、第２制御駆動電流制御部３５は、第２制御駆動電流Ｉ２を流す第２カレントミラー回路３６と、第２駆動電流Ｉ４を検出してこれに対応する第２駆動電圧Ｖ４を生成し、第２駆動電圧Ｖ４を第２基準電圧Ｖｆｒに追従させて第２駆動電流Ｉ４を変化させる第２誤差増幅回路３７とを有するため、スイッチング素子２００の動作温度Ｔに追従するように、第１制御駆動電流Ｉ１及び第２制御駆動電流Ｉ２を制御することができる。
【００６８】
実施形態１に係るパワーモジュール１によれば、初期閾値電圧測定モードにおいて、パワーモジュール１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（図８（ｂ）参照。）。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８（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、スイッチング素子２００のスイッチング速度を速くすることができ、その結果、スイッチング素子２００のスイッチング損失を小さくすることができる。
【００６９】
また、実施形態１に係るパワーモジュール１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を含む材料により形成されたものである場合のように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。
【００７０】
また、実施形態１に係るパワーモジュール１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、パワーモジュール１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。
【００７１】
さらにまた、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。
【００７２】
［実施形態２］
実施形態２に係るパワーモジュール（図示せず。）は、基本的には実施形態１に係るパワーモジュール１と同様の構成を有するが、温度特性算出部を備える点で実施形態１に係るパワーモジュール１の場合とは異なる。実施形態２に係るパワーモジュールは、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温度特性を測定する温度特性測定モードを実施する。
【００７３】
温度特性算出部１００は、温度検出部１０及び記憶部５０と接続されており、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性を算出する（図１０参照。）。
【００７４】
温度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７０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２０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、スイッチング電流検出部８０によってスイッチング電流は検出されない（スイッチング電流の値が０である）ため、オン／オフ状態判定部９０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９０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２０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５参照。)。
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、スイッチング電流検出部８０によってスイッチング電流が検出されたとき（スイッチング電流の値が０でなくなったとき）、オン／オフ状態判定部９０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１０で検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ１を記憶部５０へ送信し、記憶部５０が記憶する。また、ゲート電圧制御部２０は、ゲート電極に印加したゲート電圧Ｖｇｓを温度特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ１として記憶部５０へ送信し、記憶部５０は、当該ゲート電圧Ｖｇｓを温度特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ１として記憶する。
【００７５】
次に、温度特性算出部１００は、記憶部５０から、初期閾値電圧Ｖｔｈ０、初期閾値電圧Ｖｔｈ０を測定したときのスイッチング素子２００の初期温度Ｔ０及び温度特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ１を含む情報を読み取るとともに、温度特性測定モードにおいて温度検出部１０から検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ１を読み取り、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）の特性式にＶｔｈ＝Ｖｔｈ１、及び、Ｔ＝Ｔ１をそれぞれ代入して、温度特性（具体的には温度係数α）を算出する。算出された温度係数αは記憶部５０に記憶される。
【００７６】
制御モードにおいては、閾値電圧算出部６０は、温度特性測定モードで算出された温度係数α、温度検出部１０で検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ、記憶部５０に記憶されている初期閾値電圧Ｖｔｈ０及び初期閾値電圧Ｖｔｈ０を測定したときのスイッチング素子２００の初期温度Ｔ０に基づいて閾値電圧Ｖｔｈを算出し、当該閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御する。
【００７７】
このように、実施形態２に係るパワーモジュールは、温度特性算出部をさらに備える点で実施形態１に係るパワーモジュール１の場合とは異なるが、実施形態１に係るパワーモジュール１の場合と同様に、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の動作温度Ｔを含む情報に基づいて算出されたスイッチング素子２００の動作時の閾値電圧Ｖｔｈに基づいてゲート電圧を制御するゲート電圧制御部２０を備えるため、動作時のスイッチング素子２００の動作温度が初期閾値電圧Ｖｔｈ０を測定したときのスイッチング素子２００の初期温度Ｔ０よりも高くなる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も（図７参照。）、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（図８（ｂ）参照。）。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、スイッチング素子のスイッチング損失を小さくすることができる。
【００７８】
また、実施形態２に係るパワーモジュールによれば、温度特性算出部１００を備え、温度特性算出部１００は、初期閾値電圧Ｖｔｈ０、初期閾値電圧Ｖｔｈ０を測定したときのスイッチング素子２００の初期温度Ｔ０、温度特性測定モードにおいて温度検出部１０によって検出されたスイッチング素子２００の動作温度Ｔ、及び、温度特性測定時閾値電圧Ｖｔｈ１を含む情報に基づいてスイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性を算出するため、スイッチング素子２００における閾値電圧の温度特性にバラツキがあった場合であっても、スイッチング素子２００の閾値電圧を正確に算出することができ、その結果、ゲート電圧をより一層正確に制御することができる。
【００７９】
なお、実施形態２に係るパワーモジュールは、温度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１に係るパワーモジュール１と同様の構成を有するため、実施形態１に係るパワーモジュール１が有する効果のうち該当する効果を有する。
【００８０】
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。
【００８１】
（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。
【００８２】
（２）上記各実施形態においては、初期閾値電圧測定モード、制御モード及び温度特性測定モードを実施するパワーモジュールとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、制御モード及び温度特性測定モードを実施するパワーモジュールであってもよい。このとき、初期閾値電圧Ｖｔｈ０及び初期温度Ｔ０はあらかじめ記憶部に記憶されている。
【００８３】
（３）上記各実施形態においては、スイッチング素子における閾値電圧の温度特性に関する情報は、Ｖｔｈ＝Ｖｔｈ０−α（Ｔ−Ｔ０）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温度特性に関する情報を、別の特性式としてもよいし、あらかじめ記憶部に記憶された温度−閾値電圧の関係（１対１）を示すデータであるとしてもよい。
【００８４】
（４）上記各実施形態においては、初期閾値電圧定モードにおいて、ゲート電圧制御部２０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、ゲート電圧制御部２０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１１参照。）。
【００８５】
（５）上記各実施形態において、パワーモジュールが１つのスイッチング素子を備えることとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。パワーモジュールが複数のスイッチング素子を備えてもよい。この場合、パワーモジュールは当該複数のスイッチング素子を制御してもよい。
【００８６】
（６）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。
【００８７】
（７）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。
【００８８】
（８）上記各実施形態において、パワーモジュールの制御回路とパワー回路とを別々の半導体基体に形成してもよいし、パワーモジュールの制御回路とパワー回路とを同一の半導体基体に形成してもよい。また、スイッチング素子とスイッチング素子以外の回路部とを別々の半導体基体に形成してもよいし、スイッチング素子（例えば、ＧａＮの横型構造の半導体素子）とスイッチング素子以外の回路部とを同一の半導体基体に形成してもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１，９００…パワーモジュール、１０…温度検出部、１２…温度検出素子、２０，９２０…ゲート電圧制御部、３０…スイッチング速度制御部、３２…第１制御駆動電流制御部、３３…第１カレントミラー回路、３４…第１誤差増幅回路、３４ａ，３７ａ…トランジスタ、３４ｂ，３７ｂ…抵抗、３４ｃ，３７ｃ…オペアンプ、３５…第２制御駆動電流制御部、３６…第２カレントミラー回路、３７…第２誤差増幅回路、３８…第１スイッチ、３９…第２スイッチ、４０…スイッチング速度算出部、４２…デジタル／アナログコンバータ、５０…記憶部、６０…閾値電圧算出部、７０…閾値電圧測定用電源、７２…閾値電圧測定用スイッチ、８０…スイッチング電流検出部、９０…オフ状態判定部、１００…温度特性算出部、２００，８００…スイッチング素子、３００…ゲートドライブ用電源、４００…パワー回路、４１０…負荷抵抗４１０…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、Ｔ６〜Ｔ１５…端子、ＶＤＤ…電源電圧、Ｉｄ…スイッチング電流、Ｉ１…第１制御駆動電流、Ｉ２…第２制御駆動電流、Ｉ３…第１駆動電流、Ｉ４…第２駆動電流、Ｉｄ…スイッチング電流、Ｉｇ…ゲート電流量、Ｖ３…第１駆動電圧、Ｖ４…第２駆動電圧、Ｖｔｒ…第１基準電圧、Ｖｆｒ…第２基準電圧、Ｖｔｈ…閾値電圧、Ｖｔｈ０…初期閾値電圧、Ｖｔｈ１…温度特性測定時閾値電圧、Ｔ、Ｔ１…スイッチング素子の動作温度、Ｔ０…初期動作温度、ｔｆ…ターンオフ期間、ｔｒ…ターンオン期間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2019123656.tif 000014
【図１３】
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【国際調査報告】
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