(57)【要約】【課題】パワーエレクトロニクスシステムのトランジスタの動作状況の決定を改良する。【解決手段】本発明のパワーエレクトロニクスシステムは、トランジスタ（Ｔ）と、トランジスタ（Ｔ）のゲート（Ｇ１）とコレクタ端子（Ｃ）との間に接続されていてトランジスタ（Ｔ）に負のフィードバックを提供するフィードバック装置（Ｆ）とを備える。このシステムは、トランジスタ（Ｔ）の接合部温度及び／又はトランジスタ（Ｔ）の制御電圧に依存するトランジスタ（Ｔ）のオン状態の電流を決定するように構成されている評価ユニットを備える。
2022501993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタ（Ｔ）と、
トランジスタ（Ｔ）の制御端子（Ｇ１）とトランジスタ（Ｔ）のコレクタ端子（Ｃ）との間に接続されてトランジスタ（Ｔ）に負のフィードバックを提供するフィードバック装置（Ｆ）と、
トランジスタ（Ｔ）の接合部温度を決定するように、又はトランジスタ（Ｔ）の制御電圧に依存してトランジスタ（Ｔ）のオン状態の電流を決定するように構成された評価ユニット（ＥＵ）と
を備えるパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項２】
トランジスタ（Ｔ）は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴである、請求項１に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項３】
フィードバック装置（Ｆ）は少なくとも１つのダイオードを備える、請求項１又は２に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項４】
少なくとも１つのダイオードのカソードは、トランジスタ（Ｔ）のコレクタ端子（Ｃ）に直接的又は間接的に接続されている、請求項３に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項５】
トランジスタの制御端子（Ｇ１）とフィードバック装置（Ｆ）との間に接続されている制御要素（ＣＥ）をさらに備え、この制御要素（ＣＥ）は、制御可能な抵抗を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項６】
制御要素（ＣＥ）はさらなるトラジスタ、特に電界効果トランジスタのＦＥＴを備える、請求項５に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項７】
制御要素（ＣＥ）の抵抗を制御する制御ユニット（ＣＵ）をさらに備える、請求項５又は６に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項８】
評価ユニット（ＥＵ）は、トランジスタ（Ｔ）の制御電圧及びトランジスタ（Ｔ）のオン状態の電流に依存するトランジスタ（Ｔ）の接合部温度を決定するように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項９】
評価ユニットは、トランジスタ（Ｔ）の制御電圧及びトランジスタ（Ｔ）の接合部温度に依存するトランジスタ（Ｔ）のオン状態の電流を決定するように構成されている請求項１から８のいずれか一項に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項１０】
評価ユニット（ＥＵ）は、トランジスタ（Ｔ）の制御電圧及びトランジスタ（Ｔ）のオン状態の電圧に依存するトランジスタ（Ｔ）のオン状態の電流及びトランジスタ（Ｔ）の接合部温度を決定するように構成されている請求項１から９のいずれか一項に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項１１】
電力変換器が、電力変換器の動作の切替要素としてトランジスタ（Ｔ）を備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
【請求項１２】
パワーエレクトロニクスシステムのトランジスタ（Ｔ）の動作状況を決定する方法において、
トランジスタ（Ｔ）が飽和状態に到達すること、又はトランジスタ（Ｔ）が飽和状態にとどまることを防止するように、負のフィードバックをトランジスタ（Ｔ）に提供することと、
負のフィードバックが提供されている間、トランジスタ（Ｔ）の制御電圧を測定することと、
測定される制御電圧に依存する、トランジスタ（Ｔ）の接合部温度又はトランジスタ（Ｔ）のオン状態の電流を決定すること
を備える、パワーエレクトロニクスシステムのトランジスタ（Ｔ）の動作状況を決定する方法。
【請求項１３】
接合部温度は、制御電圧及びオン状態の電流の所定値に依存して決定される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
オン状態の電流は、制御電圧及び接合部温度の所定値に依存して決定される、請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
負のフィードバックが提供されていない間は、トランジスタ（Ｔ）のオン状態の電圧を計測することと、
接合部温度と、制御電圧及びオン状態の電圧に依存するオン状態の電流との少なくとも一方を決定することと
をさらに備える、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタを備えたパワーエレクトロニクスシステムと、トランジスタの動作状況、より具体的にはトランジスタの接合部温度又はオン状態の電流を決定する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクスシステム、例えば電力変換器では、パワー半導体装置の接合部温度は、システム動作の制限を設定する重要な量である。絶対限界を超えると、システムの寿命全体にわたる壊滅的で熱的な動作が信頼性と劣化速度に影響を与えると見なされる場合がある。さらに、高い接合部温度又は高いオン状態の電流は、特にパワーエレクトロニクスシステムによる電流及び電圧スイッチが非常に高い場合があるため、装置障害を引き起こすおそれがある。パワーエレクトロニクスシステムでは、いくつかのパワー半導体装置を並列に接続して、所望の電流での動作を可能にすることがある。したがって、並列装置へのオン状態の電流の分配も関心対象となることがある。
【０００３】
接合部温度を決定する既存のアプローチでは、オンチップセンシングダイオードを使用することがある。オン状態の電流を決定するために、装置電流の小さな割合を運ぶ補助エミッタセルを温度検出抵抗器と直列接続することがある。どちらの場合も、電力変換器のハードウェアアーキテクチャは複雑であり、専用のセンサー要素が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の課題は、パワーエレクトロニクスシステムのより単純な構造を可能にするパワーエレクトロニクスシステムのトランジスタの動作状況を決定する改良された概念を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、独立請求項の事項により達成される。さらなる実装形態及び態様は、従属請求項の事項である。
【０００６】
改良された概念は、トランジスタの制御電圧を測定し、制御電圧は、温度感受性の電気的変数であるＴＳＥＰを表すだけでなく、飽和状態が避けられている場合には電流感受性の電気的変数であるＣＳＥＰを表すという事実を利用することで、トランジスタが飽和状態に到達又は飽和状態にとどまらないようにするという着想に基づく。
【０００７】
改良された概念によると、パワーエレクトロニクスシステムが提供される。このシステムは、トランジスタ、特に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴと、トランジスタの制御端子とトランジスタのコレクタ端子との間に接続されてトランジスタに負のフィードバックを提供するフィードバック装置とを備える。このシステムは、トランジスタの接合部温度及び／又はトランジスタの制御電圧、特にゲート電圧に依存するトランジスタのオン状態の電流を決定するように構成された評価ユニットを備える。
【０００８】
フィードバック装置が有効になっている場合、トランジスタが飽和状態に達するのを防ぐために、トランジスタ、特にＩＧＢＴに負のフィードバックを提供する。トランジスタが飽和状態にない場合、フィードバック装置は無効になる。トランジスタが飽和状態に近づくか飽和状態にある場合、フィードバック装置が有効になり、トランジスタのゲートエミッタ間電圧が低下する。これにより、コレクタエミッタ間電圧が上昇し、トランジスタのＭＯＳ領域の過剰なキャリアが枯渇し、周囲の領域に蓄積された電荷が大幅に減少する。トランジスタがこの状態からオフに切り替えられると、つまりフィードバック装置が有効になっていると、切替速度が大幅に増加する可能性があり、切替損失が大幅に減少する可能性がある。トランジスタが飽和状態に近づいているか飽和状態にある場合、フィードバック装置は必ずしも有効ではないことを特筆する。むしろ、特定の場合にのみ有効にするようにしてよい。
【０００９】
いくつかの実装によると、フィードバック装置は、トランジスタがオフになる前、特に予め定めた期間中、あるいはトランジスタがオフになる前の予め定めた状態、特に数μｓ又は数１０μｓで、例えば５μｓから５０μｓで、例えば５μｓから１５μｓで、例えば１０μｓで、有効になる。
【００１０】
このようにして、トランジスタが飽和状態に達するのを防ぎ、又は記載されているように飽和状態から外れている。この結果、トランジスタの制御電圧は、ＴＳＥＰとＣＳＥＰとなっているが、これはトランジスタの飽和時にはそうではないものである。
【００１１】
したがって、オン状態の電流及び／又は接合部温度は、特に簡単な方法で、すなわち、パワーエレクトロニクスシステムの動作にいずれにせよ制御される制御電圧又はゲート電圧から決定できるようになる。
【００１２】
制御電圧は、特に、測定されるか、又は測定に基づいて決定され、負のフィードバックが提供されている間、特にフィードバック装置が有効にされている間に決定される。
【００１３】
パワーエレクトロニクスシステムのいくつかの実装によると、フィードバック装置は、少なくとも１つのダイオード、例えば、互いに直列に結合されたただ１つのダイオード又は２つ又はそれ以上のダイオードを備える。
【００１４】
いくつかの実装形態によると、フィードバック装置上の電圧降下が、閾値より大きい場合、特に少なくとも１つのダイオードのブレークダウン電圧又は順方向閾値電圧よりも大きい場合、フィードバック装置は有効にされ、そうでない場合は無効にされる。
【００１５】
いくつかの実装形態によると、少なくとも１つのダイオードは、ショットキーダイオード、ＰＮダイオード、又はＰＩＮダイオードを備える。
【００１６】
いくつかの実装形態によると、少なくとも１つのダイオードのカソードは、トランジスタのコレクタに直接又は間接的に接続され、直接とは、さらなる電子部品が間にないか、又は間接的にとは、電子部品が間にあることを意味する。
【００１７】
いくつかの実装形態によると、パワーエレクトロニクスシステムは、トランジスタの制御端子とフィードバック装置との間に、特に、少なくとも１つのダイオードのアノードに、接続された制御要素を備える。制御要素の抵抗は、制御可能である。
【００１８】
いくつかの実装によると、フィードバック装置は、制御要素がオンにされた場合、特に導通している場合、特に最小の抵抗を有する場合に、有効になる。制御要素がオフになっている場合、特に導通していない場合、特に抵抗が最大値の場合、フィードバック装置は無効になる。
【００１９】
いくつかの実装によると、制御要素は、さらなるトランジスタ、特に電界効果トランジスタ、ＦＥＴ、例えばＭＯＳＦＥＴ又はＪＦＥＴを備える。
【００２０】
いくつかの実装形態によると、パワーエレクトロニクスシステムは、例えば、さらなるトランジスタの制御電圧を制御することによって、制御要素の抵抗を制御する制御ユニットを備える。
【００２１】
いくつかの実装形態によると、評価ユニットは、トランジスタの制御電圧及びトランジスタのオン状態の電流に依存するトランジスタの接合部温度を決定するように構成されている。オン状態の電流は、直接的又は間接的に測定してよく、例えば、事前に決定されるようにしてもよい。
【００２２】
いくつかの実装形態によると、評価ユニットは、トランジスタの制御電圧及びトランジスタの接合部温度に依存する、トランジスタのオン状態の電流を決定するように構成される。このような実装では、接合部温度に所定値を使用する。接合部温度は、例えば所定値であってよく、熱モデルに基づいて、又はオン状態の電圧とは別の１つ又は複数のＴＳＥＰに基づいて推定されてもよく、又はルックアップテーブルから得られるようにしてもよい。
【００２３】
このような実装の１つの利点は、決定されたオン状態の電圧に基づいてトランジスタの適切なターンオフゲート抵抗を選択してよいことである。
【００２４】
いくつかの実装によると、オン状態の電流は、Ｉｏｎ＝Ｋ＊（Ｖｃ−ＶＴ）＾２で与えられる。ここで、Ｉｏｎはオン状態の電流、Ｖｃは制御電圧、ＶＴはしきい値電圧、特にゲートしきい値電圧、そしてＫは、例えば、トランジスタ、特にトランジスタのＭＯＳ部分のコンダクタンスを組み込む係数である。ゲート電圧ＶＴと係数Ｋは両方とも接合部温度に依存する。
【００２５】
いくつかの実装形態によると、評価ユニットは、トランジスタの制御電圧及びトランジスタのオン状態の電圧に依存する、トランジスタのオン状態の電流及びトランジスタの接合部温度を決定するように構成されている。オン状態の電圧は、特にフィードバック装置が無効にされている間、例えばフィードバック装置が有効になる前に、直接的又は間接的に測定されるようにしてよい。
【００２６】
このような実装では、オン状態の電圧を知ることで、制御電圧と、フィードバック装置を無効にした状態で、ＴＳＥＰとＣＳＥＰであるオン状態の電圧との両方を同時に利用できるようになる。上記の利点に加えて、これは、トランジスタと、さらにトランジスタに並列に結合されているパワー半導体装置との電流共有及び熱管理を検証するために特に価値がある。
【００２７】
いくつかの実装形態によると、システムは、トランジスタの切替動作を制御するように、特にトランジスタをオン又はオフにするように構成されている駆動ユニットを備える。
【００２８】
いくつかの実装形態によると、駆動ユニットは、フィードバック装置が有効にされている間、特にフィードバック装置が有効にされた後、トランジスタをオフにするように構成されている。
【００２９】
いくつかの実装によると、システムは、遅延要素、特に、駆動及び制御ユニットに結合されたプログラム可能な遅延要素を備える。遅延要素は、フィードバック装置を有効にすることに関してトランジスタをオフにするのを遅らせるように構成される。
【００３０】
いくつかの実装によると、遅延は、数μｓ又は数１０μｓのオーダー、例えば５μｓから５０μｓの範囲、例えば５μｓから１５μｓの範囲、例えば１０μｓにある。
【００３１】
いくつかの実装形態によると、駆動ユニットは、制御ユニットを備える場合がある。
【００３２】
いくつかの実装形態によると、駆動ユニットは、フィードバック装置を備える場合がある。
【００３３】
いくつかの実装形態によると、パワーエレクトロニクスシステムは、電力変換器を備え、電力変換器は、電力変換器の動作の切替要素としてトランジスタを備える。
【００３４】
いくつかの実装によると、評価ユニットは、電力変換器とは別に配置されている。代替的に、評価ユニットは、電力変換器によって構成される場合がある。
【００３５】
改良された概念によると、パワーエレクトロニクスシステムのトランジスタの動作状態を決定する方法も提供される。この方法によると、負のフィードバックがトランジスタに提供されて、トランジスタが飽和状態に到達すること、又は飽和状態にとどまることを防止する。トランジスタの制御電圧は、負のフィードバックが提供されている間、特にフィードバック装置が有効になっているときに測定される。特にトランジスタの接合部温度及び／又はトランジスタのオン状態の電流を含む動作状況は、制御電圧に依存して決定される。
【００３６】
この方法のいくつかの実装によると、接合部温度は、制御電圧及びオン状態の電流の所定値に依存して決定される。
【００３７】
この方法のいくつかの実装によると、オン状態の電流は、制御電圧及び接合部温度の所定値に依存して決定される。
【００３８】
この方法のいくつかの実装によると、トランジスタのオン状態の電圧は、負フィードバックが提供されていない間、特にフィードバック装置が無効にされている間に測定される。接合部温度及び／又はオン状態の電流は、制御電圧及びオン状態の電圧に依存して決定される。
【００３９】
改良された概念による方法のさらなる実装は、改良された概念によるパワーエレクトロニクスシステムの様々な実装及び実施形態から容易に続くものであり、逆もまた同様である。特に、システムに関して説明された個々の又はいくつかの構成要素又は配置は、改良されたシステムに従って方法を実行するためにそれに応じて実装されてよい。
【００４０】
以下では、本発明は、図面を参照することにより、例示的な実装に関して詳細に説明される。機能的に同一又は同一の効果を持つ部品は、同一の参照記号で示される場合がある。同一の部品又は同一の機能又は効果を持つ部品は、それらが最初に登場する図に関してのみ説明することがある。それらの説明は、後続の図で必ずしも繰り返されるわけではない。
【００４１】
図面は、以下の内容である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、改良された概念によるパワーエレクトロニクスシステムの例示的な実施形態のブロック図を示す。
【図２】図２は、改良された概念によるパワーエレクトロニクスシステムの実施形態さらに例示的なブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１は、改良された概念によるパワーエレクトロニクスシステムの例示的な実施形態のブロック図を示す。このシステムは、トランジスタＴと、トランジスタＴのコレクタ端子Ｃと制御端子Ｇ１との間に接続されたフィードバック装置Ｆとを備える。トランジスタＴは、例えば、電力変換器（図示せず）を備える場合がある。
【００４４】
トランジスタＴのタイプに依存して、システムは、フィードバック装置ＦとトランジスタＴの制御端子Ｇ１との間に接続された制御要素ＣＥを備える場合、又は備えない場合がある。システムは、そして制御要素ＣＥの制御端子Ｇ２に接続されている、制御要素ＣＥの抵抗を制御する制御ユニットＣＵを備える場合がある。
【００４５】
選択的に、システムは、トランジスタＴの制御端子Ｇ１にかかる制御電圧を制御する駆動ユニットＧＤを備える。駆動ユニットＧＤは、トランジスタＴのゲートＧ１にかかる制御電圧を受け取るように構成された評価ユニット（図１には非図示）を備えてもよい。代替的には、評価ユニットは、駆動ユニットＧＤとは別に実装される場合がある。
【００４６】
図２は、改良された概念によるパワーエレクトロニクスシステムのさらなる例示的な実施形態のブロック図を示す。図２の実施形態は、図１の実施形態に基づいていて、制御要素ＣＥは、ＭＯＳＦＥＴを備え（ｎチャネル濃縮型ＭＯＳＦＥＴの回路記号は、単に非限定的な例として選択されている）、フィードバック装置Ｆは、ダイオードを備え、トランジスタＴはＩＧＢＴ（ｎチャネル空乏型ＩＧＢＴの回路記号は、非限定的な例としてのみ選択されている）を備える。この結果、制御端子Ｇ１、Ｇ２はゲート端子Ｇ１、Ｇ２であり、トランジスタＴ及び制御素子ＣＥの制御電圧はそれぞれゲート電圧である。図２の実施形態は、トランジスタＴのゲート端子Ｇ１に印加されるゲート電圧を受信するように接続されている評価ユニットＥＵを備える場合がある。
【００４７】
改良された概念に従ったシステムの動作は、図２について以下に説明される。しかしながら、図１のより一般的な実施形態は、同様の方法で動作する。
【００４８】
電力変換器の動作中、駆動ユニットＧＤは、トランジスタＴの切替を制御するようにしてよい。すなわち、電力変換器の切替方式に従ってトランジスタＴのゲートＧ１でのゲート電圧を制御することにより、トランジスタＴをオン又はオフにして、トランジスタＴの切替を制御するようにしてよい。
【００４９】
トランジスタＴのＭＯＳ領域における過剰電荷を低減するために、フィードバック装置Ｆを利用して、トランジスタＴがトランジスタＴの飽和状態に到達することを防ぐ、あるいは飽和状態外にあるようにトランジスタＴを駆動する。
【００５０】
この目的のために、制御ユニットＣＵは、制御要素ＣＥの抵抗を低減するために、すなわち、制御要素ＣＥをオンにするために、制御要素ＣＥのゲートＧ２で、ゲート電圧を印加してよいか、あるいはゲート電圧を変更してよい。したがって、トランジスタＴのＭＯＳ領域の過剰なキャリアが枯渇し、トランジスタＴのゲートエミッタ電圧が低下し、そしてトランジスタＴのコレクタエミッタ電圧が上昇する。
【００５１】
過剰なキャリアを減らすことにより、トランジスタＴは、温度感受性であるだけでなく、トランジスタＴのオン状態の電流感受性でもある。
【００５２】
評価ユニットＥＵは、トランジスタＴのゲート端子Ｇ１のゲート電圧に依存して、トランジスタＴの接合部温度又はトランジスタＴのオン状態の電流を決定するように構成されている。
【００５３】
特に、評価ユニットＥＵは、接合部温度を決定するべく、ゲート端子Ｇ１でのゲート電圧の測定値及びオン状態の電流の所定値を使用してよい。追加に又は代替として、評価ユニットＥＵは、ゲート端子Ｇ１でのゲート電圧の測定値及び接合部温度の所定の値を使用して、オン状態の電流を決定するようにしてよい。加えて、又は代替的に、評価ユニットＥＵは、トランジスタＴのオン状態の電圧、特にエミッタコレクタ電圧を受け取るべく、そして、接合部温度とオン状態の電流を決定するためゲート端子Ｇ１のゲート電圧とオン状態の電圧のそれぞれの測定値を使用するべく、構成及び接続されることがある。
【００５４】
改良された概念によるパワーエレクトロニクスシステム又は方法によって、パワートランジスタの接合部温度及び／又はオン状態の電流は、特に簡単なセットアップで決定されることがある。さらに、トランジスタの切替損失が低減されるだろう。これを実現するために、トランジスタの変更も複雑なゲート駆動も不要である。改良された概念又はその特定の態様は、本明細書に不記載の半導体装置、例えば炭化ケイ素に基づく装置により、価値のある用途を有するだろう。
【符号の説明】
【００５５】
Ｔ          トランジスタ
Ｇ１、Ｇ２  制御端子
Ｃ          コレクタ端子
Ｅ          エミッタ端子
Ｆ          フィードバック装置
ＣＥ        制御要素
ＣＵ        制御ユニット
ＧＤ        駆動ユニット
【図１】
2022501993.tif 000003
【図２】
2022501993.tif 000004
【国際調査報告】
2022501993.tif 000005
2022501993.tif 000006