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公開番号2021043015
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210318
出願番号2019163985
出願日20190909
発明の名称電子回路
出願人株式会社東芝
代理人個人,個人,個人,個人,個人,個人
主分類G01R 31/26 20200101AFI20210219BHJP(測定;試験)
要約【課題】スイッチング素子の入力抵抗を高い精度で計測することが可能な電子回路を提供する。
【解決手段】本発明の実施形態としての電子回路は、チャープ信号を生成する発振器と、前記チャープ信号が供給される半導体素子と、前記半導体素子の入力電圧に基づき、包絡線検波信号を生成する第1検波回路と、前記包絡線検波信号の反転信号を生成する反転回路と、前記反転信号のピーク電圧を測定する第2検波回路とを備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
チャープ信号を生成する発振器と、
前記チャープ信号が供給される半導体素子と、
前記半導体素子の入力電圧に基づき、包絡線検波信号を生成する第1検波回路と、
前記包絡線検波信号の反転信号を生成する反転回路と、
前記反転信号のピーク電圧を測定する第2検波回路とを備える、
電子回路。
続きを表示(約 2,800 文字)【請求項2】
前記発振器が生成するチャープ信号の周波数は、前記半導体素子の寄生容量および寄生インダクタンスによって定まる共振周波数を含む、
請求項1に記載の電子回路。
【請求項3】
前記反転信号のピーク電圧における前記チャープ信号の周波数は、前記共振周波数である、
請求項2に記載の電子回路。
【請求項4】
前記半導体素子は、パワーデバイスであり、
前記発振器は、前記パワーデバイスが非導通状態である間に、前記チャープ信号を生成する、
請求項1ないし3のいずれか一項に記載の電子回路。
【請求項5】
前記反転回路および前記第2検波回路を接続する第1ノードと、
前記第1ノードおよびグラウンドを接続する第1スイッチと、
前記第2検波回路の出力端子と、
前記出力端子およびグラウンドを接続する第2スイッチとをさらに備える、
請求項1ないし4のいずれか一項に記載の電子回路。
【請求項6】
前記発振器が前記チャープ信号を生成しない場合、前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを導通状態にし、前記発振器が前記チャープ信号を生成する場合、前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを非導通状態にする制御回路をさらに備える、
請求項5に記載の電子回路。
【請求項7】
前記第1検波回路は、第1ダイオードと、第1コンデンサと、第1抵抗器とを含み、
前記第1ダイオードのアノード端子は、前記半導体素子に接続され、前記第1コンデンサおよび前記第1抵抗器は、前記第1ダイオードのカソード端子とグラウンドとの間に接続されている、
請求項1ないし6のいずれか一項に記載の電子回路。
【請求項8】
前記第2検波回路は、第2ダイオードと、第2コンデンサとを含み、
前記第2ダイオードのアノード端子は、前記反転回路に接続され、前記第2コンデンサは、前記第2ダイオードのカソード端子とグラウンドとの間に接続されている、
請求項1ないし7のいずれか一項に記載の電子回路。
【請求項9】
前記ピーク電圧をデジタル化するアナログデジタル変換器と、
デジタル化された前記ピーク電圧に基づき、前記半導体素子の入力抵抗または前記半導体素子の温度の少なくともいずれかを推定する処理部とをさらに備える、
請求項1ないし6のいずれか一項に記載の電子回路。
【請求項10】
温度センサをさらに備え、
前記処理部は、前記半導体素子の入力抵抗または前記半導体素子の温度の少なくともいずれかの推定に用いる複数のルックアップテーブルを備え、前記温度センサの計測値に基づき、複数の前記ルックアップテーブルのうち、少なくとも1つを選択する、
請求項9に記載の電子回路。
【請求項11】
前記第1検波回路は、第1増幅器と、nチャネルの第1トランジスタと、第1コンデンサと、第1抵抗器とを含み、
前記第1増幅器の正端子は、前記半導体素子に接続され、前記第1トランジスタのソース端子は、前記第1増幅器の負端子に接続され、前記第1トランジスタのゲート端子とドレイン端子は、短絡されて前記第1増幅器の後段側の端子に接続され、前記第1コンデンサおよび前記第1抵抗器は、前記第1トランジスタのソース端子とグラウンドとの間に接続されている、
請求項10に記載の電子回路。
【請求項12】
前記第2検波回路は、第2増幅器と、nチャネルの第2トランジスタと、第2コンデンサとを含み、
前記第2増幅器の正端子は、前記反転回路に接続され、前記第2トランジスタのソース端子は、前記第2増幅器の負端子に接続され、前記第2トランジスタのゲート端子とドレイン端子は、短絡されて前記第2増幅器の後段側の端子に接続され、前記第2コンデンサは、前記第2トランジスタのソース端子とグラウンドとの間に接続されている、
請求項10または11に記載の電子回路。
【請求項13】
前記温度センサは、半導体チップ内または、半導体パッケージ内において、前記第1トランジスタに隣接して配置されている、
請求項11に記載の電子回路。
【請求項14】
前記温度センサは、半導体チップ内または、半導体パッケージ内において、前記第2トランジスタに隣接して配置されている、
請求項12に記載の電子回路。
【請求項15】
pチャネルの第3トランジスタと、
nチャネルの第4トランジスタと、
第2抵抗器とをさらに備え、
前記第3トランジスタのソース端子は、電源電位に接続され、前記第3トランジスタのドレイン端子および前記第4トランジスタのドレイン端子を接続する第2ノードは、前記半導体素子に接続され、前記第4トランジスタのソース端子は、グラウンドに接続され、前記第4トランジスタのゲート端子およびドレイン端子は、前記第2抵抗器を介して接続されている、
請求項1ないし14のいずれか一項に記載の電子回路。
【請求項16】
pチャネルの第5トランジスタと、
第3スイッチと、
第4スイッチと、
第5スイッチと、
第6スイッチとをさらに備え、
前記第5トランジスタのソース端子は、前記電源電位に接続され、前記第5トランジスタのゲート端子とドレイン端子は、短絡されて前記発振器に接続され、前記第5トランジスタのゲート端子と前記第3トランジスタのゲート端子は、前記第6スイッチを介して接続され、前記第3トランジスタのゲート端子は、前記第5スイッチを介して第1端子に接続され、前記第4トランジスタのゲート端子は、前記第3スイッチを介して第2端子に接続され、前記第4トランジスタのゲート端子とドレイン端子との間には、前記第2抵抗器と直列に前記第4スイッチが接続されている、
請求項15に記載の電子回路。
【請求項17】
前記発振器が前記チャープ信号を生成する間、前記第4スイッチおよび前記第6スイッチは導通状態であり、前記第3スイッチおよび前記第5スイッチは非導通状態である、
請求項16に記載の電子回路。
【請求項18】
前記第1端子および前記第2端子に前記半導体素子の導通に関する制御信号が供給されている間、前記第3スイッチおよび前記第5スイッチは導通状態であり、前記第4スイッチおよび前記第6スイッチが非導通状態である、
請求項16または17に記載の電子回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、電子回路に関する。
続きを表示(約 8,300 文字)【背景技術】
【0002】
例えば、電力回路のスイッチング素子では、入力抵抗の計測が行われる。温度上昇に伴い、スイッチング素子の入力抵抗が大きくなるため、入力抵抗に基づいてジャンクション温度を推定することが可能である。ジャンクション温度は、スイッチング素子の寿命予測に使われる。電力回路以外の応用例でも、スイッチング素子の正確な入力抵抗が必要とされることが多い。
【0003】
しかし、一般に、スイッチング素子の入力抵抗の計測は、複雑な処理、各種の制約など、困難を伴うものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
An IGBT Driver Concept with Integrated Real-Time Junction Temperature Measurement, PCIM 2014
On-line Virtual Junction Temperature Measurement via DC Gate Current Injection, CIPS2018
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の実施形態は、スイッチング素子の入力抵抗を高い精度で計測することが可能な電子回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の実施形態としての電子回路は、チャープ信号を生成する発振器と、前記チャープ信号が供給される半導体素子と、前記半導体素子の入力電圧に基づき、包絡線検波信号を生成する第1検波回路と、前記包絡線検波信号の反転信号を生成する反転回路と、前記反転信号のピーク電圧を測定する第2検波回路とを備える。
【図面の簡単な説明】
【0007】
一実施形態による電子回路の例を示す回路図。
電子回路における電圧波形の例を示す図。
電子回路の第1の変形例を示す回路図。
電子回路の第2の変形例を示す回路図。
電子回路の第3の変形例を示す回路図。
電子回路の第4の変形例を示す回路図。
電子回路の第5の変形例を示す回路図。
温度センサの配置の例を示す平面図。
温度センサの配置の例を示す平面図。
電子回路の第6の変形例を示す回路図。
電子回路の第7の変形例を示す回路図。
チャープ信号が生成されるタイミングの例を示した図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。また、図面において同一の構成要素は、同じ番号を付し、説明は、適宜省略する。
【0009】
正弦波電流をスイッチング素子(例えば、電界効果トランジスタなどの半導体素子)のゲート端子に入力してゲート電圧を計測し、ゲート抵抗を求める方法が提案されている。例えば、ゲート端子に接続された抵抗器の両端に発生する電圧の計測値に基づき、ゲート抵抗を求めることができる。この方法では、スイッチング素子のゲート端子における寄生インダクタンスと、寄生容量によって定まる共振周波数の正弦波電流を使い、寄生成分の影響を除去する。したがって、あらかじめスイッチング素子のゲート端子における寄生インダクタンスと、寄生容量を計測する必要がある。
【0010】
また、スイッチング素子のゲート端子に矩形波を含む電流を入力したときにおけるゲート電圧を計測し、ゲート抵抗を求める方法も提案されている。ゲート電圧は、電流とゲート抵抗の線形関数となる。したがって、ゲート電圧を少なくとも2回計測することによって、ゲート抵抗と電流値を求めることができる。ただし、ゲート端子の寄生インダクタンスが大きい場合、リンギングが発生し、ゲート電圧を正しく計測することができなくなる可能性があった。また、リンギングによってゲート電圧がしきい値を超えてしまい、スイッチング素子がON(導通状態)になってしまう可能性もある。
【0011】
上述のように、スイッチング素子の入力抵抗の計測は、複雑な処理、各種の制約などの困難を伴うものであった。以下では、寄生成分のあるスイッチング素子においても、スイッチング素子の入力抵抗を高い精度で計測することが可能な電子回路について説明する。
【0012】
図1は、一実施形態による電子回路の例を示す回路図である。図1の電子回路100は、駆動回路DR

と、発振器OSCと、スイッチング素子M

と、包絡線検波回路20と、反転回路A

と、ピーク検波回路21とを備えている。スイッチング素子M

は、半導体素子の一例である。以下では、半導体素子の入力抵抗が、スイッチング素子M

のゲート抵抗である場合を想定し、説明を行う。
【0013】
なお、電子回路100のように、スイッチング素子M

のゲート端子と、包絡線検波回路20との間にスイッチSWが接続されていてもよい。スイッチSWは、例えば、ゲート端子のピーク電圧が検波されるタイミングでON(導通状態)になる。例えば、スイッチング素子M

のゲート電圧がしきい値電圧未満であるタイミングに、ゲート端子のピーク電圧を検波することができる。スイッチング素子M

のゲート電圧がしきい値電圧以上であるタイミングでは、スイッチSWをOFF(非導通状態)にしてもよい。これにより、スイッチング素子M

のゲート端子に印加される高電圧の信号から包絡線検波回路20、反転回路A

、ピーク検波回路21を保護することができる。なお、電子回路100のスイッチSWを省略した構成を用いることを妨げるものではない。
【0014】
スイッチング素子M

は、例えば、nチャネルの電界効果トランジスタ(FET)である。ただし、nチャネルのFETの代わりに、pチャネルのFET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)など、その他の種類のスイッチング素子が使われていてもよい。電子回路100に示されているように、スイッチング素子M

のゲート端子は、寄生インダクタンスL

と、抵抗成分(ゲート抵抗)R

と、寄生容量C

とを有する。寄生容量C

は、例えば、スイッチング素子M

のゲート端子と、ソース端子との間の容量成分である。スイッチング素子M

のゲート端子における、共振周波数をf
res
は、寄生インダクタンスL

と、寄生容量C

によって定まるものとする。
【0015】
図2は、電子回路における電圧波形の例を示している。図2は、発振器OSCによってスイッチング素子M

のゲート端子に供給される電流信号Iの波形と、スイッチング素子M

のゲート電圧V

の波形と、包絡線検波回路20の出力電圧V
en
の波形と、反転回路A

の出力電圧V
CSO
の波形と、ピーク検波回路21の出力電圧V

の波形とを示している。図2の横軸は、時刻に対応している。以下では、図1と図2を参照しながら、電子回路100について述べる。
【0016】
駆動回路DR

は、スイッチング素子M

のゲート端子に接続されている。駆動回路DR

は、電圧信号を生成し、スイッチング素子M

のゲート端子の電圧を制御する。これにより、スイッチング素子M

は、スイッチング動作を行う。
【0017】
発振器OSCは、スイッチング素子M

のゲート端子と、グラウンドとの間に接続されている。グラウンドとして、例えば、電力回路の基準電位、電子回路の基準電位、接地電位を使うことができる。ただし、グラウンドとして使う電位については、問わない。発振器OSCは、チャープ信号を生成するように構成されている。図2の例では、時間の経過とともに、チャープ信号が周波数fhから周波数flに減少している。また、発振器OSCは、チャープ信号として、時間の経過とともに、チャープ信号が周波数flから周波数fhに上昇する信号を生成するように構成されていてもよい。ここで、fh>flであるものとする。共振周波数f
res
が周波数flと周波数fhとの間にある周波数帯域に含まれるよう、周波数fhと周波数flを決めることができる。スイッチング素子M

のゲート端子の入力信号の周波数が共振周波数f
res
に等しいとき、ゲート端子におけるインピーダンスは最小値をとり、ゲートの抵抗成分R

のみを含む。すなわち、発振器OSCが生成するチャープ信号の周波数は、半導体素子の寄生容量および寄生インダクタンスによって定まる共振周波数を含んでいてもよい。
【0018】
発振器OSCがチャープ信号を生成しているとき、スイッチング素子M

のゲート端子には、I=V

/Zの電流が供給される。ここで、V

は、ゲート電圧であり、Zは、ゲート端子のインピーダンスである。供給される電流の周波数が共振周波数f
res
に等しいとき、ゲートのインピーダンスZは、抵抗成分R

のみとなる。したがって、電流の周波数が共振周波数f
res
に等しいときにおけるゲート電圧V

を電流値で除算すれば、スイッチング素子M

のゲート抵抗R

を計算できる。
【0019】
図2には、チャープ信号が生成されているときにおけるゲート電圧V

の波形が示されている。電圧波形V

を参照すると、チャープ信号は、スイッチング素子M

のゲート電圧がしきい値電圧vthより低く、スイッチング素子M

がOFF(ゲート・ソース間が非導通状態)であるタイミングで入力されていることがわかる。また、チャープ信号が入力されていても、スイッチング素子M

のゲート電圧がしきい値電圧vthより低いため、スイッチング素子M

がON(ゲート・ソース間が導通状態)にならないことがわかる。チャープ信号の電圧は、スイッチング素子M

のゲート端子におけるバイアス電圧vbを中心に振動している。電圧波形V

は、チャープ信号が周波数fhと周波数flの中間の周波数であるときに振幅が最小となっている。したがって、周波数fhと周波数flの間の周波数帯域に共振周波数f
res
があることがわかる。
【0020】
半導体素子は、パワーデバイスであってもよい。発振器は、パワーデバイスが非導通状態である間に、チャープ信号を生成してもよい。
【0021】
包絡線検波回路20は、スイッチング素子M

のゲート端子と、反転回路A

との間に接続されている。包絡線検波回路20は、ダイオードDO

と、コンデンサC

と、抵抗器R

とを含む。ダイオードDO

は、スイッチング素子M

のゲート端子と、反転回路A

との間に接続されている。コンデンサC

は、ダイオードDO

のカソードと、グラグラウンドとの間に接続されている。すなわち、第1検波回路(包絡線検波回路)は、第1ダイオード(ダイオードDO

)と、第1コンデンサと、第1抵抗器とを含んでいてもよい。第1ダイオードのアノード端子は、半導体素子に接続され、第1コンデンサおよび第1抵抗器は、第1ダイオードのカソード端子とグラウンドとの間に接続されていてもよい。
【0022】
包絡線検波回路20は、スイッチング素子M

のゲート電圧V

の包絡線検波を行う。図2には、包絡線検波回路20が生成した包絡線検波信号V
en
の波形(実線wh)が示されている。実線whで示された包絡線検波信号は、負の電圧の方向に凸な波形となっている。包絡線検波信号は、次段の反転回路A

に供給される。
【0023】
反転回路A

は、包絡線検波回路20と、ピーク検波回路21との間に接続されている。反転回路A

は、例えば、オペアンプを含む反転増幅回路であってもよい。ただし、反転回路A

は、信号の反転が可能であればよく、実装については、特に問わない。また、反転回路A

における信号の増幅は必須ではない。反転回路A

が生成した包絡線検波信号の反転信号は、次段のピーク検波回路21に供給される。
【0024】
図2には、反転回路A

の出力電圧V
CSO
の波形が示されている。反転回路A

が生成する反転信号(V
CSO
)の波形(実線wf2)は、包絡線検波回路20が生成する包絡線検波信号(V
en
)の波形(実線wh)と、バイアス電圧vbについて、線対称な形状となっている。また、反転回路A

が生成する反転信号(V
CSO
)の波形(実線wf2)は、正の電圧の方向に凸な波形となっている。なお、破線wf1に示したように、反転回路A

で信号の昇圧を行ってもよい。また、反転回路A

で信号の増幅を行ってもよい。信号の昇圧および/または増幅が行われる場合、反転信号(V
CSO
)の波形は、包絡線検波信号(V
en
)の波形(実線wh)と、バイアス電圧vbについて、厳密に線対称な形状となっていなくてもよい。
【0025】
ピーク検波回路21は、反転回路A

の後段側に接続されている。ピーク検波回路21では、反転回路A

と、グラウンドとの間に、ダイオードDO

と、コンデンサC

が直列に接続されている。ダイオードDO

と、コンデンサC

との間には、端子poutが設けられている。端子poutより、反転信号(V
CSO
)のピーク電圧が出力される。すなわち、第2検波回路(ピーク検波回路)は、第2ダイオード(例えば、ダイオードDO

)と、第2コンデンサ(例えば、コンデンサC

)とを含んでいてもよい。ここで、第2ダイオードのアノード端子は、反転回路に接続されている。第2コンデンサは、第2ダイオードのカソード端子とグラウンドとの間に接続されている。
【0026】
図2には、ピーク検波回路21の端子poutにおける電圧V

の波形が示されている。端子poutにおける電圧V

は、時間の経過とともに高くなり、電圧Lmaxに漸近する。ここで、電圧レベルLmaxは、反転回路A

から供給された反転信号(V
CSO
)のピーク電圧に相当する。反転信号(V
CSO
)のピーク電圧Lmaxを、スイッチング素子M

のゲート端子における電流値に基づいた値で除算することにより、スイッチング素子M

のゲート抵抗R

を求めることが可能である。反転信号(V
CSO
)のピーク電圧Lmaxを使うことにより、スイッチング素子M

のゲート端子における寄生成分(寄生インダクタンスL

および寄生容量C

)の影響を排除することができる。なお、ピーク電圧はチャープ信号が入力される場合における反転信号(V
CSO
)の最大の電圧レベルに限られず、準最大の電圧レベル(準ピーク電圧)を含むものとする。例えば、準ピーク電圧として、ピーク電圧と比較して0〜10%程度下がった電圧であってもよい。
【0027】
電子回路100を使うことにより、寄生成分の存在に関わらず、スイッチング素子(半導体素子)の入力抵抗を高い精度で計測し、ジャンクション温度を推定することが可能になる。これにより、スイッチング素子の寿命予測を行うこともできるようになり、スイッチング素子を含む回路(例えば、電力回路)のメンテナンスが容易となる。
【0028】
電子回路100の利用時には、寄生容量C

の値および寄生インダクタンスL

の値を大まかに見積もり、発振器OSCで生成するチャープ信号の周波数帯域[fl,fh]を決めることができる。ただし、寄生容量C

の値および寄生インダクタンスL

の値を計測する必要はない。例えば、経験的な値または、カタログ値から導かれた10のべき乗程度の推定値を使って、周波数帯域[fl,fh]を決めればよい。チャープ信号の周波数帯域[fl,fh]内で寄生インダクタンスの値は変動することがあるが、ゲート抵抗R

の計測には、影響しない。また、寄生成分の値の大まかなオーダーをあれば十分であるため、スイッチング素子のゲート配線長および実装による特性の違いは、考慮しなくてもよい。
【0029】
このように、電子回路は、発振器と、半導体素子(例えば、スイッチング素子M

)と、第1検波回路(包絡線検波回路)と、反転回路と、第2検波回路(ピーク検波回路)とを備えていてもよい。発振器は、チャープ信号を生成する。チャープ信号は、半導体素子に供給される。第1検波回路は、半導体素子の入力電圧に基づき、包絡線検波信号を生成する。反転回路は、包絡線検波信号の反転信号を生成する。第2検波回路は、反転信号のピーク電圧を測定する。反転信号のピーク電圧におけるチャープ信号の周波数は、共振周波数であってもよい。
【0030】
(電子回路の第1の変形例)
図1の電子回路100は、スイッチング素子の入力抵抗の計測を行うことが可能な回路の一例にしかすぎない。したがって、これとは異なる構成の回路を使ってスイッチング素子の入力抵抗の計測を行ってもよい。以下では、回路の一部の電位が、電源電圧に固定されてしまうことを防止する電子回路について説明する。
(【0031】以降は省略されています)

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