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DE112020005975T5 - Halbleiterelemtansteuereinrichtung und leistungsumsetzungsvorrichtung - Google Patents

Halbleiterelemtansteuereinrichtung und leistungsumsetzungsvorrichtung Download PDF

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DE112020005975T5
DE112020005975T5 DE112020005975.8T DE112020005975T DE112020005975T5 DE 112020005975 T5 DE112020005975 T5 DE 112020005975T5 DE 112020005975 T DE112020005975 T DE 112020005975T DE 112020005975 T5 DE112020005975 T5 DE 112020005975T5
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DE
Germany
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semiconductor element
current
timing
igbt
temperature
Prior art date
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Application number
DE112020005975.8T
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Inventor
Hiroshi Suzuki
Masaki Shiraishi
Koichi Yahata
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Astemo Ltd
Original Assignee
Hitachi Astemo Ltd
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Publication date
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Abstract

Es wird eine Halbleiterelementansteuereinrichtung geschaffen, um das Problem zu lösen, dass der Schaltverlust und das Rauschen nicht ausreichend verringert werden können, weil ein Fall einer Änderung der Temperatur des Halbleiterelements oder eines Stroms, der durch das Halbleiterelement fließt, nicht berücksichtigt wird. In Übereinstimmung mit Eingangserfassungsinformationen (der Temperatur T, dem Strom I) gibt eine Zeitsteuereinheit 3 ein Verzögerungssignal Q aus, um den Zeitpunkt des Ansteuerns einer Stromerhöhungsschaltung 5 derart zu steuern, dass eine Verringerung eines Schaltverlusts eines IGBT 101 maximiert wird. Wenn der IGBT 101 im Einschaltmodus oder im Ausschaltmodus ist, gibt die Stromerhöhungsschaltung 5 ein Ansteuersignal in Reaktion auf das Verzögerungssignal Q aus, das um eine. gegebene Zeit seit der Ausgabe des Ansteuerbefehlssignals P verzögert ist. Auf diese Weise erhöht die Stromerhöhungsschaltung 5 den Strom, der verursacht, dass der Gate-Kondensator des IGBT 101 geladen/entladen werden soll, in Reaktion auf das Verzögerungssignal Q und erhöht dadurch eine Schaltgeschwindigkeit, um den Schaltverlust zu verringern.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterelementansteuereinrichtung und eine Leistungsumsetzungsvorrichtung.
  • Technischer Hintergrund
  • Eine Leistungsumsetzungsvorrichtung, die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umsetzt oder umgekehrt, enthält eine Wechselrichterschaltung, die aus einem oberen und einem unteren Zweig von Halbleiterelementen gebildet ist. Die Halbleiterelemente werden jeweils durch eine Halbleiterelementansteuereinrichtung angesteuert. Wenn jeder Zweig des Halbleiterelements angesteuert wird, ein- oder auszuschalten, tritt ein Schaltverlust im Halbleiterelement auf. Im Allgemeinen resultiert ein Erhöhen eines Gate-Stroms zum Halbleiterelement in einer kürzeren zum Schalten erforderlichen Zeit. Im Einschaltmodus nimmt deshalb der Einschaltschaltverlust ab, jedoch nimmt eine Stromänderungsrate zu. Ein Erhöhen des Gate-Stroms resultiert andererseits in einem verringerten Ausschaltschaltverlust im Ausschaltmodus, führt jedoch zu einer zunehmenden Ausschaltstoßspannung des Halbleiterelements. Eine Zunahme der Stromänderungsrate und der Ausschaltstoßspannung resultiert in einer Zunahme der Rauscherzeugung. Auf diese Weise gilt, wenn das Halbleiterelement angesteuert wird, eine Kompromissbeziehung zwischen Schaltverlust und Rauschen und ein Ausgleich zwischen dem Schaltverlust und dem Rauschen muss durch den Gate-Strom angepasst werden.
  • PTL 1 offenbart eine Technik, gemäß der durch Ansteuern eines Halbleiterelements mit einem konstanten Strom während eines Einschaltzeitraums Schwankungen in einem Zeitraum von Kollektorspannungsänderungen in einem Spiegelzeitraum unterdrückt werden, wobei der Spiegelzeitraum anhält, bis ein Gate/Kollektor-Kondensator geladen ist, und folglich Schwankungen des Einschaltschaltverlusts, der als das Produkt einer Kollektorspannung und eines Kollektorstroms repräsentiert wird, unterdrückt werden.
  • Entgegenhaltungsliste
  • Patentliteratur
  • PTL 1: WO 2009/044602 A
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Die Technik von PTL 1 berücksichtigt allerdings keinen Fall, in dem sich die Temperatur des Halbleiterelements oder ein Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, ändert, und kann den Schaltverlust und das Rauschen nicht ausreichend verringern, was ein Problem darstellt.
  • Lösung des Problems
  • Eine Halbleiterelementansteuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält Folgendes: eine Stromausgabeschaltung, die auf der Grundlage eines Ansteuerbefehlssignals zum Steuern von ein/aus des Halbleiterelements einen Gate-Strom zu einem Halbleiterelement ausgibt; eine Stromerhöhungsschaltung, die auf der Grundlage eines Verzögerungssignals, das nach dem Verstreichen einer gegebenen Zeit seit einem Bezugszeitpunkt eines Ansteigens des Ansteuerbefehlssignals oder eines Abfallens des Ansteuerbefehlssignals ausgegeben wird, den Gate-Strom erhöht; und eine Zeitsteuereinheit, die den Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals steuert, das während eines Spiegelzeitraums, der nach einem Zeitpunkt, zu dem ein Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, einen gegebenen Ein-Stromwert erreicht, und vor einem Zeitpunkt, zu dem eine Spannung zwischen beiden Enden des Halbleiterelements eine gegebene Ein-Spannung erreicht, liegt, ausgegeben wird. Die Zeitsteuereinheit steuert den Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals auf der Grundlage einer Temperatur des Halbleiterelements und/oder eines Stroms, der durch das Halbleiterelement fließt.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können selbst dann, wenn sich die Temperatur des Halbleiterelements oder der Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, ändert, der Schaltverlust und das Rauschen ausreichend verringert werden.
  • Figurenliste
    • [1] 1 stellt ein Steuersystem für einen Elektromotor unter Verwendung einer Leistungsumsetzungsvorrichtung dar.
    • [2] 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Halbleiterelementansteuereinrichtung zeigt.
    • [3(A), 3(B), 3(C) und 3(D)] 3(A), 3(B), 3(C) und 3(D) stellen einen Schaltvorgang eines Halbleiterelements dar.
    • [4] 4 stellt einen Zustand dar, in dem sich eine Gate/Emitter-Spannung abhängig von der Temperatur ändert.
    • 5(A), 5(B), 5(C), 5(D), 5(E) und 5(F) stellen einen Schaltvorgang des Halbleiterelements genau dar.
    • [6] 6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Schaltverlust und einer Betriebsbedingung zeigt.
    • [7] 7 stellt eine Schaltungskonfiguration der Halbleiterelementansteuereinrichtung dar.
    • [8(A), 8(B) und 8(C)] 8(A), 8(B) und 8(C) stellen Eingangssignale in eine Stromerhöhungsschaltung der Halbleiterelementansteuereinrichtung dar.
    • [9] 9 ist ein Ablaufplan, der Prozesse einer Verzögerungssteuereinheit zeigt.
    • [10(A) und 10(B)] 10(A) und 10(B) sind Graphen, die eine Beziehung zwischen dem Einschaltschaltverlust und einer ein-seitigen Verzögerung bzw. eine Beziehung zwischen einer Änderungsrate eines Kollektorstroms und einer ein-seitigen Verzögerung zeigen.
    • [11(A) und 11(B)] 11(A) und 11(B) sind Graphen, die eine Beziehung zwischen dem Ausschaltschaltverlust und einer aus-seitigen Verzögerung bzw. eine Beziehung zwischen einer Stoßspannung Vsurge und einer aus-seitigen Verzögerung zeigen.
    • [12] 12 stellt ein Beispiel einer Nachschlagtabelle in der Zeitsteuereinheit dar.
    • [13] 13 stellt eine Schattungskonfiguration einer Halbleiterelementansteuereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform dar.
    • [14] 14 ist ein Graph, der ein Beispiel der Temperatur eines IGBT, der durch eine Temperaturüberwachungseinheit überwacht wird, zeigt.
    • [15] 15 stellt ein Beispiel einer Nachschlagtabelle in der Zeitsteuereinheit gemäß der zweiten Ausführungsform dar.
    • [16] 16 stellt eine Schaltungskonfiguration einer Halbleiterelementansteuereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform dar.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • [Erste Ausführungsform]
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 stellt ein Steuersystem für einen Elektromotor 300 unter Verwendung einer Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 dar.
  • Wie in 1 gezeigt ist, enthält das Steuersystem für den Elektromotor 300 eine Batterie 100, die Leistungsumsetzungsvorrichtung 200, den Elektromotor 300 und eine Befehlslogikeinheit 400. Der Elektromotor 300 ist mittels der Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 mit der Batterie 100 verbunden. Zwischen der Batterie 100 und der Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 ist ein Glättungskondensator 110 vorgesehen. Der Elektromotor 300 ist z. B. ein elektrischer Synchronmotor eines Permanentmagnetfeldtyps.
  • Die Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 enthält eine Dreiphasenwechselrichterschaltung, die aus drei Sätzen eines oberen und eines unteren Zweigs von drei Phasen zusammengesetzt ist: einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase. Halbleiter, die den oberen bzw. den unteren Zweig bilden, sind jeweils aus einem IGBT 101 gebildet. Mit einem hochpotentialseitigen Anschluss des IGBT 101 des oberen Zweigs jeder Phase ist ein erstes Ende des Glättungskondensators 110 verbunden. Mit einem niederpotentialseitigen Anschluss des IGBT 101 des oberen Zweigs jeder Phase ist ein hochpotentialseitiger Anschluss des IGBT 101 des unteren Zweigs jeder Phase verbunden. Mit einer Niederspannungsanschlussseite des IGBT 101 des unteren Zweigs jeder Phase ist ein zweites Ende des Glättungskondensators 110 verbunden. In jeder Phase ist ein erstes Ende einer Spule 310 des Elektromotors 300 mit einem Verbindungspunkt zwischen dem niederpotentialseitigen Anschluss des IGBT 101 des oberen Zweigs und dem hochpotentialseitigen Anschluss des IGBT 101 des unteren Zweigs verbunden. Jeweilige zweite Enden von Spulen 310 von drei Phasen sind bei einem Neutralpunkt miteinander verbunden.
  • In dieser Ausführungsform wird ein IGBT als ein Halbleiterelement des Spannungssteuerungstyps verwendet. In dem IGBT 101 arbeitet deshalb der hochpotentialseitige Anschluss als ein Kollektor und arbeitet der niederpotentialseitige Anschluss als ein Emitter. Zu jedem IGBT 101 ist eine Freilaufdiode 102 in einer Rückstromrichtung parallelgeschaltet. Das Halbleiterelement ist nicht auf den IGBT beschränkt und kann als ein spannungsgesteuertes Halbleiterelement wie z. B. ein MOSFET vorgesehen sein. Ein Halbleiter, der das Halbleiterelement bildet, kann Silizium (Si) oder ein Halbleiter mit großer Lücke (Siliziumkarbid oder SiC), Galliumnitrid (GaN) oder dergleichen sein.
  • Um eine gesteuerte Variable des Elektromotors 300 an einen Befehlswert anzupassen, versetzt die Befehlslogikeinheit 400 den IGBT 101 des oberen Zweigs und den IGBT 101 des unteren Zweigs abwechselnd in jeder Phase in einen Ein-Zustand. Die gesteuerte Variable ist z. B. ein Drehmoment. Die Befehlslogikeinheit 400 gibt einen Ein-Befehl zum Schalten zu einem Ein-Zustand oder einen Aus-Befehl zum Schalten zu einem Aus-Zustand, wobei der Befehl als ein Ansteuerbefehlssignal P für den IGBT 101 ausgegeben wird, zu einer Halbleiterelementansteuereinrichtung 500, die in Entsprechung zum IGBT 101 jedes Zweigs jeder Phase getrennt vorgesehen ist, aus.
  • Die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 erfasst das Ansteuerbefehlssignal P von der Befehlslogikeinheit 400 und versetzt den IGBT 101 auf der Grundlage des erfassten Ansteuerbefehlssignals P in den Ein-Zustand oder den Aus-Zustand.
  • 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 zeigt.
  • 2 zeigt lediglich die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500, die dem unteren Zweig der U-Phase in der Dreiphasenwechselrichterschaltung, die in 1 gezeigt ist, entspricht. Es ist allerdings festzuhalten, dass jeweilige Halbleiterelementansteuereinrichtungen 500 des oberen Zweigs der U-Phase und eines oberen und eines unteren Zweigs der V-Phase und der W-Phase dieselbe Konfiguration wie die der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 des unteren Zweigs der U-Phase besitzen. Im Folgenden werden die Konfiguration und der Betrieb der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 des unteren Zweigs der U-Phase beschrieben. Es ist allerdings festzuhalten, dass die Konfiguration und der Betrieb jeder weiteren Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 gleich der Konfiguration und dem Betrieb der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 des unteren Zweigs der U-Phase ist.
  • Die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 ist mit einem Gate-Anschluss G und einem Erfassungsemitteranschluss (einem Hilfsemitteranschluss) SS des IGBT 101 verbunden. Die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 ist auch mit der Befehlslogikeinheit 400 verbunden, die ein Element höherer Ordnung ist.
  • Wie in 2 gezeigt ist, enthält die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 eine Temperaturdetektionsschaltung 1, eine Stromdetektionsschaltung 2, eine Zeitsteuereinheit 3, eine Stromausgabeschaltung 4 und eine Stromerhöhungsschaltung 5. Mit der Temperaturdetektionsschaltung 1 ist ein Ausgangsabschnitt des Temperaturdetektionselements 6 verbunden. Mit der Stromdetektionsschaltung 2 ist ein Ausgangsabschnitt des Stromdetektionselements 7 verbunden. Mit einem Eingangsabschnitt der Zeitsteuereinheit 3 sind jeweilige Ausgangsabschnitte der Temperaturdetektionsschaltung 1, der Stromdetektionsschaltung 2 und der Befehlslogikeinheit 400 verbunden. Die Stromausgabeschaltung 4 ist zwischen einem Ausgangsabschnitt der Befehlslogikeinheit 400 und dem Gate-Anschluss G des IGBT 101 verbunden. Die Stromerhöhungsschaltung 5 ist zwischen einem Ausgangsabschnitt der Zeitsteuereinheit 3 und dem Gate-Anschluss G des IGBT 101 verbunden.
  • Die Befehlslogikeinheit 400 gibt ein Ansteuerbefehlssignal P in die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 ein. In einem Zeitraum, in dem das Ansteuerbefehlssignal P in die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 eingegeben wird, legt die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 eine Spannung (z. B. +15 V), die größer als eine Schwellenwertspannung des IGBT 101 ist, zwischen dem Gate G und dem Emitter SS des IGBT 101 an und schaltet somit den IGBT 101 ein, um zu verursachen, dass ein Strom über den IGBT 101 fließt. Kurz gesagt wird der IGBT 101 eingeschaltet. In einem Zeitraum, in dem kein Ansteuerbefehlssignal P von der Befehlslogikeinheit 400 in die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 eingegeben wird, legt die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 eine Spannung (z. B. 0 V), die kleiner als die Schwellenwertspannung ist, zwischen dem Gate G und dem Emitter SS des IGBT 101 an und schaltet somit den IGBT 101 aus, um einen Stromfluss zum IGBT 101 abzuschalten. -Kurz gesagt wird der IGBT 101 ausgeschaltet.
  • Die oben beschriebene Einschalt- oder Ausschaltoperation wird durchgeführt, indem verursacht wird, dass ein Gate-Kondensator des IGBT 101 durch die Stromausgabeschaltung 4 der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 geladen oder entladen wird.
  • Die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 erfasst Betriebsbedingungen für den IGBT 101, die die Temperatur T des IGBT 101 und ein Strom I, der durch den IGBT 101 fließt, sind, durch das Temperaturdetektionselement 6 bzw. das Stromdetektionselement 7. Diese Stücke von Erfassungsinformationen (Temperatur T, Strom I) werden durch die Temperaturdetektionsschaltung 1 und die Stromdetektionsschaltung 2 in die Zeitsteuereinheit 3 eingegeben. Als das Stromdetektionselement 7 wird eine Stromsonde (ein Stromtransformator oder CT, eine Rogowski-Spule usw.) oder ein Nebenschlusswiderstand verwendet. Ein Schätzwert eines Stroms, der durch den IGBT 101 fließt, kann aus einer Messung eines Laststroms, der durch den Elektromotor 300 fließt, berechnet werden. Als das Temperaturdetektionselement 6 wird z. B. ein Thermistor oder dergleichen verwendet. Ein Schätzwert der Temperatur des IGBT 101 kann aus einer Messung eines elektrischen charakteristischen Parameters TSEP. (temperaturempfindlicher elektrischer Parameter) des Halbleiterelements wie z. B. einer Ein-Spannung des IGBT 101 berechnet, wobei der elektrische charakteristische Parameter sich abhängig von der Temperatur ändert.
  • In Übereinstimmung mit den eingehenden Erfassungsinformationen (Temperatur T, Strom I) gibt die Zeitsteuereinheit 3 ein Verzögerungssignal Q aus, um den Ansteuerzeitpunkt der Stromerhöhungsschaltung 5 derart zu steuern, dass eine Verringerung des Schaltverlusts des IGBT 101 maximiert wird. Dieser Prozess wird später beschrieben. Wenn der IGBT 101 im Einschaltmodus oder im Ausschaltmodus ist, gibt die Stromerhöhungsschaltung 5 ein Ansteuersignal in Reaktion auf das Verzögerungssignal Q, das um eine gegebene Zeit seit der Ausgabe des Ansteuerbefehlssignals P verzögert ist, aus. Speziell erhöht die Stromerhöhungsschaltung 5 den Strom, der verursacht, dass der Gate-Kondensator des IGBT 101 geladen/entladen wird (der im Folgenden als Gate-Strom bezeichnet wird), in Reaktion auf das Verzögerungssignal Q und erhöht dadurch eine Schaltgeschwindigkeit, um den Schaltverlust zu verringern.
  • 3(A) bis 3(D) stellen einen Schaltvorgang des Halbleiterelements dar. 3(A) zeigt eine Gate/Emitter-Spannung Vge und eine Kollektor/Emitter-Spannung Vce, 3(B) zeigt einen Kollektorstrom Ic, 3(C) zeigt das Ansteuerbefehlssignal P und 3(D) zeigt das Verzögerungssignal Q. In jeder Figur repräsentiert die horizontale Achse die Zeit. Eine gestrichelte Linie in 3(A) gibt einen Fall an, in dem diese Ausführungsform implementiert ist, d. h. einen Fall, in dem das Verzögerungssignal Q angelegt wird. 3(A) bis 3(D) stellen eine Einschaltoperation, die ähnlich einer Ausschaltoperation ist, in Elementen eines Schaltverhaltens dar.
  • Wenn das Ansteuerbefehlssignal P von der Befehlslogikeinheit 400 eingegeben wird, wie in 3(C) gezeigt ist, wird eine Spannung von der Stromausgabeschaltung 4 an den Gate-Anschluss G des IGBT 101 angelegt. Mit anderen Worten nimmt die Gate/Emitter-Spannung Vge allmählich zu, wie in 3(A) gezeigt ist. Wenn die Gate/Emitter-Spannung Vge eine Schwellenwertspannung Vth überschreitet, beginnt der Kollektorstrom Ic zu fließen, wie in 3(B) gezeigt ist.
  • Wenn diese Ausführungsform nicht implementiert ist, d. h. in dem Fall, in dem das Verzögerungssignal Q nicht angelegt wird, beginnt die Kollektor/Emitter-Spannung Vce von einem Zeitpunkt α, zu dem der Kollektorstrom Ic einen Ein-Strom Ion erreicht, abzunehmen und gleichzeitig bleibt die Gate/Emitter-Spannung Vge vom Zeitpunkt α bei einem konstanten Wert. In einem Spiegelzeitraum vom Zeitpunkt α, zu dem der Ein-Strom Ion erreicht wird, zu einem Zeitpunkt β, zu dem die Kollektor/Emitter-Spannung Vce eine Ein-Spannung Von erreicht, wird die Einschaltoperation abgeschlossen. In diesem Vorgang, wird, wenn die Schaltgeschwindigkeit vor dem Zeitpunkt α erhöht wird (d. h. der Gate-Strom erhöht wird), eine Rate einer zeitabhängigen Änderung di/dt des Kollektorstroms Ic erhöht und somit das Rauschen erhöht. Ein Erhöhen des Gate-Stroms nach dem Zeitpunkt β bietet andererseits keine Wirkung des Verringerns eines Schaltverlusts (eines Einschaltschaltverlusts Eon), weil der Schaltvorgang nach dem Zeitpunkt β bereits vorüber ist.
  • Aus diesem Grund wird gemäß dieser Ausführungsform der Gate-Strom zwischen dem Zeitpunkt α und dem Zeitpunkt β, d. h. während des Spiegelzeitraums, erhöht. Speziell erhöht die Stromerhöhungsschaltung 5 den Gate-Strom auf der Grundlage des Verzögerungssignals Q, das nach einem Verstreichen einer gegebenen Zeit seit einem Bezugszeitpunkt eines Ansteigens des Ansteuerbefehlssignals P (einer Einschaltoperation) oder eines Abfallens des Ansteuerbefehlssignals P (einer Ausschaltoperation) ausgegeben wird. 3(D) zeigt ein Beispiel, in dem das Verzögerungssignal Q zu dem Zeitpunkt α ausgegeben wird, zu dem die gegebene Zeit vom Bezugszeitpunkt eines Ansteigens des Ansteuerbefehlssignals P (einer Einschaltoperation) verstrichen ist. Wie durch eine gestrichelte Linie in 3(A) angegeben ist, nimmt die Gate/Emitter-Spannung Vge während des Spiegelzeitraums zu. Im Spiegelzeitraum nimmt eine Rate einer zeitabhängigen Änderung dv/dt der Kollektor/Emitter-Spannung Vce ebenfalls zu. Bevor der Spiegelzeitraum startet, bleibt die Rate einer zeitabhängigen Änderung di/dt des Kollektorstroms Ic konstant, wie in 3(B) gezeigt ist. Im Spiegelzeitraum kann allerdings die Rate einer zeitabhängigen Änderung dv/dt der Kollektor/Emitter-Spannung Vce erhöht werden. Wegen der erhöhten Rate einer zeitabhängigen Änderung dv/dt kann der Einschaltschaltverlust Eon, der durch ein Zeitintegral des Produkts der Kollektor/Emitter-Spannung Vce und des Kollektorstroms Ic bestimmt wird, verringert werden. Dies ermöglicht ein Halbleiteransteuern mit weniger Rauschen und weniger Verlust.
  • 4 stellt einen Zustand dar, in dem sich die Gate/Emitter-Spannung Vge abhängig von der Temperatur ändert. Die vertikale Achse repräsentiert die Gate/Emitter-Spannung Vge und die horizontale Achse repräsentiert die Zeit.
  • In 4 ist ein Fall, in dem die Temperatur des IGBT 101, d. h. des Halbleiterelements, 25 °C ist, durch eine gestrichelte Linie angegeben und ist ein Fall, in dem die Temperatur des IGBT 101150 °C ist, durch eine durchgezogene Linie angegeben. Wie in 4 gezeigt ist, ist in dem Fall, in dem die Temperatur des IGBT 101150 °C ist, der Anstieg der Gate/Emitter-Spannung Vge, der einer Eingabe des Ansteuerbefehlssignals P, während der IGBT 101 im Einschaltmodus ist, folgt, um ΔT früher als derselbe in dem Fall, in dem die Temperatur des IGBT 10125 °C ist. Als Ergebnis wird eine Zeit vom Punkt der Eingabe des Ansteuerbefehlssignals P zum Punkt des Eintreffens des Spiegelzeitraums beim IGBT 101 (eine Zeit vom Punkt der Eingabe des Ansteuerbefehlssignals P zum Zeitpunkt α in 3) um ΔT kürzer. Speziell ist dann, wenn die Temperatur des IGBT 101 sich von 25 °C zu 150 °C ändert, ΔT etwa 35 ns. Währenddessen ist die Dauer T des Spiegelzeitraums etwa 250 ns. ΔT berücksichtigt deshalb etwa 14 % des Spiegelzeitraums. Ähnlich wurde festgestellt, dass selbst dann, wenn ein Ein-Strom des IGBT 101 sich ändert, ein größerer Ein-Stromwert zu einer längeren Zeit vom Punkt der Eingabe des Ansteuerbefehlssignals P zum Punkt des Eintreffens des Spiegelzeitraums bei dem IGBT 101 führt, wodurch ΔT erzeugt wird. Zusätzlich wird die Schwellenwertspannung (Vth) umso niedriger, je höher die Temperatur T ist, was das Eintreffen des Spiegelzeitraums früher macht. Auf diese Weise ändert sich die Zeit seit dem Punkt der Eingabe des Ansteuerbefehlssignals P zum Punkt des Eintreffens des Spiegelzeitraums abhängig von der Temperatur des IGBT 101. Im Ausschaltmodus ändert sich diese Zeit abhängig von der Temperatur auf dieselbe Weise wie im Einschaltmodus. Die Zeit zum Erreichen des Punkts des Eintreffens des Spiegelzeitraums ändert sich auch abhängig von dem Kollektorstrom Ic, der durch den IGBT 101 fließt.
  • Auf diese Weise kann, wenn sich die Temperatur des IGBT 101 oder der Strom, der durch den IGBT 101 fließt, ändert, d. h., wenn sich die Betriebsbedingung für den IGBT 101 ändert, keine Schaltverlustverringerungswirkung erhalten werden, sofern nicht die Stromerhöhungsschaltung 5 den Zeitpunkt des Erhöhens des Gate-Stroms zum IGBT 101 steuert. Eine Änderung der Betriebsbedingung erhöht das Rauschen, das durch einen Schaltvorgang verursacht wird. Im Allgemeinen schaltet ein Halbleiterelement (ein Leistungshalbleitermodul) für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge bei einer höheren Geschwindigkeit als ein Halbleiterelement (ein Leistungshalbleitermodul) für Schienenfahrzeuge oder Leistungsanlagen. Für den Fall eines derartigen Halbleiters kann deshalb das Verhältnis von ΔT zum Spiegelzeitraum nicht ignoriert werden, wie oben angedeutet ist. In diesem Fall ist es nötig, den Zeitpunkt des Erhöhens des Gate-Stroms zu optimieren, während eine Änderung der Betriebsbedingung berücksichtigt wird. In dieser Ausführungsform wird der Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals Q auf der Grundlage der Temperatur des Halbleiterelements oder des Stroms, der durch das Halbleiterelement fließt, gesteuert.
  • Ferner schaltet ein Leistungshalbleitermodul, das in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen verwendet wird, bei einer Frequenz, die einige bis einige zehn Mal größer als eine Frequenz ist, bei der ein Leistungshalbleitermodul schaltet, das in Schienenfahrzeugen verwendet wird. Bei der Anwendung des vorherigen Leistungshalbleitermoduls bietet deshalb ein Verringern eines Schaltverlusts eine größere Wirkung des Verringerns eines gesamten Wechselrichterverlusts. Ein Implementieren dieser Ausführungsform ermöglicht deshalb eine Verringerung der Größe, des Gewichts und der Kosten einer Leistungsumsetzungsvorrichtung zur Verwendung in Personenkraftwagen.
  • 5 stellt einen Schaltvorgang des Halbleiterelements genau dar. 5(A) zeigt die Gate/Emitter-Spannung Vge, 5(B) zeigt einen Gate-Strom Ig, 5(C) zeigt die Kollektor/Emitter-Spannung Vce, 5(D) zeigt den Kollektorstrom Ic, 5(E) zeigt das Ansteuerbefehlssignal P und 5(F) zeigt das Verzögerungssignal Q. In jeder Figur repräsentiert die horizontale Achse die Zeit. Gestrichelte Linien in 5(A) bis 5(C) geben einen Fall an, in dem diese Ausführungsform implementiert ist, d. h. einen Fall, in dem das Verzögerungssignal Q angelegt wird. 5(A) bis 5(F) stellen eine Einschaltoperation dar, die bezüglich des Schaltverhaltens ähnlich einer Ausschaltoperation ist.
  • Wenn das Ansteuerbefehlssignal P von der Befehlslogikeinheit 400 eingegeben wird, wie in 5(E) gezeigt ist, wird eine Spannung von der Stromausgabeschaltung 4 an den Gate-Anschluss G des IGBT 101 angelegt, was verursacht, dass der Gate-Strom Ig fließt, wie in 5(B) gezeigt ist. Dann erhöht sich die Gate/Emitter-Spannung Vge allmählich, wie in 5(A) gezeigt ist. Wenn die Gate/Emitter-Spannung Vge die Schwellenwertspannung Vth überschreitet, beginnt der Kollektorstrom Ic zu fließen, wie in 5(D) gezeigt ist, was verursacht, dass die Kollektor/Emitter-Spannung Vce fällt, wie in 5(C) gezeigt ist.
  • Wenn diese Ausführungsform nicht implementiert ist, d. h. in dem Fall, in dem das Verzögerungssignal Q nicht angelegt wird, beginnt die Kollektor/Emitter-SpannungVce vom Zeitpunkt α, zu dem der Kollektorstrom Ic den Ein-Strom Ion erreicht, abzunehmen, wie in 5(C) gezeigt ist, und gleichzeitig verbleibt die Gate/Emitter-Spannung Vge vom Zeitpunkt α bei einem konstanten Wert, wie in 5(A) gezeigt ist. Der Spiegelzeitraum setzt sich vom Zeitpunkt α zum Zeitpunkt β fort und dann wird die Einschaltoperation während dieses Zeitraums abgeschlossen.
  • In dieser Ausführungsform wird der Gate-Strom zwischen dem Zeitpunkt α und dem Zeitpunkt β, d. h. während des Spiegelzeitraums, erhöht. Speziell erhöht die Stromerhöhungsschaltung 5 den Gate-Strom auf der Grundlage des Verzögerungssignals Q, das nach einem Verstreichen einer gegebenen Zeit seit einem Bezugszeitpunkt eines Ansteigens des Ansteuerbefehlssignals P (einer Einschaltoperation) oder eines Abfallens des Ansteuerbefehlssignals P (einer Ausschaltoperation) ausgegeben wird. 5(F) zeigt ein Beispiel, in dem das Verzögerungssignal Q zu dem Zeitpunkt α ausgegeben wird, zu dem die gegebene Zeit vom Bezugszeitpunkt eines Ansteigens des Ansteuerbefehlssignals P (einer Einschaltoperation) verstrichen ist. Wie durch eine gestrichelte Linie in 5(A) angegeben ist, nimmt die Gate/Emitter-Spannung Vge während des Spiegelzeitraums zu. Zusätzlich nimmt, wie durch eine gestrichelte Linie in 5(B) angegeben ist, der Gate-Strom Ig während des Spiegelzeitraums zu. In dieser Ausführungsform besitzt, weil die Stromerhöhungsschaltung 5 den Gate-Strom zum IGBT 101 während des Spiegelzeitraums erhöht, die Wellenform des Gate-Stroms Ig zwei Scheitelpunkte, wie durch die gestrichelte Linie in 5(B) angegeben ist. Wie in 5(D) gezeigt ist, ändert sich der Kollektorstrom Ic nicht, wenn der Gate-Strom Ig im Spiegelzeitraum erhöht wird.
  • 6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Schaltverlust und einer Betriebsbedingung zeigt. Die vertikale Achse repräsentiert den Schaltverlust und die horizontale Achse repräsentiert die Betriebsbedingung. In 6 gibt eine gestrichelte Linie einen Fall an, in dem diese Ausführungsform implementiert ist. Wie in 6 gezeigt ist, nimmt dann, wenn die Betriebsbedingung wie z. B. die Temperatur des Halbleiterelements, ein Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, oder eine Spannung, die an das Halbleiterelement angelegt ist, zunimmt, der Schaltverlust im Verhältnis zur Zunahme der Betriebsbedingung im Wesentlichen zu. Eine Zunahme des Schaltverlusts wird allerdings sanfter, wenn diese Ausführungsform implementiert ist. In dieser Ausführungsform kann, weil der Gate-Strom zum optimalen Zeitpunkt erhöht wird, eine Verringerung des Schaltverlusts für jeden Strom, jede Temperatur oder jede Spannung maximiert werden. In diesem Fall ist, wie oben beschrieben ist, di/dt im Einschaltmodus gleich einem herkömmlichen Fall. Der Schaltverlust kann deshalb über den gesamten Bereich des Stroms, der Temperatur und der Spannung des IGBT verringert werden, ohne das Strahlungsrauschen zu erhöhen.
  • 7 stellt eine Schaltungskonfiguration der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 dar. Dieselben Komponenten wie die, die in 2 gezeigt sind, werden durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und sind in der weiteren Beschreibung ausgelassen.
  • Die Stromausgabeschaltung 4 enthält einen MOSFET des P-Typs (P1), einen MOSFET des N-Typs (N1), einen ein-seitigen Gate-Widerstand (R1), einen aus-seitigen Gate-Widerstand (r1), eine positivseitige Spannungsquelle 11, eine negativseitige Spannungsquelle 12 und einen Vortreiber 13. Ein Source-Anschluss von P1 ist mit der positivseitigen Spannungsquelle 11 verbunden und ein Gate-Anschluss von P1 ist mit einem Ausgangsabschnitt des Vortreibers 13 verbunden. Ein Source-Anschluss von N1 ist mit der negativseitigen Spannungsquelle 12 verbunden und ein Gate-Anschluss von N1 ist mit dem Ausgangsabschnitt des Vortreibers 13 verbunden. Ein Drain-Anschluss von P1 ist mit dem Gate-Anschluss G des IGBT 101 über P1 verbunden, während ein Drain-Anschluss von N1 über r1 mit dem Gate-Anschluss G verbunden ist. Der Eingangsabschnitt des Vortreibers 13 ist mit einem Ausgangsabschnitt der Befehlslogikeinheit 400 verbunden.
  • Die Stromerhöhungsschaltung 5 enthält einen MOSFET des P-Typs (P2), einen MOSFET des N-Typs (N2), einen ein-seitigen Gate-Widerstand (R2), einen aus-seitigen Gate-Widerstand (r2), eine positivseitige Spannungsquelle 11 und eine negativseitige Spannungsquelle 12. Ein Source-Anschluss von P2 ist mit der positivseitigen Spannungsquelle 11 verbunden und ein Gate-Anschluss von P2 ist mit einer Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a der Zeitsteuereinheit 3 verbunden. Ein Source-Anschluss von N2 ist mit der negativseitigen Spannungsquelle 12 verbunden und ein Gate-Anschluss von N2 ist mit der Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a der Zeitsteuereinheit 3 verbunden. Ein Drain-Anschluss von P2 ist über R2 mit dem Gate-Anschluss G des IGBT 101 verbunden, während ein Drain-Anschluss von N2 über r2 mit dem Gate-Anschluss G verbunden ist.
  • In einem Zeitraum, in dem das Ansteuerbefehlssignal P von der Befehlslogikeinheit 400 in den Vortreiber 13 eingegeben wird, schaltet der Vortreiber 13 P1 und N1 ein bzw. aus und verursacht somit, dass ein Strom von der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 zum Gate-Anschluss G des IGBT 101 fließt und den IGBT 101 einschaltet. In einem Zeitraum, in dem kein Ansteuerbefehlssignal P von der Befehlslogikeinheit 400 in den Vortreiber 13 eingegeben wird, schaltet der Vortreiber 13 P1 und N1 aus bzw. ein und verursacht somit, dass ein Strom von der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 zum Gate-Anschluss G des IGBT 101 fließt und den IGBT 101 ausschaltet. Es ist festzuhalten, dass die negativseitige Spannungsquelle 12 nicht immer eine negative Spannung anlegt und eine Spannung von z. B. 0 V anlegen kann.
  • Im Einschaltmodus wird in Reaktion auf das Verzögerungssignal Qp P2 der Stromerhöhungsschaltung 5 um eine Verzögerung D später als P1 der Stromausgabeschaltung 4 eingeschaltet, was ermöglicht, dass der Gate-Strom während der Einschaltoperation erhöht wird. Dieser Prozess wird später beschrieben. Zum jetzigen Zeitpunkt kann durch Einstellen von R1 > R2 der Gate-Strom wirksam erhöht werden. Ein Einstellen von R2 = 0 Ω maximiert insbesondere eine Wirkung des Verringerns des Einschaltschaltverlusts Eon.
  • Ähnlich schaltet im Ausschaltmodus N2 der Stromerhöhungsschaltung 5 in Reaktion auf das Verzögerungssignal Qn um eine Verzögerung d später ein als N1 der Stromausgabeschaltung 4, was ermöglicht, dass der Gate-Strom während der Ausschaltoperation erhöht wird. Zum jetzigen Zeitpunkt kann durch Einstellen von r1 > r2 der Gate-Strom wirksam erhöht werden. Ein Einstellen von r2 = 0 Ω maximiert insbesondere eine Wirkung des Verringerns eines Ausschaltschaltverlusts (Eoff).
  • Auf diese Weise kann durch Verursachen, dass die Stromerhöhungsschaltung 5 mit einer geeigneten Zeitverzögerung, d. h. Verzögerung (D, d) arbeitet, nachdem die Stromausgabeschaltung 4 einen Strom ausgegeben hat, der Schaltverlust in einer Weise, die in 6 gezeigt ist, verringert werden.
  • Die Temperaturdetektionsschaltung 1 enthält einen Komparator 8, eine Sägezahnschwingungserzeugungsschaltung 9 und eine Konstantstromquelle 10. Das Temperaturdetektionselement 6 ist eine Diode, die aus Polysilizium oder dergleichen hergestellt ist und an demselben Halbleiterchip gekapselt ist, an dem der IGBT 101 montiert ist. Ein konstanter Stromfluss in diese Diode verursacht einen Spannungsabfall (VF), der von der Temperatur abhängt. Unter Verwendung dieses Phänomens wird die Temperatur T des IGBT 101 detektiert. Die Diode, die an dem Chip montiert ist, der den IGBT 101 trägt, ist hinsichtlich der Temperaturdetektionsgenauigkeit und der Reaktionsgeschwindigkeit einem Thermistor überlegen, der im Allgemeinen an einem Ort angeordnet sein muss, der etwas vom IGBT-tragenden Chip entfernt ist. Ein Ausgangsabschnitt der Konstantstromquelle 10 ist mit einer Anode der Temperaturdetektionsdiode 6 und mit einem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Komparators 8 verbunden und eine Ausgabeeinheit der Sägezahnschwingungserzeugungsschaltung 9 ist mit einem invertierenden Eingangsanschluss des Komparators 8 verbunden.
  • Die Stromdetektionsschaltung 2 enthält einen Komparator 21 und eine Sägezahnschwingungserzeugungsschaltung 22. Das Stromdetektionselement 7 ist ein Erfassungs-IGBT, der ein Erfassungselement ist, das an demselben Halbleiterchip gekapselt ist, an dem der IGBT 101 montiert ist. Ein Emitter des Erfassungs-IGBTs ist mit einem Masseknoten mittels eines Nebenschlusswiderstands 15 verbunden. Der Erfassungs-IGBT führt einen Erfassungsstrom (α * I), der durch Multiplizieren des Stroms I, der durch den IGBT 101 fließt, mit einem Erfassungsverhältnis α gegeben ist, und detektiert den Strom I, der durch den IGBT 101 fließt, bezüglich eines Spannungsabfalls (R * α * I), der bei dem Nebenschlusswiderstand 15 mit einem Widerstandswert R auftritt. Ein nicht invertierender Eingangsanschluss des Komparators 21 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des Erfassungs-IGBTs 7 und dem Nebenschlusswiderstand 15 verbunden und ein invertierender Eingangsanschluss des Komparators 21 ist mit einem Ausgangsabschnitt der Sägezahnschwingungserzeugungsschaltung 22 verbunden.
  • In der Temperaturdetektionsschaltung 1 werden ein Spannungsabfall (VF) an der Temperaturdetektionsdiode 6 und eine Sägezahnschwingung von der Sägezahnschwingungserzeugungsschaltung 9 hinsichtlich des Spannungspegels durch den Komparator 8 verglichen. Als Ergebnis wird die Temperatur T des IGBT 101 in ein Pulszeitsignal einer Rechteckschwingung umgewandelt und dann in die Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a der Zeitsteuereinheit 3 eingegeben. Ähnlich werden in der Stromdetektionsschaltung 2 ein Spannungsabfall (R * α * I), der am Nebenschlusswiderstand 15 auftritt, und eine Sägezahnschwingung von der Sägezahnschwingungserzeugungsschaltung 22 hinsichtlich des Spannungspegels durch den Komparator 21 verglichen. Als Ergebnis wird der Strom I, der durch den IGBT 101 fließt, in ein Pulszeitsignal einer Rechteckschwingung umgewandelt und in die Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a der Zeitsteuereinheit 3 eingegeben. In der Konfiguration von 7 ist die Breite der Pulszeitsignale, die die Temperatur T bzw. den Strom I, die Erfassungsinformationen sind, die in die Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a eingegeben werden, repräsentieren, umso größer, je höher die Temperatur T des IGBT 101 ist und je größer der Strom I, der durch den IGBT 101 fließt, ist.
  • Die Zeitsteuereinheit 3 enthält die Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a und eine Flankendetektionsschaltung 3b. Ein Eingangsabschnitt der Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a ist mit jeweiligen Ausgangsabschnitten der Temperaturdetektionsschaltung 1, der Stromdetektionsschaltung 2 und der Flankendetektionsschaltung 3b verbunden. Die Verzögerungssignale Qp und Qn, die von der Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a ausgegeben werden, werden an einen Gate-Anschluss des MOSFET des P-Typs (P2) bzw. einen Gate-Anschluss des MOSFET des N-Typs (N2) in der Stromerhöhungsschaltung 5 angelegt. In einen Eingangsabschnitt der Flankendetektionsschaltung 3b wird das Ansteuerbefehlssignal P eingegeben, wobei das Ansteuerbefehlssignal P von der Befehlslogikeinheit 400 ausgegeben wird. Mit der Zeitsteuereinheit 3 ist eine Verzögerungssteuereinheit 14 mittels eines digitalen Eingangsanschlusses 16 verbunden.
  • 8 stellt Eingangssignale in die Stromerhöhungsschaltung 5 der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 dar. 8(A) zeigt das Ansteuerbefehlssignal P, 8(B) zeigt das Verzögerungssignal Qp und 8(C) zeigt das Verzögerungssignal Qn.
  • Die Flankendetektionsschaltung 3b, die in 7 gezeigt ist, detektiert eine ansteigende Flanke (↑) und eine fallende Flanke (↓) des Ansteuerbefehlssignals P, das in 8(A) gezeigt ist, in welchem Fall das Ansteuerbefehlssignal P von der Befehlslogikeinheit 400 zur Flankendetektionsschaltung 3b ausgegeben wird, und sendet ein Detektionssignal zur Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a.
  • Wenn der IGBT 101 im Einschaltmodus ist, gibt die Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a nach dem Empfangen eines Detektionssignals einer ansteigenden Flanke ein Pulssignal (ein Verzögerungssignal Qp) einer Zeit Tp mit der Verzögerung D zum Gate-Anschluss des MOSFET des P-Typs (P2) der Stromerhöhungsschaltung 5 aus, wodurch P2 eingeschaltet wird, wie in 8(B) gezeigt ist. Die Verzögerung D wird derart eingestellt, dass der Zeitpunkt des Erhöhens des Gate-Stroms (d. h. das Einschalten von P2) im Spiegelzeitraum (T), der in 3 gezeigt ist, liegt. Die Zeit Tp wird als ein geeigneter fester Wert derart eingestellt, dass P2 vor dem Start einer Ausschaltoperation ausgeschaltet wird (D + Tp < Ton).
  • Wenn der IGBT 101 im Ausschaltmodus ist, gibt die Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a nach dem Empfangen eines Detektionssignals einer fallenden Flanke ein Pulssignal (ein Verzögerungssignal Qn) der Zeit Tn mit der Verzögerung d vom MOSFET des N-Typs (N2) der Stromerhöhungsschaltung 5 zum Gate-Anschluss aus und schaltet somit N2 ein, wie in 8(C) gezeigt ist. Die Verzögerung d wird derart eingestellt, dass der Zeitpunkt des Erhöhens des Gate-Stroms (d. h. das Einschalten von N2) in dem Spiegelzeitraum (T), der in 3 gezeigt ist, liegt. Die Zeit Tn wird als ein geeigneter fester Wert derart eingestellt, dass N2 vor dem Start der nächsten Einschaltoperation (d + Tn < Toff) ausgeschaltet wird.
  • Durch Steuern der Verzögerungen D und d auf diese Weise wird, wenn der IGBT 101 in dem Einschaltmodus oder dem Ausschaltmodus ist, der Gate-Strom zu einem geeigneten Zeitpunkt, der an den Spiegelzeitraum angepasst ist, erhöht. Dies ermöglicht eine wirksame Verringerung des Schaltverlusts.
  • Die Verzögerungssteuereinheit 14 stellt die optimalen Verzögerungen D und d in Übereinstimmung mit der Temperatur T und dem Strom I des IGBT 101 ein und speichert die eingestellten Verzögerungen D und d in der Zeitsteuereinheit 3. Als Ergebnis kann die Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a den Gate-Strom zu einem optimalen Zeitpunkt gemäß der aktuellen Betriebsbedingung (Temperatur T, Strom I) für den IGBT 101 autonom erhöhen und kann eine Verringerung des Schaltverlusts für jeden Strom oder jede Temperatur maximieren, wie in 6 gezeigt ist.
  • 9 ist ein Ablaufplan, der Prozesse der Verzögerungssteuereinheit 14 zeigt. Durch Ausführen der Prozesse, die in diesem Ablaufplan gezeigt sind, werden die optimalen Verzögerungen D und d in Übereinstimmung mit der Temperatur T und dem Strom I des IGBT 101 derart eingestellt, dass selbst dann, wenn sich die Betriebsbedingung (die Temperatur T oder Strom I des IGBT 101) ändert, eine Verringerung eines Schaltverlusts immer maximiert werden kann. Speziell werden die Verzögerungen D und d derart eingestellt, dass ein Ansteigen des Verzögerungssignals Q zur Stromerhöhungsschaltung 5 mit dem Zeitpunkt α eines Starts des Spiegelzeitraums übereinstimmt, wie in 3 gezeigt ist.
  • Durch Ausführen der Prozesse, die in 9 gezeigt sind, bestimmt die Verzögerungssteuereinheit 14 den optimalen Betätigungszeitpunkt (die Verzögerung D und d) der Stromerhöhungsschaltung 5 in Übereinstimmung mit der Temperatur T und dem Strom I. Wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist, wird die Zeit vom Punkt der Eingabe des Ansteuerbefehlssignals P zum Punkt des Eintreffens des Spiegelzeitraums kürzer, wenn die Temperatur T höher wird. Dies deutet auf einen Bedarf des Verringerns der Verzögerung D hin. Allerdings ändert sich die Zeit zum Erreichen des Punkts des Eintreffens des Spiegelzeitraums aufgrund verschiedener Faktoren. Zum Beispiel erhöht, wenn ein integrierter Gate-Widerstand des IGBT 101 eine positive Temperaturabhängigkeit zeigt, die höhere Temperatur T den integrierten Gate-Widerstand, in welchem Falle der IGBT 101 viel Zeit benötigt, um einzuschalten. Dies könnte ein Fall sein, in dem die Zeit zum Erreichen des Punkts des Eintreffens des Spiegelzeitraums eher länger wird. Es ist deshalb wünschenswert, dass, wie unten beschrieben ist, die optimale Verzögerung durch Messen der Temperatur T und des Stroms I des IGBT 101 experimentell bestimmt wird. Es auch wünschenswert, dass die optimale Verzögerung für jeden IGBT 101 getrennt hergeleitet wird, d. h. jeder Zweig jeder Phase als einzelne Differenz (charakteristische Schwankung) zwischen IGBTs 101 berücksichtigt wird.
  • In Schritt S101 von 9 wird eine gegebene Betriebsbedingung (Temperatur T, Strom I) für den IGBT 101 eingestellt. In diesem Fall werden die Temperatur T und der Strom I zu einer Temperatur T1 bzw. einem Strom I1 als feste Betriebsbedingungen eingestellt.
  • Die Betriebsbedingung als die Temperatur T1 wird z. B. durch Legen der gesamten Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 (der Dreiphasenwechselrichterschaltung und der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500) in ein thermostatisches Bad, das zur Temperatur T1 eingestellt ist, eingestellt. Weil der Strom I1 proportional zu einer Zeit, während der der IGBT 101 eingeschaltet ist, um Strom durch ihn fließen zu lassen, d. h. einer Zeit, während der die Eingabe des Ansteuerbefehlssignals P in die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 aufrechterhalten wird, zunimmt (der Eingabezeit Ton in 8), wird die Betriebsbedingung als der Strom I1 durch Steuern der Eingabezeit Ton derart eingestellt, dass der Strom, der durch den IGBT 101 fließt, gleich dem Strom I1 gestaltet ist.
  • Anschließend wird in Schritt S102 von 9 der Zeitpunkt, zu dem die Stromerhöhungsschaltung 5 den Gate-Strom erhöht (die Verzögerungen D und d, die in 8 gezeigt sind), festgelegt. Speziell legt die Verzögerungssteuereinheit 14 zur Zeitsteuereinheit 3 D * 1 und d * 1 mittels des digitalen Eingangsanschlusses 16, der in 7 gezeigt ist, fest, wobei D * 1 und d * 1 als jeweilige Verzögerungen der Verzögerungssignale Qp und Qn, die in die Stromerhöhungsschaltung 5 eingegeben werden, festgelegt sind. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt die Stromerhöhungsschaltung 5 den Gate-Strom, der den festgelegten Verzögerungen (D * 1 und d * 1) folgt, zum Gate-Anschluss G des IGBT 101 aus.
  • Anschließend wird in Schritt 103 von 9 durch die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 verursacht, dass der IGBT 101 mit der festgelegten Verzögerung D * 1 schaltet, und werden der Schaltverlust (der Einschaltschaltverlust Eon) des IGBT 101 und eine Änderungsrate (di/dt) des Kollektorstroms Ic des IGBT 101 in diesem Schaltvorgang erhalten. Gleichermaßen wird im selben Schritt 103 durch die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 verursacht, dass der IGBT 101 mit der festgelegten Verzögerung d * 1 schaltet, und werden der Schaltverlust (der Ausschaltschaltverlust Eoff) des IGBT 101 und ein Spitzenwert (eine Aus-Stoßspannung der Kollektor/Emitter-SpannungVce des IGBT 101 in diesem Schaltvorgang erhalten.
  • In diesem Schritt 103 wird die Kollektor/Emitter-SpannungVce des IGBT 101 z. B. durch eine Hochspannungssonde, detektiert und in eine Messeinrichtung (z. B. ein digitales Oszilloskop), die eine Arithmetikfunktion besitzt, eingegeben. Daher wird der Spitzenwert der Kollektor/Emitter-Spannung Vce im Ausschaltmodus, d. h. die Aus-Stoßspannung Vsurge, erhalten. Der Kollektorstrom Ic des IGBT 101 wird z. B. durch eine Stromsonde, einen Stromtransformator oder dergleichen detektiert und in eine Messeinrichtung, die eine Berechnungsfunktion besitzt, eingegeben. Daher wird der Gradient des Kollektorstroms Ic, d. h. die Änderungsrate di/dt des Kollektorstroms Ic, erhalten. Die Messeinrichtung, die die Berechnungsfunktion besitzt, berechnet ein Zeitintegral eines Leistungswerts (ein Produkt von V und I) aus Wellenformen der Kollektor/Emitter-Spannung Vce und des Kollektorstroms Ic, die resultieren, wenn der IGBT 101 schaltet, wodurch der Einschaltschaltverlust (Eon) und der Ausschaltschaltverlust (Eoff) des IGBT 101 erhalten werden.
  • In dieser Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in dem der Schaltverlust, die Stromänderungsrate und die Aus-Stoßspannung unter Verwendung der Hochspannungssonde, der Messeinrichtung oder dergleichen experimentell erhalten werden. Diese Einrichtungen oder Einrichtungen, die entsprechende Funktionen besitzen, können in die Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 aufgenommen werden. In einem derartigen Fall kann durch regelmäßiges Ausführen der Prozesse von 9 unter Verwendung der Einrichtung, die in die Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 eingebaut ist, eine zeitabhängige Änderung des IGBT 101 unter Kontrolle gehalten werden.
  • Anschließend wird in Schritt 104 von 9 bestimmt; ob eine Verringerung eines Schaltverlusts (Eon und Eoff) maximiert ist. Dieser Schritt wird unten unter Bezugnahme auf 10 und 11 beschrieben.
  • 10 zeigt Graphen einer Beziehung zwischen dem Einschaltschaltverlust und der ein-seitigen Verzögerung D* und einer Beziehung zwischen der Änderungsrate des Kollektorstroms Ic und der ein-seitigen Verzögerung D*. 10 (A) ist ein Beispiel eines Graphen, der eine Beziehung zwischen dem Einschaltschaltverlust (Eon) des IGBT 101 und der ein-seitigen Verzögerung (D*), die in Schritt 102 von 9 zur Stromerhöhungsschaltung 5 festgelegt wird, zeigt. Die vertikale Achse repräsentiert den Einschaltschaltverlust und die horizontale Achse repräsentiert die Größe der ein-seitigen Verzögerung. 10 (B) ist ein Beispiel eines Graphen, der eine Beziehung zwischen der Änderungsrate di/dt von Strom, während der IGBT 101 im Einschaltmodus ist, und der ein-seitigen Verzögerung (D*) zeigt. Die vertikale Achse repräsentiert die Änderungsrate di/dt von Strom im Einschaltmodus und die horizontale Achse repräsentiert die Größe der ein-seitigen Verzögerung.
  • Wenn sich die Verzögerung D*, die den Zeitpunkt zum Erhöhen des Gate-Stroms zum IGBT 101 durch die Stromerhöhungsschaltung 5 bestimmt, ändert, ändert sich die Wirkung einer Verringerung eines Schaltverlusts und eines Rauschens (di/dt), die durch ein Schalten verursacht wird. Insbesondere kann, wenn die Verzögerung D* derart eingestellt ist, dass ein Ansteigen des Verzögerungssignals Q, das den Zeitpunkt des Ansteuerns der Stromerhöhungsschaltung 5 bestimmt, mit dem Zeitpunkt α eines Eintreffen des Spiegelzeitraums übereinstimmt, wie in 3 gezeigt ist, die Wirkung einer Verringerung eines Einschaltschaltverlusts maximiert werden, ohne di/dt zu erhöhen (d. h., wobei di/dt gleich wie im herkömmlichen Fall gehalten wird). Das Beispiel, das in 10 (B) gezeigt ist, zeigt, dass, wenn die Verzögerung kleiner als D * 3 eingestellt ist, die Änderungsrate di/dt in Einschaltmodus beginnt, zuzunehmen. Deshalb wird bestimmt, dass die optimale Verzögerung unter der Betriebsbedingung (T1, I1) D * 3 ist. Speziell führt beim Steuern des Einschaltens des Halbleiterelements durch das Ansteigen des Ansteuerbefehlssignals P die Zeitsteuereinheit 3 ein Steuern derart aus, dass das Verzögerungssignal Q zu einem Zeitpunkt, bevor ein Zunehmen der Änderungsrate di/dt des Stroms beginnt, und zu dem der Einschaltschaltverlust des Halbleiterelements minimiert ist, ausgegeben wird.
  • 11 zeigt Graphen einer Beziehung zwischen dem Ausschaltschaltverlust und der aus-seitigen Verzögerung (d*) und einer Beziehung zwischen der Stoßspannung Vsurge und der aus-seitigen Verzögerung (d*). 11(A) ist ein Beispiel eines Graphen, der eine Beziehung zwischen dem Ausschaltschaltverlust (Eoff) des IGBT 101 und der aus-seitigen Verzögerung (d*), die in Schritt 102 von 9 zur Stromerhöhungsschaltung 5 festgelegt wird, zeigt. Die vertikale Achse repräsentiert den Ausschaltschaltverlust und die horizontale Achse repräsentiert die Größe der aus-seitigen Verzögerung. 11(B) ist ein Beispiel eines Graphen, der eine Beziehung zwischen der Stoßspannung Vsurge, während der IGBT 101 sich im Ausschaltmodus befindet, und der aus-seitigen Verzögerung (d*) zeigt. Die vertikale Achse repräsentiert die Stoßspannung Vsurge im Ausschaltmodus und die horizontale Achse repräsentiert die Größe der aus-seitigen Verzögerung.
  • Wenn sich die Verzögerung d*, die den Zeitpunkt zum Erhöhen des Gate-Stroms zum IGBT 101 durch die Stromerhöhungsschaltung 5 bestimmt, ändert, ändert sich die Wirkung einer Verringerung eines Schaltverlusts und eines Rauschens (Vsurge), die durch ein Schalten verursacht wird. In Automobilanwendungen wird insbesondere dann, wenn die Stoßspannung Vsurge im Ausschaltmodus übermäßig groß ist, eine Verschlechterung einer Isolationsleistungsfähigkeit oder dergleichen des Elektromotors verursacht, wodurch eine Sorge um seine Zuverlässigkeit verursacht wird. Es ist deshalb wichtig, dass der Ausschaltschaltverlust Eoff dann, wenn die Stoßspannung Vsurge im Ausschaltmodus verringert wird, gleich oder kleiner als ein bestimmter Wert gehalten wird. Das Beispiel von 11 zeigt, dass, wenn die Verzögerung kleiner als d * 3 eingestellt ist, die Stoßspannung Vsurge im Ausschaltmodus beginnt, zuzunehmen. Es wird deshalb bestimmt, dass die optimale Verzögerung unter der Betriebsbedingung (T1, I1) d * 3 ist. Speziell führt beim Steuern des Ausschaltens des Halbleiterelements durch das Abfallen des Ansteuerbefehlssignals P die Zeitsteuereinheit 3 eine Steuerung derart aus, dass das Verzögerungssignal zu einem Zeitpunkt, bevor die Ausschaltstoßspannung Vsurge der Halbleitereinrichtung beginnt, zuzunehmen, und zu dem der Ausschaltschaltverlust Eoff des Halbleiterelements minimiert ist, ausgegeben wird.
  • In Schritt 104 von 9 wird auf der Grundlage der Graphen, die in 10 und 11 gezeigt sind, bestimmt, ob eine Verringerung des Einschaltschaltverlusts Eon und des Ausschaltschaltverlusts Eoff maximiert ist. Wenn die Verringerung nicht maximiert ist, kehrt der Prozessablauf zurück zu Schritt 102, in dem verschiedene Verzögerungen (D* und d*) festgelegt werden, und dann werden die Schritte 102 bis 104 wiederholt. Wenn in Schritt 104 bestimmt wird, dass die Verringerung des Einschaltschaltverlusts Eon und des Ausschaltschaltverlust Eoff maximiert ist, schreitet der Prozessablauf fort zu Schritt S105, in dem die Verzögerungen (D * 3 und d * 3, die in 10 und 11 gezeigt sind) unter den Betriebsbedingungen (T1, I1) als die optimalen Verzögerungen (D1 = D * 3, d1 = d * 3) eingestellt sind.
  • Wenn die optimalen Verzögerungen (D1, d1) für die Betriebsbedingungen (Temperatur T1, Strom I1) in Schritt S105 (9) eingestellt sind, werden die Schritte S101 bis S105 dann für verschiedene Betriebsbedingungen (Temperatur T2, Strom 12) wiederholt und werden optimale Verzögerungen (D2, d2) für die verschiedenen Betriebsbedingungen (Temperatur T2, Strom 12) eingestellt.
  • Auf diese Weise werden die Schritte S101 bis S105 wiederholt ausgeführt, während die Betriebsbedingungen eine Anzahl von Änderungen erfahren, die gleich der nötigen Anzahl von Datenabtastwerten (n) ist. Als Ergebnis werden am Ende eines Schritts S105 n optimale Verzögerungen (Dk, dk), die Betriebsbedingungen (Temperatur Tk, Strom Ik) entsprechen (k = 1 erhalten, 2, ..., n), erhalten. Zum Beispiel wird, wenn 5 verschiedene Temperaturen T und 5 verschiedene Ströme I als Varianten der Betriebsbedingung kombiniert werden, um einen Datensatz zu erstellen, ein Datensatz von 25 Datenabtastwerten erfasst.
  • Schließlich wird in Schritt S106 von 9 der IGBT 101 mit dem optimalen Verzögerungssatz in Übereinstimmung mit der Temperatur T und dem Strom I des IGBT angesteuert, was das Ansteuern mit geringem Verlust verwirklicht, das in 6 gezeigt ist. In Schritt S106 wird jede optimale Verzögerung (Dk, dk), die jeder Betriebsbedingung (Temperatur Tk, Strom Ik)
    (k = 1, 2, ..., ist n), die durch Ausführen der Schritte S101 bis 105 erhalten wird, entspricht, in eine Nachschlagtabelle der Verzögerungssteuereinheit 14 eingegeben. Die Nachschlagtabelle, die optimale Verzögerungseinträge auflistet, wird zu der Zeitsteuereinheit 3 gesendet, die die Nachschlagtabelle speichert. Danach bezieht sich die Zeitsteuereinheit 3 auf der Grundlage der Temperatur des Halbleiterelements oder des Stroms, der durch das Halbleiterelement fließt, und des Steuerzeitpunkts des Ausgebens der Verzögerungssignale Qp und Qn auf die Nachschlagtabelle.
  • Ein Programm, das durch den Ablaufplan von 9 angegeben ist, kann durch einen Computer (einen Mikrocomputer), der mit einer CPU, einem Arbeitsspeicher und dergleichen ausgestattet ist, ausgeführt werden. Das gesamte oder ein Teil des Programms, das durch den Ablaufplan von 9 angegeben ist, kann durch eine fest eingebaute Logikschaltung ausgeführt werden. Das Programm, das durch den Ablaufplan von 9 angegeben ist, kann als ein Programm vorgesehen sein, das im Voraus in einem Speichermedium der Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 gespeichert wird. Alternativ kann das Programm in einem unabhängigen Speichermedium gespeichert werden oder kann in das Speichermedium der Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 über eine Netzleitung geladen und dort gespeichert werden. Ferner kann das Programm ein computerlesbares Programm sein, das in verschiedenen Formen wie z. B. in Form eines Datensignals (einer Trägerschwingung) geliefert wird.
  • 12 stellt ein Beispiel der Nachschlagtabelle in der Zeitsteuereinheit 3 dar.
  • Eine Pulszeit (eine Temperatur) Dtk, die in 12 gezeigt ist, repräsentiert eine Pulszeit, die der Temperatur T des IGBT 101 entspricht, was Erfassungsinformationen sind, die in die Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a eingegeben werden. Eine Pulszeit (ein Strom) Dik repräsentiert eine Pulszeit, die dem Strom I des IGBT 101 entspricht, was Erfassungsinformationen sind, die in die Verzögerungssignalerzeugungseinheit 3a eingegeben werden. Wie in 12 gezeigt ist, werden in Entsprechung mit der Pulszeit (der Temperatur) Dtk und der Pulszeit (dem Strom) Dik eine ein-seitige optimale Verzögerung Dk und eine aus-seitige optimale Verzögerung dk als Verzögerungsinformationen eingestellt.
  • Die Zeitsteuereinheit 3 speichert Verzögerungsinformationen (eine ein-seitige optimale Verzögerung Dk, eine aus-seitige optimale Verzögerung dk) zum Erzeugen mehrerer Verzögerungssignale, die mehreren Temperaturen des Halbleiterelements bzw. mehreren Strömen, die durch das Halbleiterelement strömen, entsprechen und gibt auf der Grundlage von Verzögerungsinformationen zum Erzeugen eines Verzögerungssignals, das einer detektierten Temperatur des Halbleiterelements oder einem detektierten Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, entspricht, ein Verzögerungssignal aus.
  • Durch Speichern der Nachschlagtabelle von 12 in der Zeitsteuereinheit 3 der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 kann selbst dann, wenn sich die aktuellen Betriebsbedingungen (Temperatur T, Strom I) des IGBT 101, die durch die Temperaturdetektionsschaltung 1 und die Stromdetektionsschaltung 2 erfasst werden, ändern, wenn die Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 im Betrieb ist, der IGBT 101 derart angesteuert werden, dass eine Verringerung eines Schaltverlusts des IGBT 101 autonom maximiert wird.
  • Es ist festzuhalten, dass die Inhalte der Nachschlagtabelle, die im Voraus in der Zeitsteuereinheit 3 gespeichert ist, von außen durch softwarebasierte Mittel umgeschrieben werden können. Als ein derartiges softwarebasiertes Umschreibemittel kann ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) als die Zeitsteuereinheit 3 angewendet werden und kann die Verzögerungssteuereinheit 14, die als die Nachschlagtabelle eingestellt ist, mittels des digitalen Eingangsanschlusses 16 erstellt werden. Dies macht einen Hardware-Austausch wie z. B. den Austausch einer Komponente der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 während des Einstellens der Verzögerung (D*, d*), die zur Stromerhöhungsschaltung 5 festgelegt wird, unnötig. Deshalb kann ein Datensatz der optimalen Verzögerung (D und d), die jeder Betriebsbedingung (Temperatur T, Strom I) entspricht, effizient erhalten werden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform werden die Temperatur T und der Strom I des IGBT 101 als die Betriebsbedingungen berücksichtigt. Allerdings können die optimalen Verzögerungen (D und d) lediglich unter Berücksichtigung entweder der Temperatur T oder des Stroms I als die Betriebsbedingung eingestellt werden. Zusätzlich kann wenn nötig die Spannung V, die an den IGBT 101 angelegt wird, zusätzlich in den Betriebsbedingungen enthalten sein, um drei Betriebsbedingungen (Temperatur T, Strom I, Spannung V) zu berücksichtigen. In einem derartigen Fall werden die Betriebsbedingungen zu einem Satz der Temperatur T, des Stroms I und der Spannung V in Schritt S101 in 9 geändert und dieselben Prozesse, die oben beschrieben sind, werden auf der Grundlage der geänderten Betriebsbedingungen ausgeführt. Wenn ein Automobil in einem normalem Fahrmodus fährt, ist seine Batteriespannung V konstant und muss deshalb nicht berücksichtigt werden. Wenn die Spannung V des IGBT 101 durch eine Verstärkungssteuerung oder dergleichen veränderlich gestaltet ist, ist allerdings das Aufnehmen der Spannung V in die Betriebsbedingungen effektiv.
  • Es ist festzuhalten, dass diese Ausführungsform nicht notwendigerweise in allen Betriebsbereichen des Halbleiterelements implementiert sein muss. Speziell kann eine Umschaltsteuerung derart ausgeführt werden, dass diese Ausführungsform implementiert ist, um den Gate-Strom in einer Betriebsbereich des Halbleiterelements, in dem der Schaltverlust zunimmt, zu erhöhen, während der Gate-Strom in weiteren Betriebsbereichen nicht erhöht wird. Die Zeitsteuereinheit 3 gibt ein Verzögerungssignal aus, um den Gate-Strom in dem Betriebsbereich des Halbleiterelements, in dem der Schaltverlust zunimmt, zu erhöhen. Der Betriebsbereich des Halbleiterelements, in dem der Schaltverlust zunimmt, ist ein Betriebsbereich, in dem Leistung von der Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 benötigt wird.
  • Der Betriebsbereich des Halbleiterelements, in dem der Schaltverlust zunimmt, ist mindestens einer von Bereichen, die unten gezeigt sind: (1) ein Bereich, in dem die Temperatur T des IGBT hoch ist, (2) ein Bereich, in dem der Strom I, der durch den IGBT fließt, groß ist, (3) ein Bereich, in dem die Schaltfrequenz des IGBT hoch ist, und (4) ein Bereich, in dem die Spannung, die an den IGBT angelegt wird, groß ist. Zum Beispiel erhöhen die Beschleunigung oder die Energieregeneration eines Elektrofahrzeugs und der Start, die Beschleunigung oder die Energieregeneration eines Hybridfahrzeugs die Schaltfrequenz des IGBT und werden deshalb als einer von Betriebsbereichen betrachtet, in denen der Schaltverlust zunimmt. Es ist wünschenswert, dass in diesen Betriebsbereichen eine Gate-Stromsteuerung gemäß dieser Ausführungsform ausgeführt wird. Zusätzlich erhöht sich dann, wenn ein Halbleiter mit breiter Lücke wie z. B. ein MOSFET, der aus SiC hergestellt ist, als das Halbleiterelement verwendet wird, statt einen IGBT, der aus Si hergestellt ist, zu verwenden, die Schaltfrequenz weiter, wobei eine Wirkung der Implementierung dieser Ausführungsform größer ist.
  • Wie oben beschrieben ist, kann gemäß dieser Ausführungsform selbst dann, wenn sich die Betriebsbedingung (die Temperatur T, der Strom I, die Spannung V) für den IGBT ändert, die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 den IGBT 101 mit geringem Verlust und geringem Rauschen ansteuern. Mit anderen Worten kann eine Verringerung des Schaltverlusts Eon und Eoff des IGBT 101 autonom maximiert werden, ohne das Strahlungsrauschen di/dt und die Überspannung Vsurge zu erhöhen. Zum Beispiel verhindert diese Ausführungsform einen derartigen ungünstigen Fall, in dem ein übermäßiges Unterdrücken des Strahlungsrauschens di/dt und der Überspannung Vsurge zu einer Zunahme des Schaltverlusts Eon und Eoff führt, oder wobei ein Geben einer ersten Priorität zur Verringerung des Schaltverlusts Eon und Eoff in einem unzureichendem Unterdrücken des Strahlungsrauschens di/dt und der Überspannung Vsurge resultiert.
  • Die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 dieser Ausführungsform kann somit die Halbleitereinrichtung wie z. B. das Leistungshalbleitermodul, das die Schaltung, in der die IGBTs und die Freilaufdioden parallelgeschaltet sind, enthält, mit niedrigem Verlust und niedrigem Rauschen ansteuern. Daher arbeitet die Leistungsumsetzungsvorrichtung 200, die die Zweige, die die Dreiphasenwechselrichterschaltung bilden, enthält, mit weniger Verlust und weniger Rauschen.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • 13 stellt eine Schaltungskonfiguration einer Halbleiterelementansteuereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform dar. Dieselben Komponenten, die in der Schaltungskonfiguration der Halbleiterelementansteuereinrichtung der ersten Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, dargestellt sind, werden durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und sind in der weiteren Beschreibung ausgelassen.
  • Die Halbleiterelementansteuereinrichtung der zweiten Ausführungsform, die in 13 gezeigt ist, enthält zusätzlich eine Temperaturüberwachungseinheit 17, die zwischen einem Ausgangsabschnitt der Temperaturdetektionsschaltung 1 und einem Eingangsabschnitt der Zeitsteuereinheit 3 angeordnet ist. In der ersten Ausführungsform ist die Nachschlagtabelle, die in 12 gezeigt ist, in der Zeitsteuereinheit 3 gespeichert. In der zweiten Ausführungsform ist andererseits eine Nachschlagtabelle, die in 15, die später beschrieben wird, gezeigt ist, in der Zeitsteuereinheit 3 gespeichert. Sonst weist die Halbleiterelementansteuereinrichtung der zweiten Ausführungsform dieselbe Konfiguration auf wie die Halbleiterelementansteuereinrichtung der ersten Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist,
  • 14 ist ein Graph, der ein Beispiel der Temperatur des IGBT 101, die durch die Temperaturüberwachungseinheit 17 überwacht wird, zeigt. Die Temperaturüberwachungseinheit 17, die in 13 gezeigt ist, besitzt eine Aufzeichnungsfunktion und zeichnet ein Protokoll zum Erfassen von Informationen über die Temperatur T des IGBT 101 auf, wobei die Erfassungsinformationen von der Temperaturdetektionsschaltung 1 ausgegeben werden. Wie in 14 angegeben ist, bestimmt die Temperaturüberwachungseinheit 17, ob die Temperatur T des IGBT 101 in einem Bereich zwischen einem oberen Grenzwert Tmax und einem unteren Grenzwert Tmin, die im Voraus festgelegt werden, bleibt.
  • Wenn die Temperatur T des IGBT 101 im Bereich zwischen Tmax und Tmin liegt, sendet die Temperaturüberwachungseinheit 17 ein normales Signal zur Zeitsteuereinheit 3. Wenn die Temperatur T des IGBT 101 aus dem Bereich zwischen Tmax und Tmin stammt, sendet die Temperaturüberwachungseinheit 17 ein Anomaliesignal zur Zeitsteuereinheit 3.
  • 15 stellt ein Beispiel einer Nachschlagtabelle gemäß dieser Ausführungsform dar, wobei die Nachschlagtabelle in der Zeitsteuereinheit 3 gespeichert ist. Diese Nachschlagtabelle ist von der Nachschlagtabelle gemäß der ersten Ausführungsform, die in 12 gezeigt ist, dahingehend verschieden, dass für jede Temperatur (Dtk) und jeden Strom (Dik) die Werte der ein-seitigen optimalen Verzögerung Dk und der aus-seitigen optimalen Verzögerung dk um ΔD bzw. Δd einheitlich geändert werden. ΔD und Δd sind feste Werte, die positiv oder negativ oder null sind. In dieser Ausführungsform setzt die Verzögerungssteuereinheit 14 Einträge in der Nachschlagtabelle, die in 15 gezeigt ist, durch die Prozesse, die unter Bezugnahme auf 9 beschrieben sind.
  • Wenn die Temperaturüberwachungseinheit 17 bestimmt, dass die Temperatur T des IGBT 101 im Bereich zwischen Tmax und Tmin verbleibt (Tmin < T < Tmax), gilt ΔD = 0 und Δd = 0, wie in 14 gezeigt ist, in welchem Fall der Betrieb der Zeitsteuereinheit 3 derselbe wie in der ersten Ausführungsform ist.
  • Wenn die Temperaturüberwachungseinheit 17 bestimmt, dass die Temperatur T des IGBT 101 über Tmax liegt (T > Tmax), gilt ΔD > 0 und Δd > 0, wie in 14 gezeigt ist, in welchem Fall die Temperaturüberwachungseinheit 17 ein erstes Anomaliesignal zur Zeitsteuereinheit 3 sendet. In Reaktion auf das erste Anomaliesignal verursacht die Zeitsteuereinheit 3, dass die Stromerhöhungsschaltung 5 zu Zeitpunkten um ΔD und Δd früher als im Falle der ersten Ausführungsform arbeitet. Als Ergebnis schaltet der IGBT 101 um ΔD früher ein und schaltet um Δd früher aus als im Falle der ersten Ausführungsform. Somit nimmt, wie in 10 und 11 gezeigt ist, der Schaltverlust Eon und Eoff ab und folglich fällt die Temperatur T des IGBT 101.
  • Wenn die Temperaturüberwachungseinheit 17 bestimmt, dass die Temperatur T des IGBT 101 unter Tmin liegt (T < Tmin), gilt ΔD < 0 und Δd < 0, wie in 14 gezeigt ist, in welchem Fall die Temperaturüberwachungseinheit 17 ein zweites Anomaliesignal zur Zeitsteuereinheit 3 sendet. In Reaktion auf das zweite Anomaliesignal verursacht die Zeitsteuereinheit 3, dass die Stromerhöhungsschaltung 5 zu Zeitpunkten arbeitet, die um ΔD und Δd später sind als im Fall der ersten Ausführungsform. Als Ergebnis schaltet der IGBT 101 um ΔD später ein und um Δd später aus als im Falle der ersten Ausführungsform. Somit nimmt, wie in 10 und 11 gezeigt ist, der Schaltverlust Eon und Eoff zu und steigt folglich die Temperatur T des IGBT 101.
  • Auf diese Weise wird durch Hinzufügen der Temperaturüberwachungseinheit 17 und Ändern der Inhalte der Nachschlagtabelle der Zeitpunkt einer Operation der Stromerhöhungsschaltung 5 in der Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 derart angepasst, dass die Temperatur T des IGBT 101 im Bereich zwischen Tmax und Tmin gehalten wird. Dies schafft eine Temperaturrückköpplungssteuerungsfunktion für die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500.
  • Auf diese Weise kann gemäß dieser Ausführungsform selbst dann, wenn der Wert der optimalen Verzögerung, der in Übereinstimmung mit der Betriebsbedingung (der Temperatur T, dem Strom I) gesetzt ist, aufgrund einer zeitabhängigen Änderung der Eigenschaften des IGBT 101, einer Alterungsverschlechterung eines Thermowiderstands um den IGBT 101 und dergleichen von einem anfänglichen Sollwert abweicht, die Temperatur des IGBT 101 in einem bestimmten Bereich gehalten werden, was einen Vorteil eines zuverlässigeren Ansteuerns und einer Schallsteuerung bietet.
  • [Dritte Ausführungsform]
  • 16 stellt eine Schaltungskonfiguration einer Halbleiterelementansteuereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform dar. Dieselben Komponenten, die in der Schaltungskonfiguration der Halbleiterelementansteuereinrichtung der zweiten Ausführungsform, die in 13 gezeigt ist, dargestellt sind, werden durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und sind in der weiteren Beschreibung ausgelassen.
  • Zwischen der Ein-Spannung (Von) des IGBT 101 und dem Strom Ic, der durch den IGBT 101 fließt, gilt eine Entsprechungsbeziehung. Auf der Grundlage dieser Tatsache verzichtet die dritte Ausführungsform auf den Erfassungs-IGBT, der als das Stromdetektionselement 7 in der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform verwendet wird, und detektiert stattdessen die Ein-Spannung (Von) des IGBT 101, wodurch ein Ström Ic indirekt detektiert wird. In dieser Ausführungsform wird die Spannung des IGBT 101, die in die Stromdetektionsschaltung 2 eingegeben wird, über Spannungsteilerwiderstände R11 und R12 verringert. Dies verhindert einen Fall, in dem eine hohe angelegte Spannung vom IGBT 101 als eine übermäßige Spannung, die die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 zerstört, an die Stromdetektionsschaltung 2 angelegt wird.
  • Obwohl diese Ausführungsform das Stromdetektionselement 7 (den Erfassungs-IGBT oder dergleichen), das am IGBT-Chip montiert ist, nicht besitzt, erreicht die Ausführungsform dieselben Funktionen wie die, die durch die erste - Ausführungsform und die zweite Ausführungsform erreicht werden. Diese Ausführungsform ist deshalb nicht durch einen bestimmten IGBT-Chip in der Funktion beschränkt. Zusätzlich macht, wie im Falle dieser Ausführungsform, ein indirektes Erhalten des Stroms ic ein Detektionselement wie z. B. einen Stromsensor unnötig, was zu einer Verringerung der Kosten der Leistungsumsetzungsvorrichtung 200 beiträgt. Ferner müssen die Zeitsteuereinheit 3, die Stromausgabeschaltung 4 und die Stromerhöhungsschaltung 5, die in 16 gezeigt sind, nicht als diskrete Komponenten getrennt vorgesehen sein, sondern können als gekapselte Komponenten vorgesehen sein, die in eine IC oder eine ASIC eingebaut sind. Dieser Lösungsversuch verringert die Kosten und die Anzahl von Komponenten weiter und bietet ebenfalls den Vorteil einer verbesserten Zuverlässigkeit.
  • Es ist festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern verschiedene Änderungen enthält. Zum Beispiel wurde jede der oben beschriebenen Ausführungsformen zum einfachen Verständnis der vorliegenden Erfindung genau beschrieben und ist nicht notwendigerweise auf eine Ausführungsform beschränkt, die alle Bestandteile enthält, die oben beschrieben sind. Zusätzlich können gewisse Bestandteile jeder Ausführungsform entfernt oder zu einer weiteren Ausführungsform hinzufügt oder durch Bestandteile davon ersetzt werden. Zum Beispiel ist jede oben beschriebene Ausführungsform nicht auf die Dreiphasenwechselrichterschaltung beschränkt und kann auch auf eine Leistungsumsetzungsvorrichtung, die ein Paar eines oberen und eines unteren Zweigs enthält, angewendet werden. Ein derartiges Paar eines oberen und eines unteren Zweigs kann derart konfiguriert sein, dass ein einzelner Zweig oder mehrere Zweige in einem Leistungshalbleitermodulgehäuse untergebracht sind und dass ein Elektrodenanschluss aus dem Gehäuse herausgeführt wird. Das Leistungshalbleitermodul kann die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 aufnehmen.
  • Das Halbleiterelement, das den Zweig bildet, ist nicht auf den IGBT beschränkt und kann ein Leistungs-MOSFET sein. In einem derartigen Fall kann eine parasitäre Diode (eine Inversdiode) des Leistungs-MOSFET als die Freilaufdiode verwendet werden. Als die Freilaufdiode können verschiedene Typen von Dioden verwendet werden, die eine pn-Übergangsdiode, eine Schottky-Sperrdiode und eine Diode, die einen pn-Übergang und einen Schottky-Übergang kombiniert, enthalten.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsformen bieten die folgenden Wirkungen.
    • (1) Die Halbleiterelementansteuereinrichtung 500 enthält Folgendes: die Stromausgabeschaltung 4, die auf der Grundlage des Ansteuerbefehlssignals P zum Steuern von ein/aus des Halbleiterelements den Gate-Strom zum Halbleiterelement (IGBT 101) ausgibt; die Stromerhöhungsschaltung 5, die den Gate-Strom auf der Grundlage des Verzögerungssignals Q, das nach dem Verstreichen einer gegebenen Zeit seit einem Bezugszeitpunkt des Ansteigens des Ansteuerbefehlssignals P oder des Abfallens des Ansteuerbefehlssignals P ausgegeben wird, erhöht; und die Zeitsteuereinheit 3, die den Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals Q steuert, das während des Spiegelzeitraums ausgegeben wird, der nach einem Zeitpunkt, zu dem ein Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, einen gegebenen Ein-Stromwert erreicht, und vor einem Zeitpunkt, zu dem eine Spannung zwischen beiden Enden des Halbleiterelements eine gegebene Ein-Spannung erreicht, liegt. Die Zeitsteuereinheit 3 steuert den Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals Q auf der Grundlage mindestens entweder einer Temperatur des Halbleiterelements oder eines Stroms, der durch das Halbleiterelement fließt. Daher können selbst dann, wenn sich die Temperatur des Halbleiterelements oder der Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, ändert, der Schaltverlust und das Rauschen ausreichend verringert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Temperaturdetektionsschaltung
    2
    Stromdetektionsschaltung
    3
    Zeitsteuereinheit
    3a
    Verzögerungssignalerzeugungseinheit
    3b
    Flankendetektionsschaltung
    4
    Stromausgabeschaltung
    5
    Stromerhöhungsschaltung
    6
    Temperaturdetektionselement
    7
    Stromdetektionselement
    8
    Komparator
    9
    Sägezahnschwingungserzeugungsschaltung
    10
    Konstantstromquelle
    11
    Positivseitige Spannungsquelle
    12
    Negativseitige Spannungsquelle
    13
    Vortreiber
    14
    Verzögerungssteuereinheit
    15
    Nebenschlusswiderstand
    16
    Digitaler Eingangsänschluss
    17
    Temperaturüberwachungseinheit
    P11, R12
    Spannungsteilerwiderstand
    P1, P2
    MOSFET des p-Typs
    N1, N2
    MOSFET des n-Typs
    R1, R2, r1, r2
    Gate-Widerstand
    100
    Batterie
    101
    IGBT
    102
    Freilaufdiode
    110
    Glättungskondensator
    200
    Leistungsumsetzungsvorrichtung
    300
    Elektromotor
    310
    Spule des Elektromotors
    400
    Befehlslogikeinheit
    500
    Halbleiterelementansteuereinrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2009/044602 A [0004]

Claims (15)

  1. Halbleiterelementansteuereinrichtung, die Folgendes umfasst: eine Stromausgabeschaltung, die auf der Grundlage eines Ansteuerbefehlssignals zum Steuern von ein/aus des Halbleiterelements einen Gate-Strom zu einem Halbleiterelement ausgibt; eine Stromerhöhungsschaitung, die auf der Grundlage eines Verzögerungssignals, das nach dem Verstreichen einer gegebenen Zeit seit einem Bezugszeitpunkt eines Ansteigens des Ansteuerbefehlssignals oder eines Abfallens des Ansteuerbefehlssignals ausgegeben wird, den Gate-Strom erhöht; und eine Zeitsteuereinheit, die den Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals steuert, das während eines Spiegelzeitraums, der nach einem Zeitpunkt, zu dem ein Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, einen gegebenen Ein-Stromwert erreicht, und vor einem Zeitpunkt, zu dem eine Spannung zwischen beiden Enden des Halbleiterelements eine gegebene Ein-Spannung erreicht liegt, ausgegeben wird, wobei die Zeitsteuereinheit den Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals auf der Grundlage mindestens entweder einer Temperatur des Halbleiterelements oder eines Stroms, der durch das Halbleiterelement fließt, steuert.
  2. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zeitpunktsteuereinheit das Verzögerungssignal unmittelbar ausgibt, nachdem ein Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, den Ein-Stromwert erreicht, und die Stromerhöhungsschaltung auf der Grundlage des Verzögerungssignals den Gate-Strom unmittelbar erhöht, nachdem der Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, den Ein-Stromwert erreicht hat.
  3. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei beim Steuern des Einschaltens des Halbleiterelements durch das Ansteigen des Ansteuerbefehlssignals die Zeitpunktsteuereinheit das Verzögerungssignal zu einem Zeitpunkt ausgibt, bevor eine Änderungsrate eines Stroms, der durch das Halbleiterelement fließt, beginnt, zuzunehmen, und zu dem der Einschaltschaltverlust des Halbleiterelements minimiert ist.
  4. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei beim Steuern des Ausschaltens des Halbleiterelements durch das Abfallen des Ansteuerbefehlssignals die Zeitpunktsteuereinheit das Verzögerungssignal zu einem Zeitpunkt ausgibt, bevor eine Ausschaltstoßspannung des Halbleiterelements beginnt, zuzunehmen, und zu dem der Ausschaltschaltverlust des Halbleiterelements minimiert ist.
  5. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zeitsteuereinheit den Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals auf der Grundlage einer Spannung steuert, die an das Halbleiterelement angelegt ist.
  6. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zeitpunktsteuereinheit das Verzögerungssignal in einem Betriebsbereich des Halbleiterelements ausgibt, in dem der Einschaltschaltverlust oder der Ausschaltschaltverlust zunimmt.
  7. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach Anspruch 6, wobei der Betriebsbereich mindestens einer von Bereichen ist, die unten gezeigt sind: ein Bereich, in dem eine Temperatur des Halbleiterelements hoch ist, ein Bereich, in dem ein Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, groß ist, ein Bereich, in dem eine Schaltfrequenz des Halbleiterelements hoch ist, und ein Bereich, in dem eine Spannung, die an das Halbleiterelement angelegt ist, groß ist.
  8. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zeitsteuereinheit Verzögerungsinformationen zum Erzeugen mehrerer Verzögerungssignale, die mehreren Temperaturen des Halbleiterelements bzw. mehreren Strömen, die durch das Halbleiterelement fließen, entsprechen, speichert und das Verzögerungssignal auf der Grundlage der Verzögerungsinformationen, die einer detektierten Temperatur des Halbleiterelements oder einem detektierten Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, entsprechen, ausgibt.
  9. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Verzögerungsinformationen, die in der Zeitsteuereinheit gespeichert sind, umschreibbar sind.
  10. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach Anspruch 8, die eine Temperaturüberwachungseinheit umfasst, die, wenn eine Temperatur des Halbleiterelements über einen voreingestellten oberen Grenzwert ansteigt, ein erstes Anomaliesignal zur Zeitsteuereinheit sendet und die, wenn eine Temperatur des Halbleiterelements unter einen voreingestellten unteren Grenzwert fällt, ein zweites Anomaliesignal zur Zeitsteuereinheit sendet, wobei die Zeitsteuereinheit in Reaktion auf das erste Anomaliesignal einen Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals, wobei der Zeitpunkt die Verzögerungsinformationen als Grundlage verwendet, um eine gegebene Zeit ΔD früher gestaltet, wenn das Halbleiterelement im eingeschalteten Modus ist, und den Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals um eine gegebene Zeit Δd früher gestaltet, wenn das Halbleiterelement im ausgeschalteten Modus ist, und die Zeitsteuereinheit in Reaktion auf das zweite Anomaliesignal einen Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals, wobei der Zeitpunkt die Verzögerungsinformationen als Grundlage verwendet, um die gegebene Zeit ΔD später gestaltet, wenn das Halbleiterelement im eingeschalteten Modus ist, und den Zeitpunkt des Ausgebens des Verzögerungssignals um die gegebene Zeit Δd später gestaltet, wenn das Halbleiterelement im ausgeschalteten Modus ist.
  11. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Temperatur des Halbleiterelements auf der Grundlage einer Messung durch .eine Temperaturdetektionsdiode, die an einem Halbleiterchip, an dem das Halbleiterelement montiert ist, gekapselt ist, oder einer Messung durch einen Thermistor oder einer Messung eines elektrischen charakteristischen Parameters des Halbleiterelements, wobei der Parameter sich abhängig von einer Temperatur des Halbleiterelements ändert, detektiert wird.
  12. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Strom, der durch das Halbleiterelement fließt, auf der Grundlage einer Messung durch ein Erfassungselement, das an einem Halbleiterchip, an dem das Halbleiterelement montiert ist, gekapselt ist, oder einer Messung durch eine Stromsonde oder einer Messung einer Ein-Spannung des Halbleiterelements detektiert wird.
  13. Halbleiterelementansteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Halbleiterelement ein spannungsgesteuertes Halbleiterelement ist, das einen IGBT, der aus Silizium hergestellt ist, oder einen MOSFET, der aus einem Halbleiter mit großer Lücke hergestellt ist, enthält.
  14. Leistungsumsetzungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: die Halbleiterelementansteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und ein Paar eines oberen und eines unteren Zweigs der Halbleiterelemente, die durch die Halbleiterelementansteuereinrichtung angesteuert werden.
  15. Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Halbleiterelement, das durch die Halbleiterelementansteuereinrichtung angesteuert wird, eine Dreiphasenwechselrichterschaltung bildet.
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