JP2013213819A - パワーｍｏｓｆｅｔの接合部温度の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＯＳＦＥＴを有する部品であって、ＭＯＳＦＥＴの接合部温度の測定を可能にし、可能な限り少ない追加の接続部とする。
【解決手段】自動車のステアリングサポートの駆動モータの制御のためのインバータのためのパワースイッチとしての部品が提供される。部品は、ゲート、ドレインおよびソースを有するＭＯＳＦＥＴ２と、アノードおよびカソードを有する第１のダイオード４と、を備えている。ダイオード４は、ＭＯＳＦＥＴ２の接合部温度の測定のために設けられている。ＭＯＳＦＥＴ２は、ＮチャネルタイプまたはＰチャネルタイプのものであり、かつ、ソースは、カソードにつながれている。
【選択図】図５

Description

本発明は、自動車のステアリングサポートの駆動モータの制御のためのインバータ（Wechselrichter）のためのパワースイッチ（Leitungsschalter）としての部品（Bauteil）に関する。また本発明は、自動車のためのパワーステアリング、および操縦システムに関する。

従来技術において、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）、および、ＭＯＳＦＥＴの接合部温度（ジャンクション温度）の測定のためのダイオードを有する部品が知られている。ダイオードは、アノード接続部およびカソード接続部を含み、これらは上記部品から引き出されて形成されている。

従来技術による上記部品は、ＭＯＳＦＥＴの接合部温度の測定を可能にするが、部品は、追加のセンサダイオードの少なくとも２つの接続部を含んでいる。２つの追加の接続部は、追加の配線を必要とし、このことは、製造の際の高いコスト、並びに、回路およびＭＯＳＦＥＴのダイ面（チップ面）におけるスペース需要を高くする。

従って、ＭＯＳＦＥＴを有する部品であって、ＭＯＳＦＥＴの接合部温度の測定を可能にし、可能な限り少ない追加の接続部が必要になる、あるいは、追加の配線が少なく保たれ得る、あるいは、回路およびＭＯＳＦＥＴのダイ面（チップ面）におけるスペース需要が著しく増大される必要がない、あるいは変更される必要がない、部品を提供することを課題とする。

本発明の第１の実施形態として、自動車のステアリングサポートの駆動モータの制御のためのインバータのためのパワースイッチとしての部品であって、ゲート、ドレインおよびソースを有するＭＯＳＦＥＴと、アノードおよびカソードを有する第１のダイオードと、を備え、前記ＭＯＳＦＥＴは、ＮチャネルタイプまたはＰチャネルタイプのものであり、かつ、前記ソースは、前記カソードにつながれている、部品が提供される。

有利には、本発明の部品によれば、部品の熱的な能力の最適な利用が生じ、また本発明の部品によれば、当該部品によってＭＯＳＦＥＴの上側の限界温度が確認される場合に、ステアリングサポートの出力低減（パワー低減）が行われ得る。これによって、インバータの懸案のＭＯＳＦＥＴの能力が完全に利用尽くされ得る。

本発明によれば、ＭＯＳＦＥＴのソースおよびダイオードのカソードは相互につながれており、これによって、チップから引き出される接続部の数が削減され得る。

本発明の第２の実施形態としては、自動車のためのパワーステアリングであって、操縦システムのステアリングラック（Zahnstange）への駆動モーメントの生成のための駆動モータと、前記駆動モータの制御のためのインバータと、を備え、前記インバータは、１つおよび／または６つの部品を有し、前記部品は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の部品からなる、パワーステアリングが提供される。

少なくとも１つの、本発明による部品を使用することにより、複雑な（または費用のかかる）外部配線がより少なく必要になるようにすることができ、このため、従来技術におけるパワーステアリングと比較して小さな設置スペースを必要とするパワーステアリングが提供され得る。

本発明の第３の実施形態としては、請求項５に係るパワーステアリングを備える操縦システムが提供される。

本発明の第４の実施形態としては、請求項１乃至４に係る部品のＭＯＳＦＥＴの接合部温度の測定のための方法が提供される。当該方法は、一定の順方向電流Ｉ_Ｆをダイオードに供給する工程と、ダイオードの順方向電圧Ｖ_Ｆを測定する工程と、を備えている。

本発明の第５の実施形態としては、請求項１乃至４に係る部品のＭＯＳＦＥＴの接合部温度の測定のための方法が提供される。当該方法は、ダイオードの順方向電圧Ｖ_Ｆを一定に保つ工程と、ダイオードの順方向電流Ｉ_Ｆを測定する工程と、を備えている。

本発明による部品においては、対応するＭＯＳＦＥＴの接合部温度を決定できるようにするため、センサダイオード／ダイオードが、基本的には２つの異なる方法で配線される。このことのため、ダイオードにおいては、通過方向において一定の電流が供給され、そしてダイオードの温度依存性の電圧が測定される。若しくは、ダイオードの通過電圧（Durchlassspannung）は一定に保たれており、そしてダイオード電流が測定され、これによって接合部温度が決定される。

模範的な形態が、従属項によって規定されている。

本発明の模範的な形態によれば、部品であって、第１のダイオードおよびＭＯＳＦＥＴが同一の半導体基板の上に配置されている、部品が提供される。

同一の半導体基板の上に配置されているダイオードおよびＭＯＳＦＥＴという構成によって、ＭＯＳＦＥＴの接合部に対する、ダイオードの非常に良好な熱的な接触が達成される。従って、直接的な温度測定が実施され得る。これによって、接合部温度に関する正確な情報が生じる。

本発明によるさらなる形態において、部品であって、第１のダイオードが、シリコンダイオード、抑制ダイオード（Suppressordiode）、ショットキーダイオード、ＰＩＮダイオードまたはツェナーダイオードとして構成されている、部品が提供される。

標準的なタイプのダイオードを使用することにより、例えば、シリコンダイオード、抑制ダイオード、ショットキーダイオード、ＰＩＮダイオードまたはツェナーダイオードを使用することにより、本発明による部品の、費用効率が高い構成が達成される。

本発明のさらなる実施例によれば、部品であって、当該部品は、第２のダイオード、および／または第３のダイオード、および／または第４のダイオード、および／または任意には第５のダイオードを有し、前記第１のダイオード、および／または前記第２のダイオード、および／または前記第３のダイオード、および／または前記第４のダイオード、および／または任意には前記第５のダイオードは、順に切り替えられており、および／または、ＭＯＳＦＥＴの接合部に熱的につなげられている（gekoppelt）、部品が提供される。

順に切り替えられている複数のダイオードを使用することにより、接合部の温度がより正確に測定され得る。なぜなら、対応する順方向電圧の温度依存性の現象が、数回にわたって利用され得るようになるからである。

本発明の思想として、ＭＯＳＦＥＴを有する部品であって、接合部温度の測定のためのダイオードを基板上に有している部品を提供する、ということが考えられ得る。ダイオードのカソードは、ここでは、内部においてＭＯＳＦＥＴのソースにつながれており、これによって、引き出されている接続部の数を削減することができる。このことにより、接合部温度の正確な測定が実施され得るだけでなく、部品の小さいチップ面も達成され得る。

個々の特徴は、当然に、互いに組み合わされ得るものであり、これによって、部分的に、有利な効果が現れ得る。そのような効果は、個々の効果の合計を超えるものである。

本発明のさらなる詳細および利点は、図に示された実施例に基づいて明らかになる。
図１は、パワーステアリングの駆動モータのための本発明による６つの部品を有するインバータの回路図。 図２は、ＮチャネルタイプのＭＯＳＦＥＴを有する本発明による部品の回路図。 図３は、様々な一定電流の際の、ダイオードの電圧特性図。 図４は、ＰチャネルタイプのＭＯＳＦＥＴを有する本発明による部品の回路図。 図５は、ＭＯＳＦＥＴの接合部温度の測定のための外部配線を有する本発明による部品を示す図。

図１は、パワーステアリングの駆動モータ９の制御のための、６つの本発明による部品１を有するインバータ回路（ＥＰＳ−インバータ）を示している。本発明による部品１は各々、接合部温度の測定のためのセンサダイオード／ダイオードを有している。接合部温度は、例えばＭＯＳＦＥＴ／パワーＭＯＳＦＥＴ／高性能ＭＯＳＦＥＴ（Leistungs-Mosfet）などの

にとって重要なものである。接合部温度は、少しの間でも制限を越えてはならず、あるいは、長く続けて制限を越えてはならない。さもなければ、部品に関する熱的な不測の事態が生じる恐れがあり、かつ、部品は、もはや正確には機能せず、あるいは、完全に停止する。ＥＰＳインバータの１つまたは複数のＭＯＳＦＥＴの停止は、自動車に関する操縦の遮断を結果としてもたらし得る。最新の各接合部温度の測定は、従って、ＥＰＳインバータに関する出力能力を完全に利用することができるようにし、かつ、操縦のさらなる遮断を排除することができるようにするために有利である。

図２は、ＮチャネルタイプのＭＯＳＦＥＴ２を有する、本発明による部品と、ドレイン接続部９と、ソース接続部１０と、ゲート接続部１３とを示している。上記部品はダイオード４を有しており、ダイオード４は、ＭＯＳＦＥＴ２の接続部に対して、非常に良好に熱的に接触されている。ダイオード４のカソードは、部品の内部で部品のソース接続部１０につながれており、これによって、有利には、従来技術における部品による２つの接続部の代わりに、部品からのたった１つのダイオード４の接続部が引き出される必要があるようになる。

図３は、ダイオードを通ることで低下する通過電圧／順方向電圧Ｕ_Ｆの複数の特性線の群を、温度（摂氏温度）に関して示している。ここでは、一定に維持された順方向電流というパラメータへの依存性により、平行に位置をずらされた複数の特性線が生じている。ＭＯＳＦＥＴ温度測定のために、順方向電圧の温度依存性の現象を有効に利用する。ＳＩダイオード（シリコンダイオード）の場合、例えば、順方向電圧の変化ΔＶ_Ｆが、約−２ｍＶ／Ｋの温度依存性であることが予想される。順方向電圧の温度依存性効果を利用することができるようにするため、順方向において一定の電流がダイオードに流れる必要がある。その際に、ＭＯＳＦＥＴの温度がダイオード電流自体によって発生する電力損失によって影響を及ぼされないようにするため、順方向における電流が十分に小さくなっていることに注意を払うべきである。図２および図４の実施形態においては、高度に正確な電流源を用いて一定のダイオード電流Ｉ_Ｆを生じさせることができ、かつ、引き出されているアノード接続部１４あるいは１５を介して供給することができる。

図４には、ＰチャネルタイプのＭＯＳＦＥＴ５を有する部品が示されている。ＭＯＳＦＥＴ５の接続部温度は、本発明によれば、図２の実施形態に類似のダイオード６の配置によって決定される。ここで、ダイオード６のカソードは、ＭＯＳＦＥＴ５のソース接続部１２につながれており、かつ、ダイオード６のアノード接続部１５は、部品から引き出されて形成されている。

図５は、引き出されたドレイン接続部、ソース接続部およびゲート接続部を有する図２の実施形態と同一のＭＯＳＦＥＴ２を備える、接合部温度の測定のための本発明による部品の配線を示している。部品は、回路基板上に実装されたダイオード４を有しており、ダイオード４のカソードは、ＭＯＳＦＥＴのソース接続部につながれている。ダイオード４は、熱的にはＭＯＳＦＥＴ２の接続部につなげられており、これによって、ＭＯＳＦＥＴ２の接続部温度の直接的な測定が可能になっている。この測定によって、ＭＯＳＦＥＴ２の熱的な臨界的な駆動状態を確認することができ、かつ、必要な場合には、対応策を、特にＭＯＳＦＥＴ２をシャットダウンするということを導入することができる。ＭＯＳＦＥＴ２の接続部温度の決定のため、電流Ｉ_Ｆが利用され、これによって、ダイオード４が順方向において駆動される。電流Ｉ_Ｆは、電流源７によって生成される。ダイオード４を通る電流Ｉ_Ｆによって、順方向電圧Ｖ_Ｆがダイオード４を通って降下する。順方向電圧Ｖ_Ｆは、Ｖ_Ｆ＝ｆ（Ｉ_Ｆ＝一定、Ｔ）の関係に基づく、温度依存性のものである。この電圧Ｖ_Ｆは、ダイオード４のアノードとＭＯＳＦＥＴ２のソース接続部との間で測定され得る／取り出され得る（abgegriffen）。電圧Ｖ_Ｆは、増幅回路８を用いたアナログ式の信号処理の後で、かつ、命令のためのさらなる処理のために後段のＡＤ変換器でデジタル化されて、提供される。

このようにして算出された温度情報は、例えば、熱的な過負荷が生じる前にＭＯＳＦＥＴを停止するために利用され得る。例えば、臨界的な接合部温度に達すると、車両のためのステアリングサポートが低減され、これによって、インバータ−ＭＯＳＦＥＴで発生する電力損失が削減される。さらなる応用の可能性として、直接的に測定されたＭＯＳＦＥＴ−接合部温度から、温度−電流モデルを導き出すことができ、これを用いて、現在のモータ位相電流を見積もることができる。このことは、位相電流測定のためのセンサを不要にすることができるという利点を有している。

一定電流Ｉ_Ｆの記憶のための補助回路、特に定電流源７、および、測定値の信号処理回路、特に増幅回路８、および、ＡＤ変換器は、個別の回路として構成されていてもよく、あるいは回路ブロックとしてパワーアンプドライバ（Endstufentreiber）に、あるいはＭＯＳＦＥＴ自体に組み入れられていてもよい。

ＭＯＳＦＥＴ−温度測定の利点は、ＭＯＳＦＥＴの接合部温度に直接的に関係する温度測定値の正確さから生じる。従って、複雑な熱的なモデルはもはや必要とはされない。例えば、ＮＴＣ（負の温度係数）のセンサ温度からＭＯＳＦＥＴ温度を導く必要がない。従って、パワーアンプ温度の決定のためのこのようなＮＴＣセンサを不要にし、またコストを削減することができる。

さらなる変形例として、電圧Ｖ_Ｆが一定に保たれ、電流Ｉ_Ｆが、接合部温度の依存性において測定される、ということも考えられる。但し、この変形例においては、順方向電流Ｉ_Ｆが非常に小さいということを考慮しなければならない。このようにして得られた電流Ｉ_Ｆは、電流ミラーを利用することで増大され、かつ、測定用シャント（Messshunt）において電圧として取り出される。測定用シャントでの電圧降下が、パワーＭＯＳＦＥＴ（eistungs-MOSfets）の接合部温度に対応する。

「含む」の概念は、さらなる構成要素あるいは方法の工程を排除するものではなく、同様に、「１つの」の概念は、複数の構成要素および工程を排除するものではない、ということを述べておく。

用いられている参照符号は、単に理解のしやすさを高くすることに役立つものであり、制限されたものとみなされることはあってはならない。本発明の保護範囲は、請求項に記載されている。

１ 部品
２ ＭＯＳＦＥＴ
３ フリーホイールダイオード
４ ダイオード
５ ＭＯＳＦＥＴ
６ ダイオード
７ 定電流源
８ 増幅回路
９ パワーステアリングの駆動モータ
１０ ソース接続部
１１ ドレイン接続部
１２ ソース接続部
１３ ゲート接続部
１４ アノード接続部
１５ アノード接続部

Claims (8)

1. 自動車のステアリングサポートの駆動モータの制御のためのインバータのためのパワースイッチとしての部品であって、
   ゲート、ドレインおよびソースを有するＭＯＳＦＥＴ（２）と、
   アノードおよびカソードを有し、ＭＯＳＦＥＴ（２）の接合部温度の測定のために設けられた第１のダイオード（４）と、を備え、
   前記ＭＯＳＦＥＴ（２）は、ＮチャネルタイプまたはＰチャネルタイプのものであり、かつ、前記ソースは、前記カソードにつながれていることを特徴とする、部品。
2. 前記第１のダイオード（４）および前記ＭＯＳＦＥＴ（２）は、同一の半導体基板の上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の部品。
3. 前記第１のダイオード（４）は、シリコンダイオード、抑制ダイオード、ショットキーダイオード、ＰＩＮダイオードまたはツェナーダイオードとして構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の部品。
4. 前記部品は、第２のダイオード、および／または第３のダイオード、および／または第４のダイオード、および／または任意には第５のダイオードを有し、
   前記第１のダイオード、および／または前記第２のダイオード、および／または前記第３のダイオード、および／または前記第４のダイオード、および／または任意には前記第５のダイオードは、順に切り替えられており、および／または、前記ＭＯＳＦＥＴ（２）の前記接合部に熱的につなげられていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の部品。
5. 自動車のためのパワーステアリングであって、
   操縦システムのステアリングラックへの駆動モーメントの生成のための駆動モータと、
   前記駆動モータの制御のためのインバータと、を備え、
   前記インバータは、１つおよび／または６つの部品を有し、
   前記部品は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の部品からなる、パワーステアリング。
6. 請求項５に記載のパワーステアリングを備える操縦システム。
7. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の部品のＭＯＳＦＥＴの接合部温度の測定のための方法であって、
   一定の順方向電流Ｉ_Ｆをダイオードに供給する工程と、
   ダイオードの順方向電圧Ｖ_Ｆを測定する工程と、を備える、方法。
8. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の部品のＭＯＳＦＥＴの接合部温度の測定のための方法であって、
   ダイオードの順方向電圧Ｖ_Ｆを一定に保つ工程と、
   ダイオードの順方向電流Ｉ_Ｆを測定する工程と、を備える、方法。

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