JP2016140151A - 電子機器と、その電子機器を車載する自動車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スイッチング素子とダイオードの並列回路を内蔵する半導体装置は、通電方向が双方向であって、接合層に正電流が流れるタイミングと逆電流が流れるタイミングが切り換わる。正電流EMが逆電流EMによって打ち消され、逆電流EMが正電流EMによって打ち消される。この現象を積極的に利用するとEMの進行を抑制できる。そのために正電流EMが過剰時には逆電流通電中の接合層の温度を高める。あるいはエンジン出力の調整によって逆電流が流れる頻度を増大させる。逆電流EMが過剰時には正電流通電中の接合層の温度を高める。あるいはエンジン出力の調整によって正電流が流れる頻度を増大させる。
【選択図】図4
Description
接合層に電流が流れると、接合層を形成しているイオンが移動する現象が生じる。本明細書では、これをエレクトロマイグレーション(Electro Migration)といい、EMと略称する。EMが進行すると、接合層に欠損が生じ、電子機器の動作が不安定となる。特許文献1に、EMの進行を抑える技術が開示されている。特許文献1の技術では、EMの進行を抑える金属層を追加する。
例えば、図1(1)に例示する半導体装置10では、IGBT12とダイオード14が並列に接続されており、高電位電極16と低電位電極18が半導体装置10の表面に露出している。高電位電極16は高電位接合層20を介して図示しない高電位電気伝導体に接合されており、低電位電極18は低電位接合層22を介して図示しない低電位電気伝導体に接合されている。半導体装置10は双方向であり、(a)に示すようにIGBT12を介して高電位電極16から低電位電極18に向かう電流が流れることもあれば、(b)に示すようにダイオ−ド14を介して低電位電極18から高電位電極16に向かう電流が流れることもある。過渡的状態等では、低電位電極18の電位が一時的に高電位電極16よりも高電位となって逆電流が流れることがある。本明細書では、高電位電極16から低電位電極18に向かう電流を正電流といい、過渡的状態等において低電位電極18から高電位電極16に向かう電流を逆電流という。図1(1)の半導体装置10の通電方向は双方向であり、時間の経過とともに正電流が流れる状態と逆電流が流れる状態が切り換わる。それに伴って、時間の経過とともに、接合層20,22に正電流が流れる状態と逆電流が流れる状態が切り換わる。
逆に、正電流EM進行指数<逆電流EM進行指数であれば、逆電流EMが過剰であるということができる。この場合、制御装置が、正電流EM進行指数の増大速度を高速化する条件を採用する。このために、逆電流によって生じた過剰なEMは、その後の正電流によって打ち消され、その後はEMのアンバランス量が減少していく。
上記の技術によって、接合層に実際に生じているEM(正電流EMと逆電流EMのアンバランス量=正電流EM進行指数と逆電流EM進行指数の差の絶対値)が大きな絶対値に発達するのを抑制することができる。
正電流によるEM進行指数が逆電流によるEM進行指数を上回るとは、前者から後者を減じた差が第1所定値以上に開くことを意味し、逆電流によるEM進行指数が正電流によるEM進行指数を上回るとは、前者から後者を減じた差が第1所定値以上に開くことを意味し、正電流によるEM進行指数と逆電流によるEM進行指数が均衡するとは前者と後者の差の絶対値が第2所定値以下に縮小することを意味する。第1所定値>第2所定値の関係にしておく。EMのアンバランス量の絶対値が第1所定値以上になるとアンバランスの解消処理を実行し、EMのアンバランス量の絶対値が第2所定値以下になるとアンバランスの解消処理を終了することになる。EMアンバランス量の大きさとは、正電流EM進行指数と逆電流EM進行指数の差(アンバランスEM進行指数)の絶対値をいう。EMのアンバランス量を打ち消すとは、差の絶対値を小さくすることをいう。
一方の半導体装置(本明細書でいう第1半導体装置10a)は、高電位配線(バッテリ2の電圧を昇圧した電圧が印加される配線)26に接続されている。他方の半導体装置(本明細書でいう第2半導体装置10b)は、低電位配線(バッテリ2の低電位端子に接続されている配線)6に接続されている。第1半導体装置10aと第2半導体装置10bは高電位配線26と低電位配線6の間で直列に接続され、第1半導体装置10aと第2半導体装置10bの接続点25はリアクトル24と配線4を介してバッテリ2の高電位端子に接続されている。なお参照番号28は、高電位配線26の電圧を平滑化するコンデンサであり、参照番号30はモータ34に供給する駆動電力に変換するインバータであり、参照番号32は電力変換器である。
接合層20aは第1半導体装置10aの高電位接合層であり、本明細書の高電位接合層に相当する。接合層22bは、第2半導体装置10bの低電位接合層であり、本明細書の低電位接合層に相当する。後記する図5に示すように、接合層22aと20bが、存在しない場合もある。
図3(1)は低電位接合層22bに正電流が流れる状態を示し、(2)は高電位接合層20aに逆電流が流れる状態を示している。力行時は、(1)の状態と(2)の状態が交互に切り替わる。
(3)は高電位接合層20aに正電流が流れる状態を示し、(4)は低電位接合層22bに逆電流が流れる状態を示している。回生時は、(3)の状態と(4)の状態が交互に切り替わる。
上記の電力変換器の場合、図3に示すように、力行時には、(1)低電位接合層に正電流が流れる状態と(2)高電位接合層に逆電流が流れる状態が交互に発生し、回生時には、(3)高電位接合層に正電流が流れる状態と(4)低電位接合層に逆電流が流れる状態が交互に発生する。
EMの原因となるイオンの移動方向は通電方向に依存して変化する。正電流EMが生じた後に逆電流EMが生じると、正電流EMが逆電流EMによって打ち消され、接合層に実際に生じているEMの進行指数は減少する。同様に、逆電流EMが生じた後に正電流EMが生じると、逆電流EMが正電流EMによって打ち消され、接合層に実際に生じているEMの進行指数は減少する。正電流EM進行指数と逆電流EM進行指数を同符号とすれば、両者の差(アンバランス量)が、接合層に実際に生じているEMの進行指数を示すことになる。
電動自動車の場合、高電位接合層よりも低電位接合層に大きなEMが発生することが多く、低電位接合層に生じるEMのアンバランス量を低いレベルに維持することができれば極めて有効である。
(特徴1)
電動自動車であり、電力変換器と電力変換器に接続されているモータを備えている。電力変換器は、昇圧機能と降圧機能を合わせもつ双方向コンバータを備えており、その双方向コンバータは、「スイッチング素子と、そのスイッチング素子に並列に接続されているダイオード」を直列に接続した回路を構成する半導体装置を備えている。
半導体装置の高電位電極が高電位接合層を介して高電位配線に接合されており、半導体装置の低電位電極が低電位接合層を介して低電位配線に接続されている。
高電位配線から低電位配線に流れる電流を正電流とし、低電位配線から高電位配線に流れる電流を逆電流としたときに、
力行時には、(1)低電位接合層に正電流が流れる状態と(2)高電位接合層に逆電流が流れる状態が交互に発生し、
回生時には、(3)高電位接合層に正電流が流れる状態と(4)低電位接合層に逆電流が流れる状態が交互に発生する。
(特徴2)
高電位接合層より低電位接合層に大きなEMのアンバランス量が発生する特徴1の電動自動車であり、図3(1)の正電流によって低電位接合層に生じるEMの進行指数と図3(4)の逆電流によって低電位接合層に生じるEMの進行指数を比較し、前者が後者を上回るときは回生現象発生中の接合層の温度を上昇させ、後者が前者を上回るときは力行現象発生中の接合層の温度を上昇させる制御装置を備えている。
(特徴3)
低電位接合層より高電位接合層に大きなEMのアンバランス量が発生する特徴1の電動自動車であり、図3(2)の逆電流によって高電位接合層に生じるEMの進行指数と図3(3)の正電流によって高電位接合層に生じるEMの進行指数を比較し、前者が後者を上回るときは回生現象発生中の接合層の温度を上昇させ、後者が前者を上回るときは力行現象発生中の接合層の温度を上昇させる制御装置を備えている。
(特徴4)低電位接合層と高電位接合層に生じるEMのアンバランス量の大小関係が予測できない特徴1の電動自動車であり、アンバランス量の絶対値が大きい方の接合層に着目してアンバランス量を打ち消す。低電位接合層に生じたEMアンバランス量の絶対値が高電位接合層に生じたEMアンバランス量の絶対値よりも大きい場合は、特徴2の技術を採用して低電位接合層に生じたアンバランス量を減少させ、高電位接合層に生じたEMアンバランス量の絶対値が低電位接合層に生じたEMアンバランス量の絶対値よりも大きい場合は、特徴3の技術を採用して高電位接合層に生じたアンバランス量を減少させる。
電力変換器と、電力変換器に接続されているモータと、エンジンと、モータとエンジンと駆動輪との間で動力の伝達配分を調整する動力配分機構を備えているハイブリッド自動車であり、
エンジン出力が不足する力行時には、(1)低電位接合層に正電流が流れる状態と(2)高電位接合層に逆電流が流れる状態が交互に発生し、
エンジン出力が過剰な回生時には、(3)高電位接合層に正電流が流れる状態と(4)低電位接合層に逆電流が流れる状態が交互に発生する。
(特徴6)
高電位接合層より低電位接合層に大きなEMのアンバランス量が発生するハイブリッド自動車であり、
図3(1)の正電流によって低電位接合層に生じるEMの進行指数と図3(4)の逆電流によって低電位接合層に生じるEMの進行指数を比較し、前者が後者を上回るときはエンジンの出力を増大して回生現象の出現頻度を高め、後者が前者を上回るときはエンジンの出力を減少して力行現象の出現頻度を高める制御装置を付加する。
(特徴7)
低電位接合層より高電位接合層に大きなEMのアンバランス量が発生するハイブリッド自動車であり、
図3(2)の逆電流によって高電位接合層に生じるEMの進行指数と、図3(3)の正電流によって高電位接合層に生じるEMの進行指数を比較し、前者が後者より大きいときはエンジン出力を増大して回生運転の出現頻度を高め、後者が前者より大きいときはエンジン出力を減少して力行運転の出現頻度を高める制御装置を備えている。
(特徴8)
低電位接合層と高電位接合層に生じるEMのアンバランス量の大小関係が予測できないハイブリッド自動車であり、アンバランス量の絶対値が大きい方の接合層に着目してアンバランス量を減少させる。低電位接合層に生じたEMアンバランス量の絶対値が高電位接合層に生じたEMアンバランス量の絶対値よりも大きい場合は、特徴6の技術を採用して低電位接合層に生じたアンバランス量を減少させ、高電位接合層に生じたEMアンバランス量の絶対値が低電位接合層に生じたEMアンバランス量の絶対値よりも大きい場合は、特徴7の技術を採用して高電位接合層に生じたアンバランス量を減少させる。
(特徴9)接合層温度を上昇させてEMアンバランス量を縮小している場合、あるいはエンジン出力の調整によって力行または回生の出現頻度を調整してEMアンバランス量を縮小している場合、縮小中のアンバランス量の絶対値が所定値にまで減少したときに、それまでの調整を中止する。
電力変換器32は、双方向コンバータ8と平滑コンデンサ28とインバータ30を備えている。力行時は、双方向コンバータ8が、バッテリ2の電圧を昇圧してインバータ30に昇圧された電圧を加える。インバータ30は直流を3相交流に変換してモータ34に加える。回生時は、駆動輪からモータ34に加えられる力によってモータ34が発電する。モータ34が発電した3相交流がインバータ30によって直流に変換され、双方向コンバータ8によって降圧され、降圧された電圧がバッテリ2を充電する。
半導体装置10は、スイッチング素子12と、スイッチング素子12に並列に接続されたダイオード14を備えている。スイッチング素子12は、高電位配線26側から低電位配線6側に向かう電流をスイッチングするものであり、低電位配線6側から高電位配線26側に向かう電流はスイッチング素子12を流れることができない。低電位配線6側から高電位配線26側に向かう電流はダイオード14を流れる。スイッチング素子12とダイオード14は、逆向きに並列接続されている。リアクトル24が存在するために、過渡的に低電位配線6側から高電位配線26側に向けて電流が流れることがある。
参照番号4は、バッテリ2の高電位電極に接続されている配線であり、参照番号6は低電位配線であり、参照番号26は高電位配線26である。
図3の(3)と(4)は、回生時(降圧時)に流れる電流経路を示し、(3)では高電位接合層20aと高電位側中間接合層22aに正電流が流れ、(4)では低電位接合層22bと低電位側中間接合層20bに逆電流が流れる。
図4は、EMのアンバランス量の大きさが過大なレベルに発達するのを防止するための制御手順を示している。
ステップS2では、高電位接合層20aに生じるEMのアンバランス量の大きさを示す指数ΔEM1と、低電位接合層22bに生じるEMのアンバランス量の大きさ示す指数ΔEM2を算出する。
図8に模式的に示すように、接合層に生じるEMの単位時間当たりの進行量(=進行速度、縦軸)は、接合層を単位時間当たりに通過した電荷量(=電流値、横軸)とともに増大する。また、電流値が同じであっても、通電時の接合層温度に依存して進行速度は変化し、高温(T2)であれば進行速度が大きく、低温(T1)であれば進行速度は小さくなる。実施例の電動自動車は、通電電流値とその時の接合層温度を示すデータを経時的に収集しており、EMの進行指数を算出する機能を備えている。例えば横軸に電流値をとり、縦軸に接合層温度をとった2次元マップに、EMの進行速度を示す値を記憶しておく。このマップは、電流値と温度とEMの進行速度を実測して用意しておくことができる。単位時間ごとに、電流値と温度に対応する進行速度EM(i,T)を読みだして積算することで、EMの進行指数を算出することができる。EMのアンバランス量の大きさを示す進行指数ΔEMは、正電流によるEMの進行指数と逆電流によるEMの進行指数の双方が正の値を持つものとして算出し、両者の差を算出することで算出される。正電流によるEMが逆電流によるEMより優越していれば、ΔEMは正の値となる。
ステップS6では、絶対値が大きい方のΔEM(正負の符号付き)をΔEM(符号付)とする。
ステップS8では、MAXΔEMを許容値C1と比較する。許容値C1は、EMのアンバランス量に関する許容値を示し、MAXΔEM<C1であれば、EMのアンバランス量を減少させるための制御が不要な場合に相当する。MAXΔEM<C1であれば(ステップS8でNoであれば)、ステップS9以降の処理に進まない。
図4の処理手順は簡単化される。一方の接合層に着目し、力行過剰か回生過剰かを判別し、それによってステップS12又はステップS14を選択する処理とすることができる。また、図1(3)あるいは図5に示すよう、双方向コンバータが1個の半導体装置で構成され、高電位側中間接合層22aと低電位側中間接合層20bが存在しない場合にも有効である。
ハイブリッド自動車の場合は、過去に生じたEMが力行によるものであれば、その後は回生運転の出現頻度を高めることでEMのアンバランス量を縮小することが可能であり、過去に生じたEMが回生によるものであれば、その後は力行運転の出現頻度を高めることでEMのアンバランス量を縮小することが可能である。
4:配線(バッテリの高電位配線)
6:低電位配線
8:双方向コンバータ
10:半導体装置
12:スイッチング素子
14:ダイオード
16:高電位電極
18:低電位電極
20a:高電位接合層
22a:高電位側中間接合層
20b:低電位側中間接合層
22b:低電位接合層
24:リアクトル
24:第1半導体装置10aと第2半導体装置10bの接続点
26:高電位配線
28:平滑コンデンサ
30:インバータ
32:電力変換器
34:モータ
36:リアトル側電極
38:リアクトル接合層
40:動力配分機構
42:エンジン
44:駆動輪
46:エンジン出力調整装置
48:半導体装置・冷却液の熱交換装置
50:冷却液の冷却用熱交換装置
52:冷却液ポンプ
54:温度センサ
56:冷却液ポンプ制御装置
58:EM指数算出装置兼制御装置
Claims (7)
- 半導体装置の表面に露出している電極が接合層を介して電気伝導体に接合されており、前記半導体装置の通電方向が双方向であって、時間の経過とともに前記接合層に正電流が流れる状態と逆電流が流れる状態が切り換わる電子機器であり、
前記正電流によって前記接合層に生じたエレクトロマイグレーション(EM)の進行指数(正電流EM進行指数)と前記逆電流によって前記接合層に生じたEMの進行指数(逆電流EM進行指数)の差(アンバランスEM進行指数)を算出する手段と、
前記正電流EM進行指数が前記逆電流EM進行指数を上回ったとき(正電流EM過剰時)に前記逆電流EM進行指数の増大速度を高速化する条件を採用し、前記逆電流EM進行指数が前記正電流EM進行指数を上回ったとき(逆電流EM過剰時)に前記正電流EM進行指数の増大速度を高速化する条件を採用する制御装置と、
を備えている電子機器。 - 前記制御装置が、前記正電流EM過剰時に前記逆電流が流れるときの前記接合層温度を上昇させ、前記逆電流EM過剰時に前記正電流が流れるときの前記接合層温度を上昇させることを特徴とする請求項1に記載の電子機器。
- 前記制御装置が、前記正電流EM過剰時に前記逆電流が流れる機会を増大させ、前記逆電流EM過剰時に前記正電流が流れる機会を増大させることを特徴とする請求項1または2に記載の電子機器。
- 前記正電流EM進行指数と前記逆電流EMの進行指数が均衡したときに前記増大速度を高速化する条件の採用を停止することを特徴とする請求項1〜3のいずれかの1項に記載の電子機器。
- 請求項1〜4のいずれかの1項に記載の電子機器を車載している電動自動車。
- 電力変換器と、電力変換器に接続されているモータを備えている電動自動車であり、
前記電力変換器が、昇圧機能と降圧機能を合わせもつコンバータを備えており、
前記コンバータが、「スイッチング素子と、そのスイッチング素子に並列に接続されているダイオード」を直列に接続した回路を構成する半導体装置を備えており、
前記半導体装置の高電位電極が高電位接合層を介して高電位配線に接合されており、
前記半導体装置の低電位電極が低電位接合層を介して低電位配線に接続されており、
前記電動自動車が、
前記高電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数と前記低電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数を算出する手段を備えており、
前記高電位配線から前記低電位配線に流れる電流を正電流とし、
前記低電位配線から前記高電位配線に流れる電流を逆電流としたときに、
力行時には、前記低電位接合層に正電流が流れる状態と前記高電位接合層に逆電流が流れる状態が交互に発生し、
回生時には、前記高電位接合層に正電流が流れる状態と前記低電位接合層に逆電流が流れる状態が交互に発生し、
前記低電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数の絶対値が前記高電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数の絶対値よりも大きい場合は、前記低電位接合層に生じた前記正電流EM進行指数が前記逆電流EM進行指数を上回るときに回生現象発生中の前記接合層の温度を上昇させ、前記低電位接合層に生じた前記逆電流EM進行指数が前記正電流EM進行指数を上回るときに力行現象発生中の前記接合層の温度を上昇させるとともに、前記高電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数の絶対値が前記低電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数の絶対値よりも大きい場合は、前記高電位接合層に生じた前記正電流EM進行指数が前記逆電流EM進行指数を上回るときに力行現象発生中の前記接合層の温度を上昇させ、前記高電位接合層に生じた前記逆電流EM進行指数が前記正電流EM進行指数を上回るときに回生現象発生中の前記接合層の温度を上昇させる制御装置を備えている電動自動車。 - 電力変換器と、電力変換器に接続されているモータと、エンジンと、モータとエンジンと駆動輪との間で動力の伝達配分を調整する動力配分機構を備えているハイブリッド自動車であり、
前記電力変換器が、昇圧機能と降圧機能を合わせもつコンバータを備えており、
前記コンバータが、「スイッチング素子と、そのスイッチング素子に並列に接続されているダイオード」を直列に接続した回路を構成する半導体装置を備えており、
前記半導体装置の高電位電極が高電位接合層を介して高電位配線に接合されており、
前記半導体装置の低電位電極が低電位接合層を介して低電位配線に接続されており、
前記ハイブリッド自動車が、
前記高電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数と前記低電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数を算出する手段を備えており、
前記高電位配線から前記低電位配線に流れる電流を正電流とし、
前記低電位配線から前記高電位配線に流れる電流を逆電流としたときに、
エンジン出力が不足する力行時には、前記低電位接合層に正電流が流れる状態と前記高電位接合層に逆電流が流れる状態が交互に発生し、
エンジン出力が過剰な回生時には、前記高電位接合層に正電流が流れる状態と前記低電位接合層に逆電流が流れる状態が交互に発生し、
前記低電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数の絶対値が前記高電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数の絶対値よりも大きい場合は、前記低電位接合層に生じた前記正電流EM進行指数が前記逆電流EM進行指数を上回るときにエンジンの出力を増大して回生現象の出現頻度を高め、前記低電位接合層に生じた前記逆電流EM進行指数が前記正電流EM進行指数を上回るときにエンジンの出力を減少して力行現象の出現頻度を高めるとともに、前記高電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数の絶対値が前記低電位接合層に生じた前記アンバランスEM進行指数の絶対値よりも大きい場合は、前記高電位接合層に生じた前記正電流EM進行指数が前記逆電流EM進行指数を上回るときにエンジン出力を減少して力行運転の出現頻度を高め、前記高電位接合層に生じた前記逆電流EM進行指数が前記正電流EM進行指数を上回るときにエンジン出力を増大して回生運転の出現頻度を高める制御装置を備えているハイブリッド自動車。
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