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発明の名称 半導体の熱抵抗計測方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平9−5388
公開日 平成9年(1997)1月10日
出願番号 特願平7−155902
出願日 平成7年(1995)6月22日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】滝本 智之 (外1名)
発明者 中川 佳子 / 上野 佐千夫
要約 目的
パワースイッチング素子の熱抵抗の測定は、トランジスタやMOSFETは単一のP−N接合で素子の温度変化率を利用しているが、IGBTは図4に示すように、41のPNPトランジスタや42のNPNトランジスタ、43のMOSFETの複合の回路で表され、温度との直線性を求めることができなかった。そこで、各素子に共通の熱抵抗計測方法を供給することを目的とする。

構成
本発明はパワースイッチング素子が共通してもつ性質、つまりコレクタ・エミッタ(ドレイン・ソース)間の耐圧の温度特性を利用して共通の熱抵抗計測装置を供給するものである。計測装置を図1に示す。11はパワースイッチング素子、12は定電流電源、13は電圧測定器を示し、電圧印加前後の耐圧変化を0.1%/℃という変化率を利用して温度に換算し、印加した電力と換算した上昇温度とにより熱抵抗を求めることができる。
特許請求の範囲
【請求項1】半導体のトランジスタの素子の温度上昇と損失の関係を示す熱抵抗を、コレクタ・エミッタ間,コレクタ・ベース間,ドレイン・ソース間の耐圧の温度変化で計測する熱抵抗計測方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体、特にパワースイッチング素子の評価方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体はパワーエレクトロニクス技術の発展にともない、需要がますます増加している。パワースイッチング素子は小さく薄くターゲットに設計が進められ、熱ストレスからの保護が重要なポイントとなっている。
【0003】パワースイッチング素子には、バイポーラトランジスタ,MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などがある。
【0004】モータ制御などに用いられるパワースイッチング素子は大電力を制御するため、この素子の接合温度が許容温度以内でないと熱破壊する。このため、この素子が負担する電力で素子の接合温度が何度上昇するかを表す単位があり、熱抵抗と称している。これはRthと表されることが多く電気回路のオームの法則に近似して表している。
【0005】つまり温度上昇値をT、素子が消費する電力をWとすると、下記の式が成立する。
【0006】T=Rth×WここでTの単位を[℃]、Wの単位を[W]とすると熱抵抗Rthの単位は[℃/W]となる。
【0007】従来より主に使用されていたバイポーラトランジスタは、ベース・エミッタ間のP−N接合が1℃の変化で2mV低下するという物理法則が使える。
【0008】またMOSFETは図3に示すように、この構造上ドレイン・ソース間にダイオードを内蔵しているので、このダイオードのP−N接合の温度変化率、つまり上記バイポーラトランジスタのベース・エミッタ間と同じ法則を利用できる。
【0009】しかし、パワースイッチング素子のうちIGBTは図4の等価回路に示すように、41のPNPトランジスタや42のNPNトランジスタ,43のMOSFETの複合の等価回路で示される。ゆえに、バイポーラトランジスタやMOSFETのように単一のP−N接合で、素子の温度変化率を求めることができない。
【0010】そこで、従来はIGBTのゲート・エミッタ間の温度変化率や、コレクタ・エミッタ間の温度変化率をあらかじめ測定する素子ごとに求めておき、このデータをもとに熱抵抗値を求めていた。
【0011】しかし、IGBTの種類によっては温度変化がないものや温度による変化が正特性と負特性の混合のものなどがあり、必ずしも温度との直線性を求めることができなかった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたごとく、IGBTの場合熱抵抗の測定方式が定まらず標準的に使えないという課題があった。
【0013】そこで、本発明の目的は従来例に示す問題点を除去し、半導体おもにバイポーラトランジスタ・MOSFT・IGBTのどのパワースイッチング素子でも共通に熱抵抗を換算する測定方法を供給することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するために本発明は、パワースイッチング素子が共通してもつ性質、つまりコレクタ・エミッタ(ドレイン・ソース)間の耐圧の温度特性を利用して、各素子共通の熱抵抗計測方法を供給するものである。
【0015】たとえば、NPNトランジスタの例で説明すると、トランジスタのコレクタ・エミッタ間に電圧を印加していくとベースとエミッタをショートした場合、コレクタ・ベース間の耐圧と同じとなりある電圧以上でツェナーダイオードの特性と同じ特性となることが知られている。
【0016】これをアバランシェ降状と呼び、MOSFETのドレイン・ソース間の耐圧やIGBTのコレクタ・エミッタ間耐圧も全く同じである。
【0017】そしてこの温度特性は、前述のP−N接合の−2mV/℃という絶対値ではなく、1℃の変化で、0.1%変化する相対変化となる。
【0018】一例として、20℃で500Vの耐圧のIGBTは1℃の変化、つまり21℃になると500.5Vと0.5V変化する。
【0019】ゆえに、この0.1%/℃(1000ppm/℃)という変化率を用いることで素子の温度変化を換算して熱抵抗測定する計測方法が本発明である。
【0020】
【作用】この計測方法により、素子により測定装置の設定の変更もなく各素子共通で正確な熱抵抗計測装置が供給できる。
【0021】
【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0022】図1は本発明の一実施例における熱抵抗計測方法を示すものである。図1において、11はパワースイッチング素子、12は定電流電源、13は電圧測定器である。図1の方法を用いて、電力印加前の耐圧と電力印加後の耐圧を微小定電流電源で強制的にパワースイッチング素子のコネクタ・エミッタ間に印加すると図2に示す矢印の軌跡で電圧が上昇し、設定された定電流で停止する。これが図2のA点である。
【0023】つまり、電力印加前後の耐圧の変化、つまり図2のA点の電圧を図1の13の電圧測定器で計測し、この値を0.1%/℃の変化率を用いて温度上昇に換算する。そして印加した電力と換算した上昇温度とにより、熱抵抗Rthを求めることができる。
【0024】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、各半導体の熱抵抗を共通の方法で測定することができるため、正確で簡単に測定することができる。




 

 


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