CN104040312B - 半导体元件的温度检测系统及半导体模块及半导体模块系统 - Google Patents

Abstract

温度数据编码部(100)细化高温部分的数据分辨率且粗化低温部分的数据分辨率，并且将温度数据的数据长度设为固定长度。另外，在将固定长的码值作为2的补数的数值码值而进行数值评价的情况下，生成与编码前的温度数据的增加一起在设为2的补数的数值评价值的值上单调增加的编码数据。

Description

半导体元件的温度检测系统及半导体模块及半导体模块系统

技术领域

本发明主要涉及进行功率器件(电力用半导体元件)的温度检测的半导体元件的温度检测系统及采用该系统进行半导体元件的温度控制的半导体模块以及半导体模块系统。

背景技术

在电力用半导体元件中，为了保护元件不受其过热破坏，采用检测半导体元件的温度，并由此进行半导体栅极的控制的方式(例如，参照专利文献1)。此外，为了向外部装置提示检测到的温度值，由与外部的接口进行传送。电力用半导体元件在高电压·高电流的环境下动作，因此与外部的通信往往采用非接触的方式。在专利文献1中，示出了采用了天线的非接触传送的例子，但是，一般地说，采用光耦合器那样的非接触传送方式。另外，在检测到的温度为高温的情况下，为了防止半导体元件的热击穿，一般采用停止半导体元件的栅极驱动的方式。在专利文献1中，也示出了直接判定温度检测结果来进行栅极驱动信号的切断的例子。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-87871号公报

发明内容

为了高精度地检测电力用半导体元件的温度值，需要进行在温度传感器中具有的偏差的修正，但是，为了避开电力用半导体元件进行动作的电磁环境的影响，进行可靠性高的修正，需要在与电力用半导体元件部绝缘的外部进行修正。为了实现该目的，需要进行隔着绝缘部件的温度数据的通信，但是能够进行高速通信的绝缘部件昂贵，此外绝缘部件的可靠性不高，因此为了以低成本、高可靠性地进行高速数据通信，需要减少温度数据的数据量。但是，在采用单纯减少数据量的方法的情况下，数据的精度降低，因此，在以往的装置中，没有考虑过在确保温度数据的必要精度的同时减少数据量。

本发明是为了解决上述问题而完成的，目的在于获得可以确保低成本化和高可靠性的半导体元件的温度检测系统及半导体元件的模块以及半导体模块系统。

本发明的半导体元件的温度检测系统，具备：数字温度数据测量部，将半导体元件的温度检测为数字温度数据；以及温度数据编码部，对于数字温度数据，当比高温度范围区域低的温度范围区域的数据分辨率低、且评价为2的补数的数值的情况下，编码为与上述数字温度数据的增加一起单调增加的规定长度的编码数据。

另外，本发明的半导体模块，具备：半导体元件；数字温度数据测量部，将上述半导体元件的温度检测为数字温度数据；以及温度数据编码部，具备：前置代码变换部，根据上述数字温度数据的规定的低位比特决定多个温度范围区域，根据除去了上述规定的低位比特的高位比特生成前置代码；有效数据取得部，根据数字温度数据的规定的低位比特取得与上述温度范围区域相应的有效数据；以及连接部，连接上述前置代码和上述有效数据而生成编码数据。

而且，本发明的半导体模块系统，具备：半导体元件；控制器，输出用于控制上述半导体元件的栅极的指令信号；数字温度数据测量部，将上述半导体元件的温度检测为数字温度数据；温度数据编码部，具备：前置代码变换部，根据上述数字温度数据的规定的低位比特决定多个温度范围区域，根据除去了上述规定的低位比特的高位比特生成前置代码；有效数据取得部，根据数字温度数据的规定的低位比特取得与上述温度范围区域相应的有效数据；以及连接部，连接上述前置代码和上述有效数据而成编码数据；控制部，根据上述数字温度数据，进行上述控制器的指令信号的有效或无效的判断而生成控制信号；以及驱动信号生成部，根据上述控制信号，生成用于驱动上述半导体元件的栅极的驱动信号。

根据本发明，能够高速地发送温度数据，能够确保低成本化和高可靠性。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的半导体元件的温度控制系统的结构图。

图2是用于说明本发明的实施方式1的半导体元件的温度控制系统的栅极驱动电路部中的过热保护功能的结构图。

图3是本发明的实施方式1的半导体元件的温度控制系统的编码方法的说明图。

图4是表示本发明的实施方式1的半导体元件的温度控制系统的编码方法中的单调增加的说明图。

图5是本发明的实施方式1的半导体元件的温度控制系统的从温度数据发送部到温度数据接收部的数据转发的说明图。

图6是表示本发明的实施方式1的半导体元件的温度控制系统的温度数据修正部中的修正方法的说明图。

图7是表示本发明的实施方式1的半导体元件的温度控制系统的温度数据阈值比较部中的修正前阈值的导出方法的说明图。

图8是用于说明本发明的实施方式1的半导体元件的温度控制系统的温度数据阈值比较部中的阈值比较的结构图。

图9是本发明的实施方式1的半导体元件的温度控制系统的编码部的概略结构图。

图10是本发明的实施方式2的半导体模块的概略结构图。

图11是本发明的实施方式3的半导体模块及半导体模块系统的概略结构图。

(符号的说明)

100温度数据编码部，101前置代码变换部，102有效数据取得部，103连接部，110温度数据发送部，120温度数据接收部，130温度数据逆编码部，140温度数据阈值比较部，150温度数据修正部，160修正用数据保持部，170控制电路部，180电气绝缘部，190栅极驱动电路部，200温度数据量化部，210温度数据标本化部，220温度数据测量部，230电力用半导体元件，300功率器件栅极指令信号，310功率器件栅极控制信号，320功率器件栅极驱动信号，330过热保护控制信号，340过热保护指令信号，400功率器件发生热，410功率器件检测温度数据，420标本化后温度数据，430量化后温度数据，440编码后温度数据，450编码后温度发送数据，500绝缘部通过后温度数据，510编码后温度接收数据，520逆编码温度数据，530温度修正用数据，540修正后温度数据，700IPM(智能功率模块)，701控制IC，702绝缘前控制电路部，703控制器栅极指令信号，704控制器通信电路部，705控制器通信信号，706控制器。

具体实施方式

以下，为了更详细地说明本发明，按照附图说明实施本发明的形态。

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1的半导体元件的温度控制系统的结构图。

图示的半导体元件的温度控制系统具备：温度数据编码部100、温度数据发送部110、温度数据接收部120、温度数据逆编码部130、温度数据阈值比较部140、温度数据修正部150、修正用数据保持部160、控制电路部170、电气绝缘部180、栅极驱动电路部190、温度数据量化部200、温度数据标本化部210、温度数据测量部220以及电力用半导体元件230。

温度数据编码部100是对由温度数据量化部200量化了的温度数据(量化后温度数据430)进行编码的编码部，其详细情况将后述。温度数据发送部110是用于将由温度数据编码部100编码了的编码温度数据(编码后温度数据440)向与电力用半导体元件230电气绝缘的外部发送的发送部。温度数据接收部120是经由电气绝缘部180将从温度数据发送部110发送的编码温度数据(编码后温度发送数据450)作为绝缘部通过后温度数据500接收的接收部。温度数据逆编码部130是对由温度数据接收部120接收到的编码温度数据(编码后温度接收数据510)解码，并作为逆编码温度数据520输出的运算部。

温度数据阈值比较部140是进行由温度数据接收部120接收到的编码后温度接收数据510和由修正用数据保持部160保持的温度数据的修正用数据(温度修正用数据530)的比较，将其结果作为过热保护指令信号340输出的运算部。温度数据修正部150是将由温度数据逆编码部130解码了的温度数据(逆编码温度数据520)用由修正用数据保持部160保持的修正用数据(温度修正用数据530)进行修正，将修正后的数据作为修正后温度数据540输出的运算部。修正用数据保持部160是保持温度数据的修正用数据的存储部。控制电路部170是将修正后温度数据540作为输入之一使用，运算需要的栅极驱动用数据，将其作为功率器件栅极指令信号300输出的控制电路。电气绝缘部180包括例如光耦合器，使高电压的功率器件部和生成控制数据的低电压部电气绝缘的部件。

栅极驱动电路部190是输入功率器件栅极控制信号310和过热保护控制信号330，根据这些信号输出用于进行电力用半导体元件230的栅极驱动电流的控制的功率器件栅极驱动信号320的控制部，其中，上述功率器件栅极控制信号310是经由电气绝缘部180接收了从控制电路部170输出的功率器件栅极指令信号300的信号，上述过热保护控制信号330是经由电气绝缘部180接收了从温度数据阈值比较部140输出的过热保护指令信号340的信号。

温度数据量化部200是将从温度数据标本化部210输出的温度数据(标本化后温度数据420)量化，作为量化后温度数据430向温度数据编码部100送出的运算部。温度数据标本化部210是将温度数据(功率器件检测温度数据410)标本化，作为标本化后温度数据420向温度数据量化部200送出的处理部。温度数据测量部220是测量从电力用半导体元件230发生的热(功率器件发生热400)的温度，作为功率器件检测温度数据410向温度数据标本化部210送出的、例如采用热敏二极管等的传感部。另外，由温度数据量化部200～温度数据测量部220构成将成为测定对象的半导体元件的温度检测为数字温度数据的数字温度数据测量单元。电力用半导体元件(功率器件)230是用于进行高效的电力控制的半导体器件，一般地说使用功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)等。

以下，进一步说明结构及其动作。

作为电力用半导体元件230，如果以IGBT为基础进行说明，则IGBT具有数百V到数千V的耐压，通过栅极(G)电压的导通(ON)/截止(OFF)的开关控制，可以流出大容量的电流。为了控制电流方向，往往由多个元件构成桥式电路，在图1中的电力用半导体元件230中，为了驱动附图上侧的元件和下侧的元件，将2个栅极驱动信号(功率器件栅极驱动信号320)作为输入。

IGBT的栅极信号的开关由控制电路部170进行，但是，控制电路部170一般地说是由微型计算机、门阵列这样的IC实现，并且以动作电压为5V、3.3V的低电压动作的功能部，功率器件部在数百V到数千V的高电压下动作，因此，作为来自控制电路部170的输出的栅极开关信号(功率器件栅极指令信号300)经由电气绝缘部180传递到栅极驱动电路部190，采取栅极驱动电路部190驱动功率器件栅极驱动信号320的形态。这里，功率器件栅极指令信号300、功率器件栅极控制信号310及功率器件栅极驱动信号320以信号方式连接，传达相同的栅极开关信号。另外，对于这样的功率器件的驱动控制，例如由“パワーエレクトロニクスハンドブック(功率电子手册)”((株)オーム社(欧姆社)，ISBN978-4-274-20790-7)记载的“5编7章栅极驱动电路”、“5编10章控制电路”等所示的那样为公知技术，因此省略详细的说明。

在IGBT等电力用半导体元件230中，发生晶体管本身的稳态损耗、开关损耗、连接的反并联二极管(FWD：Free Wheeling Diode续流二极管)的稳态损耗、开关损耗等的大量损耗，结果其变成热而使半导体元件的温度上升。通常，在使用功率器件的设备侧进行适当的热设计，进行适当的冷却，但是，由于环境因素、控制信号因素，存在发热量增大而使半导体元件热破坏的可能性。因此，由传感器检测功率器件的温度(在图1中，由温度数据测量部220检测从电力用半导体元件230发生的功率器件发生热400)，与某阈值温度比较，在成为阈值以上的情况下，为了防止热破坏，通过过热保护指令进行使由驱动电路进行的功率器件的驱动停止的动作。

图2表示用于使功率器件的驱动停止的结构。即，栅极驱动电路部190具有以功率器件栅极控制信号310中的上侧控制信号和下侧控制信号分别作为一方的输入的逻辑积电路(AND电路)191、192和输入过热保护控制信号330并将其逻辑反相输出向逻辑积电路191、192的另一方的输入端子送出的逻辑反相电路(反相器)，逻辑积电路191、192各自的输出成为功率器件栅极驱动信号320。在图示例中，过热保护控制信号330为有效(值为1)的情况下，构成为忽略功率器件栅极控制信号310，进行使功率器件栅极驱动信号320的驱动停止的控制。

进行温度检测的传感器(在温度数据测量部220中使用的热敏二极管等)由于各个传感器而检测偏差大，为了提高其检测精度，需要对检测到的传感器值进行与检测偏差的特性相应的数据的修正。一般地说，该修正通过采用了以某种方式取得、保持的修正用数据的值变换运算来进行，但是，如上所述，由于功率器件周边为高温、高电压，因此，可靠地保持修正用数据和进行修正运算在从其技术上的高度到成本上都是困难的。

因此，虽然考虑由夹着电气绝缘部180的低电压部进行保持及运算，但是，产生了使电气绝缘部180进行数据通信的必要性。由于具有高速数据通信速率的电气绝缘部件昂贵，因此在采用它的情况下，产生产品成本增加的问题。另外，即使设置为具有多个并列的成为低速数据通信速率的电气绝缘部件，通过数据的并行通信来进行通信，由于原本电气绝缘部件与其他部件相比可靠性就低，因此，结果具备多个这样的电气绝缘部件会使得产品的可靠性降低。另外，通过电气绝缘部180时的通信时间延时(通信延迟)成为前述的阈值温度比较处理的延时，因此，结果可能会对功率器件造成损伤。

通信时间是将通信数据量除以通信速度获得的结果，因此，为了缩短通信时间，除了提高通信速度的方式以外，还有削减通信数据量的方式。这里，在将通信的数据设为电力用半导体元件230的温度数据时，作为削减数据量的方法，考虑降低数据分辨率的方式、缩小温度检测范围的方式。降低数据分辨率的方式在前述的过热保护精度、根据温度信息控制电路侧进行处理内容切换时的精度方面产生问题。另一方面，在采用缩小温度检测范围的方式的情况下，例如在将检测范围仅仅限定为高温部分时，存在通常动作时的半导体元件温度的状况的可视化变得困难的问题。当然，在仅仅限定为低温部分时，前述的过热保护难以实现。

作为功率器件的检测温度数据的使用方法，在高温度部分需要温度分辨率高的数据，而在低温部分不需要那么高的分辨率、精度，因此，如果能够将高温度时的值作为高分辨率的数据进行处理，将低温度时的值作为低分辨率的数据进行处理，来广泛取得整体的检测温度范围，则可以削减之前的数据量。因而，本发明的温度数据编码部100实现进行这样的温度数据的编码的功能。以下，说明该功能。

由温度数据测量部220检测到的功率器件检测温度数据410如通过通常的AD变换(模拟/数字变换)实现的方式那样，由温度数据标本化部210进行标本化，并由温度数据量化部200进行量化。量化后温度数据430作为温度数据编码部100的输入而被提供。在温度数据编码部100的内部，通过细化高温部分的数据分辨率来增加有效数据长度，并且通过粗化低温部分的数据分辨率来缩短有效数据长度，同时将温度数据的数据长度设为固定长度，另外在将该固定长度的代码值作为2的补数值来进行数值评价的情况下，也可以进行具有如下特征的数据编码：在该编码中与温度数据的增加一起，即使作为2的补数值的值也单调增加。

图3示出了该编码的具体示例子。这里，量化后温度数据430设为作为0℃～255℃的分辨率1℃的值保持一般性，并且作为2的补数的数值代码即8比特数据而被输入。另外，设为根据半导体的一般的物性能够规定的温度检测的上限值被给出为159℃(159℃以上的值的温度差异成为无意义的信息，因此设为理解为159℃以上即可的意义的上限值)。将该8比特的数据(这里为了方便称为原始数据)作为输入而接受，在2的幂乘的温度范围中，识别现在的温度处于哪个温度范围区域。在图3中示出了将32℃(＝2的5次幂)温度范围识别为一个区域的示例子。

将上限值设为159℃，如果观察8比特的输入数据的高位3比特(图3中，{b7，b6，b5}这高位3比特)，则可检测存在于2的5次方的温度范围的哪个区域。该3比特的值为{1，0，1}，{1，1，0}，{1，1，1}之一时，可以判断该温度为159℃以上，因此，暂时保持上限温度(159℃)以上(将其设为温度范围区域0)这样的信息。在其以下的情况下，将该3比特数据按照温度从高到低的顺序依次视为{1，0，0}(温度范围区域1：159℃～128℃)、{0，1，1}(温度范围区域2：127℃～96℃)、{0，1，0}(温度范围区域3：95℃～64℃)、{0，0，1}(温度范围区域4：63℃～32℃)、{0，0，0}{温度范围区域5：31℃～0℃}，对相符的值分配称为以下那样的可变长的前置代码的代码。

前置代码用{1}表示处于该温度范围区域，另外，每次下降温度范围区域的温度范围时，就逐次在数据的开头追加{0}。另外，与该温度范围区域的识别及前置代码的确定一起，在该温度范围区域内的数据值({b4，b3，b2，b1，b0}这5比特值)中，每当温度区域下降，就阶段地降低成为数据低位的比特的分辨率的数据量。即，如下识别每个温度范围区域的有效的数据值。

然后，使该数据的开头与前述的前置代码连接，将最终的温度编码值按照以下方式决定为6比特的固定长度的数据。另外，此时，在保持前述“温度范围区域0”(上限温度以上)的信息的情况下，将与温度范围区域1的最高温度相同的温度编码值(全比特为1)作为温度范围区域0的值而输出。

另外，在该编码中，观察为一般的计算机系统使用的“2的补数”的数值表现的情况下，即在温度范围区域1中，观察为

1×2⁵+b4×2⁴+b3×2³+b2×2²+b1×2+b0

的10进数的情况下，与元数据(前述的原始数据)不成为比例关系，但是，可知与元数据的数值列成为“单调增加”(对其进行说明的例子为图4)。

这样，为了隔着电气绝缘部180进行通信，通过温度数据编码部100编码了的温度数据(编码后温度数据440)被发送到温度数据发送部110。

温度数据发送部110为了隔着电气绝缘部180与温度数据接收部120进行通信，需要事先安排某种通信协议。此时，如果在编码后温度数据440的代码长度不是固定长度的情况下，例如，在数据通信用端口以外需要另外的数据有效信号(一般称为数据VALID信号)用的端口，由于电气绝缘部180增加导致的成本增加、可靠性降低成为问题。此外，例如，即使设为在由单个数据通信用端口进行数据发送的情况下，也需要与接收侧交换数据转发开始信号、数据转发结束信号，存在通信机构(数据发送机构、数据接收机构)的复杂性导致成本增加、可靠性降低的问题。但是，温度数据编码部100进行的温度编码是固定长度的编码，因此，仅仅通过基于简单的启动比特和停止比特的数据转发控制可以进行数据转发，可以以所谓异步通信方式进行数据转发，可以降低成本、确保可靠性。

另外，图5表示以异步通信方式转发上述的6比特数据时的信号线的动作。在温度数据发送部110和温度数据接收部120之间，只要有仅仅通行图5中的发送数据信号(从温度数据接收部120看则是接收数据信号)的一个通信端口就可进行通信(图5中的基准时钟虽然在温度数据发送部110及温度数据接收部120的各自的内部是必要的，但是不必将此时钟信号隔着电气绝缘部180进行通信)。

由温度数据接收部120接收到的温度数据(编码后温度接收数据510)通过温度数据逆编码部130解码为与编码后温度数据440相同的数字数据。即，接收到的编码后温度接收数据510与编码后温度数据440相同。

为了由控制电路部170进行基于功率器件温度的各种控制处理，通过温度数据逆编码部130将接收到的编码后温度接收数据510变换为计算机系统中的通常的数值代码即2的补数表现。该变换是图3所示的温度数据编码部100中的编码方式的逆变换，因此省略其详细说明。另外，在温度数据编码部100的编码中，部分删除原来的量化后的信息，因此发生以下的制约。

·超过159℃的温度值不存在，最大为159℃(比特格式为10011111)。

·与温度范围区域2～5相当的区域的低位比特丢失。

因而，关于丢失了的低位比特，如以下那样进行逆编码。

“丢失了(分辨率降低了)的部分的比特全部设为1(总之，设为该分辨率的范围中最大的温度值”

如上所述，这样生成的逆编码温度数据520成为因温度传感器的偏差而包含误差的值。因此，通过由已知的方式对规定的温度传感器值进行修正运算，可以提高温度传感器值的精度。温度数据修正部150是进行该修正处理的部分，根据预先在温度数据修正用数据保持部160中保持的温度修正用数据530进行修正运算，将作为其结果的温度数据值的修正后温度数据540向控制电路部170输出。

另外，温度数据修正部150的修正运算内容为图6所示的内容。在大量的温度传感器中，可以通过线性修正来实现高精度化，示出该运算内容。具体地说，

对于修正前温度数据t，通过从修正用数据保持部160取得的修正用数据(修正用数据1：a和修正用数据2：b)，修正后温度数据t’运算为

t’＝a×t+b

这样，导出控制电路部170所使用的修正后温度数据540，但是在功率器件超过某温度阈值的状态下，需要生成过热保护信号。该阈值比较也如上所述，通过由修正后温度数据540进行比较的方式，可进行更高精度的判定。但是，温度数据接收部120接收温度数据后，成为对由温度数据逆编码部130进行逆编码及由温度数据修正部150进行的修正运算后的数据的阈值比较运算，因此发生大量的时间延时。过热保护处理用于保护半导体元件免受热击穿、热失控，半导体元件也在易受温度依赖特性上的损害的状态下动作，因此，如果为超过温度阈值程度的高温状态，则期望高速地生成过热保护信号，传送到栅极驱动电路部190。这由温度数据阈值比较部140实现。以下，说明温度数据阈值比较部140的功能。

在进行图6所示的修正运算的情况下，修正后温度数据中的修正后温度阈值s’可以简单地变换为修正前温度数据中的修正前温度阈值s。图7示出了该具体的变换内容。

如图7所示，通过s＝(s’-b)/a的运算，能够变换为修正前温度阈值s。另外，从图7可知，温度修正运算为线性变换，因此，修正后温度数据t’是否超过修正后温度阈值s’的评价(比较)结果与修正前温度数据t是否超过修正前温度阈值s的评价(比较)结果相同。因此，如果有s’和a和b的值，则可事先导出s，即使不进行温度数据修正部150的处理内容，也可以进行高精度的温度阈值比较。

另外，如上所述，由温度数据编码部100进行的编码是相对于元数据成为“单调增加”的编码，因此，该大小比较的评价结果即使是用编码前和编码后的任意的值彼此进行比较也是相同的。因此，对于修正前温度阈值s，实施与由温度数据编码部100实施的编码(参照图3)相同的编码，将该编码后修正前阈值s和编码后温度接收数据510视为由通常的计算机系统使用的2的补数数值码而进行比较即可。图8对其进行了说明。

图8表示温度数据阈值比较部140的内部结构，如图所示，温度数据阈值比较部140具备修正前温度阈值算出部141、编码部142、编码后阈值数据保持部143、以及编码后温度数据阈值比较部144。这里，修正前温度阈值算出部141是通过上述s＝(s’-b)/a的运算来算出修正前温度阈值s的运算部，编码部142是对该修正前温度阈值s进行与温度数据编码部100同样的编码并生成编码后修正前阈值s的运算部，编码后阈值数据保持部143是用于保持该编码后修正前阈值s的存储部。另外，编码后温度数据阈值比较部144是比较编码后修正前阈值s和编码后温度接收数据510，并在编码后温度接收数据510超出的情况下将过热保护指令信号340设为有效的比较部。

如图8所示，编码后修正前阈值s在比较运算时，不必每次导出，只要事先导出而在内部保持即可(其由编码后阈值数据保持部143保持)。另外，可以将比较运算作为2的补数数值码来进行，因此，可以使用由通常的计算机系统使用的比较运算用的运算电路，它们可以充分作为电路安装而被优化，也可以使用充分进行故障应对的电路，因此可以确保高速性及高可靠性。

如上所述，根据实施方式1的半导体元件的温度检测系统，由于具备：数字温度数据测量部，将半导体元件的温度检测为数字温度数据；温度数据编码部，当比高温度范围区域低的温度范围区域的数据分辨率低、且评价为2的补数的数值的情况下，将数字温度数据编码为与数字温度数据的增加一起单调增加的规定长度的编码数据，因此，在具有宽的温度数据的检测范围的同时，可以精细地具有根据该温度数据的值进行特殊处理所需的高温时的温度数据分辨率，且为固定长度数据，因此，对本温度数据进行通信所需的机构变得简单，并且数据比特长被压缩，因此，可以进行高速的温度数据通信。另外，对编码后的温度数据进行特定的运算时，即使不进行变换为一般的计算机处理的数值代码(2的补数)的处理，也可以用原来的该值进行运算，因此，可以使与温度数据关联的处理高速化。

另外，根据实施方式1的半导体元件的温度检测系统，编码数据规定为，连接前置代码和数据码，使其包含在包含预定的温度检测下限值的数据范围为止，所述前置代码是以高温部分的检测上限值作为基准值，并根据该检测上限值针对每个以检测最小分辨率为基本单位的2的幂乘的值范围来设定温度范围区域，并针对从高温部分起的每个温度范围区域，在比特1之前将比特0针对每个温度范围区域数增加并排列的代码，所述数据代码是针对从高温部分起的每个温度范围区域将其检测分辨率设为一半并逐个比特删除温度数据的低位比特的代码，因此，可以具体地实现固定长度的代码值，确保低成本化和高可靠性。

另外，根据实施方式1的半导体元件的温度检测系统，由于具备比较温度数据编码部编码了的温度数据和将预定的温度阈值编码而得到的编码后阈值并获得温度数据和阈值的比较结果的温度数据阈值比较部，因此，可以高速地进行高精度的温度数据的阈值比较。

另外，根据实施方式1的半导体元件的温度检测系统，由于与接收温度数据编码部生成的编码数据的温度数据接收部的通信方法设为异步方式，因此，进行经由绝缘材的通信时，可以减少绝缘材的个数，可实现低成本化。

另外，根据实施方式1的半导体元件的温度控制系统，由于具备根据由半导体元件的温度检测系统检测到的比较结果而进行半导体元件中的过热保护用的驱动控制的驱动电路部，因此，在修正温度数据所包含的模拟温度传感器的特性偏差，比较该修正值和过热保护所需的温度阈值的情况下，不必进行与检测到的温度数据相关的修正处理，因此，可以生成高响应的过热保护信号生成。

另外，根据实施方式1的半导体元件的温度控制系统，由于采用由半导体元件的温度检测系统检测到的编码数据进行半导体元件的温度控制，因此，采用取得的温度数据来变更控制内容时，可以由作为通常的计算机系统而实现的控制装置直接地处理数据。

例如本实施方式中，示出了将由温度数据量化部200量化了的8比特的量化后温度数据430用温度数据编码部100编码，将编码后温度数据440通过温度数据发送部110向与功率器件部电气地绝缘的低电压部发送的例子，但是不限于此。例如图9所示，温度数据编码部100也可以采用具备前置代码变换部101、有效数据取得部102及连接部103的结构。以下，说明图9的动作。由温度数据量化部200量化了的A比特的量化后温度数据430向前置代码变换部101输入。前置代码变换部101将A比特中高位B比特用图3所示方法变换为前置代码。

即，前置代码变换部101以规定的温度范围区域为基准，对第N(N是正的整数)高的温度范围区域，生成N-1个比特0后续的1个比特1组成的前置代码(图3)。

另一方面，将A比特的量化后温度数据430中的低位(A-B)比特输入到有效数据取得部102。有效数据取得部102将低位的(A-B)比特的分辨率阶段地降低，存储在有效数据取得部102。即，有效数据取得部102以规定的温度范围区域为基准，对第N高的温度范围区域，取得删除最低位的N-1个比特而使之右对齐的有效数据(图3)。

而且，用连接部103连接由前置代码变换部101变换了的前置代码和由有效数据取得部102取得的有效数据，形成固定长度的编码后温度数据440。通过温度数据编码部100编码的编码后温度数据440为了通信而被发送到温度数据发送部110。

即，通过具备将半导体元件的温度检测为数字温度数据的数字温度数据测量部220和温度数据编码部100，可以构成本发明的半导体元件的温度检测系统，其中，温度数据编码部100具备：前置代码变换部101，根据数字温度数据的规定的低位比特决定多个温度范围区域，根据除去了规定的低位比特的高位比特生成前置代码；有效数据取得部102，根据数字温度数据的规定的低位比特取得与上述温度范围区域相应的有效数据；以及连接部103，连接前置代码和有效数据，生成编码数据。

作为半导体模块，可以通过具备电力用半导体元件230、将半导体元件的温度检测为数字温度数据的数字温度数据测量部220和温度数据编码部100实现，其中，该温度数据编码部100具备：前置代码变换部101，根据数字温度数据的规定的低位比特决定多个温度范围区域，根据除去了上述规定的低位比特的高位比特生成前置代码；有效数据取得部102，根据数字温度数据的规定的低位比特取得与上述温度范围区域相应的有效数据；以及连接部103，连接前置代码和有效数据，生成编码数据。

实施方式2.

图10是实施方式2的半导体模块的概略结构图，特别地，具备：IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、FWDi(续流二极管)、使IGBT动作的控制IC、温度测量部220、温度数据编码部100、以及用于将它们与由半导体模块驱动的负载(马达等)或基板、控制器连接的接口Vcc、GND、IN、Fo、C、E。这里，Vcc表示电源，GND表示地，IN表示用于驱动IGBT的栅极信号的输入，Fo表示错误发生时向控制器侧输出的错误。C为IGBT的集电极，E为IGBT的发射极侧，与驱动的负载侧连接。

温度数据测量部220是与实施方式1同样的、将半导体元件的温度检测为数字温度数据的部件，温度数据编码部100是与实施方式1同样的、当比高温度范围区域低的温度范围区域的数据分辨率低且评价为2的补数的数值的情况下，将数字温度数据编码为与上述数字温度数据的增加一起单调增加的规定长度的编码数据的部件。

该半导体模块可以高速地发送根据来自接口的信息使IGBT动作时的温度数据，确保低成本化和高可靠性。

实施方式3.

图11是实施方式3的半导体模块及半导体模块系统的概略结构图，在图中，IPM表示半导体模块(智能功率模块)，IPM700具备温度数据编码部100、温度数据发送部110、温度数据接收部120、温度数据逆编码部130、温度数据阈值比较部140、温度数据修正部150、修正用数据保持部160、电气绝缘部180、温度数据量化部200、温度数据标本化部210、温度数据测量部220、电力用半导体元件230、控制IC701、绝缘前控制电路部702、以及控制器通信电路部704。即，在本实施方式的IPM700中，取代实施方式1中的控制电路部170而设有绝缘前控制电路部702，并且，将栅极驱动电路部190设为控制IC701，且设有控制器通信电路部704。

这里，控制IC701、绝缘前控制电路部702、控制器通信电路部704以外的结构与图1所示的实施方式1同样，因此省略它们的结构的说明。

控制IC701将功率器件栅极控制信号310作为输入，生成功率器件栅极驱动信号320。该控制IC701不具有在实施方式1的图2中说明的栅极驱动电路部190保有的过热保护功能(将过热保护控制信号330作为输入，而且使之信号反转，对上侧控制信号及下侧控制信号执行逻辑积，结果在过热保护控制信号330为High(1)的情况下，切断成为输出的功率器件栅极驱动信号320(成为Low(0)))，具有使功率器件栅极控制信号310的电压电平(例如5V)与功率器件栅极驱动信号320(例如15V)的电压电平匹配的功能，具有将匹配该电压电平后的上侧控制信号和下侧控制信号直接作为功率器件栅极驱动信号320传送的功能(即，与根据图2的说明过热保护控制信号330总是为L(0)的情况相同)。

功率器件栅极控制信号310与实施方式1同样地经由电气绝缘部180传达功率器件栅极指令信号300。另外，与实施方式1的控制电路部170不同，功率器件栅极指令信号300被从绝缘前控制电路部702输出。

绝缘前控制电路部702接受来自使用IPM700的系统中的控制器706的控制信号即控制器栅极指令信号703和来自温度数据阈值比较部140的过热保护指令信号340，通过与图2所示的栅极驱动电路部190同样的功能，生成作为电力用半导体元件230的驱动控制信号的功率器件栅极指令信号300(形成图2中的功率器件栅极控制信号310成为控制器栅极指令信号703，功率器件栅极驱动信号320成为功率器件栅极指令信号300的功能结构)。另外，控制器706是控制IPM700的控制器，由微电脑、ASIC构成。

另外，在本实施方式中，还具有将由温度数据阈值比较部140生成的过热保护指令信号340作为电力用半导体元件230的温度保护实施状态信息而通知到控制器706的功能。

即，构成为在通过温度数据阈值比较部140的比较判定进行过热保护的状况发生了的情况下，通过过热保护指令信号340在绝缘前控制电路部702中使来自控制器706的控制器栅极指令信号703无效化，向功率器件栅极指令信号300传送，并且，将发生该无效化的状态的情况直接通过过热保护指令信号340传送到控制器706。

另外，在本实施方式中，存在控制器通信电路部704。控制器通信电路部704可以在内部保持温度数据修正部150生成的修正后温度数据540，根据温度数据读出请求，由控制器706从控制器通信信号705取得修正后温度数据540的值，作为电力用半导体元件230的温度数据。

作为控制器通信信号705，例如，考虑在微控制器(称为所谓微电脑的IC)和其他IC之间一般使用的通信规格即I2C(Inter-Integrated Circuit，内部集成电路：飞利浦公司开发的串行总线规格)、SPI(Serial Peripheral Interface，串行外围总线：摩托罗拉公司开发的串行总线规格)等。

在本实施方式中实现的IPM700，可以通过电气绝缘部180，使电力用半导体元件230、控制IC701存在的电源区域(高电压区域)与绝缘前控制电路部702、控制器通信电路部704存在的电源区域(低电压区域)以信息方式连接的同时电气绝缘。

通常，电力用半导体元件230通过数百V的电源动作，控制IC701通过数十V的电源动作，此外，对IPM700提供控制器栅极指令信号703的控制器706以3.3V、5V的电源动作。

通过本结构，可使来自一般发生的高电压区域的电气噪声不会向低电压区域传播，因此，绝缘前控制电路部702、控制器通信电路部704可以用与控制器706相同的电源动作，使搭载控制器706和IPM700的基板开发中成为复杂操作的噪声对策的设计操作简单化，可以简单地取得IPM700保持的电力用半导体元件230的温度信息和温度保护状态相关的信息。

另外，这里，温度数据量化部200、温度数据标本化部210、温度数据编码部100、温度数据发送部110、温度数据接收部120、温度数据逆编码部130、温度数据阈值比较部140、温度数据修正部150、修正用数据保持部160、绝缘前控制电路部702、控制器通信电路部704可以考虑以分立部件实现的形态、由专用的ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)实现的形态、由FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)实现的形态、由微电脑、DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)实现的形态等各种的形态，但是不限于特定的实现形态。

另外，关于温度数据编码部100的实现功能，在实施方式1中，例示了将8比特的数据削减为6比特的方式，但是也可以削减为7比特、5比特(只要比特数少，任何比特都没问题)。

另外，用I2C、SPI的串行总线规格对控制器通信电路部704与控制器706之间进行数据通信的控制器通信信号705进行了说明，但是也可以是其他串行总线规格，也可以是并行总线规格。

如上所述，根据实施方式3的半导体模块，具备根据温度数据阈值比较部的比较结果和来自用于控制自系统的控制器的控制信号而输出半导体元件的驱动控制信号的控制电路部、和将由实施方式1的半导体元件的温度检测系统检测到的编码数据作为半导体元件的温度数据向控制器输出的通信电路部，将温度数据阈值比较部的比较结果作为半导体元件的温度保护实施状态信息向控制器输出，因此，可以对控制器提供用于控制温度控制系统的接口。

而且，在本实施方式中，可以设为在IPM700中具备控制器706的半导体模块系统。在使控制器706进行复杂指令时，对于来自控制器706的指令信号，IGBT的温度变高。因而，如果将温度数据与预先决定的温度数据阈值等进行比较，将来自控制器706的指令判断为有效或无效，使IGBT停止，而且向控制器706提示现在的温度数据，则控制器706可以根据该温度数据，实现复杂的控制。

因而，在图11所示的半导体模块系统中，具备：电力用半导体元件230；输出用于控制电力用半导体元件230的栅极的指令信号的控制器706；对来自控制器706的指令信号，根据与温度数据阈值等比较的结果，将指令信号判断为有效或无效，生成作为指令信号的控制信号的绝缘前控制电路部702；根据控制信号生成用于驱动电力用半导体元件230的栅极的驱动信号的驱动信号生成单元即控制IC701；将电力用半导体元件230的温度检测为数字温度数据的数字温度数据测量部220；温度数据编码部，其具备：前置代码变换部101，根据数字温度数据的规定的低位比特决定多个温度范围区域，根据除去了规定的低位比特的高位比特生成前置代码；有效数据取得部102，根据数字温度数据的规定的低位比特取得与上述温度范围区域相应的有效数据；以及连接部103，连接上述前置代码和上述有效数据，生成编码数据。

特别地，对于来自控制器706的指令信号，根据与温度数据阈值等比较的结果，将指令信号判断为有效或无效，生成作为指令信号的控制信号的绝缘前控制电路部702、以及根据控制信号而生成用于驱动电力用半导体元件230的栅极的驱动信号的驱动信号生成单元即控制IC701，也可以是根据半导体元件的温度数据进行控制器706的指令信号的有效或无效的判断而生成指令信号的控制部702、以及根据控制信号生成用于驱动电力用半导体元件230的栅极的驱动信号的驱动信号生成部。

通过该半导体模块系统，根据从高温动作时的IGBT检测到的温度数据，可以高速地停止控制IGBT的控制信号，并向控制器706提示现在的IGBT的温度数据，从而控制器706可以根据该温度数据进行半导体模块的复杂的指令。

而且，通过具备：电力用半导体元件230；输出用于控制半导体元件的栅极的指令信号的控制器；根据指令信号生成电力用半导体元件230的驱动信号的驱动信号生成部；将电力用半导体元件230的温度检测为数字温度数据的数字温度数据测量部220；温度数据编码部100，其具备：前置代码变换部101，根据数字温度数据的规定的低位比特决定多个温度范围区域，根据除去了上述规定的低位比特的高位比特生成前置代码；有效数据取得部102，根据数字温度数据的规定的低位比特取得与上述温度范围区域相应的有效数据；以及连接部103，连接前置代码和有效数据，生成编码数据，因此，即使控制器的指令信号复杂，也可以实现能够进行温度检测并根据温度检测即时进行驱动指令控制的半导体模块系统。

另外，本发明在其发明的范围内，可以进行各实施方式的自由组合，或者各实施方式的任意的结构要素的变形，或者各实施方式中任意的结构要素的省略。

如上所述，关于本发明的半导体元件的温度检测系统及半导体元件模块以及半导体模块系统，作为半导体元件的温度数据的编码数据在高温部分和低温部分设为不同数据分辨率，且将温度数据的数据长度设为固定长度，适用于进行功率器件(电力用半导体元件)的温度检测、温度控制的系统。

Claims (8)

1.一种半导体元件的温度检测系统，其特征在于，具备：

数字温度数据测量部，将半导体元件的温度检测为数字温度数据；以及

温度数据编码部，对于所述数字温度数据，当比高温度范围区域低的温度范围区域的数据分辨率低、且评价为2的补数的数值的情况下，编码为与所述数字温度数据的增加一起单调增加的规定长度的编码数据，

所述温度数据编码部在所述高温度范围区域和所述低的温度范围区域中将所述规定长度设为固定长度，将所述数字温度数据编码为所述编码数据，

所述编码数据规定为，连接前置代码和数据码，使其包含在包含预定的温度检测下限值的数据范围为止，所述前置代码是以高温部分的检测上限值作为基准值，并根据该检测上限值针对每个以检测最小分辨率为基本单位的2的幂乘的值范围来设定温度范围区域，并针对从所述高温部分起的每个温度范围区域，在比特1之前将比特0针对每个温度范围区域数增加并排列的代码，所述数据代码是针对从高温部分起的每个温度范围区域将其检测分辨率设为一半并逐个比特删除温度数据的低位比特的代码。

2.根据权利要求1所述的半导体元件的温度检测系统，其特征在于，具备：

温度数据阈值比较部，比较温度数据编码部编码了的温度数据和对预定的温度阈值进行了编码的编码后阈值，获得所述温度数据和所述阈值的比较结果；以及

电气绝缘部，使所述温度数据阈值比较部和所述温度数据编码部电气绝缘。

3.根据权利要求1所述的半导体元件的温度检测系统，其特征在于，

将与接收由温度数据编码部生成的编码数据的温度数据接收部的通信方法设为异步方式。

4.一种半导体元件的温度检测系统，其特征在于，具备：

数字温度数据测量部，将半导体元件的温度检测为数字温度数据；以及

温度数据编码部，具备：前置代码变换部，根据所述数字温度数据的规定的低位比特决定多个温度范围区域，根据除去了所述规定的低位比特的高位比特生成前置代码；有效数据取得部，根据所述数字温度数据的规定的低位比特取得与所述温度范围区域相应的有效数据；以及连接部，连接所述前置代码和所述有效数据而生成编码数据，

所述温度数据编码部以在所述多个温度范围区域中成为固定长度的方式生成所述编码数据。

5.根据权利要求4所述的半导体元件的温度检测系统，其特征在于，

所述前置代码变换部以规定的温度范围区域为基准，对第N高的温度范围区域，生成由接着N-1个比特0的1个比特1组成的前置代码，N是正的整数。

6.根据权利要求4所述的半导体元件的温度检测系统，其特征在于，

所述有效数据取得部以规定的温度范围区域为基准，对第N高的温度范围区域，删除最低位的N-1个比特而取得有效数据，N是正的整数。

7.一种半导体模块，其特征在于，具备：

半导体元件；

数字温度数据测量部，将所述半导体元件的温度检测为数字温度数据；以及

温度数据编码部，具备：前置代码变换部，根据所述数字温度数据的规定的低位比特决定多个温度范围区域，根据除去了所述规定的低位比特的高位比特生成前置代码；有效数据取得部，根据所述数字温度数据的规定的低位比特取得与所述温度范围区域相应的有效数据；以及连接部，连接所述前置代码和所述有效数据而生成编码数据，

所述温度数据编码部以在所述多个温度范围区域中成为固定长度的方式生成所述编码数据。

8.一种半导体模块系统，其特征在于，具备：

半导体元件；

控制器，输出用于控制所述半导体元件的栅极的指令信号；

数字温度数据测量部，将所述半导体元件的温度检测为数字温度数据；

温度数据编码部，具备：前置代码变换部，根据所述数字温度数据的规定的低位比特决定多个温度范围区域，根据除去了所述规定的低位比特的高位比特生成前置代码；有效数据取得部，根据所述数字温度数据的规定的低位比特取得与所述温度范围区域相应的有效数据；以及连接部，连接所述前置代码和所述有效数据而生成编码数据；

控制部，根据所述数字温度数据，进行所述控制器的指令信号的有效或无效的判断而生成控制信号；以及

驱动信号生成部，根据所述控制信号，生成用于驱动所述半导体元件的栅极的驱动信号，

所述温度数据编码部以在所述多个温度范围区域中成为固定长度的方式生成所述编码数据。