JPH0843478A

JPH0843478A - パワー・デバイス回路用特性測定方法

Info

Publication number: JPH0843478A
Application number: JP19604894A
Authority: JP
Inventors: Katsuhisa Kato; 勝久加藤; Akira Ebisawa; 昭海老沢; Koichi Usuda; 孝一薄田
Original assignee: Sony Tektronix Corp
Current assignee: Tektronix Japan Ltd
Priority date: 1994-07-28
Filing date: 1994-07-28
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】ＩＧＢＴ回路のパラメータを精度良く測定す
る。【構成】ＩＧＢＴをオフ状態にしてダイオードに電力
を供給し（ステップ５０）、ダイオードからのコレクタ
電流を抵抗を用いて検出し（ステップ５２）、抵抗器の
出力信号をサンプリングして複数のデジタル・データを
生成し（ステップ５４）、これら複数のデジタル・デー
タからコレクタ電流の誘導性負荷による傾斜直線を最小
２乗法で算出する（ステップ５６）。そして、コレクタ
電流のピークとその時点における傾斜直線との差分を算
出すれば、ダイオードのリカバリー電流を算出できる
（ステップ５８）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＧＢＴやパワーＭＯ
ＳＦＥＴ等で構成されるパワー・デバイス回路用特性測
定方法に関し、特にパワー・デバイス回路の種々のパラ
メータを測定するのに適したパワー・デバイス回路用特
性測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ
（ＩＧＢＴ）やパワーＭＯＳＦＥＴのようなパワー・デ
バイスは、比較的大きな電流をスイッチングできる半導
体であり、電車のモータなど誘導性負荷を駆動する電力
の制御への応用が期待されている。これにともない、パ
ワー・デバイス回路の特性を測定又は試験する必要があ
る。

【０００３】パワー・デバイス回路は、その電流入力端
子及び電流出力端子間にスイッチング特性が高速なファ
ースト・リカバリー・ダイオードを逆方向に接続してい
ることが多い。例えば、ＩＧＢＴはそのコレクタ・エミ
ッタ間にエミッタからコレクタ方向を順方向として、パ
ワーＭＯＳＦＥＴの場合にはそのドレイン・ソース間に
ソースからドレイン方向を順方向としてダイオードを接
続する。このダイオードは、誘導性負荷に蓄積された電
磁エネルギーによって生じる電流出力端子から電流入力
端子（エミッタからコレクタ又はソースからドレイン）
方向へのフライホイール電流を流す経路を形成する。ダ
イオードに高速スイッチング特性のものを使用するの
は、パワー・デバイスがオンになるときのスイッチング
特性を良くするためである。こうしたダイオードは別個
に外付けする場合と、最初からパワー・デバイス回路に
内臓（パッケージ化）されている場合とがある。いずれ
にしても、このダイオードには、パワー・デバイスの出
力電流（コレクタ電流又はドレイン電流）定格と同程度
のものを使用することが望ましい。

【０００４】図４は、誘導性負荷２０に対するパワー・
デバイス回路の特性測定回路の１例を示すブロック図で
ある。ここでは、パワー・デバイス回路（被測定回路）
１０としてＩＧＢＴ１２及びダイオード１４で構成した
ＩＧＢＴ回路の例を示すが、パワーＭＯＳＦＥＴでも同
様である。半導体スイッチ１６には、ＩＧＢＴ１２と同
じＩＧＢＴを使用し、被測定回路１０に流れる大電流を
スイッチングできるようにした例を示している。電源１
８は、被測定回路１０及び誘導性負荷２０に電力を供給
する。差動増幅器２４は、電流検出抵抗器Ｒｓ２２の両
端間電圧を検出する。なお、非内臓型のダイオードを使
用する場合には、そのダイオードを単体で使用しても良
い。

【０００５】差動増幅器２４の出力信号は、アナログ・
デジタル変換器（Ａ／Ｄ）２６でデジタル・データに変
換され、マイクロプロセッサ・システム２８中のメモリ
に記憶されるとともに表示器３０に表示されたり、演算
処理に使用される。電流検出抵抗器Ｒｓ２２の抵抗値は
既知であるから、差動増幅器２４の出力信号を用いれ
ば、被測定回路１０に流れる電流値は容易に算出でき
る。同じく差動増幅器３２は、半導体スイッチ１６のコ
レクタ・エミッタ間電圧ＶCEを検出し、Ａ／Ｄ３４によ
りその値がマイクロプロセッサ・システム２８に送られ
る。また、同様に被測定回路１０の各端子間電圧の検出
を行っても良い。さらには、単に被測定回路１０の電流
特性を測定する場合には電流検出抵抗器Ｒｆ２３を設
け、同様にして差動増幅器２５及びＡ／Ｄ２７で電流を
測定しそのデータをμＰ２８に転送することもある。

【０００６】これらデジタル的な処理は、周知のマイク
ロプロセッサ・システム（μＰ）２８で行えば良い。マ
イクロプロセッサ・システム２８は上述したメモリ等を
有し、予め作成し記憶したプログラムに従って動作す
る。また、μＰ２８が半導体スイッチ１６に供給するパ
ルス信号や電源１８の動作等をも制御するようにしても
良い。

【０００７】誘導性負荷２０に対するパワー・デバイス
回路（被測定回路）１０の特性、特にダイオード１４の
特性の測定は、以下のようにして行われる。まず、パワ
ー・デバイス（ＩＧＢＴ）１２の制御端子（ゲート）と
電流出力端子（エミッタ）は短絡され、ＩＧＢＴがオフ
状態に維持される。この状態でパワー・デバイス回路１
０の出力電流（コレクタ電流Ｉｃ、実際にはダイオード
１４からの出力電流）を測定すれば、ダイオード１４の
特性を測定できる。

【０００８】半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）１６の制御端
子（ゲート）には、２つのパルス信号が入力される。１
回目のパルス信号をスイッチ１６のゲートに印加し、ス
イッチ１６をオンにすると、誘導性負荷（コイルＬ）２
０に電源Ｖcc１８からの電流が流れ電磁エネルギーが蓄
積される。このため、コレクタ電流ＩｃはＶcc／Ｌ（Ｖ
ccは電源電圧）の傾斜で上昇する。スイッチ１６がオフ
になると、コイル２０の起電力によるフライホイール電
流がその順方向に流れダイオード１４を充電する。２回
目のパルス信号によりスイッチ１６がオンになると、ダ
イオード１４は充電されているために瞬間的に逆方向の
リカバリー電流が流れる。このため、コレクタ電流Ｉｃ
は、２回目のパルスの立ち上がりでダイオード１４のリ
カバリー電流によるピークが観測される。

【０００９】図３は、半導体スイッチ１６のゲートに印
加されるパルス信号と電流検出抵抗器Ｒｓ２２で検出し
たＩＧＢＴ回路からのコレクタ電流Ｉｃを同一時間軸上
で示した図である。これからわかるように、ＩＧＢＴ回
路１０からの出力電流（コレクタ電流Ｉｃ）は、ダイオ
ード１４からの出力電流と誘導性負荷２０による電流が
合成された形になっている。また、電流検出抵抗器Ｒｓ
２２で検出した場合には、半導体スイッチ１６のコレク
タ電流特性も関係している。

【００１０】図２は、２回目のパルス信号の立ち上がり
部分におけるコレクタ電流Ｉｃの曲線を示す図である。
ここでは、簡単のために時間０の時点（任意に設定可
能）においてコレクタ電流Ｉｃのピーク値Ｉｐｋを設定
している。ダイオードに蓄積された電荷がなくなると、
コレクタ電流が理想的にはＶcc／Ｌの傾斜で線形に上昇
していくことになる。この傾斜直線４０とピーク時点に
おけるコレクタ電流の値の差を求めれば、ダイオード１
４のリカバリー電流Ｉrmを求めることができる。同様に
傾斜直線４０とコレクタ電流Ｉｃのとピークの山で囲ま
れる領域について電流値を時間に関して積分すれば、リ
カバリー電荷Ｑrrが求められる。以下同様に、傾斜直線
４０とコレクタ電流Ｉｃが交差する時点とピーク時点の
時間差からｔａ、同様にｔｂ、リカバリー時間ｔrrが求
まる。なお、ｔｂ／ｔａは、ソフトネスと呼ばれ、この
値が０．０１以下のときにはＥＭＩ（電磁干渉）で問題
となる振動波形が発生する。

【００１１】また、コレクタ電流Ｉｃと半導体スイッチ
（ＩＧＢＴ）１６のコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEの積
を時間に関して積分することにより、ＩＧＢＴ回路のタ
ーンオン及びターンオフ時に消費するエネルギーＥon及
びＥoffが求まる。なお、この場合には、半導体スイッ
チ１６にＩＧＢＴ回路１０を構成するＩＧＢＴと同じＩ
ＧＢＴを使用する。Ｅon及びＥoffは、ＩＧＢＴの発熱
量を知る上で重要なパラメータである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにパワー・
デバイス回路の出力電流（コレクタ電流Ｉｃ）は、ダイ
オード１４からの出力電流と誘導性負荷２０による電流
が合成された形になっているので、誘導性負荷２０によ
る傾斜電流、即ち、傾斜直線４０の分を差し引かないと
ダイオード１４のリカバリー電流を測定することができ
ない。しかし、誘導性負荷２０による傾斜電流は、ダイ
オード１４のリカバリー電流によるピークの山が終わっ
ても、図２に示すように傾斜は直線にはならない。むし
ろ、波打つ現象が観測され、このままでは傾斜直線４０
を決定できない。従って、リカバリー電流Ｉrm、リカバ
リー電荷Ｑrr、リカバリー時間ｔrr等のパラメータを精
度良く決定できない。

【００１３】そこで本発明の目的は、パワー・デバイス
回路を構成するダイオード特性を測定するのに適したパ
ワー・デバイス回路用特性測定方法を提供することにあ
る。本発明の他の目的は、パワー・デバイス回路のパラ
メータを測定するのに適したパワー・デバイス回路用特
性測定方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、パワ
ー・デバイス回路を構成するパワー・デバイス及びダイ
オードの誘導性負荷に対する特性を測定するパワー・デ
バイス回路用特性測定方法に関する。この方法は、誘導
性負荷に並列に接続された上記ダイオードに電力を供給
し、ダイオードからの出力電流を抵抗を用いて検出す
る。さらに、抵抗の出力信号をサンプリングして複数の
デジタル・データを生成し、これら複数のデジタル・デ
ータから出力電流の誘導性負荷による傾斜直線を算出す
る。

【００１５】ダイオードのリカバリー電流を求める場合
には、ダイオードからの出力電流のピークと、このピー
クの時点における傾斜直線との差分を算出すれば良い。
また、ピークを中心とするコレクタ電流と傾斜直線とで
囲まれる領域について出力電流の値を時間に関して積分
することにより、リカバリー電荷を求めることができ
る。さらに、ダイオードからの出力電流と傾斜直線との
交点からリカバリー時間を求めることができる。また、
ダイオードに供給する電力をスイッチングするスイッチ
に上記パワー・デバイスと同じデバイスを使用し、この
デバイスの電流入力端子及び電流出力端子間の電圧を測
定してダイオードからの出力電流との積を時間に関して
積分すれば、パワー・デバイス回路のターンオン及びオ
フ・エネルギーを求めることもできる。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明による測定方法のフローチャ
ートであり、特にＩＧＢＴ回路を構成するダイオードの
リカバリー電流Ｉrmの算出する場合を代表して示してい
る。使用する測定回路は、図４に示した従来のものと同
じである。

【００１７】まず、半導体スイッチ１６をオンにする
と、電源１８がダイオード１４に電力を供給する（ステ
ップ５０）。電流検出抵抗器２２がダイオード１４から
のコレクタ電流（出力電流）を電圧に変換するので、差
動増幅器２６でその出力信号を検出する（ステップ５
２）。電流検出抵抗器２２の出力信号は、アナログ・デ
ジタル変換器（Ａ／Ｄ）２６でΔｔ時間毎にサンプリン
グされて複数のデジタル・データに変換される（ステッ
プ５４）。これら複数のデジタル・データからコレクタ
電流の誘導性負荷による傾斜直線を算出する（ステップ
５６）。

【００１８】ステップ５６を図２を用いてより詳細に説
明する。先にアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）２６
で生成した複数のデジタル・データの内、誘導性負荷２
０による傾斜直線に対応する任意のｎ個のデジタル・デ
ータから傾斜直線４０を演算により算出する。図２で
は、ｋΔｔ時点から（ｋ＋ｎ−１）Δｔ時点までのｎ個
のデジタル・データが傾斜直線に対応しており、これら
ｎ個のデータから例えば周知の最小２乗法を用いてマイ
クロプロセッサ・システム２８が傾斜直線を近似的に算
出する。

【００１９】ｋΔｔ時点（使用する最初のデジタル・デ
ータのサンプリング時点）及び（ｋ＋ｎ−１）Δｔ時点
（同、最後のサンプリング時点）をどのように決定する
かについては、Ａ／Ｄ２６からのデジタル・データがメ
モリに記憶されているので、操作者がメモリから表示器
３０にコレクタ電流特性曲線を表示しながら任意に設定
しても良い。また、通常測定は同じ被測定回路（ＩＧＢ
Ｔ回路）に対して複数回繰り返し行われ、よって傾斜直
線が生じる時点は例えばピーク値（図２のＩｐｋの時
点）からほぼ一定の時点に生じるので、Ｉｐｋが発生し
た時点から任意に設定した時点をｋΔｔ時点としても良
い。さらに比較器を用いて、コレクタ電流が基準電圧以
下になった時点を基準時点として、自動的にｋΔｔ時点
を設定するようにしても良い。

【００２０】傾斜直線が求めまったところで、コレクタ
電流のピーク値Ｉｐｋが発生した時点における傾斜直線
の値（Ｉｏで示す）とピーク値Ｉｐｋの差をとれば、ダ
イオード１４によるリカバリー電流Ｉrmが算出できる
（ステップ５８）。同様に、ピークを中心とするコレク
タ電流と傾斜直線とで囲まれる領域についてコレクタ電
流の値を時間に関して積分すれば、リカバリー電荷Ｑrr
を求めることができる。さらに、傾斜直線とコレクタ電
流曲線との交点を求めれば、リカバリー時間ｔrrやｔ
ａ、ｔｂを求めれることができる。

【００２１】さらに、半導体スイッチ１６に、パワー・
デバイス１２と同じデバイスを使用し、このデバイスの
電流入力端子及び電流出力端子間の電圧、ここでは、コ
レクタ・エミッタ間電圧ＶCEを測定してパワー・デバイ
ス回路の出力電流との積を時間に関して積分すれば、目
的のパワー・デバイス回路のターンオン及びターンオフ
・エネルギーＥon及びＥoffを求めることも同時にでき
る。この場合、従来のように被測定回路１０のみの特性
を測定するために、電流検出抵抗器Ｒｆ２３等を設ける
必要はなく、電流検出抵抗器Ｒｓ２２等だけで良い。

【００２２】以上、本発明の好適実施例を説明したが、
本発明はここに説明した実施例のみに限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱することなく必要に応じて
種々の変形及び変更を実施し得ることは当業者には明ら
かである。例えば、従来例でも説明したように、ダイオ
ード１４はパワー・デバイス回路を構成するためのダイ
オードであるから、ダイオード１４単体を被測定回路１
０としても良い。

【００２３】

【発明の効果】誘導性負荷に対するパワー・デバイス回
路の特性を測定しようとすると、その出力電流の誘導性
負荷による傾斜電流は波打って振動しており、パワー・
デバイス回路を構成するダイオードによる電流を測定で
きなかった。しかし、本発明によればパワー・デバイス
回路（被測定回路）を構成するダイオードによる電流等
を特定し測定できる。また、被測定回路に供給する電力
をスイッチングするのにパワー・デバイスを構成するの
と同じパワー・デバイスを使用すれば、パワー・デバイ
ス回路のパラメータも同時に測定でき、測定時間を短縮
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＩＧＢＴ回路の特性測定方法のフ
ローチャートである。

【図２】２回目のパルス信号の立ち上がり部分における
コレクタ電流Ｉｃの曲線を示す図である。

【図３】半導体スイッチのゲート端子に印加されるパル
ス信号とＩＧＢＴ回路からのコレクタ電流Ｉｃを同一時
間軸上で示した図である。

【図４】誘導性負荷に対するＩＧＢＴ回路の特性測定回
路の１従来例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０ＩＧＢＴ回路１２ＩＧＢＴ１４ダイオード１６半導体スイッチ１８電源２０誘導性負荷２２電流検出抵抗器２３電流検出抵抗器２４差動増幅器２５差動増幅器２６アナログ・デジタル変換器２７アナログ・デジタル変換器２８マイクロプロセッサ・システム３０表示器３２差動増幅器３４アナログ・デジタル変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パワー・デバイス回路を構成するパワー
・デバイス及びダイオードの誘導性負荷に対する特性を
測定するパワー・デバイス回路用特性測定方法であっ
て、上記誘導性負荷に並列に接続された上記ダイオードに電
力を供給し、上記ダイオードからの出力電流を抵抗を用いて検出し、上記抵抗の出力信号をサンプリングして複数のデジタル
・データを生成し、該複数のデジタル・データから上記出力電流の上記誘導
性負荷による傾斜直線を算出することを特徴とするパワ
ー・デバイス回路用特性測定方法。
【請求項２】上記出力電流のピークと該ピークの時点
における上記傾斜直線の値との差分を算出することによ
り、上記ダイオードの上記リカバリー電流を求めること
を特徴とする請求項１記載のパワー・デバイス回路用特
性測定方法。
【請求項３】上記ピークを中心とする上記出力電流と
上記傾斜直線とで囲まれる領域について上記出力電流の
値を時間に関して積分することにより、リカバリー電荷
を求めることを特徴とする請求項１記載のパワー・デバ
イス回路用特性測定方法。
【請求項４】上記出力電流と上記傾斜直線との交点か
らリカバリー時間を求めることを特徴とする請求項１記
載のパワー・デバイス回路用特性測定方法。
【請求項５】上記ダイオードに供給する電力をスイッ
チングするスイッチに上記パワー・デバイスと同じデバ
イスを使用し、該デバイスの電流入力端子及び電流出力端子間の電圧を
測定し、該電圧と上記出力電流との積を時間に関して積分するこ
とにより、上記パワー・デバイス回路のターンオン及び
ターンオフ・エネルギーを求めることを特徴とする請求
項１記載のパワー・デバイス回路用特性測定方法。