熱特性推定装置及び方法、並びに、温度推定装置及び方法、並びに、半導体装置
【課題】 半導体装置が装置に実装された状態での熱特性を求めて、ジャンクション温度の推定に適用する。
【解決手段】 本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定装置と、熱特性を利用して半導体装置のジャンクション温度を推定する温度推定装置に関する。そして、本発明の熱特性推定装置は、半導体装置のジャンクション温度が制限温度となる消費電力で半導体装置を動作させた状態で半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定する手段と、測定した温度を利用して、半導体装置の熱特性を推定する手段とを有することを特徴とする。
【解決手段】 本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定装置と、熱特性を利用して半導体装置のジャンクション温度を推定する温度推定装置に関する。そして、本発明の熱特性推定装置は、半導体装置のジャンクション温度が制限温度となる消費電力で半導体装置を動作させた状態で半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定する手段と、測定した温度を利用して、半導体装置の熱特性を推定する手段とを有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱特性推定装置及び方法、並びに、温度推定装置及び方法、並びに、半導体装置に関し、例えば、電圧変換等を行う半導体装置の熱保護に適用し得る。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置では、半導体装置自身に流れる電流と印加される電圧によって半導体装置内部のＰＮ接合されている接合部分（ジャンクション）に損失が発生し発熱する。この際に、半導体接合部分の温度はジャンクション温度と呼ばれている。通常、半導体装置のジャンクションには許容最大温度があり、許容最大温度を越えると半導体装置の劣化や破壊を招くおそれがある。
【０００３】
従来、半導体装置のジャンクション温度を推定する技術としては、特許文献１、２の記載技術がある。
【０００４】
特許文献１には、半導体のＰＮ接合部に流れる電流とその時の周囲温度の関係からジャンクション温度を推定することについて記載されている。
【０００５】
また特許文献２には、半導体装置に対する電圧と電流を測定し、ジャンクション温度を推定することについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２４５７５６号公報
【特許文献２】特開平７−１３５７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に半導体装置のジャンクション温度は、「熱抵抗値×消費電力＋雰囲気温度」で求められるため、正確にジャンクション温度を算出するためには、算出対象の半導体装置の熱抵抗値を求める必要がある。しかしながら、特許文献１、２の記載技術では、半導体装置が基板等に実装された状態の熱抵抗値を求めずに、ジャンクション温度を推定している。従来は、ＩＣ等の半導体装置が基板等に実装された状態では、配置される基盤や、放熱板等の設置状況により熱抵抗値が変動するため、その状態の熱抵抗値を求めるのは困難だったためである。
【０００８】
そのため、ＩＣ等の半導体装置が基板等の装置に実装された状態で熱抵抗値等の熱特性を求めて、ジャンクション温度の推定に適用することができる熱特性推定装置及び方法、並びに、温度推定装置及び方法、並びに、半導体装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定装置であって、（１）上記半導体装置のジャンクション温度が上記制限温度となる消費電力で、上記半導体装置を動作させた状態で、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定する温度測定手段と、（２）上記温度測定手段の測定結果を利用して、上記半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
第２の本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定方法であって、（１）温度測定手段、熱特性推定手段とを有し、（２）上記温度測定手段は、上記半導体装置のジャンクション温度が上記制限温度となる消費電力で、上記半導体装置を動作させた状態で、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定し、（３）上記熱特性推定手段は、上記温度測定手段の測定結果を利用して、上記半導体装置の熱特性を推定することを特徴とする。
【００１１】
第３の本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置のジャンクション温度を推定する温度推定装置であって、（１）上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定する温度測定手段と、（２）第１の本発明の熱特性推定装置を用いて求めた、上記半導体装置の熱特性と、上記温度測定手段の測定結果とを利用して、上記半導体装置のジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
第４の本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置のジャンクション温度を推定する温度推定方法であって、（１）温度測定手段、ジャンクション温度推定手段を有し、（２）上記温度測定手段は、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定し、（３）上記ジャンクション温度推定手段は、上記半導体装置の熱特性と、上記温度測定手段の測定結果とを利用して、上記半導体装置のジャンクション温度を推定することを特徴とする。
【００１３】
第５の本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置であって、第１の本発明の熱特性推定装置、及び又は、第３の本発明の温度推定装置を備えたことを特徴とする半導体装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、半導体装置が装置に実装された状態での熱特性を求めて、ジャンクション温度の推定に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る熱特性推定装置を備えた電源ＩＣの機能的構成について示したブロック図である。
【図２】実施形態に係るサーマルシャットダウン回路の特性について示した説明図である。
【図３】実施形態に係る冷却制御装置（温度推定装置）を備えた電源ＩＣの機能的構成について示したブロック図である。
【図４】実施形態に係る熱特性推定装置及び冷却制御装置を備えた電源ＩＣの動作について示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（Ａ）主たる実施形態
以下、本発明による熱特性推定装置及び方法、並びに、温度推定装置及び方法、並びに、半導体装置の一実施形態を、図面を参照しながら詳述する。この実施形態では、本発明の半導体装置及び温度推定装置を、それぞれ電源ＩＣ及び冷却制御装置に適用した例について説明する。
【００１７】
（Ａ−１）実施形態の構成
図１は、この実施形態の熱特性推定装置３０を備えた電源ＩＣ１０の全体構成を示すブロック図である。
【００１８】
電源ＩＣ１０は、例えば、ＤＣ−ＤＣ変換等の直流電圧を変換する電源ユニットとして機能するＩＣ（半導体装置）であり、基板２１上に実装されている。電源ＩＣ１０としては、例えば、既存の直流電圧を変換（例えば、１２Ｖの直流電圧を３．３Ｖに変換）する三端子レギュレータ等を適用することができる。この実施形態では、電源ＩＣ１０として、三端子レギュレータを適用した例について説明する。
【００１９】
図１では、電源ＩＣ１０は、基板２１上に実装されたものとして図示しているが、電源ＩＣ１０が実装される装置（基板、シャーシ等、半導体装置を実装することができるものを含む）は限定されないものである。また、図１では、例として、基板２１上には、電源ＩＣ１０から供給される電力で駆動するＣＰＵ２２及びメモリ２３が実装されているが、基板２１上に実装される構成要素も限定されないものである。
【００２０】
電源ＩＣ１０は、入力端子ＩＮ、グランド端子Ｇ、及び出力端子ＯＵＴと３つの端子を有している。
【００２１】
直流電源装置２１は、入力端子ＩＮにＶｉの定電圧を印加している。また、可変負荷装置２２は、出力端子ＯＵＴに接続されており、負荷（抵抗値）を変化させることにより電源ＩＣ１０の出力電流を制御している。以下では、電源ＩＣ１０から、出力端子ＯＵＴに出力される出力電流をＩｏ、出力電圧をＶｏと表すものとする。直流電源装置２１及び可変負荷装置２２は、もともと基板２１上で電源ＩＣ１０を動作させるために配置されたものであっても良いし、後述する熱特性推定装置３０の一部の構成要素としても良い。
【００２２】
また、電源ＩＣ１０の内部には、サーマルシャットダウン回路１１が備えられているものとする。サーマルシャットダウン回路１１は、電源ＩＣ１０内部のジャンクション温度が設定値（例えば、シリコンの場合１５０℃程度）を超えるとＩＣ出力電圧を低下させる等して、負荷を下げる熱保護手段である。既存の三端子レギュレータには、サーマルシャットダウン回路が備えられているものがあり、電源ＩＣ１０には、このサーマルシャットダウン回路が備えられた三端子レギュレータが採用されているものとする。
【００２３】
次に、熱特性推定装置３０の詳細について説明する。
【００２４】
熱特性推定装置３０は、電源ＩＣ１０の熱特性として熱抵抗値を推定するものであり、電圧計３１、電流計３２、温度計３３、ＡＤ変換部３４、及び情報処理部３５を有している。
【００２５】
電圧計３１は、電源ＩＣ１０の出力電圧Ｖｏを計測するものであり、出力端子ＯＵＴ（及びグランド端子Ｇ）に接続されている。なお、電圧計３１は、既存のものを適用することができる。
【００２６】
電流計３２は、電源ＩＣ１０の出力電流Ｉｏを計測するものであり、出力端子ＯＵＴと、可変負荷装置２２との間に挿入されている。なお、電流計３２は、既存のものを適用することができる。
【００２７】
温度計３３は、電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度を計測するものである。温度計３３としては、例えば、熱電対を利用した温度計等、既存のものを適用することができる。温度計３３により温度を計測する位置（すなわち、温度を計測する端子を配置する位置、以下、「温度計測位置」と呼ぶものとする）は、電源ＩＣ１０の周囲であれば限定されないものであるが、電源ＩＣ１０の本体部分（端子を除く部分）から１ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた位置に配置することが望ましい。なお、図１では、電源ＩＣ１０に放熱部１２が配置されているので、電源ＩＣ１０の本体部分のうち放熱部１２により覆われていない露出部分の周囲を温度計測位置としても良いし、放熱部１２の周囲（同様に１ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた位置が望ましい）を温度計測位置とするようにしても良い。また、温度計３３に求められる精度によっては、温度計３３の温度測定を行う端子を電源ＩＣ１０に接触させて測定した温度（すなわち、電源ＩＣ１０の表面の温度）を、電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度と見なして測定するようにしても良い。
【００２８】
ＡＤ変換部３４は、電圧計３１、電流計３２、及び温度計３３の測定値（アナログ）をディジタル値に変換して、情報処理部３５に供給するものである。なお、電圧計３１、電流計３２、及び温度計３３自体からディジタル値で測定値が出力される場合には、ＡＤ変換部３４は省略するようにしても良い。
【００２９】
情報処理部３５は、電圧計３１、電流計３２、及び温度計３３の測定結果に基づいて、電源ＩＣ１０の熱特性として熱抵抗値を推定する機能等を担っている。
【００３０】
情報処理部３５は、例えば、プロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ハードディスクなどのプログラムの実行構成を有する情報処理装置に、熱特性推定プログラム等をインストールすることにより構築するようにしても良い。また、情報処理部３５は、ソフトウェアではなく、専用のハードウェア（専用チップ）により構築するようにしても良い。
【００３１】
次に、情報処理部３５において、電源ＩＣ１０の熱抵抗値を求める処理について説明する。
【００３２】
上述の通り、ここでは、電源ＩＣ１０は、三端子レギュレータであるものとして説明しているが、三端子レギュレータ等の直流電圧を変換する半導体装置では、通常、出力段（出力バス）のトランジスタ部分が、大部分の消費電力（損失）を発生させている。そのため、三端子レギュレータでは、出力段のトランジスタのジャンクション温度が、ＩＣ全体で最も温度が高くなる部分となるが、三端子レギュレータを構成するＩＣチップ全体の大きさは非常に微小なものであるため、チップ全体では出力段のトランジスタ以外の部分でもほぼ同じ温度になる。
【００３３】
そこで、ここでは、電源ＩＣ１０全体の消費電力を、三端子レギュレータの出力段のトランジスタ部分が全て消費しているものとみなし、さらに、出力段のトランジスタ部のジャンクション温度を、電源ＩＣ１０全体の半導体部分（サーマルシャットダウン回路１１を含む）のジャンクション温度と同じ温度であるとみなすものとする。
【００３４】
なお、以下では、電源ＩＣ１０に係る消費電力をＰ（Ｐ＝（Ｖｉ−Ｖｏ）＊Ｉｏ）［ｗ］、ジャンクション温度をＴｊ［℃］、周囲の雰囲気温度をＴａ［℃］、熱抵抗をＲｔ［℃／Ｗ］とする。
【００３５】
そして、ジャンクション温度Ｔｊは、電力Ｐ、周囲温度Ｔａ、熱抵抗Ｒｔを用いて、以下の（１）式により表される。
【００３６】
Ｔｊ＝Ｒｔ＊Ｐ＋Ｔａ …（１）
そして、上記の（１）式を用いると熱抵抗Ｒｔは、以下の（２）式のように表される。
【００３７】
Ｒｔ＝（Ｔｊ−Ｔａ）／Ｐ＝（Ｔｊ−Ｔａ）／｛（Ｖｉ−Ｖｏ）＊Ｉｏ｝…（２）
すなわち、電源ＩＣ１０を動作させて、任意の状態のＴｊ、Ｔａ、Ｖｉ、Ｖｏ、Ｉｏを把握することができれば、熱特性推定装置３０では、電源ＩＣ１０の熱抵抗Ｒｔを求めることができる。しかし、ジャンクション温度Ｔｊだけは直接測定することができないため、情報処理部３５では、サーマルシャットダウン回路１１の特性を利用して、所定の状態における電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊを推定する処理を行う。
【００３８】
図２は、サーマルシャットダウン回路を備えた電源ＩＣ（三端子レギュレータ）の特性の例について示した説明図である。
【００３９】
図２に示すように、サーマルシャットダウン回路を備えた電源ＩＣでは、サーマルシャットダウン回路により、出力電流が所定の値（図２では、Ｉｄ）を超えると、出力電圧が急激に低下する。これは、電源ＩＣの出力電流の増加に伴って、ジャンクション温度も上昇し、ジャンクション温度がサーマルシャットダウン回路の制限温度Ｔｄを超えたために、サーマルシャットダウン回路が動作した結果である。
【００４０】
すなわち、電源ＩＣ１０の出力電流Ｉｏが上昇しＩｄになると、電源ＩＣ１０の消費電力の増加に伴ってジャンクション温度Ｔｊが制限温度Ｔｄとなる。そして、電源ＩＣ１０の出力電流ＩｏがＩｄを超えると、ジャンクション温度Ｔｊが制限温度Ｔｄを超え、サーマルシャットダウン回路が動作を開始する。
【００４１】
したがって、情報処理部３５では、電源ＩＣ１０の出力電流ＩｏがＩｄの場合には、電源ＩＣ１０に係るジャンクション温度ＴｊがＴｄになっていると把握することができる。
【００４２】
これにより、情報処理部３５では、出力電流ＩｏがＩｄとなるように可変負荷装置２２がセットされた状態で、雰囲気温度Ｔａを測定することにより、上記の（２）式を用いて電源ＩＣ１０の熱抵抗Ｒｔを推定することができる。この場合、上記の（２）式では、Ｔｊ＝Ｔｄ、Ｉｏ＝Ｉｄ、Ｖｉは一定値であり、Ｔａは温度計３３の測定結果を用いることができる。そして、ジャンクション温度がＴｄを超えない状態であるのでＶｏも一定の値を取る。したがって、情報処理部３５では、出力電流ＩｏがＩｄとなるように可変負荷装置２２がセットされた状態で、雰囲気温度Ｔａを測定するだけで、上記の（２）式の要素の値を全て把握して、電源ＩＣ１０の熱抵抗Ｒｔを求めることができる。
【００４３】
図１においては、熱特性推定装置３０では、出力電流ＩｏがＩｄとなるように可変負荷装置２２を制御して、電源ＩＣ１０のジャンクション温度がＴｄとなる状態にしているが、電源ＩＣ１０の消費電力を制御する方法は、これに限定されず電源ＩＣ１０の仕様に応じたその他の方法を用いても良い。
【００４４】
情報処理部３５が、Ｔｄ及びＩｄを保持する方法は限定されないものである。
【００４５】
Ｔｄについては、例えば、電源ＩＣ１０の仕様をカタログ等から把握し、情報処理部３５に予めセットしておくようにしても良い。
【００４６】
また、情報処理部３５に、可変負荷装置２２の抵抗値を制御することができるドライバ（図示せず）を設け、情報処理部３５が、そのドライバを用いて出力電流Ｉｏを増大させながら、電圧計３１及び電流計３２を用いて、出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを監視するようにしても良い。この場合、情報処理部３５は、可変負荷装置２２の抵抗値を制御して徐々に出力電流Ｉｏを増大させつつ、出力電圧Ｖｏの下落率を監視し、下落率が閾値以上となったときに出力電流ＩｏがＩｄを超えたと認定し、下落率が閾値以上となる直前の出力電流ＩｏをＩｄと認定するようにしても良い。
【００４７】
また、例えば、ユーザが可変負荷装置２２を操作して、出力電流Ｉｏを増大させながら、出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを、測定器により監視し、ユーザが手動でＩｄを把握するようにしても良い。そして、ユーザが手動で把握したＩｄを、情報処理部３５にセットするようにしても良い。
【００４８】
次に、熱特性推定装置３０で推定した熱抵抗Ｒｔを用いて、電源ＩＣ１０が、基板２１上で動作している間のジャンクション温度Ｔｊを推定し、推定したジャンクション温度Ｔｊに応じて、電源ＩＣ１０を冷却する構成例について説明する。
【００４９】
図３は、電源ＩＣ１０に冷却制御装置４０を付加した場合の機能的構成について示したブロック図である。
【００５０】
図３では、電源ＩＣ１０には、冷却素子１３が配置されており、冷却素子１３の動作は、冷却制御装置４０により制御されている。冷却素子１３は、例えば、ペルチェ素子や冷却ファン等、既存の冷却素子（冷却装置）を用いることができる。
【００５１】
冷却制御装置４０は、電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊを推定し、ジャンクション温度Ｔｊが所定の制限温度Ｔｌに達すると、冷却素子１３を駆動させて電源ＩＣ１０を冷却させるものである。例えば、電源ＩＣ１０が、ジャンクション温度が１５０℃でサーマルシャットダウン回路が動作する三端子レギュレータである場合には、制限温度Ｔｌを１００℃以下に設定することが望ましい。
【００５２】
冷却制御装置４０は、温度計４１、ＡＤ変換部４２、情報処理部４３、冷却コントローラ４４を有している。図３では、冷却制御装置４０は、一つの装置として図示しているが、電源ＩＣ１０のジャンクション温度を推定する処理を行う温度推定部（温度推定装置）と、温度推定部が推定したジャンクション温度に応じて冷却素子１３（冷却コントローラ４４）を制御する冷却制御部とに分けて構築するようにしても良い。言い換えると、冷却制御装置４０は、本発明の温度推定装置に、上述の冷却制御部が付加された構成であると言える。
【００５３】
温度計４１は、上述の熱特性推定装置３０の温度計３３と同様のものであり、電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度を測定するものである。電源ＩＣ１０には、冷却素子１３が備えられているが、温度計４１により正確な温度を測定するために、温度計４１の温度測定位置は、電源ＩＣ１０の冷却素子１３に覆われていない露出部分とすることが望ましい。
【００５４】
ＡＤ変換部４２は、上述の熱特性推定装置３０のＡＤ変換部３４とほぼ同様のものであるが、温度計４１の測定値に関するアナログデジタル変換処理だけをして情報処理部４３に供給する点で異なっている。
【００５５】
冷却コントローラ４４は、情報処理部４３の制御に応じて、冷却素子１３の動作をコントロールするものである。冷却コントローラ４４としては、既存の冷却素子のコントローラを適用することができる。
【００５６】
情報処理部４３は、温度計４１の測定値から、電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊを推定する。そして、情報処理部４３は、ジャンクション温度Ｔｊが制限温度Ｔｌに達すると、冷却コントローラ４４を介して冷却素子１３を動作させて電源ＩＣ１０を冷却させる。
【００５７】
情報処理部４３は、温度計４１の測定値から、上記の（１）式に、熱特性推定装置３０で求めた熱抵抗Ｒｔを適用して、電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊを推定する。上記の（１）式では、ジャンクション温度Ｔｊの推定に消費電力Ｐも必要であるが、電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊが、サーマルシャットダウン回路１１が駆動を開始するＴｄよりも低い温度である限り、出力電圧Ｖｏは一定の値をとり続ける。また、出力電流Ｉｏも、可変負荷装置２２の負荷に応じた値となる。したがって、図３において、冷却制御装置４０は、出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを測定する構成を備えておらず、情報処理部４３には予め所定の消費電力Ｐがセットされているものとして説明している。なお、冷却制御装置４０が、出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを測定する構成を別途備え、測定した結果を用いてジャンクション温度Ｔｊの推定に用いるようにしても良い。
【００５８】
情報処理部４３では、温度計４１により雰囲気温度Ｔａが測定される都度、上記の（１）式に、熱特性推定装置３０で求めた熱抵抗Ｒｔを適用して、電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊを算出するようにしても良い。また、情報処理部４３では、予めジャンクション温度の制限温度Ｔｌに対応する雰囲気温度を算出しておき、算出した雰囲気温度と、測定した雰囲気温度とを比較して、電源ＩＣ１０のジャンクション温度が制限温度Ｔｌ以下であるか否かを判定するようにしても良い。例えば、温度計４１が熱電対を用いた温度計である場合には、熱電対は温度に比例した電圧Ｖｔを出力するため、制限温度Ｔｌに対応する電圧Ｖｒを情報処理部４３に予め設定しておき、ＶｒとＶｔとを比較することにより、電源ＩＣ１０のジャンクション温度が制限温度Ｔｌ以下であるか否かを判定するようにしても良い。
【００５９】
図１では、電源ＩＣ１０には放熱部１２が付けられており、図３では電源ＩＣ１０に冷却素子１３が付けられている。したがって、冷却制御装置４０の情報処理部４３にセットする熱抵抗Ｒｔは、電源ＩＣ１０に冷却素子１３を付けた状態で熱特性推定装置３０により測定した結果に基づいた値を適用することが望ましい。
【００６０】
情報処理部４３が、冷却素子１３の冷却動作させた後、冷却動作を停止させるタイミングについては限定されないものであるが、例えば、冷却動作を開始してから一定時間経過した後のタイミングや、ジャンクション温度Ｔｊの推定温度が所定の閾値以下（Ｔｌ以下としても良い）となったタイミングとしても良い。
【００６１】
上述の通り、温度計４１の温度測定位置は電源ＩＣ１０の周囲に配置されているため、温度計４１により測定される温度は、電源ＩＣ１０に付けられた冷却素子１３の影響を受ける場合がある。したがって、冷却素子１３を動作させた場合に温度計４１により測定される温度は、正確に電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度を示さない場合があるため、その場合情報処理部４３が推定するジャンクション温度Ｔｊは、実際のジャンクション温度よりも低くなってしまう。そこで、上述のように、冷却素子１３の冷却動作させた後、冷却動作を停止させるタイミングを、冷却動作を開始してから一定時間経過した後のタイミングや、ジャンクション温度Ｔｊの推定温度が所定の閾値以下（Ｔｌ以下としても良い）となったタイミングとすることにより、十分に電源ＩＣ１０を冷却することができる。
【００６２】
（Ａ−２）実施形態の動作
次に、以上のような構成を有する熱特性推定装置の動作（実施形態の熱特性推定方法）、冷却制御装置（温度推定装置）の動作（実施形態の温度推定方法）を説明する。
【００６３】
図４は、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０を備えた電源ＩＣ１０の動作について示したフローチャートである。
【００６４】
ここでは、電源ＩＣ１０には、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０が備えられているものとして説明する。また、図４のフローチャートでは、初期状態として、電源ＩＣ１０に、冷却素子１３が付けられた状態（すなわち、図３の状態）であるものとして説明する。
【００６５】
まず、電源ＩＣ１０の出力電流ＩｏがＩｄとなるように可変負荷装置２２がセットされた状態で、熱特性推定装置３０により、電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度Ｔａが測定される（Ｓ１０１）。なお、ステップＳ１０１で用いるＩｄは、熱特性推定装置３０により測定した結果を適用するようにしても良いし、予めユーザにより測定された結果をセットしておくようにしても良い。電源ＩＣ１０の出力電流ＩｏがＩｄとなるように可変負荷装置２２を制御することについては、ユーザが手動で行うようにしても良いし、熱特性推定装置３０が図示しないドライバを介して制御するようにしても良い。
【００６６】
次に、動作中に熱特性推定装置３０により、電源ＩＣ１０が基板２１に実装された状態での熱抵抗Ｒｔが推定される（Ｓ１０２）。
【００６７】
次に、熱特性推定装置３０により推定された熱抵抗Ｒｔが、冷却制御装置４０に与えられると、冷却制御装置４０により、電源ＩＣ１０が通常モードで動作している間の電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度Ｔａが測定され（Ｓ１０３）、測定された雰囲気温度Ｔａに基づいて、動作中の電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊが推定される（Ｓ１０４）。
【００６８】
なお、熱特性推定装置３０で推定した熱抵抗Ｒｔを、冷却制御装置４０に与える方法については限定されないものである。例えば、ユーザが手動で冷却制御装置４０に設定するようにしても良いし、装置間で情報をやりとりするバスを別途備えるようにしても良い。また、熱特性推定装置３０の情報処理部３５と、冷却制御装置４０の情報処理部４３が共通のハードウェア（情報処理装置）を用いて構成されている場合には、ソフトウェア上で情報をやりとりするようにしても良い。
【００６９】
そして、冷却制御装置４０では、推定されたジャンクション温度Ｔｊが、制限温度Ｔｌを超えているか否かが判定される（Ｓ１０５）。
【００７０】
上述のステップＳ１０５で、ジャンクション温度Ｔｊが、制限温度Ｔｌ以下と判定された場合には、冷却制御装置４０は、上述のステップＳ１０３に戻って動作する。
【００７１】
一方、上述のステップＳ１０５で、ジャンクション温度Ｔｊが、制限温度Ｔｌを超えたと判定された場合には、冷却制御装置４０は、冷却コントローラ４４を介して冷却素子１３を動作させ、電源ＩＣ１０の冷却を行ない（Ｓ１０６）、上述のステップＳ１０３に戻って動作する。
【００７２】
（Ａ−３）実施形態の効果
この実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００７３】
この実施形態では、熱特性推定装置３０により、電源ＩＣ１０に搭載された熱保護回路（サーマルシャットダウン回路）の特性を利用して、電源ＩＣ１０が基板２１に実装された状態の熱抵抗値を求めることができる。
【００７４】
そして、冷却制御装置４０では、求めた熱抵抗値と雰囲気温度とを利用して、冷却制御電源ＩＣ１０に係るジャンクション温度を推定するため、より正確なジャンクション温度を推定することができる。これにより、冷却制御装置４０では、電源ＩＣ１０の正確な温度を把握して冷却素子１３の動作を制御することができるので、無駄な冷却をせずに効率良く冷却素子１３を制御することができる。
【００７５】
（Ｂ）他の実施形態
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するような変形実施形態も挙げることができる。
【００７６】
（Ｂ−１）上記の実施形態では、熱特性推定装置３０と冷却制御装置４０とは、別装置であるものとして説明したが、一つの装置として構築するようにしても良い。その際には、熱特性推定装置３０側の温度計３３、ＡＤ変換部３４、及び情報処理部３５については、それぞれ、冷却制御装置４０側の温度計４１、ＡＤ変換部４２、及び情報処理部４３と共通のハードウェアを用いて構築するようにしても良い。
【００７７】
また、上記の実施形態において、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０は、電源ＩＣ１０が実装された基板２１とは別の装置として構築しているが、基板２１上に構築するようにしても良い。
【００７８】
（Ｂ−２）上記の実施形態では、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０（温度推定装置）の処理対象の半導体装置として電源ＩＣ１０を適用した場合の例について説明したが、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０の処理対象は、その他の半導体装置としても良い。熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０を適用する半導体装置としては、例えば、熱保護回路（サーマルシャットダウン回路等）を備える整流器や、ＡＣ−ＤＣコンバータ等もあげられる。また、上記の実施形態では、電源ＩＣ１０は、１つのＩＣ（チップ）により構成されているものとして説明したが、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０（温度推定装置）の処理対象の半導体装置は、複数のＩＣ（チップ）や半導体素子等を用いて構成されたものであっても良い。
【００７９】
このように、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０の処理対象の半導体装置は、当該半導体装置の本来機能を実現する半導体部分（トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等）に加えて、熱保護回路（サーマルシャットダウン回路等）を備える半導体装置（ＩＣ等）であれば限定されないものである。
【００８０】
（Ｂ−３）上記の実施形態では、熱特性推定装置３０が求めた熱抵抗値は、冷却制御装置４０に与えられるものとして説明したが、単に熱特性推定装置３０を熱抵抗値を推定するだけの装置として利用するようにしても良い。例えば、電源ＩＣ１０を実装した装置の品質検査として、電源ＩＣ１０が実装された状態の熱抵抗値を求めるようにしても良い。また、電源ＩＣ１０を実装した装置を実際使用している現場（フィールド）で、同様に熱特性推定装置３０を用いて電源ＩＣ１０に係る検査として熱抵抗値を求めることに利用するようにしても良い。
【００８１】
（Ｂ−４）上記の実施形態では、冷却制御装置４０がジャンクション温度の推定に用いる熱抵抗値は、熱特性推定装置３０から与えられたものとして説明したが、熱特性推定装置３０以外から熱抵抗値の供給を受けるようにしても良い。
【００８２】
（Ｂ−５）上記の実施形態では、熱特性推定装置３０が一度熱抵抗値を推定すると、その熱抵抗値を冷却制御装置４０が利用し続ける例について説明したが、例えば、熱特性推定装置３０が定期又は不定期に熱抵抗値を推定する処理を行い、冷却制御装置４０にセットする熱抵抗値を更新するようにしても良い。これにより、例えば、電源ＩＣ１０や、電源ＩＣ１０自身や周辺の部分の劣化等により、熱抵抗値が変動した場合でも、冷却制御装置４０では正確な熱抵抗値を用いて、ジャンクション温度を推定することができる。
【００８３】
（Ｂ−６）上記の実施形態では、本発明の温度推定装置を、冷却制御装置４０に適用した例について説明したが、本発明の温度推定装置が推定したジャンクション温度が制限温度Ｔｌを超えた場合の処理は、温度推定対象（電源ＩＣ１０）の冷却に限定されないものである。例えば、本発明の温度推定装置が推定したジャンクション温度が制限温度Ｔｌを超えた場合には、図示しない、スピーカやランプにより警報を発したり、通信により他の装置に所定の信号を送信（メッセージ送信等）するようにしても良い。
【符号の説明】
【００８４】
１０…電源ＩＣ、１１…サーマルシャットダウン回路、１２…放熱部、１３…冷却素子、ＩＮ…入力端子、Ｇ…グランド端子、ＯＵＴ…出力端子、Ｖｉ…入力電圧、Ｖｏ…出力電圧、Ｉｏ…出力電流、２１…基板、２１…直流電源装置、２２…可変負荷装置、２２…ＣＰＵ、２３…メモリ、３０…熱特性推定装置、３１…電圧計、３２…電流計、３３…温度計、３４…ＡＤ変換部、３５…情報処理部、４０…冷却制御装置（温度推定装置）、４１…温度計、４２…ＡＤ変換部、４３…情報処理部、４４…冷却コントローラ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱特性推定装置及び方法、並びに、温度推定装置及び方法、並びに、半導体装置に関し、例えば、電圧変換等を行う半導体装置の熱保護に適用し得る。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置では、半導体装置自身に流れる電流と印加される電圧によって半導体装置内部のＰＮ接合されている接合部分（ジャンクション）に損失が発生し発熱する。この際に、半導体接合部分の温度はジャンクション温度と呼ばれている。通常、半導体装置のジャンクションには許容最大温度があり、許容最大温度を越えると半導体装置の劣化や破壊を招くおそれがある。
【０００３】
従来、半導体装置のジャンクション温度を推定する技術としては、特許文献１、２の記載技術がある。
【０００４】
特許文献１には、半導体のＰＮ接合部に流れる電流とその時の周囲温度の関係からジャンクション温度を推定することについて記載されている。
【０００５】
また特許文献２には、半導体装置に対する電圧と電流を測定し、ジャンクション温度を推定することについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２４５７５６号公報
【特許文献２】特開平７−１３５７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に半導体装置のジャンクション温度は、「熱抵抗値×消費電力＋雰囲気温度」で求められるため、正確にジャンクション温度を算出するためには、算出対象の半導体装置の熱抵抗値を求める必要がある。しかしながら、特許文献１、２の記載技術では、半導体装置が基板等に実装された状態の熱抵抗値を求めずに、ジャンクション温度を推定している。従来は、ＩＣ等の半導体装置が基板等に実装された状態では、配置される基盤や、放熱板等の設置状況により熱抵抗値が変動するため、その状態の熱抵抗値を求めるのは困難だったためである。
【０００８】
そのため、ＩＣ等の半導体装置が基板等の装置に実装された状態で熱抵抗値等の熱特性を求めて、ジャンクション温度の推定に適用することができる熱特性推定装置及び方法、並びに、温度推定装置及び方法、並びに、半導体装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定装置であって、（１）上記半導体装置のジャンクション温度が上記制限温度となる消費電力で、上記半導体装置を動作させた状態で、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定する温度測定手段と、（２）上記温度測定手段の測定結果を利用して、上記半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
第２の本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定方法であって、（１）温度測定手段、熱特性推定手段とを有し、（２）上記温度測定手段は、上記半導体装置のジャンクション温度が上記制限温度となる消費電力で、上記半導体装置を動作させた状態で、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定し、（３）上記熱特性推定手段は、上記温度測定手段の測定結果を利用して、上記半導体装置の熱特性を推定することを特徴とする。
【００１１】
第３の本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置のジャンクション温度を推定する温度推定装置であって、（１）上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定する温度測定手段と、（２）第１の本発明の熱特性推定装置を用いて求めた、上記半導体装置の熱特性と、上記温度測定手段の測定結果とを利用して、上記半導体装置のジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
第４の本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置のジャンクション温度を推定する温度推定方法であって、（１）温度測定手段、ジャンクション温度推定手段を有し、（２）上記温度測定手段は、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定し、（３）上記ジャンクション温度推定手段は、上記半導体装置の熱特性と、上記温度測定手段の測定結果とを利用して、上記半導体装置のジャンクション温度を推定することを特徴とする。
【００１３】
第５の本発明は、ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置であって、第１の本発明の熱特性推定装置、及び又は、第３の本発明の温度推定装置を備えたことを特徴とする半導体装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、半導体装置が装置に実装された状態での熱特性を求めて、ジャンクション温度の推定に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る熱特性推定装置を備えた電源ＩＣの機能的構成について示したブロック図である。
【図２】実施形態に係るサーマルシャットダウン回路の特性について示した説明図である。
【図３】実施形態に係る冷却制御装置（温度推定装置）を備えた電源ＩＣの機能的構成について示したブロック図である。
【図４】実施形態に係る熱特性推定装置及び冷却制御装置を備えた電源ＩＣの動作について示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（Ａ）主たる実施形態
以下、本発明による熱特性推定装置及び方法、並びに、温度推定装置及び方法、並びに、半導体装置の一実施形態を、図面を参照しながら詳述する。この実施形態では、本発明の半導体装置及び温度推定装置を、それぞれ電源ＩＣ及び冷却制御装置に適用した例について説明する。
【００１７】
（Ａ−１）実施形態の構成
図１は、この実施形態の熱特性推定装置３０を備えた電源ＩＣ１０の全体構成を示すブロック図である。
【００１８】
電源ＩＣ１０は、例えば、ＤＣ−ＤＣ変換等の直流電圧を変換する電源ユニットとして機能するＩＣ（半導体装置）であり、基板２１上に実装されている。電源ＩＣ１０としては、例えば、既存の直流電圧を変換（例えば、１２Ｖの直流電圧を３．３Ｖに変換）する三端子レギュレータ等を適用することができる。この実施形態では、電源ＩＣ１０として、三端子レギュレータを適用した例について説明する。
【００１９】
図１では、電源ＩＣ１０は、基板２１上に実装されたものとして図示しているが、電源ＩＣ１０が実装される装置（基板、シャーシ等、半導体装置を実装することができるものを含む）は限定されないものである。また、図１では、例として、基板２１上には、電源ＩＣ１０から供給される電力で駆動するＣＰＵ２２及びメモリ２３が実装されているが、基板２１上に実装される構成要素も限定されないものである。
【００２０】
電源ＩＣ１０は、入力端子ＩＮ、グランド端子Ｇ、及び出力端子ＯＵＴと３つの端子を有している。
【００２１】
直流電源装置２１は、入力端子ＩＮにＶｉの定電圧を印加している。また、可変負荷装置２２は、出力端子ＯＵＴに接続されており、負荷（抵抗値）を変化させることにより電源ＩＣ１０の出力電流を制御している。以下では、電源ＩＣ１０から、出力端子ＯＵＴに出力される出力電流をＩｏ、出力電圧をＶｏと表すものとする。直流電源装置２１及び可変負荷装置２２は、もともと基板２１上で電源ＩＣ１０を動作させるために配置されたものであっても良いし、後述する熱特性推定装置３０の一部の構成要素としても良い。
【００２２】
また、電源ＩＣ１０の内部には、サーマルシャットダウン回路１１が備えられているものとする。サーマルシャットダウン回路１１は、電源ＩＣ１０内部のジャンクション温度が設定値（例えば、シリコンの場合１５０℃程度）を超えるとＩＣ出力電圧を低下させる等して、負荷を下げる熱保護手段である。既存の三端子レギュレータには、サーマルシャットダウン回路が備えられているものがあり、電源ＩＣ１０には、このサーマルシャットダウン回路が備えられた三端子レギュレータが採用されているものとする。
【００２３】
次に、熱特性推定装置３０の詳細について説明する。
【００２４】
熱特性推定装置３０は、電源ＩＣ１０の熱特性として熱抵抗値を推定するものであり、電圧計３１、電流計３２、温度計３３、ＡＤ変換部３４、及び情報処理部３５を有している。
【００２５】
電圧計３１は、電源ＩＣ１０の出力電圧Ｖｏを計測するものであり、出力端子ＯＵＴ（及びグランド端子Ｇ）に接続されている。なお、電圧計３１は、既存のものを適用することができる。
【００２６】
電流計３２は、電源ＩＣ１０の出力電流Ｉｏを計測するものであり、出力端子ＯＵＴと、可変負荷装置２２との間に挿入されている。なお、電流計３２は、既存のものを適用することができる。
【００２７】
温度計３３は、電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度を計測するものである。温度計３３としては、例えば、熱電対を利用した温度計等、既存のものを適用することができる。温度計３３により温度を計測する位置（すなわち、温度を計測する端子を配置する位置、以下、「温度計測位置」と呼ぶものとする）は、電源ＩＣ１０の周囲であれば限定されないものであるが、電源ＩＣ１０の本体部分（端子を除く部分）から１ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた位置に配置することが望ましい。なお、図１では、電源ＩＣ１０に放熱部１２が配置されているので、電源ＩＣ１０の本体部分のうち放熱部１２により覆われていない露出部分の周囲を温度計測位置としても良いし、放熱部１２の周囲（同様に１ｍｍ〜５ｍｍ程度離れた位置が望ましい）を温度計測位置とするようにしても良い。また、温度計３３に求められる精度によっては、温度計３３の温度測定を行う端子を電源ＩＣ１０に接触させて測定した温度（すなわち、電源ＩＣ１０の表面の温度）を、電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度と見なして測定するようにしても良い。
【００２８】
ＡＤ変換部３４は、電圧計３１、電流計３２、及び温度計３３の測定値（アナログ）をディジタル値に変換して、情報処理部３５に供給するものである。なお、電圧計３１、電流計３２、及び温度計３３自体からディジタル値で測定値が出力される場合には、ＡＤ変換部３４は省略するようにしても良い。
【００２９】
情報処理部３５は、電圧計３１、電流計３２、及び温度計３３の測定結果に基づいて、電源ＩＣ１０の熱特性として熱抵抗値を推定する機能等を担っている。
【００３０】
情報処理部３５は、例えば、プロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ハードディスクなどのプログラムの実行構成を有する情報処理装置に、熱特性推定プログラム等をインストールすることにより構築するようにしても良い。また、情報処理部３５は、ソフトウェアではなく、専用のハードウェア（専用チップ）により構築するようにしても良い。
【００３１】
次に、情報処理部３５において、電源ＩＣ１０の熱抵抗値を求める処理について説明する。
【００３２】
上述の通り、ここでは、電源ＩＣ１０は、三端子レギュレータであるものとして説明しているが、三端子レギュレータ等の直流電圧を変換する半導体装置では、通常、出力段（出力バス）のトランジスタ部分が、大部分の消費電力（損失）を発生させている。そのため、三端子レギュレータでは、出力段のトランジスタのジャンクション温度が、ＩＣ全体で最も温度が高くなる部分となるが、三端子レギュレータを構成するＩＣチップ全体の大きさは非常に微小なものであるため、チップ全体では出力段のトランジスタ以外の部分でもほぼ同じ温度になる。
【００３３】
そこで、ここでは、電源ＩＣ１０全体の消費電力を、三端子レギュレータの出力段のトランジスタ部分が全て消費しているものとみなし、さらに、出力段のトランジスタ部のジャンクション温度を、電源ＩＣ１０全体の半導体部分（サーマルシャットダウン回路１１を含む）のジャンクション温度と同じ温度であるとみなすものとする。
【００３４】
なお、以下では、電源ＩＣ１０に係る消費電力をＰ（Ｐ＝（Ｖｉ−Ｖｏ）＊Ｉｏ）［ｗ］、ジャンクション温度をＴｊ［℃］、周囲の雰囲気温度をＴａ［℃］、熱抵抗をＲｔ［℃／Ｗ］とする。
【００３５】
そして、ジャンクション温度Ｔｊは、電力Ｐ、周囲温度Ｔａ、熱抵抗Ｒｔを用いて、以下の（１）式により表される。
【００３６】
Ｔｊ＝Ｒｔ＊Ｐ＋Ｔａ …（１）
そして、上記の（１）式を用いると熱抵抗Ｒｔは、以下の（２）式のように表される。
【００３７】
Ｒｔ＝（Ｔｊ−Ｔａ）／Ｐ＝（Ｔｊ−Ｔａ）／｛（Ｖｉ−Ｖｏ）＊Ｉｏ｝…（２）
すなわち、電源ＩＣ１０を動作させて、任意の状態のＴｊ、Ｔａ、Ｖｉ、Ｖｏ、Ｉｏを把握することができれば、熱特性推定装置３０では、電源ＩＣ１０の熱抵抗Ｒｔを求めることができる。しかし、ジャンクション温度Ｔｊだけは直接測定することができないため、情報処理部３５では、サーマルシャットダウン回路１１の特性を利用して、所定の状態における電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊを推定する処理を行う。
【００３８】
図２は、サーマルシャットダウン回路を備えた電源ＩＣ（三端子レギュレータ）の特性の例について示した説明図である。
【００３９】
図２に示すように、サーマルシャットダウン回路を備えた電源ＩＣでは、サーマルシャットダウン回路により、出力電流が所定の値（図２では、Ｉｄ）を超えると、出力電圧が急激に低下する。これは、電源ＩＣの出力電流の増加に伴って、ジャンクション温度も上昇し、ジャンクション温度がサーマルシャットダウン回路の制限温度Ｔｄを超えたために、サーマルシャットダウン回路が動作した結果である。
【００４０】
すなわち、電源ＩＣ１０の出力電流Ｉｏが上昇しＩｄになると、電源ＩＣ１０の消費電力の増加に伴ってジャンクション温度Ｔｊが制限温度Ｔｄとなる。そして、電源ＩＣ１０の出力電流ＩｏがＩｄを超えると、ジャンクション温度Ｔｊが制限温度Ｔｄを超え、サーマルシャットダウン回路が動作を開始する。
【００４１】
したがって、情報処理部３５では、電源ＩＣ１０の出力電流ＩｏがＩｄの場合には、電源ＩＣ１０に係るジャンクション温度ＴｊがＴｄになっていると把握することができる。
【００４２】
これにより、情報処理部３５では、出力電流ＩｏがＩｄとなるように可変負荷装置２２がセットされた状態で、雰囲気温度Ｔａを測定することにより、上記の（２）式を用いて電源ＩＣ１０の熱抵抗Ｒｔを推定することができる。この場合、上記の（２）式では、Ｔｊ＝Ｔｄ、Ｉｏ＝Ｉｄ、Ｖｉは一定値であり、Ｔａは温度計３３の測定結果を用いることができる。そして、ジャンクション温度がＴｄを超えない状態であるのでＶｏも一定の値を取る。したがって、情報処理部３５では、出力電流ＩｏがＩｄとなるように可変負荷装置２２がセットされた状態で、雰囲気温度Ｔａを測定するだけで、上記の（２）式の要素の値を全て把握して、電源ＩＣ１０の熱抵抗Ｒｔを求めることができる。
【００４３】
図１においては、熱特性推定装置３０では、出力電流ＩｏがＩｄとなるように可変負荷装置２２を制御して、電源ＩＣ１０のジャンクション温度がＴｄとなる状態にしているが、電源ＩＣ１０の消費電力を制御する方法は、これに限定されず電源ＩＣ１０の仕様に応じたその他の方法を用いても良い。
【００４４】
情報処理部３５が、Ｔｄ及びＩｄを保持する方法は限定されないものである。
【００４５】
Ｔｄについては、例えば、電源ＩＣ１０の仕様をカタログ等から把握し、情報処理部３５に予めセットしておくようにしても良い。
【００４６】
また、情報処理部３５に、可変負荷装置２２の抵抗値を制御することができるドライバ（図示せず）を設け、情報処理部３５が、そのドライバを用いて出力電流Ｉｏを増大させながら、電圧計３１及び電流計３２を用いて、出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを監視するようにしても良い。この場合、情報処理部３５は、可変負荷装置２２の抵抗値を制御して徐々に出力電流Ｉｏを増大させつつ、出力電圧Ｖｏの下落率を監視し、下落率が閾値以上となったときに出力電流ＩｏがＩｄを超えたと認定し、下落率が閾値以上となる直前の出力電流ＩｏをＩｄと認定するようにしても良い。
【００４７】
また、例えば、ユーザが可変負荷装置２２を操作して、出力電流Ｉｏを増大させながら、出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを、測定器により監視し、ユーザが手動でＩｄを把握するようにしても良い。そして、ユーザが手動で把握したＩｄを、情報処理部３５にセットするようにしても良い。
【００４８】
次に、熱特性推定装置３０で推定した熱抵抗Ｒｔを用いて、電源ＩＣ１０が、基板２１上で動作している間のジャンクション温度Ｔｊを推定し、推定したジャンクション温度Ｔｊに応じて、電源ＩＣ１０を冷却する構成例について説明する。
【００４９】
図３は、電源ＩＣ１０に冷却制御装置４０を付加した場合の機能的構成について示したブロック図である。
【００５０】
図３では、電源ＩＣ１０には、冷却素子１３が配置されており、冷却素子１３の動作は、冷却制御装置４０により制御されている。冷却素子１３は、例えば、ペルチェ素子や冷却ファン等、既存の冷却素子（冷却装置）を用いることができる。
【００５１】
冷却制御装置４０は、電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊを推定し、ジャンクション温度Ｔｊが所定の制限温度Ｔｌに達すると、冷却素子１３を駆動させて電源ＩＣ１０を冷却させるものである。例えば、電源ＩＣ１０が、ジャンクション温度が１５０℃でサーマルシャットダウン回路が動作する三端子レギュレータである場合には、制限温度Ｔｌを１００℃以下に設定することが望ましい。
【００５２】
冷却制御装置４０は、温度計４１、ＡＤ変換部４２、情報処理部４３、冷却コントローラ４４を有している。図３では、冷却制御装置４０は、一つの装置として図示しているが、電源ＩＣ１０のジャンクション温度を推定する処理を行う温度推定部（温度推定装置）と、温度推定部が推定したジャンクション温度に応じて冷却素子１３（冷却コントローラ４４）を制御する冷却制御部とに分けて構築するようにしても良い。言い換えると、冷却制御装置４０は、本発明の温度推定装置に、上述の冷却制御部が付加された構成であると言える。
【００５３】
温度計４１は、上述の熱特性推定装置３０の温度計３３と同様のものであり、電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度を測定するものである。電源ＩＣ１０には、冷却素子１３が備えられているが、温度計４１により正確な温度を測定するために、温度計４１の温度測定位置は、電源ＩＣ１０の冷却素子１３に覆われていない露出部分とすることが望ましい。
【００５４】
ＡＤ変換部４２は、上述の熱特性推定装置３０のＡＤ変換部３４とほぼ同様のものであるが、温度計４１の測定値に関するアナログデジタル変換処理だけをして情報処理部４３に供給する点で異なっている。
【００５５】
冷却コントローラ４４は、情報処理部４３の制御に応じて、冷却素子１３の動作をコントロールするものである。冷却コントローラ４４としては、既存の冷却素子のコントローラを適用することができる。
【００５６】
情報処理部４３は、温度計４１の測定値から、電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊを推定する。そして、情報処理部４３は、ジャンクション温度Ｔｊが制限温度Ｔｌに達すると、冷却コントローラ４４を介して冷却素子１３を動作させて電源ＩＣ１０を冷却させる。
【００５７】
情報処理部４３は、温度計４１の測定値から、上記の（１）式に、熱特性推定装置３０で求めた熱抵抗Ｒｔを適用して、電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊを推定する。上記の（１）式では、ジャンクション温度Ｔｊの推定に消費電力Ｐも必要であるが、電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊが、サーマルシャットダウン回路１１が駆動を開始するＴｄよりも低い温度である限り、出力電圧Ｖｏは一定の値をとり続ける。また、出力電流Ｉｏも、可変負荷装置２２の負荷に応じた値となる。したがって、図３において、冷却制御装置４０は、出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを測定する構成を備えておらず、情報処理部４３には予め所定の消費電力Ｐがセットされているものとして説明している。なお、冷却制御装置４０が、出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを測定する構成を別途備え、測定した結果を用いてジャンクション温度Ｔｊの推定に用いるようにしても良い。
【００５８】
情報処理部４３では、温度計４１により雰囲気温度Ｔａが測定される都度、上記の（１）式に、熱特性推定装置３０で求めた熱抵抗Ｒｔを適用して、電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊを算出するようにしても良い。また、情報処理部４３では、予めジャンクション温度の制限温度Ｔｌに対応する雰囲気温度を算出しておき、算出した雰囲気温度と、測定した雰囲気温度とを比較して、電源ＩＣ１０のジャンクション温度が制限温度Ｔｌ以下であるか否かを判定するようにしても良い。例えば、温度計４１が熱電対を用いた温度計である場合には、熱電対は温度に比例した電圧Ｖｔを出力するため、制限温度Ｔｌに対応する電圧Ｖｒを情報処理部４３に予め設定しておき、ＶｒとＶｔとを比較することにより、電源ＩＣ１０のジャンクション温度が制限温度Ｔｌ以下であるか否かを判定するようにしても良い。
【００５９】
図１では、電源ＩＣ１０には放熱部１２が付けられており、図３では電源ＩＣ１０に冷却素子１３が付けられている。したがって、冷却制御装置４０の情報処理部４３にセットする熱抵抗Ｒｔは、電源ＩＣ１０に冷却素子１３を付けた状態で熱特性推定装置３０により測定した結果に基づいた値を適用することが望ましい。
【００６０】
情報処理部４３が、冷却素子１３の冷却動作させた後、冷却動作を停止させるタイミングについては限定されないものであるが、例えば、冷却動作を開始してから一定時間経過した後のタイミングや、ジャンクション温度Ｔｊの推定温度が所定の閾値以下（Ｔｌ以下としても良い）となったタイミングとしても良い。
【００６１】
上述の通り、温度計４１の温度測定位置は電源ＩＣ１０の周囲に配置されているため、温度計４１により測定される温度は、電源ＩＣ１０に付けられた冷却素子１３の影響を受ける場合がある。したがって、冷却素子１３を動作させた場合に温度計４１により測定される温度は、正確に電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度を示さない場合があるため、その場合情報処理部４３が推定するジャンクション温度Ｔｊは、実際のジャンクション温度よりも低くなってしまう。そこで、上述のように、冷却素子１３の冷却動作させた後、冷却動作を停止させるタイミングを、冷却動作を開始してから一定時間経過した後のタイミングや、ジャンクション温度Ｔｊの推定温度が所定の閾値以下（Ｔｌ以下としても良い）となったタイミングとすることにより、十分に電源ＩＣ１０を冷却することができる。
【００６２】
（Ａ−２）実施形態の動作
次に、以上のような構成を有する熱特性推定装置の動作（実施形態の熱特性推定方法）、冷却制御装置（温度推定装置）の動作（実施形態の温度推定方法）を説明する。
【００６３】
図４は、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０を備えた電源ＩＣ１０の動作について示したフローチャートである。
【００６４】
ここでは、電源ＩＣ１０には、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０が備えられているものとして説明する。また、図４のフローチャートでは、初期状態として、電源ＩＣ１０に、冷却素子１３が付けられた状態（すなわち、図３の状態）であるものとして説明する。
【００６５】
まず、電源ＩＣ１０の出力電流ＩｏがＩｄとなるように可変負荷装置２２がセットされた状態で、熱特性推定装置３０により、電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度Ｔａが測定される（Ｓ１０１）。なお、ステップＳ１０１で用いるＩｄは、熱特性推定装置３０により測定した結果を適用するようにしても良いし、予めユーザにより測定された結果をセットしておくようにしても良い。電源ＩＣ１０の出力電流ＩｏがＩｄとなるように可変負荷装置２２を制御することについては、ユーザが手動で行うようにしても良いし、熱特性推定装置３０が図示しないドライバを介して制御するようにしても良い。
【００６６】
次に、動作中に熱特性推定装置３０により、電源ＩＣ１０が基板２１に実装された状態での熱抵抗Ｒｔが推定される（Ｓ１０２）。
【００６７】
次に、熱特性推定装置３０により推定された熱抵抗Ｒｔが、冷却制御装置４０に与えられると、冷却制御装置４０により、電源ＩＣ１０が通常モードで動作している間の電源ＩＣ１０の周囲の雰囲気温度Ｔａが測定され（Ｓ１０３）、測定された雰囲気温度Ｔａに基づいて、動作中の電源ＩＣ１０のジャンクション温度Ｔｊが推定される（Ｓ１０４）。
【００６８】
なお、熱特性推定装置３０で推定した熱抵抗Ｒｔを、冷却制御装置４０に与える方法については限定されないものである。例えば、ユーザが手動で冷却制御装置４０に設定するようにしても良いし、装置間で情報をやりとりするバスを別途備えるようにしても良い。また、熱特性推定装置３０の情報処理部３５と、冷却制御装置４０の情報処理部４３が共通のハードウェア（情報処理装置）を用いて構成されている場合には、ソフトウェア上で情報をやりとりするようにしても良い。
【００６９】
そして、冷却制御装置４０では、推定されたジャンクション温度Ｔｊが、制限温度Ｔｌを超えているか否かが判定される（Ｓ１０５）。
【００７０】
上述のステップＳ１０５で、ジャンクション温度Ｔｊが、制限温度Ｔｌ以下と判定された場合には、冷却制御装置４０は、上述のステップＳ１０３に戻って動作する。
【００７１】
一方、上述のステップＳ１０５で、ジャンクション温度Ｔｊが、制限温度Ｔｌを超えたと判定された場合には、冷却制御装置４０は、冷却コントローラ４４を介して冷却素子１３を動作させ、電源ＩＣ１０の冷却を行ない（Ｓ１０６）、上述のステップＳ１０３に戻って動作する。
【００７２】
（Ａ−３）実施形態の効果
この実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００７３】
この実施形態では、熱特性推定装置３０により、電源ＩＣ１０に搭載された熱保護回路（サーマルシャットダウン回路）の特性を利用して、電源ＩＣ１０が基板２１に実装された状態の熱抵抗値を求めることができる。
【００７４】
そして、冷却制御装置４０では、求めた熱抵抗値と雰囲気温度とを利用して、冷却制御電源ＩＣ１０に係るジャンクション温度を推定するため、より正確なジャンクション温度を推定することができる。これにより、冷却制御装置４０では、電源ＩＣ１０の正確な温度を把握して冷却素子１３の動作を制御することができるので、無駄な冷却をせずに効率良く冷却素子１３を制御することができる。
【００７５】
（Ｂ）他の実施形態
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するような変形実施形態も挙げることができる。
【００７６】
（Ｂ−１）上記の実施形態では、熱特性推定装置３０と冷却制御装置４０とは、別装置であるものとして説明したが、一つの装置として構築するようにしても良い。その際には、熱特性推定装置３０側の温度計３３、ＡＤ変換部３４、及び情報処理部３５については、それぞれ、冷却制御装置４０側の温度計４１、ＡＤ変換部４２、及び情報処理部４３と共通のハードウェアを用いて構築するようにしても良い。
【００７７】
また、上記の実施形態において、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０は、電源ＩＣ１０が実装された基板２１とは別の装置として構築しているが、基板２１上に構築するようにしても良い。
【００７８】
（Ｂ−２）上記の実施形態では、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０（温度推定装置）の処理対象の半導体装置として電源ＩＣ１０を適用した場合の例について説明したが、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０の処理対象は、その他の半導体装置としても良い。熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０を適用する半導体装置としては、例えば、熱保護回路（サーマルシャットダウン回路等）を備える整流器や、ＡＣ−ＤＣコンバータ等もあげられる。また、上記の実施形態では、電源ＩＣ１０は、１つのＩＣ（チップ）により構成されているものとして説明したが、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０（温度推定装置）の処理対象の半導体装置は、複数のＩＣ（チップ）や半導体素子等を用いて構成されたものであっても良い。
【００７９】
このように、熱特性推定装置３０及び冷却制御装置４０の処理対象の半導体装置は、当該半導体装置の本来機能を実現する半導体部分（トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等）に加えて、熱保護回路（サーマルシャットダウン回路等）を備える半導体装置（ＩＣ等）であれば限定されないものである。
【００８０】
（Ｂ−３）上記の実施形態では、熱特性推定装置３０が求めた熱抵抗値は、冷却制御装置４０に与えられるものとして説明したが、単に熱特性推定装置３０を熱抵抗値を推定するだけの装置として利用するようにしても良い。例えば、電源ＩＣ１０を実装した装置の品質検査として、電源ＩＣ１０が実装された状態の熱抵抗値を求めるようにしても良い。また、電源ＩＣ１０を実装した装置を実際使用している現場（フィールド）で、同様に熱特性推定装置３０を用いて電源ＩＣ１０に係る検査として熱抵抗値を求めることに利用するようにしても良い。
【００８１】
（Ｂ−４）上記の実施形態では、冷却制御装置４０がジャンクション温度の推定に用いる熱抵抗値は、熱特性推定装置３０から与えられたものとして説明したが、熱特性推定装置３０以外から熱抵抗値の供給を受けるようにしても良い。
【００８２】
（Ｂ−５）上記の実施形態では、熱特性推定装置３０が一度熱抵抗値を推定すると、その熱抵抗値を冷却制御装置４０が利用し続ける例について説明したが、例えば、熱特性推定装置３０が定期又は不定期に熱抵抗値を推定する処理を行い、冷却制御装置４０にセットする熱抵抗値を更新するようにしても良い。これにより、例えば、電源ＩＣ１０や、電源ＩＣ１０自身や周辺の部分の劣化等により、熱抵抗値が変動した場合でも、冷却制御装置４０では正確な熱抵抗値を用いて、ジャンクション温度を推定することができる。
【００８３】
（Ｂ−６）上記の実施形態では、本発明の温度推定装置を、冷却制御装置４０に適用した例について説明したが、本発明の温度推定装置が推定したジャンクション温度が制限温度Ｔｌを超えた場合の処理は、温度推定対象（電源ＩＣ１０）の冷却に限定されないものである。例えば、本発明の温度推定装置が推定したジャンクション温度が制限温度Ｔｌを超えた場合には、図示しない、スピーカやランプにより警報を発したり、通信により他の装置に所定の信号を送信（メッセージ送信等）するようにしても良い。
【符号の説明】
【００８４】
１０…電源ＩＣ、１１…サーマルシャットダウン回路、１２…放熱部、１３…冷却素子、ＩＮ…入力端子、Ｇ…グランド端子、ＯＵＴ…出力端子、Ｖｉ…入力電圧、Ｖｏ…出力電圧、Ｉｏ…出力電流、２１…基板、２１…直流電源装置、２２…可変負荷装置、２２…ＣＰＵ、２３…メモリ、３０…熱特性推定装置、３１…電圧計、３２…電流計、３３…温度計、３４…ＡＤ変換部、３５…情報処理部、４０…冷却制御装置（温度推定装置）、４１…温度計、４２…ＡＤ変換部、４３…情報処理部、４４…冷却コントローラ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定装置であって、
上記半導体装置のジャンクション温度が上記制限温度となる消費電力で、上記半導体装置を動作させた状態で、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定する温度測定手段と、
上記温度測定手段の測定結果を利用して、上記半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定手段と
を有することを特徴とする熱特性推定装置。
【請求項２】
ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定方法であって、
温度測定手段、熱特性推定手段を有し、
上記温度測定手段は、上記半導体装置のジャンクション温度が上記制限温度となる消費電力で、上記半導体装置を動作させた状態で、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定し、
上記熱特性推定手段は、上記温度測定手段の測定結果を利用して、上記半導体装置の熱特性を推定する
ことを特徴とする熱特性推定方法。
【請求項３】
ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置のジャンクション温度を推定する温度推定装置であって、
上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定する温度測定手段と、
請求項１に記載の熱特性推定装置を用いて求めた、上記半導体装置の熱特性と、上記温度測定手段の測定結果とを利用して、上記半導体装置のジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定手段と
を有することを特徴とする温度推定装置。
【請求項４】
上記ジャンクション温度推定手段により推定されたジャンクション温度が、閾値に達した場合に、上記半導体装置が備える冷却部を制御して上記半導体装置を冷却させる冷却制御手段をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の温度推定装置。
【請求項５】
ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置のジャンクション温度を推定する温度推定方法であって、
温度測定手段、ジャンクション温度推定手段を有し、
上記温度測定手段は、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定し、
上記ジャンクション温度推定手段は、上記半導体装置の熱特性と、上記温度測定手段の測定結果とを利用して、上記半導体装置のジャンクション温度を推定する
ことを特徴とする温度推定方法。
【請求項６】
ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置において、請求項１に記載の熱特性推定装置、及び又は、請求項３に記載の温度推定装置を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定装置であって、
上記半導体装置のジャンクション温度が上記制限温度となる消費電力で、上記半導体装置を動作させた状態で、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定する温度測定手段と、
上記温度測定手段の測定結果を利用して、上記半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定手段と
を有することを特徴とする熱特性推定装置。
【請求項２】
ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置の熱特性を推定する熱特性推定方法であって、
温度測定手段、熱特性推定手段を有し、
上記温度測定手段は、上記半導体装置のジャンクション温度が上記制限温度となる消費電力で、上記半導体装置を動作させた状態で、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定し、
上記熱特性推定手段は、上記温度測定手段の測定結果を利用して、上記半導体装置の熱特性を推定する
ことを特徴とする熱特性推定方法。
【請求項３】
ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置のジャンクション温度を推定する温度推定装置であって、
上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定する温度測定手段と、
請求項１に記載の熱特性推定装置を用いて求めた、上記半導体装置の熱特性と、上記温度測定手段の測定結果とを利用して、上記半導体装置のジャンクション温度を推定するジャンクション温度推定手段と
を有することを特徴とする温度推定装置。
【請求項４】
上記ジャンクション温度推定手段により推定されたジャンクション温度が、閾値に達した場合に、上記半導体装置が備える冷却部を制御して上記半導体装置を冷却させる冷却制御手段をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の温度推定装置。
【請求項５】
ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置のジャンクション温度を推定する温度推定方法であって、
温度測定手段、ジャンクション温度推定手段を有し、
上記温度測定手段は、上記半導体装置の周囲の雰囲気温度を測定し、
上記ジャンクション温度推定手段は、上記半導体装置の熱特性と、上記温度測定手段の測定結果とを利用して、上記半導体装置のジャンクション温度を推定する
ことを特徴とする温度推定方法。
【請求項６】
ジャンクション温度が制限温度を超えると、当該半導体装置の負荷を低下させる熱保護手段を備えた半導体装置において、請求項１に記載の熱特性推定装置、及び又は、請求項３に記載の温度推定装置を備えたことを特徴とする半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２１８９７（Ｐ２０１２−２１８９７Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６０３２３（Ｐ２０１０−１６０３２３）
【出願日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
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