CN111313731A - 智能功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于在IPM中共用温度信息和错误信号的输出端子，并且在异常时迅速停止半导体元件的驱动。在本发明的智能功率模块中，各驱动电路(41‑46)具有：错误信号生成电路(23)，如果保护电路(24)检测出异常，则错误信号生成电路输出错误信号；温度信号生成电路(34)，其生成与特定半导体元件的元件温度对应的电压值的温度信号；以及输出控制电路(37)，其在错误信号生成电路(23)输出错误信号的期间选择错误信号，在错误信号生成电路(23)不输出错误信号的期间选择温度信号，将选择出的信号作为警报信号输出，温度信号生成电路(34)在与错误信号的电压值不同的电压范围中，与特定半导体元件的元件温度对应地使温度信号的电压值变化。

Description

智能功率模块

技术领域

本发明涉及智能功率模块。

背景技术

智能功率模块(IPM：Intelligent Power Module)是将多个半导体元件、它们的驱动电路、保护电路以及输出电路模块化为一个电子部件。这里，半导体元件例如为IGBT(Integrated Gate Bipolar Transistor)或功率MOSFET(Metal-Oxide SemiconductorField Effect Transistor)等开关元件。保护电路对各半导体元件的控制电压的电压降低、过热、短路或过电流等异常进行检测。输出电路与从保护电路输出的异常检测信号对应地生成错误信号，将错误信号输出至IPM的外部的逆变器控制部。

就半导体元件而言，由于发生与电流的流通或通断相伴的损耗，因此元件温度上升。近年来，希望通过逆变器控制部始终监视半导体元件的元件温度的要求正在提高。随着逆变器、加工机械或电气产品等最终产品变得高功能化、小型化、轻量化或廉价，对于构成逆变器的半导体装置，也要求通断动作的复杂化、封装件的小型化、轻量化、由半导体元件或结构部件的刷新带来的低价格化。如果半导体装置变得小型，则元件温度上升，与此相伴，存在故障概率也增加的倾向。如果元件温度过度上升，则半导体元件的寿命变得比预想的短。因此，需要逆变器控制部始终监视元件温度，例如与需要对应地调整施加信号，由此防止元件温度的过度上升，实现产品的使用上的妥当的产品寿命。

以往，为了使逆变器控制部始终监视半导体元件的元件温度(下面，简称为“元件温度”)，IPM必须通过专用的端子将与元件温度对应的模拟电压向外部输出，存在引起由输出端子的增加导致的半导体装置的大型化和成本上升这样的问题。另外，如果设置专用端子，则由于与不将元件温度向外部输出的IPM之间输出端子数量或外形不同，因此在最终产品中无法使外部控制基板或散热器等部件共用化，从管理费用的观点出发也存在引起成本上升这样的问题。

对此，在专利文献1中提出了以下方法，即，通过使警报信号具有脉宽或PWM信号等的时间轴方向的信息来共用温度信号和错误信号的输出端子。根据该方法，能够不增加半导体装置的输出端子数量而以妥当的成本且高精度地将元件温度向外部输出。

专利文献1：日本特开2014-93903号公报

但是，在专利文献1的方法中，逆变器控制部必须存储一定期间的警报信号，根据该信号间隔对警报信号表示的是温度信息和异常状态中的哪一个进行判断，因此需要处理时间。因此，从IPM输出警报信号起至逆变器控制部将逆变器控制停止为止花费时间。在该期间，由于驱动信号被持续施加于半导体元件，因此存在半导体元件或逆变器的故障概率提高这样的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的为，在IPM中，共用温度信息和错误信号的输出端子，并且在异常时迅速停止半导体元件的驱动。

本发明的智能功率模块具有：多个相的半导体元件；多个相的驱动电路，它们对多个相的半导体元件进行驱动；多个温度检测元件，它们分别对多个相的半导体元件的元件温度进行检测，各驱动电路具有：栅极控制电路，其对向本相的半导体元件的栅极端子的输入进行控制；保护电路，其对本相的半导体元件的异常进行检测；错误信号生成电路，如果保护电路检测出异常，则该错误信号生成电路输出错误信号；温度信号生成电路，其生成与多个相的半导体元件中的任一个半导体元件即特定半导体元件的元件温度对应的电压值的温度信号；以及输出控制电路，其在错误信号生成电路输出错误信号的期间选择错误信号，在错误信号生成电路不输出错误信号的期间选择温度信号，将选择出的信号作为警报信号而输出，温度信号生成电路在与错误信号的电压值不同的电压范围中，与特定半导体元件的元件温度对应地使温度信号的电压值变化。

发明的效果

根据本发明，由于将错误信号和温度信号中的任一者作为警报信号输出，因此能够共用两个信号的输出端子。另外，由于温度信号的电压值处于与错误信号的电压值不同的电压范围，因此接收到警报信号的逆变器控制部能够根据警报信号的电压值迅速地对警报信号是错误信号和温度信号中的哪一个进行判断，在异常时迅速地停止半导体元件的驱动。

附图说明

图1是前提技术的IPM的结构图。

图2是前提技术的驱动电路的结构图。

图3是实施方式1的IPM的结构图。

图4是实施方式1的驱动电路的结构图。

图5是表示实施方式1中的温度信号与检测元件温度的关系的图。

图6是表示实施方式1中的检测元件温度与警报信号的关系的图。

图7是实施方式2的驱动电路的结构图。

图8是表示实施方式3中的温度信号与检测元件温度的关系的图。

图9是表示实施方式3中的检测元件温度与警报信号的关系的图。

图10是实施方式4的驱动电路的结构图。

图11是表示实施方式4中的温度信号与检测元件温度的关系的图。

图12是表示实施方式4的第1变形例中的温度信号与检测元件温度的关系的图。

图13是表示实施方式4的第2变形例中的温度信号与检测元件温度的关系的图。

图14是实施方式5的IPM的结构图。

图15是实施方式5的驱动电路的结构图。

标号的说明

1-6、41-46、41A、41B、81-86驱动电路，10、11逆变器，21栅极控制电路，22栅极驱动电路，23错误信号生成电路，24保护电路，25温度监视电路，26电流监视电路，27电压监视电路，28OR门，29、34A、34B温度信号生成电路，31、36电阻，30、35A放大器，35运算放大器，37、37A输出控制电路，38开关，39限制器，40选择器，51-56温度检测元件，61MCU，100、101、105IPM。

具体实施方式

＜A.前提技术＞

图1是前提技术的IPM 100的主要部分结构图。IPM 100构成为具有逆变器10以及驱动电路1-6。逆变器10具有：6个IGBT Tr1-Tr6；分别逆并联连接于IGBT Tr1-Tr6的发射极-集电极之间的续流二极管D1-D6；以及作为温度检测元件的二极管D11-D16。

IGBT Tr1和IGBT Tr4、IGBT Tr2和IGBT Tr5、及IGBT Tr3和IGBT Tr6分别串联连接，构成U、V、W相的半桥电路。这3组半桥电路并联连接于与直流电源(未图示)连接的正极端子P和负极端子N之间，构成三相全桥电路。具体而言，IGBT Tr1-Tr3的发射极端子与负极端子N连接，IGBT Tr4-Tr6的集电极端子与正极端子P连接。即，IGBT Tr1构成UN相，IGBTTr2构成VN相，IGBT Tr3构成WN相，IGBT Tr4构成UP相，IGBT Tr5构成VP相，IGBT Tr6构成WP相。

驱动电路1与IGBT Tr1的栅极端子连接。即，驱动电路1是UN相的驱动电路。同样地，驱动电路2-6分别与IGBT Tr2-Tr6的栅极端子连接。即，驱动电路2-6分别是VN相、WN相、UP相、VP相、WP相的驱动电路。具有三相全桥电路的逆变器10将从直流电源供给的直流电力变换为三相交流电力，供给至作为交流负载的电动机M。此外，在图1中，电动机M是交流负载的一个例子。

图2是UN相的驱动电路1的结构图。由于驱动电路1-6的结构相同，因此在图2中代表性地示出UN相的驱动电路1的结构。驱动电路1具有栅极控制电路21、栅极驱动电路22、错误信号生成电路23、保护电路24、OR门28、输出晶体管Tr7、温度信号生成电路29及恒流源32。另外，驱动电路1具有从MCU(Micro Controller Unit；微控制器单元)61输入控制信号的输入端子IN(UN)、温度信息的输出端子VOT(UN)、以及错误信号的输出端子Fo(UN)。

在图2中，MCU 61是IPM 100的外部的逆变器控制部的一个例子。栅极控制电路21从MCU 61取得控制信号，按照控制信号使栅极驱动电路22进行动作，对IGBT Tr1的栅极的通断进行控制。另外，栅极控制电路21从错误信号生成电路23取得保护信号。具体而言，栅极控制电路21在保护信号为断开的情况下，按照控制信号对IGBT Tr1的通断进行控制，在保护信号为接通的情况下，无视控制信号而停止IGBT Tr1的驱动，保护IGBT Tr1而使得其不受异常状态的损害。

保护电路24对本相的半导体元件即IGBT Tr1的异常进行检测。在图2中，保护电路24具有温度监视电路25、电流监视电路26以及电压监视电路27，但这些是保护电路24的一个例子。保护电路24只要具有温度监视电路25、电流监视电路26以及电压监视电路27中的至少一个即可。温度监视电路25对IGBT Tr1的温度进行检测，在温度高于预先规定的阈值的情况下，将过热的异常检测信号输出至OR门28。电流监视电路26对在IGBT Tr1流动的电流进行检测，在电流高于预先规定的阈值的情况下，将过电流的异常检测信号输出至OR门28。电压监视电路27对施加于IGBT Tr1的控制电压进行检测，在控制电压低于预先规定的阈值的情况下，将控制电压降低的异常检测信号输出至OR门28。

这些异常检测信号是低电平的信号。因此，如果IGBT Tr1发生过热、过电流、控制电压降低中的至少任一种异常，则从保护电路24经由OR门28将低电平的信号输入至错误信号生成电路23。如果被输入了低电平的信号，则错误信号生成电路23以一定时间将保护信号输出至栅极控制电路21。该保护信号也经由导线或图案等电连接而提供给其他相的驱动电路2、3。由此，不仅IGBT Tr1的驱动被禁止，IGBT Tr2、Tr3的驱动也被禁止。在驱动电路1-3之间，具有用于进行保护信号的收发的电连接，在图1中将其表示为连接线71，在图2中将其表示为输入输出端子TOH。此外，在图1中，省略了用于进行驱动电路4-6之间的保护信号的收发的配线的图示。如果错误信号生成电路23经过输入输出端子TOH而从其他相的驱动电路2、3取得保护信号，则以一定时间将保护信号输出至栅极控制电路21。

另外，如果被输入了低电平的信号，则错误信号生成电路23生成错误信号。保护电路24的异常检测信号的脉宽或脉冲间隔根据异常的种类而不同，错误信号生成电路23生成与异常检测信号对应的脉宽或者脉冲间隔的错误信号。错误信号从错误信号生成电路23经由输出晶体管Tr7输出至MCU 61。MCU 61能够根据错误信号的脉宽或者脉冲间隔来区分异常状态。

作为对半导体元件的元件温度进行检测的温度检测元件，通常使用具有温度依赖性的半导体元件。在图2中，二极管D11被用作温度检测元件。二极管D11对与检测元件温度对应的电压进行检测。二极管D11优选搭载于作为温度检测对象的IGBT Tr1之上或其附近，对与搭载位置的温度对应的电压进行检测。温度信号生成电路29具有放大器30和电阻31，温度信号生成电路29通过将二极管D11的检测电压放大或使其反转，从而在MCU 61容易监视的电压范围生成与元件温度对应的模拟电压。

由温度信号生成电路29生成的模拟电压作为温度信息从输出端子VOT(UN)输出至MCU 61。如上所述，由于驱动电路1具有输出温度信息的专用的输出端子VOT(UN)，因此会引起与输出端子数量的增加相伴的大型化和成本上升。相对于此，在专利文献1中，提出了在通常时输出与元件温度具有相关性的PWM(Pulse Width Modulation；脉宽调制)信号，在发生异常时输出警报信号。由此，从警报端子选择性地通过数字信号输出元件温度信息或表示异常状态的警报信号。在该情况下，由于能够针对元件温度信息和警报信号共用输出端子，因此能够在不增加输出端子数量的状态下输出元件温度信息。

另外，在使用温度检测元件分别检测多个半导体元件的温度而向外部输出的情况下，产生下述问题，即，半导体装置的输出端子数量增加，另外，逆变器控制部中的处理负担增加。因此，提倡分别对多个半导体元件的温度进行检测，选择这些温度信息中最高的温度信息而向外部输出。

以往的IPM为了始终监视半导体元件的温度，不得不设置专用的端子而将与元件温度对应的模拟电压向外部输出，由于输出端子增加，因此存在引起半导体装置的大型化或成本上升这样的问题。另外，由于输出端子数量与不进行温度信息的输出的IPM不同，因此在最终产品中，无法将外部控制基板或散热器等部件共用化，从管理费用的观点出发，也存在引起成本上升这样的问题。

另一方面，如专利文献1那样，提出了以下方法，即，通过共用温度信息和异常状态的输出端子，从而能够在不增加半导体装置的输出端子数量的状态下输出元件温度信息。在使警报信号具有脉宽或PWM信号等的时间轴方向的信息的情况下，作为发生单元来说，信息精度高，能够以妥当的成本输出温度信息，而不增加半导体装置的输出端子。但是，在最终产品的逆变器控制部从警报信号读取温度信息的情况下，不得不对一定时间的信号内容进行比较运算，花费处理时间和运算负荷。具体而言，逆变器控制部需要对一定期间的警报信号进行存储，根据信号间隔对警报信号是表示温度信息还是表示异常状态进行判断，在是温度信息的情况下对信号的占空比进行检测而换算为对应的温度信息。另外，在警报信号表示异常状态的情况下，逆变器控制部需要尽快停止施加于半导体装置的驱动信号，确保半导体装置或逆变器的安全。在内置于半导体装置的保护电路进行了动作的情况下，由于在一定期间对栅极控制电路施加保护信号，因此在该期间，半导体装置不接受驱动信号而禁止通断动作，能够保护半导体装置而使得其不受误信号等的单次的异常状态的损害。另一方面，保护状态多数在一定期间后解除。因此，例如在电动机发生了相间短路等的情况下，在半导体元件产生过电流后，逆变器控制部检测到异常状态而停止半导体元件的动作。之后，保护状态被解除，半导体元件的动作恢复，再次产生过电流。如上所述，由于半导体元件反复出现短路状态，因而元件温度急剧上升，有可能导致半导体元件或逆变器整体被破坏。因此，希望在解决相间短路状态的解除等原因后恢复逆变器装置。

但是，在警报信号具有脉宽或者PWM信号等的时间轴方向的信息的情况下，警报内容的检测需要一定时间量的信号内容(日志)，因此从半导体装置输出警报信号起至逆变器控制部停止为止花费时间。在该期间，由于驱动信号被持续施加于半导体装置，因此存在半导体元件或逆变器装置的故障概率提高这样的问题。因此，在下面的实施方式中，对利用错误信号的输出端子，将半导体元件的元件温度以能够明确地与错误信号相识别的方式向外部输出的半导体装置进行说明。

＜B.实施方式1＞

图3是表示实施方式1的IPM 101的概略结构的框图。IPM 101与IPM 100相比，替代逆变器10而具有逆变器11，替代驱动电路1-6而具有驱动电路41-46。逆变器11除了替代二极管D11-D16而具有温度检测元件51-56之外，与前提技术的逆变器10相同。

图4是表示UN相的驱动电路41的结构的框图。在IPM 101中，驱动电路41-46的结构相同，因此在图4中代表性地示出驱动电路41的结构。驱动电路41具有栅极控制电路21、栅极驱动电路22、错误信号生成电路23、保护电路24、OR门28、温度信息检测电路33、温度信号生成电路34以及输出控制电路37。

温度检测元件51搭载于本相的半导体元件即IGBT Tr1之上或其附近，输出与搭载位置的温度对应的电压。温度信息检测电路33通过对温度检测元件51的输出电压进行检测，从而对IGBT Tr1或其附近的温度进行检测。下面，将温度信息检测电路33的检测温度称为检测元件温度。

温度信号生成电路34具有运算放大器35和电阻36，温度信号生成电路34通过将温度信息检测电路33的检测电压放大或使其反转，从而输出与该检测电压对应的电压值的温度信号。即，温度信号生成电路34输出与本相的半导体元件即IGBT Tr1的元件温度对应的电压值的温度信号。如果将IPM 101所具有的多个相的半导体元件中的对于UN相的驱动电路41的温度信号生成电路34而言的本相的半导体元件设为特定半导体元件，则温度信号生成电路34输出与特定半导体元件的元件温度对应的电压值的温度信号。这里，运算放大器35的极性不限。优选地，温度信号生成电路34将规定的电压Vref与温度信息检测电路33的检测电压相加而生成温度信号。

图5示出检测元件温度和温度信号之间的相关性。检测元件温度越高，则温度信号越大。在温度信号生成电路34中与温度信息检测电路33的检测电压相加的Vref如图5所示，设定为温度信号的电压值落在V1和Vmax之间的电压范围(A)。这里，V1是MCU 61将警报信号识别为正常的输入电压的下限值、即输入阈值电压，Vmax是MCU 61的输入电压的最大值Vmax。电压范围(A)是与后述的错误信号的电压值不同的电压范围。换言之，温度信号生成电路34在与错误信号的电压值不同的电压范围(A)中，与检测元件温度对应地使温度信号的电压值变化。

温度信号生成电路34和错误信号生成电路23的输出信号输入至输出控制电路37。输出控制电路37通过开关38选择任一个输出信号作为警报信号而从输出端子ALM(UN)输出至MCU 61。具体而言，在通常时，即，在保护电路24没有检测出异常，错误信号生成电路23没有输出错误信号的期间，开关38断开，输出控制电路37选择温度信号作为警报信号而输出。即，输出具有图5所示的电压范围(A)的电压值的温度信号作为警报信号。

另一方面，在错误信号生成电路23生成错误信号的期间，开关38接通，输出控制电路37选择错误信号作为警报信号而输出。即，输出低电平、例如0V的错误信号作为警报信号。

因此，MCU 61能够根据警报信号的电压值对警报信号是温度信号还是错误信号进行判别。即，MCU 61能够将具有电压范围(A)内的电压值的警报信号判别为温度信号，将不满足上述条件的警报信号判别为错误信号。此外，电压范围(A)是与连接于IPM 101的MCU61对应地规定的。MCU 61的驱动电压通常为5V，为了避免误动作，输入阈值电压被设定为驱动电压的80％左右。因此，电压范围(A)例如也可以是从MCU 61的驱动电压5V至MCU 61的输入阈值电压4V的范围。另一方面，在经由比较器等将警报信号输入至MCU 61、或采用在MCU61的输入部内置有比较器的具有多级分辨率的微机的情况下，MCU 61能够自由地设定输入阈值。因此，在该情况下，例如，电压范围(A)也可以是驱动电压5V至0.5V的范围。

图6示出IPM 101中的元件温度、温度信号、错误信号生成电路23的输出、及警报信号的关系。下面，参照图6对IPM 101的动作进行说明。在元件温度小于或等于过热保护跳闸温度T1的情况下，错误信号生成电路23的输出为高电平。此时，输出控制电路37将温度信号作为警报信号而输出。如果元件温度超过过热保护跳闸温度T1，则温度监视电路25输出异常检测信号，错误信号生成电路23输出错误信号。即，错误信号生成电路23输出低电平。输出控制电路37在输出错误信号的期间，替代温度信号而选择错误信号作为警报信号而输出。如果在一定期间后或者保护状态被解除，则错误信号生成电路23结束错误信号的输出。即，错误信号生成电路23的输出恢复为高电平。如果错误信号的输出结束，则输出控制电路37再次输出温度信号作为警报信号。

实施方式1的IPM 101具有：多个相的半导体元件即IGBT Tr1-Tr6；对IGBT Tr1-Tr6进行驱动的多个相的驱动电路41-46；以及分别对IGBT Tr1-Tr6的元件温度进行检测的多个温度检测元件51-56。而且，各驱动电路41-46具有：栅极控制电路21，其对向本相的IGBT Tr1-Tr6的栅极端子的输入进行控制；保护电路24，其对本相的IGBT Tr1-Tr6的异常进行检测；错误信号生成电路23，如果保护电路24检测出异常，则该错误信号生成电路23输出错误信号；温度信号生成电路34，其生成与本相的半导体元件的元件温度对应的电压值的温度信号；以及输出控制电路37，其在错误信号生成电路23输出错误信号的期间选择错误信号，在错误信号生成电路23不输出错误信号的期间选择温度信号，将选择出的信号作为警报信号而输出。温度信号生成电路34在与错误信号的电压值不同的电压范围中，与本相的半导体元件的元件温度对应地使温度信号的电压值变化。

根据以上结构，由于IPM 101共用错误信号和温度信号的输出端子，因此不需要新设置用于以模拟信号输出元件温度的输出端子，能够沿用以往的IPM的封装件。

而且，根据警报信号的输出电压来区分警报信号是错误信号还是温度信号。具体而言，错误信号为低电平的信号，例如电压值为0。另一方面，温度信号的电压值处于V1至Vmax之间的电压范围(A)。在温度信号成为警报信号的情况下，警报信号的电压值在电压范围(A)中取与半导体元件的元件温度对应的值。换言之，将温度信息叠加于警报信号。

因此，MCU 61通过如以往那样将警报信号作为数字信号进行处理，能够无视叠加于警报信号的温度信息，仅提取错误信号，对异常状态进行检测。如上所述，实施方式1的IPM 101即使对于以不具有温度信号的输出功能的以往的IPM为前提的MCU也会无问题地进行动作，因此具有与以往的IPM的互换性。因此，不仅在逆变器组装时，而且在市场故障时的IPM的更换等中也能够减少所需要的IPM的种类，能够期待缩短工作时间或压缩管理费用。

另外，MCU 61通过追加对警报信号N_ALM进行模拟信号处理的电路，能够连续地确认IGBT Tr1的元件温度。而且，MCU 61在IGBT Tr1的元件温度超过设定值的情况下，向驱动电路41输出对IGBT Tr1的驱动信号进行限制的控制信号。由此，向IGBT Tr1的驱动信号被切断，实现IPM 101的安全性及长寿命化。

IPM 101在共用温度信号和错误信号的输出端子这一点上与专利文献1所记载的技术相同。但是，在专利文献1的技术中，由于警报信号具有脉宽或者PWM信号等的时间轴方向的信息，因此即使警报信号的输出为0V(L状态)也不限于是异常状态，警报信号的内容的判别需要一定时间量的信号内容(日志)。因此，从IPM输出警报信号起至逆变器控制部停止为止花费时间，在该期间驱动信号持续施加于IPM，因此存在半导体元件或逆变器的故障概率提高这样的问题。另外，识别温度信息也需要一定的处理时间。另一方面，根据IPM 101，警报信号为0V(L状态)的情况被限定为保护功能进行了动作的异常状态，因此能够通过逆变器控制部迅速地判别异常状态。

＜C.实施方式2＞

图7是表示实施方式2的IPM中的UN相的驱动电路41A的结构的框图。实施方式2的IPM是在图3所示的实施方式1的IPM 101中变更了驱动电路的结构而得到的。在实施方式2的IPM中，各相的驱动电路全部为同样的结构，因此在图7中代表性地示出UN相的驱动电路41A的结构。

如图7所示，驱动电路41A与实施方式1的驱动电路41相比，替代温度信号生成电路34而具有温度信号生成电路34A，替代输出控制电路37而具有输出控制电路37A。温度信号生成电路34A具有放大器35A和电阻36。温度信号生成电路34A的放大器与实施方式1的温度信号生成电路34的运算放大器35不同，在生成温度信号时，不在温度信息检测电路33的检测电压加上电压Vref。因此，温度信号生成电路34A所生成的温度信号成为低电平。

如果错误信号从错误信号生成电路23输入至输出控制电路37A，则开关38接通，从输出端子ALM(UN)输出高电平的警报信号。另一方面，如果错误信号生成电路23的输出信号为高电平，则开关38断开，温度信号生成电路34A的输出即低电平的温度信号被作为警报信号而从输出端子ALM(UN)输出。因此，在实施方式2的IPM中，表示错误信号的异常时的警报信号的输出电压成为高电平，表示温度信号的正常时的警报信号的输出电压成为低电平，警报信号的极性与实施方式1的IPM 101相反。

<D.实施方式3>

实施方式3的IPM及驱动电路的结构与图3、4所示的实施方式1的IPM 101及驱动电路41的结构相同。在实施方式1的IPM 101中，如图5所示，温度信号相对于检测元件温度具有正的温度依赖性。相对于此，在实施方式3的IPM中，如图8所示，温度信号相对于检测元件温度具有负的温度依赖性。即，在实施方式3的驱动电路中，检测元件温度越高，温度信号生成电路34越减小温度信号的电压值。

图9示出了实施方式3中的元件温度、温度信号、错误信号生成电路23的输出、及警报信号的关系。由于温度信号具有负的温度依赖性，因此在通常时，检测元件温度越低则警报信号越高，检测元件温度越高则警报信号越低而接近MCU 61的输入阈值。因此，在警报信号的电压值处于输入阈值电压V1附近的情况下，能够减小MCU 61将表示温度信号的警报信号误判定为错误信号的风险。

＜E.实施方式4＞

图10是表示实施方式4的IPM所具有的UN相的驱动电路41B的结构的框图。实施方式4的IPM的结构与图3所示的实施方式1的IPM 101的结构相同。在实施方式4的IPM中，各相的驱动电路全部为同样的结构，因此在图10中代表性地示出UN相的驱动电路41B的结构。

驱动电路41B与实施方式1的驱动电路41相比，替代温度信号生成电路34而具有温度信号生成电路34B。温度信号生成电路34B之外的驱动电路41B的结构与驱动电路41相同。温度信号生成电路34B与温度信号生成电路34的结构相比，在运算放大器35与电阻36之间具有限制器39。

如果运算放大器35的输出电压小于设定值，则限制器39输出恒定的电压值，如果运算放大器35的输出电压大于或等于设定值，则限制器39输出与运算放大器35的输出电压对应的电压值。通过该限制器39的动作，温度信号生成电路34B输出图11所示的温度信号。图11示出温度信号生成电路34B所输出的温度信号与检测元件温度的关系。如果检测元件温度小于预先规定的第1温度即设定温度T2，则温度信号生成电路34B将警报信号的表示正常时的电压、例如Vmax设为温度信号的电压值，如果检测元件温度大于或等于设定温度T2，则温度信号生成电路34B与检测元件温度对应地使温度信号的电压值变化。此外，设定温度T2大于或等于常温且小于或等于过热保护跳闸温度T1。换言之，过热保护跳闸温度T1是高于第1温度的第2温度。

通常，对于半导体元件，规定有其结温。例如，就规定为大于或等于-30℃而小于或等于125℃的IPM而言，需要在该温度范围使用，因此，将该规定的结温的范围分配至电压范围(A)内即可。但是，在将警报信号用于过热保护的情况下，为了由MCU 61根据警报信号而高精度地对元件温度进行检测，必须提高电压范围(A)处的分辨率。关于这一点，根据实施方式4的驱动电路41B，由于减小了在电压范围(A)内分配的半导体元件的结温的范围，因此电压范围(A)处的分辨率提高。具体而言，例如如果将设定温度T2设为60℃，则实施方式4的驱动电路41B在检测元件温度小于60℃的情况下将警报信号的输出电压设为恒定的最大值，如果检测元件温度大于或等于60℃，则与检测元件温度的增加对应地在电压范围(A)内减小警报信号的输出电压。即，大于或等于60℃的检测元件温度被分配到电压范围(A)。由此，电压范围(A)处的分辨率上升至约2倍，因此MCU 61能够高精度地对元件温度进行检测。

图12是表示实施方式4的第1变形例中的温度信号与检测元件温度的关系的图。也可以如图12所示，如果IGBT Tr1的检测元件温度大于或等于过热保护跳闸温度T1，则温度信号生成电路34B将温度信号的输出电压设为警报信号的表示异常时的电压范围(A)之外的恒定值、例如0。具体而言，也可以是如果检测元件温度小于作为第1温度的设定温度T2，则温度信号生成电路34B将警报信号的表示正常时的电压、例如Vmax设为温度信号的电压值，如果检测元件温度大于或等于设定温度T2且小于作为第2温度的过热保护跳闸温度T1，则温度信号生成电路34B与检测元件温度对应地使温度信号的电压值变化，如果检测元件温度大于或等于过热保护跳闸温度T1，则温度信号生成电路34B将温度信号的电压值设为0。由此，警报信号的输出电压的电压范围(A)被分配为大于或等于设定温度T2且小于过热保护跳闸温度T1的检测元件温度，因此电压范围(A)处的分辨率进一步提高。

在第1变形例中，在检测元件温度大于或等于设定温度T2且小于过热保护跳闸温度T1的情况下，温度信号生成电路34B使温度信号相对于检测元件温度的梯度恒定。但是，温度信号生成电路34B也可以在设定温度T2与过热保护跳闸温度T1之间规定出作为第3温度的过热警报温度T3，在检测元件温度大于或等于过热警报温度T3的情况下，与小于过热警报温度T3的情况相比，使温度信号相对于检测元件温度的梯度更陡。将如上所述的实施例作为实施方式4的第2变形例。

图13是示出实施方式4的第2变形例中的温度信号与检测元件温度的关系的图。检测元件温度小于设定温度T2、或大于或等于过热保护跳闸温度T1的情况下的温度信号与第1变形例相同。如果检测元件温度从设定温度T2上升到过热警报温度T3，则温度信号的电压值以恒定斜率即第一梯度变小。如果检测元件温度从过热警报温度T3上升到过热保护跳闸温度T1，则温度信号的电压值以更大的斜率即以大于第1梯度的第2梯度减小。

例如，设定温度T2为60℃，过热警报温度T3为100℃，过热保护跳闸温度T1为125℃。根据第2变形例，检测元件温度大于或等于100℃而小于125℃的范围处的警报信号的电压值相对于检测元件温度的斜率大于检测元件温度大于或等于60℃而小于100℃的范围处的警报信号的电压值相对于检测元件温度的斜率。由此，在MCU 61需要温度信息来进行过热保护的温度范围，分辨率变高。因此，根据第2变形例，能够在被限制后的输出范围内从IPM输出MCU 61能够高精度地对检测温度进行检测的警报信号。

如果半导体元件的元件温度上升，则半导体元件的接合部劣化而成为IPM的故障原因。具体而言，芯片正下方的焊料材料的裂缝发展，或接合于芯片表面的导线剥离或断裂。通常已知IPM的故障率根据元件温度而指数函数式地变化。因此，为了满足逆变器装置的设计寿命，逆变器控制部需要始终监视半导体元件的温度，与需要对应地使半导体装置停止或对逆变器装置的负载进行限制，以在小于或等于规定的温度下使用。根据实施方式4的第2变形例，由于在从过热警报温度T3至过热保护跳闸温度T1的范围，温度信息的分辨率上升，因此MCU 61能够高精度地对该温度范围的元件温度进行检测。因此，MCU 61能够直至元件性能的极限为对半导体元件进行使用而不损害IPM的寿命。

＜F.实施方式5＞

在实施方式1至实施方式4的IPM中，各相的驱动电路中的温度信号生成电路与各相的IGBT的检测元件温度对应地使温度信号的输出电压变化。相对于此，在实施方式5中，在多个驱动电路间对各相的IGBT的检测元件温度进行收发，各相的驱动电路中的温度信号生成电路与取得的多个检测元件温度的最高温度对应地使温度信号的输出电压变化。

图14是实施方式5的IPM 105的结构图。IPM 105与实施方式1的IPM 101的结构相比，不同点在于，替代驱动电路41-46而具有驱动电路81-86，在各相的驱动电路间形成有用于收发温度信息的电连接。这些电连接通过导线或图案等实现。具体而言，UN相的驱动电路81通过配线72与VN相的驱动电路82连接，通过配线73与WN相的驱动电路83连接。此外，关于UP相、VP相、WP相的驱动电路84-86，也是保持相互的电绝缘并且进行同样的信号配线，但在图14中省略了它们的图示。

图15是表示IPM 105中的UN相的驱动电路81的结构的框图。由于在IPM 105中各相的驱动电路81-86的结构相同，因此在图15中代表性地示出UN相的驱动电路81的结构。驱动电路81除了实施方式1的IPM 101的驱动电路41的结构之外，还具有选择器40。选择器40设置在温度信息检测电路33与温度信号生成电路34之间，从温度信息检测电路33取得UN相的IGBT Tr1的检测元件温度。而且，选择器40从配线72取得VN相的IGBT Tr2的检测元件温度的信息，从配线73取得WN相的IGBT Tr3的检测元件温度的信息。

选择器40对UN相、VN相、WN相的检测元件温度进行比较运算而选择最高温度，将最高温度的温度信息输出至温度信号生成电路34。这里，例如假设VN相的检测元件温度为最高温度，则温度信号生成电路34生成与VN相的IGBT Tr2的检测元件温度对应的电压值的温度信号。换言之，也可以说选择器40选择UN相、VN相、WN相的半导体元件中的元件温度最高的半导体元件作为特定半导体元件，温度信号生成电路34创建与特定半导体元件的检测元件温度对应的电压值的温度信号。

这里，对UN相的驱动电路81中的处理进行了说明，但就从其他相取得半导体元件的元件温度而选择特定半导体元件的上述处理而言，在UN相、VN相、WN相中的一个相(特定相)的驱动电路中进行即可。

在实施方式1-4中，MCU 61从各相的驱动电路取得各相的检测元件温度作为警报信号。因此，MCU 61需要对各相的检测元件温度进行比较运算。但是，在实施方式5中，各相的驱动电路81-86将多个相的检测元件温度的最高温度作为警报信号输出至MCU 61。因此，MCU 61不需要进行各相的检测元件温度的比较运算，运算处理得以减轻。

＜G.实施方式6＞

实施方式6的IPM是在实施方式1的IPM 101中，将多个驱动电路41-46作为一个集成电路而搭载于半导体元件附近，将温度检测元件51-56搭载于集成电路的表面或附近。在将温度检测元件51-56作为片上温度传感器而设置于半导体元件之上的情况下，需要将温度检测用二极管连接于半导体元件，在芯片之上引绕配线而设置用于供温度检测用电流流动的电路，需要用于对温度检测用二极管进行通电的专用的导线焊盘。由此，半导体元件的无效面积增加，半导体元件大型化，产生成本上升。

如果半导体元件的元件温度上升，则配置于半导体元件附近的集成电路的温度也上升。因此，通过由温度检测元件51-56对集成电路的温度进行检测，能够简单地检测半导体元件的元件温度。由此，更廉价地实现小型的IPM。

此外，在上述中，作为实施方式1的IPM 101的变形而说明了实施方式6，但实施方式6也能够应用于其他实施方式2-5。

此外，本发明能够在其发明的范围内，自由地组合各实施方式，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。

Claims (8)

1.一种智能功率模块，其具有：

多个相的半导体元件；

多个相的驱动电路，它们对所述多个相的半导体元件进行驱动；

多个温度检测元件，它们分别对所述多个相的半导体元件的元件温度进行检测，

各所述驱动电路具有：

栅极控制电路，其对向本相的所述半导体元件的栅极端子的输入进行控制；

保护电路，其对本相的所述半导体元件的异常进行检测；

错误信号生成电路，如果所述保护电路检测出异常，则该错误信号生成电路输出错误信号；

温度信号生成电路，其生成与所述多个相的半导体元件中的任一个半导体元件即特定半导体元件的所述元件温度对应的电压值的温度信号；以及

输出控制电路，其在所述错误信号生成电路输出所述错误信号的期间选择所述错误信号，在所述错误信号生成电路不输出所述错误信号的期间选择所述温度信号，将选择出的信号作为警报信号而输出，

所述温度信号生成电路在与所述错误信号的电压值不同的电压范围中，与所述特定半导体元件的元件温度对应地使所述温度信号的电压值变化。

2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其中，

所述特定半导体元件的元件温度越高，所述温度信号生成电路越减小所述温度信号的电压值。

3.根据权利要求1或2所述的智能功率模块，其中，

所述温度信号生成电路在所述特定半导体元件的元件温度小于第1温度的情况下，将所述温度信号的电压值设为所述电压范围中的恒定值，在所述特定半导体元件的元件温度大于或等于所述第1温度的情况下，与所述特定半导体元件的元件温度对应地使所述温度信号的电压值变化。

4.根据权利要求3所述的智能功率模块，其中，

所述保护电路在本相的所述半导体元件的元件温度大于或等于比所述第1温度大的第2温度的情况下，检测出本相的所述半导体元件的异常，

所述温度信号生成电路在所述特定半导体元件的元件温度大于或等于所述第1温度且小于所述第2温度的情况下，与所述特定半导体元件的元件温度对应地使所述温度信号的电压值变化，在所述特定半导体元件的元件温度大于或等于所述第2温度的情况下，将所述温度信号的电压值设为所述电压范围之外的恒定值。

5.根据权利要求4所述的智能功率模块，其中，

所述温度信号生成电路，

在所述特定半导体元件的元件温度大于或等于所述第1温度且小于落在所述第1温度和所述第2温度之间的第3温度的情况下，将所述温度信号的电压值相对于所述特定半导体元件的元件温度的梯度设为第1梯度，

在所述特定半导体元件的元件温度大于或等于所述第3温度且小于所述第2温度的情况下，将所述温度信号的电压值相对于所述特定半导体元件的元件温度的梯度设为比所述第1梯度大的第2梯度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的智能功率模块，其中，

所述特定半导体元件是本相的半导体元件。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的智能功率模块，其中，

特定相的所述驱动电路还具有选择器，该选择器从其他相的所述驱动电路取得其他相的所述半导体元件的元件温度的信息，选择所述多个相的半导体元件中的所述元件温度最高的半导体元件作为所述特定半导体元件。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的智能功率模块，其中，

多个相的所述驱动电路是一个集成电路，

多个所述温度检测元件检测所述集成电路的元件温度，以替代所述多个相的半导体元件的元件温度。

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