CN114243643B - 开关装置及功率转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种功能，在具有电流检测功能和温度检测功能、且并联连接有多个开关元件的桥臂中，在开关元件发生开路故障时检测电流检测功能的丧失。开关装置包括：设置于并联连接的多个开关元件中的至少一个开关元件的电流检测单元和温度检测单元；以及判定设有电流检测单元的开关元件的过电流、基于温度检测单元的输出来判定设有温度检测单元的开关元件的过热状态和升温不良并控制开关元件的控制部。

Description

开关装置及功率转换装置

技术领域

本申请涉及开关装置及使用了该开关装置的功率转换装置。

背景技术

在组装有多个开关元件的功率转换装置中，提出了一种针对故障的保护功能。在使用了基于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)之类的半导体的开关元件的功率转换装置中，在过载、异常动作时，由于开关元件的温度上升，开关元件有时受到损伤。

因此，提出了如下开关装置：开关元件包括温度检测单元和电流检测单元，并具备检测过热状态和过电流以限制输出或停止开关动作的保护单元。在具备串联连接的提供正极侧的电流的上侧桥臂和提供负极侧的电流的下侧桥臂的功率转换装置中，将开关装置用于上侧桥臂和下侧桥臂是广为人知的。为了保护开关元件，停止开关动作与停止功率转换动作也是相通的。

专利文献1中，示出功率转换装置的过热保护方法，该功率转换装置具备由两个基于半导体的开关元件并联连接而构成的桥臂。两个并联的开关元件中，一个具备温度检测单元，另一个具备电流检测单元，由此，即使在任意一个发生开路故障(如果是IGBT，则为集电极、发射极间开路故障)的情况下，也能实施在另一个开关元件超过温度阈值或过电流阈值的情况下的保护动作。利用该方法，能保护健全一方的开关元件，抑制成本上升，并提高冗余性和可靠性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4177392号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

专利文献1中，两个并联连接的开关元件中用于检测过热状态的能进行温度检测的元件、与用于检测过电流的能进行电流检测的元件分离配置。因此，在能进行电流检测的元件发生了开路故障的情况下，用能进行温度检测的元件来检测异常。实际上，在一个开关元件发生了开路故障的情况下，两倍的电流流入另一个开关元件。由于大电流流入另一个开关元件，温度上升，由温度检测单元来检测过热状态，并执行输出的限制或开关动作的停止。此时，尽管检测到过热状态，但电流检测单元并未检测到过电流，因此，可以判明电流检测单元的输出为异常、或该开关元件发生了开路故障。

然而，实际上从开关元件开始流过大电流起，到元件的基板的温度上升、温度检测单元检测到该情况并开始输出表示过热状态的信号为止需要时间。到经过该时间为止的期间，功率转换装置将持续动作，而不会注意到无法进行过电流检测。此外，通常考虑各种参数使得具有较高的余量来设定温度保护阈值，以使得在最大额定输出时不发生温度保护。因此，在功率转换装置以比最大额定输出要低的功率进行动作的情况下，即使一个元件发生开路故障，有时也达不到温度保护阈值而持续动作。此外，在并联设有多个开关元件的情况下，其数量越增加，则一个开关元件发生开路故障时其它元件的通电电流的增加量越减少、温度上升也越低，因此，与正常时的差异变小，难以进行处于过热状态的判断。

该情况下，开关装置或功率转换装置将持续运转，而不判定开关元件的电流检测单元的输出为异常、或该开关元件发生了开路故障的情况。电流检测单元所进行的过电流的检测用于短路保护的情况较多，该短路保护用于检测误动作(误导通)、短路故障时的短路电流并切断栅极。由此，在无法进行过电流的检测的情况下，上下桥臂发生短路，并导致功率转换装置、电源和负载受到损伤，因此，希望能迅速地检测电流检测功能的丧失。

本申请是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种功能，在并联连接有多个开关元件的开关装置中，对具有电流检测功能和温度检测功能的开关元件的过热和电流检测功能的丧失进行检测。此外，其目的在于得到一种功率转换装置，具有如下功能：在功率转换装置的桥臂中，使用上述那样的开关装置，来检测开关元件的过热和电流检测功能的丧失。

用于解决技术问题的技术手段

本申请所涉及的开关装置包括：

并联连接的多个开关元件，该并联连接的多个开关元件根据向控制端子输入的输入信号切换第一端子与第二端子之间的导通和切断；

电流检测单元和温度检测单元，该电流检测单元和温度检测单元设置于多个开关元件中的至少一个开关元件；以及

控制部，该控制部连接到控制端子、电流检测单元和温度检测单元，对开关元件的导通、截止进行切换，基于电流检测单元的输出来判定设有电流检测单元的开关元件的过电流，基于温度检测单元的输出来判定设有温度检测单元的开关元件的过热和升温不良，并基于过电流的判定结果以及过热和升温不良的判定结果来控制多个开关元件。

此外，本发明所涉及的功率转换装置包括：

串联连接的提供正极侧的电流的上侧桥臂以及提供负极侧的电流的下侧桥臂，

将所述开关装置使用在上侧桥臂和下侧桥臂中。

发明效果

根据本申请所涉及的开关装置，在多个并联连接的开关元件中具备电流检测单元的开关元件一并具备温度检测单元，通过设置这些温度检测单元，从而能检测具备电流检测单元的开关元件的过热和电流检测功能的丧失。

根据本申请所涉及的功率转换装置，通过将这样的开关元件使用在上侧桥臂和下侧桥臂中，从而能检测桥臂中所使用的开关元件中具备电流检测单元的开关元件的过热和电流检测功能的丧失。

附图说明

图1是实施方式1所涉及的功率转换装置的结构图。

图2是实施方式1所涉及的控制部的硬件结构图。

图3是实施方式1所涉及的开关装置的结构图。

图4是实施方式1所涉及的电流检测电路的结构图。

图5是示出实施方式1所涉及的温度检测单元所进行的升温不良判定的处理步骤的第一流程图。

图6是示出实施方式1所涉及的温度检测单元所进行的升温不良判定的处理步骤的第二流程图。

图7是示出实施方式2所涉及的温度检测单元所进行的升温不良判定的处理步骤的流程图。

图8是实施方式3所涉及的功率转换装置的结构图。

图9是实施方式3所涉及的开关装置的结构图。

具体实施方式

下面，参照附图对本申请所涉及的开关装置和功率转换装置的实施方式进行说明。

1.实施方式1

＜功率转换装置的结构＞

图1中示出功率转换装置10的结构。功率转换装置10具备并联连接有IGBT的下桥臂20和上桥臂30，以作为多个开关元件。图1中，多个IGBT的记载省略，以单一的IGBT为代表来图示。串联连接的下桥臂20和上桥臂30的连接点连接有电抗器3，并经由电抗器3连接到电源1和输入电容器4。下桥臂20与上桥臂30的连接点的相反侧连接有输出电容器5和负载2。下桥臂20和上桥臂30的开关元件其控制端子连接到驱动电路28和驱动电路38，驱动电路从控制电路6接受指令，并将驱动信号传输到各开关元件的控制端子。

下桥臂20和上桥臂30的开关元件具有电流检测单元和温度检测单元，并将检测信号传输到驱动电路28和驱动电路38。驱动电路28和驱动电路38将检测信号传输到控制电路6。控制电路6输入有来自冷却器温度检测用热敏电阻7的冷却器温度的信息。控制电路6判定开关元件的过电流、过热和升温不良，并将判定结果反映到功率转换装置10的控制中。图1所示的功率转换装置10为DC-DC转换器。控制电路6、驱动电路28和驱动电路38构成控制部210。

＜控制部的硬件结构＞

图2是控制部210、240的硬件结构图(以下，设为控制部210来进行说明，但控制部240也相同)。本实施方式中，控制部210是控制功率转换装置10的控制装置。控制部210的各功能由控制部210所具备的处理电路来实现。具体而言，控制部210作为处理电路，包括CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)等运算处理装置90(计算机)、与运算处理装置90进行数据交换的存储装置91、向运算处理装置90输入外部的信号的输入部92、以及从运算处理装置90向外部输出信号的输出部93等。

作为运算处理装置90，可以具备ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)、IC(Integrated Circuit：集成电路)、DSP(Digital SignalProcessor：数字信号处理器)、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、各种逻辑电路和各种信号处理电路等。另外，作为运算处理装置90，也可以具备多个同种或不同种的运算处理装置来分担执行各处理。作为存储装置91，可以具备构成为能从运算处理装置90读取并写入数据的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、构成为能从运算处理装置90读取数据的ROM(Read only Memory：只读存储器)等。输入部92包含驱动电路28、38的电流检测单元、温度检测单元的接口，连接有各种传感器和开关，并具备将这些传感器和开关的输出信号输入到运算处理装置90的AD转换部、输入电路等接口电路。输出部93包含驱动电路28、38的开关元件驱动部，连接有开关元件、致动器等电负载，并具备对来自运算处理装置90的输出信号进行转换并输出到这些电负载的驱动电路、通信电路等接口电路。

控制部210所具备的各功能通过由运算处理装置90执行存储于ROM等存储装置91的软件(程序)，并与存储装置91、输入部92以及输出部93等的控制部210的其它硬件协作来实现。另外，控制部210使用的阈值、判定值等设定数据作为软件(程序)的一部分存储在ROM等存储装置91中。

图1的控制部210的内部所搭载的各功能可以分别由软件的模块来构成，但也可以由软件和硬件的组合来构成。

＜开关装置的结构＞

图3示出由下桥臂20、驱动电路28和控制电路6所构成的开关装置9。图3中，示出了下桥臂20的详细情况，通过反向并联连接有二极管的3个IGBT21a、21b、21c并联连接而构成。IGBT21a具备作为电流检测单元的电流检测用单元23a，并向驱动电路28传输电流信息。IGBT21a、21b具备作为温度检测单元的温度检测用二极管24a、24b，并向驱动电路28传输温度信息。IGBT21a具备电流检测单元和温度检测单元双方。以下，将具备电流检测单元或温度检测单元的IGBT(或MOSFET)称为具有电流检测功能或温度检测功能的IGBT(或MOSFET)。

各IGBT21a、21b、21c的栅极端子通过共通的栅极驱动信号线22相连接，并通过从驱动电路28输出的栅极信号进行导通截止驱动。驱动电路28将从控制电路6输出的PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)信号25作为IGBT的栅极驱动信号输出到栅极驱动信号线22。

驱动电路28具有过电流保护单元，接受来自电流检测用单元23a的电流信息来实施过电流保护，并将过电流异常信号26传输到控制电路6。驱动电路28将从温度检测用二极管24a、24b接受到的温度信息作为温度信号27传输到控制电路6，并利用控制电路6所具备的温度异常检测单元来检测IGBT21a、21b的温度异常。

图3对下桥臂20进行了说明，但上桥臂30也为同样的结构。虽然并未图示出上桥臂30的详细结构，但3个IGBT31a、31b、31c并联连接，并具备1个电流检测用单元33a、2个温度检测用二极管34a、34b，IGBT31a具备电流检测单元和温度检测单元双方。从控制电路6输出的PWM信号35经由驱动电路38输出到栅极驱动信号线32。驱动电路38将过电流异常信号36和温度信号37输出到控制电路6。

另外，图3中，说明了使用IGBT来作为开关元件的情况，但也可以是MOSFET等其它半导体元件。此外，也可以是图3所示的单独的IGBT具有反向并联连接的二极管的RC-IGBT(Reverse Conducting IGBT：逆导通IGBT)以外的、反向并联连接有与IGBT并联数不同的数量的二极管的IGBT。

＜功率转换＞

对功率转换装置10的功率转换的动作进行说明。将图1的下桥臂20设为导通、将上桥臂30设为截止来对电抗器3进行励磁，并将下桥臂20设为截止、将上桥臂设为导通来对电抗器3进行复位。以规定频率来进行这样的开关动作，并按规定的占空比(下桥臂导通比率)来控制励磁/复位的期间，由此来进行升压。

＜过电流的检测＞

对驱动电路28和驱动电路38中的过电流保护单元进行说明。另外，这里的过电流保护假设一种短路保护，在上下桥臂双方为导通状态、瞬间流过过大的电路电流的情况下，使任意一个桥臂截止来切断短路电流。

图4是实施方式1所涉及的电流检测电路的结构图。这里，示出通过感测方式来检测电流的示例。感测方式中，使流过开关元件的主电路电流的一部分分流到感测端子来取出。例如，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)中，从发射极侧分流并取出电流，如果是MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)，则从源极侧分流并取出电流。在用电阻器对该电流进行电流电压转换后，通过监视其电压电平来检测过电流。驱动电路28内置有电流检测电路280。对于驱动电路38也相同，这里省略说明。来自电流检测用单元23a的分流后的电流经由并联电阻281、串联电阻282被输入到比较器286来进行比较，以检测过电流的有无。

这里，电容器283连接到比较器286跟前，以消除噪声的影响。IGBT21a通过PWM开关信号导通，每次电流导通时电容器283被充电。若持续充电，则电容器283的电压上升，产生误检测到过电流的问题。因此，在栅极截止时，通过放电开关284对电容器283放电来进行复位。对于栅极驱动信号线22的栅极信号，经由非门逻辑驱动元件285来驱动放电开关284。通过这样的动作，在栅极截止期间无法进行过电流检测，在栅极导通期间过电流检测为有效。另外，图4的电路是一个示例，如果是进行同样的动作的电路，则并不限于该结构。若检测到过电流，则例如驱动电路28、38进行如下动作：使栅极截止，并将检测到过电流的情况传输到控制电路6。

在功率转换执行中的正常动作时，以排他逻辑进行开关动作，以使得在下桥臂20导通时上桥臂30截止，在上桥臂30导通时下桥臂20截止。因此，在通常动作中不发生短路。异常时，例如，在下桥臂20截止、上桥臂30导通时，当下桥臂20因噪声和控制异常而误导通、或在集电极、发射极间发生了短路故障的情况下，由于上下桥臂中短路电流导通，因此由导通状态的上桥臂来检测过电流。此时，实施基于栅极切断的短路保护。反之，在上下桥臂中导通截止状态相反的情况下，在导通状态的下桥臂中检测过电流来实施短路保护。

此时，考虑如下情况：在检测到过电流一侧的桥臂中，因具有过电流检测单元的IGBT的开路故障而导致丧失过电流检测功能。在IGBT发生断线故障的情况下，电流不流过感测端子，无法进行过电流检测，不能正常地进行用于短路电流切断的栅极切断。由于电流不流过发生故障的IGBT，因此，在并联的其它IGBT导通时电流过度地流过。该状态下，在成对的上侧桥臂或下侧桥臂发生了短路故障的情况下，过大的电流流过上下桥臂，且也无法进行过电流检测。

在栅极截止时的电压浪涌过大引起超过耐压或过热而导致产生了IGBT短路的情况下，电源1、负载2短路，从而损害有可能扩大。即使在上侧桥臂和下侧桥臂双方具备电流检测单元的情况下，丧失任一方的电流检测功能也是一个大问题。如上所述，在具备具有过电流未被检测的期间的过电流检测电路的情况下，需要在各桥臂中判定电流检测功能的丧失。本申请的实施方式1中，如图3的结构那样，使保有电流检测单元的开关元件一并具备温度检测单元，以使得能检测上述电流检测功能的丧失，对于检测温度异常是有意义的。

＜基于温度检测的异常判定＞

接着，对温度检测单元所进行的断线判定进行说明。对检测异常的方法和温度异常时的动作进行说明。如图1、3所示，控制电路6能对从驱动电路28分别作为温度信号27传输来的IGBT21a、21b的IGBT温度、以及从冷却器温度检测用热敏电阻7传输来的冷却器温度进行检测，并使用这些信息来检测温度异常。

控制电路6在各IGBT温度和冷却器温度为规定温度以上时判断为过热并实施过热保护。作为过热保护，降低输出功率来使功率转换动作持续、或停止功率转换动作。除此以外，也能在以下的步骤中根据各IGBT温度来判定升温不良。升温不良指如下情况：开关元件的温度应当根据开关元件的持续的导通截止驱动(占空比驱动)恰当地上升，但温度上升却不足。该情况下，处于IGBT无法正常地提供电流的状态，因此，伴随着用于检测开关装置9的过电流的IGBT的电流检测功能的丧失。作为电流检测功能的丧失的原因，可以假设IGBT的断线。以下，判定升温不良是指判断为温度上升不足。

＜升温不良判定的流程图＞

图5、图6中，示出表示控制部210中所执行的基于温度检测单元的升温不良的判定的处理步骤的第一流程图和第二流程图。图6的流程图示出图5的流程图的后续。图5和图6的流程图每隔规定时间(例如5ms)执行。执行定时也可以不间隔规定时间，而是根据控制开关元件的信号来执行、或根据其它外部的事件来执行。

从步骤S101开始的处理中，在步骤S102中判定控制部210是否处于刚启动后。在并非刚启动后的情况下(判定为“否”时)前进至步骤S105。在刚启动后的情况下(判定为“是”时)，将步骤S103中检测出的IGBT温度作为IGBT启动时温度存储在存储装置91中。然后，在步骤S104中，将驱动计数器、停止计数器、输出限制计数器清零并前进至步骤S105。

步骤S105中，判定控制信号的占空比(开关元件的导通时间比率)是否超过了规定的驱动判定占空比D1(例如20％)。在判定为“是”的情况下、即占空比超过了驱动判定占空比D1的情况下，表示开关元件使电流流过规定以上的负载，可以期待开关元件的温度上升。该情况下前进至步骤S106。在判定为“否”的情况下前进至步骤S112，在将驱动计数器清零后，在步骤S119中结束处理。这里，说明了驱动判定占空比D1为20％的示例，但也可以设为驱动判定占空比D1＝0％，并采用驱动信号的占空比超过该占空比的情况、即开关元件被驱动的情况这样的条件。

步骤S106中，使驱动计数器递增，并前进至步骤S107。驱动计数器是对以超过驱动判定占空比D1的负载驱动开关元件的时间进行计数的计数器。步骤S107中，判定驱动计数器的值是否超过规定的驱动判定计数值Cd(例如1秒)。在未超过的情况下(判定为“否”时)，前进至步骤S119并结束处理。在超过的情况下(判定为“是”时)，前进至步骤S108。

步骤S108中，判定检测出的IGBT温度与从存储装置91读取出的IGBT启动时温度之差(IGBT温度-IGBT启动时温度)、即升温温度是否低于规定的第一驱动温度Td1。在温度不低的情况下(判定为“否”时)，前进至步骤S113，将停止计数器清零并前进至步骤S114。在温度比第一驱动温度Td1要低的情况下(判定为“是”时)，在步骤S109中使停止计数器递增。开关元件以超过驱动判定占空比D1的占空比被驱动了超过驱动判定计数值的时间，因此示出开关元件原本应该发热并升温但升温温度比第一驱动温度Td1要低(升温不良)的情况。此时，可以假设开关元件的断线，能判断为开关元件未正常地被驱动，并丧失了开关元件的电流检测功能，因此，使用于停止驱动的停止计数器递增。之后前进至步骤S110。

步骤S110中，判定停止计数器的值是否比规定的停止确定时间Cs要大。在并非更大的情况下(判定为“否”时)前进至步骤S114。在停止计数器的值比停止确定时间Cs要大的情况下(判定为“是”时)，在步骤S111中执行停止控制。在判定出升温不良并非是瞬间的、而是持续地被判定出的情况下，确定升温不良的判定并迅速进行开关装置9的停止处理，能避免开关元件受到损伤。步骤S111后，在步骤S119中结束处理。

步骤S114中，判定检测出的IGBT温度与从存储装置91读取出的IGBT启动时温度之差(IGBT温度-IGBT启动时温度)、即升温温度是否低于比第一驱动温度Td1要高的第二驱动温度Td2。在不低于的情况下(判定为“否”时)前进至步骤S118，将输出限制计数器清零并在步骤S119中结束处理。在温度低的情况下(判定为“是”时)，在步骤S115使输出限制计数器递增并前进至步骤S116。在开关元件的升温温度比第二驱动温度Td2要低的情况下，还无法断定断线，但由于开关元件的温度上升较低，因此将开关元件的缺陷考虑在内使用于限制输出的计数器递增。

步骤S116中，判定输出限制计数器的值是否比规定的输出限制确定时间Cl要大。在并没有更大的情况下(判定为“否”时)，前进至步骤S119并结束处理。在输出限制计数器的值比输出限制确定时间Cl要大的情况下(判定为“是”时)，在步骤S117中执行输出限制控制。在设置输出限制标志并不是瞬间的、而是持续进行设置的情况下，迅速进行开关装置9的输出限制处理，能避免开关元件受到损伤。步骤S117后，在步骤S119中结束处理。

图6的流程图中，将(IGBT温度-IGBT启动时温度)、即升温温度与预先确定的第一驱动温度Td1和第二驱动温度Td2进行比较，并使停止计数器或输出限制计数器递增。然而，也可以省略IGBT启动时温度，而将当前的IGBT温度与第一驱动温度Td1和第二驱动温度Td2进行比较。这是由于能判定为在开关元件以超过驱动判定占空比D1的驱动占空比被驱动了超过驱动判定计数值的时间的情况下的、IGBT启动时温度对于开关元件的发热温度的影响是限定性的。

此外，在省略了IGBT启动时温度的情况下，可以将第一驱动温度Td1、第二驱动温度Td2设为由冷却器温度检测用热敏电阻7检测出的冷却器温度的函数、或开关装置9、功率转换装置10的外部气体温度的函数。这是由于冷却器温度或外部气体温度越低，则放置有开关元件的周围的温度变得越低，也会对温度检测用二极管24a、24b的检测温度带来影响。函数可以用映射来定义，函数或映射的设定可以通过实验来求出。

此外，对于图6的流程图的IGBT温度的比较，也可以设为将从IGBT温度中减去冷却器温度或外部气体温度后得的值与预先确定的第一驱动温度Td1、第二驱动温度Td2进行比较，并设置停止标志或输出限制标志。这是由于通过这种方式能去除冷却器温度或外部气体温度所带来的影响并精密地进行温度比较。

图5、图6的流程图中，阐述了由控制部210对于设有温度检测单元的各开关元件所执行的处理，但对于控制部210对功率转换装置10的下桥臂20和上桥臂30所执行的处理也能适用。控制部210可以设置于每个开关装置9、每个下桥臂20、每个上桥臂30，但作为功率转换装置10整体也可以具备一体的控制部210。

通过以上那样的步骤，能使用温度检测单元的输出来判定开关元件的升温不良，能判定开关元件发生断线而导致开关装置9丧失了电流检测功能的情况。由此，在开关装置9、功率转换装置10发生重大问题前，能停止开关控制、功率转换控制或实施输出限制。根据实施方式1中的开关装置9和功率转换装置10，即使在具备温度检测单元的IGBT为一个的情况下，也能防止在持续丧失电流检测功能的情况下进行动作，并能进行过电流保护和过热保护。

对于并联设置的多个开关元件中的仅一个分别设有一个电流检测单元和一个温度检测单元的开关装置，能应用图5、图6所示的升温不良的判定的处理步骤。由此，能检测开关元件的过热和电流检测功能的丧失，并能缩小IGBT芯片尺寸来缩短信号线长度。其结果是，能实现模块尺寸缩小、基板面积缩小，该方法能有助于开关装置9的小型化、轻量化、成本降低。

此外，这里，在表示温度检测单元的输出为过热或升温不良的情况下，有时因温度检测单元的断线、电源短路、接地短路、固定、误差大而引起。由此，对于上述温度检测单元的各种异常，可以兼作为过热或升温异常来判定。或者，也可以另外细致地判定温度检测单元的各种异常。

2.实施方式2

实施方式2中，对于与实施方式1相同结构的开关装置9和功率转换装置10，变更基于温度检测的升温不良的判定的步骤。硬件结构相同。

＜升温不良判定的流程图＞

图7中示出流程图，该流程图表示实施方式2所涉及的控制部210所执行的基于温度检测单元的升温不良的判定的处理步骤。图7的流程图每隔规定时间(例如5ms)执行。执行定时也可以不间隔规定时间，而是根据控制开关元件的信号来执行、或根据其它外部的事件来执行。

从步骤S301开始的处理中，在步骤S302中获取IGBT21a温度、IGBT21b温度、冷却器温度的处理之后，前进至步骤S303。步骤S303中，判定IGBT21a温度与IGBT21b温度之差的绝对值是否在第一温度阈值Tth1以上。若温度之差的绝对值在第一温度阈值Tth1以上，则意味着在两个IGBT的温度中存在较大差异，存在异常，由此能判断为至少应当进行输出限制。当温度之差的绝对值在第一温度阈值Tth1以上的情况下(判定为“是”时)，前进至步骤S304。在温度之差的绝对值不在第一温度阈值Tth1以上的情况下(判定为“否”时)，前进至步骤S312，将停止计数器和输出限制计数器清零，并在步骤S319中结束处理。

步骤S304中，判定IGBT21a温度与冷却器温度之差的绝对值是否在第二温度阈值Tth2以下。这里，将具备电流检测单元的IGBT21a与冷却器温度进行比较，在温度差在第二温度阈值Tth2以下的情况下(判定为“是”时)，判定为IGBT21a处于因开路故障而不使电流导通且温度不上升的异常状态。因此，前进至步骤S305，使停止计数器递增，并前进至步骤S306。

步骤S304中，在温度差不在第二温度阈值Tth2以下的情况下(判定为“否”时)，前进至步骤S308将停止计时器清零，并前进至步骤S309使输出限制计数器递增。输出限制计数器是用于执行输出限制控制的输出限制计数器，上述输出限制控制中，由于考虑为IGBT21a存在开路故障以外的某些故障，因此对输出功率进行限制并使动作持续。之后，前进至步骤S310。另外，第一温度阈值Tth1、第二温度阈值Tth2将温度检测用二极管等的电路偏差、并联IGBT的分流偏差、来自其它IGBT的热传递等考虑在内来决定。

步骤S306中，判定停止计数器的值是否比规定的停止确定时间Cs要大。在并非更大的情况下(判定为“否”时)前进至步骤S309。在停止计数器的值比停止确定时间Cs要大的情况下(判定为“是”时)，在步骤S307中确定升温不良的判定并执行停止控制。在判断出升温不良并不是瞬间的、而是持续地被判断出的情况下，迅速进行开关装置9的停止处理，能避免开关元件受到损伤。步骤S307后，在步骤S319中结束处理。

步骤S310中，判定输出限制计数器的值是否比规定的输出限制确定时间Cl要大。在并没有更大的情况下(判定为“否”时)，前进至步骤S319并结束处理。在输出限制计数器的值比输出限制确定时间Cl要大的情况下(判定为“是”时)，在步骤S311中执行输出限制控制。在判断出输出限制并不是瞬间的、而是持续地被判断出的情况下，迅速进行开关装置9的输出限制处理，能避免开关元件受到损伤。步骤S311后，在步骤S319中结束处理。

根据实施方式2中的开关装置9、以及将该开关装置9使用在下桥臂20、上桥臂30中的功率转换装置10，在多个并联连接的IGBT中具备电流检测单元的IGBT21a一并具备温度检测单元，并且在控制电路6中判定温度的异常，由此，能通过在具备电流检测单元的IGBT21a的开路故障时判定升温不良来检测电流检测功能的丧失。此外，当不具有电流检测单元的IGBT21b、21c发生开路故障时，作为开关装置9，能进行电流检测并且能进行过热保护。由此，能防止在持续丧失电流检测功能的情况下持续动作，并能进行开关装置9、功率转换装置10的过电流保护和过热保护。

即使具有电流检测单元的IGBT比IGBT并联数要少，也能防止在持续丧失保护功能的情况下持续动作，因此，能降低成本、并降低IGBT模块尺寸和基板的面积。

在同一桥臂内具备多个具有温度检测单元的IGBT的情况下，能通过桥臂内的IGBT彼此的温度比较来判定升温不良。发生开路故障的IGBT没有温度上升，未发生开路故障的其它IGBT的电流集中且温度上升到正常时以上，因此，通过发生开路故障的IGBT与正常的IGBT之间的温度差可容易地判定升温不良。因此，对多个IGBT的温度进行比较是有意义的。

在具备包括下桥臂20、上桥臂30的主电路结构的功率转换装置10中，能避免在下桥臂20、上桥臂30双方中电流检测功能无法进行的期间的问题。此外，即使采用下桥臂20、上桥臂30的每一个分别具备具有过电流保护单元的驱动电路、且驱动电路的过电流保护单元例如在栅极截止期间中不检测过电流的电路结构，也能得到同样的效果。这是由于在下桥臂20和上桥臂30中以不同的互补定时进行导通/截止，不进行过电流检测的期间不同且能彼此覆盖。然后，能通过检测各自的开关元件的温度来判定升温不良并检测电流检测功能的丧失，能提高可靠性。

利用发生了开路故障的IGBT不产生发热因而接近冷却器温度的情况，通过与来自冷却器温度检测用热敏电阻7的冷却器温度之间的比较可容易地确定发生了开路故障的IGBT。在冷却器温度发生了变化的情况下，IGBT的温度受到其影响，但通过与冷却器温度进行比较也能抵消该影响。

通过对下桥臂20和上桥臂30的桥臂内的2个IGBT温度、以及冷却器温度这3个以上的温度信息进行比较，从而能确定发生了升温不良的IGBT。能解决如下问题：当仅通过2个温度信息的比较时，无法判断哪个温度为异常。此外，可以对桥臂内或其它桥臂的3个以上的IGBT温度进行比较来检测发生了升温不良的IGBT。该情况下，可以确定温度比其它IGBT温度要低超过规定温度的IGBT并判定为升温不良。或者，也可以确定温度比IGBT温度的平均值要低超过规定温度的IGBT并判定为升温不良。

在判定为具有电流检测单元的IGBT处于升温不良的情况下，通过停止开关装置、功率转换装置的动作，从而能使得在因开路故障而持续丧失电流检测功能的情况下动作不持续。由此，能提高可靠性，意义较大。

在判定为不具有电流检测功能的IGBT处于升温不良的情况下，通过限制开关装置、功率转换装置的输出限制等来持续动作，从而即使发生异常也能尽量使动作持续。由此，能使开关装置、功率转换装置的运行持续，能提高作为系统的故障耐性。

实施方式2中，在图3中示出具有桥臂的电流检测单元的IGBT仅为1个的情况。然而，具有电流检测单元的IGBT可以是多个。例如，有时在三个并联中，两个IGBT具有电流检测单元，由此，能将桥臂内的导通电流的偏差考虑在内并设定过电流保护成立的保护阈值。然而，即使在具有电流检测单元的IGBT的1个发生了开路故障的情况下，也会丧失过电流保护功能。与此相对，通过使具有电流检测单元的IGBT也具有温度检测单元，从而与实施方式2中所说明的情况同样地，能通过升温不良来检测电流检测功能的丧失。因此，并非所有IGBT都保有电流检测功能，可降低成本。

实施方式2中，如图3所示，三个并联中、两个IGBT具有在桥臂的温度检测单元，但也可以所有的IGBT都保有温度检测单元。由此，能判定所有的IGBT的开路故障所引起的升温不良。

另外，实施方式2中利用冷却器温度检测用热敏电阻7来检测功率转换装置10的冷却器温度，但也可以不检测冷却器的温度，而检测冷却水、空气之类的制冷剂自身的温度。由于冷却器温度接近制冷剂温度，因此可得到同样的效果。此外，冷却器和制冷剂的温度也可以是从功率转换装置10的外部得到的温度信息。

控制电路6从驱动电路28、38获取温度信息，但也可以不经由驱动电路而从IGBT直接输入到控制电路6。

3.实施方式3

图8是示出实施方式3中的功率转换装置40的结构的图。功率转换装置40是逆变器，由并联连接有多个IGBT的下桥臂100、120、140和上桥臂110、130、150所构成。图8中，省略每个桥臂的多个IGBT的记载，并用单个IGBT为代表来表示。输入电容器13和电源1并联连接到上下桥臂的串联电路，各上下桥臂的连接点分别连接到作为负载的三相电动机12。

下桥臂100、120、140和上桥臂110、130、150分别包括驱动电路108、128、148以及118、138、158，各驱动电路与控制电路46相连接。通过基于控制电路46的指令的上下桥臂的恰当的开关动作来进行逆变器动作，并且由控制电路46接受各桥臂的感测信息，并基于感测信息来进行恰当的保护动作。另外，由控制电路46和驱动电路108、118、128、138、148、158构成控制部240。图8中，省略了冷却器温度检测用热敏电阻7的记载，但与图1同样地，设为与控制电路46相连接。

图9示出下桥臂100的结构的详细情况、以及驱动电路108与控制电路46的连接，并作为整体构成开关装置39。另外，其它上下桥臂110、120、130、140、150和驱动电路118、128、138、148、158也为同样的结构，因此省略图示。

下桥臂100并联连接有2个IGBT100a、100b来构成，2个IGBT100a、100b反向并联连接有二极管。IGBT100a包括作为电流检测单元的电流检测用单元103a、以及作为IGBT100a的温度检测单元的温度检测用二极管104a，并将电流信息和温度信息传输到驱动电路108。

IGBT100a、100b的栅极端子通过共通的栅极驱动信号线102相连接，并通过从驱动电路108输出的栅极信号进行导通截止驱动。驱动电路108将从控制电路46输出的PWM信号105作为IGBT的栅极驱动信号输出到栅极驱动信号线102。

驱动电路108具有过电流保护单元，接受来自电流检测用单元103a的电流信息来实施过电流保护，并将过电流异常信号106传输到控制电路46。驱动电路108将从温度检测用二极管104a接受到的温度信息作为温度信号107传输到控制电路46，并利用控制电路46所具备的温度异常检测单元来检测IGBT100a的温度异常。

对功率转换装置40的功率转换的动作原理进行说明。通过对下桥臂100、120、140和上桥臂110、130、150进行导通截止控制来生成三相电动机12的线间电压和相电压，由此来控制三相电动机12。

驱动电路108中的电流检测电路与实施方式1和实施方式2的图4相同，因此省略说明。

对检测功率转换装置40的温度异常的方法以及温度异常时的动作进行说明。控制电路46使用分别作为温度信号从驱动电路108、118、128、138、148、158传输来的IGBT100a、110a、120a、130a、140a、150a的IGBT温度来检测温度异常(110a至150a未图示)。当各IGBT温度和冷却器温度成为规定温度以上时，控制电路46判断为过热，实施降低输出功率并使动作持续的过热保护、或使动作停止的过热保护，但除此以外，也可以通过以下步骤来判定升温不良。

对于功率转换装置40的下桥臂100的IGBT温度，可以与下桥臂120、下桥臂140的IGBT温度进行比较来判定升温不良。即，在IGBT100a温度与IGBT120a温度之差的绝对值在第三温度阈值Tth3(未图示)以上、且IGBT100a温度与IGBT140a温度之差的绝对值在第三温度阈值Tth3以上，并且IGBT100a温度＜IGBT120a温度、且IGBT100a温度＜IGBT140a温度的情况下，对IGBT100a的升温不良进行判定。

此外，同样地，对于上桥臂110的IGBT温度，可以与下桥臂120、下桥臂140的IGBT温度进行比较来判定升温不良。即，在IGBT110a温度与IGBT130a温度之差的绝对值在第三温度阈值Tth3以上、且IGBT110a温度与IGBT150a温度之差的绝对值在第三温度阈值Tth3以上，并且IGBT110a温度＜IGBT130a温度、且IGBT110a温度＜IGBT150a温度的情况下，对IGBT110a的升温不良进行判定。

在判定下桥臂100的IGBT100a的升温不良的情况下，能通过将IGBT100a与其它相的IGBT120a、140a的温度进行比较来判别。在判定上桥臂110的IGBT110a的升温不良的情况下，也能通过与其它相的IGBT130a、150a的温度进行比较来判别。对于其它下桥臂120、140以及上桥臂130、150，也能用同样的考虑方法来判定升温不良。在根据本判定条件判定出升温不良的情况下，有可能是因IGBT开路故障而导致的升温不良，存在丧失电流检测功能的可能性，因此停止动作。另外，第三温度阈值Tth3将温度检测用二极管等的电路偏差、并联IGBT的分流偏差、来自其它IGBT的热传递、各相的偏差等考虑在内来决定。

如功率转换装置40那样，在具有并联连接有多个上下桥臂而得的多相的结构中，通过比较多个相间的IGBT温度信息，从而能利用更多IGBT温度的比较来判定升温不良。特别是在桥臂内的温度检测单元较少的情况下，能通过与其它相的IGBT温度进行比较来判定升温不良。此外，在上桥臂和下桥臂中，在IGBT那样的开关元件中产生的损耗不同，因此，通过比较各相的上桥臂彼此、下桥臂彼此的IGBT温度，能更高精度地判定升温不良。

实施方式3中，示出了在各相的上桥臂彼此、下桥臂彼此间对IGBT温度进行比较的示例，但也可以通过比较上桥臂与下桥臂的IGBT温度来判定升温不良。为了确定故障部位，优选参照3个以上的温度信息。

实施方式1、2中，根据多个IGBT温度与冷却器温度之差超过或低于规定的温度阈值的情况来判定升温不良，但只要使用温度信息来进行异常检测即可，并不局限于此。

虽然本申请记载了各种示例性实施方式和实施例，但是在一个或多个实施方式中记载的各种特征、方式和功能不限于特定实施方式的应用，可以单独地或以各种组合来应用于实施方式。因此，可以认为未例示的无数变形例也包含在本申请说明书所公开的技术范围内。例如，设为包括对至少一个构成要素进行变形、追加或省略的情况，以及提取至少一个构成要素并与其他实施方式的构成要素进行组合的情况。

标号说明

9、39 开关装置

10、40 功率转换装置

21a、21b、21c、31a、31b、31c、100a、100b、110a、120a、130a、140a、150a IGBT

23a、33a、103a 电流检测用单元

24a、24b、34a、104a 温度检测用二极管

210、240 控制部

280 电流检测电路

Claims (24)

1.一种开关装置，其特征在于，包括：

并联连接的多个开关元件，该并联连接的多个开关元件根据向控制端子输入的输入信号切换第一端子与第二端子之间的导通和切断；

电流检测单元和温度检测单元，该电流检测单元和温度检测单元设置于多个所述开关元件中的至少一个开关元件；以及

控制部，该控制部连接到所述控制端子、所述电流检测单元和所述温度检测单元，对所述开关元件的导通、截止进行切换，基于所述电流检测单元的输出来判定设有所述电流检测单元的所述开关元件的过电流，基于所述温度检测单元的输出来判定设有所述温度检测单元的所述开关元件的过热和升温不良，并基于所述过电流的判定结果以及所述过热和所述升温不良的判定结果来控制多个开关元件，所述升温不良是指根据所述开关元件的驱动的温度上升不足。

2.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，包括：

冷却部，该冷却部对所述开关元件进行冷却；以及

冷却部温度检测单元，该冷却部温度检测单元检测所述冷却部的温度，

所述控制部基于所述温度检测单元与所述冷却部温度检测单元的输出来判定所述开关元件的升温不良。

3.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，

所述温度检测单元设置于多个开关元件，该多个开关元件包含多个所述开关元件中至少设有所述电流检测单元的开关元件，

所述控制部对多个所述温度检测单元的输出进行比较来判定所述开关元件的升温不良。

4.如权利要求3所述的开关装置，其特征在于，包括：

冷却部，该冷却部对所述开关元件进行冷却；以及

冷却部温度检测单元，该冷却部温度检测单元检测所述冷却部的温度，

所述控制部基于所述温度检测单元与所述冷却部温度检测单元的输出来判定所述开关元件的升温不良。

5.如权利要求1至4中任一项所述的开关装置，其特征在于，

所述控制部基于启动时的所述温度检测单元的输出以及启动后的所述温度检测单元的输出来判定所述开关元件的升温不良。

6.如权利要求1至4中任一项所述的开关装置，其特征在于，

所述电流检测单元的数量小于所述开关元件的数量。

7.如权利要求1至4中任一项所述的开关装置，其特征在于，

仅具备一个所述电流检测单元。

8.如权利要求1至4中任一项所述的开关装置，其特征在于，

具备三个以上所述温度检测单元，

所述控制部对三个以上的所述温度检测单元的输出进行比较来判定所述开关元件的升温不良。

9.如权利要求1至4中任一项所述的开关装置，其特征在于，

所述温度检测单元设置于所有的所述开关元件。

10.如权利要求1至4中任一项所述的开关装置，其特征在于，

所述控制部在判定出所述开关元件的升温不良的情况下，使多个所述开关元件截止。

11.如权利要求1至4中任一项所述的开关装置，其特征在于，

在判定出未设有所述电流检测单元而设有温度检测单元的开关元件的升温不良的情况下，所述控制部持续切换多个所述开关元件的导通、截止。

12.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，

仅具备一个所述温度检测单元。

13.如权利要求12所述的开关装置，其特征在于，

所述控制部在判定出所述开关元件的升温不良的情况下，使多个所述开关元件截止。

14.如权利要求12所述的开关装置，其特征在于，

在判定出未设有所述电流检测单元而设有温度检测单元的开关元件的升温不良的情况下，所述控制部持续切换多个所述开关元件的导通、截止。

15.一种功率转换装置，包括：

串联连接的提供正极侧的电流的上侧桥臂以及提供负极侧的电流的下侧桥臂，所述功率转换装置的特征在于，

将权利要求1至权利要求14中任一项所述的开关装置使用在所述上侧桥臂和所述下侧桥臂中。

16.如权利要求15所述的功率转换装置，其特征在于，

所述控制部检测所述开关元件的导通期间的电流。

17.如权利要求15或16所述的功率转换装置，其特征在于，

具备多组所述串联连接的所述上侧桥臂和所述下侧桥臂，

所述控制部对不同的组所具备的温度检测单元的输出进行比较，来判定所述开关元件的升温不良。

18.如权利要求17所述的功率转换装置，其特征在于，

所述控制部对多组所述串联连接的所述上侧桥臂和所述下侧桥臂中的、不同组的上侧桥臂所具备的温度检测单元的输出进行比较，来判定所述开关元件的升温不良。

19.如权利要求17所述的功率转换装置，其特征在于，

所述控制部对多组所述串联连接的所述上侧桥臂和所述下侧桥臂中的、不同组的下侧桥臂所具备的温度检测单元的输出进行比较，来判定所述开关元件的升温不良。

20.如权利要求15或16所述的功率转换装置，其特征在于，

所述控制部对所述上侧桥臂所具备的温度检测单元的输出与所述下侧桥臂所具备的温度检测单元的输出进行比较来判定所述开关元件的升温不良。

21.如权利要求15或16所述的功率转换装置，其特征在于，

所述控制部基于三个以上的所述温度检测单元的输出来判定所述开关元件的升温不良。

22.如权利要求15或16所述的功率转换装置，其特征在于，

所述控制部在判定出所述开关元件的升温不良的情况下使功率转换停止。

23.如权利要求15或16所述的功率转换装置，其特征在于，

所述控制部在判定出未设有所述电流检测单元而设有温度检测单元的开关元件的升温不良的情况下，使功率转换持续。

24.如权利要求15或16所述的功率转换装置，其特征在于，

所述上侧桥臂的控制部与所述下侧桥臂的控制部为一体。