CN1310413C - 功率变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的功率变换装置能够实现小型化、轻量化以至逆变器装置自身的小型化。在将直流电压变换成交流电压的逆变器装置中，使驱动功率变换用半导体元件(2、3)、驱动该功率变换用半导体元件并且进行保护的驱动保护电路(117b、118b)、向该驱动保护电路供给电源的电源电路(112)在同一模块内形成为一体。

Description

功率变换装置
技术领域
本发明涉及使用于电动车驱动装置以及逆变器装置中的功率变换装置，特别地，涉及为了实现小型轻量的结构、功率变换用半导体元件的驱动保护手段、故障诊断手段等的高功能化。
背景技术
对于电动车、特别地对于电动汽车以及混合式车，为了改善安装空间以及燃料消耗，要求三相电动机驱动用逆变器装置小型、轻量。一般地，由控制用于将直流电压变换成交流电压的功率变换装置与三相电动机的控制装置构成，通常，由于功率变换用半导体元件的发热以及开关噪声的问题，分别将它们收纳在不同的盒体中。
功率变换装置已经制成将以IGBT为代表的高速半导体元件、用于驱动、保护IGBT的电路一体化形成的智能模块，例如，在日本专利特开平5-137339号公报中揭示了将IGBT驱动保护电路基板配置在半导体元件上的结构。
又，控制装置通常采用高性能的微机，将三相电动机的线电流以及转速等从专用传感器输入并进行计算处理，通过将开关信号提供到功率变换装置内的半导体元件的栅极端子，任意地控制三相电动机的转速、转矩、功率。而且，提供给功率变换用半导体元件的栅极端子的开关信号波形，采用称为PWM的脉冲宽度调制波形，而由于是一般的技术，这里省略详细说明。
在以往的逆变器装置的结构中，如图18所示，包含仅以信号绝缘电路115a为代表性表示3相内的1相的U相臂的功率变换装置123、包含微机114a的控制装置121分别收纳在不同的盒体中，即使对于向IGBT驱动保护电路基板供给电源的电源装置122，由于发热以及噪声等问题，也收纳在与上述不同的盒体中，又，在U相臂上，包含UH相(上臂U相)驱动保护电路117a、UL相(下臂U相)驱动保护电路118a、作为功率变换元件的开关元件2a、2b以及旁路二极管3a、3b。20为三相电动机。
包含波形整形电路26、绝缘型电源电路116a并且向IGBT驱动保护电路基板供给电源的电源装置122，当为较小的功率电容时，有时可以与智能模块内的IGBT驱动保护电路基板形成为一体，当为较大功率电容时，由于电源电路本体的电流容量也变大，由于抑制电源变压器等的发热的冷却处理方法以及基板安装空间的问题，故将其收纳在智能模块外的其他盒体中。
又，由于IGBT开关动作时的电磁噪声的影响，会诱发安装在基板上的电子部件产生错误动作，对于以往的IGBT驱动保护电路基板，通过将电子部件配置在整个基板上面(C面)并将下面(S面)作成充分接地图案，简易地获得电磁屏蔽的效果，而另一方面、由于电子部件的安装空间仅是基板的一面，这成为妨碍提高IGBT驱动保护电路的密集度以及功能的原因。
发明内容
如上所述，在以往的装置中，由于半导体的发热、开关噪声、基板安装空间的问题，不能够将IGBT驱动保护电路的电源装置一体化地安装在智能模块内，不能够实现功率变换装置、逆变器装置本体的小型化。
本发明是为了解决上述问题点而作成的，目的在于，提供一种在作为功率变换电路的以往智能模块内不仅将IGBT驱动保护电路而且还将用于电源供给的电源电路一体化且实现了小型化、轻量化的功率变换装置，即能够提供一种通过在功率变换装置即以往的智能模块内将电源电路与其他功能混合安装而获得不仅使逆变器装置小型轻量化且为高可靠性、高功能、安全性好的功率变换装置。
对于每个IGBT元件的基准电位，准备上述电源电路并且其与低压电源系统完全电气绝缘。因此，通过在功率变换装置内将电源电路作成一体，能够在智能模块内汇集高压系统，由于能够与低压电源系统电气分离，故在电动汽车等的用途中，能够提供安全方面上理想的构造。
又，另一目的在于，通过将功率变换装置内的基板多层化并进行双面安装，能够增加电子部件安装空间，通过不仅混合安装上述电源电路而且混合安装采用微机的数字控制电路，不仅具有以往的IGBT驱动保护功能，而且将报警信号以及故障履历等的诊断功能、功率变换用半导体元件保护电路的修正调整等高附加价值的功能提供给功率变换装置。
本发明第1方面的功率变换装置，在将直流电压变换成交流电压的逆变器装置中，将功率变换用半导体元件、驱动该功率变换用半导体元件且进行保护的驱动保护手段、向该驱动保护手段供给电源的电源电路，在同一模块中形成一体化。
本发明第2方面的功率变换装置，将上述驱动保护手段与上述电源电路混合地安装在基板的两面，在该基板与上述功率变换用半导体元件之间配置金属的屏蔽板。
本发明第3方面的功率变换装置，将上述驱动保护手段与上述电源电路混合安装在多层基板上，使得产生于该基板内层图案上的热量通过上述金属屏蔽板，向与外部冷却器连接的底板散热。
本发明第4方面的功率变换装置，作为上述电源电路的开关变压器，采用铁氧体磁心材料与多层基板组合成的型面低的层变压器。
本发明第5方面的功率变换装置，上述驱动保护手段具备组装在上述功率变换用半导体元件上的二极管元件、向该二极管元件提供恒定电流的恒流源、对上述二极管元件的两端电压波形进行整形的波形整形电路、读取该波形整形后的上述二极管元件的两端电压的微机，根据该读取的上述二极管元件的两端电压与预先存储的过热判定温度数据，使上述功率变换用半导体元件截止。
本发明第6方面的功率变换装置是上述微机具有：在产品出厂时进行温度图的校正计算并且预先存储上述过热判定温度数据的校正计算手段；在通常的动作中根据上述过热判定温度数据与基板上的温度检测器的检测输出进行插补计算的插补计算手段。
本发明第7方面的功率变换装置，上述驱动保护手段具备：取出上述功率变换用半导体元件的分流电流的读出端子；将上述分流电流变换成电压的变换手段；以及对来自该变换手段的电压与相当于上述功率变换用半导体元件的短路电流的电压进行比较的短路电流检测手段，根据该短路电流检测手段的比较结果，使上述功率变换用半导体元件截止。
本发明第8方面的功率变换装置，上述驱动保护手段具备：取出上述功率变换用半导体元件的分流电流的读出端子；将上述分流电流变换成电压的变换手段；以及对来自该变换手段的电压与相当于流过上述功率变换用半导体元件的过电流的电压进行比较的过电流检测手段，根据该过电流检测手段的比较结果，不使开关动作截止而使得抑制上述功率变换用半导体元件的di/dt。
本发明第9方面的功率变换装置，上述驱动保护手段具备比较用于驱动上述功率变换用半导体元件的栅极输入信号的逻辑电平与该功率变换用半导体元件的栅极端子电压逻辑电平进行比较的栅极短路检测手段，当该栅极短路检测手段的比较结果不一致时，将上述功率变换用半导体元件截止。
本发明第10方面的功率变换装置，上述驱动保护手段具备对上述功率变换用半导体元件的栅极的栅极电压与栅极电压异常判定用电压进行比较的栅极电压异常判定手段，根据该栅极电压异常判定手段的比较结果，将上述功率变换用半导体元件截止。
本发明第11方面的功率变换装置，上述驱动保护手段在截止上述功率变换用半导体元件时，抑制该半导体元件的di/dt。
本发明第12方面的功率变换装置，上述驱动保护手段在截止上述功率变换用半导体元件时，同时截止该半导体元件以外的所有半导体元件的栅极输入信号，并且将以何种保护功能截止上述半导体元件的情况输出到外部的控制单元。
本发明第13方面的功率变换装置，具备：将高压电源进行分压的分压电路；对由该分压电路分压后的电压进行波形整形、A/D变换处理并且对该A/D变换值进行图插补计算的微机；将该微机的计算结果变换成以低压电源为基准的电压电平并且作为高压电源的电压值输出到外部的控制单元的输出手段。
本发明第14方面的功率变换装置具备调整手段，该调整手段在产品出厂时进行电压图的校正计算，并且将高压电源分压电压的A/D变换图数据预先存储到上述微机中。
本发明第15方面的功率变换装置，上述微机具有对上述高压电源分压电压的A/D变换值与预先存储的过电压数据进行比较的过电压判定手段，当超过过电压电平时，抑制上述功率变换用半导体元件的di/dt并进行截止，同时将截止该功率变换用半导体元件的情况输出到外部的控制单元。
附图说明
图1是表示本发明实施形态1的功率变换装置的电路结构框图。
图2是表示本发明实施形态1的功率变换装置的内部结构的侧面图。
图3是表示本发明实施形态2的功率变换装置的内部结构的剖视图。
图4是使用于本发明实施形态4的功率变换装置中的低型面变压器的侧面图。
图5是表示本发明实施形态5的功率变换装置的电路结构框图。
图6是使用于本发明实施形态5的功率变换装置中的温度检测用二极管的Vf/if特性例的图。
图7是表示使用于本发明实施形态5的功率变换装置中的温度检测用二极管的Tj/Vf特性例的图。
图8是表示本发明实施形态6的功率变换装置的电路结构框图。
图9是表示本发明实施形态6的功率变换装置的底板温度检测方法的一例的侧面图。
图10是表示本发明实施形态7的功率变换装置的电路结构框图。
图11是表示本发明实施形态8的功率变换装置的电路结构框图。
图12是表示本发明实施形态8的功率变换装置的动作波形例。
图13是表示本发明实施形态9的功率变换装置的电路结构框图。
图14是表示本发明实施形态10的功率变换装置的电路结构框图。
图15是表示本发明实施形态12的功率变换装置的电路结构框图。
图16是表示本发明实施形态13以及实施形态15中的功率变换装置的电路结构的框图。
图17是表示本发明实施形态14的功率变换装置的电路结构框图。
图18是表示包含以往的功率变换装置的逆变器装置的电路结构的框图。
符号说明
1主基板(PCB)，2功率变换用半导体元件(开关元件)，3功率变换用半导体元件(旁路二极管)，4金属屏蔽板，7绝缘基板，8开关功率模块底板，9胶状填充材料，11开关功率模块盒，12盒体，15铁氧体磁心材料，16多层基板，17连接布线，18型基体，19功率变换装置，20电动机，21栅极信号开闭元件，22波形整形电路，23过热识别手段，24过热判定温度存储手段，25过热保护手段，26栅极驱动信号波形整形电路，27温度检测二极管，28恒流源，29过热判定温度校正手段，30基板温度传感器，31调整装置，32温度计测手段，33存储数据更新手段，34表面温度传感器，35检查装置夹具，36分流电流读出端子，37电流-电压变换电路，38短路电流检测电路，39栅极截止控制电路，40电流-电压变换电路，41过电流检测电路，42di/dt控制电路，43栅极短路检测电路，44栅极电压检测电路，45栅极电压异常判定电路，46保护功能控制手段，47保护功能动作状态输出手段，48全相栅极信号截止手段，50高压电源输入电路，51微机，53图插补计算手段，54信息存储手段，55绝缘传递手段，56数字数据输出手段，57串行通信手段，58过电压判定手段，60调整装置，111控制电路，112电源电路，113功率变换电路，117b、118b驱动保护电路
具体实施形态
以下，参照图面对于本发明的一实施形态进行说明。图中，与图18中相同的符号，表示相同或相当的部分。又，功率变换装置的基本动作一般与称作为逆变器的装置相同或者相类似，故省略说明，对于功率变换用半导体元件的描述，将与直流功率输入(图中，P-N间)的高电位(P)侧连接的元件称为上臂元件、将与低电位侧(N)连接的元件称为下臂元件。
实施形态1
图1是表示本发明实施形态1的功率变换装置的电路结构的框图。
在图1中，19是功率变换装置，20是三相电动机，111是包含微机114b等的控制电路，112是包含波形整形电路26、绝缘型电源电路116b并且向IGBT驱动保护电路基板供给电源的电源电路，113是包含信号绝缘电路115b与仅代表性表示3相内的1相的U相臂的功率变换电路。又，在U相臂上包含作为驱动保护手段的UH相驱动保护电路117b、UL相驱动保护电路118b、作为功率变换用半导体元件的开关元件2a、2b以及旁路二极管3a、3b。
控制电路111的微机114b根据来自外部的信息生成驱动功率变换用半导体元件的开关信号。该开关信号通过绝缘型电源电路116b以及信号绝缘电路115b而与微机114b工作的低压电源系电气分离，并且相互电气分离的U、V、W相传递到各上下臂元件的栅极端子。这里，在功率变换装置19的内部产生上述的开关信号或者或者从未图示的外部的控制装置提供上述开关信号，可以是任意的。
图2是表示本发明实施形态1的功率变换装置的内部结构的剖视图。
在图2中，1是除了功率变换用半导体元件(开关元件2、旁路二极管3)而安装控制电路111、电源电路112、功率变换电路113等的主基板(以下，单称作PCB)，4是金属屏蔽板，5是控制电路基板连接布线，6是连接导体，7是绝缘基板，8是开关功率模块底板，9是胶状填充材料，10是外部连接用电极母线，11是开关功率模块盒，12是盒体。
PCB1上安装有驱动保护功率变换用半导体元件的驱动保护电路、用于向驱动保护该半导体元件的电路供给电源的电源电路、外部连接用的接口电路(控制电路)。这里，PCB1是没有限制在一面安装部件或者两面安装的差异以及基板的材料、形状等的主基板。另一方面，形成产品的外部轮廓的同时，在用于将半导体元件连接到未图示的冷却器的基板8上，通过为了电气绝缘而设置的绝缘基板7配置半导体元件。又，盒体11将外部连接用电极母线10与控制电路基板连接布线5形成一体，并且与基板8结合。再者，半导体元件、电极母线10、控制电路基板连接布线5通过连接导体6电气连接，PCB1由控制电路基板连接布线5电气连接。
如此，在本实施形态中，在安装有驱动保护功率变换用半导体元件的电路的基板上，混合安装向驱动保护半导体元件的电路供给电源的电源电路，由于与功率变换用半导体元件在同一模块内作成一体化，故能够实现功率变换装置的小型轻量化以及逆变器装置本体的小型化。而且，功率变换用半导体元件若是高速开关用半导体元件，则除了IGBT还可以采用MOSFET等的半导体元件。
实施形态2
图3是表示本发明实施形态2的功率变换装置的内部结构的剖视图。
本实施形态是在上述实施形态1构造基础上，例如，如图3所示，利用用于将PCB1固定到开关功率模块盒11上的螺钉13a，将PCB1与金属屏蔽板4固紧，通过与开关功率模块11形成一体的插入螺母14，能够将金属屏蔽板4与底板8电气结合。
即，为了确保基板的部件安装空间，通过使混合安装驱动保护功率变换用半导体元件的电路与电源电路的基板，即PCB1为双面安装，为了获得与以往技术中的基板下面(S面)充分接地图案同等之上的减少电磁噪声的效果，在基板与功率变换用半导体元件之间配置开关频带的透磁率低的金属屏蔽板4。
如此，在本实施形态中，由于将底板8在与未图示的冷却器连接的状态下使用，通过使得主要由金属构成的冷却器电位稳定，能够有效减轻电磁噪声对于PCB1的影响，不需要以往的IGBT驱动保护电路基板那样的充分接地图案。结果，能够容易地进行PCB1的双面安装，能够为装置的小型化作出贡献。
实施形态3
本实施形态在上述实施形态2基础上，还将PCB1实质上形成多层，将内层充分接地图案通过金属屏蔽板4以及插入螺母14与基板8电气且导热性结合。
如此，在本上述形态中，使得混合安装驱动保护功率变换用半导体元件的电路与电源电路的基板为多层基板，并且将基板的内层图案与发热量大的元件的导线部连接，通过金属屏蔽板4与基板内层图案，与基板在多个点上固紧，由于，发热量大的部件通过内层图案与金属屏蔽板4向与外部冷却器连接的底板8散热，故能够提高PCB1的冷却效果并且抑制功率变换装置内部的温度上升。
实施形态4
图4是表示使用于本发明实施形态4的功率变换装置中的低型面变压器的侧面图。
在本实施形态中，作为向用于驱动保护功率变换用半导体元件的电路供给电流的电源电路的开关变压器，例如，采用图4所示形状的、将铁氧体磁心材料15与多层基板16组成的低型面的层变压器(sheet transformer)。
如此，在本实施形态中，为了使得向用于驱动保护功率变换用半导体元件的电路供给电流的电源电路小型化、轻量化，没有采用以往技术的绕线型变压器，而具备将铁氧体磁心材料与多层基板组合后的表面安装方式的层变压器，构成即使在车载用途那样的耐振条件严格的环境下也能够使用的低型面结构的绝缘型电源电路，因此，能够获得较大容量的电源，同时能够兼顾实现小型化、轻量化。
实施形态5
图5是表示本发明实施形态5的功率变换装置的电路结构的框图。在图5中，对于与图1相对应的部分，采用相同的符号并省略说明。又，这里，表示了从未图示的外部的控制装置提供用于驱动功率变换用半导体元件的开关信号的情况。
在图中，21a、21b是栅极信号开闭元件，22是波形整形电路，23是过热识别手段，24是过热判定温度存储手段，25是过热保护手段，26是栅极驱动信号波形整形电路，27是温度检测二极管，28是恒流源。又，栅极信号开闭元件21a、21b、栅极驱动信号波形整形电路26实际上构成驱动保护手段的驱动部分，从波形整形电路22到过热手段包含实际上构成驱动保护手段的保护部分。又，过热识别手段23、过热判定温度存储手段24以及过热保护手段25构成微机。
其次，对于动作进行说明。
利用对于功率变换用半导体元件2或3的功率变换操作(开关)流过电流时，由于半导体元件的内部损失而进行发热。当半导体元件过度发热时，有时会发生元件过热损坏。因此，可以由过热识别手段23检测出半导体元件的温度并且为了进行过热保护判定是否切断(栅极截止)栅极信号。当判定为进行栅极截止时，从过热识别手段23向过热保护手段25传递信号。在过热保护手段25接收该信号并控制栅极信号开闭元件21a、21b，且截断从栅极驱动信号波形整形电路26向半导体元件2a、2b传递栅极信号。
过热识别手段23中的半导体元件的温度检测具体地如下述这样进行。首先，作为半导体元件的温度传感器，将温度检测二极管27与半导体元件形成在同一基板上。温度检测二极管27与恒流源28连接。从恒流源28流出的恒定的电流if流入温度检测二极管27的阳极侧而从阴极侧流出。此时的通电电流称作为从流入温度检测二极管27时的极性起的正向电流。又，在温度检测二极管27的阳极一阴极之间产生的电位差称为正向电压Vf。过热识别手段23通过连接在温度检测二极管27的阳极与阴极之间的波形整形电路22输入正向电压Vf。
这里，在二极管的正向电压Vf与正向电流if之间，利用物理性质，获得图6所示的特性。即，依赖于二极管的接合部分温度Tj相对于正向电流if的正向电压Vf发生变动。变动的方向是相对于接合部分温度Tj的上升而正向电压Vf下降。
又，对二极管同恒定的正向电流if通电时的正向电压Vf相对于接合部分温度Tj具有图7所示的特性。即，相对于接合部分温度Tj上升，正向电压Vf降低。因此，若读取使得通过恒定的正向电流的二极管其正向电压Vf的变动，则能够检测二极管接合部分温度Tj的变化。
即，过热识别手段23输入温度检测二极管27的正向电压Vf并且识别温度检测二极管27的接合部分温度Tj的变动。此时，通过在半导体元件的附近形成温度检测二极管27以及将温度检测二极管27的正向电流if的大小设定为二极管自身不会过热的较低值，能够作为半导体元件的接合部温度读出温度检测二极管27的接合部分温度Tj。过热识别手段23通过比较接合部分温度Tj与过热判定温度存储手段24中预先存储的过热判定温度，由此判定是否进行过热保护。
如此，在本实施形态中，作为功率变换用半导体元件的过热保护功能，在以往的技术中，采用在绝缘基板上贴附热敏电阻等的温度检测元件，而具备安装在半导体元件上的利用二极管元件的温度-Vf特性的芯片级(on-chip)温度传感器，构成与功率变换用半导体元件的中心部温度的温度差极小且随温度变化良好的功率变换用半导体元件的温度传感器，实现利用微机的插补运算手段的高精度的过热保护。即，对于与功率变换用半导体元件形成在同一基板上的二极管，通以恒定的正向电流，通过读取二极管的正向电压，能够识别半导体元件的温度。该温度检测由于比以往采用热敏电阻进行温度检测应答特别快速，故能够在短时间中高精度地检测出半导体元件的温度上升，能够提高半导体元件的过热保护特性。
实施形态6
图8是表示本发明实施形态6的功率变换装置的电路结构的框图。在图8中，对于与图5对应的部分，采用相同的符号并省略说明。
在该图中，29是作为插补计算手段的过热判定温度校正手段，30是基板温度传感器，31是调整装置，32是温度计测手段，33是作为校正计算手段的存储数据更新手段，34是表面温度传感器。
调整装置31是与功率变换装置19的出厂检查步骤相连的检查装置之一，在实施检查中，采用未图示的串行通信手段与存储数据更新手段33进行信息交换。
图9是表示本发明实施形态6的功率变换装置的基板温度检测方法一示例的侧面图。
在该图中，34是表面温度传感器，相当于图8中的34a、34b、34c。对于U、V、W各相分别配置表面温度传感器34，以使得能够计测内安装有温度检测二极管27的下臂侧半导体元件2为最高温度的部位正下方的基板8的温度。35是内部装有未图示的加热器的检查装置夹具，该加热器使得将功率变换装置19的基板8均匀变热，由调整装置31进行温度控制使得半导体元件2为恒定温度。作为检查对象的功率变换装置19，基板8的温度与半导体元件2的接合部温度的关系由另外途径进行管理。对于温度关系的管理方法省略说明，而在本产品出厂时的检查步骤中的研究调整步骤是相对于U、V、W所有相跨常温下和高温下的2度进行实行。
图8中，对于U相臂的情况，说明温度图校正计算方法。
首先，调整装置31通过温度计测手段32读取常温下的表面温度传感器34a的温度Tcold，与相识别信息一同向功率变换装置19的存储数据更新手段33传递温度信息。存储数据更新手段33存储从调整装置31传递来的基板8的温度Tcold与温度检测二极管27的正向电压Vfcold。
其次，读取高温下的表面温度传感器34a的温度Thot，同样地向存储数据更新手段33传递温度信息。存储数据更新手段33获得从调整装置31传递来的基板8的温度Thot与温度检测二极管27的正向电压Vfhot并且从这4个参数中获得下述的U相臂Tj-Vf特性的斜率(dT/dV)。
dT/dV＝(Thot-Tcold)/(Vfhot-Vfcold)
存储数据更新手段33例如将上述Tcold与Vfcold与dT/dV存储到过热判定温度存储手段24中，由此可见在通常动作中，根据读取的温度检测二极管27的正向电压Vf，利用下式能够计算出上述接合部分温度Tj。
Tj＝(Vf-Vfcold)×(dT/dV)+Tcold
再者，在功率变换装置19的PCB1上，安装用于计测基板(PCB1)的温度的基板温度传感器30，利用过热判定温度校正手段29读取温度信息。在通常的动作中，过热判定温度校正手段29计测基板上的温度，这里，根据未说明的、预先所存储的基板安装电子部件的温度漂移校正图，作为计算系数Kd算出上述的dT/dV的变化量，利用下式校正上述的接合部分温度Tj，能够获得高精度的接合部分温度Tj’
Tj’＝Tj×Kd
如此，在本实施形态中，为了校正作为二极管元件的温度检测二极管27的特性偏差，在常温、高温的条件下，将二极管元件的Vf电压在产品出厂时预先存储在功率变换装置内的微机中，根据该斜率(dT/dV)插补计算实际的元件温度，再者，将基板上的温度检测元件(例如热敏电阻)的值用于基板安装电子部件的温漂移校正，通过计算出系数，即使在车载用途那样的温度范围大的环境下，也能够高精度地检测温度。
实施形态7
图10是表示本发明实施形态7的功率变换装置的电路结构的框图。又，在图10中，对于与图5对应的部分，采用相同的符号并省略说明。
在该图中，36a、36b是取出半导体元件的分流电流的读出端子，37a、37b是作为变换手段的电流-电压变换电路，38a、38b是作为与短路电流相当的电压值进行比较的短路电流检测手段的短路电流检测电路，39a、39b是作为在短路电流检测时控制栅极截止时刻与截止实行时间的栅极截止控制手段的栅极截止控制电路。
如此，在本实施形态中，着眼于在功率变换用半导体元件中，IGBT以及MOSFET器件的结构上并列配置芯片内部，监视流过半导体元件的电流的分流电流端子，在产生短路电流时截止该半导体元件的栅极控制信号，由此能够防止损坏该半导体元件，能够进行半导体元件的短路电流保护。
实施形态8
图11是表示本发明实施形态8的功率变换装置的电路结构框图。又，在图11中，对于与图5对应的部分，采用同一符号并省略说明。
在该图中，36a、36b是与上述相同的取出半导体元件的分流电流的读出端子，40a、40b是作为变换手段的电流-电压变换电路，也可以兼用上述的电流-电压变换电路37。41a、41b是作为与过电流相当的电压值进行比较的过电流检测手段的过电流检测电路，42a、42b是在检测过电流时使得半导体元件的电流截止速度变慢的di/dt控制电路。
其次，参照图12以IGBT驱动为示例来说明di/dt控制。
在图12中，101是例如从图11的栅极信号输出手段即栅极驱动信号波形整形电路26输出的波形整形后的栅极驱动指令信号。102a以及103a是di/dt控制非动作时IGBT栅极电压波形与集电极-发射极间的电压波形。同样地，102b以及103b是di/dt控制动作时IGBT栅极电压波形与集电极-发射极间的电压波形。
一般地，很多时候以降低开关频率增高带来的损失为目的，栅极驱动指令信号101相对于IGBT栅极在允许的范围中求得较快的变化速度。另一方面，栅极驱动指令的变化速度即集电极电流的变化速度，利用与集电极电流路径上存在的电感成分之积体现为开关浪涌电压，故半导体元件的耐压、其他附加在同一系统上的电子部件的耐压等方面上，受到限制。因此，栅极驱动指令信号的变化速度由与半导体元件特性相适用的系统结构规定。
由过电流检测电路41检测出集电极电流小于所述短路检测电流且增加到规定值以上的情况，由此di/dt控制功能发挥作用，使得如102b减慢栅极驱动信号的截止速度。由此，集电极电流的截止速度以及集电极-发射极之间的电压回归速度103b也变慢。结果，使得与电流变化速度与电流路径电感之积成正比的开关浪涌电压降低，能够防止过电流时浪涌电压上升导致超过耐压。
如此，在本实施形态中，作为功率变换用半导体元件的过电流保护功能，监视上述分流电流，仅在小地短路电流且大于通常流过半导体元件的最大电流时，不截止半导体元件的开关动作，而切换电路使得半导体元件的栅极阻抗增大并控制di/dt，由此能够抑制开关时产生的浪涌电压，并且能够防止在产生过电流时因浪涌电压导致超过耐压的情况。
实施形态9
图13是表示本发明实施形态9的功率变换装置的电路结构的框图。在图13中，对于与图10相对应的部分，采用同一符号并省略说明。
在该图中，43a、43b是作为检测出输入的栅极驱动信号的逻辑电平与半导体元件的栅极端子电压逻辑电平的排斥的逻辑和的栅极短路检测手段的栅极短路检测电路，当两者的逻辑电平不同时，利用栅极截止控制手段39a、39b截止该半导体元件的栅极控制信号。
如此，在本实施形态中，作为功率变换用半导体元件的栅极信号短路保护功能，比较驱动半导体元件的电路的栅极输入信号即来自外部控制单元的栅极驱动信号的电压逻辑电平、与半导体元件的栅极端子的电压逻辑电平，当两者不一致时，截止半导体元件，即在半导体元件的栅极短路时通过截止该半导体元件的栅极控制信号，能够防止损坏该半导体元件。
实施形态10
图14是表示本发明实施形态10的功率变换装置的电路结构的框图。在图14中，对于与图10相对应的部分，采用同一符号并省略说明。
在图14中，44a、44b是栅极电压检测电路，45a、45b是栅极电压异常判定电路。
由栅极电压检测电路44a、44b检测出半导体元件的栅极电压，并且与作为栅极电压异常判定手段的栅极电压异常判定电路45所设定的栅极电压异常判定用电压相比较，当存在异常时，截止半导体元件的导通。
如此，在本实施形态中，作为功率变换用半导体元件的栅极电压异常保护功能，监视电源电路生成的半导体元件其各栅极驱动用电源电压相对于额定电压是否下降或上升，作为栅极电压的异常状态，当超过规定的上限电压时，通过截止半导体元件，能够防止过电压损坏栅极，或者在比规定的下限电压更低时，能告知由于该半导体元件的发热增加引起的性能下降。
实施形态11
在本实施形态中，当上述实施形态5所提出的过热保护功能、以及上述实施形态7所提出的短路电流保护功能、上述实施形态9所提出的栅极短路保护功能中的任意一个进行动作而截止栅极信号时，通过兼用上述实施形态8中所提出的di/dt控制电路，为了防止开关截止时过电压引起该半导体元件的过电压损坏，能够使得该半导体元件的电流截止速度变慢。
如此，在本实施形态中，对于功率变换用半导体元件的所有的保护功能，在截止半导体元件时，由于使得半导体元件的栅极阻抗增大而切换电路并且抑制半导体元件的di/dt，故能抑制截止时的过电压，防止元件因过电压破坏导致的二次损害。
实施形态12
图15是表示本发明实施形态12的功率变换装置的电路结构的框图。在图15中，对于与图11相对应的部分，采用同一符号并省略说明。
在图15中，46a、46b是保护功能控制手段，47是保护功能动作状态输出手段，48是全相栅极信号截止手段。保护功能控制手段46a、46b包含上述实施形态5所示的过热保护功能、上述实施形态7所示的短路电流保护功能、上述实施形态8所示的过电流保护功能、上述实施形态9所示的栅极短路保护功能。
保护功能控制手段46a、46b在上述任何一个保护功能进行动作并且截止对应相的栅极控制信号时，向保护功能动作状态输出手段47传递当前何种保护功能正在动作的情况。保护功能动作状态输出手段47将进行该保护功能动作并且被截止栅极控制信号的相之外的所有相的栅极控制信号通过全相栅极信号截止手段48同时地截止，并且具有将该半导体元件是被何种保护功能截止的情况输出到未图示的外部控制单元的功能。
如此，在本实施形态中，对于功率变换用半导体元件的所有的保护功能，当由保护功能截止半导体元件的任何一个时，强制地截止该半导体元件以外的所有半导体元件的栅极输入信号，并且，将截止哪个半导体元件的情况，由于利用变换成低压电源基准的电压电平的串行通信或逻辑信号等，输出到外部的控制单元，故能够保护功率变换装置以至逆变器装置整体，能够防止导致二次损害。
实施形态13
图16是表示本发明实施形态13的功率变换装置的电路结构的框图。在图16中，对于与图5相对应的部分，采用同一符号并省略说明。
在该图中，50是作为将高压电源进行分压的分压电路的高压电源输入电路，51是微机，52是A/D变换器端口，53是图插补计算手段，54是信息存储手段，55是作为输出手段的绝缘传递手段，56是数字数据输出手段，57是串行通信手段，58是过电压判定手段，59是D/A变换电路。
其次，对于动作进行说明。
通过高压电源输入电路50将高压电源的输入电压分压、波形整形之后，输入到微机51的A/D变换器端口52，作为A/D变换值获得高压电源电压。在微机51中，事先存储用于获得所要求的变换特性的图(以下，记作变换特性图)，从A/D变换值通过图插补计算手段53获得作为目标的输出值。这里，具有变换特性图是指，不仅将输入电压特性加工成任意的输出电压特性(特性变换)，而且相对于输入的高压电源电压的输出电压值精度很高。
功率变换装置19将获得的特性变换后的高压电源电压值通过绝缘传递手段55进行电气绝缘之后，对于配置在功率变换装置19外部的未图示的系统(例如，向本装置供给控制信号的控制单元)，通过D/A变换电路59输出该外部系统工作时的电源基准的模拟电压，或者通过串行通信手段57作为数字数据输出。
又，在本实施形态中，不论是模拟电压输出还是数字信号输出的输出形态，在要将数字变换后的信息提供给基准电源不同的系统时，着眼于以数字信息的等级实行电气绝缘(基准电源变换)处理，则不必考虑与本装置相连接的、以低压电源基准工作的所有设备中与高压电源的绝缘处理，能够实现各设备的小型化。
如此，在本实施形态中，将作为高压电源电压的PN间电压通过A/D变换处理读取到微机中，对于外部的控制单元，变换成低压电源基准的电压电平并且通过串行通信或模拟信号等进行输出，故不需要考虑以低压电源基准进行工作的所有设备中与高压电源的绝缘处理，故能够实现各设备的小型化。
实施形态14
图17是表示本发明实施形态14的功率变换装置的电路结构的框图。在图17中，对于与图16相对应的部分，采用同一符号并省略说明。
在该图中，60是作为调整手段的调整装置。在功率变换装置19的出厂检查步骤中，将调整装置60与功率变换装置19连接。
这里，对于电压图的校正方法进行说明。
调整装置60采用通过串行通信手段57的传送规定信息的识别方法或者向高压系电压输入电路50输入规定电压模式的识别方法，对于功率变换装置19识别其在出厂检查步骤中的情况。调整装置60对于功率变换装置19输入规定的高压电压，微机51利用串行通信手段57将由A/D变换器端口52读取的数据输出并获得。
同时，使得从数字数据输出手段56输出相当于A/D变换结果的电压并且从微机51取得。调整装置60对于多个高压电压端口重复相同的步骤，能够获得施加在功率变换装置19上的高压电压值(VPN)、微机51进行A/D变换后的结果的数字数据(VAD)、微机51输出A/D变换值相当的电压时实际的模拟输出电压(VAN)的相关特性。根据上述校正手段，由于能够获得实际的高压电压输入值、与微机得到的实际A/D变换结果这两者，则能够将电子部件的精度以及线性引起的测定误差减小到极小程度。
结果，调整装置60从VPN对VAD的特性，能够同时提高对输入电压特性的任意加工、相对于输入的高压电源电压的输出值的高精度，能够获得数字数据输出用的变换特性图。同样地，根据VPN对VAD的特性以及VAD对VAN的特性，能够获得模拟电压输出用的特性变换图。调整装置60将特性变换图存储到功率变换装置19内部安装的信息存储手段54中。
该存储方法可以从调整装置60直接写入，也可以利用串行通信手段57等传递到功率变换装置19内部安装的微机51中并写入微机51。由此，根据低压电源电压基准信号，由于外部的控制电路能够监视高压电源电压，故不需要进行与高压电源电压的电气绝缘处理，在提高耐EMI性以及安全方面，能够进行最适当的方案布置。
如此，在本实施形态中，为了在微机中校正将高压电源进行A/D变换处理时变换电路的电子部件特性偏差，具备使得多个端口上的高压电源的变换值预先在出厂时作为图数据存储在微机的插补计算手段，因此不需要采用高精度的电子部件，能够提供电压测定精度以及线性良好的高压电源电压监视电路。
实施形态15
作为本实施形态的电路结构，虽然没有图示，而采用与上述实施形态13相同的图(图16的电路结构)，并且在其上连接上述实施形态14所述的调整装置60。
上述调整装置60在作成特性变换图时，根据已知的过电压判定标准值计算过电压判定值并且该过电压判定值存储到功率变换装置19的内装的信息存储手段54中。
功率变换装置19具备比较高压电源分压电压的A/D变换值与预先存储在微机51中的过电压判定值的手段即过电压判定手段58，当超过过电压电平时，为了进行安装在逆变器装置上的所有部件的过电压保护，抑制半导体元件的开关速度(di/dt特性)并且截止，同时，利用使得变换成低压电源基准的电压电平的串行通信手段57等的异常发生信号输出手段，将截止半导体元件的情况通知外部的控制单元。
如此，在本实施形态中，作为安装在逆变器装置上的所有部件的过电压保护，当PN间的高压电源电压超过预先设定在微机中的过电压电平时，抑制功率变换用半导体元件的di/dt并且截止所有的半导体元件，同时，利用使得变换成低压电源基准的电压电平的串行通信或逻辑信号等，将使半导体元件截止的情况通知外部的控制单元，因此，能够防止安装在逆变器装置中的除功率变换用半导体元件之外的高压部件例如直流电压滤波用电容等的过电压损坏。
如上所述，根据本发明，由于能够使得在同一模块内一体形成用于向功率变换用半导体元件的驱动保护电路供给电源的电源电路，能够实现功率变换装置的小型化、轻量化以至逆变器装置自身的小型化。
又，通过使得以往收纳在不同盒体中的电源电路一体化，不仅能够减少束线，而且能够大幅度减轻来自外部的电源线叠加噪声，即使在车载用途那样的恶劣环境下使用，也能够显著地提高系统的可靠性。
又，由于将高压电源系统的信号都在功率变换装置内进行处理，对于外部控制单元的信号仅是低压电源基准的信号。即，高压电源系统与低压电源系统的明确地电气绝缘分离，故在车载用途那样的低压电源系统与车体接地相通的系统中，能够形成安全性最好的逆变器装置。
又，通过使用芯片级温度传感器，能够高精度、高响应地读取功率变换用半导体元件的芯片温度，故能够使用功率变换用半导体元件一直到元件的电气额定程度到顶为止。
又，对于外部的控制电路，由于输出功率变换用半导体元件的正确温度，故在过热保护功能动作之前，由外部的控制电路通过抑制三相电动机的转矩即抑制电动机线电流，可抑制功率变换用半导体元件的发热、防止因过热保护功能导致的系统停止。
又，即使在因某种原因功率变换装置出现故障的情况下，通过截止功率变换用半导体元件，能够保护功率变换装置以至逆变器装置整体，能够防止二次损害。
又，通过由外部的控制电路存储保持作为故障内容的诊断信息，能够发挥故障诊断时的故障检测效果。
又，因某种原因将过电流流过功率变换用半导体元件的状态输出到外部的控制电路，在过热保护功能或短路电流保护功能进行动作之前，通过外部的控制电路抑制三相电动机的转矩即抑制电动机线电流，故能抑制功率变换用半导体元件的发热，并且防止因保护功能导致的系统停止。
又，利用低压电源电压基准的信号，外部的控制电路能够监视高压电源电压，因此不需要进行与高压电源电压的电气绝缘处理，在耐EMI性的提高以及安全方面上，能够进行最适当的方案布置。
再者，能够防止安装在逆变器装置中的除功率变换用半导体元件以外的高压部件例如直流电压滤波用电容器等的过电压损坏。

Claims (14)

1.一种功率变换装置，其特征在于，
在将直流电压变换成交流电压的逆变器装置中，将功率变换用半导体元件(2，3)、驱动该功率变换用半导体元件且进行保护的驱动保护部分(117b，118b)、向该驱动保护部分供给电源的电源电路(112)，在同一模块中形成为一体化；
将上述驱动保护部分与上述电源电路混合安装在基板的两面上，在该基板与上述功率变换用半导体元件之间配置用于屏蔽所述功率变换用半导体元件电磁噪声的金属的屏蔽板(4)。
2.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，
将上述驱动保护部分与上述电源电路混合安装的基板制成多层基板，使得产生于该基板内层图案上的热量通过上述金属屏蔽板而向与外部冷却器连接的底板(8)散热。
3.如权利要求2所述的功率变换装置，其特征在于，
作为上述电源电路的开关变压器，采用铁氧体磁心材料(15)与多层基板(16)组合成的型面低的层变压器。
4.如权利要求1～3任意一项所述的功率变换装置，其特征在于，
上述驱动保护部分具备；组装在上述功率变换用半导体元件上的二极管元件(27)、向该二极管元件提供恒定电流的恒流源(28)、对上述二极管元件的两端电压波形进行整形的波形整形电路(26)、以及读取该波形整形后的上述二极管元件的两端电压的微机(23-25)，根据该读取的上述二极管元件的两端电压与预先存储的过热判定温度数据，使上述功率变换用半导体元件截止。
5.如权利要求4所述的功率变换装置，其特征在于，
上述微机具有：在产品出厂时进行温度图的校正计算并且预先存储上述过热判定温度数据的校正计算部分(33)；在使用中根据上述过热判定温度数据与基板上的温度检测器的检测输出进行插补计算的插补计算部分(29)。
6.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，
上述驱动保护部分具备：取出上述功率变换用半导体元件的分流电流的读出端子(36)；将上述分流电流变换成电压的变换部分(37)；以及对来自该变换部分的电压与规定的电压门限值进行比较的短路电流检测部分(38)，该电压门限值与上述功率变换用半导体元件中流过短路电流时分流电流电压变换部分输出的电压相应，根据该短路电流检测部分的比较结果，使上述功率变换用半导体元件截止。
7.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，
上述驱动保护部分具备：取出上述功率变换用半导体元件的分流电流的读出端子(36)；将上述分流电流变换成电压的变换部分(40)；以及对来自该变换部分的电压与与流过上述功率变换用半导体元件的过电流相应的电压进行比较的过电流检测部分(41)，根据该过电流检测部分的比较结果，不使所述功率变换用半导体元件的开关动作截止而使得抑制上述功率变换用半导体元件的di/dt。
8.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，
上述驱动保护部分具备对用于驱动上述功率变换用半导体元件的栅极输入信号的逻辑电平与该功率变换用半导体元件的栅极端子电压逻辑电平进行比较的栅极短路检测部分(43)，当该栅极短路检测部分的比较结果不一致时，将上述功率变换用半导体元件截止。
9.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，
上述驱动保护部分具备对上述功率变换用半导体元件的栅极的栅极电压与栅极电压异常判定用电压进行比较的栅极电压异常判定部分(45)，根据该栅极电压异常判定部分的比较结果，使上述功率变换用半导体元件截止。
10.如权利要求4所述的功率变换装置，其特征在于，
上述驱动保护部分在截止上述功率变换用半导体元件时，抑制该半导体元件的di/dt。
11.如权利要求4所述的功率变换装置，其特征在于，
上述驱动保护部分在截止上述功率变换用半导体元件时，同时截止该半导体元件以外的所有半导体元件的栅极输入信号，并且将以何种保护功能截止上述半导体元件的情况输出到外部的控制单元。
12.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，
具备：将高压电源进行分压的分压电路(50)；对由该分压电路分压后的电压进行波形整形、A/D变换处理并且对该A/D变换值进行图插补计算的微机(51)；将该微机的计算结果变换成以低压电源为基准的电压电平并且作为高压电源的电压值输出到外部的控制单元的输出部分。
13.如权利要求12所述的功率变换装置，其特征在于，
具备调整部分(60)，该调整部分在产品出厂时进行电压图的校正计算，并且将高压电源分压电压的A/D变换图数据预先存储到上述微机中。
14.如权利要求12所述的功率变换装置，其特征在于，
上述微机具有对上述高压电源分压电压的A/D变换值与预先存储的过电压数据进行比较的过电压判定部分(58)，当超过过电压电平时，抑制上述功率变换用半导体元件的di/dt并进行截止，同时将截止该功率变换用半导体元件的情况输出到外部的控制单元。
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