JP2005129697A - 半導体素子の温度監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の半導体素子のうちの１つの半導体素子で温度上昇した場合でも正確に半導体素子の温度を検出して過温度による素子破壊から半導体素子を保護することのできる半導体素子の温度監視装置を提供する。
【解決手段】 それぞれの温度検出用ダイオード２ａ、２ｂに流れる電流を電流検出部３ａ、３ｂで検出し、検出された電流が所定の電流値より増加していることを電流増加検知回路４ａ、４ｂが検知すると、電源５に検知信号を出力する。電源５は検知信号を受信すると一定電流Ｉstの電流値を減少させることによって、過温度による素子破壊から半導体素子１ａ、１ｂを保護する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴなどの半導体素子の温度を検出して監視することによって、半導体素子を温度上昇による素子破壊から保護する半導体素子の温度監視装置に関する。

従来、モータを駆動するためのインバータ装置では、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳに代表されるパワー半導体素子を、大電流を得るために複数並列接続させて各アームを構成し、これらの半導体素子をスイッチング動作させてモータに交流電力を供給していた。

このようなインバータ装置に使用されている半導体素子に過電流が流れた場合には、素子温度が上昇し破壊に至る。したがって、素子破壊に至る温度になる前に半導体素子をカットオフさせる必要があり、そのための保護回路を動作させるには素子温度を正確に監視する必要があった。

このような素子温度を監視する従来例として、特開平１０−３８９６４号公報（特許文献１）が開示されている。この公報で開示されている従来の温度検出装置では、スイッチング素子であるＩＧＢＴ素子を２チップ並列に備えている場合について説明しており、各ＩＧＢＴ素子上には温度検出用のダイオードが備えられている。そして、各ダイオードを並列接続するとともに１つの電流源から一定電流を流してダイオードの順方向電圧をモニタしている。ここで、ダイオードの順方向電圧は温度に対してリニアに減少する特性なので、温度検出装置は順方向電圧をモニタすることによって所望の検出温度に達したことを検出することができる。

また、別の従来例として、特開２００１−１３３３３０号公報（特許文献２）も開示されている。この従来例では、上述した特許文献１と同様に各ＩＧＢＴ素子にダイオードを設けて並列に接続し、各ＩＧＢＴ素子の温度を検出する半導体モジュールの温度検出装置が開示されている。ただし、特許文献２では複数のＩＧＢＴ素子のそれぞれに抵抗を作りこみ、その抵抗と温度検出用ダイオードとを直列に接続する構成としている。
特開平１０−３８９６４号公報 特開２００１−１３３３３０号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例は、すべてのＩＧＢＴ素子が同様に温度上昇した場合には正確に温度を検出できるものの、複数のＩＧＢＴ素子のうちの１つのＩＧＢＴ素子のみで温度上昇が発生し、その他のＩＧＢＴ素子で温度上昇が発生しなかった場合には、正確にＩＧＢＴ素子の温度を検出できなくなるという問題点があった。

この問題点について説明すると、まず１つのＩＧＢＴ素子のみで温度上昇が発生すると、複数のＩＧＢＴ素子に均等に流れていた電源からの電流が、温度上昇したＩＧＢＴ素子のダイオードに多く流れるようになる。これはダイオードの見かけ上の順方向抵抗が温度上昇により小さくなるためである。ところが、電源から供給される電流は一定であるため温度上昇したＩＧＢＴ素子のダイオードに多く流れた分だけ、その他のＩＧＢＴ素子のダイオードに流れる電流は少なくなる。

このとき、温度検出用ダイオードの順方向電圧は下がるものの、すべてのダイオードに均等に流れていた場合よりも電圧の低下が少なくなる。したがって、あらかじめ設定されている所定の電圧まで下がるのが遅れることになり、温度上昇しているＩＧＢＴ素子をカットオフするのが遅れ、ＩＧＢＴ素子の温度は異常に上昇してしまうことになる。これにより複数のＩＧＢＴ素子のうちの１つのＩＧＢＴ素子のみに温度上昇が発生すると、特許文献１の従来例では温度上昇したＩＧＢＴ素子が破壊に至るという可能性が大きかった。

さらに、順方向電圧が所定の電圧まで下がったときには温度上昇しているＩＧＢＴ素子のダイオードには非常に大きな電流が流れているという問題点もあった。

また、上述した特許文献２に開示された従来例は、上述した特許文献１の問題点に鑑み、ＩＧＢＴ素子に設けられた温度検出用のダイオードに抵抗を直列に接続し、この直列接続されたダイオードと抵抗との端子間電圧に基づいて温度を検出する構成となっている。しかし、このような構成にしたことによってシステムとして考えた場合には検出温度の精度が向上しないという問題点があった。

この問題点について説明すると、一般的に抵抗の抵抗値は温度に対して正の特性を有しているため、一定電流を流した場合には抵抗両端の電圧は温度上昇に伴って大きくなる。一方、ダイオードの順方向電圧は温度に対して負の特性を有しているため、順方向電圧は温度の上昇に伴って低くなる。

このため、ダイオードと抵抗とを直列に接続すると、それぞれの特性が相殺されてしまうことになり、ＩＧＢＴ素子の温度上昇に対して端子間電圧の低下は緩やかなものになってしまう。

したがって、特許文献２に開示された従来例では、ダイオードと抵抗とを直列に接続したことによって端子間電圧の温度に対する特性が緩やかなものになってしまい、温度検出回路での検出精度が悪化するという問題点があった。

この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、複数の半導体素子の中の１つの半導体素子で温度上昇が発生した場合でも、正確に半導体素子の温度を検出して過温度による素子破壊から半導体素子を保護することのできる半導体素子の温度監視装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、それぞれ並列に接続された複数の温度検出用ダイオードと、前記温度検出用ダイオードに一定電流を供給する電源と、前記温度検出用ダイオードの出力電圧に基づいて、半導体素子の温度を検出する温度検出手段とを備えた半導体素子の温度監視装置において、前記温度検出用ダイオードのそれぞれに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段によって検出された前記温度検出用ダイオードに流れる電流が、所定の電流値より増加したことを検知すると、前記電源に検知信号を出力する電流増加検知手段とを備え、前記電源は前記検知信号を受信すると、前記一定電流の電流値を減少させることを特徴とする。

本発明に係る半導体素子の温度監視装置では、各温度検出用ダイオードに流れている電流を検出して電流の増加しているダイオードがあるときには、電源から供給される一定電流の電流値を減少させることによって、複数の半導体素子の中の１つの半導体素子で温度上昇が発生した場合でも正確に半導体素子の温度を検出することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る半導体素子の温度監視装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。同図に示すように、この温度監視装置は、温度の監視対象となるＩＧＢＴなどの半導体素子１ａ、１ｂと、これらの半導体素子１ａ，１ｂの温度を検出するための温度検出用ダイオード２ａ、２ｂと、それぞれの温度検出用ダイオード２ａ、２ｂに流れる電流を検出する電流検出部３ａ、３ｂ（電流検出手段）と、この電流検出部３ａ、３ｂで検出された電流値が、所定の電流値より増加したことを検知すると、検知信号を出力する電流増加検知回路４ａ、４ｂ（電流増加検知手段）と、温度検出用ダイオード２ａ、２ｂに一定電流を供給し、検知信号を受信すると一定電流の電流値を減少させる電源５と、温度検出用ダイオード２ａ、２ｂの順方向電圧Ｖｆに基づいて温度検出用ダイオード２ａ、２ｂの温度を検出する温度検出回路６（温度検出手段）と、半導体素子１ａ、１ｂにカットオフする信号を出力するゲート制御回路７（半導体素子制御手段）とを備えている。

半導体素子１ａ、１ｂは、モータを駆動するためのインバータ装置などを構成している複数の並列接続されたスイッチング素子で、例えばＩＧＢＴ素子などである。本実施形態では、並列接続された半導体素子が２つの場合について説明するが、３つ以上の半導体素子を並列に接続した場合でも同様に説明することが可能であり、本発明が２つの半導体素子を並列接続した場合に限定されるものではない。

温度検出用ダイオード２ａ、２ｂは、半導体素子１ａ、１ｂにそれぞれ作りこまれていて、半導体素子１ａ、１ｂの温度が上昇すると、温度検出用ダイオード２ａ、２ｂの順方向電圧Ｖｆがリニアに減少する。

電流検出部３ａ、３ｂは、それぞれ温度検出用ダイオード２ａ、２ｂに流れる電流Ｉａ、Ｉｂを検出する。

電流増加検知回路４ａ、４ｂは、電流検出部３ａ、３ｂで検出された電流値があらかじめ設定されている所定の電流値よりも増加しているか否かを検出し、増加していることを検知したときには検知信号を電源５に出力する。ここで、電流検出部３ａ、３ｂと電流増加検知回路４ａ、４ｂの実施例を図２、図３に示す。同図に示すように、電流検出部３ａ、３ｂは抵抗Ｒｓや電流センサ３１を使って簡単に構成することができる。また、電流増加検知回路４ａ、４ｂも抵抗Ｒ１〜Ｒ８及びオペアンプＯＰＥ１〜ＯＰＥ３を使った簡単な回路で構成することができる。ただし、本発明の電流検出部３ａ、３ｂ及び電流増加検知回路４ａ、４ｂが図２、図３で示した実施例に限定されるものではない。

電源５は、通常の状態のときは温度検出用ダイオード２ａ、２ｂに一定電流を供給しているが、電流増加検知回路４ａ、４ｂからの検知信号を受信すると、一定電流の電流値を減少させる。そして、その後は減少した電流値の一定電流を再び検知信号を受信するまで供給し続ける。

温度検出回路６は、温度検出用ダイオード２ａ、２ｂの順方向電圧Ｖｆを検出し、この順方向電圧Ｖｆが、あらかじめ設定された電圧値より低くなったときには、ゲート制御回路７に検出信号を出力する。

ゲート制御回路７は、温度検出回路６からの検出信号を受信すると、半導体素子１ａ、１ｂをカットオフして、半導体素子１ａ、１ｂを過温度による阻止破壊から保護する。

次に、本実施形態に係る半導体素子の温度監視装置の動作について説明する。

半導体素子１ａ、１ｂにＯＮ／ＯＦＦの動作をさせることによって損失が発生すると、半導体素子１ａ、１ｂの温度が上昇する。このとき、半導体素子１ａ、１ｂの両方が同じように温度上昇する場合と、１つの半導体素子だけが温度上昇する場合とがあり、それぞれに分けて説明する。

まず、半導体素子１a、１ｂの両方が同じ温度だけ上昇した場合について説明する。電源５からは常に一定電流Ｉstが出力され、温度検出用ダイオード２a、２ｂに供給されている。そして、半導体素子１ａ、１ｂの両方が温度Ｔａ[Ｋ]から温度Ｔｂ[Ｋ]へと上昇したとすると、温度検出用ダイオード２ａ、２ｂの順方向電圧Ｖｆは温度の上昇に伴ってリニアに減少する。

ここで、図４に温度検出用ダイオード２ａ、２ｂの温度−順方向電圧特性を示す。同図に示すように、半導体素子１ａ、１ｂの温度がＴａ[Ｋ]からＴｂ[Ｋ]へと上昇すると、温度検出用ダイオード２ａ、２ｂの順方向電圧ＶｆはＶfaからＶfbへとリニアに減少する。このとき温度検出用ダイオード２a、２ｂに流れる電流は、それぞれのダイオードに流れる電流をＩａ、Ｉｂとすると、Ｉａ＝Ｉｂ＝Ｉst／２で一定となる。

ここで、各温度における温度検出用ダイオード２a、２ｂの順方向電圧−電流特性を図５に示す。同図に示すように、Ｔａ[Ｋ]のときの順方向電圧−電流特性は曲線Ｌａとなり、Ｔｂ[Ｋ]のときの順方向電圧−電流特性は曲線Ｌｂとなる。そして、温度がＴａ[Ｋ]からＴｂ[Ｋ]へと上昇すると、電流Ｉａ、Ｉｂは図の矢印Ａで示すように変化して電流値はＩａ＝Ｉｂ＝Ｉst／２で一定となる。したがって、電流検出部３ａ、３ｂで検出される電流には変化がなく、これによって電流増加検知回路４ａ、４ｂが電流の増加を検知することはない。したがって、電源５から供給される一定電流Ｉstの電流値は変化しない。

一方、温度検出回路６は、温度検出用ダイオード２ａ、２ｂの順方向電圧Ｖｆを検出しており、この順方向電圧Ｖｆが、あらかじめ設定された電圧値より低くなったときには、半導体素子１ａ、１ｂの温度が高くなっていると判断して、ゲート制御回路７に検出信号を出力する。

そして、ゲート制御回路７は、温度検出回路６からの検出信号を受信すると、半導体素子１ａ、１ｂをカットオフし、これによって半導体素子１ａ、１ｂを温度上昇による素子破壊から保護している。

次に、何らかの原因により半導体素子１ａのみが温度上昇した場合について説明する。ここでは、半導体素子１ａが温度Ｔａ[Ｋ]から温度Ｔｂ[Ｋ]へと上昇し、半導体素子１ｂは温度Ｔａ[Ｋ]のままだったとする。このとき、電源５からは常に一定電流Ｉstが出力されており、温度検出用ダイオード２a、２ｂに供給されている。

ここで、温度上昇前の温度検出用ダイオード２aに流れる電流をＩａ、温度検出用ダイオード２ｂに流れる電流をＩｂとし、温度上昇後の温度検出用ダイオード２aに流れる電流をＩa'、温度検出用ダイオード２ｂに流れる電流をＩb'とする。そして、半導体素子１ａの温度が上昇するにしたがって温度検出用ダイオード２ａ、２ｂに流れている電流の均衡が崩れ、温度上昇前はＩａ＝Ｉｂ＝Ｉst／２だった関係が、温度上昇後の電流値はＩａ＜Ｉa'、Ｉａ'＞Ｉb'という関係になろうとする。これは半導体素子１aの温度が上昇しているために、温度検出用ダイオード２aが温度検出用ダイオード２ｂと比較して見かけ上の抵抗が小さくなり、このために電源５からの一定電流Ｉstが温度検出用ダイオード２aのほうに常に多く流れようとするからである。

しかし、こうして電流Ｉa'が増加すると、電流増加検知回路４aは、電流検出部３aで検出された電流値Ｉa'があらかじめ設定された所定の電流値より大きくなったことを検知し、検知信号を電源５に出力する。

電源５はこの検知信号を受信すると、それまで出力していた一定電流Ｉstの電流値を減少させる。そして、電流増加検知回路４aは電流Ｉａ'があらかじめ設定された電流値以下になるまで検知信号を出力し続けるので、電源５は電流Ｉa'の電流値が温度上昇前の電流Ｉａの電流値と等しくなるまで一定電流Ｉstの電流値を減少させ続ける。

したがって、この結果温度上昇した温度検出用ダイオード２aに流れる電流Ｉa'は温度上昇後も変化することなくＩａ＝Ｉa'で一定となり、一方温度上昇していない温度検出用ダイオード２ｂの電流Ｉb'は一定電流Ｉstが減少したので減少する。

ここで、温度検出用ダイオード２ａ、２ｂの各温度における順方向電圧−電流特性を図６に示す。同図に示すように、Ｔａ[Ｋ]のときの順方向電圧−電流特性は曲線Ｌａとなり、Ｔｂ[Ｋ]のときの順方向電圧−電流特性は曲線Ｌｂとなる。そして、温度がＴａ[Ｋ]からＴｂ[Ｋ]へと上昇すると、電流Ｉａは図の矢印Ａ１で示すような軌跡を通って変化し、電流値はＩａ＝Ｉa'で一定となる。一方、温度上昇のなかった温度検出用ダイオード２ｂに流れる電流Ｉｂの電流値は、電源５から供給される一定電流Ｉstが減少するので、矢印Ａ２で示すような軌跡を通って減少していく。

こうして温度検出用ダイオード２ａ、２ｂに流れる電流Ｉａ、Ｉｂが変化し、温度検出用ダイオード２ａ、２ｂの順方向電圧Ｖｆが低下する。このとき、電圧Vｆの低下する大きさ（矢印A１の長さ）は、図５で示した場合の電圧Ｖｆの低下する大きさ（矢印Ａの長さ）と同じになる。したがって、すべての半導体素子で温度上昇があった場合も、どれか１つの半導体素子のみで温度上昇があった場合も同じように順方向電圧Ｖｆが低下する。

そして、温度検出回路６は順方向電圧Ｖｆがあらかじめ設定された電圧値より低くなったときには、半導体素子１ａ、１ｂの温度が高くなっていると判断して、ゲート制御回路７に検出信号を出力する。

ゲート制御回路７は、温度検出回路６からの検出信号を受信すると、半導体素子１ａ、１ｂをカットオフし、これによって半導体素子１ａ、１ｂを温度上昇による素子破壊から保護している。

このように、本実施形態に係る半導体素子の温度監視装置では、それぞれの温度検出用ダイオードに流れる電流を検出し、電流が増加しているときには電源からの一定電流の電流値を減少させるので、複数の半導体素子の中の１つの半導体素子で温度上昇が発生した場合でも正確に半導体素子の温度を監視することができる。さらに、半導体素子の温度が所定の温度を超えると、半導体素子をカットオフするので、過温度による素子破壊から半導体素子を保護することができる。

また、モータを駆動するためのインバータ装置は、複数のＩＧＢＴ素子などの半導体素子で構成されており、このようなＩＧＢＴ素子は温度上昇によって素子破壊に至る可能性が大きいので、本実施形態の半導体素子の温度監視装置をインバータ装置の温度の監視に利用することは極めて有用である。

以上、本発明の半導体素子の温度監視装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した実施形態では、インバータ装置のＩＧＢＴ素子を例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の半導体素子の温度監視についても適用することができる。

電気自動車等のモータを駆動するためのインバータ装置などにおける複数の半導体素子の温度の監視に極めて有用である。

本発明の実施形態に係る半導体素子の温度監視装置の構成を示すブロック図である。 電流検出部と電流増加検知回路の一実施例を示す回路図である。 電流検出部と電流増加検知回路の他の実施例を示す回路図である。 温度検出用ダイオードの温度−順方向電圧特性を示す図である。 温度検出用ダイオードの各温度における順方向電圧−電流特性を示す図である。 温度変化による温度検出用ダイオードに流れる電流の変化を説明するための図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 半導体素子
２ａ、２ｂ 温度検出用ダイオード
３ａ、３ｂ 電流検出部
４ａ、４ｂ 電流検知回路
５ 電源
６ 温度検出回路
７ ゲート制御回路
３１ 電流センサ
Ｒ１〜Ｒ８、Ｒｓ 抵抗
ＯＰＥ１〜ＯＰＥ３ オペアンプ
Ｌａ、Ｌｂ 順方向電圧−電流特性
Ａ、Ａ１、Ａ２ 矢印

Claims (3)

1. それぞれ並列に接続された複数の温度検出用ダイオードと、
   前記温度検出用ダイオードに一定電流を供給する電源と、
   前記温度検出用ダイオードの出力電圧に基づいて、半導体素子の温度を検出する温度検出手段とを備えた半導体素子の温度監視装置において、
   前記温度検出用ダイオードのそれぞれに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段によって検出された前記温度検出用ダイオードに流れる電流が、所定の電流値より増加したことを検知すると、前記電源に検知信号を出力する電流増加検知手段とを備え、
   前記電源は前記検知信号を受信すると、前記一定電流の電流値を減少させることを特徴とする半導体素子の温度監視装置。
2. 前記温度検出手段によって検出された温度が、所定の温度以上であるときには、前記半導体素子をカットオフする半導体素子制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の温度監視装置。
3. 前記温度検出用ダイオードは、インバータ装置のスイッチング素子に設けられた温度検出用ダイオードであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体素子の温度監視装置。

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