JP2005143232A - Protection method for power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータ回路に用いられるトランジスタやサイリスタやパワーMOSFET等の電力半導体素子の保護方式に関するものである。 The present invention relates to a protection system for power semiconductor elements such as transistors, thyristors, and power MOSFETs used in inverter circuits.
従来、電力半導体素子の保護方式として図4に示すようなものがある(たとえば特許文献1参照)。
図4は従来の電力半導体素子の保護方式を示すブロック図である。図において1〜6はインバータ回路を構成するパワーMOSFET、7はパワーMOSFET1〜6を冷却制御するヒートシンク、8はモータ、9はインバータ出力電流検出のための変流器、10はパワーMOSFET1〜6の近傍の熱電冷却モジュール上に設置したサーミスタ、11はインバータ直流母線電圧平滑用のコンデンサ、12は整流用のダイオードである。13はインバータ制御部であり、14は電流指令に基づく電流制御からの指令によってパワーMOSFET1〜6をドライブするベースドライバ23へ送出するオンオフ信号であるドライブ信号を発生するPWM制御部、15はサーミスタ10の信号を温度情報に変換する温度検出部、16は温度検出部15のヒートシンク温度情報をPWM制御部から送出される前記ドライブ信号と変流器9で検出した出力電流からパワーMOSFET1〜6の素子電流を計算し、パワーMOSFETの熱抵抗に基づいてパワーMOSFETのジャンクション温度(Tj)を計算するTj推定部、18は電流制限に使用する設定温度を設定する温度設定器、19、20はコンパレータ、21は電流制限機能を有する電流制限器、22は電流遮断機能を有する電流遮断器である。
つぎに、動作について説明する。
ヒートシンク上に設置したサーミスタで検出した温度とPWM制御信号およびインバータ出力電流から推定した電力半導体素子のジャンクション温度が第一の設定温度を超えるとインバータ回路の電流制限動作を行い、第一の設定温度より高い第二の設定温度を超えるとインバータ電流を遮断して電力半導体素子の保護を行うものである。
FIG. 4 is a block diagram showing a conventional method for protecting a power semiconductor device. In the figure, 1 to 6 are power MOSFETs constituting an inverter circuit, 7 is a heat sink for controlling cooling of the power MOSFETs 1 to 6, 8 is a motor, 9 is a current transformer for detecting inverter output current, and 10 is a power MOSFET 1-6. A thermistor installed on a nearby thermoelectric cooling module, 11 is an inverter DC bus voltage smoothing capacitor, and 12 is a rectifying diode. 13 is an inverter control unit, 14 is a PWM control unit that generates a drive signal which is an on / off signal sent to the
Next, the operation will be described.
When the junction temperature of the power semiconductor element estimated from the temperature detected by the thermistor installed on the heat sink, the PWM control signal, and the inverter output current exceeds the first set temperature, the inverter circuit performs current limiting operation, and the first set temperature When the higher second set temperature is exceeded, the inverter current is cut off to protect the power semiconductor element.
しかしながら、上記の従来技術ではヒートシンクの熱時定数より短い断続負荷運転時の電力半導体素子の保護は可能であるが、高負荷運転時には電流制限レベルを超えて電流遮断レベルまで短時間に到達するため、システムが頻繁に停止するという問題があった。
そこで、本発明は、電力半導体素子のジャンクション温度が設定温度を超えた場合に、電流制限動作するとともに熱電冷却モジュールに電圧指令を与え冷却を行うことで、ヒートシンクの温度を設定温度以下に制御し、インバータ電流を遮断することなく断続的な高負荷運転を行える保護方式を確立することを目的とする。
However, although the above-mentioned conventional technology can protect the power semiconductor element during intermittent load operation shorter than the heat time constant of the heat sink, it exceeds the current limit level and reaches the current cutoff level in a short time during high load operation. There was a problem that the system stopped frequently.
Therefore, the present invention controls the temperature of the heat sink below the set temperature by performing a current limiting operation and performing a cooling by giving a voltage command to the thermoelectric cooling module when the junction temperature of the power semiconductor element exceeds the set temperature. The purpose is to establish a protection system capable of intermittent high-load operation without interrupting the inverter current.
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
(1)電力用半導体素子とこの電力用半導体素子を駆動制御するPWM制御部を含むインバータ回路と、前記電力半導体素子を冷却するヒートシンクを備えたインバータ装置において、前記ヒートシンク上に熱電冷却モジュールを設置し、前記熱電冷却モジュールの上にサーミスタを設置し、前記サーミスタの抵抗値変化により前記熱電冷却モジュール温度を検出するとともに、前記PWM制御部から送出され、前記電力半導体素子のゲートをオンオフするドライブ信号とインバータ出力電流から半導体素子電流を計算し、この半導体素子電流から計算された前記電力用半導体素子の通電時損失とスイッチング損失とから前記電力用半導体素子の熱電冷却モジュールとジャンクション間の温度上昇を推定し、この推定された温度上昇と前記熱電冷却モジュール温度から計算される前記電力半導体素子のジャンクション温度が設定温度を超えると前記インバータ回路の電流制限を行うとともに、前記熱電冷却モジュールに電圧指令を与え冷却を行う。
(2)前記電力用半導体素子のジャンクション温度が前記設定温度を超えた場合に、予め設定されたジャンクション温度と熱電冷却モジュールの電圧指令レベルの関数に基づいて温度に対して連続的に電圧指令を変え冷却する。
このようにすることにより、ヒートシンク熱時定数より短い断続高負荷運転の場合でも、電力半導体素子の熱破壊を防止でき、インバータ電流を遮断することなく断続的な高負荷運転を行えるようにするものである。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
(1) In an inverter device including a power semiconductor element, an inverter circuit including a PWM control unit that drives and controls the power semiconductor element, and a heat sink that cools the power semiconductor element, a thermoelectric cooling module is installed on the heat sink A thermistor installed on the thermoelectric cooling module, detects the temperature of the thermoelectric cooling module based on a change in resistance of the thermistor, and is sent from the PWM control unit to turn on and off the gate of the power semiconductor element. The semiconductor element current is calculated from the inverter output current, and the temperature rise between the thermoelectric cooling module and the junction of the power semiconductor element is calculated from the loss during switching and switching loss of the power semiconductor element calculated from the semiconductor element current. Estimate the temperature rise and the heat Junction temperature of the power semiconductor element to be calculated from the cooling module temperature exceeds the set temperature performs a current limiting of the inverter circuit, to provide cooling giving a voltage command to said thermoelectric cooling module.
(2) When the junction temperature of the power semiconductor element exceeds the set temperature, a voltage command is continuously issued with respect to the temperature based on a function of a preset junction temperature and a voltage command level of the thermoelectric cooling module. Change and cool.
By doing so, even in the case of intermittent high load operation shorter than the heat sink thermal time constant, it is possible to prevent thermal destruction of the power semiconductor element, and to perform intermittent high load operation without interrupting the inverter current It is.
本発明によれば、短い断続高負荷運転の場合でも、サーミスタ信号とインバータ出力電流信号を用いることで、電力半導体素子の熱破壊を防止でき、インバータ電流を遮断することなく断続的な高負荷運転を行うことができる。また、熱電冷却モジュールにより冷却を制御できるため、外気温度に影響されることが無く、安定して電力半導体素子の能力を最大限に活用することができるという効果がある。 According to the present invention, even in the case of short intermittent high-load operation, thermistor signal and inverter output current signal can be used to prevent thermal destruction of the power semiconductor element, and intermittent high-load operation without interrupting the inverter current. It can be performed. Further, since the cooling can be controlled by the thermoelectric cooling module, there is an effect that the ability of the power semiconductor element can be stably utilized to the maximum without being affected by the outside air temperature.
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の第一の実施例を示すブロック図である。図において、17は温度設定器、25は電圧指令器、27は熱電冷却モジュールである。電圧指令器25は熱電冷却モジュール27に冷却指令を与える。なお、符号1〜16、19、21、23は従来技術と同じ機能であるため説明を省略する。
つぎに、動作について説明する。
熱電冷却モジュール27の温度Tは熱電冷却モジュール27上に設置したサーミスタ10の抵抗値変化より(1)式を用いて計算できる。
rT=rT0×exp{B×(1/T-1/T0)} (1)
ここで、rT0:基準抵抗値、B:サーミスタ定数、T0: 基準抵抗値の時のサーミスタの絶対温度である。また、パワーMOSFETの熱電冷却モジュール27とジャンクション間の温度上昇Tj-Fは、パワーMOSFETの発生ロスPLとパワーMOSFETのジャンクションと熱電冷却モジュール27間の熱抵抗Rj-Fから(2)式によって求められる。
Tj-F=PL/Rj-F (2)
パワーMOSFETの発生ロスPLは、インバータ電流とPWM制御部14から送出され、ベースドライバ23へ送出されるオンオフ信号であるドライブ信号から素子電流を計算し、素子特性に基づいて通電時のロスとスイッチングロスを計算する。通電ロスは次式(3)で表せられる。
通電ロス=検出した相電流からの素子特性に基づいて計算された損失
×ドライブ信号 (3)
ドライブ信号はPWMキャリア周波数毎に一回ずつPWM制御部14から送出されるから、PWMキャリア1周期毎の平均通電ロスは次式(4)で表わされる。
1周期毎の平均通電ロス=通電ロス×ドライブ信号が出力されている時間
/PWMキャリア周期 (4)
また、スイッチングロスは次式(5)、(6)で表わされる。
オン時スイッチングロス=ドライブ信号立ち上がり時の検出電流
×パワーMOSFETに印加されていた電圧×スイッチング時間/2 (5)
オフ時オン時スイッチングロス=ドライブ信号立ち下がり時の検出電流
×パワーMOSFETに印加される電圧×スイッチング時間/2 (6)
従って、個々のパワーMOSFETの発生ロスは(4)、(5)、(6)式の和で表せられる。以上より、(2)式のTj-Fと熱電冷却モジュール27の温度Tから、パワーMOSFETのジャンクション温度Tjを(7)式により計算推定することができる。
Tj=Tj-F+T (7)
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. In the figure, 17 is a temperature setting device, 25 is a voltage command device, and 27 is a thermoelectric cooling module. The
Next, the operation will be described.
The temperature T of the thermoelectric cooling module 27 can be calculated from the change in resistance value of the
r T = r T0 × exp {B × (1 / T-1 / T 0 )} (1)
Here, r T0 is the reference resistance value, B is the thermistor constant, and T 0 is the absolute temperature of the thermistor at the reference resistance value. Further, the temperature rise T jF between the thermoelectric cooling module 27 and the junction of the power MOSFET can be obtained from the generated loss P L of the power MOSFET and the thermal resistance R jF between the junction of the power MOSFET and the thermoelectric cooling module 27 by the equation (2). .
T jF = P L / R jF (2)
The generated loss P L of the power MOSFET is calculated by calculating an element current from an inverter current and a drive signal which is an on / off signal transmitted from the
Current loss = loss calculated based on device characteristics from detected phase current
× Drive signal (3)
Since the drive signal is sent from the
Average energization loss per cycle = energization loss x drive signal output time
/ PWM carrier cycle (4)
The switching loss is expressed by the following equations (5) and (6).
ON switching loss = Detect current when drive signal rises
× Voltage applied to power MOSFET × Switching time / 2 (5)
Switching loss when OFF and switching loss = detection current when drive signal falls
X Voltage applied to power MOSFET x Switching time / 2 (6)
Therefore, the generation loss of each power MOSFET can be expressed by the sum of equations (4), (5), and (6). As described above, the junction temperature T j of the power MOSFET can be calculated and estimated by the equation (7) from the T jF of the equation (2) and the temperature T of the thermoelectric cooling module 27.
T j = T jF + T (7)
この温度は、パワーMOSFETの熱破壊と密接な関係があり、パワーMOSFETは許容範囲内で使用しなければならない。そこで、推定したパワーMOSFETのジャンクション温度が第一の設定温度を超えると、コンパレータ19が動作し、電流制限器21がインバータの電流制限動作を行い、同時に電圧指令器25が熱電冷却モジュール27に電圧指令を送り冷却動作を行う。このとき電流制限動作によりパワーMOSFET1〜6のジャンクション温度を瞬時に低下させると同時に、電圧指令器25が動作し熱電冷却モジュール27が動作し、サーミスタ10の検出値が瞬時に下がる。この結果、サーミスタ10の検出温度が下がり、Tj推定値が第一の温度設定器17の設定値を下回り、電流制限動作と電圧指令による冷却動作が解除される。また、図2に示すように、図1のコンパレータ19を演算増幅器24に変更し、電圧指令器25に図3に示す特性をもたせれば連続的に指令電圧レベルを変化させて冷却動作をさせることも可能である。
This temperature is closely related to the thermal destruction of the power MOSFET, and the power MOSFET must be used within an allowable range. Therefore, when the estimated junction temperature of the power MOSFET exceeds the first set temperature, the
1、2、3、4、5、6 電力半導体素子
7 ヒートシンク
8 モータ
9 変流器
10 サーミスタ
11 コンデンサ
12 ダイオード
13 インバータ制御部
14 PWM制御部
15 温度検出部
16 Tj推定部
17、18 温度設定器
18a 第一温度設定器
18b 第二温度設定器
19、20 コンパレータ
21 電流制限器
22 電流遮断器
23 ベースドライバ
24 演算増幅器
25 電圧指令器
27 熱電冷却モジュール
1, 2, 3, 4, 5, 6
18b Second
Claims (2)
前記ヒートシンク上に熱電冷却モジュールを設置し、前記熱電冷却モジュールの上にサーミスタを設置し、前記サーミスタの抵抗値変化により前記熱電冷却モジュール温度を検出するとともに、前記PWM制御部から送出され、前記電力半導体素子のゲートをオンオフするドライブ信号とインバータ出力電流から半導体素子電流を計算し、この半導体素子電流から計算された前記電力用半導体素子の通電時損失とスイッチング損失とから前記電力用半導体素子の熱電冷却モジュールとジャンクション間の温度上昇を推定し、この推定された温度上昇と前記熱電冷却モジュール温度から計算される前記電力半導体素子のジャンクション温度が設定温度を超えると前記インバータ回路の電流制限を行うとともに、前記熱電冷却モジュールに電圧指令を与え冷却することを特徴とする電力半導体素子の保護方式。 In an inverter device including a power semiconductor element and an inverter circuit including a PWM control unit that drives and controls the power semiconductor element, and a heat sink that cools the power semiconductor element,
A thermoelectric cooling module is installed on the heat sink, a thermistor is installed on the thermoelectric cooling module, the thermoelectric cooling module temperature is detected by a resistance value change of the thermistor, and is sent from the PWM control unit, and the power A semiconductor element current is calculated from a drive signal for turning on and off the gate of the semiconductor element and an inverter output current, and a thermoelectric power of the power semiconductor element is calculated from a loss during switching of the power semiconductor element and a switching loss calculated from the semiconductor element current. A temperature rise between the cooling module and the junction is estimated, and when the junction temperature of the power semiconductor element calculated from the estimated temperature rise and the thermoelectric cooling module temperature exceeds a set temperature, the current of the inverter circuit is limited. A voltage finger on the thermoelectric cooling module Protection scheme of the power semiconductor device characterized by the given cooling.
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