JP2006003198A - 温度センサ診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ等のシステムとしてユーザが使用している状態であっても、温度センサの故障診断を行える温度センサ診断装置を提供する。
【解決手段】温度測定の対象物Ｑ１の近傍に設けられた温度センサとしてのダイオードＤ１と、対象物Ｑ１の起動時から対象物Ｑ１の起動時間よりも長い時間をかけて零から所定の電流値まで増加する電流ＩｆをダイオードＤ１の順方向に流す定電流回路部２と、ダイオードＤ１の両端に発生する順方向電圧Ｖｆを所定の閾値電圧Ｖｔｈと比較する比較回路部６と、対象物Ｑ１の起動時から順方向電圧Ｖｆが所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上となるまでの電流上昇時間を計時し、電流上昇時間を所定の閾値時間と比較する制御部４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は温度センサ診断装置に関し、特に、温度センサとしてダイオードを診断対象とする温度センサ診断装置に関する。

従来から、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワーデバイスが熱によって破壊するのを防ぐため、パワーデバイスが形成された半導体チップ上に作り込まれた温度センサを用いて、常時、半導体チップの温度を監視する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、温度センサとしてダイオードを半導体チップ上に配置し、ＩＧＢＴの温度上昇に伴って順方向電圧が低下するダイオードの特性を利用している。
特開平１０−３８９６４号公報

上述した電力用半導体チップや、当該半導体チップをパッケージングしたパワーモジュール等の半導体部品の出荷検査を行う段階では、半導体部品を実際に高温に晒すテストを実施することができるため温度センサの故障診断を行うことが可能である。しかし、インバータ主回路等のシステムに組み込まれてユーザが使用できる段階では、所望の温度を自由に与えることが出来ないため、温度センサが故障しているか否かを知ることが困難であった。

本発明の特徴は、温度測定の対象物の近傍に設けられたダイオードを温度センサとする温度センサ診断装置であって、対象物の起動時から対象物の起動時間よりも長い時間をかけて零から所定の電流値まで増加する電流をダイオードの順方向に流す定電流回路部と、ダイオードの両端に発生する順方向電圧を所定の閾値電圧と比較する比較回路部と、対象物の起動時から順方向電圧が所定の閾値電圧以上となるまでの電流上昇時間を計時し、電流上昇時間を所定の閾値時間と比較する制御部とを備えることを要旨とする。

本発明によれば、インバータ等のシステムとしてユーザが使用している状態であっても、温度センサの故障診断を行う温度センサ診断装置を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

図１は、本発明の実施の形態に係わる温度センサ診断装置が診断対象とするシステム構成の一部を示す。当該システムは、制御部４が駆動回路部３を介してスイッチング素子の一例であるＩＧＢＴ（Ｑ１）を駆動するシステムである。本発明の実施の形態では、温度測定の対象物がＩＧＢＴ（Ｑ１）である場合について説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる温度センサ診断装置は、温度測定の対象物であるＩＧＢＴ（Ｑ１）の近傍に設けられたダイオードＤ１と、システムの起動時からシステムの起動時間よりも長い時間をかけて零から所定の電流値まで増加する電流ＩｆをダイオードＤ１の順方向に流す定電流回路部２と、ダイオードＤ１の両端に発生する順方向電圧Ｖｆを所定の閾値電圧Ｖｔｈと比較する比較回路部６と、システムの起動時からダイオードＤ１の順方向電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上となるまでの電流上昇時間を計時して電流上昇時間を所定の閾値時間と比較する制御部４と、ＩＧＢＴ（Ｑ１）を冷却する冷媒（冷却水）の温度を検出する冷媒温度検出部５（以後、「水温センサ」という）とを備える。

ここで、「システムの起動時」とは、少なくともＩＧＢＴ（Ｑ１）及び制御部４が起動する時を示し、「システムの起動時間」は、少なくともＩＧＢＴ（Ｑ１）及び制御部４が起動するために要する時間を示す。「ダイオードＤ１」は、本発明の実施の形態に係わる温度センサ診断装置が診断対象とする温度センサの一例である。一般的に、ダイオードは、その温度の上昇に伴ってその順方向電圧が低下する「負の温度特性」を有しており、この負の温度特性を温度センサとして利用する。

ＩＧＢＴ（Ｑ１）のゲート電極は駆動回路部３に接続されている。ＩＧＢＴ（Ｑ１）のエミッタ電極には基準電圧Ｖｓｓが印加されている。ＩＧＢＴ（Ｑ１）のエミッタ電極とコレクタ電極の間にはダイオードＤ２が並列に接続されている。ＩＧＢＴ（Ｑ１）が形成された半導体チップ１の近傍にダイオードＤ１が組み込まれている。ダイオードＤ１には、定電流回路部２及び比較回路部６が並列に接続されている。ダイオードＤ１のカソード電極には、基準電圧Ｖｓｓが印加されている。水温センサ５が検出した冷媒の温度は制御部４へ転送され、制御部４は、駆動回路部３を介して、冷媒の温度及び比較回路部６から転送される比較結果に基づいてＩＧＢＴ（Ｑ１）のスイッチング動作を制御する。換言すれば、ＩＧＢＴ（Ｑ１）は、制御部４の指令を受けた駆動回路部３によって駆動される。

定電流回路部２は、電源電圧Ｖｃｃと基準電圧Ｖｓｓの間に直列に接続された抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３と、抵抗Ｒ２とＲ３の接続点にベース電極が接続されたｐｎｐトランジスタＱ２と、ｐｎｐトランジスタＱ２のエミッタ電極と電源電圧Ｖｃｃ間に接続された抵抗Ｒ１と、ｐｎｐトランジスタＱ２のベース電極と電源電圧Ｖｃｃ間に接続されたコンデンサＣ１とを有する。ｐｎｐトランジスタＱ２のコレクタ電極は、ダイオードＤ１のアノード電極に接続されている。定電流回路部２は、バイアス電流ＩｆをダイオードＤ１の順方向に流す。バイアス電流Ｉｆは、システムの起動時に零から所定の電流値まで暫増し、その後、一定の値を保つ。バイアス電流Ｉｆは（１）式で表される。ここで、ＶｅｂはｐｎｐトランジスタＱ２のベース電極とエミッタ電極間の電圧を示す。

Ｉｆ＝｛Ｖｃｃ−Ｖｃｃ×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）−Ｖｅｂ｝／Ｒ１ ・・・（１）

比較回路部６は、反転入力端子ＩＮ_(-)と非反転入力端子ＩＮ₍₊₎と出力端子ＯＵＴを有するコンパレータＣｍｐと、閾値電圧Ｖｔｈを生成する閾値電源Ｖｔｈとを有する。コンパレータＣｍｐの反転入力端子ＩＮ_(-)はダイオードＤ１のアノード電極に接続されている。閾値電源Ｖｔｈは、非反転入力端子ＩＮ₍₊₎と基準電圧Ｖｓｓ間に接続されている。コンパレータＣｍｐは、ダイオードＤ１の順方向にバイアス電流Ｉｆが流れることによりダイオードＤ１のアノード電極とカソード電極の間で発生する順方向電圧Ｖｆと、閾値電源Ｖｔｈが生成する閾値電圧Ｖｔｈとを比較する。コンパレータＣｍｐは、その出力端子から制御部４へ異常検知信号ＦＡＩＬを継続的に転送する。

ＩＧＢＴ（Ｑ１）を冷却する冷却水の温度は、水温センサ５によってモニタされ、制御部４に転送される。

次に、図２を参照して、図１のシステムの起動時における温度センサ診断装置の診断手順を説明する。

ｔ０時において、システムを起動することにより電源電圧Ｖｃｃが立ち上がる。即ち、電源電圧Ｖｃｃがオフ状態からオン状態に変位する。同時に、ｐｎｐトランジスタＱ２のベース電位Ｖｂも電源電圧Ｖｃｃまで瞬時に立ち上がる。その後、ｐｎｐトランジスタＱ２のベース電位Ｖｂは、コンデンサＣ１の充電が進むにつれて、電源電圧Ｖｃｃから、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３によって決まる電位に向かって下降していく。これにより、（１）式の電圧Ｖｅｂが減少して、バイアス電流Ｉｆは、零から所定の電流値まで徐々に上昇する。これに応じて、ダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｆも徐々に上昇していく。なお、零から所定の電流値までバイアス電流Ｉｆが上昇するために要する時間は、制御部４を含むシステムの起動時間よりも十分に長くなるように設計されている。

コンパレータＣｍｐは、ダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｆが閾値電圧（異常検知電圧）Ｖｔｈを下回っている時、ロー（Ｌｏｗ）レベルの異常検知信号ＦＡＩＬを継続的に出力する。ダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｆが閾値電圧Ｖｔｈと同じであるか又は上回っている時、ハイ（Ｈｉｇｈ）レベルの異常検知信号ＦＡＩＬを継続的に出力する。

制御部４は、システムの起動時（ｔ０）からダイオードＤ１の順方向電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以上となる時（ｔ１）までの電流上昇時間Ｔｄを計時する。即ち、システムの起動時（ｔ０）から異常検知信号ＦＡＩＬがハイレベルに遷移するまでの時間Ｔｄを計測する。更に換言すれば、制御部４は、システムの起動時からローレベルの異常検知信号ＦＡＩＬが解除されるまでの異常解除時間（＝Ｔｄ）を計測する。

そして、制御部４は、電流上昇時間Ｔｄを所定の閾値時間と比較する。より具体的には、電流上昇時間Ｔｄが所定の閾値範囲（Ｔ_min＜Ｔｄ＜Ｔ_MAX）から外れているか否かを判断する。なお、所定の閾値範囲の最小値Ｔ_min及び最大値Ｔ_MAXは、ダイオードＤ１や定電流回路部２の温度特性やバラツキ等から算出される。電流上昇時間Ｔｄが所定の閾値範囲から外れている場合、制御部４は、温度センサとしてのダイオードＤ１が故障していると診断する。具体的には、図示されていない警告灯を点灯するなどの処理によりユーザに注意を促す。

なお、制御部４は、温度センサ５から取得される冷却水の温度と最小値Ｔ_min及び最大値Ｔ_MAXとの関係を予め実験等によって求めておくことが望ましい。そして、制御部４は、冷却水の温度と最小値Ｔ_min及び最大値Ｔ_MAXとの関係に基づいて最小値Ｔ_min及び最大値Ｔ_MAXを設定しても構わない。起動時には、ＩＧＢＴ（Ｑ１）が発熱していないため、ＩＧＢＴ（Ｑ１）の温度は冷却水温にほぼ等しい状態にある。したがって、ダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｆが精度よく推測できるため、最小値Ｔ_minと最大値Ｔ_MAXの間隔をより狭く設定することで、診断の精度をより高めることが可能となる。

この場合、前回システム停止から起動までの時間が短い場合は冷却水温とＩＧＢＴ（Ｑ１）とに温度差が発生している可能性がある。したがって、前回システムを停止してから起動までの時間が予め定められた所定の時間より短い場合は診断を行わないことが望ましい。即ち、図２のｔ０時より前にシステムの動作を停止してからシステムの起動時（ｔ０）までの期間が所定の停止期間より長い場合に限り、制御部４はダイオードＤ１の故障の有無を診断することが望ましい。

以上説明したように、システムの起動時、定電流回路部２はバイアス電流Ｉｆを零から所定電流値に向かって徐々に上昇させ、制御部４は、システムの起動時（ｔ０）からダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｆが閾値電圧Ｖｔｈ以上となる時（ｔ１）までの電流上昇時間Ｔｄが、所定の閾値範囲（Ｔ_min＜Ｔｄ＜Ｔ_MAX）内でない時に、温度センサとしてのダイオードＤ１が故障していると判定し、警告を発する。これにより、インバータ等のシステムとしてユーザが使用している状態であっても、温度センサの故障診断が可能となり、過熱保護が出来ない状態で使用が継続されることを防止できる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

電気自動車等の専用モータを駆動するためには、専用の電力変換器によって、バッテリから三相交流を作っている。この種の電力変換器としては、例えば、ＩＧＢＴ（Ｑ１）を用いた三相のインバータ装置がある。これは、ＩＧＢＴ（Ｑ１）を三相の出力に対応してブリッジ接続してインバータ主回路を構成し、これらのＩＧＢＴ（Ｑ１）をスイッチング動作させることにより三相の交流出力を得るものである。各ＩＧＢＴ（Ｑ１）の近傍に温度センサとしてのダイオードが配置されている場合、本発明の実施の形態に係わる温度センサ診断装置が有効に機能する。

また、１つのダイオードＤ１で発生する順方向電圧Ｖｆは比較的小さいため、複数（例えば、２〜３個）のダイオードＤ１を直列に接続して配置し、発生する順方向電圧Ｖｆを増幅してもよい。このように順方向電圧Ｖｆを増幅することによって、周囲の電気的ノイズによる影響を低減し、より正確な過熱温度判定を行うことができる。

また、実施の形態では、１つのＩＧＢＴ（Ｑ１）に対する温度センサ診断装置を示したが、本発明の温度センサ診断装置は、複数のＩＧＢＴ（Ｑ１）に対しても適用することが出来る。この場合、各ＩＧＢＴ（Ｑ１）近傍に配置されたダイオードを並列接続することで、同時に、複数のＩＧＢＴ（Ｑ１）の過熱診断を行うことが出来る。

また、実施の形態では、温度測定の対象物としてＩＧＢＴ（Ｑ１）を例にとって説明したが、他の半導体素子から成る半導体モジュールでも同様の効果を得ることができる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係わる温度センサ診断装置及び温度センサ診断装置の診断対象とするシステムの一部分を示すブロック図である。 図１のシステムの起動時における各部位の電圧、電流及び異常検知信号の状態を示すタイムチャートである。

符号の説明

１…半導体チップ
２…定電流回路部
３…駆動回路部
４…制御部
５…冷媒温度検出部（水温センサ）
６…比較回路部
Ｃ１…コンデンサ
Ｃｍｐ…コンパレータ
Ｄ１、Ｄ２…ダイオード
ＦＡＩＬ…異常検知信号
Ｉｆ…バイアス電流
Ｑ１…対象物（ＩＧＢＴ）
Ｑ２…ｐｎｐトランジスタ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…抵抗
Ｔ_MAX…最大値
Ｔ_min…最小値
Ｔｄ…電流上昇時間
Ｖｂ…ベース電位
Ｖｃｃ…電源電圧
Ｖｆ…順方向電圧
Ｖｓｓ…基準電圧
Ｖｔｈ…閾値電圧（閾値電源）

Claims (6)

1. 温度測定の対象物の近傍に設けられたダイオードと、
   前記対象物の起動時から前記対象物の起動時間よりも長い時間をかけて零から所定の電流値まで増加する電流を前記ダイオードの順方向に流す定電流回路部と、
   前記ダイオードの両端に発生する順方向電圧を所定の閾値電圧と比較する比較回路部と、
   前記対象物の起動時から前記順方向電圧が前記所定の閾値電圧以上となるまでの電流上昇時間を計時し、前記電流上昇時間を所定の閾値時間と比較する制御部
   とを備えることを特徴とする温度センサ診断装置。
2. 前記制御部は、前記電流上昇時間が所定の閾値範囲から外れる時、温度センサとしての前記ダイオードが故障していると診断することを特徴とする請求項１記載の温度センサ診断装置。
3. 前記比較回路部は、前記順方向電圧が前記所定の閾値電圧未満である場合に異常検知信号を継続的に出力し、
   前記電流上昇時間は、前記対象物の起動時から前記異常検知信号が解除されるまでの異常解除時間であることを特徴とする請求項１又は２記載の温度センサ診断装置。
4. 前記対象物を冷却する冷媒の温度を検出する冷媒温度検出部を更に備え、
   前記所定の閾値時間は前記冷媒の温度に基づいて算出されることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の温度センサ診断装置。
5. 前記対象物の動作が停止してから前記対象物の起動時までの期間が所定の停止期間より長い場合に限り、前記制御部は前記ダイオードの故障の有無を診断することを特徴とする請求項４記載の温度センサ診断装置。
6. 前記対象物はスイッチング素子であることを特徴とする請求項１乃至５何れか１項記載の温度センサ診断装置。

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