JP2008022648A

JP2008022648A - パワーモジュールの故障検出装置

Info

Publication number: JP2008022648A
Application number: JP2006193242A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Watanabe; 嘉崇渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】本発明は複数の半導体素子を使用するパワーモジュールの故障検出装置に関し、簡単な構成で半導体素子の故障検出を高精度に行うことを課題とする。
【解決手段】複数のパワー素子１３，１４を搭載したパワーモジュール１０の故障検出装置において、前記複数のパワー素子１３，１４の各温度を検出する温度検出素子と、この温度検出素子により検出される複数のパワー素子１３，１４の相（３相モータのＵ，Ｖ，Ｗの各相）内或いは相間における各温度を比較し、この温度差に基づき故障の検出を行う構成とする。
【選択図】図３

Description

本発明はパワーモジュールの故障検出装置に係り、特に複数の半導体素子を使用するパワーモジュールの故障検出装置に関する。

車載用の各種モータにおいて、高効率化及び高性能化を実現するためにインバータ化が図られている。このインバータ化に伴い、インテリジェント・パワー・モジュール（IPM)等のパワーモジュールが車載されるようになってきている。

３相モータはＵＶＷの各相を有し、パワーモジュールは各相に単数または複数のパワー半導体素子を設けた構成とされている。この各パワー半導体素子は、パワーモジュールの駆動時に発熱することが知られている。

パワー半導体素子が正常である場合には、発熱温度は既定の適正温度範囲内となる。しかしながら、パワー半導体素子に異常が発生した場合には、発熱温度は適正温度範囲を超え、モータの正常駆動が補償できなくなる。このため、各パワー半導体素子に温度検出用素子を組み込んでおき、この温度検出用素子からの出力によりパワー半導体素子の異常を検出することが行われている。

例えば、特許文献１に開示された異常検出装置では、例えばパワーモジュールに設けられる複数の温度検出用素子（ダイオード）を２組以上に分け、各組の温度検出素子を直列に接続したときの出力電圧に所定以上の差分が生じた場合には異常が発生したと判定する構成とされていた。
特開２００４−０８０８６５号公報

しかしながら、従来の異常検出装置では、複数の温度検出素子を２組以上に分けると共に各組の温度検出素子を直列に接続する必要があるため、パワーモジュール及び異常検出装置の回路構成に種々の制限が生じ、設計の自由度が低下してしまうという問題点があった。また、複数の組の間で出力電圧の差分を求め、これが所定値以上である場合に異常が発生したと判定する構成であったため、一つの組を構成する複数の温度検出素子の内、どの温度検出素子に異常が発生しているのかを検出することはできないという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で半導体素子の故障検出を高精度に行いうるパワーモジュールの故障検出装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。

請求項１記載の発明は、
複数の半導体素子を搭載したパワーモジュールの故障検出装置において、
前記複数の半導体素子の各温度を検出する温度検出手段と、
前記複数の半導体素子の各温度を比較し、該複数の半導体素子間の温度差に基づき故障の検出を行う故障検出手段とを有することを特徴とするものである。

また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載のパワーモジュールの故障検出装置において、
前記パワーモジュールは、３相交流モータ用で、かつ１相あたり複数の半導体素子を有したインバータであり、
前記故障検出手段は、同相の内における前記複数の半導体素子間の温度差を検出し、該温度差が既定温度以上であると判断した際、故障検知の出力を行うことを特徴とするものである。

また、請求項３記載の発明は、
請求項１記載のパワーモジュールの故障検出装置において、
前記パワーモジュールは、３相交流モータ用で、かつ１相あたり単数の半導体素子を有したインバータであり、
前記故障検出手段は、異なる相における前記半導体素子間の温度差を検出し、該温度差が既定温度以上であると判断した際、故障検知の出力を行うことを特徴とするものである。

また、請求項４記載の発明は、
請求項３記載のパワーモジュールの故障検出装置において、
更に、前記３相交流モータがモータロック中である場合は、前記故障検出手段の故障検出を中止する故障検出中止手段を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、複数の半導体素子の各温度を比較し、この複数の半導体素子間の温度差に基づき故障の検出を行うため、半導体素子に温度が駆動補償温度を超える前に半導体素子の故障を検出することが可能となり、よって早期に故障検出を行うことが可能となる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

図１は、歩本発明の一実施例であるパワーモジュールの故障検出装置（以下、単に故障検出装置という）を適用したパワーモジュール１０を示している。本実施例に係るパワーモジュール１０はインテリジェント・パワー・モジュール（IPM)であり、車載されて３相モータを駆動するのに用いられるものである。

このパワーモジュール１０は、大略すると放熱板１１、絶縁基板１２、パワー素子１３，１４、制御基板１５、及び樹脂ケース１６等により構成されている。

放熱板１１は熱伝導性の良好な金属板（例えば、アルミ板）よりなり、後述するパワー素子１３等を搭載するための基台としても機能するものである。このパワー素子１４の上部には、絶縁基板１２を介してパワー素子１３，１４が実装されている。絶縁基板１２は、例えばセラミック基板或いは樹脂基板であり、放熱板１１にはんだ等を用いて固定されている。

パワー素子１３，１４は、パワーモジュール１０に接続されたモータの駆動を行うための半導体素子である。図１に示す左側３個のパワー素子１３はパワーモジュール１０に接続された第１のモータを駆動するものであり、図１に示す右側１個のパワー素子１４はパワーモジュール１０に接続された第２のモータを駆動するものである。

３個のパワー素子１３は、第１のモータ（３相モータ）のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相ごとにそれぞれ３個並列に接続された、いわゆる１相あたり３素子づかいの構成とされている。これに対してパワー素子１４は、第２のモータ（３相モータ）のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相ごとにそれぞれ１個が設けられた、いわゆる１相あたり１素子づかいの構成とされている。

このパワー素子１３，１４と主入力端子１８との間、パワー素子１３，１４と主出力端子１９との間、及びパワー素子１３，１４と制御基板−素子中継端子２３（以下、単に中継端子という）との間は、アルミワイヤ１７により電気的に接続されている。

上記した絶縁基板１２、パワー素子１３，１４等は、樹脂ケース１６内に配設されている。この樹脂ケース１６の上部には、放熱板１１と対向するように制御基板１５が配設されている。この制御基板１５はパワー素子１３，１４の駆動制御を行うものであり、制御素子２２及び各種電子部品２４が実装されている。この制御基板１５は、大略するとパワー素子１３を制御する３素子並列駆動回路部２０と、パワー素子１４を制御するパワー素子駆動回路部２１とにより構成されている。

また、本実施例に係るパワーモジュール１０は、パワー素子１３，１４が実装された絶縁基板１２と，制御素子２２が実装された制御基板１５とを積層構造とすることにより、装置の小型化を図っている。このため、パワー素子１３，１４と制御基板１５を電気的に接続する手段として中継端子２３を用いている。この中継端子２３は導電性金属よりなる柱状の電極であり、これによりパワー素子１３，１４と制御基板１５は電気的に接続される。

ところで、前記したようにパワーモジュール１０を構成するパワー素子１３，１４は、モータ制御時にパワーモジュールの駆動時に発熱することが知られている。パワー半導体素子１３，１４が正常である場合には、発熱温度は既定の適正温度範囲内となる（以下の説明では、この適正温度範囲を通常使用領域ともいう）。

しかしながら、パワー半導体素子に異常が発生した場合には、発熱温度は通常使用領域を超えてモータの駆動を補償できなくなる。このため、本実施例に係るパワーモジュール１０においても、各パワー半導体素子１３，１４に温度検出用素子（例えば、ダイオード等）を組み込んでおき、この温度検出用素子からの出力によりパワー素子１３，１４の異常を検出する構成としている。このパワー素子１３，１４の異常検出は、制御基板１５に配設された制御素子２２により行われる。

次に、本実施例におけるパワー素子１３，１４の異常検出の原理について、図２を参照して説明する。同図はパワー素子の温度特性を示す図であり、横軸は時間を示し、縦軸はパワー素子の温度を示している。また、閾値となる温度Ｔｋよりも低い温度はパワー素子が正常に駆動する通常使用領域であり、この閾値温度Ｔｋを超えた場合にはパワー素子が破壊するおそれがある素子破壊領域である。

また、同図において実線で示す特性は、パワー素子が正常である場合の温度特性推移（正常素子温度推移という）であり、同図において破線で示す特性は、パワー素子が異常である場合の温度特性推移（異常素子温度推移という）である。

いま、パワー素子に故障が発生しているとし、当該パワー素子に併設された温度検出素子の出力のみから検出しようとした場合、温度推移は図中破線で示す異常素子温度推移となり、パワー素子に異常はこの温度が閾値温度Ｔｋを超えた時点（時刻ｔ₃）で始めて検出されることとなる。

これに対して本実施例では、複数のパワー素子の各温度を比較し、この複数のパワー素子間の温度差に基づき故障の検出を行うことを特徴としている。これについて、具体的に説明する。

いま、２つのパワー素子が時刻ｔ₀で同時に駆動を開始し、その内の一方のパワー素子が時刻ｔ₁で故障したとする。この場合、故障したパワー素子は、正常なパワー素子に比べて発熱量が高くなり、よって異常素子温度推移と正常素子温度推移とは異なったものとなる。即ち、異常素子温度推移は、正常素子温度推移よりも全体に高い特性を取ることとなる。この異常素子温度と正常素子温度との差は、故障後の時間の経過に伴い増加する。

よって、複数のパワー素子の各温度を比較した際、両者間に温度差が発生し、その温度差が大きくなった場合、いずれかのパワー素子に故障が発生したと判断することができる。本実施例では、この温度差が既定温度Ｔmax（以下、過熱検知閾値Ｔmaxという）以上である場合、パワー素子に故障が発生していると判定する構成としている。尚、この過熱検知閾値Ｔmaxは、実験等により得られる値である。

上記のようにしてパワー素子の故障検出を行うことにより、個々のパワー素子ごとに異常検出を行っていた場合には、時刻ｔ₃で始めて故障検出が行われるのに対し、本実施例ではこれよりも早い時刻ｔ₂（ｔ₂＜ｔ₃）で故障検出を行うことができる。よって、本実施例に係る故障検出処理を行うことにより、早期に異常検出を行うことが可能となる。

上記原理に基づき、図１に示したパワー素子１３，１４の故障検出の具体的処理について説明する。前記したように、３素子並列駆動回路部２０はモータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対して３個のパワー素子１３が設けられた３素子づかいの構成とされている。このように、各相に複数（３個）のパワー素子１３が設けられた構成では、この３個のパワー素子１３の間における素子間の温度差を検出し、この温度差が過熱検知閾値Ｔmaxである場合には、３個のいずれかのパワー素子１３に異常が検出されていると判定する。

この際、３個のパワー素子１３を１３Ａ〜１３Ｃとした場合、パワー素子１３Ａとパワー素子１３Ｂとの温度差、パワー素子１３Ｂとパワー素子１３Ｃとの温度差、パワー素子１３Ｃとパワー素子１３Ａとの温度差のそれぞれに基づき異常検出を行うため、パワー素子１３Ａ〜１３Ｃのいずれが故障しているのかも容易に判断することができる。

これに対し、３素子並列駆動回路部２１はモータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対して１個のパワー素子１３が設けられた１素子づかいの構成とされている。このように、各相に単数のパワー素子１４が設けられた構成では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相間における素子間の温度差を検出し、この温度差が過熱検知閾値Ｔmaxである場合には、各相のいずれかのパワー素子１４に異常が検出されていると判定する。この際、各相間の温度差を検出する構成であっても、上記と同様の理由により、各相のいずれのパワー素子１４に故障しているのかを容易に判定することができる。

図３は、故障検出処理の一例を示すフローチャートである。この故障検出処理は、制御基板１５に設けられた制御素子２２において実施される。

同図に示す処理が起動すると、先ず制御素子２２はステップ１０（図ではステップをＳと略称している）において、これから故障検出を実施しようとするパワー素子が、１相あたり１個づかいであるかどうかを判定する。ステップ１０で、これから故障検出するのがパワー素子１３であり、よって１相あたり１個づかいでないと判断された場合、処理はステップ１２に進み、故障検出モードを相内素子温度比較モードとする。

故障検出モードが相内素子温度比較モードとなると、ステップ１４において、制御素子２２は１相に配設されている複数（本実施例ではｎ=３）のパワー素子１３に併設されている温度検出素子より温度Ｔ１〜Ｔｎを検出する。

続くステップ１６では、ステップ１４で検出された１相内の各パワー素子１３の温度より、各パワー素子１３間の各温度差を演算する。本実施例のように、１相あたり３個づかいである場合には、３つの温度差が演算される。

このように各温度差が演算されると、続くステップ１６では、各温度差が過熱検知閾値Ｔmax以上であるかどうかが判定される。そして、各温度差が過熱検知閾値Ｔmax未満であると判定された場合、処理はステップ１４に戻り、以後ステップ１４とステップ１６の処理を繰り返す。一方、ステップ１６において、温度差が過熱検知閾値Ｔmax以上であると判定された場合、制御素子２２はステップ１８においてパワー素子１３に故障が発生していることを出力する（この出力を過熱ＦＡＩＬ出力という）。

これに対し、ステップ１０において、これから故障検出するのがパワー素子１４であり、よって１相あたり１個づかいであると判断された場合、処理はステップ２０に進み、故障検出モードを相間素子温度比較モードとする。

故障検出モードが相間素子温度比較モードとなると、ステップ２２において、制御素子２２は複数相（本実施例ではＵ，Ｖ，Ｗの３相）のそれぞれのパワー素子１４に併設されている温度検出素子より温度Ｔ１〜Ｔｎ（本実施例ではｎ＝６）を検出する。即ち、本実施例では、温度Ｔ１はＵ相に対応するパワー素子１４の温度であり、Ｔ２はＶ相に対応するパワー素子１４の温度であり、Ｔ３はＷ相に対応するパワー素子１４の温度である。

続くステップ２４では、ステップ２２で検出された各相間の各パワー素子１４の温度より、各相間におけるパワー素子１４の各温度差を演算する。本実施例のように、相がＵ，Ｖ，Ｗの３相である場合には、３つの温度差が演算される。

このように各温度差が演算されると、続くステップ２４では、各温度差が過熱検知閾値Ｔmax以上であるかどうかが判定される。そして、各温度差が過熱検知閾値Ｔmax未満であると判定された場合、処理はステップ２２に戻る。
一方、ステップ１６において、温度差が過熱検知閾値Ｔmax以上であると判定された場合、処理はステップ２６に進み、モータがロック中であるかどうかが判断される。ここで、モータがロック中であるとは、モータ自体には電力供給が行われて回転しようとしているが、これが何らかの外力により回転が規制されて回転できない状態をいう。

このモータロック状態では、モータに接続されたパワーモジュール１０内のパワー素子１４は、故障が生じていなくても過熱する。このため、ステップ２６では、現在パワーモジュール１０に接続されたモータがロック中であると判断（ＮＯの判断）した場合には、ステップ２４の判定は信頼性がないとして処理をステップ２２に戻す構成とした。これにより、モータロックによるパワー素子１４の過熱を故障よる過熱と誤判定することを防止でき、よって過熱検知処理の精度及び信頼性を高めることができる。

一方、ステップ２６でモータがモータロック状態ではないと判断されると、制御素子２２はステップ１８においてパワー素子１３に故障が発生していることを出力する（この出力を過熱ＦＡＩＬ出力という）。

上記のように、本実施例による故障検出処理によれば、相内或いは相間の複数のパワー素子１３，１４の温度差に基づき故障の検出を行うため、パワー素子１３，１４が過熱検知閾値Ｔmax（駆動補償温度）を超える前にパワー素子１３，１４の故障を検出することが可能となり、よって早期に故障検出を行うことが可能となる。

また、複数のパワー素子を２組以上に分けて各パワー素子を直列に接続しなければならない従来の異常検出装置に比べ、回路構成の簡単化を図ることができ、よって設計の自由度を高めることができる。更に、簡単な構成で、故障が発生しているパワー素子１３，１４を特定することができ、よって故障したパワー素子１３，１４のメンテナンスを容易に行うことができる。

図１は、本発明の一実施例である故障検出装置を適用したパワーモジュールの断面図である。図２は、本発明に係る故障検出装置の原理を説明するための図である。図３は、本発明の一実施例である故障検出装置の故障検出処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０パワーモジュール
１１放熱板
１２絶縁基板
１３，１４パワー素子
１５制御基板
１６樹脂ケース
２０３素子並列駆動回路部
２１パワー素子駆動回路部
２２制御素子
２３中継端子

Claims

複数の半導体素子を搭載したパワーモジュールの故障検出装置において、
前記複数の半導体素子の各温度を検出する温度検出手段と、
前記複数の半導体素子の各温度を比較し、該複数の半導体素子間の温度差に基づき故障の検出を行う故障検出手段とを有することを特徴とするパワーモジュールの故障検出装置。
前記パワーモジュールは、３相交流モータ用で、かつ１相あたり複数の半導体素子を有したインバータであり、
前記故障検出手段は、同相の内における前記複数の半導体素子間の温度差を検出し、該温度差が既定温度以上であると判断した際、故障検知の出力を行うことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュールの故障検出装置。
前記パワーモジュールは、３相交流モータ用で、かつ１相あたり単数の半導体素子を有したインバータであり、
前記故障検出手段は、異なる相における前記半導体素子間の温度差を検出し、該温度差が既定温度以上であると判断した際、故障検知の出力を行うことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュールの故障検出装置。
更に、前記３相交流モータがモータロック中である場合は、前記故障検出手段の故障検出を中止する故障検出中止手段を有することを特徴とする請求項３記載のパワーモジュールの故障検出装置。