JP2011007580A - パワースイッチング素子の温度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワースイッチング素子Ｓｗの温度を感温ダイオードＳＤによって検出する際に、感温ダイオードＳＤに接続された電子機器の個体差等に起因して検出誤差が生じること。
【解決手段】感温ダイオードＳＤのカソードには、調節用抵抗体２０を介して定電流源１４の電流が入力される。感温ダイオードＳＤのアノード電圧は、調節用抵抗体２０を介してＰＷＭコンパレータ１６に取り込まれる。ＰＷＭコンパレータ１６は、感温ダイオードＳＤのアノード電圧とキャリアとの大小に基づき、感温ダイオードＳＤのアノード電圧に応じた時比率信号を生成して出力する。調節用抵抗体２０は、感温ダイオードＳＤの搭載されるパワーカードＰＣに対して外付けされており、ＰＷＭコンパレータ１６の出力信号を調節するために用いられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パワースイッチング素子の温度に応じた電圧信号を出力する検出手段を備えるパワースイッチング素子の温度検出装置に関する。

この種の温度検出装置としては、例えば下記特許文献１に見られるように、トランジスタと、その温度を検出する感温ダイオードと、感温ダイオードの出力電圧を調節するための抵抗体とを同一の半導体チップに形成するものも提案されている。これにより、感温ダイオードの出力特性に個体差が生じる場合であっても、抵抗体を介して取り込まれる感温ダイオードの出力電圧を抵抗体によって補正することができる。

特開２００６−３４４７２１号公報

ところで、感温ダイオードの出力するアナログ信号は、通常、デジタル信号に変換された後、温度情報として利用される。このため、感温ダイオードの出力信号をデジタル信号に変換するまでの電気経路の個体差等により、デジタル信号に変換された際にこれによって表現される温度情報に誤差が生じるおそれがある。しかし、上記技術では、感温ダイオードの個体差による温度検出誤差を補償することはできるものの、上記電気経路の個体差に起因する温度検出誤差を補償することはできない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、パワースイッチング素子の温度に応じた電圧信号を出力する検出手段による温度検出をより高精度に行うことのできるパワースイッチング素子の温度検出装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明は、パワースイッチング素子の温度に応じた電圧信号を出力する検出手段が形成された半導体チップと、前記検出手段から前記半導体チップの外へと出力される電圧信号を２値信号に変換して出力する出力手段と、前記検出手段の出力電圧に応じた前記出力手段の出力信号を調節する調節手段とを備え、該調節手段を前記半導体チップに対して外付けしたことを特徴とする。

上記発明では、半導体チップに対して調節手段を外付けすることで、検出手段の出力特性の個体差のみならず、出力手段の個体差等についてもこれを補償するように出力手段の出力信号を調節することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記検出手段に定電流を出力する定電流出力手段を更に備え、前記調節手段は、抵抗体であることを特徴とする。

上記発明では、抵抗体に定電流が流れるため、抵抗体の抵抗値に応じて出力手段に入力される信号の電圧値を簡易に調節することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記抵抗体は、電流の流通経路の一部が除去されることで抵抗値が調節可能とされるものであることを特徴とする。

上記発明では、調節手段としての抵抗体を簡易に構成することができる。更に、抵抗値の調節は電流の流通経路の一部が除去されることで行われるため、調節後の抵抗値を安定させたものとすることもできる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記出力手段は、前記電圧信号とキャリアとの大小比較結果に応じて論理「Ｈ」および論理「Ｌ」の信号を出力する手段であり、前記抵抗体は、一部が除去された痕跡を有することを特徴とする。

抵抗体による出力手段の出力信号の調節は、抵抗値を増加させることで行うことが便宜である。この場合、予めキャリアの絶対値をオフセットさせて大きい側に設定しておくことで、検出手段および出力手段間の抵抗値の増加量によって、出力手段の出力信号を所望の値にすることができる。特に抵抗体の一部を除去する前の抵抗値によっては、出力手段の出力信号を所望の値とするにはその入力電圧（抵抗体を介した検出手段の出力電圧）が小さくなるようにキャリアを設定することで、抵抗体をどれだけ除去するかによって出力手段の出力信号を所望に調節することができる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記パワースイッチング素子および前記検出手段は、パッケージ化されており、前記調節手段は、前記パッケージに対して外付けされていることを特徴とする。

一実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる調整用抵抗体の配置を示す斜視図。 同実施形態にかかる感温ダイオードの出力電圧の変換手法を示すタイムチャート。 上記実施形態の変形例にかかる調節用抵抗体の配置を示す斜視図。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかるパワースイッチング素子の温度検出装置をハイブリッド車に適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。

図示されるシステムは、車体を基準電位とする車載低電圧システムと、車載低電圧システムから絶縁された車載高電圧システムとからなる。ここで、車載高電圧システムには、パワーカードＰＣが搭載されている。パワーカードＰＣは、パワースイッチング素子Ｓｗ、フリーホイールダイオードＦＷＤ、および感温ダイオードＳＤを搭載してパッケージ化されたものである。ここで、パワースイッチング素子Ｓｗは、車両走行用の回転電機に接続されるインバータを構成する。車両走行用の回転電機とは、車載主機としての回転電機や、車載主機としての回転電機に電力を供給する高電圧バッテリを充電する発電機等である。ちなみに、パワースイッチング素子Ｓｗとして、本実施形態では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を例示している。一方、上記感温ダイオードＳＤは、パワースイッチング素子Ｓｗ付近に配置されて且つ、その温度を検出するための温度検出手段である。感温ダイオードＳＤは、半導体チップに形成される半導体装置である。

上記パワースイッチング素子Ｓｗの導通制御端子（ゲート）は、集積回路１０に接続されている。集積回路１０は、パワースイッチング素子Ｓｗの駆動回路を構成する専用の半導体装置である。

集積回路１０は、更に、感温ダイオードＳＤの出力信号（アナログ信号）を２値の信号に変換する機能をも有する。すなわち、集積回路１０は、電源１２と、これによって給電される定電流源１４とを備えており、定電流源１４の出力端子が調節用抵抗体２０を介して感温ダイオードＳＤのアノードに接続されている。集積回路１０は、更に、パルス幅変手段（ＰＷＭコンパレータ１６）を備えている。ＰＷＭコンパレータ１６の非反転入力端子には、調節用抵抗体２０を介して感温ダイオードＳＤのアノードの電圧が印加されており、反転入力端子には、キャリア生成回路１８の出力するキャリア信号（三角波信号）が印加されている。これにより、ＰＷＭコンパレータ１６の出力信号は、感温ダイオードＳＤの出力電圧に応じて、論理「Ｈ」および論理「Ｌ」の一周期に対する論理「Ｈ」の期間の比率（時比率）が変化する信号となる。

ＰＷＭコンパレータ１６の出力端子は、集積回路１０に対して外付けされた抵抗体２４を介して電源２２に接続されている。また、ＰＷＭコンパレータ１６の出力端子は、抵抗体２６を介してフォトカプラ３０の１次側（フォトダイオードのアノード側）に接続されている。ここで、フォトカプラ３０は、高電圧システムと低電圧システムとを絶縁しつつも信号をその一方から他方へと伝達させるための絶縁手段である。フォトカプラ３０の２次側には、周波数電圧変換器４０が接続されている。これにより、ＰＷＭコンパレータ１６の出力信号が、その時比率に応じたアナログ電圧値に変換される。マイコン４２では、周波数電圧変換器４０の出力するアナログ電圧値をデジタルデータに変換して処理する。

これにより、高電圧システムに搭載される感温ダイオードＳＤによって検出される温度情報が、低電圧システムを構成するマイコン４２によって処理されることとなる。

図２に、パワーカードＰＣ内の感温ダイオードＳＤと、集積回路１０との電気的な接続を詳細に示す。

図示されるように、本実施形態では、集積回路１０が多層基板５０に搭載されている。多層基板５０は、複数の基板のそれぞれに、半導体装置や、配線、電極等が形成または搭載されたものである。特に、多層基板５０は、グランド層５２と、実装層５４とを備えている。ここで、グランド層５２は、パワースイッチング素子Ｓｗの出力端子（エミッタ端子）側の電位となる導電領域が形成される層であり、図では、パワースイッチング素子Ｓｗのエミッタ電位となる導電領域５６が示されている。一方、実装層５４は、集積回路１０等が搭載される層であり、その表面には、集積回路１０と他の電子機器とを接続するための配線が形成されている。なお、集積回路１０は、多層基板５０の実装層５４を貫通する配線（ビアコンタクトＶｃ）を介して導電領域５６に接続されている。これにより、集積回路１０は、導電領域５６の電位を基準電位として動作することとなる。

上記パワーカードＰＣに搭載される感温ダイオードＳＤのカソードは、マイナス配線Ｌｍを介して多層基板５０に接続されている。詳しくは、多層基板５０の実装層５４を貫通する配線（ビアコンタクトＶｃ）を介して導電領域５６に接続されている。一方、感温ダイオードＳＤのアノードは、プラス配線Ｌｐを介して多層基板５０に接続されている。詳しくは、実装層５４に形成された上記調節用抵抗体２０を介して集積回路１０の入力端子に接続されている。

ここで、調節用抵抗体２０は、線形素子である。詳しくは、電流の流路断面積を縮小加工することで抵抗値を調節可能なトリミング抵抗である。調節用抵抗体２０には、その抵抗値を増加させるべく電流の流通経路の断面積を低減する目的で電流の流通経路（導電領域）の一部が除去された抵抗調節部６０が複数形成されている。この抵抗調節部６０は、感温ダイオードＳＤや、定電流源１４、ＰＷＭコンパレータ１６等の個体差にかかわらず、感温ダイオードＳＤの温度が同一の場合に上記ＰＷＭコンパレータ１６の出力（時比率）を同一とするために設けられるものである。なお、上記抵抗調節部６０は、レーザ等によって調節用抵抗体６０自体の一部が除去された除去部や、流通経路が熱酸化部材に変化させられることで導電領域が除去された除去部とされるのが一般的である。

次に、ＰＷＭコンパレータ１６の出力電圧の調節処理について、図３を参照しつつ説明する。図３（ａ）は、感温ダイオードＳＤの出力電圧の推移を示し、図３（ｂ）は、ＰＷＭコンパレータ１６の出力信号の推移を示す。詳しくは、図３（ａ）において、キャリアである三角波信号ｔｃとの実際の比較対象が、実線にて示すオフセット信号ｏｓであり、一点鎖線は、感温ダイオードＳＤの出力信号ｄｓ（アノード電位）である。

図示されるように、出力信号ｄｓよりもオフセット信号ｏｓの方が大きい。これは、調節用抵抗体２０による電圧降下のためである。ここで、調節用抵抗体２０の抵抗値を調節することで、ＰＷＭコンパレータ１６の出力を調節することができる。ただし、調節用抵抗体２０の一部を削り取ることによっては、抵抗値を増加側に調節することはできるものの減少側に調節することはできない。そこで本実施形態では、三角波信号ｔｃを予め電圧の高い側にオフセットさせておく。詳しくは、規定温度における時比率を規定値に調節したい場合、感温ダイオードＳＤや定電流源１４等のばらつきの影響を考慮して、調節用抵抗体２０の抵抗値を増加させなかった場合の規定温度におけるＰＷＭコンパレータ１６の出力信号の時比率が、規定値に対してＰＷＭコンパレータ１６の入力電圧が低い側にずれるようにしておく。すなわち例えば、「８５°Ｃ」のときに時比率が「５０％」となるように調節したい場合、感温ダイオードＳＤや定電流源１４等の個体差によるばらつきの影響を考慮して、調節用抵抗体２０の抵抗値を増加させなかった場合のＰＷＭコンパレータ１６の出力信号の時比率が「５０％」未満となるようにオフセットさせておく。これにより、感温ダイオードＳＤや定電流源１４等の個体差にかかわらず、抵抗値を増加させることで、ＰＷＭコンパレータ１６の出力信号を所望に調節することができる。

このように、調節用抵抗体２０をパワーカードＰＣに対して外付けしたために、調節用抵抗体２０の抵抗値の調節によって、感温ダイオードＳＤの個体差のみならず、定電流源１４等の個体差の影響をも補償することができる。これに対し、調節用抵抗体２０を感温ダイオードＳＤと同一の半導体チップに搭載する等する場合には、パワーカードＰＣのパッケージ前に抵抗体の抵抗値を調節する必要が生じる。このため、感温ダイオードＳＤをＰＷＭコンパレータ１６等に接続した後に調節を行うことが困難となり、感温ダイオードＳＤの個体差のみを補償することになりかねない。このため、ＰＷＭコンパレータ１６の出力信号は、定電流源１４やＰＷＭコンパレータ１６等の個体差に起因する誤差を含んだものとなる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）調節用抵抗体２０を感温ダイオードＳＤの形成される半導体チップ（パワーカードＰＣに搭載される半導体チップ）に対して外付けした。これにより、調節用抵抗体２０の抵抗値によって、感温ダイオードＳＤのみならず、定電流源１４等の個体差についてもこれを補償することが容易となる。

（２）定電流源１４の出力電流を調節用抵抗体２０に流す構成とした。これにより、調節用抵抗体２０の抵抗値の調節によって、定電流源１４及び感温ダイオードＳＤ間の電気経路における電圧降下量を簡易に調節することができる。

（３）調節用抵抗体２０として、電流の流通経路の一部を除去することで抵抗値が調節可能とされるものを用いた。これにより、調節後の抵抗値を安定させたものとすることもできる。

（その他の実施形態）
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記実施形態では、調節用抵抗体２０を、断面積を低減する処理によって抵抗値を調節する抵抗体（トリミング抵抗体）としたが、これに限らない。例えば、操作部を備え、この操作部の操作によって抵抗値を可変とする抵抗体であってもよい。

・ＰＷＭコンパレータ１６の出力電圧を調節する調節手段としては、調節用抵抗体２０に限らない。例えば、定電流源１４を互いに出力電流の相違する複数の電流源にて構成し、これら各電流源と感温ダイオードＳＤとの間を電気的に開閉する開閉手段を備えるようにしてもよい。この場合、出力電流を調節することでＰＷＭコンパレータ１６の出力電圧を調節することができる。

・ＰＷＭ信号の生成に利用するキャリアとしては、三角波に限らず、例えばノコギリ波等であってもよい。

・上記実施形態では、感温ダイオードＳＤのアノードとＰＷＭコンパレータ１６との間に調節用抵抗体２０を備えたがこれに限らず、例えば図４に示すように、感温ダイオードＳＤのカソードとＰＷＭコンパレータ１６との間に備えてもよい。ちなみに、図４では、感温ダイオードＳＤのアノードと集積回路１０とを、実装層５４上に形成された配線６２によって電気的に接続している。

・上記実施形態では、パワースイッチング素子Ｓｗと感温ダイオードＳＤとがパッケージ化される例を示したが、これに限らない。例えば、パワースイッチング素子Ｓｗ、感温ダイオードＳＤ、調節用抵抗体２０、および集積回路１０を１パッケージ化してもよい。この場合であっても、感温ダイオードＳＤの形成される半導体チップに対して調節用抵抗体２０を外付けすることで、集積回路１０および感温ダイオードＳＤを接続した後であってもＰＷＭコンパレータ１６の出力電圧を調節することが容易となる。

・上記実施形態では、ハイブリッド車に搭載される電力変換回路を構成するパワースイッチング素子の温度を検出するに際して本発明を適用したがこれに限らず、例えば電気自動車に搭載されるパワースイッチング素子の温度検出に適用してもよい。

・パワースイッチング素子Ｓｗによって構成される電力変換回路としては、インバータを構成するものに限らず、例えば車載高電圧バッテリの電圧を降圧して車載低電圧バッテリに出力するコンバータを構成するものであってもよい。

・パワースイッチング素子Ｓｗとしては、ＩＧＢＴに限らず、例えばパワーＭＯＳ型電界効果トランジスタ等であってもよい。

・パワースイッチング素子の温度の検出手段としては、感温ダイオードに限らず、例えばＭＯＳ型電界効果トランジスタ等、任意の半導体温度センサであればよい。ここで、ＭＯＳ型電界効果トランジスタを用いる場合、そのソースおよびドレイン間に同一の電流を流す場合におけるソースおよびドレイン間の電圧が温度依存性を有することに鑑み、ソースおよびドレイン間の電圧を温度検出信号として利用すればよい。

１６…ＰＷＭコンパレータ、２０…調節用抵抗体、Ｓｗ…パワースイッチング素子、ＳＤ…感温ダイオード。

Claims (5)

1. パワースイッチング素子の温度に応じた電圧信号を出力する検出手段が形成された半導体チップと、
   前記検出手段から前記半導体チップの外へと出力される電圧信号を２値信号に変換して出力する出力手段と、
   前記検出手段の出力電圧に応じた前記出力手段の出力信号を調節する調節手段とを備え、
   該調節手段を前記半導体チップに対して外付けしたことを特徴とするパワースイッチング素子の温度検出装置。
2. 前記検出手段に定電流を出力する定電流出力手段を更に備え、
   前記調節手段は、抵抗体であることを特徴とする請求項１記載のパワースイッチング素子の温度検出装置。
3. 前記抵抗体は、電流の流通経路の一部が除去されることで抵抗値が調節可能とされるものであることを特徴とする請求項２記載のパワースイッチング素子の温度検出装置。
4. 前記出力手段は、前記電圧信号とキャリアとの大小比較結果に応じて論理「Ｈ」および論理「Ｌ」の信号を出力する手段であり、
   前記抵抗体は、一部が除去された痕跡を有することを特徴とする請求項３記載のパワースイッチング素子の温度検出装置。
5. 前記パワースイッチング素子および前記検出手段は、パッケージ化されており、
   前記調節手段は、前記パッケージに対して外付けされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度検出装置。

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