JP2017051047A - パワー半導体スイッチング素子の温度検出装置及びパワー半導体スイッチング素子の動作制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー半導体スイッチング素子の温度を内蔵の温度センサを用いずに精度よく検出する。【解決手段】ＩＧＢＴＱのオフ時のコレクタ電位を、ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳとして検出する。そして、検出したコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳと電源ＢＡＴＴの電圧ＶＢＡＴＴとの比、さらに、電源ＢＡＴＴの正極から負極までの部分の抵抗値から、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間のオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）を割り出す。そして、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間のオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）とジャンクション温度Ｔｊとの相関から、ＩＧＢＴＱのジャンクション温度Ｔｊを検出（特定）する。【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ回路等に用いられるパワー半導体スイッチング素子に関する。

冷凍サイクルに用いるコンプレッサは、低温低圧の冷媒を吸入し、圧縮により高温高圧とした冷媒を吐出する。コンプレッサの中には、冷媒の圧縮機構の動力源として電動モータを有する電動コンプレッサがあり、電動コンプレッサでは、インバータにより電源からの直流電力を交流に変換して電動モータに供給する駆動回路が設けられる。

インバータは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor 、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 、電界効果トランジスタ）等のパワー半導体スイッチング素子を有している。

パワー半導体スイッチング素子は、スイッチングの際の損失（スイッチング損失）によって発熱する。この発熱によりパワー半導体スイッチング素子の温度が耐熱温度を超えるまで上昇すると損傷してしまう。

そこで、パワー半導体スイッチング素子の温度が閾値を超えたら電動コンプレッサの運転を制限又は停止させるために、パワー半導体スイッチング素子の実装基板上の温度センサが検出した温度からパワー半導体スイッチング素子の温度を推定して監視することが従来から提案されている（例えば、特許文献１）。

国際公開第２０１２／０４２８９９号

しかし、温度センサとパワー半導体スイッチング素子とが離れて配置されている以上、温度センサには測定温度の誤差や応答速度の遅れが生じる。そこで、温度センサ内蔵のパワー半導体スイッチング素子を用いることも考えられるが、汎用品でなくなる分コストが上昇してしまう。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、電動コンプレッサのインバータ等に用いられるパワー半導体スイッチング素子の温度を内蔵の温度センサを用いずに精度よく検出することができる装置と、その検出結果を利用してパワー半導体スイッチング素子の動作を適切に制御することができる制御装置と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、
負荷に対する電力供給のオンオフに用いられるパワー半導体スイッチング素子がオフされているときに、前記パワー半導体スイッチング素子の前後の電位差から該パワー半導体スイッチング素子のオフ抵抗を検出するオフ抵抗検出手段と、
前記オフ抵抗及び前記電位差とこれに対応する前記パワー半導体スイッチング素子の温度との予め定義された相関関係に基づいて、前記オフ抵抗検出手段が検出した前記オフ抵抗及び該オフ抵抗の検出時における前記電位差から、前記パワー半導体スイッチング素子の温度を割り出す素子温度割り出し手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、パワー半導体スイッチング素子の温度を内蔵の温度センサを用いずに精度よく検出することができる。

本発明の一実施形態に係るパワー半導体スイッチング素子の温度検出装置の説明図である。 図１のＩＧＢＴのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間の漏れ電流とコレクタ−エミッタ間電圧との関係をＩＧＢＴのジャンクション温度別に示すグラフである。 図１のＩＧＢＴのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間のオフ抵抗とジャンクション温度との関係をコレクタ−エミッタ間電圧別に示すグラフである。 図１の温度検出装置における各部の状態を示すタイミングチャートである。 図１のＩＧＢＴよりも短い期間オンするように駆動パルス発生回路がスイッチ回路のバイパススイッチに制御信号を出力する場合の温度検出装置における各部の状態を示すタイミングチャートである。 一般的な電動コンプレッサの電気的構成を示す説明図である。 （ａ）は図６のインバータ回路のＩＧＢＴについてジャンクション温度を検出するのに本発明の温度検出装置を適用した場合の実施形態を示す回路図、（ｂ）は（ａ）の各ＩＧＢＴのオンオフ状態と温度検出可能なＩＧＢＴとの関係を示す説明図である。 図７（ａ）の温度検出回路を示す回路図である。 （ａ）は図６のインバータ回路のＩＧＢＴについてジャンクション温度を検出するのに本発明の温度検出装置を適用した場合の他の実施形態を示す回路図、（ｂ）は（ａ）の各ＩＧＢＴのオンオフ状態とサンプル回路のサンプリング電位に現れる漏れ電流の対象のＩＧＢＴとの関係を示す説明図である。 図７（ａ）の電流測定用抵抗を電流センサに変更した本発明の温度検出装置の実施形態を示す回路図である。 図９（ａ）の電流測定用抵抗を電流センサに変更した本発明の温度検出装置の実施形態を示す回路図である。 図１のＩＧＢＴの漏れ電流とジャンクション温度との関係をコレクタ−エミッタ間電圧別に示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、図１を参照して、本発明に係るパワー半導体スイッチング素子の温度検出装置の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るパワー半導体スイッチング素子の温度検出装置の説明図である。

図１に示すパワー半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor 、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）Ｑは、電源ＢＡＴＴからの電力が供給される負荷（Ｌｏａｄ）Ｌの負側に直列接続されている。このＩＧＢＴＱは、駆動パルス発生回路ｄｖからゲートに印加される制御信号（駆動パルス）によってオンオフされて、電源ＢＡＴＴから負荷（Ｌｏａｄ）Ｌへの電力供給をオンオフする。

なお、ＩＧＢＴＱは、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 、電界効果トランジスタ）やＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor 、ゲートターンオフサイリスタ）等のパワー半導体スイッチング素子に置き換えてもよい。

そして、ＩＧＢＴＱのジャンクション温度を検出する本実施形態の温度検出装置は、スイッチ回路Ｓ、サンプル回路ｓｈ、タイミング信号生成回路ｔｇ及び温度変換回路ｃｏｎｖを有している。

このうち、スイッチ回路Ｓは、分圧抵抗Ｒ１とバイパススイッチＳＷとの並列回路によって構成されており、負荷ＬとＩＧＢＴＱとの間に直列接続されている。

バイパススイッチＳＷは、ＩＧＢＴＱと同様のパワー半導体スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯ等）で構成してもよく、コイルにより励磁されてオンオフするリレーで構成してもよい。このバイパススイッチＳＷは、駆動パルス発生回路ｄｖからの制御信号によりＩＧＢＴＱのオンオフと同期してオンオフされる。

分圧抵抗Ｒ１は、ＩＧＢＴＱのオフ時に、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間の漏れ電流に応じた電位を、検出が比較的容易なレベルでＩＧＢＴＱのコレクタに発生させるためのものである。

ここで、図２を参照して、ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）とコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳとの関係を説明する。図２は、ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）とコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳとの関係を、ＩＧＢＴＱのジャンクション温度（半導体接合部温度）Ｔｊ別に示すグラフである。

図２に示すように、縦軸に示すＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）は、横軸に示すＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳへの依存性が低く、比較的に安定している。また、図２の縦軸が対数軸であることからも分かるように、ＩＧＢＴＱのジャンクション温度Ｔｊが異なると、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）は大きく変化する。したがって、ＩＧＢＴＱの漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）が分かれば、ＩＧＢＴＱのジャンクション温度を知ることができる。

しかし、ＩＧＢＴＱの漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）を検知するのは、一般的にとてもむずかしい。その理由は、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間に流れる電流が、ＩＧＢＴＱのオン時は数十Ａ程と大きいのに対して、オフ時の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）は数μ〜数ｍＡと非常に小さく、ＩＧＢＴＱのオン時にコレクタ−エミッタ間の電流を検出できる構成では、オフ時の小さい漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）を精度良く検出するのが困難だからである。

そこで、見方を変えて、ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳを漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）で割ったＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間のオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）と、ＩＧＢＴのジャンクション温度との関係を、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間電圧別に見てみる。

すると、図３のグラフに示すように、ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳが異なっていても、ＩＧＢＴＱのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）とジャンクション温度Ｔｊとの間には、ほぼ同じような相関があることが認められる。なお、図３では、ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳが２５０Ｖ、５００Ｖ、７５０Ｖの場合を抜粋して示している。

以上から、ＩＧＢＴＱの漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）を直接検出しなくても、ＩＧＢＴＱのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）が分かれば、そのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）からＩＧＢＴＱのジャンクション温度Ｔｊを検出（特定）できることが分かる。

ここで、例えば、図１に示す電源ＢＡＴＴの電圧ＶＢＡＴＴと、ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳとの比は、電源ＢＡＴＴの正極から負極までの部分の抵抗値と、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間のオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）との比と等しくなる。そして、ＩＧＢＴＱのエミッタは電源ＢＡＴＴの負極に接続されているため、ＩＧＢＴＱのオフ時にコレクタに現れる電位は、ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳであることになる。

そこで、本実施形態の温度検出装置では、ＩＧＢＴＱのオフ時のコレクタ電位を、ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳとして検出する。そして、検出したコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳと電源ＢＡＴＴの電圧ＶＢＡＴＴとの比、さらに、電源ＢＡＴＴの正極から負極までの部分の抵抗値から、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間のオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）を割り出す。そして、図３のグラフに示すような、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間のオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）とジャンクション温度Ｔｊとの相関から、ＩＧＢＴＱのジャンクション温度Ｔｊを検出（特定）する。

ところで、電源ＢＡＴＴの正極から負極までの部分には、負荷Ｌに対する電力供給をオンオフするために、負荷ＬとＩＧＢＴＱとが必然的に存在する。このため、ＩＧＢＴＱのオフ時における電源ＢＡＴＴの正極から負極までの部分の抵抗値は、最低でも、負荷Ｌの抵抗値ＲＬとＩＧＢＴＱのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）とを合計した抵抗値となる。

そこで、分圧抵抗Ｒ１とバイパススイッチＳＷとの間にスイッチ回路Ｓを直列接続しない場合は、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間のオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）を割り出すのに、電源ＢＡＴＴの電圧ＶＢＡＴＴとＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳとの比を用いることになる。

ここで、負荷Ｌの抵抗値ＲＬ（例えば、数〜数十Ω程度）は、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間がオフのときのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）（例えば、数十ｋΩ程度）に比べて十分小さく、無視できる程度のものとなる。したがって、電源ＢＡＴＴの正極から負極までの部分に負荷ＬとＩＧＢＴＱしか存在しない（スイッチ回路Ｓが存在しない）と、ＩＧＢＴＱのオフ時にコレクタに現れる電位は、電源ＢＡＴＴの電圧ＶＢＡＴＴとほとんど変わらない非常に大きな値となる。

そうすると、電源ＢＡＴＴの電圧ＶＢＡＴＴとＩＧＢＴＱのオフ時にコレクタに現れる電位との比がほぼ１：１になってしまい、その比からＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間がオフのときのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）を割り出すのが困難になってしまう。

そこで、本実施形態では、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間の漏れ電流に応じた電位をＩＧＢＴＱのコレクタに発生させるＩＧＢＴＱのオフ時に、バイパススイッチＳＷのオフによって、負荷ＬとＩＧＢＴＱとの間に分圧抵抗Ｒ１を直列接続させる。

これにより、電源ＢＡＴＴの正極から負極までの部分の抵抗値（＝負荷Ｌの抵抗値ＲＬ＋分圧抵抗Ｒ１の抵抗値＋ＩＧＢＴＱのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ））とＩＧＢＴＱのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）との比が、１：１よりも大きい比となる。すると、ＩＧＢＴＱのコレクタに現れる電位（ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳ）が、電源ＢＡＴＴの電圧ＶＢＡＴＴとは明らかに異なる低い値に下がり、両者の電圧比からＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間がオフのときのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）が割り出せるようになる。

そのために、分圧抵抗Ｒ１の抵抗値は、ＩＧＢＴＱのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）と同等以上の抵抗値（例えば、数十〜百ｋΩ程度）であることが望ましい。

次に、本実施形態の温度検出装置におけるサンプル回路ｓｈは、駆動パルス発生回路ｄｖからの制御信号に同期してタイミング信号生成回路ｔｇが生成するサンプリング信号の入力中に、ＩＧＢＴＱのコレクタ（と分圧抵抗Ｒ１との接続点）に現れる電位（ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳ）のピーク値をホールドし、サンプリング信号の入力終了時にホールド値を温度変換回路ｃｏｎｖに出力する。

また、温度変換回路ｃｏｎｖは、サンプル回路ｓｈが出力した、ＩＧＢＴＱのコレクタ（と分圧抵抗Ｒ１との接続点）に現れる電位（ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳ）のピーク値と、電源ＢＡＴＴの電圧ＶＢＡＴＴとの比、そして、電源ＢＡＴＴの正極から負極までの部分の抵抗値（＝負荷Ｌの抵抗値ＲＬ＋分圧抵抗Ｒ１の抵抗値＋ＩＧＢＴＱのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ））から、ＩＧＢＴＱのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）を割り出し、割り出したオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）に対応するＩＧＢＴＱのジャンクション温度Ｔｊを検出（特定）する。

なお、温度変換回路ｃｏｎｖは、図３のグラフのような関係から予め求めておいたテーブル又は数式を用いて、ＩＧＢＴＱのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）からこれに対応するＩＧＢＴＱのジャンクション温度Ｔｊを検出（特定）する。

以上に説明した構成を有する本実施形態の温度検出装置では、図４（ａ）のタイミングチャートに示すように、駆動パルス発生回路ｄｖから出力された制御信号（駆動パルス）によりＩＧＢＴＱがオンされると、図４（ｃ）に示すように、温度検出装置のスイッチ回路ＳのバイパススイッチＳＷも制御信号（駆動パルス）によりオンされる。

したがって、負荷Ｌがスイッチ回路ＳのバイパススイッチＳＷ及びＩＧＢＴＱを介して電源ＢＡＴＴの負極に接続され、図４（ｂ）に示すように、電源ＢＡＴＴからの電力が供給される負荷Ｌに負荷電流ＩＬが流れる。なお、スイッチ回路Ｓにおいて負荷電流ＩＬは、ハイインピーダンスの分圧抵抗Ｒ１には流れない。

このとき、ＩＧＢＴＱのエミッタと導通しているコレクタの電位は、接地されたエミッタと同じ接地電位となる。即ち、図４（ｄ）に示すように、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳは「０」となる。

一方、図４（ａ），（ｃ）に示すように、駆動パルス発生回路ｄｖからの制御信号（駆動パルス）によりＩＧＢＴＱ及びバイパススイッチＳＷがオフされると、図４（ｂ）に示すように、それらのオン中のような負荷電流ＩＬが負荷Ｌを流れなくなる。

このとき、オフ状態のＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間に漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）が流れていると、ＩＧＢＴＱのコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳは「０」とならず、図４（ｄ）に示すように、漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）にオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）を乗じた電位に上がる。

この電位が、ＩＧＢＴＱのオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳとして、サンプル回路ｓｈでサンプリングされ、温度変換回路ｃｏｎｖにより、ＩＧＢＴＱのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）を経てジャンクション温度Ｔｊが検出される。

なお、検出したジャンクション温度Ｔｊを、図１に示すように、コントローラｃｏｎｔにおいてＩＧＢＴＱの耐熱温度と比較し、これに達した場合はコントローラｃｏｎｔが、駆動パルス発生回路ｄｖの出力する制御信号（駆動パルス）のオンデューティー比を下げたりゼロにするようにしてもよい。これにより、ＩＧＢＴＱのジャンクション温度Ｔｊを、耐熱温度よりも低い、正常動作が保証される温度まで下げさせることができる。

また、ＩＧＢＴＱのオンオフに同期させてスイッチ回路ＳのバイパススイッチＳＷをオンオフさせると、負荷Ｌを負荷電流ＩＬが流れている状態でバイパススイッチＳＷがオンオフされる可能性がある。そうすると、バイパススイッチＳＷがスイッチング損失により発熱するので、加熱防止用の放熱機構をバイパススイッチＳＷに設ける必要性が生じる。

そこで、図５（ａ），（ｂ）のタイミングチャートに示すように、ＩＧＢＴＱのオン期間と負荷Ｌに負荷電流ＩＬが流れる期間を変えずに、図５（ｃ）に示すように、スイッチ回路ＳのバイパススイッチＳＷのオン期間を短くしてもよい。その場合、ＩＧＢＴＱがオンでバイパススイッチＳＷがオフである期間のＩＧＢＴＱのコレクタ電位（コレクタ−エミッタ間電圧ＶＳ）は、図５（ｄ）に示すように、電源ＢＡＴＴの電圧ＶＢＡＴＴとほぼ等しい値となる。

このようにすれば、ＩＧＢＴＱがオフされて負荷Ｌを負荷電流ＩＬが流れていない状態でバイパススイッチＳＷがオンオフされるので、バイパススイッチＳＷがスイッチング損失により発熱するのを防ぎ、放熱機構をバイパススイッチＳＷに設ける必要をなくすことができる。

以上に説明した実施形態の温度検出装置は、例えば、冷媒の圧縮機構を電動モータで回転させる電動コンプレッサにおける電動モータの駆動回路（インバータ回路）で用いられるパワー半導体スイッチング素子の温度検出にも適用することができる。

以下、電動コンプレッサの電動モータのインバータ回路において本発明の温度検出装置を用いる場合の実施形態について説明する。

図６は、一般的な電動コンプレッサの電気的構成を示す説明図である。図６に示すように、電動コンプレッサの電気系統を制御するコントローラ１５は、インバータ回路１５ａとモータ制御部１５ｂとを有している。

インバータ回路１５ａは、直流電源１３の電力を交流に変換して、電動コンプレッサの圧縮機構３を回転駆動する電動モータ５の不図示のステータのＵ，Ｖ，Ｗ各相のコイルに供給するものである。そして、インバータ回路１５ａは、各相のコイルに対応する上アーム及び下アームのパワー半導体スイッチング素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor 、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）Ｑ１〜Ｑ６を有している。

なお、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６は、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 、電界効果トランジスタ）やＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor 、ゲートターンオフサイリスタ）等のパワー半導体スイッチング素子に置き換えてもよい。

モータ制御部１５ｂは、電動モータ５のステータに回転磁界を発生させるための所定のパターンによる各コイルへの電圧印加を制御するもので、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。モータ制御部１５ｂは、各種データやテーブル、制御に利用する式等を記憶するメモリ１５ｃを有している。

モータ制御部１５ｂは、センサレスでロータの回転角度を検出できる場合は、検出したロータ５ｂの回転角度に応じて励磁相のコイルに印加する電圧（コイルを流れる電流）を調整するセンサレスベクトル制御を行う。また、センサレスでロータの回転角度を検出するのが困難な起動時等にモータ制御部１５ｂは、励磁するコイルの相を一定の周波数で強制的に移動させる同期制御（強制転流運転）でモータを強制回転させる。

次に、上述したインバータ回路１５ａのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６についてジャンクション温度を検出するのに本発明を適用する場合の実施形態について、図７の説明図を参照して説明する。

図７（ａ）の回路図に示すように、図６のインバータ回路１５ａには、電動モータ５の通電電流を測定するために、各相の下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６の負側に、電流測定用抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ３がそれぞれ直列接続されている。そこで、本実施形態では、この電流測定用抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ３を、図１を参照して説明した実施形態の温度検出装置におけるスイッチ回路Ｓの分圧抵抗Ｒ１の代わりに用いる。これにより、図１の実施形態よりも構成を簡略化することができる。

そして、本実施形態の温度検出装置は、各相に存在する電流測定用抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ３にそれぞれ対応して温度検出回路ＴＣ１〜ＴＣ３を設けている。

なお、電動モータ５の通電電流を常時測定するために、図１の実施形態のようなバイパススイッチＳＷは、電流測定用抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ３には並列接続されていない。そのため、ここでの電圧降下を最小限にするために、電流測定用抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ３は十分に低い抵抗値に設定されている。

また、各温度検出回路ＴＣ１〜ＴＣ３は、図８の回路図に示すように、図１の実施形態の温度検出装置と同様のサンプル回路ｓｈ、タイミング信号生成回路ｔｇ及び温度変換回路ｃｏｎｖを有している。なお、本実施形態の温度検出回路ＴＣ１〜ＴＣ３は、サンプル回路ｓｈを用いて、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６と電流測定用抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ３との接続点の電位を検出する。

この接続点の電位は、電流測定用抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ３の抵抗値が低いことから、接地電位との間に大きな電位差が生じない。そこで、サンプル回路ｓｈは、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６と電流測定用抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ３との接続点の電位を増幅器ＡＭＰで増幅してサンプリングする。

このように構成された本実施形態の温度検出装置では、インバータ回路１５ａの各相において、上アーム及び下アームのＩＧＢＴＱ１，Ｑ４、ＩＧＢＴＱ２，Ｑ５、ＩＧＢＴＱ３，Ｑ６のどちらか一方がオンとなり他方がオフとなる。

このうち、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６がオンの相では、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６と電流測定用抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ３との接続点に現れる電位が、オフである上アームのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）に応じた電位であるか、それとも、電動モータ５のステータの通過電流に応じた電位であるかを、特定することができない。

一方、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６がオフの相では、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６と電流測定用抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ３との接続点に現れる電位が、オフである下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）に応じた電位であると、特定することができる。

このため、図７（ｂ）の説明図に示すように、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６がオフのときに、その相の下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６と電流測定用抵抗Ｒｓ１〜Ｒｓ３との接続点に現れる、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６のコレクタ−エミッタ間の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）に応じた電位から、その相の温度検出回路ＴＣ１〜ＴＣ３によって下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６のジャンクション温度Ｔｊを個別に正確に検出（特定）することができる。

なお、３つのうち１つの相について電流測定用抵抗が省略されている場合は、電流測定用抵抗を設けた２つの相において、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６がオフであるときに、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６と電流測定用抵抗との接続点に現れる電位から、電流測定用抵抗を設けた相の下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６のジャンクション温度Ｔｊを検出（特定）することができる。

また、図９（ａ）の回路図に示すように、電動モータ５の通電電流を各相に共通の単一の電流測定用抵抗Ｒｓで測定する場合は、各相の下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６が全てオフの場合に、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６と電流測定用抵抗Ｒｓとの接続点に現れる電位が、オフである下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）の合計に応じた電位となる。

さらに、各相の上アームのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３が全てオフの場合に、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６と電流測定用抵抗Ｒｓとの接続点に現れる電位が、オフである上アームのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）の合計に応じた電位となる。

それ以外のタイミングでは、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６と電流測定用抵抗Ｒｓとの接続点に現れる電位が、オフである上アームや下アームのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）の合計に応じた電位であるか、それとも、電動モータ５のステータの通過電流に応じた電位であるかを、特定することができない。

このため、図９（ｂ）の説明図に示すように、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６がオフのときに、その相の下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６と電流測定用抵抗Ｒｓとの接続点に現れる、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６のコレクタ−エミッタ間の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）に応じた電位から、温度検出回路ＴＣによって下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６のジャンクション温度Ｔｊを検出（特定）することができる。

また、上アームのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３がオフのときに、その相の下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６と電流測定用抵抗Ｒｓとの接続点に現れる、上アームのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３のコレクタ−エミッタ間の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）に応じた電位から、温度検出回路ＴＣによって上アームのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３のジャンクション温度Ｔｊを検出（特定）することができる。

このとき、温度検出回路ＴＣのサンプル回路ｓｈが出力する電位は、上アームの３つのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３や下アームの３つのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６で生じた漏れ電流の合計分だけ、電源ＢＡＴＴの負極側の電位よりも高い電位となる。このため、温度変換回路ｃｏｎｖは、例えば、サンプル回路ｓｈの出力電位（増幅後）を３分の１した電位から、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６のオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）を割り出し、割り出したオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）に対応するＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６のジャンクション温度Ｔｊを検出（特定）する。

このように構成することで、下アームのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６のジャンクション温度Ｔｊに加えて、上アームのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３のジャンクション温度Ｔｊを、簡易な構成で検出（特定）することができる。

なお、電流測定用抵抗Ｒｓ（Ｒｓ１〜Ｒｓ３）に代えて、図１０及び図１１の回路図に示すように、電流センサＳｉ（Ｓｉ１〜Ｓｉ３）を用い、上アームや下アームのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６のコレクタ−エミッタ間の漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）を直接検出する構成としてもよい。

その場合、温度検出回路ＴＣ（ＴＣ１〜ＴＣ３）の温度変換回路ｃｏｎｖは、図２に示すＩＧＢＴＱの漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）とオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧ＶＳとの関係から、図１２のグラフに示すような、ＩＧＢＴＱの漏れ電流ＩＣＥ（ＯＦＦ）とジャンクション温度Ｔｊとの関係を予め求めておく。そして、予め求めておいたテーブル又は数式を用いて、ＩＧＢＴＱのオフ抵抗ＺＣＥ（ＯＦＦ）からこれに対応するＩＧＢＴＱのジャンクション温度Ｔｊを検出（特定）する。

なお、本発明は、モータのインバータ回路に限らず、負荷に対する電力供給のオンオフに用いられるパワー半導体スイッチング素子のジャンクション温度の検出に広く適用可能である。

本発明は、負荷に対する電力供給のオンオフに用いられるパワー半導体スイッチング素子のジャンクション温度の検出において利用することができる。

３ 圧縮機構
５ 電動モータ
１３ 直流電源
１５ コントローラ
１５ａ インバータ回路（三相インバータ回路）
１５ｂ モータ制御部
１５ｃ メモリ
３１ ベーン溝
３３ ベーン
ＡＭＰ 増幅器（増幅部）
ＢＡＴＴ 電源
ｃｏｎｖ 温度変換回路（素子温度検出手段）
ｃｏｎｔ コントローラ（制御手段）
ｄｖ 駆動パルス発生回路
Ｌ 負荷
Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６ ＩＧＢＴ（パワー半導体スイッチング素子）
Ｒ１ 分圧抵抗
Ｒｓ，Ｒｓ１〜Ｒｓ３ 電流測定用抵抗
Ｓ スイッチ回路（並列回路）
ｓｈ サンプル回路（電位差測定部）
Ｓｉ，Ｓｉ１〜Ｓｉ３ 電流センサ
ＳＷ バイパススイッチ
ＴＣ，ＴＣ１〜ＴＣ３ 温度検出回路
ｔｇ タイミング信号生成回路
Ｘ 回転方向

Claims (8)

1. 負荷（Ｌ）に対する電力供給のオンオフに用いられるパワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）がオフされているときに、前記パワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）の前後の電位差（ＶＳ）から該パワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）のオフ抵抗（ＺＣＥ（ＯＦＦ））又は漏れ電流（ＩＣＥ）を検出する検出手段と、
   前記オフ抵抗（ＺＣＥ（ＯＦＦ））又は漏れ電流（ＩＣＥ）及び前記電位差（ＶＳ）と、これに対応する前記パワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）の温度（Ｔｊ）との、予め定義された相関関係に基づいて、前記検出手段が検出した前記オフ抵抗（ＺＣＥ（ＯＦＦ））又は漏れ電流（ＩＣＥ）及び該オフ抵抗（ＺＣＥ（ＯＦＦ））又は漏れ電流（ＩＣＥ）の検出時における前記電位差（ＶＳ）から、前記パワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）の温度（Ｔｊ）を検出する素子温度検出手段（ｃｏｎｖ）と、
   を備えることを特徴とするパワー半導体スイッチング素子の温度検出装置。
2. 前記検出手段は、前記パワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）の電源（ＢＡＴＴ）側に前記負荷（Ｌ）と共に直列接続された分圧抵抗（Ｒ１）及びバイパススイッチ（ＳＷ）の並列回路（Ｓ）と、前記パワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）と共に前記バイパススイッチ（ＳＷ）がオフされているときに前記並列回路（Ｓ）と前記パワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）との接続点の電位を前記電位差（ＶＳ）として測定する電位差測定部（ｓｈ）とを有しており、該電位差測定部（ｓｈ）が測定した電位から前記オフ抵抗（ＺＣＥ（ＯＦＦ））を検出することを特徴とする請求項１記載のパワー半導体スイッチング素子の温度検出装置。
3. 前記分圧抵抗（Ｒ１）は、前記オフ抵抗（ＺＣＥ（ＯＦＦ））と同等以上の抵抗値を有することを特徴とする請求項２記載のパワー半導体スイッチング素子の温度検出装置。
4. 前記検出手段は、前記パワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）の接地側に接続された電流測定用抵抗（Ｒｓ）と、該電流測定用抵抗（Ｒｓ）の前後の電位差（ＶＲ）を増幅する増幅部（ＡＭＰ）とを有しており、前記バイパススイッチ（ＳＷ）がオフされているときに前記増幅部（ＡＭＰ）が増幅した前記電位差（ＶＲ）から前記オフ抵抗（ＺＣＥ（ＯＦＦ））を検出することを特徴とする請求項２又は３記載のパワー半導体スイッチング素子の温度検出装置。
5. 前記パワー半導体スイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ６）は三相インバータ回路（１５ａ）の各相の上アーム及び下アームにそれぞれ用いられており、前記電流測定用抵抗（Ｒｓ）は、前記各相の下アームと接地との間に直列接続されていることを特徴とする請求項４記載のパワー半導体スイッチング素子の温度検出装置。
6. 前記各相の下アームに共通の前記電流測定用抵抗（Ｒｓ）が直列接続されていることを特徴とする請求項５記載のパワー半導体スイッチング素子の温度検出装置。
7. 前記検出手段は、前記パワー半導体スイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ６）の接地側の通過電流を測定する電流センサ（Ｓｉ，Ｓｉ１〜Ｓｉ３）を有しており、前記パワー半導体スイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ６）がオフされているときに前記電流センサ（Ｓｉ，Ｓｉ１〜Ｓｉ３）が測定した前記通過電流から前記漏れ電流（ＩＣＥ）を検出することを特徴とする請求項１記載のパワー半導体スイッチング素子の温度検出装置。
8. 負荷（Ｌ）に対する電力供給のオンオフに用いられるパワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）の動作を制御する装置において、
   請求項１、２、３、４、５、６又は７記載のパワー半導体スイッチング素子の温度検出装置と、
   前記温度検出装置が検出した温度が前記パワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）の耐熱基準温度に達したときに、該パワー半導体スイッチング素子（Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６）のオンデューティーを減少させる制御手段（ｃｏｎｔ）と、
   を備えることを特徴とするパワー半導体スイッチング素子の動作制御装置。

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