JP2017147794A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子を小型化できる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】オンオフ動作する半導体素子２を備える。半導体素子２は、互いに並列接続された複数のセル４によって構成されている。複数のセル４のうち一部のセル４は、半導体素子２を流れる電流の一部を取り出して測定するためのセンサセル４ｓとされている。電力変換装置１は、抵抗測定部３１と、温度算出部３２とを備える。抵抗測定部３１は、センサセル４ｓのオン抵抗Ｒ_xを測定する。温度算出部３２は、オン抵抗Ｒ_xの測定値を用いて、半導体素子２の温度を算出するよう構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を備える電力変換装置に関する。

直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子と、該半導体素子のオンオフ動作を制御する制御部とを備えるものが知られている（下記特許文献１参照）。上記半導体素子は、互いに並列接続し同時にオンオフ動作する複数のセルによって構成されている。上記複数のセルのうち一部のセルは、半導体素子全体を流れる電流の一部を取り出して測定するためのセンサセルとされている。

電力変換装置を稼働すると、半導体素子に電流が流れて発熱する。そのため上記電力変換装置は、半導体素子の温度を測定し、温度が高くなりすぎた場合等には、電流を制限するよう構成されている。半導体素子の温度を測定するため、半導体素子には、上記セルの他に感温ダイオードを形成してある。上記制御部は、この感温ダイオードの順方向電圧を測定し、その測定値を用いて、半導体素子の温度を算出している。

特開２００５−１６８２６２号公報

しかしながら、上記電力変換装置は、半導体素子に感温ダイオードを形成してあるため、上記セルを形成できる面積が低減しやすい。そのため、充分な面積のセルを形成して、充分な量の電流を流せるようにしようとすると、半導体素子が大型化しやすい。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、半導体素子を小型化できる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、オンオフ動作する半導体素子（２）を備える電力変換装置（１）であって、
上記半導体素子は、互いに並列接続した複数のセル（４）によって構成され、該複数のセルのうち一部の上記セルは、上記半導体素子を流れる電流の一部を取り出して測定するためのセンサセル（４ｓ）とされており、
該センサセルのオン抵抗（Ｒ_x）を測定する抵抗測定部（３１）と、
上記オン抵抗の測定値を用いて上記半導体素子の温度（Ｔ）を算出する温度算出部（３２）とを備える、電力変換装置にある。

上記電力変換装置は、センサセルのオン抵抗を測定する抵抗測定部と、その測定値を用いて半導体素子の温度を算出する温度算出部とを備える。
そのため、半導体素子を小型化することができる。すなわち、センサセルのオン抵抗と、半導体素子の温度との間には一定の関係がある。したがって、オン抵抗を測定すれば、この関係を利用して、半導体素子の温度を算出することができる。そのため、従来のように半導体素子に感温ダイオードを形成する必要がなくなり、半導体素子を小型化することが可能になる。

以上のごとく、本態様によれば、半導体素子を小型化できる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電力変換装置の回路の一部。 半導体素子がオンしたときの、図１の等価回路図。 実施形態１における、センサセルの温度とオン抵抗との関係を表したグラフ。 実施形態１における、半導体素子の概念図。 実施形態１における、互いに並列接続された複数のセルの回路図。 実施形態１における、セルに加わる電圧と電流との関係を表したグラフ。 実施形態１における、半導体モジュールの概念図。 実施形態１における、電力変換装置の全体回路図。 実施形態１における、制御部に設けられたマイコンの概念図。 実施形態２における、電力変換装置の回路の一部。 半導体素子がオンしたときにおける、図１０の等価回路図。 実施形態３における、電力変換装置の回路の一部。 半導体素子がオンしたときにおける、図１２の等価回路図。 実施形態４における、電力変換装置の回路の一部。 半導体素子がオンしたときにおける、図１４の等価回路図。 実施形態４における、半導体素子とスイッチとのタイミング図。 実施形態５における、電力変換装置の回路の一部。 半導体素子がオンしたときにおける、図１７の等価回路図。 実施形態６における、電力変換装置の回路の一部。 半導体素子がオンしたときにおける、図１９の等価回路図。 実施形態７における、半導体モジュールの平面図であって、図２２のXXI矢視図。 図２１のXXII-XXII断面図。

上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置とすることができる。

（実施形態１）
上記電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。図８に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、オンオフ動作する半導体素子２を備える。
図４に示すごとく、半導体素子２は、互いに並列接続した複数のセル４によって構成されている。複数のセル４のうち一部のセル４は、半導体素子２を流れる電流の一部を取り出して測定するためのセンサセル４ｓとされている。

図１に示すごとく、電力変換装置１は、抵抗測定部３１と、温度算出部３２とを備える。抵抗測定部３１は、センサセル４ｓのオン抵抗Ｒ_xを測定する。温度算出部３２は、オン抵抗Ｒ_xの測定値を用いて、半導体素子２の温度を算出するよう構成されている。

本形態の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。図８に示すごとく、本形態の電力変換装置は、複数の半導体素子２を備える。これら複数の半導体素子２を用いて、インバータ回路１００を構成してある。個々の半導体素子２は、半導体モジュール２０（図７参照）内に封止されている。本形態の半導体素子２は、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。個々の半導体素子２は制御部３に電気接続している。電力変換装置１は、制御部３によって半導体素子２をオンオフ動作させ、これにより、直流電源８１から供給される直流電力を交流電力に変換するよう構成されている。これによって、三相交流モータ８２を駆動させ、上記車両を走行させている。

また、上述したように、半導体素子２は複数のセル４によって構成されている（図４、図５参照）。これら複数のセル４のうち一部のセル４を、上記センサセル４ｓとしてある。センサセル４ｓには、後述する第１抵抗器５ａに接続した第１センサセル４ｓ_aと、第２抵抗器５ｂに接続した第２センサセル４ｓ_bとがある。

図２に示すごとく、半導体素子２がオンした状態では、個々のセル４は抵抗とみなすことができる。個々のセル４に電流が流れると、セル４が発熱し、半導体素子２の温度が上昇する。

図３に示すごとく、オン抵抗Ｒ_xと温度Ｔとの間には、一定の関係がある。上記温度算出部３２は、この関係を記憶しており、センサセル４ｓのオン抵抗Ｒ_xの測定値を用いて、半導体素子２の温度を算出する。

図２に示すごとく、上記抵抗測定部３１と温度算出部３２とは、制御部３に形成されている。制御部３は、温度算出部３２によって算出した半導体素子２の温度が、予め定められた上限値を超えた場合には、例えば半導体素子２のデューティー比を低下させる等して、半導体素子２に流れる電流を制限するよう構成されている。

制御部３には、第１抵抗器５ａと第２抵抗器５ｂとの２つの抵抗器５が設けられている。これら２つの抵抗器５ａ，５ｂは、互いに抵抗値が異なる。第１抵抗器５ａは第１センサセル４ｓ_aに直列接続され、第１分圧回路７ａを構成している。また、第２抵抗器５ｂは第２センサセル４ｓ_bに直列接続され、第２分圧回路７ｂを構成している。第１抵抗器５ａの温度係数と、第２抵抗器５ｂの温度係数とは、互いに等しい。

抵抗測定部３１は、第１分圧回路７ａの分圧、すなわち第１抵抗器５ａによる電圧降下Ｖ_O1を測定する。また、第２分圧回路７ｂの分圧、すなわち第２抵抗器５ｂによる電圧降下Ｖ_O2を測定する。そして、これら測定した２つの電圧降下Ｖ_O1,Ｖ_O2の測定値を用いて、オン抵抗Ｒ_xを算出している。

オン抵抗Ｒ_xの具体的な算出方法について説明する。第１センサセル４ｓ_aの素子数をＮ₁（本形態では２個）、第２センサセル４ｓ_bの素子数をＮ₂（本形態では２個）とする。また、１個のセンサセル４ｓのオン抵抗をＲ_xとする。このようにすると、並列接続された複数の第１センサセル４ｓ_a全体の抵抗値はＲ_x／Ｎ₁となり、並列接続された複数の第２センサセル４ｓ_ｂ全体の抵抗値はＲ_x／Ｎ₂となる。また、半導体素子２に加わる電圧をＶ_ds、第１抵抗器５ａの抵抗値をＲ₁とする。電圧降下Ｖ_O1は、第１抵抗器５ａによる分圧なので、
Ｖ_O1＝Ｒ₁／（Ｒ_x／Ｎ₁＋Ｒ₁）Ｖ_ds ・・・（１）
と表すことができる。同様に、第２抵抗器５ｂの抵抗値をＲ₂とすると、第２抵抗器５ｂによる電圧降下Ｖ_O2は、
Ｖ_O2＝Ｒ₂／（Ｒ_x／Ｎ₂＋Ｒ₂）Ｖ_ds ・・・（２）
と表すことができる。

上記数式（１）（２）から、
Ｖ_ds＝（Ｒ_x／Ｎ₁＋Ｒ₁）Ｖ_O1／Ｒ₁ ・・・（１）’
Ｖ_ds＝（Ｒ_x／Ｎ₂＋Ｒ₂）Ｖ_O2／Ｒ₂ ・・・（２）’
これらの式の右辺は互いに等しいので、
（Ｒ_x／Ｎ₁＋Ｒ₁）Ｖ_O1／Ｒ₁＝（Ｒ_x／Ｎ₂＋Ｒ₂）Ｖ_O2／Ｒ₂
となる。この式を解くと、
Ｒ_x＝（Ｖ_O2-Ｖ_O1）｛Ｒ₁Ｒ₂Ｎ₁Ｎ₂/(Ｒ₂Ｎ₂Ｖ_O1-Ｒ₁Ｎ₁Ｖ_O2）｝ ・・・（３）
を導くことができる。この式を用いて、オン抵抗Ｒ_xを算出することができる。

一方、図２に示すごとく、本形態では、マイコン３０を用いて抵抗測定部３１及び温度算出部３２を構成している。マイコン３０は、図９に示すごとく、ＣＰＵ３３と、ＲＯＭ３４と、ＲＡＭ３５と、Ａ／Ｄコンバータ３６とを備える。Ａ／Ｄコンバータ３６は、電圧降下Ｖ_O1，Ｖ_O2を測定するために設けられている。ＲＯＭ３４は、プログラム３４ｐを記憶している。ＣＰＵ３３がプログラム３４ｐを読み出して実行することにより、本形態の抵抗測定部３１及び温度算出部３２が実現される。

次に、図７を用いて、上記半導体モジュール２０の構造について説明する。本形態の半導体モジュール２０は、半導体素子２を内蔵する本体部２２と、該本体部２２から突出したパワー端子２１と、制御部３に接続する制御端子２３とを備える。パワー端子２１には、半導体素子２のソース電極に接続したソース端子２１ｓと、ドレイン電極に接続したドレイン端子２１ｄとがある。ドレイン端子２１ｄは、全てのセル４のドレイン電極に電気接続している。ソース端子２１ｓは、センサセル４ｓ以外のセル４のソース電極に接続している。

また、制御端子２３の一部は、センサセル４ｓに接続したセンサ用端子２３ｓとなっている。センサ用端子２３ｓは、センサセル４ｓのソース電極に接続している。このセンサ用端子２３ｓを介して、センサセル４ｓと抵抗器５ａ，５ｂとを接続してある。

次に、本形態の作用効果について説明する。図１、図２に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、センサセル４ｓのオン抵抗Ｒ_xを測定する抵抗測定部３１と、その測定値を用いて半導体素子２の温度を算出する温度算出部３２とを備える。
そのため、半導体素子２を小型化することができる。すなわち、センサセル４ｓのオン抵抗Ｒ_xと、半導体素子２の温度Ｔとの間には一定の関係（図３参照）がある。したがって、オン抵抗Ｒ_xを測定すれば、この関係を利用して、半導体素子２の温度を算出することができる。そのため、従来のように半導体素子２に感温ダイオードを形成する必要がなくなり、半導体素子２を小型化することが可能になる。
また、本形態では、半導体素子２に感温ダイオードを形成するための工程を行わなくてすむため、半導体素子２の製造工程数を低減でき、歩留まりを高めることが可能になる。そのため、半導体素子２の製造コストを低減することができる。

また、半導体素子２内には温度分布があるが、本形態ではセンサセル４ｓを用いて温度Ｔを求めているため、半導体素子２内の平均的な温度ではなく、半導体素子２内における、センサセル４ｓが形成された部位の温度Ｔを測定することができる。

また、本形態の電力変換装置１は、図２に示すごとく、互いに抵抗値が異なる、第１抵抗器５ａと第２抵抗器５ｂとの２つの抵抗器５を備える。抵抗測定部３１は、第１抵抗器５ａによる電圧降下Ｖ_O1と、第２抵抗器５ｂによる電圧降下Ｖ_O2とを測定する。そして、これら２つの電圧降下Ｖ_O1，Ｖ_O2の測定値を用いて、オン抵抗Ｒ_xを算出するよう構成されている。
センサセル４ｓに加わる電圧と、センサセル４ｓを流れる電流と、センサセル４ｓのオン抵抗Ｒ_xとは、オームの法則を満たす。そのため、センサセル４ｓに加わる電圧と電流とを求めることができれば、オン抵抗Ｒ_xを算出することができる。つまり、オン抵抗Ｒ_xを算出する際に必要となる未知数は２つである。本形態では、上記２つの電圧降下Ｖ_O1，Ｖ_O2を測定しているため、回路方程式を２つ立てることができる。そのため、未知数が２つあっても、オン抵抗Ｒ_xを算出することができる。

また、本形態では、第１センサセル４ｓ_aと第２センサセル４ｓ_bとを、半導体素子２内において互いに隣り合う位置に形成してある。
半導体素子２内には温度分布があるが、２種類のセンサセル４ｓ_a，４ｓ_bを互いに隣り合う位置に形成することにより、これらのセンサセル４ｓ_a，４ｓ_bの温度を、互いに殆ど等しくすることができる。そのため、センサセル４ｓ_a，４ｓ_bの温度を正確に測定することが可能になる。

また、本形態では、第１抵抗器５ａの温度係数と、第２抵抗器５ｂの温度係数とを、互いに等しくしてある。
そのため、抵抗器５ａ，５ｂの周囲に設けられた他の電子部品や、半導体素子２等から伝わる熱によって、抵抗器５ａ，５ｂの温度が変化した場合でも、これらの抵抗器５ａ，５ｂの、温度による抵抗値の変化の影響を小さくすることができる。

また、本形態では、半導体素子２としてＭＯＳＦＥＴを用いている。ＭＯＳＦＥＴは、図６に示すごとく、半導体素子２に加わる電圧Ｖ_dsと、電流Ｉとが略比例関係になる特性がある。つまり、電圧Ｖ_dsが変化しても、オン抵抗Ｒ_xは略一定である。そのため、オン抵抗Ｒ_xを測定しやすい。

以上のごとく、本形態によれば、半導体素子を小型化できる電力変換装置を提供することができる。

以下の実施形態においては、図面に用いた符号のうち、実施形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態１と同様の構成要素等を表す。

（実施形態２）
本形態は、第１抵抗器５ａの抵抗値Ｒ₁を変更すると共に、オン抵抗Ｒ_xを算出するための数式を変更した例である。図１０、図１１に示すごとく、本形態では、第１抵抗器５ａの抵抗値Ｒ₁を、オン抵抗Ｒ_xよりも充分大きくしてある。このようにすると、第１抵抗器５ａによる電圧降下Ｖ_O1は、半導体素子２に加わる電圧Ｖ_dsと殆ど等しくなる。
Ｖ_O1≒Ｖ_ds ・・・（４）

第２抵抗器５ｂの電圧降下Ｖ_O2は、実施形態１と同様に、
Ｖ_O2＝Ｒ₂／（Ｒ_x／Ｎ₂＋Ｒ₂）Ｖ_ds ・・・（２）
と表すことができる。上記数式（２）、（４）から、
Ｖ_O2＝Ｒ₂／（Ｒ_x／Ｎ₂＋Ｒ₂）Ｖ_O1
となる。この数式を変形することにより、下記数式を得ることができる。
Ｒ_x＝Ｎ₂Ｒ₂（Ｖ_O1-Ｖ_O2）／Ｖ_O2 ・・・（５）
この数式を用いてオン抵抗Ｒ_xを算出し、半導体素子２の温度Ｔを求めることができる。

本形態の作用効果について説明する。本形態では、上記数式（５）を用いてオン抵抗Ｒ_xを算出することができる。この数式（５）は、実施形態１の数式（３）よりも簡素である。そのため、オン抵抗Ｒ_xをより短時間で算出することができる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態３）
本形態は、電力変換装置１の回路構成を変更した例である。図１２、図１３に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、第１抵抗器５ａと第２抵抗器５ｂとの２つの抵抗器５と、オペアンプ１０とを備える。また、図１３に示すごとく、２つの抵抗器５ａ，５ｂは、それぞれセンサセル４ｓに直列に接続している。第１抵抗器５ａとオペアンプ１０とによって電流測定回路７０が構成されている。第１抵抗器５ａは、オペアンプ１０の反転入力端子１１と出力端子１３との間に接続している。オペアンプ１０の非反転入力端子１２は接地されている。

本形態における、センサセル４ｓのオン抵抗Ｒ_xの算出方法について説明する。センサセル４ｓ以外のセル４の数をＮ、第１センサセル４ｓ_aの数をＮ₁（本形態では２個）、半導体素子２のドレイン-ソース間を流れる電流（センサセル４ｓは除く）をＩ_d、第１センサセル４ｓ_a及び抵抗器５ａを流れる電流をＩ_Oとすると、
Ｉ_O＝Ｉ_dＮ₁／Ｎ
となる。また、反転入力端子１１の電位は、オペアンプ１０の特性であるバーチャルショートにより、０Ｖに保持される。そのため、抵抗測定部３１によって測定されるオペアンプ１０の出力は、第１抵抗器５ａによる電圧降下Ｖ_O1となる。
−Ｖ_O1＝Ｉ_OＲ₁＝Ｉ_d（Ｎ₁／Ｎ）Ｒ₁
これから、半導体素子２の電流Ｉ_dは、
Ｉ_d＝−Ｖ_O1Ｎ／（Ｒ₁Ｎ₁） ・・・（６）
となる。

一方、半導体素子２全体の抵抗値は、Ｒ_x／Ｎとなる。そのため、半導体素子２に加わる電圧Ｖ_dsは、
Ｖ_ds＝Ｒ_x／ＮＩ_d
として表すことができる。
また、第２センサセル４ｓ_bのセル数をＮ₂（本形態では２個）とする。第２抵抗器５ｂによる電圧降下Ｖ_O2は、Ｖ_dsを第２抵抗器５ｂによって分圧した値なので、
Ｖ_O2＝Ｖ_dsＲ₂／（Ｒ_x／Ｎ₂＋Ｒ₂）
＝Ｒ_x／ＮＩ_dＲ₂／（Ｒ_X／Ｎ₂＋Ｒ₂）
として、電圧降下Ｖ_O2を表すことができる。

したがって、Ｒ_xは、
Ｒ_x＝ＮＲ₂Ｖ_O2/｛Ｒ₂Ｉ_d―（Ｎ／Ｎ₂）Ｖ_O2｝
と表すことができる。この数式に上記数式（６）を代入すると、
Ｒ_x＝-Ｖ_O2Ｒ₁Ｒ₂Ｎ₁Ｎ₂／（Ｖ_O1Ｒ₂Ｎ₂＋Ｖ_O2Ｒ₁Ｎ₁）
となる。この数式を用いてＲ_xを算出し、半導体素子２の温度Ｔを求めることができる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態４）
本形態は、電力変換装置１の回路構成を変更した例である。本形態では図１４、図１５に示すごとく、センサセル４ｓに可変抵抗器６を直列接続してある。可変抵抗器６は、第１抵抗器５ａと第２抵抗器５ｂとの２個の抵抗器５を備える。これら２個の抵抗器５は、互いに直列に接続されている。第２抵抗器５ｂには、スイッチ６０が並列接続している。

可変抵抗器６は、第１抵抗値Ｒ_Aと第２抵抗値Ｒ_Bとの間で抵抗値を切替可能に構成されている。第１抵抗値Ｒ_Aは、スイッチ６０をオンしたときにおける抵抗値であり、第２抵抗値Ｒ_Bは、スイッチ６０をオフしたときにおける抵抗値である。図１６に示すごとく、本形態では、半導体素子２をオンしているときにスイッチ６０を少なくとも１回、オンオフ動作させる。

図１５に示すごとく、２個の抵抗器５ａ，５ｂは直列に接続しているため、スイッチ６０をオンしたときの抵抗値、すなわち第１抵抗値Ｒ_Aは、Ｒ₁となる。また、スイッチをオフしたときの抵抗値、すなわち第２抵抗値Ｒ_Bは、Ｒ₁＋Ｒ₂となる。

次に、本形態における、センサセル４ｓのオン抵抗Ｒ_xの算出方法について説明する。本形態では、まず、半導体素子２をオンしているときに、スイッチ６０をオンし、可変抵抗器６の抵抗値を第１抵抗値Ｒ_Aにする。そして、この状態で、可変抵抗器６による電圧降下Ｖ_O1を測定する。ここで、センサセル４ｓの素子数をＮ₁（本形態では２個）、半導体素子２に加わる電圧をＶ_dsとすると、電圧降下Ｖ_O1は、可変抵抗器６による分圧なので、
Ｖ_O1＝Ｒ_A／（Ｒ_x／Ｎ₁＋Ｒ_A）Ｖ_ds
＝Ｒ₁／（Ｒ_X／Ｎ₁＋Ｒ₁）Ｖ_ds ・・・（７）
として表すことができる。

その後、スイッチ６０をオフし、可変抵抗器６の抵抗値を第２抵抗値Ｒ_Bにする。そして、この状態で、可変抵抗器６による電圧降下Ｖ_O2を測定する。
Ｖ_O2＝Ｒ_B／（Ｒ_x／Ｎ₁＋Ｒ_B）Ｖ_ds
＝（Ｒ₁＋Ｒ₂）／（Ｒ_x／Ｎ₁＋Ｒ₁＋Ｒ₂）Ｖ_ds ・・・（８）

上記数式（７）、（８）から、オン抵抗Ｒ_xは、
Ｒ_x＝Ｒ₁（Ｒ₁＋Ｒ₂）（Ｖ_O2−Ｖ_O1）Ｎ₁／｛Ｖ_O1（Ｒ₁＋Ｒ₂）−Ｖ_O2Ｒ₁｝
として表すことができる。このオン抵抗Ｒ_xを用いて、半導体素子２の温度Ｔを求めることができる。

本形態の作用効果について説明する。実施形態１〜３のように、２個の抵抗器５ａ，５ｂを設け、各抵抗器５ａ，５ｂを別々のセンサセル４ｓ_a，４ｓ_bに接続する場合は、半導体モジュール２０に、これらを接続するためのセンサ用端子２３ｓを２本形成する必要がある。これに対して、本形態のようにセンサセル４ｓを可変抵抗器６に接続すれば、センサ用端子２３ｓの数を一本にすることが可能になる。そのため、半導体モジュール２０の製造コストを低減できる。

また、実施形態１〜３では、少なくとも２個のセンサセル４ｓが必要になるが、本形態では、センサセル４ｓの数を１個にすることができる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態５）
本形態は、可変抵抗器６の構成を変更した例である。図１７、図１８に示すごとく、本形態では実施形態４と同様に、センサセル４ｓに可変抵抗器６を直列に接続してある。

可変抵抗器６は、第１抵抗器５ａと第２抵抗器５ｂとの２個の抵抗器５を備える。これら２個の抵抗器５ａ，５ｂは、互いに並列に接続している。第２抵抗器５ｂに、スイッチ６０が直列接続している。可変抵抗器６は、抵抗値を、第１抵抗値Ｒ_Aと第２抵抗値Ｒ_Bとの間で切り替え可能に構成されている。第１抵抗値Ｒ_Aは、スイッチ６０をオンしたときにおける抵抗値であり、第２抵抗値Ｒ_Bは、スイッチ６０をオフしたときにおける抵抗値である。

図１８に示すごとく、第１抵抗器５ａと第２抵抗器５ｂとは並列に接続しているため、スイッチ６０をオンしたときの抵抗値、すなわち第１抵抗値Ｒ_Aは、
Ｒ_A＝Ｒ₁Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）
となる。また、スイッチ６０をオフしたときの抵抗値、すなわち第２抵抗値Ｒ_Bは、
Ｒ_B＝Ｒ₁
となる。

次に、本形態における、センサセル４ｓのオン抵抗Ｒ_xの測定方法について説明する。本形態では、半導体素子２をオンしているときに、スイッチ６０をオンオフ動作させ、可変抵抗器６の抵抗値を切り替える。そして、可変抵抗器６による電圧降下Ｖ_O1，Ｖ_O2を測定する。

センサセル４ｓのセル数をＮ₁とする。電圧降下Ｖ_Oは、可変抵抗器６による分圧である。そのため、スイッチ６０をオンしたときにおける、可変抵抗器６の電圧降下Ｖ_O1は、
Ｖ_O1＝Ｒ_A｛Ｒ_X／Ｎ₁＋Ｒ_A｝Ｖ_ds
＝Ｒ₁Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）／｛Ｒ_X／Ｎ₁＋Ｒ₁Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）｝Ｖ_ds
と表すことができる。同様に、スイッチ６０をオフしたときにおける、可変抵抗器６の電圧降下Ｖ_O2は、
Ｖ_O2＝Ｒ₁／（Ｒ_x／Ｎ₁＋Ｒ₁）Ｖ_ds
として表すことができる。これらの式から、センサセル４ｓのオン抵抗Ｒ_xは、
Ｒ_x＝Ｒ₁Ｒ₂（Ｖ_O1−Ｖ_O2）Ｎ₁／｛Ｒ₂Ｖ_O2−（Ｒ₁＋Ｒ₂）Ｖ_O1｝
となる。この式を用いてオン抵抗Ｒ_xを算出し、半導体素子２の温度を測定することができる。
その他、実施形態４と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態６）
本形態は、電力変換装置１の回路構成を変更した例である。本形態では図１９、図２０に示すごとく、実施形態４と同様に、センサセル４ｓに可変抵抗器６を直列に接続してある。

可変抵抗器６は、抵抗器５とスイッチ６０とを備える。抵抗器５とスイッチ６０とは直列に接続されている。可変抵抗器６は、抵抗値を第１抵抗値Ｒ_Aと第２抵抗値Ｒ_Bとの間で切替可能に構成されている。第１抵抗値Ｒ_Aは、スイッチ６０をオンしたときにおける抵抗値であり、第２抵抗値Ｒ_Bは、スイッチ６０をオフしたときにおける抵抗値である。

スイッチ６０をオンしたときの抵抗値、すなわち第１抵抗値Ｒ_Aは、
Ｒ_A＝Ｒ₁
となる。また、スイッチ６０をオフしたときの抵抗値、すなわち第２抵抗値Ｒ_Bは、
Ｒ_B＝∞
となる。

次に、本形態における、センサセル４ｓのオン抵抗Ｒ_xの算出方法について説明する。本形態では、半導体素子２をオンしているときにスイッチ６０をオンオフし、可変抵抗器６の抵抗値を切り替えて、可変抵抗器６による電圧降下Ｖ_O1、Ｖ_O2を測定する。ここで、センサセル４ｓの素子数をＮ₁（本形態では２個）とする。電圧降下Ｖ_Oは、可変抵抗器６の分圧であるため、スイッチ６０をオンしたときの電圧降下Ｖ_O1は、
Ｖ_O1＝Ｒ_A／（Ｒ_x／Ｎ₁＋Ｒ_A）Ｖ_ds
＝Ｒ₁／（Ｒ_x／Ｎ₁＋Ｒ₁）Ｖ_ds
となる。同様に、スイッチ６０をオフしたときの電圧降下Ｖ_O2は、
Ｖ_O2＝Ｖ_ds
となる。これらの式から、オン抵抗Ｒ_xは、
Ｒ_x＝Ｎ₁Ｒ₁（Ｖ_O2／Ｖ_O1）
として表すことができる。この式を用いてオン抵抗Ｒ_xを算出し、半導体素子２の温度Ｔを求めることができる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態７）
本形態は、半導体素子２の構成を変更した例である。図２１、図２２に示すごとく、本形態の半導体素子２は、実施形態１と同様に、半導体モジュール２０に内蔵されている。半導体モジュール２０は、半導体素子２を内蔵する本体部２２と、該本体部２２から突出するパワー端子２１とを備える。パワー端子２１には、半導体素子２のドレイン電極Ｄに電気接続したドレイン端子２１ｄと、ソース電極Ｓに電気接続したソース端子２１ｓとがある。

半導体素子２は、互いに並列に接続した複数のセル４によって構成されている。これら複数のセル４の一部を、センサセル４ｓとしてある。センサセル４ｓには、上記第１抵抗器５ａに接続される第１センサセル４ｓ_aと、上記第２抵抗器５ｂに接続される第２センサセル４ｓ_bとがある。

図２１に示すごとく、本形態では、第１センサセル４ｓ_aと第２センサセル４ｓ_bとによってセンサセル群４０を構成してある。また、本形態では、第１センサセル群４０ａと第２センサセル群４０ｂとの、２個のセンサセル群４０を形成してある。１つのセンサセル群４０を構成する２種類のセンサセル４ｓ_a，４ｓ_bは、互いに隣り合っている。これら２種類のセンサセル４ｓ_a，４ｓ_bを用いて、半導体素子２内における、上記センサセル４ｓ_a，４ｓ_bを設けた部位の温度Ｔを測定するよう構成されている。

２つのパワー端子２１ｄ，２１ｓのいずれに対しても、第１センサセル群４０ａは相対的に近い位置に形成され、第２センサセル群４０ｂは相対的に遠い位置に形成されている。また、第１センサセル群４０ａは、半導体素子２の周縁部に形成され、第２センサセル群４０ｂは、半導体素子２の中央に形成されている。

図２２に示すごとく、ドレイン端子２１ｄは、ドレイン側放熱板２１１に接続している。ドレイン側放熱板２１１は、セル４のドレイン電極Ｄに接続している。センサセル４ｓのソース電極Ｓは、センサ用端子２３ｓに接続している。センサセル４ｓ以外のセル４のソース電極Ｓは、上記ソース端子２１ｓに電気接続している。

本発明の作用効果について説明する。電力変換装置１の使用条件によっては、パワー端子２１近傍のセル４が発熱しやすくなったり、半導体素子２の中央に設けられたセル４が発熱しやすくなったりする。そのため、上記２種類のセンサセル群４０ａ，４０ｂを形成することにより、より高温になりやすいセンサセル４ｓの温度を測定することが可能になる。

すなわち、電力変換装置１を使用すると、半導体素子２の中心部に熱がこもりやすく、温度が上がりやすい。温度が上昇した中心部のセル４はオン抵抗が高くなるため、電流は温度の低い周囲のセル４に流れやすくなる。さらに、パワー端子２１からの距離が短い方が、放熱板等の電気抵抗が小さいため、より電流が流れやすくなる。また、電流の高周波成分は、複数のセル４のうち、パワー端子２１との間に寄生するインダクタンスが小さいセル４に流れやすい。そのため、動作条件によってはパワー端子２１近傍のセル４に電流が流れやすくなり、このセル４が発熱しやすくなる。

また、高周波成分が少ない場合は、電流は、第１センサセル群４０ａと第２センサセル群４０ｂとを均等に流れる。しかし、第２センサセル群４０ｂは半導体素子２の中央に形成されているため、第２センサセル群４０ｂの方が、第１センサセル群４０ａよりも熱がこもりやすくなる。

このように、電力変換装置１の使用条件によっては、パワー端子２１近傍のセル４が発熱しやすくなったり、半導体素子２の中央に形成されたセル４が発熱しやすくなったりする。したがって、上記２種類のセンサセル群４０ａ，４０ｂを形成することにより、より高温になりやすいセンサセル４ｓの温度を測定することが可能になる。そのため、半導体素子２を高温から保護しやすくなる。

なお、本形態では第１センサセル群４０ａを、ソース端子２１ｓよりもドレイン端子２１ｄに近い位置に形成したが、ソース端子２１ｓに近い位置に形成してもよい。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

１ 電力変換装置
２ 半導体素子
３ 制御部
３１ 抵抗測定部
３２ 算出部
４ セル
４ｓ センサセル
Ｒ_x （センサセルの）オン抵抗
Ｔ （センサセルの）温度

Claims (6)

1. オンオフ動作する半導体素子（２）を備える電力変換装置（１）であって、
   上記半導体素子は、互いに並列接続した複数のセル（４）によって構成され、該複数のセルのうち一部の上記セルは、上記半導体素子を流れる電流の一部を取り出して測定するためのセンサセル（４ｓ）とされており、
   該センサセルのオン抵抗（Ｒ_x）を測定する抵抗測定部（３１）と、
   上記オン抵抗の測定値を用いて上記半導体素子の温度（Ｔ）を算出する温度算出部（３２）とを備える、電力変換装置。
2. 互いに抵抗値が異なる、第１抵抗器（５ａ）と第２抵抗器（５ｂ）との２つの抵抗器（５）を備え、上記センサセルには、上記第１抵抗器に直列接続した第１センサセル（４ｓ_a）と、上記第２抵抗器に直列接続した第２センサセル（４ｓ_b）とがあり、上記抵抗測定部は、上記第１抵抗器による電圧降下（Ｖ_O1）と、上記第２抵抗器による電圧降下（Ｖ_O2）とを測定し、これら２つの電圧降下の測定値を用いて上記オン抵抗を算出するよう構成されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記第１センサセルと上記第２センサセルとは、上記半導体素子内において互いに隣り合う位置に形成されている、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 上記第１抵抗器の温度係数と、上記第２抵抗器の温度係数とは互いに等しい、請求項２又は請求項３に記載の電力変換装置。
5. 第１抵抗値（Ｒ_A）と第２抵抗値（Ｒ_B）との間で抵抗値を切替可能な可変抵抗器（６）が上記センサセルに直列接続しており、上記抵抗測定部は、上記可変抵抗器の抵抗値を上記第１抵抗値にした状態で、上記可変抵抗器による電圧降下を測定すると共に、上記可変抵抗器の抵抗値を上記第２抵抗値にした状態で、上記可変抵抗器による電圧降下を測定し、これら２つの電圧降下の測定値を用いて上記オン抵抗を算出するよう構成されている、請求項１に記載の電力変換装置。
6. 上記半導体素子はＭＯＳＦＥＴである、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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