JP2022165803A - 電子制御システム及び電子制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ故障にも対応できる過熱保護機能を実現する。【解決手段】電子制御システムであって、電流を計測する第１計測部と、温度を計測する第２計測部と、電流又は温度を計測する第３計測部と、負荷への電力供給を制御するパワー半導体素子と、第１計測部と、第２計測部と、第３計測部による計測結果を用いて、パワー半導体素子の動作を制御する電子制御装置とを備え、パワー半導体素子の少なくとも一部は、第１計測部及び第２計測部を内蔵し、電子制御装置は、電流の計測値から温度を推定し、第１計測部の計測値と、第２計測部の計測値と、第３計測部の計測値とに基づいて、第１計測部、第２計測部及び第３計測部が正常か異常かを判定し、正常と判定される計測部の計測結果に従って、パワー半導体素子、及びパワー半導体素子の出力電流が流れるワイヤーハーネスの少なくとも一方の異常を検知する。【選択図】図１

Description

本発明は電子制御装置に関し、特にパワー半導体素子やワイヤーハーネスの過電流による過熱保護に関する。

従来、電子装置の過電流による過熱、発煙、火災を防止するためにフューズ、温度ヒューズ、ポリスイッチなどの保護素子が使用されている。また、パワー半導体素子が、内蔵する電流センサや温度センサによって、自身の過熱を検出して保護する機能を有するＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）やＩＰＤ（インテリジェントパワーディバイス）がある。

本技術分野の背景技術として、以下の先行技術がある。特許文献１（特開２０１０－２２６７８２号公報）には、バッテリと、ＩＰＭを含み旋回用電動機を駆動するインバータ回路を有するインバータユニット、及びＩＰＭを含みバッテリの充放電を行う昇降圧コンバータを有する昇降圧コンバータユニットと、インバータ回路及び昇降圧コンバータを制御するコントローラとを備え、インバータユニット及び昇降圧コンバータユニットは、ＩＰＭに内蔵された温度センサとは別に、ＩＰＭの温度を検出するための温度センサをＩＰＭの外部に有し、コントローラは、外部の温度センサによる温度検出結果が所定の閾値を超えた場合に、旋回用電動機への最大駆動電流を低下させ、或いはバッテリからの最大放電電流を低下させるハイブリッド型建設機械が記載されている（要約参照）。

また、特許文献２（特開２０１３－１８３５９５号公報）には、コンパレータを用いて、温度検出用のダイオードの順方向降下電圧を基準値と比べて過熱を判断すると同時に、増幅器と抵抗を用いたシリーズレギュレータ回路へ入力し、このシリーズレギュレータ回路の出力電圧を温度情報として温度情報外部端子へ出力する電力変換回路用半導体装置（ＩＰＭ）が記載されている（要約参照）。

また、特許文献３（国際公開２０１５／０５９７３５号）には、直流システム電源の電圧と予め設定された目標電圧との差に応じたデューティー比を有するＰＷＭ信号を出力する電源制御部と、ヒートシンクが取り付けられたスイッチング素子を含み、ＰＷＭ信号に基づきスイッチング素子をスイッチングして、外部から与えられる交流電源から直流システム電源を出力する電源回路と、を有し、電源制御部は、ヒートシンクに取り付けられた第１の温度センサから得た温度情報の変化率が保護開始温度変化率以上となる期間が予め設定した保護開始閾値時間以上となったことに応じて電源回路の保護機構を作動させる電源装置が記載されている（要約参照）。

特開２０１０－２２６７８２号公報 特開２０１３－１８３５９５号公報 国際公開２０１５／０５９７３５号

前述した背景技術のうち、特許文献２によれば、ＩＰＭ外部において半導体素子の温度を知ることができるので、特許文献１のように外部に温度センサを設ける必要がなくなり、特許文献３によれば半導体ジャンクションの温度をより高精度に推定できるためより高精度に確実な過熱保護が可能となる。

また、前述した背景技術では半導体素子を過熱から保護できるが、半導体素子により制御された電流が流れるワイヤーハーネスの過熱保護や、センサの故障へ対応できることが望まれている。

そこで本発明では、半導体素子の過熱保護の他に、ワイヤーハーネスの過熱保護、センサ故障にも対応できる過熱保護機能の実現を目的とする。

本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、電子制御システムであって、電流を計測する第１計測部と、温度を計測する第２計測部と、電流又は温度を計測する第３計測部と、負荷への電力供給を制御するパワー半導体素子と、前記第１計測部と、前記第２計測部と、前記第３計測部による計測結果を用いて、前記パワー半導体素子の動作を制御する電子制御装置とを備え、前記パワー半導体素子の少なくとも一部は、前記第１計測部及び前記第２計測部を内蔵し、前記電子制御装置は、電流の計測値から温度を推定し、前記第１計測部の計測値と、前記第２計測部の計測値と、前記第３計測部の計測値とに基づいて、前記第１計測部、前記第２計測部及び前記第３計測部が正常か異常かを判定し、前記正常と判定される計測部の計測結果に従って、前記パワー半導体素子、及び前記パワー半導体素子の出力電流が流れるワイヤーハーネスの少なくとも一方の異常を検知することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、パワー半導体素子やワイヤーハーネスの異常を検知できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明によって明らかにされる。

実施例１の電子制御システムの構成を示す図である。 選択部の動作例を示す図である。 選択部の動作例を示す図である。 選択部の動作例を示す図である。 実施例１の電子制御システムのマイクロプロセッサによる構成を示す図である。 実施例２の電子制御システムの構成を示す図である。 実施例３の電子制御システムの構成を示す図である。 個別電流算出部の動作原理を示す図である。 パワー半導体素子のＯＮ／ＯＦＦタイミングを示す図である。 個別電流算出部が実行する処理のフローチャートである。 個別電流算出部のハードウェア構成を示す図である。 個別電流算出部のハードウェア構成を示す図である。 実施例３の電子制御システムの変形例の構成を示す図である。 実施例３の電子制御システムの変形例の構成を示す図である。 実施例３の電子制御システムの変形例の構成を示す図である。 パワー半導体素子を熱的に結合してプリント基板に実装する例を示す図である。 パワー半導体素子を熱的に結合してプリント基板に実装する例を示す図である。 実施例４の電子制御システムの構成を示す図である。 実施例５の電子制御システムの構成を示す図である。 実施例５の電子制御システムの別の構成例を示す図である。 車両全体の電子制御システムの構成図である。

まず、本発明の実施例の概要を説明する。
（１）パワー半導体素子１００－１等に内蔵される内蔵温度センサ及び内蔵電流センサ１０１－１の他に、パワー半導体素子１００－１等の外部に外付け電流センサ２０１－１を設ける。

そして、１センサが故障しても動作継続可能とするフェイルオペレーショナルのために、以下の構成とする。
（２）パワー半導体素子温度推定部が、内蔵電流センサ１０１－１の計測値及び外付け電流センサ２０１－１の計測値から温度を推定し、これらの温度推定値と内蔵温度センサの計測値の三つを比較し、所定の誤差範囲内であれば正常と判定し、所定の誤差範囲を超える差があれば異常と判定する。
（３）正常と判定された温度値に基づいて、パワー半導体素子１００－１等の異常を検知し、正常と判定された電流値によりワイヤーハーネス３００の温度を推定し、該温度推定値に基づいてワイヤーハーネス３００の異常を検知し、加熱から保護する。

１センサが故障した場合には安全側の動作をするフェイルセーフのために、以下の構成とする。
（２）外付け電流センサ２０１－１の計測値からパワー半導体素子温度推定部により温度を推定する。
（３）内蔵温度センサの計測値、外付け電流センサ２０１－１の計測値による温度推定値のいずれか大きい値に基づいて、パワー半導体素子１００－１等の異常を検知し、内蔵電流センサ１０１－１の計測値、外付け電流センサ２０１－１の計測値のいずれか大きい値に基づいて、ワイヤーハーネス３００の温度を推定し、該温度推定値に基づいて、ワイヤーハーネス３００の異常を検知し、加熱から保護する。

以下、図を参照して、本発明の実施例について説明する。

＜実施例１＞
図１は、本発明の基本的な実施例の電子制御システムの構成を示す図である。

パワー半導体素子１００－１～１００－ｎは、マイクロプロセッサ２５０（図５参照）からの指令によって、補機バッテリ６００からの電力のＯＮ又はＯＦＦを制御し、ワイヤーハーネス３００を介して負荷４００－１～４００－ｎへの電力供給を制御する。なお、ワイヤーハーネス３００は、多くの場合、複数の電線が束ねられて構成されており、束線の中に負荷に電力を供給する線と信号をやり取りする信号線や通信線を含む。

パワー半導体素子１００－１～１００－ｎには、それぞれ電流センサ１０１－１～１０１－ｎと、温度センサ１０２－１～１０２ーｎが内蔵される。パワー半導体素子１００－１～１００－ｎの外部には電流センサ２０１－１～２０１－ｎとしてシャント抵抗が設けられる。パワー素子温度推定部２０２－１～２０２－ｎは、電流センサ２０１－１～２０１－ｎとしてのシャント抵抗の両端の電圧降下に基づいて、パワー半導体素子１００－１～１００－ｎの温度を推定する。パワー素子温度推定部２０３－１～２０３－ｎは、パワー半導体素子１００－１～１００－ｎ内蔵の電流センサ１０１－１～１０１－ｎの出力に基づいて、パワー半導体素子１００－１～１００－ｎの温度を推定する。

比較部２０５－１～２０５－ｎは、パワー素子温度推定部２０３－１～２０３－ｎによる推定温度（内蔵電流センサ１０１－１の測定値から推定される温度）とパワー半導体素子１００－１～１００－ｎ内蔵の温度センサ１０２－１～１０２－ｎの出力とを比較する。比較部２０６－１～２０６－ｎは、パワー素子温度推定部２０２－１～２０２－ｎによる推定温度（シャント抵抗の測定値から推定される温度）とパワー半導体素子１００－１～１００－ｎ内蔵の温度センサ１０２－１～１０２－ｎの出力とを比較する。

パワー素子過熱保護部２０７－１～２０７－ｎは、比較部２０４－１～２０４－ｎ、２０５－１～２０５－ｎ及び２０６－１～２０６－ｎによる比較結果に基づいて、正常と推定される温度値を選択部ＳＥＬで選択して、パワー素子の異常を検知し、過熱から保護する。ワイヤーハーネス過熱保護部２０８は、比較部２０４－１～２０４－ｎ、２０５－１～２０５－ｎ及び２０６－１～２０６－ｎによる比較結果に基づいて、正常と推定される温度値を選択部ＳＥＬで選択して、ワイヤーハーネス３００の異常を検知し、過熱から保護する。

具体的には、パワー素子過熱保護部２０７－１～２０７－ｎは、選択部ＳＥＬで選択された入力（パワー半導体素子１００－１～１００－ｎの温度の実測値又は推定値）が所定の温度に近づいた場合に警告を報知したり、出力電流を減じたりして、また、所定の温度を超えた場合に電流を遮断する。ワイヤーハーネス過熱保護部２０８は、選択部ＳＥＬで選択された入力（電流の実測値）からワイヤーハーネス３００の温度を推定し、推定値が所定の温度に近づいた場合に警告を報知したり、出力電流を減じたりして、また、所定の温度を超えた場合に電流を遮断する。

図２から図４は、パワー素子過熱保護部２０７－１～２０７－ｎ及びワイヤーハーネス過熱保護部２０８の選択部ＳＥＬの動作例を示す図である。Ａ、Ｂ、Ｃは各センサを示しており、例えばセンサＡが電流センサ２０１－１～２０１－ｎであり、センサＢが電流センサ１０１－１～１０１－ｎであり、センサＣが温度センサ１０２－１～１０２－ｎである。また、Ａ：Ｂは、電流センサ２０１－１～２０１－ｎと電流センサ１０１－１～１０１－ｎの比較結果、即ち比較部２０４－１～２０４－ｎの出力を示す。同様に、Ｂ：Ｃは電流センサ１０１－１～１０１－ｎと温度センサ１０２－１～１０２－ｎの比較結果、即ち比較部２０５－１～２０５－ｎの出力を示し、Ｃ：Ａは、温度センサ１０２－１～１０２－ｎと電流センサ２０１－１～２０１－ｎの比較結果、即ち比較部２０６－１～２０６－ｎの出力を示す。「≒」は両者の値が予め定められた許容差の範囲内にあり、「≠」は両者の値が許容差の範囲外であることを示す。

図２は、センサＡ＞センサＢ＞センサＣの順で優先する例である。センサＢである電流センサ１０１－１～１０１－ｎと、センサＣである温度センサ１０２－１～１０２－ｎはパワー半導体素子１００－１～１００－ｎに内蔵されているため、単一原因故障（ｃｏｍｍｏｎ ｃａｕｓｅ ｆａｉｌｕｒｅ）が発生する可能性がある。このため、パワー半導体素子１００－１～１００－ｎの外に設けられたセンサＡである電流センサ２０１－１～２０１－ｎの出力を優先することが望ましい。また、センサＣである温度センサ１０２－１～１０２－ｎは、パワー半導体素子１００－１～１００－ｎの熱的応答による遅れが生じるので、センサＣである温度センサ１０２－１～１０２－ｎよりもセンサＢである電流センサ１０１－１～１０１－ｎの出力を優先することが望ましい。Ｃａｓｅ１では全てのセンサが正常であるため、優先度が高いセンサＡを選択する。Ｃａｓｅ２ではセンサＡ及びセンサＢが正常であり、センサＣが異常であるため、優先度が高いセンサＡを選択する。Ｃａｓｅ３では、センサＡ及びセンサＣが正常であり、センサＢが異常であるため、優先度が高いセンサＡを選択する。Ｃａｓｅ４ではセンサＢ及びセンサＣが正常であり、センサＡが異常であるため、センサＡの次に優先度が高いセンサＢを選択する。Ｃａｓｅ５では少なくとも二つ以上のセンサが異常で、正常なセンサを特定できないため、予防的に電流を遮断する。

図３は、正常と判定されたセンサの値の平均値をとる例であり、図４は、三つのセンサが正常と判定された場合（Ｃａｓｅ１）には中間値を採用し、二つのセンサが正常と判定された場合（Ｃａｓｅ２～４）には平均値を採用する例である。

電流の増加によってパワー素子の温度が変化した時点で、既に電流の増加からの遅れが生じているため、保護動作の即応性という観点から、ワイヤーハーネス過熱保護部２０８は、パワー素子温度からワイヤーハーネス３００の温度を推定するより、電流値からワイヤーハーネス３００の温度を推定する方が望ましい。このため、前述した図２から図４の例のうち、図３の例が望ましい。

パワー素子過熱保護部２０７－１～２０７－ｎは、保護動作の即応性の観点からは前述した図２から図４の例の優劣はない。一方、計測誤差を小さくする観点からは、平均値や中間値を採用する図３、図４の例が望ましい。また、図２から図４の例の他に、三つのセンサの値の中間値を採用する方法もあるが、この方法ではＣａｓｅ５：少なくとも二つ以上のセンサが異常で、正常なセンサを特定できない場合には対応できない。

なお、パワー素子温度推定部２０２－１～２０２－ｎ、パワー素子温度推定部２０３－１～２０３－ｎ、比較部２０４－１～２０４－ｎ、比較部２０５－１～２０５－ｎ、比較部２０６－１～２０６－ｎ、パワー素子過熱保護部２０７－１～２０７－ｎ及びワイヤーハーネス過熱保護部２０８は、図５に示すように、マイクロプロセッサ２５０及びマイクロプロセッサ２５０が実行するソフトウェアで実現できる。

本実施例によれば、一つのセンサが故障しても動作を継続可能なフェイルオペレーショナルを実現できる。

＜実施例２＞
図６は、実施例２の電子制御システムの構成を示す図である。実施例２は、異常発生時には動作を停止するフェイルセーフを実現する。

本実施例によれば、いずれかのセンサが電流や温度を実際より低い値を出力する故障が発生した場合に、正常なセンサの値によってパワー半導体素子１００－１～１００－ｎやワイヤーハーネス３００の過熱保護動作が可能であるが、いずれかのセンサが電流や温度を実際より高い値を出力する故障が発生した場合には、予防的な過熱保護のために電流を遮断する。この電流遮断によって、センサの故障によりパワー半導体素子１００－１～１００－ｎやワイヤーハーネス３００の過熱や発煙などの危険事象の発生を回避できる。

本実施例によれば、フェイルオペレーショナルを実現できないが、パワー素子温度推定部２０３－１～２０３－ｎ、比較部２０４－１～２０４－ｎ、比較部２０５－１～２０５－ｎ及び比較部２０６－１～２０６－ｎを設けなくても、フェイルセーフを実現できる。

なお、パワー半導体素子１００－１～１００－ｎやワイヤーハーネス３００の温度推定にパワー半導体素子１００－１～１００－ｎ内蔵の電流センサ１０１－１～１０１－ｎではなく電流センサ２０１－１～２０１－ｎを用いる理由は、電流センサ１０１－１～１０１－ｎ及び温度センサ１０２－１～１０２－ｎは同じパワー半導体素子１００－１～１００－ｎに内蔵されているので、単一原因故障（ｃｏｍｍｏｎ ｃａｕｓｅ ｆａｉｌｕｒｅ）が発生する可能性があるからである。

＜実施例３＞
図７は、実施例３の電子制御システムの構成を示す図である。実施例３では、電流センサ２０１－１としてのシャント抵抗によりパワー半導体素子１００－１～１００－ｎに流れる合計電流を計測する。

個別電流算出部２０９は、パワー素子ＯＮ／ＯＦＦ情報を用いてパワー半導体素子１００－１～１００－ｎそれぞれに流れる個別電流を推定して、パワー素子過熱保護部２０７－１～２０７－ｎ及びワイヤーハーネス過熱保護部２０８を動作させる。

図８は、個別電流算出部２０９の動作原理を示す図である。例えば、ｊ番目のパワー半導体素子１００－ｊがＯＦＦからＯＮに変化した時の、合計電流Ｉ＿ａｌｌの変化量がパワー半導体素子１００－ｊに流れる電流Ｉ［ｊ］である。また、パワー半導体素子１００－ｊの負荷が純抵抗であれば、（１）に示すようにステップ的に電流が変化するが、パワー半導体素子１００－ｊの負荷が誘導性負荷や容量性負荷であれば、（２）や（３）に示すように、パワー半導体素子１００－ｊのＯＮ／ＯＦＦ情報の変化前の電流の延長線と所定時間経過後の電流との差をパワー半導体素子１００－ｊに流れる電流Ｉ［ｊ］とするとよい。

また、図９（１）に示すように、複数のパワー半導体素子１００－１～１００－ｎが同時にＯＮ／ＯＦＦを切り替えると、各パワー半導体素子１００－１～１００－ｎの電流を算出できないため、図９（２）に示すように、各パワー半導体素子１００－１～１００－ｎを異なるタイミングでＯＮ／ＯＦＦさせるとよい。現在の技術で電流サンプリングの時間分解能１ｍｓは容易に実現可能なことから、例えば、１０個のパワー半導体素子をＯＮ／ＯＦＦする場合、１ｍｓごとに一つのパワー半導体素子をＯＮ／ＯＦＦさせれば、１０ｍｓで全てのパワー半導体素子をＯＮ／ＯＦＦを切り替えられ、全てのパワー半導体素子をＯＮ／ＯＦＦ切り替えに１０ｍｓを要しても実用上問題とならない。

図１０は、個別電流算出部２０９が実行する処理のフローチャートである。

まず、個別電流算出部２０９は、パワー素子ＯＮ／ＯＦＦ情報ＯＮ＿ＰＴＮ［０］～ＯＮ＿ＰＴＮ［Ｎ］と電流センサ２０１－１の出力値から計算された合計電流Ｉ＿ａｌｌを取得する。その後、パワー素子ＯＮ／ＯＦＦ情報の各要素ＯＮ＿ＰＴＮ［０］～ＯＮ＿ＰＴＮ［Ｎ］の中から変化の有無を特定し、Ｉ＿ａｌｌの変化値を、変化した要素ＯＮ＿ＰＴＮ［ｊ］に対応する電流Ｉ［ｊ］とする。

図１１Ａ、図１１Ｂは、個別電流算出部２０９がパワー素子ＯＮ／ＯＦＦ情報の変化点を検出するためのハードウェア構成を示す図である。パワー素子ＯＮ／ＯＦＦ情報のＯＮ＿ＰＴＮ［０］～ＯＮ＿ＰＴＮ［ｎ］の各々をＤ－ＦＦに入力し、このＤ－ＦＦをクロックＣＬＫ毎にラッチした値と、パワー素子ＯＮ／ＯＦＦ情報のＯＮ＿ＰＴＮ［０］～ＯＮ＿ＰＴＮ［ｎ］とを排他的論理和（ＸＯＲ）に入力する。パワー素子ＯＮ／ＯＦＦ情報のＯＮ＿ＰＴＮ［０］～ＯＮ＿ＰＴＮ［ｎ］の変化点で、排他的論理和の出力がＨとなる。この排他的論理和のｎ個の出力を論理和（ＯＲ）によってＴＲＩＧＧＥＲ信号を生成する。このＴＲＩＧＧＥＲ信号は、パワー素子ＯＮ／ＯＦＦ情報のＯＮ＿ＰＴＮ［０］～ＯＮ＿ＰＴＮ［ｎ］のいずれかの変化点でＨとなる。

また、Ｉ＿ａｌｌをクロックＣＬＫのタイミングでＡＤ変換して、クロックＣＬＫでラッチした２段のＤ－ＦＦに入力すると、の現在Ｉ＿ａｌｌと１クロック前のＩ＿ａｌｌ＿ｏｌｄが得られる。ＴＲＩＧＧＥＲ信号がＨとなったタイミングのＩ＿ａｌｌと１クロック前のＩ＿ａｌｌ＿ｏｌｄの差がＩ＿ａｌｌの変化値となる。

実施例３によれば、電流検出のためのシャント抵抗の数を削減でき、コストを低減できる。

図１２は、実施例３の電子制御システムの変形例の構成を示す図である。本変形例では、ワイヤーハーネス３００－１～３００－ｍごとに電流センサ２０１－１～２０１－ｍとしてのシャント抵抗を設ける。本変形例によれば、ワイヤーハーネス３００－１～３００－ｍごとに電流を検出するシャント抵抗を設けることによって、電流検出のためのシャント抵抗の数を削減でき、コストを低減できる。個別電流算出誤差は、ワイヤーハーネス３００－１～３００－ｍを構成する各々の電線の温度推定誤差に影響するが、一束のワイヤーハーネス３００－１～３００－ｍの各々に流れる電流の合計値はシャント抵抗に流れる電流と等しくなるため、ワイヤーハーネス全体を一纏まりの導体と見た場合の温度推定誤差はそれほど大きくならない。

図１３は、実施例３の電子制御システムの別の変形例の構成を示す図である。本変形例では、ワイヤーハーネス３００の分岐した枝３０１－１～３０１－ｍごとに電流センサ２０１－１～２０１－ｍとしてのシャント抵抗を設ける。本変形例によれば、電流を検出するシャント抵抗の数を削減でき、コストを低減できる。個別電流算出誤差は、ワイヤーハーネス３００を構成する個々の電線の温度推定誤差に影響するが、分岐した枝３０１－１～３０１－ｍの各々に流れる電流の合計値はシャント抵抗に流れる電流と等しくなるため、分岐した各枝を一纏まりの導体と見た場合の温度推定誤差はそれほど大きくならない。

図１４は、実施例３の電子制御システムのさらに別の変形例の構成を示す図である。本変形例では、ワイヤーハーネス３００－１～３００－ｍごとに電流センサ２０１－１～２０１－ｍとしてのシャント抵抗を設ける。さらに、ワイヤーハーネス３００－１～３００－ｍごとに一部のパワー半導体素子に温度センサを内蔵し、一部に温度センサを内蔵しない。例えば、ワイヤーハーネス３００－１に電流を流すパワー半導体素子１００－１及びパワー半導体素子１００－ｎのうち、パワー半導体素子１００－１には温度センサ１０２－１を内蔵し、パワー半導体素子１００－ｎには温度センサを内蔵しない。また、ワイヤーハーネス３００－ｍに電流を流すパワー半導体素子１００－ｎ１及びパワー半導体素子１００－ｎ２のうち、パワー半導体素子１００－ｎ１には温度センサ１０２－１を内蔵し、パワー半導体素子１００－ｎ２には温度センサを内蔵しない。このとき、温度センサを内蔵しないパワー半導体素子１００－ｎの温度は、パワー半導体素子１００－１に内蔵される温度センサ１０２－１によって推定され、温度センサを内蔵しないパワー半導体素子１００－ｎ２の温度は、パワー半導体素子１００－ｎ１に内蔵される温度センサ１０２－ｎ１により推定される。さらに、温度センサを内蔵するパワー半導体素子１００－１と温度センサを内蔵しないパワー半導体素子１００－ｎとを熱的に結合させ、温度センサ１０２－ｎ１を内蔵するパワー半導体素子１００－ｎ１と温度センサを内蔵しないパワー半導体素子１００－ｎ２とを熱的に結合をさせることが望ましい。具体的には、プリント基板上でお互いに近傍に配置するか、図１５、図１６に示すようにプリントパターンを用いて熱的に結合させることが望ましい。

図１５、図１６は、パワー半導体素子を熱的に結合してプリント基板に実装する例を示す図である。図１５は、プリント基板の表面層を用いてパワー半導体素子を熱的に結合する場合の正面図及び断面図であり、図１６は、プリント基板の内層を用いてパワー半導体素子を熱的に結合する場合の正面図及び断面図である。

図１５に示す例では、パワー半導体素子１００－１、１００－ｎ、１００－ｎ１、１００－ｎ２の裏面の放熱タブ５０３と補機バッテリ６００からの電流が流入するＶＳ電極が接続して、パワー半導体素子１００－１等をプリント基板５００に実装している。この場合、図１４からも分かるように、パワー半導体素子１００－１等は電流センサ２０１－１、２０１－ｍであるシャント抵抗を共有しているため、ＶＳ電極は一つのプリントパターン５０２Ａ等を共用できる。従って、パワー半導体素子１００－１の裏面の放熱タブ５０３とパワー半導体素子１００－ｎの裏面の放熱タブ５０３をプリントパターン５０２Ａに半田付けすることで、二つのパワー半導体素子１００－１、１００－ｎを熱的に結合できる。同様に、パワー半導体素子１００－ｎ１の裏面の放熱タブ５０３とパワー半導体素子１００－ｎ２の裏面の放熱タブ５０３をプリントパターン５０２Ｂに半田付けすることで、二つのパワー半導体素子１００－ｎ１、１００－ｎ２を熱的に結合できる。なお、共通のプリントパターン５０２Ａ等は、サーマルビアホール５０１を介してプリント基板５００の裏面のパターンに接続され、さらに図示しないヒートシンクに接続されて、放熱効果を向上するとよい。

図１６に示す例では、パワー半導体素子１００－１、１００－ｎ、１００－ｎ１、１００－ｎ２の裏面の放熱タブ５０３が、負荷に電流を供給するＯＵＴ電極に接続されている。この場合、パワー半導体素子１００－１、１００－ｎ、１００－ｎ１、１００－ｎ２の裏面の放熱タブ５０３は、それぞれ別々のプリントパターン５０４Ａ、５０４Ｂ、５０４Ｃ、５０４Ｄに半田付けされるが、プリント基板５００の内層のプリントパターン５０２によって熱的に結合する。なお、プリントパターン５０４Ａ～５０４Ｄは、サーマルビアホール５０１を介してプリント基板５００の裏面のパターンに接続され、さらに図示しないヒートシンクに接続されて、放熱効果を向上するとよい。

本変形例によれば、パワー半導体素子１００－ｎ、１００－ｎ２は温度センサを内蔵しなくてもよく、より安価な素子を用いることが可能となる。さらに、特許文献２に記載される温度センサの情報を出力するためのインタフェースを内蔵しないため、パワー半導体素子１００－１、１００－ｎ１よりコストを低減できる。特に、パワー半導体素子１００－１、１００－ｎ１は、特許文献２に記載される複雑な回路を内蔵するため、ＢＣＤ（Ｂｉｐｏｌａｒ、ＣＭＯＳ、ＤＭＯＳ）プロセスで実装する必要があるため、製造コストが増加する。また、ＢＣＤプロセスを構成するＤＭＯＳは横型構造となるため、ＯＮ抵抗が大きく損失も大きくなる。パワー半導体素子１００－ｎ、１００－ｎ２は、複雑な回路を内蔵しないので、ＯＮ抵抗が小さい縦型構造のＭＯＳＦＥＴを採用できるため、コストを低減でき、損失も低減できる。

＜実施例４＞
図１７は、実施例４の電子制御システムの構成を示す図である。本実施例では、パワー半導体素子１００－１～１００－ｎに流れる合計電流を計測する電流センサ２０１－１としてのシャント抵抗を、バッテリ管理ユニット６０２のセンサで兼用する。バッテリ管理ユニット６０２は、バッテリのＳｏＣを管理するために電流センサ２０１－１を有している。バッテリ管理ユニット６０２は、電流センサ２０１－１の計測結果を、ＣＡＮなどの通信線６０４を介して電子制御ユニットへ伝送する。

本実施例によれば、電流検出のためのシャント抵抗の数を削減でき、コストを低減できる。

＜実施例５＞
図１８は、実施例５の電子制御システムの構成を示す図である。本実施例では、温度センサ２１０－１～２１０－ｎをパワー半導体素子１００－１～１００－ｎの外部に設ける。

パワー素子温度推定部２０３－１～２０３－ｎは、パワー半導体素子１００－１～１００－ｎに内蔵された電流センサ１０１－１～１０１－ｎの出力を用いて、パワー半導体素子１００－１～１００－ｎの温度を推定する。比較部２０４－１～２０４－ｎは、外付け温度センサ２１０－１～２１０－ｎの出力とパワー素子温度推定部２０３－１～２０３－ｎが推定した温度を比較する。比較部２０５－１～２０５－ｎは、内蔵の温度センサ１０２－１～１０２－ｎの出力とパワー素子温度推定部２０３－１～２０３－ｎが推定した温度を比較する。比較部２０６－１～２０６－ｎは、内蔵の温度センサ１０２－１～１０２－ｎの出力と外付け温度センサ２１０－１～２１０－ｎの出力を比較する。

パワー素子過熱保護部２０７－１～２０７－ｎは、比較部２０４－１～２０４－ｎ、２０５－１～２０５－ｎ及び２０６－１～２０６－ｎによる比較結果に基づいて、正常と推定される温度値を選択部ＳＥＬで選択して、パワー素子の過熱を保護する。ワイヤーハーネス過熱保護部２０８は、比較部２０４－１～２０４－ｎ、２０５－１～２０５－ｎ及び２０６－１～２０６－ｎによる比較結果に基づいて、正常と推定される温度値を選択部ＳＥＬで選択して、ワイヤーハーネス３００の過熱を保護する。

具体的には、パワー素子過熱保護部２０７－１～２０７－ｎは、選択部ＳＥＬで選択された入力（パワー半導体素子１００－１～１００－ｎの温度の実測値又は推定値）が所定の温度に近づいた場合に警告を報知したり、出力電流を減じたりして、また、所定の温度を超えた場合に電流を遮断する。ワイヤーハーネス過熱保護部２０８は、選択部ＳＥＬで選択された入力（電流の実測値）によるワイヤーハーネス３００の温度の推定値が所定の温度に近づいた場合に警告を報知したり、出力電流を減じたりして、また、所定の温度を超えた場合に電流を遮断する。

パワー半導体素子１００－１～１００－ｎの過熱保護を重視する場合、本実施例のように、パワー半導体素子１００－１～１００－ｎの外部に温度センサ２１０－１～２１０－ｎを外付けする方が、パワー素子温度推定部の数を減らすことができ、回路規模を低減できる。また、これらの処理をマイクロプロセッサ２５０で実現する場合には、マイクロプロセッサ２５０の処理負荷を低減できる。

また、ワイヤーハーネス３００の過熱保護のためにワイヤーハーネス３００の温度を推定する際には、外付け温度センサ２１０－１～２１０－ｎの出力又は内蔵の温度センサ１０２－１～１０２－ｎの出力は、パワー半導体素子の熱特性により遅れが生じるため、即応性の観点からはパワー半導体素子１００－１～１００－ｎ内蔵の電流センサ１０１－１～１０１－ｎの出力を優先的な使用が望ましい。また、同一原因故障を回避する観点からは、外付け温度センサ２１０－１～２１０－ｎを内蔵の温度センサ１０２－１～１０２－ｎよりも優先させて選択するのが望ましい。従って、センサＡ：電流センサ１０１－１～１０１－ｎ、センサＢ：温度センサ２１０－１～２１０－ｎ、センサＣ：温度センサ１０２－１～１０２－ｎとして、図３に示すアルゴリズムにより選択するのが望ましい。

また、図１５、図１６に示す実装方法によるパワー半導体素子１００－１～１００－ｎを熱結合によって、一つの外付の温度センサ２１０－１によりパワー半導体素子１００－１～１００－ｎの過熱保護が可能となる。このとき、他のパワー半導体素子１００－１～１００－ｎに内蔵された温度センサ１０２－１～１０２－ｎを、外付の温度センサ２１０－１として使用してもよい。例えば、図１９では、パワー半導体素子１００－１に内蔵された温度センサ１０２－１をパワー半導体素子１００－ｎの外付け温度センサとして使用し、パワー半導体素子１００－ｎ内蔵の温度センサ１０２－ｎをパワー半導体素子１００－１の外付け温度センサとして使用できる。

＜実施例６＞
図２０は、車両全体の電子制御システムの構成図である。電動パワートレイン系の高電圧電源ＨＶは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０５で降圧され、スイッチＳＷ経由で補機バッテリ６００を充電する。なお、スイッチＳＷは、補機バッテリ６００又はＤＣ／ＤＣコンバータ６０５の故障時に、電子制御ユニット６０３－１に電力を供給するために、両者を切り離すように開放される。

電子制御ユニット６０３－１に供給された電力は、電子制御ユニット６０３－１で分配される。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０５から供給された電力は負荷４００－１及び４００－ｎに供給され、補機バッテリ６００から供給された電力は負荷４００－ｎ１及び４００－ｎ２に供給されるというように負荷によって分けられる。電子制御ユニット６０３－１は、パワー半導体素子１００－１～１００－ｎ４が提供する過熱保護によって、電力を制御、分配して、ワイヤーハーネス３００－１を経由して負荷４００－１～４００－ｎに電力が供給され、ワイヤーハーネス３００－２を経由して負荷４００－ｎ１～４００－ｎ２に電力が供給され、ワイヤーハーネス３００－３を経由して負荷４００－ｎ３～４００－ｎ４に電力が供給される。

電子制御ユニット６０３－１から見て負荷４００－ｎである電子制御ユニット６０３－２は、同様に電子制御ユニット６０３－１から供給された電力を半導体スイッチ１００－ｎ５～４００－ｎ６が提供する過熱保護によって、電力を制御、分配して、負荷４００－ｎ５～４００－ｎ６に電力を供給する。

電子制御ユニット６０３－１から見て負荷４００－ｎ２である電子制御ユニット６０３－３も、同様に電子制御ユニット６０３－１から供給された電力を半導体スイッチ１００－ｎ７～４００－ｎ８が提供する過熱保護によって、電力を制御、分配して、負荷４００－ｎ７～４００－ｎ８に電力を供給する。

なお、負荷４００－１～４００－ｎ８はヘッドライトや尾灯のような灯火類、電動ブレーキ、電動ブレーキブースタ、ソレノイド、電動ドアーミラー、電動ウィンドウ、電動ファン、電動ポンプなどの各種電装品である。

以上に説明したように、本発明の実施例の電子制御システムは、電流を計測する第１計測部（電流センサ１０１－１）と、温度を計測する第２計測部（温度センサ１０２－１）と、電流又は温度を計測する第３計測部（外付け電流センサ２０１－１又は外付け温度センサ２１０－１）と、負荷への電力供給を制御するパワー半導体素子１００と、第１計測部１０１－１と、第２計測１０２－１部と、第３計測部２０１－１又は２０９－１による計測結果を用いて、パワー半導体素子１００の動作を制御する電子制御装置（電子制御ユニット６０３）とを備え、パワー半導体素子１００の少なくとも一部は、第１計測部１０１－１及び第２計測部１０２－１を内蔵し、電子制御装置６０３は、電流の計測値から温度を推定し（パワー素子温度推定部２０２－１、２０３－１）、第１計測部１０１－１の計測値と、第２計測部１０２－１の計測値と、第３計測部２０１－１又は２０９－１の計測値とに基づいて、第１計測部１０１－１、第２計測部１０２－１及び第３計測部２０１－１又は２０９－１が正常か異常かを判定し（比較部２０４－１、２０５－１、２０６－１）、正常と判定される計測部の計測結果に従って、パワー半導体素子１００、及びパワー半導体素子１０１の出力電流が流れるワイヤーハーネス３００の少なくとも一方の異常を検知するので、センサが故障した場合でも、パワー半導体素子やワイヤーハーネスを過熱から保護できる。

また、第３計測部（外付け電流センサ２０１－１）は、電流を計測し、電子制御装置６０３は、第１計測部１０１－１による電流の計測値から推定された温度と、第２計測部１０２－１による温度の計測値と、第３計測部２０１－１による電流の計測値から推定された温度とを比較して（比較部２０４－１、２０５－１、２０６－１）、第１計測部１０１－１、第２計測部１０２－１及び第３計測部２０１－１が正常か異常かを判定するので、電流の増加による温度上昇の遅延の影響を抑制して、パワー半導体素子やワイヤーハーネスの異常を検知できる。

また、パワー半導体素子１００を複数備え、パワー半導体素子１００からの出力電流は、複数の導体が束ねられたワイヤーハーネス３００を経由して負荷に供給されており、電子制御装置６０３は、パワー半導体素子の電流の計測値からワイヤーハーネス３００の温度を推定するので、ワイヤーハーネスを加熱から保護できる。

また、複数のパワー半導体素子１００は、第２計測部１０２－１を内蔵する第１パワー半導体素子１００－１と、第２計測部１０２－１を内蔵しない第２パワー半導体素子１００－ｎとを含み、第１パワー半導体素子１００－１と第２パワー半導体素子１００－ｎは熱的に結合されるので、温度センサを内蔵しないパワー半導体素子を使用でき、オン抵抗を低下できる。

また、熱的な結合は、パワー半導体素子１００が実装されるプリント配線基板５００の表面又は内層において、第１パワー半導体素子１００－１及び第２パワー半導体素子１００－ｎに接続される導体パターン５０２によって実現されるので、熱結合用の部材を別に設ける必要がなく、コストを低減できる。

また、第３計測部２０１－１は、ワイヤーハーネス３０0毎に又はワイヤーハーネスの枝線３００－１等毎に電流を計測するので、ワイヤーハーネスの電線毎に電流センサを設ける必要がなく、コストを低減できる。

また、複数のパワー半導体素子１００のオンオフの変化の前後の電流の計測値の変化量を、オンオフが変化したパワー半導体素子１００に流れる電流であると推定するので、ワイヤーハーネスの電線毎に電流センサを設ける必要がなく、コストを低減できる。

また、第３計測部２０１－１が計測した電流値は、バッテリの充電量管理に使用される（バッテリ管理ユニット６０２）ので、電流センサを別に設ける必要がなく、コストを低減できる。

また、第３計測部２１０は、温度を計測し、電子制御装置６０３は、第１計測部１０１－１による電流の計測値から推定された温度と、第２計測部１０２－１による温度の計測値と、第３計測部２１０による温度の計測値とを比較して、第１計測部１０１－１、第２計測部１０２－１及び第３計測部２１０が正常か異常かを判定するので、外付けセンサを別に設ける必要がなく、コストを低減できる。

また、複数のパワー半導体素子は、第１パワー半導体素子１００と第２パワー半導体素子１００－ｎとを含み、第１パワー半導体素子１００に内蔵される第２計測部１０２－１を、第２パワー半導体素子１００－ｎの第３計測部として使用するので、外付けセンサを別に設ける必要がなく、コストを低減できる。

また、電子制御装置は、車両前部に配置される第１電子制御装置（電子制御ユニット６０３－１）と、車両右側に配置される第２電子制御装置（電子制御ユニット６０３－２）と、車両左側に配置される第３電子制御装置（電子制御ユニット６０３－３）を含み、第１電子制御装置６０３－１は、バッテリから供給される電力をワイヤーハーネス３００－１、３００－２を介して少なくとも第２電子制御装置６０３－２及び第３電子制御装置６０３－３に供給し、第２電子制御装置６０３－２及び第３電子制御装置６０３－３は、第１電子制御装置６０３－１から供給される電力をワイヤーハーネス３００－４、３００－５を介して負荷に供給するので、ゾーン毎に安全に電力を分配でき、各ワイヤーハーネスを保護できる。

なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の趣旨内における様々な変形例及び同等の構成が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに本発明は限定されない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えてもよい。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えてもよい。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をしてもよい。

また、前述した各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により、ハードウェアで実現してもよく、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。

各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置、又は、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、実装上必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてよい。

１００－１～１００－ｎ……パワー半導体素子、１０１－１～１０１－ｎ……電流センサ、１０２－１～１０２－ｎ、１０９－１～ｎ……温度センサ、２０１－１～２０１－ｎ……電流センサ、２０２－１～２０２－ｎ、２０３－１～２０３－ｎ……パワー素子温度推定部、２０４－１～２０４－ｎ、２０５－１～２０５－ｎ、２０６－１～２０６－ｎ……比較部、２０７－１～２０７－ｎ……パワー素子過熱保護部、２０８……ワイヤーハーネス過熱保護部、３００、３００－１、３００－２……ワイヤーハーネス、４００－１～４００－ｎ……負荷、６００……補機バッテリ、６０３－１～６０３－３……電子制御ユニット、６０４……通信線、６０５……ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (14)

1. 電子制御システムであって、
   電流を計測する第１計測部と、
   温度を計測する第２計測部と、
   電流又は温度を計測する第３計測部と、
   負荷への電力供給を制御するパワー半導体素子と、
   前記第１計測部と、前記第２計測部と、前記第３計測部による計測結果を用いて、前記パワー半導体素子の動作を制御する電子制御装置とを備え、
   前記パワー半導体素子の少なくとも一部は、前記第１計測部及び前記第２計測部を内蔵し、
   前記電子制御装置は、
   電流の計測値から温度を推定し、
   前記第１計測部の計測値と、前記第２計測部の計測値と、前記第３計測部の計測値とに基づいて、前記第１計測部、前記第２計測部及び前記第３計測部が正常か異常かを判定し、
   前記正常と判定される計測部の計測結果に従って、前記パワー半導体素子、及び前記パワー半導体素子の出力電流が流れるワイヤーハーネスの少なくとも一方の異常を検知することを特徴とする電子制御システム。
2. 請求項１に記載の電子制御システムであって、
   前記第３計測部は、電流を計測し、
   前記電子制御装置は、前記第１計測部による電流の計測値から推定された温度と、前記第２計測部による温度の計測値と、前記第３計測部による電流の計測値から推定された温度とを比較して、前記第１計測部、前記第２計測部及び前記第３計測部が正常か異常かを判定することを特報とする電子制御システム。
3. 請求項２に記載の電子制御システムであって、
   前記パワー半導体素子を複数備え、
   前記パワー半導体素子からの出力電流は、複数の導体が束ねられた前記ワイヤーハーネスを経由して負荷に供給されており、
   前記電子制御装置は、前記パワー半導体素子の電流の計測値から前記ワイヤーハーネスの温度を推定することを特徴とする電子制御システム。
4. 請求項３に記載の電子制御システムであって、
   前記複数のパワー半導体素子は、前記第２計測部を内蔵する第１パワー半導体素子と、前記第２計測部を内蔵しない第２パワー半導体素子とを含み、
   前記第１パワー半導体素子と前記第２パワー半導体素子は熱的に結合されることを特徴とする電子制御システム。
5. 請求項４に記載の電子制御システムであって、
   前記熱的な結合は、前記パワー半導体素子が実装されるプリント配線基板の表面又は内層において、前記第１パワー半導体素子及び前記第２パワー半導体素子に接続される導体パターンによって実現されることを特徴とする電子制御システム。
6. 請求項３に記載の電子制御システムであって、
   前記第３計測部は、前記ワイヤーハーネス毎に又は前記ワイヤーハーネスの枝線毎に前記電流を計測することを特徴とする電子制御システム。
7. 請求項６に記載の電子制御システムであって、
   前記複数のパワー半導体素子のオンオフの変化の前後の前記電流の計測値の変化量を、前記オンオフが変化したパワー半導体素子に流れる電流であると推定することを特徴とする電子制御システム。
8. 請求項６に記載の電子制御システムであって、
   前記第３計測部が計測した電流値は、バッテリの充電量管理に使用されることを特徴とする電子制御システム。
9. 請求項１に記載の電子制御システムであって、
   前記第３計測部は、温度を計測し、
   前記電子制御装置は、前記第１計測部による電流の計測値から推定された温度と、前記第２計測部による温度の計測値と、前記第３計測部による温度の計測値とを比較して、前記第１計測部、前記第２計測部及び前記第３計測部が正常か異常かを判定することを特報とする電子制御システム。
10. 請求項９に記載の電子制御システムであって、
    前記複数のパワー半導体素子は、第１パワー半導体素子と第２パワー半導体素子とを含み、
    前記第１パワー半導体素子に内蔵される前記第２計測部を、前記第２パワー半導体素子の第３計測部として使用することを特報とする電子制御システム。
11. 請求項１に記載の電子制御システムであって、
    前記電子制御装置は、車両前部に配置される第１電子制御装置と、車両右側に配置される第２電子制御装置と、車両左側に配置される第３電子制御装置を含み、
    前記第１電子制御装置は、バッテリから供給される電力を前記ワイヤーハーネスを介して少なくとも第２電子制御装置及び第３電子制御装置に供給し、
    前記第２電子制御装置及び前記第３電子制御装置は、前記第１電子制御装置から供給される電力を前記ワイヤーハーネスを介して負荷に供給することを特徴とする電子制御システム。
12. 電子制御装置であって、
    電流を計測する第１計測部と、
    温度を計測する第２計測部と、
    電流又は温度を計測する第３計測部と、
    負荷への電力供給を制御するパワー半導体素子とを備え、
    前記パワー半導体素子の少なくとも一部は、前記第１計測部及び前記第２計測部を内蔵し、
    前記電子制御装置は、
    前記第１計測部と、前記第２計測部と、前記第３計測部による計測結果を用いて、前記パワー半導体素子の動作を制御し、
    電流の計測値から温度を推定し、
    前記第１計測部の計測値と、前記第２計測部の計測値と、前記第３計測部の計測値とに基づいて、前記第１計測部、前記第２計測部及び前記第３計測部が正常か異常かを判定し、
    前記正常と判定される計測部の計測結果に従って、前記パワー半導体素子、及び前記パワー半導体素子の出力電流が流れるワイヤーハーネスの少なくとも一方の異常を検知することを特徴とする電子制御装置。
13. 請求項１２に記載の電子制御装置であって、
    前記第３計測部は、電流を計測し、
    前記電子制御装置は、前記第１計測部による電流の計測値から推定された温度と、前記第２計測部による温度の計測値と、前記第３計測部による電流の計測値から推定された温度とを比較して、前記第１計測部、前記第２計測部及び前記第３計測部が正常か異常かを判定することを特報とする電子制御装置。
14. 請求項１２に記載の電子制御装置であって、
    前記第３計測部は、温度を計測し、
    前記電子制御装置は、前記第１計測部による電流の計測値から推定された温度と、前記第２計測部による温度の計測値と、前記第３計測部による温度の計測値とを比較して、前記第１計測部、前記第２計測部及び前記第３計測部が正常か異常かを判定することを特報とする電子制御装置。

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