JP4366269B2 - 半導体素子の温度検出方法及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の温度検出技術に係り、特に電力変換装置に使用される半導体素
子の保護に必要な温度検出技法に関する。

半導体素子の温度検出技術について、特許文献１、特許文献２に記載がある。
特開２００２−１０１６６８号公報 特開平１１−１４２２５４号公報

一般に、半導体素子にはスイッチング損失があり、このため、特にインバータなどの電
力変換装置に用いられているパワー半導体素子(電力用半導体素子)ではかなりの発熱を伴
ない、従って、過大な電流が流れ、冷却能力が追いつかなくなると、発熱により温度が上
昇し、そのまま放置すると許容温度を越え、熱によって破壊されてしまう虞れがある。
そこで、電力変換装置では、半導体素子が過熱により破壊されるのを防止するため、熱
保護機能を設けて対応するのが通例であるが、このためには、半導体素子の温度を検出す
る必要がある。

ここで、図５は、電力変換装置の一例であるインバータ装置の一般的な構成を示したもので、この場合、装置の全体は、コンバータと呼ばれている順変換部１００と平滑部２００、インバータと呼ばれている逆変換部３００、制御部４００、それに操作部５００の各ブロックを主要部として備えている。

そして、商用電源などの電源６００から供給される３相の交流電力を、例えば三相ブリ
ッジ・ダイオード回路からなる順変換部１００で直流電力に変換し、例えば電解コンデン
サからなる平滑部２００により平滑化し、逆変換部３００で所望の周波数の３相交流電力
Ｕ、Ｖ、Ｗに変換して誘導電動機ＩＭなどの負荷７００に供給するようになっている。

次に、図６は、パワー半導体素子として、例えばＩＧＢＴ(絶縁ゲート・バイポーラ・
トランジスタ)を用いた場合の逆変換部３００の詳細図で、図において、１〜６(１、２、
３、４、５、６)がＩＧＢＴからなるパワー半導体素子で、図示のように、これらはＩＧ
ＢＴと、これに逆並列接続したダイオード(フライホイール・ダイオード)で構成されてい
る。

このとき、逆変換部３００では、直流の＋端子Ｐ側が上アームで、−端子Ｎ側は下アー
ムと呼ばれるが、ここで、各アームのパワー半導体素子４〜６は、制御部４００から供給
されるゲート駆動信号により、上アームと下アームが交互にスイッチング制御され、逆変
換動作が得られることになる。

そして、このとき＋端子Ｐから流入した電流は、上アームの各パワー半導体素子１〜３
のコレクタからエミッタを通って負荷７００に流れ(ＮＰＮ型の場合)、下アームでは各パ
ワー半導体素子４〜６のコレクタからエミッタを通って、負荷７００から直流−端子Ｎに
至る。

この電流の通流により、各パワー半導体素子１〜６では、主としてコレクタとエミッタ
の接合部(ジャンクション)で熱が発生し、従って、例えば過負荷状態になったなど、何ら
かの理由により、パワー半導体素子１〜６のコレクタとエミッタの間に流れる電流が過大
になれば、パワー半導体素子の温度が上昇し、限度を越えた場合は素子が破壊され、場合
によっては電力変換装置そのものが破壊されてしまう虞れが生じてしまう。

そこで、制御部４００は、上記したように、パワー半導体素子の温度を検出し、検出し
た温度が予め定めてある所定の温度、例えば８０℃に達したときは、パワー半導体素子の
通電を遮断(ＯＦＦ)し、パワー半導体素子の発熱を止めて温度の上昇を抑え、これにより
パワー半導体素子の保護と、電力変換装置の保護が与えられるようにするのである。

このとき、パワー半導体素子が配置されている冷却フィンに温度検出素子を設け、冷却フィンの温度を検出して半導体素子の温度の検出値とすることも出来る。

ここで、図７は、パワー半導体素子の配置の一例で、ここで部品７〜１２(７、８、９、１０、１１、１２)が各々パワー半導体素子１〜６(図６)のパッケージに相当し、これらが、図示のように、冷却フィン１５の素子取付面に所望の配置形式で取付けられていて、各部品７〜１２に対する接続は、回路基板１３に形成してある回路パターンにより与えられ、これにより逆変換部３００が構成されるようになっている。

なお、この図７では、回路基板１３が冷却フィン１５から離された状態で示されている
が、実際には、回路基板１３が各部品７〜１２にかぶせられ、冷却フィン１５の素子取付
面を覆うようにして、冷却フィン１５に回路基板１３が取付けられる。

そして、この図７では、図示のように、冷却フィン１５の素子取付面において、各パワー半導体素子１〜６のパッケージからなる部品７〜１２の近傍に、各々温度検出素子１６〜２１を配置し、各々からリード線１６ａ〜２１ａを引出して回路基板１３に接続している。

このとき、上記した冷却フィン１５の素子取付面における所望の配置形式としては、ここでは、例えば図６の回路構成におけるパワー半導体素子１〜６の配置状況に合わせて、上側に下アームのパワー半導体素子４、５、６の部品７、８、９を横に並べて配置し、下側に上アームのパワー半導体素子１、２、３の部品１０、１１、１２を横に並べて配置するものとする。

そして、このとき、冷却フィン１５は、電力変換装置が使用状態にされたとき、その素
子取付面がほぼ垂直になるようにして、当該電力変換装置の本体に組み付けることが出来る。

また、半導体素子が封入されたモジュールを用いた電力変換装置において、当該モジュール内に温度検出素子も一緒に封入させ、これにより温度を検出することも出来る。

上記にて説明した技術は、温度検出素子の配置に配慮がされておらず、熱保護機能を備えた電力変換装置の小型化や、低価格化に問題があった。

上記したように、図７では、パワー半導体素子のパッケージの近くの冷却フィン上に温度検出素子を配置しているが、この場合、冷却フィン上に温度検出素子を配置するだけの面積が当該冷却フィンに余分に必要になる。

しかも、このとき、温度検出素子による検出結果を取り出すためのリード線を接続した
り、温度検出素子を冷却フィンから電気的に絶縁したりする工程が必要になるので、この
ため電力変換装置の小型化や、低価格化が困難になってしまうのである。

また、上記した他の技術では、内部に温度検出素子が封入された結果、その分、モジュールが大型化する上、モジュールに余分な端子が必要になるので、この点でもモジュールが大型化し、従って、やはり小型化や、低価格化が困難になってしまうのである。

本発明は、小型化について好適な半導体素子の温度検出方法及び電力変換装置を提供することにある。

上記目的は、電力変換装置の逆変換部に用いる半導体素子の温度を、当該半導体素子の接合部に対する端子が接続される回路基板に配置した温度検出素子で検出することにより達成される。または、電力変換装置の逆変換部に用いる半導体素子の温度検出を、当該半導体素子の接合部に対する端子の近傍に配置した温度検出素子で行うことにより達成される。

このとき、前記端子が、前記半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方であるよ
うにしても上記目的が達成され、同じく、前記半導体素子の個数が複数で、前記温度検出
素子が、これら複数個の半導体素子の中で温度上昇が大きくなる半導体素子のエミッタ端
子とコレクタ端子の一方に配置されていることによっても上記目的が達成される。

また、上記目的は、逆変換部に用いる半導体素子の温度を検出する電力変換装置におい
て、前記半導体素子の接合部に対する端子が接続される回路基板上に配置された温度検出素子で前記半導体素子の温度を検出することによって達成される。または、前記半導体素子の温度検出を、当該半導体素子の接合部に対する端子の近傍に配置した温度検出素子で行うことによっても達成される。

このとき、前記端子が、前記半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方であるよ
うにしても上記目的が達成され、前記半導体素子の個数が複数で、前記温度検出素子が、
これら複数個の半導体素子の中で温度上昇が大きくなる半導体素子のエミッタ端子とコレ
クタ端子の一方に配置されていることによっても達成され、更には、前記温度検出素子が
前記半導体素子の接続に使用される回路基板上に配置されていることによっても上記目的
が達成される。

なお、上記にて、温度検出素子の配置は、複数個の半導体素子が有る場合に、その中で
温度上昇が最も大きな半導体素子の近傍に必ずしも配置しなければならないものでもない
。

しかしながら、温度上昇が最も大きな半導体素子、若しくは、複数の中で、比較的、温
度上昇の大きな半導体素子の近傍に温度検出素子を配置することで、熱保護機能について
、より好ましい効果を取得可能となる。

上記手段によれば、半導体素子の破壊を防ぐための温度検出のための温度検出素子を、
例えばパワー半導体素子のエミッタ端子かコレクタ端子の近くに配置する。

このとき、前記温度検出素子はパワー半導体素子が実装される回路基板に直接配置できるので、パワー半導体素子が配置された冷却フィンから電気的な絶縁をする必要が無く、配線する為の工数も低減が可能となる。

本発明によれば、従来に比べて、電力変換装置の小型化を図ることが可能となる。

以下、本発明による半導体素子の温度検出方法及び温度検出機能を備えた電力変換装置
について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態で、図において、２２は温度検出素子であり、その他の構成要素は、図７で説明した技術と同じで、パワー半導体素子１〜６をパッケージした部品７〜１２が冷却フィン１５に配置され、これに回路基板１３が取付けられているものである。また、図９は図1の断面図であり、部品８と１１を通過する断面を表している。フィン１５上に部品７〜１２が置かれ、その部品７〜１２がプラスチックケース１５aでフィン１５上に固定されている。その上側に回路基板１３が取り付けられ部品７〜１２の端子が半田付けされている。温度検出素子２２はチップ状の部品であり、回路基板１３上に半田付けされている。また、図１および図９では温度検出素子２２は回路基板１３の上側に実装されているが、温度検出素子２２は回路基板１３の下側に実装されていてもよい。さらに、プラスチックケース１５ａは部品７〜１２を冷却フィン１５に押し当てる役割を持っているが、例えば部品７〜１２をネジで冷却フィン上に固定するなどの方法をとれば１５ａは無くてもよい。

このとき、温度検出素子２２には、一例としてサーミスタ(登録商標)が用いられており
、その他、全体構成は図５に示された技術と同じで、このとき逆変換部３００の回路構成も図６に示した技術と同じである。

しかし、この図１の実施形態では、図２に示すように、この温度検出素子２２が冷却フ
ィン１５ではなく、回路基板１３に取付けてあり、従って、この点で、冷却フィン１５に
取付けてあるものとは異なっていることになる。ここで、この図２は、上述しした図７と同じく、回路基板１３を冷却フィン１５から離した状態を示したものである。

しかも、この実施形態では、温度検出素子がこの温度検出素子２２だけ、つまり、これ
１個だけであり、従って、この点でも、各パワー半導体素子１〜６毎に計６個設けてある
ものとは異なっている。しかし温度検出素子は1個に限定する訳ではなく、例えば各パワー半導体素子毎に複数設けても本発明に関する実施形態の意図は何も変わらない。

ここで、この１個の温度検出素子２２は、図１に示されているように、冷却フィン１５
に回路基板１３を組合わせたとき、図で上側の真中にある部品８にパッケージされている
パワー半導体素子５(図６参照)のコレクタ端子、又はエミッタ端子の近傍で、且つ、これ
らの端子が接続される回路パターンの近傍に位置するようにして、回路基板１３の回路パ
ターンが形成されている方の面に取付けてある。

そこで、制御部４００は、この温度検出素子２２から取込んだ信号により、当該温度検出素子２２の温度を検出し、検出した温度が予め定めてある所定の判定温度、例えば８０
℃の判定温度に達したとき、全てのパワー半導体素子１〜６のゲートをＯＦＦにし、各素子のコレクタ−エミッタ間の通電を遮断させる。

この結果、各パワー半導体素子１〜６の発熱が止められるので、以後、パワー半導体素
子１〜６の温度上昇は抑えられ、これによりパワー半導体素子と電力変換装置全体の熱保
護が得られることになるのであるが、ここで、次に、この実施形態によれば、温度検出素
子２２を冷却フィン１５に取付けることなく、しかも、この１個の温度検出素子２２だけ
で、全てのパワー半導体素子１〜６と電力変換装置全体の熱保護が得られる理由について
説明する。

まず、パワー半導体素子を例えば３端子のディスクリードの部品にパッケージした場合、そのコレクタ端子は、接合部(ジャンクション)に直接端子が繋がっており、このため熱伝導がかなり大きい。エミッタ端子もまた、接合部(ジャンクション)に非常に近い位置に端子が繋がっているため熱伝導が大きい。
従って、接合部(ジャンクション)で発生した熱は端子により効率的にパッケージ外に伝達される。前述にて説明した技術では、パワー半導体素子で発生した熱は例えばパワー半導体素子の接合部（ジャンクション）と冷却フィン間の封止剤を経て、冷却フィンに熱伝導した後、熱せられた冷却フィンの温度を温度検出素子で検出するものであった。従ってパワー半導体素子から封止剤、冷却フィンを経て温度検出素子にいたるまでの熱抵抗が本発明の実施例によるものよりは大きなものになっていた。本発明の実施例によるものではパワー半導体素子の接合部で発生した熱は、パワー半導体素子の端子に熱伝導し、端子がはんだ付けされる回路基板上の配線パターンにさらに熱伝導するので、この配線パターンの温度を検出するものである。このパワー半導体素子から、端子、配線パターンを経由して温度検出素子に至るまでの熱抵抗は従来のものに比べると小さいものになる。従って従来のものに比べると本発明の実施例では温度検出素子に至るまでの熱抵抗が小さいので、パワー半導体素子の温度上昇を、従来よりも早く検出することが可能である。その結果、本発明の実施例は従来のものより早くパワー半導体素子の温度上昇に対する保護動作をすることができる。

そして、このように端子により効率的に外部に導き出されてくる熱は、それが回路基板
１３の回路パターンに接続されていることから、当該回路パターンに伝達され、回路基板
１３の温度を局部的に上昇させることになる。

そこで、回路基板１３に温度検出素子２２を取付けたとしても、それをパワー半導体素
子５(図６参照)のコレクタ端子、又はエミッタ端子の近傍で、且つ、これらの端子が接続
される回路パターンの近傍に位置するようにしてやれば、温度検出素子２２を冷却フィン
１５に取付けた場合よりもより早い温度検出が可能になる。

次に、この実施形態では、冷却フィン１５は、電力変換装置が使用状態にされたとき、
その素子取付面がほぼ垂直になるようにして、当該電力変換装置の本体に組み付けられて
いる。

そうすると、この実施形態のように、上側に下アームのパワー半導体素子４、５、６の部品７、８、９を横に並べて配置し、下側に上アームのパワー半導体素子１、２、３の部品１０、１１、１２を横に並べて冷却フィン１５の素子取付面に配置した場合、各素子の発熱による冷却フィン１５の温度は、矢印Ａで示すように、上側に向かって、より高くなる。

また、このとき、各パワー半導体素子１〜６は何れも同じように発熱するので、冷却フ
ィン１５の中央では熱が集中し、温度上昇が大きくなるので、冷却フィン１５の中央の上
側にあるパワー半導体素子５、つまり部品８の温度が一番高くなる。

そして、この実施形態では、このパワー半導体素子５、すなわち部品８の近傍に温度検
出素子２２を配置したので、この温度検出素子２２は、６個のパワー半導体素子１〜６の
中で温度が一番高くなるパワー半導体素子５の温度を検出していることになる。また、部品８の温度が何らかの条件で検出できない場合でも、部品８周囲の温度と実際に検出する事が出来る素子の温度の関係がわかっていれば、温度が最も高くなる半導体素子５の温度を推定することが出来る。

ここで、熱保護のためには、同一冷却フィンに取付けてある複数個のパワー半導体素子
の中で、最も温度が高い素子の温度が熱保護を要する温度に達したとき、保護機能が作動
するようにしてやれば良いことはいうまでもない。

従って、この実施形態によれば、温度検出素子２２を冷却フィン１５に取付けることな
く、しかも、この１個の温度検出素子２２だけで、全てのパワー半導体素子１〜６と電力
変換装置全体の熱保護が得られるのである。本実施例では1個の温度検出素子だけでの説明であるが温度検出素子の数を限定するものではない。温度検出素子の数を増やしても本発明の意図するところは何ら変わらない。

そして、この結果、この実施形態によれば、上述した図７のように、冷却フィン１５に温度検出素子１６〜２１の６個もの温度検出素子を配置する必要がないので、これらの設置に要する工数と、温度検出素子の配線に要する工数が低減でき、且つ、前記配線に必要な電線などの部品も削除することができる。

次に、この実施形態における温度検出素子２２の配置について、更に具体的に説明する
と、これは、上記したように、他のパワー半導体素子の温度上昇の影響を最も多く受ける
パワー半導体素子５がパッケージされた部品８の近傍になるようにして回路基板１３に配置する。

ここで、この実施形態で、温度検出素子２２が温度検出対象となるパワー半導体素子の
近傍に設けてある理由は、当該素子の接合部の温度を検出したいがためであり、このため
パワー半導体素子の近傍とはいうものの、できればコレクタ端子、又はエミッタ端子の近
傍であるのが望ましい。

ここで、まず、図１０、図１１はそれぞれ、温度検出素子２２をパワー半導体素子１、２，３，４，５，６(部品１０，１１，１２，７，８，９)のエミッタ端子２７の近傍に配置した場合の一例である。図１０のようにエミッタ端子２７周辺の配線に関わらずエミッタ端子２７近傍に温度検出素子２２を配置してもよいし、図１１のようにエミッタ端子２７近傍で、且つ、エミッタ端子２７に繋がる回路基板上のパターン配線に直接温度検出素子２２をはんだ付けしてもよい。次に、図３、図４は、温度検出素子２２をパワー半導体素子、１，２，３，４，５，６(部品１０，１１，１２，７，８，９)のコレクタ端子２８の近傍に配置した場合の一例である。図３のようにコレクタ端子２８周辺の配線に関わらず、コレクタ端子２８近傍に温度検出素子２２を配置しても良いし、コレクタ端子２８近傍で且つコレクタ端子２８に繋がる回路基板配線パターンに直接温度検出素子２２をはんだ付けしてもよい。

一方、この温度検出素子２２は、その検出信号が制御部４００に取り込まれ、ここで、
上記したように、熱保護動作に使用されるが、このとき、制御部４００は、逆変換部３０
０と同じ電位を基準にしているので、温度検出素子２２による検出結果も、制御部４００
と同電位を基準とした信号として、この制御部４００に入力される必要がある。

このとき、逆変換部３００は、制御部４００から供給されるスイッチング信号により制
御されるので、逆変換部３００と制御部４００で基準となる電位は、等しく図８における
直流−端子Ｎの電位となるようにしてあり、従って、この場合、パワー半導体素子４、パ
ワー半導体素子５、パワー半導体素子６のエミッタ端子の電位となる。

そこで、いま、図１０及び図１１に示すように、温度検出素子２２をエミッタ端子２７の近傍に配置し、且つ、この場合、パワー半導体素子が、図６におけるパワー半導体素子４、又はパワー半導体素子５、或いはパワー半導体素子６の何れかであったとすれば、そのエミッタ端子２７の電位は、制御部４００が基準とする電位と同じになり、従って、温度検出素子２２による検出結果を直接、制御部４００に入力することができる。ここで、温度検出素子２２がサーミスタであった場合のこのときの回路構成例を図８に示す。図８では抵抗器５０と温度検出素子２２が分圧回路になっており、制御部４００と同じく直流−端子Ｎを基準電位としている。

一方、ここで、図１０及び図１１に示したパワー半導体素子が図６におけるパワー半導体素子１又はパワー半導体素子２、或いはパワー半導体素子３の何れかであったとすれば、そのエミッタ端子２７の電位は、３相交流出力のＵ、Ｖ、Ｗの何れかの相の電位と同じ変化を示し、この場合、制御部４００で基準としている電位に比べ高電圧になってしまう。

従って、この場合は、温度検出素子２２とエミッタ端子２７の間に、当該電力変換装置
に要求されている仕様規格(例えばUL規格)に定められた絶縁距離をとる必要があり、この場合、温度検出素子２２はパワー半導体素子１、パワー半導体素子２、パワー半導体素子３のエミッタ端子２７の近傍に配置するのが困難になる。

そこで、この場合は、パワー半導体素子１又はパワー半導体素子２、或いはパワー半導
体素子３のエミッタ端子２７の近傍に温度検出素子２２を配置して温度がより正確に検出
できるようにした上で、温度検出素子２２の検出出力は、フォトカプラなどの素子を用い
て電気的に隔離した状態で制御部４００に入力させる必要がある。

しかも、この場合、パワー半導体素子１、パワー半導体素子２、パワー半導体素子３の
エミッタ端子２７の電位は電力変換装置運転中は電位が激しく変動しているため、温度検
出素子２２の出力はノイズの影響を受けやすくなることにも注意が必要となる。

次に、図３及び図４に示したように、温度検出素子２２をコレクタ端子２８の近傍に配置した場合は、図図６におけるパワー半導体素子１、パワー半導体素子２、パワー半導体素子３のコレクタ端子２７の電位は直流＋端子Ｐと同じ高電圧になる。

そこで、このようにパワー半導体素子１、パワー半導体素子２、パワー半導体素子３、
のコレクタ端子２８の近傍に温度検出素子２２を配置した場合は、温度検出素子２２とコ
レクタ端子２８の間に電力変換装置が取得する必要のある仕様規格に定められた絶縁距離
をとる必要がある。

そして、このように絶縁距離をとった場合、温度検出素子２２をパワー半導体素子１、
パワー半導体素子２、パワー半導体素子３のコレクタ端子２８の近傍に配置するのが困難
になる。

そこで、この場合も、パワー半導体素子１又はパワー半導体素子２、或いはパワー半導
体素子３のコレクタ端子２８の近傍に温度検出素子２２を配置して温度がより正確に検出
できるようにした上で、温度検出素子２２の検出出力は、フォトカプラなどの素子を用い
て電気的に隔離した状態で制御部４００に入力させる必要がある。

また、この図３及び図４に示されたパワー半導体素子が、図６におけるパワー半導体素子４、パワー半導体素子５、パワー半導体素子６の何れかであったとすれば、これらのコレクタ端子２８は３相交流出力のＵ、Ｖ、Ｗの何れかの相の電位と同じ変化を示し、この場合、制御部４００で基準としている電位に比べ高電圧になってしまう。

従って、この場合は、温度検出素子２２とコレクタ端子２８の間に、当該電力変換装置
に要求されている仕様規格に定められた絶縁距離をとる必要があり、この場合、温度検出
素子２２はパワー半導体素子４、パワー半導体素子５、パワー半導体素子６のコレクタ端
子２８の近傍に配置するのが困難になる。

そこで、この場合は、パワー半導体素子４又はパワー半導体素子５、或いはパワー半導
体素子６のコレクタ端子２８の近傍に温度検出素子２２を配置して温度がより正確に検出
できるようにした上で、温度検出素子２２の検出出力は、フォトカプラなどの素子を用い
て電気的に隔離した状態で制御部４００に入力させる必要がある。

しかも、この場合、パワー半導体素子４、パワー半導体素子５、パワー半導体素子６の
コレクタ端子２８の電位は電力変換装置運転中は電位が激しく変動しているため、温度検
出素子２２の出力はノイズの影響を受けやすくなることにも注意が必要となる。

従って、本発明の実施形態としては、図１０に示したように、温度検出素子２２をパワー半導体素子４〜６のエミッタ端子２７の近傍に配置した上で、当該温度検出素子２２がエミッタ端子２７の近傍に配置されたパワー半導体素子が、図６に示したパワー半導体素子２、つまり部品８となるように構成するのが好ましい。

なお、上記の実施形態では、パワー半導体素子として、コレクタ端子とエミッタ端子を
備えたものがもちいられているが、その他の端子名を持つ半導体素子であっても、そのパ
ワー半導体素子のジャンクションに近い端子の近傍に温度検出素子を配置することにより
パワー半導体素子の温度検出ができるようにした本発明の利点は変らない。

また、上記実施形態では、温度検出素子が１個の場合について説明したが、パワー半導
体素子の各々の近傍に個別に複数個、配置されていても本発明の意図は何も変わらない。

更に、上記の実施形態では、交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給できる
ようにした電力変換装置について記載しているが、交流電動機に可変電圧可変周波数の交
流電力を供給できるようにした電力変換装置ではなくても、パワー半導体素子を用いる電
力変換回路であれば、本発明によるパワー半導体素子の温度検出の利点は変らない。
上記にて温度検出素子を半導体素子の端子等に対して近傍に設ける旨を説明している。この近傍の度合いについては、実際の検討によって、約１０ｍｍにて半導体素子の温度上昇を検出し、保護動作等の所望の処理を実施する事が可能であった。製品では、温度上昇の検出に要する時間の他に、安全性、回路基板上での素子の配置、回路パターンの設計、小型化等を考慮して約３ｍｍの距離にて温度検出素子を配置することとした。
しかしながら、この近傍についての具体的な距離は、上述の１０ｍｍ、３ｍｍにて限定されるものではなく、半導体素子の接合部等の温度変化を検出可能とする距離であれば、他の値であっても良い。例えば、１５ｍｍ〜３０ｍｍとすることも可能であるが、この場合、１０ｍｍ、３ｍｍよりも距離が大きくなっており、回路基板上等の熱の伝わる速度が変わるので、これらを考慮して温度検出素子の検出温度の判定値を小さくする、または温度変化を検出する際の分解能を変えるなどの工夫をして、半導体素子等の温度変化の検出を制御部で検出可能とすることが想定される。
なお、１５ｍｍ〜３０ｍｍのように距離を大きくすることによって、温度検出素子に熱が伝わり、その温度変化を検出するのに要する時間が大きくなるので、検出時間の遅れが問題となる場合には、約１０ｍｍ以内程度の距離とする事が好ましいと言える。また、電力変換装置等を構成する場合の回路基板の小型化を図る場合には、約３ｍｍ以内程度の距離とすることがより好ましい。勿論、より近接させて、上述の様に端子や回路パターンに直接温度検出素子を接続するものであっても良い。
本発明の実施形態によれば、温度検出素子が回路基板に取付けられるので、冷却フィンの面積や、冷却フィンから電気的に絶縁してパワー半導体素子の温度を検出し、検出結果を他の基板へ伝達する為の部品が不要になり、且つ配線のための工数も不要になる。
従って、本発明の実施形態によれば、半導体素子に対する熱保護機能の付与が安価に実現でき、電力変換装置の小型化や、組立時間の短縮も実現することができる。

本発明による半導体素子の温度検出方法及び温度検出機能を備えた電力変換装置の一実施形態を示す構成図である。 本発明の一実施形態を示す分解図である。 本発明の一実施形態におけるパワー半導体素子に対する温度検出素子の配置例を示す説明図である。 本発明の一実施形態におけるパワー半導体素子に対する温度検出素子の他の配置例を示す説明図である。 電力変換装置の一例を示すブロック構成図である。 電力変換装置における逆変換部の一例を示す回路図である。 電力変換装置の一例を示す構成図である。 温度検出素子を接続した逆変換部、順変換部、制御部の構成図 図１の断面図である。 本発明の一実施形態におけるパワー半導体素子に対する温度検出素子の配置例を示す説明図である。 本発明の一実施形態におけるパワー半導体素子に対する温度検出素子の配置例を示す説明図である。

符号の説明

１〜６：パワー半導体素子
７〜１２：部品(パワー半導体素子１〜６がパッケージされた部品)
１３：電力変換装置の回路基板(制御部４００などが搭載された回路基板)
１５：冷却フィン
１５ａ：プラスチックカバー
２２：温度検出素子(回路基板１３の回路パターン面に配置された温度検出素子)
２７：パワー半導体素子のエミッタ端子
２８：パワー半導体素子のコレクタ端子
５０：抵抗器
１００：順変換部(コンバータ)
２００：平滑部(コンデンサ)
３００：逆変換部(インバータ)
４００：制御部
５００：操作部
６００：電源(商用電源)
７００：負荷(ＩＭ(誘導電動機))

Claims (12)

1. 電力変換装置の逆変換部に用いる半導体素子の温度を、当該半導体素子の接合部に対する端子が接続される回路基板に配置した温度検出素子で検出するとともに、前記端子が、前記半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方であることを特徴とする半導体素子の温度検出方法。
2. 電力変換装置の逆変換部に用いる半導体素子の温度を、当該半導体素子の接合部に対する端子が接続される回路基板に配置した温度検出素子で検出するとともに、前記半導体素子の個数が複数で、前記温度検出素子が、これら複数個の半導体素子の中で温度上昇が大きくなる半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方に配置されていることを特徴とする半導体素子の温度検出方法。
3. 請求項１又は２に記載の半導体素子の温度検出方法において、
   前記温度検出素子と前記半導体素子の端子との距離が１０ｍｍ以内であることを特徴とする半導体素子の温度検出方法。
4. 請求項１又は２に記載の半導体素子の温度検出方法置において、
   前記温度検出素子と前記半導体素子の端子との距離が３ｍｍ以内であることを特徴とする半導体素子の温度検出方法。
5. 請求項１又は２に記載の半導体素子の温度検出方法において、
   前記半導体素子の端子に接して前記温度検出素子が配置されることを特徴とする半導体素子の温度検出方法。
6. 請求項１又は２に記載の半導体素子の温度検出方法において、
   前記半導体素子の端子が接続される回路基板の回路パターンに接して前記温度検出素子が配置されることを特徴とする半導体素子の温度検出方法。
7. 逆変換部に用いる半導体素子の温度を検出する電力変換装置において、
   前記半導体素子の接合部に対する端子が接続される回路基板上に配置された温度検出素子で前記半導体素子の温度を検出するとともに、前記端子が、前記半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方であることを特徴とする電力変換装置。
8. 逆変換部に用いる半導体素子の温度を検出する電力変換装置において、
   前記半導体素子の接合部に対する端子が接続される回路基板上に配置された温度検出素子で前記半導体素子の温度を検出するとともに、前記半導体素子の個数が複数で、前記温度検出素子が、これら複数個の半導体素子の中で温度上昇が大きくなる半導体素子のエミッタ端子とコレクタ端子の一方に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項７又は８に記載の電力変換装置において、
   前記温度検出素子と前記半導体素子の端子との距離が１０ｍｍ以内であることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項７又は８に記載の電力変換装置において、
    前記温度検出素子と前記半導体素子の端子との距離が３ｍｍ以内であることを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項７又は８に記載の電力変換装置において、
    前記半導体素子の端子に接して前記温度検出素子が配置されることを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項７又は８に記載の電力変換装置において、
    前記半導体素子の端子が接続される回路基板の回路パターンに接して前記温度検出素子が配置されることを特徴とする電力変換装置。

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