JP5037368B2 - 温度検出装置及び方法、並びに回路 - Google Patents

Description

本発明は温度検出装置及び方法、並びに回路に関し、特に所定の処理を実行する回路内に設けられた前記処理の少なくとも一部に関与するスイッチング素子の温度を検出する温度検出装置及び方法、並びに前記温度検出装置を備える回路に関する。

従来、ＦＥＴ（Field effect transistor（電界効果トランジスタ））などのスイッチング素子の温度を検出する場合には、スイッチング素子が固定されているヒートシンクや基板上に設けられた温度検出素子（サーミスターなど）を用いて、スイッチング素子の温度を間接的に検出することとしていた。

この方法において高精度な温度検出を行うためには、温度検出素子をスイッチング素子に極力近接させて配置するのが好ましい。しかしながら、スイッチング素子から温度検出素子（サーミスターなど）までの距離には物理的限界があり、取り付け位置や方法によっては、温度差や熱が伝わるまでの時間差などが発生するおそれがある。このように温度差や時間差が発生する場合、短時間で発生する急激な温度変化を検出するのには不向きであり、このことがスイッチング素子の破損を招く原因となりかねない。

かかる理由から、スイッチング素子の性能のうち検出温度に関する性能については、マージンを大きく設けておく必要があり、これにより、製品の安全性確保のためのコストアップが必要となる。

また最近では、温度測定専用素子をＭＯＳ−ＦＥＴで実現し、制御する方法（例えば特許文献１参照）や、温度検出用素子をダイオードで実現し、この素子を使って温度補償を掛ける方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。

特開平９−１３３５８７号公報 特開２００３−６８９８０号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載の発明では、回路内のスイッチング素子とは別に、温度検出用素子を設ける必要があり、コストの上昇を招くおそれがある。また、特許文献１に記載の発明をパワーアンプやスイッチング電源に適用した場合、負荷の変動（例えば、音楽信号によるレベル変動）によって、ドレイン電流が常に変化するため、その変化が温度によるものか、負荷の変化によるものかを判断することができず、正確な温度検出が不可能である。

そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、温度検出用の素子等を別途設けること無くスイッチング素子の温度を算出することができ、かつ、負荷の変化にかかわらずスイッチング素子の温度を正確に算出することが可能な温度検出装置及び方法、並びにスイッチング素子の破損を抑制することが可能な回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の温度検出装置は、所定の処理を実行する回路内に設けられた前記処理の少なくとも一部に関与するスイッチング素子の温度を検出するものであり、前記スイッチング素子のドレイン−ソース間に印加される電圧値を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段による電圧検出と同一のタイミングで前記スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値を検出する電流検出手段と、前記電圧値と電流値とを用いて前記スイッチング素子の抵抗値を算出し、当該抵抗値に基づいて前記スイッチング素子の温度を算出する温度算出手段と、を備えることを特徴とする。

これによれば、スイッチング素子のドレイン−ソース間に印加される電圧値と、スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値とを、同一タイミングで検出し、それらを用いて算出される抵抗値から、スイッチング素子の温度を算出するので、別途温度検出用の素子等を設けること無く、スイッチング素子の温度を算出することができる。また、スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値が、負荷の変化によって変動しても、そのときのスイッチング素子の抵抗値を正確に算出することができるので、スイッチング素子の温度を正確に算出することが可能となる。

この場合において、前記温度算出手段は、前記スイッチング素子の抵抗値と温度との関係を示すテーブルを用いて、前記スイッチング素子の抵抗値を算出することができる。かかる場合には、スイッチング素子の抵抗値を算出することで、スイッチング素子の温度を簡易に算出することが可能である。

本発明の温度検出装置では、前記温度算出手段は、前記スイッチング素子がオン状態のタイミングで検出された電圧値及び電流値を用いて、前記スイッチング素子の温度を算出することができる。かかる場合には、スイッチング素子がオン状態にあるときにのみ検出された値を用いることで、スイッチング素子の抵抗値及び温度を正確に算出することが可能となる。

この場合において、前記温度算出手段は、前記スイッチング素子のゲート端子に入力される信号に基づいて、前記スイッチング素子がオン状態か否かを判断することができる。この場合において、前記温度算出手段は、前記スイッチング素子がオン状態とオフ状態との間で遷移する遷移期間においては、前記スイッチング素子の温度の算出を実行しないこととすることができる。かかる場合には、正確な温度算出を実現できる。

本発明の温度検出装置では、前記電流検出手段は、前記スイッチング素子のドレイン端子に設けられた抵抗値が既知である負荷と、前記負荷に印加された電圧を検出する負荷電圧検出手段と、前記負荷に印加された電圧と前記負荷の抵抗値とを用いて前記スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値を算出する電流算出手段と、を有することとすることができる。

本発明の回路は、スイッチング素子を備え、所定の処理を実行するものであり、前記スイッチング素子の温度を検出する本発明の温度検出装置と、前記温度検出装置の検出結果に基づいて、前記スイッチング素子に印加する電圧を制御する制御手段と、を備える回路である。

これによれば、温度検出用の素子を別途設けること無くスイッチング素子の温度を算出することができ、かつ、負荷の変化にかかわらずスイッチング素子の温度を正確に算出することが可能な温度検出装置を備えているので、当該算出された温度を用いてスイッチング素子の動作を制御することで、スイッチング素子の破損等を抑制することができる。

この場合において、前記所定の処理は、電力増幅処理及びスイッチング電源としての処理のいずれかであることとすることができる。

本発明の温度計測方法は、所定の処理を実行する回路内に設けられた前記処理の少なくとも一部を実行するスイッチング素子の温度を計測するものであり、前記スイッチング素子のドレイン−ソース間に印加される電圧値を検出するステップと、前記電圧検出ステップと同一のタイミングで前記スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値を検出するステップと、前記検出された電圧値と電流値とを用いて前記スイッチング素子の抵抗値を算出するステップと、前記スイッチング素子の抵抗値に基づいて前記スイッチング素子の温度を算出するステップと、を含むことを特徴とする。

これによれば、スイッチング素子のドレイン−ソース間に印加される電圧値と、スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値とを、同一タイミングで検出し、それらを用いて算出される抵抗値から、スイッチング素子の温度を算出するので、温度検出用の素子等を別途設けること無く、スイッチング素子の温度を算出することができる。また、スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値が、負荷の変化によって変動しても、そのときのスイッチング素子の抵抗値を正確に算出することができるので、スイッチング素子の温度を正確に算出することが可能となる。

本発明によれば、温度検出用の素子を別途設けること無くスイッチング素子の温度を算出することができ、かつ、負荷の変化にかかわらずスイッチング素子の温度を正確に算出することが可能な温度検出装置及び方法、並びにスイッチング素子の破損を抑制することが可能な回路を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。

図１は、本実施形態の車載用パワーアンプ１００を示している。この車載用パワーアンプは、デジタル・アンプ１０と、電源回路２０とを有している。

デジタル・アンプ１０は、入力信号を１ビット・パルス信号に変換するパルス幅変調器（ＰＷＭ）（不図示）と、出力パワースイッチ回路のシュート・スルー電流を無くすためのデッド・タイム生成回路（不図示）と、図２に示すスイッチング周波数が高く大きなピーク電流を供給するためのゲートドライバ１２と、パルス信号で出力段パワーＭＯＳＦＥＴスイッチ（以下、単に「ＭＯＳＦＥＴスイッチ」と呼ぶ）１４Ａ，１４ＢをＯＮ，ＯＦＦする電力スイッチ１６と、パルス信号を平滑してアナログ信号に戻してスピーカに出力する出力段ローパス・フィルタ（不図示）とを備えている。

また、電源回路２０は、図３に示すように、電源用スイッチングＭＯＳＦＥＴ２２Ａ，２２Ｂを有する電源用スイッチング機構２４と、変圧器２６とを備えている。

図４は、本実施形態の車載用パワーアンプ１００に含まれるＦＥＴ（ここでは、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａであるものとする）の温度検出を行うための温度検出装置３０の構成を概略的に示している。この図４に示すように、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａのドレイン端子には、抵抗値Ｒが既知である負荷（抵抗）３２が設けられている（なお、実際には図２の回路中に抵抗３２が組み込まれる）。

温度検出装置３０は、抵抗３２に印加される電圧Ｖ_Rを検出する電圧（Ｖ_R）検出部３４と、電圧値Ｖ_Rから抵抗３２（及びＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａのドレイン端子）を流れる電流値Ｉを算出する電流値算出部３６と、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａのドレイン−ソース間に印加される電圧Ｖ_RDS(on)を検出する電圧（Ｖ_RDS(on)）検出部３８と、電流値Ｉと電圧値Ｖ_RDS(on)とからＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａのドレイン−ソース間の抵抗値Ｒ_DS(on)を算出するＲ_DS(on)算出部４０と、抵抗値Ｒ_DS(on)に基づいてＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａの温度を算出するとともに、その温度に基づいてＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａの保護処理を実行するか否かを判断する温度算出／保護処理判断部４２と、を有している。

上記構成のうち電圧（Ｖ_R）検出部３４及び電圧（Ｖ_RDS(on)）検出部３８は、例えばＡ／Ｄ変換器又は比較器（コンパレータ）などから構成されている。また、電流値算出部３６、Ｒ_DS(on)算出部４０及び温度算出／保護処理判断部４２は、マイコンにより構成されている。

電流値算出部３６は、電圧（Ｖ_R）検出部３４において検出された電圧（Ｖ_R）と既知の抵抗値Ｒとを用いて、オームの法則から、電流値Ｉ（＝Ｖ_R／Ｒ）を算出する。また、Ｒ_DS(on)算出部４０は、電流値算出部３６において算出された電流値Ｉと、電圧（Ｖ_RDS(on)）検出部３８において電圧（Ｖ_R）検出部３４の検出と同一タイミングで検出された電圧Ｖ_RDS(on)とを用いて、抵抗値Ｒ_DS(on)（＝Ｖ_RDS(on)／Ｉ）を算出する。

ここで、ドレイン−ソース間の抵抗値Ｒ_DS(on)とＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａの温度との間には、図５に示すような関係があることが知られている。したがって、温度算出／保護処理判断部４２は、Ｒ_DS(on)算出部４０による算出結果（抵抗値Ｒ_DS(on)）と、図５のグラフ（テーブル）とに基づいて、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａの温度を算出（決定）する。また、温度算出／保護処理判断部４２は、算出された温度に基づいて、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａを保護する処理を実行するか否かを判断する。この場合の処理としては、例えば、温度が所定の閾値を超えた場合において、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａが破損しないように電圧値等を変更したりする処理が挙げられる。

ところで、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａの動作はスイッチング動作でありこの動作による遷移期間においては抵抗値Ｒ_DS(on)が変化することから、当該期間には正確な温度を算出することができないことが予想される。また、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１４ＡがＯＦＦ動作のとき（ＯＦＦ期間）には、電流が流れていない状態であるため、そのときの電圧Ｖ_RDS(on)を用いて算出された抵抗値Ｒ_DS(on)では正確な温度を算出できないことが予想される。

したがって、本実施形態では、Ｒ_DS(on)算出部４０において、ゲートドライバ１２から出力されるパルス信号Ｖ_GS（図６参照）をモニタし、遷移期間及びＯＦＦ期間に検出されたデータを用いた抵抗値Ｒ_DS(on)及び温度の算出（決定）を行わないようにする。換言すれば、ＯＮ期間の間に同一タイミングで検出された電圧Ｖ_R，Ｖ_RDS(on)のみを用いて、抵抗値Ｒ_DS(on)及び温度の算出を行う。

ここで、遷移期間は、ＯＦＦ状態から信号レベルが上昇し始めてから、所定時間ｔ（機器ごとに予め定められているものとする）と定義することができる。したがって、本実施形態では、Ｒ_DS(on)算出部４０は、パルス信号の上昇開始から所定時間ｔが経過するまでをタイマ等で計測することにより、その時間ｔの間に検出された電圧値を用いないような制御を実行する。また、ＯＮ期間か否かの判断においては、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａの特性（例えば、turn on delay、rise timeなど）を考慮することとしても良い。

図７には、本実施形態におけるマイコン（具体的には、電流値算出部３６、Ｒ_DS(on)算出部４０、温度算出／保護処理判断部４２）の処理シーケンスを示すフローチャートを示す。以下、この図７に基づいて、マイコンの処理シーケンスについて簡単に説明する。

ステップＳ１０では、電流値算出部３６が、電圧（Ｖ_R）検出部３４において検出された電圧Ｖ_Rに基づいて、電流値Ｉを算出する。次いで、ステップＳ１２では、Ｒ_DS(on)算出部４０が、ゲートドライバ１２から出力されるパルス信号Ｖ_GSに基づいて、ＯＮ期間であるか否かを判断する。ここでの判断が否定された場合には、ステップＳ１０に戻り、再度電流値Ｉを算出する。一方、ステップＳ１２の判断が肯定された場合には、ステップＳ１４に移行し、Ｒ_DS(on)算出部４０が、電圧（Ｖ_RDS(on)）検出部３８において検出された電圧Ｖ_RDS(on)と、電流値Ｉとに基づいて、抵抗値Ｒ_DS(on)を算出する。次いで、ステップＳ１６では、温度算出／保護処理判断部４２が、抵抗値Ｒ_DS(on)と図５の関係（テーブル）とに基づいて、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａの温度を算出し、ステップＳ１８において、その温度が保護処理が必要な温度であるか否かを判断する。ここでの判断が否定された場合には、ステップＳ１０に戻り、肯定された場合には、ステップＳ２０において前述した保護処理を実行した後、ステップＳ１０に戻る。このような処理を繰り返し実行することにより、ＯＮ期間におけるＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａの温度検出が継続的に行われるので、温度が急激に変化した場合であっても、早急に保護処理を実行することが可能である。

なお、図７のフローチャートにおいては、ステップＳ１２の判断をステップＳ１０の前に実行することとしても良い。この場合、ステップＳ１２の判断が肯定された場合にのみ、電流値算出部３６による電流値Ｉの算出を実行する。

なお、上記の説明では一方のＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａを例に挙げて説明したが、これに限らず、他方のＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ｂや電源用スイッチングＭＯＳＦＥＴ２２Ａ，２２Ｂにおいても、同様の温度計測及び保護処理を実行することが可能である。

以上、詳細に説明したように、本実施形態によると、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１４Ａなどのスイッチング素子のドレイン−ソース間に印加される電圧値Ｖ_RDS(on)と、スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値Ｉとを、同一タイミングで検出し、それらを用いて算出される抵抗値Ｒ_DS(on)から、スイッチング素子の温度を算出するので、別途温度検出用の素子等を設けなくても、スイッチング素子の温度を算出（検出）することができる。すなわち、温度検出用の素子（サーミスター）を設ける場合には、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、サーミスターを可能な限りスイッチング素子に近づけることにより、温度検出の正確性を確保する必要があったが、サーミスターとスイッチング素子とを近づけるには物理的な限界があり、取り付け位置や方法によっては検出精度が大きく変動するため、正確な温度検出を行うことが困難であった。しかしながら、本実施形態では、抵抗値Ｒ_DS(on)に基づいてスイッチング素子そのものの温度を検出（算出）するので、温度を高精度に算出することができる。また、本実施形態では、スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値が負荷の変化（例えば、音楽信号によるレベル変化）によって変動しても、そのときのスイッチング素子の抵抗値Ｒ_DS(on)を正確に算出することができるので、この点からも、スイッチング素子の温度を高精度に算出することが可能である。

また、本実施形態によると、スイッチング素子がオン状態にある場合にのみ検出された電圧値を用いて（スイッチング素子がオフ状態及び遷移状態にある場合に検出された電圧値は用いずに）、スイッチング素子のオン状態を算出するので、この点からも、スイッチング素子の温度を高精度に計測することが可能である。

なお、上記実施形態では、図４の構成の一部（電流値算出部３６、Ｒ_DS(on)算出部４０及び温度算出／保護処理判断部４２）がマイコンにより構成された場合について説明したが、これに限らず、その他ハードウェア（例えばコンパレータなど）により構成することとしても良い。

なお、上記実施形態では、車載用パワーアンプ１００内に設けられたＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）の温度計測に、本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、その他の装置に設けられたＭＯＳＦＥＴなど種々のスイッチング素子の温度計測にも、本発明を適用することとしても良い。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

一実施形態に係る車載用パワーアンプを示すブロック図である。 デジタル・アンプの一部の構成を示す図である。 電源回路の異物の構成を示す図である。 温度検出装置の具体的構成を示すブロック図である。 ＭＯＳＦＥＴスイッチの抵抗値と温度との関係を示すグラフである。 ＭＯＳＦＥＴスイッチがＯＮ期間、遷移期間、ＯＦＦ期間にある場合の電圧Ｖ_RDS(on)とパルス信号Ｖ_GSを示す図である。 温度検出装置を構成するマイコンの処理シーケンスを示すフローチャートである。 比較例を示す図である。

符号の説明

１０ デジタル・アンプ（回路）
１４Ａ 出力段パワーＭＯＳＦＥＴスイッチ（スイッチング素子）
３０ 温度検出装置
３２ 抵抗（負荷）
３４ 電圧（Ｖ_R）検出部（電流検出手段の一部、負荷電圧検出手段）
３６ 電流値算出部（電流検出手段の一部、電流算出手段）
３８ 電圧（Ｖ_RDS(on)）検出部（電圧検出手段）
４０ Ｒ_DS(on)算出部（温度算出手段の一部）
４２ 温度算出／保護処理判断部（温度算出手段の一部、制御手段）

Claims (9)

1. 所定の処理を実行する回路内に設けられた前記処理の少なくとも一部に関与するスイッチング素子の温度を検出する温度検出装置であって、
   前記スイッチング素子のドレイン−ソース間に印加される電圧値を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段による電圧検出と同一のタイミングで前記スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値を検出する電流検出手段と、
   前記電圧値と電流値とを用いて前記スイッチング素子の抵抗値を算出し、当該抵抗値に基づいて前記スイッチング素子の温度を算出する温度算出手段と、を備える温度検出装置。
2. 前記温度算出手段は、
   前記スイッチング素子の抵抗値と温度との関係を示すテーブルを用いて、前記スイッチング素子の抵抗値を算出することを特徴とする請求項１に記載の温度検出装置。
3. 前記温度算出手段は、
   前記スイッチング素子がオン状態のタイミングで検出された電圧値及び電流値を用いて、前記スイッチング素子の温度を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の温度検出装置。
4. 前記温度算出手段は、
   前記スイッチング素子のゲート端子に入力される信号に基づいて、前記スイッチング素子がオン状態か否かを判断することを特徴とする請求項３に記載の温度検出装置。
5. 前記温度算出手段は、
   前記スイッチング素子がオン状態とオフ状態との間で遷移する遷移期間においては、前記スイッチング素子の温度の算出を実行しないことを特徴とする請求項４に記載の温度検出装置。
6. 前記電流検出手段は、
   前記スイッチング素子のドレイン端子に設けられた抵抗値が既知である負荷と、
   前記負荷に印加された電圧を検出する負荷電圧検出手段と、
   前記負荷に印加された電圧と前記負荷の抵抗値とを用いて前記スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値を算出する電流算出手段と、を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の温度検出装置。
7. スイッチング素子を備え、所定の処理を実行する回路において、
   前記スイッチング素子の温度を検出する請求項１〜６のいずれか一項に記載の温度検出装置と、
   前記温度検出装置の検出結果に基づいて、前記スイッチング素子に印加する電圧を制御する制御手段と、を備える回路。
8. 前記所定の処理は、電力増幅処理及びスイッチング電源としての処理のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の回路。
9. 所定の処理を実行する回路内に設けられた前記処理の少なくとも一部を実行するスイッチング素子の温度を計測する温度計測方法であって、
   前記スイッチング素子のドレイン−ソース間に印加される電圧値を検出するステップと、
   前記電圧検出ステップと同一のタイミングで前記スイッチング素子のドレイン端子に入力される電流値を検出するステップと、
   前記検出された電圧値と電流値とを用いて前記スイッチング素子の抵抗値を算出するステップと、
   前記スイッチング素子の抵抗値に基づいて前記スイッチング素子の温度を算出するステップと、を含む温度検出方法。

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