JP5444307B2 - 温度検出回路及び温度検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば多相モータを通電制御するスイッチ素子の温度検出回路及びそれを用いた温度検出装置に係り、特に、複数の発熱箇所を有する半導体スイッチ素子の温度検出に関するものである。

一般に、車輌に搭載され、多相モータを通電制御するスイッチ素子では、個別のスイッチ素子を多数個組み合わせて構成される場合が多く、この場合、構成される多数個のスイッチ素子の全てを安価かつ確実に温度検出することで、スイッチ素子の過熱保護を実現することが要求されている。

ところで、半導体スイッチの温度検出方法としては、パワーＭＯＳ（電界効果トランジスタ）と同一チップ上に温度検出用のダイオード素子を構成し、このダイオード素子の負の温度電圧特性を用いて検出する方法、あるいは外来ノイズ除去を目的としたローパスフィルタを同一チップ上に構成する方法が知られている。（例えば、特許文献１参照）

また、複数の発熱箇所を有する装置での温度検出としては、温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタを用いて各サーミスタを並列接続することにより温度検出する技術が知られている。（例えば、特許文献２参照）

また、温度センサで検出された最も高い温度を選択する選択手段と、診断対象の温度センサに対応して駆動されたスイッチング素子の電流に基づいて温度センサの正常／異常を診断する診断制御技術が知られている。（例えば、特許文献３参照）

さらにまた、複数の発熱箇所を有する装置での温度検出としては、温度検出用ダイオード素子を用いて各温度検出用ダイオード素子を直列接続することにより温度検出する技術が知られている。（例えば、特許文献４参照）

なお、図６は従来の温度検出装置を示した図であり、モジュール２０３に搭載されたマイコン等で指令された信号に基づき、モジュール２０２に搭載されたスイッチ素子で通電を行い、モータ２０１の駆動等を制御するものにおいて、スイッチ素子の温度検出をダイオード７〜１２で検知し、スイッチ素子が過熱しないようにモータ指令情報に取り入れている。

特許第３５０９６２３号公報 特許第３９７５８０９号公報 特開２００９−２２９１２８号公報 特開２０１１−１３３４２０号公報

しかしながら、前記特許文献１には、スイッチ素子であるパワーＭＯＳと同一チップ上に温度検出用ダイオード素子を構成し、そのダイオード素子のアノードとカソード間順方向電圧の温度特性を利用してスイッチ素子の温度検出を行う手法について開示されているが、複数の発熱箇所を有する被検出対象物の温度検出方法について開示されていない。

また、前記特許文献２には、複数の発熱箇所を有する被検出対象物の温度検出方法が開示されているが、この特許文献２に開示された技術は、サーミスタによる温度検出であり、さらに複数個所の発熱検出のために設置したサーミスタを並列接続して、合成抵抗で検出する方法であるため、半導体のチップ温度を検出する方法としては検出精度が低いという問題点がある。

また、前記特許文献３では温度センサで検出された最も高い温度を選択するフローチャート選択手段が示されているが、具体的な選択方法が開示されていない。

また、前記特許文献４では複数の温度検出用ダイオード素子を直列接続し、端子間におけるダイオード複数個分の電圧特性が出力されることとなるため、精度を確保するためには接続個数を制限する必要が生じる。

さらに、図６に示す従来例について説明すると、第１のモジュール２０２に搭載された、モータ２０１駆動用のスイッチ素子１０７〜１１２の各々のチップ上には、検温素子である温度検出用ダイオード素子７〜１２が構成されている。温度検出用ダイオード素子７〜１２には定電流源１〜６から電流が供給される。温度検出用ダイオード素子７〜１２の各々の端子電圧はモジュール２０３に入力され、ＡＤ変換された信号に基づいて第２のモジュール２０３に搭載されたマイコンで温度推定１１４され、過熱判定１１５及びブリッジ制御１１６が行なわれ、プリドライバ回路１１７がスイッチ素子１０７〜１１２のゲート回路を制御することにより、スイッチ素子１０７〜１１２の過熱を防止する。

一般にマイコン及びＡＤ変換器は高温環境下では信頼性が著しく劣化するため、比較的温度環境の低い箇所に搭載する必要がある。図６では温度推定１１４及び過熱判定１１５を行なうマイコンを、高温環境下にあるパワーブロックである第１のモジュール２０２とは別の制御ブロックである第２のモジュール２０３に搭載し、両モジュール間を信号線で結ぶようにしている。このようにして、第２のモジュール２０３は第１のモジュール２０２に対し温度環境が低くなるよう工夫されている。ところで、図６のように、全てのスイッチ素子の温度をＡＤ入力しマイコンで検出しようとすれば、第１のモジュール２０３と第２のモジュール２０２間をつなぐ信号線は温度検出部の総数分だけ必要になり、信号線の本数が増え接続信頼性が悪化し、工作性の悪化および部品の大型化により高価となる。

この発明は、このような問題を解決するためになされたもので、複数の発熱箇所を有するスイッチ素子の温度検出において、簡素で安価かつ確実にスイッチ素子温度を検出する温度検出回路及び温度検出装置を提供するものである。

この発明に係る温度検出回路は、複数のスイッチ素子により構成されるブリッジ回路の前記スイッチ素子の温度を、前記複数のスイッチ素子のそれぞれに近接して設置された検温素子により検出する温度検出回路であって、前記検温素子が検出する最高温度に対応する最大電圧または最小電圧を選択して出力する理想ダイオードを備え、前記複数の検温素子を直列接続して一つの定電流源から電流を供給すると共に、前記理想ダイオードに差動増幅機能をもたせ、前記各検温素子の端子電圧信号を前記理想ダイオードに入力信号として加えるようにしている。

また、この発明に係る温度検出装置は、モータを制御する複数のスイッチ素子により構成されるブリッジ回路を搭載したパワーブロックと、スイッチ素子のゲートを制御するプリドライバ回路及びマイコンを搭載した制御ブロックとを別々に備え、パワーブロックにはスイッチ素子の温度を検出する請求項１に記載の温度検出回路を搭載し、温度検出回路の出力信号を制御ブロックのマイコンに供給し、マイコンは出力信号に基づいて温度推定、過熱判定を行い、その結果をプリドライバ回路に与えるようにしたものである。

この発明によれば、理想ダイオードを温度検出部に配置することによりスイッチ素子の最高温度を簡単に検出できる。また、パワーブロックから制御ブロックへのＡＤ入力線を低減でき、高信頼性かつ安価にスイッチ素子の温度検出が可能となる。さらにまた、温度検出部を直列配線すれば各温度検出部への定電流ばらつきを低減することができ、定電流回路数も低減できる。

この発明の実施の形態１に係る温度検出回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態２に係る温度検出回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態３に係る温度検出回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態４に係る温度検出回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態５に係る温度検出装置を示す回路構成図である。 従来の温度検出装置を示す回路構成図である。

以下、この発明の実施の形態に係る温度検出回路及び温度検出装置について図に基づいて説明する。なお、図においては、温度検出部を３箇所としているが、６箇所、１２箇所等、３箇所以外としてもよく、また、この発明は、この発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更または省略することが可能である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る温度検出回路の回路構成を示す図である。図において、検温素子である温度検出用ダイオード素子７〜９の各々は、モータ制御を行なうスイッチ素子（図示省略）のチップ上に構成されている。温度検出用ダイオード素子７〜９の各々は、抵抗２５〜２７を介して定電流源１〜３に接続されている。温度検出用ダイオード素子７〜９と抵抗２５〜２７の直列回路の一端はそれぞれ理想ダイオード１０１〜１０３に接続されている。理想ダイオード１０１〜１０３はそれぞれ、オペアンプ１３〜１５とダイオード１６〜１８で構成されている。温度検出用ダイオード素子７〜９側からの信号はオペアンプ１３〜１５の非反転端子に入力されている。オペアンプ１３〜１５の反転端子は相互に接続された出力端子となって後段のＡＤ変換器へ接続されるが、この出力端子には、抵抗４０を介して電圧Ｖｃ２が印加されている。

次に動作を説明する。検温素子は３個設けられているが、その一つについて詳しく説明し、同じ動作の他の二つについては詳しい説明は省略する。まず、理想ダイオード１０１の入力電圧Ｖｉ１の温度特性について述べる。図１において、定電流源１より供給される定電流Ｉ１は抵抗２５及び温度検出用ダイオード素子７に与えられる。このとき、抵抗２５の抵抗値をＲ２５とすると、抵抗２５での電圧降下ＶＲ２５は
ＶＲ２５＝Ｒ２５×Ｉ１
で表され、Ｒ２５及びＩ１が温度に対して変化しなければ、ＶＲ２５も温度に対して変化しない。ところで、図１では検温素子として負の温度特性を持つ温度検出用ダイオード素子７を用いており、被温度検出部のスイッチ素子が高温になるほど温度検出用ダイオード素子７による電圧降下ＶＦ７は小さくなる。これより、抵抗２５と温度検出用ダイオード素子７との直列回路で発生する電圧降下Ｖｉ１は
Ｖｉ１＝ＶＲ２５＋ＶＦ７
となるため、Ｖｉ１は高温になるほど低電位となる負の温度特性を呈す。
以上は抵抗２５及び温度検出用ダイオード素子７についてのみ述べたが、抵抗２６及び温度検出用ダイオード素子８、抵抗２７及び温度検出用ダイオード素子９についても同様のことが当てはまる。
なお、検温素子はＮＣＴサーミスタのように負の温度特性を持つものでもよい。

次に、理想ダイオード１０１の動作について述べる。図１において、理想ダイオード１０１はオペアンプ１３とダイオード１６で構成される。オペアンプ１３の非反転端子に入力された信号Ｖｉ１は反転端子に入力された信号Ｖｍｉｎと比較され、オペアンプ１３の出力Ｖｏ１は以下のようになる。
ア）Ｖｉ１＞Ｖｍｉｎ のとき
Ｖｏ１・・・Ｈ（Ｈｉｇｈ）出力
従って、Ｖｉ１からの信号はダイオード１６で遮断されるためＶｍｉｎへと伝わらない。
イ）Ｖｉ１≦Ｖｍｉｎ のとき
Ｖｏ１＝Ｖｉ１−Ｖｆ１６
（ただし、Ｖｆ１６はダイオード１６の電圧降下）
従って、
Ｖｍｉｎ＝Ｖｉ１
となり、Ｖｉ１信号はＶｍｉｎへと伝達される。
この関係は、抵抗２６と温度検出用ダイオード素子８の電圧Ｖｉ２と理想ダイオード１０２及び抵抗２７と温度検出用ダイオード素子９の電圧Ｖｉ３と理想ダイオード１０３の関係にも当てはまる。

以上より、各理想ダイオード１０１〜１０３は、これらに加わる電圧Ｖｉ１〜Ｖｉ３のうちの最小電圧、つまり、温度検出用ダイオード（７）〜（９）で計測したスイッチ素子の温度のうち最高温度に相当する出力電圧をＶｍｉｎとして出力することになる。この種の温度検出においては、最高温度に達しているスイッチ素子があることが判明すれば、理想ダイオード１０１〜１０３の出力側のＶｍｉｎの信号をＡＤ変換して別のモジュールに設置されたマイコンに加え、温度推定、過熱判定を行ない、それに基づいてスイッチ素子の制御を行なうことができる。

本構成によれば、マイコン、ＣＭＯＳ等を使用することなく最小電圧選択回路を構成できるため、高温環境で信頼性を向上させることができ、また、マイコンまたはＡＤ変換器の入力端子数を大幅に削減できる。

また、抵抗２５〜２７を例えばレーザートリミング等でトリミングすれば、各検温素子である温度検出用ダイオード素子７〜９にばらつきがあっても、特性を揃えることができるため、特性が揃った検温素子を準備する必要がなく、製造が容易である。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２に係る温度検出回路の回路構成を示す図である。図２では測温部に設置された検温素子に正の温度特性を持つ金属抵抗２２〜２４を用いている。図２において、図１の要素と同等の要素には同一符号をつけて、説明を省略する。

金属抵抗２２の抵抗値Ｒ２２は高温になるほど大きくなる。これより、金属抵抗２２の端子に発生する電圧降下（Ｖｉ４）は
Ｖｉ４＝ＶＲ２２＝Ｒ２２×Ｉ１
となるため、Ｖｉ４は高温になるほど高電位となる正の温度特性を呈する。なお、検温素子は金属抵抗の代わりにＰＣＴサーミスタのように正の温度特性を持つものでもよい。

図２において、オペアンプ１３と、図１とは逆向きに接続されたダイオード１９とで構成される理想ダイオード１０４の動作は、図１と逆の特性となり、オペアンプ１３の非反転端子に入力された、金属抵抗２２の端子からの信号Ｖｉ４は、反転端子に入力された信号Ｖｍａｘと比較され、出力Ｖｏ４は以下となる。
ウ）Ｖｉ４＜Ｖｍａｘ のとき
Ｖｏ４・・・Ｌ（Ｌｏｗ）出力
従って、Ｖｉ４からの信号はダイオード１９で遮断されるためＶｍａｘへと伝わらない。
エ）Ｖｉ４≧Ｖｍａｘ のとき
Ｖｏ４＝Ｖｉ４＋Ｖｆ１９
（ただし、Ｖｆ１９はダイオード１９の電圧降下）
従って、
Ｖｍｉｎ＝Ｖｉ４
となり、Ｖｉ４信号はＶｍａｘへと伝達される。

以上より、Ｖｉ４〜Ｖｉ６のうちの最大電圧、つまり、金属抵抗（２２）〜（２４）で計測した温度のうち最高温度に相当する出力電圧をＶｍａｘとして出力する。
この関係は、金属抵抗２３の信号Ｖｉ２と理想ダイオード１０５及び金属抵抗２４の信号Ｖｉ３と理想ダイオード１０６の関係にも当てはまる。なお、２０、２１はダイオード、４１は一端が接地された抵抗である。

本構成によれば金属抵抗を用いても最大温度を選択できるため、実施の形態１の効果に加えて、設計自由度を向上させることができるという効果がある。なお、実施の形態１のようにトリミング用抵抗を金属抵抗に直列に挿入してもよい。

実施の形態３．
図３は実施の形態１の理想ダイオード構成に増幅機能を追加したもので、図１の要素と同等の要素には同一符号を付して説明を省略する。すなわち、図１のオペアンプ１３〜１５とダイオード１６〜１８でそれぞれ構成される理想ダイオードの前記オペアンプ１３〜１５の反転入力側に抵抗２８〜３０及び抵抗３４〜３６を付加し、抵抗２８と３４、抵抗２９と３５、及び抵抗３０と３６のそれぞれの接続点がオペアンプ１３、１４、１５の反転入力端子に接続されている。

ここで、抵抗２８〜３０をＲｓ、抵抗３４〜３６をＲｆとすると、オペアンプ１３の非反転端子に入力された信号Ｖｉ１は反転端子に入力された信号Ｖｉ１ｍと比較され、出力Ｖｏ１は以下となる。
オ）Ｖｉ１＞Ｖｉ１ｍ＝Ｖｍｉｎ×Ｒｓ／（Ｒｓ＋Ｒｆ）
のとき、
Ｖｏ１・・・Ｈ（Ｈｉｇｈ）出力
従って、Ｖｉ１からの信号はダイオード１６で遮断されるためＶｍｉｎへと伝わらない。
カ）Ｖｉ１≦Ｖｉ１ｍ＝Ｖｍｉｎ×Ｒｓ／（Ｒｓ＋Ｒｆ）
のとき、
Ｖｏ１＝Ｖｉ１×（Ｒｓ＋Ｒｆ）／Ｒｓ−Ｖｆ１６
（ただし、Ｖｆ１６はダイオード（１６）の電圧降下）
従って、
Ｖｍｉｎ＝Ｖｉ１×（Ｒｓ＋Ｒｆ）／Ｒｓ
となり、Ｖｉ１信号はＶｍｉｎへと伝達される。
この関係は、抵抗２９、３５とオペアンプ１４及び抵抗３０、３６とオペアンプ１５の関係にも当てはまる。

本構成によれば理想ダイオードが信号増幅機能を有するため、Ｖｍｉｎとして出力される信号のＡＤ変換時の分解能を、理想ダイオードの増幅度を変えることで任意に設定でき、精度を向上させることができる。

実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係る温度検出回路を示すもので、図１〜図３の要素と同等の要素には同一符号を付している。検温素子である温度検出用ダイオード素子７〜９及び抵抗２５〜２７は直列に接続され、一個の定電流源１から電流が供給される。抵抗２５〜２７の一端はバッファ４２〜４４を通して理想ダイオードに接続される。各理想ダイオードは、オペアンプ１３〜１５とダイオード１９〜２１で構成され、差動増幅機能をもたせるため抵抗２８〜３３、抵抗３４〜３９が接続されている。抵抗３１と３７の接続点、抵抗３２と３８の接続点、及び抵抗３３と３９の接続点はそれぞれオペアンプ１３〜１５の非反転入力端子に接続されている。

この構成において、抵抗２８〜３３をＲｓ、抵抗３４〜３９をＲｆとすると、オペアンプ１３の非反転端子に入力された信号Ｖｉ２ｐは反転端子に入力された信号Ｖｉ１ｍと比較され、出力Ｖｏ１は以下となる。
キ）Ｖｉ２ｐ＝（Ｒｓ×Ｖｒ＋Ｒｆ×Ｖ２）／（Ｒｓ＋Ｒｆ）
＜Ｖｉ１ｍ＝（Ｒｓ×Ｖｍｉｎ＋Ｒｆ×Ｖ１）／（Ｒｓ＋Ｒｆ）
のとき、
Ｖｏ１・・・Ｌ（Ｌｏｗ）出力
従って、Ｖｉ１、Ｖｉ２からの信号はダイオード１９で遮断されるためＶｍａｘへと伝わらない。
ク）Ｖｉ２ｐ＝（Ｒｓ×Ｖｒ＋Ｒｆ×Ｖ２）／（Ｒｓ＋Ｒｆ）
≧Ｖｉ１ｍ＝（Ｒｓ×Ｖｍｉｎ＋Ｒｆ×Ｖ１）／（Ｒｓ＋Ｒｆ）
のとき、
Ｖｏ１＝−（Ｖｉ１−Ｖｉ２）×Ｒｆ／Ｒｓ＋Ｖｒ＋Ｖｆ１９
ただし、Ｖｆ１９はダイオード（１９）の電圧降下
従って、
Ｖｍａｘ＝−（Ｖｉ１−Ｖｉ２）×Ｒｆ／Ｒｓ＋Ｖｒ
となり、Ｖｉ１、Ｖｉ２の差動信号はＶｍａｘへと伝達される。この関係は、オペアンプ１４及びオペアンプ１５の関係にも当てはまる。

本構成によれば信号増幅器能を有するため、ＡＤ変換時の分解能を任意に設定でき、精度を向上させることができるとともに、定電流源を一つで構成できるため各ダイオードに供給される電流のばらつきを低減することができる。さらに、定電流回路数の削減と定電流回路に伴う信号線の削減により、安価で高信頼性な温度選択回路を得ることができる。なお、Ｒｓ、Ｒｆの抵抗値を最適化し、Ｉ１に対し十分少ない消費電流とすればバッファ（４２）〜（４４）を省略してもよい。

実施の形態５．
図５は実施の形態１〜４に示したような温度検出回路を用いた温度検出装置の回路構成を示すものである。５図において、パワーブロックを形成する第１のモジュール２０２に搭載された、モータ２０１駆動用スイッチ素子１０７〜１１２の各々のチップ上には、検温素子である温度検出用ダイオード素子７〜１２が構成されている。温度検出用ダイオード素子７〜１２は直列に接続され、一つの定電流源１から定電流が供給される。温度検出用ダイオード素子７〜９の各々の出力信号は、図１あるいは図３に示した理想ダイオードを用いた最小電圧選択回路１１３に入力される。もちろん、最小電圧選択回路１１３の代わりに、図２あるいは図４に示す最大電圧選択回路を用いてもよい。

第１のモジュール２０２とは別の、制御ブロックを構成する第２のモジュール２０３にマイコンが搭載され、温度推定１１４及び過熱判定１１５が行なわれ、これに基づいてブリッジ制御１１６を行なう。さらに、プリドライバ回路１１７がスイッチ素子１０７〜１１２のゲート回路を制御することにより、スイッチ素子１０７〜１１２の過熱を防止する。第２のモジュール２０３に搭載されたマイコンには、最小電圧選択回路１１３で選択された１本の信号線からＶｍｉｎ信号が供給され、ＡＤ変換を行なって温度推定１１４などの処理を行う。

一般にマイコン及びＡＤ変換器は高温環境下では信頼性が著しく劣化するため、比較的温度環境の低い箇所に搭載する必要がある。図５では温度推定１１４及び過熱判定１１５を行なうマイコンを、高温環境下にある第１のモジュール２０２とは別の第２のモジュール２０３に搭載し、両モジュール間を信号線で結ぶようにしている。このようにして、マイコン及びＡＤ変換器の温度環境が低くなるよう工夫されている。この実施の形態５では、図５のように、全てのスイッチ素子の温度をＡＤ入力しマイコンで検出することなく、最高温度を選択して、１本の信号線で第２のモジュール２０３と第１のモジュール２０２間をつなぐだけでよいから、信号線の本数を低減でき、製造が容易となり、部品の小型化並びに低コストを実現できる。

１〜３ 定電流源、
７〜１２ 温度検出用ダイオード素子（検温素子）、
１３〜１５ オペアンプ、
１６〜２１ ダイオード、
２２〜２４ 金属抵抗（検温素子）、
２５〜２７ 抵抗、
２８〜３３ 抵抗（Ｒｓ）、
３４〜３９ 抵抗（Ｒｆ）、
４０、４１ 抵抗、
４２〜４４ バッファ、
１０１〜１０６ 理想ダイオード、
１０７〜１１２ スイッチ素子、
１１３ 最小電圧選択回路、
１１４ 温度推定ブロック、
１１５ 過熱判定ブロック、
１１６ ブリッジ制御ブロック、
１１７ プリドライバ回路、
２０１ モータ、
２０２ 第１のモジュール、
２０３ 第２のモジュール。

Claims (6)

1. 複数のスイッチ素子により構成されるブリッジ回路の前記スイッチ素子の温度を、前記複数のスイッチ素子のそれぞれに近接して設置された検温素子により検出する温度検出回路であって、前記検温素子が検出する最高温度に対応する最大電圧または最小電圧を選択して出力する理想ダイオードを備え、前記複数の検温素子を直列接続して一つの定電流源から電流を供給すると共に、前記理想ダイオードに差動増幅機能をもたせ、前記各検温素子の端子電圧信号を前記理想ダイオードに入力信号として加えるようにしたことを特徴とする温度検出回路。
2. 前記検温素子は、温度検出用ダイオード素子であることを特徴とする請求項１に記載の温度検出回路。
3. 前記検温素子は、金属抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の温度検出回路。
4. 前記検温素子は、サーミスタであることを特徴とする請求項１に記載の温度検出回路。
5. 前記検温素子は、温度検出用ダイオード素子、金属抵抗、またはサーミスタと抵抗が直列接続されたものであることを特徴とする請求項１に記載の温度検出回路。
6. モータを制御する複数のスイッチ素子により構成されるブリッジ回路を搭載したパワーブロックと、前記スイッチ素子のゲートを制御するプリドライバ回路及びマイコンを搭載した制御ブロックとを別々に備え、前記パワーブロックには前記スイッチ素子の温度を検出する請求項１に記載の温度検出回路を搭載し、前記温度検出回路の出力信号を前記制御ブロックの前記マイコンに供給し、前記マイコンは前記出力信号に基づいて温度推定、過熱判定を行い、その結果を前記プリドライバ回路に与えるようにしたことを特徴とする温度検出装置。

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