JP5647416B2

JP5647416B2 - 発熱素子温度推定装置

Info

Publication number: JP5647416B2
Application number: JP2010003903A
Authority: JP
Inventors: 榎本　貴行; 貴行榎本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-01-12
Also published as: EP2343735B1; US20110172947A1; EP2343735A1; JP2011146425A; US8483989B2

Description

この発明は発熱素子温度推定装置に関し、より詳しくは電子基板に搭載されたＭＯＳ−ＥＦＴなどの発熱性を有するパワー半導体素子の温度を推定する装置に関する。

従来、発熱素子の寿命を推定する技術として、下記特許文献１に示されるように、温度検出手段を発熱素子とその近傍にそれぞれ設け、それらによって検出される温度の偏差に基づいて発熱素子の寿命を推定することが知られている。

特開２００６−１１４５７５号公報

ところで、発熱素子の寿命は発熱素子の温度に依存するため、寿命の推定には発熱素子自体の温度を検知することが重要である。しかしながら、発熱素子に温度検出手段を直接設けるのは配線の関係上難しく、発熱素子の実際の温度を検出することは困難であった。そこで、上記特許文献１記載の技術から推測されるように、２つの温度検出手段を発熱素子から異なる距離をおいて配置し、それら温度検出手段から検出される温度勾配に基づいて発熱素子の温度を推定することが考えられる。

しかしながら、一般的に発熱素子は自身を冷却するための冷却装置を備えており、冷却装置は発熱素子の動作状態に応じてオン・オフ駆動される。そのため、発熱素子の温度推定は冷却装置の駆動状況の影響を強く受け、冷却装置の駆動状況によっては発熱素子の温度を精度良く推定することができない場合があった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、発熱素子の冷却装置の駆動状況が変化した場合でも発熱素子の温度推定を精度良く行うことができるようにした発熱素子温度推定装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１にあっては、電子基板に搭載された発熱素子の近傍において前記電子基板表面に設けられた第１の温度検出手段と、前記第１の温度検出手段よりも前記発熱素子から離間した位置において前記電子基板表面に設けられた第２の温度検出手段と、前記第１、第２の温度検出手段によって検出された温度に基づいて前記発熱素子の温度を推定する発熱素子温度推定手段と、前記発熱素子に冷却風を送る送風機からなる冷却手段と、前記冷却手段が駆動されているか否か判断する冷却手段駆動判断手段とを備え、前記第１、第２の温度検出手段は、前記第１、第２の温度検出手段を結ぶ直線と前記冷却風の流れとが前記電子基板表面上で概ね直交するように配置されると共に、前記発熱素子温度推定手段は、前記冷却手段が駆動されていないと判断されるとき、第１の所定の式を用いて前記発熱素子の温度を推定する一方、前記冷却手段が駆動されていると判断されるとき、前記第１の所定の式と異なる第２の所定の式を用いて前記発熱素子の温度を推定する如く構成した。

また、請求項２に係る発熱素子温度推定装置にあっては、前記冷却手段駆動判断手段は前記冷却風の流れにおいて前記発熱素子よりも上流側に設けられた第３の温度検出手段と、前記冷却風の流れにおいて前記発熱素子の下流側に設けられた第４の温度検出手段を備えると共に、前記第３、第４の温度検出手段によって検出された温度に基づいて前記冷却手段が駆動されているか否か判断する如く構成した。

請求項１にあっては、電子基板に搭載された発熱素子の近傍において電子基板表面に設けられた第１の温度検出手段と第１の温度検出手段よりも発熱素子から離間した位置において電子基板表面に設けられた第２の温度検出手段によって検出された温度に基づいて発熱素子の温度を推定すると共に、発熱素子に冷却風を送る送風機からなる冷却手段が駆動されているか否か判断し、第１、第２の温度検出手段を結ぶ直線と冷却風の流れとが電子基板表面上で概ね直交するように配置され、冷却手段が駆動されていないと判断されるとき、第１の所定の式を用いて発熱素子の温度を推定する一方、冷却手段が駆動されていると判断されるとき、第１の所定の式と異なる第２の所定の式を用いて発熱素子の温度を推定する如く構成、即ち、発熱素子を冷却する冷却装置の冷却風の流れと電子基板表面上で概ね直交する直線上に発熱素子から異なる距離をおいて設置された２つの温度検出手段から検出される温度勾配に基づいて発熱素子の温度を推定するに際し、冷却装置が駆動している場合と駆動していない場合に応じて温度推定式を選択する如く構成したので、発熱素子の冷却装置の駆動状況がオンからオフあるいはオフからオンへと変化した場合でも発熱素子の温度推定を精度良く行うことができる。

請求項２に係る発熱素子温度推定装置にあっては、冷却風の流れにおいて発熱素子よりも上流側に設けられた第３の温度検出手段と冷却風の流れにおいて発熱素子よりも下流側に設けられた第４の温度検出手段によって検出された温度に基づいて冷却手段が駆動されているか否か判断する如く構成したので、簡易な構成でありながら冷却手段が駆動されているか否かを適切に判断することができる。

この発明の実施例に係る発熱素子温度推定装置を全体的に示す斜視図である。図１に示す発熱素子温度推定装置の構成を示すブロック図である。図１に示す発熱素子温度推定装置の動作を示すフロー・チャートである。図１に示す発熱素子温度推定装置の温度推定について説明するグラフである。

以下、添付図面に即してこの発明に係る発熱素子温度推定装置を実施するための形態について説明する。

図１は、この発明の実施例に係る発熱素子温度推定装置を全体的に示す斜視図である。

図１において、符号１０は発熱素子温度推定装置を示す。発熱素子温度推定装置１０は、電子基板１２に搭載される発熱素子１４と、発熱素子１４の近傍に設けられる第１の温度検出手段Ａと、第１の温度検出手段Ａよりも発熱素子１４から離間した位置に設けられる第２の温度検出手段Ｂと、第１、第２の温度検出手段Ａ，Ｂによって検出された温度を取得して発熱素子１４の温度を算出（推定）する演算機（ＣＰＵ）１６からなる。

電子基板１２は樹脂材からなり、基板上には回路パターン（図示省略）が描かれる。発熱素子１４とは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチング素子のことであり、スイッチング動作中に多量の熱を生じるいわゆるパワー半導体素子である。

第１、第２の温度検出手段Ａ，Ｂは、温度変化に対して電気抵抗変化率の大きい抵抗素子を備えるサーミスタからなり、電子基板１２に搭載され、搭載位置近傍の温度を検出する。

また、発熱素子温度推定装置１０は発熱素子１４に取り付けられるヒートシンク１８と、ヒートシンク１８を介して発熱素子１４を冷却する送風機２０と、送風機２０とヒートシンク１８の間に設けられる第３の温度検出手段Ｃと、発熱素子１４あるいはヒートシンク１８に対して第３の温度検出手段Ｃとは反対の位置に設けられる第４の温度検出手段Ｄを備える。第３の温度検出手段Ｃは、即ち、送風機２０による冷却風２２の流れにおいて発熱素子１４あるいはヒートシンク１８よりも上流側に設けられると共に、第４の温度検出手段Ｄは発熱素子１４あるいはヒートシンク１８よりも下流側に設けられる。

第３、第４の温度検出手段Ｃ，Ｄもサーミスタからなり、電子基板１２に搭載され、搭載位置近傍の温度を検出する。

尚、図示の如く、第１から第４の温度検出手段Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、第１、第２の温度検出手段Ａ，Ｂを結ぶ直線と第３、第４の温度検出手段Ｃ、Ｄを結ぶ直線が概ね直交するように配置される。

図２は、発熱素子温度推定装置１０の構成を示すブロック図である。

第１の温度検出手段Ａによって検出された温度ＴＡと第２の温度検出手段Ｂによって検出された温度ＴＢと第３の温度検出手段Ｃによって検出された温度ＴＣと第４の温度検出手段Ｄによって検出された温度ＴＤはそれぞれ演算機１６に入力される。演算機１６は入力された温度ＴＡ，ＴＢ，ＴＣ，ＴＤに基づいて発熱素子１４の温度ＴＰを算出（推定）する。算出（推定）された温度ＴＰは発熱素子１４の劣化判断に用いられる。

図３は、発熱素子温度推定装置１０の動作を示すフロー・チャートである。図示のプログラムは装置が起動されると演算機１６において所定時間（例えば１００ｍｓｅｃ）ごとに実行される。

以下説明すると、まずＳ１０において第１から第４の温度検出手段Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄによって検出された温度ＴＡ，ＴＢ，ＴＣ，ＴＤを読み込む。

次いでＳ１２に進み、第３の温度検出手段Ｃによって検出された温度ＴＣが第４の温度検出手段Ｄによって検出された温度ＴＤから所定温度（例えば５℃）減算した値より低いか否か判断する。

Ｓ１２で否定される場合は、発熱素子１４よりも下流側の温度（ＴＤ）と上流側の温度（ＴＣ）が概ね同一の場合であり、送風機２０が駆動されていない（ファン冷却なし）と判断される。逆に、Ｓ１２で肯定される場合は、下流側の温度（ＴＤ）が上流側の温度（ＴＣ）に対してある程度高い場合であり、この場合、送風機２０が駆動されている（ファン冷却あり）と判断される。冷却風２２が発熱素子１４あるいはヒートシンク１８によって温められ、下流側の温度（ＴＤ）を上昇させるからである。

Ｓ１２で否定される場合は、Ｓ１４に進んで下記の式１を用いて発熱素子の温度ＴＰを算出（推定）する。

Ｓ１２で肯定される場合は、Ｓ１６に進んで下記の式２を用いて発熱素子の温度ＴＰを算出（推定）する。

式１および式２においてＬＡは発熱素子１４と第１の温度検出手段Ａの距離を示し、ＬＢは発熱素子１４と第２の温度検出手段Ｂの距離を示す（図１参照）。また、αは０＜α＜１の範囲の値をとる係数である。

図４は、式１および式２による温度推定について説明するグラフである。

横軸は発熱素子１４と第１の温度検出手段Ａと第２の温度検出手段Ｂの位置を示し、縦軸はそれら位置における温度を示す。図４中の実線から理解されるように、式１は第１の温度検出手段Ａによって検出された温度ＴＡと第２の温度検出手段Ｂによって検出された温度ＴＢの温度勾配から発熱素子１４の温度を算出（推定）するものである。

また、図４中の破線から理解されるように、式２は第１の温度検出手段Ａによって検出された温度ＴＡと第２の温度検出手段Ｂによって検出された温度ＴＢの温度勾配に係数αを乗算したものから発熱素子１４の温度を算出（推定）するものである。このように、ファン冷却がある場合、温度勾配に係数αを乗算して発熱素子１４の温度を算出（推定）するのは、図４に示す如く、発熱素子１４と第１の温度検出手段Ａの間の温度勾配が第１の温度検出手段Ａと第２の温度検出手段Ｂの間の温度勾配に比して減少するからである。

尚、係数αは第４の温度検出手段Ｄによって検出される温度ＴＤと第３の温度検出手段Ｃによって検出される温度ＴＣの差に反比例する値である。即ち、係数αは送風機２０による発熱素子１４の冷却の程度を示す係数である。よって、式２の如く、ファン冷却がある場合、発熱素子１４の温度推定は第１から第４の温度検出手段Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄによって検出される温度ＴＡ，ＴＢ，ＴＣ，ＴＤに基づいて行われると言える。

上記した如く、この実施例にあっては、電子基板（１２）に搭載された発熱素子（１４）の近傍において前記電子基板（１２）の表面に設けられた第１の温度検出手段（Ａ）と、前記第１の温度検出手段よりも前記発熱素子から離間した位置において前記電子基板（１２）の表面に設けられた第２の温度検出手段（Ｂ）と、前記第１、第２の温度検出手段によって検出された温度（ＴＡ，ＴＢ）に基づいて前記発熱素子の温度（ＴＰ）を推定する発熱素子温度推定手段（演算機１６，Ｓ１４）と、前記発熱素子に冷却風（２２）を送る送風機（２０）からなる冷却手段（送風機２０）と、前記冷却手段が駆動されているか否か判断する冷却手段駆動判断手段（演算機１６，Ｓ１２）とを備え、前記第１、第２の温度検出手段は、前記第１、第２の温度検出手段を結ぶ直線と前記冷却風の流れとが前記電子基板（１２）の表面上で概ね直交するように配置されると共に、前記発熱素子温度推定手段は、前記冷却手段が駆動されていないと判断されるとき、第１の所定の式（式１）を用いて前記発熱素子の温度（ＴＰ）を推定する一方、前記冷却手段が駆動されていると判断されるとき、前記所定の式と異なる第２の所定の式（式２）を用いて前記発熱素子の温度（ＴＰ）を推定する如く構成した。

即ち、発熱素子から異なる距離をおいて設置された２つの温度検出手段から検出される温度勾配に基づいて発熱素子の温度を推定するに際し、発熱素子を冷却する冷却装置が駆動している場合と駆動していない場合に応じて温度推定式を選択する如く構成したので、発熱素子の冷却装置の駆動状況がオンからオフあるいはオフからオンへと変化した場合でも発熱素子の温度推定を精度良く行うことができる。

また、前記冷却手段駆動判断手段は前記冷却風の流れにおいて前記発熱素子よりも上流側に設けられた第３の温度検出手段（Ｃ）と、前記冷却風の流れにおいて前記発熱素子の下流側に設けられた第４の温度検出手段（Ｄ）を備えると共に、前記第３、第４の温度検出手段によって検出された温度（ＴＣ，ＴＤ）に基づいて前記冷却手段が駆動されているか否か判断する（Ｓ１２）如く構成した。

それにより、簡易な構成でありながら冷却手段が駆動されているか否かを適切に判断することができる。

尚、上記において送風機２０を用いて発熱素子１４をヒートシンク１８を介して冷却するようにしたが、ヒートシンク１８は必須の構成ではないため、除去しても良い。

また、発熱素子としてＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴを挙げたが一例であって他の半導体素子を想定しても良い。

１０：発熱素子温度推定装置、１２：電子基板、１４：発熱素子、１６：演算機、１８：ヒートシンク、２０：送風機、２２：冷却風、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ：温度検出手段

Claims

電子基板に搭載された発熱素子の近傍において前記電子基板表面に設けられた第１の温度検出手段と、前記第１の温度検出手段よりも前記発熱素子から離間した位置において前記電子基板表面に設けられた第２の温度検出手段と、前記第１、第２の温度検出手段によって検出された温度に基づいて前記発熱素子の温度を推定する発熱素子温度推定手段と、前記発熱素子に冷却風を送る送風機からなる冷却手段と、前記冷却手段が駆動されているか否か判断する冷却手段駆動判断手段とを備え、前記第１、第２の温度検出手段は、前記第１、第２の温度検出手段を結ぶ直線と前記冷却風の流れとが前記電子基板表面上で概ね直交するように配置されると共に、前記発熱素子温度推定手段は、前記冷却手段が駆動されていないと判断されるとき、第１の所定の式を用いて前記発熱素子の温度を推定する一方、前記冷却手段が駆動されていると判断されるとき、前記第１の所定の式と異なる第２の所定の式を用いて前記発熱素子の温度を推定することを特徴とする発熱素子温度推定装置。
前記冷却手段駆動判断手段は前記冷却風の流れにおいて前記発熱素子よりも上流側に設けられた第３の温度検出手段と、前記冷却風の流れにおいて前記発熱素子の下流側に設けられた第４の温度検出手段を備えると共に、前記第３、第４の温度検出手段によって検出された温度に基づいて前記冷却手段が駆動されているか否か判断することを特徴とする請求項１記載の発熱素子温度推定装置。